[发明专利]一种燃料电池复合纳米涂层及其镀制方法

说明书

本发明涉及一种燃料电池复合纳米涂层及其镀制方法，该复合纳米涂层为镶嵌有金属碳化物的非晶碳涂层，通过燃料电池金属极板表面预处理、沉积复合纳米涂层等步骤镀制得到。与现有技术相比，本发明可以提高离化率从而提高碳化物的形成的几率，同时高的离化率提高粒子对基体材料的轰击，从而提增强膜基结合力以及致密性，避免裂纹、穿孔等缺陷，同时仍然具有良好的导电性，能够满足燃料电池金属极板的使用要求。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及燃料电池金属极板碳化物-非晶碳复合纳米涂层及采用多弧离子镀进行制备的方法。

背景技术

燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的启动速率快、能量转化效率高、环境友好的发电装置，在不久的将来能够广泛应用于交通、电子、国防等领域。质子交换膜燃料电池包括电极。电解质隔膜、双极板、气体扩散层的那个主要部件极板是燃料电池的关键组件之一，主要起着支撑膜电极、分配反应气体、收集电流、分隔氧化剂和还原剂、传导热量、排出产物水的作用。燃料电池在强酸性环境下运行，pH值在0～3.5之间，并且含有0.1～1M H2SO4、1～5ppmF-以及少量的其他离子。因此要求极板具有一定的强度、良好的导电性、抗腐蚀性、气体不透过性

目前用于极板的材料主要是石墨、金属和碳基复合材料。金属材料具有良好的导电导热性、较高的机械强度，成形容易、加工成本低等优点，因此近年来燃料电池金属极板研究为主要方向。但金属极板在燃料电池强酸性、高湿度、高温度的条件下运行，容易发生腐蚀，金属离子降解导致催化剂中毒，影响反应的进行。此外，金属极板表面会形成一层钝化膜，极大的增加了极板与气体扩散层的接触电阻，降低极板性能。因此，金属极板的广泛应用，对其耐腐蚀性和运行过程中导电性的保持成为一个重要的研究课题。

现在公开技术中，提高金属极板耐腐蚀性和导电性主要由三种途径：(1)金属极板表面组织成分的改变；(2)金属极板表面改性；(3)在金属极板表面镀一层或多层膜。目前，采用真空溅射镀膜、真空蒸发镀膜、多弧离子镀膜、化学气相沉积、离子注入与离子辅助沉积等技术在金属极板表面制备一层或多层保护膜是研究的热点。专利公开号CN102800871A公开了采用闭合场非平衡磁控溅射技术在不锈钢极板表面沉积碳铬阶梯镀层，通过调节Cr靶、C靶电流、氩气流量及基体偏压等工艺参数来调整阶梯镀层成分，大幅提高了金属极板的耐腐蚀性能，降低了接触电阻。专利CN103132026A通过阴极弧离子镀在基体上面制备AlCrN涂层提高了涂层的致密性，此类涂层运用离子镀有较好的结合力涂层缺陷比较少，但是没有减小基体的接触电阻。专利CN101393991A采用离子注入的方法将铜离子注入不锈钢薄板中，在不锈钢薄板表面几十纳米范围内形成注入层，降低了金属极板额腐蚀电流密度。专利CN105047975A提出通过在表面沉积连续绝缘层和不连续的导电颗粒相结合的表面处理工艺，形成了致密的保护层的同时降低了接触电阻，其不连续导电颗粒是通过等离子体热喷涂技术制得的。但是这类薄膜缺陷较多，没有较好的提高极板耐腐蚀性能。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池复合纳米涂层以及采用多弧离子镀进行涂层镀制的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池复合纳米涂层，为镶嵌有金属碳化物的非晶碳涂层，其中的非晶碳提供较好的导电性，碳化物提供较好的耐腐蚀性，复合纳米涂层的厚度为50-100nm。

作为优选的实施方式，金属碳化物为碳化物的纳米结构层，包括但不仅限于Cr2C3、TiC、Cr7C3、VC或NbC，由于非晶碳涂层能够保证表面较低的接触电阻，在此涂层中镶嵌如金属碳化物例如TiC，能同时得到很好的耐腐蚀性能，并且导电性也较好，从而得到更加优良的极板涂层。