[发明专利]一种金属双极板及其制备方法以及燃料电池

说明书

本发明是关于一种金属双极板及其制备方法以及燃料电池，涉及燃料电池技术领域。主要采用的技术方案为：所述金属双极板包括金属基板、Cu纳米层、石墨烯层及非晶碳膜。其中，Cu纳米层沉积在金属基板上；石墨烯层制备在Cu纳米层上；非晶碳膜沉积在石墨烯层上。一种燃料电池包括上述的金属双极板。本发明主要用于提高金属双极板的耐腐蚀性、导电性，以及提高涂层与金属基板的结合力，从而延长金属双极板及燃料电池的使用寿命。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池技术领域，特别是涉及一种金属双极板及其制备方法以及燃料电池。

背景技术

双极板是PEMFC电堆的最关键部件之一，其成本在电堆的成本中占35％左右。双极板主要用于传递电子、传递热量、收集气体、分割单电池等。因此，开发具有高导电导热性，低气体渗透率，高机械强度，高耐腐蚀性，易于加工流道等特点的材料是目前双极板研究的主要目标。

与炭基双极板燃料电池相比，金属双极板燃料电池具有高功率密度等优点。但是，由于燃料电池本身苛刻的工作环境，现有的金属材料(包括不锈钢、钛、铝合金等常见的材料)都无法满足金属双极板燃料电池的长期工作的要求；特别是不锈钢材料溶出的铁离子对电堆的性能会产生严重的影响。

为了提高金属双极板燃料电池的稳定性，现有技术对金属双极板的表面进行改性；目前，金属双极板的主要制备方法是采用物理气相沉积法在金属基板上沉积涂层。但是，现有技术至少存在如问题：

(1)涂层与金属基板的结合力差，造成双极板寿命比较短，经过数百到数千小时后，涂层往往会出现脱落、内部腐蚀现象。

(2)由于物理气相沉积的固有特点，会使涂层的内部及表面均存在针孔，腐蚀介质通过针孔进入膜层内部达到金属基体，腐蚀基体。虽然，现有技术也对针孔缺陷提出了修复方案，但是现有的修复方案只能封闭耐腐蚀涂层表面的孔隙，对耐腐蚀涂层内部孔隙的封闭能力有限。

(3)由于离化效率比较低，导致薄膜沉积速度比较慢，一般沉积速度只有几个纳米每分钟，导致整体镀膜时间比较长。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种金属双极板及其制备方法以及燃料电池，主要目的在于提供一种耐腐蚀性良好、涂层不易脱落的金属双极板。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一方面，本发明的实施例提供一种金属双极板，其特征在于，所述金属双极板包括：

金属基板；

Cu纳米层，所述Cu纳米层沉积在所述金属基板上；

石墨烯层，所述石墨烯层制备在所述Cu纳米层上；

优选的，所述石墨烯层原位生长在所述Cu纳米层上。

优选的，金属双极板还包括非晶碳膜，所述非晶碳膜沉积在所述石墨烯层上。

优选的，在所述石墨烯层和非晶碳膜之间具有过渡部分；其中，所述过渡部分的成分包括石墨烯和非晶碳。

优选的，所述石墨烯层为偏压等离子体化学气相沉积涂层；和/或

所述Cu纳米层为物理气相沉积涂层；优选的，所述Cu纳米层为多弧离子镀沉积涂层；和/或

所述非晶碳膜为偏压等离子体化学气相沉积涂层；和/或

所述非晶碳膜的厚度为50nm-10μm；和/或

所述Cu纳米层的厚度为20～2000nm；和/或

所述石墨烯层的层数为1-3层(所谓的石墨烯层数是指单层的碳原子层的堆叠。在材料学上20层以内的碳原子层的堆叠均可以成为石墨烯层)；

所述石墨烯层的总厚度为0.2-1.0nm。