CN109755592B - 一种金属双极板及其制备方法以及燃料电池 - Google Patents
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Abstract
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：金属双极板包括金属基板、耐腐蚀涂层及导电涂层。其中，金属基板包括经过氮化处理的第一面；耐腐蚀涂层沉积在金属基板的第一面上；导电涂层沉积在所述耐腐蚀涂层上。一种金属双极板的制备方法包括对金属基板进行预处理、高温氮化处理的步骤、在金属基板的经过氮化处理的第一面上沉积耐腐蚀涂层的步骤、在耐腐蚀涂层上沉积导电涂层的步骤。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、提高涂层与金属基板的结合力、延长金属双极板及燃料电池的使用寿命。
Description
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
对于PEM电解制氢和PEMFC燃料电池行业，双极板材料的成本占整个燃料电池成本的25～35％。双极板的主要材料为石墨板，但是，石墨具有价格高昂、机械加工性能差等缺点。于是，现有技术采用市场使用量大、价格低廉、机械加工、韧性、强度好的金属板代替石墨板。但是，金属板的表面会生成导电性较差的氧化层，同时在电堆的工作环境下易发生腐蚀。并且，金属腐蚀产生的金属离子经扩散后，进入膜电极后，会使质子交换膜的电导率下降，甚至还会使催化剂中毒，从而对电池性能产生非常不利的影响。
因此，为了克服金属板存在的上述问题，现有技术主要采用物理气相沉积法在金属板的表面沉积耐腐蚀涂层，使其能满足双极板的性能要求。金属板经过耐腐蚀涂层修复后初始性能测试基本满足双极板的要求。
但是，采用物理气相沉积法在金属板的表面沉积耐腐蚀涂层的技术至少还存在如下技术问题：
(1)耐腐蚀涂层与金属板的结合力差(特别是铁基不锈钢材料)，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)物理气相沉积固有的缺陷，造成镀层中出现针孔现象，腐蚀介质通过针孔进入膜层内部达到金属基板，腐蚀基板。腐蚀后的铁离子、铬、镍等离子又会反作用于膜电池，造成燃料电池性能大幅度的下降。
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、导电性良好的金属双极板。
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，其中，所述金属双极板包括：
金属基板，所述金属基板包括经过氮化处理的第一面；
耐腐蚀涂层，所述耐腐蚀涂层沉积在所述金属基板的第一面上；
导电涂层，所述导电涂层沉积在所述耐腐蚀涂层上。
优选的，所述氮化处理为气体氮化处理；和/或所述耐腐蚀涂层的成分包括第一金属；第一金属包括钛、铬、钨、镍、铝、铜中的一种或多种；优选的，所述耐腐蚀涂层的厚度为20nm～5um；优选的，所述耐腐蚀涂层具有多个第一针孔；其中，所述第一针孔分布在所述耐腐蚀涂层的表面和内部；所述第一针孔由所述第一金属形成的氧化物封堵。
优选的，以质量百分数计，所述导电涂层的成分包括60～90％的碳和10～40％的第二金属；优选的，以质量百分数计，所述导电涂层的成分包括85～90％的碳和10～15％的第二金属；优选的，第二金属为钛；优选的，所述导电涂层具有多个第二针孔，所述第二针孔由所述第二金属形成的氧化物封堵。
优选的，所述金属双极板还包括疏水层；其中，所述疏水层设置在所述导电涂层上；优选的，所述疏水层的成分包括PTFE。
另一方面，本发明的实施例提供一种金属双极板的制备方法，包括如下步骤：
第一步预处理：对金属基板进行除油处理；
氮化处理：对所述金属基板进行高温氮化处理；
沉积耐腐蚀涂层：在金属基板的经过氮化处理的第一面上沉积耐腐蚀涂层；
沉积导电涂层：在所述金属基板的耐腐蚀涂层上沉积导电涂层。
优选的，所述第一步预处理的步骤具体为：采用氢氧化钠溶液对金属基板进行第一次除油处理、采用酒精对金属基板进行第二次除油处理。
优选的，所述氮化处理的步骤，包括：在氮化气体下，对所述金属基板进行热处理；其中，热处理的温度为450～850℃，热处理的时间为0.5～4h；优选的，所述热处理的温度为800～850℃，热处理的时间为1～2h；优选的，所述氮化处理的步骤在气氛炉中进行。
优选的，在所述氮化的处理步骤之后、沉积耐腐蚀涂层的步骤之前，还包括第二步预处理的步骤，以提高所述金属基板的第一面的粗糙度；优选的，所述第二步预处理的步骤，包括：在真空室中，加热经过氮化处理后的金属基板，通入工作气体，设置负偏压，对所述金属基板的第一面进行离子溅射；优选的，所述真空室的真空度3×10-3Pa～6×10-3Pa；工作气体为惰性气体；工作气体的压力为0.5～1.5Pa；负偏压设定成-200～-3200V；所述金属基板的温度为120～300℃；离子溅射时间为1～3min；优选的，所述第二步预处理的步骤在偏压磁控多弧离子镀膜设备中进行。
优选的，所述沉积耐腐蚀涂层的步骤，包括：
沉积第一金属层：将真空室的真空度抽至3×10-3Pa～6×10-3Pa，通入惰性气体，设置负偏压-100～-500V，打开金属靶，对导电涂层进行离子溅射，在所述金属基板的第一面上沉积一层第一金属层；优选的，第一金属包括钛、铬、钨、镍、铝、铜中的一种或多种；
氧化封孔修饰处理：向真空室中通入惰性气体和氧气，设定偏压-100～-500V，对氧气进行激化电离，使氧离子轰击所述第一金属层1～15min，得到由第一金属氧化物封孔的耐腐蚀涂层；其中，所述惰性气体的压力为0.5-1Pa、所述氧气的压力为0.1-0.5Pa；
优选的，在沉积耐腐蚀涂层步骤中，金属基板的温度为350～500℃；
优选的，所述沉积耐腐蚀涂层的步骤在偏压磁控多弧离子镀膜设备中进行。
优选的，所述沉积导电涂层的步骤，包括：在真空室中，抽真空至3×10-3Pa～6×10-3Pa，通入0.5～1.5Pa的惰性气体、设定-100～-500V的偏压、在耐腐蚀涂层上沉积成分包括碳和第二金属的导电涂层；优选的，以质量百分数计，所述导电涂层的成分包括60～90％的碳和10～40％的第二金属；优选的，所述导电涂层的成分包括85～90％的碳和10～15％的第二金属；优选的，第二金属为钛；优选的，在所述沉积导电涂层的步骤中，金属基板的温度保持在80～500℃；优选的，所述沉积导电涂层的步骤在偏压磁控多弧离子镀膜设备中进行。
优选的，所述金属双极板的制备方法还包括如下步骤：表面疏水处理，在所述导电涂层的表面设置疏水层；优选的，所述表面疏水处理的步骤，具体为：将依次沉积有耐腐蚀涂层、导电涂层的金属基板浸入疏水剂中，进行表面疏水处理，在所述导电涂层的表面形成疏水层；对疏水层进行固化处理，冷却后，得到金属双极板；优选的，所述疏水剂选用质量分数为0.1-5％的PTFE溶液；优选的，所述表面疏水处理的时间为30s～5min；优选的，所述疏水层的厚度为2～20nm；优选的，对疏水层进行固化处理的步骤为：将表面形成疏水层的金属基板加热至200～450℃，热处理30s～10min。
再一方面，本发明的实施例还提供一种燃料电池，其中，所述燃料电池包括金属双极板；其中所述金属双极板为上述任一项所述的金属双极板；或所述金属双极板由上述任一项所述的金属双极板的制备方法制备而成。
与现有技术相比，本发明的金属双极板及其制备方法以及燃料电池至少具有下列有益效果：
本发明实施例提供的金属双极板及其制备方法，通过使金属基板的第一面为渗氮处理结构(较佳地，对金属基板的第一面进行渗氮热处理)，这样设置，能提高金属基板的第一面的耐腐蚀性、导电性，以及金属基板的第一面与耐腐蚀涂层的结合力。另外，本发明实施例在耐腐蚀涂层上沉积导电涂层，可以进一步提高金属双极板的耐腐蚀性及导电性。
进一步地，本发明实施例提供的金属双极板及其制备方法，通过使耐腐蚀涂层的主要成分为第一金属(较佳地，第一金属包括钛、铬、钨、镍、铝、铜中的一种或多种)；其中，耐腐蚀涂层的内部及表面均具有第一针孔，且第一针孔由第一金属形成的氧化物封堵。在此，由于物理气相沉积法的固有缺陷就是会使沉积层中出线针孔(针对针孔的修复问题，现有技术也提及自修复和氧化封孔的处理方法，但这些封孔措施主要是针对耐腐蚀涂层表面的缺陷，对涂层内部的针孔封孔效果有限)。本发明实施例首次提出在沉积第一金属后，通入少量的氧气，采用高速氧离子轰击耐腐蚀涂层；一方面，可以清除表面结合力较差的部分，提高与后续沉积的导电涂层的结合力；另一方面，高能的氧离子颗粒可以穿透耐腐蚀表面进入耐腐蚀涂层内部对少量的第一金属进行氧化封孔，修补缺陷，而少量的氧化又不会对耐腐蚀涂层的导电性造成影响。
进一步地，本发明实施例提供的金属双极板及其制备方法，通过使导电涂层的成分包括碳和第二金属(优选为钛)；在此，碳作为导电涂层的主要成分，主要是进一步提高金属双极板的导电性；而第二金属的添加是为了氧化封孔，即在氧气的存在下，形成第二金属氧化物，以封堵导电涂层上的针孔；从而进一步提高导电涂层的耐腐蚀性。
进一步地，本发明实施例提供的金属双极板及其制备方法，通过在导电涂层上设置一层疏水层，提高金属双极板的疏水性，进一步阻止氢离子通过针孔向基体内部渗透，进一步提高金属双极板的耐腐蚀性。另外，PTFE的疏水性能较好，且不影响金属双极板的导电性能。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明的实施例提供的一种金属双极板的结构示意图；
图2是本发明的实施例提供的另一种金属双极板的结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
实施例1
本实施例提供一种金属双极板，如图1和图2所示，本实施例中的金属双极板包括：金属基板1、耐腐蚀涂层2及导电涂层3。其中，金属基板1包括经过氮化处理的第一面(在此，金属基板1的第一面经过氮化处理，在金属基板1的第一面及其附近的部分形成渗氮层11)；耐腐蚀涂层2沉积在金属基板1的第一面上导电涂层3沉积在耐腐蚀涂层1上。
本实施例提供的金属双极板通过使金属基板的第一面为渗氮处理结构(较佳地，为渗氮热处理结构)，这样设置，能提高金属基板的第一面的耐腐蚀性、导电性，以及金属基板的第一面与耐腐蚀涂层的结合力。另外，本实施例在耐腐蚀涂层上沉积导电涂层，可以进一步提高金属双极板的耐腐蚀性及导电性。
较佳地，本实施例中的氮化处理为气体氮化处理；具体氮化步骤参见实施例5所示。
实施例2
较佳地，本实施例提供一种金属双极板，与上一实施例相比，如图1和图2所示，耐腐蚀涂层2的主要成分包括第一金属(即，第一金属单质)。在此，第一金属包括钛、铬、钨、镍、铝、铜中的一种或多种。耐腐蚀涂层2的厚度为20nm～5um。耐腐蚀涂层2具有多个第一针孔；其中，第一针孔分布在耐腐蚀涂层2的表面和内部；第一针孔由第一金属形成的氧化物21封堵。
在此，由于物理气相沉积法的固有缺陷就是会使沉积层中出线针孔(针对针孔的修复问题，现有技术也提及自修复和氧化封孔的处理方法，但这些封孔措施主要是针对耐腐蚀涂层表面的缺陷，对涂层内部的针孔的封孔效果有限。本发明实施例首次提出在沉积第一金属后，通入少量的氧气，采用高速氧离子轰击耐腐蚀涂层；一方面，可以清除表面结合力较差的部分，提高与后续沉积的导电涂层的结合力；另一方面，高能的氧离子颗粒可以穿透耐腐蚀表面进入耐腐蚀涂层内部对少量的第一金属进行氧化，形成氧化物21，以封堵针孔(氧化封孔)，修补缺陷，而少量的氧化又不会对耐腐蚀涂层的导电性造成影响。
当然，具体针孔封堵情况由通入氧气的量而定，在此被封堵的针孔定义为第一针孔。在此，第一针孔不仅仅分布在耐腐蚀涂层的表面，也分布在耐腐蚀涂层的内部。
实施例3
较佳地，本实施例提供一种金属双极板，与上述实施例相比，如图1和图2所示，本实施例对导电涂层2具体设计如下：以质量百分数计，导电涂层2的成分包括60～90％的碳和10～40％的第二金属；优选的，以质量百分数计，导电涂层2的成分包括85～90％的碳和10～15％的第二金属。优选的，第二金属为钛。较佳地，导电涂层2具有多个第二针孔，所述第二针孔由所述第二金属形成的氧化物封堵。
本实施例提供的金属双极板，通过使导电涂层的成分包括碳和第二金属(优选为钛)；在此，碳作为导电涂层的主要成分，主要是进一步提高金属双极板的导电性；而第二金属的添加是为了氧化封孔，即在氧气的存在下，形成第二金属氧化物，以封堵导电涂层上的针孔(被封闭的针孔定义为第二针孔)；从而进一步提高导电涂层的耐腐蚀性。
实施例4
较佳地，本实施例提供一种金属双极板，与上述实施例相比，如图1所示，本实施例的金属双极板还包括疏水层4；其中，疏水层4设置在导电涂层3上；进一步优选的，疏水层4的成分包括PTFE。
本实施例提供的金属双极板通过在导电涂层3上设置一层疏水层，提高金属双极板的疏水性，进一步阻止氢离子通过针孔向基体内部渗透，进一步提高金属双极板的耐腐蚀性。另外，PTFE的疏水性能较好，且不影响金属双极板的导电性能。
较佳地，上述实施例中的金属基板的材质为铁基不锈钢、钛、钛合金、铝、铝合金、镍等材料。
实施例5
另一方面，本实施例提供一种金属双极板(该金属双极板为上述任一实施例所述的金属双极板)的制备方法，如图1至图2所示，具体包括如下步骤：
1.第一步预处理：对金属基板1进行除油处理；
具体地，该步骤具体为：采用氢氧化钠溶液对金属基板进行第一次除油处理、采用酒精对金属基板进行第二次除油处理。
2.氮化处理：对所述金属基板1进行高温氮化处理；
较佳地，氮化处理的步骤，包括：在氮化气体下(优选的，氮化气体包括氮气；或氮化气体为氮气和氩气的混合气体；或氮化气体为氮气和氢气的混合气体)，对所述金属基板进行热处理；其中，热处理的温度为450～850℃，热处理的时间为0.5～4h；优选的，所述热处理的温度为800～850℃，热处理的时间为1～2h；优选的，所述氮化处理的步骤在气氛炉中进行。
3.第二步预处理：在真空室中，加热经过氮化处理后的金属基板1，通入工作气体，设置负偏压，对金属基板的第一面进行离子溅射，以提高所述金属基板的第一面的粗糙度。
较佳地，所述真空室的真空度3×10-3Pa～6×10-3Pa；工作气体为惰性气体；工作气体的压力为0.5～1.5Pa；负偏压设定成-200～-3200V；所述金属基板的温度为120～300℃；离子溅射时间为1～3min；
优选的，所述第二步预处理的步骤在偏压磁控多弧离子镀膜设备中进行。
4.沉积耐腐蚀涂层：在金属基板1的经过氮化处理的第一面上沉积耐腐蚀涂层2；
1)沉积第一金属层：将真空室的真空度抽至3×10-3Pa～6×10-3Pa，通入惰性气体，设置负偏压-100～-500V，打开金属靶，对导电涂层进行离子溅射，在所述金属基板的第一面上沉积一层第一金属层。
2)氧化封孔修饰处理：向真空室中通入惰性气体和氧气，设定偏压-100～-500V，对氧气进行激化电离，使氧离子轰击所述第一金属层1～15min，得到由第一金属氧化物封孔的耐腐蚀涂层；其中，所述惰性气体的压力为0.5-1Pa、所述氧气的压力为0.1-0.5Pa。
优选的，第一金属包括钛、铬、钨、镍、铝、铜中的一种或多种；
优选的，在沉积耐腐蚀涂层步骤中，金属基板的温度为350～500℃；
优选的，所述沉积耐腐蚀涂层的步骤在偏压磁控多弧离子镀膜设备中进行。
5.沉积导电涂层：在真空室中，抽真空至3×10-3Pa～6×10-3Pa，通入0.5～1.5Pa的惰性气体、设定-100～-500V的偏压、在耐腐蚀涂层2上沉积成分包括碳和第二金属的导电涂层3。
较佳地，以质量百分数计，所述导电涂层的成分包括60～90％的碳和10～40％的第二金属；优选的，所述导电涂层的成分包括85～90％的碳和10～15％的第二金属；优选的，第二金属为钛；
较佳地，在所述沉积导电涂层的步骤中，金属基板的温度保持在80～500℃；
较佳地，所述沉积导电涂层的步骤在偏压磁控多弧离子镀膜设备中进行。
6.表面疏水处理：在所述导电涂层3的表面设置疏水层4；
具体地，表面疏水处理的步骤，具体为：将依次沉积有耐腐蚀涂层2、导电涂层3的金属基板1浸入疏水剂中，进行表面疏水处理，在导电涂层3的表面形成疏水层4；对疏水层4进行固化处理，自然冷却后，得到金属双极板；
较佳地，疏水剂选用质量分数为0.1-5％的PTFE溶液；进一步优选为0.5～2％的PTFE溶液。
较佳地，表面疏水处理的时间为30s～5min；
较佳地，疏水层的厚度为2～20nm；
较佳地，对疏水层进行固化处理的步骤为：将表面形成疏水层的金属基板加热至200～450℃(优选为300～450℃)，热处理30s～10min(优选为3～5min)。
下面通过具体实验实施例进一步对本发明进行如下说明：
实验实施例1
本实施例的金属基板选定316L不锈钢。由该金属基板沉积涂层，制备成金属双极板的步骤，具体如下：
1)用1M氢氧化钠溶液在80℃下对金属基板进行第一次除油处理30min，清洗干净后，用酒精对金属基板进行第二次除油清洗。
2)将金属基板置于气氛炉中，抽真空至相对真空度-0.1MPa后，通入氮气，程序升温到800℃，升温速度为5℃/min，保温时间为1h；之后自然冷却到室温后取出，置于纯水中超声清洗干净后，放入纯水中备用，使用前用洁净氮气吹扫干净。
3)采用偏压磁控电弧离子镀膜设备，将氮化处理后的金属基板送入真空室中，抽真空到5×10-3Pa、将金属基板加热到270℃、通入1Pa的氩气、设定偏压在-1200V，对金属基板进行表面离子溅射和刻蚀活化，时间控制在1min。
4)在金属基板表面沉积耐腐蚀涂层；其中，耐腐蚀涂层的成分为铬。对耐腐蚀涂层进行氧化修饰：在真空室中通入0.8Pa的氩气和0.2Pa的氧气的混合气体，设定偏压在-200V，进行表面离子溅射和刻蚀，时间为5min。
5)对真空室抽真空5×10-3Pa、通入1Pa的氩气，保持金属基板200℃温度，设定偏压在-300V，对金属基板沉积碳钛混合物(即，导电涂层)，镀膜完成后测定碳含量为90wt％、钛含量为10wt％,沉积时间为1h。
6)对步骤5)沉积完成后的样品浸没在0.3％的PTFE水溶液中，取出后沥干水分，放入250℃烘箱中加热10min，自然冷却后，得到金属双极板。
实验实施例2
本实施例的金属基板选定316L不锈钢。由该金属基板沉积涂层，制备成金属双极板的步骤，具体如下：
1)用1M氢氧化钠溶液在80℃下对金属基板进行第一次除油处理30min，清洗干净后，用酒精对金属基板进行第二次除油清洗。
2)将金属基板置于气氛炉中，抽真空至相对真空度-0.1MPa后，通入氮气，程序升温到800℃，升温速度为5℃/min，保温时间为1h；之后自然冷却到室温后取出，置于纯水中超声清洗干净后，放入纯水中备用，使用前用洁净氮气吹扫干净。
3)采用偏压磁控电弧离子镀膜设备，将氮化处理后的金属基板送入真空室中，抽真空到5×10-3Pa、将金属基板加热到270℃、通入1Pa的氩气、设定偏压在-1200V，对金属基板进行表面离子溅射和刻蚀活化，时间控制在1min。
4)在金属基板表面沉积耐腐蚀涂层；其中，耐腐蚀涂层的成分为铬。对耐腐蚀涂层进行氧化修饰：在真空室中通入0.7Pa的氩气和0.3Pa的氧气的混合气体，设定偏压在-200V，进行表面离子溅射和刻蚀，时间为5min。
5)对真空室抽真空5×10-3Pa、通入1Pa的氩气，保持金属基板250℃温度，设定偏压在-330V，对金属基板沉积碳钛混合物(即，导电涂层)，镀膜完成后测定碳含量为80wt％、钛含量为20wt％,沉积时间为1h。
6)对步骤5)沉积完成后的样品浸没在0.3％的PTFE水溶液中，取出后沥干水分，放入250℃烘箱中加热10min，自然冷却后，得到金属双极板。
实验实施例3
本实施例的金属基板选定316L不锈钢。由该金属基板沉积涂层，制备成金属双极板的步骤，具体如下：
1)用1M氢氧化钠溶液在80℃下对金属基板进行第一次除油处理30min，清洗干净后，用酒精对金属基板进行第二次除油清洗。
2)将金属基板置于气氛炉中，抽真空至相对真空度-0.1MPa后，通入氮气，程序升温到830℃，升温速度为5℃/min，保温时间为1h；之后自然冷却到室温后取出，置于纯水中超声清洗干净后，放入纯水中备用，使用前用洁净氮气吹扫干净。
3)采用偏压磁控电弧离子镀膜设备，将氮化处理后的金属基板送入真空室中，抽真空到5×10-3Pa、将金属基板加热到280℃、通入1Pa的氩气、设定偏压在-1800V，对金属基板进行表面离子溅射和刻蚀活化，时间控制在1min。
4)在金属基板表面沉积耐腐蚀涂层；其中，耐腐蚀涂层的成分为钨。对耐腐蚀涂层进行氧化修饰：在真空室中通入0.8Pa的氩气和0.2Pa的氧气的混合气体，设定偏压在-480V，进行表面离子溅射和刻蚀，时间为5min。
5)对真空室抽真空5×10-3Pa、通入1Pa的氩气，保持金属基板320℃温度，设定偏压在-280V，对金属基板沉积碳钛混合物(即，导电涂层)，镀膜完成后测定碳含量为85wt％、钛含量为15wt％,沉积时间为1h。
6)对步骤5)沉积完成后的样品浸没在0.3％的PTFE水溶液中，取出后沥干水分，放入250℃烘箱中加热10min，自然冷却后，得到金属双极板。
实验实施例4
本实施例的金属基板选定316L不锈钢。由该金属基板沉积涂层，制备成金属双极板的步骤，具体如下：
1)用1M氢氧化钠溶液在80℃下对金属基板进行第一次除油处理30min，清洗干净后，用酒精对金属基板进行第二次除油清洗。
2)将金属基板置于气氛炉中，抽真空至相对真空度-0.1MPa后，通入氮气至常压，再次抽真空至相对真空度0.1Mpa后通入氮气，程序升温到850℃，升温速度为5℃/min，保温时间为1h；之后自然冷却到室温后取出，置于纯水中超声清洗干净后，放入纯水中备用，使用前用洁净氮气吹扫干净。
3)采用偏压磁控电弧离子镀膜设备，将氮化处理后的金属基板送入真空室中，抽真空到5×10-3Pa、将金属基板加热到150℃、通入1Pa的氩气、设定偏压在-800V，对金属基板进行表面离子溅射和刻蚀活化，时间控制在1min。
4)在金属基板表面沉积耐腐蚀涂层；其中，耐腐蚀涂层的成分为钛。对耐腐蚀涂层进行氧化修饰：在真空室中通入0.8Pa的氩气和0.2Pa的氧气的混合气体，设定偏压在-350V，进行表面离子溅射和刻蚀，时间为5min。
5)对真空室抽真空5×10-3Pa、通入1Pa的氩气，保持金属基板250℃温度，设定偏压在-380V，对金属基板沉积碳钛混合物(即，导电涂层)，镀膜完成后测定碳含量为80wt％、钛含量为20wt％,沉积时间为1h。
6)对步骤5)沉积完成后的样品浸没在0.5％的PTFE水溶液中，取出后沥干水分，放入350℃烘箱中加热5min，自然冷却后，得到金属双极板。
实验实施例5
本实施例的金属基板选定316L不锈钢。由该金属基板沉积涂层，制备成金属双极板的步骤，具体如下：
1)用1M氢氧化钠溶液在80℃下对金属基板进行第一次除油处理30min，清洗干净后，用酒精对金属基板进行第二次除油清洗。
2)将金属基板置于气氛炉中，抽真空至相对真空度-0.1MPa后，通入氮气至常压，再次抽真空至相对真空度0.1Mpa后通入氮气，程序升温到850℃，升温速度为5℃/min，保温时间为1h；之后自然冷却到室温后取出，置于纯水中超声清洗干净后，放入纯水中备用，使用前用洁净氮气吹扫干净。
3)采用偏压磁控电弧离子镀膜设备，将氮化处理后的金属基板送入真空室中，抽真空到5×10-3Pa、将金属基板加热到150℃、通入1Pa的氩气、设定偏压在-800V，对金属基板进行表面离子溅射和刻蚀活化，时间控制在1min。
4)在金属基板表面沉积耐腐蚀涂层；其中，耐腐蚀涂层的成分为钛。对耐腐蚀涂层进行氧化修饰：在真空室中通入0.8Pa的氩气和0.2Pa的氧气的混合气体，设定偏压在-350V，进行表面离子溅射和刻蚀，时间为5min。
5)对真空室抽真空5×10-3Pa、通入1Pa的氩气，保持金属基板250℃温度，设定偏压在-380V，对金属基板沉积碳钛混合物(即，导电涂层)，镀膜完成后测定碳含量为80wt％、钛含量为20wt％,沉积时间为1h，得到金属双极板。
对比例1
对比例1的金属基板选定316L不锈钢。由该金属基板沉积涂层，制备成金属双极板的步骤，具体如下：
1)用1M氢氧化钠溶液在80℃下对金属基板进行第一次除油处理30min，清洗干净后，用酒精对金属基板进行第二次除油清洗。
2)采用偏压磁控电弧离子镀膜设备，将金属基板送入真空室中，抽真空到5×10- 3Pa、将金属基板加热到270℃、通入1Pa的氩气、设定偏压在-1200V，对金属基板进行表面离子溅射和刻蚀活化，时间控制在1min。之后在金属基板表面沉积耐腐蚀涂层；其中，耐腐蚀涂层的成分为铬。
3)对真空室抽真空5×10-3Pa、通入1Pa的氩气，保持金属基板200℃温度，设定偏压在-300V，对金属基板沉积碳膜，得到金属双极板。
对实验实施例1-5、及比较例1制备的金属双极板进行性能测试，测试结果如表1所示。
表1为实验实施例1-5、及比较例1制备的金属双极板的性能测试结果
从表1中的实验结果可以看出：
1.本发明实施例通过对金属基板的第一面进行高温渗氮处理，能提高金属基板的第一面的耐腐蚀性、导电性，以及金属基板的第一面与耐腐蚀涂层的结合力。
2.本发明实施例通过对耐腐蚀涂层进行氧化修饰，进一步提高了金属双极板的耐腐蚀性。
3.本发明实施例通过将导电涂层掺入少量的钛，从而能使钛在少量氧的作用下，形成氧化物，以封堵导电涂层中的针孔，进一步提高了金属双极板的耐腐蚀性。
4.本发明实施例通过对第二导电涂层上设置疏水层，进一步提高了耐腐蚀性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (22)
1.一种金属双极板，其特征在于，所述金属双极板包括：
金属基板，所述金属基板包括经过氮化处理的第一面；
耐腐蚀涂层，所述耐腐蚀涂层沉积在所述金属基板的第一面上；所述耐腐蚀涂层的成分包括第一金属；第一金属包括钛、铬、钨、镍、铝、铜中的一种或多种；所述耐腐蚀涂层具有多个第一针孔；其中，所述第一针孔分布在所述耐腐蚀涂层的表面和内部；所述第一针孔由所述第一金属形成的氧化物封堵；
导电涂层，所述导电涂层沉积在所述耐腐蚀涂层上；
其中，所述金属双极板的制备方法，包括如下步骤：
第一步预处理：对金属基板进行除油处理；
氮化处理：对所述金属基板进行高温氮化处理；
沉积耐腐蚀涂层：在金属基板的经过氮化处理的第一面上沉积耐腐蚀涂层；
沉积导电涂层：在所述金属基板的耐腐蚀涂层上沉积导电涂层；
其中，所述沉积耐腐蚀涂层的步骤，包括：
沉积第一金属层：将真空室的真空度抽至3×10-3Pa～6×10-3Pa，通入惰性气体，设置负偏压-100～-500V，打开金属靶，对导电涂层进行离子溅射，在所述金属基板的第一面上沉积一层第一金属层；
氧化封孔修饰处理：向真空室中通入惰性气体和氧气，设定偏压-100～-500V，对氧气进行激化电离，使氧离子轰击所述第一金属层1～15min，得到由第一金属氧化物封孔的耐腐蚀涂层；其中，所述惰性气体的压力为0.5-1Pa、所述氧气的压力为0.1-0.5Pa。
2.根据权利要求1所述的金属双极板，其特征在于，所述氮化处理为气体氮化处理。
3.根据权利要求1所述的金属双极板，其特征在于，所述耐腐蚀涂层的厚度为20nm～5um。
4.根据权利要求1所述的金属双极板，其特征在于，以质量百分数计，所述导电涂层的成分包括60～90％的碳和10～40％的第二金属。
5.根据权利要求4所述的金属双极板，其特征在于，以质量百分数计，所述导电涂层的成分包括85～90％的碳和10～15％的第二金属。
6.根据权利要求5所述的金属双极板，其特征在于，第二金属为钛。
7.根据权利要求4所述的金属双极板，其特征在于，所述导电涂层具有多个第二针孔，所述第二针孔由所述第二金属形成的氧化物封堵。
8.根据权利要求1所述的金属双极板，其特征在于，所述金属双极板还包括疏水层；其中，所述疏水层设置在所述导电涂层上。
9.根据权利要求8所述的金属双极板，其特征在于，所述疏水层的成分包括PTFE。
10.根据权利要求1所述的金属双极板，其特征在于，所述第一步预处理的步骤具体为：采用氢氧化钠溶液对金属基板进行第一次除油处理、采用酒精对金属基板进行第二次除油处理。
11.根据权利要求1所述的金属双极板，其特征在于，
所述氮化处理的步骤，包括：在氮化气体下，对所述金属基板进行热处理；其中，热处理的温度为450～850℃，热处理的时间为0.5～4h。
12.根据权利要求11所述的金属双极板，其特征在于，
所述热处理的温度为800～850℃，热处理的时间为1～2h。
13.根据权利要求11所述的金属双极板，其特征在于，
所述氮化处理的步骤在气氛炉中进行。
14.根据权利要求1所述的金属双极板，其特征在于，在所述氮化的处理步骤之后、沉积耐腐蚀涂层的步骤之前，还包括第二步预处理的步骤，以提高所述金属基板的第一面的粗糙度。
15.根据权利要求14所述的金属双极板，其特征在于，
所述第二步预处理的步骤，包括：在真空室中，加热经过氮化处理后的金属基板，通入工作气体，设置负偏压，对所述金属基板的第一面进行离子溅射；和/或
所述真空室的真空度3×10-3Pa～6×10-3Pa；工作气体为惰性气体；工作气体的压力为0.5～1.5Pa；负偏压设定成-200～-3200V；所述金属基板的温度为120～300℃；离子溅射时间为1～3min；和/或
所述第二步预处理的步骤在偏压磁控多弧离子镀膜设备中进行。
16.根据权利要求1所述的金属双极板，其特征在于，所述沉积耐腐蚀涂层的步骤，包括：
在沉积耐腐蚀涂层步骤中，金属基板的温度为350～500℃；和/或
所述沉积耐腐蚀涂层的步骤在偏压磁控多弧离子镀膜设备中进行。
17.根据权利要求1所述的金属双极板，其特征在于，所述沉积导电涂层的步骤，包括：
在真空室中，抽真空至3×10-3Pa～6×10-3Pa，通入0.5～1.5Pa的惰性气体、设定-100～-500V的偏压、在耐腐蚀涂层上沉积成分包括碳和第二金属的导电涂层。
18.根据权利要求17所述的金属双极板的制备方法，其特征在于，
在所述沉积导电涂层的步骤中，金属基板的温度保持在80～500℃；和/或
所述沉积导电涂层的步骤在偏压磁控多弧离子镀膜设备中进行。
19.根据权利要求8所述的金属双极板，其特征在于，所述金属双极板的制备方法还包括如下步骤：
表面疏水处理，在所述导电涂层的表面设置疏水层。
20.根据权利要求19所述的金属双极板，其特征在于，
所述表面疏水处理的步骤，具体为：将依次沉积有耐腐蚀涂层、导电涂层的金属基板浸入疏水剂中，进行表面疏水处理，在所述导电涂层的表面形成疏水层；对疏水层进行固化处理，冷却后，得到金属双极板。
21.根据权利要求20所述的金属双极板，其特征在于，
所述表面疏水处理的时间为30s～5min；和/或
所述疏水层的厚度为2～20nm；和/或
所述疏水剂选用质量分数为0.1-5％的PTFE溶液；和/或
对疏水层进行固化处理的步骤为：将表面形成疏水层的金属基板加热至200～450℃，热处理30s～10min。
22.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括权利要求1-21任一项所述的金属双极板。
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