本發明涉及一種CrCuC梯度漸變CrCu復合碳薄膜雙極板的制備方法，是采用真空高功率微脈沖磁控濺射技術，以CrCu靶作為濺射靶材，先在不銹鋼表面沉積純CrCu金屬過渡層，再由甲烷氣體提供碳源，在CrCu金屬過渡層上濺射沉積CrCuC梯度漸變CrCu復合碳薄膜。本發明利用真空磁控濺射制備的CrCuC梯度漸變CrCu復合碳薄膜具有良好的結合力，對基底的疏水性有很大的改善，有助于燃料電池內部的水管理；作為PEMFC的雙極板，平均腐蝕電流密度為0.65~0.71μA/cm²（恒電位極化0.6 V），界面接觸電阻為2.84~7.34 mΩ?cm²（在1.4 MPa的壓力）且兼具高導電性和高耐腐蝕性。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，尤其涉及一種CrCuC梯度漸變CrCu復合碳薄膜雙極板的制備方法。

背景技術

燃料電池被視為全球最具發展潛力的清潔能源之一。燃料電池根據電池的工作環境、電解質及燃料主要分為五種：堿性燃料電池(AFC)、磷酸鹽燃料電池(PAFC)、堿金屬熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、氧離子陶瓷燃料電池(SOFC)、質子交換膜燃料電池(PEMFC)，質子交換膜燃料電池（PEMFC）相較于其他四種燃料電池起步雖晚，但發展極快，受到各國科研人員和汽車企業的重視，但目前PEMFC仍存在成本過高、難以商業化等問題。

雙極板是PEMFC的核心部件之一，其質量占到了電池堆的60~80%左右，成本占到約30-35%，幾乎占據了燃料電池堆的全部體積。根據PEMFC雙極板材料的不同，主要分為石墨雙極板、金屬材料雙極板和復合材料雙極板三大類。燃料電池雙極板材料主要集中在石墨、金屬和聚合物復合材料，其中傳統石墨雙極板質地較脆且成本較高，電堆體積大。聚合物復合材料雙極板雖然成本低，但導電性較差，影響電堆能流密度。金屬雙極板對比前兩者，具有導電性、成本低、易加工等優點，商業化應用前景廣闊。然而單純的金屬雙極板在酸性環境下表面易被腐蝕發生鈍化，從而影響了其服役性能。因此，開發燃料電池的雙極板材料是提高PEMFC的工作效率的最有效途徑之一。

碳薄膜涂層具有優異的耐腐蝕性能，目前大部分科研工作當中采用石墨靶材通過真空磁控濺射法制得，如專利ZL 2011102350877（用于質子交換膜燃料電池雙極板的高sp²雜化致密碳鍍層及其制備方法）、ZL 200810086374（一種燃料電池用雙極板及其表面碳鉻薄膜制備方法）、ZL 2011100270990（一種燃料電池雙極板及其表面碳鈦納米復合薄膜制備方法）。但是，上述方法仍然存在局限性，需要發展新型碳基雙極板薄膜，進一步提高導電性和耐腐蝕性能。

發明內容

本發明的目的是為解決PEMFC金屬雙極板存在的易被腐蝕鈍化的問題，提供一種CrCuC梯度漸變CrCu復合碳薄膜雙極板的制備方法。

一、CrCuC梯度漸變CrCu復合碳薄膜雙極板的制備

本發明CrCuC梯度漸變CrCu復合碳薄膜雙極板的制備，是采用真空高功率微脈沖磁控濺射技術，以CrCu靶作為濺射靶材，甲烷（CH₄）氣體提供碳源，在不銹鋼表面沉積CrCuC梯度漸變CrCu復合碳薄膜。具體沉積工藝如下：

（1）將不銹鋼（316L不銹鋼）基底進行拋光，分別用丙酮清洗液、乙醇清洗液超聲清洗15~20 min，去除油污、銹點等表面雜質和有機污染物，然后用氮氣吹干，置入鍍膜真空室準備鍍膜；

（2）將真空系統抽至1.0×10^-3 Pa及以下，通入氬氣；開啟高偏壓，控制氬氣氣壓1.5~2.0Pa，偏壓800~900 V，對靶材表面和不銹鋼樣品表面進行刻蝕清洗；時間為15~20min；

（3）調偏壓至100~150 V，氬氣氣壓1.4~1.5 Pa，磁控濺射沉積純CrCu金屬過渡層，平均電流為6.5 A，電壓700 V，占空比20%，脈沖長度3000 ms ；沉積時間25 min，CrCu金屬過渡層的厚度為330~350nm；