【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及燃料電池，尤其涉及一種復合式連續鍍膜系統。
技術介紹
1、燃料電池尤其氫燃料電池主要用于新能源汽車系列的燃料電池動力汽車、客車以及卡車，新能源燃料電池動力機車，飛行器，家庭用分散電源，其主要結構由層疊多個由雙極板夾持膜電極組件的單組件(單電池)構成。基于雙極板起到的氣密性、導電性以及耐腐蝕性的功能作用，根據所選擇的材料的不同，雙極板分為石墨板、石墨復合板、金屬雙極板。與石墨板和石墨復合板相比，金屬雙極板具有優良的強度和塑性，可以大批量低成本生產。但是，金屬雙極板的耐腐蝕性相對較差以及與碳紙的接觸電阻較大，需要在金屬雙極板的表面采用沉積碳涂層的方式以解決該問題。
2、相關技術中，采用磁控濺射技術或電弧離子鍍技術制備碳涂層，然而，這兩種技術均存在弊端，例如，不能實現高效連續地鍍膜，電堆內阻大，無法實現摻雜過渡族金屬元素或不能實現均勻有效地摻雜。
技術實現思路
1、本專利技術是基于專利技術人對以下事實和問題的發現和認識做出的：
2、燃料電池需要保證燃料氣體和氧化劑氣體彼此不混合，使各氣體分別供給至膜電極組件的陰陽電極表面。因此，首先，雙極板對氣體具有氣密性，避免氣體經由雙極板擴散；其次，雙極板要求具有良好導電性，作為雙極板與膜電極組件、多個單電池間的電連接件，應有足夠低的材料本體電導率和接觸電阻，保證反應產生的電子匯集、傳輸。最后，由于電解質表面顯示強酸性，所以雙極板要求具有耐腐蝕性；此外，雙極板還在材料密度、機械性能、導熱性等方面具有一定要求。p>
3、基于雙極板起到的功能作用，根據所選擇的材料不同，雙極板分為石墨板、石墨復合板、金屬雙極板。與石墨板和石墨復合板相比，金屬雙極板具有優良的強度和塑性，可以通過沖壓的方式加工形成氣體流路，因此可以大批量低成本生產。此外，金屬雙極板可以沖壓至較小的厚度(約0.5mm以下)，從而使燃料電池小型化，提高電池的體積功率密度，這對于燃料電池的量產化和普及是非常重要的。
4、然而，與石墨和石墨復合雙極板相比，金屬雙極板的耐腐蝕性相對較差，在燃料電池的使用環境中，金屬雙極板中溶出的金屬離子可能會污染燃料電池的質子交換膜。此外，用作金屬雙極板的材料，例如不銹鋼，鈦等，與碳紙的接觸電阻較大。
5、為了解決這一問題，金屬雙極板的表面采用磁控濺射的方法沉積碳涂層。首先將金屬卷帶材裁切成合適的小塊，然后進行沖壓成型，極板經焊接后利用真空表面處理技術在極板表面沉積非晶碳涂層。
6、在表面鍍膜工藝中，如果采用單體式鍍膜機，在裝取樣品時需要破真空，不能連續進行生產，且雙極板尺寸較大，單爐能夠掛裝的雙極板數量有限，此外雙極板的裝取需要逐片進行，費時費力。因此，采用單體式鍍膜機雙極板的產能低、成本高。如果采用連續式真空鍍膜機進行鍍膜，可大幅度提升金屬雙極板表面處理的產能并降低成本。
7、相較于磁控濺射技術制備非晶碳涂層，電弧離子鍍技術具有沉積速率快、石墨靶材離化率高、涂層耐腐蝕性強的優勢。但是，電弧離子鍍技術由于對石墨靶材的燒蝕速率較高，導致靶材壽命相對較低，需頻繁破壞腔室真空更換石墨靶材，導致連續式鍍膜設備整體運行效率偏低。
8、相關技術中，利用電弧離子鍍制備的碳涂層，具有沉積速率高、膜層致密度高、與基材結合力好、耐腐蝕性能更優等優點。在燃料電池的金屬雙極板的工作環境下(80℃，ph＝3)，即使高電位情況下，依然能起到很好的防護效果。由于電弧離子鍍技術沉積速率高，可大幅度地提升生產效率、快速地降低涂層的生產成本，有利于燃料電池的大規模產業化推廣。雖然利用電弧離子鍍制備的碳涂層耐腐蝕性能好，但制備碳層的接觸電阻偏大，通常在1.2～3.0mω·cm2，導致電堆內阻大，歐姆損耗高，不利于大功率電堆的使用。
9、由此，相關技術中還提出了采用閉合場非平衡磁控濺射制備了nb摻雜的碳涂層，發現nb摻雜可以降低碳層的接觸電阻，而涂層的耐蝕性不降低，主要原因為nb摻雜使碳層的sp2/sp3增大，從而降低接觸電阻。
10、然而，該技術是一個單體磁控濺射鍍膜機，石墨靶和nb靶同時開啟，通過極板在真空腔室內多次旋轉實現摻雜碳涂層的制備，該技術不能適用于連續鍍膜線，且采用磁控濺射方法沉積碳層，碳層沉積速率低。
11、并且，在上述的連續真空鍍膜系統中，實現cr、nb、ti、w等過渡族金屬元素摻雜碳層的高效制備。采用電弧離子鍍沉積摻雜碳層，如果采用c-cr、c-nb、c-w等摻雜合金靶，則由于石墨脆，cr、nb、ti、w等過渡族金屬元素很難摻入石墨靶中，難以制備出摻雜元素均勻分布的復合靶材，因此采用摻雜的石墨靶材在技術上難以實現。
12、如果采用兩列電弧陰極，第一列放置石墨靶，第二列放置cr、nb、ti、w等過渡族金屬靶材，則制備的碳涂層接觸電阻并未明顯降低，主要原因為cr、nb、ti、w等元素未能有效地摻入碳層，不能發揮元素的摻雜作用。
13、本專利技術旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。
14、為此，本專利技術的實施例提出一種復合式連續鍍膜系統，高效地制備過渡族金屬元素摻雜的碳層，從而在確保涂層耐蝕性不降低的情況下，降低碳層的接觸電阻，提高電堆的性能。
15、本專利技術實施例的復合式連續鍍膜系統包括：
16、進料組件，所述進料組件用于基片進料；
17、預處理組件，所述預處理組件與所述進料組件相連，以對基片預處理；
18、鍍膜組件，所述鍍膜組件與所述預處理組件相連，所述鍍膜組件用于對預處理后的基片雙面鍍膜，所述鍍膜組件具有復合鍍膜室，所述復合鍍膜室內設有相對布置在基片兩側的鍍膜件，所述鍍膜件包括弧源和磁控濺射陰極，所述弧源和磁控濺射陰極沿基片移動方向且從上游至下游的方向上間隔分布，所述弧源用于使基片上沉積碳層，所述磁控濺射陰極用于使基片上沉積的碳層內摻雜過渡族金屬元素；
19、出料組件，所述出料組件與所述鍍膜組件相連，以使鍍膜后的基片通過所述出料組件出料。
20、本專利技術實施例的復合式連續鍍膜系統，采用電弧離子鍍技術的連續鍍膜線中降低碳涂層接觸電阻的方法，即通過增加磁控濺射陰極沉積過渡族金屬元素，實現電弧碳層中過渡族元素的摻雜，在不降低碳層耐腐蝕性的前提下降低碳層接觸電阻。
21、由此，本專利技術實施例的復合式連續鍍膜系統解決了連續鍍膜線中摻雜碳層高效制備的難題，基片在復合鍍膜室中一次性通過即可完成摻雜碳層的制備。
22、此外，本專利技術實施例的復合式連續鍍膜系統，可以通過控制弧源和磁控濺射陰極的功率，調控碳層中金屬元素的摻雜量，從而在涂層耐蝕性不降低的情況下，降低碳層的接觸電阻。
23、在一些實施例中，所述進料組件具有進口室，所述預處理組件具有清洗室，所述鍍膜組件還具有濺射打底室，所述出料組件具有冷卻室和出口室，所述進口室、所述清洗室、所述濺射打底室、所述復合鍍膜室、所述冷卻室和所述出口室依次連通，且任意兩者之間的連通處的橫截面積均小于任一腔室的橫截面積。
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1.一種復合式連續鍍膜系統，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的復合式連續鍍膜系統，其特征在于，所述進料組件具有進口室，所述預處理組件具有清洗室，所述鍍膜組件還具有濺射打底室，所述出料組件具有冷卻室和出口室，所述進口室、所述清洗室、所述濺射打底室、所述復合鍍膜室、所述冷卻室和所述出口室依次連通，且任意兩者之間的連通處的橫截面積均小于任一腔室的橫截面積。
3.根據權利要求1所述的復合式連續鍍膜系統，其特征在于，所述弧源為石墨靶材，所述磁控濺射陰極為過渡族金屬靶材。
4.根據權利要求1所述的復合式連續鍍膜系統，其特征在于，所述弧源呈圓形，所述弧源具有多個，多個所述弧源沿所述復合鍍膜室的高度方向間隔分布。
5.根據權利要求4所述的復合式連續鍍膜系統，其特征在于，所述磁控濺射陰極呈條狀，所述磁控濺射陰極沿所述復合鍍膜室的高度方向延伸。
6.根據權利要求5所述的復合式連續鍍膜系統，其特征在于，將多個所述弧源中的位于兩端的所述弧源之間的距離定義為a，將所述磁控濺射陰極的長度定義為b，且滿足關系式：a＜b。
7.根
8.根據權利要求7所述的復合式連續鍍膜系統，其特征在于，所述磁控濺射陰極的靶面中心點與基片的運動平面之間的距離為100mm～400mm。
9.根據權利要求8所述的復合式連續鍍膜系統，其特征在于，所述弧源的靶面中心點與所述磁控濺射陰極的靶面中心點之間的距離為150mm～300mm。
10.根據權利要求9所述的復合式連續鍍膜系統，其特征在于，所述弧源的靶面中心線與所述磁控濺射陰極的靶面中心線之間的夾角為10°～50°。
...【技術特征摘要】
1.一種復合式連續鍍膜系統，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的復合式連續鍍膜系統，其特征在于，所述進料組件具有進口室，所述預處理組件具有清洗室，所述鍍膜組件還具有濺射打底室，所述出料組件具有冷卻室和出口室，所述進口室、所述清洗室、所述濺射打底室、所述復合鍍膜室、所述冷卻室和所述出口室依次連通，且任意兩者之間的連通處的橫截面積均小于任一腔室的橫截面積。
3.根據權利要求1所述的復合式連續鍍膜系統，其特征在于，所述弧源為石墨靶材，所述磁控濺射陰極為過渡族金屬靶材。
4.根據權利要求1所述的復合式連續鍍膜系統，其特征在于，所述弧源呈圓形，所述弧源具有多個，多個所述弧源沿所述復合鍍膜室的高度方向間隔分布。
5.根據權利要求4所述的復合式連續鍍膜系統，其特征在于，所述磁控濺射陰極呈條狀，所述磁控濺射陰極沿所述復合鍍膜室的高度方向...
【專利技術屬性】
技術研發人員：楊培勇，劉浩，賈逸軒，席燁廷，耿賽賽，王文文，陸維，
申請(專利權)人：國家電投集團氫能科技發展有限公司，
類型：發明
國別省市：
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