用于燃料電池的金屬隔板及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的金屬隔板及其制造方法，其中具有微小厚度的石墨碳層形成于基板的表面上，以提高導(dǎo)電性。該制造方法包括：制備金屬基板；將金屬基板裝載到具有真空環(huán)境的腔室內(nèi)；通過將從涂布源電離的碳離子沉積在金屬基板的表面上來涂布石墨碳層；和將涂布有石墨碳層的金屬基板卸載到所述腔室的外部。
【專利說明】用于燃料電池的金屬隔板及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的金屬隔板及其制造方法。更具體地，本發(fā)明涉及 一種用于燃料電池的金屬隔板及其制造方法，其中具有微小厚度的石墨碳層形成于基板的 表面上，從而提1?導(dǎo)電性。

【背景技術(shù)】
[0002] -般而言，燃料電池是一種使用氫氣和氧氣之間的氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成 電能的發(fā)電裝置。由于燃料電池的單元電池的實用性因低的輸出電壓而降低，因此，燃料電 池一般作為通過堆疊幾個至幾百個單元電池而形成的燃料電池組使用。當(dāng)單元電池被堆疊 時，隔板執(zhí)行單元電池之間的電連接，分離反應(yīng)氣體，并作為冷卻水流過其中的流動路徑操 作。
[0003] 當(dāng)金屬隔板作為典型的隔板使用時，通過降低隔板的厚度，可以降低燃料電池組 的體積和重量，并且可以使用沖壓制造燃料電池組，從而允許大規(guī)模生產(chǎn)。金屬隔板具有高 的導(dǎo)電性和改進的機械性能和可加工性，但是當(dāng)燃料電池是在較高的溫度和濕度環(huán)境下時 會發(fā)生金屬隔板的腐蝕。
[0004] 相關(guān)技術(shù)提供了一種方法，該方法通過使用薄膜焊接方法依次形成用于提高導(dǎo)電 性的金屬層和用于在金屬隔板的基板上增強耐腐蝕性的氧化層，并然后連接導(dǎo)電粒子(例 如，石墨）到氧化層內(nèi)的金屬層，同時提高了導(dǎo)電性和耐腐蝕性。
[0005] 然而，在如上所述的常規(guī)方法中，低密度的導(dǎo)電粒子可能與金屬層的表面分離。因 此，導(dǎo)電性可能會降低，并且暴露于所述金屬層的表面的金屬可能會被腐蝕。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供一種用于燃料電池的金屬隔板及其制造方法，其中具有微小厚度的石 墨碳層形成于基板的表面上，從而提高了導(dǎo)電性。
[0007] 一方面，本發(fā)明提供一種用于燃料電池的金屬隔板的制造方法，包括：制備金屬基 板的第一處理；加載金屬基板到具有真空環(huán)境的腔室內(nèi)的第二處理；通過在金屬基板的表 面上沉積從涂布源電離的碳離子來涂布石墨碳層的第三處理；和卸載具有其上涂布有石墨 碳層涂布的金屬基板到所述腔室的外部的第四處理。
[0008] 在一個示例性實施例中，可以在約200°C至1000°C的溫度，在約ΚΓ2托至ΚΓ 5托的 壓力氣氛下保持所述腔室內(nèi)的真空環(huán)境。
[0009] 在另一示例性實施例中，在第三處理中，通過選自直流電流、交流電流和脈沖頻率 中任意一種的形式施加約-30V至-1200V的負電壓到金屬基板的表面，可以加速碳離子。
[0010] 在又一示例性實施例中，第三處理中可以使用包括物理氣相沉積（PVD)或等離子 體增強化學(xué)氣相沉積（PECVD)的薄膜沉積方法。石墨碳層可以成形為約lnm至50nm的厚 度。
[0011] 在又一示例性實施例中，制造方法可進一步包括在第三處理之前在腔室內(nèi)形成氬 氣環(huán)境的等離子體預(yù)處理工序。
[0012] 另一方面，本發(fā)明提供一種用于燃料電池的金屬隔板，該金屬隔板可包括金屬基 板和涂布在金屬基板的表面上的細晶狀石墨碳層，其中所述石墨碳層是形成為約lnm至 50nm厚度的隔板。在一個示例性實施例中，該隔板可具有約15πιΩ cm2或更小的接觸電阻。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明，可以僅將具有納米級的相當(dāng)薄的厚度的石墨碳層涂布在金屬基板的 表面上，并因此可制造滿足用于燃料電池的金屬隔板的表面要求特征的具有相當(dāng)?shù)偷慕佑| 電阻的金屬隔板。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 現(xiàn)在，將通過參考附圖所示的示例性實施例詳細描述本發(fā)明的上述和其他特征， 這些示例性實施例僅以例證的方式給出，，并因此不限制本發(fā)明，其中：
[0015] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于燃料電池的金屬隔板的制造方法的示 例性流程圖；
[0016] 圖2示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的金屬隔板的示例性表面處理工序。
[0017] 圖3示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，由對施加常溫處理和高溫處理的每個樣品 進行拉曼分析而獲得的示例性結(jié)果；和
[0018] 圖4示出根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例，當(dāng)無定形碳和石墨碳分別雙重涂布在 載玻片上時，通過測量透射率而獲得的示例性結(jié)果。
[0019] 應(yīng)該理解的是，附圖不必按比例繪制，呈現(xiàn)出說明本發(fā)明的基本原則的各種示例 性特征的某種程度上已簡化的表示。本文所公開的本發(fā)明的具體設(shè)計特征包括例如，具體 尺寸、取向、位置和形狀，將部分由特定應(yīng)用和使用環(huán)境確定。
[0020] 在附圖中，參考標(biāo)號適用于貫穿圖中若干圖的本發(fā)明的相同或同等部分。

【具體實施方式】
[0021] 本文使用的術(shù)語僅僅是為了說明具體實施例的目的而不意在限制本發(fā)明。如本文 所使用的，單數(shù)形式"一個、一種（a、an)"和"該（the)"也意在包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文中 清楚指明。還可以理解的是，在說明書中使用的術(shù)語"包括（compr i s e s和/或compr i s i ng ) " 是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一個或多個 其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、部件和/或其群組。如本文所使用的，術(shù)語"和/或"包 括一個或多個相關(guān)所列項目的任何和所有組合。
[0022] 除非詳細說明或者可以從上下文中明顯地看出，本文中使用的術(shù)語"約"應(yīng)當(dāng)理解 為是在本領(lǐng)域的正常公差范圍之內(nèi)，比如在均值的2個標(biāo)準(zhǔn)誤差內(nèi)。"約"可理解為在所述 值的 10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0· 5%、0· 1%、0· 05%、或 0· 01% 之內(nèi)。除非在上下文 中另外明確地說明，本文中所有的數(shù)量值通過術(shù)語"約"進行修飾。
[0023] 現(xiàn)在將在下文中詳細參考本發(fā)明的各種示例性實施例，其示例示于附圖中并在下 面描述。雖然本發(fā)明將結(jié)合示例性實施例描述，但是將理解的是，本說明書并不旨在限制本 發(fā)明到那些示例性實施例。相反，本發(fā)明旨在不僅涵蓋示例性實施例，而且涵蓋包括在由所 附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的各種替代方案、修改、等同物及其他實施 例。
[0024] 本發(fā)明提供一種用于燃料電池的金屬隔板的表面處理，特別是，細晶狀石墨碳層 可以直接形成于金屬隔板的表面上，以提高導(dǎo)電性和耐腐蝕性。
[0025] 如圖1中所示，在根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于燃料電池的金屬隔板的制造 方法中，可以首先將用作金屬隔板的基板的預(yù)定的金屬材料加工成隔板的形狀，并可以對 所加工的金屬材料進行初步清洗，以制備金屬基板（S10)。不銹鋼可以用作所述金屬材料， 并且作為耐腐蝕/耐酸材料的特種合金的理想的不銹鋼可以用作該金屬材料。具體地，金 屬材料可包括例如，SUS316L等。
[0026] 另外，可以將如上所述制備的金屬基板加載到具有真空環(huán)境(或加工環(huán)境）的腔室 內(nèi)（S11)。腔室內(nèi)的真空環(huán)境可以通過使用真空泵、加熱器等形成。具體地，真空環(huán)境可以 形成為這樣的處理環(huán)境，即形成約200°C至1000°C的溫度和約ΚΓ 2托至ΚΓ5托的壓力的處 理環(huán)境。涂布，在通過將石墨碳層涂布在金屬基板的表面而制造隔板的過程中，可以恒定地 保持真空環(huán)境。換句話說，在約1〇_ 2托至1〇_5托的真空狀態(tài)，保持約200°C至1000°C的涂布 溫度的原位（in-situ)狀態(tài)下，通過在金屬基板的表面沉積而形成石墨碳層上。
[0027] 接著，通過使用等離子體源在腔室內(nèi)形成Ar氣氣氛的等離子體場，將氬（Ar)離 子注入到金屬基板的表面，以清洗和活化金屬基板的表面（S12)。換句話說，通過使用等離 子體源的預(yù)處理可以將氧化物膜或其他污染物從金屬基板的表面除去，并且在沉積碳層之 iu，活化該基板的表面，以提商金屬基板和石墨碳層之間的粘附性。
[0028] 此外，如圖2中所示，離子化的涂布材料可以從在腔室內(nèi)的涂布源1生成并發(fā)散 出，以沉積在金屬基板2的表面上（S13)。通過使用薄膜沉積方法，如物理氣相沉積（PVD) 或等離子體增強化學(xué)氣相沉積（PECVD)，在約0. lkW至5. OkW的放電功率下，從涂布源1發(fā) 散的涂層材料可以涂布在金屬基板2的表面上，并且烴（CxHx)氣體可以被用作涂布源1。 換句話說，碳氣氛的等離子體場可在腔室內(nèi)通過從氣體涂布源(或等離子源）生成并發(fā)射出 碳離子而形成，并且可以用約〇. lkW至5. OkW的放電功率進行金屬基板的涂布。特別是，從 烴涂層源生成的碳離子可以被注入到金屬基板的表面，以在金屬基板的表面上形成石墨碳 層。碳離子可以被注入到金屬基板的表面，并且同時，石墨碳層可以沉積并形成于金屬基板 的表面上。
[0029] 烴氣體可以是無定形碳基材料。然而，烴氣體可以通過在腔室內(nèi)的進行離子化處 理沉積在金屬基板上，以涂布細晶狀石墨碳層（如石墨）在金屬基板的表面上。在金屬基板 的表面上形成的石墨碳層可形成為約lnm至50nm薄的厚度。當(dāng)石墨碳層的厚度形成小于 約lnm時，可能難以在金屬基板的表面上局部地形成石墨碳層。當(dāng)石墨碳層的厚度形成為 大于約50nm時，可能會發(fā)生生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益的降低。
[0030] 當(dāng)石墨碳層被涂布在金屬基板的表面上時，通過施加約-30V至-1200V的負電壓 到金屬基板的表面，可以加速注入到金屬基板的表面的碳離子，以攔截在金屬基板中充電 的電荷(例如，防止電荷的存儲）并提高金屬基板和碳層之間的粘合性。特別是，可以選自 直流電流、交流電流和脈沖頻率的任何一種的形式對金屬基板施加負電壓。具體地，從約 0. 1kHz至400kHz的頻率范圍可以用作脈沖頻率。
[0031] 當(dāng)約-30V或更小的負電壓施加到金屬基板時，碳離子的加速可能不充分，因此， 石墨碳層和金屬基板之間的粘合性可能會降低。當(dāng)大于約-1200V的負電壓施加到金屬基 板時，由于過量碳離子的碰撞，在金屬基板中可能會產(chǎn)生局部缺陷。
[0032] 在石墨碳層如上所述形成于金屬基板的表面上之后，金屬基板可以在常溫(例如， 25°C)和常壓(例如，環(huán)境壓力或latm)條件下卸載到腔室的外部（S14)。在高溫(例如， 450°C)和高壓條件下加載到腔室內(nèi)的金屬基板可以在常溫和常壓條件下卸載到腔室的外 部。如上所述制造的金屬隔板可以具有約15mQ cm2或更小的接觸電阻，從而提高導(dǎo)電性。 因此，通過上述處理可以制造滿足用于燃料電池的隔板的表面要求特征的金屬隔板。
[0033] 測量根據(jù)本實施例的金屬隔板的接觸電阻（CER)，結(jié)果表明金屬隔板的CER在 10kgf/cm 2的條件下，接觸電阻為15m Ω cm2或更少。通常，當(dāng)涂層涂布在金屬基板的表面時， 相對于包括中間層的整個涂層，要求約500nm (0.5μπι)的沉積厚度。然而，在本發(fā)明中，雖 然涂層形成為幾 nm的相當(dāng)薄的厚度，但是可以實現(xiàn)接觸電阻的特征，其可以滿意地用作用 于燃料電池的隔板。
[0034] 因此，在本發(fā)明中，石墨碳層可以形成為納米級的相當(dāng)薄的沉積厚度，基本上 縮短了處理金屬隔板以具有低的接觸電阻(例如，在lOkgf/cm2或更小的的條件下，具有 15ηιΩ cm2或更小的接觸電阻）的處理時間。換句話說，當(dāng)納米級的薄的沉積厚度形成時，用 于改善金屬隔板的表面特征的處理可以在相當(dāng)短的時間內(nèi)在原位狀態(tài)下進行。因此，石墨 碳層可以在溫度、真空度和其他條件都保持在與將石墨碳層涂布在金屬基板的表面上的所 有處理中相同的狀態(tài)下形成。
[0035] 另外，使用如PVD或PECVD的方法，在約ΚΓ2托至ΚΓ5托的壓力氣氛下，在約200°C 至1000°C的處理溫度，將從等離子體源(或涂布源）電離的碳沉積在由等離子體預(yù)處理活化 的金屬基板的表面上的處理中，碳沉積和結(jié)晶可以通過由碳離子生成的能量、從外部施加 的熱能、施加到金屬基板的電能等連續(xù)地在金屬基板的表面上進行。因此，石墨碳層可以在 原位狀態(tài)下沉積。
[0036] 同時，圖3示出通過制備第一隔板樣品(其中碳薄膜在沉積處理溫度保持為約 25°C的常溫狀態(tài)下涂布在金屬基板的表面上)、制備第二隔板樣品(其中碳薄膜在沉積處理 溫度保持為450°C的高溫狀態(tài)下涂布在金屬基板的表面上)，然后在每個樣品上進行拉曼分 析而獲得的示例性結(jié)果。另外，根據(jù)本發(fā)明類似地設(shè)定其他處理條件。
[0037] 如圖3中所示，一般稱為類金剛石碳的無定形碳（a_C:H)的結(jié)構(gòu)示于第一隔板樣 品中，其中碳薄膜在常溫下沉積。另一方面，如圖所示，與細晶狀石墨（μ c-石墨)，例如石 墨，的結(jié)構(gòu)類似的結(jié)構(gòu)示于第二隔板樣品中，其中碳薄膜在高溫下沉積。
[0038] 為了比較根據(jù)常規(guī)技術(shù)的沉積在金屬基板的表面上的無定形碳層透射率與根據(jù) 本發(fā)明的沉積在金屬基板的表面上的石墨碳層的透射率，圖4示出通過分別沉積無定形碳 和石墨碳在載玻片的兩個表面上并然后測量無定形碳和石墨碳的透射率而獲得的示例性 結(jié)果。如圖4中所示，由于薄膜的結(jié)晶，石墨碳的透射率小于無定形碳的透射率。
[0039] 本發(fā)明已參考示例性實施例進行了詳細描述。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解 的是，在不背離本發(fā)明的原則和精神的情況下可以對這些實施例進行改變，本發(fā)明的范圍 限定在所附權(quán)利要求書及其等同物中。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于燃料電池的金屬隔板的制造方法，包括： 制備金屬基板； 將所述金屬基板裝載到具有真空環(huán)境的腔室內(nèi)； 通過將從涂布源電離的碳離子沉積在所述金屬基板的表面上而涂布石墨碳層；和 將涂布有石墨碳層的金屬基板卸載到所述腔室的外部。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其中在約ΚΓ2托至ΚΓ5托的壓力環(huán)境下，在約 200°C至1000°C的溫度，保持所述腔室內(nèi)的真空環(huán)境。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其中，在所述涂布處理中，通過施加約-30V 至-1200V的負電壓到所述金屬基板的表面來加速碳離子。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其中在所述涂布處理中，通過施加負電壓到所述 金屬基板的表面來加速碳離子，并且所述負電壓以選自直流電流、交流電流和脈沖頻率的 任意一種的形式施加。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其中在涂布處理中使用包括物理氣相沉積（PVD) 或等離子體增強化學(xué)氣相沉積（PECVD)的薄膜沉積方法。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造方法，其中在所述涂布處理中，在約0. lkW至5. OkW的放 電功率，將從所述涂布源電離的碳離子沉積在金屬基板的表面上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其中所述石墨碳層形成為約lnm至50nm的厚度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其進一步包括： 在所述涂布處理之前，在所述腔室內(nèi)成形氬氣環(huán)境。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其中烴（CxHx)氣體被用作所述涂布源。
10. -種用于燃料電池的金屬隔板，包括： 金屬基板；和 涂布在所述金屬基板的表面上的細晶狀石墨碳層， 其中所述石墨碳層是形成為約lnm至50nm的厚度的隔板。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的金屬隔板，其中所述隔板具有約15mQcm2或更小的接觸電 阻。
【文檔編號】H01M8/02GK104103841SQ201310484779
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2013年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月9日
【發(fā)明者】李致承, 金世勛, 梁酉彰, 安炳琪, 白碩玟, 具永模, 金明煥, 劉載武, 呂基浩, 柳承乙, 全永夏 申請人:現(xiàn)代自動車株式會社, 株式會社J&L Tech