氫燃料電池金屬雙板板PVD工藝方向-SCG超級導(dǎo)電石墨薄膜涂層

Super Conductive Graphite：超級導(dǎo)電石墨薄膜材料，簡稱SCG，這種薄膜材料電阻率低、膜層致密、防腐性能優(yōu)異，極適用于新能源燃料電池關(guān)鍵部件-金屬雙極板表面改性應(yīng)用。

SCG薄膜材料核心性能：

①1.5MPa壓力下，接觸電阻(ICR)＜10 mΩcm²；

②在pH＜4的弱酸性條件下腐蝕電阻＜1 uAcm²。

燃料電池又稱質(zhì)子交換膜燃料電池，其是由一片片單電池串聯(lián)組裝而成的，其中，單電池由陽極板、MEA（膜電極）以及陰極板組成。作為質(zhì)子交換膜燃料電池堆的重要組件，雙極板（BPs）的質(zhì)量占燃料電池堆的60~80%，成本占20~40%，并且?guī)缀跽紦?jù)了整個燃料電池堆的全部體積，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（注：圖1來源于知乎）

圖1 燃料電池電堆、單電池、雙極板和MEA之間的關(guān)系示意圖

BPs無疑是實現(xiàn)燃料電池堆穩(wěn)定、持續(xù)高效率工作的最重要部件，根據(jù)材料的不同，分為石墨雙極板、復(fù)合材料雙極板和金屬雙極板，其中石墨雙極板應(yīng)用最早。

石墨是熱和電的良導(dǎo)體，具有較高的電導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性以及耐腐蝕、低密度等優(yōu)點，用于制作雙極板具有先天獨特的優(yōu)勢，但是又因為石墨是一種多孔的脆性材料，其強(qiáng)度低、延展性差，難以滿足雙極板的氣密性要求，因此在加工時，需要對石墨進(jìn)行反復(fù)浸漬、碳化處理從而制造成無孔的具有良好氣密性的無孔石墨雙極板，制造工藝要求高，良品率低，影響燃料電池堆整體安全性。

復(fù)合材料雙極板主要是通過熱塑或熱固性樹脂料混合石墨粉/增強(qiáng)纖維形成預(yù)制料，并固化/石墨化后成型。復(fù)合材料型雙極板又可以分為碳基復(fù)合材料雙極板和金屬基復(fù)合材料雙極板。碳基復(fù)合材料雙極板可以根據(jù)導(dǎo)電填料及樹脂配比調(diào)整雙極板的導(dǎo)電性能和機(jī)械強(qiáng)度，可以采用模壓或注射成型工藝進(jìn)行批量化生產(chǎn)，降低雙極板制造成本，未來具有較大應(yīng)用前景。

金屬基復(fù)合材料雙極板則通常采用金屬作為分隔板，邊框采用塑料、聚礬、碳酸酯減輕電池組的質(zhì)量，邊框與金屬板之間采用導(dǎo)電膠粘接，以注塑與焙燒法制備的有孔薄碳板或者石墨板作為流場板。

金屬基復(fù)合材料雙極板集合了石墨雙極板和金屬雙極板的優(yōu)點，但是由于其結(jié)構(gòu)及制備工藝復(fù)雜，難以實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，生產(chǎn)成本遠(yuǎn)高于碳基復(fù)合材料雙極板，不適合大規(guī)模批量化發(fā)展；為了解決安全性問題，金屬雙極板應(yīng)運(yùn)而生，與石墨雙極板相比，金屬雙極板具有與之類似的高導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力，但金屬雙極板具有更好的機(jī)械強(qiáng)度、阻氣能力和抗沖擊能力，因此，金屬雙極板能夠做到超薄，大幅提升比功率密度。

一般而言，金屬雙極板的制備方向總體分為2種，分別為：

①通過機(jī)床將316L材質(zhì)的薄鋼片沖壓或液壓成型成燃料電池堆使用的雙極板形狀，然后通過表面改性技術(shù)，如PVD等技術(shù)在已沖壓完成的樣片上沉積SCG薄膜，完成金屬雙極板的制備；代表企業(yè)-Interplex等。

圖2 HCINLINE-SCG系列超導(dǎo)電石墨薄膜連續(xù)式鍍膜生產(chǎn)線

②通過如PVD等技術(shù)在大型金屬連續(xù)線設(shè)備上先沉積出SCG薄膜，然后通過沖壓技術(shù)或液壓成型將已鍍制完成的金屬片上壓制成所需的金屬雙極板形狀；代表企業(yè)-豐田等；

圖3 HCMRC-SCG系列超導(dǎo)電石墨薄膜卷對卷鍍膜生產(chǎn)線

由此可見，SCG薄膜性能的優(yōu)劣對金屬雙極板性能至關(guān)重要，那么SCG具有如此優(yōu)異性能的原因是什么？

人們在研究碳膜過程中，發(fā)現(xiàn)了一種性能與金剛石薄膜極其相似的非晶態(tài)碳膜稱之為類金剛石鍍層。

近幾十年以來非晶碳薄膜因為具有成膜溫度低、適宜大面積沉積，同時具有良好的透光性、良好的耐磨損性、高的化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)異的生物相容性等特點受到人們越來越多的關(guān)注，目前己在光學(xué)、電子、機(jī)械加工、生物材料等方面得到了廣泛應(yīng)用。

非晶碳膜一般由石墨和金剛石微觀結(jié)構(gòu)的雜化鍵組成，因此其性能類似于石墨和金剛石。非晶碳膜因其碳雜化態(tài)和含氫量的不同有多種異構(gòu)體如ta-C、a-C:H、DLC、其性質(zhì)主要是由其性質(zhì)主要是由sp³/sp²比所決定。

一直以來，將非晶碳膜稱之為類金剛石碳膜（DLC）薄膜，但近年來研究以sp²為主的薄膜，發(fā)現(xiàn)其性能與sp³為主的類金剛石碳膜具有一定差異，為了與DLC薄膜區(qū)分，學(xué)術(shù)上將其稱之為類石墨（GLC）薄膜，而在目前的新能源燃料電池領(lǐng)域又將其稱之為SCG，其最為顯著的特征為耐腐蝕、電阻率極低，極適用于燃料電池電池堆的應(yīng)用。

圖4 非晶碳碳一氫合金鍵三元相圖

對于想應(yīng)用于燃料電池領(lǐng)域的SCG薄膜，根據(jù)美國能源部（DOE）的標(biāo)準(zhǔn)，雙極板上鍍制的薄膜需要達(dá)到以下性能，才能滿足目前的社會要求：

①穿過平面的電阻率＞100 Scm^-1；

②接觸電阻(ICR)＜10 mΩcm²；

③在pH＜4的弱酸性條件下腐蝕電阻＜1 uAcm²；

④高的熱導(dǎo)率＞10 W（mK^-1）；

⑤對氫氣和氧氣的滲透率＜2×10^-6cm³(cm²s)^-1；

⑥抗拉強(qiáng)度＞59MPa；

⑦沖擊強(qiáng)度＞40.5 Jm^-1。

目前，國內(nèi)外廠商皆致力于金屬雙極板的研究與開發(fā)，已有部分公司小批量生產(chǎn)，但距離大批量化生產(chǎn)，仍具有一定難度，相信在不久的將來，隨著制備工藝的改進(jìn)，搭載燃料電池技術(shù)的新能源汽車將隨處可見。

經(jīng)過多年技術(shù)發(fā)展和經(jīng)驗積累，具備了完整的真空鍍膜設(shè)備研發(fā)、制造能力以及鍍膜工藝開發(fā)能力，為不同行業(yè)客戶提供定制化、專業(yè)化的真空鍍膜設(shè)備及其工藝解決方案，長期致力于ta-C、DLC、SCG薄膜設(shè)備、柔性卷繞鍍膜設(shè)備、連續(xù)線鍍膜設(shè)備等方向的研究與開發(fā)，對于真空鍍膜設(shè)備具有豐富的制造經(jīng)驗和成熟的工藝制程。