1.一種石墨烯增強(qiáng)表面的燃料電池用高性能雙極板,其特征在于,采用鈦雙極板(1)作為基體,鈦雙極板(1)基體表面上依次為鎳層或鎳鉻層(2)、第一金層(3)、第一石墨烯層(4)、第二金層(5)和第二石墨烯層(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用高性能雙極板,其特征在于,
所述的鈦雙極板(1)基體的厚度為0.1mm~1mm;
所述的鎳層或鎳鉻層(2)的厚度為20nm~100nm,鎳鉻層中鉻的摩爾含量為不大于0.8;
所述的第一金層(3)的厚度為20nm~100nm;
所述的第一石墨烯層(4)呈表面不連續(xù)的島狀生長(zhǎng),第一石墨烯層(4)在第一金層(3)表面的覆蓋度為20%~70%,其中島狀區(qū)石墨烯的厚度為0.335nm~1nm;
所述的第二金層(5)的厚度為50mm~150nm;
所述的第二石墨烯層(6)為表面連續(xù)的石墨烯層,第二石墨烯層(6)在第二金層(5)表面的覆蓋度為100%,第二石墨烯層(6)的厚度為0.335nm~3.35nm。
3.一種石墨烯增強(qiáng)表面的燃料電池用高性能雙極板的制備方法,其特征在于,采用磁控濺射設(shè)備和方法,步驟如下:
(1)反濺射清洗
將鈦雙極板(1)基體置于超聲中清洗,干燥,再放入磁控濺射設(shè)備真空室內(nèi)的料臺(tái)上,當(dāng)真空室的本底氣壓被抽至1×10-4Pa~5×10-4Pa后,向真空室內(nèi)通入氬氣和氫氣的混合氣體,其中氬氣流量為40SCCM~200SCCM,氫氣流量為10SCCM~100SCCM,使真空室氣壓維持在0.1Pa~5Pa,接著把料臺(tái)的直流偏壓設(shè)定為-500~-1000V,在室溫下,開啟料臺(tái)的直流偏壓電源對(duì)鈦雙極板(1)基體進(jìn)行反濺射清洗,反濺射清洗的時(shí)間為10min~40min;
(2)制備鎳層或鎳鉻層
采用純鎳和純鉻為靶材,鎳靶使用強(qiáng)磁磁控靶,將真空室內(nèi)的料臺(tái)加熱至100~600℃,待溫度穩(wěn)定以后關(guān)閉氫氣,向真空室內(nèi)繼續(xù)通入氬氣,并調(diào)整氬氣流量為50SCCM~200SCCM,使真空室氣壓維持在0.1Pa~5Pa,待真空室氣壓穩(wěn)定以后,把鎳靶的射頻濺射電源功率設(shè)定為40~200W,單獨(dú)開啟鎳靶,在鈦雙極板(1)基體表面上制備鎳層(2),鎳層的濺射時(shí)間為0.5~30min,使鎳層的厚度控制在20~100nm;
把鎳靶和鉻靶的射頻濺射電源功率均設(shè)置為40~200W,同時(shí)開啟鎳靶和鉻靶的射頻濺射電源,在鈦雙極板(1)基體表面上制備鎳鉻層(2);鎳鉻層(2)的濺射時(shí)間為0.5~30min,使鎳鉻層(2)的厚度控制在20~100nm;控制鎳靶和鉻靶的各自濺射功率,使鎳鉻層(2)中的鉻摩爾含量不大于0.8;
(3)制備第一金層
采用純金為靶材,將真空室內(nèi)的料臺(tái)加熱至100~500℃,向真空室內(nèi)通入氬氣,氬氣流量為50SCCM~200SCCM,使真空室氣壓維持在0.1Pa~5Pa,待料臺(tái)溫度和真空室氣壓都穩(wěn)定以后,把金靶的射頻濺射電源功率設(shè)定為40~150W,開啟金靶的射頻濺射電源,開始在鎳層或鎳鉻層(2)上制備第一金層(3);第一金層(3)的濺射時(shí)間為0.5~10min,使第一金層(3)的厚度控制在20nm~100nm;
(4)制備第一石墨烯層
采用純石墨靶為靶材,將真空室內(nèi)的料臺(tái)加熱至700~880℃,向真空室內(nèi)通入氬氣、氫氣和甲烷的混合氣體,其中,氬氣流量為20SCCM~150SCCM,氫氣流量為10SCCM~100SCCM,甲烷流量為10SCCM~100SCCM,使真空室氣壓繼續(xù)維持在0.1Pa~5Pa;待料臺(tái)溫度和真空室氣壓都穩(wěn)定以后,把石墨靶的射頻濺射電源功率設(shè)定為60~180W,開啟石墨靶的射頻濺射電源,在第一金層(3)上制備第一石墨烯層(4);第一石墨烯層(4)的濺射時(shí)間為0.3~5min,使第一石墨烯層(4)呈表面不連續(xù)的島狀生長(zhǎng),使島狀區(qū)石墨烯的厚度控制在0.335nm~1nm,使第一石墨烯層(4)在第一金層(3)表面的覆蓋度控制在20%~70%;
(5)制備第二金層
采用純金為靶材,將真空室內(nèi)的料臺(tái)加熱至100~500℃,向真空室內(nèi)通入氬氣,氬氣流量為50SCCM~200SCCM,使真空室氣壓維持在0.1Pa~5Pa,待料臺(tái)溫度和真空室氣壓都穩(wěn)定以后,把金靶的射頻濺射電源功率設(shè)定為40~150W,開啟金靶的射頻濺射電源,開始在第一石墨烯層(4)上制備第二金層(5);第二金層(5)的濺射時(shí)間為0.5~15min,使第二金層(5)的厚度控制在50nm~150nm;
(6)制備第二石墨烯層
采用純石墨靶為靶材,將真空室內(nèi)的料臺(tái)加熱至700~880℃,向真空室內(nèi)通入氬氣、氫氣和甲烷的混合氣體,其中,氬氣流量為20SCCM~150SCCM,氫氣流量為10SCCM~100SCCM,甲烷流量為10SCCM~100SCCM,使真空室氣壓繼續(xù)維持在0.1Pa~5Pa;待料臺(tái)溫度和真空室氣壓都穩(wěn)定以后,把石墨靶的射頻濺射電源功率設(shè)定為60~180W,開啟石墨靶的射頻濺射電源,在第二金層(5)上制備第二石墨烯層;使第二石墨烯層(6)的濺射時(shí)間為1~15min;使第二石墨烯層(6)為表面連續(xù)的石墨烯層,使第二石墨烯層(6)在第二金層(5)表面的覆蓋度控制在100%,使第二石墨烯層(6)的厚度控制在0.335nm~3.35nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法,其特征在于,步驟(2)-步驟(6)中,在正式濺射沉積膜層前,都預(yù)先對(duì)即將使用的靶材進(jìn)行預(yù)濺射,以去除所用靶材表面的氧化物或其它雜質(zhì),此時(shí)各靶材和鈦雙極板(1)基體之間均有擋板隔開,因此鈦雙極板(1)基體表面不會(huì)濺射沉積上膜層;
預(yù)濺射時(shí),鎳靶和/或鉻靶的射頻濺射電源功率均設(shè)定為40~200W,預(yù)濺射時(shí)間為3~20min;金靶的射頻濺射電源功率設(shè)定為40~150W,預(yù)濺射時(shí)間為1~5min;石墨靶的射頻濺射電源功率設(shè)定為60~180W,預(yù)濺射時(shí)間為2~10min;正式濺射時(shí),再移開所用靶材前面的擋板,開始在鈦雙極板(1)基體表面上濺射沉積所需的膜層。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的制備方法,其特征在于,在步驟(2)-步驟(6)中,料臺(tái)上均施加-200V~0V的直流偏壓。