氢燃料电池金属双板板PVD工艺方向-SCG超级导电石墨薄膜涂层

Super Conductive Graphite：超级导电石墨薄膜材料，简称SCG，这种薄膜材料电阻率低、膜层致密、防腐性能优异，极适用于新能源燃料电池关键部件-金属双极板表面改性应用。

SCG薄膜材料核心性能：

①1.5MPa压力下，接触电阻(ICR)＜10 mΩcm²；

②在pH＜4的弱酸性条件下腐蚀电阻＜1 uAcm²。

燃料电池又称质子交换膜燃料电池，其是由一片片单电池串联组装而成的，其中，单电池由阳极板、MEA（膜电极）以及阴极板组成。作为质子交换膜燃料电池堆的重要组件，双极板（BPs）的质量占燃料电池堆的60~80%，成本占20~40%，并且几乎占据了整个燃料电池堆的全部体积，结构如图1所示。

（注：图1来源于知乎）

图1 燃料电池电堆、单电池、双极板和MEA之间的关系示意图

BPs无疑是实现燃料电池堆稳定、持续高效率工作的最重要部件，根据材料的不同，分为石墨双极板、复合材料双极板和金属双极板，其中石墨双极板应用最早。

石墨是热和电的良导体，具有较高的电导率、化学稳定性、热稳定性以及耐腐蚀、低密度等优点，用于制作双极板具有先天独特的优势，但是又因为石墨是一种多孔的脆性材料，其强度低、延展性差，难以满足双极板的气密性要求，因此在加工时，需要对石墨进行反复浸渍、碳化处理从而制造成无孔的具有良好气密性的无孔石墨双极板，制造工艺要求高，良品率低，影响燃料电池堆整体安全性。

复合材料双极板主要是通过热塑或热固性树脂料混合石墨粉/增强纤维形成预制料，并固化/石墨化后成型。复合材料型双极板又可以分为碳基复合材料双极板和金属基复合材料双极板。碳基复合材料双极板可以根据导电填料及树脂配比调整双极板的导电性能和机械强度，可以采用模压或注射成型工艺进行批量化生产，降低双极板制造成本，未来具有较大应用前景。

金属基复合材料双极板则通常采用金属作为分隔板，边框采用塑料、聚矾、碳酸酯减轻电池组的质量，边框与金属板之间采用导电胶粘接，以注塑与焙烧法制备的有孔薄碳板或者石墨板作为流场板。

金属基复合材料双极板集合了石墨双极板和金属双极板的优点，但是由于其结构及制备工艺复杂，难以实现批量化生产，生产成本远高于碳基复合材料双极板，不适合大规模批量化发展；为了解决安全性问题，金属双极板应运而生，与石墨双极板相比，金属双极板具有与之类似的高导电、导热能力，但金属双极板具有更好的机械强度、阻气能力和抗冲击能力，因此，金属双极板能够做到超薄，大幅提升比功率密度。

一般而言，金属双极板的制备方向总体分为2种，分别为：

①通过机床将316L材质的薄钢片冲压或液压成型成燃料电池堆使用的双极板形状，然后通过表面改性技术，如PVD等技术在已冲压完成的样片上沉积SCG薄膜，完成金属双极板的制备；代表企业-Interplex等。

图2 HCINLINE-SCG系列超导电石墨薄膜连续式镀膜生产线

②通过如PVD等技术在大型金属连续线设备上先沉积出SCG薄膜，然后通过冲压技术或液压成型将已镀制完成的金属片上压制成所需的金属双极板形状；代表企业-丰田等；

图3 HCMRC-SCG系列超导电石墨薄膜卷对卷镀膜生产线

由此可见，SCG薄膜性能的优劣对金属双极板性能至关重要，那么SCG具有如此优异性能的原因是什么？

人们在研究碳膜过程中，发现了一种性能与金刚石薄膜极其相似的非晶态碳膜称之为类金刚石镀层。

近几十年以来非晶碳薄膜因为具有成膜温度低、适宜大面积沉积，同时具有良好的透光性、良好的耐磨损性、高的化学稳定性以及优异的生物相容性等特点受到人们越来越多的关注，目前己在光学、电子、机械加工、生物材料等方面得到了广泛应用。

非晶碳膜一般由石墨和金刚石微观结构的杂化键组成，因此其性能类似于石墨和金刚石。非晶碳膜因其碳杂化态和含氢量的不同有多种异构体如ta-C、a-C:H、DLC、其性质主要是由其性质主要是由sp³/sp²比所决定。

一直以来，将非晶碳膜称之为类金刚石碳膜（DLC）薄膜，但近年来研究以sp²为主的薄膜，发现其性能与sp³为主的类金刚石碳膜具有一定差异，为了与DLC薄膜区分，学术上将其称之为类石墨（GLC）薄膜，而在目前的新能源燃料电池领域又将其称之为SCG，其最为显著的特征为耐腐蚀、电阻率极低，极适用于燃料电池电池堆的应用。

图4 非晶碳碳一氢合金键三元相图

对于想应用于燃料电池领域的SCG薄膜，根据美国能源部（DOE）的标准，双极板上镀制的薄膜需要达到以下性能，才能满足目前的社会要求：

①穿过平面的电阻率＞100 Scm^-1；

②接触电阻(ICR)＜10 mΩcm²；

③在pH＜4的弱酸性条件下腐蚀电阻＜1 uAcm²；

④高的热导率＞10 W（mK^-1）；

⑤对氢气和氧气的渗透率＜2×10^-6cm³(cm²s)^-1；

⑥抗拉强度＞59MPa；

⑦冲击强度＞40.5 Jm^-1。

目前，国内外厂商皆致力于金属双极板的研究与开发，已有部分公司小批量生产，但距离大批量化生产，仍具有一定难度，相信在不久的将来，随着制备工艺的改进，搭载燃料电池技术的新能源汽车将随处可见。

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