阅读说明：本技术 一种燃料电池极板金属碳化物涂层的四腔体沉积系统 (Four-cavity deposition system for metal carbide coating of fuel cell pole plate ) 是由 毕飞飞 黎焕明 姜天豪 蓝树槐 彭林法 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：一种燃料电池极板金属碳化物涂层的四腔体沉积系统,主要包括：依次为进片腔室、过渡层沉积腔室、金属碳化物层沉积腔室和出片腔室；各个腔室的进出口均设有腔室阀门,腔室阀门将两侧的腔室相互隔开；样品传动装置穿过各个腔室内的底部,形成一条闭合回路；样品架设在样品传动装置上,带着样品从左至右依次穿过各个腔室。本发明采用非平衡磁场和平衡磁场的结合,对磁场方式,电源系统和靶基距的匹配优化,提高了金属碳化物涂层的结合性能和稳定性能；采用连续化的小型沉积设备,引入机械手等自动化设备实现对金属碳化物涂层的快速沉积,可降低涂层制备成本。(A four-chamber deposition system for a fuel cell plate metal carbide coating, consisting essentially of: the device comprises a wafer inlet chamber, a transition layer deposition chamber, a metal carbide layer deposition chamber and a wafer outlet chamber in sequence; the inlet and outlet of each chamber are provided with chamber valves which separate the chambers on the two sides from each other; the sample transmission device penetrates through the bottom of each chamber to form a closed loop; the sample is mounted on a sample actuator which carries the sample through the chambers in sequence from left to right. The invention adopts the combination of the unbalanced magnetic field and the balanced magnetic field, optimizes the matching of the magnetic field mode, the power supply system and the target base distance, and improves the combination property and the stability of the metal carbide coating; the continuous small-sized deposition equipment is adopted, and automatic equipment such as a mechanical arm and the like is introduced to realize the rapid deposition of the metal carbide coating, so that the preparation cost of the coating can be reduced.)

一种燃料电池极板金属碳化物涂层的四腔体沉积系统

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池极板金属碳化物涂层的四腔体沉积系统。

背景技术

随着社会的不断发展，煤炭石油等化石能源储量有限以及对生态环境产生的恶劣影响，清洁和可再生能源得到广泛应用并获得巨大重视。其中燃料电池作为一种通过电化学反应直接产生电能的发电装置已经得到诸多机构和人员的关注，以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）更是得到广泛的应用，应用范围已经包括汽车，无人机、固定电站等。在质子交换膜燃料电池当中，极板承担着分配气体，传到热量，支撑膜电极等作用，此外，在燃料电池运行过程当中，极板工作温度可达65～85℃，同时处在pH=3的酸性溶液环境当中，并且存在着一定的电位，电位大小从0.6～1.6V变化不等。没有经过任何处理的金属极板来说，在这种环境下持续工作会产生严重的电化学腐蚀，进而造成燃料电池性能的衰减和寿命的下降。通过对极板进行相应的表面改性，如沉积涂层，以进一步提高燃料电池极板的导电性能和耐腐蚀性能。而在一个燃料电池电堆当中，数十片极板和膜电极堆叠装配在一起，对极板的一致性和均匀性也提出了更高的要求，以满足燃料电池上千小时的寿命要求。

目前在燃料电池金属极板的表面处理改性方面主要有四种类型的涂层，分别是贵金属涂层、石墨涂层、导电聚合物涂层和金属陶瓷涂层。虽然其中的贵金属涂层和石墨涂层均具有良好的化学稳定性和良好的导电性，但是贵金属涂层限于材料选择具有很高的材料成本，而石墨涂层由于沉积速率过慢带来较高的时间成本，因此过高的材料成本和时间成本都不利于大批量大面积生产。导电聚合物涂层的化学性能并不十分稳定，同时材料本身的机械性能以及结合性能限制了其广泛应用。

对于金属陶瓷涂层来说，尤其是金属碳化物涂层具有极其优异的导电性能和耐腐蚀性能，同时它的沉积速率快、生产成本低等特点，使其在实际生产过程当中得到了广泛的应用。在金属碳化物涂层当中碳原子和金属原子之间通过强有力的化学键形成晶体从而具有较高的导电性，但是受沉积环境以及沉积工艺的影响金属碳化物涂层当中依然会存在着少量的金属单质，而这些金属单质在极板服役过程中会逸出造成涂层性能的下降和寿命的降低。

目前针对金属碳化物涂层的制备大多数都集中在单体设备的研究上，而单体设备的生产效率远远低于连续化设备，且可调控参数有限，不利于大批量的生产。同时金属碳化物涂层的导电性能相比于石墨涂层以及贵金属涂层还有较大的提升，因此可以通过在沉积过程中引入氢气对涂层进行刻蚀能有效地促进金属碳化物晶体的形成，使导电颗粒暴露在涂层表面，从而进一步改善涂层的导电性能和耐腐蚀性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池极板金属碳化物涂层的四腔体沉积系统，以克服现有技术存在的上述问题。

一种燃料电池极板金属碳化物涂层的四腔体沉积系统，其特征在于，主要包括：依次为进片腔室、过渡层沉积腔室、金属碳化物层沉积腔室和出片腔室；各个腔室的进出口均设有腔室阀门，所述腔室阀门将两侧的腔室相互隔开；样品传动装置穿过各个腔室内的底部，形成一条闭合回路；样品架设在所述样品传动装置上，带着样品从左至右依次穿过各个腔室。

进一步地，本发明的一种燃料电池极板金属碳化物涂层的四腔体沉积系统，在所述进片腔室、过渡层沉积腔室、金属碳化物层沉积腔室和出片腔室内，还分别配备有独立的真空系统、电源系统以及气路系统。

所述的样品架可以悬挂2～20片燃料电池极板，采用机械臂或其它类似自动化装置完成燃料电池极板的上下料过程。

所述的进片腔室用于抽气和样品的清洗，所述清洗的方式包括射频自偏压清洗、脉冲偏压清洗以及在腔体两侧对称布置的离子源清洗，同时腔体中通入氢气对样品表面氧化物进行刻蚀处理。

进一步地，所述的刻蚀处理所用氢气流量为5～500sccm。

分别在所述过渡层沉积腔室和所述金属碳化物层沉积腔室的两侧壁面对称均匀布置一定数量的加热装置，用于对样品进行加热；所述过渡层沉积腔室的沉积温度为0～700℃，所述金属碳化物层沉积腔室的沉积温度为0～1000℃。

进一步地，分别在所述过渡层沉积腔室和所述金属碳化物层沉积腔室内两侧壁面上设有阴极磁场，与所述加热装置间隔排列；所述阴极磁场采用5～9道磁铁，优选7道磁铁，以提高靶材利用率。

所述过渡层沉积腔室的阴极磁场的表面并排设有多个金属靶位，而且各个靶位上的磁力线相互闭合，构成非平衡闭合磁场。

进一步地，所述金属靶位的数量为1～3，两侧对称靶位的间距为2～30cm，优选5～20cm。

进一步地，每个所述金属靶位上安装纯金属靶材，所述纯金属靶材包括钛、铬、铌、锆等过渡金属中的一种，用于金属过渡层的沉积。

所述过渡层沉积腔室的靶位所接电源采用高功率脉冲磁控溅射电源和直流溅射电源相互耦合的方式，两者通过电源匹配器相连，有效改善过渡层的结合性能和致密性。

所述金属碳化物层沉积腔室的阴极磁场的表面并排设有多个碳化物靶位，而且各个碳化物靶位上的磁场为平衡磁场。

进一步地，每个所述碳化物靶位上安装纯金属靶材、金属碳化物靶材或者多元硅碳陶瓷靶材；所述纯金属靶材为钛、铬、铌、锆等过渡金属中的一种，所述金属碳化物靶材为碳化钛、碳化铬、碳化铌、碳化锆等过渡金属的碳化物中的一种，所述的多元硅碳陶瓷靶材为过渡金属和硅、碳多种元素构成的化合物中的一种，例如：钛硅碳、铬硅碳。

进一步地，所述碳化物靶位的数量为1～3，两侧对称靶位的间距为2～20cm，优选2～10cm。

所述金属碳化物层沉积腔室的靶位所接电源为直流溅射电源或者脉冲溅射电源；当所述靶位的靶材为金属碳化物靶材或多元硅碳陶瓷靶材时，可以直接溅射靶材完成金属碳化物层的制备；当所述靶位的靶材为纯金属靶材时，采用碳源气体反应溅射纯金属靶材完成金属碳化物层的制备。

进一步地，当采用碳源气体反应溅射纯金属靶材时，所述碳源气体包括甲烷、乙炔、苯、吡啶等含碳有机气体中的一种。

进一步地，在所述金属碳化物层沉积腔室内靶材位置两侧，还设有还原性气体通气管；所述还原性气体为氢气，以促进金属碳化物晶体的形成，提高金属碳化物涂层的导电性能和腐蚀性能。

进一步地，所述的氢气流量控制在2～500sccm，优选5～20sccm。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

（1）采用非平衡磁场和平衡磁场的结合，对磁场方式，电源系统和靶基距的匹配优化，进一步提高金属碳化物涂层的结合性能和稳定性能；

（2）在金属碳化物涂层沉积过程中引入还原性气体氢气，促进金属碳化物晶体形成，提高涂层导电性能和腐蚀性能；

（3）采用连续化的小型沉积设备，引入机械手等自动化设备实现对金属碳化物涂层的快速沉积，可降低涂层制备成本。

附图说明

图1为该发明金属碳化物涂层四腔体沉积系统结构示意图;

图2为过渡层沉积腔室电源及磁场示意图；

图3为金属碳化物沉积腔室电源及磁场示意图；

图4为过渡层沉积腔室电源输出电流示意图；

图中标记说明：1-进片腔室，2-过渡层沉积腔室，3-金属碳化物层沉积腔室，4-出片腔室，5-腔室阀门，6-样品架，7-样品，8-样品传动装置，9-金属靶位，10-碳化物靶位，11-通气管，12-加热装置、13-阴极磁场。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

图1所示为本发明的一种燃料电池极板金属碳化物涂层的四腔体沉积系统，主要包括四个真空腔室，从左至右依次为进片腔室1、过渡层沉积腔室2、金属碳化物层沉积腔室3和出片腔室4；各个腔室的进出口均设有腔室阀门5将两侧的腔室相互隔开；样品传动装置8穿过各个腔室内的底部，形成一条闭合回路；样品架6设在所述样品传动装置8上，带动着样品7从左至右依次穿过各个腔室，完成涂层的制备。

在所述进片腔室1、过渡层沉积腔室2、金属碳化物层沉积腔室3和出片腔室4内，还分别配备有独立的真空系统、电源系统以及气路系统。

所述进片腔室1用于抽气和样品的清洗，所述过渡层沉积腔室2用于在清洗后的样品表面沉积一层金属过渡层，所述金属碳化物层沉积腔室3用于沉积表层的金属碳化物层，所述出片腔室4则进行样品的冷却以及放气，由此完成一套涂层的制备。

实施例2～7

实施例2～7具有实施例1相同的结构，同时，另有一些附加特征：

在实施例2中，所述进片腔室1内的清洗方式包括射频自偏压清洗、脉冲偏压清洗以及在腔体两侧对称布置的离子源清洗，同时腔体中通入氢气对样品表面氧化物进行刻蚀处理。

在实施例2中，所述清洗时的偏压大小为100～1000V；所述刻蚀处理所用氢气流量为5～500sccm，清洗时长0.2～5min。

在实施例3中，所述样品架6上可以悬挂2～20片燃料电池极板，采用机械臂或其它类似自动化装置通过夹持或者吸附完成燃料电池极板的上下料过程；所述样品架6在样品传动装置8上的运行速度为0.2～10m/min。

在实施例3中，分别在所述过渡层沉积腔室2和所述金属碳化物层沉积腔室3的两侧壁面对称均匀布置一定数量的加热装置12，用于对样品进行加热；所述过渡层沉积腔室2的沉积温度为0～700℃，所述金属碳化物层沉积腔室3的沉积温度为0～1000℃。

进一步地，分别在所述过渡层沉积腔室2和所述金属碳化物层沉积腔室3内两侧壁面上设有阴极磁场13，与所述加热装置12间隔排列，所述阴极磁场13采用5～9道磁铁；在实施例3中，所述阴极磁场采用7道磁铁，靶材利用率达到最高水平。

所述过渡层沉积腔室2的阴极磁场13的表面并排设有多个金属靶位9，而且各个金属靶位9上的磁力线相互闭合，构成非平衡闭合磁场，如图2所示；所述金属靶位9的数量为1～3，两侧对称靶位的间距为2～30cm，在实施例4中，设为5～20cm达到最优。

进一步地，每个所述金属靶位9上安装纯金属靶材，所述纯金属靶材包括钛、铬、铌、锆等过渡金属中的一种，用于金属过渡层的沉积。

所述金属靶位9所接电源采用高功率脉冲磁控溅射电源和直流溅射电源相互耦合的方式，如图2所示，两者通过电源匹配器相连，可以有效改善过渡层的结合性能和致密性；在实施例5中，样品在所述过渡层沉积腔室2中的沉积时间为0.2～3min。

在实施例5中，所述金属碳化物层沉积腔室3的阴极磁场13的表面并排设置多个碳化物靶位10，而且各个靶位上的磁场为平衡磁场，如图3所示。所述碳化物靶位10的数量为1～3，两侧对称靶位的间距为2～20cm，在实施例5中，设为2～10cm达到最优。

每个所述碳化物靶位10上安装纯金属靶材、金属碳化物靶材或者多元硅碳陶瓷靶材；所述纯金属靶材为钛、铬、铌、锆等过渡金属中的一种，所述金属碳化物靶材为碳化钛、碳化铬、碳化铌、碳化锆等过渡金属的碳化物中的一种，所述的多元硅碳陶瓷靶材为过渡金属和硅、碳多种元素构成的化合物中的一种，例如：钛硅碳、铬硅碳。在实施例6中，所述碳化物靶位10的靶材为金属碳化物靶材，优选为碳化钛靶材；样品在所述金属碳化物层沉积腔室3中的沉积时间为0.2～2min。

所述碳化物靶位10所接电源为直流溅射电源或者脉冲溅射电源；当所述碳化物靶位10的靶材为金属碳化物靶材或多元硅碳陶瓷靶材时，可以直接溅射靶材完成金属碳化物层的制备；当所述碳化物靶位10的靶材为纯金属靶材时，采用碳源气体反应溅射纯金属靶材完成金属碳化物层的制备。

进一步地，当采用碳源气体反应溅射纯金属靶材时，所述碳源气体包括甲烷、乙炔、苯、吡啶等含碳有机气体中的一种；在实施例6中，优选的碳源气体为乙炔。

在实施例7中，在金属靶位9和所述碳化物靶位10的位置两侧，还分别设有还原性气体通气管11；所述还原性气体为氢气，以促进金属碳化物晶体的形成，提高金属碳化物涂层的导电性能和腐蚀性能。

进一步地，所述的氢气流量控制在2～500sccm，在实施例7中，优选的氢气流量为5～20sccm。