本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及增強表面的燃料電池雙極板及其制備方法。

背景技術(shù)：

燃料電池的種類較多，其中質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種高效、清潔的綠色環(huán)保電源，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、工作溫度低、啟動快、比功率高、壽命長等優(yōu)點，可廣泛用于電動汽車、分布式發(fā)電站和可攜帶電源等。

雙極板是質(zhì)子交換膜燃料電池中的主要部件，約占質(zhì)子交換膜燃料電池總重量的70％和質(zhì)子交換膜燃料電池總成本的50％以上。雙極板的作用是分隔反應(yīng)氣體、收集并傳導(dǎo)電流、支撐膜電極和承擔(dān)整個燃料電池系統(tǒng)的散熱和排水功能等。為了滿足這些功能，雙極板應(yīng)當(dāng)具有高導(dǎo)電性、高機械強度、高導(dǎo)熱性、耐腐蝕性、低密度、高阻氣能力和易機械加工等特性。

在諸多雙極板基體材料中，金屬是理想的基體材料之一。與石墨雙極板等相比，金屬雙極板兼具高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性、高阻氣能力和易機械加工等優(yōu)點，而且金屬儲量豐富，更易于機加工成薄板以降低質(zhì)子交換膜燃料電池組的成本和體積。但是，金屬雙極板在質(zhì)子交換膜燃料電池的酸性高溫環(huán)境中容易發(fā)生腐蝕或溶解，一方面雙極板的導(dǎo)電性能由于表面腐蝕而下降，另一方面溶解后產(chǎn)生的一些金屬離子還會擴散到質(zhì)子交換膜，造成質(zhì)子交換膜的“毒化”，這都降低了電池的輸出功率，并最終導(dǎo)致雙極板功能失效。因而金屬雙極板目前急需解決的主要問題是如何選擇適宜的雙極板基體材料，并對其進行表面改性處理，以提高金屬雙極板的耐腐蝕能力等。

與不銹鋼、鋁等金屬雙極板基體材料相比，鈦兼具低密度、高機械強度和耐腐蝕的優(yōu)點。在鈦雙極板基體上鍍制貴金屬(比如Au、Ag)可兼顧金屬雙極板的耐腐蝕性和導(dǎo)電性。目前在鈦雙極板基體表面上鍍金是較成熟且被試驗驗證的處理方法，可使鈦雙極板具有足夠的使用壽命。如發(fā)明專利[CN 2008 8 0119358.9]提供可在鈦雙極板基體表面上通過電鍍形成金層，來提高燃料電池雙極板的耐腐蝕性。

但是，在鈦雙極板基體表面上通過電鍍制備金層，這樣的電鍍方法會造成金層與鈦雙極板基體之間的結(jié)合力較小，容易導(dǎo)致鈦雙極板在使用過程中出現(xiàn)金層剝離和崩落的現(xiàn)象。

另一方面，由于在鈦雙極板基體表面制備的電鍍金層一般存在諸多微孔缺陷，如果這些微孔不被堵塞，將使陰極分布的氧通過微孔擴散直達鈦雙極板基體，使鈦雙極板基體氧化，最終導(dǎo)致總體接觸電阻變大，降低了燃料電池的輸出電壓。并且鈦雙極板的接觸電阻變大引起的燃料電池溫度升高也會影響燃料電池中催化劑的活性。此外，電鍍金層的微孔缺陷還會導(dǎo)致鈦雙極板基體發(fā)生其作為陽極的電化學(xué)腐蝕，使金層過早失效。情況嚴重時，鈦雙極板基體在陰極氧化、電化學(xué)腐蝕等多種機制作用下，最終會導(dǎo)致其表面電鍍金層的剝離與崩落。

除此以外，一般金層表面的疏水性不高，由此而造成鈦雙極板流場末端的堵塞也是致使鈦雙極板組裝電堆運行性能迅速下降的主要原因之一。

故，目前鈦雙極板基體表面鍍金結(jié)構(gòu)的燃料電池雙極板所面臨的主要問題在是：如何提高金層與鈦雙極板基體的結(jié)合力，防止金層剝離與崩落；如何在保證金層厚度較薄的前提下，堵塞其微孔缺陷；如何對金層進行表面改性，提高燃料電池雙極板表面的疏水特性，以大大提高燃料電池雙極板的抗腐蝕能力和耐久能力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提供一種表面疏水性高，接觸電阻低，耐蝕性好和耐久性好的燃料電池用高性能鈦雙極板及其表面改性制備方法。

在鈦雙極板基體和金層之間插入鎳層或含鎳的金屬層如鎳鉻層可以提高鈦雙極板基體和金層之間的結(jié)合力，另外鎳比較耐腐蝕，且鎳在氧化后生成的氧化鎳具有導(dǎo)電性。而鉻在氧化后可生成致密的氧化鉻鈍化層，能阻止氧的擴散，防止繼續(xù)氧化，因而在鎳層中添加適量的鉻可以提高鎳層的耐腐蝕能力。石墨烯是單層的二維單原子層石墨，其厚度約為0.335nm，從廣義上來說，層數(shù)小于10層的石墨都可稱為石墨烯。石墨烯不僅具有良好的導(dǎo)電性，還具有高疏水性。由于溫度越低時碳在金層中的固溶度也越低，因而在高溫下固溶于金層中的碳粒子會在隨后的降溫過程中析出于金層的表面而生成石墨烯層，使石墨烯改性后的金層表面兼具了高導(dǎo)電性和高疏水性。另外，在制備石墨烯的降溫析碳過程中，一些擴散并固溶于鎳層或鎳鉻層、金層中的碳粒子會以石墨相析出于鎳層或鎳鉻層、金層的微孔缺陷當(dāng)中，這起到了很好的微孔堵塞作用，進一步提高了鎳層或鎳鉻層、鈦雙極板基體的耐腐蝕能力。

磁控濺射設(shè)備和方法適于以金為靶材制備均勻致密的且與基體結(jié)合力高的金層，而對鎳靶采用強磁磁控靶以后，也適于以鎳、鉻為靶材制備鎳層或鎳鉻層；采用磁控濺射設(shè)備和方法，還能以石墨為靶材根據(jù)需要在金層上制備出表面不連續(xù)的或連續(xù)的石墨烯層；另外，在磁控濺射設(shè)備的真空室內(nèi)，對放置于料臺上的鈦雙極板基體施加較高的直流負偏壓時，可對鈦雙極板基體進行反濺射清洗，能有效去除鈦雙極板基體表面的污染物、毛刺和自然氧化層等。這樣本發(fā)明技術(shù)構(gòu)想中的鈦雙極板基體的反濺射清洗以及后續(xù)的鎳層或鎳鉻層、金層、石墨烯層等的依次制備均可同一個磁控濺射設(shè)備中實施。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種石墨烯增強表面的燃料電池用高性能雙極板，采用鈦雙極板作為基體，鈦雙極板基體表面上依次為鎳層或鎳鉻層、第一金層、第一石墨烯層、第二金層和第二石墨烯層。

鈦雙極板基體的厚度為0.1mm～1mm；

鎳層或鎳鉻層的厚度為20nm～100nm，鎳鉻層中鉻的摩爾含量為不大于0.8；

第一金層的厚度為20nm～100nm；

第一石墨烯層呈表面不連續(xù)的島狀生長，第一石墨烯層在第一金層表面的覆蓋度為20％～70％，其中島狀區(qū)石墨烯的厚度為0.335nm～1nm；

所述的第二金層的厚度為50mm～150nm；

第二石墨烯層為表面連續(xù)的石墨烯層，第二石墨烯層在第二金層表面的覆蓋度為100％，第二石墨烯層的厚度為0.335nm～3.35nm。

一種石墨烯增強表面的燃料電池用高性能雙極板的制備方法，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，接著把料臺的直流偏壓設(shè)定為-500～-1000V，在室溫下，開啟料臺的直流偏壓電源對鈦雙極板基體進行反濺射清洗，反濺射清洗的時間為10min～40min；

(2)制備鎳層或鎳鉻層

采用純鎳和純鉻為靶材，鎳靶使用強磁磁控靶，將真空室內(nèi)的料臺加熱至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，單獨開啟鎳靶，在鈦雙極板基體表面上制備鎳層，鎳層的濺射時間為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，同時開啟鎳靶和鉻靶的射頻濺射電源，在鈦雙極板基體表面上制備鎳鉻層；鎳鉻層的濺射時間為0.5～30min，使鎳鉻層的厚度控制在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上制備第一金層；第一金層的濺射時間為0.5～10min，使第一金層的厚度控制在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，在第一金層上制備第一石墨烯層；第一石墨烯層的濺射時間為0.3～5min，使第一石墨烯層呈表面不連續(xù)的島狀生長，使島狀區(qū)石墨烯的厚度控制在0.335nm～1nm，使第一石墨烯層在第一金層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上制備第二金層；第二金層的濺射時間為0.5～15min，使第二金層的厚度控制在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，在第二金層上制備第二石墨烯層；使第二石墨烯層的濺射時間為1～15min；使第二石墨烯層為表面連續(xù)的石墨烯層，使第二石墨烯層在第二金層表面的覆蓋度控制在100％，使第二石墨烯層的厚度控制在0.335nm～3.35nm。

在步驟(2)-步驟(6)中，在正式濺射沉積膜層前，都預(yù)先對即將使用的靶材進行預(yù)濺射，以去除所用靶材表面的氧化物或其它雜質(zhì)，此時各靶材和鈦雙極板基體之間均有擋板隔開，因此鈦雙極板基體表面不會濺射沉積上膜層；

預(yù)濺射時，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)濺射時間為2～10min；正式濺射時，再移開所用靶材前面的擋板，開始在鈦雙極板基體表面上濺射沉積所需的膜層。

在步驟(2)-步驟(6)中，料臺上均施加-200V～0V的直流偏壓。

在本發(fā)明中，我們稱離子轟擊金靶、鎳靶和鉻靶為濺射，離子轟擊鈦雙極板基體為反濺射。對鈦雙極板基體進行反濺射清洗或施加所需的直流負偏壓時，將真空室的金屬腔體外殼接地的同時還連接直流偏壓電源的輸出正極，將鈦雙極板基體連接直流偏壓電源的輸出負極。

本發(fā)明的有益效果：采用磁控濺射設(shè)備和方法，既能實現(xiàn)鈦雙極板基體的反濺射清洗，以獲得潔凈的鈦雙極板基體表面，又能在鈦雙極板基體表面上制備出微孔缺陷少、厚度均勻的鎳層或鎳鉻層、第一金層和第二金層；使用鎳層或鎳鉻層提高了第一金層與鈦雙極板基體之間的結(jié)合力；鎳鉻層中鎳和鉻的共同使用解決了在鈦雙極板使用過程中既要降低總體接觸電阻又要耐腐蝕的難題；金層化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，使用金層可隔離鎳層或鎳鉻層、鈦雙極板基體與陰極周圍的氧氣，避免鎳層或鎳鉻層、鈦雙極板基體的氧化。

通過磁控濺射設(shè)備和方法，可按需要分別在第一金層表面制備出表面不連續(xù)的島狀結(jié)構(gòu)第一石墨烯層和在第二金層表面制備出表面連續(xù)的第二石墨烯層。由于第一石墨烯層呈表面不連續(xù)的島狀生長，未完全覆蓋住第一金層，這提高了第一金層和第二金層之間的結(jié)合力。在后續(xù)制備第二金層和第二石墨烯層的過程中，第一石墨烯層中的一部分碳粒子會擴散至第二金層的表面，可促進形成表面連續(xù)的第二石墨烯層。而第一石墨烯層中的部分碳粒子擴散消失又使得第一金層和第二金層的直接接觸面積進一步增大，進一步提高了第一金層和第二金層的結(jié)合力。特別是，在制備第一石墨烯層和第二石墨烯層的過程中，一些擴散并固溶于鎳層或鎳鉻層、第一金層、第二金層內(nèi)部的碳粒子在降溫過程中以石墨相析出于鎳層或鎳鉻層、第一金層、第二金層的微孔缺陷當(dāng)中，這起到了很好的微孔堵塞作用，進一步提高了鎳層或鎳鉻層、鈦雙極板基體的耐腐蝕能力。

高疏水的第二石墨烯層大大提高了第二金層表面的疏水特性，防止了鈦雙極板末端流場的堵塞。同時石墨烯的導(dǎo)電性很好，且與組裝燃料電池用的擴散層碳紙同屬于碳元素材料，大大降低了接觸電阻。

附圖說明

圖1是本發(fā)明雙極板的橫截面剖面視圖。

圖2是本發(fā)明所述制備方法的工藝流程圖。

圖中：1鈦雙極板；2鎳層或鎳鉻層；3第一金層；4第一石墨烯層；5第二金層；6第二石墨烯層；7堵塞微孔的碳粒子。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和技術(shù)方案，進一步說明本發(fā)明的具體實施方式。

實施例1，如附圖1、2所示。

本實施例是在以下實施條件和技術(shù)要求，按照如下步驟實施的：

(1)反濺射清洗：

將鈦雙極板1基體放入超聲清洗設(shè)備中進行清洗，并在真空干燥爐中進行干燥后，放入磁控濺射設(shè)備真空室內(nèi)的料臺上，將真空室內(nèi)的真空抽至2×10^-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80SCCM，氫氣流量為40SCCM，使真空室氣壓維持在2Pa。反濺射清洗前，在均使用擋板將各靶材和鈦雙極板1基體之間隔開，以防止在各靶材表面沉積上鈦膜。待真空室氣壓穩(wěn)定以后，把料臺的直流偏壓設(shè)置為-800V，在室溫下，開啟料臺的直流偏壓電源對鈦雙極板1基體進行反濺射清洗，反濺射清洗的時間為20min。完畢后關(guān)閉料臺的直流偏壓電源，繼續(xù)維持氬氣和氫氣的流量不變。

(2)制備鎳層2：

將真空室內(nèi)的料臺溫度加熱至350℃，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)整氬氣流量至120SCCM，使真空室氣壓繼續(xù)維持在2Pa。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120W，開啟鎳靶的射頻濺射電源，預(yù)先對鎳靶的表面進行預(yù)濺射，時間為10min。正式濺射時，先開啟料臺的直流偏壓電源，對料臺施加-80V的直流偏壓，再移開鎳靶前面的擋板，開始在鈦雙極板1基體表面上濺射沉積鎳層2，正式濺射時間為20min。完畢后，同時關(guān)閉鎳靶的射頻濺射電源，關(guān)閉料臺的直流偏壓電源，關(guān)閉鎳靶前面的擋板，使鎳靶與鈦雙極板1基體之間隔開，繼續(xù)維持氬氣的流量不變。所制得的鎳層2厚度為40nm。

(3)制備第一金層3：

將料臺加熱溫度繼續(xù)維持在350℃，向真空室內(nèi)繼續(xù)通入氬氣，氬氣流量仍為120SCCM使真空室氣壓繼續(xù)維持在2Pa。把金靶的射頻濺射電源功率設(shè)定為80W，開啟金靶的磁控濺射用射頻電源，預(yù)先對金靶的表面進行預(yù)濺射，時間為2min。正式濺射時，先開啟料臺的直流偏壓電源，對料臺施加-80V的直流偏壓，然后移開金靶前面的擋板，在鎳層2上開始濺射沉積第一金層3，正式濺射時間為5min。完畢后，關(guān)閉金靶的射頻濺射電源，關(guān)閉料臺的直流偏壓電源，關(guān)閉金靶前面的擋板，使金靶與鈦雙極板1基體之間隔開。所制得的第一金層3厚度為50nm。

(4)制備第一石墨烯層4：

把氬氣流量調(diào)整為80SCCM，然后再通入氫氣和甲烷，其中氫氣流量為20SCCM，甲烷流量為20SCCM，使真空室氣壓維持在2Pa，將料臺溫度加熱至880℃。當(dāng)料臺溫度穩(wěn)定以后，把石墨靶的射頻濺射電源功率設(shè)定為100W，開啟石墨靶的磁控濺射用射頻電源，預(yù)先對石墨靶的表面進行預(yù)濺射，時間為2min。正式濺射時，先開啟料臺的直流偏壓電源，對料臺施加-80V的直流偏壓，然后移開石墨靶前面的擋板，在第一金層3上開始制備第一石墨烯層4，正式濺射時間為1min。完畢后，關(guān)閉石墨靶的射頻濺射電源，關(guān)閉料臺的直流偏壓電源，關(guān)閉石墨靶前面的擋板，使石墨靶與鈦雙極板1基體之間隔開，接著將料臺溫度降溫至450℃。所制得的第一石墨烯層4的表面呈不連續(xù)的島狀結(jié)構(gòu)，島狀區(qū)石墨烯的平均厚度為1nm，第一石墨烯層4在第一金層3表面的覆蓋度為60％。

(5)制備第二金層5：

當(dāng)料臺溫度穩(wěn)定在450℃以后，關(guān)閉甲烷和氫氣，向真空室內(nèi)繼續(xù)通入氬氣，并把氬氣流量調(diào)整為80SCCM，使真空室氣壓繼續(xù)維持在1.5Pa。待真空室氣壓穩(wěn)定以后，把金靶的射頻濺射電源功率設(shè)定為100W，開啟金靶的磁控濺射用射頻電源，預(yù)先對金靶的表面進行預(yù)濺射，時間為2min。正式濺射時，先開啟料臺的直流偏壓電源，對料臺施加-80V的直流偏壓，然后移開金靶前面的擋板，在第一石墨烯層4上開始濺射沉積第二金層5，正式濺射時間為15min。完畢后，關(guān)閉金靶的射頻濺射電源，關(guān)閉料臺的直流偏壓電源，關(guān)閉金靶前面的擋板，使金靶與鈦雙極板1基體之間隔開。所制得的第二金層5厚度為70nm。

(6)制備第二石墨烯層6：

把氬氣流量調(diào)整為60SCCM，然后再通入氫氣和甲烷，其中氫氣流量為30SCCM，甲烷流量為30SCCM，使真空室氣壓維持在2Pa，將料臺溫度加熱至850℃。當(dāng)料臺溫度穩(wěn)定以后，把石墨靶的射頻濺射電源功率設(shè)定為80W，開啟石墨靶的磁控濺射用射頻電源，預(yù)先對石墨靶的表面進行預(yù)濺射，時間為2min。正式濺射時，先開啟料臺的直流偏壓電源，對料臺施加-80V的直流偏壓，然后移開石墨靶前面的擋板，在第二金層5上開始制備第二石墨烯層6，正式濺射時間為10min。完畢后，關(guān)閉石墨靶的射頻濺射電源，關(guān)閉料臺的直流偏壓電源，關(guān)閉石墨靶前面的擋板，使石墨靶與鈦雙極板1基體之間隔開，接著將料臺溫度設(shè)定為50℃開始降溫。在降溫過程中，維持氬氣、氫氣和氬氣的流量和真空室氣壓不變，當(dāng)料臺溫度降低至50℃以后，關(guān)閉各路氣體，有序關(guān)閉磁控濺射設(shè)備。所制得的第二石墨烯層6的表面呈連續(xù)的結(jié)構(gòu)，第二石墨烯層6的平均厚度為2.68nm，其在第二金層5表面的覆蓋度為100％。

如此在鈦雙極板1基體表面上依次制備出厚度為40nm的鎳層2；50nm的第一金層3；表面覆蓋度為60％、島狀區(qū)石墨烯平均厚度為1nm的第一石墨烯層4；厚度為70nm的第二金層5；表面覆蓋度為100％、石墨烯層平均厚度為2.68nm的第二石墨烯層6。測得雙極板接觸電阻≤2.0mΩ·cm²(0.8MPa壓緊力下)，模擬PEMFC腐蝕環(huán)境下腐蝕電流i_cor≤6.0×10^-8A/cm²，水接觸角≥110°。

實施例2，如附圖1、2所示。

本實施例是在以下實施條件和技術(shù)要求，按照如下步驟實施的：

(1)反濺射清洗：

將鈦雙極板1基體放入超聲清洗設(shè)備中進行清洗，并在真空干燥爐中進行干燥后，放入磁控濺射設(shè)備真空室內(nèi)的料臺上，將真空室內(nèi)的真空抽至2×10^-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80SCCM，氫氣流量為40SCCM，使真空室氣壓維持在2Pa。反濺射清洗前，在均使用擋板將各靶材和鈦雙極板1基體之間隔開，以防止在各靶材表面沉積上鈦膜。待真空室氣壓穩(wěn)定以后，把料臺的直流偏壓設(shè)置為-800V，在室溫下，開啟料臺的直流偏壓電源對鈦雙極板1基體進行反濺射清洗，反濺射清洗的時間為20min。完畢后關(guān)閉料臺的直流偏壓電源，繼續(xù)維持氬氣和氫氣的流量不變。

(2)制備鎳鉻層2：

將真空室內(nèi)的料臺溫度加熱至400℃，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)整氬氣流量至120SCCM，使真空室氣壓繼續(xù)維持在2Pa。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120W，把鉻靶的磁控濺射用射頻電源的功率設(shè)定為100W，同時開啟鎳靶和鉻靶的射頻濺射電源，預(yù)先對鎳靶和鉻靶的表面進行預(yù)濺射，時間為10min。正式濺射時，先開啟料臺的直流偏壓電源，對料臺施加-100V的直流偏壓，再同時移開鎳靶、鉻靶前面的擋板，開始在鈦雙極板1基體表面上濺射沉積鎳鉻層，正式濺射時間為8min。完畢后，同時關(guān)閉鎳靶和鉻靶的射頻濺射電源，關(guān)閉料臺的直流偏壓電源，關(guān)閉鎳靶、鉻靶前面的擋板，使鎳靶、鉻靶與鈦雙極板1基體之間隔開，繼續(xù)維持氬氣的流量不變。所制得的鎳鉻層2厚度為30nm，鎳鉻層2中的鉻摩爾含量為0.5。

(3)制備第一金層3：

將料臺加熱溫度繼續(xù)維持在400℃，向真空室內(nèi)繼續(xù)通入氬氣，氬氣流量仍為120SCCM使真空室氣壓繼續(xù)維持在2Pa。把金靶的射頻濺射電源功率設(shè)定為80W，開啟金靶的磁控濺射用射頻電源，預(yù)先對金靶的表面進行預(yù)濺射，時間為2min。正式濺射時，先開啟料臺的直流偏壓電源，對料臺施加-80V的直流偏壓，然后移開金靶前面的擋板，在鎳鉻層2上開始濺射沉積第一金層3，正式濺射時間為4min。完畢后，關(guān)閉金靶的射頻濺射電源，關(guān)閉料臺的直流偏壓電源，關(guān)閉金靶前面的擋板，使金靶與鈦雙極板1基體之間隔開。所制得的第一金層3厚度為40nm。

(4)制備第一石墨烯層4：

把氬氣流量調(diào)整為60SCCM，然后再通入氫氣和甲烷，其中氫氣流量為30SCCM，甲烷流量為30SCCM，使真空室氣壓維持在2Pa，將料臺溫度加熱至850℃。當(dāng)料臺溫度穩(wěn)定以后，把石墨靶的射頻濺射電源功率設(shè)定為80W，開啟石墨靶的磁控濺射用射頻電源，預(yù)先對石墨靶的表面進行預(yù)濺射，時間為2min。正式濺射時，先開啟料臺的直流偏壓電源，對料臺施加-80V的直流偏壓，然后移開石墨靶前面的擋板，在第一金層3上開始制備第一石墨烯層4，正式濺射時間為1min。完畢后，關(guān)閉石墨靶的射頻濺射電源，關(guān)閉料臺的直流偏壓電源，關(guān)閉石墨靶前面的擋板，使石墨靶與鈦雙極板1基體之間隔開，接著將料臺溫度降溫至500℃。所制得的第一石墨烯層4的表面呈不連續(xù)的島狀結(jié)構(gòu)，島狀區(qū)石墨烯的平均厚度為0.65nm，第一石墨烯層4在第一金層3表面的覆蓋度為40％。

(5)制備第二金層5：

當(dāng)料臺溫度穩(wěn)定在500℃以后，關(guān)閉甲烷和氫氣，向真空室內(nèi)繼續(xù)通入氬氣，并把氬氣流量調(diào)整為120SCCM，使真空室氣壓繼續(xù)維持在2Pa。待真空室氣壓穩(wěn)定以后，把金靶的射頻濺射電源功率設(shè)定為80W，開啟金靶的磁控濺射用射頻電源，預(yù)先對金靶的表面進行預(yù)濺射，時間為2min。正式濺射時，先開啟料臺的直流偏壓電源，對料臺施加-80V的直流偏壓，然后移開金靶前面的擋板，在第一石墨烯層4上開始濺射沉積第二金層5，正式濺射時間為10min。完畢后，關(guān)閉金靶的射頻濺射電源，關(guān)閉料臺的直流偏壓電源，關(guān)閉金靶前面的擋板，使金靶與鈦雙極板1基體之間隔開。所制得的第二金層5厚度為100nm。

(6)制備第二石墨烯層6：

把氬氣流量調(diào)整為60SCCM，然后再通入氫氣和甲烷，其中氫氣流量為30SCCM，甲烷流量為30SCCM，使真空室氣壓維持在2Pa，將料臺溫度加熱至850℃。當(dāng)料臺溫度穩(wěn)定以后，把石墨靶的射頻濺射電源功率設(shè)定為80W，開啟石墨靶的磁控濺射用射頻電源，預(yù)先對石墨靶的表面進行預(yù)濺射，時間為2min。正式濺射時，先開啟料臺的直流偏壓電源，對料臺施加-80V的直流偏壓，然后移開石墨靶前面的擋板，在第二金層5上開始制備第二石墨烯層6，正式濺射時間為10min。完畢后，關(guān)閉石墨靶的射頻濺射電源，關(guān)閉料臺的直流偏壓電源，關(guān)閉石墨靶前面的擋板，使石墨靶與鈦雙極板1基體之間隔開，接著將料臺溫度設(shè)定為50℃開始降溫。在降溫過程中，維持氬氣、氫氣和氬氣的流量和真空室氣壓不變，當(dāng)料臺溫度降低至50℃以后，關(guān)閉各路氣體，有序關(guān)閉磁控濺射設(shè)備。所制得的第二石墨烯層6的表面呈連續(xù)的結(jié)構(gòu)，第二石墨烯層6的平均厚度為2.68nm，其在第二金層5表面的覆蓋度為100％。

如此在鈦雙極板1基體表面上依次制備出厚度為30nm、鉻摩爾含量為0.5的鎳鉻層2；厚度為40nm的第一金層3；表面覆蓋度為40％、島狀區(qū)石墨烯平均厚度為0.65nm的第一石墨烯層4；厚度為100nm的第二金層5；表面覆蓋度為100％、石墨烯層平均厚度為2.68nm的第二石墨烯層6。測得雙極板接觸電阻≤3.0mΩ·cm²(0.8MPa壓緊力下)，模擬PEMFC腐蝕環(huán)境下腐蝕電流i_cor≤5.0×10^-8A/cm²，水接觸角≥110°。