[发明专利]燃料电池导电金属流体分布板

说明书

发明背景

1.发明领域

本发明总体上涉及一种导电金属流体分布板、导电金属流体分布板的制作方法以及使用根据本发明的导电金属流体分布板的系统。更特别地是，本发明涉及将导电金属流体分布板用于处理燃料电池及其他类型装置中的接触电阻和水输送难点，还涉及流体分布板上有机涂层的湿附着。

2.背景技术

燃料电池正在被开发用作许多应用(包括车辆应用)的电源。这种燃料电池之一为质子交换膜或PEM燃料电池。PEM燃料电池为本领域的技术人员所熟知，其每个电池单元中包含膜电极组件或MEA。MEA为一薄的、质子导电的、聚合的膜电解质，含有在其一侧形成的阳极面以及在其相反面形成的阴极面。一个膜电解质实例为由离子交换树脂制成的类型。示范性的离子交换树脂包含全氟磺酸聚合物，如得自E.I.DuPont de Nemeours & Co的NAFION^TM。另一方面，阳极和阴极面通常包含细碳粒子、负载于碳粒内外表面的极细催化粒子、以及与催化粒子及碳粒子混合的质子导电粒子如NAFION^TM；或包含分散于聚四氟乙烯(PTFE)基料的催化粒子(不含碳)。

多单元PEM燃料电池包含多个MEA，它们堆叠在一起成电系列，彼此由被称为隔板或双极板的不透气的、导电流体分布板分开。这种多单元燃料电池名为燃料电池堆。双极板在相邻单元间有两个工作面(一个面向一个单元的阳极，另一个面向堆中与之相邻的下一个单元的阴极)和电传导流。堆末端的导电流体分布板仅与末端单元接触，名为端板。双极板包括流场，该流场将气态反应物(如氢气和氧气/空气)分布于阳极和阴极表面上。这些流场通常包括多个平台(land)，这些平台在其间限定了多个流道，气态反应物通过这些流道在位于流道相对端的供给集管(supply header)和排气集管(exhaust header)之间流动。

高度多孔的(即约60％至80％)导电材料(如布、筛网、纸、泡沫等)被称为“扩散介质”，其通常被插入于导电流体分布板和MEA之间，适合于(1)将气态反应物分布于导电流体分布板平台之间及以下的整个电极面，(2)面向沟槽收集电极面的电流，并将电流输送至限定该沟槽的相邻的平台。一种已知的这种扩散介质包括孔隙度约为70％体积、无压缩厚度约为0.17mm的石墨纸，市售为Toray公司的名为Toray 060的产品。这种扩散介质也可包括细网格贵金属筛网等，为本领域技术人员所知。

在氢气-氧气/空气PEM燃料电池环境下，导电流体分布板通常可以持续接触含有F^-、SO₄^-、SO₃^-、HSO₄^-、CO₃^-及HCO₃^-等的温和的酸溶液(pH 3-5)。此外，阴极通常在高氧化环境下工作，当暴露于压缩空气中时，阴极被极化至最大值约+1V(相对于标准氢电极)。最后，阳极通常持续暴露于氢气中。因此，导电流体分布板应可以抵抗燃料电池中的恶劣环境。

适用的导电流体分布板中更普遍的类型之一包括那些由金属如不锈钢制成的，涂有聚合物复合材料(含约30体积％至约40体积％的导电粒子)的导电流体分布板。在这点上，见Fronk等的美国专利第6,372,376号，授权于2002年4月16日，该专利(1)转让给了本发明受让人，(2)以引用的方式并入，(3)公开了由涂有耐腐蚀导电涂层的金属薄片制成的导电流体分布板，该涂层含有多个导电的、抗腐蚀的(即抗氧化和抗酸)填料粒子，该填料粒子分散于抗酸的、不溶于水的、抗氧化的聚合物基质，这种聚合物可将粒子粘合在一起并粘结在金属薄片表面。Fronk等-类型的复合涂层优选电阻率不大于约50ohm-cm、厚度在约5微米至75微米之间，这取决于涂层的组成、电阻率及完整性。优选较薄的涂层，获得更低的通过燃料电池堆的IR降。

虽然人们已经发现涂有导电聚合物复合材料的金属板可提供拥有可接受的耐蚀性和接触电阻的导电流体分布板，但申请人已经发现聚合涂层与某些金属板(如那些由不锈钢及基于镍的合金制成的金属板)的粘附力会由于金属表面的相对惰性而相对弱些。尽管目前这些类型的板具有可接受的涂层粘附性质，但需要提供具有增强的涂层粘附性能的涂有聚合物的金属导电流体分布板。

发明概述