[发明专利]用于燃料电池双极板的亲水涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明总体来说涉及燃料电池组件，例如其上有亲水涂层的双极板，及其制备方法。

背景

氢气是一种很有吸引力的燃料，因为它是清洁的并且在燃料电池中能够用于高效发电。汽车工业花费大量资源开发作为汽车动力源的氢燃料电池。与目前使用内燃机的汽车相比，这些汽车会更有效，并且产生更少的排放。

氢燃料电池是一种电化学装置，它包括其间具有电解质的阳极和阴极。阳极接收富氢气体或者纯氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极解离并产生游离质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子与氧和电子在阴极中反应产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，因此在传送到阴极之前被引导通过载荷来做功。该功可用于操作例如汽车。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)常用于汽车应用。PEMFC通常包括固态聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸(perfluorosulfonicacid)膜。阳极和阴极通常包括负载于碳颗粒上并与离聚物(ionomer)混合的细分散的催化颗粒，通常为铂(Pt)。该催化混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA的制备是相对昂贵的，并需要某些有效操作的条件。这些条件包括适当的水管理和润湿，以及控制催化剂毒害成分，例如一氧化碳(CO)。

多个燃料电池通常组合在燃料电池堆中来产生所需的功率。对于上述汽车燃料电池堆，该堆可能包括大约两百个或更多的双极板。燃料电池堆接收阴极反应气体，通常是由压缩机驱动穿过堆的空气流。并非所有的氧气都被堆消耗，一些空气作为阴极废气被输出，该废气可包括作为堆副产物的液体水。燃料电池堆也接收流入该堆阳极侧的阳极氢气反应气体。

燃料电池堆包括设置在堆内的多个MEA之间的一系列的流场板(flow field plate)或双极板。双极板包括用于堆内的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧，允许阳极气体流到MEA的阳极侧。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧，允许阴极气体流到MEA的阴极侧。双极板也可包括用于冷却流体的流动通道。

双极板通常是由如不锈钢、钛、铝、聚合物碳复合材料等的导电材料制成，以使它们能从一个电池到另一个电池传导燃料电池所产生的电并导出所述堆。金属双极板通常在其外表面上产生天然的氧化物以使其耐腐蚀。然而，该氧化物层是不导电的，因此增加了燃料电池的内阻，降低其电学性能。另外，该氧化层通常使该板更加疏水。

转让给本申请的受让人，其公开内容通过引用并入本文的美国专利申请公开2003/0228512，公开了在流场板上沉积导电外层的方法，该层可防止板氧化并防止板增加其欧姆接触(ohmic contact)。也转让给本申请的受让人的美国专利6,372,376公开了在流场板上沉积导电、抗氧化和耐酸的涂层。也转让给本申请的受让人的美国专利申请公开2004/0091768公开了在流场板上沉积石墨和碳黑涂层，以使流场板耐腐蚀、导电并导热。

正如现有技术中已知的那样，燃料电池中的膜需要具有一定的相对湿度，以便横穿该膜的离子电阻足够低以能有效地传导质子。在燃料电池的工作过程中，来自MEA的水分和外部潮气可能进入阳极和阴极流动通道。在通常低于0.2A/cm²的低电池功率需求下，水聚积在流动通道中，因为反应气体的流动速度太低，无法驱动水离开通道。随着水的积聚，因为板材料的疏水性，水形成不断扩大的液滴。水滴的接触角通常约为90°，从而在流动通道中形成的水滴基本上垂直于反应气体流。随着液滴的尺寸增加，流动通道被封闭，因为这些通道在公共的入口和出口总管(manifolds)之间平行流动，所以反应气体转到其它流动通道。因为反应气体不能流过被水阻塞的流动通道，所以反应气体不能驱动水离开通道。通道被阻塞的结果是，不能接收反应气体的那些膜区域将不能产生电，因而导致非均匀的电流分布并且降低燃料电池的整体效能。随着越来越多的流动通道被水阻塞，燃料电池所产生的电减少，其中电池电势低于200mV就被认为是电池失效。因为燃料电池是串连电学耦合的，所以如果燃料电池之一停止工作，整个燃料电池堆就会停止工作。

通过定期强制反应气体以较高的流速经过流动通道，通常可清除流动通道中的积水。然而，在阴极侧，这会增加施加到空气压缩机的寄生功率(parasitic power)，从而减少总系统效率。此外，还有很多不使用氢燃料作为清除气体的原因，包括降低了经济性、降低了系统效率以及为了处理在废气流中升高的氢气浓度而增加了系统复杂性。