[发明专利]向燃料电池双极板施涂亲水涂层的方法

说明书

技术领域

本公开总体上涉及制备其上具有涂层的燃料电池部件。

背景技术

氢气为非常有吸引力的燃料，因为它清洁并可用于在燃料电池中有效地产生电力。汽车工业在作为车辆电源的氢燃料电池的开发中消耗了大量资源。这种车辆将比目前使用内燃机的车辆更有效和产生更少的排放物。

氢燃料电池为包括阳极和阴极且它们中间具有电解质的电-化学装置。阳极接受富氢气体或纯氢气，阴极接受氧气或空气。氢气在阳极中被离解产生自由质子和电子。质子通过电解质到阴极。质子在阴极中与氧气和电子反应产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，因此在被送到阴极前通过负载做功。所述功可用于例如操作车辆。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)对于车辆应用来说是常见的。PEMFC通常包括固体-聚合物-电解质质子导电膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极一般包括负载在碳颗粒上并与离聚物混合的细分散催化颗粒，通常是铂(Pt)。催化混合物被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构成膜电极组件(MEA)。MEA制造相对昂贵并需要用于有效操作的特定条件。这些条件包括恰当的水管理和增湿，以及催化剂中毒成分如一氧化碳(CO)的控制。

通常在燃料电池堆中组合若干燃料电池产生所需的电力。对于上述汽车燃料电池堆，所述堆可包含大约200个或更多的双极板。燃料电池堆接受阴极反应物气体，一般是利用压缩机强制通过该堆的空气流。不是所有的氧气都被堆消耗，部分空气作为阴极废气输出，所述废气可包含液态水作为堆副产物。燃料电池堆还接受流入到堆阳极侧的阳极氢气反应物气体。

燃料电池堆包括位于堆中若干个MEA之间的一系列流场或双极板。双极板包括用于堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气流通道位于双极板阳极侧上，其允许阳极气体流到MEA的阳极侧。阴极气流通道位于双极板的阴极侧上，其允许阴极气体流到MEA的阴极侧。双极板还可包括冷却流体用流体通道。

双极板一般由导电材料制成，如不锈钢、钛、铝、聚合碳复合材料等，因而它们将燃料电池产生的电力从一个电池传导到下一个电池并到堆外。金属双极板一般在它们的外表面上产生天然氧化物以使它们耐腐蚀。但是，这种氧化物层不导电，并因此增加了燃料电池的内阻，降低了其电性能。另外，氧化物层经常使板更疏水。

转让给本申请受让人的美国专利出版物No.2003/0228512公开了在流场板上沉积防止板氧化并增加其欧姆接触的导电外层的方法，本文引入其公开内容作为参考。同样转让给本申请受让人的美国专利6372376公开了在流场板上沉积导电、耐氧化且耐酸的涂层。同样转让给本申请受让人的美国专利申请出版物No.2004/0091768公开了在流场板上沉积石墨和炭黑涂层来制备耐腐蚀、导电且导热的流场板。

本领域中都知道，燃料电池内的膜需要具有一定的相对湿度以便经过膜的离子阻力低到足以有效传导质子。在燃料电池工作期间，来自MEA的水分和外部湿气可进入阳极和阴极流体通道。在低的电池功率需求下，一般低于0.2A/cm²，水在流体通道内积聚，因为反应物气体的流速太低以至于不能将水赶出通道。当水积聚时，由于板材料的疏水特性，它形成继续扩大的液滴。水液滴的接触角通常为约90°，因为流体通道中的液滴形式基本垂直于反应物气体的流动。当液滴尺寸增加时，流体通道被闭合，反应物气体被转向到其它流体通道，因为通道在公用进口和出口歧管之间平行流动。由于反应物气体不能流过被水阻塞的通道，因此反应物气体不能将水赶出通道。由于通道被阻塞而不能接受反应物气体的膜的这些区域将不产生电力，从而导致不均匀电流分布并降低了燃料电池的总效率。当越来越多的流体通道被水阻塞时，燃料电池产生的电力减少，小于200mV的电池电压被视为电池失效。由于燃料电池串联电连接，因此如果一个燃料电池停止工作，则整个燃料电池堆可能停止工作。

通常可以通过定期以更高的流速强制反应物气体通过流体通道来吹扫流体通道中积聚的水。但是，在阴极侧，这增加了施加到空气压缩机的寄生功率，从而降低了总的系统效率。此外，有许多理由不使用氢燃料作为吹扫气，包括经济性降低、系统效率下降和用于处理废气流中高氢气浓度的系统复杂性增加。

还可通过减少入口增湿实现减少通道中积聚的水。但是，希望在阳极和阴极反应物气体中提供一定的相对湿度以便燃料电池中的膜保持含水。干的入口气体对膜具有干燥作用，这可增加电池的离子阻力，并限制膜的长期耐久性。