[发明专利]为双极板在低级不锈钢/合金上制造亲水性抗腐蚀涂层的方法

说明书

背景技术

1.技术领域

[0001]本发明通常涉及一种用于燃料电池的双极板，尤其涉及该双极板由不锈钢制成并且包括氧化钛涂层和氧化钌涂层的用于燃料电池的双极板，由此该极板在燃料电池环境下可导电、抗腐蚀、亲水并且稳定。

2.现有技术

[0002]由于其清洁并且可以在燃料电池中有效地产生电能，氢是一种很有吸引力的燃料。氢燃料电池是一种包括阳极、阴极和它们之间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气，而阴极接收氧气或空气。氢气在阳极离解产生自由质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子与阴极的氧和电子反应产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，因此在被送达阴极之前直接通过负载进行工作。

[0003]质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种普遍用于交通工具的燃料电池。PEMFC通常包括固态聚合电解质质子传导膜，例如全氟磺酸(perfluorosulfonic acid)膜。阳极和阴极通常包括精细分隔的催化微粒，通常是铂(Pt)，附着在碳微粒上并与离聚物(Inomer)混合。催化混合物面沉积在膜的相对两侧。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合定义了膜电极组件(MEA)。

[0004]燃料电池堆叠体(stack)中通常结合了数个燃料电池来产生需要的能量。对于上述汽车的燃料电池堆叠体，该堆叠体可以包括两百个或更多燃料电池。该燃料电池堆叠体接收阴极反应气体，典型的是通过压缩机压入堆叠体的空气流。不是所有的氧都被堆叠体消耗，一些空气作为阴极排出气体排出，该排出气体可以包括作为堆叠体副产品的水。燃料电池堆叠体还接收流入堆叠体阳极侧的阳极氢反应气体。

[0005]燃料电池堆叠体包括一系列设置在堆叠体中的数个MEA之间的双极板，在该堆叠体中双极板和MEA都设置在两个端板之间。双极板包括堆叠体中邻近的燃料电池用的阳极侧和阴极侧。阳极气流通道设置在双极板的阳极侧，使得阳极反应气体可以流动到相应的MEA。阴极气流通道设置在双极板的阴极侧，使得阴极反应气体可以流动到相应的MEA。一个端板包括阳极气流通道，另一个端板包括阴极气流通道。双极板和端板都由导电材料制成，例如不锈钢或者导电合成物。端板将燃料电池产生的电能传导出堆叠体。双极板还包括流动通道，冷却液通过该通道流动。

[0006]典型的双极板由导电材料制成，例如不锈钢、钛、铝、聚合碳复合材料等，因此它们能将燃料电池产生的电能从一个传导到下一个并传导出堆叠体。典型的金属双极板会在其外表面产生固有的氧化而保护它们免受腐蚀。然而，氧化层是不导电的，这样增加了燃料电池的内电阻，降低了其电性能。此外，氧化层使板更加疏水。在该领域已经知道的是在双极板上沉积导电材料例如金的薄层来降低燃料电池中板和扩散介质之间的接触电阻。

[0007]如在本领域中熟知的，燃料电池内的薄膜需要具有一定的相对湿度使得整个膜上的离子电阻低到能够有效传导质子的程度。在燃料电池运行过程中，来自MEA的潮气和外部的潮湿会进入阳极和阴极流通通道。在电池能量要求低的情况下，典型的在低于0.2A/cm²时，因为反应气体的流量过低而不能促使水流出通道，所以水可以聚集在流通通道内。因为板材料本身的相对疏水，由于水的聚集，形成逐渐扩大的水滴。流动通道中形成的水滴基本上垂直于反应气体流。随着水滴尺寸的增大，流通通道被阻断，由于公共的入口和出口集流管之间的通道是平行的，反应气体被转移到其它流通通道。因为反应气体不能流过被水阻塞的通道，反应气体不能促使水流出通道。薄膜的这些区域由于通道被阻塞不能接收反应气体，就不能产生电能，因此导致非均一电流(non-homogenous current)的分布并降低了燃料电池的总效率。随着越来越多的流通通道被水阻塞，燃料电池产生的电能降低，电池电压电位低于200mV时认为电池失效。由于燃料电池串联连接，如果一个电池停止运行，那么整个电池堆叠体都会停止运行。

[0008]通常可以通过定期促使反应气体以更高的流速流过流通通道来排出聚集在流通通道的水。然而，在阴极侧，这增加了施加到空气压缩机的附加能量，从而降低了系统的总效率。此外，有很多理由不使用氢燃料作为排出气体，包括降低成本、降低系统效率以及为处理氢在排出气体流中的浓度增高而使系统更加复杂。

[0009]降低水在通道的聚集还可以通过降低入口的潮湿来实现。然而，希望在阳极和阴极反应气体中具有一定相对湿度使得燃料电池的薄膜中始终含水。干燥的入口气体对薄膜具有烘干效果，可以提高电池的离子电阻，并限制薄膜的长期耐久性。