[发明专利]用于质子交换膜燃料电池的金属双极板

说明书

技术领域

本发明涉及用于燃料电池的金属双极板，特别是用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的金属双极板。根据本发明可知，此金属双极板具有涂层，该涂层含有能够吸收金属阳离子的化合物，优选地，以离聚物形式，例如，全氟磺酸树脂(PFSA)聚合物。

具有该极板的电池，可用来产生电能，该电池具有更好的耐腐蚀性能和较好的性能，以及较长的使用寿命。这种类型的电池可以作为在未来大规模生产的汽车的能源。

背景技术

燃料电池是一种将化学能直接转化成电能的电化学装置。燃料电池由多个串联连接的电池堆叠而成。每个电池产生大约0.7伏的电压，叠加后的电池能够产生更高的供电电压，例如，大约几百伏特。

特别地，质子交换膜燃料电池或PEMFC包括至少一组蓄电池，该蓄电池含有膜电极集合体或MEA，形成一种选择性通过质子的电解膜，在该电解膜的两侧，一侧是阳极，另一侧是阴极。

电解膜一般是由全氟磺酸树脂(PFSA)制作而成，例如Nafion隔膜。电极，也叫做催化层或者活性层，包括催化剂和离聚物，催化剂优选为将铂(Pt)负载在炭上的催化剂，离聚物一般与形成电解膜的离聚物相同。

在阳极侧，氢气(H₂)，作为燃料，其电离产生穿过电解膜的质子。电离反应产生的电子沿流板迁移，然后穿过电池外部电路形成电流。在阴极侧，氧气(O₂)减少，并与已经穿过电解膜的质子反应生成水。

气体扩散层或GDL，插在电极和流板之间。气体扩散层一般由石墨纤维制成。

如上所述，质子交换膜燃料电池可以包括一叠蓄电池，并且多个膜电极集合体置于两块流板之间。在这种结构中，相邻的两个蓄电池一般是由同一块流板隔开，该流板的一个表面与第一膜电极集合体的阴极室接触，另一个表面与第二膜电极集合体的阳极室接触（图1）。因此，质子交换膜燃料电池的流板一般叫做“双极板”。

这样，双极板具有多种功能，特别是，包括：

分散气体（H₂，O₂，或者空气）以及通过其内部形成的管道和/或端口排放生成的水；

采集在不同蓄电池的阳极生成的电子，用于流板导电；

通过流经双极板的冷却液体冷却蓄电池；

为膜电极集合体提供机械支撑。

基于成本，体积，和性能的原因，用于质子交换膜燃料电池的双极板一般由金属制作而成。

然而，双极板置于腐蚀环境中，随着时间的延长，可能会引起双极板的降解，从而在使用金属板的情况下，引起金属离子的盐析。

这种腐蚀可能带来几种后果：

在极端的情况下，腐蚀现象可能会引起极板穿孔，导致阳极室和阴极室之间的气密性下降。

极板的腐蚀可能导致在金属上形成绝缘氧化物层，增加了金属与气体扩散层接触电阻，极板与气体扩散层之间的电阻增加，燃料电池的性能就会下降。

更进一步地，盐析金属离子可能改变电解膜的运行。比如，WANG et al. (Journal of Power Sources 183, 2008, 576-580) 和 KELLY et al. (Journal of Power Sources 145, 2005, 249-252)已经强调了金属离子(分别为Fe³⁺ 和 Cr³⁺; Fe³⁺, Cu²⁺ 和 Ni²⁺)在Nafion^?型质子交换膜的导电性上的不利影响。金属离子也可能通过占据活性位点“污染”电极上的催化剂，进而降低催化活性。因此，双极板的降解可能会给电池的性能和耐久性造成不利影响。

为了降低金属板的腐蚀，现有技术方案的解决办法是借助也具有导电性能的涂层来保护所述金属板。

特别地，它可以是包含贵金属，或呈聚合物基质的炭的涂层。

在这方面，文献EP 2469634报道了一种金属双极板，该金属双极板具有包含贵金属(Au, Pt, Ir, Ru)的不连续膜以及在未包括不连续膜的极板区域上形成的氧化膜。

文献EP 2112250报道了一种金属双极板，在该金属双极板的表面具有含铬的钝化层，以及由金属氮化物(MN_x)，金属/金属氮化物(M/MN_x)，碳化物金属(MC_y)，或者硼化物金属制作的薄膜。