[发明专利]双极板的亲水性表面改性

说明书

技术领域

本发明涉及产生电力从而向车辆或其它机械设备供电的燃料电池。更具体而言，本发明涉及具有亲水性涂层的双极板以及用于使燃料电池中双极板的表面具有亲水性从而增强双极板的可湿性并且增强燃料电池的水管理能力的方法。

背景技术

近年来，大部分是由于燃料电池的效率的原因，因此对燃料电池技术产生了很大的兴趣。燃料电池已显示具有高达55％的效率。此外，燃料电池动力设备对环境友好，仅排放出热量和作为副产物的水。

聚合物电解质膜(PEM)燃料电池堆典型地包括被夹在气体扩散介质之间的中心膜电极组件(MEA)。膜电极组件和气体扩散介质被夹在一对双极板之间。所述双极板上设有通过气体扩散介质将反应气体传输至膜电极组件并从膜电极组件传输回产物气体的流场通道，以及传输冷却剂的冷却剂通道。双极板表面位于所述通道之间的区域被公知为槽脊并且邻接相应的气体扩散介质。所希望的是：双极板，特别是燃料电池堆阴极侧上面的双极板的表面具有亲水性，从而利于在PEM燃料电池堆内实现最佳水管理。

因此，需要具有亲水性涂层的双极板以及使双极板的表面具有亲水性的方法，从而增强PEM燃料电池堆中的水管理。

发明内容

本发明主要涉及具有亲水性涂层的双极板以及在双极板上，特别是在燃料电池堆的阴极双极板上设置亲水性涂层的方法。在一个实施例中，该亲水性涂层是二氧化硅。在另一个实施例中，该亲水性涂层是氧化钛。在又一个实施例中，该亲水性涂层是二氧化硅和氧化钛。该亲水性涂层增强了双极板通道表面的可湿性，由此增强了燃料电池堆的水管理、性能、耐久性和效率。在采用多种方法中的任一种方法将所述涂层施涂到双极板上的过程中，可使用掩模以覆盖双极板上的槽脊从而利于对双极板的通道表面进行选择性涂覆。

附图说明

下面，通过实例并结合附图对本发明进行描述，在所述附图中：

图1是具有根据本发明的亲水性涂层的双极板的剖面视图；

图1A是双极板的局部剖面视图，图中示出了在施涂亲水性涂层之后设置在双极板槽脊表面上的导电涂层；和

图2是包括具有本发明的亲水性涂层的双极板的燃料电池堆的剖面视图。

具体实施方式

本发明考虑的是具有亲水性涂层的双极板。在一个实施例中，该亲水性涂层是二氧化硅。在另一个实施例中，该亲水性涂层是氧化钛。在又一个实施例中，该亲水性涂层是二氧化硅和氧化钛。该亲水性涂层增强了双极板通道表面的可湿性，由此增强了燃料电池的水管理、性能、耐久性和效率。

本发明进一步考虑的是在双极板上，特别是在燃料电池堆的阴极双极板上设置亲水性涂层的方法。该方法包括：采用包括但不限于化学气相沉积、物理气相沉积或等离子聚合等多种方法中的任一种方法将二氧化硅亲水性涂层施涂到表面，特别是双极板的通道表面上。该方法进一步包括：采用包括但不限于电化学方法、溅射沉积、化学气相沉积或反应电子束蒸发等多种方法中的任一种方法将氧化钛亲水性涂层施涂到双极板上。该方法可进一步包括：将二氧化硅亲水性涂层和氧化钛亲水性涂层施涂到双极板上。在将涂层施涂到双极板上的过程中，可使用掩模以覆盖双极板上的槽脊并且利于对双极板的通道表面进行选择性涂覆。其后，所述槽脊上可被涂覆一薄层的金或聚合导电碳涂层。

二氧化硅和氧化钛已显示具有可以优化双极板的性能的亲水特性。二氧化硅和氧化钛在25摄氏度条件下的扩张压力分别为336达因/平方厘米和300达因/平方厘米。扩张压力的这些较大的数值表明二氧化硅和氧化钛具有相当高的表面能，这使得二氧化硅和氧化钛有希望成为双极板上亲水性表面的候选。

参见图1，图中示出了具有根据本发明的亲水性表面的双极板32。双极板32可以是金属，例如不锈钢；碳复合材料；或适于用作燃料电池中的双极板的任何其它材料。双极板32典型地为设置在燃料电池堆阴极侧上面的阴极双极板，如在下文中进一步进行描述地。阴极双极板32包括将氧分配至燃料电池堆并且从燃料电池堆中排出气流的多条通道34。冷却剂通道被设置在该板的背面(图中未示出)。具有槽脊表面43的槽脊42将通道34彼此分隔开。每条通道34具有通道表面35。

根据本发明，亲水性涂层48形成在通道34的通道表面35上。亲水性涂层48可以是二氧化硅、氧化钛、或二氧化硅和氧化钛。在下文中将要进行描述地施涂亲水性涂层48之前，具有掩模窗孔45的掩模44典型地被设置在槽脊42的槽脊表面43上。通道34的通道表面35通过掩模窗孔45暴露，而槽脊表面43被掩模44所覆盖。这样就防止槽脊表面43受到不导电氧化物的涂覆。