[发明专利]用于燃料电池元件的导电板

说明书

技术领域

本发明涉及用于燃料电池元件的导电板。

背景技术

多年来所进行的研究都着眼于开发一种新型的能源生产系统，该系统可 抵制石油储备的稳定消耗，同时考虑目前和将来对抗污染及相关气候变化的 需求。

就这一点而言，燃料电池构成了非污染的电源，它们是当前电化学型的 发电机，其操作原理在于一种燃料(通常为氢)通过阳极，在催化剂(如铂) 存在下产生质子，之后通过电解质如聚合物膜与在阴极产生的氧化剂(通常 为氧)接触，以便产生水，与同样来自阳极的电子结合。随着热量产生，水 从系统排出。电子从阳极到阴极的循环产生电。

燃料电池所用的氢构成一种几乎取之不竭的全球性元素。它可通过可再 生能源的手段例如水力电气能、风能或太阳能，或借助核能源，由水的电解 产生。此外，它还可通过天然气重整或者通过生物质的气化，然后热化学重 整产生。

燃料电池具有各种用途，尤其用于开发“洁净”车辆，即那些车辆不排 放二氧化碳或其它对环境或人类健康造成潜在危害的污染物；或者开发低功 耗便携系统如移动电话和便携式电脑。

通常，燃料电池包括堆栈的若干电池元件，每个都包括一种电解质，例 如质子交换膜或PEM，夹在阳极和阴极之间，整个装配组成一个活性核或 MEA(膜/电极装配)，其本身处于两个导电板之间。在堆栈的电池元件末端 提供集流器。

导电板包括用于喂料气流进和水排出的通道，其可以是单极或双极型。 术语“单极”应理解为表示每个电池元件包括一个阳极板和一个阴极板，与 各自相邻电池元件的阴极和阳极板直接接触(或通过包含波纹状金属导电板 的分离器接触)。术语“双极”应理解为表示每个板包括一个阳极面和一个阴 极面，其本身保证了两个相近电池元件之间的连接。通常，冷冻剂在双极板 或两个相邻单极板之间形成的通道或分离器板提供的其它通道中循环。

包含导电纤维的气体扩散层或GDL，原则上插在每个电极和对应的板之 间。

常规地，导电板由石墨或碳/聚合物复合材料，或金属板制成。

石墨可以实现良好的性能，由于它的导电性和导热性高，且接触阻力低。 而且石墨易于加工，为优化通过它的通道的几何形状提供了可能。最后，它 的抗蚀性高，保证电池元件核的使用寿命长。然而，无论生产量多大，加工 石墨工序耗时长，费用高，其目前被保留用于实验室电池元件和几种原型。

碳/聚合物复合材料可通过模制法得到板，大大降低成本。然而，尽管其 比同样规格的石墨板便宜10～20倍，但碳/聚合物复合板对大众市场，如汽车 市场来说仍然太重。而且，这种材料的性能比石墨差，因为它传导性较低， 且不利于通道成几何形状，而成为制约生产的结果。

实际上，不锈钢构成适合燃料电池大批量生产的最佳材料，其成本比碳/ 聚合物复合材料少5-10倍。它使得生产的板提供良好的电传导和热传导，而 且电池元件有令人满意的机械强度。它还具有质量轻，占据体积小，能适合 许多被证明的装配技术的优点。

然而，不锈钢仍具有某些需要克服的缺点，即：

这种材料的表面电阻，由于金属表面存在氧化层(或钝化膜)而 固有的，它降低电池元件的性能。这是导电板和气体扩散层之间的界面发生 欧姆损耗造成的结果。

金属，特别是铬，在燃料电池的酸性还原剂中腐蚀，释放阳离子， 污染电池膜，而限制它们的寿命；和

限制了板的几何形状最佳化，因为材料难以成形。

专利申请US2002/0172849已经提出，用镍-铬奥氏体(austenitic)合金 制造传导性高和抗蚀性好的双极板。这些合金包括至少50％重量的铬和镍， 优选以镍为主。与常规推荐使用的316不锈钢相比，这些合金的最佳性质归 因于它们的镍含量高。

而且，D.P.Davies等人发表的“不锈钢作为双极板材料用于固体聚合物 燃料电池”(Journal of Power Source 86(2000)，237-242)一文中已经对具有 不同化学成分的双极板性能进行比较。在测试的316、310和904L不锈钢板 中，含有18～25％铬和12～25％镍制成的904L不锈钢，被证明其功率密度 (power density)接近石墨板，明显优于316不锈钢。904L板的较好性能归 因于其中含有较高比例的镍和铬，该性能被认为是氧化层较薄，因此电阻率 较低的结果。