[发明专利]亲水性的且耐蚀的燃料电池部件

说明书

技术领域

本发明的披露内容主要涉及具有亲水性和耐蚀性的燃料电池部件，例如双极板。

背景技术

氢由于其清洁性以及可用来在燃料电池中高效发电的性能而是一种非常有吸引力的燃料。汽车工业在开发氢燃料电池作为车辆动力源方面花费了大量资源。与今天采用内燃机的车辆相比，燃料电池车辆更为高效并产生更少的排放物。

氢燃料电池是包括阳极和阴极以及位于其间的电解质的电化学装置。阳极接收富氢气体或纯氢且阴极接收氧或空气。氢气在阳极进行离解而产生自由质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子在阴极与氧和电子进行反应而产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，且因此在被传输至阴极之前被引导通过负载而作功。所述作出的功可例如被用来使车辆运行。

质子交换膜(PEM)燃料电池被普遍应用于车辆应用。质子交换膜燃料电池通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括担载在碳颗粒上且与离聚物混合在一起的极细分散的催化颗粒，所述催化颗粒通常为铂(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限定出膜电极组件(MEA)。膜电极组件的制造成本相对较为昂贵且需要特定条件以实现有效运行。这些条件包括适当的水管理和湿化，以及对催化剂中毒组分如一氧化碳(CO)的控制。

多个燃料电池通常被组合在燃料电池堆中以产生所需功率。对于上面提到的汽车用燃料电池堆而言，该燃料电池堆可包括约两百或更多的双极板。燃料电池堆接收阴极反应气体，所述阴极反应气体通常为在压缩机的作用下受力通过燃料电池堆的空气流。燃料电池堆并未消耗所有的氧且其中一些空气作为阴极排气被输出，所述阴极排气可包括作为燃料电池堆副产物的液体水。燃料电池堆还接收流入燃料电池堆的阳极侧内的阳极氢反应气体。

燃料电池堆包括被放置在燃料电池堆中的各个膜电极组件之间的一系列流场或双极板。双极板包括用于燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道被设置在双极板的阳极侧上，所述阳极气体流动通道允许阳极气体流至膜电极组件的阳极侧。阴极气体流动通道被设置在双极板的阴极侧上，所述阴极气体流动通道允许阴极气体流至膜电极组件的阴极侧。双极板还可包括用于冷却流体的流动通道。

双极板通常由导电材料如不锈钢、钛、铝、聚合碳复合物等制成，以使得它们将由燃料电池产生的电力从一个电池传导至下一个电池并且传导出燃料电池堆。金属双极板通常具有位于其外表面上的使其具有耐蚀性的天然氧化物。然而，该氧化物层是不导电的，且因此增加了燃料电池的内阻，降低了其电学性能。

正如本领域众所周知地，燃料电池内的膜通常需要具有特定的相对湿度以使穿过膜的离子阻力足够低从而有效地传导质子。在燃料电池的运行过程中，来自膜电极组件和外部湿化装置的湿气可进入阳极流动通道和阴极流动通道。在低电池功率需求下，所述低电池功率需求通常低于0.2A/cm²，由于反应气体的流速过低使得不能使水受力被排出通道，因此水会积聚在流动通道内。随着水的积聚，其形成了液滴，所述液滴由于板材的疏水性本质而继续膨胀。水滴的接触角通常为约90°，原因在于，液滴形成在大体上垂直于反应气体流的流动通道中。随着液滴尺寸的增加，流动通道被封闭，且由于通道在共用的入口歧管与出口歧管之间平行地延伸，而使得反应气体转向其它流动通道。由于反应气体不可能流动通过被水阻塞的通道，因此反应气体不能使水受力而被排出通道。由于通道被阻塞而使得并未接收反应气体的膜的那些区域将不会产生电力，因此导致出现了不均匀的电流分布并且降低了燃料电池的总效率。燃料电池产生的电力随着越来越多的流动通道被水阻塞而降低，在电池电压电位小于200mV的情况下，则认为是电池失效。由于燃料电池是串联电耦接的，因此如果其中一个燃料电池停止工作，则整个燃料电池堆也会停止工作。