[发明专利]用于燃料电池双极板的无定形碳涂层

说明书

技术领域

在至少一种实施方案中，本发明涉及用于PEM燃料电池中的 双极板。

背景技术

燃料电池在很多应用中都用作电能来源。特别地，燃料电池 计划用于汽车中代替内燃机。通常使用的燃料电池设计使用固体聚合物 电解质(“SPE”)膜或质子交换膜(“PEM”)以在阳极和阴极之间 提供离子移动。

在质子交换膜型燃料电池中，将氢气供给阳极作为燃料，将 氧气供给阴极作为氧化剂。该氧气可以是纯态形式(O₂)或空气形式(O₂和N₂的混合物)。PEM燃料电池通常具有膜电极组件(“MEA”)， 其中固体聚合物膜在一侧具有阳极催化剂，在相对侧上具有阴极催化 剂。典型PEM燃料电池的阳极和阴极层是由多孔传导性材料形成的， 例如织造石墨、石墨化片材或碳纸，以使该燃料能够分散在该膜朝向燃 料供给电极的表面上。各电极具有负载在碳颗粒上的细分的催化剂颗粒 (例如铂颗粒)，以促进阳极处氢气的氧化和阴极处氧气的还原。质子 从阳极通过离子传导聚合物膜流到阴极，在阴极处其与氧结合形成水， 从电池中排出。该MEA夹在一对多孔气体扩散层(“GDL”)之间， 该气体扩散层又夹在一对无孔电导性元件或板之间。该板用作阳极和阴 极的集流器，并包含形成在其中的适当的通道和开口，用于将该燃料电 池的气态反应物分布在阳极催化剂和阴极催化剂各自的表面上。为了有 效发电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须是薄的、化学稳定的、可 传送质子的、非电导性的和不透气体的。在通常应用中，燃料电池以很 多单个燃料电池堆的阵列形式提供以提供高水平的电能。

目前用于燃料电池中的该电导性板提供了多个改进燃料电池 性能的机会。例如，这些金属板通常在其表面上包括了钝化的氧化物膜， 其需要电导性涂层以使接触电阻最小化。这种电导性涂层包括金和聚合 碳涂层。通常，这些涂层需要昂贵的设备，其增加了该成品双极板的成 本。而且，在操作过程中金属双极板也会受到腐蚀。降解机理包括从该 聚合物电解质中释放氟离子。双极板的金属溶解通常导致不同氧化态的 铁、铬和镍的释放。

对于水管理而言，金属双极板合意地在双极板/水边界处具有 低接触角；即小于40°的接触角。已经提出氮化钛涂层作为双极板的防 腐蚀镀层。尽管氮化钛涂层是成本有效的，但这种涂层不能对该双极板 材料提供令人满意的保护。此外，氮化钛涂层显示了较低的水亲和性， 接触角接近60°。

因此，需要改进的方法以降低燃料电池应用中所用双极板表 面处的接触电阻(contact resistance)。

发明内容

本发明通过在至少一种实施方案中提供用于燃料电池的流场 板解决了现有技术的一个或多个问题。该实施方案的流场板包括金属 板，其具有设置在该金属板的至少一部分上的非晶态碳层。

在另一实施方案中，提供了包括上述限定的流场板的燃料电 池。该燃料电池包括具有涂覆有非晶态碳膜的表面的第一流场板。第一 催化剂层设置在该第一流场板上。聚合物电解质设置在该第一流场板 上，第二催化剂层设置在该聚合物电解质上。最后，第二流场板设置在 该第二催化剂层上。在需要时提供气体扩散层。

在另一实施方案中，提供了上述的流场板的制备方法。该方 法包括在金属板上沉积非晶态碳层，随后活化该碳层表面。

从下面提供的详述中，本发明的其他示例性实施方案将变得 显而易见。应当理解该详述和特别实施例尽管公开了本发明的示例性实 施方案，但仅用于举例说明的目的，并不用于限制本发明的范围。

附图说明

从详述和附图中，本发明的示例性实施方案将得到更充分的 理解，其中：

图1A提供了结合有在单极板上的非晶态碳层的示例性实施 方案的燃料电池的横截面视图；

图1B提供了结合有在双极板上的非晶态碳层的示例性实施 方案的燃料电池的横截面视图；

图2提供了涂覆有非晶态碳层的双极板通道的横截面视图；

图3提供了结合有在双极板上的无定形碳层的另一示例性实 施方案的燃料电池的横截面视图；

图4提供了说明用于制备涂覆有非晶态碳层的双极板的示例 性方法的流程图；

图5是用于沉积碳层的溅射系统的示意图；

图6A是未经等离子体处理的碳层的扫描电子显微照片；