[发明专利]传导性和亲水性双极板涂层及其制造方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请涉及2009年9月22日提交的共同待决的美国申请No.12/564,339，在此通过引用将其全部公开内容并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及导电性流体分配板、制造导电性流体分配板的方法、以及使用根据本发明的导电性流体分配板的系统。更具体地，本发明涉及在燃料电池及其他类型的装置中应对接触电阻难题的导电性流体分配板的使用。

背景技术

燃料电池在许多应用中被用作电源。特别地，燃料电池被提议用在汽车中以代替内燃发动机。通常使用的燃料电池设计采用固态聚合物电解质(SPE)膜或质子交换膜(PEM)来提供阳极和阴极之间的离子传输。

在质子交换膜类型的燃料电池中，氢被作为燃料供应给阳极，而氧被作为氧化剂供应给阴极。氧可以是以纯氧的形式(O₂)或者是空气(O₂和N₂的混合物)。PEM燃料电池通常具有膜电极组件(MEA)，其中固态聚合物膜在一面上具有阳极催化剂，在相对的面上具有阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极层和阴极层是由多孔的传导性材料形成，例如，编织石墨(woven graphite)、石墨化片、或碳纸，以便使燃料能够散布在该膜面对燃料供应电极的表面上。每个电极都具有磨碎的催化剂颗粒(例如，铂颗粒)，催化剂颗粒被支撑在碳颗粒上，以便促进氢在阳极处的氧化以及氧在阴极处的还原。质子从阳极流动穿过离子传导聚合物膜到达阴极，在阴极处它们与氧结合以形成水，该水从电池中排出。MEA被夹在一对多孔气体扩散层(GDL)之间，气体扩散层又被夹在一对无孔的导电元件或板之间。所述板充当用于阳极和阴极的集电器，并且包含形成在其中的适当的通道和开口，用于在相应的阳极和阴极催化剂的表面上分配燃料电池的气态反应物。为了有效地产生电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须薄、化学稳定、能透过质子、非导电的、以及不透气的。在典型应用中，为了提供高的电力电平，燃料电池是以许多个体燃料电池堆的阵列的形式来提供。

一般来说，用于燃料电池应用的双极板需要是抗腐蚀的、导电的、并且具有用于有效的水管理的低接触角。诸如不锈钢之类的金属通常被用于双极板，这是因为它们的机械强度以及被冲压的能力。然而，这样的金属在它们的表面上常常具有钝化的氧化膜，从而需要导电性涂层来最小化接触电阻。这样的导电性涂层包括金和聚合物碳涂层。通常，这些涂层需要昂贵的设备，其增加了成品双极板的成本。而且，在操作期间金属双极板还遭受腐蚀。该退化机理包括来自所述聚合物电解质的氟化物离子释放。双极板的金属溶解通常导致在各种氧化状态下的铁、铬和镍离子的释放。

为了水管理，期望金属双极板在双极板/水的边界处具有低的接触角；也就是说，小于40°的接触角。已经提出将氮化钛涂层作为用于双极板的抗腐蚀镀层。虽然氮化钛涂层是有成本效益的，但是这样的涂层并没有为双极板材料提供令人满意的保护。而且，氮化钛涂层显现出相对低的亲水性，具有接近于60°的接触角。

因此，需要用于在燃料电池应用中所用的双极板的表面处降低接触电阻的改进方法。

发明内容

通过在至少一个实施例中提供了用于在燃料电池中使用的流场板，本发明解决了现有技术的一个或多个问题。该实施例的流场板包括具有第一表面和第二表面的金属板。第一表面限定了用于引导第一气态成分流动的多个通道。碳层被置于金属板的至少一部分上，而钛氧化物层被置于该碳层的至少一部分上，以形成涂覆有钛氧化物的碳双层。

在至少一个实施例中，涂覆有钛氧化物的碳双层具有这样的表面，即：该表面具有小于大约30度的接触角，并且当流场板以200psi被夹在碳纸之间时，具有小于40mohm-cm²的接触电阻。

在另一个实施例中，提供了包含上述流场板的燃料电池。该燃料电池包括具有涂覆了钛氧化物的碳双层的第一流场板。第一催化剂层被置于第一流场板上。离子导体层被置于第一流场板上，并且第二催化剂层被置于离子导体层上。最后，第二流场板被置于第二催化剂层上。气体扩散层则根据需要来提供。

在又一个实施例中，提供了用于形成上述流场板的方法。该方法包括在金属板上沉积碳层，然后在该碳层上沉积钛氧化物层，以便形成涂覆有钛氧化物的碳的双层。

本发明还涉及以下技术方案：

方案1.一种用于燃料电池应用的流场板，包括：

具有第一表面和第二表面的金属板，所述第一表面限定了用于引导第一气态成分流动的多个通道；

置于所述金属板的至少一部分上的碳层；和