[发明专利]用于双极板的水解稳定的亲水涂层

说明书

发明背景

1.发明领域

本发明涉及用于燃料电池应用的双极板，其具有提高的亲水性。

2.发明背景

燃料电池被用作许多应用中的电源。特别地，已经提出了将燃料电池用于汽车中，来代替内燃机。常规使用的燃料电池设计使用了固体聚合物电解质(“SPE”)膜或者质子交换膜(“PEM”)，来在阳极和阴极之间提供离子传输。

在质子交换膜类型的燃料电池中，将氢气供给到阳极作为燃料，将氧气供给到阴极作为氧化剂。该氧气可以处于纯净形式(O₂)或者空气形式(O₂和N₂的混合物)。PEM燃料电池典型地具有膜电极组件(“MEA”)，其中固体聚合物膜在一个面上具有阳极催化剂，并且在相反的面上具有阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极和阴极层是由多孔导电材料例如石墨织造产品（woven graphite），石墨化片材（graphitized sheet）或者炭纸（carbon paper）形成的，来使得燃料能够分散到该膜面朝燃料供给电极的表面上。每个电极具有负载在碳颗粒上的细微分散的催化剂颗粒(例如铂颗粒)，来促进氢气在阳极的氧化和氧气在阴极的还原。质子从阳极通过离子传导聚合物膜流向阴极，在这里它们与氧气结合来形成水，所述水从该电池中排出。MEA夹在成对的多孔气体扩散层(“GDL”)之间，该多孔气体扩散层又夹在成对的非多孔的导电元件或板之间。所述的板充当了阳极和阴极的集电器（current collector），并且包含了适当的通道和在其中形成的开口，用于将燃料电池的气态反应物分配到各自的阳极和阴极催化剂的表面上。为了有效地产生电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须是薄的，化学稳定的，能传输质子的，非导电的和气体可透过的。在典型的应用中，燃料电池是以许多单个燃料电池堆叠体的阵列来提供的，来提供高水平的电功率。

燃料电池中目前使用的导电板提供了许多用于提高燃料电池性能的机会。例如，令人期望的是最小化水滴在所述板的流动通道中的聚集。为此目的，燃料电池典型地涂覆有亲水涂层。目前，将亲水层经由多层吸附(MLA)方法施加到导电板上。典型的，这样的方法需要在亲水涂料例如二氧化硅基NanoX中4个浸渍循环(即，4个双层，1个双层是由二氧化硅层在阳离子聚合物层上组成)。虽然这样的方法作用相当好，但是MLA方法是不受欢迎的密集劳动，其经常花费长达40分钟来完成。

虽然最近的堆叠体数据表明超亲水涂层在用于通过低功率稳定性(LPS)的Au涂覆的不锈钢双极板的活性区域（active area）中并非必需的，但是未来的板设计和系统运行条件会需要这样的涂层来用于水控制。目前，使用多层吸附(MLA)方法(包括使用阳离子聚合物)所施加的二氧化硅基亲水涂层(例如EMS，NanoX)的水稳定性是不足的。在堆叠体S0340(3500h)和S0949(5100h)中，该二氧化硅涂覆的板在燃料电池曝露之后变成大体上非芯吸的（non-wicking）(较不亲水)，这归因于二氧化硅和阳离子聚合物溶解。需要更水解稳定的材料来代替水溶性阳离子聚合物。

因此，这里需要改进的方法，用于将亲水涂层施加到燃料电池应用中所用的双极板的表面上。

发明内容

本发明通过在至少一个实施方案中提供用于在燃料电池部件上涂覆水解稳定的亲水涂层的方法而解决了现有技术的一个或多个问题。该方法包括将燃料电池部件与含二氧化钛的液体接触，来形成附着于该燃料电池部件上的含二氧化钛的层。该含二氧化钛的层任选进行干燥。在随后的步骤中，该燃料电池部件与含二氧化硅的液体接触，来形成附着于该二氧化钛层上的二氧化硅涂层。该含二氧化硅的层然后任选地干燥。任选地将本发明实施方案的步骤重复附加的一次或多次，来生产在该燃料电池部件上的多个双层。已经发现根据本发明的实施方案的方法涂覆的燃料电池部件具有良好的亲水性和低的水接触角。此外，已经发现这些涂覆制品在连续曝露于水之后保留了这些性能。