[发明专利]特别用作燃料电池双极板涂料的金属粘合、疏水且导电的涂层

说明书

在任何类型的金属基材上特别用作金属粘合、疏水且导电的涂层的固体组合物，所述组合物包含至少(组合物的重量％)：‑75％至95％的重均尺寸在1μm和100μm之间的导电微粒作为导电填料；‑5％至25％的由“P”表示的包含至少2种不同聚合物的聚合物基质作为金属粘合和疏水的聚合物基质：a)P1：热塑性含氟聚合物，其由“Mw”表示的重均分子量在100000和1000000g/mol之间；b)P2：热固性树脂，其玻璃化转变温度在30℃和150℃之间。用于燃料电池的由钢制成，特别是由不锈钢制成的双极板涂覆有这种组合物。

1.技术领域

本发明的领域是特别用作疏水、导电、金属粘合的涂层的固体组合物的领域。

本发明更具体地涉及这种组合物(有时也称为“涂料”)在至少部分金属基材上，特别是用于具有离子交换聚合物膜(称为“PEM”，即，质子交换膜)的燃料电池的钢双极板上的用途。

2.背景技术

首先要回顾的是，PEM燃料电池由串联电连接的单个电化学电池的堆叠组成，并且每个电池都产生一定的电压，一般在0.3和1.1伏之间。因此，由堆叠产生的总电压等于单个电压的总和，例如目标应用于运输领域的燃料电池的总电压大约几百伏。

各个电化学电池通常由五层的叠加而组成：聚合物薄膜，其一个区域形成离子交换膜，两个电极，其包含发生电化学反应所必需的化学元素(例如铂)，和两个气体扩散层(GDL)，其能够确保在离子交换膜的整个表面上使用的气体均匀扩散。

气体的供应通过一般称为“双极板”的板来确保，因为它们与一个电池的阳极和相邻电池的阴极相接触。

这些双极板执行两个非常不同的功能。已知有必要向燃料电池供应燃料气体和氧化剂气体，即供应氢气和空气或纯氧气，并且还需要冷却燃料电池，即将诸如水的冷却剂流体通过燃料电池。双极板的功能之一是能够输送操作燃料电池所需的这些不同流体。而且，双极板还执行电功能：确保每个相邻电化学电池的阳极和阴极之间的导电。

这些不同的功能(输送流体和导电)，提供了用于生产这些双极板的材料必须符合的规格。所使用的材料必须具有非常高的导电性，它们还必须对所使用的流体不泄露并且对这些流体显示出非常高的化学稳定性。

此外，双极板必须具有足够的机械特性以允许大量的单个电化学电池和相关联的双极板的叠加并且通过使用连接杆在端板之间压缩而将组件保持在一起。因此它们必须具有足够的机械特性来承受这种压缩。

通常使用石墨，因为这种材料既提供高导电性，又对所用的流体具有化学惰性。例如，专利申请WO 2005/006472示出了这种双极板的可能实施方案。可以看出，它们是由两个相对刚性的石墨板叠加而成的，其中插入了由石墨材料制成的相对柔韧性的膜，以适应不同层的厚度公差。石墨板包括分配燃料气体和氧化剂气体所必需的通道网状组织，以及允许诸如水的冷却剂流体通过每个双极板的通道网状组织。不幸的是，涉及构造石墨双极板的刚性元件相当易碎，特别是在组装电池时的处理过程中。之前提到的由柔韧性石墨材料制成的层也特别难以在工业规模上处理。这全部显著不利地影响制造这种双极板的成本。

钢双极板，特别是由不锈钢制成或覆盖有不锈钢的双极板对于这种类型的应用也是已知的。虽然它们肯定比石墨板机械坚固得多，但是它们必须覆盖有保护金属免受腐蚀的保护涂层，所述保护涂层能够粘附至金属上，同时提供足够的导电性，这使得这种涂层的制剂特别复杂。

例如在专利文献US 6 372 376、US 6 379 476、US 6 537 359、US 7 365 121、US7 910 262、WO 02/13300中描述了这种双极板和/或其保护涂层。

本发明的主题是提出一种特别是作为双极板的保护涂层而符合上述要求的新型固体组合物，其不仅有利地给该涂层提供柔软性和柔韧性，而且还特别提供有利的自密封性能，最终使其具有改进的耐久性。

3.发明内容