用于氧化金属表面处理的组合物和方法技术

本发明专利技术提供了用于质子交换膜燃料电池的具有低接触电阻和强抗腐蚀性的导电元件。所述导电元件包括具有表面的易腐蚀金属基板，所述表面优选采用酸性处理溶液处理以活化该表面（即，从表面去除氧化物钝化层）。然后，在处理的表面上覆盖导电、抗腐蚀的保护涂层，保护该基板在暴露到燃料电池的腐蚀环境中时不会重新形成钝化层。本发明专利技术还提供了制备具有低接触电阻和强抗腐蚀性的导电元件的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及，具体涉及比如用来制备抗腐蚀的导电元件的组合物和方法。
技术介绍
人们已经提出采用燃料电池作为电动车辆和其它应用的能源。一种已知的燃料电池是PEM(即，质子交换膜)燃料电池，它包括所谓的MEA(即，膜-电极组件)，所述组件包括在一个面上具有阳极而在相对面上具有阴极的薄、固体聚合物膜-电解质。阳极和阴极通常包括细的碳颗粒，在该碳颗粒内外表面上支撑着极细催化剂颗粒，以及与该催化剂颗粒和碳颗粒掺混的质子导电材料。MEA夹在一对充当阳极和阴极集流器(current collector)的导电接触元件之间，可以包括适当的沟道和沟道开口，用于将燃料电池的气态反应剂(即，H2和O2/空气)分布到阳极和阴极的各自表面上。双极PEM燃料电池包括多个MEA，这些MEA以电串联的方式堆叠在一起，同时由称作双极板或集流器的不可渗透的导电接触元件将一个MEA和下一个MEA分隔开。集流器或双极板具有两个工作面，一个面对着电池堆(stack)中一个电池的阳极，另一个面对着下一个相邻电池的阴极，而且每块双极板导通相邻电池之间的电流。电池堆末端的接触元件仅仅和末端电池接触，称作末端板。接触元件通常由导电金属材料构成。在H2和O2/空气PEM燃料电池环境中，双极板和其它接触元件(例如，末端板)一直和中等酸性溶液(pH3-5)相接触，而且在强氧化性环境中操作，被极化成最大约+1V(相对于正常氢电极而言)。接触元件在阴极侧暴露在压缩空气下，在阳极侧暴露在大气氢下。不幸的是，许多金属在苛刻的PEM燃料电池环境中容易腐蚀，由其制成的接触元件或者溶解(例如，对铝而言)，或者在表面上形成强电阻性、钝化性氧化膜(例如，对钛或不锈钢而言)，从而增加了燃料电池的内电阻，使其性能下降。因此，需要提供能保持电导率、抗燃料电池腐蚀性环境并提高燃料电池的整体操作效率的导电元件。专利技术综述本专利技术涉及金属基板比如导电元件，在一种优选实施方案中，该导电元件包括导电易腐蚀金属基板和覆盖该金属基板表面一个或多个区域的导电抗腐蚀涂层，其中所述金属基板在约2700KPa的压力下具有小于或等于约10mΩ-cm2的接触电阻。本专利技术其它优选实施方案包括处理被氧化的金属基板的方法，比如当该基板用于制备导电元件时。一种方法包括提供在存在氧时表面容易通过形成氧化物钝化的导电金属基板。在该表面上施加酸性处理溶液，去除氧化物，使表面接触电阻和其处理前的状态相比下降。冲洗表面去除基本上所有的处理溶液，然后涂覆上抗腐蚀导电涂层。本专利技术的可替换优选实施方案设想了用于处理表面上具有金属氧化物的金属基板表面的组合物。该组合物包括含有溶剂和溶质的溶液，其中所述溶液的pH等于或小于约4，其中所述溶质包括一种或多种在所述溶液中浓度为约1×10-1-约1×10-6摩尔浓度的卤素离子的阴离子物质。本专利技术的其它可替换实施方案包括处理表面上具有金属氧化物的金属基板的表面的方法，所述方法包括将表面和酸性溶液接触以和该金属氧化物反应，无需施加电流，形成可溶于pH为0-约4的溶液的金属卤化物物质。将该金属卤化物和该表面分离。用冲洗溶液冲洗该表面，从而从表面上去除溶液和该金属卤化物。本专利技术在其它优选可替换实施方案中进一步设想处理表面上具有金属氧化物的金属基板表面的方法，即通过使该表面和酸性溶液接触以和该金属氧化物反应，无需施加电流，形成可溶于某溶液的金属卤化物物质，其中所述溶液具有一种或多种在所述溶液中浓度为约1×10-1-约1×10-6摩尔浓度的卤素离子的阴离子物质。将该金属卤化物和该表面分离，用冲洗溶液冲洗该表面，从而从表面上去除溶液和该金属卤化物。从下面的详细描述，本专利技术的其它可应用领域将变得显而易见。应该理解，该详细描述和具体实施例尽管给出了本专利技术的优选实施方案，但仅仅用于示例，不是为了限制本专利技术的范围。附图详述根据详述和附图，可以更充分理解本专利技术，其中附图说明图1是液冷PEM燃料电池堆(仅仅示出了两个电池)的示意性、分解、等体积图；图2是可用于图1所示的PEM燃料电池堆的双极板的分解等体积图；图3是沿图2的3-3方向的部分截面图；图4是端子集流器末端板；图5是图3的双极板的放大部分；图6是用来测量试样接触电阻的示例性测试装置；和图7比较了根据本专利技术制备的和现有技术制备方法制备的316L不锈钢试样在不同施加压力值下的接触电阻。优选实施方案详述下面对优选实施方案的描述在本质上仅仅是举例，绝不是为了限制本专利技术、其应用或用途。本专利技术涉及用于氧化金属的表面处理的组合物和方法，尤其涉及例如用来制备抗腐蚀导电元件的组合物和方法。本专利技术涉及一种PEM燃料电池，它具有至少一个包括下列物质的电池一对相反极性的电极、位于电极中间用于在电极之间传导离子的膜电解质、和面对至少一个电极的导电元件。导电元件具有用来从该电极传导电流的工作面。该导电元件包括金属基板，该基板具有优选根据本专利技术处理后活化的表面，即从该表面上去除钝化层或氧化物层。然后，在该处理过的表面上覆盖导电、抗腐蚀保护涂层，以保护该基板免受燃料电池的腐蚀性环境。“易腐蚀金属”是指被电池环境氧化/钝化或者溶解的金属。为了更好地理解本专利技术，在图1中示出了可以采用本专利技术的示例性燃料电池，描述了两个连接起来形成电池堆的单个质子交换膜(PEM)电池，具有一对膜-电极-组件(MEA)4，6，由导电、液冷双极分隔板导电元件8将该对MEA分开。没有在电池堆中串联连接的单个燃料电池具有带有单个电活性侧的。分隔板8在电池堆中，优选双极分隔板8通常在电池堆内有两个电活性侧20、21，每个电活性侧20、21各自面对着带相反电荷(处于分开状态)的分开的MEA4、6，因此称为“双极”板。如本文所述，所描述的燃料电池堆具有导电双极板，但是，本专利技术同样适用于仅有单个燃料电池的电池堆。MEA4、6和双极板8在不锈钢固定端板10、12和末端接触流体分布元件14、16之间堆叠在一起。末端流体分布元件14、16，以及双极板8的两个工作面或侧20、21，含有多个平台，这些平台和电活性面18、19、20、21、22和23上的沟槽或沟道相邻，用于将燃料和氧化剂气体(即，H2和O2)分布到MEA 4、6上。不导电的垫圈或密封垫26、28、30、32、33和35在燃料电池堆的多个部件之间提供了密封和电绝缘。可透气的导电扩散介质34、36、38和40压靠在MEA 4、6的电极面上。在末端接触流体分布元件14、16和端子集流器10、12之间设置了另外的导电介质层43、45，以在正常操作条件下当电池堆被压缩时在其中间提供导电路径。末端接触流体分布元件14、16分别压靠着扩散介质34、43和40、45。氧通过适当的供料管42从储存罐46供给燃料电池堆的阴极侧，而氢通过适当的供料管44从储存罐48供给燃料电池的阳极侧。或者，可以从周围环境中向阴极侧供应空气，而从甲醇或者汽油重整物向阳极供应氢，等等。同样，为MEA的H2侧和O2/空气侧都提供了排气管41。提供了另外的管道50，用于循环冷却剂从储存区域52通过双极板8和末端板14、16并从出料管54排出。图2是双极板56的等体积分解图，包括第一外部金属片58和第二外部金属片60，和位于第一金属片58和第二金属片60之间的中间分隔金属片62。外部金属片58、60被制本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于处理表面上具有金属氧化物的金属基板的表面的组合物，所述组合物包括：包括溶剂和溶质的溶液，所述溶液的ｐＨ等于或小于约４，其中所述溶质包括一种或多种卤素离子的阴离子物质，所述卤素离子在所述溶液中的浓度是约１×１０↑［－１］－约１×１ ０↑［－６］摩尔浓度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：MH阿布德埃尔哈米德，Y米克海尔，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]