适于不锈钢双极板的超低金担载量制造技术

一种用于燃料电池的导电的流体分配部件（１００），所述流体分配部件包括导电基体（１０２），用于沿着基体（１０２）表面分配流体的流场（１０６），以及在所述表面上的含有贵金属的导电涂层（９４），理想的贵金属为Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｏｓ，并且优选Ａｕ。　　　　　　　　　 一种用于燃料电池的导电的流体分配部件（１００），所述流体分配部件包括导电基体（１０２），用于沿着基体（１０２）表面分配流体的流场（１０６），以及在所述表面上的含有贵金属的导电涂层（９４），理想的贵金属为Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｏｓ，并且优选Ａｕ。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
适于不锈钢双极板的超低金担载量
本专利技术涉及燃料电池，特别是涉及用于所述燃料电池的导电的流体分配部件及其制造。
技术介绍
燃料电池已经被建议作为电动车辆和其它应用的电源。一种已公知的燃料电池是质子交换膜(PEM)燃料电池，其包括通常所说的“膜电极组件”，该膜电极组件包括薄的固体聚合物膜电解质，在膜电解质一个表面上具有阳极以及在膜电解质的相对表面上具有阴极。膜电极组件被夹在一对导电的流体分配部件之间，而所述导电的流体分配部件用作阳极和阴极的电流集电器。流场用于在相应的阳极和阴极表面上分配燃料电池的气体反应物。导电的流体分配部件自身可以其中合适的沟槽和开口的形式形成一部分流场，用于在相应的阳极和阴极表面上分配燃料电池的气体反应物(即H2和O2)。燃料电池堆包括串联连接的相互叠置在一起的多个膜电极组件。膜电极组件相互间由不渗透性的导电的流体分配部件，也叫作双极板，相互隔开。双极板具有两个主表面，一个表面面对电池的阳极，另一个表面面对电池堆中下一个相邻电池的阴极。双极板在相邻电池间传导电流。在电池堆端部的接触部件仅接触端部电池，并被称作端板。在使用H2和O2(可选择空气)的PEM燃料电池环境中，双极板和其他接触部件(比如端板)与酸性溶液(pH3-5)持续接触，并-->在60-100℃的高温下工作。而且，当暴露在加压空气中时，阴极在高氧化性环境中工作。阳极持续暴露在加压氢气的苛刻环境中。因此，许多常规接触部件由金属制造，并必须能在燃料电池环境中耐酸、耐氧化和耐氢脆。但是，符合这些标准的金属十分昂贵。轻金属比如铝和钛及其合金，还有不锈钢已被建议用于制造燃料电池的双极板。这些金属导电性好，并能成形为非常薄的板子。但是，这些轻金属在燃料电池的苛刻环境中易于腐蚀，由这些金属制造的双极板或者发生溶解(比如使用铝的情况)，或者在其表面上形成高阻抗的钝化氧化物膜(比如使用钛、不锈钢和铝的情况)，由此导致燃料电池的内阻增加，降低了燃料电池的性能。为了解决这一问题，已建议在轻金属双极板上涂覆即能导电又能耐腐蚀的组合膜层，由此来保护基底金属。比如可以参见Li等人转让给本专利技术受让人的RE37,284E。但是由于为了达到耐蚀的目的，这些沉积在双极板上的涂层需要具有一定的厚度，这使得这些层状的涂层十分昂贵。另一个缺点是，当施加高的叠置压力时，这些厚的涂层会发生分解，由此降低了耐蚀性。因此，理想的是能够既容易又经济地制造出既耐蚀、又具有高导电性的双极板。
技术实现思路
本专利技术提供一种用于燃料电池的导电流体分配部件，其包括具有第一和第二主表面的导电基体，在第一表面上沿第一表面分配流体的流场，以及第一表面上的导电涂层，该表面涂层中含有贵金属或者含有贵金属的化合物。理想的是，贵金属选自Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、-->Pt和Os，并且优选为Au；或者它们的混合物。涂层相对较薄，厚度小于100纳米，理想的小于80纳米，更理想的小于50纳米，优选小于20纳米，更优选在10-20纳米范围内。由于使用离子束辅助物理气相沉积法施加涂层，涂层还优选相对光滑。本专利技术还提供一种用于在导电的流体分配部件上涂覆贵金属导电涂层的离子辅助-物理气相沉积方法。本专利技术的其它应用领域通过下面的详细描述将变得显而易见。应该理解的是，虽然表示的是本专利技术优选实施例，但是对本专利技术的详细描述和具体实例仅仅是说明性的，而非是对本专利技术范围的限定。附图说明以下，结合附图并通过详细描述，可以更好地理解本专利技术，其中：图1为PEM燃料电池堆(只显示出2个电池)的分解示意图；图2为用于PEM燃料电池堆的典型的导电流体分配部件的分解视图；图3为沿图2中3-3方向的剖视图；图4所示为图3中双极板的放大部分；图5所示为双极板的局部横截面，该双极板的特征是具有附接到其两侧上的泡沫金属流场的薄的基体；图6a所示为图5所示双极板的局部横截面图，其中泡沫材料的内表面和外表面覆盖有导电材料；图6b所示为图5所示双极板的局部横截面图，只有泡沫材料的外表面覆盖有导电材料；图7所示为双极板的局部横截面图，该双极板由分散在粘结剂基-->体中的导电颗粒的复合材料制成并涂覆有导电材料；图8a所示为双极板的局部横截面图，该双极板由包含分散在粘结剂基体中的连续导电颗粒的复合物制成；图8b所示为覆盖有导电材料的图8a所示双极板的局部横截面图；图9为用于在双极板上涂覆导电材料的离子束辅助物理气相沉积装置的视图；图10a和10b所示为使用离子辅助物理气相沉积方法和电镀方法制造出的涂层的对比图；图11a和11b所示为使用离子辅助物理气相沉积方法和电镀方法制造出的涂层的原子力显微镜图像和粗糙度分析的对比图；图12为本专利技术中的导电涂层以及现有技术涂层的接触电阻的曲线图；图13为通过比较本专利技术的不锈钢导电涂层、未涂覆的不锈钢基体和Poco石墨得到的电池电压对电流密度和接触电阻的极化曲线图；图14为在80℃下的充气溶液中，循环电位在+0.4和+0.6V(vs.Ag/AgCl)之间的腐蚀电流曲线图；和图15为在80℃条件下工作的充气模拟燃料电池溶液中，在+0.6V(Ag/AgCl)外加电位下涂覆10纳米金的不锈钢试样的恒电位暂态曲线图。 具体实施方式以下对优选实施例的描述本质上仅仅是示例性的，而非是对本专利技术、及其应用或者使用的限定。图1示出了具有被导电的流体分配部件8，此后称为双极板8，-->相互间隔开的一对膜电极组件(MEAs)4和6的由两个电池构成的双极燃料电池堆2。MEAs 4和6以及双极板8在不锈钢夹板或者端板10和12之间，以及端部接触部件14和16之间叠置在一起。端部接触部件14和16，以及双极板8的两个工作表面分别具有多条沟槽或者通道18、20、22和24，用以向MEAs 4和6分配燃料和氧化性气体(即H2和O2)。不导电的垫圈26、28、30和32在燃料电池堆的多个元件间提供密封和电绝缘。可透过气体的导电材料一般为压靠在MEAs 4和6的电极表面上的碳/石墨扩散纸34、36、38和40。端部接触部件14和16分别压靠在碳/石墨纸34和40上，而双极板8压靠在MEA 4的阳极表面上的碳/石墨纸36上，并且压靠在MEA 6的阴极表面上的碳/石墨纸38上。氧通过适当的供给管道42从贮罐46中被供应至燃料电池堆的阴极侧，而氢通过适当的供给管道44从贮罐48中被供应至燃料电池的阳极侧。另一种选择是，环境空气可以作为氧气源被供应至阴极侧，氢从甲醇或者汽油重整装置等中被供应至阳极。还提供用于MEAs 4和6的H2和O2侧的排气管道(未示出)。附加管道50、52和54用于向双极板8和端板14与16供应液体冷却剂。还设置从双极板8和端板14与16中排出冷却剂的适当的管道，但图中未示出。图2为可被用于根据本专利技术第一实施例的典型双极板56的分解视图。双极板56包括第一外部金属板58，第二外部金属板60，和处在第一金属板58和第二金属板60中间的内部金属垫板62。外部金属板58和60制造得尽可能薄，并且可以采用冲压、或者其他常规的金属板成型工艺成形。外部金属板58在其外侧具有第一工作表面59，所述第一工作表面面对着膜电极组件(未示出)，并成形以提供流场57。流场57由在其间限定出多个沟槽66的多个凸台64所限定，所-->述沟槽构成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造导电的流体分配部件的方法，包括以下步骤：　　　　提供基体；　　　　利用离子束清洗所述基体；以及　　　　用物理气相沉积方法在所述基体上沉积导电涂层，厚度小于１００纳米，　　　　其特征在于，所述清洗和所述沉积基本上同时进行。

【技术特征摘要】
US 2002-6-5 10/163,3931、一种制造导电的流体分配部件的方法，包括以下步骤：提供基体；利用离子束清洗所述基体；以及用物理气相沉积方法在所述基体上沉积导电涂层，厚度小于100纳米，其特征在于，所述清洗和所述沉积基本上同时进行。2、如权利要求1所述的方法，其中所述清洗在所述沉积之前开始，并在所述沉积过程中继续。3、如权利要求1所述的方法，进一步包括继续对所述基体进行清洗至少直至所述沉积结束。4、如权利要求3所述的方法，其中所述清洗在所述沉积结束之后终止。5、如权利要求1所述的方法，其中所述涂层的沉积厚度小于80纳米。6、如权利要求1所述的方法，其中所述涂层的厚度为10-20纳米。7、如权利要求1所述的方法，其中所述导电涂层的沉积担载量为0.02-0.04mg/cm2。8、如权利要求1所述的方法，其中所述基体选自包括不锈钢、铝和钛的组。9、如权利要求1所述的方法，其中所述涂层中含有贵金属。10、如权利要求9所述的方法，其中所述贵金属选自包括Ru、Rh、Pd、Ag、Au、Ir、Pt、Os的组，及其组合。11、如权利要求1所述的方法，其中所述涂层的接触电阻为1.5-6.5毫欧/cm2。-->12、如权利要求1所述的方法，其中所述涂层包括耐蚀涂层。13、如权利要求1所述的方法，其中所述清洗步骤包括从所述基体上除去氧化物层。14、如权利要求1所述的方法，其中涂层的沉积速率为0.10纳米/s。15、一种导电的流体分配部件，包括：金属基体；以及设置在所述基体上的导电涂层，其特征在于，所述涂层厚度小于80纳米。16、如权利要求15所述的部件，其中在对所述部件施加超过10mA/cm2的阴极电流时，所述涂层能抵抗从所述基体上脱落。17、如权利要求15所述的部件，其中所述涂层厚度为10-20纳米。18、如权利要求17所述的部件，其中所述导电涂层的担载量为0.02-0.04mg/cm2。19、如权利要求15所述的部件，其中所述基体选自包括不锈钢、铝和钛的组。20、如权利要求15所述的部件，其中所述涂层中含有选自包括Ru、Rh、Pd、Ag、Au、Ir、Pt、Os的组的贵金属及其组合。21、如权利要求15所述的部件，其中所述涂层的接触电阻为1.5-6.5毫欧/cm2。22、如权利要求20所述的部件，其中所述贵金属形成所...

【专利技术属性】
技术研发人员：G弗亚斯，郑仰泽，MH阿布德埃尔哈米，YM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]