耐腐蚀的燃料电池终端板制造技术

本发明专利技术涉及带有终端集电器板元件的电化学电池，该终端集电器板从电池堆中引出电流。终端板具有导电的表面区域和不导电的表面区域。不导电区域涂覆有耐腐蚀涂层，该涂层包括钝化层，耐腐蚀聚合物层，或包括上述二者。终端板的导电区域可选择地通过涂覆有耐氧化金属层以防止氧化。耐氧化层可进一步地涂覆有导电的耐氧化聚合物层。本发明专利技术另外的优选方面包括处理终端板，以使其耐腐蚀和耐氧化而同时保持导电性的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及质子交换膜燃料电池，更特定地涉及耐腐蚀终端集电器板及其制造方法。
技术介绍
燃料电池被建议作为电源用于电动车或其它用途。其中一种已知的燃料电池是PEM(即质子交换膜)燃料电池，包含所谓的“膜电极总成”，该膜电极总成包括薄的固体聚合物膜电解质，其阳极位于膜电解质的一个面而阴极位于膜电解质相对的另一个面。阳极和阴极典型地包括细化分裂的碳微粒，在碳微粒的内外表面上附着的非常细化分裂的催化剂微粒，和与催化剂以及碳微粒混合在一起的质子传导物质。膜电极总成夹在一对用作阳极和阴极集电器的导电的接触元件之间，接触元件可具有适当的通道和开口，通过该通道和开口分别在阳极和阴极的表面分配燃料电池的气态反应物(即H2和O2/空气)。双极质子交换膜燃料电池包括多个电串联地堆在一起的膜电极总成，一个与下一个之间以无渗透性的导电接触元件相互分开，该接触元件称为双极板或隔膜。隔膜或双极板有两个工作面，一个工作面面对一个电池的阳极，另一个工作面面对电池堆中相邻的下一个电池的阴极，每一个双极板在相邻的电池之间传导电流。在电池堆端部的接触元件被称为端板、终端板或集电器板。这些终端集电器与夹在终端双极板和终端集电器板之间的导电元件进行接触。可见，终端集电器板具有多种功能，包括密封电池堆、赋予导电性、允许流体的进出以及在电池堆和外部环境间提供稳定的材料。对尽可能多的此类功能进行优化，以及造价尽可能低廉是一个挑战。
技术实现思路
本专利技术提供具有终端集电器端板的电化学电池堆，该端板具有导电区域和不导电区域。不导电区域包括至少一个缝隙以连通流体入或出电池堆。不导电区域涂覆有耐腐蚀的保护性涂层。该涂层包括钝化层，耐腐蚀聚合物涂层，或包括上述二者。在本专利技术的另一个实施例中，终端板的导电区域涂覆有导电的保护层，包括导电的耐氧化金属层。耐氧化金属层可选择地进一步的涂覆有导电的耐氧化聚合物涂层。本专利技术的另一个方面包括终端板的处理方法，以为不导电区域提供耐腐蚀保护。进一步地处理方法的方面包括以含有导电微粒的耐氧化聚合物涂层保护终端板的导电区域。本专利技术进一步的应用范围将在后文的详细描述中论述清楚。需要理解的是详细的论述和特定的例子在显示本专利技术优选实施例的同时，其意图仅用于阐述而不用于限定专利技术的范围。附图说明详细描述和附图将使得对本专利技术的理解更充分，其中图1是液体冷却的质子交换膜燃料电池堆中的两个电池的示意图；图2是一个典型的终端集电器端板，显示了本专利技术的优选实施例；以及图3是沿图2中3-3′线的截面图，显示了本专利技术优选实施例的终端集电器端板的表面。具体实施例方式如下优选实施例的描述在本质上仅是示例性的而并不意图限制本专利技术及其适用和用途。本专利技术考虑电化学燃料电池堆中的终端集电器端板(下文中称为“终端板”)，其采用了重量轻的易腐蚀导电材料，该导电材料具有导电区和不导电区，其中不导电区被处理为耐腐蚀并使表面传导率最小化。进一步地，本专利技术的另一个方面考虑终端板的导电区，其涂有导电的耐氧化保护涂层。首先为更好的理解本专利技术，此处提供了对典型的燃料电池和堆的描述。图1描述了两个单独的质子交换膜(PEM)燃料电池，它们连接形成具有一对膜电极总成(MEA)4和6的电池堆，膜电极总成间通过液体冷却的导电双极分隔板8相互分隔。未串联在电池堆中的单个燃料电池具有带单电活性侧的分隔板8。在电池堆中，优选的双极分隔板8通常在电池堆内具有两个电活性侧20，21，每个电活性侧20，21分别面向分开的、带有相反电荷的单独的MEA 4，6，因此被称为“双极”板。如此处所述，燃料电池堆被描述为带有导电双极板，然而本专利技术同样可应用于仅具有单个燃料电池的电池堆。MEA 4、6和双极板8堆在一起，位于不锈钢夹紧终端板10和12以及端部接触流体分配元件14和16之间。端部流体分配元件14和16，以及双极板8的两个工作面含有多个与位于活性面18、19、20、21、22和24上的凹槽或通道相临近的脊部，用于向MEA 4，6分配燃料和氧化剂气体(即H2和O2)。不导电的衬垫或密封件26、28、30、32、33和35在燃料电池堆的几个部件之间提供密封和电绝缘。透气的导电扩散介质34、36、38和40压靠在MEA 4、6的电极表面。另外的导电介质层43、45置于端部接触流体分配元件14、16与终端集电器板10、12之间，以当电池堆在正常运行中被压缩时在其间提供导电路径。端部接触流体分配元件14、16分别压靠在扩散介质34、40上，而双极板8压靠在MEA 4的阳极面上的扩散介质36上，以及压靠在MEA 6的阴极面上的扩散介质38上。氧气从存储箱46通过合适的供给管道42供给到燃料电池堆的阴极侧，氢气从存储箱48通过合适的供给管道44供给到燃料电池的阳极侧。可选择地，空气可以从环境中供给到阴极侧，氢气从甲醇或汽油重组器等供给到阳极侧。也提供了MEA的H2和O2/空气侧的排气管道41。提供了另外的管道50，用于从存储区52经过双极板8和端板14、16并离开排出管道54循环冷却剂。等距的双极板分解图(如序号8)在授予Fronk等人的美国专利号6,372,376中示出。如本领域中技术人员所承认，双极板可用作单个的燃料电池导电板，它在内部以MEA为界限，在外部以终端板为界限，其中可沿着活性面使用冷却剂场。选择用于构建终端板10的材料需要权衡考虑如下参数，例如总密度(质量和体积)、表面接触电阻、体传导率以及耐腐蚀和耐氧化性。因此终端板材料需要重要考虑的方面包括用作导电区域的集电器的材料固有的表面传导率和体传导率，同时在不导电的流体传送区域防止任何腐蚀条件。以前的材料包括重量轻的金属，包括钛或铝。由于具有高的固有体电传导率、低的表面电阻和相对轻的重量，铝是用在终端板内的特别合适的材料。但是在H2-O2/空气PEM燃料电池的运行中，在电活性或导电接触区中，铝有氧化的倾向。此氧化将在表面形成氧化物层，从而不允许地增加了表面电阻。进一步地许多重量轻的金属容易受到腐蚀的侵袭，由于此种腐蚀敏感性和氧化倾向，使用了不同的保护性涂层。然而，此保护性涂层经常使得金属板的电阻增加到不可接受的等级，或此保护性涂层费用昂贵，例如采用金或铂涂层。因此在传导率和腐蚀保护之间存在折衷关系。根据本专利技术的一个方面，可对由易腐蚀材料制成的终端板10进行处理，使其可耐腐蚀和氧化的侵袭，以此允许使用对于其重量相对于其它更耐腐蚀金属具有较低表面接触电阻和较高体传导率的金属。包括这些易腐蚀材料增加了燃料电池堆总的重量效率(即每单位质量效率)。如图2所示，终端集电器端板10具有不导电区域100和导电区域102。终端板10的导电区域102通常由密封衬垫33、35从不导电区域100分隔开(见图1)。然而，如果衬垫33、35由于腐蚀而失效，腐蚀性液体可能转移到导电区域102并滤出铝离子。这些铝离子可能转移到电池堆和单个燃料电池内。由于该铝离子占据催化剂的位置，故对MEA中的催化剂有害，将使得电池和整个电池堆的性能下降。不导电区域100内的延伸经过终端板10的主体或基板128的缝隙104允许在运行条件下流体进出电池堆的传送。进入电池堆的不同的流体包括含氢气体、含氧气体以及液体冷却剂(例如乙二醇和水的混合物)。因此在终端板10的第一侧106，第一缝隙110从存储本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种导电终端板，其包括由导电的易腐蚀材料制成的本体；所述本体的表面，其具有导电区域和不导电区域；以及覆盖所述不导电区域的耐腐蚀层。

【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：BK布拉迪，B索姆帕利，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]