激光表面处理的隔板、其生产方法及其表征方法技术

本发明专利技术涉及激光表面处理的隔板、其生产方法及其表征方法，具体涉及用于电化学系统(1)的金属隔板(2a，2b)，其至少包括具有第一钝化层(52)的第一激光表面处理区域(50)和具有天然钝化层(56)的第二区域(54)，其中作为激光表面处理的结果，第一钝化层(52)的电荷载流子密度相对于天然钝化层(56)至少增加了10％，表面积增大不超过5％。本发明专利技术还涉及这种隔板的制备和表征方法。备和表征方法。备和表征方法。

【技术实现步骤摘要】
激光表面处理的隔板、其生产方法及其表征方法


[0001]本专利技术涉及一种用于电化学系统的激光表面处理的隔板，以及用于制造和表征这种隔板的方法。所述电化学系统可以具体是燃料电池系统、电化学压缩机、电解槽或氧化还原液流电池。

技术介绍

[0002]隔板在电化学系统中可具有各种功能。一方面，它们可用于确保与相邻层(例如可以是气体扩散层)的导电连接。另一方面，隔板通常用于供应和/或排出反应物和/或反应产物，出于此目的通常提供通道结构。此外，反应热可以通过隔板(例如通过冷却剂)输送出去。特别是对于移动应用，例如在机动车辆中，可能需要由金属制备隔板，因为与其他材料相比，金属的机械稳定性更高，因此可以更紧凑地设计燃料电池和燃料电池堆。
[0003]然而，实际存在的一个问题是，从经济角度来看是合适的并且具有足够的耐腐蚀性以承受燃料电池中通常普遍存在的侵蚀性条件的金属具有钝化倾向。例如，不锈钢形成氧化铬的钝化层，只有这样它才会变得耐腐蚀。然而，钝化层导致接触区域的电接触电阻显著增加，因此隔板所具有的低损耗电连接的功能将受到不合理的损害。此外，上述侵蚀性反应条件对隔板的使用寿命有负面影响。
[0004]因此，不断需要改进隔板的耐腐蚀性、耐电接触性、生产成本和/或使用寿命。

技术实现思路

[0005]因此，本专利技术的一个目的在于确定一种隔板以解决至少一个上述问题。本专利技术的又一目的是确定一种能够制备或表征这种隔板的方法。
[0006]该目的通过根据独立权利要求所述的隔板和根据另一独立权利要求所述的隔板的制备方法实现。还介绍了表征隔板的方法。本专利技术的有利实施方式将通过从属权利要求的特征和以下说明而变得显而易见。
[0007]根据第一方面，提供用于电化学系统的金属隔板。所述隔板至少包括具有第一钝化层的第一激光表面处理区域和具有天然钝化层的第二区域，其中，由于激光表面处理，所述第一钝化层具有：
[0008]‑
增加至少10％的电荷载流子密度，和
[0009]‑
增大不超过5％的表面积，
[0010]与所述天然钝化层相比。
[0011]根据第二方面，同样提供用于电化学系统的金属隔板。同样，该隔板至少包括具有第一钝化层的第一激光表面处理区域，由于对表面的激光处理，该钝化层具有增加的电荷载流子密度。可以检测到这种激光表面处理，即使在例如隔板的整个表面都经过了相应的表面激光处理也是如此。为此，第一钝化层至少在一个区段被大部分移除，然后进行重建。在移除之前和重建之后都对电荷载流子密度进行测定，具体是通过Mott
‑
Schottky分析进行。隔板具有第一钝化层，作为对隔板进行激光表面处理的结果，相对于重建的钝化层其电
荷载流子密度增加了至少10％，表面积增大不超过5％。
[0012]因此，金属隔板可以在整个表面或一个或多个区段具有第一钝化层，所述第一钝化层可以通过与天然钝化层或与重建的钝化层进行比较来检测。
[0013]以下实施方式和特征的隔板涉及根据第一方面和根据第二方面的隔板，除非另有说明，或者除非很明显仅指根据第一方面或第二方面中的一个特定隔板。
[0014]专利技术人惊奇地发现，由于激光表面处理，隔板的表面在结构上发生了变化，使得激光表面处理增加了钝化层中的电荷载流子密度。表面的变化包括表面材料的重排和/或部分去除和/或化学修饰。本文中，激光表面处理以这样的方式进行，即激光表面处理区域的表面积相对于天然钝化层或重建的钝化层的表面积变化不明显，即不超过5％。因此，激光表面处理不会增加表面的粗糙度，而是有时甚至与表面的平滑有关。为了比较两个钝化层的表面积，钝化层的被检查的样品区段应具有相同的基准面积。本文中，基准面积可以定义为将各样品区段在隔板的板平面上的投影，特别是正交投影。
[0015]优选地，所述隔板具有第一钝化层，作为激光表面处理隔板的结果，其电荷载流子密度增加至少25％，特别是至少50％，并且表面积相对于天然钝化层或重建的钝化层仅增大最多5％。
[0016]未经过任何激光表面处理的隔板区域包括上文提到的天然钝化层。天然钝化层可以理解为自发钝化层，它是由隔板的裸金属或制备所述隔板的金属片而形成的，与来自环境空气的氧气和/或水分反应。通常，在隔板最终由金属片形成之前，延伸到隔板整个表面的天然钝化层已经存在于金属上。因此，激光表面处理通常在天然钝化层上进行，从而改变天然钝化层的电化学和物理性质。
[0017]根据应用领域，第一钝化层延伸到隔板的整个表面上，或者仅存在于其中的一个或多个区域，即在第一区域。在一些实施方式中，具有天然钝化层的第二区域与具有第一钝化层的第一区域相邻。或者，所述第一区域和第二区域也可以是隔板中彼此分开的区域。
[0018]如果整个隔板已经经过激光表面处理，则第一钝化层可以在至少一个区域中被例如电化学去除，然后例如通过酸进行重建。与天然钝化层类似，重建的钝化层同样具有比第一钝化层更低的电荷载流子密度。因此总体而言，当施加电压时，在激光表面处理区域中可以测量到比在激光表面处理区域之外更高的电流密度。例如，可以通过C
‑
AFM(导电原子场显微镜)测量电流密度。
[0019]从理论上讲，还可以设想，将隔板的第一钝化层与另一个未经处理的隔板(例如来自同一批次的隔板)的天然钝化层进行比较，以便能够确定隔板具有第一钝化层。然而，当同一隔板的区域相互进行比较时，测量精度通常更高。因此，一旦测量了电荷载流子密度和表面积，就会去除第一钝化层，并在该区域形成重建的钝化层。原则上，该区域可能产生天然钝化层，可以将其电荷载流子密度和表面积与第一钝化层进行比较。然而，天然钝化层通常需要相对较长的时间才能自然形成。因此，通过添加反应物或氧化剂(例如酸)来加速金属钝化，以形成重建的钝化层是有利的。此后，在重建的钝化层区域测量电荷载流子密度和表面积。
[0020]相应的(第一，天然或重建的)钝化层通常含有金属氧化物和/或金属氢氧化物。前提是第一钝化层具有比天然钝化层或重建的钝化层更高的金属氧化物或金属氢氧化物含量。因此，与激光照射前的材料相比和/或与非表面结构区域中的材料相比，所述表面结构
可能具有增加的氧含量或氢氧化物含量。这可以归因于例如照射过程中的能量输入。
[0021]一般来说，相应的钝化层可以理解为半导体层，其通常具有掺杂。掺杂包括半导体材料中的外来原子或杂质，并改变半导体的性质，即电子的行为，从而改变电导率和/或电荷载流子密度。即使是最小的外来原子密度或杂质密度也会显著增加电荷载流子密度，从而导致电导率的非常大的变化。有时，第一钝化层比天然钝化层或重建的钝化层具有更大的晶格缺陷密度、N型电荷载流子密度和/或P型电荷载流子密度。根据正常惯例，在P
‑
掺杂的情况下存在电子受体，而在N
‑
掺杂的情况下存在电子给体。也可能发生其中P型电荷载流子和N型电荷载流子都存在的混合形式。例如，不锈钢通常具有包含两种类型电荷载流子的钝化层。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于电化学系统(1)的金属隔板(2a，2b)，其至少包括具有第一钝化层(52)的第一激光表面处理区域(50)和具有天然钝化层(56)的第二区域(54)，其中，作为激光表面处理的结果，所述第一钝化层(52)具有：
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增加至少10％的电荷载流子密度，和
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增大不超过5％的表面积，与所述天然钝化层(56)相比。2.用于电化学系统的金属隔板(2a，2b)，其具有第一钝化层(52)，作为对隔板(2a,2b)进行激光表面处理的结果，相对于重建的钝化层(60)，所述第一钝化层的电荷载流子密度增加了至少10％，表面积增大不超过5％。其中，优选地，为了确定第一钝化层的增加的电荷载流子密度，
‑
确定第一钝化层(52)的电荷载流子密度，具体通过Mott
‑
Schottky分析进行，
‑
至少在一个区段中至少大部分去除第一钝化层(52)，
‑
在该区段中重建钝化层(60)，以及
‑
确定重建的钝化层(60)的电荷载流子密度，具体通过Mott
‑
Schottky分析进行。3.根据前述权利要求中任一项所述的隔板(2a,2b)，其特征在于，第一钝化层(52)具有比天然钝化层(56)或重建的钝化层(60)更高的金属氧化物和/或金属氢氧化物含量。4.根据前述权利要求中任一项所述的隔板(2a,2b)，其特征在于，第一钝化层(52)具有比天然钝化层(56)或重建的钝化层(60)更高的晶格缺陷密度、N型电荷载流子密度和/或P型电荷载流子密度。5.用于电化学系统(1)的隔板(2a,2b)的制造方法，所述方法包括以下步骤：
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提供金属隔板(2a,2b)，
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通过脉冲激光照射隔板(2a,2b)的至少第一区域，激光脉冲的脉冲持续时间小于100ps，优选小于50ps，
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在隔板(2a,2b)的所述第一区域形成第一钝化层(52)，其中所述第一钝化层(52)具有：
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增加至少10％的电荷...

【专利技术属性】
技术研发人员：E，
申请(专利权)人：莱茵兹密封垫有限公司，
类型：发明
国别省市：