用于燃料电池的具有低接触电阻涂层的不锈钢双极板制造技术

本发明专利技术涉及用于燃料电池的具有低接触电阻涂层的不锈钢双极板。具体地，公开了一种用在燃料电池中的双极板，所述双极板降低了板和扩散层之间的接触电阻。板的相对的表面限定了流动通道以及散置在流动通道之间的竖立台，板的所述台与燃料电池中扩散层形成导电接触。所述导电接触的至少一部分由镍基合金组成，所述镍基合金降低了所述板和所述扩散层之间的接触电阻，以此实现改进的电流密度。在一种形式中，该合金可用作板中的主要材料，而在另一种形式中，该合金可用作沉积到常规不锈钢板上的涂层。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及在燃料电池环境中呈现低接触电阻的不锈钢合金双极板，更具 体地，涉及由这种双极板制成的组件，该双极板具有涂层以降低该板与扩散层或与相关的 抵靠该板放置的载流部件之间的接触电阻。
技术介绍
在许多燃料电池系统中，氢气或富氢气体通过流动路径供应到燃料电池的阳极 侧，而氧气(例如大气中的氧的形式)则通过分开的流动路径供应到燃料电池的阴极侧。适 当的催化剂(例如，钼)通常被布置成层，并被用于促进阳极侧的氢气氧化以及阴极侧的氧 气还原。由此，产生了电流以及作为反应副产品的高温水蒸汽。在一种形式的燃料电池中， 即所谓的质子交换膜或聚合物电解质膜(两种情况下均简称为PEM)燃料电池中，将离聚物 膜形式的电解质装配在阳极和阴极之间。这种层状结构通常称为膜电极组件(MEA)，并且进 一步层置于扩散层之间，扩散层既允许气体反应物流向MEA也允许电流从MEA流出。前述 的催化剂层可以置于扩散层上或者作为扩散层的一部分。为了提高电输出，用导电双极板将独立的燃料电池单元堆叠在一起，该导电双极 板置于扩散层和一个MEA的阳极电极以及扩散层和相邻MEA的阴极电极之间。在这种构造 中，双极板将相邻堆叠的MEAs分开，该双极板具有相对表面，每个相对表面均包括由升高 的台(land)彼此分开的流动通道。这些通道用作导管，以便将氢气和氧气的反应物流传送 到MEA的各阴极和阳极，同时由于台与导电扩散层接触，且导电扩散层进而与催化剂处产 生的电流电连通，因而台用作MEA中产生的电的传输路径。这样，电流经过双极板的台以及 导电扩散层。通常，双极板由石墨或金属制成，以便形成MEA和外部电路之间的导电联接。由石墨制成的双极板能够抵抗腐蚀，具有良好的导电性以及低的比重。然而，石墨 板对氢气是可透过的，这可能导致性能和效率上的严重缺失。而且，石墨难以制造，导致石 墨板非常昂贵并且比其基于金属的配对物要厚。因而，在燃料电池的制造成本是重要考虑 因素的情况下，基于金属的双极板相对石墨是优选的。除了相对较为便宜之外，金属板还可 形成薄的构件，例如具有小于0. 25mm的片材厚度。因为双极板工作在高温和腐蚀性环境中，常规金属(例如，普通碳素钢)可能不适 合某些要求长寿命(例如约10年6000小时的寿命)的应用(例如汽车应用)。在典型PEM 燃料电池堆的工作期间，质子交换膜处于约75°C到约175°C之间的温度范围以及约IOOkPa 的绝对压力到约200kPa的绝对压力之间的压力范围内。在这样的条件下，由贵金属制成的 板可能是有利的，这是由于它们具有期望的抗腐蚀性质。遗憾的是，它们都非常昂贵，从而 限制了它们在涉及运输的应用和相关的费用敏感应用中的生命力。此外，某些金属，例如镍 (至少在单独使用时)，在燃料电池环境内会经历严重的腐蚀。因此，尽管镍可能适合于用 在碱性介质中，但其不适合用在PEM中。钢合金可形成非常薄(例如，在0. Imm和1.0mm之间)的片材，并且相当便宜，却 可能不具有足够的抗腐蚀性。也可使用不锈钢(例如，铁铬或相关化合物形式的不锈钢)，其通过在板表面形成氧化物从而具有改善的抗腐蚀性。然而，不锈钢双极板倾向于钝化以 实现抗腐蚀性的提高，但这同时也增大了板和相邻扩散层之间的接触电阻。过渡金属涂层，例如氮化钛(TiN)，已被提出用于避免不锈钢双极板表面上的高接 触电阻的增长。虽然初始电阻可能下降，可是随着时间流逝，燃料电池中所遇到的状况(尤 其在升高的温度下)将导致TiN转换为二氧化钛(TiO2),而这实际上增大了接触电阻，从而 使得结果与所期望的相反。因此，仍然希望提供基于不锈钢合金的双极板，其具有抗腐蚀性 和低的接触电阻，以便用于燃料电池中。还希望制造一种双极板，其具有与那些基于贵金属 或基于石墨的双极板类似的抗腐蚀和接触电阻属性，但避免了它们高昂的制造费用。
技术实现思路
本专利技术满足了这些需求，其中，根据本专利技术的一个方面公开了一种用于燃料电池 的不锈钢双极板。所述板包括相对的表面，所述相对的表面中的至少一个包括形成在其内 的多个流动通道。许多台从板表面相对于通道向外突出，并形成与燃料电池扩散层的导电 接触，所述燃料电池扩散层放置成与所述台接触。该接触的至少一部分由镍基合金形成，其 在双极板和扩散层之间具有比不存在这种合金时更低的接触电阻。例如，如果板全部由不 锈钢制成，且没有使用镍基合金涂层或层，则可预计这种板将面临上述的钝化问题。任选地，用在所述双极板中的所述不锈钢包括奥氏体不锈钢。如下面更详细描述 的，这种构造在镍基合金是涂层形式时是有价值的。这种构造还在如下的情况时是有价值 的，即奥氏体不锈钢中固有的铁的至少一部分能够被从双极板的接触表面去除。在其他的 选择中，镍铬基合金(也称为镍铬合金)的优选形式包括具有按重量至少60%镍的合金。 如上所述，镍基合金可构造成置于所述板表面的至少一部分(例如，许多台)上的涂层。在 这种情况下，涂层可包括镍铬二元合金，其在按重量80%的镍和按重量20%的铬之间。尽 管本文所讨论的二元合金和其他镍基材料是优选的，但要认识到的是，这些合金应当具有 相同的总组分。然而，当将该合金用作双极板材料时，如果板表面形成了表面纹理以将接触 电阻降低到可接受水平(因为粗糙性可帮助降低接触电阻)，则可使用镍含量低至30%重 量百分比的合金。替代性地，我们可以从具有较低镍含量的合金开始，然后对其进行热处理 以优选从顶表面溶解铁，从而留下具有较低接触电阻的镍铬层。此外，二元合金可用作主要 的板结构材料。除了镍基合金之外，也可使用铁铬合金，因为其比铁镍衬底材料具有更高的 抗腐蚀性。镍铬二元合金和镍铁二元合金可适于板结构材料、涂层、或适于所述二者。因此， 如果我们从具有相对低的内部镍含量的合金开始，则可对合金进行处理使得从该合金的顶 表面提取出铁，留下富含镍和铬的层，由此模仿出(mimicking)镍铬合金，其将具有比原始 合金低得多的传导性，但同时像原始合金一样具有较低的费用。根据本专利技术的另一方面，公开了具有一个或多个PEM的装置。每个燃料电池均包 括MEA、扩散介质和双极板。在板的通道和扩散介质之间建立流体连通，使得被引入所述双 极板的反应物沿板的通道行进，穿过所述扩散介质并与所述MEA的阳极和阴极中适当的一 个接触。电流可在双极板和扩散介质之间经过它们之间的接触而流动，其中镍基合金帮助 提升了双极板和扩散介质之间界面的高导电性。任选地，并且如结合前述方面论述的那样，这种合金可用作板本身的主要材料成 分，或者可沉积到常规的不锈钢合金板上，使得镍基合金建立起该电接触。镍基合金可以是二元合金，例如镍铬合金，或者可以是更加高度合金化的包含(除了主要的镍以外)其他金 属(例如不锈钢中能够发现的那些金属)的合金。该装置可额外地包括燃料处理系统，所 述燃料处理系统用于为燃料电池提供第一反应物(例如，氢气)。该装置还可包括耦接到燃 料电池的车辆，使得在所述燃料电池内利用由所述燃料处理系统产生的反应物产生的电化 学催化反应来提供所述车辆原动力需求的至少一部分。根据本专利技术的又一个方面，公开了一种制备聚合物电极膜燃料电池的方法。该方 法包括布置MEA，使得该MEA包括阳极、阴极、和置于所述阳极和阴极之间的膜。另外，阳 极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池的不锈钢双极板，所述双极板包括相对的表面，所述相对的表面中的至少一个包括形成在其内的多个流动通道以及关于所述多个流动通道散置的多个台，所述多个台构造成与抵靠所述多个台放置的燃料电池扩散层形成导电接触，使得所述导电接触的至少一部分包括镍基合金，所述镍基合金构造成相对于不存在这种合金时降低了所述双极板和所述扩散层之间的接触电阻。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：MH阿布德埃尔哈米德，GV达赫奇，AT莫雷尔斯，MC米利特洛，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]