具有涂层的电极、其制造方法和材料的用途技术

一种作为用于电化学电池（２７）的电极（２３）的元件，其包括导电衬底（２８）和包括多元素材料的导电的耐腐蚀涂层（２９），该涂层形成在所述导电衬底上且至少部分覆盖所述导电衬底。还公开了一种制造这种电极的方法和多元素材料用于电化学电池的电极的防腐蚀的用途。多元素材料具有由式ＭｑＡｙＸｚ描述的碳化物或氮化物中的至少一种的组成，其中Ｍ是过渡金属或过渡金属的组合，Ａ是Ａ族元素或Ａ族元素的组合，Ｘ是碳或氮或两者，以及ｚ和ｑ与ｙ中的至少一个是大于０的数。多元素材料还包括至少一种纳米复合材料（４），其包括基于相应的ＭｑＡｙＸｚ化合物中的原子元素的单元素、二元相、三元相、四元相或更多元相。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于电化学电池的电极，且尤其是用于燃料电池的双极板，该电极 包括导电衬底和形成在所述导电衬底上的导电的耐腐蚀涂层，涉及这种电极的制造方 法、包括该电极的电化学电池以及材料的用于电化学电池的电极的防腐蚀的用途。
技术介绍
过去，大多数时候是当，如燃料(氢和氧的供给)的可获得量或性能的优势已经 超过成本时，才使用燃料电池。然而今天，由于技术进步和逐渐增强的环境问题意识， 燃料电池即使仍未处于，也至少是接近更大规模的商业突破。一种燃料电池类型是质子交换膜(PEM)燃料电池，或简称PEMFC，其包括膜电 极组件(MEA)，膜电极组件通常又包括作为电解质夹在两个气体扩散层(通常是碳层) 之间的聚合物膜，气体扩散层还包含催化剂颗粒(通常是贵金属，诸如钼)。今天，最常 用的膜是Nafion,但还存在其他可替代物。在PEMFC的运转过程中，碳层分别用作阳极和阴极。阳极侧的燃料(如氢)扩 散穿过阳极侧碳层且与催化颗粒反应生成氢阳离子(质子)，氢阳离子扩散穿过膜至阴极 侧。阴极侧的燃料(如空气或包括氧气的任何气体)扩散穿过阴极侧碳层且与催化颗粒 反应生成氧阴离子。在阴极处，阴离子与阳离子反应且生成通常是水的反应残余产物。 反应还产生热且当然还产生电能。MEA通常被设置在分别与阳极和阴极接触的两个导电板之间。板用作集流体且 通常在表面上设置有流动通道以促进燃料遍布在表面上以有助于催化剂。由于实际上通 常设置燃料电池堆以形成电串连连接，所以板通常设置成连接这种堆的燃料电池元件， 且因而板的一侧用作一个燃料电池的阳极，而另一侧作为堆内的相邻燃料电池的阴极。 因此，板通常是指且公认为是双极板。可能出现的其他名称是流动板或类似的名称。许多期望的性能与双极板有关，这些包括低电阻、轻的重量、薄、耐腐蚀性、 在运转条件下的稳定性以及当然，低成本。已经证明要找到一种满足所有这些性能的材 料并不是非常容易的。由于燃料电池内苛刻的环境，在PEMFC内是通常约2-3的pH和 约80°C的高温，耐腐蚀性是一个特殊的问题。在其他类型的燃料电池中，温度甚至可能 更高且环境更具腐蚀性。对双极板来说，石墨是一种常规的材料选择且是非腐蚀性的，然而，这种板因 碳的结构稳定性不足而是比较昂贵的、厚的，且加工流动通道是耗时的。其他可替代物 包括导电的塑性材料，如包括碳颗粒的塑性材料，它们可以被低成本地制造，但具有比 较高的电阻以及还存在相对厚的缺陷。贵金属板可以被制造得薄，导电良好，高度耐腐 蚀以及可以以保持的结构稳定性(retained structural stability)被制造得薄，但存在高成本 的缺陷且因此并不被认为是商业上可行的可替代物。其他金属通常存在耐腐蚀性差的缺陷，或具有改善的耐腐蚀性但是以较高的电 阻(通常由于形成氧化物膜)为代价。4由于非贵金属在除了耐腐蚀性之外的几乎各个方面都是合适的，因此它们对双 极板来说仍是感兴趣的。因而，已经尝试增强基于金属的双极板的耐腐蚀性。这些解决 办法中常用的是使用被设置成保护下面的金属芯或衬底免受腐蚀的某种外部导电层。应 理解，这种结构的组合可能性是巨大的。基于例如经济原因，基于铝或不锈钢的双极板 已经引起许多关注且目前被认为可能是最有前景的可替代物。下面是现有技术中提议的 许多解决方法。DE10017058A1公开了由具有第二金属的金属涂层的第一金属制成的双极板。板 的主要材料(芯)是St37、铝或铝合金。金属涂层由金、锡、铅锡合金或钽制成，任选 地具有额外的金属中间层(如，铜或镍)。通过电流沉积或通过溅射来施用金属涂层。US2007287057A公开了一种不锈钢流场板，其包括钛或氧化钛层和氧化钛/氧 化钌层，这使得板是导电的和亲水性的。采用合适的工艺，诸如PVD或CVD将钛作为 金属或氧化物沉积到不锈钢双极板的表面上。将氯化钌在乙醇中的溶液刷到钛层上。接 着，将板煅烧以在不锈钢上提供尺寸稳定的氧化钛/氧化钌层，其在燃料电池环境中是 亲水性的和导电的。US2004005502A描述了一种用于电化学电池的导电部件，特别是用作燃料电池 内的双极板的导电部件。导电部件由设置有掺杂的金刚石涂层和/或掺杂的类金刚石碳 涂层的金属部件组成。该涂层被认为能够以有利的成本制造部件而仍满足了良好的耐腐 蚀性和高的导电率的双重要求。还描述了通过CVD和/或PVD工艺制造这种部件的方 法。金属部件可以由钛、不锈钢、钢、镀锡的钢、铝、镁和/或其合金形成。专利技术概述根据上文，本公开内容的目的是提供一种克服或至少减轻现有技术中的问题的 解决办法。更具体的目的是提供一种有关用于诸如PEMFC的燃料电池的双极板的防腐蚀 的现有解决办法的可选择的解决办法。本专利技术由所附的独立权利要求界定。从属权利要求和下面的描述以及附图中提 出了优选的实施方案。因而，根据第一方面，提供了一种用于电化学电池的电极，其包括导电衬底和 导电的耐腐蚀涂层，该耐腐蚀涂层形成在所述导电衬底上且至少部分覆盖所述导电衬 底，其中所述涂层包括多元素材料。根据第二方面，提供了一种包括电极的电化学电池。根据第三方面，提供了多元素材料用于电化学电池的电极的防腐蚀的用途。根据第四方面，提供了制造电极的方法，所述方法包括下述步骤提供导电衬 底和在所述导电衬底上形成导电的耐腐蚀涂层，使得所述导电衬底至少部分被所述涂层 覆盖，其中所述涂层包括多元素材料。多元素材料具有由式MqAyXz描述的碳化物或氮化物中的至少一种的组成，其中 M是过渡金属或过渡金属的组合，A是A族元素或A族元素的组合，X是碳或氮或两者， 以及ζ和q与y中的至少一个是大于0的数，并且所述多元素材料还包括至少一种纳米复 合材料(4)，所述纳米复合材料(4)包括基于相应的MqAyXz化合物中的原子元素的单元 素、二元相、三元相、四元相或更多元相。通常，q和y都是大于0的数。“纳米复合材料”包括在纳米尺度上隔离的两种或更多种相。相是具有大于5O.lnm且小于IOOOnm的特征长度尺度的晶体、区域和/或结构。应注意，相不需要是晶 体。多元素材料可以具有由式Mn+1AXn描述的碳化物或氮化物中的至少一种的组 成，其中M是过渡金属或过渡金属的组合，A是A族元素或A族元素的组合，X是碳 或氮或两者，且η是1、2、3或更高，并且所述多元素材料还包括至少一种纳米复合材料 (4)，该纳米复合材料(4)包括基于相应的Μη+1ΑΧη化合物中的原子元素的单元素、二元 相、三元相、四元相或更多元相。就上述涂层而言，可以以比较低的成本获得同样在电化学电池的高度腐蚀性的 环境中耐腐蚀的和导电的电极。涂层可以包括在相应的Μη+1ΑΧηΚ合物中的按重量计约0-80%、或按重量计约 0-70%,或按重量计约0-60%或按重量计约0-50%范围内的至少一种单元素Μ、Α、X。纳米复合材料可以包括选自Μ-Α、Α-Χ、Μ-Α-Χ、X和Μ_Χ组成的组的至少两相。M优选是Cr或Ni，以便改善涂层的耐腐蚀性。A优选是Si且X优选是C。可选择地，M可以是钛，X是碳且A族元素是硅、锗或锡中的至少一种。多元素材料可以是Ti3SiC2且纳米复合材料可包括选自由Ti-C、Si-C> Ti-Si-C> Ti-Si和C组成的组的至少一相。涂层还可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于电化学电池（２７）的电极（２３），其包括　　导电衬底（２８）和　　导电的耐腐蚀涂层（２９），其形成在所述导电衬底（２８）上且至少部分覆盖所述导电衬底（２８），　　其特征在于所述涂层包括多元素材料，所述多元素材料具有由式Ｍ↓［ｑ］Ａ↓［ｙ］Ｘ↓［ｚ］描述的碳化物或氮化物中的至少一种的组成，其中Ｍ是过渡金属或过渡金属的组合，Ａ是Ａ族元素或Ａ族元素的组合，Ｘ是碳或氮或两者，以及ｚ和ｑ与ｙ中的至少一个是大于０的数，并且所述多元素材料还包括至少一种纳米复合材料（４），所述纳米复合材料（４）包括基于相应的Ｍ↓［ｑ］Ａ↓［ｙ］Ｘ↓［ｚ］化合物中的原子元素的单元素、二元相、三元相、四元相或更多元相。

【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：亨里克荣格克兰茨，西蒙奥斯特洛姆，本特瓦里瓦拉，托布约恩乔尔森，
申请(专利权)人：因派科特涂料公司，
类型：发明
国别省市：SE