传导性和亲水性双极板涂层及其制造方法技术

本发明专利技术涉及传导性和亲水性双极板涂层及其制造方法。具体地，提供了一种用于燃料电池应用的流场板，其包括金属板，在该金属板的至少一部分上置有碳层。该碳层被涂覆以钛氧化物层以形成钛氧化物／碳双层。该钛氧化物／碳双层可以被活化以增加亲水性。该流场板被包含到燃料电池中，具有最小限度的接触电阻增加。还提供了用于形成该流场板的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及导电性流体分配板、制造导电性流体分配板的方法、以及使 用根据本专利技术的导电性流体分配板的系统。更具体地，本专利技术涉及在燃料电池及其他类 型的装置中应对接触电阻难题的导电性流体分配板的使用。
技术介绍
燃料电池在许多应用中被用作电源。特别地，燃料电池被提议用在汽车中以代 替内燃发动机。通常使用的燃料电池设计采用固态聚合物电解质(SPE)膜或质子交换膜 (PEM)来提供阳极和阴极之间的离子传输。在质子交换膜类型的燃料电池中，氢被作为燃料供应给阳极，而氧被作为氧化 剂供应给阴极。氧可以是以纯氧的形式(O2)或者是空气(O2和N2的混合物)。PEM燃 料电池通常具有膜电极组件(MEA)，其中固态聚合物膜在一面上具有阳极催化剂，在相 对的面上具有阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极层和阴极层是由多孔的传导性材 料形成，例如，编织石墨(woven graphite)、石墨化片、或碳纸，以便使燃料能够散布在 该膜面对燃料供应电极的表面上。每个电极都具有磨碎的催化剂颗粒(例如，钼颗粒)， 催化剂颗粒被支撑在碳颗粒上，以便促进氢在阳极处的氧化以及氧在阴极处的还原。质 子从阳极流动穿过离子传导聚合物膜到达阴极，在阴极处它们与氧结合以形成水，该水 从电池中排出。MEA被夹在一对多孔气体扩散层(GDL)之间，气体扩散层又被夹在一 对无孔的导电元件或板之间。所述板充当用于阳极和阴极的集电器，并且包含形成在其 中的适当的通道和开口，用于在相应的阳极和阴极催化剂的表面上分配燃料电池的气态 反应物。为了有效地产生电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须薄、化学稳定、能透 过质子、非导电的、以及不透气的。在典型应用中，为了提供高的电力电平，燃料电池 是以许多个体燃料电池堆的阵列的形式来提供。一般来说，用于燃料电池应用的双极板需要是抗腐蚀的、导电的、并且具有用 于有效的水管理的低接触角。诸如不锈钢之类的金属通常被用于双极板，这是因为它们 的机械强度以及被冲压的能力。然而，这样的金属在它们的表面上常常具有钝化的氧化 膜，从而需要导电性涂层来最小化接触电阻。这样的导电性涂层包括金和聚合物碳涂 层。通常，这些涂层需要昂贵的设备，其增加了成品双极板的成本。而且，在操作期间 金属双极板还遭受腐蚀。该退化机理包括来自所述聚合物电解质的氟化物离子释放。双 极板的金属溶解通常导致在各种氧化状态下的铁、铬和镍离子的释放。为了水管理，期望金属双极板在双极板/水的边界处具有低的接触角；也就是 说，小于40°的接触角。已经提出将氮化钛涂层作为用于双极板的抗腐蚀镀层。虽然氮化钛涂层是有成本效益的，但是这样的涂层并没有为双极板材料提供令人满意的保护。 而且，氮化钛涂层显现出相对低的亲水性，具有接近于60°的接触角。因此，需要用于在燃料电池应用中所用的双极板的表面处降低接触电阻的改进方法。
技术实现思路
通过在至少一个实施例中提供了用于在燃料电池中使用的流场板，本专利技术解决 了现有技术的一个或多个问题。该实施例的流场板包括具有第一表面和第二表面的金属 板。第一表面限定了用于引导第一气态成分流动的多个通道。碳层被置于金属板的至少 一部分上，而钛氧化物层被置于该碳层的至少一部分上，以形成涂覆有钛氧化物的碳双层。在至少一个实施例中，涂覆有钛氧化物的碳双层具有这样的表面，即该表 面具有小于大约30度的接触角，并且当流场板以200psi被夹在碳纸之间时，具有小于 40mohm-cm2的接触电阻。在另一个实施例中，提供了包含上述流场板的燃料电池。该燃料电池包括具有 涂覆了钛氧化物的碳双层的第一流场板。第一催化剂层被置于第一流场板上。离子导体 层被置于第一流场板上，并且第二催化剂层被置于离子导体层上。最后，第二流场板被 置于第二催化剂层上。气体扩散层则根据需要来提供。在又一个实施例中，提供了用于形成上述流场板的方法。该方法包括在金属板 上沉积碳层，然后在该碳层上沉积钛氧化物层，以便形成涂覆有钛氧化物的碳的双层。本专利技术还涉及以下技术方案方案1. 一种用于燃料电池应用的流场板，包括具有第一表面和第二表面的金属板，所述第一表面限定了用于引导第一气态成 分流动的多个通道；置于所述金属板的至少一部分上的碳层；和置于所述碳层的至少一部分上的钛氧化物层，以便形成钛氧化物/碳双层。方案2.如方案1所述的流场板，其中，所述涂覆有钛氧化物的碳层具有接触角 小于40度的表面。方案3.如方案1所述的流场板，其中，当所述流场板被以200psi夹在碳纸之间 时，接触电阻小于40mohm-cm2。方案4.如方案1所述的流场板，其中，所述钛氧化物层被选择性地沉积在所述 通道的多个壁上。方案5.如方案1所述的流场板，还包括置于所述钛氧化物/碳层的至少一部分上 的一个或多个另外的钛氧化物/碳双层。方案6.如方案1所述的流场板，其中，所述钛氧化物层包括在量上小于所述钛 氧化物层的总重量的40%重量百分数的碳氢化合物。方案7.如方案1所述的流场板，其中，所述钛氧化物层包括在量上小于所述钛 氧化物层的总重量的20%重量百分数的碳氢化合物。方案8.如方案1所述的流场板，其中，所述碳层包括无定形碳。方案9.如方案1所述的流场板，其中，所述碳层包括结晶碳。方案10.如方案8所述的流场板，其中，所述碳层具有平均每平方厘米包括至少5个孔隙的表面。方案11.如方案1所述的流场板，其中，所述钛氧化物层包括选自由Ti02、钛的 低价氧化物、钛氧化物水合物、以及它们的混合物组成的组中的组分。方案12.如方案1所述的流场板，其中，所述钛氧化物层包括无定形钛氧化物或 者多晶钛氧化物。方案13.如方案1所述的流场板，其中，所述钛氧化物/碳双层通过UV或者等 离子源被活化，以使所述表面变得清洁并且保持亲水性。方案14.如方案1所述的流场板，其中，所述钛氧化物/碳双层在利用含氮气体 处理之后由可见光来活化。方案15.如方案1所述的流场板，其中，所述钛氧化物/碳双层是水解稳定的。方案16.如方案1所述的流场板，其中，所述金属板具有第二表面，所述第二表 面限定了用于引导第二气态成分流动的第二多个通道。方案17.如方案1所述的流场板，其中，所述第二表面是第二非结晶碳层。方案18. —种燃料电池，包括第一流场板，包括具有第一表面和第二表面的金属板，所述第一表面限定了用于引导第一气态成分流动的多个通道；置于所述金属板的至少一部分上的碳层；置于所述碳层的至少一部分上的钛氧化物层，以便形成钛氧化物/碳双层；置于所述第一流场板上的第一催化剂层；置于所述第一催化剂层上的离子导体层；置于所述离子导体层上的第二催化剂层；和置于所述第二催化剂层上的第二流场板。方案19.如方案18所述的燃料电池，当所述流场板被以200psi夹在碳纸之间时， 具有小于40mohm-cm2的接触电阻。方案20.如方案18所述的燃料电池，其中，所述碳层表面具有小于30度的接触角。方案21.如方案18所述的燃料电池，其中，所述钛氧化物层包括选自由Ti02、 钛的低价氧化物、钛氧化物水合物、以及它们的混合物组成的组中的组分。方案22. —种制造流场板的方法，所述流场板包括具有第一表面和第二表面的金 属板，所述第一表面限定了用于引导第一气态成分流动的多个通道，碳层被置于所述金 属本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池应用的流场板，包括：具有第一表面和第二表面的金属板，所述第一表面限定了用于引导第一气态成分流动的多个通道；置于所述金属板的至少一部分上的碳层；和置于所述碳层的至少一部分上的钛氧化物层，以便形成钛氧化物／碳双层。

【技术特征摘要】
US 2009-9-22 12/5643441.一种用于燃料电池应用的流场板，包括具有第一表面和第二表面的金属板，所述第一表面限定了用于引导第一气态成分流 动的多个通道；置于所述金属板的至少一部分上的碳层；和置于所述碳层的至少一部分上的钛氧化物层，以便形成钛氧化物/碳双层。2.如权利要求1所述的流场板，其中，所述涂覆有钛氧化物的碳层具有接触角小于 40度的表面。3.如权利要求1所述的流场板，其中，当所述流场板被以200psi夹在碳纸之间时，接 触电阻小于40mohm-cm2。4.如权利要求1所述的流场板，其中，所述钛氧化物层被选择性地沉积在所述通道的 多个壁上。5.如权利要求1所述的流场板，还包括置于所述钛氧化物/碳层的至少一部分上的一 个或多个另外的钛氧化物/碳双层。6.如权利要求1所述的流场板，其中，所述钛氧化物层包括在量上小于所述钛氧化物 层的总重量的40%重量百分数的碳氢化合物。7.如权利要求1所述的流场板，其中，所述钛氧化物层包括在量上小于所述钛氧化物 层的总重量的...

【专利技术属性】
技术研发人员：GV达希奇，MJ卢基特施，
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]