用于PEM燃料电池中的水管理和冷冻启动的选择性涂覆的双极板制造技术

本发明专利技术涉及用于PEM燃料电池中的水管理和冷冻启动的选择性涂覆的双极板，更涉及用于燃料电池应用的流场板，包括具有限定多个通道的第一表面的导电板。活性面积部分和非活性面积部分表征该流场通道。疏水层设置在该非活性面积部分的至少一部分上，而亲水层设置在该活性面积部分的至少一部分上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及具有改进的水管理性质的燃料电池组件。
技术介绍
燃料电池在很多应用中用作电源。特别地，燃料电池被提出用于汽车中代替内燃机。通常使用的燃料电池设计使用固体聚合物电解质(“SPE”)膜或质子交换膜(“PEM”)以在阳极和阴极之间提供离子传输。在质子交换膜型燃料电池中，将氢气作为燃料供给阳极，将氧气作为氧化剂供给阴极。该氧气能够是纯态的(O2)或空气(O2和N2的混合物)形式。PEM燃料电池典型地具有膜电极组装件(“MEA”)，其中固体聚合物膜在一面上具有阳极催化剂，在相对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传导性材料(例如织造石墨、石墨化片材或碳纸)制成的，以能使该燃料分散在所述膜的朝向该燃料供给电极的表面上。各电极具有负载在碳颗粒上的细碎的催化剂颗粒(例如钼颗粒)以促进阳极处氢气的氧化和阴极处氧气的还原。质子从阳极通过离子传导聚合物膜流到阴极，在此处其与氧结合生成水，将水从电池中排出。该MEA夹在一对多孔气体扩散层(“GDL”)之间，其进而夹在一对无孔电导元件或板之间。该板用作阳极和阴极的集电器，且包含在其中形成的适合的通道和开口用于将该燃料电池的气体反应物分布在各个阳极催化剂和阴极催化剂的表面上。为了有效发电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须是薄的、化学稳定的、质子可透过的、不导电的和气体可透过的。在典型的应用中，燃料电池以很多单个燃料电池堆的阵列提供以产生高水平的电能。目前用于燃料电池中的导电板提供了很多改进燃料电池性能的可能性。例如，这些金属板典型地包括在其表面上的钝态的氧化物膜，需要导电涂层以使接触电阻最小化。 这种导电涂层包括金和聚合碳涂层。典型地，这些涂层需要昂贵的设备，这增加了最终双极板的成本。对于水管理，合意地是金属双极板在该双极板/水边界处具有小的接触角，SP小于40°的接触角。已经提出氮化钛涂层作为双极板的防腐蚀镀层。尽管氮化钛涂层是成本有效的，但这种涂层并未对该双极板材料提供令人满意的保护。此外，氮化钛涂层产生了较低的水亲和性，接触角接近60°。亲水涂层改善了 PEM燃料电池中的水管理和低性能电池 (“LPC”)的出现。用于这些应用的亲水涂层的实例包括双层式结构如Si02/Au涂层和氧化钛纳米管和纳米颗粒涂层，例如参见US2009/0087716和US2009/00^874。更近以来，已经使用了各种亲水碳涂层。尽管这些亲水涂层工作地相当好，但在该板的出口区域处水的聚集使得在冷冻循环之后燃料电池堆的启动困难。然而，在出口歧管区域中的亲水涂层有助于总体性能和水管理但是需要另外的吹扫循环用于冷冻启动(freeze start)，这些吹扫循环会是时间长的，这对于整个堆系统而言不是有效的。因此，需要对燃料电池应用中使用的双极板的表面处的水管理性能进行改进的方法。
技术实现思路
本专利技术通过提供用于燃料电池应用的流场板解决了现有技术的一个或多个问题。 本实施方案的流场板包括具有限定多个通道的第一表面的导电板。活性面积部分和非活性面积部分表征了该流场通道。疏水层设置在该非活性面积部分的至少一部分上。在另一实施方案中，提供了用于燃料电池应用的流场板。本实施方案的流场板包括具有限定多个通道的第一表面的导电板。活性面积部分和非活性面积部分表征了该流场通道。疏水层设置在该非活性面积部分的至少一部分上，而亲水层设置在该活性面积部分的至少一部分上。在另一实施方案中，提供了结合有如上所述的流场板的燃料电池。该燃料电池包括具有限定多个流场通道的第一表面的第一流场板和具有限定多个通道的第二表面的第二流场板。在该第一和第二流场板中的通道的每一具有活性面积区域部分和非活性面积区域部分。膜电极组件插入该第一和第二流场板之间。本专利技术具体体现在如下方面1.用于燃料电池应用的流场板，该流场板包括具有限定多个通道的第一表面的导电板，每一通道具有活性面积部分和外围部分； 设置在该活性面积部分的至少一部分上的亲水层；和设置在该外围部分的至少一部分上的疏水层。2.方面1的流场板，进一步包括位于该活性面积部分和该外围部分之间的过渡区域。3.方面1的流场板，其中该疏水层具有小于约40达因/cm的表面能。4.方面1的流场板，其中该疏水层具有大于约50度的接触阻值。5.方面1的流场板，其中该疏水层具有大于约100度的接触阻值。6.方面1的流场板，其中该疏水层包括碳纳米管。7.方面1的流场板，其中该疏水层包括碳纳米管。8.方面1的流场板，其中该疏水层进一步包括选自由以下构成的组的组分聚六氟丙烯、聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯、聚三氟乙烯、氯三氟乙烯及其组合。9.方面1的流场板，其中该亲水层具有大于约50达因/cm的表面能和小于约50 度的接触角。10.方面1的流场板，其中该亲水层包括碳层。11.方面10的流场板，其中该碳层用等离子体进行处理。12.方面8的流场板，其中该亲水层包括碳层。13.方面8的流场板，其中该亲水层包括在其上涂覆有二氧化硅的贵金属。14.用于燃料电池应用的流场板，该流场板包括具有限定多个通道的第一表面的导电板，每一通道具有活性面积区域和外围非活性面积区域；和设置在该外围部分的至少一部分上的疏水层。15.方面14的流场板，其中该疏水层具有小于约40达因/cm的表面能。16.方面14的流场板，其中该疏水层具有大于约100度的接触阻值。17.方面14的流场板，其中该疏水层包括碳纳米管。18.方面14的流场板，其中该疏水层进一步包括选自由以下构成的组的组分聚六氟丙烯、聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯、聚三氟乙烯、氯三氟乙烯及其组合。19.燃料电池，包括具有限定多个通道的第一表面的第一流场板，每一通道具有第一活性面积区域部分和第二非活性面积区域部分；设置在该第一活性面积部分的至少一部分上的亲水层； 设置在该第二非活性面积部分的至少一部分上的疏水层；具有限定多个通道的第二表面的第二流场板，每一通道具有活性面积区域部分和非活性面积区域部分；和插入该第一和第二流场板之间的膜电极组装件。20.方面19的燃料电池，其中该疏水层包括碳纳米管和选自由以下构成的组的组分聚六氟丙烯、聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯、聚三氟乙烯、氯三氟乙烯及其组合。21.方面19的燃料电池，进一步包括气体扩散层和设置在该气体扩散层之上的微孔层，该气体扩散层和该微孔层插入该膜电极组装件和该第一流场板之间，该微孔层包括碳纳米管和选自由以下构成的组的组分聚六氟丙烯、聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯、聚三氟乙烯、氯三氟乙烯及其组合。附图说明从详细描述和附图中，本专利技术的示例性实施方案将得到非常充分的理解，其中 图1提供了结合有流场板的实施方案的燃料电池的透视图2是结合有所述流场板的实施方案的燃料电池的横截面示意图； 图3是结合有所述流场板的实施方案的燃料电池的示意顶视图； 图4A是涂覆有亲水涂层的单极流场板的横截面； 图4B是涂覆有亲水涂层的双极流场板的横截面； 图5A是涂覆有疏水涂层的单极流场板的横截面； 图5B是涂覆有疏水涂层的双极流场板的横截面。具体实施例方式现在将详细涉及本专利技术的目前优选组合物、实施方案和方法，其构成了本专利技术人目前已知的实施本专利技术的最佳方式。附图不必按比例绘制。然而，应当认识到所公开的实施方案仅是本专利技术的实例，其可以具体体现为多种可本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．用于燃料电池应用的流场板，该流场板包括：具有限定多个通道的第一表面的导电板，每一通道具有活性面积部分和外围部分；设置在该活性面积部分的至少一部分上的亲水层；和设置在该外围部分的至少一部分上的疏水层。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：G·V·达赫奇，M·H·阿布德埃尔哈米德，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US