專利名稱：耐蝕質(zhì)子交換膜燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及質(zhì)子交換膜燃料電池，更具體而言，涉及耐蝕隔板及其制造方法。
背景技術(shù)：
燃料電池已被建議作為電動(dòng)車輛和其它應(yīng)用的電源。一種已公知的燃料電池是PEM(即質(zhì)子交換膜)燃料電池，所述PEM燃料電池包括所謂的“膜電極組件”，該“膜電極組件”含有薄的固體聚合物膜-電解質(zhì)，在膜-電解質(zhì)一個(gè)表面上具有陽極而在相對(duì)表面上具有陰極。陽極和陰極一般含有精細(xì)分散的碳顆粒，非常精細(xì)分散的催化劑顆粒擔(dān)載在碳顆粒內(nèi)外表面上，且質(zhì)子導(dǎo)電材料與催化劑和碳顆粒相混合。
膜電極組件被夾在一對(duì)作為陽極和陰極的集電器的導(dǎo)電接觸元件之間，并可以在其中含有合適的通道和開口，用以在相應(yīng)陽極和陰極的表面上分配燃料電池氣體反應(yīng)物(即H2和O2/空氣)。
雙極PEM燃料電池包括串聯(lián)堆疊在一起的多個(gè)膜電極組件，但是由不能透過的導(dǎo)電接觸元件也就是通常所說的雙極板或者隔膜彼此隔開。隔膜或者雙極板具有兩個(gè)工作表面，一個(gè)表面面對(duì)一個(gè)電池的陽極而另一個(gè)表面面對(duì)電池堆中下一個(gè)相鄰電池的陰極，且雙極板在相鄰電池間導(dǎo)通電流。在電池堆末端的接觸元件僅僅接觸末端電池而被稱為端板。
在H2-O2/空氣PEM燃料電池環(huán)境中，雙極板和其它接觸元件(比如端板)持續(xù)接觸含有F-、SO4-、SO3-、HSO4-、CO3-和HCO3-等的強(qiáng)酸性溶液(pH 3-5)。而且，陰極在高氧化性環(huán)境下工作，最大會(huì)被極化至+1V左右(相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極)并暴露在加壓空氣中。最后，陽極持續(xù)暴露在超過大氣的氫中。因此，由金屬制成的接觸元件在燃料電池環(huán)境中必須能夠耐酸、耐氧化和氫脆。由于很少有金屬可以滿足這樣的標(biāo)準(zhǔn)，因此接觸部件一直以來常用大片石墨制備，其在PEM燃料電池環(huán)境中是耐蝕和導(dǎo)電的。但是，石墨非常易碎并多孔，這使得非常難于制備成十分薄的氣體不能透過的板。
輕金屬，比如鋁及其合金也已經(jīng)被建議用于制造燃料電池接觸元件。這種金屬比石墨導(dǎo)電性更好，并能夠成形出非常薄的板。不幸的是，這樣的輕金屬在不友好的PEM燃料電池環(huán)境中容易產(chǎn)生腐蝕，由它們制備出的接觸元件會(huì)溶解(比如在鋁的情況下)，這將會(huì)增加燃料電池的內(nèi)阻并降低燃料電池的性能。
考慮到輕金屬比如鋁的腐蝕敏感性，已經(jīng)在努力開發(fā)保護(hù)性涂層。但是，一些這樣的保護(hù)方法使鋁板的電阻增加至不可接受的程度。其它保護(hù)方法雖然使導(dǎo)電性保持在可接受的程度，但是不能足以達(dá)到所需的保護(hù)水平。
因此，需要耐蝕并且導(dǎo)電的導(dǎo)電雙極板以提高燃料電池的功率輸出和效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種具有催化劑電極和面對(duì)該電極的導(dǎo)電接觸元件的電化學(xué)電池，其中導(dǎo)電接觸元件傳導(dǎo)來自電極的電流，而且導(dǎo)電接觸元件具有帶有多個(gè)鈍化和非鈍化區(qū)的表面，非鈍化區(qū)分散在鈍化區(qū)之中，并且導(dǎo)電耐蝕的涂層被施加在該表面上。
本發(fā)明的另一個(gè)方面包括用于處理導(dǎo)電接觸元件的方法，以為導(dǎo)電接觸元件提供耐蝕性并仍然具有導(dǎo)電性。
本發(fā)明的其它適用領(lǐng)域?qū)⑼ㄟ^此后的詳細(xì)描述變得顯而易見。應(yīng)該理解的是這些詳細(xì)的描述和具體的實(shí)施例，盡管表明了本發(fā)明的最優(yōu)選實(shí)施例，只是說明性的而非旨在對(duì)本發(fā)明的限定。


本發(fā)明通過詳細(xì)描述和附圖將得到更好的理解，其中圖1為在液體冷卻的PEM燃料電池堆中的兩個(gè)電池的示意圖；圖2為在如圖1所示PEM燃料電池堆中使用的雙極板的分解立體圖；圖3為沿著圖2中3-3’方向的截面圖，圖中示出了本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其具有鈍化層和聚合物導(dǎo)電耐蝕層；圖4為圖3所示雙極板的放大部分；圖5為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的工作表面的部分橫斷面視圖，圖中示出了鈍化層和典型的聚合物膜；圖6為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的工作表面的部分橫斷面視圖，圖中示出了具有無遮蓋區(qū)域；具有遮蓋區(qū)域、聚合物層和鈍化層的基體；
圖7為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的工作表面的部分橫斷面視圖，具有部分去除的工作表面層、鈍化層和聚合物層；和圖8為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的工作表面的部分橫斷面視圖，圖中示出了鈍化層和在溝槽內(nèi)沒有施加導(dǎo)電顆粒的第一聚合物層，以及在凸臺(tái)上施加了導(dǎo)電顆粒的第二聚合物層。
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的描述本質(zhì)上僅是示例性的，而決不是旨在限制本發(fā)明、其應(yīng)用或者使用。
本發(fā)明預(yù)期一種用在電化學(xué)燃料電池中的隔板(比如燃料電池堆中的雙極板)，其使用經(jīng)過處理而耐蝕的輕質(zhì)導(dǎo)電材料，其可以顯著的提高燃料電池的效率并延長(zhǎng)使用壽命。首選，為了更好的理解本發(fā)明，在這里提供一個(gè)對(duì)典型燃料電池和燃料電池堆的說明。
圖1示出了兩個(gè)質(zhì)子交換膜(PEM)燃料單電池，所述燃料電池相互連接在一起構(gòu)成電池堆，所述電池堆具有一對(duì)由液體冷卻的導(dǎo)電雙極隔板8相互隔開的膜電極組件(MEAs)4和6。一個(gè)在電池堆中沒有串聯(lián)連接的燃料單電池具有帶有單個(gè)電活性側(cè)的隔板8。在電池堆中，優(yōu)選的雙極隔板8一般具有兩個(gè)電池堆內(nèi)的電活性側(cè)19、21，每一活性側(cè)19、21分別面對(duì)隔開的具有相反電荷的膜電極組件4、6，因此被稱為“雙極板”。如在這里所述，燃料電池堆被描述成具有導(dǎo)電雙極板，但是本發(fā)明同樣適用于單個(gè)燃料電池內(nèi)的導(dǎo)電板。
膜電極組件4和6以及雙極板8在不銹鋼夾板10和12之間疊置在一起。端部接觸元件14和16，以及雙極板8的兩個(gè)工作表面包括多條溝槽或者通道18、20、22和24，用于將燃料和氧化氣體(即H2和O2)分配至膜電極組件4和6。不導(dǎo)電的墊圈或者密封裝置26、28、30和32提供了多個(gè)燃料電池堆部件之間的密封和電絕緣。氣體可透過的導(dǎo)電擴(kuò)散介質(zhì)34、36、38和40壓在膜電極組件4和6的電極表面上。端部接觸元件14和16分別壓在擴(kuò)散介質(zhì)34和40上，而雙極板壓8壓在膜電極組件4的陽極表面上的擴(kuò)散介質(zhì)36上，以及壓在膜電極組件6的陰極表面上的擴(kuò)散介質(zhì)38上。
氧通過合適的供給管路42從存儲(chǔ)罐46供應(yīng)至燃料電池堆的陰極側(cè)，而氫通過合適的供給管路44從存儲(chǔ)罐48供應(yīng)至燃料電池的陽極側(cè)。另一種可選方式是，空氣可以從周圍環(huán)境中供應(yīng)至陰極側(cè)，而氫從甲醇或者石油重整裝置等供應(yīng)至陽極。還提供用于膜電極組件的H2和O2/空氣側(cè)的廢氣管路(未示出)。附加管路50、52、54被設(shè)置用以使冷卻劑循環(huán)通過雙極板8和端板14和16。
圖2為包括第一外部金屬板58、第二外部金屬板60、和位于第一金屬板58和第二金屬板60之間的內(nèi)部金屬墊板62的雙極板56的立體分解圖。外部金屬板58和60被制造成盡可能的薄(比如約0.002-0.02英寸厚)；可以通過沖壓、通過光蝕刻(即通過光刻用掩模)或者用于金屬薄片成型的任何其它常規(guī)方法成形。
外部金屬板58在其面對(duì)膜電極組件(未示出)的外側(cè)具有第一工作表面，并且形成以提供多個(gè)凸臺(tái)64，所述凸臺(tái)在其間限定出多條被稱為“流場(chǎng)”的溝槽66，燃料電池反應(yīng)氣體(即H2或O2)通過所述溝槽從雙極板的進(jìn)口側(cè)68沿彎曲的路徑流向出口側(cè)70。當(dāng)燃料電池組裝好時(shí)，凸臺(tái)64施壓于擴(kuò)散介質(zhì)36、38(圖1)，其又分別施壓于膜電極組件4和6。為了簡(jiǎn)單繪制起見，圖2僅示出了兩列凸臺(tái)和溝槽。實(shí)際上，凸臺(tái)和溝槽將覆蓋與擴(kuò)散介質(zhì)36和38相接合的金屬板58和60的整個(gè)外表面。反應(yīng)氣體從沿著燃料電池一側(cè)68設(shè)置的集管或者歧管溝槽72供應(yīng)至溝槽66，并且通過緊鄰燃料電池相對(duì)側(cè)70設(shè)置的另一條集管/歧管溝槽74排出溝槽66。
金屬板60與金屬板58相似。金屬板60的內(nèi)表面(即冷卻劑側(cè))如圖2所示。在這一點(diǎn)上，示出了多個(gè)脊部，所述脊部在其間限定出多條通道82，冷卻劑從雙極板的一側(cè)69通過所述通道流至另一側(cè)71。與板58相類似且如圖3所示，圖3是沿圖2中線3-3’的截面圖，板60的外側(cè)具有工作表面63，所述工作表面上面具有多個(gè)凸臺(tái)84，所述凸臺(tái)限定出多條通過反應(yīng)物氣體的溝槽86。一塊內(nèi)部金屬墊板62設(shè)置在外部板58和內(nèi)部板60之間，并在其中包括多個(gè)通孔88以允許冷卻劑在板60中的通道82和板58中的通道78之間流動(dòng)，由此打破層流邊界層并提供湍流，所述湍流分別增強(qiáng)了與外部板58和60的內(nèi)表面90和92的熱交換。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該能夠理解的是，在燃料單電池導(dǎo)電板上也可以使用相似的結(jié)構(gòu)，其在內(nèi)部以膜電極組件為邊界，在外部以端板為邊界，其中沿活性表面可以使用冷卻劑流場(chǎng)。
圖4為沿圖2中線3-3’的截面的放大圖，圖中示出了在第一板58上的脊部76和在第二板60上的脊部80，所述脊部被粘合(比如通過銅焊85)到墊板62上。根據(jù)本發(fā)明，形成接觸元件板58、60的基體金屬包括腐蝕敏感的金屬比如鋁。如在此處所使用的，腐蝕是指一般通過電化學(xué)溶解產(chǎn)生的對(duì)材料的非故意的毀壞性侵蝕。由此腐蝕敏感材料，比如金屬，易于在燃料電池操作環(huán)境中分解。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，通過如圖4所示的預(yù)防性涂層保護(hù)第一或者第二板58、60的基體金屬的工作表面59、63不受氧化和酸的腐蝕。第一和第二板58、60的工作表面59和63的基體表面65、67涂覆有耐蝕性保護(hù)涂層94。耐蝕是指材料對(duì)腐蝕，包括化學(xué)腐蝕機(jī)理比如氧化(即不可逆電化學(xué)反應(yīng))，酸腐蝕或者兩者同時(shí)發(fā)生，降低的敏感性。“相對(duì)”耐蝕是指與其它相似材料相比，材料具有更好的抵抗腐蝕的能力，由此產(chǎn)生更低的腐蝕速率和更長(zhǎng)的使用壽命。
根據(jù)如圖4所示的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，第一和第二板58、60的工作表面59、63被鈍化。暴露于燃料電池中的有害或者腐蝕性環(huán)境中的表面發(fā)生鈍化，以在基體表面65、67上形成鈍化層95。如此處所使用的，鈍化一般是指對(duì)金屬的一般性處理以賦予該表面更小的化學(xué)反應(yīng)性和/或電化學(xué)非活性，由此更小的腐蝕敏感性。進(jìn)一步進(jìn)行說明，鈍化一般是指通過使合適的試劑比如低溶解度的氧化物、磷酸鹽或者鉻酸鹽化合物與金屬表面發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)化涂層，改變了表面性質(zhì)包括阻抗的改變。一種優(yōu)選的鈍化方法是第一和第二板58、60的鋁金屬基體的陽極化。陽極化是本領(lǐng)域公知的技術(shù)，一般是指一種電解過程，其中金屬被陽極化處理形成賦予金屬板電化學(xué)惰性的保護(hù)性氧化膜。進(jìn)一步進(jìn)行說明，陽極化一般是指一種使鋁的自然氧化膜增厚的電解過程，這樣顯著增加了耐蝕性。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，陽極化形成了金屬氧化物，比如鋁的氧化物的表面層，其具有比基底金屬，金屬鋁低得多的電化學(xué)反應(yīng)性。由此，陽極化的金屬更加耐蝕。此外，鋁的氧化物層提供了此后施加涂層的良好粘合性能。這使得涂層中的潛在缺陷，比如暴露未涂覆金屬區(qū)域的針孔減至最少。這些針孔產(chǎn)生于金屬表面的小的未保護(hù)區(qū)域，并有可能成為腐蝕的生長(zhǎng)位置。這樣的位置可能會(huì)在表面上進(jìn)一步擴(kuò)大，因此表面上的鈍化層通過增加各種隨后施加的涂層的附著性能，使這種缺陷的產(chǎn)生減至最少。
現(xiàn)有技術(shù)中公知多種不同的鋁陽極化方法。陽極化方法的選擇取決于合金特性和電池中操作所需的保護(hù)層。舉例來說，一種陽極化方法在鋁上使用鉻酸形成鋁的氧化物，且在“金屬手冊(cè)”第8版，第二卷，第621頁(美國(guó)金屬學(xué)會(huì)，1964)中有更詳細(xì)的描述。根據(jù)所使用的陽極化方法，形成鈍化層95的處理時(shí)間的變化范圍為從大約5分鐘到4個(gè)多小時(shí)。而形成的膜厚度的變化范圍為從5μm到大于700μm。在另一可選優(yōu)選實(shí)施例中，可以使用化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層鈍化金屬表面，其中金屬在氧化-還原化學(xué)反應(yīng)中被轉(zhuǎn)化為活性更小的物質(zhì)。
最小化隔板或者雙極板的導(dǎo)電性的阻抗對(duì)保持燃料電池的功率輸出和效率是重要的。電化學(xué)惰性鈍化層可能會(huì)減小燃料電池內(nèi)隔板的導(dǎo)電性。在根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，雙極板56的電接觸部分，即與導(dǎo)電性擴(kuò)散介質(zhì)34、36、38、40接觸的凸臺(tái)64上的鈍化層95被除去，而充分覆蓋雙極板的剩余部分，如溝槽66。這樣重新建立了導(dǎo)電擴(kuò)散介質(zhì)34、36、38、40與雙極板8的凸臺(tái)64之間的電接觸，減少了鈍化層95的電阻對(duì)雙極板56的功能的影響。優(yōu)選的去除方法包括用機(jī)械或者化學(xué)方法除去鈍化層95，或者磨掉鈍化層95，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的任何除去金屬層的手段都能滿足要求，只要能夠重新建立電接觸。
在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的另一方面中，保護(hù)性涂層94包括施加在第一和第二板58、60的工作表面59、63上的聚合物涂層96。選擇聚合物涂層中的聚合物使其與雙極板56的金屬基體表面65、67相容，以及使其具有耐蝕性和導(dǎo)電性。這樣的聚合物包括任何交聯(lián)或者固化后不溶于水的聚合物，其可以在金屬基體下形成薄的附著膜，并能夠經(jīng)受燃料電池的有害的氧化性和酸性環(huán)境。因此，聚合物，如環(huán)氧樹脂、硅氧烷、聚酰胺酰亞胺、聚醚酰亞胺、多酚、氟代彈性體(比如聚偏二氟乙烯)、聚酯、苯氧-酚醛樹脂、環(huán)氧-酚醛樹脂、丙烯酸樹脂、聚氨酯可以用于本發(fā)明中。優(yōu)選交聯(lián)聚合物產(chǎn)生提供耐蝕性的不可滲透的涂層。
應(yīng)用這樣的聚合物涂層96可以進(jìn)一步將任何由保護(hù)性涂層94產(chǎn)生的電阻率增加值減至最小。優(yōu)選地，聚合物涂層96是導(dǎo)電的，具有小于約50Ω·cm左右的電阻率。取決于所選擇的聚合物的特性，聚合物涂層96可以選擇性地進(jìn)一步包括分散在整個(gè)耐酸、耐氧化聚合物基體中的抗氧化的、不溶于酸的、導(dǎo)電顆粒97(即小于大約50μm)。這些導(dǎo)電顆粒97進(jìn)一步減小了保護(hù)性涂層94的電阻率。
導(dǎo)電顆粒97可以從包括金、鉑、石墨、碳、鎳、導(dǎo)電金屬硼化物、氮化物和碳化物(比如氮化鈦、碳化鈦、二硼化鈦)、含有鉻和/或鎳、鈀、鈮、銠、稀土金屬和其它貴金屬的鈦合金的組中選擇。最優(yōu)選地，顆粒97包括碳或者石墨(即六角形結(jié)晶碳)。顆粒97在聚合物涂層96中具有變化的重量百分比，所述重量百分比取決于聚合物自身的導(dǎo)電性能(確定所需導(dǎo)電性的程度)以及進(jìn)一步顆粒97的密度和導(dǎo)電性(即具有高導(dǎo)電性和低密度的顆?？梢允褂酶偷闹亓堪俜直?。含有碳/石墨的涂層96一般含有25％重量百分比的碳/石墨顆粒97。含有許多導(dǎo)電填料顆粒的耐蝕聚合物在Fronk等的美國(guó)專利US6,372,376中進(jìn)一步描述，該專利結(jié)合在這里。
聚合物涂層96可以通過多種方式施加在基體表面65、67上，比如(1)電泳沉積，(2)刷涂，噴涂或者涂敷，或者(3)層壓法，或者(4)粉末涂覆。聚合物物質(zhì)的粉末涂層是特別優(yōu)選的，因?yàn)樗梢员挥行У爻练e而很少浪費(fèi)，可以覆蓋具有先前存在的聚合物涂層的表面，并且較其它聚合物應(yīng)用方法可在更厚的涂層上基本均勻地沉積。粉末涂覆是本領(lǐng)域公知的技術(shù)，通過當(dāng)它們排出具有襯里(比如Teflon)的噴涂器時(shí)，給干燥的聚合物顆粒加上一般大于80kV的電壓，可用于在多種導(dǎo)電或者不導(dǎo)電的基體上進(jìn)行涂覆。多種聚合物可以應(yīng)用這一技術(shù)，包括但不限于環(huán)氧樹脂、聚酰胺和聚酰亞胺，進(jìn)行涂覆。電泳沉積的涂層96也是有利的，因?yàn)樗鼈兛梢栽谛纬缮倭繌U料的自動(dòng)化過程中快速沉積，并且還可以被基本均勻地沉積在具有類似那些用于在接觸元件的工作表面上形成反應(yīng)物流場(chǎng)的復(fù)雜和凹入的表面的基體上。電泳沉積是一種公知的技術(shù)，用以涂覆多種導(dǎo)電基體比如汽車和卡車的車體。舉例來說，陰極環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂、聚氨酯和聚酯可以用于這種電泳沉積涂層方法。隨后烘干經(jīng)過涂覆的接觸元件58、60，使該涂層固化、交聯(lián)和致密化。
一種施加聚合物涂層的替代方法是首先形成聚合物不連續(xù)膜(比如通過溶劑澆注、擠出成形等)，然后比如通過熱軋層壓至接觸元件58、60的工作表面59、63上。在這一涂覆方法中，不連續(xù)膜優(yōu)選包含增塑劑以改進(jìn)該膜的加工性能，由此在基體58和60上形成足夠柔軟因而易于成型(比如沖壓)的涂層，而不會(huì)在接觸元件58、60通過沖壓成型時(shí)使膜撕裂或者破裂。氟代彈性體比如聚偏二氟乙烯等可用于這一實(shí)施例，并可以使用常用的增塑劑比如鄰苯二甲酸二丁酯。
另一種可選方式是，聚合物膜96通過噴涂、刷涂或者涂敷(比如使用刮漿刀)施加到基體58、60的工作表面59、63上。通過將聚合物溶解在合適的溶劑中形成涂層前驅(qū)體，可選擇地，可以在溶解的聚合物中混合導(dǎo)電填料顆粒97，然后以濕漿料形式將其施加在基體58、60上。然后干燥濕涂層(即除去溶劑)并且根據(jù)需要進(jìn)行固化(比如對(duì)于熱固樹脂)。如果存在的話，導(dǎo)電顆粒97時(shí)通過無溶劑的聚合物粘附在基體58、60上。
可以用于這種噴涂、刷涂或者涂敷應(yīng)用的優(yōu)選聚合物包括聚酰胺酰亞胺熱固性樹脂。聚酰胺酰亞胺溶解在含有N-甲基吡咯烷酮、丙二醇和甲基醚醋酸酯(methyl ether acetate)混合物的溶劑中。可選擇地，向這一溶液中加入大約21％至大約23％重量百分比的石墨和碳黑顆粒的混合物，其中石墨顆粒尺寸在大約5μm至大約20μm范圍內(nèi)，而碳黑顆粒尺寸在大約0.5μm至大約1.5μm范圍內(nèi)，較小尺寸的碳黑顆粒用于填充較大石墨顆粒之間的空隙，由此與全部為石墨的涂層相比增加了涂層的導(dǎo)電性。將混合物施加在基體58、60上，干燥并固化得到大約15-30μm厚度的涂層96(優(yōu)選大約17μm)，具有大約38％重量百分比的碳-石墨含量(如果使用的話)。其可以在低溫(即＜400°F)下緩慢固化，或者在一種兩個(gè)步驟的方法中更快固化，其中首先通過在大約300°F-350°F溫度下加熱10分鐘除去溶劑(即干燥)，接著在更高溫度(500°F-750°F)下加熱大約30秒至大約15分鐘(取決于所使用的溫度)以固化聚合物。
本發(fā)明的一個(gè)方面的保護(hù)性涂層94可以通過聚合物涂層96和鈍化層95的多種結(jié)構(gòu)而獲得。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，雙極板56的整個(gè)表面65、67通過陽極化或者相似的方法被鈍化，可以包括轉(zhuǎn)化涂覆方法以形成鈍化層95。通過第一步驟在雙極板凸臺(tái)區(qū)域上形成的鈍化層95通過比如機(jī)械剝離被除去。然后將整體分散有導(dǎo)電顆粒的導(dǎo)電聚合物涂層涂覆在整個(gè)雙極板上。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，僅從凸臺(tái)區(qū)域64中除去鈍化層95，在雙極板的通道或者溝槽區(qū)域66上仍然保持有鈍化層95。僅從凸臺(tái)區(qū)域64上去除鈍化層使得電導(dǎo)率最大化。保持在通道或者溝槽66區(qū)域上的鈍化層95使得耐蝕性最大化。增加聚合物涂層96防止了在電活性凸臺(tái)區(qū)域64上形成自然氧化物。自然氧化物的形成降低了雙極板的電導(dǎo)率。
圖5示出了雙極板56的部分視圖，描繪了第一板58的單活性側(cè)19的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。整個(gè)雙極板56的工作表面59通過陽極化等方法被鈍化。然后僅通過僅將第一鈍化層100從凸臺(tái)區(qū)域64上去除的機(jī)械剝離、化學(xué)蝕刻或者相似方法將得到的第一鈍化層100從凸臺(tái)區(qū)域64上去除。接著在整個(gè)雙極板56的基體表面65上涂覆耐蝕聚合物層96。最后，整個(gè)基體表面65被第二次鈍化。第二次鈍化處理在下面的鈍化層100和耐蝕聚合物層96的所有針孔104(或者基體表面65上未涂覆區(qū)域)的位置處形成鋁的氧化物，進(jìn)一步最小化該板58的腐蝕。
流場(chǎng)或者通道(即凸臺(tái)64和溝槽66)經(jīng)常通過圍繞著被遮蓋區(qū)域進(jìn)行光化學(xué)蝕刻來形成，其中未被遮蓋區(qū)域被除去以形成溝槽或者通道。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，如圖6所示，雙極導(dǎo)電板56具有蝕刻掩模106留在基體表面65上，由此凸臺(tái)區(qū)域64沒有暴露在隨后的鈍化/處理過程中。掩模是施加在基體上并在鈍化過程中保持穩(wěn)定的任何材料，一般由不透明材料制成，比如光掩模。雙極板56的未被遮蓋部分通過陽極化等方法被鈍化。緊隨著鈍化，蝕刻掩模106從雙極板56上除去。凸臺(tái)區(qū)域64(即在鈍化過程中由掩模106覆蓋的區(qū)域)可能在掩模邊緣處108具有形成一些鈍化或者氧化物，由此可選地，凸臺(tái)區(qū)域64可具有由機(jī)械剝離、化學(xué)蝕刻或者相似方法除去的氧化物存在。然后在由掩模方法形成的具有溝槽66的整塊雙極板56上涂覆耐蝕聚合物層96，如圖7所示。這一聚合物層96可以包括導(dǎo)電顆粒97。該被涂覆的雙極板56可選擇地可以進(jìn)行二次鈍化。第二次鈍化確保涂層94中保存下來的任何針孔被鈍化，以保持涂層穩(wěn)定性防止發(fā)生腐蝕。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，可以通過使用機(jī)械、化學(xué)或者電化學(xué)方法除去表面上已經(jīng)自然存在的氧化物層而對(duì)雙極板56進(jìn)行處理。從整個(gè)雙極板56基體表面65上除去自然氧化物確保了隨后施加的涂層94的粘附性。然后施加耐蝕聚合物密封層96。該聚合物密封層96可含有導(dǎo)電顆粒97以增加導(dǎo)電性。具有聚合物層96的整個(gè)雙極板56工作表面59然后被鈍化。這一鈍化步驟確保整個(gè)聚合物層96中保留的所有針孔受到保護(hù)免于發(fā)生腐蝕，提供腐蝕不能透過的保護(hù)性涂層94。
另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例包括根據(jù)上述任意優(yōu)選實(shí)施例施加的聚合物層96。然而，導(dǎo)電顆粒97分散在基體中，并且僅施加在導(dǎo)電性極為重要的凸臺(tái)區(qū)域64上，如圖8所示。中間的溝槽66或者通道由不含有導(dǎo)電顆粒的耐蝕聚合物基體96覆蓋，因?yàn)樵谶@些區(qū)域增加導(dǎo)電性并不是至關(guān)緊要的。由此，實(shí)質(zhì)上使用了兩種不同的耐蝕聚合物層，一個(gè)聚合物層114具有分散在整個(gè)聚合物層中的導(dǎo)電材料97，以增加凸臺(tái)區(qū)域64或者電接觸區(qū)域的導(dǎo)電性，以及另一種聚合物層116不含有導(dǎo)電顆粒97，施加主要為了保護(hù)下面的基體65。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，在溝槽66中的聚合物116可以更大的厚度施加從而增強(qiáng)這些區(qū)域的耐蝕性。此外，根據(jù)本發(fā)明，施加在溝槽66和凸臺(tái)64中的聚合物層116可以具有不同的聚合物組成，選擇第一組成以提供溝槽66中更強(qiáng)的腐蝕防護(hù)，而第二組成提供凸臺(tái)64更高的導(dǎo)電性同時(shí)依然提供一定的耐蝕性。
本發(fā)明提供了用導(dǎo)電涂層涂覆鋁的能力，同時(shí)克服了現(xiàn)有技術(shù)中膜的多孔性的問題，這些孔在鋁上成為快速膨脹的腐蝕位置，由此侵蝕下面的金屬并降低了燃料電池堆的性能。
盡管本發(fā)明依據(jù)其具體實(shí)施例進(jìn)行描述，但是并不是為了限制到那個(gè)范圍，本發(fā)明僅受以下權(quán)利要求闡明的范圍的限制。
本質(zhì)上本發(fā)明的說明僅僅是示例性的，沒有偏離本發(fā)明要點(diǎn)的變化將落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。這樣的變化不能被視為偏離了本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種電化學(xué)電池，包括催化電極、和面對(duì)所述電極用以傳導(dǎo)來自所述電極的電流的導(dǎo)電接觸元件；其中所述導(dǎo)電接觸元件具有包括多個(gè)鈍化區(qū)域和多個(gè)分散在所述鈍化區(qū)域中的非鈍化區(qū)域的表面，以及覆蓋在所述表面上的導(dǎo)電、耐蝕的涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)電池，其中所述非鈍化區(qū)限定出凸臺(tái)而所述鈍化區(qū)限定出溝槽，其中所述凸臺(tái)和溝槽沿所述表面交替布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學(xué)電池，其中所述涂層是耐蝕的，含有在所述凸臺(tái)上的第一聚合物組成和所述溝槽上的第二聚合物組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電化學(xué)電池，其中所述第一組成含有大量導(dǎo)電耐蝕填料顆粒。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電化學(xué)電池，其中所述第二聚合物組成是不導(dǎo)電的。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學(xué)電池，其中所述涂層為一種聚合物耐蝕保護(hù)性涂層，并且所述涂層在所述溝槽上的厚度大于其在所述凸臺(tái)上的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)電池，其中所述導(dǎo)電接觸元件包括對(duì)腐蝕敏感的金屬基體，所述鈍化區(qū)相對(duì)耐蝕，并且所述涂層為一種聚合物耐蝕保護(hù)性涂層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電化學(xué)電池，其中所述導(dǎo)電接觸元件包括鋁。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電化學(xué)電池，其中所述涂層為包含含有大量導(dǎo)電耐蝕填料顆粒的耐蝕聚合物的聚合物耐蝕涂層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電化學(xué)電池，其中所述導(dǎo)電顆粒從包括金、鉑、鎳、鈀、銠、鈮、鈦、鉻、稀土金屬、石墨、碳、它們的化合物和合金，以及它們的混合物的組中選擇。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電化學(xué)電池，其中所述聚合物從包括環(huán)氧樹脂、硅氧烷、聚酰胺酰亞胺、聚醚酰亞胺、多酚、氟代彈性體、聚酯、苯氧-酚醛樹脂、環(huán)氧-酚醛樹脂、丙烯酸樹脂、聚氨酯的組中選擇。
12.一種處理具有帶有一個(gè)或者多個(gè)氣體分配區(qū)域的表面的隔板的方法，包括以下步驟鈍化隔板的氣體分配區(qū)域，在其上形成耐蝕的鈍化層；以及在隔板所述表面上施加涂層，所述涂層是耐蝕的。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述鈍化步驟通過鈍化雙極板的整個(gè)表面，然后從氣體分配區(qū)之間的區(qū)域除去所述鈍化層而實(shí)施。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述氣體分配區(qū)為在隔板所述表面中的溝槽，并且所述溝槽分散在凸臺(tái)之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中在所述鈍化步驟之前，向所述凸臺(tái)上施加掩模的步驟保護(hù)所述凸臺(tái)在所述鈍化步驟中不被鈍化，并且其中所述鈍化步驟鈍化所述溝槽。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中剛剛在鈍化所述溝槽的所述鈍化步驟之后，在施加涂層的所述步驟之前，又一個(gè)步驟用以從所述凸臺(tái)上去除所述掩模。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中施加涂層的所述步驟之后，又一個(gè)步驟用以鈍化在所述涂層中存在針孔的全部涂覆表面區(qū)域，由此鈍化所述針孔下面的隔板區(qū)域。
18.一種形成隔板的方法，所述隔板包括具有帶有由多個(gè)分散在凸臺(tái)之間的溝槽限定出輪廓的表面的基體，所述方法包括(1)遮蓋基體的第一區(qū)域；(2)在基體的第二未被遮蓋區(qū)域中刻蝕出溝槽圖案；(3)鈍化所述第二區(qū)域的所述溝槽；以及(4)在該基體表面上施加涂層。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，包括在步驟(3)之后從所述第一區(qū)域去除該掩模。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，包括在步驟(4)之前和在去除該掩模的所述步驟之后，存在又一個(gè)步驟，即清潔該基體的所述第一區(qū)域以去除至少一部分其上存在的全部氧化物。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中在施加涂層的步驟(4)之后，處理步驟鈍化被在該施加的涂層中的針孔暴露出的下面的基體的任何區(qū)域。
22.一種處理具有基體的隔板的方法，該方法包括(1)清潔該基體的表面以除去至少一部分其上存在的全部氧化物；(2)用導(dǎo)電、耐蝕層涂覆該基體；(3)處理基體以鈍化被在該施加的涂層中的針孔暴露出的下面的基體的任何區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有催化電極和面對(duì)該電極的導(dǎo)電接觸元件的電化學(xué)電池。導(dǎo)電接觸元件傳導(dǎo)來自電極的電流，并且具有帶有多個(gè)鈍化區(qū)和分散在鈍化區(qū)之中的多個(gè)非鈍化區(qū)的表面。該表面進(jìn)一步涂覆有導(dǎo)電耐蝕的涂層。本發(fā)明的其它優(yōu)選方面包括通過鈍化方法處理導(dǎo)電接觸元件以耐受腐蝕，并仍然保持導(dǎo)電性。
文檔編號(hào)H01M2/00GK1742395SQ200380109215
公開日2006年3月1日 申請(qǐng)日期2003年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月4日
發(fā)明者J·H·李, B·K·布雷迪, R·L·福斯 申請(qǐng)人:通用汽車公司