CN101057350A - 双极板的亲水性表面改性 - Google Patents

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Abstract

披露了一种具有亲水性表面(48)的双极板(32)。所述双极板包括包含具有通道表面(35)的通道(34)的多个表面。亲水性涂层被设置在所述表面上从而增强燃料电池的水管理能力。

Description

双极板的亲水性表面改性
技术领域
本发明涉及产生电力从而向车辆或其它机械设备供电的燃料电池。更具体而言，本发明涉及具有亲水性涂层的双极板以及用于使燃料电池中双极板的表面具有亲水性从而增强双极板的可湿性并且增强燃料电池的水管理能力的方法。
背景技术
近年来，大部分是由于燃料电池的效率的原因，因此对燃料电池技术产生了很大的兴趣。燃料电池已显示具有高达55％的效率。此外，燃料电池动力设备对环境友好，仅排放出热量和作为副产物的水。
聚合物电解质膜(PEM)燃料电池堆典型地包括被夹在气体扩散介质之间的中心膜电极组件(MEA)。膜电极组件和气体扩散介质被夹在一对双极板之间。所述双极板上设有通过气体扩散介质将反应气体传输至膜电极组件并从膜电极组件传输回产物气体的流场通道，以及传输冷却剂的冷却剂通道。双极板表面位于所述通道之间的区域被公知为槽脊并且邻接相应的气体扩散介质。所希望的是：双极板，特别是燃料电池堆阴极侧上面的双极板的表面具有亲水性，从而利于在PEM燃料电池堆内实现最佳水管理。
因此，需要具有亲水性涂层的双极板以及使双极板的表面具有亲水性的方法，从而增强PEM燃料电池堆中的水管理。
发明内容
本发明主要涉及具有亲水性涂层的双极板以及在双极板上，特别是在燃料电池堆的阴极双极板上设置亲水性涂层的方法。在一个实施例中，该亲水性涂层是二氧化硅。在另一个实施例中，该亲水性涂层是氧化钛。在又一个实施例中，该亲水性涂层是二氧化硅和氧化钛。该亲水性涂层增强了双极板通道表面的可湿性，由此增强了燃料电池堆的水管理、性能、耐久性和效率。在采用多种方法中的任一种方法将所述涂层施涂到双极板上的过程中，可使用掩模以覆盖双极板上的槽脊从而利于对双极板的通道表面进行选择性涂覆。
附图说明
下面，通过实例并结合附图对本发明进行描述，在所述附图中：
图1是具有根据本发明的亲水性涂层的双极板的剖面视图；
图1A是双极板的局部剖面视图，图中示出了在施涂亲水性涂层之后设置在双极板槽脊表面上的导电涂层；和
图2是包括具有本发明的亲水性涂层的双极板的燃料电池堆的剖面视图。
具体实施方式
本发明考虑的是具有亲水性涂层的双极板。在一个实施例中，该亲水性涂层是二氧化硅。在另一个实施例中，该亲水性涂层是氧化钛。在又一个实施例中，该亲水性涂层是二氧化硅和氧化钛。该亲水性涂层增强了双极板通道表面的可湿性，由此增强了燃料电池的水管理、性能、耐久性和效率。
本发明进一步考虑的是在双极板上，特别是在燃料电池堆的阴极双极板上设置亲水性涂层的方法。该方法包括：采用包括但不限于化学气相沉积、物理气相沉积或等离子聚合等多种方法中的任一种方法将二氧化硅亲水性涂层施涂到表面，特别是双极板的通道表面上。该方法进一步包括：采用包括但不限于电化学方法、溅射沉积、化学气相沉积或反应电子束蒸发等多种方法中的任一种方法将氧化钛亲水性涂层施涂到双极板上。该方法可进一步包括：将二氧化硅亲水性涂层和氧化钛亲水性涂层施涂到双极板上。在将涂层施涂到双极板上的过程中，可使用掩模以覆盖双极板上的槽脊并且利于对双极板的通道表面进行选择性涂覆。其后，所述槽脊上可被涂覆一薄层的金或聚合导电碳涂层。
二氧化硅和氧化钛已显示具有可以优化双极板的性能的亲水特性。二氧化硅和氧化钛在25摄氏度条件下的扩张压力分别为336达因/平方厘米和300达因/平方厘米。扩张压力的这些较大的数值表明二氧化硅和氧化钛具有相当高的表面能，这使得二氧化硅和氧化钛有希望成为双极板上亲水性表面的候选。
参见图1，图中示出了具有根据本发明的亲水性表面的双极板32。双极板32可以是金属，例如不锈钢；碳复合材料；或适于用作燃料电池中的双极板的任何其它材料。双极板32典型地为设置在燃料电池堆阴极侧上面的阴极双极板，如在下文中进一步进行描述地。阴极双极板32包括将氧分配至燃料电池堆并且从燃料电池堆中排出气流的多条通道34。冷却剂通道被设置在该板的背面(图中未示出)。具有槽脊表面43的槽脊42将通道34彼此分隔开。每条通道34具有通道表面35。
根据本发明，亲水性涂层48形成在通道34的通道表面35上。亲水性涂层48可以是二氧化硅、氧化钛、或二氧化硅和氧化钛。在下文中将要进行描述地施涂亲水性涂层48之前，具有掩模窗孔45的掩模44典型地被设置在槽脊42的槽脊表面43上。通道34的通道表面35通过掩模窗孔45暴露，而槽脊表面43被掩模44所覆盖。这样就防止槽脊表面43受到不导电氧化物的涂覆。
接下来参见图1A，在通道表面35上形成可以是二氧化硅、氧化钛、或二氧化硅和氧化钛的亲水性涂层48之后，从槽脊表面43上除去掩模44。导电涂层50可被形成在槽脊表面43上以增强槽脊42的导电性。在碳复合材料双极板32的实例中，可能不需要导电涂层且同样可应用所述板。在不锈钢双极板32的实例中，导电涂层50典型地为一薄层金或聚合导电涂层。因此，亲水性涂层48在不影响槽脊42的涂层导电性的条件下增强了通道表面35的亲水性。
在一个实施例中，二氧化硅亲水性涂层48采用常规化学气相沉积(CVD)工艺或原子层沉积(ALD)工艺而形成在通道表面35上。适用于碳复合材料双极板32的沉积温度典型地为约200摄氏度且适用于不锈钢双极板32的沉积温度典型地为约350摄氏度。在进行沉积工艺前，典型地通过将双极板32暴露于远紫外辐射中而对双极板32进行清洗，所述远紫外辐射产生臭氧并且通过氧化而从双极板32上除去任何有机污染物。原子层沉积(ALD)工艺中的各周期包括投配三甲基铝(TMA)，之后是投配三(叔戊氧基)硅烷醇。二氧化硅亲水性涂层48的厚度典型地为约10-50纳米，且二氧化硅亲水性涂层48的接触角典型地为约10-14度。
在另一个实施例中，二氧化硅亲水性涂层48采用物理气相沉积(PVD)工艺而形成在通道表面35上。在该方法中，采用磁控管溅射法在以下条件下沉积二氧化硅亲水性涂层48，所述条件为：典型地约200V的偏压电位，O2/Ar混合物等离子体的反应性环境和典型地约2.5×10-4托的室压。在磁控管溅射工艺中所使用的靶为99％纯的Si。观察试样可随双极板基板一起运动，从而获得二氧化硅亲水性涂层48的所述组成和厚度。采用该方法可获得典型厚度为约100纳米的亲水性涂层48。
在又一个实施例中，二氧化硅亲水性涂层48采用使用将空气作为供给气体的露天等离子体技术的等离子聚合工艺形成。采用该工艺得到的样品具有亲水性，且接触角典型地为约10-15度。
氧化钛亲水性涂层48可采用电化学镀(ECP)工艺而形成在通道表面35上。该方法包括使用0.5M的硫酸溶液，且将不锈钢双极板32作为阴极而将钛试样作为阳极。分别在约4、6、8、10、12、14和16伏特的典型的外加电位的条件下对钛试样典型地进行长达约10分钟的阳极化处理。亲水性涂层48的典型接触角数值为约35-43度。可用于在通道表面35上形成氧化钛亲水性涂层48的其它可选方法包括溅射沉积法、化学气相沉积法和反应电子束蒸发法。
下面参见图2，如图所示出的燃料电池堆22包括双极板32，所述双极板具有根据本发明所述形成的亲水性涂层48。燃料电池堆22包括膜电极组件(MEA)24，所述膜电极组件具有被夹在阴极26与阳极28之间的聚合物电解质膜(PEM)30。气体扩散介质10被附接至或邻接阴极26，而气体扩散介质10a被附接至或邻接阳极28。双极板32的槽脊42邻接气体扩散介质10，而具有多条通道34a的双极板32a的槽脊42a邻接气体扩散介质10a。尽管图中并未示出，但是亲水性涂层48可以如前文结合双极板32所述相同的方式形成在双极板32a的通道34a的表面上。
在燃料电池22的工作过程中，氢气36流动通过双极板32a的通道34a并且扩散通过基板10a到达阳极28。按照类似的方式，氧38流动通过双极板32的通道34并且扩散通过基板10到达阴极26。在阳极28处，氢36分解为电子和质子。电子作为电流，自阳极28通过驱动马达(图中未示出)，然后被分配至阴极26。质子从阳极28通过聚合物电解质膜30迁移至阴极26。在阴极26处，质子与从驱动马达返回的电子和氧38相结合从而形成水40。水40从阴极26扩散通过基板10进入到双极板32的通道34中并且从燃料电池堆22中被排出。
在燃料电池堆22中，聚合物电解质膜30需要具有一定的湿度。如果膜30干透，那么将会对燃料电池22造成的不可逆的损伤。因此，通过湿度/水管理而使膜30保持一定的湿度对于燃料电池22的正常工作而言是非常重要的。因此，亲水性涂层48增强了双极板32通道表面35的可湿性，由此增强了燃料电池堆22的水管理、性能、耐久性和效率。
为了使燃料电池正常工作，所需要的是：所产生的水不会造成溢流问题。水在通道34中的积聚可产生传质限制，这是因为氧在水中的溶解度有限。这种积聚可导致电池性能不佳，这是因为反应物缺乏从而最终影响燃料电池的性能。
虽然上文中已对本发明的优选实施例进行了描述，但是应该理解并且能意识到：可对本发明作出多种不同的变型并且所附权利要求书旨在覆盖可以落入本发明的精神和范围内的所有这些变型。

Claims (20)

1、一种双极板，包括：
多个表面；
被设置在所述双极板上具有槽脊表面的多个槽脊；和
被设置在所述多个表面上的亲水性涂层。
2、根据权利要求1所述的双极板，其中所述亲水性涂层包含二氧化硅。
3、根据权利要求1所述的双极板，其中所述亲水性涂层包含氧化钛。
4、根据权利要求1所述的双极板，其中所述亲水性涂层包含二氧化硅和氧化钛。
5、根据权利要求1所述的双极板，进一步包括被设置在所述槽脊表面上的导电涂层。
6、根据权利要求5所述的双极板，其中所述导电涂层包含金。
7、根据权利要求5所述的双极板，其中所述导电涂层包含聚合导电碳涂层。
8、根据权利要求7所述的双极板，其中所述亲水性涂层包括二氧化硅涂层和氧化钛涂层中的至少一种。
9、一种双极板，包括：
具有通道表面的多条通道；
用于将所述多条通道分隔开的具有槽脊表面的多个槽脊；和
被设置在所述通道表面上的亲水性涂层。
10、根据权利要求9所述的双极板，其中所述亲水性涂层包括二氧化硅涂层和氧化钛涂层中的至少一种。
11、根据权利要求10所述的双极板，其中所述亲水性涂层包括二氧化硅涂层和氧化钛涂层。
12、根据权利要求9所述的双极板，进一步包括被设置在所述槽脊表面上的导电涂层。
13、根据权利要求12所述的双极板，其中所述导电涂层包含金。
14、根据权利要求12所述的双极板，其中所述导电涂层包括聚合导电碳涂层。
15、一种在双极板上设置亲水性表面的方法，所述方法包括以下步骤：
提供包括具有通道表面的多条通道和用于将所述多条通道分隔开的具有槽脊表面的多个槽脊的双极板；并且
在所述通道表面上设置亲水性涂层。
16、根据权利要求15所述的方法，其中所述亲水性涂层包括二氧化硅涂层和氧化钛涂层中的至少一种。
17、根据权利要求15所述的方法，进一步包括在所述槽脊表面上设置导电涂层。
18、根据权利要求17所述的方法，其中所述导电涂层包含金。
19、根据权利要求17所述的方法，其中所述导电涂层包括聚合导电涂层。
20、根据权利要求15所述的方法，其中采用从包括化学气相沉积、物理气相沉积、等离子聚合和电化学方法的组中选择出的一种技术将所述亲水性涂层设置在所述通道表面上。
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