CN101258624A - 镀层钢双极板 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的一个实施方案，一种电化学转换组件包含多个电化学转换电池和多个导电双极板。电化学转换电池被配置为与第一反应物供给和第二反应物供给相通。相邻的电化学转换电池由所述多个双极板的各板分开。双极板包含含有铁和铬的合金。双极板的各表面部分设有导电的耐腐蚀的与电化学转换电池部分接触的层。耐腐蚀导电层可以包括主要以sp2杂化碳－碳键为特征的石墨层、钼掺杂氧化铟层、导电的Cr+N层、或者导电的MoSi2层。

Description

镀层钢双极板
发明背景
[0001]本发明涉及电化学转换电池，一般被称为燃料电池，由处理第一反应物和第二反应物而产生电能，比如通过氧化和还原氢和氧。作为说明并且无限制地，通常的电池包含位于一对气体扩散介质层和催化剂层之间的高分子膜(比如质子交换膜)。阴极板和阳极板位于与气体扩散介质层相邻的最外侧。所有这些部件共同构成电池单元。
[0002]对于有用的应用，单个电池单元提供的电压通常太小。因此，通常以一种“堆叠”方式连续排列和连接多个电池，以增加电化学转换组件或者燃料电池的电输出。在这种排列中，两个相邻的电池单元可以共用一个共同的极板，这个极板作为其串联的两个相邻的电池单元的阳极和阴极。这种板一般被称为双极板，这种双极板通常包括其中所限定的流场，以提高反应物和冷却剂向相关电池的传送。
[0003]用于燃料电池的双极板通常需要电化学稳定、导电和便宜。金属双极板是有利的，因为金属双极板可以做得很薄(例如＜0.25mm)，而且可以通过便宜的金属成型技术，例如模冲法，来形成最后的形状。但是，金属极板容易受到腐蚀。在燃料电池堆中的活性的腐蚀过程可以增加双极板的薄膜电阻和接触电阻，减少堆的功率密度。已经考虑用不锈钢质来制备双极板，主要由于其固有的耐腐蚀性和相对低廉的材料成本。因此，本发明人已经认识到需要提供改进的方案来使不锈钢能够用于制备双极板。
发明概述
[0004]本发明提供改进的方案来使不锈钢用于制备双极板。本发明提供了一种电化学转换组件，其包括多个电化学转换电池和多个导电双极板。电化学转换电池被配置为与第一反应物供给和第二反应物供给相通。相邻的电化学转换电池由所述多个双极板的各板分开。双极板包含含有铁和铬的合金。双极板的各表面部分设有导电的耐腐蚀的与电化学转换电池部分接触的层。耐腐蚀导电层可以包括主要以sp2杂化碳-碳键为特征的石墨层、钼掺杂氧化铟层、导电的Cr+N层、或者导电的MoSi2层。
[0005]因此，本发明的一个目的是提供用于电化学转换组件中的改进的双极板。本发明其它的目的将根据包含在这里的发明的描述表现出来。
附图简述
[0006]当和下列图相结合阅读时，本发明的具体实施方式的下列详细的描述可以最好地理解。图中同样的结构用同样的参考数字标注，图中的不同部件不一定是按规定比例图解，其中：
[0007]图1是本发明的一个实施方案的双极板的图；
[0008]图2是本发明的一个实施方案的双极板的镀层部分的横截面的图；
[0009]图3是本发明的一个实施方案的电化学转换组件的示意图；
[0010]图4是带有燃料加工系统和本发明的一个实施方案的电化学转换组件的车辆的示意图。
详述
[0011]图1-3阐明了本发明的一种电化学转换组件10。通常，电化学转换组件10包括多个电化学转换电池20和多个导电双极板30。本发明涵盖了多种转换组件结构，只要该组件在一些或所有的各个电化学转换电池20之间利用了一个或多个双极板30。事实上，转换组件10和单独的转换电池20的具体的结构超越了本发明的范围，并且可以从涉及到能够从与电化学转换电池20相通的第一化学反应物供给和第二化学反应物供给R1、R2产生电流的组件设计的任何已存在的和待发展的教导中收集。通常也提供了一个或多个反应物出口ROUT。
[0012]本发明的双极板30的具体结构的许多方面也超出了本发明的范围。例如，具体参考图1，本发明的双极板30可以包括流场部分32和与流场部分32结合的液体收集器部分34。如图2所示，流场部分32可以包括限定在双极板30的相对的导电面36、38之间的流场通道35。
[0013]如图3所示，相邻的电化学转换电池20被所述多个双极板30的各板分开。双极板30包含铁和铬的合金，并且包括表面部分，该表面部分包括沿着双极板30的相对面36、38的各自的耐腐蚀的导电层46、48。如此，限定在选择的双极板30的相对面上的层46、48可以与在转换组件10中的相应的电化学转换电池10电接触。通常，双极板30将与电化学转换电池10的气体扩散介质层相接触。
[0014]耐腐蚀的导电层46、48可以包括主要以sp2杂化碳-碳键为特征的石墨层、钼掺杂氧化铟层、导电的Cr+N层、或者导电的MoSi2层。在石墨层的情况下，优选其基本完全以sp2杂化碳-碳键为特征。本发明的石墨层，一般地其特征在于在至少大约100psi(690kPa)压力下界面接触电阻小于大约10mΩ-cm2，并且可以通过任何合适的制作方法来制备。例如，非限定性的，在美国专利号6,726,993“CarbonCoatings，Method and Apparatus for applying them，and articles bearingsuch coatings(碳涂料、方法和应用该碳涂料和方法的设备，和具有这种涂料的物品)”中描述了合适的制作方法，该专利的说明书通过引用结合到本文中。
[0015]本发明的氧化铟层可以根据不同的特别要求被任何适量的钼掺杂。例如，氧化铟层可以被少于约4wt.％的钼，或者更优选，2wt.％的钼掺杂。本发明的掺杂的氧化铟层，常常地其特征在于在至少大约100psi(690kPa)压力下界面接触电阻小于大约15mΩ-cm2。如上所述，本发明的层46、48可以通过任何合适的制作方法制备，例如溅射沉积、热反应蒸发、脉冲激光沉积等。
[0016]在耐腐蚀的导电层46，48包含Cr+N的情况中，合适的候选者包括但是并不限于，CrN层、Cr2N层或者Cr和N的固溶体层。本发明的Cr+N层一般地在至少大约100psi(690kPa)压力下界面接触电阻小于大约45mΩ-cm2。Cr+N层46、48可以包含通过磁控管溅射或者任何其它的合适的制作方案沉积在双极板30上的材料。
[0017]由MoSi2形成的耐腐蚀的导电层46、48，通常其特征在于在至少大约100psi(690kPa)压力下界面接触电阻小于大约40mΩ-cm2。该MoSi2层可以通过溅射沉积形成，优选双极板基底偏压大约为负50V。
[0018]本发明包括，在沉积耐腐蚀的导电层46，48之前，双极板10可以进行多种类型的预处理过程。例如，在层46、48包含通过溅射沉积形成的Cr+N或者MoSi2层的情况中，双极板30的表面可以首先进行在氩气下的溅射蚀刻。
[0019]图2的主题不一定是按比例绘制的，而且本发明包括，各自的层46、48实际上可以含有共同决定46、48各层的厚度的多个部件层。此外，层46、48可以在在双极板30上形成的合适的底层47、49上形成。底层47、49的具体成分超出了本发明的范围，可以从集中在用金属的和非金属的底层来改进具体类型的覆盖物的粘附性、持久性及性能的具体教导中收集。例如，在本发明的石墨层的情况下，底层可以包括沉积厚度在50和200nm之间的含金属的底层。底层可以包含起始金属层，接着是通过金属靶和碳靶的共沉积生成的由金属和碳组成的第二层。这一层可以比金属层更坚硬，并且可以改进接下来的碳涂层的摩擦学行为。
[0020]本发明的双极板通常限定厚度远小于500μm，而耐腐蚀的导电层46、48在石墨碳的情况下限定厚度在约0.5μm和约10μm之间，在钼掺杂氧化铟情况下限定的厚度在约1.0μm和约3μm之间，在Cr+N的情况下限定厚度在约1.0μm和约2.5μm之间，在MoSi2情况下限定厚度在约1.0μm和约2.0μm之间。当然也包括了其它合适的厚度。合适的双极板合金可以选自包括但不限于合金、不锈钢、奥氏不锈钢等的多种材料，所述合金含有Ni、Mo、Mn、Si、C或者N，并同时含有Fe和Cr。
[0021]如上所述，转换组件10和单独的转换电池20的具体结构超出了本发明的范围。然而，需要指出的是通常的转换组件包含各自的膜电极组件，所述膜电极组件用以和作为各自反应物供给的含氢气体及空气一起运作。同样为例证性的而非限定性的，电化学转换电池20可以包含各自的电解膜、气体扩散层、催化组分、含碳组分、导电组分和其组合。最后，尽管图1和2所示的双极板30包含限定在双极板30的相对的导电面之间的流场，本发明也包括，合适的双极板结构不需要包含流场。
[0022]参考图4，本发明的装置可以包括车辆100和本发明的电化学转换组件110。电化学转换组件110可以用以至少部分地为车辆100提供动力。车辆100也可以具有燃料加工系统或者燃料源120，该燃料源，用以为电化学转换组件100提供燃料。
[0023]尽管本发明并不限于任何具体的反应物组分，但是实施本发明和通常熟悉燃料电池技术的人应理解的是，第一反应物供给R1通常包含氧和氮，而第二反应物供给R2包含氢。
[0024]应注意的是在这里利用像“优选”、“一般地”和“通常”的术语不是来限定要求保护的发明的范围，或者来暗示某些特征对于要求保护的发明的结构或功能是关键的、必须的、或者甚至重要的。相反，这些术语仅仅用来突出在本发明的特定实施方案中可以利用或可以不利用的供选的或者附加的特征。
[0025]为了描述和限定本发明的目的，值得指出的是，在这里术语“装置”用来代表联合的部件和独立部件，不管该部件是否与其它部件结合。例如，本发明所述的“装置”可以包含电化学转换组件或者燃料电池、包含本发明的电化学转换组件的车辆等。
[0026]为了描述和限定本发明的目的，值得指出的是，在这里术语“基本”用来代表可能归于任何定量的比较、值、测量、或者其它表述的内在的不确定度。在这里术语“基本”也用来代表在没有导致所述主题的基本功能改变的前提下，定量的表述可能不同于所述基准的程度。
[0027]已经详细地描述了本发明，并且通过参考其中的具体实施方案，不超出限定在附加权利要求书的本发明的范围，改进和变化显然是可能的。更具体地说，尽管本发明的一些方面在这里确定为优选的或者特别有利的，可以考虑本发明不一定局限于本发明的这些优选方面。

Claims (42)

1.一种含有电化学转换组件的装置，所述电化学转换组件包含多个电化学转换电池和多个导电双极板，其中：
所述电化学转换电池被配置成与第一反应物供给和第二反应物供给相通；
所述电化学转换电池中相邻的电池由所述多个双极板的各板分开；
所述双极板包含含有铁和铬的合金；
所述双极板各表面部分包括主要以sp2杂化碳-碳键为特征的石墨层；并且
所述双极板的各石墨层与所述电化学转换电池部分相接触。
2.权利要求1所述的装置，其中所述石墨层基本完全以sp2杂化的碳-碳键为特征。
3.权利要求1所述的装置，其中所述石墨层，其特征在于在至少大约100psi(690kPa)压力下界面接触电阻小于大约10mΩ-cm2。
4.权利要求1所述的装置，其中所述石墨层被限定在选择的双极板的相对面上，以便与被所述选择的双极板分开的一对电化学转换电池中的一个相接触。
5.权利要求1所述的装置，其中所述石墨层的各层限定多个组成的石墨层，所述组成的石墨层共同限定单一石墨层。
6.权利要求1所述的装置，其中所述石墨层的各层在在所述双极板合金上形成的底层上形成。
7.权利要求1所述的装置，其中所述石墨层的各层限定小于约10μm的厚度。
8.权利要求1所述的装置，其中所述单相氮化结构限定所述双极板各板的厚度的大约0.1％和大约10.0％之间。
9.权利要求1所述的装置，其中所述合金还含有Ni、Mo、Mn、Si、C、N和其组合。
10.权利要求1所述的装置，其中所述合金包含Fe、Cr、Ni、Mn、Si和C。
11.权利要求1所述的装置，其中所述合金包括奥氏不锈钢。
12.权利要求1所述的装置，其中所述第一反应物供给包含含氢气体源，而所述第二反应物供给包含空气源。
13.权利要求1所述的装置，其中所述双极板包含限定在所述双极板相对的导电面之间的流场。
14.权利要求1所述的装置，其中所述电化学转换电池包含各自的膜电极组件。
15.权利要求1所述的装置，其中所述电化学转换电池含有各自的电解膜、气体扩散层、催化组分、含碳组分、导电组分和其组合。
16.权利要求1所述的装置，其中所述装置还含有为所述电化学转换组件提供含氢气体的燃料加工系统或者燃料源。
17.权利要求1所述的装置，其中：
所述装置进一步包括车辆；并且
所述电化学转换组件用以至少部分地为所述车辆提供动力。
18.一种含有电化学转换组件的装置，所述电化学转换组件包含多个电化学转换电池和多个导电双极板，其中：
所述电化学转换电池被配置为与第一反应物供给和第二反应物供给相通；
所述电化学转换电池中相邻的电池由所述多个双极板的各板分开；
所述双极板包含含有铁和铬的合金；
所述双极板各表面部分包括导电的钼掺杂氧化铟层；并且
所述双极板的各掺杂氧化铟层与所述电化学转换电池部分相接触。
19.权利要求18所述的装置，其中所述氧化铟层被少于大约4wt.％的钼掺杂。
20.权利要求18所述的装置，其中所述氧化铟层被大约2wt.％的钼掺杂。
21.权利要求18所述的装置，其中所述掺杂氧化铟层被限定在选择的双极板的相对面上，以便与被所述选择的双极板分开的一对电化学转换电池中的一个相接触。
22.权利要求18所述的装置，其中所述掺杂氧化铟层，其特征在于在至少大约100psi(690kPa)压力下界面接触电阻小于大约15mΩ-cm2。
23.权利要求18所述的装置，其中所述掺杂氧化铟层的各层限定大约1.0μm和大约3.0μm之间的厚度。
24.权利要求18所述的装置，其中所述掺杂氧化铟层的各层限定所述双极板各板的厚度的大约0.2％和大约2.5％之间。
25.权利要求18所述的装置，其中所述掺杂氧化铟层包括通过溅射沉积、热反应蒸发、脉冲激光沉积和其组合沉积在所述双极板上的材料。
26.一种含有电化学转换组件的装置，所述电化学转换组件含有多个电化学转换电池和多个导电双极板，其中：
所述电化学转换电池被配置成与第一反应物供给和第二反应物供给相通；
所述电化学转换电池中相邻的电池由所述多个双极板的各板分开；
所述双极板包含含有铁和铬的合金；
所述双极板各表面部分包括导电的Cr+N层；并且
所述双极板的各掺杂氧化铟层与所述电化学转换电池部分相接触。
27.权利要求26所述的装置，其中所述Cr+N层包括CrN层。
28.权利要求26所述的装置，其中所述Cr+N层包括Cr2N层。
29.权利要求26所述的装置，其中所述Cr+N层包括固溶体中的Cr和N的层。
30.权利要求26所述的装置，其中所述Cr+N层被限定在选择的双极板的相对面上，以便与被所述选择的双极板分开的一对电化学转换电池中的一个相接触。
31.权利要求26所述的装置，其中所述的Cr+N层，其特征在于在至少大约100psi(690kPa)压力下界面接触电阻小于大约45mΩ-cm2。
32.权利要求26所述的装置，其中所述Cr+N层的各层限定大约1.0μm和大约2.5μm之间的厚度。
33.权利要求26所述的装置，其中所述掺杂氧化铟层的各层限定所述双极板各板的厚度的大约0.2％和大约2.5％之间。
34.权利要求26所述的装置，其中所述Cr+N层包括通过磁控管溅射沉积在所述双极板上的材料。
35.一种含有电化学转换组件的装置，所述电化学转换组件含有多个电化学转换电池和多个导电双极板，其中：
所述电化学转换电池被配置成与第一反应物供给和第二反应物供给相通；
所述电化学转换电池中相邻的电池由所述多个双极板的各板分开；
所述双极板包含含有铁和铬的合金；
所述双极板各表面部分包括导电的MoSi2层；并且
所述双极板的各MoSi2层与所述电化学转换电池部分相接触。
36.权利要求35所述的装置，其中所述MoSi2层被限定在选择的双极板的相对面上，以便与被所述选择的双极板分开的一对电化学转换电池中的一个相接触。
37.权利要求35所述的装置，其中所述MoSi2层，其特征在于在至少大约100psi(690kPa)压力下界面接触电阻小于大约40mΩ-cm2。
38.权利要求35所述的装置，其中所述MoSi2层的各层限定大约1μm和大约2μm之间的厚度。
39.权利要求35所述的装置，其中：
所述的双极板的各板，其特征在于厚度小于大约500μm；并且
所述的MoSi2层的各层限定约1μm和约2μm之间的厚度。
40.权利要求35所述的装置，其中所述MoSi2层的各层限定所述双极板各板的厚度的大约0.2％和大约2.0％之间。
41.权利要求35所述的装置，其中所述MoSi2层包括通过溅射沉积沉积在所述双极板上的材料。
42.权利要求35所述的装置，其中所述的MoSi2层包括通过偏压基底溅射沉积沉积在所述双极板上的材料。
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