CN101281968B - 亲水性的且耐蚀的燃料电池部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有亲水性和耐蚀性的燃料电池部件。所披露的一个实施例包括一种产品，所述产品包括燃料电池双极板，所述燃料电池双极板包括基板，所述基板包括第一面、在所述第一面中限定出的反应气体流场以及位于所述第一面的至少一部分上的层，其中所述层中包括沸石。

Description

亲水性的且耐蚀的燃料电池部件
技术领域
本发明的披露内容主要涉及具有亲水性和耐蚀性的燃料电池部件，例如双极板。 
背景技术
氢由于其清洁性以及可用来在燃料电池中高效发电的性能而是一种非常有吸引力的燃料。汽车工业在开发氢燃料电池作为车辆动力源方面花费了大量资源。与今天采用内燃机的车辆相比，燃料电池车辆更为高效并产生更少的排放物。 
氢燃料电池是包括阳极和阴极以及位于其间的电解质的电化学装置。阳极接收富氢气体或纯氢且阴极接收氧或空气。氢气在阳极进行离解而产生自由质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子在阴极与氧和电子进行反应而产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，且因此在被传输至阴极之前被引导通过负载而作功。所述作出的功可例如被用来使车辆运行。 
质子交换膜(PEM)燃料电池被普遍应用于车辆应用。质子交换膜燃料电池通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括担载在碳颗粒上且与离聚物混合在一起的极细分散的催化颗粒，所述催化颗粒通常为铂(Pt)。催化混合物被沉积在膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定出膜电极组件(MEA)。膜电极组件的制造成本相对较为昂贵且需要特定条件以实现有效运行。这些条件包括适当的水管理和湿化，以及对催化剂中毒组分如一氧化碳(CO)的控制。 
多个燃料电池通常被组合在燃料电池堆中以产生所需功率。对于上面提到的汽车用燃料电池堆而言，该燃料电池堆可包括约两百或更多的双极板。燃料电池堆接收阴极反应气体，所述阴极反应气体通常为在压缩机的作用下受力通过燃料电池堆的空气流。燃料电池堆并未消耗所有的氧且其中一些空气作为阴极排气被输出，所述阴极排气可包括作为燃料电池堆副产物的液体水。燃料电池堆还接收流入燃料电池堆的阳极侧 内的阳极氢反应气体。 
燃料电池堆包括被放置在燃料电池堆中的各个膜电极组件之间的一系列流场或双极板。双极板包括用于燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道被设置在双极板的阳极侧上，所述阳极气体流动通道允许阳极气体流至膜电极组件的阳极侧。阴极气体流动通道被设置在双极板的阴极侧上，所述阴极气体流动通道允许阴极气体流至膜电极组件的阴极侧。双极板还可包括用于冷却流体的流动通道。 
双极板通常由导电材料如不锈钢、钛、铝、聚合碳复合物等制成，以使得它们将由燃料电池产生的电力从一个电池传导至下一个电池并且传导出燃料电池堆。金属双极板通常具有位于其外表面上的使其具有耐蚀性的天然氧化物。然而，该氧化物层是不导电的，且因此增加了燃料电池的内阻，降低了其电学性能。 
正如本领域众所周知地，燃料电池内的膜通常需要具有特定的相对湿度以使穿过膜的离子阻力足够低从而有效地传导质子。在燃料电池的运行过程中，来自膜电极组件和外部湿化装置的湿气可进入阳极流动通道和阴极流动通道。在低电池功率需求下，所述低电池功率需求通常低于0.2A/cm2，由于反应气体的流速过低使得不能使水受力被排出通道，因此水会积聚在流动通道内。随着水的积聚，其形成了液滴，所述液滴由于板材的疏水性本质而继续膨胀。水滴的接触角通常为约90°，原因在于，液滴形成在大体上垂直于反应气体流的流动通道中。随着液滴尺寸的增加，流动通道被封闭，且由于通道在共用的入口歧管与出口歧管之间平行地延伸，而使得反应气体转向其它流动通道。由于反应气体不可能流动通过被水阻塞的通道，因此反应气体不能使水受力而被排出通道。由于通道被阻塞而使得并未接收反应气体的膜的那些区域将不会产生电力，因此导致出现了不均匀的电流分布并且降低了燃料电池的总效率。燃料电池产生的电力随着越来越多的流动通道被水阻塞而降低，在电池电压电位小于200mV的情况下，则认为是电池失效。由于燃料电池是串联电耦接的，因此如果其中一个燃料电池停止工作，则整个燃料电池堆也会停止工作。 
在质子交换膜燃料电池环境中，双极板与包含F-、SO4 -、SO3 -、HSO4 -、CO3 -和HCO3 -等的强酸性溶液(pH 3-5)持续接触。此外，阴极在高度氧化性环境中运行，使得其在暴露于加压空气时被极化至约+1V的最大电压(对于标准氢电极而言)。最后，阳极被持续暴露于氢气氛中。因此，由金属制成的接触元件必须要耐受燃料电池环境中的酸、氧化和氢脆。由于现有的金属中几乎没有金属能够满足该标准，因此接触元件通常由在质子交换膜燃料电池环境中具有耐蚀性和导电性的大片石墨制成。然而，石墨相当易碎且相当多孔，这使得极难由石墨制出很薄的气体不可透过的板。
轻质金属如铝及其合金也已被提出用于制造燃料电池接触元件。这些金属比石墨更具导电性且可形成很薄的板。然而，这种轻质金属在恶劣的质子交换膜燃料电池环境中易于发生腐蚀。对于轻质金属的腐蚀敏感性而言，已经做出了努力来开发保护性涂层。但这些保护方法中的一些方法使得铝板的电阻增加至无法接受的水平。其它保护方法尽管将导电性保持在可接受的水平，但无法充分地实现所需保护水平。 
发明内容
所披露的一个实施例包括一种产品，所述产品包括燃料电池双极板，所述燃料电池双极板构成基板，所述基板包括第一面、在所述第一面中限定出的反应气体流场以及位于所述第一面的至少一部分上的层，其中所述层中包括沸石。 
通过下文提供的详细描述将易于理解本发明的其它典型实施例。应该理解：尽管该详细描述和特定实例表明了本发明的优选实施例，但该详细描述和特定实例仅旨在实现说明的目的且不旨在限制本发明的范围。 
附图说明
通过详细描述和附图将更充分地理解本发明的典型实施例。 
图1示出了根据本发明的一个实施例的用于燃料电池的双极板的部分剖视图，所述双极板包括亲水性的且耐蚀的层； 
图2示出了根据本发明的另一实施例的用于燃料电池的双极板的部分剖视图，所述双极板包括位于双极板的通道上的亲水性的且耐蚀的层； 
图3示出了根据本发明的一个实施例的燃料电池的部分剖视图，所 述燃料电池包括双极板，所述双极板具有亲水性的且耐蚀的层； 
图4A示出了被置于没有涂层的不锈钢基板上的水滴；和 
图4B示出了被置于根据本发明的一个实施例的具有包括沸石的层的不锈钢基板上的水滴。 
具体实施方式
下面对实施例进行的描述在本质上仅是示例性的，且绝不旨在限制本发明或其应用或使用。在一个实施例中，沸石涂层可通过改进双极板通道中的耐蚀性和水传输性能而有利于质子交换膜燃料电池的运行。 
根据本发明的一个实施例，如图1所示，产品10包括基板14。在一个实施例中，基板14可以是具有第一面42和第二面44的双极板12。双极板12可包括两块板片40和20。两块板片40和20可被机加工或冲压且通常被焊接在一起。包括流动通道16和槽脊18的反应气体流场被限定在第一面42中。通道16包括一个或多个侧壁30和底壁32。冷却流体流动通道26可被设置在第二面44上。在一个实施例中，基板14包括导电材料如不锈钢、钛、铝或包括导电材料如碳纤维或类似材料的聚合复合物。层28被设置在第一面42的至少一部分上。层28可以是亲水性的且耐蚀的层。在一个实施例中，层28包括沸石。沸石可包括铝硅酸盐四面体框架、可离子交换的大阳离子和稳定的三维结构。 
沸石涂层是亲水性稳定涂层和良好的离子交换树脂。在一个实施例中，沸石层被构造和布置成使得足以在燃料电池中提供亲水性稳定涂层以便改进水管理。在低pH下，沸石涂层可以是稳定的。沸石可用来使金属阳离子例如氟化物离子对膜电极组件的污染最小化。在一个实施例中，沸石层被构造和布置成使得足以俘获或捕获浸出双极板或燃料电池堆的其它部件的金属阳离子。由于膜电极组件的劣化而使得可能在燃料电池环境中产生金属阳离子。金属阳离子可能通过增加膜电极组件的电阻、通过化学劣化而削弱膜的稳定性和/或影响膜的离子交换性能从而降低燃料电池堆的性能。 
在一个实施例中，层28中包括沸石，所述沸石包括铝的氧化物、硅的氧化物或其混合物。层28还可包括浸渍在至少一种粘合剂如聚合物树脂内的至少一种沸石粉末。适当的聚合物树脂可包括不溶于水的聚合物，所述不溶于水的聚合物可被成形为薄的粘附膜且可耐受燃料电池 中的较强的氧化性和酸性环境。适当的聚合物树脂的实例包括环氧化物、聚酰胺-酰亚胺、聚醚酰亚胺、多酚、含氟弹性体(例如聚偏氟乙烯)、聚酯、苯氧基化合物-酚醛树脂(phenoxy-phenolic)、环氧化物-酚醛树脂(epoxide-phenolic)、丙烯酸类树脂和氨基甲酸乙酯。在一个实施例中，聚合物树脂可以是交联聚合物如聚酰胺-酰亚胺热固性聚合物，且可被用来产生不可透过的涂层。 
在一个实施例中，层28可包括与碳纤维、碳纳米管、碳黑、石墨、金、银、碳化物或氮化物中的至少一种混合的沸石。碳黑或石墨可具有在约0.05微米至约3微米的范围内的颗粒尺寸。在一个实施例中，层28可被形成于通道上且可包括重量百分比为约100％的沸石。在一个实施例中，层28可被喷涂且可包括重量百分比为约5％至约50％的沸石。在一个实施例中，层28可包括重量百分比为约30％至约70％的粘合剂。适当的粘合剂包括上述那些粘合剂。在一个实施例中，层28可包括重量百分比为约5％至约70％的碳。 
在一个实施例中，沸石可以是“ZSM-5”沸石，一种具有高硅石含量和低铝含量的铝硅酸盐沸石。例如，SiO2/Al2O3的摩尔比可在15-100、25-30或50-55的范围内。ZSM-5沸石的结构基于具有交叉隧道的通道。铝的部位是极具酸性的部位。用Al3+代替四面体Si4+硅石需要在存在外加正电荷的情况下进行。当该外加正电荷为H+时，沸石的酸度极高。ZSM-5可具有400-425m2/g的表面积。在一个实施例中，可通过水热工艺来制造沸石。在一个实施例中，沸石可具有化学稳定性、多孔性和亲水性。沸石可具有处于约0.4纳米至约10纳米的范围内的孔隙尺寸和处于约0至约20％的范围内的接触角度。 
在一个实施例中，层28可具有约40纳米的最小厚度。在另一实施例中，层28的厚度可在约100纳米至约500纳米的范围内。在又一实施例中，层28的厚度可在约0.5微米至约2微米的范围内。 
层28可通过任何适当的技术被成形于双极板12上，所述任何适当的技术包括，但不限于，物理气相沉积工艺、化学气相沉积(CVD)工艺、热喷涂工艺、溶胶-凝胶、喷涂、浸渍、刷涂、旋涂或丝网印刷。物理气相沉积工艺的适当实例包括电子束蒸发、磁控溅射和脉冲等离子体工艺。适当的化学气相沉积工艺包括等离子体增强的化学气相沉积和原子层沉积工艺。化学气相沉积工艺对于薄膜层的层28而言可能更为 适当。 
现在参见图2，层28可被选择性地仅设置在通道16的侧壁30和底壁32上。这可例如通过将掩模选择性地沉积在双极板12的槽脊28上来实现。其后，层18可被至少形成于双极板12的第一面42的暴露部分上以便将层的形成区域限于未设置掩模的部分。该掩模随后可被去除。 
在如图3所示的本发明的另一实施例中，产品70包括燃料电池72。产品70包括具有第一面76的第一双极板62，所述第一面具有在其中由多条槽脊78和通道80限定出的反应气体流场、具有第一面76的第二双极板64，所述第一面具有在其中由多条槽脊78和通道80限定出的反应气体流场、以及被设置在所述第一双极板与所述第二双极板之间的软制品部分82。软制品部分82可包括聚合物电解质膜48，所述聚合物电解质膜包括第一面84和第二面86。阴极54可位于聚合物电解质膜48的第一面84的上面。第一气体扩散介质层50可位于阴极54的上面，且可选地第一多微孔层52可被插置在第一气体扩散介质层50与阴极54之间。第一双极板62位于第一气体扩散介质层50的上面。阳极56可位于聚合物电解质膜48的第二面86的下面。第二气体扩散介质层60可位于阳极层56的下面，且可选地第二多微孔层58可被插置在第二气体扩散介质层60与阳极56之间。第二双极板64可位于第二气体扩散介质层60上面。 
图4A示出了被置于没有涂层的不锈钢202上的水滴200。图4B示出了被置于根据本发明的一个实施例的具有沸石层28的不锈钢202上的水滴200。沸石层28显著减小了水接触角。沸石层28的水接触角可在约0至约20％的范围内。 
当在本文中结合各层相对于彼此的相对位置而使用“over(在......上)”、“overlying(位于......上面)”、“overlies(位于......上面)”或类似的术语时，这应该意味着所述各层彼此直接接触或在层之间可插置另外的一个或多个层。 
以上对本发明的描述在本质上仅是示例性的，且因此对其作出的改变不被视为偏离了本发明的精神和范围。 

Claims (39)

1.一种燃料电池，所述燃料电池包括：
燃料电池基板，所述燃料电池基板包括限定出反应气体流场的第一面和位于所述第一面的至少一部分上的层，其中所述层中包括至少一种沸石；
其中所述沸石具有0.4纳米至10纳米的孔隙尺寸；
其中所述沸石具有0至20度的水接触角度。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述基板包括导电材料。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述基板选自包括不锈钢、钛、铝和包含导电材料的聚合复合物的组群。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述沸石包括铝的氧化物。
5.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述沸石包括硅的氧化物。
6.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述沸石包括铝的氧化物和硅的氧化物。
7.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述层进一步包括浸渍在至少一种粘合剂内的至少一种沸石粉末。
8.根据权利要求7所述的燃料电池，其中所述粘合剂包括聚酰胺-酰亚胺、环氧化物、聚醚酰亚胺、多酚、含氟弹性体、聚酯、苯氧基化合物-酚醛树脂、环氧化物-酚醛树脂、丙烯酸类树脂和氨基甲酸乙酯中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述层进一步包括碳纤维。
10.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述层进一步包括碳纳米管。
11.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述层进一步包括碳黑。
12.根据权利要求11所述的燃料电池，其中所述碳黑具有在0.05微米至3微米的范围内的颗粒尺寸。
13.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述层进一步包括石墨。
14.根据权利要求13所述的燃料电池，其中所述石墨具有在0.05微米至3微米的范围内的颗粒尺寸。
15.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述层进一步包括金。
16.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述层进一步包括银。
17.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述层进一步包括碳化物。
18.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述层进一步包括氮化物。
19.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述层进一步包括碳纤维、碳纳米管、碳黑、石墨、金、银、碳化物或氮化物中的至少一种。
20.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述层进一步包括重量百分比为5％至70％的碳。
21.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述层进一步包括重量百分比为30％至70％的粘合剂。
22.根据权利要求21所述的燃料电池，其中所述粘合剂包括聚酰胺-酰亚胺、环氧化物、聚醚酰亚胺、多酚、含氟弹性体、聚酯、苯氧基化合物-酚醛树脂、环氧化物-酚醛树脂、丙烯酸类树脂和氨基甲酸乙酯中的至少一种。
23.根据权利要求7或21所述的燃料电池，其中所述粘合剂包括交联聚合物。
24.根据权利要求7或21所述的燃料电池，其中所述粘合剂包括聚酰胺-酰亚胺热固性聚合物。
25.根据权利要求8或22所述的燃料电池，其中所述含氟弹性体为聚偏氟乙烯。
26.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述层包括重量百分比为100％的沸石。
27.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述层包括重量百分比为5％至50％的沸石。
28.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述沸石是高硅石ZSM-5沸石。
29.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述层具有40纳米的最小厚度。
30.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述层具有40纳米至2微米的厚度。
31.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述基板是双极板。
32.根据权利要求31所述的燃料电池，进一步包括：
多块所述双极板；和
位于相邻的双极板之间且面对所述反应气体流场的软制品部分，其中所述软制品部分包括位于聚合物电解质膜的相对面上的阳极和阴极。
33.一种形成燃料电池的方法，所述燃料电池包括燃料电池基板，所述基板限定出反应气体流场，所述方法包括：
在燃料电池基板的至少一部分上形成层，其中所述层包括至少一种沸石；其中所述沸石具有0.4纳米至10纳米的孔隙尺寸；其中所述沸石具有0至20度的水接触角度。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述形成层的步骤包括物理气相沉积、化学气相沉积、溶胶-凝胶、喷涂、浸渍、刷涂、旋涂或丝网印刷中的至少一种。
35.根据权利要求34所述的方法，其中所述喷涂为热喷涂。
36.根据权利要求33所述的方法，进一步包括提供多决所述基板并且提供位于相邻基板之间的软制品部分，所述基板具有位于其一部分上的所述层，其中所述软制品部分包括位于聚合物电解质膜的相对面上的阳极和阴极。
37.根据权利要求33所述的方法，其中所述层进一步包括导电颗粒。
38.根据权利要求37所述的方法，其中所述导电颗粒包括碳黑或石墨中的至少一种。
39.一种形成燃料电池的方法，所述燃料电池包括燃料电池基板，所述基板限定出反应气体流场，所述方法包括：
通过水热工艺形成沸石；并且
将所述沸石沉积在燃料电池基板的至少一部分上；
其中所述沸石具有0.4纳米至10纳米的孔隙尺寸，且所述沸石具有0至20度的水接触角度。
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