CN101431159A - 用于低功率下燃料电池堆稳定运转的双极板亲水性处理 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池的流场板或双极板，包含形成在流场通道上的亲水涂覆层，亲水涂覆层延伸穿过电池活性区和出入口歧管之间的管道区域。流场板是阴极侧单极板和阳极侧单极板的组件。在单极板组装成流场板之前，亲水涂覆层沉积到单极板上，从而使得描准线沉积工艺可用于涂覆管道区域中的流场通道。单极板可以是任何适当的燃料电池单极板，例如压印的单极板或复合的单极板。

Description

用于低功率下燃料电池堆稳定运转的双极板亲水性处理
技术领域
本发明主要涉及燃料电池的双极板，更具体的，涉及燃料电池的双极板，其中双极板包含完全延伸过流道的管道区域的亲水涂覆层，流道的管道区域在燃料电池流场活性区和出入口歧管(manifold)之间。
背景技术
氢是非常有吸引力的燃料，因为其清洁并且能够用在燃料电池中高效的发电。氢燃料电池是电化学设备，包含阳极和阴极及其间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极中离解以产生自由质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子在阴极中与氧和电子反应以产生水。阳极的电子不能通过电解质，因而在到达阴极之前，被引导通过负载而做功。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是普遍的汽车燃料电池。质子交换膜燃料电池一般包含固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极典型的包含细碎的催化颗粒，通常为铂(Pt)，担载在碳颗粒上并与离聚物混合。催化混合物沉积在膜的相对两侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合组成膜电极组件。
通常在燃料电池堆中组合多个燃料电池以产生所需电能。对于上文所述的汽车燃料电池堆，可包含二百个或更多的燃料电池。燃料电池堆接收阴极反应气体，典型的为由压缩机推动的、通过电池堆的空气流。不是所有氧都被电池堆消耗，部分空气作为阴极废气排出，其可包含作为电池堆的副产品的水。燃料电池堆同样接收流进电池堆的阳极侧的阳极氢反应气体。
燃料电池堆包含一系列双极板，双极板安置在电池堆中几个MEA之间，其中双极板和MEA安置在两个端板之间。双极板包含用于电池堆中邻近的燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流道提供在双极板的阳极侧上，以允许阳极反应气体流到相应的MEA。阴极气体流道提供在双极板的阴极侧上，以允许阴极反应气体流到相应的MEA。一个端板包含阳极气体流道，另一个端板含阴极气体流道。双极板和端板用导电材料制造，例如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电传导出电池堆。双极板还包含冷却流体通过的流道。
双极板典型的用导电材料制造，例如不锈钢、钛、铝、聚合物碳复合物等等，从而使得它们将燃料电池产生的电从一个电池传导到另一个电池并传导出电池堆。金属双极板典型的在其外表面上生成自然氧化物，以使其抗腐蚀。然而，氧化物层不导电，从而增加了燃料电池的内电阻，降低了其电学性能。同样，氧化物层使双极板更疏水。本领域已知的，在双极板上沉积导电材料薄层，例如金，能降低燃料电池中双极板和扩散介质之间的接触电阻。
本领域已知的，燃料电池中的膜需要有一定的相对湿度，从而使得越过膜的离子电阻足够低以有效传导质子。燃料电池运行期间，来自MEA的潮气和外部湿气可进入阳极和阴极流道。在低电池功率需求下，典型的低于0.2A/cm2以下，由于反应性气体的流速过低，不能将水推动出通道，水可能在流道内部积聚。由于板材料的相对疏水性，随着水的积聚，形成不断扩大的水滴。流道中形成的水滴基本上与反应气体的流动垂直。随着水滴的尺寸增加，流道封闭，由于流道在共同出入口歧管之间是平行的，反应气体转向到另外的流道。因为反应气体可能不会流过被水阻塞的通道，因此反应气体不能将水推动出通道。由于通道阻塞，那些未接收到反应气体的膜区将不产生电，从而导致不均匀的电流分配，降低燃料电池的总体效率。随着越来越多的流道被水阻塞，燃料电池产生的电减少，其中电池电压电势少于200mV时，认为电池失效。由于燃料电池是被串联在一起，如果燃料电池中一个停止运行，整个燃料电池堆可能停止运行。
通常可通过定期迫使反应气体以较高流速通过流道，以清除流道中积聚的水。然而，在阴极侧，这增加应用于空气压缩机的寄生电能，因此降低总体的系统效率。此外，还有很多不使用氢燃料作为吹扫气体的原因，包括经济性被降低、系统效率被降低、和处理废气流中提高的氢浓度从而增加系统复杂性。
通过降低入口湿气同样可达到降低通道中积聚的水。然而，在阳极和阴极反应气体中提供一些相对湿度是必要的，从而使得燃料电池中的膜保持湿润。干燥的入口气体对膜有干燥效果，可增加电池的离子电阻，并限制膜的长期耐用性。
本领域已建议使燃料电池双极板具有亲水性以改善通道水传输。亲水性板促使通道中的水形成薄膜，薄膜具有较少趋向来改变沿连接到共同出入口集管的通道阵列的流动分布。如果板材料足够可湿，通过扩散介质传输的水将接触通道壁，然后，通过毛细作用力，顺着通道的长度传输到通道的底部角落里。支持流道角中自然湿润的物理要求由Concus-Finn条件描述，
Figure A200810184248D00061
其中β为静态接触角度，α为通道角角度。对于α/2＝45°的矩形通道，指示静态接触角度小于45°时，将发生自然湿润。用于具有复合两极板的、当前的燃料电池堆设计中的大致矩形通道，这对实现亲水性板表面对通道水传输和低负载稳定性的有益效果所需要的接触角度设定了近似的上限，。
在PEM燃料电池堆运行中，两极板上亲水涂覆层的益处已经通过使用多种涂覆层测试证明，例如铬酸腐蚀和二氧化硅(SiO2)。与具有未处理的两极板的燃料电池堆的运行相比，这些测试已经显示低电压稳定性的明显改善。这些测试包含，通过将电池堆的负载从潮湿或干燥条件下的0.6A/cm2更换到潮湿或干燥条件下的0.1或0.05A/cm2，来评估低功率稳定性。如果更换到低负载120分钟后，没有电池电压下跌到300mV以下，就认为这个转换成功通过。然而，这些测试已经显示，两极板的流道中的极端亲水性表面，在电流密度为0.05Acm2及以下的潮湿条件下，仍然有一些稳定性问题。
特定燃料电池堆设计中，燃料电池阳极侧和阴极侧的反应气体流道，典型的，穿过电池密封区，在燃料电池的入口歧管和活性区，以及燃料电池的活性区和出口歧管之间转换。在这个电池密封区中，流道在密封件下穿过时有一个急转弯，工业中称为流道的管道区域。在双极板上提供亲水层的已知涂覆工艺，典型的为描准线沉积工艺，例如PVD，其中管道区域中的流道典型的未被亲水性材料涂覆。
发明内容
根据本发明的教导，公开了燃料电池的流场板或双极板，其包含形成在流场通道上的亲水涂覆层，亲水涂覆层延伸通过电池活性区和出入口歧管之间的管道区域。流场板是阴极侧单极板和阳极侧单极板的组装件。在单极板组装成流场板之前，亲水涂覆层被沉积到单极板上，从而使得描准线沉积工艺可用于涂覆管道区域中的流场通道。单极板可以是任何适当的燃料电池单极板，例如压印(stamped)的单极板或复合的单极板。
在以下叙述和附属的权利要求中，参见附图，本发明的其他特征将更加明显。
附图说明
图1是包含复合双极板的燃料电池的一部分的截面视图，显示在阴极入口歧管和电池活性区之间的密封区域处的流道管道区域，其中根据本发明实施方式，单极板包含在板各侧上的亲水层。
图2是包含复合双极板的燃料电池的一部分的截面视图，显示在阳极入口歧管和电池活性区之间的密封区域处的流道管道区域，其中根据本发明实施方式，单极板包含在板各侧上的亲水层。
图3是包含压印双极板的燃料电池的一部分的截面视图，显示在阴极入口歧管和电池活性区之间的密封区域处的流道管道区域，其中根据本发明实施方式，单极板包含在板各侧上的亲水层。
图4是包含压印双极板的燃料电池的一部分的截面视图，显示在阳极入口歧管和电池活性区之间的密封区域处的流道管道区域，其中根据本发明实施方式，单极板包含在板各侧上的亲水层。
具体实施方式
下文讨论本发明的实施方式，用亲水性材料在流道管道区域中涂覆燃料电池双极板涂层的方法，该讨论本质仅为示范，决不意味限制本发明或其应用或用途。
如上文的讨论，燃料电池堆典型的包含密封件，密封件沿着电池堆的活性区周边延伸，并在电池堆歧管和各燃料电池活性区之间延伸，以防止气体从电池堆中泄露。为使阴极流、阳极流和冷却流体流从各自的入口歧管到燃料电池活性区流道，以及从活性区流道到各自的出口歧管，有必要使流道在不影响密封整体性的情况下穿过密封区。典型的，在密封件周围提供穿过双极板的孔，这需要流道的弯曲，从而使得孔与活性区中的流道排列成行。阴极和阳极流道中的弯曲提供水可积聚和留存的区域，具有关闭流道和降低反应气体流的倾向。
本领域已知的，在双极板上沉积涂覆层使板在燃料电池环境中导电、抗腐蚀、亲水和/或稳定。在一个实施方式中，亲水涂覆层为金属氧化物。用作亲水涂覆层的合适金属氧化物包括，但不限于，二氧化硅(SiO2)、二氧化铪(HfO2)、二氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锡(SnO2)、五氧化二钽(Ta2O5)、五氧化二铌(Nb2O5)、二氧化钼(MoO2)、二氧化铱(IrO2)、二氧化钌(RuO2)及其混合物。
金属氧化物可被掺杂以使其导电。合适的掺杂剂可从能造成合适点缺陷的材料中选择，例如N、C、Li、Ba、Pb、Mo、Ag、Au、Ru、Re、Nd、Y、Mn、V、Cr、Sb、Ni、W、Zr、Hf等及其混合物。在一个具体的实施方式中，掺杂的金属氧化物为铌(Nb)和钽(Ta)掺杂的氧化钛(TiO2)，氟(F)掺杂的氧化锡(SnO2)。涂覆层中掺杂剂的量可在涂覆层的成分的0-10％的范围内。
在另一个实施例方式中，亲水涂覆层是在燃料电池环境中导电、抗腐蚀、亲水和稳定的碳化物。合适的碳化物包括，但不限于，碳化铬、碳化钛、碳化钽、碳化铌和碳化锆。
在另一个实施方式中，亲水涂覆层可由铬酸腐蚀形成，铬酸腐蚀使板表面粗糙以增加其亲水性。
亲水性金属氧化材料可通过任何合适的技术沉积在双极板上，技术包括，但不限于，物理气相沉积(PVD)过程、化学气相沉积(CVD)过程、热喷涂过程和溶胶-凝胶。物理气相沉积过程的合适示例包含电子束蒸发、磁控溅射和脉冲等离子体过程。合适的化学气相沉积过程包含等离子体增强CVD和原子层沉积过程。
图1是燃料电池10的一部分的截面视图，该部分在由密封件12分开的阳极入口歧管(未显示)和电池活性区(未显示)之间。燃料电池10包含阳极侧复合单极板14和阴极侧复合单极板16。单极板14和16是相邻电池的双极板的一半，其中相邻燃料的电池单极板未显示。相邻燃料电池的单极板可通过任何合适的工艺而固定在一起，以形成完整的双极板，例如激光焊接。燃料电池10同样包含阳极侧扩散介质层18，阴极侧扩散介质层20和其间的膜22。阳极侧单极板14包含阳极流道24，阴极侧单极板16包含冷却流体流道26的一半，冷却流体流道的另一半由另一个单极板提供。单极板16同样包含阴极流道28。显而易见，阴极流道28延伸穿过包含孔32的管道区域30，从而使得流道28可在密封件12定义的密封区下延伸。
如上文的讨论，各种导电和亲水性材料沉积在双极板上，以提供通过流道24和28的反应气体流。然而，典型的，用于沉积亲水性材料的过程是在以某种形式将单极板焊接或粘附在一起以形成完整的双极板之后而执行的描准线沉积工艺。因此，这些过程典型的防止亲水性材料延伸到阴极流道28的孔32和管道区域30中。管道区域30为水趋向积聚的位置，并且没有亲水性材料，水积聚效果增加。
根据本发明，在单极板组装到一起之前，亲水性材料被沉积的单极板上，从而使得材料沉积在包含管道区域30的流道的所有区域。亲水层在阳极侧单极板14上用层34表示，在阴极侧单极板16上用层36表示。亲水层沉积在单极板14和16的所有表面上，从而使得将单极板组装成双极板时，层34和36将在冷却流体流道区域处彼此接触。
图2为燃料电池10的另一部分的截面视图，该部分在燃料电池10的阳极入口歧管(未显示)和活性区之间。密封件40在阳极入口歧管和活性区之间提供密封。显而易见，阳极流道24同样在密封件40周围急转弯，穿过孔44，进入管道区域42。显而易见，亲水层34提供为通过管道区域42。本领域技术人员应理解，在阳极出口歧管(未显示)和活性区之间，以及阴极出口歧管和活性区之间，管道区域同样涂覆有亲水性材料。
图3为燃料电池50的一部分的截面视图，该部分在由密封件68分开的燃料电池50的阴极入口歧管(未显示)和活性区之间。燃料电池50包含阳极侧压印金属单极板52和阴极侧压印金属单极板54。单极板52和54是相邻燃料电池的双极板的一半。相邻燃料电池72的阳极侧单极板70与单极板54组合以在燃料电池50和72之间提供完整的双极板。燃料电池50包含阳极侧扩散介质层56，阴极侧扩散介质层58和其间的膜60。阳极侧单极板52包含阳极流道62和冷却流体流道64。阴极侧单极板54包含阴极流道66。显而易见，阴极流道66延伸穿过单极板54中的孔84和管道区域78，阴极气体流在其中流过。
根据本发明，在单极板组装到一起之前，亲水性材料沉积在单极板上，从而使得亲水性材料沉积在包含管道区域78的流道的所有区域。这些层在阳极侧单极板52上用层74表示，在阴极侧单极板54上用层76表示。层74和76沉积在单极板52和54的所有表面上，从而使得将单极板组合到双极板中时，亲水层将在冷却流体流道区域处彼此接触。
图4为燃料电池50的另一部分的截面视图，该部分在燃料电池50的阳极入口歧管(未显示)和活性区之间。密封件80提供阳极入口歧管和活性区之间的密封。显而易见，阳极流道62同样在密封件80周围急转弯，穿过管道区域82。同样显而易见，亲水层74提供为通过管道区域82。本领域技术人员应理解，在阳极出口歧管(未显示)和活性区之间，以及阴极出口歧管(未显示)和激活用区之间，管道区域同样涂覆有亲水性材料。
前述讨论仅公开和描述本发明的实施例。本领域技术人员将容易的从这些讨论和从附图及权利要求中认识到，在不脱离由所附权利要求定义的本发明的精神和范围下，其中可进行多种变更、修改和变化。

Claims (22)

1、一种燃料电池，包括第一流场板和第二流场板，其中第一流场板包含反应气体流道，第二流场板包含反应气体流道，所述第一和第二流场板包含亲水层，该亲水层均覆盖第一和第二流场板两侧，并延伸穿过燃料电池活性区和燃料电池歧管之间的管道区域。
2、根据权利要求1所述的燃料电池，其中第一和第二流场板为压印板。
3、根据权利要求1所述的燃料电池，其中第一和第二流场板为复合板。
4、根据权利要求1所述的燃料电池，其中板材料为不锈钢。
5、根据权利要求1所述的燃料电池，其中第一和第二流场板为阳极侧单极板和阴极侧单极板，其中阳极侧单极板与相邻燃料电池的阴极侧单极板组合以形成完整的双极板，阴极侧单极板与相邻燃料电池的阳极侧单极板组合以形成完整的双极板。
6、根据权利要求1所述的燃料电池，其中亲水层为金属氧化物。
7、根据权利要求6所述的燃料电池，其中金属氧化物选自由二氧化硅(SiO2)、二氧化铪(HfO2)、二氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锡(SnO2)、五氧化二钽(Ta2O5)、五氧化二铌(Nb2O5)、二氧化钼(MoO2)、二氧化铱(IrO2)、二氧化钌(RuO2)和其混合物所组成的组。
8、根据权利要求6所述的燃料电池，其中掺杂金属氧化物以使其导电。
9、根据权利要求8所述的燃料电池，其中掺杂的金属氧化物选自由铌(Nb)和钽(Ta)掺杂的氧化钛(TiO2)、氟(F)掺杂的二氧化锡(SnO2)所组成的组。
10、根据权利要求1所述的燃料电池，其中亲水层由铬酸腐蚀形成，铬酸腐蚀使板的表面粗糙以增加其亲水性。
11、一种燃料电池，包括：
阳极侧流场单极板，其包含多个与反应气体对应的反应气体流道，所述阳极侧单极板包含亲水层，该亲水层覆盖阳极侧单极板两侧，并延伸穿过燃料电池活性区和燃料电池阳极歧管之间的管道区域；
阴极侧流场单极板，其包含多个与反应气体对应的反应气体流道，所述阴极侧单极板包含亲水层，该亲水层覆盖阴极侧单极板两侧，并延伸穿过燃料电池活性区和燃料电池阳极歧管之间的管道区域。
12、根据权利要求11所述的燃料电池，其中阳极侧和阴极侧单极板为压印板。
13、根据权利要求11所述的燃料电池，其中阳极侧和阴极侧单极板为复合板。
14、根据权利要求11所述的燃料电池，其中阳极侧和阴极侧单极板为不锈钢。
15、根据权利要求11所述的燃料电池，其中亲水层为金属氧化物。
16、根据权利要求11所述的燃料电池，其中亲水层由铬酸腐蚀形成，铬酸腐蚀使板的表面粗糙以增加其亲水性。
17、一种燃料电池流场板的制造方法，所述方法包括：
提供包含多个反应气体流道的第一单极板结构；
在第一单极板结构上沉积亲水涂覆层；
提供包含多个反应气体流道的第二单极板结构；
在第二单极板结构上沉积亲水涂覆层；以及
组装第一和第二单极板形成完整的流场板，其中亲水涂覆层延伸穿过流场板的管道区域。
18、根据权利要求17所述的方法，其中提供第一和第二单极板包含提供复合的第一和第二单极板。
19、根据权利要求17所述的方法，其中提供第一和第二单极板包含提供压印的第一和第二单极板。
20、根据权利要求19所述的方法，其中提供压印的第一和第二单极板包含提供不锈钢的第一和第二单极板。
21、根据权利要求17所述的方法，其中在第一和第二单极板上沉积亲水涂覆层包含在第一和第二单极板上沉积金属氧化物。
22、根据权利要求17所述的方法，其中在第一和第二单极板上沉积亲水涂覆层包含用铬酸腐蚀以使第一和第二单极板的表面粗糙。
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