CN101499533A - 具有可变表面性质的燃料电池双极板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有可变表面性质的燃料电池双极板。本发明的一种实施方案包括第一燃料电池元件，其包括第一面、置于该第一面的至少第一部分上方的第一亲水涂层、和置于该第一面的至少第二部分上方的第二较不亲水的涂层。

Description

具有可变表面性质的燃料电池双极板
技术领域
[0001]本发明总的来讲涉及的领域包括燃料电池双极板(fuel cellbipolar plate)。
背景技术
[0002]燃料电池是包括阳极和阴极且在该阳极和阴极之间具有电解质的电化学装置。该阳极接收富氢气体或纯氢气，该阴极接收氧化剂，例如氧气或空气。氢气在阳极中离解产生游离质子和电子。质子通过电解质到达阴极，在阴极中质子与阴极中的氧和电子反应，生成水。来自阳极的电子不能通过该电解质。因此，电子在送到阴极之前被引导通过负载以做功。该功可以用于例如但不局限于开动车辆。
[0003]通常将数个燃料电池结合在燃料电池堆(fuel cell stack)中，以产生所需的能量。该燃料电池堆包括一系列双极板。双极板包括用于该电池堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。在该双极板的阳极侧上提供阳极气体流动通道，在该双极板的阴极侧上提供阴极气体流动通道。该双极板也可以包括用于冷却流体的流动通道。
[0004]该双极板通常是由导电材料，例如碳复合物或金属，制成的以使其将由燃料电池产生的电力从一个电池传导到下一个电池，直至传导到该电池堆的外面。双极板可以由可以进行冲压以提供反应物气体流场和冷却剂流体流场的较薄的金属基体或薄金属基体加工而成。
[0005]如本领域中公知的，大多数类型的燃料电池需要具有特定的相对湿度。在该燃料电池的操作过程中，由于被潮湿化的反应物气体或由于在阴极处生成的水，因此水分可能进入阳极流动通道和阴极流动通道。随着水滴尺寸的增大，将该流动通道封闭，反应物气体转向其他的流动通道，这是因为所述通道在共用的入口和出口歧管之间以通常平行的方向流动。因为反应物气体可以不流过被水堵塞的通道，因此该反应物气体不能将水推出该通道。随着越来越多的流动通道被水堵塞，该燃料电池产生的电力随之降低。因为该燃料电池是串联电连接的，因此如果其中一个燃料电池停止工作，那么整个燃料电池堆也可能停止工作。
[0006]通常能够通过周期性驱动该反应物气体以较高的流速通过流动通道以吹扫流动通道内累积的水。然而，在阴极侧上，这样提高了施加到空气压缩机上的寄生功率(parasitic power)，由此降低了系统总效率。而且，由很多原因造成不使用氢气燃料作为吹扫气，包括降低的经济、降低的系统效率和提高的用于处理在废气流中氢气浓度升高的系统复杂性。
[0007]也可以通过降低入口潮湿化来实现通道内累积水的减少。然而，在阳极和阴极反应物气体中提供某相对湿度(some relative humidity)以使该燃料电池中的膜保持水合是适宜的。干燥的入口气体对该膜具有干燥效应，这样可能提高该电池的离子阻抗(ionic resistance)并限制该膜的长期耐久性。
[0008]现有技术中已知用亲水涂层涂覆该双极板以降低水的累积。
发明内容
[0009]本发明的一种实施方案包括第一燃料电池元件，所述第一燃料电池部件包括基体，所述基体包括第一面、在该第一面的至少第一部分上方的第一亲水涂层、和在该第一面的至少第二部分上方的第二较不亲水的涂层。
[0010]从下文提供的详细描述中，本发明的其他示例性的实施方案将变得显而易见。应当理解该详细描述和特别实施例尽管示出了本发明的示例性实施方案，但旨在仅仅是示例目的，而并不意于限制本发明的范围。
附图说明
[0011]从详细描述和附图中，本发明的示例性实施方案将得到更充分的理解。
[0012]图1示出了依照本发明的一种实施方案的包括双极板的产品，该双极板包括亲水涂层。
[0013]图2示出了依照本发明的一种实施方案的包括双极板的产品，该双极板包括亲水涂层。
[0014]图3示出了依照本发明的一种实施方案的包括双极板的产品，该双极板包括亲水涂层和疏水涂层。
[0015]图4示出了依照本发明的一种实施方案的包括双极板的产品，该双极板包括亲水涂层。
[0016]图5示出了依照本发明的一种实施方案的包括双极板的产品，该双极板包括亲水涂层。
[0017]图6示出了依照本发明的一种实施方案的包括双极板的产品，该双极板包括亲水涂层和疏水涂层。
[0018]图7示出了依照本发明的一种实施方案的包括多个双极板和纺织品部分(a soft goods portion)的产品。
[0019]图8示出了燃料电池，所述燃料电池具有其中从平台(land)上除去亲水SiOx涂层的区域和其中在所述平台上具有亲水SiOx涂层的区域。
[0020]图9示出了如下双极板的液态水分布曲线：在通道和平台上具有亲水涂层的双极板、从所有平台上除去亲水涂层的双极板、和在流场的入口和出口附近的平台上除去亲水涂层的双极板。
具体实施方式
[0021]以下对实施方案的描述本质上仅为示例性的，绝不意于限制本发明、其应用或用途。
[0022]本发明的一种实施方案包括双极板，所述双极板具有可变表面性质以使低电阻和低累积水质量的有益效果最大化，其中该双极板具有超亲水性的通道底部和/或侧壁以及较不亲水的(或疏水的)平台，从而使产物水最大化地从扩散介质输送到通道中而不使电阻增大。在另一实施方案中，施加亲水涂层以使该燃料电池的气体入口区域比该电池的中心更亲水。
[0023]图1示出了产品10的一种实施方案，其可以是双极板12。该双极板12包括第一面20和第二面20’。在一种实施方案中，该双极板12可以包括两个片材19和21。该两个片材19和21可以是机械加工的或冲压的。该两个片材19和21可以例如通过焊接而彼此连接。该双极板12可以包括多种材料，包括但不局限于金属、金属合金和/或电导性复合物。该双极板12包括至少一部分由第一面20和第二面20’中的多个平台16和通道18限定的反应物气体流场。通道18可以由侧壁22和底壁24限定。可以在例如但不局限于该双极板12的中心提供冷却通道26。该冷却通道的部分可以由该双极板12的第三面28和第四面28’限定。在另一种实施方案中(未示出)，该双极板12可以是单件式双极板(a single piece bipolar plate)，具有通过中间钻出的冷却通道孔。
[0024]第一涂层30形成在该双极板12的至少一部分上。该第一涂层30可以形成在该双极板的整个表面(包括平台16和通道18)上，或者该涂层30可以选择性沉积在该双极板的部分上，例如仅在通道18上。该第一涂层30可以是亲水涂层，例如金属氧化物涂层，包括但不局限于二氧化硅(SiO2)、二氧化铪(HfO2)、二氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化锡(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)、亚稳态氧氮化物、非化学计量的金属氧化物、氧氮化物及其混合物，如美国专利申请号2006/0216571A1中所述。该第一涂层30可以是如美国专利申请号2006/0194095A1中所述的导体材料和金属氧化物的组合。该第一涂层30也可以是SiOx涂层。该第一涂层30可以通过例如物理气相沉积方法、化学气相沉积(CVD)方法、等离子体增强的CVD方法、热喷涂方法、溶胶-凝胶、喷涂、浸涂、刷涂、旋涂或丝网印刷方法形成。该第一涂层30的厚度以及由此的亲水性可以随着多次浸涂而提高。该第一涂层30的厚度可以为约50纳米～约1微米。
[0025]在低负载时，阳极和阴极流场板中的通道水累积可以显著影响燃料电池性能。在各种实施方案中，该涂层30是可以利用细节距流场(fine-pitch flow field)降低或消除低负载时的电压不稳定性的亲水涂层，这是由于产物水铺展成对板流动阻力几乎没有影响的薄膜。从该扩散介质中出来并进入流场通道内的水输送可能增加，而不增大电阻。在其它实施方案中，该涂层30可以通过降低会造成氢不足的在阳极通道中的全通道水堵塞(full-channel water slug)形成和在阳极扩散介质中的累积，而降低膜电极组件的电极中的碳腐蚀速率。在其它实施方案中，该涂层30可以通过使通道和扩散介质中累积水质量最小化而降低冷冻损害和冷冻启动时间(freeze start-up time)。
[0026]依照图2中所示的本发明的另一实施方案，可以在双极板12的部分上，例如在平台16上，选择性沉积掩模，以使通道18处于暴露状态。该第一涂层30选择性仅形成在通道18的侧壁22和底壁24上。然后将该掩模除去。在另一实施方案中，该第一涂层30可以形成在该双极板的整个表面上，包括平台16和通道18，然后可以从该双极板表面的选择部分上除去该涂层，例如从该双极板的平台16上除去。
[0027]依照图3中所示的本发明的一种实施方案，可以将掩模材料选择性沉积在双极板12的部分上，例如沉积在平台16上，而使通道18被暴露。第一涂层30选择性仅形成在通道18的侧壁22和底壁24上。然后将该掩模材料除去。包括比第一涂层亲水性差的且可以是疏水的涂层的第二涂层32可以形成在该双极板的平台16上。该第二涂层32可以通过例如物理气相沉积方法、化学气相沉积(CVD)方法、等离子体增强CVD方法、热喷涂方法、溶胶-凝胶、喷涂、浸涂、刷涂、旋涂或丝网印刷方法形成。该第二涂层32可以是PTFE。在本发明的另一实施方案中，该第二涂层可以在第一涂层之前形成。
[0028]依照图4中所示的本发明的另一实施方案，可以选择性在双极板12的部分上沉积掩模，例如在平台16和通道18的侧壁22上沉积，而使通道18的底壁24暴露。该第一涂层30选择性仅形成在该通道18的底壁24上。然后将该掩模从该平台16和通道18的侧壁22上除去。在另一实施方案中，该第一涂层30可以形成在该双极板的整个表面上，包括平台16和通道18，然后可以从该双极板的平台16和通道18的侧壁22上除去该第一涂层，而保留该通道18的底壁24上的第一涂层。
[0029]现在参照图5，本发明的另一实施方案包括双极板12，该双极板12包括第一薄金属片材40和第二薄金属片材42，其各自经过冲压并连接以提供多个平台16和通道18。可以在该第一金属片材40和第二金属片材42之间提供冷却通道26。冷却通道的部分可以由该双极板12的第三和第四面28、28’限定。该双极板12的第一和第二面20和20’可以具有在其上形成的第一涂层30。该第一涂层30可以如上所述形成。
[0030]依照图6中所示的本发明的另一实施方案，可以在双极板12的部分上选择性沉积掩模，例如在平台16上沉积，而使通道18暴露。仅在该通道18上选择性形成第一涂层30。然后除去掩模。可以在该双极板的平台16上形成包括导电性疏水涂层的第二涂层32。在另一实施方案中，该第二涂层32可以在第一涂层之前形成。
[0031]现在参照图7，该产品10包括两个间隔开的双极板12和在两者之间的纺织品部分(soft goods portion)50。该纺织品部分50可以朝向该双极板12的流场，其中该流场包括该双极板的平台16和通道18。该双极板12可以具有在该双极板的至少第一部分上方的第一涂层51，其中该第一部分可以是通道18。该双极板12可以具有在该双极板的至少第二部分上方的第二涂层53，其中该第二部分可以是平台16。该纺织品部分50可以包括聚电解质膜52，在该聚电解质膜52上方具有第一电极54a，例如阳极。微孔层56a可以位于该第一电极54a上方，第一气体扩散介质层58a可以位于该第一微孔层56a上方。类似地，第二电极54c，例如阴极，可以位于该聚电解质膜52下方。第二微孔层56c可以位于该第二电极54c下方，第二气体扩散介质层58c可以位于该第二微孔层56c下方。
[0032]在本发明的一种实施方案中，在活性区域平面(active areaplane)内该双极板12的亲水特征是变化的。例如，可以施加亲水涂层以使该气体入口区域比该燃料电池的中心更亲水。现在参照图8，该双极板12具有阴极入口60、阴极出口62、阳极入口64、阳极出口66、冷却剂入口68和冷却剂入口70。在活性区域72的所有部分中的通道都可以具有亲水SiOx涂层。该活性区域72包括其中从平台除去亲水SiOx涂层的部分74和其中在平台上具有亲水SiOx涂层的部分76。
[0033]进行中子射线照相术实验以显示在多种50cm2燃料电池中的水分布：其中双极板在通道和平台上都具有SiOx亲水涂层的燃料电池、其中双极板在通道上具有SiOx亲水涂层但其中亲水涂层已经从平台上去除的燃料电池、和其中双极板在通道上具有SiOx亲水涂层但其中亲水涂层已经从流场的入口和出口附近的平台上去除的燃料电池。图9是示出这些实验结果的曲线。现在参照图9，当亲水涂层从流场的入口和出口附近的平台上去除时，可以实现液态水在燃料电池中的最佳分布。图9还显示了对于在通道上具有亲水涂层但从所有平台上除去亲水涂层的双极板而言，与在平台和通道上都具有亲水涂层的双极板相比，液态水在燃料电池中的分布更好。
[0034]该双极板的完全涂覆(平台和通道)可以提高双极板和扩散介质之间的接触区域处的电阻。例如，基于160个板并且未处理的板的平均电阻为44.0mΩcm2的试样，平均厚度为80～100纳米的SiOx涂层增加了11.6mΩcm2的平均电阻。靠着高度亲水性涂覆的双极板平台放置高度亲水性的PTFE涂覆的扩散介质不会使产物水从该接触区域的排斥最大化，其对于降低传质阻力可能是有益的。
[0035]在多种实施方案中，使用亲水性通道和亲水性较差的平台可以实现水累积的最小化和最佳的燃料电池性能。对于其中已经从该阴极平台上将该亲水涂层除去的双极板，累积水的总质量较少。在其中该双极板的通道涂覆有SiOx亲水涂层且平台亲水性较差的燃料电池中，水可以更有效地从在该平台中的气体扩散介质层排出。尽管与未处理的双极板相比，在平台和通道上都有SiOx亲水涂层可以将总累积水质量降低55％，但是当从阴极平台上除去该SiOx亲水涂层时，总累积水质量可以再降低13％。
[0036]在涉及第一元件或层相对于第二元件或层的相对位置而使用术语“上方”、“在...上方”或“下方”、“在...下方”时，这应当表示该第一元件或层与该第二元件或层直接接触，或者在该第一元件或层和该第二元件或层之间插入另外的层或元件。
[0037]对本发明的实施方案的上述描述本身仅是示例性的，因此并不应认为其变体脱离了本发明的精神和范围。

Claims (24)

1.产品，包括：
第一燃料电池元件，包括第一面、位于所述第一面的至少第一部分上方的第一亲水涂层、和位于所述第一面的至少第二部分上方的第二较不亲水的涂层。
2.权利要求1的产品，其中所述第二涂层是疏水的。
3.权利要求1的产品，其中所述第二涂层包含PTFE。
4.权利要求1的产品，其中所述第一涂层具有约50纳米～约1微米的厚度。
5.权利要求1的产品，其中所述第二涂层具有约50纳米～约1微米的厚度。
6.权利要求1的产品，其中所述燃料电池元件包括双极板。
7.权利要求1的产品，进一步在第一面中包括反应物气体流场，所述反应物气体流场包括平台和通道。
8.权利要求7的产品，其中所述第一部分基本由所述通道的侧壁和底壁组成。
9.权利要求7的产品，其中所述第一部分基本由所述通道的底壁组成。
10.权利要求7的产品，其中所述第二部分包括所述平台。
11.权利要求1的产品，进一步包括：
第二燃料电池元件，包括第一面，和其中所述第一燃料电池元件和所述第二燃料电池元件各自包括双极板和限定在每一双极板的第一面中的反应物气体流场，所述反应物气体流场包括平台和通道；和
位于所述双极板之间且朝向所述流场的纺织品部分，其中所述纺织品部分包括在聚合物电解质膜的相对面上的阳极和阴极。
12.权利要求11的产品，其中所述第一面的第一部分包括气体入口区域。
13.权利要求12的产品，其中所述第一面的第一部分基本由所述气体入口区域内的通道的侧壁和底壁组成。
14.权利要求12的产品，其中所述第一面的第一部分基本由所述气体入口区域内的通道的底壁组成。
15.权利要求11的产品，其中所述第一面的第二部分包括所述第一面的中心。
16.权利要求15的产品，其中所述第一面的第二部分包括在所述第一面的中心的平台。
17.燃料电池元件的制备方法，包括：
提供包括第一面和限定在所述第一面内的反应物气体流场的基体；
在所述第一面的至少第一部分上形成第一亲水涂层；和
在所述第一面的至少第二部分上形成第二较不亲水的涂层，以使所述基体包括具有第一亲水涂层的选择性暴露部分和第二亲水涂层的选择性暴露部分的表面。
18权利要求17的方法，其中所述第二较不亲水的涂层是疏水涂层。
19.权利要求17的方法，其中形成第一涂层包括物理气相沉积方法、化学气相沉积(CVD)方法、等离子体增强的CVD方法、热喷涂方法、溶胶-凝胶、喷涂、浸涂、刷涂、旋涂或丝网印刷中的至少一种。
20.权利要求17的方法，其中形成第二涂层包括物理气相沉积方法、化学气相沉积(CVD)方法、等离子体增强的CVD方法、热喷涂方法、溶胶-凝胶、喷涂、浸涂、刷涂、旋涂或丝网印刷中的至少一种。
21.权利要求17的方法，进一步包括在所述第一涂层之前形成所述第二涂层。
22.燃料电池元件的制备方法，包括：
提供包括第一面和限定在所述第一面内的反应物气体流场的基体；
在所述第一面上形成第一亲水涂层；和
将所述第一亲水涂层从所述第一面的至少一部分上除去，以使所述基体包括具有所述第一亲水涂层的选择性暴露部分的表面。
23.权利要求22的方法，其中所述第一面的所述部分包括平台。
24.权利要求23的方法，其中所述第一面的所述部分包括在所述第一面的中心的平台。
25.燃料电池元件的制备方法，包括：
提供包括第一面和限定在所述第一面内的反应物气体流场的基体；
在所述第一面的第一部分上形成掩模；
在所述第一面上形成第一亲水涂层；和
除去所述掩模，以使所述基体包括在所述第一面的第二部分上的所述亲水涂层。
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