CN102088097A - 用于燃料电池的金属隔板和处理该金属隔板的表面的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于燃料电池的金属隔板，其被表面处理以具有高导电性和耐电化学腐蚀性，并且还提供一种用于处理该金属隔板的表面的方法。该金属隔板可以包括在隔板基体的表面上形成的无定形碳膜，该无定形碳膜通过热处理被碳化以增加sp2的比例。该表面处理方法可以包括：在隔板基体的表面上形成无定形碳膜；以及通过热处理使该无定形碳膜碳化。具有该金属隔板的燃料电池能够显示优异的性能。

Description

用于燃料电池的金属隔板和处理该金属隔板的表面的方法
技术领域
本发明涉及用于燃料电池的金属隔板，其具有高导电性和耐电化学腐蚀性，并且还涉及处理该金属隔板的表面的方法。
背景技术
典型地，用于燃料电池堆的隔板的作用是将氢和空气或氧供应至阳极或阴极，支撑膜电极组件(MEA)和气体扩散层(GDL)，将在阳极处生成的电子传输至阴极，并且去除由于生成电而产生的热和水。
隔板应该满足某些要求。例如，其应该具有优异的导电性和导热性、优异的化学性质和较低的氢透过性。一种提出的隔板是金属隔板。典型地，金属隔板通过将金属合金加工成金属片或金属泡沫的形式，并且用钯(Pd)、金(Au)、氮化铬(CrN)、氮化钛(TiN)涂敷的金属等处理金属合金的表面而制造。
然而，金属隔板的问题是金属离子可以由于电化学腐蚀作用而释放。释放的金属离子污染MEA，从而降低离子传导率，并且导致GDL中形成氧化物，从而阻止气体穿透电极，因此降低燃料电池的性能。此外，在金属隔板的表面上可能形成非导电性钝化膜，从而增加隔板与GDL之间的接触电阻，其可负面地影响燃料电池的性能。
一种提出的方法是处理金属隔板的表面以确保高的耐腐蚀性并且防止氧化膜形成。一种典型使用的表面处理方法是使表面氮化(使用Cr-TiN或CrN)。然而，氮化方法仍然不能提供满意的耐久性。
在此背景技术部分中公开的上述信息仅用于增强对本发明的背景技术的理解，并且因此其可能含有不形成在本国为本领域普通技术人员所公知的现有技术的信息。
发明内容
在一个方面，本发明提供一种用于燃料电池的金属隔板，该金属隔板包括在隔板基体的表面上形成的无定形碳膜，该无定形碳膜通过热处理被碳化以增加sp2的比例，使得该无定形碳膜具有导电性。
在另一个方面，本发明提供一种处理用于燃料电池的金属隔板的表面的方法，该方法包括：在隔板基体的表面上形成无定形碳膜；以及通过热处理使该无定形碳膜碳化以增加sp2的比例，从而使该无定形碳膜具有导电性。
要理解的是本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其他类似术语通常包括机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种艇和船的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢燃料车和其他代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。
以下讨论本发明的上述和其他方面和特征。
附图说明
现在将参考由附图所图示的某些示例性实施方式来详细说明本发明的上述和其他方面和特征，下面这些实施方式仅用于举例说明，并因此不是对本发明的限制，并且其中：
图1是图示根据本发明示例性的实施方式的用于燃料电池的金属隔板的表面处理方法的流程图。
图2是显示根据本发明示例性的实施方式的热处理后所发生的无定形碳膜的碳键合结构的变化的图。
图3是显示典型的隔板的示意图。
图4是显示根据本发明的实施例的金属隔板样品的界面接触电阻的测量的图。
图5显示经受本发明的表面处理方法的金属隔板的表面的图像。
应当理解，所附的附图并非必然是按比例的，而只是在一定程度上代表用于说明本发明的基本原理的各种优选特征的简化表示。本文所公开的本发明的具体设计特征包括，例如特定尺寸、方向、位置和形状，将部分取决于具体的既定用途和使用环境。
在附图中，涉及相同或等效的本发明的部分的附图标记贯穿附图的各个图。
具体实施方式
以下将参照本发明的各个实施方式进行详细说明，其实例在附图中显示且在以下说明。尽管本发明将结合示例性的实施方式进行说明，可以理解本说明书不意在将本发明限制为那些示例性的实施方式。相反，本发明意在不仅涵盖示例性的实施方式，还涵盖可以包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围中的各种替换形式、变更、等价形式和其他实施方式。
如本领域所公知，碳是地球上最丰富的元素之一，并且起到确定有机物质和无机物质的界限的作用。碳属于元素周期表中的第4族，并且是一种其内壳中没有电子的独特元素。此外，碳显示与属于同族的硅(Si)、锗(Ge)等非常不同的特性。
即，碳是第4族的独特元素，其以与原子轨道的sp3、sp2和sp杂化对应的三种键合状态存在，并且根据键合结构其具有从作为电超导体的富勒烯(C60)至作为绝缘体的金刚石和从具有低硬度的石墨至具有超硬度的金刚石的多种物理化学性质。
碳原子的键合形成处于热力学最稳定状态的石墨结构(100％sp2键合)，和形成在高温和高压下处于半稳定状态的金刚石结构(100％sp3键合)。
能够在室温下合成的无定形碳由于其低合成温度而具有提供导电性的sp2的石墨结构和提供绝缘性的sp3的金刚石结构的混合结构。因此，无定形碳具有如下物理化学性质，诸如类似于金刚石的高硬度、优异的耐磨性、润滑性、导电性、化学稳定性、和透光性，并且由多种烃类诸如CH4、C2H2和C6H6形成。
根据sp3和sp2的比例，无定形碳在导电性方面显示显著的差异，并且由于其电绝缘性而具有104至1014Ωcm的高电阻率(即，接触电阻)。
因此，根据本发明，用于燃料电池的金属隔板的表面涂敷以无定形碳并且经受热处理或激光束照射以赋予其导电性，由此形成导电的无定形碳膜。
图1是图示根据本发明的示例性实施方式的用于燃料电池的金属隔板的表面处理方法的流程图，而图2是显示根据本发明的示例性实施方式的热处理前后无定形碳膜的碳键合结构的变化的图。
为了使金属隔板满足燃料电池隔板所需的条件，必须使金属隔板具有高导电性和优异的耐电化学腐蚀性。由于无定形碳的耐电化学腐蚀性优异，因此通过本发明的表面处理方法增加无定形碳膜的导电性。
为此目的，如图1中所示，未被表面处理的金属隔板(此后称为“隔板基体”)的表面被清洗以去除任何氧化层，并且通过干法涂布在隔板基体上形成无定形碳膜(或金刚石相碳膜)。在此情况下，为去除氧化层，隔板基体的表面可以用酸性溶液清洗或通过离子刻蚀。典型地，无定形碳膜可以通过干法涂布使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、离子电镀、溅射、激光烧蚀或过滤真空弧沉积来形成。
在RF-PECVD或离子电镀中，使用碳氢化合物气体，诸如甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)或苯(C6H6)，并且在溅射、激光烧蚀或过滤真空弧沉积中，使用固体碳靶。
为了在隔板基体上形成致密的无定形碳膜，优选碳离子以50至500eV的偏置电压与膜生长表面(在其上形成无定形碳膜的隔板基体的表面)碰撞。
下一步，如图2中所示，在无定形碳膜中混合的金刚石结构(SP3)转变为石墨结构(SP2)，从而将高导电性赋予隔板基体上涂布的无定形碳膜。
为此目的，无定形碳膜在500℃或更高的温度下在氮(N2)和氩(Ar)的惰性气体气氛中被热处理。
此时，热处理温度越高，无定形碳膜中SP2的比例越高，并且由此无定形碳膜具有高导电性。如果无定形碳膜在低于500℃的温度下被热处理，则其没有导电性。
因此，通过在上述条件下热处理可以在隔板基体的表面上形成具有高导电性和优异的耐电化学腐蚀性的无定形碳膜。
由于无定形碳膜以无定形固体膜的形式形成在隔板基体的表面上，其厚度受形成期间生成的高残余应力的限制。因此，如果其形成至少几μm的厚度，则会破坏其本身，尽管其取决于形成方法。
因此，在本发明中，通过适当地控制涂敷时间和偏置电压可以将无定形碳膜形成为2μm或更小的厚度。
图3是显示典型隔板的示意图。
除了上述热处理以外，通过激光束照射可以增加在隔板基体上形成的无定形碳膜的导电性。
当通过热处理增加金属隔板的导电性时，整个表面被碳化并且转变为石墨结构。然而，当通过激光束照射增加金属隔板的导电性时，仅金属隔板的选择区域，例如，图3中金属隔板的反应区可以转变为石墨结构。
此外，当通过激光束照射增加金属隔板的导电性时，能够通过调节照射时间或激光束的强度来控制无定形碳膜的厚度。
使激光束选择性地照射需要导电性的金属隔板的反应区的方法，可以通过本领域普通技术人员所知晓的任何方法进行，并且因此将省略其详细的描述。
因此，当使用激光束将导电性赋予无定形碳膜时，仅涂布在需要导电性的金属隔板的反应区上的无定形碳膜被碳化并且转变为石墨结构，并且金属隔板的剩余区域，诸如歧管区和外边缘具有金刚石结构的无定形碳膜。因此，能够选择性地处理用于燃料电池的金属隔板的表面，并且由此能够增加性能和耐久性。
下面的实施例说明本发明并且不意在限制本发明。
实施例
由不锈钢(STS)制成的隔板基体的表面用硝酸和盐酸的混合溶液清洗以去除隔板基体的任何氧化层。
下一步，通过PECVD在各块隔板基体上形成无定形碳膜，由此制备6个金属隔板样品。
样品在氮和氩的惰性气体气氛中分别在300℃、400℃、500℃、550℃、600℃和700℃的温度下热处理。
测试例
在实施例中热处理的各块金属隔板的界面接触电阻根据向其施加的压缩力(compaction force)来测量。
此外，由不锈钢(STS)制成且没有无定形碳膜的隔板基体以及石墨隔板的界面接触电阻根据向其施加的压缩力来测量。
通常，在隔板与GDL之间形成界面接触电阻，并且具有优异的界面接触电阻的隔板可以将在阳极处生成的电子传递至阴极而没有损失。因此，如果界面接触电阻减小，能够增加隔板的导电性。
为此，在本发明的测试例中，测量了各块金属隔板样品、石墨隔板和由不锈钢(STS)制成的隔板基体的界面接触电阻。测量结果显示在图4中，并且定量测量值显示在下表1中：
[表1]
  样品名称   150N/cm2时的接触电阻(mΩ.cm2)
  石墨隔板   1.472
  STS隔板基体   54.368
  在700℃下热处理的样品   1.648
  在600℃下热处理的样品   5.464
  在550℃下热处理的样品   10.648
  在500℃下热处理的样品   54.448
  在400℃下热处理的样品   21337.15
  在300℃下热处理的样品   21597.15
如图4中所示，在700℃下热处理的金属隔板样品显示与石墨隔板相同的界面接触电阻，在550℃下热处理的金属隔板样品显示10mΩ·cm2或更低的界面接触电阻，该值是燃料电池隔板所需的最低水平，并且在500℃下热处理的金属隔板样品显示与由不锈钢(STS)制成的隔板基体相同的界面接触电阻。
因此，可以看出将导电性赋予无定形碳膜的金属隔板的热处理温度为至少500℃。
此外，当金属隔板的热处理温度增加时界面接触电阻降低，并且因此可以看出无定形碳膜中SP2的比例增加。
图5显示了经受本发明的表面处理方法的金属隔板的表面的图像，其中(a)显示隔板基体的表面，(b)显示其上形成无定形碳膜的金属隔板的表面，并且(c)显示在600℃下热处理的金属隔板的表面。
如上所述，本发明提供了用于燃料电池的金属隔板，其中具有优异的耐腐蚀性和耐电化学腐蚀性的无定形碳膜在隔板基体的表面上形成，并且该无定形碳膜在500℃或更高的温度下热处理以具有燃料电池隔板所需的导电性。
因此，能够增加金属隔板的耐电化学腐蚀性以防止在金属隔板中形成金属氧化物，并且避免金属隔板的腐蚀，由此提高了燃料电池的性能。
已经参照其优选实施方式详细说明了本发明。然而，本领域技术人员可以理解，在不偏离本发明的原理和精神的情况下，其范围由所附权利要求及其等价形式所限定，可以对这些实施方式做出改变。

Claims (6)

1.一种处理用于燃料电池的金属隔板的表面的方法，所述方法包括：
在隔板基体的表面上形成无定形碳膜；以及
通过热处理使所述无定形碳膜碳化以增加sp2的比例，其使所述无定形碳膜具有导电性。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述无定形碳膜的热处理温度为500℃或更高。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述无定形碳膜形成为具有2μm或更小的厚度。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述无定形碳膜在氮和氩的惰性气体气氛中热处理。
5.一种处理用于燃料电池的金属隔板的表面的方法，所述方法包括：
在隔板基体的表面上形成无定形碳膜；以及
通过激光束处理使所述无定形碳膜碳化以增加sp2的比例，其使所述无定形碳膜具有导电性。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述无定形碳膜形成为具有2μm或更小的厚度。
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