CN102456894A - 用于电化学电池的双极板 - Google Patents

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CN102456894A CN2011103068248A CN201110306824A CN102456894A CN 102456894 A CN102456894 A CN 102456894A CN 2011103068248 A CN2011103068248 A CN 2011103068248A CN 201110306824 A CN201110306824 A CN 201110306824A CN 102456894 A CN102456894 A CN 102456894A
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Abstract

在一个实施例中，本发明提供一种包括双极板的电化学电池，如燃料电池。所述双极板包括限定至少一个通道宽度不大于1.0毫米的流道的金属基材；且所述金属基材包含比不锈钢SS316L更便宜的不锈钢材料。在某些情况中，所述通道宽度为0.7至0.9毫米。在某些其他情况中，所述流道具有0.3至0.5毫米的通道深度。在其他情况中，所述板基材包含不锈钢SS301、不锈钢SS302或它们的组合。在另一实施例中，所述电化学电池还包括紧邻所述双极板设置的气体扩散层。

Description

用于电化学电池的双极板
技术领域
本发明涉及用于电化学电池的双极板。
背景技术
电化学电池(如燃料电池)通常包括两个电极、两个双极板，以及电解质。特别地，两个电极(阳极和阴极)设置于两个双极板之间。电解质夹在两个电极之间。所得结构依次包括第一双极板、阳极、电解质、阴极，以及第二双极板。为了更高的能量输出，可将一个或多个这种燃料电池堆积在一起以形成燃料电池堆。
在燃料电池技术领域中，日益需要具有更高性能和更长寿命的燃料电池堆。然而，由于过高的材料成本和/或在可成形性、可制造性或耐蚀性方面不尽如人意的性能，常规双极板遭受有限的用途。
发明内容
在本发明的一个方面，提供了一种电化学电池，如燃料电池。在一个实施例中，所述电化学电池包括双极板，所述双极板包括限定至少一个具有通道宽度的流道的金属基材，其中所述金属基材包含比不锈钢SS316L更便宜的不锈钢材料，且所述通道宽度不大于1.0毫米。在某些情况中，所述通道宽度为0.2至1.0毫米、0.4至1.0毫米，或0.6至1.0毫米。在某些其他情况中，所述通道宽度为0.7至0.9毫米。
在另一实施例中，所述流道具有0.2至0.7毫米的通道深度。在某些情况中，所述流道具有0.3至0.5毫米的通道深度。
在又一实施例中，所述板基材包括第一和第二流道，其中流道的至少一个具有0.7至0.9毫米的通道宽度，且另一个具有0.3至0.5毫米的通道深度。
在又一实施例中，所述板基材包含不锈钢SS301、不锈钢SS302、不锈钢SS304、不锈钢SS321、不锈钢SS347或它们的组合。
在又一实施例中，所述电化学电池还包括紧邻所述双极板设置的气体扩散层。
在又一实施例中，所述板基材还包括涂层。
附图说明
图1A和1B各自表示根据一个或多个实施例的燃料电池的透视图；
图2表示图1的燃料电池的横截面图；
图3表示两个或更多个图1的燃料电池的堆积的横截面图；以及
图4表示图1的燃料电池的双极板的放大横截面图。
具体实施方式
现在详细提及本发明人已知的本发明的组合物、实施例和方法。然而，应了解所公开的实施例仅为本发明的示例，其可以以多种可选择的形式实施。因此，本文公开的具体细节不应解释为限制性的，而仅应解释为用于教导本领域技术人员以不同方式实施本发明的代表性基础。
除非特别指出，在描述本发明的最宽范围时，本说明书中表示材料含量或反应条件和/或用途的所有数值应理解为被词语“约”修饰。
与本发明的一个或多个实施例相关的适用于给定目的的一组或一类材料的描述暗示所述组或类的成员的任意两个或更多个的混合物是合适的。在化学方面成分的描述指的是在加入说明书中所指定的任意组合之时的成分，且不必排除在混合时混合物的成分中的化学相互作用。首字母缩略词或其他缩写的第一次定义适用于相同缩写的本文的所有后续使用，且如作适当变动，也适用于最初定义的缩写的常规语法变化。除非有明确的相反说明，否则性质的测量通过对于相同性质之前和之后引用的相同技术进行确定。
在一个或多个实施例中，术语“电化学电池”指能够从化学反应衍生电能的装置，或者能够通过引入电能而促进化学反应的装置。所述电化学电池可包括不可充电的原电池、可充电蓄电池或它们的组合。对于原电池，当反应物的初始供应耗尽时，不能通过电气装置将能量容易地恢复至电化学电池。对于蓄电池，化学反应可通过将电能供应至电池而得以逆转，从而恢复蓄电池的原始组成。电化学电池的一个非限制性的例子为燃料电池。
根据本发明的一个方面，如图1A和1B所示，诸如燃料电池的电化学电池通常示于100处。在一个实施例中，如图1所示，燃料电池100包括一对双极板122和124，所述双极板分别在其上形成流道126和128。所述流道126、128可以以预设间隔在双极板122和124的每一个的两侧上形成。所述燃料电池100也包括设置于双极板122和124之间的离子交换膜134。第一电极如燃料电极130设置于离子交换膜134和双极板122之间，且第二电极如空气电极132设置于离子交换膜134和双极板124之间。双极板122和124电连接第一和第二电极130、132，并降低或防止燃料和空气(氧化剂)的混合。如下文所详细描述，流道126和128在首尾连接的电池中用作空气和燃料的通路。就双极板122、124的相对取向而言，图1A的燃料电池100不同于图1B的燃料电池100。
在另一实施例中，如图2所示，图1的燃料电池100的横截面图通常示于200处。离子交换膜234夹在第一和第二电极230、232中间。在该构造中，第一电极230包括第一气体扩散层230a和第一催化剂层230b；且第二电极232包括第二气体扩散层232a和第二催化剂层232b。在电极230、232外部分别为第一和第二双极板222、224。在双极板222、224的再外部分别为第一和第二集电板238、236。
在操作中，如图2所示，使含氢燃料与第一电极230接触；并使含氧空气与第二电极232接触。氢离子通过离子交换膜234移动至第二电极232侧，而电子经由外电路(未显示)移动至第二电极232侧。在第二电极232中，氧气、电子和氢离子反应生成水。
当将反应物气体分别进料至电极230、232时，据信形成包括气相(反应物气体)、离子导电相和电子导电相的三相界面。如图2所示，电化学反应包括如下：在第一电极侧H2→2H++2e-。在第二电极侧：1/2O2+2H++2e-→H2O。在第一电极侧上形成的氢离子(H+)通过固体聚合电解质膜迁移至第二电极侧，而电子通过外负载迁移至第二电极侧。在另一方面，在第二电极侧，包含于氧化剂气体中的氧气与来自第一电极侧的H+离子和电子反应而形成水。因此，燃料电池从氢气和氧气产生直流电，同时形成水。
在又一实施例中，如图3所示，两个或更多个图1的燃料电池100可首尾相连而形成燃料电池堆，所述燃料电池堆的横截面通常示于300处。一对集电板236、238显示包含于堆300中。
在另一实施例中，如图4所示，双极板222或224的放大横截面图通常示于400处。双极板400包括具有第一表面402a和第二表面402b的板基材406。所述第一表面402a在点408a和408b处接触相邻的气体扩散层404，在其间限定了流道412。通道宽度“CS”可定义为点408a和408b之间的横向直线距离。流道412的非限制性特征为在414处所示的基本上平坦的部分的设计，所述基本上平坦的部分具有中点410。通道深度“CD”可定义为点408a或408b与中点410之间的纵向直线距离。
在一个或多个实施例中，如图4所示，流道412的通道宽度“CS”不大于1.0毫米。在某些情况中，通道宽度“CS”为0.2至1.0毫米、0.3至1.0毫米、0.4至1.0毫米，或0.5至1.0毫米。在某些特定情况中，流道412的通道宽度“CS”为0.6至1.0毫米，或为0.7至0.9毫米。
不希望受限于任何特定的理论，据信这些相对较小的通道宽度值可有利地协助扩大燃料电池的一个或多个结构参数的设计窗口。优选使用某些低刚度气体扩散层(GDL)以提高膜电极组件(MEA)的可制造性。这些低刚度GDL常常在相对较高的电流密度下显示更高的燃料电池性能。这些低刚度GDL常常由于它们相对较低的刚度而仅与某些双极板(如具有相对较窄通道宽度的双极板，例如小于或等于1.0毫米)联合使用。使用诸如不锈钢材料SS316L的常规金属双极板材料来产生这些通道尺寸并不随时可能。不希望受限于任何特定理论，据信当这些低刚度GDL与常规SS316L联合使用时，它们趋于向SS316L的相对更宽的通道移动，且有时压印(emboss)在SS316L的相对更宽的通道上。由于所述GDL压印，流道随时间变得越来越收缩，电化学活性最终消失。
根据本发明的一个或多个实施例，通道宽度小于或等于1.0毫米的双极板有效地使得低刚度GDL在电化学电池中的使用成为可能。
在一个或多个实施例中，术语“不锈钢”或“不锈钢材料”指一种或多种不锈钢级别类型。当存在腐蚀或氧化问题时，可使用不锈钢。由于成本原因，不锈钢实现的功能不可能被其他材料所复制。例如，普通级不锈钢含有最多0.08％的碳，且无最少碳含量要求。还例如，“L”级可提供改进的焊后耐蚀性。在某些特定情况中，L级的碳保持在0.03％或更低。还例如，“H”级含有最少0.04％的碳和最多0.10％的碳，并在合金之后用字母“H”标出。在某些特定情况中，当材料将在极端温度下使用时，主要使用“H”级，因为更高的碳有助于材料在极端温度下保持强度。
不希望受限于任何特定理论，据信在各个级别的不锈钢材料中降低的碳含量有助于降低碳化物沉淀。当加热至某些高温温度如800°F至1600°F时，钢中的碳可沉淀出来而与铬结合，并在晶界积聚。这夺去了钢的固溶体中的铬，并促进了晶界附近的腐蚀。通过控制碳的量，可降低碳诱发的腐蚀。
表1显示了根据一个或多个实施例的多种不锈钢材料类型的非限制性的样品组成。如表1所示，不锈钢SS301可包含不大于0.15％的碳(C)、不大于2.00％的锰(Mn)、不大于0.045％的磷(P)、不大于0.030％的硫(S)、不大于1.00％的硅(Si)、16.0至18.0％之间的铬(Cr)、6.0至8.0％之间的镍(Ni)。标记“-”表示不可测的量。
表1
Figure BDA0000097839410000051
在一个或多个实施例中，板基材406包含比不锈钢SS316L更便宜的不锈钢材料。术语“更便宜”指相对于不锈钢SS316L包含更少的镍、更多的碳或上述两者的不锈钢材料。不希望受限于任何特定理论，据信具有增加量的碳和/或减少量的镍的不锈钢材料相对更便宜。
在某些特定情况中，板基材406包含不锈钢SS301、不锈钢SS302、不锈钢SS304、不锈钢SS321、不锈钢SS347或它们的组合。
在又一实施例中，不锈钢材料SS301具有0.10至0.20重量％，或0.13至0.17重量％的碳浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS301具有14.0至20.0重量％、15.0至17.0重量％，或16.0至18.0重量％的铬浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS301具有4.0至10.0重量％、5.0至9.0重量％，或6.0至8.0重量％的镍浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS301的成形极限图(FLD)在主应变方向显示大于0.45、0.50、0.55、0.60或0.65的值。在某些情况中，当在相同的成形极限图上表示时，不锈钢材料SS301具有比不锈钢材料SS304L更高的成形极限曲线(FLC)。不希望受限于任何特定理论，据信SS301的相对更高的显示马氏体相变的能力有助于其更高的FLC。
在又一实施例中，不锈钢材料SS302具有0.10至0.20重量％，或0.13至0.17重量％的碳浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS302具有15.0至21.0重量％、16.0至20.0重量％，或17.0至19.0重量％的铬浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS302具有6.0至12.0重量％、7.0至11.0重量％，或8.0至10.0重量％的镍浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS304具有0.05至0.11重量％、0.06至0.10重量％，或0.07至0.09重量％的碳浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS304具有16.0至22.0重量％，17.0至21.0重量％，或18.0至20.0重量％的铬浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS304具有6.0至13.0重量％、7.0至12.0重量％，或8.0至11.0重量％的镍浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS309具有0.16至0.24重量％、0.17至0.23重量％，或0.18至0.22重量％的碳浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS309具有20.0至26.0重量％、21.0至25.0重量％，或22.0至24.0重量％的铬浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS309具有10.0至17.0重量％、11.0至16.0重量％，或12.0至15.0重量％的镍浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS309S具有0.05至0.11重量％、0.06至0.10重量％，或0.07至0.09重量％的碳浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS309S具有20.0至26.0重量％、21.0至25.0重量％，或22.0至24.0重量％的铬浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS309S具有10.0至17.0重量％、11.0至16.0重量％，或12.0至15.0重量％的镍浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS310具有0.22至0.28重量％、0.23至0.27重量％，或0.24至0.26重量％的碳浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS310具有22.0至28.0重量％、23.0至27.0重量％，或24.0至26.0重量％的铬浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS310具有17.0至24.0重量％、18.0至23.0重量％，或19.0至22.0重量％的镍浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS310S具有0.05至0.11重量％、0.06至0.10重量％，或0.07至0.09重量％的碳浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS310S具有22.0至28.0重量％、23.0至27.0重量％，或24.0至26.0重量％的铬浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS310S具有17.0至24.0重量％、18.0至23.0重量％，或19.0至22.0重量％的镍浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS317具有0.05至0.11重量％、0.06至0.10重量％，或0.07至0.09重量％的碳浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS317具有16.0至22.0重量％、17.0至21.0重量％，或18.0至20.0重量％的铬浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS317具有9.0至17.0重量％、10.0至16.0重量％，或11.0至15.0重量％的镍浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS321具有0.05至0.11重量％、0.06至0.10重量％，或0.07至0.09重量％的碳浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS321具有15.0至21.0重量％、16.0至20.0重量％，或17.0至19.0重量％的铬浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS321具有7.0至14.0重量％、8.0至13.0重量％，或9.0至12.0重量％的镍浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS347具有0.05至0.11重量％、0.06至0.10重量％，或0.07至0.09重量％的碳浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS347具有15.0至21.0重量％、16.0至20.0重量％，或17.0至19.0重量％的铬浓度。
在又一实施例中，不锈钢材料SS347具有7.0至14.0重量％、8.0至13.0重量％，或9.0至12.0重量％的镍浓度。
板基材406可具有任何合适的厚度。通常，更薄且因此更轻的金属片材相对更难形成以具有相对较深且较窄的通道。在某些情况中，板基材406具有0.08至0.15毫米、0.09至0.14毫米、0.10至0.13毫米，或0.11至0.12毫米的厚度。
在又一实施例中，除了不锈钢材料之外，板基材406还可包含一种或多种另外的合适的金属材料。用于板基材的另外的金属材料的非限制性的例子包括钛、钼、铜、锰、钴、锡、钨、铁、铝，它们的合金或它们的组合。这些另外的金属材料相对于不锈钢材料的特定比例可基于针对手边的项目的数个参数而容易地确定。这些参数可包括材料和制造成本、电导性和耐蚀性、材料可成形性和可制造性，以及材料级别、计量器和线圈宽度的可用性。
在一个或多个实施例中，术语“可成形性”指在制造板基材406时片材金属通过塑性变形进行成形的能力，因此可成形性主要是片材金属材料性质(如产率和极限拉伸强度、总伸长、n值和R值)的量度。
在一个或多个实施例中，术语“可制造性”指制造产品(例如将金属板结合成双极板、将双极板堆积成燃料电池堆，以及将燃料电池堆组装成燃料电池模块)的容易程度。
在又一实施例中，板基材406包括至少一个涂层。在某些情况中，板基材包括位于板基材本体侧面的第一和第二表面涂层。不希望受限于任何特定理论，据信所述涂层有助于降低界面电接触电阻和由于金属离子浸析而导致的膜中毒。
还发现可限定涂层材料选择策略，其中在以足够的可成形性和可接受的成本获得最佳耐蚀性和最低界面电接触电阻的策略中，设计用于相对较薄的涂层的材料，而在以足够的耐蚀性和燃料电池应用中所需的电化学性质获得最佳可成形性/可制造性和最低成本的策略中，选择用于相对较厚的片材金属的材料。这些材料选择策略允许优化各种功能材料的使用，适于利用每种材料的优点，同时使材料和加工成本达到最低。
非限制性的涂层材料包括铌、铂、钌、钯、铑、铱、金、银、碳或它们的任何合金和它们的组合。
板基材406上的涂层厚度可具有任何合适的值。在金涂层的情况中，厚度为8至100纳米、8至40纳米、8至20纳米，或8至12纳米。
在一个或多个实施例中，合金或金属合金指金属混合物，其中至少一个组分金属显示不同于各自的纯金属形式的金属原始结构的晶体结构。
双极板222、224可通过任何合适的方法制得。这些方法的非限制性的例子包括冲压、液压成形、绝热成形和它们的组合。
尽管详细描述了实施本发明的最佳方式，本发明相关领域技术人员将认识到由以下权利要求书所限定的用于实施本发明的各种替代设计和实施例。

Claims (20)

1.一种电化学电池，其包括：
包括限定至少一个流道的金属基材的双极板，其中所述至少一个流道包括不大于1.0毫米的通道宽度，且其中所述金属基材包含比不锈钢316L更便宜的不锈钢材料。
2.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述金属基材包含不锈钢材料，所述不锈钢材料具有不小于0.03重量％的碳、不大于24.0重量％的镍，或上述两者。
3.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述金属基材包含不锈钢SS301、SS302、SS304、SS309、SS309S、SS310、SS310S、SS317、SS321、SS347或它们的组合。
4.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述金属基材包含不锈钢SS301、SS302、SS304、SS321、SS347或它们的组合。
5.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述通道宽度为0.6至1.0毫米。
6.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述通道宽度为0.7至0.9毫米。
7.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述至少一个流道具有0.2至0.7毫米的通道深度。
8.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述至少一个流道具有0.3至0.5毫米的通道深度。
9.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述板基材限定第一流道和第二流道，所述第一流道和第二流道中的至少一个具有0.7至0.9毫米的通道宽度，且所述第一流道和第二流道中的至少另一个具有0.3至0.5毫米的通道深度。
10.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述板基材还包括设置于所述板基材的一侧或两侧上的涂层，所述涂层包含选自铌、铂、钌、钯、铑、铱、金、银、碳或它们的任何合金和它们的组合的涂层材料。
11.根据权利要求10所述的电化学电池，其中所述板基材包括涂层厚度为8至12纳米的含金涂层。
12.一种用于燃料电池的双极板，其包括：
金属基材，所述金属基材包含比不锈钢SS316L更便宜的不锈钢材料，并包括至少一个具有通道宽度的流道，所述通道宽度不大于1.0毫米。
13.根据权利要求12所述的双极板，其中所述金属基材包含具有不小于0.03重量％的碳的不锈钢材料。
14.根据权利要求12所述的双极板，其中所述金属基材包含具有不大于28.00重量％的铬的不锈钢材料。
15.根据权利要求12所述的双极板，其中所述通道宽度为0.7至0.9毫米。
16.根据权利要求12所述的双极板，其中所述至少一个流道具有0.3至0.5毫米的通道深度。
17.根据权利要求12所述的双极板，其中所述板基材包含不锈钢SS301、不锈钢SS302或它们的组合。
18.一种燃料电池，其包括：
包含不锈钢SS301、不锈钢SS302或它们的组合的双极板，所述双极板限定至少一个通道宽度为0.7至0.9毫米的流道。
19.根据权利要求18所述的燃料电池，其还包括紧邻所述双极板设置的气体扩散层。
20.根据权利要求18所述的燃料电池，其中所述至少一个流道具有0.3至0.5毫米的通道深度。
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