[發明專利]雙極板的親水性表面改性

無效

• 申請號: 200580038664.6
• 申請日: 2005-10-18
• 公開（公告）號: CN101057350A
• 公開（公告）日: 2007-10-17
• 發明（設計）人: M·H·阿布德埃爾哈米德;G·維亞斯;Y·－T·程;R·H·布倫克
• 申請（專利權）人: 通用汽車公司
• 主分類號: H01M2/00
• 分類號: H01M2/00;H01M2/14;H01M2/02;B05D5/12
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 溫大鵬;廖凌玲

技術領域

本發明涉及產生電力從而向車輛或其它機械設備供電的燃料電池。更具體而言，本發明涉及具有親水性涂層的雙極板以及用于使燃料電池中雙極板的表面具有親水性從而增強雙極板的可濕性并且增強燃料電池的水管理能力的方法。

背景技術

近年來，大部分是由于燃料電池的效率的原因，因此對燃料電池技術產生了很大的興趣。燃料電池已顯示具有高達55％的效率。此外，燃料電池動力設備對環境友好，僅排放出熱量和作為副產物的水。

聚合物電解質膜(PEM)燃料電池堆典型地包括被夾在氣體擴散介質之間的中心膜電極組件(MEA)。膜電極組件和氣體擴散介質被夾在一對雙極板之間。所述雙極板上設有通過氣體擴散介質將反應氣體傳輸至膜電極組件并從膜電極組件傳輸回產物氣體的流場通道，以及傳輸冷卻劑的冷卻劑通道。雙極板表面位于所述通道之間的區域被公知為槽脊并且鄰接相應的氣體擴散介質。所希望的是：雙極板，特別是燃料電池堆陰極側上面的雙極板的表面具有親水性，從而利于在PEM燃料電池堆內實現最佳水管理。

因此，需要具有親水性涂層的雙極板以及使雙極板的表面具有親水性的方法，從而增強PEM燃料電池堆中的水管理。

發明內容

本發明主要涉及具有親水性涂層的雙極板以及在雙極板上，特別是在燃料電池堆的陰極雙極板上設置親水性涂層的方法。在一個實施例中，該親水性涂層是二氧化硅。在另一個實施例中，該親水性涂層是氧化鈦。在又一個實施例中，該親水性涂層是二氧化硅和氧化鈦。該親水性涂層增強了雙極板通道表面的可濕性，由此增強了燃料電池堆的水管理、性能、耐久性和效率。在采用多種方法中的任一種方法將所述涂層施涂到雙極板上的過程中，可使用掩模以覆蓋雙極板上的槽脊從而利于對雙極板的通道表面進行選擇性涂覆。

附圖說明

下面，通過實例并結合附圖對本發明進行描述，在所述附圖中：

圖1是具有根據本發明的親水性涂層的雙極板的剖面視圖；

圖1A是雙極板的局部剖面視圖，圖中示出了在施涂親水性涂層之后設置在雙極板槽脊表面上的導電涂層；和

圖2是包括具有本發明的親水性涂層的雙極板的燃料電池堆的剖面視圖。

具體實施方式

本發明考慮的是具有親水性涂層的雙極板。在一個實施例中，該親水性涂層是二氧化硅。在另一個實施例中，該親水性涂層是氧化鈦。在又一個實施例中，該親水性涂層是二氧化硅和氧化鈦。該親水性涂層增強了雙極板通道表面的可濕性，由此增強了燃料電池的水管理、性能、耐久性和效率。

本發明進一步考慮的是在雙極板上，特別是在燃料電池堆的陰極雙極板上設置親水性涂層的方法。該方法包括：采用包括但不限于化學氣相沉積、物理氣相沉積或等離子聚合等多種方法中的任一種方法將二氧化硅親水性涂層施涂到表面，特別是雙極板的通道表面上。該方法進一步包括：采用包括但不限于電化學方法、濺射沉積、化學氣相沉積或反應電子束蒸發等多種方法中的任一種方法將氧化鈦親水性涂層施涂到雙極板上。該方法可進一步包括：將二氧化硅親水性涂層和氧化鈦親水性涂層施涂到雙極板上。在將涂層施涂到雙極板上的過程中，可使用掩模以覆蓋雙極板上的槽脊并且利于對雙極板的通道表面進行選擇性涂覆。其后，所述槽脊上可被涂覆一薄層的金或聚合導電碳涂層。

二氧化硅和氧化鈦已顯示具有可以優化雙極板的性能的親水特性。二氧化硅和氧化鈦在25攝氏度條件下的擴張壓力分別為336達因/平方厘米和300達因/平方厘米。擴張壓力的這些較大的數值表明二氧化硅和氧化鈦具有相當高的表面能，這使得二氧化硅和氧化鈦有希望成為雙極板上親水性表面的候選。

參見圖1，圖中示出了具有根據本發明的親水性表面的雙極板32。雙極板32可以是金屬，例如不銹鋼；碳復合材料；或適于用作燃料電池中的雙極板的任何其它材料。雙極板32典型地為設置在燃料電池堆陰極側上面的陰極雙極板，如在下文中進一步進行描述地。陰極雙極板32包括將氧分配至燃料電池堆并且從燃料電池堆中排出氣流的多條通道34。冷卻劑通道被設置在該板的背面(圖中未示出)。具有槽脊表面43的槽脊42將通道34彼此分隔開。每條通道34具有通道表面35。

根據本發明，親水性涂層48形成在通道34的通道表面35上。親水性涂層48可以是二氧化硅、氧化鈦、或二氧化硅和氧化鈦。在下文中將要進行描述地施涂親水性涂層48之前，具有掩模窗孔45的掩模44典型地被設置在槽脊42的槽脊表面43上。通道34的通道表面35通過掩模窗孔45暴露，而槽脊表面43被掩模44所覆蓋。這樣就防止槽脊表面43受到不導電氧化物的涂覆。