[發明專利]在PEM燃料電池雙極板上通過水基冷卻劑最小化分路電流影響的方法

無效

• 申請號: 200910165986.7
• 申請日: 2009-08-20
• 公開（公告）號: CN101656324A
• 公開（公告）日: 2010-02-24
• 發明（設計）人: M·H·阿布德埃爾哈米德;Y·M·米克黑爾;G·V·達希奇
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作公司
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10;H01M8/02;H01M4/86;H01M8/24;H01M8/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 代易寧;譚祐祥

技術領域

[0001]在至少一個實施例中，本發明涉及在PEM燃料電池中使用的雙極板。

背景技術

[0002]在許多應用中都將燃料電池用作電源。更具體地，燃料電池被提議供車輛使用，以替代內燃機。通常使用的燃料電池設計使用固體聚合物電解質(“SPE”)膜或質子交換膜(“PEM”)，以提供陽極與陰極之間的離子傳輸。

[0003]在質子交換膜型燃料電池中，將氫作為燃料供應至陽極，并將氧作為氧化劑供應至陰極。氧可呈純凈態形式(O₂)，或者為空氣(O₂與N₂的混合物)。PEM燃料電池通常具有膜電極組件(“MEA”)，其中固態聚合物膜在一面上具有陽極催化劑，并在相反面上具有陰極催化劑。通常PEM燃料電池的陽極和陰極層由諸如石墨織物、石墨化片材、或碳紙等多孔的導電材料形成，以使得燃料能分散在面對燃料供應電極的膜表面上。各電極具有支撐于碳粒子上的細碎的催化劑粒子(例如，鉑粒子)，以促進氫在陽極處的氧化和氧在陰極處的還原。質子從陽極通過離子傳導的聚合物膜流動至陰極，在該陰極處，它們與氧結合以形成水，所述水從電池排出。將MEA夾在一對多孔的氣體擴散層(“GDL”)之間，并且又將該對多孔氣體擴散層(“GDL”)夾在一對無孔的導電元件或板之間。該板用作陽極和陰極的集電器，并包含形成在其中的合適的通道和開口，用于將燃料電池的氣體反應劑分散在相應的陽極和陰極催化劑的表面上。為了有效地產生電，PEM燃料電池的聚合物電解質膜必需薄、化學穩定、可透質子、不導電并且不透氣。在通常的應用中，以許多單獨的燃料電池組的陣列的形式來提供燃料電池，以便提供高電平的電源。

[0004]當前在燃料電池中使用的導電板提供了改善燃料電池性能的許多機會。例如，這些金屬板在它們表面上通常包括鈍化氧化膜，需要導電涂層以使接觸電阻最小化。這樣的導電涂層包括金和聚合物碳涂層。通常，這些涂層需要昂貴的設備，其增加了完成的雙極板的成本。此外，金屬雙極板在操作期間還經受腐蝕。退化機理包括從聚合物電解質釋放氟離子。雙極板的金屬溶解通常導致釋放呈各種氧化態的鐵離子、鉻離子和鎳離子。

[0005]PEM燃料電池的效率由于流過冷卻劑的濕端分路電流而降低。這樣的分路電流取決于水基冷卻劑的離子導電性以及跨過該水基冷卻劑的電壓降。冷卻劑導電性的微小改變可導致產生顯著的分路電流，如果濕端板由諸如不銹鋼那樣的易于腐蝕的材料制成，則該顯著的分路電流隨后能損壞該濕端板。該分路電流主要歸因于在濕端冷卻劑端口區域上的氧排出和在干燥端板上的氫排出。

[0006]對于水管理，金屬雙極板在雙極板/水邊界處需要具有小的接觸角，即，小于40°的接觸角。已提出氮化鈦涂層作為用于雙極板的耐蝕鍍層。盡管氮化鈦涂層節省成本，但這樣的涂層沒有為雙極板材料提供令人滿意的保護。此外，氮化鈦涂層在接近60°的接觸角的情況下具有相對低的親水性。

[0007]因此，存在對改進的方法的需求，以降低在燃料電池應用中使用的雙極板的表面處的接觸電阻。

發明內容

[0008]本發明通過在至少一個實施例中提供具有改進的耐蝕性的燃料電池來解決了現有技術的一個或多個問題，該燃料電池包括第一閥金屬(valve?metal)流場板。該第一閥金屬流場板具有第一冷卻通道，其適于接收水冷卻劑，并且當燃料電池結合在燃料電池組中時，該第一冷卻通道適于在禁止形成分路電流的位置處接觸水冷卻劑。本實施例利用了比不銹鋼更耐蝕的閥金屬(valve?metal)。這些金屬生長出厚的氧化膜，該氧化膜能保護在下面的金屬免受環境進一步的侵蝕，并且比不銹鋼能耐受更高的電壓。根據本發明，在靠近電池組的濕端處使用優選為鈦的閥金屬薄片材。該片材仍具有與規則的不銹鋼雙極板上的冷卻劑和氣體的端口區域類似的冷卻劑和氣體的端口區域。如果使閥金屬片材的前端區域完全鈍化，則分路電流仍然能夠在干燥端和接觸平面鈦片材的不銹鋼板之間流動；電流總是在電阻最小的方向上流動。為了避免該問題，將貴金屬薄層涂布在閥金屬片材的冷卻劑端口區域上。這允許分路電流在干燥端不銹鋼冷卻劑端口區域與涂有貴金屬的鈦片材的冷卻劑端口區域之間流動。

[0009]在另一實施例中，流場組件包括第一金屬流場板，其具有適于接收水冷卻劑的第一冷卻通道。在該實施例中，將閥金屬板設置在第一金屬流場板上。