[發明專利]用于燃料電池的具有低接觸電阻涂層的不銹鋼雙極板

無效

• 申請號: 201010180353.6
• 申請日: 2010-05-14
• 公開（公告）號: CN101887974A
• 公開（公告）日: 2010-11-17
• 發明（設計）人: M·H·阿布德埃爾哈米德;G·V·達赫奇;A·T·莫雷爾斯;M·C·米利特洛
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M8/10
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 原紹輝;曹若

技術領域

本發明總體上涉及在燃料電池環境中呈現低接觸電阻的不銹鋼合金雙極板，更具體地，涉及由這種雙極板制成的組件，該雙極板具有涂層以降低該板與擴散層或與相關的抵靠該板放置的載流部件之間的接觸電阻。

背景技術

在許多燃料電池系統中，氫氣或富氫氣體通過流動路徑供應到燃料電池的陽極側，而氧氣(例如大氣中的氧的形式)則通過分開的流動路徑供應到燃料電池的陰極側。適當的催化劑(例如，鉑)通常被布置成層，并被用于促進陽極側的氫氣氧化以及陰極側的氧氣還原。由此，產生了電流以及作為反應副產品的高溫水蒸汽。在一種形式的燃料電池中，即所謂的質子交換膜或聚合物電解質膜(兩種情況下均簡稱為PEM)燃料電池中，將離聚物膜形式的電解質裝配在陽極和陰極之間。這種層狀結構通常稱為膜電極組件(MEA)，并且進一步層置于擴散層之間，擴散層既允許氣體反應物流向MEA也允許電流從MEA流出。前述的催化劑層可以置于擴散層上或者作為擴散層的一部分。

為了提高電輸出，用導電雙極板將獨立的燃料電池單元堆疊在一起，該導電雙極板置于擴散層和一個MEA的陽極電極以及擴散層和相鄰MEA的陰極電極之間。在這種構造中，雙極板將相鄰堆疊的MEAs分開，該雙極板具有相對表面，每個相對表面均包括由升高的臺(land)彼此分開的流動通道。這些通道用作導管，以便將氫氣和氧氣的反應物流傳送到MEA的各陰極和陽極，同時由于臺與導電擴散層接觸，且導電擴散層進而與催化劑處產生的電流電連通，因而臺用作MEA中產生的電的傳輸路徑。這樣，電流經過雙極板的臺以及導電擴散層。通常，雙極板由石墨或金屬制成，以便形成MEA和外部電路之間的導電聯接。

由石墨制成的雙極板能夠抵抗腐蝕，具有良好的導電性以及低的比重。然而，石墨板對氫氣是可透過的，這可能導致性能和效率上的嚴重缺失。而且，石墨難以制造，導致石墨板非常昂貴并且比其基于金屬的配對物要厚。因而，在燃料電池的制造成本是重要考慮因素的情況下，基于金屬的雙極板相對石墨是優選的。除了相對較為便宜之外，金屬板還可形成薄的構件，例如具有小于0.25mm的片材厚度。

因為雙極板工作在高溫和腐蝕性環境中，常規金屬(例如，普通碳素鋼)可能不適合某些要求長壽命(例如約10年6000小時的壽命)的應用(例如汽車應用)。在典型PEM燃料電池堆的工作期間，質子交換膜處于約75℃到約175℃之間的溫度范圍以及約100kPa的絕對壓力到約200kPa的絕對壓力之間的壓力范圍內。在這樣的條件下，由貴金屬制成的板可能是有利的，這是由于它們具有期望的抗腐蝕性質。遺憾的是，它們都非常昂貴，從而限制了它們在涉及運輸的應用和相關的費用敏感應用中的生命力。此外，某些金屬，例如鎳(至少在單獨使用時)，在燃料電池環境內會經歷嚴重的腐蝕。因此，盡管鎳可能適合于用在堿性介質中，但其不適合用在PEM中。

鋼合金可形成非常薄(例如，在0.1mm和1.0mm之間)的片材，并且相當便宜，卻可能不具有足夠的抗腐蝕性。也可使用不銹鋼(例如，鐵鉻或相關化合物形式的不銹鋼)，其通過在板表面形成氧化物從而具有改善的抗腐蝕性。然而，不銹鋼雙極板傾向于鈍化以實現抗腐蝕性的提高，但這同時也增大了板和相鄰擴散層之間的接觸電阻。

過渡金屬涂層，例如氮化鈦(TiN)，已被提出用于避免不銹鋼雙極板表面上的高接觸電阻的增長。雖然初始電阻可能下降，可是隨著時間流逝，燃料電池中所遇到的狀況(尤其在升高的溫度下)將導致TiN轉換為二氧化鈦(TiO₂)，而這實際上增大了接觸電阻，從而使得結果與所期望的相反。因此，仍然希望提供基于不銹鋼合金的雙極板，其具有抗腐蝕性和低的接觸電阻，以便用于燃料電池中。還希望制造一種雙極板，其具有與那些基于貴金屬或基于石墨的雙極板類似的抗腐蝕和接觸電阻屬性，但避免了它們高昂的制造費用。

發明內容

本發明滿足了這些需求，其中，根據本發明的一個方面公開了一種用于燃料電池的不銹鋼雙極板。所述板包括相對的表面，所述相對的表面中的至少一個包括形成在其內的多個流動通道。許多臺從板表面相對于通道向外突出，并形成與燃料電池擴散層的導電接觸，所述燃料電池擴散層放置成與所述臺接觸。該接觸的至少一部分由鎳基合金形成，其在雙極板和擴散層之間具有比不存在這種合金時更低的接觸電阻。例如，如果板全部由不銹鋼制成，且沒有使用鎳基合金涂層或層，則可預計這種板將面臨上述的鈍化問題。