[發(fā)明專利]在燃料電池雙極板上沉積耐久性薄金涂層的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310229879.2
• 申請(qǐng)日: 2013-06-09
• 公開（公告）號(hào): CN103484910A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: M.P.巴洛;G.V.達(dá)希奇;N.P.伊里什;M.M.特塞馬;D.P.米勒;M.H.阿布德埃爾哈米德
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司
• 主分類號(hào): C25D5/50
• 分類號(hào): C25D5/50;H01M8/02
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 韋欣華;梁謀

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的實(shí)施方案涉及燃料電池所用的雙極板，和更具體地，涉及用于在雙極板上沉積薄金涂層的改進(jìn)的方法，其降低了所形成的金涂層的孔隙率，改善了金涂層的耐久性，并降低了其下的雙極板的腐蝕。

背景技術(shù)

近年來，車輛制造商越來越多地追求燃料電池動(dòng)力源，這歸因于它們的高效運(yùn)行和低排放。用于運(yùn)輸應(yīng)用的一種主要候選燃料是氫氣/空氣質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，其包含位于一對(duì)氣體擴(kuò)散介質(zhì)層和催化劑層之間的聚合物膜(例如質(zhì)子交換膜)。陰極板和陽極板位于與氣體擴(kuò)散介質(zhì)層相鄰的最外側(cè)。催化涂層沉積在所述膜的相對(duì)側(cè)上，形成膜電極組件(MEA)。全部這些部件一起形成了電池單元。

典型地，幾個(gè)燃料電池在燃料電池堆中組合來產(chǎn)生期望的電輸出。對(duì)于汽車燃料電池堆來說，該電池堆可以包括大約二百或更多個(gè)燃料電池。在這種布置中，兩個(gè)相鄰的電池單元可以共享共同的極板，其充當(dāng)了由它串聯(lián)的兩個(gè)相鄰電池單元的陽極和陰極。這樣的板通常被稱作雙極板，其典型地在其中包括流場(chǎng)來增強(qiáng)反應(yīng)物氣體如氫氣和氧氣向相關(guān)聯(lián)的電池的傳遞。

金屬雙極板是優(yōu)選使用的，因?yàn)樗鼈兪请娀瘜W(xué)穩(wěn)定的，導(dǎo)電性的和廉價(jià)的。另外，它們可以制得非常薄(例如<0.25mm)和可以通過廉價(jià)的金屬成形技術(shù)如沖壓形成為最終的形狀。不銹鋼通常用于形成雙極板。但是，不銹鋼易于在潮濕的燃料電池堆環(huán)境(包括氧化性和還原性條件二者)中發(fā)生腐蝕。

在燃料電池堆中活性腐蝕過程會(huì)增大膜電阻和雙極板的接觸電阻，降低電池堆的導(dǎo)電性/功率密度。所形成的腐蝕產(chǎn)物還會(huì)導(dǎo)致其他燃料電池部件的化學(xué)降解。為了保護(hù)金屬雙極板抗腐蝕和降低接觸電阻，所述板經(jīng)常電鍍上薄貴金屬涂層例如金或者選自鉑金屬族(PGM)的金屬。該保護(hù)性涂層是導(dǎo)電性的，厚度為5-10nm。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)甚至具有保護(hù)性貴金屬涂層時(shí)，其下的雙極板隨時(shí)間流逝也會(huì)遭受腐蝕。此外，該薄涂層會(huì)遭受明顯的降解，特別是在燃料電池的陰極側(cè)更是如此，在此空氣與對(duì)所述涂層具有潛在溶解能力的污染物例如碘化物、溴化物、氯化物、硫代硫酸鹽、硫脲或它們的混合物一起進(jìn)入電池堆，影響了隨時(shí)間流逝雙極板的完整性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的實(shí)施方案提供了使用受控的退火過程來改善不銹鋼雙極板上的薄金涂層的耐久性的方法。經(jīng)退火的金涂層具有降低的孔隙率，這改善了涂層的穩(wěn)定性并為其下的雙極板提供了改善的耐腐蝕性。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)退火過程降低了鐵陽離子的產(chǎn)生，鐵陽離子會(huì)不利地影響燃料電池性能，這歸因于膜化學(xué)降解和膜離子交換能力的損失。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了將金涂層沉積到燃料電池所用的雙極板上的方法，其包括提供具有第一和第二表面的雙極板基材，將金涂層沉積到該基材的至少一個(gè)表面上，以及在受控的環(huán)境中使基材上的所述金涂層退火。用“雙極板基材”表示雙極板或者沖壓到或施用到雙極板上的基材。例如，金涂層可以直接施用到雙極板上或者可以薄條金屬的形式施用到雙極板基材上，其然后在退火步驟之前或之后施用到雙極板上。

在一種實(shí)施方案中，金涂層是通過電鍍方法沉積的。電鍍后的金涂層包含粒度為大約1-5nm的納米粒子。

電鍍后的金涂層然后優(yōu)選在大約200℃-500℃的溫度，和更優(yōu)選在大約250℃-300℃的溫度退火。該涂層優(yōu)選在干燥無氧氣氛中退火。用“干燥”和“無氧”表示該氣氛包含小于2ppm的氧氣和小于2ppm的水。優(yōu)選該涂層是在氫氣或惰性氣體如氬氣和/或氦氣存在下退火的。

該方法優(yōu)選使用包含不銹鋼或由其組成的雙極板基材，但是該基材也可以包含其他金屬如鈦、鋁和鎳基合金或由其組成。

在退火后，金涂層優(yōu)選的厚度是大約3nm-10nm且粒度是大約10-30nm。在雙極板兩側(cè)上的經(jīng)退火的金涂層在200psi的施加壓力和1A/cm²的電流密度時(shí)表現(xiàn)出大約15至大約22mΩ-cm²的總接觸電阻。

與退火前的金涂層相比，經(jīng)退火的金涂層具有降低的孔隙率并優(yōu)選表現(xiàn)出小于大約1體積%的孔隙率。所形成的雙極板在其上包括經(jīng)退火的金涂層，該雙極板適用于PEM燃料電池。

因此，本發(fā)明實(shí)施方案的特征是提供改善用于PEM燃料電池組件的金屬雙極板上的薄金涂層的耐久性的方法。依據(jù)詳細(xì)說明和所附的權(quán)利要求本發(fā)明的其他特征將變得顯而易見。

具體地，本發(fā)明提供了以下方面的技術(shù)方案：

●?1.?在用于燃料電池的雙極板上沉積金涂層的方法，其包括：

提供具有第一和第二表面的雙極板基材；

在所述基材的至少一個(gè)表面上沉積金涂層；以及