專利名稱：制造耐腐蝕雙極板的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，所述燃料電池為動(dòng)力車或其它機(jī)器產(chǎn)生電力。更特別地，本發(fā)明涉及一種制造耐腐蝕雙極板的方法，這種方法通過使用動(dòng)力或冷噴涂技術(shù)來用高級不銹鋼涂覆雙極板，以便當(dāng)在聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池中使用雙極板時(shí)使得雙極板耐氟離子。
背景技術(shù)：
燃料電池通過結(jié)合氫和氧產(chǎn)生水和最終產(chǎn)物來產(chǎn)生能量。在聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池中，聚合物膜充當(dāng)陰極和陽極之間的電解質(zhì)。在PEM燃料電池中，常常連續(xù)地堆疊多個(gè)燃料電池以形成燃料電池堆。在燃料電池堆中，流場板的一側(cè)充當(dāng)一個(gè)燃料電池的陽極，而流場板的相對側(cè)充當(dāng)相鄰燃料電池的陰極。由于每個(gè)流場板既充當(dāng)陽極又充當(dāng)陰極，所以流場板還被稱作雙極板。
通常，燃料電池制造商使用了Poco石墨雙極板，所述雙極板是導(dǎo)電的并且耐燃料電池環(huán)境中的腐蝕。然而，石墨板易碎，因此難以加工。這增加了雙極板的成本和燃料電池堆的體積功率密度。雖然使用金屬雙極板是有利的，但是諸如鈦和316L不銹鋼之類可以容易地加工的金屬容易受到燃料電池環(huán)境中的氟離子的侵蝕。
盡管316L不銹鋼顯示出對于氟離子比較好的耐腐蝕性，但是腐蝕速率隨著氟離子浸出速率的增加而增加。而且，眾所周知，耐氟化物腐蝕性隨著不銹鋼合金中鉬含量的增加而增大。通過從燃料電池環(huán)境中除去氟化氫或者通過使用比316L不銹鋼更能耐氟離子腐蝕的更高級的不銹鋼，可以稍微減輕這個(gè)問題。然而，對于雙極板使用更高級的不銹鋼往往會(huì)增加雙極板的成本。而且，將更高級的不銹鋼結(jié)合到具有所需厚度的雙極板中對雙極板增加了相當(dāng)大的成本，這可能超出了不銹鋼本身的成本。
用于增加易腐蝕基板的耐腐蝕性的各種方法是已知的。例如，US20030228512 A1公開了一種通過在基板上沉積金涂層來在維持基板的最佳耐腐蝕性的同時(shí)改善不銹鋼基板表面的接觸電阻的方法。US20040091768 A1公開了一種通過在基板上提供聚合物導(dǎo)電涂層來增加基板的耐腐蝕性的方法。美國專利No.6,372,376 B1公開了一種通過在基板上提供包含多個(gè)導(dǎo)電的耐腐蝕填充顆粒的導(dǎo)電的耐腐蝕聚合物來增加基板的耐腐蝕性的方法。
使用動(dòng)力或冷噴涂工藝，例如利用高級不銹鋼或合金的薄層來涂覆低級不銹鋼雙極板(例如304L或316L不銹鋼雙極板)的表面，能夠在將雙極板的成本維持在可接受水平內(nèi)的同時(shí)使雙極板高度地耐氟離子腐蝕。而且，可以使用動(dòng)力或冷噴涂工藝來沉積具有高達(dá)25微米或更多厚度的耐腐蝕層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一般而言涉及一種制造雙極板的新方法，該方法的特征在于增強(qiáng)燃料電池中的穩(wěn)定性和耐氟離子腐蝕。本發(fā)明的雙極板制造方法包括提供不銹鋼雙極板基板，所述雙極板基板通常是低級不銹鋼，例如304L或316L；以及使用動(dòng)力或冷噴涂技術(shù)在雙極板基板上形成耐腐蝕涂層，所述耐腐蝕涂層是高級不銹鋼或合金。例如，耐腐蝕涂層可以是高級不銹鋼，比如C-276。例如，還可以使用諸如904L、254SMO和Carp-20之類的其它合金來作為涂層材料。因此，耐腐蝕涂層使得低級不銹鋼雙極板基板充分地耐燃料電池環(huán)境中的氟離子。這大大延長了雙極板的壽命?？梢栽谀透g涂層上提供例如可以是金或有機(jī)涂層的覆蓋層，以便降低耐腐蝕涂層的接觸電阻。


現(xiàn)在將借助于實(shí)例參考附圖來描述本發(fā)明，其中圖1是通過根據(jù)本發(fā)明的動(dòng)力/冷噴涂工藝制造的穩(wěn)定性增強(qiáng)的雙極板的一部分的截面；圖2是說明根據(jù)本發(fā)明的制造穩(wěn)定性增強(qiáng)的雙極板的動(dòng)力/冷噴涂工藝而執(zhí)行的順序工藝步驟的流程圖；圖3是比較各種不銹鋼合金(沿X軸繪制)的腐蝕速率(沿Y軸繪制)的條形圖；以及圖4是在根據(jù)本發(fā)明制造穩(wěn)定性增強(qiáng)的雙極板的動(dòng)力/冷噴涂工藝中使用的動(dòng)力冷噴涂裝置的示意圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明，使用動(dòng)力或冷噴涂工藝用高級不銹鋼涂覆雙極板基板來制造對氟化氫具有提高的耐腐蝕性的雙極板，該雙極板基板例如是低級不銹鋼，比如304L或316L不銹鋼。優(yōu)選地，使用動(dòng)力或冷噴涂工藝用耐腐蝕涂層涂覆雙極板基板的陽極側(cè)，以便增加在燃料電池工作期間雙極板的陰極側(cè)對氟離子的耐腐蝕性。例如，利用高級C-276的薄(0.1～2μm)耐腐蝕涂層來涂覆低級不銹鋼雙極板的表面，顯著降低了氟離子環(huán)境中雙極板的腐蝕速率，同時(shí)沒有顯著增加雙極板的成本?？梢栽陔p極板基板上作為耐腐蝕涂層涂覆的合金例如包括904L、254SMO或Carp-20不銹鋼。
通過在不銹鋼涂層上提供覆蓋層可以最小化熱噴涂的不銹鋼涂層的接觸電阻。例如，覆蓋層可以是金(Au)或有機(jī)涂層的薄層(＜10nm)。用于覆蓋層的其它合適材料包括鉑及其合金、銠、釕及其合金、以及鈀及其合金。根據(jù)本發(fā)明使用動(dòng)力冷噴涂工藝用高級不銹鋼或材料來涂覆低級不銹鋼或材料是成本劃算的，因?yàn)槭褂酶呒壊讳P鋼或材料制造雙極板的成本過分高昂。
動(dòng)力噴涂或冷噴涂工藝使用存儲(chǔ)在高壓壓縮氣體中的能量來將精細(xì)的粉末顆粒以非常高的速度(500～1500m/s)朝著基板推進(jìn)，以在基板上沉積材料層。在該工藝中，將通常為氦的壓縮氣體饋送通過加熱單元然后到槍，在那里當(dāng)高速氣體噴射通過專門設(shè)計(jì)的噴嘴(舉例來說，比如拉伐爾型噴嘴)時(shí)氣體離開。同時(shí)將壓縮氣體分別饋送通過高壓粉末饋送器和進(jìn)入槍中，以將粉末顆粒引入到高速氣體噴射器中。粉末顆粒被加速和適度地加熱到某個(gè)速度和溫度，在這種情況下一與基板碰撞，顆粒就變形并粘接以在基板上形成涂層。
加速后的顆粒仍然處于固態(tài)并且相對較冷，因此顆粒與基板碰撞的大部分反應(yīng)僅僅是固態(tài)。由于該工藝對于噴涂材料的非氧化沒有多少作用，所以表面保持清潔，從而有助于粘接。在該工藝中不存在熔化并使用相對較低的溫度，這導(dǎo)致在冷卻時(shí)顆粒的收縮非常低。而且，由于在與基板碰撞時(shí)在顆粒上所引起的高應(yīng)變，所以涂層往往會(huì)受到壓縮的應(yīng)力，而不會(huì)受到拉伸的應(yīng)力，如同在大多數(shù)其它熱噴涂工藝的液體/固體狀態(tài)反應(yīng)中的情況一樣。低溫還有助于維持涂層中原始粉末的化學(xué)性質(zhì)和狀態(tài)。
顆粒與基板的粘接依賴于導(dǎo)致顆粒與基板的顯著塑性變形的足夠能量。在高碰撞應(yīng)力和碰撞應(yīng)變下，顆粒與基板表面的相互作用可能導(dǎo)致氧化膜的破裂，從而促進(jìn)化學(xué)清潔表面的接觸并產(chǎn)生大的摩擦力。這產(chǎn)生程度非常高的局部化加熱，從而促進(jìn)類似于摩擦或爆炸焊接的粘接。
一開始參考圖1，示出了根據(jù)本發(fā)明的穩(wěn)定性增強(qiáng)的雙極板10的截面圖，該雙極板10在下文被稱作雙極板。雙極板10包括雙極板基板12，該雙極板基板12通常是低級不銹鋼，例如304L或316L不銹鋼。使用動(dòng)力或冷噴涂工藝在雙極板基板12的外表面13上形成比雙極板基板12的級別更高的不銹鋼或合金的耐腐蝕涂層14，這將在下文中進(jìn)一步描述。耐腐蝕涂層14優(yōu)選具有通常大約為0.1～2μm的厚度。然而，應(yīng)該理解，根據(jù)需要，可以使用根據(jù)本發(fā)明的動(dòng)力或冷噴涂工藝在雙極板基板12上形成具有超過25μm的厚度的耐腐蝕涂層14。例如，適合用于耐腐蝕涂層14的不銹鋼的級別包括C-276不銹鋼?？蛇x擇地，耐腐蝕涂層14可以是合金，例如904L、254SMO或Carp-20。
可以在耐腐蝕涂層14上提供例如可以是金(Au)或有機(jī)材料的覆蓋層16，以便保持耐腐蝕涂層14的接觸電阻為低。用于覆蓋層16的其它合適材料包括鉑及其合金、銠、釕及其合金、以及鈀及其合金。在金覆蓋層的情況下，覆蓋層16的厚度優(yōu)選小于通常大約10nm，而在聚合物涂層的情況下，覆蓋層16的厚度優(yōu)選小于通常大約10～28微米。
圖2是說明根據(jù)本發(fā)明使用動(dòng)力或冷噴涂工藝制造穩(wěn)定性增強(qiáng)的雙極板所執(zhí)行的順序工藝步驟的流程圖。在步驟1中，提供雙極板基板。例如，雙極板基板通常是低級不銹鋼，比如304L或316L，并且具有供在燃料電池的燃料電池堆中使用的合適的尺寸和結(jié)構(gòu)。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，雙極板基板包括促進(jìn)反應(yīng)物和生成物氣體在裝配的燃料電池中流動(dòng)的平臺(land)和氣體流動(dòng)通道。
在步驟2中，在雙極板基板的外表面上形成耐腐蝕涂層。耐腐蝕涂層的厚度優(yōu)選為通常大約在0.1～2μm的范圍內(nèi)。然而，應(yīng)該理解，耐腐蝕涂層根據(jù)需要可以具有超過25μm的厚度。耐腐蝕涂層可以是比雙極板基板更高的不銹鋼或合金的級別，例如包括C-276不銹鋼?？蛇x擇地，耐腐蝕涂層可以是耐腐蝕合金，例如904L、254SMO或Carp-20。使用動(dòng)力或冷噴涂工藝將耐腐蝕涂層涂覆到雙極板基板的外表面上，這將在下文中進(jìn)一步描述。
在步驟3中，在耐腐蝕涂層上沉積覆蓋層以便最小化耐腐蝕層的接觸電阻。覆蓋層優(yōu)選具有小于通常大約10nm的厚度。覆蓋層例如可以是金(Au)或有機(jī)材料，并且在金涂層的情況下具有優(yōu)選小于通常大約10nm的厚度，以及在聚合物涂層的情況下具有優(yōu)選小于通常大約10～28微米的厚度。用于覆蓋層的其它合適材料包括鉑及其合金、銠、釕及其合金、以及鈀及其合金。例如，可以使用常規(guī)的物理汽相沉積(PVD)技術(shù)在耐腐蝕層上形成覆蓋層。
以下的表(I)給出了各種級別的不銹鋼、合金和鈦的實(shí)際腐蝕速率和歸一化腐蝕速率。通過將樣品浸泡在80℃的刻蝕液(1M H2SO4+0.1M HF)中一小時(shí)來獲得每個(gè)樣品的腐蝕速率和歸一化腐蝕速率。
表I

上面的表(I)表明，不銹鋼/合金的級別越高，在硫酸/氟化氫混合物中不銹鋼/合金的耐腐蝕性越好。在相同溶液中鈦的耐腐蝕性可以與304L不銹鋼的耐腐蝕性相比。圖3的條形圖給出了各種級別的不銹鋼和各種合金的腐蝕速率的直觀比較。
接著參考圖4，使用動(dòng)力噴涂裝置20可以執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明用來在雙極板基板12上形成耐腐蝕涂層14的動(dòng)力或冷噴涂工藝，該動(dòng)力噴涂裝置20可以是常規(guī)的。動(dòng)力噴涂裝置20通常包括槍36，該槍36包括具有腔內(nèi)部40的混合腔38。例如，具有諸如拉伐爾型噴嘴之類的噴嘴43的細(xì)長圓筒42從混合腔38伸出。相對于槍噴嘴43以間隔開的關(guān)系放置基板支撐52。
例如包含不銹鋼粉末顆粒的供給器(未示出)的粉末饋送器24被布置成通過氣體/粉末饋送管32與槍36的混合腔38流體連通。同樣地，氣體加熱器26被布置成通過加熱氣體饋送管34與槍36的混合腔38流體連通。壓縮氣體供給器22被布置成通過氣體饋送管28與粉末饋送器24以及通過獨(dú)立的氣體饋送管30與氣體加熱器26流體連通，該壓縮氣體供給器22例如包含加壓的惰性氣體，比如氦。
根據(jù)本發(fā)明的工藝在動(dòng)力噴涂裝置20的使用中，一開始將雙極板基板12安裝在基板支撐52上，其中雙極板基板12的外表面13面對槍噴嘴43。將用作耐腐蝕涂層14的不銹鋼或合金的粉末顆粒一開始被放置在粉末饋送器24中。例如，粉末顆?？梢允荂-276級不銹鋼的顆?；蛘呤侵T如904L、254SMO或Carp-20之類的合金的顆粒。優(yōu)選地，粉末顆粒具有1到50μm的尺寸。
然后從壓縮氣體供給器22通過氣體饋送管30把壓縮氣體44(舉例來說，比如氦)分別連續(xù)地分發(fā)給加熱器26，其中在加熱器26將壓縮氣體44加熱到優(yōu)選大約0到700℃的溫度。通過加熱氣體饋送管34，將加熱的氣體48連續(xù)地從氣體加熱器26分發(fā)并進(jìn)入到槍36的混合腔38中的腔內(nèi)部40。
當(dāng)壓縮氣體44被分發(fā)通過氣體加熱器26并到槍36的混合腔38時(shí)，壓縮氣體44還從壓縮氣體供給器22通過氣體饋送管28被分發(fā)給粉末饋送器24。壓縮氣體44與粉末顆粒在粉末饋送器24中混合，并且氣體/粉末混合物46通過氣體/粉末饋送管32被分發(fā)，并進(jìn)入到槍36的混合腔38中的腔內(nèi)部40中。
在槍36的混合腔38中，加熱的氣體48與氣體/粉末混合物46混合。將所得到的氣體/顆粒流50從槍噴嘴43以通常大約500～1500m/s的速度朝著雙極板基板12的外表面噴射。當(dāng)與雙極板基板12的外表面13碰撞時(shí)，粉末顆粒變形，并與外表面13以及彼此粘接在一起以便形成耐腐蝕涂層14。在隨后的工藝步驟中，可以使用PVD(物理汽相沉積)或者本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它沉積技術(shù)來將覆蓋層16(圖1)涂覆在耐腐蝕涂層14上。
盡管上面已經(jīng)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是將會(huì)認(rèn)識到和理解的是，可以在本發(fā)明中進(jìn)行各種修改，并且所附的權(quán)利要求書打算覆蓋可能落在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有這樣的修改。
權(quán)利要求
1.一種用于增強(qiáng)雙極板的耐腐蝕性的方法，包括提供雙極板基板；以及使用動(dòng)力/冷噴涂工藝在所述雙極板基板上涂覆耐腐蝕涂層。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述雙極板基板包括304L或316L級別的不銹鋼。
3.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述耐腐蝕涂層包括C-276級別的不銹鋼。
4.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述耐腐蝕涂層包括選自由904L合金、254SMO合金和Carp-20合金組成的組中的材料。
5.權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述耐腐蝕涂層上提供覆蓋層，以用于最小化所述耐腐蝕涂層的接觸電阻。
6.權(quán)利要求5所述的方法，其中所述覆蓋層是選自由金、有機(jī)材料、鉑、鉑合金、銠、釕、釕合金、鈀和鈀合金組成的組中的材料。
7.權(quán)利要求6所述的方法，其中所述覆蓋層包括噴涂層。
8.權(quán)利要求7所述的方法，其中所述雙極板基板包括304L或316L級別的不銹鋼。
9.權(quán)利要求8所述的方法，其中所述耐腐蝕涂層包括C-276級別的不銹鋼。
10.權(quán)利要求8所述的方法，其中所述耐腐蝕涂層包括選自由904L合金、254SMO合金和Carp-20合金組成的組中的材料。
11.一種用于增強(qiáng)雙極板的耐腐蝕性的方法，包括提供雙極板基板；提供包括金屬粉末顆粒的氣體/粉末混合物；提供加熱的氣體流；通過混合所述氣體/粉末混合物與所述加熱的氣體流來形成氣體/顆粒流；以及通過朝著所述雙極板基板噴射所述氣體/顆粒流來在所述雙極板基板上提供耐腐蝕涂層。
12.權(quán)利要求11所述的方法，其中所述雙極板基板包括304L或316L級別的不銹鋼。
13.權(quán)利要求11所述的方法，其中所述金屬粉末顆粒包括C-276級別的不銹鋼粉末顆粒。
14.權(quán)利要求11所述的方法，其中所述金屬粉末顆粒包括選自由904L合金、254SMO合金和Carp-20合金組成的組中的金屬粉末顆粒。
15.權(quán)利要求11所述的方法，其中所述朝著所述雙極板基板噴射所述氣體/顆粒流包括以大約500到1500米/秒的速度朝著所述雙極板噴射所述氣體/顆粒流。
16.權(quán)利要求11所述的方法，還包括在所述耐腐蝕涂層上提供覆蓋層，以用于最小化所述耐腐蝕涂層的接觸電阻。
17.權(quán)利要求16所述的方法，其中所述覆蓋層包括選自由金、有機(jī)材料、鉑、鉑合金、銠、釕、釕合金、鈀和鈀合金組成的組中的材料。
18.權(quán)利要求17所述的方法，其中所述覆蓋層包括噴涂層。
19.一種用于增強(qiáng)在燃料電池中雙極板的陰極側(cè)的耐氟化物腐蝕性的方法，包括提供具有陰極側(cè)的雙極板基板；以及通過以下操作在所述雙極板基板的所述陰極側(cè)上動(dòng)力地噴涂耐腐蝕涂層提供包括金屬粉末顆粒的氣體/粉末混合物，提供加熱的氣體流，將所述氣體/粉末混合物與所述加熱的氣體流混合以形成氣體/顆粒流，并朝著所述雙極板基板的所述陰極側(cè)噴射所述氣體/顆粒流。
20.權(quán)利要求19所述的方法，其中所述雙極板基板包括304L或316L級別的不銹鋼。
21.權(quán)利要求19所述的方法，其中所述金屬粉末顆粒包括C-276級別的不銹鋼。
22.權(quán)利要求19所述的方法，其中所述金屬粉末顆粒包括選自由904L合金、254SMO合金和Carp-20合金組成的組中的金屬粉末顆粒。
23.權(quán)利要求19所述的方法，還包括在所述耐腐蝕涂層上提供覆蓋層，以用于最小化所述耐腐蝕涂層的接觸電阻。
24.權(quán)利要求23所述的方法，其中所述覆蓋層包括選自由金、有機(jī)材料、鉑、鉑合金、銠、釕、釕合金、鈀和鈀合金組成的組中的材料。
25.權(quán)利要求24所述的方法，其中所述覆蓋層包括噴涂層。
26.一種用于燃料電池的穩(wěn)定性增強(qiáng)的雙極板，包括雙極板基板；以及通過以下操作在所述雙極板基板上形成的耐腐蝕涂層提供包括金屬粉末顆粒的氣體/粉末混合物，提供加熱的氣體流，將所述氣體/粉末混合物與所述加熱的氣體流混合以形成氣體/顆粒流，并朝著所述雙極板基板的所述陰極側(cè)噴射所述氣體/顆粒流。
27.權(quán)利要求26所述的穩(wěn)定性增強(qiáng)的雙極板，其中所述雙極板基板包括304L或316L級別的不銹鋼。
28.權(quán)利要求26所述的穩(wěn)定性增強(qiáng)的雙極板，其中所述耐腐蝕涂層包括C-276級別的不銹鋼。
29.權(quán)利要求26所述的穩(wěn)定性增強(qiáng)的雙極板，其中所述耐腐蝕涂層包括904L合金、254 SMO合金或Carp-20合金。
30.權(quán)利要求26所述的穩(wěn)定性增強(qiáng)的雙極板，還包括在所述耐腐蝕涂層上提供的覆蓋層，以用于最小化所述耐腐蝕涂層的接觸電阻。
31.權(quán)利要求30所述的穩(wěn)定性增強(qiáng)的雙極板，其中所述雙極板基板包括304L或316L級別的不銹鋼。
32.權(quán)利要求31所述的穩(wěn)定性增強(qiáng)的雙極板，其中所述耐腐蝕涂層包括C-276級別的不銹鋼。
33.權(quán)利要求31所述的穩(wěn)定性增強(qiáng)的雙極板，其中所述耐腐蝕涂層包括904L合金、254SMO合金或Carp-20合金。
全文摘要
公開了一種制造用于燃料電池的耐腐蝕且廉價(jià)的雙極板的方法。該方法包括提供雙極板基板并使用動(dòng)力噴涂工藝在雙極板基板上涂覆耐腐蝕涂層。
文檔編號B05D1/02GK101095249SQ200580045670
公開日2007年12月26日 申請日期2005年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月1日
發(fā)明者G·維亞斯, M·H·阿布德埃爾哈米德, Y·M·米克黑爾, R·H·布倫克 申請人:通用汽車公司