專利名稱：具有可變表面性質(zhì)的燃料電池雙極板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來講涉及的領(lǐng)域包括燃料電池雙極板(fuel cell bipolar plate )。
背景技術(shù)：
燃料電池是包括陽極和陰極且在該陽極和陰極之間具有電解 質(zhì)的電化學(xué)裝置。該陽極接收富氫氣體或純氬氣，該陰極接收氧化劑， 例如氧氣或空氣。氫氣在陽極中離解產(chǎn)生游離質(zhì)子和電子。質(zhì)子通過電 解質(zhì)到達(dá)陰極，在陰極中質(zhì)子與陰極中的氧和電子反應(yīng)，生成水。來自 陽極的電子不能通過該電解質(zhì)。因此，電子在送到陰極之前被引導(dǎo)通過 負(fù)載以 <故功。該功可以用于例如但不局限于開動車輛。通常將數(shù)個燃料電池結(jié)合在燃料電池堆(fuel cell stack )中， 以產(chǎn)生所需的能量。該燃料電池堆包括一系列雙極板。雙極板包括用于 該電池堆中相鄰燃料電池的陽極側(cè)和陰極側(cè)。在該雙才及板的陽極側(cè)上提 供陽極氣體流動通道，在該雙極板的陰極側(cè)上提供陰極氣體流動通道。 該雙扭j反也可以包括用于冷卻流體的流動通道。該雙極板通常是由導(dǎo)電材料，例如碳復(fù)合物或金屬，制成的 以使其將由燃料電池產(chǎn)生的電力從一個電池傳導(dǎo)到下一個電池，直至傳
場和冷卻劑流體流場的較薄的金屬基體或薄金屬基體加工而成。如本領(lǐng)域中公知的，大多數(shù)類型的燃料電池需要具有特定的 相對濕度。在該燃料電池的操作過程中，由于被潮濕化的反應(yīng)物氣體或 由于在陰極處生成的水，因此水分可能進(jìn)入陽極流動通道和陰極流動通 道。隨著水滴尺寸的增大，將該流動通道封閉，反應(yīng)物氣體轉(zhuǎn)向其他的 流動通道，這是因為所述通道在共用的入口和出口歧管之間以通常平行 的方向流動。因為反應(yīng)物氣體可以不流過^皮水堵塞的通道，因此該反應(yīng) 物氣體不能將水推出該通道。隨著越來越多的流動通道被水堵塞，該燃 料電池產(chǎn)生的電力隨之降低。因為該燃料電池是串聯(lián)電連接的，因此如 果其中 一個燃料電池停止工作，那么整個燃料電池堆也可能停止工作。
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通常能夠通過周期性驅(qū)動該反應(yīng)物氣體以較高的流速通過流 動通道以吹掃流動通道內(nèi)累積的水。然而，在陰極側(cè)上，這樣提高了施 加到空氣壓縮機(jī)上的寄生功率(parasitic power )，由此降低了系統(tǒng)總效 率。而且，由很多原因造成不使用氬氣燃料作為吹掃氣，包括降低的經(jīng) 濟(jì)、降低的系統(tǒng)效率和提高的用于處理在廢氣流中氬氣濃度升高的系統(tǒng) 復(fù)雜性。也可以通過降j氐入口潮濕化來實現(xiàn)通道內(nèi)累積水的減少。然 而，在陽極和陰極反應(yīng)物氣體中提供某相對濕度(some relative humidity ) 以使該燃料電池中的膜保持水合是適宜的。干燥的入口氣體對該膜具有 干燥效應(yīng)，這樣可能提高該電池的離子阻抗(ionic resistance)并限制該 膜的長期耐久性?，F(xiàn)有技術(shù)中已知用親水涂層涂覆該雙極板以降低水的累積。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的 一種實施方案包括第 一燃料電池元件，所述第 一燃 料電池部件包括基體，所述基體包括第一面、在該第一面的至少第一部 分上方的第一親水涂層、和在該第一面的至少第二部分上方的第二較不 親水的涂層。從下文提供的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的其他示例性的實施方案
將變得顯而易見。應(yīng)當(dāng)理解該詳細(xì)描述和特別實施例盡管示出了本發(fā)明 的示例性實施方案，但旨在僅僅是示例目的，而并不意于限制本發(fā)明的范圍。


從詳細(xì)描述和附圖中，本發(fā)明的示例性實施方案將得到更充
分的理解。圖1示出了依照本發(fā)明的一種實施方案的包括雙極板的產(chǎn) 品，該雙極板包括親水涂層。圖2示出了依照本發(fā)明的一種實施方案的包括雙極板的產(chǎn) 品，該雙極板包括親水涂層。圖3示出了依照本發(fā)明的一種實施方案的包括雙極板的產(chǎn) 品，該雙極板包括親水涂層和疏水涂層。
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圖4示出了依照本發(fā)明的一種實施方案的包括雙極板的產(chǎn) 品，該雙極板包括親水涂層。圖5示出了依照本發(fā)明的一種實施方案的包括雙極板的產(chǎn) 品，該雙極板包括親水涂層。圖6示出了依照本發(fā)明的一種實施方案的包括雙極板的產(chǎn) 品，該雙擬^反包括親水涂層和疏水涂層。圖7示出了依照本發(fā)明的一種實施方案的包括多個雙極板和 紡織品部分(a soft goods portion)的產(chǎn)品。圖8示出了燃料電池，所述燃料電池具有其中從平臺(land) 上除去親水SiOx涂層的區(qū)域和其中在所述平臺上具有親水SiOx涂層的區(qū)域。圖9示出了如下雙極板的液態(tài)水分布曲線在通道和平臺上 具有親水涂層的雙極板、從所有平臺上除去親水涂層的雙極板、和在流 場的入口和出口附的平臺上除去親水涂層的雙極 一反。
具體實施例方式以下對實施方案的描述本質(zhì)上僅為示例性的，絕不意于限制 本發(fā)明、其應(yīng)用或用途。本發(fā)明的一種實施方案包括雙極板，所述雙極板具有可變表 面性質(zhì)以使低電阻和低累積水質(zhì)量的有益效果最大化，其中該雙極板具 有超親水性的通道底部和/或側(cè)壁以及較不親水的(或疏水的)平臺，從 而使產(chǎn)物水最大化地從擴(kuò)散介質(zhì)輸送到通道中而不使電阻增大。在另一
中心更親水。圖1示出了產(chǎn)品10的一種實施方案，其可以是雙極板12。 該雙才及板12包括第一面20和第二面20'。在一種實施方案中，該雙極 板12可以包括兩個片材19和21。該兩個片材19和21可以是機(jī)械加工 的或沖壓的。該兩個片材19和21可以例如通過焊接而彼此連接。該雙 極板12可以包括多種材料，包括但不局限于金屬、金屬合金和/或電導(dǎo) 性復(fù)合物。該雙極板12包括至少一部分由第一面20和第二面20，中的 多個平臺16和通道18限定的反應(yīng)物氣體流場。通道18可以由側(cè)壁22 和底壁24限定。可以在例如但不局限于該雙極板12的中心提供冷卻通道26。該冷卻通道的部分可以由該雙極板12的第三面28和第四面28， 限定。在另一種實施方案中(未示出)，該雙極板12可以是單件式雙 極板(a single piece bipolar plate ),具有通過中間鉆出的冷卻通道孔。第一涂層30形成在該雙極板12的至少一部分上。該第一涂 層30可以形成在該雙極板的整個表面(包括平臺16和通道18)上，或 者該涂層30可以選才奪性沉積在該雙極板的部分上，例如僅在通道18上。 該第一涂層30可以是親水涂層，例如金屬氧化物涂層，包括但不局限 于二氧化硅(Si02) 、 二氧化鉿(Hf〇2) 、 二氧化鋯(Zr02)、氧化鋁 (A1203 )、 二氧化錫(Sn02 )、五氧化二鉭(Ta205 )、五氧化二鈮(Nb205 )、 二氧化鉬(Mo02) 、 二氧化銥(Ir02) 、 二氧化釕(Ru02)、亞穩(wěn)態(tài)氧 氮化物、非化學(xué)計量的金屬氧化物、氧氮化物及其混合物，如美國專利 申請?zhí)?006/0216571A1中所述。該第 一涂層30可以是如美國專利申請 號2006/0194095A1中所述的導(dǎo)體材料和金屬氧化物的組合。該第一涂 層30也可以是SiOx涂層。該第一涂層30可以通過例如物理氣相沉積方 法、化學(xué)氣相沉積(CVD)方法、等離子體增強(qiáng)的CVD方法、熱噴涂 方法、溶膠-凝膠、噴涂、浸涂、刷涂、旋涂或絲網(wǎng)印刷方法形成。該第 一涂層30的厚度以及由此的親水性可以隨著多次浸涂而提高。該第一 涂層30的厚度可以為約50納米~約1微米。在低負(fù)載時，陽極和陰極流場板中的通道水累積可以顯著影 響燃料電池性能。在各種實施方案中，該涂層30是可以利用細(xì)節(jié)距流 場(fine-pitch flow field)降低或消除低負(fù)載時的電壓不穩(wěn)定性的親水涂 層，這是由于產(chǎn)物水鋪展成對板流動阻力幾乎沒有影響的薄膜。從該擴(kuò) 散介質(zhì)中出來并進(jìn)入流場通道內(nèi)的水輸送可能增加，而不增大電阻。在 其它實施方案中，該涂層30可以通過降低會造成氫不足的在陽極通道 中的全通道水堵塞(full-channel water slug)形成和在陽才及擴(kuò)散介質(zhì)中的 累積，而降低膜電極組件的電極中的碳腐蝕速率。在其它實施方案中， 該涂層30可以通過使通道和擴(kuò)散介質(zhì)中累積水質(zhì)量最小化而降低冷凍 損害和冷凍啟動時間(freeze start-up time )。依照圖2中所示的本發(fā)明的另一實施方案，可以在雙極板12 的部分上，例如在平臺16上，選擇性沉積掩模，以使通道18處于暴露 狀態(tài)。該第一涂層30選擇性僅形成在通道18的側(cè)壁22和底壁24上。 然后將該掩模除去。在另一實施方案中，該第一涂層30可以形成在該雙極板的整個表面上，包括平臺16和通道18,然后可以從該雙極板表 面的選擇部分上除去該涂層，例如從該雙極板的平臺16上除去。依照圖3中所示的本發(fā)明的一種實施方案，可以將掩一莫材料 選才奪性沉積在雙扨、板12的部分上，例如沉積在平臺16上，而使通道18 被暴露。第一涂層30選#^生僅形成在通道18的側(cè)壁22和底壁24上。 然后將該掩模材料除去。包括比第 一涂層親水性差的且可以是疏水的涂 層的第二涂層32可以形成在該雙極板的平臺16上。該第二涂層32可 以通過例如物理氣相沉積方法、化學(xué)氣相沉積(CVD)方法、等離子體 增強(qiáng)CVD方法、熱噴涂方法、溶膠-凝膠、噴涂、浸涂、刷涂、旋涂或 絲網(wǎng)印刷方法形成。該第二涂層32可以是PTFE。在本發(fā)明的另一實施 方案中，該第二涂層可以在第一涂層之前形成。依照圖4中所示的本發(fā)明的另一實施方案，可以選擇性在雙 極板12的部分上沉積掩才莫，例如在平臺16和通道18的側(cè)壁22上沉積， 而使通道18的底壁24暴露。該第一涂層30選擇性僅形成在該通道18 的底壁24上。然后將該掩模從該平臺16和通道18的側(cè)壁22上除去。 在另一實施方案中，該第一涂層30可以形成在該雙極板的整個表面上， 包括平臺16和通道18，然后可以從該雙極板的平臺16和通道18的側(cè) 壁22上除去該第一涂層，而保留該通道18的底壁24上的第一涂層?，F(xiàn)在參照圖5,本發(fā)明的另一實施方案包括雙極板12,該雙 極板12包括第一薄金屬片材40和第二薄金屬片材42,其各自經(jīng)過沖壓 并連接以提供多個平臺16和通道18?？梢栽谠摰谝唤饘倨?0和第二 金屬片材42之間提供冷卻通道26。冷卻通道的部分可以由該雙極板12 的第三和第四面28、 28，限定。該雙極板12的第一和第二面20和20， 可以具有在其上形成的第一涂層30。該第一涂層30可以如上所述形成。依照圖6中所示的本發(fā)明的另一實施方案，可以在雙極板12 的部分上選擇性沉積掩模，例如在平臺16上沉積，而使通道18暴露。 僅在該通道18上選擇性形成第一涂層30。然后除去掩模?？梢栽谠撾p 極板的平臺16上形成包括導(dǎo)電性疏水涂層的第二涂層32。在另一實施 方案中，該第二涂層32可以在第一涂層之前形成?，F(xiàn)在參照圖7，該產(chǎn)品10包括兩個間隔開的雙4及板12和在 兩者之間的紡織品部分(soft goods portion ) 50。該紡織品部分50可以 朝向該雙極板12的流場，其中該流場包括該雙極板的平臺16和通道18。該雙極板12可以具有在該雙極板的至少第一部分上方的第一涂層51， 其中該第一部分可以是通道18。該雙極板12可以具有在該雙極板的至 少第二部分上方的第二涂層53，其中該第二部分可以是平臺16。該紡 織品部分50可以包括聚電解質(zhì)膜52，在該聚電解質(zhì)膜52上方具有第一 電極54a,例如陽極。微孔層56a可以位于該第一電極54a上方，第一 氣體擴(kuò)散介質(zhì)層58a可以位于該第一微孔層56a上方。類似地，第二電 極54c,例如陰極，可以位于該聚電解質(zhì)膜52下方。第二微孔層56c可 以位于該第二電極54c下方，第二氣體擴(kuò)散介質(zhì)層58c可以位于該第二 樣￡孔層56c下方。在本發(fā)明的一種實施方案中，在活性區(qū)域平面(active area plane)內(nèi)該雙極板12的親水特征是變化的。例如，可以施加親水涂層 以使該氣體入口區(qū)域比該燃料電池的中心更親水。現(xiàn)在參照圖8，該雙 極板12具有陰極入口 60、陰極出口 62、陽極入口 64、陽極出口 66、 冷卻劑入口 68和冷卻劑入口 70。在活性區(qū)域72的所有部分中的通道都 可以具有親水SiOx涂層。該活性區(qū)域72包括其中從平臺除去親水SiOx 涂層的部分74和其中在平臺上具有親水SiOx涂層的部分76。進(jìn)行中子射線照相術(shù)實驗以顯示在多種50cm2燃料電池中的 水分布其中雙極板在通道和平臺上都具有SiOx親水涂層的燃料電池、 其中雙極板在通道上具有SiOx親水涂層但其中親水涂層已經(jīng)從平臺上 去除的燃料電池、和其中雙極板在通道上具有SiOx親水涂層但其中親水 涂層已經(jīng)從流場的入口和出口附近的平臺上去除的燃料電池。圖9是示 出這些實驗結(jié)果的曲線?，F(xiàn)在參照圖9，當(dāng)親水涂層從流場的入口和出 口附近的平臺上去除時，可以實現(xiàn)液態(tài)水在燃料電池中的最佳分布。圖
雙極板而言，與在平臺和通道上都具有親水涂層的雙極板相比，液態(tài)水 在燃料電池中的分布更好。該雙極板的完全涂覆(平臺和通道)可以*提高雙才及板和擴(kuò)散 介質(zhì)之間的接觸區(qū)域處的電阻。例如，基于160個板并且未處理的板的 平均電阻為44.0mQcm2的試樣，平均厚度為80 ~ 100納米的SiOx涂層 增加了 11.6mQ cn^的平均電阻?？恐叨扔H水性涂覆的雙才及板平臺放 置高度親水性的PTFE涂覆的擴(kuò)散介質(zhì)不會使產(chǎn)物水從該接觸區(qū)域的排 斥最大化，其對于降低傳質(zhì)阻力可能是有益的。
在多種實施方案中，使用親水性通道和親水性較差的平臺可 以實現(xiàn)水累積的最小化和最佳的燃料電池性能。對于其中已經(jīng)從該陰極 平臺上將該親水涂層除去的雙極板，累積水的總質(zhì)量較少。在其中該雙 極板的通道涂覆有SiOx親水涂層且平臺親水性較差的燃料電池中，水可 以更有效地從在該平臺中的氣體擴(kuò)散介質(zhì)層排出。盡管與未處理的雙極 板相比，在平臺和通道上都有SiOx親水涂層可以將總累積水質(zhì)量降低 55。/。，但是當(dāng)從陰極平臺上除去該SKX親水涂層時，總累積水質(zhì)量可以 再降低13%。在涉及第一元件或?qū)酉鄬τ诘诙驅(qū)拥南鄬ξ恢枚褂?術(shù)語"上方"、"在...上方"或"下方"、"在...下方"時，這應(yīng)當(dāng)表 示該第一元件或?qū)优c該第二元件或?qū)又苯咏佑|，或者在該第一元件或?qū)?和該第二元件或?qū)又g插入另外的層或元件。對本發(fā)明的實施方案的上述描述本身僅是示例性的，因此并 不應(yīng)認(rèn)為其變體脫離了本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1. 產(chǎn)品，包括第一燃料電池元件，包括第一面、位于所述第一面的至少第一部分上方的第一親水涂層、和位于所述第一面的至少第二部分上方的第二較不親水的涂層。
2. 權(quán)利要求l的產(chǎn)品，其中所述第二涂層是疏水的。
3. 權(quán)利要求l的產(chǎn)品，其中所述第二涂層包含PTFE。
4. 權(quán)利要求l的產(chǎn)品，其中所述第一涂層具有約50納米~約1微 米的厚度。
5. 權(quán)利要求1的產(chǎn)品，其中所述第二涂層具有約50納米~約1微米的厚度。
6. 權(quán)利要求l的產(chǎn)品，其中所述燃料電池元件包括雙極板。
7. 權(quán)利要求1的產(chǎn)品，進(jìn)一步在第一面中包括反應(yīng)物氣體流場，所 述反應(yīng)物氣體流場包括平臺和通道。
8. 權(quán)利要求7的產(chǎn)品，其中所述第一部分基本由所述通道的側(cè)壁和 底壁組成。
9. 權(quán)利要求7的產(chǎn)品，其中所述第一部分基本由所述通道的底壁組成。
10. 權(quán)利要求7的產(chǎn)品，其中所述第二部分包括所述平臺。
11. 權(quán)利要求l的產(chǎn)品，進(jìn)一步包括第二燃料電池元件，包括第一面，和其中所述第一燃料電池元件和 所述第二燃料電池元件各自包括雙極板和限定在每一雙極板的第一面 中的反應(yīng)物氣體流場，所迷反應(yīng)物氣體流場包括平臺和通道；和位于所述雙極板之間且朝向所述流場的紡織品部分，其中所述紡織 品部分包括在聚合物電解質(zhì)膜的相對面上的陽極和陰極。
12. 權(quán)利要求11的產(chǎn)品，其中所述第一面的第一部分包括氣體入口 區(qū)域。
13. 權(quán)利要求12的產(chǎn)品，其中所述第一面的第一部分基本由所述氣 體入口區(qū)域內(nèi)的通道的側(cè)壁和底壁組成。
14. 權(quán)利要求12的產(chǎn)品，其中所述第一面的第一部分基本由所述氣 體入口區(qū)i或內(nèi)的通道的底壁組成。
15. 權(quán)利要求11的產(chǎn)品，其中所述第一面的第二部分包括所述第一面的中心。
16. 權(quán)利要求15的產(chǎn)品，其中所述第一面的第二部分包括在所述第一面的中心的平臺。
17. 燃料電池元件的制備方法，包括提供包括第 一 面和限定在所述第 一 面內(nèi)的反應(yīng)物氣體流場的基體； 在所述第一面的至少第一部分上形成第一親水涂層；和 在所述第一面的至少第二部分上形成第二較不親水的涂層，以使所述基體包括具有第一親水涂層的選擇性暴露部分和第二親水涂層的選擇性暴露部分的表面。
18.權(quán)利要求17的方法，其中所述第二較不親水的涂層是疏水涂層。
19. 權(quán)利要求17的方法，其中形成第一涂層包括物理氣相沉積方 法、化學(xué)氣相沉積(CVD)方法、等離子體增強(qiáng)的CVD方法、熱噴涂 方法、溶膠-凝膠、噴涂、浸涂、刷涂、旋涂或絲網(wǎng)印刷中的至少一種。
20. 權(quán)利要求17的方法，其中形成第二涂層包括物理氣相沉積方 法、化學(xué)氣相沉積(CVD)方法、等離子體增強(qiáng)的CVD方法、熱噴涂 方法、溶膠-凝膠、噴涂、浸涂、刷涂、旋涂或絲網(wǎng)印刷中的至少一種。
21. 權(quán)利要求17的方法，進(jìn)一步包括在所述第一涂層之前形成所述 第二涂層。
22. 燃料電池元件的制備方法，包括提供包括第 一面和限定在所述第 一面內(nèi)的反應(yīng)物氣體流場的基體； 在所述第一面上形成第一親水涂層；和將所迷第一親水涂層從所述第一面的至少一部分上除去，以使所述 基體包括具有所述第一親水涂層的選擇性暴露部分的表面。
23. 權(quán)利要求22的方法，其中所述第一面的所述部分包括平臺。
24. 權(quán)利要求23的方法，其中所述第一面的所述部分包括在所述第 一面的中心的平臺。
25. 燃料電池元件的制備方法，包括提供包括第 一面和限定在所述第 一面內(nèi)的反應(yīng)物氣體流場的基體； 在所述第 一面的第 一部分上形成掩模； 在所述第一面上形成第一親水涂層；和除去所述掩模，以使所述基體包括在所述第 一 面的第二部分上的所 述親水涂層。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有可變表面性質(zhì)的燃料電池雙極板。本發(fā)明的一種實施方案包括第一燃料電池元件，其包括第一面、置于該第一面的至少第一部分上方的第一親水涂層、和置于該第一面的至少第二部分上方的第二較不親水的涂層。
文檔編號H01M4/86GK101499533SQ20091000996
公開日2009年8月5日 申請日期2009年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月28日
發(fā)明者G·V·達(dá)希奇, J·P·奧維簡, R·L·達(dá)塔, T·A·特拉博德, T·W·蒂赫 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司