CN101091276A - 具有增强的稳定性的双极板 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于燃料电池的增强的稳定性的并且便宜的双极板。增强的稳定性的双极板包括双极板衬底和热喷涂在双极板衬底上的抗腐蚀涂层。还公开了一种用于增强双极板的抗腐蚀性的方法。
Description
技术领域
本发明涉及产生给车辆或其它机器电能的电流的燃料电池。更具体地说，本发明涉及一种双极板，其使用热喷涂工艺涂有高级不锈钢的抗腐蚀涂层以在双极板用于聚合电解质膜片(PEM)燃料电池时给予其抗氟化物性。
背景技术
近年来，对燃料电池技术的发展已投入了大量的研究，特别是为了机动车的应用。燃料电池动力设备已显示出高达55％的效率。此外，燃料电池动力设备因其仅将热量和水作为副产品放出而是环保的。
燃料电池通过将氢和氧结合来制造水和最终产物而制造能量。在PEM燃料电池中，聚合物电极膜片用作阴极和阳极之间的电解质。在PEM燃料电池中，经常将多个燃料电池串联堆叠起来以形成燃料电池堆叠件。在燃料电池堆叠件中，流场板的一侧用作一个燃料电池的阳极，而流场板的相对侧用作相邻燃料电池的阴极。因为每个流场板都用作阳极和阴极，所以流场板还被称为双极板。
用于PEM燃料电池的双极板必须是在电化学方面稳定的、导电的和便宜的。在燃料电池环境中的金属双极板的腐蚀通过膜片的降解加速了腐蚀过程。膜片的降解产物包括加速腐蚀过程的、致使腐蚀过程本质上成为自催化的氟化氢(HF)。316L不锈钢已用作便宜的双极板材料。
尽管316L不锈钢显示出了对氟化物离子的相当好的抗腐蚀性，腐蚀速度仍然随着氟化物离子浸出速度的增加而增加。这个问题通过从燃料电池环境移除氟化氢离子或者通过使用比316L不锈钢更能抵抗氟化物离子的腐蚀的更高级的不锈钢而可以稍微减轻。然而，将更高级的不锈钢用于双极板易于增加双极板的成本。
用于增加易受腐蚀的衬底的抗腐蚀性的多种方法都是已知的。例如，US20030228512 A1公开了一种通过在衬底上沉积金涂层而改善不锈钢衬底的表面的接触电阻且维持衬底最佳的抗腐蚀性的方法。US20040091768 A1公开了一种通过在衬底上提供聚合物的导电涂层而增加衬底的抗腐蚀性的方法。美国专利No.6,372,376 B1公开了一种通过在衬底上提供包含多个导电的、抗腐蚀的填料粒子的导电的、抗腐蚀聚合物而增加衬底的抗腐蚀性的方法。
已发现的是，使用热喷涂对例如316L不锈钢双极板的低级不锈钢双极板的表面涂以例如一薄层的高级不锈钢或合金给予了双极板高度的氟化物离子抗腐蚀性，而维持了双极板的成本在可接受的程度内。只需小量的更昂贵的(更高的抗腐蚀性的)合金。
发明内容
本发明一般涉及一种新颖的双极板，其以在燃料电池环境中的增强的稳定性和抗氟化物腐蚀性为特征。本发明的双极板包括典型为例如诸如304L或316L的低级不锈钢的不锈钢双极板衬底，和使用热喷涂工艺涂在双极板衬底上的更高级的不锈钢或合金的抗腐蚀涂层。例如，抗腐蚀涂层可以是诸如C-276的高级不锈钢。例如，其它合金例如904L、254SMO和Carp-20，还可用作涂层材料。因此，抗腐蚀涂层使更低级不锈钢双极板衬底在燃料电池环境中变得基本上可抵抗氟化物离子。这基本上延长了双极板的寿命。例如，可以为金或有机涂层的覆盖层，可以提供在抗腐蚀涂层上以减少抗腐蚀涂层的接触电阻。
本发明还涉及一种用于增强双极板的抗腐蚀性的新颖的方法。该方法包括：提供典型为例如诸如304L或316L不锈钢的更低级不锈钢的双极板衬底；和使用热喷涂工艺在双极板衬底上提供抗腐蚀涂层。抗腐蚀涂层例如可以为C-276薄膜。或者，抗腐蚀涂层可以为例如诸如904L、254SMO或Carp-20的合金。该方法还可包括在抗腐蚀层上沉积覆盖层以减少抗腐蚀涂层的接触电阻。
附图说明
本发明将参照附图以示例的方式进行介绍，在附图中：
图1是由根据本发明的热喷涂方法制造的增强的稳定性的双极板的一部分的截面图；
图2是显示根据制造本发明的增强的稳定性的双极板的方法所进行的顺序过程步骤的流程图；
图3是对在2000ppm HF中的各种不锈钢合金(沿X轴绘制)的腐蚀速度(沿Y轴绘制)进行比较的柱状图；
图4是显示用于制造根据本发明的一个实施例的增强的稳定性的双极板的热喷涂工艺的示意图；
图5是显示用于制造根据本发明的其它实施例的模压的增强的稳定性的双极板的热喷涂工艺的示意图；以及
图5A是根据图5的热喷涂方法制造的模压的增强的稳定性的双极板的截面图。
具体实施方式
根据本发明，为例如诸如304L或316L不锈钢的低级不锈钢的双极板衬底使用热喷涂工艺涂有更高级的不锈钢以制造具有改善的抗氟化氢的腐蚀性的双极板。优选地，双极板衬底的阴极侧涂有抗腐蚀涂层以在燃料电池运行期间增加双极板的阴极侧对氯化物或氟化物的抗腐蚀性。对低级不锈钢双极板衬底的表面涂以薄的(0.1-2μm)例如更高级的C-276抗腐蚀涂层极大地降低了在氟化物离子环境中的双极板的腐蚀速度，而不增加双极板的重要成本。例如，可以涂在双极板衬底上作为抗腐蚀涂层的合金包括904-L、254SMO或Carp-20不锈钢。
热喷涂不锈钢涂层的接触电阻可以通过在不锈钢涂层上提供覆盖层减小。例如，覆盖层可以为一薄层(＜10nm)的金(Au)或有机涂层。其它适用于覆盖层的材料包括铂和其合金，铑，钌和其合金以及钯和其合金。使用根据本发明的热喷涂工艺对更低级不锈钢或材料涂以薄的、更高级的不锈钢或材料是节省成本的，这是由于使用更高级的不锈钢或材料制造厚的双极板是受成本限制的。
图1是根据本发明的增强的稳定性的双极板10的截面图，在下文中称为双极板。双极板10包括典型为例如诸如304L或316L不锈钢的低级不锈钢的双极板衬底12。可以为比双极板衬底12的级别较高的不锈钢的抗腐蚀涂层14使用热喷涂工艺形成在双极板衬底12的外表面13上。抗腐蚀涂层14优选具有典型为约0.1-30μm的厚度。例如，适用于抗腐蚀涂层14的不锈钢的级别包括C-276ss。或者，抗腐蚀涂层14可以为例如诸如904L、254SMO和Carp-20的合金。
可以为例如金(Au)或有机材料的覆盖层16典型地提供在抗腐蚀涂层14上以保持抗腐蚀涂层14的接触电阻为低的。其它适用于覆盖层16的材料包括铂和其合金，铑，钌和其合金和钯和其合金。覆盖层16的厚度在是金涂层的情况下优选地小于典型的约10nm，并且在是聚合物的涂层的情况下典型为约10-28μm。
图2是显示了用于制造根据本发明的增强的稳定性的双极板所进行的顺序过程步骤的流程图。在步骤1中，提供了双极板衬底。双极板衬底典型为例如诸如304L或316L的低级不锈钢，并且具有用于燃料电池的燃料电池堆叠件中的适当的尺寸和构造。
在步骤2中，抗腐蚀涂层形成在双极板衬底的外表面。抗腐蚀涂层的厚度优选地在典型为约0.1-30μm的范围内。抗腐蚀涂层可以为包括例如C-276不锈钢的更高级的不锈钢。或者，抗腐蚀涂层可以为例如诸如904L、254SMO或Carp-20的抗腐蚀合金。抗腐蚀涂层使用热喷涂工艺涂在双极板衬底的外表面上。
热喷涂过程进行形成熔融的粒子或能够塑性变形的粒子。粒子在热源内以高速朝着在其上发生沉积的表面或衬底进行传送。粒子遭受涂覆并且可能与在下面的表面或衬底产生化学键。在衬底材料不能与粒子形成化学键的情况下，预先使衬底表面粗糙化以产生机械结合。每个小滴或粒子都撞击粗糙化的表面并且与表面上的粗糙部分机械地连结。
在步骤3中，覆盖层沉积在抗腐蚀涂层上以减小抗腐蚀层的接触电阻。覆盖层优选地具有小于典型的约10nm的厚度。例如，覆盖层可以为金或有机材料。
下表(I)给出了各种级别的不锈钢，合金和钛的实际的腐蚀速度和标准化的腐蚀速度。每个样本的腐蚀速度和标准化的腐蚀速度通过将样本在80℃的浸蚀液(1M H2SO4+0.1M HF)中浸湿一个小时而获得。
表I
| 合金 | 腐蚀速度(g/s) | 标准化的腐蚀速度 |
| 304Lss | 8.87E-05 | 1 |
| 353ss | 2.62E-05 | 0.296 |
| 316Lss | 1.89E-05 | 0.213 |
| Inconl800 | 1.85E-05 | 0.208 |
| 317Lss | 8.19E-06 | 0.092 |
| Inconl601 | 5.97E-06 | 0.067 |
| 904Lss | 7.50E-07 | 0.009 |
| 354SMO | 4.17E-07 | 0.005 |
| Carp-20 | 3.61E-07 | 0.004 |
| C-276 | 1.39E-07 | 0.002 |
| 钛 | 8.13E-05 | 0.92(在包含氟化物离子的环境中的有限的稳定性) |
上表(I)显示了不锈钢/合金的级别越高，不锈钢/合金在硫酸/氟化氢混合物中的抗腐蚀性越好。在相同溶液中的钛的抗腐蚀性比得上304L不锈钢的抗腐蚀性。图3的柱状图展示了各种级别的不锈钢和各种合金的腐蚀速度的视觉的比较。
下面参照图4，用于在根据本发明的双极板衬底上12形成抗腐蚀涂层14的热喷涂工艺可以使用可以是传统的热喷涂装置20来完成。热喷涂装置20包括具有枪嘴24的喷枪22。衬底支架28相对于枪嘴24以隔开的关系进行定位。使用中，双极板衬底12安装在衬底支架28上，其中双极板衬底12的外表面13面对枪嘴24。待用作抗腐蚀涂层14的不锈钢或合金然后作为在喷涂流26中的熔融的粒子从枪嘴24对着双极板衬底12的外表面13进行喷射。因此，不锈钢或合金抗腐蚀涂层14与外表面13形成化学键。在随后的过程步骤中，覆盖层16(图1)可以使用物理气相沉积(PVD)或其它为本领域内的技术人员所熟知的沉积工艺涂在抗腐蚀涂层14上。
下面参照图5和图5A，显示了根据本发明的方法制造增强的稳定性的双极板10a的滚筒型热喷涂装置30。装置30包括具有枪嘴34的喷枪32，枪嘴34与具有滚筒表面37的可旋转的滚筒36是隔开的。在装置30的操作中，待用作在双极板衬底上12a的抗腐蚀涂层14a的不锈钢或合金作为在喷涂流40中的熔融的粒子对着滚筒36的滚筒表面37进行喷射。同时，滚筒36以如图5所示的、由箭头标示的反时针方向旋转。从而，不锈钢或合金涂膜15形成在滚筒表面37上。滚筒表面37是不与不锈钢或合金涂膜15化学或物理结合的材料。涂膜15的前部分从滚筒36拉出并且定位在压印模38和双极板衬底12a之间。
紧接着，为涂膜15的前端部分的抗腐蚀涂层14a在压印模38和双极板衬底12a之间进行模压。如图5A所示，这将抗腐蚀涂层14a模压到双极板衬底12a的表面内以完成增强的稳定性的双极板10a的制造。在随后的过程步骤中，覆盖层16a可以使用PVD或其它为本领域内的技术人员所熟知的沉积工艺涂在抗腐蚀涂层14a上。
尽管以上介绍了本发明的优选实施例，应该承认并理解的是可以对本发明作出各种变更，并且所附的权利要求意在保护可能落入本发明的精神和范围内的所有这种变更。
Claims (36)
1.一种用于燃料电池的增强的稳定性的双极板，包括：
双极板衬底；和
热喷涂在所述双极板衬底上的抗腐蚀涂层。
2.根据权利要求1所述的增强的稳定性的双极板，其特征在于，所述双极板衬底包括304L或316L级别的不锈钢。
3.根据权利要求1所述的增强的稳定性的双极板，其特征在于，所述抗腐蚀涂层包括C-276级别的不锈钢。
4.根据权利要求1所述的增强的稳定性的双极板，其特征在于，所述抗腐蚀涂层包括904L合金。
5.根据权利要求1所述的增强的稳定性的双极板，其特征在于，所述抗腐蚀涂层包括254SMO合金。
6.根据权利要求1所述的增强的稳定性的双极板，其特征在于，所述抗腐蚀涂层包括Carp-20合金。
7.一种用于燃料电池的增强的稳定性的双极板，包括：
不锈钢双极板衬底；
热喷涂在所述双极板衬底上的抗腐蚀涂层，所述抗腐蚀涂层具有比所述双极板衬底的抗腐蚀性高的抗腐蚀性；和
提供在所述抗腐蚀涂层上的覆盖层，用于减小所述抗腐蚀涂层的接触电阻。
8.根据权利要求7所述的增强的稳定性的双极板，其特征在于，所述双极板衬底包括304L或316L级别的不锈钢。
9.根据权利要求7所述的增强的稳定性的双极板，其特征在于，所述抗腐蚀涂层包括C-276级别的不锈钢。
10.根据权利要求7所述的增强的稳定性的双极板，其特征在于，所述抗腐蚀涂层包括904L合金。
11.根据权利要求7所述的增强的稳定性的双极板，其特征在于，所述抗腐蚀涂层包括254SMO合金。
12.根据权利要求7所述的增强的稳定性的双极板，其特征在于，所述抗腐蚀涂层包括Carp-20合金。
13.一种用于增强双极板的抗腐蚀性的方法，包括：
提供双极板衬底；和
将抗腐蚀涂层热喷涂在所述双极板衬底上。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述双极板衬底包括316L级别的不锈钢。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述搞腐蚀涂层 包括C-276级别的不锈钢。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述抗腐蚀涂层是从由904L合金、254SMO合金和Carp-20合金组成的组中选择的材料。
17.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括在所述抗腐蚀层上提供覆盖层，用于减小所述抗腐蚀层的接触电阻。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述覆盖层是选自由金、有机材料、铂、铂合金、铑、钌、钌合金、钯以及钯合金组成的组的材料。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述覆盖层包括溅射层。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述双极板衬底包括304L或316L级别的不锈钢。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述抗腐蚀涂层包括C-276级别的不锈钢。
22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述抗腐蚀涂层是选自由904L合金、254SMO合金和Carp-20合金组成的组的材料。
23.一种用于增强双极板的抗腐蚀性的方法，包括：
通过热喷涂形成涂膜；
提供双极板衬底；和
通过将所述涂膜模压在所述双极板衬底上而将抗腐蚀涂层提供在所述双极板衬底上。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述双极板衬底包括304L或316L级别的不锈钢。
25.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述抗腐蚀涂层包括C-276级别的不锈钢。
26.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述抗腐蚀涂层是选自由904L合金、254SMO合金和Carp-20合金组成的组的材料。
27.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括在所述抗腐蚀层上提供覆盖层，用于减小所述抗腐蚀层的接触电阻。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述覆盖层是选自由金，有机材料，铂，铂合金，铑，钌，钌合金，钯以及钯合金组成的群组的材料。
29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，所述覆盖层包括溅射层。
30.一种用于增强燃料电池中的双极板的阴极侧的抗氟化物腐蚀性的方法，包括：
提供具有阴极侧的双极板衬底；和
在所述双极板衬底的所述阴极侧上热喷涂抗腐蚀涂层。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述双极板衬底包括304L或S16L级别的不锈钢。
32.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述抗腐蚀涂层包括C-276级别的不锈钢。
33.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述抗腐蚀涂层是选自由904L合金、254SMO合金和Carp-20合金组成的组的材料。
34.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，还包括在所述抗腐蚀层上提供覆盖层，用于减小所述抗腐蚀层的接触电阻。
35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，所述覆盖层是选自由金、有机材料、铂、铂合金、铑、钌、钌合金、钯以及钯合金组成的组的材料。
36.根据权利要求35所述的方法，其特征在于，所述覆盖层包括溅射层。
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