[发明专利]具有涂层的电极、其制造方法和材料的用途

说明书

技术领域

本发明涉及用于电化学电池的电极，且尤其是用于燃料电池的双极板，该电极包括导电衬底和形成在所述导电衬底上的导电的耐腐蚀涂层，涉及这种电极的制造方法、包括该电极的电化学电池以及材料的用于电化学电池的电极的防腐蚀的用途。

技术背景

过去，大多数时候是当，如燃料(氢和氧的供给)的可获得量或性能的优势已经超过成本时，才使用燃料电池。然而今天，由于技术进步和逐渐增强的环境问题意识，燃料电池即使仍未处于，也至少是接近更大规模的商业突破。

一种燃料电池类型是质子交换膜(PEM)燃料电池，或简称PEMFC，其包括膜电极组件(MEA)，膜电极组件通常又包括作为电解质夹在两个气体扩散层(通常是碳层)之间的聚合物膜，气体扩散层还包含催化剂颗粒(通常是贵金属，诸如铂)。今天，最常用的膜是Nafion但还存在其他可替代物。

在PEMFC的运转过程中，碳层分别用作阳极和阴极。阳极侧的燃料(如氢)扩散穿过阳极侧碳层且与催化颗粒反应生成氢阳离子(质子)，氢阳离子扩散穿过膜至阴极侧。阴极侧的燃料(如空气或包括氧气的任何气体)扩散穿过阴极侧碳层且与催化颗粒反应生成氧阴离子。在阴极处，阴离子与阳离子反应且生成通常是水的反应残余产物。反应还产生热且当然还产生电能。

MEA通常被设置在分别与阳极和阴极接触的两个导电板之间。板用作集流体且通常在表面上设置有流动通道以促进燃料遍布在表面上以有助于催化剂。由于实际上通常设置燃料电池堆以形成电串连连接，所以板通常设置成连接这种堆的燃料电池元件，且因而板的一侧用作一个燃料电池的阳极，而另一侧作为堆内的相邻燃料电池的阴极。因此，板通常是指且公认为是双极板。可能出现的其他名称是流动板或类似的名称。

许多期望的性能与双极板有关，这些包括低电阻、轻的重量、薄、耐腐蚀性、在运转条件下的稳定性以及当然，低成本。已经证明要找到一种满足所有这些性能的材料并不是非常容易的。由于燃料电池内苛刻的环境，在PEMFC内是通常约2-3的pH和约80℃的高温，耐腐蚀性是一个特殊的问题。在其他类型的燃料电池中，温度甚至可能更高且环境更具腐蚀性。

对双极板来说，石墨是一种常规的材料选择且是非腐蚀性的，然而，这种板因碳的结构稳定性不足而是比较昂贵的、厚的，且加工流动通道是耗时的。其他可替代物包括导电的塑性材料，如包括碳颗粒的塑性材料，它们可以被低成本地制造，但具有比较高的电阻以及还存在相对厚的缺陷。贵金属板可以被制造得薄，导电良好，高度耐腐蚀以及可以以保持的结构稳定性(retained structural stability)被制造得薄，但存在高成本的缺陷且因此并不被认为是商业上可行的可替代物。

其他金属通常存在耐腐蚀性差的缺陷，或具有改善的耐腐蚀性但是以较高的电阻(通常由于形成氧化物膜)为代价。

由于非贵金属在除了耐腐蚀性之外的几乎各个方面都是合适的，因此它们对双极板来说仍是感兴趣的。因而，已经尝试增强基于金属的双极板的耐腐蚀性。这些解决办法中常用的是使用被设置成保护下面的金属芯或衬底免受腐蚀的某种外部导电层。应理解，这种结构的组合可能性是巨大的。基于例如经济原因，基于铝或不锈钢的双极板已经引起许多关注且目前被认为可能是最有前景的可替代物。下面是现有技术中提议的许多解决方法。

DE10017058A1公开了由具有第二金属的金属涂层的第一金属制成的双极板。板的主要材料(芯)是St37、铝或铝合金。金属涂层由金、锡、铅锡合金或钽制成，任选地具有额外的金属中间层(如，铜或镍)。通过电流沉积或通过溅射来施用金属涂层。

US2007287057A公开了一种不锈钢流场板，其包括钛或氧化钛层和氧化钛/氧化钌层，这使得板是导电的和亲水性的。采用合适的工艺，诸如PVD或CVD将钛作为金属或氧化物沉积到不锈钢双极板的表面上。将氯化钌在乙醇中的溶液刷到钛层上。接着，将板煅烧以在不锈钢上提供尺寸稳定的氧化钛/氧化钌层，其在燃料电池环境中是亲水性的和导电的。

US2004005502A描述了一种用于电化学电池的导电部件，特别是用作燃料电池内的双极板的导电部件。导电部件由设置有掺杂的金刚石涂层和/或掺杂的类金刚石碳涂层的金属部件组成。该涂层被认为能够以有利的成本制造部件而仍满足了良好的耐腐蚀性和高的导电率的双重要求。还描述了通过CVD和/或PVD工艺制造这种部件的方法。金属部件可以由钛、不锈钢、钢、镀锡的钢、铝、镁和/或其合金形成。

发明概述