[发明专利]在燃料电池双极板上沉积耐久性薄金涂层的方法

说明书

技术领域

本发明的实施方案涉及燃料电池所用的双极板，和更具体地，涉及用于在双极板上沉积薄金涂层的改进的方法，其降低了所形成的金涂层的孔隙率，改善了金涂层的耐久性，并降低了其下的双极板的腐蚀。

背景技术

近年来，车辆制造商越来越多地追求燃料电池动力源，这归因于它们的高效运行和低排放。用于运输应用的一种主要候选燃料是氢气/空气质子交换膜燃料电池(PEMFC)，其包含位于一对气体扩散介质层和催化剂层之间的聚合物膜(例如质子交换膜)。阴极板和阳极板位于与气体扩散介质层相邻的最外侧。催化涂层沉积在所述膜的相对侧上，形成膜电极组件(MEA)。全部这些部件一起形成了电池单元。

典型地，几个燃料电池在燃料电池堆中组合来产生期望的电输出。对于汽车燃料电池堆来说，该电池堆可以包括大约二百或更多个燃料电池。在这种布置中，两个相邻的电池单元可以共享共同的极板，其充当了由它串联的两个相邻电池单元的阳极和阴极。这样的板通常被称作双极板，其典型地在其中包括流场来增强反应物气体如氢气和氧气向相关联的电池的传递。

金属双极板是优选使用的，因为它们是电化学稳定的，导电性的和廉价的。另外，它们可以制得非常薄(例如<0.25mm)和可以通过廉价的金属成形技术如冲压形成为最终的形状。不锈钢通常用于形成双极板。但是，不锈钢易于在潮湿的燃料电池堆环境(包括氧化性和还原性条件二者)中发生腐蚀。

在燃料电池堆中活性腐蚀过程会增大膜电阻和双极板的接触电阻，降低电池堆的导电性/功率密度。所形成的腐蚀产物还会导致其他燃料电池部件的化学降解。为了保护金属双极板抗腐蚀和降低接触电阻，所述板经常电镀上薄贵金属涂层例如金或者选自铂金属族(PGM)的金属。该保护性涂层是导电性的，厚度为5-10nm。但是，已经发现甚至具有保护性贵金属涂层时，其下的双极板随时间流逝也会遭受腐蚀。此外，该薄涂层会遭受明显的降解，特别是在燃料电池的阴极侧更是如此，在此空气与对所述涂层具有潜在溶解能力的污染物例如碘化物、溴化物、氯化物、硫代硫酸盐、硫脲或它们的混合物一起进入电池堆，影响了随时间流逝双极板的完整性。

发明内容

本发明的实施方案提供了使用受控的退火过程来改善不锈钢双极板上的薄金涂层的耐久性的方法。经退火的金涂层具有降低的孔隙率，这改善了涂层的稳定性并为其下的双极板提供了改善的耐腐蚀性。已经发现退火过程降低了铁阳离子的产生，铁阳离子会不利地影响燃料电池性能，这归因于膜化学降解和膜离子交换能力的损失。

根据本发明的一方面，提供了将金涂层沉积到燃料电池所用的双极板上的方法，其包括提供具有第一和第二表面的双极板基材，将金涂层沉积到该基材的至少一个表面上，以及在受控的环境中使基材上的所述金涂层退火。用“双极板基材”表示双极板或者冲压到或施用到双极板上的基材。例如，金涂层可以直接施用到双极板上或者可以薄条金属的形式施用到双极板基材上，其然后在退火步骤之前或之后施用到双极板上。

在一种实施方案中，金涂层是通过电镀方法沉积的。电镀后的金涂层包含粒度为大约1-5nm的纳米粒子。

电镀后的金涂层然后优选在大约200℃-500℃的温度，和更优选在大约250℃-300℃的温度退火。该涂层优选在干燥无氧气氛中退火。用“干燥”和“无氧”表示该气氛包含小于2ppm的氧气和小于2ppm的水。优选该涂层是在氢气或惰性气体如氩气和/或氦气存在下退火的。

该方法优选使用包含不锈钢或由其组成的双极板基材，但是该基材也可以包含其他金属如钛、铝和镍基合金或由其组成。

在退火后，金涂层优选的厚度是大约3nm-10nm且粒度是大约10-30nm。在双极板两侧上的经退火的金涂层在200psi的施加压力和1A/cm²的电流密度时表现出大约15至大约22mΩ-cm²的总接触电阻。

与退火前的金涂层相比，经退火的金涂层具有降低的孔隙率并优选表现出小于大约1体积%的孔隙率。所形成的双极板在其上包括经退火的金涂层，该双极板适用于PEM燃料电池。

因此，本发明实施方案的特征是提供改善用于PEM燃料电池组件的金属双极板上的薄金涂层的耐久性的方法。依据详细说明和所附的权利要求本发明的其他特征将变得显而易见。

具体地，本发明提供了以下方面的技术方案：

● 1. 在用于燃料电池的双极板上沉积金涂层的方法，其包括：

提供具有第一和第二表面的双极板基材；

在所述基材的至少一个表面上沉积金涂层；以及