[发明专利]用于电化学电池的双极板及其制造方法

说明书

本发明涉及用于电化学能量转换器的涂覆的双极板，它们通常应用于燃料电池和/或电解电池。本发明还涉及根据本发明涂覆的双极板的制造方法。

现有技术

电化学能量转换器（例如燃料电池或电解电池）包括两个电极（阳极和阴极），这两个电极设置为由固体半透性电解质膜或在惰性纤维结构中的液体电解质电绝缘的且彼此机械分离的，并且形成所谓的膜-电极-单元（英文：膜电极组件=MEA）。在燃料电池中，在阳极处发生氧化反应和在阴极处发生还原反应，在电解装置中则相反。根据电池类型，可以作为电解质的是能够传导离子的聚合物膜、溶解的碱或酸、碱金属碳酸盐熔体或陶瓷。由碳纤维网/织物或金属泡沫形成的多孔导电的气体扩散层的两侧分别被所述电极界邻。接着，电化学能量转换器在两侧具有双极板（也称为分流器或集电板，英语：集电体），其大多由导电的碳复合材料或金属形成。

本发明的重点在于以固体聚合物电解质膜进行操作的燃料电池和电解装置。其中区分为在约85℃下操作的低温-聚合物电解质-燃料电池/电解电池和在120至180℃的温度范围内操作的高温-聚合物电解质-燃料电池/电解电池。在这两种变体中作为电解质的是传导质子或氢氧根离子的离聚物膜。它是不透气和不传导电子的。接着在两侧分别是催化剂层（电极）、多孔的气体扩散层和双极板。在电极表面上总是存在三相（催化剂作为电子导体、离聚物作为质子导体和反应物）相接触。所述反应物（在燃料电池中为氢气和氧气，在电解电池中为水）经由双极板的通道结构输入和借助多孔的气体扩散层均匀地分布在催化剂表面上。所述双极板的作用在于，机械地稳定该电化学电池、从两侧输入和输出反应物并且输出所产生的电流。

因此，双极板必须是机械稳定的，因为它们作为燃料电池和电解装置内部的机械承重元件必须承受热膨胀、高的表面压力和在移动设备应用中的振动和冲击。双极板还必须具有高的导电性和导热性，以有效地输出所产生的电流和将热能释放到冷却介质上。为此目的，它们必须具有致密的表面特性，从而不吸收反应物和电解质并且将它们与冷却介质在空间上分离。此外，通过它控制水平衡（在电解装置时的水输入和在燃料电池时的水排出）。此外，需要在高温和外部电势下针对电化学腐蚀的高稳定性。其中，双极板必须在最高180℃的温度和最多大约2.2 V的电化学电势（相对于可逆的氢电极）下承受尤其浓的磷酸。在双极板/电解质相界上的电化学腐蚀是双极板的材料选择的决定性条件。

目前，现有技术的低温应用和高温应用都是石墨-聚合物-复合材料的应用。这些是具有炭黑或石墨颗粒的有机聚合物，例如聚丙烯、聚苯硫醚、酚醛树脂和乙烯基酯树脂，它们相对于纯的石墨材料可以显著改善坚固性，并且可以通过注塑方法或热压而批量生产。

这样的石墨-聚合物-复合材料的聚合物基体虽然通过弹性性能提高了机械稳定性，但是牺牲了导电性和导热性，因为聚合物组分具有绝缘的效果。此外，基于石墨的双极板具有相对高的材料厚度（>2mm）。

这里存在金属双极板的巨大优点。这些通常可以通过简单且廉价的制造方法例如冲压或高压成型制造。此外，它们具有良好的延展性和针对冲击和振动显著更高的机械稳定性，而冲击和振动往往会不利地导致裂缝和后果是气体的损失。此外，对于它们在燃料电池或电解装置中的应用具有足够高的导电性和导热性。

金属双极板的主要挑战（迄今未能广泛地应用到燃料电池技术的原因）在于，金属材料作为双极板易于在酸性/碱性的和潮湿的环境中被腐蚀。

在低温-燃料电池/电解装置的情况下存在中等的腐蚀条件（电解质浓度<0.5 M H₂SO₄，在约85℃下），而在高温-燃料电池/电解装置的情况下由于所使用的浓的磷酸（最高16 M）和最多180℃的高温而存在更苛刻的条件。这导致在一方面金属双极板可能与电解质接触而发生腐蚀，并且释放的金属离子可能不利地毒化催化剂和聚合物电解质膜（Nafion®膜或聚苯并咪唑膜）。在Nafion®膜的低温应用中，已经开始研究由于金属离子的嵌入而引起的质子传导性的降低。另一种腐蚀现象是在双极板的金属表面上形成不导电的或不充分导电的钝化层（金属氧化物、金属氢氧化物、金属磷酸盐），这伴随着接触电阻的增加。这也已经广泛地研究了硫酸的条件（Nafion®膜）。除了高的操作温度，电化学电势也是腐蚀的一个关键影响因素。在燃料电池的情况下可能出现大约1 V的电势，在电解装置的情况下甚至出现高达2.2 V（相对于可逆的氢电极）。