[发明专利]用于燃料电池的双极板以及生产方法

说明书

根据本发明的用于电化学电池(特别是用于质子交换膜(PEM)燃料电池)的双极板用金属基板制成，并且在表面上形成有电接触电阻减少的碳基层、层系统或边界层，所述碳基层、层系统或边界层由具有50％至100％碳分数的近表面主要为sp2键合的碳基层构成，将所述碳基层、层系统或边界层施加在相对于起始材料改性的金属基板表面上。还可存在处于边缘层形式的所述基板的表面区域，所述边缘层通过渗氮和/或渗碳由氮化物和/或碳构成。所述金属基板可在与所述电化学电池内的气体可渗透元件处于触碰式接触的表面上具有由在相应表面中的隆起部和/或凹陷部构成的结构模式。

技术领域

本发明涉及用于电化学电池(尤其是用于聚合物电解质燃料电池或质子交换膜(PEM)燃料电池)的双极板以及制造方法。燃料电池用于通过电化学反应从燃料和氧化剂获得电能。质子交换膜(PEM)燃料电池(PEMFC)尤其适用于移动应用的情况中(例如在车辆中)。然而，存在的另一可能性是通过使用电能引发电化学反应(其中可获得氢作为反应产物)的方式来操作电化学电池。

背景技术

在下文中笼统地使用术语“燃料电池”，然而，当然该术语也应被理解为包括其它电化学电池。

双极板(BiP)用于燃料电池内，以用于氢和氧的供应以及用于水/冷却水的排出，并且还用于抽取(Abgreifen)从相应燃料电池的电极所释放的电子以提供电压。

燃料电池在两个电极间提供0.5V-2.0V的有用电压。重要的是，因电化学反应而释放的电子可在氢侧(阳极侧)非常有效率地被吸收，并再次被非常有效率地供应至氧侧(阴极侧)上的过程。这意味着发生的任何电接触电阻或体积电阻都极小。此时的电阻对BiP的效率以及由此而来的燃料电池的效率具有直接影响。

气体可渗透元件作为固体电解质布置在双极板和膜之间，所述气体可渗透元件也可被称为气体扩散层(GDL)，并且所述气体可渗透元件例如为开孔织物结构，其优选由导电纤维(尤其是碳纤维)制成或者用导电纤维(尤其是碳纤维)制成。气体可渗透元件实现了以下功能：将从BiP的通道出现的气体分布在膜表面上，此分布是均匀分布并且尽可能地在分布在整个区域上；以及通过氢将作为燃料递送的电子传输至BiP，并将由BiP供应的电子传输至在氧化剂侧形成的水。

为了使关于电子的电转移电阻(以及因此的损耗)最小化，一方面BiP的电接触电阻应该是极低的，另一方面必须用针对BiP的高面压力对GDL进行压制，从而使接触点的数量以及由此所形成的电流路径最大化。同时，必须带走产生的过程水，并且必须使膜组件湿润。已知随着面压力增加，电接触电阻(以及因此的损耗)下降。然而，面压力不会无限增加，因为在这种情况下，膜和BiP(其有利地由极薄的金属片材、优选不锈钢片材构成)经受机械损害。

通过对用于生产BiP的金属(例如抗锈且耐酸的钢)进行表面改性，可降低BiP的接触电阻。考虑到通过表面改性而来的足够的防腐蚀性，甚至可设想使用具有相对低的防锈保护和防腐蚀保护的金属。为此，有多种选择：

由于金属表面上的天然的、导电性差的钝化层(特别是例如，在抗锈且耐酸的钢的情况中为铬氧化物层的形式)，电转移电阻通常相对大。在调试前对钝化层的机械移除、化学移除和/或物理移除并未提供任何令人满意的改进，并且该层非常快速地再生。

提高施加至BiP的压力导致GDL压缩并且被更强有力地压至BiP的表面上。然而，由于膜的灵敏度，增加所施加的压力受到不过于压缩GDL以确保足够的气体扩散以及BiP的机械稳定性的要求的限制。然而，如下文所述，通过适当的表面整理可增强BiP板的机械稳定性。

发明内容

因此，本发明的目的是提供用于彼此触碰式接触的燃料电池的气体可渗透元件(GDL)与双极板表面之间的电接触电阻和/或电转移电阻的持久性降低的选择，所述双极板由金属(特别是不锈钢)构成，其中，可将生产成本保持在可接受的范围内。