专利名称：用于双极板材料进行更好的水管理的表面工程的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于燃料电池的双极板，尤其是涉及一种在双极板的粗糙表面上沉积有疏水或亲水涂层的用于燃料电池的双极板。
背景技术：
在燃料电池中，由于氢能够清洁高效地产生电能，因此是一种非常具有吸引力的燃料。氢燃料电池是一种电化学装置，包括阳极和阴极，并且在两者之间具有电解质。阳极吸收氢气，阴极吸收氧气或空气。氢气在阳极分解，产生质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与氧气和电子在阴极发生反应，生成水。来自于阳极的电子不能够穿过电解质，因此在输送至阴极前，通过负载做功，然后直接输送至阴极。做功能够使车辆运转。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是最常见的用于车辆的燃料电池。PEMFC一般包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。典型的阳极和阴极包括细粒分散的催化剂颗粒，通常是铂(Pt)，催化剂颗粒支承在碳颗粒上，并与离子聚合物混合在一起。催化混合物沉积在膜相反的两个面上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜组合在一起构成膜电极组件(MEA)。
典型的是数个燃料电池组合在燃料电池堆中，以产生所需要的能量。在上文述及的用于车辆的燃料电池堆，可以包括两百个或更多的燃料电池。燃料电池堆接收阴极的反应气体，典型的反应气体是经压缩机的压缩强制穿过燃料电池堆的空气流。并非全部的氧气均被燃料电池堆所消耗，其中的一部分空气作为阴极废气排出，废气中包括作为燃料电池堆的副产品的水。燃料电池堆也接收阳极的氢反应气，该氢反应气流入燃料电池堆的阳极侧。
燃料电池堆包括一系列定位于燃料电池堆内的数个MEAs之间的流场或双极板。双极板包括与燃料电池堆内的燃料电池相毗邻的阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧上提供了阳极气体流道，允许阳极气体流向MEA的阳极侧。在双极板的阴极侧上提供了阴极气体流道，允许阴极气体流向MEA的阴极侧。双极板还包括用于冷却液体流穿过的流道。
典型的双极板是由导体材料制成，诸如不锈钢、钛、铝、碳聚合物复合材料等，使得它们可以将燃料电池所产生的电能，从一块电池传送至下一块电池，并传送至燃料电池堆外。典型的金属双极板在其外表面上自然形成氧化物，从而使其可以阻止腐蚀。然而，氧化层是非导电的，因此增加了燃料电池的内阻，降低了它的电性能。再者，氧化层使得双极板更加亲水。本领域公知的是在双极板上沉积导体材料的薄层(例如金)能够减小燃料电池堆内双极板与扩散介质之间的接触电阻。
正如现有技术中公知的那样，燃料电池内的膜需要具有特定的相对湿度，使得穿过膜所需的离子阻力能够低至足以有效地传导质子的程度。在燃料电池运行期间，来自于MEAs的水汽和外部的水汽可以进入阳极和阴极的流道。在需要低的电池能量的情况下，典型的是低于0.2A/cm2，水会在流道内积聚，因为此时反应气体的流动率过低，以至于不能迫使水从流道中排出。随着水的积聚，由于双极板本身具有相对的疏水性，水可以形成液滴，并持续地扩展。在流道内形成的液滴实质上垂直于反应气体流。随着液滴尺寸的增加，流道被封闭，并且由于这些流道在共同的进气、排气岐管之间相互平行，因此反应气体分流至其它的流道。因为反应气体难以从被水堵塞的流道中通过，所以反应气体不能迫使水从流道中排出。膜的这些区域由于流道被堵塞而不能接收反应气体，从而也不能产生电能，因而导致非均匀的电流分配，也减小了燃料电池的总体效率。随着越来越多的流道被水所堵塞，燃料电池产生的电能就减少了，在燃料电池的电压降低到小于200mV时，就认为燃料电池失效了。因为燃料电池是以串连的方式电连接，如果燃料电池中的一个停止了工作，整个燃料电池堆也会停止工作。
通过周期性地迫使反应气体以较高的流动速率通过流道，通常可能清除积聚的水。然而，在阴极侧，这样就增加了应用于空气压缩机上的寄生电能，从而降低了整个系统的效率。更进一步，存在着众多的不使用氢燃料作为清除气体的理由，包括经济性降低、系统效率降低和增加系统的复杂性，这种复杂性是由于处理排气气流中的高浓度的氢所引起的。
减少积聚在流道内的水，也可以通过降低进气的湿度实现。然而，希望在阳极和阴极的反应气体具有某个相对湿度，使得燃料电池内的膜保持水合。干燥的进气在膜上会产生干燥效应，使得燃料电池的离子阻力增加，并且限制了膜长期的耐用性。
本发明的目的在于使用于燃料电池的双极板亲水，从而改善流道的水输送。亲水的双极板使得流道内的水形成薄膜，具有较少地改变沿着流道阵列的进行气流分配的趋势，流道阵列与共用的进气、排气集气管相连接。如果双极板的材料具有足够的浸润性，通过扩散介质输送的水会与流道壁相接触，然后，在毛细力的作用下，水会沿着流道的长度输送至流道的底部拐角。在流道的拐角支持自发浸润的物理条件，可以通过Concus-Finn条件进行描述β+α/2＜90°，β是固定接触角，并且α是流道拐角的角度。由于矩形的流道α/2＝45°，指示出在固定接触角小于45°时，才会产生自发地浸润。对于应用于目前的燃料电池堆的粗糙的由复合材料制成的双极板而言，这就设定了必需的接触角的近似上限，从而可以认识到亲水双极板表面在流道的水输送和低负荷稳定性上的有益效果。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种用于燃料电池的流场板或双极板，流场板的表面经纹理化或粗糙化以改变该板的表面形态。导体涂层沉积在粗糙表面上，双极板表面的粗糙度可以增加涂层的亲水性。因此，如果涂层是天然疏水的(水的接触角为90°)，表面的粗糙化使得涂层亲水，从而将水排出。因此，如果涂层是导体亲水涂层(水的接触角为40°)，那么表面的粗糙化可以使得涂层超亲水(水的接触角为0°)，并且可以对表面污染的效应进行补偿，表面污染会使得亲水涂层的亲水性降低。
从下文的描述和随附的权利要求，并结合附图，本发明的附加特征会更为清楚。
附图1是燃料电池堆内的燃料电池的剖视图，包括具有疏水或亲水涂层的双极板，双极板的表面是纹理化的，使得涂层更加亲水；附图2中的曲线显示了水在特定材料上的前进接触角和后退接触角，其中水平轴为表面粗糙度，垂直轴为度数；附图3是用于双极板进行表面粗糙化的系统的简化视图；附图4是钢制双极板的透视图，该双极板具有未经粗糙化的表面；附图5是附图4中的钢制双极板的透视图，该双极板通过水射流进行了粗糙化；具体实施方式
以下对于本发明的实施例的描述，针对用于燃料电池的双极板，双极板包括粗糙的表面，该粗糙的表面使得沉积在其上的涂层更加亲水。从本质上而言该实施例是示意性的，而不是在对本发明或其应用、用途进行任何限定。
附图1是燃料电池10的透视图，燃料电池10是上文述及的那种类型的燃料电池堆的一部分。燃料电池10包括由全氟磺酸膜16分隔开的阴极12和阳极14。阴极侧扩散介质层20沉积在阴极12上，并且阴极侧催化层22沉积在膜16与扩散介质层20之间。同样的，阳极侧扩散介质层24沉积在阳极14上，并且阳极侧催化层26沉积在膜16与扩散介质层24之间。催化层22、26和膜16限定了MEA。扩散介质层20、24是多孔层，以便将进气输送至MEA，并将水从MEA中输送出。现有技术中公知的多种技术，可以用来将催化层22、26分别沉积在扩散介质层20、24上，或沉积在膜16上。
阴极侧流场板或双极板18沉积在阴极12上，并且阳极侧流场板或双极板30沉积在阳极14上。双极板18、30沉积在燃料电池堆内的燃料电池之间。氢反应气从双极板30内的流道28流出，并与催化层26反应，分解为氢离子和电子。空气从双极板18内的流道32中流出，并与催化层22反应。氢离子穿过膜16扩散，它们所携带的离子流也穿过膜。此电化学反应的副产品是水。
在此非限定的实施例中，双极板18包括两层薄板34、36，薄板34、36初始是分离的，随后结合在一起。薄板36限定了流道32，薄板36限定了流道38，流道38用于与燃料电池10相毗邻的燃料电池的阳极侧。如图所示，冷却液体流道40提供在薄板34、36之间。同样的，双极板30包括薄板42、44，以及冷却液体流道48，薄板42限定了流道28，薄板44限定了流道46，流道46用于相毗邻的燃料电池的阴极侧。在此处描述的实施例中，薄板34、36、42和44均由导电的导体材料制成，诸如不锈钢、钛、铝、碳聚合物复合材料等。
双极板18包括导体涂层50，双极板30包括导电涂层52，用以分别地减少双极板18、30与扩散介质层20、24之间的接触电阻。现有技术中有多种材料可用于此目的，诸如；金、铂、钌、铑，以及其它的贵金属。也可以使用其它的由碳和聚合物粘结剂组成的涂层。典型的涂层50、52的厚度沉积为大约10-100nm。然而，如上文描述的那样，这些材料在某些时候是天然疏水的，因为它们具有的表面能使得水膜发生卷曲，并且由于相对于流场的流道具有高的接触角，因而形成液滴。出于燃料电池堆运行稳定的目的，尤其是在低负荷下时，希望双极板18、30的表面是亲水的，从而可以将水排出，并且具有低的接触角，优选的是低于20°。
已经发现，衬底的粗糙化可以影响它的水接触角，并改善浸润液体的浸润性，但是会降低非浸润液体的浸润性。附图2中的曲线描述了液体汞在蓝宝石(Hg/AI2O3)上的前进接触角θa和后退接触角θr，其中水平轴为表面粗糙度(Ra)，垂直轴为度数(θ)。尤其是，曲线54显示了前进接触角，曲线56显示了后退接触角。附图2显示了具有极小的表面粗糙度时，滞后区域仅具有极小的度数，并且可以精确的给出接触角。随着表面粗糙度的增加，接触角滞后增加，然后减小，在表面粗糙度极高时，接触角滞后趋向于零，此时表面没有闭合的液滴。
根据本发明，双极板18、30的表面在沉积涂层50、52之前进行纹理化或粗糙化。双极板18、30表面的粗糙化通常是晶粒定向、表面上的杂质、晶粒边界或错位的结果。因为涂层50、52非常薄，通常在10-100nm的级别，涂层50、52的轮廓会追随双极板18、30表面的粗糙轮廓。已经显示以此种方式可以提供涂层50、52的粗糙表面形态，疏水性的材料可以变得亲水，使得流场的流道内形成的水的接触角减小，从而使其排水的能力提高，因此有助于燃料电池堆的稳定性。尤其是，材料的表面能会降低，使得流场的流道内形成的水的前进接触角和后退接触角大约相等。提供涂层50、52所需要的亲水性的表面粗糙程度，可以通过对特定的双极板材料进行试验予以确定。在一个实施例中，双极板18、30粗糙表面的顶端与底部之间的变化在500-10000nm的级别。
在另一个实施例中，涂层50、52可以是亲水涂层，诸如二氧化硅、氧化钛、二氧化锡、氧化钽等。如上文所述，这些种类的涂层趋于提供所希望的接触电阻和亲水性。然而，在燃料电池运行期间，这些材料有时易于受到污染，从而降低了它们的亲水性。如上文所述，通过对双极板18、30的表面粗糙化，天然的亲水材料可以变得更加亲水，因此，可以补偿表面污染的效应。
进一步，通过在沉积涂层50、52时屏蔽流道28、32之间的区域，使得涂层材料不沉积在该区域，可以使双极板18、30与扩散介质层20、24之间的电接触电阻分别得到保持。可以使用多种的屏蔽技术，诸如水溶性屏蔽，光蚀刻屏蔽，或任何其它的物理屏蔽方式，以及上述屏蔽方式的组合。
在涂层50、52沉积在双极板18、30上之前，并且在双极板18、30粗糙化之前，通过合适的工艺对双极板18、30进行清洁，例如离子束溅射，以去除可能已形成于双极板18、30外侧的电阻氧化膜。涂层50、52可以通过任何适当的技术沉积在双极板18、30上，包括但不限于物理气相沉积工艺、化学气相沉积工艺(CVD)、热喷涂工艺、旋涂工艺、浸涂工艺和溶胶-凝胶工艺。物理气相沉积工艺的合适例子是电子束蒸发、磁控喷溅和脉冲等离子工艺。化学气相沉积工艺的合适例子是等离子强化CVD和原子分层沉积工艺。
双极板18、30表面的粗糙化可以通过任何合适的工艺进行。附图3显示了用于双极板62的表面粗糙化的系统60的简化视图。合适的装置64向双极板62喷射出材料束66，以便形成使得双极板62变得粗糙的缺陷和错位。束66的轰击力和轰击方向可以用来选择双极板62表面的粗糙度。在一个实施例中，系统60采用物理方法，诸如水射流工艺，该工艺通过喷射水流使得双极板62的表面变得粗糙。在另一个实施例中，粗糙化可以通过化学方法进行，诸如铬酸蚀刻工艺，或其它合适的蚀刻工艺。在另一个实施例中，使用了光强化方法，诸如激光加工工艺，使得双极板62的表面变得粗糙。
附图4和5显示了具有相对光滑表面72的钢板70与具有粗糙表面74的钢板70之间的差别，如上文所述，粗糙表面74提供了涂层50、52的亲水性。在以下的说明中，Rz是在表面72、74上的10个最大的顶端与底部的间距的平均值。探针X-Y分析法(stylus X-Y analysis)提供了分析探针测量结果的相关性的方法。Xslope是表面72、74在X方向上的变化率，即表面数据的第一导数或表面的变化率。X slope可以通过在X方向上将一个点的高度与下一个点的高度相比经计算得出。Y slope也可以通过近似的方法计算得出。钢板70的表面积是包括顶端与底部的表面72上的总暴露面积。标准化体积是以每平方英寸具有的以十亿立方微米计量的体积与横向面积之比。体积是当最高的顶端的上表面被覆盖时，表面72、74所容纳的体积。
在这个例子中，钢板是不锈钢316L。表面72的粗糙度限定为Ra＝0.13μm，Rq＝0.17μm，Rz＝1.14μm，stylus X＝4.51mm，stylusY＝13.41mm，X slope＝13.32mrad，Y slope＝38.58mrad，表面积＝0.27602008mm2，横向面积＝0.27577007mm2，标准化体积＝0.26BCM，体积＝111000.77μm3。
在附图5中，钢板具有用于双极板18、30的粗糙表面74，该粗糙表面74是通过如前文所述的水射流方式获得的。表面74的粗糙度限定为Ra＝7.75μm，Rq＝9.90μm，Rz＝64.47μm，stylus X＝4.17mm，stylusY＝4.03mm，X slope＝503.97mrad，Y slope＝499.58mrad，表面积＝0.37252936mm2，标准化体积＝11.86BCM，体积＝5070522μm3。
上文中的说明，仅是对本发明示例性的实施例的公开和描述。通过上文的说明以及随附的附图、权利要求，本领域的熟练技术人员可以容易地认识到，在不脱离本发明如所附的权利要求所限定的精神和范围的情况下，可以进行多种改变、变化和变形。
权利要求
1.一种燃料电池，包括由板材制成的流场板，所述的流场板包括响应于反应气体的多条流道，所述的流场板进一步包括沉积在其外表面上的涂层，其中所述的涂层沉积在所述的流场板上之前，对于所述的流场板的外表面进行粗糙化。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于所述的板材选自于不锈钢、钛、铝以及碳聚合物沉积基材料。
3.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于所述的涂层是金属氧化物。
4.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于所述的涂层是金属。
5.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于所述的涂层是亲水涂层。
6.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于所述的涂层是疏水涂层。
7.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于所述的涂层的厚度的范围是10-100nm。
8.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于所述的流场板的表面的粗糙度范围是500-10000nm。
9.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于所述的流场板的表面通过工艺进行粗糙化，所使用的工艺选自于物理方法、化学方法、光强化方法以及上述工艺方法的组合。
10.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于当所述的涂层沉积于所述的流场板时，屏蔽所述的流道之间的区域，以避免所述的涂层材料沉积于所述的区域上，从而提供所述的燃料电池的良好的接触电阻。
11.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于所述的流场板选自于阳极侧流场板或阴极侧流场板。
12.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于所述的燃料电池是用于车辆的燃料电池堆的一部分。
13.一种燃料电池堆，包括多个燃料电池，每一燃料电池包括膜；位于所述的膜的一侧的阳极侧双极板，所述的阳极侧双极板包括粗糙表面，所述的阳极侧双极板进一步包括沉积在所述的粗糙表面上的涂层；以及位于所述的膜的另一侧的阴极侧双极板，所述的阴极侧双极板包括粗糙表面，所述的阴极侧双极板进一步包括沉积在所述的粗糙的表面上的涂层。
14.如权利要求13所述的燃料电池堆，其特征在于所述的双极板的表面的粗糙度范围是500-10000nm。
15.如权利要求13所述的燃料电池堆，其特征在于所述的涂层是天然疏水涂层。
16.如权利要求13所述的燃料电池堆，其特征在于所述的涂层是天然亲水涂层。
17.如权利要求13所述的燃料电池堆，其特征在于当所述的涂层沉积于所述的双极板时，屏蔽位于所述的阳极侧双极板和所述的阴极侧双极板内的流道之间的区域，以避免所述的涂层材料沉积于所述的区域上，从而提供所述的燃料电池堆的良好的接触电阻。
18.如权利要求13所述的燃料电池堆，其特征在于所述的双极板的表面通过工艺进行粗糙化，所使用的工艺选自于物理方法、化学方法、光强化方法以及上述工艺方法的组合。
19.一种制造用于燃料电池的流场板的方法，所述的方法包括提供由板材制成的衬底结构；衬底结构表面的粗糙化；以及在所述的衬底结构的粗糙表面上沉积涂层。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于所述的涂层是亲水涂层。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于所述的涂层是疏水涂层。
22.如权利要求19所述的方法，其特征在于沉积所述的涂层包括沉积的所述的涂层的厚度的范围是10-100nm。
23.如权利要求19所述的方法，其特征在于所述的双极板的表面的粗糙度包括的表面粗糙度范围是500-10000nm。
24.如权利要求19所述的方法，其特征在于所述的双极板的表面的粗糙化包括对所述的双极板的表面通过工艺进行粗糙化，所使用的工艺选自于物理方法、化学方法、光强化方法以及上述工艺方法的组合。
25.如权利要求19所述的方法，其特征在于沉积涂层于所述的衬底结构的粗糙表面上，包括屏蔽位于所述的衬底结构内的流道之间的区域，当所述的涂层沉积于所述的衬底结构上时，避免所述的涂层材料沉积于所述的区域上，从而提供所述的燃料电池的良好的接触电阻。
全文摘要
一种用于燃料电池的流场板或双极板，流场板的表面经粗糙化以改变该板的表面形态。导体涂层沉积在粗糙表面上，双极板表面的粗糙度可以增加涂层的亲水性。因此，如果涂层是天然疏水的，表面的粗糙化使得涂层亲水，从而将水排出。如果涂层是导体亲水涂层，那么表面的粗糙化可以使得涂层超亲水，并且可以对表面污染的效应进行补偿，表面污染会使得亲水涂层的亲水性降低。
文档编号H01M4/88GK1988233SQ20061017000
公开日2007年6月27日 申请日期2006年12月20日 优先权日2005年12月20日
发明者G·维亚斯, M·H·阿布德埃尔哈米德, Y·M·米克海尔, T·A·特拉波尔德 申请人:通用汽车环球科技运作公司