制造耐腐蚀双极板的方法技术

公开了一种制造用于燃料电池的耐腐蚀且廉价的双极板的方法。该方法包括提供双极板基板并使用动力喷涂工艺在双极板基板上涂覆耐腐蚀涂层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及燃料电池，所述燃料电池为动力车或其它机器产生电力。更特别地，本专利技术涉及一种制造耐腐蚀双极板的方法，这种方法通过使用动力或冷喷涂技术来用高级不锈钢涂覆双极板，以便当在聚合物电解质膜(PEM)燃料电池中使用双极板时使得双极板耐氟离子。
技术介绍
燃料电池通过结合氢和氧产生水和最终产物来产生能量。在聚合物电解质膜(PEM)燃料电池中，聚合物膜充当阴极和阳极之间的电解质。在PEM燃料电池中，常常连续地堆叠多个燃料电池以形成燃料电池堆。在燃料电池堆中，流场板的一侧充当一个燃料电池的阳极，而流场板的相对侧充当相邻燃料电池的阴极。由于每个流场板既充当阳极又充当阴极，所以流场板还被称作双极板。通常，燃料电池制造商使用了Poco石墨双极板，所述双极板是导电的并且耐燃料电池环境中的腐蚀。然而，石墨板易碎，因此难以加工。这增加了双极板的成本和燃料电池堆的体积功率密度。虽然使用金属双极板是有利的，但是诸如钛和316L不锈钢之类可以容易地加工的金属容易受到燃料电池环境中的氟离子的侵蚀。尽管316L不锈钢显示出对于氟离子比较好的耐腐蚀性，但是腐蚀速率随着氟离子浸出速率的增加而增加。而且，众所周知，耐氟化物腐蚀性随着不锈钢合金中钼含量的增加而增大。通过从燃料电池环境中除去氟化氢或者通过使用比316L不锈钢更能耐氟离子腐蚀的更高级的不锈钢，可以稍微减轻这个问题。然而，对于双极板使用更高级的不锈钢往往会增加双极板的成本。而且，将更高级的不锈钢结合到具有所需厚度的双极板中对双极板增加了相当大的成本，这可能超出了不锈钢本身的成本。用于增加易腐蚀基板的耐腐蚀性的各种方法是已知的。例如，US20030228512 A1公开了一种通过在基板上沉积金涂层来在维持基板的最佳耐腐蚀性的同时改善不锈钢基板表面的接触电阻的方法。-->US20040091768 A1公开了一种通过在基板上提供聚合物导电涂层来增加基板的耐腐蚀性的方法。美国专利No.6,372,376 B1公开了一种通过在基板上提供包含多个导电的耐腐蚀填充颗粒的导电的耐腐蚀聚合物来增加基板的耐腐蚀性的方法。使用动力或冷喷涂工艺，例如利用高级不锈钢或合金的薄层来涂覆低级不锈钢双极板(例如304L或316L不锈钢双极板)的表面，能够在将双极板的成本维持在可接受水平内的同时使双极板高度地耐氟离子腐蚀。而且，可以使用动力或冷喷涂工艺来沉积具有高达25微米或更多厚度的耐腐蚀层。
技术实现思路
本专利技术一般而言涉及一种制造双极板的新方法，该方法的特征在于增强燃料电池中的稳定性和耐氟离子腐蚀。本专利技术的双极板制造方法包括：提供不锈钢双极板基板，所述双极板基板通常是低级不锈钢，例如304L或316L；以及使用动力或冷喷涂技术在双极板基板上形成耐腐蚀涂层，所述耐腐蚀涂层是高级不锈钢或合金。例如，耐腐蚀涂层可以是高级不锈钢，比如C-276。例如，还可以使用诸如904L、254SMO和Carp-20之类的其它合金来作为涂层材料。因此，耐腐蚀涂层使得低级不锈钢双极板基板充分地耐燃料电池环境中的氟离子。这大大延长了双极板的寿命。可以在耐腐蚀涂层上提供例如可以是金或有机涂层的覆盖层，以便降低耐腐蚀涂层的接触电阻。附图说明现在将借助于实例参考附图来描述本专利技术，其中：图1是通过根据本专利技术的动力/冷喷涂工艺制造的稳定性增强的双极板的一部分的截面；图2是说明根据本专利技术的制造稳定性增强的双极板的动力/冷喷涂工艺而执行的顺序工艺步骤的流程图；图3是比较各种不锈钢合金(沿X轴绘制)的腐蚀速率(沿Y轴绘制)的条形图；以及图4是在根据本专利技术制造稳定性增强的双极板的动力/冷喷涂工艺中使用的动力冷喷涂装置的示意图。-->具体实施方式根据本专利技术，使用动力或冷喷涂工艺用高级不锈钢涂覆双极板基板来制造对氟化氢具有提高的耐腐蚀性的双极板，该双极板基板例如是低级不锈钢，比如304L或316L不锈钢。优选地，使用动力或冷喷涂工艺用耐腐蚀涂层涂覆双极板基板的阳极侧，以便增加在燃料电池工作期间双极板的阴极侧对氟离子的耐腐蚀性。例如，利用高级C-276的薄(0.1～2μm)耐腐蚀涂层来涂覆低级不锈钢双极板的表面，显著降低了氟离子环境中双极板的腐蚀速率，同时没有显著增加双极板的成本。可以在双极板基板上作为耐腐蚀涂层涂覆的合金例如包括904L、254SMO或Carp-20不锈钢。通过在不锈钢涂层上提供覆盖层可以最小化热喷涂的不锈钢涂层的接触电阻。例如，覆盖层可以是金(Au)或有机涂层的薄层(＜10nm)。用于覆盖层的其它合适材料包括铂及其合金、铑、钌及其合金、以及钯及其合金。根据本专利技术使用动力冷喷涂工艺用高级不锈钢或材料来涂覆低级不锈钢或材料是成本划算的，因为使用高级不锈钢或材料制造双极板的成本过分高昂。动力喷涂或冷喷涂工艺使用存储在高压压缩气体中的能量来将精细的粉末颗粒以非常高的速度(500～1500m/s)朝着基板推进，以在基板上沉积材料层。在该工艺中，将通常为氦的压缩气体馈送通过加热单元然后到枪，在那里当高速气体喷射通过专门设计的喷嘴(举例来说，比如拉伐尔型喷嘴)时气体离开。同时将压缩气体分别馈送通过高压粉末馈送器和进入枪中，以将粉末颗粒引入到高速气体喷射器中。粉末颗粒被加速和适度地加热到某个速度和温度，在这种情况下一与基板碰撞，颗粒就变形并粘接以在基板上形成涂层。加速后的颗粒仍然处于固态并且相对较冷，因此颗粒与基板碰撞的大部分反应仅仅是固态。由于该工艺对于喷涂材料的非氧化没有多少作用，所以表面保持清洁，从而有助于粘接。在该工艺中不存在熔化并使用相对较低的温度，这导致在冷却时颗粒的收缩非常低。而且，由于在与基板碰撞时在颗粒上所引起的高应变，所以涂层往往会受到压缩的应力，而不会受到拉伸的应力，如同在大多数其它热喷涂工艺的液体/固体状态反应中的情况一样。低温还有助于维持涂层中原始-->粉末的化学性质和状态。颗粒与基板的粘接依赖于导致颗粒与基板的显著塑性变形的足够能量。在高碰撞应力和碰撞应变下，颗粒与基板表面的相互作用可能导致氧化膜的破裂，从而促进化学清洁表面的接触并产生大的摩擦力。这产生程度非常高的局部化加热，从而促进类似于摩擦或爆炸焊接的粘接。一开始参考图1，示出了根据本专利技术的稳定性增强的双极板10的截面图，该双极板10在下文被称作双极板。双极板10包括双极板基板12，该双极板基板12通常是低级不锈钢，例如304L或316L不锈钢。使用动力或冷喷涂工艺在双极板基板12的外表面13上形成比双极板基板12的级别更高的不锈钢或合金的耐腐蚀涂层14，这将在下文中进一步描述。耐腐蚀涂层14优选具有通常大约为0.1～2μm的厚度。然而，应该理解，根据需要，可以使用根据本专利技术的动力或冷喷涂工艺在双极板基板12上形成具有超过25μm的厚度的耐腐蚀涂层14。例如，适合用于耐腐蚀涂层14的不锈钢的级别包括C-276不锈钢。可选择地，耐腐蚀涂层14可以是合金，例如904L、254SMO或Carp-20。可以在耐腐蚀涂层14上提供例如可以是金(Au)或有机材料的覆盖层16，以便保持耐腐蚀涂层14的接触电阻为低。用于覆盖层16的其它合适材料包括铂及其合金、铑、钌及其合金、以及钯及其合金。在金覆盖层的情况下，覆盖层16的厚度优选小于通常大约10nm，而在聚合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于增强双极板的耐腐蚀性的方法，包括：　　　　提供双极板基板；以及　　　　使用动力／冷喷涂工艺在所述双极板基板上涂覆耐腐蚀涂层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-11-1 10/978,5041、一种用于增强双极板的耐腐蚀性的方法，包括：提供双极板基板；以及使用动力/冷喷涂工艺在所述双极板基板上涂覆耐腐蚀涂层。2、权利要求1所述的方法，其中所述双极板基板包括304L或316L级别的不锈钢。3、权利要求1所述的方法，其中所述耐腐蚀涂层包括C-276级别的不锈钢。4、权利要求1所述的方法，其中所述耐腐蚀涂层包括选自由904L合金、254SMO合金和Carp-20合金组成的组中的材料。5、权利要求1所述的方法，还包括在所述耐腐蚀涂层上提供覆盖层，以用于最小化所述耐腐蚀涂层的接触电阻。6、权利要求5所述的方法，其中所述覆盖层是选自由金、有机材料、铂、铂合金、铑、钌、钌合金、钯和钯合金组成的组中的材料。7、权利要求6所述的方法，其中所述覆盖层包括喷涂层。8、权利要求7所述的方法，其中所述双极板基板包括304L或316L级别的不锈钢。9、权利要求8所述的方法，其中所述耐腐蚀涂层包括C-276级别的不锈钢。10、权利要求8所述的方法，其中所述耐腐蚀涂层包括选自由904L合金、254SMO合金和Carp-20合金组成的组中的材料。11、一种用于增强双极板的耐腐蚀性的方法，包括：提供双极板基板；提供包括金属粉末颗粒的气体/粉末混合物；提供加热的气体流；通过混合所述气体/粉末混合物与所述加热的气体流来形成气体/颗粒流；以及通过朝着所述双极板基板喷射所述气体/颗粒流来在所述双极板基板上提供耐腐蚀涂层。12、权利要求11所述的方法，其中所述双极板基板包括304L或316L级别的不锈钢。13、权利要求11所述的方法，其中所述金属粉末颗粒包括C-276-->级别的不锈钢粉末颗粒。14、权利要求11所述的方法，其中所述金属粉末颗粒包括选自由904L合金、254SMO合金和Carp-20合金组成的组中的金属粉末颗粒。15、权利要求11所述的方法，其中所述朝着所述双极板基板喷射所述气体/颗粒流包括以大约500到1500米/秒的速度朝着所述双极板喷射所述气体/颗粒流。16、权利要求11所述的方法，还包括在所述耐腐蚀涂层上提供覆盖层，以用于最小化所述耐腐蚀涂层的接触电阻。17、权利要求16所述的方法，其中所述覆盖层包括选自由金、有机材料、铂、铂合金、铑、钌、钌合金、钯和钯合金组成的组中的材料。18、权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：G维亚斯，MH阿布德埃尔哈米德，YM米克黑尔，RH布伦克，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]