專利名稱：耐腐蝕的燃料電池終端板的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及質子交換膜燃料電池，更特定地涉及耐腐蝕終端集電器板及其制造方法。
背景技術：
燃料電池被建議作為電源用于電動車或其它用途。其中一種已知的燃料電池是PEM(即質子交換膜)燃料電池，包含所謂的“膜電極總成”，該膜電極總成包括薄的固體聚合物膜電解質，其陽極位于膜電解質的一個面而陰極位于膜電解質相對的另一個面。陽極和陰極典型地包括細化分裂的碳微粒，在碳微粒的內外表面上附著的非常細化分裂的催化劑微粒，和與催化劑以及碳微粒混合在一起的質子傳導物質。
膜電極總成夾在一對用作陽極和陰極集電器的導電的接觸元件之間，接觸元件可具有適當?shù)耐ǖ篮烷_口，通過該通道和開口分別在陽極和陰極的表面分配燃料電池的氣態(tài)反應物(即H2和O2/空氣)。
雙極質子交換膜燃料電池包括多個電串聯(lián)地堆在一起的膜電極總成，一個與下一個之間以無滲透性的導電接觸元件相互分開，該接觸元件稱為雙極板或隔膜。隔膜或雙極板有兩個工作面，一個工作面面對一個電池的陽極，另一個工作面面對電池堆中相鄰的下一個電池的陰極，每一個雙極板在相鄰的電池之間傳導電流。在電池堆端部的接觸元件被稱為端板、終端板或集電器板。這些終端集電器與夾在終端雙極板和終端集電器板之間的導電元件進行接觸。
可見，終端集電器板具有多種功能，包括密封電池堆、賦予導電性、允許流體的進出以及在電池堆和外部環(huán)境間提供穩(wěn)定的材料。對盡可能多的此類功能進行優(yōu)化，以及造價盡可能低廉是一個挑戰(zhàn)。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供具有終端集電器端板的電化學電池堆，該端板具有導電區(qū)域和不導電區(qū)域。不導電區(qū)域包括至少一個縫隙以連通流體入或出電池堆。不導電區(qū)域涂覆有耐腐蝕的保護性涂層。該涂層包括鈍化層，耐腐蝕聚合物涂層，或包括上述二者。
在本發(fā)明的另一個實施例中，終端板的導電區(qū)域涂覆有導電的保護層，包括導電的耐氧化金屬層。耐氧化金屬層可選擇地進一步的涂覆有導電的耐氧化聚合物涂層。
本發(fā)明的另一個方面包括終端板的處理方法，以為不導電區(qū)域提供耐腐蝕保護。進一步地處理方法的方面包括以含有導電微粒的耐氧化聚合物涂層保護終端板的導電區(qū)域。
本發(fā)明進一步的應用范圍將在后文的詳細描述中論述清楚。需要理解的是詳細的論述和特定的例子在顯示本發(fā)明優(yōu)選實施例的同時，其意圖僅用于闡述而不用于限定發(fā)明的范圍。


詳細描述和附圖將使得對本發(fā)明的理解更充分，其中圖1是液體冷卻的質子交換膜燃料電池堆中的兩個電池的示意圖；圖2是一個典型的終端集電器端板，顯示了本發(fā)明的優(yōu)選實施例；以及圖3是沿圖2中3-3′線的截面圖，顯示了本發(fā)明優(yōu)選實施例的終端集電器端板的表面。
具體實施例方式
如下優(yōu)選實施例的描述在本質上僅是示例性的而并不意圖限制本發(fā)明及其適用和用途。
本發(fā)明考慮電化學燃料電池堆中的終端集電器端板(下文中稱為“終端板”)，其采用了重量輕的易腐蝕導電材料，該導電材料具有導電區(qū)和不導電區(qū)，其中不導電區(qū)被處理為耐腐蝕并使表面?zhèn)鲗首钚』?。進一步地，本發(fā)明的另一個方面考慮終端板的導電區(qū)，其涂有導電的耐氧化保護涂層。首先為更好的理解本發(fā)明，此處提供了對典型的燃料電池和堆的描述。
圖1描述了兩個單獨的質子交換膜(PEM)燃料電池，它們連接形成具有一對膜電極總成(MEA)4和6的電池堆，膜電極總成間通過液體冷卻的導電雙極分隔板8相互分隔。未串聯(lián)在電池堆中的單個燃料電池具有帶單電活性側的分隔板8。在電池堆中，優(yōu)選的雙極分隔板8通常在電池堆內具有兩個電活性側20，21，每個電活性側20，21分別面向分開的、帶有相反電荷的單獨的MEA 4，6，因此被稱為“雙極”板。如此處所述，燃料電池堆被描述為帶有導電雙極板，然而本發(fā)明同樣可應用于僅具有單個燃料電池的電池堆。
MEA 4、6和雙極板8堆在一起，位于不銹鋼夾緊終端板10和12以及端部接觸流體分配元件14和16之間。端部流體分配元件14和16，以及雙極板8的兩個工作面含有多個與位于活性面18、19、20、21、22和24上的凹槽或通道相臨近的脊部，用于向MEA 4，6分配燃料和氧化劑氣體(即H2和O2)。不導電的襯墊或密封件26、28、30、32、33和35在燃料電池堆的幾個部件之間提供密封和電絕緣。透氣的導電擴散介質34、36、38和40壓靠在MEA 4、6的電極表面。另外的導電介質層43、45置于端部接觸流體分配元件14、16與終端集電器板10、12之間，以當電池堆在正常運行中被壓縮時在其間提供導電路徑。端部接觸流體分配元件14、16分別壓靠在擴散介質34、40上，而雙極板8壓靠在MEA 4的陽極面上的擴散介質36上，以及壓靠在MEA 6的陰極面上的擴散介質38上。
氧氣從存儲箱46通過合適的供給管道42供給到燃料電池堆的陰極側，氫氣從存儲箱48通過合適的供給管道44供給到燃料電池的陽極側?？蛇x擇地，空氣可以從環(huán)境中供給到陰極側，氫氣從甲醇或汽油重組器等供給到陽極側。也提供了MEA的H2和O2/空氣側的排氣管道41。提供了另外的管道50，用于從存儲區(qū)52經(jīng)過雙極板8和端板14、16并離開排出管道54循環(huán)冷卻劑。
等距的雙極板分解圖(如序號8)在授予Fronk等人的美國專利號6,372,376中示出。如本領域中技術人員所承認，雙極板可用作單個的燃料電池導電板，它在內部以MEA為界限，在外部以終端板為界限，其中可沿著活性面使用冷卻劑場。
選擇用于構建終端板10的材料需要權衡考慮如下參數(shù)，例如總密度(質量和體積)、表面接觸電阻、體傳導率以及耐腐蝕和耐氧化性。因此終端板材料需要重要考慮的方面包括用作導電區(qū)域的集電器的材料固有的表面?zhèn)鲗屎腕w傳導率，同時在不導電的流體傳送區(qū)域防止任何腐蝕條件。以前的材料包括重量輕的金屬，包括鈦或鋁。由于具有高的固有體電傳導率、低的表面電阻和相對輕的重量，鋁是用在終端板內的特別合適的材料。但是在H2-O2/空氣PEM燃料電池的運行中，在電活性或導電接觸區(qū)中，鋁有氧化的傾向。此氧化將在表面形成氧化物層，從而不允許地增加了表面電阻。進一步地許多重量輕的金屬容易受到腐蝕的侵襲，由于此種腐蝕敏感性和氧化傾向，使用了不同的保護性涂層。然而，此保護性涂層經(jīng)常使得金屬板的電阻增加到不可接受的等級，或此保護性涂層費用昂貴，例如采用金或鉑涂層。因此在傳導率和腐蝕保護之間存在折衷關系。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，可對由易腐蝕材料制成的終端板10進行處理，使其可耐腐蝕和氧化的侵襲，以此允許使用對于其重量相對于其它更耐腐蝕金屬具有較低表面接觸電阻和較高體傳導率的金屬。包括這些易腐蝕材料增加了燃料電池堆總的重量效率(即每單位質量效率)。
如圖2所示，終端集電器端板10具有不導電區(qū)域100和導電區(qū)域102。終端板10的導電區(qū)域102通常由密封襯墊33、35從不導電區(qū)域100分隔開(見圖1)。然而，如果襯墊33、35由于腐蝕而失效，腐蝕性液體可能轉移到導電區(qū)域102并濾出鋁離子。這些鋁離子可能轉移到電池堆和單個燃料電池內。由于該鋁離子占據(jù)催化劑的位置，故對MEA中的催化劑有害，將使得電池和整個電池堆的性能下降。
不導電區(qū)域100內的延伸經(jīng)過終端板10的主體或基板128的縫隙104允許在運行條件下流體進出電池堆的傳送。進入電池堆的不同的流體包括含氫氣體、含氧氣體以及液體冷卻劑(例如乙二醇和水的混合物)。因此在終端板10的第一側106，第一縫隙110從存儲器或制備點48(見圖1)自電池堆外部向電池堆內部為至少一個MEA的陽極供給含氫氣體，第二縫隙112從氧存儲器或收集點46(見圖1)向電池堆內部為至少一個MEA的陰極供給含氧氣體，第三縫隙114從存儲點52(見圖1)向電池堆內部供給液體冷卻劑，用于冷卻雙極板或端部接觸板內部的區(qū)域。
縫隙104的特定數(shù)量或次序沒有限制，僅示例性地在此進行描述，由于多個結構可被本領域中的普通技術人員認可。雙極板流場設計可規(guī)定入口和出口縫隙結構和流體供給布置。在一個優(yōu)選的實施例中，第一側106具有面向上的收集片120，它的相對側108面向下，以使得重力對液體冷卻劑的作用最大化，從而當冷卻劑進入到電池堆內部后幫助它運動。在終端板108的第二側上，第四縫隙122將陽極的流出物從電池堆內部傳送到外部，第五縫隙124將陰極流出物傳送到電池堆外部，第六縫隙126將已經(jīng)通過電池堆內部至少一個雙極板的冷卻劑傳送到電池堆外部。這樣，在下面的金屬基板128暴露在進入和排出電池堆的流體中，加速了終端板10的不導電區(qū)域100的腐蝕，特別是處于出現(xiàn)在電池堆“濕側”(即面對內部燃料電池陰極的一側)的惡劣條件下。進一步地認為，由于當終端板10暴露在不同的加壓氣體中時被極化為高的正電壓，酸侵蝕和氧化將加速并促使終端板10基板腐蝕，雖然此理論不限制終端板10腐蝕的機制。
終端板10具有基板128的表面130、132，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，終端板10的不導電區(qū)域100采用預防性耐腐蝕保護涂層140進行氧化和酸侵蝕保護處理。一個變化方案是使用不同的涂層以僅保護某些縫隙而不是所有的縫隙，例如僅保護陽極、陰極、冷卻劑入口縫隙，或僅保護出口縫隙，或者保護二者。然而此種選擇增加了成本和復雜性。耐腐蝕指材料的易腐蝕性的減小，腐蝕包括化學侵蝕機制，例如氧化(即不可逆的電化學反應)、酸侵蝕或二者。“相對”耐腐蝕指材料與其它類似材料相比更好的耐腐蝕的能力，導致更低的腐蝕率和更長的壽命。
根據(jù)如圖2所示的本發(fā)明的優(yōu)選的實施例，將不導電區(qū)域100的暴露的表面130、132鈍化。此處所采用的鈍化通常指處理金屬以減小表面化學反應性或腐蝕傾向性的過程。燃料電池中的暴露在不良或腐蝕性環(huán)境中的表面被鈍化，以在不導電區(qū)域100的表面130、132上形成鈍化層142。一種優(yōu)選的鈍化過程是對鋁金屬基板128作陽極化處理。陽極化處理在本技術領域中已熟知，通常指將金屬電化學涂覆以保護性膜的轉化過程，該保護性膜使得板呈電化學惰性。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，陽極化處理形成表面金屬氧化物層，例如氧化鋁層，與基層金屬—金屬鋁相比，其電化學反應性顯著的低。因此鈍化的金屬的耐腐蝕性顯著的更高。進一步地，氧化鋁層便于更好的附著后續(xù)涂覆的涂層。這樣可最小化涂層中的潛在瑕疵，例如使無涂覆金屬區(qū)域暴露的小孔。這些小孔起源于金屬表面小的、未保護的區(qū)域，具有可能發(fā)展成腐蝕地點的潛在性。這些地點可進一步在表面擴大，因此表面鈍化層通過提高耐腐蝕性以及任何后續(xù)涂覆的層的附著性，從而使得此類缺陷的出現(xiàn)最小化。
許多不同的鋁陽極化處理方法在本領域中已熟知。陽極化處理過程的選擇取決于合金的特性和電池中運行條件下所需的保護層。例如，一種陽極化處理過程在鋁表面使用鉻酸，以形成氧化鋁并在“Metals Handbook”8th Edition，Vol.2p.612(American Society forMetals，1964)中有更詳細的描述。根據(jù)所采用的陽極化處理方法，形成鈍化層95的處理過程持續(xù)時間從大約5分鐘到超過4小時不等。所產(chǎn)生的膜的厚度則從5微米到大于700微米不等。在一個替代的優(yōu)選實施例中，使用化學轉化涂層以鈍化金屬表面，其中金屬在氧化—還原化學反應中被轉化為活性小的種類。
終端板的導電區(qū)域的導電性阻抗的最小化對于維持燃料電池的功率輸出是重要的。電化學惰性的鈍化層142涂覆導電區(qū)域102可以減小燃料電池內部的終端板10的導電性，因為導電區(qū)域102是燃料電池堆內所產(chǎn)生的電流的主要導通路徑。電流從MEA 4、6(見圖1)行進到各雙極板或端部接觸板(例如導電流體分配元件)8、14、16，然后通過導電介質43、45到達終端集電器板10、12，以建立從一個終端板10到相對的終端板12的跨越電池堆的累積電勢。布置在終端板10的一側106的外圍146的收集片120從導電區(qū)域102通過終端板10的導電金屬本體128向收集片120發(fā)送電流。電纜或導線(未示出)接附在收集片120上，而反向充電的電纜或導線接附在電池堆對面?zhèn)鹊牧硪粋€收集片上。這樣導電區(qū)域102和收集片120必須保持足夠的表面?zhèn)鲗?，以滿足燃料電池的正常運行。鈍化層142通過減小表面?zhèn)鲗士墒沟帽砻嫦鄬^緣，然而這不影響經(jīng)過本體128的體或固有傳導率。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，僅易腐蝕的不導電區(qū)域100具有鈍化層142作為保護涂層140，該涂層保護它不受酸侵蝕和氧化，而仍允許電荷在終端板10的本體128內從導電區(qū)域102向收集片120流動。
在本發(fā)明優(yōu)選的實施例的另一個方面中，保護涂層140包括涂覆在不導電區(qū)域100表面130、132上的聚合物涂層150，見圖3，圖3是圖2中沿3-3′線的截面圖。終端板10的表面130、132的不導電區(qū)域100可以涂有不導電的聚合物。增加了的終端板10的不導電區(qū)域100的表面電阻并不影響經(jīng)過終端板10的本體128的電傳導率。還考慮多層聚合物涂層150a、150b，因為厚度增加，可為下面的表面130、132提供更好的腐蝕保護。
形成聚合物涂層150的聚合物，或聚合物的混合物的選擇要與終端板10的金屬基板表面130、132相容，還要兼顧其耐腐蝕性。此種聚合物包括任意的交聯(lián)或固化時不溶于水的聚合物，該聚合物可在下面的金屬基板128上形成薄的附著膜，該膜可耐受燃料電池的不良氧化性和酸性環(huán)境。因此本發(fā)明中可使用如下的聚合物諸如環(huán)氧樹脂、硅樹脂、聚酰胺酰亞胺、聚醚酰亞胺、多酚、氟化彈性體(例如聚偏二氟乙烯)、聚酯、苯氧苯酚、環(huán)氧苯酚、丙烯酸樹脂和氨基甲酸酯等。交聯(lián)聚合物優(yōu)選地用于制造提供耐腐蝕特性的不滲透性涂層。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，僅不導電區(qū)域102帶有保護性涂層140。當終端板10被保護時，例如受到鈍化保護時，導電區(qū)域102和收集片120表面被覆蓋或施加掩模。掩模是任意施加在基板上并在鈍化和/或聚合物施加時保持穩(wěn)定的材料。這種材料可以包括由典型的不透光材料制成的光掩膜。這樣保護性涂層140僅在電池的不導電區(qū)域100上形成。沿掩模166邊緣的區(qū)域可具有一些鈍化層或氧化物構成物，且可選擇地由機械磨損、化學蝕刻或類似方法可以清洗這些區(qū)域166以去除任何存在的氧化物。
當終端板10由易腐蝕材料，例如鋁制成時，導電區(qū)域102可能受到氧化性侵蝕，形成不希望的氧化鋁層而增加表面132的接觸電阻。此氧化物層顯著的降低了電池堆的功率輸出和運行效率。本發(fā)明的一個方面是施加導電區(qū)域保護性涂層156，覆蓋在終端板10的導電區(qū)域102上。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，導電區(qū)域保護性涂層156包括耐氧化金屬158，它比下面的基板金屬128的耐氧化能力更好并保護基板128不被氧化。耐氧化指抑制氧化能力比下面的金屬可以抵抗氧化更好的材料。施加金屬層158可采用傳統(tǒng)的物理氣相沉積(PVD)技術(例如磁控管濺射)或化學氣相沉積(CVD)技術來實現(xiàn)，這些技術已為本領域普通技術人員熟知。鍍覆過程，包括電解鍍和無電鍍，都可用于施加此類金屬涂層。
在沉積金屬層158前可由機械、化學或電化學的方式去除表面上的任何雜質或自然存在的氧化物層來對表面132進行準備。從整個導電區(qū)域102基板表面132去除自然氧化物可保證后續(xù)的耐氧化涂層156附著。一層耐氧化金屬158，例如鉑、金、鎳、錫、銀、它們的合金、它們的混合物和它們的等價物，保持了所需的表面?zhèn)鲗?，具有相對低的接觸電阻，同時防止有礙電傳導率的氧化物層的形成。含有鎳的金屬層158是特別優(yōu)選的。在一個優(yōu)選的方面中，無電施加的鎳用作填充微粒的聚合物涂層下的下層。
當暴露在某內部電池堆環(huán)境中，基板128上覆蓋的耐氧化金屬層158可能需要進一步保護，以防止氧化物層的形成。本發(fā)明的可替代的優(yōu)選實施例包括導電區(qū)域保護性涂層156，該涂層包含施加在耐氧化金屬層158上的含有聚合物的導電耐氧化涂層160。在燃料電池運行中，通過夾緊裝置，例如延伸穿過電池堆的螺栓將終端板10夾緊，以使得幾個電池堆部件彼此壓靠。這樣在正常運行中，終端板10導電區(qū)域102被密封襯墊33、35從不導電區(qū)域物理分隔。然而當暴露在腐蝕性條件下，襯墊可能退化或失效，使得在導電區(qū)域102和不導電區(qū)域100之間流體連通。不導電區(qū)域100上的腐蝕性液體可能移動到導電區(qū)域102中。因此，通過預防性地為導電區(qū)域102基板128涂覆耐腐蝕和耐氧化的涂層160，這樣的含有聚合物的導電耐氧化涂層160也防止了濾出的鋁離子使電池堆中的催化劑中毒。
優(yōu)選的含聚合物的導電耐氧化涂層160包括基聚合物或聚合物混合物，類似于如上所述的選作施加在不導電區(qū)域100上的不導電涂層150的聚合物，但進一步包括導電微粒填充物162，以到達必須的傳導率。含聚合物的導電耐氧化涂層160必須是導電的，通常電阻系數(shù)小于大約50ohm-cm。根據(jù)所選擇的聚合物的特征，含聚合物的導電耐氧化涂層160進一步可以選擇性地包括耐氧化、不溶解于酸的導電微粒162(即小于大約50微米)，該微粒散布于導電區(qū)域的耐氧化涂層160中。這些導電微粒162使得通過導電區(qū)域保護性涂層156具有導電性。含有多種導電的填充物微粒的耐腐蝕和耐氧化聚合物進一步在授予Fronk等人的美國專利No.6,372,376中有所論述。
導電微粒162可從包括如下的組中選出金，鉑，石墨，碳，鎳，導電的金屬硼化物、氮化物和碳化物(例如氮化鈦、碳化鈦、硼化鈦)，含鉻和/或鎳的鈦合金，鈀，鈮，銠，稀土金屬，和其它貴金屬。最優(yōu)選地，微粒162可包括碳或石墨(即六方結晶碳)。根據(jù)聚合物自身的導電特征(決定所需的傳導率的程度)并進一步地根據(jù)微粒162的密度和傳導率(即具有高傳導率和低密度的微粒可用于較低的重量百分比)，含聚合物的導電耐氧化涂層160包括不同重量百分比的微粒162。含碳/石墨的導電涂層160可典型的含有25％重量百分比的碳/石墨微粒162。
含有不導電區(qū)域和導電區(qū)域聚合物的導電耐氧化涂層(150、160)可采用許多方式施加在導電區(qū)域102基板表面132上，例如(1)電泳沉積，(2)刷涂、噴涂、抹涂，(3)層壓或(4)粉末涂覆。聚合物物質150、160的粉末涂覆是特別優(yōu)選的，因為與其它聚合物施加方法相比，可以使聚合物高效的沉積而浪費少，可在預先已經(jīng)存在聚合物層的表面上涂覆，多孔性低，以及使聚合物充分均勻地沉積成更厚的層。粉末涂覆在本技術領域中已熟知，以及當干的聚合物微粒離開噴射器(例如Teflonlined或Corona)時通過其施加通常80kV以上的電壓，來用于為多種導電和不導電基板進行涂覆。多種聚合物可采用此方法施加，非限制地包括環(huán)氧樹脂、聚酰胺和聚酰亞胺。粉末涂覆特別適用于施加不導電區(qū)域耐腐蝕聚合物層150，其中施加兩個到三個聚合物層，以達到近似大約50至250微米范圍內的厚度。電泳沉積也用于導電基板，提供了高效的施加陰極環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂、氨基甲酸脂和聚酯的方法。后續(xù)的已涂覆的基板的烘烤可使通過粉末涂覆或電泳沉積而施加的涂層交聯(lián)和硬化。此處所描述的聚合物施加方法既可用于在終端板10的不導電區(qū)域100(即無導電微粒)上施加不導電保護性聚合物涂層150，也可用于在終端板10的導電區(qū)域102(即帶導電微粒)上施加含聚合物的導電耐氧化涂層160。
可替代的施加聚合物涂層(例如150、160)的方法是首先將聚合物形成不連續(xù)膜(例如通過溶劑澆注法或擠出法等)，然后例如通過熱軋層壓到終端板10的工作表面130、132上。不連續(xù)膜優(yōu)選地含有增塑劑以改善在這種施加方法中的膜的處理，并在基板128頂上提供涂層，該涂層足夠柔軟使得當終端板10進一步處理時膜不會被撕破或斷裂。氟化彈性體，例如聚偏二氟乙烯等可用于本實施例，可與傳統(tǒng)增塑劑，例如鄰苯二甲酸二丁酯共同使用。
可替代地，通過噴涂、刷涂或抹涂(例如使用刮刀)將聚合物膜150、160施加在基板128的工作表面130、132上。通過將聚合物溶解在合適的溶劑中可形成涂層前體，可選擇地，導電的填充物微粒162可以與溶解的聚合物混合，并且當其為含聚合物的導電耐氧化涂層160時，可將其作為濕漿施加在基板132頂部。然后將該濕涂層干燥(即除去溶劑)并按所需固化(例如熱固化)。當存在導電微粒162時，導電微粒將通過沒有溶劑的聚合物而附著在基板128上。
適用于噴涂、刷涂或抹涂施加的優(yōu)選的聚合物包括聚酰胺-酰亞胺熱固化性聚合物。聚酰胺-酰亞胺溶解在包括有N-甲基吡咯烷酮、丙二醇和甲醚乙酸酯的混合物的溶劑中?？蛇x擇地向該溶液中加入大約21％到大約23％重量百分比的石墨和碳黑微粒的混合物，其中石墨微粒的尺度范圍從大約5微米到大約20微米，碳黑微粒的尺度范圍從大約0.5微米到大約1.5微米，較小的碳黑微粒用于填充到較大的石墨微粒之間的空隙中，與全石墨涂層相比由此增加了涂層的傳導率?；旌衔锸┘拥交?28上，干燥并固化到厚度為大約15-30微米的涂層150、160(優(yōu)選地大約為17微米)，其碳—石墨含量為大約38％重量百分比(如果選用)?？梢栽诘偷臏囟?即小于400華氏度)下緩慢固化，或在兩個步驟的過程中更快速的固化，其中首先通過在300-350華氏度的溫度下加熱(即干燥)十分鐘來去除溶劑，然后在更高的溫度下加熱(500-750華氏度)一段時間來固化聚合物，時間持續(xù)長度為從大約30秒到大約15分鐘(取決于所使用的溫度)。
優(yōu)選的處理方法包括沿待處理本體128的主表面130、132選擇區(qū)域(即不導電區(qū)域100)。處理前，將所有沿本體128的主表面130、132的未選中區(qū)域(即導電區(qū)域102)在為不導電區(qū)域100施加保護性涂層140前施加掩模。保護性涂層140包括鈍化層142，選擇性地進一步包括導電的耐腐蝕聚合物層150。本發(fā)明的一個替換的實施例中考慮選擇性的處理步驟，其中終端板10具有鈍化層142和導電的聚合物層150，并被鈍化以處理任何可能存在于保護性涂層140下面的小孔，該小孔可能提供金屬基板128上的腐蝕成長地點。附加的鈍化處理將處理那些位于出現(xiàn)在鈍化層142或聚合物層150上的小孔下方的金屬，以此強化保護性涂層140。在不導電區(qū)域100上施加保護性涂層140后，從導電區(qū)域102上去除掩模(未繪出)。新的掩模放置在剛剛涂覆好的不導電區(qū)域100上，其中，保護其不受后續(xù)的導電區(qū)域102的處理影響。導電區(qū)域102可以進一步通過機械磨蝕或化學腐蝕進行預處理。然后在導電區(qū)域102上施加導電區(qū)域保護性涂層156，該保護性涂層156包括耐氧化金屬層158和含有聚合物的導電耐氧化涂層160。在導電區(qū)域102上施加導電區(qū)域保護性涂層156后，從不導電區(qū)域100上去除掩模。
本發(fā)明以此提供了為由易腐蝕材料制成的終端板的不導電區(qū)域涂覆耐腐蝕涂層的能力，而進一步可選擇地以導電涂層保護了導電區(qū)域，克服了金屬上迅速擴大的腐蝕地點的問題和不希望的表面導電部分氧化的問題，這些問題否則導致電池堆性能下降。
雖然本發(fā)明根據(jù)其特定實施例進行論述，但意思是不局限于此，而是僅限于在下面的權利要求書中給出的范圍。本發(fā)明的論述在實質上僅是示例性的，因此不背離發(fā)明要旨的變化意思是在本發(fā)明范圍中。此類變化不認為是與發(fā)明的精神和范圍背離。
權利要求
1.一種導電終端板，其包括由導電的易腐蝕材料制成的本體；所述本體的表面，其具有導電區(qū)域和不導電區(qū)域；以及覆蓋所述不導電區(qū)域的耐腐蝕層。
2.根據(jù)權利要求1所述的終端板，其中所述的導電區(qū)域位于終端板的所述表面的中央且所述的不導電區(qū)域圍繞所述中央?yún)^(qū)域。
3.根據(jù)權利要求1所述的終端板，進一步包括與位于所述的不導電區(qū)域下面的所述導電材料本體電接觸的片，和從所述的導電區(qū)域經(jīng)過位于所述的不導電區(qū)域下面的所述導電本體到導電片的導電路徑。
4.根據(jù)權利要求1所述的終端板，其中所述的耐腐蝕層包括鈍化層。
5.根據(jù)權利要求1所述的終端板，其中所述的耐腐蝕層包括不導電聚合物涂層。
6.根據(jù)權利要求1所述的終端板，其中所述的耐腐蝕層包括鈍化層和不導電聚合物涂層。
7.根據(jù)權利要求6所述的終端板，其中所述聚合物涂層包括至少一個從包括下列聚合物的組中選出的聚合物環(huán)氧樹脂、硅樹脂、聚酰胺酰亞胺、聚醚酰亞胺、多酚、氟化彈性體、聚酯、苯氧苯酚、環(huán)氧苯酚、丙烯酸樹脂和氨基甲酸酯。
8.根據(jù)權利要求1所述的終端板，其中終端板具有至少一個在所述的不導電區(qū)域中通過所述本體的縫隙，且其中所述的縫隙具有覆蓋有所述耐腐蝕層的表面。
9.根據(jù)權利要求1所述的終端板，其中所述的縫隙的耐腐蝕層和所述的不導電區(qū)域的所述的耐腐蝕層基本上是連續(xù)的。
10.根據(jù)權利要求1所述的終端板，其中所述的本體包括鋁。
11.根據(jù)權利要求1所述的終端板，其中所述的導電區(qū)域覆蓋有保護性涂層，該涂層包括與所述的導電區(qū)域的所述表面接觸的包含有耐氧化金屬的第一層，和所述第一層上的第二層，所述的第二層包含耐氧化聚合物。
12.根據(jù)權利要求11所述的終端板，其中所述的耐氧化金屬包括鎳、錫、銀和其合金，以及其組合。
13.根據(jù)權利要求11所述的終端板，其中所述的第二層進一步包括散布在所述耐氧化聚合物中的導電微粒。
14.根據(jù)權利要求13所述的終端板，其中所述的導電微粒從包括下列微粒的組中選擇金、鉑、鎳、鈀、銠、鈮、鈦、鉻、稀土金屬、石墨、碳、其化合物和合金，以及其混合物。
15.根據(jù)權利要求11所述的終端板，其中所述的耐氧化聚合物從包括下列聚合物的組中選擇環(huán)氧樹脂、硅樹脂、聚酰胺酰亞胺、聚醚酰亞胺、多酚、氟化彈性體、聚酯、苯氧苯酚、環(huán)氧苯酚、丙烯酸樹脂和氨基甲酸酯。
16.一種用于收集跨過電池堆中的一個或多個電化學電池產(chǎn)生的電流的終端板，電池堆中每個電池包括夾在一對導電流體分配元件之間的膜電極總成，其中建立從膜電極總成經(jīng)過導電分配元件的電接觸，其中距終端板最近的流體分配元件與終端板電接觸，所述的終端板包括由導電且耐腐蝕的材料制成的本體；以及所述本體的表面，其具有與所述的距板最近的流體分配元件接觸的導電區(qū)域和被耐腐蝕層覆蓋的不導電區(qū)域；其中所述的導電區(qū)域位于所述的終端板表面中央且所述的不導電區(qū)域圍繞所述的中央?yún)^(qū)域并限定了板的外圍不導電區(qū)域，由此使得板從周圍的環(huán)境中電絕緣；以及與位于所述的不導電區(qū)域下方的所述導電材料的本體電接觸的片，以及從所述的導電區(qū)域經(jīng)過位于所述的不導電區(qū)域下方的所述的導電本體到導電片的導電路徑。
17.根據(jù)權利要求16所述的終端板，其中終端板具有至少一個在所述的不導電區(qū)域中通過所述本體的縫隙，其中所述縫隙與多個流體分配元件流體連通，且所述的縫隙具有覆蓋有所述耐腐蝕層的表面。
18.根據(jù)權利要求16所述的終端板，其中所述的耐腐蝕層包括鈍化層。
19.根據(jù)權利要求16所述的終端板，其中所述的耐腐蝕層包括不導電聚合物涂層。
20.根據(jù)權利要求15所述的終端板，其中所述的耐腐蝕層包括鈍化層和不導電聚合物涂層。
21.根據(jù)權利要求20所述的終端板，其中所述的聚合物涂層包括至少一個從包括下列聚合物的組中選擇的聚合物環(huán)氧樹脂、硅樹脂、聚酰胺酰亞胺、聚醚酰亞胺、多酚、氟化彈性體、聚酯、苯氧苯酚、環(huán)氧苯酚、丙烯酸樹脂和氨基甲酸酯。
22.根據(jù)權利要求16所述的終端板，其中所述的縫隙的耐腐蝕層和所述的不導電區(qū)域的所述的耐腐蝕層基本上是連續(xù)的。
23.根據(jù)權利要求20所述的終端板，其中所述的本體包括鋁。
24.根據(jù)權利要求16所述的終端板，其中所述的導電區(qū)域覆蓋有保護性層，該層包括與所述的導電區(qū)域的所述表面接觸的包含有耐氧化金屬的第一層，和所述第一層上的第二層，所述的第二層包含耐氧化聚合物。
25.根據(jù)權利要求24所述的終端板，其中所述的耐氧化金屬包括鎳、錫、銀和其合金，以及其組合。
26.根據(jù)權利要求24所述的終端板，其中所述的第二層進一步包括散布在所述耐氧化聚合物中的導電微粒。
27.根據(jù)權利要求26所述的終端板，其中所述的導電微粒從包括下列微粒的組中選擇金、鉑、鎳、鈀、銠、鈮、鈦、鉻、稀土金屬、石墨、碳、其化合物和合金，以及其混合物。
28.根據(jù)權利要求24所述的終端板，其中所述的耐氧化聚合物從包括下列聚合物的組中選擇環(huán)氧樹脂、硅樹脂、聚酰胺酰亞胺、聚醚酰亞胺、多酚、氟化彈性體、聚酯、苯氧苯酚、環(huán)氧苯酚、丙烯酸樹脂和氨基甲酸酯。
29.一種形成導電終端板的方法，其包括提供具有主要表面的導電材料制成的本體；在所述的主要表面的選定區(qū)域內，形成至少一個通過所述本體的縫隙；以及鈍化所述的主體的所述的主要表面上的所述選定區(qū)域，由此在所述選定區(qū)域中形成不導電的耐腐蝕表面。
30.根據(jù)權利要求29的方法，進一步在所述的鈍化步驟后包括涂覆步驟，其中所述的選定區(qū)域涂覆有耐腐蝕的聚合物層。
31.根據(jù)權利要求30的方法，進一步在所述的涂覆步驟后包括保護步驟，其中將所述的耐腐蝕層的任何可能存在任何小孔的區(qū)域進行鈍化，由此處理暴露其下方表面的任何位于下方的小孔。
32.根據(jù)權利要求29的方法，其中在所述的縫隙形成步驟后，進一步包括在所述的鈍化步驟前對所述的主要表面的未選擇區(qū)域施加掩模的步驟。
33.根據(jù)權利要求32的方法，在所述的施加掩模步驟后進一步包括以下步驟從所述主要表面的所述未選擇區(qū)域去除所述掩模；對所述主要表面的所述選擇的區(qū)域施加掩模；以及為所述未選擇區(qū)域涂覆導電的耐氧化層。
全文摘要
本發(fā)明涉及帶有終端集電器板元件的電化學電池，該終端集電器板從電池堆中引出電流。終端板具有導電的表面區(qū)域和不導電的表面區(qū)域。不導電區(qū)域涂覆有耐腐蝕涂層，該涂層包括鈍化層，耐腐蝕聚合物層，或包括上述二者。終端板的導電區(qū)域可選擇地通過涂覆有耐氧化金屬層以防止氧化。耐氧化層可進一步地涂覆有導電的耐氧化聚合物層。本發(fā)明另外的優(yōu)選方面包括處理終端板，以使其耐腐蝕和耐氧化而同時保持導電性的方法。
文檔編號H01R12/32GK1826710SQ200480003592
公開日2006年8月30日 申請日期2004年2月3日 優(yōu)先權日2003年2月5日
發(fā)明者B·K·布拉迪, B·索姆帕利 申請人:通用汽車公司