用于電化學(xué)應(yīng)用的高導(dǎo)電性表面的制作方法
【專利說明】用于電化學(xué)應(yīng)用的高導(dǎo)電性表面
[0001]本申請(qǐng)為于2010年7月8日進(jìn)入中國(guó)國(guó)家階段的、題為“用于電化學(xué)應(yīng)用的高導(dǎo)電性表面”的第20098011881.3號(hào)中國(guó)專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
[0002]本申請(qǐng)要求以下申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán):2008年8月15日遞交的、申請(qǐng)?zhí)枮?1/089，233、發(fā)明名稱為“Method to Produce High Electrical Conductive Surface forElectrochemical Applicat1ns (制備用于電化學(xué)應(yīng)用的高導(dǎo)電性表面的方法)”的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)；2008年I月24日遞交的、申請(qǐng)?zhí)枮?1/023，273、發(fā)明名稱為“Spray Methodfor the Format1n of High Electrical Conductive Surface for ElectrochemicalApplicat1n"形成用于電化學(xué)應(yīng)用的高導(dǎo)電性表面的噴射方法)”的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)；以及2008年I月8日遞交的、申請(qǐng)?zhí)枮?1/019，657、發(fā)明名稱為“Method of Metal Corros1nProtect1n for Electrochemical Applicat1ns (用于電化學(xué)應(yīng)用的金屬腐蝕保護(hù)方法)”的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)，上述申請(qǐng)的全文均通過弓I用并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及用于提高金屬表面?zhèn)鲗?dǎo)率和/或用于電化學(xué)應(yīng)用中的金屬部件耐腐蝕性的方法，更具體地，涉及此類金屬部件的設(shè)計(jì)和用于沉積少量傳導(dǎo)性材料從而降低耐腐蝕金屬襯底表面的表面接觸電阻的節(jié)省成本的工藝方法的使用。
【背景技術(shù)】
[0004]金屬材料廣泛應(yīng)用于電化學(xué)應(yīng)用的各種裝置中，包括氯堿工藝中使用的電極和用于低溫(質(zhì)子交換膜)和高溫(固態(tài)氧化物)燃料電池的隔離/互連板。金屬基部件也用于例如電池、電解槽和電化學(xué)氣體分離裝置中。在這些以及類似的應(yīng)用中，希望金屬基部件具有高導(dǎo)電性(或低電阻)表面，以降低可發(fā)生于電化學(xué)裝置中的內(nèi)部電損耗，并且在這些裝置中獲得高工作效率。電化學(xué)應(yīng)用中常遇到的難點(diǎn)之一為金屬基部件在具有高導(dǎo)電性的同時(shí)還需具備高耐腐蝕特性。
[0005]使用耐腐蝕金屬，例如鉻或鎳層涂覆金屬基部件是通用的工業(yè)實(shí)踐。然而，這些材料無法用于電化學(xué)裝置中某些類型的苛刻腐蝕環(huán)境中。貴金屬具有優(yōu)異的耐腐蝕特性并具有高傳導(dǎo)性，然而其在大宗商業(yè)應(yīng)用中往往過于昂貴。
[0006]其它材料，例如鈦、鋯和硅，可具有突出的耐腐蝕特性，尤其在實(shí)施適當(dāng)?shù)拟g化處理后。然而，這些材料具有其它局限性。例如，這些材料的接觸電阻很高，尤其在鈍化后。此夕卜，這些材料過于昂貴和/或有時(shí)難以加工。因此，這些材料在其商業(yè)應(yīng)用中受到限制。
[0007]因此，需要可提供用于電化學(xué)應(yīng)用的、提高電導(dǎo)率和/或這些襯底的耐腐蝕的成本降低的涂層技術(shù)。這些涂層可用于具有金屬基部件的電化學(xué)應(yīng)用的裝置中，例如燃料電池、電池、電解槽和氣體分離裝置。
【附圖說明】
[0008]圖1A為根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案包括沉積于耐腐蝕金屬襯底表面上的多個(gè)襯墊的結(jié)構(gòu)的示意性剖視圖。
[0009]圖1B為圖1A所描述結(jié)構(gòu)的示意性平面圖。
[0010]圖2A為根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案包括沉積于耐腐蝕金屬襯底表面的凸出部分的多個(gè)襯墊的結(jié)構(gòu)的示意性剖視圖。
[0011]圖2B為圖2A所描述結(jié)構(gòu)的示意性平面圖。
[0012]圖3為根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案包括沉積于耐腐蝕金屬襯底表面上的、具有貴金屬層的多個(gè)耐腐蝕顆粒的結(jié)構(gòu)的示意性剖視圖。
[0013]圖4為根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案具有沉積于耐腐蝕金屬襯底表面上的、具有傳導(dǎo)性氮化物層的多個(gè)耐腐蝕顆粒的結(jié)構(gòu)的示意性剖視圖。
[0014]圖5A—圖5C為根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案具有多個(gè)導(dǎo)電陶瓷顆粒和用于將陶瓷顆粒結(jié)合于耐腐蝕金屬襯底表面上的耐腐蝕結(jié)合金屬的結(jié)構(gòu)的示意性剖視圖。
[0015]圖6A—圖6C為根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案包括沉積于耐腐蝕金屬襯底表面上的、具有導(dǎo)電性內(nèi)含物的合金顆粒作為高導(dǎo)電性接觸點(diǎn)的結(jié)構(gòu)的示意性剖視圖。
[0016]圖7為根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案包括生長(zhǎng)于觸媒上的多個(gè)碳納米管的結(jié)構(gòu)的示意性剖視圖，其中，觸媒沉積在耐腐蝕金屬襯底的表面上。
[0017]圖8為根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案包括位于沉積在耐腐蝕金屬襯底表面上且耐腐蝕性能比耐腐蝕金屬襯底更佳的耐腐蝕涂層之上的多個(gè)導(dǎo)電性襯墊的結(jié)構(gòu)的示意性剖視圖。
[0018]圖9為根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案在鈦表面上熱噴射金的掃描電子顯微鏡照片。
[0019]圖10 — 11分別為根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案在涂覆鈦的不銹鋼表面上熱噴射金的掃描電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡照片。
[0020]圖12為示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的標(biāo)準(zhǔn)SS316(不銹鋼)表面的動(dòng)態(tài)極化電化學(xué)腐蝕數(shù)據(jù)的曲線圖。
[0021]圖13為根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案在耐腐蝕金屬襯底表面上構(gòu)圖的多個(gè)金點(diǎn)的光學(xué)顯微鏡照片。
[0022]圖14為根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案在硅涂層中具有使用金密封的針孔的涂覆硅的不銹鋼表面的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下討論的各種實(shí)施方案涉及材料可置于金屬襯底上用于電化學(xué)應(yīng)用從而在降低或更低的成本下提高這些襯底的電導(dǎo)率和/或耐腐蝕性的方法。這些實(shí)施方案可用于具有金屬基部件的電化學(xué)應(yīng)用的裝置，例如燃料電池、電池、電解槽和氣體分離裝置。
[0024]在某些實(shí)施方案中，耐腐蝕金屬襯底的接觸電阻可通過在耐腐蝕金屬襯底表面上沉積多層高導(dǎo)電性接觸點(diǎn)或接觸區(qū)而降低。這些接觸點(diǎn)可用于將具有耐腐蝕金屬襯底的部件和電化學(xué)裝置中的其他部件電連接，以保持良好的電學(xué)連續(xù)性。這些接觸點(diǎn)無需覆蓋耐腐蝕金屬襯底的整個(gè)表面(例如，接觸面)，因此可降低材料和工藝成本。這些接觸點(diǎn)可包括各種耐腐蝕和/或?qū)щ娦圆牧?，例如但不限于貴金屬、傳導(dǎo)性氮化物、碳化物、硼化物和碳。
[0025]圖1A為根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案包括沉積于耐腐蝕金屬襯底10表面上的多個(gè)金屬襯墊或點(diǎn)12的結(jié)構(gòu)的示意性剖視圖。金屬襯墊12可用作高導(dǎo)電性接觸點(diǎn)，以用于接觸例如電化學(xué)裝置中的金屬部件。在一個(gè)實(shí)施例中，耐腐蝕金屬襯底10可包括鈦、鈮、鋯和/或鉭，和/或由這些材料中的任一種構(gòu)成的合金。在另一個(gè)實(shí)施例中，耐腐蝕金屬襯底10可包括低成本的碳素鋼、不銹鋼、銅和/或鋁，和/或由這些材料中的任一種構(gòu)成的合金。在又一個(gè)實(shí)施例中，耐腐蝕金屬襯底10可包括鐵、鉻或鎳，或由這些材料中的任一種構(gòu)成的合金。在某些實(shí)施方案中，耐腐蝕金屬襯底10可包括置于金屬襯底表面上且耐腐蝕特性優(yōu)于金屬襯底的耐腐蝕涂層。耐腐蝕涂層可通過利用汽相沉積工藝(例如PVD或CVD)置于金屬襯底上。為提高耐腐蝕涂層與金屬襯底的附著性，可實(shí)施結(jié)合工藝。例如，耐腐蝕層可在空氣中、在450°C熱處理約I小時(shí)。以下就圖8進(jìn)一步描述利用耐腐蝕涂層進(jìn)一步提高金屬襯底的耐腐蝕性。
[0026]金屬襯墊12可包括噴射和/或結(jié)合至耐腐蝕金屬襯底10表面上的貴金屬顆粒。金屬襯墊12可具有高電導(dǎo)率，并且可包括金、鈀、鉑、銥和/或釕。在一個(gè)實(shí)施例中，用于金屬襯墊12的材料可具有約50毫歐每平方厘米(πιΩ/cm2)或更低的接觸電阻。在某些實(shí)施方案中，用于金屬襯墊12的材料的接觸電阻可期望達(dá)到例如ΙΟπιΩ/cm2或更低。與金屬襯墊12相關(guān)的厚度的范圍為約I納米(nm)至約5微米(μπι)。在某些實(shí)施方案中，金屬襯墊12為金，襯墊厚度的范圍可以為例如I納米至5納米、I納米至10納米、10納米至50納米、10納米至100納米、10納米至20微米、I納米至0.5微米、20納米至0.5微米、100納米至0.5微米、20納米至I微米、100納米至I微米、0.5微米至5微米或I微米至20微米，在某些實(shí)施方案中需要10納米至20微米的范圍。導(dǎo)電性金屬襯墊12可通過例如熱噴射或冷噴射工藝沉積于耐腐蝕金屬襯底10上。
[0027]熱噴射工藝提供了可用于在不同應(yīng)用中沉積較寬范圍材料的低成本、快速制備沉積工藝。在典型的熱噴射中，材料首先加熱至例如高于800攝氏度(°C )的溫度，而后噴射至襯底上。材料可通過使用例如火焰、等離子體或/和電弧加熱，并且一旦加熱完成，材料可通過利用高流速氣體噴射。熱噴射可用于沉積例如金屬、陶瓷和聚合物。進(jìn)料可以為粉末、線、棒、溶液或小顆粒懸浮液。
[0028]有多種類型的熱噴射工藝可用于材料沉積，例如使用鹽溶液、金屬顆粒懸浮液、干燥金屬顆粒、金屬線或含有金屬和陶瓷的復(fù)合顆粒的熱噴射工藝。熱噴射的一種類型為冷氣體動(dòng)態(tài)噴射。在冷氣體動(dòng)態(tài)噴射中，通過將材料以很高的速度輸送至襯底以沉積材料，但在有限加熱的情況下，典型地，溫度低于1000華氏度(° F)。然而，此工藝由于相對(duì)較低的溫度而具有待沉積材料的特性受噴射工藝影響的可能性很小的優(yōu)點(diǎn)。
[0029]在此實(shí)施方案中，可通過熱噴射鹽溶液或金屬顆粒懸浮液，將金屬襯墊12熱噴射至耐腐蝕金屬襯底10的上表面上。鹽溶液可包括例如重量比百分之一(1% )的醋酸金水溶液。金屬顆粒懸浮液可包括例如金粉末、乙二醇和表面活性劑。在一個(gè)實(shí)施例中，金屬顆粒懸浮液可包括具