用于电化学应用的高导电性表面的制作方法
【专利说明】用于电化学应用的高导电性表面
[0001]本申请为于2010年7月8日进入中国国家阶段的、题为“用于电化学应用的高导电性表面”的第20098011881.3号中国专利申请的分案申请。
[0002]本申请要求以下申请的优先权:2008年8月15日递交的、申请号为61/089，233、发明名称为“Method to Produce High Electrical Conductive Surface forElectrochemical Applicat1ns (制备用于电化学应用的高导电性表面的方法)”的美国临时申请；2008年I月24日递交的、申请号为61/023，273、发明名称为“Spray Methodfor the Format1n of High Electrical Conductive Surface for ElectrochemicalApplicat1n"形成用于电化学应用的高导电性表面的喷射方法)”的美国临时申请；以及2008年I月8日递交的、申请号为61/019，657、发明名称为“Method of Metal Corros1nProtect1n for Electrochemical Applicat1ns (用于电化学应用的金属腐蚀保护方法)”的美国临时申请，上述申请的全文均通过弓I用并入本文。
技术领域
[0003]本发明涉及用于提高金属表面传导率和/或用于电化学应用中的金属部件耐腐蚀性的方法，更具体地，涉及此类金属部件的设计和用于沉积少量传导性材料从而降低耐腐蚀金属衬底表面的表面接触电阻的节省成本的工艺方法的使用。
【背景技术】
[0004]金属材料广泛应用于电化学应用的各种装置中，包括氯碱工艺中使用的电极和用于低温(质子交换膜)和高温(固态氧化物)燃料电池的隔离/互连板。金属基部件也用于例如电池、电解槽和电化学气体分离装置中。在这些以及类似的应用中，希望金属基部件具有高导电性(或低电阻)表面，以降低可发生于电化学装置中的内部电损耗，并且在这些装置中获得高工作效率。电化学应用中常遇到的难点之一为金属基部件在具有高导电性的同时还需具备高耐腐蚀特性。
[0005]使用耐腐蚀金属，例如铬或镍层涂覆金属基部件是通用的工业实践。然而，这些材料无法用于电化学装置中某些类型的苛刻腐蚀环境中。贵金属具有优异的耐腐蚀特性并具有高传导性，然而其在大宗商业应用中往往过于昂贵。
[0006]其它材料，例如钛、锆和硅，可具有突出的耐腐蚀特性，尤其在实施适当的钝化处理后。然而，这些材料具有其它局限性。例如，这些材料的接触电阻很高，尤其在钝化后。此夕卜，这些材料过于昂贵和/或有时难以加工。因此，这些材料在其商业应用中受到限制。
[0007]因此，需要可提供用于电化学应用的、提高电导率和/或这些衬底的耐腐蚀的成本降低的涂层技术。这些涂层可用于具有金属基部件的电化学应用的装置中，例如燃料电池、电池、电解槽和气体分离装置。
【附图说明】
[0008]图1A为根据一个实施方案包括沉积于耐腐蚀金属衬底表面上的多个衬垫的结构的示意性剖视图。
[0009]图1B为图1A所描述结构的示意性平面图。
[0010]图2A为根据一个实施方案包括沉积于耐腐蚀金属衬底表面的凸出部分的多个衬垫的结构的示意性剖视图。
[0011]图2B为图2A所描述结构的示意性平面图。
[0012]图3为根据一个实施方案包括沉积于耐腐蚀金属衬底表面上的、具有贵金属层的多个耐腐蚀颗粒的结构的示意性剖视图。
[0013]图4为根据一个实施方案具有沉积于耐腐蚀金属衬底表面上的、具有传导性氮化物层的多个耐腐蚀颗粒的结构的示意性剖视图。
[0014]图5A—图5C为根据一个实施方案具有多个导电陶瓷颗粒和用于将陶瓷颗粒结合于耐腐蚀金属衬底表面上的耐腐蚀结合金属的结构的示意性剖视图。
[0015]图6A—图6C为根据一个实施方案包括沉积于耐腐蚀金属衬底表面上的、具有导电性内含物的合金颗粒作为高导电性接触点的结构的示意性剖视图。
[0016]图7为根据一个实施方案包括生长于触媒上的多个碳纳米管的结构的示意性剖视图，其中，触媒沉积在耐腐蚀金属衬底的表面上。
[0017]图8为根据一个实施方案包括位于沉积在耐腐蚀金属衬底表面上且耐腐蚀性能比耐腐蚀金属衬底更佳的耐腐蚀涂层之上的多个导电性衬垫的结构的示意性剖视图。
[0018]图9为根据一个实施方案在钛表面上热喷射金的扫描电子显微镜照片。
[0019]图10 — 11分别为根据一个实施方案在涂覆钛的不锈钢表面上热喷射金的扫描电子显微镜和光学显微镜照片。
[0020]图12为示出了根据一个实施方案的标准SS316(不锈钢)表面的动态极化电化学腐蚀数据的曲线图。
[0021]图13为根据一个实施方案在耐腐蚀金属衬底表面上构图的多个金点的光学显微镜照片。
[0022]图14为根据一个实施方案在硅涂层中具有使用金密封的针孔的涂覆硅的不锈钢表面的扫描电子显微镜(SEM)照片。
【具体实施方式】
[0023]以下讨论的各种实施方案涉及材料可置于金属衬底上用于电化学应用从而在降低或更低的成本下提高这些衬底的电导率和/或耐腐蚀性的方法。这些实施方案可用于具有金属基部件的电化学应用的装置，例如燃料电池、电池、电解槽和气体分离装置。
[0024]在某些实施方案中，耐腐蚀金属衬底的接触电阻可通过在耐腐蚀金属衬底表面上沉积多层高导电性接触点或接触区而降低。这些接触点可用于将具有耐腐蚀金属衬底的部件和电化学装置中的其他部件电连接，以保持良好的电学连续性。这些接触点无需覆盖耐腐蚀金属衬底的整个表面(例如，接触面)，因此可降低材料和工艺成本。这些接触点可包括各种耐腐蚀和/或导电性材料，例如但不限于贵金属、传导性氮化物、碳化物、硼化物和碳。
[0025]图1A为根据一个实施方案包括沉积于耐腐蚀金属衬底10表面上的多个金属衬垫或点12的结构的示意性剖视图。金属衬垫12可用作高导电性接触点，以用于接触例如电化学装置中的金属部件。在一个实施例中，耐腐蚀金属衬底10可包括钛、铌、锆和/或钽，和/或由这些材料中的任一种构成的合金。在另一个实施例中，耐腐蚀金属衬底10可包括低成本的碳素钢、不锈钢、铜和/或铝，和/或由这些材料中的任一种构成的合金。在又一个实施例中，耐腐蚀金属衬底10可包括铁、铬或镍，或由这些材料中的任一种构成的合金。在某些实施方案中，耐腐蚀金属衬底10可包括置于金属衬底表面上且耐腐蚀特性优于金属衬底的耐腐蚀涂层。耐腐蚀涂层可通过利用汽相沉积工艺(例如PVD或CVD)置于金属衬底上。为提高耐腐蚀涂层与金属衬底的附着性，可实施结合工艺。例如，耐腐蚀层可在空气中、在450°C热处理约I小时。以下就图8进一步描述利用耐腐蚀涂层进一步提高金属衬底的耐腐蚀性。
[0026]金属衬垫12可包括喷射和/或结合至耐腐蚀金属衬底10表面上的贵金属颗粒。金属衬垫12可具有高电导率，并且可包括金、钯、铂、铱和/或钌。在一个实施例中，用于金属衬垫12的材料可具有约50毫欧每平方厘米(πιΩ/cm2)或更低的接触电阻。在某些实施方案中，用于金属衬垫12的材料的接触电阻可期望达到例如ΙΟπιΩ/cm2或更低。与金属衬垫12相关的厚度的范围为约I纳米(nm)至约5微米(μπι)。在某些实施方案中，金属衬垫12为金，衬垫厚度的范围可以为例如I纳米至5纳米、I纳米至10纳米、10纳米至50纳米、10纳米至100纳米、10纳米至20微米、I纳米至0.5微米、20纳米至0.5微米、100纳米至0.5微米、20纳米至I微米、100纳米至I微米、0.5微米至5微米或I微米至20微米，在某些实施方案中需要10纳米至20微米的范围。导电性金属衬垫12可通过例如热喷射或冷喷射工艺沉积于耐腐蚀金属衬底10上。
[0027]热喷射工艺提供了可用于在不同应用中沉积较宽范围材料的低成本、快速制备沉积工艺。在典型的热喷射中，材料首先加热至例如高于800摄氏度(°C )的温度，而后喷射至衬底上。材料可通过使用例如火焰、等离子体或/和电弧加热，并且一旦加热完成，材料可通过利用高流速气体喷射。热喷射可用于沉积例如金属、陶瓷和聚合物。进料可以为粉末、线、棒、溶液或小颗粒悬浮液。
[0028]有多种类型的热喷射工艺可用于材料沉积，例如使用盐溶液、金属颗粒悬浮液、干燥金属颗粒、金属线或含有金属和陶瓷的复合颗粒的热喷射工艺。热喷射的一种类型为冷气体动态喷射。在冷气体动态喷射中，通过将材料以很高的速度输送至衬底以沉积材料，但在有限加热的情况下，典型地，温度低于1000华氏度(° F)。然而，此工艺由于相对较低的温度而具有待沉积材料的特性受喷射工艺影响的可能性很小的优点。
[0029]在此实施方案中，可通过热喷射盐溶液或金属颗粒悬浮液，将金属衬垫12热喷射至耐腐蚀金属衬底10的上表面上。盐溶液可包括例如重量比百分之一(1% )的醋酸金水溶液。金属颗粒悬浮液可包括例如金粉末、乙二醇和表面活性剂。在一个实施例中，金属颗粒悬浮液可包括具