太阳城集团

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用于PEM燃料电池的铸制极板组件.pdf

摘要
申请专利号:

太阳城集团CN201110100878.9

申请日:

2011.04.21

公开号:

CN102237531B

公开日:

2015.01.28

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H01M 4/86申请日:20110421|||公开
IPC分类号: H01M4/86; H01M4/88; H01M8/24 主分类号: H01M4/86
申请人: 通用汽车环球科技运作有限责任公司
发明人: G.V.达希奇; G.W.弗利
地址: 美国密执安州
优先权: 2010.04.22 US 12/765,042; 2011.02.25 US 13/034,870
专利代理机构: 中国专利代理(香港)有限公司 72001 代理人: 刘桢;谭祐祥
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法律状态
申请(专利)号:

CN201110100878.9

授权太阳城集团号:

102237531B||||||

法律状态太阳城集团日:

2015.01.28|||2011.12.21|||2011.11.09

法律状态类型:

太阳城集团授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

太阳城集团本发明涉及用于PEM燃料电池的铸制极板组件,提供了一种用于燃料电池的双极板组件。该双极板组件包括布置为邻近阳极板的阴极板,由具有第一厚度的低接触电阻、高耐腐蚀性材料通过淀积工艺形成的阴极和阳极板。第一和第二单极板形成在可拆卸的基底上,并且第一周长的第一单极板焊接到第二周长的第二单极板上以形成气密密封的冷却剂流动路径。还描述了用于形成双极板组件的方法。

权利要求书

1.一种用于燃料电池的双极板组件,包括:阴极单极板;和与该阴极板接合的阳极单极板,其中所述阴极板和所述阳极板中的至少一个具有在形成的基底上通过淀积工艺形成的第一厚度的低电阻、高耐腐蚀性材料。2.如权利要求1所述的双极板组件,其中所述低电阻、高耐腐蚀性材料是高镍含量合金。3.如权利要求1所述的双极板组件,其中所述低电阻、高耐腐蚀性材料是纳米晶合金。4.如权利要求3所述的双极板组件,其中所述纳米晶合金是FeW合金,FeMo合金,FeCr合金,FeTa合金,FeNb合金以及其混合物中的至少一种。5.如权利要求1所述的双极板组件,其中所述低电阻、高耐腐蚀性材料是碳。6.如权利要求1所述的双极板组件,其中所述阳极板的工作区域的至少一部分与所述阴极板的工作区域中的至少一部分匹配接合以在其间提供导电性。7.如权利要求1所述的双极板组件,其中第一厚度在5至100微米之间。8.如权利要求1所述的双极板组件,其中第一周长的所述阴极板与第二周长的所述阳极板整体地连接以在其间形成大致气密密封。9.一种燃料电池组,包括:以堆叠结构布置的多个膜电极组件,该多个膜电极组件每个都具有阴极和阳极;以及布置在相邻的膜电极组件之间的双极板组件,该双极板组件包括连接到阳极单极板上的阴极单极板,其中所述阴极板和所述阳极板中的至少一个具有在形成的基底上通过淀积工艺形成的第一厚度的低电阻、高耐腐蚀性材料。10.一种用于生产燃料电池组的双极板组件的方法,该方法包括步骤:提供对应于所需阴极板流场图案的第一基底表面外表面; 提供对应于所需阳极板流场图案的第二基底外表面; 利用淀积工艺将第一预定厚度的低接触电阻、高耐腐蚀性材料涂覆到第一和第二外表面,以在第一外表面上形成阴极板和在第二外表面上形成阳极板;去除所述基底;和将第一周长的所述阴极板与第二周长的所述阳极板连接以在其间形成大致气密密封。

说明书

用于PEM燃料电池的铸制极板组件

相关申请的交叉引用

太阳城集团本申请是2010年4月22日提交的美国专利申请序列号No.12/765,042的部分延续申请。上述申请的整个内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及燃料电池组,并且更特别的涉及一种双极板组件以及用于制备燃料电池组的双极板的方法。

背景技术

太阳城集团燃料电池在许多应用中可以用作电源。例如,燃料电池已经被提出作为内燃机的替代品在汽车中使用。在质子交换膜(PEM)类型燃料电池中,诸如氢的反应物作为燃料被供给燃料电池的阳极,并且诸如氧或空气的反应物作为氧化剂被供给燃料电池的阴极。PEM燃料电池包括具有质子可通过的、非导电的质子交换膜的膜电极组件(MEA)。质子交换膜具有在一个面上的阳极催化剂以及在相对面上的阴极催化剂。MEA通常布置在由诸如碳织物或纸的弹性、导电以及气体可渗透的材料形成的“阳极”与“阴极”扩散介质或扩散层之间。扩散介质作为用于阳极和阴极的主集电器以及提供MEA的机械支持并且促进反应物的传送。

在燃料电池组中,尽管被不透气的导电双极板分隔开,多个燃料电池电串联地对齐。每个MEA通常地夹在作为用于收集来自主集电器的电流的次集电器的一对导电板之间。在双极板的情况下,板在燃料电池组内部的相邻电池之间传导电流,并且在电池组端部处的单极板的情况下传导电池组外部的电流。

太阳城集团双极板典型地包括两个薄的,面对的导电薄片。薄片中的一个在其一个外表面上限定了供燃料传递至MEA的阳极用的流动路径。另一薄片的外表面限定出了用于供氧化剂传递至MEA的阴极侧用的流动路径。当薄片连接时,限定了用于电介质冷却流体的流动路径。

典型的双极板是由两个分离的单极板构成的连接组件。每个单极板具有外表面和内表面,该外表面具有用于气体反应剂的流动通道以及内表面具有冷却剂通道。双极板具有复杂阵列的凹槽或通道,该凹槽或通道形成用于在相应的阳极和阴极的表面上分配反应物的流场。为了维持所需的温度,还在双极板内部形成了沟槽,并且该沟槽在整个燃料电池组内分配适当的冷却剂。 

太阳城集团分离的单极板通常由诸如316合金不锈钢的提供适当的强度,耐久性,刚性,导电性以及耐腐蚀性的可成形金属制成。奥氏体不锈钢已经成功地通过诸如机械加工,模制,切削,雕刻,冲压,或光刻蚀的各种工艺形成为用于PEM燃料电池的双极板材料。由于其表面上薄的钝态氧化膜,奥氏体不锈钢展现了很高的耐腐蚀性。然而,薄的钝态氧化膜不期望地增加了双极板表面与与其相邻的气体扩散介质(GDM)之间的接触阻力。为了将燃料电池性能以及电流强度最大化,需要减小燃料电池电阻。减少双极板表面与GDM之间的接触电阻可以显著地减小总的燃料电池电阻,由此提高了性能和电流强度。 

为了减小高接触电阻,通过为不锈钢双极板涂覆诸如金的昂贵的贵金属从而在双极板表面与GDM之间获得低接触电阻是公知的。可替换地,已知在不锈钢的钝态氧化膜中富含铁以及较少程度的铬会增加,而不是减少,双极板表面与GDM之间的接触电阻。还公知的是,用高镍含量的合金或碳涂覆双极板使得GDM与双极板之间的接触电阻明显减少,因此不需要目前使用的昂贵的贵金属涂层。然而,这样的涂层并不足够耐用以经得起冲压或其它制造工艺。 

太阳城集团此外,由金属片材形成板的常规方法使得几乎一半的材料作为废料被丢弃。  当多个双极板排列在燃料电池组中时,由于在板的非活性部分中冲压孔以形成用于传送和排放反应物和冷却剂的流场和歧管,产生了一些废料。大部分废料是由在用薄片材料形成板的加工工艺期间围绕薄片材料的周界所需的夹持区域而产生的,其在加工之后被修整或切除。

对具有高效且强健结构的符合成本效益的双极板组件一直存在需求,其提供组件的板之间的优化电接触同时使材料的使用和浪费最小化并最大化版的结构整体性。还需要一种用于快速制造适于优化流场设计的双极板组件的方法。 

发明内容

太阳城集团根据本发明,令人惊讶地地发现了一种符合成本效益的双极板组件,其具有在将材料用量和浪费最小化并且将板的结构完整性最大化的同时在组件的板之间提供优化电接触的有效且强健的结构。

该双极板组件包括布置成与阳极单极板相邻的阴极单极板。阴极和阳极单极板中的至少一个包括通过淀积工艺形成的、具有第一厚度的、低接触电阻,高耐腐蚀性材料。第一和第二单极板通过钎焊,焊接,铜焊以及粘合中的一个粘合在一起以形成双极板。单极板还可以包括所述材料沉积在其上的基底。低接触电阻、高耐腐蚀性材料可以是高镍含量合金,钨或钼水平升高的合金,纳米晶合金以及碳中的一种。 

太阳城集团在一个实施例中,第一厚度包括形成反应物表面的低接触电阻、高耐腐蚀性材料的第一层和形成冷却剂表面的低接触电阻、高耐腐蚀性材料的第二层。

太阳城集团在另一实施例中,提供了一种用于制备双极板组件的方法。该方法包括提供具有预定外表面图案的基底;将该基底在所述表面图案上涂敷预定厚度的具有低接触电阻、高耐腐蚀性材料以形成燃料电池单极板;以及将一对单极板连接在一起以形成双极板。在金属涂敷步骤后可以除去基底。涂层可以是高镍含量合金,碳涂层,包含钨或钼的合金,纳米晶合金或其它低接触电阻、高耐腐蚀性材料。涂层可以通过等离子汽相沉积工艺,物理汽相沉积工艺,化学气相淀积工艺,热喷涂工艺,冷或运动喷雾工艺,诸如电镀或无电镀的电铸电镀工艺,或其它方法涂覆到基底上。

本发明提供下列技术方案。

技术方案1:一种用于燃料电池的双极板组件,包括:

阴极单极板;和

与该阴极板接合的阳极单极板,其中所述阴极板和所述阳极板中的至少一个具有在形成的基底上通过淀积工艺形成的第一厚度的低电阻、高耐腐蚀性材料。

技术方案2:如技术方案1所述的双极板组件,其中所述低电阻、高耐腐蚀性材料是高镍含量合金。 

技术方案3:如技术方案1所述的双极板组件,其中所述低电阻、高耐腐蚀性材料是纳米晶合金。 

技术方案4:如技术方案3所述的双极板组件,其中所述纳米晶合金是FeW合金,FeMo合金,FeCr合金,FeTa合金,FeNb合金以及其混合物中的至少一种。 

技术方案5:如技术方案1所述的双极板组件,其中所述低电阻、高耐腐蚀性材料是碳。 

技术方案6:如技术方案1所述的双极板组件,其中所述阳极板的工作区域的至少一部分与所述阴极板的工作区域中的至少一部分匹配接合以在其间提供导电性。 

技术方案7:如技术方案1所述的双极板组件,其中第一厚度在5至100微米之间。 

太阳城集团技术方案8:如技术方案1所述的双极板组件,其中第一周长的所述阴极板与第二周长的所述阳极板整体地连接以在其间形成大致气密密封。 

技术方案9:如技术方案1所述的双极板组件,其中所述阳极板和所述阴极板中的至少一个完全形成为具有第一厚度。 

太阳城集团技术方案10:如技术方案1所述的双极板组件,其中第一厚度包括形成反应物接触面的低接触电阻、高耐腐蚀性材料的第一层和形成冷却剂表面的低接触电阻、高耐腐蚀性材料的第二层。 

技术方案11:如技术方案10所述的双极板组件,其中第一厚度还包括在第一和第二层之间的支持层。

技术方案12:如技术方案11所述的双极板组件,其中第一和第二层由高镍含量合金形成。 

太阳城集团技术方案13:一种燃料电池组,包括:

以堆叠结构布置的多个膜电极组件,该多个膜电极组件每个都具有阴极和阳极;以及

布置在相邻的膜电极组件之间的双极板组件,该双极板组件包括连接到阳极单极板上的阴极单极板,其中所述阴极板和所述阳极板中的至少一个具有在形成的基底上通过淀积工艺形成的第一厚度的低电阻、高耐腐蚀性材料。  

技术方案14:如技术方案13所述的燃料电池组,其中所述阳极板的工作区域的至少一部分与所述阴极板的工作区域的至少一部分匹配接合以在其间提供导电性。 

太阳城集团技术方案15:如技术方案13所述的双极板组件,其中第一厚度在5至100微米之间。 

太阳城集团技术方案16:如技术方案13所述的燃料电池组,其中第一周长的所述阴极板与第二周长的所述阳极板连接以在其间形成大致气密密封。

太阳城集团技术方案17:如技术方案16所述的双极板组件,其中所述大致气密密封通过焊接,激光焊接,铜焊和钎焊中的一种形成。 

太阳城集团技术方案18:一种用于生产燃料电池组的双极板组件的方法,该方法包括步骤:

太阳城集团提供对应于所需阴极板流场图案的第一基底表面外表面; 

提供对应于所需阳极板流场图案的第二基底外表面; 

利用淀积工艺将第一预定厚度的低接触电阻、高耐腐蚀性材料涂覆到第一和第二外表面,以在第一外表面上形成阴极板和在第二外表面上形成阳极板;

去除所述基底;和

将第一周长的所述阴极板与第二周长的所述阳极板连接以在其间形成大致气密密封。 

技术方案19:如技术方案18所述的方法,其中通过汽相沉积和电铸沉积中一种执行所述沉积。

技术方案20:如技术方案18所述的方法,还包括步骤:

太阳城集团在所述连接步骤之前,将所述阴极板装配到所述阳极板上,使得所述阳极板的工作区域的至少一部分与所述阴极板的工作区域的至少一部分匹配接合以在其间提供导电性。

附图说明

从以下的详细说明中,尤其是当参照本文说明的附图时,本发明的上述以及其它的优点对本领域技术人员而言将会变得显而易见。

图1是本领域公知的PEM燃料电池组的示意性分解透视图;

图2是用于形成根据本发明实施例的双极板组件的模板的透视图;

太阳城集团图3是沿图2的线3-3的应用到用于形成双极板组件的一部分模板上的汽相沉积工艺的示意性部分截面视图;

太阳城集团图4是根据本发明实施例形成的一对单极板的部分截面视图; 

图5是匹配接合以形成双极板组件的一对单极板的部分截面视图; 

太阳城集团图6是按照图5的一部分的圆圈6截取的部分截面视图;以及

图7是根据本发明另一实施例的应用于用于形成双极板组件的模板的一部分上的电铸工艺的示意性截面视图。

具体实施方式

太阳城集团以下的详细说明和附图描述并示出了本发明的不同实施例。说明书和附图起到了使得本领域技术人员能制造和使用本发明的作用,并且并不旨在以任何方式限制本发明的范围。就所公开的方法而言,介绍的步骤实际上是示例性的,并且因此步骤的顺序并不是必须或关键的。 

图1示出了根据现有技术的PEM燃料电池组10。为简单起见,图1中仅示出和描述了两个电池的电池组(即,一个双极板),应当理解典型的燃料电池组将具有更多这样的电池和双极板。燃料电池组10包括一对被导电双极板16分隔开的膜电极组件(MEA)12,14。MEA12,14以及双极板16在一对夹板18,20和一对单极端板22,24之间堆叠。夹板18,20通过垫圈或介质膜(未示出)与端板22,24电绝缘。每个单极端板22,24的相应工作面26,28以及双极板16的工作面30,32都包括适于促进诸如氢的燃料和诸如氧的氧化剂流动通过的多个凹槽和通道34,40,36,38。绝缘垫圈42,44,46,48提供密封以及燃料电池组10的部件之间的电绝缘。诸如碳或石墨扩散纸的气体可渗透的扩散介质50,52,54,56基本上邻接MEA12,14的每个阳极面和阴极面。端板22,24分别布置为邻近扩散介质50,56。双极板16布置为邻近MEA 12阳极面上的扩散介质52并且邻近MEA14阴极面上的扩散介质54。

如所示,MEA12,14,双极板16,端板22,24,以及垫圈42,44,46,48中的每个都包括阴极供给孔58,阴极排出孔60,冷却剂供给孔62,冷却剂排出孔64,阳极供给孔66,以及阳极排出孔68。通过使形成于MEA12,14、双极板16、端板22,24、以及垫圈42,44,46,48中的相邻阴极供给孔58对准形成阴极供给歧管。通过使形成于MEA12,14、双极板16、端板22,24、以及垫圈42,44,46,48中的相邻阴极排出孔60对准形成阴极排出歧管。通过使形成于MEA12,14、双极板16、端板22,24、以及垫圈42,44,46,48中的相邻冷却剂供给孔62对准形成冷却剂供给歧管。通过使形成于MEA12,14、双极板16、端板22,24、以及垫圈42,44,46,48中的相邻冷却剂排出孔64对准形成冷却剂排出歧管。通过使形成于MEA12,14、双极板16、端板22,24、以及垫圈42,44,46,48中的相邻阳极供给孔66对准形成阳极供给歧管。通过使形成于MEA12,14、双极板16、端板22,24、以及垫圈42,44,46,48中的相邻阳极排出孔68对准形成阳极排出歧管。 

太阳城集团氢气经由阳极进口导管70通过阳极供给歧管供给至燃料电池组10。氧化剂气体经由阴极进口导管72通过燃料电池组10的阴极供给歧管供给至燃料电池组10。分别为阳极排出歧管和阴极排出歧管提供阳极出口导管74和阴极出口导管76。冷却剂进口导管78和冷却剂出口导管80与冷却剂供给歧管和冷却剂排出歧管流体连通以提供通过其的液体冷却剂流动。应当理解,图1中示出的燃料电池组10的结构和几何形状以及包括例如双极板16,各个进口70,72,78,和出口74,76,80在内的其各个部件可以按需要改变,并且示出的具体实施例仅仅是代表性的。

根据本发明,双极板16通过淀积工艺形成为具有第一厚度的低接触电阻、高耐腐蚀性材料。应当理解,术语“低接触电阻”意思是当在200 psi的压缩压力且电流密度为约1安培每平方厘米下对气态扩散介质进行测量时,测量的电阻小于约25毫欧每平方厘米。还应当理解的是,术语“高耐腐蚀性”意思是当在模拟的燃料电池条件下测量时,腐蚀电流小于约1微安,该模拟条件可以包括下列条件中的一个或多个:pH为3;工作温度约80℃;约百万分之一的氟化氢;约0.6伏的作用阴极电势;约-0.4伏的作用阳极电势;银-氯化银参考电极;和约1毫伏每秒的扫描率。

太阳城集团在图2中示出了用于形成代表性的双极板16的模板90。应当理解,模板90仅仅是示例性的,并且可以按需要形成为表示任何双极板的任何几何形状。模板90形成为具有分别对应于双极板16的工作面30,32的工作面30',32'。工作面30',32'包括多个凹槽或通道36',38',适于促进诸如氢的燃料和诸如氧的氧化剂流动通过其。模板90还包括分别对应于阴极供给孔58,阴极排出孔60,冷却剂供给孔62,冷却剂排出孔64,阳极供给孔66,以及阳极排出孔68的孔58',60',62',64',66',68'。模板90可以包括一个或多个对准孔82以允许多个双极板16组装在一起以形成燃料电池(未示出)。因此,例如,图2中示出的工作面30'表示阴极板工作面。对于完全实施的轧制制造工序,模板90可以根据需要包括在模板90的相对面92,94上的两个工作面30',32',或其可以仅形成有一个工作面30'或32'。

太阳城集团 模板90可以由冲压的或机械加工的钢板形成,或模板90可以由在淀积工艺之后很容易除去的适当的材料形成。用于基底90的适当材料包括蜡,金属,或聚合物中至少一者。例如,当模板90由聚苯乙烯化合物形成时,获得了可接受的结果。

在形成了模板90后,工作面30',32'中的一个或两个进行淀积工艺。在图3中示出了汽相沉积工艺。诸如金属或金属合金的固体涂敷材料(未示出)通过已知工艺(例如,在等离子过程中以物理的方式或化学的方式)被汽化,并且作为蒸气100从工具架102发射。可以在任何温度应用蒸气100,但通过室温应用物理汽相淀积(PVD)工艺获得了有利结果。如图3所示,工具架102可以形成为喷嘴,或其可以形成为接近工作面30',32'的工具以允许蒸汽100沉积到工作面30',32'上。蒸汽100是低接触电阻的高耐腐蚀性材料。蒸汽100作为涂层104沉积到工作面30',32'上至所需的第一厚度t1。有利的是,当基底90被除去时,厚度t1足够厚以获得涂层104所细问的结构性能,例如刚性,一致性和弹性。当涂层104由高镍合金形成时获得了有利的结果,其中镍含量为合金的至少50%,并且更有利的,镍含量为合金的至少80%。当涂层104是碳涂层时也获得了有利的结果。取决于涂层材料,当涂层厚度t1在5至100微米之间时获得了有利的结果。

太阳城集团 例如,如图7所示,当涂层通过电铸淀积工艺被涂覆时也获得了有利的结果。在电铸淀积工艺中,形成的基底90位于电解质溶液170中。电解质溶液170具有金属离子。使用电源172,在一对阳极174和起阴极作用的基底90之间施加电压或电势。施加的电压使得电解质溶液170中的金属离子作为金属原子沉积在基底90上,由此形成涂层104。在电镀工艺(即,脉冲电镀)期间,电源172可以启动或关闭。为了令人满意地作用涂层104的沉积,在电镀工艺期间,阳极174和基底90的极性在短时期内还可以颠倒(即,反向脉冲电镀)。例如,反向脉冲电镀可以允许涂层104的沉积基本上没有裂缝。本领域技术人员还可以理解,涂层104的无裂缝沉积还可以在适当条件下通过直流电镀或化学电镀而获得。在Detor等的美国专利申请No.7,425,255中描述了一种适当的电沉积工艺,其整个内容通过引用结合于此。本领域技术人员可以根据需要选择其它适当的电沉积工艺来沉积涂层104。

在具体的实施例中,基底90由导电材料形成。当基底90由导电材料形成时,基底90可以具有期望不发生电镀的绝缘区域,通过涂覆介质膜而绝缘。在其它的实施例中,基底90由不导电的材料形成,但具有期望进行电镀的导电区域,作为非限制性的例子,通过涂覆诸如镍触击(nickel strike)或PVD层而具有导电性。也可以根据需要采用其它适当的绝缘层和导电层用于基底90。

太阳城集团 已经有利地发现通过金属合金的电镀可以提供纳米晶结构的涂层104。例如,在采用了NiP合金,NiCr合金,或NiW合金的情况中,可以获得纳米晶结构(即,具有尺寸小于约1微米的颗粒),这可以实质上改进沉积涂层104的材料属性和耐腐蚀性。在某些实施例中,通过电铸工艺提供具有纳米晶结构的涂层104,其成分为约80%的Ni和约20%的Cr,或约90%的Ni和约10%的W。在其它实施例中,通过电铸工艺可以提供具有纳米晶结构的涂层104,其具有FeW合金,FeMo合金,FeCr合金,FeTa合金,以及FeNb合金,以及其混合物中的至少一种。涂层104还可以包括上述合金的任意混合物,或其它所需的适当的耐腐蚀合金的混合物。例如,通过从电解质溶液170进行电铸,可以产生成分为约75% Fe和约25% Cr的涂层104。本领域技术人员可以根据需要选择其它适当的电解质溶液170,提供用于形成104的其它所需金属和金属合金。

 重新参照图3和图7,涂层104沉积从而其与包括多个凹槽或通道36',38'的工作面30',32'的表面特征相一致。如图4所示,当工作面30'已经按需要被涂层104覆盖所需厚度t1时,可以除去基底90,仅留下低接触电阻的高耐腐蚀性材料作为单极板110。在涂层104从基底90除去后,涂层104还可以电镀有具有甚至更低的接触电阻的另一导电层(未示出)。单极板110具有对应于工作面30'的工作面112和对应于冷却剂流动侧面116的相反侧。取决于工作面112的几何形状,并且尤其取决于反应物流动通道120与阴极流动孔58,60或阳极流动孔66,68的流体相互连接,工作面112是阴极面或阳极面。

 冷却剂流动侧面116中的流动通道118由工作面112中的反应物流动通道120限定,其中工作面112中的反应物流动通道120之间的槽脊122与冷却剂流动侧面116上的冷却剂流动通道118的底部124相对应,并且冷却剂流动侧面上的冷却剂流动通道118之间的槽脊126与工作面112中的反应物流动通道120的底部128相对应。

太阳城集团 如果基底90包括第二工作面32',第二工作面32'可以接收同时的或连续的涂层104涂覆以在除去基底90之前在第二工作面32'上形成第二单极板130(图4)。第二单极板130包括对应于工作面32'的工作面132,以及对应于冷却剂流动侧面136的相反侧面。冷却剂流动侧面136中的流动通道138由工作面132中的反应物流动通道140限定,其中工作面132中的反应物流动通道140之间的槽脊142与冷却剂流动侧面136上的冷却剂流动通道138的底部144相对应,并且冷却剂流动侧面上的冷却剂流动通道138之间的槽脊146与工作面132中的反应物流动通道140的底部148相对应。

太阳城集团 如图4和图5所示,在第一和第二单极板110,130形成在基底90上之后,基底被除去并且第一和第二单极板110,130匹配地接合以形成双极板16。第一单极板110通常通过焊料或焊缝150,或机械地焊接或钎焊或经由激光焊接围绕双极板16的周长152连接到第二单极板130,从而气密地密封任何冷却剂流动路径118,138。然而,可以根据需要使用其它的连接方法,例如铜焊或粘合。

太阳城集团此外,定位孔(未示出)的内部周长也可以粘接以气密密封并且防止冷却剂通过其泄漏。使用传统的密封涂覆工艺和方法,可以围绕双极板16中的多个孔设置密封以阻碍反应物和冷却剂的移动。然而,当使用周长焊缝150作为围绕双极板16的周长152的冷却剂密封时,获得了有利的结果。

太阳城集团如在图5中可以最佳地看出,相应的冷却剂流动侧面116,136匹配接合以形成冷却剂流动通道158。具体而言,第一单极板110的冷却剂流动侧面116上的槽脊126匹配地与第二单极板130的冷却剂流动侧面136上的槽脊146相接合。相应的槽脊126,146可以被金属化以改进单极板110,130之间的导电性。然而,由于单极板110,130全部都由低接触电阻的高耐腐蚀性材料形成,槽脊126,146的匹配接合通常提供了足够的导电性而不用其接合部位的附加金属化。此外,由于槽脊126,146的接合部位可以具有足够的导电性,可以省去通常在工作区域内形成的用于改进单极板110,130之间导电性的焊缝,因此改进了双极板16的可制造性。

太阳城集团涂层104不必为单个或均一的材料。如图6所示,在一个实施例中,涂层可以根据需要涂覆为1个以上的层以及一种以上的材料,以根据单极板上的位置提供可接受水平的低接触电阻和高耐腐蚀性。图6所示的单极板部分具有第一层160,该第一层形成对应于单极板130的冷却剂流动侧面136的冷却剂表面162。第二层164形成了工作面132上与反应物相接触的反应物表面166。尽管单极板130的两个表面162,166都将展现出低接触电阻和高耐腐蚀性,但是表面162,166必须抗腐蚀的环境是大不相同的。结果,第一层160和第二层164可以通过不同的沉积形成。此外,各个层160,164的厚度t2,t3可以变化以提供所需的刚性,一致性和弹性。在第一层160和第二层164之间可以增加支持层168以确保所需的刚性,一致性,弹性,强度,耐久性,导电性或耐腐蚀性。作为非限制的例子,如果单极板132是阴极板,第一层160可以由高镍含量合金形成,诸如具有5至50微米厚度t2的80%Ni-20%Cr。第二层164可以由不同的高镍含量合金形成,诸如具有5至50微米厚度t3的75%Ni-25%Cr。中间支持层168可以由高铁含量合金形成,诸如具有20至100微米厚度t4的75%Fe-25%Cr。作为第二非限制例子,如果单极板132是阳极板,第一层160可以由高镍含量合金形成,诸如具有5至50微米厚度t2的80%Ni-20%Cr;第二层164可以由不同的高镍含量合金形成,诸如具有5至50微米厚度t3的90%Ni-10%Cr;以及中间支持层168可以由高铁含量合金形成,诸如具有20至100微米厚度t4的75%Fe-25%Cr。指定每个单极板的每个表面的成分的能力使得板具有最低成本且表面优化以在燃料电池组中实现最佳性能,使得低接触电阻与高耐腐蚀性根据环境获得所希望的平衡,并且在紧工程公差内。

 此外,层160,164可以有选择地并且不同地涂覆到同一单极板的不同位置处以在该位置提供所需的特性。举例来说,如果所述低接触电阻的高耐腐蚀性材料是碳,对应于双极板16的周长152的位置可以包括薄的金属层以及薄的碳涂层。当以这种方式制备时,相邻单极板110,130的金属层可以形成为允许钎焊或铜焊或其它低温粘结,或允许应用粘合剂进行化学或机械粘合。类似地,层160,164,168可以在同一板上被涂覆为厚度不均匀以确保局部具有足够强度。作为非限制的例子,层160,164,168可以在邻近对准孔82的区域较厚以经受所需的夹持力。

太阳城集团 可以连续的制造操作形成本发明的多个双极板16。有利地,沉积工艺可以在室温和室内压力下进行并且可以应用到诸如聚乙烯的便宜的基底材料上。预先形成基底90有利地考虑到了单极板110,130的设计灵活性,而这是由诸如冲压或成型的其它制造工艺所不能提供的。尤其地,电铸工艺允许在每个单极板110,130上的较深的凹槽36,36以及较低的反应物压降,并且避免了伴随金属板冲压工艺的金属撕裂问题。此外,金属淀积工艺比在冲压板工艺中所需的少大约10%至50%(取决于所需的厚度t1)的电镀材料,并且消除了在双极板组件16的边缘区域中的废料或废弃材料。实际上,当应用到可拆卸的基底上时,汽相沉积工艺可以产生由不能经受冲压制造工艺的材料形成的弹性的薄单极板。

因为汽相沉积工艺可以被控制为按需要精确地仅仅沉积低接触电阻的高耐腐蚀性材料,因此每个单极板110,130在制造后的修整或其它加工被最小化。由于构成双极板16的两个单极板110,130的匹配接合部分具有充分低的接触电阻,尤其是在燃料电池的装配期间被压缩在一起时,还可以消除双极板16的工作区域内的额外焊缝。实际上,各个单极板110,130的后期工艺可以仅限于其周边焊接从而为任意冷却剂流动路径提供充分的密封并为反应物孔提供任意额外的密封。汽相沉积工艺还省去了使用诸如黄金的昂贵的贵金属或包括铬或镍离子的危险溶液的电镀操作。

太阳城集团与用于制备全粘合的双极板组件的常规工艺相比,本发明的方法还可以更迅速地执行,并且利用与常规成形工艺相比明显少的材料。因此,消除了大量的废料,同时可以反复制造单极板上的复杂流场图案。最后,在以比传统板成本降低的情况下,可以制造出非常薄的单极板组件,使得燃料电池组件的整体尺寸和成本最小化。

太阳城集团尽管为了说明本发明已经示出了某些代表性的实施例和细节,但是本领域技术人员在没有背离后附权利要求所述的本发明范围的情况下可以作出各种变化。

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