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用于PEM燃料電池的鑄制極板組件.pdf

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用于 PEM 燃料電池 極板 組件
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摘要
申請專利號:

CN201110100878.9

申請日:

2011.04.21

公開號:

CN102237531B

公開日:

2015.01.28

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H01M 4/86申請日:20110421|||公開
IPC分類號: H01M4/86; H01M4/88; H01M8/24 主分類號: H01M4/86
申請人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
發明人: G.V.達希奇; G.W.弗利
地址: 美國密執安州
優先權: 2010.04.22 US 12/765,042; 2011.02.25 US 13/034,870
專利代理機構: 中國專利代理(香港)有限公司 72001 代理人: 劉楨;譚祐祥
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201110100878.9

授權公告號:

102237531B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.28|||2011.12.21|||2011.11.09

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及用于PEM燃料電池的鑄制極板組件,提供了一種用于燃料電池的雙極板組件。該雙極板組件包括布置為鄰近陽極板的陰極板,由具有第一厚度的低接觸電阻、高耐腐蝕性材料通過淀積工藝形成的陰極和陽極板。第一和第二單極板形成在可拆卸的基底上,并且第一周長的第一單極板焊接到第二周長的第二單極板上以形成氣密密封的冷卻劑流動路徑。還描述了用于形成雙極板組件的方法。

權利要求書

1.一種用于燃料電池的雙極板組件,包括:陰極單極板;和與該陰極板接合的陽極單極板,其中所述陰極板和所述陽極板中的至少一個具有在形成的基底上通過淀積工藝形成的第一厚度的低電阻、高耐腐蝕性材料。2.如權利要求1所述的雙極板組件,其中所述低電阻、高耐腐蝕性材料是高鎳含量合金。3.如權利要求1所述的雙極板組件,其中所述低電阻、高耐腐蝕性材料是納米晶合金。4.如權利要求3所述的雙極板組件,其中所述納米晶合金是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種。5.如權利要求1所述的雙極板組件,其中所述低電阻、高耐腐蝕性材料是碳。6.如權利要求1所述的雙極板組件,其中所述陽極板的工作區域的至少一部分與所述陰極板的工作區域中的至少一部分匹配接合以在其間提供導電性。7.如權利要求1所述的雙極板組件,其中第一厚度在5至100微米之間。8.如權利要求1所述的雙極板組件,其中第一周長的所述陰極板與第二周長的所述陽極板整體地連接以在其間形成大致氣密密封。9.一種燃料電池組,包括:以堆疊結構布置的多個膜電極組件,該多個膜電極組件每個都具有陰極和陽極;以及布置在相鄰的膜電極組件之間的雙極板組件,該雙極板組件包括連接到陽極單極板上的陰極單極板,其中所述陰極板和所述陽極板中的至少一個具有在形成的基底上通過淀積工藝形成的第一厚度的低電阻、高耐腐蝕性材料。10.一種用于生產燃料電池組的雙極板組件的方法,該方法包括步驟:提供對應于所需陰極板流場圖案的第一基底表面外表面;?提供對應于所需陽極板流場圖案的第二基底外表面;?利用淀積工藝將第一預定厚度的低接觸電阻、高耐腐蝕性材料涂覆到第一和第二外表面,以在第一外表面上形成陰極板和在第二外表面上形成陽極板;去除所述基底;和將第一周長的所述陰極板與第二周長的所述陽極板連接以在其間形成大致氣密密封。

說明書

用于PEM燃料電池的鑄制極板組件

相關申請的交叉引用

本申請是2010年4月22日提交的美國專利申請序列號No.12/765,042的部分延續申請。上述申請的整個內容通過引用結合于此。

技術領域

本發明涉及燃料電池組,并且更特別的涉及一種雙極板組件以及用于制備燃料電池組的雙極板的方法。

背景技術

燃料電池在許多應用中可以用作電源。例如,燃料電池已經被提出作為內燃機的替代品在汽車中使用。在質子交換膜(PEM)類型燃料電池中,諸如氫的反應物作為燃料被供給燃料電池的陽極,并且諸如氧或空氣的反應物作為氧化劑被供給燃料電池的陰極。PEM燃料電池包括具有質子可通過的、非導電的質子交換膜的膜電極組件(MEA)。質子交換膜具有在一個面上的陽極催化劑以及在相對面上的陰極催化劑。MEA通常布置在由諸如碳織物或紙的彈性、導電以及氣體可滲透的材料形成的“陽極”與“陰極”擴散介質或擴散層之間。擴散介質作為用于陽極和陰極的主集電器以及提供MEA的機械支持并且促進反應物的傳送。

在燃料電池組中,盡管被不透氣的導電雙極板分隔開,多個燃料電池電串聯地對齊。每個MEA通常地夾在作為用于收集來自主集電器的電流的次集電器的一對導電板之間。在雙極板的情況下,板在燃料電池組內部的相鄰電池之間傳導電流,并且在電池組端部處的單極板的情況下傳導電池組外部的電流。

雙極板典型地包括兩個薄的,面對的導電薄片。薄片中的一個在其一個外表面上限定了供燃料傳遞至MEA的陽極用的流動路徑。另一薄片的外表面限定出了用于供氧化劑傳遞至MEA的陰極側用的流動路徑。當薄片連接時,限定了用于電介質冷卻流體的流動路徑。

典型的雙極板是由兩個分離的單極板構成的連接組件。每個單極板具有外表面和內表面,該外表面具有用于氣體反應劑的流動通道以及內表面具有冷卻劑通道。雙極板具有復雜陣列的凹槽或通道,該凹槽或通道形成用于在相應的陽極和陰極的表面上分配反應物的流場。為了維持所需的溫度,還在雙極板內部形成了溝槽,并且該溝槽在整個燃料電池組內分配適當的冷卻劑。?

分離的單極板通常由諸如316合金不銹鋼的提供適當的強度,耐久性,剛性,導電性以及耐腐蝕性的可成形金屬制成。奧氏體不銹鋼已經成功地通過諸如機械加工,模制,切削,雕刻,沖壓,或光刻蝕的各種工藝形成為用于PEM燃料電池的雙極板材料。由于其表面上薄的鈍態氧化膜,奧氏體不銹鋼展現了很高的耐腐蝕性。然而,薄的鈍態氧化膜不期望地增加了雙極板表面與與其相鄰的氣體擴散介質(GDM)之間的接觸阻力。為了將燃料電池性能以及電流強度最大化,需要減小燃料電池電阻。減少雙極板表面與GDM之間的接觸電阻可以顯著地減小總的燃料電池電阻,由此提高了性能和電流強度。?

為了減小高接觸電阻,通過為不銹鋼雙極板涂覆諸如金的昂貴的貴金屬從而在雙極板表面與GDM之間獲得低接觸電阻是公知的。可替換地,已知在不銹鋼的鈍態氧化膜中富含鐵以及較少程度的鉻會增加,而不是減少,雙極板表面與GDM之間的接觸電阻。還公知的是,用高鎳含量的合金或碳涂覆雙極板使得GDM與雙極板之間的接觸電阻明顯減少,因此不需要目前使用的昂貴的貴金屬涂層。然而,這樣的涂層并不足夠耐用以經得起沖壓或其它制造工藝。?

此外,由金屬片材形成板的常規方法使得幾乎一半的材料作為廢料被丟棄。??當多個雙極板排列在燃料電池組中時,由于在板的非活性部分中沖壓孔以形成用于傳送和排放反應物和冷卻劑的流場和歧管,產生了一些廢料。大部分廢料是由在用薄片材料形成板的加工工藝期間圍繞薄片材料的周界所需的夾持區域而產生的,其在加工之后被修整或切除。

對具有高效且強健結構的符合成本效益的雙極板組件一直存在需求,其提供組件的板之間的優化電接觸同時使材料的使用和浪費最小化并最大化版的結構整體性。還需要一種用于快速制造適于優化流場設計的雙極板組件的方法。?

發明內容

根據本發明,令人驚訝地地發現了一種符合成本效益的雙極板組件,其具有在將材料用量和浪費最小化并且將板的結構完整性最大化的同時在組件的板之間提供優化電接觸的有效且強健的結構。

該雙極板組件包括布置成與陽極單極板相鄰的陰極單極板。陰極和陽極單極板中的至少一個包括通過淀積工藝形成的、具有第一厚度的、低接觸電阻,高耐腐蝕性材料。第一和第二單極板通過釬焊,焊接,銅焊以及粘合中的一個粘合在一起以形成雙極板。單極板還可以包括所述材料沉積在其上的基底。低接觸電阻、高耐腐蝕性材料可以是高鎳含量合金,鎢或鉬水平升高的合金,納米晶合金以及碳中的一種。?

在一個實施例中,第一厚度包括形成反應物表面的低接觸電阻、高耐腐蝕性材料的第一層和形成冷卻劑表面的低接觸電阻、高耐腐蝕性材料的第二層。

在另一實施例中,提供了一種用于制備雙極板組件的方法。該方法包括提供具有預定外表面圖案的基底;將該基底在所述表面圖案上涂敷預定厚度的具有低接觸電阻、高耐腐蝕性材料以形成燃料電池單極板;以及將一對單極板連接在一起以形成雙極板。在金屬涂敷步驟后可以除去基底。涂層可以是高鎳含量合金,碳涂層,包含鎢或鉬的合金,納米晶合金或其它低接觸電阻、高耐腐蝕性材料。涂層可以通過等離子汽相沉積工藝,物理汽相沉積工藝,化學氣相淀積工藝,熱噴涂工藝,冷或運動噴霧工藝,諸如電鍍或無電鍍的電鑄電鍍工藝,或其它方法涂覆到基底上。

本發明提供下列技術方案。

技術方案1:一種用于燃料電池的雙極板組件,包括:

陰極單極板;和

與該陰極板接合的陽極單極板,其中所述陰極板和所述陽極板中的至少一個具有在形成的基底上通過淀積工藝形成的第一厚度的低電阻、高耐腐蝕性材料。

技術方案2:如技術方案1所述的雙極板組件,其中所述低電阻、高耐腐蝕性材料是高鎳含量合金。?

技術方案3:如技術方案1所述的雙極板組件,其中所述低電阻、高耐腐蝕性材料是納米晶合金。?

技術方案4:如技術方案3所述的雙極板組件,其中所述納米晶合金是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種。?

技術方案5:如技術方案1所述的雙極板組件,其中所述低電阻、高耐腐蝕性材料是碳。?

技術方案6:如技術方案1所述的雙極板組件,其中所述陽極板的工作區域的至少一部分與所述陰極板的工作區域中的至少一部分匹配接合以在其間提供導電性。?

技術方案7:如技術方案1所述的雙極板組件,其中第一厚度在5至100微米之間。?

技術方案8:如技術方案1所述的雙極板組件,其中第一周長的所述陰極板與第二周長的所述陽極板整體地連接以在其間形成大致氣密密封。?

技術方案9:如技術方案1所述的雙極板組件,其中所述陽極板和所述陰極板中的至少一個完全形成為具有第一厚度。?

技術方案10:如技術方案1所述的雙極板組件,其中第一厚度包括形成反應物接觸面的低接觸電阻、高耐腐蝕性材料的第一層和形成冷卻劑表面的低接觸電阻、高耐腐蝕性材料的第二層。?

技術方案11:如技術方案10所述的雙極板組件,其中第一厚度還包括在第一和第二層之間的支持層。

技術方案12:如技術方案11所述的雙極板組件,其中第一和第二層由高鎳含量合金形成。?

技術方案13:一種燃料電池組,包括:

以堆疊結構布置的多個膜電極組件,該多個膜電極組件每個都具有陰極和陽極;以及

布置在相鄰的膜電極組件之間的雙極板組件,該雙極板組件包括連接到陽極單極板上的陰極單極板,其中所述陰極板和所述陽極板中的至少一個具有在形成的基底上通過淀積工藝形成的第一厚度的低電阻、高耐腐蝕性材料。??

技術方案14:如技術方案13所述的燃料電池組,其中所述陽極板的工作區域的至少一部分與所述陰極板的工作區域的至少一部分匹配接合以在其間提供導電性。?

技術方案15:如技術方案13所述的雙極板組件,其中第一厚度在5至100微米之間。?

技術方案16:如技術方案13所述的燃料電池組,其中第一周長的所述陰極板與第二周長的所述陽極板連接以在其間形成大致氣密密封。

技術方案17:如技術方案16所述的雙極板組件,其中所述大致氣密密封通過焊接,激光焊接,銅焊和釬焊中的一種形成。?

技術方案18:一種用于生產燃料電池組的雙極板組件的方法,該方法包括步驟:

提供對應于所需陰極板流場圖案的第一基底表面外表面;?

提供對應于所需陽極板流場圖案的第二基底外表面;?

利用淀積工藝將第一預定厚度的低接觸電阻、高耐腐蝕性材料涂覆到第一和第二外表面,以在第一外表面上形成陰極板和在第二外表面上形成陽極板;

去除所述基底;和

將第一周長的所述陰極板與第二周長的所述陽極板連接以在其間形成大致氣密密封。?

技術方案19:如技術方案18所述的方法,其中通過汽相沉積和電鑄沉積中一種執行所述沉積。

技術方案20:如技術方案18所述的方法,還包括步驟:

在所述連接步驟之前,將所述陰極板裝配到所述陽極板上,使得所述陽極板的工作區域的至少一部分與所述陰極板的工作區域的至少一部分匹配接合以在其間提供導電性。

附圖說明

從以下的詳細說明中,尤其是當參照本文說明的附圖時,本發明的上述以及其它的優點對本領域技術人員而言將會變得顯而易見。

圖1是本領域公知的PEM燃料電池組的示意性分解透視圖;

圖2是用于形成根據本發明實施例的雙極板組件的模板的透視圖;

圖3是沿圖2的線3-3的應用到用于形成雙極板組件的一部分模板上的汽相沉積工藝的示意性部分截面視圖;

圖4是根據本發明實施例形成的一對單極板的部分截面視圖;?

圖5是匹配接合以形成雙極板組件的一對單極板的部分截面視圖;?

圖6是按照圖5的一部分的圓圈6截取的部分截面視圖;以及

圖7是根據本發明另一實施例的應用于用于形成雙極板組件的模板的一部分上的電鑄工藝的示意性截面視圖。

具體實施方式

以下的詳細說明和附圖描述并示出了本發明的不同實施例。說明書和附圖起到了使得本領域技術人員能制造和使用本發明的作用,并且并不旨在以任何方式限制本發明的范圍。就所公開的方法而言,介紹的步驟實際上是示例性的,并且因此步驟的順序并不是必須或關鍵的。?

圖1示出了根據現有技術的PEM燃料電池組10。為簡單起見,圖1中僅示出和描述了兩個電池的電池組(即,一個雙極板),應當理解典型的燃料電池組將具有更多這樣的電池和雙極板。燃料電池組10包括一對被導電雙極板16分隔開的膜電極組件(MEA)12,14。MEA12,14以及雙極板16在一對夾板18,20和一對單極端板22,24之間堆疊。夾板18,20通過墊圈或介質膜(未示出)與端板22,24電絕緣。每個單極端板22,24的相應工作面26,28以及雙極板16的工作面30,32都包括適于促進諸如氫的燃料和諸如氧的氧化劑流動通過的多個凹槽和通道34,40,36,38。絕緣墊圈42,44,46,48提供密封以及燃料電池組10的部件之間的電絕緣。諸如碳或石墨擴散紙的氣體可滲透的擴散介質50,52,54,56基本上鄰接MEA12,14的每個陽極面和陰極面。端板22,24分別布置為鄰近擴散介質50,56。雙極板16布置為鄰近MEA?12陽極面上的擴散介質52并且鄰近MEA14陰極面上的擴散介質54。

如所示,MEA12,14,雙極板16,端板22,24,以及墊圈42,44,46,48中的每個都包括陰極供給孔58,陰極排出孔60,冷卻劑供給孔62,冷卻劑排出孔64,陽極供給孔66,以及陽極排出孔68。通過使形成于MEA12,14、雙極板16、端板22,24、以及墊圈42,44,46,48中的相鄰陰極供給孔58對準形成陰極供給歧管。通過使形成于MEA12,14、雙極板16、端板22,24、以及墊圈42,44,46,48中的相鄰陰極排出孔60對準形成陰極排出歧管。通過使形成于MEA12,14、雙極板16、端板22,24、以及墊圈42,44,46,48中的相鄰冷卻劑供給孔62對準形成冷卻劑供給歧管。通過使形成于MEA12,14、雙極板16、端板22,24、以及墊圈42,44,46,48中的相鄰冷卻劑排出孔64對準形成冷卻劑排出歧管。通過使形成于MEA12,14、雙極板16、端板22,24、以及墊圈42,44,46,48中的相鄰陽極供給孔66對準形成陽極供給歧管。通過使形成于MEA12,14、雙極板16、端板22,24、以及墊圈42,44,46,48中的相鄰陽極排出孔68對準形成陽極排出歧管。?

氫氣經由陽極進口導管70通過陽極供給歧管供給至燃料電池組10。氧化劑氣體經由陰極進口導管72通過燃料電池組10的陰極供給歧管供給至燃料電池組10。分別為陽極排出歧管和陰極排出歧管提供陽極出口導管74和陰極出口導管76。冷卻劑進口導管78和冷卻劑出口導管80與冷卻劑供給歧管和冷卻劑排出歧管流體連通以提供通過其的液體冷卻劑流動。應當理解,圖1中示出的燃料電池組10的結構和幾何形狀以及包括例如雙極板16,各個進口70,72,78,和出口74,76,80在內的其各個部件可以按需要改變,并且示出的具體實施例僅僅是代表性的。

根據本發明,雙極板16通過淀積工藝形成為具有第一厚度的低接觸電阻、高耐腐蝕性材料。應當理解,術語“低接觸電阻”意思是當在200?psi的壓縮壓力且電流密度為約1安培每平方厘米下對氣態擴散介質進行測量時,測量的電阻小于約25毫歐每平方厘米。還應當理解的是,術語“高耐腐蝕性”意思是當在模擬的燃料電池條件下測量時,腐蝕電流小于約1微安,該模擬條件可以包括下列條件中的一個或多個:pH為3;工作溫度約80℃;約百萬分之一的氟化氫;約0.6伏的作用陰極電勢;約-0.4伏的作用陽極電勢;銀-氯化銀參考電極;和約1毫伏每秒的掃描率。

在圖2中示出了用于形成代表性的雙極板16的模板90。應當理解,模板90僅僅是示例性的,并且可以按需要形成為表示任何雙極板的任何幾何形狀。模板90形成為具有分別對應于雙極板16的工作面30,32的工作面30',32'。工作面30',32'包括多個凹槽或通道36',38',適于促進諸如氫的燃料和諸如氧的氧化劑流動通過其。模板90還包括分別對應于陰極供給孔58,陰極排出孔60,冷卻劑供給孔62,冷卻劑排出孔64,陽極供給孔66,以及陽極排出孔68的孔58',60',62',64',66',68'。模板90可以包括一個或多個對準孔82以允許多個雙極板16組裝在一起以形成燃料電池(未示出)。因此,例如,圖2中示出的工作面30'表示陰極板工作面。對于完全實施的軋制制造工序,模板90可以根據需要包括在模板90的相對面92,94上的兩個工作面30',32',或其可以僅形成有一個工作面30'或32'。

?模板90可以由沖壓的或機械加工的鋼板形成,或模板90可以由在淀積工藝之后很容易除去的適當的材料形成。用于基底90的適當材料包括蠟,金屬,或聚合物中至少一者。例如,當模板90由聚苯乙烯化合物形成時,獲得了可接受的結果。

在形成了模板90后,工作面30',32'中的一個或兩個進行淀積工藝。在圖3中示出了汽相沉積工藝。諸如金屬或金屬合金的固體涂敷材料(未示出)通過已知工藝(例如,在等離子過程中以物理的方式或化學的方式)被汽化,并且作為蒸氣100從工具架102發射。可以在任何溫度應用蒸氣100,但通過室溫應用物理汽相淀積(PVD)工藝獲得了有利結果。如圖3所示,工具架102可以形成為噴嘴,或其可以形成為接近工作面30',32'的工具以允許蒸汽100沉積到工作面30',32'上。蒸汽100是低接觸電阻的高耐腐蝕性材料。蒸汽100作為涂層104沉積到工作面30',32'上至所需的第一厚度t1。有利的是,當基底90被除去時,厚度t1足夠厚以獲得涂層104所細問的結構性能,例如剛性,一致性和彈性。當涂層104由高鎳合金形成時獲得了有利的結果,其中鎳含量為合金的至少50%,并且更有利的,鎳含量為合金的至少80%。當涂層104是碳涂層時也獲得了有利的結果。取決于涂層材料,當涂層厚度t1在5至100微米之間時獲得了有利的結果。

?例如,如圖7所示,當涂層通過電鑄淀積工藝被涂覆時也獲得了有利的結果。在電鑄淀積工藝中,形成的基底90位于電解質溶液170中。電解質溶液170具有金屬離子。使用電源172,在一對陽極174和起陰極作用的基底90之間施加電壓或電勢。施加的電壓使得電解質溶液170中的金屬離子作為金屬原子沉積在基底90上,由此形成涂層104。在電鍍工藝(即,脈沖電鍍)期間,電源172可以啟動或關閉。為了令人滿意地作用涂層104的沉積,在電鍍工藝期間,陽極174和基底90的極性在短時期內還可以顛倒(即,反向脈沖電鍍)。例如,反向脈沖電鍍可以允許涂層104的沉積基本上沒有裂縫。本領域技術人員還可以理解,涂層104的無裂縫沉積還可以在適當條件下通過直流電鍍或化學電鍍而獲得。在Detor等的美國專利申請No.7,425,255中描述了一種適當的電沉積工藝,其整個內容通過引用結合于此。本領域技術人員可以根據需要選擇其它適當的電沉積工藝來沉積涂層104。

在具體的實施例中,基底90由導電材料形成。當基底90由導電材料形成時,基底90可以具有期望不發生電鍍的絕緣區域,通過涂覆介質膜而絕緣。在其它的實施例中,基底90由不導電的材料形成,但具有期望進行電鍍的導電區域,作為非限制性的例子,通過涂覆諸如鎳觸擊(nickel?strike)或PVD層而具有導電性。也可以根據需要采用其它適當的絕緣層和導電層用于基底90。

?已經有利地發現通過金屬合金的電鍍可以提供納米晶結構的涂層104。例如,在采用了NiP合金,NiCr合金,或NiW合金的情況中,可以獲得納米晶結構(即,具有尺寸小于約1微米的顆粒),這可以實質上改進沉積涂層104的材料屬性和耐腐蝕性。在某些實施例中,通過電鑄工藝提供具有納米晶結構的涂層104,其成分為約80%的Ni和約20%的Cr,或約90%的Ni和約10%的W。在其它實施例中,通過電鑄工藝可以提供具有納米晶結構的涂層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種。涂層104還可以包括上述合金的任意混合物,或其它所需的適當的耐腐蝕合金的混合物。例如,通過從電解質溶液170進行電鑄,可以產生成分為約75%?Fe和約25%?Cr的涂層104。本領域技術人員可以根據需要選擇其它適當的電解質溶液170,提供用于形成104的其它所需金屬和金屬合金。

?重新參照圖3和圖7,涂層104沉積從而其與包括多個凹槽或通道36',38'的工作面30',32'的表面特征相一致。如圖4所示,當工作面30'已經按需要被涂層104覆蓋所需厚度t1時,可以除去基底90,僅留下低接觸電阻的高耐腐蝕性材料作為單極板110。在涂層104從基底90除去后,涂層104還可以電鍍有具有甚至更低的接觸電阻的另一導電層(未示出)。單極板110具有對應于工作面30'的工作面112和對應于冷卻劑流動側面116的相反側。取決于工作面112的幾何形狀,并且尤其取決于反應物流動通道120與陰極流動孔58,60或陽極流動孔66,68的流體相互連接,工作面112是陰極面或陽極面。

?冷卻劑流動側面116中的流動通道118由工作面112中的反應物流動通道120限定,其中工作面112中的反應物流動通道120之間的槽脊122與冷卻劑流動側面116上的冷卻劑流動通道118的底部124相對應,并且冷卻劑流動側面上的冷卻劑流動通道118之間的槽脊126與工作面112中的反應物流動通道120的底部128相對應。

?如果基底90包括第二工作面32',第二工作面32'可以接收同時的或連續的涂層104涂覆以在除去基底90之前在第二工作面32'上形成第二單極板130(圖4)。第二單極板130包括對應于工作面32'的工作面132,以及對應于冷卻劑流動側面136的相反側面。冷卻劑流動側面136中的流動通道138由工作面132中的反應物流動通道140限定,其中工作面132中的反應物流動通道140之間的槽脊142與冷卻劑流動側面136上的冷卻劑流動通道138的底部144相對應,并且冷卻劑流動側面上的冷卻劑流動通道138之間的槽脊146與工作面132中的反應物流動通道140的底部148相對應。

?如圖4和圖5所示,在第一和第二單極板110,130形成在基底90上之后,基底被除去并且第一和第二單極板110,130匹配地接合以形成雙極板16。第一單極板110通常通過焊料或焊縫150,或機械地焊接或釬焊或經由激光焊接圍繞雙極板16的周長152連接到第二單極板130,從而氣密地密封任何冷卻劑流動路徑118,138。然而,可以根據需要使用其它的連接方法,例如銅焊或粘合。

此外,定位孔(未示出)的內部周長也可以粘接以氣密密封并且防止冷卻劑通過其泄漏。使用傳統的密封涂覆工藝和方法,可以圍繞雙極板16中的多個孔設置密封以阻礙反應物和冷卻劑的移動。然而,當使用周長焊縫150作為圍繞雙極板16的周長152的冷卻劑密封時,獲得了有利的結果。

如在圖5中可以最佳地看出,相應的冷卻劑流動側面116,136匹配接合以形成冷卻劑流動通道158。具體而言,第一單極板110的冷卻劑流動側面116上的槽脊126匹配地與第二單極板130的冷卻劑流動側面136上的槽脊146相接合。相應的槽脊126,146可以被金屬化以改進單極板110,130之間的導電性。然而,由于單極板110,130全部都由低接觸電阻的高耐腐蝕性材料形成,槽脊126,146的匹配接合通常提供了足夠的導電性而不用其接合部位的附加金屬化。此外,由于槽脊126,146的接合部位可以具有足夠的導電性,可以省去通常在工作區域內形成的用于改進單極板110,130之間導電性的焊縫,因此改進了雙極板16的可制造性。

涂層104不必為單個或均一的材料。如圖6所示,在一個實施例中,涂層可以根據需要涂覆為1個以上的層以及一種以上的材料,以根據單極板上的位置提供可接受水平的低接觸電阻和高耐腐蝕性。圖6所示的單極板部分具有第一層160,該第一層形成對應于單極板130的冷卻劑流動側面136的冷卻劑表面162。第二層164形成了工作面132上與反應物相接觸的反應物表面166。盡管單極板130的兩個表面162,166都將展現出低接觸電阻和高耐腐蝕性,但是表面162,166必須抗腐蝕的環境是大不相同的。結果,第一層160和第二層164可以通過不同的沉積形成。此外,各個層160,164的厚度t2,t3可以變化以提供所需的剛性,一致性和彈性。在第一層160和第二層164之間可以增加支持層168以確保所需的剛性,一致性,彈性,強度,耐久性,導電性或耐腐蝕性。作為非限制的例子,如果單極板132是陰極板,第一層160可以由高鎳含量合金形成,諸如具有5至50微米厚度t2的80%Ni-20%Cr。第二層164可以由不同的高鎳含量合金形成,諸如具有5至50微米厚度t3的75%Ni-25%Cr。中間支持層168可以由高鐵含量合金形成,諸如具有20至100微米厚度t4的75%Fe-25%Cr。作為第二非限制例子,如果單極板132是陽極板,第一層160可以由高鎳含量合金形成,諸如具有5至50微米厚度t2的80%Ni-20%Cr;第二層164可以由不同的高鎳含量合金形成,諸如具有5至50微米厚度t3的90%Ni-10%Cr;以及中間支持層168可以由高鐵含量合金形成,諸如具有20至100微米厚度t4的75%Fe-25%Cr。指定每個單極板的每個表面的成分的能力使得板具有最低成本且表面優化以在燃料電池組中實現最佳性能,使得低接觸電阻與高耐腐蝕性根據環境獲得所希望的平衡,并且在緊工程公差內。

?此外,層160,164可以有選擇地并且不同地涂覆到同一單極板的不同位置處以在該位置提供所需的特性。舉例來說,如果所述低接觸電阻的高耐腐蝕性材料是碳,對應于雙極板16的周長152的位置可以包括薄的金屬層以及薄的碳涂層。當以這種方式制備時,相鄰單極板110,130的金屬層可以形成為允許釬焊或銅焊或其它低溫粘結,或允許應用粘合劑進行化學或機械粘合。類似地,層160,164,168可以在同一板上被涂覆為厚度不均勻以確保局部具有足夠強度。作為非限制的例子,層160,164,168可以在鄰近對準孔82的區域較厚以經受所需的夾持力。

?可以連續的制造操作形成本發明的多個雙極板16。有利地,沉積工藝可以在室溫和室內壓力下進行并且可以應用到諸如聚乙烯的便宜的基底材料上。預先形成基底90有利地考慮到了單極板110,130的設計靈活性,而這是由諸如沖壓或成型的其它制造工藝所不能提供的。尤其地,電鑄工藝允許在每個單極板110,130上的較深的凹槽36,36以及較低的反應物壓降,并且避免了伴隨金屬板沖壓工藝的金屬撕裂問題。此外,金屬淀積工藝比在沖壓板工藝中所需的少大約10%至50%(取決于所需的厚度t1)的電鍍材料,并且消除了在雙極板組件16的邊緣區域中的廢料或廢棄材料。實際上,當應用到可拆卸的基底上時,汽相沉積工藝可以產生由不能經受沖壓制造工藝的材料形成的彈性的薄單極板。

因為汽相沉積工藝可以被控制為按需要精確地僅僅沉積低接觸電阻的高耐腐蝕性材料,因此每個單極板110,130在制造后的修整或其它加工被最小化。由于構成雙極板16的兩個單極板110,130的匹配接合部分具有充分低的接觸電阻,尤其是在燃料電池的裝配期間被壓縮在一起時,還可以消除雙極板16的工作區域內的額外焊縫。實際上,各個單極板110,130的后期工藝可以僅限于其周邊焊接從而為任意冷卻劑流動路徑提供充分的密封并為反應物孔提供任意額外的密封。汽相沉積工藝還省去了使用諸如黃金的昂貴的貴金屬或包括鉻或鎳離子的危險溶液的電鍍操作。

與用于制備全粘合的雙極板組件的常規工藝相比,本發明的方法還可以更迅速地執行,并且利用與常規成形工藝相比明顯少的材料。因此,消除了大量的廢料,同時可以反復制造單極板上的復雜流場圖案。最后,在以比傳統板成本降低的情況下,可以制造出非常薄的單極板組件,使得燃料電池組件的整體尺寸和成本最小化。

盡管為了說明本發明已經示出了某些代表性的實施例和細節,但是本領域技術人員在沒有背離后附權利要求所述的本發明范圍的情況下可以作出各種變化。

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