制造用于质子交换膜燃料电池的高性能膜电极组件（MEA）的方法技术

一种用于燃料电池中的导电流体分配元件具有传导非金属多孔介质，所述传导非金属多孔介质包括具有沿一个或多个金属化区域沉积的导电金属的表面。所述金属化区域被布置与燃料电池组件中的膜电极组件（ＭＥＡ）接触，且因此增大了在所述ＭＥＡ与所述流体分配介质之间的接触区域处的电导。还提供了制造这种流体分配元件以及操作燃料电池组件的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及电化学电池，且特别是，涉及导电流体分配元件和包括这样的流体分配元件的燃料电池的制造和操作。
技术介绍
燃料电池已被提出作为电动车辆和其它应用的动力源。一种已公知的燃料电池是包括所谓的MEA(“膜电极组件”)的PEM(即质子交换膜)燃料电池，所述MEA包括具有位于一面上的阳极和位于相对面上的阴极的较薄的固体聚合物膜-电解质。阳极和阴极通常包括细小分散的碳颗粒、担载在碳颗粒的内表面和外表面上的极细分散的催化颗粒以及与催化颗粒和碳颗粒混合在一起的质子传导材料。膜电极组件被夹在气体扩散介质层与用作阳极和阴极的集流器的一对导电接触元件之间，所述导电接触元件中可包含用于将燃料电池的气体反应物(即H2和O2/空气)分配在相应的阳极和阴极表面上的适当的通道和开口。双极PEM燃料电池堆包括电串联叠置在一起同时通过这种集流器接触元件彼此分开的多个膜电极组件，所述集流器接触元件进一步是已公知为双极板的不可透过的隔板元件。双极板具有两个工作表面，其中一个表面面对一个电池的阳极且另一个表面面对堆中下一个相邻电池上的阴极，且在相邻电池之间电传导电流。位于叠堆端部处的接触元件仅接触端部电池且被称作端板。电接触元件通常由导电金属材料构成。在H2和O2/空气PEM燃料电池环境中，双极板和其它接触元件(如端板)与高度酸性溶液(pH3-5)持续接触且在高度氧化环境中进行操作，所述双极板和其它接触元件被极化至约+1V(相对于标准氢电极)的最大值。在阴极侧上，接触元件暴露于加压空气中，且在阳极侧上暴露于超常压的氢中。遗憾的是，许多金属在不利的PEM燃料电池环境中易于受到腐蚀，且由所述金属制成的接触元件或者溶解(例如对于铝的情况)，或者在其表面上形成具有高电阻的钝化氧化膜(例如对于钛或不锈钢的情况)-->从而使得增大了燃料电池的内部电阻且降低了其性能。进一步地，保持通过气体扩散介质到达接触元件的导电性对于保持每个燃料电池的电流流动非常重要。因此，需要提供保持导电性、耐受燃料电池的不利环境且提高燃料电池的总操作效率的导电元件。
技术实现思路
本专利技术的一个方面涉及一种用于具有膜电极组件(MEA)的燃料电池的流体分配元件，所述元件包括导电多孔介质层，所述导电多孔介质层包括碳和位于面对所述MEA的所述层的表面上的一个或多个金属化区域。所述一个或多个金属化区域包括导电金属。进一步地，所述一个或多个金属化区域接触所述MEA的主要表面且在所述MEA与所述多孔介质之间形成相应的导电路径。本专利技术的另一个方面是一种包括膜电极组件(MEA)的燃料电池组件，所述MEA包括导电电极。导电非金属多孔介质层具有面对所述电极的表面。所述表面还具有包括导电金属的一个或多个金属化区域。所述导电电极被布置与所述金属化区域接触以在所述层与所述导电电极之间提供电接触。因此，与进行对比的非金属化的多孔介质层相比，所述电极与所述层的所述金属化区域之间的接触电阻更小。本专利技术的又一个方面涉及一种操作燃料电池的方法，所述方法包括将导电多孔介质层放置在膜电极组件(MEA)与导电基板之间。所述多孔介质层包括面对所述MEA的具有超薄金属化区域的第一表面和面对所述导电基板的第二表面。所述第一表面的所述金属化区域与所述MEA接触且所述第二表面与所述基板接触以形成从所述基板穿过所述多孔介质到达所述MEA的导电路径。通过所述路径将电子传导到达或离开所述MEA，同时对所述燃料电池进行操作。在本专利技术的又一个方面中，提供了一种制造燃料电池的组件的方法，所述方法包括将导电金属沉积在导电多孔介质表面上以形成具有超薄厚度的一个或多个金属化区域。具有所述金属化区域的所述表面被放置在邻近膜电极组件(MEA)的电极的位置处。所述电极与具有所述金属化区域的所述表面接触以在所述基板与所述多孔介质之间形成导电路径。在另一个方面中，本专利技术提供了一种包括膜电极组件(MEA)的-->燃料电池组件，所述膜电极组件包括第一导电电极和第二且相对的导电电极。第一导电非金属多孔介质层具有面对所述第一电极且被布置与所述第一电极接触的表面。所述第一层的所述表面具有包括导电金属的一个或多个金属化区域。第二导电非金属多孔介质层具有面对所述第二电极且被布置与所述第二电极接触的表面，其中所述表面具有包括导电金属的一个或多个金属化区域。当与进行对比的包括围绕相似的MEA的非金属第一多孔介质层和非金属第二多孔介质层的组件相比时，在所述第一多孔介质层穿过所述MEA到达所述第二多孔介质层之间的接触电阻更小。从下文提供的详细描述中将易于理解本专利技术可应用的其它领域。应该理解，尽管该详细描述和特定实例示出了本专利技术的优选实施例，但它们仅旨在用于示例性目的而不旨在限制本专利技术的范围。附图说明通过详细描述和附图将能够更充分地理解本专利技术，其中：图1是PEM燃料电池堆的分解示意图(图中仅示出了两个电池)；图2是可与PEM燃料电池堆一起使用的典型导电流体分配元件的分解视图；图3是沿图2中3-3方向截取的局部剖视图；图4是本专利技术的燃料电池组件的一个优选实施例的未按比例进行绘制的侧剖视图，其中金属化区域对应于面对膜电极组件(MEA)的多孔介质层的整个表面；图5是图4的一部分的放大视图；图6是未按比例进行绘制的侧剖视图，图中示出了根据本专利技术的另一个可选实施例，所述实施例包括沿面对MEA的多孔介质层的整个表面的金属化区域和沿面对分隔板的多孔介质的整个表面的金属化区域；图7是根据本专利技术的另一个可选的优选实施例的邻近MEA的单个多孔介质层的未按比例进行绘制的局部侧剖详图，所述多孔介质层具有沿面对MEA的多孔介质层的整个表面且沿面对分隔板的多孔介质表面的金属化区域，其中金属化区域是不连续的；图8示出了用以利用导电金属使多孔流体分配介质的表面金属化-->的物理气相沉积设备；图9是曲线图，图中对通过接触现有技术的多孔流体分配介质的现有技术的未经涂覆的317L不锈钢板与通过根据本专利技术的具有位于多孔介质层的两个相对表面(其中一个表面面对MEA且相对表面面对分隔板)上的金属化区域的燃料电池组件相比较而获得的接触电阻和电压的测量结果进行了对比；和图10是通过根据本专利技术的导电流体分配元件获得的接触电阻和电压值的曲线图，其中阴极入口的相对湿度是变化的以表示总的电池性能。具体实施方式对优选实施例的下列描述本质上仅是示例性的且绝不旨在限制本专利技术及其应用或使用。本专利技术涉及一种导电燃料电池元件，且更具体而言涉及一种用于燃料电池中的改进型流体分配介质元件。为了更好地理解本专利技术，此处对背景进行简要描述。图1示出了常规的两电池双极燃料电池堆2，所述燃料电池堆具有通过导电流体分配元件8彼此分开的一对膜电极组件(MEAs)4和6，所述导电流体分配元件在下文中被称作双极板8。MEAs 4和6和双极板8在不锈钢夹持板或端板10与12之间，且在端部接触元件14与16之间被叠置在一起。端部接触元件14和16以及双极板8的两个工作面分别包含多条沟槽或通道18、20、22和24以将燃料和氧化剂气体(即H2和O2)分配至MEAs 4和6。不导电衬垫26、28、30和32在燃料电池堆的各个部件之间提供了密封和电绝缘。气体可透过传导材料通常是压靠在MEAs 4和6的电极面上的碳/石墨扩散纸34、36、38和40。端部接触元件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于具有膜电极组件（ＭＥＡ）的燃料电池的流体分配元件，所述元件包括：导电多孔介质层，所述导电多孔介质层包括碳和位于面对所述膜电极组件的所述层的表面上的一个或多个金属化区域，所述一个或多个金属化区域包括导电金属，且其中所述一个或多 个金属化区域接触所述膜电极组件的主要表面且在所述膜电极组件与所述多孔介质之间形成相应的导电路径。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-5-20 10/850,5501、一种用于具有膜电极组件(MEA)的燃料电池的流体分配元件，所述元件包括：导电多孔介质层，所述导电多孔介质层包括碳和位于面对所述膜电极组件的所述层的表面上的一个或多个金属化区域，所述一个或多个金属化区域包括导电金属，且其中所述一个或多个金属化区域接触所述膜电极组件的主要表面且在所述膜电极组件与所述多孔介质之间形成相应的导电路径。2、根据权利要求1所述的元件，其中与进行对比的非金属化多孔介质层相比，每个所述金属化区域通过所述相应的导电路径提供了减小的电阻率。3、根据权利要求1所述的元件，其中所述一个或多个金属化区域具有超薄厚度。4、根据权利要求1所述的元件，其中每个所述金属化区域的厚度小于约10nm。5、根据权利要求1所述的元件，其中每个所述金属化区域的厚度在约5nm至约10nm之间。6、根据权利要求1所述的元件，其中所述层的所述表面是第一表面且所述层进一步包括与所述第一表面相对的第二表面，其中所述第二表面接触不可透过的导电隔板元件。7、根据权利要求6所述的元件，其中所述第二表面具有包括导电金属的一个或多个金属化区域。8、根据权利要求1所述的元件，其中所述导电金属被沉积在所述金属化区域中的所述多孔介质的孔隙表面上。9、根据权利要求1所述的元件，其中所述多孔介质选自包括纸、纺布、无纺布、纤维和泡沫材料的组群。10、根据权利要求1所述的元件，其中所述金属化区域的所述导电金属包括贵金属。11、根据权利要求1所述的元件，其中所述金属化区域包括所述导电金属的化合物。12、根据权利要求1所述的元件，其中所述金属化区域包括选自包括Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Os、Ti、Cr、Sn、Au及其混合物的组-->群中的金属。13、根据权利要求1所述的元件，其中所述导电金属包括Au。14、一种燃料电池组件，所述燃料电池组件包括：包括导电电极的膜电极组件(MEA)；具有面对所述电极的表面的导电非金属多孔介质层；位于所述层的所述表面上的一个或多个金属化区域，每个所述金属化区域包括导电金属；其中所述导电电极被布置与所述金属化区域接触以在所述层与所述导电电极之间提供电接触，由此所述电极与所述层的所述金属化区域之间的接触电阻与进行对比的非金属化多孔介质层相比更低。15、根据权利要求14所述的组件，其中所述一个或多个金属化区域基本上完全覆盖所述层的所述表面。16、根据权利要求14所述的组件，其中所述表面是第一表面且所述层进一步包括与所述第一表面相对的第二表面，其中所述第二表面具有一个或多个金属化区域且面对导电的不可透过分隔板，所述导电的不可透过分隔板被布置与所述第二表面接触以形成一条或多条导电路径。17、根据权利要求16所述的组件，其中所述分隔板具有面对所述层的表面，所述表面具有多条沟槽和槽脊的图案，且其中所述槽脊与所述层的所述第二表面的所述一个或多个金属化区域相接触。18、根据权利要求16所述的组件，其中所述分隔板具有沿分隔板表面的接触区域形成的金属氧化物区域，其中所述接触区域对应于所述一个或多个导电路径。19、根据权利要求16所述的组件，其中所述第二表面上的每个所述金属化区域的厚度小于或等于约15nm。20、根据权利要求14所述的组件，其中所述电极包括质子传导材料、多个催化剂颗粒和多个导电颗粒。21、根据权利要求14所述的组件，其中所述电极是所述膜电极组件的阴极。22、根据权利要求14所述的组件，其中所述电极是所述膜电极组件的阳极。23、根据权利要求14所述的组件，其中所述第一表面上的每个-->所述金属化区域的厚度在约5nm至约10nm之间。24、根据权利要求14所述的组...

【专利技术属性】
技术研发人员：YM米克海尔，G维亚斯，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]