质子交换膜燃料电池中的双极板的低接触电阻连结方法技术

提供了一种用于电化学电池堆中的分隔器组件，所述分隔器组件包括具有第一表面的第一传导金属基板和具有第二表面的第二传导金属基板，其中所述第一表面和所述第二表面中的每个均覆盖有超薄导电金属涂层。所述第一表面和所述第二表面在所述第一层和所述第二层的金属涂层彼此接触的区域处形成导电路径。覆盖有金属涂层的所述表面的所述接触足以使所述第一基板和所述第二基板彼此连接。优选的金属涂层中包含金（Ａｕ）。还提供了制造这种分隔器组件的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及燃料电池，且更具体而言涉及一种用于该燃料电池的导电分隔器(separator)组件及其制造方法。
技术介绍
燃料电池已经被提出作为电动交通工具和其它应用的电源。一种已公知的燃料电池是PEM(即质子交换膜)燃料电池，所述PEM电池包括所谓“膜电极组件”，所述膜电极组件包括薄的固体聚合物膜-电解质，其具有在膜-电解质一面上的阳极和在膜-电解质相对面上的阴极。阳极和阴极通常包括细小的碳颗粒，所述碳颗粒具有担载在碳颗粒的内表面和外表面上的极细小的催化剂颗粒，和与催化剂和碳颗粒混合的质子传导材料。膜电极组件被夹在一对导电接触元件之间，所述元件用作阳极和阴极的集流器且在其中可包含适当的通道和开口用以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。双极质子交换膜燃料电池包括电串联叠置在一起同时通过已公知作为双极板或分隔板或隔膜的不可透过的导电接触元件与下一个分开的多个膜电极组件。分隔板或双极板具有两个工作面，一个面对一个电池的阳极且另一个面对燃料电池堆中下一个相邻电池上的阴极，且1每块双极板在相邻电池之间电传导电流。燃料电池堆端部处的接触元件被称作端部、端子或集电板。这些端子集电器与夹在端子双极板与端子集电板之间的传导元件接触。传导元件用作两个相邻电池之间的导电分隔器元件，且通常具有在其两个外面上的反应物气体流场，在燃料电池堆中的一个电池的阳极与下一个相邻电池的阴极之间传导电流，且具有其中的内部通路，冷却剂流动通过所述通路以去除燃料电池堆中的热量。质子交换膜燃料电池环境是高腐蚀性的，且因此，双极板和用以组装所述双极板的材料必须是耐蚀且导电的。双极板通常由两块单独的传导板制成，且可由导电金属或复合材料构成。这些单块板在至少-->一个接合处被连接在一起，其中在包含冷却通路的板之间形成内部空间。该板必须耐受燃料电池的苛刻条件，同时提供高导电性、低重量以改进测重效率和长期操作效率的耐久性。仍存在使包括燃料电池中的独立部件的导电元件的连结性能最优化以尽可能成本有效地提高效率的挑战。
技术实现思路
本专利技术提供了一种用于电化学电池堆中的分隔器组件，所述分隔器组件包括具有第一表面的第一传导金属基板和具有第二表面的第二传导金属基板；所述第一表面和所述第二表面中的每个均具有导电中心区域和不导电周部区域。超薄导电金属涂层覆盖在所述相应的第一表面和第二表面的所述导电区域的一个或多个区上。通过所述相应的第一表面和第二表面的所述涂覆区之间的物理接触而形成导电路径。密封件使每个中心导电区域与每个周部不导电区域隔离开来。本专利技术的其它可选优选实施例包括一种用于制造燃料电池的分隔器组件的方法，所述方法包括提供第一导电金属基板和第二导电金属基板，所述金属基板在存在氧的情况下易于形成金属氧化物。分别从所述第一基板和所述第二基板的第一表面和第二表面上去除任何所述金属氧化物。超薄导电金属涂层被沉积在所述第一金属表面和所述第二金属表面的选定区域上。所述第一表面和所述第二表面的所述选定区域被放置以彼此面对且所述第一表面和所述第二表面的所述选定区域在一个或多个接触区域处进行接触，其中所述接触区域形成了所述第一基板与所述第二基板之间的导电路径。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，详细描述和具体实例尽管示出了本专利技术的优选实施例，但仅旨在用于说明目的而不旨在限制本专利技术的范围。附图说明从下面的详细描述和附图中将更全面地理解本专利技术，在所述附图中：图1是质子交换膜燃料电池堆(仅示出了两个电池)的分解示意图；-->图2是对于质子交换膜燃料电池堆有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方向的剖视图；图4是图3所示的双极板的放大部分；图5是具有设置在冷却剂通路内的分隔板的双极板的另一可选实施例的放大部分；图6是用以为双极板涂覆导电材料的离子束辅助物理气相沉积设备的示图；和图7是沿图2中线7-7截取的剖视图。具体实施方式下面对优选实施例的描述本质上仅是示例性的且决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用于燃料电池系统的简化分隔器组件，所述分隔器组件包括沿每块基板表面的导电区域覆盖有超薄导电金属涂层的第一和第二基板。当覆盖有金属涂层的第一基板和第二基板彼此接触时，金属涂层有利于将第一基板和第二基板连接在一起，而不需要如先前所需要地，对彼此进行附加机械连接或粘结。为了获得对本专利技术所应用领域的更好的理解，下面给出了对典型燃料电池的描述。图1示出了具有通过导电流体分配元件8，即下文中的双极板8，彼此分开的一对膜电极组件(MEAs)4和6的两电池双极燃料电池堆2。膜电极组件4和6和双极板8在不锈钢夹板或端板10与12和端部接触元件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用于将燃料和氧化剂气体(即H2和O2)分配给膜电极组件4和6的多条沟槽或通道18、20、22和24。不传导垫片26、28、30和32在燃料电池堆的多个部件之间提供了密封和电绝缘。气体可透过的传导材料通常是压靠在膜电极组件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14和16分别压靠在碳/石墨扩散纸34和40上，而双极板8压靠在膜电极组件4的阳极面上的碳/石墨扩散纸36上且压靠在膜电极组件6的阴极面上的碳/石墨扩散纸38上。来自储罐46的氧气通过适当的供应管道系统42被供应至燃料电-->池堆的阴极侧，而来自储罐48的氢气通过适当的供应管道系统44被供应至燃料电池堆的阳极侧。另一种可选方式是，环境空气可作为氧源被供应至阴极侧且从甲醇或汽油重整器或类似装置将氢气供应至阳极。还将为膜电极组件4和6的H2和O2侧设置排出管道系统(未示出)。设置附加管道系统50、52、54以将液体冷却剂供应至双极板8以及端板14和16。还设置了适当的管道系统以排出双极板8以及端板14和16中的冷却剂，但未示出所述管道系统。本专利技术涉及燃料电池中的传导分隔器元件组件，如图2所示的液体冷却双极板56，所述双极板分开质子交换膜燃料电池堆中的相邻电池；在燃料电池堆的相邻电池之间传导电流；并且冷却燃料电池堆。双极板56包括第一外部金属板片58和第二外部金属板片60。板片58、60可由金属、金属合金或复合材料形成且优选是导电的。本专利技术的可应用性针对包括易于产生钝化或受到氧化侵蚀的金属或金属合金的分隔器元件，在所述氧化过程中在暴露于氧的表面上形成金属氧化物层。适当的金属和金属合金优选具有足够的耐久性和刚性以用作燃料电池内的传导元件中的板片。选择分隔器元件本体材料所考虑的其它设计特性包括气体可透过性、传导性、密度、导热性、耐腐蚀性、图案清晰度、热稳定性和图案稳定性、可机加工性、成本和可得性。可得金属和合金包括钛、铝、不锈钢、镍基合金及其组合。外部金属板片58、60被制成尽可能薄(例如约0.002-0.02英寸或0.05-0.5mm厚)。可采用本领域中已公知的任何方法形成板片58、60，所述方法包括机加工、模制成型、切割、雕刻、冲压、例如通过光刻掩模进行的光刻或任何其它适当的设计和制造工艺。预期板片58、60可包括双重结构，所述双重结构包括平板片和包括一系列外部流体流道的附加板片。因此，根据本专利技术，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于电化学电池堆中的分隔器组件，所述分隔器组件包括：具有第一表面的第一传导金属基板和具有第二表面的第二传导金属基板；所述第一表面和所述第二表面中的每个均具有导电中心区域和不导电周部区域；覆盖在所述相应的第一表面和所述第二 表面的所述导电区域的一个或多个区上的超薄导电金属涂层；通过所述相应的第一表面和所述第二表面的所述涂覆区之间的物理接触形成的导电路径；和使每个所述中心导电区域与每个所述周部不导电区域隔离开来的密封件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-11-7 10/703,2991、一种用于电化学电池堆中的分隔器组件，所述分隔器组件包括：具有第一表面的第一传导金属基板和具有第二表面的第二传导金属基板；所述第一表面和所述第二表面中的每个均具有导电中心区域和不导电周部区域；覆盖在所述相应的第一表面和所述第二表面的所述导电区域的一个或多个区上的超薄导电金属涂层；通过所述相应的第一表面和所述第二表面的所述涂覆区之间的物理接触形成的导电路径；和使每个所述中心导电区域与每个所述周部不导电区域隔离开来的密封件。2、根据权利要求1所述的分隔器组件，其中分别在所述第一基板和所述第二基板的所述导电区域中形成流场，沿所述表面和所述金属涂层由散布有沟槽的棱区限定出的每个所述流场位于所述棱区上，且通过所述第一基板和所述第二基板的相对棱区之间的物理接触形成所述导电路径。3、根据权利要求2所述的分隔器组件，其中所述沟槽是不传导的。4、根据权利要求2所述的分隔器组件，其中所述第一表面与所述第二表面的相对棱区之间的所述物理接触限定出流体流道，冷却剂循环流动通过所述流道。5、根据权利要求1所述的分隔器组件，其中所述基板在燃料电池堆中被布置在一起且通过所述燃料电池堆给予使所述基板朝向彼此偏置的压缩应力而实现所述物理接触。6、根据权利要求1所述的分隔器组件，其中所述密封件形成大体上阻碍流体从所述导电区域迁移至所述不导电区域的屏障。7、根据权利要求1所述的分隔器组件，其中在1400kPa或更大的压缩应力下，通过所述导电路径穿过所述第一基板到达所述第二基板的接触电阻小于10mOhm-cm2。8、根据权利要求1所述的分隔器组件，其中所述导电金属涂层中包含金。9、根据权利要求1所述的分隔器组件，其中所述导电金属涂层具有小于15nm的厚度。-->10、根据权利要求9所述的分隔器组件，其中所述导电金属涂层具有约2nm至约10nm之间的厚度。11、根据权利要求1所述的分隔器组件，其中由粘结剂形成所述密封件。12、根据权利要求1所述的分隔器组件，其中所述粘结剂包括选自包括热固性聚合物和热塑性聚合物的组群的粘结剂聚合物。13、根据权利要求12所述的分隔器组件，其中所述粘结剂聚合物选自包括环氧衍生物、酚醛塑料、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯类、硅氧烷、聚硫化物、丁基化合物、含氟弹性体、氟硅氧烷、聚酰胺、聚酯、聚烯烃类、聚乙酸乙烯酯和聚氨酯的组群。14、根据权利要求1所述的分隔器组件，其中采用远程扫描激光焊接法形成所述密封件。15、根据权利要求1所述的分隔器组件，其中所述第一基板具有与所述第一侧相对的第一相对侧且所述第二基板具有与所述第二侧相对的第二相对侧，其中所述第一相对侧和所述第二相对侧上覆盖有所述导电金属涂层。16、根据权利要求1所述的分隔器组件，其中所述第一传导金属基板和所述第二传导金属基板...

【专利技术属性】
技术研发人员：G维亚斯，M布丁斯基，BK布拉迪，MJ卢基特施，H施拉格，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]