金属双极板的粘性结合制造技术

本发明专利技术涉及燃料电池的具有改进的粘性结合的导电元件（例如，双极板）（５６）。导电元件通常包括第一和第二导电片（５８、６０），每片各自具有互相面对的表面。互相面对的表面涂覆有导电底层漆涂层（１１０），该涂层为所述第一和所述第二片在所述第一和第二片相互接触的区域分别提供了抗腐蚀性和低接触电阻。所述第一和所述第二已涂覆的表面通过导电粘结剂（１１２）互相连接在一起，该粘结剂在接触区域为所述片的所述第一和所述第二已涂覆的表面提供了粘结。而且，本发明专利技术设想了在导电元件中形成这种改进的结合的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】金属双极板的粘性结合专利
本专利技术涉及PEM燃料电池，尤其涉及金属分隔板及其制备方法。专利技术背景人们已经提出采用燃料电池作为电动车辆和其它应用的能源。一种已知的燃料电池是PEM(即，质子交换膜)燃料电池，它包括所谓的“膜-电极组件”，所述组件包括在一个面上具有阳极而在相对面上具有阴极的薄、固体聚合物膜-电解质。阳极和阴极通常包括细的在内外表面上支撑着极细催化颗粒的碳颗粒，以及与该催化颗粒和碳颗粒掺混的质子导电材料。膜-电极-组件夹在一对充当阳极和阴极电流收集器(currentcollector)的导电接触元件之间，可以包括适当的沟道和其开口，用于将燃料电池的气态反应剂(即，H2&O2/空气)分布到阳极和阴极各自的表面上。双极PEM燃料电池包括多个膜-电极-组件，这些组件以电串联的方式堆叠在一起，同时由称作双极板或分隔板或隔膜的不可渗透的导电接触元件将一个和下一个分隔开。分隔板或双极板具有两个工作面，一个面对着电池堆(stack)中一个电池的阳极，另一个面对着下一个相邻电池的阴极，而且每块双极板导通相邻电池之间的电流。电池堆末端的接触元件称作末端板、端板或集流板。这些端集流板和夹在端双极板和端集流板之间的导电元件相接触。导电元件充当两个相邻电池之间的导电分隔元件，通常在其两个外部面上都有反应剂气体流场，在电池堆中一个电池的阳极和下一个相邻电池的阴极之间导通电流，并且具有内部通道供冷却剂流过从而除去电池堆的热量。PEM燃料电池环境具有高度腐蚀性，因此，组装它们的双极板和材料必须既抗腐蚀又能导电。双极板通常用两块分离的导电片制备，可以由导电金属或复合材料构建。这些单块板必须在接头处连接在一起，所述接头必须能够承受燃料电池的苛刻条件，同时具备优异的导电性以减少电压损失，重量轻以改善重量效率，而且具有长期操作效率所需的耐久性。所以，在燃料电池中，就包括独立部件的导电元件-->的最优化结合以提高效率从而尽可能实现成本有效性而言，仍然存在着问题。专利技术综述本专利技术提供了用于燃料电池的导电元件，其包括第一导电片，其具有面对第二导电片的第二表面的第一表面。第一和第二表面覆盖有导电底层漆涂层，分别提供了抗腐蚀性和横跨第一和第二片的目标接触电阻或界面电阻。第一和第二已涂覆的表面在一个或多个接触区域通过导电粘结剂互相连接，所述导电粘结剂和底层漆一起提供目标结合线电阻。术语结合线电阻是指界面接触电阻加上体积粘结剂电阻。本专利技术的结合线电阻和没有底层漆粘结剂的比较结合线电阻(高接触电阻)相比，在给定压缩压力下明显较低。而且，本专利技术的接触电阻以及进而结合线电阻维持的时间长于上述比较结合线电阻所实现的时间。在本专利技术的替换性优选实施方案中，设想了用于PEM燃料电池的导电接触元件。该元件包括具有覆盖有导电粘性底层漆涂层的第一接触表面的第一片和具有覆盖有导电粘性底层漆涂层的第二接触表面的第二片。一个或多个结合区域将第一接触表面和第二接触表面连接在一起。结合区域在燃料电池操作条件下在操作500小时后的电阻小于5mΩ-cm2。在本专利技术的另一可替换的优选实施方案中，导电接触元件包括具有覆盖有导电粘性底层漆涂层的第一接触表面的第一片和具有覆盖有导电粘性底层漆涂层的第二接触表面的第二片。导电粘结剂设置在第一接触表面和第二接触表面之间的电接触区域。导电粘性底层漆涂层包括石墨、碳黑和聚合胶连剂，而且石墨和碳在基质中的组合总量小于约10wt％。本专利技术还设想了包括多个燃料电池以及夹在燃料电池的阳极和阴极之间的导电元件的燃料电池堆。燃料电池堆中的导电元件包括第一导电片和第二导电片，所述第一导电片具有面对阳极的表面和第一换热表面，所述第二导电片具有面对阴极的表面和第二换热表面，其中所述第一和第二换热表面涂覆有包括分散在抗腐蚀性聚合物中的第一多个导电颗粒的底层漆涂层。第一和第二换热表面互相面对，从而在其间限定了用来容纳液体冷却剂的冷却剂流动通道，而且所述第一和-->第二换热表面通过导电粘结剂在多个位置互相电耦合。该导电和导热粘结剂包括分散在具有粘性性质的聚合物中的第二多个导电颗粒。底层漆涂层和导电/导热粘结剂一起限定了第一和第二片之间的导电/导热途径，而且横跨该导电途径的电阻/热阻足够低，以至于阳极和阴极产生的电流在其中以足以防止冷却剂和膜电极组件(MEA)过热的速率传导。在本专利技术的可替换优选实施方案中，提供了提高燃料电池中导电元件的结合耐久性的方法。该方法包括用导电粘性底层漆涂覆第一片的第一表面和第二片的第二表面。导电粘结剂设置在第一和第二已涂覆的表面之间，它将所述第一和第二已涂覆的表面连接在一起。粘结剂经选择从而和施加在第一和第二表面上的粘性底层漆形成可持续的密封结合。从下面的描述中，本专利技术的其它可应用领域将变得显而易见。应该理解，详细描述和具体实施例尽管表述的是本专利技术的优选实施方案，但仅仅出于示例，而不是为了限制本专利技术的范围。附图简述通过详细描述和附图，将更加全面的理解本专利技术，其中：图1示意性示出了液体冷却PEM燃料电池堆中的两个电池；图2是描述本专利技术优选实施方案的示例性导电分隔元件；图3是沿着图2的线3-3截取的截面图，显示了本专利技术优选实施方案的导电元件；图4是图3所示的接触区域的放大图；图5是本专利技术接触区域的可替换实施方案的放大图，其中在导电元件的第一和第二片之间设置有中间分隔板；和图6是用来测量试样接触电阻的示例性测试装置。优选实施方案详述下面对优选实施方案的描述本质上仅仅用于示例，绝不是试图限制本专利技术、其应用或用途。本专利技术设想了用于燃料电池的粘性结合得到改善的导电元件(例如，双极板)。该导电元件通常包括第一和第二导电片，每片都有相互面对的表面。相互面对的表面覆盖有导电底层漆涂层，分别为第一和第二片在第一和第二片相互接触的区域提供了腐蚀保护和低的接触电阻。通过导电粘结剂将第一和第二已涂覆表-->面互相结合在一起，该粘结剂使得这些片的第一和第二已涂覆表面在接触区发生粘结。另外，本专利技术设想了在导电元件中形成这种改进结合的方法。首先，为了更好地理解本专利技术，本文给出了示例性燃料电池和电池堆的描述。为了更好地理解本专利技术，在图1中给出了可以采用本专利技术的示例性燃料电池，其中描述了两个单独的连接起来形成电池堆的质子交换膜(PEM)燃料电池，所述电池堆具有一对膜-电极-组件(MEA)4、6，该组件对通过导电、液冷的双极分隔板导电元件8互相分隔开。没有在电池堆中串联连接的单个燃料电池具有分隔板8，分隔板8具有单个电活性侧。在电池堆中，优选双极分隔板8通常在电池堆内有两个电活性侧20、21，每个电活性侧20、21各自面对着带相反电荷(处于分离状态)的分离的MEA4、6，因此称为“双极”板。如本文所述，描述的燃料电池堆具有导电双极板，但是，本专利技术同样适用于仅有单个燃料电池的电池堆。MEA4、6和双极板8在不锈钢固定端板10、12和末端接触流体分布元件14、16之间堆叠在一起。末端流体分布元件14、16，以及双极板8的两个工作面或侧20、21，含有多个平台(land)，这些平台和活性面18、19、20、21、22和23上的沟槽或沟道相邻，用于将燃料和氧化剂气体(即，H2和O2)分布到MEA 4、6上。不导电的垫圈或密封垫26、28、30、32、33和本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于燃料电池的导电元件，包括：第一导电片，其具有和第二导电片的第二表面相面对的第一表面；其中所述第一和所述第二表面涂覆有提供抗腐蚀性的导电底层漆涂层；其中所述第一和所述第二已涂覆的表面在一个或多个接触区域通过导电粘结 剂互相连接，所述导电粘结剂和所述底层漆一起提供分别横跨所述第一和所述第二片的目标结合线电阻，该电阻比没有所述底层漆的所述粘结剂的对比接触电阻低；而且所述目标结合线电阻维持的时间比所述对比接触电阻维持的时间长。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-8-6 10/635,1231.用于燃料电池的导电元件，包括：第一导电片，其具有和第二导电片的第二表面相面对的第一表面；其中所述第一和所述第二表面涂覆有提供抗腐蚀性的导电底层漆涂层；其中所述第一和所述第二已涂覆的表面在一个或多个接触区域通过导电粘结剂互相连接，所述导电粘结剂和所述底层漆一起提供分别横跨所述第一和所述第二片的目标结合线电阻，该电阻比没有所述底层漆的所述粘结剂的对比接触电阻低；而且所述目标结合线电阻维持的时间比所述对比接触电阻维持的时间长。2.权利要求1的导电元件，其中所述目标结合线电阻横跨所述第一和第二片通过所述粘结剂和所述底层漆进行测量，当暴露在燃料电池操作条件下超过500小时后小于20mΩ-cm2。3.权利要求1的导电元件，其中所述目标结合线电阻横跨所述第一和第二片通过所述粘结剂和所述底层漆进行测量，当暴露在燃料电池操作条件下超过6000小时后小于5mΩ-cm2。4.权利要求1的导电元件，其中所述第一和所述第二导电片包括导电金属。5.权利要求1的导电元件，其中所述第一和所述第二导电片包括导电聚合物复合材料。6.权利要求1的导电元件，其中所述导电底层漆涂层在约1400KPa的压力下接触电阻小于或等于约20mΩ-cm2。7.权利要求1的导电元件，其中所述底层漆涂层包括胶连剂基质和多个导电颗粒。8.权利要求7的导电元件，其中所述胶连剂是聚合物树脂，选自聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺、聚乙烯酯和其混合物。9.权利要求1的导电元件，其中所述底层漆涂层是固化的。10.权利要求7的导电元件，其中所述底层漆涂层的所述导电颗粒选自金、铂、镍、锡、银、钯、贵金属、石墨、碳黑、和其混合物。11.权利要求10的导电元件，其中所述导电颗粒包括石墨和碳黑。12.权利要求11的导电元件，其中所述石墨选自膨胀石墨、石墨-->粉、石墨片、和其混合物。13.上述权利要求11的导电元件，其中所述结合的石墨和碳在所述基质中的总量小于约10wt％。14.权利要求1的导电元件，其中所述导电粘结剂是部分固化的。15.权利要求1的导电元件，其中所述导电粘结剂包括粘性聚合物和多个导电颗粒。16.权利要求15的导电元件，其中所述粘性聚合物包括聚酰胺酰亚胺。17.权利要求15的导电元件，其中所述粘性聚合物选自弹性体、压敏粘结剂、热固化粘结剂、和其混合物。18.权利要求15的导电元件，其中所述粘性聚合物的玻璃化转变温度(Tg)小于约-20℃。19.上述权利要求18的导电元件，其中所述粘性聚合物选自乙烯、丙烯、丁烯、乙烯丙烯二聚物(EPDM)、乙烯丙烯单体(EPM)、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、异丁烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、苯乙烯丁二烯橡胶、丁二烯橡胶、氮化橡胶、环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂类、硅树脂类、酚醛树脂类、酚醛清漆类、聚甲基丙烯酸甲酯，和其混合物。20.权利要求15的导电元件，其中所述导电粘结剂的所述导电颗粒选自金、铂、镍、锡、银、钯、贵金属、石墨、碳黑、和其混合物。21.权利要求1的导电元件，其中所述第一和所述第二已涂覆的表面在所述一个或多个接触区域通过形成流体密封性密封的导电粘结剂互相连接。22.一种用于PEM燃料电池的...

【专利技术属性】
技术研发人员：RH布伦克，MH阿布德埃尔哈米德，DJ利西，Y米克海尔，MK布丁斯基，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]