CN1210827C - 电化学电池部件的连接 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种为电化学电池或电化学电池组，特别是用来直接产生电的燃料电池组制作子组件的方法。该方法包括将两个或多个电化学电池部件，如板、框架、流场、垫片、密封垫、隔膜等连接在一起，形成用于制造电化学电池组的子组件。此连接可使用聚合物连接件(如粘结剂)使用金属连接件(如焊料)实现，前者涉及聚合物和/或金属部件，后者涉及金属部件。该连接提供密封的电池，而且部件间的接触电阻较低。

Description

电化学电池部件的连接
发明领域
本发明涉及电化学电池和装配电化学电池的方法。
发明背景
采用质子交换膜(PEM)的电化学电池可以配置成相邻电池间具有双极隔板的电池组(stack)。这些双极隔板通常由多种金属(如钛和不锈钢)和非金属导体(如石墨碳)制成。双极隔板通常是通过把流场加工成材料的实心板(solid sheet)而成。或者，当采用碳质导电材料时，其前体材料通过注入成型而形成，然后在严格控制的条件下，通过高温烧结将其转化成导电碳。流场由一系列可流通气体和液体的通道或沟槽构成。
图1为由导电材料实心板制成的现有技术双极隔板10的正视图。板的中间部分具有加工为其表面的流场12。流场可以多种方式引导流体从电极的表面通过。但此处图示的为平行的螺旋状通道。在流场12的周围，隔板提供了许多用来装配和固定电池组的螺栓孔14，用来连通通过电池组的流体的各种集管16，和可使板与电池组的相邻部件之间密封的平面18。
除了提供流体流场外，在电化学电池中使用的双极隔板必须收集一个电极(也就是阳极)中逸出的电子，传导电子通过板，和将电子传送到隔板相对侧的另一电极(也就是阴极)的表面。如图1所示的双极板，通过电极和流场12中通道22间的背部20之间的接触，从相对电池的电极收集和传送电子。
图2为装配成氢-空气燃料电池组30的质子交换膜(PEM)电化学电池的示意图。该电池组30包括两个相同的燃料电池32，每个电池具有一个阴极34，一个PEM 36和一个阳极38。在双极隔板42的其中一侧和端板44内表面设有流场40(为了清楚示意性画出)。在阳极38逸出的电子引导电流流向隔板42另一侧上相邻电池的阴极34，在电池组的最后一个阳极(此处为页面右边的阳极)的情况下，则是通过外电路46。然后电子与阴极34上的质子和氧结合生成水。燃料电池30的电势可通过增加电池组中的电池32来提高。
虽然前述的方法相对有一定进步，但它仍有几个缺点。第一，用来制作双极隔板的实心片状石墨或金属将最终产品的密度限制在与以前电池组大致相同的程度，因而制成的双极隔板既致密又沉重。第二，与相对便宜的模塑、铸造或冲压方法相反，将固体起始坯料加工成片需要相对昂贵的加工方法。当模塑过程中使用碳成分时并不昂贵，但是将前体转变为最终产品所需的控制烧结过程较慢，而且整个过程中需要精确控制气氛和温度。
制造电化学燃料电池的另一个重要方面是电池中产生的接缝和接点的数量。减少接缝和接点的数量可以大大提高电化学电池组的性能，例如，如果采用一组平整的部件制造，由于它们的潜在泄漏点较少而且电接触电阻较小。因此非常希望提供接缝和接点最少的电化学电池制造工艺。
采用相对平整的部件装配PEM燃料电池组需要在各界面进行气密密封。密封垫常用来进行气密密封，但是密封垫会增加装配电池组时必须制造和校准的部件的数量。在电化学电池部件的界面间形成气密连接或密封的方法和装置将避免使用这些密封垫并且产生效率更高的电池。
因此，仍需要改进双极隔板。希望双极隔板薄且轻，并且能够支持高电流密度。进一步希望双极隔板减少单个电池或电池组中接缝或接点的数量，并减少对密封垫的需要。而且，如果双极隔板的结构允许引入其它特性(如透水性和反应气体不透性)，也是有用的。
发明概述
根据本发明的一个方面，提供一种制作电化学电池双极板的方法，包括：将具有板和流场的子组件与一个或多个置于其间的连接件对齐，其中连接件的熔点温度低于板和流场部件的熔点温度；压缩子组件；将子组件加热到低于800℃的温度；和使子组件冷却。
该方法可以进一步包括将子组件放置在电化学电池中。
或者，该方法可以进一步包括将子组件放置在电化学电池组中。
方便的是，板和流场是金属部件，并且连接件是在低于500℃的温度下熔融的金属或金属合金。
有利的是，金属部件选自不锈钢、镍、铝、钛、镁或它们的组合。
该方法可以进一步包括将金属部件浸入熔剂中，然后将金属部件浸入焊料中。
优选焊料含有从锡、铋、铅、铟及它们的合金中选择的金属。
或者，焊料含有银和锡。
该方法可以另外包括在将金属部件浸入熔体前，在金属部件上涂覆一层防腐过渡金属。
方便的是，连接金属通过还原沉积从溶剂涂覆到金属部件的表面之一。
优选溶剂选自水或水基液体。
有利的是，沉积的金属包括选自锡、铋、铅、铟或它们的合金的组分。
或者，连接金属通过真空气相沉积或溅射涂覆到金属部件表面之一。
该方法可以进一步包括通过粘结剂与子组件连接的选自框架、密封垫、隔膜、垫片或它们的组合的聚合物部件。
方便的是，板和流场包括一个或多个金属部件和一个或多个聚合物部件，并且其中连接件为粘结剂。
优选子组件进一步包括框架。
有利的是，双极板包括两块板，一个流场和一个框架，其中框架和流场置于两块板之间，框架设置在流场的周围，以及其中框架具有与流场流体连通的通道。
本发明还涉及一种流体冷却的双极板组件，包括：两个具有相对表面的导电板；一个导电流场，处在两个导电板之间，以与板的相对表面的实质部分电子连通的方式连接；一个框架，设置在导电流场周围并在导电板之间连接，其中框架具有为流场和流体源之间提供流体连通的通道，并且导电阴极流场和导电阳极流场与板的外表面连接。
优选组件用粘结剂连接。
或者，组件用焊料连接。
本发明还涉及一种电化学电池的双极板，包括：两个或多个多孔导电板，选自膨胀金属网，编织金属网、发泡金属、导电聚合物泡沫、多孔导电碳材料或它们的组合；一个设置成在板之间电接触的导电气体阻挡板；一个设置在两个或多个多孔导电板任何一个周围的电池框架，其中电池框架有至少一个表面与气体阻挡板连接，以及其中电池框架包括在多孔导电板和流体源之间提供流体连通的通道。
优选电池框架为金属质，并通过金属连接件与气体阻挡板连接。
方便的是，电池框架为聚合物质，并通过聚合物连接件与气体阻挡板连接。
优选金属连接件通过将框架焊接到气体阻挡板而形成。
有利的是，聚合物连接件由粘结剂产生。
本发明提供一种制作电化学电池子组件的方法。该方法包括将一个具有两个或多个电化学电池部件的子组件与一个或多个置于两个或多个电化学电池部件间的连接件对齐。连接件的熔点温度低于两个或多个电化学电池部件中任一个的熔点温度。子组件被压缩并被加热到连接件熔点附近和两个或多个电化学电池部件中任何一个熔点最低的温度附近之间，此温度优选低于800℃，更优选低于250℃，然后将子组件冷却。
优选将子组件配置在电化学电池或电化学电池组中。两个或多个电化学电池部件优选为选自板、垫片、框架、流场或及它们的组合的金属部件，如不锈钢、钛、镍、镀镍铝、镀镍镁或它们的组合。连接件最好为焊料。金属部件最好浸入熔体中，然后浸入到形成连接金属或焊料中，比如锡或银-锡合金中。连接金属或焊料也可通过电沉积或各种真空沉积技术覆盖在金属表面。
轻型或易于氧化的金属部件，比如由铝、镁或含有铝或镁的合金制成的部件最好在浸入熔体前涂覆一层耐腐蚀过渡金属。适合的耐腐蚀过渡金属包括但不限于钴、铜、银、镍、金或它们的组合。镍是防腐蚀层最常用的金属。
或者，两个或多个电化学电池部件可以是选自框架、密封垫、隔膜、垫片或它们的组合的聚合物部件，其中的连接件最好是粘结剂。两个或多个电化学电池部件也可包含一个或多个金属部件和一个或多个聚合物部件，其中的连接件是粘结剂。
两个或多个电化学电池部件可包含一个板和一个流场。子组件最好包含一个双极板和一个框架。双极板优选具有两个板，一个流场和一个框架。框架和流场设置在两个板之间，且框架围绕在流场周围。框架具有与流场流体连通的通道。
在本发明的另一个实施方案中，提供了一个包含两个具有相对表面的导电板的流体冷却双极板组件，一个位于两个导电板之间、与板的相对表面的实质部分以电子连通方式连接的导电流场，和一个位于导电流场周围并在两个导电板之间连接的框架。框架具有通道，用来在流场和流体源之间建立流体连通。
优选地，将导电阴极流场和导电阳极流场连接到组件的相对侧面上。组件优选用粘结剂或/焊料连接。
而在另一实施方案中，提供了一种含有两个或多个多孔导电板的双极板，导电板选自膨胀金属网(expanded metal mesh)、编织金属网、发泡金属、导电聚合物泡沫、多孔导电碳材料或它们的组合。导电气体阻挡板设置成在板之间电接触。电池框架设置于两个或多个多孔导电板任意一个的周围。电池框架至少有一个表面与气体阻挡板相连。
优选地，电池框架包含与多孔导电板流体连通的通道。电池框架可以是金属质，并且通过金属连接件与气体阻挡板连接。金属连接件优选通过将电池框架焊接到气体阻挡板上形成。另外，电池框架可以是聚合物质，并且通过聚合物连接件与气体阻挡板连接。聚合物连接件优选由粘结剂形成。
附图的简要说明
为了更详细地理解本发明的上述特征和优点，本发明的更详尽的描述(简要总结上述内容)可以参考用附图例示的实施方案得到。然而，值得注意的是，附图仅仅给出了本发明的典型实施方案，因此不能认为是对其范围的限定，因为本发明也可在其它效果等同的实施方案中实施。
图1为具有螺旋形流场设计的典型金属隔板的正视图。
图2为PEM燃料电池的横截面示意图。为清楚起见，大大增加了部件的相对厚度。
图3为具有金属气体阻挡板以及金属流场和聚合物电池框架的双极板的部分横截面图。
图4为用于流体冷却的双极板三维结构的平整部件的示意图。
图5为本发明的燃料电池组性能曲线图。
优选实施方案详述
本发明涉及用于电化学电池的部件和装配那些部件的方法，包括双极隔板。更特别地，本发明涉及连接单一电池和/或电池组中相邻电池的相邻部件的方法。此连接提供气密密封，它可以减少或消除特定密封垫部件的需求，并减少或消除特定的接触电阻。
本发明的一方面为具有导电流场、至少一个气体阻挡板和电池框架的电化学电池提供一个双极板。双极板的部件之间采用聚合体型连接件或金属型连接件相互连接，形成气密连接。
本发明的另一个方面是为双极板的导电部分提供一种连接方法。导电件被镀锡或电镀，使其涂覆一层导电金属，然后在压力和加热条件下连接在一起，在不同部件之间形成连接。
双极板的部件或电化学电池的其它部件可以分为两类，一类是为使电池组工作必须是导电的，而另一类则不需要导电。双极板的流场和气体阻挡板必须由导电材料制成，如金属或导电形态的碳(如石墨)。电池框架和密封表面，也称为垫片可以是电绝缘的或导电的，它们可以选择性地由各种聚合物制作，从而使部件的密度减小，并大大减轻了电池或电池组的总重量。
当电池组的单一部件由聚合物制成而其它部件由金属制成时，在燃料电池组中就可能出现三种类型的界面，即聚合物-金属界面、聚合物-聚合物界面(如将隔膜和电极组件(M&E’s)连接在一起)和金属-金属界面。这几种类型的界面在形成电化学电池组时连接是不同的。
图3为双极板48的部分横截面图，它具有金属气体阻挡板50以及流场52和聚合体电池框架54，它基本上代替了密封垫。此处画出的流场52为发泡金属，但也可由膨胀金属网、穿孔金属、金属网筛或其它多孔导电材料制成，如美国专利申请08/787,271(在此整体通过引用并入本文)所述。金属气体阻挡板50扩展到流场52之外，优选到达电池组的边缘，在气体阻挡板阳极和阴极侧上形成独立的电池框架54。如图所示，流场52靠着阻挡板50并在框架54内放置。如果需要，也可在阻挡板和框架之间额外增加密封。
图4是流体冷却的双极板的三维结构中使用的部件的示意图。图中给出了由一系列基本为平板状的部件装配的流体冷却的双极板55，包括两个冷却流体阻挡板60和一个冷却流体框架62，其中具有一个导电流场63，与图3中的流场52类似。可选择地，流体冷却的双极板55还可包括一个阳极电池框架58，阴极电池框架64和密封板56(用来连接和固定PEM或隔膜和电极(M&E)组件)。
该双极板包括一个内部冷却流场63，它用来通过冷却流体以冷却电池组。冷却流体从冷却流体入口集管65流入，穿过冷却流体框架62中的冷却流场63，然后进入冷却流体出口集管(图中未示出)，它大致上与入口集管65相似，但方向与它相对。阳极电池框架58中的流场67，冷却流体框架62中的流场63和阴极电池框架64中的流场69可用上述的任何多孔导电材料制成。
连接聚合物-金属
将轻型PEM燃料电池组的聚合物元件(如阳极和阴极电池框架)与金属元件(如气体阻挡板)连接可用粘结剂完成，粘结剂将两者的表面结合形成气密密封，这种密封在典型电池工作条件下是稳定的。
对用来装配PEM燃料电池部件的四种聚合物(聚碳酸酯、聚醚砜、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺)进行了试验，这些聚合物是被认为对本申请有用的热塑性塑料的代表。这些聚合物板与镀金的钛板用不同的粘结剂连接，以确定产生可用于电化学电池中的适当连接的组合。这些试验之所以要选择镀金钛板是因为它被认为是可用于导电电化学电池部件中与聚合物聚合物的最有希望的材料。
连接0.032”(0.813mm)的聚合物板和0.007”(0.178mm)的镀金钛板可以使用各种粘结剂。试验样品大约有2厘米宽和2厘米长。过程涉及准备表面，涂抹粘结剂，连接和根据各自的制造规范固化粘结剂。然后将连接后的样品暴露在60℃的水中24小时，之后样品经检验从而确定连接质量。表1给出了一组具有合理连接特性的有代表性的粘结剂。
表1粘性连接聚合物/金属对的粘结试验
  聚合物     粘结剂     结果
  聚碳酸酯     丙烯酸-环氧混合物     与两表面的粘附力一般，内聚力一般
  聚碳酸酯     丁二烯     与两表面粘附力好；内聚力一般
  聚碳酸酯     丙烯酸     与两表面的粘附力一般；内聚力差
  聚碳酸酯     聚氨酯     湿润时连接Ti表面失败
  聚碳酸酯     氯丁橡胶     粘附力和内聚力好，但颜料泄漏到了水里
聚碳酸酯     丙烯酸/橡胶(acrylic w/rubber) 湿润时连接Ti表面失败
  聚碳酸酯     热封     湿润时粘附力和内聚力极好
  聚醚砜     丁二烯     与两表面粘附力好；内聚力一般
  聚醚砜     聚氨酯     湿润时连接Ti表面失败
  聚醚砜     氯丁橡胶     粘附力和内聚力极好，但颜料泄漏到了水里
  聚醚酰亚胺     丁二烯     与两表面粘附力好，内聚力一般
  聚醚酰亚胺     聚氨酯     湿润时连接Ti表面失败
  聚醚酰亚胺     氯丁橡胶     粘附力和内聚力极好，但颜料泄漏到了水里
  聚醚酰亚胺     丙烯酸/橡胶     湿润时连接镀金Ti表面失败
  聚醚酰亚胺     热封     湿润时连接镀金Ti表面失败
  聚酰亚胺     硅树脂     连接塑料表面失败
  聚酰亚胺     钯/银环氧     粘附力和内聚力好
  聚酰亚胺     丙烯酸-环氧混合物     连接塑料表面失败
表2表1中出现的粘结剂产品和制造商标识
    粘结剂     产品名   制造商
    丙烯酸-环氧混合物     PLASTIC WELDER II   Devcon Inc.，Danvers，MA
    丁二烯     GOOP和E6000STIK N SEAL   Eclectic Products，Carson，CALoctite，Inc.，Newington，CN
    丙烯酸     Acrylic 204和Acrylic 406   Lord Adhesives，Erie，PA
    聚氨酯   PLIOGRIP 7775L   Ashland Chemical，Columbus，OH
    氯丁橡胶   SCOTCH GRIP 1357   3M，St Paul，MN
    丙烯酸/橡胶   Acrylic 330   Loctite，Inc.，Newington，CN
    热封   Polyurethane 3218   Bemis Assoc.Inc.，Shirley，MA
    硅树脂   748Silicone Rubber Cement   Dow-Corning，Midland，MI
    钯/银环氧   Pd/Ag filled Epoxy   Epotek，Inc.，Billerica，MA
这个列表具有一定的代表性，但并不排除可以用于实施本发明的其它种类的材料。
连接金属-金属
两种金属-金属的连接出现在电化学电池中。有对电子的传导路径非常重要的连接，如流场和气体阻挡板的连接，也有对密封以防止流体泄漏非常重要的连接，如气体阻挡板与金属框架之间的连接。至于气密连接，如果连接件导电是很有利的，但一般并不必要。
各种金属之间的导电连接可以通过把不同的部件焊接在一起产生。焊接是一种公知技术，用熔点较低的金属将两个由熔点比低熔点金属或焊料高的金属制成的部件连接在一起。为了取得好的连接效果，低熔点金属润湿高熔点金属是很必要的。
传统的为将电工组件进行线连接而进行的焊接包括将部件加热到焊料的熔点温度以上，然后施用熔剂去除金属上的氧化物膜，最后涂覆焊料，有时熔剂和焊料一起涂覆。大面积的焊接需要不同的过程。为了焊接大而平整的表面，部件首先要用几种方法中的一种方法涂覆形成连接的金属或合金。在称为镀锡的工艺中，首先要涂覆熔剂，然后涂覆焊料。熔剂的涂覆有不同的方法，但是刷涂和浸渍是最常用的方法。焊料的涂覆通常是通过将部件在熔融的焊料中浸渍来完成。对由不锈钢、镍、钛、镁、铝及含铝和镁的合金制造的部件采用的特定镀锡方法如下所述。形成连接的金属或合金也可采用电沉积或化学沉积方法镀到金属表面，这两种方法都是公知的方法。形成连接的金属或合金也可采用真空沉积技术(如蒸镀、化学气相沉积和喷镀)沉积到金属表面。
通过镀锡或电镀沉积连接的金属后，通过将被连接的平整表面夹紧在一起将部件连接，然后将组件再加热到焊料软化温度以上。夹紧和加热可以通过采用热压同时完成。
不锈钢部件的镀锡过程包括：将部件浸入酸性熔剂溶液中；将部件缓慢浸入熔融焊料中；将部件再次浸入酸性熔剂中；将部件再次浸入熔融的焊料中。镀锡过程优选在惰性气氛下进行。洁净的不锈钢部件浸入水溶性熔剂中，优选为酸性熔剂，并允许过量的溶液排出。然后将部件缓慢地降到熔融的焊料中。缓慢浸部件是很重要的，因为熔剂只在当自身热时才具有去除氧化物膜的活性，而且缓慢浸入可以延长接触时间和更好地去除氧化物。优选银焊料，如共晶锡-银(96.5Sn:3.5Ag)。在有些情况下，只在熔融焊料中浸入就足够了，但是在另外的情况下，优选二次浸入。在后一种情况下，部件从焊料中移走后，容许缓慢冷却以确保焊料凝固，然后再次浸入熔剂中。然后将部件移出熔剂，并排出过量的溶液。理想情况下，部件应该充分的热，从而当其接触时使熔剂沸腾。在最后一个步骤中，部件缓慢降到熔融焊料中，然后移出。
第一次浸入焊料中时，不锈钢部件表面的大部分覆盖了一层薄薄的焊料，然而有时候，有些区域的氧化物膜由于涂覆的不太好而没有被熔剂去除。第二次趁部件发热浸入熔剂中时，部件上的剩余氧化物膜都被去除，金属表面生成了光亮、镜样的涂层(finish)。焊接前将金属表面上的油脂和表面污渍去除是很重要的，表面没有清洗和去油脂可能会在氧化层上留下保护模，从而阻止熔剂清洁表面，并妨碍焊料的粘结。镀锡后，部件最好在去离子水中充分洗涤以去除所有残留的熔剂。由于水溶性熔剂残余物漂浮在熔融焊料的表面，因此大部分部件在镀锡表面都会存在痕量熔剂。其它种类的熔剂也可用于镀锡过程。
如果钛、铝、镁和含有这些元素的合金首先用镍、铜或其它更易于接受镀锡的金属镀覆，同样的镀锡工艺也适用于它们。贵金属或贱金属也可用于镀钛。
含钛、铝和镁的部件镀锡工艺包括：用镍电镀部件，将部件浸入酸性熔剂溶液中，然后将部件浸入熔融的焊料中。为了用镍电镀部件，必须去除氧化物膜。
部件镀镍后，涂覆一层熔剂，然后浸入熔现焊料中，采用与不锈钢同样的循环和银焊料产生光亮的镀锡涂层。一般地，对用于镀镍铝的各熔剂和焊料，只需浸入一次。
如果采用合适的熔剂和焊料组合，铝和钛都可直接镀锡。采用高粘度的液体熔剂，铝和钛都可直接镀锡。在此工艺中，部件首先浸入熔剂中，然后缓慢浸入熔融的焊料中，只一个循环就足够了。对于这些金属，优选具有更活泼组分的焊料，比如共晶锡-锌(91％Sn，9％Zn，熔点为199℃)。
注意到为了得到最好的结果，此处提到的所有镀锡操作优选在无氧的气氛下进行，或氧含量大幅降低的气氛下进行是重要的。不必要(事实上在大部分情况下也不可能)排除水，因为许多熔剂的主组分为水。
只要采用了锡基焊料，在形成最终的连接时，焊料中存在何种合金元素并无多大关系，镀锡部件能够很容易地连接在一起。当含有不同组分的焊料用于被连接的锡金属时，将夹紧的部件至少加热到高熔点焊料的熔点是很重要的。
虽然通过将金属部件焊接在一起产生的冶金连接效果是优选的，但它并不是连接金属部件的唯一方法。如表II所列举的粘结剂也可用于某些金属和金属间的连接。一般地，这些粘结剂适合于不需要整个连接件导电的连接。除了填充有钯-银的环氧外，表II中列出的粘结剂没有一个是导电的。导电粘结剂连接在生产根据本发明的电化学电池或电池组时可以取代焊接连接。
对金属连接技术领域中的技术人员来讲，显然还有其它金属连接工艺可以运用于此类型电池组的装配。当它们采用本质上与此处描述的方法相似的方法装配电化学电池组时，也被认为是本发明的一部分。
连接聚合物-聚合物
有许多粘结剂适合工程热塑性塑料之间的连接。然而，将PEM隔膜连接到其它材料上是很困难的，因为全氟化的隔膜对于大部分粘结剂的粘结有抗性。Dow-Corning748TM粘结剂(见表II第8行)可以很好地与隔膜和许多金属表面粘接。而剥离强度为约1.3千克/厘米的连接，对大部分构造目的是不适合的，它更适合于产生用于电化学电池中的薄且充分粘结的密封。
装配步骤
装配一个充分连接的电化学电池组包括几个步骤。首先将所有的金属部件用连接金属涂覆，包括阳极流场、阴极流场和冷却流场；气体阻挡板和冷却流场周围的框架。然后将这些部件叠放到位，小心定位，然后用校准装置或夹具将它们固定好。然后将部件和夹具放置在热压机中将部件夹在一起，将气体阻挡板紧压靠冷却框架，将流场紧压靠气体阻挡板挤压。为了再熔融连接金属，将热压机加热到稍高于熔点最高的连接金属的熔点温度，然后将连接后的组件在热压机中冷却。
切削热熔性粘结剂的板以配合阳极和阴极电池框架的尺寸和形状。使用它们，用热压机将电池框架连接到电池垫片上。这两件子组件通过同样的技术连接到装配好的双极板上。如果需要，所有的热熔连接可一步完成。
非冷却的双极板相对容易制造，因为它含有的部件较少。通过焊接将流场连接到气体阻挡板的相对侧。阳极和阴极电池框架用热熔粘结剂通过一个或两个冲压操作连接在气体阻挡板和垫片上。
下面的实施例给出了本发明的一些优选实施方案，但它们在任何意义上都不能理解为对本发明的限制。
实施例1
该实施例给出了液体冷却的双极板的芯的装配。
两个钛气体阻挡板由0.0045”(0.114mm)镀金的金属板制成。框架由0.032”(0.813mm)的聚醚砜板制成。流场由三层膨胀钛制成，其中的一层厚度在全膨胀时约为0.030”(0.762mm)，另两个膨胀后基本平展回它的原始厚度0.003”(0.076mm)。三个板全部点焊在一起，0.003”的板焊接到0.030”板的反面，并且焊接的组件是镀金的。刻意将此流场的厚度制造的比框架厚，以确保流场(如弹簧一样可压缩)对气体阻挡板加压从而确保与阻挡板电接触。
聚醚砜框架的表面涂覆有ECLECTIC E6000粘结剂，用手将框架压靠一个气体阻挡板，并用专用于定位的定位夹具保持两个部件成一直线，并在部件上安装定位销以确保所有的部件精确地成一直线。流场放置在阻挡板上框架产生的孔洞中，且第二个气体阻挡板压在其它部件的上方。将仍处于组件夹具中的组件放置在热压机中。然后部件被挤压在一起并在足够大的压力条件下固化，使部件在60℃保持24小时。最后就制成了一个具有与适合冷却流体通过以从燃料电池组中去除废热的内部流场流体相通的气体阻挡板的双极板。在接下来的装配步骤中，处理此子组件的方法与处理单个气体阻挡板的方法相同。
实施例2
该实施例给出了用热熔粘结剂连接两部件。
面垫片(face shim)或密封板56由0.0045”(0.114mm)钛板制成，如图4所示。阳极电池框架由0.032”(0.813mm)聚醚砜板制成。用阳极板框架作为模板切削热熔性粘结剂(BEMIS 3218号)的板。三个板叠放在专用于定位的定位夹具中，并装上定位销以确保所有的部件与金属垫片和聚合物框架之间的粘结剂精确地保持成一直线。内部具有部件的夹具被放置在热压机上，并被压缩以确保和保持板组件之间的紧密接触，然后加热到150℃(该步骤采用温度随所用粘结剂而变化)。几分钟后，热压机冷却，将子组件移出。
此子组件适合用作阳极流场和隔膜和电极组件(M&E)的连接表面周围的框架，及用于燃料电池组的装配。
实施例3
此实施例给出了不锈钢的镀锡。气体阻挡板由0.010”(0.254mm)的不锈钢板制成。气体阻挡板和其它需要进行镀锡操作的物品(熔剂、焊料、加热器、钳子、温度指示器等)放置在手套式操作箱中，且箱中的气氛用氩气充分净化以防止刚刚清理的表面氧化。阻挡板浸入一种酸性液体熔剂，如LA-CO N-3(LA-CO Industries，Chicago，IL)中。过量的液体可从不锈钢板排出，并将件缓慢浸入熔融的银-锡共晶焊料(3.5％Ag，96.5％Sn，熔点为221℃(Kester Solder，Des Plaines，IL))中。将件缓慢浸入是非常重要的，因为熔剂只是在有限的温度范围内有活性且能够溶解金属的表面氧化层，缓慢浸入可以确保部件的整个表面在所有具有溶解氧化膜活性的盐汽化前与处在活性温度的熔剂充分接触。
浸入后，从熔融的焊料中移出部件，表面的所有部分通过涂覆有焊料的熔剂剥落了氧化物。冷却部件直到焊料在再次浸入熔剂前凝固。使部件保持足够热以使得其与金属表面接触时使液体轻沸。将部件从熔剂中取出然后再次缓慢浸入焊料中。第二次循环用来将第一次未剥落的氧化物从部件的表面去除，并在这些地方涂覆焊料。部件从熔融焊料移出后，在空气中进行冷却直到焊料凝固。然后将部件放在耐热表面或其它支撑物上完成冷却。结果是在镀锡部分得到镜样的涂层。
实施例4
此实施例给出了铝的镀锡。流体冷却的双极隔板的冷却电池框架由0.020”(0.508mm)的镀镍铝板制成。气体阻挡板和其它需要进行镀锡操作的物品(熔剂、焊料、加热器、钳子、温度指示器等)放置在手套式操作箱中，且箱中的气氛用氩气充分净化以防止刚刚清理的表面氧化。阻挡板浸入一种酸性液体熔剂，如LA-CO N-3(LA-COIndustries，Chicago，IL)中。过量的液体可以排出，并将件缓慢浸入熔融的银-锡共晶焊料(3.5％Ag，96.5％Sn，熔点为221℃(Kester Solder，Des Plaines，IL))中。将件缓慢浸入是非常重要的，因为熔剂只是在有限的温度范围内有活性且能够溶解金属的表面氧化层，缓慢浸入可以确保部件的整个表面在挥发组分蒸发前与处于活性温度的熔剂充分接触。浸入后，将表面完全涂覆了焊料的组件从熔融的焊料中移出。
实施例5
此实施例给出了用焊料连接铝和不锈钢部件以形成液体冷却的双极板的芯。
两个气体阻挡板和流场按照实施例3镀锡。一个铝冷却框架按照实施例4镀锡。部件如图4叠放并置于热压机中并紧紧地夹在一起，热压机中配有热电偶与框架的一侧连接。将热压机加热直到热电偶显示已经达到负荷并在约230℃温度保持约5分钟，此时关掉加热器电源，并将整个组件冷却同时保持在受压缩状态。结果就得到了一个与适合用作燃料电池组部件、特殊目的是从电池组中除去废热的内部流场流体相通的水冷气体阻挡板。在接下来的装配步骤中，处理此子组件的方式与处理简单气体阻挡板之一的方式相同。
实施例6
此实施例给出了根据本发明制造的燃料电池组的性能。
用实施例1中的方法制作一套尺寸适合用于活动面积为125cm2燃料电池组的四个水冷双极板芯。电池组中还使用了三个非冷却双极板。用实施例2的方法为这种尺寸的电池组制作八个带垫片的阳极电池框架和八个带垫片的阴极电池框架。另外的部件(M&E’s，流场、密封垫等)也采用传统的方法制作。所有这些部件用来装配一个具有八个电池的PEM燃料电池组。电池组采用氢燃料和空气作为氧化剂进行工作。图5为八电池的电池组(125cm2活性面积/电池)在M&E温度为62～64℃，燃料气体压力为15psig，燃料和氧化性气体加湿到露点27℃，气体以化学计量的四倍量供应时的工作性能。对于该电池组的重复单元，该电池组提供的输出为967W/kg和846W/L，确定其效率为53.4％(电势为0.651V/电池)。
虽然上述内容是针对本发明的优选实施方案，但在不偏离本发明基本范围的情况下还可以设计出其它的实施方案，本发明的范围将由随后的权利要求书限定。

Claims (31)

1.一种制作电化学电池双极板的方法，包括：
将具有板和流场的子组件与一个或多个置于它们之间的连接件对齐，其中连接件的熔点温度低于板和流场部件的熔点温度；
压缩子组件；
将子组件加热到低于800℃的温度；和
使组件冷却。
2.如权利要求1的方法，还包括：
将子组件放置在电化学电池中。
3.如权利要求1的方法，还包括：
将子组件放置在电化学电池组中。
4.如权利要求1-3中任一项的方法，其中板和流场为金属部件，连接件为在低于500℃的温度下熔融的金属或金属合金。
5.如权利要求4的方法，其中金属部件选自不锈钢、镍、铝、钛、镁或它们的组合。
6.如权利要求4的方法，还包括：
将金属部件浸入熔剂中；
然后将金属部件浸入焊料中。
7.如权利要求5的方法，还包括：
将金属部件浸入熔剂中；
然后将金属部件浸入焊料中。
8.如权利要求6的方法，其中焊料包括选自锡、铋、铅、铟及它们的合金。
9.如权利要求6的方法，其中焊料包括银和锡。
10.如权利要求6的方法，还包括：
将金属部件浸入熔体前，在金属部件上涂覆一层防腐过渡金属。
11.如权利要求4的方法，其中连接金属通过还原沉积从溶剂涂覆到其中一个金属部件的表面。
12.如权利要求11的方法，其中溶剂选自水或水基液体。
13.如权利要求11的方法，其中沉积的金属包括选自锡、铋、铅、铟或它们的合金的组分。
14.如权利要求12的方法，其中沉积的金属包括选自锡、铋、铅、铟或它们的合金的组分。
15.如权利要求4的方法，其中连接金属通过真空气相沉积或溅射涂覆到其中一个金属部件的表面。
16.如权利要求1-3中任一项的方法，其进一步包括选自框架、密封垫、隔膜、垫片或它们的组合的一个或多个聚合物部件，它们通过粘结剂与子组件连接。
17.如权利要求4的方法，其进一步包括选自框架、密封垫、隔膜、垫片或它们的组合的一个或多个聚合物部件，它们通过粘结剂与子组件连接。
18.如权利要求1-3任一项的方法，其中板和流场包含一个或多个金属部件和一个或多个聚合物部件，其中连接件为粘结剂。
19.如权利要求4的方法，其中板和流场包含一个或多个金属部件和一个或多个聚合物部件，其中连接件为粘结剂。
20.如权利要求1-3中任一项的方法，其中子组件还包括框架。
21.如权利要求4的方法，其中子组件还包括框架。
22.如权利要求1-3中任一项的方法，其中双极板包括两块板、一个流场和一个框架，其中框架和流场设置于两块板之间，框架设置在流场的周围，以及其中框架具有与流场流体连通的通道。
23.如权利要求4的方法，其中双极板包括两块板、一个流场和一个框架，其中框架和流场设置于两块板之间，框架设置在流场的周围，以及其中框架具有与流场流体连通的通道。
24.一种流体冷却的双极板组件，包括：
两个具有相对表面的导电板；
一个导电流场，处在两个导电板之间，以与板的相对表面的实质部分电连通的方式连接；
一个框架，设置在导电流场周围并在导电板之间连接，其中框架具有为流场和流体源之间提供流体连通的通道；以及
一个导电阴极流场和一个导电阳极流场，它们连接在板的外面。
25.如权利要求24的组件，其中组件用粘结剂连接。
26.如权利要求24的组件，其中组件用焊料连接。
27.一种电化学电池的双极板，包括：
两个或多个多孔导电板，选自膨胀金属网，编织金属网、发泡金属、导电聚合物泡沫、多孔导电碳材料或它们的组合；
一个设置成在板之间电接触的导电气体阻挡板；
一个设置在两个或多个多孔导电板任何一个周围的电池框架，其中电池框架有至少一个表面与气体阻挡板连接，以及其中电池框架包括用于在多孔导电板和流体源间提供流体连通的通道。
28.如权利要求27的双极板，其中电池框架为金属质，并通过金属连接件与气体阻挡板连接。
29.如权利要求27的双极板，其中电池框架为聚合物质，并通过聚合物连接件与气体阻挡板连接。
30.如权利要求28的双极板，其中金属连接件通过将框架焊接到气体阻挡板而形成。
31.如权利要求29的双极板，其中聚合物连接件由粘结剂产生。
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