CN1981392A - 质子交换膜燃料电池中的双极板的低接触电阻连结方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

质子交换膜燃料电池中的双极板的低接触电阻连结方法
技术领域
本发明涉及燃料电池，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。
背景技术
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。
发明内容
本发明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。
本发明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发明可应用的其它领域。应该理解，详细描述和具体实例尽管示出了本发明的优选实施例，但仅旨在用于说明目的而不旨在限制本发明的范围。
附图说明
从下面的详细描述和附图中将更全面地理解本发明，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发明及其应用或使用。
本发明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。为了获得对本发明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。
本发明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。本发明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，根据本发明，板片可采用上述方法预成型，且随后施加超薄涂层，或可施加超薄涂层并随后成形(例如通过冲压)。
外部板片58具有其外部上的第一工作表面59，所述第一工作表面面对膜电极组件的阳极(未示出)且被形成以便提供多个棱区(land)64，所述棱区64限定出其间的多条沟槽66，所述沟槽已公知为燃料电池的反应物气体(即H2或O2)沿弯曲路径从双极板的一侧68向其另一侧70所流动通过的“流场”。当燃料电池完全组装好时，棱区64压靠在碳/石墨纸(例如图1所示的36或38)上，所述碳/石墨纸进一步压靠在膜电极组件(例如图1分别示出的4或6)上。为制图简便起见，图2仅示出了两个阵列的棱区64和沟槽66。实际上，棱区64和沟槽66将覆盖与碳/石墨纸接合的金属板片58、60的整个外表面。反应物气体由位于沿燃料电池一侧68的位置处的集管或歧管沟槽72被供应至沟槽66，且通过位于邻近燃料电池的相对侧70的位置处的另一条集管/歧管沟槽74排出沟槽66。每块板片58、60分别具有外周部区域77、79，所述外周部区域通常是不导电的，这是因为其位于电活性膜电极组件所占据区域的外部。
如图3最佳示出地，板片58的下侧包括多个脊部76，所述脊部限定出其间的多条通道78，冷却剂在燃料电池的工作过程中通过所述通道。如图3所示，冷却剂通道78位于每个棱区64下面而反应物气体沟槽66位于每个脊部76下面。另一种可选方式是，板片58可以是平的且在单独的板材中形成流场。板片60与板片58相似。就这方面而言，图中示出了多个脊部80，所述脊部在其间限定出多条通道93，冷却剂从双极板的一侧69通过所述通道流向另一侧71(如图2所示)。第一板片58和第二板片60的热交换(冷却剂侧)表面90、92彼此面对以便限定出其间的适于接收液体冷却剂的冷却剂流路93，且在多个接合处或接触区域100处彼此电联接。通过接触区域100的物理接触形成导电路径。与板片58相似且如图3最佳示出地，板片60的外侧具有面对另一个膜电极组件阴极的工作表面63，所述工作表面具有其上的限定出反应物气体所通过的多条沟槽86的多个棱区84。
冷却剂在分别由板片58、60形成的通道93之间流动，由此破坏了层状边界层且提供了紊流，这增强了分别与外部板片58、60的内表面90、92进行的热交换。如本领域的技术人员认识到地，本发明的集流器分隔器组件的设计例如在流场构型、流体输送歧管的放置和数量和冷却剂循环系统方面可不同于上述设计，然而，传导电流通过分隔板元件的表面和本体的功能在所有设计中是相似地。
图4是图3所示一部分的放大视图且示出了第一板片58上的脊部76和第二板片60上的脊部80，所述两个脊部在其相应的位于接触区域100中的表面90、92处彼此联接以确保分隔器元件组件56的结构整体性。第一金属基板片58在接触区域100处通过多个离散接触区域100直接(即没有中间间隔板)连接到第二金属基板片60上。接触区域100提供了双极板分隔器元件组件用作集流器所需的导电路径。接触区域100通常被本领域的技术人员称作“连结处”或“连结线”。
在接触区域100电阻过高的情况下，在接触区域100处产生相当大量的热量，所述热量被传递至冷却剂。可以相信通常通过焊接或钎焊使分隔器组件中的两块金属板片58、60彼此连接的常规方式形成了“针迹区(stitches)”(它们在本领域中是已公知地)，所述针迹区是相对离散的不连续区域，在所述区域处板片之间形成物理和电接触。当电流限于传导通过针迹区时，产生不均匀电流分布，这导致在那些区域中产生高电阻和热量。热量积聚由于产生过度局部加热而进一步有助于加热冷却剂，且还潜在地有助于在相应区域中产生穿过膜的针孔或破裂处。在本发明的一个方面中，电流优选被均匀分布在整个接触区域100上且穿过传导路径的持续性电阻足够低以使得其不会导致冷却剂的过热或在膜中产生针孔。
在本发明的优选实施例中，第一基板片58上覆盖有沿对应于膜电极组件(例如图1分别所示的4或6)占据区的电活性区域中的表面90沉积的第一导电耐氧化和耐腐蚀金属涂层110。第二基板片60也沿同样地对应于电活性区域的表面92覆盖有第二导电耐氧化和耐腐蚀金属涂层112。涂覆的第一基板片58和第二基板片60将在对应于棱区76、80彼此接触区的接触区域100处彼此面对。可选地，板片58和60的外面59和63还可覆盖有相同的金属涂层，如此处所示，或另一种可选方式是保持不涂覆(未示出)。
本发明还可适用于燃料电池内彼此连接的任何导电元件。尽管根据本发明，第一板片58和第二板片60可在双极板组件56中彼此直接连接，如图4所示，但另一种可选方式是，第一板片58和第二板片60可被附接到可隔开冷却剂流路93a的离散的中间传导分隔板片101(图5)上。中间分隔板片101可进行穿孔以便允许冷却剂在更小的冷却剂流路93a之间移动。在该实施例中，根据本发明，将通过将金属涂层103施加到分隔板片101的两个接触表面105上而对分隔板片101进行处理，所述涂层将接触第一传导板片58和第二传导板片的金属涂层110、112。在另一个可选的优选实施例中，分隔板片101可呈波纹状以在冷却剂流路中提供多条冷却剂通道(未示出)，或如图5所示，分隔板片101可以是连接到第一外板片58和第二外板片60上的平板片，所述第一外板片和第二外板片分别具有例如通过使外板片呈波纹状而在其中形成的多条冷却剂流道107。
根据本发明，金属涂层例如103、110、112是“超薄”的，这意味着金属涂层的厚度小于100nm。本发明的金属涂层103的优选方面在于其沿基板片101具有相对均匀分布的金属层。优选厚度小于15nm，且最优选的厚度在约2nm至约10nm之间。这种厚度对应于小于或等于金属原子约两个原子单层深度的厚度。燃料电池优选在压缩状态下工作，且因此在工作过程中压力被施加到包括其多个部件的整个燃料电池堆上。
重新参见图4，在第一板片58的第一金属涂层110与第二板片60的第二金属涂层112之间产生的接触形成了持续性连结，所述持续性连结使棱区76、80以持续方式连接从而使得不需要附加连结或物理附接。进一步地，由金属涂层110、112的接触形成的接触区域110提供了均匀电流分布、增强的长期耐久性和超过500工作小时的持续低接触电阻。根据本发明的更薄的涂层110、112在流体流道(例如冷却剂通道)中占据更少的体积且因此与钎焊相比提供了更大的流动路径和降低的压降。此外，其它以前的粘附板的方法引入了第三种材料，所述第三种材料可使流道受到削弱或撞击在流道上，增加流动阻力和压降。本发明完全消除了第三组分的需要，因此消除了阻塞流体流动路径的任何潜在障碍。
根据本发明，在施加至少50psi(350kpa)压力的压缩应力下测量的接触电阻优选小于20mOhm-cm2，且更优选小于15mOhm-cm2，且最优选在约7mOhm-cm2至约8mOhm-cm2之间，如穿过传导扩散纸和通过整个分隔器组件所测量地。进一步地，作为本发明的一部分，优选沿待施加金属涂层110、112的区域去除金属板片58、60的表面90、92上且尤其是接触区域100中的所有金属氧化物，以在板片58、60之间形成穿过连接金属涂层110、112的尽可能低电阻的连接。
根据本发明的优选超薄导电耐氧化和耐腐蚀金属涂层110、112包括贵金属，如银(Ag)、钛(Ti)和铂(Pt)。本发明的最优选金属涂层中包含金(Au)。应该注意，第一金属涂层110和第二金属涂层112可具有相同成分，或可具有不同成分，且进一步可以是金属混合物。在优选实施例中，第一涂层110和第二涂层112具有相同成分。现在将结合图6对将金属涂层110、112沉积到表面90、92的电活性区域上的一种优选方法进行描述。为了将传导涂层110、112沉积到基板上，采用离子辅助的物理气相沉积(PVD)方法。
从图6中可以看到，使用的是离子辅助物理气相沉积设备136。设备136包括沉积室138和两个电子枪A和B以沉积金属涂层110、112。设备136还包括用于对基板进行溅射清洗的低能离子枪和允许设备在超高真空下进行工作的涡轮泵。待涂覆传导涂层110、112的基板首先被安放在“装载锁定”室137中，其中压力在约1×10-5至1×10-6托(1×10-3pa至1×10-4pa)之间。待涂覆金属涂层110、112的基板随后被转入沉积室138中。
一旦基板被安放在沉积室138内，那么压力被降低至约1×10-9托(1×10-7pa)。所述室中的第一坩锅140保持住待沉积的贵金属。如果金属或贵金属的组合要进行沉积，那么由第二坩锅142保持住第二金属。例如，包含待沉积作为第一层的钛的坩锅140和包含待沉积在钛上作为第二层的金的坩锅142不在本发明的范围之外。另一种可选的可用方式可同时沉积金属组合。
使用离子枪对基板进行溅射清洗。当离子枪对基板进行溅射清洗时，使用电子束使贵金属熔化和蒸发。这种工艺还可已公知为电子束蒸发。靶金属随后以0.10nm/s的速度被沉积在基板上达小于100nm的厚度，通过厚度监控器观测所述厚度。
离子辅助物理气相沉积方法的独特方面在于基板的溅射清洗和传导涂层的沉积大体上同时进行。通过对基板同时进行溅射清洗和涂覆，传导金属涂层110、112可被沉积到基板上达小于100nm，优选小于15nm，且最优选在2nm至约10nm之间的超薄厚度。当金属涂层110、112具有2-15nm的厚度时，传导涂层优选具有0.004-0.03mg/cm2的估算担载量。
本申请中的工艺优于进行顺序清洗和沉积的某些工艺。当所使用的基板是金属基板如钛或不锈钢基板时，在暴露于氧的情况下，在介于发生清洗与通过物理气相沉积将金属沉积到基板上之间的时间段中形成氧化物膜。通过同时清洗基板并且沉积贵金属，完全且连续地去除了氧化物层，因此防止或至少显著减少了氧化物的形成或表面产生的其它结垢。由于去除氧化物层所需的离子能量较低这一事实，因此可同时完成对基板的清洗和贵金属的沉积。由于离子能量较低，因此轰击离子流量通常小于电子枪A和B发射出的沉积原子流量。这是因为去除的氧化物比沉积到基板上作为传导涂层110、112的金属更轻。因此，低能离子枪仅去除了氧化物层而不是传导金属涂层110、112。结果是沉积的金属涂层与基板之间具有优良的粘附性。进一步地，有可能仅涂覆数量级为约2至约15nm的极薄层，所述厚度大于或等于金属原子的两个原子单层，由此实现了良好的表面覆盖和相对均匀的覆盖。因此，使用离子辅助物理气相沉积法允许贵金属非常平滑且均匀地以薄层形式沉积在基板上。
应该理解本发明的重要特征在于将金属涂层110、112沉积在大体上清洁的表面90、92上。在本工艺的优选方面中，对基板进行的离子枪表面清洗恰在开始金属沉积之前实施。随后，清洗和金属沉积同时进行以完成沉积工艺。然而，其它去除氧化物层的方法包括可在涂覆之前进行的多种适当工艺，如阴极电解清洗、机械磨蚀、用碱性清洗剂对基板进行清洗且用酸性溶剂或酸洗液进行蚀刻。
如上所述，通过将金属涂层110、112沉积到清洁表面上，大大改进了涂层的粘附性能，且因此阻止涂层从基板上层离。例如，当涂层在0.5M H2SO4溶液中受到10mA/cm2至50mA/cm2范围内的外加阴极电流循环作用时，氢气(H2)析出，这导致现有技术涂层从基板上层离或剥离。然而，当采用本发明的离子辅助物理气相沉积方法沉积涂层时，涂层与基板的清洁表面之间优良的粘附性能阻止了当施加阴极电流时析出H2所导致的涂层从基板上层离的情况出现。
同样适用于本发明的另一种优选物理气相沉积方法包括磁控管溅射法，其中金属靶(金属涂层130化合物)在氩离子气氛中受到溅射枪的轰击且基板带电。溅射枪形成了金属颗粒和氩离子的等离子体，所述等离子体通过动量进行传递以涂覆基板。使用如前所述的离子辅助物理气相沉积法可提供比其它施加方法中更好的等离子体控制，这是因为例如在溅射过程中等离子体的方向可更难以调节且离子辅助物理气相沉积法由于粒子束具有低能量且进行良好校准且发散角仅有几度的事实而提供了更好的沉积参数控制。然而，多种因素可促进优先于另一种方法使用一种施加方法，所述因素包括总加工时间和成本。
根据本发明的施加金属涂层110、112的其它优选方法包括电子束蒸发法，其中基板被包含在真空室中(在约1×10-3至1×10-4托(1×10-1Pa至1×10-2Pa)之间)且金属蒸发剂受到带电电子束的加热，其中所述金属蒸发剂产生蒸发且随后冷凝在靶基板上。还可通过电镀(例如电解沉积)、非电镀(化学镀)、或脉冲激光沉积施加金属涂层110、112。
在第一个实验中，采用本发明的物理气相沉积方法制备两个试样。所使用的离子枪被设置在100eV Ar+束且具有1mA/cm2的电流密度达两分钟。蒸发源材料是来自Johnson-Matthey的99.99％纯金。所使用的316L不锈钢基板是“1×1”样品，所述样品首先在超声波丙酮浴中随后在甲醇浴中分别进行15分钟的清洗。不锈钢基板随后被装载进离子辅助物理气相沉积设备的沉积室内且被保持在该处直至压力小于2×10-7托(3×10-5Pa)。沉积室的底压通常在1×10-9托(1×10-7Pa)范围中段且总是低于1×10-8托(1×10-6pa)。当离子枪对不锈钢基板进行清洗时，通过单个电子束蒸发源在35摄氏度至40摄氏度范围内的温度下以0.10nm/s的速度沉积金涂层。金涂层甚至在被安放在约80℃的模拟燃料电池条件的腐蚀试验溶液(例如pH＝3.0，10ppm HF)中达几乎100小时后仍显示出良好的粘附性。
在第二个实验中，使用Teer磁控管溅射系统将金属涂层110、112施加到两个试样的表面上。提供作为“1×1”样品的316L不锈钢基板，所述基板首先在400V的电压下进行溅射清洗。蒸发源材料是来自Johnson-Matthey的99.99％纯金，且使用0.2A的电流在50V偏压的闭合场非平衡磁场中进行持续一分钟的施加过程以获得约10nm的厚度。
通过使分别来自第一个实验和第二个试验的两个试样的涂覆表面接触而进行接触电阻测量。试样在两张扩散介质纸(即商业上可得的Toray石墨扩散介质如Toray 060)之间被压缩在一起且施加50至200psi(350至1400kPa)的压力同时施加1A/cm2的电流密度。由夹住两个金属样品的扩散介质之间的穿过涂层的压降获得接触电阻测量值。在50psi(350kPa)的施加压力下，第一实验组件具有18mOhm-cm2的最大接触电阻值且在200psi(1400kPa)的施加压力下具有10mOhm-cm2的最小接触电阻值。来自第二个实验的组件导致在50psi(350kPa)的施加压力下具有19mOhm-cm2的最大接触电阻值且当施加200psi(1400kPa)的压力时具有9.2mOhm-cm2的最小接触电阻值。
还对来自第一个实验和第二个实验的试样进行腐蚀电流值测试。来自第一个实验和第二个实验的涂覆有10nm Au的不锈钢基板使得能够在80摄氏度下的充气溶液中使电位在+0.4与+0.6V(相对于Ag/AgCl)之间循环时提供低腐蚀电流，由此模拟燃料电池中的双极板环境(pH＝3.0，10ppm HF和0.5M Na2SO4作为支持电解质)。在80摄氏度下工作的充气模拟燃料电池溶液中，在+0.6V(Ag/AgCl，在空气中)和-0.4V(Ag/AgCl，氢气中)的外加电位下进行超过100小时的恒电位腐蚀实验。对于第一个试样和第二个试样而言，测得的电流状态低于1mA/cm2，这表明涂层具有良好的稳定性。
对根据本发明组装的且具有250cm2的活性面积的不锈钢双极板进行不同厚度的涂覆以比较含金金属涂层的电性能。该试验的结果如下表1所示。
根据本发明，采用物理气相沉积法对第一组板进行涂覆，厚度约10nm。采用物理气相沉积法对第二组板进行涂覆，厚度约100nm。第三组板被电镀且具有在约212至260nm范围内的厚度。对于所有试验的板样品在0.8A/cm2的电流密度下施加200amps的电流，且所有双极板组件在180psi的压缩力下进行试验。对1)顶部(即阳极侧)扩散纸(标记为“Pt”)到阳极板，2)底部(即阴极侧)扩散纸(标记为“Pb”)到阴极板，和3)顶部扩散纸到底部扩散纸且通过阳极板和阴极板进行测量。通过从总的从顶部到底部的纸到纸测量值中减去相应的阳极侧和阴极侧测量值而计算出界面电阻。如可以观察到地，根据本发明制备出的试样(组1)证实对于任何更厚的涂层(组2和组3)存在相等的低电阻且相比于燃料电池组件的其它部分而言具有可忽略的界面电阻。
表1
阳极板数量 阴极板数量   金厚度(nm) 涂覆工艺 1Pt/阳极(mOhm-cm2) 2Pb/阴极(mOhm-cm2) 3Pt/Pb(mOhm-cm2) 界面电阻(mOhm-cm2)
 组1   07-1336   10-1336   10   物理气相沉积 3.90 4.30 9.30 1.10
  07-1332   10-1332   10   物理气相沉积 3.80 4.50 9.40 1.10
    07-1337     10-1333   10     物理气相沉积     3.80     4.60     9.60     1.30
    07-1338     10-1323   10     物理气相沉积     4.30     4.80     11.00     2.00
    07-1335     10-1335   10     物理气相沉积     6.00     4.30     11.80     1.50
组2     07-1353     10-1322     100     物理气相沉积     4.00     4.50     9.40     0.90
    07-1333     10-1320     100     物理气相沉积     3.50     4.30     9.10     1.40
07-1344 10-1328 100 物理气相沉积 4.40 4.60 10.80 1.80
07-1343 10-1326 100 物理气相沉积 3.10 4.50 9.10 1.50
    07-1345     10-1329     100     物理气相沉积     3.90     4.50     10.00     1.60
组3   06-0503   06-0511     260     电沉积     4.10     4.50     10.60     2.00
  06-0504   08-0480     245     电沉积     4.60     4.40     9.90     0.90
06-0502 08-0483 212 电沉积 3.60 4.90 9.80 1.30
06-0505 08-0518 260 电沉积 5.40 4.50 11.80 1.90
  06-0479   08-0482     239     电沉积     4.40     4.50     10.50     1.60
重新参见图2，本发明的优选实施例还包括防止反应物气体进入冷却剂流道(图3和图4中的附图标记93)或排出该流道且流入燃料电池堆内的周边密封件200。密封件200优选在双极板56的冷却剂侧的接触内表面90、92之间形成。密封件200优选是流体密封的且通过表面90、92之间在内表面90、92上的电活性区域的外周79处的接触而形成，并且防止或至少妨碍流体和气体输运通过其中。密封件200限定了冷却剂流场的范围以形成燃料电池堆中使用的反应物气体的屏障，且优选防止冷却剂回流进入反应物气体中。
密封件200优选被形成作为导电或不导电粘结剂的珠粒。如图7最佳示出地，密封件200可进一步用以填充由于制造不规则而造成的板片58、60之间的任何间隙。粘结剂珠粒可被施加到双极分隔板组件的板的一个表面(即施加到90或92上)或施加到两块板58、60的两个表面90、92上。垫片还可替换密封剂用作密封件200。如图所示，周部垫片202还被用以密封双极板组件56的外周77、79。
本发明的优选密封剂包括热固性和热塑性粘结剂或压敏胶带。在使用粘结剂的情况下，热固性或热塑性聚合物粘结剂可被注塑形成安放在第一板片58与第二板片60之间的预成型件。板片58和60随后彼此接触且施加热量以形成结构连结。如本领域的技术人员认识到地，加热的量和持续时间取决于所选粘结剂的特性。这种热固性粘结剂的非限制性实例包括环氧衍生物、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、含氟弹性体和氟硅氧烷。适合的热塑性粘结剂的其它实例包括，例如聚酰胺、聚酯、聚烯烃类、聚乙酸乙烯酯和聚氨酯。在本发明的其它可选优选实施例中，可采用冶金方法如远程扫描激光焊接或通过机械卷曲连接板58、60而形成密封件200。在图7中还应该注意到，表面90和92的电活性区域在第一板片58和第二板片60上分别覆盖有超薄金属涂层110、112，所述涂层在接触区域100处建立起涂层间的电接触和物理接触。
在本发明的另一个可选优选实施例中，仅对表面90、92的导电区域进行了涂覆，而对不导电区域未进行涂覆。在某些优选实施例中，对应于膜电极组件的整个电活性区域涂覆有金属涂层，在所述电活性区域中形成流场，且周部区域79(参见图2)保持未涂覆。在其它优选可选实施例中，涂层110、112可仅分别覆盖棱区76、80而不是板片58、60的沟槽82、86。在这种情况下，仅有在接触区域100处彼此电接触的相邻导电表面涂覆有金属涂层110、112。在该实施例中，在施加涂层的同时，表面90、92的不导电区域被覆盖或遮掩。掩模是施加到基板上且在涂层施加过程中保持稳定的任何材料，且可包括，例如，不锈钢、钛或陶瓷掩模。其它适合的掩模材料包括：用于低温施加工艺如电解或无电沉积中的有机涂层、橡胶掩模或带。通常，对掩模材料进行选择以允许在沉积工艺过程中沉积在掩模上的金属能够得到回收和再循环，且这在本领域中是众所周知的。
本发明的一个优选实施例提供了一种通过提供第一导电金属基板片和第二导电金属基板片而制造燃料电池的分隔器组件的方法，其中第一板片和第二板片由在存在氧的情况下易于形成金属氧化物的金属制成。分别从第一基板和第二基板的表面上去除金属氧化物。超薄导电金属涂层被沉积在第一金属表面和第二金属表面的选定区域上。第一表面和第二表面的选定区域被放置彼此面对且随后进行接触以在第一基板与第二基板之间形成导电路径。
上面对实施例和方法的描述本质上仅是示例性的且因此不偏离本发明要点的变型旨在落入本发明的范围内。这些变型不被视为偏离了本发明的精神和范围。

Claims (32)

1、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选自包括不锈钢、铝和钛的组群。
17、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；
将超薄导电金属涂层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；
放置所述第一表面和所述第二表面的所述选定区域以彼此面对；并且
使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。
18、根据权利要求17所述的方法，其中在所述接触之前，进行密封以在所述第一基板与所述第二基板之间形成的内部密封区域与外部密封区域之间提供流体隔离。
19、根据权利要求18所述的方法，其中所述内部密封区域对应于所述选定区域，且非选定区域对应于所述外部密封区域。
20、根据权利要求17所述的方法，其中分别采用离子束溅射法和电子束蒸发沉积法大体上同时进行所述去除和所述沉积。
21、根据权利要求17所述的方法，其中所述选定区域对应于导电区且沿所述表面的非选定区域是不导电的。
22、根据权利要求17所述的方法，其中所述第一表面和所述第二表面中的每个均具有其中形成的流场，所述流场由散布有形成流道的沟槽的棱区限定出，其中所述第一基板和所述第二基板的所述棱区彼此接触以形成所述接触区域且对应于所述选定区域，且在进行所述将所述导电金属涂层沉积到所述选定区域上的步骤之前进行遮掩不导电的任何非选定区域的步骤。
23、根据权利要求17所述的方法，其中所述导电区域分别位于所述第一基板和所述第二基板的所述第一表面和所述第二表面的中心，且所述不导电区域限定出所述位于中心的导电区域的边界。
24、根据权利要求17所述的方法，其中采用选自包括电子束蒸发、磁控管溅射、物理气相沉积、电解沉积和无电沉积的组群中的工艺进行所述沉积。
25、根据权利要求17所述的方法，其中采用电解清洗、蚀刻、酸洗、机械磨蚀和溅射法进行所述去除。
26、根据权利要求17所述的方法，其中所述导电金属涂层的沉积厚度小于约15nm。
27、根据权利要求17所述的方法，其中所述导电金属涂层的沉积厚度在约2至约10nm之间。
28、根据权利要求17所述的方法，其中所述导电金属涂层的沉积厚度小于或等于金属原子的两个原子单层的深度。
29、根据权利要求17所述的方法，其中所述导电金属涂层中包含金。
30、根据权利要求17所述的方法，其中通过施加压缩应力实现所述接触。
31、根据权利要求17所述的方法，其中当施加1400kPa或更大的压缩应力时，通过所述接触区域的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。
32、根据权利要求17所述的方法，其中通过施加1400kPa或更大的压缩应力实现所述接触。
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