專利名稱：用于燃料電池的具有低接觸電阻涂層的不銹鋼雙極板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及在燃料電池環(huán)境中呈現(xiàn)低接觸電阻的不銹鋼合金雙極板，更具 體地，涉及由這種雙極板制成的組件，該雙極板具有涂層以降低該板與擴散層或與相關(guān)的 抵靠該板放置的載流部件之間的接觸電阻。
背景技術(shù)：
在許多燃料電池系統(tǒng)中，氫氣或富氫氣體通過流動路徑供應(yīng)到燃料電池的陽極 側(cè)，而氧氣(例如大氣中的氧的形式)則通過分開的流動路徑供應(yīng)到燃料電池的陰極側(cè)。適 當(dāng)?shù)拇呋瘎?例如，鉬)通常被布置成層，并被用于促進陽極側(cè)的氫氣氧化以及陰極側(cè)的氧 氣還原。由此，產(chǎn)生了電流以及作為反應(yīng)副產(chǎn)品的高溫水蒸汽。在一種形式的燃料電池中， 即所謂的質(zhì)子交換膜或聚合物電解質(zhì)膜(兩種情況下均簡稱為PEM)燃料電池中，將離聚物 膜形式的電解質(zhì)裝配在陽極和陰極之間。這種層狀結(jié)構(gòu)通常稱為膜電極組件(MEA)，并且進 一步層置于擴散層之間，擴散層既允許氣體反應(yīng)物流向MEA也允許電流從MEA流出。前述 的催化劑層可以置于擴散層上或者作為擴散層的一部分。為了提高電輸出，用導(dǎo)電雙極板將獨立的燃料電池單元堆疊在一起，該導(dǎo)電雙極 板置于擴散層和一個MEA的陽極電極以及擴散層和相鄰MEA的陰極電極之間。在這種構(gòu)造 中，雙極板將相鄰堆疊的MEAs分開，該雙極板具有相對表面，每個相對表面均包括由升高 的臺(land)彼此分開的流動通道。這些通道用作導(dǎo)管，以便將氫氣和氧氣的反應(yīng)物流傳送 到MEA的各陰極和陽極，同時由于臺與導(dǎo)電擴散層接觸，且導(dǎo)電擴散層進而與催化劑處產(chǎn) 生的電流電連通，因而臺用作MEA中產(chǎn)生的電的傳輸路徑。這樣，電流經(jīng)過雙極板的臺以及 導(dǎo)電擴散層。通常，雙極板由石墨或金屬制成，以便形成MEA和外部電路之間的導(dǎo)電聯(lián)接。由石墨制成的雙極板能夠抵抗腐蝕，具有良好的導(dǎo)電性以及低的比重。然而，石墨 板對氫氣是可透過的，這可能導(dǎo)致性能和效率上的嚴(yán)重缺失。而且，石墨難以制造，導(dǎo)致石 墨板非常昂貴并且比其基于金屬的配對物要厚。因而，在燃料電池的制造成本是重要考慮 因素的情況下，基于金屬的雙極板相對石墨是優(yōu)選的。除了相對較為便宜之外，金屬板還可 形成薄的構(gòu)件，例如具有小于0. 25mm的片材厚度。因為雙極板工作在高溫和腐蝕性環(huán)境中，常規(guī)金屬(例如，普通碳素鋼)可能不適 合某些要求長壽命(例如約10年6000小時的壽命)的應(yīng)用(例如汽車應(yīng)用)。在典型PEM 燃料電池堆的工作期間，質(zhì)子交換膜處于約75°C到約175°C之間的溫度范圍以及約IOOkPa 的絕對壓力到約200kPa的絕對壓力之間的壓力范圍內(nèi)。在這樣的條件下，由貴金屬制成的 板可能是有利的，這是由于它們具有期望的抗腐蝕性質(zhì)。遺憾的是，它們都非常昂貴，從而 限制了它們在涉及運輸?shù)膽?yīng)用和相關(guān)的費用敏感應(yīng)用中的生命力。此外，某些金屬，例如鎳 (至少在單獨使用時)，在燃料電池環(huán)境內(nèi)會經(jīng)歷嚴(yán)重的腐蝕。因此，盡管鎳可能適合于用 在堿性介質(zhì)中，但其不適合用在PEM中。鋼合金可形成非常薄(例如，在0. Imm和1.0mm之間)的片材，并且相當(dāng)便宜，卻 可能不具有足夠的抗腐蝕性。也可使用不銹鋼(例如，鐵鉻或相關(guān)化合物形式的不銹鋼)，其通過在板表面形成氧化物從而具有改善的抗腐蝕性。然而，不銹鋼雙極板傾向于鈍化以 實現(xiàn)抗腐蝕性的提高，但這同時也增大了板和相鄰擴散層之間的接觸電阻。過渡金屬涂層，例如氮化鈦(TiN)，已被提出用于避免不銹鋼雙極板表面上的高接 觸電阻的增長。雖然初始電阻可能下降，可是隨著時間流逝，燃料電池中所遇到的狀況(尤 其在升高的溫度下)將導(dǎo)致TiN轉(zhuǎn)換為二氧化鈦(TiO2),而這實際上增大了接觸電阻，從而 使得結(jié)果與所期望的相反。因此，仍然希望提供基于不銹鋼合金的雙極板，其具有抗腐蝕性 和低的接觸電阻，以便用于燃料電池中。還希望制造一種雙極板，其具有與那些基于貴金屬 或基于石墨的雙極板類似的抗腐蝕和接觸電阻屬性，但避免了它們高昂的制造費用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明滿足了這些需求，其中，根據(jù)本發(fā)明的一個方面公開了一種用于燃料電池 的不銹鋼雙極板。所述板包括相對的表面，所述相對的表面中的至少一個包括形成在其內(nèi) 的多個流動通道。許多臺從板表面相對于通道向外突出，并形成與燃料電池擴散層的導(dǎo)電 接觸，所述燃料電池擴散層放置成與所述臺接觸。該接觸的至少一部分由鎳基合金形成，其 在雙極板和擴散層之間具有比不存在這種合金時更低的接觸電阻。例如，如果板全部由不 銹鋼制成，且沒有使用鎳基合金涂層或?qū)樱瑒t可預(yù)計這種板將面臨上述的鈍化問題。任選地，用在所述雙極板中的所述不銹鋼包括奧氏體不銹鋼。如下面更詳細(xì)描述 的，這種構(gòu)造在鎳基合金是涂層形式時是有價值的。這種構(gòu)造還在如下的情況時是有價值 的，即奧氏體不銹鋼中固有的鐵的至少一部分能夠被從雙極板的接觸表面去除。在其他的 選擇中，鎳鉻基合金(也稱為鎳鉻合金)的優(yōu)選形式包括具有按重量至少60%鎳的合金。 如上所述，鎳基合金可構(gòu)造成置于所述板表面的至少一部分(例如，許多臺)上的涂層。在 這種情況下，涂層可包括鎳鉻二元合金，其在按重量80%的鎳和按重量20%的鉻之間。盡 管本文所討論的二元合金和其他鎳基材料是優(yōu)選的，但要認(rèn)識到的是，這些合金應(yīng)當(dāng)具有 相同的總組分。然而，當(dāng)將該合金用作雙極板材料時，如果板表面形成了表面紋理以將接觸 電阻降低到可接受水平(因為粗糙性可幫助降低接觸電阻)，則可使用鎳含量低至30%重 量百分比的合金。替代性地，我們可以從具有較低鎳含量的合金開始，然后對其進行熱處理 以優(yōu)選從頂表面溶解鐵，從而留下具有較低接觸電阻的鎳鉻層。此外，二元合金可用作主要 的板結(jié)構(gòu)材料。除了鎳基合金之外，也可使用鐵鉻合金，因為其比鐵鎳襯底材料具有更高的 抗腐蝕性。鎳鉻二元合金和鎳鐵二元合金可適于板結(jié)構(gòu)材料、涂層、或適于所述二者。因此， 如果我們從具有相對低的內(nèi)部鎳含量的合金開始，則可對合金進行處理使得從該合金的頂 表面提取出鐵，留下富含鎳和鉻的層，由此模仿出(mimicking)鎳鉻合金，其將具有比原始 合金低得多的傳導(dǎo)性，但同時像原始合金一樣具有較低的費用。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開了具有一個或多個PEM的裝置。每個燃料電池均包 括MEA、擴散介質(zhì)和雙極板。在板的通道和擴散介質(zhì)之間建立流體連通，使得被引入所述雙 極板的反應(yīng)物沿板的通道行進，穿過所述擴散介質(zhì)并與所述MEA的陽極和陰極中適當(dāng)?shù)囊?個接觸。電流可在雙極板和擴散介質(zhì)之間經(jīng)過它們之間的接觸而流動，其中鎳基合金幫助 提升了雙極板和擴散介質(zhì)之間界面的高導(dǎo)電性。任選地，并且如結(jié)合前述方面論述的那樣，這種合金可用作板本身的主要材料成 分，或者可沉積到常規(guī)的不銹鋼合金板上，使得鎳基合金建立起該電接觸。鎳基合金可以是二元合金，例如鎳鉻合金，或者可以是更加高度合金化的包含(除了主要的鎳以外)其他金 屬(例如不銹鋼中能夠發(fā)現(xiàn)的那些金屬)的合金。該裝置可額外地包括燃料處理系統(tǒng)，所 述燃料處理系統(tǒng)用于為燃料電池提供第一反應(yīng)物(例如，氫氣)。該裝置還可包括耦接到燃 料電池的車輛，使得在所述燃料電池內(nèi)利用由所述燃料處理系統(tǒng)產(chǎn)生的反應(yīng)物產(chǎn)生的電化 學(xué)催化反應(yīng)來提供所述車輛原動力需求的至少一部分。根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，公開了一種制備聚合物電極膜燃料電池的方法。該方 法包括布置MEA，使得該MEA包括陽極、陰極、和置于所述陽極和陰極之間的膜。另外，陽 極擴散層放置成與所述MEA的陽極處于流體連通，而陰極擴散層則放置成與陰極處于流體 連通。此外，不銹鋼雙極板具有散置在板的至少一個表面上的許多流動通道及臺，使得在所 述燃料電池工作時，從相應(yīng)燃料源和氧氣源引入的反應(yīng)物可經(jīng)過由所述雙極板建立的流動 路徑輸送到所述陽極和所述陰極。所述雙極板被放置成與所述陽極擴散層和所述陰極擴散 層中相應(yīng)的一個接觸，使得向外突出的臺與抵靠該臺放置的相應(yīng)擴散層形成導(dǎo)電接觸。為 了提升高度的導(dǎo)電性，擴散層和雙極板之間的接觸的至少一部分由鎳鉻基合金實現(xiàn)，所述 鎳鉻基合金構(gòu)造成，相對于雙極板和擴散層之間不存在這種合金時所形成的接觸降低了雙 極板和擴散層之間的接觸電阻。任選地，鎳鉻基合金構(gòu)造成置于多個臺的至少一部分上的涂層。在一種形式中，使 用電弧氣相沉積、電子束蒸發(fā)、濺射涂覆、電鍍或相關(guān)技術(shù)將涂層置于所述多個臺的至少一 部分上。在一種優(yōu)選形式中，涂層包括按重量至少60%的鎳。此外，該方法可包括去除初始 存在于鎳基合金中的至少一些鐵。通過此項操作，板和擴散層之間形成的導(dǎo)電接觸的頂層 可富含鎳鉻。這樣，相對低成本(即，入門級)的奧氏體不銹鋼可用于實現(xiàn)低成本和低接觸 電阻。更具體地，可通過對用于導(dǎo)電接觸的合金進行熱處理來去除鐵，然后通過化學(xué)溶解步 驟來去除此后的氧化鐵鱗皮。本發(fā)明還提供了以下方案方案1. 一種用于燃料電池的不銹鋼雙極板，所述雙極板包括相對的表面，所述相 對的表面中的至少一個包括形成在其內(nèi)的多個流動通道以及關(guān)于所述多個流動通道散置 的多個臺，所述多個臺構(gòu)造成與抵靠所述多個臺放置的燃料電池擴散層形成導(dǎo)電接觸，使 得所述導(dǎo)電接觸的至少一部分包括鎳基合金，所述鎳基合金構(gòu)造成相對于不存在這種合金 時降低了所述雙極板和所述擴散層之間的接觸電阻。方案2.如方案1所述的雙極板，其中，用在所述雙極板中的所述不銹鋼包括奧氏 體不銹鋼。方案3.如方案2所述的雙極板，其中，至少所述導(dǎo)電接觸的頂表面具有相對于所 述奧氏體不銹鋼中初始存在的量降低了的鐵含量。方案4.如方案1所述的雙極板，其中，所述鎳基合金包括按重量至少60%的鎳。方案5.如方案1所述的雙極板，其中，所述鎳基合金構(gòu)造成置于所述多個臺的至 少一部分上的涂層。方案6.如方案5所述的雙極板，其中，所述涂層包括按重量至少60%的鎳。方案7.如方案1所述的雙極板，其中，所述鎳基合金包括鎳鉻二元合金。方案8.如方案1所述的雙極板，其中，所述鎳鉻二元合金構(gòu)造成置于所述多個臺 的至少一部分上的涂層。
方案9.如方案1所述的雙極板，其中，所述鎳基合金選自由鎳鐵合金和鎳鉻合金 組成的組。方案10.如方案1所述的雙極板，其中，所述雙極板的基本整體部分是由所述鎳基 合金制成。方案11.如方案1所述的雙極板，其中，所述導(dǎo)電接觸包括紋理化的表面。方案12.如方案11所述的雙極板，其中，所述鎳基合金包括小于60%的鎳。方案13. —種包括至少一個聚合物電極膜燃料電池的裝置，所述燃料電池包括膜電極組件；擴散介質(zhì)，所述擴散介質(zhì)與所述膜電極組件的一個電極流體連通；和雙極板，所述雙極板與所述擴散介質(zhì)處于流體連通，使得被引入所述雙極板的反 應(yīng)物沿著形成在所述雙極板內(nèi)的通道行進以便穿過所述擴散介質(zhì)從而放置成與所述電極 接觸，所述雙極板進一步放置成與所述擴散介質(zhì)電接觸，使得用于所述雙極板的鎳基合金 建立所述電接觸。方案14.如方案13所述的裝置，其中，所述鎳基合金構(gòu)造成置于所述雙極板表面 的至少一部分上的涂層，所述涂層建立所述電接觸。方案15.如方案13所述的裝置，其中，所述鎳基合金是鎳鉻合金。方案16.如方案13所述的裝置，其中，進一步包括燃料處理系統(tǒng)，所述燃料處理系統(tǒng)用于為所述至少一個燃料電池提供第一反應(yīng) 物，其中，所述第一反應(yīng)物包括氫氣；和車輛，所述車輛耦接到所述至少一個燃料電池，使得在所述燃料電池內(nèi)用由所述 燃料處理系統(tǒng)產(chǎn)生的反應(yīng)物產(chǎn)生的電化學(xué)催化反應(yīng)向所述車輛至少部分地提供原動力。方案17.如方案13所述的裝置，其中，所述雙極板的基本整體部分是由所述鎳基 合金制成。方案18. —種制備聚合物電極膜燃料電池的方法，所述方法包括布置膜電極組件，所述膜電極組件包括陽極、陰極和置于所述陽極和陰極之間的 膜；布置陽極擴散層和陰極擴散層，所述陽極擴散層放置成與所述陽極處于流體連 通，并且所述陰極擴散層放置成與所述陰極處于流體連通；和布置不銹鋼雙極板，所述不銹鋼雙極板包括多個流動通道以及關(guān)于所述多個流動 通道散置的多個臺，使得在所述燃料電池工作時，分別從燃料源和氧氣源引入的反應(yīng)物能 夠經(jīng)過由所述雙極板和所述擴散層中的相應(yīng)一個建立的流動路徑輸送到所述陽極和所述 陰極，所述雙極板構(gòu)造成使得在所述雙極板被放置成與所述陽極擴散層和所述陰極擴散層 中的相應(yīng)一個接觸時，所述多個臺與抵靠所述多個臺放置的所述相應(yīng)的擴散層形成導(dǎo)電接 觸，使得所述導(dǎo)電接觸的至少一部分包括鎳基合金，所述鎳基合金構(gòu)造成相對于在所述雙 極板和所述相應(yīng)擴散層之間不存在這種合金時所形成的接觸，降低了所述雙極板和所述相 應(yīng)擴散層之間的接觸電阻。方案19.如方案18所述的方法，其中，所述鎳基合金構(gòu)造成置于所述多個臺的至 少一部分上的涂層。方案20.如方案19所述的方法，其中，使用電弧氣相沉積技術(shù)將所述鎳基合金置
6于所述多個臺的至少一部分上。
如方案20所述的方法，其中，所述涂層包括按重量至少60%的鎳。 如方案18所述的方法，其中，所述涂層包括按重量至少60%的鎳。 如方案18所述的方法，其中，用在所述雙極板中的所述不銹鋼包括奧氏方案21.方案22.方案23·
體不銹鋼。方案24.如方案23所述的方法，其中，優(yōu)選至少從所述導(dǎo)電接觸的頂表面去除所 述奧氏體不銹鋼中初始存在的鐵的至少一部分，使得富含鎳鉻的層形成其頂表面。方案25.如方案24所述的方法，其中，通過熱處理去除所述鐵，并且隨后溶解氧化 鐵鱗皮。方案26.如方案18所述的方法，其中，進一步包括在所述導(dǎo)電接觸的表面內(nèi)生成紋理。


結(jié)合附圖閱讀，本發(fā)明優(yōu)選實施例的以下詳細(xì)描述將得到最好的理解，附圖中相 似的結(jié)構(gòu)被標(biāo)以相似的附圖標(biāo)記，其中圖1是常規(guī)燃料電池和周圍雙極板的一部分的局部分解剖視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明制造的雙極板一側(cè)的立體圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明制造的、鄰近膜電極組件放置的雙極板的剖面圖；圖4是曲線圖，其示出了二元合金中鐵對鎳的濃度和接觸電阻之間的關(guān)系；以及圖5是具有根據(jù)本發(fā)明的燃料處理系統(tǒng)和基于燃料電池的原動力供應(yīng)的車輛的 示意圖。
具體實施例方式首先參見圖1，其示出了常規(guī)的PEM燃料電池1的分解形式的局部剖視圖。燃料電 池1包括基本平坦的質(zhì)子交換膜10、與質(zhì)子交換膜10的一個面處于面接觸的陽極催化劑層 20、以及與質(zhì)子交換膜10的另一個面處于面接觸的陰極催化劑層30。質(zhì)子交換膜10以及 催化劑層20、30共同稱為膜電極組件(MEA)40。陽極擴散層50被布置成與陽極催化劑層 20面接觸，而陰極擴散層60被布置成與陰極催化劑層30面接觸。擴散層50和60的每一 個均由大致多孔的構(gòu)造制成，以便利于氣體反應(yīng)物通過，從而到達催化劑層20和30。陽極 催化劑層20和陰極催化劑層30共同稱為電極，并且可如圖所示形成為分離的不同層，或者 替代性地形成為分別至少部分嵌入在擴散層50或60內(nèi)，以及分別部分嵌入在質(zhì)子交換膜 10的相對面內(nèi)。除了提供基本上多孔的流動路徑以便反應(yīng)物氣體到達質(zhì)子交換膜10的適當(dāng)側(cè)之 外，擴散層50和60還提供了電極催化劑層20、30和雙極板70 (通過臺74)之間的電接觸， 進而雙極板充當(dāng)了電流收集器。而且，由于其大致多孔的本質(zhì)，擴散層50和60還形成了導(dǎo) 管，用于去除在催化劑層20、30處產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物。此外，陰極擴散層60在陰極擴散層內(nèi) 產(chǎn)生顯著量的水蒸汽。這種特征是重要的，其有助于保持質(zhì)子交換膜10含水。擴散層中的 透水性可通過引入少量聚四氟乙烯(PTFE)或相關(guān)材料來調(diào)節(jié)。提供了一對雙極板70的簡化相對表面70A和70B，以便將堆中的每個MEA 40和隨同的擴散層50、60與相鄰MEAs和層(均未示出)分開。一塊板70A接合陽極擴散層50，而 第二塊板70B接合陰極擴散層60。板70A和70B中的每一個(其在裝配成單一的整體后將 組成雙極板70)均沿各自板面限定了許多反應(yīng)物氣體流動通道72。臺74通過朝向各自的 擴散層50、60突出并且與各自的擴散層50、60直接接觸從而將反應(yīng)物氣體流動通道72的 相鄰部分分開。在工作中，第一氣體反應(yīng)物(例如，氫氣)從板70A穿過通道72被輸送到 MEA40的陽極20側(cè)，而第二氣體反應(yīng)物(例如，氧氣，通常以空氣的形式)從板70B穿過通 道72被輸送到MEA 40的陰極30側(cè)。催化反應(yīng)分別在陽極20和陰極30處發(fā)生，產(chǎn)生了穿 過質(zhì)子交換膜10遷移的質(zhì)子以及導(dǎo)致電流的電子，由于臺74和層50和60之間的接觸，該 電流可穿過擴散層50和60以及雙極板70傳輸。接下來參見圖2，其示出了根據(jù)本發(fā)明一個方面的雙極板170。在所示圖中只能看 見板170的頂側(cè)，未示出的相對側(cè)可以是類似構(gòu)造的。頭部176位于板170的相對邊緣處 并且限定了歧管，反應(yīng)物、冷卻劑以及燃料電池所用的其他流體能在歧管中流動。歧管溝槽 178可用于將歧管之一中的流體流分到各個通道172內(nèi)?？梢钥闯觯ǖ?72限定了板170 表面之上的大致彎曲的路徑(例如所示的蛇紋狀路徑)，以使流體最大化地暴露給適當(dāng)?shù)?擴散層(未示出)。臺174限定了臺之間的通道172，由于臺174比位于板170上的其他結(jié) 構(gòu)從板170的平面向外突出得更多，所以在被按壓到一起后，臺174可以建立與擴散層的接 觸。雙極板170可由不銹鋼合金制成。在當(dāng)前語境下，不銹鋼合金除了鐵之外還包括 防腐蝕材料，例如鉻、鎳、鉬、銅等。在一種特定形式中，不銹鋼可以是奧氏體不銹鋼，其可包 含重量百分比在約16到約26之間的鉻以及重量百分比在約8到約22之間的鎳。奧氏體 不銹鋼的幾個熟知的例子是美國鋼鐵協(xié)會(AISI)的304型和316型品種，其還可包括少量 的錳、鉬等。在另一種特定形式中，用于本文所述雙極板的不銹鋼可由二元合金形成，其中 鐵鉻以及鎳鉻形成了這種合金的主要部分。這類二元合金尤其有用，因為其無需求助于表 面紋理(不過如果需要的話，仍可使用這種技術(shù))便可獲得良好的接觸電阻。其他合金，例 如鐵鎳合金，由于其缺乏抗腐蝕性，所以可能較少地用作基體材料。這種二元合金既可用作 在常規(guī)不銹鋼合金表面上沉積的涂層，也可用作組成雙極板170本身的主要成分。對于前 者，涂層可置于臺174上以確保與擴散層的高導(dǎo)電性接觸。表1示出了不同的二元合金及 其標(biāo)稱組分，以及在每平方英寸200磅的單一壓力設(shè)置下的接觸電阻(CR)的測量值，該壓 力值是通常用于將雙極板連接到擴散層的值。可以看出，主要含有鎳或鉻的合金(例如樣品編號為GMR3、GMR4、GMR7和GMR8的 樣品，以及它們的組合)趨向于產(chǎn)生最低的CR值。特別參照鎳鉻二元合金(表中的樣品 GMR7和GMR8)，可能是費用方面的考慮阻礙了這種合金被用作雙極板170中的主要合金，而 代之以尋找一種更加經(jīng)濟的使用方法，即用作在由更常規(guī)不銹鋼合金制成的板的頂上的涂 層。關(guān)于可制造性，上面列出的所有合金均具有良好的焊接性和成形能力，其中前者被認(rèn)為 是指一種材料如何才不會在焊接期間出現(xiàn)金屬凝固裂紋，而后者被認(rèn)為是通過常規(guī)成形方 法(例如沖壓等)成形為型板的能力。表 1 接下來參見圖3，示出了根據(jù)本發(fā)明一個方面的雙極板170的剖視圖，該雙極板 170在板170的一側(cè)上形成有MEA 40以及隨同的擴散層50和60，其可被布置在燃料電池 堆中。通常，MEA 40定位在擴散介質(zhì)層50和60之間，擴散介質(zhì)層50和60進而定位在一 對混合的雙極板170 (當(dāng)前僅示出了其中一塊)之間。流動通道172構(gòu)造成反應(yīng)物氣體所 用的通道，特別地，作為包含氫氣(H2)的氣體進入陽極擴散層50以及包含氧氣(O2)的氣體 (例如空氣)進入陰極擴散層60的通道，圖中示出了后者。在一種非限制性形式中，流動通 道172被沖壓到金屬板170內(nèi)，其中，示出了陽極通道172A和陰極通道172B。總體上，這些 通道172A、172B的深度基本相似。臺174限定了通道172之間的突出部分，從而避免了各 個通道172間的流體串?dāng)_。根據(jù)板170的需要，形成在臺174之間的空間(plenum) 175可 用于傳送冷卻劑或其他流體，其中臺174通過板170的厚度對準(zhǔn)。如圖中具體所示的，涂層180形成在板片170A和170B的表面上。優(yōu)選地，涂層由 鎳鉻基合金制成，該鎳鉻基合金包括前述二元合金中的一種或多種。盡管所示出的涂層覆 蓋了通道172和臺174，但從本公開其余部分可明顯看出涂層的應(yīng)用可更加具有選擇性，例 如僅覆蓋臺174的大致平坦的頂表面。使用相對較薄的層連同將涂層用在特定接觸位置 (例如臺174頂部上的平坦表面)的明智的應(yīng)用，使得可使用更加昂貴的材料(例如，鎳鉻 二元合金)，而這些材料的使用在其他方式下可能是不切實際的。在另一個實施例(未示 出)中，鎳鉻基材料可用于形成雙極板170的基本整體部分。在這種構(gòu)造中，不需要單獨的 涂層，從而減少了制造費用。取決于應(yīng)用，在置于常規(guī)奧氏體不銹鋼上的高鎳含量涂層以及 全部由高鎳含量材料制成的板之間作出選擇。例如，在費用不是主要問題的特殊應(yīng)用(例 如軍事、航天或航海)中可使用全部由高鎳含量材料制成的板。接下來參見圖4，其示出了四種不同鐵鎳合金組分對所模擬的擴散層關(guān)于各種壓 力的接觸電阻的對比。該設(shè)置包括利用力控制儀器(例如Instron 或相關(guān)的萬能測試機)使每種二元合金以預(yù)定壓力被壓在兩個Toray Tl. O氣體擴散介質(zhì)(GDM)之間并且經(jīng)受穿 過其厚度方向的已知電流。已知樣品面積，并通過測量樣品上的壓降，則可利用歐姆定律計 算出特定面積的電阻。在這項研究中，自始至終均使用6. 45A/cm2或lA/cm2，并且確定了電 阻對壓力的相關(guān)性。所有的值均是在鍍金銅塊之間測得的以降低測量變化。從圖中可以看出，在相同壓力載荷下，鐵基材料(分別具有按重量20%以及按重 量40%的鎳)比鎳基材料(分別具有按重量60%以及按重量80%的鎳)呈現(xiàn)出更高的電 阻等級。其他合金(例如鐵鉻)在鉻含量變化(至少高至40%的鉻)時沒有顯示出可察覺 的接觸電阻變化。本發(fā)明的發(fā)明人沒有對更高的鉻含量進行評估，這是因為無法制造高于 40%鉻含量的穩(wěn)定合金。同樣，現(xiàn)有的商用鎳鉻合金(包括某些含有按重量高至34%鉻的 合金)顯示出不期望的較高電阻。從機械學(xué)上說，將鎳含量提高到高于60%涉及對鈍化膜 的富集(enrichment)。通過設(shè)定低于lOmohm/cm2的概念性CR目標(biāo)，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng) 發(fā)現(xiàn)通過使用80/20鎳鉻合金，這些水平能夠容易地實現(xiàn)。這些結(jié)果總體上與表1所示結(jié) 果是一致的，其中標(biāo)出了 CR中的顯著區(qū)別。接下來參見圖5，本發(fā)明的裝置可進一步包括車輛，例如具有燃料電池堆110的轎 車100。燃料電池堆110可構(gòu)造成提供轎車100的原動力或相關(guān)推進需求的至少一部分， 轎車100還可具有燃料處理系統(tǒng)120以向燃料電池堆110供應(yīng)氫氣或相關(guān)反應(yīng)物燃料。還 包括燃料儲存罐130以提供車載反應(yīng)物前體源，反應(yīng)物前體例如為甲醇、汽油或能夠被重 整的一些其他燃料。在一種形式中，燃料處理系統(tǒng)120可通過合適的反應(yīng)來處理從儲存罐 130抽取的前體。例如，燃料處理系統(tǒng)120可包括自熱反應(yīng)器(未示出)以用作甲醇的初 級重整，而下游的水-氣體變換反應(yīng)器(未示出)和末級的氧化器、膜或相關(guān)滌氣器(均未 示出)可用于將一氧化碳水平降低到避免PEM催化劑中毒所需的非常低的值。本領(lǐng)域技術(shù) 人員將意識到燃料電池堆110的放置方式是純粹概念性的，燃料電池堆110可按照任意合 適的方式用在轎車100內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員還將意識到其他車輛形式也可聯(lián)合燃料電池堆 110、燃料處理系統(tǒng)120和燃料儲存罐130使用，這些車輛形式例如為卡車、摩托車、飛行器、 航天器或船只。除非另有指示，所有表示量的數(shù)字均為近似值，其可取決于本發(fā)明實施例中尋求 獲得的期望性質(zhì)而變化。因此，應(yīng)當(dāng)理解，這些數(shù)字均可由近似詞“約”修飾。同樣應(yīng)當(dāng)指 出的是，諸如“優(yōu)選地”、“通?！?、“一般”等詞語在本文中并非用于限制所請求保護的發(fā)明 的范圍或者暗示某些特征對于所請求保護的發(fā)明的結(jié)構(gòu)或功能是關(guān)鍵的、實質(zhì)的甚至重要 的，相反，這些詞語僅僅強調(diào)可能用于或可能不用于本發(fā)明具體實施例的替代性或附加特 征。此外詞語“基本”在本文中用來表示不確定性的內(nèi)在程度，該不確定性可歸因于任何定 量的對比、值、測量結(jié)果或其他表現(xiàn)形式，因此也表示在不引起所討論主體基本功能變化的 情況下，數(shù)量的表達可從所述參考值變化的程度。已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明的實施例，通過參照其特定實施例，在不偏離所附權(quán)利要 求書限定的本發(fā)明范圍的情況下，顯然可能作出修改和變形。更特別地，盡管本文區(qū)分了本 發(fā)明的一些方面作為優(yōu)選的或特別有利的，但應(yīng)當(dāng)意識到本發(fā)明并不必然限于本發(fā)明的這 些優(yōu)選方面。
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權(quán)利要求
一種用于燃料電池的不銹鋼雙極板，所述雙極板包括相對的表面，所述相對的表面中的至少一個包括形成在其內(nèi)的多個流動通道以及關(guān)于所述多個流動通道散置的多個臺，所述多個臺構(gòu)造成與抵靠所述多個臺放置的燃料電池擴散層形成導(dǎo)電接觸，使得所述導(dǎo)電接觸的至少一部分包括鎳基合金，所述鎳基合金構(gòu)造成相對于不存在這種合金時降低了所述雙極板和所述擴散層之間的接觸電阻。
2.如權(quán)利要求1所述的雙極板，其中，用在所述雙極板中的所述不銹鋼包括奧氏體不 銹鋼。
3.如權(quán)利要求2所述的雙極板，其中，至少所述導(dǎo)電接觸的頂表面具有相對于所述奧 氏體不銹鋼中初始存在的量降低了的鐵含量。
4.如權(quán)利要求1所述的雙極板，其中，所述鎳基合金包括按重量至少60%的鎳。
5.如權(quán)利要求1所述的雙極板，其中，所述鎳基合金構(gòu)造成置于所述多個臺的至少一 部分上的涂層。
6.如權(quán)利要求5所述的雙極板，其中，所述涂層包括按重量至少60%的鎳。
7.如權(quán)利要求1所述的雙極板，其中，所述鎳基合金包括鎳鉻二元合金。
8.如權(quán)利要求1所述的雙極板，其中，所述鎳鉻二元合金構(gòu)造成置于所述多個臺的至 少一部分上的涂層。
9.一種包括至少一個聚合物電極膜燃料電池的裝置，所述燃料電池包括膜電極組件；擴散介質(zhì)，所述擴散介質(zhì)與所述膜電極組件的一個電極流體連通；和雙極板，所述雙極板與所述擴散介質(zhì)處于流體連通，使得被引入所述雙極板的反應(yīng)物 沿著形成在所述雙極板內(nèi)的通道行進以便穿過所述擴散介質(zhì)從而放置成與所述電極接觸， 所述雙極板進一步放置成與所述擴散介質(zhì)電接觸，使得用于所述雙極板的鎳基合金建立所 述電接觸。
10.一種制備聚合物電極膜燃料電池的方法，所述方法包括布置膜電極組件，所述膜電極組件包括陽極、陰極和置于所述陽極和陰極之間的膜；布置陽極擴散層和陰極擴散層，所述陽極擴散層放置成與所述陽極處于流體連通，并 且所述陰極擴散層放置成與所述陰極處于流體連通；和布置不銹鋼雙極板，所述不銹鋼雙極板包括多個流動通道以及關(guān)于所述多個流動通道 散置的多個臺，使得在所述燃料電池工作時，分別從燃料源和氧氣源引入的反應(yīng)物能夠經(jīng) 過由所述雙極板和所述擴散層中的相應(yīng)一個建立的流動路徑輸送到所述陽極和所述陰極， 所述雙極板構(gòu)造成使得在所述雙極板被放置成與所述陽極擴散層和所述陰極擴散層中的 相應(yīng)一個接觸時，所述多個臺與抵靠所述多個臺放置的所述相應(yīng)的擴散層形成導(dǎo)電接觸， 使得所述導(dǎo)電接觸的至少一部分包括鎳基合金，所述鎳基合金構(gòu)造成相對于在所述雙極板 和所述相應(yīng)擴散層之間不存在這種合金時所形成的接觸，降低了所述雙極板和所述相應(yīng)擴 散層之間的接觸電阻。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于燃料電池的具有低接觸電阻涂層的不銹鋼雙極板。具體地，公開了一種用在燃料電池中的雙極板，所述雙極板降低了板和擴散層之間的接觸電阻。板的相對的表面限定了流動通道以及散置在流動通道之間的豎立臺，板的所述臺與燃料電池中擴散層形成導(dǎo)電接觸。所述導(dǎo)電接觸的至少一部分由鎳基合金組成，所述鎳基合金降低了所述板和所述擴散層之間的接觸電阻，以此實現(xiàn)改進的電流密度。在一種形式中，該合金可用作板中的主要材料，而在另一種形式中，該合金可用作沉積到常規(guī)不銹鋼板上的涂層。
文檔編號H01M4/86GK101887974SQ20101018035
公開日2010年11月17日 申請日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月14日
發(fā)明者A·T·莫雷爾斯, G·V·達赫奇, M·C·米利特洛, M·H·阿布德埃爾哈米德 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司