专利名称：用于燃料电池的具有低接触电阻涂层的不锈钢双极板的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及在燃料电池环境中呈现低接触电阻的不锈钢合金双极板，更具 体地，涉及由这种双极板制成的组件，该双极板具有涂层以降低该板与扩散层或与相关的 抵靠该板放置的载流部件之间的接触电阻。
背景技术：
在许多燃料电池系统中，氢气或富氢气体通过流动路径供应到燃料电池的阳极 侧，而氧气(例如大气中的氧的形式)则通过分开的流动路径供应到燃料电池的阴极侧。适 当的催化剂(例如，钼)通常被布置成层，并被用于促进阳极侧的氢气氧化以及阴极侧的氧 气还原。由此，产生了电流以及作为反应副产品的高温水蒸汽。在一种形式的燃料电池中， 即所谓的质子交换膜或聚合物电解质膜(两种情况下均简称为PEM)燃料电池中，将离聚物 膜形式的电解质装配在阳极和阴极之间。这种层状结构通常称为膜电极组件(MEA)，并且进 一步层置于扩散层之间，扩散层既允许气体反应物流向MEA也允许电流从MEA流出。前述 的催化剂层可以置于扩散层上或者作为扩散层的一部分。为了提高电输出，用导电双极板将独立的燃料电池单元堆叠在一起，该导电双极 板置于扩散层和一个MEA的阳极电极以及扩散层和相邻MEA的阴极电极之间。在这种构造 中，双极板将相邻堆叠的MEAs分开，该双极板具有相对表面，每个相对表面均包括由升高 的台(land)彼此分开的流动通道。这些通道用作导管，以便将氢气和氧气的反应物流传送 到MEA的各阴极和阳极，同时由于台与导电扩散层接触，且导电扩散层进而与催化剂处产 生的电流电连通，因而台用作MEA中产生的电的传输路径。这样，电流经过双极板的台以及 导电扩散层。通常，双极板由石墨或金属制成，以便形成MEA和外部电路之间的导电联接。由石墨制成的双极板能够抵抗腐蚀，具有良好的导电性以及低的比重。然而，石墨 板对氢气是可透过的，这可能导致性能和效率上的严重缺失。而且，石墨难以制造，导致石 墨板非常昂贵并且比其基于金属的配对物要厚。因而，在燃料电池的制造成本是重要考虑 因素的情况下，基于金属的双极板相对石墨是优选的。除了相对较为便宜之外，金属板还可 形成薄的构件，例如具有小于0. 25mm的片材厚度。因为双极板工作在高温和腐蚀性环境中，常规金属(例如，普通碳素钢)可能不适 合某些要求长寿命(例如约10年6000小时的寿命)的应用(例如汽车应用)。在典型PEM 燃料电池堆的工作期间，质子交换膜处于约75°C到约175°C之间的温度范围以及约IOOkPa 的绝对压力到约200kPa的绝对压力之间的压力范围内。在这样的条件下，由贵金属制成的 板可能是有利的，这是由于它们具有期望的抗腐蚀性质。遗憾的是，它们都非常昂贵，从而 限制了它们在涉及运输的应用和相关的费用敏感应用中的生命力。此外，某些金属，例如镍 (至少在单独使用时)，在燃料电池环境内会经历严重的腐蚀。因此，尽管镍可能适合于用 在碱性介质中，但其不适合用在PEM中。钢合金可形成非常薄(例如，在0. Imm和1.0mm之间)的片材，并且相当便宜，却 可能不具有足够的抗腐蚀性。也可使用不锈钢(例如，铁铬或相关化合物形式的不锈钢)，其通过在板表面形成氧化物从而具有改善的抗腐蚀性。然而，不锈钢双极板倾向于钝化以 实现抗腐蚀性的提高，但这同时也增大了板和相邻扩散层之间的接触电阻。过渡金属涂层，例如氮化钛(TiN)，已被提出用于避免不锈钢双极板表面上的高接 触电阻的增长。虽然初始电阻可能下降，可是随着时间流逝，燃料电池中所遇到的状况(尤 其在升高的温度下)将导致TiN转换为二氧化钛(TiO2),而这实际上增大了接触电阻，从而 使得结果与所期望的相反。因此，仍然希望提供基于不锈钢合金的双极板，其具有抗腐蚀性 和低的接触电阻，以便用于燃料电池中。还希望制造一种双极板，其具有与那些基于贵金属 或基于石墨的双极板类似的抗腐蚀和接触电阻属性，但避免了它们高昂的制造费用。
发明内容
本发明满足了这些需求，其中，根据本发明的一个方面公开了一种用于燃料电池 的不锈钢双极板。所述板包括相对的表面，所述相对的表面中的至少一个包括形成在其内 的多个流动通道。许多台从板表面相对于通道向外突出，并形成与燃料电池扩散层的导电 接触，所述燃料电池扩散层放置成与所述台接触。该接触的至少一部分由镍基合金形成，其 在双极板和扩散层之间具有比不存在这种合金时更低的接触电阻。例如，如果板全部由不 锈钢制成，且没有使用镍基合金涂层或层，则可预计这种板将面临上述的钝化问题。任选地，用在所述双极板中的所述不锈钢包括奥氏体不锈钢。如下面更详细描述 的，这种构造在镍基合金是涂层形式时是有价值的。这种构造还在如下的情况时是有价值 的，即奥氏体不锈钢中固有的铁的至少一部分能够被从双极板的接触表面去除。在其他的 选择中，镍铬基合金(也称为镍铬合金)的优选形式包括具有按重量至少60%镍的合金。 如上所述，镍基合金可构造成置于所述板表面的至少一部分(例如，许多台)上的涂层。在 这种情况下，涂层可包括镍铬二元合金，其在按重量80%的镍和按重量20%的铬之间。尽 管本文所讨论的二元合金和其他镍基材料是优选的，但要认识到的是，这些合金应当具有 相同的总组分。然而，当将该合金用作双极板材料时，如果板表面形成了表面纹理以将接触 电阻降低到可接受水平(因为粗糙性可帮助降低接触电阻)，则可使用镍含量低至30%重 量百分比的合金。替代性地，我们可以从具有较低镍含量的合金开始，然后对其进行热处理 以优选从顶表面溶解铁，从而留下具有较低接触电阻的镍铬层。此外，二元合金可用作主要 的板结构材料。除了镍基合金之外，也可使用铁铬合金，因为其比铁镍衬底材料具有更高的 抗腐蚀性。镍铬二元合金和镍铁二元合金可适于板结构材料、涂层、或适于所述二者。因此， 如果我们从具有相对低的内部镍含量的合金开始，则可对合金进行处理使得从该合金的顶 表面提取出铁，留下富含镍和铬的层，由此模仿出(mimicking)镍铬合金，其将具有比原始 合金低得多的传导性，但同时像原始合金一样具有较低的费用。根据本发明的另一方面，公开了具有一个或多个PEM的装置。每个燃料电池均包 括MEA、扩散介质和双极板。在板的通道和扩散介质之间建立流体连通，使得被引入所述双 极板的反应物沿板的通道行进，穿过所述扩散介质并与所述MEA的阳极和阴极中适当的一 个接触。电流可在双极板和扩散介质之间经过它们之间的接触而流动，其中镍基合金帮助 提升了双极板和扩散介质之间界面的高导电性。任选地，并且如结合前述方面论述的那样，这种合金可用作板本身的主要材料成 分，或者可沉积到常规的不锈钢合金板上，使得镍基合金建立起该电接触。镍基合金可以是二元合金，例如镍铬合金，或者可以是更加高度合金化的包含(除了主要的镍以外)其他金 属(例如不锈钢中能够发现的那些金属)的合金。该装置可额外地包括燃料处理系统，所 述燃料处理系统用于为燃料电池提供第一反应物(例如，氢气)。该装置还可包括耦接到燃 料电池的车辆，使得在所述燃料电池内利用由所述燃料处理系统产生的反应物产生的电化 学催化反应来提供所述车辆原动力需求的至少一部分。根据本发明的又一个方面，公开了一种制备聚合物电极膜燃料电池的方法。该方 法包括布置MEA，使得该MEA包括阳极、阴极、和置于所述阳极和阴极之间的膜。另外，阳 极扩散层放置成与所述MEA的阳极处于流体连通，而阴极扩散层则放置成与阴极处于流体 连通。此外，不锈钢双极板具有散置在板的至少一个表面上的许多流动通道及台，使得在所 述燃料电池工作时，从相应燃料源和氧气源引入的反应物可经过由所述双极板建立的流动 路径输送到所述阳极和所述阴极。所述双极板被放置成与所述阳极扩散层和所述阴极扩散 层中相应的一个接触，使得向外突出的台与抵靠该台放置的相应扩散层形成导电接触。为 了提升高度的导电性，扩散层和双极板之间的接触的至少一部分由镍铬基合金实现，所述 镍铬基合金构造成，相对于双极板和扩散层之间不存在这种合金时所形成的接触降低了双 极板和扩散层之间的接触电阻。任选地，镍铬基合金构造成置于多个台的至少一部分上的涂层。在一种形式中，使 用电弧气相沉积、电子束蒸发、溅射涂覆、电镀或相关技术将涂层置于所述多个台的至少一 部分上。在一种优选形式中，涂层包括按重量至少60%的镍。此外，该方法可包括去除初始 存在于镍基合金中的至少一些铁。通过此项操作，板和扩散层之间形成的导电接触的顶层 可富含镍铬。这样，相对低成本(即，入门级)的奥氏体不锈钢可用于实现低成本和低接触 电阻。更具体地，可通过对用于导电接触的合金进行热处理来去除铁，然后通过化学溶解步 骤来去除此后的氧化铁鳞皮。本发明还提供了以下方案方案1. 一种用于燃料电池的不锈钢双极板，所述双极板包括相对的表面，所述相 对的表面中的至少一个包括形成在其内的多个流动通道以及关于所述多个流动通道散置 的多个台，所述多个台构造成与抵靠所述多个台放置的燃料电池扩散层形成导电接触，使 得所述导电接触的至少一部分包括镍基合金，所述镍基合金构造成相对于不存在这种合金 时降低了所述双极板和所述扩散层之间的接触电阻。方案2.如方案1所述的双极板，其中，用在所述双极板中的所述不锈钢包括奥氏 体不锈钢。方案3.如方案2所述的双极板，其中，至少所述导电接触的顶表面具有相对于所 述奥氏体不锈钢中初始存在的量降低了的铁含量。方案4.如方案1所述的双极板，其中，所述镍基合金包括按重量至少60%的镍。方案5.如方案1所述的双极板，其中，所述镍基合金构造成置于所述多个台的至 少一部分上的涂层。方案6.如方案5所述的双极板，其中，所述涂层包括按重量至少60%的镍。方案7.如方案1所述的双极板，其中，所述镍基合金包括镍铬二元合金。方案8.如方案1所述的双极板，其中，所述镍铬二元合金构造成置于所述多个台 的至少一部分上的涂层。
方案9.如方案1所述的双极板，其中，所述镍基合金选自由镍铁合金和镍铬合金 组成的组。方案10.如方案1所述的双极板，其中，所述双极板的基本整体部分是由所述镍基 合金制成。方案11.如方案1所述的双极板，其中，所述导电接触包括纹理化的表面。方案12.如方案11所述的双极板，其中，所述镍基合金包括小于60%的镍。方案13. —种包括至少一个聚合物电极膜燃料电池的装置，所述燃料电池包括膜电极组件；扩散介质，所述扩散介质与所述膜电极组件的一个电极流体连通；和双极板，所述双极板与所述扩散介质处于流体连通，使得被引入所述双极板的反 应物沿着形成在所述双极板内的通道行进以便穿过所述扩散介质从而放置成与所述电极 接触，所述双极板进一步放置成与所述扩散介质电接触，使得用于所述双极板的镍基合金 建立所述电接触。方案14.如方案13所述的装置，其中，所述镍基合金构造成置于所述双极板表面 的至少一部分上的涂层，所述涂层建立所述电接触。方案15.如方案13所述的装置，其中，所述镍基合金是镍铬合金。方案16.如方案13所述的装置，其中，进一步包括燃料处理系统，所述燃料处理系统用于为所述至少一个燃料电池提供第一反应 物，其中，所述第一反应物包括氢气；和车辆，所述车辆耦接到所述至少一个燃料电池，使得在所述燃料电池内用由所述 燃料处理系统产生的反应物产生的电化学催化反应向所述车辆至少部分地提供原动力。方案17.如方案13所述的装置，其中，所述双极板的基本整体部分是由所述镍基 合金制成。方案18. —种制备聚合物电极膜燃料电池的方法，所述方法包括布置膜电极组件，所述膜电极组件包括阳极、阴极和置于所述阳极和阴极之间的 膜；布置阳极扩散层和阴极扩散层，所述阳极扩散层放置成与所述阳极处于流体连 通，并且所述阴极扩散层放置成与所述阴极处于流体连通；和布置不锈钢双极板，所述不锈钢双极板包括多个流动通道以及关于所述多个流动 通道散置的多个台，使得在所述燃料电池工作时，分别从燃料源和氧气源引入的反应物能 够经过由所述双极板和所述扩散层中的相应一个建立的流动路径输送到所述阳极和所述 阴极，所述双极板构造成使得在所述双极板被放置成与所述阳极扩散层和所述阴极扩散层 中的相应一个接触时，所述多个台与抵靠所述多个台放置的所述相应的扩散层形成导电接 触，使得所述导电接触的至少一部分包括镍基合金，所述镍基合金构造成相对于在所述双 极板和所述相应扩散层之间不存在这种合金时所形成的接触，降低了所述双极板和所述相 应扩散层之间的接触电阻。方案19.如方案18所述的方法，其中，所述镍基合金构造成置于所述多个台的至 少一部分上的涂层。方案20.如方案19所述的方法，其中，使用电弧气相沉积技术将所述镍基合金置
6于所述多个台的至少一部分上。
如方案20所述的方法，其中，所述涂层包括按重量至少60%的镍。 如方案18所述的方法，其中，所述涂层包括按重量至少60%的镍。 如方案18所述的方法，其中，用在所述双极板中的所述不锈钢包括奥氏方案21.方案22.方案23·
体不锈钢。方案24.如方案23所述的方法，其中，优选至少从所述导电接触的顶表面去除所 述奥氏体不锈钢中初始存在的铁的至少一部分，使得富含镍铬的层形成其顶表面。方案25.如方案24所述的方法，其中，通过热处理去除所述铁，并且随后溶解氧化 铁鳞皮。方案26.如方案18所述的方法，其中，进一步包括在所述导电接触的表面内生成纹理。
结合附图阅读，本发明优选实施例的以下详细描述将得到最好的理解，附图中相 似的结构被标以相似的附图标记，其中图1是常规燃料电池和周围双极板的一部分的局部分解剖视图；图2是根据本发明制造的双极板一侧的立体图；图3是根据本发明制造的、邻近膜电极组件放置的双极板的剖面图；图4是曲线图，其示出了二元合金中铁对镍的浓度和接触电阻之间的关系；以及图5是具有根据本发明的燃料处理系统和基于燃料电池的原动力供应的车辆的 示意图。
具体实施例方式首先参见图1，其示出了常规的PEM燃料电池1的分解形式的局部剖视图。燃料电 池1包括基本平坦的质子交换膜10、与质子交换膜10的一个面处于面接触的阳极催化剂层 20、以及与质子交换膜10的另一个面处于面接触的阴极催化剂层30。质子交换膜10以及 催化剂层20、30共同称为膜电极组件(MEA)40。阳极扩散层50被布置成与阳极催化剂层 20面接触，而阴极扩散层60被布置成与阴极催化剂层30面接触。扩散层50和60的每一 个均由大致多孔的构造制成，以便利于气体反应物通过，从而到达催化剂层20和30。阳极 催化剂层20和阴极催化剂层30共同称为电极，并且可如图所示形成为分离的不同层，或者 替代性地形成为分别至少部分嵌入在扩散层50或60内，以及分别部分嵌入在质子交换膜 10的相对面内。除了提供基本上多孔的流动路径以便反应物气体到达质子交换膜10的适当侧之 外，扩散层50和60还提供了电极催化剂层20、30和双极板70 (通过台74)之间的电接触， 进而双极板充当了电流收集器。而且，由于其大致多孔的本质，扩散层50和60还形成了导 管，用于去除在催化剂层20、30处产生的气体产物。此外，阴极扩散层60在阴极扩散层内 产生显著量的水蒸汽。这种特征是重要的，其有助于保持质子交换膜10含水。扩散层中的 透水性可通过引入少量聚四氟乙烯(PTFE)或相关材料来调节。提供了一对双极板70的简化相对表面70A和70B，以便将堆中的每个MEA 40和随同的扩散层50、60与相邻MEAs和层(均未示出)分开。一块板70A接合阳极扩散层50，而 第二块板70B接合阴极扩散层60。板70A和70B中的每一个(其在装配成单一的整体后将 组成双极板70)均沿各自板面限定了许多反应物气体流动通道72。台74通过朝向各自的 扩散层50、60突出并且与各自的扩散层50、60直接接触从而将反应物气体流动通道72的 相邻部分分开。在工作中，第一气体反应物(例如，氢气)从板70A穿过通道72被输送到 MEA40的阳极20侧，而第二气体反应物(例如，氧气，通常以空气的形式)从板70B穿过通 道72被输送到MEA 40的阴极30侧。催化反应分别在阳极20和阴极30处发生，产生了穿 过质子交换膜10迁移的质子以及导致电流的电子，由于台74和层50和60之间的接触，该 电流可穿过扩散层50和60以及双极板70传输。接下来参见图2，其示出了根据本发明一个方面的双极板170。在所示图中只能看 见板170的顶侧，未示出的相对侧可以是类似构造的。头部176位于板170的相对边缘处 并且限定了歧管，反应物、冷却剂以及燃料电池所用的其他流体能在歧管中流动。歧管沟槽 178可用于将歧管之一中的流体流分到各个通道172内。可以看出，通道172限定了板170 表面之上的大致弯曲的路径(例如所示的蛇纹状路径)，以使流体最大化地暴露给适当的 扩散层(未示出)。台174限定了台之间的通道172，由于台174比位于板170上的其他结 构从板170的平面向外突出得更多，所以在被按压到一起后，台174可以建立与扩散层的接 触。双极板170可由不锈钢合金制成。在当前语境下，不锈钢合金除了铁之外还包括 防腐蚀材料，例如铬、镍、钼、铜等。在一种特定形式中，不锈钢可以是奥氏体不锈钢，其可包 含重量百分比在约16到约26之间的铬以及重量百分比在约8到约22之间的镍。奥氏体 不锈钢的几个熟知的例子是美国钢铁协会(AISI)的304型和316型品种，其还可包括少量 的锰、钼等。在另一种特定形式中，用于本文所述双极板的不锈钢可由二元合金形成，其中 铁铬以及镍铬形成了这种合金的主要部分。这类二元合金尤其有用，因为其无需求助于表 面纹理(不过如果需要的话，仍可使用这种技术)便可获得良好的接触电阻。其他合金，例 如铁镍合金，由于其缺乏抗腐蚀性，所以可能较少地用作基体材料。这种二元合金既可用作 在常规不锈钢合金表面上沉积的涂层，也可用作组成双极板170本身的主要成分。对于前 者，涂层可置于台174上以确保与扩散层的高导电性接触。表1示出了不同的二元合金及 其标称组分，以及在每平方英寸200磅的单一压力设置下的接触电阻(CR)的测量值，该压 力值是通常用于将双极板连接到扩散层的值。可以看出，主要含有镍或铬的合金(例如样品编号为GMR3、GMR4、GMR7和GMR8的 样品，以及它们的组合)趋向于产生最低的CR值。特别参照镍铬二元合金(表中的样品 GMR7和GMR8)，可能是费用方面的考虑阻碍了这种合金被用作双极板170中的主要合金，而 代之以寻找一种更加经济的使用方法，即用作在由更常规不锈钢合金制成的板的顶上的涂 层。关于可制造性，上面列出的所有合金均具有良好的焊接性和成形能力，其中前者被认为 是指一种材料如何才不会在焊接期间出现金属凝固裂纹，而后者被认为是通过常规成形方 法(例如冲压等)成形为型板的能力。表 1 接下来参见图3，示出了根据本发明一个方面的双极板170的剖视图，该双极板 170在板170的一侧上形成有MEA 40以及随同的扩散层50和60，其可被布置在燃料电池 堆中。通常，MEA 40定位在扩散介质层50和60之间，扩散介质层50和60进而定位在一 对混合的双极板170 (当前仅示出了其中一块)之间。流动通道172构造成反应物气体所 用的通道，特别地，作为包含氢气(H2)的气体进入阳极扩散层50以及包含氧气(O2)的气体 (例如空气)进入阴极扩散层60的通道，图中示出了后者。在一种非限制性形式中，流动通 道172被冲压到金属板170内，其中，示出了阳极通道172A和阴极通道172B。总体上，这些 通道172A、172B的深度基本相似。台174限定了通道172之间的突出部分，从而避免了各 个通道172间的流体串扰。根据板170的需要，形成在台174之间的空间(plenum) 175可 用于传送冷却剂或其他流体，其中台174通过板170的厚度对准。如图中具体所示的，涂层180形成在板片170A和170B的表面上。优选地，涂层由 镍铬基合金制成，该镍铬基合金包括前述二元合金中的一种或多种。尽管所示出的涂层覆 盖了通道172和台174，但从本公开其余部分可明显看出涂层的应用可更加具有选择性，例 如仅覆盖台174的大致平坦的顶表面。使用相对较薄的层连同将涂层用在特定接触位置 (例如台174顶部上的平坦表面)的明智的应用，使得可使用更加昂贵的材料(例如，镍铬 二元合金)，而这些材料的使用在其他方式下可能是不切实际的。在另一个实施例(未示 出)中，镍铬基材料可用于形成双极板170的基本整体部分。在这种构造中，不需要单独的 涂层，从而减少了制造费用。取决于应用，在置于常规奥氏体不锈钢上的高镍含量涂层以及 全部由高镍含量材料制成的板之间作出选择。例如，在费用不是主要问题的特殊应用(例 如军事、航天或航海)中可使用全部由高镍含量材料制成的板。接下来参见图4，其示出了四种不同铁镍合金组分对所模拟的扩散层关于各种压 力的接触电阻的对比。该设置包括利用力控制仪器(例如Instron 或相关的万能测试机)使每种二元合金以预定压力被压在两个Toray Tl. O气体扩散介质(GDM)之间并且经受穿 过其厚度方向的已知电流。已知样品面积，并通过测量样品上的压降，则可利用欧姆定律计 算出特定面积的电阻。在这项研究中，自始至终均使用6. 45A/cm2或lA/cm2，并且确定了电 阻对压力的相关性。所有的值均是在镀金铜块之间测得的以降低测量变化。从图中可以看出，在相同压力载荷下，铁基材料(分别具有按重量20%以及按重 量40%的镍)比镍基材料(分别具有按重量60%以及按重量80%的镍)呈现出更高的电 阻等级。其他合金(例如铁铬)在铬含量变化(至少高至40%的铬)时没有显示出可察觉 的接触电阻变化。本发明的发明人没有对更高的铬含量进行评估，这是因为无法制造高于 40%铬含量的稳定合金。同样，现有的商用镍铬合金(包括某些含有按重量高至34%铬的 合金)显示出不期望的较高电阻。从机械学上说，将镍含量提高到高于60%涉及对钝化膜 的富集(enrichment)。通过设定低于lOmohm/cm2的概念性CR目标，本发明的发明人已经 发现通过使用80/20镍铬合金，这些水平能够容易地实现。这些结果总体上与表1所示结 果是一致的，其中标出了 CR中的显著区别。接下来参见图5，本发明的装置可进一步包括车辆，例如具有燃料电池堆110的轿 车100。燃料电池堆110可构造成提供轿车100的原动力或相关推进需求的至少一部分， 轿车100还可具有燃料处理系统120以向燃料电池堆110供应氢气或相关反应物燃料。还 包括燃料储存罐130以提供车载反应物前体源，反应物前体例如为甲醇、汽油或能够被重 整的一些其他燃料。在一种形式中，燃料处理系统120可通过合适的反应来处理从储存罐 130抽取的前体。例如，燃料处理系统120可包括自热反应器(未示出)以用作甲醇的初 级重整，而下游的水-气体变换反应器(未示出)和末级的氧化器、膜或相关涤气器(均未 示出)可用于将一氧化碳水平降低到避免PEM催化剂中毒所需的非常低的值。本领域技术 人员将意识到燃料电池堆110的放置方式是纯粹概念性的，燃料电池堆110可按照任意合 适的方式用在轿车100内。本领域技术人员还将意识到其他车辆形式也可联合燃料电池堆 110、燃料处理系统120和燃料储存罐130使用，这些车辆形式例如为卡车、摩托车、飞行器、 航天器或船只。除非另有指示，所有表示量的数字均为近似值，其可取决于本发明实施例中寻求 获得的期望性质而变化。因此，应当理解，这些数字均可由近似词“约”修饰。同样应当指 出的是，诸如“优选地”、“通常”、“一般”等词语在本文中并非用于限制所请求保护的发明 的范围或者暗示某些特征对于所请求保护的发明的结构或功能是关键的、实质的甚至重要 的，相反，这些词语仅仅强调可能用于或可能不用于本发明具体实施例的替代性或附加特 征。此外词语“基本”在本文中用来表示不确定性的内在程度，该不确定性可归因于任何定 量的对比、值、测量结果或其他表现形式，因此也表示在不引起所讨论主体基本功能变化的 情况下，数量的表达可从所述参考值变化的程度。已经详细描述了本发明的实施例，通过参照其特定实施例，在不偏离所附权利要 求书限定的本发明范围的情况下，显然可能作出修改和变形。更特别地，尽管本文区分了本 发明的一些方面作为优选的或特别有利的，但应当意识到本发明并不必然限于本发明的这 些优选方面。
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权利要求
一种用于燃料电池的不锈钢双极板，所述双极板包括相对的表面，所述相对的表面中的至少一个包括形成在其内的多个流动通道以及关于所述多个流动通道散置的多个台，所述多个台构造成与抵靠所述多个台放置的燃料电池扩散层形成导电接触，使得所述导电接触的至少一部分包括镍基合金，所述镍基合金构造成相对于不存在这种合金时降低了所述双极板和所述扩散层之间的接触电阻。
2.如权利要求1所述的双极板，其中，用在所述双极板中的所述不锈钢包括奥氏体不 锈钢。
3.如权利要求2所述的双极板，其中，至少所述导电接触的顶表面具有相对于所述奥 氏体不锈钢中初始存在的量降低了的铁含量。
4.如权利要求1所述的双极板，其中，所述镍基合金包括按重量至少60%的镍。
5.如权利要求1所述的双极板，其中，所述镍基合金构造成置于所述多个台的至少一 部分上的涂层。
6.如权利要求5所述的双极板，其中，所述涂层包括按重量至少60%的镍。
7.如权利要求1所述的双极板，其中，所述镍基合金包括镍铬二元合金。
8.如权利要求1所述的双极板，其中，所述镍铬二元合金构造成置于所述多个台的至 少一部分上的涂层。
9.一种包括至少一个聚合物电极膜燃料电池的装置，所述燃料电池包括膜电极组件；扩散介质，所述扩散介质与所述膜电极组件的一个电极流体连通；和双极板，所述双极板与所述扩散介质处于流体连通，使得被引入所述双极板的反应物 沿着形成在所述双极板内的通道行进以便穿过所述扩散介质从而放置成与所述电极接触， 所述双极板进一步放置成与所述扩散介质电接触，使得用于所述双极板的镍基合金建立所 述电接触。
10.一种制备聚合物电极膜燃料电池的方法，所述方法包括布置膜电极组件，所述膜电极组件包括阳极、阴极和置于所述阳极和阴极之间的膜；布置阳极扩散层和阴极扩散层，所述阳极扩散层放置成与所述阳极处于流体连通，并 且所述阴极扩散层放置成与所述阴极处于流体连通；和布置不锈钢双极板，所述不锈钢双极板包括多个流动通道以及关于所述多个流动通道 散置的多个台，使得在所述燃料电池工作时，分别从燃料源和氧气源引入的反应物能够经 过由所述双极板和所述扩散层中的相应一个建立的流动路径输送到所述阳极和所述阴极， 所述双极板构造成使得在所述双极板被放置成与所述阳极扩散层和所述阴极扩散层中的 相应一个接触时，所述多个台与抵靠所述多个台放置的所述相应的扩散层形成导电接触， 使得所述导电接触的至少一部分包括镍基合金，所述镍基合金构造成相对于在所述双极板 和所述相应扩散层之间不存在这种合金时所形成的接触，降低了所述双极板和所述相应扩 散层之间的接触电阻。
全文摘要
本发明涉及用于燃料电池的具有低接触电阻涂层的不锈钢双极板。具体地，公开了一种用在燃料电池中的双极板，所述双极板降低了板和扩散层之间的接触电阻。板的相对的表面限定了流动通道以及散置在流动通道之间的竖立台，板的所述台与燃料电池中扩散层形成导电接触。所述导电接触的至少一部分由镍基合金组成，所述镍基合金降低了所述板和所述扩散层之间的接触电阻，以此实现改进的电流密度。在一种形式中，该合金可用作板中的主要材料，而在另一种形式中，该合金可用作沉积到常规不锈钢板上的涂层。
文档编号H01M4/86GK101887974SQ20101018035
公开日2010年11月17日 申请日期2010年5月14日 优先权日2009年5月14日
发明者A·T·莫雷尔斯, G·V·达赫奇, M·C·米利特洛, M·H·阿布德埃尔哈米德 申请人:通用汽车环球科技运作公司