專利名稱：帶傳導(dǎo)涂層的金屬雙極板的激光焊接的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，更具體地說，本發(fā)明涉及涂覆的金屬板，其激光焊接在一起以形成燃料電池的雙極板。
背景技術(shù)：
已經(jīng)提出用燃料電池作為功率源，以用于電動(dòng)車輛和其它應(yīng)用場(chǎng)合中。一種已知的燃料電池是PEM(即質(zhì)子交換膜)燃料電池，其包括所謂的MEA(″膜-電極-組件″)，MEA包括薄的、固態(tài)的聚合物膜-電解質(zhì)，其具有在一個(gè)面上的陽極和在相反面上的陰極。陽極和陰極典型地包括細(xì)小的碳顆粒，被支撐于碳顆粒的內(nèi)、外表面上的非常細(xì)小的催化劑顆粒，以及與催化劑顆粒和碳顆粒相混合的質(zhì)子傳導(dǎo)材料。MEA夾在一對(duì)用作用于陽極和陰極的集電器的導(dǎo)電接觸元件之間，其可包含合適的通道及其中的開口，用于將燃料電池的氣態(tài)反應(yīng)物(即，H2和O2/空氣)分布在相應(yīng)的陽極和陰極的表面上。
PEM燃料電池包括多個(gè)MEA，其以電串聯(lián)的形式疊在一起、同時(shí)通過已知為雙極板或集電器的不可滲透的導(dǎo)電接觸元件而彼此分開。集電器或雙極板具有兩個(gè)工作表面，其中一個(gè)面對(duì)一個(gè)電池的陽極，另一個(gè)面對(duì)疊組中下一個(gè)相鄰電池的陰極，并且在相鄰電池之間導(dǎo)電。在疊組端部的接觸元件僅與端部電池接觸，并且被稱為端板。在以下類型的燃料電池中，各個(gè)雙極板包括兩個(gè)連在一起的單獨(dú)的板，在它們之間設(shè)有流體通路，冷卻劑流體流過該通路，以便從MEA的兩側(cè)來散熱。在其它類型的燃料電池中，雙極板包括單個(gè)板和連在一起的設(shè)置成重復(fù)圖案的板，其中各個(gè)MEA的至少一個(gè)表面由流過兩個(gè)板式雙極板的冷卻劑流體冷卻。通過對(duì)準(zhǔn)一對(duì)單獨(dú)的彼此相鄰的板半體并將它們適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合在一起，而形成該雙極板，因此就提供了導(dǎo)電性。
接觸元件通常由導(dǎo)電的金屬材料構(gòu)成。在H2和O2/空氣PEM燃料電池環(huán)境中，雙極板和其它接觸元件(例如端板)與中等酸性的溶液(pH3-5)相接觸，并且在被極化至最大大約+1V(相對(duì)于普通的氫電極)的高度氧化性環(huán)境中工作。在陰極側(cè)，接觸元件暴露在壓縮空氣中，而在陽極側(cè)暴露在大氣氫中。遺憾的是，許多金屬在嚴(yán)苛的PEM燃料電池中易于腐蝕，并且由這些金屬制成的接觸元件要么溶解(例如為鋁的情形下)，或在其表面上形成很高電阻的鈍化氧化膜(例如在鈦或不銹鋼的情形下)，這會(huì)增加燃料電池的內(nèi)部電阻，并降低其性能。
為了降低金屬雙極板的接觸電阻，各個(gè)板的暴露表面與導(dǎo)電的涂層疊在一起，其也限制了板表面與燃料電池的腐蝕環(huán)境之間的接觸。涂層通常是有機(jī)粘結(jié)劑，其包含有導(dǎo)電的有機(jī)顆粒，例如碳或石墨(即六方晶體碳)。
目前，兩個(gè)板式的雙極板半體在這兩個(gè)單獨(dú)的板結(jié)合在一起之后來進(jìn)行涂覆。然而，這種涂覆雙極板的方法比較費(fèi)時(shí)，因此采用這樣涂覆的板就會(huì)限制燃料電池的批量生產(chǎn)。因此，就需要以不太費(fèi)時(shí)的有助于燃料電池批量生產(chǎn)的方式來涂覆雙極板。
發(fā)明概要本發(fā)明公開了一種高效地制造具有涂覆的雙極板的燃料電池的方法。本發(fā)明考慮將已經(jīng)在其上具有傳導(dǎo)涂層的單個(gè)的金屬板激光焊接在一起，以形成用于燃料電池的雙極板。這種方法至今因?yàn)橥繉拥挠袡C(jī)物成分而尚未被考慮。具體而言，金屬雙極板典型地由不銹鋼制成，其在焊接過程中當(dāng)暴露于來自于有機(jī)涂層的碳中時(shí)會(huì)導(dǎo)致形成敏化(sensitized)的不太耐腐蝕的暴露區(qū)域。不銹鋼中的主要抗腐蝕成分是鉻。如果不銹鋼在高溫(例如接近或高于其熔點(diǎn))工藝處理過程中暴露在含碳材料中，則碳將與金屬中的鉻結(jié)合。這就減少了可用于產(chǎn)生鈍化表面氧化膜的鉻的量，這種表面氧化膜可賦予金屬的抗腐蝕性能。合金抗腐蝕性能的降低導(dǎo)致亞鐵和三價(jià)鐵離子進(jìn)化，這會(huì)污染聚合物膜及其機(jī)械耐久性以及其輸送氫離子的效率。因此，板的敏化是不合要求的，因?yàn)榘宓氖褂脡勖档土?。因此，典型的制造工藝是清理板的表面，以便除去在焊接之前除去任何有機(jī)污染物，從而防止在焊接之前涂覆板。因此，在焊接之前除去所有的有機(jī)污染物就防止了板的敏化，并且避免了相關(guān)的抗腐蝕性能的降低。然而，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，將涂覆的板激光焊接在一起不會(huì)導(dǎo)致板敏化至足以造成不合要求水平的抗腐蝕性能這樣的程度。盡管在焊接的板的區(qū)域中存在有機(jī)涂層，并且盡管有機(jī)涂層是用激光束燒蝕的，但還是可以實(shí)現(xiàn)這一結(jié)果。
在本發(fā)明的一個(gè)方面中，公開了一種用于制作燃料電池疊組的方法，該電池疊組具有至少兩個(gè)連在一起的金屬部件，其中至少一個(gè)金屬部件在其上具有導(dǎo)電涂層。該方法包括(1)將第一金屬部件定位成相鄰于第二金屬部件，第一金屬部件在其上具有第一導(dǎo)電涂層；(2)熔化相鄰金屬部件的一部分；和(3)使相鄰金屬部件的熔化部分固化，從而在相鄰金屬部件之間形成熔合結(jié)合。
在本發(fā)明的另一方面，公開了一種用于制作燃料電池疊組的方法，該電池疊組具有帶內(nèi)部流動(dòng)通路的金屬雙極板。該方法包括(1)將第一金屬板定位成相鄰于第二金屬板，所述第一金屬板具有涂覆有導(dǎo)電涂層的一個(gè)表面的至少一部分，其中涂覆部分背向第二板；(2)將聚焦的輻射施加在相鄰板的包括涂層部分的那部分上，從而燒蝕涂層的這部分，并熔化相鄰板的這部分；(3)移開聚焦的輻射；和(4)允許熔化部分固化并熔合在一起，從而形成其中一個(gè)雙極板。
在本發(fā)明的另一方面，公開了一種制造用于燃料電池疊組的雙極板的方法。該方法包括(1)將導(dǎo)電的有機(jī)涂層涂在雙極板的第一金屬板上；(2)將第一板定位成相鄰于雙極板的第二金屬板；(3)將聚焦的輻射施加在相鄰板的包括涂層部分的那部分上，從而燒蝕涂層的這部分，并熔化相鄰板的這部分；(4)移開聚焦的輻射；和(5)允許熔化部分固化并熔合在一起，從而形成雙極板。
從如下所述的詳細(xì)描述中，可以清楚本發(fā)明的其它適用領(lǐng)域。應(yīng)當(dāng)理解，盡管顯示了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是，這些詳細(xì)描述和特定示例只是用于說明目的，而非試圖限制本發(fā)明的范圍。
附圖簡介從以下的詳細(xì)描述合附圖中，可以更全面地理解本發(fā)明，其中

圖1是液體冷卻的PEM燃料電池疊組(只顯示了兩個(gè)電池)的示意性分解立體圖；圖2是可用于圖1所示PEM燃料電池疊組中的雙極板的分解立體圖；圖3是沿著圖2的方向3-3的局部剖視圖；圖4是圖3所示雙極板的放大部分；圖5是圖2所示雙極板的平面圖，其中顯示了一些焊接區(qū)域；圖6A是圖5所示雙極板的激光焊接區(qū)域的特寫圖；圖6B是沿著線6B-6B的圖6A所示雙極板的激光焊接區(qū)域的剖視圖；圖7A是圖6A所示激光焊接區(qū)域的特寫圖，顯示了將第二涂層施加在激光焊接區(qū)域之上；和圖7B是沿著線7B-7B的圖7A所示重新涂覆的激光焊接區(qū)域的剖視圖。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述優(yōu)選實(shí)施例的以下詳細(xì)描述在本質(zhì)上僅僅是示范性的，絕非試圖限制本發(fā)明的范圍、其應(yīng)用或用途。
本發(fā)明涉及具有至少一個(gè)金屬雙極板的PEM燃料電池，所述金屬雙極板由兩個(gè)單個(gè)的板制成，并且設(shè)置在一對(duì)MEA之間。所述單個(gè)的板各自具有導(dǎo)電的保護(hù)性涂層，用于限制板表面與燃料電池的腐蝕性環(huán)境接觸。兩個(gè)涂覆的單個(gè)的板通過激光焊接而結(jié)合在一起，激光焊接導(dǎo)致鄰接于焊接區(qū)域的涂層被燒蝕。如果有需要，第二涂層可施加在焊接區(qū)域上。
為了更好地理解本發(fā)明，可采用的示范性燃料電池如圖1所示，其描繪了兩個(gè)單個(gè)的質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池，它們相連起來以形成具有一對(duì)膜-電極-組件(MEA)20，22的疊組，這對(duì)膜-電極-組件20，22通過導(dǎo)電的液體冷卻的雙極隔板傳導(dǎo)元件24而彼此分開。未在疊組中以串聯(lián)形式相連的單個(gè)燃料電池具有帶單個(gè)電活性側(cè)的隔板24。在疊組中，優(yōu)選的雙極隔板24在疊組內(nèi)典型地具有兩個(gè)電活性側(cè)26，28，各個(gè)活性側(cè)26，28分別面對(duì)單獨(dú)的MEA20，22，并且?guī)в蟹珠_的相反電荷，因此就為所謂的″雙極″板。
MEA20，22和雙極板24在鋁制夾緊端板30，32和端部接觸流體分布元件34，36之間疊在一起。端部流體分布元件34，36以及雙極板24的兩個(gè)工作面或工作側(cè)26，28包含多個(gè)平臺(tái)(land)，其相鄰于活性面38，40，26，28，42和44上的溝槽或槽道，用于將燃料和氧化劑氣體(即H2和O2)分布給MEA20，22。不導(dǎo)電的墊圈或密封件48，50，52，54，56和58在燃料電池疊組的若干部件之間提供了密封和電絕緣。氣體可滲透的傳導(dǎo)的擴(kuò)散介質(zhì)60，62，64和66壓在MEA20，22的電極面上。附加的傳導(dǎo)介質(zhì)68，70的層放置在端部接觸流體分布元件34，36和終端集電器板30，32之間，以便當(dāng)疊組在正常工作狀態(tài)下受壓時(shí)在它們之間提供傳導(dǎo)通路。端部接觸流體分布元件34，36分別壓在擴(kuò)散介質(zhì)60，68和66，70上。
氧經(jīng)由合適的供應(yīng)管道74從儲(chǔ)槽或壓縮機(jī)72而供應(yīng)至燃料電池疊組的陰極側(cè)，而氫從儲(chǔ)槽76經(jīng)由合適的供應(yīng)管道78供應(yīng)至燃料電池的陽極側(cè)。或者，空氣可從環(huán)境大氣中供應(yīng)至陰極側(cè)，并且氫從甲醇或汽油重整裝置等等而供應(yīng)至陽極。還提供了用于MEA的H2和O2/空氣側(cè)的排出管道80。提供了另外的管道82，以用于使冷卻劑從儲(chǔ)存區(qū)域84通過雙極板24和端板34，36循環(huán)，并流出出口管道86。
圖2是雙極板88的分解立體圖，其包括第一外金屬片90、第二外金屬片92，以及設(shè)置在第一金屬片90和第二金屬片92之間的內(nèi)金屬隔片94。外金屬片90，92制作成盡可能薄(例如大約0.002-0.02英寸厚)，其可通過沖壓、電成型，或者任何其它用于形成金屬片的傳統(tǒng)工藝而形成。外片90具有位于其外側(cè)的第一工作表面96，其面對(duì)膜-電極-組件(未示出)，并且成形為可提供多個(gè)平臺(tái)98，所述多個(gè)平臺(tái)98之間限定了已知為″流場(chǎng)″的多個(gè)溝槽100，燃料電池的反應(yīng)物氣體(即H2或O2)在彎曲的路徑中流過所述溝槽100，從雙極板的一側(cè)102流到其另一側(cè)104。當(dāng)燃料電池完全安裝好時(shí)，平臺(tái)98壓緊在碳/石墨紙(例如圖1中的62或64)上，碳/石墨紙又壓緊在MEA(例如分別為圖1中的20或22)上。為了繪圖的簡便，圖2只顯示了平臺(tái)98和溝槽100的兩個(gè)排列。實(shí)際上，平臺(tái)和溝槽98，100將覆蓋與碳/石墨紙相接合的金屬片90，92的整個(gè)外表面。反應(yīng)物氣體從沿著燃料電池一側(cè)102設(shè)置的集管或歧管溝槽106而供應(yīng)至溝槽100，并且借助相鄰于燃料電池的相對(duì)側(cè)104的另一集管/歧管溝槽108而離開溝槽100。
如圖3最佳地所示，片90的下側(cè)包括多個(gè)凸脊110，在它們之間限定了多個(gè)槽道112，冷卻劑在燃料電池的工作期間經(jīng)過該多個(gè)槽道112。如圖3所示，冷卻劑槽道112位于各個(gè)平臺(tái)98的下面，而反應(yīng)物氣體溝槽100位于各個(gè)凸脊110下面。或者，片90可為扁平的，并且在單獨(dú)的片材中形成流場(chǎng)。金屬片92類似于片90。片92的內(nèi)表面114(即冷卻劑側(cè))如圖2所示。
就此而言，描述了多個(gè)凸脊116，在它們之間限定了多個(gè)槽道118，冷卻劑通過該多個(gè)槽道118從雙極板的一側(cè)120流到另一側(cè)122。如同片90，并且如圖3最佳地所示，片92的外側(cè)具有工作表面124，工作表面124上設(shè)有多個(gè)平臺(tái)126，該多個(gè)平臺(tái)126限定了其中通過反應(yīng)物氣體的多個(gè)溝槽128。內(nèi)金屬隔片94定位在外片90，92之間，并且在其中包括多個(gè)孔130，以允許冷卻劑在片92中的槽道118和片90中的槽道112之間流動(dòng)，從而斷開成層的邊界層，并提供紊流，其改進(jìn)了分別與外片90，92的表面142，144的熱交換。
隔片94設(shè)置在第一片90和第二片92之間，其中第一片90上的凸脊110和第二片92上的凸脊116(例如通過結(jié)合層136，例如釬焊料或如圖4所示的粘合劑)結(jié)合在隔片94上。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明的集電器可在設(shè)計(jì)上不同于以上所述，例如在流場(chǎng)的構(gòu)造，流體傳輸歧管的位置和數(shù)量，以及冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)方面，然而，通過集電器表面和主體的電流傳導(dǎo)功能在所有的設(shè)計(jì)中都是類似的。
不銹鋼一般被限定為鐵鉻合金，其具有最少9％的鉻。其它鐵素體、馬氏體的、奧氏體的合金也可考慮在PEM燃料電池中使用。富鉻(即至少16％重量)、鎳(即至少10％重量)和鉬(即至少3％重量)的不銹鋼是用于燃料電池中的尤其符合要求的金屬，這是因?yàn)樗鼈儽容^高的體積電導(dǎo)率以及表面鈍化(即金屬氧化物)層所提供的抗腐蝕性能。薄的不銹鋼板可用于增加燃料電池疊組的體積功率密度和重量功率密度。另外，不銹鋼材料具有較高的強(qiáng)度、物理耐久性以及保護(hù)性涂層所提供的粘附性，并且與許多其它的備選導(dǎo)電金屬相比比較便宜。然而，表面氧化物層增加了襯底的接觸電阻，這已經(jīng)阻止了它用作電接觸元件或集電器的預(yù)定用途。另外，許多其它的比較輕質(zhì)的金屬易于受到腐蝕(例如，鋁和鎂)，在明白這種腐蝕敏感性和類似的氧化傾向之后，不同的保護(hù)性涂層可用于金屬襯底上。
因此，由易腐蝕金屬制成的導(dǎo)電元件或集電器就接受處理，以便使其具有低接觸電阻和抗腐蝕和氧化的能力。這種處理允許使用金屬如不銹鋼，其之前因?yàn)榫哂刑叩慕佑|電阻，而不能用于燃料電池的實(shí)際應(yīng)用中。因此，對(duì)于一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例而言，金屬襯底是不銹鋼，例如316L(UNSS31603)，其合金包含鐵，鉻，鎳，和鉬。優(yōu)選通過物理方式防止它與腐蝕劑接觸，以防止在金屬襯底表面重新形成鈍化層，這樣來保護(hù)導(dǎo)電元件免受進(jìn)一步的腐蝕/鈍化。如圖4所示，導(dǎo)電元件(例如雙極板88)具有保護(hù)性涂層138，其在第一片90的第一表面96和第二片92的第二表面124之上疊在金屬襯底140上。另外，保護(hù)性涂層138施加在第一片90的內(nèi)部的第一表面142上和第二片92的第二表面144上，以防止襯底140受到冷卻劑的腐蝕氧化。從實(shí)踐的觀點(diǎn)來看，在不銹鋼或鈦應(yīng)用中，不必涂覆雙極板的內(nèi)部冷卻劑通路。保護(hù)性涂層138是將導(dǎo)電元件與在加工處理環(huán)境和燃料電池本身中常用的腐蝕劑隔開的實(shí)踐方式。因此，保護(hù)性涂層138優(yōu)選施加在導(dǎo)電元件88的傳導(dǎo)的和易腐蝕的區(qū)域(例如表面96，124，142，144)上，使得下面的金屬襯底140受到保護(hù)，而與會(huì)使各個(gè)表面電激活/鈍化的金屬隔離開。因此，所選的區(qū)域可僅僅包括形成了經(jīng)過導(dǎo)電元件導(dǎo)電通路的導(dǎo)電區(qū)域，或者可與襯底的整個(gè)表面重合的這些區(qū)域。
保護(hù)性涂層138可采取不同的形式，例如在轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的美國專利No.6372376″耐腐蝕的PEM燃料電池″中所公開的形式，該美國專利通過引用而結(jié)合于本文中。保護(hù)性涂層138優(yōu)選為抗腐蝕的導(dǎo)電涂層，其可保護(hù)下面的金屬襯底140免于暴露在腐蝕劑中。更具體地說，保護(hù)性涂層138優(yōu)選具有小于大約50歐姆-cm2(Ω-cm2)的界面接觸電阻，并且包括分散在整個(gè)耐酸的抗氧化聚合物基質(zhì)中的多個(gè)抗氧化的不溶于酸的導(dǎo)電顆粒(即大約50微米或小于大約50微米)，其中聚合物將顆粒結(jié)合在一起，并且將其保持在金屬襯底140的表面上。涂層包含足夠的導(dǎo)電填料顆粒，以便產(chǎn)生不大于大約50歐姆-cm2的總界面接觸電阻，并且具有在大約2微米和大約75微米之間的厚度，優(yōu)選具有在2微米和30微米之間的厚度，這取決于涂層的成分、電阻率和完整性。更薄的涂層(即大約15-25微米)是最優(yōu)選的，以用于降低疊組中的歐姆損耗。不可滲透的保護(hù)性涂層138優(yōu)選用于保護(hù)下面的金屬襯底140表面不會(huì)被腐蝕劑滲透。
優(yōu)選的是，導(dǎo)電填料顆粒選自金，鉑，石墨，碳，鎳，導(dǎo)電金屬硼化物，氮化物和碳化物(例如氮化鈦，碳化鈦，二硼化鈦)，鈦與鉻和/或鈀的合金，鈮，銠，稀土金屬，和其它貴金屬。最優(yōu)選的是，顆粒包括碳或石墨(即六方晶體碳)。顆粒包括可變重量百分比的涂層，這取決于顆粒的密度和導(dǎo)電性(即，具有高導(dǎo)電性和低密度的顆?？梢缘偷闹亓堪俜直葋硎褂?。包含碳/石墨的涂層典型地包含25％重量的碳/石墨顆粒。聚合物基質(zhì)包括可形成粘合薄膜并且可耐受燃料電池的嚴(yán)苛氧化和酸性環(huán)境的任何聚合物。因此，可以使用這類聚合物，包括環(huán)氧樹脂，硅酮，聚酰胺酰亞胺，聚醚酰亞胺，多酚，含氟彈性體，聚酯，苯氧基-酚醛樹脂，環(huán)氧基-酚醛樹脂，丙烯酸樹脂類，和尿烷，等等。這些熱固性和熱塑性的聚合物都適合于形成不可滲透的涂層。
傳導(dǎo)的聚合物涂層138可直接施加在襯底金屬140上，并允許在其上干燥/固化。涂層138可以多種不同的形式來施加，并且這類方法的示例可見Fronk等人的美國專利No.6372376，并且可包括(1)電泳沉積，(2)刷涂，噴涂或涂敷，或(3)層合。所述涂層可適用于連續(xù)的制作工藝，例如卷涂層。
如上所述，通過將片90，92的部分用聚焦的輻射、例如激光焊接而焊接在一起，從而將片90，92結(jié)合在一起，這樣來制作雙極板88。例如，雙極板88的板90的第一表面96的平面圖如圖5所示，其中雙極板88的一些區(qū)域由斷開線150顯示為激光焊接在一起，并且雙極板88的與涂層138重疊的那些部分被劃上陰影線。應(yīng)當(dāng)理解，焊接線150代表用于焊接雙極板88的可能位置，并且將雙極板88焊接在一起的確切位置將根據(jù)片90，92的設(shè)計(jì)以及添加用于形成雙極板88的其它部件例如隔片94而變化。
雙極板88的焊接在一起的區(qū)域150包括與涂層138重疊的區(qū)域，例如如圖6A所示的雙極板88的放大部分。當(dāng)?shù)谝缓偷诙?0，92焊接在一起時(shí)，聚焦的輻射導(dǎo)致第一和第二片90，92的與該聚焦的輻射相接觸的那些部分熔化。在移開聚焦的輻射之后，第一和第二片90，92的熔化部分固化并從而熔合在一起，如圖6A和6B所示的熔合部分154。另外，聚焦的輻射還燒蝕了涂層138的與聚焦輻射直接接觸且鄰近雙極板88的熔合部分154的那些部分，如圖6B最佳地所示。
如以下示例1所述，將涂層138從雙極板88的表面上燒蝕，不會(huì)顯著地影響第一和第二片90，92的抗腐蝕性。也就是說，當(dāng)涂層138是有機(jī)涂層并且雙極板88由不銹鋼片90，92制成時(shí)，在第一和第二片90，92利用聚焦的輻射焊接在一起的過程中，涂層138的有機(jī)成分與第一和第二片90，92的接觸不會(huì)使不銹鋼敏化至?xí)?duì)不銹鋼片的抗腐蝕性有不良影響的程度。這一能力使得第一和第二片90，92在焊接在一起以形成雙極板88之前，與涂層138疊在一起。這一能力提供了顯著的優(yōu)點(diǎn)，即，第一和第二片90，92可由預(yù)涂覆的金屬原材料卷形成。換句話說，形成第一和第二片90，92的原材料金屬可在制造原材料片材如成卷涂層過程中或者在其之后的某些時(shí)候與涂層138疊在一起。因此，第一和第二片90，92可以經(jīng)濟(jì)且連續(xù)的方式，例如通過沖壓、電成型，或者任何其它用于形成金屬片的傳統(tǒng)工藝而由涂覆的原材料片材來形成，然后定位成彼此相鄰并焊接在一起，以形成雙極板88。因此，本發(fā)明構(gòu)思了一種制造用于燃料電池中的雙極板的經(jīng)濟(jì)且高效的方法。
如果有需要，在將第一和第二片90，92焊接在一起之后，第二保護(hù)性涂層160可被涂覆在涂層138的被燒蝕區(qū)域上，如圖7A所示。如圖7B所示，施加第二涂層160會(huì)導(dǎo)致片90，92的熔合部分154與第二保護(hù)性涂層160重疊并受到其保護(hù)。第二保護(hù)性涂層160可以各種不同的方式來施加。例如，第二保護(hù)性涂層160可如圖所示通過噴涂來施加，通過刷涂或擴(kuò)布涂敷來施加。優(yōu)選的是，第二涂層160與涂層138相同。然而，應(yīng)當(dāng)理解，第二涂層160可為與涂層138不同的保護(hù)性涂層。另外，第二涂層160可根據(jù)需要而選擇性地施加在雙極板88的焊接部分的分散區(qū)域上。
借助于聚焦的輻射將第一和第二片90，92焊接在一起以形成雙極板88可采取多種形式。例如，激光焊接，例如Nd-YAG或CO2激光器，可用于將第一和第二片90，92焊接在一起。將根據(jù)用于將第一和第二片90，92焊接在一起的特定范圍、能量密度和光束直徑，來選擇激光器的具體類型。另外，當(dāng)形成雙極板88時(shí)，雙極板88的其它部件可與第一和第二片90，92焊接在一起。例如，隔片94的部分可處在其中第一和第二片90，92將焊接在一起的區(qū)域中，并且也由聚焦的輻射束來熔化，并形成雙極板88的局部熔合部分。雙極板88的與第一和第二金屬片90，92焊接在一起的其它部件并不限于隔片94。其它部件可包括傳感器、閥等等，其可能需要固定地連接在雙極板88的內(nèi)側(cè)或外側(cè)上。甚至可以穿過設(shè)置在它們之間的MEA而將相鄰的雙極板88焊接在一起。
示例1在傳導(dǎo)的涂覆有碳的不銹鋼板上的不同激光焊接接受斷面檢查，并且借助于ASTM標(biāo)準(zhǔn)和通過Woodcock腐蝕測(cè)試來進(jìn)行草酸刻蝕測(cè)試。斷面檢查在不銹鋼板中出現(xiàn)敏化方面沒有顯示任何的證據(jù)。在Woodcock腐蝕測(cè)試中，出現(xiàn)了一些焊接腐蝕，然而，在不銹鋼板中沒有出現(xiàn)有害的敏化。不銹鋼板的測(cè)試的細(xì)節(jié)如下表所述。
表
因此，本發(fā)明就允許采用預(yù)涂覆的原材料來形成片，然后將所述片焊接在一起以形成雙極板，這樣來經(jīng)濟(jì)地且高效地形成雙極板88。在焊接前存在于片上的涂層不會(huì)影響所示片保持足夠的抗腐蝕性的能力。涂層可為有機(jī)的和/或無機(jī)的涂層，并且所述片可包括不銹鋼以及如上所述的各種不同的其它材料。另外，涂層可僅僅設(shè)置在板90，92的外表面(導(dǎo)電表面)和/或設(shè)置在板的內(nèi)、外表面上。另外，在其上具有不同涂層的兩個(gè)以上的層或金屬板可根據(jù)本發(fā)明的原理而激光焊接在一起。另外，密封件或墊圈(未示出)可定位在雙極板的一個(gè)或多個(gè)表面上，并且位于焊接區(qū)域的上面，且通過粘合劑或覆模而粘合在該板上。
因此，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的描述在本質(zhì)上僅僅是示范性的，并且不脫離本發(fā)明要旨的變型都預(yù)期屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。這些變型并不被視為脫離了本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種制作燃料電池疊組的方法，所述電池疊組具有至少兩個(gè)連在一起的金屬部件，其中至少一個(gè)所述金屬部件在其上具有導(dǎo)電涂層，所述方法包括(a)將第一金屬部件定位成相鄰于第二金屬部件，所述第一金屬部件在其上具有第一導(dǎo)電涂層；(b)熔化所述相鄰金屬部件的一部分；和(c)使所述相鄰金屬部件的所述熔化部分固化，從而在所述相鄰金屬部件之間形成熔合結(jié)合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，(b)包括燒蝕所述第一導(dǎo)電涂層的與所述相鄰金屬部件的所述熔化部分鄰近的那一部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，還包括將第二導(dǎo)電涂層施加在所述第一金屬部件的其中所述第一導(dǎo)電涂層被燒蝕的至少一部分上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，(b)包括將聚焦的輻射施加在所述相鄰金屬部件的所述部分上，并且(c)包括從所述相鄰金屬部件的所述熔化部分移開所述聚焦的輻射。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，(b)包括使所述相鄰金屬部分與激光束接觸，并且(c)包括，停止所述激光束與所述相鄰金屬部件的所述熔化部分的所述接觸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬部件是在相連在一起時(shí)可形成雙極板的板。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬部件是不銹鋼。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述涂層是有機(jī)涂層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一導(dǎo)電涂層具有小于大約50歐姆-cm2的電阻率。
10.一種制作燃料電池疊組的方法，所述電池疊組具有帶內(nèi)部流動(dòng)通路的金屬雙極板，所述方法包括(a)將第一金屬板定位成相鄰于第二金屬板，所述第一金屬板具有涂覆有導(dǎo)電涂層的一個(gè)表面的至少一部分，其中所述涂覆部分背向所述第二板；(b)將聚焦的輻射施加在所述相鄰板的包括有所述涂層的部分的那部分上，從而燒蝕所述涂層的所述部分，并熔化所述相鄰板的所述部分；(c)移開所述聚焦的輻射；和(d)允許所述熔化部分固化并熔合在一起，從而形成其中一個(gè)所述雙極板。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述涂層是第一涂層，并且所述方法還包括，將第二導(dǎo)電涂層施加在其中所述第一涂層被燒蝕的所述第一板上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二涂層與所述第一涂層相同。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括將所述涂層施加在金屬材料片的部分表面上；和由所述涂覆的金屬材料片來形成所述第一板。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述第二板的一個(gè)表面的至少一部分涂覆有所述第一涂層，并且(a)包括將所述第二板定位成相鄰于所述第一板，其中所述第二板的所述涂覆的表面背向所述第一板，并且還包括由所述涂覆的金屬材料片來形成所述第二板。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于所述第二板的一個(gè)表面的至少一部分涂覆有所述第一涂層；(a)包括將所述第二板定位成相鄰于所述第一板，其中所述第二板的所述涂覆的表面背向所述第一板；和(b)包括利用所述聚焦的輻射燒蝕所述第二板上的部分所述涂層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述涂層是第一涂層，并且還包括將第二導(dǎo)電涂層施加在其中所述第一涂層被燒蝕的所述第一板和第二板上。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述涂層是有機(jī)涂層。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述板是不銹鋼板。
19.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述涂層具有小于大約50歐姆-cm2的電阻率。
20.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述聚焦的輻射是激光束。
21.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述板是不銹鋼、鋁和其合金、鈦和其合金、鎳基合金、鉭、鈮、和鋯中的至少一種。
22.一種制造用于燃料電池疊組的雙極板的方法，所述方法包括(a)將導(dǎo)電的有機(jī)涂層涂在所述雙極板的第一金屬板上；(b)將所述第一板定位成相鄰于所述雙極板的第二金屬板；(c)將聚焦的輻射施加在所述相鄰板的包括所述涂層的部分的那部分上，從而燒蝕所述涂層的所述部分，并熔化所述相鄰板的所述部分；(d)移開所述聚焦的輻射；和(e)允許所述熔化部分固化并熔合在一起，從而形成所述雙極板。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述涂層是第一涂層，并且還包括將第二導(dǎo)電涂層施加在其中所述第一涂層被燒蝕的所述第一板上。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，(a)包括將所述涂層施加在金屬材料片的部分表面上；和由所述涂覆的金屬材料片來形成所述第一板。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述第二板的一個(gè)表面的至少一部分涂覆有所述涂層，并且(b)包括將所述第一板定位成相鄰于所述第二板，其中所述第二板的所述涂覆的表面背向所述第一板，并且還包括由所述涂覆的金屬材料片來形成所述第二板。
26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于所述第二板的一個(gè)表面的至少一部分涂覆有所述涂層；(b)包括將所述第一板定位成相鄰于所述第二板，其中所述第二板的所述涂覆的表面背向所述第一板；和(c)包括利用所述聚焦的輻射來燒蝕所述第二板上的部分所述涂層。
27.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述板是不銹鋼板。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高效地制造具有涂覆雙極板的燃料電池的方法。本發(fā)明考慮將已經(jīng)在其上具有傳導(dǎo)涂層的單個(gè)金屬板激光焊接在一起，以形成用于燃料電池的雙極板。將涂覆的板激光焊接在一起不會(huì)導(dǎo)致板敏化至足以造成不合要求的抗腐蝕水平這樣的程度。盡管在焊接的板的區(qū)域中存在有機(jī)涂層，并且盡管有機(jī)涂層是用激光束燒蝕的，但還是可以實(shí)現(xiàn)這一結(jié)果。
文檔編號(hào)H01M8/24GK101094744SQ200580022603
公開日2007年12月26日 申請(qǐng)日期2005年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月11日
發(fā)明者K·E·紐曼, M·K·布丁斯基, B·K·布拉迪 申請(qǐng)人:通用汽車公司