專利名稱：用于燃料電池隔板的持久耐用的導(dǎo)電粘合接頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種PEM燃料電池，尤其是一種導(dǎo)電隔板和用于制造該隔板的方法。
背景技術(shù)：
燃料電池已被提出作為一種用于電動(dòng)車輛和其它應(yīng)用的電源。一種已知的燃料電池是質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池，其包括所謂的膜電極組件(MEA)，該膜電極組件包含薄的、固體聚合物隔膜電解質(zhì)，在隔膜的一個(gè)表面上具有陽(yáng)極，在隔膜的相對(duì)表面上具有陰極。
該MEA被夾入一對(duì)用作陽(yáng)極和陰極的集電器的導(dǎo)電接觸元件之間。集電器可以包含適當(dāng)?shù)耐ǖ篮烷_(kāi)口，其中在各陽(yáng)極和陰極的表面上分布燃料電池的氣體反應(yīng)物(即，H2&O2/空氣)。
多個(gè)MEA電串聯(lián)地堆疊在一起，它們被不可滲透的、通稱為雙極板或隔板的導(dǎo)電接觸元件所依次隔離。隔板或雙極板具有兩個(gè)工作表面，一個(gè)工作表面面對(duì)一個(gè)電池的陽(yáng)極而另一個(gè)工作表面面對(duì)電池堆中下一個(gè)相鄰電池的陰極。每個(gè)雙極板在相鄰電池之間電傳導(dǎo)電流。電池堆端部的接觸元件稱作端部、端子或集電器板。導(dǎo)電的隔板元件經(jīng)常具有內(nèi)部通道，其中冷卻劑流過(guò)該內(nèi)部通道以除去電池堆的熱量。
雙極板通常由兩個(gè)分離的導(dǎo)電片制造而成，該分離的導(dǎo)電片必須以一個(gè)或更多的接合點(diǎn)連接在一起。該接合點(diǎn)必須承受燃料電池的苛刻條件。雙極板必須提供高導(dǎo)電性以減少電壓損耗，必須具有輕的重量以提高重量效率，以及必須體現(xiàn)用于長(zhǎng)期操作效率的耐用性。對(duì)燃料電池中導(dǎo)電隔板元件的單一組分的連接進(jìn)行優(yōu)化以盡可能地提高成本效率，這仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
在一實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的導(dǎo)電元件，該導(dǎo)電元件包括具有第一表面的第一導(dǎo)電片和具有第二表面的第二導(dǎo)電片。第一表面面對(duì)第二表面。導(dǎo)電粘合劑設(shè)置在第一表面和第二表面之間并在一個(gè)或多個(gè)接觸區(qū)域與第一表面和第二表面相接觸。該粘合劑在第一和第二表面之間形成耐久的接頭。該接頭在大于或等于約1000kPa的壓力下具有小于或等于約5mΩ.cm2的電阻。在某一實(shí)施例中，該電阻在同樣的狀態(tài)下小于或等于約4mΩ.cm2。并且，該導(dǎo)電粘合劑優(yōu)選包括環(huán)氧樹(shù)脂前體。在某一優(yōu)選實(shí)施例中，該環(huán)氧粘合劑是用二元胺固化的聚環(huán)氧化物的聚合物，因此反應(yīng)產(chǎn)物由兩部分環(huán)氧粘合劑系統(tǒng)形成。在一實(shí)施例中，環(huán)氧粘合劑由雙酚A雙環(huán)氧化物樹(shù)脂形成。該粘合劑還包括多個(gè)導(dǎo)電顆粒，其中導(dǎo)電顆粒優(yōu)選包括石墨和碳黑。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，提供一種用于PEM燃料電池的耐用的導(dǎo)電接觸元件的形成方法。該方法包括具有多個(gè)含有石墨和碳黑的導(dǎo)電顆粒的雙組分環(huán)氧粘合劑系統(tǒng)。該雙組分環(huán)氧粘合劑系統(tǒng)應(yīng)用于其中至少一個(gè)中具有第一表面的元件的第一導(dǎo)電片和具有第二表面的元件的第二導(dǎo)電片。第一表面與第二表面相接觸，其中應(yīng)用的粘合劑系統(tǒng)設(shè)置在第一表面和第二表面之間并在一個(gè)或多個(gè)接觸區(qū)域與第一表面和第二表面相接觸。粘合劑聚合物系統(tǒng)被固化以在第一和第二表面之間的一個(gè)或多個(gè)接觸區(qū)域處形成導(dǎo)電耐用的接頭。
在本發(fā)明的再一實(shí)施例中，燃料電池堆包括多個(gè)燃料電池和夾在相鄰燃料電池的陽(yáng)極和陰極之間的導(dǎo)電元件。該電池堆包括具有陽(yáng)極面對(duì)表面和第一熱交換表面的第一導(dǎo)電片和具有陰極面對(duì)表面和第二熱交換表面的第二導(dǎo)電片。第一和第二熱交換表面彼此面對(duì)，從而使其間確定一條適于接收液體冷卻劑的冷卻劑流動(dòng)通道，并通過(guò)導(dǎo)電粘合劑在多個(gè)接觸區(qū)域彼此電連接，該粘合劑包括多個(gè)分散在具有粘合劑特性的固化環(huán)氧聚合物中的導(dǎo)電顆粒。該導(dǎo)電粘合劑確定了在第一和第二片之間的導(dǎo)電路徑。
從下文提供的詳細(xì)描述中，本發(fā)明應(yīng)用的更多區(qū)域?qū)⒆兊蔑@而易見(jiàn)。應(yīng)該理解的是，在表示本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例時(shí)，詳細(xì)的描述和特定的實(shí)例旨在僅僅用于解釋而不是限制本發(fā)明的范圍。


從詳細(xì)的描述和附圖中將更充分地理解本發(fā)明，其中圖1是液冷PEM燃料電池堆中兩電池的示意圖；圖2是示出本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的典型導(dǎo)電隔板元件；圖3是沿圖2的線3-3的橫截面視圖，示出本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例導(dǎo)電元件；
圖4是圖3所示的接觸區(qū)域的放大視圖；圖5是本發(fā)明接觸區(qū)域的可選實(shí)施例的放大視圖，其中中間隔板配置在導(dǎo)電元件的第一和第二片之間；且圖6是用于測(cè)量樣品的接觸電阻的典型測(cè)試裝置。
具體實(shí)施例方式
優(yōu)選實(shí)施例的下列描述實(shí)際上僅僅是示例性的，而并不在于限制本發(fā)明及其應(yīng)用或使用。本發(fā)明旨在公開(kāi)一種用于具有改進(jìn)的粘合劑接頭的燃料電池的導(dǎo)電元件(例如雙極板)。該導(dǎo)電元件一般包括第一和第二導(dǎo)電片；每個(gè)導(dǎo)電片具有彼此面對(duì)的表面。該彼此面對(duì)的表面在一個(gè)或多個(gè)接觸區(qū)域通過(guò)導(dǎo)電粘合劑相互粘合在一起，該粘合劑提供強(qiáng)效、持久的、燃料電池使用中所期望得到的具有低接觸電阻的接頭。并且，本發(fā)明公開(kāi)了一種方法用于在導(dǎo)電元件中形成這種改進(jìn)的接頭。
首先，為了更好地理解本發(fā)明，提供了典型的燃料電池和電池堆的描述。
圖1描述了連接而形成電池堆的兩種單獨(dú)的質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池，其具有一對(duì)膜電極組件(MEA)4、6，該膜電極組件4、6通過(guò)導(dǎo)電的、液冷的、雙極性的隔板導(dǎo)電元件8彼此分離。不串聯(lián)在電池堆中的單個(gè)燃料電池具有帶有單個(gè)電活性面的隔板8。在電池堆中，優(yōu)選的雙極性隔板8在電池堆中典型地具有兩個(gè)電活性面20、21，每個(gè)活性面20、21分別面對(duì)彼此分離的具有相反電荷的MEA 4、6，也就是所謂的“雙極”板。正如在此所描述的，燃料電池堆描述為具有導(dǎo)電雙極板；然而本發(fā)明同樣應(yīng)用于單個(gè)燃料電池。
MEA 4、6和雙極板8在不銹鋼固定端板10、12和端部接觸流體分配元件14、16之間堆疊在一起。該端部流體分配元件14、16，以及雙極板8的兩個(gè)工作表面或側(cè)面20、21，包含與活性表面18、19、20、21、22和23上的溝槽或通道相鄰的多個(gè)連接盤(pán)，用于分配燃料和氧化劑氣體(即H2和O2)給MEA4、6。不導(dǎo)電的密封墊或密封裝置26、28、30、32、33和35提供了燃料電池堆的幾個(gè)部件之間的密封和電絕緣。氣透性的導(dǎo)電擴(kuò)散介質(zhì)34、36、38和40壓在MEA 4、6的電極表面上。導(dǎo)電介質(zhì)43、45的附加層放置在端部接觸流體分配元件14、16和端子集電極板10、12之間，用以在電池堆在正常操作狀況下被壓縮時(shí)提供其間的導(dǎo)電路徑。端部接觸流體分配元件14、16分別壓在擴(kuò)散介質(zhì)34、43和40、45上。
通過(guò)適當(dāng)?shù)墓?yīng)管道42將氧氣從儲(chǔ)存罐46供應(yīng)給燃料電池堆的陰極側(cè)，同時(shí)通過(guò)合適的供應(yīng)管道44將氫氣從儲(chǔ)存罐48供應(yīng)給燃料電池的陽(yáng)極側(cè)?？蛇x擇地，可以將周圍環(huán)境的空氣供應(yīng)給陰極側(cè)，并將來(lái)自甲醇或汽油重整器等的氫氣供應(yīng)給陽(yáng)極。還提供了用于MEA的H2和O2/空氣側(cè)的排氣管道41。提供了附加管道50用于循環(huán)來(lái)自儲(chǔ)存區(qū)域52的冷卻劑，通過(guò)雙極板8和端板14、16并從出口管道54排出。
本發(fā)明涉及燃料電池中的導(dǎo)電元件，例如圖2所示的液冷雙極性隔板56，其分隔PEM燃料電池堆的相鄰電池，導(dǎo)通相鄰電池堆電池之間的電流，并冷卻電池堆。分隔體雙極板56包括第一外部片58和第二外部片60。該片58、60可以由金屬、金屬合金或合成材料形成，優(yōu)選為導(dǎo)電的。合適的金屬、金屬合金或合成材料具有充分的耐久性和剛度以在燃料電池導(dǎo)電元件中起到片的功能。選擇板體材料時(shí)考慮到的額外設(shè)計(jì)性能包括透氣性、導(dǎo)電性、密度、導(dǎo)熱性、抗腐性、圖案清晰度、熱和圖案穩(wěn)定性、機(jī)械加工性、成本和可用性?？傻玫降慕饘俸秃辖鸢ㄢ仭K、不銹鋼、鎳基合金和其組合。合成材料可以包括石墨、石墨箔、聚合基體中的導(dǎo)電顆粒(例如石墨粉末)、碳纖紙和聚合物層壓板、具有金屬芯的聚合物板、導(dǎo)電涂層的聚合物板和其組合物。
在特定實(shí)施例中，單片58、60可以制得盡可能薄(例如約0.002-0.02英寸或0.05-0.5mm厚)。該片58、60可以由現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何一種方法形成，包括機(jī)械加工、模制、切割、雕刻、沖壓、例如通過(guò)光刻用掩模進(jìn)行光蝕刻或者任何其它合適的設(shè)計(jì)和制造工序。片102、104可以包括含有扁平片和含有外部流體流動(dòng)通道的附加片的層狀結(jié)構(gòu)。
外部片58具有外部的第一工作表面59，其中第一工作表面59面對(duì)MEA的陽(yáng)極(未示出)并形成以提供多個(gè)連接盤(pán)64，其間確定多個(gè)稱為“流場(chǎng)”的溝槽66，燃料電池的反應(yīng)氣體(即H2和O2)通過(guò)流場(chǎng)從雙極板的一側(cè)68到其另一側(cè)70流過(guò)曲折路徑。當(dāng)燃料電池完全安裝時(shí)，連接盤(pán)64壓住碳/石墨紙(例如圖1中的36或38)，碳/石墨紙依次壓住MEA(分別例如圖1中的4或6)。為了制圖簡(jiǎn)單，圖2僅僅描述了兩列連接盤(pán)64和溝槽66。實(shí)際上，連接盤(pán)和溝槽64、66將覆蓋接合碳/石墨擴(kuò)散介質(zhì)的片58、60的整個(gè)外部表面。反應(yīng)氣體供應(yīng)到頂蓋的溝槽66或位于沿著燃料電池一側(cè)68的歧管溝槽72，并通過(guò)位于鄰近燃料電池對(duì)側(cè)70的另一頂蓋/歧管溝槽74排出溝槽66。
如圖3更好所示，片58的下側(cè)包括多個(gè)脊76，在其間限定了多個(gè)在燃料電池運(yùn)行期間通過(guò)冷卻劑的通道78。如圖3所示，冷卻劑通道78位于每個(gè)連接盤(pán)64之下，而反應(yīng)氣體溝槽66位于每個(gè)脊76之上?？蛇x地，片58可以是扁平的，且該流場(chǎng)形成在材料的分隔片中。片60類似于片58。在這點(diǎn)上，描述了其間限定多個(gè)通道82的多個(gè)脊80，冷卻劑通過(guò)該通道82從雙極板的一側(cè)69向另一側(cè)71流動(dòng)。第一和第二片58、60的熱交換(冷卻劑側(cè))表面90、92彼此面對(duì)，從而在其間限定了適于接收液體冷卻劑的冷卻劑流動(dòng)通道93，并且在多個(gè)接合點(diǎn)或接觸區(qū)域100彼此電連接。類似于片58并如圖3中更好所述，片60的外側(cè)具有面對(duì)另一MEA的陰極的工作表面63，該MEA具有其上限定反應(yīng)氣體通過(guò)的多個(gè)溝槽86的多個(gè)連接盤(pán)84。
冷卻劑在片58、60分別形成的通道93之間流過(guò)，由此破壞了層流邊界層并提供紊流，分別增強(qiáng)了與外部片58、60的內(nèi)表面90、92的熱交換。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所公認(rèn)的，本發(fā)明的集電器可以從上述描述的設(shè)計(jì)中有所改變，例如，在流場(chǎng)配置中，流體傳送歧管的布置和數(shù)目，以及冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)，然而，通過(guò)集電器的表面和主體進(jìn)行的電流的傳導(dǎo)功能在所有設(shè)計(jì)之間起類似的作用。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，越過(guò)接觸區(qū)域100形成具有良好耐用性的導(dǎo)電路徑。越過(guò)接觸區(qū)域100的電阻太高的情況下，在接觸區(qū)域100產(chǎn)生大量的熱量，該熱量被轉(zhuǎn)移到冷卻劑。優(yōu)選的是，越過(guò)導(dǎo)電路徑的合適的電阻足夠低，使得不會(huì)引起冷卻劑的過(guò)熱。此外，越過(guò)導(dǎo)電路徑的高電阻引起電池堆中的電壓損耗。
從而根據(jù)本發(fā)明，由于接合點(diǎn)的導(dǎo)熱率高并傾向與接合點(diǎn)的高電導(dǎo)率相關(guān)聯(lián)，因此防止了MEA冷卻劑的過(guò)熱或者至少減少了它的發(fā)生。通過(guò)本發(fā)明，由跨越接合點(diǎn)的過(guò)多電壓降所產(chǎn)生的電池堆能量損耗得以改善。由于粘合層電阻引起的電池堆電壓損耗優(yōu)選少于或等于電池堆產(chǎn)生能量的10％，期望為5％或更少，更優(yōu)選為1％的數(shù)量級(jí)或更少。接觸區(qū)域100通常指的是“粘合劑”或“粘合劑層”。根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例，粘合劑層的劣化得以減少和/或防止。
圖4是圖3的部分放大視圖，并示出第一片58上的脊76和第二片60上的脊80，二者在接觸區(qū)域100彼此連接以確保分隔元件56的的結(jié)構(gòu)完整性。通過(guò)分散的接觸區(qū)域100中的多個(gè)導(dǎo)電接頭將第一片58在接觸區(qū)域100直接(即沒(méi)有中間片)連接到第二片60。接觸區(qū)域100提供了用作集電器雙極板元件所需的導(dǎo)電路徑。
根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例，在接觸區(qū)域100的粘合接頭在燃料電池苛刻的操作狀況下堅(jiān)固而耐用。例如，由于燃料電池通過(guò)與正常運(yùn)行相聯(lián)系的溫度變化而循環(huán)，本發(fā)明的粘合劑可以具有類似形成元件58、60的材料的導(dǎo)熱系數(shù)，以使粘合劑層劣化最小化。并且，本發(fā)明將需要給予跨越接頭所期望的導(dǎo)電率的導(dǎo)電顆粒的數(shù)量最小化，以提高接頭的粘附性。因此，本發(fā)明將粘合劑層的劣化最小化，并保持跨越接觸區(qū)域100的低接觸(粘合劑層)電阻，以保持甚至在長(zhǎng)期操作(即，大于500操作小時(shí))后的容許水平。
燃料電池中的典型狀況包括約200psi(約1400kPa)在80℃和100％相對(duì)濕度下的壓縮負(fù)載，從而使壓縮力補(bǔ)償了通常的“脫膠”或在接觸區(qū)域100的粘合接頭劣化。因此，接頭完整性的缺陷通常出現(xiàn)在更長(zhǎng)的持續(xù)操作之后，并且整個(gè)長(zhǎng)期的接頭穩(wěn)定性降低，例如從燃料電池的500操作小時(shí)到6000操作小時(shí)之間。因此，關(guān)于接頭耐用性的任何爭(zhēng)論不能變得顯而易見(jiàn)，直到500操作小時(shí)之后，并且在某些情況下直到6000操作小時(shí)之后。
本發(fā)明的各實(shí)施例提供了具有高導(dǎo)電率的耐用接頭，與將板相互連接的常規(guī)方法相比較(例如，使用底涂層和粘合劑和高導(dǎo)電顆粒裝載)，該接頭將材料需求和工藝步驟最小化。根據(jù)本發(fā)明，可得到用于隔板的低電阻接頭，其具有簡(jiǎn)化的材料需求而保持耐用性和長(zhǎng)期的壽命。
本發(fā)明還應(yīng)用于燃料電池內(nèi)彼此連接的任何導(dǎo)電元件。根據(jù)本發(fā)明如圖4所示，當(dāng)?shù)谝缓偷诙?8、60可以直接彼此粘附時(shí)，在雙極板組件56中，第一和第二片58、60可以選擇性地膠粘到分散的中間分隔導(dǎo)電片101(圖5)，該導(dǎo)電片101可以間隔冷卻劑流動(dòng)通道93。中間分隔片101可以被打孔以允許冷卻劑在更小的冷卻劑流動(dòng)通道93之間移動(dòng)。在這種實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)將分隔片101的接觸表面103粘附到各第一和第二導(dǎo)電片58、60來(lái)加工分隔片101。分隔片101可以被弄皺以提供冷卻劑流動(dòng)通道93中的多個(gè)冷卻管道105，或者分隔片101可以是連接到第一和第二外部片的扁平片，例如通過(guò)弄皺外部片，使第一和第二外部片的每個(gè)具有多個(gè)形成在其中的冷卻劑流動(dòng)管道。
外部片58、60(和在使用時(shí)的內(nèi)部分隔片)的所有互相接觸區(qū)域100粘附在一起以確保冷卻劑通道93被密封，優(yōu)選在針對(duì)冷卻劑泄漏而流體密封的持續(xù)的密封接合中，并提供在相鄰電池之間的低阻電傳導(dǎo)。持續(xù)的密封接合是一種在承受燃料電池操作條件下持續(xù)優(yōu)選超過(guò)500操作小時(shí)，并優(yōu)選超過(guò)6000操作小時(shí)的配置。流體密封裝置是形成在接觸區(qū)域100的密封裝置，防止或至少阻礙流體和氣體穿過(guò)其進(jìn)行傳輸。導(dǎo)電粘合劑還用作導(dǎo)電填充物以填充片58、60間的由片的不規(guī)則性導(dǎo)致的任何間隙。本發(fā)明還應(yīng)用于在提供冷卻和集電的電池堆的端部的端子導(dǎo)電元件(例如圖1中的14、16)。
本發(fā)明提供燃料電池中的導(dǎo)電元件，其中第一片58和第二片60的各表面90、92在一個(gè)或多個(gè)接觸區(qū)域100彼此面對(duì)，如圖4所示。導(dǎo)電粘合劑112設(shè)置在第一和第二表面90、92之間，使得在接觸區(qū)域100形成的接頭具有提高的超過(guò)500操作小時(shí)的長(zhǎng)期耐久性和可承受的接觸(粘合劑層)電阻。作為本發(fā)明的一部分，優(yōu)選的是，將所有金屬氧化物從表面90、92除去，尤其是在接觸區(qū)域100，其片58、60是金屬，以在片58、60之間通過(guò)粘合劑層的粘合劑112電連接產(chǎn)生的電阻盡可能低。非金屬片(例如聚合物合成材料或石墨)不需要除去氧化物，但可能需要砂紙研磨或除去在模制期間形成在片表面的富含聚合物的絕緣膜。
根據(jù)本發(fā)明，在粘合劑112中所需的導(dǎo)電顆粒的量比比較的導(dǎo)電粘合劑顯著減小。在特定實(shí)施例中，選擇導(dǎo)電顆粒以具有非常高的電導(dǎo)率(以及期望的導(dǎo)熱率)，相應(yīng)地具有低的電阻率。而且通過(guò)包含高導(dǎo)電顆粒，與傳統(tǒng)導(dǎo)電粘合劑相比，所需要的用以保持通過(guò)接觸區(qū)域的電導(dǎo)率的顆粒數(shù)量顯著地減少。本發(fā)明的特征允許包含更高數(shù)量的粘合劑樹(shù)脂，提高了粘合劑的粘性和粘附特性。而不限制本發(fā)明到任何一個(gè)理論，這表明更高數(shù)量的粘合劑保持了持久和堅(jiān)固的連結(jié)。當(dāng)粘合劑含有環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)，這點(diǎn)尤其正確。
在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，導(dǎo)電粘合劑112包括固化的聚合樹(shù)脂基體和導(dǎo)電顆粒。在粘合劑112中，優(yōu)選的是導(dǎo)電顆粒小于或等于粘合劑重量的約30％，更優(yōu)選的是小于或等于粘合劑重量的約20％，甚至更優(yōu)選的是小于或等于粘合劑重量的約10％，且在特定實(shí)施例中小于或等于粘合劑重量的約5％，這取決于選擇的各導(dǎo)電顆粒的相對(duì)導(dǎo)電性。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，導(dǎo)電顆粒包括與由環(huán)氧樹(shù)脂形成的粘合劑混合的石墨和碳黑，其中導(dǎo)電顆粒用產(chǎn)生的粘合劑所期望的總碳含量的數(shù)量表示。在優(yōu)選實(shí)施例中，總碳量小于或等于重量的25％，且尤其是小于或等于總的碳重量的約10％。使用與聚合物混合的石墨和碳的涂層成分的范例可以在AbdElhamid等的美國(guó)專利公開(kāi)號(hào)No.2004/0091768中找到，其全部?jī)?nèi)容包含于此作為參考。
在特定實(shí)施例中，粘合劑112包括重量比范圍從約1∶6到約35∶1的石墨和碳黑。在特定優(yōu)選實(shí)施例中，石墨和碳黑的以重量為基礎(chǔ)的比例為約2∶1。在一個(gè)實(shí)施例中，尤其參考粘合劑112中石墨的數(shù)量，粘合劑可以包括在約3.0重量％到約50重量％之間的石墨。尤其參考粘合劑112中碳黑的數(shù)量，粘合劑可以包括在約1.5重量％到約20重量％之間的碳黑。
各種類型的石墨尤其優(yōu)選用于粘合劑112。石墨可以從膨脹石墨、石墨粉末、石墨薄片和其組合中選擇。石墨的特征在于其顆粒尺寸(在最長(zhǎng)尺寸上測(cè)量)在約5μm和約90μm之間。石墨可以具有低的松裝密度，其通常小于1.6g/cm3，且尤其小于約0.3g/cm3。其真實(shí)密度可以在約1.4g/cm3和約2.2g/m3范圍之間。石墨可以具有相對(duì)高的純度并實(shí)質(zhì)上免受污染。根據(jù)本發(fā)明，用于粘合劑112的具有上述任何一種特征的膨脹石墨可以由任何適當(dāng)?shù)姆椒ㄖ圃?。在一?shí)施例中，可以使用的合適的石墨材料可以從北卡羅萊納州的Sigri GreatLakes of Chariotte的商品名稱為SIGRIFLEX得到。
此外，各種類型的碳黑適于使用在粘合劑中。作為例證且不限于此，碳黑可以從乙炔黑、KETJENTM黑、弗爾肯黑、REGALTM、廚黑、黑珠和其組合中選擇。碳黑的特征在于其顆粒尺寸在約0.05μm和約0.2μm之間。碳黑優(yōu)選包含極少的雜質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，導(dǎo)電粘合劑112包括碳的重量百分比為約5％到約30％，且石墨導(dǎo)電顆粒的顆粒尺寸在約10微米到約50微米之間變化。優(yōu)選的是，粘合劑112的電接觸電阻維持在約15mΩ.cm2之下，而減小微粒的實(shí)際數(shù)量以最大化該組分的粘性。
除了石墨和碳黑的量不同，粘合劑112還可以包括不同量的粘合劑聚合物基體。粘合劑聚合物的量可以根據(jù)粘合劑組分112中使用的導(dǎo)電顆粒的量而改變。通常，期望有更高聚合物含量以提高粘性、耐蝕性和應(yīng)用流。在一實(shí)施例中，粘合劑112包括聚合物基體的重量在約1％到95％之間，更優(yōu)選的是大于或等于約70重量％。甚至更優(yōu)選為80重量％。在某些實(shí)施例中，粘合劑聚合物為大于或等于粘合劑112重量的約90％。在特定實(shí)施例中，粘合劑112包括約90％到約95％的粘合劑聚合物。在優(yōu)選實(shí)施例中，粘合劑112的聚合物包括環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑。
用作粘合劑112的基體聚合物的各種不同的粘合劑組分被本發(fā)明所考慮。在一實(shí)施例中，粘合劑112為凝膠的形式。尤其是在一優(yōu)選實(shí)施例中，該涂層包括約6.7重量％的膨脹石墨，其具有的顆粒尺寸從約5μm到約90μm，乙炔黑為約3.3重量％，其具有的顆粒尺寸約0.05μm到約0.2μm，而且環(huán)氧聚合物為約90重量％。
而且，在特定實(shí)施例中，可以制造粘合劑112使得它包括少于200ppm的金屬雜質(zhì)。在一實(shí)施例中，與粘合劑112連接的板在25psi到約200psi(170到1400kPa)之間的接觸壓力下表現(xiàn)出的總電阻從約5mΩ.cm2到約60mΩ.cm2(毫歐姆平方厘米)。總電阻表示越過(guò)整個(gè)組件56從第一表面59到第二表面63的電阻，包括每個(gè)隔板片58、60材料的容積和接觸電阻，以及通過(guò)接觸區(qū)域100的粘合劑層電阻。在一個(gè)或多個(gè)接觸區(qū)域100的越過(guò)粘合劑接頭112的粘合劑層電阻優(yōu)選小于約5mΩ.cm2。
在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，粘合劑112接頭具有小于或等于約5mΩ.cm2的電阻，優(yōu)選小于或等于約5mΩ.cm2，更優(yōu)選小于或等于約4mΩ.cm2，在特定實(shí)施例中更優(yōu)選小于或等于約3mΩ.cm2，在另一實(shí)施例中，小于或等于約2mΩ.cm2，并在特定實(shí)施例中小于約1mΩ.cm2，其中接頭承受大于或等于約150psi(約1000kPa)的壓縮力，尤其在燃料電池操作超過(guò)500小時(shí)之后，更優(yōu)選在1400小時(shí)之后。
在特定實(shí)施例中，在大于或等于約1400kPa的壓縮力下暴露于燃料電池操作狀況下超過(guò)500小時(shí)后，接頭電阻小于或等于約4mΩ.cm2。在另一實(shí)施例中，在大于或等于約1400kPa的壓縮力下暴露于燃料電池操作狀況下超過(guò)500小時(shí)后，接頭電阻小于或等于約1mΩ.cm2。
在粘合劑112中選擇石墨和碳黑作為導(dǎo)電顆粒的優(yōu)選實(shí)施例中，發(fā)現(xiàn)在膨脹石墨和碳黑之間存在增效作用。具有低的總含碳量的粘合劑接頭的接觸電阻優(yōu)選保持在小于5mΩ.cm2的較低值?！霸鲂ё饔谩敝傅氖鞘吞己诘慕Y(jié)合比在相同的總碳含量下石墨或碳黑單獨(dú)使用時(shí)產(chǎn)生更低的接觸電阻。在特定實(shí)施例中，這種增效作用比僅僅單獨(dú)添加碳黑和膨脹石墨的效果更大。因此，在優(yōu)選實(shí)施例中，粘合劑基體112包括石墨和碳黑；然而其它的顯示出相對(duì)低的電阻的導(dǎo)電顆粒粘合劑基體112中粘合劑的組合也是合適的，并被本發(fā)明所考慮。
可以通過(guò)本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的常規(guī)方法置備導(dǎo)電粘合劑112以覆蓋或涂敷導(dǎo)電元件58、60的表面90、92的接觸區(qū)域100。這種置備方法的例子包括將導(dǎo)電顆粒和未固化的環(huán)氧樹(shù)脂聚合物基體(即粘合劑前體)一起研磨。該研磨優(yōu)選持續(xù)發(fā)生一段時(shí)間，約1小時(shí)到約20小時(shí)之間，優(yōu)選為約2小時(shí)或更少。研磨條件，例如研磨粘合劑前體的時(shí)間，可以取決于涂層中使用的材料和粘合劑112所期望的特性而改變。
制備后，接著將粘合劑前體/導(dǎo)電顆?；旌衔锸┘佑诘谝粚?dǎo)電片58的表面90的接觸區(qū)域100，該第一導(dǎo)電片58與相對(duì)的導(dǎo)電片60的另一表面92連接。為了確保根據(jù)本發(fā)明具有特定導(dǎo)電片組分(例如金屬)的粘合劑112的良好粘附，優(yōu)選的是，清洗(例如通過(guò)研磨和/或化學(xué)蝕刻)導(dǎo)電片58、60的表面90、92，用以從使用粘合劑基體112的區(qū)域除去所有的表面氧化物和其它雜質(zhì)。因此，在導(dǎo)電片58、60由金屬制成的情況下，可以通過(guò)用(1)甲基乙基酮脫脂，和(2)在包括(a)40％的硝酸、(b)2％到5％的氫氟酸、(c)4克/加侖的氟化氫銨和水的溶液中浸蝕2到5分鐘來(lái)化學(xué)清洗表面90、92?？蛇x擇地，可以通過(guò)用100到200粗砂磨料來(lái)打磨該表面，緊接著用丙酮來(lái)清洗和脫脂，或者在金屬清洗電解質(zhì)存在的情況下用陰極清洗該基底來(lái)物理清洗導(dǎo)電片58、60的表面90、92。
在圖4所示的實(shí)施例中，導(dǎo)電粘合劑112施加在第一片58的第一冷卻劑側(cè)接觸表面90和第二片60的第二冷卻劑側(cè)接觸表面92，因此在應(yīng)用粘合劑112之前清洗兩表面90、92。因此粘合劑112可以用于涂敷導(dǎo)電片58、60的整個(gè)表面90、92以提供侵蝕防護(hù)，或在可選實(shí)施例中其可用于電和物理接觸點(diǎn)的分散的區(qū)域(即接觸區(qū)域100)。
導(dǎo)電粘合劑112前體可以刷、涂、層壓(例如用熱軋)、噴射、擴(kuò)展(比如用刮刀)、卷或輥涂、絲網(wǎng)印刷、絲絹網(wǎng)印或軋制到片58、60的表面，但優(yōu)選的是粘合劑112的前體應(yīng)用到片之間出現(xiàn)接觸的限制位置100。在特定實(shí)施例中，粘合劑112的前體應(yīng)用于第一片58的第一接觸表面90和第二片62的第二接觸表面92。在可選實(shí)施例中，粘合劑112可以僅應(yīng)用于片58、60之一的一個(gè)表面90或92。在優(yōu)選實(shí)施例中，首先將掩模應(yīng)用于片58、60上。該掩模中具有位于接觸區(qū)域100上或者膠粘或粘附發(fā)生位置的開(kāi)口。接著將粘合劑112的前體通過(guò)掩模中的開(kāi)口加以應(yīng)用。粘合劑112的前體優(yōu)選以約0.001到約0.002英寸的厚度進(jìn)行應(yīng)用。片58、60通過(guò)合適的夾具夾在一起，其對(duì)片58、60施加均勻的壓力。
在各種實(shí)施例中，優(yōu)選含有環(huán)氧粘合劑樹(shù)脂的粘合劑112的前體可以在應(yīng)用于形成粘合劑112的聚合物之后被固化。根據(jù)本發(fā)明的特定優(yōu)選實(shí)施例，粘合劑基體的前體樹(shù)脂被固化給予粘合劑112本身結(jié)構(gòu)上的粘結(jié)性。固化防止112被在冷卻劑流動(dòng)管道93中的冷卻循環(huán)侵蝕或沖走。因此，在特定實(shí)施例中，通過(guò)將夾在一起的夾片58、60在熱壓中加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)固化，該壓力應(yīng)用來(lái)將聚合物粘合劑基體材料固化以形成組件。
必須選擇粘合劑112使得其可以承受高電勢(shì)并暴露于冷卻劑中，該冷卻劑在通過(guò)把第一片58耦合到第二片60上而形成的冷卻劑流動(dòng)管道中流動(dòng)。而且，根據(jù)本發(fā)明用于粘合劑112基體的優(yōu)選粘合劑聚合物具有必要的粘性以在長(zhǎng)時(shí)間承受燃料電池的操作狀況下粘附并將第一和第二導(dǎo)電片58、60彼此連接。根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例，覆蓋導(dǎo)電片58、60的接觸表面90、92的粘合劑112包括環(huán)氧粘合劑，其被發(fā)現(xiàn)特別地耐用、堅(jiān)固并很適合燃料電池的苛刻的環(huán)境。
優(yōu)選的，這種環(huán)氧粘合劑可由雙組分系統(tǒng)的前體材料形成，該雙組分系統(tǒng)被固化以使基體內(nèi)的聚合物樹(shù)脂交聯(lián)。通常，該雙組分系統(tǒng)的一個(gè)組成部分是環(huán)氧樹(shù)脂而另外一個(gè)組成部分是環(huán)氧固化劑。環(huán)氧樹(shù)脂是公知的，而且包括如雙酚A二環(huán)氧甘油醚(也稱為DGEBA)，和由雙酚A和DGEBA冷凝形成的樹(shù)脂。其它的環(huán)氧樹(shù)脂包括雙酚F二環(huán)氧甘油醚(也稱為DGEBF)和其通過(guò)與雙酚F冷凝形成的低聚物。固化劑可由任何數(shù)量的本領(lǐng)域公知的環(huán)氧固化劑組成，優(yōu)選的是從線性脂族胺和環(huán)脂族胺中選取。合適的線性脂族胺的例子包括二亞乙基三胺(DETA)、三亞乙基四胺(TETA)和四亞乙基五銨(TEPA)。類似的，合適的環(huán)脂族胺的例子包括異氟樂(lè)酮二胺(IPDA)、N-氨基對(duì)二氮己環(huán)(AEP)、P-氨基環(huán)己基甲烷(PACM-20)和1、2-氨基環(huán)己胺。
在特定實(shí)施例中，交聯(lián)要求在應(yīng)用粘合劑并把板58、60連接并組合在一起后固化。在特定優(yōu)選實(shí)施例中，固化在從環(huán)境溫度到約100℃的溫度間實(shí)施，更優(yōu)選的是在環(huán)境溫度到90℃之間，而且在特定實(shí)施例中，優(yōu)選的是低于70℃。在特定優(yōu)選實(shí)施例中，低熱應(yīng)用(即60℃-90℃)可以用于促進(jìn)粘合劑112基體的固化。在把粘合劑112的前體接觸到適當(dāng)?shù)奶崆斑x好的接觸區(qū)域100后，應(yīng)用加熱和任選的壓力把粘合劑112中的聚合基體樹(shù)脂固化到完全固化的水平。具有設(shè)置在其間的粘合劑112的前體的板58、60固化大約3分鐘到約30分鐘，更優(yōu)選的是大約5分鐘。
粘合劑112與板本身一樣，實(shí)質(zhì)上不溶于在板58和60間流動(dòng)的冷卻劑，其中的導(dǎo)電粒子不會(huì)溶解并提供金屬粒子到冷卻劑，金屬粒子會(huì)導(dǎo)致另外的本質(zhì)上絕緣的(即電阻率大于200000 ohm-cm)冷卻劑變成非正常地導(dǎo)電的。如果冷卻劑變成導(dǎo)電的，泄漏電流就通過(guò)冷卻劑流過(guò)電池堆而短路、電蝕和冷卻劑電解都可能發(fā)生。如果導(dǎo)電粒子的長(zhǎng)時(shí)間地溶入冷卻劑不會(huì)導(dǎo)致冷卻劑的電阻率下降到低于于200000 ohm-cm，就認(rèn)為導(dǎo)電粒子本質(zhì)上是不溶的。因此當(dāng)使用水作為冷卻劑時(shí)，金屬如銅、鋁、錫、鋅和鉛都要避免采用，或者是完全封裝在粘合劑基體112中。在特定優(yōu)選實(shí)施例中，粘合劑基體112將是高度耐氫氣和弱酸的(pH值在3到4間的HF)，而且在100℃時(shí)對(duì)如去離子水、乙二醇和甲醇等溶劑是惰性的(即不釋放離子)。因此，導(dǎo)電粒子和粘合劑聚合物112的選擇取決于與燃料電池中使用的冷卻劑的兼容性。
粘合劑層的耐用性解釋為一個(gè)或多個(gè)接觸區(qū)域100的粘結(jié)劑，在經(jīng)受燃料電池工作和溫度波動(dòng)很多小時(shí)以后，不會(huì)老化或接觸電阻不會(huì)增加到不許可的程度。根據(jù)本發(fā)明，環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑112的使用延長(zhǎng)了燃料電池系統(tǒng)的壽命，并維持了工作效率。如上所描述的，特別地優(yōu)選由環(huán)氧樹(shù)脂組成的粘合劑。
本發(fā)明將進(jìn)一步通過(guò)范例進(jìn)行解釋。需要注意的是本發(fā)明并不限于該范例。
范例1乙炔黑和膨脹性石墨混合物按照重量比1∶2添加到一起，并徹底混合以產(chǎn)生兩種材料的均相混合物。在一個(gè)分離的容器中，環(huán)氧樹(shù)脂的兩種組成部分與固化劑(即一種固化劑)混合以制備環(huán)氧粘合劑。按照9∶1的比例(環(huán)氧樹(shù)脂碳總量的重量比)把環(huán)氧樹(shù)脂添加到膨脹性石墨/碳混合物中來(lái)制備導(dǎo)電粘合劑基體。導(dǎo)電粘合劑基體充分混合以在環(huán)氧樹(shù)脂中得到均相的碳混合物。兩個(gè)合成材料板由一個(gè)由聚乙烯酯和石墨形成的商業(yè)的導(dǎo)電成型混合物(可以從伊利諾斯州西芝加哥的Bulk成型混合物公司“BMCI”購(gòu)得)鑄造而成。該具有預(yù)鑄造的脊面和凹槽的板的厚度為約0.5mm。該板被本發(fā)明的導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑刷在接觸區(qū)域或脊面而覆蓋。這兩個(gè)板聯(lián)接到一起并且粘合劑在所采用的300psi的壓力下、90℃固化5分鐘。
該樣品在圖6所示的裝置中進(jìn)行測(cè)試。包含表面間夾入粘合劑的導(dǎo)電片的導(dǎo)電元件組件的粘合劑層電阻測(cè)量如圖6所示進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)試裝置包括具有金涂層壓板202的和第一和第二導(dǎo)電的活性碳紙介質(zhì)分別為204、206的的雕刻器壓力機(jī)200，第一和第二導(dǎo)電活性碳紙壓在樣品208和金涂層壓板202之間。用由直流電源供給的1A/cm2的電流對(duì)6.45cm2的表面進(jìn)行了測(cè)試。用四點(diǎn)法對(duì)電阻進(jìn)行測(cè)量并通過(guò)測(cè)量的電壓降和已知的采用的電流和樣品208的體積進(jìn)行計(jì)算。對(duì)體電阻可忽略的金屬樣品，越過(guò)樣品表面210、210上的粘合劑連接處測(cè)量電壓降(接觸電阻加粘合劑體電阻)。如圖6所示，樣品208優(yōu)選的由具有兩個(gè)耦合在一起的片210的導(dǎo)電元件(如雙極板)組成。
粘合劑層電阻測(cè)量作為接觸電阻(從紙到紙的mOhm.cm2)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)采用如下所示逐漸增加的壓力25psi(約175kPa)、50psi(約350kPa)、75psi(約525kPa)、100psi(約675kPa)、150psi(約1025kPa)、200psi(約1400kPa)和300psi(約2075kPa)。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所評(píng)價(jià)的，這兒所提供的值是越過(guò)隔板的整個(gè)組件的接觸電阻，且比只越過(guò)涂層的大，因此該值表明越過(guò)整個(gè)組件的電阻比較高。
需要注意的是導(dǎo)電碳紙204、206的接觸電阻通常是已知值，其可以從測(cè)量值中減去以只得到金屬板210的接觸電阻。在樣品的測(cè)試過(guò)程中，采用一種1mm厚的Toray碳紙(型號(hào)為T(mén)GP-H-0.1T商業(yè)上可以從Toray獲得)作為第一和第二碳紙介質(zhì)204、206。然而，在很多情況下導(dǎo)電紙204、206的接觸電阻是可以忽略的，且增加了如此小的一個(gè)值到接觸電阻上，因此其不需減去。這兒所指的值是越過(guò)樣品208的體接觸電阻。在表1中，例子1是根據(jù)范例1中所描述的本發(fā)明制備的導(dǎo)電元件。對(duì)比例1是沒(méi)有連接到一起的合成的雙極板，但只是在接觸區(qū)域壓在了一起。對(duì)比例2有兩個(gè)用傳統(tǒng)方式粘合而成的合成材料，稱為傳統(tǒng)的導(dǎo)電粘合劑，可以從BMCI得到，其含有從大約40到大約70％的不飽和乙烯基酯和從大約10到大約30％的苯乙烯，含有的石墨從大約25到50％。
表1

如表1所示可知，例子1表明使用本發(fā)明的粘結(jié)劑基體的連接板具有與對(duì)比例1可比較的電阻，這表明粘結(jié)劑沒(méi)有通過(guò)粘合劑層引入額外的電阻，而采用傳統(tǒng)粘結(jié)劑的對(duì)比例2通常具有與例子1可比較的或更高的電阻。燃料電池典型地工作在壓力負(fù)載為約200psi到400psi(～1400-2750kPa)，因此在所采用的模擬燃料電池的工作在從200到300psi(～1400-2075kPa)壓力范圍內(nèi)，例子1的粘合劑層電阻比對(duì)比例2的低。
根據(jù)本發(fā)明各種實(shí)施例制備的在燃料電池中使用的導(dǎo)電元件證明了在燃料電池環(huán)境中具有更大粘結(jié)性和長(zhǎng)耐久期限的改進(jìn)的接頭。另外，根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)電流體分配板提供了越過(guò)沿著粘結(jié)劑的接觸區(qū)域的長(zhǎng)期低接觸電阻，這增加了燃料電池堆的工作效率并進(jìn)一步允許使用低壓力以增加燃料電池堆的壽命。在雙極板中的該耐用、堅(jiān)固的粘結(jié)劑密封了冷卻劑的流動(dòng)通道并阻止了任何潛在泄漏或由粘結(jié)劑浸出或老化引起的分路電流損壞。類似的，本發(fā)明改進(jìn)的接頭通過(guò)減小越過(guò)粘合劑層的熱及電損耗所產(chǎn)生能量的消耗，減小了燃料電池的無(wú)效操作。
雖然已經(jīng)根據(jù)其特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明并不限于此，而只是在以下的權(quán)利要求中提出的范圍。本發(fā)明的描述實(shí)際上僅僅是示例性的，因此不脫離本發(fā)明要點(diǎn)的各種變化規(guī)定為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。那些變化不視為脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池的導(dǎo)電元件，包括具有第一表面的第一導(dǎo)電片；具有第二表面的第二導(dǎo)電片，其中所述第一表面面對(duì)所述第二表面；設(shè)置在所述第一表面和所述第二表面之間并在一個(gè)或多個(gè)接觸區(qū)域與所述第一表面和所述第二表面相接觸的導(dǎo)電粘合劑，該粘合劑在所述第一和第二表面之間形成耐久的接頭，其中所述接頭在大于或等于約1000kPa的壓力下具有小于或等于約5mΩ.cm2的電阻，其中所述導(dǎo)電粘合劑由環(huán)氧樹(shù)脂形成并包括含有石墨和碳黑的多個(gè)導(dǎo)電顆粒。
2.權(quán)利要求1的元件，所述石墨和所述碳黑的重量比為約1∶6到約35∶1。
3.權(quán)利要求1的元件，其中所述導(dǎo)電粘合劑包括小于或等于約20重量％的所述導(dǎo)電顆粒。
4.權(quán)利要求1的元件，其中在大于約1400kPa的壓縮力下、暴露于燃料電池操作狀況下超過(guò)500小時(shí)后，所述接頭電阻小于或等于約4mΩ.cm2。
5.權(quán)利要求1的元件，其中在大于或等于約1400kPa的壓縮力下暴露于燃料電池操作狀況下超過(guò)500小時(shí)后，所述接頭電阻小于或等于約1mΩ.cm2。
6.權(quán)利要求1的元件，其中所述第一和第二導(dǎo)電片包括導(dǎo)電金屬。
7.權(quán)利要求1的元件，其中所述第一和第二導(dǎo)電片包括導(dǎo)電聚合合成材料。
8.權(quán)利要求1的元件，其中所述石墨從膨脹石墨、石墨粉末、石墨薄片和其混合物中選擇一個(gè)或多個(gè)。
9.權(quán)利要求1的元件，其中所述石墨是膨脹石墨。
10.權(quán)利要求1的元件，其中所述導(dǎo)電粘合劑由固化的雙組分環(huán)氧粘合劑系統(tǒng)形成。
11.權(quán)利要求10的元件，其中所述雙組分環(huán)氧粘合劑系統(tǒng)包括環(huán)氧樹(shù)脂和胺固化劑，其中所述環(huán)氧樹(shù)脂包括雙酚A二環(huán)氧甘油醚。
12.權(quán)利要求1的元件，其中所述第一和第二表面在所述一個(gè)或多個(gè)接觸區(qū)域通過(guò)形成流體密封的所述粘合劑而彼此連接。
13.一種形成用于PEM燃料電池的耐用的導(dǎo)電接觸元件的方法，所述方法包括將雙組分環(huán)氧粘合劑系統(tǒng)與含有石墨和碳黑的多個(gè)導(dǎo)電顆?；旌希粚⑺鲭p組分環(huán)氧粘合劑系統(tǒng)應(yīng)用于其中至少一個(gè)中具有第一表面的元件的第一導(dǎo)電片和具有第二表面的元件的第二導(dǎo)電片；將所述第一表面與所述第二表面相接觸，其中所述粘合劑系統(tǒng)設(shè)置在所述第一表面和所述第二表面之間并在一個(gè)或多個(gè)接觸區(qū)域與第一表面和第二表面相接觸；并且固化所述粘合劑聚合物系統(tǒng)以在所述第一和第二表面之間的所述一個(gè)或多個(gè)接觸區(qū)域處形成導(dǎo)電耐用的接頭。
14.權(quán)利要求13的方法，其中所述固化包括應(yīng)用熱和壓力的至少一個(gè)。
15.權(quán)利要求13的方法，其中所述接頭在大于或等于約1000kPa的壓力下、暴露于燃料電池操作狀況下超過(guò)500小時(shí)后具有小于或等于約5mΩ.cm2的電阻。
16.權(quán)利要求13的方法，其中所述石墨和所述碳黑的重量比在從約1∶6到約35∶1。
17.權(quán)利要求13的方法，其中所述雙組分環(huán)氧粘合劑系統(tǒng)包括環(huán)氧樹(shù)脂和胺固化劑，其中所述環(huán)氧樹(shù)脂包括雙酚A二環(huán)氧甘油醚。
18.一種包括多個(gè)燃料電池和夾在相鄰燃料電池的陽(yáng)極和陰極之間的導(dǎo)電元件的燃料電池堆，其包括具有陽(yáng)極面對(duì)表面和第一熱交換表面的第一導(dǎo)電片；具有陰極面對(duì)表面和第二熱交換表面的第二導(dǎo)電片；其中所述第一和第二熱交換表面彼此面對(duì)，從而使其間確定一條適于接收液體冷卻劑的冷卻劑流動(dòng)通道，并經(jīng)過(guò)導(dǎo)電粘合劑在多個(gè)接觸區(qū)域彼此電連接，該導(dǎo)電粘合劑包括多個(gè)分散在具有粘合劑特性的環(huán)氧聚合物中的導(dǎo)電顆粒，其中所述導(dǎo)電粘合劑確定了在所述第一和第二片之間的導(dǎo)電路徑。
19.權(quán)利要求18的電池堆，其中越過(guò)所述導(dǎo)電路徑的電阻足夠低，使得陽(yáng)極和陰極產(chǎn)生的電流以足夠的值傳導(dǎo)以防止所述冷卻劑過(guò)熱。
20.權(quán)利要求19的電池堆，其中所述粘合劑形成流體密封裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于具有改進(jìn)的粘合劑接頭的燃料電池的導(dǎo)電元件，例如雙極板。該導(dǎo)電元件通常包括第一導(dǎo)和第二導(dǎo)電片，每個(gè)導(dǎo)電片具有彼此面對(duì)的表面。第一和所述第二涂敷表面在一個(gè)或多個(gè)接觸區(qū)域通過(guò)提供到該片的第一和所述第二表面的粘附的導(dǎo)電環(huán)氧粘合劑而彼此連接。
文檔編號(hào)H01M4/86GK1971988SQ200610143160
公開(kāi)日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2006年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月19日
發(fā)明者M·H·艾伯特埃哈米德, J·N·奧文斯, D·J·里斯, R·H·布倫克, Y·M·米克哈爾 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司