[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

CN115244216A - 具有改进的表面接触电阻和反应活性的部件及其制造方法 - Google Patents

具有改进的表面接触电阻和反应活性的部件及其制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115244216A
CN115244216A CN202180007097.7A CN202180007097A CN115244216A CN 115244216 A CN115244216 A CN 115244216A CN 202180007097 A CN202180007097 A CN 202180007097A CN 115244216 A CN115244216 A CN 115244216A
Authority
CN
China
Prior art keywords
metal
particles
substrate
component
combination
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202180007097.7A
Other languages
English (en)
Inventor
王丛桦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Treadstone Technologies Inc
Original Assignee
Treadstone Technologies Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Treadstone Technologies Inc filed Critical Treadstone Technologies Inc
Publication of CN115244216A publication Critical patent/CN115244216A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/082—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat without intermediate formation of a liquid in the layer
    • C23C24/085—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C25B11/036—Bipolar electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/75—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having bipolar electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0215—Glass; Ceramic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223—Composites
    • H01M8/0228—Composites in the form of layered or coated products
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

本发明公开了一种具有改进的表面接触电阻和反应活性的部件及其制造方法，属于表面接触电阻和反应活性部件的技术领域。该部件包括：金属基底；以及通过冶金结合物结合到金属基底的表面的多个颗粒；其中所述多个颗粒包括金属、碳或者它们的组合，其中冶金结合物在多个颗粒和金属基底之间，其中冶金结合物的总投影面积小于金属基底总投影面积的90％，并且其中冶金结合物的成分是金属基底成分和多个颗粒成分的组合、金属基底和多个颗粒的反应产物或者它们的组合。

Description

具有改进的表面接触电阻和反应活性的部件及其制造方法
相关申请的引用
本发明要求2020年2月26日提交的美国临时申请第62/891,879号的优先权以及根据《美国法典》第35卷第119条由此产生的所有利益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明公开了一种具有改进的表面接触电阻和反应活性的部件及其制造方法。例如，该部件可以是用于电池、燃料电池或电解槽的双极板或电极。
背景技术
在燃料电池、液流电池或电解槽应用中，双极板用于连接相邻的电池。希望双极板具有较低的表面接触电阻和较强的耐腐蚀性，以将内部欧姆损耗降到最低，并保持在使用寿命期间的运行稳定性。在电解槽或液流电池中，需要具有高反应活性的电极来进行高效的电极反应。仍然需要改进的部件，例如接触电阻与耐腐蚀性的结合得到改进的双极板或者具有高反应活性的电极。
发明内容
本发明公开了一种具有改进的表面接触电阻和反应活性的部件，该部件包括：金属基底；以及多个颗粒，通过冶金结合物结合到所述金属基底的表面，其中所述多个颗粒包括金属、碳或者它们的组合，其中所述冶金结合物在所述多个颗粒和所述金属基底之间，其中所述冶金结合物的总投影面积小于所述金属基底总投影面积的90％，并且其中所述冶金结合物的成分是所述金属基底成分和所述多个颗粒成分的组合、所述金属基底和所述多个颗粒的反应产物或者它们的组合。
本发明还公开了一种具有改进的表面接触电阻和反应活性的部件的制造方法，该方法包括：提供金属基底；将包括多个前体颗粒的混合物沉积于所述金属基底上，其中所述多个前体颗粒包括金属、碳、金属氢化物或者它们的组合，以形成带涂层的金属基底，其中所述多个前体颗粒接触所述金属基底的总投影面积的不到90％，并且其中所述多个前体颗粒的平均粒径小于200μm；以及热处理带涂层的金属基底，以由所述多个前体颗粒形成颗粒，并通过所述多个前体颗粒和金属基底之间形成的冶金结合物将所述多个前体颗粒结合至金属基底，以制成该部件，其中冶金结合物具有组合物，该组合物是所述金属基底成分和所述多个前体颗粒成分的组合、所述金属基底和所述多个前体颗粒的反应产物或者它们的组合。
附图说明
通过结合附图更详细地描述本公开的实施方案，本公开的上述及其他优点和特征将变得更加显而易见，其中：
图1是包括冶金结合到金属基底上的多个颗粒的金属基底的横截面示意图；
图2是金属基底上的多孔涂层的横截面示意图；
图3是两个金属基底和金属基底之间的冶金结合层的横截面示意图；
图4是用于燃料电池的冲压不锈钢双极板的照片；
图5是不锈钢双极板的横截面；
图6是冶金结合在钛基底上的玻璃碳球形颗粒的SEM照片；
图7是接触电阻(毫欧姆-平方厘米，mΩ·cm2)相对于压缩压力(磅/平方英寸，PSI)的曲线图，示出了钛板上表面有或没有冶金结合碳颗粒的情况下与碳毡的表面接触电阻的比较；
图8是冶金结合至钛基底的石墨颗粒的SEM照片；
图9是冶金结合到不锈钢网上的钛颗粒和磨碎碳纤维颗粒的复合材料的SEM照片；
图10是示出了钛颗粒和磨碎碳纤维颗粒的复合材料的微观结构的SEM照片；
图11是冶金结合至钛基底的钛颗粒的SEM照片；以及
图12是钛基底上多孔钛涂层的SEM照片。
具体实施方式
现在将结合附图在下文中更全面地描述本发明，在附图中示出了各种实施方案。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应被解释为限于本文所阐述的实施方案。相反，提供这些实施方案是为了使本公开全面且完整，并将本发明的范围完全传达给本领域的技术人员。相同的附图标记自始至终都指代相同的元件。
在燃料电池、液流电池或电解槽组中，在相邻电池之间的部件(例如，双极板)，以保持相邻电池的电连接并分隔相邻电池中的反应物。双极板与电解槽组中的其他部件(例如，质量传输层或电极)保持电接触。然而，由于固体与固体的表面接触仅在表面的高点上。因此，接触点的数量或接触面积是有限的，这导致了较高的表面电或热接触电阻。降低表面接触电阻的一种方法是在接触表面上使用软材料。软材料可以在压力下变形，以匹配接触部件的表面形态，来增加了两个部件之间的实际接触面积。增强电接触或热接触的代表性软材料包括银、金或锡。然而，这类软材料要么太贵，要么不能为电化学装置(诸如燃料电池或电解槽)提供合适的化学稳定性或耐腐蚀性。
美国专利10,435,782公开了修改表面形态来提供耐腐蚀材料的微纹理结构，以降低电接触电阻。通过微纹理结构在压缩压力下的变形，而增加部件之间的实际接触面积，从而达到了较低的接触电阻。然而，开发一种低成本、快速的制造工艺来提供这类用于大批量生产的微纹理结构已经被证明是困难的。类似地，利用脉冲激光来提供微米级或纳米级的表面结构对于商业应用来说已经被证明是太过低效且昂贵的。
美国专利申请2018/0309136教导了在真空中利用静电力将颗粒机械结合到基底上。进一步评估发现，多个颗粒和金属基底之间的机械结合界面容易沿着该界面腐蚀，这最终导致了结合失效。
还考虑了粘合剂结合和铜焊，但是已经发现所形成的结合物不能为电化学应用提供合适的耐腐蚀性。还考虑了扩散结合，其中部件在高压和高温下被压合在一起。然而，扩散结合已经被证明是昂贵的，并且不能提供合适的耐腐蚀性。
在电解槽或液流电池中，电极活性会影响功率和效率。提高反应活性的通常方法是采用高活性材料并增加表面积。由于电化学装置中的高腐蚀性操作环境，需要改善电极反应活性材料和电极基底(通常是金属)之间的结合，以保持电极的长期耐久性。
发明人惊讶地发现，如果通过冶金结合物将多个颗粒结合到金属基底上，则可以达到接触电阻、反应活性和耐腐蚀性等综合性能的改进、同时得到在电化学应用(诸如在燃料电池、液流电池或电解槽中)的性能得以改进的部件，例如双极板。
本发明公开了一种具有改进的表面接触电阻和反应活性的部件，该部件包括：金属基底；以及多个颗粒，通过冶金结合物结合到基底的表面，其中多个颗粒包括金属、碳或者它们的组合，其中冶金结合物在颗粒和基底之间，其中冶金结合物的总投影面积小于基底总投影面积的90％，并且其中冶金结合物的成分是金属基底成分和多个颗粒成分的组合、金属基底和多个颗粒的反应产物或者它们的组合。
图1示出了本发明所公开的部件的一个方面，该附图示出了金属基底11和通过冶金结合物13结合到该金属基底上的颗粒12。在一个方面，除了颗粒和基底之间的冶金结合之外，还可以在颗粒之间形成冶金结合。
金属基底可以包括Ti金属、Nb金属、Ta金属、Ni金属、Cr金属、前述金属的合金、不锈钢或者前述金属的组合。提到了采用Ti或不锈钢(例如，316或304不锈钢)。金属基底可以具有任何合适的形式且是完全致密的或多孔的，并且可以是薄膜、箔、隔板、网状物、穿孔薄膜、膨胀金属箔或微孔薄片的形式。
在一个方面，膨胀金属、筛网、穿孔金属或丝网可以用作金属基底。金属基底的开孔面积可以是金属基底总投影面积的10％至90％、20％至80％、30％至70％或40％至60％。例如，可以采用多层上述材料来形成多层的具有结构或成分梯度的金属基底。提到了采用钛毡或钛烧结物。在一个方面，可以采用微孔薄片，并且基于金属基底的体积，孔隙率可以为30％至95％、40％至90％、50％至85％或55％至80％。可以采用上述范围的上限和下限的任意合适的组合。
在一个方面，多个颗粒包括金属或碳。在一个方面，多个颗粒包括金属，其中金属是Ti金属、Nb金属、Ta金属、Ni金属、Cr金属、前述金属的合金或者前述金属的组合。提到了采用Ti颗粒。在一个方面，多个颗粒可以包括Ti金属、Nb金属、Ta金属、Ni金属和Cr金属的金属间化合物、Ti金属、Nb金属、Ta金属、Ni金属和C金属r的氢化物或者它们的组合。金属间化合物或氢化物的断裂特性有助于形成具有合适大小的颗粒。图11所示的是冶金结合至钛基底的钛颗粒的SEM照片。多个颗粒与金属基底的光滑边缘是钛颗粒和钛基底之间扩散结合的迹象。它还显示了钛颗粒之间的结合形成颗粒团块。
多个颗粒的平均粒径可以小于200微米(μm)，例如3纳米(nm)至200μm、8nm至150μm、10nm至100μm、50nm至50μm或500nm至10μm。提到了平均粒径为3nm至200μm、0.1至5μm、3nm至8nm、5nm至10nm、7nm至100nm、50nm至500nm、10nm至20μm、5nm至0.5μm、20nm至1μm、100nm至0.9μm、20nm至5μm、100nm至2μm、0.5μm至5μm、1μm至10μm、5μm至20μm、10μm至50μm、20μm至70μm、50μm至100μm、70μm至170μm或150μm至200μm的颗粒。可以采用上述范围的上限和下限的任意合适的组合。多个颗粒可以具有任意合适的形状，并且可以是球形、椭圆形或纤维形式。此外，多个颗粒可以是初级颗粒或团块，例如次级颗粒。提到了平均粒径为50nm至10μm的金属颗粒，例如平均粒径为100nm至5μm的钛颗粒。尽管不希望受到理论的约束，但是应当理解的是，与采用较大颗粒时相比，小颗粒(例如，平均粒径为100nm至5μm的颗粒)可以更快地且在更低的温度或压力下实现冶金结合。
在一个方面，多个颗粒包括碳颗粒。该碳颗粒可以是无定形碳、石墨、碳纤维或者它们的组合。尽管不希望受到理论的约束，但是应当理解的是，当采用碳时，冶金结合物包括碳颗粒和金属之间的反应形成的碳化物。此外，由于碳与金属的高反应活性，因此可以采用较大的颗粒。提到了采用平均粒径小于200μm的碳颗粒。这些碳颗粒的平均粒径可以是50nm至500nm、100nm至1μm、500nm至2μm、1μm至5μm、1μm至10μm、5μm至20μm、10μm至50μm、20μm至70μm、50μm至100μm、70μm至170μm或150μm至200μm。可以采用上述范围的上限和下限的任意合适的组合。该碳可以是纤维颗粒的形式。该纤维颗粒的纤维直径可以为3nm至20μm，优选为1至10μm。该碳纤维的直径可以为3nm至8nm、5nm至10nm、7nm至100nm、50nm至500nm、10nm至20μm、5nm至0.5μm、20nm至1μm、100nm至0.9μm、20nm至5μm、100nm至2μm、0.5μm至5μm、1μm至10μm或者5μm至20μm。可以采用上述范围的上限和下限的任意合适的组合。
在一个方面，在冶金结合之前，金属基底和多个颗粒具有施加在表面上的涂层。该涂层用于增强金属基底和多个颗粒的耐腐蚀性和结合活性。冶金结合可以用涂层材料形成。
在多个颗粒和金属基底之间形成的冶金结合物的结合界面的横截面图中测量的尺寸(例如，长度)可以对应于粒径。例如，冶金结合物的平均长度可以小于200μm，例如3nm至200μm、8nm至150μm、10nm至100μm、50nm至50μm或500nm至10μm。此外，多个颗粒和金属基底之间形成的冶金结合物的面积可以小于200μm2，例如3nm2至200μm2、8nm2至150pm2、10nm2至100μm2、50nm2至50μm2或者500nm2至10μm2。
尽管不希望受到理论的约束，但是应当理解的是，采用一定量的多个颗粒使得这些多个颗粒覆盖金属基底的总投影面积的一部分有助于形成具有所需特性的冶金结合物。尽管不希望受到理论的约束，但是据信通过采用一定含量的多个颗粒来覆盖少于90％的基底总面积，即使当多个颗粒和金属基底的热膨胀系数之间存在显著的不匹配时，也可以避免在冶金结合物的形成以及部件的应用过程中的热应力。如本文所用，术语“投影面积”指的是在平面图中确定的二维面积，而不管基底可能具有的模块性或多孔性。在一个方面，提到了采用一定量的颗粒来覆盖基底的总投影面积的不到90％或者1％至90％、10％至80％、20％至70％、30％至70％或40％至50％。多个颗粒和金属基底之间的冶金结合物的面积可以小于金属基底总投影面积的90％或者为金属基底总投影面积的1％至90％、10％至80％、20％至70％、30％至70％或40％至50％。可以采用上述范围的上限和下限的任意合适的组合。
在一个方面，其中多个颗粒覆盖金属基底的总投影面积的不到90％，相邻的多个颗粒可以相距一段距离，例如平均距离为5nm至200μm，例如5nm至10nm、7nm至100nm、50nm至500nm、10nm至20μm、5nm至0.5μm、20nm至1μm、100nm至0.9μm、20nm至5μm、100nm至2μm、0.5μm至5μm、1μm至10μm、5μm至20μm、10μm至50μm、20μm至70μm、50μm至100μm、70μm至170μm或者150μm至200μm。可以采用上述范围的上限和下限的任意合适的组合。
多个颗粒可以进一步包括陶瓷颗粒，其中这些陶瓷颗粒包括碳化物、氧化物、氮化物、硅化物或者它们的组合。尽管不希望受到理论的约束，但是应当理解的是，通过包括陶瓷颗粒，这些陶瓷颗粒可以结合至上述金属颗粒，从而导致热应力的降低。代表性的碳化物包括碳化钛、碳化铌、碳化硅、碳化钽、碳化钨、碳化铁、碳化铬或碳化锆。代表性的氧化物包括氧化铝、氧化钛、氧化铌、氧化钽、氧化锆、氧化铈、二氧化硅、氧化钨或氧化铈。代表性的氮化物包括氮化钛、氮化铬、氮化铝、氮化锆、氮化钨、氮化钒、氮化钽或氮化铌。代表性的硅化物包括硅化镍、硅化铌、硅化钛、硅化钼或硅化钨。可以采用包括至少一种上述材料的组合。提到了采用氧化铝。
在一个方面，结合到金属基底上的多个颗粒形成多孔涂层，如图2所示，该附图示出了金属基底21和包括冶金结合颗粒的多孔涂层22。多孔涂层的平均孔径可以为3nm至100μm，例如3nm至100μm、10nm至50μm或者50nm至500nm。提到了采用3nm至7nm、5nm至10nm、7nm至20nm、50nm至500nm、10nm至20μm、5nm至0.5μm、20nm至1μm、100nm至0.9μm、20nm至5μm、100nm至2μm、0.5μm至5μm、1μm至10μm、5μm至20μm、10μm至50μm、20μm至100μm或者50μm至100μm的孔径。在一个方面，多孔涂层22的厚度范围为1μm至1毫米(mm)，例如1μm至10μm、5μm至20μm、10μm至100μm、50μm至200μm、100μm至500μm、200μm至800μm、500μm至1000μm或者700μm至1mm。可以采用上述范围的上限和下限的任意合适的组合。尽管不希望受到理论的约束，但是应当理解的是，例如通过将多个颗粒的收缩限制在垂直方向(例如，垂直于基底表面的方向)上并减少或消除在基底的面内方向(例如，沿着基底表面的方向)上的收缩，多个颗粒与金属基底的冶金结合实现了收缩的减少。通过消除面内方向上的收缩，多孔涂层22可以形成为符合金属基底的形状和结构而不变形。此外，可以多次应用颗粒沉积和结合工艺来形成多层多孔结构，以形成厚度增加的多孔层。图12示出了一个实例，该附图是钛基底表面上的多孔钛涂层的SEM照片。
在一个方面，可以提供第二基底，并将其与颗粒冶金结合。例如，第二基底可以是用于燃料电池或电解槽的质量传输层。图3示出了具有金属基底31A、第二基底31B以及金属基底31A和第二基底31B之间的非连续结合层32的部件。非连续结合层32包括颗粒33，这些颗粒通过第一冶金结合物34A与第一基底31A结合，同时通过第二冶金结合物34B与第二基底32A结合。非连续结合层32的厚度范围为1μm至0.5mm，例如1μm至500μm、5μm至200μm或者10μm至100μm。可以采用上述范围的上限和下限的任意合适的组合。如图3所示，颗粒设置在金属基底和第二基底之间，这些金属基底通过颗粒和冶金结合物结合在一起，以在垂直于这些金属基底的方向上形成与颗粒的连续结合，并且这些金属基底在面内方向上不连续。
第二基底可以与金属基底相同或不同。第二基底可以包括碳或Ti金属、Nb金属、Ta金属、Al金属、Ni金属、Cr金属、前述金属的合金、不锈钢或者前述金属的组合。第二基底可以具有一种合适的形式且是完全致密的或多孔的，并且可以是薄膜、箔、隔板、筛网、穿孔薄膜、膨胀金属箔或微孔板的形式。在一个方面，第二基底包括碳，并且可以是多孔的非织造碳纸。在一个方面，第二基底可以包括金属，并且可以是膨胀金属基底，诸如丝网或筛网。
图4和图5示出了用于燃料电池的金属基底的实例，其中示出了燃料电池双极板。为了形成双极板，不锈钢箔冲压有流场通道41，包括平台区域52和凹谷区域51。平台区域52将与第二基底，例如，气体扩散层(GDL)，电性接触。可能需要形成更深的渠道来改善水管理。然而，由于金属箔性能(诸如伸长率)的限制，因此仅通过冲压很难获得深通道。可以通过在平台区域52的顶部增加较厚的多孔颗粒涂层来增加通道深度。颗粒可以仅仅是金属或者是金属和碳颗粒的混合物。颗粒沉积在平台区域上，并且对平台区域52上带有颗粒的双极板进行热处理来将颗粒结合至基底，以形成具有流动通道和平台区域上较厚的多孔涂层的基底。多孔涂层的厚度在0.01mm至0.5mm之间，例如0.01mm至0.05mm、0.02mm至0.1mm、0.05mm至0.2mm、0.1mm至0.3mm或者0.2mm至0.5mm。提到了将钛颗粒用于平台区域52上较厚的多孔涂层。还提到了采用钛和碳粉末的混合物来实现表面接触电阻的降低。
如果需要，可以提供额外的涂层来改变表面特性。例如，在没有附加涂层的情况下，该部件可以具有超亲水的水接触角，例如水接触角小于90°，例如5°至40°、10°至20°或者小于15°。在一个方面，可以将疏水材料(诸如聚四氟乙烯)施加到多孔表面层，以形成具有大于150°的接触角(例如，170°)的超疏水表面。
在一个方面，多孔金属层用作电解槽的质量传输层。孔径为20μm至500μm。提到了采用多孔钛颗粒烧结物或钛毡。一般而言，大孔有利于气体，而小孔有利于水通过质量传输层传递。但是在常规制造工艺中，很难同时具有小尺寸(小于1μm)孔和大尺寸孔。在所公开的部件中，在大孔金属质量传输层的核心结构上附加微孔金属涂层，以形成包含微尺寸孔和大尺寸孔的混合多孔层。微孔涂层的孔径范围为3nm至1μm。它可以在微米级孔中通过毛细作用吸水，以保持对电极的连续供水，并保持气体流过大孔。微米级孔中水的毛细作用力防止气体侵入微孔涂层，以实现不间断的供水。在混合多孔结构中，气体和水通过它们不同的路径传输。形成微孔涂层颗粒粒径可以是3nm至2μm，优选为10nm至1μm，例如3nm至8nm、5nm至10nm、7nm至100nm、50nm至500nm、10nm至1μm、200nm至2μm或者0.5μm至2μm。
如下文进一步讨论的，部件可以通过在含有0.1ppm HF的H2SO4的pH 3溶液中于80℃和0.8VNHE进行处理后使用碳纸(例如，AvCarb MGL190)在200PSI的压缩压力下测定表面接触电阻来评估，如能源部(DOE)氢能和燃料电池技术办公室的《多年研究、开发和示范计划》(https://www.energy.gov/eere/fuelcells/downloads/hydrogen-and-fuel-cell-technologies-office-multi-year-research-development)所定义的，其全部内容通过引用并入本文。当根据DOE方法进行评估时，所公开的部件可以具有0.1至10mΩ.cm2、5至8mΩ.cm2或者1至5mΩ.cm2的表面接触电阻，以满足燃料电池应用要求。
本发明还公开了一种制造用于电化学装置的部件的方法，该方法包括：提供金属基底；将包括多个前体颗粒的混合物沉积于金属基底上，其中多个前体颗粒包括金属、碳、金属氢化物或者它们的组合，以形成带涂层的基底，其中多个前体颗粒接触金属基底的总投影面积的不到90％，并且其中多个前体颗粒的平均粒径小于200μm；然后热处理带涂层的基底，以由多个前体颗粒形成颗粒，并通过颗粒和金属基底之间形成的冶金结合物将颗粒结合至金属基底，以制成该部件，其中冶金结合物具有组合物的成分是金属基底成分和颗粒成分的组合、金属基底和颗粒的反应产物或者它们的组合。
多个前体颗粒包括金属、碳、金属氢化物、或Ti、Nb、Ta、Ni、Cr的组合、它们的合金或者它们组合。提到了采用Ti、Nb、Ta、Ni或Cr的合金或金属间化合物。在一个方面，多个前体颗粒包括氢化钛。提到了采用钛颗粒和碳颗粒的组合来形成包括碳化钛的冶金结合物。多个前体颗粒的粒径可以小于200微米(μm)，例如3纳米(nm)至200μm、8nm至150μm、10nm至100μm、50nm至50μm或者500nm至10μm。金属基底上的多个前体颗粒含量可以设为覆盖金属基底的总投影面积的1％至90％、6％至80％、10％至70％、20％至60％或者40％至50％。可以采用上述范围的上限和下限的任意合适的组合。
可以采用上述范围的上限和下限的任意合适的组合。在一个方面，采用前体颗粒的组合。尽管不希望受到理论的约束，但是应当理解的是，采用具有不同熔化温度的颗粒可以在更低温度下形成收缩减少的冶金结合物，例如，熔化温度较低的颗粒可以使熔化温度较高的颗粒和金属基底结合。
混合物可以进一步包括多个陶瓷颗粒，其中这些陶瓷颗粒包括碳化物、氧化物、氮化物或者它们的组合，如上面进一步描述的。尽管不希望受到理论的约束，但是应当理解的是，当采用陶瓷颗粒时，可以减少收缩。
包含前体颗粒的混合物可以通过任何合适的方法来沉积在金属基底上。公开了干粉沉积，或者使用采用载体或媒介物(诸如有机溶剂)的涂覆或流延成型。干粉沉积可以包括前体颗粒的干粉静电沉积。在静电沉积过程中，颗粒可以带电，并且这些带电颗粒可以在施加的电场下沉积在金属基底上。尽管不希望受到理论的约束，但是应当理解的是，对于减少颗粒团聚和在基底上形成更均匀的颗粒层，静电沉积可能是理想的。备选地，前体颗粒可以分散在包括粘合剂的溶剂中以形成浆料，把浆料涂覆到基底上。粘合剂可以包括陶瓷工艺中使用的粘合剂，诸如聚乙烯醇缩丁醛或聚碳酸亚乙基酯。涂覆过程的其他细节可以由本领域技术人员确定，而无需过度实验。
在一个方面，热处理可以在低于颗粒的熔化温度和低于金属基底或第二基底的熔化温度的温度下进行。尽管不希望受到理论的约束，但是应当理解的是，冶金结合物在热处理过程中，在颗粒与基底接触点通过颗粒与基底的交叉扩散或化学反应形成，从而在颗粒和基底的界面处形成冶金结合，把颗粒粘接到基底上。热处理可以包括在300℃至1200℃(例如，400℃至1000℃、800℃或更低)温度下进行的热处理。优选地，可以采用800℃或更低的结合温度，以避免金属基底的变形。在一个方面，提到了采用比金属基底的熔化温度低至少500℃的温度来避免基底变形。当该部件(例如，双极板)包括诸如流动通道的结构特征时，避免变形可能是有利的。此外，尽管不希望受到理论的约束，但是据信所本公开的粒径允许在更短的时间(例如，0.001小时至20小时、0.01小时至10小时或者0.1小时至5小时)内形成冶金结合物。热处理可以包括炉内热处理，或者可以包括激光热处理、电子束热处理、红外(IR)热处理或者等离子体热处理。在激光加热中，利用高强度激光束扫描沉积有多个前体颗粒的金属基底并加热金属基底表面，以形成冶金结合物并将颗粒结合至金属基底。在另一个实施方案中，采用了高强度IR灯。提到了利用电子束加热来进行加热，以实现快速加热。
热处理可以包括在真空中或在非氧化性气氛中(例如，在氩气、氦气或者它们的组合中)中进行的热处理。
该方法还可以包括：以1磅/平方英寸(PSI)至500磅/平方英寸、20PSI至400PSI或者50PSI至100PSI的压力压制带涂层的基底。如果采用了第二基底，压制可以包括：向金属基底和第二基底施加压力，以压缩颗粒。
在一个方面，通过熔化碳颗粒并同时沉积熔化的颗粒的单个步骤来获得带纹理的碳涂层。由于碳的熔化温度很高(约3550℃)，因此采用高温来熔化碳颗粒。高温热源可以是等离子体、高功率脉冲激光或电弧。在高温下，碳颗粒将被部分蒸发，从而形成的涂层可以具有纹理结构，该纹理结构包括覆盖基底表面一小部分的碳突出物，并且表面的其余部分被碳涂层的薄膜覆盖。
如本文所用，“冶金结合”是两种固体材料(包括至少一种金属材料)之间在高温下形成的一种化学粘接。它有两种类型的结合。一种是扩散结合，由两种材料在高温下交叉扩散而形成的连续连接。另一种是反应结合，由两种材料在接触位置发生反应，生成的反应产物将两种材料连接在一起。两种类型的冶金结合都生成了两种材料的原子级混合，并且可以将两种材料从点接触扩展到表面/界面接触。原子级混合和较大接触面积确保了两种材料之间的持久结合。
在一个方面，冶金结合物的成分是金属基底成分和颗粒成分的组合、金属基底和颗粒的反应产物或者它们的组合。冶金结合物的组合物可以是金属基底成分和颗粒成分的组合。在一个方面，冶金结合物包括颗粒的反应产物、颗粒和基底的反应产物或者它们的组合。
冶金结合物的厚度可以是0.5nm至50μm，例如0.5nm至5nm、1nm至10nm、5nm至50nm、10nm至50nm、10nm至100μm、50nm至0.2μm、100nm至1μm、500nm至5μm、20nm至5μm、1μm至10μm、5μm至20μm、10μm至50μm或者20μm至50μm。可以采用上述范围的上限和下限的任意合适的组合。
在该方法中，可以对热处理后的部件进行清洗，以例如去除未结合的颗粒。清洗可以包括将热处理后的部件与流体(例如，空气或水)进行接触，并且可以包括例如超声波水浴清洗或者酸洗。
如本文所用，“平均粒径”指的是对应于分布曲线中50％颗粒的粒径，其中颗粒以从最小颗粒到最大颗粒的粒径顺序聚集，并且聚集颗粒的总数为100％。平均粒径可以通过本领域技术人员已知的方法来测量。例如，平均粒径可以利用粒径分析仪(例如，动态光散射)来测量，或者可以利用透射电子显微镜(TEM)或扫描电子显微镜(SEM)来测量。
本发明公开了一种用于电化学装置的部件，该部件包括：金属基底；以及多个颗粒，通过冶金结合物结合到所述金属基底的表面，其中所述多个颗粒包括金属、碳或者它们的组合，其中所述冶金结合物在所述多个颗粒和所述金属基底之间，其中所述冶金结合物的总投影面积小于所述金属基底总投影面积的90％，并且其中所述冶金结合物的成分是所述金属基底成分和所述多个颗粒成分的组合、所述金属基底和所述多个颗粒的反应产物或者它们的组合。
本发明还公开了一种制造用于电化学装置的部件的方法，该方法包括：提供金属基底；将包括多个前体颗粒的混合物沉积于所述金属基底上，其中所述多个前体颗粒包括金属、碳、金属氢化物或者它们的组合，以形成带涂层的金属基底，其中所述多个前体颗粒接触所述金属基底的总投影面积的不到90％，并且其中所述多个前体颗粒的平均粒径小于200μm；以及热处理带涂层的金属基底，以由所述多个前体颗粒形成颗粒，并通过所述多个前体颗粒和金属基底之间形成的冶金结合物将所述多个前体颗粒结合至金属基底，以制成该部件，其中冶金结合物具有组合物，该组合物是所述金属基底成分和所述多个前体颗粒成分的组合、所述金属基底和所述多个前体颗粒的反应产物或者它们的组合。
在上述任意实施方案中，金属基底可包括Ti金属、Nb金属、Ta金属、Ni金属、Cr金属、前述金属的合金、不锈钢或者前述金属的组合；多个颗粒可以包括金属，并且该金属可以是Ti、Nb、Ta、Ni、Cr、它们的合金或它们的组合；多个颗粒的平均粒径可以小于20μm；多个颗粒可以是平均粒径为50nm至10μm的金属颗粒；多个颗粒可以是平均粒径为100nm至5μm的Ti颗粒；多个颗粒可以包括碳，并且该碳可以是无定形碳、石墨、碳纤维或者它们的组合，并且其中该碳的平均粒径小于200μm；冶金结合的总投影面积可以是金属基底总投影面积的1％至70％；可选地，还包括金属基底上的多个陶瓷颗粒，其中陶瓷颗粒包括碳化物、氧化物、氮化物、硅化物或者它们的组合；可选地，其中该部件可以是用于燃料电池或电解槽的双极板；在H2SO4和0.1ppm HF的pH3溶液中于80℃和0.8VNHE进行处理100小时后，双极板在200PSI的压缩压力下可具有小于10mΩ.cm2的表面电性接触电阻；可选地，该部件可以是用于电解槽或液流电池的电极；可选地，还包括在多个颗粒与金属基底相对的一侧上的第二基底，其中第二基底包括碳或Ti金属、Nb金属、Ta金属、Ni金属、Cr金属、前述金属的合金、不锈钢或者前述金属的组合，其中多个颗粒通过多个颗粒和第二基底之间的第二冶金结合物结合至第二基底，其中第二冶金结合物的投影面积小于第二基底的总投影面积的90％，并且其中第二冶金结合物的成分是第二基底成分和多个颗粒成分的组合、第二基底和多个颗粒的反应产物或者它们的组合；金属基底和第二基底可以具有相同的成分；第二基底可以包括具有结构或成分梯度的多层；基于第二基底的总投影面积，第二基底可以是开口面积为10％至90％的金属丝网；第二基底可以是孔隙率为30％至95％的多孔质量传输层；可选地，电化学装置可以是燃料电池、电池、电解槽或电容器；金属基底可以包括Ti金属、Nb金属、Ta金属、Al金属、Ni金属、Cr金属、前述金属的合金、不锈钢或者前述金属的组合；多个前体颗粒可以包括Ti金属、Nb金属、Ta金属、Al金属、Cr金属、前述金属的合金、前述金属的金属间化合物、它们的氢化物或者它们的组合，并且具有50nm至20μm的平均粒径；多个前体颗粒可以包括平均粒径小于200μm的碳颗粒；多个前体颗粒可以覆盖金属基底的总投影面积的3％至90％；热处理可以包括在真空或非氧化气氛中进行的热处理，并且其中热处理包括电子束表面加热或激光表面加热；该组合物还可以包括多个陶瓷颗粒，其中这些陶瓷颗粒包括碳化物、氧化物、氮化物或者它们的组合；可选地，还包括将第二基底置于多个颗粒与金属基底相对的一侧上，其中第二基底包括碳或Ti金属、Nb金属、Ta金属、Ni金属、Cr金属、前述金属的合金、不锈钢或者前述金属的组合，并且其中多个颗粒通过多个颗粒和第二基底之间的第二冶金结合物结合至第二基底，其中第二冶金结合物的总投影面积小于基底总投影面积的90％，并且其中第二冶金结合物的成分是第二基底成分和颗粒成分的组合、第二基底和颗粒的反应产物或者它们的组合。
实例
对比实例1：在钛上结合溅射碳
采用商业2级钛箔作为基底。通过溅射沉积在钛箔的整个表面上涂覆50nm Ti和100nm碳(SP-C涂层)。
实例1：在钛箔上结合磨碎碳纤维
采用商业上获得的2级钛箔作为基底。将磨碎碳纤维颗粒松散地撒在表面上，然后在氩气中于900℃热处理1小时。磨碎碳纤维颗粒直径为8μm，长度为50μm至200μm。磨碎碳纤维颗粒部分覆盖钛表面，并且无法通过超声波清洗去除，表明碳纤维与钛结合牢固。
接触电阻
对比实例1和实例1的带涂层钛箔与AvCarb MGL 190碳纸的接触电阻在腐蚀试验前后分别测量。加速腐蚀试验在含有0.1ppm HF的H2SO4的pH3溶液中于80℃和1.4VNHE进行加速腐蚀试验。使用AvCarb MGL 190碳纸在200PSI的压缩压力下测定腐蚀试验前后的电性接触电阻。
在1.4VNHE腐蚀试验0.5小时和2小时后，对比实例1的表面接触电阻分别从最初的4.0mΩ.cm2增加到28mΩ.cm2和333mΩ.cm2。在腐蚀试验之后，采用X射线光电子能谱(XPS)分析对比实例1的表面成分。XPS分析发现钛表面仍被碳覆盖，说明碳涂层在腐蚀试验中没有被完全耗尽。尽管不希望受到理论的约束，但是据信较高的接触电阻源于碳和钛基底之间的界面，更具体地说，是由于钛的氧化在碳涂层的下方产生了氧化钛。
相比之下，在1.4VNHE腐蚀试验1.5小时和6小时后，实例1的接触电阻分别从最初的0.7mΩ.cm2增加到1.4mΩ.cm2和1.7mΩ.cm2。光学显微镜观察发现，大部分碳纤维仍结合在钛表面上。钛上的碳纤维涂层的耐久性被认为是由包括碳化钛的冶金结合物产生的。
实例2：在钛上结合石墨
为了证实双极板对于燃料电池或电解槽的适用性，选择商业纯钛箔作为基底进行表面改性，以实现较低的表面电性接触电阻。钛箔的厚度为0.1mm。将平均粒径为7μm至11μm的石墨粉(Alfa Aesar#46304)用作颗粒材料。
将石墨颗粒分散在乙醇溶液中，以制备含有20重量％(wt％)石墨(按浆料总重量计)的浆料。将浆料涂覆在钛表面并干燥，从而在表面留下石墨颗粒。然后，在真空室中利用聚焦电子束对带有石墨颗粒的钛箔进行表面加热以进行热处理。石墨颗粒与钛进行反应，从而在石墨颗粒和钛箔之间形成包括碳化钛的冶金结合物。
在结合步骤之后，在超声波浴中清洗钛箔，以去除未结合的石墨颗粒。冶金结合的石墨颗粒保留在钛基底表面。图8所示的是结合在钛箔表面上的石墨颗粒的SEM照片。
实例3：在钛上结合玻璃碳
将商业纯钛箔用作金属基底。将0.1mm厚的钛箔用作基底。将粒径为10μm至20μm的玻璃碳球形粉末(Alfa Aesar#3489)用作颗粒材料。通过超声波分散将玻璃碳粉末分散在乙醇溶液中。然后，将聚乙烯醇缩丁醛作为粘合剂加入到浆料中。按浆料的总重量计，浆料中的碳颗粒浓度为15重量％，粘合剂浓度为2重量％。
将钛板浸入碳颗粒浆料中，以在钛表面涂覆薄薄的一层浆料。然后，在真空中于800℃热处理带涂层的钛板1小时，以将碳颗粒冶金结合至钛表面。在热处理之后，在超声波浴中清洗钛板，以去除未结合的碳颗粒。结合的颗粒保留在钛板表面。图6所示的是冶金结合在钛表面上的玻璃碳球形颗粒的SEM照片。图7所示的是碳纸(AvCarb MGL 190)和有碳颗粒结合在表面的钛板(Ti w/C)以及和与表面没有碳颗粒的钛板(Ti w/o C)在不同压缩压力下的接触电阻的比较。图7所示的是在200PSI的压缩压力下碳颗粒将具有碳毡的钛板的电性接触电阻从82mΩ.cm2降低到1.6mΩ.cm2。
实例4：在不锈钢上结合钛-碳复合材料
为了证实双极板对于燃料电池的适用性或电极对于锌-溴液流电池的适用性，将不锈钢网用作金属基底。对不锈钢网的中心进行冲压，以形成通道结构。在乙醇中混合钛粉末与磨碎碳纤维颗粒，聚乙烯醇缩丁醛作为粘合剂。钛粉末的平均粒径为2.2μm，磨碎碳纤维的平均纤维直径为8μm，长度为50μm至200μm。钛与碳的体积比为1∶1，浆料中颗粒的浓度为25重量％，粘合剂的浓度为5重量％，均按浆料的总重量计。
将不锈钢网浸入浆料中，以在不锈钢网上涂覆一层浆料。在将不锈钢网上的浆料干燥之后，在真空中于800oC热处理不锈钢网1小时。钛颗粒和碳纤维颗粒与不锈钢网进行冶金结合，并相互结合，以形成多孔金属-碳复合板。在形成的部件中，保留了具有冲压不锈钢网和流动通道的网状结构。
尽管不希望受到理论的约束，但是应当理解的是，不锈钢网可以在热处理过程中固定钛和碳颗粒，从而将颗粒的收缩限制在垂直于基底表面的方向上，将面内方向上的收缩降到最低。图9所示的是带涂层的不锈钢网的SEM照片。图10所示的是放大图，示出了涂覆在不锈钢网上的Ti颗粒和磨碎碳纤维颗粒的微观结构。
实例5：在不锈钢上结合钛
将316L不锈钢箔用作金属基底。不锈钢箔的厚度为0.1mm。将粒径为2.2μm的钛粉末用作颗粒材料。
通过超声波分散将10克钛粉末分散在30克乙醇中。然后，将20克15重量％的聚乙烯醇缩丁醛乙醇溶液加入到钛粉末浆料中。将混合物放在辊式混合机上12小时，以将钛粉末与聚乙烯醇缩丁醛完全混合，从而制成浆料。使用空气喷枪将浆料涂在不锈钢箔上，并在80℃下干燥1小时。不锈钢箔上干燥后的钛颗粒涂层约25μm厚。在真空中于750℃热处理带涂层的不锈钢箔1小时，以将钛颗粒冶金结合在不锈钢箔表面上。然后，对不锈钢板进行超声波清洗，以去除任何未固定的钛粉末。钛粉末在不锈钢表面形成了粗糙的多孔结构。
实例6：在多孔钛上结合石墨
将多孔钛毡用作金属基底。钛毡的厚度为250μm，孔隙率为75％。将石墨粉末(AlfaAesar 46304)用作多个颗粒材料。将石墨粉末与聚乙烯醇缩丁醛一起分散在乙醇溶液中，以制成稳定的浆料。按浆料的总重量计，浆料包含5重量％石墨和1重量％聚乙烯醇缩丁醛。然后，将钛毡浸泡在浆料中，以使钛毡承载石墨颗粒。在浆料干燥之后，于750℃热处理承载有石墨的钛毡1小时，以将石墨颗粒冶金结合在钛毡上。当该部件用作液流电池电极时，石墨颗粒将起到电极反应位点的作用。由于将石墨颗粒冶金结合在钛毡上，因此不需要铂涂层。
应当理解的是，当一个元件被称为“在另一个元件上”时，它可以直接在该另一个元件上，或者它们之间可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”时，不存在中间元件。
应当理解的是，虽然可在本文中使用“第一”、“第二”、“第三”等术语来描述各种元件、部件、区域、层和/或区段，但是这些元件、部件、区域、层和/或区段不应当被这些术语所限制。这些术语仅用来将某个元件、部件、区域、层或区段与另一个元件、部件、区域、层或区段区分开来。这样，下文中讨论的“第一元件”、“第一部件”、“第一区域”、“第一层”或“第一区段”在不脱离本文的教导的前提下可以被称为第二元件、第二部件、第二区域、第二层或第二区段。
本文所使用的术语仅是为了描述具体的实施方案，而非为了限制。如本文所用，“一个”、“该”和“至少一个”不表示数量的限制，并且旨在包括单数和复数，除非上下文另有明确的说明。例如，“一个元件”与“至少一个元件”具有相同的含义，除非上下文另有明确的说明。“至少一个”不应被解释为限制“一个”。“或者”指的是“和/或”。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个所列举的相关项目的任意及所有组合。还应当理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“其包括”或者“包含”和/或“其包含”指明了存在所述的特征、区域、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但未排除存在或增加了一个或多个其他特征、区域、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。
空间关系术语(诸如“正下方”、“下方”、“下”、“上方”、“上”等)在本文中可用于方便描述如附图所示的某个元件或特征与另一个或另一些元件或特征的关系。应当理解的是，除附图所示的方位外，空间关系术语还旨在包括使用或运行中的装置的不同方位。例如，如果将附图中的装置翻转，那么描述成在其它元件或特征“下方”或“正下方”的元件应当朝向这些其它元件或特征的“上方”。这样，术语“下方”可以包括上方和下方的方位。该装置可以有其他方位(旋转90度或在其他方位)，且可对本文所用的空间关系描述符进行相应的理解。
除非另有定义，否则本文所使用的所有术语(包括技术和科学术语)的含义与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。还应当理解的是，术语(诸如在常用词典中定义的那些术语)应当被理解为具有与它们在相关领域和本公开的情况下的含义一致的含义，并且不应在理想化或过于正式的意义上来理解，除非本文对此有明确的定义。
本文是结合作为理想化实施方案的示意图的横截面图来描述实施方案的。同样地，预期会由于例如制造技术和/或公差而导致图示形状发生变化。因此，本文描述的实施方案不应被解释为限于本文图示的区域的特定形状，而是应当包括例如由制造导致的形状偏差。例如，图示或描述为平坦的区域通常可以具有粗糙和/或非线性特征。而且，图示的锐角可以是圆角。因此，附图中示出的区域本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状，也并非旨在限制本权利要求书的范围。
上述实例仅仅是为了说明的目的而提供的，决不能解释为限制。尽管参考了各种实施方案，但是本文所使用的词语是描述和说明性的词语，而不是限制性的词语。此外，尽管示出了对特定装置、材料和实施方案的参考，但是对本文公开的细节没有限制。相反，在所附权利要求书的范围内，实施方案扩展到所有在功能上等同的结构、方法和用途。

Claims (26)

1.一种具有改进的表面接触电阻和反应活性的部件，其特征在于，所述部件包括：金属基底；以及通过冶金结合物结合到所述金属基底的表面的多个颗粒；
其中所述多个颗粒包括金属、碳或者它们的组合；
其中所述冶金结合物在所述颗粒和所述金属基底之间；其中所述冶金结合物的总投影面积小于所述基底总投影面积的90％；
并且，其中所述冶金结合物的成分是所述金属基底成分和所述多个颗粒成分的组合、所述金属基底和所述多个颗粒的反应产物或者它们的组合。
2.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，所述金属基底包括Ti、Nb、Ta、Ni、Cr、它们的合金、不锈钢或者它们的组合。
3.根据权利要求1中所述的部件，其特征在于，所述颗粒包括Ti金属、Nb金属、Ta金属、Ni金属、Cr金属、以及前述金属的合金或者前述金属的组合。
4.根据权利要求1中所述的部件，其特征在于，所述多个颗粒的平均粒径小于20μm。
5.根据权利要求4中所述的部件，其特征在于，所述多个颗粒是平均粒径为50nm至10μm的金属颗粒。
6.根据权利要求5中所述的部件，其特征在于，所述多个颗粒是平均粒径为100nm至5μm的Ti颗粒。
7.根据权利要求1中所述的部件，其特征在于，所述多个颗粒包括无定形碳、石墨、碳纤维或者它们的组合，并且所述多个颗粒的平均粒径小于200μm。
8.根据权利要求1中所述的部件，其特征在于，所述冶金结合物的总投影面积为所述金属基底的总投影面积的1％至70％。
9.根据权利要求1中所述的部件，其特征在于，所述部件还包括所述金属基底上的多个陶瓷颗粒，其中所述多个陶瓷颗粒包括碳化物、氧化物、氮化物、硅化物或者它们的组合。
10.根据权利要求1中所述的部件，其特征在于，所述部件是用于燃料电池或电解槽的双极板。
11.根据权利要求10中所述的部件，其特征在于，所述双极板在H2SO4和0.1ppm HF的pH3溶液中于80℃和0.8VNHE处理100小时后在200PSI的压缩压力下具有小于10mΩ.cm2的表面接触电阻。
12.根据权利要求1中所述的部件，其特征在于，所述部件是用于电解槽或液流电池的电极。
13.根据权利要求1中所述的部件，其特征在于，所述部件包括在所述多个颗粒与所述金属基底相对的一侧上的第二基底；
其中所述第二基底包括碳或Ti金属、Nb金属、Ta金属、Ni金属、Cr金属、前述金属的合金、不锈钢或者前述金属的组合；
其中所述多个颗粒通过所述多个颗粒和所述第二基底之间的第二冶金结合物结合至所述第二基底，其中所述第二冶金结合物的投影面积小于所述第二基底的总投影面积的90％；并且，
其中所述第二冶金结合物具有组合物，所述组合物是所述第二基底成分和所述多个颗粒成分的组合、所述第二基底和所述多个颗粒的反应产物或者它们的组合。
14.根据权利要求13中所述的部件，其特征在于，所述金属基底和所述第二基底具有相同的成分。
15.根据权利要求13中所述的部件，其特征在于，所述第二基底包括具有结构或成分梯度的多层。
16.根据权利要求13中所述的部件，其特征在于，所述第二基底是开孔面积为10％至90％(按所述第二基底的总投影面积计)的金属隔板。
17.根据权利要求13中所述的部件，其特征在于，所述第二基底是孔隙率为30％至95％的多孔质量传输层。
18.一种电化学装置，其特征在于，包括根据权利要求1中所述的部件，其中所述电化学装置是燃料电池、电池、电解槽或者电容器。
19.一种具有改进的表面接触电阻和反应活性的部件的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
提供金属基底；
将包括多个前体颗粒的混合物沉积于所述金属基底上，其中所述多个前体颗粒包括金属、碳、金属氢化物或者它们的组合，以形成带涂层的金属基底；
其中所述多个前体颗粒接触所述金属基底的接触面积小于基材总投影面积的90％；并且
其中所述多个前体颗粒的平均粒径小于200μm；以及
热处理所述沉积有所述多个前体颗粒的金属基底，以由所述多个前体颗粒形成颗粒，并通过所述多个前体颗粒和所述金属基底之间形成的冶金结合物将所述多个前体颗粒结合至所述金属基底，以制成所述部件；
其中所述冶金结合物的成分是所述金属基底成分和所述多个前体颗粒成分的组合、所述金属基底和所述多个前体颗粒的反应产物或者它们的组合。
20.根据权利要求19所述的制造方法，其特征在于，所述金属基底包括Ti金属、Nb金属、Ta金属、Al金属、Ni金属、Cr金属、前述金属的合金、不锈钢或者前述金属的组合。
21.根据权利要求19所述的制造方法，其特征在于，所述多个前体颗粒包括Ti金属、Nb金属、Ta金属、Al金属、Cr金属、前述金属的合金、前述金属的金属间化合物、前述金属的氢化物或者前述金属的组合，并且具有50nm至20μm的平均粒径。
22.根据权利要求19中所述的制造方法，其特征在于，所述多个前体颗粒包括平均粒径小于200μm的碳颗粒。
23.根据权利要求19中所述的制造方法，其特征在于，所述多个前体颗粒覆盖所述基底的总投影面积的3％至90％。
24.根据权利要求19中所述的制造方法，其特征在于，所述热处理包括在真空或非氧化气氛中进行的热处理，并且其中所述热处理包括电子束表面加热或激光表面加热。
25.根据权利要求19中所述的制造方法，其特征在于，所述混合物包括多个陶瓷颗粒，其中所述陶瓷颗粒包括碳化物、氧化物、氮化物或者它们的组合。
26.根据权利要求19中所述的制造方法，其特征在于，所述部件还包括将第二基底置于所述多个前体颗粒与所述金属基底相对的一侧上，
其中所述第二基底包括碳或Ti金属、Nb金属、Ta金属、Ni金属、Cr金属、前述金属的合金、不锈钢或者前述金属的组合，并且
其中所述多个前体颗粒通过所述多个前体颗粒和所述第二基底之间的第二冶金结合物结合至所述第二基底，其中所述第二冶金结合物的投影面积小于所述第二基底的总投影面积的90％，并且
其中所述第二冶金结合物具有组合物，所述组合物是所述第二基底成分和所述多个前体颗粒成分的组合、所述第二基底和所述多个前体颗粒的反应产物或者它们的组合。
CN202180007097.7A 2020-02-26 2021-02-24 具有改进的表面接触电阻和反应活性的部件及其制造方法 Pending CN115244216A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202062981879P 2020-02-26 2020-02-26
US62/981,879 2020-02-26
PCT/US2021/019315 WO2021173601A1 (en) 2020-02-26 2021-02-24 Component having improved surface contact resistance and reaction activity and methods of making the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115244216A true CN115244216A (zh) 2022-10-25

Family

ID=77365162

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202180007097.7A Pending CN115244216A (zh) 2020-02-26 2021-02-24 具有改进的表面接触电阻和反应活性的部件及其制造方法

Country Status (6)

Country Link
US (2) US11885026B2 (zh)
EP (1) EP4010511A4 (zh)
JP (1) JP2023512395A (zh)
CN (1) CN115244216A (zh)
CA (1) CA3153365A1 (zh)
WO (1) WO2021173601A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023117087A1 (en) * 2021-12-22 2023-06-29 Ceres Intellectual Property Company Limited Method for creating a passivating oxide layer on a stainless steel component of an electrochemical cell

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4460666A (en) * 1981-11-24 1984-07-17 Dinkler Leonard R Coated substrate, preparation thereof, and use thereof
JPH11144744A (ja) * 1997-11-11 1999-05-28 Nisshin Steel Co Ltd 低温型燃料電池用セパレータ及びその製造方法
EP1050663A2 (en) * 1999-05-03 2000-11-08 General Electric Company Article having protuberances for creating turbulent flow and method for providing protuberances on an article
US6551658B1 (en) * 2001-05-18 2003-04-22 Ensci Inc. Process for producing thin film metal oxide coated substrates
US20090092887A1 (en) * 2007-10-05 2009-04-09 Quantumsphere, Inc. Nanoparticle coated electrode and method of manufacture
US20090130564A1 (en) * 2007-11-19 2009-05-21 Enerize Corporation Method of fabrication electrodes with low contact resistance for batteries and double layer capacitors
CN101918619A (zh) * 2008-01-08 2010-12-15 特来德斯通技术公司 用于电化学应用的高导电性表面
CN103380525A (zh) * 2011-02-14 2013-10-30 株式会社神户制钢所 燃料电池隔板
CN104220630A (zh) * 2012-02-23 2014-12-17 特来德斯通技术公司 耐腐蚀且导电的金属表面

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5268045A (en) 1992-05-29 1993-12-07 John F. Wolpert Method for providing metallurgically bonded thermally sprayed coatings
JPH09283115A (ja) * 1996-04-11 1997-10-31 Sumitomo Electric Ind Ltd 非水電解質二次電池およびその電極の製造方法
US6232010B1 (en) * 1999-05-08 2001-05-15 Lynn Tech Power Systems, Ltd. Unitized barrier and flow control device for electrochemical reactors
US6528201B1 (en) * 1999-09-27 2003-03-04 Japan Storage Battery Co., Ltd. Electrode for fuel cell and process for producing the same
JP2004072004A (ja) * 2002-08-09 2004-03-04 Keiji Tanaka マイクロレンズ付発光素子およびその形成方法
US7144648B2 (en) * 2002-11-22 2006-12-05 The Research Foundation Of State University Of New York Bipolar plate
JP2008077999A (ja) * 2006-09-22 2008-04-03 Matsushita Electric Ind Co Ltd 電気化学電極に用いる触媒ならびにその製造方法
JP5342462B2 (ja) * 2009-09-02 2013-11-13 株式会社神戸製鋼所 燃料電池セパレータの製造方法
US20110076587A1 (en) 2009-09-28 2011-03-31 Treadstone Technologies, Inc. Highly electrically conductive surfaces for electrochemical applications and methods to produce same
US20110244303A1 (en) * 2010-04-02 2011-10-06 General Electric Company Metalized Ceramic and Associated Method
KR20140051928A (ko) * 2011-07-01 2014-05-02 암프리우스, 인코포레이티드 향상된 접착 특성을 가진 템플레이트 전극 구조체
JP2013200970A (ja) * 2012-03-23 2013-10-03 Kobe Steel Ltd 燃料電池セパレータ材、燃料電池、および燃料電池セパレータ材の製造方法
US20130309591A1 (en) * 2012-04-25 2013-11-21 Nanotune Technologies Corp. Nanoporous energy chips and related devices and methods
US10435782B2 (en) * 2015-04-15 2019-10-08 Treadstone Technologies, Inc. Method of metallic component surface modification for electrochemical applications
DE102015116351A1 (de) 2015-09-28 2017-03-30 Von Ardenne Gmbh Verfahren zur Substratbeschichtung mit Partikeln und Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens
US20170284287A1 (en) * 2016-03-29 2017-10-05 Manivasan Nathamani Electro-Hydrogen Driving Unit
CN108808028A (zh) * 2018-06-07 2018-11-13 东莞理工学院 燃料电池催化剂载体其制备方法及电池电极

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4460666A (en) * 1981-11-24 1984-07-17 Dinkler Leonard R Coated substrate, preparation thereof, and use thereof
JPH11144744A (ja) * 1997-11-11 1999-05-28 Nisshin Steel Co Ltd 低温型燃料電池用セパレータ及びその製造方法
EP1050663A2 (en) * 1999-05-03 2000-11-08 General Electric Company Article having protuberances for creating turbulent flow and method for providing protuberances on an article
US6551658B1 (en) * 2001-05-18 2003-04-22 Ensci Inc. Process for producing thin film metal oxide coated substrates
US20090092887A1 (en) * 2007-10-05 2009-04-09 Quantumsphere, Inc. Nanoparticle coated electrode and method of manufacture
US20090130564A1 (en) * 2007-11-19 2009-05-21 Enerize Corporation Method of fabrication electrodes with low contact resistance for batteries and double layer capacitors
CN101918619A (zh) * 2008-01-08 2010-12-15 特来德斯通技术公司 用于电化学应用的高导电性表面
CN103380525A (zh) * 2011-02-14 2013-10-30 株式会社神户制钢所 燃料电池隔板
CN104220630A (zh) * 2012-02-23 2014-12-17 特来德斯通技术公司 耐腐蚀且导电的金属表面

Also Published As

Publication number Publication date
US20210262098A1 (en) 2021-08-26
EP4010511A4 (en) 2022-11-09
WO2021173601A1 (en) 2021-09-02
JP2023512395A (ja) 2023-03-27
US20240093377A1 (en) 2024-03-21
US11885026B2 (en) 2024-01-30
EP4010511A1 (en) 2022-06-15
CA3153365A1 (en) 2021-09-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5474352B2 (ja) 炭素を含むナノワイヤ構造
Athanasaki et al. Gas diffusion layers for PEM fuel cells: Materials, properties and manufacturing–A review
JP3430113B2 (ja) 電気化学電池用の電極及び膜−電極アセンブリ
JP3884313B2 (ja) 炭素繊維合成用触媒及び炭素繊維の製造方法
US7939218B2 (en) Nanowire structures comprising carbon
US7842432B2 (en) Nanowire structures comprising carbon
TWI342634B (en) Porous films and method of making the same
KR20070024626A (ko) 전기화학적 전원 소스의 설계 및 컴포넌트
JP5085576B2 (ja) 燃料電池用触媒シート、燃料電池用電極及び燃料電池
WO2000072391A9 (en) Materials and processes for providing fuel cells and active membranes
WO2007075437A2 (en) Low platinum fuel cells, catalysts, and method for preparing the same
WO2009046382A2 (en) Nanoparticle coated electrode and method of manufacture
JP2006228745A (ja) 燃料電池用触媒材料及び燃料電池用触媒材料の製造方法
WO2018105301A1 (ja) ガス拡散電極とその製造方法
US20240093377A1 (en) Component having improved surface contact resistance and reaction activity and methods of making the same
CN109921034B (zh) 一种阴离子交换膜燃料电池分级有序催化层的制备方法及应用
WO2005027244A2 (en) Fuel cell gas diffusion layer
US11791478B2 (en) Reduced-temperature sintering of spinel-type coatings and layers with metallic alloy powder precursors
KR102609203B1 (ko) 촉매 일체형 다공성 전극 및 그 제조 방법
JP2006228546A (ja) 固体高分子形燃料電池用電極触媒及びその製造方法
WO2010053153A1 (ja) 燃料電池用セパレータおよびそれを用いた燃料電池
Yang et al. Recent Advances of Monolithic Metal Mesh‐Based Catalysts for CO Oxidation

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination