[發明專利]燃料電池雙極板的傳導性的和親水性的表面改性

無效

• 申請號: 201010280848.6
• 申請日: 2010-07-20
• 公開（公告）號: CN101958421A
• 公開（公告）日: 2011-01-26
• 發明（設計）人: R·H·布倫克;P·劉;S·L·范阿塔;K·W·柯比
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作公司
• 主分類號: H01M4/96
• 分類號: H01M4/96;H01M4/88
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 曹小剛;李連濤

技術領域

本公開通常涉及的領域包括燃料電池雙極板。

背景技術

燃料電池通常由一系列膜電極組件和雙極板以交替方式疊加在一起組成。膜電極組件典型地由夾在陽極部分和陰極部分之間的離子傳導膜制成，其中所述陽極部分和陰極部分各自位于所述膜的相對面上。雙極板是板狀電導體，其具有多個用于流體通過的通道。供給燃料電池的反應性氣體流過那些通道到達陽極部分和陰極部分，在這里所述氣體發生電化學反應，并且從這里產生電力。收集由電化學反應產生的電力并傳導通過雙極板到外部回路。因此，雙極板需要具有高電導率或低接觸電阻以減少能量損失和熱量積累。

就氫燃料電池來說，水管理是一個關鍵挑戰。在氫燃料電池中連續產生水，并且離子傳導膜需要保持某一水合水平。當氫燃料電池在低電流密度下操作時，例如，在0.2A/cm²時，將不會有足夠的氣流來除去所述電化學反應在陰極部分處產生的水。水滴可在流體通路中形成并堵塞反應性氣供應到電極。沒有反應物氣體的供應，燃料電池的堵塞部分將不會產生電力。由于電流的非均勻分布，燃料電池的性能將惡化。這種現象被稱為低功率穩定性(LPS)。

雙極板上常規的親水涂層或處理可以改善水管理，但是通常對電接觸電阻有不利影響。常規的親水涂層和處理也會導致雙極板、電極和膜的水浸出性污染物和電化學降解的增加。

發明內容

一種實施方案包括具有傳導性和親水性表面層的燃料電池雙極板，該表面層設置在雙極板外部區域的至少一部分上。所述表面層包含傳導性碳材料，所述傳導性碳材料的表面上共價連接有親水有機基團。

另一種實施方案包括用于制造雙極板的方法，包括提供具有碳材料的燃料電池雙極板，其中該碳材料設置在雙極板外部區域的至少一部分上；使碳材料與具有至少一個親水性基團的有機分子接觸；然后使有機分子與碳材料反應使得親水性基團共價連接到所述碳材料上。

另一種實施方案包括方法，該方法包括提供碳材料和燃料電池雙極板；通過化學反應將親水有機基團共價連接到碳材料上；將碳材料沉積到雙極板的至少一部分外部區域上以形成傳導性和親水性表面層。燃料電池堆可以使用所述雙極板來組裝。

本發明進一步具體表現為以下方面：

1.產品，包括燃料電池雙極板，所述燃料電池雙極板具有外表面、在所述外表面上的陽離子聚合物層或金屬氧化物層、設置在其外部區域的至少一部分上的傳導性且親水性的表面層；其中所述傳導性且親水性的表面層包含具有親水性有機基團的傳導性碳材料，該傳導性碳材料離子性連接在所述陽離子聚合物層或金屬氧化物層之一上。

2.如方面1所述的產品，其中所述碳材料是碳黑、石墨、碳纖維、無定形碳或碳納米管。

3.如方面2所述的產品，其中所述表面層是微孔碳層，并且所述碳材料是碳黑。

4.如方面1所述的產品，其中所述親水性有機基團是羧酸、苯磺酸、醇、胺、酰胺、聚(環氧乙烷)、乙氧基、甲氧基、膦酸、萘磺酸、水楊酸、苯基膦酸、苯甲酸、鄰苯二甲酸和任何上述酸的鹽中的至少之一。

5.如方面1所述的產品，其中所述表面層具有40度或更小的水接觸角，和在200psi的壓縮壓力小于約20mohm-cm²的接觸電阻。

6.如方面1所述的產品，其中所述雙極板包含石墨、碳纖維或纖維增強碳復合材料。

7.如方面1所述的產品，其中所述雙極板包含鋁、鈦、不銹鋼、銅、鎳或鉻的金屬或金屬合金。

8.方法，包括：提供燃料電池雙極板，所述燃料電池雙極板包括設置在其外部區域的至少一部分上的碳材料；將所述碳材料與具有至少一個親水性基團的有機分子接觸；和，使所述有機分子與所述碳材料反應使得所述親水性基團共價連接到所述碳材料上。

9.如方面8所述的方法，其中所述雙極板包括石墨、碳纖維或纖維增強碳復合材料。

10.如方面8所述的方法，其中通過離子吸附、化學氣相沉積、物理氣相沉積、原子層沉積、噴涂、等離子沉積、浸涂、拉涂、印刷、電化學沉積或熱噴涂方法，將所述碳材料沉積在所述雙極板表面上。

11.如方面8所述的方法，其中所述碳材料是碳黑、石墨、無定形碳、碳纖維或碳納米管。

12.如方面8所述的方法，其中所述有機分子是由化學式：HG-Ar-N₂⁺X^-表示的重氮鹽，其中HG是所述親水性基團，Ar是芳基，-N₂⁺是重氮基，和X^-是陰離子。