[發(fā)明專利]涂覆石墨烯的金屬流場(chǎng)板及其制備方法和使用它的燃料電池

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510947757.6
• 申請(qǐng)日: 2009-07-29
• 公開（公告）號(hào): CN105406090A
• 公開（公告）日: 2016-03-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: G.V.達(dá)希奇;T.A.特拉波德;Y.M.米克海爾;M.H.阿布德埃爾哈米德
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司
• 主分類號(hào): H01M8/02
• 分類號(hào): H01M8/02;H01M8/0202;H01M8/023;H01M8/0234;H01M8/10
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 韋欣華;楊思捷

本申請(qǐng)是分案申請(qǐng)，其母案的申請(qǐng)日為2009年7月29日、申請(qǐng)?zhí)枮?00910164677.8，名稱為“涂覆石墨烯的SS雙極板”。

技術(shù)領(lǐng)域

在至少一種實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及用于PEM燃料電池中的雙極板。

背景技術(shù)

燃料電池在很多應(yīng)用中都用作電能來(lái)源。特別地，燃料電池計(jì)劃用于汽車中代替內(nèi)燃機(jī)。通常使用的燃料電池設(shè)計(jì)使用固體聚合物電解質(zhì)（“SPE”）膜或質(zhì)子交換膜（“PEM”）以在陽(yáng)極和陰極之間提供離子移動(dòng)。

在質(zhì)子交換膜型燃料電池中，將氫氣供給陽(yáng)極作為燃料，將氧氣供給陰極作為氧化劑。該氧氣可以是純態(tài)形式（O₂）或空氣形式（O₂和N₂的混合物）。PEM燃料電池通常具有膜電極組件（“MEA”），其中固體聚合物膜在一側(cè)具有陽(yáng)極催化劑，在相對(duì)側(cè)具有陰極催化劑。典型PEM燃料電池的陽(yáng)極和陰極層是由多孔傳導(dǎo)性材料形成的，例如織造石墨、石墨化片材或碳紙，以使該燃料能夠分散在該膜朝向燃料供給電極的表面上。各電極具有負(fù)載在碳顆粒上的細(xì)分的催化劑顆粒（例如鉑顆粒），以促進(jìn)陽(yáng)極處氫氣的氧化和陰極處氧氣的還原。質(zhì)子從陽(yáng)極通過離子傳導(dǎo)聚合物膜流到陰極，在陰極處其與氧結(jié)合形成水，從電池中排出。該MEA夾在一對(duì)多孔氣體擴(kuò)散層（“GDL”）之間，該氣體擴(kuò)散層又夾在一對(duì)無(wú)孔電導(dǎo)性元件或板之間。該板用作陽(yáng)極和陰極的集流器，并包含形成在其中的適當(dāng)?shù)耐ǖ篮烷_口，用于將該燃料電池的氣態(tài)反應(yīng)物分布在陽(yáng)極催化劑和陰極催化劑各自的表面上。為了有效發(fā)電，PEM燃料電池的聚合物電解質(zhì)膜必須是薄的、化學(xué)穩(wěn)定的、可傳送質(zhì)子的、非電導(dǎo)性的和不透氣體的。在通常應(yīng)用中，燃料電池以很多單個(gè)燃料電池堆的陣列形式提供以提供高水平的電能。

目前用于燃料電池中的該電導(dǎo)性板提供了多個(gè)改進(jìn)燃料電池性能的機(jī)會(huì)。例如，這些金屬板通常在其表面上包括了鈍化的氧化物膜，其需要電導(dǎo)性涂層以使接觸電阻最小化。這種電導(dǎo)性涂層包括金和聚合碳涂層。通常，這些涂層需要昂貴的設(shè)備，其增加了該成品雙極板的成本。而且，在操作過程中金屬雙極板也會(huì)受到腐蝕。降解機(jī)理包括從該聚合物電解質(zhì)中釋放氟離子。雙極板的金屬溶解通常導(dǎo)致不同氧化態(tài)的鐵、鉻和鎳的釋放。

對(duì)于水管理而言，金屬雙極板合意地在雙極板/水邊界處具有低接觸角；即小于40°的接觸角。已經(jīng)提出氮化鈦涂層作為雙極板的防腐蝕鍍層。盡管氮化鈦涂層是成本有效的，但這種涂層不能對(duì)該雙極板材料提供令人滿意的保護(hù)。此外，氮化鈦涂層顯示了較低的水親和性，接觸角接近60°。

因此，需要改進(jìn)的方法以降低燃料電池應(yīng)用中所用雙極板表面處的接觸電阻（contactresistance）。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明通過在至少一種實(shí)施方案中提供用于燃料電池應(yīng)用中的流場(chǎng)板（flowfieldplate）解決了現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)或多個(gè)問題。該實(shí)施方案的流場(chǎng)板包括金屬板，在該金屬板的至少一部分上設(shè)置有含石墨烯層（graphene-containinglayer）。

在另一實(shí)施方案中，提供了結(jié)合有上述限定的流場(chǎng)板的燃料電池。該燃料電池包括具有涂覆有含石墨烯層的表面的第一流場(chǎng)板。第一催化劑層設(shè)置在該第一流場(chǎng)板上。聚合物電解質(zhì)設(shè)置在該第一流場(chǎng)板上，第二催化劑層設(shè)置在該聚合物電解質(zhì)上。最后，第二流場(chǎng)板設(shè)置在該第二催化劑層上。在需要時(shí)提供氣體擴(kuò)散層。

在另一實(shí)施方案中，提供了上述限定的流場(chǎng)板的制備方法。該方法包括在金屬板上沉積含石墨烯層。該金屬板具有多個(gè)氣體引導(dǎo)流動(dòng)通道（gasdirectingflowchannel）。

本申請(qǐng)涉及以下技術(shù)方案

1.用于燃料電池的流場(chǎng)板，包括：

具有第一表面和第二表面的金屬板，該第一表面限定了用于引導(dǎo)第一氣態(tài)組合物流動(dòng)的多個(gè)通道；和

設(shè)置在該金屬板的至少一部分上的含石墨烯層，該含石墨烯層具有碳層表面，該碳層表面具有小于30度的接觸角并且所述石墨烯層表示包含至少80wt％石墨烯的層。

2.根據(jù)技術(shù)方案1的流場(chǎng)板，其中該接觸角小于20度。

3.根據(jù)技術(shù)方案1的流場(chǎng)板，其中該含石墨烯層摻雜有摻雜劑原子。

4.根據(jù)技術(shù)方案3的流場(chǎng)板，其中該摻雜劑原子是金屬原子。

5.根據(jù)技術(shù)方案1的流場(chǎng)板，其中該含石墨烯層包含無(wú)定形碳。

6.根據(jù)技術(shù)方案1的流場(chǎng)板，其中該碳層表面是活化的表面。

7.根據(jù)技術(shù)方案6的流場(chǎng)板，其中該碳層表面包含氮或氧原子。