專利名稱：燃料電池雙極板的傳導(dǎo)性的和親水性的表面改性的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開(kāi)通常涉及的領(lǐng)域包括燃料電池雙極板。
背景技術(shù)：
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(yáng)極部分和陰極部分之間的離子傳導(dǎo)膜制成，其中所述陽(yáng)極部分和陰極 部分各自位于所述膜的相對(duì)面上。雙極板是板狀電導(dǎo)體，其具有多個(gè)用于流體通過(guò)的通道。 供給燃料電池的反應(yīng)性氣體流過(guò)那些通道到達(dá)陽(yáng)極部分和陰極部分，在這里所述氣體發(fā)生 電化學(xué)反應(yīng)，并且從這里產(chǎn)生電力。收集由電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電力并傳導(dǎo)通過(guò)雙極板到外 部回路。因此，雙極板需要具有高電導(dǎo)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(lái)說(shuō)，水管理是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。在氫燃料電池中連續(xù)產(chǎn)生水，并且離 子傳導(dǎo)膜需要保持某一水合水平。當(dāng)氫燃料電池在低電流密度下操作時(shí)，例如，在0. 2A/cm2 時(shí)，將不會(huì)有足夠的氣流來(lái)除去所述電化學(xué)反應(yīng)在陰極部分處產(chǎn)生的水。水滴可在流體通 路中形成并堵塞反應(yīng)性氣供應(yīng)到電極。沒(méi)有反應(yīng)物氣體的供應(yīng)，燃料電池的堵塞部分將不 會(huì)產(chǎn)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(xiàn)象被稱為低功率穩(wěn) 定性(LPS)。雙極板上常規(guī)的親水涂層或處理可以改善水管理，但是通常對(duì)電接觸電阻有不利 影響。常規(guī)的親水涂層和處理也會(huì)導(dǎo)致雙極板、電極和膜的水浸出性污染物和電化學(xué)降解 的增加。

發(fā)明內(nèi)容
一種實(shí)施方案包括具有傳導(dǎo)性和親水性表面層的燃料電池雙極板，該表面層設(shè)置 在雙極板外部區(qū)域的至少一部分上。所述表面層包含傳導(dǎo)性碳材料，所述傳導(dǎo)性碳材料的 表面上共價(jià)連接有親水有機(jī)基團(tuán)。另一種實(shí)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(shè)置在雙極板外部區(qū)域的至少一部分上；使碳材料與具有至少一個(gè)親 水性基團(tuán)的有機(jī)分子接觸；然后使有機(jī)分子與碳材料反應(yīng)使得親水性基團(tuán)共價(jià)連接到所述 碳材料上。另一種實(shí)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(guò)化學(xué) 反應(yīng)將親水有機(jī)基團(tuán)共價(jià)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(qū)域 上以形成傳導(dǎo)性和親水性表面層。燃料電池堆可以使用所述雙極板來(lái)組裝。本發(fā)明進(jìn)一步具體表現(xiàn)為以下方面1.產(chǎn)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(yáng)離子聚合物層或金屬氧化物層、設(shè)置在其外部區(qū)域的至少一部分上的傳導(dǎo)性且親水性 的表面層；其中所述傳導(dǎo)性且親水性的表面層包含具有親水性有機(jī)基團(tuán)的傳導(dǎo)性碳材料， 該傳導(dǎo)性碳材料離子性連接在所述陽(yáng)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(chǎn)品，其中所述碳材料是碳黑、石墨、碳纖維、無(wú)定形碳或碳納米管。3.如方面2所述的產(chǎn)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(chǎn)品，其中所述親水性有機(jī)基團(tuán)是羧酸、苯磺酸、醇、胺、酰胺、 聚(環(huán)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(chǎn)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(chǎn)品，其中所述雙極板包含石墨、碳纖維或纖維增強(qiáng)碳復(fù)合材 料。7.如方面1所述的產(chǎn)品，其中所述雙極板包含鋁、鈦、不銹鋼、銅、鎳或鉻的金屬或
^^ I^l 口 ^^ O8.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(shè)置在其外部區(qū) 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(gè)親水性基團(tuán)的有機(jī)分子接觸； 和，使所述有機(jī)分子與所述碳材料反應(yīng)使得所述親水性基團(tuán)共價(jià)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(qiáng)碳復(fù)合材 料。10.如方面8所述的方法，其中通過(guò)離子吸附、化學(xué)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(xué)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(wú)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(jī)分子是由化學(xué)式HG-Ar-N2+X_表示的重氮 鹽，其中HG是所述親水性基團(tuán)，Ar是芳基，-N2+是重氮基，和τ是陰離子。13.如方面8所述的方法，其中所述重氮鹽是通過(guò)將具有所述親水性基團(tuán)的芳胺 分子與亞硝酸鹽、亞硝酸、二氧化氮和/或一氧化氮原位結(jié)合制備的。14.方法，包括提供碳材料和燃料電池雙極板；通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將親水性有機(jī)基團(tuán) 共價(jià)連接到所述碳材料上；和，將所述碳材料沉積到所述雙極板的至少一部分外部區(qū)域上 以形成傳導(dǎo)性且親水性的表面層。15.如方面14所述的方法，其中所述碳材料是碳黑、石墨、無(wú)定形碳、碳納米管或 碳纖維。16.如方面14所述的方法，其中所述碳材料是碳黑顆粒。17.如方面14所述的方法，其中所述化學(xué)反應(yīng)是包含所述親水性有機(jī)基團(tuán)的芳族 重氮鹽與所述碳材料之間的反應(yīng)。18.如方面14所述的方法，其中所述碳材料通過(guò)離子吸附、電化學(xué)吸附、涂敷或印 刷方法來(lái)沉積在所述雙極板上。19.如方面14所述的方法，其中所述親水性有機(jī)基團(tuán)在所述碳材料上的存在量為 約 0. 10 至 5mmol/m2。20.如方面14所述的方法，進(jìn)一步包含使用所述雙極板來(lái)組裝燃料電池堆。
本發(fā)明的其它示例性實(shí)施方案從以下提供的詳細(xì)說(shuō)明中將會(huì)變得明顯。應(yīng)當(dāng)理解 所述詳細(xì)說(shuō)明和具體實(shí)例，在公開(kāi)本發(fā)明示例性實(shí)施方案時(shí)，僅作為舉例說(shuō)明目的而不是 為了限制本發(fā)明的范圍。


由詳細(xì)說(shuō)明和附圖，將會(huì)更充分理解本發(fā)明的示例性實(shí)施方案，其中圖1是碳材料表面層的示例性化學(xué)改性示意圖。圖2是沉積親水性和傳導(dǎo)性碳材料到雙極板表面上的示例性離子吸附過(guò)程的示 意圖。圖3是雙極板外部區(qū)域的示例性化學(xué)改性的示意圖。圖4是具有碳材料表面層的雙極板的示例性化學(xué)改性的示意圖。圖5是示例性燃料電池堆在非組裝情況下透視的示意圖。
具體實(shí)施例方式下述實(shí)施方案的描述在本質(zhì)上僅是示例性的并不用于限制本發(fā)明，及其應(yīng)用，或 用途。各種化學(xué)反應(yīng)可以用來(lái)改性碳材料的表面使之親水。圖1舉例說(shuō)明碳材料與芳香 族重氮鹽之間的示例性反應(yīng)。在這個(gè)實(shí)例中，使由式rN2+-Ar-S03H表示的有機(jī)重氮鹽11與 碳材料10反應(yīng)以形成具有親水性芳香族磺酸鹽(-Ar-S(V)基團(tuán)的被改性碳材料12，該基 團(tuán)共價(jià)連接在碳材料表面上。氮?dú)猓琋2，作為這種反應(yīng)的產(chǎn)物被釋放。重氮鹽中的“Ar”是 芳基，“-N2+”是重氮基，和“X—”是陰離子。在重氮鹽與碳材料之間的類似反應(yīng)描述在美國(guó)專 利5，554，739和5，922，118中，其在此通過(guò)引用結(jié)合進(jìn)來(lái)。碳材料和包含親水性基團(tuán)的分 子之間的其它化學(xué)反應(yīng)可以以類似的方式使用以將親水性基團(tuán)共價(jià)連接到碳材料上。由化學(xué)式X_N2+-Ar_HG表示的任何包含親水性基團(tuán)HG的有機(jī)分子，可以用來(lái)與碳 材料反應(yīng)。陰離子Γ的實(shí)例可以包括硫酸根、碳酸根、硝酸根、氯離子、溴離子、碘離子、氟 離子、磷酸根、硼酸根、氯酸根、氫氧根和硅酸根。芳基Ar的實(shí)例可以包括苯基、萘基、烷基 苯基、聯(lián)苯基、三苯基、苯酚基、吡啶基、蒽基、芘基、苯醚基、苯酯基、和它們各自的衍生物基 團(tuán)。親水性基團(tuán)-HG是具有強(qiáng)極性的有機(jī)基團(tuán)，并且當(dāng)將其共價(jià)連接到碳表面上時(shí)能夠使 碳材料的表面是表面親水的。親水性基團(tuán)可以是陰離子、陽(yáng)離子或非離子基團(tuán)。碳連接的 親水性基團(tuán)的離子性增加了對(duì)于污染的穩(wěn)固性，即，在空氣碳?xì)浠衔锏拇嬖谙滤霰砻?保持更久的親水性。陰離子親水性基團(tuán)的實(shí)例包括磺酸、羧酸、膦酸、硼酸和它們各自的鹽。 非離子親水性基團(tuán)的實(shí)例包括醇、酮、乙氧基、聚環(huán)氧乙烷、甲氧基、酰胺和脲的基團(tuán)。陽(yáng)離 子親水性基團(tuán)的實(shí)例可以包括伯胺、仲胺、叔胺、季胺、批啶錫和磷輸?shù)幕鶊F(tuán)。有機(jī)分子X(jué)_N2+-Ar-HG，可以通過(guò)將包含親水性基團(tuán)-HG的芳胺與亞硝酸鹽、亞硝 酸、二氧化氮、或一氧化氮與二氧化氮的混合物進(jìn)行原位結(jié)合來(lái)制備。芳胺的實(shí)例可以包括 對(duì)氨基苯磺酸、4-氨基苯甲酸、4-氨基水楊酸、7-氨基-4-羥基-2-萘磺酸、氨基苯基硼酸、 氨基苯基膦酸、4-氨基鄰苯二甲酸、2-氨基-1-萘磺酸、5-氨基-2-萘磺酸、間氨基苯磺酸、 N- (4-氨基苯甲酰基)-B-丙氨酸、N- (4-氨基苯甲酰基)-L-谷氨酸、ρ-氨基馬尿酸、2-萘 胺-1-磺酸(托拜厄斯酸)和1-氨基_4-(三烷基氨基)_苯。當(dāng)使用亞硝酸鹽諸如亞硝酸鈉、亞硝酸鉀或亞硝酸鎂時(shí)，可進(jìn)一步包括酸來(lái)促進(jìn)重氮鹽分子的形成?？梢允褂萌魏斡?機(jī)和無(wú)機(jī)酸，包括例如甲酸、乙酸、鹽酸、硝酸、硫酸、磷酸和甲苯磺酸。一些示例性反應(yīng)顯示 在下述反應(yīng)方案(1-3)中
COOH ,COOH
H9N
碳
SO3H
+ N2 [3]碳材料可包括碳或碳復(fù)合材料的任何電導(dǎo)形式。碳材料的實(shí)例可以包括石墨、碳 黑、無(wú)定形碳、碳纖維、碳納米管和碳復(fù)合材料。有機(jī)重氮基分子可與碳材料在寬范圍的反應(yīng)條件下反應(yīng)。反應(yīng)可在0°C至約 100°C的溫度范圍和1至9范圍的PH進(jìn)行。反應(yīng)可在水溶液、極性有機(jī)溶劑或溶劑混合物 中進(jìn)行。反應(yīng)可以在酸存在下在水溶液中容易地進(jìn)行。取決于有機(jī)分子的量與碳材料表面 面積的比率，各種量的親水性基團(tuán)可共價(jià)連接到碳材料的表面。碳材料上共價(jià)連接的親水 性基團(tuán)的數(shù)量可以為約0. 01至約5毫摩爾/平方米(mmol/m2)，或0. 1至4mmol/m2。被改 性碳材料表面層的水接觸角典型地低于約40度，或低于20度。具有共價(jià)連接到其表面的親水性基團(tuán)HG的被改性碳材料顯示出親水性和優(yōu)良的 電導(dǎo)性。不同于使用無(wú)機(jī)氧化物或親水性樹(shù)脂的常規(guī)涂層，共價(jià)連接的親水性基團(tuán)在燃料 電池工作時(shí)不會(huì)浸出到水中。在寬范圍的燃料電池工作條件下，親水性效果很持久并且是 電化學(xué)上穩(wěn)定的。被改性碳表面層的接觸電阻典型地與未改性的相同碳表面層接近。雖然 申請(qǐng)人:不希望束縛于任何特定理論或被任何特別理論束縛，相信在碳材料表面上分子厚度 的親水性基團(tuán)的高極性不會(huì)不利地影響橫跨接觸界面的電導(dǎo)性。當(dāng)將離子親水性基團(tuán)連接 到碳材料表面上時(shí)，離子傳導(dǎo)機(jī)理也是可能的。一些親水性基團(tuán)例如苯磺酸、苯基膦酸、苯 羧酸、鄰苯二甲酸、對(duì)苯二甲酸、間苯二甲酸及其相應(yīng)的鹽和衍生物，顯示出高的電化學(xué)穩(wěn) 定性，因此在苛刻的燃料電池設(shè)計(jì)中經(jīng)得起苛刻的工作條件。被改性碳材料可以使用多種沉積方法沉積在燃料電池雙極板上，該方法包括但不 限于離子吸附、化學(xué)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
6(drawn-down coating)、印刷、電化學(xué)沉積和熱噴涂方法。圖2舉例說(shuō)明示例性離子吸附方 法。雙極板13首先與含有陽(yáng)離子物種14的溶液接觸。該陽(yáng)離子物種典型是包含陽(yáng)離子的 分子或樹(shù)脂，其可以被吸附或以其它方式被束縛在碳材料的表面上。示例性的陽(yáng)離子物種 可包括多胺類、季銨鹽、聚乙烯亞胺、(甲基)丙烯酸二乙氨基乙基酯聚合物和共聚物、(甲 基)丙烯酸三乙氨乙基酯聚合物和共聚物、(甲基)丙烯酸二甲基氨基乙基酯聚合物共聚 物、(甲基)丙烯酸三甲基氨基乙基酯聚合物共聚物、丙烯酰胺和甲基丙烯酸三甲基氨基 乙基酯甲磺酸酯的共聚物、有機(jī)磷餘鹽、聚(烯丙胺氫氯化物)、聚(二烯丙基二甲基氯化 銨)。獲得吸附有陽(yáng)離子物種的雙極板15，可將其在水中漂洗除去任何未受束縛的離子物 種。隨后將帶有吸附物種的雙極板15與包括具有陰離子磺酸根親水性基團(tuán)-Ar-SO3H的被 改性碳材料12的分散體接觸。在碳材料上吸附的陽(yáng)離子和陰離子磺酸根基團(tuán)之間的強(qiáng)離 子吸引力導(dǎo)致碳材料12沉積在雙極板上作為表面層。離子吸附過(guò)程可重復(fù)多次以在雙極 板的外部區(qū)域上獲得多層所述碳材料。具有兩層所述被改性碳表面層的雙極板17，例如可 以如圖2中所述來(lái)制備，此時(shí)進(jìn)行兩次離子吸附過(guò)程。如圖2所示，可以將顆粒形式的碳材 料沉積在雙極板上來(lái)形成微孔兩維或3維表面層(一層或多層)。微孔結(jié)構(gòu)的特征是微米 或納米尺寸的氣孔或孔隙存在于碳顆粒之間。一些氣孔或孔隙可能相互連接。這樣的微孔 結(jié)構(gòu)可以有效地在水滴堵塞氣體通道之前使水滴鋪展，并且提高雙極板表面的水芯吸效應(yīng) 來(lái)改善燃料電池中的水管理。碳顆粒可具有小于約40微米或325目的平均顆粒尺寸。因 此可以使用約1納米到40微米的顆粒尺寸。顆粒碳材料的實(shí)例可包括碳黑、碳納米管、研 磨石墨、富勒烯、和合成碳微球等等。改性碳顆粒也可通過(guò)浸涂、噴涂、印刷或類似方法施加 到雙極板外部區(qū)域。樹(shù)脂粘合劑可以與被改性碳顆粒結(jié)合起來(lái)使用以形成耐久的涂層。在 另外一個(gè)實(shí)施方案中，除了在離子吸附涂敷法中使用的陽(yáng)離子聚合物之外，還可以使用金 屬氧化物，例如但不限于，TiO2或2110。即，金屬氧化物可以沉積在雙極板上，然后將在其上 帶有金屬氧化物的雙極板15與包含所述被改性碳材料12的分散體接觸。親水的碳離子性 地連接到金屬氧化物的帶正電的羥基上(低pH;3到5)。這些金屬氧化物比聚合物陽(yáng)離子 更加水解穩(wěn)定。雙極板基材可以使用任何電導(dǎo)性且物理堅(jiān)固的材料構(gòu)造。雙極板基材的實(shí)例可以 包括但不限于石墨板，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，碳纖維增強(qiáng)碳復(fù)合材料，不銹鋼合金，鈦，鈦合 金，銅合金，鋁，和鋁合金等等。當(dāng)將金屬或金屬合金用作雙極板基材時(shí)，在沉積碳材料層 之前，可以將抗腐蝕且導(dǎo)電的涂層或處理應(yīng)用到雙極板的表面。抗腐蝕的涂層或處理可包 括貴金屬(例如金、鉬、釕、銠、鈀、銦和鋨)，導(dǎo)電金屬氧化物，金屬氮化物，金屬氮氧化物和 碳。金屬雙極板也可以通過(guò)陽(yáng)極氧化以化學(xué)或電化學(xué)方式進(jìn)行鈍化?？赏ㄟ^(guò)化學(xué)氣相沉積、 物理氣相沉積、原子層沉積、噴涂、等離子沉積、浸涂、電化學(xué)沉積和熱噴涂方法來(lái)施加抗腐 蝕涂層或處理。雙極板可以使用石墨或碳復(fù)合材料來(lái)構(gòu)造?？梢詫怏w流動(dòng)通道和其他機(jī)械特征 鑄?；驒C(jī)械地制造在所述板上。如圖3所示，將碳雙極板20與包含由化學(xué)式HG-Ar-N2+X_表 示的重氮鹽的溶液接觸。HG是親水性基團(tuán)，Ar是芳基，-N2+是重氮基，和X_是陰離子。重 氮鹽可如前所述原位制備或產(chǎn)生。重氮鹽可以容易地與碳基雙極板表面發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致有 機(jī)親水性基團(tuán)-Ar-HG共價(jià)連接到碳雙極板表面。因此，獲得具有共價(jià)連接有有機(jī)親水性基 團(tuán)的雙極板21。使用該方法，可以將各種陰離子性的、陽(yáng)離子性的和非離子性的親水性基團(tuán)共價(jià)連接到雙極板上。參見(jiàn)圖4，通過(guò)首先將碳層23沉積到金屬、碳或復(fù)合材料雙極板22上制備雙極板。 可以使用任何已知的沉積方法例如物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、涂敷、等離子沉積、原子 層沉積和熱噴涂方法，沉積碳層23。如圖4所示，然后將帶有碳層的雙極板與如上所述的重 氮鹽HG-Ar-Ν/Γ接觸。重氮鹽與碳層之間的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致有機(jī)基團(tuán)-Ar-HG共價(jià)連接到雙 極板24的碳層上。碳層可以是實(shí)心碳層或微孔碳層，其依賴于使用的沉積方法和碳材料的 選擇?？梢允褂蒙鲜鲭p極板生產(chǎn)燃料電池。參見(jiàn)圖5，具有引入其中的膜電極(MEA)39和 其它燃料電池堆元件的示例性的燃料電池以圖示未組裝的形態(tài)顯示。MEA39包括離子傳導(dǎo) 性電解質(zhì)膜35，其夾在負(fù)載有催化劑的陽(yáng)極40和負(fù)載有催化劑的陰極34之間。圖5顯示 的燃料電池包含不銹鋼端板33，43，帶有促進(jìn)氣體供應(yīng)和分布的氣體流動(dòng)通道36的雙極板 37，和膜電極組件39。為了更高的能量輸出能力，包含雙極板37和MEA39的堆疊單元38 可以重復(fù)多次。燃料電池包括反應(yīng)物氣體，其中之一是從燃料進(jìn)口 42供應(yīng)的燃料(例如氫 氣)，和另一是從進(jìn)口 31供應(yīng)的氧化性氣體。也提供用于燃料氣體32和氧化性氣體41的 相應(yīng)出口。燃料氣體可以是氫氣，氧化性氣體可以是空氣或氧氣。供給燃料電池的氣體擴(kuò) 散通過(guò)各自的雙極板37到達(dá)MEA39的各自的陽(yáng)極和陰極用于電化學(xué)反應(yīng)和產(chǎn)生電力。氣 體擴(kuò)散介質(zhì)(典型地由碳布或碳紙制造，沒(méi)有顯示在圖中)也可包括在雙極板與MEA之間。實(shí)施例將10 克碳黑粉(Vulcan XC-72，從 Cabot Corporation 獲得)與 250ml 0. 05M 的 硝酸(HNO3)、15ml的異丙醇(作為潤(rùn)濕劑)和30毫摩爾的對(duì)氨基苯磺酸(從Aldrich購(gòu) 得)混合。攪拌混合物并保持在約0°C。將溶解在30ml水中的33毫摩爾亞硝酸鈉(NaNO2) 溶液在攪拌狀態(tài)下逐滴加到上述混合物中。在約0°C攪拌混合物2小時(shí)，然后滴加150毫摩 爾甲酸到混合物中。整夜逐漸加熱混合物到室溫，隨后加熱到約70°C約1小時(shí)。碳黑表面 于是被共價(jià)連接的苯磺酸基團(tuán)改性，如下反應(yīng)方案所示
權(quán)利要求
產(chǎn)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(yáng)離子聚合物層或金屬氧化物層、設(shè)置在其外部區(qū)域的至少一部分上的傳導(dǎo)性且親水性的表面層；其中所述傳導(dǎo)性且親水性的表面層包含具有親水性有機(jī)基團(tuán)的傳導(dǎo)性碳材料，該傳導(dǎo)性碳材料離子性連接在所述陽(yáng)離子聚合物層或金屬氧化物層之一上。
2.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)品，其中所述碳材料是碳黑、石墨、碳纖維、無(wú)定形碳或碳納 米管。
3.如權(quán)利要求2所述的產(chǎn)品，其中所述表面層是微孔碳層，并且所述碳材料是碳黑。
4.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)品，其中所述親水性有機(jī)基團(tuán)是羧酸、苯磺酸、醇、胺、酰胺、 聚(環(huán)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.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(shè)置在其外部區(qū)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(gè)親水性基團(tuán)的有機(jī)分子接觸；和， 使所述有機(jī)分子與所述碳材料反應(yīng)使得所述親水性基團(tuán)共價(jià)連接到所述碳材料上。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述雙極板包括石墨、碳纖維或纖維增強(qiáng)碳復(fù)合材料。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中通過(guò)離子吸附、化學(xué)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(xué)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。
8.方法，包括提供碳材料和燃料電池雙極板；通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將親水性有機(jī)基團(tuán)共價(jià) 連接到所述碳材料上；和，將所述碳材料沉積到所述雙極板的至少一部分外部區(qū)域上以形 成傳導(dǎo)性且親水性的表面層。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述碳材料是碳黑、石墨、無(wú)定形碳、碳納米管或碳 纖維。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述碳材料是碳黑顆粒。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃料電池雙極板的傳導(dǎo)性的和親水性的表面改性，尤其涉及燃料電池，包括具有傳導(dǎo)性且親水性的表面層的雙極板，所述表面層設(shè)置在雙極板外表面的至少一部分上。所述表面層包含具有親水性有機(jī)基團(tuán)的傳導(dǎo)性碳材料，該親水性基團(tuán)共價(jià)連接在碳材料的表面。還公開(kāi)了生產(chǎn)雙極板和燃料電池的方法。
文檔編號(hào)H01M4/96GK101958421SQ201010280848
公開(kāi)日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2010年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月20日
發(fā)明者K·W·柯比, P·劉, R·H·布倫克, S·L·范阿塔 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司