涂覆石墨烯的金属流场板及其制备方法和使用它的燃料电池的制作方法
【专利说明】涂覆石墨烯的金属流场板及其制备方法和使用它的燃料电池
[0001]本申请是分案申请，其母案的申请日为2009年7月29日、申请号为200910164677.8，名称为“涂覆石墨烯的SS双极板”。
技术领域
[0002]在至少一种实施方案中，本发明涉及用于PEM燃料电池中的双极板。
【背景技术】
[0003]燃料电池在很多应用中都用作电能来源。特别地，燃料电池计划用于汽车中代替内燃机。通常使用的燃料电池设计使用固体聚合物电解质(“SPE”)膜或质子交换膜(“PEM”)以在阳极和阴极之间提供离子移动。
[0004]在质子交换膜型燃料电池中，将氢气供给阳极作为燃料，将氧气供给阴极作为氧化剂。该氧气可以是纯态形式(02)或空气形式(02和1的混合物)。PEM燃料电池通常具有膜电极组件(“MEA”)，其中固体聚合物膜在一侧具有阳极催化剂，在相对侧具有阴极催化剂。典型PEM燃料电池的阳极和阴极层是由多孔传导性材料形成的，例如织造石墨、石墨化片材或碳纸，以使该燃料能够分散在该膜朝向燃料供给电极的表面上。各电极具有负载在碳颗粒上的细分的催化剂颗粒(例如铂颗粒)，以促进阳极处氢气的氧化和阴极处氧气的还原。质子从阳极通过离子传导聚合物膜流到阴极，在阴极处其与氧结合形成水，从电池中排出。该MEA夹在一对多孔气体扩散层(“GDL”)之间，该气体扩散层又夹在一对无孔电导性元件或板之间。该板用作阳极和阴极的集流器，并包含形成在其中的适当的通道和开口，用于将该燃料电池的气态反应物分布在阳极催化剂和阴极催化剂各自的表面上。为了有效发电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须是薄的、化学稳定的、可传送质子的、非电导性的和不透气体的。在通常应用中，燃料电池以很多单个燃料电池堆的阵列形式提供以提供高水平的电能。
[0005]目前用于燃料电池中的该电导性板提供了多个改进燃料电池性能的机会。例如，这些金属板通常在其表面上包括了钝化的氧化物膜，其需要电导性涂层以使接触电阻最小化。这种电导性涂层包括金和聚合碳涂层。通常，这些涂层需要昂贵的设备，其增加了该成品双极板的成本。而且，在操作过程中金属双极板也会受到腐蚀。降解机理包括从该聚合物电解质中释放氟离子。双极板的金属溶解通常导致不同氧化态的铁、铬和镍的释放。
[0006]对于水管理而言，金属双极板合意地在双极板/水边界处具有低接触角；即小于40°的接触角。已经提出氮化钛涂层作为双极板的防腐蚀镀层。尽管氮化钛涂层是成本有效的，但这种涂层不能对该双极板材料提供令人满意的保护。此外，氮化钛涂层显示了较低的水亲和性，接触角接近60°。
[0007]因此，需要改进的方法以降低燃料电池应用中所用双极板表面处的接触电阻(contact resistance)。
【发明内容】
[0008]本发明通过在至少一种实施方案中提供用于燃料电池应用中的流场板(flowfield plate)解决了现有技术的一个或多个问题。该实施方案的流场板包括金属板，在该金属板的至少一部分上设置有含石墨稀层(graphene-containing layer)。
[0009]在另一实施方案中，提供了结合有上述限定的流场板的燃料电池。该燃料电池包括具有涂覆有含石墨烯层的表面的第一流场板。第一催化剂层设置在该第一流场板上。聚合物电解质设置在该第一流场板上，第二催化剂层设置在该聚合物电解质上。最后，第二流场板设置在该第二催化剂层上。在需要时提供气体扩散层。
[0010]在另一实施方案中，提供了上述限定的流场板的制备方法。该方法包括在金属板上沉积含石墨稀层。该金属板具有多个气体引导流动通道(gas directing flowchannel)ο
[0011 ] 本申请涉及以下技术方案
1.用于燃料电池的流场板，包括:
具有第一表面和第二表面的金属板，该第一表面限定了用于引导第一气态组合物流动的多个通道；和
设置在该金属板的至少一部分上的含石墨烯层，该含石墨烯层具有碳层表面，该碳层表面具有小于30度的接触角并且所述石墨烯层表示包含至少80wt%石墨烯的层。
[0012]2.根据技术方案1的流场板，其中该接触角小于20度。
[0013]3.根据技术方案1的流场板，其中该含石墨烯层掺杂有掺杂剂原子。
[0014]4.根据技术方案3的流场板，其中该掺杂剂原子是金属原子。
[0015]5.根据技术方案1的流场板，其中该含石墨稀层包含无定形碳。
[0016]6.根据技术方案1的流场板，其中该碳层表面是活化的表面。
[0017]7.根据技术方案6的流场板，其中该碳层表面包含氮或氧原子。
[0018]8.根据技术方案1的流场板，其中该含石墨烯层表面包含平均至少5个孔/μπι2。
[0019]9.根据技术方案1的流场板，其中该含石墨烯层具有1原子层的厚度。
[0020]10.根据技术方案1的流场板，其中该含石墨烯层具有10原子层的厚度。
[0021]11.根据技术方案1的流场板，其中该第二表面限定了用于引导第二气态组合物流动的多个通道。
[0022]12.根据技术方案11的流场板，其中该第二表面是第二含石墨烯层并且所述石墨稀层表示包含至少80wt%石墨稀的层。
[0023]13.燃料电池，包括:
第一流场板，包括:
具有第一表面和第二表面的金属板，该第一表面限定了用于引导第一气态组合物流动的多个通道；和
设置在该金属板的至少一部分上的含石墨烯层，该含石墨烯层具有碳层表面，该碳层表面具有小于30度的接触角并且所述石墨烯层表示包含至少80wt%石墨烯的层；
设置在该第一流场板上的第一催化剂层；
设置在该第一催化剂层上的离子传导层；
设置在该离子传导层上的第二催化剂层；和设置在该第二催化剂层上的第二流场板。
[0024]14.根据技术方案13的燃料电池，具有小于20毫欧姆_cm2的接触电阻。
[0025]15.根据技术方案13的燃料电池，其中碳层表面具有小于20度的接触角。
[0026]16.根据技术方案13的燃料电池，其中该含石墨烯层掺杂有掺杂剂原子。
[0027]17.根据技术方案13的燃料电池，其中该掺杂剂原子是金属原子。
[0028]18.根据技术方案13的燃料电池，其中该碳层表面是活化的表面。
[0029]19.根据技术方案18的燃料电池，其中该碳层表面包含氮或氧原子。
[0030]20.根据技术方案18的燃料电池，其中该碳层表面包含平均至少5个孔/ μπι2。
[0031]21.根据技术方案18的燃料电池，其中该碳层具有为50?300nm的平均粗糙度。
[0032]22.流场板的制备方法，该流场板包括:
具有第一表面和第二表面的金属板，该第一表面限定了用于引导第一气态组合物流动的多个通道；和
设置在该金属板的至少一部分上的含石墨烯层，该含石墨烯层具有碳层表面，该碳层表面具有小于30度的接触角并且所述石墨烯层表示包含至少80wt%石墨烯的层，该方法包括:
将含石墨烯层沉积在该金属板上。
[0033]23.根据技术方案22的方法，其中该含石墨烯层是通过以下沉积的:
在该基体上沉积碳层；和
除去该碳层直至显现该含石墨烯层。
[0034]24.根据技术方案22的方法，其中该含石墨烯层是通过原子层沉积方法沉积的。
[0035]25.根据技术方案22的方法，其中该含石墨烯层沉积自含碳化合物。
[0036]26.根据技术方案25的方法，其中在该基体与该含碳化合物接触之前对该基体加热。
[0037]27.根据技术方案