燃料电池双极板的传导性的和亲水性的表面改性的制作方法
【专利说明】
[000。 本申请是分案申请，其母案的申请日为2010年7月20日、申请号为 201010280848.6，名称为"燃料电池双极板的传导性的和亲水性的表面改性"。
技术领域
[0002] 本公开通常设及的领域包括燃料电池双极板。
【背景技术】
[0003] 燃料电池通常由一系列膜电极组件和双极板W交替方式叠加在一起组成。膜电极 组件典型地由夹在阳极部分和阴极部分之间的离子传导膜制成，其中所述阳极部分和阴极 部分各自位于所述膜的相对面上。双极板是板状电导体，其具有多个用于流体通过的通道。 供给燃料电池的反应性气体流过那些通道到达阳极部分和阴极部分，在运里所述气体发生 电化学反应，并且从运里产生电力。收集由电化学反应产生的电力并传导通过双极板到外 部回路。因此，双极板需要具有高电导率或低接触电阻W减少能量损失和热量积累。
[0004] 就氨燃料电池来说，水管理是一个关键挑战。在氨燃料电池中连续产生水，并且离 子传导膜需要保持某一水合水平。当氨燃料电池在低电流密度下操作时，例如，在0.2A/cm2时，将不会有足够的气流来除去所述电化学反应在阴极部分处产生的水。水滴可在流体通 路中形成并堵塞反应性气供应到电极。没有反应物气体的供应，燃料电池的堵塞部分将不 会产生电力。由于电流的非均匀分布，燃料电池的性能将恶化。运种现象被称为低功率稳定 性(脚。
[0005] 双极板上常规的亲水涂层或处理可W改善水管理，但是通常对电接触电阻有不利 影响。常规的亲水涂层和处理也会导致双极板、电极和膜的水浸出性污染物和电化学降解 的增加。
【发明内容】
[0006] -种实施方案包括具有传导性和亲水性表面层的燃料电池双极板，该表面层设置 在双极板外部区域的至少一部分上。所述表面层包含传导性碳材料，所述传导性碳材料的 表面上共价连接有亲水有机基团。
[0007] 另一种实施方案包括用于制造双极板的方法，包括提供具有碳材料的燃料电池双 极板，其中该碳材料设置在双极板外部区域的至少一部分上;使碳材料与具有至少一个亲 水性基团的有机分子接触;然后使有机分子与碳材料反应使得亲水性基团共价连接到所述 碳材料上。
[000引另一种实施方案包括方法，该方法包括提供碳材料和燃料电池双极板;通过化学 反应将亲水有机基团共价连接到碳材料上;将碳材料沉积到双极板的至少一部分外部区域 上W形成传导性和亲水性表面层。燃料电池堆可W使用所述双极板来组装。
[0009]本发明进一步具体表现为W下方面： 1.燃料电池双极板，所述燃料电池双极板具有外表面、在所述外表面上的阳离子聚合 物层、设置在其外部区域的至少一部分上的传导性且亲水性的表面层;其中所述传导性且 亲水性的表面层包含具有亲水性有机基团的传导性碳材料，该传导性碳材料离子性连接在 所述阳离子聚合物层上，所述阳离子聚合物包括W下的至少一种：多胺、聚乙締亚胺、（甲 基)丙締酸二乙氨基乙基醋聚合物和共聚物、（甲基)丙締酸Ξ乙氨乙基醋聚合物和共聚物、 (甲基)丙締酸二甲基氨基乙基醋聚合物共聚物、（甲基)丙締酸Ξ甲基氨基乙基醋聚合物共 聚物、丙締酷胺和甲基丙締酸Ξ甲基氨基乙基醋甲横酸醋的共聚物、有机憐鐵盐、或聚（二 締丙基二甲基氯化锭），其中所述外表面上沉积有包括二氧化铁或氧化锋的氧化物。
[0010] 2.如方面1所述的燃料电池双极板，其中所述碳材料是碳黑、石墨、碳纤维、无定 形碳或碳纳米管。
[0011] 3.如方面2所述的燃料电池双极板，其中所述表面层是微孔碳层，并且所述碳材 料是碳黑。
[0012] 4.如方面1所述的燃料电池双极板，其中所述亲水性有机基团是簇酸、苯横酸、 醇、胺、酷胺、聚(环氧乙烧）、乙氧基、甲氧基、麟酸、糞横酸、水杨酸、苯基麟酸、苯甲酸、邻苯 二甲酸基团和任何上述酸的盐中的至少之一。
[0013] 5.如方面1所述的燃料电池双极板，其中所述表面层具有40度或更小的水接触 角，和在20化si的压缩压力小于约20mohm-cm2的接触电阻。
[0014] 6.如方面1所述的燃料电池双极板，其中所述双极板包含石墨、碳纤维或纤维增 强碳复合材料。
[0015] 7.如方面1所述的燃料电池双极板，其中所述双极板包含侣、铁、不诱钢、铜、儀或 铭的金属或金属合金。
[0016] 8.燃料电池双极板的传导性的和亲水性的表面改性方法，包括:提供含有金属的 燃料电池双极板，其上沉积有包括二氧化铁或氧化锋的氧化物，并包括设置在其外部区域 的至少一部分上的碳材料;将所述碳材料与具有至少一个亲水性基团的有机分子接触;和， 使所述有机分子与所述碳材料反应使得所述亲水性基团共价连接到所述碳材料上，其中所 述有机分子是由化学式:服-Ar-N2+X-表示的重氮盐，其中服是所述亲水性基团，Ar是芳基，- 化+是重氮基，和)Γ是选自硫酸根、碳酸根、硝酸根、舰离子、憐酸根、棚酸根、氯酸根、氨氧根 或娃酸根的阴离子。
[0017] 9.如方面8所述的方法，其中所述双极板包括石墨、碳纤维或纤维增强碳复合材 料。
[0018] 10.如方面8所述的方法，其中通过离子吸附、化学气相沉积、物理气相沉积、原子 层沉积、喷涂、等离子沉积、浸涂、拉涂、印刷、电化学沉积或热喷涂方法，将所述碳材料沉积 在所述双极板表面上。
[0019] 11.如方面8所述的方法，其中所述碳材料是碳黑、石墨、无定形碳、碳纤维或碳纳 米管。
[0020] 12如方面8所述的方法，其中所述重氮盐是通过将具有所述亲水性基团的芳胺分 子与亚硝酸盐、亚硝酸、二氧化氮和/或一氧化氮原位结合制备的。
[0021] 13.燃料电池双极板的传导性的和亲水性的表面改性方法，包括:提供碳材料、燃 料电池双极板和在所述燃料电池双极板外表面上的阳离子聚合物层，其中所述燃料电池双 极板上沉积有包括二氧化铁或氧化锋的氧化物;通过化学反应将亲水性有机基团共价连接 到所述碳材料上;和，将所述碳材料沉积到所述双极板的至少一部分外部区域上w形成传 导性且亲水性的表面层，该碳材料离子性连接在所述阳离子聚合物层上，所述阳离子聚合 物包括W下的至少一种：多胺、聚乙締亚胺、（甲基）丙締酸二乙氨基乙基醋聚合物和共聚 物、（甲基）丙締酸Ξ乙氨乙基醋聚合物和共聚物、（甲基）丙締酸二甲基氨基乙基醋聚合物 共聚物、（甲基）丙締酸Ξ甲基氨基乙基醋聚合物共聚物、丙締酷胺和甲基丙締酸Ξ甲基氨 基乙基醋甲横酸醋的共聚物、有机憐鐵盐、或聚(二締丙基二甲基氯化锭）。
[0022] 14.如方面13所述的方法，其中所述碳材料是碳黑、石墨、无定形碳、碳纳米管或 碳纤维。
[0023] 15.如方面13所述的方法，其中所述碳材料是碳黑颗粒。
[0024] 16.如方面13所述的方法，其中所述化学反应是包含所述亲水性有机基团的芳族 重氮盐与所述碳材料之间的反应。
[0025] 17.如方面13所述的方法，其中所述碳材料通过离子吸附、电化学吸附、涂敷或印 刷方法来沉积在所述双极板上。
[0026] 18.如方面13所述的方法，其中所述亲水性有机基团在所述碳材料上的存在量为 约 0.10 至 5mmol/m2。
[0027] 19.如方面13所述的方法，进一步包含使用所述双极板来组装燃料电池堆。
[0028] 本发明的其它示例性实施方案从W下提供的详细说明中将会变得明显。应当理解 所述详细说明和具体实例，在公开本发明示例性实施方案时，仅作为举例说明目的而不是 为了限制本发明的范围。
【附图说明】
[0029] 由详细说明和附图，将会更充分理解本发明的示例性实施方案，其中： 图1是碳材料表面层的示例性化学改性示意图。
[0030] 图2是沉积亲水性和传导性碳材料到双极板表面上的示例