性离子吸附过程的示意 图。
[0031 ]图3是双极板外部区域的示例性化学改性的示意图。
[0032] 图4是具有碳材料表面层的双极板的示例性化学改性的示意图。
[0033] 图5是示例性燃料电池堆在非组装情况下透视的示意图。
【具体实施方式】
[0034] 下述实施方案的描述在本质上仅是示例性的并不用于限制本发明，及其应用，或 用途。
[0035] 各种化学反应可W用来改性碳材料的表面使之亲水。图1举例说明碳材料与芳香 族重氮盐之间的示例性反应。在运个实例中，使由式)Γ化+-A;r-S0抽表示的有机重氮盐11与 碳材料10反应W形成具有亲水性芳香族横酸盐(-Ar-S化^基团的被改性碳材料12,该基团 共价连接在碳材料表面上。氮气，化，作为运种反应的产物被释放。重氮盐中的"Ar"是芳基， "-化"'是重氮基，和是阴离子。在重氮盐与碳材料之间的类似反应描述在美国专利5， 554,739和5,922,118中，其在此通过引用结合进来。碳材料和包含亲水性基团的分子之间 的其它化学反应可类似的方式使用W将亲水性基团共价连接到碳材料上。
[0036] 由化学式Χ-化+-Ar-HG表示的任何包含亲水性基团HG的有机分子，可W用来与碳材 料反应。阴离子r的实例可W包括硫酸根、碳酸根、硝酸根、氯离子、漠离子、舰离子、氣离 子、憐酸根、棚酸根、氯酸根、氨氧根和娃酸根。芳基Ar的实例可W包括苯基、糞基、烷基苯 基、联苯基、Ξ苯基、苯酪基、化晚基、蔥基、巧基、苯酸基、苯醋基、和它们各自的衍生物基 团。亲水性基团-HG是具有强极性的有机基团，并且当将其共价连接到碳表面上时能够使碳 材料的表面是表面亲水的。亲水性基团可W是阴离子、阳离子或非离子基团。碳连接的亲水 性基团的离子性增加了对于污染的稳固性，即，在空气碳氨化合物的存在下所述表面保持 更久的亲水性。阴离子亲水性基团的实例包括横酸、簇酸、麟酸、棚酸和它们各自的盐。非离 子亲水性基团的实例包括醇、酬、乙氧基、聚环氧乙烧、甲氧基、酷胺和脈的基团。阳离子亲 水性基团的实例可W包括伯胺、仲胺、叔胺、季胺、化晚鐵和憐鐵的基团。
[0037] 有机分子Χ-化+-Ar-HG，可W通过将包含亲水性基团-HG的芳胺与亚硝酸盐、亚硝 酸、二氧化氮、或一氧化氮与二氧化氮的混合物进行原位结合来制备。芳胺的实例可W包括 对氨基苯横酸、4-氨基苯甲酸、4-氨基水杨酸、7-氨基-4-径基-2-糞横酸、氨基苯基棚酸、氨 基苯基麟酸、4-氨基邻苯二甲酸、2-氨基-1-糞横酸、5-氨基-2-糞横酸、间氨基苯横酸、N- (4-氨基苯甲酯基)-B-丙氨酸、N-(4-氨基苯甲酯基)-心谷氨酸、P-氨基马尿酸、2-糞胺-1- 横酸(托拜厄斯酸)和1-氨基-4-(Ξ烷基氨基)-苯。当使用亚硝酸盐诸如亚硝酸钢、亚硝酸 钟或亚硝酸儀时，可进一步包括酸来促进重氮盐分子的形成。可W使用任何有机和无机酸， 包括例如甲酸、乙酸、盐酸、硝酸、硫酸、憐酸和甲苯横酸。一些示例性反应显示在下述反应 方案(1-3)中：
碳材料可包括碳或碳复合材料的任何电导形式。碳材料的实例可W包括石墨、碳黑、无 定形碳、碳纤维、碳纳米管和碳复合材料。
[0038] 有机重氮基分子可与碳材料在宽范围的反应条件下反应。反应可在0°C至约100°C 的溫度范围和1至9范围的pH进行。反应可在水溶液、极性有机溶剂或溶剂混合物中进行。反 应可W在酸存在下在水溶液中容易地进行。取决于有机分子的量与碳材料表面面积的比 率，各种量的亲水性基团可共价连接到碳材料的表面。碳材料上共价连接的亲水性基团的 数量可W为约0.01至约5毫摩尔/平方米(mmol/m2)，或0.1至4 mmol/m2。被改性碳材料表面 层的水接触角典型地低于约40度，或低于20度。
[0039] 具有共价连接到其表面的亲水性基团HG的被改性碳材料显示出亲水性和优良的 电导性。不同于使用无机氧化物或亲水性树脂的常规涂层，共价连接的亲水性基团在燃料 电池工作时不会浸出到水中。在宽范围的燃料电池工作条件下，亲水性效果很持久并且是 电化学上稳定的。被改性碳表面层的接触电阻典型地与未改性的相同碳表面层接近。虽然 申请人不希望束缚于任何特定理论或被任何特别理论束缚，相信在碳材料表面上分子厚度 的亲水性基团的高极性不会不利地影响横跨接触界面的电导性。当将离子亲水性基团连接 到碳材料表面上时，离子传导机理也是可能的。一些亲水性基团例如苯横酸、苯基麟酸、苯 簇酸、邻苯二甲酸、对苯二甲酸、间苯二甲酸及其相应的盐和衍生物，显示出高的电化学稳 定性，因此在苛刻的燃料电池设计中经得起苛刻的工作条件。
[0040] 被改性碳材料可W使用多种沉积方法沉积在燃料电池双极板上，该方法包括但不 限于离子吸附、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 (化awn-down coating)、印刷、电化学沉积和热喷涂方法。图2举例说明示例性离子吸附方 法。双极板13首先与含有阳离子物种14的溶液接触。该阳离子物种典型是包含阳离子的分 子或树脂，其可W被吸附或W其它方式被束缚在碳材料的表面上。示例性的阳离子物种可 包括多胺类、季锭盐、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、聚(締丙胺氨氯化物）、聚(二締丙基二甲基氯化锭）。获得吸 附有阳离子物种的双极板15,可将其在水中漂洗除去任何未受束缚的离子物种。随后将带 有吸附物种的双极板15与包括具有阴离子横酸根亲水性基团-Ar-SO抽的被改性碳材料12 的分散体接触。在碳材料上吸附的阳离子和阴离子横酸根基团之间的强离子吸引力导致碳 材料12沉积在双极板上作为表面层。离子吸附过程可重复多次W在双极板的外部区域上获 得多层所述碳材料。具有两层所述被改性碳表面层的双极板17,例如可W如图2中所述来制 备，此时进行两次离子吸附过程。如图2所示，可W将颗粒形式的碳材料沉积在双极板上来 形成微孔两维或3维表面层(一层或多层）。微孔结构的特征是微米或纳米尺寸的气孔或孔 隙存在于碳颗粒之间。一些气孔或孔隙可能相互连接。运样的微孔结构可W有效地在水滴 堵塞气体通道之前使水滴铺展，并且提高双极板表面的水忍吸效应来改善燃料电池中的水 管理。碳颗粒可具有小于约40微米或325目的平均颗粒尺寸。因此可W使用约1纳米到40微 米的颗粒尺寸。颗粒碳材料的实例可包括碳黑、碳纳米管、研磨石墨、富勒締、和合成碳微球 等等。改性碳颗粒也可通过浸涂、喷涂、印刷或类似方法施加到双极板外部区域。树脂粘合 剂可W与被改性碳颗粒结合起来使用W形成耐久的涂层。在另外一个实施方案中，除了在 离子吸附涂敷法中使用的阳离子聚合物之外，还可W使用金属氧化物，例如但不限于，Ti〇2 或ZnO。即，金属氧化物可W沉积在双极板上，然后将在其上带有金属氧化物的双极板15与 包含所述被改性碳材料12的分散体接触。亲水的碳离子性地连接到金属氧化物的带正电的 径基上(低抑;3到5)。运些金属氧化物比聚合物阳离子更加水解稳定。
[0041] 双极板基材可W使用任何电导性且物理坚固的材料构造。双极板基材的实例可W 包括但不限于石墨板，碳纤维增强复合材料，碳纤维增强碳复合材料，不诱钢合金，铁，铁合 金，铜合金，侣，和侣合金等等。当将金属或金属合金用作双极板基材时，在沉积碳材料层之 前，可W将抗腐蚀且导电的涂层或处理应用到双极板的表面。抗腐蚀的涂层或处理可包括 贵金属(例如金、销、钉、锭、钮、铜和饿），导电金属氧化物，金属氮化物，金属氮氧化物和碳。 金属双极板也可W通过阳极氧化W化学或电化学方式进行纯化。可通过化学气相沉积、物 理气相沉积、原子层沉积、喷涂、等离子沉积、浸涂、电化学沉积和热喷涂方法来施加抗腐蚀 涂层或处理。
[0042] 双极板