可W使用石墨或碳复合材料来构造。可W将气体流动通道和其他机械特征 铸模或机械地制造在所述板上。如图3所示，将碳双极板20与包含由化学式HG-Ar-N2+X-表示 的重氮盐的溶液接触。HG是亲水性基团，Ar是芳基，-化+是重氮基，和r是阴离子。重氮盐可 如前所述原位制备或产生。重氮盐可W容易地与碳基双极板表面发生反应，导致有机亲水 性基团-Ar-HG共价连接到碳双极板表面。因此，获得具有共价连接有有机亲水性基团的双 极板21。使用该方法，可W将各种阴离子性的、阳离子性的和非离子性的亲水性基团共价连 接到双极板上。
[0043] 参见图4,通过首先将碳层23沉积到金属、碳或复合材料双极板22上制备双极板。 可W使用任何已知的沉积方法例如物理气相沉积、化学气相沉积、涂敷、等离子沉积、原子 层沉积和热喷涂方法，沉积碳层23。如图4所示，然后将带有碳层的双极板与如上所述的重 氮盐HG-Ar-N2+X-接触。重氮盐与碳层之间的化学反应导致有机基团-Ar-HG共价连接到双极 板24的碳层上。碳层可W是实屯、碳层或微孔碳层，其依赖于使用的沉积方法和碳材料的选 择。
[0044] 可W使用上述双极板生产燃料电池。参见图5,具有引入其中的膜电极(MEA)39和 其它燃料电池堆元件的示例性的燃料电池 W图示未组装的形态显示。MEA39包括离子传导 性电解质膜35,其夹在负载有催化剂的阳极40和负载有催化剂的阴极34之间。图5显示的燃 料电池包含不诱钢端板33，43，带有促进气体供应和分布的气体流动通道36的双极板37，和 膜电极组件39。为了更高的能量输出能力，包含双极板37和MEA39的堆叠单元38可W重复多 次。燃料电池包括反应物气体，其中之一是从燃料进口 42供应的燃料(例如氨气），和另一是 从进口 31供应的氧化性气体。也提供用于燃料气体32和氧化性气体41的相应出口。燃料气 体可W是氨气，氧化性气体可W是空气或氧气。供给燃料电池的气体扩散通过各自的双极 板37到达MEA39的各自的阳极和阴极用于电化学反应和产生电力。气体扩散介质(典型地由 碳布或碳纸制造，没有显示在图中）也可包括在双极板与MEA之间。 实施例
[0045] 将 10克碳黑粉(化lean XC-72,从Cabot Co巧oration获得）与250ml 0.05M的硝酸 (歴化）、15ml的异丙醇(作为润湿剂)和30毫摩尔的对氨基苯横酸(从A1化i eh购得)混合。揽 拌混合物并保持在约〇°C。将溶解在30ml水中的33毫摩尔亚硝酸钢(NaN〇2)溶液在揽拌状态 下逐滴加到上述混合物中。在约〇°C揽拌混合物2小时，然后滴加150毫摩尔甲酸到混合物 中。整夜逐渐加热混合物到室溫，随后加热到约70°C约1小时。碳黑表面于是被共价连接的 苯横酸基团改性，如下反应方案所示：
在混合物中的被改性碳通过离屯、作用来分离，并通过在水中的超声-离屯、-倾析过程来 纯化。纯化后的碳材料在真空中干燥。
[0046] 通过物理气相沉积的方法，将金表面层沉积到带有通过冲压加工得到的气体流动 通道的铁素体(例如430)或奥氏体(例如31化)不诱钢双极板上。
[0047] 随后使用离子吸附过程在双极板上形成亲水性且传导性的碳表面层。通过将双极 板浸入到聚（甲基丙締酸Ξ甲基氨基乙基醋-共-丙締酷胺）甲硫酸醋的水溶液中在双极板 上首先吸附阳离子层。然后将双极板在去离子水中漂洗，再将其浸入到如上所述的被改性 化lean XC-72碳黑的悬浮体中。由于在共价连接的横酸阴离子基团与吸附的阳离子聚合物 之间强的离子相互作用，被改性碳黑形成强吸附的碳表面层。然后将双极板在水中漂洗除 去任何残留盐。在干燥双极板之前，将上述离子吸附过程分别在3块单独的双极板上进行2， 4和8次(运里称作2浸，4浸和8浸）。双极板的阳极面在各种压力下被压到Teflon涂敷的碳纸 气体扩散层上用于接触电阻（也叫界面接触电阻）测试。结果显示在下图中。可W获得在约 150Psi为约20毫-欧姆平方厘米(mohm-cm2)的接触电阻。如下图所示，没有任何碳表面层的 金涂敷的双极板与具有沉积的被改性碳表面层的类似双极板具有非常类似的接触电阻。另 夕h具有传导性的且亲水性的碳表面层的双极板显示水接触角起始为10度或更小，在经过 45天的8(TC水的浸泡后为小于约20度，运表明其持久的亲水性效果。
[0048]本发明实施方案的上述描述本质上仅是示例作用，它的变化不能被认为偏离本发 明的精神和范围。
【主权项】
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以下的至少一种：多胺、聚乙烯亚胺、（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、有机磷鑰盐、或聚（二 烯丙基二甲基氯化铵），其中所述外表面上沉积有包括二氧化钛或氧化锌的氧化物。2. 如权利要求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。3. 如权利要求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。4. 如权利要求1所述的燃料电池双极板，其中所述亲水性有机基团是羧酸、苯磺酸、醇、 胺、酰胺、聚(环氧乙烷）、乙氧基、甲氧基、膦酸、萘磺酸、水杨酸、苯基膦酸、苯甲酸、邻苯二 甲酸基团和任何上述酸的盐中的至少之一。5. 如权利要求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200psi的压缩压力小于约20mohm-cm 2的接触电阻。6. 如权利要求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。7. 如权利要求1所述的燃料电池双极板，其中所述双极板包含铝、钛、不锈钢、铜、镍或 铬的金属或金属合金。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钛或氧化锌的氧化物，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:HG-Ar-N 2+X-表示的重氮盐，其中HG是所述亲水性基团，Ar是芳基，-N2+ 是重氮基，和)Γ是选自硫酸根、碳酸根、硝酸根、碘离子、磷酸根、硼酸根、氯酸根、氢氧根或 硅酸根的阴离子。9. 如权利要求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。10. 如权利要求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。
【专利摘要】本发明涉及燃料电池双极板的传导性的和亲水性的表面改性，尤其涉及燃料电池，包括具有传导性且亲水性的表面层的双极板，所述表面层设置在双极板外表面的至少一部分上。所述表面层包含具有亲水性有机基团的传导性碳材料，该亲水性基团共价连接在碳材料的表面。还公开了生产双极板和燃料电池的方法。
【IPC分类】H01M8/0234, H01M8/0241, H01M8/0232, H01M4/88, H01M8/0202
【公开号】CN105655611
【申请号】
【发明人】R.H.布伦克, P.刘, 阿塔 S.L.范, K.W.柯比
【申请人】通用汽车环球科技运作公司
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2010年7月20日