[发明专利]燃料电池双极板的传导性的和亲水性的表面改性

说明书

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

本公开通常涉及的领域包括燃料电池双极板。

背景技术

燃料电池通常由一系列膜电极组件和双极板以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，在这里所述气体发生 电化学反应，并且从这里产生电力。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以减少能量损失和热量积累。

就氢燃料电池来说，水管理是一个关键挑战。在氢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。当氢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。这种现象被称为低功率稳定 性（LPS）。

双极板上常规的亲水涂层或处理可以改善水管理，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

一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。

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。

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 上以形成传导性和亲水性表面层。燃料电池堆可以使用所述双极板来组装。

本发明进一步具体表现为以下方面：

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、有机磷鎓盐、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。

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。

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200psi的压缩压力小于约20mohm-cm²的接触电阻。

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。

7.如方面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。