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      在燃料電池應(yīng)用中的碳基材料上制造穩(wěn)定的親水涂層/表面的方法

      文檔序號:6936848閱讀:262來源:國知局
      專利名稱:在燃料電池應(yīng)用中的碳基材料上制造穩(wěn)定的親水涂層/表面的方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明通常涉及的領(lǐng)域包括制造用于燃料電池應(yīng)用的親水涂層/表面
      的方法。
      背景技術(shù)
      迄今為止已在燃料電池部件上形成親水涂層。迄今為止已在諸如雙
      極板的燃料電池部件上涂覆諸如碳的低接觸電阻材料,該燃料電池部件由諸如
      不銹鋼的金屬或碳復(fù)合物制成。親7jC涂層也已被施加到低接觸電阻涂層以避免
      水阻塞限定在雙極板內(nèi)的反應(yīng)氣體流場。

      發(fā)明內(nèi)容
      —個示范性實施方案包括燃料電池部件,該燃料電池部件包括導(dǎo)電
      碳涂層以及接枝到該涂層的材料,其中該材料包括離子或極性基團(tuán)。本發(fā)明的一個示范性實施方案包括在燃料電池雙極板上提供包括碳
      鏈的涂層以及對凃?qū)舆M(jìn)行產(chǎn)生活性表面基團(tuán)的處理。這些處理的例子是臭氧
      處理、大氣等離子體和在7jc溶液中采用強氧化劑諸如酸化的高錳iW進(jìn)行化學(xué)
      氧化。對雙極板表面上的導(dǎo)電碳涂層進(jìn)行任一這些處理將會在涂層表面上產(chǎn)生 反應(yīng)性基團(tuán),隨后其可被用于通過離子聚合物和該反應(yīng)性基團(tuán)的反應(yīng)將離子聚 合物接枝到涂層上。另 一示范性實施方案包括提供其上具有碳基涂層的燃料電池雙極
      板,并活化該碳基涂層以在其表面上提供反應(yīng)性基團(tuán),以及將材料接枝到該涂
      層,其中該材料包括極性基團(tuán)以使得所述凃?qū)佑H7jC。在一個實施方案中,所述涂層僅在由多個平臺(land)和通道限定的 反應(yīng)氣體流場的ffiit中被^f共。另一示范性實施方案包括在燃料電池雙極板上提供碳基涂層,該碳 S^層包括環(huán)氧基團(tuán),使例如含有多個胺基團(tuán)的聚乙烯亞胺(PEI)和所述碳基 涂層上的環(huán)氧基團(tuán)反應(yīng)以形成具有多個胺基的碳 合物涂層,其隨后使得所 述碳涂層的表面具有保,7k性所需的永久性極性基團(tuán)。
      4
      C涂層,
      其中所述基板已經(jīng)經(jīng)過壓印以在其面中提供反應(yīng)氣體流場。
      具體實施例方式實 "案的下歹鵬述實質(zhì)上僅僅是示范性的(執(zhí)列說明性的),并不意 贈限制本發(fā)明、其應(yīng)用鋼途。本發(fā)明的一個示范性實施方案包括將離子聚合物或包含極性基團(tuán)的 聚合物接枝到包括碳的燃料電池部件上,所述燃料電池部件例如但不限于具有 覆蓋其至少一部分的涂層并且所述涂層包括碳鏈的燃料電池雙極板或包括碳基 紙、墊或氈的燃料電池擴(kuò)散介質(zhì)層。在另一實施方案中,燃料電池部件可以包 括碳復(fù)合物材料,例如,碳復(fù)合物燃料電池雙極板。
      在一個示范性實施方案中,離子聚合物或包含極性基團(tuán)的聚合物與 包括碳的燃料電池部件的表面上的活性基團(tuán)直接反應(yīng)。在另一示范性實施方案 中,包括碳的燃料電池部件可以被處理以在其表面上提供活性基團(tuán),并且離子 聚合物或包含極性基團(tuán)的聚合物可以M與活性基團(tuán)的反應(yīng)被接枝到該燃料電 池部件上。在一個示范性實施方案中,通過將燃料電池部件暴露至大氣等離子 體、臭氧和域1頓諸如酸化高錳酸鉀的氧化齊贓含7K溶液中的化學(xué)氧化,在燃
      料電池部件的包括碳的表面上產(chǎn)生活性基團(tuán)(反應(yīng)性官能基團(tuán))。在一個實
      案中,活性基團(tuán)是含氧基團(tuán)(oxygenatedgroup)。在一個示范性實施方案中,諸 如聚乙烯亞胺(PEI)的離子聚合物可以與燃料電池部件上的活性基團(tuán)反應(yīng),來 為所述燃料電池部件增加離子屬性和提供親7]C表面。在另一實施方案中,聚乙 烯醇可以被接枝到所述包括碳的表面或涂層上。在一個實施方案中,涂層提供 低接觸電阻,這樣雙極板上諸如金的涂層就不是必要的了?,F(xiàn)在參見

      圖1,本發(fā)明的一個示范性實施方案包括提供產(chǎn)品,例如其 上具有包括包含WI的聚合物的涂層14的 12。該涂層包括其表面上的活性 基團(tuán)(AG) 16。 M接枝包括與活性基團(tuán)16發(fā)生反應(yīng)以在涂層14上提供離子 基團(tuán)或極性基團(tuán)(PG) 18的離子基團(tuán)或極性基團(tuán)的材料,離子基團(tuán)或極性基團(tuán) 被提供在涂層上。涂層14是導(dǎo)電的。在一個實施方案中涂層14可以包括導(dǎo)電 的聚合物,或者在另一實施方案中^^層可以包括通常是絕緣的聚合物同時該涂 層可以包括導(dǎo)電的填料顆粒。在各種可選的實施方案中,導(dǎo)電的填料顆粒可以 包括金、鉑、石墨、碳、導(dǎo)電金屬氮化物和碳化物(例如氮化鈦、碳化鈦)、鈦 與鉻和/或鎳的合金、鈀、鈮、銠、稀土金屬、以及其它貴金屬中的至少一種。 在一個實驗案中,所鵬粒包括碳或石墨(即六方結(jié)晶a)。所繊粒構(gòu)^^f述 涂層的不同重量百分比,具體取決于顆粒的密度和導(dǎo)電性(也就是說,具有高 導(dǎo)電性和低密度的顆??梢砸暂^低的重量百分比l頓)。含撒石墨的涂層典型地 含有25%重量的撒石墨顆粒。聚合物基質(zhì)可以包括任何能被制成粘附性薄膜并 能承 料電池的惡劣的氧化和酸性環(huán)境的不溶于水的聚合物。在各種可選的 實船案中,聚合物,如環(huán)氧樹脂、硅樹脂(帶有石墨顆粒)、聚^$-酰亞胺、 聚醚-酰亞胺、多酚、含氟彈性體(如聚偏二氟乙烯)、聚酯、苯氧基-酚醛 (phenoxy陽phenolic)、環(huán)氧-酚醛(epoxide-phenolic)、丙烯酸類、和氨基甲酸 酉旨及其它M以^ffl。
      在本發(fā)明的一個示范性實施方案中,通過暴露至大氣等離子體、臭氧或化學(xué)氧化的方式對包括包含碳鏈的聚合物的涂層14進(jìn)行處理,活性基團(tuán)(AG) 16可以被提供。在活性基團(tuán)(AG) 16被提供在涂層14上以后,如圖3所示,離子聚合物可以接枝到涂層14上以提供離子基團(tuán)或極性基團(tuán)(PG) 18。現(xiàn)在參見圖4,本發(fā)明的另一個實施方案包括在燃料電池擴(kuò)散介質(zhì)層上提供離子或極性基團(tuán)的方法,其可以被提供燃料電池中鄰,極板并且以本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的方式鶴電^鵬組裝。擴(kuò)散介質(zhì)層100可包括碳基紙、墊或越。擴(kuò)散介質(zhì)100可暴露至開放空氣等離子體、臭氧或化學(xué)氧化來在其表面上提供活性基團(tuán)(AG) 16。此后,離子聚合物或包含極性基團(tuán)的聚合物可以通過與活性基團(tuán)(AG) 16反應(yīng)被接枝到擴(kuò)散介質(zhì)層100以在擴(kuò)散介質(zhì)層100的表面上提供離子或極性基團(tuán)(PG) 18。離子或極性基團(tuán)(PG) 18使得擴(kuò)散介質(zhì)層的表面親水?,F(xiàn)在參見圖5,本發(fā)明的另一個示范性實te"案包括燃料電池雙極板50,其包括具有第一面528的第一基板512,第一面528具有由多個平臺(land)530和通道532限定于其中的反應(yīng)氣體流場。包括具有碳鏈的聚合物和接枝于其上離子聚合物或具有極性基團(tuán)的聚合物的涂層5614被提供在包括平臺530和通道532的相位(phase) 528上??梢蕴峁┑诙?13,所述基板513具有第一面529,所述面529中限定了包括多個平臺530和逾道532的反應(yīng)氣體流場。包括包含職連的聚合物和接枝于其上的離子聚合物或具有極性基團(tuán)的聚合物的涂層514被提供在第一面529的至少一部分上。在一個示范性實施方案中,涂層514僅被提供^1道532中而留下平臺530未涂覆?,F(xiàn)在參見圖6,燃料電 &^極板的一個替代實施方案包括第一繊612和第二S^及613,第一基板612和第二基阪613被壓印以使基板612、 613的每一個都提供限定在其面內(nèi)、包括多個平臺630和M 632的反應(yīng)氣體流場。具有接枝的離子聚,或包括極性基團(tuán)的聚合物的涂層614可被提供在S^反612、613的一部分上,例如僅僅在通道632內(nèi)。在一個實施方案中,不銹鋼樣品被來自Acheson colloids的被稱為EB-023的碳涂層涂覆,,著通過將碳涂層暴露至大氣等離子體進(jìn)行處理。隨后,樣品被浸入10%的PEI溶液中以接枝離子聚合物至處理過的職面。鵬過的樣品被 切底清洗以去除涂覆表面的過量PEI。接著在空氣中^P燥處理過的碳
      7涂層表面,并隨后測量其7K接觸角。在該樣品上湖時尋小于15度的7jC接觸角,將 與處理前大于80度的值進(jìn)行比較。樣品暴露至空氣九個月而7j^接觸角沒有改變,
      這表明通過該處理增加至碳表面的離子屬性比已被用于燃料電池部件上的其它
      親7尺表面更不易于被污染。本發(fā)明的實施方案的以上描述實質(zhì)上僅僅是示范性的,因而,其變 體不應(yīng)被視為脫離本發(fā)明精神和范圍。
      權(quán)利要求
      1、方法,包括提供燃料電池部件,所述燃料電池部件包含碳和表面,所述表面上包含活性基團(tuán),通過與所述活性基團(tuán)反應(yīng)將包括離子或極性基團(tuán)的聚合物接枝到該部件上。
      2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中提供包含碳和其上具有反應(yīng)性基團(tuán)的 表面的燃料電池部件包括提供其上具有含碳涂層的基板并將所述部件暴露至大 氣等離子體以在所逾凃?qū)拥乃霰砻嫔袭a(chǎn)生所述活性基團(tuán)。
      3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中所述燃料電池部件包括擴(kuò)散介質(zhì)層。
      4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中所述燃料電池部件包括其上具有涂層的燃料電艦極板。
      5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中所 料電池部件是碳復(fù)合物雙極板。
      6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中所述燃料電池部fl^括擴(kuò)散介質(zhì)層, 并且其中提供包括碳和包含活性基團(tuán)的表面的所M料電池部件,將所述擴(kuò)散 介質(zhì)層暴露至開放空氣等離子體以在所述擴(kuò)散介質(zhì)層的表面上產(chǎn)生所述活性基 團(tuán)。
      7、 根據(jù)權(quán)禾腰求2所述的方法,其中所述涂層包括環(huán)繊脂、帶有石墨顆 粒的硅樹脂,聚醐安-酰亞胺、聚勝it3E胺、多酚、含氟彈性體、聚酯、苯 -酚醛、環(huán)氧-酚醛、丙烯酸類、或氨基甲酸酯聚合物中的至少一種。
      8、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法,其中所述涂層包括環(huán)氧涂層。
      9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中所^t料電池部件包括雙極板和涂層, 所,極板具有ffi31多個平臺和通道限定在其面中的反應(yīng)氣體流場,所述涂層 沉積^^MM道中而留下所述平臺基本上未被涂覆,并且其中所述碳是所述涂 層的一部分。
      10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法,其中所述聚合物包括聚乙烯亞胺,并且所述離子基團(tuán)包括胺基團(tuán)。
      11、根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法,其中所述聚合物包括聚乙烯醇,并且所述離子基團(tuán)包括羥基。
      12、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法,附加條件是不在所皿極^i:提供低接 觸電阻金屬。
      13、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法,其中不在所^5l極板上提供金。
      14、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法,其中所述涂層包括聚合物和導(dǎo)電±真料顆粒。
      15、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法,其中所述涂層包含石墨。
      16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法,其中所述涂層進(jìn)一步包含聚合物。
      17、 產(chǎn)品,包括包括碳和接枝到所述碳上的離子聚合物或包含極性基團(tuán)的聚合物的燃料電 池部件。
      18、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的產(chǎn)品,其中所述聚合物是聚乙烯亞胺。
      19、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的產(chǎn)品,其中所述聚合物是聚乙烯醇。
      20、 產(chǎn)品,包括包括包含碳的紙、墊或氈的燃料電池擴(kuò)散介質(zhì)層,以及被接枝到所述 擴(kuò)散介質(zhì)層的表面的離子聚合物或包含極性基團(tuán)的聚合物。
      21、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的產(chǎn)品,其中所述聚合物是聚乙烯亞胺。
      22、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的產(chǎn)品,其中被接枝到所述擴(kuò)散介質(zhì)層的表面的 所述離子聚合物或包含極性基團(tuán)的聚合物使得所M料電池擴(kuò)散介質(zhì)層的所述 表面親水。
      全文摘要
      本發(fā)明涉及在燃料電池應(yīng)用中的碳基材料上制造穩(wěn)定的親水涂層/表面的方法,其中一個示范性的實施方案包括具有碳鏈、和接枝到涂層/表面的材料的燃料電池部件,其中該材料包括離子或極性基團(tuán)。一個實施方案包括能被活化和處理以使其表面親水的含碳復(fù)合物板。
      文檔編號H01M8/00GK101685864SQ20091017334
      公開日2010年3月31日 申請日期2009年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月8日
      發(fā)明者G·V·達(dá)希奇, 埃爾哈米德 M·H·阿布德, Y·M·米克黑爾 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司
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