專利名稱：用于有效水管理的碳基雙極板涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及導(dǎo)電性流體分配板、制造導(dǎo)電性流體分配板的方法、以及使 用根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)電性流體分配板的系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及在燃料電池及其他類 型的裝置中應(yīng)對接觸電阻難題的導(dǎo)電性流體分配板的使用。
背景技術(shù)：
燃料電池在許多應(yīng)用中被用作電源。特別地，燃料電池被提議用在汽車中以代 替內(nèi)燃發(fā)動機(jī)。通常使用的燃料電池設(shè)計(jì)采用固態(tài)聚合物電解質(zhì)(SPE)膜或質(zhì)子交換膜 (PEM)來提供陽極和陰極之間的離子傳輸。在質(zhì)子交換膜類型的燃料電池中，氫被作為燃料供應(yīng)給陽極，而氧被作為氧化 劑供應(yīng)給陰極。氧可以是以純氧的形式(O2)或者是空氣(O2和N2的混合物)。PEM燃 料電池通常具有膜電極組件(MEA)，其中固態(tài)聚合物膜在一面上具有陽極催化劑，在相 對的面上具有陰極催化劑。典型的PEM燃料電池的陽極層和陰極層是由多孔的傳導(dǎo)性材 料形成，例如，編織石墨(woven graphite)、石墨化片、或碳紙，以便使燃料能夠散布在 該膜面對燃料供應(yīng)電極的表面上。每個電極都具有磨碎的催化劑顆粒(例如，鉬顆粒)， 催化劑顆粒被支撐在碳顆粒上，以便促進(jìn)氫在陽極處的氧化以及氧在陰極處的還原。質(zhì) 子從陽極流動穿過離子傳導(dǎo)聚合物膜到達(dá)陰極，在陰極處它們與氧結(jié)合以形成水，該水 從電池中排出。MEA被夾在一對多孔氣體擴(kuò)散層(GDL)之間，氣體擴(kuò)散層又被夾在一 對無孔的導(dǎo)電元件或板之間。所述板充當(dāng)用于陽極和陰極的集電器，并且包含形成在其 中的適當(dāng)?shù)耐ǖ篮烷_口，用于在相應(yīng)的陽極和陰極催化劑的表面上分配燃料電池的氣態(tài) 反應(yīng)物。為了有效地產(chǎn)生電，PEM燃料電池的聚合物電解質(zhì)膜必須薄、化學(xué)穩(wěn)定、能透 過質(zhì)子、非導(dǎo)電的、以及不透氣的。在典型應(yīng)用中，為了提供高的電力電平，燃料電池 是以許多個體燃料電池堆的陣列的形式來提供。一般來說，用于燃料電池應(yīng)用的雙極板需要是抗腐蝕的、導(dǎo)電的、并且具有用 于有效的水管理的低接觸角。諸如不銹鋼之類的金屬通常被用于雙極板，這是因?yàn)樗鼈?的機(jī)械強(qiáng)度以及被沖壓的能力。然而，這樣的金屬在它們的表面上常常具有鈍化的氧化 膜，從而需要導(dǎo)電性涂層來最小化接觸電阻。這樣的導(dǎo)電性涂層包括金和聚合物碳涂 層。通常，這些涂層需要昂貴的設(shè)備，其增加了成品雙極板的成本。而且，在操作期間 金屬雙極板還遭受腐蝕。該退化機(jī)理包括來自所述聚合物電解質(zhì)的氟化物離子釋放。雙 極板的金屬溶解通常導(dǎo)致在各種氧化狀態(tài)下的鐵、鉻和鎳離子的釋放。為了水管理，期望金屬雙極板在雙極板/水的邊界處具有低的接觸角；也就是 說，小于40°的接觸角。已經(jīng)提出將氮化硅涂層作為用于雙極板的抗腐蝕鍍層。雖然氮化硅涂層是有成本效益的，但是這樣的涂層并沒有為雙極板材料提供令人滿意的保護(hù)。 而且，氮化硅涂層顯現(xiàn)出相對低的親水性，具有接近于60°的接觸角。因此，需要用于在燃料電池應(yīng)用中所用的雙極板的表面處降低接觸電阻的改進(jìn) 方法。

發(fā)明內(nèi)容
通過在至少一個實(shí)施例中提供了用于在燃料電池中使用的流場板，本發(fā)明解決 了現(xiàn)有技術(shù)的一個或多個問題。該實(shí)施例的流場板包括具有第一表面和第二表面的金屬 板。第一表面限定了用于引導(dǎo)第一氣態(tài)成分流動的多個通道。碳層被置于金屬板的至少 一部分上，而硅氧化物層被置于該碳層的至少一部分上，以形成涂覆有硅氧化物的碳雙層。在至少一個實(shí)施例中，涂覆有硅氧化物的碳雙層具有這樣的表面，即該表 面具有小于大約30度的接觸角，并且當(dāng)流場板以200psi被夾在碳紙之間時，具有小于 40mohm-cm2的接觸電阻。在另一個實(shí)施例中，提供了包含上述流場板的燃料電池。該燃料電池包括具有 涂覆了硅氧化物的碳雙層的第一流場板。第一催化劑層被置于第一流場板上。離子導(dǎo)體 層被置于第一流場板上，并且第二催化劑層被置于離子導(dǎo)體層上。最后，第二流場板被 置于第二催化劑層上。氣體擴(kuò)散層則根據(jù)需要來提供。在又一個實(shí)施例中，提供了用于形成上述流場板的方法。該方法包括在金屬板 上沉積碳層，然后在該碳層上沉積硅氧化物層，以便形成涂覆有硅氧化物的碳的雙層。本發(fā)明還涉及以下技術(shù)方案方案1. 一種用于燃料電池應(yīng)用的流場板，包括具有第一表面和第二表面的金屬板，所述第一表面限定了用于引導(dǎo)第一氣態(tài)成 分流動的多個通道；置于所述金屬板的至少一部分上的碳層；和置于所述碳層的至少一部分上的硅氧化物層，以便形成硅氧化物/碳雙層。方案2.如方案1所述的流場板，其中，所述涂覆有硅氧化物的碳層具有接觸角 小于40度的表面。方案3.如方案1所述的流場板，其中，當(dāng)所述流場板被以200psi夾在碳紙之間 時，接觸電阻小于40mohm-cm2。方案4.如方案1所述的流場板，其中，所述硅氧化物層被選擇性地沉積在所述 通道的多個壁上。方案5.如方案1所述的流場板，還包括置于所述硅氧化物/碳層的至少一部分上 的一個或多個另外的硅氧化物/碳雙層。方案6.如方案1所述的流場板，其中，所述硅氧化物層包括在量上小于所述硅 氧化物層的總重量的40%重量百分?jǐn)?shù)的碳?xì)浠衔?。方?.如方案1所述的流場板，其中，所述硅氧化物層包括在量上小于所述硅 氧化物層的總重量的20%重量百分?jǐn)?shù)的碳?xì)浠衔?。方?.如方案1所述的流場板，其中，所述碳層包括無定形碳。
方案9.如方案1所述的流場板，其中，所述碳層包括結(jié)晶碳。方案10.如方案1所述的流場板，其中，所述碳層具有活化的表面。方案11.如方案8所述的流場板，其中，所述碳層具有平均每平方厘米包括至少 5個孔隙的表面。方案12.如方案8所述的流場板，其中，所述碳層具有表面粗糙度平均值在 200nm到IOOOnm范圍內(nèi)的表面。方案13.如方案1所述的流場板，其中，所述金屬板具有第二表面，所述第二表 面限定了用于引導(dǎo)第二氣態(tài)成分流動的第二多個通道。方案14.如方案1所述的流場板，其中，所述第二表面是第二非結(jié)晶碳層。方案15. —種燃料電池，包括第一流場板，包括具有第一表面和第二表面的金屬板，所述第一表面限定了用于引導(dǎo)第一氣態(tài)成 分流動的多個通道；置于所述金屬板的至少一部分上的碳層；置于所述碳層的至少一部分上的硅氧化物層，以便形成硅氧化物/碳雙層；置于所述第一流場板上的第一催化劑層；置于所述第一催化劑層上的離子導(dǎo)體層；置于所述離子導(dǎo)體層上的第二催化劑層；和置于所述第二催化劑層上的第二流場板。方案16.如方案15所述的燃料電池，當(dāng)所述流場板被以200psi夾在碳紙之間時， 具有小于40mohm-cm2的接觸電阻。方案17.如方案15所述的燃料電池，其中，所述碳層表面具有小于30度的接觸方案18.如方案15所述的燃料電池，其中，所述碳層具有活化的表面。方案19. 一種制造流場板的方法，所述流場板包括具有第一表面和第二表面的金 屬板，所述第一表面限定了用于引導(dǎo)第一氣態(tài)成分流動的多個通道，碳層被置于所述金 屬板的至少一部分上，并且硅氧化物層被置于所述碳層的至少一部分上，以便形成硅氧 化物/碳雙層，所述方法包括將碳層沉積在所述金屬板上；將硅氧化物層沉積在所述碳層上以形成所述硅氧化物/碳層；和活化所述硅氧化物/碳層。方案20.如方案19所述的方法，其中，利用等離子體來活化所述碳層表面。從下文提供的詳細(xì)說明，本發(fā)明的其它示例性實(shí)施例將變成明顯。應(yīng)當(dāng)理解的 是，該詳細(xì)說明和具體示例盡管公開了本發(fā)明的示例性實(shí)施例，但是意在僅僅用于說明 之目的，而并不意圖限制本發(fā)明的范圍。


從詳細(xì)說明和附圖，本發(fā)明的示例性實(shí)施例將被更充分地理解，附圖中圖IA提供了在單極板上包含了硅氧化物/碳雙層的示例性實(shí)施例的燃料電池的剖視圖；圖IB提供了在雙極板上包含了硅氧化物/碳雙層的示例性實(shí)施例的燃料電池的 剖視圖；圖2示出了涂覆有硅氧化物/碳雙層的雙極板通道的剖視圖；圖3提供了在雙極板上包含了硅氧化物/碳雙層的另一個示例性實(shí)施例的燃料電 池的剖視圖；圖4示出了涂覆有多個硅氧化物/碳層的雙極板通道的剖視圖；圖5A-5B提供的流程圖示出了用于制造涂覆有硅氧化物/碳雙層的雙極板的示 例性方法；圖6是用來沉積碳和硅氧化物層的濺射系統(tǒng)的示意圖；圖7A是未經(jīng)過等離子體處理的碳層的掃描電子顯微圖片；圖7B是經(jīng)過等離子體處理的碳層的掃描電子顯微圖片；圖8提供了作為時間的函數(shù)的高頻率電阻的圖示；和圖9提供了作為時間的函數(shù)的電池電壓的圖示。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將詳細(xì)參考本發(fā)明當(dāng)前的優(yōu)選組成、實(shí)施例以及方法，其構(gòu)成了當(dāng)前為發(fā) 明人所知的實(shí)施本發(fā)明的最佳方式。這些圖都不必是按比例的。然而，要理解的是， 所公開的實(shí)施例都僅僅是本發(fā)明的示例，其可以以各種的以及替代性的形式來實(shí)施。因 此，本文公開的具體細(xì)節(jié)不應(yīng)被解釋為限制性的，而是僅僅作為關(guān)于本發(fā)明任何方面的 代表性基礎(chǔ)，和/或作為用于教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員來以各種方式使用本發(fā)明的代表性基 石出。除非在示例中，或者以另外的方式明確地指明，否則在本說明書中指示了材料 量、或反應(yīng)和/或使用條件的全部數(shù)字量在描述本發(fā)明的最寬范圍時都應(yīng)被理解為由措 詞“大約”加以修飾。在所述數(shù)字限制內(nèi)的實(shí)施通常是優(yōu)選的。同樣，除非明確相反 地聲明，否則“百分比”、“…的部分”、以及比值都是按照重量計(jì)的；術(shù)語“聚合 物”包括“低聚物”、“共聚物”、“三元共聚物”等；將一組或一類材料描述為用于 與本發(fā)明有關(guān)的給定目的是合適或優(yōu)選的，暗示了這組或這類中的任何兩個或更多個成 員的混合物同樣是合適的或優(yōu)選的；對化學(xué)術(shù)語中的成分的描述涉及在添加到該描述中 指定的任何組合中時的成分，并且不必排除混合后混合物成分間的化學(xué)相互作用；首字 母縮寫或其他縮寫的第一次定義適用于本文中隨后使用的全部相同的縮寫，并且經(jīng)必要 修正后適用于最初定義的縮寫的正常語法變化；并且，除非明確相反地聲明，否則對特 性的測量通過如前文或后文關(guān)于該相同特性而提及的相同技術(shù)來加以確定。還要理解的是，本發(fā)明不局限于如下所述的具體實(shí)施例和方法，這是因?yàn)榫唧w 的部件和/或情況當(dāng)然可能會有所變化。此外，本文中使用的術(shù)語僅僅用于對本發(fā)明的 特定實(shí)施例進(jìn)行描述的目的，而不意圖以任何方式進(jìn)行限制。還必須注意的是，如在說明書和所附權(quán)利要求中所使用的那樣，單數(shù)形式 “一”、以及“該”都包括復(fù)數(shù)對象，除非上下文清楚地另外進(jìn)行了指示。例如，以單
數(shù)形式對部件的提及意在包括多個部件。
在整個本申請中，當(dāng)參考了出版物時，這些出版物的全部公開內(nèi)容通過引用并 入到本申請中，以便更完全地描述本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的現(xiàn)狀。如本文中所用的，術(shù)語“粗糙度平均值”或“表面粗糙度平均值”是指輪廓 (profile)高程偏差的絕對值的算術(shù)平均值。粗糙度平均值可以根據(jù)ANSI B46.1來確定。 在此，通過引用將該參考文獻(xiàn)的全部公開內(nèi)容并入。在本發(fā)明的實(shí)施例中，提供了一種用于在燃料電池應(yīng)用中使用的流場板。該實(shí) 施例的流場板包括金屬板，所述金屬板的至少一部分上布置了涂覆有硅氧化物的碳的雙 層。涂覆有硅氧化物的碳雙層具有這樣的表面，即該表面具有小于大約30度的接觸 角，并且當(dāng)流場板以200psi被夾在碳紙之間時，具有小于40mohm-Cm2的接觸電阻。本 實(shí)施例既涵蓋單極板，也涵蓋雙極板。參考圖IA和圖1B，其提供了包含有本實(shí)施例的流場板的燃料電池的示意性剖 視圖。燃料電池10包括流場板12、14。通常，流場板12、14由諸如不銹鋼之類的金 屬制成。流場板12包括表面16和表面18。表面16限定通道20和槽脊(land) 22。在 圖IA提供的圖示中流場板12是單極板。在圖IB提供的圖示中流場板12是雙極板。在 該變型中，表面18限定了通道24和槽脊26。類似地，流場14包括表面30和表面32。 表面30限定了通道36和槽脊38。在圖IA提供的圖示中流場板14是單極板。在圖IB 提供的圖示中表面32限定了通道40和槽脊42。仍參照圖IA和圖1B，碳層50被置于表面16上并且接觸表面16。硅氧化物層 52被置于碳層50上以形成硅氧化物/碳雙層54。碳層50可以是無定形的、結(jié)晶的、或 者它們的組合。通常，硅氧化物/碳雙層54的總厚度小于200nm。在另一個改進(jìn)中，硅 氧化物/碳雙層54的總厚度小于lOOnm。在又一個變型中，硅氧化物/碳雙層54的總 厚度大于大約10nm。在再一個改進(jìn)中，硅氧化物/碳雙層54的總厚度大于大約30nm。 在再一個變型中，硅氧化物/碳雙層54的總厚度是從大約20nm到大約80nm。在一個 變型中，硅氧化物/碳雙層54包括具有小于大約40度的接觸角的表面56。本實(shí)施例與 使用含有碳?xì)浠衔锏墓柰榕悸?lián)劑來產(chǎn)生親水性涂層的現(xiàn)有技術(shù)方法相比，區(qū)別在于硅 氧化物層包括在量上小于該硅氧化物層總重量的大約40%重量百分?jǐn)?shù)的碳?xì)浠衔?。?另一個改進(jìn)中，硅氧化物層包括在量上小于該硅氧化物層的總重量的大約20%重量百分 數(shù)的碳?xì)浠衔?。在又一個改進(jìn)中，硅氧化物層包括在量上小于該硅氧化物層的總重量 的大約10%重量百分?jǐn)?shù)的碳?xì)浠衔?。在再一個改進(jìn)中，硅氧化物層包括在量上小于該 硅氧化物層的總重量的大約50%重量百分?jǐn)?shù)的碳?xì)浠衔?。在該語境中，術(shù)語“碳?xì)浠?合物”是指任何具有碳?xì)滏I的組成部分(moiety)。在本實(shí)施例的變型中，硅氧化物/碳雙層54僅僅沉積在通道的壁上，而不沉積 在槽脊上。在另一個變型中，硅層僅僅沉積在通道的壁上，而碳層可以沉積在槽脊上。仍參照圖IA和圖1B，燃料電池10進(jìn)一步包括氣體擴(kuò)散層60和催化劑層62、 64。聚合物離子傳導(dǎo)膜70介于催化劑層62和64之間。最后，燃料電池10還包括定位 在催化劑層64和流場板14之間的氣體擴(kuò)散層72。在本發(fā)明的變型中，第一氣體被引入到通道20中，第二氣體被引入到通道36 中。通道20引導(dǎo)第一氣體的流動，通道36引導(dǎo)第二氣體的流動。在典型燃料電池應(yīng)用 中，含氧氣體被引入通道20中，燃料被引入到通道36中。有用含氧氣體的示例包括分子氧(例如，空氣)。有用燃料的示例包括但不局限于氫。當(dāng)含氧氣體被引入通道20中 時，通常產(chǎn)生作為副產(chǎn)品的水，該水必須經(jīng)由通道20被去除。在該變型中，催化劑層62 是陰極催化劑層，而催化劑層64是陽極催化劑層。參考圖2，其提供了通道20的放大剖視圖。硅氧化物層/碳雙層54的表面80、 82、84提供了通道20中的暴露表面。有利地，硅氧化物層/碳雙層54的這些表面都是 親水性的，具有小于大約40度的接觸角。在另一個改進(jìn)中，接觸角小于大約30度。在 又一個改進(jìn)中，接觸角小于大約20度。在再一個改進(jìn)中，接觸角小于大約10度。硅氧 化物層/碳雙層54的親水性本性防止了水聚集在通道20中。在本實(shí)施例的改進(jìn)中，通 過活化表面56 ( S卩，表面80、82、84、86)來改善硅氧化物層/碳雙層54的親水性。在 本實(shí)施例的變型中，通過等離子體(例如，RF等離子體、DC等離子體、微波等離子體、 熱絲等離子體、常壓等離子體(open air plasma)，等等)來活化表面。在一個改進(jìn)中，通 過將硅氧化物層/碳雙層54暴露給反應(yīng)性氧等離子體來實(shí)現(xiàn)該活化，該反應(yīng)性氧等離子 體通過斷開鍵并形成活性官能團(tuán)來活化硅氧化物層/碳雙層。在另一個改進(jìn)中，該后處理是通過將硅氧化物層/碳雙層暴露給諸如氮、一氧 化二氮、二氧化氮、氨、或者它們的混合物這樣的反應(yīng)氣體來實(shí)現(xiàn)的，這些反應(yīng)氣體通 過斷開鍵并形成氮基衍生物(如胺、酰胺以及重氮官能團(tuán))來活化該硅氧化物層/碳雙 層。因此，該后處理活化能增加在硅氧化物層/碳雙層54中的氮和/或氧的量。在又 一個改進(jìn)中，表面56的活化導(dǎo)致了其孔隙度(porosity)與活化前的表面相比有所增加。 在進(jìn)一步的改進(jìn)中，表面56包括每平方厘米的表面積中存在至少10個孔隙的區(qū)域。而 且，平均來說，表面56在每平方厘米的表面積中包括至少5個孔隙。通過對在掃描電子 顯微圖片中觀察的給定區(qū)中的孔隙數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù)來計(jì)算每平方厘米的孔隙數(shù)目。硅氧化物層/碳雙層54的孔隙度還以表面56的粗糙度平均值來表征。在一個 變型中，表面56的粗糙度平均值是從大約200nm到大約lOOOnm。在另一個變型中，表 面56的粗糙度平均值是從大約300nm到大約900nm。在又一個變型中，表面56的粗糙 度平均值是從大約400nm到大約700nm。在一個變型中，本發(fā)明的碳層是導(dǎo)電的。碳層50的導(dǎo)電率使得燃料電池10的 接觸電阻小于大約20mOhm-Cm2。在示例性實(shí)施例的變型中，碳層50被摻雜以便增大導(dǎo) 電率。在一個改進(jìn)中，碳層50被摻雜。在進(jìn)一步的改進(jìn)中，摻雜物是金屬。合適的金 屬摻雜物的示例包括但不局限于Pt、Ir、Pd、Au、Ag、Co、Fe、Cu、Si、Ti、Zr、 Al、Cr、Ni、Nb、Zr、Hb> Mo、W、以及Ta。在另一個改進(jìn)中，摻雜物是非金屬， 例如氮。參考圖3，其提供的示意性剖視圖示出了涂覆有硅氧化物/碳雙層的燃料電池雙 極板的另外的表面。在該變型中，表面18、30、以及32中的一個或多個被涂覆以碳層 50。如上所述，并且結(jié)合對圖IA和圖IB的描述，燃料電池10包括流場板12、14。雙 極板12包括表面16和表面18。表面16限定了通道20和槽脊22。表面18限定了通道 24和槽脊26。類似地，雙極板14包括表面30和表面32。表面30限定通道36和槽脊 38。表面32限定通道40和槽脊42。仍參照圖3，碳層50被置于表面16上并且接觸表面16。硅氧化物層52被置于 碳層50上以形成硅氧化物層/碳雙層54。在一個變型中，硅氧化物層/碳雙層54包括具有小于大約40度的接觸角的表面56。在一個改進(jìn)中，接觸角小于20度。在又一個 改進(jìn)中，接觸角小于10度。類似地，硅氧化物層/碳雙層90被置于表面18上并且接觸 表面18，碳層92被置于表面30上并且接觸表面30，且碳層94被置于表面32上并且接 觸表面32。燃料電池10進(jìn)一步包括氣體擴(kuò)散層60和催化劑層62、64。聚合物離子傳 導(dǎo)膜70介于催化劑層62和64之間。最后，燃料電池10還包括定位在催化劑層64和雙 極板14之間的氣體擴(kuò)散層72。硅氧化物層/碳雙層90、92、94的細(xì)節(jié)與前面結(jié)合對圖 IA和圖IB的描述而闡述的硅氧化物層/碳雙層54的細(xì)節(jié)相同。參照圖4，其提供了涂覆有多個硅氧化物/碳層的雙極板通道的剖視圖。流場板 12'涂覆有硅氧化物/碳雙層541、542、543，其中每一個都具有上文關(guān)于硅氧化物/碳層 54所述的設(shè)計(jì)。在該設(shè)計(jì)中，層501、502、503是碳層，而層521、522、523是硅層。離 金屬板最遠(yuǎn)的硅氧化物/碳雙層通常被如上所述那樣活化。雖然圖4的具體示例包括三 個硅氧化物/碳雙層，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到的是，該變型可以包括兩個硅氧化物/碳雙層。而 且，該變型還可以包括四個或更多個硅氧化物/碳雙層。參照圖5，其提供的圖示流程圖示出了形成上述流場板的示例性方法。在步驟 a)中，在碳層50的沉積之前對金屬板12進(jìn)行預(yù)處理。在這樣的預(yù)處理期間，金屬板12 表面上的氧化物通常被去除，或者至少被減少。這樣的預(yù)處理可以包括清洗步驟。在步 驟b)中，將碳層50沉積在金屬板12上。碳層可以通過本領(lǐng)域中技術(shù)人員所已知的許 多技術(shù)來形成。這樣的技術(shù)的示例包括但不限于濺射(例如，磁控管濺射、非平衡磁 控管濺射等等)，化學(xué)氣相沉積(CVD)(例如，低壓CVD、常壓CVD、等離子體增強(qiáng)的 CVD、激光輔助CVD等等)，蒸發(fā)(熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、電弧蒸發(fā)等)等等。美國專 利No.5，314,716公開了一種用于形成非結(jié)晶碳膜的CVD技術(shù)。在此通過引用將該專利 的全部公開內(nèi)容并入。在步驟C)中，將硅氧化物層52沉積在碳層50上。硅氧化物層 可以是通過本領(lǐng)域中技術(shù)人員所已知的許多技術(shù)來形成。這樣的技術(shù)的示例包括但不限 于濺射(例如，磁控管濺射、非平衡磁控管濺射等等)，化學(xué)氣相沉積(CVD)(例如， 低壓CVD、常壓CVD、等離子體增強(qiáng)的CVD、激光輔助CVD等等)，蒸發(fā)(熱蒸發(fā)、 電子束蒸發(fā)、電弧蒸發(fā)等)，等等。在步驟d)中，將硅氧化物層/碳雙層54的表面56 進(jìn)行活化。圖5B示出了經(jīng)由高密度等離子體100進(jìn)行的等離子體活化。還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到 的是，可以使用另外的活化方法。這樣的方法包括但不限于化學(xué)活化，例如用酸對該表 面進(jìn)行處理(例如，蝕刻)，所述酸例如硫酸、氫氟酸、鉻酸、高錳酸鉀，等等。在本實(shí)施例的變型中，通過濺射來沉積碳層和硅氧化物層。在一個改進(jìn)中，使 用閉合場非平衡磁控管系統(tǒng)來沉積碳層。為此，在美國專利No.6,726,993( ‘933專利) 中闡述了該方法和設(shè)備的變型。在此通過引用將‘933專利的全部公開內(nèi)容并入。參照圖6，其提供了用于沉積上述碳層的濺射沉積系統(tǒng)的一種改進(jìn)。圖6提供了 該濺射系統(tǒng)的示意性頂視圖。濺射系統(tǒng)102包括沉積室103和濺射靶104、106、108、 110，這些濺射靶接近磁體組112、114、116、118。用形成閉合場的磁控管之間延伸的場 線來表征產(chǎn)生在靶104、106、108、110之間的磁場。該閉合場形成了防止含等離子體區(qū) 域122內(nèi)的電子逃脫的屏障。而且，該結(jié)構(gòu)用增加的離子轟擊強(qiáng)度來促進(jìn)閉合場內(nèi)空間 中的離子化。由此，實(shí)現(xiàn)了高的離子電流密度。基底124(即，金屬板12)被保持在沿 方向Ci1旋轉(zhuǎn)的臺126上。在臺126的循環(huán)期間，擋板(Flipper) 132引起基底124圍繞方向d2轉(zhuǎn)動。當(dāng)使用系統(tǒng)102時，通過在沉積室103內(nèi)進(jìn)行離子蝕刻來有利地執(zhí)行預(yù)處理 步驟a)。在本實(shí)施例的一個變型中，石墨靶在閉合非平衡磁控場的影響下在室中被濺 射。一種有用的濺射系統(tǒng)是Teer UDP 650系統(tǒng)。石墨靶被放置在強(qiáng)磁控管上，其可以 在閉合場磁控管布置中以5A 50A的電流被濺射。濺射室中的壓力可以在IX 10_6到 1 X 10_4范圍內(nèi)，偏壓可在-400V到-20V范圍內(nèi)，脈沖寬度可以在250納秒到2000納秒 范圍內(nèi)，DC脈沖的頻率可以在400KHz到50KHz范圍內(nèi)，氬氣的流率可以在200SCCm到 20sccm范圍內(nèi)，并持續(xù)10分鐘到500分鐘的時間段。在一個改進(jìn)中，以從5nm到IOOOnm 的厚度來沉積碳膜。在另一個變型中，以從IOnm到50nm的厚度來沉積碳膜。然后，通 過使用硅氧化物靶將硅氧化物層濺射沉淀在碳層上，來形成上述硅氧化物/碳雙層。在 形成硅氧化物層之后，在相同的濺射室中有利地進(jìn)行該硅氧化物/碳雙層的活化。表1提供了沉淀在304不銹鋼(SS)基底上的硅氧化物/碳雙層的接觸電阻(CR) 和接觸角(CA)表 權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池應(yīng)用的流場板，包括具有第一表面和第二表面的金屬板，所述第一表面限定了用于引導(dǎo)第一氣態(tài)成分流 動的多個通道；置于所述金屬板的至少一部分上的碳層；和置于所述碳層的至少一部分上的硅氧化物層，以便形成硅氧化物/碳雙層。
2.如權(quán)利要求1所述的流場板，其中，所述涂覆有硅氧化物的碳層具有接觸角小于 40度的表面。
3.如權(quán)利要求1所述的流場板，其中，當(dāng)所述流場板被以200psi夾在碳紙之間時，接 觸電阻小于40mohm-cm2。
4.如權(quán)利要求1所述的流場板，其中，所述硅氧化物層被選擇性地沉積在所述通道的 多個壁上。
5.如權(quán)利要求1所述的流場板，還包括置于所述硅氧化物/碳層的至少一部分上的一 個或多個另外的硅氧化物/碳雙層。
6.如權(quán)利要求1所述的流場板，其中，所述硅氧化物層包括在量上小于所述硅氧化物 層的總重量的40%重量百分?jǐn)?shù)的碳?xì)浠衔铩?br> 7.如權(quán)利要求1所述的流場板，其中，所述硅氧化物層包括在量上小于所述硅氧化物 層的總重量的20%重量百分?jǐn)?shù)的碳?xì)浠衔铩?br> 8.如權(quán)利要求1所述的流場板，其中，所述碳層包括無定形碳或結(jié)晶碳或具有活化的 表面。
9.如權(quán)利要求8所述的流場板，其中，所述碳層具有平均每平方厘米包括至少5個孔 隙的表面。
10.—種燃料電池，包括 第一流場板，包括具有第一表面和第二表面的金屬板，所述第一表面限定了用于引導(dǎo)第一氣態(tài)成分流 動的多個通道；置于所述金屬板的至少一部分上的碳層；置于所述碳層的至少一部分上的硅氧化物層，以便形成硅氧化物/碳雙層； 置于所述第一流場板上的第一催化劑層； 置于所述第一催化劑層上的離子導(dǎo)體層； 置于所述離子導(dǎo)體層上的第二催化劑層；和 置于所述第二催化劑層上的第二流場板。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于有效水管理的碳基雙極板涂層。具體地，提供了一種用于燃料電池應(yīng)用的流場板，其包括金屬板，在該金屬板的至少一部分上置有碳層。該碳層被涂覆以硅氧化物層以形成硅氧化物/碳雙層。該硅氧化物/碳雙層可以被活化以增加親水性。該流場板被包含到燃料電池中，具有最小限度的接觸電阻增加。還提供了用于形成該流場板的方法。
文檔編號H01M4/86GK102024960SQ201010295520
公開日2011年4月20日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月22日
發(fā)明者G·V·達(dá)希奇, M·J·盧基特施 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司