用于燃料电池双极板的无定形碳涂层制造技术

本发明专利技术涉及用于燃料电池双极板的无定形碳涂层。尤其涉及用于燃料电池应用的流场板，包括金属板，在该金属板的至少一部分上沉积有非晶态碳层。该非晶态碳层包括亲水的活化表面。而且，该流场板包括在燃料电池中，对接触电阻具有最小限度的增加。还提供了用于制备该流场板的方法。

【技术实现步骤摘要】

在至少一种实施方案中，本专利技术涉及用于PEM燃料电池中的双极板。
技术介绍
燃料电池在很多应用中都用作电能来源。特别地，燃料电池计划用于汽车中代替内燃机。通常使用的燃料电池设计使用固体聚合物电解质(SPE，，)膜或质子交换膜(PEM，，)以在阳极和阴极之间提供离子移动。在质子交换膜型燃料电池中，将氬气供给阳极作为燃料，将氧气供给阴极作为氧化剂。该氧气可以是纯态形式(02)或空气形式(02和N2的混合物)。PEM燃料电池通常具有膜电极组件(MEA，，)，其中固体聚合物膜在一侧具有阳极催化剂，在相对側上具有阴极催化剂。典型PEM燃料电池的阳极和阴极层是由多孔传导性材料形成的，例如织造石墨、石墨化片材或碳纸，以使该燃料能够分散在该膜朝向燃料供给电极的表面上。各电极具有负载在碳颗粒上的细分的催化剂颗粒(例如铂颗粒)，以促进阳极处氢气的氧化和阴极处氧气的还原。质子从阳极通过离子传导聚合物膜流到阴极，在阴极处其与氧结合形成水，从电池中排出。该MEA夹在一对多孔气体扩散层(GDL，，)之间，该气体扩散层又夹在一对无孔电导性元件或板之间。该板用作阳极和阴极的集流器，并包含形成在其中的适当的通道和开口，用于将该燃料电池的气态反应物分布在阳极催化剂和阴极催化剂各自的表面上。为了有效发电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须是薄的、化学稳定的、可传送质子的、非电导性的和不透气体的。在通常应用中，燃料电池以4艮多单个燃料电池堆的阵列形式提供以提供高水平的电能。目前用于燃料电池中的该电导性板提供了多个改进燃料电池性能的机会。例如，这些金属板通常在其表面上包括了钝化的氧化物膜，其需要电导性涂层以使接触电阻最小化。这种电导性涂层包括金和聚合碳涂层。通常，这些涂层需要昂贵的设备，其增加了该成品双极板的成本。而且，在操作过程中金属双极板也会受到腐蚀。降解才几理包括从该聚合物电解质中释放氟离子。双极板的金属溶解通常导致不同氧化态的铁、铬和镍的释放。对于水管理而言，金属双极板合意地在双极寺反/7K边界处具有低接触角；即小于40。的接触角。已经提出氮化钛涂层作为双极板的防腐蚀镀层。尽管氮化钛涂层是成本有效的，但这种涂层不能对该双极板材料提供令人满意的保护。此外，氮化钛涂层显示了较低的水亲和性，接触角接近60°。因此，需要改进的方法以降低燃料电池应用中所用双极板表面处的接触电阻(contact resistance )。
技术实现思路
本专利技术通过在至少一种实施方案中提供用于燃一牛电池的流场板解决了现有技术的 一 个或多个问题。该实施方案的流场板包括金属板，其具有设置在该金属板的至少一部分上的非晶态碳层。在另一实施方案中，提供了包括上述限定的流场板的燃料电池。该燃料电池包括具有涂覆有非晶态碳膜的表面的第一流场板。第一催化剂层设置在该第 一流场板上。聚合物电解质设置在该第一流场板上，第二催化剂层设置在该聚合物电解质上。最后，第二流场板设置在该第二催化剂层上。在需要时提供气体扩散层。在另一实施方案中，提供了上述的流场板的制备方法。该方法包括在金属板上沉积非晶态碳层，随后活化该碳层表面。从下面提供的详述中，本专利技术的其他示例性实施方案将变得显而易见。应当理解该详述和特别实施例尽管公开了本专利技术的示例性实施方案，但仅用于举例说明的目的，并不用于限制本专利技术的范围。附图说明从详述和附图中，本专利技术的示例性实施方案将^到更充分的理解，其中图1A提供了结合有在单极板上的非晶态碳层的示例性实施方案的燃料电池的横截面视5图IB提供了结合有在双极板上的非晶态碳层的示例性实施方案的燃料电池的横截面视图；图2提供了涂覆有非晶态碳层的双极板通道的^黄截面视图3提供了结合有在双极板上的无定形碳层的另一示例性实施方案的燃料电池的横截面视图；图4提供了说明用于制备涂覆有非晶态碳层的双极板的示例性方法的流程图；图5是用于沉积碳层的溅射系统的示意图6 A是未经等离子体处理的碳层的扫描电子显微照片；图6B是经过等离子体处理的碳层的扫描电子显微照片；图7提供了结合有涂覆碳的双极板的燃料电池的接触电阻与压力的关系曲线图；图8提供了结合有涂覆碳的双极板的燃料电池的高频电阻(HFR)与电流密度的关系曲线图；图9提供了用于评估湿到干功率稳定性(wet-to-dry powerstability)的燃料电池堆中的三个燃料电池的曲线图。具体实施方案现在将详细涉及本专利技术目前优选的组合物(composition)、实施方案和方法，其构成了本专利技术人目前已知的实施本专利技术的最佳模式。附图无需按比例绘制。然而，应当理解所公开的实施方案仅是本专利技术的实例，所述实例可以具体体现为多种可替^f戈的形式。因此，此处乂>开的特别细节并不应当被解释为限制性的，而仅作为本专利技术的任意方面的代表性基础和/或作为用于教导本领域技术人员以多种方式使用本专利技术的代表性基础。除了在实施例中或另外清楚指出的情形以外，在本说明书中表示材料量或反应和/或应用条件的所有数值量都应理解为被词语约所修饰，在描述本专利技术的最宽范围。在给出的数值界限内的实施通常是优选的。而且，除非明确相反指出，百分比、份数和比值都以重量计；术语聚合物，，包括低聚物、共聚物和三元共聚物等；对适合或优选用于与本专利技术相关的给定目的的 一组或一类材料的描述隐含着该組或类中的任意两个或更多个成员的混合物同样是适合或优选的；对化学术语的组分的描述是指添加到说明书中指定的任意组合时的组分，并不必排除一旦混合后混合物的组分之间的化学相互作用；首字母缩略词或其他缩略语的第一次定义应用于相同缩略语在本文中的修正使用；以及，除非明确相反指出，性质的测量值是由与之前或之后针对相同性质提到的相同技术来测定的。还应当理解本专利技术并不限定于以下所述的特别实施方案和方法，因为特定的组分和/或条件当然可以改变。而且，此处所用的术语4又用于描述本专利技术的特別实施方案的目的，决不用于限制。应当注意到说明书和后附权利要求中所用的单数形式某(a)、某个(an)和该、所述(the)包括复数个指示物，除非上下文明确有另外指出。例如，对单数形式的组分的提及意于包括多个组分。在整个该申请中，其中参考了公开文献，这些公开文献的公开内容整体由此通过引用结合到本申请中以更全面地描述本专利技术涉及的现有技术。此处所用的术语平均粗糙度或平均表面粗糙度表示轮廓高度偏差(profile height deviation)的绝对值的算术平均值。该平均粗糙度可以依照ANSI B46.1测定。由此将该参考文献的全部内容通过引用结合进来。此处所用的术语非晶态碳层表示包含至少80wt。/。的碳且少于10wt。/。的该层是晶态的层。典型地，非晶态碳层包含至少90wt%的碳且少于5wt。/。的该层是晶态的。在改进中，非晶态碳层是基本上无定形碳。在本专利技术的实施方案中，提供了用于燃料电池应用中的流场板。本实施方案的流场板包括金属板，在该金属板的至少一部分上设置有非晶态碳层。本实施方案包括单极板和双极板。参照图1A和1B,提供了结合本实施方案的流场板的燃料电池的横截面示意图。燃料电池10包括流场板12、 14。典型地，流场板12、 14是由金属例如不锈钢制成的。流场板12包括表面16和表面18。表面16限定通道(channel) 20和平台(land) 本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于燃料电池应用的流场板，包括：　具有第一表面和第二表面的金属板，该第一表面限定了用于引导第一气态组合物流动的多个通道；和　设置在该金属板的至少一部分上的非晶态碳层，该非晶态碳层具有具有小于约３０度的接触角的碳层表面。

【技术特征摘要】
US 2008-7-29 12/1818641.用于燃料电池应用的流场板，包括具有第一表面和第二表面的金属板，该第一表面限定了用于引导第一气态组合物流动的多个通道；和设置在该金属板的至少一部分上的非晶态碳层，该非晶态碳层具有具有小于约30度的接触角的碳层表面。2. 根据权利要求l的流场板，其中该接触角小于20度。3. 根据权利要求l的流场板，其中该碳层掺杂有掺杂剂原子。4. 根据权利要求3的流场板，其中该掺杂剂原子是金属原子。5. 根据权利要求l的流场板，其中该非晶态碳层包含无定形碳。6. 根据权利要求1的流场板，其中该碳层包括少于约10wt。/。的晶态碳。7. 根据权利要求l的流场板，其中该碳层表面是活7化的表面。8. 根据权利要求7的流场板，其中该碳层表面包含氮或氧原子。9. 根据权利要求8的流场板，其中该碳层表面包含平均至少5个孔10. 根据权利要求8的流场板，其中该碳层具有约200 ~约1000nm的平均粗糙度。11. 根据权利要求l的流场板，其中该第二表面限定了用于引导第二气态组合物流动的多个通道。12. 根据权利要求1的流场板，其中该第二表面是第二非晶态碳层。13. 燃料电池，包括第一流场板，包括具有第一表面和第二表面的金属板，该第一表面限定了用于引导第一气态组合物流动的多个通道；和设置在该金属板的至少一部分上的非晶态碳层，该非晶态碳层具有具有小于约30度的接触角的碳层表面；设置在该笫一流场板上的第一催化...

【专利技术属性】
技术研发人员：GV达希奇，TA特拉波德，YM米克海尔，MH阿布德埃尔哈米德，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]