專利名稱：用于燃料電池雙極板的可逆的超級親水-超級疏水涂層及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明總的涉及的領域包括燃料電池雙極板及其制造方法。
背景技術：
各種燃料電池產生作為副產物的水或使用例如質子交換膜但不限于此的膜，為了得到可接受的性能，質子交換膜必須被潤濕。在工作或關閉期間水的冷凝可能導致反應氣體流場或溝道被殘留的水或冰阻塞。

發(fā)明內容
一個示例性實施例包括其上具有可逆的超級親水-超級疏水涂層的燃料電池雙極板。另一個示例性實施例包括提供具有親水表面的燃料電池雙極板，使一材料與親水表面的至少一部分反應以將表面的一部分轉變?yōu)槭杷畯亩峁┦杷?，以及氧化疏水部的至少一部分以將該部分去除并再次產生親水表面。另一個示例性實施例包括一種方法提供具有形成在其上的金屬氧化物層的燃料電池雙極板，使金屬氧化物與包括疏水烷基的材料反應以產生疏水部，以及氧化疏水部的至少一部分以將該部分去除并再生親水表面。本發(fā)明的另一個示例性實施例包括提供其上具有包括氧化鈦的親水涂層的燃料電池雙極板，使親水涂層與十八烷基硅烷反應以提供疏水部，以及氧化疏水部的至少一部分以將該部分去除從而再次產生包括氧化鈦的親水層。另一個示例性實施例包括一種燃料電池雙極板，包括與第一部分連通的反應氣體集管開口，第一部分包括限定在其中的多個溝道，第一部分與反應氣體流場連通，該反應氣體流場具有限定在其中的多個通路；以及在至少一部分溝道上的超級親水-超級疏水涂層。另一個示例性實施例包括一種方法，該方法包括提供燃料電池雙極板，燃料電池雙極板包括與多個溝道連通的反應氣體集管開口，溝道與由反應氣體流場限定的多個通路連通，反應氣體流場包括多個脊部；用金屬氧化物涂覆燃料電池雙極板的至少一部分以產生親水層；使η-十八烷基硅烷與親水層反應以產生疏水硅烷基氫化物層；以及隨后氧化并去除疏水硅烷基氫化物層以再次產生親水層。本發(fā)明的其它示例性實施例將隨著此后給出的詳細描述變得清楚。應理解詳細描述和特定實施例雖然公開了本發(fā)明示例性的實施例，但目的僅僅是解釋性的而并非有意限定本發(fā)明的范圍。本發(fā)明提供如下技術方案技術方案1. 一種產品，包括燃料電池雙極板，燃料電池雙極板包括與多個溝道連通的反應氣體集管開口，而溝道與由反應氣體流場限定的多個通路連通，反應氣體流場包括多個脊部；以及在雙極板的至少一部分上的超級親水-超級疏水涂層。技術方案2.如技術方案1中所述的產品，其中超級親水-超級疏水涂層在限定溝道的表面的至少一部分上以及限定通路的表面的至少一部分上。技術方案3.如技術方案2中所述的產品，其中超級親水-超級疏水涂層包括超級親水組分，超級親水組分包括金屬氧化物。技術方案4.如技術方案2中所述的產品，其中超級親水-超級疏水涂層包括超級疏水組分，超級親水組分包括Si-R基，其中R為疏水烷基。技術方案5.如技術方案1中所述的產品，其中超級親水-超級疏水涂層在限定通路的表面的至少一部分上，且其中涂層包括具有M-O-SiR式的材料，其中M為金屬，且其中R為疏水烷基。技術方案6.如技術方案5中所述的產品，其中M為鈦。技術方案7. —種方法，包括在燃料電池雙極板的至少一部分上沉積親水涂層，雙極板包括與多個溝道連通的反應氣體集管開口，溝道與由反應氣體流場限定的多個通路連通，反應氣體流場包括多個脊部；使親水涂層的至少一部分與包括疏水基的材料反應以提供疏水部；以及隨后去除疏水部的至少一部分，去除疏水部的至少一部分包括氧化疏水基以留下親水材料。技術方案8.如技術方案7中所述的方法，其中親水涂層包括金屬氧化物。技術方案9.如技術方案7中所述的方法，其中親水涂層包括氧化鈦。技術方案10.如技術方案7中所述的方法，其中疏水材料包括疏水烷基。技術方案11.如技術方案7中所述的方法，其中疏水材料包括η-十八烷基硅烷。技術方案12.如技術方案7中所述的方法，其中親水材料與疏水材料的反應產物包括具有Ti-O-Si-R式的材料，其中R為疏水烷基。技術方案13.如技術方案7中所述的方法，進一步包括將疏水組分的一部分暴露至UV輻照以再次產生親水材料。技術方案14. 一種方法，包括提供燃料電池雙極板，燃料電池雙極板包括與多個溝道連通的反應氣體集管開口，溝道與由反應氣體流場限定的多個通路連通，反應氣體流場包括多個脊部；用金屬氧化物涂覆燃料電池雙極板的至少一部分上以產生親水層；使η-十八烷基硅烷與親水層反應以產生疏水硅烷基氫化物層；以及隨后氧化并去除疏水硅烷基氫化物層以再次產生親水層。技術方案15.如技術方案14中所述的方法，其中燃料電池雙極板包括用金涂覆的不銹鋼襯底，且進一步包括在沉積親水層之前將雙極板暴露至空氣等離子體以增強潤濕。技術方案16.如技術方案 14中所述的方法，其中親水層通過浸漬、噴鍍或刷布水溶的親水溶液至燃料電池雙極板上的至少一種被沉積。技術方案17.如技術方案14中所述的方法，其中η-十八烷基硅烷與親水層的反應包括將其上具有親水層的雙極板浸漬在重量百分比為約0. 1至約10的η-十八烷基硅烷溶劑中，以及隨后干燥燃料電池雙極板以產生超級疏水部。技術方案18.如技術方案14中所述的方法，其中氧化并去除疏水硅烷基氫化物層包括將硅烷基氫化物層暴露至UV輻照。技術方案19.如技術方案14中所述的方法，其中氧化并去除疏水硅烷基氫化物層包括將硅烷基氫化物層暴露至開放的空氣等離子體。技術方案20.如技術方案18中所述的方法，其中UV輻照在板的表面區(qū)域上具有不同的密度以產生具有親水性梯度的表面，或者其中親水性在整個親水層上變化。技術方案21. —種方法，包括提供燃料電池雙極板，燃料電池雙極板包括提供親水層的不銹鋼表面，雙極板包括與多個溝道連通的反應氣體集管開口，溝道與由反應氣體流場限定的多個通路連通，反應氣體流場包括多個脊部； 使η-十八烷基硅烷與親水層反應以產生疏水硅烷基氫化物層；以及隨后氧化并去除疏水硅烷基氫化物層以再次產生親水層。


本發(fā)明的示例性實施例將隨著詳細描述以及附圖而被更充分地理解。圖1為示出了根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的燃料電池雙極板的透視圖。圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的包括多個燃料電池雙極板的燃料電池組的一部分的截面圖。
具體實施例方式實施例的以下描述本質上僅僅是示例性的(說明性的)而絕非有意限定本發(fā)明、 其應用或使用。
現(xiàn)在參照圖1，一個示例性實施例包括燃料電池雙極板10，燃料電池雙極板10包括反應氣體集管11，反應氣體集管11中具有用于反應氣體流過的開口 12。反應氣體集管開口 12與由第一組脊部沈限定的多個溝道觀連通。蓋體32提供在溝道觀之上。溝道 28引導并匯聚反應氣體通向反應氣體流場14。反應氣體流場由形成多個反應氣體流動通路18的第二組脊部限定。溝道觀的間隔典型地比通路18的間隔寬。在一個實施例中，進給口 34可定位在溝道28與通路18之間。進給口作用在于能使氣體均勻分布地通過雙極板通路，而位于氣體通路18與進給口 34之間的連接雙極板的陰極和陽極側的焊接線阻止反應氣體侵入冷卻劑通路并阻止冷卻劑侵入反應物通路18。進給口 /溝道需設計成能形成焊接線。在一個示例性實施例中，雙極板的一部分可包括一包括親水材料的反應產物的層以及包括疏水基的材料以在雙極板的至少一部分上提供疏水部。在一個實施例中，疏水部可覆蓋包括至少通路18部分的反應氣體流場，以及通向反應氣體流場14的溝道觀。在一個實施例中，疏水部的一部分可被氧化并去除以留下親水組分，從而將疏水部的一部分轉變?yōu)橛H水表面。在一個實施例中，疏水基可為烷基。在一個實施例中，親水組分可為金屬氧化物，例如氧化鈦但不限于氧化鈦。在一個實施例中，疏水材料可包括但不限于η-十八烷基硅烷CH3(CH2)16(CH2SiH3)。在一個實施例中，燃料電池雙極板上的在氧化之前的材料包括共價M-O-Si鍵，其中M為金屬，例如鈦但不限于鈦。在一個實施例中，在待涂覆疏水涂層的部分被覆蓋的部位，可逆超級親水-超級疏水涂層的使用是有利的。雙極板未被覆蓋的部分上的涂層可被氧化，例如通過暴露至UV光以去除疏水基并再次產生親水表面。本發(fā)明的一個示例性實施例包括一種方法，該方法提供用金涂覆的不銹鋼燃料電池雙極板并使用開放的空氣等離子體清洗雙極板以增強潤濕。超級親水的涂層被施加至雙極板，例如通過使用浸漬、噴鍍或刷布溶液至雙極板上而施加基于水溶性的二氧化鈦溶液并且例如使用加熱槍干燥雙極板以在其上形成超級親水的涂層。雙極板的超級親水部可與包括疏水基的材料反應。例如，超級親水雙極板可被浸入約0. 1至10重量百分比且優(yōu)選為約5重量百分比的η-十八烷基硅烷(己烷系)溶液并快速干燥(室溫下20秒)以在氧化鈦表面上產生自組裝單層“SAM”從而提供超級疏水的涂層。隨后，通過將超級疏水涂層暴露至UV輻照以氧化并去除硅疏水部分并再次產生氧化鈦，從而可選擇性地再生超級親水區(qū)。在一個實施例中，親水涂層沉積在溝道28和通路18上。隨后，疏水材料與疏水涂層反應并接合至疏水涂層以在燃料電池雙極板的至少一部分上形成疏水部。疏水部可覆蓋限定溝道的表面的至少一部分以及限定通路的表面的至少一部分。隨后，通路上的疏水部被氧化，例如通過UV輻照以去除疏水組分而留下親水組分(例如氧化鈦)。最終的燃料電池雙極板包括溝道上的疏水部以及通路上的親水部。在溝道觀上留下疏水部提供了在關閉期間有利于從通路至集管清除液體水的優(yōu)點，且最終實現(xiàn)了冷凍條件下較短的啟動時間，因為消除了通路中冰的形成，使得反應氣體能到達用于燃料電池動力的電極。圖2示出了燃料電池組40的一部分，包括多個燃料電池雙極板10，燃料電池雙極板10包括由多個脊部16和通路18限定的反應氣體流場。超級親水-超級疏水涂層42可沉積在燃料電池雙極板10的至少一部分上，例如在限定通路18的表面19的至少一部分上以及在限定溝道觀的表面的至少一部分上。隨后，在通路表面19上的超級親水-超級疏水涂層可暴露至UV光以去除疏水組分并再次產生親水涂層102。紡織品部分44可夾在雙極板10之間。紡織品部分44可包括例如質子交換膜的膜46，質子交換膜包括離子交聯(lián)聚合物。陽極48和陰極50可沉積在膜46相對的面上。陰極和陽極可包括催化劑，催化劑可被支撐且可包括離子交聯(lián)聚合物(例如在碳粒子上)或不被支撐。第一氣體擴散介質層52 可提供在陽極48上且類似地第二氣體擴散介質層56可提供在陰極50上。氣體擴散介質層4254可包括但不限于以多孔紙、墊或氈的形式存在的多個纖維以有利于反應氣體從雙極板10的通路18分別擴散至陽極48和陰極50?？蛇x地，第一微孔層56可提供在第一氣體擴散介質層52與陽極48之間。類似地，第二微孔層58可提供在第二氣體擴散介質層M 與陰極50之間。微孔層56、58可構造或配置成控制通過紡織品部分的水流動。在一個示例性實施例中，微孔層56和58可包括通過聚四氟乙烯結合在一起的多個碳粒子。一個或多個襯墊104可用于密封。另一個示例性實施例可包括一種方法，該方法包括提供燃料電池雙極板，燃料電池雙極板包括與多個溝道連通的反應氣體集管開口，溝道與由反應氣體流場限定的多個通路連通，反應氣體流場包括多個脊部；使用金屬氧化物涂覆燃料電池雙極板的至少一部分以產生親水層；使η-十八烷基硅烷與親水層反應以產生疏水硅烷基氫化物層；以及隨后氧化并去除疏水硅烷基氫化物層以再次產生親水層，其中氧化并去除疏水硅烷基氫化物層包括將硅烷基氫化物層暴露至開放的空氣等離子體。另一個示例性實施例可包括一種方法，該方法包括提供燃料電池雙極板，燃料電池雙極板包括與多個溝道連通的反應氣體集管開口，溝道與由反應氣體流場限定的多個通路連通，反應氣體流場包括多個脊部；使用金屬氧化物涂覆燃料電池雙極板的至少一部分以產生親水層；使η-十八烷基硅烷與親水層反應以產生疏水硅烷基氫化物層；以及隨后氧化并去除疏水硅烷基氫化物層以再次產生親水層，其中氧化并去除疏水硅烷基氫化物層包括將硅烷基氫化物層暴露至UV輻照，其中UV輻照在板表面區(qū)域上具有不同的密度，產生表面親水性/疏水性的空間梯度，其中親水性/疏水性的量級在整個板表面上變化。另一個示例性實施例可包括一種方法，該方法包括提供燃料電池雙極板，燃料電池雙極板包括提供疏水層的不銹鋼表面，雙極板包括與多個溝道連通的反應氣體集管開口，溝道與由反應氣體流場限定的多個通路連通，反應氣體流場包括多個脊部；使η-十八烷基硅烷與親水層反應以產生疏水硅烷基氫化物層；以及隨后氧化并去除疏水硅烷基氫化物層以再次產生親水層。本發(fā)明的實施例以上描述本質上僅僅是示例性的，并因此其各種變形不應視為脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權利要求
1.一種產品，包括燃料電池雙極板，燃料電池雙極板包括與多個溝道連通的反應氣體集管開口，而溝道與由反應氣體流場限定的多個通路連通，反應氣體流場包括多個脊部；以及在雙極板的至少一部分上的超級親水-超級疏水涂層。
2.如權利要求1中所述的產品，其中超級親水-超級疏水涂層在限定溝道的表面的至少一部分上以及限定通路的表面的至少一部分上。
3.如權利要求1中所述的產品，其中超級親水-超級疏水涂層在限定通路的表面的至少一部分上，且其中涂層包括具有M-O-SiR式的材料，其中M為金屬，且其中R為疏水烷基。
4.一種方法，包括在燃料電池雙極板的至少一部分上沉積親水涂層，雙極板包括與多個溝道連通的反應氣體集管開口，溝道與由反應氣體流場限定的多個通路連通，反應氣體流場包括多個脊部； 使親水涂層的至少一部分與包括疏水基的材料反應，以提供疏水部，且隨后去除疏水部的至少一部分，去除疏水部的至少一部分包括氧化疏水基以留下親水材料。
5.一種方法，包括提供燃料電池雙極板，燃料電池雙極板包括與多個溝道連通的反應氣體集管開口，溝道與由反應氣體流場限定的多個通路連通，反應氣體流場包括多個脊部；使用金屬氧化物涂覆燃料電池雙極板的至少一部分以產生親水層；使η-十八烷基硅烷與親水層反應以產生疏水硅烷基氫化物層；以及隨后氧化并去除疏水硅烷基氫化物層以再次產生親水層。
6.如權利要求5中所述的方法，其中燃料電池雙極板包括用金涂覆的不銹鋼襯底，且進一步包括在沉積親水層之前將雙極板暴露至空氣等離子體以增強潤濕。
7.如權利要求5中所述的方法，其中親水層通過浸漬、噴鍍或刷布水溶的親水溶液至燃料電池雙極板上的至少一種被沉積。
8.如權利要求5中所述的方法，其中η-十八烷基硅烷與親水層的反應包括將其上具有親水層的雙極板浸漬在η-十八烷基硅烷的重量百分比為約0. 1至約10的溶劑中，且隨后干燥燃料電池雙極板以產生超級疏水部。
9.如權利要求5中所述的方法，其中氧化并去除疏水硅烷基氫化物層包括將硅烷基氫化物層暴露至UV輻照。
10.一種方法，包括提供燃料電池雙極板，燃料電池雙極板包括提供親水層的不銹鋼表面，雙極板包括與多個溝道連通的反應氣體集管開口，溝道與由反應氣體流場限定的多個通路連通，反應氣體流場包括多個脊部；使η-十八烷基硅烷與親水層反應以產生疏水硅烷基氫化物層；以及隨后氧化并去除疏水硅烷基氫化物層以再生親水層。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于燃料電池雙極板的可逆的超級親水-超級疏水涂層及其制造方法。一個示例性實施例包括一種在其至少一部分上具有可逆的超級親水-超級疏水涂層的燃料電池雙極板。
文檔編號H01M4/88GK102157739SQ20111003802
公開日2011年8月17日 申請日期2011年1月7日 優(yōu)先權日2010年1月8日
發(fā)明者埃爾哈米德 M·H·阿布德, R·H·布倫克 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責任公司