用于燃料电池双极板的可逆的超级亲水-超级疏水涂层及其制造方法

摘要

本发明涉及用于燃料电池双极板的可逆的超级亲水-超级疏水涂层及其制造方法。一个示例性实施例包括一种在其至少一部分上具有可逆的超级亲水-超级疏水涂层的燃料电池双极板。

说明书

技术领域

本发明总的涉及的领域包括燃料电池双极板及其制造方法。

背景技术

各种燃料电池产生作为副产物的水或使用例如质子交换膜但不限于此的膜，为了得到可接受的性能，质子交换膜必须被润湿。在工作或关闭期间水的冷凝可能导致反应气体流场或沟道被残留的水或冰阻塞。

发明内容

一个示例性实施例包括其上具有可逆的超级亲水-超级疏水涂层的燃料电池双极板。

另一个示例性实施例包括：提供具有亲水表面的燃料电池双极板，使一材料与亲水表面的至少一部分反应以将表面的一部分转变为疏水从而提供疏水部，以及氧化疏水部的至少一部分以将该部分去除并再次产生亲水表面。

另一个示例性实施例包括一种方法：提供具有形成在其上的金属氧化物层的燃料电池双极板，使金属氧化物与包括疏水烷基的材料反应以产生疏水部，以及氧化疏水部的至少一部分以将该部分去除并再生亲水表面。

本发明的另一个示例性实施例包括：提供其上具有包括氧化钛的亲水涂层的燃料电池双极板，使亲水涂层与十八烷基硅烷反应以提供疏水部，以及氧化疏水部的至少一部分以将该部分去除从而再次产生包括氧化钛的亲水层。

另一个示例性实施例包括一种燃料电池双极板，包括：与第一部分连通的反应气体集管开口，第一部分包括限定在其中的多个沟道，第一部分与反应气体流场连通，该反应气体流场具有限定在其中的多个通路；以及在至少一部分沟道上的超级亲水-超级疏水涂层。

另一个示例性实施例包括一种方法，该方法包括：提供燃料电池双极板，燃料电池双极板包括与多个沟道连通的反应气体集管开口，沟道与由反应气体流场限定的多个通路连通，反应气体流场包括多个脊部；用金属氧化物涂覆燃料电池双极板的至少一部分以产生亲水层；使n-十八烷基硅烷与亲水层反应以产生疏水硅烷基氢化物层；以及随后氧化并去除疏水硅烷基氢化物层以再次产生亲水层。

本发明的其它示例性实施例将随着此后给出的详细描述变得清楚。应理解详细描述和特定实施例虽然公开了本发明示例性的实施例，但目的仅仅是解释性的而并非有意限定本发明的范围。

本发明提供如下技术方案：技术方案1.一种产品，包括：燃料电池双极板，燃料电池双极板包括与多个沟道连通的反应气体集管开口，而沟道与由反应气体流场限定的多个通路连通，反应气体流场包括多个脊部；以及在双极板的至少一部分上的超级亲水-超级疏水涂层。技术方案2.如技术方案1中所述的产品，其中超级亲水-超级疏水涂层在限定沟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。技术方案3.如技术方案2中所述的产品，其中超级亲水-超级疏水涂层包括超级亲水组分，超级亲水组分包括金属氧化物。技术方案4.如技术方案2中所述的产品，其中超级亲水-超级疏水涂层包括超级疏水组分，超级亲水组分包括Si-R基，其中R为疏水烷基。技术方案5.如技术方案1中所述的产品，其中超级亲水-超级疏水涂层在限定通路的表面的至少一部分上，且其中涂层包括具有M-O-SiR式的材料，其中M为金属，且其中R为疏水烷基。技术方案6.如技术方案5中所述的产品，其中M为钛。技术方案7.一种方法，包括：在燃料电池双极板的至少一部分上沉积亲水涂层，双极板包括与多个沟道连通的反应气体集管开口，沟道与由反应气体流场限定的多个通路连通，反应气体流场包括多个脊部；使亲水涂层的至少一部分与包括疏水基的材料反应以提供疏水部；以及随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亲水材料。技术方案8.如技术方案7中所述的方法，其中亲水涂层包括金属氧化物。技术方案9.如技术方案7中所述的方法，其中亲水涂层包括氧化钛。技术方案10.如技术方案7中所述的方法，其中疏水材料包括疏水烷基。技术方案11.如技术方案7中所述的方法，其中疏水材料包括n-十八烷基硅烷。技术方案12.如技术方案7中所述的方法，其中亲水材料与疏水材料的反应产物包括具有Ti-O-Si-R式的材料，其中R为疏水烷基。技术方案13.如技术方案7中所述的方法，进一步包括将疏水组分的一部分暴露至UV辐照以再次产生亲水材料。技术方案14.一种方法，包括：提供燃料电池双极板，燃料电池双极板包括与多个沟道连通的反应气体集管开口，沟道与由反应气体流场限定的多个通路连通，反应气体流场包括多个脊部；用金属氧化物涂覆燃料电池双极板的至少一部分上以产生亲水层；使n-十八烷基硅烷与亲水层反应以产生疏水硅烷基氢化物层；以及随后氧化并去除疏水硅烷基氢化物层以再次产生亲水层。技术方案15.如技术方案14中所述的方法，其中燃料电池双极板包括用金涂覆的不锈钢衬底，且进一步包括在沉积亲水层之前将双极板暴露至空气等离子体以增强润湿。技术方案16.如技术方案14中所述的方法，其中亲水层通过浸渍、喷镀或刷布水溶的亲水溶液至燃料电池双极板上的至少一种被沉积。技术方案17.如技术方案14中所述的方法，其中n-十八烷基硅烷与亲水层的反应包括将其上具有亲水层的双极板浸渍在重量百分比为约0.1至约10的n-十八烷基硅烷溶剂中，以及随后干燥燃料电池双极板以产生超级疏水部。技术方案18.如技术方案14中所述的方法，其中氧化并去除疏水硅烷基氢化物层包括将硅烷基氢化物层暴露至UV辐照。技术方案19.如技术方案14中所述的方法，其中氧化并去除疏水硅烷基氢化物层包括将硅烷基氢化物层暴露至开放的空气等离子体。技术方案20.如技术方案18中所述的方法，其中UV辐照在板的表面区域上具有不同的密度以产生具有亲水性梯度的表面，或者其中亲水性在整个亲水层上变化。技术方案21.一种方法，包括：提供燃料电池双极板，燃料电池双极板包括提供亲水层的不锈钢表面，双极板包括与多个沟道连通的反应气体集管开口，沟道与由反应气体流场限定的多个通路连通，反应气体流场包括多个脊部；使n-十八烷基硅烷与亲水层反应以产生疏水硅烷基氢化物层；以及随后氧化并去除疏水硅烷基氢化物层以再次产生亲水层。

附图说明

本发明的示例性实施例将随着详细描述以及附图而被更充分地理解。

图1为示出了根据本发明的一个示例性实施例的燃料电池双极板的透视图。

图2为根据本发明的一个示例性实施例的包括多个燃料电池双极板的燃料电池组的一部分的截面图。

具体实施方式

实施例的以下描述本质上仅仅是示例性的(说明性的)而绝非有意限定本发明、其应用或使用。

现在参照图1，一个示例性实施例包括燃料电池双极板10，燃料电池双极板10包括反应气体集管11，反应气体集管11中具有用于反应气体流过的开口12。反应气体集管开口12与由第一组脊部26限定的多个沟道28连通。盖体32提供在沟道28之上。沟道28引导并汇聚反应气体通向反应气体流场14。反应气体流场由形成多个反应气体流动通路18的第二组脊部限定。沟道28的间隔典型地比通路18的间隔宽。在一个实施例中，进给口34可定位在沟道28与通路18之间。进给口作用在于能使气体均匀分布地通过双极板通路，而位于气体通路18与进给口34之间的连接双极板的阴极和阳极侧的焊接线阻止反应气体侵入冷却剂通路并阻止冷却剂侵入反应物通路18。进给口/沟道需设计成能形成焊接线。在一个示例性实施例中，双极板的一部分可包括一包括亲水材料的反应产物的层以及包括疏水基的材料以在双极板的至少一部分上提供疏水部。在一个实施例中，疏水部可覆盖包括至少通路18部分的反应气体流场，以及通向反应气体流场14的沟道28。在一个实施例中，疏水部的一部分可被氧化并去除以留下亲水组分，从而将疏水部的一部分转变为亲水表面。在一个实施例中，疏水基可为烷基。在一个实施例中，亲水组分可为金属氧化物，例如氧化钛但不限于氧化钛。在一个实施例中，疏水材料可包括但不限于n-十八烷基硅烷CH₃(CH₂)₁₆(CH₂SiH₃)。在一个实施例中，燃料电池双极板上的在氧化之前的材料包括共价M-O-Si键，其中M为金属，例如钛但不限于钛。在一个实施例中，在待涂覆疏水涂层的部分被覆盖的部位，可逆超级亲水-超级疏水涂层的使用是有利的。双极板未被覆盖的部分上的涂层可被氧化，例如通过暴露至UV光以去除疏水基并再次产生亲水表面。

本发明的一个示例性实施例包括一种方法，该方法提供用金涂覆的不锈钢燃料电池双极板并使用开放的空气等离子体清洗双极板以增强润湿。超级亲水的涂层被施加至双极板，例如通过使用浸渍、喷镀或刷布溶液至双极板上而施加基于水溶性的二氧化钛溶液并且例如使用加热枪干燥双极板以在其上形成超级亲水的涂层。双极板的超级亲水部可与包括疏水基的材料反应。例如，超级亲水双极板可被浸入约0.1至10重量百分比且优选为约5重量百分比的n-十八烷基硅烷(己烷系)溶液并快速干燥(室温下20秒)以在氧化钛表面上产生自组装单层“SAM”从而提供超级疏水的涂层。随后，通过将超级疏水涂层暴露至UV辐照以氧化并去除硅疏水部分并再次产生氧化钛，从而可选择性地再生超级亲水区。

在一个实施例中，亲水涂层沉积在沟道28和通路18上。随后，疏水材料与疏水涂层反应并接合至疏水涂层以在燃料电池双极板的至少一部分上形成疏水部。疏水部可覆盖限定沟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。随后，通路上的疏水部被氧化，例如通过UV辐照以去除疏水组分而留下亲水组分(例如氧化钛)。最终的燃料电池双极板包括沟道上的疏水部以及通路上的亲水部。在沟道28上留下疏水部提供了在关闭期间有利于从通路至集管清除液体水的优点，且最终实现了冷冻条件下较短的启动时间，因为消除了通路中冰的形成，使得反应气体能到达用于燃料电池动力的电极。

图2示出了燃料电池组40的一部分，包括多个燃料电池双极板10，燃料电池双极板10包括由多个脊部16和通路18限定的反应气体流场。超级亲水-超级疏水涂层42可沉积在燃料电池双极板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沟道28的表面的至少一部分上。随后，在通路表面19上的超级亲水-超级疏水涂层可暴露至UV光以去除疏水组分并再次产生亲水涂层102。纺织品部分44可夹在双极板10之间。纺织品部分44可包括例如质子交换膜的膜46，质子交换膜包括离子交联聚合物。阳极48和阴极50可沉积在膜46相对的面上。阴极和阳极可包括催化剂，催化剂可被支撑且可包括离子交联聚合物(例如在碳粒子上)或不被支撑。第一气体扩散介质层52可提供在阳极48上且类似地第二气体扩散介质层56可提供在阴极50上。气体扩散介质层42、54可包括但不限于以多孔纸、垫或毡的形式存在的多个纤维以有利于反应气体从双极板10的通路18分别扩散至阳极48和阴极50。可选地，第一微孔层56可提供在第一气体扩散介质层52与阳极48之间。类似地，第二微孔层58可提供在第二气体扩散介质层54与阴极50之间。微孔层56、58可构造或配置成控制通过纺织品部分的水流动。在一个示例性实施例中，微孔层56和58可包括通过聚四氟乙烯结合在一起的多个碳粒子。一个或多个衬垫104可用于密封。

另一个示例性实施例可包括一种方法，该方法包括提供燃料电池双极板，燃料电池双极板包括与多个沟道连通的反应气体集管开口，沟道与由反应气体流场限定的多个通路连通，反应气体流场包括多个脊部；使用金属氧化物涂覆燃料电池双极板的至少一部分以产生亲水层；使n-十八烷基硅烷与亲水层反应以产生疏水硅烷基氢化物层；以及随后氧化并去除疏水硅烷基氢化物层以再次产生亲水层，其中氧化并去除疏水硅烷基氢化物层包括将硅烷基氢化物层暴露至开放的空气等离子体。

另一个示例性实施例可包括一种方法，该方法包括提供燃料电池双极板，燃料电池双极板包括与多个沟道连通的反应气体集管开口，沟道与由反应气体流场限定的多个通路连通，反应气体流场包括多个脊部；使用金属氧化物涂覆燃料电池双极板的至少一部分以产生亲水层；使n-十八烷基硅烷与亲水层反应以产生疏水硅烷基氢化物层；以及随后氧化并去除疏水硅烷基氢化物层以再次产生亲水层，其中氧化并去除疏水硅烷基氢化物层包括将硅烷基氢化物层暴露至UV辐照，其中UV辐照在板表面区域上具有不同的密度，产生表面亲水性/疏水性的空间梯度，其中亲水性/疏水性的量级在整个板表面上变化。

另一个示例性实施例可包括一种方法，该方法包括提供燃料电池双极板，燃料电池双极板包括提供疏水层的不锈钢表面，双极板包括与多个沟道连通的反应气体集管开口，沟道与由反应气体流场限定的多个通路连通，反应气体流场包括多个脊部；使n-十八烷基硅烷与亲水层反应以产生疏水硅烷基氢化物层；以及随后氧化并去除疏水硅烷基氢化物层以再次产生亲水层。

本发明的实施例以上描述本质上仅仅是示例性的，并因此其各种变形不应视为脱离本发明的精神和范围。