提高PEM燃料电池双极板的导电碳涂层的耐久性的方法

摘要

本发明涉及提高PEM燃料电池双极板的导电碳涂层的耐久性的方法。具体地，提供了一种燃料电池部件，其包括由二氧化钛和离聚物的纳米纤维材料制造的电极支撑材料。双极板不锈钢基底和掺杂有选自由铂、铱、钌、金、钯、和它们的组合组成的组中的金属的含碳层。

权利要求

1.一种燃料电池部件，包括：

电极，其具有包含了二氧化钛纳米管和离子传导离聚物纳米管的非碳支撑材料。

2.如权利要求1所述的燃料电池部件，其中，所述二氧化钛纳米管的直径是20-100nm，且长度是50-500nm。

3.如权利要求1所述的燃料电池部件，其中，所述离子传导离聚物纳米管的直径是

20-500nm，且长度是50-1000nm。

4.如权利要求1所述的燃料电池部件，其中，所述二氧化钛纳米管和所述离子传导离聚物纳米管是相互分散的。

5.如权利要求1所述的燃料电池部件，其中，所述二氧化钛纳米管和所述离子传导离聚物纳米管是相互分散的，包括占纳米管总数的20％到70％的二氧化钛纳米管。

6.如权利要求1所述的燃料电池部件，其中，所述二氧化钛纳米管和所述离子传导离聚物纳米管是相互分散的，包括占纳米管总数的20％到70％的离子传导离聚物纳米管。

7.如权利要求1所述的燃料电池部件，其中，所述二氧化钛纳米管和所述离子传导离聚物纳米管接触所述燃料电池部件的基底。

8.如权利要求7所述的燃料电池部件，其中，所述基底是离子传导聚合物层。

9.如权利要求1所述的燃料电池部件，其中，所述离聚物包括选自由以下各项所组成的组中的组分，所述各项包括：全氟磺酸离聚物、磺化聚三氟苯乙烯、磺化烃聚合物、聚酰亚胺、聚偏二氟乙烯、聚苯并咪唑、聚砜、聚醚砜、聚醚酮、聚亚苯基硫化物、聚亚苯基氧化物、聚膦腈、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚酯、以及它们的组合。

说明书

提高PEM燃料电池双极板的导电碳涂层的耐久性的方法

技术领域

[0001] 在至少一个实施例中，本发明涉及燃料电池部件，且特别地，涉及燃料电池中的流场板和催化剂层。

背景技术

[0002] 在许多应用中燃料电池都被用作电源。特别地，燃料电池被建议用在汽车中以替代内燃机。常用的燃料电池设计利用固体聚合物电解质(“SPE”)膜或质子交换膜(“PEM”)来提供阳极和阴极之间的离子传输。

[0003] 在质子交换膜型燃料电池中，氢被供应到阳极作为燃料，氧被供应到阴极作为氧化剂。氧可以是纯氧(O2)或空气(O2和N2的混合物)。PEM燃料电池通常具有膜电极组件(“MEA”)，在膜电极组件中，固体聚合物膜在一面上具有阳极催化剂，并且在相对的面上具有阴极催化剂。典型PEM燃料电池的阳极层和阴极层都由例如石墨织物、石墨化片材、或碳纸之类的多孔导电材料形成，以使燃料能分散在该膜面对燃料供应电极的表面上。每个电极均具有细碎的、被支撑在碳颗粒上的催化剂颗粒(例如，铂颗粒)，以促进氢在阳极处的氧化以及氧在阴极处的还原。质子从阳极通过离子传导聚合物膜流动到阴极，质子在阴极与氧结合形成水，该水从电池排出。MEA夹在一对多孔气体扩散层(“GDL”)之间，而该对多孔气体扩散层又夹在一对无孔的导电元件或板(即，流场板)之间。所述板起到用于阳极和阴极的电流收集器的作用，并包含形成在其中的合适的槽道和开口，以用于将燃料电池的气体反应物分配到相应阳极和阴极催化剂的表面上。为了有效地产生电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须：薄、化学稳定、能传输质子、不导电且不透气。在典型应用中，燃料电池以许多独立的燃料电池堆的阵列的方式提供，以提供高的电力电平。

[0004] 燃料电池中目前所用的导电板提供了许多提高燃料电池性能的机会。例如，这些金属板通常在它们需要导电涂层的表面上包括有钝氧化物膜(passive oxide film)，以使接触电阻最小化。这样的导电涂层包括金和聚合碳涂层。通常，这些涂层需要昂贵的设备，这增加了终加工的双极板的成本。而且，金属双极板在运行过程中也会遭受腐蚀。降解机制包括从聚合物电解质释放氟离子。双极板的金属溶解通常导致铁、铬和镍离子以各种氧化状态的释放。

[0005] 目前，燃料电池中使用的催化剂层由液体成分制造，该液体成分包括所支撑的催化剂和离聚物。虽然这些方法工作良好，但由于使用液体成分所带来的制造限制，所以改进是必需的。因此，期望用于电极的新材料，该材料可用作具有高性能和耐久性的催化剂支撑材料。

[0006] 因此，需要一种改进的方法来降低在燃料电池应用中使用的双极板表面处的接触电阻并制造催化剂层。

发明内容

[0007] 本发明通过在至少一个实施例中提供燃料电池部件解决了现有技术的一个或多个问题。所述燃料电池部件包括基底和掺杂有金属的含碳层，该金属选自由铂、铱、钌、金、2 3
钯、和它们的组合所组成的组。其特征在于，含碳层在含碳膜中的sp 杂化碳与sp 杂化碳的比率是从约0.8到约4。有利地，该含碳层与掺杂有诸如钛和铬之类的其它金属的含碳层相比具有改善的抗腐蚀性。

[0008] 在另一实施例中，提供了用于燃料电池应用的催化剂层。该催化剂层包括含碳成分和离聚物成分。含碳成分掺杂有选自由铂、铱、钌、金、钯、和它们的组合所组成的组的金属。

[0009] 在另一实施例中，配制了催化剂支撑材料。该催化剂支撑部包括紧密接触的、限定成分的离聚物材料和二氧化钛制成的纳米管的混合阵列。

[0010] 在又一个实施例中，提供了用于燃料电池应用的流场板。该燃料电池板包括具有第一表面和第二表面的金属板。第一表面限定用于引导第一气体成分流动的多个槽道。该流场板还包括设置在金属板的至少一部分上的含碳层。该含碳层掺杂有选自由铂、铱、钌、2 3
金、钯、和它们的组合所组成的组中的金属。而且，含碳层在含碳膜中的sp 杂化碳与sp 杂化碳的比率是从约0.8到约4。

[0011] 本发明的其它示例性实施例将从下面提供的详细描述中变得显而易见。应当理解，详细描述和具体示例虽然公开了本发明的示例性实施例，但仅意图用于说明之目的，而并不意在对本发明的范围进行限制。

[0012] 本发明还提供了以下方案：

[0013] 方案1.一种燃料电池部件，包括：

[0014] 电极，其具有包含了二氧化钛纳米管和离子传导离聚物纳米管的非碳支撑材料。

[0015] 方案2.如方案1所述的燃料电池部件，其中，所述二氧化钛纳米管的直径是20-100nm，且长度是50-500nm。

[0016] 方案3.如方案1所述的燃料电池部件，其中，全氟磺酸离聚物纳米管的直径是20-500nm，且长度是50-1000nm。

[0017] 方案4.如方案1所述的燃料电池部件，其中，所述二氧化钛纳米管和全氟磺酸离聚物纳米管是相互分散的。

[0018] 方案5.如方案1所述的燃料电池部件，其中，所述二氧化钛纳米管和全氟磺酸离聚物纳米管是相互分散的，所述纳米管包括从约20％到约70％的二氧化钛纳米管。

[0019] 方案6.如方案1所述的燃料电池部件，其中，所述二氧化钛纳米管和全氟磺酸离聚物纳米管是相互分散的，所述纳米管包括从约20％到约70％的全氟磺酸纳米管。

[0020] 方案7.如方案1所述的燃料电池部件，其中，所述二氧化钛纳米管和全氟磺酸离聚物纳米管接触基底。

[0021] 方案8.如方案7所述的燃料电池部件，其中，所述基底是离子传导聚合物层。

[0022] 方案9.如方案1所述的燃料电池部件，其中，所述离聚物包括选自由以下各项所组成的组中的组分，所述各项包括：全氟磺酸离聚物、磺化聚三氟苯乙烯、磺化烃聚合物、聚酰亚胺、聚偏二氟乙烯、聚苯并咪唑、聚砜、聚醚砜、聚醚酮、聚亚苯基硫化物、聚亚苯基氧化物、聚膦腈、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚酯、以及它们的组合。

[0023] 方案10.一种燃料电池部件，包括：

[0024] 基底；以及

[0025] 设置在所述基底上的含碳层，所述含碳层掺杂有选自由铂、铱、钌、金、钯、和它们2 3
的组合所组成的组中的金属，所述含碳层具有从约0.8到约4的sp 杂化碳对sp 杂化碳比率。

[0026] 方案11.如方案10所述的燃料电池部件，其中，所述含碳层具有与水的接触角小于约30度的表面。

[0027] 方案12.如方案10所述的燃料电池部件，其中，所述接触角小于20度。

[0028] 方案13.如方案10所述的燃料电池部件，其中，所述基底具有离子传导聚合物层，且所述燃料电池部件是催化剂层。

[0029] 方案14.如方案13所述的燃料电池部件，其中，所述含碳层还包括离聚物。

[0030] 方案15.如方案14所述的燃料电池部件，其中，所述离聚物包括选自由以下各项所组成的组中的组分，所述各项包括：全氟磺酸离聚物、磺化聚三氟苯乙烯、磺化烃聚合物、聚酰亚胺、聚偏二氟乙烯、聚苯并咪唑、聚砜、聚醚砜、聚醚酮、聚亚苯基硫化物、聚亚苯基氧化物、聚膦腈、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚酯、以及它们的组合。

[0031] 方案16.如方案10所述的燃料电池部件，其中，所述离聚物包括全氟磺酸纳米管或丝。

[0032] 方案17.一种用于燃料电池的催化剂层，所述催化剂层包括：

[0033] 含碳成分，其掺杂有选自由铂、铱、钌、金、钯、和它们的组合组成的组中的金属；以及

[0034] 离聚物成分。

[0035] 方案18.如方案17所述的催化剂层，其中，所述离聚物成分包括选自由以下各项所组成的组中的组分，所述各项包括：全氟磺酸离聚物、磺化聚三氟苯乙烯、磺化烃聚合物、聚酰亚胺、聚偏二氟乙烯、聚苯并咪唑、聚砜、聚醚砜、聚醚酮、聚亚苯基硫化物、聚亚苯基氧化物、聚膦腈、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚酯、以及它们的组合。

[0036] 方案19.如方案17所述的催化剂层，其中，所述离聚物成分包括全氟磺酸纳米管或丝。

[0037] 方案20.如方案17所述的催化剂层，其中，所述含碳成分具有从约0.8到约4的2 3
sp 杂化碳对sp 杂化碳比率。

[0038] 方案21.如方案17所述的催化剂层，其中，所述离聚物成分包括疏水域和亲水域。

[0039] 方案22.如方案17所述的催化剂层，其中，所述离聚物的含量是从约30-50wt％。

[0040] 方案23.一种用于燃料电池应用的流场板，包括：

[0041] 具有第一表面和第二表面的金属板，所述第一表面限定用于引导第一气体成分流动的多个槽道；以及

[0042] 设置在所述金属板的至少一部分上的含碳层，所述含碳层掺杂有选自由铂、铱、2
钌、金、钯、和它们的组合组成的组中的金属，所述含碳层具有从约0.8到约4的sp 杂化碳
3
对sp 杂化碳比率。

[0043] 方案24.如方案23所述的流场板，其中，所述含碳层具有与水的接触角小于30度的表面。

[0044] 方案25.如方案24所述的流场板，其中，所述接触角小于20度。

[0045] 方案26.一种阴极流场板，其包括如方案23所述的流场板。

附图说明

[0046] 从详细描述和附图，本发明的示例性实施例将得以更充分的理解，在附图中：

[0047] 图1是结合了本发明实施例的双极板的燃料电池的立体图；

[0048] 图2A提供了在单极板上结合了含碳层的示例性实施例的燃料电池的截面图；

[0049] 图2B提供了在双极板上结合了含碳层的示例性实施例的燃料电池的截面视图；

[0050] 图3提供了涂覆有含碳层的双极板槽道的截面视图；

[0051] 图4提供了在双极板上结合有含碳层的另一示例性实施例的燃料电池的截面视图；

[0052] 图5提供了可用作燃料电池催化剂的含碳层的示意图；

[0053] 图6提供了示出了用于制造涂覆有含碳层的双极板的示例性方法的流程图；以及[0054] 图7是用于沉积含碳层的溅射系统的示意图。

具体实施方式

[0055] 现在具体参照本发明目前优选的成分、实施例和方法，这些构成发明人目前已知的实施本发明的最佳模式。这些附图不必是按比例的。然而，应当理解的是，所公开的实施例仅仅是本发明的示例性实施例，本发明可以以多种形式或替代形式实现。因此，本文公开的具体细节不被解释为具有限定性，而是仅解释为对本发明任何方面的代表性基础，和/或解释为教导本领域技术人员以各种方式利用本发明的代表性基础。

[0056] 除了在实例中或在以其他方式明确指示的地方，否则本说明书中指示材料量或指示反应和/或使用条件的数量都应理解为用措词“大约”以描述本发明最大范围的方式进行了修饰。通常优选在所陈述的数字界限内进行实施。而且，除非明确地进行相反的陈述，否则百分比、“一部分”、和比率的值都是按重量计；术语“聚合物”包括“低聚物”、“共聚物”、“三元共聚物”等；将一组或一类材料针对与本发明相关的给定目的而描述为“适合的”或“优选的”暗示着，该组或该类中的任意两种或多种成员的混合物也是同样适合的或优选的；对化学术语中的组分的描述涉及在向说明书中指定的任何组合物进行添加时的组分，且不必排除一旦混合之后混合物组分之间的化学反应；对首字母缩略词或其它缩写的第一次定义适用于本文中对相同缩写的所有后续使用，并且做必要的修正后适用于初始定义的缩写的正常语法变型；并且，除非有明确的相反陈述，否则对性质的测量由针对该相同性质在之前或之后参考的相同技术确定。

[0057] 还应理解，本发明不限于以下描述的具体实施例和方法，因为具体部件和/或条件可以理所当然地改变。而且，本文所使用的术语仅用于描述本发明的特定实施例的目的，并不意图以任何方式限制本发明。

[0058] 还应注意到，如在说明书和所附的权利要求中所使用的，单数形式“一个”和“该”包括复数的所提及对象，除非上下文中清楚地作了其它指示。例如，以单数形式提及一个部件意在也包括多个该部件。

[0059] 在引用了多篇公开出版物的本申请中，这些公开出版物的全部公开内容通过引用并入本文，以更加全面地描述本发明所属领域的技术现状。

[0060] 术语“纳米管”用于定义直径为20-500nm且长度为50-1000nm的管。

[0061] 术语“二氧化钛纳米管”指的是二氧化钛制的纳米管，这些纳米管具有20-100nm的直径和50-500nm的长度。

[0062] 术语“全氟磺酸(Nafion)纳米管”指的是全氟磺酸制的纳米管，这些管具有20-500nm的直径和50-1000nm的长度。

[0063] 本文所用的术语“非晶碳层”意思是这样的层：该层包括至少80％(重量)的碳且该层的不到10％(重量)为晶体。通常，非晶碳层具有至少90％(重量)的碳且该层的不到5％(重量)为晶体。在优选实施例(refinement)中，非晶碳层基本上是无定形碳。

[0064] 在本发明的一个实施例中，提供了用于燃料电池应用的含碳层。该含碳层被掺杂以提高导电性。特别地，含碳层掺杂有0.1-10wt％(重量百分比)的Pt、Ir、Pd、Rh、Au或Ru。有利地，与掺杂有其它金属(例如，钛或铬)的含碳层相比，该含碳层具有改善的抗腐2 3
蚀性。在一个变型中，含碳层以sp 杂化碳与sp 杂化碳的比率为特征。在一个优选实施例
2 3
中，含碳膜中的sp 杂化碳与sp 杂化碳的比率(即，摩尔比率)是从约0.8到约4。在另
2 3
一优选实施例中，含碳膜中的sp 杂化碳与sp 杂化碳的比率是从约1到约3。在又一优选
2 3 2
实施例中，含碳膜中的sp 杂化碳与sp 杂化碳的比率是从约1.1[？？]到约2。sp 杂化
3
碳与sp 杂化碳的比率可由诸如拉曼光谱、C-13NMR等的多种分析技术来确定。在又一优选
2
实施例中，含碳层的导电性使得燃料电池10的接触电阻小于约20mohm-cm。

[0065] 在本发明的另一实施例中，提供了包括电极的燃料电池部件，该电极具有包含二氧化钛纳米管和离子传导离聚物纳米管的非碳支撑材料。通常，二氧化钛纳米管具有从约20nm到约100nm的直径和从约50nm到约500nm的长度。类似地，离子传导离聚物纳米管具有从约20nm到约500nm的直径和从约50nm到约1000nm的长度。在本发明的一个变型中，二氧化钛纳米管和离子传导离聚物纳米管是相互分散的。在优选实施例中，二氧化钛纳米管和离子传导离聚物纳米管是相互分散的，其中二氧化钛纳米管的量占纳米管总数的约
30％到约70％。在另一优选实施例中，二氧化钛纳米管和离子传导离聚物纳米管是相互分散的，其中离子传导离聚物纳米管的量占纳米管总数的约30％到约70％。制造离子传导纳米管的合适的离子传导材料包括但不限于：全氟磺酸离聚物、磺化聚三氟苯乙烯、磺化烃聚合物、聚酰亚胺、聚偏二氟乙烯、聚苯并咪唑、聚砜、聚醚砜、聚醚酮、聚亚苯基硫化物、聚亚苯基氧化物、聚膦腈、聚萘二甲酸乙二醇酯(Polyethylenenaphthalate)、聚酰胺、聚酯、和它们的组合。

[0066] 在一个变型中，二氧化钛纳米管通过利用诸如溶解在例如己烷这样的溶剂中的异丙氧基钛或乙醇钛之类的反应性有机金属钛化合物来浸渍具有柱状结构的氧化铝模板而制得。使溶剂变干，以留下位于模板内部的反应性钛化合物，该反应钛性化合物自发地与水反应以生成具有模板形状的氧化钛。然后通过选择性地将氧化铝溶解在氢氧化钠中而去除模板，留下二氧化钛纳米管。用类似的工艺来制造全氟磺酸纳米管，其中全氟磺酸用于浸渍模板。然后使全氟磺酸在模板内部变干。随后，将模板溶解在氢氧化钠或氢氟酸中，以留下全氟磺酸纳米管。

[0067] 在另一个变型中，利用等离子体增强的CVD工艺、磁控溅射沉积工艺、脉冲激光沉积工艺(PLD)、或原子层沉积(ALD)工艺将二氧化钛或全氟磺酸沉积到模板的内部。钛前体可选自诸如四氯化钛之类的无机或有机钛衍生物。全氟磺酸从10％的全氟磺酸溶液进行沉积。获得Ti纳米管生长的温度状况是从100℃(摄氏度)到450℃。用于制备全氟磺酸纳米管的温度范围是从100℃到300℃。等离子体增强的CVD通常使用256Hz的微波等离子体供应源。有利地，在350℃到450℃的范围内从TiCl4前体沉积Ti纳米管。

[0068] 本实施例的含碳膜被有利地用在多个燃料电池部件中。参照图1，提供了包括金属流场板的燃料电池。燃料电池10包括流场板12、14。流场板12包括多个用于将第一气体引入燃料电池10的槽道16。通常，该第一气体包括氧气。扩散层18设置在流场板12的上面。第一催化剂层20设置在扩散层18的上面。燃料电池10还包括离子导体层22，该层设置在第一催化剂层20的上面。第二催化剂层24设置在离子导体层22的上面。燃料电池10还包括流场板14，气体扩散层28设置在第二催化剂层24和流场板14之间。流场板14包括多个槽道30。在一个优选实施例中，流场板12、14都由诸如不锈钢之类的金属制成。在一个变型中，上述的含碳膜被涂覆在流场板12、14中一个的表面上，或者涂敷在该两个流场板的表面上。在另一优选实施例中，含碳膜被结合到第一催化剂层20和第二催化剂层24中的一个或两个中。

[0069] 在本实施例的一个变型中，离子传导层包括离聚物。合适的离聚物包括但不限于：全氟磺酸离聚物、磺化聚三氟苯乙烯、磺化烃聚合物、聚酰亚胺、聚偏二氟乙烯、聚苯并咪唑、聚砜、聚醚砜、聚醚酮、聚亚苯基硫化物、聚亚苯基氧化物、聚膦腈、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚酯、和它们的组合。在优选实施例中，离聚物包括纳米管或丝(或纤维)。

[0070] 仍参照图1，具有包含了二氧化钛纳米管和离子传导离聚物的非碳支撑材料的电极可用于第一催化剂层20和/或第二催化剂层24中的任一个或全部两个。通常，该电极接触诸如离子传导聚合物层(例如，离子导体层22)之类的基底。

[0071] 参照图2A和图2B，提供了结合有流场板的燃料电池的示意性截面图，该流场板涂覆有如上所述的含碳膜。燃料电池40包括流场板42、44。流场板42包括表面46和表面48。表面46限定了槽道50和台52。在图2A所提供的图示中，流场板42是单极板，而流场板44是双极板。在图2B所提供的图示中，流场板42、44都是双极板。在该变型中，表面
48限定了槽道54和台56。类似地，流场44包括表面60和表面62。表面60限定了槽道
66和台68。在图2A所提供的图示中，流场板44是单极板。在图2B所提供的图示中，表面
62限定了槽道70和台72。

[0072] 仍然参照图2A和图2B，含碳层80设置在表面46上并且接触表面46。在一个变型中，含碳层80包括表面82，表面82与水的接触角小于约30度。在一个优选实施例中，含碳层80的厚度为约10-2000nm。

[0073] 仍然参照图2A和图2B，燃料电池40还包括气体扩散层90和催化剂层92、94。聚合物离子传导膜100设置在催化剂层92、94之间。最后，燃料电池40还包括气体扩散层102，其定位在催化剂层94和流场板44之间。

[0074] 在本发明的一个变型中，第一气体被引入槽道50而第二气体被引入槽道66。槽道50引导第一气体的流动，而槽道66引导第二气体的流动。在典型的燃料电池应用中，含氧气体被引入槽道50而燃料被引入槽道66。有用的含氧气体的示例包括分子氧(例如，空气)。有用的燃料的示例包括但不限于氢气。当含氧气体被引入槽道50时，通常产生作为副产物的水，必须通过槽道50去除该副产物。在该变型中，催化剂层92是阴极催化剂层而催化剂层94是阳极催化剂层。

[0075] 参照图3，提供了槽道50的放大的截面视图。含碳层80的表面110、112、114提供了槽道50中的暴露表面。有利地，含碳层80的这些表面都是亲水的，与水的接触角小于约30度。在另一优选实施例中，该接触角小于约20度。含碳层80的亲水本质阻止了水在槽道50内凝聚。

[0076] 在本实施例的一个变型中，含碳膜的表面由等离子体(例如，RF等离子体、DC等离子体、微波等离子体、热丝等离子体、常压等离子体(open air plasma)等)激活。在本实施例的一个优选实施例中，含碳层80的亲水性通过激活图2A和图2B的表面82(即，表面110、112、114、116)而被改善。在一个优选实施例中，通过使含碳层暴露于反应性氧等离子体从而实现激活，该反应性氧等离子体将通过破坏键并形成羟基、羧基和乙醛官能团来激活含碳层。在一个优选实施例中，通过使含碳层暴露于反应性气体氮气、一氧化二氮、二氧化氮、氨气或它们的混合物来完成后处理，这些反应性气体通过破坏键并形成例如胺、氨基化合物、重氮基官能团这样的氮基衍生物从而激活含碳层。因此，后处理激活能够增加含碳层80中的氮和/或氧的量。在另一优选实施例中，氮和氧的量在表面82的位于若干纳米之内的区域中。在另一优选实施例中，表面82的激活导致与激活前的表面相比多孔性提2
高。在又一优选实施例中，表面82包括这样的区域：在该区域中每□m 的表面积内有至少
10个孔。而且，表面82每平方微米的表面积内平均包括至少5个孔。通过对在扫描电子显
2
微照片中观测到的给定面积内的孔的数量进行计数来计算每□m 的孔的数量。

[0077] 参照图4，提供了示出涂覆有含碳层的燃料电池双极板的额外表面的示意性截面图。在该变型中，表面46、48、60和62中的一个或多个涂覆有含碳层。如上所述，联系图2A和2B的描述，燃料电池40包括流场板42、44。双极板42包括表面46和表面48。表面46限定槽道50和台52。表面48限定槽道54和台56。类似地，双极板44包括表面60和表面62。表面60限定槽道66和台68。表面62限定槽道70和台72。

[0078] 仍参照图4，含碳层80设置在表面46上并接触表面46。在一个变型中，含碳层80包括表面82，表面82与水的接触角小于约30度。类似地，含碳层120设置在表面48上并接触表面48，含碳层122设置在表面60上并接触表面60，且含碳层124设置在表面62上并接触表面62。燃料电池40还包括气体扩散层90和催化剂层92、94。聚合物离子传导膜100设置在催化剂层92、94之间。最后，燃料电池40还包括气体扩散层102，气体扩散层
102定位在催化剂层94和双极板44之间。含碳层80、120、122、124的细节在上面与图2A和图2B的描述有关的内容中进行了阐述。

[0079] 在本发明的另一实施例中，提供了可用作燃料电池催化剂层的含碳层。该含碳层包括掺杂有惰性的贵金属或铂族金属(例如，Pt、Ir、Pd、Au或Ru)的含碳成分。含碳层还包括离子传导聚合物(例如，离聚物)，以便给含碳层提供离子传导性。在一个优选实施例中，离子传导聚合物包括选自由以下各项所组成的组中的组分，所述各项包括：全氟磺酸离聚物、磺化聚三氟苯乙烯、磺化烃聚合物、聚酰亚胺、聚偏二氟乙烯、聚苯并咪唑、聚砜、聚醚砜、聚醚酮、聚亚苯基硫化物、聚亚苯基氧化物、聚膦腈、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚酯、和它们的组合。在另一优选实施例中，离子传导聚合物包括离聚物纳米管或丝(例如，全氟磺酸纳米管或丝)。

[0080] 参照图5，提供了可用作燃料电池催化剂的含碳层的示意性图示。含碳层130包括分散在碳成分134中的离聚物区域132。通常，含碳层130是从约12微米到约25微米。离聚物区域通常是离聚物区域总重量的约30wt％到约50wt％。在图5所示的变型中，含碳层130涂覆基底136。在一个优选实施例中，基底136是气体扩散层。在另一优选实施例中，基底136是离子传导聚合物层。在该实施例中，全氟磺酸纳米管对形成离聚物区域132特别有用，因为它们允许用于离子传导的槽道穿过含碳层130。在另一优选实施例中，离聚物区域包括疏水域和亲水域。这些域都发生在诸如全氟磺酸的聚合物中，该聚合物具有疏水的聚合物主链和亲水的磺化侧基。在燃料电池应用中，疏水区域趋于在更接近聚合物离子传导层(例如，膜)的位置上占主导地位。

[0081] 参照图6，提供了示出图5中所描述的含碳层的制备的图解流程图。在步骤a)，用第一含碳层140涂覆基底136。含碳成分134掺杂有选自由铂、铱、钌、金、钯、和它们的组合所组成的组的金属。通常，该含碳成分通过诸如溅射这样的物理沉积技术进行沉积。在步骤b)，将离聚物层142涂覆在第一含碳层140上。在步骤c)，将离聚物层142热压在第一含碳层140内以形成含碳层130，含碳层130可用作燃料电池的催化剂层。

[0082] 在本实施例的一个变型中，上述的含碳层由通过溅射沉积的碳层形成。在一个优选实施例中，利用闭合场非平衡磁控系统来沉积该碳层。为此目的，该方法和设备的一个变型在美国专利No.6,726,993(‘993专利)中进行了阐述。将‘993专利的全部内容以参考的方式并入本文。

[0083] 参照图7，提供了用于沉积上述含碳层的溅射沉积系统的优选实施例。一种有用的溅射系统是Teer UDP 650系统。图7提供了该溅射系统的示意性俯视图。溅射系统152包括沉积室153和溅射靶154、156、158、160，这些溅射靶非常接近磁体组162、164、166、168。在靶154、156、158、160之间产生的磁场的特征是场线在磁控管之间延伸以形成闭合磁场。
闭合磁场形成屏障，其防止含等离子体的区域172内的电子的逃逸。而且，该构造通过提高离子碰撞强度促进了闭合磁场内的空间中的离子化。由此，获得了高离子电流密度。基底
174(即，金属板12)被保持在平台176上，平台176沿方向d1旋转。挡板(flipper)182在平台176的轮转期间使基底174关于方向d2旋转。在一个示例中，溅射靶154、156都是碳靶，而溅射靶158、160可任选地包括上述的金属掺杂物。而且，在该示例中，磁体组162、164比磁体组166、168提供了更强的磁场。该磁不平衡使得溅射的掺杂物要比溅射的碳少。当利用系统152时，有利地通过沉积室153内的离子蚀刻来执行预调节步骤a)。在优选实施例中，通过在沉积室153内形成的等离子体去除所沉积的碳层。

[0084] 虽然已经说明和描述了本发明的实施例，但并不意味着这些实施例说明和描述了本发明的所有可能形式。相反，说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性的，且应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变。