DE102004050921A1

DE102004050921A1 - Elektrisches Kontaktelement und bipolare Platte

Info

Publication number: DE102004050921A1
Application number: DE102004050921A
Authority: DE
Inventors: Ilona Busenbender; Gayatri Rochester Hills Vyas; Hubert A. Gasteiger; Youssef Sterling Heights Mikhail
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2004-10-19
Publication date: 2005-05-25
Also published as: US7968251B2; US20040081881A1

Abstract

Bei einem Aspekt zeichnet sich ein Substrat, wie beispielsweise ein Blechprodukt, insbesondere zur Anwendung als bipolare Platte in einer Brennstoffzelle oder in einem Elektrolyseur, dadurch aus, dass es auf zumindest einer Seite eine leitende und korrosionsbeständige Schutzbeschichtung aus einem Metalloxid aufweist, die eine Behandlung erhalten hat, die die Leitfähigkeit sicherstellt. Die Beschichtung kann dadurch erzeugt werden, dass ein Blechstück in eine Beschichtungsanlage eingeführt wird und dieses mit der leitenden und korrosionsbeständigen Schutzbeschichtung aus dem Metalloxid versehen wird. Bei einem anderen Aspekt umfasst eine elektrochemische Zelle, wie beispielsweise eine Brennstoffzelle, ein elektrisch leitendes Kontaktelement mit einer ersten Fläche, die zu einer Elektrode zum Leiten von elektrischem Strom weist, und das Kontaktelement umfasst ein elektrisch leitendes Substrat und eine elektrisch leitende Beschichtung, die ein dotiertes Metalloxid, besser ein dotiertes Zinnoxid und bevorzugt ein mit Fluor dotiertes Zinnoxid umfasst.

Description

Diese Anmeldung ist eine Fortsetzung der am 1. März 2002 eingereichten U.S. Seriennr. 10/087,677 und beansprucht deren Priorität, und ist auch eine Fortsetzung der am 25. Oktober 2001 eingereichten U.S. Seriennr. 10/004,322 und beansprucht deren Priorität, wobei diese Anmeldung die Priorität der am 24. November 2000 eingereichten deutschen Patentanmeldung Nr. 10058337.7 beansprucht und wobei alle vorher genannten Anmeldungen hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit eingeschlossen sind.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere elektrische Kontaktelemente für derartige Zellen. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Blechprodukt, insbesondere zur Anwendung als bipolare Platte in einer Brennstoffzelle oder in einem Elektrolyseur, eine Platte dieser Art sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Blechproduktes und einer bipolaren Platte.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Brennstoffzellen sind als Energie- bzw. Antriebsquelle für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Eine bekannte Brennstoffzelle ist die PEM-Brennstoffzelle (Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran), die eine sogenannte "Membranelektrodenanordnung" mit einem dünnen Festpolymermembranelektrolyten umfasst, der eine Anode auf einer Seite des Membranelektrolyten und eine Kathode auf der entgegengesetzten Seite des Membranelektrolyten aufweist. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte Kohlenstoffpartikel, sehr fein geteilte katalytische Partikel, die an den Innen- und Außenflächen der Kohlenstoffpartikel getragen sind, wie auch protonenleitendes Material, das mit den katalytischen und Kohlenstoffpartikeln vermischt ist. Eine derartige Membranelektrodenanordnung und Brennstoffzelle ist in dem U.S.-Patent 5,272,017 beschrieben, das am 21. Dezember 1993 erteilt wurde und auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen ist. Die Membranelektrodenanordnung ist schichtartig zwischen einem Paar elektrischer leitender Kontaktelemente angeordnet, die als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen. Strömungsfelder bzw. Gasverteilerfelder ("flow fields") sind zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Flächen der jeweiligen Anode und Kathode vorgesehen. Die elektrischen Kontaktelemente können selbst einen Teil des Strömungfeldes in der Form geeigneter Kanäle und Öffnungen darin bilden, um die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle (d.h. H₂ & O₂) über die Oberflächen der jeweiligen Anode und Kathode zu verteilen.

Ein Brennstoffzellenstapel umfasst eine Vielzahl der Membranelektrodenanordnungen, die in elektrischer Reihe aneinandergestapelt sind. Die Membranelektrodenanordnungen sind voneinander durch ein undurchlässiges, elektrisch leitendes Kontaktelement getrennt, das als eine bipolare Platte bekannt ist. Die bipolare Platte besitzt zwei Hauptflächen, von denen eine zu der Anode einer Zelle und die andere zu der Kathode an der nächsten benachbarten Zelle in den Stapel weist. Die Platte leitet elektrischen Strom zwischen den benachbarten Zellen. Kontaktelemente an den Enden des Stapels stehen nur mit den Endzellen in Kontakt und werden daher als Endplatten bezeichnet.

In einer PEM-Brennstoffzellenumgebung, die H₂ und O₂ (optional Luft) verwendet, stehen die bipolaren Platten wie auch die anderen Kontaktelemente (beispielsweise Endplatten) in ständigem Kontakt mit sauren Lösungen (pH 3 bis 5).

Zusätzlich arbeitet die Brennstoffzelle bei erhöhten Temperaturen in der Größenordnung von 60°C bis 100°C. Überdies arbeitet die Kathode in einer stark oxidierenden Umgebung, die auf etwa + 1 V (im Vergleich zu einer Normalwasserstoffelektrode, d.h. der Anode) polarisiert ist, während sie Druckluft ausgesetzt ist. Die Anode ist beständig einer rauen Umgebung von unter Druck stehendem Wasserstoff ausgesetzt. Daher werden viele der herkömmlichen Kontaktelemente aus Metall hergestellt und müssen gegenüber Säuren, Oxidation wie auch Wasserstoffversprödung in der Brennstoffzellenumgebung beständig sein. Metalle, die diese Kriterien erfüllen, sind jedoch teuer. Eine vorgeschlagene Lösung besteht darin, die Kontaktelemente aus Graphit herzustellen, das korrosionsbeständig und elektrisch leitend ist, wobei Graphit jedoch ziemlich spröde und schwierig zu bearbeiten ist.

Leichtmetalle, wie beispielsweise Aluminium und Titan wie auch deren Legierungen, und rostfreier Stahl, sind ebenfalls zur Verwendung bei der Herstellung von Kontaktelementen für Brennstoffzellen vorgeschlagen worden. Solche Metalle sind leitfähiger als Graphit und können in sehr dünnen Platten hergestellt werden. Unglücklicherweise sind derartige Leichtmetalle in der aggressiven Brennstoffzellenumgebung anfällig gegenüber Korrosion, und daraus hergestellte Kontaktelemente lösen sich entweder (beispielsweise in dem Fall von Aluminium) oder bilden Passivierungsoxidfilme mit hohem elektrischem Widerstand auf ihrer Oberfläche (beispielsweise in dem Fall von Titan oder rostfreiem Stahl), die den Innenwiderstand der Brennstoffzelle erhöhen und seine Leistungsfähigkeit verringern. Um dieses Problem zu lösen, ist vorgeschlagen worden, die Kontaktelemente aus Leichtmetall mit einer Schicht aus Metall oder einer Metallverbindung zu beschichten, die sowohl elektrisch leitend als auch korrosionsbeständig ist, um dadurch das darunter liegende Metall zu schützen. Siehe beispielsweise das U.S.-Patent Nr. 5,624,769 von Li et al., das auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen ist und einen Leichtmetallkern, eine Passivierungsschicht aus rostfreiem Stahl auf dem Kern wie auch eine Schicht aus Titannitrid (TiN) auf der Schicht aus rostfreiem Stahl offenbart.

Ein anderer Typ eines Kontaktelementes, nämlich eine bipolare Platte, wird aus einem Polymerharz geformt und besitzt ein darin eingebettetes Pulver aus leitendem Kohlenstoff oder leitendem Graphit, um es elektrisch leitfähig zu machen. Ein derartiges Material besitzt typischerweise 80 Gew.-% Kohlenstoff und 20 Gew.-% Polymer. Da diese Materialien nicht als dünne Metallsubstrate hergestellt werden können, ist die volumetrische Leistungsdichte von Stapeln, die diese Platten verwenden, gewöhnlich niedrig, und sie sind nicht weit verbreitet. Beispiele derartiger Verbundstoffplatten finden sich in den U.S. Patenten Nrn. 6,096,450, 6,103,413 und 6,248,467. Ein noch weiterer Typ von Platte ist Graphoil, ein Flockenmaterial aus aufgeblättertem Graphit, das als eine Graphitplatte verarbeitet ist, die in eine Endform gepresst und mit einem Harz imprägniert ist. Ein derartiges Material besitzt typischerweise 99 % Kohlenstoff und 1 % Harzfüller.

Demnach werden so genannte bipolare Platten in allen Arten von Brennstoffzellen eingesetzt und bilden sowohl einen für Gase und Flüssigkeiten undurchlässigen Abschluss einer jeweiligen Zelle als auch bei einer gestapelten Anordnung von Zellen eine elektrische Verbindung zwischen benachbarten Zellen, so dass die positive Seite der einen Zelle zugleich die negative Seite der benachbarten Zelle darstellt, was zu der Bezeichnung "bipolare Platte" geführt hat.

Wie bereits erwähnt, ist bei solchen bipolaren Platten problematisch, dass sie in der Umgebung der Brennstoffzelle Korrosion ausgesetzt sind, wobei korrosionsverursachende Substanzen bei allen Arten von Brennstoffzellen vorhanden sind.

Zur Zeit werden solche bipolaren Platten mit einer korrosionsbeständigen Schicht aus einem Edelmetall, wie etwa Gold oder Platin versehen. Solche Schichten aus Edelmetallen sind zwar korrosionsbeständig und schaffen zugleich die geforderte Leitfähigkeit. Sie sind jedoch teuer.

Es sind auch bipolare Platten bekannt, die aus Graphiten und Graphit/Kunststoffmischungen hergestellt werden, wie beispielsweise in der EP-A-0933825 beschrieben wird. Es handelt sich hier aber um spröde Materialien. Um diese Materialien bearbeiten und in einer Brennstoffzelle einsetzen zu können, müssen die Platten eine gewisse Dicke aufweisen, was sich nachteilig auf das leistungsbezogene Gewicht eines Brennstoffzellenstapels und damit auch auf die Anwendung von Brennstoffzellen in mobilen Applikationen auswirkt, beispielsweise als Antriebsquelle für ein Kraftfahrzeug. Die Verwendung von Platten aus Graphit und Graphit/Kunststoffmischungen ist demgemäß ebenfalls mit Nachteilen behaftet.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle vorgesehen, die eine ionenleitende Membran, eine katalytische Elektrode auf einer Seite der Membran, eine katalytische Elektrode auf der anderen Seite der Membran wie auch ein elektrisches leitendes Kontaktelement umfasst, das eine erste Fläche aufweist, die zu zumindest einer der Elektroden weist, um elektrischen Strom von der Elektrode zu leiten, wobei das Kontaktelement ein elektrisch leitendes Substrat und eine elektrisch leitende Beschichtung umfasst, die ein dotiertes Metalloxid, bevorzugt ein dotiertes Zinnoxid und am bevorzugtesten ein mit Fluor dotiertes Zinnoxid umfasst.

Bei einer Ausführungsform umfasst das elektrisch leitende Substrat ein Metall, das gegenüber Korrosion anfällig ist, und die Be schichtung ist eine korrosionsbeständige Schutzbeschichtung, die das Substrat vor der korrosiven Umgebung der Brennstoffzelle schützt.

Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das elektrisch leitende Substrat elektrisch leitende Partikel, die in einer Bindermatrix verteilt bzw. dispergiert sind, und die elektrisch leitende Beschichtung sieht einen elektrischen Kontakt zwischen dem Substrat und der nächsten benachbarten Schicht vor. Bevorzugt besitzt die Beschichtung eine Leitfähigkeit, die zumindest gleich oder größer als die des Substrates ist.

Bevorzugt umfasst die Brennstoffzelle ferner eine dünne Lage aus porösem Material, wie beispielsweise Kohlepapier oder Kohlegewebe, die zwischen der Elektrode und dem elektrischen leitenden Kontaktelement angeordnet ist, und die Beschichtung steigert oder behält zumindest die elektrische Leitfähigkeit zwischen dem Kontaktelement und dem porösen Material bei.

Bei einem anderen Aspekt ist ein elektrisch leitendes Element zur Verteilung von Fluid für eine elektrochemische Zelle vorgesehen, das ein elektrisches leitendes Substrat mit einer ersten und zweiten Hauptfläche, ein Strömungsfeld an der ersten Fläche zur Verteilung von Fluid entlang der ersten Fläche und eine elektrische leitende Beschichtung an der ersten Fläche umfasst, die ein dotiertes Metalloxid, bevorzugt ein dotiertes Zinnoxid und am bevorzugtesten einen mit Fluor dotierten Zinnoxidfilm umfasst.

Bevorzugt ist das Substrat aus der Gruppe gewählt, die Titan, rostfreien Stahl, Aluminium und einen Verbundstoff aus elektrisch leitenden Partikel, die in einer Bindermatrix verteilt bzw. dispergiert sind, umfasst.

Bei einer Ausführungsform besitzt das elektrisch leitende Element zur Verteilung von Fluid ein Substrat, das im Wesentlichen planar ist, und das Strömungsfeld umfasst eine Lage aus elektrisch leitendem Schaum. Bevorzugt ist der Schaum ein offenzelliger Schaum und am be vorzugtesten ist der Schaum ein leitender Graphitschaum oder ein leitender Metallschaum.

Bei einer noch weiteren Ausführungsform wird der Schaum durch eine Beschichtung geschützt. Hierzu werden CVD- oder andere Elektroabscheidungsverfahren verwendet, um die dreidimensionale Schaumstruktur zu beschichten. Der beschichtete Schaum wird an einer undurchlässigeren Barriereschicht angebracht. Der Schaum kann bis zu einer gewünschten Tiefe einwärts von der freiliegenden Fläche des Schaums beschichtet werden. Eine derartige stromleitende Beschichtung kann ein dotiertes Metalloxid, bevorzugt ein dotiertes Zinnoxid und am bevorzugtesten ein mit Fluor dotiertes Zinnoxid umfassen. Bei einer anderen Alternative werden im Wesentlichen alle Innenflächen des Schaums mit der Beschichtung beschichtet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird nur die Außenfläche des Schaums beschichtet, da eine solche Außenfläche zu den korrosiven Elementen der Membranelektrodenanordnung freiliegt.

Metallschäume, wie beispielsweise Schäume aus rostfreiem Stahl, die sich nicht chemisch zersetzen, sind bevorzugt an der Oberfläche des Schaums oder bis zu einer gewählten Tiefe geschützt. Andere Metallschäume, wie beispielsweise Aluminiumschäume, die sich chemisch lösen, sind bevorzugt vollständig beschichtet, was eine Beschichtung von der Außenfläche des Schaums über seine Dicke hindurch bis zu der Innenfläche des Schaums, die zu dem planaren Element weist, umfasst.

Bevorzugt umfasst die Beschichtung der vorliegenden Erfindung ein dotiertes Zinnoxid. Der Dotierstoff ist so gewählt, um "zusätzliche" Elektronen vorzusehen, die zu der Leitfähigkeit beitragen. Der bevorzugte Dotierstoff ist Fluor. Andere Dotierstoffe, wie beispielsweise Antimon, Indium oder Chlor können ebenfalls verwendet werden. Jedoch ist Fluor dafür bekannt, einen Oxidfilm mit relativ niedrigem spezifischem Widerstand vorzusehen. Die Menge an Fluor-Dotierstoff in der Zinnoxid beschichtung ist so gewählt, dass die gewünschte Leitfähigkeit vorgesehen wird. Jede Menge an Fluor steigert die Leitfähigkeit. Allgemein hat es sich herausgestellt, dass weniger als 10 Gew.-% an Fluor wünschtenswert sind.

Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das Strömungsfeld eine Serie von Kanälen in der ersten Hauptfläche. Bevorzugt umfasst das Strömungsfeld Stege, die eine Vielzahl von Nuten definieren, um einen Brennstoff oder ein Oxidationsmittel entlang der ersten Fläche des Substrates zu verteilen. Bevorzugt umfasst das Element ein zweites Strömungsfeld an einer zweiten Fläche, wobei das zweite Strömungsfeld Stege umfasst, die eine Vielzahl von Nuten definieren, um ein Kühlmittelfluid entlang der zweiten Fläche zu verteilen.

Das Kontaktelement besitzt eine Arbeitsfläche oder Oberfläche, die dazu dient, elektrischen Strom von ihrer zugeordneten Elektrode zu leiten. Bei einer Ausführungsform umfasst das Kontaktelement ein für Korrosion anfälliges Metallsubstrat, das eine elektrisch leitende, korrosionsbeständige Schutzbeschichtung an der Arbeitsseite aufweist, um das Substrat vor der korrosiven Umgebung der Brennstoffzelle zu schützen. Ein "für Korrosion anfälliges Metall" ist ein Metall, das durch die Umgebung der Zelle entweder gelöst oder oxidiert bzw. passiviert wird. Dementsprechend umfasst der Bezug auf Korrosion eine Verschlechterung bzw. Schädigung durch Säureangriff, Lösung, Oxidation und Passivierung wie auch andere bekannte Mechanismen zur Verschlechterung, die auch durch die Anwesenheit einer anodischen oder kathodischen Lösung gesteigert werden.

Es kann eine oxidierbare Metallschicht über einem lösbaren Metallsubstrat verteilt sein, die unter der Schutzbeschichtungslage liegt. Dies ist in dem U.S.-Patent Nr. RE 37,284 beschrieben, die ein Reissue von U.S. 5,624,769 darstellt, die im Besitz des Anmelders der vorliegenden Erfindung ist.

Bei einer anderen Ausführungsform dient die Beschichtung der vorliegenden Erfindung dazu, einen elektrischen Kontakt zwischen dem Substrat und der nächsten benachbarten Lage in einer Brennstoffzelle zu erleichtern. Beispielsweise wird die elektrische Leitfähigkeit zwischen einem Substrat, wie beispielsweise einem Verbundstoff, und einer porösen leitenden Lage, wie beispielsweise einem Kohlenstoffgewebe, gesteigert oder zumindest beibehalten.

Die Beschichtung umfasst bevorzugt einen spezifischen elektrischen Widerstand in der Größenordnung von nicht größer als etwa 0,001 Ohm-cm, der sich an 0,0001 Ohm-cm annähert, wie in Metall. Die Beschichtung besitzt bevorzugt eine Dicke zwischen etwa 1 μm und etwa 10 μm, abhängig von der Zusammensetzung, dem spezifischen elektrischen Widerstand wie auch der Integrität der Beschichtung. Dünnere Beschichtungen (d.h. etwa 0,1 bis 1 μm) sind ebenfalls verwendbar, wobei deren Auswahl von den Kosten wie auch anderen Betrachtungen abhängt.

Die Beschichtung kann auf eine Vielzahl von Arten aufgebracht werden, zum Beispiel: CVD, PVD, Spray-Pyrolyse, Tauchbeschichten und Sprühbeschichten.

Eine andere Ausführungsform sieht ein Verfahren vor, um eine Verschlechterung eines elektrisch leitenden Elementes in einer Brennstoffzelle zu verhindern oder zumindest zu hemmen, das ein protonenleitendes Material mit Seitengruppen aufweist, die säurebildende Spezies freigeben. Wenn sich ein derartiges protonenleitendes Material verschlechtert, führt dies zur Bildung einer korrosiven Umgebung in der Zelle. Das Verfahren umfasst, dass eine Lage oder Barriere zwischen dem protonenleitenden Material und dem elektrisch leitenden Kontaktelement angeordnet wird. Die Lage oder Barriere, die mit Fluor dotiertes Zinnoxid umfasst, hemmt einen Säureangriff, eine Korrosion oder eine Verschlechterung des elektrisch leitenden Kontaktelementes. Das protonenleitende Material kann ein perfluoriertes Sulfonsäurepolymer oder eine Mischung aus perfluoriertem Sulfonsäurepolymer wie auch Polytetrafluorethylen (Teflon) sein. Teflon besteht aus langen Ketten vernetzter CF₂-Einheiten.

Die Schutzbeschichtung und ihr zugehöriger Aufbau sind ebenfalls für elektrolytische Zellen nützlich, wenn eine Spannung an die Zelle angelegt wird. Hierbei existiert das gleiche Problem der Verschlechterung des elektrischen Elements. Daher ist die Erfindung ebenfalls allgemein für elektrochemische Zellen verwendbar und nützlich.

In einer weiteren Ausführungsform ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein leitendes Substrat, ein Blechprodukt bzw. eine bipolare Platte der vorher und eingangs genannten Art vorzusehen, das bzw. die preisgünstig herzustellen ist, dennoch aber die erforderliche Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweist, und zwar ohne dass das Produkt bzw. die Platte ein hohes Gewicht oder einen bedeutenden Platzbedarf aufweist, oder hohe Herstellungskosten oder Materialkosten verursacht. Das zuvor genannte leitende Substrat kann eines der vorher genannten Elemente umfassen: ein Metallsubstrat, insbesondere eines, das für Korrosion anfällig ist; ein Substrat, das aus elektrisch leitfähigen Partikeln geformt ist, die in einer Bindermatrix dispergiert sind; eine Matrix aus verdichteten Graphitflocken, die mit einem Füllstoff imprägniert ist; ein leitendes Substrat und eine Lage aus leitendem offenzelligem Schaum mit einer ersten, zu dem Substrat weisenden Seite und einer zweiten Seite, die zu einer Elektrode weist, und wobei sich die Beschichtung insbesondere auf der zweiten Seite der Schaumlage befindet. Weiterhin befasst sich die Erfindung mit der Aufgabe, solche Blechprodukte und Platten herzustellen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung ein Blechprodukt der eingangs genannten Art vorgesehen, dass sich dadurch auszeichnet, dass das Blechprodukt auf mindestens einer Seite eine leitfähige und korrosionsbeständige Schutzbe schichtung aus einem Metalloxid mit einer die Leitfähigkeit sicherstellende Behandlung aufweist.

Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine bipolare Platte, die aus einem leitfähigem Substrat oder einem Blechprodukt ausgebildet ist und auf mindestens einer Seite eine leitfähige und korrosionsbeständige Schutzbeschichtung aus einem Metalloxid mit einer die Leitfähigkeit sicherstellenden Behandlung aufweist.

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, dass sehr dünne Schichten aus Metalloxiden, die eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufweisen, jedoch normalerweise als elektrisch isolierend gelten, durch eine geeignete Behandlung leitfähig gemacht werden können, so dass sie zur Schaffung eines leitfähigen Substrats oder eines Blechproduktes bzw. einer Platte aus Metall herangezogen werden kann, das bzw. die einerseits korrosionsbeständig ist, andererseits aber leitfähig ist, so dass Strom von einer Seite der Platte in die Platte hinein oder von einer Seite der Platte zur anderen Seite der Platte fließen kann.

Dünne leitfähige Beschichtungen aus einem Metalloxid mit einer die Leitfähigkeit sicherstellenden Dotierung sind aus der Schrift EP-A-983 973 bekannt. Dort wird diese Beschichtung auf Glasscheiben aufgebracht, um die optischen Eigenschaften so zu beeinflussen, dass eine Reflexion von langwelligem Licht erfolgt, um eine thermisch isolierende Wirkung zu erzielen, wodurch auch gleichzeitig die elektrische Leitfähigkeit erhöht wird. Die dabei entstehende Leitfähigkeit ist hier lediglich eine Nebenerscheinung. Hier hat aber die Beschichtung keine korrosionsverhindernde Wirkung, da Glasscheiben sowieso korrosionsbeständig sind. Erst durch die Schaffung eines Blechproduktes mit einer leitfähigen und korrosionsbeständigen Schutzbeschichtung aus einem Metalloxid mit einer die Leitfähigkeit sicherstellenden Behandlung entsteht ein Produkt, das sowohl eine hohe Leitfähigkeit von einer Seite zur anderen als auch eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufweist. Eine Hauptanwen dung eines solchen Blechproduktes ist, wie oben erwähnt, als bipolare Platte in einer Brennstoffzelle, es kämen jedoch sicherlich auch eine Reihe von weiteren Anwendungsmöglichkeiten in Frage, wo man leitfähige Teile aus einem preisgünstigen Metall mit einer entsprechenden korrosionsbeständigen Beschichtung benötigt, beispielsweise im Transformatorbau oder bei größeren Umspannwerken.

An dieser Stelle soll auch auf die Literaturstelle "From ZnO Colloids to Nanocrystalline Highly Conductive Films " in J. Electrochem. Soc., Vol. 145, No 10, October 1998, Seiten 3632 – 3637 von M. Hilgendorf, L. Spanhebel, Ch. Rothenhäusler and G. Müller hingewiesen werden. Hier werden chemische Verfahren zur Herstellung von Al oder In enthaltende leitende ZnO-Schichten für Fensterelektroden für Solarzellen oder elektrolumineszierende Bauteile beschrieben, wobei die Beschichtung keine korrosionsverhindernde Wirkung erzielen muss jedoch ebenfalls zum Zwecke der vorliegenden Erfindung herangezogen werden kann.

Die erfindungsgemäß geforderte Behandlung des Metalloxids zur Sicherstellung der Leitfähigkeit kann verschiedene Formen annehmen. Eine Möglichkeit besteht darin, eine besondere Kristallstruktur der Metalloxidbeschichtung herbeizuführen, so dass diese eine leitfähige Form annimmt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, auf dem Blech unterhalb der Metalloxidbeschichtung eine galvanische Beschichtung aus einem der Elemente Aluminium, Chrom, Silber, Antimon oder Molybdän aufzubringen. Diese Elemente bilden zusammen mit der darauf aufgebrachten Beschichtung des Metalloxids eine Art Dotierung des Metalloxids, die dieses in einen leitfähigen Zustand versetzt.

Eine andere Möglichkeit liegt darin, die Metalloxidbeschichtung mit einer gleichzeitig oder nachträglich abgelagerten Dotierung vorzusehen.

Solche Schutzbeschichtungen haben den Vorteil, dass sie in einem Arbeitsvorgang in einer Behandlungskammer durchgeführt werden können, wodurch das Blechprodukt entsprechend kostengünstig hergestellt werden kann.

Die Schutzbeschichtung kann aus lediglich einer Schicht bestehen, dass heißt, es ist nicht zwingend notwendig, mehrere verschiedene Schichten auf dem Blechteil abzulagern. Hierdurch wird das Beschichtungsverfahren vereinfacht und die Herstellungskosten gesenkt.

Vorzugsweise besteht die Schutzbeschichtung aus einem Oxid von Zinn, Zink oder Indium oder aus einem Oxid einer Legierung aus diesen Elementen. Es hat sich herausgestellt, dass solche Metalloxide einerseits eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufweisen, andererseits durch Verwendung von Dotierstoffen leitfähig gemacht werden können.

Die Schutzbeschichtung besteht vorzugsweise aus einer ersten Schicht eines Metalloxids, einer zweiten Schicht eines die Leitfähigkeit sicherstellenden Dotierstoffes und einer dritten Schicht eines Metalloxids. Es hat sich herausgestellt, dass eine solche dreilagige Beschichtung zu einer ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit und Leitfähigkeit führt. Wenn drei Schichten vorgesehen werden, können diese beispielsweise durch ein PVD-Verfahren in einer Unterdruckkammer abgelagert werden, so dass die Herstellungskosten niedrig gehalten werden. Eine weitere Möglichkeit, die Schutzbeschichtung auszubilden, besteht darin, diese aus einer abwechselnden Schichtfolge aus Metalloxiden und die Leitfähigkeit sicherstellende Dotierstoffen auszubilden. Hierzu können nämlich an sich bekannte PVD-Beschichtungsanlagen zur Anwendung gelangen, bei denen die zu beschichtenden Gegenstände, hier Blechteile, auf einem Drehteller nacheinander den Dampffluss von verschiedenen Beschichtungsquellen ausgesetzt werden, wodurch eine solche abwechselnde Schichtfolge wirtschaftlich erzeugt werden kann. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Schutzbeschichtung aus mindestens zwei Schichten zu erzeugen, die aus unterschiedlichen Metalloxiden bestehen und jeweilige Dotierungen aufweisen, die bspw. als so genannte Volumendotierungen ausgeführt werden können. Mit anderen Worten, die Schutzbeschichtung der Erfindung ist nicht auf eine Schutzbeschichtung aus lediglich einer Metalloxidart beschränkt.

Die die Leitfähigkeit sicherstellende Dotierung kann aus mindestens einem Element der Gruppe Aluminium, Chrom, Silber, Bor, Fluor, Antimon, Chlor, Brom, Phosphor, Molybdän und/oder Kohlenstoff bestehen.

Die Beschichtung selbst ist vorzugsweise eine in einer Unterdruckkammer abgelagerte Beschichtung, d.h. eine Beschichtung, die durch ein PVD-Verfahren abgelagert ist. Ein solches Verfahren ermöglicht es, kostengünstig sehr dünne Schichten gleichmäßig abzulagern. Beispielsweise kann eine Schutzbeschichtung dieser Art mit einer Dicke im Bereich zwischen einer Monolage und 1 μm, vorzugsweise zwischen etwa 5 und 100 nm auf ein Blechteil abgelagert werden. Darüber hinaus bringt die Anwendung solcher PVD-Verfahren den Vorteil, dass das Blechteil am Anfang des Beschichtungsverfahrens durch Ionenbeschuss oder Plasmaätzen gereinigt werden kann und dass eine gute Verankerung zwischen der Schutzbeschichtung und dem Blechteil entsteht. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass bereits sehr dünne Schutzbeschichtungen ausreichen, um die geforderte Korrosionsbeständigkeit des Blechproduktes sicherzustellen. Bei der Anwendung eines Blechproduktes als bipolare Platte einer Brennstoffzelle wird die Platte an sich keiner ausgeprägten mechanischen Belastung ausgesetzt, so dass auch eine sehr dünne Beschichtung ausreicht, um über längere Zeit die gefordert Korrosionsbeständigkeit und Leitfähigkeit sicherzustellen, da eine mechanische Verletzung der Beschichtung nicht zu befürchten ist. Bei sehr dünnen Schichten, bspw. unter 100 nm Dicke, können auch die darunter liegenden Metallatome zu einer Art Dotierung führen, die die Leitfähigkeit der Beschichtung sicherstellt, d.h. die Anbringung einer sehr dünnen Schicht auf ein Blechteil stellt selbst die Behandlung dar, die zu der Leitfähigkeit der Metalloxidbeschichtung führt.

Das Blech, das zur Bildung des Blechproduktes bzw. der bipolaren Platte herangezogen wird, besteht vorzugsweise aus einem der nachfolgend aufgeführten Werkstoffe: Aluminium, verchromtem Aluminium, Kupfer, rostfreiem Stahl, verchromtem rostfreiem Stahl, Titan, Titanlegierungen und eisenhaltigen Verbindungen sowohl mit als auch ohne metallische Beschichtung.

Das Blechprodukt selbst kann ohne weiteres eine Dicke im Bereich von etwa 0,001 mm bis etwa 5 mm aufweisen. Es gelingt also, auch sehr dünne Blechprodukte bzw. bipolare Platten zu erzeugen, die einerseits die geforderte Undurchlässigkeit für Gase und Fluide, andererseits die geforderte Korrosionsbeständigkeit und Leitfähigkeit aufweisen, wobei darüber hinaus solche Blechproduktdicken die Strukturierung des Blechproduktes zulassen. Weitere bevorzugte Ausführungen der Erfindung lassen sich den weiteren Patentansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung entnehmen.

Nachfolgend sind weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch die spezifischen Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Veranschaulichungszwecken und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.

ZEICHNUNGSKURZBESCHREIBUNG
Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Daher wird die Erfindung noch besser verstanden werden, wenn sie im Lichte der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung und der verschiedenen Figuren betrachtet wird, in welchen:
1 eine schematische, isometrische Explosionsdarstellung eines mit Flüssigkeit gekühlten PEM-Brennstoffzellenstapels ist (es sind nur zwei Zellen gezeigt);
2 eine isometrische Explosionsansicht einer beispielhaften bipolaren Platte mit Strömungsfeldkanälen ist, die mit PEM-Brennstoffzellenstapeln ähnlich dem, der in 1 gezeigt ist, verwendbar sind;
3 eine Schnittansicht in der Richtung 3-3 von 2 ist; und
4 ein vergrößerter Abschnitt der bipolaren Platte von 3 ist;
5 ein Teilquerschnitt einer bipolaren Platte ist. Diese Konstruktion weist ein dünnes Substrat auf, das aus einer massiven Metalllage mit Strömungsfeldern aus geschäumtem Metall hergestellt ist, die an beiden Seiten derselben befestigt sind. Diese Substratlage ist beschichtet.
6 ein Teilquerschnitt einer bipolaren Platte ist. Diese Konstruktion weist ein dünnes Substrat auf, das aus einer massiven Metalllage mit Strömungsfeldern aus geschäumtem Metall hergestellt ist, die auf beiden Seiten derselben befestigt sind. Die Innen- und Außenflächen des Schaums einschließlich jeder Seite des Schaums sind vollständig beschichtet.
7 ein Teilquerschnitt einer bipolaren Platte ist. Diese Konstruktion weist ein dünnes Substrat auf, das aus einer massiven Metalllage mit Strömungsfeldern aus geschäumtem Metall hergestellt ist, die auf beiden Seiten derselben befestigt sind. Die Außenflächen des Schaumes sind bis zu einer gewünschten Tiefe beschichtet.
8 eine schematische Draufsicht auf eine bipolare Platte einer Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Schutzbeschichtung ist.
9 ein Querschnitt durch die bipolare Platte der 8 entsprechend der Schnittebene II-II ist.
10 ein Querschnitt durch die bipolare Platte der 8 entsprechend der Schnittebene III-III ist.
11 ein schematischer Querschnitt eines Auschnittes zweier benachbarten Brennstoffzellen ist, um die Anwendung/Funktion der bipolaren Platten darzustellen.
12 eine vergrößerte Darstellung eines Bereiches der bipolaren Platte der 8 ist, um Details der erfindungsgemäßen Schutzbeschichtung zu zeigen.
13 eine schematische Ansicht einer ersten Anlage zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Blechproduktes ist.
14 eine schematische Draufsicht auf einen Blechstreifen ist, der durch ein Folgeverbundwerkzeug hindurch läuft, um eine erfindungsgemäße bipolare Platte herzustellen.
15 eine schematische Darstellung einer Beschichtungskammer zur Beschichtung von Blechformteilen zur Bildung von erfindungsgemäßen bipolaren Platten ist und
16A – 16D Querschnitte ähnlich der 12 zeigen, um alternative Beschichtungen darzustellen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung oder ihren Gebrauch zu beschränken.
1 zeigt einen bipolaren Brennstoffzellenstapel mit zwei Zellen und einem Paar von Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4 und 6, die voneinander durch eine elektrisch leitende, flüssigkeitsgekühlte bipolare Platte 8 getrennt sind. Die MEAs 4 und 6 wie auch die bipolare Platte 8 sind zwischen Klemmplatten oder Endplatten 10 und 12 aus rostfreiem Stahl und Endkontaktelementen 14 und 16 aneinandergestapelt. Die Endkontaktelemente 14 und 16 wie auch beide Arbeitsseiten der bipolaren Platte 8 umfassen mehrere Nuten oder Kanäle 18, 20, 22 bzw. 24, um Brennstoff- wie auch Oxidationsmittelgase (d.h. H₂ und O₂) an die MEAs 4 und 6 zu verteilen. Nichtleitende Dichtungen 26, 28, 30 und 32 sehen Abdichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Gasdurchlässige leitfähige Materialien umfassen typischerweise Kohle- bzw. Graphit-Diffusionspapiere 34, 36, 38 und 40, die an die Elektrodenseiten der MEAs 4 und 6 gepresst werden. Die Endkontaktelemente 14 und 16 werden an die Kohle- bzw. Graphitpapiere 34 bzw. 40 gepresst, während die bipolare Platte 8 an der Anodenseite der MEA 4 an das Kohle- bzw. Graphitpapier 36 und an der Kathodenseite der MEA 6 an das Kohle- bzw. Graphitpapier 38 gepresst wird. Sauerstoff wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels von einem Speichertank 46 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 42 geliefert, während Wasserstoff an die Anodenseite der Brennstoffzelle von einem Speichertank 48 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 44 geliefert wird. Alternativ dazu kann Umgebungsluft an die Kathodenseite als eine Sauerstoffquelle und Wasserstoff an die Anode von einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen geliefert werden. Es ist auch eine Austragsverrohrung (nicht gezeigt) für sowohl die H₂- als auch O₂-Seiten der MEAs vorgesehen. Eine zusätzliche Verrohrung 50, 52 und 54 ist zur Lieferung von flüssigem Kühlmittel an die bipolare Platte 8 wie auch die Endplatten 14 und 16 vorgesehen. Es ist auch eine geeignete Verrohrung zum Austrag von Kühlmittel von der Platte 8 und den Endplatten 14 und 16 vorgesehen, jedoch nicht gezeigt.
Wie vorher erwähnt wurde, umfasst die Membranelektrodenanordnung (MEA) eine protonenleitende Membran mit Elektroden an ihren gegenüberliegenden Seiten. Die protonenleitende Membran kann Festpolymerelektrolyte (SPE) umfassen, wie beispielsweise die SPE-Membrane, die in den U.S.-Patenten Nrn. 4,272,353 und 3,134,697 beschrieben sind. Die Elektroden umfassen auch protonenleitendes Material. Die bipolaren Platten benachbart der MEAs sind durch Säureangriff, Fluoridionen und/oder anodische oder kathodische Lösung anfällig für eine Zersetzung bzw. Schädigung. Das saure Verhalten wie auch die Fluoride werden als die Hauptzersetzungsprodukte, die in der Zellenumgebung vorhanden sind, angesehen. Insbesondere werden diese aus der Verschlechterung der SPE-Membrane erzeugt. Die SPE-Membrane oder -Lagen sind Ionentauscherharzmembrane. Die Harze umfassen zumindest zwei Ionengruppen, wobei eine in den Harzen fixiert ist und die andere mobil ist. Insbesondere kann das mobile Ion unter bestimmten Bedingungen austauschbar sein.
Die Ionentauscherharze können durch Polymerisieren einer Mischung aus Bestandteilen hergestellt werden, von denen einer einen Ionenbestandteil enthält. Eine breite Klasse von Kationentauschern, die in protonenleitenden Harzen verwendet werden, ist das sogenannte Sulfonsäure-Kationentauscherharz. In den Sulfonsäuremembranen sind die Kationentauschergruppen hydrierte Sulfonsäureradikale, die an der Polymerhauptkette durch Sulfonierung angebracht sind.
Die Ausbildung der Ionentauscherharze ist in der Technik gut bekannt und kann umfassen, dass die gesamte Membran die Ionentauschereigenschaften aufweist. Eine kommerziell erhältliche Membran ist die protonenleitende Membran, die von E.I. DuPont De Nemours & Co. mit der Handelsbezeichnung NAFION vertrieben wird. Derartige protonenleitende Membrane können durch Monomere mit der Struktur gekennzeich net sein: CF₂=CFOCF₂CF₂SO₃H und CF₂=CFOCF₂C(CF₃)FOCF₂SO₃H. Die Eigenschaften derartiger Ionentauscherharze resultieren in der Anwesenheit chemischer Verbindungen in der Zelle, die weniger elektronegative Verbindungen, wie beispielsweise Metalle, angreifen.
2 ist eine isometrische Explosionsansicht einer beispielhaften bipolaren Platte 56, die die bipolare Platte 8 in 1 sein könnte, mit einer ersten Außenmetalllage 58, einer zweiten Außenmetalllage 60 und einer Innenabstandhalterlage 62 aus Metall zwischen der ersten Metalllage 58 und der zweiten Metalllage 60. Die Außenmetalllagen 58 und 60 sind so dünn wie möglich (beispielsweise etwa 0,002 – 0,02 Zoll dick) ausgebildet und können durch Stanzen, Photoätzen (d.h. durch eine photolithographische Maske) oder durch ein beliebiges anderes herkömmliches Verfahren zum Formen von Metalllagen ausgebildet werden. Die Außenlage 58 besitzt eine erste Arbeitsseite 59 an ihrer Außenseite, die einer Membranelektrodenanordnung (nicht gezeigt) gegenüberliegt und so ausgebildet ist, dass das Strömungsfeld 57 vorgesehen wird. Das Strömungsfeld 57 ist durch eine Vielzahl von Stegen 64 definiert, die dazwischen eine Vielzahl von Nuten 66 definieren, die das "Strömungsfeld bzw. Gasverteilerfeld" bilden, durch das die Reaktandengase der Brennstoffzelle (d.h. H₂ oder O₂) in einem gekrümmten bzw. gewundenen Pfad von einer Seite 68 der bipolaren Platte zu ihrer anderen Seite 70 strömen. Wenn die Brennstoffzelle vollständig zusammengebaut ist, werden die Stege 64 an das poröse Material, nämlich die Kohlenstoff- bzw. Graphitpapiere 36 oder 38 (siehe 1) gepresst, die ihrerseits an die MEAs 4 bzw. 6 gepresst werden. Zur Vereinfachung zeigt 2 nur zwei Anordnungen aus Stegen und Nuten. In Wirklichkeit bedecken die Stege und Nuten die gesamten Außenseiten der Metalllagen 58 und 60, die mit den Kohle- bzw. Graphitpapieren 36 und 38 in Eingriff stehen. Das Reaktandengas wird an die Nuten 66 von einer Sammel- oder Verteilernut 72 geliefert, die entlang einer Seite 68 der Brennstoffzelle liegt, und verlässt die Nuten 66 über eine andere Sammel- bzw. Verteilernut 74, die benachbart der gegenüberliegenden Seite 70 der Brennstoffzelle liegt. Wie in 3 am besten zu sehen ist, umfasst die Unterseite der Lage 58 eine Vielzahl von Rippen 76, die dazwischen eine Vielzahl von Kanülen 78 definieren, durch die Kühlmittel während des Betriebs der Brennstoffzelle strömt. Wie in 3 zu sehen ist, liegt unter jedem Steg 64 ein Kühlmittelkanal 78, während unter jeder Rippe 76 eine Reaktandengasnut 66 liegt. Alternativ dazu kann die Lage 58 flach ausgebildet sein und das Strömungsfeld in einer separaten Materiallage ausgebildet sein.
Die Metalllage 60 ist ähnlich der Lage 58. Die Innenseite 61 (d.h. Kühlmittelseite) der Lage 60 ist in 2 gezeigt. Diesbezüglich ist eine Vielzahl von Rippen 80 gezeigt, die dazwischen eine Vielzahl von Kanälen 82 definieren, durch die Kühlmittel von einer Seite 69 der bipolaren Platte zu der anderen 71 strömt. Ähnlich der Platte 58, und wie am besten in 3 zu sehen ist, besitzt die Außenseite der Lage 60 eine Arbeitsseite 63. Die Lage 60 ist so ausgebildet, dass sie das Strömungsfeld 65 vorsieht. Das Strömungsfeld 65 ist durch eine Vielzahl von Stegen 84 darauf definiert, die eine Vielzahl von Nuten 86 definieren, welche das Strömungsfeld 65 bilden, durch das die Reaktandengase strömen. Eine innere Abstandhalterlage 62 aus Metall ist zwischen den Außenlagen 58 und 60 positioniert und umfasst eine Vielzahl von Öffnungen 88 darin, um eine Kühlmittelströmung zwischen den Kanälen 82 in der Lage 60 und den Kanälen 78 in der Lage 58 zu ermöglichen, wodurch laminare Grenzschichten aufgebrochen und eine Turbulenz erzeugt wird, die einen Wärmeaustausch mit den Innenseiten 90 und 92 der Außenlagen 58 bzw. 60 steigert. Somit bilden die Kanäle 78 und 82 jeweilige Kühlmittelströmungsfelder an dem durch die Lagen 58 und 60 definierten Innenvolumen.
4 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnittes von 3 und zeigt die Rippen 76 an der ersten Lage 58 und die Rippen 80 an der zweiten Lage 60, die durch einen Binder 85 mit der Abstandhalterlage 62 verbunden sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind, wie am besten in 4 zu sehen ist, die Arbeitsseiten 59 und 63 der bipolaren Platte mit einer elektrisch leitenden, oxidationsbeständigen wie auch säurebeständigen Beschichtung 94 bedeckt, die ein dotiertes Metalloxid umfasst. Eine bevorzugte Beschichtung 94 ist Zinnoxid. Der Dotierstoff ist so gewählt, dass er "zusätzliche" Elektronen bereitstellt, die zu der Leitfähigkeit beitragen. Der bevorzugte Dotierstoff ist Fluor. Andere Dotierstoffe, wie beispielsweise Antimon, Indium oder Chlor, sind ebenfalls verwendbar. Jedoch ist von Fluor bekannt, dass es einen Oxidfilm mit relativ niedrigem spezifischem elektrischem Widerstand vorsieht. Die Menge an Fluor-Dotierstoff in der Zinnoxidbeschichtung ist so gewählt, dass die gewünschte Leitfähigkeit vorgesehen wird. Jede Menge an Fluor steigert die Leitfähigkeit. Eine typische Kurve des Verhältnisses von Fluor zu Sauerstoff in einem Film in Abhängigkeit von der elektrischen Leitfähigkeit ist in 6 des U.S.-Patentes Nr. 4,146,657 von Roy Gordon gezeigt, das ebenfalls an die vorliegende Anmelderin übertragen ist ('657 Gordon). Es hat sich allgemein herausgestellt, dass weniger als 10 Gew.-% Fluor gewünscht sind.
Bei einer Ausführungsform umfasst das das Kontaktelement bildende Substrat ein gegenüber Korrosion anfälliges Metall, wie beispielsweise (1) Aluminium, das durch in der Zelle gebildete Säuren löslich ist, oder (2) Titan oder rostfreien Stahl, die durch die Bildung von Oxidlagen auf ihren Oberflächen oxidiert bzw. passiviert werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Beschichtung direkt auf das Substratmetall aufgebracht.
Bei einer anderen Ausführungsform werden optional eine oder mehrere Schichten zwischen der Beschichtung und dem Substrat angeordnet oder das Substrat selbst besitzt mehrere Schichten. Beispielsweise umfasst das Substratmetall ein säurelösliches Metall (beispielsweise Al), das mit einem oxidierbaren Metall (beispielsweise rostfreiem Stahl) bedeckt wird, bevor die elektrische leitende Schutzdeckbeschichtung aufgebracht wird. Siehe beispielsweise das U.S.-Patent Nr. RE 37,284. Bei einer anderen Abwandlung wird TiO (Titanoxid) auf das Substrat als eine Schicht aufgebracht, bevor die mit Fluor dotierte Zinnoxidbeschichtung aufgebracht wird.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das das Kontaktelement bildende Substrat ein elektrisch leitendes Verbundmaterial. Bevorzugt ist das elektrisch leitende Verbundmaterial ein Polymer, in das ein leitendes Pulver eingebettet ist, um ein elektrisch leitendes Kontaktmaterial zu bilden. Die leitenden Partikel sind typischerweise Graphit, Kohlenstoff oder Metall. Beispiele können dem Stand der Technik entnommen werden, wie beispielsweise den U.S.-Patenten Nr. 6,096,450, 6,103,413 und 6,248,467. Die leitende Beschichtung der vorliegenden Erfindung wird aufgebracht, um den elektrischen Kontakt zwischen dem Verbundelement und dem nächsten benachbarten Brennstoffzellenelement zu steigern.
Eine noch weitere Ausführungsform ist in 5 als eine Querschnittansicht eines elektrisch leitenden Elementes 100 gezeigt. Das Element 110 funktioniert als eine bipolare Platte, die mit einer dünnen Substratlage 102 mit Schaum-Strömungsfeldern 106 ausgebildet ist. Diese bipolare Platte weist eine dünne Barrierelage 102 bevorzugt bestehend aus einer massiven Lage aus Titanmetall auf, wobei ein Schaum (etwa ein halber bis etwa 3 mm dick) durch Schweißen oder Hartlöten an beiden Seiten derselben angebracht ist. Die Lage 102 bildet die Gasbarriere, und der Schaum 106 bildet die Fluidströmungsfelder. Wie zu sehen ist, besitzt der Schaum 106 gegenüberliegende Hauptflächen 110 und 111. Der Schaum 106 besitzt eine Hauptfläche 110, die zu der Metallschicht 102 weist, und eine andere Hauptfläche 111, die 110 gegenüberliegt. Typischerweise weist die Hauptfläche 111 zu der MEA. Wie in den 5, 6 und 7 zu sehen ist, bildet die Hauptfläche 111 die Außenfläche des elektrisch leitenden Elementes 100. Schäume können als Metallschäume oder auf Kohlenstoff basierende (Graphit-) Schäume hergestellt werden. Metalle, die als ein massiver Schaum gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können, umfassen Kupfer, Aluminium, Nickel, Titan, Silber und rostfreien Stahl, wobei die bevorzugten Metalle Nickel und rostfreier Stahl sind. Hierzu wird der dotierte Zinnoxidfilm 94 auf die Lage 102 aufgebracht, wie in 5 zu sehen ist. Es ist eine Vielzahl geschäumter Metalle von AstroMet in Cincinnati, Ohio erhältlich. Verfahren zur Herstellung dieser Metallschäume sind in dem U.S. Patent Nr. 4,973,358 beschrieben. Auf Kohlenstoff basierende Schäume sind von Ultra Met erhältlich.
Bei anderen Ausführungsformen variiert die Beschichtung des Substrates und des Schaumes abhängig von den Eigenschaften derselben. Abhängig von dem Aufbaumaterial und der Anordnung des Substrates und des Schaumes kann es geeignet sein, alle Flächen des Substrates zu beschichten, wenn eine Metalllage verwendet wird. In dem Fall von Metallschäumen besteht die Option, alle Innen- und Außenflächen des Schaumes zu beschichten, oder besteht die Option, nur einige der Flächen zu beschichten. Es sei zu verstehen, dass der hier beschriebene Schaum ein offenzelliger Schaum ist. Dies gibt an, dass kontinuierliche Durchflusspfade oder Kanäle durch den Schaum hindurch vorhanden sind, die durch zusammenhängende Öffnungen oder Poren erzeugt werden und zueinander durch die Dicke des Schaums offen sind. Außenflächen 109 des Schaums stehen in Bezug zu den vorher erwähnten Hauptflächen, wie beispielsweise 109, die durch Oberflächenporen gebildeten Öffnungen umfasst. Innenflächen des Schaums sind Flächen, die durch die Innenöffnungen oder -poren 108 gebildet werden, wie in 5 zu sehen ist. Da diese Öffnungen innerhalb des Schaums angeordnet sind, werden die Flächen der Öffnungen als Innenflächen bezeichnet.
Bei einer Ausführungsform ist es möglich, alle Innenflächen 108 und alle Außenflächen 109 des Schaums, die zu der MEA weisen und zu der planaren Substrattafel 102 weisen, zu beschichten. (6) Wenn ein chemisch instabiler Schaum, wie beispielsweise ein Aluminiumschaum, verwendet wird, kann dies wünschenswert sein. Optional dazu werden die Flächen der Lage 102 ebenfalls beschichtet. Wenn ein chemisch stabilerer Schaum, wie beispielsweise aus rostfreiem Stahl verwendet wird, brauchen die Innen- und Außenflächen des Schaums abhängig von der Umgebung der Zelle nicht unbedingt beschichtet werden. In diesem Fall kann das Schauminnere unbeschichtet bleiben oder bis zu einer gegebenen Tiefe beschichtet werden. Bevorzugt wird die Beschichtung auf die Teile des Schaums aufgebracht, die benötigt sind, um Elektronen von einem Medium zu dem nächsten, beispielsweise von der Schaumfläche 111 zu der MEA oder von der Schaumfläche 110 zu der planaren Lage 102 zu transportieren. Wie zu sehen ist, wird bei dieser Ausführungsform die Beschichtung 94 auf das elektrisch leitende Element aufgebracht, bei dem Elektronen in und aus der Struktur des elektrisch leitenden Elementes 100 fließen. (7) Sobald Elektronen durch die Struktur des Elementes 100, d.h. den Schaum, fließen, ist kein Widerstand in dem Schaum, und auf den nächsten angrenzenden Widerstandsbereich wird erst gestoßen, wenn die Elektronen den Schaum in Richtung zu oder an der Fläche der Metalllage 102 verlassen. Bei dieser Ausführungsform wird die Beschichtung 94 auf die Hauptfläche 111 des Schaums 106 bis zu einer Tiefe im Mikrometerbereich aufgebracht. Zusätzlich ist es bei dieser Ausführungsform erwünscht, auch den Schaum an der Hauptfläche 110 bis zu einer Tiefe im Mikrometerbereich an den Stellen zu beschichten, an denen sie zu dem planaren Tafelmetall 102 weist.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform ist, wenn der Schaum 106 im Wesentlichen metallurgisch an der Metalllagenplatte 102 befestigt ist, wie beispielsweise durch Hartlöten oder Schweißen, das Prob lem des Kontaktwiderstandes vermieden oder nur gering, und es ist nicht notwendig, den Oberflächenbereich 110 des Schaums 106, der metallurgisch an der Metalllagenplatte 102 befestigt oder damit verbunden ist, zu beschichten. Diese Ausführungsform ist nicht gezeigt, jedoch leicht unter Bezugnahme auf 7 zu verstehen. Diese Ausführungsform ist ähnlich zu der, die in 7 zu sehen ist, mit der Ausnahme, dass keine Beschichtung 94 auf der Fläche 110 des Schaums 106, die zu dem Substrat 102 weist und an diesem befestigt ist, vorhanden ist.
Es ist offensichtlich, dass das Aufbringen der Beschichtung auf irgendeine Kombination von Flächen aus Schaum und planarer Lage zu den Überlegungen gehört, und ferner, dass auch eine Beschichtung des Schaums auf ein gewünschtes Ausmaß durch seine Dicke hindurch zu den Überlegungen gehört.
Die Beschichtung 94 kann auf eine Vielzahl von Arten aufgebracht werden. Durch "Chemical Vapour Deposition" (CVD) oder "Physical Vapour Deposition" (PVD) aufgebrachte Beschichtungen sind besonders vorteilhaft, da sie schnell in einem automatisierten Prozess mit wenig Abfall abgeschieden werden können und ferner im Wesentlichen gleichförmig auf Substrate aufgebracht werden können. CVD ist für Substrate mit komplexen ausgenommenen Oberflächen ähnlich denjenigen bevorzugt, die dazu verwendet werden, die Reaktandenströmungsfelder an der bzw. den Arbeitsseiten der Kontaktelemente zu bilden. CVD und PVD sind gut bekante Prozesse, die dazu dienen, eine Vielzahl leitender Substrate zu beschichten, wie beispielsweise Kraftfahrzeug- wie auch Lastwagenkarosserien. Die CVD-Technologie wird in einer Vielzahl von Veröffentlichungen beschrieben, einschließlich der "WO 96/11802" von Libbey Owens. Ein bevorzugter Abscheidungsprozess ist in '657 Gordon beschrieben. Gemäß Gordon besteht ein besonderes Merkmal der Abscheidung darin, die Reaktanden derart zu wählen, dass die erforderliche Zinn-Fluor-Bindung so lange nicht gebildet wird, bis die Abscheidung immanent ist. Somit wird das Zinnfluoridmaterial in der Dampfphase und auf Temperaturen gehalten, die niedrig genug sind, damit eine Oxidation der Verbindungen erst nach der Neuanordnung auftritt, um eine Zinn-Fluor-Bindung zu bilden. Filme aus mit Fluor dotiertem Zinnoxid, die somit gebildet werden, besitzen einen sehr niedrigen elektrischen spezifischen Widerstand. Bei dem in '657 Gordon beschriebenen Prozess werden gesteuerte Mengen an Fluorunreinheit in den aufwachsenden Zinnoxidfilm eingeführt. Der Fluor-Dotierstoff ist ein Dampf, der eine Zinn-Fluor-Bindung in jedem Molekül umfasst. Die anderen drei Zinnvalenzen werden durch organische Gruppen und/oder von Fluor verschiedene Halogene besetzt. Typisch für derartige Verbindungen ist Tributylzinnfluorid. In dem '657-Gordon-Prozess kann das gebundene Fluor an einer heißen Fläche in Dampfform verfügbar gemacht werden und wird nicht an der heißen Fläche während der Oxidation von dem Zinn abgespalten. Genauer bildet der '657-Gordon-Abscheidungsprozess den Fluor-Dotierstoff aus flüchtigen Verbindungen, die nicht die erforderliche Zinn-Fluor-Bindung aufweisen, sich jedoch beim Aufheizen neu anordnen, um eine direkte Zinn-Fluor-Bindung zu bilden. Diese Neuanordnung erfolgt vorteilhafterweise bei Temperaturen, die hoch genug sind (beispielsweise > 100°C), so dass das somit gebildete Zinnfluorid in der Dampfphase verbleibt, die jedoch auch niedrig genug sind (beispielsweise < 500°C), so dass die Oxidation der Verbindung erst nach der Neuanordnung auftritt. Beispiele derartiger Verbindungen sind Trimethyl-Trifluor-Methylzinn und Dibutylzinndiacetat. Siehe '657 Gordon, Spalte 4 und 5.
BEISPIEL
Bei der Herstellung von Beschichtungsproben werden mit Fluor (F) dotierte Zinnoxidfilme auf verschiedenen Substraten durch CVD über ein Verfahren nach '657 Gordon abgeschieden. Die Substrate umfassen 2,54 cm × 2,54 cm (1" × 1") Kärtchen Gold und SS 316 wie auch 5,08 cm × 5,08 cm (2'' × 2'') Kärtchen Al und Ti. Die Substrate werden bevorzugt poliert und gereinigt, bevor diese in den CVD-Ofen geladen werden. Es wird kommerziell verfügbares Dibutylzinndiacetat ('657 Gordon) als der Zinnvorläufer verwendet, und die Abscheidungstemperatur liegt bei bis zu 500°C. Es wird ein geschätztes Dotierstoffniveau von 0,5 bis 1 % F mit einem Zielwert einer Enddicke der Probe von 1,0 Mikrometer erreicht. Typische Parameter für die Herstellung von mit Fluor dotiertem Zinnoxid können verschiedenen Veröffentlichungen entnommen werden (R. Gordon, Journal von Non-Crystalline Solids 218 (1997) 81 – 91 und 4,146,657 Gordon).
Es wurde der Kontaktwiderstand der Beschichtungen, die durch ein Verfahren hergestellt sind, das oben gemäß '657 Gordon beschrieben ist, gemessen. Dies wurde dadurch ausgeführt, dass die Probe zwischen zwei Kohlepapier-Diffusionspapiere (Toray) bei 13,8 bar (200 psig) komprimiert und ein Strom von 1A/cm² angelegt wurde. An einer Seite des Substrates befanden sich F-dotierte SnO₂-Filme. Die zu prüfenden Beschichtungen wurden auf einen F-Gehalt von über 0,6 Gew.-% geschätzt. Der Kontaktwiderstand wurde von dem Spannungsabfall zwischen dem Diffusionsmedium (Papier) und dem Metallkärtchen über die Beschichtung erhalten. Die Kontaktwiderstände änderten sich vor und nach den Korrosionsexperimenten nicht erheblich, was einen guten Schutz der darunterliegenden Substrate aus Ti und rostfreiem Stahl anzeigt. Der Kontaktwiderstand, wie auf Ti beschichtet wurde, betrug etwa 10 bis 12 Milliohm × cm². Dies gibt an, dass die Volumenleitfähigkeit der Beschichtung vorteilhafterweise mit denen vergleichbar ist, die in der Literatur beschrieben sind, und in der Größenordnung von 1000 Siemens pro cm liegt. Der Kontaktwiderstand lag in derselben Größenordnung wie die Vergleichsprobe mit Pt-beschichtetem Ti und die Vergleichsprobe mit einer leitenden Polymerbeschichtung auf Ti.
Es wurden niedrige Korrosionsströme beobachtet, während das Potenzial zwischen +0,4 und +0,6 V (gegenüber Ag/AgCl) in mit Luft versetzter bzw. belüfteter Lösung und zwischen –0,5 und –0,4 V (gegenüber Ag/AgCl) in mit H₂ gesättigter Lösung bei 80°C zyklisch geführt wurde, wodurch die bipolare Plattenumgebung für die Kathode bzw. Anode simuliert wurde (pH = 3,0, 10 ppm HF und 0,5 molarer Na₂SO₄-Trägerelektrolyt). Es wurden auch potentiostatische Korrosionsexperimente über 6 Stunden bei sowohl +0,6 V (Ag/AgCl, in Luft) und bei –0,4 V (Ag/AgCl, in Wasserstoff) durchgeführt, und die gemessenen Korrosionsströme unter diesen Bedingungen lagen in derselben Größenordnung, was eine gute Stabilität der Beschichtung angibt.
Es wurden Mikrobilder mit einem Rasterelektronenmikroskop von Proben vor der Korrosionsprüfung und an Beschichtungen genommen, die einer ausgedehnten Polarisierung bei entweder +0,6V (Ag/AgCl, in Luft) und bei –0,4V (Ag/AgCl, in Wasserstoff) ausgesetzt worden waren. Die Mikrobilder der Rasterelektronenmikroskopie zeigten eine sehr dichte Lage ohne beobachtbare Defekte, so dass die Beschichtungen nahezu porenfrei erschienen. Nach den Korrosionsprüfungen wurden keine Änderungen in der Beschichtung beobachtet, was eine gute Korrosionsstabilität angibt.
Zusammengefasst wurde das mit Fluor dotierte SnO₂ auf Titan (Ti) und rostfreiem Stahl (SS) unter einer simulierten Brennstoffzellenumgebung hinsichtlich ihrer Korrosionsstabilität wie auch Leitfähigkeit vor und nach der Korrosion geprüft. Die Ergebnisse zeigten deutlich keine Verschlechterung.
Wie aus der obigen Beschreibung zu sehen ist, sind aufgrund der rauen Umgebung der Brennstoffzelle Beschichtungen auf oxidierbaren Metallen (beispielsweise Titan oder rostfreiem Stahl) und auf Metallen nützlich, die gegenüber einer Lösung in der Brennstoffzellenumgebung anfällig sind (beispielsweise Aluminium). In diesem Fall von oxidierbaren Metallen verringert der in der Brennstoffzellenumgebung gebildete Oxidfilm den Kontakt und erhöht den elektrischen Widerstand. Dies erfolgt aufgrund der oxidierenden bzw. passivierenden Beschaffenheit des Metalls (beispielsweise Titan oder rostfreiem Stahl), wenn diese der hohen Temperatur von 60 – 100°C, den Potentialen wie auch der sauren Umgebung (d.h. HF) in der Zelle ausgesetzt sind. Eine chemische Korrosion von Aluminium in dieser Umgebung kann zu einer vollständigen Auflösung führen. Somit macht es die Beschichtung der Erfindung möglich, diese Metalle (d.h. rostfreier Stahl, Ti und Al) in der Brennstoffzelle zu verwenden. Die Beschichtung selbst kann aus einer oder mehreren Schichten bestehen. Wenn Poren in den Schichten der Beschichtung vorhanden sind, ist die Beschichtung immer noch sehr effektiv, wenn die Poren klein, verteilt bzw. nicht ausgerichtet sind. Somit werden Durchgänge oder Pfade durch die Beschichtung durch mehrere Schichten minimiert.
Es ist möglich, auch die Seiten des elektrischen Kontaktelementes, die zu dem Kühlmitteldurchflusskanal weisen, zu beschichten. Jedoch ist es nicht unbedingt nötig, da Kühlmittel normalerweise nicht korrosiv wirken. Der Herstellprozess kann geeigneterweise so sein, dass die Beschichtungen auf beiden Seiten möglich sind. Die Beschichtung der Kühlmittelseite ist, obwohl sie bei den gegenwärtigen Anwendungen nicht nötig ist, sicherlich möglich und ist optional auch in Betracht zu ziehen.
Wie vorher angemerkt wurde, wird die Beschichtung bevorzugt auf dem Substrat unter Verwendung herkömmlicher PVD-Techniken (beispielsweise Sputtern) oder CVD-Techniken abgeschieden, die in der Technik bekannt sind. Zusätzlich werden leitende Beschichtungen verschiedener Typen auf eine Vielzahl von Arten abgeschieden. Verschiedene Metalloxide, wie beispielsweise Zinndioxid SnO₂, Indiumoxid In₂O₃ und Cadmiumstannat Cd₂SnO₄ sind die am meisten verwendeten Materialien zur Ausbildung transparenter, elektrisch leitender Beschichtungen und Schichten. Der beabsichtigte Zusatz bestimmter Unreinheiten ist bei die sen Verfahren wichtig, um eine hohe elektrische Leitfähigkeit wie auch hohe Infrarotreflektivität zu erreichen. Somit ist eine Zinnunreinheit in Indiumoxid enthalten, während Antimon oftmals zu Zinnoxid (Zinndioxid) zu diesen Zwecken zugesetzt wird. In jedem Fall besteht die Funktion dieser erwünschten Unreinheiten ("Dotierstoffe") darin, "zusätzliche" Elektronen bereitzustellen, die zu der Leitfähigkeit beitragen. Die Löslichkeit dieser Unreinheiten ist hoch, und sie können leicht unter Verwendung einer Vielzahl bekannter Abscheidungsverfahren zugesetzt werden.
Es sei angemerkt, dass ein Zinnoxidfilm mit relativ niedrigem spezifischem elektrischem Widerstand in dem U.S. Patent Nr. 3,677,814 von Gillery berichtet wurde. Unter Verwendung eines Sprühverfahrens erhielt er mit Fluor dotierte Zinnoxidfilme mit einem Widerstand in der Größe von 15 Ohm pro Quadratzentimeter durch Verwendung einer Zusammensetzung als einem Startmaterial, die direkte Zinn-Fluor-Bindungen besitzt. Neuere Abscheidungsverfahren, wie in '657 Gordon offenbart ist, sehen mit Fluor dotierte Zinnoxidbeschichtungen in der Größe von 10^–4 Ohm-Zentimeter vor. Dies ist gleichwertig zu dem niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand von wesentlich teureren Materialien ähnlich zinndotiertem Indiumoxid, das nicht korrosionsbeständig ist, und ist vergleichbar mit den Filmen, die in dem Beispiel oben beschrieben sind.
Verfahren zum Abscheiden und elektrische und andere Eigenschaften von F-dotierten Zinnoxidfilmen (SnO_2-x:F) können in einer Vielzahl von Schriften gefunden werden, zum Beispiel (1) Acosta et al. "About the structural, optical and electrical properties of SnO₂ films produced by spray pyrolysis from solutions with low and high contents of fluorine", Thin Solid Films 288 (1996) 1 – 7; (2) Ma et al., "Electrical and optical properties of F-doped textured SnO₂ films deposited by APCVD", Solar Energy Materials and Solar Cells 40 (1996) 371 – 380; (3) Sekhar et al., "Preparation and study of doped and undoped tin dioxide films by the o pen air chemical vapor deposition technique", Thin Solid Films 307 (1997) 221 – 227; (4) Mientus et al., "Structural, electrical and optical properties of SnO_2-x:F-layers deposited by DC-reactive magnetron-sputtering from a metallic target in Ar-O₂/CF₄ mixtures", Surface and Coatings Technology 98 (1998) 1267 – 1271 und (5) Suh, et al., "Atmospheric-pressure chemical vapor distribution of fluorine-doped tin oxide thin films" Thin Solid Films 345 (1999) 240 – 243.
Der Vorteil von über CVD hergestelltem F-dotiertem SnO₂ besteht darin, dass nahezu stiftlochfreie Beschichtungen mit einer Dicke in der Größenordnung von 10 Mikrometern auf kosteneffektive Art und Weise hergestellt werden können. Dies sieht einen Korrosionsschutz für Metalle vor, die bei einer Oxidierung und Passivierung in einer Brennstoffzellenumgebung einer Lösung unterliegen, zum Beispiel bipolaren Platten aus Aluminium. Im Gegensatz zu Kohlenstoff-/Polymer-Verbundbeschichtungen ist F-dotiertes SnO₂ durch eine sehr geringe Porosität wie auch sehr geringe Dichte von Stiftlöchern gekennzeichnet.
Die 8 bis 10 zeigen zunächst eine bipolare Platte 10, die zur Anwendung in einer Brennstoffzellenanordnung bestehend aus mehreren aufeinander gestapelten PEM Brennstoffzellen (wie in 11 angedeutet) geeignet ist. Solche bipolaren Platten sind an sich sehr gut bekannt, sie sind beispielsweise in den nachfolgenden Schriften beschrieben: EP-A-97202343.6, EP-A-0975039, WO 98/53514, EP-A-0940868, WO 98-10477 und EP-A-0984081.
Die vorliegenden 8 bis 11 sind lediglich schematische Zeichnungen, um die Formgebung einer solchen bipolaren Platte zu erläutern.
Die Oberseite der bipolaren Platte 119 gemäß 8 ist mit einem umlaufenden Rand 14 versehen, der in einer Ebene liegt und es ermöglicht, die Platte in einem Stapel von Platten zu integrieren und eine abgedichtete Verbindung zu oberen und unteren Platten 116 und 118, die nur schematisch in den 2 und 3 gezeigt sind, sicherzustellen. Auf der einen Seite der Platte sind zwei Zuführöffnungen 120 für beispielsweise Luft vorgesehen, die mit einem vertieften Kanalbereich 122 kommunizieren. Auf der anderen Seite der bipolaren Platte befinden sich zwei weitere Abfuhröffnungen 124 für verbrauchte Luft, die mit einem vertieften Kanalbereich 126 kommunizieren. Zwischen dem vertieften Kanalbereich 122 und dem vertieften Kanalbereich 126 erstrecken sich in Längsrichtung der bipolaren Platte Strömungskanäle, die es ermöglichen, die über die Zuführöffnungen 120 zugeführte Luft von der linken Seite der Platte zur rechten Seite der Platte zu den Abführöffnungen 124 zu strömen. Dabei gelangt diese Luft auf oberhalb der Kanäle 126 angeordneten katalytisch beschichteten Flächen der zur Membran-Elektroden Einheit (MEA) gehörende Platte 116 und reagiert dort mit Protonen, um Wasser zu bilden, wobei ein elektrischer Strom erzeugt wird, der durch die bipolare Platte 119 hindurchströmt.
Die weiteren Öffnungen 132 und 134 der Platte stellen Zufuhr- und Abfuhröffnungen für Wasserstoff dar; diese sind auf der oberen und unteren Seite 112 bzw. 113 der bipolaren Platte in 10 durch Bereiche der Platte, die in der Ebene der Umrahmung 114 liegen, von den Luftzufuhr- und abfuhröffnungen 120 bzw. 124 und den entsprechenden vertieften Bereichen 122 und 126 getrennt und diesen und der Außenumgebung gegenüber abgedichtet.
Auf der unteren Seite 136 der Platte 119 sind, entsprechend der 10, vertiefte Kanalbereiche in einer zu 8 umgekehrten Anordnung, d.h. die zwei Zuführöffnungen 132 kommunizieren mit einem vertieften Kanalbereich 138 entsprechend dem Kanalbereich 136 auf der oberen Seite der Platte 119, während die zwei Abführöffnungen 134 mit einem (nicht gezeigten) vertieften Kanalbereich kommunizieren, der entsprechend dem Kanalbereich 122 ausgebildet ist. Die Kanalbereiche auf der Unterseite 136 der Platte 119 kommunizieren mit den in der unteren Seite der Platte ausgebildeten Längskanälen 140, so dass Wasserstoff von den Zuführöffnungen 132 zu den Abführöffnungen 134 strömen kann.
Wie in 11 gezeigt, gehört die Unterseite der bipolaren Platte 119 zu der benachbarten Brennstoffzelle und liefert Protonen an die Membran 142 dieser Zelle, wobei die Protonen durch die Membran hindurchgehen und in der benachbarten Reaktionskammer mit Luftsauerstoff umgesetzt werden, wodurch einerseits Strom entsteht und andererseits Wasser erzeugt wird. Der Luftstrom in der benachbarten Zelle wird von der dortigen unteren bipolaren Platte 119 genauso wie bei der bipolaren Platte 119 der 8 zur Verfügung gestellt. Wie bekannt existiert zwischen je zwei benachbarten bipolaren Platten 119 eine Brennstoffzelle aus einer Anode (hier die Platte 116), einer Kathode (hier die Platte 118) und dazwischen einem in Form einer Membran (hier die Membran 142) vorliegenden Elektrolyten, wobei die Platten 116,118 und die dazwischen liegende Membran die oben erwähnte, so genannte MEA bilden.
Die Formgebung der bipolaren Platte 119 gemäß 8 bis 10 wird hier durch ein Ätzverfahren erzeugt und die Platte wird nachfolgend mit einer Schutzbeschichtung versehen, die in diesem Beispiel aus drei Einzelschichten besteht, die nachfolgend im Zusammenhang mit 12 näher beschrieben werden. Es soll zum Ausdruck gebracht werden, dass diese Schutzbeschichtung aufgrund der Herstellung der bipolaren Platte durch ein Ätzverfahren erst nach dem Ätzverfahren in einer Behandlungskammer durch ein Sputter-Verfahren aufgebracht wird, wie später im Zusammenhang mit 15 näher erläutert wird. Aufgrund der Anbringung in einer Behandlungskammer durch ein Sputter-Verfahren befindet sich diese Beschichtung auf allen Oberflächenbereichen der bipolaren Platte, d.h. nicht nur im Bereich der Kanäle 126 und 132, sondern auch an den äußeren Seitenkanten und an den Seitenkanten der Zufuhr- und Abfuhröffnungen 118 und 122.
Die 12 zeigt nun in einer rein schematischen Darstellung, die nicht maßstabsgetreu gezeichnet ist, einen Ausschnitt aus der bipolaren Platte der 8 bis 10, beispielsweise im Randbereich 112. Die bipolare Platte besteht aus einem Substrat 150 in Form eines Blechteils, die beidseitig eine Schutzbeschichtung 152 aufweist. Die Schutzbeschichtung besteht in diesem Beispiel aus drei Schichten 154, 156 und 158. Bei der ersten Schicht 154 handelt es sich um eine Beschichtung aus Zinnoxid mit einer Dicke von 40 nm. Bei der zweiten Schicht 146 handelt es sich um eine Schicht aus Silber mit einer Dicke von 10 nm, während die dritte Schicht 148 ebenfalls aus Zinnoxid besteht und eine Dicke von 40 nm aufweist.
Das Silber der zweiten Schicht 156 bildet einen Dotierstoff für die zwei Metalloxidschichten 154 und 158 aus Zinnoxid und bewirkt, dass diese eine ausreichende Leitfähigkeit aufweisen, um das Blechteil, als bipolare Platte in einer Brennstoffzelle bzw. in einem Elektrolyseur verwenden zu können. Das Substrat 150 besteht in diesem Beispiel aus Kupfer. Es kann aber genauso gut aus Aluminium, verchromtem Aluminium, rostfreiem Stahl, verchromtem rostfreien Stahl, Titan, Titanlegierungen oder eisenhaltigen Verbindungen bestehen und zwar sowohl mit als auch ohne metallische Beschichtung, wobei die metallische Beschichtung aus den Elementen Zinn, Zink, Nickel, Chrom, oder Legierungen dieser Werkstoffe bestehen kann.
Es bestehen verschiedene Möglichkeiten, aus Blech bipolare Platten oder Blechprodukte mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung herzustellen. Eine Möglichkeit zeigt die 13. Hier liegt ein Blechstreifen 159 in Form eines großen Wickels 160 vor, der auf eine Drehachse 162 drehbar gelagert ist. Der Blechstreifen wird kontinuierlich von diesem Wickel 160 abgewickelt, beispielsweise durch die Zugwalzen 164 und durch eine gegenüber der Umgebung abgedichtete Behandlungskammer 166 gezogen. Es handelt sich bei dieser Behandlungskammer um eine an sich bekannte Anlage zur Durchführung von PVD – Verfahren, wobei die Kammer beispielsweise oberhalb und unterhalb des Blechstreifens 160 jeweils drei Sputterkathoden 168, 170 und 172 enthält. Die Sputterkathode 168 besteht aus Zinnoxid, die Sputterkathode 170 aus Silber und die Sputterkathode 172 wiederum aus Zinnoxid. Alle drei Sputterquellen werden gleichzeitig betrieben, so dass bei Bewegung des Blechstreifens 160 durch die Behandlungskammer 166 in Fahrtrichtung 161 die erste Beschichtung 154 durch die Sputterkathoden 168, die zweite Beschichtung 156 durch die Sputterkathoden 170 und die dritte Beschichtung 158 durch die Sputterkathoden 172 erzeugt wird. Die Behandlungskammer kann auch eine vor den Sputterkathoden 168 angeordneten Plasmabehandlungseinheit oder Einheit zur Ionenätzung 174 aufweisen, damit der Blechstreifen vor der eigentlichen Beschichtung von Verunreinigungen befreit wird. Wie üblich ist die Behandlungskammer an eine Vakuumpumpe 176 angeschlossen, und es wird über eine Zufuhrstutze 178 ein Inertgas, bspw. Argon, in die Behandlungskammer eingeführt.
Nach dem Verlassen der Behandlungskammer wird der Blechstreifen 159 durch eine Stanz – bzw. Prägeeinrichtung so in einzelne bspw. rechteckige Blechformteile 182 unterteilt, die in einen Sammelbehälter 184 hineinfallen oder schonend auf eine Fördereinrichtung, bspw. in Form eines umlaufenden Gummiriemens, aus dem Bereich der Stanzprozedur herausgetragen werden. Die Blechformteile können dann durch eine Stanz- oder Prägeeinrichtung in eine Form ähnlich der Form der 8 bis 10 gebracht werden und stehen dann als bipolare Platten 119 zur Verfügung. Etwas ungünstig ist hier allerdings, dass Schnittkanten vorgesehen sind im Bereich der Zufuhr- und Abfuhröffnungen 120, 132 bzw. 124, 134 wo die Schutzbeschichtung fehlt. Dieser Nachteil kann entweder einfach in Kauf genommen werden oder durch eine nachträgliche Beschichtung behoben werden. Die nachträgliche Beschichtung in diesen Bereichen kann durch eine gesonderte Sputterbehandlung oder anderweitig realisiert werden. Im Bereich der genannten Öffnungen ist es lediglich erforderlich, eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit zu erhalten. In diesen Bereichen ist die Leitfähigkeit der Beschichtung nicht von Bedeutung.
Eine andere Möglichkeit, die bipolaren Platten herzustellen und diese nachträgliche Behandlung zu vermeiden ist in der 14 gezeigt. Auch hier wird von einem Wickel 190 ein Blechstreifen 192 abgewickelt und durch ein Folgeverbundwerkzeug 194 hindurch gezogen, das hier drei Arbeitsstationen I, II und II umfasst. In Arbeitsstation 1 wird ein Stanzvorgang durchgeführt, um in diesem Beispiel drei nebeneinander angeordnete Blechformteile zu erzeugen, die im Prinzip den gleichen Außenumriss aufweisen wie die bipolaren Platten in den 8 bis 10 und auch noch mit den Zufuhr- und Abfuhröffnungen 120, 132 bzw. 124, 134 versehen sind. Die einzelnen Blechformteile hängen jedoch über kleine Lappen 196 miteinander und mit den Führungsstreifen 198 und Querstegen 200 des Blechstreifens 192 zusammen, damit der Streifen von Station zu Station durch das Folgeverbundwerkzeug hindurchtransportiert werden kann. Der Transport des Blechstreifens kann beispielsweise, wie hier gezeigt, durch von einem Schrittmotor angetriebenen Zugwalzen 202 erfolgen, die auf den Randbereichen des Streifens angreifen. In der zweiten Station II wird ein Prägevorgang durchgeführt, um durch Formgebung der bipolaren Platten Bereiche zu definieren, die die Funktionen der Strömungskanäle 128 und 140 beziehungsweise der Verbindungskanäle 122, 126 und 138 erfüllen.
In der dritten Station III werden die Blechformteile durch Abscheren an den Lappen 196 voneinander und vom Blechstreifen 192 getrennt und fallen dann nach dem Folgeverbundwerkzeug bspw. auf ein Querband 204, das sie zu einer Beschichtungsanlage bringt, bspw. zu einer Beschichtungsanlage der in 15 gezeigten Art. Der Rest des Streifens kann dann entweder aufgewickelt, wie bei 206 gezeigt, oder, wie manchmal üblich in Folgeverbundwerkzeugen in kleine Teile geschnitten, die dann als Schrott entsorgt werden. Eine andere Möglichkeit der Beschichtung liegt darin, eine Beschichtungskammer wie 166 der 13 zwischen der Station III und dem Querband einzufügen, so dass beschichtete bipolare Platten im fertig gestellten Zustand auf das Querband 204 fallen.
Die einzelnen Platten 119, die bei der Anlage gemäß 14 hergestellt werden, werden jetzt vom Querband entnommen und in eine Behandlungskammer 120 gemäß 15 auf einem drehbaren Träger 222 angeordnet, wobei der Darstellung halber nur zwei solche Blechformteile in 15 gezeigt sind. Innerhalb der Kammer befinden sich vier Sputterkathoden, von denen nur drei gezeigt sind, nämlich die Sputterkathoden 224, 226 und 228, wobei die vierte Kathode der Kathode 226 gegenüberliegt, und daher in der Zeichnung gemäß 15 nicht ersichtlich ist, da sie sich vor der Ebene der Zeichnung befindet.
Das Bezugszeichen 232 deutet auf eine Vakuumpumpe, die zum Erzeugen eines Unterdrucks in der Behandlungskammer 220 notwendig ist, während die Zufuhrstutze 234 der Zufuhr eines Inertgases wie Argon oder eines reaktiven Gases wie Acetylen oder Sauerstoff dient, sofern reaktives Sputtern angestrebt werden soll.
Die Kathoden 224 und 228 bestehen aus Zinnoxid, während die Kathode 226 und die dieser gegenüber liegende Kathode aus Silber bestehen. Alle Sputterkathoden sind als unbalancierte Magnetrons ausgebildet, so dass im Betrieb ein Dampffluss von Zinn-, Sauerstoff- und Silberionen und -atomen einsetzt und sich auf den Blechformteilen an allen Flächen in Form von Beschichtungen aus SnO₂ bzw. Ag ablagert. Die Blechformteile werden mit dem Drehteller 222 um die Achse 236 des Drehtellers gedreht und können auch durch weitere Dreheinrichtungen, die vom Drehteller getragen werden, um andere Achsen wie 240 und 242 gedreht werden, so dass alle Flächen der Blechformteile den Dampfströmen von den einzelnen Sputterkathoden ausgesetzt werden. Die Drehung des Drehtellers 222 während des Beschichtungsvorganges führt dazu, dass abwechselnde Schichten aus Zinnoxyd und Silber sich auf den Blechformteilen ausbilden, wie in der 16D gezeigt wird. Sollte man eine Dreischichtanordnung gemäß 12 wünschen, so kann dies dadurch erzeugt werden, dass die Blechformteile erst nur dem Dampf der zwei Kathoden 224 und 228, dann dem Dampffluss der Kathode 226 und anschließend wieder nur dem Dampffluss der zwei Kathoden 224 und 228 ausgesetzt werden, d.h. die Betriebsspannungen für die einzelnen als unbalancierte Magnetrons betriebenen Kathoden werden ein- und ausgeschaltet.
Eine andere Möglichkeit, die Blechformteile zu beschichten, besteht darin, sie auf dem Querband durch eine Behandlungskammer entsprechend der Behandlungskammer 166 der Figur 13-Ausführung hindurchzubewegen.
Anstatt die Beschichtung aus Zinnoxid dadurch zu erzeugen, dass man eine Kathode aus Zinnoxid nimmt, kann man eine Kathode aus reinem Zinn nehmen und Sauerstoff in die Atmosphäre der Behandlungskammer 220 über die Zuführstutze 232 zuführen. Unter den in der Kammer herrschenden Bedingungen reagiert dann der Sauerstoff mit den Zinnionen und -atomen, um Zinnoxid zu bilden, das sich dann auf der Oberfläche der Blechformteile ablagert. Das Verfahren kann so durchgeführt werden wie in der EP-A-0 983 973 beschrieben.
Die 16A – 16D zeigen nun eine Reihe von Möglichkeiten, die Beschichtung zu realisieren.
Das Bezugszeichen 150 deutet bei jeder Zeichnung auf das Substrat, das ein Blechteil darstellt, dass gegebenenfalls bereits strukturiert sein kann oder erst nach der Beschichtung strukturiert wird. Wenn die Strukturierung nach der Beschichtung erfolgt, ist die Ausbildung der Strukturierung so vorzunehmen, dass die Beschichtung nicht verletzt wird, sei es durch mechanische Bearbeitung wie Prägen oder Fräsen oder durch chemikaliengestützte Verfahren wie Ätzverfahren oder Lithographie. Wird die Strukturierung so erzeugt, dass eine vorher aufgebrachte Beschichtung verletzt wäre so muss die Strukturierung erst vorgenommen werden und die Beschichtung anschließend auf den strukturierten Gegenstand aufgebracht werden.
Bei der 16A besteht die Beschichtung 152 aus den gleichen drei Lagen 154, 156 und 158 wie die Beschichtung gemäß 12, mit dem Unterschied, dass die Schutzbeschichtung nur auf der einen Seite des Substrats des Blechteils 160 aufgebracht wird, beispielsweise dann, wenn es um eine sich um eine Abschlussplatte einer einzelnen Brennstoffzelle handelt, die nur einseitig gegen Korrosion geschützt werden muss.
Bei der 16B liegt die Beschichtung in Form einer dünnen (< 10 nm) Schicht aus Zinnoxid 250 vor, die mit einer homogenen Verteilung an Dotierstoffen in Form eines oder mehrerer Elemente der in der Gruppe Aluminium, Chrom, Silber, Bor, Fluor, Antimon, Chlor, Brom, Phosphor, Molybdän und/oder Kohlenstoff besteht. Diese Dotierstoffe sind zeichnerisch mit Punkten und dem Bezugszeichen 252 gekennzeichnet.
In der 16C bezeichnet 150 das gleiche Substrat, jedoch hier mit einer Beschichtung, die aus nur zwei Schichten besteht, nämlich eine untere Schicht 256 aus Silber und eine obere Schicht 258 aus Zinnoxid.
Anstatt Silber kann die Schicht 256 aus einem weiteren Element der Gruppe Aluminium, Chrom, Silber, Antimon, und/oder Molybdän bestehen. Da es sich bei der Schicht 256 um eine metallische Schicht handelt, so kann diese erste Schicht durch ein galvanisches Verfahren anstatt durch Anwendung eines PVD-Verfahrens in einer Behandlungskammer abgelagert werden. In diesem Beispiel könnte die Schicht 256 beispielsweise eine Dicke im Bereich zwischen 1 und 500 nm und die Schicht 258 eine Dicke im Bereich zwischen 1 und 500 nm aufweisen.
Die 16D zeigt das Substrat 150 mit einer abwechselnden Schichtfolge 260 aus Schichten aus Zinnoxid 262 und aus Silber 264, wobei die oberste Schicht aus Zinnoxyd besteht. Eine solche Mehrschichtanordnung entsteht dann, wenn man ein Blechformteil in einer Behandlungskammer gemäß 15 beschichtet, und zwar automatisch aufgrund der Drehung des Drehtellers 222.
Bei den Beispielen der 16A–16D befinden sich die Beschichtungen nur auf der Oberseite des Substrats 150. Sie könnten aber zusätzlich auch auf der Unterseite des Substrates genauso realisiert werden.
Obwohl in allen bisherigen Beispielen das Metalloxid durch Zinnoxid realisiert ist, könnte es sich auch um Zinkoxid oder Indiumoxid handeln, wobei auch Oxide von Legierungen aus den drei genannten Elementen Zinn, Zink und Indium (d.h. aus mindestens zwei dieser Elemente) in Frage kämen. Für die Substrate 150 kommen verschiedene Blechteile in Frage, nämlich solche, die aus Aluminium, verchromtem Aluminium, Kupfer, rostfreiem Stahl, verchromtem rostfreien Stahl, Titan, Titanlegierungen und eisenhaltigen Verbindungen sowohl mit als auch ohne metallische Beschichtung, wobei die metallische Beschichtung aus den Elementen Zinn, Zink, Nickel, Chrom oder Legierungen dieser Wirkstoffe bestehen kann.
Wenn die Beschichtung aus Zinn oder Zink besteht, so ist es denkbar, dass diese behandelt werden könnte, um die Oxidschicht direkt auf dem Gegenstand auszubilden durch Reaktionen zwischen Sauerstoffionen und der Beschichtung.
Die Beschichtung der Erfindung erleichtert die Verwendung relativ kostengünstiger und leicht verarbeitbarer Metalle, wie beispielsweise Aluminium, Titan und rostfreiem Stahl als Metalle für bipolare Platten. Insbesondere in dem Fall von Aluminium ist die erforderliche Dicke von Edelmetallbeschichtungen für einen richtigen Korrosionsschutz sehr teu er. Rostfreier Stahl und Titan sind andererseits größtenteils gegenüber Korrosion beständig, jedoch macht eine schnelle Bildung isolierender Oxide mit einer begleitenden Zunahme des Kontaktwiderstandes diese Materialien ohne Schutzbeschichtungen kommerziell unattraktiv. Daher besteht ein großer Bedarf nach einer relativ kostengünstigen, leitenden wie auch korrosionsbeständigen Beschichtung, die durch die vorliegende Erfindung vorgesehen ist und auf Aluminium, Titan und rostfreiem Stahl aufbringbar ist.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit liegen Variationen, die nicht vom Grundgedanken der Erfindung abweichen, innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung. Derartige Variationen sind nicht als Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung zu verstehen.

Claims

Elektrochemische Zelle mit einer Elektrode und einem elektrisch leitenden Kontaktelement, das zu der Elektrode weist, um elektrischen Strom zu leiten, wobei das elektrisch leitende Kontaktelement auf zumindest einer Seite des Elements eine elektrisch leitende Beschichtung aufweist, wobei diese Beschichtung eine Metalloxidzusammensetzung umfasst, die elektrisch leitend ist.
Zelle nach Anspruch 1, welche eine Brennstoffzelle ist, die eine ionenleitende Membran und die genannte Elektrode umfasst, die eine katalytische Elektrode auf einer Hauptseite der Membran ist, und wobei die Beschichtung fluordotiertes Zinnoxid umfasst.
Zelle nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitende Kontaktelement ein Metallsubstrat umfasst, das gegenüber Korrosion anfällig ist, und die Beschichtung eine korrosionsbeständige Schutzbeschichtung ist, die das Metallsubstrat vor einer korrosiven Umgebung der Zelle schützt.
Zelle nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitende Kontaktelement ein Substrat umfasst, das aus elektrisch leitenden Partikeln gebildet ist, die in einer Bindermatrix verteilt bzw. dispergiert sind, wobei die Beschichtung einen elektrischen Kontakt zwischen dem Substrat und der genannten Elektrode vorsieht.
Zelle nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitende Kontaktelement eine Matrix verdichteter Graphitflocken, die mit einem Füllstoff imprägniert sind, umfasst.
Zelle nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitende Kontaktelement ein leitendes Substrat, eine Schicht aus leitendem offenzelligem Schaum umfasst, die eine erste Seite, die zu dem Substrat weist, und eine zweite Seite aufweist, die zu der genannten Elektrode weist, und wobei sich die Beschichtung auf der zweiten Seite der Schaumschicht befindet.
Zelle nach Anspruch 6, wobei der offenzellige Schaum Außenflächen und Innenflächen aufweist, die durch Öffnungen in dem offenzelligen Schaum definiert sind, wobei die Beschichtung sich an den Innen- und Außenflächen befindet.
Zelle nach Anspruch 7, wobei der Schaum eine Dicke zwischen der ersten und zweiten Seite aufweist, und wobei die Beschichtung an den Innen- und Außenflächen über die gesamte Dicke vorhanden ist.
Zelle nach Anspruch 8, wobei sich die Beschichtung auf einer zu dem Schaum weisenden Fläche des Substrates befindet.
Zelle nach Anspruch 6, wobei das Substrat eine Metalllage ist und der Schaum ein Metallschaum ist.
Zelle nach Anspruch 10, wobei die Metalllage mit dem Metallschaum verschweißt oder hartverlötet ist.
Zelle nach Anspruch 1, ferner mit einem elektrisch leitenden porösen Material, das zwischen der genannten Elektrode und dem beschichteten elektrisch leitenden Kontaktelement angeordnet ist, und wobei das poröse Material aus der Gruppe gewählt ist, die Kohlepapier, Kohlegewebe und Metallsieb umfasst.
Zelle nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitende Kontaktelement ein Fluidverteilungselement ist, umfassend: ein elektrisch leitendes Substrat mit einer ersten und zweiten Hauptfläche, ein Strömungsfeld an der ersten Hauptfläche zur Verteilung von Fluid entlang der ersten Hauptfläche und der Beschichtung an der ersten Hauptfläche.
Zelle nach Anspruch 13, wobei die Beschichtung mit Fluor dotiertes Zinnoxid umfasst.
Zelle nach Anspruch 13, wobei das Substrat aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Titan, rostfreien Stahl, Aluminium, ein Verbundmaterial aus elektrisch leitenden Partikeln, die in einer Bindermatrix dispergiert sind, und verdichtete Graphitflocken, die mit einem Füllstoff imprägniert sind.
Zelle nach Anspruch 13, wobei das Strömungsfeld eine Schicht aus elektrisch leitendem offenzelligem Schaum umfasst.
Zelle nach Anspruch 16, wobei der Schaum ein leitender Graphitschaum oder ein leitender Metallschaum ist.
Zelle nach Anspruch 13, wobei das Strömungsfeld eine Serie von Kanälen in der ersten Hauptfläche umfasst.
Zelle nach Anspruch 13, wobei das Strömungsfeld Stege umfasst, die eine Vielzahl von Nuten definieren, um einen Brennstoff oder ein Oxidationsmittel entlang der ersten Hauptfläche zu verteilen.
Zelle nach Anspruch 13, wobei ein zweites Strömungsfeld an der zweiten Hauptfläche vorgesehen ist.
Zelle nach Anspruch 20, wobei das zweite Strömungsfeld Stege umfasst, die eine Vielzahl von Nuten definieren, um ein Kühlmittelfluid entlang der zweiten Hauptfläche zu verteilen.
Zelle nach Anspruch 14, wobei der Fluorgehalt des mit Fluor dotierten Zinnoxids kleiner als 10 Gew.-% ist.
Zelle nach Anspruch 1, die eine elektrolytische Zelle ist, die ein ionenleitendes Elektrolyt umfasst, die Elektrode auf das Elektrolyt weist, wobei das elektrisch leitende Kontaktelement in Kontakt mit der Elektrode steht, um elektrischen Strom zu der Elektrode zu leiten.
Zelle nach Anspruch 23, wobei die elektrisch leitende Beschichtung ein mit Fluor dotiertes Zinnoxid umfasst.
Zelle nach Anspruch 24, wobei das elektrisch leitende Kontaktelement ein Metallsubstrat umfasst, das gegenüber Korrosion anfällig ist, und die Beschichtung eine korrosionsbeständige Schutzbeschichtung ist, die das Metallsubstrat vor einer korrosiven Umgebung der Zelle schützt.
Verfahren zum Hemmen einer Verschlechterung eines elektrisch leitenden Kontaktelementes in einer Brennstoffzelle, wobei die Zelle ein protonenleitendes Material aufweist, das sich verschlechtert, was zu einer Bildung korrosiver Spezies in der Zelle führt, wobei das Verfahren umfasst, dass in der Zelle eine Lage vorgesehen wird, die mit Fluor dotiertes Zinnoxid zwischen dem protonenleitenden Material und dem elektrisch leitenden Kontaktelement umfasst, um dadurch eine Korrosion des elektrischen leitenden Kontaktelementes zu hemmen.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das protonenleitende Material ein perfluoriertes Sulfonsäurepolymer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das protonenleitende Material Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäurepolymer und Polytetrafluorethylen umfasst, wobei sich zumindest eines verschlechtert, um HF zu bilden.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitende Kontaktelement eine bipolare Platte umfasst, die ein Blechprodukt beinhaltet mit einer Beschichtung, die eine korrosionsbeständige Schutzbeschichtung ist, die eine Metalloxidzusammensetzung beinhaltet mit einer die Leitfähigkeit sicherstellenden Behandlung.
Zelle nach Anspruch 29, wobei die Behandlung durchgeführt worden ist, um eine Kristallstruktur der Metalloxidbeschichtung herbeizuführen, die Leitfähigkeit sicherstellt.
Produkt nach Anspruch 29, wobei die Behandlung die Form einer unmittelbar unterhalb der Metalloxidbeschichtung aufgebrachte galvanische Beschichtung aus einem der Elemente Aluminium, Chrom, Silber, Antimon oder Molybdän besteht.
Produkt nach Anspruch 29, wobei die Behandlung als Dotierung ausgeführt ist.
Produkt nach Anspruch 32, wobei die Schutzbeschichtung aus mindestens einer Schicht besteht.
Produkt nach Anspruch 32, wobei die Schutzbeschichtung aus einem Oxid einer der folgenden Elemente oder Legierungen dieser Elemente besteht: Zinn, Zink, Indium.
Produkt nach Anspruch 32, wobei die Schutzbeschichtung aus einer ersten Schicht eines Metalloxids, einer zweiten Schicht eines die Leitfähigkeit sicherstellenden Dotierstoffes und einer dritten Schicht eines Metalloxids besteht.
Produkt nach Anspruch 29, wobei die Schutzbeschichtung aus einer abwechselnden Schichtfolge aus Metalloxiden und die Leitfähigkeit sicherstellende Dotierstoffen besteht.
Produkt nach Anspruch 29, wobei die Schutzbeschichtung aus mindestens zwei Schichten besteht.
Produkt nach Anspruch 32, wobei die die Leitfähigkeit sicherstellende Dotierung aus mindestes einem Element der Gruppe Aluminium, Chrom, Silber, Bor, Fluor, Antimon, Chlor, Brom, Phosphor, Molybdän und/oder Kohlenstoff besteht.
Produkt nach Anspruch 29, wobei es sich bei der Schutzbeschichtung um eine in einer Unterdruckkammer abgelagerte Schutzbeschichtung handelt.
Produkt nach Anspruch 29, wobei die Schutzbeschichtung eine Dicke im Bereich zwischen einer Monolage und 1 μ, vorzugsweise zwischen etwa 1 nm und etwa 500 nm aufweist.
Produkt nach Anspruch 29, wobei das Blech aus Aluminium, verchromtem Aluminium, Kupfer, rostfreiem Stahl, verchromtem rostfreiem Stahl, Titan, Titanlegierungen und eisenhaltigen Verbindungen sowohl mit als auch ohne metallische Beschichtung besteht, wobei die metallische Beschichtung aus den Elementen Zinn, Zink, Nickel, Chrom oder Legierungen dieser Werkstoffe besteht.
Produkt nach Anspruch 29, wobei das Blechprodukt eine Dicke im Bereich von etwa 0,001 mm bis etwa 5 mm aufweist.
Zelle nach Anspruch 1, wobei die Metalloxidzusammensetzung ein Metalloxid umfasst, das behandelt wurde, um die Leitfähigkeit sicherzustellen.
Zelle nach Anspruch 1, wobei die Metalloxidzusammensetzung ein dotiertes Metalloxid umfasst.
Zelle nach Anspruch 1, wobei die Metalloxidzusammensetzung ein Oxid eines Elements oder einer Legierung eines Elements umfasst, das aus der Gruppe Zinn, Zink, Indium oder deren Mischungen ausgewählt ist.
Zelle nach Anspruch 45, wobei das dotierte Metalloxid eine Dotierung umfasst, die aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Chrom, Silber, Bor, Fluor, Antimon, Chlor, Brom, Phosphor, Molybdän, Kohlenstoff und deren Mischungen ausgewählt ist.
Zelle nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitfähige Kontaktelement elektrischen Strom zu der oder von der Elektrode leitet.
Zelle nach Anspruch 2, wobei das elektrisch leitfähige Kontaktelement Strom von der Elektrode leitet.
Zelle nach Anspruch 23, wobei das elektrisch leitfähige Kontaktelement Strom zu der Elektrode leitet.
Elektrochemische Zelle mit einer Elektrode und einem elektrisch leitenden Kontaktelement, das zu der Elektrode weist, um elektrischen Strom zu leiten, wobei das elektrisch leitende Kontaktelement eine elektrisch leitende und korrosionsbeständige Schutzbeschichtung aufweist, die ein dotiertes Metalloxid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei das elektrisch leitfähige Kontaktelement ein Substrat umfasst und die Schicht das Substrat überdeckt.
Zelle nach Anspruch 50, wobei das dotierte Metalloxid ein Oxid eines Elements oder Legierung eines Elements ist, das aus der Gruppe bestehend aus Zinn, Zink, Indium und deren Mischungen ausgewählt ist.
Zelle nach Anspruch 50, wobei das dotierte Metalloxid eine Dotierung umfasst, die aus mindestes einem Element der Gruppe Aluminium, Chrom, Silber, Bor, Fluor, Antimon, Chlor, Brom, Phosphor, Molybdän, Kohlenstoff und deren Mischungen besteht.
Verfahren zum Hemmen einer Verschlechterung eines elektrisch leitenden Kontaktelementes in einer elektrolytischen Zelle durch korrosive Spezies in der Zelle, wobei das Verfahren umfasst, dass eine Schicht vorgesehen wird, die mit Fluor dotiertes Zinnoxid zwischen den korrosiven Spezies und dem elektrisch leitenden Kontaktelement umfasst, um dadurch eine Korrosion des elektrisch leitenden Kontaktelementes zu hemmen.