DE102004053582A1

DE102004053582A1 - Neues elektrisches Kontaktelement für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102004053582A1
Application number: DE102004053582A
Authority: DE
Inventors: Mahmoud H. Abd Grosse Pointe Woods Elhamid; Gayatri Rochester Hill Vyas; Mark F. Mathias; Youssef M. Sterling Heights Mikhail
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-11-07
Filing date: 2004-11-05
Publication date: 2005-06-16
Also published as: JP2005142163A; US20050100774A1

Abstract

Ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement zur Verwendung in einer Brennstoffzelle besitzt ein leitendes Metallsubstrat (113, 115) und eine Schicht (108, 110) aus leitenden nichtmetallischen porösen Medien (107). Die leitenden nichtmetallischen porösen Medien (107) besitzen ein elektrisch leitendes Metall, das in einem oder in mehreren metallisierten Gebieten (130) entlang einer Oberfläche abgelagert ist. Die metallisierten Gebiete (130) verbessern in den Kontaktgebieten zwischen dem Metallsubstrat (113, 115) und den Fluidverteilungsmedien (108, 110) die elektrische Leitfähigkeit.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen und insbesondere auf elektrisch leitende Fluidverteilungselemente und deren Herstellung für diese Brennstoffzellen.

Brennstoffzellen sind als Leistungsquelle für Elektrofahrzeuge und für andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Eine bekannte Brennstoffzelle ist die PEM-Brennstoffzelle (Protonaustauschmembran-Brennstoffzelle), die eine so genannte MEA ("Membranelektrodenanordnung") enthält, die einen dünnen Festkörperpolymer-Membranelektrolyter umfasst, der eine Anode auf einer Fläche und eine Katode auf der gegenüberliegenden Fläche besitzt. Die Anode und die Katode umfassen typisch fein zerteilte Kohlenstoffpartikel und sehr fein zerteilte Katalysatorpartikel die auf der Innen- und auf der Außenfläche der Kohlenstoffpartikel getragen werden, sowie einen Protonen leitenden Werkstoff, der mit den Katalysator- und Kohlenstoffpartikeln vermischt ist. Die MEA liegt zwischen Gasdiffusions-Medienschichten und einem Paar elektrisch leitender Kontaktelemente, die als Stromkollektoren für die Anode und für die Katode dienen, die darin geeignete Kanäle und Öffnungen enthalten können, um die gasförmigen Reaktanden (d. h. H₂ und O₂/Luft) über die Oberflächen der jeweiligen Anode und Katode zu verteilen.

Bipol-PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Vielzahl von MEAs, die elektrisch in Reihe gestapelt sind, während sie durch ein undurchläs siges, elektrisch leitendes Kontaktelement, das als eine Bipolplatte oder eine Trennwand bekannt ist, eine von der nächsten getrennt sind. Die Bipolplatte besitzt zwei Arbeitsoberflächen, wobei eine der Anode der Zelle gegenüberliegt und die andere der Katode in der nächsten benachbarten Zelle in dem Stapel gegenüberliegt, und leitet elektrisch den Strom zwischen den benachbarten Zellen. Die Kontaktelemente an den Enden des Stapels sind lediglich mit den Endzellen in Kontakt und werden als Endplatten bezeichnet.

Die elektrischen Kontaktelemente sind häufig aus elektrisch leitenden Metallwerkstoffen hergestellt. In einer H₂- und O₂/Luft-PEM-Brennstoffzellenumgebung sind die Bipolplatten und weiteren Kontaktelemente (z. B. Endplatten) in ständigem Kontakt mit stark sauren Lösungen (pH-Wert 3-5) und arbeiten in einer stark oxidierenden Umgebung, wobei sie maximal auf etwa +1 V (gegenüber der Wasserstoffnormalelektrode) polarisiert sind. Auf der Katodenseite sind die Kontaktelemente Druckluft ausgesetzt, während sie auf der Anodenseite Überdruckwasserstoff ausgesetzt sind. Leider unterliegen viele Metalle in der aggressiven PEM-Brennstoffzellenumgebung der Korrosion, wobei sich daraus hergestellte Kontaktelemente (z. B. im Fall des Aluminiums) entweder auflösen oder (z. B. im Fall des Titans oder des rostfreien Stahls) auf ihrer Oberfläche elektrisch hochohmige Passivierungsoxiddünnschichten bilden, die den Innenwiderstand der Brennstoffzelle erhöhen und ihre Leistungsfähigkeit verringern. Ferner ist es von großer Bedeutung, dass die elektrische Leitfähigkeit über die Gasdiffusionsmedien bis zu den Kontaktelementen aufrechterhalten wird, um den elektrischen Stromfluss von jeder Brennstoffzelle aufrechtzuerhalten. Somit besteht ein Bedarf an der Schaffung elektrisch leitender Elemente, die die elektrische Leitfähigkeit auf rechterhalten, die aggressive Brennstoffzellenumgebung aushalten und den Gesamtbetriebswirkungsgrad einer Brennstoffzelle verbessern.

Die Erfindung schafft ein elektrisch leitendes Element zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, das ein leitendes Metallsubstrat und eine Schicht aus leitenden nichtmetallischen porösen Medien mit einer Oberfläche, die dem Metallsubstrat zugewandt ist, umfasst. Auf der Oberfläche der Schicht sind ein oder mehrere metallisierte Gebiete ausgebildet, wobei jedes metallisierte Gebiet ein elektrisch leitendes Metall enthält. Das leitende Metallsubstrat ist in Kontakt mit den metallisierten Gebieten angeordnet, um einen elektrisch leitenden Weg zwischen der Schicht und dem leitenden Metallsubstrat zu erzeugen.

In alternativen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung umfasst eine Anordnung zur Verwendung in einer Brennstoffzelle ein elektrisch leitendes Metallsubstrat mit einer Hauptoberfläche, eine Schicht aus elektrisch leitenden porösen Fluidverteilungsmedien mit einer ersten Oberfläche und mit einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche mit der Hauptoberfläche in elektrischem Kontakt ist und die zweite Oberfläche einer Membranelektrodenanordnung gegenüberliegt, und ein metallisiertes Gebiet oder mehrere metallisierte Gebiete auf der ersten Oberfläche und auf der zweiten Oberfläche der Schicht, wobei jedes metallisierte Gebiet ein elektrisch leitendes Metall enthält. Ein elektrischer Kontaktwiderstand über das Metallsubstrat durch die metallisierten Gebiete zu der Schicht ist kleiner als ein Vergleichskontaktwiderstand über ein ähnliches Metallsubstrat und eine ähnliche Schicht von Fluidverteilungsmedien ohne die metallisierten Gebiete.

Weitere alternative bevorzugte Ausführungsformen umfassen ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement für eine Brennstoffzelle, wobei das Element eine Schicht aus elektrisch leitenden porösen Medien umfasst, die Kohlenstoff und eines oder mehrere ultradünne metallisierte Gebiete entlang einer Oberfläche der Schicht umfasst, wobei das eine metallisierte Gebiet oder die mehreren metallisierten Gebiete ein elektrisch leitendes Metall umfassen.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung umfassen ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Elements für eine Brennstoffzelle, das das Ablagern eines elektrisch leitenden Metalls auf einer Oberfläche elektrisch leitender poröser Medien zum Ausbilden eines oder mehrerer metallisierter Gebiete mit einer ultraniedrigen Dicke umfasst. Die Oberfläche mit den metallisierten Gebieten wird benachbart zu einem metallischen elektrisch leitenden Substrat positioniert. Zwischen dem Substrat und der Oberfläche mit den metallisierten Gebieten wird ein Kontakt hergestellt, um einen elektrisch leitenden Weg zwischen dem Substrat und den porösen Medien auszubilden.

Weitere Anwendungsgebiete der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung sichtbar. Selbstverständlich sind die ausführliche Beschreibung und spezifische Beispiele, obgleich sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigen, lediglich für Veranschaulichungszwecke bestimmt und sollen den Umfang der Erfindung nicht einschränken.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigen:
1 eine schematische Explosionsdarstellung eines PEM-Brennstoffzellenstapels (wobei lediglich zwei Zellen gezeigt sind);
2 eine Explosionsdarstellung eines beispielhaften elektrisch leitenden Fluidverteilungselements, das bei PEM-Brennstoffzellenstapeln nutzbar ist;
3 eine Teilquerschnittsansicht in der Richtung 3-3 aus 2;
4 eine nicht maßstabgerechte seitliche Schnittzeichnung in Richtung der Linie 4-4 aus 1, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei der die metallisierten Gebiete der gesamten Oberfläche der Schicht der porösen Medien entsprechen.
5 eine nicht maßstabgerechte ausführliche seitliche Teilschnittansicht einer einzelnen Schicht poröser Medien, die zu der Membranelektrodenanordnung benachbart ist, gemäß alternativen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wobei die metallisierten Gebiete diskret sind;
6 eine Veranschaulichung einer Vorrichtung zur physikalischen Abscheidung aus der Gasphase, die zum Metallisieren einer Oberfläche von porösen Fluidverteilungsmedien mit einem elektrisch leitenden Metall verwendet wird;
7 eine graphische Darstellung, die eine Messung des Kontaktwiderstands, der durch eine Platte aus rostfreiem Stahl 316L, die mit porösen Fluidverteilungsmedien mit metallisierten Gebieten in Kontakt steht, entlang einer Kontaktfläche gemäß der Erfindung erzielt wird, mit porösen Fluidverteilungsmedien des Standes der Technik vergleicht; und 8 eine graphische Darstellung der Kontaktwiderstandswerte, die durch ein elektrisch leitendes Element der Erfindung mit einem Trennelement mit einem darin ausgebildeten Strömungsfeld und mit einer Schicht poröser Medien mit einer Oberfläche mit metallisierten Gebieten erzielt werden, im Vergleich zu einer Anordnung eines leitenden Elements des Standes der Technik.
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder ihre Verwendungen in keiner Weise einschränken.
1 zeigt einen Zweizellen-Bipol-Brennstoffzellenstapel 2 mit einem Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4 und 6, die durch ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement 8, im Folgenden die Bipolplatte 8 genannt, voneinander getrennt sind. Die MEAs 4 und 6 und die Bipolplatte 8 sind zwischen den Klemmplatten oder Endplatten 10 und 12 aus rostfreiem Stahl und den Endkontaktelementen 14 und 16 zusammen gestapelt. Die Endkontaktelemente 14 und 16 sowie die beiden Arbeitsflächen der Bipolplatte 8 enthalten mehrere Nuten oder Kanäle 18, 20, 22 und 24 zur Verteilung von Brennstoff- bzw. Oxidationsmittelgasen (d. h. H₂ und O₂) an die MEAs 4 und 6. Die nicht leitenden Dichtungen 26, 28, 30 und 32 schaffen Abdichtungen und eine elektrische Isolation zwischen den mehreren Komponenten des Brennstoffzellenstapels. Die gasdurchlässigen leitenden Werkstoffe sind typisch Kohlenstoff/ Graphit-Diffusionspapiere 34, 36, 38 und 40, die gegen die Elektrodenflächen der MEAs 4 und 6 gepresst sind. Die Endkontaktelemente 14 und 16 sind gegen die Kohlenstoff/Graphit-Papiere 34 bzw. 40 gepresst, während die Bipolplatte 8 gegen das Kohlenstoff/Graphit-Papier 36 an der Anodenfläche der MEA 4 und gegen das Kohlenstoff/Graphit-Papier 38 an der Kato denfläche der MEA 6 gepresst ist. Der Katodenseite des Brennstoffzellenstapels wird über eine geeignete Zufuhrinstallation 42 Sauerstoff aus dem Speicherbehälter 46 zugeführt, während der Anodenseite der Brennstoffzelle über eine geeignete Zufuhrinstallation 44 Wasserstoff aus dem Speicherbehälter 48 zugeführt wird. Alternativ kann der Katodenseite unter Verwendung eines Kompressors oder Verdichters Umgebungsluft als Sauerstoffquelle zugeführt werden und kann der Anode aus einem Methanoloder Benzinumformer oder dergleichen Wasserstoff zugeführt werden. Außerdem ist sowohl für die H₂- als auch für die O₂- Seite der MEAs 4 und 6 eine (nicht gezeigte) Abgasinstallation vorgesehen. Um der Bipolplatte 8 und den Endplatten 14 und 16 flüssiges Kühlmittel zuzuführen, ist eine zusätzliche Installation 50, 52 und 54 vorgesehen. Außerdem ist eine geeignete Installation vorgesehen, aber nicht gezeigt, um das Kühlmittel von der Bipolplatte 8 und von den Endplatten 14 und 16 zu entleeren.
2 ist eine Explosionsdarstellung einer beispielhaften Bipolplatte 56, die in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung verwendet werden kann. Die Bipolplatte 56 umfasst ein erstes Außenblech 58, ein zweites Außenblech 60 und ein Abstandsinnenblech 62, das zwischen dem ersten Blech 58 und dem zweiten Blech 60 liegt. Die Außenbleche 58 und 60 sind so dünn wie möglich hergestellt und können durch Prägen oder irgendeinen anderen herkömmlichen Prozess zur Formgebung von Blech ausgebildet werden. Das Außenblech 58 besitzt an seiner Außenseite, die einer (nicht gezeigten) Membranelektrodenanordnung gegenüberliegt, eine erste Arbeitsfläche 59 und ist so geformt, dass es ein Strömungsfeld 57 bereitstellt. Das Strömungsfeld 57 ist durch mehrere Stege 64 definiert, die dazwischen mehrere Nuten 66 definieren, die das "Strömungsfeld" bilden, durch das die Reaktandengase (d. h. H₂ oder O₂) der Brennstoffzelle auf einem Mäanderweg von einer Seite 68 der Bipolplatte zu ihrer anderen Seite 70 fließen. Wenn die Brennstoffzelle vollständig zusammengebaut ist, pressen die Stege 64 gegen den porösen Werkstoff, die Kohlenstoff/Graphit-Papiere 36 oder 38, die ihrerseits gegen die MEAs 4 und 6 pressen. Der Einfachheit halber zeigt 2 lediglich zwei Anordnungen von Stegen und Nuten. In der Realität bedecken die Stege und Nuten die gesamten Außenflächen der Bleche 58 und 60, die mit den Kohlenstoff/Graphit-Papieren 36 und 38 in Eingriff sind. Das Reaktandengas wird den Nuten 66 aus einem Verteiler 72 zugeführt, der entlang einer Seite 68 der Brennstoffzelle liegt, und verlässt die Nuten 66 über einen weiteren Verteiler 74, der zu der gegenüberliegenden Seite 70 der Brennstoffzelle benachbart liegt.
Wie am besten in 3 gezeigt ist, enthält die Unterseite des Blechs 58 mehrere Rippen 76, die dazwischen mehrere Kanäle 78 definieren, durch die während des Betriebs der Brennstoffzelle Kühlmittel geleitet wird. Wie in 3 gezeigt ist, liegt unter jedem Steg 64 ein Kühlmittelkanal 78, während jede Rippe 76 unter einer Reaktandengasnut 66 liegt. Al-ternativ kann das Blech 58 eben sein und das Strömungsfeld in einer getrennten Werkstoffplatte ausgebildet sein. Das Blech 60 ist ähnlich dem Blech 58. Die Innenfläche 61 des Blechs 60 ist in 2 gezeigt. Diesbezüglich sind mehrere Rippen 80 gezeigt, die dazwischen eine Vielzahl von Kanälen 82 definieren, durch die Kühlmittel von einer Seite 69 der Bipolplatte zu der anderen Seite 71 fließt. Wie am besten in 3 zu sehen ist, besitzt die Außenseite des Blechs 60 ebenso wie die des Blechs 58 eine Arbeitsfläche 63. Das Blech 60 ist so geformt, dass es ein Strömungsfeld 65 bereitstellt. Das Strömungsfeld 65 ist durch mehrere Stege 84 definiert, die darin mehrere Nuten 86 definieren, die das Strömungsfeld 65 bilden, durch das die Reaktandengase geleitet werden.
Zwischen den Außenblechen 58 und 60 ist ein Innenabstandsblech 62 positioniert, das mehrere Durchbrüche 88 enthält, die ermöglichen, dass zwischen den Kanälen 82 im Blech 60 und den Kanälen 78 im Blech 58 Kühlmittel fließt, und die dadurch die laminaren Grenzschichten zerstören und Turbulenz erzeugen, die den Wärmeaustausch mit den Innenflächen 90 und 92 der Außenbleche 58 bzw. 60 verstärkt. Somit bilden die Kanäle 78 und 82 in dem durch die Fläche 58 bzw. 60 definierten Innenvolumen Kühlmittelströmungsfelder. Alternative (nicht gezeigte) Ausführungsformen umfassen zwei gestanzte Platten, die durch einen Verbindungsprozess miteinander verbunden sind und innere Kühlmittelströmungsfelder bilden.
In 4 umfasst eine Membranelektrodenanordnung 100 (MEA) eine Membran 102, die zwischen einer Anode 104 und einer Katode 106 liegt, die durch einen elektrisch leitenden Werkstoff begrenzt sind, der als "Diffusionsmedien" oder poröse Fluidverteilungsmedien 107 bekannt ist. Die porösen Medien 107 liegen zwischen zwei Stromkollektor-Trennplattensubstraten 113, 115 und der MEA 100 und dienen dazu, (1) den gasförmigen Reaktanden über die gesamte Fläche der MEA 100 zwischen und unter den Stegen 131 des Stromsammlers 113, 115 zu verteilen und (2) den Strom von der MEA 100 zu sammeln. Eine erste Fluidverteilungsmedienschicht 108 ist benachbart zu der Anode 104 und eine zweite Fluidverteilungsmedienschicht 110 ist benachbart zu der Katode 106. Eine erste Trennplattenoberfläche oder ein erstes Substrat (z. B. eine Bipolplatte) 112 steht in Kontakt mit der ersten Fluidverteilungsmedienschicht 108 und eine zweite Trennplattenoberfläche 114 steht in Kontakt mit der zweiten Fluidverteilungsmedienschicht 110. Gemäß der Erfindung sind die Fluidverteilungsmedien 107, das erste Substrat 113 und das zweite Substrat 115 vorzugsweise aus elektrisch leitenden Werkstoffen konstruiert, wobei in einem oder in mehreren Elektrokontaktgebieten 116, wo zwi schen einem Substratblech (113 oder 115) und den entsprechenden porösen Medien (108 oder 110) ein elektrisch leitender Weg ausgebildet ist, ein elektrischer Kontakt hergestellt ist.
Bevorzugte Konstruktionswerkstoffe für die Trennplattensubstrate 113, 115 enthalten leitende Metalle wie etwa z. B. rostfreien Stahl, Aluminium und Titan. Die am meisten bevorzugten Konstruktionswerkstoffe für die Trennplattensubstrate 113, 115 sind höherwertiger rostfreier Stahl, der eine hohe Beständigkeit gegenüber der Korrosion in der Brennstoffzelle zeigt, wie etwa z. B. 316L, 317L, 256SMO, Alloy 276 und Alloy 904L.
Die porösen Fluidverteilungsmedien 107 umfassen gemäß der Erfindung eine elektrisch leitende nichtmetallische Zusammensetzung. Die ersten Außenflächen 117 der Fluidverteilungsmedien 107 beziehen sich auf jene Oberflächen der ersten Fluidverteilungsmedienschicht 108 und der zweiten Fluidverteilungsmedienschicht 110, die mit der Substratfläche 113, 115 in Kontakt sind. Die zweiten Außenflächen 118 der Fluidverteilungsmedien 108, 110 liegen zu der MEA 100 frei.
Die Fluidverteilungsmedien 107 sind vorzugsweise stark porös (etwa 60%-80%), wobei in einem Körper 121 der Fluidverteilungsmedien 108, 110 mehrere Poren 120 ausgebildet sind. Die mehreren Poren 120 umfassen mehrere Innenporen 122 und mehrere Außenporen 124, die zueinander offen sind und im gesamten Körper 121 ununterbrochene Strömungspfade oder -kanäle 126 bilden, die von der ersten Außenfläche 117 zu der zweiten Außenfläche 118 der Fluidverteilungsmedien 107 verlaufen. Die Innenporen 122 befinden sich im Grundmaterial der Fluidverteilungsmedien, während die Außenporen 124 an der Oberfläche des Diffusionselements enden. Wenn nichts anderes angegeben ist, beziehen sich die Begriffe "Pore" und "Poren", wie sie hier verwendet werden, auf Poren verschiedener Größen einschließlich so genannter Makroporen (Poren mit einem Durchmesser von mehr als 50 nm), "Mesoporen" (Poren mit einem Durchmesser zwischen 2 nm und 50 nm) und "Mikroporen" (Poren mit einem Durchmesser von weniger als 2 nm), wobei sich "Porengröße" auf einen Durchschnitts- oder Medianwert bezieht, der sowohl die Durchmessergrößen der Innenporen als auch die der Außenporen enthält. Vorzugsweise entspricht die Durchschnittsporengröße einem Radius von mehr als etwa 2 μm und weniger als etwa 30 μm. Da diese Öffnungen innerhalb des Körpers 121 der Fluidverteilungsmedienschichten (z. B. 108, 110) liegen, werden die Oberflächen der Öffnungen als Innenflächen 128 oder als Medieninneres bezeichnet.
Gemäß der Erfindung umfassen bevorzugte nichtmetallische leitende Fluidverteilungsmedien 107 Kohlenstoff. Diese Fluidverteilungsmedien sind im Gebiet bekannt und umfassen vorzugsweise Kohlenstofffasern oder Graphit. Die porösen Fluidverteilungsmedien 107 können aus Papier, Gewebe, Fließstoff, Fasern oder Schaum hergestellt sein. Eine Art dieser bekannten porösen Fluidverteilungsmedien 107 umfasst ein Graphitpapier mit einer Porosität von etwa 70 Vol.-% und einer nicht komprimierten Dicke von etwa 0,17 mm, das unter dem Handelsnamen Toray TGPH-060 von der Toray Company kommerziell erhältlich ist. Die Reaktandenfluide werden über die Fluidflusskanäle 126 in der ersten porösen Medienschicht 108 und in der zweiten porösen Medienschicht 110 zu der MEA 100 geliefert, wo die elektrochemischen Reaktionen stattfinden und elektrischen Strom erzeugen.
Der elektrische Kontakt über einen elektrisch leitenden Weg in den Kontaktgebieten 116 hängt von dem relativen elektrischen Kontaktwiderstand an einer Grenzfläche der Oberflächen der Elemente, die mitein ander in Kontakt sind, ab. Obgleich nichtmetallische Fluidverteilungsmedien 107 wegen ihrer Korrosionsbeständigkeit, ihrer Festigkeit, ihrer physikalischen Haltbarkeit in einer Brennstoffzellenumgebung und ihrem niedrigen elektrischen Grundmaterialwiderstand bevorzugt sind, ist festgestellt worden, dass die Grenzfläche zwischen einem Metallsubstrat 113, 115 und den nichtmetallischen Fluidverteilungsmedien 107 wegen der Unterschiedlichkeit der jeweiligen Werkstoffe zu einem erhöhten elektrischen Kontaktwiderstand an der Grenzfläche beitragen kann. Es wird angenommen, dass die molekulare Wechselwirkung zwischen dem Metall und dem nichtmetallischen Werkstoff an einer solchen Grenzfläche den Kontaktwiderstand wegen Unterschieden in den jeweiligen Oberflächenenergien und anderen molekularen und physikalischen Wechselwirkungen erhöhen kann. Somit schafft ein Aspekt der Erfindung ein leitendes Metall, das auf dem Werkstoff, der die Außenflächen der Poren 120 der porösen nichtmetallischen Fluidverteilungsmedien entlang der Oberfläche 107 umfasst, beschichtet ist, um metallisierte Gebiete 130 zu erzeugen. Die metallisierten Gebiete 130 sind entlang der ersten Außenflächen 117 ausgebildet, die den Metallsubstraten 113, 115 gegenüberliegen. Die metallisierten Gebiete 130 sind an der ersten Außenfläche 117 mit der Fluidverteilungsmedienschicht 107 integriert, und es ist gezeigt worden, dass sie den Kontaktwiderstand im Vergleich zu Fluidverteilungsmedienschichten ohne Metallbeschichtung oder metallisierte Gebiete nachhaltig verringern. Vorzugsweise beträgt der Kontaktwiderstand des elektrisch leitenden Elements der Erfindung weniger als 30 mΩ/cm² und bevorzugter weniger als 15 mΩ/cm². Obgleich dadurch nicht die Art und Weise der Wirkung der Erfindung eingeschränkt werden soll, wird angenommen, dass die leitenden metallisierten Gebiete 130 an der Kontaktfläche 117 der Fluidverteilungsmedien 107 dadurch eine verbesserte elektrische Grenzfläche in den Kontaktgebieten 116 schaffen, dass sie mit ähnlichen Werk stoffen (d. h. Metallen) mit entsprechend ähnlichen molekularen und physikalischen Eigenschaften (z. B. Oberflächeneigenschaften) in Kontakt sind. Ferner wird angenommen, dass die metallisierten Gebiete 130 an den porösen Fluidverteilungsmedien 107 eine gleichmäßigere elektrische Stromverteilung über den Körper 121 der Medien 107 schaffen, während der Strom die diskreten und nicht zusammenhängenden Kontaktgebiete 116 erreicht, die den Stegen 131 der Strömungsfeldkonfiguration an den Trennplattensubstraten 113, 115 zugeordnet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung sind die metallisierten Gebiete 130 entlang der Außenflächen 117 der Fluidverteilungsmedien 107 aufgetragen. Die Dicke der metallisierten Gebiete 130 ist kleiner als 80 nm, vorzugsweise kleiner als 50 nm und am meisten bevorzugt zwischen etwa 2 bis etwa 10 nm. Somit ist die Dicke der metallisierten Gebiete 130 in bestimmten bevorzugten Ausführungsformen gemäß der Erfindung kleiner als die Tiefe oder gleich der Tiefe zweier Atommonoschichten des für die Beschichtung 130 gewählten Metalls. "Ultradünne" Schichten aus leitendem Metall, die innerhalb der metallisierten Gebiete abgelagert sind, bezieht sich allgemein auf Dicken kleiner als etwa 40 nm und am meisten bevorzugt kleiner als 15 nm. Vorzugsweise beschichten die leitenden metallisierten Gebiete 130 außerdem die Oberflächen der äußeren Poren 124 und die Oberflächen 128 der inneren Poren 122 und verlaufen in eine Tiefe von wenigstens etwa 2 bis etwa 10 nm in den Körper 121 der Fluidverteilungsmedien 107. Vorzugsweise sind die metallisierten Gebiete 130 elektrisch leitend, oxidationsbeständig und säurebeständig, wobei das elektrisch leitende Metall, das das metallisierte Gebiet bildet, in bestimmten bevorzugten Ausführungsformen ein Edelmetall umfasst, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Silber (Ag), Iridium (Ir), Platin (Pt) und Osmium (Os) besteht. Weitere bevorzugte Metalle für die metallisierten Ge biete 130 enthalten jene, die Chrom (Cr) oder Verbindungen von Cr wie etwa Chromnitrid (CrN) enthalten. Ein am stärksten bevorzugtes Metall für die metallisierten Gebiete 130 umfasst Gold (Au). Wie der Fachmann auf dem Gebiet erkennt, kann die leitende Metallzusammensetzung Mischungen der oben angegebenen Metalle umfassen.
In einer in 5 gezeigten alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entsprechen die diskreten metallisierten Gebiete 130a der porösen Medien 107 elektrisch leitenden Gebieten der Außenfläche 117, während die nicht metallisierten Gebiete 133 den elektrisch nicht leitenden Gebieten entsprechen. Die elektrisch leitenden Gebiete enthalten jene Bereiche, die mit den Stegen 131 in Kontakt sind und den elektrisch leitenden Weg in den Kontaktgebieten 116 herstellen. In anderen bevorzugten Ausführungsformen wie etwa der in 4 gezeigten bedecken die metallisierten Gebiete 130 die gesamte Oberfläche der Außenfläche 117, was eine gleichmäßigere Stromverteilung in den Körper 121 der porösen Medien 107 fördert. In der Ausführungsform mit diskreten metallisierten Gebieten 130a, die den elektrisch aktiven Kontaktgebieten 116 entsprechen, sind die elektrisch nicht leitenden und nicht metallisierten Gebiete der Außenflächen 117 bedeckt oder maskiert, während das leitende Metall aufgetragen wird. Eine Maske ist irgendein Metall, das auf ein Substrat aufgetragen wird und während der Beschichtungsoperation stabil bleibt. Häufig werden Maskenwerkstoffe so gewählt, dass sie die Wiedergewinnung und Wiederverwertung der während des Ablagerungsprozesses über der Maske abgelagerten Metalle ermöglichen, wobei sie im Gebiet gut bekannt sind. Bevorzugte Maskenwerkstoffe, die mit der Erfindung verträglich sind, enthalten beispielhaft Metalle wie etwa rostfreien Stahl und Titan oder Keramiken auf Silicium- und Aluminiumoxidgrundlage.
Um die leitenden Metallzusammensetzungen aufzutragen, die die metallisierten Gebiete 130 der Fluidverteilungsmedien 107 bilden, können eine Vielzahl von Ablagerungsverfahren verwendet werden. Anhand von 6 wird nun ein bevorzugtes Verfahren des Ablagerns des leitenden Metalls der metallisierte Gebiete 130 auf den porösen Fluidverteilungsmedien 107 beschrieben. Zur Ablagerung des leitenden Metalls auf dem Substrat wird ein ionengestütztes physikalisches Verfahren der Abscheidung aus der Gasphase (PVD-Verfahren) verwendet.
In 6 ist eine Vorrichtung 136 für das ionengestützte PVD-Verfahren gezeigt, die zum Auftragen der leitenden Metallzusammensetzung der metallisierten Gebiete 130 verwendet wird. Die Vorrichtung 136 enthält eine Ablagerungskammer 138 und zwei Elektronenkanonen A und B zum Ablagern der Metallbeschichtung. Außerdem enthält die Vorrichtung 136 eine Turbopumpe, die es ermöglicht, die Vorrichtung in einem Ultrahochvakuum zu betreiben. Zunächst wird das mit dem leitenden Metall zu beschichtende Substrat in einer "Beschickungsschleusenkammer" 137 angeordnet, wo der Druck zwischen etwa 1,3·10^-3 Pa und 1,3·10^-4 Pa (10^-5 und 10^-6 Torr) beträgt. Daraufhin wird das Substrat in die Ablagerungskammer 138 umgesetzt. Wenn das Substrat in der Kammer 138 angeordnet ist, wird der Druck auf etwa 1,3·10^-7 Pa (10^-9 Torr) abgesenkt. Ein erster Schmelztiegel 140 in der Kammer hält das abzulagernde Metall. Falls eine Kombination aus Metallen oder Edelmetallen abgelagert werden soll, hält ein zweiter Schmelztiegel 142 ein zweites Metall. Beispielsweise enthält der erste Schmelztiegel 140 ein erstes Metall (z. B. Titan), das als eine erste Schicht abgelagert wird, während der Schmelztiegel 142 ein zweites Metall (z. B. Gold) enthält, das über der ersten Schicht abgelagert wird und eine zweite Schicht bildet. Eine weitere verfügbare Option kann sein, eine Kombination der Metalle gleichzeitig abzulagern. Edel metalle werden auf dem Substrat mit einer Rate von 0,10 nm/s bis zu einer Dicke von weniger als 80 nm abgelagert, was durch im Gebiet bekannte Dickenüberwachungseinrichtungen überwacht wird. In den metallisierten Gebieten 130 kann auf dem Substrat ein leitendes Metall in äußerst niedrigen Dicken von weniger als 80 nm, vorzugsweise weniger als 40 nm und am meisten bevorzugt etwa 2 bis etwa 10 nm abgelagert werden. Wenn das metallisierte Gebiet 130 eine Dicke von wenigstens etwa 2 nm hat, beträgt die Beschickung vorzugsweise 0,02 mg/cm². Vorzugsweise ist es bei dem vorliegenden Prozess möglich, lediglich eine ultradünne Schicht (d. h. eine Ultradünnschicht in der Größenordnung von 10–20 nm) zu beschichten, wodurch eine gute Oberflächenbedeckung, eine verhältnismäßig gleichmäßige Bedeckung und eine gute Haftung erreicht werden. Somit ermöglicht die Verwendung des ionengestützten PVD-Verfahrens, dass das elektrisch leitende Metall sehr gleichmäßig, sehr eben und in einer dünnen Schicht auf dem Substrat abgelagert wird.
Ein weiteres bevorzugtes PVD-Verfahren, das ebenfalls für die Erfindung geeignet ist, ist die Magnetronzerstäubung, bei der ein Metallziel (das leitende Metall für die metallisierten Gebiete 130) mit einer Zerstäubungskanone in einer Argonionenatmosphäre beschossen wird, während das Substrat geladen ist. Die Zerstäubungskanone bildet ein Plasma aus Metallpartikeln und Argonionen, das durch den Impuls übertragen wird, um das Substrat zu beschichten. Weitere bevorzugte Verfahren des Auftragens einer Metallbeschichtung 130 gemäß der Erfindung enthalten die Elektronenstrahlverdampfung, bei der das Substrat in einer Unterdruckkammer (zwischen etwa 1,3·10^-1 Pa und 1,3·10^-2 Pa (10^-3 und 10^-4 Torr)) enthalten ist und ein Metallverdampfungsmittel durch einen geladenen Elektronenstrahl erwärmt wird, wobei es verdampft und daraufhin auf dem Zielsubstrat kondensiert. Außerdem kann das leitende Metall der metallisierten Gebiete 130 durch Elektroplattieren (z. B. elektrolytische Ablagerung), autokatalytisches Plattieren oder Impulslaserablagerung aufgetragen werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung schaffen einen niedrigen Kontaktwiderstand über die Trennplattensubstrate 113, 115 durch die porösen Medien 107 mit den metallisierten Gebieten 130. Ferner erfordern die elektrisch leitenden Elemente gemäß der Erfindung nicht die Entfernung einer Passivierungsschicht (d, h. einer Metalloxidschicht) von den Metalltrennplattensubstraten 113, 115 entlang der Kontaktflächen 132 vor ihrer Einfügung in das leitende Element der Erfindung. Allgemein erzeugt ein Metallsubstrat 113, 115 mit einer Oxidschicht, die mit einer nichtmetallischen Fluidverteilungsschicht (ohne metallisierte Gebiete 130) in Kontakt ist, einen unzulässig hohen elektrischen Kontaktwiderstand. Somit enthalten die Verfahren des Standes der Technik eine Vielzahl von Verfahren wie etwa katodische elektrolytische Reinigung, mechanisches Abschleifen, Reinigung des Substrats mit Alkalireinigern und Ätzen mit säurehaltigen Lösungsmitteln oder Beizmitteln zum Entfernen der Oxidschicht. Die Erfindung beseitigt die Notwendigkeit, die Metalloxide von den Kontaktflächen 132 der Metalltrennplatte 113, 115 zu entfernen.
Somit enthält ein bevorzugter Aspekt der Erfindung die Verwendung des Trennelementsubstrats 113, 115, das rostfreien Stahl umfasst, wobei die Substratoberfläche 113, 115 keine umfangreiche Entfernung einer Passivierungsschicht von der Kontaktfläche 132 erfordert. Durch die verbesserte elektrische Leitfähigkeit an der Grenzfläche in den Kontaktgebieten 116, die durch die Beschichtung 130 der metallisierten Gebiete auf den porösen Medien 107 erzeugt wird, können in den Trennelementsubstraten 113, 115 Metalle verwendet werden, die eine natürlich auftretende Oxidschicht auf der Kontaktfläche 132 besitzen. Somit beseitigt die Erfindung den kostspieligen und zeitaufwändigen Vorverarbeitungsschritt des Entfernens von Metalloxiden von der Kontaktfläche 132 der Metallsubstrate 113, 115. Ferner besitzen die zuvor diskutierten höherwertigen rostfreien Stähle eine hohe Korrosionsbeständigkeit und können somit wegen ihrer Fähigkeit, die korrodierende Umgebung in der Brennstoffzelle auszuhalten, ohne irgendeine weitere Schutzbehandlung verwendet werden.
Außerdem ist die Erfindung zur Verwendung mit Trennplattenelementsubstraten 113, 115 geeignet, die mit elektrisch leitenden Schutzbeschichtungen beschichtet sind, die eine Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem darunter liegenden Metallsubstrat 113, 115 erzeugen. Solche Beschichtungen können oxidations- und korrosionsbeständige Edelmetallbeschichtungsschichten 130 (z. B. Au, Ag, Pt, Pd, Ru, Rh, Ir, Os und Gemische davon) oder korrosionsbeständige, elektrisch leitende Polymermatrizen, die, wie im Gebiet bekannt ist, allgemein oxidationsbeständige Polymere umfassen, die in einer Matrix elektrisch leitender korrosionsbeständiger Partikel dispergiert sind, umfassen. Vorzugsweise haben die Schutzbeschichtungen einen spezifischen Widerstand von nicht weniger als etwa 50 μΩ·cm und umfassen eine Vielzahl oxidationsbeständiger, säureunlöslicher leitender Partikel (d. h. weniger als etwa 50 μm), die in einer gesamten säurebeständigen, oxidationsbeständigen Polymermatrix dispergiert sind, wobei das Polymer die Partikel aneinander bindet und an der Oberfläche 132 des Metallsubstrats 113, 115 hält. Je nach Zusammensetzung, spezifischem Widerstand und Unversehrtheit der Beschichtung enthält die Beschichtung ausreichend leitfähige Füllpartikel, um einen spezifischen Widerstand von nicht mehr als etwa 50 μΩ·cm zu erzeugen, und besitzt sie eine Dicke zwischen etwa 5 μm und etwa 75 μm. Zur Erzeugung undurchlässiger Beschichtungen, die die darunter liegen de Metallsubstratoberfläche vor dem Hindurchdiffundieren von Korrosionsmedien schützen, sind vernetzte Polymere bevorzugt.
Vorzugsweise sind die leitenden Füllpartikel aus der Gruppe gewählt, die aus Gold, Platin, Graphit, Kohlenstoff, Nickel, leitenden Metallboriden, -nitriden und -carbiden (z. B. Titannitrid, Titancarbid, Titandiborid), mit Chrom und/oder Nickel legiertem Titan, Palladium, Niob, Rhodium, Seltenerdmetallen und anderen Edelmetallen besteht. Am meisten bevorzugt umfassen die Partikel Kohlenstoff oder Graphit (d. h. hexagonal kristallisierten Kohlenstoff). Je nach der Dichte und Leitfähigkeit der Partikel umfassen diese veränderliche Gewichtsprozentsätze der Beschichtung (d. h. Partikel mit einer hohen Leitfähigkeit und niedrigen Dichte können in niedrigeren Gewichtsprozenten verwendet werden). Kohlenstoff/Graphit-haltige Beschichtungen enthalten typisch 25 Gew.-% Kohlenstoff/Graphit-Partikel. Die Polymermatrix umfasst irgendein wasserunlösliches Polymer, das zu einer dünnen haftenden Dünnschicht ausgebildet ist und die aggressive oxidierende und säurehaltige Umgebung der Brennstoffzelle aushalten kann. Somit werden Polymere wie etwa Epoxide, Polyamidimide, Polyetherimide, Polyphenole, Fluorelastomere (z. B. Polyvinylidenfluorid), Polyester, Phenoxyphenole, Epoxidphenole, Acryle und Urethane u. a. als mit der Erfindung nutzbar angesehen. In dieser Ausführungsform, in der auf den Oberflächen 132 eine Schutzbeschichtung liegt, umfassen die Metallsubstrate 113, 115 ein korrosionsanfälliges Metall wie etwa Aluminium, Titan oder niederwertigeren rostfreien Stahl, das mit einer korrosionsbeständigen Schutzbeschichtung beschichtet ist.
In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung besitzt die Kontaktfläche 132 der Trennelementmetallsubstrate 113, 115 vorzugsweise eine im Wesentlichen saubere Oberfläche, bei der lose anhaftende Fremdkörper vor Einfügen in das elektrisch leitende Element entfernt werden. Diese Reinigung dient typisch zur Entfernung irgendwelcher lose anhaftender Fremdkörper wie etwa Öle, Fette, Wachsfestkörper, Partikel (einschließlich Metallpartikel, Kohlenstoffpartikel, Staub und Schmutz), Silika, Zunder und Gemische davon. Viele Fremdkörper werden während der Herstellung des Metallwerkstoffs hinzugefügt und können sich außerdem während des Transports oder der Lagerung auf der Kontaktfläche 132 ansammeln. Somit ist die Reinigung der Kontaktfläche 132 des Metallsubstrats 113, 115 unter Umständen, in denen das Metallsubstrat 113, 115 mit Fremdkörpern verschmutzt ist, besonders bevorzugt. Die Reinigung des Metallsubstrats 113, 115 kann das mechanische Abschleifen, die Reinigung mit herkömmlichen Alkalireinigern, Tensiden, schwach sauren Waschmitteln oder durch Ultraschallreinigung erfordern. Der richtige Reinigungsprozess oder die richtigen Folge von Reinigungsprozessen wird anhand des Wesens der Verunreinigung und des Metalls gewählt.
Im Folgenden werden ausführlich experimentelle Einzelheiten hinsichtlich einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist Gold als das elektrisch leitende Edelmetall gewählt worden, das durch ein ionengestütztes PVD-Verfahren auf einem Toray-Fluidverteilungsmedien-Graphitpapier mit einer Porosität von etwa 70 Vol.-% und einer unkomprimierten Dicke von etwa 0,17 mm, das von der Toray Company als das Produkt Toray TGPH-060 kommerziell verfügbar ist, abgelagert wurde. In dem ersten Experiment wurde durch ein Teer-Magnetronzerstäubungssystem durch das PVD-Verfahren Gold auf dem Toray-Papier abgelagert. Die Magnetronziele waren 99,99 % reines Au. Die Au-Ablagerung erfolgte bei einer Vorspannung von 50 V unter Verwendung von 0,2 A während einer Minute, um eine Goldbeschichtung 130 mit einer Dicke von 10 nm zu erzielen.
Wie in 7 gezeigt ist, wurde in dem oben beschriebenen Experiment die erfindungsgemäße Probe vorbereitet, während die Kontrollprobe ein nicht beschichtetes Graphitpapier des Standes der Technik Toray 060 mit den gleichen Spezifikationen wie bei der obigen erfindungsgemäßen Probe für den Beschichtungsprozess ist. Der Kontaktwiderstand wurde sowohl über die erfindungsgemäße Probe als auch über die Kontrollprobe über eine ebene Platte aus rostfreiem Stahl 316L über einen Druckbereich gemessen. Unter Verwendung eines Stroms von 50 A/cm², der durch eine Gleichstromversorgung angelegt wurde, wurde ein Oberflächeninhalt von 49 cm² getestet. Der Widerstand wurde unter Verwendung eines Vierpunktverfahrens gemessen und aus den gemessenen Spannungsabfällen und aus den bekannten angelegten Strömen und Beispielabmessungen berechnet. Der Spannungsabfall wurde sowohl für die erfindungsgemäße Probe als auch für die Kontrollprobe "von Papier zu Papier" gemessen, d. h. durch Einfügen einer Stahlplatte zwischen zwei Diffusionsmedienschichten wurde eine Anordnung gebildet, bei der die Spannung über die Anordnung gemessen wurde. Die Kontaktwiderstände wurden als mΩ/cm² bei inkrementell angewendeter Kraft gemessen. Die Platten aus rostfreiem Stahl 316L wurden nicht behandelt (d. h. keine Entfernung der Oxidschichten oder Reinigung), sondern vielmehr in dem Zustand verwendet, wie sie vom Hersteller empfangen wurden. Das Papier ohne die Goldbeschichtung 130 zeigt hohe Kontaktwiderstandswerte mit dem niedrigsten Kontaktwiderstandswert bei etwa 125 mΩ/cm², wenn der angewendete Druck 2700 kPa (400 psi) beträgt. Die in Übereinstimmung mit der Erfindung vorbereitete Probe demonstriert durch die Grenzfläche in den Kontaktgebieten über die gesamte Kontaktfläche und über den Bereich der getesteten Kompressionsdrücke einen erheblich niedrigeren Kontaktwiderstand (d. h. weniger als etwa 125 mΩ/cm²).
In 8 wurde ein weiterer Vergleich zwischen derselben erfindungsgemäßen Probe und derselben Kontrollprobe wie in 7 ausgeführt, wobei der in der Kontaktwiderstandsmessung verwendete rostfreie Stahl 316L allerdings mit Nuten entlang der Kontaktfläche bearbeitet wurde, um Flusskanäle und Stege (in einem Verhältnis der Stege zu den Nuten von 1:1) zu erzeugen, wobei ein Kompressionsdruck für den gesamten Oberflächeninhalt gemessen wurde. Somit wurden die elektrischen Kontaktgebiete in den diskreten Steggebieten gebildet. Ansonsten war der rostfreie Stahl 316L unbehandelt. Wie über den Bereich der angewendeten Brücke demonstriert ist, hatte die gemäß der Erfindung vorbereitete Probe einen erheblich niedrigeren Kontaktwiderstand als die Kontrollprobe des Standes der Technik und zeigte eine noch stärkere Verbesserung zwischen den Kontaktwiderstandswerten der erfindungsgemäßen Probe und der Kontrollprobe (d. h. mehr als 150 mΩ/cm² bei dem höchsten getesteten Druck von 2000 kPa oder 300 psi) als oben in 7 gezeigt. Somit besitzen leitende Elemente, die in Übereinstimmung mit der Erfindung hergestellt sind, eine verbesserte elektrische Grenzfläche zwischen den nichtmetallischen porösen Fluidverteilungsmedien und dem metallischen Substrat des Trennelements. Die metallisierten Gebiete der Erfindung schaffen eine ultradünne leitende Metallbeschichtung, die die Oberfläche des porösen Fluidverteilungselements ausreichend bedeckt, um für ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement einen niedrigen Kontaktwiderstand zu erzeugen, was die Gesamtleistung der Brennstoffzelle verbessert. Darüber hinaus ist die Dicke der Metallbeschichtung derart, dass die Herstellungskosten der Vorbereitung eines elektrisch leitenden Fluidverteilungselements minimiert werden. Durch Beseitigen des Schritts des Entfernens der Metalloxide von den Metallsubstraten, die eine elektrische Grenzfläche mit dem Fluidverteilungselement bilden, werden die Verarbeitungskosten weiter gesenkt. Die verbesserte elektrische Grenzfläche verringert den Kontaktwiderstand und fördert eine weiter verbreite te und gleichmäßigere Stromverteilung, was den Betriebswirkungsgrad und die Gesamtlebensdauer der Membran und des Brennstoffzellenstapels erhöht.
Zusammengefasst betrifft die Erfindung ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, das ein leitendes Metallsubstrat und eine Schicht aus leitenden nichtmetallischen porösen Medien besitzt. Die leitenden nichtmetallischen porösen Medien besitzen ein elektrisch leitendes Metall, das in einem oder in mehreren metallisierten Gebieten entlang einer Oberfläche abgelagert ist. Die metallisierten Gebiete verbessern in den Kontaktgebieten zwischen dem Metallsubstrat und den Fluidverteilungsmedien die elektrische Leitfähigkeit

Claims

Elektrisch leitendes Element zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, das umfasst: ein leitendes Metallsubstrat (113, 115); eine Schicht (108, 110) aus leitendem nichtmetallischem porösem Medium (107) mit einer Oberfläche, die dem Metallsubstrat (113, 115) zugewandt ist; und ein oder mehrere metallisierte Gebiete (130) auf der Oberfläche der Schicht (108, 110), wobei jedes metallisierte Gebiet (130) ein elektrisch leitendes Metall enthält; wobei das leitende Metallsubstrat (113, 115) in Kontakt mit den metallisierten Gebieten (130) angeordnet ist, um einen elektrisch leitenden Weg zwischen der Schicht (108, 110) und dem leitenden Metallsubstrat (113, 115) zu erzeugen.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes metallisierte Gebiet (130) im Vergleich zu einem nicht metallisierten Gebiet eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit vorsieht.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eine metallisierte Gebiet (130) die Oberfläche der Schicht (108, 110) im Wesentlichen vollständig bedeckt.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das leitende Metallsubstrat (113, 115) eine Oberfläche besitzt, die der mit mehreren Nuten und Stegen (131) struk turierten Schicht (108, 110) zugewandt ist, wobei die Stege (64) mit den jeweiligen metallisierten Gebieten (130) in Kontakt sind.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen die gesamte Oberfläche jedes Stegs (131) mit einem jeweiligen metallisierten Gebiet (130) in Kontakt ist.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das leitende Metallsubstrat (113, 115) mit den metallisierten Gebieten (130) und mit den nicht metallisierten Gebieten in Kontakt ist.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallsubstrat (113, 115) aus der Gruppe gewählt ist, die aus rostfreiem Stahl, Aluminium und Titan besteht.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das leitende Metallsubstrat (113, 115) rostfreien Stahl umfasst.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der rostfreie Stahl aus der Gruppe gewählt ist, die aus 316L, 317L, 256 SMO, Alloy 276 und Alloy 904L besteht.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der rostfreie Stahl Gebiete von Oberflächenoxiden besitzt, die den elektrischen Kontaktgebieten gegenüberliegend ausgebildet sind.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Medium (107) Poren (120) definieren, die Strömungspfade durch die Schicht (108, 110) bilden.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Metall auf den Oberflächen der Poren (120) in den metallisierten Gebieten (130) abgelagert ist.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium (107) Kohlenstoff umfasst.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium (107) Kohlenstoff umfasst und aus der Gruppe gewählt ist, die aus Papier, Gewebe, Fließstoff, Fasern und Schaum besteht.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Metall der metallisierten Gebiete (130) ein Edelmetall umfasst.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Metall der metallisierten Gebiete (130) eine edelmetallhaltige Verbindung umfasst.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass das elektrisch leitende Metall der metallisierten Gebiete (130) aus der Gruppe gewählt ist, die aus Cr, CrN, Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, Os, Au und Gemischen davon besteht.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Metall Au umfasst.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des elektrisch leitenden Metalls jedes metallisierten Gebiets (130) kleiner als oder gleich 15 nm ist.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des elektrisch leitenden Metalls jedes metallisierten Gebiets (130) kleiner als die Tiefe oder gleich der Tiefe zweier Atommonoschichten aus Metallatomen ist.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des elektrisch leitenden Metalls jedes metallisierten Gebiets (130) zwischen etwa 2 und etwa 10 nm beträgt.
Anordnung zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, wobei die Anordnung umfasst: ein elektrisch leitendes Metallsubstrat (113, 115) mit einer Hauptoberfläche; eine Schicht (108, 110) aus elektrisch leitendem porösem Fluidverteilungsmedium (107) mit einer ersten Oberfläche (117) und mit einer zweiten Oberfläche (110), wobei die erste Oberfläche (117) mit der Hauptoberfläche in elektrischem Kontakt ist und die zweite Oberfläche (110) einer Membranelektrodenanordnung (100) gegenüberliegt; und ein metallisiertes Gebiet (130) oder mehrere metallisierte Gebiete (130) auf der ersten Oberfläche (117) und auf der zweiten Oberfläche (110) der Schicht (108, 110), wobei jedes metallisierte Gebiet (130) ein elektrisch leitendes Metall enthält; wobei ein elektrischer Kontaktwiderstand über das Metallsubstrat (113, 115) durch die metallisierten Gebiete (130) zu der Schicht (108, 110) kleiner als ein Vergleichskontaktwiderstand über ein ähnliches Metallsubstrat (113, 115) und eine ähnliche Schicht (108, 110) eines Fluidverteilungsmediums ohne die metallisierten Gebiete (130) ist.
Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtwert des elektrischen Widerstands unter einer Druckkraft von etwa 2700 kPa kleiner als 15 mΩ/cm² ist.
Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallsubstrat (113, 115) aus der Gruppe gewählt ist, die aus rostfreiem Stahl, Aluminium und Titan besteht.
Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallsubstrat (113, 115) rostfreien Stahl umfasst.
Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der rostfreie Stahl Gebiete von Oberflächenoxiden besitzt, die den elektrischen Kontaktgebieten gegenüberliegend ausgebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (108, 110) Kohlenstoff umfasst.
Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (108, 110) Kohlenstoff umfasst und aus der Grup pe gewählt ist, die aus Papier, Gewebe, Fließstoff, Fasern und Schaum besteht.
Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Metall der metallisierten Gebiete (130) ein Edelmetall umfasst.
Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Metall der metallisierten Gebiete (130) eine edelmetallhaltige Verbindung umfasst.
Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Metall der metallisierten Gebiete (130) aus der Gruppe gewählt ist, die aus Cr, CrN, Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, Os, Au und Gemischen davon besteht.
Anordnung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Metall der metallisierten Gebiete (130) Au umfasst.
Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des elektrisch leitenden Metalls jedes metallisierten Gebiets (130) kleiner als oder gleich 15 nm ist.
Elektrisch leitendes Fluidverteilungselement für eine Brennstoffzelle, wobei das Element umfasst: eine Schicht (108, 110) aus elektrisch leitendem porösem Medium (107), das Kohlenstoff und eines oder mehrere ultradünne metallisierte Gebiete (130) entlang einer Oberfläche (117) der Schicht (108, 110) umfasst, wobei das eine metallisierte Gebiet (130) oder die mehreren metallisierten Gebiete (130) ein elektrisch leitendes Metall umfassen.
Elektrisch leitendes Fluidverteilungselement nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (117) mit dem einen metallisierten Gebiet (130) oder mit den mehreren metallisierten Gebieten (130) einem elektrisch leitenden undurchlässigen Trennelement (113, 115) gegenüberliegt.
Elektrisch leitendes Fluidverteilungselement nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des elektrisch leitenden Metalls der ultradünnen metallisierten Gebiete (130) kleiner als 40 nm ist.
Elektrisch leitendes Fluidverteilungselement nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (117) mit den metallisierten Gebieten (130) mit dem undurchlässigen Trennelement (113, 115) in Kontakt ist und einen elektrisch leitenden Weg dazwischen bildet.
Elektrisch leitendes Fluidverteilungselement nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass das in Kontakt mit den ultradünnen metallisierten Gebieten (130) angeordnete undurchlässige Trennelement (113, 115) einen elektrisch leitenden Weg zwischen der Schicht (108, 110) und dem Trennelement (113, 115) erzeugt und dass ein elektrischer Gesamtwiderstand über das Trennelement (113, 115) durch die metallisierten Gebiete (130) zu der Schicht (108, 110) unter einer Druckkraft von 2700 kPa kleiner als 15 mΩ/cm² ist.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (113, 115) aus der Gruppe gewählt ist, die aus rostfreiem Stahl, Aluminium und Titan besteht.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Medium (107) der Schicht (108, 110) mehrere Poren (120) besitzt, die Strömungspfade durch die Schicht (108, 110) bilden.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Metall auf den Oberflächen der Poren (120) in den metallisierten Gebieten (130) abgelagert ist.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Medium (107) aus der Gruppe gewählt ist, die aus Papier, Gewebe, Fließstoff, Fasern und Schaum besteht.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Metall der metallisierten Gebiete (130) ein Edelmetall umfasst.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 34, dadurch ge kennzeichnet, dass das elektrisch leitende Metall der metallisierten Gebiete (130) eine edelmetallhaltige Verbindung umfasst.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Metall der metalli sierten Gebiete (130) aus der Gruppe gewählt ist, die aus Cr, CrN, Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, Os, Au und Gemischen davon besteht.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 45, dadurch ge– kennzeichnet, dass das elektrisch leitende Metall Au umfasst.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 34, dadurch ge– kennzeichnet, dass die Dicke des elektrisch leitenden Metalls des ultradünnen metallisierten Gebiets (130) kleiner als die Tiefe oder gleich der Tiefe zweier Atommonoschichten aus Metallatomen ist.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 34, dadurch ge– kennzeichnet, dass die Dicke des elektrisch leitenden Metalls der ultradünnen metallisierten Gebiete (130) zwischen etwa 2 und etwa 10 nm beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Elements für eine Brennstoffzelle, das umfasst: Ablagern eines elektrisch leitenden Metalls auf einer Oberfläche eines elektrisch leitenden porösen Mediums (107) zum Ausbilden eines metallisierten Gebiets (130) oder mehrerer metallisierter Gebiete (130) mit einer ultraniedrigen Dicke; Positionieren der Oberfläche mit den metallisierten Gebieten (130) benachbart zu einem metallischen elektrisch leitenden Substrat (113, 115); Herstellen eines Kontakts zwischen dem Substrat (113, 115) und der Oberfläche mit den metallisierten Gebieten (130), um zwischen dem Substrat (113, 115) und dem porösen Medium (107) einen elektrisch leitenden Weg auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablagern durch einen Prozess durchgeführt wird, der aus der Gruppe gewählt ist, die aus Elektronenstrahlverdampfung, Magnetronzerstäubung, physikalischer Abscheidung aus der Gasphase, elektrolytischer Ablagerung und autokatalytischer Ablagerung besteht.
Verfahren nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Metall aus der Gruppe gewählt ist, die aus Cr, CrN, Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, Os, Au und Gemischen davon besteht.
Verfahren nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Metall ein Edelmetall oder eine edelmetallhaltige Verbindung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 52, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Metall Au umfasst.
Verfahren nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablagern durchgeführt wird, um die ultraniedrige Dicke von weniger als oder gleich 15 nm zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablagern zum Erzeugen der ultraniedrigen Dicke von weniger als oder gleich der Tiefe zweier Atommonoschichten aus Metallatomen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablagern zur Erzeugung der ultraniedrigen Dicke zwischen etwa 2 und etwa 10 nm durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen eines Kontakts durch eine Druckkraft ausgeführt wird, die auf die Brennstoffzelle in einem zusammengebauten Brennstoffzellenstapel ausgeübt wird.