DE102006029473A1

DE102006029473A1 - Brennstoffzellenkontaktelement mit einer TiO2-Schicht und einer leitenden Schicht

Info

Publication number: DE102006029473A1
Application number: DE102006029473A
Authority: DE
Inventors: Gayatri Rochester Hills Vyas; Mahmoud H. Grosse Pointe Woods Abd Elhamid; Thomas A. Trabold; Youssef M. Sterling Heights Mikhail
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2007-01-04
Also published as: US8377607B2; US20070003815A1; US20130095251A1

Abstract

Eine Strömungsfeldplatte oder bipolare Platte für eine Brennstoffzelle umfasst eine Kombination aus TiO¶2¶ und einem leitenden Material, das die bipolare Platte leitend, hydrophil und stabil in der Brennstoffzellenumgebung macht. Das TiO¶2¶ und das leitende Material kann an der Platte als separate Schicht abgeschieden werden und kann kombiniert als eine einzelne Schicht abgeschieden werden. Es kann auch entweder die TiO¶2¶-Schicht oder die leitende Schicht zuerst abgeschieden werden. Bei einer Ausführungsform ist das leitende Material Gold.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein bipolare Platten für Brennstoffzellen und insbesondere eine bipolare Platte für eine Brennstoffzelle, die eine TiO₂-Schicht und eine leitende Schicht umfasst, die kombiniert die Platte leitend, hydrophil und stabil in einer Brennstoffzellenumgebung machen.
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und effizient dazu verwendet werden kann, Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Arbeit dient dazu, das Fahrzeug zu betreiben.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen populäre Brennstoffzellen für Fahrzeuge dar. Die PEMFC umfasst allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran, wie beispielsweise eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt), das auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind.
Die katalytische Mischung ist auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb, wie ein richtiges Wassermanagement und eine richtige Befeuchtung wie auch eine Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie Kohlenmonoxid (CO).
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Für den oben erwähnten Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel kann der Stapel etwa zweihundert oder mehr Zellen umfassen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodenreaktandengas, typischerweise eine Luftströmung auf, die durch den Stapel über einen Kompressor gedrängt wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffreaktandengas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Serie von Strömungsfeld- oder Bipolarplatten, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind. Die Bipolarplatten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. An der Anodenseite der bipolaren Platten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodengas an die Anodenseite der MEA strömen kann. An der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodengas an die Kathodenseite der MEA strömen kann. Die bipolaren Platten umfassen auch Strömungskanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.
Die Bipolarplatten bestehen typischerweise aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl, Titan, Aluminium, polymere Kohlenstoffverbundstoffe, etc., so dass sie die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität von einer Zelle zu der nächsten Zelle und aus dem Stapel heraus leiten. Aus Metall bestehende bipolare Platten erzeugen typischerweise ein natürliches Oxid an ihrer Außenfläche, das diese gegenüber Korrosion beständig macht. Jedoch ist die Oxidschicht nicht leitend und erhöht somit den Innenwiderstand der Brennstoffzelle, wodurch ihre elektrische Leistungsfähigkeit verringert wird. Auch macht die Oxidschicht die Platte hydrophober.

Die U.S. Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2003/0228512, die auf den Anmelder dieser Anmeldung übertragen wurde und hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist, offenbart ein Verfahren zum Abscheiden einer leitenden Außenschicht an einer Strömungsfeldplatte, die verhindert, dass die Platte oxidiert und ihren ohmschen Kontaktwiderstand erhöht. Das U.S. Patent Nr. 6,372,376, das ebenfalls auf den Anmelder dieser Anmeldung übertragen wurde, offenbart ein Abscheiden einer elektrisch leitenden, oxidationsbeständigen und säurebeständigen Beschichtung auf einer Strömungsfeldplatte. Die U.S. Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2004/0091768, die ebenfalls auf den Anmelder dieser Anmeldung übertragen wurde, offenbart das Abscheiden einer Graphit- und Carbon-Black-Beschichtung auf einer Strömungsfeldplatte, um die Strömungsfeldplatte korrosionsbeständig, elektrisch leitend und thermisch leitend zu machen.

Wie es in der Technik gut bekannt ist, brauchen die Membrane in einer Brennstoffzelle eine gewisse relative Feuchte, so dass der Ionenwiderstand über die Membran niedrig genug ist, um Protonen effizient zu leiten. Im Betrieb der Brennstoffzelle kann Feuchtigkeit von den MEAs und einer externen Befeuchtung in die Anoden- und Kathodenströmungskanäle eintreten. Bei niedrigen Zellenleistungsanforderungen, typischerweise unter 0,2 A/cm² sammelt sich das Wasser in den Strömungskanälen an, da die Strömungsgeschwindigkeit des Reaktandengases zu gering ist, um das Wasser aus den Kanälen herauszudrücken. Wenn sich das Wasser ansammelt, bildet es Tröpfchen, die sich aufgrund der relativ hydrophoben Beschaffenheit des Plattenmaterials weiter ausbreiten. Der Kontaktwinkel der Wassertröpfchen liegt allgemein bei etwa 90°, da die Tröpfchen sich in den Strömungskanälen im Wesentlichen rechtwinklig zu der Strömung des Reaktandengases bilden. Wenn die Größe der Tröpfchen zunimmt, wird der Strömungskanal geschlossen, und das Reaktandengas wird an andere Strömungskanäle umgelenkt, da die Kanäle parallel zwischen gemeinsamen Einlass- und Auslassverteilern angeordnet sind. Da das Reaktandengas nicht durch einen Kanal strömen kann, der mit Wasser blockiert ist, kann das Reaktandengas das Wasser nicht aus dem Kanal hinausdrängen. Diejenigen Bereiche der Membran, die kein Reaktandengas aufgrund des blockierten Kanals erhalten, erzeugen keine Elektrizität, was in einer nicht homogenen Stromverteilung wie auch einer Verringerung des Gesamtwirkungsgrades der Brennstoffzelle resultiert. Wenn mehr und mehr Strömungskanäle durch Wasser blockiert werden, nimmt die Elektrizität, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, ab, wobei ein Zellenspannungspotential von weniger als 200 mV als ein Zellenausfall betrachtet wird. Da die Brennstoffzellen elektrisch in Reihe gekoppelt sind, kann, wenn eine der Brennstoffzellen nicht mehr arbeitet, der gesamte Brennstoffzellenstapel ausfallen.

Gewöhnlich ist es möglich, das angesammelte Wasser in den Strömungskanälen dadurch zu spülen, dass das Reaktandengas periodisch durch die Strömungskanäle mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit gedrängt wird. Jedoch erhöht dies auf der Kathodenseite die parasitäre Leistung, die an den Luftkompressor angelegt wird, wodurch der Gesamtsystemwirkungsgrad verringert wird. Überdies existieren viele Gründe, den Wasserstoffbrennstoff nicht als Spülgas zu verwenden, wie beispielsweise verringerte Wirtschaftlichkeit, verringerter Systemwirkungsgrad und erhöhte Systemkomplexität zur Behandlung erhöhter Konzentrationen von Wasserstoff in dem Abgasstrom.

Die Verringerung von angesammeltem Wasser in den Kanälen kann auch durch Verringerung der Einlassbefeuchtung erreicht werden. Jedoch ist es erwünscht, eine gewisse relative Feuchte in den Anoden- und Kathodenreaktandengasen vorzusehen, so dass die Membrane in den Brennstoffzellen befeuchtet bleiben. Ein trockenes Einlassgas besitzt einen Trocknungseffekt auf die Membran, der den Ionenwiderstand der Zelle erhöhen und die Langzeitbeständigkeit der Membran einschränken könnte.

Von den vorliegenden Erfindern ist vorgeschlagen worden, bipolare Platten für eine Brennstoffzelle hydrophil zu machen, um einen Kanalwassertransport zu verbessern. Eine hydrophile Platte bewirkt, dass das Wasser in den Kanälen einen dünnen Film bildet, der eine geringere Neigung zur Änderung der Strömungsverteilung entlang der Gruppierung von Kanälen besitzt, die mit den gemeinsamen Einlass- und Auslasssammelleitungen verbunden sind. Wenn das Plattenmaterial ausreichend benetzbar ist, tritt der Wassertransport durch die Diffusionsmedien in Kontakt mit den Kanalwänden und wird dann durch Kapillarkraft in die unteren Ecken des Kanals entlang seiner Länge transportiert. Die physikalischen Anforderungen, um eine spontane Benetzung in den Ecken eines Strömungskanals zu unterstützen, wird durch die Concus-Finn-Bedingung β + α/2 < 90° beschrieben, wobei β der statische Kontaktwinkel ist und α der Kanal eckwinkel ist. Für einen rechtwinkligen Kanal gilt α/2 = 45°, was angibt, dass eine spontane Benetzung auftritt, wenn der statische Kontaktwinkel kleiner als 45° ist. Für die grob rechtwinkligen Kanäle, die in gegenwärtigen Brennstoffzellenstapelkonstruktionen mit Verbund-Bipolarplatten verwendet werden, setzt dies eine ungefähre obere Grenze hinsichtlich des Kontaktwinkels, der erforderlich ist, um die nützlichen Effekte hydrophiler Plattenoberflächen auf den Kanalwassertransport und eine Niederlaststabilität zu verwirklichen.

Wenn eine hydrophile Beschichtung auf bipolaren Platten in Brennstoffzellen vorgesehen wird, muss ein Konstruktionsproblem gelöst werden. Da hydrophile Beschichtungen eine hohe Oberflächenenergie besitzen, ziehen diese Partikel und andere Schmutzstoffe an, die in die Brennstoffzelle aus den gasförmigen Brennstoff- und/oder Sauerströmen, aus Befeuchtern und einer oberstromigen Verrohrung eintreten oder intern durch andere Komponenten, wie die MEA, die Diffusionsmedien, die Dichtungen, etc. erzeugt werden. Eine Ansammlung dieser Schmutzstoffe an der Beschichtung verringert mit der Zeit erheblich die Hydrophilie der Beschichtung. Sogar, wenn Vorkehrungen getroffen werden, um eine Kontamination durch die Verwendung von Gasfilter- und Ultrareinkomponenten zu steuern, ist es unwahrscheinlich, dass keine Degradation einer hydrophilen Beschichtung oder anderen Oberflächenbehandlung während der Solllebensdauer von 6000 Stunden einer Brennstoffzelle auftritt.

Erfindungsgemäß ist eine Strömungsfeldplatte oder bipolare Platte für eine Brennstoffzelle offenbart, die eine Kombination aus TiO₂ und einem leitenden Material umfasst, das die bipolare Platte leitend, hydrophil und stabil in der Brennstoffzellenumgebung macht. Das TiO₂ und das leitende Material können auf der Platte als separate Schichten abgeschieden werden oder können als eine einzelne Schicht kombiniert werden. Es kann auch entweder die TiO₂-Schicht oder die leitende Schicht zuerst abgeschieden werden.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine Schnittdarstellung einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel ist, der eine bipolare Platte mit einer Metalloxidbeschichtung umfasst, die die Platte leitend, hydrophil und stabil in einer Brennstoffzellenumgebung macht;
2 ein Schaubild für den Druck an der horizontalen Achse und den Kontaktwiderstand an der vertikalen Achse ist, das einen elektrischen Kontaktwiderstand gegenüber einem Kompressionsdruck für bipolare Platten zeigt; und
3 eine Schnittdarstellung einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel ist, der eine bipolare Platte mit einer TiO₂-Schicht und einer leitenden Schicht umfasst, die kombiniert sind, um die Platte leitend, hydrophil und stabil in der Brennstoffzellenumgebung zu machen.
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf eine bipolare Platte für eine Brennstoffzelle gerichtet ist, die eine Metalloxidschicht und eine leitende Schicht umfasst, um die bipolare Platte leitend, hydrophil und stabil in einer Brennstoffzellenumgebung zu machen, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
1 ist eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle 10, die Teil eines Brennstoffzellenstapels des oben beschriebenen Typs ist. Die Brennstoffzelle 10 umfasst eine Kathodenseite 12 und eine Anodenseite 14, die durch eine Perfluorsulfonsäuremembran 16 getrennt sind. Eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 20 ist an der Kathodenseite 12 vorgesehen, und eine kathodenseitige Katalysatorschicht 22 ist zwischen der Membran 16 und der Diffusionsmediumschicht 20 vorgesehen. Ähnlicherweise ist eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht 24 an der Anodenseite 14 vorgesehen und eine anodenseitige Katalysatorschicht 26 ist zwischen der Membran 16 und der Diffusionsmediumschicht 24 vorgesehen. Die Katalysatorschichten 22 und 26 und die Membran 16 definieren eine MEA. Die Diffusionsmediumschichten 20 und 24 sind poröse Schichten, die für einen Eingangsgastransport zu der MEA und einen Wassertransport von der MEA sorgen. Im Stand der Technik sind verschiedene Vorgehensweisen zum Abscheiden der Katalysatorschichten 22 und 26 an den Diffusionsmediumschichten 20 bzw. 24 oder an der Membran 16 bekannt.
Eine kathodenseitige Strömungsfeldplatte oder bipolare Platte 18 ist an der Kathodenseite 12 vorgesehen, und eine anodenseitige Strömungsfeldplatte oder bipolare Platte 30 ist an der Anodenseite 14 vorgesehen. Die bipolaren Platten 18 und 30 sind zwischen den Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel vorgesehen. Eine Wasserstoffreaktandengasströmung von den Strömungskanälen 28 in der bipolaren Platte 30 reagiert mit der Katalysatorschicht 26, um die Wasserstoffionen und die Elektronen aufzuspalten. Eine Luftströmung von den Strömungskanälen 32 in der bipolaren Platte 18 reagiert mit der Katalysatorschicht 22. Die Wasserstoffionen können sich durch die Membran 16 hindurch ausbreiten, wobei sie den Ionenstrom durch die Membran führen. Das Endprodukt ist Wasser, das keinen negativen Einfluss auf die Umgebung besitzt.
Bei dieser nicht beschränkenden Ausführungsform umfasst die bipolare Platte 18 zwei Lagen 34 und 36, die geprägt und miteinander verschweißt sind. Die Lage 36 definiert die Strömungskanäle 32, und die Lage 34 definiert die Strömungskanäle 38 für die Anodenseite einer benachbarten Brennstoffzelle zu der Brennstoffzelle 10. Zwischen den Lagen 34 und 36 sind Kühlfluidströmungskanäle 40 vorgesehen, wie gezeigt ist. Ähnlicherweise umfasst die bipolare Platte 30 eine Lage 42, die die Strömungskanäle 28 definiert, eine Lage 44, die die Strömungskanäle 46 für die Kathodenseite einer benachbarten Brennstoffzelle definiert, und Kühlfluidströmungskanäle 48. Bei den hier beschriebenen Ausführungsformen bestehen die Lagen 34, 36, 42 und 44 aus einem elektrisch leitenden Material, wie rostfreiem Stahl, Titan, Aluminium, Polymerkohlenstoffverbundstoffe, etc.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzen die bipolaren Platten 18 und 30 eine Metalloxidschicht 50 bzw. 52, die die Platten 18 und 30 leiten, korrosionsbeständig, hydrophil und stabil in der Brennstoffzellenumgebung machen. Bei einer Ausführungsform sind die Metalloxidschichten 50 und 52 mit einem geeigneten Dotiermittel dotiert. Die Hydrophilie der Schichten 50 und 52 bewirkt, dass das Wasser in den Strömungskanälen 28 und 32 einen Film anstatt von Wassertröpfchen bildet, so dass das Wasser die Strömungskanäle nicht signifikant blockiert. Insbesondere verringert die Hydrophilie der Schichten 50 und 52 den Kontaktwinkel von Wasser, das sich in den Strömungskanälen 32, 38, 28 und 46 ansammelt, bevorzugt unter 20°, so dass die Reaktandengase die Strömung durch die Kanäle bei niedrigen Lasten liefern.
Ferner ist das Dotiermittel in dem Metalloxid so gewählt, dass die Leitfähigkeit der Schichten 50 und 52 erhöht wird. Dadurch, dass die bipolaren Platten 18 und 30 leitender gemacht werden, werden der elektrische Kontaktwiderstand zwischen den Brennstoffzellen und die Verluste in der Brennstoffzelle verringert, was den Zellenwirkungsgrad erhöht. Auch kann eine Erhöhung der Leitfähigkeit der Schichten 50 und 52 eine Verringerung der Kompressionskraft in dem Stapel vorsehen, wodurch bestimmte Haltbarkeitsprobleme in dem Stapel berücksichtigt werden. Bei einer Ausführungsform ist das Dotiermittel so gewählt, dass die Leitfähigkeit der Schichten 50 und 52 ähnlich zu Gold ist.
Ferner ist das Dotiermittel in den Schichten 50 und 52 so gewählt, dass die Schichten 50 und 52 stabil, d.h. korrosionsbeständig gemacht werden. Insbesondere wird, wie in der Technik bekannt ist, Fluorwasserstoffsäure (HF) als Folge einer Degradation des Perfluorsulfonionomers in der Membran 16 beim Betrieb der Brennstoffzelle 10 erzeugt. Die Fluorwasserstoffsäure besitzt einen korrosiven Effekt auf einige der hier beschriebenen Materialien und insbesondere das Material der bipolaren Platten 18 und 30. Die Metalloxidschichten 50 und 52 verhindern, dass die bipolaren Platten 18 bzw. 30 korrodieren.
Geeignete Metalloxide für die Schichten 50 und 52 umfassen beispielsweise Hafniumdioxid (HfO₂), Zirkondioxid (ZrO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zinnoxid (SnO₂), Tantalpentoxid (Ta₂O₅), Niobpentoxid (Nb₂O₅), Molybdändioxid (MoO₂), Iridiumdioxid (IrO₂), Rutheniumdioxid (RuO₂) und deren Mischungen. Geeignete Dotierstoffe können aus Materialien gewählt werden, die geeignete Punktdefekte erzeugen können, wie N, C, Li, Ba, Pb, Mo, Ag, Au, Ru, Re, Nd, Y, Mn, V, Cr, Sb, Ni, W, Zr, Hf, etc. und deren Mischungen. Bei einer besonderen Ausführungsform ist das dotierte Metalloxid mit Niob (Nb) und Tantal (Ta) dotiertes Titanoxid (TiO₂) und mit Fluor (F) dotiertes Zinnoxid (SnO₂). Die Menge an Dotierstoff in den Schichten 50 und 52 kann bei einer Ausführungsform im Bereich von 0 bis 10 % der Zusammensetzung der Schichten 50 und 52 liegen.
2 ist ein Schaubild mit dem Druck an der horizontalen Achse und dem Kontaktwiderstand an der vertikalen Achse, das einen elektrischen Kontaktwiderstand gegenüber einem Kompressionsdruck für bipolaren Platten zeigt. Insbesondere ist die Diagrammlinie 60 ein Kontrollkontaktwiderstand, die Diagrammlinie 62 ist der Kontaktwiderstand für mit Nb dotiertes TiO₂, und die Diagrammlinie 64 ist der Kontaktwiderstand für mit F dotiertes SnO₂.
Bei einer alternativen Ausführungsform sind die Metalloxidschichten 50 und 52 nicht stöchiometrische Metalloxidschichten. Das nicht stöchiometrische Metalloxid umfasst Sauerstoffleerstellen in der Gitterstruktur des Metalloxids. Das Metalloxid sieht die Hydrophilie vor. Die Leerstellen erlauben, dass Elektronen in dem Valenzband in das Leitungsband des Metalloxids springen können, um die Leitfähigkeit vorzusehen. Ferner verringert das nicht stöchiometrische Metalloxid den hydrophoben Effekt von Schmutzstoffen, die an der Oberfläche anhaften. Insbesondere wirkt das nicht stöchiometrische Metalloxid als ein Oxidationsmittel, wo die Schmutzstoffe oxidiert werden, ähnlich einem selbst reinigenden Fenster, wodurch die Metalloxidschichten 50 und 52 sowohl hydrophil als auch leitend gemacht werden. Ein geeignetes Beispiel eines nicht stöchiometrischen Metalloxids umfasst beispielsweise TiO_x, wobei x im Bereich von 0,1 bis 6 liegt.
Gemäß der Erfindung ist TiO₂ eines von Metalloxiden, die für die Schichten 50 und 52 verwendet werden können, die die bipolaren Platten 18 und 30 hydrophil und stabil in einer Brennstoffzellenumgebung machen. Die Leitfähigkeit der bipolaren Platten 18 und 30 kann dadurch erreicht werden, dass ein leitendes Material in Kombination mit den TiO₂-Schichten 50 und 52 vorgesehen wird. Bei einer Ausführungsform kann das leitende Material mit TiO₂ gemischt werden, um die Schichten 50 und 52 zu definieren und die erhöhte Leitfähigkeit vorzusehen. Es kann ein beliebiger geeigneter Prozess dazu verwendet werden, das TiO₂ mit dem leitenden Material zu mischen, wie beispielsweise ein Magnetronsputterprozess. Das leitende Material kann ein beliebiges geeignetes leitendes Material für die hier beschriebenen Zwecke sein, wie beispielsweise Gold (Au), Silber (Ag), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Platin (Pt), Osmium (Os), Iridium (Ir), Hafnium (Hf), Seltenerdmetalle, etc.
Ferner kann eine separate leitende Schicht in Kombination mit den Metalloxidschichten 50 und 52 abgeschieden werden. 3 ist eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle 70 ähnlich der Brennstoffzelle 10, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Bei dieser Ausführungsform sind die Metalloxidschichten 50 und 52 TiO₂-Schichten. Um die Platten 18 und 30 leitender zu machen, wird eine dünne leitende Schicht 72 auf der Metalloxidschicht 50 abgeschieden, und eine dünne leitende Schicht 74 wird auf der Metalloxidschicht 52 abgeschieden. Bei einer Ausführungsform sind die leitenden Schichten 72 und 74 Gold, obwohl auch andere leitende Materialien anwendbar sein können, wie diejenigen, die oben erwähnt sind. Ferner sind die leitenden Schichten 72 und 74 sehr dünn, allgemein in der Größenordnung von 2–10 nm, so dass die hydrophile Beschaffenheit der Metalloxidschichten 50 und 52 durch die leitenden Schichten 70 und 74 vorgesehen wird. Bei einer alternativen Ausführungsform können die leitenden Schichten 72 und 74 auf den bipolaren Platten 18 und 30 abgeschieden werden, jeweils bevor die Metalloxidschichten 50 und 52 auf den Platten 18 und 30 abgeschieden werden.
Bevor die Schichten 50 und 52 an den bipolaren Platten 18 und 30 abgeschieden werden, werden die bipolaren Platten 18 und 30 durch einen geeigneten Prozess gereinigt, wie beispielsweise Ionenstrahl- oder Magnetronsputtern, um den Widerstandsoxidfilm auf der Außenseite der Platten 18 und 30, der sich gebildet haben kann, zu entfernen. Die Metalloxidschichten 50 und 52 können an den bipolaren Platten 18 und 30 durch eine beliebige geeignete Technik abgeschieden werden, wie beispielsweise Physical-Vapor-Deposition-Prozesse, Chemical-Vapor-Deposition-(CVD)-Prozesse, Prozesse zum thermischen Sprühen, Prozesse zum Rotationsbeschichten, Prozesse zum Tauchbeschichten und Sol-Gel-Prozesse. Geeignete Beispiele von Physical-Vapor-Deposition-Prozessen umfassen eine Elektronenstrahlverdampfung, Magnetronsputtern und Prozesse mit gepulstem Plasma. Geeignete Chemical-Vapor-Deposition-Prozesse umfassen plasmaunterstütztes CVD und Atomlagenabscheidungsprozesse. Bei einer Ausführungsform sind die Schichten 50 und 52 bis zu einer Dicke im Bereich von 5–1000 nm abgeschieden.
Zusammengefasst umfasst eine Strömungsfeldplatte oder bipolare Platte für eine Brennstoffzelle eine Kombination aus TiO₂ und einem leitenden Material, das die bipolare Platte leitend, hydrophil und stabil in der Brennstoffzellenumgebung macht. Das TiO₂ und das leitende Material kann an der Platte als separate Schichten abgeschieden werden oder kann kombiniert als eine einzelne Schicht abgeschieden werden. Es kann auch entweder die TiO₂-Schicht oder die leitende Schicht zuerst abgeschieden werden. Bei einer Ausführungsform ist das leitende Material Gold.

Claims

Brennstoffzelle mit einer Strömungsfeldplatte, die aus einem Plattenmaterial besteht, wobei die Strömungsfeldplatte eine Vielzahl von Strömungskanälen umfasst, die auf ein Reaktandengas ansprechen, wobei die Strömungsfeldplatte ferner eine TiO₂-Schicht und eine leitende Schicht umfasst, die kombiniert sind, um die Platte leitend, hydrophil und stabil in einer Brennstoffzellenumgebung machen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plattenmaterial aus der Gruppe gewählt ist, die rostfreien Stahl, Titan, Aluminium und ein auf Polymerkohlenstoffverbundstoff basierendes Material umfasst.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schicht eine Goldschicht ist.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die TiO₂-Schicht auf der Strömungsfeldplatte vor der leitenden Schicht abgeschieden wird.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schicht auf der Strömungsfeldplatte vor der TiO₂-Schicht abgeschieden wird.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die TiO₂-Schicht einen Kontaktwinkel für Wasser, das sich in den Strömungskanälen ansammelt, unter 20° vorsieht.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die TiO₂-Schicht gegenüber Oberflächenkontamination beständig ist.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die TiO₂-Schicht eine Dicke im Bereich von 5 bis 1000 nm besitzt.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schicht eine Dicke im Bereich von 2 bis 10 nm besitzt.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die TiO₂-Schicht und die leitende Schicht auf der Strömungsfeldplatte durch einen Prozess abgeschieden sind, der aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: ein Elektronenstrahlverdampfungsprozess, Magnetronsputtern, ein Impulsplasmaprozess, plasmaunterstützte Chemical-Vapor-Deposition, ein Atomlagenabscheidungsprozess, thermisches Sprühen, Rotationsbeschichten, Tauchbeschichten und ein Sol-Gel-Prozess.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsfeldplatte aus der Gruppe gewählt ist, die anodenseitige Strömungsfeldplatten und kathodenseitige Strömungsfeldplatten umfasst.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle Teil eines Brennstoffzellenstapels an einem Fahrzeug ist.
Brennstoffzelle mit einer Strömungsfeldplatte, die aus einem Plattenmaterial besteht, wobei die Strömungsfeldplatte eine Vielzahl von Strömungskanälen umfasst, die auf ein Reaktandengas ansprechen, wobei die Strömungsfeldplatte eine Außenschicht umfasst, die eine Mischung aus TiO₂ und einem leitenden Material ist, die die Platte leitend, hydrophil und stabil in einer Brennstoffzellenumgebung macht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Plattenmaterial aus der Gruppe gewählt ist, die rostfreien Stahl, Titan, Aluminium und ein auf Polymerkohlenstoffverbundstoff basierendes Material umfasst.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das leitende Material Gold ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschicht einen Kontaktwinkel für Wasser, das sich in den Strömungskanälen ansammelt, von unter 20° vorsieht.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschicht beständig gegenüber Oberflächenkontamination ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschicht eine Dicke im Bereich von 5 bis 1000 nm besitzt.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschicht auf der Strömungsfeldplatte durch einen Prozess abgeschieden wird, der aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Elektronenstrahlverdampfungsprozess, Magnetronsputtern, ein Impulsplasmaprozess, plasmaunterstützte Chemical-Vapor-Deposition, ein Atomlagenabscheidungsprozess, thermisches Sprühen, Rotationsbeschichten, Tauchbeschichten und einen Sol-Gel-Prozess.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsfeldplatte aus der Gruppe gewählt ist, die anodenseitige Strömungsfeldplatten und kathodenseitige Strömungsfeldplatten umfasst.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle Teil eines Brennstoffzellenstapels an einem Fahrzeug ist.
Brennstoffzelle mit einer Strömungsfeldplatte, die aus einem Plattenmaterial besteht, wobei die Strömungsfeldplatte eine Vielzahl von Strömungskanälen umfasst, die auf ein Reaktandengas ansprechen, wobei die Strömungsfeldplatte ferner eine TiO_x-Schicht umfasst, die die Platte leitend, hydrophil und stabil in einer Brennstoffzellenumgebung macht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Plattenmaterial aus der Gruppe gewählt ist, die rostfreien Stahl, Titan, Aluminium und auf Polymerkohlenstoffverbundstoff basierendes Material umfasst.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass das x in dem TiO_x im Bereich von 0,1 bis 6 liegt.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die TiO_x-Schicht einen Kontaktwinkel für Wasser, das sich in den Strömungskanälen ansammelt, von unter 20° vorsieht.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die TiO_x-Schicht beständig gegenüber Oberflächenkontamination ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die TiO_x-Schicht eine Dicke im Bereich von 5 bis 1000 nm besitzt.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die TiO_x-Schicht auf der Strömungsfeldplatte durch einen Prozess abgeschieden wird, der aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Elektronenstrahlverdampfungsprozess, Magnetronsputtern, ein Impulsplasmaprozess, plasmaunterstützte Chemical-Vapor-Deposition, ein Atomlagenabscheidungsprozess, thermisches Sprühen, Rotationsbeschichten, Tauchbeschichten und ein Sol-Gel-Prozess.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsfeldplatte aus der Gruppe gewählt ist, die anodenseitige Strömungsfeldplatten und kathodenseitige Strömungsfeldplatten umfasst.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 22 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle Teil eines Brennstoffzellenstapels an einem Fahrzeug ist.
Verfahren zum Herstellen einer Strömungsfeldplatte für eine Brennstoffzelle, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Strömungsfeldplatte vorgesehen wird, die aus einem Plattenmaterial hergestellt wird; und eine nicht stöchiometrische Metalloxidschicht auf der Strömungsfeldplatte abgeschieden wird, die die Platte leitend, hydrophil und stabil in einer Brennstoffzellenumgebung macht.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass eine leitende Schicht auf der Strömungsfeldplatte abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden einer nicht stöchiometrischen Metalloxidschicht und einer leitenden Schicht umfasst, dass die leitende Schicht an der Strömungsfeldplatte abgeschieden wird und die nicht stöchiometrische Metalloxidschicht an der leitenden Schicht abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden einer nicht stöchiometrischen Metalloxidschicht und einer leitenden Schicht umfasst, dass die nicht stöchiometrische Metalloxidschicht an der Strömungsfeldplatte abgeschieden wird und die leitende Schicht an der nicht stöchiometrischen Metalloxidschicht abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schicht eine Goldschicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht stöchiometrische Metalloxidschicht TiO_x ist, wobei x im Bereich von 0,1 bis 6 liegt.