DE102006059644B4

DE102006059644B4 - Brennstoffzelle mit einer Strömungsfeldplatte, Brennstoffzellenstapel und Verfahren zur Herstellung einer Strömungsfeldplatte

Info

Publication number: DE102006059644B4
Application number: DE102006059644A
Authority: DE
Inventors: Gayatri Vyas; Mahmoud H. Abd Elhamid; Youssef M. Mikhail; Thomas A. Trabold
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2013-10-24
Anticipated expiration: 2026-12-19
Also published as: JP4764320B2; JP2007173230A; US7897295B2; US20070141439A1; DE102006059644A1; CN1988233A

Abstract

Brennstoffzelle (10) mit einer Strömungsfeldplatte (18, 30), die aus einem Plattenmaterial hergestellt ist, wobei die Strömungsfeldplatte (18, 30) eine Vielzahl von Strömungskanälen (32, 38, 28, 46) aufweist, die auf ein Reaktandengas ansprechen, wobei die Strömungsfeldplatte (18, 30) eine aufgeraute Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf die aufgeraute Oberfläche eine Beschichtung (50, 52) abgeschieden ist, und dass die Oberfläche der Strömungsfeldplatte (18, 30) derart aufgeraut ist, dass die Schwankung zwischen den Spitzen und den Tälern der aufgerauten Oberfläche im Bereich zwischen 500–10.000 nm liegt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12 und ein Verfahren zum Herstellen einer Strömungsfeldplatte für eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 17, wie es beispielsweise aus der US 2003/0003345 A1 bekannt geworden ist.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient 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 eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA).
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Für den oben erwähnten Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel kann der Stapel zweihundert oder mehr einzelne Zellen umfassen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodenreaktandengas, typischerweise eine Strömung aus Luft auf, die durch den Stapel über einen Kompressor getrieben 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 Bipolarplatten 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 Bipolarplatten enthalten auch Strömungskanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.
Die Bipolarplatten bestehen typischerweise aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl, Titan, Aluminium, polymeren Kohlenstoffcompositen, etc., so dass sie die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität von einer Zelle zu der nächsten Zelle und aus dem Stapel heraus leiten. Metall-Bipolarplatten erzeugen typischerweise ein natürliches Oxid an ihrer Außenfläche, das diese beständig gegenüber Korrosion 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. Es ist in der Technik, wie beispielsweise aus der JP 2003-272649 A bekannt, eine dünne Schicht aus einem leitenden Material, wie Gold, auf den zuvor polierten Bipolarplatten abzuscheiden, um den Kontaktwiderstand zwischen der Platte und den Diffusionsmedien in den Brennstoffzellen zu reduzieren.
Wie es in der Technik gut bekannt ist, müssen die Membrane in einer Brennstoffzelle eine gewisse relative Feuchte besitzen, so dass der Ionenwiderstand über die Membran niedrig genug ist, um effektiv Protonen zu leiten. Im Betrieb der Brennstoffzelle kann Feuchtigkeit von den MEAs und externer Befeuchtung in die Anoden- und Kathodenströmungskanäle eintreten. Bei niedrigen Zellenleistungsanforderungen, typischerweise unter 0,2 A/cm², kann sich Wasser in den Strömungskanälen ansammeln, da der Durchfluss des Reaktandengases zu gering ist, um das Wasser aus den Kanälen zu treiben. Wenn sich das Wasser ansammelt, bildet es Tröpfchen, die sich aufgrund der relativ hydrophoben Beschaffenheit des Plattenmaterials zunehmend ausdehnen. Die Tröpfchen bilden sich in den Strömungskanälen im Wesentlichen rechtwinklig zu der Strömung des Reaktandengases. Wenn die Größe der Tröpfchen zunimmt, wird der Strömungskanal geschlossen und das Reaktandengas an andere Strömungskanäle umgelenkt, da die Kanäle zwischen üblichen Einlass- und Auslassverteilern parallel verlaufen. Da das Reaktandengas nicht durch einen mit Wasser blockierten Kanal strömen kann, kann das Reaktandengas das Wasser nicht aus dem Kanal treiben. Diejenigen Bereiche der Membran, die kein Reaktandengas aufgrund einer Blockierung des Kanals aufnehmen, erzeugen keine Elektrizität, was in einer nicht homogenen Stromverteilung und einer Reduzierung des Gesamtwirkungsgrades der Brennstoffzelle resultiert. Wenn mehr und mehr Strömungskanäle durch Wasser blockiert werden, nimmt die von der Brennstoffzelle erzeugte Elektrizität ab, wobei ein Zellenspannungspotenzial von weniger als 200 mV als ein Zellenausfall betrachtet wird. Da die Brennstoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, kann, wenn eine der Brennstoffzellen funktionsunfähig wird, der gesamte Brennstoffzellenstapel funktionsunfähig werden.
Es ist üblicherweise möglich, das angesammelte Wasser in den Strömungskanälen dadurch zu spülen, dass das Reaktandengas periodisch durch die Strömungskanäle mit einem höheren Durchfluss getrieben wird. Jedoch erhöht dies auf der Kathodenseite die parasitäre Leistung, die an den Luftkompressor angelegt wird, wodurch der Gesamtsystemwirkungsgrad reduziert wird. Überdies existieren viele Gründe, den Wasserstoffbrennstoff nicht als ein Spülgas zu verwenden, einschließlich einer reduzierten Wirtschaftlichkeit, einem reduzierten Systemwirkungsgrad und einer erhöhten Systemkomplexität zur Behandlung erhöhter Konzentrationen von Wasserstoff in dem Abgasstrom.
Eine Reduzierung von angesammeltem Wasser in den Kanälen kann auch durch Reduzierung einer Einlassbefeuchtung erreicht werden. Jedoch ist es erwünscht, eine gewisse relative Feuchte in den Anoden- und Kathodenreaktandengasen vorzusehen, so dass die Membran in den Brennstoffzellen hydratisiert bleibt. Ein trockenes Einlassgas besitzt einen Trocknungseffekt auf die Membran, der den Ionenwiderstand der Zelle erhöhen und die Langzeithaltbarkeit der Membran begrenzen könnte.
Von den vorliegenden Erfindern ist vorgeschlagen worden, Bipolarplatten für eine Brennstoffzelle hydrophil zu machen, um einen Kanalwassertransport zu verbessern. Eine hydrophile Platte bewirkt, dass Wasser in den Kanälen einen dünnen Film bildet, bei dem die Tendenz geringer ist, die Strömungsverteilung entlang der Gruppierung von Kanälen, die mit den gemeinsamen Einlass- und Auslasssammelleitungen verbunden sind, zu ändern. 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, sind in der Concus-Finn-Bedingung beschrieben: β + α / 2 < 90°, wobei β der statische Kontaktwinkel ist und α der Kanaleckenwinkel ist. Für einen rechtwinkligen Kanal gilt α/2 = 45°, was angibt, dass eine spontane Benetzung erfolgt, wenn der statische Kontaktwinkel kleiner als 45° ist. Für die grob rechtwinkligen Kanäle, die in gegenwärtigen Brennstoffzellenstapelkonstruktionen mit Composit-Bipolarplatten verwendet werden, setzt dies eine ungefähre obere Grenze für den Kontaktwinkel, der erforderlich ist, um die nützlichen Wirkungen hydrophiler Plattenoberflächen auf den Kanalwassertransport und eine Niedriglaststabilität zu verwirklichen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist eine Strömungsfeldplatte oder Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle offenbart, wobei eine Oberfläche der Strömungsfeldplatte strukturiert oder aufgeraut ist, um die Oberflächenmorphologie der Platte zu ändern. Eine leitende Beschichtung ist auf der aufgerauten Oberfläche abgeschieden, wobei die Rauheit der Oberfläche der Platte die hydrophile Beschaffenheit der Beschichtung erhöht. Daher macht, wenn die Beschichtung von Natur aus hydrophob ist (Wasserkontaktwinkel von 90°), die Oberflächenrauheit die Beschichtung hydrophil, um Wasser wegzusaugen. Wenn die Beschichtung eine leitende hydrophile Beschichtung ist (Wasserkontaktwinkel von 40°), dann macht die Oberflächenrauheit die Beschichtung superhydrophil (Wasserkontaktwinkel von 0°) und kann den Effekten einer Oberflächenverschmutzung entgegenwirken, die zur Folge haben, dass die hydrophile Beschichtung weniger hydrophil gemacht wird.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel, die eine Bipolarplatte mit einer hydrophoben oder hydrophilen Beschichtung aufweist, wobei die Oberfläche der Platte strukturiert worden ist, um die Beschichtung hydrophiler zu machen;
2 ist ein Diagramm mit der Oberflächenrauheit an der horizontalen Achse und einer Gradeinteilung an der vertikalen Achse, das die Fortschreit- und Rückzugswasserkontaktwinkel für ein bestimmtes Material zeigt;
3 ist eine vereinfachte Ansicht eines Systems zum Aufrauen der Oberfläche einer Bipolarplatte;
4 ist eine perspektivische Ansicht einer Platte aus Stahl mit einer Oberfläche, die nicht aufgeraut worden ist; und
5 ist eine perspektivische Ansicht der in 4 gezeigten Platte aus Stahl, die durch einen Wasserstrahl aufgeraut worden ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle gerichtet ist, die eine aufgeraute Oberfläche aufweist, um eine darauf abgeschiedene Beschichtung hydrophiler 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 weist eine Kathodenseite 12 und eine Anodenseite 14 auf, die durch eine Perfluorsulfonsäuremembran 16 getrennt sind. An der Kathodenseite 12 ist eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 20 vorgesehen, und zwischen der Membran 16 und der Diffusionsmediumschicht 20 ist eine kathodenseitige Katalysatorschicht 22 vorgesehen. Ähnlicherweise ist an der Anodenseite 14 eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht 24 vorgesehen, und zwischen der Membran 16 und der Diffusionsmediumschicht 24 ist eine anodenseitige Katalysatorschicht 26 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 und Wassertransport von der MEA sorgen. In der Technik sind verschiedene Techniken zum Abscheiden der Katalysatorschichten 22 und 26 auf den Diffusionsmediumschichten 20 bzw. 24 oder auf der Membran 16 bekannt.
Eine kathodenseitige Strömungsfeldplatte oder Bipolarplatte 18 ist an der Kathodenseite 12 vorgesehen, und eine anodenseitige Strömungsfeldplatte oder Bipolarplatte 30 ist an der Anodenseite 14 vorgesehen. Die Bipolarplatten 18 und 30 sind zwischen den Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel vorgesehen. Eine Wasserstoffreaktandengasströmung von den Strömungskanälen 28 in der Bipolarplatte 30 reagiert mit der Katalysatorschicht 26, um die Wasserstoffionen und die Elektronen aufzuspalten. Eine Luftströmung von den Strömungskanälen 32 in der Bipolarplatte 18 reagiert mit der Katalysatorschicht 22. Die Wasserstoffionen können sich durch die Membran 16 ausbreiten, wobei sie den Ionenstrom durch die Membran führen. Das Nebenprodukt der elektrochemischen Reaktion ist Wasser.
Bei dieser nicht beschränkenden Ausführungsform umfasst die Bipolarplatte 18 zwei Tafeln 34 und 36, die separat ausgebildet und dann miteinander verbunden werden. Die Tafel 36 definiert die Strömungskanäle 32, und die Tafel 34 definiert Strömungskanäle 38 für die Anodenseite einer der Brennstoffzelle 10 benachbarten Brennstoffzelle. Zwischen den Tafeln 34 und 36 sind Kühlfluidströmungskanäle 40 vorgesehen, wie gezeigt ist. Ähnlicherweise weist die Bipolarplatte 30 eine Tafel 42, die die Strömungskanäle 28 definiert, eine Tafel 44, die Strömungskanäle 46 für die Kathodenseite einer benachbarten Brennstoffzelle definiert, und Kühlfluidströmungskanäle 48 auf. Bei den hier beschriebenen Ausführungsformen bestehen die Tafeln 34, 36, 42 und 44 aus einem elektrisch leitenden Material, wie rostfreiem Stahl, Titan, Aluminium, polymeren Kohlenstoffcompositen, etc.
Die Bipolarplatte 18 umfasst eine leitende Beschichtung 50, und die Bipolarplatte 30 umfasst eine leitende Beschichtung 52, die vorgesehen sind, um den Kontaktwiderstand zwischen der Platte 18 und 30 und den Diffusionsmediumschichten 20 bzw. 24 zu reduzieren. In der Technik sind zu diesem Zweck verschiedene Materialien bekannt, wie Gold, Platin, Ruthenium, Rhodium und andere Edelmetalle. Andere Beschichtungen, die aus Kohlenstoff und einem Polymerbinder bestehen, können ebenfalls verwendet werden. Typischerweise werden die Beschichtungen 50 und 52 bis zu einer Dicke von etwa 10 bis 100 nm abgeschieden. Jedoch sind diese Materialien manchmal hydrophober Natur, da sie eine Oberflächenenergie besitzen, die bewirkt, dass das Wasser perlt und Tröpfchen bildet, die einen hohen Kontaktwinkel relativ zu den Strömungsfeldkanälen besitzen, wie oben beschrieben ist. Für Stapelstabilitätszwecke ist es insbesondere bei niedrigen Lasten erwünscht, dass die Oberfläche der Platten 18 und 30 hydrophil ist, so dass Wasser weggesaugt wird und diese einen niedrigen Kontaktwinkel, bevorzugt unter 20° besitzen.
Es ist entdeckt worden, dass ein Aufrauen eines Substrats seinen Wasserkontaktwinkel beeinflusst und das Benetzen von benetzenden Flüssigkeiten verbessert, jedoch das Benetzen von nicht benetzenden Flüssigkeiten verschlechtert. 2 ist ein Diagramm mit der Oberflächenrauheit (Ra) an der horizontalen Achse und einer Gradeinteilung (θ) an der vertikalen Achse, das den Fortschreitkontaktwinkel θa und den Rückzugskontaktwinkel θr zeigt, die durch flüssiges Quecksilber auf Saphir (Hg/Al₂O₃) gebildet werden. Insbesondere zeigt die Diagrammlinie 54 den Fortschreitkontaktwinkel, und die Diagrammlinie 56 zeigt den Rückzugskontaktwinkel. 2 zeigt, dass für eine sehr kleine Oberflächenrauheit das Hysteresegebiet nur wenige Grad groß ist, und dass der Kontaktwinkel mit Genauigkeit angegeben werden kann. Mit zunehmender Oberflächenrauheit steigt die Kontaktwinkelhysterese, nimmt dann ab und tendiert für sehr raue Oberflächen zu Null, bei denen kein Anhaften von Tröpfchen an der Oberfläche stattfindet.
Gemäß der Erfindung wird die Oberfläche der Bipolarplatten 18 und 30 strukturiert oder aufgeraut, bevor die Beschichtungen 50 und 52 abgeschieden werden. Die Rauheit der Oberfläche der Bipolarplatten 18 und 30 ist gewöhnlich eine Funktion der Kristallorientierung, von Unreinheiten an der Oberfläche, von Korngrenzen und Versetzungen. Da die Beschichtungen 50 und 52 sehr dünn sind, allgemein in der Größenordnung von 10 bis 100 nm, folgt die Kontur der Beschichtungen 50 und 52 der aufgerauten Kontur der Oberflächen der Bipolarplatten 18 und 30. Es ist gezeigt worden, dass durch Bereitstellen einer strukturierten Oberflächenmorphologie der Beschichtungen 50 und 52 auf diese Weise ein hydrophobes Material hydrophil gemacht werden kann, so dass der Kontaktwinkel von Wasser, das sich in den Strömungsfeldkanälen bildet, reduziert wird und seine Fähigkeit, Wasser wegzusaugen, erhöht wird, wodurch die Stapelstabilität unterstützt wird. Insbesondere wird die Oberflächenenergie des Materials so reduziert, dass der Fortschreit- und Rückzugskontaktwinkel des Wassers in den Strömungsfeldkanälen etwa gleich ist. Der Betrag des Aufrauens der Oberfläche, um die gewünschte Hydrophilie für die Beschichtungen 50 und 52 vorzusehen, kann experimentell für bestimmte Plattenmaterialien festgelegt werden. Bei einer Ausführungsform liegt die Schwankung zwischen den Spitzen und Tälern der Oberflächenrauheit der Bipolarplatten 18 und 30 in der Größenordnung von 500–10.000 nm.
Bei einer anderen Ausführungsform können die Beschichtungen 50 und 52 hydrophile Beschichtungen sein, wie Metalloxide, einschließlich Siliziumdioxid, Titandioxid, Zinndioxid, Tantaloxid, etc. Diese Beschichtungen sind dazu bestimmt, den gewünschten Kontaktwiderstand, wie oben beschrieben ist, und die gewünschte Hydrophilie vorzusehen. Jedoch sind diese Materialien manchmal anfällig gegenüber einer Verschmutzung während des Brennstoffzellenbetriebs, die deren Hydrophilie reduziert. Durch Aufrauen der Oberfläche der Platten 18 und 30, wie oben beschrieben ist, können die von Natur aus hydrophilen Materialien hydrophiler gemacht werden und somit der Auswirkung einer Oberflächenverschmutzung entgegenwirken.
Ferner kann der elektrische Kontaktwiderstand zwischen den Bipolarplatten 18 und 30 und den Diffusionsmediumschichten 20 bzw. 24 durch Maskierung der Stege zwischen den Strömungskanälen 28 und 32, wenn die Beschichtungen 50 und 52 abgeschieden werden, beibehalten werden, so dass das Beschichtungsmaterial nicht an den Stegen abgeschieden wird. Es können verschiedene Maskierungstechniken verwendet werden, wie wasserlösliche Maskierungen, fotolithografische Maskierungen oder beliebige andere physikalische Maskierungen und deren Kombinationen.
Bevor die Beschichtungen 50 und 52 auf den Bipolarplatten 18 und 30 abgeschieden werden und bevor die Oberflächen der Platten 18 und 30 aufgeraut werden, werden die Bipolarplatten 18 und 30 durch einen geeigneten Prozess gereinigt, wie Ionenstrahlsputtern, um den Widerstandsoxidfilm auf der Außenseite der Platten 18 und 30, der sich gebildet haben kann, zu entfernen. Die Beschichtungen 50 und 52 können auf den Bipolarplatten 18 und 30 durch eine beliebige geeignete Technik abgeschieden werden, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt: Prozesse mit physikalischer Dampfphasenabscheidung, Prozesse mit chemischer Dampf phasenabscheidung (CVD), Prozesse mit thermischem Spritzen, Schleuderbeschichtungsprozesse, Tauchbeschichtungsprozesse und Sol-Gel-Prozesse. Geeignete Beispiele von Prozessen mit physikalischer Dampfphasenabscheidung umfassen Elektronenstrahlverdampfung, Magnetronsputtern und Prozesse mit gepulstem Plasma. Geeignete Prozesse mit chemischer Dampfphasenabscheidung umfassen plasmaunterstützte CVD und Atomschichtabscheidungsprozesse.
Der Prozess zum Strukturieren der Oberflächen der Bipolarplatten 18 und 30 kann durch einen beliebigen geeigneten Prozess ausgeführt werden. 3 ist eine vereinfachte Ansicht eines Systems 60 zum Aufrauen der Oberfläche einer Bipolarplatte 62. Eine geeignete Vorrichtung 64 sendet einen Strahl 66 von Material an der Bipolarplatte 62 aus, um die Defekte und Versetzungen zu bewirken, die die Oberfläche der Platte 62 aufrauen. Die Beschusskraft und die Beschussrichtung des Stromes 66 kann dazu verwendet werden, die Oberfläche der Platte 62 selektiv zu strukturieren. Bei einer Ausführungsform verwendet das System 60 einen physikalischen Prozess, wie einen Wasserstrahl, der einen Wasserstrom aussendet, der die Oberfläche der Platte 62 aufraut. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Aufrauen durch chemische Verfahren ausgeführt werden, wie einen Chromsäureätzprozess oder andere geeignete Ätzprozesse. Bei einer anderen Ausführungsform können lichtunterstützte Verfahren verwendet werden, wie ein Laserprozess, um die Oberfläche der Platte 62 aufzurauen.
Die 4 und 5 sind vorgesehen, um den Unterschied zwischen einer Stahlplatte 70 mit einer relativ glatten Oberfläche 72 und der Stahlplatte 70 mit einer aufgerauten Oberfläche 74 zu zeigen, um die Hydrophilie der Beschichtungen 50 und 52 vorzusehen, wie oben beschrieben ist. In der Beschreibung unten ist Rz der Durchschnitt des Abstandes der zehn größten Spitzen zu Tal an den Oberflächen 72 und 74. Die Fühler-X-Y-Analyse sieht ein Verfahren zum Korrelieren von Ergebnissen in Bezug auf diejenigen vor, die aus Fühlermessungen erhalten werden. Die X-Steigung ist die Änderungsrate der Oberflächen 72 und 74 in der X-Richtung, d. h. die erste Ableitung der Oberflächendaten oder die Änderungsrate der Oberfläche. Die X-Steigung kann durch Vergleich der Höhe von einem Punkt mit der Höhe des nächsten Punktes in der X-Richtung berechnet werden. Die Y-Steigung kann ähnlich berechnet werden. Die Oberfläche der Platte 70 ist die gesamte freiliegende Fläche an der Oberfläche 72, die die Spitzen und Täler aufweist. Das normalisierte Volumen ist das Verhältnis des Volumens zu der Mantelfläche, gemessen in Milliarden Kubikmikrometer pro Quadratzoll. Das Volumen ist das Volumen, das die Oberflächen 72 und 74 halten würden, wenn sie gerade an der oberen Fläche der höchsten Spitze bedeckt würden.
Bei diesem Beispiel ist die Stahlplatte 70 rostfreier Stahl 316L. Die Rauheit der Oberfläche 72 ist definiert als Ra = 0,13 um, Rq = 0,17 um, Rz = 1,14 um, Fühler X = 4,51 mm, Fühler Y = 13,41 mm, X-Steigung = 13,32 mrad, Y-Steigung = 38,58 mrad, Oberfläche = 0,27602008 mm², Mantelfläche = 0,27577007 mm², normalisiertes Volumen = 0,26 BCM und Volumen = 111000,77 µm³.
In 5 ist die Stahlplatte durch einen Wasserstrahl aufgeraut worden, um die aufgeraute Oberfläche 74 für die Bipolarplatte 18 und 30 auf die oben beschriebene Weise vorzusehen. Die Rauheit der Oberfläche 74 ist definiert als Ra = 7,75 um, Rq = 9,90 um, Rz = 64,47 um, Fühler X = 4,17 mm, Fühler Y = 4,03 mm, X-Steigung = 503,97 mrad, Y-Steigung = 499,58 mrad, Oberfläche = 0,37252936 mm², normalisiertes Volumen = 11,86 BCM und Volumen 5070522 µm³.

Claims

Brennstoffzelle (10) mit einer Strömungsfeldplatte (18, 30), die aus einem Plattenmaterial hergestellt ist, wobei die Strömungsfeldplatte (18, 30) eine Vielzahl von Strömungskanälen (32, 38, 28, 46) aufweist, die auf ein Reaktandengas ansprechen, wobei die Strömungsfeldplatte (18, 30) eine aufgeraute Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf die aufgeraute Oberfläche eine Beschichtung (50, 52) abgeschieden ist, und dass die Oberfläche der Strömungsfeldplatte (18, 30) derart aufgeraut ist, dass die Schwankung zwischen den Spitzen und den Tälern der aufgerauten Oberfläche im Bereich zwischen 500–10.000 nm liegt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Plattenmaterial aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: rostfreien Stahl, Titan, Aluminium und ein auf Polymer-Kohlenstoff-Abscheidung basierendes Material.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung (50, 52) ein Metalloxid ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung (50, 52) ein Metall ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung (50, 52) eine hydrophile Beschichtung ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung (50, 52) eine hydrophobe Beschichtung ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung (50, 52) eine Dicke im Bereich von 10–100 nm besitzt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche der Strömungsfeldplatte (18, 30) durch einen Prozess aufgeraut ist, der aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: physikalische Verfahren, chemische Verfahren, lichtunterstützte Verfahren und Kombinationen daraus.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei Stege zwischen den Strömungskanälen (32, 38, 28, 46) maskiert sind, wenn die Beschichtung auf die Strömungsfeldplatte (18, 30) abgeschieden wird, um zu verhindern, dass das Beschichtungsmaterial an den Stegen abgeschieden wird, um einen guten Kontaktwiderstand für die Brennstoffzelle (10) vorzusehen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Strömungsfeldplatte (18, 30) aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: anodenseitige Strömungsfeldplatten (30) und kathodenseitige Strömungsfeldplatten (18).
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzelle (10) Teil des Brennstoffzellenstapels an einem Fahrzeug ist.
Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen (10), wobei jede Brennstoffzelle (10) umfasst: eine Membran (16); eine anodenseitige Bipolarplatte (30) auf einer Seite der Membran (16), wobei die anodenseitige Bipolarplatte (30) eine aufgeraute Oberfläche aufweist; und eine kathodenseitige Bipolarplatte (18) an der anderen Seite der Membran (16), wobei die kathodenseitige Bipolarplatte (18) eine aufgeraute Oberfläche aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass die anodenseitige Bipolarplatte (30) eine Beschichtung (52) aufweist, die an der aufgerauten Oberfläche der anodenseitigen Bipolarplatte (30) abgeschieden ist, und dass die kathodenseitige Bipolarplatte (18) eine Beschichtung (50) aufweist, die an der aufgerauten Oberfläche der kathodenseitigen Bipolarplatte (18) abgeschieden ist; und dass die aufgerauten Oberflächen der anoden- und kathodenseitigeseitigen Bipolarplatten (18, 30) derart aufgeraut sind, dass die Schwankung zwischen den Spitzen und den Tälern im Bereich zwischen 500–10.000 nm liegt.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, wobei die Beschichtungen (50, 52) hydrophobe Beschichtungen sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, wobei die Beschichtungen (50, 52) hydrophile Beschichtungen sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, wobei Stege zwischen Strömungskanälen (32, 38, 28, 46) in den anodenseitigen und kathodenseitigen Bipolarplatten (18, 30) maskiert sind, wenn die Beschichtung (50, 52) an den Bipolarplatten (18, 30) abgeschieden wird, um zu verhindern, dass das Beschichtungsmaterial an den Stegen abgeschieden wird, um einen guten Kontaktwiderstand für den Brennstoffzellenstapel vorzusehen.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, wobei die Oberfläche der Bipolarplatten (18, 30) durch einen Prozess aufgeraut ist, der aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: physikalische Verfahren, chemische Verfahren, lichtunterstützte Verfahren und Kombinationen daraus.
Verfahren zum Herstellen einer Strömungsfeldplatte (18, 30) für eine Brennstoffzelle (10), wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Basisaufbau (18, 30) vorgesehen wird, der aus einem Plattenmaterial hergestellt wird; und eine Oberfläche des Basisaufbaus (18, 30) aufgeraut wird; dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtung (50, 52) an der aufgerauten Oberfläche des Basisaufbaus (18, 30) abgeschieden wird; und dass das Aufrauen der Oberfläche des Basisaufbaus (18, 30) derart erfolgt, dass die Schwankung zwischen den Spitzen und den Tälern der aufgerauten Oberfläche im Bereich zwischen 500–10.000 nm liegt.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Beschichtung (50, 52) eine hydrophile Beschichtung ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Beschichtung (50, 52) eine hydrophobe Beschichtung ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Abscheiden der Beschichtung (50, 52) umfasst, dass die Beschichtung bis zu einer Dicke im Bereich von 10–100 nm abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Aufrauen der Oberfläche des Basisaufbaus (18, 30) umfasst, dass die Oberfläche des Basisaufbaus (18, 30) durch einen Prozess aufgeraut wird, der aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: physikalische Verfahren, chemische Verfahren, lichtunterstützte Verfahren und Kombinationen daraus.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Abscheiden einer Beschichtung (50, 52) an der aufgerauten Oberfläche des Basisaufbaus umfasst, dass Stege zwischen Strömungskanälen (32, 38, 28, 46) in dem Basisaufbau maskiert werden, so dass, wenn die Beschichtung (50, 52) an dem Basisaufbau abgeschieden wird, verhindert wird, dass Beschichtungsmaterial an den Stegen abgeschieden wird, um einen guten Kontaktwiderstand für die Brennstoffzelle (10) vorzusehen.