DE102007026339B4

DE102007026339B4 - Brennstoffzelle mit einer Strömungsfeldplatte, Verfahren zum Herstellen einer solchen Strömungsfeldplatte und Verwendung vorgenannter Brennstroffzelle

Info

Publication number: DE102007026339B4
Application number: DE102007026339A
Authority: DE
Inventors: Mahmoud H. Mich. Abd Elhamid; Youssef M. Mich. Mikhail; Richard H. Mich. Blunk; Upendra Mich. Rao
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2011-07-14
Anticipated expiration: 2027-06-07
Also published as: DE102007026339A1; CN101087030A; JP2007329131A; JP4764382B2; US20070287057A1

Abstract

Brennstoffzelle mit einer Strömungsfeldplatte, wobei die Strömungsfeldplatte aus rostfreiem Stahl besteht und eine Vielzahl von Reaktandengasströmungskanälen aufweist, die auf ein Reaktandengas ansprechen, wobei die Strömungsfeldplatte ferner eine Titan- oder Titanoxidschicht mit einer Dicke in einem Bereich von 10 bis 500 nm auf der Platte und eine Schicht aus Titanoxid und Rutheniumoxid mit einer Dicke in einem Bereich von 1 bis 50 nm auf der Titan- oder Titanoxidschicht aufweist, die die Platte elektrisch leitend, hydrophil und korrosionsbeständig in einer Brennstoffzellenumgebung macht.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein Bipolarplatten für Brennstoffzellen und insbesondere eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte aus rostfreiem Stahl besteht und eine Beschichtung aus Titan oder Titanoxid und eine Beschichtung aus Titanoxid und Rutheniumoxid aufweist, um so die Platte elektrisch leitend, korrosionsbeständig und hydrophil in einer Brennstoffzellenumgebung zu machen.
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.
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 verteilte 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 Brennstoffzellen 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 weist eine Serie von Bipolarplatten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten 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 Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. An der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Eine Endplatte weist Anodengasströmungskanäle auf, und die andere Endplatte weist Kathodengasströmungskanäle auf. Die Bipolarplatten und Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Komposit. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. 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, 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 bekannt, eine dünne Schicht aus einem leitenden Material, wie Gold, auf den 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 Membranen in einer Brennstoffzelle eine gewisse relative Feuchte besitzen, so dass der Innenwiderstand 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 Zellenspannungspotential 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 Innenwiderstand der Zelle erhöhen und die Langzeithaltbarkeit der Membran begrenzen könnte.
In der Technik 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 Kontakt Winkel 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 Effekte hydrophiler Plattenoberflächen auf den Kanalwassertransport und eine Niedriglaststabilität zu verwirklichen.
In Research Disclosure Database Nummer 485052 wird eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle mit einem Substrat aus Titan offenbart, auf welchem durch Aufbringen einer Rutheniumchloridlösung und anschließendes Trocknen sowie Kalzinieren eine Rutheniumoxid umfassende Beschichtung ausgebildet wird.
Aus der US 6,790,554 B2 ist eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle bekannt, bei welcher eine Schicht aus elektrokalatytisch aktivem Material auf einem Substrat aus beispielsweise rostfreiem Stahl vorgsehen ist, wobei das elektrokalatytisch aktive Material ein Metall, wie beispielsweise Eisen, Nickel oder dergleichen oder ein Edelmetalloxid, wie Rutheniumoxid, ggf. in Mischung mit einem anderen Metall oder Metalloxid ist.
In der US 2004/0106029 A1 wird eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle offenbart, welche ein Substrat vorzugsweise aus Aluminium und eine darauf vorgesehene mehrschichtige Beschichtung aufweist, wobei die mehrschichtige Beschichtung beispielsweise aus einer Titanschicht sowie einer darauf angeordneten Schicht aus einer Titan-Aluminium-Nickel-Legierung zusammengesetzt sein kann.
In der DE 699 11 043 T2 wird eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle beschrieben, bei welcher auf einem Substrat als Diffusionsbarriere eine Schicht aus Titanoxid vorgesehen ist, um eine darüber liegende Schicht aus Nickel zu schützen.
Es ist in der Technik auch vorgeschlagen worden, eine Schicht aus Titanoxid auf einer Bipolarplatte abzuscheiden, um die Platte hydrophil zu machen. Ferner ist in der Technik vorgeschlagen worden, das Titanoxid durch Abscheiden einer Goldschicht auf der Titanoxidschicht leitend zu machen. Jedoch ist Gold in den letzten Jahren sehr teuer geworden. Daher wäre es wünschenswert, eine andere Kombination von Materialien vorzusehen, um die Bipolarplatte hydrophil und elektrisch leitend zu machen und so Kosten zu sparen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Strömungsfeldplatte, wobei die Strömungsfeldplatte aus rostfreiem Stahl besteht und eine Vielzahl von Reaktandengasströmungskanälen aufweist, die auf ein Reaktandengas ansprechen, wobei die Strömungsfeldplatte ferner eine Titan- oder Titanoxidschicht mit einer Dicke in einem Bereich von 10 bis 500 nm auf der Platte und eine Schicht aus Titanoxid und Rutheniumoxid mit einer Dicke in einem Bereich von 1 bis 50 nm auf der Titan- oder Titanoxidschicht aufweist, die die Platte elektrisch leitend, hydrophil und korrosionsbeständig in einer Brennstoffzellenumgebung macht.
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist eine Strömungsfeldplatte oder Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle offenbart, die eine Schicht aus Titan oder Titanoxid und eine Schicht aus Titanoxid und Rutheniumoxid aufweist, die die Platte aus rostfreiem Stahl leitend und hydrophil macht. Bei einer Ausführungsform wird Titan auf der Oberfläche einer Bipolarplatte aus rostfreiem Stahl als ein Metall oder ein Oxid unter Verwendung eines geeigneten Prozesses, wie PVD oder CVD abgeschieden. Es wird eine Lösung aus Rutheniumchlorid in Alkohol auf die Titanschicht aufgestrichen. Die Platte wird dann bei einer geeigneten Temperatur für eine geeignete Zeitdauer kalziniert, um eine Schicht aus Titan oder Titanoxid auf dem Substrat aus rostfreiem Stahl und eine abmessungsstabile Schicht aus Titanoxid und Rutheniumoxid auf der Titan- oder Titanoxidschicht vorzusehen, die die Platte hydrophil und elektrisch leitend in der Brennstoffzellenumgebung machen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Strömungsfeldplatte für eine Brennstoffzelle, wobei das Verfahren umfasst, dass:

– eine Strömungsfeldplattenstruktur bereitgestellt wird, die aus rostfreiem Stahl besteht und eine Vielzahl von Reaktandengasströmungskanälen aufweist,
– eine Beschichtung aus Titan als ein Metall oder als ein Oxid auf der Strömungsfeldplattenstruktur abgeschieden wird,
– eine Rutheniumchloridlösung auf der Titan- oder Titanoxidbeschichtung aufgebracht wird und
– die Strömungsfeldplattenstruktur so kalziniert wird, dass eine untere Schicht aus Titan oder Titanoxid und eine Deckschicht aus Titanoxid und Rutheniumoxid gebildet wird, die die Strömungsfeldplatte elektrisch leitend, hydrophil und korrosionsbeständig in der Brennstoffzellenumgebung macht.

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 Bipolarplatten aufweist, die eine Titanoxidschicht und eine Rutheniumoxidschicht besitzen, die die Bipolarplatte hydrophil und elektrisch leitend macht; und
2 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess zum Abscheiden der Titanoxidschicht und der Rutheniumoxidschicht auf der Bipolarplatte zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle gerichtet ist, die eine Titan- oder Titanoxidschicht und eine Schicht aus Titanoxid und Rutheniumoxid aufweist, die die Bipolarplatte hydrophil und elektrisch leitend in einer Brennstoffzellenumgebung macht, 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 dieser elektrochemischen Reaktion ist Wasser.
Bei dieser nicht beschränkenden Ausführungsform umfasst die Bipolarplatte 18 zwei Tafeln 34 und 36, die separat ausgebildet und dann mit einander 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 rostfreiem Stahl.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Bipolarplatte 18 eine Titan- oder Titanoxidschicht 50 und eine Schicht aus Titanoxid und Rutheniumoxid 52 auf, und die Bipolarplatte 30 weist eine Titan- oder Titanoxidschicht 54 und eine Schicht aus Titanoxid und Rutheniumoxid 56 auf, die die Platten 18 und 30 leitend, korrosionsbeständig, hydrophil und stabil in der Brennstoffzellenumgebung macht. Die Titan- oder Titanoxidschichten 50 und 54 schützen das Plattensubstrat vor aggressiven Rutheniumchloridionen, und die Schichten 52 und 56 aus Titanoxid und Rutheniumoxid machen die Platten 18 und 30 hydrophil und elektrisch leitend. Die Hydrophilie der Schichten 52 und 56 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 52 und 56 den Kontaktwinkel von Wasser, das sich in den Strömungskanälen 32, 38, 28 und 46 ansammelt, so dass die Reaktandengase die Strömung durch die Kanäle bei niedrigen Lasten liefern. Bei einer Ausführungsform liegt der Kontaktwinkel von Wasser unter 30° und beträgt bevorzugt etwa 10°.
Dadurch, dass die Bipolarplatten 18 und 30 leitender gemacht werden, werden der elektrische Kontaktwiderstand zwischen den Brennstoffzellen und die Verluste in der Brennstoffzelle reduziert, wodurch der Zellenwirkungsgrad erhöht wird. Auch sieht eine Erhöhung der Leitfähigkeit, die durch die Schichten 52 und 56 vorgesehen wird, eine Reduzierung der Kompressionskraft in dem Stapel vor, was auf bestimmte Haltbarkeitsprobleme in dem Stapel gerichtet ist.
Auch sind die Schichten 50, 52, 54 und 56 stabil, d. h. korrosionsbeständig. Die Fluorwasserstoffsäure, die als Ergebnis einer Zersetzung des Perfluorsulfonsäureionomers in der Membran 16 während des Betriebs der Brennstoffzelle 10 erzeugt wird, korrodiert die Schichten 50, 52, 54 und 56 nicht.
Wenn die Schichten 50 bis 56 auf der Bipolarplatte 30 abgeschieden sind, können sie auf den Seiten der Tafeln 42 und 44 abgeschieden werden, an denen die Kühlfluidströmungskanäle 48 vorgesehen sind, so dass die Tafeln 42 und 44 nicht miteinander verschweißt werden müssen. Dies ist darauf zurückzuführen, da das Rutheniumoxid eine gute leitende Verbindung zwischen den Tafeln für die Leitung von Elektrizität vorsieht. Daher müssen anstatt der Laserverschweißung, die die Platten verbinden und den elektrischen Kontakt zwischen den Tafeln im Stand der Technik vorsehen würde, die Tafeln nur um die Ränder herum abgedichtet werden, um die Bipolarplatten abzudichten.
Bei einer alternativen Ausführungsform können die Schichten 50 und 54 aus Tantaloxid sein, und die Schichten 52 und 56 können aus Tantaloxid und Iridiumoxid bestehen, das die Platten 18 und 30 ebenfalls elektrisch leitend korrosionsbeständig, hydrophil und stabil in der Brennstoffzellenumgebung macht.
Die Schichten 50, 52, 54 und 56 können auf den Bipolarplatten 18 und 30 durch einen beliebigen geeigneten Prozess abgeschieden werden. 2 ist ein Flussdiagramm 60, das einen Prozess zum Abscheiden der Schichten 50, 52, 54 und 56 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei Schritt 62 werden die Bipolarplatten 18 und 30 durch einen geeigneten Prozess gereinigt, wie durch Ionenstrahlsputtern, um den Widerstandsoxidfilm auf der Außenseite der Platten 18 und 30 zu entfernen, der sich gebildet haben kann. Anschließend wird eine Beschichtung aus Titan auf den Bipolarplatten 18 und 30 bei Schritt 64 als ein Metall oder ein Oxid aufgebracht. Es kann ein beliebiger geeigneter Prozess verwendet werden, um das Titan auf den Bipolarplatten 18 und 30 abzuscheiden, wie physikalische Dampfphasenabscheidung (PVD) oder chemische Dampfphasenabscheidung (CVD).
Anschließend wird bei Schritt 66 eine Rutheniumchloridlösung auf die Titanbeschichtung aufgebracht. Bei einer nicht beschränkenden Ausführungsform ist die Rutheniumchloridlösung Rutheniumchlorid, das in einem Ethanol gelöst ist. Die Rutheniumchloridlösung kann auf die Bipolarplatten 18 und 30 durch einen beliebigen geeigneten Prozess aufgebracht werden, wie durch Aufstreichen.
Die Titanbeschichtung und die Rutheniumchloridlösung werden dann bei Schritt 68 bei einer vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer kalziniert, um eine abmessungsstabile Beschichtung aus Rutheniumoxid und Titanoxid auf den Bipolarplatten 18 und 30 zu entwickeln, die in der Brennstoffzellenumgebung hydrophil und elektrisch leitend ist. Bei einer Ausführungsform werden das Titan und die Rutheniumchloridlösung bei etwa 450°C für etwa 10 Minuten kalziniert. Das Titan und das Ruthenium besitzen nahezu identische kristalline Strukturen. Wenn das Rutheniumchlorid auf der Titan- oder Titanoxidschicht abgeschieden und kalziniert wird, wird eine untere Schicht aus Titan oder Titanoxid und eine Deckschicht aus Titanoxid und Rutheniumoxid gebildet. Aufgrund der Eigenschaften des Titanoxids und des Rutheniumoxids, wie hier beschrieben ist, kann der zur Herstellung der Bipolarplatten 18 und 30 verwendete rostfreie Stahl eine niedrige Güte besitzen. Die Dicke der Titan- oder Titanoxidschicht liegt erfindungsgemäß im Bereich von 10 bis 500 nm und die Dicke der Schicht aus Titanoxid und Rutheniumoxid liegt im Bereich von 1 nm bis 50 nm.
Nach dem Kalzinierungsprozess werden die verschiedenen Phasen der Titanoxidschicht und der Rutheniumoxidschicht als eine einzelne Phase kombiniert, d. h. sie bilden eine umfassende feste Lösung. Das Titanoxid sieht die Hydrophilie vor, und das Rutheniumoxid sieht die Leitfähigkeit vor. Da Rutheniumoxid nicht gut an rostfreiem Stahl anhaftet, ermöglicht das Titan oder Titanoxid ferner, dass das Rutheniumoxid an Bipolarplatten aus rostfreiem Stahl abgeschieden werden kann. Auch wird bei dem Kalzinierungsprozess das Rutheniumchlorid in Rutheniumoxid umgewandelt. Die Titanschicht wird auf dem rostfreien Stahl vor dem Aufbringen des Rutheniumchlorids auf den rostfreien Stahl aufgebracht, um den rostfreien Stahl vor der aggressiven Beschaffenheit der Chloridionen bei der Kalzinierungstemperatur zu schützen. Wenn das Rutheniumchlorid nicht auf die Titanschicht aufgebracht würde, würde der Prozess auch das Titan oxidieren und dieses in Titanoxid umwandeln, das elektrisch nichtleitend ist.
Tabelle I zeigt den Gesamtwiderstand für eine Bipolarplatte, die mit einer Schicht aus Rutheniumoxid und Titanoxid auf die oben beschriebene Weise beschichtet ist, bei verschiedenen Kompressionsdrücken, und Tabelle II zeigt Kontaktwiderstände für eine Bipolarplatte, die eine Titanoxidschicht auf einer Bipolarplatte aus rostfreiem Stahl ohne die Schicht aus Titanoxid und Rutheniumoxid aufweist, bei denselben Kompressionsdrücken. Die Kontaktwiderstandsvorteile des Rutheniumoxids werden offensichtlich.
Tabelle I
Werte für den Gesamtwiderstand, der an zwei Abschnitten gemessen wurde, die mit Titanoxid und Rutheniumoxid beschichtet waren und von oben nach unten und zwischen zwei Kohlenstoffpapieren angeordnet waren

Kompressionsdruck, MPa (psi) Gesamtwiderstand mOhm cm²

172 (25) 35

345 (50) 20,7

690 (100) 14,6

1034 (150) 12

1379 (200) 11,7
Tabelle II
Werte für den Gesamtwiderstand, der an einer Probe aus rostfreiem Stahl gemessen wurde, die nur mit Titanoxid beschichtet und zwischen zwei Kohlenstoffpapieren angeordnet war

Kompressionsdruck, MPa (psi) Gesamter gemessener Widerstand, mOhm cm²

172 (25) 1950

345 (50) 1650

690 (100) 1120

1034 (150) 816

1379 (200) 623

Claims

Brennstoffzelle mit einer Strömungsfeldplatte, wobei die Strömungsfeldplatte aus rostfreiem Stahl besteht und eine Vielzahl von Reaktandengasströmungskanälen aufweist, die auf ein Reaktandengas ansprechen, wobei die Strömungsfeldplatte ferner eine Titan- oder Titanoxidschicht mit einer Dicke in einem Bereich von 10 bis 500 nm auf der Platte und eine Schicht aus Titanoxid und Rutheniumoxid mit einer Dicke in einem Bereich von 1 bis 50 nm auf der Titan- oder Titanoxidschicht aufweist, die die Platte elektrisch leitend, hydrophil und korrosionsbeständig in einer Brennstoffzellenumgebung macht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Strömungsfeldplatte aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: anodenseitige Strömungsfeldplatten und kathodenseitige Strömungsfeldplatten.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Strömungsfeldplatte zwei geprägte Tafeln aufweist, die Kühlfluidströmungskanäle dazwischen definieren, und wobei die Titanoxidschicht und die Rutheniumoxidschicht auf beiden Seiten der Tafeln vorgesehen sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Schicht aus Titanoxid und Rutheniumoxid einen Wasserkontaktwinkel in den Strömungskanälen von unter 30° vorsieht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Strömungsfeldplatte eine anodenseitige Strömungsfeldplatte ist, und, wobei die Brennstoffzelle ferner eine kathodenseitige Strömungsfeldplatte umfasst, die aus einem rostfreien Stahl besteht, wobei die kathodenseitige Strömungsfeldplatte eine Vielzahl von Reaktandengasströmungskanälen aufweist, die auf ein Reaktandengas ansprechen, wobei die kathodenseitige Strömungsfeldplatte ferner eine Titan- oder Titanoxidschicht mit einer Dicke in einem Bereich von 10 bis 500 nm auf der Platte und eine Schicht aus Titanoxid und Rutheniumoxid mit einer Dicke in einem Bereich von 1 bis 50 nm auf der Titan- oder Titanoxidschicht aufweist.
Brennstoffzelle mit einer Strömungsfeldplatte, wobei die Strömungsfeldplatte aus rostfreiem Stahl besteht und eine Vielzahl von Reaktandengasströmungskanälen aufweist, die auf ein Reaktandengas ansprechen, wobei die Strömungsfeldplatte ferner eine Tantaloxidschicht und eine Schicht aus Tantaloxid und Iridiumoxid aufweist, die die Platte elektrisch leitend, hydrophil und korrosionsbeständig in einer Brennstoffzellenumgebung macht.
Verwendung einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Teil eines Brennstoffzellenstapels an einem Fahrzeug.
Verfahren zum Herstellen einer Strömungsfeldplatte für eine Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Strömungsfeldplattenstruktur bereitgestellt wird, die aus rostfreiem Stahl besteht und eine Vielzahl von Reaktandengasströmungskanälen aufweist, eine Beschichtung aus Titan als ein Metall oder als ein Oxid auf der Strömungsfeldplattenstruktur abgeschieden wird, eine Rutheniumchloridlösung auf der Titan- oder Titanoxidbeschichtung aufgebracht wird und die Strömungsfeldplattenstruktur so kalziniert wird, dass eine untere Schicht aus Titan oder Titanoxid mit einer Dicke in einem Bereich von 1 bis 500 nm und eine Deckschicht aus Titanoxid und Rutheniumoxid mit einer Dicke in einem Bereich von 1 bis 50 nm gebildet wird, die die Strömungsfeldplatte elektrisch leitend, hydrophil und korrosionsbeständig in der Brennstoffzellenumgebung macht.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Bereitstellen einer Strömungsfeldplattenstruktur umfasst, dass eine Strömungsfeldplattenstruktur bereitgestellt wird, die zwei geprägte Tafeln aufweist, die Kühlfluidkanäle dazwischen definieren, und wobei das Abscheiden einer Beschichtung aus Titan und das Aufbringen einer Rutheniumchloridlösung und das Kalzinieren der Titanbeschichtung und der Rutheniumchloridlösung umfasst, dass die Prozesse auf beiden Seiten der Tafeln ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Abscheiden einer Beschichtung aus Titan umfasst, dass eine Beschichtung aus Titan auf der Strömungsfeldplattenstruktur durch eine physikalische Dampfphasenabscheidung oder chemische Dampfphasenabscheidung abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Aufbringen der Rutheniumchloridlösung umfasst, dass die Rutheniumchloridlösung auf die Titanbeschichtung aufgestrichen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Kalzinieren der Strömungsfeldplattenstruktur umfasst, dass die Strömungsfeldplattenstruktur bei einer Temperatur von etwa 450°C kalziniert wird.