DE102007051366B4 - Hydrophobe Brennstoffzellenkomponente sowie Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenkomponente, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Substrat, das einen Kohlenstoff aufweist, und eine poröse Oberflächenschicht über dem Substrat vorgesehen werden, wobei die poröse Oberflächenschicht Silizium und Sauerstoff aufweist; und bewirkt wird, dass ein Teil des Kohlenstoffs in dem Substrat durch die poröse Oberflächenschicht diffundiert und an dem Silizium und/oder dem Sauerstoff anbindet, uzeugen.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft eine hydrophobe Brennstoffzellenkomponente sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
  • 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 aufweist. 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 eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC umfasst allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel auf, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgebracht. 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 Luftströmung 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 weisen eine Anodenseite und. eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. 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 bestehen typischerweise aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl, Titan, Aluminium, polymeren Kohlenstoffkompositen, 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 Bipolarplatten 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 reduziert wird. 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 niedrigem Zellenleistungsbedarf, typischerweise unter 0,2 A/cm2, kann sich das Wasser in den Strömungskanälen ansammeln, da die Strömungsgeschwindigkeit 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 ausbreiten. 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 gemeinsamen Einlass- und Auslassverteilern parallel verlaufen. Da das Reaktandengas nicht durch einen Kanal strömen kann, der mit Wasser blockiert ist, kann das Reaktandengas das Wasser nicht aus dem Kanal hinaus 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 zu arbeiten aufhört, der gesamte Brennstoffzellenstapel zu arbeiten aufhören.
  • Gewöhnlich ist es möglich, das angesammelte Wasser in den Strömungskanälen dadurch zu spülen, dass das Reaktandengas periodisch durch die Strömungskanäle mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit 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, die eine verringerte Wirtschaftlichkeit, einen verringerten Systemwirkungsgrad und eine erhöhte Systemkomplexität zur Behandlung erhöhter Konzentrationen von Wasserstoff in dem Abgasstrom umfassen.
  • 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, 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, 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 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 Niedriglaststabilität zu verwirklichen.
  • Hydrophobe Brennstoffzellenkomponenten sowie Verfahren zu deren Herstellung werden beispielsweise in den Druckschriften DE 199 83 182 T1 , DE 689 01 782 T2 , DE 101 59 008 A1 , DE 10 2005 051 831 A1 und WO 2005/117176 A2 beschrieben.
  • Hydrophile Behandlungen von Bipolarplatten können geeignet sein, um Kapillarströmungen in fein geteilten Strömungsfeldern zu bewirken. Jedoch kann es erwünscht sein, hydrophobe Oberflächen für andere Bipolarplattenkonstruktionen beispielsweise in Strömungsfeldkonstruktionen mit breiteren Kanälen vorzusehen und/oder wenn sich herausstellt, dass eine externe Verschmutzung hydrophile Oberflächen verschmutzt, da die hydrophoben Oberflächen gegenüber Verschmutzung weniger anfällig als hydrophile Oberflächen sind. Zusätzlich ist von einem Standpunkt der elektrochemischen wie chemischen Haltbarkeit eine hydrophobe Bipolarplatte erwünscht. Wasser und wasserhaltige Wasserstoffionen und Fluoridionen, d. h. Fluorwasserstoffsäure, die aus einem Abbau der Perfluorsulfonsäuremembranmaterialien beobachtet wird, besitzen einen hohen Kontaktwinkel und benetzen die hydrophobe Plattenoberfläche nicht, wodurch die Rate des chemischen und elektrochemischen Abbaus von Komposit-Platten bzw. Platten aus rostfreiem Stahl reduziert wird. Wichtiger ist, dass aufgrund des hohen Kontaktwinkels, den Wassertröpfchen auf hydrophoben Oberflächen aufweisen, geringere Reaktandengasgeschwindigkeiten notwendig sind, um die Tröpfchen aus den Kanälen zu treiben, wodurch ermöglicht wird, dass die Gase effektiv in den Elektroden reagieren. Geringere Gasgeschwindigkeiten resultieren in einer Verringerung parasitärer Verluste des Kompressors und in einer Zunahme der Wasserstoffgasverwendung.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenkomponente, die eine poröse Schicht besitzt, die Silizium, Sauerstoff und Kohlenstoff umfasst, wobei die poröse Schicht superhydrophob ist und einen Kontaktwinkel von größer als 130° besitzt.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung betrifft die Herstellung einer Brennstoffzellenkomponente, die ein Kompositsubstrat, das Kohlenstoff umfasst, und eine poröse Schicht aufweist, die Silizium, Sauerstoff und Kohlenstoff umfasst, wobei die poröse Schicht superhydrophob ist und einen Kontaktwinkel von größer als 130° besitzt.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung betrifft die Herstellung einer Brennstoffzellenkomponente mit einem Substrat, einer ersten Schicht über dem Substrat, die Kohlenstoff umfasst, einer porösen Schicht über der ersten Schicht, wobei die poröse Schicht Silizium, Sauerstoff und Kohlenstoff umfasst, und wobei die poröse Schicht einen Kontaktwinkel von größer als 130° besitzt.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer superhydrophoben Brennstoffzellenkomponente, das umfasst, dass ein Substrat, das Kohlenstoff aufweist, und eine poröse Schicht über dem Substrat vorgesehen werden, wobei die poröse Schicht Silizium und Sauerstoff aufweist. Das Verfahren umfasst, dass bewirkt wird, dass der Kohlenstoff in dem Substrat nach außen durch die poröse Schicht diffundiert und an dem Silizium und/oder dem Sauerstoff anbindet.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer superhydrophoben Brennstoffzellenkomponente, das umfasst, dass ein Substrat, das ein Kompositmaterial, das Kohlenstoff aufweist, umfasst, und eine poröse Schicht auf dem Substrat vorgesehen werden, wobei die poröse Schicht Silizium und Sauerstoff aufweist. Das Verfahren umfasst, dass das Substrat und die Oberflächenschicht erwärmt werden, um zu bewirken, dass kohlenstoffhaltige Anteile von dem Substrat nach außen durch die poröse Schicht diffundieren, und so der Anteil an dem Silizium- und/oder dem Sauerstoff anbindet.
  • Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
  • 1 eine Ausführungsform der Erfindung zeigt, die eine Herstellung einer superhydrophoben Brennstoffzellenkomponente umfasst, die umfasst, dass ein Substrat, das Kohlenstoff aufweist, erwärmt wird, damit der Kohlenstoff in eine darüber liegende poröse Schicht diffundiert, die Silizium und Sauerstoff aufweist, so dass der Kohlenstoff an dem Silizium und/oder dem Sauerstoff anbindet.
  • 2 eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt, die eine Herstellung einer superhydrophoben Brennstoffzellenkomponente umfasst, die umfasst, dass Abschnitte eines Substrats, das Kohlenstoff aufweist, selektiv erwärmt werden, so dass Kohlenstoff durch eine darüber liegende poröse Schicht, die Silizium und Sauerstoff aufweist, diffundiert und so der Kohlenstoff in selektiven Gebieten der porösen Schicht an dem Silizium und/oder dem Sauerstoff anbindet.
  • 3 eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt, die eine Herstellung einer superhydrophoben Brennstoffzellenkomponente umfasst, die umfasst, dass ein Substrat, das Kohlenstoff aufweist, und eine poröse Schicht vorgesehen werden, die über Abschnitten des Substrats selektiv aufgebracht wird, und Abschnitte des Substrats selektiv erwärmt werden, so dass Kohlenstoff in die poröse Schicht diffundiert und an dem Silizium und/oder dem Sauerstoff anbindet.
  • 4 eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt, die eine Herstellung einer superhydrophoben Brennstoffzellenkomponente umfasst, die umfasst, dass ein erstes Substrat und eine erste Schicht, die Kohlenstoff aufweist, über dem ersten Substrat und eine poröse Schicht, die Silizium und Sauerstoff aufweist, über der ersten Schicht vorgesehen werden, und das erste Substrat, die erste Schicht und die poröse Schicht erwärmt werden, so dass Kohlenstoff von der ersten Schicht in die poröse Schicht diffundiert und an dem Silizium und/oder Sauerstoff darin anbindet.
  • 5 eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt, die eine Herstellung einer superhydrophoben Brennstoffzellenkomponente umfasst, die ein erstes Substrat mit einer oberen Fläche aufweist, und ein Diffusionsbarrierematerial über gewählten Abschnitten der oberen Fläche des Substrats aufgebracht wird, wobei Abschnitte der oberen Fläche freiliegend zurückbleiben, wobei das Substrat ein Kohlenwasserstoffmaterial umfasst, und eine poröse Schicht, die Silizium und Sauerstoff umfasst, über dem Diffusionsbarrierematerial und den freiliegenden Abschnitten der oberen Fläche des Substrats aufgebracht wird und das Substrat erwärmt wird, so dass Kohlenwasserstoffanteile von dem Substrat in die poröse Schicht in Abschnitte der porösen Schicht diffundieren, die über den freiliegenden Abschnitten der oberen Fläche des Substrats liegen.
  • 6 eine graphische Darstellung einer SIMS-Analyse der Oberflächenzusammensetzung einer Komposit-Bipolarplatte ist, die eine Siloxanbeschichtung darauf besitzt, die nicht erwärmt worden ist.
  • 7 eine graphische Darstellung einer SIMS-Analyse der Oberflächenzusammensetzung einer Komposit-Bipolarplatte ist, die eine Siloxanbeschichtung darauf aufweist, die erwärmt worden ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenkomponente 10, die ein Substrat 12 aufweist, das beispielsweise eine Komposit-Bipolarplatte sein kann, die ein kohlenstoffhaltiges Material aufweist, wie Graphit, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Substrat 12 kann eine Vielzahl von Stegen 14 und Kanälen 16 aufweisen, um ein in einer Brennstoffzelle verwendbares Gasströmungsfeld zu formen. Eine poröse Oberflächenschicht 18 wird über den Stegen 14 und den Kanälen 16 des Substrats 12 aufgebracht. Die Oberflächenschicht 18 kann durch einen beliebigen geeigneten Prozess aufgebracht werden, wie chemische Dampfphasenabscheidung (CVD), physikalische Dampfphasenabscheidung (PVD), Tauchen, Sprühen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann die poröse Oberflächenschicht 18 Silizium und Sauerstoff aufweisen, wie beispielsweise Siliziumdioxid, Siloxan, ein von Siloxan abgeleitetes Material oder ein Material, das SiOx aufweist, wobei 0,1 < x < 2,0. Bei einer Ausführungsform der Erfindung diffundiert Kohlenstoffmaterial, wie Kohlenwasserstoffanteile, von dem Substrat 12 durch die poröse Oberflächenschicht 18 und bindet an dem Silizium und/oder dem Sauerstoff an. Bei einer Ausführungsform wird das Substrat 12 auf eine Temperatur im Bereich von 90°C bis 200°C für 10 bis 90 Minuten durch Wärmestrahlung 20 erwärmt, um zu bewirken, dass die Kohlenwasserstoffanteile von dem Substrat 12 nach außen und in und durch die poröse Oberflächenschicht 18 diffundieren. Die Kohlenwasserstoffanteile, die an dem Silizium und/oder dem Sauerstoff angebunden haben, erzeugen eine superhydrophobe Oberfläche mit einem Kontaktwinkel von größer als 130°.
  • Die Wärmestrahlung 20 kann eine beliebige für die hier beschriebenen Zwecke geeignete Wärmestrahlung sein. Geeignete Beispiele umfassen Elektronenstrahl- oder Laserstrahlerwärmung. Eine Laserstrahlerwärmung kann bestimmte Probleme aufgrund der lokalen Erwärmung, die erforderlich ist, aufweisen, da die Komposit-Plattenmaterialien typischerweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen und somit Temperaturabstufungen erzeugt werden können. Wenn ein Laserstrahl für die Wärmestrahlung 20 verwendet wird, kann es erwünscht sein, nur die Kanäle und nicht die Stege der Platten zu erwärmen, so dass die Kanäle hydrophob werden und dadurch eine Kanalwasserentfernung erleichtern können.
  • Kohlenwasserstoffe und Kompositplatten umfassen Nichtreaktandenmonomere und -oligomere, wie Styrol, Vinylester, Phenole, Ester, Epoxidharz, Amine, interne Verarbeitungsadditive mit geringem Molekulargewicht sowie interne Formfreigabemittel. Kohlenwasserstoffe in der Kohlenstoffbeschichtung auf Metallplatten weisen auch diese Nichtreaktandenmonomere und -oligomere wie auch Restlösemittel auf, die bei der Beschichtungsaufbringung verwendet werden.
  • Nun Bezug nehmend auf 2 wird bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung eine Wärmestrahlung 20 auf gewählte Bereiche des Substrats 12 aufgebracht, wie nur über die Stege 14, so dass Kohlenwasserstoffanteile durch die poröse Schicht nur in den Bereichen in der Nähe der Stege 14 diffundieren. Alternativ dazu kann, wie in 5 gezeigt ist, ein Diffusionsbarrierematerial 100 selektiv über dem Substrat 12, beispielsweise in dem Bereich des Kanals 16 aufgebracht werden, so dass verhindert wird, dass Kohlenwasserstoffanteile in die poröse Schicht 18 in dem Bereich diffundieren, in dem das Diffusionsbarrierematerial 100 vorgesehen ist. Das Diffusionsbarrierematerial 100 kann unter Verwendung von Maskierungstechniken oder durch selektives Entfernen von Abschnitten eines Diffusionsbarrierematerials 100, das über der oberen Fläche des Substrats 12 aufgebracht ist, beispielsweise durch Entfernen von Abschnitten des Diffusionsbarrierematerials 100, das über den Stegen 14 aufgebracht ist, selektiv aufgebracht werden. Folglich werden selektiv superhydrophobe Oberflächen in der porösen Schicht 18 beispielsweise nur über den Stegen 14 geformt.
  • Nun Bezug nehmend auf 3 kann bei einer anderen Ausführungsform die poröse Schicht 18 beispielsweise nur über den Stegen 14 selektiv aufgebracht werden und Wärme angewendet werden, die nur an den Bereich der Stege 14 des Substrats gerichtet ist.
  • 4 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der das Substrat 12 ein Basismaterial 22, wie ein Metall, beispielsweise rostfreien Stahl, und eine erste Schicht 24 aufweist, die über dem Basismaterial 22 liegt. Die erste Schicht 24 weist ein Kohlenstoffmaterial auf, wie Graphit. Bei einer Ausführungsform besteht die erste Schicht 24 aus Ruß- und/oder Graphitpartikeln, die mit einem organischen Harz gemischt sind, wie Polyimidimid, Phenol, Epoxidharz. Über der ersten Schicht 24 wird eine poröse Schicht 18 vorgesehen, und Kohlenwasserstoffanteile diffundieren durch die poröse Schicht 18 beispielsweise durch Anwenden von Wärme auf das Substrat 12, so dass der Kohlenwasserstoffanteil an Silizium und/oder Sauerstoff in der porösen Schicht 18 anbindet, um superhydrophobe Oberflächen zu erzeugen, die einen Kontaktwinkel von größer als 130° besitzen. Die Diffusion von Kohlenwasserstoffanteilen von dem Substrat 12 in die poröse Schicht 18 kann beispielsweise durch Erwärmen des Substrats 12 in einem Ofen oder auf einer heißen Platte, mit einem Laserstrahl oder Elektronenstrahl oder durch Heißpressen von Abschnitten der porösen Schicht 18 erreicht werden.
  • Tabelle 1 zeigt Kontaktwinkelergebnisse als eine Funktion einer Ofeneinwirkzeit bei 175°C für verschiedene Kompositplattenmaterialien, die mit PlasmaTech Inc. SiOx-Beschichtung (~80 nm dick) über einen plasmaunterstützten Prozess für chemische Dampfphasenabscheidung beschichtet sind. Die Proben waren in dem Ofen in Aluminiumfolie gewickelt, um externe Verschmutzungseffekte zu beseitigen. Kontaktwinkelmessungen wurden bei 21°C unter Verwendung des Kruss DSA 10 Mk2-Tropfenanalysators und einem DI-Wassertropfenvolumen von 10 μl durchgeführt. Mit Ausnahme des Materials D besteht die Kohlenstoffbeschichtung typi-scherweise aus Ruß- und/oder Graphitpartikeln, gemischt mit einem organischen Harz wie Polyimidimid, Phenol, Epoxydharz. Die Kontaktwinkel für alle Kompositmaterialien stiegen innerhalb von 30 Minuten auf superhydrophobe Niveaus. Es sei angemerkt, dass die nicht beschichteten VE- und NBO-B-Proben die Abweisbarkeit bei Ofeneinwirkungen bei 175°C nicht erhöhten, was angibt, dass eine Siliziumdioxid anziehende Schicht erforderlich ist. Tabelle I
    Zeit (h) VE (kein SiOx) VE NBO B (kein SiOx) NBO B S D NBO C2
    0 76,13 < 10 81,22 < 10 < 10 < 10 < 10
    0,5 75,26 68,4 80,22 139,21 154,89 ~13 139
    1 76,96 121,5 79,85 139,11 139 43,9 146,8
    54 74 135,67 81,25 150,98 130,77 10–60 ungleichförmig 153,69
  • 6 ist eine graphische Darstellung einer SIMS-Analyse der Oberflächenzusammensetzung einer Komposit-Bipolarplatte, die eine Siliziumdioxidbeschichtung darauf besitzt, die nicht erwärmt worden ist. 7 ist eine graphische Darstellung einer SIMS-Analyse der Oberflächenzusammensetzung einer Komposit-Bipolarplatte, die eine Siliziumdioxidbeschichtung darauf besitzt, die nicht erwärmt worden ist. Nach dem Erwärmen weist die poröse Schicht 18 Kohlenwasserstoffanteile auf, die an dem Silizium- und/oder dem Sauerstoff darin angebunden sind (atomare Masseneinheiten von 27, 41 und 43). Fragmente, die in der SIMS-Analyse identifiziert wurden, waren wie folgt:
    Für die nicht erwärmte Probe: (XX-Y: XX = atomare Masseneinheit, Y = Element)
    28-Si
    45-SiOH
    29-SiH, C2H5
    41-C3H5
    44-SiO.
  • Für die erwärmte Probe: (XX-Y: XX = atomare Masseneinheit, Y = Element)
    41-C3H5
    27-C2H3
    43-C3H7
    29-SiH, C2H5
    28-Si

Claims (30)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenkomponente, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Substrat, das einen Kohlenstoff aufweist, und eine poröse Oberflächenschicht über dem Substrat vorgesehen werden, wobei die poröse Oberflächenschicht Silizium und Sauerstoff aufweist; und bewirkt wird, dass ein Teil des Kohlenstoffs in dem Substrat durch die poröse Oberflächenschicht diffundiert und an dem Silizium und/oder dem Sauerstoff anbindet, um eine hydrophobe Oberfläche an dem Substrat zu erzeugen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein Basismaterial und eine erste Schicht, die über dem Basismaterial liegt, aufweist, und wobei die erste Schicht Kohlenstoff aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Basismaterial ein Metall aufweist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Basismaterial rostfreien Stahl aufweist.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste Schicht Graphit aufweist.
  6. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste Schicht Ruß- und/oder Graphitpartikel aufweist, die mit einem organischen Harz gemischt sind.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat Graphit aufweist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die poröse Oberflächenschicht an Sauerstoff gebundenes Silizium aufweist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die poröse Oberflächenschicht Siliziumdioxid aufweist.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die poröse Oberflächenschicht SiOx aufweist, wobei 0,1 < x < 2,0.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Bewirken der Diffusion von Kohlenstoff durch die poröse Oberflächenschicht umfasst, dass zumindest ein Abschnitt des Substrats auf eine Temperatur im Bereich von 90–200°C erwärmt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Erwärmen umfasst, dass das Substrat in einem Ofen angeordnet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Erwärmen umfasst, das zumindest ein Abschnitt der porösen Oberflächenschicht einem Laserstrahl ausgesetzt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Erwärmen umfasst, dass zumindest ein Abschnitt der porösen Oberflächenschicht einem Elektronenstrahl ausgesetzt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Erwärmen umfasst, dass das Substrat auf einer erwärmten Platte angeordnet wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Erwärmen umfasst, dass Abschnitte der porösen Schicht heißgepresst werden.
  17. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein Gasströmungsfeld aufweist, das eine Vielzahl von Stegen und Kanälen umfasst, und sich die poröse Oberflächenschicht über zumindest einem Abschnitt der Stege und/oder der Kanäle befindet.
  18. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bewirken einer Diffusion des Kohlenstoffs durch die poröse Oberflächenschicht umfasst, dass Abschnitte des Substrats selektiv erwärmt werden.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die poröse Oberflächenschicht sich nur an den Stegen und nicht an den Kanälen befindet und wobei ein Bewirken einer Diffusion des Kohlenstoffs durch die poröse Oberflächenschicht umfasst, dass die Stege des Substrats erwärmt werden.
  20. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die hydrophobe Oberfläche eine superhydrophobe Oberfläche ist, die einen Kontaktwinkel von größer als 130° aufweist.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei als Substrat ein Kompositsubstrat vorgesehen wird, das ein Material aufweist, das einen Kohlenwasserstoff enthält; und wobei das Diffundieren durch Erwärmen zumindest eines Abschnitts des Substrats bewirkt wird, so dass Kohlenwasserstoffanteile durch die Oberflächenschicht diffundieren und an dem Siliziumdioxid, SiOx, oder dem Silizium oder Sauerstoff in der Verbindung anbinden, um eine superhydrophobe Oberfläche vorzusehen.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Substrat eine Vielzahl von Stegen und Kanälen aufweist, und wobei die poröse Oberflächenschicht sich nur an den Stegen befindet.
  23. Verfahren nach Anspruch 21, wobei die superhydrophobe Oberfläche einen Kontaktwinkel von größer als 130° besitzt.
  24. Brennstoffzellenkomponente, umfassend: ein Substrat mit einem Kohlenwasserstoffmaterial, einer porösen Oberflächenschicht über dem Substrat, wobei die poröse Oberflächenschicht Silizium und Sauerstoff aufweist, und einem Kohlenwasserstoffanteil, der an dem Silizium und/oder dem Sauerstoff angebunden ist, wobei zumindest ein Abschnitt der porösen Oberflächenschicht hydrophob ist.
  25. Brennstoffzellenkomponente nach Anspruch 24, wobei das Substrat ein Kompositmaterial aufweist, das das Kohlenwasserstoffmaterial umfasst.
  26. Brennstoffzellenkomponente nach Anspruch 24, wobei das Substrat eine Basis, die ein Metall besitzt, und eine erste Schicht über der Basis aufweist, und wobei die erste Schicht das Kohlenwasserstoffmaterial aufweist.
  27. Brennstoffzellenkomponente nach Anspruch 26, wobei die erste Schicht Ruß- und/oder Graphitpartikel aufweist, die mit einem organischen Harz gemischt sind.
  28. Brennstoffzellenkomponente nach Anspruch 24, wobei das Substrat ein darin geformtes Gasströmungsfeld aufweist, das eine Vielzahl von Stegen und Kanälen aufweist.
  29. Brennstoffzellenkomponente nach Anspruch 28, wobei die poröse Oberflächenschicht sich nur über den Stegen und nicht über den Kanälen befindet.
  30. Brennstoffzellenkomponente nach Anspruch 24, wobei die poröse Oberflächenschicht superhydrophob ist und einen Kontaktwinkel von größer als 130° besitzt.
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