DE102007057699A1 - Ein elektrisches Kontaktelement für eine Brennstoffzelle mit einer leitenden Beschichtung mit monoatomarer Schicht - Google Patents

Ein elektrisches Kontaktelement für eine Brennstoffzelle mit einer leitenden Beschichtung mit monoatomarer Schicht Download PDF

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Abstract

Elektrisch leitendes Fluidverteilungselement zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, die ein leitendes Metallsubstrat und eine Schicht aus leitendem, nicht metallischem, porösem Medium besitzt. Das leitende, nicht metallische, poröse Medium besitzt ein elektrisch leitendes Material, das entlang einer Fläche in einem oder mehreren metallisierten Gebieten abgeschieden ist und eine durchschnittliche Dicke besitzt, die etwa gleich dem Durchmesser eines Atoms des Materials ist. Die metallisierten Gebiete verbessern eine elektrische Leitfähigkeit an Kontaktgebieten zwischen dem Metallsubstrat und dem Fluidverteilungsmedium.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung ist eine Continuation-In-Part der U.S. Patentanmeldung Nr. 10/704,015, die am 7. November 2003 eingereicht wurde. Die Offenbarung der obigen Anmeldung ist hier durch Bezugnahme eingeschlossen.
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere elektrisch leitende Fluidverteilungselemente und deren Herstellung für solche Brennstoffzellen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Brennstoffzellen sind als eine Energiequelle für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Eine bekannte Brennstoffzelle ist die PEM-(d. h. Protonenaustauschmembran-)Brennstoffzelle, die eine so genannte MEA ("Membranelektrodenanordnung") mit einem dünnen Festpolymermembranelektrolyt aufweist, der eine Anode auf einer Seitenfläche und eine Kathode auf der entgegengesetzten Seitenfläche besitzt. Die Anode und die Kathode umfassen typischerweise fein geteilte Kohlenstoffpartikel, sehr fein geteilte katalytische Partikel, die an den Innen- und Außenflächen der Kohlenstoffpartikel getragen sind, und protonenleitendes Material, das mit den katalytischen Partikeln und Kohlenstoffpartikeln vermischt ist. Die MEA ist schichtartig zwischen Gasdiffusionsmediumschichten und einem Paar elektrisch leitender Kontaktelemente angeordnet, die als Stromkollektoren für die Anode und die Kathode dienen, die geeignete Kanäle und Öffnungen darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden (d. h. H2 und O2/Luft) der Brennstoffzelle über die Flächen der jeweiligen Anode und Kathode enthalten.
  • Bipolare PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Vielzahl der MEAs, die in elektrischer Reihe aneinander gestapelt sind, während sie voneinander durch ein impermeables, elektrisch leitendes Kontaktelement getrennt sind, das als eine Bipolarplatte oder Scheidewand bekannt ist. Die Bipolarplatte besitzt zwei Arbeitsflächen, wobei eine der Anode einer Zelle gegenüberliegt und die andere der Kathode an der nächsten benachbarten Zelle in dem Stapel gegenüberliegt, und leitet elektrisch Strom zwischen den benachbarten Zellen. Kontaktelemente an den Enden des Stapels stehen nur mit den Endzellen in Kontakt und werden als Endplatten bezeichnet.
  • Elektrische Kontaktelemente werden oftmals aus elektrisch leitenden Metallmaterialien hergestellt. In einer H2- und O2/Luft-PEM-Brennstoffzellenumgebung stehen die Bipolarplatten und anderen Kontaktelemente (beispielsweise Endplatten) in ständigem Kontakt mit stark sauren Lösungen (pH 3–5) und arbeiten in einer stark oxidierenden Umgebung, die auf ein Maximum von etwa +1 V (gegenüber der Normalwasserstoffelektrode) polarisiert ist. An der Kathodenseite sind die Kontaktelemente Druckluft ausgesetzt und an der Anodenseite überatmosphärischem Wasserstoff ausgesetzt. Unglücklicherweise sind viele Metalle anfällig gegenüber Korrosion in der rauen PEM-Brennstoffzellenumgebung, und Kontaktelemente, die daraus hergestellt sind, lösen sich entweder (beispielsweise in dem Fall von Aluminium) oder bilden passivierende Oxidfilme mit hohem elekt rischem Widerstand an ihrer Oberfläche (beispielsweise in dem Fall von Titan oder rostfreiem Stahl), die den Innenwiderstand der Brennstoffzelle erhöhen und deren Leistungsfähigkeit reduzieren. Ferner ist die Beibehaltung der elektrischen Leitfähigkeit durch das Gasdiffusionsmedium zu den Kontaktelementen von großer Wichtigkeit bei der Beibehaltung des Flusses von elektrischem Strom von jeder Brennstoffzelle. Somit besteht ein Bedarf, elektrisch leitende Elemente vorzusehen, die eine elektrische Leitfähigkeit beibehalten, die raue Umgebung der Brennstoffzelle aushalten und den Gesamtbetriebswirkungsgrad einer Brennstoffzelle verbessern.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung sieht ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement zur Verwendung in einer Brennstoffzelle vor, das ein leitendes Metallsubstrat und eine Schicht aus leitendem, nicht metallischem porösem Medium umfasst, das eine Fläche besitzt, die dem Metallsubstrat zugewandt ist. An der Fläche der Schicht sind ein oder mehrere metallisierte Gebiete ausgebildet, wobei jedes metallisierte Gebiet ein elektrisch leitendes Material enthält und eine durchschnittliche Dicke besitzt, die etwa gleich dem Durchmesser eines Atoms des Materials ist. Das leitende Metallsubstrat ist in Kontakt mit den metallisierten Gebieten angeordnet, um einen elektrisch leitenden Pfad zwischen der Schicht und dem leitenden Metallsubstrat vorzusehen.
  • Bei alternativen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst eine Anordnung zur Verwendung in einer Brennstoffzelle ein elektrisch leitendes Metallsubstrat, das eine Hauptfläche besitzt, eine Schicht aus elektrisch leitendem porösem Fluidverteilungsmedium, die eine erste und eine zweite Fläche besitzt, wobei die erste Fläche in elektri schem Kontakt mit der Hauptfläche steht und die zweite Fläche einer Membranelektrodenanordnung gegenüberliegt, und ein oder mehrere metallisierte Gebiete an der ersten und der zweiten Fläche der Schicht, wobei jedes metallisierte Gebiet ein elektrisch leitendes Material enthält und eine durchschnittliche Dicke besitzt, die etwa gleich dem Durchmesser eines Atoms des Materials ist. Ein elektrischer Kontaktwiderstand über das Metallsubstrat durch die metallisierten Gebiete zu der Schicht ist kleiner als ein Vergleichskontaktwiderstand über ein ähnliches Metallsubstrat und eine ähnliche Schicht von Fluidverteilungsmedium ohne die metallisierten Gebiete.
  • Andere alternative bevorzugte Ausführungsformen umfassen ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement für eine Brennstoffzelle, wobei das Element eine Schicht aus elektrisch leitendem porösem Medium, das Kohlenstoff umfasst, und ein oder mehrere ultradünne metallisierte Gebiete entlang einer Fläche der Schicht umfasst, wobei das eine oder die mehreren metallisierten Gebiete ein elektrisch leitendes Material umfassen und eine durchschnittliche Dicke besitzen, die etwa gleich dem Durchmesser eines Atoms des Materials ist.
  • Andere bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen ein Verfahren zum Herstellen eines elektrisch leitenden Elements für eine Brennstoffzelle, das umfasst, dass: ein elektrisch leitendes Material an einer Fläche eines elektrisch leitenden porösen Mediums aufgebracht wird, um ein oder mehrere metallisierte Gebiete zu bilden, die eine durchschnittliche Dicke besitzen, die etwa gleich dem Durchmesser eines Atoms des Materials ist. Die die metallisierten Gebiete aufweisende Fläche ist benachbart einem elektrisch leitenden Metallsubstrat positioniert. Das Substrat steht mit der Fläche, die die metallisierten Gebiete aufweist, in Kontakt, um einen elektrisch leitenden Pfad zwischen dem Substrat und dem porösen Medium zu bilden.
  • Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
  • 1 eine schematische Explosionsdarstellung eines PEM-Brennstoffzellenstapels (es sind nur zwei Zellen gezeigt) ist;
  • 2 eine Explosionsansicht eines beispielhaften elektrisch leitenden Fluidverteilungselements ist, das mit PEM-Brennstoffzellenstapeln verwendbar ist;
  • 3 eine teilweise Schnittansicht in der Richtung von 3-3 von 2 ist;
  • 4 eine nicht maßstabsgetreue Seitenschnittansicht in der Richtung von Linie 4-4 von 1 ist, die eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die metallisierten Gebiete der gesamten Fläche der Schicht von porösem Medium entsprechen;
  • 5 eine nicht maßstabsgetreue detaillierte teilweise Seitenschnittansicht einer einzelnen Schicht eines porösen Mediums benachbart einer Membranelektrodenanordnung gemäß alternativer bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist, wobei die metallisierten Gebiete einzeln vorliegen;
  • 6 eine Darstellung einer Vorrichtung für physikalische Dampfphasenabscheidung ist, die dazu verwendet wird, eine Fläche eines porösen Fluidverteilungsmediums mit einem elektrisch leitenden Metall zu metallisieren;
  • 7 ein Schaubild ist, das eine Messung des Kontaktwiderstandes, der durch eine Platte aus 316L rostfreiem Stahl erreicht wurde, die mit einem porösen Fluidverteilungsmedium in Kontakt steht, das metallisierte Gebiete entlang einer Kontaktfläche gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt, mit einem porösen Fluidverteilungsmedium nach dem Stand der Technik vergleicht; und
  • 8 ein Schaubild der Kontaktwiderstandswerte, die durch ein elektrisch leitendes Element der vorliegenden Erfindung erreicht werden, das ein Separatorelement mit einem darin geformten Strömungsfeld und eine Schicht aus porösem Medium, die eine Fläche mit me tallisierten Gebieten besitzt, aufweist, im Vergleich zu einer Anordnung mit leitendem Element nach dem Stand der Technik ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
  • 1 zeigt einen zwei Zellen umfassenden bipolaren Brennstoffzellenstapel 2 mit einem Paar von Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4 und 6, die voneinander durch ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement 8 getrennt sind, nachfolgend die Bipolarplatte 8. Die MEAs 4 und 6 und die Bipolarplatte 8 sind zwischen aus rostfreiem Stahl bestehenden Klemmplatten oder Endplatten 10 und 12 und Endkontaktelementen 14 und 16 aneinander gestapelt. Die Endkontaktelemente 14 und 16 wie auch beide Arbeitsseiten der Bipolarplatte 8 enthalten eine Vielzahl von Nuten oder Kanälen 18, 20, 22 bzw. 24 zur Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen (d. h. H2 und O2) an die MEAs 4 und 6. Nicht leitende Dichtungselemente 26, 28, 30 und 32 sehen Dichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Gaspermeable leitende Materialien sind typischerweise Kohlenstoff/Graphit-Diffusionspapiere 34, 36, 38 und 40, die gegen die Elektrodenseitenflächen der MEAs 4 und 6 gepresst werden. Die Endkontaktelemente 14 und 16 werden gegen die Kohlenstoff/Graphitpapiere 34 bzw. 40 gepresst, während die Bipolarplatte 8 gegen das Kohlenstoff/Graphitpapier 36 auf der Anodenseite der MEA 4 und gegen das Kohlenstoff/Graphitpapier 38 auf der Kathodenseite der MEA 6 gepresst wird. Sauerstoff wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels von einem Speichertank 46 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 42 geliefert, während Wasserstoff an die Anodenseite der Brennstoffzelle von einem Speichertank 48 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 44 geliefert wird. Alternativ dazu kann Umgebungsluft unter Verwendung eines Kompressors oder Gebläses an die Kathodenseite als eine Sauerstoffquelle und Wasserstoff an die Anode von einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen geliefert werden. Es ist auch eine Austragsverrohrung (nicht gezeigt) für sowohl die H2- als auch O2-Seiten der MEAs 4 und 6 vorgesehen. Eine zusätzliche Verrohung 50, 52 und 54 ist zur Lieferung von flüssigem Kühlmittel an die Bipolarplatte 8 und die Endplatten 14 und 16 vorgesehen. Es ist auch eine geeignete Verrohrung zum Austrag von Kühlmittel von der Bipolarplatte 8 und den Endplatten 14 und 16 vorgesehen, jedoch nicht gezeigt.
  • 2 ist eine Explosionsdarstellung einer beispielhaften Bipolarplatte 56, die gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die Bipolarplatte 56 umfasst eine erste Außenblechtafel 58, eine zweite Außenblechtafel 60 und eine Innenabstandshalterblechtafel 62, die zwischen der ersten Blechtafel 58 und der zweiten Blechtafel 60 angeordnet ist. Die Außenblechtafeln 58 und 60 sind so dünn wie möglich ausgebildet und können durch Prägen bzw. Stanzen oder durch einen beliebigen anderen herkömmlichen Prozess zum Formen von Blech geformt werden. Die Außentafel 58 besitzt eine erste Arbeitsseitenfläche 59 an ihrer Außenseite, die einer Membranelektrodenanordnung (nicht gezeigt) gegenüberliegt und so ausgebildet ist, dass sie ein Strömungsfeld 57 vorsieht. Das Strömungsfeld 57 ist durch eine Vielzahl von Stegen 64 definiert, die dazwischen eine Vielzahl von Nuten 66 definieren, die das "Strömungsfeld" bilden, durch das die Reaktandengase (d. h. H2 oder O2) der Brennstoffzelle in einem gewundenen Pfad von einer Seite 68 der Bipolarplatte zu ihrer anderen Seite 70 strömen. Wenn die Brennstoffzelle vollständig zusammengebaut ist, werden die Stege 64 gegen die poröses Material umfassenden Kohlenstoff/Graphitpapiere 36 oder 38 gepresst, die ihrerseits gegen die MEAs 4 und 6 gepresst werden. Der Einfachheit halber zeigt 2 nur zwei Gruppierungen aus Stegen und Nuten. In der Realität bedecken die Stege und Nuten die gesamten Außenseitenflächen der Blechtafeln 58 und 60, die mit den Kohlenstoff/Graphitpapieren 36 und 38 in Eingriff stehen. Das Reaktandengas wird an Nuten 66 von einem Verteiler 72 geliefert, der entlang einer Seite 68 der Brennstoffzelle liegt, und verlässt die Nuten 66 über einen anderen Verteiler 74, der benachbart der gegenüberliegenden Seite 70 der Brennstoffzelle liegt.
  • Wie am besten in 3 gezeigt ist, umfasst die Unterseite der Tafel 58 eine Vielzahl von Rippen 76, die dazwischen eine Vielzahl von Kanälen 78 definieren, durch die ein Kühlmittel während des Betriebs der Brennstoffzelle strömt. Wie in 3 gezeigt ist, liegt der Kühlmittelkanal 78 unter jedem Steg 64, während eine Reaktandengasnut 66 unter jeder Rippe 76 liegt. Alternativ dazu kann die Tafel 58 flach sein und das Strömungsfeld in einer separaten Materialtafel ausgebildet sein. Die Blechtafel 60 ist ähnlich der Tafel 58. Die Innenfläche 61 der Tafel 60 ist in 2 gezeigt. Diesbezüglich ist eine Vielzahl von Rippen 80 gezeigt, die dazwischen eine Vielzahl von Kanälen 82 definieren, durch die Kühlmittel von einer Seite 69 der Bipolarplatte zu der anderen 71 strömt. Ähnlich der Tafel 58, und wie am besten in 3 zu sehen ist, besitzt die Außenseite der Tafel 60 eine Arbeitsseitenfläche 63. Die Tafel 60 ist so ausgebildet, dass ein Strömungsfeld 65 vorgesehen wird. Das Strömungsfeld 65 ist durch eine Vielzahl von Stegen 84 darauf definiert, die eine Vielzahl von Nuten 86 definieren, die das Strömungsfeld 65 bilden, durch das die Reaktandengase strömen.
  • Eine Innenmetallabstandshaltertafel 62 ist zwischen den Außentafeln 58 und 60 positioniert und weist eine Vielzahl von Öffnungen 88 darin auf, um zuzulassen, dass Kühlmittel zwischen den Kanälen 82 in der Tafel 60 und den Kanälen 78 in der Tafel 58 strömen kann, wodurch laminare Grenzschichten aufgebrochen werden und eine Turbulenz bewirkt wird, die einen Wärmeaustausch mit den Innenseitenflächen 90 und 92 der Außentafeln 58 bzw. 60 steigert. Somit bilden die Kanäle 78 und 82 jeweilige Kühlmittelströmungsfelder an dem Innenvolumen, das durch die Tafeln 58 und 60 definiert ist. Alternative Ausführungsformen (nicht gezeigt) umfassen zwei geprägte Platten, die durch einen Fügeprozess miteinander verbunden sind, um innere Kühlmittelströmungsfelder zu bilden.
  • In 4 umfasst eine Membranelektrodenanordnung 100 (MEA) eine Membran 102, die schichtartig zwischen einer Anode 104 und einer Kathode 106 angeordnet ist, die durch ein elektrisch leitendes Material eingebunden sind, das als "Diffusionsmedium" oder poröses Fluidverteilungsmedium 107 bekannt ist. Das poröse Medium 107 ist zwischen zwei Stromkollektor-Separatorplattensubstraten 113, 115 und der MEA 100 angeordnet und dient dazu, um (1) gasförmigen Recktand über die gesamte Seitenfläche der MEA 100 zwischen und unter den Stegen 131 des Stromkollektors 113, 115 zu verteilen, und (2) Strom von der MEA 100 zu sammeln. Eine erste Fluidverteilungsmediumschicht 108 befindet sich benachbart der Anode 104, und eine zweite Fluidverteilungsmediumschicht 110 befindet sich benachbart der Kathode 106. Eine erste Separatorplattenfläche oder ein erstes Substrat (beispielsweise Bipolarplatte) 112 steht in Kontakt mit der ersten Fluidverteilungsmediumschicht 108, und eine zweite Separatorplattenfläche 114 steht in Kontakt mit der zweiten Fluidverteilungsmediumschicht 110. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass das Fluidverteilungsmedium 107 und das erste und zweite Substrat 113, 115 aus elektrisch leitenden Materialien hergestellt sind und dazwischen an einem oder mehreren elektrischen Kontaktgebieten 116 ein elektrischer Kontakt hergestellt wird, wo ein elektrisch leitender Pfad zwischen einer Substrattafel (113 oder 115) und den entsprechenden porösen Medien (108 oder 110) gebildet wird.
  • Bevorzugte Konstruktionsmaterialien für die Separatorplattensubstrate 113, 115 umfassen leitende Metalle, wie beispielsweise rostfreien Stahl, Aluminium und Titan. Die bevorzugtesten Konstruktionsmaterialien für die Separatorplattensubstrate 113, 115 sind rostfreier Stahl/rostfreie Legierungen höherer Güten, der/die eine hohe Beständigkeit gegenüber Korrosion in der Brennstoffzelle aufweisen, wie beispielsweise 316L, 317L, 256 SMO, Alloy 276 und Alloy 904L.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das poröse Fluidverteilungsmedium 107 eine elektrisch leitende nichtmetallische Zusammensetzung. Erste Außenflächen 117 des Fluidverteilungsmediums 107 betreffen diejenigen Flächen der ersten und zweiten Fluidverteilungsmediumschichten 108, 110, die mit den Substratelementtafeln 113, 115 in Kontakt stehen. Zweite Außenflächen 118 des Fluidverteilungsmediums 108, 110 sind der MEA 100 ausgesetzt.
  • Das Fluidverteilungsmedium 107 ist bevorzugt hochporös (d. h. etwa 60%–80%) und weist eine Vielzahl von Poren 120 auf, die in einem Körper 121 des Fluidverteilungsmediums 108, 110 ausgebildet sind. Die Vielzahl von Poren 120 umfasst eine Vielzahl von Innenporen 122 und Außenporen 124, die zueinander offen sind und kontinuierliche Strömungspfade oder -kanäle 126 durch den Körper 121 hindurch bilden, die von der ersten Außenfläche 117 zu der zweiten Außenfläche 118 des Fluidverteilungsmediums 107 verlaufen. Innenporen 122 sind in dem Volumen oder Körper des Fluidverteilungsmediums angeordnet, und Außenporen 124 enden an der Diffusionselementfläche. Die hier verwendeten Begriffe "Pore" und "Poren" betreffen Poren mit verschiedenen Größen, die so genannte "Makroporen" (Poren mit einem Durchmesser von größer als 50 nm), "Mesoporen" (Poren mit einem Durchmesser zwischen 2 nm und 50 nm) und "Mikroporen" (Poren mit einem Durchmesser von kleiner als 2 nm) enthalten, sofern es nicht anders angegeben ist, und der Begriff "Porengröße" betrifft einen durchschnittlichen oder mittleren Wert, der die Durchmessergrößen sowohl der Innen- als auch Außenporen einschließt. Es ist bevorzugt, dass die durchschnittliche Porengröße äquivalent zu einem Radius von größer als etwa 2 μm und kleiner als etwa 30 μm ist. Da diese Öffnungen innen in dem Körper 121 der Fluidverteilungsmediumschichten (beispielsweise 108, 110) angeordnet sind, werden die Flächen der Öffnungen als innere Flächen 128 oder das Mediuminnere bezeichnet.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein bevorzugtes nichtmetallisches leitendes Fluidverteilungsmedium 107 Kohlenstoff. Ein derartiges Fluidverteilungsmedium ist in der Technik gut bekannt und umfasst bevorzugt Kohlefaser oder Graphit. Das poröse Fluidverteilungsmedium 107 kann als Papier, Gewebe, Vlies bzw. Filz, Faser oder Schaum hergestellt sein. Ein derartiges bekanntes poröses Fluidverteilungsmedium 107 umfasst ein Graphitpapier mit einer Porosität von etwa 70 Vol.-% und eine nicht komprimierte Dicke von etwa 0,17 mm, das von der Toray Company mit der Handelsbezeichnung Toray TGPH-060 kommerziell erhältlich ist. Reaktandenfluide werden an die MEA 100 über die Fluidströmungskanäle 126 in der ersten und zweiten Schicht 108, 110 des porösen Mediums geliefert, wo die elektrochemischen Reaktionen auftreten und elektrischen Strom erzeugen.
  • Ein elektrischer Kontakt durch einen elektrisch leitenden Pfad an den Kontaktgebieten 116 ist von dem relativen elektrischen Kontaktwiderstand an einer Schnittstelle der Flächen der in Kontakt stehenden Elemente abhängig. Obwohl ein nichtmetallisches Fluidverteilungsmedium 107 aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit, physikalischen Haltbarkeit in einer Brennstoffzellenumgebung und seines niedrigen elektrischen Volumenwiderstands bevorzugt ist, hat sich herausgestellt, dass die Schnittstelle zwischen einem Metallsubstrat 113, 115 und dem Nichtmetall-Fluidverteilungsmedium 107 zu einem erhöhten elektrischen Kontaktwiderstand an der Schnittstelle aufgrund der Verschiedenheit der jeweiligen Materialien beitragen kann. Es wird angenommen, dass die molekulare Wechselwirkung zwischen dem Metall und Nichtmetallmaterial an einer derartigen Schnittstelle den Kontaktwiderstand aufgrund von Unterschieden der jeweiligen Oberflächenenergien und anderen molekularen und physikalischen Wechselwirkungen erhöhen kann. Somit sieht ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ein leitendes Material vor, das auf das Material beschichtet ist, das die Außenflächen der Poren 120 des porösen nichtmetallischen Fluidverteilungsmediums entlang der Fläche 107 umfasst, um metallisierte Gebiete 130 zu bilden. Die metallisierten Gebiete 130 werden entlang der ersten Außenflächen 117 ausgebildet, die den Metallsubstraten 113, 115 gegenüberliegen. Die metallisierten Gebiete 130, die in der Fluidverteilungsmediumschicht 107 an der ersten Außenfläche 117 integriert sind, haben eine dauerhafte Verringerung des Kontaktwiderstands im Vergleich zu Fluidverteilungsmediumschichten gezeigt, die keine Metallbeschichtung oder metallisierte Gebiete aufweisen. Es ist bevorzugt, dass der Kontaktwiderstand des elektrisch leitenden Elements der vorliegenden Erfindung kleiner als 30 mOhm-cm2 und be vorzugter kleiner als 15 mOhm-cm2 ist. Obwohl die Art und Weise, in der die vorliegende Erfindung arbeitet, nicht beschränkt werden soll, wird angenommen, dass die leitenden metallisierten Gebiete 130 an der Kontaktfläche 117 des Fluidverteilungsmediums 107 eine verbesserte elektrische Schnittstelle an den Kontaktgebieten 116 vorsehen, indem ähnliche Materialien (d. h. Metalle) mit entsprechend ähnlichen molekularen und physikalischen Charakteristiken (z. B. Oberflächenenergien) in Kontakt gebracht werden. Ferner wird angenommen, dass die metallisierten Gebiete 130 an dem porösen Fluidverteilungsmedium 107 eine noch gleichmäßigere Verteilung von elektrischem Strom durch den Körper 121 des Mediums 107 vorsehen, da sich der Strom den diskreten und nicht kontinuierlichen Kontaktgebieten 116, die den Stegen 131 der Strömungsfeldkonfiguration an den Separatorplattensubstraten 113, 115 zugeordnet sind, annähert.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung sind die metallisierten Gebiete 130 entlang der Außenfläche 117 des Fluidverteilungsmediums 107 aufgebracht. Die Dicke der metallisierten Gebiete 130 ist kleiner als 80 nm, bevorzugt kleiner als 50 nm und liegt bevorzugter zwischen etwa 2 und etwa 10 nm. Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Dicke der metallisierten Gebiete 130 kleiner oder gleich der Tiefe von zwei atomaren Monoschichten des für die Beschichtung 130 gewählten Metalls. Eine bevorzugteste Dicke der metallisierten Gebiete 130 ist eine monoatomare Schicht oder eine durchschnittliche Dicke gleich dem Durchmesser von etwa einem Atom des Beschichtungsmaterials oder eine Tiefe von etwa einer Schicht von Atomen des Beschichtungsmaterials. Eine derartige Dicke entspricht einer Dicke von weniger als etwa 1 nm. Bei besonderen Ausführungsformen beträgt die Dicke etwa 0,3 nm bis etwa 0,5 nm.
  • "Ultradünne" Schichten aus leitendem Metall, die in den metallisierten Gebieten aufgebracht sind, betreffen allgemein Dicken von weniger als etwa 40 nm, bevorzugter weniger als 15 nm und am bevorzugtesten weniger als oder gleich die Tiefe von zwei atomaren Monoschichten. Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung betreffen die "ultradünnen" Schichten von leitendem Metall, die in den metallisierten Gebieten aufgebracht sind, eine Schicht mit einer durchschnittlichen Dicke gleich dem Durchmesser von etwa einem Atom an leitendem Metall.
  • Es ist bevorzugt, dass die leitenden metallisierten Gebiete 130 auch die Flächen 124 der Außenporen und die Flächen 128 der Innenporen 122 beschichten und sich in den Körper 121 des Fluidverteilungsmediums 107 mit einer Tiefe von zumindest etwa 2 bis etwa 10 nm erstrecken. Es ist bevorzugt, dass die metallisierten Gebiete 130 elektrisch leitend, oxidationsbeständig und säurebeständig sind, und bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen umfasst das elektrisch leitende Material, das das metallisierte Gebiet bildet, ein Edelmetall, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus: Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Silber (Ag), Iridium (Ir), Platin (Pt), Osmium (Os) und Verbindungen und/oder Legierungen daraus besteht. Andere bevorzugte Materialien für die metallisierten Gebiete 130 weisen diejenigen auf, die Chrom (Cr) oder Verbindungen von Cr, wie Chromnitrid (CrN) umfassen. Ein am stärksten bevorzugtes leitendes Metall für die metallisierten Gebiete 130 umfasst Gold (Au). Wie für Fachleute offensichtlich ist, kann die leitende Metallzusammensetzung Mischungen der oben bezeichneten Metalle und/oder Metallnitride umfassen. Es sei ferner zu verstehen, dass die metallisierten Gebiete 130 leitende Metalloxide umfassen können, wie beispielsweise als nicht einschränkende Beispiele Rutheniumoxid (RuO2), Iridiumoxid (IrO2), fluordotiertes Zinnoxid (SnO2:F) und Mischungen daraus.
  • Bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 5 gezeigt ist, entsprechen diskrete metallisierte Gebiete 130a des porösen Mediums 107 elektrisch leitenden Gebieten der Außenfläche 117, und die nicht metallisierten Gebiete 133 entsprechen den elektrisch nicht leitenden Gebieten. Die elektrisch leitenden Gebiete weisen diejenigen Bereiche auf, die mit Stegen 131 in Kontakt stehen und den elektrisch leitenden Pfad an den Kontaktgebieten 116 herstellen. Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen, wie der, die in 4 gezeigt ist, bedecken die metallisierten Gebiete 130 die gesamte Fläche der Außenfläche 117, was eine gleichmäßigere Stromverteilung in den Körper 121 des porösen Mediums 107 unterstützt. Bei der Ausführungsform mit diskreten metallisierten Gebieten 130a, die elektrisch aktiven Kontaktgebieten 116 entsprechen, sind die elektrisch nicht leitenden und nichtmetallisierten Gebiete der Außenflächen 117 bedeckt oder maskiert, während das leitende Metall aufgebracht wird. Eine Maskierung ist ein beliebiges Material, das auf ein Substrat aufgebracht wird und während der Beschichtungsaufbringung stabil bleibt. Oftmals werden Maskierungsmaterialien gewählt, um eine Rückgewinnung und Rückführung der Metalle, die über der Maskierung während des Abscheidungsprozesses abgeschieden werden, zu ermöglichen, und sind in der Technik gut bekannt. Bevorzugte Maskierungsmaterialien, die mit der vorliegenden Erfindung kompatibel sind, umfassen beispielsweise Metalle, wie rostfreien Stahl und Titan oder silizium- und aluminiumoxidbasierte Keramiken.
  • Eine Vielzahl von Abscheidungsverfahren kann verwendet werden, um die leitenden Metallzusammensetzungen aufzubringen, die die metallisierten Gebiete 130 des Fluidverteilungsmediums 107 bilden. Ein bevorzugtes Verfahren zum Abscheiden des leitenden Metalls der metallisierten Gebiete 130 auf das poröse Fluidverteilungsmedium 107 wird nun unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. Um das leitende Metall auf dem Sub strat abzuscheiden, wird ein Verfahren zur ionenunterstützten Physical-Vapor-Deposition (PVD) verwendet.
  • In 6 ist eine Vorrichtung für ionenunterstützte PVD 136 gezeigt, die dazu verwendet wird, um die leitende Metallzusammensetzung der metallisierten Gebiete 130 aufzubringen. Die Vorrichtung 136 weist eine Abscheidungskammer 138 und zwei Elektronenkanonen A und B zur Abscheidung der Metallbeschichtung auf. Die Vorrichtung 136 weist auch eine Turbopumpe auf, die erlaubt, dass die Vorrichtung in einem ultrahohen Vakuum betrieben werden kann. Das mit dem leitenden Metall zu beschichtende Substrat wird zunächst in einer "Load-Lock-"Kammer 137 angeordnet, in der der Druck zwischen etwa 10–5 bis 10–6 Torr oder 1,3 × 10–3 Pa bis 1,3 × 10–4 Pa liegt. Das Substrat wird dann an die Abscheidungskammer 138 übertragen. Sobald das Substrat in der Kammer 138 angeordnet ist, wird der Druck auf etwa 10–9 Torr (1,3 × 10–7 Pa) abgesenkt. Ein erster Schmelztiegel 140 in der Kammer hält das abzuscheidende Metall. Wenn eine Kombination aus Metallen oder Edelmetallen abgeschieden werden soll, wird ein zweites Metall von einem zweiten Schmelztiegel 142 gehalten. Beispielsweise enthält der erste Schmelztiegel 140 ein erstes Metall (beispielsweise Titan), das als eine erste Schicht abgeschieden wird, und der Schmelztiegel 142 enthält ein zweites Metall (beispielsweise Gold), das über der ersten Schicht abgeschieden wird und eine zweite Schicht bildet. Eine andere Option, die verfügbar ist, kann darin bestehen, eine Kombination von Metallen gleichzeitig abzuscheiden. Edelmetalle werden auf dem Substrat mit einer Geschwindigkeit von 0,10 nm/s bis zu einer Dicke von weniger als 80 nm abgeschieden, was durch Dickenüberwachungseinrichtungen beobachtet wird, die in der Technik bekannt sind. Die metallisierten Gebiete 130 können leitendes Metall aufweisen, das auf dem Substrat bei ultraniedrigen Dicken von weniger als 80 nm, bevorzugt weniger als 40 nm, bevorzugter etwa 2 bis etwa 10 nm und am bevorzugtesten etwa 0,3 bis etwa 0,5 nm abgeschieden ist. Wenn das metallisierte Gebiet 130 eine Dicke von zumindest etwa 2 nm besitzt, ist es bevorzugt, dass die Beladung 0,02 mg/cm2 beträgt. Es ist mit dem vorliegenden Prozess möglich, nur eine sehr dünne Schicht (d. h. eine ultradünne Schicht in der Größenordnung von 10–20 nm) und bevorzugt eine monoatomare Schicht in der Größenordnung von etwa 0,3 bis etwa 0,5 nm zu beschichten, wodurch eine gute Oberflächenbedeckung, eine relativ gleichförmige Bedeckung und gute Anhaftung erreicht wird. Derartige ultradünne Schichten sind kosteneffektiv und haben sich nun selbst, wenn sie monoatomar sind, als effektiv herausgestellt. Somit erlaubt die Verwendung der ionenunterstützten PVD, dass das elektrisch leitende Material auf dem Substrat sehr glatt, gleichmäßig und in einer günstigeren ultradünnen Schicht abgeschieden werden kann.
  • Ein anderes bevorzugtes Verfahren zum Aufbringen einer Metallbeschichtung 130 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Elektronenstrahlverdampfung, bei der das Substrat in einer Vakuumkammer (zwischen etwa 10–3 und 10–4 Torr oder etwa 1,3 × 10–1 Pa bis 1,3 × 10–2 Pa) enthalten ist und ein Metallverdunstungsmittel durch einen geladenen Elektronenstrahl erhitzt wird, wobei es verdunstet und dann an dem Targetsubstrat kondensiert. Eine besondere Weise, um eine monoatomare Schicht abzuscheiden, besteht darin, ein ultrahohes Vakuum (UHV) auf die Kammer aufzubringen, um so Wechselwirkungen mit anderen Atomen zu verhindern. Derartige zwischenatomare Wechselwirkungen bewirken eine ungleichförmige Abscheidung der monoatomaren Schicht. Als ein illustratives Beispiel kann ein Ultrahochvakuum einen Druck von weniger als etwa 1 × 10–8 Torr (weniger als 1 × 10–6 Pa) aufweisen.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist ein bevorzugtes Verfahren zum Aufbringen metallisierter Gebiete 130 des Fluidvertei lungsmediums 107 eine Atomschichtabscheidung (ALD) auf, die auch als Atomschichtepitaxie (ALE) bekannt ist. Die ALD ist ein selbst beschränkendes Verfahren zum chemischen Abscheiden oder Aufwachsen ultradünner Filme auf einem Substrat. Das Verfahren umfasst, dass das Substrat selbst sättigenden Oberflächenreaktionen ausgesetzt wird. Die Oberflächenreaktionen können nacheinander und/oder auf eine abwechselnde Art und Weise abhängig von der Zusammensetzung und der Struktur des gewünschten Films ausgeführt werden. Der ALD-Prozess ist in dem U.S. Patent Nr. 4,058,430 von Suntola et al. beschrieben und hier durch Bezugnahme eingeschlossen.
  • Eine ALD-Vorrichtung kann durch eine Vakuumabscheidungskammer gekennzeichnet sein, die einen Halter für ein Substrat, zumindest eine Dampfquelle (bekannt als der Vorläufer) und ein gesteuertes Mittel besitzt, durch das das Substrat individuell einer Dampfquelle ausgesetzt werden kann. Das gesteuerte Mittel kann Heizer, Kühler und Hochgeschwindigkeitsventile zur Steuerung des Kontakts des Substrats mit der Dampfquelle aufweisen.
  • Der ALD-Prozess zur Abscheidung metallisierter Gebiete 130 betrifft eine Reaktion der Oberfläche des Fluidverteilungsmediums 107 in einer Abscheidungskammer mit einem einzelnen Dampf eines elektrisch leitenden Materials oder eine Reaktion der Oberfläche mit mehreren Dämpfen, die auf einmal eingeführt werden und aus den elementaren Komponenten des elektrisch leitenden Materials bestehen. Der Dampf kann auf einem Trägergas in die Vakuumabscheidungskammer gepulst werden und kann schnell beispielsweise durch Vakuumpumpen oder Spülen mit einem Inertgas gespült werden. Ein derartiges Pulsieren des Dampfes und Spülen des Systems kann ausgeführt werden, um die Dosis des Vorläuferdampfs, dem das Substrat ausgesetzt ist, zu steuern.
  • Allgemein wird der ALD-Prozess bei erhöhten Temperaturen und reduzierten Drücken ausgeführt. Es ist wichtig, dass die Temperatur der Abscheidungskammer hoch genug ist, damit eine Reaktion zwischen dem Substrat und dem Vorläuferdampf stattfindet, während auch eine Kondensation des Dampfs auf der Oberfläche verhindert wird. Als nicht beschränkende Beispiele kann der Reaktionsraum in der Abscheidungskammer auf zwischen etwa 150°C und etwa 600°C erhitzt werden und der Betriebsdruck kann zwischen etwa 7,5 × 10–2 Torr und etwa 4 Torr (etwa 1 Pa bis etwa 5000 Pa) liegen.
  • Als eine Folge der ALD-Oberflächenreaktionen wird nicht mehr als eine Atomschicht des elektrisch leitenden Materials an die Oberfläche gebunden, wodurch eine monoatomare Beschichtung des elektrisch leitenden Materials vorgesehen wird. Mit aufeinander folgenden oder abwechselnden Reaktionen können Kompositschichten geformt werden. Ferner können zusätzliche atomare Monoschichten aufgewachsen werden, wodurch eine Beschichtung mit einer höheren Dicke bereitgestellt wird. Es sei zu verstehen, dass das elektrisch leitende Material, das durch ALD abgeschieden wird, Metalllegierungen und Laminate, beispielsweise zusätzliche monoatomare Schichten aufweisen kann.
  • Als ein illustratives Beispiel kann eine Beschichtung mit monoatomarer Schicht, die Au umfasst, durch ALD abgeschieden werden. Eine derartige monoatomare Schicht kann auf einer Verteilungsmediumoberfläche abgeschieden werden, indem zuerst ein Goldvorläuferdampf gepulst wird, der aus der Gruppe organischer und anorganischer Goldvorläufer oder Kombinationen daraus gewählt ist. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann der Goldvorläufer Dimethylacetylacetonat-Au aufweisen. Der Vorläufer kann in eine Abscheidungskammer auf einem Inertträgergas, wie beispielsweise Argon oder Stickstoff, gepulst werden. Die Kammer kann anschließend mit einem reaktiven Gas, beispielsweise Sauerstoff, gespült werden, was eine eine monoatomare Schicht aufweisende Beschichtung von Au auf der Oberfläche des Verteilungsmediums zur Folge hat.
  • Beschichtungen mit monoatomarer Schicht können auch durch elektrochemische Reaktionen abgeschieden werden. Ein bestimmtes Beispiel einer elektrochemischen Form an Abscheidung umfasst eine Unterpotentialabscheidung (UPD). Allgemein ist eine UPD eine Erscheinung, bei der ein Element auf einem Potential vor (oder unter) demjenigen abgeschieden wird, das erforderlich ist, um das Element auf sich selbst abzuscheiden. Dieser Effekt kann in bestimmten Fällen aus einer erhöhten Stabilität, die durch Reaktion des Elements mit einem ersten Element, das an der Substratfläche vorhanden ist, bewirkt wird, resultieren. Als ein nicht beschränkendes Beispiel der UPD kann ein zweites Element bei einem gesteuerten Potential mit einer vorher abgeschiedenen Atomschicht eines ersten Elements reagieren, um eine einzelne Atomschicht der gewünschten chemischen Art zu bilden. Die Verwendung von UPD sieht eine verbesserte Steuerung über die abgeschiedene Struktur, Morphologie wie auch Zusammensetzung vor und ist somit bei einer Abscheidung einzelner Atomschichten nützlich.
  • Ein weiteres elektrochemisches Verfahren, durch das monoatomare Schichten abgeschieden werden können und das auch in Verbindung mit UPD verwendet werden kann, ist in der Technik als Verdrängungsablagerung bekannt. Elektrochemische Verdrängungsablagerungsreaktionen betreffen eine elektrochemische Ausfällung eines zweiten Metalls aus einer Lösung, die das Salz des zweiten Metalls aufweist, auf einem Substrat, das ein erstes und reaktiveres oder elektropositiveres Metall besitzt. Das erste Metall löst sich seinerseits zunehmend auf und wird durch das zweite Metall verdrängt. Somit kann eine monoatomare Beschichtungsschicht aus einem Element, das durch eine Vielzahl der vorher erwähnten Verfahren abgeschieden ist, anschließend durch ein anderes Element über Verdrängungsablagerung verdrängt werden.
  • Als ein illustratives Beispiel eines Verdrängungsablagerungsprozesses kann ein reaktiveres Metall, wie Kupfer, als eine monoatomare Schicht durch ALD abgeschieden werden. Die Monoschicht aus Kupfer kann dann durch Verdrängungsablagerung durch ein Edelmetall, beispielsweise Gold, ersetzt werden. Die Verdrängungsablagerung sorgt für einen Kontakt der Kupferfläche mit einem gelösten Goldsalz, beispielsweise Goldchlorid. Dieser Kontakt erlaubt, dass sich das reaktivere Kupfermetall an der beschichteten Fläche in der Lösung löst und durch eine monoatomare Goldschicht verdrängt wird.
  • Ein zusätzliches PVD-Verfahren, das für die vorliegende Erfindung geeignet sein kann, ist Magnetronsputtern, wobei ein Metalltarget (das leitende Metall für die metallisierten Gebiete 130) mit einer Sputterkanone in einer Argonionenatmosphäre beschossen wird, während das Substrat geladen ist. Die Sputterkanone bildet ein Plasma aus Metallpartikeln und Argonionen, das durch Impuls übertragen wird, um das Substrat zu beschichten. Jedoch kann die Verwendung ionenunterstützter PVD, wie vorher beschrieben ist, eine bessere Steuerung des Plasmas als bei Magnetronsputtern vorsehen, da beim Sputtern die Richtung des Plasmas schwerer zu regeln ist. Die ionenunterstützte PVD sorgt für eine bessere Steuerung der Abscheidungsparameter, da die Ionenstrahlen eine geringe Energie besitzen und mit Divergenzwinkeln von nur wenigen Graden gut kollimiert sind. Aufgrund der größeren Schwierigkeit beim Regeln im Vergleich zu PVD- oder ALD-Verfahren kann es jedoch sein, dass Magnetronsputtern für eine glatte und gleichmäßige Abscheidung mono atomarer Beschichtungen nicht geeignet ist. Es ist bekannt, dass verschiedene Faktoren die Verwendung eines Aufbringungsverfahrens gegenüber einem anderen unterstützen können, einschließlich einer Gesamtverarbeitungszeit und Kosten.
  • Das leitende Metall der metallisierten Gebiete 130 kann auch durch Galvanisieren (beispielsweise elektrolytische Abscheidung), chemisches Plattieren oder Impulslaserabscheidung aufgebracht werden. Eine größere Schwierigkeit beim Regeln und Steuern mit diesen Verfahren bedeutet jedoch, dass sie zur gleichförmigen Abscheidung monoatomarer Beschichtungen nicht so geeignet sein können, insbesondere im Vergleich zu den vorher erwähnten Verfahren der physikalischen Dampfphasenabscheidung, Elektronenstrahlverdampfung, Atomschichtabscheidung, Unterpotentialabscheidung und Verdrängungsablagerung.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sehen einen niedrigen Kontaktwiderstand über die Separatorplattensubstrate 113, 115 durch das poröse Medium 107, das die metallisierten Gebiete 130 aufweist, vor. Ferner erfordern die elektrisch leitenden Elemente gemäß der vorliegenden Erfindung keine Entfernung einer Passivierungsschicht (d. h. Metalloxidschicht) von den metallischen Separatorplattensubstraten 113, 115 entlang von Kontaktflächen 132 vor ihrem Einbau in das leitende Element der vorliegenden Erfindung. Allgemein erzeugt ein Metallsubstrat 113, 115, das eine Oxidschicht aufweist, die mit einer nichtmetallischen Fluidverteilungsschicht (ohne metallisierte Gebiete 130) in Kontakt steht, einen unzulässig hohen elektrischen Kontaktwiderstand. Somit weisen Verfahren nach dem Stand der Technik zur Entfernung der Oxidschicht eine Vielzahl von Verfahren auf, wie eine kathodische elektrolytische Reinigung, mechanisches Schleifen, Reinigen des Substrats mit alkalischen Reinigern und Ätzen mit sauren Lösemitteln oder Beizlösungen. Die vorliegende Erfindung beseitigt die Notwendigkeit zum Entfernen der Metalloxide von den Kontaktflächen 132 der metallischen Separatorplatte 113, 115.
  • Somit weist ein bevorzugter Aspekt der vorliegenden Erfindung die Verwendung des Separatorelementsubstrats 113, 115 auf, das rostfreien Stahl umfasst, wobei die Substratfläche 113, 115 nicht die umfangreiche Entfernung einer Passivierungsschicht von der Kontaktfläche 132 erfordert. Die verbesserte elektrische Leitfähigkeit an der Schnittstelle an den Kontaktgebieten 116, die durch die Beschichtung 130 der metallisierten Gebiete an dem porösen Medium 107 vorgesehen wird, erlaubt die Verwendung von Metallen in den Separatorelementsubstraten 113, 115, die eine natürlich auftretende Oxidschicht an der Kontaktfläche 132 besitzen. Daher beseitigt die vorliegende Erfindung den teuren und zeitaufwendigen Vorbearbeitungsschritt zur Entfernung von Metalloxiden von der Kontaktfläche 132 der Metallsubstrate 113, 115. Ferner besitzt rostfreier Stahl mit höheren Güten, wie vorher beschrieben wurde, eine hohe Korrosionsbeständigkeit und kann somit ohne jegliche weitere Schutzbehandlung aufgrund seiner Fähigkeit, die korrosive Umgebung in der Brennstoffzelle auszuhalten, verwendet werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist auch zur Verwendung mit Separatorplattenelementsubstraten 113, 115 geeignet, die mit elektrisch leitenden Schutzbeschichtungen beschichtet sind, die eine Korrosionsbeständigkeit für das darunter liegende Metallsubstrat 113, 115 vorsehen. Derartige Beschichtungen können Schichten einer oxidations- und korrosionsbeständigen Edelmetallbeschichtung 130 (beispielsweise Au, Ag, Pt, Pd, Ru, Rh, Ir, Os und Mischungen daraus) oder korrosionsbeständige elektrisch leitende Polymermatrizen umfassen, die allgemein oxidationsbeständige Polymere umfassen, die in einer Matrix elektrisch leitender korrosionsbeständiger Partikel dispergiert sind, wie in der Technik bekannt ist. Die Schutzbeschichtungen besitzen bevorzugt einen spezifischen elektrischen Widerstand von kleiner als etwa 50 μOhm-cm (Ω-cm) und umfassen eine Vielzahl oxidationsbeständiger säureunlöslicher leitender Partikel (d. h. weniger als etwa 50 Mikrometer), die über eine säurebeständige oxidationsbeständige Polymermatrix verteilt sind, wobei das Polymer die Partikel aneinander bindet und diese an der Fläche 132 des Metallsubstrats 113, 115 hält. Die Beschichtung enthält ausreichend leitende Füllstoffpartikel, um einen spezifischen elektrischen Widerstand von nicht größer als etwa 50 μOhm-cm zu erzeugen, und besitzt eine Dicke zwischen etwa 5 μm und etwa 75 μm abhängig von der Zusammensetzung, dem spezifischen elektrischen Widerstand und der Stabilität der Beschichtung. Vernetzte Polymere sind zur Erzeugung impermeabler Beschichtungen bevorzugt, die die darunter liegende Metallsubstratfläche vor einer Permeation korrosiver Mittel schützen.
  • Bevorzugt sind die leitenden Füllstoffpartikel aus der Gruppe gewählt, die umfasst: Gold, Platin, Graphit, Kohlenstoff, Nickel, leitende Metallboride, -nitride und -carbide (beispielsweise Titannitrid, Titancarbid, Titandiborid), Titan in Legierung mit Chrom und/oder Nickel, Palladium, Niob, Rhodium, Seltenerdmetalle und andere Edelmetalle. Am bevorzugtesten umfassen die Partikel Kohlenstoff oder Graphit (d. h. hexagonal kristallisierten Kohlenstoff). Die Partikel umfassen variierende Gewichtsprozentsätze der Beschichtung abhängig von der Dichte und der Leitfähigkeit der Partikel (d. h. Partikel mit einer hohen Leitfähigkeit und geringer Dichte können in geringeren Gewichtsprozentsätzen verwendet werden). Kohlenstoff/graphithaltige Beschichtungen enthalten typischerweise 25 Gewichtsprozent Kohlenstoff/Graphitpartikel. Die Polymermatrix umfasst ein beliebiges wasserunlösliches Polymer, das in einen dünnen anhaftenden Film geformt werden kann und das die raue oxidative und saure Umge bung der Brennstoffzelle aushalten kann. Daher werden derartige Polymere, wie Epoxide, Polyamidimide, Polyetherimide, Polyphenole, Fluorelastomere (beispielsweise Polyvinylidenfluorid), Polyester, Phenoxyphenole, Epoxidphenole, Acryle und Urethane unter anderem als nützlich mit der vorliegenden Erfindung betrachtet. Bei einer derartigen Ausführungsform, bei der die Flächen 132 mit einer Schutzbeschichtung bedeckt sind, umfassen die Metallsubstrate 113, 115 ein korrosionsanfälliges Metall, wie Aluminium, Titan oder rostfreien Stahl mit geringerer Güte, das mit einer korrosionsbeständigen Schutzbeschichtung beschichtet ist.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Kontaktfläche 132 der Separatorelementmetallsubstrate 113, 115 eine im Wesentlichen reine Fläche besitzt, wobei lose anhaftende Schmutzstoffe vor Einbau in das elektrisch leitende Element entfernt werden. Eine derartige Reinigung dient typischerweise dazu, jegliche lose anhaftenden Schmutzstoffe zu entfernen, wie Öle, Fett, wachsige Feststoffe, Partikel (einschließlich Metallpartikel, Kohlenstoffpartikel, Staub und Schmutz), Siliziumdioxid, Zunder und Mischungen daraus. Viele Schmutzstoffe werden während der Herstellung des Metallmaterials hinzugefügt und können sich auch während des Transports oder der Lagerung an der Kontaktfläche 132 ansammeln. Somit ist eine Reinigung der Kontaktfläche 132 des Metallsubstrats 113, 115 insbesondere bei Umständen bevorzugt, wenn das Metallsubstrat 113, 115 mit Schmutzstoffen verunreinigt ist. Ein Reinigen des Metallsubstrats 113, 115 kann ein mechanisches Abschleifen; Reinigen mit herkömmlichen alkalischen Reinigern, oberflächenaktiven Stoffen, leicht sauren Waschungen; oder Ultraschallreinigung erfordern. Die Auswahl des geeigneten Reinigungsprozesses oder der geeigneten Abfolge von Reinigungsprozessen wird auf Grundlage sowohl der Beschaffenheit des Schmutzstoffs als auch des Metalls gewählt.
  • Nun werden experimentelle Einzelheiten bezüglich einer illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben. Bei dieser illustrativen Ausführungsform ist Gold als das edle, elektrisch leitende Material gewählt, das durch ionenunterstützte PVD auf einem Toray-Graphitpapier als Fluidverteilungsmedium abgeschieden werden soll, das eine Porosität von etwa 70 Volumen-%, eine nicht komprimierte Dicke von etwa 0,17 mm besitzt und kommerziell von der Toray Company als das Produkt Toray TGPH-060 erhältlich ist. Bei dem ersten Experiment wurde Gold durch PVD auf dem Toray-Papier durch ein Teer-Magnetron-Sputtersystem abgeschieden. Die Magnetrontargets bestanden aus 99,99% reinem Au. Die Au-Abscheidung wurde bei einer Vorspannung von 50 V unter Verwendung von 0,2 A für eine Minute durchgeführt, um eine Dicke der Goldbeschichtung 130 von 10 nm zu erreichen.
  • Wie in 7 gezeigt ist, wurde die Probe in dem oben beschriebenen Experiment hergestellt und die Kontrolle ist ein nicht beschichtetes Toray-060-Graphitpapier nach dem Stand der Technik, das dieselben Spezifikationen wie die Probe vor dem Beschichtungsprozess besitzt. Der Kontaktwiderstand wurde sowohl über die Probe als auch die Kontrolle durch eine flache Platte aus 316L rostfreiem Stahl über einen Bereich von Drücken gemessen. Es wurde eine Oberfläche von 49 cm2 unter Verwendung eines Stroms von 50 A/cm2 getestet, der durch eine Gleichstromquelle angelegt wurde. Der Widerstand wurde unter Verwendung eines Vier-Punkt-Verfahrens gemessen und aus gemessenen Spannungsabfällen und aus bekannten angelegten Strömen und Probenabmessungen berechnet. Der Spannungsabfall wurde für sowohl die Probe als auch die Kontrolle von "Papier zu Papier" gemessen, was bedeutet, dass eine Anordnung gebildet wurde, indem die Stahlplatte zwischen zwei Diffusionsmediumschichten schichtartig angeordnet wurde, wobei die Spannung über die Anordnung gemessen wurde. Kontaktwiderstandsmessungen wurden als Milliohm pro Quadratzentimeter (mΩ/cm2) mit einer zunehmenden angelegten Kraft gemessen. Die Platten aus 316L rostfreiem Stahl waren nicht behandelt (d. h. keine Entfernung von Oxidschichten oder Reinigung), sondern wurden vielmehr in dem Zustand verwendet, in dem sie von dem Hersteller erhalten wurden. Das Papier ohne die Goldbeschichtung 130 weist hohe Kontaktwiderstandswerte auf, wobei der geringste Kontaktwiderstandswert bei etwa 125 mOhm-cm2 liegt, wenn der angelegte Druck 400 psi (2700 kPa) beträgt. Die Probe, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, zeigt einen signifikant geringeren Kontaktwiderstand (d. h. kleiner als etwa 125 mOhm-cm2) durch die Schnittstelle an den Kontaktgebieten über die gesamte Kontaktfläche und über den getesteten Bereich von Kompressionsdrücken.
  • In 8 wurde ein anderer Vergleich zwischen derselben Probe und Kontrolle, wie in 7, durchgeführt, wobei jedoch der rostfreie Stahl 316L, der in der Kontaktwiderstandsmessung verwendet wurde, mit Nuten entlang der Kontaktfläche bearbeitet wurde, um Strömungskanäle und -stege (in einem Verhältnis von 1:1 von Stegen zu Nuten) zu bilden, wobei ein Kompressionsdruck für die gesamte Oberfläche gemessen wurde. Somit wurden die elektrischen Kontaktgebiete an den diskreten Steggebieten geformt. Der rostfreie Stahl 316L war ansonsten unbehandelt. Wie über den Bereich aufgebrachter Drücke gezeigt ist, war der Kontaktwiderstand der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Probe signifikant geringer als bei der Kontrolle nach dem Stand der Technik und zeigte eine noch größere Verbesserungsdiskrepanz zwischen den Kontaktwiderstandswerten der Probe und der Kontrolle (d. h. größer als 150 mOhm-cm2) bei dem höchsten getesteten Druck von 300 psi oder 2000 kPa) als die, die in 7 oben gezeigt sind. Somit besitzen leitende Elemente, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, eine verbesserte elektrische Schnittstelle zwischen dem nicht metallischen porösen Fluidverteilungsmedium und dem Metallsubstrat des Separatorelements. Die metallisierten Gebiete der vorliegenden Erfindung sehen eine ultradünne leitende Metallbeschichtung vor, die die Fläche des porösen Fluidverteilungselements ausreichend bedeckt, um einen geringen Kontaktwiderstand für ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement bereitzustellen, der die Gesamtleistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle verbessert. Ferner ist die Dicke der Metallbeschichtung derart, dass die Herstellkosten zum Ausbilden eines elektrisch leitenden Fluidverteilungselements minimiert sind. Verarbeitungskosten sind ferner durch Beseitigung des Schritts zum Entfernen von Metalloxiden von den Metallsubstraten reduziert, die eine elektrische Schnittstelle mit dem Fluidverteilungselement bilden. Die verbesserte elektrische Schnittstelle reduziert einen Kontaktwiderstand und unterstützt eine breitere und gleichmäßigere Stromverteilung, was den Betriebswirkungsgrad und die Gesamtlebensdauer der Membran und des Brennstoffzellenstapels erhöht.
  • Die oben beschriebene Probe kann auch durch alternative Verfahren hergestellt werden, einschließlich beispielsweise ionenunterstützter PVD und Atomschichtabscheidung. Eine durch derartige Verfahren erzeugte Probe kann eine monoatomare Schicht aufweisende Beschichtung, die Gold umfasst, besitzen. Beispielsweise wird bei der Ausführungsform mit ionenunterstützter PVD Gold als das elektrisch leitende Edelmetall gewählt, das durch ionenunterstützte PVD auf einem Toray-Graphitpapier als Fluidverteilungsmedium abgeschieden werden soll, das eine Porosität von etwa 70 Volumen-% und eine nicht komprimierte Dicke von etwa 0,17 mm besitzt. Das Graphitpapier ist kommerziell von der Toray Company als das Produkt Toray TGPH-060 erhältlich. Bei diesem Experiment wird Gold durch PVD auf dem Toray-Papier abgeschieden. Die Magnetrontargets bestehen aus 99,99% reinem Au. Eine einzelne Elektronenstrahlverdamp fung wird dazu verwendet, die Goldbeschichtung 130 auf eine monoatomare Dicke von etwa 0,3 nm bis 0,5 nm mit einer Rate von etwa 0,04 nm/s abzuscheiden. Die Temperatur während der Abscheidung überschreitet eine Temperatur zwischen etwa 35°C und 40°C nicht, und die Abscheidung wird in einer Zeitdauer von weniger als 10 Sekunden beendet.
  • Bei einem illustrativen Atomschichtabscheidungs-(ALD)-Beispiel wird die Goldbeschichtung 130 auf die Probe, wie oben beschrieben ist, durch ein ALD-System auf Toray-Graphitpapier als Fluidverteilungsmedium aufgebracht. Proben des Toray-Graphitpapiers als Fluidverteilungsmedium werden in einer ALD-Abscheidungskammer angeordnet. Der Reaktionsraum in der Abscheidungskammer wird auf eine Temperatur von größer als 150°C bei einem Betriebsdruck zwischen etwa 7,5 × 10–2 Torr und etwa 4 Torr erhitzt. Ein Goldvorläufer, der Dimethylacetylacetonat-Au umfasst, wird in die Abscheidungskammer auf einem Argonträgergas mit einem Durchfluss von etwa 50 ml/min bis etwa 200 ml/min gepulst, gefolgt durch eine Spülung mit Sauerstoffgas, um die ALD-Reaktion zu vervollständigen. Hierdurch wird eine einzelne, eine monoatomare Schicht aufweisende Beschichtung auf Graphitpapier, die eine Dicke von etwa 0,3 nm bis 0,5 nm besitzt, vorgesehen.
  • Es ist ferner gezeigt worden, dass ultradünne Beschichtungen an der Schnittstelle zwischen Diffusionsmedium und Bipolarplatte einen gleichermaßen geringen Widerstand im Vergleich zu dickeren Beschichtungen aufweisen und einen vernachlässigbaren Schnittstellenwiderstand im Vergleich zu anderen Teilen der Brennstoffzellenanordnung besitzen. Siehe beispielsweise die veröffentlichte U.S.-Anmeldung Nr. 2005/0100771, die hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Somit ist es dem Fachmann offensichtlich, dass eine Probe mit einer monoatomaren Goldschicht einen Kontaktwiderstand aufweist, der im Wesentlichen ähnlich zu dem der in den 7 und 8 gezeigten Probe ist.
  • Die Beschreibung der obigen Ausführungsformen und des Verfahrens ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung befindlich anzusehen. Derartige Abwandlungen werden nicht als Abweichung von der Grundidee und dem Schutzumfang der Erfindung betrachtet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 4058430 [0038]

Claims (65)

  1. Elektrisch leitendes Element zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, mit: einem leitenden Metallsubstrat; einer Schicht aus leitendem, nicht metallischem porösem Medium, das eine Fläche besitzt, die dem Metallsubstrat zugewandt ist; und einem oder mehreren metallisierten Gebieten an der Fläche der Schicht, wobei jedes metallisierte Gebiet ein elektrisch leitendes Material enthält und eine durchschnittliche Dicke besitzt, die etwa dem Durchmesser eines Atoms des Materials entspricht; wobei das leitende Metallsubstrat in Kontakt mit den metallisierten Gebieten angeordnet ist, um einen elektrisch leitenden Pfad zwischen der Schicht und dem leitenden Metallsubstrat vorzusehen.
  2. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, wobei jedes der metallisierten Gebiete eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zu einem nicht metallisierten Gebiet bereitstellt.
  3. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, wobei das eine metallisierte Gebiet die Fläche der Schicht im Wesentlichen vollständig bedeckt.
  4. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, wobei das leitende Metallsubstrat eine Fläche besitzt, die der Schicht zugewandt ist und mit einer Vielzahl von Nuten und Stegen gemustert ist und wo bei die Stege in Kontakt mit jeweiligen der metallisierten Gebiete stehen.
  5. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 4, wobei im Wesentlichen eine gesamte Fläche von jedem Steg in Kontakt mit einem jeweiligen metallisierten Gebiet steht.
  6. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, wobei das leitende Metallsubstrat in Kontakt mit den metallisierten Gebieten und den nicht metallisierten Gebieten steht.
  7. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, wobei das Metallsubstrat aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: rostfreien Stahl, Aluminium und Titan.
  8. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, wobei das leitende Metallsubstrat rostfreien Stahl umfasst.
  9. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 8, wobei der rostfreie Stahl aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst 316L, 317L, 256 SMO, Alloy 276 und Alloy 904L.
  10. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 8, wobei der rostfreie Stahl Gebiete von Oberflächenoxiden besitzt, die entgegengesetzt der elektrischen Kontaktgebiete ausgebildet sind.
  11. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, wobei das poröse Medium Poren definiert, die Strömungspfade durch die Schicht bilden.
  12. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 11, wobei die Poren Innen- und Außenporen aufweisen und das elektrisch leitende Material an Flächen zumindest eines Abschnitts der Innen- und Außenporen in den metallisierten Gebieten abgeschieden ist.
  13. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, wobei das Medium Kohlenstoff umfasst.
  14. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, wobei das Medium Kohlenstoff umfasst und aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Papier, Gewebe, Vlies, Filz, Faser und Schaum.
  15. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitende Material der metallisierten Gebiete ein Edelmetall umfasst.
  16. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitende Material der metallisierten Gebiete eine Verbindung umfasst, die ein Edelmetall enthält.
  17. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitende Material der metallisierten Gebiete aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Cr, CrN, Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, Os, Au und Mischungen daraus.
  18. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 17, wobei das elektrisch leitende Material Au umfasst.
  19. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, wobei die Dicke des elektrisch leitenden Materials jedes metallisierten Gebiets zwischen etwa 0,3 nm bis etwa 0,5 nm beträgt.
  20. Anordnung zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, mit: einem elektrisch leitenden Metallsubstrat, das eine Hauptfläche aufweist; einer Schicht aus elektrisch leitendem porösen Fluidverteilungsmedium, die eine erste und eine zweite Fläche besitzt, wobei die erste Fläche in elektrischem Kontakt mit der Hauptfläche steht und die zweite Fläche einer Membranelektrodenanordnung gegenüberliegt; und einem oder mehreren metallisierten Gebieten an der ersten und der zweiten Fläche der Schicht, wobei jedes metallisierte Gebiet ein elektrisch leitendes Material enthält und eine durchschnittliche Dicke besitzt, die etwa dem Durchmesser eines Atoms des Materials entspricht; wobei ein elektrischer Kontaktwiderstand über das Metallsubstrat durch die metallisierten Gebiete zu der Schicht kleiner als ein Vergleichskontaktwiderstand über ein ähnliches Metallsubstrat und eine ähnliche Schicht aus Fluidverteilungsmedium ohne die metallisierten Gebiete ist.
  21. Anordnung nach Anspruch 20, wobei ein Gesamtwert des elektrischen Widerstands kleiner als 15 mΩ-cm2 bei einer Kompressionskraft von etwa 2700 kPa ist.
  22. Anordnung nach Anspruch 20, wobei das Metallsubstrat aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: rostfreien Stahl, Aluminium und Titan.
  23. Anordnung nach Anspruch 20, wobei das Metallsubstrat rostfreien Stahl umfasst.
  24. Anordnung nach Anspruch 23, wobei der rostfreie Stahl Gebiete von Oberflächenoxiden besitzt, die entgegengesetzt der elektrischen Kontaktgebiete ausgebildet sind.
  25. Anordnung nach Anspruch 20, wobei die Schicht Kohlenstoff umfasst.
  26. Anordnung nach Anspruch 20, wobei die Schicht Kohlenstoff umfasst und aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Papier, Gewebe, Vlies, Filz, Faser und Schaum.
  27. Anordnung nach Anspruch 20, wobei das elektrisch leitende Material der metallisierten Gebiete ein Edelmetall umfasst.
  28. Anordnung nach Anspruch 20, wobei das elektrisch leitende Material der metallisierten Gebiete eine Verbindung umfasst, die ein Edelmetall enthält.
  29. Anordnung nach Anspruch 20, wobei das elektrisch leitende Material der metallisierten Gebiete aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Cr, CrN, Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, Os, Au, RuO2, SnO2:F, IrO2 und Mischungen daraus.
  30. Anordnung nach Anspruch 29, wobei das elektrisch leitende Material der metallisierten Gebiete Au umfasst.
  31. Anordnung nach Anspruch 20, wobei die Dicke des elektrisch leitenden Materials von jedem metallisierten Gebiet kleiner als etwa 1 nm ist. 31a. Anordnung nach Anspruch 20, wobei die Dicke des elektrisch leitenden Materials von jedem metallisierten Gebiet zwischen etwa 0,3 nm bis etwa 0,5 nm liegt.
  32. Elektrisch leitendes Fluidverteilungselement für eine Brennstoffzelle, wobei das Element umfasst: eine Schicht aus elektrisch leitendem porösem Medium, die Kohlenstoff umfasst, und ein oder mehrere metallisierte Gebiete entlang einer Fläche der Schicht, wobei das eine oder die mehreren metallisierten Gebiete ein elektrisch leitendes Material umfassen und eine durchschnittliche Dicke besitzen, die etwa dem Durchmesser eines Atoms des Materials entspricht.
  33. Elektrisch leitendes Fluidverteilungselement nach Anspruch 32, wobei die Fläche, die das eine oder die mehreren metallisierten Gebiete besitzt, einem elektrisch leitenden, impermeablen Separatorelement gegenüberliegt.
  34. Elektrisch leitendes Fluidverteilungselement nach Anspruch 32, wobei die Dicke des elektrisch leitenden Materials der ultradünnen metallisierten Gebiete zwischen etwa 0,3 nm bis etwa 0,5 nm liegt.
  35. Elektrisch leitendes Fluidverteilungselement nach Anspruch 33, wobei die Fläche, die die metallisierten Gebiete besitzt, mit dem impermeablen Separatorelement in Kontakt steht und einen elektrisch leitenden Pfad dazwischen bildet.
  36. Elektrisch leitendes Fluidverteilungselement nach Anspruch 33, wobei das impermeable Separatorelement, das in Kontakt mit den ultradünnen metallisierten Gebieten angeordnet ist, einen elektrisch leitenden Pfad zwischen der Schicht und dem Separatorelement vorsieht, und ein gesamter elektrischer Widerstand über das Separatorelement durch die metallisierten Gebiete zu der Schicht bei einer Kompressionskraft von 2700 kPa kleiner als 15 mOhm-cm2 ist.
  37. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 32, wobei das Separatorelement aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst rostfreien Stahl, Aluminium und Titan.
  38. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 32, wobei das poröse Medium der Schicht eine Vielzahl von Poren besitzt, die Strömungspfade durch die Schicht bilden.
  39. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 38, wobei die Poren Innen- und Außenporen aufweisen und das elektrisch leitende Metall auf Flächen zumindest eines Abschnitts der Innen- und Außenporen in den metallisierten Gebieten abgeschieden ist.
  40. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 32, wobei das poröse Medium aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Papier, Gewebe, Vlies, Filz, Faser und Schaum.
  41. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 32, wobei das elektrisch leitende Material der metallisierten Gebiete ein Edelmetall umfasst.
  42. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 32, wobei das elektrisch leitende Material der metallisierten Gebiete eine Verbindung umfasst, die ein Edelmetall enthält.
  43. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 32, wobei das elektrisch leitende Material der metallisierten Gebiete aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Cr, CrN, Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, Os, Au, RuO2, SnO2:F, IrO2 und Mischungen daraus.
  44. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 43, wobei das elektrisch leitende Metall Au umfasst.
  45. Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 32, wobei eine Dicke des elektrisch leitenden Materials des ultradünnen metallisierten Gebiets kleiner oder gleich der Tiefe von zwei atomaren Monoschichten von Materialatomen ist.
  46. Verfahren zum Herstellen eines elektrisch leitenden Elements für eine Brennstoffzelle, umfassend, dass: ein elektrisch leitendes Material auf einer Fläche eines elektrisch leitenden porösen Mediums abgeschieden wird, um ein oder mehrere metallisierte Gebiete zu bilden, die eine durchschnittliche Dicke gleich etwa dem Durchmesser von einem Atom des Materials besitzen; die Fläche, die die metallisierten Gebiete aufweist, benachbart eines elektrisch leitenden Metallsubstrats positioniert wird; das Substrat mit der die metallisierten Gebiete aufweisenden Fläche in Kontakt gebracht wird, um einen elektrisch leitenden Pfad zwischen dem Substrat und dem porösen Medium zu bilden.
  47. Verfahren nach Anspruch 46, wobei das Abscheiden durch einen Prozess ausgeführt wird, der aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Elektronenstrahlverdampfung, Magnetronsputtern, physikali sche Dampfphasenabscheidung, elektrolytische Abscheidung, chemische Abscheidung, Atomschichtabscheidung, Unterpotentialabscheidung, Verdrängungsablagerung und Kombinationen daraus.
  48. Verfahren nach Anspruch 46, wobei das elektrisch leitende Material aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Cr, CrN, Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, Os, Au, RuO2, RuO4, SnO2:F, IrO2 und Mischungen daraus.
  49. Verfahren nach Anspruch 46, wobei das elektrisch leitende Material ein Edelmetall oder eine edelmetallhaltige Verbindung umfasst.
  50. Verfahren nach Anspruch 49, wobei das elektrisch leitende Material Au umfasst.
  51. Verfahren nach Anspruch 46, wobei das Abscheiden durchgeführt wird, um die Dicke zwischen etwa 0,3 nm bis etwa 0,5 nm vorzusehen.
  52. Verfahren nach Anspruch 46, wobei die Kontaktnahme durch Kompressionskraft erreicht wird, die auf die Brennstoffzelle in einem zusammengebauten Brennstoffzellenstapel ausgeübt wird.
  53. Verfahren nach Anspruch 47, wobei das Abscheiden durch Elektronenstrahlverdampfung ausgeführt wird.
  54. Verfahren nach Anspruch 53, wobei die Elektronenstrahlverdampfung unter einem Ultrahochvakuum durchgeführt wird.
  55. Verfahren nach Anspruch 47, wobei die Abscheidung durch Atomschichtabscheidung durchgeführt wird.
  56. Verfahren nach Anspruch 55, wobei die Atomschichtabscheidung umfasst, dass: das Substrat zumindest einem Vorläuferdampf des elektrisch leitenden Materials bei einer Temperatur ausgesetzt wird, die ausreichend hoch ist, damit der Dampf mit der Fläche des Substrats reagiert, jedoch zu hoch ist, als dass die Dämpfe an der Fläche kondensieren.
  57. Verfahren nach Anspruch 55, wobei die Atomschichtabscheidung bei einer Temperatur zwischen etwa 150°C und etwa 600°C durchgeführt wird.
  58. Verfahren nach Anspruch 55, wobei die Atomschichtabscheidung bei einem Druck zwischen etwa 7,5 × 10–2 Torr und etwa 4 Torr durchgeführt wird.
  59. Verfahren nach Anspruch 47, wobei das Abscheiden eine Verdrängungsablagerung umfasst, bei der ein zweites Metall ein erstes Metall an der Fläche des elektrisch leitenden porösen Mediums verdrängt.
  60. Verfahren nach Anspruch 59, wobei die Verdrängungsablagerung umfasst, dass das poröse Medium, das eine Schicht des ersten Metalls aufweist, in eine ein Salz eines zweiten Metalls aufweisende Lösung getaucht wird.
  61. Verfahren nach Anspruch 60, wobei sich das erste Metall löst und das zweite Metall auf dem porösen Medium abgeschieden wird.
  62. Verfahren nach Anspruch 61, wobei das erste Metall reaktiver als das zweite Metall ist.
  63. Verfahren nach Anspruch 62, wobei das erste Metall aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Kupfer, Zink, Eisen und Legierungen daraus.
  64. Verfahren nach Anspruch 62, wobei das zweite Metall aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Gold, Platin, Iridium, Rhodium und Legierungen daraus.
  65. Verfahren nach Anspruch 47, wobei die Abscheidung eine Unterpotentialabscheidung umfasst.
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