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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE
ANMELDUNGEN
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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.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere
elektrisch leitende Fluidverteilungselemente und deren Herstellung
für solche Brennstoffzellen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und
den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
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1 eine
schematische Explosionsdarstellung eines PEM-Brennstoffzellenstapels
(es sind nur zwei Zellen gezeigt) ist;
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2 eine
Explosionsansicht eines beispielhaften elektrisch leitenden Fluidverteilungselements ist,
das mit PEM-Brennstoffzellenstapeln verwendbar ist;
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3 eine
teilweise Schnittansicht in der Richtung von 3-3 von 2 ist;
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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;
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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;
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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;
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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
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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.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die
Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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"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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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