DE102008016682A1

DE102008016682A1 - Mikrostrukturierte Brennstoffzellenelemente für verbessertes Wassermanagement

Info

Publication number: DE102008016682A1
Application number: DE102008016682A
Authority: DE
Inventors: Gayatri Vyas Rochester Hills Dadheech; Richard H. Macomb Township Blunk; Thomas A. Trabold; Reena L. Rochester Hills Datta; Keith E. Newman
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-04-04
Filing date: 2008-04-01
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2028-04-02
Also published as: US8105721B2; US20080248368A1; CN101281970A; CN101281970B; DE102008016682B4

Abstract

Verfahren und Materialien zum Verbessern von Wassermanagement in einer Brennstoffzelle durch Mikrostrukturieren von Brennstoffzellenelementen, einschließlich der Separatorplatte und/oder des Gasdiffusionsmediums. Ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle umfasst eine Separatorplatte und/oder ein Gasdiffusionsmedium, die mikrostrukturiert werden. Selektives Abtragen von Material und Prägen kann Mikrostrukturierung verleihen, wobei die Mikrostrukturierung Wassermanagement in der Brennstoffzelle erleichtert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere bei Wassermanagement mitwirkende Brennstoffzellen.
Brennstoffzellen wurden als Antriebsquelle zum Zuführen elektrischer Energie für Kraftfahrzeuge und andere industrielle Anwendungen vorgeschlagen. Eine beispielhafte Brennstoffzelle weist eine Membranelektrodeneinheit (MEA, kurz vom engl. Membrane Electrode Assembly) mit katalytischen Elektroden und einer zwischen der Anode und der Kathode sandwichartig eingeschlossenen Protonenaustauschmembran (PEM, kurz vom engl. Proton Exchange Membrane) auf. Aus porösem leitendem Material bestehende Gasdiffusionsmedien können zum Verbessern des Zellenbetriebs an der Kathoden- und Anodenseite verwendet werden. Die MEA ist zwischen einem Paar elektrisch leitender Kontaktelemente, die als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen, sandwichartig eingeschlossen.
Eine bipolare PEM-Brennstoffzelle kann mehrere MEAs umfassen, die in elektrischer Reihe aufgeschichtet sind, während sie durch ein undurchlässiges, elektrisch leitendes Kontaktelement voneinander getrennt sind, das als Bipolarplatte oder Separatorplatte bekannt ist. Die Separatorplatte kann zwei Arbeitsseiten aufweisen, wobei eine der Anode einer MEA zugewandt ist und die andere der Kathode an der nächsten benachbarten MEA in dem Stapel zugewandt ist, und jede Separatorplatte leitet elektrischen Strom zwischen den benachbarten Zellen in elektrischer Weise. Kontaktelemente an den Enden des Stapels werden als End-, Anschluss- oder Kollektorplatten bezeichnet. Diese Anschlusskollektoren kontaktieren ein zwischen der Anschlussseparatorplatte und der Anschlusskollektorplatte sandwichartig eingeschlossenes leitendes Element.
Die die MEAs sandwichartig einschließenden Separatorplatten können eine Anordnung von Rillen oder Kanälen in ihren Seiten umfassen, die ein Reaktantengas-Strömungsfeld zum Verteilen der gasförmigen Recktanten der Brennstoffzelle (d. h. Wasserstoff und Sauerstoff/Luft) über den Oberflächen der jeweiligen Anode und Kathode ausbilden. Diese Reaktantengas-Strömungsfelder umfassen im Allgemeinen mehrere Stege, die mehrere Strömungskanäle dazwischen ausbilden, durch die die gasförmigen Recktanten von einem Zufuhrsammelrohr an einem Ende der Strömungskanäle zu einem Auslasssammelrohr an dem gegenüberliegenden Ende der Strömungskanäle strömen.
Ein mehreren Funktionen dienendes Gasdiffusionsmedium deckt die Recktanten-Strömungsfelder ab. Eine dieser Funktionen ist die Diffusion von Reaktantengasen dadurch zum Reagieren in der jeweiligen Katalysatorschicht. Eine andere ist das Diffundieren von Reaktionsprodukten, nämlich Wasser, über die Brennstoffzelle. Ferner muss das Diffusionsmedium Elektronen und Wärme zwischen der Katalysatorschicht und der Separatorplatte leiten. Zum ordnungsgemäßen Ausführen dieser Funktionen muss das Diffusionsmedium ausreichend porös sein.
Wassermanagement ist ein wichtiger Aspekt beim Betrieb von Brennstoffzellen. Zum Beispiel wird an der Kathode beruhend auf den elektrochemischen Reaktionen zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, die in der MEA ablaufen, Wasser erzeugt. Wasser ist für den Transport von Protonen von der Anode durch die PEM zum Vereinen mit Oxidans an der Kathode erforderlich und wird dadurch aufgebraucht. Ferner hängt die Protonenleitfähigkeit der PEM stark von ihrem Hydratationszustand ab. Hydriert besitzt die PEM azide Eigenschaften, die ein Medium zum Leiten von Protonen von der Anode zur Kathode der Brennstoffzelle vorsehen. Wenn aber die Protonenaustauschmembran nicht ausreichend hydratisiert ist, wird der azide Charakter schwächer, mit damit einhergehender Abnahme der erwünschten elektrochemischen Reaktion der Zelle.
Ein anderes Problem beim Wassermanagement tritt auf, wenn Feuchtigkeitsstoffübertragung in der Brennstoffzelle örtlich begrenzte Feuchtigkeitsgradienten in Gasdiffusionsmedien erzeugen. Diesbezüglich tritt in der Ebene der Protonenaustauschmembran, die mit dem Gasdiffusionsmedium in Kontakt kommt, ein Ungleichgewicht auf, da bei Betrieb einige Bereiche in der Ebene der Membran von einem höheren Grad an Feuchtigkeit gegenüber anderen Bereichen der Ebene profitieren. Die örtlich begrenzten Ungleichgewichte der Feuchtigkeitsbeschaffenheit des Gasdiffusionsmediums beeinflussen vergleichbare differenzierte Feuchtigkeitsbeschaffenheiten in örtlich begrenzten Bereichen der Protonenaustauschmembran, was bei der Erzeugung von Elektrizität aus der Zelle zu differenzierten Wirkungsgraden bei den örtlichen Bereichen der Protonenaustauschmembran führt.
Eine andere Schwierigkeit beim Wassermanagement ist, dass alle einzelnen Brennstoffzellen in dem zusammengesetzten Brennstoffzellenstapel und alle Kanäle in jeder einzelnen Separatorplatte mit gemeinsamen Einlass- und Auslasskrümmern verbunden sind. Daher weist jeder Recktanten-Strömungsdurchlass den gleichen Gesamtdruckabfall auf. Eine Blockierung durch Wasser in einem Kanal leitet daher einen Strom zu benachbarten Kanälen um, so dass der Gesamtdruckabfall beibehalten wird. Wenn analog eine Separatorplatte einer Zelle eine relativ große Menge flüssigen Wassers enthält, kann sie einen „Hunger"-Zustand erfahren, wodurch soviel Strom zu benachbarten Zellen umgeleitet wird, dass keine Reaktionsstöchiometrie aufrechterhalten werden kann. Daher ist es erwünscht, das Ansammeln von flüssigem Wasser in den Kanälen der Separatorplatten insbesondere bei niedriger Last, bei der die Reaktantenströme gering und somit weniger geeignet sind, Wasser durch Gasscherungskräfte zu bewegen, zu minimieren.
Wassermanagementstrategien wie Druckabfall, Temperaturgradienten und Gegenstrombetrieb werden mit gewisser Wirkung verwendet; ein verbessertes Wassermanagement würde aber die Leistung und Haltbarkeit der Brennstoffzelle besser steigern. Demgemäß besteht ein Bedarf nach Verbesserungen, die eine ausgewogenen Hydratation der Protonenaustauschmembran vorsehen und die einen besseren Transport von Wasser zum Kühlen der Brennstoffzelle vorsehen, um eine Überhitzung zu verhindern, die lokale Feuchtigkeitsgradienten ausgleichen oder mindern und die ein Fluten oder eine Sättigung mit flüssigem Wasser verhindern.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung sieht Verfahren und Materialien zum Verbessern von Wassermanagement in einer Brennstoffzelle durch Mikrostrukturieren von Brennstoffzellenelementen, die mindestens einen Teil der Separatorplatte und/oder des Gasdiffusionsmediums umfassen, vor.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle umfasst das Kontaktieren einer Separatorplatte und eines Gasdiffusionsmediums zum Bilden eines abgedeckten Reaktantengas-Strömungsfelds. Die Separatorplatte umfasst mehrere Stege, die mehrere Kanäle bilden, und das Gasdiffusionsmedium umfasst einen ersten Oberflächenbereich komplementär zu den mehreren Stegen der Separatorplatte sowie einen zweiten Oberflächenbereich komplementär zu den mehreren Kanälen der Separatorplatte. Die mehreren Stege der Separatorplatte kontaktieren den ersten Oberflächenbereich des Gasdiffusionsmediums. Mindestens ein Teil einer Oberfläche der mehreren Kanäle der Separatorplatte und/oder mindestens ein Teil des zweiten Oberflächenbereichs des Gasdiffusionsmediums ist mikrostrukturiert.
Bei manchen Ausgestaltungen ist mindestens ein Teil der Oberfläche der mehreren Kanäle der Separatorplatte und/oder des zweiten Oberflächenbereichs des Gasdiffusionsmediums durch einen Prozess mikrostrukturiert, der das Fokussieren von Laserpulsen umfasst, um Oberflächenmaterial selektiv abzutragen, wodurch eine mehrere Vorsprünge nicht abgetragenen Oberflächenmaterials umfassende Mikrostrukturierung erzeugt wird. In manchen Fällen können die Vorsprünge des Oberflächenmaterials etwa 1 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer hoch, lang und breit sein.
Bei anderen Ausgestaltungen ist die Oberfläche der mehreren Kanäle der Separatorplatte durch einen Prozess mikrostrukturiert, der das Fokussieren von Laserpulsen umfasst, um Oberflächenmaterial selektiv abzutragen, wobei das Oberflächenmaterial mindestens einen Teil der Oberfläche der mehreren Kanäle der Separatorplatte umfasst und die Separatorplatte aus Metall gebildet ist. Das selektive Abtragen des Oberflächenmaterials erzeugt eine Mikrostrukturierung, die mehrstufige Rauheit mit Vorsprüngen und Vertiefungen von etwa 0,1 Mikrometer bis etwa 10 Mikrometer jeweils in der Höhe, Länge und Breite umfasst.
Bei noch anderen Ausgestaltungen umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle das Mikrostrukturieren mindestens eines Teils der mehreren Kanäle der Separatorplatte und/oder des zweiten Oberflächenbereichs des Gasdiffusionsmediums durch einen Prozess, der das Pressen einer mikrostrukturierten Prägeplatte auf die Oberfläche der mehreren Kanäle der Separatorplatte und/oder den zweiten Oberflächenbereich des Gasdiffusionsmediums umfasst.
Weitere Ausgestaltungen umfassen eine Brennstoffzelle, die eine Separatorplatte mit mehreren Stegen, die mehrere Kanäle ausbilden, und ein Gasdiffusionsmedium umfasst, das einen ersten Oberflächenbereich komplementär zu den mehreren Stegen der Separatorplatte und einen zweiten Oberflächenbereich komplementär zu den mehreren Kanälen der Separatorplatte umfasst. Die mehreren Stege der Separatorplatte kontaktieren den ersten Oberflächenbereich des Gasdiffusionsmediums, um ein Reaktantengas-Strömungsfeld zu bilden. Die Oberfläche der mehreren Kanäle der Separatorplatte und/oder der zweite Oberflächenbereich des Gasdiffusionsmediums ist mikrostrukturiert.
In manchen Fällen ist die Oberfläche der mehreren Kanäle der Separatorplatte mit einem hydrophilen Polymer beschichtet, das mikrostrukturiert ist, und/oder der zweite Oberflächenbereich des Gasdiffusionsmediums ist mit einem hydrophoben Polymer beschichtet, das mikrostrukturiert ist. Das hydrophile Polymer, das mikrostrukturiert ist, kann einen Kontaktwinkel aufweisen, der um mindestens etwa 30 Grad verkleinert ist, und das hydrophobe Polymer, das mikrostrukturiert ist, kann einen Kontaktwinkel aufweisen, der um mindestens etwa 30 Grad vergrößert ist.
In der Theorie können superhydrophile oder superhydrophobe Oberflächen nach dem Wenzelschen Modell oder nach dem Modell von Cassie- Baxter durch Herstellen von hochrauen Oberflächen auf hydrophilen bzw. hydrophoben Materialien erzeugt werden. Wenzel, R. N., Ind. Eng. Chem., 1936, 28:988; Cassie, A. B. D. und Baxter, S., Trans. Faraday Soc., 1944, 40:546. Die Rauheit erzeugt einen großen Flächeninhalt an der Oberfläche des Brennstoffzellenelements, wodurch der hydrophile oder hydrophobe Charakter der Oberfläche verstärkt wird. Folglich wird bei Betrieb der Brennstoffzelle der Transport von Wasser verbessert.
Die vorliegende Technologie bietet bezüglich des Wassermanagements in einer Brennstoffzelle mehrere Vorteile. Das Mikrostrukturieren eines oder beides von Separatorplatte und/oder Gasdiffusionsmedium zum Verbessern der jeweiligen Hydrophilie oder Hydrophobie trägt zum Optimieren von Wassermanagement bei.
Die mikrostrukturierte Separatorplatte kann superhydrophil ausgelegt werden, um flüssiges Wasser in den Kanälen problemlos zu verteilen, wodurch ein Verdampfen oder eine Bewegung mittels Gasscherung erleichtert wird. Das mikrostrukturierte Gasdiffusionsmedium kann superhydrophob sein, um einem Ansammeln von flüssigem Wasser entgegenzuwirken, das den Transport der Reaktantengase und des Wasserdampfs in das Gasdiffusionsmedium blockieren könnte. Zudem würde eine superhydrophobe Oberfläche an der Kanalseite des Diffusionsmediums die zum Scheren von Wassertropfen von dem Diffusionsmedium in die Kanäle erforderliche Kraft minimieren. Folglich kann die vorliegende Technologie dazu beitragen, eine ausgewogene Hydratation der Protonenaustauschmembran, einen besserten Transport von Wasser zum Kühlen der Brennstoffzelle zum Verhindern von Überhitzung, Gleichgewicht oder Verringerung lokaler Feuchtigkeitsgradienten vorzusehen, und kann ein Fluten oder eine Sättigung mit flüssigem Wasser verhindern.
Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachstehend vorgesehenen näheren Beschreibung hervor. Es versteht sich, dass die nähere Beschreibung und die spezifischen Beispiele zwar die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigen, aber nur für veranschaulichende Zwecke gedacht sind und nicht den Schutzumfang der Erfindung beschränken sollen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird anhand der näheren Beschreibung und der Begleitzeichnungen besser verständlich. Hierbei zeigen:
1A eine schematische Darstellung der beiden MEAs in einem flüssigkeitsgekühlten PEM-Brennstoffzellenstapel;
1B eine Teilansicht der in 1A gezeigten Separatorplatte;
2 eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Separatorplatte, die mit einem gemäß der vorliegenden Lehre konstruierten Gasdiffusionsmedium abgedeckt ist;
3 eine Fotomikrographie einer Ausführungsform einer nach der vorliegenden Lehre hergestellten Mikrostrukturierung;
4A eine Fotomikrographie einer Ausführungsform einer Mikrostrukturierung einer Edelstahl-Separatorplatte, die nach der vorliegenden Lehre hergestellt wurde, wobei sie eine Größenordnung von 100 Mikrometer zeigt; und
4B eine Fotomikrographie, die eine detailliertere Ansicht der Ausführungsform von 4A zeigt, wobei sie eine Größenordnung von 10 Mikrometer zeigt.
Beschreibung
Die folgende Beschreibung des Gegenstands, der Herstellung und der Verwendung der Lehre, die hierin offenbart werden, ist lediglich beispielhafter Natur und soll nicht den Schutzumfang, die Anwendung oder die Einsatzmöglichkeiten einer spezifischen Erfindung, die in dieser Anmeldung oder in anderen Anmeldungen beansprucht wird, die unter Beanspruchen von Priorität zu dieser Anmeldung eventuell eingereicht werden, oder von daraus hervorgehenden Patenten einschränken.
Die vorliegende Erfindung sieht Verfahren und Materialien zum Verbessern von Wassermanagement in einer Brennstoffzelle durch Mikrostrukturieren von Brennstoffzellenelementen vor, die eine Separatorplatte und/oder ein Gasdiffusionsmedium umfassen. Ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle umfasst das Kontaktieren einer Separatorplatte und eines Gasdiffusionsmediums, um ein abgedecktes Reaktantengas-Strömungsfeld zu bilden. Die Separatorplatte umfasst mehrere Stege, die mehrere Kanäle festlegen, um ein Reaktantengas-Strömungsfeld zu bilden, während das Gasdiffusionsmedium einen ersten Oberflächenbereich, der komplementär zu den mehreren Stegen der Separatorplatte ist, und einen zweiten Oberflächenbereich, der komplementär zu den mehreren Kanälen der Separatorplatte ist, umfasst. Die mehreren Stege der Separatorplatte kontaktieren den ersten Oberflächenbereich des Gasdiffusionsmediums, wodurch ein abgedecktes Reaktantengas-Strömungsfeld gebildet wird. Mindestens ein Teil der mehreren Kanäle der Separatorplatte und/oder des zweite Oberflächenbereichs des Gasdiffusionsmediums ist mikrostrukturiert, um Wassermanagement zu verbessern.
In 1A wird eine beispielhafte Ausführungsform einer Brennstoffzelle gezeigt, die eine mikrostrukturierte Separatorplatte und/oder ein mikrostrukturiertes Gasdiffusionsmedium nach der vorliegenden Lehre umfasst. In 1A sind zwei einzelne Protonenaustausch(PEM)-Brennstoffzellen schematisch gezeigt, die zum Bilden eines Stapels 2 verbunden sind, der ein Paar von Membranelektrodeneinheiten (MEAs) 4 und 6 aufweist, die durch eine elektrisch leitende, flüssigkeitsgekühlte bipolare Separatorplatte 8 voneinander getrennt sind. In einem Stapel 2 weist eine bevorzugte bipolare Separatorplatte 8 typischerweise zwei elektrisch aktive Seiten 20, 21 in dem Stapel auf, wobei jede aktive Seite 20, 21 jeweils einer separaten MEA 4, 6 mit entgegengesetzten Ladungen zugewandt ist, die getrennt sind, daher die so genannte „bipolare" Platte. Beim Konstruieren der Separatorplatte 8 ist es üblich, ein Paar von Platten leitend miteinander zu verbinden, z. B. durch Schweißen, Hartlöten, Bonden mit leitendem Klebstoff, um ein Kühlmittelvolumen 9 zwischen den Platten vorzusehen, wie in 1B ersichtlich ist. Wie hierin beschrieben wird, wird der Brennstoffzellenstapel 2 leitende Bipolarplatten aufweisend beschrieben; die vorliegende Technologie ist aber gleichermaßen auf Separatorplatten mit nur einer einzelnen Brennstoffzelle anwendbar.
Die MEAs 4, 6 und die Bipolarplatte 8 sind zwischen Klemmanschlussplatten 10 und 12 und Endkontakt-Fluidverteilungsseparatorplatten 14 und 16 aufgestapelt. Die Endseparatorplatten 14, 16 sowie beide Arbeitsseiten der Separatorplatte 8 enthalten mehrere Stege neben den Rillen oder Kanälen an den aktiven Seiten 18, 19, 20, 21, 22 und 24 zum Verteilen von Brennstoff und Oxidansgasen (d. h. H₂ & O₂/Luft) zu den MEAs 4, 6. Nicht leitende Dichtungen oder Abdichtungen 26, 28, 30, 32, 33 und 35 sehen Abdichtungen und elektrische Isolierung zwischen den mehreren Bestandteilen des Brennstoffzellenstapels vor. Leitende Gasdiffusionsmedien 34, 36, 38 und 40 pressen gegen die Elektrodenseiten der MEAs 4, 6. Zusätzliche Schichten von leitenden Medien 43, 45 sind zwischen den Endkontakt-Fluidverteilungsplatten 14, 16 und den Anschlusskollektorplatten 10, 12 angeordnet, um eine leitende Bahn dazwischen vorzusehen, wenn der Stapel während normalen Betriebsbedingungen zusammengepresst wird. Die Endkontakt-Separatorplatten 14, 16 pressen jeweils gegen die Diffusionsmedien 34, 40, während die bipolare Separatorplatte 8 gegen das Diffusionsmedium 36 an der Anodenseite einer MEA 4 und gegen das Diffusionsmedium 38 an der Kathodenseite einer anderen MEA 6 presst.
Mittels geeigneter Zufuhrleitungen 42 wird der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels von dem Speichertank 46 Sauerstoff zugeführt, während der Anodenseite der Brennstoffzelle mittels geeigneter Zufuhrleitungen 44 von dem Speichertank 48 Wasserstoff zugeführt wird. Alternativ kann der Kathodenseite von der Außenumgebung Luft zugeführt werden und der Anode kann Wasserstoff von einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen zugeführt werden. Abgasleitungen 43, 45 sowohl für die Anoden- als auch Kathodenseiten der MEAs sind ebenfalls vorgesehen. Zum Umwälzen von Kühlmittel von einem Speichertank 52 durch die bipolare Separatorplatte 8 und Endseparatorplatten 14, 16 sowie aus den Auslassleitungen 51 heraus sind zusätzliche Leitungen 50 vorgesehen. Nachstehend bezeichnet der Begriff „Separatorplatte" entweder eine Bipolarplatte oder eine Endkontakt-Separatorplatte. Eine Separatorplatte kann auch allgemein als die gesamte Anordnung von zwei unabhängigen Separatorplatten (mit jeweils einem Raum dazwischen für Kühlmittelstrom) bildend oder als die einzelne unabhängige Separatorplatte selbst bezeichnet werden.
In 2 wird im Querschnitt ein Teil sowohl der Separatorplatte 60 als auch des Gasdiffusionsmediums 62 gezeigt. Die Separatorplatte 60 und das Gasdiffusionsmedium 62 sind zusammengepresst, so dass das Gasdiffusionsmedium 62 das Reaktantengas-Strömungsfeld bedeckt, das durch die mehreren Stege 64 gebildet ist, die mehrere Kanäle 66 in der Separatorplatte 60 festlegen. Eine erster Oberflächenbereich 68 des Gasdiffusionsmediums 62 kontaktiert die Stege 64 der Separatorplatte 60, während ein zweiter Oberflächenbereich 70 die Kanäle 66 der Separatorplatte 60 bedeckt. Die Kanäle 66 weisen jeweils eine Kanalfläche 72 auf, die in 2 mit einem rechteckigen Querschnitt dargestellt ist, doch kann die Kanalfläche 72 Rillen oder Kanäle mit verschiedenen Querschnittsgeometrien umfassen, beispielsweise halbkugelförmig, quadratisch oder dreieckig.
Während des Betriebs der Brennstoffzelle wird beruhend auf den in der MEA ablaufenden elektrochemischen Reaktionen zwischen Wasserstoff und Sauerstoff Wasser an der Kathode erzeugt. In der Brennstoffzelle kann Wasser zum Teil durch Reaktantengas- und Wasserdampfstrom durch die Kanäle des Reaktantengas-Strömungsfelds an der Separatorplatte befördert werden. Zum Erleichtern des Strömens und Managements von Wasser ist mindestens ein Teil der Oberfläche der Kanäle und/oder des zweiten Oberflächenbereichs des Gasdiffusionsmediums mikrostrukturiert.
Die Separatorplattenkanäle sind hydrophil ausgelegt, so dass flüssiges Wasser nicht das Strömen von Reaktantengas und Wasserdampf durch das Strömungsfeld blockiert. Die hydrophile Oberfläche verteilt das flüssige Wasser zu einer dünnen Schicht, so dass es leichter verdampfen oder durch Gasscherung befördert werden kann und nicht das Kanalvo lumen füllt. Die Separatorplatte kann aus einem Material bestehen, das hydrophil ist, beispielsweise eine Verbundseparatorplatte, die ein hydrophiles Polymer enthält, oder eine Metallplatte, wie zum Beispiel eine Edelstahlplatte. Die Hydrophilie der Separatorplatte wird durch die Mikrostruktur verstärkt. In manchen Fällen kann die Oberfläche der Kanäle der Separatorplatte mit einer hydrophilen Beschichtung beschichtet sein, beispielsweise einer hydrophilen Polymerbeschichtung, einschließlich acrylat-, phenol-, polyimid-, epoxy-, polyurethan- oder nylonbasierte Beschichtungen. Dann wird die hydrophile Beschichtung mikrostrukturiert, um die Hydrophilie zu verstärken.
Die Oberfläche des Gasdiffusionsmediums kann hydrophob sein, so dass sich flüssiges Wasser nicht an der Oberfläche sammelt und ein Strömen durch das Diffusionsmedium blockiert. Die gesamte Oberfläche des Gasdiffusionsmediums, der zu den mehreren Kanälen der Separatorplatte komplementäre zweite Oberflächenbereich oder ein Teil des zweiten Bereichs können hydrophob ausgelegt sein. In manchen Fällen kann entweder die gesamte Oberfläche des Gasdiffusionsmediums oder nur der zweite Oberflächenbereich oder ein Teil des zweiten Oberflächenbereichs mit einer hydrophoben Beschichtung, beispielsweise hydrophobes Polymer, beschichtet sein. Ein beispielhaftes hydrophobes Polymer ist Polytetrafluorethylen. Andere geeignete hydrophobe Polymere können auf der Oberfläche des Gasdiffusionsmediums auch abgeschieden, als Schicht aufgebracht oder polymerisiert werden. Das hydrophobe Polymer wird dann mikrostrukturiert, um seine Hydrophobie zu verstärken. Dadurch kann die Hydrophobie der Oberfläche des Gasdiffusionsmediums durch die dem hydrophoben Polymer verliehene Mikrostruktur verstärkt werden.
Mindestens ein Teil der Oberfläche der Separatorplattenkanäle oder der Oberfläche des Gasdiffusionsmediums wird mikrostrukturiert, um seine Hydrophilie bzw. Hydrophobie oder beide zu verstärken. Das Mikrostrukturieren vergrößert den Flächeninhalt des Materials und verstärkt den hydrophilen oder hydrophoben Charakter des mikrostrukturierten Materials. Materialien mit Kontaktwinkeln von weniger als 90 Grad sind hydrophil. Das Mikrostrukturieren von hydrophilen Materialien kann verglichen mit nicht strukturiertem Material den Kontaktwinkel um mindestens etwa 30 Grad verkleinern und kann sogar Materialien superhydrophil machen, wobei der sich ergebende Kontaktwinkel unter etwa 20 Grad liegt und 0 Grad nahekommen kann. Materialien mit Kontaktwinkeln von über 90 Grad sind umgekehrt hydrophob. Das Mikrostrukturieren von hydrophoben Materialien kann verglichen mit nicht strukturiertem Material den Kontaktwinkel um mindestens etwa 30 Grad vergrößern und kann die Materialien sogar superhydrophob machen, wobei der sich ergebende Kontaktwinkel größer als etwa 160 Grad ist und 180 Grad nahekommen kann. Die Kontaktwinkel von Materialien vor und nach dem Mikrostrukturieren können zum Beispiel mit Hilfe der so genannten Sessile-Drop-Methode (optische Kontaktwinkelmessung zur Bestimmung des Benetzungsverhaltens von Festkörpern) oder mit Hilfe anderer allgemein aus dem Stand der Technik bekannter Verfahren ermittelt werden.
Das Mikrostrukturieren der Oberfläche der Kanäle oder der Oberfläche des Gasdiffusionsmediums kann mit Hilfe eines oder mehrerer Prozesse verwirklicht werden, einschließlich: mechanischer Prozesse wie Schleifen, Strahlen, Pressen und Eingravieren; lithographischer Prozesse, zum Beispiel chemische, elektrochemische und Ionenstrahlprozesse; Beschichtungsprozesse wie physikalisches Dampfabscheiden, chemische Abscheidung aus der Gasphase, elektrochemische Abscheidung und Laserstrahlverdampfen; und Energiestrahlprozesse wie Laserstrahl, Elektronenstrahl und elektrische Entladung.
Das Mikrostrukturieren unter Verwendung eines Laserstrahlprozesses kann mit hoher Präzision topographische Merkmale hervorbringen, die auf nahezu jedem Metall, Glas, jeder Keramik oder jedem Polymer erzeugt werden können. Das Fokussieren von Laserpulsen ermöglicht ein selektives Abtragen von Oberflächenmaterial, um verschiedene Arten von Mikrostrukturierung zu erzeugen. Ein selektives Abtragen unter Verwendung von Laserpulsen kann zum Beispiel Oberflächenvertiefungen erzeugen, die von einem glatten Rand oder einer erstarrten Schmelze des Oberflächenmaterials umgeben sind, ohne die Notwendigkeit, das Material physikalisch zu kontaktieren. Die Topographie der Poren oder Vertiefungen ist reproduzierbar und kann durch Verändern der zusammenwirkenden Parameter, darunter Strahlleistung, Intensitätsverteilung, Pulsform und Pulsdauer, gesteuert werden. Die Laserbearbeitung kann entweder durch direktes Fokussieren auf die Zielfläche oder durch Verwenden einer Maske ausgeführt werden. Durch Verstellen der auftreffenden Energie und der Zeit der Wechselwirkung zwischen der Laserstrahlung und der Zielfläche können Schritte, die vom Erwärmen des Oberflächenmaterials bis zu sehr präzisem Abtragen des Oberflächenmaterials reichen, ohne Beeinträchtigen der umgebenden Oberfläche gewählt werden. Zum Beispiel können ultrakurze Laserpulse für präzises Erwärmen oder Abtragen ohne Beeinträchtigen benachbarten Oberflächenmaterials verwendet werden, wobei Strukturen in der Größenordnung von Mikrometern oder sogar in der Größenordnung von Nanometern erzeugt werden können.
Zum Erzeugen von Mikrostrukturierung kann ein Festkörperlaser oder ein Gaslaser (Excimer) verwendet werden. In manchen Fällen kann ein Festkörperlaser vorteilhaft sein, da Gaslaser toxische Gase, wie Fluor, erfordern können und teurer als Festkörperlaser sein können. Es kann ein gütegeschalteter Nd:YAG-Laser oder Ti-dotierter Saphirlaser verwendet werden. Eine systematische Untersuchung unter Verwendung verschiede ner Pulsenergien, Pulsanzahlen, Fokussiersysteme und Laserplasma-Wechselwirkungen kann die zum Mikrostrukturieren der Oberfläche eines bestimmten Materials notwendigen Parameter ermitteln. Mikrostrukturen können unter Verwendung eines optischen Interferometers (WYKO Corp., Tuscon, AZ) und durch Rasterelektronenmikroskopie charakterisiert werden.
In manchen Fällen kann ein laserbasiertes Abtragen ein Nanosekunden-Lasersystem mit einer Wellenlänge von etwa 1200 bis etwa 2000 nm, Energien von etwa 0,01 bis etwa 0,50 mJ und einer Pulsdauer von etwa 5 bis etwa 500 Nanosekunden nutzen. Diese Parameter können zum Erzeugen eines Bereichs von nanostrukturierten bis mikrostrukturierten Oberflächen zum Beeinflussen des Benetzungsverhaltens von Kohlenstoffstahl-, Edelstahl(SS)- oder polymerbeschichteten SS-Separatorplatten, Gasdiffusionsmedien und Prägeplattenmaterialien verwendet werden.
Die Verwendung von Laserpulsen zum selektiven Abtragen von Oberflächenmaterial kann Mikrostrukturen erzeugen, die Strukturen in der Größenordnung von Mikrometern bis hinunter zu Strukturen in der Größenordnung von Nanometern umfassen. In manchen Fällen kann die Mikrostrukturierung mehrere Vorsprünge von Oberflächenmaterial umfassen, das nicht ganz abgetragen wurde. Die Oberflächenmaterialvorsprünge können etwa 1 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer hoch, lang und breit sein. Somit umfassen die Vorsprünge alle Höhen-, Längen- und Breitenmaße fortlaufend von etwa 1 Mikrometer bis zu etwa 100 Mikrometer. Die Vorsprünge können Anordnungen von Höckern, Pyramiden, Zylindern, Kegeln, quadratischen oder rechteckigen Blöcken und andere geometrische Formen umfassen. Eine Fotomikrographie einer beispielhaften Mikrostruktur wird in 3 zusammen mit einer Größenordnung von 100 Mikrometer gezeigt. 3 zeigt, wie selektives Abtragen von Oberflächen material Vorsprünge nicht abgetragenen Materials unterschiedlicher Höhen zurücklassen kann. Während 3 allgemein zylindrische Vorsprünge zeigt, können beliebige der vorstehend erwähnten Anordnungen von Formen oder Kombinationen von Formen erzeugt werden.
Die Mikrostrukturierung kann auch mehrstufige Rauheit umfassen, darunter Vorsprünge und Vertiefungen von etwa 0,1 Mikrometer bis etwa 10 Mikrometer jeweils in der Höhe, Länge und Breite. Die mehrstufige Rauheit umfasst alle Höhen-, Längen- und Breitenmaße fortlaufend von etwa 0,1 Mikrometer bis zu etwa 10 Mikrometer. Die Vorsprünge und Vertiefungen in Verbindung mit mehrstufiger Rauheit können Strukturmerkmale mit beiden Mikrometermaßen und Strukturmerkmalen mit Nanometermaßen umfassen. Zum Beispiel kann die mehrstufige Rauheit umfassen:
(a) Vorsprünge von etwa 1 Mikrometer bis etwa 10 Mikrometer jeweils in der Höhe, Länge und Breite; und/oder (b) Vertiefungen von etwa 1 Mikrometer bis etwa 10 Mikrometer jeweils in der Tiefe, Länge und Breite; während sie gleichzeitig (c) Vorsprünge von etwa 100 Nanometer bis etwa 1 Mikrometer jeweils in der Höhe, Länge und Breite aufweist; und/oder (d) Vertiefungen von etwa 100 Nanometer bis etwa 1 Mikrometer in jedem von Tiefe, Länge und Breite. In manchen Fällen kann die mehrstufige Rauheitsmikrostrukturierung an mindestens einem Teil der Oberfläche der Kanäle der Separatorplatte verwendet werden, wobei die Separatorplatte aus Metall besteht.
Eine Fotomikrographie einer beispielhaften Mikrostruktur, die eine auf einer Edelstahl-Separatorplatte ausgebildete mehrstufige Rauheit umfasst, wird in 4A zusammen mit einer Größenordnung von 100 Mikrometer gezeigt. In 4A sind abwechselnde mikrostrukturierte Bereiche 74 und nicht mikrostrukturierte Bereiche 76 sichtbar. 4B zeigt eine nähere Ansicht eines mikrostrukturierten Bereichs 74 und eines nicht strukturierten Bereichs 76 in einer Größenordnung von 10 Mikrometern.
Das Mikrostrukturieren kann auch auf mindestens einem Teil der Oberfläche der Separatorplattenkanäle und/oder des zweiten Oberflächenbereichs des Gasdiffusionsmediums durch Pressen einer mikrostrukturierten Prägeplatte auf die Oberfläche des jeweiligen Brennstoffzellenelements gebildet werden. Pressen unter Verwendung einer Prägeplatte kann eine Mikrostrukturierung verleihen, die die Kehrform der Mikrostrukturierung der Prägeplatte umfasst. Zum Beispiel kann die Mikrostrukturierung an der Prägeplatte Vorsprünge von etwa 10 bis etwa 100 Mikrometer jeweils in der Höhe, Länge und Breite umfassen. Bei Pressen dieser Prägeplatte auf die Oberfläche des Brennstoffzellenelements (z. B. die Oberfläche der Kanäle der Separatorplatte oder den zweiten Oberflächenbereich des Gasdiffusionsmediums) kann die Mikrostrukturierung der Prägeplatte einen Abdruck auf der Oberfläche des Brennstoffzellenelements bewirken, der mehrere Vertiefungen von etwa 10 bis etwa 100 Mikrometer jeweils in der Tiefe, Länge und Breite umfasst. Analog können Prägeplatten mit Mikrostrukturierung, die mehrstufige Rauheit mit Vorsprüngen und Vertiefungen von in etwa 0,1 Mikrometer bis etwa 10 Mikrometer jeweils in der Höhe, Länge und Breite umfasst, verwendet werden, um der Oberfläche von Brennstoffzellenelementen eine ähnliche Mikrostrukturierung zu verleihen.
Mikrostrukturierte Prägeplatten können unter Verwenden der verschiedenen hierin beschriebenen Strukturierungsprozesse erzeugt werden, einschließlich Laserstrahlabgabe. Die Laserpulse können auf die Prägeplattenoberfläche fokussiert werden, um Oberflächenmaterial zum Erzeugen der Mikrostrukturierung selektiv abzutragen. Die mikrostrukturierte Prägeplatte kann zum Beispiel auf eine Edelstahl-Separatorplatte gepresst werden, um die Separatorplatte zu mikrostrukturieren. Auf diese Weise kann ein einzige mikrostrukturierte Prägeplatte zum Bilden mehrerer mikrostrukturierter Separatorplatten verwendet werden. Das gleiche Verfahren könnte analog zum Bilden mehrerer mikrostrukturierter Gasdiffusionsmedien verwendet werden.
Die hierin beschriebenen Beispiele und anderen Ausführungsformen sind beispielhaft und sollen nicht bei der Beschreibung des vollständigen Schutzumfangs der Materialien und Verfahren dieser Technologie einschränkend sein. Gleichwertige Änderungen, Abwandlungen und Veränderungen spezifischer Ausführungsformen, Materialien, Zusammensetzungen und Verfahren können innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Technologie mit im Wesentlichen ähnlichen Ergebnissen vorgenommen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Wenzel, R. N., Ind. Eng. Chem., 1936, 28:988 [0017]
- Cassie, A. B. D. und Baxter, S., Trans. Faraday Soc., 1944, 40:546 [0017]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle umfassend: Kontaktieren einer Separatorplatte mit einem Gasdiffusionsmedium zum Bilden eines abgedeckten Reaktantengas-Strömungsfelds; wobei die Separatorplatte mehrere Stege umfasst, die mehrere Kanäle definieren, wobei die mehreren Kanäle eine Oberfläche aufweisen; und wobei das Gasdiffusionsmedium einen ersten Oberflächenbereich, der die mehreren Stege der Separatorplatte kontaktiert, und einen zweiten Oberflächenbereich komplementär zu den mehreren Kanälen der Separatorplatte aufweist; wobei mindestens ein Teil von: der Oberfläche der mehreren Kanäle der Separatorplatte, des zweiten Oberflächenbereichs des Gasdiffusionsmediums oder sowohl der Oberfläche der mehreren Kanäle der Separatorplatte als auch des zweiten Oberflächenbereichs des Gasdiffusionsmediums mikrostrukturiert sind.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Teil der mehreren Kanäle der Separatorplatte, des zweiten Oberflächenbereichs des Gasdiffusionsmediums oder sowohl der mehreren Kanäle der Separatorplatte als auch des zweiten Oberflächenbereichs des Gasdiffusionsmediums durch einen Prozess mikrostrukturiert wird, der umfasst: Fokussieren von Laserpulsen zum selektiven Abtragen von Oberflächenmaterial, wodurch eine Mikrostrukturierung mit mehreren Vorsprüngen des Oberflächenmaterials erzeugt wird; wobei das Oberflächenmaterial die Oberfläche der mehreren Kanäle der Separatorplatte, den zweiten Oberflächenbereich des Gasdiffusionsmediums oder sowohl die Oberfläche der mehreren Kanäle der Separatorplatte als auch den zweiten Oberflächenbereich des Gasdiffusionsmediums umfasst.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei die Vorsprünge nicht abgetragenen Oberflächenmaterials jeweils etwa 1 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer hoch, lang und breit sind.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die mehreren Kanäle der Separatorplatte durch einen Prozess mikrostrukturiert werden, der umfasst: Fokussieren von Laserpulsen zum selektiven Abtragen von Oberflächenmaterial, wodurch eine Mikrostrukturierung mit mehrstufiger Rauheit erzeugt wird, die Vorsprünge und Vertiefungen von etwa 0,1 Mikrometer bis etwa 10 Mikrometer jeweils in der Höhe, Länge und Breite umfasst; wobei das Oberflächenmaterial die Oberfläche der mehreren Kanäle der Separatorplatte umfasst und die Separatorplatte aus Metall gebildet ist.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Teil von: der Oberfläche der mehreren Kanäle der Separatorplatte, des zweiten Oberflächenbereichs des Gasdiffusionsmediums oder sowohl der Oberfläche der mehreren Kanäle der Separatorplatte als auch des zweiten Oberflächenbereichs des Gasdiffusionsmediums durch einen Prozess mikrostrukturiert wird, der umfasst: Pressen einer mikrostrukturierten Prägeplatte auf die Oberfläche der mehreren Kanäle der Separatorplatte, den zweiten Oberflächenbereich des Gasdiffusionsmediums oder sowohl die Oberfläche der mehreren Kanäle der Separatorplatte als auch den zweiten Oberflächenbereich des Gasdiffusionsmediums.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 5, wobei das Pressen eine Mikrostrukturierung erzeugt, die umfasst: mehrere Vertiefungen von etwa 10 bis etwa 100 Mikrometer jeweils in der Tiefe, Länge und Breite; oder mehrstufige Rauheit mit Vorsprüngen und Vertiefungen von etwa 0,1 Mikrometer bis etwa 10 Mikrometer jeweils in der Höhe, Länge und Breite.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 5, wobei die mikrostrukturierte Prägeplatte durch einen Prozess gebildet wird, der umfasst: Fokussieren von Laserpulsen zum selektiven Abtragen von Oberflächenmaterial der Prägeplatte, wodurch eine Mikrostrukturierung erzeugt wird, die umfasst: mehrere Vorsprünge von Oberflächenmaterial auf der Prägeplatte; oder mehrstufige Rauheit, die Vorsprünge und Vertiefungen von etwa 0,1 Mikrometer bis etwa 10 Mikrometer jeweils in der Höhe, Länge und Breite umfasst.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 7, wobei die mehreren Vorsprünge von Oberflächenmaterial auf der Prägeplatte jeweils etwa 10 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer hoch, lang und breit sind.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche der mehreren Kanäle der Separatorplatte mikrostrukturiert wird, um den Kontaktwinkel um mindestens etwa 30 Grad zu verkleinern, wobei die Separatorplatte aus Metall ist; oder wobei die Oberfläche der mehreren Kanäle der Separatorplatte mit einem hydrophilen Polymer beschichtet wird, das mikrostrukturiert wird, um den Kontaktwinkel um mindestens etwa 30 Grad zu verkleinern.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der zweite Oberflächenbereich des Gasdiffusionsmediums mit einem hydrophoben Polymer beschichtet wird, das mikrostrukturiert wird, um den Kontaktwinkel um mindestens etwa 30 Grad zu vergrößern.
Brennstoffzelle umfassend: eine Separatorplatte mit mehreren Stegen, die mehrere Kanäle zum Bilden eines Reaktantengas-Strömungsfelds definieren, wobei die mehreren Kanäle eine Oberfläche aufweisen; ein Gasdiffusionsmedium mit einem zu den mehreren Stegen der Separatorplatte komplementären ersten Oberflächenbereich und einem zu den mehreren Kanälen der Separatorplatte komplementären zweiten Oberflächenbereich; wobei die mehreren Stege der Separatorplatte den ersten Oberflächenbereich des Gasdiffusionsmediums kontaktieren, um ein abgedecktes Reaktantengas-Strömungsfeld zu bilden; und wobei mindestens ein Teil von: der Oberfläche der mehreren Kanäle der Separatorplatte, des zweiten Oberflächenbereichs des Gasdiffusionsmediums oder sowohl der Oberfläche der mehreren Kanäle der Separatorplatte als auch des zweiten Oberflächenbereichs des Gasdiffusionsmediums mikrostrukturiert ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei die Mikrostruktur Vorsprünge von etwa 1 bis etwa 100 Mikrometer jeweils in der Höhe, Länge und Breite umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei die Mikrostruktur Vertiefungen von etwa 1 bis etwa 100 Mikrometer jeweils in der Tiefe, Länge und Breite umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei die Mikrostruktur der Oberfläche der mehreren Kanäle der Separatorplatte mehrstufige Rauheit mit Vorsprüngen und Vertiefungen von etwa 0,1 Mikrometer bis etwa 10 Mikrometer jeweils in der Höhe, Länge und Breite umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei die Separatorplatte ein Verbundmaterial oder Metall umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei die Oberfläche der mehreren Kanäle der Separatorplatte mikrostrukturiert ist, um den Kontaktwinkel um mindestens etwa 30 Grad zu verkleinern.
Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei die Oberfläche der mehreren Kanäle der Separatorplatte mit einem hydrophilen Polymer beschichtet ist, das mikrostrukturiert ist, um den Kontaktwinkel um mindestens etwa 30 Grad zu verkleinern.
Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei der zweite Oberflächenbereich des Gasdiffusionsmediums mit einem hydrophoben Polymer beschichtet ist, das mikrostrukturiert ist, um den Kontaktwinkel um mindestens etwa 30 Grad zu vergrößern.
Brennstoffzelle nach Anspruch 18, wobei das hydrophobe Polymer Polytetrafluorethylen umfasst.
Brennstoffzelle umfassend: eine Separatorplatte mit mehreren Stegen, die mehrere Kanäle zum Bilden eines Reaktantengas-Strömungsfelds definieren, wobei die mehreren Kanäle eine Oberfläche aufweisen; ein Gasdiffusionsmedium mit einem zu den mehreren Stegen der Separatorplatte komplementären ersten Oberflächenbereich und einem zu den mehreren Kanälen der Separatorplatte komplementären zweiten Oberflächenbereich; wobei die mehreren Stege der Separatorplatte den ersten Oberflächenbereich des Gasdiffusionsmediums kontaktieren, um ein abgedecktes Reaktantengas-Strömungsfeld zu bilden; und wobei mindestens ein Teil der Oberfläche der mehreren Kanäle der Separatorplatte mit einem hydrophilen Polymer beschichtet ist, das mikrostrukturiert ist, und mindestens ein Teil des zweiten Oberflächenbereichs des Gasdiffusionsmediums mit einem hydrophoben Polymer beschichtet ist, das mikrostrukturiert ist.