DE102008030522B4

DE102008030522B4 - Bipolarplatte mit Mikrorillen für verbesserten Wassertransport sowie Prozess zum Ausbilden der Mikrorillen

Info

Publication number: DE102008030522B4
Application number: DE102008030522.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas A. Trabold; Gayatri Vyas Dadheech; Mahmoud H. Abd Elhamid; Yan Zhang; Keith E. Newman; Jeffrey A. Rock; Stephen J. Spencer
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-07-02
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2015-12-03
Anticipated expiration: 2028-06-28
Also published as: US8277986B2; US20090011310A1; CN101350411A; DE102008030522A1

Abstract

Erzeugnis umfassend: eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit einem Substrat, das einen Grundteil umfasst, mit einer ersten Seite, einem Reaktandengas-Strömungsfeld, das in der ersten Seite festgelegt ist, wobei das Reaktandengas-Strömungsfeld mehrere Stege und Kanäle umfasst, und mehreren in der ersten Seite ausgebildeten Mikrorillen; dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrorillen eine Tiefe zwischen 1 und 50 μm aufweisen, wobei das Substrat mindestens eine erste elektrisch leitende Schicht über mindestens einem Teil des Grundteils und eine hydrophile Schicht über mindestens einem Teil der ersten elektrisch leitenden Schicht umfasst.

Description

Technisches Gebiet
Das Gebiet, das die Offenbarung allgemein betrifft, umfasst Bipolarplatten einer Brennstoffzelle und insbesondere ein Erzeugnis mit einer Bipolarplatte mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, wie aus der WO 2006/121157 A1 bekannt.
Hintergrund
Wasserstoff ist ein sehr interessanter Brennstoff, da er sauber ist und zum effizienten Erzeugen von elektrischem Strom in einer Brennstoffzelle verwendet werden kann. Die Automobilindustrie wendet erhebliche Ressourcen für die Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen als Antriebsquelle für Fahrzeuge auf. Solche Fahrzeuge wären effizienter und würden weniger Emissionen als die heutigen Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren nutzen, erzeugen.
Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyten zwischen der Anode und der Kathode umfasst. Die Anode erhält wasserstoffreiches Gas oder reinen Wasserstoff und die Kathode erhält Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen bewegen sich durch den Elektrolyten zur Kathode, wo die Protonen mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode reagieren, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht den Elektrolyten passieren. Daher werden die Elektronen zum Erbringen von Arbeit durch eine Last geleitet, bevor sie zur Kathode geleitet werden. Die Arbeit kann zum Beispiel zum Betreiben eines Fahrzeugs verwendet werden.
Mehrere Brennstoffzellen werden typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die Sollleistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe von Bipolarplatten. Die Brennstoffzellen-Bipolarplatten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen im Stapel. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengas-Strömungskanäle vorgesehen und an der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengas-Strömungskanäle vorgesehen. Die Brennstoffzellen-Bipolarplatten können auch Strömungskanäle für ein Kühlfluid umfassen.
Die Brennstoffzellen-Bipolarplatten bestehen typischerweise aus einem leitenden Material, beispielsweise Kohlenstoff-Verbundstoff oder Metall, so dass sie die durch die Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität von einer Zelle zu der nächsten Zelle und aus dem Stapel heraus leiten. Die Brennstoffzellen-Bipolarplatten können aus relativ dünnen Metallsubstraten maschinell gefertigt werden oder können gestanzt werden, um Reaktandengas-Strömungskanäle und Kühlmittelfluid-Strömungskanäle vorzusehen.
Wie aus dem Stand der Technik gut verstanden ist, braucht eine Brennstoffzelle eine bestimmte relative Feuchte. Während des Betriebs der Brennstoffzelle kann Feuchtigkeit in die Anoden- und Kathodenströmungskanäle eindringen. Bei niedrigen Leistungsforderungen der Zelle, typischerweise unter 0,2 A/cm², sammelt sich Wasser in den Strömungskanälen, da der Durchfluss des Reaktandengases zu niedrig ist, um Wasser aus den Kanälen zu drücken. Wenn sich das Wasser sammelt, bildet es Tropfen, die sich aufgrund der hydrophoben Beschaffenheit des Plattenmaterials weiter ausdehnen. Der Kontaktwinkel der Wassertropfen liegt allgemein bei etwa 90°, da sich die Tropfen in den Strömungskanälen im Wesentlichen senkrecht zur Strömrichtung des Reaktandengases bilden. Wenn die Größe der Tropfen zunimmt, wird der Strömungskanal verschlossen, und das Reaktandengas wird zu anderen Strömungskanälen umgeleitet, da die Kanäle zwischen gemeinsamen Eintritt- und Austritt-Verteilern parallel verlaufen. Da das Reaktandengas nicht durch einen Kanal strömen kann, der durch Wasser abgesperrt ist, kann das Reaktandengas das Wasser aus dem Kanal nicht heraus drücken. Wenn immer mehr Strömungskanäle durch Wasser versperrt werden, wird der von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Strom weniger. Da die Brennstoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, arbeitet eventuell der gesamte Brennstoffzellen-Stapel nicht mehr weiter, wenn eine der Brennstoffzellen zu arbeiten aufhört. Weiterhin kann Sammeln von Wasser in den Kanälen an der Anodenseite der Brennstoffzelle unter bestimmten Bedingungen eine Katalysatordegradation an der Kathodenseite der Brennstoffzelle hervorrufen, was letztendlich Stapelleistung und Haltbarkeit verringert.
Für gewöhnlich ist es möglich, durch regelmäßiges Fördern des Reaktandengases durch die Strömungskanäle bei einer höheren Strömungsgeschwindigkeit das gesammelte Wasser in den Strömungskanälen abzuführen. Dies erhöht aber an der Kathodenseite die an dem Luftverdichter angelegte parasitäre Energie, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Systems verringert wird. Zudem gibt es viele Gründe, den Wasserstoffbrennstoff nicht als Spülgas zu verwenden, darunter geringere Wirtschaftlichkeit, verminderter Wirkungsgrad des Systems und größere Systemkomplexität beim Behandeln erhöhter Wasserstoffkonzentrationen in dem Abgasstrom.
Das Verringern von gesammeltem Wasser in den Kanälen kann auch durch Verringern der Eintrittbefeuchtung verwirklicht werden. Es kann aber wünschenswert sein, in den Anoden- und Kathodenreaktandengasen eine gewisse relative Feuchtigkeit vorzusehen, damit die Membran in den Brennstoffzellen befeuchtet bleibt. Ein trockenes Einlassgas hat eine trocknende Wirkung auf die Membran, die den Innenwiderstand der Zelle anheben und die Langzeithaltbarkeit der Membran begrenzen könnte.
Zusammenfassung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung
Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Erzeugnis mit einer Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Eine andere Ausführungsform betrifft ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 25.
Andere beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gehen aus der hierin nachstehend vorgesehenen eingehenden Beschreibung hervor. Es versteht sich, dass die eingehende Beschreibung und die spezifischen Beispiele zwar beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, aber lediglich für veranschaulichende Zwecke gedacht sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Anhand der eingehenden Beschreibung und der Begleitzeichnungen werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verständlicher.
1 zeigt ein Erzeugnis nach einer Ausführungsform der Erfindung, das eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit Mikrorillen in dem Grundteil der Brennstoffzellen-Bipolarplatte umfasst.
2 zeigt eine Mikrorille, die im Querschnitt quadrat- oder rechteckförmig ist.
3 zeigt eine Mikrorille, da im Querschnitt halbkreisförmig ist.
4 zeigt eine Mikrorille, da im Querschnitt v-förmig (von dreieckiger Form) ist.
5 zeigt einen Kanal einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte.
6 zeigt ein Erzeugnis nach einer Ausführungsform der Erfindung, das eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit Mikrorillen in einer hydrophilen Schicht umfasst, die über dem Grundteil der Brennstoffzellen-Bipolarplatte liegt.
7 zeigt ein Erzeugnis nach einer Ausführungsform der Erfindung, das eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit einer hydrophilen Schicht, die über mindestens einem Teil des Grundteils der Brennstoffzellen-Bipolarplatte liegt, sowie mit Mikrorillen, die über dem Grundteil der Brennstoffzellen-Bipolarplatte liegen, umfasst.
8A zeigt ein Erzeugnis nach einer Ausführungsform der Erfindung, das Kanäle rechteckigen Querschnitts einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte, die darin Mikrorillen aufweist, umfasst.
8B zeigt ein Erzeugnis nach einer Ausführungsform der Erfindung, das Kanäle u-förmigen Querschnitts einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte, die darin Mikrorillen aufweist, umfasst.
8C zeigt ein Erzeugnis nach einer Ausführungsform der Erfindung, das Kanäle v-förmigen Querschnitts einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte, die darin Mikrorillen aufweist, umfasst.
9 zeigt ein Erzeugnis nach einer Ausführungsform der Erfindung, das eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit Mikrorillen in dem Grundteil der Brennstoffzellen-Bipolarplatte umfasst.
10 zeigt ein Erzeugnis nach einer Ausführungsform das eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit Mikrorillen umfasst.
11 zeigt ein Erzeugnis nach einer Ausführungsform der Erfindung, das eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit einer hydrophilen Schicht, die über mindestens einem Teil des Grundteils der Brennstoffzellen-Bipolarplatte liegt, sowie mit Mikrorillen in einer oder mehreren Schichten, die über dem Grundteil der Brennstoffzellen-Bipolarplatte liegen, umfasst.
12 zeigt ein Erzeugnis nach einer Ausführungsform der Erfindung, das eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit einer hydrophilen Schicht, die über mindestens einem Teil des Grundteils der Brennstoffzellen-Bipolarplatte liegt, sowie mit Mikrorillen in einer oder mehreren Schichten, die über dem Grundteil der Brennstoffzellen-Bipolarplatte liegen, umfasst.
13 zeigt ein Erzeugnis nach einer Ausführungsform der Erfindung, das mehrere Brennstoffzellen-Bipolarplatten und einen aus weichen Komponenten, so genannten Soft Goods, bestehenden Abschnitt umfasst.
14A zeigt einen Wassertropfen in einem Brennstoffzellen-Bipolarplattenkanal mit einer Mikrorille.
14B ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B von 14A, die einen Wassertropfen in einem Brennstoffzellen-Bipolarplattenkanal mit einer Mikrorille zeigt.
15 zeigt einen Prozess zum Herstellen eines Erzeugnisses nach einer Ausführungsform der Erfindung, der selektives Abscheiden eines Maskierungsmaterials über Teilen desselben und Ausbilden von Mikrorillen in einer oder mehreren Schichten, die über dem Grundteil einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte liegen, umfasst.
16A zeigt einen Prozess zum Herstellen eines Erzeugnisses, der das Ausbilden von Mikrorillen in einer oder mehreren Schichten, die über einem Grundteil einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte liegen, und das Abscheiden oder Ausbilden von einer oder mehreren elektrisch leitenden Schichten über dem Grundteil umfasst.
16B zeigt einen Prozess zum Herstellen eines Erzeugnisses, der das Ausbilden von Mikrorillen in einer oder mehreren Schichten, die über einem Grundteil einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte liegen, und das Abscheiden oder Ausbilden von einer oder mehreren elektrisch leitenden Schichten über dem Grundteil umfasst.
16C zeigt einen Prozess zum Herstellen eines Erzeugnisses, der das Ausbilden von Mikrorillen in einer oder mehreren Schichten, die über einem Grundteil einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte liegen, und das Abscheiden oder Ausbilden von einer oder mehreren elektrisch leitenden Schichten über dem Grundteil umfasst.
Eingehende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und soll in keiner Weise die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungszwecke beschränken.
Unter Bezug nun auf 1 umfasst eine Ausführungsform der Erfindung ein Erzeugnis 10 mit einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte 12. Die Brennstoffzellen-Bipolarplatte 12 umfasst ein Substrat 29. Das Substrat 29 kann einen Grundteil 28 und optional ein oder mehrere Schichten über dem Grundteil 28 umfassen. Der Grundteil 28 kann verschiedene Materialien umfassen, einschließlich aber nicht ausschließlich ein Metall, eine Metalllegierung und/oder einen elektrisch leitenden Verbundstoff. Der Grundteil 28 kann ein oder mehrere Schichten umfassen.
Die Brennstoffzellen-Bipolarplatte 12 umfasst eine erste Seite 100 und eine gegenüberliegende zweite Seite 102. Die Brennstoffzellen-Bipolarplatte 12 umfasst ein Reaktandengas-Strömungsfeld, das zumindest teilweise durch mehrere Stege 14 und Kanäle 16 in der ersten Seite 100 festgelegt ist. Ein Kanal 16 kann durch eine Seitenwand/Seitenwände 22 und einen Boden 24 festgelegt sein. In der zweiten Seite 102 können Kühlkanäle 26 festgelegt sein.
Die Brennstoffzellen-Bipolarplatte 12 umfasst darin ausgebildete Mikrorillen 20. Der Begriff „Mikrorille”, wie er hierin verwendet wird, bezeichnet eine Rille, bei der mindestens eine Abmessung der Rille eine Länge aufweist, die im Wesentlichen kleiner als die charakteristische Kanallänge ist, wobei die Kanallänge typischerweise kleiner als 100 μm ist. Die Mikrorille kann in verschiedenen Formen, wie zum Beispiel in 2–4 gezeigt, ausgebildet sein. Eine Mikrorille, die im Querschnitt v-förmig (von dreieckiger Form) ist, kann eine Breite und/oder eine Tiefe von unter 50 μm aufweisen; eine Mikrorille, die im Querschnitt quadrat- oder rechteckförmig ist, kann eine Breite und/oder eine Tiefe von unter 50 μm aufweisen; eine Mikrorille, die im Querschnitt kreisförmig ist, kann einen Radius von unter 50 μm aufweisen. In einer (nicht dargestellten) anderen Ausführungsform kann die Mikrorille im Querschnitt trapezförmig oder sinusförmig sein.
Unter Bezug nun auf 5 kann der Kanal 16 in einer Ausführungsform der Erfindung wie durch Linie A gezeigt eine Breite, die von etwa 200 μm bis etwa 1 mm reicht, und eine durch Linie B gezeigte Tiefe, die von etwa 200 μm bis etwa 1 mm reicht, aufweisen. Wie in 4 gezeigt, kann die Mikrorille 20 in einer Ausführungsform der Erfindung eine durch Linie C gezeigte Breite, die von etwa 1 μm bis etwa 100 μm reicht, und eine durch Linie D gezeigte Tiefe, die von etwa 1 μm bis etwa 50 μm reicht, aufweisen. In einer Ausführungsform der Erfindung reicht die Tiefe (Linie D) der Mikrorille 20 von etwa 0,1% bis 30% der Tiefe (Linie B) des Kanals 16, und die Breite (Linie C) der Mikrorille 20 reicht von etwa 0,1% bis 30% der Breite (Linie A) des Kanals 16.
Die Mikrorillen 20 können in dem Grundteil 28 oder in bzw. durch eine oder mehrere Schichten über dem Grundteil 28 ausgebildet sein. Die Mikrorillen 20 können zum Beispiel in oder über der Seitenwand/den Seitenwänden der Kanäle 22 und/der in oder über dem Boden der Kanäle 24 ausgebildet sein. Die Mikrorillen sind vorzugsweise nur in oder über dem Boden der Kanäle 24 ausgebildet. Die Mikrorillen 20 können durch Stanzen oder Formen der Mikrorillen in mindestens einem Teil des Grundteils 28 unter Verwenden eines Stempel- oder Tiefziehwerkzeugs, das die Merkmale zum Bilden der Mikrorillen enthält, gebildet werden. Die Mikrorillen 20 können auch während des maschinellen Herstellens der Kanäle 16 in dem Grundteil 28 gebildet werden. Die Mikrorillen 20 können auch durch Lasermikrobearbeitung unter Verwendung leistungsstarker gepulster Laser über mindestens einem Teil der ersten Seite 100 gebildet werden, wobei eine Computersteuerung des Laserkopfs zum Begrenzen der Ausbildungsfläche der Mikrorillen 20 in oder über einem Teil der Flächen, die die Kanäle 16 festlegen, verwendet werden kann. Wie in 15 gezeigt, können die Mikrorillen 20 auch durch chemisches Ätzen, zum Beispiel Chromsäureätzen, in dem Grundteil 28 gebildet werden. Über dem Grundteil 28 der Brennstoffzellen-Bipolarplatte 12 kann eine Maske 106 selektiv aufgebracht werden, was eine Öffnung 108 zurücklässt, die einen Teil des Grundteils 28 freilegt. Danach kann der freiliegende Teil des Grundteils 28 mit einem Ätzmittel, Gas oder Flüssigkeit, kontaktiert werden, um die Ausbildungsfläche der Mikrorillen 20 auf einen nicht maskieren Teil des Grundteils 28 zu begrenzen. Die Mikrorillen 20 können auch durch mechanisches Einritzen gebildet werden, wobei die Mikrorillen 20 in mindestens einen Teil der ersten Seite 100 der Brennstoffzellen-Bipolarplatte unter Verwenden von zum Beispiel federbelasteten Ritzelementen wie Stahl mit Diamantspitze oder Stahl mit Carbidspitze eingekratzt werden.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung können die Mikrorillen 20 in einer oder mehreren Schichten, die über dem Grundteil 28 liegen, ausgebildet werden. In einer Ausführungsform können eine oder mehrere elektrisch leitende Schichten 104 über dem Grundteil 28 abgeschieden oder ausgebildet werden, wie in 16A gezeigt wird. Eine Maske 106 kann über der elektrisch leitenden Schicht 104 selektiv abgeschieden werden, was eine Öffnung 108 zurücklässt, die einen Teil der elektrisch leitenden Schicht 104 freilegt. Der freiliegende Teil der elektrisch leitenden Schicht 104 kann nass oder trocken geätzt werden, um in der elektrisch leitenden Schicht 104 eine Mikrorille 20 zu bilden, wie in 16B gezeigt wird. Optional kann eine hydrophile Schicht 30 über der elektrisch leitenden Schicht 104 abgeschieden oder ausgebildet werden, wie in 16C gezeigt wird. Die elektrisch leitende Schicht 104 kann ein Metall, eine Metalllegierung, ein elektrisch leitendes Polymer oder ein Polymer mit elektrisch leitenden Partikeln oder Fasern umfassen, ist aber nicht hierauf beschränkt. Beispiele für ein geeignetes Material für die elektrisch leitende Schicht 104 umfassen die in US 6,372,376 B1 offenbarten sowie PVD-(physikalisches Abscheiden aus der Dampfphase)-Gold, wie in US 6,866,958 B2 offenbart wird.
Unter Bezug nun auf 6 kann in einer anderen Ausführungsform eine hydrophile Schicht 30 über der ersten Seite 100 der Brennstoffzellen-Bipolarplatte 12 abgeschieden oder ausgebildet werden. Die hydrophile Schicht 30 kann gebildet werden durch: Abscheiden einer hydrophilen Beschichtung über mindestens einem Teil der ersten Seite 100 der Brennstoffzellen-Bipolarplatte, zum Beispiel eine Metalloxidbeschichtung, die Siliciumdioxid (SiO₂), Hafniumdioxid (HfO₂), Zirconiumdioxid (ZrO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zinndioxid (SnO₂), Tantal(pent)oxid (Ta₂O₅), Niobpentoxid (Nb₂O₅), Molybdändioxid (MoO₂), Iridiumdioxid (IrO₂), Rutheniumdioxid (RuO₂), metastabile Oxynitride, nicht stöchiometrische Metalloxide oder Oxynitride und Mischungen derselben umfasst, aber nicht hierauf beschränkt ist, wie in US 2006/0216571 A1 offenbart wird; Abscheiden einer hydrophilen Beschichtung über mindestens einem Teil der ersten Seite 100 der Brennstoffzellen-Bipolarplatte, zum Beispiel eine Kombination aus einem leitenden Material und einem Metalloxid, wie in US 2006/0194095 A1 offenbart wird; Lasermikrobearbeiten kleiner Merkmale über mindestens einem Teil der ersten Seite der Brennstoffzellen-Bipolarplatte; eine chemische Oxidationsbehandlung über mindestens einem Teil der ersten Seite der Brennstoffzellen-Bipolarplatte, wie zum Beispiel in U.S. Patentanmeldung US 2006/0040148 A1 offenbart wird; mechanisches Einritzen über mindestens einem Teil der ersten Seite der Brennstoffzellen-Bipolarplatte; chemisches Ätzen über mindestens einem Teil der ersten Seite der Brennstoffzellen-Bipolarplatte, um Oberflächenrauheit vorzusehen oder funktionelle Gruppen der Oberfläche vorzusehen; oder chemisches Anbringen funktioneller Gruppen an mindestens einem Teil der ersten Seite der Brennstoffzellen-Bipolarplatte. In einer Ausführungsform wird die hydrophile Schicht 30 durch chemisches Ätzen einer Edelstahl umfassenden Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit Hilfe von 20% Salpetersäure und 10% Flusssäure gebildet. Eine hydrophile Schicht 30 kann auch durch Integrieren feiner Strukturen in das Kohlenstoffverbundstoff-Formwerkzeug oder in das Metallstanzwerkzeug gebildet werden.
Eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit hydrophilen Eigenschaften bewirkt ein Verteilen von Wasser in den Kanälen entlang der Oberfläche in einem als spontanes Benetzen oder Imbibition bezeichneten Prozess. Die sich ergebende dünne Schicht neigt weniger dazu, die Strömungsverteilung entlang der Anordnung von Kanälen zu ändern, die mit den gemeinsamen Eintritt- und Austrittverteilern verbunden sind. Wenn das Plattenmaterial eine ausreichend hohe Oberflächenenergie hat, berührt durch die Diffusionsmedien befördertes Wasser die Kanalwände und wird dann durch Kapillarkraft in die Bodenecken des Kanals entlang dessen Länge befördert. Die physikalischen Anforderungen zum Unterstützen spontaner Benetzung in den Ecken eines Strömungskanals werden von der Concus-Finn-Bedingung β + α / 2 < 90° beschrieben, wobei β der statische Kontaktwinkel ist, der zwischen einer Flüssigkeitsoberfläche und einer Feststoffoberfläche ausgebildet ist, und α der Kanaleckenwinkel ist. Bei einem rechteckigen Kanal ist α/2 = 450, was vorgibt, dass spontanes Benetzen auftritt, wenn der statische Kontaktwinkel kleiner als 45° ist. Bei den in etwa rechteckigen Kanälen, die in derzeitigen Brennstoffzellenstapelauslegungen mit Brennstoffzellen-Bipolarplatten aus Verbundstoff verwendet werden, legt dies einen ungefähren oberen Grenzwert des Kontaktwinkels fest, der erforderlich ist, um die vorteilhaften Wirkungen der hydrophilen Plattenoberflächen auf Kanalwassertransport und Stabilität bei niedriger Last zu verwirklichen.
Unter Bezug nun auf 7 kann die hydrophile Schicht 30 über den Seitenwänden 22 der Kanäle 16 und über dem Teil der Böden 24 der Kanäle 16 an jeder Seite der Mikrorillen 20, aber ausgenommen der Mikrorillen, gebildet werden. Dies kann zum Beispiel durch selektives Abscheiden einer Maske über den Stegen und/oder Kanälen der Brennstoffzellen-Bipolarplatte vor dem Ausbilden der hydrophilen Schicht 30 und dann Entfernen der Maske erfolgen.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung können die Kanäle 16 von beliebiger Form sein. Wie in 8A gezeigt können die Kanäle 16 im Querschnitt rechteckig sein, oder die Kanäle können wie in 8B gezeigt im Querschnitt u-förmig sein, oder die Kanäle können wie in 8C gezeigt im Querschnitt v-förmig sein. In einer anderen (nicht dargestellten) Ausführungsform können die Kanäle 16 im Querschnitt trapezförmig oder sinusförmig sein. Analog können die Mikrorillen 20 von jeder geeigneten Form sein. Zum Beispiel können die Mikrorillen 20 ähnlich den in 8A, 8B und 8C gezeigten Kanälen 16 im Querschnitt rechteckig, im Querschnitt u-förmig, im Querschnitt v-förmig sein. In einer anderen (nicht dargestellten) Ausführungsform können die Mikrorillen 20 im Querschnitt trapezförmig oder sinusförmig sein.
Unter Bezug nun auf 9 können die Mikrorillen 20 in einer Ausführungsform der Erfindung im Wesentlichen parallel zur Langsachse eines Segments eines Kanals 16 der Brennstoffzellen-Bipolarplatte 12 ausgerichtet sein.
Unter Bezug nun auf 10 umfasst eine andere Ausführungsform eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte 12 mit einem ersten dünnen Metallblech 40 und einem zweiten dünnen Metallblech 42, die jeweils gestanzt und verbunden wurden, um mehrere Stege 14 und Kanäle 16 vorzusehen. Mikrorillen 20 können in den ersten Seiten 100 und 100' des ersten Metallblechs 40 bzw. des zweiten Metallblechs 42 ausgebildet werden. Kühlkanäle 26 können in den zweiten Seiten 102 und 102' des ersten Metallblechs 40 bzw. des zweiten Metallblechs 42 vorgesehen werden.
Unter Bezug nun auf 11 können in einer anderen Ausführungsform der Erfindung die hydrophilen Eigenschaften der ersten Seiten 100 und 100' der Brennstoffzellen-Bipolarplatte durch Bilden einer hydrophilen Schicht 30 über den ersten Seiten der Brennstoffzellen-Bipolarplatte, wie vorstehend beschrieben wurde, verbessert werden.
Unter Bezug nun auf 12 können in einer anderen Ausführungsform der Erfindung die hydrophilen Schichten 30 selektiv über den ersten Seiten 100 und 100' der Brennstoffzellen-Bipolarplatte gebildet werden, wobei aber die Mikrorillen 20 nicht eingeschlossen sind. Dies kann zum Beispiel durch selektives Abscheiden einer Maske über den Stegen 14 und/oder Kanälen 16 der Brennstoffzellen-Bipolarplatte vor Ausbilden der hydrophilen Schichten 30 und dann Entfernen der Maske erfolgen.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die in 13 gezeigt wird, umfasst ein Erzeugnis 10 eine erste Brennstoffzellen-Bipolarplatte 112 mit einer ersten Seite 100, die durch mehrere Stege 14 und Kanäle 16 darin ein Reaktandengas-Strömungsfeld festgelegt aufweist, eine zweite Brennstoffzellen-Bipolarplatte 212 mit einer ersten Seite 100, die durch mehrere Stege 14 und Kanäle 16 darin ein Reaktandengas-Strömungsfeld festgelegt aufweist, und einen dazwischen vorgesehenen Soft-Goods-Abschnitt 84. Der Soft-Goods-Abschnitt 84 kann eine Polymerelektrolytmembran 62 mit einer ersten Seite 64 und einer zweiten Seite 66 umfassen. Über der ersten Seite 64 der Polymerelektrolytmembran 62 kann eine Kathode 68 liegen. Über der Kathode 68 kann eine erste Gasdiffusionsmediumschicht 76 liegen, und optional kann eine erste mikroporöse Schicht 72 zwischen der ersten Gasdiffusionsmediumschicht 76 und der Kathode 68 gesetzt sein. Die erste Brennstoffzellen-Bipolarplatte 112 liegt über der ersten Gasdiffusionsmediumschicht 76. Eine Anode 70 kann unter der zweiten Seite 66 der Polymerelektrolytmembran 62 liegen. Eine zweite Gasdiffusionsmediumschicht 78 kann unter der Anodenschicht 70 liegen, und optional kann eine zweite mikroporöse Schicht 74 zwischen der zweiten Gasdiffusionsmediumschicht 78 und der Anode z70 gesetzt sein. Die zweite Brennstoffzellen-Bipolarplatte 212 kann über der zweiten Gasdiffusionsmediumschicht 78 liegen.
14A zeigt einen Wassertropfen 200 in einem Kanal 16 mit einer Mikrorille 20. 14B ist eine Schnittansicht entlang Linie B-B, die bei einem Kanal 16 mit einem Seitenverhältnis von Breite zu Tiefe von 0,6 und einer abgerundeten Dreiecksmikrorille 20 mit einer Tiefe von etwa 1/7 der des Kanals 16 und einem Kanalkontaktwinkel von 45° spontanes Benetzen der Mikrorille (Imbibition) zeigt.
Bei Verwenden der Begriffe „über”, „liegend über”, „liegt über” oder „unter”, „liegend über”, „liegt unter” bezüglich der relativen Position einer ersten Komponente oder Schicht bezüglich einer zweiten Komponente oder Schicht verwendet werden, bedeutet dies, dass die erste Komponente oder Schicht in direktem Kontakt mit der zweiten Komponente oder Schicht steht oder dass zusätzliche Schichten oder Komponenten zwischen die erste Komponente oder Schicht und die zweite Komponente oder Schicht gesetzt sind.

Claims

Erzeugnis umfassend: eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit einem Substrat, das einen Grundteil umfasst, mit einer ersten Seite, einem Reaktandengas-Strömungsfeld, das in der ersten Seite festgelegt ist, wobei das Reaktandengas-Strömungsfeld mehrere Stege und Kanäle umfasst, und mehreren in der ersten Seite ausgebildeten Mikrorillen; dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrorillen eine Tiefe zwischen 1 und 50 μm aufweisen, wobei das Substrat mindestens eine erste elektrisch leitende Schicht über mindestens einem Teil des Grundteils und eine hydrophile Schicht über mindestens einem Teil der ersten elektrisch leitenden Schicht umfasst.
Erzeugnis nach Anspruch 1, wobei sich die mehreren Mikrorillen in den Grundteil erstrecken.
Erzeugnis nach Anspruch 1, wobei die mehreren Mikrorillen in oder durch die erste elektrisch leitende Schicht ausgebildet sind.
Erzeugnis nach Anspruch 1, wobei über den Mikrorillen keine hydrophile Schicht liegt.
Erzeugnis nach Anspruch 1, wobei die hydrophile Schicht über den Mikrorillen liegt.
Erzeugnis nach Anspruch 1, wobei sich die Mikrorillen durch die erste elektrisch leitende Schicht erstrecken.
Erzeugnis nach Anspruch 1, wobei sich die Mikrorillen durch die erste elektrisch leitende Schicht und in den Grundteil erstrecken.
Erzeugnis nach Anspruch 1, wobei keine hydrophile Schicht und keine elektrisch leitende Schicht über den Mikrorillen liegen.
Erzeugnis nach Anspruch 1, wobei jeder Kanal durch einen Boden und mindestens eine Wand festgelegt ist und wobei die Mikrorillen mindestens im Boden ausgebildet sind.
Erzeugnis nach Anspruch 1, wobei die Mikrorillen willkürlich ausgerichtet sind.
Erzeugnis nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der Mikrorillen in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse eines der Kanäle ausgebildet ist.
Erzeugnis nach Anspruch 1, wobei die Querschnittauslegung der Mikrorillen v-förmig ist.
Erzeugnis nach Anspruch 1, wobei die Querschnittauslegung der Mikrorillen rechteckig ist.
Erzeugnis nach Anspruch 1, wobei die Querschnittauslegung der Mikrorillen halbkreisförmig ist.
Erzeugnis nach Anspruch 1, wobei die Querschnittauslegung der Mikrorillen trapezförmig ist.
Erzeugnis nach Anspruch 1, wobei die Querschnittauslegung der Mikrorillen sinusförmig ist.
Erzeugnis nach Anspruch 1, wobei die Tiefen der Mikrorillen bei 0,1% bis 30% der Tiefen der Kanäle liegen.
Erzeugnis nach Anspruch 1, wobei die Breiten der Mikrorillen bei 0,1% bis 30% der Breiten der Kanäle liegen.
Erzeugnis nach Anspruch 1, wobei die Querschnittauslegung der Kanäle u-förmig ist.
Erzeugnis nach Anspruch 1, wobei die Querschnittauslegung der Kanäle rechteckig ist.
Erzeugnis nach Anspruch 1, wobei die Querschnittauslegung der Kanäle v-förmig ist.
Erzeugnis nach Anspruch 1, wobei die Querschnittauslegung der Kanäle trapezförmig ist.
Erzeugnis nach Anspruch 1, wobei die Querschnittauslegung der Kanäle sinusförmig ist.
Erzeugnis nach Anspruch 1, wobei das Erzeugnis weiterhin umfasst: mehrere Brennstoffzellen-Bipolarplatten; und einen zwischen benachbarten Brennstoffzellen-Bipolarplatten positionierten und den Reaktandengas-Strömungsfeldern zugewandten Soft-Goods-Abschnitt, wobei der Soft-Goods-Abschnitt eine Anode und eine Kathode auf gegenüberliegenden Seiten einer Polymerelektrolytmembran umfasst.
Prozess umfassend: Vorsehen einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit einem eine hydrophile Schicht umfassenden Substrat mit einer ersten Seite, die mehrere Stege und Kanäle umfasst, und Ausbilden von Mikrorillen mit einer Tiefe zwischen 1 und 50 μm in dem Substrat.
Prozess nach Anspruch 25, wobei das Substrat weiterhin mindestens eine erste elektrisch leitende Schicht umfasst.
Prozess nach Anspruch 25, wobei das Ausbilden von Mikrorillen mindestens eines von Stanzen, Formen, maschinelles Bearbeiten, Lasermikrobearbeiten, chemisches Ätzen oder mechanisches Einritzen über mindestens einem Teil des Substrats umfasst.
Prozess nach Anspruch 25, wobei die Mikrorillen eine Querschnittform aufweisen, die mindestens eines von dreieckig, quadratisch, rechteckig, halbkreisförmig, trapezförmig oder sinusförmig ist.
Prozess nach Anspruch 25, wobei die Mikrorillen in mindestens einer den Kanal festlegenden Fläche ausgebildet sind.
Prozess nach Anspruch 25, wobei die Kanäle jeweils durch mindestens eine Wand und einen Boden festgelegt sind und wobei die Mikrorillen in dem Boden ausgebildet sind.
Prozess nach Anspruch 25, wobei die Kanäle jeweils durch mindestens eine Wand festgelegt sind und wobei die Mikrorillen in der Wand ausgebildet sind.
Prozess nach Anspruch 25, wobei die Kanäle eine Querschnittform aufweisen, die mindestens eines von rechteckig, u-förmig, v-förmig, trapezförmig oder sinusförmig ist.