DE102008034545A1

DE102008034545A1 - Dreidimensionale hydrophile poröse Strukturen für Brennstoffzellenplatten

Info

Publication number: DE102008034545A1
Application number: DE102008034545A
Authority: DE
Inventors: Tao Troy Xie
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2010-02-11
Anticipated expiration: 2028-07-25
Also published as: DE102008034545B4

Abstract

Eine Ausführungsform umfasst dreidimensionale hydrophile poröse Strukturen für Brennstoffzellenkollektorplatten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das Gebiet, das die Offenbarung allgemein betrifft, umfasst Brennstoffzellenkomponenten mit dreidimensionalen hydrophilen porösen Strukturen zur Verwendung mit festen Brennstoffzellenplatten.
HINTERGRUND
Es ist bekannt, dass Brennstoffzellen Kollektorplatten, wie Bipolar- oder Unipolarplatten aufweisen, die dazu dienen, Elektronen zu sammeln, die durch den Verbrauch von Brennstoff durch die Brennstoffzelle erzeugt werden, und um Brennstoffzellenreaktandengase durch Reaktandengasströmungsfelder zu liefern. Diese Reaktandengasströmungsfelder sind durch einen oder mehrere Kanäle definiert, die in einem festen Substrat, das typischerweise aus einem Metall- oder Kompositmaterial besteht, maschinell bzw. spanabhebend bearbeitet, geprägt bzw. gestanzt, geätzt, geformt oder anderweitig vorgesehen worden sind. Die Kollektorplatten können benachbart eines Diffusionsmediummaterials vorgesehen sein, das typischerweise ein poröses Material ist, wie Kohlepapier. Alternativ dazu kann bei einigen Anordnungen die Kollektorplatte einen direkten Kontakt mit einer katalytischen Elektrode bilden. Optional dazu kann eine mikroporöse Schicht unter der Gasdiffusionsmediumschicht liegen und eine katalytische Elektrode kann unter der mikroporösen Schicht oder der Gasdiffusionsmediumschicht liegen. Unterhalb der ersten katalytischen Elektrode ist eine Polyelektrolytmembran vorgesehen, und es ist eine zweite katalytische Elektrode vorgesehen, die unter einer zweiten Seite der Polyelektrolytmembran liegt. Es kann eine zweite mikroporöse Schicht vorgesehen sein, die unter der zweiten katalytischen Elektrode liegt, und eine zweite Gasdiffusionsmediumschicht liegt unter der zweiten mikroporösen Schicht oder der zweiten katalytischen Elektrode. Es ist eine zweite Kollektorplatte vorgesehen, die unter der zweiten Gasdiffusionsmediumschicht liegt. Die zweite Kollektorplatte weist auch ein durch mehrere Kanäle und Stege definiertes Reaktandengasströmungsfeld auf. Die Stege bilden einen physikalischen Kontakt mit der Gasdiffusionsmediumschicht.
Um ein Wassermanagement in Brennstoffzellen zu ermöglichen, ist es erwünscht, auf Bipolarplattenoberflächen eine Hydrophilie einzuführen. Eine Behandlung einer Bipolarplattenoberfläche, um eine Oberflächenhydrophilie einzuführen, kann mit einem anfänglichen Wasserkontaktwinkel von nicht mehr als 15° (Superhydrophilie) erreicht werden; mit einer Haltbarkeit, so dass der Wasserkontaktwinkel stabil genug ist, damit er während der Lebensdauer der Brennstoffzellen 15° nicht überschreitet; und die hydrophile Behandlung beeinträchtigt den Kontaktwiderstand der Platten nicht über ein akzeptables Niveau hinaus.
Bisher sind Siliziumdioxidbeschichtungen verwendet worden, um in Abschnitte von Bipolarplatten hydrophile Eigenschaften einzuführen. Jedoch bestehen bei derartigen und anderen organisch basierten hydrophilen Beschichtungen folgende Nachteile: schlechte Anhaftung (unter entweder feuchten oder trockenen Bedingungen) auf Substraten, wie rostfreiem Stahl; eine Kontamination aufgrund der hohen Oberflächenenergie der superhydrophilen Oberfläche, die durch weniger hydrophile Schmutzstoffe leicht kontaminiert wird; eine Lösung, bei der sich das Siliziumdioxid in der Brennstoffzellenumgebung über Reaktion mit Membranabbau durch Produkte, wie HF, lösen kann; ein thermischer Abbau, bei dem Beschichtungen, wie organische Beschichtungen, indem sie wiederholt Temperaturen von 90° und darüber und wiederholt trockenen und feuchten Zyklen ausgesetzt werden, altern, was zu einer Umorientierung der hydrophilen Gruppen an der oberen Fläche derartiger Beschichtungen führt, wodurch deren Hydrophilie reduziert wird; elektrochemischer Abbau, bei dem bestimmte hydrophile Gruppen in der Substitutionsumgebung einer Brennstoffzelle elektrochemisch aktiv sein und sich abbauen können.
ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Produkt, das eine Brennstoffzellenkollektorplatte mit einem Reaktandengasströmungsfeld, das darin durch mehrere Kanäle und Stege definiert ist; und einer dreidimensionalen porösen hydrophilen Struktur umfasst, die die Kanäle im Wesentlichen füllt.
Andere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1 ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
2 ein Produkt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Einführen von Hydrophilie in Strömungskanäle von Bipolar- oder Unipolarplatten. Es werden dreidimensionale poröse hydrophile Strukturen in den Strömungskanälen von Kollektorplatten angeordnet oder darin geformt. Die dreidimensionalen Strukturen besitzen miteinander verbundene poröse Strukturen. Die Porosität der dreidimensionalen Strukturen kann durch ein Mittel zur Erzeugung von Porosität vorgesehen werden, das ein Porogen oder Treibmittel aufweisen kann, jedoch nicht darauf beschränkt ist, das eine poröse offenzellige Struktur erzeugt. Das Porogen kann ein beliebiges Material sein, das später durch Ätzen, Lösen oder durch Erwärmen des Porogens geopfert oder entfernt werden kann, um zu bewirken, dass dieses aus der dreidimensionalen Struktur herausfließt. Geeignete Treibmittel können beliebige Treibmittel aufweisen, die dem Fachmann bekannt sind und mit Polymeren, keramischen oder metallischen Materialien anwendbar sind.
Nun Bezug nehmend auf 1 umfasst eine Ausführungsform der Erfindung, dass eine Brennstoffzellenkollektorplatte 10 mit einem Reaktandengasströmungsfeld vorgesehen wird, das darin durch mehrere Kanäle 12 und Stege 14 definiert ist. Die Kanäle 12 können in einem Substrat 16 geformt sein, das aus einem Kompositmaterial oder einem Metall, wie rostfreiem Stahl, Aluminium, Titan oder einer anderen Legierung, geformt sein kann. Die Kanäle 12 können in das Substrat 16 maschinell bzw. spanabhebend bearbeitet, gestanzt bzw. geprägt, geätzt oder geformt sein. Die Kanäle 12 können mit einem Material, das in einen Feststoff geformt sein kann, und einem Porogen oder einem Treibmittel gefüllt sein. Bei dem Prozess zum Formen des Materials in einen Feststoff erzeugt das Treibmittel poröse Strukturen in dem geformten Feststoff. Alternativ dazu kann beim Formen des Feststoffs das Porogen später durch Lösen, Ätzen oder Erwärmen des Porogens entfernt werden, um zu bewirken, dass dieses eine Flüssigkeit bildet und die Flüssigkeit aus der dreidimensionalen Struktur herausfließt, die in dem Kollektorplattenkanal 12 zurückbleibt. Bei einer Ausführungsform sind die Kanäle 12 mit einem ersten Material 18 gefüllt, das ein Monomer, einen Vernetzer und ein Porogen aufweisen kann. Das Monomer wird in einem zweiten Schritt beispielsweise durch Erwärmen oder indem es UV-Licht ausgesetzt wird, gehärtet, um ein gehärtetes Material 18c mit einem Porogen bereitzustellen. Anschließend wird das Porogen entfernt, was in einer vernetzten dreidimensionalen porösen Struktur 18d in dem Kanal 12 resultiert. Das Monomer kann so gewählt sein, dass es beim Härten einen hydrophilen Charakter besitzt, so dass die dreidimensionale poröse Struktur hydrophil ist. Alternativ dazu kann ein zusätzlicher Schritt zum chemischen Modifizieren der dreidimensionalen Struktur in dem Kanal 12 verwendet werden, um in die dreidimensionale Struktur eine Hydrophilie einzuführen.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die dreidimensionale hydrophile poröse Struktur außerhalb unter Verwendung einer Form mit einer identischen Geometrie wie die Strömungskanäle 12 der Brennstoffzellenkollektorplatte 10 erzeugt werden. Zusätzlich kann die poröse Struktur aus einer Vielzahl anderer Materialien hergestellt sein, die Metalle und Keramiken aufweisen können, jedoch nicht darauf beschränkt sind. Bevorzugt ist das für die dreidimensionale Struktur gewählte Material chemisch beständig gegenüber der Brennstoffzellenumgebung. Es ist ein Polymer bevorzugt, das gegenüber HF beständig ist. Ferner werden, da das Material in dem Kanal 12 dreidimensional ist, Probleme in Verbindung mit der Anhaftung zweidimensionaler Beschichtungen an Bipolarplattenoberflächen überwunden.
Die dreidimensionale poröse Struktur ist keine Gasdiffusionsmediumschicht. Die Gasdiffusionsmediumschicht umfasst typischerweise Kohlefasern in der Form von Kohlepapier oder -filz.
Nun Bezug nehmend auf 2 weist eine andere Ausführungsform der Erfindung ein Produkt 10c auf, wie eine Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellenstapel, mit einer ersten Bipolarplatte 16c, die ein Reaktandengasströmungsfeld aufweist, das darin durch mehrere Stege 14c und Kanäle 12c definiert ist, und mit einer vernetzten dreidimensionalen porösen Struktur 18d in dem Kanal 12c. Eine erste Gasdiffusionsmediumschicht 20c kann unter der ersten Bipolarplatte 16c liegen. Die erste Gasdiffusionsmediumschicht 20c kann eine Vielzahl von Kohlefasern in der Form von Kohlepapier oder Kohlenstofffilz aufweisen. Es kann eine mikroporöse Schicht 22c vorgesehen sein, die unter der ersten Gasdiffusionsmediumschicht 20c liegt. Die mikroporöse Schicht 22c ist bevorzugt auf die erste Gasdiffusionsmediumschicht 20c beschichtet und kann eine Vielzahl von Kohlenstoffpartikeln in einem Polytetrafluorethylenbinder aufweisen. Eine Kathodenelektrode 24c kann unter der ersten mikroporösen Schicht 22c liegen. Die Kathodenelektrode 24c kann einen Katalysator aufweisen, wie Platin, der auf einer Vielzahl von Kohlenstoffpartikeln getragen ist und ein Ionomer aufweist, wie NAFION. Eine Polyelektrolytmembran 26 kann unter der Kathode 24c liegen. Die Polyelektrolytmembran 26 kann aus einem Ionomer, wie NAFION, geformt sein und kann gegebenenfalls durch eine Tafel aus expandiertem Polytetrafluorethylen gestützt sein. Eine Anodenschicht 24a kann unter der Polyelektrolytmembran 26 liegen und kann ähnlich der Kathodenschicht 24c aufgebaut sein. Eine zweite mikroporöse Schicht 22a kann unter der Anodenschicht 24a liegen. Eine zweite Gasdiffusionsmediumschicht 20a kann unter der zweiten mikroporösen Schicht 22a liegen. Eine zweite Bipolarplattenschicht 16a besitzt ein Reaktandengasströmungsfeld, das darin durch mehrere Stege 14a und Kanäle 12a definiert ist, mit einer vernetzten dreidimensionalen porösen Struktur 18d in den Kanälen 12a.
Die obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen nicht als Abweichung von der Grundidee und dem Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.

Claims

Produkt, umfassend: eine Brennstoffzellenbipolarplatte mit einem Reaktandengasströmungsfeld, das in zumindest einer Seite derselben definiert ist, wobei das Reaktandengasströmungsfeld durch mehrere Stege und Kanäle definiert ist, und einer dreidimensionalen hydrophilen Struktur, die zumindest einen der Kanäle im Wesentlichen füllt.
Produkt, umfassend: eine Brennstoffzellenkollektorplatte mit einem Reaktandengasströmungsfeld, das darin definiert ist, wobei das Reaktandengasströmungsfeld durch mehrere Stege und Kanäle definiert ist, die in einer Seite der Kollektorplatte geformt sind, einer dreidimensionalen porösen Struktur, die einen Kanal im Wesentlichen füllt, und einer hydrophilen Beschichtung an zumindest einem Abschnitt der dreidimensionalen Struktur.
Produkt nach Anspruch 2, wobei die dreidimensionale Struktur ein Polymer umfasst.
Produkt nach Anspruch 2, wobei die dreidimensionale Struktur ein keramisches Material umfasst.
Produkt nach Anspruch 2, wobei die dreidimensionale Struktur ein Metall umfasst.
Verfahren, umfassend, dass: eine Brennstoffzellenbipolarplatte vorgesehen wird, die eine erste Seite mit einem darin definierten Reaktandengasströmungsfeld aufweist, wobei das Reaktandengasströmungsfeld zumindest teilweise durch mehrere Stege und Kanäle definiert ist; die Kanäle mit einem ersten Material gefüllt werden, wobei das erste Material verfestigt werden kann, wobei das erste Material ein Mittel zum Formen von Poren umfasst; und bewirkt wird, dass das erste Material in eine dreidimensionale poröse Struktur in dem festen Zustand geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die dreidimensionale feste Struktur hydrophil ist.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend, dass die dreidimensionale poröse Struktur behandelt wird, um eine Hydrophilie einzuführen.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend, dass eine hydrophile Beschichtung über zumindest einem Abschnitt der dreidimensionalen porösen Struktur geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das erste Material ein Monomer und einen Vernetzer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das erste Material ein Vorpolymer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das erste Material eine Keramik umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das erste Material ein Metall umfasst.
Verfahren, umfassend, dass: eine Brennstoffzellenbipolarplatte vorgesehen wird, die ein Reaktandengasströmungsfeld aufweist, das in einer ersten Seite derselben geformt ist, wobei das Reaktandengasströmungsfeld mehrere Stege und Kanäle umfasst; und eine poröse dreidimensionale Struktur in den Kanälen angeordnet wird, die diese im Wesentlichen füllt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die dreidimensionale poröse Struktur hydrophil ist.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend, dass die dreidimensionale poröse Struktur behandelt wird, um darin eine Hydrophilie einzuführen.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend, dass zumindest ein Abschnitt der dreidimensionalen porösen Struktur mit einer hydrophilen Beschichtung beschichtet wird.
Produkt, umfassend: eine erste Brennstoffzellenbipolarplatte mit einem Reaktandengasströmungsfeld, das in zumindest einer ersten Seite derselben geformt ist, wobei das Reaktandengasströmungsfeld durch zumindest mehrere Stege und Kanäle definiert ist, und einer dreidimensionalen porösen hydrophilen Struktur in einem der Kanäle, und wo bei die dreidimensionale poröse hydrophile Struktur einen der Kanäle im Wesentlichen füllt; eine erste Gasdiffusionsmediumschicht, die unter der ersten Bipolarplatte liegt, eine erste Katalysatorelektrode, die unter der ersten Gasdiffusionsmediumschicht liegt, eine Polyelektrolytmembran, die unter der ersten katalytischen Elektrode liegt, eine zweite katalytische Elektrode, die unter der Polyelektrolytmembran liegt, eine zweite Gasdiffusionsmediumschicht, die unter der zweiten katalytischen Elektrode liegt, und eine zweite Bipolarplatte, die unter der zweiten Gasdiffusionsmediumschicht liegt.