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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer
Brennstoffzellenkomponente und insbesondere ein Verfahren zum Beschichten
einer Brennstoffzellenplatte und zum Unterstützen einer effektiven Entfernung
von Wasser davon.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellen
sind als eine saubere, effiziente und umweltfreundliche Energiequelle
für Elektrofahrzeuge
und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Es kann
eine Vielzahl von Brennstoffzellen in Reihe aneinander gestapelt werden,
um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, der in der Lage ist,
eine gewünschte
Menge an Elektrizität
zu liefern. Der Brennstoffzellenstapel ist als eine potentielle
Alternative für
die in Kraftfahrzeugen verwendete, herkömmliche Brennkraftmaschine
erkannt worden.
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Ein
Typ von Brennstoffzelle ist als eine Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzelle
bekannt. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst typischerweise drei Grundkomponenten:
eine Kathode, eine Anode und eine Elektrolytmembran. Die Elektrolytmembran
ist allgemein schichtartig zwischen der Kathode und der Anode angeordnet.
Die Brennstoffzelle weist allgemein auch poröse leitende Materialien, die als
Gasdiffusionsmedium bekannt sind, auf, die Reaktandengase über die
Oberflächen
der Kathode und Anode verteilen. Die Reaktandengase umfassen typischerweise
Wasserstoffgas, und Sauerstoff kann beispielsweise aus der Luft
geliefert werden. Der Wasserstoff wird an die Anode geliefert und
in Protonen umgewandelt. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt
an die Kathode. Die Elektronen in der Anode fließen durch eine externe Schaltung
an die Kathode, an der sie sich mit dem Sauerstoff und den Protonen
rekombinieren, um Wasser zu bilden. Der Elektronenfluss durch die
externe Schaltung erlaubt die Verwendung der Brennstoffzelle als
eine Energiequelle.
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Die
Kathode, die Anode und die Elektrolytmembran sind allgemein zwischen
einem Paar elektrisch leitender Brennstoffzellenplatten angeordnet, um
die PEM-Brennstoffzelle zu vervollständigen. Die Platten dienen
als Stromkollektoren für
die Anode und die Kathode und besitzen geeignete Strömungskanäle und Öffnungen,
die darin zur Verteilung der Reaktandengase der Brennstoffzelle über die
Oberflächen
der jeweiligen Kathode und Anode geformt sind. Die Strömungskanäle definieren
allgemein Stege dazwischen, die in elektrischem Kontakt mit den Gasdiffusionsmedien
der Brennstoffzelle stehen. Typischerweise weisen die Platten auch
Einlass- und Auslassöffnungen
auf, die, wenn sie in einem Brennstoffzellenstapel ausgerichtet
sind, interne Liefer- und Austragsverteiler zum Führen der
Reaktandengase der Brennstoffzelle und von flüssigem Kühlmittel zu bzw. von den Anoden
und Kathoden formen.
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Im
Betrieb der Brennstoffzelle kann Wasser von sowohl der elektrochemischen
Brennstoffzellenreaktion als auch externer Befeuchtung in die Strömungskanäle eintreten.
Das Wasser wird durch die Strömungskanäle typischerweise
durch das Reaktandengas getrieben, dessen Druck einen Primärmechanismus
zur Wasserentfernung von den Strömungskanälen darstellt.
Wenn die Reaktandengasströmung
jedoch nicht ausreichend ist, wie beispielsweise, wenn die Brennstoffzelle
bei einer geringeren Leis tungsabgabe arbeitet, kann sich Wasser
ansammeln oder ”stagnieren” bzw. ”stocken”. Stagnierendes
Wasser kann Strömungskanäle blockieren
und den Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelle reduzieren. Stagnierendes
Wasser kann auch einen Strömungswiderstand
in bestimmten Strömungskanälen erhöhen und
die Reaktandengase an benachbarte Kanäle umlenken, was in einem lokalen
Mangel in der Brennstoffzelle resultiert. Die Ansammlung von Wasser
kann auch zu einer höheren
Rate an Kohlenstoffkorrosion und einer schlechteren Haltbarkeit
unter Gefrierbedingungen führen.
Eine Wasseransammlung kann schließlich zu einem Ausfall der Brennstoffzelle
führen.
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In
der Technik ist es bekannt, Brennstoffzellenplatten zu verwenden,
die eine hydrophile Beschichtung und/oder eine hydrophobe Beschichtung besitzen,
die die Entfernung von Wasser von der Brennstoffzelle unterstützen bzw.
erleichtern. Die Brennstoffzelle kann auch andere Mittel zur Drainage bzw.
zum Abführen
von Wasser aufweisen, wie einen Schaum, einen Docht, ein gewebe-
bzw. maschenartiges Material oder andere Wasser entfernende Strukturen,
die derart angepasst sind, um eine Entfernung von Wasser von den
Brennstoffzellenplatten zu unterstützen.
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Die
Brennstoffzellenplatten werden typischerweise zum Beispiel durch
Besprühen,
Bestreichen, Walzen, Drucken und/oder Tauchen beschichtet. Eine
bekannte Hochleistungsbeschichtung ist die x-tec®-Beschichtung,
die von Nano-X GmbH in Saarbrücken-Güdingen,
Deutschland kommerziell erhältlich
ist. Bestimmte Typen von Beschichtungen, wie verschiedene Siliziumdioxid
basierte Beschichtungen, werden durch bekannte Sol-Gel-Techniken hergestellt.
Vakuumunterstützte
Techniken, wie Verfahren mit physikalische Abscheidung aus der Gasphase
bzw. Physical Vapor Deposition (PVD), chemische Abscheidung aus
der Gasphase bzw. Chemical Vapor Deposition (CVD), Atomschichtabscheidung (ALD)
und plas maunterstützte
Chemical Vapor Deposition (PECVD) zur Beschichtung von Brennstoffzellen
sind ebenfalls bekannt. Eine Steuerung von Beschichtungscharakteristiken,
wie der Dicke, der Morphologie wie auch des Kontaktwinkels, kann
bei vielen der bekannten Beschichtungsverfahren schwierig sein.
Bestimmte der bekannten Verfahren sind auch zu teuer.
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Es
existiert ein fortwährender
Bedarf nach einem Verfahren zum Beschichten von Brennstoffzellenkomponenten
mit einer hydrophilen Beschichtung und/oder einer hydrophoben Beschichtung,
um eine Entfernung von Wasser von der Brennstoffzelle zu unterstützen. Das
Verfahren soll wenig komplex, kostengünstig sein und eine Beschichtung
mit ausreichender Haltbarkeit zur Verwendung in der Brennstoffzelle
bereitstellen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Offenbarung ist überraschend ein Verfahren zum
Beschichten von Brennstoffzellenkomponenten mit einer hydrophilen
Beschichtung und/oder einer hydrophoben Beschichtung entdeckt worden,
um eine Entfernung von Wasser von der Brennstoffzelle zu unterstützen, wobei
das Verfahren weniger komplex und weniger teuer ist und eine ausreichende
Beschichtungshaltbarkeit bereitstellt.
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Bei
einer Ausführungsform
umfasst ein Verfahren zum Beschichten einer Brennstoffzellenkomponente
die Schritte, dass: die Brennstoffzellenkomponente bereitgestellt
wird; und eine Beschichtung auf einer Oberfläche der Brennstoffzellenkomponente
mit einem Plasmastrahl geformt wird.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
umfasst der Schritt zum Formen der Beschichtung an der Oberfläche der
Brennstoffzellenkomponente die Schritte, dass: ein Beschichtungsvorläufer auf
einer Oberfläche
der Brennstoffzellenkomponente aufgebracht wird; und ein Plasmastrahl
an den Beschichtungsvorläufer
geliefert wird. Der Beschichtungsvorläufer wird dadurch einer Reaktion
unterzogen und formt die Beschichtung an der Oberfläche der
Brennstoffzellenkomponente.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
umfasst der Schritt zum Formen der Beschichtung an der Oberfläche der
Brennstoffzellenkomponenten die Schritte, dass: ein Beschichtungsvorläufer in
einen Plasmastrahl eingeführt
wird; und die Beschichtung auf einer Oberfläche der Brennstoffzellenkomponente
durch Lieferung des Plasmastrahls an die Oberfläche der Brennstoffzellenkomponente
aufgewachsen wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht
dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch
zu beschränken.
In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte
lediglich beispielhafter Natur und somit ist die Reihenfolge der
Schritte weder notwendig noch kritisch.
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Eine
illustrative Brennstoffzellenkomponente zur Verwendung mit dem Verfahren
der vorliegenden Offenbarung ist eine Brennstoffzellenplatte. Bei
einer Ausführungsform
ist die Brennstoffzellenplatte im Wesentlichen so, wie in der ebenfalls
anhängigen
U. S. Anmeldung Seriennr. 11/696,361 beschrieben ist, die hier in
ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Gemäß dem vorliegenden
Verfahren können
auch andere Brennstoffzellenplattenkonstruktionen und -konfigurationen
beschichtet werden. Obwohl das Verfahren der Offenbarung hier nachfolgend
in Bezug auf die Brennstoffzellenplatte beschrieben ist, sei angemerkt,
dass der Schutzumfang der Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
Das Verfahren kann ferner auf eine beliebige Brennstoffzellenkomponente
angewendet werden, bei der eine bestimmte Hydrophobie oder Hydrophilie
einer Oberfläche
erreicht werden soll. Beispielsweise kann das Verfahren auch auf
eine Drainage- bzw. Wasserabführkomponente
oder dergleichen angewendet werden, die in der Brennstoffzelle verwendet
wird, um eine Entfernung von Wasser davon zu unterstützen.
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Die
Brennstoffzellenplatte umfasst typischerweise eine Vielzahl von
Einlassöffnungen,
eine Vielzahl von Auslassöffnungen
und eine Vielzahl von Strömungskanälen. Die
Vielzahl von Einlassöffnungen
und die Vielzahl von Auslassöffnungen
sind zum Transport von Reaktandengasen zu bzw. von der Vielzahl
von Strömungskanälen angepasst.
Die Vielzahl von Strömungskanälen definiert
eine Vielzahl von Stegen, die dazwischen geformt sind. Die Vielzahl
von Strömungskanälen und
die Vielzahl von Stegen formen einen aktiven Bereich der Brennstoffzellenplatte,
benachbart zu dem eine elektrochemische Brennstoffzellenreaktion
während
des Brennstoffzellenbetriebs stattfindet. Zwischen einer der Einlass- und
Auslassöffnungen
und dem aktiven Bereich ist ein Zufuhrbereich angeordnet. Es sei
zu verstehen, dass die Größe, die
Form, die Menge wie auch der Typ von Brennstoffzellenplatten für eine Brennstoffzelle
oder einen Brennstoffzellenstapel, wie auch die Konfiguration der
Brennstoffzellenplatten innerhalb der Brennstoffzelle oder innerhalb
des Brennstoffzellenstapels nach Bedarf variieren können. Beispielsweise
kann die Brennstoffzellenplattenkonstruktion auf Parametern basieren,
wie einer Menge an Elektrizität,
die erzeugt werden soll, einer Größe eines Verbrauchers von Elektrizität, der mit
dem Brennstoffzellenstapel betrieben werden soll, einem volumetrischen
Durchfluss von Reaktandengasen durch den Brennstoffzellenstapel
und anderen ähnlichen Faktoren,
wie in der Technik bekannt ist. Die Brennstoffzellenplatten können aus
einem beliebigen herkömmlichen
Material geformt sein, wie beispielsweise Graphit, einem Kohlenstoffkomposit bzw.
-verbundmaterial oder einem Metall. Es können auch andere geeignete
Materialien verwendet werden.
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Die
Brennstoffzellenplatte umfasst eine hydrophobe Beschichtung und/oder
eine hydrophile Beschichtung, die darauf angeordnet ist bzw. sind. Die
hydrophobe Beschichtung kann aus einem hydrophoben Material geformt
sein, das auf zumindest einem Abschnitt der Brennstoffzellenplatte
angeordnet ist. Als nicht beschränkende
Beispiele kann das hydrophobe Material eines aus einem Silan, Silizium, einem
Alkylsilan, einem Fluoralkylsilan, einem Fluorkohlenstoff, einem
Alkoxid, einem Phenylethoxysilan und einem Polydimethylsiloxan sein.
Bei bestimmten Ausführungsformen
ist das zur Formung der hydrophoben Beschichtung verwendete hydrophobe
Material Hexamethyldisiloxan (HMDSO), Tetraethoxysilan (TEOS) oder
1,2-Bis(triethoxysilyl)(BTESE). Gegebenenfalls können andere geeignete hydrophobe
Beschichtungen gewählt
werden. Als nicht beschränkende
Beispiele kann die hydrophobe Beschichtung einen Kontaktwinkel von
größer als
etwa 120 Grad, bei einer bestimmten Ausführungsform von größer als
etwa 135 Grad und bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform
von größer als
etwa 150 Grad besitzen. Ein Fachmann kann ein gewünschtes Niveau
an Hydrophobie nach Bedarf wählen.
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Die
hydrophile Beschichtung kann aus einem hydrophilen Material geformt
sein, das an zumindest einem Abschnitt der Brennstoffzellenplatte angeordnet
ist. Beispiele geeigneter hydrophiler Beschichtungen umfassen, sind
jedoch nicht darauf beschränkt,
Metalloxide. Das hydrophile Material kann gegebenenfalls aus einem
Vorläufer
bzw. Precursor geformt sein, der Silizium, Titan, Zinn, Al oder
ein anderes geeignetes hydrophiles Material aufweist. Das Verfahren
der Offenbarung kann mit einem beliebigen hydrophilen Material verwendet
werden, das zur Verwendung mit ei nem Sol-Gel-Prozess geeignet ist. Bei
bestimmten Ausführungsformen
besteht die geformte Beschichtung aus Siliziumdioxid, Titandioxid, Zinnoxid,
Aluminiumoxid oder einer Mischung daraus. Gegebenenfalls können andere
geeignete hydrophile Beschichtungen gewählt werden. Als nicht beschränkende Beispiele
kann die hydrophile Beschichtung einen Kontaktwinkel von weniger
als etwa 10 Grad, bei einer bestimmten Ausführungsform von weniger als
etwa 5 Grad und bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform
von weniger als etwa 1 Grad besitzen. Ein Fachmann kann ein gewünschtes Niveau
an Hydrophilie nach Bedarf wählen.
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Das
Verfahren der vorliegenden Offenbarung umfasst die Schritte, dass
die elektrisch leitende Brennstoffzellenplatte bereitgestellt wird
und eine Beschichtung, wie die hydrophile Beschichtung und/oder
die hydrophobe Beschichtung, auf einer Oberfläche derselben mit einem Plasmastrahl
oder einer -fahne geformt wird. Die hydrophile Beschichtung und
die hydrophobe Beschichtung der Brennstoffzellenplatte sind zur
Optimierung und Unterstützung
eines Transports von flüssigem
Wasser weg von dem aktiven Bereich während eines Betriebs der Brennstoffzelle
angepasst. Hierdurch wird einer Stagnation von Wasser an der Brennstoffzellenplatte entgegengewirkt.
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Ein
ionisierendes Gas, das dazu verwendet wird, den Plasmastrahl zu
bilden, umfasst typischerweise Druckluft bzw. komprimierte Luft,
wobei der Plasmastrahl jedoch nach Bedarf aus einem oder mehreren
von Stickstoff, Sauerstoff und einem Inertgas gebildet werden kann.
Weitere nicht beschränkende
Beispiele ionisierender Gase, die verwendet werden können, um
den Plasmastrahl zu bilden, umfassen gespeicherten Sauerstoff und
Sauerstoff, der in dem Inertgas verdünnt ist, wie beispielsweise Stickstoff,
Argon oder Helium. Der bei dem Formen der Beschichtung an der Oberfläche der
Brennstoffzellenplatte verwendete Plasmastrahl kann durch ei ne Luftplasma-(AP)-Vorrichtung
hergestellt werden, die zum Aufbringen eines Plasmastrahls in offener
Atmosphäre
auf eine Oberfläche
der Brennstoffzellenplatte geeignet ist. Die AP-Vorrichtung kann eine
unter atmosphärischem
Druck arbeitende Luftplasma-(APAP)-Vorrichtung sein. Die AP-Vorrichtung umfasst
typischerweise eine Spannungsversorgung zur Lieferung von Spannung
an eine Elektrode und eine Masse zum Erden der AP-Vorrichtung. Die Spannung
liegt typischerweise zwischen etwa 100 Volt bis etwa 400 Volt und
bei einer bestimmten Ausführungsform
zwischen etwa 130 Volt bis etwa 150 Volt, obwohl angemerkt sei,
dass gegebenenfalls andere Spannungen verwendet werden können.
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Das
ionisierende Gas wird in die AP-Vorrichtung durch einen Einlass
zugeführt
und dazu verwendet, den Plasmastrahl zu erzeugen. Die Elektrode
erzeugt den Plasmastrahl aus dem ionisierenden Gas, das durch eine
Plasmadüse
gestrahlt wird. Der Plasmastrahl verlässt die AP-Vorrichtung über die
Plasmadüse.
Die Plasmadüse
kann eine Öffnung
besitzen, die derart angepasst ist, um den Plasmastrahl effektiv
an die Oberfläche
der Brennstoffzellenplatte zu liefern. Als ein nicht beschränkendes
Beispiel kann die Öffnung
der Düse
einen Durchmesser von weniger als 5 mm, bei bestimmten Ausführungsformen
einen Durchmesser von weniger als 3,5 mm und bei einer besonders
bevorzugten Ausführungsform einen
Durchmesser von weniger als etwa 2 mm besitzen. Gegebenenfalls können andere
Größen der Düsenöffnungen
gewählt
werden.
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Der
Plasmastrahl wird entlang der Oberfläche der Brennstoffzellenplatte
bewegt. Die AP-Vorrichtung kann den Plasmastrahl entlang der Oberfläche der
Brennstoffzellenplatte mit einer Geschwindigkeit von bis zu etwa
1000 mm/Sekunde aufbringen. Bei einer Ausführungsform beträgt die Geschwindigkeit
der Bewegung des Plasmastrahls bis zu etwa 500 mm/Sekunde. Bei einer
bestimmten Ausführungsform
wird der Plas mastrahl mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 mm/Sekunde
aufgebracht. Es sei zu verstehen, dass die Lieferung des Plasmastrahls
an die Oberfläche
der Brennstoffzellenplatte während
einer Aufbringung mehrmals intermittierend unterbrochen werden kann.
Beispielsweise können
Rastermuster mit Abständen
erzeugt werden, wobei der Plasmastrahl intermittierend unterbrochen
wird, um ein gewünschtes
hydrophobes/hydrophiles Beschichtungsmuster zu erreichen.
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Es
sei auch angemerkt, dass eine Verweilzeit des Plasmastrahls über der
Oberfläche
dazu verwendet werden kann, eine Dicke der Beschichtung zu steuern.
Eine Energie des Plasmas kann ferner dazu verwendet werden, die
Beschichtungsdicke zu steuern. Als nicht beschränkende Beispiele kann die Beschichtungsdicke
im Bereich von etwa 0,05 Mikrometer bis zu etwa 5 Mikrometer, bei
bestimmten Ausführungsformen
zwischen etwa 0,25 Mikrometer bis etwa 2 Mikrometer und bei einer
besonders illustrativen Ausführungsform
zwischen etwa 0,4 Mikrometer bis etwa 1 Mikrometer liegen. Gegebenenfalls
kann ein Fachmann andere geeignete Dicken der Beschichtung wählen.
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Bei
einer Ausführungsform
umfasst das Formen der Beschichtung auf der Brennstoffzellenplatte zunächst den
Schritt, dass ein Beschichtungsvorläufer auf der Oberfläche der
Brennstoffzellenplatte aufgetragen wird. Der Schritt zum Auftragen
des Beschichtungsvorläufers
kann durch zumindest eines aus einem Sprühprozess, einem Tauchprozess
und einem Streichprozess ausgeführt
werden. Andere geeignete Verfahren zum Auftragen des Beschichtungsvorläufers können ebenfalls
verwendet werden. Der Plasmastrahl wird dann an den Beschichtungsvorläufer geliefert.
Der Beschichtungsvorläufer
wird einer Reaktion unterzogen, wie durch Polykondensation, wenn
er in Kontakt mit dem Plasmastrahl gebracht wird, und bildet die
Beschichtung an der Oberfläche
der Brennstoffzellenplatte.
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Durch
den Plasmastrahl können
auch andere Reaktionen bewirkt werden, die bei der Bildung der Beschichtung
nützlich
sind. Die Schritte zum Auftragen des Beschichtungsvorläufers und
zur Reaktion des Vorläufers
mit dem Plasmastrahl können
wiederholt werden, um die gewünschte
Beschichtungsdicke oder das gewünschte
Beschichtungsmuster zu erhalten.
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Bei
einem Beispiel kann die Brennstoffzellenplatte gemäß der vorliegenden
Offenbarung dadurch hergestellt werden, dass sie in Hexamethyldisiloxan
(HMDSO), Tetraethoxysilan (TEOS), Hexamethyldisilazan (HMDSN), 1,2-Bis(triethoxysilyl)-ethan
(BTESE) oder einen anderen geeigneten Silizumdioxid-Beschichtungsvorläufer getaucht
wird. Der Beschichtungsvorläufer
kann vor der Behandlung der Brennstoffzellenplatte mit dem Plasmastrahl entweder
getrocknet werden oder kann direkt mit dem Plasmastrahl behandelt
werden. Die Energie des Plasmastrahls kann das HMDSO, TEOS, HMDSN
oder BTESE in eine hydrophile Beschichtung an der Oberfläche der
Brennstoffzellenplatte kondensieren und polymerisieren. Die Energie
des Plasmastrahls ist ausreichend, um die organischen Komponenten
des Beschichtungsvorläufers
zu entfernen und eine auf der Brennstoffzellenplatte geformte, hydrophile
Beschichtung aus Siliziumoxid (SiOx) zu
bewirken.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
umfasst der Schritt zum Formen der Beschichtung an der Brennstoffzellenplatte
zunächst
den Schritt, dass der Beschichtungsvorläufer in den Plasmastrahl eingeführt wird.
Beispielsweise kann ein Beschichtungsvorläufer, der Silizium, Titan,
Zinn oder Aluminium oder ein Metalloxid daraus enthält, durch
ein Vorläuferliefersystem
getrichtert werden, das dessen Durchfluss steuert, in den erregten
Plasmastrahl dosiert werden und auf die Brennstoffzellenplatte aufgetragen
werden. Es können
auch andere Metalloxide verwendet werden. Der Beschichtungsvorläufer wird typischerweise
in der Form eines Pulvers, einer Flüssigkeit oder einer Suspension
vorgesehen. Die Wechselwirkung des Beschichtungsvorläufers mit dem
Plasmastrahl und der Brennstoffzellenplatte kann auf Grundlage von
Prozessparametern variieren, wie dem Typ des Beschichtungsvorläufers, der Zusammensetzung
des Plasmastrahls, der Strömungsgeschwindigkeit
bzw. dem Durchfluss des Plasmastrahls, der Größe des Energieeingangs in den
Plasmastrahl, einer Distanz der Plasmadüse von der Brennstoffzellenplatte
und dergleichen. Typischerweise wird der Beschichtungsvorläufer chemisch
in dem Plasmastrahl verdampft. Der verdampfte Beschichtungsvorläufer kondensiert
dann an der Oberfläche
der Brennstoffzellenplatte. Dadurch kann die Beschichtung durch
Chemical Vapor Deposition an der Oberfläche der Brennstoffzellenplatte
durch das Auftragen des den verdampften Beschichtungsvorläufer enthaltenen
Plasmastrahls auf der Oberfläche
aufgewachsen werden. Die Energie des Plasmastrahls verdampft und
kondensiert den Beschichtungsvorläufer in eine hydrophobe Beschichtung
an der Oberfläche
der Brennstoffzellenplatte. Die hydrophobe Beschichtung umfasst
im Wesentlichen hydrophobe organische Komponenten. Wenn die Energie des
Plasmastrahls ausreichend ist, kann der Plasmastrahl die organischen
Komponenten weiter entfernen und eine an der Brennstoffzellenplatte
geformte hydrophile Beschichtung bewirken.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
umfasst das vorliegende Verfahren den Schritt, dass die Brennstoffzellenplatte
mit dem erregten Plasmastrahl vorbehandelt wird, um organische Materialien
davon zu entfernen. Die Brennstoffzellenplatte kann dadurch gereinigt
und bei bestimmten Ausführungsformen
oberflächenaktiviert
werden, um eine Anhaftung zwischen der Brennstoffzellenplatte und
der Beschichtung zu steigern.
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Das
Verfahren der vorliegenden Offenbarung kann ferner einen Schritt
zum Nachbehandeln der hydrophoben Beschichtung mit dem Plas mastrahl
umfassen, um die Beschichtung hydrophil zu machen. Ohne Beschränkung des
Schutzumfanges der vorliegenden Offenbarung auf irgendeine bestimmte
Theorie sei angemerkt, dass der erregte Plasmastrahl hydrophobe
organische Komponenten von der an der Brennstoffzellenplatte abgeschiedenen
hydrophoben Beschichtung entfernen kann. Die hydrophobe Beschichtung
kann dadurch in eine hydrophile Beschichtung umgewandelt werden.
Der erregte Plasmastrahl kann auch zur Funktionalität der Beschichtung
beitragen, wie dadurch, dass bewirkt wird, dass Sauerstoffradikale,
die aus der Luft erzeugt werden, mit der hydrophoben Beschichtung
reagieren, um Hydroxylgruppen zu erzeugen. Ähnlicherweise können Sulfat-,
Carboxylat-, Aldehyd-, Keton- und andere funktionelle Gruppen an
der Oberfläche
der Beschichtung durch Verwendung einer geeigneten reaktiven Ionisation,
wie H2S, C2H2, O2, Mischungen
daraus oder dergleichen angebunden werden.
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BEISPIEL
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Die
folgenden Beispiele sind lediglich illustrativ und beschränken in
keiner Weise den Schutzumfang der Offenbarung, wie beschrieben und
beansprucht ist.
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Proben
wurden gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Offenbarung dadurch hergestellt, dass 1'' x 1'' große Plättchen aus
rostfreiem Stahl mit der Güte
304 (SS 304) zunächst
in Beschichtungsvorläufer
aus Hexamethyldisiloxan (HMDSO), Tetraethoxysilan (TEOS) und Hexamethyldisilazan
(HMDSN), 1,2-Bis(triethoxysilyl)-ethan(BTESE) getaucht wurden. Der
Beschichtungsvorläufer
wurde dann für etwa
zwei Minuten getrocknet. Die Probenplättchen wurden dann einer Plasmabehandlung
mit einem Plasmastrahl in offener Atmosphäre unterzogen.
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Eine
AP-Vorrichtung, die dazu verwendet wurde, den Plasmastrahl in offener
Atmosphäre
zu erzeugen, war eine kommerziell erhältliche Plasma Treat®-AP-Vorrichtung.
Die AP-Vorrichtung besaß eine
Düsengröße von etwa
2 mm. Der Plasmastrahl wurde entlang einer Oberfläche von
jedem der Plättchen
mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 mm/Sekunde bewegt. Der Plasmastrahl
in offener Atmosphäre
bewirkte eine chemische Dampfhasenabscheidung einer hydrophilen
(SiOx) Beschichtung aus dem HMDSO-Beschichtungsvorläufer auf
der Oberfläche der
Probenplättchen.
Die Probenplättchen
wurden dann gemäß einer
etablierten Methodik für
jedes der folgenden analysiert: Wasserkontaktwinkel; Röntgenphotoelektronenspektroskopie
(XPS), Röntgenfluoreszenz
(XRF); Morphologie; Beständigkeit
des Wasserkontaktwinkels; und elektrochemische Stabilität.
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Die
Kontaktwinkel der Probenplättchen
wurden mit etwa 0 Grad beobachtet. Die Probenplättchen wurden dann für acht (8)
Monate unter Umgebungsbedingungen gealtert. Die Kontaktwinkel der Plättchen nach
acht (8) Monaten betrugen weniger als etwa 5 Grad. Die Probenplättchen wurden
auch in einem Wasserbad für
mehr als 500 Stunden durchtränkt.
Nachdem die Probenplättchen
im Wasserbad durchtränkt
waren, wurde keine signifikante Änderung
des Kontaktwinkels beobachtet. Der Kontaktwinkeltest zeigte, dass
der Kontaktwinkel von Brennstoffzellenplatten, die gemäß der vorliegenden
Offenbarung beschichtet sind, während
des Betriebs eines Brennstoffzellenstapels ausreichend niedrig bleibt.
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Der
XPS-Test bestätigte,
dass die an der Oberfläche
der Probenplättchen
gebildete hydrophile Beschichtung Siliziumdioxid bzw. Silica war.
Der XRF-Test zeigte, dass die hydrophilen Beschichtungen eine Dicke
zwischen etwa 0,4 Mikrometer und etwa 1 Mikrometer besaßen.
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Durch
Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM) wurden Mikrobilder
gemacht, um die Morphologie der gemäß dem Verfahren der Offenbarung
geformten Beschichtungen zu bewerten. Die Mikrobilder wurden mit
Vergrößerungen
von 1000x, 3000x, 10.000x, 30.000x und 100.000x gemacht. Jedes der
Mikrobilder zeigte eine ähnliche Morphologie
bezüglich
der Siliziumdioxidbeschichtungen, die gemäß bekannter Vakuumabscheidungsverfahren
hergestellt wurden. Es ist jedoch überraschend entdeckt worden,
dass die Siliziumdioxiddichte mit den Beschichtungen, die gemäß dem vorliegenden
Verfahren abgeschieden wurden, größer war, als im Vergleich zu
Siliziumdioxidbeschichtungen, durch herkömmliche Verfahren abgeschieden wurden.
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Es
wurden auch elektrochemische Messungen durchgeführt. Proben-Bipolarplatten
wurden gemäß dem vorliegenden
Verfahren so hergestellt, dass sie eine Siliziumoxid-(SiOx)-Beschichtung aufwiesen. Die Proben-Bipolarplatten wurden
in einen Brennstoffzellenstapel bei einem Druck von 7 psig zusammengebaut
und bei einer Temperatur von etwa 80°C, einem Feuchteniveau von 100%
RF und zugeführtem
Wasserstoffgas und Luft bei einem Stöchiometrieverhältnis von
3/3 betrieben. Der Brennstoffzellenstapel wurde für bis zu
etwa 1000 Stunden betrieben. Hochfrequenzresonanz-(HFR)- und Zellenspannungsmessungen
zeigten, dass die Beschichtung in einer typischen Brennstoffzellenbetriebsumgebung
im Wesentlichen stabil war.
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Obwohl
das vorher erwähnte
Beispiel in Bezug auf Siliziumoxid-(SiOx)-Beschichtungen beschrieben ist, sei
dem Fachmann angemerkt, dass gleichermaßen andere Metalloxide, wie
Titanoxid, Zinnoxid und Aluminiumoxid, gemäß dem vorliegenden Verfahren
verwendet werden können.
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Der
Einsatz einer AP-Vorrichtung zum Abscheiden multifunktionaler Beschichtungen
durch einen Prozess, der beispielsweise von den vakuumunterstützen Sol-Gel-Abscheidungsprozessen
abweicht, ist überraschend
kostengünstig.
Das derzeit beschriebene Verfahren ist auch wenig komplex. Die Fähigkeit,
schnell hydrophile/hydrophobe Übergänge durch
Nachbehandlung hydrophober Beschichtungen bereitzustellen, ist mit
der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft, da die Notwendigkeit
von Schritten, wie Maskieren und dergleichen, um hydrophile/hydrophobe Übergange
zu erzeugen, minimiert ist. Da die Beschichtungen, die gemäß dem Verfahren
aufgewachsen sind, im Wesentlichen dieselbe Morphologie wie herkömmliche
Vakuumabscheidungsverfahren und eine größere Dichte besitzen, sei ferner
angemerkt, dass eine Gesamtleistungsfähigkeit und -haltbarkeit mit
Brennstoffzellen, die Brennstoffzellenkomponenten besitzen, die
gemäß der vorliegenden
Erfindung beschichtet sind, verbessert sind.
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Während bestimmte
repräsentative
Ausführungsformen
und Einzelheiten zu Zwecken der Veranschaulichung der Erfindung
gezeigt worden sind, sei dem Fachmann angemerkt, dass verschiedene Änderungen
ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Offenbarung durchgeführt werden
können, der
ferner in den folgenden angefügten
Ansprüchen beschrieben
ist.