DE102009020223A1

DE102009020223A1 - Hydrolytisch stabile hydrophile Beschichtungen für bipolare PEMFC-Platten

Info

Publication number: DE102009020223A1
Application number: DE102009020223A
Authority: DE
Inventors: Richard H. Macomb Township Blunk; Feng Troy Zhong; Darren R. Albuquerque Dunphy
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-05-13
Filing date: 2009-05-07
Publication date: 2009-11-19
Also published as: US9123921B2; US20090286132A1; CN101582511B; US9054349B2; CN101582511A; US20120052207A1

Abstract

Bipolare Platten, welche für Brennstoffzellenanwendungen geeignet sind, umfassen einen Plattenkörper mit einer Kanal definierenden Oberfläche, welche wenigstens teilweise mit einer hydrophilen Schicht beschichtet ist. Diese hydrophile Schicht umfasst Reste eines Silankupplungsmittels in einer ausreichenden Menge, so dass Teilstücke der ersten hydrophilen Schicht einen Kontaktwinkel von weniger als einem vorbestimmten Wert aufweisen.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft bipolare Platten mit einer verbesserten Hydrophilizität für Brennstoffzellenanwendungen.
2. Hintergrund
Brennstoffzellen werden in vielen Anwendungen als eine elektrische Kraftquelle eingesetzt. Insbesondere werden Brennstoffzellen für die Verwendung in Kraftfahrzeugen vorgeschlagen, um Verbrennungsmotoren zu ersetzen. Ein üblicherweise eingesetztes Brennstoffzellendesign verwendet eine feste Polymerelektrolyt-(”SPE”-)Membran oder Protonenaustauschmembran (”PEM”), um zwischen der Anode und der Kathode einen Ionentransport zu liefern.
In Brennstoffzellen vom Protonenaustauschmembrantyp wird Wasserstoff als Brennstoff zu der Anode und wird Sauerstoff als Oxidationsmittel zu der Kathode geliefert. Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O₂) oder als Luft (eine Mischung aus O₂ und N₂) vorliegen. PEM-Brennstoffzellen weisen typischerweise einen Membranelektrodenaufbau (”MEA”) auf, in dem eine feste Polymerelektrolytmembran auf einer Fläche einen Anodenkatalysator und auf der gegenüberliegenden Fläche einen Kathodenkatalysator aufweist. Die Anoden- und Kathoden-Schichten einer typischen PEM-Brennstoffzelle sind aus porösen leitfähigen Materialien, wie beispielsweise aus gewebtem Graphit, aus graphitierten Blechen oder aus Kohlepapier, gebildet, um es zu ermöglichen, dass der Brennstoff über die Oberfläche der Membran, welche die Brennstoffversorgungselektrode belegt, dispergiert wird. Jede. Elektrode weist fein verteilte Katalysatorpartikel (beispielsweise Platinpartikel) auf, welche auf Kohlenstoffpartikeln getragen werden, um die Oxidation von Wasserstoff an der Anode und die Reduktion von Sauerstoff an der Kathode zu fördern. Protonen strömen von der Anode durch die innenleitfähige Polymermembran zu der Kathode, wo diese mit Sauerstoff kombinieren, um Wasser zu bilden, welches aus der Zelle abgeführt wird. Der MEA ist zwischen einem Paar von porösen Gasdiffusionsschichten (”GDL”) angeordnet, welche wiederum zwischen einem Paar von nicht porösen, elektrisch leitfähigen Elementen oder Platten angeordnet sind. Die Platten wirken als Stromsammler für die Anode und für die Kathode und enthalten geeignete Kanäle und Öffnungen, welche darin gebildet sind, um die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Fläche der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren zu verteilen. Um wirksam Elektrizität zu erzeugen, muss die Polymerelektrolytmembran einer PEM-Brennstoffzelle dünn sein, chemisch stabil sein, protonendurchlässig sein, elektrisch nicht leitfähig sein und gasundurchlässig sein. In typischen Anwendungen werden Brennstoffzellen in Form von Matrizes von vielen einzelnen Brennstoffzellenstapeln bereitgestellt, um große Mengen an elektrischer Energie zu liefern.
Die elektrisch leitfähigen Platten, welche derzeit in Brennstoffzellen eingesetzt werden, weisen eine Vielzahl von Ansatzpunkten zur Verbesserung der Brennstoffzellenleistungsfähigkeit auf. Beispielsweise ist es wünschenswert, die Agglomerisierung von Wassertropfen innerhalb der Strömungskanäle in den Platten zu minimieren. Zu diesem Zweck werden Brennstoffzellen typischerweise mit einer hydrophilen Beschichtung be schichtet. Derzeit werden hydrophile Schichten auf eine leitfähige Platte über einen Mehrschichtklebprozess aufgebracht. Typischerweise erfordert ein solches Verfahren einen Zyklus mit 4-mal Eintauchen in eine hydrophile Beschichtung, wie beispielsweise NanoX. Obwohl solche Verfahren ausreichend gut arbeiten, sind die MLA-Verfahren unerwünscht arbeitsintensiv und erfordern oftmals bis zu 40 Minuten, um beendet zu werden.
Dementsprechend besteht ein Bedarf für eine verbesserte Methodik zum Aufbringen von hydrophilen Beschichtungen auf die Oberflächen von bipolaren Platten, welche in Brennstoffzellenanwendungen eingesetzt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung überwindet eines oder mehrere Probleme des Standes der Technik durch Bereitstellen in wenigstens einer Ausführungsform von bipolaren Platten, welche in Brennstoffzellenanwendungen nützlich sind. Die Brennstoffzellenplatten umfassen einen Plattenkörper mit einer Kanäle ausbildenden Oberfläche, welche wenigstens teilweise mit einer hydrophilen Schicht beschicht ist. Diese hydrophile Schicht umfasst Reste eines Silankupplungsmittels in einer ausreichenden Menge, so dass Teile der ersten hydrophilen Schicht einen Kontaktwinkel von weniger als einem vorbestimmten Wert aufweisen.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen die bipolaren Platten eine zweite hydrophile Schicht, welche über der ersten hydrophilen Schicht angeordnet ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelle, welche die bipolaren Platten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst.
Die 2 ist eine schematische Darstellung einer Variation von bipolaren Platten gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die 3 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der bipolaren Platten gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die 4 ist eine schematische Ansicht noch einer weiteren Ausführungsform der bipolaren Platten gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die 5 ist eine schematische Darstellung von einer noch weiteren Ausführungsform der bipolaren Platten gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die 6A und 6B zeigen ein Flussdiagramm, welches die Herstellung von bipolaren Platten mit einer hydrophilen Beschichtung darstellt.
Die 7 ist ein Säulendiagramm, welches die Fähigkeit der vorliegenden Erfindung zeigt, die Hydrophilizität verglichen mit alternativen Beschichtungstechnologien beizubehalten.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en)
Nunmehr wird im Detail auf derzeit bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, welche die den Erfindern derzeit als besten bekannten Ausführungsformen zum Ausführen der vorliegenden Erfindung darstellen. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Allerdings ist es zu beachten, dass die offenbarten Ausführungsformen für die vorliegende Erfindung, welche in verschiedenen und alternativen Ausführungsformen ausgeführt werden kann, lediglich beispielhaft sind. Daher sind spezifische Details, welche hier offenbart werden, nicht so zu interpretieren, dass diese die vorliegende Erfindung beschränken, sondern lediglich als eine repräsentative Basis für irgendeinen Aspekt der vorliegenden Erfindung und/oder als eine repräsentative Basis zum Anleiten eines Fachmanns, die vorliegende Erfindung auf verschiedensten Weisen auszuführen, zu interpretieren.
Ausgenommen in den Beispielen oder, wenn dies ausdrücklich anders dargestellt ist, sind alle Zahlenmengen in dieser Beschreibung, welche Materialienmengen oder Reaktionsbedingungen und/oder eine Verwendung andeuten, so zu verstehen, dass diese bei der Beschreibung des breitesten Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung durch das Wort ”ungefähr” modifiziert sind. Das Ausführen innerhalb der genannten Zahlengrenzen ist allgemein bevorzugt. Sofern nicht ausdrücklich gegenteilig dargelegt, sind: Prozent, ”Teile von” und Verhältniswerte jeweils pro Gewicht gemeint; umfasst der Begriff ”Polymer” auch ”Oligomer, ”Copolymer”, ”Terpolymer” und dergleichen; bedeutet die Beschreibung einer Gruppe oder einer Klasse von Materialien als geeignet oder als bevorzugt für einen angegebenen Zweck in Verbindung mit der Erfindung, dass jegliche Mischungen aus zwei oder mehreren der Mitglieder der Gruppe oder der Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sind; bezieht sich die Beschreibung von Bestandteilen in chemischen Begriffen auf die Konstituenten zu der Zeit der Zugabe zu irgendeiner Mischung, welche in der Beschreibung spezifiziert ist, und diese schließt nicht notwendigerweise chemische Wechselwirkungen unter den Bestandteilen einer Mischung, sofern diese einmal vermischt sind, aus; ist die erste Definition eines Akronyms oder eine andere Abkürzung auf alle nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung anzuwenden und ist entsprechend auf normale grammatikalische Abweichungen der anfänglich definierten Abkürzung anwendbar; und ist die Messung einer Eigenschaft, sofern dies nicht ausdrücklich gegenteilig erwähnt ist, durch dieselbe Technik, wie zuvor oder nachfolgend für dieselbe Eigenschaft dargelegt, bestimmt worden.
Es ist ebenfalls zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsformen und Verfahren, welche nachfolgend beschrieben werden, beschränkt ist, weil spezifische Bestandteile und/oder Bedingungen naturgemäß variieren können. Ferner wird die hier verwendete Terminologie lediglich zum Zwecke der Beschreibung von besonderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet, und es ist nicht beabsichtigt, dass diese in irgendeiner Weise beschränkend ist.
Es ist ferner zu beachten, dass, sofern in der nachfolgenden Beschreibung und in den beigefügten Patentansprüchen verwendet, die Singularform ”ein”, ”eine” und ”die” auch den Plural einschließt, wenn der Zusammenhang dies nicht klar anderes kenntlich macht. Beispielsweise ist es beabsichtigt, dass die Bezugnahme auf eine Komponente in der Singularform eine Vielzahl von Komponenten umfasst.
Wenn in der vorliegenden Patentanmeldung Veröffentlichungen in Bezug genommen werden, werden die Offenbarungen dieser Veröffentlichungen hiermit in ihrer Gesamtheit durch Referenz in die vorliegende Patentanmeldung einbezogen, um den Stand der Technik, auf dem die vorliegende Erfindung aufbaut, vollständiger zu beschreiben.
In der 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelle dargestellt, welche die bipolaren Platten gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst. Die PEM-Brennstoffzelle 10 umfasst bipolare Platten 12, 14. In der bipolaren Platte 12 umfasst ein Anodenströmungsfeld 18 ein oder mehrere Kanäle 20 zum Einführen eines ersten Gases in die Brennstoffzelle 10. Gleichermaßen umfasst die bipolare Platte 14 ein Kathodengasströmungsfeld 22, welches einen oder mehrere Kanäle 24 zum Einführen eines zweiten Gases in die Brennstoffzelle 10 umfasst. Typischerweise umfasst das erste Gas einen Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff, während das zweite Gas ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise Sauerstoff, umfasst. Zwischen dem Anodenströmungsfeld 18 und der Anodenschicht 32 ist eine Anodendiffusionsschicht 30 angeordnet, während zwischen dem Kathodenströmungsfeld 22 und der Kathodenschicht 36 eine Kathodendiffusionsschicht 34 angeordnet ist. Zwischen der Anodenschicht 32 und der Kathodenschicht 36 ist eine ionenleitende Polymermembran 40 angeordnet.
In der 2 ist eine schematische Wiedergabe einer Variation der bipolaren Platten gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die bipolare Platte 12 umfasst einen Plattenkörper 50 mit einer Kanal ausbildenden Oberfläche 52. Über wenigstens einem Teil der Oberfläche 52 des Plattenkörpers 50 ist eine erste hydrophile Schicht 54 angeordnet. Die erste Schicht 54 umfasst Reste eines Silankupplungsmittels. In einer Verfeinerung der vorliegenden Ausführungsform sind die Reste des Silan kupplungsmittels in einer ausreichenden Menge vorhanden, so dass Teilstücke der Kanal ausbildenden Oberfläche 52, welche mit der ersten Schicht 54 beschichtet sind, einen Kontaktwinkel von weniger als einem vorbestimmten Wert (wenn unbeschichtet) aufweist. In einer anderen Verfeinerung beträgt der Kontaktwinkel weniger als ungefähr 60 Grad. In einer noch weiteren Ausführungsform beträgt der Kontaktwinkel weniger als ungefähr 30 Grad. In einer noch weiteren Verfeinerung beträgt der Kontaktwinkel weniger als ungefähr 15 Grad.
Immer noch unter Bezugnahme auf die 2 bildet die Kanal ausbildende Oberfläche 52 Fluidströmungskanäle 20 aus, welche so ausgestaltet sind, dass diese einen Flüssigkeitsstrom über wenigstens eine Seite der Platte 12 verteilen. In einer Variation der vorliegenden Ausführungsform ist wenigstens ein Teil der ersten Schicht 54 nicht mit irgendwelchen zusätzlichen Schichten beschichtet. Insbesondere sind diese unbeschichteten Bereiche vorzugsweise innerhalb der Strömungskanäle 20 angeordnet, um die Agglomerisation von Wasser in den Strömungskanälen zu verhindern.
In einer anderen Variation der vorliegenden Ausführungsform, welche in der 3 dargestellt ist, umfasst die bipolare Platte des Weiteren eine zweite Schicht 60, welche über der ersten Schicht 54 angeordnet ist. In dieser Variation weisen die Oberflächen, welche mit der zweiten hydrophilen Schicht 60 beschichtet sind, einen Kontaktwinkel von weniger als ungefähr 15 Grad (wenn diese nicht mit weiteren zusätzlichen Schichten beschichtet sind) auf. In dieser Variation ist wenigstens ein Teilstück der zweiten Schicht 60 nicht mit irgendwelchen zusätzlichen Schichten beschichtet. Insbesondere sind diese unbeschichteten Bereiche vorteilhafterweise innerhalb der Strömungskanäle 20 angeordnet, um eine Agglomerisierung von Wasser in den Strömungskanälen zu verhindern. Jede der Variationen, welche in den 2 und 3 dargestellt sind, umfassen eine erste Schicht 54. In einer Verfeinerung der vorliegenden Variation umfasst die zweite Schicht 60 Reste von kolloidalem Silica. Geeignete Materialien für das kolloidale Silica der zweiten Schicht 60 schließen die NanoX-Linie, welche von der Nano-X, GmbH, welche in Saarbrücken, Deutschland, ansässig ist, kommerziell erhältlich ist, ein.
In den 4 und 5 sind weitere Variationen der vorliegenden Ausführungsform dargestellt. In jeder dieser Variationen umfasst die bipolare Platte 12 des Weiteren eine leitfähige Beschichtung 62, welche zwischen der bipolaren Platte 12 und der ersten hydrophilen Schicht 54 angeordnet sind.
In einer weiteren Verfeinerung dieser Variationen weist das Silankupplungsmittel die Formel I auf: Q¹-Q²-Si(R¹)₃ Iworin:
R¹ ein chemischer Rest ist, welcher hydrolysiert werden kann und unter Verwendung von Sol-Gel-Chemie polymerisiert werden kann. In einer Verfeinerung ist R¹ ein Alkoxy oder Halogen. In einer weiteren Verfeinerung ist R¹ ein C_1-6-Alkoxy oder Chlor,
Q¹ ist ein Rest mit einem oder mehreren Atomen umfasst, welche Wasserstoff binden, oder welche energetisch vorteilhafte Wechselwirkungen mit Wasser aufweisen, so dass eine mit dem Kupplungsmittel behandelte Oberfläche hydrophil ist, wobei der Kontaktwinkel in den hier dargelegten Bereichen liegt, und
Q² ein Kohlenwasserstoff enthaltender Rest ist, welcher eine räumliche Trennung zwischen Q¹ und der Si(R¹)₃-Gruppe liefert. In einer Verfeinerung umfasst Q² Alkane, aromatische Ringe, Amine, Ether und Polymere.
Optional ist Q² weiterhin mit zusätzlichen reaktiven Si-Gruppen oder mit nicht reaktiven chemischen Resten substituiert.
In einer anderen Variation der vorliegenden Erfindung weist das Silankupplungsmittel die Formel II auf: (R¹)₃SiQ²Si(R¹)₃ IIworin
R¹ ein chemischer Rest ist, welcher hydrolysiert werden kann und unter Verwendung von Sol-Gel-Chemie polymerisiert werden kann. In einer Verfeinerung ist R¹ ein Alkoxy oder ein Halogen. In einer anderen Verfeinerung ist R¹ ein C_1-6-Alkoxy oder Chlor und
Q² ein Kohlenwasserstoff enthaltender Rest ist, welcher eine räumliche Trennung zwischen Q¹ und der Si(R¹)₃-Gruppe ausbildet. In einer Verfeinerung umfasst Q² Alkane, aromatische Ringe, Amine, Ether und Polymere. Optional ist Q² mit zusätzlichen reaktiven Si-Gruppen oder mit nicht reaktiven chemischen Resten substituiert. Typischerweise ist Q² mit den Siliziumzentren durch eine C-Si- oder durch eine O-Si-Bindung verbunden.
In einer anderen Variation der vorliegenden Erfindung ist das Silankupplungsmittel aus der Gruppe von Verbindungen mit den Formeln III bis VII ausgewählt: (R¹)₃Si-(CH₂)_o-Si(R¹)₃ III X-(CH₂)_o-Si(OR¹)₃ IV
worin:
R¹ dieselbe Bedeutung, wie zuvor beschrieben, aufweist, und X ein Halogen ist. In einer besonders geeigneten Verfeinerung ist X Cl und sind m, n und o, jeweils unabhängig voneinander, eine ganze Zahl zwischen 0 und 10. In einer Verfeinerung sind m, n und o, unabhängig voneinander, eine ganze Zahl zwischen 0 und 5. In einer weiteren Ausführungsform sind m, n und o, unabhängig voneinander, eine ganze Zahl zwischen 0 und 3.
Beispiele für geeignete Silankupplungsmittel, die in dem Abstandshalter Q¹ zusätzliche funktionelle Gruppen aufweisen, sind in den Formeln VII bis XI dargestellt:
In noch einer weiteren Variation der vorliegenden Erfindung wird das Silankupplungsmittel durch die Formel XII beschrieben:
worin:
R¹ die zuvor angegebene Bedeutung aufweist und
n eine ganze Zahl zwischen 0 und 10 ist.
In der 6 ist ein Verfahren zum Ausbilden der bipolaren Platte, welche zuvor beschrieben worden ist, dargestellt. Der Plattenkörper 50 umfasst eine Kanal ausbildende Oberfläche 52, welche Kanäle 20 ausbildet. In einem Schritt a) wird der Plattenkörper 50 mit einem Silankupplungsmittel kontaktiert und dann ausgehärtet, um auf dem Plattenkörper 50 eine unaktivierte erste Schicht 54 auszubilden. In einer Variation der vorliegenden Ausführungsform wird die erste Schicht 54 dann mit einer Säurezusammensetzung kontaktiert, um in dem Schritt b) eine aktivierte erste Beschichtung 54' auszubilden. Obwohl die vorliegende Erfindung nicht von irgendeinem speziellen Mechanismus abhängig ist, wird es erachtet, dass in diesem Aktivierungsschritt kondensierte und hydrophobe Siloxangruppen an der freiliegenden Oberfläche der ersten Beschichtung 54 zu hydrophilen Silanolgruppen hydrolysiert werden. In einer anderen Variation der vorliegenden Erfindung wird die in der 3 oder in der 5 dargestellte Struktur durch Beschichten der aktivierten ersten Beschichtung 54 mit der zweiten Schicht 60, wie in dem Schritt c) dargelegt, ausgebildet. Bei dieser Variation wird es erachtet, dass die Aktivierung gemäß dem Schritt b), wenn durchgeführt, bei der Herstellung einer dauerhaften kovalenten Bindung zwischen den Silanolgruppen auf der ersten Schicht und den Silanolgruppen in der zweiten Schicht unterstützt. In dieser zweiten Variation ist die zweite Schicht 60, wenn diese in eine Brennstoffzelle eingebaut wird, eine hydrophile Schicht.
Die nachfolgenden Beispiele illustrieren verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die Fachleute auf diesem Gebiet werden viele Variationen erkennen, welche in dem Schutzbereich der Patentansprüche und in dem Umfang der vorliegenden Erfindung liegen.
1. Brennstoffzelluntersuchungen einer großen Platte
BTSE wird durch Eintauchen mit einer Eintauchgeschwindigkeit von 12 Inch/Min. auf große mit Au beschichtete Platten aus rostfreiem Stahl beschichtet. Auf der Basis von Ellipsometermessungen ist der BTSE-Film weniger als 50 nm dick, wodurch in den Testbrennstoffzellen eine vernachlässigbare Erhöhung des elektrischen Kontaktwiderstands (”CR”) zwischen der BTSE-Beschichtung auf den Plattenstegen und der Gasdiffusionsschicht (”GDL”) sichergestellt wird. Der CR-Widerstand betrug 10 bis 12 mOhm m² (GDL-zu-GDL, 200 psi, GDL = Toray TGP-H-1.0T). Dieser Wert ist im Wesentlichen mit demjenigen für lediglich die Au-Beschichtung identisch. Die BTSE-Beschichtung wird bei 100°C für 10 Minuten bei einem anfänglichen statischen Kontaktwinkel (CA) in einem Bereich zwischen 50 und 70 Grad gehärtet/kondensiert. Es wird beobachtet, dass dieser Kontaktwinkel kein Aufsaugen von Wasser in die Strömungskanäle ermöglicht.
Die Beschichtung auf den Platten wird in einem angesäuerten Wasserbad (pH = 2) für 12 Stunden aktiviert, um deren CA auf 20 bis 25 Grad zu verringern und dadurch wiederum ein Kanalaufsaugen zu ermöglichen. Nach dem Aktivieren der BTSE-Beschichtung werden die Platten bei Raumtemperatur in ein Silicasolbad eingetaucht und mit kolloidalem Silica (xtec 3408 von der Nano-X GmbH) beschichtet. Das Nano-X wird dann bei Raumtemperatur für 30 Minuten getrocknet. Die Platten werden für Haltbarkeitsuntersuchungen in einen Brennstoffzellenstapel eingetaucht. Die Platten weisen zu dieser Zeit einen CA von weniger als 10 Grad auf. Nach einer Brennstoffzellenuntersuchung für 1.000 Std. gibt es im Wesentlichen keinen Verlust in der Hydrophilizität.
2. Langzeithydrophilizitätsuntersuchung
Auf beiden Seiten von Abschnitten aus rostfreiem Stahl (316L) wird Au bis zu einer Dicke von 20 bis 25 nm elektroplattiert. Die mit Au beschichteten Abschnitte aus rostfreiem Stahl werden mit Isopropylalkohol (IPA) abgerieben, für 5 Minuten in ein alkalisches Bad (einfach grün) eingetaucht und mit deionisiertem (DI) Wasser gespült. Das BTSE wird auf einer Seite der mit Au beschichteten Abschnitte bis auf eine Dicke von 30 nm rotationsbeschichtet (4.000 UpM). Die Beschichtung wird bei 100°C für 4 Stunden ausgehärtet und bei Raumtemperatur in Wasser (pH 3) für 3 Tage aktiviert. Sobald aktiviert, wird der CA von 60 auf 21 Grad verringert.
Die aktivierten Abschnitte aus BTSE/Au/rostfreiem Stahl werden bei Raumtemperatur in Nano-X eingetaucht und für 30 Minuten in Luft getrocknet, um auf einer Seite des Abschnitts NanoX/BTSE/Au-Filme und auf der anderen Seite des Abschnitts NanoX/Au-Filme auszubilden.
Mit Au beschichtete Abschnitte aus rostfreiem Stahl werden ebenfalls mit NanoX unter Verwendung von Schicht-durch-Schicht-Adsorption (LBL) oder durch Mehrschichtadsorption (MLA)-Verfahren, wie in der Patentanmeldung #GP308003 beschrieben, beschichtet. Es werden Cytec Superfloc C-442 (kationisches Polyacrylamid 0,35 g/li in 0,05 M Schwefelsäure) und NanoX, verdünnt auf 10 Vol.-% in 50/50 DI Wasser/Ethanol eingesetzt. Es werden ein 4-mal Eintauchen umfassendes und ein 8-mal Eintauchen umfassendes Verfahren eingesetzt, um Proben mit unterschiedlichen Dicken von Silica zu erzeugen. Ein Verfahren mit 1-mal Eintauchen bedingt ein Eintauchen des Abschnitts in das Polymerbad für 3 Minuten, gefolgt von einem Spülen mit DI-Wasser für 2 Minuten, das Eintauchen in das NanoX-Bad für 3 Minuten und erneutes Spülen mit DI-Wasser.
Alle Proben werden in DI-Wasser bei 80°C aufgeweicht und bezüglich der Hydrophilizitätsretention untersucht. Die Proben werden aus den Wasserbehältern zu den nachfolgenden Zeiten herausgenommen: nach 132 Stunden, nach 336 Stunden, nach 504 Stunden, nach 672 Stunden, nach 840 Stunden, nach 1008 Stunden, nach 1176 Stunden und nach 1269 Stunden, und es werden ihre statischen Kontaktwinkel gemessen. Das Kriterium für das Gebrauchsende (”EOL”) ist, wenn der statische Kontaktwinkel 10 Grad überschreitet. Die Ergebnisse dieser Experimente werden in der 7 mit EOL dargelegt.
3. Herstellung einer BTSE-Arbeitslösung
Eine Mischung aus 6,0 ml Ethanol, 0,72 ml Wasser, 4,65 ml BTESE und 0,125 ml 0,5 M Schwefelsäure wird bei Raumtemperatur für ungefähr 20 Minuten gealtert, um eine Stammlösung auszubilden. Diese Zusammensetzung wird dann mit 12 ml 0,08% konzentrierter Schwefelsäure in Ethanol im Hinblick auf Konsistenz und Stabilisierung und mit 0,51 ml der Stammlösung vermischt, um eine Arbeitslösung zu bilden. Die Arbeitszusammensetzung wird dann für weitere 20 Minuten gealtert. Der pH-Wert dieser Lösung beträgt ungefähr 2.
Während Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargelegt und beschrieben worden sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der vorliegenden Erfindung illustrieren und beschreiben. Vielmehr sind die in der Beschreibung verwendeten Wörter Wörter der Beschreibung als der Beschränkung und es sollte verstanden werden, dass verschiedene Veränderungen durchgeführt werden können, ohne den Umfang und den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims

Elektrisch leitfähige bipolare Platte für den Einbau in eine Brennstoffzelle, wobei die bipolare Platte umfasst: einen Plattenkörper mit einer Kanal ausbildenden Oberfläche und eine erste Schicht, welche über wenigstens einem Teilstück der Oberfläche des Plattenkörpers angeordnet ist, wobei die erste Schicht Reste eines Silankupplungsmittels in einer ausreichenden Menge aufweist, so dass Teilstücke der mit der ersten hydrophilen Beschichtung beschichteten Kanal ausbildenden Oberfläche einen Kontaktwinkel von weniger als einem vorbestimmten Wert aufweisen.
Bipolare Platte nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht eine hydrophile Schicht ist.
Bipolare Platte nach Anspruch 2, wobei der Kontaktwinkel weniger als ungefähr 60 Grad beträgt.
Bipolare Platte nach Anspruch 2, wobei der Kontaktwinkel weniger als ungefähr 30 Grad beträgt.
Bipolare Platte nach Anspruch 1, wobei die Kanal ausbildende Oberfläche einen Satz von Fluidströmungskanälen ausbildet, welche so ausgestaltet sind, dass diese eine Fluidströmung über wenigstens eine Seite der Platte verteilt.
Bipolare Platte nach Anspruch 1, welche des Weiteren einen zweite Schicht aufweist, welche über der ersten Schicht angeordnet ist, wobei die zweite Schicht eine hydrophile Schicht ist.
Bipolare Platte nach Anspruch 6, wobei die mit der zweiten hydrophilen Schicht beschichtete Oberfläche einen Kontaktwinkel aufweist, welcher weniger als ungefähr 15 Grad beträgt.
Bipolare Platte nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht Reste von kolloidalem Silica enthält.
Bipolare Platte nach Anspruch 1, wobei das Silankupplungsmittel die Formel I aufweist: Q¹-Q²-Si(R¹)₃ Iworin: R¹ ein Alkoxy oder ein Halogen ist, Q¹ ein Rest mit einem oder mehreren Atomen ist, welche Wasserstoff binden oder energetisch vorteilhafte Wechselwirkungen mit Wasser aufweisen, und Q² ein Kohlenwasserstoff enthaltender Rest ist, welcher zwischen Q¹ und der Si(R¹)₃-Gruppe eine räumliche Trennung liefert.
Bipolare Platte nach Anspruch 9, wobei das Silankupplungsmittel die Formel II aufweist: (R¹)₃SiQ²Si(R¹)₃ II.
Bipolare Platte nach Anspruch 10, wobei das Silankupplungsmittel Bis-1,2-(triethoxysilyl)ethan (”BTSE”) ist.
Bipolare Platte nach Anspruch 9, wobei das Silankupplungsmittel ein oder mehrere der nachfolgenden Formeln aufweist: (R¹)₃Si-(CH₂)_o-Si(R¹)₃ III X-(CH₂)_o-Si(OR¹)₃ IV
worin: X ein Halogen ist und m, n und 0, jeweils unabhängig voneinander, eine ganze Zahl zwischen 0 und 10 sind.
Bipolare Platte nach Anspruch 9, wobei das Silankupplungsmittel eine oder mehrere der nachfolgenden Formeln aufweist:
Bipolare Platte nach Anspruch 1, wobei das Kupplungsmittel die nachfolgende Formel aufweist:
worin: R¹ ein Alkoxy oder ein Halogen ist und n eine ganze Zahl zwischen 0 und 10 ist.
Bipolare Platte nach Anspruch 1, wobei zwischen der bipolaren Platte und der ersten Schicht eine leitfähige Beschichtung angeordnet ist.
Brennstoffzelle, welche die bipolare Platte nach Anspruch 1 umfasst.
Elektrische bipolare Platte für den Einbau in eine Brennstoffzelle, wobei die bipolare Platte umfasst: einen Plattenkörper mit einer Kanal ausbildenden Oberfläche, eine erste hydrophile Schicht, welche über wenigstens einem Teilstück der Oberfläche des Plattenkörpers angeordnet ist, wobei die erste Schicht Reste eines Silankupplungsmittels umfasst, und eine zweite hydrophile Schicht, welcher über der ersten Schicht angeordnet ist, wobei Teilstücke der Platte, welche durch die erste und die zweite hydrophilen Schichten bedeckt sind, einen Kontaktwinkel von weniger als ungefähr 20 Grad aufweisen.
Bipolare Platte nach Anspruch 17, wobei die zweite hydrophile Schicht Reste umfasst, welche Wasserstoff binden.
Bipolare Platte nach Anspruch 17, wobei das Silankupplungsmittel die Formel I aufweist: Q¹-Q²-Si(R¹)₃ Iworin: R¹ ein Alkoxy oder ein Halogen ist, Q¹ ein Rest mit einem oder mehreren Atomen ist, welche Wasserstoff binden oder energetisch vorteilhafte Wechselwirkungen mit Wasser aufweisen, und Q² ein Kohlenwasserstoff enthaltender Rest ist, welcher zwischen Q¹ und der Si(R¹)₃-Gruppe eine räumliche Trennung schafft.
Bipolare Platte nach Anspruch 17, wobei das Silankupplungsmittel die Formel II aufweist: (R¹)₃SiQ²Si(R¹)₃ II.
Bipolare Platte nach Anspruch 20, wobei das Silankupplungsmittel Bis-1,2-(triethoxysilyl)ethan (”BTSE”) ist.
Verfahren zum Ausbilden einer bipolaren Platte mit einer hydrophilen Beschichtung, wobei das Verfahren umfasst: Kontaktieren eines Plattenkörpers mit einem Silankupplungsmittel, wobei der Plattenkörper eine Kanal ausbildende Oberfläche aufweist, Aushärten des Silankupplungsmittels, um auf dem Plattenkörper eine erste Beschichtung zu bilden, und Kontaktieren der ersten Beschichtung mit einer Säurezusammensetzung, um eine aktivierte erste Beschichtung auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 22, welches des Weiteren das Beschichten der aktivierten ersten Beschichtung mit einer zweiten hydrophilen Schicht umfasst.
Verfahren zum Ausbilden einer bipolaren Platte mit einer hydrophilen Beschichtung, wobei das Verfahren umfasst: Kontaktieren eines Plattenkörpers mit einem Silankupplungsmittel, wobei der Plattenkörper eine Kanal ausbildende Oberfläche aufweist, und Ausbilden einer hydrophilen Beschichtung auf dem Plattenkörper.