DE102009020463A1 - Beschichtungsarchitektur für bipolare Platten für Brennstoffzellen sowie Verfahren zur Herstellung und Verwendung derselben - Google Patents

Beschichtungsarchitektur für bipolare Platten für Brennstoffzellen sowie Verfahren zur Herstellung und Verwendung derselben Download PDF

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Abstract

Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren, umfassend, dass eine bipolare Platte für eine Brennstoffzelle bereitgestellt wird, die ein Reaktandengasströmungsfeld aufweist, das darin durch eine Mehrzahl von Stegen und zumindest einen Kanal definiert ist, und ein Material mit geringem Kontaktwiderstand selektiv über Abschnitten der Stege abgeschieden wird, wobei Abschnitte der Stege von dem Material mit geringem Kontaktwiderstand nicht bedeckt zurückbleiben.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Das Gebiet, das die Offenbarung allgemein betrifft, umfasst bipolare Platten für Brennstoffzellen sowie Verfahren zur Herstellung und Verwendung derselben.
  • HINTERGRUND
  • Bisher ist von bipolaren Platten für Brennstoffzellen bekannt gewesen, dass sie zumindest einen Reaktandengasströmungspfad aufweisen, der in einer Oberfläche der bipolaren Platte durch eine Mehrzahl von Stegen und zumindest einen Kanal definiert ist. Um einen Kontaktwiderstand zwischen einer Diffusionsmediumschicht und der bipolaren Platte zu reduzieren, ist die bipolare Platte bisher mit Gold beschichtet worden.
  • ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Produkt, das eine bipolare Platte aufweist, die eine Mehrzahl von Stegen und zumindest einen Kanal, der einen Reaktandengasströmungspfad definiert, sowie eine Beschichtung mit geringem Kontaktwiderstand aufweist, die selektiv über einer Mehrzahl erster Stellen an den Stegen abgeschieden ist, und so dass eine Mehrzahl zweiter Stellen an den Stegen frei von der Beschichtung mit geringem Kontaktwiderstand ist. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die Beschichtung mit geringem Kontaktwiderstand Gold umfassen.
  • Andere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung sowie 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 eine bipolare Platte mit einem darin definierten Reaktandengasströmungsfeld zur Verwendung bei einem Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung aufweist;
  • 2 eine Maskierung mit einer Mehrzahl von darin definierten Öffnungen zur Anordnung über der in 1 gezeigten bipolaren Platte gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 3 ein Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt, wobei die Maskierung über der bipolaren Platte angeordnet ist, so dass die Öffnungen in der Maskierung über Abschnitten von Stegen und Kanälen an der bipolaren Platte liegen;
  • 4 ein Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt, das umfasst, dass eine Beschichtung mit geringem Kontaktwiderstand durch die Öffnungen in der Maskierung von 3 abgeschieden wird;
  • 5 eine alternative beispielhafte Ausführungsform einer Maskierung mit diskreten Öffnungen, die nach der Anordnung von Stegen in einer bipolaren Platte gemustert sind, zur Verwendung bei einem Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 6 ein Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt, wobei die Maskierung, die diskrete Öffnungen aufweist, über der bipolaren Platte angeordnet ist, so dass die diskreten Öffnungen mit den Stegen an der bipolaren Platte ausgerichtet sind;
  • 7 ein Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt, das umfasst, dass ein Material mit geringem Kontaktwiderstand durch die Öffnungen in der Maskierung und auf einer Mehrzahl beabstandeter Stellen an den Stegen der bipolaren Platte abgeschieden wird;
  • 8 eine alternative beispielhafte Ausführungsform einer Maskierung mit zumindest einer Öffnung hindurch zur Ausrichtung mit einem Kanal einer bipolare Platte zur Abscheidung einer hydrophilen Beschichtung durch die Öffnung in der Maskierung und auf den Kanalabschnitt der bipolaren Platte gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 9 ein Verfahren zum Abscheiden einer hydrophilen Beschichtung über den Stegen und dem Kanal einer bipolaren Platte gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 10 ein Verfahren zum Abscheiden einer Beschichtung mit geringem Kontaktwiderstand über der hydrophilen Beschichtung und über den Stegen und Kanälen einer bipolaren Platte gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt;
  • 11 ein Verfahren, das umfasst, dass eine hydrophile Beschichtung über den Stegen und dem Kanal einer bipolaren Platte abgeschieden wird und anschließend eine Beschichtung mit geringem Kontaktwiderstand nur über den Stegabschnitten der bipolaren Platte abgeschieden wird, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 12 ein Verfahren zum Abscheiden einer hydrophilen Beschichtung über dem Kanalabschnitt einer bipolaren Platte und zum Abscheiden einer Beschichtung mit geringem Kontaktwiderstand über dem Stegabschnitt und nicht in den Kanalabschnitt gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
  • 13 einen Abschnitt eines Brennstoffzellenstapels mit einer Mehrzahl von bipolaren Platten, die eine Beschichtung mit geringem Kontaktwiderstand aufweisen, die über einer Mehrzahl von Stellen an der bipolaren Platte abgeschieden ist, die eine Mehrzahl von Stellen an den Stegen aufweist, wobei eine Mehrzahl von Stellen an den Stegen durch die Beschichtung mit geringem Kontaktwiderstand unbeschichtet zurückbleibt, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter (illustrativer) Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
  • Nun Bezug nehmend auf 1 kann eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren umfassen, das umfasst, dass eine bipolare Platte 10 zur Verwendung in einer Brennstoffzelle bereitgestellt wird. Die bipolare Platte 10 kann ein darin definiertes Reaktandengasströmungsfeld 11 aufweisen. Die bipolare Platte kann eine erste Seite 12 und einen oder mehrere Reaktandengasströmungskanäle 14, 16, 18 aufweisen, die in der ersten Seite 12 zumindest teilweise durch eine Mehrzahl von Stegen 20 definiert sind. Die Pfeile in 1 geben die Richtung bei einer Ausfüh rungsform an, in der ein Reaktandengas durch einen der Kanäle 14, 16, 18 strömen kann.
  • Nun Bezug nehmend auf 2 kann eine Maskierung vorgesehen werden, die eine Mehrzahl darin definierter Öffnungen 24 aufweist. Wie in 2 gezeigt ist, können bei einer beispielhaften Ausführungsform die Öffnungen 24 in der Form länglicher Schlitze vorliegen, die den Bereich der Stege 20 überspannen können, die den Reaktandengasströmungspfad 11 in der bipolaren Platte 10 definieren.
  • Wie in 3 gezeigt ist, kann bei einer beispielhaften Ausführungsform die Maskierung 22 über der bipolaren Platte vorgesehen sein, so dass die länglichen Schlitzöffnungen 24 eine Mehrzahl von Stegen 20 und zumindest einen der Kanäle 14, 16 oder 18 überspannen. Wie in 4 gezeigt ist, kann ein Material oder eine Beschichtung mit geringem Kontaktwiderstand, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, Gold, Palladium, Platin, Iridium, Ruthenium oder Mischungen daraus, durch die Öffnungen 24 in der Maskierung 22 und auf eine Mehrzahl von Abschnitten der Stege und in Abschnitte der Kanäle 14, 16 oder 18 abgeschieden werden. Unter Verwendung der in 4 gezeigten Maskierung 22 wird das Material 26 mit geringem Kontaktwiderstand an einer Mehrzahl von Stellen an den Stegen und einer Mehrzahl von Stellen an den Kanälen abgeschieden. Eine Mehrzahl von Stellen an den Stegen und eine Mehrzahl von Stellen an den Kanälen bleibt von dem Material 26 mit geringem Kontaktwiderstand nicht bedeckt zurück. Somit können die Kosten zur Herstellung einer bipolaren Platte mit einer Beschichtung mit geringem Kontaktwiderstand daran drastisch reduziert werden, da wesentlich weniger von dem Material 26 mit geringem Kontaktwiderstand an der bipolaren Platte 10 im Vergleich zu dem Verfahren nach dem Stand der Technik abgeschieden wird, bei dem die gesamte Fläche der bipolaren Platte bedeckt ist. Trotz der Tatsache, dass die Stege 20 nicht vollständig mit dem Material 26 mit geringem Kontaktwiderstand bedeckt sind, wurde keine signifikante Änderung der Brennstoffzellenleistungsfähigkeit beobachtet. Ferner kann bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform das Material oder die Beschichtung mit geringem Kontaktwiderstand nur so abgeschieden werden, dass es/sie über dem aktiven Bereich der Brennstoffzelle liegt (dem Bereich direkt unter oder über dem Anoden- oder Kathodenkatalysator), um die Menge des Materials mit geringem Kontaktwiderstand, das zur Aufbringung auf die bipolare Platte 10 erforderlich ist, weiter zu reduzieren.
  • In Bezug auf die in den 3 bis 4 gezeigte Maskierung kann, obwohl die Öffnungen 24 in einer rechtwinkligen Richtung zu den Stegen 20 ausgerichtet scheinen, das Verfahren umfassen, dass Streifen aus Material 26 mit geringem Kontaktwiderstand in einer Richtung abgeschieden werden, die nicht allgemein rechtwinklig zu der Längsrichtung der Stege ist und davon schräg gestellt sein kann.
  • Nun kann Bezug nehmend auf 5 bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung eine alternative Maskierung 22 vorgesehen werden, die diskrete Öffnungen 24 umfasst, die darin definiert und angeordnet sind, so dass sie nur mit den Stegen 20 der bipolaren Platte 10 und nicht mit den Kanälen 14, 16 oder 18 ausgerichtet ist.
  • Nun Bezug nehmend auf 6 kann die Maskierung 22 von 5 über der bipolaren Platte 10 angeordnet sein, so dass die diskreten Öffnungen 24 mit den Stegen 20 der bipolaren Platte und nicht mit den Kanälen 14, 16 oder 18 ausgerichtet sind.
  • Nun Bezug nehmend auf 7 kann ein Material 26 mit geringem Kontaktwiderstand durch die diskreten Öffnungen 24 und auf die Stege 20 abgeschieden werden, so dass im Wesentlichen nichts von dem Material mit geringem Kontaktwiderstand in den Kanälen 14, 16 oder 20 abgeschieden wird. Eine Abscheidung des Materials 26 mit geringem Kontaktwiderstand nur auf den Stegabschnitten, wobei Abschnitte des Stegs nicht beschichtet zurückbleiben, reduziert die Menge des Materials mit geringem Kontaktwiderstand, das an der bipolaren Platte benötigt wird, drastisch.
  • Nun Bezug nehmend auf 8 kann bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung eine alternative Maskierung 122 vorgesehen werden, die eine Mehrzahl von Öffnungen 114, 116, 118 aufweist, die darin geformt und derart konstruiert und angeordnet sind, so dass sie mit den Kanälen 14, 16 und 18 der bipolaren Platte ausgerichtet sind. Die Maskierung 122 kann über der bipolaren Platte angeordnet werden, und eine hydrophile Beschichtung kann durch die Öffnungen 114, 116 und 118 abgeschieden werden, so dass die hydrophile Beschichtung im Wesentlichen nur in den Kanälen 14, 16 oder 18 der bipolaren Platte und nicht auf den Stegen 20 abgeschieden wird. Die hydrophile Beschichtung, die nur in den Kanälen 14, 16 oder 18 abgeschieden wird, kann ein Wassermanagement eines Brennstoffzellenstapels verbessern, wodurch die Wahrscheinlichkeit, dass Wassertröpfchen eine Reaktandengasströmung durch die Kanäle 14, 16 oder 18, die in der bipolaren Platte 10 geformt sind, blockieren, reduziert ist.
  • Nun Bezug nehmend auf 9 kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung eine erste Beschichtung 40, die ein hydrophiles Material sein kann, über den Oberflächen 12, 12', die die Stege 20, 20' und die Kanäle 14, 14' aufweisen, abgeschieden werden. Die Kanalab schnitte 14, 14' können durch eine untere Wand oder einen Boden 34 und zumindest eine erste Seitenwand 36 bzw. optional eine zweite Seitenwand 38, 38' definiert sein. Wie in 10 gezeigt ist, kann anschließend das Material 26 mit geringem Kontaktwiderstand selektiv über Abschnitten der Stege 20, 20' und Kanäle 14, 14' abgeschieden werden, wodurch die Abschnitte der Stege 20, 20' und der Kanäle 14, 14' von dem Material mit geringem Kontaktwiderstand unbeschichtet zurückbleiben.
  • Nun Bezug nehmend auf 11 kann bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung die erste Beschichtung 40 über den Stegen 20, 20' und den Kanälen 14, 14' der bipolaren Platte abgeschieden werden und anschließend kann das Material 26, 26' mit geringem Kontaktwiderstand im Wesentlichen nur über den Stegen 20, 20' abgeschieden werden, ohne eine signifikante Menge des Materials 26 mit geringem Kontaktwiderstand in den Kanälen 14, 14' abzuscheiden.
  • Nun Bezug nehmend auf 12 kann bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung die erste Beschichtung 40, die eine hydrophile Beschichtung sein kann, nur in den Kanälen 14, 14' abgeschieden sein, und das Material 26, 26' mit geringem Kontaktwiderstand kann im Wesentlichen nur über den Stegen 20, 20' abgeschieden sein, so dass im Wesentlichen kein Material 26 mit Kontaktwiderstand in den Kanälen 14, 14' abgeschieden wird. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird im Wesentlichen keine hydrophile Beschichtung über den Stegen 20, 20' abgeschieden.
  • Nun Bezug nehmend auf 13 umfasst eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung ein Produkt 10, wie einen Brennstoffzellenstapel, der eine Mehrzahl von bipolaren Platten 10 aufweist, die ein Material 26 mit geringem Kontaktwiderstand besitzen, das selektiv über Abschnitten der Stege 20, 20' abgeschieden ist, wobei Abschnitte der Stege 20, 20' von dem Material 26 mit geringem Kontaktwiderstand nicht bedeckt zurückbleiben. Der Brennstoffzellenstapel kann einen Soft-Goods- bzw. Weichgutabschnitt 44 aufweisen, der eine Membran 46 aufweisen kann, die eine erste Seite 48 und eine zweite Seite 50 besitzt, wobei eine Kathodenelektrode 52 über der ersten Seite 48 der Membran 46 abgeschieden sein kann und eine Anodenelektrode 58 über der zweiten Seite 50 der Membran 46 abgeschieden sein kann. Eine anodenseitige Gasdiffusionsmediumschicht, die eine mikroporöse Schicht 56 daran aufweisen kann, kann zwischen der Anodenkatalysatorschicht 52 und der bipolaren Platte 10 angeordnet sein. Das Material 26 mit geringem Kontaktwiderstand über den Stegen 20, 20' der bipolaren Platte 10 steht mit der anodenseitigen Gasdiffusionsmediumschicht 54 in Kontakt. Gleichermaßen kann eine kathodenseitige Gasdiffusionsmediumschicht 60 mit einer mikroporösen Schicht 62 daran zwischen der Kathodenkatalysatorschicht 58 und einer zweiten bipolaren Platte 10 angeordnet sein, so dass die Beschichtung 26 mit geringem Kontaktwiderstand an den Stegen 20 mit der kathodenseitigen Gasdiffusionsmediumschicht 60 in Kontakt steht. Die bipolare Platte 10 kann aus einem ersten Substrat 28 und einem zweiten Substrat 28' bestehen, die aneinandergeschweißt sein können, um Kühlmittelströmungskanäle 32 zur Strömung von Kühlfluid durch das Zentrum der bipolaren Platte 10, um diese zu kühlen, zu definieren.
  • Die obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen derselben nicht als Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.

Claims (23)

  1. Verfahren, umfassend, dass: eine bipolare Platte für eine Brennstoffzelle vorgesehen wird, die ein Reaktandengasströmungsfeld aufweist, das darin durch eine Mehrzahl von Stegen und zumindest einen Kanal definiert ist, und selektiv ein Material mit geringem Kontaktwiderstand über gewählten Abschnitten der Stege abgeschieden wird, wobei Abschnitte der Stege von dem Material mit geringem Kontaktwiderstand nicht bedeckt zurückbleiben.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das selektive Abscheiden so ausgeführt wird, dass gewählte Abschnitte des zumindest einen Kanals mit dem Material mit geringem Kontaktwiderstand bedeckt werden, wobei Abschnitte des zumindest einen Kanals von dem Material mit geringem Kontaktwiderstand nicht bedeckt zurückbleiben.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das selektive Abscheiden umfasst, dass eine Maskierung mit einer Mehrzahl von Öffnungen über der bipolaren Platte angeordnet wird und das Material mit geringem Kontaktwiderstand durch die Öffnungen in der Maskierung abgeschieden wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Öffnungen in der Maskierung in der Form länglicher Schlitze vorliegen.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die länglichen Schlitze allgemein in einer rechtwinkligen Richtung zu den Stegen verlaufen.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die länglichen Schlitze in einer schräg gestellten Richtung in Bezug auf die Längsrichtung der Stege verlaufen.
  7. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die länglichen Schlitze die Mehrzahl von Stegen und zumindest einen Kanal überspannen.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend, dass selektiv ein Material mit geringem Kontaktwiderstand über gewählten Abschnitten des zumindest einen Kanals abgeschieden wird, wobei Abschnitte des zumindest einen Kanals von dem Material mit geringem Kontaktwiderstand nicht bedeckt zurückbleiben.
  9. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Öffnungen diskrete Öffnungen sind, die jeweils im Wesentlichen nur mit einem Steg ausgerichtet sind.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das selektive Abscheiden so durchgeführt wird, dass im Wesentlichen kein Material mit geringem Kontaktwiderstand in dem zumindest einen Kanal abgeschieden wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material mit geringem Kontaktwiderstand Gold umfasst.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass eine hydrophile Beschichtung in dem zumindest einen Kanal abgeschieden wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Abscheiden der hydrophilen Beschichtung vor dem selektiven Abscheiden eines Materials mit geringem Kontaktwiderstand durchgeführt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die hydrophile Beschichtung über im Wesentlichen der gesamten Seite der bipolaren Platte abgeschieden wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die hydrophile Beschichtung im Wesentlichen nur in dem zumindest einen Kanal abgeschieden wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Materialien mit geringem Kontaktwiderstand über der hydrophilen Beschichtung abgeschieden sind.
  17. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Material mit geringem Kontaktwiderstand im Wesentlichen nur an den Stegen abgeschieden wird und die hydrophile Beschichtung im Wesentlichen nur in dem zumindest einen Kanal abgeschieden wird.
  18. Produkt, umfassend: eine bipolare Platte für eine Brennstoffzelle mit einem Kühlmittelgasströmungsfeld, das darin durch eine Mehrzahl von Stegen und zumindest einen Kanal definiert ist, und einem Material mit geringem Kontaktwiderstand, das selektiv über Abschnitten der Stege abgeschieden ist, wobei Abschnitte der Stege von dem Material mit geringem Kontaktwiderstand nicht bedeckt zurückbleiben.
  19. Produkt nach Anspruch 18, ferner mit einem Material mit geringem Kontaktwiderstand, das in dem zumindest einen Kanal selektiv abgeschieden ist, wobei Abschnitte des zumindest einen Kanals von dem Material mit geringem Kontaktwiderstand nicht bedeckt zurückbleiben.
  20. Produkt nach Anspruch 18, wobei im Wesentlichen kein Material mit geringem Kontaktwiderstand in dem zumindest einen Kanal abgeschieden ist.
  21. Produkt nach Anspruch 18, wobei das Material mit geringem Kontaktwiderstand Gold umfasst.
  22. Produkt nach Anspruch 18, ferner mit einer Diffusionsmediumschicht, die über der bipolaren Platte liegt und in Kontakt mit dem Material mit geringem Kontaktwiderstand steht, und wobei die Diffusionsmediumschicht derart konstruiert und angeordnet ist, um Brennstoffzellen-Reaktandengase, die in die Diffusionsmediumschicht von dem Reaktandengasströmungsfeld, das in der bipolaren Platte definiert ist, strömen, zu verteilen.
  23. Produkt nach Anspruch 21, ferner mit einer Katalysatorschicht, die über der Gasdiffusionsmediumschicht liegt, und einer protonenleitenden Membran, die über der Katalysatorschicht liegt.
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