DE102009036170B4

DE102009036170B4 - Verfahren zur Herstellung einer hydrophilen Oberfläche auf einer Brennstoffzellenkomponente und Produkt mit einer Brennstoffzellen-Diffusionsmediumschicht mit einer hydrophilen Oberfläche

Info

Publication number: DE102009036170B4
Application number: DE102009036170.7A
Authority: DE
Inventors: Mahmoud H. Abd Elhamid; Youssef M. Mikhail; Gayatri Vyas Dadheech
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2009-08-05
Publication date: 2015-11-12
Anticipated expiration: 2029-08-06
Also published as: DE102009036170A1; US20100035091A1; CN101685864B; CN101685864A; US8221938B2

Abstract

Verfahren, umfassend, dass: eine Brennstoffzellenkomponente bereitgestellt wird, die eine kohlenstoffbasierte, elektrisch leitende Beschichtung aufweist, wobei die kohlenstoffbasierte, elektrisch leitende Beschichtung an ihrer Oberfläche aktive Gruppen aufweist, und ein Polymer, das ionische oder polare Gruppen aufweist, auf die Brennstoffzellenkomponente durch Reaktion mit den aktiven Gruppen aufgepfropft wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung einer hydrophilen Oberfläche auf einer Brennstoffzellenkomponente und ein Produkt mit einer Brennstoffzellen-Diffusionsmediumschicht mit einer hydrophilen Oberfläche.
HINTERGRUND
Bisher sind hydrophile Beschichtungen an Brennstoffzellenkomponenten erzeugt worden. Eine Brennstoffzellenkomponente, wie eine bipolare Platte, die aus einem Metall, wie rostfreiem Stahl, oder einem Kohlenstoffverbundmaterial bzw. -komposit hergestellt ist, ist bisher mit einem Material mit geringem Kontaktwiderstand, wie Kohlenstoff, beschichtet worden. Eine hydrophile Beschichtung ist auch auf die Beschichtung mit geringem Kontaktwiderstand aufgetragen worden, um eine Blockierung des in der bipolaren Platte definierten Reaktionsgasströmungsfeldes durch Wasser zu vermeiden.
Die Druckschrift DE 600 33 016 T2 beschreibt ein Verfahren zur Modifizierung eines polymeren Materials. Die Druckschriften DE 10 2006 025 124 A1 , DE 603 11 985 T2 und US 2007/0 231 671 A1 beschreiben verschiedene Brennstoffzellenanwendungen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst, dass eine Brennstoffzellenkomponente bereitgestellt wird, die eine kohlenstoffbasierte, elektrisch leitende Beschichtung aufweist, wobei die kohlenstoffbasierte, elektrisch leitende Beschichtung an ihrer Oberfläche aktive Gruppen aufweist. Ferner umfasst das Verfahren, dass ein hydrophiles Polymer, das ionische oder polare Gruppen aufweist, auf die Brennstoffzellenkomponente durch Reaktion mit den aktiven Gruppen aufgepfropft wird.
Ein erfindungsgemäßes Produkt umfasst eine Brennstoffzellen-Diffusionsmediumschicht, die ein Papier, eine Matte oder ein Filzmaterial, das/die Kohlenstoff umfasst, und ein hydrophiles Polymer, das ionische oder polare Gruppen aufweist. Das hydrophile Polymer ist an eine Oberfläche der Diffusionsmediumschicht gepfropft und ist Polyethylenimin (PEI).
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 dienen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1 ein Verfahren zum Aufpfropfen ionischer oder polarer Gruppen auf eine Beschichtung, die Kohlenstoffketten aufweist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt;
2 ein Verfahren zum Aktivieren einer Beschichtung auf einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte unter Verwendung eines atmosphärischen Plasmas gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt;
3 ein Verfahren zum Aufpfropfen eines ionischen Polymers auf eine Beschichtung, die eine Kohlenstoffkette sowie aktive Gruppen an der Oberfläche der Beschichtung aufweist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt;
4 ein Verfahren zum Pfropfen eines ionischen Polymers oder eines Polymers mit polaren Gruppen an eine Brennstoffzellen-Diffusionsmediumschicht darstellt, die ein kohlenstoffbasiertes Papier, eine kohlenstoffbasierte Matte oder kohlenstoffbasiertes Filzmaterial aufweist;
5 eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit einer Reaktandengasströmungsfeldeinrichtung, die in deren entgegengesetzte Seiten geätzt oder gegossen ist, und einer hydrophilen Beschichtung, die eine Kohlenstoffkette zumindest über einem Abschnitt von einer der Seiten umfasst, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt; und
6 eine weitere Ausführungsform einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit einem ersten und zweiten Substrat, die gestanzt bzw. geprägt worden sind, um Reaktionsgasströmungsfelder in deren Seiten bereitzustellen, und einer hydrophilen Beschichtung, die eine Kohlenstoffkette über zumindest einem Abschnitt jedes Substrats umfasst, veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter (illustrativer) Natur.
Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung umfasst, dass ein ionisches Polymer oder ein Polymer, das polare Gruppen aufweist, an eine Brennstoffzellenkomponente, die Kohlenstoff aufweist, gepfropft wird, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit einer Beschichtung über zumindest einem Abschnitt derselben, wobei die Beschichtung eine Kohlenstoffkette aufweist, oder eine Brennstoffzellen-Diffusionsmediumschicht, die ein kohlenstoffbasiertes Papier, eine kohlenstoffbasierte Matte oder kohlenstoffbasiertes Filzmaterial aufweist. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Brennstoffzellenkomponente ein Kohlenstoffkompositmaterial aufweisen, beispielsweise eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte aus Kohlenstoffkomposit.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform reagieren ein ionisches Polymer oder ein Polymer, das polare Gruppen aufweist, direkt mit aktiven Gruppen an einer Oberfläche einer Kohlenstoff aufweisenden Brennstoffzellenkomponente. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann eine Kohlenstoff aufweisende Brennstoffzellenkomponente behandelt werden, um aktive Gruppen an deren Oberfläche bereitzustellen, und ein ionisches Polymer oder ein Polymer, das polare Gruppen aufweist, kann auf die Brennstoffzellenkomponente durch Reaktion mit den aktiven Gruppen aufgepfropft werden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform werden aktive Gruppen (reaktive funktionelle Gruppen) an der Oberfläche einer Kohlenstoff enthaltenden Brennstoffzellenkomponente dadurch erzeugt, dass die Brennstoffzellenkomponente atmosphärischem Plasma, Ozon und/oder chemischer Oxidation in wässriger Lösung unter Verwendung von Oxidationsmitteln, wie angesäuertem Kaliumpermanganat, ausgesetzt wird. Bei einer Ausführungsform sind die aktiven Gruppen oxigenierte Gruppen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann ein ionisches Polymer, wie Polyethylenimin (PEI), mit den aktiven Gruppen an der Brennstoffzellenkomponente reagieren, um der Brennstoffzellenkomponente ionische Eigenschaften zu verleihen und eine hydrophile Oberfläche bereitzustellen. Bei einer anderen Ausführungsform kann Polyvinylalkohol auf die Oberfläche oder Beschichtung, die Kohlenstoff enthält, aufgepfropft werden. Bei einer Ausführungsform sieht die Beschichtung einen geringen Kontaktwiderstand vor, so dass eine Beschichtung, wie Gold, über der bipolaren Platte nicht notwendig ist.
Nun Bezug nehmend auf 1 umfasst eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, dass ein Produkt vorgesehen wird, wie ein Substrat 12, das eine Beschichtung 14 darauf aufweist, die ein eine Kohlenstoffkette umfassendes Polymer aufweist. Die Beschichtung umfasst aktive Gruppen (AG) 16 auf einer Oberfläche derselben. Ionische oder polare Gruppen werden auf der Beschichtung durch Aufpfropfen eines Materials, das ionische oder polare Gruppen aufweist, vorgesehen, die mit den aktiven Gruppen 16 reagieren, um ionische oder polare Gruppen (PG) 18 an der Beschichtung 14 bereitzustellen. Die Beschichtung 14 ist elektrisch leitend. Die Beschichtung 14 kann ein Polymer aufweisen, das bei einer Ausführungsform elektrisch leitend ist, oder bei einer anderen Ausführungsform kann die Beschichtung ein Polymer aufweisen, das allgemein isolierend ist und die Beschichtung kann elektrisch leitende Füllstoffpartikel aufweisen. Bei verschiedenen gewählten Ausführungsformen können die leitenden Füllstoffpartikel Gold, Platin, Graphit, Kohlenstoff, leitende Metallnitride und -carbide (beispielsweise Titannitrid, Titancarbid), Titan in Legierung mit Chrom und/oder Nickel, Palladium, Niob, Rhodium, Seltenerdmetalle und/oder andere Edelmetalle aufweisen. Bei einer Ausführungsform umfassen die Partikel Kohlenstoff oder Graphit (d. h. hexagonal kristallisierten Kohlenstoff). Die Partikel umfassen variierende Gewichtsprozentsätze der Beschichtung abhängig von der Dichte und der Leitfähigkeit der Partikel (d. h. Partikel mit einer hohen Leitfähigkeit und einer geringen Dichte können in geringeren Gewichtsprozentsätzen verwendet werden). Kohlenstoff-/Graphithaltige Beschichtungen enthalten typischerweise 25 Gew.-% Kohlenstoff/Graphitpartikel. Die Polymermatrix kann ein beliebiges wasserunlösliches Polymer aufweisen, das in einen dünnen anhaftenden Film geformt wird und das die raue oxidative und saure Umgebung der Brennstoffzelle aushalten kann. Bei verschiedenen gewählten Ausführungsformen können derartige Polymere, wie unter anderem Epoxide bzw. Epoxidharze, Silikone (mit Graphitpartikeln), Polyamidimide, Polyetherimide, Polyphenole, Fluorelastomere (beispielsweise Polyvinylidenfluorid), Polyester, Phenoxyphenole, Epoxidphenole, Acryle bzw. Acrylharze sowie Urethane verwendet werden.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können die aktiven Gruppen (AG) 16 dadurch vorgesehen werden, dass eine Beschichtung 14, die ein eine Kohlenstoffkette aufweisendes Polymer aufweist, behandelt wird, indem sie einem atmosphärischen Plasma, Ozon oder einer chemischen Oxidation unterzogen wird. Nachdem die aktiven Gruppen 16 an der Beschichtung 14 vorgesehen worden sind, kann ein ionisches Polymer auf die Beschichtung 14 aufgepfropft werden, um ionische oder polare Gruppen (PG) 18 bereitzustellen, wie in 3 gezeigt ist.
Nun Bezug nehmend auf 4 umfasst eine andere Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen ionischer oder polarer Gruppen auf einer Brennstoffzellen-Diffusionsmediumschicht, die auf eine dem Fachmann bekannte Art und Weise in einer Brennstoffzelle benachbart der bipolaren Platte vorgesehen sein kann und über einer Elektrodenmembrananordnung liegt. Die Diffusionsmediumschicht 100 kann ein kohlenstoffbasiertes Papier, eine kohlenstoffbasierte Matte oder ein kohlenstoffbasiertes Filzmaterial aufweisen. Das Diffusionsmedium 100 kann atmosphärischem Plasma, Ozon oder chemischer Oxidation ausgesetzt werden, um aktive Gruppen (AG) 16 an deren Oberfläche bereitzustellen. Anschließend kann ein ionisches Polymer oder ein Polymer, das polare Gruppen aufweist, an die Diffusionsmediumschicht 100 durch Reaktion mit den aktiven Gruppen (AG) 16 gepfropft werden, um ionische oder polare Gruppen (PG) 18 an der Oberfläche der Diffusionsmediumschicht 100 bereitzustellen. Die ionischen oder polaren Gruppen (PG) 18 machen die Oberfläche der Diffusionsmediumschicht hydrophil.
Nun Bezug nehmend auf 5 umfasst eine andere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte 500, die ein erstes Substrat 512 aufweist, das eine erste Seite 528 besitzt, die ein darin durch eine Vielzahl von Stegen 530 und Kanälen 532 definiertes Reaktandengasströmungsfeld besitzt. Eine Beschichtung 514, die ein eine Kohlenstoffkette aufweisendes Polymer und ein darauf gepfropftes ionisches Polymer oder Polymer mit polaren Gruppen aufweist, ist über der Seite 528 vorgesehen, die die Stege 530 und Kanäle 532 aufweist. Ein zweites Substrat 513 kann vorgesehen sein, das eine erste Seite 529 besitzt, die darin definiert ein Reaktandengasströmungsfeld aufweist, das eine Vielzahl von Stegen 530 und Kanälen 532 besitzt. Eine Beschichtung 514, die ein eine Kohlenstoffkette aufweisendes Polymer und ein daran gepfropftes ionisches Polymer oder Polymer, das polare Gruppen aufweist, besitzt, ist über zumindest einem Abschnitt der ersten Seite 529 vorgesehen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist die Beschichtung 514 nur in den Kanälen 532 vorgesehen, wobei die Stege 530 unbeschichtet bleiben.
Nun Bezug nehmend auf 6 umfasst eine alternative Ausführungsform einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte 600 ein erstes Substrat 612 und ein zweites Substrat 613, die gestanzt bzw. geprägt worden sind, so dass jedes Substrat 612, 613 ein in einer Seite derselben definiertes Reaktandengasströmungsfeld vorsieht, das eine Vielzahl von Stegen 630 und Kanälen 632 besitzt. Eine Beschichtung 614, die ein gepfropftes ionisches Polymer oder ein polare Gruppen enthaltendes Polymer aufweist, kann über einem Abschnitt des Substrats 612, 613, beispielsweise nur in den Kanälen 632 vorgesehen sein.
Bei einer Ausführungsform wurden Proben aus rostfreiem Stahl mit einer Kohlenstoffbeschichtung beschichtet, die als EB-023 von Acheson Colloids bekannt ist, und wurden dann dadurch behandelt, dass die Kohlenstoffbeschichtung einem atmosphärischen Plasma ausgesetzt wurde. Anschließend wurde die Probe in eine 10% PEI-Lösung getaucht, um das ionische Polymer an die behandelte Kohlenstoffoberfläche zu pfropfen. Die behandelte Probe wurde vollständig gewaschen, um das überschüssige PEI von der beschichteten Oberfläche zu entfernen. Die behandelte Oberfläche der Kohlenstoffbeschichtung wurde dann in Luft ausgetrocknet und anschließend bezüglich ihres Wasserkontaktwinkels geprüft. Es wurde ein Wasserkontaktwinkel von weniger als 15 Grad im Vergleich zu Werten von größer als 80 Grad vor der Behandlung gemessen. Die Probe wurde für eine Zeitdauer von neun Monaten Luft ausgesetzt, und der Wasserkontaktwinkel änderte sich nicht, was angibt, dass die ionischen Eigenschaften, die der Kohlenstoffoberfläche durch die Behandlung verliehen wurden, weniger anfällig gegenüber Kontamination sind, als bei anderen hydrophilen Oberflächen, die an Brennstoffzellenkomponenten verwendet worden sind.

Claims

Verfahren, umfassend, dass: eine Brennstoffzellenkomponente bereitgestellt wird, die eine kohlenstoffbasierte, elektrisch leitende Beschichtung aufweist, wobei die kohlenstoffbasierte, elektrisch leitende Beschichtung an ihrer Oberfläche aktive Gruppen aufweist, und ein Polymer, das ionische oder polare Gruppen aufweist, auf die Brennstoffzellenkomponente durch Reaktion mit den aktiven Gruppen aufgepfropft wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bereitstellen der Brennstoffzellenkomponente umfasst, dass ein Substrat mit der Beschichtung vorgesehen wird und die Brennstoffzellenkomponente einem atmosphärischen Plasma ausgesetzt wird, um die aktiven Gruppen an der Oberfläche der Beschichtung zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzellenkomponente eine Diffusionsmediumschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzellenkomponente eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit der Beschichtung daran umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzellenkomponente eine Kohlenstoffkomposit-Bipolarplatte ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung Epoxidharze, Silikone mit Graphitpartikeln, Polyamidimide, Polyetherimide, Polyphenole, Fluorelastomere, Polyester, Acrylharze und/oder Urethanpolymere umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Beschichtung Epoxide bzw. Epoxidharze, Silikone mit Graphitpartikeln, Polyamidimide, Polyetherimide, Polyphenole, Fluorelastomere, Polyester, Phenoxyphenole, Epoxidphenole, Acryle bzw. Acrylharze und/oder Urethanpolymere umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzellenkomponente eine Bipolarplatte, die ein Reaktandengasströmungsfeld aufweist, das in einer Seite derselben durch eine Vielzahl von Stegen und Kanälen definiert ist, und die Beschichtung umfasst, die in den Kanälen abgeschieden ist, wobei die Stege unbeschichtet bleiben.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Polymer Polyethylenimin umfasst und die ionischen Gruppen Amingruppen umfassen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Polymer einen Polyvinylalkohol umfasst, und die ionischen Gruppen Hydroxylgruppen umfassen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei kein Gold über der bipolaren Platte vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Beschichtung ein Polymer sowie elektrisch leitende Füllstoffpartikel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Beschichtung Graphit umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Beschichtung ferner ein Polymer umfasst.
Produkt, umfassend: eine Brennstoffzellen-Diffusionsmediumschicht, die ein Papier, eine Matte oder ein Filzmaterial, das/die Kohlenstoff umfasst, und ein Polymer das ionische oder polare Gruppen aufweist, wobei das Polymer an eine Oberfläche der Diffusionsmediumschicht gepfropft ist und das Polymer Polyethylenimin ist.