DE102009036171B4

DE102009036171B4 - Verfahren zur galvanischen Abscheidung einer Beschichtung auf eine bipolare Platte einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102009036171B4
Application number: DE102009036171.5A
Authority: DE
Inventors: Mahmoud H. Abd Elhamid; Gayatri Vyas Dadheech; Youssef M. Mikhail
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: 2015-10-22
Anticipated expiration: 2029-08-06
Also published as: DE102009036171A1; US8246808B2; CN101656319A; US20100032306A1

Abstract

Verfahren, umfassend, dass: ein Substrat (30) für eine bipolare Platte einer Brennstoffzelle bereitgestellt wird, das eine erste Seite (31) besitzt, die ein Reaktionsgasströmungsfeld aufweist, das darin durch eine Vielzahl von Stegen (32) und zumindest einen Kanal (34) definiert ist, ein Behälter (12) bereitgestellt wird, von dem ein Schwamm (20), eine positive Elektrode (22) und eine Elektrolytlösung (24) aufgenommen sind, wobei der Schwamm (20) eine Fläche aufweist, die eine Vielzahl von darin definierten erhöhten Merkmalen (46) aufweist, die derart konstruiert und angeordnet sind, so dass die erhöhten Merkmale (46) mit einer Vielzahl erster Abschnitte (42) der Stege (32) des Substrats (30) zur Abscheidung einer elektrisch leitenden Beschichtung daran in Kontakt treten, wobei eine Vielzahl zweiter Abschnitte (44) der Stege (32) nicht mit dem Schwamm (20) in Kontakt treten, und die elektrisch leitende Beschichtung auf die Vielzahl erster Abschnitte (42) der Stege (32) selektiv galvanisiert wird, indem eine elektrische Spannung zwischen die positive Elektrode (22) und das Substrat (30) angelegt wird, wobei die Vielzahl zweiter Abschnitte (44) der Stege (32) durch die elektrisch leitende Beschichtung unbedeckt zurückbleibt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur galvanischen Abscheidung einer Beschichtung auf eine bipolare Platte einer Brennstoffzelle.
HINTERGRUND
Bisher ist es bekannt gewesen, dass bipolare Platten für Brennstoffzellen zumindest einen Reaktionsgasströmungspfad aufweisen, der in einer Oberfläche einer bipolaren Platte durch eine Vielzahl von Stegen und zumindest einen Kanal definiert ist. Um einen Kontaktwiderstand zwischen einer Diffusionsmediumschicht und einer bipolaren Platte zu reduzieren, ist die den Reaktionsgasströmungspfad der bipolaren Platte definierende Oberfläche bisher mit Gold beschichtet worden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur galvanischen Abscheidung einer Beschichtung auf eine bipolare Platte einer Brennstoffzelle anzugeben, wodurch ein geringer Kontaktwiderstand der bipolaren Platte zu einer Diffusionsmediumschicht gewährleistet ist, zugleich sich die Beschichtung aber auch kostengünstig herstellen lässt.
Herkömmliche Verfahren zur galvanischen Abscheidung einer Beschichtung sind aus den Druckschriften DE 10 2004 009 869 A1 , AT 297 435 B , DE 197 58 513 C2 , DE 20 10 139 A , EP 1 468 127 B1 , EP 1 753 896 B1 , EP 1 678 351 B1 , EP 0 203 368 B1 , DE 32 27 878 A1 und EP 0 247 541 B1 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst, dass ein Substrat für eine bipolare Platte einer Brennstoffzelle bereitgestellt wird, das eine erste Seite besitzt, die ein Reaktionsgasströmungsfeld aufweist, das darin durch eine Vielzahl von Stegen und zumindest einen Kanal definiert ist. Ferner wird ein Behälter bereitgestellt, von dem ein Schwamm, eine positive Elektrode und eine Elektrolytlösung aufgenommen sind. Der Schwamm weist eine Fläche auf, die eine Vielzahl von darin definierten erhöhten Merkmalen aufweist, die derart konstruiert und angeordnet sind, so dass die erhöhten Merkmale mit einer Vielzahl erster Abschnitte der Stege des Substrats zur Abscheidung einer elektrisch leitenden Beschichtung daran in Kontakt treten, wobei eine Vielzahl zweiter Abschnitte der Stege nicht mit dem Schwamm in Kontakt treten. Die elektrisch leitende Beschichtung wird auf die Vielzahl erster Abschnitte der Stege selektiv galvanisiert, indem eine elektrische Spannung zwischen die positive Elektrode und das Substrat angelegt wird, wobei die Vielzahl zweiter Abschnitte der Stege durch die elektrisch leitende Beschichtung unbedeckt zurückbleibt.
Andere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch spezifische Beispiele, während sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, nur zu Zwecken der Veranschaulichung dienen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Beispielhafte Ausführungsformen werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1 ein Galvanisiersystem zeigt, das bei einem Verfahren gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform anwendbar ist;
2 eine Draufsicht eines Bodens mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern ist, der bei einem Verfahren gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform anwendbar ist;
2A eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts 2A von 2 ist;
3 eine Schnittansicht einer bipolaren Platte ist, die ein erstes Substrat und ein zweites Substrat aufweist, auf die eine elektrisch leitende Beschichtung galvanisiert werden kann;
4 eine alternative Ausführungsform einer bipolaren Platte einer Brennstoffzelle zeigt, auf die eine elektrisch leitende Beschichtung selektiv galvanisiert werden kann;
5 eine vergrößerte teilweise Draufsicht einer Oberfläche einer bipolaren Platte einer Brennstoffzelle mit einer Vielzahl von Stegen sowie einem Reaktionsgasströmungskanal ist, und bei der eine elektrisch leitende Beschichtung auf Abschnitte der Stege selektiv galvanisiert worden ist, wobei Abschnitte der Stege unbeschichtet bleiben wie auch die Kanäle unbeschichtet bleiben.
6 ein Verfahren zum Galvanisieren gewählter Abschnitte der Stege einer bipolaren Platte einer Brennstoffzelle, das einen Schwamm mit einer Vielzahl erhöhter Merkmale oder Vorsprünge zum Kontakt mit Abschnitten der Stege der bipolaren Platte der Brennstoffzelle verwendet, gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter (illustrativer) Natur.
Nun Bezug nehmend auf 1 bis 2A kann eine Ausführungsform ein Verfahren umfassen, das umfasst, dass ein Galvanisiersystem 10 vorgesehen wird, das einen Behälter 12 aufweist, der Seitenwände 14, einen Deckel 16 sowie einen Boden 18 aufweisen kann, von denen jede(r) ein isolierendes Material sein kann, wie ein Polymermaterial. Der Boden 18 kann eine Polymertafel mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern 21 sein, wie am besten in 2A gezeigt ist. Die Durchgangslöcher 21 können jeweils in einer Vielzahl von Konstruktionen vorliegen und angeordnet sein. Bei einer Ausführungsform kann das Durchgangsloch eine Querschnittsfläche im Bereich von 1 nm bis 100 nm besitzen und kann von Mittelpunkt zu Mittelpunkt um eine Distanz im Bereich von 1 nm bis 100 nm beabstandet sein. Ein Material zum Verlangsamen der Strömung der Elektrolytlösung durch die Durchgangslöcher 21, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, ein Schwamm 20, kann in dem Behälter über dem Boden 18 liegend vorgesehen sein. Eine positive Elektrode (Anode) 22 kann in dem Behälter vorgesehen und mit einer elektrischen Quelle, wie einer Batterie 28, verbunden sein. Die positive Elektrode 22 kann aus einem einer Vielzahl elektrisch leitender Materialien bestehen, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, Materialien mit niedrigem Kontaktwiderstand. Ein geeignetes Material oder eine geeignete Beschichtung mit niedrigem Kontaktwiderstand kann umfassen, ist jedoch nicht darauf beschränkt: Gold, Palladium, Platin, Iridium, Ruthenium, Silber, Legierungen oder Mischungen daraus, die für die positive Elektrode 22 geeignet sein können. Es kann eine Elektrolytlösung 24 in dem Behälter vorgesehen sein, die komplementär zu der positiven Elektrode 22 ist. Ein Beladerohr 26 kann vorgesehen und mit dem Behälter 12 verbunden sein, um die Elektrolytlösung 24 von einem Reservoir wieder aufzufüllen.
Zumindest ein erstes Substrat 30 für eine bipolare Platte einer Brennstoffzelle kann unter dem Boden 18 positioniert und mit der elektrischen Quelle (Batterie) 28 verbunden sein. Das erste Substrat 30 umfasst eine erste Seite 31, die ein Reaktandengasströmungsfeld für die Brennstoffzelle aufweist, das darin durch eine Vielzahl von Stegen 32 und Kanälen 34 definiert ist. Das erste Substrat 30 kann auch eine zweite entgegengesetzte Seite 33 aufweisen, die eine Vielzahl von Abschnitten eines darin definierten Kühlfluidkanals 40 aufweisen kann. Wenn das erste Substrat 30 und die positive Elektrode 22 mit der Batterie 28 verbunden sind, fließen Elektronen von dem ersten Substrat 30 zu der positiven Elektrode 22, so dass Material von der positiven Elektrode in die Elektrolytlösung 24 eintritt und durch die Vielzahl von Durchgangslöchern 36 in dem Boden 18 gelangt, um auf Abschnitte der Stege 32 des ersten Substrats selektiv galvanisiert zu werden, wobei Abschnitte der Stege unbedeckt verbleiben.
3 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform, die ein erstes Substrat 30 zeigt, das eine erste Seite 31 aufweist, die eine Vielzahl von Stegen 32 und Kanälen 34 definiert. Ein zweites Substrat 38, das eine erste Seite 37 aufweist, die ebenfalls eine Vielzahl von Stegen 32 und Kanälen 34 definiert, ist mit dem ersten Substrat 30 verbunden. Zwischen dem ersten Substrat 30 und dem zweiten Substrat 38 kann eine Vielzahl von Kühlmittelfluidströmungskanälen 40 definiert sein. Das erste Substrat 30 kann eine zweite Seite 33 aufweisen, die ebenfalls eine Vielzahl von Stegen und Kanälen definiert. Gleichermaßen kann das zweite Substrat 38 eine zweite Seite 39 besitzen, die eine Vielzahl von Stegen und Kanälen definiert. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform einer bipolaren Platte einer Brennstoffzelle, bei der das erste Substrat 30 und das zweite Substrat 38 wesentlich dicker sein können.
5 ist eine vergrößerte teilweise Draufsicht eines Abschnitts der ersten Seite 31 eines ersten Substrats 30 einer bipolaren Platte einer Brennstoffzelle. Die erste Seite 31 umfasst zumindest einen durch eine Vielzahl von Stegen 32 definierten Reaktionsgasströmungskanal 34. Ein elektrisch leitendes Material 42 ist über Abschnitten der Stege 32 selektiv abgeschieden, wobei Abschnitte 44 von dem elektrisch leitenden Material unbedeckt verbleiben. Ferner können die Kanäle 40 im Wesentlichen frei von dem elektrisch leitenden Material 42 sein.
Nun Bezug nehmend auf 6 kann bei einer Ausführungsform der Erfindung der Behälter 12 so abgewandelt sein, dass der Boden 18 entfernt ist, und der Schwamm 20 kann mit einer Vielzahl erhöhter Merkmale oder Vorsprünge 46 versehen sein, die sich abwärts erstrecken, wobei die benachbarten Vorsprünge 46 durch eine Ausnehmung 48 beabstandet sind, so dass die Vorsprünge 46 selektiv mit Abschnitten der Stege 32 in Kontakt treten, um das elektrisch leitende Material darauf elektrisch zu plattieren bzw. zu galvanisieren.
Bei einer Ausführungsform ist die elektrisch leitende Beschichtung eine Goldlegierung mit bis zu 90 Gew.-% Gold, wobei der Rest ein unedles Metall aufweist. Das unedle Metall kann Zink, Magnesium, Aluminium oder deren Mischungen sein. Bei einer Ausführungsform kann die Legierung eine reaktive Komponente aufweisen, und die reaktive Komponente kann in einer Säure, wie Schwefelsäure, oder einer Base, wie Natrium- oder Kaliumhydroxid, gelöst sein, wodurch Goldinseln auf den Stegen zurückbleiben. Die oben beschriebenen Konstruktionen können derart aufgebaut und angeordnet und betrieben werden, so dass weniger als 30% der Fläche der Stege galvanisiert sind.

Claims

Verfahren, umfassend, dass: ein Substrat (30) für eine bipolare Platte einer Brennstoffzelle bereitgestellt wird, das eine erste Seite (31) besitzt, die ein Reaktionsgasströmungsfeld aufweist, das darin durch eine Vielzahl von Stegen (32) und zumindest einen Kanal (34) definiert ist, ein Behälter (12) bereitgestellt wird, von dem ein Schwamm (20), eine positive Elektrode (22) und eine Elektrolytlösung (24) aufgenommen sind, wobei der Schwamm (20) eine Fläche aufweist, die eine Vielzahl von darin definierten erhöhten Merkmalen (46) aufweist, die derart konstruiert und angeordnet sind, so dass die erhöhten Merkmale (46) mit einer Vielzahl erster Abschnitte (42) der Stege (32) des Substrats (30) zur Abscheidung einer elektrisch leitenden Beschichtung daran in Kontakt treten, wobei eine Vielzahl zweiter Abschnitte (44) der Stege (32) nicht mit dem Schwamm (20) in Kontakt treten, und die elektrisch leitende Beschichtung auf die Vielzahl erster Abschnitte (42) der Stege (32) selektiv galvanisiert wird, indem eine elektrische Spannung zwischen die positive Elektrode (22) und das Substrat (30) angelegt wird, wobei die Vielzahl zweiter Abschnitte (44) der Stege (32) durch die elektrisch leitende Beschichtung unbedeckt zurückbleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material der positiven Elektrode (22) Gold, Palladium, Platin, Iridium und/oder Ruthenium umfasst.