DE102010027294A1

DE102010027294A1 - Leitende und hydrophile Oberflächenveränderung einer bipolaren Platte für Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE102010027294A1
Application number: DE102010027294A
Authority: DE
Inventors: Richard H. Macomb Township Blunk; Ping Irvine Liu; Sky Leigh Van Culver City Atta; Kevin W. Calabasas Hills Kirby
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-07-20
Filing date: 2010-07-16
Publication date: 2011-04-14
Anticipated expiration: 2030-07-17
Also published as: CN105655611A; CN101958421A; US9130201B2; US20110014548A1; DE102010027294B4

Abstract

Eine Brennstoffzelle umfasst eine bipolare Platte mit einer leitenden und hydrophilen Oberflächenschicht, die auf zumindest einem Teil ihres Außenbereichs angebracht ist. Die Oberflächenschicht umfasst ein leitendes Kohlenstoffmaterial mit einer hydrophilen organischen Gruppe, die kovalent an ihrer Oberfläche angelagert ist. Ein Verfahren zur Herstellung einer bipolaren Platte und einer Brennstoffzelle wird ebenfalls offenbart.

Description

Technisches Gebiet
Das technische Gebiet, auf das sich die Offenbarung im Allgemeinen bezieht, umfasst bipolare Platten für Brennstoffzellen.
Hintergrund
Eine Brennstoffzelle besteht gewöhnlich aus einer Reihe von Membranelektrodenanordnungen und bipolaren Platten, die auf alternierende Weise aufeinander gestapelt sind. Die Membranelektrodenanordnung ist typischerweise aus einer ionenleitenden Membran hergestellt, die zwischen jeweils auf gegenüberliegenden Seiten der Membran angeordneten Anoden- und einem Kathodenabschnitten angeordnet ist. Eine bipolare Platte ist ein plattenähnlicher elektrischer Leiter mit einer Vielzahl von Kanälen zum Fluiddurchlauf. Reaktive Gase, die eine Brennstoffzelle versorgen, strömen durch diese Kanäle, um die Anoden- und Kathodenabschnitte zu erreichen, in denen elektrochemische Reaktionen der Gase stattfinden und von denen Elektrizität erzeugt wird. Die Elektrizität, die von den elektrochemischen Reaktionen erzeugt wird, wird gesammelt und durch die bipolare Platte an einen äußeren Stromkreis geleitet. Die bipolare Platte muss somit eine hohe elektrische Leitfähigkeit oder einen niedrigen Kontaktwiderstand aufweisen, um den Energieverlust und die Wärmeentwicklung zu reduzieren.
Im Fall einer Wasserstoff-Brennstoffzelle ist der Wasserhaushalt eine der größten Herausforderungen. Wasser wird in einer Wasserstoff-Brennstoffzelle ständig erzeugt und die ionenleitende Membran muss einen bestimmten Hydratationsgrad beibehalten. Wenn eine Wasserstoff-Brennstoffzelle bei einer geringen Stromdichte betrieben wird, z. B. bei 0,2 A/cm², ist kein ausreichender Gasstrom vorhanden, um das Wasser zu entfernen, das von der elektrochemischen Reaktion in dem Kathodenabschnitt erzeugt wird. In den Fluiddurchläufen können sich Wassertropfen bilden und die Versorgung der Elektrode mit einem reaktiven Gas blockieren. Ohne die Versorgung mit einem reaktiven Gas erzeugt der blockierte Abschnitt der Brennstoffzelle keine Elektrizität. Die Leistung der Brennstoffzelle wird sich aufgrund der nicht homogenen Stromverteilung verschlechtern. Ein derartiges Phänomen ist als niedrige Leistungsstabilität (LPS) bekannt.
Herkömmliche hydrophile Beschichtungen oder Behandlungen auf einer bipolaren Platte können den Wasserhaushalt verbessern, beeinflussen aber den elektrischen Kontaktwiderstand gewöhnlich negativ. Herkömmliche hydrophile Beschichtungen und Behandlungen können auch zu einer Erhöhung der wasserauslaugbaren Schadstoffe und zu einer elektrochemischen Verschlechterung der bipolaren Platte, der Elektroden und der Membranen führen.
Zusammenfassung von exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung
Eine Ausführungsform schließt eine bipolare Platte für eine Brennstoffzelle mit einer leitenden und hydrophilen Oberflächenschicht ein, die auf zumindest einem Teil ihres Außenbereichs angebracht ist. Die Oberflächenschicht umfasst ein leitendes Kohlenstoffmaterial mit einer hydrophilen organischen Gruppe, die kovalent an ihrer Oberfläche angelagert ist.
Eine weitere Ausführungsform schließt ein Verfahren zur Herstellung einer bipolaren Platte ein, welche die Bereitstellung einer bipolaren Platte für eine Brennstoffzelle mit einem Kohlenstoffmaterial, das auf zumindest einem Teil ihres Außenbereichs angebracht ist, das In-Kontakt-Bringen des Kohlenstoffmaterials mit einem organischen Molekül mit zumindest einer hydrophilen Gruppe und das Veranlassen des organischen Moleküls, mit dem Kohlenstoffmaterial so zu reagieren, dass die hydrophile Gruppe kovalent auf dem Kohlenstoffmaterial angelagert wird, umfasst.
Eine weitere Ausführungsbeispiel schließt ein Verfahren ein, das die Bereitstellung eines Kohlenstoffmaterials und einer bipolaren Platte für eine Brennstoffzelle, das kovalente Anlagern einer hydrophilen organischen Gruppe auf dem Kohlenstoffmaterial durch eine chemische Reaktion und das Ablagern des Kohlenstoffmaterials auf zumindest einem Teil des Außenbereichs der bipolaren Platte umfasst, um eine leitende und hydrophile Oberflächenschicht zu bilden. Unter Verwendung der bipolaren Platte kann ein Brennstoffzellenstapel zusammengebaut werden.
Weitere exemplarische Ausführungsformen der Erfindung werden durch die detaillierte Beschreibung offensichtlich, die im Folgenden bereitgestellt wird. Es sollte davon ausgegangen werden, dass die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele, während diese exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung offenbaren, nur Zwecken der Veranschaulichung dienen und nicht dazu, den Schutzumfang der Erfindung einzuschränken
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand der detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden, worin:
1 eine schematische Veranschaulichung einer exemplarischen chemischen Veränderung einer Kohlenstoffmaterial-Oberflächenschicht ist.
2 eine schematische Veranschaulichung eines exemplarischen ionischen Adsorptionsverfahrens zur Ablage eines hydrophilen und leitenden Kohlenstoffmaterials auf der Oberfläche einer bipolaren Platte ist.
3 eine schematische Veranschaulichung einer exemplarischen chemischen Veränderung des Außenbereichs einer bipolaren Platte ist.
4 eine schematische Veranschaulichung einer exemplarischen chemischen Veränderung einer bipolaren Platte mit einer Kohlenstoffmaterial-Oberflächenschicht ist.
5 eine schematische Zeichnung eines exemplarischen Brennstoffzellenstapels in einer nicht zusammengebauten perspektivischen Ansicht ist.
Detaillierte Beschreibung exemplarischer Ausführungsformen
Die nachfolgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich exemplarischer Art und ist in keiner Weise dazu beabsichtigt, die Erfindung, ihre Anwendung oder ihre Verwendungen einzuschränken.
Es können verschiedene chemische Reaktionen verwendet werden, um die Oberfläche eines Kohlenstoffmaterials zu verändern und hydrophil zu machen. Eine exemplarische Reaktion zwischen einem Kohlenstoffmaterial und einem aromatischen Diazoniumsalz wird in 1 veranschaulicht. In diesem Beispiel wird ermöglicht, dass ein organisches Diazoniumsalz 11, dargestellt durch die Formel X^–N₂ ⁺-Ar-SO₃H, mit einem Kohlenstoffmaterial 10 reagiert, um ein verändertes Kohlenstoffmaterial 12 mit einer hydrophilen aromatischen Sulfonat(-Ar-SO₃)-Gruppe zu bilden, die kovalent an der Kohlenstoffmaterial-Oberfläche angelagert ist. Als ein Produkt einer solchen Reaktion wird Stickstoffgas, N₂, freigesetzt. ”Ar” in dem Diazoniumsalz ist ein aromatisches Radikal, ”-N₂ ⁺” ist ein Diazoniumradikal und ”X^–” ist ein Anion. Ähnliche Reaktionen zwischen einem Diazoniumsalz und einem Kohlenstoffmaterial werden in den US-Patentschriften mit den Nummern 5,554,739 und 5,922,118 beschrieben, die hier durch Bezugnahme eingeschlossen werden. Es können weitere chemische Reaktionen zwischen einem Kohlenstoffmaterial und einem Molekül, das eine hydrophile Gruppe umfasst, auf eine ähnliche Weise eingesetzt werden, um eine hydrophile Gruppe kovalent an ein Kohlenstoffmaterial anzulagern.
Es könne alle organischen Moleküle verwendet werden, um mit einem Kohlenstoffmaterial zu reagieren, welche eine hydrophile Gruppe HG, die durch die chemische Formel X^–N₂ ⁺-Ar-HG dargestellt wird, umfasst. Beispiele für die anionische Gruppe, X^–, können Sulfat, Carbonat, Nitrat, Chlorid, Bromid, Iodid, Fluorid, Phosphat, Borat, Chlorat, Hydroxid und Silicat einschließen. Beispiele für das aromatische Radikal, Ar, können ein Radikal von Benzol, Naphthalen, Alkylbenzol, Biphenyl, Triphenyl, Phenol, Pyridin, Anthracen, Pyren, Phenylether, Phenylester und alle anderen ihrer entsprechenden Derivate einschließen. Eine hydrophile Gruppe, -HG, ist ein organisches Radikal mit einer starken Polarität und ist dazu in der Lage, die Oberfläche eines Kohlenstoffmaterials hydrophil zu machen, wenn sie kovalent an der Kohlenstoffoberfläche angelagert ist. Die hydrophile Gruppe kann ein anionisches, kationisches oder nichtionisches Radikal sein. Der Ionencharakter der an Kohlenstoff angelagerten hydrophilen Gruppen erhöht die Robustheit gegenüber einer Verunreinigung, d. h. die Oberfläche bleibt bei Anwesenheit von Luft-Kohlenwasserstoffen länger hydrophil. Beispiele für anionische hydrophile Gruppen schließen Sulfonsäure, Carbonsäure, Phosphonsäure, Boronsäure und ihre entsprechenden Salze ein. Beispiele für nichtionische hydrophile Gruppen können ein Radikal von Alkohol, Keton, Ethoxyl, Polyethylenoxid, Methoxyl, Amid und Harnstoff einschließen. Beispiele für kationische hydrophile Gruppen können ein Radikal von primärer Amin-, sekundärer Amin-, tertiärer Amin-, quaternärer Amin-, Pyridinium- und Phosphoniumgruppe einschließen.
Das organische Molekül, X^–N₂ ⁺-Ar-HG kann durch die Kombination eines aromatischen Amins, umfassend eine hydrophile Gruppe, -HG, mit einem Nitritsalz, salpetriger Säure, Stickstoffdioxid oder einer Mischung aus Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid in situ zubereitet werden. Beispiele für aromatische Amine können Sulfanilsäure, 4-Aminobenzoesäure, 4-Aminosalicylsäure, 7-Amino-4-hydroxy-2-naphthalensulfonsäure, Aminophenylboronsäure, Aminophenylphosphonsäure, 4-Aminophthalsäure, 2-Amino-1-naphthalensulfonsäure, 5-Amino-2-naphthalensulfonsäure, Metanilsäure, N-(4-Aminobenzoyl)-B-alanin, N-(4-Aminobenzoyl)-L-glutaminsäure, p-Aminohippursäure, 2-Naphthylamin-1-sulfonsäure (Tobiassäure) und 1-Amino-4-(trialkylamino)-benzol sein. Wenn ein Nitritsalz, wie z. B. Natriumnitrit, Kaliumnitrid oder Magnesiumnitrid, verwendet wird, kann weiter eine Säure eingeschlossen werden, um die Bildung des Diazoniumsalzmoleküls zu erleichtern. Es kann jede organische oder anorganische Säure verwendet werden, einschließlich z. B. Ameisensäure, Essigsäure, Chlorwasserstoffsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure und Toluolsulfonsäure. Mehrere exemplarische Reaktionen werden in den folgenden Reaktionsschemata gezeigt (1–3):
Das Kohlenstoffmaterial kann jede elektrisch leitende Form von Kohlenstoff oder Kohlenverbundwerkstoff einschließen. Beispiele für Kohlenstoffmaterial können Graphit, Ruß, amorphen Kohlenstoff, Kohlenstofffaser, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Kohlenverbundwerkstoff einschließen.
Das organische Diazoniummolekül kann mit Kohlenstoffmaterial in einem großen Bereich von Bedingungen reagieren. Die Reaktion kann in einem Temperaturbereich von 0°C bis ungefähr 100°C und bei einem pH zwischen 1 und 9 durchgeführt werden. Die Reaktion kann in einer wässrigen Lösung, in einem polaren organischen Lösemittel oder in einer Lösemittelmischung durchgeführt werden. Die Reaktion kann in einer wässrigen Lösung oder in Anwesenheit einer Säure leicht stattfinden. Je nach dem Verhältnis zwischen der Menge an organischen Molekülen und dem Oberflächenbereich des Kohlenstoffmaterials können verschiedene Mengen der hydrophilen Gruppen kovalent an der Oberfläche des Kohlenstoffmaterials angelagert werden. Die Menge an kovalent angelagerten hydrophilen Gruppen auf dem Kohlenstoffmaterial kann zwischen ungefähr 0,01 bis ungefähr 5 Millimol pro Quadratmeter (mmol/m²) oder 0,1 bis 4 mmol/m² liegen. Der Wasserkontaktwinkel der veränderten Kohlenstoffmaterial-Oberflächenschicht liegt typischerweise unterhalb von ungefähr 40 Grad oder unterhalb von 20 Grad.
Das veränderte Kohlenstoffmaterial mit einer hydrophilen Gruppe, HG, kovalent an seiner Oberfläche angelagert, zeigt hydrophile Eigenschaften und eine gute elektrische Leitfähigkeit. Im Unterschied zu einer herkömmlichen Beschichtung unter Verwendung von anorganischen Oxiden oder hydrophilen Harzen laugt die kovalent angelagerte hydrophile Gruppe während des Brennstoffzellenbetriebs nicht in Wasser aus. Die hydrophile Wirkung ist in einem großen Bereich von Brennstoffzellen-Betriebsbedingungen sehr dauerhaft und elektrochemisch stabil. Der elektrische Kontaktwiderstand der veränderten Kohlenstoff-Oberflächenschicht ist typischerweise ähnlich demjenigen der Kohlenstoff-Oberflächenschicht ohne Veränderung. Obwohl der Anmelder nicht wünscht, an eine bestimmte Theorie gebunden zu werden oder von dieser gebunden zu sein, wird davon ausgegangen, dass die starke Polarität der hydrophilen Gruppe bei einer molekularen Dicke auf der Oberfläche eines Kohlenstoffmaterials die elektrische Leitung auf einer Kontaktschnittstelle nicht negativ beeinflusst. Wenn eine ionische hydrophile Gruppe auf der Kohlenstoffmaterial-Oberfläche angelagert ist, ist auch ein ionischer Leitungsmechanismus möglich. Einige der hydrophilen Gruppen, wie z. B. Benzolsulfonsäure, Benzolphosphonsäure, Benzolcarbonsäure, Phthalsäure, Terephthalsäure, Isophthalsäure, ihre entsprechenden Salze und Derivate zeigen eine hohe elektrochemische Stabilität und halten somit harten Betriebsbedingungen in einem anspruchsvollen Brennstoffzellendesign stand.
Ein verändertes Kohlenstoffmaterial kann auf einer bipolaren Platte für Brennstoffzellen unter Verwendung von verschiedenen Ablageverfahren abgelegt werden, darin eingeschlossen, aber nicht beschränkt auf, ionische Adsorptions-, chemische Gasphasenabscheidungs-, physikalische Gasphasenabscheidungs-, Atomlagenbeschichtungs-, Sprühbeschichtungs-, Plasmaabscheidungs-, Tauchbeschichtungs-, Drawndown-Beschichtungs-, Druck-, elektrochemische Beschichtungs- und Wärmesprühverfahren. Ein exemplarisches ionisches Adsorptionsverfahren wird in 2 veranschaulicht. Eine bipolare Platte 13 wird zunächst mit einer Lösung mit einer kationischen Spezies 14 in Kontakt gebracht. Die kationische Spezies ist typischerweise ein Molekül oder ein Harz, umfassend ein Kation, das auf der Oberfläche des Kohlenstoffmaterials adsorbiert oder auf andere Weise gebunden werden kann. Exemplarische kationische Spezies können Polyamine, quartäre Ammoniumsalze, Polyethylenimin, Diethylaminoethyl(meth)acrylat-Polymere und -Copolymere, Triethylaminoethyl(meth)acrylat-Polymere und -Copolymere, Dimethylaminoethyl(meth)acrylat-Polymere und -Copolymere, Trimethylaminoethyl(meth)acrylat-Polymere und -Copolymere, Copolymer von Acrylamid und Trimethylaminoethylmethacrylatmethylsulfat, organisches Phosphoniumsalz, Polyallylamin-Hydrochlorid, Polydiallyldimethylammoniumchlorid einschließen. Es wird die bipolare Platte 15 mit adsorbierten kationischen Spezies erhalten und diese kann in Wasser gespült werden, um alle ungebundenen ionischen Spezies zu entfernen. Die bipolare Platte 15 mit adsorbierten Spezies wird dann mit einer Dispersion in Kontakt gebracht, welche das veränderte Kohlenstoffmaterial 12 mit einer anionischen hydrophilen Sulfonatgruppe, -Ar-SO₃H, umfasst. Die starke ionische Anziehungskraft zwischen dem adsorbierten Kation und der anionischen Sulfonatgruppe auf das Kohlenstoffmaterial führt dazu, dass sich das Kohlenstoffmaterial 12 auf der bipolaren Platte als eine Oberflächenschicht ablagert. Das ionische Adsorptionsverfahren kann zahlreiche Male wiederholt werden, um Mehrschichten des Kohlenstoffmaterials auf dem Außenbereich der bipolaren Platte zu erhalten. Eine bipolare Platte 17 mit zwei Schichten der veränderten Kohlenstoff-Oberflächenschicht kann z. B. zubereitet werden, wie in 2 veranschaulicht, wenn das ionische Adsorptionsverfahren zweimal durchgeführt wird. Es kann eine Teilchen von Kohlenstoffmaterial auf einer bipolaren Platte abgelagert werden, wie in 2 gezeigt, um (eine) mikroporöse zweidimensionale oder dreidimensionale Schicht(en) zu bilden. Die mikroporöse Struktur ist durch die mikro- oder nanoskaligen Poren oder Hohlräume zwischen Kohlenstoff-Teilchen gekennzeichnet. Einige der Poren oder Hohlräume können miteinander verbunden sein. Eine derartige mikroporöse Struktur kann effektiv einen Wassertropfen ausbreiten, bevor er einen Gaskanal blockiert, und die Wasseraufsaugwirkung der Oberfläche einer bipolaren Platte für einen verbesserten Wasserhaushalt in einer Brennstoffzelle steigern. Das Kohlenstoff-Teilchen kann eine durchschnittliche Partikelgröße von weniger als ungefähr 40 Mikrometer oder 325 Maschengrößen aufweisen. Es kann dementsprechend eine Partikelgröße zwischen ungefähr 1 Nanometer und 40 Mikrometer verwendet werden. Beispiele für teilchenförmige Kohlestoffmaterialien können Ruß, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, gemahlenen Graphit, Fulleren, synthetische Kohlenstoff-Mikrokügelchen und dergleichen einschließen. Die veränderten Kohlenstoff-Teilchen können auf den Außenbereich einer bipolaren Platte auch durch Tauchbeschichtung-, Sprühbeschichtung-, Druck- oder ein ähnliches Verfahren aufgetragen werden. Ein Harzbindemittel kann in Kombination mit dem veränderten Kohlenstoff-Teilchen verwendet werden, um eine dauerhafte Beschichtungsschicht zu bilden. In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann zusätzlich zum kationischen Polymer, das beim ionischen Adsorptionsbeschichtungsverfahren verwendet wird, ein Metalloxid wie z. B., jedoch nicht ausschließlich, TiO₂ oder ZnO verwendet werden. Das heißt, das Metalloxid kann auf der bipolaren Platte abgelagert werden, und danach wird die bipolare Platte 15 mit dem Metalloxid darauf mit einer Dispersion, umfassend das veränderte Kohlenstoffmaterial 12, in Kontakt gebracht. Der hydrophile Kohlenstoff wird ionisch an die positiv geladenen Hydroxylgruppen der Metalloxide (niedriger pH, 3 bis 5) angelagert. Diese Metalloxide sind hydrolytisch stabiler als die Polymerkationen.
Das Substrat der bipolaren Platte kann unter Verwendung von allen elektrisch leitenden und mechanisch robusten Materialien konstruiert werden. Beispiele für Substrate von bipolaren Platten können Graphitplatten, kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoff, kohlenstofffaserverstärkten Kohlenverbundwerkstoff, Edelstahllegierungen, Titan, Titanlegierungen, Kupferlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen und dergleichen einschließen. Wenn ein Metall oder eine Metalllegierung als das Substrat einer bipolaren Platte verwendet wird, kann eine korrosionsresistente und leitende Beschichtung oder Behandlung auf die Oberfläche der bipolaren Platte aufgetragen werden, bevor eine Schicht Kohlenstoffmaterial abgelagert wird. Die korrosionsresistente Beschichtung oder Behandlung kann Edelmetall (wie z. B. Gold, Platin, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Indium und Osmium), leitende Metalloxide, Metallnitride, Metalloxynitride und Kohlenstoff umfassen. Eine bipolare Metallplatte kann auch chemisch oder elektrochemisch durch Anodisieren passiviert werden. Die korrosionsresistente Beschichtung oder Behandlung kann durch chemische Gasphasenabscheidungs-, physikalische Gasphasenabscheidungs-, Atomlagenbeschichtungs-, Sprühbeschichtungs-, Plasmaabscheidungs-, Tauchbeschichtungs-, elektrochemische Beschichtungs- und Wärmesprühverfahren aufgetragen werden.
Eine bipolare Platte kann unter Verwendung eines Graphit- oder Kohlenstoff-Verbundmaterials erstellt werden. Der Gasstromkanal und andere mechanische Merkmale können auf der Platte geformt oder mechanisch erzeugt werden. Wie in 3 veranschaulicht wird eine bipolare Kohlenstoffplatte 20 mit einer Lösung, umfassend ein Diazoniumsalz, dargestellt durch die chemische Formel HG-Ar-N₂ ⁺X^–, in Kontakt gebracht. HG ist eine hydrophile Gruppe, Ar ist eine aromatische Gruppe, -N2⁺ ist eine Diazoniumgruppe und X^– ist ein Anion. Das Diazoniumsalz kann wie oben beschrieben in situ zubereitet oder erzeugt werden. Das Diazoniumsalz kann leicht mit der auf Kohlenstoff-basierten Oberfläche der bipolaren Platte reagieren, was zu einer kovalenten Anlagerung der organischen hydrophilen Gruppe, -Ar-HG, auf der Kohlenstoff-Oberfläche der bipolaren Platte führt. Somit wird eine bipolare Platte 21 mit kovalent angelagerten organischen hydrophilen Gruppen erhalten. Verschiedene anionische, kationische und nichtionische hydrophile Gruppen können unter Verwendung dieses Verfahrens kovalent an die bipolare Platte angelagert werden.
Unter Bezugnahme auf die 4 kann eine bipolare Platte hergestellt werden, indem zuerst eine Kohlenstoffschicht 23 auf einem Metall, einem Kohlenstoff oder einer Verbundwerkstoff-Isolierplatte 22 angelagert wird. Die Kohlenstoffschicht 23 kann unter Verwendung aller bekannten Ablageverfahren wie z. B. physikalische Gasphasenabscheidungs-, chemische Gasphasenabscheidungs-, Beschichtungs-, Plasmaabscheidungs-, Atomlagenabscheidungs- und Wärmesprühverfahren abgelagert werden. Wie in der 4 gezeigt wird die bipolare Platte mit einer Kohlenstoffschicht dann mit einem Diazoniumsalz, HG-Ar-N2⁺X^–, in Kontakt gebracht, wie oben beschrieben. Die chemische Reaktion zwischen dem Diazoniumsalz und der Kohlenstoffschicht führt zu einer kovalenten Anlagerung der organischen Gruppe -Ar-HG auf der Kohlenstoffschicht der bipolaren Platte 24. Die Kohlenstoffschicht kann eine feste Kohlenstoffschicht oder eine mikroporöse Kohlenstoffschicht sein, je nach dem verwendeten Ablageverfahren und der Auswahl des Kohlenstoffmaterials.
Eine Brennstoffzelle kann unter Verwendung der oben beschriebenen bipolaren Platte hergestellt werden. Unter Bezugnahme auf die 5 wird eine exemplarische Brennstoffzelle mit einer Membranelektrodeneinheit (MEA) 39, welche darin zusammen mit anderen Brennstoffzellenstapel-Komponenten eingebaut ist, in einer bildlich nicht zusammengebauten Form gezeigt. Die MEA 39 umfasst eine ionenleitende Elektrolytmembran 35, die zwischen einer Katalysatoren enthaltenden Anode 40 und einer Katalysatoren enthaltenden Kathode 34 angeordnet ist. Die in der 5 gezeigte Brennstoffzelle umfasst Edelstahlendplatten 33, 43, die bipolare Platte 37 mit Gasstromkanälen 36, um die Gasversorgung und -verteilung zu erleichtern, und die Membranelektrodeneinheit 39. Die Stapeleinheit 38, welche eine bipolare Platte 37 und eine MEA 39 umfasst, kann zahlreiche Male für eine höhere Energieleistungsfähigkeit wiederholt werden. Die Brennstoffzelle umfasst Reaktandengase, von denen eines ein Brennstoff (wie z. B. Wasserstoff), der von dem Brennstoffeinlass 42 geliefert wird, und ein anderes ein oxidierendes Gas ist, das von dem Einlass 31 geliefert wird. Die entsprechenden Auslässe für das Brennstoffgas 32 und das oxidierende Gas 41 werden ebenfalls bereitgestellt. Das Brennstoffgas kann ein Wasserstoffgas sein und das oxidierende Gas kann Luft oder Wasserstoff sein. Die Gase, die der Brennstoffzelle bereitgestellt werden diffundieren durch entsprechende bipolare Platten 37 zu den entsprechenden Anoden und Kathoden der MEA 39 für elektrochemische Reaktionen und zur Erzeugung von Energie. Ein Gasdiffusionsmedium (typischerweise hergestellt aus Kohlenstoffgewebe oder Kohlepapier, in der Zeichnung nicht gezeigt) kann auch zwischen der bipolaren Platte und der MEA eingeschlossen sein.
Beispiel
10 Gramm Rußpulver, Vulcan XC-72, erhalten von der Cabot Corporation, wurden mit 250 ml 0,05 M Salpetersäure (HNO₃), 15 ml Isopropylalkohol (als Benetzungsmittel) und 30 Millimol Sulfanilsäure (erworben von Aldrich) gemischt. Die Mischung wurde gerührt und bei ungefähr 0°C gehalten. Eine Lösung aus 33 Millimol Natriumnitrit (NaNO₂), gelöst in 30 ml Wasser, wurde der oben genannten Mischung tropfenweise unter Rühren hinzugefügt. Die Mischung wurde 2 Stunden lang bei ungefähr 0°C gerührt, bevor 150 Millimol Ameisensäure tropfenweise der Mischung hinzugefügt wurden. Der Mischung wurde es ermöglicht, sich über Nacht schrittweise auf Raumtemperatur zu erwärmen, und sie wurde dann 1 Stunde lang auf ungefähr 70°C erhitzt. Die Ruß-Oberfläche wird somit durch eine kovalent angelagerte Benzolsulfonsäuregruppe verändert, wie im folgenden Reaktionsschema gezeigt:
Der veränderte Kohlenstoff in der Mischung wird durch Zentrifugierung abgetrennt und durch ein Ultraschall-Zentrifugier-Dekantier-Verfahren in Wasser gereinigt. Das gereinigte Kohlenstoffmaterial wird in Vakuum getrocknet.
Durch ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren wird eine ferritische (z. B. 430) oder austenitische (z. B. 316L) bipolare Edelstahl-Platte mit Gasstromkanälen, welche durch ein Prägeverfahren erzeugt worden ist, mit einer Goldoberflächenlage abgelagert.
Ein ionisches Adsorptionsverfahren wurde dann verwendet, um eine hydrophile und leitende Kohlenstoff-Oberflächenschicht auf der bipolaren Platte zu bilden. Eine kationische Schicht wurde zunächst auf der bipolaren Platte durch Eintauchen der bipolaren Platte in eine wässrige Lösung eines Poly(trimethylaminoethylmethacrylat-coacrylamid)methylsulfats adsorbiert. Die bipolare Platte wurde dann in deionisiertem Wasser gespült, bevor sie, wie oben beschrieben, in eine Lösung des veränderten Rußes Vulcan XC-72 eingetaucht wurde. Aufgrund der starken ionischen Wechselwirkung zwischen der kovalent angelagerten anionischen Sulfonsäuregruppe und dem adsorbierten kationischen Polymer bildete der veränderte Ruß eine stark adsorbierte Kohlenstoff-Oberflächenschicht. Die bipolare Platte wurde dann in Wasser gespült, um alle Salzrückstände zu entfernen. Das oben erwähnte ionische Adsorptionsverfahren wurde 2, 4 und 8 Mal (hier bezeichnet als 2-dip, 4-dip und 8-dip) individuell auf 3 getrennten bipolaren Platten durchgeführt, bevor die bipolaren Platten getrocknet wurden. Die Anodenseite der bipolaren Platte wurde mit verschiedenen Drücken gegen eine Teflon-beschichtete Kohlepapier-Gasdiffusionsschicht gepresst, um den Kontaktwiderstand (auch Grenzflächen-Kontaktwiderstand genannt) zu messen. Die Ergebnisse werden im folgenden Diagramm gezeigt. Es kann ein Kontaktwiderstand von ungefähr 20 Milliohm cm² (mohm cm²) bei ungefähr 150 Psi erhalten werden. Wie im unten angegebenen Diagramm gezeigt hat die goldbeschichtete bipolare Platte ohne eine Kohlenstoff-Oberflächenschicht einen sehr ähnlichen Kontaktwiderstand wie ähnliche bipolare Platten mit einer abgelagerten veränderten Kohlenstoff-Oberflächenschicht. Außerdem zeigt die bipolare Platte mit einer leitenden und hydrophilen Kohlenstoff-Oberflächenschicht einen Wasserkontaktwinkel von anfänglich 10 Grad oder weniger und weniger als ungefähr 20 Grad nach 45 Tagen Einweichen in 80°C heißem Wasser, was eine dauerhaften hydrophilen Effekt zeigt.
Die oben angegebene Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung ist lediglich exemplarisch und somit werden Variationen davon nicht als Abweichung von Geist und Schutzumfang der Erfindung betrachtet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5554739 [0016]
US 5922118 [0016]

Claims

Produkt, welches eine bipolare Platte für eine Brennstoffzelle mit einer äußeren Fläche, mit einer kationischen Polymerschicht oder mit einer Metalloxidschicht über der äußeren Fläche, mit einer leitenden und hydrophilen Oberflächenschicht, die über zumindest einem Teil ihres Außenbereichs angebracht ist, umfasst, wobei die leitende und hydrophile Oberflächenschicht ein leitendes Kohlenstoffmaterial mit einer hydrophilen organischen Gruppe umfasst, wobei das leitende Kohlenstoffmaterial ionisch an die kationische Polymerschicht oder an die Metalloxidschicht angelagert ist.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoffmaterialien ein Ruß, Graphit, Kohlenstofffaser, amorpher Kohlenstoff oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind.
Produkt nach Anspruch 2, wobei die Oberflächenschicht eine mikroporöse Kohlenstoffschicht ist und das Kohlenstoffmaterial ein Ruß ist.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die hydrophile organische Gruppe zumindest eine einer Carbonsäure, einer Benzolsulfonsäure-, einer Alkohol-, einer Amin-, einer Amid-, einer Polyethylenoxid-, einer Ethoxyl-, einer Methoxyl einer Phosphonsäure-, einer Naphthensulfonsäure-, einer Salicylsäure-, einer Phenylphosphonsäure-, einer Benzoesäure-, einer Phthalsäuregruppe oder eines Salzes einer jeden der oben erwähnten Säuren ist.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die Oberflächenschicht einen Wasserkontaktwinkel von 40 Grad oder weniger und einen Kontaktwiderstand von weniger als ungefähr 20 mohm-cm² bei 200 psi Kompressionsdruck aufweist.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die bipolare Platte einen Graphit-, Kohlenstofffaser- oder faserverstärkten Kohlenverbundwerkstoff umfasst, und/oder, wobei die bipolare Platte ein Metall oder eine Metalllegierung aus Aluminium, Titan, Edelstahl, Kupfer, Nickel oder Chrom umfasst.
Verfahren, umfassend: Bereitstellen einer bipolaren Platte für eine Brennstoffzelle, welche ein Kohlenstoffmaterial, das auf mindestens einem Teil ihres Außenbereichs angebracht ist, umfasst, In-Kontakt-Bringen des Kohlenstoffmaterials mit einem organischen Molekül mit zumindest einer hydrophilen Gruppe und Veranlassen des organischen Moleküls, mit dem Kohlenstoffmaterial so zu reagieren, dass die hydrophile Gruppe kovalent an dem Kohlenstoffmaterial angelagert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die bipolare Platte einen Graphit-, Kohlenstofffaser- oder einen faserverstärkten Kohlenverbundwerkstoff umfasst, und/oder, wobei die Kohlenstoffmaterialien auf der Oberfläche der bipolaren Platte durch ein ionisches Adsorptions-, chemisches Gasphasenabscheidungs-, physikalisches Gasphasenabscheidungs-, Atomlagenabscheidungs-, Sprühbeschichtungs-, Plasmaabscheidungs-, Tauchbeschichtungs-, Drawndown-Beschichtungs-, Druck-, elektrochemisches Beschichtungs- oder Wärmesprühverfahren aufgebracht werden, und/oder, wobei das Kohlenstoffmaterial ein Ruß, Graphit, amorpher Kohlenstoff, Kohlenstofffaser oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen ist, und/oder, wobei das organische Molekül ein Diazoniumsalz ist, welches durch die chemische Formel HG-Ar-N₂ ⁺X^– dargestellt wird, worin HG die hydrophile Gruppe ist, Ar ein aromatisches Radikal ist, -N₂ ⁺ ein Diazoniumradikal ist und X^– ein Anion ist, und/oder, wobei das Diazoniumsalz durch Kombination eines aromatischen Aminmoleküls mit der hydrophilen Gruppe mit einem Nitrit, mit salpetriger Säure, mit Stickstoffdioxid und/oder mit Stickstoffmonoxid in situ zubereitet wird.
Verfahren, umfassend: Bereitstellen eines Kohlenstoffmaterials und einer bipolaren Platte für eine Brennstoffzelle, kovalentes Anlagern einer hydrophilen organischen Gruppe an das Kohlenstoffmaterial durch eine chemische Reaktion und Ablagern des Kohlenstoffmaterials auf mindestens einem Teilstück des Außenbereichs der bipolaren Platte, um eine leitende und hydrophile Oberflächenschicht zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Kohlenstoffmaterial ein Ruß, Graphit, amorpher Kohlenstoff, Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder Kohlenstofffaser ist, und/oder, wobei das Kohlenstoffmaterial ein Rußpartikel ist, und/oder, wobei die chemische Reaktion eine Reaktion zwischen einem aromatischen Diazoniumsalz, welches die hydrophile organische Gruppe umfasst, und dem Kohlenstoffmaterial ist, und/oder, wobei das Kohlenstoffmaterial auf der bipolaren Platte durch ein ionisches Adsorptions-, durch ein elektrochemisches Adsorptions-, durch ein Beschichtung- oder durch ein Druckverfahren abgelagert wird, und/oder, wobei die hydrophile Gruppe auf dem Kohlenstoffmaterial in einer Menge von ungefähr 0,10 bis 5 mmol/m² vorliegt, und/oder, welches ferner den Zusammenbau eines Brennstoffzellenstapels unter Verwendung der bipolaren Platte umfasst.