DE102010045552A1

DE102010045552A1 - Leitende und hydrophile Bipolarplattenbeschichtungen und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102010045552A1
Application number: DE102010045552A
Authority: DE
Inventors: Gayatri Vyas Rochester Hills Dadheech; Michael J. Marysville Lukitsch
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-09-22
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2011-04-14
Also published as: US20110070529A1; CN102024959B; US9520600B2; CN102024959A

Abstract

Eine Strömungsfeldplatte für Brennstoffzellenanwendungen umfasst ein Metall mit einer Kohlenstoffschicht, die über zumindest einem Abschnitt der Metallplatte angeordnet ist. Die Kohlenstoffschicht ist mit einer Titanoxidschicht überdeckt, um eine Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschicht zu bilden. Die Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschicht kann aktiviert werden, um eine Hydrophilie zu erhöhen. Die Strömungsfeldplatte ist in einer Brennstoffzelle mit einer minimalen Zunahme des Kontaktwiderstandes enthalten. Es sind auch Verfahren zum Ausbilden der Strömungsfeldplatten vorgesehen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung ist mit der ebenfalls anhängigen U. S.-Anmeldung Seriennr. 12/564,339 verwandt, die am 22. September 2009 eingereicht wurde und deren gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte, ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatte und Systeme, die eine elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte gemäß der vorliegenden Erfindung verwenden. Genauer steht die vorliegende Erfindung in Verbindung mit dem Gebrauch einer elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatte, um sich mit Kontaktwiderstandsproblemen in Brennstoffzellen und anderen Typen von Vorrichtungen zu befassen.
2. Hintergrundtechnik
Brennstoffzellen werden bei vielen Anwendungen als eine elektrische Energiequelle verwendet. Insbesondere werden Brennstoffzellen zur Verwendung in Kraftfahrzeugen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen. Eine üblicherweise verwendete Brennstoffzellenkonstruktion verwendet eine Festpolymerelektrolyt-(”SPE”)-Membran oder Protonenaustauschmembran (”PEM”), um einen Ionentransport zwischen der Anode und der Kathode bereitzustellen.
Bei Brennstoffzellen vom Protonenaustauschmembrantyp wird Wasserstoff an die Anode als Brennstoff geliefert und Sauerstoff an die Kathode als das Oxidationsmittel geliefert. Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O₂) oder als Luft (eine Mischung aus O₂ und N₂) vorliegen. PEM-Brennstoffzellen besitzen typischerweise eine Membranelektrodenanordnung (”MEA”), in der eine Festpolymermembran einen Anodenkatalysator auf einer Seite und einen Kathodenkatalysator auf der entgegengesetzten Seite aufweist. Die Anoden- und Kathodenschichten einer typischen PEM-Brennstoffzelle sind aus porösen leitenden Materialien ausgebildet, wie verwobenem Graphit, graphitisierten Lagen oder Kohlepapier, um zu ermöglichen, dass der Brennstoff über die der Brennstofflieferelektrode zugewandten Oberfläche der Membran verteilt wird. Jede Elektrode besitzt fein geteilte Katalysatorpartikel (beispielsweise Platinpartikel), die auf Kohlenstoffpartikeln geträgert sind, um eine Oxidation von Wasserstoff an der Anode und eine Reduktion von Sauerstoff an der Kathode zu unterstützen. Protonen fließen von der Anode durch die ionenleitende Polymermembran an die Kathode, an der sie sich mit Sauerstoff kombinieren, um Wasser zu bilden, das von der Zelle ausgetragen wird. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar poröser Gasdiffusionsschichten (”GDL”) angeordnet, die ihrerseits schichtartig zwischen einem Paar nicht poröser, elektrisch leitender Elemente oder Platten angeordnet sind. Die Platten dienen als Stromkollektoren für die Anode und die Kathode und enthalten geeignete Kanäle und Öffnungen, die darin ausgebildet sind, um die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberfläche jeweiliger Anoden- und Kathodenkatalysatoren zu verteilen. Um effizient Elektrizität zu erzeugen, muss die Polymerelektrolytmembran einer PEM-Brennstoffzelle dünn, chemisch stabil, protonendurchlässig, nicht elektrisch leitend und gasimpermeabel sein. Bei typischen Anwendungen werden Brennstoffzellen in Gruppierungen vieler einzelner Brennstoffzellenstapel vorgesehen, um hohe Niveaus an elektrischer Energie bereitzustellen.
Allgemein müssen Bipolarplatten für Brennstoffzellenanwendungen korrosionsbeständig, elektrisch leitend sein und einen geringen Kontaktwinkel für ein effektives Wassermanagement aufweisen. Metalle, wie Edelstahl bzw. rostfreier Stahl, werden aufgrund ihrer mechanischen Festigkeit und Stanz- bzw. Prägefähigkeit typischerweise für Bipolarplatten verwendet. Jedoch weisen derartige Metalle oftmals einen passiven Oxidfilm an ihren Oberflächen auf, wodurch elektrisch leitende Beschichtungen erforderlich werden, um den Kontaktwiderstand zu minimieren. Derartige elektrisch leitende Beschichtungen umfassen Gold- und polymere Kohlenstoffbeschichtungen. Typischerweise erfordern diese Beschichtungen eine teure Ausrüstung, die zu den Kosten der fertig gestellten Bipolarplatte beiträgt. Überdies sind metallische Bipolarplatten während des Betriebs auch einer Korrosion ausgesetzt. Der Schädigungsmechanismus umfasst die Freisetzung von Fluoridionen von dem polymeren Elektrolyt. Eine Metallanlösung der Bipolarplatten hat typischerweise eine Freisetzung von Eisen-, Chrom- und Nickelionen in verschiedenen Oxidationszuständen zur Folge.
Zum Wassermanagement ist es erwünscht, dass metallische Bipolarplatten einen geringen Kontaktwinkel an der Grenze zwischen Bipolarplatte und Wasser besitzen; d. h. einen Kontaktwinkel von weniger als 40°. Titannitridbeschichtungen sind als korrosionsbeständige Plattierung bzw. korrosionsbeständiger Überzug für Bipolarplatten vorgeschlagen worden. Obwohl Titannitridbeschichtungen kosteneffektiv sind, sehen derartige Beschichtungen keinen zufrieden stellenden Schutz für das Bipolarplattenmaterial vor. Ferner entwickeln Titannitridbeschichtungen eine relativ geringe Wasseraffinität mit einem Kontaktwinkel nahe bei 60°.
Demgemäß besteht Bedarf nach einer verbesserten Methode zur Verringerung des Kontaktwiderstands an den Oberflächen von Bipolarplatten, die in Brennstoffzellenanwendungen verwendet werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung löst ein oder mehrere Probleme des Standes der Technik dadurch, dass bei zumindest einer Ausführungsform eine Strömungsfeldplatte zur Verwendung in einer Brennstoffzelle bereitgestellt wird. Die Strömungsfeldplatte dieser Ausführungsform umfasst eine Metallplatte, die eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche besitzt. Die erste Oberfläche definiert eine Mehrzahl von Kanälen zum Führen einer Strömung einer ersten gasförmigen Zusammensetzung. Eine Kohlenstoffschicht ist über zumindest einem Abschnitt der Metallplatte angeordnet, während eine Titanoxidschicht über zumindest einem Abschnitt der Kohlenstoffschicht angeordnet ist, um eine titanoxidbeschichtete Kohlenstoffdoppelschicht zu bilden.
Bei zumindest einer Ausführungsform besitzt die titanoxidbeschichtete Kohlenstoffdoppelschicht eine Oberfläche mit einem Kontaktwinkel von weniger als etwa 30 Grad und einem Kontaktwiderstand von weniger als 40 mOhm-cm², wenn die Strömungsfeldplatte zwischen Kohlenstoffpapieren bei 200 psi schichtartig angeordnet ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist eine Brennstoffzelle vorgesehen, die die oben dargestellte Strömungsfeldplatte enthält. Die Brennstoffzelle umfasst eine erste Strömungsfeldplatte mit einer titanoxidbeschichteten Kohlenstoffdoppelschicht. Eine erste Katalysatorschicht ist über der ersten Strömungsfeldplatte angeordnet. Eine Ionenleiterschicht ist über der ersten Strömungsfeldplatte und eine zweite Katalysatorschicht über der Ionenleiterschicht angeordnet. Schließlich ist eine zweite Strömungsfeldplatte über der zweiten Katalysatorschicht angeordnet. Nach Bedarf sind Gasdiffusionsschichten vorgesehen.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zum Ausbilden der oben dargestellten Strömungsfeldplatte vorgesehen. Das Verfahren umfasst, dass eine Kohlenstoffschicht auf einer Metallplatte abgeschieden wird, gefolgt durch Abscheidung einer Titanoxidschicht über der Kohlenstoffschicht, um eine titanoxidbeschichtete Kohlenstoffdoppelschicht zu bilden.
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 und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1A eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle vorsieht, die eine beispielhafte Ausführungsform einer Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschicht an einer Unipolarplatte enthält;
1B eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle vorsieht, die eine beispielhafte Ausführungsform einer Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschicht an einer Bipolarplatte enthält;
2 eine Schnittansicht eines Bipolarplattenkanals vorsieht, der mit einer Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschicht beschichtet ist;
3 eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle vorsieht, die eine andere beispielhafte Ausführungsform einer Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschicht an einer Bipolarplatte enthält;
4 eine Schnittansicht eines Bipolarplattenkanals vorsieht, der mit einer Mehrzahl von Titanoxid/Kohlenstoffschichten beschichtet ist;
5A–5B ein Flussschaubild bereitstellen, das ein beispielhaftes Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte zeigt, die mit einer Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschicht beschichtet ist und
6 eine schematische Darstellung eines Sputtersystems ist, das zur Abscheidung von Kohlenstoff- und Titanoxidschichten verwendet wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
Es wird nun detailliert Bezug auf derzeit bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung genommen, die die besten Arten zur Ausführung der Erfindung, die den Erfindern derzeit bekannt sind, bilden. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet. Es sei jedoch zu verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Daher sollen spezifische Einzelheiten, die hier offenbart sind, nicht als beschränkend sondern lediglich als eine repräsentative Basis für irgendeinen Aspekt der Erfindung und/oder als eine repräsentative Basis zur Unterrichtung des Fachmanns interpretiert werden, um die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise auszuführen.
Ausgenommen in den Beispielen oder wo dies ausdrücklich anderweitig genannt ist, sind alle numerischen Mengen in dieser Beschreibung, welche die Mengen von Material oder Reaktionsbedingungen und/oder Verwendung bezeichnen, beim Beschreiben des breitesten Umfangs der vorliegenden Erfindung als durch das Wort „ungefähr” modifiziert zu verstehen. Die Anwendung innerhalb der genannten Zahlenbegrenzungen ist im Allgemeinen bevorzugt. Sofern nicht gegenteilig ausgeführt, sind: Prozent, „Teile von” und Verhältniswerte pro Gewicht; schließt der Begriff „Polymer” „Oligomer”, „Copolymer”, „Terpolymer” und dergleichen ein; beinhaltet die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien für einen vorgegebenen Zweck in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung als geeignet oder bevorzugt, dass Mischungen von zwei oder mehr der Mitglieder der Gruppe oder Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sind; bezieht sich die Beschreibung von Konstituenten in chemischen Begriffen auf die Konstituenten zu der Zeit der Zugabe zu irgendeiner Kombination, welche in der Beschreibung spezifiziert ist, und schließt nicht notwendigerweise chemische Interaktionen zwischen den Konstituenten einer einmal vermischten Mischung aus; ist die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung hier auf alle nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung und auf normale grammatikalische Abweichungen der anfänglich definierten Abkürzung anwendbar und wird, sofern nicht gegenteilig ausgeführt, die Messung einer Eigenschaft durch dieselbe Technik, wie zuvor oder nachfolgend für dieselbe Eigenschaft dargelegt, bestimmt.
Es sei auch zu verstehen, dass diese Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsformen und Verfahren, wie nachfolgend beschrieben ist, beschränkt ist, da selbstverständlich spezifische Komponenten und/oder Bedingungen variieren können. Ferner dient die hier verwendete Terminologie nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und ist nicht dazu bestimmt, in irgendeiner Weise einzuschränken.
Es muss auch angemerkt werden, dass, wie in der Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendet ist, die Singularform ”ein”, ”eine”, ”einer” und ”der”, ”die”, ”das” Pluralbezüge umfassen, sofern der Kontext dies nicht anderweitig deutlich angibt. Beispielsweise ist ein Bezug auf eine Komponente im Singular dazu bestimmt, eine Mehrzahl von Komponenten zu umfassen.
In dieser Anmeldung sind, wenn auf Veröffentlichungen Bezug genommen wird, die Offenbarungen dieser Veröffentlichungen in ihrer Gesamtheit hierdurch durch Bezugnahme in diese Anmeldung eingeschlossen, um den Stand der Technik, zu dem diese Erfindung gehört, besser zu beschreiben.
Die Begriffe ”Rauheitsmittel” oder ”Oberflächenrauheitsmittel”, die hier verwendet sind, bedeuten das arithmetische Mittel der Absolutwerte der Profilhöhenabweichungen. Das Rauheitsmittel kann gemäß ANSI B46.1 bestimmt werden. Die gesamte Offenbarung dieser Referenz ist hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Strömungsfeldplatte zur Verwendung in Brennstoffzellenanwendungen vorgesehen. Die Strömungsfeldplatte dieser Ausführungsform umfasst eine Metallplatte mit einer titanoxidbeschichteten Kohlenstoffdoppelschicht, die über zumindest einem Abschnitt der Metallplatte angeordnet ist. Die titanoxidbeschichtete Kohlenstoffdoppelschicht besitzt eine Oberfläche mit einem Kontaktwinkel, der kleiner als etwa 30 Grad ist, und einem Kontaktwiderstand von kleiner als 40 mOhm-cm2, wenn die Strömungsfeldplatte zwischen Kohlenstoffpapieren bei 200 psi schichtartig angeordnet ist. Die vorliegende Ausführungsform umschließt sowohl Unipolar- als auch Bipolarplatten.
Bezug nehmend auf die 1A und 1B ist ein schematischer Schnitt von Brennstoffzellen vorgesehen, die die Strömungsfeldplatten dieser Ausführungsform enthalten. Die Brennstoffzelle 10 umfasst Strömungsfeldplatten 12, 14. Typischerweise bestehen die Strömungsfeldplatten 12, 14 aus einem Metall, wie rostfreiem Stahl. Die Strömungsfeldplatte 12 umfasst eine Oberfläche 16 und eine Oberfläche 18. Die Oberfläche 16 definiert Kanäle 20 und Stege 22. 1A stellt eine Darstellung bereit, bei der die Strömungsfeldplatte 12 eine Unipolarplatte ist. 1B stellt eine Darstellung bereit, bei der die Strömungsfeldplatte 12 eine Bipolarplatte ist. Bei dieser Variation definiert die Oberfläche 18 Kanäle 24 und Stege 26. Gleichermaßen umfasst das Strömungsfeld 14 eine Oberfläche 30 und eine Oberfläche 32. Die Oberfläche 30 definiert Kanäle 36 und Stege 38. 1A stellt eine Darstellung bereit, bei der die Strömungsfeldplatte 14 eine Unipolarplatte ist. 1B stellt eine Darstellung bereit, bei der die Oberfläche 32 Kanäle 40 und Stege 42 definiert.
Weiter Bezug nehmend auf die 1A und 1B ist eine Kohlenstoffschicht 50 über der Oberfläche 16 angeordnet und steht mit dieser in Kontakt. Eine Titanoxidschicht 52 ist über der Kohlenstoffschicht 50 angeordnet, um eine Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschicht 54 zu bilden. Die Kohlenstoffschicht 50 kann amorph, kristallin oder eine Kombination daraus sein. Typischerweise ist die kombinierte Dicke der Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschicht 54 kleiner als 200 nm. Bei einer weiteren Verfeinerung ist die kombinierte Dicke der Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschicht 54 kleiner als 100 nm. Bei einer noch weiteren Variation ist die kombinierte Dicke der Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschicht 54 größer als etwa 10 nm. Bei einer noch weiteren Verfeinerung ist die kombinierte Dicke der Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschicht 54 größer als etwa 30 nm. Bei einer noch weiteren Variation liegt die kombinierte Dicke der Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschicht 54 zwischen etwa 20 nm und etwa 80 nm. Bei einer Variation umfasst die Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschicht 54 eine Oberfläche 56, die einen Kontaktwinkel besitzt, der kleiner als etwa 40 Grad ist. Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von den Verfahren nach dem Stand der Technik, die kohlenwasserstoffhaltige Silankopplungsmittel verwenden, um hydrophile Beschichtungen zu erzeugen, darin, dass die Titanoxidschicht Kohlenwasserstoffe in einer Menge aufweist, die kleiner als etwa 40 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts der Titanoxidschicht ist. Bei einer weiteren Verfeinerung umfasst die Titanoxidschicht Kohlenwasserstoffe in einer Menge, die kleiner als etwa 20 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts der Titanoxidschicht ist. Bei einer noch weiteren Verfeinerung umfasst die Titanoxidschicht Kohlenwasserstoffe in einer Menge, die kleiner als etwa 10 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts der Titanoxidschicht ist. Bei einer noch weiteren Verfeinerung umfasst die Titanoxidschicht Kohlenwasserstoffe in einer Menge, die kleiner als etwa 50 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts der Titanoxidschicht ist. In diesem Zusammenhang betrifft der Begriff ”Kohlenwasserstoffe” jeglichen Rest mit einer Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung.
Bei einer Variation der vorliegenden Ausführungsform wird die Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschicht 54 nur an den Wänden der Kanäle und nicht auf den Stegen abgeschieden. Bei einer weiteren Variation wird die Titanschicht nur an den Wänden der Kanäle abgeschieden, während die Kohlenstoffschicht an den Stegen abgeschieden werden kann.
Weiter Bezug nehmend auf 1A und 1B umfasst die Brennstoffzelle 10 ferner eine Gasdiffusionsschicht 60 und Katalysatorschichten 62, 64. Zwischen den Katalysatorschichten 62, 64 ist eine ionenleitende Polymermembran 70 angeordnet. Schließlich umfasst die Brennstoffzelle 10 auch eine Gasdiffusionsschicht 72, die zwischen der Katalysatorschicht 64 und der Strömungsfeldplatte 14 positioniert ist.
Bei einer Variation der vorliegenden Erfindung wird ein erstes Gas in die Kanäle 20 eingeführt und ein zweites Gas wird in die Kanäle 36 eingeführt. Die Kanäle 20 leiten die Strömung des ersten Gases, und die Kanäle 36 leiten die Strömung des zweiten Gases. Bei einer typischen Brennstoffzellenanwendung wird ein sauerstoffhaltiges Gas in die Kanäle 20 eingeführt, und ein Brennstoff wird in die Kanäle 36 eingeführt. Beispiele nützlicher sauerstoffhaltiger Gase umfassen molekularen Sauerstoff (beispielsweise Luft). Beispiele nützlicher Brennstoffe umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Wasserstoff. Wenn ein sauerstoffhaltiges Gas in die Kanäle 20 eingeführt wird, wird gewöhnlich Wasser als ein Nebenprodukt erzeugt, das über die Kanäle 20 entfernt werden muss. Bei dieser Variation ist die Katalysatorschicht 62 eine Kathodenkatalysatorschicht, und die Katalysatorschicht 64 ist eine Anodenkatalysatorschicht.
Bezug nehmend auf 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Kanals 20 vorgesehen. Die Oberflächen 80, 82, 84 der Titanoxidschicht/Kohlenstoffdoppelschicht 54 sehen freiliegende Oberflächen in dem Kanal 20 vor. Vorteilhafterweise sind diese Oberflächen der Titanoxidschicht/Kohlenstoffdoppelschicht 54 hydrophil mit einem Kontaktwinkel von weniger als etwa 40 Grad. Bei einer anderen Verfeinerung ist der Kontaktwinkel kleiner als etwa 30 Grad. Bei einer noch anderen Verfeinerung ist der Kontaktwinkel kleiner als etwa 20 Grad. Bei einer noch anderen Verfeinerung ist der Kontaktwinkel kleiner als etwa 10 Grad. Die hydrophile Beschaffenheit der Titanoxidschicht/Kohlenstoffdoppelschicht 54 verhindert eine Agglomeration von Wasser in den Kanälen 20. Bei einer Verfeinerung der vorliegenden Ausführungsform wird die Hydrophilie der Titanoxidschicht/Kohlenstoffdoppelschicht 54 durch Aktivieren der Oberfläche 56 (d. h. der Oberflächen 80, 82, 84, 86) verbessert. Bei einer Variation der vorliegenden Ausführungsform wird die Oberfläche durch Ultraviolett (UV) oder ein Plasma (beispielsweise ein HF-Plasma, ein DC-Plasma, ein Mikrowellenplasma, ein Heißfilamentplasma, ein Atmosphärenplasma und dergleichen) aktiviert. Bei einer Verfeinerung wird die Aktivierung dadurch erreicht, dass die Titanoxidschicht/Kohlenstoffdoppelschicht 54 einer UV-Quelle ausgesetzt wird, wo der geringe Bandspalt des Titanoxids, 3 bis 3,2 eV, UV-Strahlung absorbiert und ein Springen von Elektronen in das Leitungsband bewirkt, wodurch positive Löcher in den Valenzbändern erzeugt werden. Diese bekannte photokatalytische Fähigkeit von Titanoxid unter UV-Aktivierung versetzt dieses in die Lage, nicht nur die Oberfläche hydrophil zu halten, sondern auch organische Rückstände zu oxidieren und die Oberflächen dauerhaft rein zu halten. Demgemäß sind derartige Schichten unter typischen Brennstoffzellenbetriebsbedingungen hydrolytisch stabil.
Bei einer anderen Verfeinerung wird die Nachbehandlung dadurch erreicht, dass die Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschicht reaktiven Gasen, wie Stickstoff, Distickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid, Ammoniak oder Mischungen daraus ausgesetzt werden, die die Titanoxidschicht/Kohlenstoffdoppelschicht durch Aufbrechen von Bindungen und Bildung von stickstoffbasierten Derivaten, wie funktionellen Amin-, Amid- und Diazogruppen aktivieren. Demgemäß ist die Nachbehandlungsaktivierung in der Lage, die Mengen an Stickstoff in der Titanoxidschicht/Kohlenstoffdoppelschicht 54 zu erhöhen. Dies verfeinert die photokatalytische Oxidation von Titanoxid im sichtbaren Bereich weiter, ohne dass irgendwelche UV-Aktivierungsquellen erforderlich sind. Bei einer weiteren Verfeinerung wird die Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschicht nach der Behandlung mit einem stickstoffhaltigen Gas durch sichtbares Licht aktiviert. Bei einer noch weiteren Verfeinerung hat die Aktivierung der Oberfläche 56 eine Zunahme der Porosität im Vergleich zu der Oberfläche vor der Aktivierung zur Folge. Bei einer weiteren Verfeinerung umfasst die Oberfläche 56 Gebiete, in denen zumindest 10 Poren pro cm² der Oberfläche vorhanden sind. Überdies umfasst die Oberfläche 56 im Durchschnitt zumindest 5 Poren pro cm² der Oberfläche. Die Anzahl von Poren pro cm² wird durch Zählen der Anzahl von Poren in einer gegebenen Fläche, die in einer rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme betrachtet wird, berechnet.
Die Porosität der Titanoxidschicht/Kohlenstoffdoppelschicht 54 ist auch durch das Rauheitsmittel der Oberfläche 56 gekennzeichnet. Bei einer Variation liegt das Rauheitsmittel der Oberfläche 56 zwischen etwa 200 bis etwa 1000 nm. Bei einer noch weiteren Variation liegt das Rauheitsmittel der Oberfläche 56 zwischen etwa 300 bis etwa 900 nm. Bei einer weiteren Variation liegt das Rauheitsmittel der Oberfläche 56 zwischen etwa 400 bis etwa 700 nm.
Bei einer Variation ist die Kohlenstoffschicht der vorliegenden Erfindung elektrisch leitend. Die elektrische Leitfähigkeit der Kohlenstoffschicht 50 ist derart, dass der Kontaktwiderstand der Brennstoffzelle 10 kleiner als etwa 20 mohm-cm2 ist. Bei einer Variation einer beispielhaften Ausführungsform ist die Kohlenstoffschicht 50 dotiert, um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen. Bei einer Verfeinerung ist die Kohlenstoffschicht 50 dotiert. Bei einer weiteren Verfeinerung ist das Dotiermittel ein Metall. Beispiele geeigneter Metalldotiermittel umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Pt, Ir, Pd, Au, Ag, Co, Fe, Cu, Si, Ti, Zr, Al, Cr, Ni, Nb, Zr, Hb, Mo, W und Ta. Bei einer weiteren Verfeinerung ist das Dotiermittel ein Nichtmetall, wie Stickstoff.
Bezug nehmend auf 3 ist ein schematischer Schnitt vorgesehen, der zusätzliche Oberflächen von Brennstoffzellen-Bipolarplatten zeigt, die mit Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschichten beschichtet sind. Bei dieser Variation sind eine oder mehrere der Oberflächen 18, 30 und 32 mit einer Kohlenstoffschicht 50 beschichtet. Wie oben in Verbindung mit der Beschreibung der 1A und 1B dargestellt ist, umfasst die Brennstoffzelle 10 Strömungsfeldplatten 12, 14. Die Bipolarplatte 12 umfasst eine Oberfläche 16 und eine Oberfläche 18. Die Oberfläche 16 definiert Kanäle 20 und Stege 22. Die Oberfläche 18 definiert Kanäle 24 und Stege 26. Gleichermaßen umfasst die Bipolarplatte 14 eine Oberfläche 30 und eine Oberfläche 32. Die Oberfläche 30 definiert Kanäle 36 und Stege 38. Die Oberfläche 32 definiert Kanäle 40 und Stege 42.
Immer noch Bezug nehmend auf 3 ist eine Kohlenstoffschicht 50 über der Oberfläche 16 angeordnet und steht mit dieser in Kontakt. Die Titanoxidschicht 52 ist über der Kohlenstoffschicht 50 angeordnet, um die Titanoxidschicht/Kohlenstoffdoppelschicht 54 zu bilden. Bei einer Variation umfasst die Titanoxidschicht/Kohlenstoffdoppelschicht 54 eine Oberfläche 56, die einen Kontaktwinkel von weniger als etwa 40 Grad besitzt. Bei einer Verfeinerung ist der Kontaktwinkel kleiner als 20 Grad. Bei einer noch anderen Verfeinerung ist der Kontaktwinkel kleiner als 10 Grad. Ähnlicherweise ist eine Titanoxidschicht/Kohlenstoffdoppelschicht 90 über der Oberfläche 18 abgeschieden und steht mit dieser in Kontakt, eine Kohlenstoffschicht 92 ist über der Oberfläche 30 abgeschieden und steht mit dieser in Kontakt und eine Kohlenstoffschicht 94 ist über der Oberfläche 32 abgeschieden und steht mit dieser in Kontakt. Die Brennstoffzelle 10 umfasst ferner eine Gasdiffusionsschicht 60 sowie Katalysatorschichten 62, 64. Zwischen den Katalysatorschichten 62, 64 ist eine ionenleitende Polymermembran 70 angeordnet. Schließlich umfasst die Brennstoffzelle 10 auch eine Gasdiffusionsschicht 72, die zwischen der Katalysatorschicht 64 und der Bipolarplatte 14 positioniert ist. Die Einzelheiten der Titanoxidschicht/Kohlenstoffdoppelschicht 90, 92, 94 sind dieselben, wie für die Titanoxidschicht/Kohlenstoffdoppelschicht 54, die in Verbindung mit der Beschreibung der 1A und 1B oben dargestellt ist.
Unter Bezugnahme auf 4 ist eine Schnittansicht eines Bipolarplattenkanals vorgesehen, der mit einer Mehrzahl von Titanoxid/Kohlenstoffschichten beschichtet ist. Die Strömungsfeldplatte 12' ist mit Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschichten 541, 542, 543 beschichtet, die jeweils den Aufbau aufweisen, der oben für die Titanoxid/Kohlenstoffschicht 54 dargestellt ist. Bei diesem Aufbau sind die Schichten 501, 502, 503 Kohlenstoffschichten, und 521, 522, 523 sind Titanschichten. Die Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschicht, die von der Metallplatte am weitesten entfernt ist, wird typischerweise aktiviert, wie oben dargestellt ist. Obwohl das spezifische Beispiel von 4 drei Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschichten aufweist, sei angemerkt, dass diese Variation zwei Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschichten enthalten kann. Überdies kann die vorliegende Variation auch vier oder mehr Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschichten enthalten.
Wie oben dargestellt ist, umfassen verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine oder mehrere Titanoxidschichten. Die chemische Beschaffenheit der Titanbeschaffenheit umfasst verschiedene kristalline Formen von Titanoxid, amorphes Titanoxid wie auch Materialien mit der chemischen Formel TiO₂ und den Titansuboxiden, Titanoxidhydrat und Mischungen daraus. Beispiele der kristallinen Formen umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Rutil, Anatas und Brookit.
Bezug nehmend auf 5 ist ein bildliches Ablaufdiagramm vorgesehen, das ein beispielhaftes Verfahren zum Formen der oben beschriebenen Strömungsfeldplatten darstellt. Bei Schritt a) wird eine Metallplatte 12 vor einer Abscheidung der Kohlenstoffschicht 50 vorkonditioniert. Während einer derartigen Vorkonditionierung werden Oxide an der Oberfläche der Metallplatte 12 typischerweise entfernt oder zumindest reduziert. Eine derartige Vorbehandlung kann einen Reinigungsschritt umfassen. Bei Schritt b) wird eine Kohlenstoffschicht 50 auf der Metallplatte 12 abgeschieden. Die Kohlenstoffschicht kann durch eine Anzahl von Technologien ausgebildet werden, die dem Fachmann bekannt sind. Beispiele derartiger Technologien umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Sputtern (beispielsweise Magnetron, unbalanciertes Magnetron, etc.), Chemical Vapor Deposition bzw. chemische Abscheidung aus der Gasphase (”CVD”) (beispielsweise Niederdruck-CVD, Atmosphären-CVD, plasmageförderte CVD, laserunterstützte CVD, etc.), Verdampfung (thermisch, e-Strahl, Lichtbogenverdampfung, etc.) und dergleichen. Das U.S. Patent Nr. 5,314,716 offenbart eine CVD-Technik zur Formung von Filmen aus nichtkristallinem Kohlenstoff. Die gesamte Offenbarung des Patentes ist hierdurch durch Bezugnahme eingeschlossen. Bei Schritt c) wird die Titanoxidschicht 52 auf der Kohlenstoffschicht 50 abgeschieden. Die Titanoxidschicht kann durch eine Anzahl von Technologien ausgebildet werden, die dem Fachmann bekannt sind. Beispiele derartiger Technologien umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Sputtern (beispielsweise Magnetron, unbalanciertes Magnetron, etc.), Chemical Vapor Deposition bzw. chemische Abscheidung aus der Gasphase (”CVD”) (beispielsweise Niederdruck-CVD, Atmosphären-CVD, plasmageförderte CVD, laserunterstützte CVD, etc.), Verdampfung (thermisch, e-Strahl, Lichtbogenverdampfung, etc.), Sol-Gel-Beschichtungstechnologien, Prozess mit schichtweiser Abscheidung (Schicht um Schicht) und dergleichen.
Bei Schritt d) wird die Oberfläche 56 der Titanoxidschicht/Kohlenstoffdoppelschicht 54 aktiviert. 5B zeigt eine durch UV, sichtbares Licht oder Plasma bewirkte Aktivierung über ein hochdichtes Plasma 100. Es sei auch angemerkt, dass zusätzliche Verfahren zur Aktivierung verwendet werden können. Derartige Verfahren umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, chemische Aktivierung, wie Behandlung (beispielsweise Ätzen) der Oberfläche mit einer Säure, wie Schwefelsäure, Fluorwasserstoffsäure, Chromsäure, Kaliumpermanganat und dergleichen.
Bei einer Variation der vorliegenden Ausführungsform werden die Kohlenstoffschichten und Titanoxidschichten durch Sputtern abgeschieden. Bei einer Verfeinerung werden die Kohlenstoffschichten unter Verwendung eines Systems eines unbalancierten Magnetrons mit geschlossenem Feld (engl.: ”Closed Field Unbalanced Magnetron System”) abgeschieden. Für diesen Zweck ist eine Variation des Verfahrens und der Vorrichtung in dem U.S. Patent Nr. 6,726,993 (das '993-Patent) dargestellt. Die gesamte Offenbarung des '993-Patents ist hierdurch in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen.
Unter Bezugnahme auf 6 ist eine Verfeinerung eines Sputterabscheidungssystems zur Abscheidung der Kohlenstoffschichten, wie oben dargestellt ist, vorgesehen. 6 sieht eine schematische Draufsicht des Sputtersystems vor. Das Sputtersystem 102 umfasst eine Abscheidungskammer 103 sowie Sputtertargets 104, 106, 108, 110, die nahe zu Magnetsätzen 112, 114, 116, 118 angeordnet sind. Ein zwischen den Targets 104, 106, 108, 110 erzeugtes Magnetfeld ist dadurch gekennzeichnet, das Feldlinien, die sich zwischen den Magnetrons erstrecken, ein geschlossenes Feld bilden. Das geschlossene Feld bildet eine Barriere, die ein Entweichen von Elektronen in dem plasmahaltigen Bereich 122 verhindert. Überdies unterstützt diese Konfiguration eine Ionisierung in dem Raum innerhalb des geschlossenen Feldes mit erhöhter Ionenbeschussintensität. Hierdurch wird eine hohe Ionenstromdichte erreicht. Das Substrat 124 (d. h. die Metallplatte 12) wird an der Plattform 126 gehalten, die entlang der Richtung d₁ rotiert. Ein Flipper bzw. eine Schwenkvorrichtung 132 bewirkt eine Drehung des Substrats 124 um eine Richtung d₂ während eines Zyklus der Plattform 126. Wenn das System 102 verwendet ist, wird der Vorkonditionierungsschritt a) vorteilhafterweise durch Ionenätzen innerhalb der Abscheidungskammer 103 ausgeführt.
Bei einer Variation der vorliegenden Ausführungsform werden Graphittargets in einer Kammer unter dem Einfluss eines geschlossenen Feldes eines unbalancierten Magnetrons gesputtert. Ein nutzbares Sputtersystem ist das Teer UDP 650-System. Graphittargets werden an starken Magnetrons angeordnet, die bei einem Strom im Bereich von 5 A–50 A in einer Magnetronanordnung mit geschlossenem Feld gesputtert werden können.
Der Druck in der Sputterkammer kann im Bereich von 1 × 10–6 bis 1 × 10–4 liegen, eine Vorspannung kann im Bereich von –400 V bis –20 V liegen, eine Impulsbreite kann zwischen 250 Nanosekunden und 2.000 Nanosekunden liegen, und ein gepulster DC kann bei einer Frequenzrate von 400 kHz bis 50 kHz liegen und ein Argondurchfluss kann im Bereich von 200 sccm bis 20 sccm für eine Zeitdauer von 10 Minuten bis 500 Minuten liegen. Bei einer Verfeinerung wird der Kohlenstofffilm in einer Dicke im Bereich von 5 nm bis 1000 nm abgeschieden. Bei einer anderen Verfeinerung wird der Kohlenstofffilm in einer Dicke im Bereich von 10 nm bis 50 nm abgeschieden. Die Titanoxidschicht wird dann auf der Kohlenstoffschicht unter Verwendung des Titantargets in der Anwesenheit eines sauerstoffhaltigen Gases durch Sputtern abgeschieden, um die oben dargestellte Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschicht zu bilden. Eine Aktivierung der Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschicht wird vorteilhafterweise in derselben Sputterkammer ausgeführt, nachdem die Titanoxidschicht geformt ist.
Während Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung darstellen und beschreiben. Vielmehr ist der in der Anmeldung verwendete Wortlaut ein Wortlaut der Beschreibung anstatt der Einschränkung, und es sei zu verstehen, dass verschiedene Änderungen ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung durchgeführt werden können.
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 5314716 [0041]
US 6726993 [0043]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ANSI B46.1 [0026]

Claims

Strömungsfeldplatte für Brennstoffzellenanwendungen, umfassend: eine Metallplatte, die eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche eine Mehrzahl von Kanälen zum Lenken einer Strömung einer ersten gasförmigen Zusammensetzung definiert; eine Kohlenstoffschicht, die über zumindest einem Abschnitt der Metallplatte angeordnet ist; und eine Titanoxidschicht, die über zumindest einem Abschnitt der Kohlenstoffschicht angeordnet ist, um eine Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschicht zu bilden.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei die titanoxidbeschichtete Kohlenstoffschicht eine Oberfläche mit einem Kontaktwinkel von kleiner als 40 Grad besitzt.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei der Kontaktwiderstand kleiner als 40 mOhm-cm² ist, wenn die Strömungsfeldplatte schichtartig zwischen Kohlenstoffpapieren bei 200 psi angeordnet ist.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei die Titanoxidschicht selektiv auf einer Mehrzahl von Wänden der Kanäle abgeschieden ist.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass eine oder mehrere zusätzliche Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschichten über zumindest einem Abschnitt der Titanoxid/Kohlenstoffschicht abgeschieden sind.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei die Titanoxidschicht Kohlenwasserstoffe in einer Menge aufweist, die geringer als 40 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts der Titanoxidschicht ist.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei die Titanoxidschicht Kohlenwasserstoffe in einer Menge aufweist, die kleiner als 20 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts der Titanoxidschicht ist.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoffschicht amorphen Kohlenstoff, und/oder kristallinen Kohlenstoff umfasst.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 8, wobei die Kohlenstoffschicht eine Oberfläche mit im Mittel zumindest 5 Poren pro cm² besitzt.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei die Titanoxidschicht eine Komponente umfasst, die aus der Gruppe gewählt ist, die aus TiO₂, Titansuboxiden, Titanoxidhydrat und Mischungen daraus besteht.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei die Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschicht durch eine UV- oder Plasmaquelle aktiviert wird, um die Oberfläche rein zu halten und eine Hydrophilie beizubehalten.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei die Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschicht durch sichtbares Licht nach einer Behandlung mit einem stickstoffhaltigen Gas aktiviert ist.
Brennstoffzelle, umfassend: eine erste Strömungsfeldplatte, umfassend: eine Metallplatte, die eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche eine Mehrzahl von Kanälen zum Lenken einer Strömung einer ersten gasförmigen Zusammensetzung definiert; eine Kohlenstoffschicht, die über zumindest einem Abschnitt der Metallplatte angeordnet ist; eine Titanoxidschicht, die über zumindest einem Abschnitt der Kohlenstoffschicht angeordnet ist, um eine Titanoxid/Kohlenstoffdoppelschicht zu bilden; eine erste Katalysatorschicht, die über der ersten Strömungsfeldplatte angeordnet ist; eine Ionenleiterschicht, die über der ersten Katalysatorschicht angeordnet ist; eine zweite Katalysatorschicht, die über der Ionenleiterschicht angeordnet ist; und eine zweite Strömungsfeldplatte, die über der zweiten Katalysatorschicht angeordnet ist.