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FACHGEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsfeldplatte für Brennstoffzellenanwendungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie beispielsweise aus der
DE 10 2009 020 224 A1 bekannt. Eine ähnlich aufgebaute Strömungsfeldplatte beschreibt ferner die
DE 10 2009 012 995 A1 .
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HINTERGRUND
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Brennstoffzellen werden in vielen Anwendungen als Spannungsquelle verwendet. Insbesondere werden Brennstoffzellen zur Anwendung in Kraftfahrzeugen als Ersatz für Motoren mit innerer Verbrennung vorgeschlagen. Bei einer häufig verwendeten Brennstoffzellenbauweise wird eine Festpolymer-Elektrolyt-Membran (SPE-Membran) oder Protonenaustausch-Membran (PEM) verwendet, um Ionentransport zwischen der Anode und der Kathode zu liefern.
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In Brennstoffzellen vom Protonenaustausch-Membran-Typ wird die Anode mit Wasserstoff als Brennstoff beliefert und die Kathode wird mit Sauerstoff als dem Oxidationsmittel beliefert. Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O2) oder Luft (einer Mischung aus O2 und N2) vorliegen. PEM-Brennstoffzellen weisen typischerweise eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) auf, in der eine Festpolymer-Membran einen Anodenkatalysator auf einer Oberfläche und einen Kathodenkatalysator auf der gegenüberliegenden Oberfläche aufweist. Die Anoden- und die Kathodenschichten einer typischen PEM-Brennstoffzelle sind aus porösen leitfähigen Materialien gebildet, wie z. B. Graphitgewebe, graphitierte Papiere oder Kohlenstoffpapier, um die Dispersion des Brennstoffs über die Oberfläche der Membran zu ermöglichen, die der Brennstoffzufuhr-Elektrode zugewandt ist. Jede Elektrode hat fein verteilte, auf Kohlenstoffpartikel aufgetragene Katalysatorpartikel (z. B. Platinpartikel), um die Oxidation von Wasserstoff an der Anode und die Reduktion von Sauerstoff an der Kathode zu unterstützen. Protonen fließen von der Anode durch die ionenleitfähige Polymermembran zur Kathode, wo sie sich unter Bildung von Wasser mit Sauerstoff verbinden, der aus der Zelle ausgespeist wird. Die MEA ist zwischen ein Paar poröse Gasdiffusionsschichten (GDL) eingeklemmt, die wiederum zwischen ein Paar nicht-poröse, elektrisch leitfähige Bauteile oder Platten eingeklemmt sind. Die Platten wirken als Stromabnehmer für die Anode und die Kathode und enthalten geeignete darin gebildete Kanäle und Öffnungen zur Verteilung der gasförmigen Reaktionspartner der Brennstoffzelle über die Oberfläche der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren. Zur effizienten Erzeugung von Strom muss die Polymerelektrolyt-Membran einer PEM-Brennstoffzelle dünn, chemisch beständig, protonendurchlässig, elektrisch nicht leitfähig und gasundurchlässig sein. In typischen Anwendungen werden Brennstoffzellen zur Bereitstellung von hohen elektrischen Leistungen in Anordnungen vieler einzelner Brennstoffzellen-Stacks bereitgestellt.
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Die elektrisch leitfähigen Platten, die derzeit in Brennstoffzellen verwendet werden, bieten eine Anzahl von Möglichkeiten zum Verbessern der Brennstoffzellenleistung. Beispielsweise umfassen diese Metallplatten typischerweise einen passiven Oxidfilm auf ihrer Oberfläche, der elektrisch leitfähige Beschichtungen erfordert, um den Kontaktwiderstand zu minimieren. Solche elektrisch leitfähigen Beschichtungen umfassen Gold- und Polymerkohlenstoffbeschichtungen. Typischerweise erfordern diese Beschichtungen teure Geräte, was die Kosten für die fertige Bipolarplatte vermehrt.
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Für das Wassermanagement ist es wünschenswert, dass Metall-Bipolarplatten einen niedrigen Kontaktwinkel an der Grenze Bipolarplatte/Wasser aufweisen, d. h. ein Kontaktwinkel von weniger als 40°. Titannitrid-Beschichtungen sind als korrosionsbeständiger Überzug für Bipolarplatten vorgeschlagen worden. Obwohl Titannitrid-Beschichtungen kostengünstig sind, bieten solche Beschichtungen keinen zufrieden stellenden Schutz für das Bipolarplattenmaterial. Weiterhin entwickeln Titannitrid-Beschichtungen mit einem Kontaktwinkel von annähernd 60° eine verhältnismäßig niedrige Wasseraffinität. Hydrophile Beschichtungen haben das Wassermanagement in PEM-Brennstoffzellen verbessert. Beispiele für hydrophile Beschichtungen für diese Anwendungen umfassen zweischichtige Strukturen wie in Si
2-Au-Beschichtungen und Titan-Nanoröhren und -nanopartikelbeschichtungen; siehe zum Beispiel
US 2009/0087716 A1 und
US 2009/0092874 A1 . In jüngerer Zeit sind verschiedene hydrophile Kohlenstoffbeschichtungen verwendet worden.
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Obwohl diese hydrophilen Beschichtungen angemessen gut funktionieren, macht es Wasseransammlung im Auslassbereich der Platten schwierig, einen Brennstoffzellen-Stack nach einem Gefrierzyklus zu starten. Hydrophile Beschichtungen im Auslassverteilerbereich unterstützen zwar die Gesamtleistung und das Wassermanagement, erfordern aber zusätzliche Spülzyklen für Gefrierstarts, und diese Spülzyklen können lang sein, was für das gesamte Stack-System nicht effizient ist.
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Demzufolge besteht eine Notwendigkeit für eine verbesserte Methodik für Wassermanagementeigenschaften an der Oberfläche von Bipolarplatten, die in Brennstoffzellenanwendungen verwendet werden.
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ZUSAMMENFASSUNG VON BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung löst ein oder mehr Probleme des Stands der Technik, indem sie eine Strömungsfeldplatte für Brennstoffzellenanwendungen bereitstellt, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anhand der ausführlichen Beschreibung und der folgenden begleitenden Zeichnungen besser verständlich:
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Brennstoffzelle, die eine Ausführungsform einer Strömungsfeldplatte enthält,
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2 ist ein schematischer Querschnitt einer Brennstoffzelle, die eine Ausführungsform der Strömungsfeldplatten enthält,
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3 ist eine schematische Draufsicht auf eine Brennstoffzelle, die eine Ausführungsform der Strömungsfeldplatten enthält,
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4A ist ein Querschnitt einer unipolaren Strömungsfeldplatte, die mit einer hydrophilen Beschichtung beschichtet ist,
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4B ist ein Querschnitt einer bipolaren Strömungsfeldplatte, die mit einer hydrophilen Beschichtung beschichtet ist,
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5A ist ein Querschnitt einer unipolaren Strömungsfeldplatte, die mit einer hydrophoben Beschichtung beschichtet ist,
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5B ist ein Querschnitt einer bipolaren Strömungsfeldplatte, die mit einer hydrophoben Beschichtung beschichtet ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
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Im Folgenden wird ausführlich auf gegenwärtig bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, welche die besten Ausführungsformen der Erfindung darstellen, die den Erfindern gegenwärtig bekannt sind. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Des Weiteren dient die hier verwendete Terminologie nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und soll nicht in irgendeiner Weise einschränkend sein.
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Es wird außerdem darauf hingewiesen, dass die Einzahlformen „ein/eine/eines” und „der/die/das”, wie in der Beschreibung und den anhängigen Ansprüchen verwendet, die Mehrzahl umfassen, wenn aus dem Kontext nicht deutlich etwas anderes hervorgeht. Zum Beispiel soll der Verweis auf einen Bestandteil in der Einzahl mehrere Bestandteile umfassen.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Strömungsfeldplatte für Brennstoffzellenanwendungen bereitgestellt. Die Strömungsfeldplatte dieser Ausführungsform umfasst eine elektrische leitfähige Platte mit einer ersten Oberfläche, die mehrere Kanäle definiert. Die Strömungsfeldkanäle sind durch einen aktiven Flächenabschnitt und einen inaktiven Flächenabschnitt gekennzeichnet. Eine hydrophobe Schicht ist über mindestens einen Teil des inaktiven Flächenabschnitts angeordnet. In einer Abwandlung ist eine hydrophile Schicht über mindestens einen Teil des aktiven Flächenabschnitts angeordnet.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird eine Brennstoffzelle bereitgestellt, die Strömungsfeldplatten einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält. Die PEM-Brennstoffzelle 10 umfasst die ionenleitfähige Polymermembran 12, die zwischen der Kathodenkatalysatorschicht 14 und der Anodenkatalysatorschicht 16 angeordnet ist. Zusammen definieren die ionenleitfähige Polymermembran 12, die Kathodenkatalysatorschicht 14 und die Anodenkatalysatorschicht 16 eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA). Die Brennstoffzelle 10 umfasst weiterhin Strömungsfeldplatten 20, 22, Gaskanäle 30, 32 und Gasdiffusionsschichten 24 und 26. Die Strömungsfeldplatten 20, 22 sind elektrisch leitfähig. Vorteilhafterweise stellt die vorliegende Erfindung Ausführungsformen für die Strömungsfeldplatten 20, 22 mit verbesserten Wassermanagementeigenschaften bereit. In einer anderen Abwandlung umfasst die Brennstoffzelle 10 auch die mikroporöse Schicht 36, die auf die Gasdiffusionsschicht 26 aufgetragen wird. In dieser Abwandlung umfasst die mikroporöse Schicht 36 die unten dargelegten hydrophoben Schichten.
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Unter Bezugnahme auf 2 und 3 werden schematische Darstellungen einer Strömungsfeldplatte bereitgestellt, die in Brennstoffzellenanwendungen verwendet wird. 2 ist ein schematischer Querschnitt einer Brennstoffzelle, die eine Ausführungsform der Strömungsfeldplatten enthält. 3 ist eine schematische Draufsicht auf eine Brennstoffzelle, die eine Ausführungsform der Strömungsfeldplatten enthält. Die PEM-Brennstoffzelle 40 umfasst Strömungsfeldplatten 42, 44. 3 ist eine beispielhafte Draufsicht auf die Strömungsfeldplatte 42. Die Brennstoffzelle 40 umfasst eine ionenleitende Membran 46. Die Anodenschicht 50 berührt die ionenleitende Membran 46 auf der Seite 52, und die Kathodenschicht 54 berührt die ionenleitende Membran 46 auf der Seite 56. In einer Weiterentwicklung sind die Anodenschicht 50 und die Kathodenschicht 54 auf der ionenleitenden Membran 46 aufgebracht. Typischerweise ist die Gasdiffusionsschicht 60 zwischen der Strömungsfeldplatte 42 und der Anodenschicht 50 angeordnet, und die Gasdiffusionsschicht 62 ist zwischen der Strömungsfeldplatte 44 und der Kathodenschicht 54 angeordnet. Die Brennstoffzelle 42 umfasst einen aktiven Flächenbereich 66 und einen inaktiven Flächenbereich 68. Der aktive Flächenbereich 66 ist der innere Abschnitt der Brennstoffzelle 40, in dem die elektrochemischen Reaktionen ablaufen. Der aktive Flächenbereich 66 ist durch die Gegenwart der Katalysatorschichten (d. h. Anodenschicht 50 und Kathodenschicht 54) gekennzeichnet, die über die ionenleitende Membran 46 angeordnet sind. Die inaktiven Flächenbereiche 68 sind peripher zu dem aktiven Flächenbereichs 66 entlang der Richtung d1 und sind durch die Abwesenheit von Katalysatorschichten gekennzeichnet. Der Zwischenbereich 70 wird hier als der Bereich definiert, der sowohl dem aktiven Flächenbereich 66 als auch dem inaktiven Flächenbereich 68 benachbart ist.
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Unter Bezugnahme auf
3,
4A,
4B,
5A und
5B werden schematische Darstellungen von Ausführungsformen bereitgestellt, in denen Gaskanäle mit hydrophilen und hydrophoben Beschichtungen beschichtet sind.
4A und
5A zeigen Querschnitte einer Abwandlung, in denen die Strömungsfeldplatte
42 eine Unipolarplatte ist.
4B und
5B zeigen Querschnitte einer Abwandlung, in denen die Strömungsfeldplatte
42 eine Bipolarplatte ist. Die Strömungsfeldplatte
42 umfasst eine Metallplatte
72 und Strömungsfeldkanäle
74, welche die Eingangsgase in den aktiven Flächenbereich
66 leiten. Die Kanäle
74 sind in dem aktiven Flächenbereich
66 mit der hydrophilen Schicht
76 beschichtet und in dem inaktiven Flächenbereich
68 mit der hydrophoben Schicht
78. In einer Weiterentwicklung umfasst die hydrophile Schicht
76 eine Kohlenstoffschicht, die wahlweise mit einem Plasma behandelt ist, um die Hydrophilie zu erhöhen. Geeignete Kohlenstoffschichten umfassen graphitische Kohlenstoffschichten, amorphe Kohlenstoffschichten und Kombinationen davon. Die Einzelheiten der Bildung solch einer hydrophilen Schicht sind in den US-Patentanmeldungen US 2006/0257712 A1, US 2009/0286132 A1, US 2008/0248370 A1, US 2007/0287057 A1, US 2006/0216571 A1, US 2006/0216570 A1, US 2006/0105222 A1 und in US-Patent
US 7 622 211 B2 dargelegt. In einer anderen Abwandlung umfasst die hydrophile Schicht
76 ein Edelmetall (z. B. Gold), das mit Siliciumoxid überlackiert ist.
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Unter Bezugnahme auf 3, 5A und 5B werden schematische Darstellungen von Strömungsfeldkanälen bereitgestellt, die mit einer hydrophoben Schicht beschichtet sind. Die Abschnitte der Kanäle 74 innerhalb des inaktiven Flächenbereichs 68 sind mit der hydrophoben Schicht 78 beschichtet. Wie dem Fachmann bekannt ist, besteht ein Zusammenhang zwischen der Hydrophilie und Hydrophobie einer Schicht und der Oberflächenenergie des betreffenden Materials. In der vorliegenden Abwandlung ist die Oberflächenenergie der hydrophoben Schicht 78 geringer als die Oberflächenenergie der hydrophilen Schicht 76. In einer Weiterentwicklung stellt die Oberflächenenergie in der Zwischenschicht 70 einen stufenlosen Übergang von dem verhältnismäßig hohen Wert der hydrophilen Schicht 76 zu dem verhältnismäßig niedrigen Wert der hydrophoben Schicht 78 bereit. Dieser Übergang kann zum Beispiel eine monotone Änderung über 1 bis 3 cm sein. In einer anderen Abwandlung kann der Übergang abrupt über eine Distanz von 0,1 bis 1 cm erfolgen. Der Oberflächenenergieübergang bewirkt, dass der Rückfluss von Wasser in einen Brennstoffzellen-Stack minimiert wird und gewährleistet dadurch, dass Wasser vor der Abschaltung vollständig aus dem Stack entfernt wird. Dies wiederum erlaubt einen verbesserten Gefrierstart der Brennstoffzelle.
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In einer Abwandlung der vorliegenden Ausführungsform hat die hydrophile Schicht 76 eine Oberflächenenergie von mehr als ca. 500 μ/cm. In einer Weiterentwicklung hat die hydrophile Schicht 76 eine Oberflächenenergie im Bereich von ca. 500 bis ca. 1000 μN/cm. In einer anderen Weiterentwicklung hat die hydrophile Schicht 76 einen Kontaktwinkel von weniger als ca. 50°. In noch einer anderen Weiterentwicklung hat die hydrophile Schicht 76 einen Kontaktwinkel von weniger als ca. 30°. In noch einer anderen Weiterentwicklung hat die hydrophile Schicht 76 einen Kontaktwinkel im Bereich von ca. 5° bis ca. 30°.
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In einer anderen Abwandlung hat die hydrophobe Schicht 78 eine Oberflächenenergie von weniger als ca. 400 μN/cm. In einer Weiterentwicklung hat die hydrophobe Schicht 78 eine Oberflächenenergie im Bereich von ca. 50 bis ca. 400 μN/cm. In einer anderen Weiterentwicklung hat die hydrophobe Schicht 78 eine Oberflächenenergie im Bereich von ca. 100 bis ca. 300 μN/cm. In noch einer anderen Weiterentwicklung hat die hydrophobe Schicht 78 eine Oberflächenenergie im Bereich von ca. 100 bis ca. 250 µN/cm. In einer anderen Weiterentwicklung hat die hydrophobe Schicht 78 einen Kontaktwinkel von mehr als ca. 50°. In noch einer anderen Weiterentwicklung hat die hydrophobe Schicht 78 einen Kontaktwinkel von mehr als ca. 75°. In noch einer anderen Weiterentwicklung hat die hydrophobe Schicht 78 einen Kontaktwinkel von mehr als ca. 100°. In noch einer anderen Weiterentwicklung hat die hydrophobe Schicht 78 einen Kontaktwinkel im Bereich von ca. 80° bis ca. 160°.
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Beispiele für geeignete Materialien für die hydrophobe Schicht
78 oder die mikroporöse Schicht
36 sind Kombinationen von Polytetrafluorethylen (PTFE) mit niedriger Oberflächenenergie und Kohlenstoffnanoröhrenbeschichtungen. PTFE ist ein intrinsisch hydrophobes Material mit einer sehr geringen Oberflächenenergie von 190 μN/cm. In einer Abwandlung liegt das PTFE in einer Menge im Bereich von ca. 90 bis ca. 99% des kombinierten Gewichts von PTFE und Kohlenstoffnanoröhren vor. In einer anderen Abwandlung liegt das PTFE in einer Menge im Bereich von ca. 95 bis ca. 98% des kombinierten Gewichts von PTFE und Kohlenstoffnanoröhren vor. In einer anderen Abwandlung liegen die Kohlenstoffnanoröhren in einer Menge im Bereich von ca. 0,5 bis ca. 10% des kombinierten Gewichts von PTFE und Kohlenstoffnanoröhren vor. In einer anderen Abwandlung liegen die Kohlenstoffnanoröhren in einer Menge im Bereich von ca. 1 bis ca. 5% des kombinierten Gewichts von PTFE und Kohlenstoffnanoröhren vor. Andere Materialien, die in Kombination mit Kohlenstoffnanoröhren verwendet werden, um hydrophobe Schichten herzustellen, sind in Tab. 1 aufgeführt: Tabelle 1. Hydrophobe Materialien.
| Material | Oberflächenenergie (μN/cm) |
| Polyhexafluorpropylen | 160 |
| Polytetrafluorethylen (PTFE/Teflon) | 180–200 |
| Fluoriertes Ethylenpropylen (FEP) | 180–220 |
| Polytrifluorethylen | 220 |
| Chlortrifluorethylen (Aclar) | 200–240 |
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Es ist zu beachten, dass Kombinationen der Materialien in Tab. 1 ebenfalls verwendet werden können. Darüber hinaus kann die Beschichtung in dem Zwischenbereich 70 ebenfalls diese Materialien umfassen.
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Beschichtete Proben zeigen eine gute Adhäsion und sind superhydrophob. Kohlenstoffnanoröhren spielen in dem vorliegenden Beispiel eine einzigartige Rolle. Die Nanoröhren binden die PTFE-Partikel nicht nur aneinander, sondern stellen außerdem die richtige Morphologie bereit, um diese Beschichtung superhydrophob zu machen. Die durch Kohlenstoffnanoröhren erzeugte Rauheit ergibt mit intrinsisch großen Kontaktwinkeln von PTFE eine superhydrophobe Oberfläche, welche die Platten nicht benässt und kein Anheften zeigt. Der Kontaktwinkel des Materials mit PTFE-Kohlenstoffnanoröhren ist größer als 125°.
