DE102012001262A1

DE102012001262A1 - Hydrolysebeständige hydrophile Beschichtung für Bipolarplatten

Info

Publication number: DE102012001262A1
Application number: DE102012001262A
Authority: DE
Inventors: Richard H. Blunk
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2012-01-23
Publication date: 2012-08-23
Also published as: US9647277B2; CN102615026A; CN102615026B; US20120189938A1

Abstract

Ein Verfahren zum Bilden einer hydrolysebeständigen hydrophilen Beschichtung auf einer Brennstoffzellen-Strömungsfeldplatte umfasst das Inkontaktbringen einer Strömungsfeldplatte mit einer Titanoxidlösung zum Bilden einer auf der Strömungsfeldplatte angeordneten Titanoxidschicht. Die beschichtete Strömungsfeldplatte wird anschließend zum Bilden einer auf der Strömungsfeldplatte angeordneten Siliciumoxid-Titanoxid-Doppelschicht mit einer Siliciumoxidlösung in Kontakt gebracht. Eine durch das Verfahren gebildete Strömungsfeldplatte wird ebenfalls bereitgestellt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Fachgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Bipolarplatten mit verbesserter Hydrophilie für Brennstoffzellenanwendungen.
2. Hintergrund
Brennstoffzellen werden in vielen Anwendungen als Spannungsquelle verwendet. Insbesondere werden Brennstoffzellen zur Anwendung in Kraftfahrzeugen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen. Bei einer häufig verwendeten Brennstoffzellenbauweise wird eine Festpolymer-Elektrolyt-Membran (SPE-Membran) oder Protonenaustausch-Membran (PEM) verwendet, um zwischen der Anode und der Kathode einen Ionentransport zu liefern.
In Brennstoffzellen vom Protonenaustausch-Membran-Typ wird die Anode mit Wasserstoff als Brennstoff beliefert und die Kathode wird mit Sauerstoff als Oxidationsmittel beliefert. Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O₂) oder als 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 der 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. aus Graphitgewebe, graphitierten Papieren oder Kohlenstoffpapier, um die Dispersion des Brennstoffs über die Oberfläche der Membran zu ermöglichen, die der Brennstoffzufuhr-Elektrode zugewandt ist. Jede Elektrode weist fein verteilte, auf Kohlenstoffpartikel aufgetragene Katalysatorpartikel (z. B. Platinpartikel) auf, 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 poröser Gasdiffusionsschichten (GDL) eingeklemmt, die wiederum zwischen ein Paar nicht-poröser, elektrisch leitfähiger 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.
Die in Brennstoffzellen gegenwärtig verwendeten elektrisch leitfähigen Platten bieten mehrere Möglichkeiten zum Verbessern der Brennstoffzellenleistung. Es ist zum Beispiel wünschenswert, die Agglomeration von Wassertröpfchen innerhalb der Gaskanäle in den Platten zu minimieren. Hierzu werden Brennstoffzellen typischerweise mit einer hydrophilen Beschichtung beschichtet. Gegenwärtig werden hydrophile Schichten mittels eines Mehrschichtadsorptionsverfahrens (MLA-Verfahren) auf eine leitfähige Platte aufgetragen. Typischerweise erfordern solche Verfahren 4 Eintauchzyklen (d. h. 4 Doppelschichten; 1 Doppelschicht besteht aus einer Siliciumdioxidschicht auf einer Schicht aus einem kationischen Polymer) in einer hydrophilen Beschichtung, wie z. B. auf Siliciumdioxid basierendem NanoX. Obwohl solche Verfahren einigermaßen gute Ergebnisse erzielen, sind MLA-Verfahren unerwünscht arbeitsaufwändig und ihre Durchführung dauert oft bis zu 40 min.
Obwohl neuere Daten für Stapel zeigen, dass eine superhydrophile Beschichtung im aktiven Bereich von goldbeschichteten Bipolarplatten aus rostfreiem Stahl nicht notwendig ist, um Niedrigleistungsstabilität (LPS) zu verleihen, können zukünftige Plattenbauarten und Systembetriebsbedingungen solch eine Beschichtung zum Wassermanagement erfordern. Gegenwärtig sind auf Siliciumdioxid basierende hydrophile Beschichtungen (z. B. EMS, NanoX), die unter Anwendung eines Mehrschichtadsorptionsverfahrens (MLA-Verfahren, beinhaltet die Verwendung eines kationischen Polymers) aufgetragen werden, nicht ausreichend wasserbeständig. In Stapeln SO340 (3500 h) und S0949 (5100 h) kam es bei den siliciumdioxidbeschichteten Platten zu einer starken Verringerung der Dochtwirkung (weniger hydrophil) nach Brennstoffzelleneinwirkung aufgrund der Auflösung von Siliciumdioxid und kationischem Polymer. Es wird ein stärker hydrolysebeständiges Material benötigt, um das wasserlösliche kationische Polymer zu ersetzen.
Demzufolge besteht eine Notwendigkeit für eine verbesserte Methodik zum Auftragen von hydrophilen Beschichtungen auf den Oberflächen von in Brennstoffzellenanwendungen verwendeten Bipolarplatten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung löst ein oder mehr Probleme des Standes der Technik, indem sie in mindestens einer Ausführungsform ein Verfahren zum Auftragen einer hydrolysebeständigen hydrophilen Beschichtung auf ein Brennstoffzellenbauteil bereitstellt. Das Verfahren umfasst das Inkontaktbringen eines Brennstoffzellenbauteils mit einer titanoxidhaltigen Flüssigkeit zum Bilden einer titanoxidhaltigen Schicht, die an dem Brennstoffzellenbauteil anhaftet. Die titanoxidhaltige Schicht wird optional getrocknet. In einem nachfolgenden Schritt wird das Brennstoffzellenbauteil zum Bilden einer Siliciumoxidbeschichtung, die an der Titanoxidschicht anhaftet, in Kontakt mit einer siliciumoxidhaltigen Flüssigkeit gebracht. Die siliciumoxidhaltige Schicht wird dann optional getrocknet. Die Schritte der vorliegenden Ausführungsform werden optional ein oder mehrere weitere Male wiederholt, um mehrere Doppelschichten auf dem Brennstoffzellenbauteil zu erzeugen. Es hat sich gezeigt, dass das gemäß dem Verfahren der vorliegenden Ausführungsform beschichtete Brennstoffzellenbauteil eine gute Hydrophilie und einen kleinen Kontaktwinkel gegenüber Wasser aufweist. Zudem hat es sich gezeigt, dass die beschichteten Artikel diese Eigenschaften nach andauernder Einwirkung von Wasser behalten.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bilden einer Brennstoffzelle mit einer beschichteten Strömungsfeldplatte bereitgestellt. Das Verfahren umfasst einen Schiritt des Anordnens einer Membranelektrodenanordnung zwischen einer ersten Strömungsfeldplatte und einer Kathodenströmungsfeldplatte. Mindestens eine der ersten Strömungsfeldplatte und der zweiten Strömungsfeldplatte wird beschichtet, und zwar durch Inkontaktbringen eines Brennstoffzellenbauteils mit einer titanoxidhaltigen Flüssigkeit zum Bilden einer titanoxidhaltigen, an das Brennstoffzellenbauteil anhaftenden Schicht. Die titanoxidhaltige Schicht wird dann optional getrocknet. In einem nachfolgenden Schritt wird das Brennstoffzellenbauteil zum Bilden einer an die Titanoxidschicht anhaftenden Siliciumoxidbeschichtung mit einer siliciumoxidhaltigen Flüssigkeit in Kontakt gebracht. Die siliciumoxidhaltige Schicht wird dann optional getrocknet. Die Schritte der vorliegenden Ausführungsform werden optional ein oder mehrere weitere Male wiederholt, um mehrere Doppelschichten auf dem Brennstoffzellenbauteil zu erzeugen.
In noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Brennstoffzelle bereitgestellt, die ein beschichtetes Brennstoffzellenbauteil umfasst. Das Brennstoffzellenbauteil, das für gewöhnlich eine Strömungsfeldplatte ist, wird durch die vorstehend dargelegten Verfahren gebildet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittdarstellung einer Brennstoffzelle, welche die Bipolarplatten einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält,
2A und 2B zeigen ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen einer beschichteten Strömungsfeldplatte darstellt,
3 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Zusammenbau einer Brennstoffzelle und
4 zeigt grafische Darstellungen des statischen Kontaktwinkels gegen Eintauchzeit in Wasser (bei 80°C und 95°C) für goldbeschichtete Couponproben aus rostfreiem Stahl, die mit 4 Doppelschichten aus SiO₂/C-442 (Polymer) beschichtet sind, und für goldbeschichtete Proben aus rostfreiem Stahl, die mit 4 Doppelschichten aus SiO₂/TiO₂ beschichtet sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN)
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 ist zu beachten, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Daher sollen spezifische hier offenbarte Details nicht als einschränkend ausgelegt werden, sondern lediglich als eine repräsentative Grundlage für jeden Aspekt der Erfindung und/oder als eine repräsentative Grundlage, die einen Fachmann lehrt, die vorliegende Erfindung unterschiedlich zu gebrauchen.
Außer in den Beispielen, oder wenn ausdrücklich anders angegeben, verstehen sich alle zahlenmäßigen Größen in dieser Beschreibung, die Materialmengen oder Reaktions- und/oder Anwendungsbedingungen angeben, als durch das Wort „ca.” dahingehend geändert, dass sie den weitesten Schutzumfang der Erfindung beschreiben. Die Ausführung innerhalb der angegebenen zahlenmäßigen Beschränkungen ist allgemein bevorzugt. Außerdem gilt, wenn nicht ausdrücklich anders angegeben: Prozent, „Teile von” und Verhältniswerte beziehen sich auf das Gewicht; die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien als für einen bestimmten Zweck in Verbindung mit der Erfindung geeignet oder bevorzugt setzt voraus, dass Mischungen von 2 oder mehr der Elementen der Gruppe oder Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sind; die Beschreibung von Bestandteilen in chemischen Begriffen bezieht sich auf die Bestandteile zum Zeitpunkt der Zugabe zu einer in der Beschreibung vorgegebenen Kombination und schließt nicht notwendigerweise chemische Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen einer Mischung nach dem Mischen aus; die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung und gilt entsprechend für normale grammatikalische Abwandlungen der anfänglich definierten Abkürzung; und, wenn nicht ausdrücklich anders angegeben, wird die Messung einer Eigenschaft mit derselben Technik bestimmt wie zuvor oder im Folgenden für dieselbe Eigenschaft angegeben.
Es ist außerdem zu beachten, dass diese Erfindung nicht auf die nachstehend beschriebenen spezifischen Ausführungsformen und Verfahren beschränkt ist, da spezifische Bestandteile und/oder Bedingungen selbstverständlich abweichen können. 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.
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.
Immer, wenn in dieser Anmeldung auf Veröffentlichungen verwiesen wird, werden die Offenbarungen dieser Veröffentlichungen in ihrer Gesamtheit hiermit durch Bezugnahme in diese Anmeldung aufgenommen, um den Stand der Technik, den diese Erfindung betrifft, näher zu beschreiben.
Unter Bezugnahme auf die 1 wird eine Querschnittdarstellung einer Brennstoffzelle bereitgestellt, die eine Ausführungsform einer Strömungsfeldplatte enthält. Die PEM-Brennstoffzelle 20 umfasst die ionenleitfähige Polymermembran 22, die zwischen Kathodenkatalysatorschicht 24 und Anodenkatalysatorschicht 26 angeordnet ist. Die Brennstoffzelle 20 umfasst außerdem elektrisch leitfähige Strömungsfeldplatten 28, 30, welche die Gaskanäle 32 und 34 enthalten. Die Strömungsfeldplatten 28, 30 sind entweder Bipolarplatten (dargestellt) oder Unipolarplatten (d. h. Endplatten). In einer Weiterentwicklung sind die Strömungsfeldplatten 28, 30 aus einer Metallplatte (z. B. aus rostfreiem Stahl) gebildet, die wahlweise mit einem Edelmetall wie Gold oder Platin beschichtet ist. In einer anderen Weiterentwicklung sind die Strömungsfeldplatten 28, 30 aus leitfähigen Polymeren gebildet, die ebenfalls wahlweise mit einem Edelmetall beschichtet sind. Strömungsfeldplatten 28, 30 sind wie nachstehend dargelegt mit einer Titanoxid-Siliciumoxid-Doppelschicht beschichtet. Die Gasdiffusionsschichten 36 und 38 sind ebenfalls zwischen Strömungsfeldplatten und einer Katalysatorschicht angeordnet. Vorteilhafterweise sind die Strömungsfeldplatten 28, 30 durch die nachstehend dargelegten Verfahren hergestellt.
Unter Bezugnahme auf die 2 wird ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bilden eines beschichteten Brennstoffzellenbauteils bereitgestellt. In dem Schritt a¹) wird das Brennstoffzellenbauteil 40 in das Bad 42 eingetaucht, das die titanoxidhaltige Flüssigkeit 44 enthält. In einer Abwandlung ist das Brennstoffzellenbauteil eine Strömungsfeldplatte. Beispiele für solche Strömungsfeldplatten umfassen Bipolarplatten und Unipolarplatten. In einer Weiterentwicklung umfasst die Strömungsfeldplatte ein Metall, wie z. B. rostfreien Stahl. In einer anderen Weiterentwicklung umfasst die Strömungsfeldplatte ein elektrisch leitfähiges Polymer. In einer Weiterentwicklung umfasst die titanoxidhaltige Flüssigkeit 44 ein Lösungsmittel mit einer darin dispergierten Titanverbindung. Die titanoxidhaltige Flüssigkeit 44 kann eine Flüssigkeit, eine Emulsion, ein Kolloid usw. sein. In einer besonders geeigneten Weiterentwicklung umfasst die titanoxidhaltige Flüssigkeit 44 Titanoxidpartikel, insbesondere Titanoxidnanopartikel. Geeignete Lösungsmittel umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Wasser und Alkohole (Methanol, Ethanol, Isopropanol usw.). In einer weiteren Weiterentwicklung haben die Titanoxidnanopartikel eine Größe im Bereich von ca. 2 nm bis ca. 100 nm. In noch einer anderen Weiterentwicklung haben die Titanoxidnanopartikel eine Größe im Bereich von ca. 2 nm bis ca. 10 nm. In dem Schritt a²) wird das Brennstoffzellenbauteil aus dem Bad 42 entfernt, um das Brennstoffzellenbauteil 40 bereitzustellen, das mit Titanschicht 46 beschichtet ist. In Schritt a³) wird die titanhaltige Schicht 46 des Brennstoffzellenbauteils mit einem Lösungsmittel gewaschen, um nicht anhaftende Titanoxidpartikel zu entfernen. Geeignete Lösungsmittel umfassen Wasser und Alkohole (Methanol, Ethanol, Isopropanol usw.) und Mischungen davon. In dem Schritt b) wird die titanoxidhaltige Schicht 46 optional getrocknet, um die getrocknete titanoxidhaltige Schicht 48 zu bilden. In diesem Zusammenhang bedeutet trocknen, dass das Lösungsmittel entweder durch passive Verdampfung oder durch Erhitzen zumindest teilweise entfernt wird.
Unter weiterer Bezugnahme auf die 2A und 2B wird das Brennstoffzellenbauteil 40 in dem Bad 42 eingetaucht, das in dem Schritt c¹) die siliciumoxidhaltige Flüssigkeit 52 enthält. In einer Weiterentwicklung enthält diesiliciumoxidhaltige Flüssigkeit 52 ein Lösungsmittel mit einer darin dispergierten Siliciumverbindung. Die siliciumoxidhaltige Flüssigkeit 52 kann eine Flüssigkeit, eine Emulsion, ein Kolloid usw. sein. In einer besonders geeigneten Weiterentwicklung enthält die siliciumoxidhaltige Flüssigkeit 52 Siliciumoxidpartikel, insbesondere Siliciumoxidnanopartikel. Geeignete Lösungsmittel umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Wasser und Alkohole (Methanol, Ethanol, Isopropanol usw.) und Mischungen davon. In einer weiteren Weiterentwicklung weisen die Siliciumoxidnanopartikel eine Größe im Bereich von ca. 2 nm bis ca. 100 nm auf. In noch einer anderen Weiterentwicklung weisen die Siliciumoxidnanopartikel eine Größe im Bereich von ca. 2 nm bis ca. 10 nm auf. In dem Schritt c²) wird das Brennstoffzellenbauteil aus dem Bad 50 entfernt, sodass die titanoxidhaltige Schicht 48 mit der siliciumoxidhaltigen Schicht 54 beschichtet wird. In dem Schritt c³) wird die siliciumoxidhaltige Schicht 54 des Brennstoffzellenbauteils mit einem Lösungsmittel gewaschen, um nicht anhaftende Siliciumoxidpartikel zu entfernen. Geeignete Lösungsmittel umfassen Wasser und Alkohole (Methanol, Ethanol, Isopropanol usw.) und Mischungen davon. In dem Schritt d) wird die siliciumoxidhaltige Schicht 54 wahlweise getrocknet, um die getrocknete siliciumoxidhaltige Schicht 56 zu bilden.
In einer Abwandlung der vorliegenden Ausführungsform wird das Verfahren der 2 mehrere Male wiederholt, um einen Stapel von mehreren Doppelschichten zu erzeugen. Im Allgemeinen wird das Verfahren 1- bis 6-mal wiederholt, um 1 bis 6 Doppelschichten zu erzeugen. In einer Weiterentwicklung wird das Verfahren 4-mal wiederholt, um 4 Doppelschichten zu erzeugen. In noch einer anderen Weiterentwicklung wird das Verfahren 1- oder 2-mal wiederholt, um 1 oder 2 Doppelschichten zu erzeugen.
Das in der vorstehend dargelegten Weise beschichtete Brennstoffzellenbauteil zeigt überlegene Hydrophilie. Insbesondere zeigt das beschichtete Brennstoffzellenbauteil einen Kontaktwinkel gegenüber Wasser von weniger als ca. 40°. In einer anderen Weiterentwicklung zeigt das beschichtete Brennstoffzellenbauteil einen Kontaktwinkel von weniger als ca. 30°. In noch einer anderen Weiterentwicklung zeigt das beschichtete Brennstoffzellenbauteil einen Kontaktwinkel von weniger als ca. 20°. In noch einer anderen Ausführungsform zeigt das beschichtete Brennstoffzeilenbauteil einen Kontaktwinkel im Bereich von ca. 3–20°. Es zeigt sich, dass beschichtete Brennstoffzellenbauteile ihre Eigenschaften nach längerer Wassereinwirkung behalten.
Unter Bezugnahme auf die 3 wird eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Zusammenbau einer Brennstoffzelle bereitgestellt. Das Verfahren umfasst Schritt d), in dem die Membranelektrodenanordnung 60 zwischen der Anodenströmungsfeldplatte 62 und der Kathodenströmungsfeldplatte 64 angeordnet wird. Die Membranelektrodenanordnung 60 umfasst die ionenleitfähige Membran 66, die zwischen Anode 68 und Kathode 70 angeordnet ist. Mindestens eine der ersten Strömungsfeldplatte 62 und einer zweiten Strömungsfeldplatte 64 sind durch das in 4 dargestellte Verfahren beschichtet. In einer Abwandlung wird die Gasdiffusionsschicht 72 zwischen der Anodenströmungsfeldplatte 62 und der Membranelektrodenanordnung 60 angeordnet, und die Gasdiffusionsschicht 74 wird zwischen der Kathodenströmungsfeldplatte 64 und der Membranelektrodenanordnung 60 angeordnet.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Für Fachleute sind viele Abwandlungen erkennbar, die innerhalb des Geistes der vorliegenden Erfindung und des Schutzumfangs der Ansprüche liegen.
Materialien: Hombikat^® XXS 100 TiO₂-Lösung (Sachtleben Corporation) und EMS-Siliciumdioxidlösung (Electronic Microscopy Services, Inc.). Die im Handel erhältliche TiO₂-Lösung besteht aus photokatalytischen, in Wasser suspendierten Anatas-Nanopartikeln (Partikelgröße < 7 nm, TiO₂-Gehalt 18,6 Gewichtsprozent) und wird mit vollentsalztem Wasser und Ethanol auf eine Endzusammensetzung von 6 Gewichtsprozent TiO₂, 89 Gewichtsprozent Wasser und 5 Gewichtsprozent Ethanol verdünnt. Die positiv geladenen TiO₂-Partikel (pH = 2,4, isoelektrischer Punkt von TiO₂: pH 5,5–6) werden mit Salpetersäure elektrostatisch stabilisiert. Die Siliciumdioxidlösung besteht aus in Wasser suspendierten 60-nm-SiO₂-Partikeln, die 10-fach mit Wasser auf 0,5 Gewichtsprozent SiO₂ verdünnt wurde und deren pH mit H₂SO₄ eingestellt wurde (pH = 3,9, isoelektrischer Punkt von SiO₂: pH 2,0–2,6), um es den negativ geladenen SiO₂-Partikeln zu ermöglichen, in dem MLA-Verfahren gut an die voradsorbierte, positiv geladene TiO₂-Schicht zu adsorbieren.

Verfahrensdetails: EMS-Siliciumdioxid wird unter Anwendung eines MLA-Verfahrens auf goldbeschichtete Couponproben aus rostfreiem Stahl aufgetragen, in dem die alkalisch gereinigten Couponproben: 1. 3 min lang bei Raumtemperatur in die TiO₂-Lösung getaucht werden, um eine positiv geladenen Oberfläche zu erhalten, 2. 2 min lang unter heftiger Bewegung mit vollentsalztem Wasser gespült werden, um nicht anhaftendes TiO₂ zu entfernen, 3. 3 min lang in eine negativ geladene EMS-Siliciumdioxidlösung getaucht werden und dann 4. unter heftiger Bewegung 2 min lang mit vollentsalztem Wasser gespült werden, um ungebundene Siliciumdioxidpartikel zu entfernen und eine Einzelschicht Siliciumdioxid zu bilden. Dies erzeugt eine einzelne SiO₂-TiO₂-Doppelschicht. In der Tabelle 1 sind die Eigenschaften von goldbeschichteten Couponproben aus rostfreiem Stahl beim Eintauchen in Wasser angegeben, die mit 4 Doppelschichten aus SiO₂/Kemira C-442 bzw. SiO₂/TiO₂ beschichtet sind. Kemira C-442 ist ein Acrylamid-β-Methacryl-oxyethyl-trimethyl-ammonium-Copolymer. Es zeigt sich, dass die Menge des Siliciumverlusts nach 792 h Eintauchen in Wasser bei den SiO₂-TiO₂-Couponproben viel geringer ist als bei den SiO₂-C-442-beschichteten Couponproben. Zudem zeigen die erstgenannten eine leichte Zunahme des Kontaktwinkels. Die in Tabelle 1 angegebenen Mengen an Siliciumoxid und Titanoxid wurden durch Elektronenstrahlmikroanalyse (ESMA) bestimmt. Ähnlich zeigt 3 grafische Darstellungen des statischen Kontaktwinkels gegen die Tauchzeit in Wasser (bei 80°C und 95°C) für goldbeschichtete Couponproben aus rostfreiem Stahl, die mit 4 Doppelschichten aus SiO₂/C-442 (Polymer) beschichtet sind, und für goldbeschichtete Couponproben aus rostfreiem Stahl, die mit 4 Doppelschichten aus SiO₂/TiO₂ beschichtet sind. In 3 wird gezeigt, dass die SiO₂/C-442-beschichteten Couponproben eine signifikante Zunahme des Kontaktwinkels zeigen, während die SiO₂-TiO₂-beschichteten Couponproben nur einen minimale Zunahme zeigen. Dies weist darauf hin, dass die erstgenannten Couponproben eine signifikante Menge SiO₂ verlieren, sodass der gemessene statische Kontaktwinkel gegenüber Wasser zunimmt und sich dem der darunterliegenden Goldbeschichtung annähert. Die Daten in Tabelle 1 unterstützen ebenfalls eindeutig diese Schlussfolgerung. Die ESMA-Ergebnisse zeigen nach 792 h Eintauchen in Wasser bei 80°C oder 90°C einen signifikanten Prozentsatz an SiO₂-Verlust für die SiO₂-C-442-Probe (98–99%), während die SiO₂-TiO₂-Couponproben für dieselbe Tauchzeit einen SiO₂-Verlust von nur 30–60% zeigen. Die größere Reduktion des elektrischen Kontakts für die SiO₂-C-442-Probe im Vergleich mit der SiO₂-TiO₂-Probe ist ein weiterer Hinweis auf einen größeren SiO₂-Verlust bei der erstgenannten, da der Kontaktwiderstand abnimmt und dem Kontaktwiderstand der darunterliegenden Goldbeschichtung gleicht. Tabelle 1.

Probe	Testbedingung	SiO₂ (μg/cm³) bei 792 h	SiO₂-Verlust (%)	Ti(kcps) bei 792 h	Kontaktwiderstand bei 200 psi (mΩ cm²)
Nur Au	Kontrolle	< 1	-	-	22
SiO₂/C-442	Kontrolle (nach 0 h)	116 (Zeit = 0)	-	-	169 (Zeit = 0)
	80°C	1,7	99	-	21
	80°C	2,1	98	-	19
	95°C	1,8	98	-	22
	95°C	1,3	99	-	20
SiO₂/TiO₂	Kontrolle (nach 0 h	35 (Zeit = 0)	-	1,38	49 (Zeit = 0)
	80°C	23	34	1,42	37
	80°C	22	37	1,49	39
	95°C	13	63	1,56	31
	95°C	14	60	1,14	32

Während Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Erfindung darstellen und beschreiben. Vielmehr dient der in der Beschreibung verwendete Wortlaut der Beschreibung und nicht der Einschränkung, und es wird davon ausgegangen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Beschichten eines Brennstoffzellenbauteils mit einer Doppelschicht, welches umfasst: a) Inkontaktbringen des Brennstoffzellenbauteils mit einer titanoxidhaltigen Flüssigkeit zum Bilden einer titanoxidhaltigen Schicht, die an das Brennstoffzellenbauteil anhaftet, und b) Inkontaktbringen des Brennstoffzellenbauteils mit einer siliciumoxidhaltigen Flüssigkeit zum Bilden einer siliciumoxidhaltigen Beschichtung, die an die titanoxidhaltige Schicht anhaftet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schritte a–b) zum Erzeugen von mehreren Doppelschichten eine vorgegebene Anzahl von Malen wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die titanoxidhaltige Flüssigkeit Titanoxidnanopartikel enthält, wobei die Titanoxidnanopartikel eine Größe im Bereich von ca. 2 nm bis ca. 100 nm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die titanoxidhaltige Schicht eine Dicke im Bereich von ca. 2 nm bis ca. 100 nm und die siliciumoxidhaltige Schicht eine Dicke im Bereich von ca. 2 nm bis ca. 100 nm aufweist.
Verfahren zum Bilden einer Brennstoffzelle mit einer beschichteten Strömungsfeldplatte, welches umfasst: Anordnen einer Membranelektrodenanordnung zwischen einer ersten Strömungsfeldplatte und einer zweiten Strömungsfeldplatte, wobei mindestens eine der ersten Strömungsfeldplatte und der zweiten Strömungsfeldplatte hergestellt werden durch: a) Inkontaktbringen des Brennstoffzellenbauteils mit einer titanoxidhaltigen Flüssigkeit zum Bilden einer titanoxidhaltigen Schicht, die an das Brennstoffzellenbauteil anhaftet, und b) Inkontaktbringen des Brennstoffzellenbauteils mit einer siliciumoxidhaltigen Flüssigkeit zum Bilden einer siliciumoxidhaltigen Beschichtung, die an die titanoxidhaltige Schicht anhaftet.
Verfahren nach Anspruch 5, das weiterhin das Anordnen einer ersten Gasdiffusionsschicht zwischen der ersten Strömungsfeldplatte und der Membranelektrodenanordnung und einer zweiten Gasdiffusionsschicht zwischen der zweiten Strömungsfeldplatte und der Membranelektrodenanordnung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die titanoxidhaltige Flüssigkeit Titanoxidnanopartikel enthält.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Titanoxidnanopartikel eine Größe im Bereich von ca. 2 nm bis ca. 100 nm aufweisen.
Brennstoffzelle, welche umfasst: eine erste Strömungsfeldplatte, eine zweite Strömungsfeldplatte, wobei mindestens eine der ersten Strömungsfeldplatte und der zweiten Strömungsfeldplatte mit einer Doppelschicht beschichtet sind, wobei die Doppelschicht eine titanoxidhaltige Schicht und eine siliciumoxidhaltige Schicht umfasst, eine Membranelektrodenanordnung, die eine Anode, eine Kathode und eine ionenleitfähige Membran umfasst, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 9, wobei mindestens eine der ersten Strömungsfeldplatte und der zweiten Strömungsfeldplatte mit 1 bis 6 Doppelschichten beschichtet sind, wobei jede Doppelschicht eine titanoxidhaltige Schicht und eine siliciumoxidhaltige Schicht umfasst.