DE102017115053A1 - Beschichtete aluminium-bipolarplatte für brennstoffzellenanwendungen - Google Patents

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Smuruthi Kamepalli
Balasubramanian Lakshmanan
Elizabeth Dicocco
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Abstract

Eine Brennstoffzellen-Strömungsfeldplatte beinhaltet eine Aluminiumsubstratplatte mit einer ersten und einer zweiten Seite, worin die erste Seite der Aluminiumsubstratplatte eine Vielzahl von Kanälen zum Transport eines ersten Brennstoffzellen-Reaktantgases definiert. Die Strömungsfeldplatte beinhaltet auch eine erste Metallzwischenschicht, die auf die erste Seite der Aluminiumsubstratplatte aufgetragen ist, eine zweite Metallzwischenschicht, die auf die zweite Seite der Aluminiumsubstratplatte aufgetragen ist, eine erste amorphe Kohlenstoffschicht, die auf die erste Metallzwischenschicht aufgetragen ist, und eine zweite amorphe Kohlenstoffschicht, die auf die zweite Metallzwischenschicht aufgetragen ist. Die erste amorphe Kohlenstoffschicht und die zweite amorphe Kohlenstoffschicht weisen jeweils unabhängig eine Dichte auf, die größer oder gleich 1,2 g/cc ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • In mindestens einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung Strömungsfeldplatten zum Einbau in Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapel.
  • HINTERGRUND
  • Brennstoffzellen werden in vielen Anwendungen als eine elektrische Energiequelle verwendet. Es wird insbesondere vorgeschlagen, als Ersatz für Verbrennungsmotoren Brennstoffzellen in Automobilen einzusetzen. Für den Ionentransport zwischen Anode und Kathode arbeitet eine häufig verwendete Brennstoffzellenausführung mit einer Festpolymerelektrolytmembran („Solid Polymer Electrolyte, SPE“) oder einer Protonenaustauschmembran („Proton Exchange Membrane, PEM“).
  • In Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen wird der Anode Wasserstoff als Brennstoff zugeführt und der Kathode wird Sauerstoff als Oxidationsmittel zugeführt. Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O2) oder als Luft (eine Mischung aus O2 und N2) vorliegen. PEM-Brennstoffzellen besitzen typischerweise eine Membran-Elektroden-Einheit („Membrane Elektrode Assembly, MEA“), in der eine feste Polymermembran auf einer Seite einen Anodenkatalysator und auf der gegenüberliegenden Seite einen Kathodenkatalysator aufweist. Die Anoden- und Kathodenkatalysatorschichten einer typischen PEM-Brennstoffzelle sind typischerweise dünne Filme, die durch getrocknete Tinten gebildet werden. Jede Elektrode weist zur Förderung der Oxidation von Wasserstoff an der Anode und der Reduktion von Sauerstoff an der Kathode fein verteilte Katalysatorpartikel (z. B. Platinpartikel) auf, die von Kohlenstoffpartikeln getragen werden. Protonen strömen von der Anode durch die ionisch leitende Polymermembran zur Kathode, wo sie sich mit Sauerstoff verbinden, um Wasser auszubilden, das aus der Zelle abgeführt wird. Die MEA ist zwischen einem Paar elektrisch leitender poröser Gasdiffusionsschichten („Gas Diffusion Layer, GDL“) angeordnet, die wiederum zwischen einem Paar nicht poröser, elektrisch leitender Elemente oder Platten angeordnet sind. Die Platten fungieren als Stromabnehmer für die Anode und die Kathode und enthalten darin ausgebildete geeignete Kanäle und Öffnungen zur Verteilung der gasförmigen Reaktanten über der Oberfläche der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren. Um effizient Elektrizität zu produzieren, muss die Polymerelektrolytmembran einer PEM-Brennstoffzelle dünn, chemisch stabil, protonendurchlässig, nicht elektrisch leitend und gasundurchlässig sein. In typischen Anwendungen werden Brennstoffzellen in Anordnungen von vielen einzelnen, in Stapeln angeordneten Brennstoffzellen vorgesehen, um ein hohes Maß an elektrischer Energie bereitzustellen.
  • In manchen Anwendungen, ist es wünschenswert, ein kostengünstiges Metall, wie Aluminium, für die Strömungsfeldplatten zu verwenden. Gleichwohl müssen derartige Aluminiumsubstrate aufgrund der aggressiven sauren Bedingungen, die sich in PEM-Brennstoffzellen entwickeln, beschichtet werden. In dieser Hinsicht sind einige Aluminium-Strömungsfeldplatten nach dem Stand der Technik aufgrund bestehender Ungleichmäßigkeiten und Poren immer noch anfällig für Korrosion.
  • Dementsprechend besteht Bedarf an Aluminium-Strömungsfeldplatten mit verbesserter Korrosionsbeständigkeit.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • In mindestens einer Ausführungsform löst die vorliegende Erfindung eines oder mehrere der Probleme des Standes der Technik durch Bereitstellen einer Brennstoffzellen-Strömungsfeldplatte für Brennstoffzellen-Anwendungen. Die Strömungsfeldplatte beinhaltet eine Aluminiumsubstratplatte mit einer ersten und einer zweiten Seite, worin die erste Seite der Aluminiumsubstratplatte eine Vielzahl von Kanälen zum Transport eines ersten Brennstoffzellen-Reaktantgases definiert. Die Strömungsfeldplatte beinhaltet auch eine erste Metallzwischenschicht, die auf die erste Seite der Aluminiumsubstratplatte aufgetragen ist, eine zweite Metallzwischenschicht, die auf die zweite Seite der Aluminiumsubstratplatte aufgetragen ist, eine erste amorphe Kohlenstoffschicht, die auf die erste Metallzwischenschicht aufgetragen ist, und eine zweite amorphe Kohlenstoffschicht, die auf die zweite Metallzwischenschicht aufgetragen ist. Die erste amorphe Kohlenstoffschicht und die zweite amorphe Kohlenstoffschicht weisen jeweils unabhängig eine Dichte auf, die größer oder gleich 1,2 g/cc ist.
  • In einer anderen Ausführungsform wird eine Brennstoffzelle, die die dargelegte beschichtete Strömungsfeldplatte enthält, bereitgestellt. Die Brennstoffzelle beinhaltet eine ionenleitende Membran mit einer Kathoden- und einer Anodenseite, eine Kathodenkatalysatorschicht, die über der Kathodenseite angeordnet ist, eine Anodenkatalysatorschicht, die über der Anodenseite angeordnet ist, eine erste Strömungsfeldplatte, die über der Kathodenkatalysatorschicht angeordnet ist, und eine zweite Strömungsfeldplatte, die über der Anodenkatalysatorschicht angeordnet ist. Mindestens eine der ersten Strömungsfeldplatte und der zweiten Strömungsfeldplatte beinhaltet eine Aluminiumsubstratplatte mit einer ersten und einer zweiten Seite, worin die erste Seite der Aluminiumsubstratplatte eine Vielzahl von Kanälen zum Transport eines ersten Brennstoffzellen-Reaktantgases definiert, eine erste Metallzwischenschicht, die auf die erste Seite der Aluminiumsubstratplatte aufgetragen ist; eine zweite Metallzwischenschicht, die auf die zweite Seite der Aluminiumsubstratplatte aufgetragen ist; eine erste amorphe Kohlenstoffschicht, die auf die erste Metallzwischenschicht aufgetragen ist; und eine zweite amorphe Kohlenstoffschicht, die auf die zweite Metallzwischenschicht aufgetragen ist, welche erste amorphe Kohlenstoffschicht und zweite amorphe Kohlenstoffschicht jeweils unabhängig eine Dichte aufweisen, die größer oder gleich 1,2 g/cc ist.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 bietet eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle, die eine beschichtete Strömungsfeldplatte enthält;
  • 2 ist ein schematischer Querschnitt einer Strömungsfeldplatte zur Verwendung in der Brennstoffzelle aus 1;
  • 3 bietet eine graphische Darstellung des Kontaktwiderstandes gegenüber dem aufgebrachten Druck für ein beschichtetes Aluminiumsubstrat der Konstruktion aus 2;
  • 4A bietet ein Rasterelektronenmikroskopbild einer amorphen Beschichtung nach dem Stand der Technik vor der Korrosion;
  • 4B bietet ein Rasterelektronenmikroskopbild einer amorphen Beschichtung nach dem Stand der Technik nach der Korrosion;
  • 4C bietet ein Rasterelektronenmikroskopbild der in 2 dargestellten Beschichtungen vor der Korrosion; und
  • 4D bietet ein Rasterelektronenmikroskopbild der in 2 dargestellten Beschichtungen nach der Korrosion.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Es wird nun im Detail auf derzeit bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, welche die besten Arten der Durchführung der Erfindung darstellen, die den Erfindern gegenwärtig bekannt sind. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich exemplarisch für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Daher sind die spezifischen Details, die hierin offenbart werden, nicht als Beschränkungen zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage für die verschiedenen Aspekte der Erfindung und/oder als repräsentative Grundlage, um Fachleuten auf dem Gebiet die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten zu vermitteln.
  • Außer in den Beispielen oder wenn ausdrücklich erwähnt, sind alle numerischen Angaben über Materialmengen oder Reaktions- oder Nutzungsbedingungen in dieser Beschreibung so zu verstehen, dass sie durch den Zusatz „etwa“ modifiziert werden, sodass sie den weitest möglichen Umfang der Erfindung beschreiben. Das Ausführen innerhalb der angegebenen numerischen Grenzen wird im Allgemeinen bevorzugt. Ferner verstehen sich, wenn nicht ausdrücklich anders angegeben, Prozent, „Teile von“ und Verhältniswerte nach Gewicht. Der Begriff „Polymer“ enthält „Oligomer“, „Copolymer“, „Terpolymer“ und dergleichen. Die Molekulargewichte für jegliches Polymer betreffen das gewichtsmittlere Molekulargewicht, sofern nicht anders angegeben. Wenn eine Gruppe oder Klasse von Materialien für einen bestimmten Zweck im Zusammenhang mit der Erfindung als geeignet oder bevorzugt beschrieben wird, bedeutet das, dass Mischungen von zwei oder mehreren Mitgliedern der Gruppe oder Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sind. Die Beschreibung der Bestandteile in chemischen Begriffen bezieht sich auf die Bestandteile zum Zeitpunkt der Hinzufügung zu einer in der Beschreibung angegebenen Kombination und schließt nicht unbedingt chemische Interaktionen zwischen den Bestandteilen einer Mischung aus, wenn sie einmal gemischt ist. Die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung und gilt auch für normale grammatische Varianten der anfangs definierten Abkürzung entsprechend. Und schließlich wird, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, eine Eigenschaft anhand derselben Technik gemessen, wie vorher oder nachher für die gleiche Eigenschaft angegeben.
  • Es versteht sich ferner, dass diese Erfindung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen und Verfahren beschränkt ist, die im Folgenden beschrieben werden, da bestimmte Komponenten bzw. Bedingungen natürlich variieren können. Des Weiteren dient die hierin verwendete Terminologie nur zum Zweck der Beschreibung verschiedener Ausführungen der vorliegenden Erfindung und ist in keiner Weise als einschränkend zu verstehen.
  • Es ist ferner darauf hinzuweisen, dass die Singularformen „ein/e“ und „der/die/das“, wie in der Spezifikation und den angehängten Patentansprüchen verwendet, auch die Pluralreferenz umfassen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Der Verweis auf eine Komponente im Singular soll beispielsweise eine Vielzahl von Komponenten umfassen.
  • Offenbarungen von Veröffentlichungen, auf die in dieser Anmeldung verwiesen wird, gelten durch Bezugnahme als in vollem Umfang in diese Anmeldung aufgenommen, um den Stand der Technik, auf die sich diese Erfindung bezieht, genauer zu beschreiben.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Strömungsfeldplatte zur Brennstoffzellen-Anwendung bereit. Die Strömungsfeldplatte beinhaltet ein Aluminiumsubstrat, das eine Vielzahl von Kanälen zum Transport eines ersten Brennstoffzellen-Reaktantgases definiert. Die Strömungsfeldplatte ist auf beiden Seiten (d. h. den beiden gegenüberliegenden großflächigen Seiten) mit einer Metallzwischenschicht beschichtet. Die Metallzwischenschicht ist mit einer amorphen Kohlenstoffschicht überzogen, die eine Dichte von größer oder gleich 1,2 g/cc aufweist.
  • Unter Bezugnahme auf 1 wird ein schematischer Querschnitt durch eine Brennstoffzelle geboten, die eine Ausführungsform einer beschichteten Strömungsfeldplatte enthält. Die Protonenaustauschmembran(PEM)-Brennstoffzelle 10 enthält eine polymere ionenleitende Membran 12, die zwischen Kathodenkatalysatorschicht 14 und Anodenkatalysatorschicht 16 angeordnet ist. Brennstoffzelle 10 umfasst auch elektrisch leitende Strömungsfeldplatten 18, 20, Gaskanäle 22 und 24 und Gasdiffusionsschichten 26 und 28. Vorteilhafterweise werden Diffusionsschichten 26 und 28 mit einer Variante des unten dargelegten Verfahrens erzeugt. Während des Betriebs der Brennstoffzelle 10 wird der Strömungsfeldplatte 20 auf der Anodenseite ein Brennstoff, wie Wasserstoff, zugeführt, und ein Oxidationsmittel, wie Sauerstoff, wird der Strömungsfeldplatte 18 auf der Kathodenseite zugeführt. Wasserstoffionen werden von der Anodenkatalysatorschicht 16 erzeugt, die durch die polymere ionenleitende Membran 12 wandern, wo sie an der Kathodenkatalysatorschicht 14 reagieren, um Wasser zu bilden. Dieser elektrochemische Prozess erzeugt einen elektrischen Strom durch eine Last, die mit den Strömungsfeldplatten 18 und 20 verbunden ist.
  • Unter Bezugnahme auf 2 wird dort ein schematischer Querschnitt einer Strömungsfeldplatte zur Verwendung in der Brennstoffzelle aus 1 bereitgestellt. Die Brennstoffzellen-Strömungsfeldplatte 30 beinhaltet die Aluminiumsubstratplatte 32, die eine erste Seite 34 und eine zweite Seite 36 aufweist. Die erste Seite 34 der Aluminiumsubstratplatte 32 definiert eine Vielzahl von Kanälen 40 zum Transport eines ersten Brennstoffzellen-Reaktantgases zu einer Brennstoffzelle. In einer Ausgestaltung definiert die zweite Seite 36 der Aluminiumsubstratplatte 32 eine Vielzahl von Kanälen 42 zum Transport eines zweiten Brennstoffzellen-Reaktantgases. In einer Ausgestaltung beinhaltet dieses erste Brennstoffzellen-Reaktantgas einen Brennstoff, wie molekularen Wasserstoff, während das zweite Brennstoffzellen-Reaktantgas Sauerstoff beinhaltet (z. B. Luft).
  • Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 2 beinhaltet die Brennstoffzellen-Strömungsfeldplatte 30 auch die erste Metallzwischenschicht 44, die auf ersten Seite 34 der Aluminiumsubstratplatte 32 aufgetragen ist. Die zweite metallische Zwischenschicht 46 ist auf die zweite Seite 36 der Aluminiumsubstratplatte 32 aufgetragen. Die erste amorphe Kohlenstoffschicht 48 ist auf die erste Metallzwischenschicht 44 aufgetragen, und die zweite amorphe Kohlenstoffschicht 50 ist auf die zweite Metallzwischenschicht 46 aufgetragen und steht mit dieser in Kontakt.
  • Die beschichtete Brennstoffzellenplatte aus 2 weist eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit auf. In dieser Hinsicht weisen die ersten und zweiten amorphen Kohlenstoffschichten eine hohe Dichte auf. In einer Variante weisen die erste amorphe Kohlenstoffschicht 48 und die zweite amorphe Kohlenstoffschicht 50 jeweils unabhängig eine Dichte auf, die größer oder gleich 1,2 g/cc ist. In anderen Varianten weisen die erste amorphe Kohlenstoffschicht 48 und die zweite amorphe Kohlenstoffschicht 50 jeweils unabhängig eine Dichte auf, die in aufsteigender Reihenfolge der Präferenz größer oder gleich 1,2 g/cc, 1,3 g/cc, 1,4 g/cc, 1,5 g/cc, 1,6 g/cc, 1,7 g/cc, 1,8 g/cc, 1,9 g/cc oder 2 g/cc ist, und eine Dichte, die in aufsteigender Reihenfolge der Präferenz kleiner oder gleich 1,3 g/cc, 1,4 g/cc, 1,5 g/cc, 1,6 g/cc, 1,7 g/cc, 1,8 g/cc, 1,9 g/cc oder 2,2 g/cc ist. In einer Ausgestaltung weisen die erste amorphe Kohlenstoffschicht 48 und die zweite amorphe Kohlenstoffschicht 50 jeweils unabhängig eine Dichte von ungefähr 1,2 g/cc bis ungefähr 2,2 g/cc auf. In einer anderen Ausgestaltung weisen die erste amorphe Kohlenstoffschicht 48 und die zweite amorphe Kohlenstoffschicht 50 jeweils unabhängig eine Dichte von ungefähr 1,3 g/cc bis ungefähr 2,0 g/cc auf. In noch einer anderen Ausgestaltung weisen die erste amorphe Kohlenstoffschicht 48 und die zweite amorphe Kohlenstoffschicht 50 jeweils unabhängig eine Dichte von ungefähr 1,4 g/cc bis ungefähr 1,8 g/cc auf.
  • Typischerweise haben die erste Metallzwischenschicht 44 und die zweite Metallzwischenschicht 46 eine Dicke, die weniger als 200 nm beträgt. In einer Ausführungsform haben die erste Metallzwischenschicht 44 und die zweite Metallzwischenschicht 46 eine Dicke von ungefähr 10 bis 50 nm. In einer Variante haben die erste amorphe Kohlenstoffschicht 48 und die zweite amorphe Kohlenstoffschicht 50 jeweils unabhängig eine Dicke von ungefähr 30 bis 100 nm. In einer anderen Ausgestaltung haben die erste amorphe Kohlenstoffschicht 48 und die zweite amorphe Kohlenstoffschicht 50 jeweils unabhängig eine Dicke von ungefähr 30 bis 100 nm.
  • Bezeichnenderweise haben die erste amorphe Kohlenstoffschicht 48 und die zweite amorphe Schicht 50 jeweils unabhängig voneinander eine geringe Porendichte, die weniger als ungefähr 1 Pore je 500 mm2 beträgt. In einer Ausgestaltung haben die erste amorphe Kohlenstoffschicht 48 und die zweite amorphe Schicht 50 jeweils unabhängig voneinander eine geringe Porendichte, die weniger als ungefähr 1 Pore je 1000 mm2 beträgt. Typischerweise haben die erste amorphe Kohlenstoffschicht 48 und die zweite amorphe Schicht 50 jeweils unabhängig voneinander eine geringe Porendichte, die weniger als ungefähr 1 Pore je 10.000 mm2 beträgt.
  • Unter Bezugnahme auf 2 beinhaltet die Brennstoffzellen-Strömungsfeldplatte 30 die erste Metallzwischenschicht 44 und die zweite Metallzwischenschicht 46, die unabhängige Metallschichten darstellen. In einer Variante bestehen die erste Metallzwischenschicht und die zweite Metallzwischenschicht jeweils unabhängig aus Ni oder Cr. In einer Ausführungsform haben die erste Metallzwischenschicht 44 und die zweite Metallzwischenschicht 46 jeweils unabhängig eine Dicke von ungefähr 10 bis 50 nm.
  • Tabelle 1 listet die Kriterien auf, denen ein Beschichtungssystem auf einer Strömungsfeldplatte genügen sollte, um ordnungsgemäß in einer Brennstoffzellen-Anwendung zu funktionieren. Der Kontaktwiderstand und die Änderung im Kontaktwiderstand über die Zeit sind Eigenschaften von besonderer Bedeutung, wenn die Strömungsfeldplatte werden einer korrosiven Umgebung ausgesetzt sein könnte. Der anfängliche Kontaktwiderstand (d. h. wie vor Betrieb in einer Brennstoffzelle oder vor der Aussetzung gegenüber der Korrosion aufgetragen) der oben dargestellten Strömungsfeldplatte wurde mit weniger als 20 mΩ cm2 bei einem aufgebrachten Druck von 200 psi ermittelt. Der Widerstand wird durch Platzieren der beschichteten Strömungsfeldplatte zwischen zwei Gasdiffusionsschichten, die dann von Metallplatten umgeben werden, ermittelt. Der Kontaktwiderstand ist gegeben durch: Kontaktwiderstand = 2RKontakt/GDL + 2RGDL + 2RGDL/Platte + RPlatte wobei:
    • RKontakt/GDL
    der Kontaktwiderstand zwischen einer Gasdiffusionsschicht und den äußeren Metallplatten ist;
    2RGDL
    der elektrische Widerstand durch die Gasdiffusionsschicht ist;
    RGDL/Platte
    der Kontaktwiderstand zwischen einer Gasdiffusionsschicht und dem Strömungsfeldplattensubstrat ist; und
    RPlatte
    der elektrische Widerstand durch das Strömungsfeldplattensubstrat ist. In einigen Varianten beträgt der anfängliche Kontaktwiderstand in aufsteigender Reihenfolge der Präferenz weniger als 20 mΩ cm2 bei 200 psi aufgebrachten Drucks, 50 mΩ cm2 bei 200 psi aufgebrachten Drucks, 40 mΩ cm2 bei 200 psi aufgebrachten Drucks, 30 mΩ cm2 bei 200 psi aufgebrachten Drucks, 20 mΩ cm2 bei 200 psi aufgebrachten Drucks oder 150 mΩ cm2 bei 200 psi aufgebrachten Drucks. In einer Ausgestaltung ist der anfängliche Kontaktwiderstand in aufsteigender Reihenfolge der Präferenz größer als 0,5 mΩ cm2 bei 200 psi aufgebrachten Drucks, 1 mΩ cm2 bei 200 psi aufgebrachten Drucks, 2 mΩ cm2 bei 200 psi aufgebrachten Drucks, 3 mΩ cm2 bei 200 psi aufgebrachten Drucks, 4 mΩ cm2 bei 200 psi aufgebrachten Drucks oder 5 mΩ cm2 bei 200 psi aufgebrachten Drucks. Vorteilhafterweise wird die anfängliche Änderung im Kontaktwiderstand (ΔCR) der oben dargestellten Strömungsfeldplatte für gleich oder geringer als 5 mΩ cm2 bei 200 psi aufgebrachten Drucks befunden. In einigen Varianten wird die anfängliche Änderung im Kontaktwiderstand der oben dargestellten Strömungsfeldplatte in aufsteigender Reihenfolge der Präferenz für kleiner oder gleich 10 mΩ cm2 bei 200 psi aufgebrachten Drucks, 7 mΩ cm2 bei 200 psi aufgebrachten Drucks, 5 mΩ cm2 bei 200 psi aufgebrachten Drucks oder 3 mΩ cm2 bei 200 psi aufgebrachten Drucks befunden. In einigen Varianten wird die anfängliche Änderung im Kontaktwiderstand der oben dargestellten Strömungsfeldplatte in aufsteigender Reihenfolge der Präferenz für größer oder gleich 0,1 mΩ cm2 bei 200 psi aufgebrachten Drucks, 0,2 mΩ cm2 bei 200 psi aufgebrachten Drucks, 0,5 mΩ cm2 bei 200 psi aufgebrachten Drucks oder 1 mΩ cm2 bei 200 psi aufgebrachten Drucks befunden. Darüber hinaus wird befunden, dass die intermetallischen und amorphen Siliziumbeschichtungen der beschichteten Strömungsfeldplatte gut am Substrat haften und den Abziehtest gemäß ASTM D3359 bestehen.
    Tabelle I. Kriterien für die Beschichtungsauswahl:
    Eigenschaft Anforderung Protokoll
    Anfänglicher Kontaktwiderstand* < 20 mΩ cm2 bei 200 psi Durch die Ebene gerichteter Widerstand von 2 Gasdiffusionsschichten und der flachen beschichteten Platte. Kontaktwiderstand = 2RKontakt/GDL + 2RGDL + 2RGDL/Platte + RPlatte
    Kontaktwiderstand nach Alterung Post-Ex-Situ potentiostatische Beständigkeit ΔCR ≤ 5 mΩ cm2 bei 200 psi Post-Ex-Situ potentiostatische Beständigkeit (> 24 Std, 80 °C, pH 3, 0,1 ppm HF, 0,5M Na2SO4, 0,8V vs. NHE, durchlüftet) Entspricht der anfänglichen CR- Messung
    Korrosionsbeständigkeit Anode* < 1 µA/cm2 Spitzenwirkstrom im potentiodynamischen Test 1 mV/s, –0,4–0,6V vs. Ag/AgCl, pH 3, 0,1 ppm HF, 80 °C, entlüftet mit N2
    Korrosionsbeständigkeit Kathode* < 50 nA/cm2 Passiver Strom im potentiostatischen Test 0,6V vs. Ag/AgCl für > 24 Std pH 3, 0,1 ppm HF, 80 °C, durchlüftete Lösung
    Haftung Durchgang, keine Beschichtung entfernt. Abziehtest, ASTM D3359 Bandklebeverbindungstest durch Verfahren B
  • Die folgenden Beispiele veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Fachleute werden innerhalb der vorliegenden Erfindung und des Umfangs der Ansprüche viele Varianten erkennen.
  • 3 bietet eine graphische Darstellung des Kontaktwiderstandes gegenüber dem aufgebrachten Druck für ein beschichtetes Aluminiumsubstrat der Konstruktion aus 2. Der Kontaktwiderstand wird aus dem durch die Ebene gerichteten Widerstand von 2 Gasdiffusionsschichten und einer flachen beschichteten Platte bestimmt, wie oben dargelegt. 4A–4D bieten Rasterelektronenmikroskopbilder von beschichteten Aluminiumsubstraten vor und nach der Aussetzung gegenüber einer korrosiven Umgebung. Tabelle 1 fasst die Kontaktwiderstande vor und nach der Aussetzung gegenüber einer korrosiven Umgebung zusammen. Tabelle 2. Kontaktwiderstände vor und nach der Aussetzung gegenüber Korrosion
    Anfänglicher R Korrosion nach 1 Std: R bei 200psi Verfahren: Oberflächenätzung und Beschichtung
    13,75 213 Cr-Ätzung, Cr-Zwischenschicht, Mindestkohlenstoff
    11,95 11,85 Cr-Ätzung, Cr-Zwischenschicht, dichterer Kohlenstoff
    9,87 2,07 Ti-Ätzung, Ti-Zwischenschicht, dichterer Kohlenstoff
  • Während oben exemplarische Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungen nicht alle möglichen Ausgestaltungen der Erfindung beschreiben. Vielmehr dienen die in der Spezifikation verwendeten Worte der Beschreibung und nicht der Beschränkung. Es versteht sich, dass verschiedene Änderungen ohne Abweichen vom Geist und Umfang der Erfindung vorgenommen werden können. Zusätzlich können die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
  • 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 Nicht-Patentliteratur
    • ASTM D3359 [0028]
    • ASTM D3359 [0028]

Claims (10)

  1. Brennstoffzellen-Strömungsfeldplatte, umfassend: eine Aluminiumsubstratplatte mit einer ersten und einer zweiten Seite, worin die erste Seite der Aluminiumsubstratplatte eine Vielzahl von Kanälen zum Transport eines ersten Brennstoffzellen-Reaktantgases definiert; eine erste Metallzwischenschicht, die auf die erste Seite der Aluminiumsubstratplatte aufgetragen ist; eine zweite Metallzwischenschicht, die auf die zweite Seite des Aluminiumsubstratplatte aufgetragen ist; eine erste amorphe Kohlenstoffschicht, die auf die erste Metallzwischenschicht aufgetragen ist; und eine zweit amorphe Kohlenstoffschicht, die auf die zweite Metallzwischenschicht aufgetragen ist, welche erste amorphe Kohlenstoffschicht und zweite amorphe Kohlenstoffschicht jeweils unabhängig voneinander eine Dichte größer oder gleich 1,2 g/cc aufweisen.
  2. Brennstoffzellen-Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, worin die erste amorphe Kohlenstoffschicht und die zweite amorphe Kohlenstoffschicht jeweils unabhängig eine Dichte von ungefähr 1,2 g/cc bis ungefähr 2,2 g/cc aufweisen.
  3. Brennstoffzellen-Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, worin die erste amorphe Kohlenstoffschicht und die zweite amorphe Kohlenstoffschicht jeweils unabhängig eine Dichte von ungefähr 1,3 g/cc bis ungefähr 2,0 g/cc aufweisen.
  4. Brennstoffzellen-Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, worin die erste amorphe Kohlenstoffschicht und die zweite amorphe Kohlenstoffschicht jeweils unabhängig eine Dichte von ungefähr 1,4 g/cc bis ungefähr 1,8 g/cc aufweisen.
  5. Brennstoffzellen-Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, worin die erste Metallzwischenschicht und die zweite Metallzwischenschicht jeweils unabhängig Ni oder Cr sind.
  6. Brennstoffzellen-Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, worin die erste amorphe Kohlenstoffschicht und die zweite amorphe Kohlenstoffschicht jeweils unabhängig eine Dicke von ungefähr 30 bis 100 nm haben.
  7. Brennstoffzellen-Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, worin die erste amorphe Kohlenstoffschicht und die zweite amorphe Kohlenstoffschicht jeweils unabhängig eine Porendichte von weniger als ungefähr 1 Pore je 500 mm2 aufweisen.
  8. Brennstoffzellen-Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, worin die erste amorphe Kohlenstoffschicht und die zweite amorphe Kohlenstoffschicht jeweils unabhängig eine Porendichte von weniger als ungefähr 1 Pore je 1000 mm2 aufweisen.
  9. Brennstoffzellen-Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, worin die zweite Seite der Aluminiumsubstratplatte eine zweite Vielzahl von Kanälen zum Transport eines zweiten Brennstoffzellen-Reaktantgases definiert.
  10. Brennstoffzelle, umfassend die Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 1.
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