DE10392702B4

DE10392702B4 - Elektrisch leitendes Fluidverteilungselement mit elektrisch leitender Beschichtung, Verfahren zu seiner Herstellung und Brennstoffzellen mit dem Fluidverteilungselement

Info

Publication number: DE10392702B4
Application number: DE10392702T
Authority: DE
Inventors: Gayatri Rochester Hills Vyas; Yang-Tse Rochester Hills Cheng; Mahmoud H. Warren Abd Elhamid; Youssef M. Sterling Heights Mikhail
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-06-05
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2023-05-31
Also published as: US20030228512A1; CN1672274B; CN1672274A; WO2003105254A1; US20050158607A1; AU2003274331A1; DE10392702T5; US7625654B2; US6866958B2; JP4638731B2; JP2005529466A

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines elektrisch leitenden Fluidverteilungselements, mit den Schritten, dass:
ein Substrat vorgesehen wird;
das Substrat mit einem Ionenstrahl gereinigt wird; und
eine elektrisch leitende Beschichtung auf dem Substrat durch PVD auf eine Dicke von weniger als 100 nm abgeschieden wird,
wobei das Reinigen und das Abscheiden im Wesentlichen simultan ausgeführt werden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere elektrisch leitende Fluidverteilungselemente und deren Herstellung für derartige Brennstoffzellen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen sind als eine Energie- bzw. Antriebsquelle für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Eine bekannte Brennstoffzelle ist die Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran (PEM), die eine sogenannte "Membranelektrodenanordnung" mit einem dünnen Festpolymermembranelektrolyten umfasst, der auf einer Seite des Membranelektrolyten eine Anode und auf der entgegengesetzte Seite des Membranelektrolyten eine Kathode umfasst. Die Membranelektrodenanordnung ist schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitender Fluidverteilungselemente angeordnet, die als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen. Es sind Strömungsfelder bzw. Gasverteilerfelder zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anode und Kathode vorgesehen. Die elektrisch leitenden Fluidverteilungselemente können selbst einen Teil des Strömungsfeldes in der Form geeigneter Kanäle und Öffnungen darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle (d. h. H₂ und O₂) über die Oberflächen der jeweiligen Anode und Kathode bilden.
Ein Brennstoffzellenstapel umfasst eine Vielzahl der in elektrischer Reihe aneinander gestapelten Membranelektrodenanordnungen. Die Membranelektrodenanordnungen sind voneinander durch die undurchlässigen, elektrisch leitenden Fluidverteilungselemente getrennt, die auch als bipolare Platten bzw. Bipolplatten bekannt sind. Die bipolare Platte besitzt zwei Hauptflächen, von denen eine zu der Anode einer Zelle und die andere Fläche zu der Kathode der nächsten benachbarten Zelle in dem Stapel weist. Die Platte leitet elektrischen Strom zwischen den benachbarten Zellen. Kontaktelemente an den Enden des Stapels stehen nur mit den Endzellen in Kontakt und werden daher als Endplatten bezeichnet.
In einer PEM-Brennstoffzellenumgebung, die H₂ und O₂ (optional Luft) verwendet, stehen die bipolaren Platten und andere Kontaktelemente (beispielsweise Endplatten) in ständigem Kontakt mit sauren Lösungen (pH 3–5) und arbeiten bei erhöhten Temperaturen in der Größenordnung von 60 Grad Celsius bis 100 Grad Celsius. Überdies arbeitet die Kathode in einer stark oxidierenden Umgebung, während sie Druckluft ausgesetzt ist. Die Anode ist beständig einer harten Umgebung von unter Druck stehendem Wasserstoff ausgesetzt. Daher bestehen viele der herkömmlichen Kontaktelemente aus Metall und müssen gegenüber Säuren, Oxidation wie auch Wasserstoffversprödung in der Brennstoffzellenumgebung beständig sein. Metalle, die diese Kriterien erfüllen, sind jedoch teuer.
Leichtmetalle, wie beispielsweise Aluminium und Titan und deren Legierungen, wie auch rostfreier Stahl sind zur Verwendung bei der Herstellung bipolarer Platten von Brennstoffzellen vorgeschlagen worden. Derartige Metalle sind besser leitend und können in sehr dünne Platten geformt werden. Unglücklicherweise sind derartige Leichtmetalle anfällig gegenüber Korrosion in der rauhen Brennstoffzellenumgebung, und daraus hergestellte bipolare Platten lösen sich entweder (beispielsweise in dem Fall von Aluminium) oder bilden Passivierungsoxidfilme mit hohem elektrischem Widerstand auf ihrer Oberfläche (beispielsweise in dem Fall von Titan, rostfreiem Stahl und Aluminium), der den Innenwiderstand der Brennstoffzelle erhöht und ihre Leistungsfähigkeit verringert. Um dieses Problem zu lösen, ist vorgeschlagen worden, die bipolaren Platten aus Leichtmetall mit einer Kombination aus Schichten zu beschichten, die sowohl elektrisch leitfähig als auch korrosionsbeständig sind, um dadurch das darunterliegende Metall zu schützen. Siehe beispielsweise Li et al., RE 37,284 E, die auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen ist.
Diese lagenartigen Beschichtungen sind jedoch teuer aufgrund der Dicke, die auf den Platten abgeschieden werden muss, um diese vor Korrosion zu schützen. Ein anderer Nachteil besteht darin, dass sich die Eigenschaften dieser dicken Schichten verschlechtern, während sie hohen Stapelkompressionsdrücken ausgesetzt werden, wodurch die Korrosionsbeständigkeit verringert wird.
Aus der DE 100 58 337 A1 ist ein insbesondere als bipolare Platte in einer Brennstoffzelle verwendbares Blechprodukt bekannt, dass auf wenigstens einer Seite eine leitfähige und korrosionsbeständige Schutzbeschichtung aus einem Metalloxid aufweist.
In der WO 00/590551 A2 wird ein Bauteil, wie eine Polplatte oder ein Zellrah men für eine Brennstoffzelle, offenbart, welches auf zumindest einer Stelle und/oder Seite eine Edelmetallbeschichtung aufweist, wobei die gemittelte Dicke der Edelmetallbeschichtung maximal 0,1 μm beträgt und die Edel metallbeschichtung diskrete Leitungspfade und/oder Leitungsinseln umfasst.
Aus der WO 02/27838 A2 ist eine Brennstoffzelle vom Protonenaustauschmembrantyp bekannt, welche ein Fluidverteilungselement umfasst, welches aus Plastik, rostfreiem Stahl, Nickelschaum und dergleichen mit einer darauf aufgebrachten Edelmetallbeschichtung mit einer Dicke von 0,5 bis 2 μm bestehen kann.
Es besteht daher ein Bedarf nach einer bipolaren Platte, die leicht und kostengünstig hergestellt werden kann, die korrosionsbeständig ist, wie auch einen hohen Grad an Leitfähigkeit besitzt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung sieht ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement für eine Brennstoffzelle vor, das ein elektrisch leitendes Substrat mit einer ersten und zweiten Hauptfläche, ein Strömungsfeld an der ersten Fläche zur Verteilung von Fluid entlang der ersten Fläche und eine elektrisch leitende Beschichtung an der ersten Fläche umfasst, die ein Edelmetall oder eine Verbindung, die ein Edelmetall enthält, umfasst. Dabei soll das Edelmetall aus Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt und Os und bevorzugt aus Au wie auch deren Mischungen gewählt werden.
Die Beschichtung ist relativ dünn und besitzt eine Dicke von weniger als 100 nm, besser weniger als 80 nm, noch besser weniger als 50 nm, bevorzugt 20 nm und liegt am bevorzugtesten in einem Bereich von 10 bis 20 nm. Die Beschichtung ist ebenfalls bevorzugt relativ glatt, wenn sie durch ionenstrahlunterstützte PVD (engl. physical vapour deposition; physikalische Gasphasenabscheidung) aufgebracht wird.
Die vorliegende Erfindung sieht auch ein Verfahren zur ionenstrahlunterstützten PVD zur Beschichtung des elektrisch leitenden Fluidverteilungselements mit der leitenden Beschichtung aus Edelmetall sowie eine das erfindungsgemäße Fluidverteilungselement aufweisende Brennstoffzelle vor.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch die spezifischen Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine schematische Explosionsansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels (es sind nur zwei Zellen gezeigt) ist;
2 eine Explosionsansicht eines beispielhaften elektrisch leitenden Fluidverteilungselements ist, das mit PEM-Brennstoffzellenstapeln verwendet werden kann;
3 eine Schnittansicht in der Richtung von 3-3 von 2 ist;
4 ein vergrößerter Abschnitt der bipolaren Platte von 3 ist;
5 ein teilweiser Schnitt einer bipolaren Platte ist, die ein dünnes Substrat mit Strömungsfeldern aus geschäumtem Metall, die an dessen beiden Seiten angebracht sind, aufweist;
6a ein teilweiser Schnitt einer bipolaren Platte wie in 5 ist, wobei die Innen- und Außenflächen des Schaums mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet sind;
6b ein teilweiser Schnitt einer bipolaren Platte wie in 5 ist, bei der nur die Außenflächen des Schaums mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet sind;
7 ein teilweiser Schnitt einer bipolaren Platte ist, die aus einem Verbundstoff elektrisch leitender Partikel besteht, die in einer mit einem elektrisch leitenden Material beschichteten Bindermatrix verteilt sind;
8a ein teilweiser Schnitt einer bipolaren Platte ist, die aus einem Verbundstoff besteht, der kontinuierlich leitende Partikel, die in einer Rindermatrix verteilt sind, umfasst;
8b ein teilweiser Schnitt einer bipolaren Platte wie in 8a ist, die mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet ist;
9 eine Darstellung einer Vorrichtung zu ionenstrahlunterstützten PVD ist, die dazu verwendet wird, die bipolaren Platten mit dem elektrisch leitenden Material zu beschichten;
10a und 10b Vergleiche von Beschichtungen zeigen, die durch ein Verfahren zur ionenstrahlunterstützten PVD wie auch durch ein galvanisches Verfahren hergestellt wurden;
11a und 11b Rasterkraftmikroskopbilder wie auch Rauhigkeitsanalysen sind, die Beschichtungen vergleichen, die durch ein Verfahren zur ionenstrahlunterstützen PVD wie auch ein Galvanisierverfahren hergestellt sind;
12 ein Schaubild ist, das einen Kontaktwiderstand zeigt, der durch die elektrisch leitende Beschichtung der vorliegenden Erfindung wie auch durch eine Beschichtung nach dem Stand der Technik erreicht wird;
13 ein Polarisierungsschaubild ist, das eine Zellenspannung in Abhängigkeit einer Stromdichte und einem Kontaktwiderstand zeigt, der durch eine elektrisch leitende Beschichtung auf rostfreiem Stahl der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einem unbeschichteten Substrat aus rostfreiem Stahl wie auch Poco-Graphit erhalten wird;
14 ein Schaubild ist, das Korrosionsströme zeigt, während das Potenzial zyklisch zwischen +0,4 und +0,6 V (gegenüber Ag/AgCl) in einer belüfteten Lösung bei 80 Grad Celsius geändert wurde; und
15 ein Schaubild ist, das einen potentiostatischen Übergang einer Probe aus rostfreiem Stahl, die mit 10 nm Gold beschichtet wurde, bei einem angelegten Potenzial von +0,6 V (Ag/AgCl) in einer belüfteten simulierten Brennstoffzellenlösung zeigt, die bei 80 Grad Celsius betrieben wurde.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
1 zeigt einen bipolaren Brennstoffzellenstapel 2 mit zwei Zellen und mit einem Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4 und 6, die voneinander durch ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement 8 getrennt sind, das nachfolgend als bipolare Platte bzw. Bipolplatte 8 bezeichnet ist. Die MEAs 4 und 6 wie auch die bipolare Platte 8 sind zusammen zwischen Klemmplatten aus rostfreiem Stahl oder Endplatten 10 und 12 und Endkontaktelementen 14 und 16 gestapelt. Die Endkontaktelemente 14 und 16 wie auch beide Arbeitsseiten der bipolaren Platte 8 umfassen eine Vielzahl von Nuten oder Kanälen 18, 20, 22 bzw. 24 zur Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen (d. h. H₂ und O₂) an die MEAs 4 und 6. Nichtleitende Dichtungen 26, 28, 30 und 32 sehen Abdichtungen bzw. Versiegelungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Gasdurchlässige leitende Materialien umfassen typischerweise Kohlenstoff-/Graphit-Diffusionspapiere 34, 36, 38, und 40, die an die Elektrodenseiten der MEAs 4 und 6 gepresst werden. Die Endkontaktelemente 14 und 16 werden an die Kohlenstoff-/Graphit-Papiere 34 bzw. 40 gepresst, während die bipolare Platte 8 an das Kohlenstoff-/Graphit-Papier 36 auf der Anodenseite der MEA 4 und an das Kohlenstoff-/Graphit-Papier 38 an der Kathodenseite der MEA 6 gepresst wird. Sauerstoff wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels von einem Speichertank 46 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 42 geliefert, während Wasserstoff an die Anodenseite der Brennstoffzelle von einem Speichertank 48 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 44 geliefert wird. Alternativ dazu kann Umgebungsluft an die Kathodenseite als eine Sauerstoffquelle und Wasserstoff an die Anode von einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen geliefert werden. Es ist auch eine Austragsverrohrung (nicht gezeigt) für sowohl die H₂- als auch O₂-Seiten der MEAs 4 und 6 vorgesehen. Eine zusätzliche Verrohrung 50, 52 und 54 ist zur Lieferung von flüssigem Kühlmittel an die bipolare Platte 8 und die Endplatten 14 und 16 vorgesehen. Eine geeignete Verrohrung zum Austrag von Kühlmittel von der bipolaren Platte 8 und den Endplatten 14 und 16 ist ebenfalls vorgesehen, jedoch nicht gezeigt.
2 ist eine Explosionsdarstellung einer beispielhaften bipolaren Platte 56, die gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die bipolare Platte 56 umfasst eine erste Außenmetalllage 58, eine zweite Außenmetalllage 60 und eine Innenabstandsmetalllage 62 zwischen der ersten Metalllage 58 und der zweiten Metalllage 60. Die Außenmetalllagen 58 und 60 sind so dünn wie möglich ausgebildet und werden durch Stanzen oder ein anderes herkömmliches Verfahren zum Formen von tafelartigem Metall bzw. Blech geformt. Die Außenlage 58 besitzt eine erste Arbeitsseite 59 auf ihrer Außenseite, die einer Membranelektrodenanordnung (nicht gezeigt) gegenüberliegt, und ist so ausgebildet, dass ein Strömungsfeld 57 vorgesehen wird. Das Strömungsfeld 57 ist durch eine Vielzahl von Stegen 64 definiert, die dazwischen eine Vielzahl von Nuten 66 definieren, welche das "Strömungsfeld" bzw. "Gasverteilerfeld" bilden, durch das die Reaktandengase der Brennstoffzelle (d. h. H₂ oder O₂) in einem mäanderartigen Pfad von einer Seite 68 der bipolaren Platte zu ihrer anderen Seite 70 strömen. Wenn die Brennstoffzelle vollständig zusammengebaut ist, werden die Stege 64 an das poröse Material, nämlich die Kohlenstoff-/Graphit-Papiere 36 oder 38, gepresst, die ihrerseits an die MEAs 4 und 6 gepresst werden. Der Einfachheit halber zeigt 2 lediglich zwei Gruppierungen aus Stegen und Nuten. In Wirklichkeit bedecken die Stege und Nuten die gesamten Außenseiten der Metalllagen 58 und 60, die mit dem Kohlenstoff-/Graphit-Papieren 36 und 38 in Eingriff stehen. Das Reaktandengas wird an Nuten 66 von einem Verteiler 72 geliefert, der entlang einer Seite 68 der Brennstoffzelle angeordnet ist, und verlässt die Nuten 66 über einen anderen Verteiler 74, der benachbart der gegenüberliegenden Seite 70 der Brennstoffzelle angeordnet ist. Wie am besten in 3 zu sehen ist, umfasst die Unterseite der Lage 58 eine Vielzahl von Rippen 76, die dazwischen eine Vielzahl von Kanälen 78 definieren, durch die Kühlmittel während des Betriebs der Brennstoffzelle strömt. Wie in 3 zu sehen ist, liegt unter jedem Steg 64 ein Kühlmittelkanal 78, während unter jeder Reaktandengasnut 66 eine Rippe 76 liegt. Alternativ dazu könnte die Lage 58 flach ausgebildet sein und das Strömungsfeld in einer separaten Materiallage geformt sein.
Die Metalllage 60 ist ähnlich der Lage 58. Die Innenseite 61 der Lage 60 ist in 2 gezeigt. Diesbezüglich ist eine Vielzahl von Rippen 80 gezeigt, die dazwischen eine Vielzahl von Kanälen 82 definieren, durch die Kühlmittel von einer Seite 69 der bipolaren Platte zu der anderen 71 strömt. Ähnlich der Tafel 58, und wie am besten in 3 zu sehen ist, besitzt die Außenseite der Lage 60 eine Arbeitsseite 63. Die Lage 60 ist so ausgebildet, dass ein Strömungsfeld 65 vorgesehen wird. Das Strömungsfeld 65 wird durch eine Vielzahl von Stegen 84 daran definiert, die eine Vielzahl von Nuten 86 definieren, welche das Strömungsfeld 65 bilden, durch das die Reaktandengase strömen. Eine Innenmetallabstandslage 62 ist zwischen den Außenlagen 58 und 60 positioniert und umfasst eine Vielzahl von Öffnungen 88 darin, um zu ermöglichen, dass Kühlmittel zwischen den Kanälen 82 in der Lage 60 und den Kanälen 78 in der Lage 58 strömen kann, wodurch laminare Grenzschichten aufgebrochen werden und eine Turbulenz bewirkt wird, die eine Wärmeübertragung mit den Innenseiten 90 und 92 der Außenlagen 58 bzw. 60 steigert. Somit bilden die Kanäle 78 und 82 jeweilige Kühlmittelströmungsfelder an dem durch die Lagen 58 und 60 definierten Innenvolumen.
4 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnittes von 3 und zeigt die Rippen 76 an der ersten Lage 58 und die Rippen 80 an der zweiten Lage 60, die durch ein Bindemittel 85 mit der Abstandslage 62 verbunden sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, und wie am besten in 4 zu sehen ist, sind die Arbeitsseiten 59 und 63 der bipolaren Platte mit einer elektrisch leitenden, oxidationsbeständigen wie auch säurebeständigen Beschichtung 94 bedeckt, die ein Edelmetall umfasst, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Au, Pt und Os besteht. Die bevorzugte Beschichtung ist Gold (Au). Die Dicke der Beschichtung 94 ist kleiner als 80 nm, bevorzugt kleiner als 50 nm und beträgt am bevorzugtesten 10 bis 20 nm. Optional dazu können die Innenseiten 90 und 92 der Lagen 58 und 60 ebenfalls mit einer Beschichtung 94 bedeckt sein (nicht gezeigt).
Eine andere Möglichkeit besteht darin, lediglich die Stege 64, 84 und nicht die Nuten 66, 86 der Lagen 58 bzw. 60 zu beschichten. Somit sind nur benachbarte elektrisch leitende Flächen in Kontakt miteinander beschichtet.
Bei einer ersten Ausführungsform umfasst ein die Lagen 58 und 60 bildendes Metallsubstrat ein korrosionsanfälliges Metall, wie beispielweise Aluminium, Titan oder rostfreier Stahl. Die Beschichtung 94 wird direkt auf die Lagen 58 und 60 aufgebracht.
Bei einer zweiten Ausführungsform ist in 5 eine Schnittansicht eines anderen elektrisch leitenden Fluidverteilungselements 100 gezeigt. Das Element 100 ist mit einer dünnen Substratlage 102 aufgebaut, die geschäumte Strömungsfelder 106 besitzt. Diese bipolare Platte weist eine dünne Barrierelage 102 bevorzugt bestehend aus einer massiven Titanmetalllage auf, wobei Schaum 106 (etwa einen halben bis etwa 3 Millimeter dick) durch Schweißen oder Hartlöten an ihren beiden Seiten angebracht ist. Die Lage 102 bildet die Gasbarriere, und der Schaum 106 bildet die Fluidströmungsfelder. Wie zu sehen ist, besitzt der Schaum 106 gegenüberliegende Hauptflächen 110 und 111. Der Schaum 106 besitzt eine Hauptfläche 110, die zu der Metalllage 102 weist, und eine andere Hauptfläche 111 gegenüber 110. Typischerweise weist die Hauptfläche 111 zu der MEA. Wie in den 5 und 6 zu sehen ist, bildet die Hauptfläche 111 die Außenfläche des elektrisch leitenden Elementes 100. Schäume können als Metallschäume oder auf Kohlenstoff basierende Schäume hergestellt werden. Metalle, die als ein fester Schaum hergestellt werden können, umfassen Kupfer, Aluminium, Nickel, Titan, Silber und rostfreien Stahl, wobei die bevorzugten Metalle Nickel und rostfreier Stahl sind. Es ist eine Vielzahl geschäumter Metalle von AstroMet mit Sitz in Cincinnati, Ohio erhältlich. Verfahren zur Herstellung dieser Metallschäume sind in dem U.S. Patent Nr. 4,973,358 beschrieben. Auf Kohlenstoff basierende Schäume sind von Ultra Met erhältlich. Bei einem Aspekt wird die Edelmetallbeschichtung 94 auf die Lage 102 aufgebracht, wie in 5 zu sehen ist.
Bei anderen Aspekten der zweiten Ausführungsform variiert die Beschichtung 94 des Substrates 102 und des Schaums 106 abhängig von deren jeweiligen Eigenschaften. Abhängig von dem Aufbaumaterial wie auch der Anordnung des Substrates 102 und des Schaums 106 kann es geeignet sein, alle Oberflächen des Substrates 102 zu beschichten, wenn eine Metalllage verwendet wird. In dem Fall von Metallschäumen besteht die Möglichkeit, alle Innen- und Außenflächen des Schaums 106 zu beschichten, oder besteht die Möglichkeit, nur einige der Oberflächen zu beschichten. Es sei angemerkt, dass der hier beschriebene Schaum 106 ein offenzelliger Schaum ist. Dies zeigt, dass kontinuierliche Strömungspfade oder -kanäle durch den Schaum 106 hindurch vorhanden sind, die durch miteinander in Verbindung stehende Öffnungen oder Poren erzeugt werden, die durch die Dicke des Schaums 106 hindurch zueinander offen sind. Die Außenflächen 109 des Schaums 106 beziehen sich auf die vorher erwähnten Hauptflächen, wie beispielsweise 110 und 111, die durch Oberflächenporen ausgebildete Öffnungen umfassen. Die Innenflächen des Schaums sind Oberflächen, die durch die internen Öffnungen oder Poren 108 gebildet werden, wie in 5 gezeigt ist.
Bei einem Aspekt der zweiten Ausführungsform ist es möglich, alle Innenöffnungen 108 und alle Außenflächen 109 des Schaums 106, die zu der MEA weisen und die zu der planaren Substratlage 102 weisen, zu beschichten. (6a) Wenn ein chemisch instabiler Schaum 106, wie beispielsweise Aluminium oder Nickel verwendet wird, ist dies vorteilhaft. Optional sind die Oberflächen der Tafel 102 beschichtet. Wenn ein chemischer stabilerer Schaum 106, wie beispielsweise aus rostfreiem Stahl, verwendet wird, ist die Beschichtung der Innen- und Außenflächen des Schaums 106 abhängig von der Umgebung der Zellen nicht unbedingt notwenig. In diesem Fall kann das Schauminnere unbeschichtet verbleiben oder bis zu einer gegebenen Tiefe beschichtet sein. Bevorzugt wird die Beschichtung 94 auf die Teile des Schaums 106 aufgebracht, die Elektronen von einem Medium zu dem nächsten, beispielsweise von der Schaumoberfläche 111 zu der MEA oder von der Schaumoberfläche 110 zu der planaren Lage 102 übertragen sollen. Wie bei dieser Ausführungsform (6b) zu sehen ist, wird die Beschichtung 94 auf das elektrische leitende Element 100 aufgebracht, bei dem Elektronen in und aus der Struktur des elektrisch leitenden Elementes 100 fließen. Sobald Elektronen durch die Struktur des Elementes 100 fließen, d. h. den Schaum 106, existiert kein Widerstand in dem Schaum 106, und auf den nächsten angrenzenden Widerstandsbereich wird erst gestoßen, wenn die Elektronen den Schaum 106 in Richtung zu oder an der Oberfläche der Metalllage 102 verlassen. Bei dieser Ausführungsform ist die Beschichtung 94 auf die Hauptfläche 111 des Schaums 106 bis zu einem Tiefenniveau von weniger als 80 nm, bevorzugt weniger als 50 nm und am bevorzugtesten auf ein Tiefenniveau von 10–20 nm aufgebracht. Zusätzlich ist es bei dieser Ausführungsform erwünscht, auch den Schaum 106 bis zu einem Tiefenniveau von 10–20 nm an der Hauptfläche 110 zu beschichten, an der er zu der planaren Blechlage 102 weist.
Bei einer dritten Ausführungsform, wie in 7 zu sehen ist, kann die elektrisch leitende Beschichtung 94 auf ein anderes elektrisch leitendes Fluidverteilungselement 112 abgeschieden werden, das ein Polymermaterial 113 mit einem leitenden faserigen Füllstoff 114 umfasst, der eine Orientierung durch die Ebene hindurch aufweist, was einen Leitfähigkeitspfad durch das Element hindurch vorsieht. Dies ist ein Verbundmaterial. Das Polymermaterial 113 ist bevorzugt ein geeignetes wärmeaushärtbares oder duroplastisches Polymer und bevorzugter aus der Gruppe von Materialien gewählt, die umfassen: Silikon, Polyisobutylen, Epoxid bzw. Epoxidharz, Vinylester und Phenol bzw. Phenolharz. Alternativ dazu ist das Polymermaterial 113 bevorzugt ein geeigneter Thermoplast und ist bevorzugter aus der Gruppe von Materialien gewählt, die umfassen: Polypropylen, Ethylentetrafluorethylen (ETFE), Nylon wie auch gummimodifiziertes Polypropylen. Während die vorhergehenden wärmeaushärtbaren und thermoplastischen Polymere, die einen leitenden faserigen Füllstoff enthalten, derzeit bevorzugt sind, ist es für Fachleute offensichtlich, dass anderen ähnlichen Materialien ebenfalls die besondere Bauartspezifikation einer Anwendung geeignet verliehen werden kann. Beispielsweise kann ein elektrisch leitendes Polymer, wie beispielsweise Polyacetylen, verwendet werden, das keinen leitenden faserigen Füllstoff erfordert.
Gemäß der dritten Ausführungsform (7) umfasst der leitende faserige Füllstoff 114 ein Fasermaterial mit einem Aspektverhältnis (d. h. das Verhältnis von Länge zu Dicke) von größer als etwa 5:1 und weist gute elektrische Leitfähigkeitseigenschaften wie auch gute Wärmeleitfähigkeitseigenschaften auf. Diesbezüglich umfassen die bevorzugten leitenden Fasermaterialien derzeit Kohlefasern (wie beispielsweise auf Pech basierende Fasern, auf PAN basierende Fasern oder andere), Graphitfasern, metallbeschichtete Graphitfasern (wie beispielsweise goldbeschichtete Fasern) und verschiedene Metallfasern, die Fasern aus rostfreiem Stahl umfassen. Während der faserige leitende Füllstoff 114 allgemein ein Aspektverhältnis von größer als 5:1 besitzt, besitzen die leitenden Fasern bevorzugter ein Aspektverhältnis von größer als 10:1 und am bevorzugtesten ein Aspektverhältnis von größer als 15:1.
Zusätzlich zu dem Polymermaterial 113 und dem leitenden faserigen Füllstoff 114 kann der Verbundstoff der vorliegenden Erfindung optional ein nichtleitendes faseriges Material in einer Menge von 1 bis 10 Vol.-% enthalten, um die mechanischen Eigenschaften des Verbundmaterials zu steigern. Wie es derzeit bevorzugt ist, kann der nichtleitende faserige Füllstoff aus der Gruppe gewählt sein, der Glasfasern umfasst. Ähnlicherweise kann das Verbundmaterial ein leitendes nichtfaseriges Material von bis zu 10 Vol.-% umfassen. Wie es derzeit bevorzugt ist, kann das leitende nichtfaserige Material bevorzugt aus der Gruppe gewählt sein, die Ruß, Graphitpulver und auf Metall basierende Pulver umfasst. Beispiele können dem Stand der Technik entnommen werden, siehe beispielsweise die U.S. Patente Nrn. 6,096,450 A 6,103,413 A und 6,248,467 A Bei dieser Ausführungsform (7) erleichtert die Metallbeschichtung die elektrische Leitfähigkeit von dem Verbundmaterial zu dem nächsten angrenzenden Element der Brennstoffzelle.
Bei einer vierten Ausführungsform, die in den 8a und 8b gezeigt ist, ist das elektrisch leitende Fluidverteilungselement, das verwendet werden kann, eine polymere bipolare Platte 116, die eine Vielzahl elektrisch leitender Fasern 118 enthält, die in einem Polymerkörperabschnitt angeordnet sind, wobei sich jede Faser 118 kontinuierlich von der ersten Fläche 120 des Polymerkörperabschnittes zu der zweiten Fläche 122 des Polymerkörperabschnittes in einer Orientierung durch die Ebene hindurch erstreckt.
Der Hauptkörperabschnitt 124 ist aus einem Polymermaterial mit relativ hoher Festigkeit, geeigneten Wärmeeigenschaften wie auch einer niedrigen Durchdringung bezüglich Kühlmittelfluid und Reaktandengasen ausgebildet. Bevorzugt ist der Hauptkörperabschnitt 124 aus einem verfestigten thermisch leitenden Polymer ausgebildet, wie beispielsweise mit Kohlenstoff gefülltem Epoxid bzw. Epoxidharz. Jedoch kann der Hauptkörperabschnitt 124 aus anderen geeigneten Materialien mit derartigen gewünschten Eigenschaften ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Hauptkörperabschnitt 124 aus Silikon, Polyisobutylen, Polyvinylester, Polyester, Phenol bzw. Phenolharz, Polypropylen, ETFE, Nylon oder gummimodifiziertem Polypropylen bestehen. Die Wärmeleitfähigkeit kann durch Beladen des Polymermaterials mit den Kohlenstoff-, Graphit- oder Edelmetallpartikeln gesteigert werden.
Die rohrförmigen Elemente 128, die in dem Hauptkörperabschnitt 124 der bipolaren Platte 116 angeordnet sind, dienen dazu, ein sekundäres Strömungsfeld hindurch zu definieren, um ein Kühlfluid durch die Separatorplatte zu leiten und damit dessen Wärmeenergie zu steuern. Die rohrförmigen Elemente 126 sind so ausgebildet, dass ein Kühlfluid durch eine Verrohrung 70 geführt wird, um Wärmeenergie von dem Brennstoffzellenstapel zu entfernen bzw. dem Brennstoffzellenstapel Wärmeenergie hinzuzufügen. Die Kühlmittelsammelleitungen, die das rohrförmige Element 126 fluidmäßig mit der Verrohrung kuppeln, sollten eine elektrische Isolierung dazwischen vorsehen, um einen Nebenschlussstrom zwischen den Fasern 118 und den rohrförmigen Elementen 126 zu unterbinden.
Wie es derzeit bevorzugt ist, sind die rohrförmigen Elemente 126 aus mit Kohlenstoff gefülltem Polymer hergestellt. Es sei jedoch angemerkt, dass die rohrförmigen Elemente 126 aus beliebigen einer Vielzahl von Materialien hergestellt sein können, die wärmeleitend und nicht anfällig gegenüber Korrosion in einer Umgebung des gasförmigen Reaktanden oder der Kühlmittel, die gewöhnlich in einem Brennstoffzellenstapel verwendet werden, sind. Einige andere geeignete Materialien umfassen Titan, Kohlenstoff oder rostfreien Stahl.
Die leitenden Elemente 118, die in der Separatorplatte angeordnet sind, sind allgemein in einer Orientierung durch die Ebene hindurch orientiert und erstrecken sich kontinuierlich von der oberen Fläche 128 der Separatorplatte zu der unteren Fläche 130 der Separatorplatte, um den Bahnwiderstand der Platte zu minimieren, wie in 8a gezeigt ist. Jedes leitende Element 118 ist eine längliche Faser (d. h. mit einem Aspektverhältnis von 2000:1 oder größer). Wie in 8a zu sehen ist, ist das erste Ende 132 an der oberen Fläche 128 freigelegt, und das zweite Ende 134 ist an der unteren Fläche 130 freigelegt.
Wie in 8b zu sehen ist, ist die leitende Beschichtung 94 auf der polymeren bipolaren Platte 116 abgeschieden worden, so dass die leitenden Elemente 118 mit der leitenden Beschichtung 94 in Kontakt stehen. Die leitenden Elemente 118 sind aus auf Kohlenstoff basierenden, elektrisch leitenden Fasern, wie beispielsweise auf Pech basierenden Fasern, auf PAN basierenden Fasern oder anderen Fasern ausgebildet. Die leitenden Elemente 118 können auch aus anderen geeigneten, elektrisch leitenden faserigen Materialien ausgebildet sein, wie beispielweise Graphitfasern, Au-beschichtete Graphitfasern, Pt-beschichtete Graphitfasern, Au-Fasern, Pt-Fasern oder beschichteten Fasern aus rostfreiem Stahl. In den 8A und 8B steigern die in Verbindung mit der leitenden Beschichtung 94 verwendeten leitenden Elemente 118 eine elektrische Leitfähigkeit zwischen benachbarten bipolaren Platten.
Es ist offensichtlich, dass die Anwendung einer leitenden Beschichtung auf eine beliebige Kombination von Flächen eines Schaums oder einer Planaren Lage möglich ist, und ferner, dass eine Beschichtung des Schaums auf ein beliebiges gewünschtes Ausmaß durch seine Dicke hindurch ebenfalls möglich ist. Es ist auch offensichtlich, dass in dem Fall von Verbund- oder Fasermaterial die Metallbeschichtung die elektrische Leitfähigkeit steigert oder zumindest erleichtert.
Nun wird unter Bezugnahme auf 9 ein Verfahren zum Abscheiden der leitenden Beschichtung 94 auf den bipolaren Platten der oben erwähnten vier Ausführungsformen beschrieben. Um die leitende Beschichtung 94 auf dem Substrat abzuscheiden, wird ein Verfahren zur innenunterstützten PVD verwendet.
Wie in 9 zu sehen ist, wird eine Vorrichtung 136 zur innenunterstützten PVD verwendet. Die Vorrichtung 136 umfasst eine Abscheidungskammer 138 und zwei Elektronenstrahlerzeuger bzw. Elektronenkanonen A und B zum Abscheiden der Metallbeschichtung. Die Vorrichtung 136 umfasst auch eine Niedrigenergie-Ionenquelle bzw. -kanone, die zur Sputterreinigung der Substrate verwendet wird, wie auch eine Turbopumpe, die ermöglicht, dass die Vorrichtung in einem ultrahohen Vakuum betrieben werden kann.
Das durch die leitende Beschichtung 94 zu beschichtende Substrat wird in der Abscheidungskammer 138 angeordnet. Sobald das Substrat in der Kammer 138 angeordnet ist, wird der Druck auf etwa 0,0133 N/m² (etwa 10^–4 Torr) abgesenkt. Ein erster Tiegel 140 in der Kammer enthält das abzuscheidende Edelmetall. Wenn eine Kombination aus Metallen oder Edelmetallen abgeschieden werden soll, wird ein zweites Metall in einem zweiten Tiegel 142 vorgesehen. Beispielsweise liegt ein Tiegel 140, der Titan, das als eine erste Lage abgeschieden werden soll, enthält, und ein Tiegel 142, der Gold, das als eine zweite Lage über dem Titan abgeschieden werden soll, enthält, nicht außerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung. Eine andere verfügbare Option kann darin bestehen, eine Kombination aus Metallen gleichzeitig abzuscheiden.
Eine Ionenkanone wird dazu verwendet, das Substrat sauber zu sputtern. Wenn die Ionenkanone das Substrat sauber sputtert, wird ein Elektronenstrahl dazu verwendet, die Edelmetalle zu schmelzen und zu verdampfen. Die Edelmetalle werden dann auf dem Substrat mit einer Rate von 0,10 nm/s auf eine Dicke von weniger als 80 nm abgeschieden, die durch Dickenüberwachungseinrichtungen beobachtet wird.
Ein wichtiger Aspekt des Verfahrens zur innenunterstützten PVD besteht darin, dass die Sputterreinigung des Substrates und das Aufbringen der leitende Beschichtung im Wesentlichen simultan erfolgt. Durch das simultan stattfindende Sputterreinigen und Beschichten des Substrates kann die leitende Beschichtung 94 auf dem Substrat mit ultrageringen Dicken von weniger als 80 nm, bevorzugt weniger als 50 nm und am bevorzugtesten im Bereich zwischen 10 und 20 nm aufgebracht werden. Wenn die leitende Beschichtung 94 eine Dicke von 10–20 nm besitzt, besitzt die leitende Beschichtung bevorzugt eine Beladung von 0,02–0,04 mg/cm².
Der vorliegende Prozess stellt eine Verbesserung gegenüber einem nacheinander erfolgenden Reinigen und Abscheiden dar. Wenn das Substrat, das verwendet wird, ein Metallsubstrat ist, wie beispielsweise Titan oder rostfreier Stahl, bildet sich ein Oxidfilm in der Zeit zwischen der stattfindenden Reinigung und der Abscheidung des Metalls auf dem Substrat über PVD. Durch simultan erfolgendes Reinigen des Substrates und Abscheiden des Edelmetalls wird die Oxidschicht vollständig und kontinuierlich entfernt, wodurch eine Oxidbildung oder andere Schädi gung der Oberfläche verhindert oder zumindest wesentlich verringert wird. Das gleichzeitig ablaufende Reinigen des Substrates und Abscheiden des Edelmetalls kann aufgrund der Tatsache erreicht werden, dass die Ionenenergien, die erforderlich sind, um die Oxidschicht zu entfernen, niedrig sind. Da die Ionenenergien niedrig sind, sind die beschießenden Ionenflüsse allgemein kleiner als die Abscheidungsatomflüsse, die von den Elektronenkanonen A und B abgegeben werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Oxide, die entfernt werden, leichter als das Metall sind, das auf dem Substrat als leitende Beschichtung 94 abgeschieden wird. Somit entfernt die Niedrigenergie-Ionenkanone lediglich die Oxidlage und nicht die leitende Beschichtung 94. Das Ergebnis besteht darin, dass eine Beschichtung 94 aus Metall mit einer ausgezeichneten Anhaftung an dem Substrat abgeschieden wird. Ferner ist es möglich, nur eine sehr dünne Schicht in der Größenordnung von 10–20 nm zu beschichten, wodurch eine gute Oberflächenbedeckung, eine relativ gleichförmige Bedeckung wie auch eine gute Anhaftung erreicht wird. Somit erlaubt die Verwendung einer innenunterstützten PVD, dass das Edelmetall auf dem Substrat sehr glatt, gleichmäßig und in einer dünnen Schicht abgeschieden wird.
Es sei zu verstehen, dass ein wichtiges Merkmal der Erfindung die Abscheidung einer Metallbeschichtung auf einer im Wesentlichen reinen Oberfläche ist. Bei einem bevorzugten Aspekt wird eine Oberflächenreinigung des Substrates über Ionenkanone begonnen, gerade bevor die Metallabscheidung eingeleitet wird. Anschließend werden die Reinigung wie auch die Metallabscheidung simultan weitergeführt, um den Abscheidungsprozess fertig zu stellen.
Wie oben beschrieben ist, wird die Anhaftung der Beschichtung durch Abscheidung der Metallbeschichtung auf einer reinen Oberfläche stark verbessert und hält somit einer Delaminierung bzw. einem Abblättern von dem Substrat stand. Wenn beispielsweise an eine Beschichtung ein kathodischer Strom im Bereich von 10 mA/cm²–50 mA/cm² in einer Lösung von 0,5 M H₂SO₄ zyklisch angelegt wird, wird Wasserstoffgas (H₂) entwickelt, das bei Beschichtungen nach dem Stand der Technik zur Folge hatte, dass diese von dem Substrat abblätterten oder sich diese von dem Substrat ablösten. Wenn jedoch die Beschichtung durch das innenunterstützte PVD-Verfahren der vorliegenden Erfindung abgeschieden wird, hält die ausgezeichnete Anhaftung der Beschichtung an der sauberen Oberfläche des Substrates der Delaminierung von dem Substrat stand, die durch das entwickelte H₂ bewirkt wird, wenn der kathodische Strom angelegt wird.
Es sei zu verstehen, dass die Verwendung einer innenunterstützten PVD eine Verbesserung gegenüber bisherigen Abscheidungsverfahren, wie beispielweise dem Sputtern von Au, darstellt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Steuerung des Plasmas beim Sputtern zufällig erfolgt, da die Richtung, die Energie wie auch der Ionenfluss, der auf das Substrat auftritt, nicht reguliert werden kann. Im Gegensatz dazu sieht die innenunterstützte PVD eine unabhängige Steuerung der Abscheidungsparameter aufgrund der Tatsache vor, dass die Ionenstrahlen, die bei der ionenunterstützen PVD verwendet werden, eine niedrige Energie besitzen, wie auch gut parallel gerichtet sind, wobei Divergenzwinkel nur einige wenige Grad betragen.
Nachfolgend werden detailliert experimentelle Details bezüglich einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist Gold als das Edelmetall ausgewählt, das auf einem Substrat aus 316L rostfreiem Stahl durch innenunterstützte PVD abgeschieden werden soll.
Bei einer ersten Serie von Experimenten wurde Gold auf Substraten aus rostfreiem Stahl durch Elektronenstrahlverdampfung in einem Ultrahochvakuum abgeschieden. Die Substrate aus rostfreiem Stahl wurden unter Verwendung eines Ultraschallbades zuerst mit Aceton und anschließend mit Methanol über jeweils 15 Minuten gereinigt. Es hat sich herausgestellt, dass die Goldbeschichtung eine sehr schlechte Anhaftung besaß.
Bei einer zweiten Serie von Experimenten wurde das Substrat aus rostfreiem Stahl sandgestrahlt und anschließend unter Verwendung des Ultraschallbades mit Aceton und anschließend Methanol vor der Abscheidung von Gold auf dem Substrat gereinigt. Die Anhaftung war zwar verbessert, die Beschichtung versagte jedoch, als sie in eine Korrosionstestlösung gebracht wurde.
Bei einer dritten Serie von Experimenten wurde das Substrat aus rostfreiem Stahl elektrochemisch gereinigt, bevor es in dem Ultraschallbad aus Aceton und anschließend Methanol angeordnet wurde. Wiederum war die Anhaftung des Goldes verbessert, jedoch versagte die Beschichtung, als sie in eine Korrosionstestlösung gebracht wurde.
Bei einer vierten Serie von Experimenten wurde das innenunterstützte PVD-Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet. Die Ionenkanone, die verwendet wurde, war ein 100 bis 500 eV Ar⁺-Strahl mit einer Stromdichte von 1 bis 20 mA/cm² für 2 bis 10 Minuten. Das Verdampfungsquellenmaterial war 99,99% reines Gold von Johnson-Matthey. Die Substrate aus 316L rostfreiem Stahl, die verwendet wurden, waren Plättchen mit 25,4 mm × 25,4 mm (1'' × 1''), die zunächst in einem Ultraschallbad aus Aceton und anschließend Methanol für jeweils 15 Minuten gereinigt wurden. Die Substrate aus rostfreiem Stahl wurden dann in die Abscheidungskammer der Vorrichtung zur innenunterstützten PVD geladen und darin so lange gehalten, bis der Druck kleiner als 2 × 10^–7 Torr 2,67·10^–5 Pa betrug. Der Basisdruck der Abscheidungskammer lag typischerweise im mittleren 10^–9 Torr-Bereich 1.33·10^–7 Pa und war stets niedriger als 1 × 10^–8 Torr 1.33·10^–6 Pa. Als die Ionenkanone das Substrat aus rostfreiem Stahl gereinigt hatte, wurde eine Goldbeschichtung mit der einzelnen Elektronenstrahlverdampfungsquelle mit einer Rate von 0,10 nm/s bei einer Temperatur von 35 Grad Celsius bis 40 Grad Celsius abgeschieden. Die Goldbeschichtungen zeigten eine ausgezeichnete Anhaftung, sogar nachdem sie in einer Korrosionstestlösung für nahezu 100 Stunden angeordnet wurden.
Im Vergleich zu Abscheidungstechniken nach dem Stand der Technik, wie beispielsweise galvanischen Vorgängen, sieht die vorliegende Erfindung erhebliche Vorteile vor. Beispielsweise ist die Abscheidung von Edelmetallen durch Galvanisieren auf einem Substrat sehr teuer. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass eine dicke Beschichtung von etwa 100 nm oder mehr erforderlich ist, um eine Korrosion des Substrates zu verhindern, wenn ein Metallsubstrat, wie beispielsweise rostfreier Stahl, Aluminium oder Titan, verwendet wird. Ferner ist, wenn das Galvanisieren verwendet wird, die Anhaftung des Edelmetalls an dem Substrat schlecht. Daher wird, um die Anhaftung zu verbessern, eine Zwischenlage aus einem anderen Metall, wie beispielsweise Nickel, verwendet. Dies trägt zusätzlich zu einer Instabilität in der Brennstoffzellenumgebung weiter zu den Herstellkosten bei. Durch Verwendung des innenunterstützten Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist keine Zwischenlage erforderlich, und es kann eine geringe Dicke von nur 10–20 nm verwendet werden, wodurch die Herstellkosten gesenkt werden können.
Ferner kann, wie in den 10a und 10b gezeigt ist, wenn ein ionenunterstütztes PVD-Verfahren verwendet wird, eine glatte und gleichmäßige Beschichtung eines Metalls auf dem Substrat abgeschieden werden (10a). Wenn eine glatte und gleichmäßige Oberfläche auf dem Substrat abgeschieden wird, verhindert dies eine Korrosion. Im Gegensatz dazu ist eine galvanisierte Beschichtung rau und porös (10b). Die galvanisierte Beschichtung umfasst viele Spitzen und Täler, die nicht sicherstellen, dass das gesamte Substrat beschichtet ist, was seinerseits zu einer Korrosion des Substrates führt. Diese vielen Spitzen und Täler stellen auch keinen elektrischen Kontakt in den Tälern sicher. Ferner kann in den Tälern immer noch ein Oxid vorhanden sein, das die Brennstoffzelle kontaminieren kann. Dies ist deutlicher in den 11a und 11b gezeigt.
Die 11a zeigen ein Rasterkraftmikroskopbild einer Goldbeschichtung, die durch das innenunterstützte PVD-Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Wie in 11a zu sehen ist, ist die Beschichtung glatt und gleichmäßig. Eine Rauhigkeitsanalyse wie auch eine Analyse des Bereichs von Spitzen zu Tälern wurde ebenfalls durchgeführt. Die mittlere Rauhigkeit (Ra) der innenunterstützten PVD-Beschichtung betrug lediglich 184,78 nm, und der Bereich von Spitzen zu Tälern (Z) betrug lediglich 1,119 Mikrometer. Der Bereich von Spitzen zu Täler sollte kleiner als 3,000 Mikrometer, besser kleiner als 2,800 Mikrometer, noch besser kleiner als 2,500 Mikrometer, bevorzugt kleiner als 2,000 Mikrometer und am bevorzugtesten kleiner als 1,500 Mikrometer sein. Durch eine derartige glatte und gleichmäßige Oberfläche stellt die Beschichtung der vorliegenden Erfindung sicher, dass ein elektrischer Kontakt zwischen den bipolaren Platten aufrechterhalten wird. Auch stellt die glatte und gleichmäßige Fläche sicher, dass jegliches Oxid, das durch das innenunterstützte PVD-Verfahren nicht vollständig entfernt wurde, vollständig beschichtet und dadurch an einer Kontamination der Brennstoffzelle gehindert wird.
Im Gegensatz dazu zeigt, wie in 11b gezeigt ist, ein Rasterkraftmikroskopbild einer galvanisierten Beschichtung, dass die Beschichtung rau und porös ist. Es sind viele vorstehende Knollen vorhanden. Die Rauhigkeitsanalyse wie auch der Bereich von Spitzen zu Tälern der galvanisierten Beschichtung zeigt eine mittlere Rauhigkeit (Ra) von 415,88 nm und einen Bereich von Spitzen zu Tälern (Z) von 2,860 Mikrometern. Somit stellen die vielen Spitzen und Täler der galvanisierten Beschichtung keinen zuverlässigen elektrischen Kontakt zwischen den bipolaren Platten sicher. Die galvanisierte Beschichtung stellt auch nicht sicher, dass alle Oxide entfernt oder beschichtet worden sind, die die Brennstoffzelle kontaminieren können.
Ein noch weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, wie oben und bei der ersten Ausführungsform beschrieben ist, die optionale Beschichtung der Innenflächen 90 und 92 der Lagen 58 und 60 (2), um sicherzustellen, dass zwischen den Lagen 58 und 60 ein elektrischer Kontakt beibehalten wird. Typischerweise werden die Lagen 58 und 60 durch einen Klebstoff (nicht gezeigt) miteinander verbunden. Wenn ein derartiger Klebstoff verwendet wird, kann jedoch ein Kühlmittel, das zwischen den Lagen 58 und 60 verwendet wird, den Klebstoff angreifen und eine erhebliche Erhöhung des Widerstandes zwischen den Lagen 58 und 60 zur Folge haben. Durch Beschichtung der Innenflächen 90 und 92 der Lagen 58 und 60 mit der leitenden Beschichtung 94 der vorliegenden Erfindung kann der Widerstand zwischen den Lagen 58 und 60 für längere Zeitperioden auf einem Minimum gehalten werden.
Dieser Vorteil der vorliegenden Erfindung wurde geprüft, indem eine bipolare Platte, die durch einen Klebstoff verbunden war, in einem Bad aus deionisiertem Wasser bei 80 Grad Celsius angeordnet wurde. Die bipolare Platte wies sogar nach 5000 Stunden noch einen minimalen Widerstand zwischen den Lagen 58 und 60 auf. Dies ist ein Ergebnis der Beschichtung 94, die eine ausgezeichnete Anhaftung an dem Klebstoff aufweist, wie auch einer Erleichterung einer ausgezeichneten elektrischen Leitfähigkeit zwischen den Lagen 58 und 60.
Ein noch weiterer Vorteil der Verwendung einer über innenunterstützte PVD abgeschiedenen Edelmetallbeschichtung besteht darin, dass mit dem Kompressionsdruck nur eine geringe Variation des Kontaktwiderstandes im Vergleich zu einer herkömmlich bekannten Beschichtung einhergeht, wie beispielsweise Acheson. Dies ist in 12 gezeigt. Die Proben, die getestet wurden, waren 20 nm Au, 15 nm Au und 10 nm Au auf Substraten aus rostfreiem Stahl. Acheson (eine leitende, auf Kohlenstoff basierende Beschichtung, die von der Acheson Corp. bezogen wurde) wurde auf ein Titansubstrat beschichtet. Der Kontaktwiderstand wurde gemessen, indem die Proben zwischen zwei Diffusionspapieren von Toray gepresst wurden. Die Drücke wurden zwischen 3,45 bar bis 13,8 bar (50–200 psi) variiert, während ein Strom von 1 A/cm² angelegt wurde. Die Kontaktwiderstände wurden erhalten, indem der Spannungsabfall zwischen den Diffusionspapieren und den Metallproben über die Beschichtung gemessen wurde. Wie in 12 zu sehen ist, erzeugen Goldbeschichtungen mit 10 nm, 15 nm und 20 nm sehr niedrige Kontaktwiderstände über einen breiten Kompressionsbereich von 3,45 bar bis 13,8 bar (50–200 psi). Genauer hat der Kontaktwiderstand typischerweise einen Wert zwischen 1,5 und 6,5 Milliohm/cm² mit einem sehr niedrigen prozentualen Verlust über den Druckbereich von 3,45 bar bis 13,8 bar (50–200 psi). Die Acheson-Beschichtung wies andererseits einen Kontaktwiderstand zwischen 12 und 31 Milliohm/cm² mit einem erheblichen prozentualen Verlust über den Druckbereich von 3,45 bar bis 13,8 bar (50–200 psi) auf. Der niedrige Kontaktwiderstand der vorliegenden Erfindung erlaubt, dass Stapeldrücke, die für den Brennstoffzellenstapel verwendet werden, abgesenkt werden können, was seinerseits die Lebensdauer des Stapels verlängert wie auch ein Auftreffen von Fasern (engl. "fiber impingement") auf die MEA verhindert.
Die Auswirkungen der vorliegenden Erfindung auf den Kontaktwiderstand wie auch die Zellenspannung sind auch in 13 gezeigt. 13 ist ein Schaubild, das einen Vergleich eines Substrates aus 317L rostfreiem Stahl, das mit 10 nm Au gemäß der vorliegenden Erfindung beschichtet ist, eines nicht beschichteten Substrats aus 317L rostfreiem Stahl und eines Poco-Graphitsubstrats zeigt. Wie in 13 zu sehen ist, sieht die elektrisch leitende Beschichtung der vorliegenden Erfindung einen erheblichen Vorteil hinsichtlich der Zellenspannung und dem Kontaktwiderstand gegenüber einem nicht beschichteten Substrat aus rostfreiem Stahl vor. Im Vergleich zu einem Poco-Graphitsubstrat sieht die elektrisch leitende Beschichtung der vorliegenden Erfindung eine Zellenspannung vor, die im Wesentlichen die gleiche ist, während ein niedrigerer Kontaktwiderstand vorgesehen wird. Somit sieht die elektrisch leitende Beschichtung der vorliegenden Erfindung insgesamt einen Vorteil gegenüber Poco-Graphit vor, da die Gesamtkosten, um ein Substrat aus rostfreiem Stahl herzustellen, das mit der elektrisch leitenden Beschichtung der vorliegenden Erfindung beschichtet ist, gering sind.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die leitende Beschichtung eine Passivierung der bipolaren Platten verhindert. Wie in 14 zu sehen ist, lässt ein Substrat aus rostfreiem Stahl, das mit 10 nm Au beschichtet ist, nur geringe Korrosionsströme zu, wenn das Potenzial zwischen +0,4 und +0,6 V (gegenüber Ag/AgCl) in einer belüfteten Lösung bei 80 Grad Celsius zyklisch geändert wird, wo durch eine Bipolplattenumgebung in einer Brennstoffzelle simuliert wird (pH = 3,0, 10 ppm HF und 0,5 M Na₂SO₄ als Trägerelektrolyt).
Es wurden auch potentiostatische Korrosionsexperimente über 100 Stunden bei sowohl +0,6 V (gegenüber Ag/AgCl) in Luft als auch bei –0,4 V (Ag/AgCl) in Wasserstoff für ein Substrat aus rostfreiem Stahl, das mit 10 nm Au beschichtet wurde, durchgeführt. Wie in 15 zu sehen ist, waren die gemessenen Korrosionsströme unter diesen Bedingungen sehr gering (unterhalb 1 μA/cm²), was eine gute Stabilität der Beschichtung zeigt.
Wie aus der vorhergehenden detaillierten Beschreibung zu sehen ist, sieht die vorliegende Erfindung eine ultradünne leitende Beschichtung vor, die aus einem Edelmetall gebildet ist, das die Oberfläche eines Substrates ausreichend bedeckt, um eine Korrosion zu verhindern, und einen niedrigen Kontaktwiderstand für ein elektrisches leitendes Fluidverteilungselement vorsieht, das die Gesamtleistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle verbessert. Ferner werden aufgrund dessen, dass die Beschichtung mit einer ultraniedrigen Beladung eines Edelmetalls beschichtet ist, die Produktionskosten zum Herstellen eines elektrisch leitenden Fluidverteilungselements auf einem Minimum gehalten.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines elektrisch leitenden Fluidverteilungselements, mit den Schritten, dass: ein Substrat vorgesehen wird; das Substrat mit einem Ionenstrahl gereinigt wird; und eine elektrisch leitende Beschichtung auf dem Substrat durch PVD auf eine Dicke von weniger als 100 nm abgeschieden wird, wobei das Reinigen und das Abscheiden im Wesentlichen simultan ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Reinigen vor dem Abscheiden gestartet wird und das Reinigen während des Abscheidens fortgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass das Reinigen des Substrates zumindest so lange fortgesetzt wird, bis das Abscheiden beendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Reinigen beendet wird, nachdem das Abscheiden beendet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung auf eine Dicke von weniger als 80 nm abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung eine Dicke von 10 bis 20 nm besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitende Beschichtung auf eine Beladung von 0,02 bis 0,04 mg/cm² abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat aus der Gruppe gewählt ist, die rostfreien Stahl, Aluminium und Titan umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung ein Edelmetall umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Edelmetall aus der Gruppe gewählt ist, die Ru, Rh, Pd, Ag, Au, Ir, Pt, Os und deren Kombinationen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung einen Kontaktwiderstand von 1,5 bis 6,5 Milliohm/cm² besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung eine korrosionsbeständige Beschichtung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Reinigungsschritt umfasst, dass eine Oxidschicht von dem Substrat entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung mit einer Rate von 0,10 nm/s abgeschieden wird.
Elektrisch leitendes Fluidverteilungselement mit: einem Metallsubstrat; und einer elektrisch leitenden Beschichtung, die auf einer Oberfläche des Substrats, welche rein von Oxiden ist, angeordnet ist, wobei die Beschichtung eine Dicke von weniger als 80 nm aufweist.
Element nach Anspruch 15, wobei die Beschichtung einer Delaminierung von dem Substrat standhält, wenn ein kathodischer Strom von über 10 mA/cm² an das Element angelegt wird.
Element nach Anspruch 15, wobei die Beschichtung eine Dicke von 10–20 nm besitzt.
Element nach Anspruch 17, wobei die elektrisch leitende Beschichtung eine Beladung von 0,02 bis 0,04 mg/cm² aufweist.
Element nach Anspruch 15, wobei das Substrat aus einer Gruppe gewählt ist, die rostfreien Stahl, Aluminium und Titan umfasst.
Element nach Anspruch 15, wobei die Beschichtung ein Edelmetall umfasst, das aus der Gruppe gewählt ist, die Ru, Rh, Pd, Ag, Au, Ir, Pt, Os und deren Kombinationen umfasst.
Element nach Anspruch 15, wobei die Beschichtung einen Kontaktwiderstand von 1,5 bis 6,5 Milliohm/cm² aufweist.
Element nach Anspruch 20, wobei das Edelmetall eine Außenlage der Beschichtung bildet, und die Beschichtung ferner eine Zwischenmetallschicht aus einem korrosionsbeständigen Nicht-Edelmetall umfasst, die zwischen dem Substrat und der Außenlage angeordnet ist.
Element nach Anspruch 15, wobei das Substrat eine Oberfläche aufweist, die eine Vielzahl von Nuten und Stegen enthält, wobei zumindest die Stege mit der elektrisch leitenden Beschichtung beschichtet sind.
Element nach Anspruch 15, wobei die Beschichtung eine glatte Oberfläche aufweist, die durch einen Bereich von Spitzen zu Tälern von weniger als 2,5 Mikrometer gekennzeichnet ist.
Brennstoffzelle mit einer Vielzahl elektrisch leitender Fluidverteilungselemente sowie mit einer Vielzahl von Membranelektrodenanordnungen, wobei die Membranelektrodenanordnungen einen Polymerelektrolyten mit einer Anode auf einer Site des Membranelektrolyten und ei ner Kathode auf einer entgegengesetzten Seite des Membranelektrolyten umfassen, und wobei das Element umfasst: ein elektrisch leitendes Polymersubstrat; und eine elektrisch leitende Metallbeschichtung, die auf dem Substrat angeordnet ist, wobei die Beschichtung eine Dicke von weniger als 100 nm besitzt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 25, wobei das Polymersubstrat ein Verbundstoff ist, der ein Polymer und einen leitenden Füllstoff, der in dem Polymer verteilt ist, umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 26, wobei der leitende Füllstoff aus der Gruppe gewählt ist, die Kohlefasern, Graphitfasern, nickelbeschichtete Graphitfasern, Fasern aus rostfreiem Stahl und deren Kombinationen umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 26, wobei das Polymer aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Silikon, Polyisobutylen, Epoxid bzw. Epoxidharz, Vinylester, Phenol bzw. Phenolharz, Polypropylen, Polytetrafluorethylen, Nylon, gummimodifiziertes Polypropylen und deren Mischungen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 25, wobei die Beschichtung ein Edelmetall umfasst, das aus der Gruppe gewählt ist, die Ru, Rh, Pd, Au, Ag, Ir, Pt, Os und deren Kombinationen umfasst.
Brennstoffzelle mit einer Vielzahl elektrisch leitender Fluidverteilungselemente sowie mit einer Vielzahl von Membranelektrodenanordnungen, wobei die Membranelektrodenanordnungen einen Polymerelektrolyten mit einer Anode auf einer Seite des Membranelektrolyten und einer Kathode auf einer entgegengesetzten Seite des Membranelektrolyten umfassen, und wobei das Element umfasst: einen leitenden Schaum mit Außenflächen, welche rein von Oxiden sind, und mit internen Öffnungen, die Durchgänge durch den Schaum zur Fluidverteilung bilden; und eine elektrisch leitende Metallbeschichtung an den Außenflächen und optional an den Innenflächen; wobei die Beschichtung eine Dicke von weniger als 100 nm aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 30, wobei die Beschichtung ein Edelmetall umfasst, das aus der Gruppe gewählt ist, die Ru, Rh, Pd, Ag, Au, Ir, Pt, Os und deren Kombinationen umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 30, wobei der Schaum aus der Gruppe gewählt ist, die rostfreien Stahl, Nickel, Aluminium, Titan und Kohlenstoff umfasst.
Brennstoffzelle mit einer Vielzahl elektrisch leitender Fluidverteilungselemente nach Anspruch 15; und einer Vielzahl von Membranelektrodenanordnungen, wobei die Membranelektrodenanordnungen einen Polymerelektrolyt mit einer Anode auf einer Seite des Membranelektrolyten und einer Kathode auf einer entgegengesetzten Seite des Membranelektrolyten umfassen.