DE10393695T5

DE10393695T5 - Korrosionsbeständige sowie elektrisch als auch thermisch leitende Beschichtung für eine Vielzahl von Anwendungen

Info

Publication number: DE10393695T5
Application number: DE10393695T
Authority: DE
Inventors: Mahmoud H. Grosse Pointe Woods Abd Elhamid; Youssef Sterling Heights Mikhail; Richard H. Warren Blunk; Daniel J. Eastpointe Lisi
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2003-10-29
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2023-10-30
Also published as: JP4695393B2; DE10393695B4; JP2006506781A; CN100359737C; AU2003285082A1; WO2004045011A3; CN1711657A; US20040091768A1; WO2004045011B1; AU2003285082A8; WO2004045011A2; US7261963B2

Abstract

Elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte mit:
einem Plattenkörper, der einen Satz von Fluidströmungskanälen definiert, die derart ausgebildet sind, so dass eine Strömung eines Fluides über zumindest eine Seite der Platte verteilt wird; und
einer Beschichtung, die an der Platte angehaftet ist, wobei die Beschichtung umfasst:
Graphit,
Ruß, und
ein Bindemittel,
wobei die Beschichtung weniger als etwa 10 Gew.-% Gesamtkohlenstoff umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine elektrisch leitende Beschichtung, ein Verfahren zum Herstellen der Beschichtung wie auch Produkte daraus.
Es ist eine Beschichtung vorgesehen, die Graphit mit einer geringen Raumdichte umfasst. Die Beschichtung kann Graphit mit einer Dichte von weniger als 1,6 gm/cm³ umfassen. Die Beschichtung kann Graphit mit relativ hoher Reinheit umfassen, das im Wesentlichen frei von Schmutzstoffen ist. Der in der Beschichtung verwendete Graphit kann behandelt werden, um ein expandiertes Graphit zu erzeugen. Die Behandlung umfasst eine chemische Behandlung, der eine thermische Behandlung folgen kann. Das Graphit in der Beschichtung kann weniger als 0,01 Gewichtsprozent Unreinheiten umfassen. Die Beschichtung kann ferner Ruß umfassen. Bei einer Ausführungsform enthält der Ruß weniger als 0,01 Gewichtsprozent Unreinheiten.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind Produkte vorgesehen, die eine Beschichtung umfassen, die expandiertes Graphit und ein Substrat umfasst. Das Substrat kann eine Sammelplatte für eine Brennstoffzelle, einen Batterieanschluss, einen elektrischen Verbindungsanschluss, elektrostatische Komponenten und/oder Anwendungen umfassen, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit sowie gute thermische als auch elektrische Leitfähigkeit erfordern.
Bei einer Ausführungsform ist eine elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte vorgesehen, die einen Plattenkörper umfasst, der einen Satz von Fluidströmungskanälen definiert, die so ausgestaltet sind, damit sie eine Strömung eines Fluids über zumindest eine Seite der Platte und eine an der Platte angehaftete Beschichtung verteilen können. Die Beschichtung umfasst Graphit, (Kohle-) Ruß wie auch ein Bindemittel bzw. einen Binder. Die Beschichtung umfasst weniger als etwa 10 Gew.-% Gesamtkohlenstoff.
Bei einer anderen Ausführungsform ist eine Beschichtung vorgesehen, die Graphit, Ruß und einen Binder umfasst. Das Graphit, der Ruß wie auch Binder sind in Prozentsätzen vorgesehen, so dass die Beschichtung einen Gesamt-Kontakt- wie auch Volumenwiderstand von kleiner als 20 mOhm cm² bei einem Kompressionsdruck von über 13,8 bar (200 psi) aufweist.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zum Beschichten einer Fluidverteilungsplatte vorgesehen, das umfasst, dass Graphit und Ruß gemischt werden, der Graphit und Ruß in einem Binder für eine vorbestimmte Mahlzeit gemahlen werden, die ausreichend ist, um eine Beschichtung zu erzeugen, die einen Gesamtwiderstand von etwa 20 mOhm cm² aufweist, die Beschichtung auf die Platte gesprüht wird, um eine beschichtete Fluidverteilungsplatte zu bilden und die beschichtete Fluidverteilungsplatte gehärtet wird.
Die vorliegende Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen besser verständlich. Es sei angemerkt, dass der Schutzumfang der Ansprüche durch den Wortlaut darin und nicht durch die spezifische Beschreibung von Merkmalen und Vorteilen definiert ist, die in der vorliegenden Beschreibung dargelegt sind.
Die folgende detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird am besten in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Anordnungen mit gleichen Bezugszeichen beschrieben sind, und wobei:
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems ist.
2 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem ist.
3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels ist, der zwei Brennstoffzellen verwendet.
4 eine Darstellung einer elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
5–7 Schaubilder sind, die den Gesamtwiderstand von beschichteten Substraten zeigen, die Substrate umfassen, die gemäß der vorliegenden Erfindung beschichtet sind.
8 ein Schaubild ist, das den potentiostatischen Stromübergang eines beschichteten Substrats gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
9 einen Vergleich eines beschichteten Substrats gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einem mit Gold beschichteten Substrat zeigt.
Für Fachleute wird offensichtlich, dass Elemente in den Figuren einfach und deutlich und nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt sind. Beispielsweise können die Abmessungen von einigen der Elemente in den Figuren bezüglich anderer Elemente übertrieben sein, um ein Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu unterstützen.
Es ist eine Beschichtung vorgesehen, die korrosionsbeständig wie auch elektrisch und thermisch leitend ist. Die Beschichtung kann Graphit, Ruß (Carbon Black) und einen Binder umfassen, die in Mengen vorgesehen sind, die einen gewünschten Gesamtkohlenstoffgehalt der Beschichtung erreichen. Es werden geeignete Mengen ausgewählt, um gewünschte Platteneigenschaften zu erzielen. Beispielsweise kann die Beschichtung zwischen etwa 5 Gew.-% und etwa 70 Gew.-% Gesamtkohlenstoff umfassen und kann insbesondere etwa 10 Gew.-% Gesamtkohlenstoff umfassen. Die Beschichtung kann weniger als etwa 10 Gew.-% Gesamtkohlenstoff umfassen.
Die Menge an Gesamtkohlenstoff in der Beschichtung ist hauptsächlich ein Ergebnis der jeweiligen Mengen an Graphit und Ruß in der Beschich tung. Bei einer Ausführungsform umfasst die Beschichtung Graphit und Ruß in einem Gewichtsverhältnis von etwa 2 : 1. Insbesondere unter Bezugnahme auf die Menge an Graphit in der Beschichtung kann die Beschichtung bei einer Ausführungsform zwischen etwa 3,3 Gew.-% und etwa 50 Gew.-% Graphit umfassen. Insbesondere unter Bezugnahme auf die Menge an Ruß in der Beschichtung kann die Beschichtung zwischen etwa 1,7 Gew.-% und etwa 20 Gew.-% Ruß umfassen. Zusätzlich zu den sich unterscheidenden Mengen an Graphit und Ruß kann die Beschichtung auch sich unterscheidende Mengen an Binder umfassen. Die Menge an Binder kann abhängig von der Menge an Graphit und Ruß variiert werden, die in der Beschichtung verwendet werden. Allgemein ist zur verbesserten Anhaftung, verbesserten Korrosionsbeständigkeit wie auch zum verbesserten Fließen beim Aufbringen ein höherer Bindergehalt gewünscht. Bei einer Ausführungsform umfasst die Beschichtung zwischen etwa 95 Gew.-% und etwa 0 Gew.-% Binder und insbesondere etwa 90 Gew.-% des Binders. Bei einer Ausführungsform liegt die Menge an Binder zwischen etwa 95 Gew.-% und etwa 70 Gew.-% des Polymerharzes.
Somit wird durch die vorliegende Erfindung eine Vielzahl sich unterscheidender Beschichtungszusammensetzungen vorgeschlagen. Bei einer Ausführungsform ist die Beschichtung in der Form eines Gels vorgesehen. Genauer umfasst bei einer Ausführungsform die Beschichtung etwa 6,7 Gew.-% expandiertes Graphit mit einer Partikelgröße zwischen etwa 5 μm und etwa 90 μm, etwa 3,3 Gew.-% Acetylenruß mit einer Partikelgröße von etwa 0,05 μm bis etwa 0,2 μm und etwa 90 Gew.-% Polyamidimid-Binder.
Zur Verwendung in der Beschichtung sind verschiedene Typen von Graphit geeignet. Der Graphit kann aus expandiertem Graphit, Graphitpulver und Graphitflocken gewählt werden. Der Graphit kann durch eine Partikelgröße zwischen etwa 5 μm und etwa 90 μm gekennzeichnet sein. Der Graphit kann eine niedrige Dichte aufweisen. Die Dichte ist allgemein kleiner als 1,6 gm/cm³ und insbesondere kleiner als etwa 0,3 gm/cm³. Die Dichte kann im Bereich zwischen etwa 0,05 gm/cm³ und etwa 0,2 gm/cm3 und insbesondere zwischen etwa 0,1 gm/cm³ und etwa 0,2 gm/cm³ liegen.
Der Graphit kann eine relativ hohe Reinheit besitzen und im Wesentlichen frei von Schmutzstoffen sein. Dadurch wird eine Beschichtung hergestellt, die allgemein weniger als 0,01 Gew.-% Unreinheiten und insbesondere weniger als 0,0001 Gew.-% Unreinheiten umfasst. Bei anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Beschichtung weniger als 0,005 Gew.-% Unreinheiten oder weniger als 0,001 Gew.-% Unreinheiten umfassen.
Um die hohe Reinheit und die niedrige Dichte zu erreichen, kann der Graphit in der Beschichtung chemisch behandelt werden. Der chemischen Behandlung kann eine thermische Behandlung folgen. Die chemische Behandlung kann unter Verwendung von Schwefelsäure, Salpetersäure und / oder deren Mischung erfolgen. Die chemische Behandlung kann auch mit Phosphorverbindungen, Wasserstoffperoxid, Schwefelverbindungen, Schwefeltrioxid und deren Kombinationen ausgeführt werden. Die thermische Behandlung kann den behandelten Graphit Temperaturen von etwa 1093°C (2000°F) und darüber aussetzen.
Die chemische und thermische Behandlung wird für eine ausreichende Zeitdauer ausgeführt, um den Graphit auf die oben erläuterten Dichte- und Reinheitsbereiche zu expandieren. Nach der thermischen Behandlung werden die bei der chemischen Behandlung verwendeten Chemikalien zwischen Lagenebenen des Flockengraphits gebunden. Dies bewirkt, dass sich der Graphit in der c-Richtung expandiert bzw. ausdehnt, was zur Folge hat, dass die Flocken lange wurmartige Ranken bzw. Reben oder expandiertes Graphit bilden. Diese reben- oder wurmartigen Gebilde sind sehr leicht und locker bzw. flaumig, so dass der Graphit eine sehr niedrige Dichte besitzt. Die chemische und thermische Behandlung kann ein hochreines Graphitmaterial erzeugen, wie beispielsweise ein Graphitmaterial mit weniger als 0,5 Gewichtsprozent Unreinheiten, insbesondere Kationen oder Kation erzeugende Materialien, wie beispielsweise Metalle. Die wurmartigen Reben können auch in die Graphittafel gepresst werden. Durch mechanisches Brechen des Graphits können Graphitpartikel mit niedriger Dichte erzeugt werden. Einige der Graphitpartikel können kleiner als 100 μm sein.
Zusätzlich sind verschiedene Typen von Ruß zur Verwendung in der Beschichtung geeignet. Beispielsweise kann der Ruß aus Acetylenruß, Ketjen-Black^TM, Vulcan-Black^TM, Regal^TM, Ofen- bzw. Furnace-Ruß, Black-Pearl^TM und deren Kombinationen gewählt sein. Ruß kann durch eine Partikelgröße zwischen etwa 0,05 und etwa 0,2 μm gekennzeichnet sein. Der Ruß enthält allgemein weniger als 0,01 Gew.-% Unreinheiten und insbesondere weniger als 0,0001 Gew.-% Unreinheiten. Bei anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Beschichtung weniger als 0,005 Gew.-% Unreinheiten oder weniger als 0,001 Gew.-% Unreinheiten umfassen.
Der Graphit, der eines der oben beschriebenen Merkmale zur Verwendung in einer Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist, kann durch ein beliebiges geeignetes Verfahren erzeugt werden, wobei nachfolgend ein spezifisches Verfahren beschrieben wird. Weitere spezifische Ausführungsformen und Anwendungen sind nachfolgend beschrieben.
Zur Verwendung in der Beschichtung sind viele Typen von Bindern geeignet. Bei einer Ausführungsform umfasst der Binder ein Polymerharz. Geeignete Polymerharze umfassen Polyamidimid, Polyimid, Polyvinylester und deren Kombinationen. Geeignete Träger für die Binder können beispielsweise Propylenglykolmethyletheracetat, N-Methyl-2-pyrrolidon, Xylen und deren Kombinationen umfassen.
Ferner kann die Beschichtung so hergestellt werden, dass sie weniger als 200 ppm Metallschmutzstoffe umfasst. Bei einer Ausführungsform weist die Beschichtung einen Kontaktwiderstand zwischen etwa 60 und etwa 5 mOhm cm² bei einem Kontaktdruck zwischen etwa 1,7 bar (25 psi) und etwa 13,8 bar (200 psi) auf, und insbesondere weist die Beschichtung einen Kontaktwiderstand von weniger 10 mOhm cm² bei Kompressionsdrücken bei oder oberhalb etwa 13,8 bar (200 psi) auf. Durch die Beschichtung wird ein Gesamtwiderstand von weniger als etwa 20 mOhm cm² bei Kompressionsdrücken oberhalb etwa 13,8 bar (200 psi) vorgesehen. Aufgrund einer Synergie zwischen dem expandierten Graphit und dem Ruß in der Beschichtung bleibt der Kontaktwiderstand niedrig, nämlich kleiner als 20 mOhm cm², bei einem niedrigen Gesamtkohlenstoffgehalt. Mit "Synergie" ist gemeint, dass die Kombination aus Graphit und Ruß einen niedrigeren Kontaktwiderstand erzeugt, als wenn entweder der Graphit oder der Ruß allein bei demselben Gesamtkohlenstoffgehalt verwendet würde.
Die Beschichtung kann auf einem Substrat angeordnet werden, um eine breite Vielzahl von Produkten zu erzeugen. Das Substrat kann als eine Sammelplatte für eine Brennstoffzelle, ein Batterieanschluss, ein elektrischer Verbindungsanschluss, auf einem Substrat als eine elektrostatische Beschichtung und/oder bei Anwendungen usw. verwendet werden, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit wie auch eine gute thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit erfordern.
In Brennstoffzellen werden elektrisch leitende Fluidverteilungsplatten verwendet, um elektrischen Strom zu leiten und Fluide in der Brennstoffzelle zu verteilen. Beispielsweise werden oftmals bipolare elektrisch leitende Fluidverteilungsplatten verwendet, um eine Verbindung von Zellen vorzusehen, wenn die Brennstoffzellen aneinander gestapelt werden. Ähnlicherweise sind an jedem Ende der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels Endplatten vorhanden, die Strom sammeln, eine Stabilität vorsehen und Fluide verteilen. Eine Ausführungsform umfasst eine elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte, die einen geringen Kontaktwiderstand, eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist und ökonomisch effizient herzustellen ist.
In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 2 für Kraftfahrzeuganwendungen gezeigt. Es sei jedoch angemerkt, dass auch andere Brennstoffzellensystemanwendungen, wie beispielsweise auf dem Gebiet stationärer Systeme, von der vorliegenden Erfindung einen Nutzen ziehen können. Wie gezeigt ist, umfasst das Brennstoffzellensystem 2 einen Brennstoffprozessor 4, einen Wasser-Gas-Shift-Reaktor 6, einen Reaktor 7 für selektive bzw. bevorzugte Oxidation (PrOx), zumindest einen Wärmetauscher 8, einen Abgasbrenner 9 und eine Brennstoffzelle 10. Es folgt eine Erläuterung dieser Komponenten und des Betriebs des Brennstoffzellensystems 2. Es sei angemerkt, dass, während hier eine bestimmte Konstruktion des Brennstoffzellensystems beschrieben ist, die vorliegende Erfindung auf beliebige Konstruktionen für Brennstoffzellensysteme anwendbar ist, bei denen Fluidverteilungsplatten Anwendung finden.
In dem Brennstoffprozessor 4 wird ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff, wie beispielsweise Benzin oder Methan, Luft und Wasserdampf gemischt, erhitzt und in einen Primärreaktor mit einem Katalysator geliefert. Die Mischung wird in Wasserstoff, Kohlenmonoxid und andere Prozessgase aufgeteilt, wenn die Mischung über den Katalysator strömt und an diesem reagiert, wodurch ein wasserstoffreicher Strom erzeugt wird. Geeignete Katalysatormaterialien umfassen Metalle der Platingruppe und unedle Metalle. Diese Reaktion erfolgt bei Temperaturen im Bereich zwischen etwa 700°C und etwa 800°C.
Der wasserstoffreiche Strom, der den Brennstoffprozessor 4 verlässt, tritt in den Wasser-Gas-Shift-Reaktor 6 ein. Sauerstoff aus Wasser wird dazu verwendet, Kohlenmonoxid in Kohlendioxid umzuwandeln, wodurch zusätzlicher Wasserstoff zurückbleibt und der Systemwirkungsgrad erhöht wird. Betriebstemperaturen des Shiftreaktors 6 liegen im Bereich von etwa 250°C bis etwa 450°C. Der den Shiftreaktor 6 verlassende wasserstoffreiche Strom tritt dann in den PrOx-Reaktor 7 ein, in dem die endgültige Reinigung von Kohlenmonoxid erfolgt, bevor der wasserstoffreiche Strom in den Brennstoffzellenstapel eintritt. Es wird Luft hinzugesetzt, um den Sauerstoff zu liefern, der erforderlich ist, um den größten Teil des verbleibenden Kohlenmonoxids in Kohlendioxid umzuwandeln, wodurch dahinter zusätzlicher Wasserstoff zurückbleibt. Betriebstemperaturen in dem PrOx-Reaktor 7 liegen im Bereich von etwa 80°C bis etwa 200°C. In Kombination extrahieren die drei Reaktoren Wasserstoff von dem Brennstoff und verringern oder beseitigen schädliche Emissionen.
Die drei Reaktoren werden schnell auf ihre Betriebstemperaturen aufgeheizt, bevor der Brennstoff eingeführt wird. Der Wärmetauscher 8 wird daher dazu verwendet, die verschiedenen Temperaturen über das gesamte Brennstoffzellensystem 2 zu regulieren. Typischerweise heizt der Wärmetauscher 8 die Wasserdampf- und Luftströme vor einem Eintreten in den Brennstoffprozessor 4 vor. Die Abwärme von dem wasserstoffreichen Strom verlässt den Primärreaktor des Brennstoffprozessors 4.
Der wasserstoffreiche Strom wird anschließend an die Brennstoffzelle 10 geliefert, die einen Stapel von Brennstoffzellen umfassen kann, und reagiert mit Sauerstoff von einer Quelle, wie beispielsweise Luft, um Elektrizität zu erzeugen, die zum Antrieb einer Last 11 verwendet werden kann. Die kleinen Mengen an nicht verwendetem Wasserstoff, die die Brennstoffzelle 10 verlassen, werden in dem Abgasbrenner 9 verbraucht, der bei einer Temperatur zwischen etwa 300°C bis etwa 800°C arbeitet.
In 2 ist ein Fahrzeug mit einer Fahrzeugkarosserie 90 und einem Brennstoffzellensystem gezeigt, das einen Brennstoffzellenprozessor 4 und einen Brennstoffzellenstapel 15 aufweist. Nachfolgend ist unter Bezugnahme auf die 3–9 ein Brennstoffzellenstapel und eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben.
3 zeigt einen zwei Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenstapel 15, der ein Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 20 und 22 aufweist, die voneinander durch eine elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte 30 getrennt sind. Die Platte 30 dient als eine bipolare Platte mit einer Vielzahl von Fluidströmungskanälen 35, 37 zur Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen an die MEAs 20 und 22. Mit "Fluidströmungskanal" ist ein Pfad, Gebiet, Bereich oder jegliche Domäne auf der Platte gemeint, die dazu verwendet wird, ein Fluid in, aus, entlang oder durch zumindest einen Abschnitt der Platte zu transportieren. Die MEAs 20 und 22 wie auch die Platte 30 sind zwischen Klemmplatten 40 und 42 und elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatten 32 und 34 aneinander gestapelt. Die Platten 32 und 34 dienen als Endplatten, die im Gegensatz zu beiden Seiten der Platte nur auf einer Seite Kanäle 36 bzw. 38 enthalten, um Brennstoff- und Oxidationsmittelgase an die MEAs 20 und 22 zu verteilen.
Nichtleitende Dichtungselemente 50, 52, 54 und 56 sehen Dichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Gasdurchlässige Kohlenstoff/Graphit-Diffusionspapiere 60, 62, 64 und 66 werden an die Elektrodenseiten der MEAs 20 und 22 gepresst. Die Platten 32 und 34 werden an die Kohlenstoff/Graphit-Papiere 60 bzw. 66 gepresst, während die Platte 30 an das Kohlenstoff/Graphit-Papier 64 an der Anodenseite der MEA 20 und an das Kohlenstoff/Graphit-Papier 60 an der Kathodenseite der MEA 22 gepresst wird.
Ein oxidierendes Fluid, wie beispielsweise O₂, wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels von einem Speichertank 70 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 86 geliefert. Während das oxidierende Fluid an die Kathodenseite geliefert wird, wird ein reduzierendes Fluid, wie beispielsweise H₂, an die Anodenseite der Brennstoffzelle von einem Speichertank 72 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 88 geliefert. Das reduzierende Fluid kann aus einer Mischung von Methan oder Benzin, Luft und Wasser gemäß eines Reformierungsprozesses in der Anwesenheit eines Katalysators abgeleitet werden. Die Austragsverrohrung (nicht gezeigt) für sowohl die H₂- als auch O₂/Luft-Seiten der MEAs ist ebenfalls vorgesehen. Eine zusätzliche Verrohrung 80, 82 und 84 ist zur Lieferung von flüssigem Kühlmittel an die Platte 30 wie auch die Platten 32 und 34 vorgesehen. Des Weiteren ist eine geeignete Verrohrung zum Austrag von Kühlmittel von den Platten 30, 32 und 34 vorgesehen, jedoch nicht gezeigt.
4 zeigt eine elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte 30 mit einer ersten Tafel 102 und einer zweiten Tafel 104. Die erste und zweite Tafel 102, 104 umfassen jeweils eine Vielzahl von Fluidströmungskanälen 106, 108 an ihren Außenseiten, durch die die Reaktandengase der Brennstoffzelle typischerweise in einem gewundenen Pfad entlang einer Seite jeder Platte strömen. Die Innenseiten der ersten und zweiten Tafel 102, 104 können eine zweite Vielzahl von Fluidströmungskanälen 110, 112 umfassen, durch die Kühlmittel während des Betriebs der Brennstoffzelle strömt. Wenn die Innenseiten der ersten Tafel 102 und zweiten Tafel 104 aneinander angeordnet werden, um einen Plattenkörper 120 zu bilden, verbinden sich die Fluidströmungskanäle und bilden eine Serie von Kanälen, durch die Kühlmittel durch die Platte 30 strömen kann.
Der Plattenkörper 120, der in 4 gezeigt ist, kann aus einer einzelnen Tafel oder Platte anstatt aus zwei separaten Tafeln gebildet werden. Wenn der Plattenkörper 120 aus einer einzelnen Platte gebildet wird, können die Kanäle an den Außenseiten des Plattenkörpers 120 und durch die Mitte des Plattenkörpers 120 ausgebildet sein, so dass der resultierende Plattenkörper 120 gleichwertig zu dem Plattenkörper 120 ist, der aus zwei separaten Tafeln 102, 104 gebildet ist.
Der Plattenkörper 120 kann aus einem Metall, einer Metalllegierung oder einem Verbundmaterial geformt sein und kann leitend sein oder kann relativ schwach elektrisch leitend sein oder aus isolierendem Material bestehen, wobei die Beschichtung als ein stark elektrisch leitender Mantel wirkt. Bei einer Ausführungsform bildet ein passivierendes Metall oder eine passivierende Legierung den Plattenkörper 120. Mit "passivierendem Metall" oder "passivierender Legierung" ist ein Metall oder eine Legierung gemeint, die eine inaktive Passivierungslage infolge einer Reaktion mit Umgebungssubstanzen, wie beispielsweise Luft oder Wasser, bildet. Beispielsweise kann die Passivierungslage 125 ein Metalloxid sein. Metalloxide wirken normal als Barrieren gegenüber weiterer Oxidation, so dass es erforderlich ist, dass der Sauerstoff durch die Lage hindurch diffundieren muss, um die Metall- oder Legierungsoberfläche zu erreichen. Somit kann die Passivierungslage die Integrität des Metalls oder der Metalllegierung schützen.
Geeignete Metalle, Metalllegierungen und Verbundmaterialien sollten durch eine ausreichende Beständigkeit und Starrheit gekennzeichnet sein, um als eine Fluidverteilungsplatte in einer Brennstoffzelle dienen zu kön nen. Zusätzliche Konstruktionseigenschaften für die Betrachtung bei der Auswahl eines Materials für den Plattenkörper umfassen eine Gaspermeabilität, Leitfähigkeit, Dichte, thermische Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Musterdefinition, thermische Stabilität und Musterstabilität, Bearbeitbarkeit, Kosten wie auch Verfügbarkeit.
Verfügbare Metalle und Legierungen umfassen Titan, rostfreien Stahl, auf Nickel basierende Legierungen und deren Kombinationen. Verbundmaterialien können Graphit, Graphitfolie, Graphitpulver in einer Polymermatrix, Kohlefaserpapier wie auch Polymerlaminate, Polymerplatten mit Metallkernen, leitend beschichtete Polymerplatten und deren Kombinationen umfassen.
Die erste und zweite Tafel 102, 104 sind typischerweise zwischen etwa 51 μm bis etwa 508 μm (0,002 bis etwa 0,02 Zoll) dick. Die Tafeln 102, 104 können durch spanende Bearbeitung, Nachformen, Schneiden, Kerben, Stanzen, Fotoätzen, wie beispielsweise über eine fotolithografische Maske, oder einen anderen geeigneten Konstruktions- und Herstellprozess geformt werden. Es sei angemerkt, dass die Tafeln 102, 104 eine Verbundstruktur umfassen können, die eine flache Tafel und eine zusätzliche Tafel umfasst, die eine Serie von äußeren Fluidströmungskanälen umfasst. Eine innere Metallabstandshaltertafel (nicht gezeigt) kann zwischen der ersten und zweiten Tafel 102, 104 positioniert sein.
Die Beschichtung für die elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte kann durch Mahlen des Graphits und Rußes in einem Binder hergestellt werden. Das Mahlen erfolgt typischerweise für eine Zeitdauer zwischen etwa 1 Stunde und etwa 20 Stunden und insbesondere für etwa 2 Stunden. Die Mahlbedingungen, wie beispielsweise die Zeitdauer, innerhalb der die Beschichtung gemahlen wird, können abhängig von den in der Beschichtung verwendeten Materialien und den gewünschten Eigenschaften der Beschichtung variieren.
Die Beschichtung wird dann auf den Plattenkörper aufgebracht. Die Beschichtung kann durch ein beliebiges geeignetes Verfahren aufgebracht werden, wie beispielsweise Laminieren (wie durch Heizwalzen), Bürsten, Sprühen, Ausbreiten (wie beispielsweise mit einer Rakel) und Siebdrucken. Bei einer Ausführungsform wird die Beschichtung auf den Plattenkörper gesprüht, wobei zwei Schichten der Beschichtung auf den Plattenkörper aufgebracht werden, um einen beschichteten Plattenkörper zu bilden. Der beschichtete Plattenkörper wird dann bei einer Temperatur zwischen etwa 150°C und etwa 300°C und insbesondere bei einer Temperatur von etwa 260°C gehärtet. Der beschichtete Plattenkörper wird für etwa 10 Minuten bis etwa 30 Minuten und insbesondere für etwa 15 Minuten gehärtet.
Eine elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besitzt eine verbesserte Anhaftung der Beschichtung an dem Plattenkörper, wie auch eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit aufgrund der geringen Menge an Gesamtkohlenstoff in der Beschichtung. Überdies erlaubt die elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte die Verwendung von niedrigen Kompressionsdrücken, wodurch die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels erhöht wird.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen weiter erläutert. Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Beispiele beschränkt ist.
Beispiel
Es wurde eine Beschichtung durch Mahlen von expandiertem Graphit EG 15, produziert durch SGL Polycarbon INC Valencia, Kalifornien, der Graphitpartikel besaß, von denen 90% kleiner als 70 Mikrometer waren, zusammen mit Acetylenruß (AB) in einem Verhältnis von 2:1 in Polyamidimid für zwei Stunden hergestellt. Die resultierende Beschichtung umfasste weniger als 10 Gew.-% Gesamtkohlenstoff. Es wurden jeweils zwei Schichten der Beschichtung durch Sprühen auf drei verschiedene Substrate aufgebracht. Das erste Substrat war eine Graphitplatte (Poco graphite. Inc.), wobei zwei Schichten der Beschichtung auf die Platte aufgebracht wurden. Bei dieser Platte wurde keine Oberflächenvorbereitung ausgeführt. Die zweite Platte war eine kathodisch gereinigte Platte aus 316L rostfreiem Stahl, auf der zwei Schichten der Beschichtung aufgebracht wurden. Das dritte Substrat war eine Titanplatte, die Scotchbrite-poliert war. Es wurden zwei Schichten der Beschichtung auf die Titanplatte aufgebracht. Die drei beschichteten Substrate wurden für eine Zeitdauer von 15 Minuten bei 260°C gehärtet.
Die 5–7 sind Schaubilder, die den Kontaktwiderstand der beschichteten Substrate zeigen. Die Schaubilder zeigen den Kontaktwiderstand an der y-Achse und den bei der Herstellung verwendeten Kompressionsdruck an der x-Achse. 5 zeigt, dass das beschichtete Graphitsubstrat einen Kontaktwiderstand aufweist, der bei Kompressionsdrücken von weniger als 13,8 bar (200 psi) kleiner als 20 mOhm cm² war und ähnlich dem Wert war, der mit nicht beschichtetem Graphit erhalten wurde. 6 zeigt, dass der beschichtete kathodisch gereinigte rostfreie Stahl 316Lss einen Kontaktwiderstand von etwa 20 mOhm cm² bei einem Kompressionsdruck von ≥ 13,8 bar (200 psi) aufweist. 7 zeigt den Kontaktwiderstand des beschichteten Titansubstrats. Das Schaubild zeigt, dass das beschichtete Titansubstrat einen Kontaktwiderstand von weniger als 20 mOhm cm² bei Kompressionsdrücken von 13,8 bar (200 psi) und höher aufweist. Die Einheit "mOhm cm²" umfasst den Kontaktwiderstand zwischen Diffusionspapier, der Beschichtungsoberfläche, dem Volumenwiderstand der Beschichtung und dem Kontaktwiderstand zwischen der Beschichtung und dem Substrat.
7 zeigt auch die Synergieeigenschaft der Kombination aus Graphit und Ruß durch Vergleich des Substrats aus rostfreiem Stahl, das mit der Beschichtung mit einem expandierten Graphit (EG15) und einem Ruß (AB) beschichtet war, mit einem Substrat aus rostfreiem Stahl, das nur mit EG15 oder nur mit AB beschichtet wurde. Wie in 7 zu sehen ist, wies das Substrat mit der Beschichtung, die die Kombination des EG15 und AB mit 10 Gew.-% Gesamtkohlenstoff umfasste, einen geringeren Kontaktwidertand als das Substrat, das nur mit EG15 beschichtet war, und das Substrat auf, das nur mit AB beschichtet war und die einen Gesamtkohlenstoffgehalt von 10 Gew.-% aufwiesen.
8 zeigt den potentiostatischen Stromübergang, der von dem beschichteten und kathodisch gereinigten Substrat aus 316L rostfreiem Stahl erhalten wurde. Um den potentiostatischen Stromübergang zu erhalten, wurde das beschichtete Substrat unter simulierten Brennstoffzellenkatho denbedingungen angeordnet. Genauer wurde das beschichtete Substrat in einer belüfteten Lösung mit einem pH von 3 bei 80°C und bei +0,6 V (Ag/AgCl) angeordnet. Das Schaubild zeigt die Zeitdauer an der x-Achse und den Stromübergang an der y-Achse. Das Schaubild zeigt einen vernachlässigbaren Korrosionsstrom, der angibt, dass die Beschichtung in einer Brennstoffzellenumgebung elektrochemisch stabil ist. Eine Prüfung der Anhaftung an der beschichteten Probe nach dem Korrosionsexperiment zeigte eine ausgezeichnete Anhaftung der Beschichtung an dem Substrat. Zusätzlich änderte sich der Kontaktwiderstand an der beschichteten Probe vor und nach der Korrosions- und den Anhaftungsprüfungen nicht. Diese Prüfung berücksichtigt nur den Kontaktwiderstand auf einer Seite der Platte.
9 zeigt einen Vergleich eines beschichteten Substrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einem mit Gold beschichteten Substrat. Das Gold wurde auf einem sauberen Substrat aus rostfreiem Stahl unter Verwendung von PVD-Verfahren bei einer Temperatur oberhalb 30–40°C abgeschieden. Das Schaubild zeigt, dass der Kontaktwiderstand des beschichteten Substrats identisch zu dem Kontaktwiderstand von Gold über den geprüften Bereich des Kompressionsdrucks (1,7 bar–27,6 bar (25–400 psi)) ist.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, sei angemerkt, dass zahlreiche Änderungen innerhalb des Schutzumfangs der beschriebenen erfinderischen Konzepte möglich sind. Demgemäß sei angemerkt, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern den vollständigen durch den Wortlaut der folgenden Ansprüche zugelassenen Schutzumfang aufweist.
Zusammenfassung
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte vorgesehen. Der Plattenkörper definiert einen Satz von Fluidströmungskanälen, die derart ausgebildet sind, so dass eine Strömung eines Fluids über zumindest eine Seite der Platte verteilt wird. An der Platte ist eine Beschichtung angehaftet. Die Beschichtung umfasst Graphit, Ruß und ein Bindemittel und umfasst weniger als etwa 10 Gew.-% Gesamtkohlenstoff.

Claims

Elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte mit: einem Plattenkörper, der einen Satz von Fluidströmungskanälen definiert, die derart ausgebildet sind, so dass eine Strömung eines Fluides über zumindest eine Seite der Platte verteilt wird; und einer Beschichtung, die an der Platte angehaftet ist, wobei die Beschichtung umfasst: Graphit, Ruß, und ein Bindemittel, wobei die Beschichtung weniger als etwa 10 Gew.-% Gesamtkohlenstoff umfasst.
Platte nach Anspruch 1, wobei die Platte ferner einen Satz von Fluidströmungskanälen umfasst, die derart ausgebildet sind, so dass eine Strömung eines Fluids über eine erste und zweite Seite der Platte verteilt wird.
Platte nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung einen Kontaktwiderstand von weniger als etwa 20 mOhm cm2 bei 13,8 bar (200 psi) aufweist.
Platte nach Anspruch 1, wobei das Bindemittel ein Polymerharz umfasst.
Platte nach Anspruch 4, wobei die Beschichtung zwischen etwa 95 Gew.-% und etwa 70 Gew.-% des Polymerharzes umfasst.
Platte nach Anspruch 1, wobei die Platte ferner einen Satz von Fluidströmungskanälen umfasst, die derart ausgebildet sind, so dass eine Strömung von Fluid durch den Plattenkörper zwischen der ersten und zweiten Seite des Plattenkörpers verteilt wird.
Platte nach Anspruch 1, wobei die Platte aus einem Material gebildet ist, das ein passivierendes Metall oder eine passivierende Legierung umfasst.
Platte nach Anspruch 7, wobei das passivierende Metall oder die passivierende Legierung Titan, rostfreien Stahl, auf Nickel basierende Legierungen und/oder deren Kombinationen umfasst.
Platte nach Anspruch 7, wobei der Plattenkörper ferner eine Passivierungslage an der Oberfläche des passivierenden Metalls oder der passivierenden Legierung umfasst.
Platte nach Anspruch 1, wobei die Platte aus einem Material gebildet ist, das aus einem Metall, einer Legierung und einem Verbundmaterial gewählt ist.
Platte nach Anspruch 10, wobei das Metall und die Legierung Titan, rostfreien Stahl, auf Nickel basierende Legierungen und deren Kombinationen umfasst.
Platte nach Anspruch 10, wobei das Verbundmaterial mit Graphit gefülltes Polymer umfasst.
Platte nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung zwischen etwa 3,3 Gew.-% und etwa 10 Gew.-% des Graphits umfasst.
Platte nach Anspruch 1, wobei das Graphit expandiertes Graphit, Graphitpulver, Graphitflocken und/oder deren Kombinationen umfasst.
Platte nach Anspruch 1, wobei das Graphit durch eine Partikelgröße zwischen etwa 5 μm und etwa 90 μm gekennzeichnet ist.
Platte nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung zwischen etwa 1,7 Gew.-% und etwa 10 Gew.-% des Rußes umfasst.
Platte nach Anspruch 1, wobei der Ruß im Wesentlichen eine Partikelgröße zwischen etwa 0,05 μm und etwa 0,2 μm umfasst.
Platte nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung das Graphit und den Ruß in einem Gewichtsverhältnis von etwa 2:1 umfasst.
Brennstoffzelle mit: einer ersten elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatte mit: einem Plattenkörper, der einen Satz von Fluidströmungskanälen definiert, die derart ausgebildet sind, so dass eine Strömung eines Fluids über zumindest eine Seite der Platte verteilt wird, und einer Beschichtung, die an dem Plattenmaterial angehaftet ist, wobei die Beschichtung umfasst: Graphit, Ruß, und ein Bindemittel, wobei die Beschichtung weniger als etwa 10 Gew.-% Gesamtkohlenstoff umfasst, einer zweiten elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatte; und einer Membranelektrodenanordnung, die die erste elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte und die zweite elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte trennt, wobei die Membranelektrodenanordnung umfasst: eine Elektrolytmembran mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, eine Anode benachbart der ersten Seite der Elektrolytmembran, und eine Kathode benachbart der zweiten Seite der Elektrolytmembran.