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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft PEM-Brennstoffzellen und insbesondere korrosionsbeständige Separatorplatten und Verfahren zur Herstellung und Behandlung derselben.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellen sind als eine Energie- bzw. Antriebsquelle für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Eine bekannte Brennstoffzelle ist die PEM-Brennstoffzelle (d. h. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle), die eine sogenannte ”Membranelektrodenanordnung” aufweist, die einen dünnen Festpolymermembranelektrolyten mit einer Anode auf einer Seite des Membranelektrolyten und einer Kathode auf der entgegengesetzten Seite des Membranelektrolyten umfasst. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte Kohlenstoffpartikel, sehr fein geteilte katalytische Partikel die an den Innen- und Außenflächen der Kohlenstoffpartikel getragen sind, wie auch ein protonenleitendes Material, das mit den katalytischen Partikeln und Kohlenstoffpartikeln gemischt ist.
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Die Membranelektrodenanordnung ist schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitender Kontaktelemente angeordnet, die als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und geeignete Kanäle und Öffnungen darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden (d. h. H2 & O2/Luft) der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anode und Kathode umfassen.
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Bipolare PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Vielzahl der Membranelektrodenanordnungen, die in elektrischer Reihe aneinandergestapelt sind, während sie voneinander durch ein undurchlässiges, elektrisch leitendes Kontaktelement getrennt sind, das als eine bipolare Platte oder als Trennwand bekannt ist. Die Trennwand oder bipolare Platte besitzt zwei Arbeitsseiten, nämlich eine, die der Anode einer Zelle gegenüberliegt, und die andere, die der Kathode an der nächsten benachbarten Zelle in dem Stapel gegenüberliegt, wobei die bipolare Platte elektrischen Strom zwischen den benachbarten Zellen leitet. Kontaktelemente an den Enden des Stapels kontaktieren nur die Endzellen und werden als Endplatten bezeichnet.
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In einer H2-O2/Luft-PEM-Brennstoffzellenumgebung stehen die bipolaren Platten und andere Kontaktelemente (beispielsweise Endplatten) ständig in Kontakt mit stark sauren Lösungen (pH 3–5), die F-, SO4-, SO3-, HSO4-, CO3- und HCO3-, etc. umfassen. Überdies arbeitet die Kathode in einer stark oxidierenden Umgebung, die auf ein Maximum von etwa +1 V (gegenüber der Normalwasserstoffelektrode) polarisiert ist, während sie Druckluft ausgesetzt ist. Schließlich ist die Anode konstant überatmosphärischem Wasserstoff ausgesetzt. Daher müssen die aus Metall hergestellten Kontaktelemente beständig gegenüber Säuren, Oxidation wie auch Wasserstoffversprödung in der Brennstoffzellenumgebung sein. Da nur wenige Metalle existieren, die diese Kriterien erfüllen, sind die Kontaktelemente oftmals aus großen Graphitstücken hergestellt worden, die in der PEM-Brenstoffzellenumgebung korrosionsbeständig und elektrisch leitend sind. Jedoch ist Graphit ziemlich brüchig und ziemlich porös, was es äußerst schwierig macht, sehr dünne, für Gas undurchlässige Platten daraus herzustellen.
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Es sind auch Leichtmetalle, wie beispielsweise Aluminium und seine Liegerungen, zur Verwendung bei der Herstellung von Kontaktelementen für Brennstoffzellen vorgeschlagen worden. Derartige Metalle sind leitender als Graphit und können in sehr dünne Platten geformt werden. Unglücklicherweise sind derartige Leichtmetalle anfällig gegenüber Korrosion in der rauhen PEM-Brennstoffzellenumgebung, und daraus hergestellte Kontaktelemente lösen sich entweder (beispielsweise in dem Fall von Aluminium), was den Innenwiderstand der Brennstoffzelle erhöht und ihre Leistungsfähigkeit verringert.
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Angesichts der Korrosionsempfindlichkeit von Leichtmetallen, wie beispielsweise Aluminium, sind Anstrengungen unternommen worden, um Schutzbeschichtungen zu entwickeln. Jedoch erhöhen einige dieser Schutzverfahren den elektrischen Widerstand der Aluminiumplatte auf nicht akzeptable Größen. Andere Verfahren für Schutz halten die Leitfähigkeit auf einem akzeptablen Niveau, erreichen jedoch das gewünschte Schutzniveau nicht ausreichend.
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Demgemäß besteht ein Bedarf nach einer leitenden bipolaren Platte, die korrosionsbeständig und elektrisch leitend ist, um eine Leistungsabgabe und einen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle zu unterstützen. Die Druckschrift
EP 1 160 900 A2 beschreibt einen metallischen, elektrisch leitenden bipolaren Separator aus Aluminium, der anodisiert wird, um eine anodisierte Aluminiumschicht auf der Oberfläche des Separators auszubilden. Die Kontaktflächen des Separators werden feingeschliffen bzw. poliert, um die anodisierte Aluminiumschicht von Stegen des Separators zu entfernen. Ein so hergestellter Separator besitzt passivierte Gebiete, insbesondere in Kanälen bzw. Nuten, und nicht passivierte Gebiete auf den Stegen. Die passivierten und nicht passivierten Gebiete werden anschließend mit einer korrosionsbeständigen Beschichtung überzogen. Die auf den Stegen abgeschiedene Schicht weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf. In den Kanälen bzw. Nuten wird eine Polymerschicht abgeschieden. Aus der Druckschrift
US 6,372, 376 B1 ist bekannt, dass ein Separator aus Aluminium zunächst passiviert wird und anschließend Stege und Nuten des Separators mit einer elektrisch leitenden, korrosionsbeständigen Polymerbeschichtung überzogen werden. Gemäß der Druckschrift
GB 2 359 186 A werden passivierte bipolare Separatorplatten aus Aluminium mit einer elektrisch leitenden Polymerbeschichtung überzogen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung sieht eine Separatorplatte gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 vor.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst eine elektrochemische Zelle mit einer katalytischen Elektrode und einem elektrisch leitenden Kontaktelement, das zu der Elektrode weist, wobei das elektrisch leitende Kontaktelement elektrischen Strom von der Elektrode leitet und das elektrisch leitende Kontaktelement eine Fläche mit einer Vielzahl passivierter und nicht passivierter Gebiete aufweist, wobei die nicht passivierten Gebiete unter den passivierten Gebieten verteilt sind, und eine elektrisch leitende korrosionsbeständige Beschichtung über die Oberfläche aufgebracht ist. Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst Verfahren zur Behandlung des elektrisch leitenden Kontaktelementes, um eine Korrosionsbeständigkeit vorzusehen, während dennoch eine elektrische Leitfähigkeit ermöglicht wird.
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Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutz der Erfindung zu beschränken.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine schematische Darstellung von zwei Zellen in einem flüssigkeitsgekühlten PEM-Brennstoffzellenstapel ist;
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2 eine isometrische Explosionsansicht einer bipolaren Platte ist, die mit PEM-Brennstoffzellenstapeln ähnlich dem, der in 1 gezeigt ist, verwendbar ist;
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3 eine Schnittansicht in der Richtung 3-3 von 2 ist, die eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Passivierungslage und einer elektrisch leitenden, korrosionsbeständigen Polymerbeschichtung zeigt;
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4 ein vergrößerter Abschnitt der bipolaren Platte von 3 ist;
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5 eine teilweise Schnittansicht einer Arbeitsfläche einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die eine Passivierungslage und die beispielhafte Polymerbeschichtung zeigt;
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6 eine teilweise Schnittansicht der Arbeitsfläche einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die ein Substrat mit nicht maskierten Gebieten, maskierten Gebieten, der Polymerbeschichtung und der Passivierungslage zeigt;
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7 eine teilweise Schnittansicht der Arbeitsfläche einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer teilweise entfernten Lage der Arbeitsfläche, der Passivierungslage und der Polymerbeschichtung ist; und
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8 eine teilweise Schnittansicht der Arbeitsfläche einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die die Passivierungslage und eine erste Polymerbeschichtung ohne in die Nuten aufgebrachte leitfähige Partikel und eine zweite Polymerbeschichtung mit auf die Stege aufgebrachten leitenden Partikeln zeigt.
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DETAILLLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
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Die vorliegende Erfindung ist auf eine Separatorplatte in einer elektrochemischen Brennstoffzelle (beispielsweise eine bipolare Platte in einem Brennstoffzellenstapel) gerichtet, die ein leitendes Material mit geringem Gewicht verwendet, das so behandelt wurde, damit es korrosionsbeständig ist, was den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle erheblich erhöht und ihre Lebensdauer verlängert. Zunächst werden hier zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung eine beispielhafte Brennstoffzelle und ein beispielhafter Stapel beschrieben.
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1 zeigt zwei einzelne Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEM), um einen Stapel mit einem Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4 und 6 zu bilden, die voneinander durch eine elektrische leitende, flüssigkeitsgekühlte bipolare Separatorplatte 8 getrennt sind. Eine einzelne Brennstoffzelle, die nicht in Reihe in einem Stapel geschaltet ist, besitzt eine Separatorplatte 8 mit einer einzelnen elektrisch aktiven Seite. In einem Stapel besitzt eine bevorzugte bipolare Separatorplatte 8 typischerweise zwei elektrisch aktive Seiten 19, 21 in dem Stapel, wobei jede aktive Seite 19, 21 jeweils zu einer separaten MEA 4, 6 mit entgegengesetzten Ladungen weist, die getrennt sind, daher die sogenannte ”bipolare” Platte. Wie hier beschrieben ist, wird der Brennstoffzellenstapel mit leitenden bipolaren Platten beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung gleichermaßen auf leitende Platten in einer einzelnen Brennstoffzelle anwendbar ist.
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Die MEAs 4 und 6 wie auch die bipolare Platte 8 sind zwischen Klemmplatten 10 und 12 aus rostfreiem Stahl und Endplatten 14 und 16, die als Endkontaktelemente ausgebildet sind, aneinandergestapelt. Die Endplatten 14 und 16 wie auch beide Arbeitsseiten der bipolaren Platte 8 enthalten eine Vielzahl von Nuten oder Kanälen 18, 20, 22 und 24 zur Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen (d. h. H2 & O2) an die MEAs 4 und 6. Nichtleitende Dichtungsscheiben oder Dichtungen 26, 28, 30 und 32 sehen Dichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Gasdurchlässige leitende Diffusionsmedien 34, 36, 38 und 40 werden an die Elektrodenseiten der MEAs 4 und 6 gepresst. Die Endplatten 14 und 16 werden an die Diffusionsmedien 34 bzw. 40 gepresst, während die bipolare Platte 8 an das Diffusionsmedium 36 auf der Anodenseite der MEA 4 und an das Diffusionsmedium 38 auf der Kathodenseite der MEA 6 gepresst wird.
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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 Luft von der Umgebung an die Kathodenseite geliefert werden und Wasserstoff von einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen an die Anode geliefert werden. Es ist auch eine Austragsverrohrung (nicht gezeigt) für beide der H2- und O2/Luft-Seiten der MEAs vorgesehen. Eine zusätzliche Verrohrung 50, 52, 54 ist vorgesehen, um ein Kühlmittel durch die bipolare Platte 8 und die Endplatten 14 und 16 umzuwälzen.
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2 ist eine isometrische Explosionsansicht einer bipolaren Platte 56 mit einer ersten Tafel 58, die als Außentafel, Metalltafel, Platte bzw. Kontaktelement ausgebildet ist, einer zweiten Tafel 60, die als Außentafel, Metalltafel, Platte bzw. Kontaktelement ausgebildet ist, und einer als Innenabstandsmetalltafel 62 ausgebildeten Abstandstafel zwischen der ersten Tafel 58 und der zweiten Tafel 60. Die Tafeln 58 und 60 sind so dünn wie möglich hergestellt (beispielsweise mit einer Dicke von etwa 50,8 μm bis 508 μm (0,002–0,02 Zoll)); können durch Prägen bzw. Stanzen, durch Fotoätzen (d. h. durch eine fotolithographische Maske) oder einen anderen herkömmlichen Prozess zum Formen von Metalltafeln hergestellt werden.
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Die Tafel 58 besitzt eine erste Arbeitsseite 59 an ihrer Außenseite, die zu einer Membranelektrodenanordnung (nicht gezeigt) weist und so ausgebildet ist, das eine Vielzahl von Stegen 64 vorgesehen wird, die dazwischen eine Vielzahl von Nuten 66 definieren, die als ein ”Strömungsfeld” bekannt sind, durch das die Reaktandengase (d. h. H2 oder O2) der Brennstoffzelle in einem gewundenen Pfad von einer Einlassseite 68 der bipolaren Platte zu ihrer Auslassseite 70 strömen. Wenn die Brennstoffzelle vollständig zusammengebaut ist, werden die Stege 64 an die Diffussionsmedien 36, 38 (1) gepresst, die ihrerseits an die MEAs 4 bzw. 6 gepresst werden. Der Einfachheit halber zeigt 2 lediglich zwei Gruppierungen von Stegen und Nuten. In Wirklichkeit bedecken die Stege und Nuten die gesamten Außenseiten der Tafel 58 und 60, die mit den Diffussionsmedien 36 und 38 in Eingriff stehen. Das Reaktandengas wird an Nuten 66 von einer Sammelleitung oder Verteilernut 72 geliefert, die entlang einer Seite 68 der Brennstoffzelle liegt, und verlässt die Nuten 66 über eine andere Sammelleitung/Verteilernut 74, die benachbart der entgegengesetzten Seite 70 der Brennstoffzelle liegt.
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Die Tafel 60 ist ähnlich der Tafel 58. Die Innenseite 61 (d. h. die Kühlmittelseite) der Tafel 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. Wie bei der Tafel 58, und wie am besten in 3 gezeigt ist, die eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 von 2 darstellt, besitzt die Außenseite der Tafel 60 eine Arbeitsseite 63 mit einer Vielzahl von Stegen 84 darauf, die eine Vielzahl von Nuten 86 definieren, durch die die Reaktandengase strömen. Zwischen den Tafeln 58 und 60 ist eine Innenabstandsmetalltafel 62 positioniert, die eine Vielzahl von Öffnungen 88 darin umfasst, um zu ermöglichen, dass ein Kühlmittel zwischen den Kanälen 82 in der Tafel 60 und den Kanälen 78 in der Tafel 58 strömen kann, wodurch laminare Grenzschichten aufgebrochen werden und eine Turbulenz bewirkt wird, die einen Wärmeaustausch mit den Innenseiten 90 und 92 der Tafeln 58 bzw. 60 steigert. Für Fachleute sei angemerkt, dass eine ähnliche Ausgestaltung in einer leitenden Platte einer einzelnen Brennstoffzelle verwendet werden kann, die innen durch die MEA und außen durch die Endplatten begrenzt ist, wobei ein Kühlmittelfeld entlang der aktiven Seite verwendet werden kann.
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4 ist eine vergrößerte Ansicht einer Schnittansicht entlang der Linie 3-3 von 2 und zeigt die Rippen 76 an der ersten Tafel 58 und die Rippen 80 an der zweiten Tafel 60, die (beispielsweise durch eine Hartlötstelle 85) mit der Innenabstandsmetalltafel 62 verbunden sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Substratmetall, das die Tafeln 58, 60 bildet, ein korrosionsanfälliges Metall, wie beispielsweise Aluminium. Wie hier beschrieben ist, betrifft die Korrosion den unabsichtlichen und zerstörenden Angriff eines Materials, der allgemein durch ein elektrochemisches Lösen auftritt. Somit ist ein korrosionsanfälliges Material, wie beispielsweise ein Metall, in einer in Betrieb befindlichen Brennstoffzellenumgebung einer Zersetzung bzw. Schädigung ausgesetzt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schützt die Arbeitsseiten 59, 63 des Substratmetalls der ersten und zweiten Tafel 58, 60 vor sowohl Oxidation als auch Säureangriff durch eine prophylaktische Beschichtung, wie in 4 gezeigt ist. Die Substratflächen 65, 67 der Arbeitsseiten 59 und 63 der ersten und zweiten Tafel 58, 60 sind mit einer korrosionsbeständigen Schutzbeschichtung 96 bedeckt.
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Korrosionsbeständig betrifft eine verringerte Anfälligkeit eines Materials gegenüber Korrosion einschließlich chemischer Angriffsmechanismen, wie: Oxidation (d. h. unabsichtliche elektrochemische Reaktion), Säureangriff oder beide. ”Relativ” korrosionsbeständig betrifft die Fähigkeit eines Materials, Korrosion besser auszuhalten, im Vergleich zu anderen ähnlichen Materialien, was in geringeren Korrosionsraten und einer längeren Lebensdauer resultiert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 4 gezeigt ist, sind die Arbeitsseiten 59, 63 der ersten und zweiten Tafel 58, 60 passiviert. Oberflächen, die zu einer aggressiven oder korrosiven Umgebung in der Brennstoffzelle freiliegen, werden passiviert, um eine Passivierungslage 95 auf den Substratflächen 65, 67 zu bilden. Wie hier verwendet ist, betrifft die Passivierung allgemein die allgemeine Behandlung eines Metalls, damit die Oberfläche weniger chemisch reaktiv und/oder eben elektrochemisch inaktiv wird, wodurch sie weniger anfällig für Korrosion ist. Zur weiteren Verdeutlichung betrifft die Passivierung typischerweise eine Umwandlungsbeschichtung, die durch die Reaktion geeigneter Reagenzien erzeugt wird, wie beispielsweise niedrig lösliche Oxid-, Phosphat- oder Chromatverbindungen, die mit der Metalloberfläche reagieren, was in einer Änderung der Oberflächeneigenschaften, einschließlich des Widerstandes, resultiert. Ein bevorzugter Passivierungsprozess ist die Anodisierung eines Aluminiummetallsubstrates der ersten und zweiten Tafel 58, 60. Die Anodisierung ist in der Technik gut bekannt und betrifft allgemein einen elektrolytischen Prozess, bei dem ein Metall anodisch behandelt wird, so dass ein Schutzoxidfilm gebildet wird, der die Platte elektrochemisch inert macht. Zur weiteren Verdeutlichung betrifft ein Anodisierung typischerweise einen elektrolytischen Prozess, der den natürlichen Oxidfilm von Aluminium dicker macht, wodurch die Beständigkeit gegenüber Korrosion erheblich gesteigert wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet die Anodisierung eine Oberflächenlage aus Metalloxid, wie beispielsweise Aluminiumoxid, die erheblich weniger elektrochemisch reaktiv ist, als das Basismetall, nämlich metallisches Aluminium. Somit ist anodisiertes Metall weit mehr beständig gegenüber Korrosion. Ferner erleichtert die Aluminiumoxidlage eine bessere Anhaftung nachfolgend aufgebrachter Beschichtungen. Dies minimiert potenzielle Risse bzw. Fehler in der -Beschichtung, wie beispielsweise Nadelstichporen, Stiftlöcher bzw. Pin-Holes, die Bereiche von nicht beschichtetem Metall freilegen. Diese Stiftlöcher entstehen als kleine ungeschützte Gebiete der Metalloberfläche und besitzen das Potenzial, Wachstumsstellen für Korrosion zu werden. Derartige Stellen können sich an der Oberfläche weiter ausbreiten, so dass die Passivierungslagen an der Oberfläche das Auftreten derartiger Defekte durch Erhöhung der Anhaftung nachfolgend aufgebrachter Lagen minimiert.
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Es sind viele verschiedene Verfahren zur Aluminiumanodisierung gut bekannt. Die Auswahl eines Anodisierungsprozesses hängt von den Legierungseigenschaften und der für die Betriebsbedingungen in der Zelle benötigten Schutzschicht ab. Beispielsweise verwendet ein Anodierungsprozess Chromsäure auf Aluminium, um Aluminiumoxid zu bilden, was in ”Metals Handbook” 8. Auflage, Band 2, Seite 621 (American Society for Metals, 1964) detaillierter beschrieben ist. Abhängig von dem verwendeten Anodisierungsverfahren variiert die Dauer der Bearbeitung zur Bildung der Passivierungslage 95 von etwa 5 Minuten bis zu etwa 4 Stunden. Die resultierende Filmdicke variiert dann von 5 μm bis zu größer als 700 μm. Bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsform kann eine chemische Umwandlungsbeschichtung dazu verwendet werden, die Oberfläche des Metalls zu passivieren, wobei das Metall in einer chemischen Oxidations-Reduktions-Reaktion in eine weniger aktive Art umgewandelt wird.
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Eine Minimierung der Impedanz der elektrischen Leitfähigkeit in einer Separatorplatte oder bipolaren Platte ist wichtig, um die Leistungsabgabe wie auch den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle aufrechtzuerhalten. Die elektrochemische inerte Passivierungslage kann die elektrische Leitfähigkeit der Separatorplatte in der Brennstoffzelle vermindern. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Passivierungslage 95 von elektrischen Kontaktabschnitten der bipolaren Platte 56, d. h. den Stegen 64, die mit den leitenden Diffusionsmedien 34, 36, 38, 40 in Kontakt stehen, entfernt, während sie gleichzeitig die verbleibenden Abschnitte der bipolaren Platte, wie beispielsweise die Nuten 66, bedeckt. Dies stellt wieder einen elektrischen Kontakt zwischen den leitenden Diffusionsmedien 34, 36, 38, 40 und den Stegen 64 der bipolaren Platte 8 her, wodurch jeglicher nachteilige Einfluss des elektrischen Widerstands der Passivierungslage 95 auf die Funktion der bipolaren Platte 56 reduziert wird. Ein bevorzugter Entfernungsprozess umfasst eine mechanische oder chemische Entfernung oder ein Abschleifen der Passivierungslage 95, wobei jedoch ein beliebiges Mittel zur Entfernung metallischer Lagen, wie es in der Technik bekannt ist, genügt, solange ein elektrischer Kontakt hergestellt wird.
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Bei einem anderen Aspekt einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Schutzbeschichtung 96 eine Polymerbeschichtung 96, Polymerlage bzw. Polymerabdichtlage, die auf die Arbeitsflächen 59, 63 der ersten und zweiten Tafel 58, 60 aufgebracht ist. Das Polymer der Polymerbeschichtung 96 ist bezüglich seiner Kompatibilität mit den Metallsubstratflächen 65, 67 der bipolaren Separatorplatte 56 wie auch bezüglich seiner Korrosionsbeständigkeit und Leitfähigkeit gewählt. Ein derartiges Polymer umfasst ein beliebiges Polymer, das nach einer Vernetzung oder einem Härten wasserunlöslich ist und das einen dünnen, an dem darunter liegenden Metallsubstrat anhaftenden Film bilden kann und das die aggressive oxidative und saure Umgebung der Brennstoffzelle aushalten kann. Daher werden unter anderem Polymere, wie beispielsweise Epoxidharze, Silicone, Polyamidimide, Polyetherimide, Polyphenole, Fluorelastomere (beispielsweise Polyvinylidenfluorid), Polyester, Phenoxyphenole, Epoxidphenole, Acrylharze und Urethane als mit der vorliegenden Erfindung verwendbar betrachtet. Vernetzte Polymere sind zur Herstellung undurchlässiger Beschichtungen bevorzugt, da sie korrosionsbeständige Eigenschaften vorsehen.
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Das Aufbringen einer derartigen Polymerbeschichtung 96 kann die durch die Schutzbeschichtung 96 erzeugte Erhöhung des spezifischen elektrischen Widerstandes weiter minimieren. Bevorzugt ist die Polymerbeschichtung 96 elektrisch leitend, mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als etwa 0,5 Ohm-m. Abhängig von den Eigenschaften des gewählten Polymers kann die Polymerbeschichtung 96 optional ferner oxidationsbeständige, säureunlösliche, elektrisch leitende Partikel 97 (d. h. kleiner als etwa 50 μm) umfassen, die über eine säurebeständige, oxidationsbeständige Polymermatrix verteilt sind. Diese leitenden Partikel 97 reduzieren den spezifischen elektrischen Widerstand der Schutzbeschichtung 96 weiter.
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Die leitenden Partikel
97 sind aus der Gruppe gewählt, die umfasst: Gold, Platin, Graphit, Kohlenstoff, Nickel, leitende Metallboride, -nitride und -carbide (beispielsweise Titannitrid, Titancarbid, Titandiborid), Titanlegierungen, die Chrom und/oder Nickel enthalten, Palladium, Niob, Rhodium, Seltenerdmetalle und andere Edelmetalle. Am bevorzugtesten umfassen die Partikel
97 Kohlenstoff oder Graphit (d. h. hexagonal kristallisierten Kohlenstoff). Die Partikel
97 umfassen variierende Gewichtsprozentsätze der Polymerbeschichtung
96 abhängig von sowohl den leitenden Eigenschaften des Polymers selbst (Bestimmung des Ausmaßes der erforderlichen Leitfähigkeit) als auch ferner der Dichte und Leitfähigkeit der Partikel
97 (d. h. Partikel mit einer hohen Leitfähigkeit und niedriger Dichte können in niedrigeren Gewichtsprozentsätzen verwendet werden). Kohlenstoff bzw. Graphit enthaltende Beschichtungen
96 umfassen typischerweise 25 Gewichtsprozent Kohlenstoff/Graphitpartikel
97. Korrosionsbeständige Polymere, die eine Vielzahl elektrischer leitender Füllpartikel enthalten, sind ferner in der
US 6 372 376 B1 beschrieben.
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Die Polymerbeschichtung 96 kann auf die Substratflächen 65, 67 auf eine Vielzahl von Arten aufgebracht werden, beispielsweise mit (1) elektrophoretischer Abscheidung, (2) Bürsten, Spülen oder Ausbreiten, oder (3) Laminieren oder (4) Pulverbeschichten. Pulverbeschichtungen polymerer Substanzen sind besonders bevorzugt, da sie effizient mit wenig Abfall abgeschieden werden können, Oberflächen mit einer bereits existierenden Polymerlage beschichten können, eine geringe Porosität besitzen und im Wesentlichen gleichförmig in dickeren Lagen als bei vielen anderen Verfahren zur Polymeraufbringung abgeschieden werden können. Die Pulverbeschichtung ist in der Technik gut bekannt und nützlich, um eine Vielzahl leitender und nicht leitender Substrate durch Laden trockener Polymerpartikel mit Spannungen allgemein über 80 kV zu beschichten, wenn diese eine (beispielsweise mit Teflon®) ausgekleidete Sprüheinrichtung verlassen. Mit diesem Verfahren kann eine Vielzahl von Polymeren aufgebracht werden, wie beispielsweise Epoxidharze, Polyamide und Polyamide. Auch sind elektrophoretisch abgeschiedene Beschichtungen 96 vorteilhaft, da sie schnell in einem automatisierten Prozess abgeschieden werden können, bei dem nur kleine Mengen an Abfall erzeugt werden, und auch im Wesentlichen gleichförmig auf Substraten mit komplexen und vertieften Oberflächen ähnlich denen abgeschieden werden können, die dazu verwendet werden, die Reaktandenströmungsfelder an der bzw. den Arbeitsseiten der Kontaktelemente zu bilden. Die elektrophoretische Abscheidung ist ein gut bekannter Prozess, der dazu dient, eine Vielzahl leitender Substrate zu beschichten, wie beispielsweise Auto- und Lastwagenkarosserien. Kathodische Epoxidharze, Acrylharze, Urethane und Polyester sind beispielsweise mit diesem Verfahren zur Beschichtung durch elektrophoretische Abscheidung geeignet. Ein nachfolgendes Backen der beschichteten Tafel 58, 60 härtet, verletzt und verdichtet die Beschichtung.
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Ein alternatives Verfahren zum Aufbringen der Polymerbeschichtung besteht darin, dass zunächst das Polymer als ein diskreter Film (beispielsweise durch Lösungsmittelgießen, Extrusion, etc.) gebildet wird und dann auf die Arbeitsfläche 59, 63 der Tafel 58, 60 beispielsweise durch Heißwalzen laminiert wird. Der diskrete Film umfasst bevorzugt einen Weichmacher, um die Handhabung des Filmes bei diesem Aufbringverfahren zu verbessern, und sieht eine Beschichtungslage auf dem Substrat 58, 60 vor, die biegsam genug ist, so dass sie leicht ohne Reißen oder Brechen des Filmes geformt (beispielsweise geprägt bzw. gestanzt) werden kann, wenn die Tafel 58, 60 beispielsweise durch Prägen bzw. Stanzen geformt wird. Fluorelastomere, wie beispielsweise Polyvinylidendifluorid oder dergleichen sind bei dieser Ausführungsform ebenfalls anwendbar und können mit herkömmlichen Weichmachern verwendet werden, wie beispielsweise Dibutylphthalat.
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Alternativ dazu wird die Polymerbeschichtung 96 auf die Arbeitsseite 59, 63 des Substrates 58, 60 durch Sprühen, Bürsten oder Ausbreiten (beispielsweise mit einer Rakel) aufgebracht. Ein Vorläufer der Beschichtung wird durch Lösen des Polymers in einem geeigneten Lösemittel gebildet, optional können leitende Füllpartikel 97 mit dem gelösten Polymer gemischt werden und dieses als eine feuchte Aufschlämmung auf das Substrat 58, 60 aufgebracht werden. Die feuchte Beschichtung wird dann getrocknet (d. h. das Lösemittel wird entfernt) und nach Bedarf gehärtet (beispielsweise bei Duroplasten). Wenn die leitenden Partikel 97 verwendet sind, haften diese an dem Substrat 58, 60 durch das lösemittelfreie Polymer an.
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Ein bevorzugtes Polymer, das mit dieser Sprüh-, Bürst- oder Ausbreitaufbringung verwendbar ist, umfasst ein wärmeaushärtbares Polymer aus Polyamidimid. Das Polyamidimid wird in einem Lösungsmittel gelöst, das eine Mischung aus N-Methylpyrrolidon, Propylenglykol und Methyletheracetat umfasst. Dieser Lösung werden optional etwa 21 Gew.-% bis etwa 23 Gew.-% einer Mischung aus Graphit- und Rußpartikel zugesetzt, wobei der Graphitpartikelgrößenbereich zwischen etwa 5 μm und etwa 20 μm und der Rußpartikelgrößenbereich zwischen etwa 0,5 μm und etwa 1,5 μm liegt, wobei die kleineren Rußpartikel dazu dienen, die Poren zwischen den größeren Graphitpartikeln zu füllen und dadurch die Leitfähigkeit der Beschichtung im Vergleich zu Beschichtungen nur aus Graphit zu erhöhen. Die Mischung wird auf das Substrat 58, 60 aufgebracht und getrocknet und gehärtet auf etwa 15–30 μm dicke Beschichtungen 96 (bevorzugt etwa 17 μm) mit einem Kohlenstoff-Graphit-Gehalt von etwa 38 Gew.-% (wenn verwendet). Sie kann langsam bei niedrigen Temperaturen (d. h. < 204,4°C (400°F)) gehärtet werden oder kann schneller in einem zweistufigen Prozess gehärtet werden, wobei das Lösemittel zuerst durch Aufheizen für 10 Minuten bei etwa 149°C bis 177°C (300°F–350°F) entfernt wird (d. h. getrocknet wird) gefolgt durch ein Aufheizen bei höherer Temperatur (260°C–400°C (500°F–750°F)) für eine Dauer, die im Bereich von etwa 30 Sekunden bis zu etwa 15 Minuten (abhängig von der verwendeten Temperatur) liegt, um das Polymer zu härten.
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Die Schutzbeschichtung 96 eines Aspektes der vorliegenden Erfindung kann durch verschiedene Ausgestaltungen von Polymerbeschichtung 96 und Passivierungslagen 95 erreicht werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die gesamte Oberfläche 65, 67 der bipolaren Platte 56 über eine Anodisierung oder ein ähnliches Verfahren passiviert, das einen Umwandlungsbeschichtungsprozess umfassen kann, um eine Passivierungslage 95 zu bilden. Die Passivierungslage 95, die an den Stegbereichen der bipolaren Platte 56 durch den ersten Schritt gebildet wird, wird beispielsweise durch mechanisches Abschleifen entfernt. Anschließend wird dann die gesamte bipolare Platte mit einer leitenden Polymerbeschichtung beschichtet, die durch diese hindurch dispergierte leitfähige Partikel umfasst.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Passivierungslage 95 nur von dem Stegbereich 64 entfernt, und die Passivierungslage 95 verbleibt auf den Kanal- oder Nutbereichen 66 der bipolaren Platte. Die Entfernung der Passivierungslage 95 nur von den Stegbereichen 64 lässt eine maximale elektrische Leitfähigkeit zu. Die in den Bereichen des Kanals oder der Nut 66 verbleibende Passivierungslage 95 lässt eine maximale Korrosionsbeständigkeit zu. Der Zusatz einer Polymerbeschichtung 96 verhindert, dass sich natürliches Oxid auf den elektrisch aktiven Stegbereichen 64 bilden kann. Die Ausbildung des natürlichen Oxids verringert die elektrische Leitfähigkeit der bipolaren Platte 56.
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5 zeigt eine teilweise Ansicht einer bipolaren Platte 56, die eine bevorzugte Ausführungsform einer einzelnen aktiven Seite 19 der ersten Tafel 58 darstellt. Die gesamte Arbeitsseite 59 der bipolaren Platte 56 wird über Anodisierung oder dergleichen passiviert. Die resultierende erste Passivierungslage 100 wird dann von den Stegbereichen 64 nur über mechanisches Abschleifen, chemisches Ätzen oder ein ähnliches Verfahren entfernt, das nur die erste Passivierungslage 100 von den Stegbereichen 64 entfernt. Anschließend wird die Substratoberfläche 65 der gesamten bipolaren Platte 56 mit einer korrosionsbeständigen Polymerbeschichtung 96 beschichtet. Schließlich wird die gesamte Substratoberfläche 65 ein zweites Mal passiviert. Diese zweite Passivierungsbehandlung bildet Aluminiumoxid an den Stellen von Stiftlöchern 104 (oder nicht bedeckten Gebieten an der Substratoberfläche 65) in der Barunterliegenden Passivierungslage 100 und korrosionsbeständigen Polymerbeschichtung 96, um die Korrosion der Tafel 58 weiter zu minimieren.
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Die Strömungsfelder oder Kanäle (d. h. Stege 64 und Nuten 66) werden oftmals durch photochemisches Ätzen um maskierte Bereiche herum ausgebildet, wobei die nicht maskierten Oberflächen entfernt werden, um die Nuten oder Kanäle zu bilden. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 6 gezeigt ist, ist bei einer bipolaren leitenden Platte 56 die Ätzmaskierung 106 auf der Substratoberfläche 65 zurück geblieben, so dass die Stegbereiche 64 nicht dem nachfolgenden Passivierungs-/Behandlungsprozess ausgesetzt sind. Eine Maskierung besteht aus einem Material, das auf das Substrat aufgebracht wird und bei der Passivierung stabil bleibt und allgemein aus lichtundurchlässigen Materialien besteht, wie beispielsweise Fotomaskierungen. Die nicht maskierten Abschnitte der bipolaren Platte 56 werden über Anodisierung oder dergleichen passiviert. Nach der Passivierung wird die Ätzmaskierung 106 von der bipolaren Platte 56 entfernt. Die Stegbereiche 64 (d. h. Bereiche, die während der Passivierung durch eine Maskierung 106 bedeckt sind) können eine gewisse Passivierung oder Oxidbildung an den Rändern der Maskierung 108 aufweisen, so dass an den Stegbereichen 64 optional ein Oxid vorhanden sein kann, das durch mechanisches Abschleifen, chemisches Ätzen oder ein ähnliches Verfahren entfernt wird. Die gesamte bipolare Platte 56 mit den durch einen Maskierprozess gebildeten Nuten 66 wird dann mit einer korrosionsbeständigen Polymerbeschichtung 96 wie in 7 beschichtet. Diese Polymerbeschichtung 96 kann leitende Partikel 97 umfassen. Diese beschichtete bipolare Platte 56 kann optional ein zweites Mal passiviert werden. Diese zweite Passivierung stellt sicher, dass verbleibende Stiftlöcher bzw. Pin-Holes 104 in der Beschichtung 96 aus Gründen der Stabilität vor Korrosion passiviert werden.
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Gemäß einer noch weiteren bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kann eine bipolare Platte 56 durch Entfernen einer natürlich vorhandenen Oxidlage an der Oberfläche durch mechanische, chemische oder elektrochemische Mittel bearbeitet werden. Die Entfernung natürlicher Oxide von der gesamten Substratoberfläche 65 der bipolaren Platte 56 stellt sicher, dass die nachfolgende Beschichtung 95 anhaftet. Anschließend wird eine korrosionsbeständige Polymerbeschichtung 96 aufgebracht. Die Polymerbeschichtung 96 kann elektrisch leitende Partikel 97 umfassen, um die Leitfähigkeit zu steigern. Die gesamte Fläche 59 der Arbeitsseite der bipolaren Platte 56 mit einer Polymerbeschichtung 96 wird anschließend passiviert. Dieser Passivierungsschritt stellt sicher, dass jegliche verbleibende Stiftlöcher 104 durch die Polymerbeschichtung 96 vor Korrosion geschützt sind, wodurch eine für Korrosion undurchlässige Schutzbeschichtung 96 vorgesehen wird.
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Eine noch weitere bevorzugte Ausführungsform umfasst eine Polymerbeschichtung 96, die gemäß einer der obigen bevorzugten Ausführungsformen aufgebracht ist. Jedoch werden leitende Partikel 97 in einer Matrix verteilt und nur auf die Stegbereiche 64 aufgebracht, wo die elektrische Leitfähigkeit die wichtigste Eigenschaft darstellt, wie allgemein in 8 gezeigt ist. Die dazwischen liegenden Nuten 66 oder Kanäle werden in der korrosionsbeständigen Polymermatrix 96 ohne leitende Partikel 97 beschichtet, da eine gesteigerte Leitfähigkeit in diesen Gebieten nicht entscheidend ist. Somit werden im Wesentlichen zwei getrennte korrosionsbeständige Polymerbeschichtung aufgebracht, nämlich eine Polymerbeschichtung 114 mit durch diese dispergierten leitenden Materialien 97, um die Leitfähigkeit für die Stege 64 oder elektrischen Kontaktbereiche zu steigern, und die andere Polymerbeschichtung 116 ohne leitende Partikel 97, die hauptsächlich zum Schutz des darunterliegenden Substrates 65 aufgebracht wird. Die Polymerbeschichtung 116 in den Nuten 66 kann mit einer größeren Dicke aufgebracht werden, um die Korrosionsbeständigkeit in diesen Gebieten zu steigern, wie es für Fachleute offensichtlich ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Polymerbeschichtung 116 in den Nuten 66 in einer anderen Polymerzusammensetzung aufgebracht werden, als in den Stegen 64, wobei die erste Zusammensetzung gewählt ist, um einen größeren Korrosionsschutz in den Nuten 66 vorzusehen, und die zweite Zusammensetzung eine größere Leitfähigkeit an den Stegen 64 erzielt, während dennoch dieselbe Korrosionsbeständigkeit vorgesehen wird.
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Die Erfindung sieht die Fähigkeit vor, Aluminimum mit einer leitenden Beschichtung zu beschichten, während Probleme mit der Porosität von Beschichtungen nach dem Stand der Technik gelöst werden, die Korrosionsstellen an dem Aluminium vorsieht, die sich schnell ausbreiten, wodurch das darunter liegende Metall angegriffen und die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels verringert wird.
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Während die Erfindung im Hinblick auf ihre spezifischen Ausführungsformen beschrieben worden ist, soll diese nicht darauf, sondern nur auf den nachfolgend in den Ansprüchen beschriebenen Schutzumfang beschränkt sein.
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Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung anzusehen. Derartige Abwandlungen sind nicht als Abweichung von der Grundidee und dem Schutzumfang der Erfindung betrachten.