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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 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.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung sieht eine elektrochemische Zelle mit einer
katalytischen Elektrode und einem elektrisch leitenden Kontaktelement
vor, 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.
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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 Polymerlage 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 Polymerlage 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 Polymerlage 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 Polymerlage 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 Polymerlage ohne in die Nuten aufgebrachte leitfähige Partikel
und eine zweite Polymerlage 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 Ausführungsform(en) 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 Endkontaktelementen 14 und 16 aneinandergestapelt.
Die Endkontaktelemente 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 Endkontaktelemente 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 Außenmetalltafel 58,
einer zweiten Außenmetalltafel 60 und
einer Innenabstandmetalltafel 62 zwischen der ersten Metalltafel 58 und
der zweiten Metalltafel 60. Die Außenmetalltafeln 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
Außentafel 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 Metalltafel 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
Metalltafel 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 Außentafeln 58 und 60 ist
eine Innenmetallabstandstafel 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 Außentafeln 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 Abstandstafel 62 verbunden sind. Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst ein Substratmetall, das die Kontaktelementtafeln 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 94 bedeckt.
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 Oberflächeneigen schaften,
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. 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 94 eine Polymerbeschichtung 96,
die auf die Arbeitsflächen 59, 63 der ersten
und zweiten Platte 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 an dem Metallsubstrat einen dünnen anhaftenden Film unterhalb
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 94 erzeugte Erhöhung des
spezifischen elektrischen Widerstandes weiter minimieren. Bevorzugt
ist die Polymerbeschichtung 96 elektrisch leitend, mit
einem spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als etwa
50 Ohm-cm. 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 leiten den Partikel 97 reduzieren den
spezifischen elektrischen Widerstand der Schutzbeschichtung 94 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 dem U.S. Patent Nr. 6,372,376 von Fronk
et al., beschrieben, das hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
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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 Polyimide.
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 des beschichteten Kontaktelementes 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 des
Kontaktelementes 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 das Kontaktelement 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 der Polymerfilm 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 aufge bracht
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 94 eines Aspektes der vorliegenden Erfindung
kann durch verschiedene Ausgestaltungen polymerer Beschichtungen 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 Polymerlage
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 ma ximale Korrosionsbeständigkeit
zu. Der Zusatz einer Polymerbeschichtungslage 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 Polymerlage 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 darunterliegenden
Passivierungslage 100 und korrosionsbeständigen Polymerlage 96,
um die Korrosion der Platte 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
Polymerlage 96 wie in 7 beschichtet.
Diese Polymerlage 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 94 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
Polymerabdichtlage 96 aufgebracht. Die Polymerabdichtlage 96 kann
elektrisch leitende Partikel 97 umfassen, um die Leitfähigkeit
zu steigern. Die gesamte Fläche 59 der
Arbeitsseite der bipolaren Platte 56 mit einer polymeren
Lage 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 94 vorgesehen wird.
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Eine
noch weitere bevorzugte Ausführungsform
umfasst eine Polymerlage 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
Polymerlagen aufgebracht, nämlich
eine Polymerlage 114 mit durch diese dispergierten leitenden
Materialien 97, um die Leitfähigkeit für die Stege 64 oder
elektrischen Kontaktbereiche zu steigern, und die andere Polymerlage 116 ohne
leitende Partikel 97, die hauptsächlich zum Schutz des darunterliegenden
Substrates 65 aufgebracht wird. Das Polymer 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 Polymerlage 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 Porosi tät
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.
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Zusammenfassung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle mit einer
katalytischen Elektrode und einem elektrisch leitenden Kontaktelement,
das zu der Elektrode weist. Das elektrisch leitende Kontaktelement
leitet elektrischen Strom von der Elektrode und besitzt eine Oberfläche mit
einer Vielzahl passivierter Gebiete und einer Vielzahl nicht passivierter Gebiete,
die unter den passivierten Gebieten verteilt sind. Die Oberfläche ist
ferner mit einer elektrisch leitenden, korrosionsbeständigen Beschichtung
beschicht. Andere bevorzugte Aspekte der vorliegenden Erfindung
umfassen Verfahren zum Behandeln des elektrisch leitenden Kontaktelementes
durch Passivierung, um Korrosion zu widerstehen, während die
elektrische Leitfähigkeit
dennoch beibehalten wird.