DE112004000171B4

DE112004000171B4 - Korrosionsbeständige Anschlussplatten für Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE112004000171B4
Application number: DE112004000171.4T
Authority: DE
Inventors: Brian K. Brady; Bhaskar Sompalli
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-02-05
Filing date: 2004-02-03
Publication date: 2014-05-08
Anticipated expiration: 2024-02-04
Also published as: CN1826710B; WO2004073086A2; WO2004073086B1; US6793544B2; DE112004000171T5; WO2004073086A3; JP2006516796A; CN1826710A; US20040151952A1

Abstract

Elektrisch leitende Anschlussplatte (10) mit:
einem Körper (128) aus leitendem, korrosionsanfälligem Material;
wobei eine Fläche (132) des Körpers (128) ein elektrisch leitendes Gebiet (102) und ein nicht elektrisch leitendes Gebiet (100) aufweist; und
einer korrosionsbeständigen Lage (140), die über dem nicht elektrisch leitenden Gebiet (100) liegt und eine nicht leitende Polymerbeschichtung (150) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
die nicht leitende Polymerbeschichtung (150) auf eine Passivierungslage (142) im Bereich des nicht elektrisch leitenden Gebiets (100) aufgebracht ist, und dass
das elektrisch leitende Gebiet (102) mit einer Schutzbeschichtung (156) bedeckt ist, die eine erste Lage (158) in Kontakt mit der Fläche (132) des elektrisch leitenden Gebiets (102), die ein oxidationsbeständiges Metall umfasst, und eine zweite Lage (160) über der ersten Lage (158) umfasst, wobei die zweite Lage (160) ein oxidationsbeständiges Polymer umfasst, aus dem auch die Polymerbeschichtung (150) im Bereich des nicht elektrisch leitenden Gebiets (100) besteht.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft PEM-Brennstoffzellen und insbesondere Anschlussplatten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie beispielsweise aus der US 6,001,502 A bekannt geworden sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen sind für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen als Energie- bzw. Antriebsquelle vorgeschlagen worden. Eine bekannte Brennstoffzelle ist die PEM-Brennstoffzelle (d. h. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle), die eine sogenannte ”Membranelektrodenanordnung” mit einem dünnen Festpolymermembranelektrolyten umfasst, der an einer Seite des Membranelektrolyten eine Anode und an der entgegengesetzten Seite des Membranelektrolyten eine Kathode aufweist. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte Kohlenstoffpartikel, die sehr fein geteilte katalytische Partikel aufweisen, die an den Innen- und Außenflächen der Kohlenstoffpartikel getragen sind, wie auch ein protonenleitendes Material, das mit den katalytischen Partikeln und Kohlenstoffpartikeln vermischt ist.
Die Membranelektrodenanordnung ist zwischen einem Paar elektrisch leitender Kontaktelemente schichtartig angeordnet, die als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und geeignete Kanäle und Öffnungen darin umfassen können, um die gasförmigen Reaktanden (d. h. H₂ & O₂/Luft) der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anode und Kathode zu verteilen.
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 bzw. Bipolplatte oder Trennwand bekannt ist. Die Trennwand oder bipolare Platte besitzt zwei Arbeitsseiten, nämlich eine, die zu der Anode einer Zelle weist, und eine andere, die zu der Kathode an der nächsten benachbarten Zelle in dem Stapel weist, und wobei jede bipolare Platte elektrischen Strom zwischen den benachbarten Zellen leitet. Kontaktelemente an den Enden des Stapels werden als End-, Anschluss- oder Kollektorplatten bezeichnet. Diese Anschlusskollektoren stehen mit einem leitenden Element in Kontakt, das zwischen der Anschlussbipolplatte und der Anschlusskollektorplatte schichtartig angeordnet ist.
Wie zu sehen ist, dient die Anschlusskollektorplatte vielen Funktionen, wie zum Beispiel, dass sie den Stapel abdichtet, eine elektrische Leitfähigkeit vorsieht, den Zutritt und Austritt von Fluiden zulässt, wie auch ein stabiles Material zwischen dem Stapel und der Außenumgebung vorsieht. Dabei bleibt die Herausforderung bestehen, so viel wie möglich dieser Funktionen so kosteneffektiv wie möglich zu optimieren.
In der WO 01/93354 A2 wird eine Brennstoffzellenanordnung beschrieben, welche bewusst auf Anschlussplatten zum Verspannen der Brennstoffzellenanordnung verzichtet. Vielmehr sind bei dieser Brennstoffzellenanordnung die einzelnen Lagen über polymere Werkstoffe unlösbar miteinander verbunden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung sieht eine Anschlusskollektorendplatte vor, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine schematische Darstellung von zwei Zellen in einem flüssigkeitsgekühlten PEM-Brenn stoffzellenstapel ist;
2 eine beispielhafte Anschlusskollektorendplatte ist, die eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3' von 2 ist, die die Oberfläche einer Anschlusskollektorendplatte einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anschlusskollektorendplatte (nachfolgend ”Anschlussplatte”) in einem elektrochemischen Brennstoffzellenstapel, die ein leichtes, für Korrosion anfälliges leitendes Material verwendet, das ein elektrisch leitendes Gebiet und ein nicht leitendes Gebiet aufweist, wobei das nicht leitende Gebiet so behandelt ist, dass es gegenüber Korrosion beständig ist und die Oberflächenleitfähigkeit minimiert. Ferner betrifft ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ein elektrisch leitendes Gebiet der Anschlussplatte, das mit einer leitenden, oxidationsbeständigen Schutzbeschichtung beschichtet ist. Zunächst werden zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung eine beispielhafte Brennstoffzelle und ein beispielhafter Stapel hier beschrieben.
1 zeigt zwei einzelne Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen), die verbunden sind, um einen Stapel zu bilden, der ein Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4 und 6 aufweist, die voneinander durch eine elektrisch leitende, flüssigkeitsgekühlte bipolare Separatorplatte 8 getrennt sind. Eine einzelne Brennstoffzelle, die nicht in Reihe in einem Stapel verschaltet 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 20, 21 in dem Stapel, wobei jede aktive Seite 20, 21 jeweils zu einer separaten MEA 4, 6 mit entgegengesetzten Ladungen weist, die getrennt sind, daher die sogenannte ”bipolare” Platte. Wie hier beschrieben ist, ist der Brennstoffzellenstapel mit leitenden bipolaren Platten gezeigt, wobei die vorliegende Erfindung jedoch gleichermaßen auf Stapel mit nur einer einzelnen Brennstoffzelle anwendbar ist.
Die MEAs 4, 6 und die bipolare Platte 8 sind zwischen Klemmanschlussplatten 10 und 12 aus rostfreiem Stahl und Endkontaktfluidverteilungselementen 14 und 16 aneinandergestapelt. Die Endfluidverteilungselemente 14, 16 wie auch beide Arbeitsseiten der bipolaren Platte 8 umfassen eine Vielzahl von Stegen benachbart von Nuten oder Kanälen an den aktiven Seiten 18, 19, 20, 21, 22 und 24 zur Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen (d. h. H₂ & O₂) an die MEAs 4, 6. Nicht leitende Dichtungsscheiben oder Dichtungen 26, 28, 30, 32, 33 und 35 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, 6 gepresst. Zusätzliche Lagen aus leitfähigen Medien 43, 45 sind zwischen den Endkontaktfluidverteilungselementen 14, 16 und den Anschlusskollektorplatten 10, 12 angeordnet, um einen leitenden Pfad dazwischen vorzusehen, wenn der Stapel unter normalen Betriebsbedingungen gepresst wird. Die Endkontaktfluidverteilungselemente 14, 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.
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 an die Kathodenseite von der Umgebung geliefert werden und Wasserstoff an die Anode von einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen geliefert werden. Es ist auch eine Austragsverrohrung 41 für sowohl die H₂- als auch O₂/Luft-Seiten der MEAs vorgesehen. Eine zusätzliche Verrohrung 50 ist vorgesehen, um Kühlmittel von einem Speicherbereich 52 durch die bipolare Platte 8 und die Endplatten 14, 16 und aus der Verrohrung 54 heraus umzuwälzen.
Isometrische Explosionsansichten einer bipolaren Platte (wie beispielsweise Bezugszeichen 8) sind in dem U.S. Patent Nr. US 6,372,376 B2 von Fronk, et al. gezeigt. Wie es für Fachleute offensichtlich ist, kann eine bipolare Platte als eine einzelne leitende Brennstoffzellenplatte verwendet werden, die innen durch die MEA und außen durch die Anschlussplatten eingegrenzt ist, wobei entlang einer aktiven Seite ein Kühlmittelfeld verwendet werden kann.
Die Auswahl des Konstruktionsmaterials für die Anschlussplatten 10 umfasst ein Gewichten von Parametern, wie beispielsweise Gesamtdichte (Masse und Volumen), Kontaktwiderstand an der Oberfläche, Volumenleitfähigkeit wie auch Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit. Somit umfassen die wichtigen Betrachtungen für ein Anschlussplattenmaterial eine Oberflächen- und Volumeninnenleitfähigkeit des Materials, um als ein elektrischer Stromkollektor in den leitenden Gebieten zu funktionieren, während es korrosive Bedingungen in dem nicht leitenden Fluidtransportgebiet aushalten muss. Bisherige Materialien umfassten Leichtmetalle, wie beispielsweise Titan oder Aluminium. Aluminium ist ein besonders geeignetes Metall zur Verwendung in einer Anschlussplatte aufgrund seiner hohen elektrischen Volumeninnenleitfähigkeit, seinem niedrigen Oberflächenwiderstand wie auch seinem relativ niedrigen Gewicht. Jedoch besteht die Tendenz, dass Aluminium während des Betriebs einer H₂-O₂/Luft-PEM-Brennstoffzelle in elektrisch aktiven oder leitenden Kontaktbereichen oxidiert. Eine derartige Oxidierung bildet eine Oxidlage an der Oberfläche, die den Oberflächenwiderstand unzulässig erhöht. Ferner sind viele Leichtmetalle anfällig gegenüber korrosivem Angriff, und angesichts einer derartigen Korrosionsempfindlichkeit und Neigung zur Oxidation werden verschiedene Schutzbeschichtungen verwendet. Jedoch erhöhen derartige Schutzbeschichtungen oftmals den elektrischen Widerstand der Metallplatte auf unakzeptable Niveaus oder sind teuer, wie beispielsweise Gold- oder Platinbeschichtungen. Somit besteht ein Kompromiss zwischen der Leitfähigkeit und dem Korrosionsschutz.
Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Anschlussplatte 10, die aus einem korrosionsanfälligen Material besteht, zu behandeln, so dass sie Korrosion und oxidativen Angriff aushalten kann, wodurch die Verwendung eines Metalls ermöglicht wird, das einen geringeren Oberflächenkontaktwiderstand und eine größere Volumenleitfähigkeit in Bezug auf sein Gewicht im Vergleich zu anderen korrosionsbeständigen Metallen aufweist. Die Verwendung derartiger korrosionsanfälliger Materialien verbessert den gewichtsbezogenen bzw. gravimetrischen Gesamtwirkungsgrad (d. h. Wirkungsgrad pro Masseneinheit) des Brennstoffzellenstapels.
Wie in 2 gezeigt ist, besitzt eine Anschlusskollektorendplatte 10 ein nicht elektrisch leitendes Gebiet 100 wie auch ein elektrisch leitendes Gebiet 102. Die leitenden Gebiete 102 der Anschlussplatte 10 sind typischerweise von dem nicht leitenden Gebiet 100 durch Dichtungsscheiben 33, 35 (1) getrennt. Wenn jedoch die Dichtungsscheiben 33, 35 aufgrund von Korrosion Schaden nehmen, können korrosive Flüssigkeiten in das leitende Gebiet 102 eindringen und Aluminiumionen auswaschen. Diese Aluminiumionen können dann in den Stapel und die einzelnen Brennstoffzellen wandern. Derartige Aluminiumionen sind für die Katalysatoren in der MEA schädlich, da die Ionen Katalysatorstellen besetzen können, wodurch die Leistungsfähigkeit der Zelle und des gesamten Stapels verringert wird.
Die Öffnungen 104 in dem nicht leitenden Gebiet 100 erstrecken sich durch den Körper oder das Substrat 128 der Anschlussplatte 10 und lassen bei den Betriebsbedingungen einen Fluidtransport sowohl in als auch aus dem Stapel zu. Die verschiedenen Fluide, die in den Stapel eintreten, umfassen ein wasserstoffhaltiges Gas, ein sauerstoffhaltiges Gas und ein flüssiges Kühlmittel (beispielsweise eine Mischung aus Ethylenglykol und Wasser). Somit liefert auf einer ersten Seite 106 der Anschlussplatte 10 eine erste Öffnung 110 wasserstoffhaltiges Gas von der Außenseite des Stapels von einem Speicher- oder Erzeugungspunkt 48 (1) in das Innere des Stapels für die Anode zumindest einer MEA, eine zweite Öffnung 112 liefert sauerstoffhaltiges Gas in das Innere des Stapels für die Kathode zumindest einer MEA von dem Sauerstoffspeicher- oder Sammelpunkt 46 (1), und eine dritte Öffnung 114 liefert flüssiges Kühlmittel in das Innere des Stapels zur Kühlung der Gebiete innerhalb der Bipol- oder Endkontaktplatten von dem Speicherpunkt 52 (1).
Die jeweilige Menge oder Abfolge der Öffnungen 104 ist nicht beschränkend und hier lediglich beispielhaft beschrieben, da zahlreiche Ausgestaltungen möglich sind, wie für Fachleute offensichtlich ist. Eine Strömungsfeldgestaltung der bipolaren Platte kann die Einlass- und Auslassöffnungsgestaltungen wie auch die Fluidlieferanordnung bestimmen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die erste Seite 106 eine Kollektorlasche 120, die nach oben weist, wobei die entgegengesetzte Seite 108 nach unten weist, um die Wirkung der Schwerkraft auf das flüssige Kühlmittel zu maximieren, wodurch seine Bewegung unterstützt wird, wenn es in das Innere des Stapels eintritt. Auf der zweiten Seite der Anschlussplatte 108 transportiert eine vierte Öffnung 122 Anodenabfluss von dem Inneren an das Äußere des Stapels, eine fünfte Öffnung 124 transportiert einen Kathodenabfluss aus dem Stapel heraus und eine sechste Öffnung 126 transportiert ein Kühlmittel, das durch zumindest eine bipolare Platte in dem Inneren des Stapels gelangt ist, aus dem Stapel heraus. Somit wird, wenn das darunterliegende Metallsubstrat 128 den Fluiden, die in den Stapel eintreten und aus diesem wieder austreten, ausgesetzt sind, eine Korrosion des nicht leitenden Gebietes 100 der Anschlussplatte 10 insbesondere bei den rauen Bedingungen unterstützt, die an der ”feuchten Seite” (d. h. der Seite, die zu einer Kathode einer internen Brennstoffzelle weist) des Stapels auftreten. Ferner wird angenommen, dass aufgrund dessen, dass die Anschlussplatte 10 auf hohe positive Spannungen polarisiert ist, während sie verschiedenen unter Druck stehenden Gasen ausgesetzt ist, ein Säureangriff wie auch eine Oxidation beschleunigt werden und eine Korrosion des Substrates der Anschlussplatte 10 unterstützen, obwohl derartige Theorien nicht beschränkend für Mechanismen sind, durch die die Anschlussplatte 10 korrodiert.
Die Anschlussplatte 10 besitzt Oberflächen 130, 132 des Substrates 128, und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die nicht leitenden Gebiete 100 der Anschlussplatte 10 zum Schutz vor sowohl Oxidation als auch Säureangriff durch eine prophylaktische korrosionsbeständige Schutzbeschichtung 140 behandelt. Eine Abwandlung besteht darin, verschiedene Beschichtungen zu verwenden, um nur bestimmte Öffnungen zu schützen und nicht alle von diesen, wie beispielsweise nur Anoden-, Kathoden-, Kühlmittel-Zugangsöffnungen oder nur solche, wie beispielsweise Austrittsöffnungen oder beide. Jedoch trägt diese Selektivität zu den Kosten und der Komplexität bei. Mit ”korrosionsbeständig” ist eine verringerte Anfälligkeit eines Materials gegenüber Korrosion einschließlich chemischer Angriffsmechanismen gemeint, wie beispielsweise: Oxidation (d. h. unbeabsichtigte elektrochemische Reaktion), Säureangriff oder beide. Mit ”relativ” korrosionsbeständig ist die Fähigkeit eines Materials gemeint, Korrosion besser zu widerstehen, im Vergleich zu anderen ähnlichen Materialien, was in geringeren Korrosionsraten und einer längeren Lebensdauer resultiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, die in 2 gezeigt ist, sind die freiliegenden Flächen 130, 132 des nicht leitenden Gebietes 100 passiviert. Eine Passivierung, wie hier verwendet ist, betrifft allgemein einen Prozess zum Behandeln eines Metalls, um damit die Oberfläche chemisch weniger reaktiv oder weniger anfällig gegenüber Korrosion zu machen. Oberflächen, die einer aggressiven oder korrosiven Umgebung in der Brennstoffzelle ausgesetzt sind, werden passiviert, um eine Passivierungslage 142 an den Oberflächen 130, 132 des nicht leitenden Gebietes 100 zu bilden. Ein bevorzugter Passivierungsprozess ist die Anodisierung eines Aluminiummetallsubstrats 128. Eine Anodisierung ist in der Technik gut bekannt und betrifft allgemein einen Umwandlungsprozess, bei dem ein Metall elektrochemisch mit einem Schutzfilm beschichtet wird, der die Platte elektrochemisch inert macht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet die Anodisierung eine Oberflächenlage eines Metalloxids, wie beispielsweise Aluminiumoxid, die erheblich weniger elektrochemisch reaktiv ist, als das Basismetall, nämlich metallisches Aluminium. Somit ist das passivierte Metall weit beständiger gegenüber Korrosion. Ferner erleichtert die Aluminiumoxidlage eine bessere Anhaftung nachfolgender Anwendungen von Beschichtungen. Dies minimiert potenzielle Fehler in der Beschichtung, wie beispielsweise Stiftlöcher bzw. ”Pin Holes”, die Gebiete nicht beschichteten Metalls freilegen. Diese Stiftlöcher entstehen als kleine ungeschützte Gebiete der metallischen Oberfläche und besitzen das Potenzial, Wachstumsstellen für Korrosion zu werden. Derartige Stellen können sich an der Oberfläche weiter ausbreiten, womit die Passivierungslage an der Oberfläche das Auftreten derartiger Defekte durch Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit und auch Anhaftung nachfolgend aufgebrachter Lagen minimiert.
Es sind viele verschiedene Verfahren zur Aluminiumanodisierung gut bekannt. Die Auswahl eines Anodisierungsprozesses hängt von den Legierungseigenschaften und der Schutzlage ab, die für die Betriebsbedingungen in der Zelle erforderlich sind. Beispielsweise verwendet ein Anodisierungsprozess Chromsäure auf Aluminium, um Aluminiumoxid zu bilden, was detaillierter in ”Metals Handbook”, B. Ausgabe, Band 2, Seite 621 (American Society for Metals 1964) beschrieben ist. Abhängig von dem verwendeten Anodisierungsverfahren variiert die Dauer der Verarbeitung zur Bildung der Passivierungslage 95 von etwa 5 Minuten bis zu über 4 Stunden. Die resultierende Filmdicke variiert dann von 5 μm bis zu größer als 700 μm. Bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsform kann eine Beschichtung mittels chemischer Umwandlung verwendet werden, um die Oberfläche des Metalls zu passivieren, bei der das Metall in einer chemischen Oxidations-Reduktions-Reaktion in eine weniger aktive Spezies umgewandelt wird.
Die Minimierung der Impedanz der elektrischen Leitfähigkeit in den leitenden Gebieten der Anschlussplatte ist wichtig, um die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle beizubehalten. Eine elektrochemische inerte Passivierungslage 142, die das leitende Gebiet 102 beschichtet, kann die elektrische Leitfähigkeit der Anschlussplatte 10 innerhalb der Brennstoffzelle mindern, da das leitende Gebiet 102 der hauptsächliche leitende Pfad für in dem Brennstoffzellenstapel erzeugte Elektrizität ist. Die Elektrizität gelangt von den MEAs 4, 6 (1) an die jeweiligen Bipolar- oder Endkontaktplatten (beispielsweise leitende Fluidverteilungelemente) 8, 14, 16 und anschließend durch das leitende Medium 43, 45 an die Anschlusskollektorplatten 10, 12, wodurch ein kumulatives elektrisches Potenzial über den Stapel von einer Anschlussplatte 10 zu der entgegengesetzten Anschlussplatte 12 aufgebaut wird. Die Kollektorlasche 120, die an dem Umfang 146 einer Seite 106 der Anschlussplatte 10 angeordnet ist, überträgt Elektrizität von dem leitenden Gebiet 102 an die Kollektorlasche 120 durch den leitenden Metallkörper 128 der Anschlussplatte 10. Ein Kabel oder eine Zuleitung (nicht gezeigt) ist an der Kollektorlasche 120 angebracht, während ein Kabel oder eine Zuleitung mit entgegengesetzter Ladung an der anderen Kollektorlasche auf der entgegengesetzten Seite des Stapels angebracht ist. Somit müssen das leitende Gebiet 102 und die Kollektorlasche 120 eine ausreichende Oberflächenleitfähigkeit für einen richtigen Betrieb der Brennstoffzelle beibehalten. Eine Passivierungslage 142 kann die Oberfläche durch Verminderung der Oberflächenleitfähigkeit relativ isolierend machen, beeinträchtigt jedoch nicht die Volumen- oder Innenleitfähigkeit durch den Körper 128 hindurch. Gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt nur das nicht leitende Gebiet 100, das gegenüber Korrosion anfällig ist, eine Passivierungslage 142 als eine Schutzbeschichtung 140, die diese vor Säureangriff und Oxidation schützt, während dennoch zugelassen wird, dass eine elektrische Ladung in dem Körper 128 der Anschlussplatte 10 von dem leitenden Gebiet 102 zu der Kollektorlasche 120 fließen kann.
Erfindungsgemäß umfasst die Schutzbeschichtung 140 eine Polymerbeschichtung 150, die auf die Oberflächen 130, 132 des nicht leitenden Gebiets 100 aufgebracht ist, wie in 3 gezeigt ist, die eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3' in 2 darstellt. Das nicht leitende Gebiet 100 der Oberflächen 130, 132 der Anschlussplatte 10 kann mit einem nicht leitenden Polymer beschichtet werden. Der erhöhte elektrische Oberflächenwiderstand des nicht leitenden Gebietes 100 der Anschlussplatte 10 beeinträchtigt nicht die elektrische Leitfähigkeit durch den Körper 128 der Anschlussplatte 10 hindurch. Auch sind mehrere Lagen einer Polymerbeschichtung 150a, 150b verwendbar, die einen größeren Korrosionsschutz für die darunterliegenden Oberflächen 130, 132 erreichen können, da die Dicke zunimmt.
Das Polymer oder die Mischung aus Polymeren, die die polymere Beschichtung 150 bilden, sind bezüglich ihrer Verträglichkeit mit den Metallsubstratoberflächen 130, 132 der Anschlussplatte 10 wie auch bezüglich ihrer Korrosionsbeständigkeit gewählt. Ein derartiges Polymer umfasst ein beliebiges Polymer, das wasserunlöslich ist, wenn es vernetzt oder gehärtet ist, das einen dünnen anhaftenden Film an dem Metallsubstrat 128 darunter bilden kann, und das der rauen oxidativen und sauren Umgebung der Brennstoffzelle widerstehen kann. Daher sind Polymere, wie beispielsweise Epoxide, Silikone, Polyamidimide, Polyetherimide, Polyphenole, Fluorelastomere (beispielsweise Polyvinylidenfluorid), Polyester, Phenoxyphenole, Epoxidphenole, Acrylate und Urethane, usw. mit der vorliegenden Erfindung verwendbar. Vernetzte Polymere sind zur Erzeugung undurchlässiger Beschichtungen bevorzugt, da sie korrosionsbeständige Eigenschaften vorsehen.
Erfindungsgemäß erhält nur das nicht leitende Gebiet 102 die Schutzbeschichtung 140. Die Oberflächen des leitenden Gebiets 102 und der Kollektorlasche 120 werden bedeckt oder maskiert, während die Anschlussplatte 10 geschützt wird, beispielsweise einer Passivierung unterzogen wird. Eine Maskierung ist ein beliebiges Material, das auf ein Substrat aufgebracht wird und während der Passivierung und/oder einer Polymeraufbringung stabil bleibt. Derartige Materialien können Fotomaskierungen umfassen, die typischerweise aus lichtundurchlässigen Materialien gebildet werden. Somit wird die Schutzbeschichtung 140 nur über dem nicht leitenden Gebiet 100 der Zelle ausgebildet. Bereiche entlang der Ränder der Maskierungen 166 können eine gewisse Passivierungslage oder Oxidbildung aufweisen, und optional können diese Bereiche 166 gereinigt werden, um vorhandene Oxide zu entfernen, wie beispielsweise durch mechanisches Abschleifen, chemisches Ätzen oder ein ähnliches Verfahren.
Wenn die Anschlussplatte 10 aus einem korrosionsanfälligen Material aufgebaut ist, wie beispielsweise Aluminium, kann das elektrische leitende Gebiet 102 einem oxidativen Angriff ausgesetzt werden, was eine unerwünschte Aluminiumoxidlage bildet, die den Kontaktwiderstand an der Oberfläche 132 erhöht. Derartige Oxidlagen verringern die Leistungsabgabe wie auch den Betriebswirkungsgrad des Stapels erheblich. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Aufbringung einer Schutzbeschichtung 156 des leitenden Gebietes, die das leitende Gebiet 102 der Anschlussplatte 10 bedeckt.
Erfindungsgemäß umfasst die Schutzbeschichtung 156 des leitenden Gebietes ein oxidationsbeständiges Metall 158, das eine Oxidation besser aushält, als das darunterliegende Substratmetall 128, und das das Substrat 128 vor einer Oxidation schützt. Der Begriff ”oxidationsbeständig” betrifft ein Material, das eine Oxidation stärker hemmt, als das Barunterliegende Metall an Oxidation erfährt. Die Aufbringung der Metalllage 158 kann unter Verwendung herkömmlicher PVD-Techniken (Physical Vapor Deposition) (beispielsweise Magnetronsputtern) oder durch CVD-Techniken (Chemical Vapor Deposition) durchgeführt werden, die für Fachleute bekannt sind. Auch sind Plattierprozesse, sowohl galvanisch als auch stromlos bzw. chemisch verwendbar, um diese Typen von Metallbeschichtungen aufzubringen.
Die Oberfläche 132 kann vor der Abscheidung der Metalllage 158 durch Entfernung von Unreinheiten oder natürlich vorhandenen Oxidlagen an der Oberfläche durch mechanische, chemische oder elektrochemische Mittel vorbereitet werden. Die Entfernung natürlicher Oxide von der gesamten Substratfläche 132 des leitenden Gebiets 102 stellt sicher, dass die nachfolgende oxidationsbeständige Beschichtung 156 anhaftet. Eine Lage eines oxidationsbeständigen Metalls 158, wie beispielsweise Platin, Gold, Nickel, Zinn, Silber, deren Legierungen, deren Mischungen und deren Äquivalente, behält die gewünschte Oberflächenleitfähigkeit mit einem relativ niedrigen Kontaktwiderstand bei, während die Bildung von Oxidlagen verhindert wird, die eine elektrische Leitfähigkeit beeinträchtigen. Metalllagen 158, die Nickel umfassen, sind besonders bevorzugt. Bei einem bevorzugten Aspekt wird stromlos aufgebrachtes Nickel als eine Unterlage unter der mit Partikeln gefüllten Polymerbeschichtung verwendet.
Auch wenn eine oxidationsbeständige Metalllage 158 über dem Substrat 128 bestimmten Umgebungen innerhalb des Stapels ausgesetzt ist, kann sie einen weiteren Schutz benötigen, um eine Bildung von Oxidlagen zu verhindern. Erfindungsgemäß umfasst eine Schutzbeschichtung 156 des elektrisch leitenden Gebietes, die eine polymerhaltige, leitende, oxidationsbeständige Beschichtung 160 umfasst, die über die oxidationsbeständige Metalllage 158 aufgebracht ist. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird die Anschlussplatte 10, um die verschiedenen Stapelkomponenten aneinander zu pressen, über ein Klemmmittel, wie beispielsweise sich durch den Stapel erstreckende Schrauben, geklemmt. Somit ist das leitende Gebiet 102 der Anschlussplatte 10 bei normalen Betriebsabläufen physikalisch von dem nicht leitenden Gebiet durch Dichtungsscheiben 33, 35 getrennt. Wenn die Dichtungsscheiben jedoch korrosiven Bedingungen ausgesetzt sind, können die Dichtungsscheiben Schaden nehmen oder ausfallen, was zu einer Fluidverbindung zwischen den leitenden und nicht leitenden Gebieten 102, 100 führt. Die korrosiven Flüssigkeiten an dem nicht leitenden Gebiet 100 können in das leitende Gebiet 102 wandern. Somit schützt eine derartige polymerhaltige, leitende, oxidationsbeständige Beschichtung 160 auch gegen ausgewaschene Aluminiumionen, die die Katalysatoren in dem Stapel vergiften, indem das Substrat 128 des leitenden Gebietes 102 prophylaktisch mit einer korrosions- und oxidationsbeständigen Beschichtung 160 beschichtet wird.
Eine bevorzugte polymerhaltige, leitende, oxidationsbeständige Beschichtung 160 umfasst ein Basispolymer oder eine Mischung aus Polymeren ähnlich den Polymeren, die für die nicht leitende Beschichtung 150 gewählt sind, die auf das nicht leitende Gebiet 100 aufgebracht ist, wie oben beschrieben ist, umfasst jedoch ferner Füllstoffe 162 mit leitenden Partikeln, um die notwendige Leitfähigkeit zu ermöglichen. Die polymerhaltige, leitende, oxidationsbeständige Beschichtung 160 muss elektrisch leitend sein und besitzt typischerweise einen spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als etwa 50 Ohm-cm. Abhängig von den Charakteristiken des gewählten Polymers kann die polymerhaltige, leitende, oxidationsbeständige Beschichtung 160 optional ferner oxidationsbeständige, säureunlösliche, elektrisch leitende Partikel 162 (d. h. kleiner als etwa 50 μm) umfassen, die über die oxidationsbeständige Beschichtung 160 des leitenden Gebietes verteilt sind. Diese leitenden Partikel 162 ermöglichen eine elektrische Leitfähigkeit durch die Schutzbeschichtung 156 des leitenden Gebietes. Korrosions- und oxidationsbeständige Polymere, die eine Vielzahl elektrisch leitender Füllpartikel umfassen, sind ferner in dem U.S. Patent Nr. US 6,372,376 B1 von Fronk et al. beschrieben.
Die leitenden Partikel 162 sind aus der Gruppe ausgewählt, die umfasst: Gold, Platin, Graphit, Kohlenstoff, Nickel, leitende Metallboride, Nitride und Carbide (beispielsweise Titannitrid, Titancarbid, Titandiborid), Titanlegierungen, die Chrom und/oder Nickel umfassen, Palladium, Niob, Rhodium, Seltenerdmetalle und andere Edelmetalle. Am bevorzugten umfassen die Partikel 162 Kohlenstoff oder Graphit (d. h. hexagonal kristallisierten Kohlenstoff). Die Partikel 162 umfassen variierende Gewichtsprozentsätze der polymerhaltigen, leitenden, oxidationsbeständigen Beschichtung 160 abhängig von sowohl den leitenden Eigenschaften des Polymers selbst (Bestimmung des erforderlichen Ausmaßes an Leitfähigkeit) als auch ferner der Dichte und der Leitfähigkeit der Partikel 162 (d. h. Partikel mit einer hohen Leitfähigkeit und einer niedrigen Dichte können in geringeren Gewichtsprozentsätzen verwendet werden). Kohlenstoff- bzw. graphithaltige leitende Beschichtungen 160 umfassen typischerweise 25 Gew.-% Kohlenstoff-/Graphit-Partikel 162.
Die polymerhaltigen leitenden, oxidationsbeständigen Beschichtungen (150, 160) des nicht leitenden Gebietes und des leitenden Gebietes können auf die Substratfläche 132 des leitenden Gebietes 102 auf eine Anzahl von Wegen aufgebracht werden, beispielsweise (1) elektrophoretische Abscheidung, (2) Bürsten, Sprühen oder Ausbreiten, (3) Laminieren oder (4) Pulverbeschichten. Pulverbeschichtungen polymerer Substanzen 150, 160 sind besonders bevorzugt, da sie effizient mit wenig Abfall abgeschieden werden können, Oberflächen mit einer bereits existierenden Polymerlage, die eine geringe Porosität besitzt, beschichten können und im Wesentlichen gleichförmig in dickeren Lagen abgeschieden werden können, als bei anderen Verfahren zur Polymeraufbringung. Die Pulverbeschichtung ist in der Technik gut bekannt und verwendbar, um eine Vielzahl leitender und nicht leitender Substrate zu beschichten, indem trockene Polymerpartikel mit Spannungen allgemein oberhalb 80 kV geladen werden, wenn sie eine Sprüheinrichtung (beispielsweise Teflon^®-ausgekleidet oder Corona) verlassen. Es kann eine Vielzahl von Polymeren mit diesem Verfahren aufgebracht werden, wie beispielsweise Epoxidharze, Polyamide und Polyimide. Die Pulverbeschichtung ist besonders gut geeignet, um die korrosionsbeständige Polymerlage 150 des nicht leitenden Gebietes aufzubringen, an dem zwei oder drei Lagen von Polymer aufgebracht werden, um eine Dicke in dem Bereich von etwa 50–250 μm zu erzielen. Auch ist eine elektrophoretische Abscheidung mit leitenden Substraten verwendbar, die eine effiziente Weise vorsieht, kathodische Epoxide, Acryle, Urethane und Polyester aufzubringen. Ein anschließendes Backen der beschichteten Substrate vernetzt und verdichtet die entweder durch Pulverbeschichtung oder durch elektrophoretische Abscheidung aufgebrachte Beschichtung. Die Polymeraufbringverfahren, die hier beschrieben sind, können dazu verwendet werden, sowohl die nicht leitende Schutzpolymerbeschichtung 150 über das nicht leitende Gebiet 100 (d. h. ohne leitende Partikel) wie auch die polymerhaltige, leitende, oxidationsbeständige Beschichtungslage 160 über das leitende Gebiet 102 (d. h. mit leitenden Partikeln) der Anschlussplatte 10 aufzubringen.
Ein alternatives Verfahren zum Aufbringen der Polymerbeschichtungen (beispielsweise 150, 160) besteht darin, zuerst das Polymer als einen diskreten Film (beispielsweise durch Gießen mit Lösemittel, Extrusion bzw. Strangpressen, etc.) zu formen und dieses dann auf die Arbeitsfläche 130, 132 der Anschlussplatte 10 beispielsweise durch Heißwalzen zu laminieren. Der diskrete Film umfasst bevorzugt einen Weichmacher, um die Handhabung des Filmes bei diesem Aufbringverfahren zu verbessern und sieht eine Beschichtungslage auf dem Substrat 128 vor, die elastisch genug ist, so dass der Film nicht reißt oder bricht, wenn die Anschlussplatte 10 weiter verarbeitet wird. Fluorelastomere, wie beispielsweise Polyvinylidendifluorid oder dergleichen, sind mit dieser Ausführungsform verwendbar und können mit herkömmlichen Weichmachern verwendet werden, wie beispielsweise Dibutylphthalat.
Alternativ dazu wird der Polymerfilm 150, 160 auf die Arbeitsfläche 130, 132 des Substrates 128 durch Sprühen, Bürsten oder Ausbreiten (beispielsweise mit einer Rakel) aufgebracht. Ein Vorläufer der Beschichtung wird durch Lösen des Polymers in einem geeigneten Lösemittel ausgebildet (optional können leitende Füllpartikel 162 mit dem gelösten Polymer gemischt werden und dies als eine feuchte Aufschlämmung auf dem Substrat 132 aufgebracht werden, wenn es die polymerhaltige, leitende oxidationsbeständige Beschichtung 160 ist). Die feuchte Beschichtung wird dann getrocknet (d. h. das Lösemittel entfernt) und nach Bedarf gehärtet (beispielsweise bei Duroplasten). Die leitenden Partikel 162 haften, wenn sie vorhanden sind, an dem Substrat 128 durch das lösemittelfreie Polymer an.
Ein bevorzugtes Polymer, das mit dieser Sprüh-, Bürst- oder Ausbreitaufbringung verwendbar ist, umfasst ein wärmeaushärtbares bzw. duroplastisches Polyamidimid-Polymer. Das Polyamidimid ist in einem Lösemittel 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 Größenbereich der Graphitpartikel zwischen etwa 5 μm bis etwa 20 μm liegt und der Größenbereich der Rußpartikel zwischen etwa 0,5 μm bis 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, die vollständig aus Graphit bestehen, zu erhöhen. Die Mischung wird auf das Substrat 128 aufgebracht und auf etwa 15–30 μm dicke Beschichtungen 150, 160 (bevorzugt etwa 17 μm) getrocknet und gehärtet, wobei sie einen Kohlenstoff-Graphit-Gehalt von etwa 38 Gew.-% (wenn verwendet) aufweisen. Sie kann langsam bei niedrigen Temperaturen (d. h. kleiner 204,4°C) oder schneller in einem zweistufigen Prozess gehärtet werden, wobei das Lösemittel zuerst durch Heizen für 10 Minuten bei etwa 148,9°C–176,7°C entfernt wird (d. h. getrocknet wird), gefolgt durch ein Heizen bei höherer Temperatur (260°C–398,9°C) für eine Dauer im Bereich von etwa 30 Sekunden bis etwa 15 Minuten (abhängig von der verwendeten Temperatur), um das Polymer zu härten.
Ein bevorzugtes Behandlungsverfahren umfasst die Auswahl eines Gebietes (d. h. das nicht leitende Gebiet 100) entlang einer Hauptfläche 130, 132 des Körpers 128 zur Behandlung. Vor der Behandlung werden nicht gewählte Gebiete (d. h. das leitende Gebiet 102) entlang der Hauptflächen 130, 132 des Körpers 128 vor dem Aufbringen der Schutzbeschichtung 140 auf das nicht leitende Gebiet 100 maskiert. Die Schutzbeschichtung 140 umfasst eine Passivierungslage 142 und optional eine weitere leitende korrosionsbeständige Polymerlage 150. Eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft einen optionalen Behandlungsschritt, bei dem die Anschlussplatte 10 eine Passivierungslage 142 und eine leitende Polymerlage 150 aufweist und passiviert wird, um jegliche Stiftlöcher zu behandeln, die sich unter der Schutzbeschichtung 140 befinden können, die Korrosionswachstumsstellen in dem Metallsubstrat 128 bilden können. Eine zusätzliche Passivierung behandelt das Metall, das unter irgendwelchen Stiftlöchern liegt, die in der Passivierungslage 142 oder Polymerlage 150 auftreten, wodurch die Schutzbeschichtung 140 verstärkt wird. Nach der Aufbringung der Schutzbeschichtung 140 auf das nicht leitende Gebiet 100 wird die Maskierung (nicht gezeigt) von dem leitenden Gebiet 102 entfernt. Eine neue Maskierung wird über dem frisch beschichteten nicht leitenden Gebiet 100 angeordnet, so dass es vor einer nachfolgenden Behandlung des leitenden Gebietes 102 geschützt ist. Das leitende Gebiet 102 kann durch mechanisches chemisches Abschleifen weiter vorbearbeitet werden. Anschließend wird eine Schutzbeschichtung 156 des leitenden Gebietes über das leitende Gebiet 102 aufgebracht, die eine oxidationsbeständige Metalllage 158 und eine polymerhaltige, leitende, oxidationsbeständige Beschichtung 160 umfasst. Nach dem Aufbringen der für das leitende Gebiet bestimmten Schutzbeschichtung 156 auf das leitende Gebiet 102 können die Maskierungen von dem nicht leitenden Gebiet 100 entfernt werden.
Die vorliegende Erfindung sieht somit die Möglichkeit vor, die nicht leitenden Gebiete einer Anschlussplatte, die aus einem korrosionsanfälligen Material besteht, mit einer korrosionsbeständigen Beschichtung zu beschichten, während optional ferner das leitende Gebiet mit einer leitenden Beschichtung geschützt wird, wobei Probleme mit sich schnell ausbreitenden Korrosionsstellen an dem Metall und einer unerwünschten Oxidierung elektrisch leitender Abschnitte der Oberfläche vermieden werden, die ansonsten die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels verringern würden.

Claims

Elektrisch leitende Anschlussplatte (10) mit: einem Körper (128) aus leitendem, korrosionsanfälligem Material; wobei eine Fläche (132) des Körpers (128) ein elektrisch leitendes Gebiet (102) und ein nicht elektrisch leitendes Gebiet (100) aufweist; und einer korrosionsbeständigen Lage (140), die über dem nicht elektrisch leitenden Gebiet (100) liegt und eine nicht leitende Polymerbeschichtung (150) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht leitende Polymerbeschichtung (150) auf eine Passivierungslage (142) im Bereich des nicht elektrisch leitenden Gebiets (100) aufgebracht ist, und dass das elektrisch leitende Gebiet (102) mit einer Schutzbeschichtung (156) bedeckt ist, die eine erste Lage (158) in Kontakt mit der Fläche (132) des elektrisch leitenden Gebiets (102), die ein oxidationsbeständiges Metall umfasst, und eine zweite Lage (160) über der ersten Lage (158) umfasst, wobei die zweite Lage (160) ein oxidationsbeständiges Polymer umfasst, aus dem auch die Polymerbeschichtung (150) im Bereich des nicht elektrisch leitenden Gebiets (100) besteht.
Anschlussplatte nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitende Gebiet (102) zentral an der Fläche (132) der Anschlussplatte (10) angeordnet ist und das nicht elektrisch leitende Gebiet (100) das zentrale Gebiet umgibt.
Anschlussplatte nach Anspruch 1, ferner mit einer Lasche (120) in elektrischem Kontakt mit dem Körper (128) aus leitendem Material, der unter dem nicht elektrisch leitenden Gebiet (100) liegt, und einem elektrisch leitenden Pfad von dem elektrisch leitendem Gebiet (102) durch den leitenden Körper (128), der unter dem nicht elektrisch leitendem Gebiet (100) liegt, an die elektrisch leitende Lasche (120).
Anschlussplatte nach Anspruch 1, wobei die Polymerbeschichtung (150) zumindest ein Polymer umfasst, das gewählt ist aus: Epoxidharze, Silikone, Polyamidimide, Polyetherimide, Polyphenole, Fluorelastomere, Polyester, Phenoxyphenole, Epoxidphenole, Acrylharze und Urethane.
Anschlussplatte nach Anspruch 1, wobei die Anschlussplatte (10) zumindest eine Öffnung (104) durch den Körper (128) in dem nicht elektrisch leitenden Gebiet (100) besitzt und wobei die Öffnung (104) eine Oberfläche besitzt, die mit der korrosionsbeständigen Lage (140) bedeckt ist.
Anschlussplatte nach Anspruch 1, wobei der Körper (128) Aluminium umfasst.
Anschlussplatte nach Anspruch 1, wobei das oxidationsbeständige Metall Nickel, Zinn, Silber und deren Legierungen und deren Kombinationen umfasst.
Anschlussplatte nach Anspruch 1, wobei die zweite Lage (160) ferner elektrisch leitende Partikel (162) umfasst, die in dem oxidationsbeständigen Polymer verteilt sind.
Anschlussplatte nach Anspruch 8, wobei die elektrisch leitenden Partikel (162) aus einer Gruppe gewählt sind, die umfasst: Gold, Platin, Nickel, Palladium, Rhodium, Niob, Titan, Chrom, Seltenerdmetalle, Graphit, Kohlenstoff, Verbindungen und Legierungen derselben und Mischungen derselben.
Anschlussplatte nach Anspruch 1, wobei das oxidationsbeständige Polymer aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Epoxidharze, Silikone, Polyamidimide, Polyetherimide, Polyphenole, Fluorelastomere, Polyester, Phenoxyphenole, Epoxidphenole, Acrylharze und Urethane.