DE112005002776B4

DE112005002776B4 - Elektrisch leitendes element, brennstoffzelle sowie ein verfahren zum herstellen eines elektrisch leitenden elements einer elektrochemischen brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112005002776B4
Application number: DE112005002776.7T
Authority: DE
Inventors: Chunxin Ji; Steven R. Falta; Thomas A. Trabold; Brian K. Brady
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-11-11
Filing date: 2005-10-18
Publication date: 2021-08-19
Anticipated expiration: 2025-10-19
Also published as: JP4796585B2; CN101443938A; CN101443938B; US7951510B2; JP2008520080A; WO2006052408A3; WO2006052408A2; DE112005002776T5; US20060099481A1

Abstract

Eine Bipolarplatte zur Verwendung in einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle besitzt ein elektrisch leitendes Polymer, das auf zumindest ein Gebiet einer Oberfläche der Platte in Kontakt mit einem Strömungsfeld beschichtet ist. Das beschichtete Gebiet ist hydrophob oder hydrophil im Vergleich zu einem nicht beschichteten Gebiet der Oberfläche, um eine Flüssigkeitsansammlung zu verhindern. Stromleitende Polymerbeschichtungen werden durch elektrochemische Polymerisierung aufgebracht.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere die leitenden Elemente in Brennstoffzellen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen sind als eine Energiequelle für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Eine beispielhafte Brennstoffzelle besitzt eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit katalytischen Elektroden und einer Protonenaustauschmembran (PEM), die zwischen den Elektroden schichtartig angeordnet ist. Wasser wird an der Kathodenelektrode auf Grundlage der elektrochemischen Reaktionen zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, die in der MEA stattfinden, erzeugt. Ein effizienter Betrieb einer Brennstoffzelle hängt von der Fähigkeit ab, ein effektives Wassermanagement in dem System vorzusehen, um beispielsweise einen Transport von Wasser weg von Erzeugungsorten an der Kathode zu steuern und damit zu verhindern, dass ein Wasseraufbau Strömungskanäle blockiert und die Brennstoffzelle flutet.
Im Betrieb einer Brennstoffzelle bei Niedrigleistungslasten kann sich Produktwasser in den Kanälen der Reaktandenströmungsfelder, insbesondere auf der Kathodenseite, ansammeln. Eine Wasseransammlung kann zu einer blockierten Fluidströmung (einem so genannten „Fluten“) führen, was potentiell zu einer Instabilität eines Abschnitts einer Brennstoffzelle führt. Es sind verschiedene Mittel zum Umgehen dieses potentiellen Problems entdeckt worden und haben eine Änderung der physikalischen Charakteristiken der Kanäle, insbesondere der Kanalgeometrie, einschließlich der Größe und Form, umfasst. Somit steht die optimale Brennstoffzellenleistungsfähigkeit mit einem effizienten Wassermanagement in Verbindung. Somit besteht ein Bedarf nach einem verbesserten Wassermanagement, um die Leistungsfähigkeit, den Wirkungsgrad wie auch die Lebensdauer von Brennstoffzellen zu verbessern.
Herkömmliche elektrisch leitende Elemente, insbesondere für Brennstoffzellen, sind aus den Druckschriften US 5 565 072 A , JP 2002 008 685 A und DE 11 2005 001 910 T5 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung sieht ein elektrisch leitendes Element vor, das eine Oberfläche aufweist, die ein Strömungsfeld mit einem Einlass und einem Auslass definiert. Das Strömungsfeld ist derart aufgebaut und angeordnet, damit Reaktandengas von dem Eingang zu dem Ausgang strömt. Zumindest ein Gebiet der Oberfläche weist eine elektrisch leitende Beschichtung auf, wobei die elektrisch leitende Beschichtung sich von dem Einlass zu dem Auslass erstreckt und ein elektrisch leitendes Polymer umfasst. Die elektrisch leitende Beschichtung weist eine Hydrophobie auf, die an dem Einlass größer als an dem Auslass ist.
Bei einem Aspekt sieht die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle mit einer Membranelektrodenanordnung (MEA) vor, wobei die Brennstoffzelle umfasst: ein impermeables elektrisch leitendes Element mit einer Oberfläche, die zu der MEA weist und ein Strömungsfeld definiert, wobei die Oberfläche für eine Ansammlung von durch die MEA erzeugter Flüssigkeit anfällig ist und wobei das Strömungsfeld einen Einlass und einen Auslass aufweist; und eine elektrisch leitende Polymerbeschichtung, die über zumindest einem Gebiet der Oberfläche liegt, wobei die elektrisch leitende Polymerbeschichtung eine Flüssigkeitsansammmlung an dem Gebiet im Vergleich zu einer benachbarten nicht beschichteten Oberfläche reduziert, wobei die elektrisch leitende Polymerbeschichtung sich von dem Einlass zu dem Auslass erstreckt und eine Hydrophobie aufweist, die an dem Einlass größer als an dem Auslass ist.
Bei einem anderen Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines elektrisch leitenden Elements einer elektrochemischen Brennstoffzelle vor, wobei das Verfahren umfasst, dass eine elektrisch leitende Polymerbeschichtung an zumindest einem Gebiet einer elektrisch leitenden Oberfläche des elektrisch leitenden Elements abgeschieden wird. Die elektrisch leitende Oberfläche definiert ein Strömungsfeld mit einem Einlass und einem Auslass. Das Strömungsfeld ist derart aufgebaut und angeordnet, damit Reaktandengas von dem Eingang zu dem Ausgang strömt. Die elektrisch leitende Polymerbeschichtung erstreckt sich von dem Einlass zu dem Auslass. Die elektrisch leitende Polymerbeschichtung weist eine Hydrophobie auf, die an dem Einlass größer als an dem Auslass ist.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:

1 eine schematische isometrische Explosionsdarstellung eines beispielhaften flüssigkeitsgekühlten PEM-Brennstoffzellenstapels (es sind nur zwei Zellen gezeigt) ist;
2 eine isometrische Explosionsdarstellung einer Bipolarplatte ist, die mit PEM-Brennstoffzellenstapeln ähnlich denen verwendbar ist, die in 1 gezeigt ist;
3 eine Teilschnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung in der Richtung 3-3 von 2 ist;
4 eine beispielhafte Anschlusskollektorendplatte gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
5 ein vergrößerter Abschnitt der Bipolarplatte von 3 ist, der eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
6 eine alternative bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die einen vergrößerten Abschnitt der Bipolarplatte von 3 zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Um einen stabilen PEM-Brennstoffzellenbetrieb über einen breiten Bereich von Lasten zu erreichen, ist es notwendig, eine Fluidströmung und insbesondere eine Flüssigkeitsströmung in einer Brennstoffzelle richtig zu managen. Beispielsweise wird durch die kathodische Sauerstoffreduktionsreaktion, die während des Betriebs einer elektrochemischen Brennstoffzelle stattfindet, flüssiges Wasser erzeugt, das effektiv umgewälzt und entfernt werden muss, um stabile Reaktionen aufrechtzuerhalten. Ein Schlüsselfaktor in Verbindung mit dem Brennstoffzellenbetrieb ist ein Wassertransport und das Verhindern einer unerwünschten Ansammlung von Wasser in einer Brennstoffzelle. Somit ist die Fähigkeit, Wasser von Strömungsfeldkanälen bei verschiedenen Niveaus von Gasgeschwindigkeiten und Betriebsbedingungen auszustoßen, wichtig für Brennstoffzellenbetriebsabläufe. Beispielsweise ist bei Niederlastbedingungen nahe 0,1 A/cm² gezeigt worden, dass eine Wasseransammlung in „U-Biegungen“ und Kurven des Strömungsfeldes zu einem Zellenverhalten mit schlechter Leistung beiträgt. Dies steht mit einem Zustand in Verbindung, bei dem eine oder mehrere Zellen in einem Stapel einem rapiden Spannungsabfall ausgesetzt sind. In diesem Fall reicht die Gasträgheit nicht aus, um große Flüssigkeitspfropfen um 180°-Biegungen in Richtung der Kathodenaustragssammelleitung auszustoßen. Diese potentielle Ansammlung kann darin resultieren, dass die gesamten Kanäle an Sauerstoff verarmen. Um derartige Probleme zu berücksichtigen, betrifft die vorliegende Erfindung ein Strömungsfeld, das eine fein abgestimmte freie Oberflächenenergie und Rauheit in Verbindung mit einer Kanalgeometriekonstruktion aufweist, um Brennstoffzellenbetriebsabläufe zu verbessern, indem Wasser effektiv entfernt wird, um eine stabile Leistung bei niedrigen Gasgeschwindigkeiten aufrechtzuerhalten.
Eine Flüssigkeitsansammlung, wie hier beschrieben ist, ist im Wesentlichen eine Ansammlung von flüssigem Wasser, das hauptsächlich an der Kathode gebildet wird. Das hier beschriebene leitende Polymermaterial umfasst konjugierte elektrisch leitende Polymermaterialien, die auch als eine pi-Bindung bezeichnet werden, die die elektrische Leitfähigkeit erhöht. Der Begriff „stromleitend“, wie er hier verwendet ist, ist ein relativ kurzer Begriff, der in dem Gebiet verwendet wird, um „elektrisch leitend“ zu bezeichnen.
Die vorliegende Erfindung sieht ein stromleitendes Element zur Verwendung in einer Brennstoffzelle vor. Das Element umfasst bevorzugt eine Oberfläche, die ein darin ausgebildetes Fluidströmungsfeld aufweist, und eine stromleitende Polymerbeschichtung, die entlang eines Gebietes des Strömungsfeldes aufgebracht ist. Die stromleitende Polymerbeschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung reduziert eine Flüssigkeitsansammlung an dem beschichteten Gebiet, wenn Fluid durch das Strömungsfeld strömt, im Vergleich zu einer Flüssigkeitsansammlung über einem nicht beschichteten Gebiet der Oberfläche. Einige Vorteile der Verwendung stromleitender Beschichtungen umfassen: 1.) die Beschichtungen sind elektrisch leitend; 2.) die freie Oberflächenenergie (hydrophob oder hydrophil) der Polymerbeschichtungen kann durch Verwendung verschiedener Gegenionen oder Abscheidungsbedingungen zugeschnitten werden; 3.) die leitenden Polymere, wie Polypyrrol und Polyanilin, weisen eine gute Korrosionsbeständigkeit auf; und 4.) diese leitenden Polymere können einfach über Elektropolymerisierung oder Lösungsgießen aufgebracht werden.
Bei einer Ausführungsform kann eine hydrophobe Beschichtung auf die stromleitenden Elemente aufgebracht werden. Der Begriff „hydrophob“, wie hier verwendet ist, ist eine relative Materialeigenschaft im Vergleich zu einem Referenzmaterial und betrifft genauer eine Oberflächeneigenschaft, bei der die Oberfläche eine verminderte Neigung besitzt, Flüssigkeiten anzusammeln oder anzuziehen. Somit besitzen hydrophobe Oberflächen allgemein geringere freie Oberflächenenergien, höhere Oberflächenkontaktwinkel oder beides im Vergleich zu einer Referenzoberfläche. Auf diese Weise sieht die vorliegende Erfindung eine Fähigkeit vor, die Oberflächeneigenschaften des Strömungsfeldes durch Aufbringen der hydrophoben Beschichtung auf gewählte Gebiete des Strömungsfeldes zu manipulieren, wodurch im Vergleich zu einem Element, auf das keine hydrophobe Wassermanagementbeschichtung aufgebracht worden ist, ein Wassertransport und ein Wassermanagement verbessert werden, was die Brennstoffzellenleistungsfähigkeit verbessert. Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst die hydrophobe Beschichtung ein stromleitendes Polymer, das die Hydrophobie des beschichteten Gebietes im Vergleich zu einem nicht beschichteten und nicht behandelten Gebiet des Strömungsfeldes bevorzugt erhöht (beispielsweise die Oberflächenenergie verringert).
Bei einer anderen Ausführungsform kann eine hydrophile Beschichtung auf die stromleitenden Elemente aufgebracht werden. Der Begriff „hydrophil“, der hier verwendet ist, ist eine relative Materialeigenschaft im Vergleich zu einem Referenzmaterial und betrifft genauer eine Oberflächeneigenschaft, bei der sich Wasser leicht auf der Oberfläche ausbreitet. Somit besitzen hydrophile Oberflächen allgemein höhere freie Oberflächenenergien, geringere Oberflächenkontaktwinkel oder beides im Vergleich zu einer Referenzoberfläche. Auf diese Weise sieht die vorliegende Erfindung eine Fähigkeit vor, die Oberflächeneigenschaften des Strömungsfeldes durch Aufbringen der hydrophilen Beschichtung auf gewählte Gebiete des Strömungsfeldes zu manipulieren, wodurch die Bildung von Wassertröpfchen verhindert wird, die die Gasströmungskanäle verstopfen können. Dies resultiert in einer verbesserten Brennstoffzellenleistungsfähigkeit im Vergleich zu einem Element, auf das keine hydrophile Wassermanagementbeschichtung aufgebracht worden ist. Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst die hydrophile Beschichtung ein stromleitendes Polymer, das die Hydrophilie des beschichteten Gebietes im Vergleich zu einem nicht beschichteten und nicht behandelten Gebiet des Strömungsfeldes bevorzugt erhöht (beispielsweise die Oberflächenenergie erhöht).
Bei einer noch weiteren Ausführungsform kann die Benetzbarkeit einer Oberfläche durch Manipulation der Rauheit der Oberfläche während der Elektropolymerisierung gesteigert werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Spannung und der Strom während der Aufbringung der Beschichtung gesteuert werden. Allgemein resultiert ein langsamerer Abscheidungsprozess in einer glatteren Oberflächenmorphologie, was durch Verwendung einer Lösung mit geringer Konzentration, einem geringerem Abscheidungsüberpotential und einem geringerem Abscheidungsstrom erreicht werden kann. Zusätzlich beeinflusst die Auswahl verschiedener Gegenionen (Elektrolyt) ebenfalls die Oberflächenmorphologie der abgeschiedenen Polymerfilme.
Der Einfluss der Rauheit auf die Benetzbarkeit hängt davon ab, ob die Substratoberfläche hydrophob oder hydrophil ist. Die Benetzbarkeit einer Oberfläche ist durch die Messung des Kontaktwinkels oder des Winkels kategorisiert, der an der Kontaktlinie zwischen einem Tropfen und einer Oberfläche gebildet wird. Für Kontaktwinkel von kleiner als 90 Grad wird eine Oberfläche als hydrophil betrachtet, und für diejenigen größer als 90 Grad wird sie als hydrophob betrachtet. Bestimmt durch das Gesetz von Wenzel, das dem Fachmann bekannt ist, wird, wenn eine Oberfläche aufgeraut ist, der Kontaktwinkel oder die Benetzbarkeit modifiziert. Wenn die Rauheit erhöht wird, steigt die Benetzbarkeit für hydrophile Oberflächen und nimmt für hydrophobe Oberflächen ab. Umgekehrt wird, wenn die Oberfläche glatter gemacht wird, eine hydrophobe Oberfläche benetzbarer und eine hydrophile Oberfläche weniger benetzbar. Der hier verwendete Begriff „Benetzbarkeit einer Flüssigkeit“ ist als der Kontaktwinkel zwischen einem Tröpfchen von Flüssigkeit in thermischem Gleichgewicht auf einer horizontalen Oberfläche definiert. Der Benetzungswinkel eines nicht benetzenden Fluids ist allgemein kleiner als 90 Grad. Der Benetzungswinkel eines benetzenden Fluids liegt allgemein zwischen 90 und 180 Grad. Eine Rauheit, die mit einem Verhältnis von Spitze zu Tal in der Größenordnung von 10 Mikrometer gemessen wird, ist ausreichend, um die Oberflächenbenetzbarkeit signifikant zu beeinflussen. Durch Steuerung der Rauheit kann der Grad an Hydrophilie und Hydrophobie gesteigert werden. Daher verleiht die Rauheit in Verbindung mit der Oberflächenenergie eine zusätzliche Flexibilität bei der Steuerung einer Kanalwasseransammlung. Durch Minimierung der Rauheit und durch eine glatte und gleichmäßige Oberfläche stellt die Beschichtung der vorliegenden Erfindung sicher, dass ein elektrischer Kontakt zwischen Bipolarplatten beibehalten wird.
Die vorliegende Erfindung sieht somit ein Verfahren zum Modifizieren der freien Oberflächenenergie und zur Änderung der Hydrophobie von Gebieten von stromleitenden Elementen (beispielsweise Bipolarplatten) durch Aufbringen eines stromleitenden Polymers auf gewählte Gebiete des Elements vor. Ein bevorzugtes Verfahren zum Aufbringen des stromleitenden Polymers gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt über Elektropolymerisierung auf das stromleitende Element. Alternativ dazu können diese Polymerbeschichtungen stromleitende Polymere mit gewünschten Gegenionen umfassen, die zuerst synthetisiert und dann auf das Element durch Lösungsgießen oder Siebdrucken über geeignete Lösemittel aufgebracht werden, wie es in der Technik bekannt ist. Unter Verwendung eines geeigneten Verfahrens wird das stromleitende Polymer auf einem Gebiet der Oberfläche des Elements beispielsweise als ein Dünnfilm abgeschieden, der auf eines oder mehrere gewählte Gebiete beschichtet wird.
Die vorliegende Erfindung sieht auch eine Brennstoffzelle vor, die ein impermeables elektrisch leitendes Element aufweist, das eine stromleitende Polymerbeschichtung entlang einem oder mehreren Gebieten besitzt. Die Brennstoffzelle enthält das impermeable elektrisch leitende Element, das ein Fluidströmungsfeld definiert, wobei das Strömungsfeld sich benachbart einer Membranelektrodenanordnung (MEA)/einem Gasdiffusionsmedium befindet. Zumindest ein Gebiet der Oberfläche des leitenden Elements besitzt die hydrophobe oder hydrophile Beschichtung, die entlang eines Gebietes des Strömungsfeldes, das für eine Flüssigkeitsansammlung anfällig ist, elektroabgeschieden ist.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung ist eine beispielhafte Brennstoffzelle, bei der die vorliegende Erfindung verwendet werden kann, in 1 gezeigt, die zwei einzelne Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzellen zeigt, die verbunden sind, um einen Stapel zu bilden, der ein Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4, 6 und Gasdiffusionsmedien 34, 36, 38, 40 aufweist, die voneinander durch eine elektrisch leitende flüssigkeitsgekühlte bipolare Separatorplatte oder ein leitendes Element 8 getrennt sind. Eine einzelne Brennstoffzelle, die in einem Stapel nicht in Reihe 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 zu einer separaten MEA 4, 6 mit entgegengesetzten Ladungen weist, die getrennt sind, daher die so genannte „bipolare“ Platte. Wie hier beschrieben ist, ist der Brennstoffzellenstapel mit leitenden bipolaren Platten dargelegt.
Die MEAs 4, 6 und die bipolare Platte 8 sind zwischen aus rostfreiem Stahl bestehenden Klemmanschlussplatten 10, 12 und Endkontaktfluidverteilungselementen 14, 16 aneinander gestapelt. Die Endfluidverteilungselemente 14, 16 wie auch beide Arbeitsflächen oder -seiten 20, 21 der bipolaren Platte 8 enthalten eine Vielzahl von Stegen benachbart zu Nuten oder Kanälen an den aktiven Seiten 18, 19, 20, 21, 22 und 23 zur Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen (d.h. H₂ und O₂) an die MEAs 4, 6. Nichtleitende Dichtungselemente oder Abdichtungen 26, 28, 30, 32, 33 und 35 sehen Dichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Gaspermeable leitende Diffusionsmedien 34, 36, 38 und 40 pressen an die Elektrodenseiten der MEAs 4, 6. Zusätzliche Schichten aus leitenden Medien 43, 45 sind zwischen den Endkontaktfluidverteilungselementen 14, 16 und den Anschlusskollektorplatten 10, 12 angeordnet, um einen leitenden Pfad dazwischen vorzusehen, wenn der Stapel bei normalen Betriebsbedingungen komprimiert wird. Die Endkontaktfluidverteilungselemente 14, 16 pressen an die Diffusionsmedien 34, 43 bzw. 40, 45.
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 beide der H₂-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 Austragsverrohrung 54 heraus umzuwälzen.
Im Brennstoffzellenbetrieb wird das Anodenwasserstoffgas (H₂) in zwei Protonen (H⁺) aufgespalten, wodurch zwei Elektronen freigesetzt werden. Die Protonen wandern über die Membran der MEA 4, 6 an die Kathodenseite. Der Sauerstoff oder die Luft, der/die an der Kathodenseite eingeführt wird, strömt in die poröse Elektrode. Katalysatorpartikel in der Kathode erleichtern eine Reaktion zwischen den Protonen (H⁺) und Sauerstoff (O₂), um Wasser in der Elektrode zu bilden. Somit muss, wenn flüssiges Wasser erzeugt wird, die Gasströmung in das poröse Kathodenmaterial gleichzeitig aufrechterhalten werden. Ansonsten besteht die Gefahr, dass die Elektrode mit Flüssigkeit „geflutet“ wird. Das Fluten beeinträchtigt eine Gasströmung zu der PEM durch die MEA 4, 6, wodurch als Ergebnis jegliche Reaktionen, die an der MEA 4, 6 stattfinden, verringert oder beendet werden. Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht das Fluidverteilungselement benachbart zu der Kathode vor, das einen Wasser- und Kathodenabflusstransport weg von der Kathode erleichtert, während ferner die PEM befeuchtet wird und bei einigen Ausführungsformen die Brennstoffzelle sogar gekühlt wird.
2 ist eine isometrische Explosionsansicht einer bipolaren Platte 56, die eine erste Außenmetalltafel 58, eine zweite Außenmetalltafel 60 und eine Innenmetallabstandhaltertafel 62 zwischen der ersten Metalltafel 58 und der zweiten Metalltafel 60 umfasst. Die Außenmetalltafeln 58, 60 sind so dünn wie möglich (beispielsweise etwa 0,002-0,02 Zoll dick) ausgebildet, die durch Stanzen bzw. Prägen, durch Photoätzen (d.h. durch eine photolithografische Maske) oder durch einen anderen herkömmlichen Prozess zum Formen von Blech geformt werden können. Die Außentafel 58 besitzt eine erste Arbeitsfläche 59 an ihrer Außenseite, die einer Membranelektrodenanordnung (nicht gezeigt) gegenüberliegt und so ausgebildet ist, dass eine Vielzahl von Stegen 64 vorgesehen wird, die dazwischen eine Vielzahl von Nuten 66 definieren, die als ein „Strömungsfeld“ bekannt sind, durch das die Reaktandenfluide der Brennstoffzelle (beispielsweise H₂ oder O₂) in einem gewundenen Pfad von einer Seite 68 der bipolaren Platte zu ihrer anderen Seite 70 strömen. Wenn die Brennstoffzelle vollständig zusammengebaut ist, pressen die Stege 64 gegen die Kohlenstoff/Graphitpapier-Gasdiffusionsmedien (wie 36 oder 38 in 1), die ihrerseits an die MEAs (wie 4 bzw. 6 in 1) pressen. Der Einfachheit halber zeigt 2 nur zwei Gruppierungen aus Stegen 64 und Nuten 66. In Wirklichkeit bedecken die Stege und Nuten 64, 66 die gesamten Außenflächen der Metalltafeln 58, 60, die mit den Kohlenstoff/Graphitpapieren in Eingriff stehen. Das Reaktandengas wird an die Nuten 66 von einer Sammelleitungs- 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 gegenüberliegenden Seite 70 der Brennstoffzelle liegt.
Wie am besten in 3 gezeigt ist, umfasst die Unterseite der Tafel 58 eine Vielzahl von Rippen 76, die dazwischen eine Vielzahl von Kanälen 78 definieren, durch die Kühlmittel während des Betriebs der Brennstoffzelle gelangt. Wie in 3 gezeigt ist, liegt ein Kühlmittelkanal 78 unter jedem Steg 64, während eine Reaktandengasnut 66 unter jeder Rippe 76 liegt. Alternativ dazu kann die Tafel 58 flach sein und das Strömungsfeld in einer separaten Materialtafel ausgebildet sein. Die Metalltafel 60 ist ähnlich der Tafel 58. Die Innenfläche 61 (d.h. 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 ein 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, besitzt die Außenseite der Tafel 60 eine Arbeitsfläche 63, die eine Vielzahl von Stegen 84 darauf aufweist, die eine Vielzahl von Nuten 86 definieren, durch die die Reaktandengase strömen. Eine Innenmetallabstandhaltertafel 62 ist zwischen den Außentafeln 58, 60 positioniert und umfasst eine Vielzahl von Öffnungen 88 darin, um zu ermöglichen, dass 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, was den Wärmeaustausch mit Innenflächen 90, 92 der Außentafeln 58 bzw. 60 steigert.
Die Abstandhaltertafel 62 ist zwischen der ersten Tafel 58 und der zweiten Tafel 60 positioniert, wobei die Rippen 76 an der ersten Tafel 58 und die Rippen 80 an der zweiten Tafel 60 (beispielsweise durch eine Bindeschicht 85, wie eine Hartverlötung oder Klebstoffe) mit der Abstandhaltertafel 62 verbunden sind. Wie für den Fachmann angemerkt sei, können die Stromkollektoren der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Konstruktion von dem oben Beschriebenen abweichen, wie beispielsweise hinsichtlich der Konfiguration von Strömungsfeldern, der Anordnung und Anzahl von Fluidlieferverteilern und dem Kühlmittelzirkulationssystem, wobei jedoch die Funktion der Leitung von elektrischem Strom durch die Oberfläche und den Körper des Stromkollektors über alle Konstruktionen hinweg gleich ist.
Typischerweise lassen auf Grundlage der Geometrie Kanäle mit gerader Strömung einen geringeren Differenzdruck über das Strömungsfeld im Vergleich zu komplexen Strömungsmustern zu. Obwohl die Gasströmungsfeldkanäle 66, 86 lineare Reihen umfassen können, können bestimmte Konstruktionen nichtlineare Kanäle erfordern, insbesondere, wenn eine größere Fluidturbulenz und ein stärkeres Mischen erforderlich sind. Diese komplexen Strömungsfelder werden typischerweise ausgebildet, um Leitungen für drei Fluide (Wasserstoff, Luft und Kühlmittel) anzupassen. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere nützlich, wenn ein Element komplexe Muster der Strömungsfeldkanäle 66, 86 aufweist (beispielsweise serpentinenartige Strömungsfeldmuster mit „U-Biegungen“ und Kurven). Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Wasseransammlung zu verringern und somit ein Verstopfen der Gasströmungsfeldkanäle 66, 86 zu verhindern.
Die vorliegende Erfindung ist auch auf andere leitende Elemente in einer Brennstoffzelle anwendbar, die mit Fluiden in Kontakt stehen, wie Anschlusskollektorendplatten ähnlich der beispielhaften, die in 4 gezeigt ist. Eine Anschlusskollektorendplatte 99 (wie 10 oder 12 von 1) besitzt ein elektrisch nicht leitendes Gebiet 100 wie auch ein elektrisch leitendes Gebiet 102. Die leitenden Gebiete 102 der Anschlussplatte 99 sind typischerweise von dem nichtleitenden Gebiet 100 durch Abdichtungselemente 33, 35 getrennt (1). Öffnungen 104 in dem nichtleitenden Gebiet 100 verlaufen durch den Körper oder das Substrat 128 der Anschlussplatte 99 und erlauben einen Fluidtransport (beispielsweise H2, O₂, Kühlmittel, Anoden- und Kathodenabfluss) sowohl in als auch aus dem Stapel während der Betriebsbedingungen. Die jeweilige Menge oder Abfolge der Öffnungen 104 ist nicht beschränkend und lediglich beispielhaft, wie hier beschrieben ist, da zahlreiche Konfigurationen möglich sind, wie dem Fachmann offensichtlich ist. Eine Bipolarplattenströmungsfeldkonstruktion kann die Konfigurationen der Einlass- und Auslassöffnung 104 wie auch der Fluidlieferanordnung bestimmen. Eine elektrisch leitende Kollektorlasche 120 kann an externen Leitungen befestigt sein, um das externe Sammeln von Strom von dem Stapel zu erleichtern.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Element oder eine Bipolarplatte, das/die ein Substrat mit einem darauf abgeschiedenen stromleitenden Polymer umfasst, und ein Verfahren zur Herstellung desselben vor. Die Bipolarplatte besitzt ein darin ausgebildetes Fluidströmungsfeld. Das stromleitende Polymer wird bevorzugt auf einem Gebiet der Oberfläche des Substrats durch einen Prozess einer elektrochemischen Polymerisierung oder Elektropolymerisierung abgeschieden. Alternative Prozesse umfassen Lösungsguss oder Siebdruck mit geeigneten Lösemitteln. Beispielsweise kann Polyanilin auf ein Substrat aus einer Xylenlösung gegossen werden.
Die Beschichtung reduziert eine Flüssigkeitsansammlung an dem Gebiet, wenn Fluid durch das Strömungsfeld strömt, im Vergleich zu einem nicht beschichteten Gebiet. Vorteilhafterweise kann die freie Oberflächenenergie der elektrobeschichteten Bipolarplatte durch Auswahl verschiedener Gegenionen in dem leitenden Polymer und verschiedener Abscheidungsbedingungen eingestellt werden. Soweit ist es gezeigt worden, dass die freie Oberflächenenergie der leitenden Polymerbeschichtung von 30 mN/m (30 dyn/cm) bis zu 72 mN/m (72 dyn/cm) variiert werden kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Bipolarplatte der Erfindung eine freie Oberflächenenergie von weniger als 70 mN/m (70 dyn/cm), bevorzugt weniger als 50 mN/m (50 dyn/cm). Am bevorzugtesten ist die Bipolarplatte mit einer freien Oberflächenenergie von weniger als 30 mN/m (30 dyn/cm) versehen, was in einer hydrophoben Oberfläche resultiert. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform besitzt die Bipolarplatte der Erfindung eine freie Oberflächenenergie von mehr als 50 mN/m (50 dyn/cm), bevorzugt mehr als 65 mN/m (65 dyn/cm). Am bevorzugtesten ist die Bipolarplatte mit einer freien Oberflächenenergie von mehr als 72 mN/m (72 dyn/cm) versehen, was in einer hydrophilen Oberfläche resultiert. Die freie Oberflächenenergie der Bipolarplatte der Erfindung hängt von den Eigenschaften der stromleitenden Polymerbeschichtung ab, wie nachfolgend weiter beschrieben ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die stromleitende Polymerbeschichtung auf die Bipolarplatte durch einen Prozess einer elektrochemischen Polymerisierung aufgebracht. Bei dem Verfahren der vorliegenden Ausführungsform wird ein leitendes Substrat als die Arbeitselektrode einer elektrochemischen Zelle verwendet, die zur Elektropolymerisierung verwendet wird. Das leitende Substrat oder die Arbeitselektrode wird in eine Lösung getaucht, die Monomere und Elektrolyt umfasst. Nach dem Tauchen des leitenden Substrats in die Lösung wird eine positive Spannung relativ zu der Gegenelektrode (Graphit oder Edelmetall) angelegt. Der Durchgang von Strom durch eine derartige Lösung wird durch chemische Änderungen an den Elektroden begleitet. Elektronen gehen an der Anode über Oxidationsreaktionen verloren, und Elektronen werden an der Kathode hinzugewonnen, an der Monomere reduziert werden. Somit wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein positives Potential an die Arbeitselektrode angelegt, und eine leitende Polymerbeschichtung wird darauf durch aufeinander folgende Anodenkopplung von radikalen Monomerkationen ausgebildet, wenn zusätzliche Elektronen übertragen werden. Bevorzugte Monomere umfassen Pyrrol und Anilin. In dem Fall des Reaktionsmechanismus für die Elektropolymerisierung von Pyrrol ergibt beispielsweise die anfängliche Reduktion von Pyrrol an der Kathode ein radikales Pyrrolkation, das schließlich mit einem Pyrrolmonomer an der Anode koppelt, um ein Dimer unter Ausschluss von zwei H⁺ zu bilden. Der Prozess wird wiederholt, wobei bei jedem zusätzlichen Schritt zwei e^- und zwei H⁺ betroffen sind, wobei zusätzliche radikale Pyrrolkationen Polypyrrol an den 2,5-Positionen bilden.
Die Gesamtausbildung der leitenden Polymerbeschichtung und von Oberflächeneigenschaften derselben sind Funktionen der Monomerkonzentration, der Elektrolytkonzentration und der Reaktionsbedingungen, wie beispielsweise der Dauer der Aufbringung, dem pH der Lösung und der angelegten Spannung. Es können dünne einteilige gleichförmige Filme erzeugt werden, wobei die Dicke durch die Menge an übertragener Ladung bestimmt ist. Während der Stromfluss die Geschwindigkeit der Polymerbildung bestimmt, legt die Gesamtmenge an übertragener Ladung die Menge an erzeugtem Polymer fest. Für eine regionale Oberflächenfilmbeschichtung, wie hier verwendet ist, bestimmt die Ladung die Gesamtdicke der Polymerschicht. Typischerweise sind die an den hydrophoben Oberflächen abgeschiedenen Filme kontinuierlich, während die Filme an den hydrophilen Oberflächen aus Partikeln bestehen (Kugeln für Polypyrrol; Stäbe für Polyanilin).
Die Ausbildung oder das Wachstum des Polymers auf dem Substrat hängt auch von dem elektrischen Charakter und von dem entsprechenden hydrophoben oder hydrophilen Verhalten des Polymers ab. Das Wachstum der Polymerschicht ist selbstbegrenzend, wenn das gewählte Polymer nichtleitend ist. Im Gegensatz dazu ist das Wachstum der Schicht unter Verwendung leitender Polymere abhängig von der Auswahl und den Elektropolymerisierungsbedingungen praktisch unbegrenzt.
Geeignete Monomere umfassen diejenigen, von denen bekannt ist, dass sie stromleitende Polymere bei Polymerisierung an einer Anode mit einer Spannung über dem Oxidationspotenzial des Monomers bilden. Nicht beschränkende Beispiele derartiger Monomere umfassen Pyrrol, Thiophen, Anilin, Furan, Azulen, Carbazol wie auch substituierte Derivate derselben. Substituierte Derivate umfassen 1-Methylpyrrol und verschiedene β-substituierte Pyrrole, Thiophene und Furane. Nicht beschränkende Beispiele von β-substituierten Thiophenen umfassen beispielsweise β-Alkylthiophen, β-Bromthiophen, β-CH₂CN-Thiophen und β,β'-Dibromthiophen. Ähnliche Substitutionen können an einem Furan- oder Pyrrolring vorgesehen werden. Ferner können verschiedene Alkyl-, Halo- und andere substituierte Azulene und Carbazole verwendet werden. Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen ein Monomer, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Pyrrol, Anilin, Copolymere und Mischungen daraus, die die elektropolymerisierte Beschichtung bilden. Geeignete Monomere oder Kombinationen sollten auf Grundlage des gewünschten Grads an hydrophoben oder hydrophilen Eigenschaften gewählt werden, die für die spezifische zu beschichtende Oberfläche erforderlich sind.
Wie oben beschrieben ist, wird die Bipolarplatte als die Arbeitselektrode oder Anode bei der Elektropolymerisierung eingerichtet. Es sind auch geeignete Gegenelektroden vorgesehen. Beispielsweise kann eine standardmäßige Kalomel-Referenzelektrode (SCE) nahe der Arbeitselektrode angeordnet werden. Die Bipolarplatte kann elektrisch mit einem Stromkollektor, wie einer Metallfolie, gekoppelt sein oder kann direkt in die Schaltung durch geeignete Klemmen, Leitungen oder andere Vorrichtungen geschaltet werden. Die Gegenelektroden und die Arbeitselektroden werden allgemein in dieselbe Elektrolytlösung getaucht, die ferner geeignete Konzentrationen von einem oder mehreren polymerisierbaren Monomeren enthält. Bei einem bevorzugten Verfahren der vorliegenden Erfindung steht ein Gebiet einer elektrisch leitenden Oberfläche des Elements oder der Arbeitselektrode mit der Elektrolytlösung, die das polymerisierbare Monomer enthält, in Kontakt. Ein positives Potential wird an das Element relativ zu der Gegenelektrode in Kontakt mit der Elektrolytlösung für eine Dauer angelegt, die ausreichend ist, um das Monomer entlang des/der gewählten Gebiets/e des Substrats zu elektropolymerisieren.
Im Allgemeinen kann ein breiter Bereich von Konzentration der polymerisierbaren Monomere abhängig von den Bedingungen der Polymerisierung und den gewünschten Eigenschaften der resultierenden Polymerbeschichtung gewählt werden. Es sei zu verstehen, dass die Geschwindigkeit der Polymerisierung und das Ausmaß der Integration des Polymers auf der Bipolarplattenoberfläche teilweise durch die Konzentration des Monomers in der Elektrolytlösung bestimmt werden. Geeignete Monomerkonzentrationen umfassen Konzentrationen zwischen etwa 0,01 M und der oberen Löslichkeitsgrenze des Monomers. Bei verschiedenen Ausführungsformen wird eine maximale Konzentration von etwa 1,5 M des polymerisierbaren Monomers verwendet. Bei verschiedenen anderen Ausführungsformen beträgt die Monomerkonzentration bevorzugt zumindest etwa 0,1 M, bevorzugter zumindest etwa 0,5 M oder liegt am bevorzugtesten im Bereich von etwa 0,5 M bis etwa 1,5 M.
Das Elektropolymerisierungsfach sollte ein geeignetes Niveau an Elektrolyt enthalten. Es kann eine breite Vielzahl von Kombinationen von Elektrolyten und Abscheidungsbedingungen verwendet werden, und die Konzentration des Elektrolyten in Lösung wird abhängig von den gewünschten Charakteristiken der Polymerbeschichtung gewählt. Bevorzugt wird die Elektrolytkonzentration so gewählt, dass der Ladungstransfer durch die Elektrolytlösung in der Zelle (mittels der Elektrolytmoleküle) nicht geschwindigkeitsbegrenzend ist. Wie bei den Monomeren kann die Konzentration des Elektrolyten im Bereich von etwa 0,01 M bis zu seiner Löslichkeitsgrenze in dem Lösemittel der Lösung liegen. Bevorzugte Elektrolyte werden in einem Bereich zwischen etwa 0,01 M und etwa 1,5 M, am bevorzugtesten zwischen etwa 0,1 M und etwa 1,0 M verwendet. Ein bevorzugtes Lösemittel ist Wasser.
Der Elektrolyt kann aus Molekülen oder Mischungen von Molekülen gewählt sein, die eine molekulare Ladung enthalten und Elektronen durch die Lösung zwischen den Elektroden führen können. Üblicherweise verwendete Elektrolyte umfassen Sulfonsäuren und Sulfonate, wie beispielsweise Camphersulfonsäure, para-Toluolsulfonsäure, Dodecylbenzolsulfonsäure, Schwefelsäure, Alizarinrot S-Monohydrat und deren Salze, insbesondere die Natriumsalze. Die Struktur und die Konzentration des Elektrolyts beeinflussen die freie Oberflächenenergie der beschichteten Bipolarplatte.
Die Film- oder Beschichtungsmorphologie hängt von der Beschaffenheit des gewählten Elektrolyten und von der kristallographischen Struktur der darunterliegenden Substratelektrode ab. Die Dicke der Beschichtung ist allgemein eine Funktion der Dauer des Elektropolymerisierungsprozesses. Andere Variablen in Verbindung mit der Morphologie und Dicke umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, die Geschwindigkeit und das Potential, das für die Abscheidung verwendet wird, die Anwesenheit von Anionen oder Polyanionen und oberflächenaktiven Stoffen, die Konzentration des gewählten Monomers und den pH der Gesamtmischung.
Das stromleitende Polymer wird auf der Anodenbipolarplatte dadurch abgeschieden, dass Strom durch das Polymerisierungsfach für eine ausreichende Zeitdauer geleitet wird, um eine ausreichende Menge an Monomer zu oxidieren, um zur Bildung des stromleitenden Polymers an der Bipolarplattenoberfläche zu reagieren. Die Reaktionszeit für die Abscheidung des Polymers hängt von vielen Faktoren ab, wie der Temperatur der Zelle, der Konzentration des Monomers und des Elektrolyten in der Elektrolytlösung, der Konfiguration der Zelle und dem gewünschten Ausmaß an Einschluss von Polymer an der Bipolarplatte. Typische Reaktionszeiten liegen im Bereich von wenigen Sekunden bis zu mehreren zehn Minuten. Bei verschiedenen Ausführungsformen wird ein relativ geringer Abscheidungsstrom bevorzugt, um eine geringe Polymerisierungsrate und eine homogene Beschichtung zu erreichen. Es ist gewöhnlich bevorzugt, Reaktionsparameter vorzusehen, so dass die Reaktionszeit für einen ökonomischen Betrieb des Prozesses in Einklang mit der Bildung einer homogenen leitenden Polymerbeschichtung auf der Bipolarplatte geeignet kurz ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden Zellenparameter und Reaktionsbedingungen gewählt, um für eine Reaktionszeit zwischen etwa 0,5 Minuten bis zu etwa 30 Minuten, bevorzugt von etwa 1 Minute bis zu 10 Minuten zu sorgen. Durch Variation der Parameter, wie beschrieben wurde, werden beschichtete Bipolarplatten mit Gebieten erzeugt, die eine gewünschte freie Oberflächenenergie aufweisen, die von 30 bis 72 mN/m (30 bis 72 dyn/cm) variieren werden kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Oberflächenenergie kleiner als 50 mN/m (50 dyn/cm). Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Oberflächenenergie kleiner als oder gleich 30 mN/m (30 dyn/cm).
Die Elektropolymerisierung wird ausgeführt, indem die Anode bei einer Spannung oberhalb des Oxidationspotentials des polymerisierbaren Monomers gehalten wird. Oberhalb dieser Spannung kann eine angelegte Spannung in Einklang mit der Reaktionszeit, der freien Oberflächenenergie, der Monomerkonzentration, der Elektrolytkonzentration, der Reaktionstemperatur und anderen Parametern gewählt werden. Als praktisches Beispiel sollte die angelegte Spannung kleiner als die Spannung sein, die das Wasser in der elektrochemischen Zelle hydrolysieren würde. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die angelegte Spannung im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 2,5 Volt (gegenüber der SCE-Referenzelektrode). Es können verschiedene Gegenelektroden verwendet werden, wie Platingewebe, Titangewebe und Graphitblöcke. Eine Elektropolymerisierung des Films oder der Beschichtung kann entweder durch zyklisches Wechseln des Potentials an den Elektroden oder alternativ durch Verwendung eines fixierten Potentials erzeugt werden.
Bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Prozess zum Herstellen des beschichteten Elements oder der Bipolarplatte vorgesehen. Bevorzugte Monomere für die Elektropolymerisierung umfassen Pyrrol und Anilin. Bei dieser Ausführungsform wird ein Polypyrrol, Polyanilin, Copolymer von Polypyrrol und Polyanilin auf der Oberfläche der Bipolarplatte abgeschieden. Allgemein wird auch eine kleine Menge an Elektrolyt in das elektroabgeschiedene leitende Polymer eingeschlossen, das dazu verwendet werden kann, die Leitfähigkeit der Polymerbeschichtung und die freie Oberflächenenergie des beschichteten stromleitenden Polymers zuzuschneiden. Beschichtete Gebiete einer Bipolarplatte, die durch den oben beschriebenen Prozess hergestellt werden, können eine geringere oder höhere freie Oberflächenenergie als nicht beschichtete Gebiete besitzen.
Bei einer anderen Ausführungsform wird die oben beschriebene beschichtete Bipolarplatte in einer Separatoranordnung in einer elektrochemischen Brennstoffzelle verwendet, die ein integriertes Wassermanagement vorsieht. Derartige Wassermanagementfunktionen umfassen: einen Transport von Wasser weg von den feuchten Bereichen der Kathodenseite der Brennstoffzelle, wo es als ein Produkt in der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle erzeugt wird; ein Verhindern eines Wasseraufbaus in Kurven oder Biegungen in dem Strömungsfeld durch Reduzierung einer Wasseransammlung; und ein vollständigerer interner Transport von Wasser an relativ trockene Bereiche entlang der Kathodenseite.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bilden die beschichteten Gebiete der Bipolarplatte einen leitenden Pfad zwischen der MEA und der Bipolarplatte und besitzen eine elektrische Leitfähigkeit zwischen etwa 50 mΩ-cm² und etwa 100 mΩ-cm² unter einer Kompressionskraft von etwa 1350 kPa oder größer. Bei einer anderen Ausführungsform ist die elektrische Leitfähigkeit unter einer ähnlichen Kompressionskraft kleiner als 50 mΩ-cm².
Die Auswahl des Aufbaumaterials für ein elektrisch leitendes Element in einer Brennstoffzelle, wie Bipolarplatten oder Anschlussplatten, umfasst ein Gewichten derartiger Parameter wie Gesamtdichte (Masse und Volumen), elektrischer Kontaktwiderstand des Substrats gemessen an der Oberfläche, Bahnleitfähigkeit und Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit. Somit umfassen die wichtigen Betrachtungen für ein elektrisches Element eine Oberflächen- und Bahneigenleitfähigkeit des Materials, um als ein elektrischer Stromkollektor zu funktionieren, während es die potentiell korrosiven Bedingungen, die in der Brennstoffzelle auftreten, aushalten muss. Es ist bevorzugt, dass Stromkollektoren gemäß der vorliegenden Erfindung ein leitendes Metall umfassen. Nicht beschränkende Beispiele von Metallen, die als ein Substrat verwendet werden könnten, umfassen Aluminium, Magnesium, Platin, rostfreien Stahl, Titan, eine Metalllegierung und Mischungen daraus. Alternativ dazu könnten gegebenenfalls auch gewählte leitende Polymerkomposite als ein Substratmaterial verwendet werden, vorausgesetzt, dass eine gute Anhaftung zwischen dem Komposit und dem gewählten stromleitenden Polymer existiert.
Rostfreie Stähle, die reich an Chrom (d.h. zumindest 16 Gew.-%), Nickel, d.h. zumindest 20 Gew.-%) und Molybdän (d.h. zumindest 3 Gew.-%) sind, sind besonders erwünschte Metalle zur Verwendung in einer Brennstoffzelle aufgrund ihrer relativ hohen elektrischen Bahnleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Es ist bevorzugt, dass die Oberfläche des Substrats 58, 60 rein und im Wesentlichen frei von Metalloxiden ist, die signifikant weniger elektrochemisch aktiv sind als das Basismetall. Mit „im Wesentlichen frei“ ist gemeint, dass jegliche Metalloxide, die vorhanden sind, in dem Ausmaß entfernt werden, bis sie eine vernachlässigbare Wirkung auf den Kontaktwiderstand und die Anhaftung der anschließenden Polymerbeschichtung 130 insbesondere in den Gebieten besitzen, in denen ein elektrischer Kontakt stattfindet, wie über den Stegen 64, 84, um den elektrischen Widerstand zu minimieren. Die Auswahl des geeigneten Reinigungsprozesses oder der geeigneten Abfolge von Reinigungsprozessen wird auf Grundlage sowohl der Beschaffenheit des Schmutzstoffes als auch des Metalls gewählt. Metalloxid an der Oberfläche des Substrats kann durch eine Vielzahl geeigneter Prozesse entfernt werden, die in der Technik bekannt sind, wie kathodisches elektrolytisches Reinigen, mechanisches Schleifen, Reinigen des Substrats mit alkalischen Reinigern und Ätzen mit sauren Lösemitteln oder Beizflüssigkeiten.
Dünne Platten aus rostfreiem Stahl können dazu verwendet werden, die volumetrische und Gewichtsleistungsdichte des Brennstoffzellenstapels zu verringern. Ferner besitzen Materialien aus rostfreiem Stahl eine relativ hohe Festigkeit, physikalische Haltbarkeit, Anhaftung an Schutzbeschichtungen und sind weniger teuer als viele andere leitende Metallalternativen. Jedoch erhöhen natürlich auftretende Oxidschichten an der Oberfläche unzulässig den elektrischen Kontaktwiderstand des Substrats, was bisher seine unabhängige Verwendung als ein elektrisches Kontaktelement oder als Stromkollektor verhindert hat. Ferner sind viele andere relativ leichte Metalle anfällig für korrosiven Angriff (beispielsweise Aluminium und Titan). In einer H₂-O₂/Luft-PEM-Brennstoffzellenumgebung stehen die Bipolarplatten und anderen Kontaktelemente (beispielsweise Endplatten) in ständigem Kontakt mit stark sauren Lösungen (pH 3-5), die F-, SO₄ ^2-, SO₃ ^-, HSO₄ ^-, CO₃ ^2- und HCO₃ ^-, etc. enthalten. 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 superatmosphärischem Wasserstoff ausgesetzt. Daher müssen aus Metall hergestellte Kontaktelemente beständig gegenüber Säuren, Oxidation wie auch Wasserstoffversprödung in der Brennstoffzellenumgebung sein. Somit besteht ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung darin, dass die stromleitende Polymerbeschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die an den Bipolarplatten und Endplatten verwendet wird, korrosions- und oxidationsbeständig wie auch elektrisch leitend ist, um die Leistungsabgabe und Lebensdauer der Brennstoffzelle zu unterstützen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine stromleitende Polymerbeschichtung 130 (Bezug nehmend allgemein auf die 1 bis 3 und 5 und 6) entlang zumindest einem Gebiet der Oberfläche 59, 61 der Bipolarplatte 56 elektrochemisch abgeschieden. Bei einem Verfahren der Erfindung wird die gesamte Arbeitsfläche 59, 61 der Bipolarplatte 58, 60 mit einem Polymer beschichtet. Bei einer alternativen Ausführungsform wird eine Vielzahl diskreter Gebiete beschichtet. Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen entsprechen die diskreten Gebiete den Strömungsfeldnuten 66 entlang der Kathodenseite des Elements, die für Flüssigkeitsansammlung anfällig sind. Die Vielzahl beschichteter Gebiete kann dasselbe stromleitende Polymer umfassen oder kann verschiedene Polymere in verschiedenen Bereichen/Gebieten umfassen. Durch Verwendung verschiedener Polymere kann die freie Oberflächenenergie der Beschichtung dazu verwendet werden, die relative Hydrophobie der beschichteten Gebiete der Oberfläche 59, 61 zu modifizieren. Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen wird eine erste Beschichtung, die eine erste freie Oberflächenenergie aufweist, an einem ersten Gebiet abgeschieden und eine zweite Beschichtung, die eine zweite freie Oberflächenenergie aufweist, an einem zweiten Gebiet abgeschieden, wobei die erste freie Oberflächenenergie größer als die zweite freie Oberflächenenergie ist.
Die Beschichtung 130 besitzt eine gradientenartige oder ungleichförmige freie Oberflächenenergie entlang zumindest einem des einen oder der mehreren beschichteten Gebiete. Ein beschichtetes Gebiet erstreckt sich von einem Einlass 73 zu einem Auslass 75 eines Strömungsfeldes (2). Die Strömungsfeldkanäle 66 besitzen eine größere Hydrophobie an den Einlässen 73 im Vergleich zu den Auslässen 75, wodurch angesammeltes Wasser in Richtung des Auslasses gezogen und eine Wasseransammlung in den Strömungsfeldkanälen 66 verhindert wird. Ähnlicherweise kann ein hydrophiler Gradient entlang einer Kanallänge erzeugt werden, um Produktwasser in Richtung des Auslasses und aus dem Strömungsfeld herauszuziehen. Zusätzlich kann die Polymerbeschichtung 130 eine Vielzahl von Schichten (d.h. eine oder mehrere Schichten) umfassen. Mit anderen Worten kann diese stromleitende Beschichtung auch auf eine vorher existierende leitende Beschichtung, bereits auf die Bipolarplatte aufgebracht werden. Dies könnte ein Mittel zum weiteren Schutz bestimmter Teile der Platte vor der rauen Brennstoffzellenumgebung vorsehen. Die stromleitende Beschichtung wird auf bestimmte Bereiche der Platte aufgebracht, um ein Wassermanagement weiter zu steigern. Die verbleibenden Bereiche würden nicht die zusätzliche stromleitende Beschichtung aufweisen, wären jedoch durch die bereits existierende Beschichtung dennoch leitend.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann eine Dicke einer Beschichtung 130 im Bereich von etwa 2 bis etwa 200 µm liegen. Wie vorher beschrieben wurde, kann die Beschichtung 130 eine oder mehrere Schichten umfassen, um diese Dicke zu erreichen. Die Beschichtung 130 kann auf einem ersten Gebiet mit einer ersten Dicke und auf einem zweiten Gebiet mit einer zweiten Dicke abgeschieden werden. Die Dicke der Beschichtung 130 sollte so gewählt sein, um die gewünschte freie Oberflächenenergie beizubehalten, während der Brennstoffzelle kein zusätzliches Material und Gewicht hinzugefügt wird.
Da die Elektropolymerisierung allgemein nur an leitenden Oberflächen auftritt, sind bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gewählte Gebiete 133 der Oberfläche 59, 61 des leitenden Substratelements maskiert. Die Polymerbeschichtung 130 wird somit nur auf die gewünschten, nicht maskierten Bereiche 131 aufgebracht, während die Gebiete 132, die unter der Maskierung 134 liegen, unbeschichtet bleiben. Bei einem bevorzugten Verfahren der Erfindung werden bestimmte gewählte Gebiete, wie die Stege 64, 84, vor dem Elektropolymerisierungsprozess mit elektrisch isolierendem Material 134 maskiert, wie in 6 gezeigt ist. Der Fachmann kann erkennen, dass verschiedene Abschnitte des leitenden Substrats (beispielsweise Bipolarplatte 56) vor dem Elektropolymerisierungsprozess maskiert werden können. Zusätzlich können verschiedene Iterationen der Maskierung und Elektropolymerisierung -- jeweils mit einem anderen Polymer vorgesehen sein. Es kann eine beliebige Anzahl verschiedener Kombinationen von Polymerbeschichtungen 130 auf verschiedenen Bereichen des Elements 56 erreicht werden und daher kann eine Vielzahl verschiedener Oberflächeneigenschaften erzeugt werden.
Wie vorher beschrieben wurde, sieht ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stromleitende Polymerbeschichtungen mit verschiedenen freien Oberflächenenergien an einem oder mehreren Gebieten eines Substrats vor, die dazu dienen, ein Verstopfen der Kanäle mit Flüssigkeiten entlang der beschichteten Gebiete zu reduzieren und zu verhindern. Ein anderer nützlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung erlaubt, dass variable Oberflächenenergien verwendet werden können, um eine Kapillarwirkung in den Kanälen zu bewirken, wodurch Produktwasser von den Einlässen zu den Auslässen gezogen wird. Die Einlassgebiete können mit relativ hydrophoberen Charakteristiken ausgebildet sein, während die Auslassgebiete relativ weniger hydrophob sind. Umgekehrt können die Einlassgebiete relativ weniger hydrophil ausgebildet sein, während die Auslassgebiete hydrophiler sind.
Ein anderes Verfahren zum Variieren der freien Oberflächenenergie dieser stromleitenden Polymerbeschichtungen mit einem einzelnen Substrat besteht darin, das Substrat (Bipolarplatten) langsam aus dem Plattierbad zu ziehen und die Abscheidungsbedingungen (beispielsweise Spannung) demgemäß während des Elektropolymerisierungsprozesses zu ändern.
Zusätzlich erlaubt eine hydrophobe Beschichtung an einer Oberfläche mit einer entsprechend verringerten Oberflächenenergie, dass nur kleine Tropfen an den Kanalwänden verbleiben - größere Tropfen, die wachsen, werden leicht abgeschert. Derartige kleinere Tröpfchen erzeugen weniger Strömungswiderstand in den Kanälen und werden leichter aus einem festen Zustand nach Abschaltbedingungen aufgetaut, wenn die Brennstoffzelle unter Gefriertemperaturen abgeschaltet wird. Zusätzlich geht von kleineren gefrorenen Tröpfchen von Flüssigkeit weniger Gefahr aus, während der Verfestigung bei Ausdehnung in der Brennstoffzelle Schaden zu bewirken.

Claims

Elektrisch leitendes Element (56) mit: einer Oberfläche (59, 61), die ein Strömungsfeld mit einem Einlass (73) und einem Auslass (75) definiert, wobei das Strömungsfeld derart aufgebaut und angeordnet ist, damit Reaktandengas von dem Eingang (72) zu dem Ausgang (74) strömt, wobei zumindest ein Gebiet der Oberfläche (59, 61) eine elektrisch leitende Beschichtung (130) aufweist, wobei die elektrisch leitende Beschichtung (130) sich von dem Einlass (73) zu dem Auslass (75) erstreckt und ein elektrisch leitendes Polymer umfasst, und wobei die elektrisch leitende Beschichtung (130) eine Hydrophobie aufweist, die an dem Einlass (73) größer als an dem Auslass (75) ist.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Abschnitt der Beschichtung (130) hydrophil ist.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung (130) über der gesamten Oberfläche des Elements liegt.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung (130) eine Vielzahl von Schichten umfasst.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, wobei eine Dicke der Beschichtung (130) zwischen 2 bis 200 µm liegt.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, wobei eine Dicke der Beschichtung (130) über das Gebiet hinweg gleichförmig ist.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, wobei eine Dicke der Beschichtung (130) über das Gebiet hinweg ungleichförmig ist.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitende Polymer aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Polyanilin, Polypyrrol und Copolymere von Polyanilin und Polypyrrol.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, wobei das Element ein Material umfasst, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Aluminium, Magnesium, Platin, rostfreien Stahl, Titan, Polymerkomposite und Mischungen daraus.
Elektrisch leitendes Element nach Anspruch 1, wobei das beschichtete Gebiet der Oberfläche korrosionsbeständig ist.
Brennstoffzelle mit einer Membranelektrodenanordnung (MEA) (4, 6), wobei die Brennstoffzelle umfasst: ein impermeables elektrisch leitendes Element (8) mit einer Oberfläche, die zu der MEA weist und ein Strömungsfeld definiert, wobei die Oberfläche für eine Ansammlung von durch die MEA erzeugter Flüssigkeit anfällig ist und wobei das Strömungsfeld einen Einlass (73) und einen Auslass (75) aufweist, und eine elektrisch leitende Polymerbeschichtung (130), die über zumindest einem Gebiet der Oberfläche (59, 61) liegt, wobei die elektrisch leitende Polymerbeschichtung (130) eine Flüssigkeitsansammmlung an dem Gebiet im Vergleich zu einer benachbarten nicht beschichteten Oberfläche reduziert, wobei die elektrisch leitende Polymerbeschichtung (130) sich von dem Einlass (73) zu dem Auslass (75) erstreckt und eine Hydrophobie aufweist, die an dem Einlass (73) größer als an dem Auslass (75) ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei das Gebiet eine Vielzahl von Gebieten umfasst und das Strömungsfeld eine Vielzahl von Stegen (64) umfasst, die mit einer Vielzahl von Nuten (66) durchsetzt sind, wobei die beschichteten Gebiete den Nuten (66) entsprechen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei die elektrisch leitende Polymerbeschichtung (130) ein Polymer umfasst, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Polyanilin, Polypyrrol und Copolymere von Polyanilin und Polypyrrol.
Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei das elektrisch leitende Element ein Material umfasst, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Aluminium, Magnesium, Platin, rostfreien Stahl, Titan, Polymerkomposite und Mischungen daraus.
Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei eine Dicke der Polymerbeschichtung entlang des Gebietes gleichförmig ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei eine Dicke der Polymerbeschichtung kleiner als 200 µm ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei die Oberfläche des Elements benachbart einer Kathodenseite der MEA angeordnet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei zumindest ein Abschnitt der elektrisch leitenden Polymerbeschichtung (130) hydrophil ist.
Verfahren zum Herstellen eines elektrisch leitenden Elements einer elektrochemischen Brennstoffzelle, wobei das Verfahren umfasst, dass eine elektrisch leitende Polymerbeschichtung (130) an zumindest einem Gebiet einer elektrisch leitenden Oberfläche (59, 61) des elektrisch leitenden Elements abgeschieden wird, wobei die elektrisch leitende Oberfläche (59, 61) ein Strömungsfeld mit einem Einlass (73) und einem Auslass (75) definiert, wobei das Strömungsfeld derart aufgebaut und angeordnet ist, damit Reaktandengas von dem Eingang (72) zu dem Ausgang (74) strömt, wobei die elektrisch leitende Polymerbeschichtung (130) sich von dem Einlass (73) zu dem Auslass (75) erstreckt, und wobei die elektrisch leitende Polymerbeschichtung (130) eine Hydrophobie aufweist, die an dem Einlass (73) größer als an dem Auslass (75) ist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Abscheiden einen Lösungsgiessprozess umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Abscheiden einen Elektropolymerisierungsprozess umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei während des Abscheidens das Element als eine Arbeitselektrode dient.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Abscheiden umfasst, dass die Arbeitselektrode mit einer elektrolytischen Lösung in Kontakt gebracht wird, die ein oder mehrere Monomere und ein oder mehrere Elektrolyte umfasst, und ein positives Potential an die Arbeitselektrode angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei eine Dicke der Polymerbeschichtung mit einer Dauer der Abscheidung in Verbindung steht.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei vor dem Abscheiden ein oder mehrere weitere Gebiete des Elements mit einem elektrisch isolierenden Material maskiert werden.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei der eine oder die mehreren Elektrolyte der Lösung aus der Gruppe gewählt sind, die umfasst: Sulfat, Benzen und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das eine oder die mehreren Monomere der Lösung aus der Gruppe gewählt sind, die umfasst: Polyanilin, Polypyrrol und Copolymere von Polyanilin und Polypyrrol.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Polymerbeschichtung (130) entlang des zumindest einen Gebiets auf eine gleichförmige Dicke abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Polymerbeschichtung (130) entlang des zumindest einen Gebiets auf eine ungleichförmige Dicke abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Beschichten umfasst, dass das Potential zyklisch gewechselt wird.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Potential im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 2,5 Volt liegt.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Potential für eine Dauer von weniger als etwa einer Minute angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Abscheiden umfasst, dass: das zumindest eine Gebiet einer elektrisch leitenden Oberfläche (59, 61) mit einer elektrolytischen Lösung in Kontakt gebracht wird, die ein elektrisch leitendes Monomer umfasst; und ein erstes Potential an das Element und ein zweites und entgegengesetztes Potential an eine Gegenelektrode in Kontakt mit der elektrolytischen Lösung für eine Dauer angelegt werden, die ausreichend ist, um das Monomer entlang des zumindest einen Gebiets zu elektropolymerisieren, wodurch die elektrisch leitende Polymerbeschichtung (130) auf dem zumindest einen Gebiet gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 21, ferner umfassend, dass eine Rauheit der Polymerbeschichtung durch Einstellen des während des Elektropolymerisierungsprozesses angelegten Stromes gesteuert wird.