DE112005002778B4

DE112005002778B4 - Verfahren zur hydrophilen oberflächenmodifikation von bipolarplatten

Info

Publication number: DE112005002778B4
Application number: DE112005002778.3T
Authority: DE
Inventors: Mahmoud H. Abd Elhamid; Gayatri Vyas; Yang-Tse Cheng; Richard H. Blunk
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2005-10-18
Publication date: 2021-08-19
Anticipated expiration: 2025-10-19
Also published as: JP2008520079A; WO2006055146A3; US7709145B2; US20060105222A1; CN101057350A; DE112005002778T5; WO2006055146A2

Abstract

Es ist eine Bipolarplatte offenbart, die hydrophile Oberflächen aufweist. Die Bipolarplatte umfasst mehrere Oberflächen, die Kanäle aufweisen, die Kanaloberflächen besitzen. Eine hydrophile Beschichtung wird an den Oberflächen vorgesehen, um die Wassermanagementfahigkeiten einer Brennstoffzelle zu steigern.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren, um die Oberflächen von Bipolarplatten in einer Brennstoffzelle hydrophil zu machen, um die Benetzbarkeit der Platten zu erhöhen und Wassermanagementfähigkeiten der Brennstoffzelle zu steigern.
Hintergrund der Erfindung
In den letzten Jahren hat sich in großem Maße aufgrund des Brennstoffzellenwirkungsgrades ein starkes Interesse hinsichtlich der Brennstoffzellentechnologie entwickelt. Brennstoffzellen haben Wirkungsgrade in der Höhe von 55 % gezeigt. Ferner sind Brennstoffzellenenergieanlagen umweltfreundlich, wobei sie nur Wärme und Wasser als Nebenprodukte emittieren.
Ein PEM-(Polymerelektrolytmembran-)Brennstoffzellenstapel umfasst typischerweise eine zentrale Membranelektrodenanordnung (MEA), die schichtartig zwischen Gasdiffusionsmedien angeordnet ist. Die MEA und die Gasdiffusionsmedien sind zwischen einem Paar von Bipolarplatten schichtartig angeordnet. Die Bipolarplatten sind mit Strömungsfeldkanälen, die Reaktandengase zu und Produktgase von der MEA durch das Gasdiffusionsmedium leiten, wie auch mit Kühlmittelkanälen versehen, die Kühlmittel leiten. Die Gebiete der Bipolarplattenoberfläche zwischen den Kanälen sind als Stege bekannt und grenzen an das entsprechende Gasdiffusionsmedium an. Es ist gewünscht, dass die Oberflächen der Bipolarplatte, insbesondere der Bipolarplatte auf der Kathodenseite des Stapels, hydrophil sind, um ein optimales Wassermanagement innerhalb von PEM-Brennstoffzellenstapeln zu erleichtern.
Demgemäß sind Bipolarplatten, die hydrophile Beschichtungen aufweisen, und Verfahren, um die Oberflächen von Bipolarplatten hydrophil zu machen, erforderlich, um ein Wassermanagement in einem PEM-Brennstoffzellenstapel zu steigern.
Bipolarplatten mit hydrophilen Kanälen sind aus den Druckschriften DE 699 06 860 T2 , US 2004/0028 959 A1 und US 2004 / 0 081 879 A1 bekannt.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bereitstellen hydrophiler Oberflächen an einer Bipolarplatte umfasst die Schritte des Anspruchs 1 in der angegebenen Reihenfolge.
Figurenliste
Die Erfindung wird nun nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:

1 eine Schnittansicht einer Bipolarplatte, die eine hydrophile Beschichtung aufweist, gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
1A eine Querschnittsansicht teilweise im Schnitt einer Bipolarplatte ist, die eine leitende Beschichtung zeigt, die an den Stegoberflächen der Bipolarplatte nach einer Aufbringung der hydrophilen Beschichtung vorgesehen ist; und
2 eine Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels ist, der eine Bipolarplatte mit der hydrophilen Beschichtung der vorliegenden Erfindung aufweist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Bipolarplatten, die hydrophile Beschichtungen aufweisen. Bei einer Ausführungsform ist die hydrophile Beschichtung Siliziumdioxid. Bei einer anderen Ausführungsform ist die hydrophile Beschichtung Titanoxid. Bei einer noch weiteren Ausführungsform ist die hydrophile Beschichtung Siliziumdioxid und Titanoxid. Die hydrophile Beschichtung steigert die Benetzbarkeit der Kanaloberflächen der Bipolarplatte, wodurch das Wassermanagement, die Leistungsfähigkeit, die Haltbarkeit und der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle gesteigert werden.
Die Erfindung betrifft ferner Verfahren, um hydrophile Beschichtungen auf Bipolarplatten, insbesondere auf der Kathodenbipolarplatte eines Brennstoffzellenstapels vorzusehen. Die Verfahren umfassen, dass eine hydrophile Silizumdioxidbeschichtung auf Oberflächen, insbesondere den Kanaloberflächen der Bipolarplatte unter Verwendung eines einer Vielzahl von Verfahren aufgebracht wird, die beispielsweise umfassen: chemische Dampfphasenabscheidung, physikalische Dampfphasenabscheidung oder Plasmapolymerisierung. Die Verfahren umfassen ferner, dass eine hydrophile Titanoxidbeschichtung auf eine Bipolarplatte unter Verwendung eines einer Vielzahl von Verfahren aufgebracht wird, die beispielsweise umfassen: elektrochemische Verfahren, Sputterabscheidung, chemische Dampfphasenabscheidung oder reaktive Elektronenstrahlverdampfung. Die Verfahren umfassen ferner, dass sowohl eine hydrophile Siliziumdioxidbeschichtung als auch eine hydrophile Titanoxidbeschichtung auf die Bipolarplatte aufgebracht werden. Während der Aufbringung der Beschichtung auf die Bipolarplatte kann eine Maskierung verwendet werden, um die Stege der Bipolarplatte abzudecken und eine selektive Beschichtung der Kanaloberflächen der Platte zu erleichtern. Anschließend können die Stege mit einer dünnen Schicht aus Gold oder einer polymeren leitenden Kohlenstoffbeschichtung beschichtet werden. Solche Maskierungstechniken sind grundsätzlich bekannt, siehe hierzu beispielweise die US 2004/0 151 952 A1 .
Es ist gezeigt worden, dass Siliziumdioxid und Titanoxid hydrophile Eigenschaften besitzen, die die Leistungsfähigkeit von Bipolarplatten optimieren könnten. Die Ausbreitungsdrücke von Siliziumdioxid und Titanoxid bei 25 Grad C betragen 336 bzw. 300 dyn/cm². Diese hohen Werte für den Ausbreitungsdruck geben an, dass Siliziumdioxid und Titanoxid eine beträchtlich hohe Oberflächenenergie besitzen, die diese zu vielversprechenden Kandidaten für hydrophile Oberflächen auf Bipolarplatten macht.
Bezug nehmend auf 1 ist eine Bipolarplatte 32 mit hydrophilen Oberflächen gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Bipolarplatte 32 kann Metall, wie rostfreier Stahl; ein Kohlenstoffkomposit; oder ein beliebiges anderes Material sein, das zur Verwendung als eine Bipolarplatte in einer Brennstoffzelle geeignet ist. Die Bipolarplatte 32 ist typischerweise eine Kathodenbipolarplatte, die auf der Kathodenseite eines Brennstoffzellenstapels vorgesehen ist, wie nachfolgend weiter beschrieben ist. Die Kathodenbipolarplatte 32 umfasst mehrere Kanäle 34, die Sauerstoff zu und Austragsströme aus dem Brennstoffzellenstapel verteilen. Kühlmittelkanäle sind an der Rückseite dieser Platte (nicht gezeigt) vorgesehen. Stege 42, die Stegoberflächen 43 aufweisen, trennen die Kanäle 34 voneinander. Jeder Kanal 34 besitzt Kanaloberflächen 35.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine hydrophile Beschichtung 48 auf den Kanaloberflächen 35 der Kanäle 34 ausgebildet. Die hydrophile Beschichtung 48 kann Silizumdioxid, Titanoxid oder sowohl Siliziumdioxid als auch Titanoxid sein. Vor der Aufbringung der hydrophilen Beschichtung 48, wie nachfolgend beschrieben ist, wird eine Maskierung 44, die Maskierungsöffnungen 45 aufweist, typischerweise an den Stegoberflächen 43 der Stege 42 vorgesehen. Die Kanaloberflächen 35 der Kanäle 34 liegen durch die Maskierungsöffnungen 45 frei, während die Stegoberflächen 43 durch die Maskierung 44 bedeckt sind. Dies verhindert, dass die Stegoberflächen 43 mit dem nichtleitenden Oxid beschichtet werden.
Als nächstes Bezug nehmend auf 1A wird nach der Ausbildung der hydrophilen Beschichtung 48, die Siliziumdioxid, Titanoxid oder beides sein kann, auf den Kanaloberflächen 35 die Maskierung 44 von den Stegoberflächen 43 entfernt. Eine leitende Beschichtung 50 kann an den Stegoberflächen 43 ausgebildet werden, um die elektrische Leitfähigkeit der Stege 42 zu steigern. In dem Fall einer Kompositkohlenstoffbipolarplatte 32 braucht die leitende Beschichtung nicht vorhanden sein und die Platten können als solche verwendet werden. In dem Fall einer Bipolarplatte 32 aus rostfreiem Stahl ist die leitende Beschichtung 50 typischerweise eine dünne Schicht aus Au oder leitender Polymerbeschichtung. Daher erhöht die hydrophile Beschichtung 48 die Hydrophilie der Kanaloberflächen 35 ohne Beeinträchtigung der Beschichtungsleitfähigkeit der Stege 42.
Bei einer Ausführungsform wird die hydrophile Siliziumdioxidbeschichtung 48 an den Kanaloberflächen 35 unter Verwendung eines herkömmlichen Prozesses zur chemischen Dampfphasenabscheidung (CVD) oder Prozesses zur Atomschichtabscheidung (ALD) ausgebildet. Die Abscheidungstemperatur für die Kohlenstoffkompositbipolarplatte 32 beträgt typischerweise etwa 200 Grad C und beträgt für die Bipolarplatte 32 aus rostfreiem Stahl typischerweise etwa 350 Grad C. Vor dem Abscheidungsprozess wird die Bipolarplatte 32 typischerweise dadurch gereinigt, dass sie Strahlung im fernen UV ausgesetzt wird, die Ozon erzeugt und jegliche organische Kontamination von der Bipolarplatte 32 durch Oxidation entfernt. Jeder Zyklus des ALD-Prozesses umfasst eine Dosis an Trimethylaluminium (TMA), gefolgt durch eine Dosis an Tris-(tert-pentoxy)silanol. Die Dicke der hydrophilen Siliziumdioxidbeschichtung 48 beträgt typischerweise etwa 10 ~ 50 nm, und der Kontaktwinkel der Beschichtung 48 beträgt typischerweise etwa 10 ~ 14 Grad.
Bei einer anderen Ausführungsform wird die hydrophile Siliziumdioxidbeschichtung 48 an den Kanaloberflächen 35 durch physikalische Dampfphasenabscheidung (PVD) ausgebildet. Bei diesem Verfahren wird Magnetronsputtern verwendet, um die Beschichtung 48 bei einem Vorspannungspotenzial von typischerweise etwa 200 V in einer reaktiven Umgebung eines Plasmas einer O₂/Ar-Mischung und einem Kammerdruck von typischerweise etwa 2,5 x 10^-4 Torr abzuscheiden. Das bei dem Magnetronsputterprozess verwendete Target war 99 % reines Si. Es können Nachweis- bzw. Messabschnitte mit dem Bipolarplattensubstrat verwendet werden, um die Zusammensetzung und die Dicke der hydrophilen SiO₂-Beschichtung 48 zu erhalten. Es können hydrophile Beschichtungen 48 mit einer Dicke von typischerweise etwa 100 nm unter Verwendung dieses Verfahrens erhalten werden.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform wird die hydrophile Siliziumdioxidbeschichtung 48 durch Plasmapolymerisierung unter Verwendung einer Open-Air-Plasmatechnologie mit Luft als einem Zufuhrgas ausgebildet. Proben, die unter Verwendung dieses Prozesses erhalten wurden, sind hydrophil mit Kontaktwinkeln von typischerweise etwa 10 ~ 15 Grad.
Die hydrophile Titanoxidbeschichtung 48 kann an den Kanaloberflächen 35 unter Verwendung einer Technik zum galvanischen Beschichten (ECP) ausgebildet werden. Dieses Verfahren betrifft die Verwendung einer 0,5 M Schwefelsäurelösung mit einer Bipolarplatte 32 aus rostfreiem Stahl als der Kathode und Titanabschnitten als der Anode. Die Titanabschnitte werden für typischerweise etwa 10 Minuten bei einem angelegten Potenzial von typischerweise etwa 4, 6, 8, 10, 12, 14 bzw. 16 Volt anodisiert. Kontaktwinkelwerte für die hydrophile Beschichtung 48 sind typischerweise etwa 35 ~43. Alternative Verfahren, die dazu verwendet werden können, die hydrophile Titanoxidbeschichtung 48 an den Kanaloberflächen 35 auszubilden, umfassen Verfahren zur Sputterabscheidung, chemischen Dampfphasenabscheidung und reaktiven Elektronenstrahlverdampfung.
Als nächstes Bezug nehmend auf 2 ist ein Brennstoffzellenstapel 22 gezeigt, der die Bipolarplatte 32 aufweist, die die hydrophile Beschichtung 48 besitzt, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Der Brennstoffzellenstapel 22 umfasst eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 24, die eine Polymerelektrolytmembran (PEM) 30 aufweist, die zwischen einer Kathode 26 und einer Anode 28 schichtartig angeordnet ist. Ein Gasdiffusionsmedium 10 ist an der Kathode 26 angebracht oder grenzt an diese an, und ein Gasdiffusionsmedium 10a ist an der Anode 28 angebracht oder grenzt an diese an. Die Stege 42 der Bipolarplatte 32 grenzen an das Gasdiffusionsmedium 10 an, während Stege 42a einer Bipolarplatte 32a, die mehrere Kanäle 34a aufweist, an das Gasdiffusionsmedium 10a angrenzen. Obwohl es nicht gezeigt ist, kann eine hydrophile Beschichtung 48 an den Oberflächen der Kanäle 34a der Bipolarplatte 32a auf die gleiche Weise ausgebildet werden, wie zuvor in Bezug auf die Bipolarplatte 32 beschrieben wurde.
Während des Betriebs der Brennstoffzelle 22 strömt Wasserstoffgas 36 durch die Kanäle 34a der Bipolarplatte 32a und diffundiert durch das Substrat 10a an die Anode 28. Auf die gleiche Weise strömt Sauerstoff 38 durch die Kanäle 34 der Bipolarplatte 32 und diffundiert durch das Substrat 10 an die Kathode 26. An der Anode 28 wird der Wasserstoff 36 in Elektronen und Protonen aufgespalten. Die Elektronen werden als elektrischer Strom von der Anode 28 durch einen Antriebsmotor (nicht gezeigt) und dann an die Kathode 26 verteilt. Die Protonen wandern von der Anode 28 durch die PEM 30 an die Kathode 26. An der Kathode 26 werden die Protonen mit Elektronen, die von dem Antriebsmotor zurückkehren, und Sauerstoff 38 kombiniert, um Wasser 40 zu bilden. Das Wasser 40 diffundiert von der Kathode 26 durch das Substrat 10 in die Kanäle 34 der Bipolarplatte 32 und wird von dem Brennstoffzellenstapel 22 ausgetragen.
In dem Brennstoffzellenstapel 22 erfordert die Polymerelektrodenmembran 30 ein bestimmtes Niveau an Feuchte. Es tritt ein irreversibler Schaden an der Brennstoffzelle 22 auf, wenn die Membran 30 austrocknet. Daher ist die Beibehaltung der Feuchte in der Membran 30 durch ein Feuchte/Wassermanagement sehr wichtig für eine richtige Funktion der Brennstoffzelle 22. Demgemäß steigert die hydrophile Beschichtung 48 die Benetzbarkeit der Bipolarplattenkanaloberflächen 35 der Bipolarplatte 32, wodurch das Wassermanagement, die Leistungsfähigkeit, die Haltbarkeit wie auch der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels 22 gesteigert werden.
Für eine richtige Funktion einer Brennstoffzelle ist es erforderlich, dass das erzeugte Wasser keine Flutungsprobleme hervorruft. Eine Ansammlung von Wasser in den Kanälen 34 kann eine Massentransportbegrenzung aufgrund der beschränkten Löslichkeit von Sauerstoff in Wasser hervorrufen. Eine derartige Ansammlung kann bewirken, dass die Zelle aufgrund des Reaktandenmangels schlecht arbeitet, wodurch schließlich die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle beeinflusst wird.

Claims

Verfahren zum Bereitstellen hydrophiler Oberflächen an einer Bipolarplatte (32), wobei das Verfahren die folgenden, in der angegebenen Reihenfolge ausgeführten Schritte umfasst: (a) Bereitstellen einer Bipolarplatte (32), die eine Vielzahl von Kanälen (34), die Kanaloberflächen (35) aufweisen, und eine Vielzahl von Stegen (42) umfasst, die Stegoberflächen (43) aufweisen und die Vielzahl von Kanälen (34) trennen; gekennzeichnet durch: (b) Aufbringen einer Maskierung (44) auf die Stegoberflächen (43), wobei die Maskierung (44) Maskierungsöffnungen (45) aufweist, welche die Kanaloberflächen (35) der Kanäle (34) freilegen; (c) Ausbilden einer hydrophilen Beschichtung (48) auf den Kanaloberflächen (35), wobei die hydrophile Beschichtung (48) derart auf den Kanaloberflächen (35) ausgebildet wird, dass sie Randflächen (R) aufweist, die mit den Stegoberflächen (43) bündig sind; (d) Entfernen der Maskierung (44) von den Stegoberflächen (43); und (e) Ausbilden einer elektrisch leitenden Beschichtung (50) auf den Stegoberflächen (43), wobei die elektrisch leitende Beschichtung (50) derart ausgebildet wird, dass sie zugleich die mit den Stegoberflächen (43) bündigen Randflächen (R) der hydrophilen Beschichtung (48) bedeckt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die hydrophile Beschichtung (48) zumindest eines aus einer Siliziumdioxidbeschichtung und einer Titanoxidbeschichtung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die leitende Beschichtung (50) Gold umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die leitende Beschichtung (50) eine leitende polymere Beschichtung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die hydrophile Beschichtung (48) auf den Kanaloberflächen (35) unter Verwendung einer Technik ausgebildet wird, die aus der Gruppe gewählt ist, die Verfahren zur chemischen Dampfphasenabscheidung, zur physikalischen Dampfphasenabscheidung, zur Plasmapolymerisierung und elektrochemische Verfahren umfasst.