DE112006000345B4

DE112006000345B4 - Brennstoffzelle mit leitender hydrophiler Strömungsfeldplatte und deren Verwendung

Info

Publication number: DE112006000345B4
Application number: DE112006000345T
Authority: DE
Inventors: Gayatri Vyas; Thomas A. Trabold; Stephen William Gaarenstroom
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2006-01-23
Publication date: 2013-06-06
Anticipated expiration: 2026-01-24
Also published as: JP2008532243A; US8029943B2; WO2006093586A3; WO2006093586A2; DE112006000345T5; US20060194095A1; CN101160675B; JP4884401B2; CN101160675A

Abstract

Brennstoffzelle (10) mit einer Strömungsfeldplatte (80), die aus einem Plattenmaterial hergestellt ist, wobei die Strömungsfeldplatte (80) eine Vielzahl von Reaktandengasströmungskanälen aufweist, wobei die Strömungsfeldplatte (80) ferner zumindest eine Beschichtung (82) aufweist, die die Strömungsfeldplatte (80) sowohl hydrophil als auch leitend macht; dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Beschichtung (82) eine ursprünglich zwei Metalle umfassende Metallbeschichtung ist, die Nanoporen (84) aufweist, welche durch Entfernung eines der Metalle aus der Beschichtung entstanden sind.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie beispielsweise aus der US 2002/0187379 A1 bekannt geworden ist.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Ressourcen bei der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen als eine Energiequelle für Fahrzeuge auf. Derartige Fahrzeuge wären effizienter und würden weniger Emissionen erzeugen, als heutige Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren verwenden.
Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen.
Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Arbeit dient dazu, das Fahrzeug zu betreiben.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran auf, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel auf, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb. Diese Bedingungen umfassen ein richtiges Wassermanagement und eine richtige Befeuchtung sowie eine Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie Kohlenmonoxid (CO).
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Für den oben erwähnten Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel kann der Stapel etwa zweihundert Bipolarplatten aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodenreaktandengas, typischerweise eine Strömung aus Luft auf, die durch den Stapel über einen Kompressor getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffreaktandengas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Der Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von Strömungsfeld- oder Bipolarplatten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind. Die Bipolarplatten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodengas an die Anodenseite der MEA strömen kann. An der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodengas an die Kathodenseite der MEA strömen kann. Die Bipolarplatten enthalten auch Strömungskanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.
Die Bipolarplatten bestehen typischerweise aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl, Titan, Aluminium, polymeren Kohlenstoff-Compositen, so dass sie die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität von einer Zelle zu der nächsten Zelle und aus dem Stapel heraus leiten. Metall-Bipolarplatten erzeugen typischerweise ein natürliches Oxid an ihrer Außenfläche, das diese beständig gegenüber Korrosion macht. Jedoch ist die Oxidschicht nicht leitend und erhöht somit den Innenwiderstand der Brennstoffzelle, wodurch ihre elektrische Leistungsfähigkeit verringert wird. Auch macht die Oxidschicht die Platte hydrophober.
Die U.S. Patentanmeldung US 2003/0228512 A1, die auf den Anmelder dieser Anmeldung übertragen und hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist, offenbart einen Prozess zum Abscheiden einer leitenden Außenschicht auf einer Strömungsfeldplatte, die verhindert, dass die Platte oxidiert und ihren ohmschen Kontakt erhöht. Das U.S. Patent US 6,372,376 B1 , das ebenfalls auf den Anmelder dieser Anmeldung übertragen ist, offenbart, dass eine elektrisch leitende, oxidationsbeständige und säurebeständige Beschichtung auf einer Strömungsfeldplatte abgeschieden wird. Die U.S. Patentanmeldung US 2004/0091768 A1, die ebenfalls auf den Anmelder dieser Anmeldung übertragen ist, offenbart ein Abscheiden einer Graphit- und Rußbeschichtung auf einer Strömungsfeldplatte, um die Strömungsfeldplatte korrosionsbeständig, elektrisch leitend und thermisch leitend zu machen.
Wie es in der Technik gut bekannt ist, müssen die Membrane in einer Brennstoffzelle eine gewisse relative Feuchte besitzen, so dass der Innenwiderstand über die Membran niedrig genug ist, um effektiv Protonen zu leiten. Im Betrieb der Brennstoffzelle kann Feuchtigkeit von den MEAs und externer Befeuchtung in die Anoden- und Kathodenströmungskanäle eintreten. Bei niedrigen Zellenleistungsanforderungen, typischerweise unter 0,2 A/cm2, sammelt sich das Wasser in den Strömungskanälen an, da der Durchfluss des Reaktandengases zu gering ist, um das Wasser aus den Kanälen zu treiben. Wenn sich das Wasser ansammelt, bildet es Tröpfchen, die sich aufgrund der hydrophoben Beschaffenheit des Plattenmaterials zunehmend ausdehnen. Der Kontaktwinkel der Wassertröpfchen liegt allgemein bei etwa 90°, da die Tröpfchenform in den Strömungskanälen im Wesentlichen rechtwinklig zu der Strömung des Reaktandengases angeordnet ist. Wenn die Größe der Tröpfchen zunimmt, wird der Strömungskanal geschlossen und das Reaktandengas an andere Strömungskanäle umgelenkt, da die Kanäle zwischen gemeinsamen Einlass- und Auslassverteilern parallel verlaufen. Da das Reaktandengas nicht durch einen mit Wasser blockierten Kanal strömen kann, kann das Reaktandengas das Wasser nicht aus dem Kanal treiben. Diejenigen Bereiche der Membran, die kein Reaktandengas aufgrund einer Blockierung des Kanals aufnehmen, erzeugen keine Elektrizität, was in einer nicht homogenen Stromverteilung und einer Reduzierung des Gesamtwirkungsgrades der Brennstoffzelle resultiert. Wenn mehr und mehr Strömungskanäle durch Wasser blockiert werden, nimmt die von der Brennstoffzelle erzeugte Elektrizität ab, wobei ein Zellenspannungspotential von weniger als 200 mV als ein Zellenausfall betrachtet wird. Da die Brennstoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, kann, wenn eine der Brennstoffzellen funktionsunfähig wird, der gesamte Brennstoffzellenstapel funktionsunfähig werden.
Es ist gewöhnlich möglich, das angesammelte Wasser in den Strömungskanälen dadurch zu spülen, dass das Reaktandengas periodisch durch die Strömungskanäle mit einem höheren Durchfluss getrieben wird. Jedoch erhöht dies auf der Anodenseite die parasitäre Leistung, die an den Luftkompressor angelegt wird, wodurch der Gesamtsystemwirkungsgrad reduziert wird. Überdies existieren viele Gründe, den Wasserstoffbrennstoff nicht als ein Spülgas zu verwenden, einschließlich einer reduzierten Wirtschaftlichkeit, einem reduzierten Systemwirkungsgrad und einer erhöhten Systemkomplexität zur Behandlung erhöhter Konzentrationen von Wasserstoff in dem Abgasstrom.
Eine Reduzierung von angesammeltem Wasser in den Kanälen kann auch durch Reduzierung einer Einlassbefeuchtung erreicht werden. Jedoch ist es erwünscht, eine gewisse relative Feuchte in den Anoden- und Kathodenreaktandengasen vorzusehen, so dass die Membran in den Brennstoffzellen hydratisiert bleibt. Ein trockenes Einlassgas besitzt einen Trocknungseffekt auf die Membran, der den Innenwiderstand der Zelle erhöhen und die Langzeithaltbarkeit der Membran begrenzen könnte.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist eine Strömungsfeldplatte oder Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle offenbart, die die Merkamle des Anspruchs 1 aufweist. Erfindungsgemäß ist eine Metallschicht auf der Platte so abgeschieden, dass sie Nanoporen besitzt, die die Hydrophilie vorsehen.
Die Beschichtungen können auf der Bipolarplatte durch einen beliebigen geeigneten Prozess zur physikalischen Abscheidung, Prozess zur chemischen Dampfphasenabscheidung (CVD), einem thermischen Spritzen oder durch Sol-Gel abgeschieden werden. Beispiele von Prozessen zur physikalischen Dampfphasenabscheidung umfassen Elektronenstrahlverdampfung, Magnetronsputtern und Prozesse mit gepulstem Plasma. Beispiele von Prozessen zur chemischen Dampfphasenabscheidung umfassen Prozesse zur plasmaunterstützten CVD oder Atomschichtabscheidungsprozesse.
Zusätzliche Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht einer nicht vom Anspruch 1 erfassten Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel, der Bipolarplatten aufweist, die eine oder mehrere Beschichtungen besitzen, die die Platte leitender und hydrophiler machen;
2 ist eine weggebrochene Schnittansicht einer nicht vom Anspruch 1 erfassten Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, die eine gleichzeitig abgeschiedene leitende und Metalloxidbeschichtung aufweist;
3 ist eine weggebrochene Schnittansicht einer nicht vom Anspruch 1 erfassten Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, die eine untere leitende Schicht und eine obere Metalloxidschicht aufweist;
4 ist eine weggebrochene Schnittansicht einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, die eine Metallschicht aufweist, die zufällige Nanoporen darin besitzt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
5 ist eine Draufsicht eines Systems zum Abscheiden der Beschichtungen und Schichten für die Bipolarplatten der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle 10, die Teil eines Brennstoffzellenstapels des oben beschriebenen Typs ist. Die Brennstoffzelle 10 weist eine Kathodenseite 12 und eine Anodenseite 14 auf, die durch eine Elektrolytmembran 16 getrennt sind. An der Kathodenseite 12 ist eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 20 vorgesehen, und zwischen der Membran 16 und der Diffusionsmediumschicht 20 ist eine kathodenseitige Katalysatorschicht 22 vorgesehen. Gleichermaßen ist an der Anodenseite 14 eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht 24 vorgesehen, und zwischen der Membran 16 und der Diffusionsmediumschicht 24 ist eine anodenseitige Katalysatorschicht 26 vorgesehen. Die Katalysatorschichten 22 und 26 und die Membran 16 definieren eine MEA. Die Diffusionsmediumschichten 20 und 24 sind poröse Schichten, die für einen Eingangsgastransport zu und Wassertransport von der MEA sorgen. In der Technik sind verschiedene Techniken zum Abscheiden der Katalysatorschichten 22 und 26 auf den Diffusionsmediumschichten 20 bzw. 24 oder auf der Membran 16 bekannt.
Eine kathodenseitige Strömungsfeldplatte oder Bipolarplatte 18 ist an der Kathodenseite 12 vorgesehen, und eine anodenseitige Strömungsfeldplatte oder Bipolarplatte 30 ist an der Anodenseite 14 vorgesehen. Die Bipolarplatten 18 und 30 sind zwischen den Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel vorgesehen. Eine Wasserstoffreaktandengasströmung von den Strömungskanälen 28 in der Bipolarplatte 30 reagiert mit der Katalysatorschicht 26, um die Wasserstoffionen und die Elektronen aufzuspalten. Eine Luftströmung von den Strömungskanälen 32 in der Bipolarplatte 18 reagiert mit der Katalysatorschicht 22. Die Wasserstoffionen können sich durch die Membran 16 ausbreiten, an der sie elektrochemisch mit der Luftströmung und den zurückkehrenden Elektronen in der Katalysatorschicht 22 reagieren, um Wasser als ein Nebenprodukt zu erzeugen.
Bei dieser nicht beschränkenden Ausführungsform weist die Bipolarplatte 18 zwei Tafeln 34 und 36 auf, die geprägt/gestanzt und miteinander verschweißt sind. Die Tafel 36 definiert die Strömungskanäle 32, und die Tafel 34 definiert Strömungskanäle 38 für die Anodenseite einer der Brennstoffzelle 10 benachbarten Brennstoffzelle. Zwischen den Tafeln 34 und 36 sind Kühlfluidströmungskanäle 40 vorgesehen, wie gezeigt ist. Gleichermaßen weist die Bipolarplatte 30 eine Tafel 42, die die Strömungskanäle 28 definiert, eine Tafel 44, die Strömungskanäle 46 für die Kathodenseite einer benachbarten Brennstoffzelle definiert, und Kühlfluidströmungskanäle 48 auf.
Die Bipolarplatten 18 und 30 werden mit einer oder mehreren Schichten beschichtet, um diese leitender und hydrophiler zu machen. Dadurch, dass die Bipolarplatten 18 und 30 hydrophiler gemacht werden, wird der Kontaktwinkel des Wassers, das sich in den Strömungskanälen 28 und 32 bildet, bevorzugt unter 40° reduziert. Insbesondere bewirkt die Hydrophilie der Platten 18 und 30, dass das Wasser einen Film in den Strömungskanälen 28 und 32 anstatt von Wassertröpfchen bildet, so dass das Wasser den Strömungskanal nicht signifikant blockiert. Dadurch, dass die Bipolarplatten 18 und 30 leitender gemacht werden, werden der elektrische Kontaktwiderstand und die ohmschen Verluste in der Brennstoffzelle 10 reduziert, wodurch der Zellenwirkungsgrad erhöht wird. Auch kann eine Reduzierung der Kompressionskraft in dem Stapel vorgesehen werden, was gewisse Haltbarkeitsprobleme mit dem Stapel berücksichtigt.
Die 2, die eine nicht-erfindungsgemäße Ausführungsform zeigt, ist eine weggebrochene Schnittansicht einer Bipolarplatte 50, die zwei Tafeln 52 und 54, Strömungskanäle 58 und Stege 60 aufweist. Die Bipolarplatte 50 weist eine poröse Beschichtung 56 auf, die auf der Außenfläche der Platte 50 abgeschieden ist, so dass beide Tafeln 52 und 54 bedeckt sind. Bei dieser nicht-erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Beschichtung 56 eine gleichzeitig abgeschiedene Beschichtung, die aus zwei Bestandteilen besteht und einen niedrigen Kontaktwiderstand und eine Hydrophilie zur Niedriglaststabilität vorsieht. Beispielsweise kann ein Metall in der Beschichtung 56 ein beliebiges geeignetes Metall mit niedrigem Widerstand für die hier beschriebenen Zwecke sein, wie Gold. Beispiele geeigneter hydrophiler Materialien für die Beschichtung 56 umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, verschiedene Metalloxide, wie Siliziumdioxid (SiO₂), Hafniumdioxid (HfO₂), Zirkoniumdioxid (ZrO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zinndioxid (SnO₂), Tantalpentoxid (Ta₂O₅), Niobpentoxid (Nb₂O₅), Molybdändioxid (MoO₂), Iridiumdioxid (IrO₂), Rutheniumdioxid (RuO₂) und Mischungen daraus. Dadurch, dass die Mischung des Metalls mit hoher Leitfähigkeit und des hydrophilen Metalloxids vorgesehen wird, sehen die Kanäle 58 die gewünschte Hydrophilie der Platte 50 vor, so dass Wasser in den Strömungskanälen 58 einen Film und keine Pfropfen bildet, und sehen einen niedrigen ohmschen Kontakt an den Stegen 60 der Platte 50 vor, so dass diese einen guten elektrischen Kontakt mit der Diffusionsmediumschicht bilden.
Bevor die Beschichtung 56 auf der Bipolarplatte 50 abgeschieden wird, wird die Bipolarplatte 50 durch einen geeigneten Prozess, wie Ionenstrahlsputtern, gereinigt, um den Widerstandsoxidfilm auf der Außenseite der Platte 50, der sich gebildet haben kann, zu entfernen. Das Metalloxidmaterial kann auf der Bipolarplatte 50 durch eine beliebige geeignete Technik gleichzeitig abgeschieden werden, die beispielsweise Prozesse zur physikalischen Dampfphasenabscheidung, Prozesse zur chemischen Dampfphasenabscheidung, Prozesse zum thermischen Spritzen und Sol-Gel umfassen. Geeignete Beispiele von Prozessen zur physikalischen Dampfphasenabscheidung umfassen Elektronenstrahlverdampfung, Magnetronsputtern und Prozesse mit gepulstem Plasma. Geeignete Prozesse zur chemischen Dampfphasenabscheidung umfassen Prozesse zur plasmaunterstützten CVD und Atomschichtabscheidungsprozesse. Die US 2003/0228512 A1 offenbart einen Prozess zur ionenunterstützten physikalischen Dampfphasenabscheidung, der zur Abscheidung der Beschichtung geeignet ist.
Wie es in der Technik bekannt ist, wird Flusssäure (HF) als ein Ergebnis eines Abbaus des Perfluorsulfonionomers in der Membran 16 erzeugt. Die Flusssäure besitzt eine korrosive Wirkung auf die verschiedenen Beschichtungsmaterialien, die hier beschrieben sind, und ätzt auch den rostfreien Stahl oder ein anderes Metall der Bipolarplatten. Daher muss die Dicke der Beschichtung 56 ausreichend sein, um den durch die Fluoridionen in der Flusssäure bewirkten Abbau zugunsten der gewünschten Lebensdauer der Brennstoffzelle 10 zu beherrschen. Die Beschichtung 56 kann etwa 10 nm dick sein. Bestimmte der geeigneten Metalloxidmaterialien, wie ZrO₂ sind gegenüber Fluoridionen beständiger und sehen dennoch die gewünschte Hydrophilie vor, die in bestimmten Brennstoffzellenstapeln erstrebenswerter sein kann. Überdies wirkt ZrO₂ als ein Fänger für Fluoridionen, wodurch seine Haltbarkeit in Anwendungen, die rostfreien Stahl betreffen, weiter gesteigert wird.
Die 3, die eine nicht-erfindungsgemäße Ausführungsform zeigt, ist eine weggebrochene Schnittansicht einer Bipolarplatte 66, die Strömungskanäle 68 und Stege 70 aufweist und die in der Brennstoffzelle 10 verwendet werden kann. Bei dieser nicht-erfindungsgemäßen Ausführungsform sind das leitende Material und das Metalloxid nicht gleichzeitig als eine einzelne Schicht in einem einzelnen Prozessschritt abgeschieden, sondern sind in separaten Abscheidungsschritten als separate Schichten abgeschieden. Insbesondere weist die Bipolarplatte 66 eine leitende Schicht 72 aus einem leitenden Material, wie Gold, das in einem Prozess abgeschieden ist, und eine hydrophile Schicht 74 aus einem porösen Metalloxid, wie Siliziumdioxid auf, das in einem anderer Prozess abgeschieden ist. Die US 2003/0228512 A1 offenbart Prozesse zum Abscheiden einer Goldschicht auf einer Strömungsfeldplatte. Dies verringert den Kontaktwiderstand der Stege 70 weiter, während die gewünschte Hydrophilie der Kanäle 68 vorgesehen wird. Alternativ dazu kann die leitende Schicht 72 eine polymere organische Schicht sein, wie EBO23 und EBOO8, das von Acheson Colloids of Port Huron, Michigan, erhältlich ist und das einen Kohlenstoffbinder aufweist, der die gewünschte Leitfähigkeit vorsieht.
4 ist eine weggebrochene Schnittansicht einer Bipolarplatte 80, die in der Brennstoffzelle 10 verwendet werden kann, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform wird die Bipolarplatte 80 mit einer nanoporösen leitenden Schicht 82 beschichtet, die die Bipolarplatte 80 durch zufällige Nanoporen 84 freilegt. Dies kann dadurch gemacht werden, dass ein geeignetes Metall, wie Gold, mit einem anderen Metall, wie Silber, abgeschieden wird, wobei ein Ätzmittelmaterial verwendet wird, um das andere Material zu entfernen und damit die Nanoporen 84 zu definieren. Bei dieser Ausführungsform dienen die Nanoporen 84 in der Schicht 82 dazu, die Hydrophilie vorzusehen, indem eine hydrophile Oberflächenmorphologie vorgesehen wird, so dass die sekundäre Metalloxidschicht nicht erforderlich ist.
Wie oben erwähnt ist, ist Siliziumdioxid (SiO₂) ein gutes Material, um die gewünschte Hydrophilie vorzusehen. Gemäß einer anderen nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform wird dem Siliziumdioxid oder einem anderen Metalloxid ein Dotierion hinzugefügt, um eine geringe Fluoridlöslichkeit vorzusehen. Wenn das Siliziumdioxid durch die Flusssäure geätzt wird, reagieren die Dotierionen mit der Flusssäure, um ein unlösliches Fluorid zu bilden, das an einer Außenfläche der Beschichtung ausgebildet wird und die Ätzrate der Beschichtung reduziert. Geeignete Beispiele von Dotierionen umfassen Ca, Fe, Al, Ni, Sr, Mg, Pb, Sc, etc. Diese Dotierionen erzeugen die unlöslichen Fluoride, wie BaF₂, CaF₂, PbF₂, LiF, MgF₂, ScF₃ und SrF₂. Für diese Beispiele sind LIF Und BaF₂ die löslichsten Fluoride, und ScF₃ und SrF₂ sind die am wenigsten löslichen Fluoride. Die geringe Fluoridlöslichkeit bewirkt, dass die Metalloxidbeschichtung eine längere Lebensdauer in einer Brennstoffzelle aufweist, da das durch Flusssäure bewirkte Ätzen der Metalloxidbeschichtung aufgrund der Bildung unlöslicher Fluoridsalze auf der Oberfläche der Beschichtung reduziert ist.
Die Auswahl des Dotierelements und die Konzentration des Dotierelements sind typischerweise von der Stärke der Flusssäurekonzentration in dem Brennstoffzellenstapel und der gewünschten Lebensdauer der Beschichtung abhängig, bis diese durch die Säure vollständig weggeätzt worden ist.
Es ist nicht erwünscht, die Dotierionen zu verwenden, um das Ätzen der Oxidbeschichtung durch die Flusssäure vollständig zu beseitigen. Dies ist so, da Schmutzstoffe typischerweise an der Außenfläche der Beschichtung anhaften, wodurch ihre Hydrophilie reduziert wird. Eine maßvolle Ätzrate dient dazu, die hydrophoben Oberflächenschmutzstoffe zu entfernen und Schichten mit frischer, aktiver hydrophiler Oberfläche der Beschichtung freizulegen. Die Auswahl von Dotierelementen und die Konzentration in der Metalloxidbeschichtung sollten an die Stärke des Flusssäureätzens angepasst sein. Eine zu geringe Ätzrate kann zu einem Aufbau von hydrophoben Schmutzstoffen führen, und eine zu hohe Ätzrate kann bewirken, dass die Metalloxidbeschichtung vor dem Ende der Nutzlebensdauer des Brennstoffzellenstapels weggeätzt wird.
Bestimmte Dotierelemente können, wenn sie in der Metalloxidbeschichtung gelöst sind, in wässrigen Lösungen und in der benachbarten MEA eine hohe Mobilität aufweisen, was zu dem Binden von Ionen an die Säurestellen des Perfluorsulfonionomers in der Membran und zu einer Reduzierung des Zellenwirkungsgrades führt. Beispielsweise sind die Dotierionen Ca und Fe mobiler und binden stärker in dem Ionomer, als Al, Sc und Ni. Diese unerwünschte Bindungseigenschaft eines Dotierelements stellt ein anderes Auswahlkriterium zur Formulierung der am besten dotierten Metalloxidbeschichtung für eine bestimmte Bipolarplatte dar.
5 ist eine Draufsicht eines Systems 90 zum Abscheiden der verschiedenen Beschichtungen auf den Bipolarplatten, wie oben beschrieben ist. Das System 90 ist dazu bestimmt, beliebige der oben erwähnten Techniken zu repräsentieren, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Prozesse zur physikalischen Dampfphasenabscheidung, Prozesse zur chemischen Dampfphasenabscheidung, Prozesse mit thermischem Spritzen und Sol-Gel. Bei dem System 90 heizt eine Elektronenkanone 92 ein Material 94, wie Gold, das bewirkt, dass das Material verdampft und auf einem Substrat 96, das die Bipolarplatte darstellt, abgeschieden wird, um eine Beschichtung 98 darauf zu bilden. Bei einem anderen Prozess weist das System 90 eine Ionenkanone 100 auf, die einen Ionenstrahl auf eine Sputterfläche 102 lenkt, die Material, wie ein nicht erfindungsgemäßes Metalloxid, freisetzt, um die Beschichtung 98 abzuscheiden.

Claims

Brennstoffzelle (10) mit einer Strömungsfeldplatte (80), die aus einem Plattenmaterial hergestellt ist, wobei die Strömungsfeldplatte (80) eine Vielzahl von Reaktandengasströmungskanälen aufweist, wobei die Strömungsfeldplatte (80) ferner zumindest eine Beschichtung (82) aufweist, die die Strömungsfeldplatte (80) sowohl hydrophil als auch leitend macht; dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Beschichtung (82) eine ursprünglich zwei Metalle umfassende Metallbeschichtung ist, die Nanoporen (84) aufweist, welche durch Entfernung eines der Metalle aus der Beschichtung entstanden sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Plattenmaterial aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: rostfreien Stahl, Titan, Aluminium und ein Polymer-Kohlenstoff-Composit-basiertes Material.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung (82) 10 nm dick ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Beschichtung (82) auf der Strömungsfeldplatte (80) durch einen Prozess abgeschieden worden ist, der aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: einen Elektronenstrahlverdampfungsprozess, Magnetronsputtern, einen Prozess mit gepulstem Plasma, plasmaunterstützte chemische Dampfphasenabscheidung, einen Atomschichtabscheidungsprozess, thermisches Spritzen und Sol-Gel.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Strömungsfeldplatte (80) aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: anodenseitige Strömungsfeldplatten und kathodenseitige Strömungsfeldplatten.
Verwendung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1 als Teil eines Brennstoffzellenstapels an einem Fahrzeug.