DE112006000613T5

DE112006000613T5 - Metalloxidbasierte hydrophile Beschichtungen für Bipolarplatten für PEM-Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE112006000613T5
Application number: DE112006000613T
Authority: DE
Inventors: Gayatri Rochester Hills Vyas; H. Abd Elhamid Grosse Pointe Woods Mahmoud; Thomas A. Trabold; Keith E. Newman; Richard H. Macomb Township Blunk; Youssef M. Sterling Heights Mikhail; Reena L. Datta
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2006-01-23
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2026-01-24
Also published as: US20060216571A1; DE112006000613B4; CN101496193A; WO2006104542A2; JP2008535160A; WO2006104542A3; CN101496193B

Abstract

Brennstoffzelle mit einer Strömungsfeldplatte, die aus einem leitenden Plattenmaterial besteht, wobei die Strömungsfeldplatte eine Vielzahl von Strömungskanälen aufweist, die durch Stege getrennt sind, wobei die Strömungskanäle auf ein Reaktandengas ansprechen, wobei die Strömungsfeldplatte ferner eine äußere Metalloxidschicht aufweist, die die Strömungsfeldplatte hydrophil macht.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein Bipolarplatten für Brennstoffzellen und insbesondere eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, die eine auf der Platte abgeschiedene Metalloxidschicht aufweist, die die Platte hydrophil macht.
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 Leistungsquelle 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 gelan gen 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 beispielsweise 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 aufgebracht. 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 wie auch 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 Luftströmung 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 Stapelneben produkt 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. Auf der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodengas an die Anodenseite der MEA strömen kann. Auf der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodengas an die Kathodenseite der MEA strömen kann. Die Bipolarplatten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
Die Bipolarplatten bestehen typischerweise aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl, Titan, Aluminium, polymeren Kohlenstoffkompositen, etc., so dass sie die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität von einer Zelle zu der nächsten Zelle und aus dem Stapel heraus leiten. Aus Metall bestehende Bipolarplatten erzeugen typischerweise ein natürliches Oxid an ihrer Außenfläche, das diese gegenüber Korrosion beständig macht. Jedoch ist die Oxidschicht nicht leitend und erhöht somit den Innenwiderstand der Brennstoffzelle, wodurch ihre elektrische Leistungsfähigkeit reduziert wird. Auch macht die Oxidschicht die Platte hydrophober.
Die U.S. Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2003/0228512 , die auf den Anmelder dieser Anmeldung übertragen wurde und hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist, offenbart einen Prozess zum Abscheiden einer leitenden Außenschicht auf einer Strömungsfeldplatte, die verhin dert, dass die Platte oxidiert und ihren ohmschen Kontakt erhöht. Das U.S. Patent Nr. 6,372,376 , das ebenfalls auf den Anmelder dieser Anmeldung übertragen wurde, offenbart ein Abscheiden einer elektrisch leitenden, oxidationsbeständigen und säurebeständigen Beschichtung auf einer Strömungsfeldplatte. Die U.S. Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2004/0091768 , die auch auf den Anmelder dieser Anmeldung übertragen wurde, offenbart ein Abscheiden einer Graphit- und Ruß-Beschichtung 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 Anforderungen nach niedriger Zellenleistung, typischerweise unter 0,2 A/cm², kann sich Wasser in den Strömungskanälen ansammeln, da die Strömungsgeschwindigkeit 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 weiter ausbreiten. Der Kontaktwinkel der Wassertröpfchen liegt allgemein bei etwa 90°, da die Tröpfchen sich in den Strömungskanälen im Wesentlichen rechtwinklig zu der Strömung des Reaktandengases bilden. Wenn die Größe der Tröpfchen zunimmt, wird der Strömungskanal geschlossen, und das Reaktandengas wird an andere Strömungskanäle umgelenkt, da die Kanäle parallel zwischen gemeinsamen Einlass- und Auslassverteilern verlaufen. Da das Reaktandengas nicht durch einen Kanal strömen kann, der mit Wasser blockiert ist, kann das Reaktandengas das Wasser nicht aus dem Kanal hinaus treiben. Diejenigen Bereiche der Membran, die kein Reaktandengas auf grund des blockierten Kanals erhalten, erzeugen keine Elektrizität, was in einer nicht homogenen Stromverteilung wie auch einer Reduzierung des Gesamtwirkungsgrades der Brennstoffzelle resultiert. Wenn mehr und mehr Strömungskanäle durch Wasser blockiert werden, nimmt die Elektrizität, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, 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 ausfällt, der gesamte Brennstoffzellenstapel ausfallen.
Gewöhnlich ist es möglich, das angesammelte Wasser in den Strömungskanälen dadurch zu spülen, dass das Reaktandengas periodisch durch die Strömungskanäle mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit 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, wie beispielsweise verringerte Wirtschaftlichkeit, verringerter Systemwirkungsgrad und erhöhte 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 Langzeitbeständigkeit der Membran begrenzen könnte.
Von den vorliegenden Erfindern ist vorgeschlagen worden, Bipolarplatten für eine Brennstoffzelle hydrophil zu machen, um einen Kanalwassertransport zu verbessern. Eine hydrophile Platte bewirkt, dass Wasser in den Kanälen einen dünnen Film bildet, der eine geringere Neigung zur Änderung der Strömungsverteilung entlang der Gruppierung von Kanälen besitzt, die mit den gemeinsamen Einlass- und Auslasssammelleitungen verbunden sind. Wenn das Plattenmaterial ausreichend benetzbar ist, tritt der Wassertransport durch die Diffusionsmedien in Kontakt mit den Kanalwänden und wird dann durch Kapillarkraft in die unteren Ecken des Kanals entlang seiner Länge transportiert. Die physikalischen Anforderungen, um eine spontane Benetzung in den Ecken eines Strömungskanals zu unterstützen, werden durch die Concus-Finn-Bedingung beschrieben: β + α/2 < 90°, wobei β der statische Kontaktwinkel ist und α der Kanaleckenwinkel ist. Für einen rechtwinkligen Kanal gilt α/2 = 45°, was bestimmt, dass eine spontane Benetzung auftritt, wenn der statische Kontaktwinkel kleiner als 45° ist. Für die grob rechtwinkligen Kanäle, die in gegenwärtigen Brennstoffzellenstapelkonstruktionen mit Komposit-Bipolarplatten verwendet werden, setzt dies eine ungefähre obere Grenze hinsichtlich des Kontaktwinkels, der erforderlich ist, um die nützlichen Effekte hydrophiler Plattenoberflächen auf den Kanalwassertransport und eine Niedriglaststabilität zu verwirklichen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist eine Strömungsfeldplatte oder Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle offenbart, die eine Metalloxidbeschichtung aufweist, die die Platte hydrophil macht. Geeignete Metalloxide umfassen zumindest eines aus SiO₂, HfO₂, ZrO₂, Al₂O₃, SnO₂, Ta₂O₅, Nb₂O₅, MoO₂, IrO₂, RuO₂, metastabilen Oxynitriden, nichtstöchio metrischen Metalloxiden, Oxynitriden und Mischungen daraus. Bei einer Ausführungsform ist die Metalloxidbeschichtung ein sehr dünner Film, so dass die leitenden Eigenschaften des Strömungsfeldplattenmaterials zulassen, dass Elektrizität geeignet von Brennstoffzelle zu Brennstoffzelle geleitet wird. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Metalloxidbeschichtung mit einem leitenden Oxid kombiniert, um sowohl die Hydrophilie als auch die Leitfähigkeit vorzusehen. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Metalloxidbeschichtung als Inseln auf der Strömungsfeldplatte abgeschieden, so dass die Strömungsfeldplatte zwischen den Inseln frei liegt, um zu ermöglichen, dass Elektrizität durch die Brennstoffzelle geleitet wird. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind Stege zwischen den Strömungskanälen poliert, um die Metalloxidschicht zu entfernen und die Strömungsfeldplatte freizulegen, so dass die Strömungskanäle hydrophil sind und die Stege in der Lage sind, Elektrizität durch die Brennstoffzelle zu leiten. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Strömungsfeldplatte mit Aluminiumoxid gestrahlt, so dass eingebettete Aluminiumoxidpartikel und eine aufgeraute Oberfläche der Platte die Hydrophilie vorsehen und die Platte geeignet leitend bleibt.
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 Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel, die Bipolarplatten aufweist, die eine Metalloxidschicht besitzen, um die Platte hydrophil zu machen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine weggebrochene Schnittansicht einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, die eine Metalloxidschicht aufweist, die durch Inseln des Metalloxids, die durch offenen Bereiche getrennt sind, definiert ist, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine weggebrochene Schnittansicht einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, die eine Metalloxidschicht aufweist, wobei die Metalloxidschicht an den Stegen zwischen den Strömungskanälen in der Platte entfernt worden ist, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine weggebrochene Schnittansicht einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei eine Außenschicht der Platte mit Aluminiumoxid gestrahlt worden ist, um die Oberfläche der Platte strukturierter zu machen und eingebettetes Aluminiumoxid vorzusehen, um die Platte hydrophil zu machen, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
5 ist eine Draufsicht eines Systems zum Abscheiden der verschiedenen Schichten auf den Bipolarplatten der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf Bipolarplatten für eine Brennstoffzelle gerichtet ist, die eine äußere Metalloxidschicht aufweisen, die die Bipolarplatte hydrophil macht, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
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. Auf der Kathodenseite 12 ist eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 20 vorgesehen, und eine kathodenseitige Katalysatorschicht 22 ist zwischen der Membran 16 und der Diffusionsmediumschicht 20 vorgesehen. Ähnlicherweise ist auf der Anodenseite 14 eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht 24 vorgesehen, und eine anodenseitige Katalysatorschicht 26 ist zwischen der Membran 16 und der Diffusionsmediumschicht 24 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 der MEA und einen Wassertransport von der MEA sorgen. Im Stand der Technik sind verschiedene Vorgehensweisen 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 hindurch ausbreiten, wobei sie elektrochemisch mit dem Sauerstoff in 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 bzw. gestanzt und miteinander verschweißt sind. Die Tafel 36 definiert die Strömungskanäle 32, und die Tafel 34 definiert Strömungskanäle 38 für die Anodenseite einer zu der Brennstoffzelle 10 benachbarten Brennstoffzelle. Zwischen den Tafeln 34 und 36 sind Kühlfluidströmungskanäle 40 vorgesehen, wie gezeigt ist. Ähnlicherweise 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. Bei den hier beschriebenen Ausführungsformen bestehen die Tafeln 34, 36, 42 und 44 aus einem elektrisch leitenden Material, wie rostfreiem Stahl, Titan, Aluminium, polymeren Kohlenstoffkompositen, etc.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Bipolarplatten 18 und 30 mit einer Metalloxidschicht 50 bzw. 52 beschichtet, die die Platten 18 und 30 hydrophil machen. Die Hydrophilie der Schichten 50 und 52 bewirkt, dass das Wasser in den Strömungskanälen 28 und 32 einen Film anstatt von Wassertröpfchen bildet, so dass das Wasser die Strömungskanäle nicht signifikant blockiert. Insbesondere verringert die Hydrophilie der Schichten 50 und 52 den Kontaktwinkel von Wasser, das sich in den Strömungskanälen 32, 38, 28 und 46 ansammelt, bevorzugt unter 40°, so dass das Reaktandengas auch bei niedrigen Lasten in der Lage ist, durch die Kanäle 28 und 32 zu strömen. Geeignete Metalloxide für die Schichten 50 und 52 umfassen beispielsweise Siliziumdioxid (SiO₂), Hafniumdioxid (HfO₂), Zirkondioxid (ZrO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zinnoxid (SnO₂), Tantalpentoxid (Ta₂O₅), Niobpentoxid (Nb₂O₅), Molybdändioxid (MoO₂), Iridi umdioxid (IrO₂), Rutheniumdioxid (RuO₂), metastabile Oxynitride, nicht stöchiometrische Metalloxide, Oxynitride und Mischungen daraus. Bei einer Ausführungsform sind die Schichten 50 und 52 Dünnfilme, beispielsweise im Bereich von 5-50 nm, so dass die Leitfähigkeit der Tafeln 34, 36, 42 und 44 immer noch zulässt, dass die Elektrizität effektiv aus der Brennstoffzelle 10 gekoppelt wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Metalloxid in den Schichten 50 und 52 mit einem leitenden Oxid, wie Rutheniumoxid kombiniert, das die Leitfähigkeit der Schichten 50 und 52 erhöht. 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, wodurch gewisse Haltbarkeitsprobleme in dem Stapel angesprochen werden.
Bevor die Schichten 50 und 52 an den Bipolarplatten 18 und 30 abgeschieden werden, werden die Bipolarplatten 18 und 30 durch einen geeigneten Prozess gereinigt, wie beispielsweise Ionenstrahlsputtern, um den Widerstandsoxidfilm auf der Außenseite der Platten 18 und 30, der sich gebildet haben kann, zu entfernen. Das Metalloxidmaterial kann an den Bipolarplatten 18 und 30 durch eine beliebige geeignete Technik abgeschieden werden, wie beispielsweise Prozesse mit physikalischer Dampfphasenabscheidung, Prozesse mit chemischer Dampfphasenabscheidung (CVD), Prozesse zum thermischen Spritzen und Sol-Gel. Geeignete Beispiele von Prozessen mit physikalischer Dampfphasenabscheidung umfassen eine Elektronenstrahlverdunstung, Magnetronsputtern und Prozesse mit gepulstem Plasma. Geeignete Prozesse mit chemischer Dampfphasenabscheidung umfassen Abscheidungsprozesse mit plasmaunterstützter CVD und Atomlagenabscheidungsprozesse. CVD-Abscheidungsprozesse können für die Dünnfilmschichten 50 und 52 geeigneter sein.
2 ist eine weggebrochene Schnittansicht einer Bipolarplatte 60, die Reaktandengasströmungskanäle 62 und Stege 64 dazwischen aufweist, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Bipolarplatte 60 ist als Ersatz für die Bipolarplatte 18 oder 30 in der Brennstoffzelle 10 anwendbar. Bei dieser Ausführungsform wird eine Metalloxidschicht als zufällige Inseln 68 auf der Platte 60 abgeschieden, so dass das leitende Material der Platte 60 an Bereichen 70 zwischen den Inseln 68 frei liegt. Die Metalloxidinseln 68 sehen die gewünschte Hydrophilie der Platte 60 vor, und die freiliegenden Bereiche 70 sehen die gewünschte Leitfähigkeit der Platte 60 vor. Bei dieser Ausführungsform können die Inseln 68 am besten durch einen Prozess zur physikalischen Dampfphasenabscheidung abgeschieden werden, wie Elektronenstrahlverdunstung, Magnetronsputtern oder Prozesse mit gepulstem Plasma. Bei einer Ausführungsform werden die Inseln 68 bis zu einer Dicke zwischen 50-100 nm abgeschieden.
3 ist eine weggebrochene Schnittansicht einer Bipolarplatte 72, die Reaktandengasströmungskanäle 74 und Stege 76 dazwischen aufweist, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform wird eine Metalloxidschicht 78 auf der Bipolarplatte 72 abgeschieden. Die Schicht 78 wird dann über den Stegen 76 durch einen beliebigen geeigneten Prozess, wie Polieren oder Schleifen, entfernt, um das leitende Material der Platte 72 an den Stegen 76 freizulegen. Daher weisen die Strömungskanäle 74 die hydrophile Beschichtung auf, und die Stege 76 sind leitend, so dass Elektrizität aus einer Brennstoffzelle geleitet wird. Bei dieser Ausführungsform kann die Schicht 78 dicker abgeschieden werden, als bei den oben beschriebenen Ausfüh rungsformen, wie 100 nm bis 1 μ, da die Platte 72 in den Kanälen 74 weniger leitend sein kann.
4 ist eine weggebrochene Schnittansicht einer Bipolarplatte 82, die Reaktandengasströmungskanäle 84 und Stege 86 aufweist, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist die Bipolarplatte 82 mit einem Metalloxid, wie Aluminiumoxid (Al₂O₃) gestrahlt worden, so dass Partikel 88 des Aluminiumoxids in einer Außenfläche 90 der Bipolarplatte 82 eingebettet sind. Das Strahlen der Aluminiumoxidpartikel sieht ein hydrophiles Material an der Oberfläche 90 der Bipolarplatte 82 vor und erhöht die Rauheit der Oberfläche 90 der Bipolarplatte 82, wodurch die Hydrophilie der Platte 82 weiter gesteigert wird. Ferner wird, da die Partikel in der Oberfläche 90 der Platte 82 eingebettet sind, die Leitfähigkeit der Platte 80 an der Außenfläche 90 signifikant beibehalten, so dass Elektrizität aus der Brennstoffzelle geleitet wird.
5 ist eine Draufsicht eines Systems 100 zur Abscheidung der verschiedenen Schichten auf den oben beschriebenen Bipolarplatten. Das System 100 ist dazu bestimmt, beliebige der oben erwähnten Techniken darzustellen, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Strahlen, Prozesse mit physikalischer Dampfphasenabscheidung, Prozesse mit chemischer Dampfphasenabscheidung, Prozesse mit thermischem Spritzen und Sol-Gel. In dem System 100 erhitzt eine Elektronenkanone 102 ein Material 104, wodurch das Material 104 verdampft und auf einem Substrat 106, das die Bipolarplatte darstellt, abgeschieden wird, um eine Beschichtung 108 darauf zu bilden. Bei einem anderen Prozess weist das System 100 eine Ionenkanone 110 auf, die einen Ionenstrahl zu einer Sputteroberfläche 112 lenkt, die Material freigibt, wie ein Metalloxid, um die Beschichtung 108 abzuscheiden.
Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer derartigen Diskussion und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.
Zusammenfassung
Strömungsfeldplatte für eine Brennstoffzelle, die eine Metalloxidbeschichtung aufweist, die die Platte hydrophil macht. Bei einer Ausführungsform ist die Metalloxidbeschichtung ein dünner Film, der die leitenden Eigenschaften der Strömungsfeldplatte beibehält. Das Metalloxid kann mit einem leitenden Oxid kombiniert sein. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird die Metalloxidbeschichtung als Inseln auf der Strömungsfeldplatte abgeschieden, so dass die Strömungsfeldplatte zwischen den Inseln frei liegt. Gemäß einer anderen Ausführungsform sind Stege zwischen den Strömungskanälen poliert, um die Metalloxidschicht zu entfernen und die Strömungsfeldplatte freizulegen. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Strömungsfeldplatte mit Aluminiumoxid gestrahlt, so dass eingebettete Aluminiumoxidpartikel und die aufgeraute Oberfläche der Platte die Hydrophilie vorsehen.

Claims

Brennstoffzelle mit einer Strömungsfeldplatte, die aus einem leitenden Plattenmaterial besteht, wobei die Strömungsfeldplatte eine Vielzahl von Strömungskanälen aufweist, die durch Stege getrennt sind, wobei die Strömungskanäle auf ein Reaktandengas ansprechen, wobei die Strömungsfeldplatte ferner eine äußere Metalloxidschicht aufweist, die die Strömungsfeldplatte hydrophil macht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Plattenmaterial zumindest eines aus rostfreiem Stahl, Titan, Aluminium, Legierungen daraus und einem auf Polymerkohlenstoffkomposit basierenden Material umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Metalloxid zumindest eines aus SiO₂, HfO₂, ZrO₂, Al₂O₃, SnO₂, Ta₂O₅, Nb₂O₅, MoO₂, IrO₂, RuO₂, metastabilen Oxynitriden, nichtstöchiometrischen Metalloxiden, Oxynitriden und Mischungen daraus umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Metalloxidschicht ein Dünnfilm mit einer Dicke im Bereich von 5 bis 50 nm ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Metalloxidschicht eine aufgebrochene Schicht ist, die Inseln des Metalloxids mit dazwischen liegenden Bereichen von freiliegendem Plattenmaterial definiert.
Brennstoffzelle nach Anspruch 5, wobei die Inseln eine Dicke im Bereich von 50-100 nm aufweisen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Metalloxidschicht von den Stegen entfernt worden ist, um das Plattenmaterial an den Stegen freizulegen, so dass nur die Strömungskanäle die Metalloxidschicht aufweisen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Metalloxidschicht eine eingebettete Schicht ist, die Partikel des Metalloxids aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei das Metalloxid Aluminiumoxid ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei die eingebettete Schicht eine strukturierte Außenfläche der Strömungsfeldplatte erzeugt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Metalloxid mit einem leitenden Oxid gemischt ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei das leitende Oxid Rutheniumoxid ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Metalloxidschicht auf der Strömungsfeldplatte durch einen Prozess abgeschieden ist, der aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: einen Elektronenstrahlverdunstungsprozess, Magnetronsputtern, einen Prozess mit gepulstem Plasma, eine plasmaunterstützte chemische Dampfphasenabscheidung, einen Atomlagenabscheidungsprozess, thermisches Spritzen und Sol-Gel.
Brennstoffzelle mit einer Strömungsfeldplatte, die aus einem leitenden Plattenmaterial besteht, wobei die Strömungsfeldplatte eine Vielzahl von Strömungskanälen aufweist, wobei die Strömungsfeldplatte eine eingebettete Schicht in einer Außenfläche der Strömungsfeldplatte aufweist, die die Platte hydrophil macht, wobei die eingebettete Schicht Partikel eines Metalloxids aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei das Metalloxid Aluminiumoxid ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei die eingebettete Schicht eine strukturierte Außenfläche der Strömungsfeldplatte erzeugt, die ihre Hydrophilie erhöht.
Verfahren zum Herstellen einer Strömungsfeldplatte für eine Brennstoffzelle, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine leitende Strömungsfeldplatte vorgesehen wird, die eine Vielzahl von Strömungskanälen aufweist, die durch Stege getrennt sind, wobei die Strömungskanäle auf ein Reaktandengas ansprechen; und eine äußere Metalloxidschicht auf der Platte abgeschieden wird, um die Strömungsfeldplatte hydrophil zu machen.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Abscheiden einer äußeren Metalloxidschicht umfasst, dass ein Metalloxid abgeschieden wird, das zumindest eines aus SiO₂, HfO₂, ZrO₂, Al₂O₃, SnO₂, Ta₂O₅, Nb₂O₅, MoO₂, IrO₂, RuO₂, metastabilen Oxynitriden, nichtstöchiometrischen Metalloxiden, Oxynitriden und Mischungen daraus umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Abscheiden einer äußeren Metalloxidschicht umfasst, dass eine Metalloxidschicht als ein Dünnfilm abgeschieden wird, der eine Dicke im Bereich von 5 bis 50 nm besitzt.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Abscheiden einer äußeren Metalloxidschicht umfasst, dass eine Metalloxidschicht als eine aufgebrochene Schicht abgeschieden wird, die Inseln des Metalloxids mit dazwischen liegenden Bereichen von freiliegendem Plattenmaterial definiert.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Abscheiden einer äußeren Metalloxidschicht umfasst, dass die Inseln bis zu einer Dicke im Bereich von 50-100 nm abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend, dass die Metalloxidschicht von den Stegen entfernt wird, um das Plattenmaterial an den Stegen freizulegen, so dass nur die Strömungskanäle die Metalloxidschicht aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Abscheiden einer äußeren Metalloxidschicht umfasst, dass Partikel des Metalloxids in eine obere Fläche der Platte gestrahlt werden.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Abscheiden einer äußeren Metalloxidschicht umfasst, dass das Metalloxid mit einem leitenden Oxid gemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das leitende Oxid Rutheniumoxid ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Abscheiden einer äußeren Metalloxidschicht umfasst, dass die Metalloxidschicht auf der Strömungsfeldplatte durch einen Prozess abgeschieden wird, der aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: einen Elektronenstrahlverdunstungsprozess, Magnetronsputtern, einen Prozess mit gepulstem Plasma, plasmaunterstützte chemische Dampfphasenabscheidung, einen Atomlagenabscheidungsprozess, thermisches Spritzen und Sol-Gel.