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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft allgemein Bipolarplatten für Brennstoffzellen und insbesondere
eine Bipolarplatte für
eine Brennstoffzelle, die eine äußere Beschichtung
aufweist, die die Platte hydrophil macht und sich in der Anwesenheit
von Fluorwasserstoffsäure
zersetzt, um während
des Betriebs der Brennstoffzelle kontinuierlich eine reine hydrophile
Oberfläche
freizulegen.
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2. Beschreibung der verwandten
Technik
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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.
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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.
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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 katalysatorschadigender
Bestandteile, wie Kohlenmonoxid (CO).
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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 Stapelnebenprodukt enthalten kann.
Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffreaktandengas
auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
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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.
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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.
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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 verhindert, 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.
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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 das 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
aufgrund 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.
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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.
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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.
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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 + α2 < 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.
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Es
muss ein Konstruktionsproblem gelöst werden, wenn eine hydrophile
Beschichtung auf Bipolarplatten in Brennstoffzellen vorgesehen wird.
Da hydrophile Beschichtungen eine hohe Oberflächenenergie aufweisen, ziehen
sie Partikel und andere Schmutzstoffe an, die in die Brennstoffzelle
aus den gasförmigen
Brennstoff- und/oder Sauerstoffströmen, von Befeuchtern und einer
oberstromigen Verrohrung eintreten oder intern durch andere Komponenten,
wie die MEA, Diffusionsmedien, Dichtungen, Kompositplattenmaterialien,
etc. erzeugt werden. Eine Ansammlung dieser Schmutzstoffe auf der
Beschichtung reduziert mit der Zeit signifikant die Hydrophilie
der Beschichtung. Sogar wenn Vorkehrungen zu einer Steuerung der
Verschmutzung durch die Verwendung von Gasfilter- und Ultrareinkomponenten
getroffen sind, ist es unwahrscheinlich, dass keine Zersetzung einer
hydrophilen Beschichtung oder anderen Oberflächenbehandlung während der
angestrebten 6.000 Stunden Betriebszeit einer Brennstoffzelle auftritt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung ist eine Strömungsfeldplatte oder Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle
offenbart, die eine Außenschicht
aus Metalloxid oder anderem Material aufweist, die die Platte hydrophil
macht. Geeignete Metalloxide umfassen zumindest eines aus SiO2, HfO2, ZrO2, Al2O3,
SnO2, Ta2O5, Nb2O5,
MoO2, IrO2, RuO2, metastabilen Oxynitriden, nichtstöchiometrischen Metalloxiden,
Oxynitriden und Mischungen daraus. Das jeweilige Metalloxid und
die Dicke der Metalloxidschicht sind so gewählt, dass Fluorwasserstoffsäure, die
durch die Perfluorsulfonsäuremembran
in der Brennstoffzelle erzeugt wird, die Schicht mit einer gewünschten
Rate wegätzt,
so dass eine reine Oberfläche
der Schicht kontinuierlich freigelegt wird, die über die gesamte Lebensdauer
der Brennstoffzelle frei von Schmutzstoffen ist. Wenn die Brennstoffzelle keine
Perfluorsulfonsäuremembran
verwendet, dann kann eine separate Fluorwasserstoffsäurequelle
vorgesehen werden, die eine schwach aktive Lösung aus Fluorwasserstoffsäure in einen
oder beide der Reaktandengasströme
einspritzt.
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Zusätzliche
Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der
folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den
begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel,
die Bipolarplatten aufweist, die eine die Platte hydrophil machende
Außenschicht
besitzen, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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2 ist
eine Draufsicht eines Brennstoffzellensystems, das einen Brennstoffzellenstapel
und eine Quelle für
Fluorwasserstoffsäure
zum Ausgeben von Fluorwasserstoffsäure in einen Reaktandenstrom
des Brennstoffzellenstapels aufweist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
folgende Beschreibung der Ausführungsformen
der Erfindung ist auf eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle gerichtet,
die eine Beschichtung aufweist, die die Bipolarplatte hydrophil
macht, und die mit einer vorbestimmten Rate in der Fluorwasserstoffsäureumgebung
der Brennstoffzelle weggeätzt
wird.
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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 Perfluorsulfonsäuremembran 16 getrennt
sind. Auf der Katho denseite 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.
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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.
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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.
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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
Schichten 50 und 52 können auch aus von Metalloxid
abweichenden Materialien, die die Platten 18 und 30 hydrophil
machen, innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung ausgebildet
sein. 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
zu strömen.
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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),
Iridiumdioxid (IrO2), Rutheniumdioxid (RuO2), metastabile Oxynitride, nicht stöchiometrische
Metalloxide, Oxynitride und Mischungen daraus.
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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 Elektronenstrahlverdampfung, Magnetronsputtern
und Prozesse mit gepulstem Plasma. Geeignete Prozesse mit chemischer
Dampfphasenabscheidung umfassen Abscheidungsprozesse mit plasmaunterstützter CVD
und Atomlagenabscheidungsprozesse.
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Wie
es in der Technik bekannt ist, wird Fluorwasserstoffsäure (HF)
als Ergebnis einer Zersetzung des Perfluorsulfonionomers in der
Membran 16 während
des Betriebs der Brennstoffzelle erzeugt. Die Fluorwasserstoffsäure besitzt
eine korrosive Wirkung auf die verschiedenen Beschichtungsmaterialien,
die hier beschrieben sind, da sie die Metalloxidschichten 50 und 52 wegätzt. Das Ätzen der
Schichten 50 und 52 ist erwünscht, da während des Betriebs der Brennstoffzelle 10 kontinuierlich
eine reine Oberfläche
der Schichten 50 und 52, die frei von Schutzstoffen
ist, freigelegt wird. Daher wird die erwünschte Hydrophilie der Schichten 50 und 52 beibehalten.
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Die
Dicke der Schichten 50 und 52 muss ausreichend
sein, um die durch die Fluoridionen in der Fluorwasserstoffsäure bewirkte
Zersetzung über die
angestrebte Lebensdauer der Brennstoffzelle 10 im Griff
zu haben, ohne vollständig
weggeätzt
zu werden. Bei einer Ausführungsform
beträgt
die angestrebte Lebensdauer der Brennstoffzelle 10 etwa 6000
Stunden. Die erforderliche Dicke der Schichten 50 und 52 ist
von dem Schichtmaterial abhängig.
Mit anderen Worten müssen
die Schichten 50 und 52 für Materialien dicker sein,
die durch die Fluorwasserstoffsäure
schnell weggeätzt
werden, und die Schichten 50 und 52 können für Materialien
dünner
sein, die durch die Fluorwasserstoffsäure langsam weggeätzt werden.
Bei einer nicht beschränkenden
Ausführungsform
sind die Schichten 50 und 52 80–100 nm dick.
Bestimmte der geeigneten Metalloxidmaterialien, wie ZrO2,
sind gegenüber
den Fluoridionen beständiger
und sehen dennoch die gewünschte
Hydrophilie vor, was in bestimmten Brennstoffzellenstapeln erstrebenswerter
sein könnte. Überdies
wirkt ZrO2 als ein Finger von Fluoridionen,
wodurch ihre Haltbarkeit in Anwendungen, die rostfreien Stahl betreffen,
weiter verbessert wird.
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2 ist
ein Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems 54, das
einen Brennstoffzellenstapel 56 aufweist. Eine Wasserstoffquelle 58 liefert
einen Wasserstoffreaktandengaseingang auf einer Anodeneingangsleitung 60,
der an die Anodenseite der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 56 geliefert
wird. Ein Kompressor 62 liefert Druckluft auf einer kathodenseitigen
Eingangsleitung 64, die an die Kathodenseite der Brennstoffzellen
in dem Brennstoffzellenstapel 56 geliefert wird. Ein Befeuchter 66 befeuchtet
die Luft, bevor sie in den Brennstoffzellenstapel 56 eingeführt wird,
um eine erhöhte
Zellenmembranfeuchte vorzusehen. Bei dieser Ausführungsform besitzen die Brennstoffzellen
in dem Brennstoffzellenstapel 56 keine Perfluorsulfonsäuremembran,
sondern verwenden andere Typen von in der Technik bekannten Membranen,
wie die kohlenwasserstoffbasierte Membran. Daher erzeugen die Membrane
in dem Brennstoffzellenstapel 56 keine Fluorwasserstoffsäure, die
die Schichten 50 und 52 wegätzt, um die Hydrophilie der
Schichten 50 und 52 beizubehalten, wie oben beschrieben
ist. Gemäß dieser
Ausführungsform
der Erfindung ist eine Fluorwasserstoffsäurequelle 68 vorgesehen,
die eine gesteuerte Menge an schwach aktiver Fluorwasserstoffsäure an eine
oder beide der Reaktandengaseingangsleitungen 60 und 64 liefert.
Die Konzentration der Fluorwasserstoffsäure wird für die angestrebte Ätzrate der
Metalloxidschichten bestimmt, die auf dem Metalloxidmaterial und
der Dicke der Schichten basiert, wie oben beschrieben ist. Zusätzlich kann
die Fluorwasserstoffsäure
von der Quelle 68 an den Befeuchter 66 angelegt
werden.
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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.
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Zusammenfassung
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Strömungsfeldplatte
für eine
Brennstoffzelle, die eine Außenschicht
aus einem Metalloxid oder einem anderen Material aufweist, die die
Platte hydrophil macht. Das jeweilige Metalloxid und die Dicke der
Metalloxidschicht sind so gewählt,
dass von der Brennstoffzelle erzeugte Fluorwasserstoffsäure kontinuierlich
die Schicht mit einer vorbestimmten Rate wegätzt, so dass eine Oberfläche der
Schicht über die
gesamte Lebensdauer der Brennstoffzelle frei von Schmutzstoffen
ist. Wenn die Brennstoffzelle keine Perfluorsulfonsäuremembran
verwendet, dann kann eine separate Fluorwasserstoffsäurequelle
vorgesehen sein, die eine schwach aktive Lösung von Fluorwasserstoffsäure in einen
oder beide der Reaktandengasströme
einspritzt.