DE112006001185B4

DE112006001185B4 - Poröse, elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte für Brennstoffzellen, Verfahren zur Herstellung einer Fluidverteilungsplatte, und eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112006001185B4
Application number: DE112006001185.5T
Authority: DE
Inventors: Mahmoud H. Abd Elhamid; Feng Zhong; Richard H. Blunk; Youssef M. Mikhail; Gayatri Vyas; Daniel J. Lisi; Michael K. Budinski; Gerald W. Fly; Timothy J. Fuller; Brian K. Brady; Keith E. Newman
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-05-12
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2018-07-19
Anticipated expiration: 2026-04-01
Also published as: DE112006001185T5; WO2006124125A3; WO2006124125A2; JP2008541379A; CN101248551A; US8623573B2; US20060257713A1; CN101248551B

Abstract

Elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte, mit:
einem Plattenkörper, der einen Satz von Fluidströmungskanälen definiert, die derart ausgebildet sind, um eine Strömung eines Fluides über zumindest eine Seite der Platte zu verteilen; und
einer porösen leitenden Polymerschicht unmittelbar anschließend an den Plattenkörper, wobei die poröse leitende Schicht eine Porosität besitzt, die ausreichend ist, um einen Wasserkontaktwinkel der Oberfläche von weniger als 40° zu bewirken;
wobei der Plattenkörper aus einem Metall, einer Metalllegierung oder einem Kompositmaterial ausgebildet ist und eine leitende Kompositpolymerbeschichtung umfasst, die von der porösen leitenden Beschichtung verschieden ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine poröse, elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte, ein Verfahren zur Herstellung einer porösen, elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatte und Systeme, die eine poröse, elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte gemäß der vorliegenden Erfindung verwenden. Insbesondere steht die vorliegende Erfindung in Verbindung mit dem Gebrauch einer porösen, elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatte, um Wassertransportschwierigkeiten in Brennstoffzellen und anderen Vorrichtungstypen zu behandeln.
Hintergrundtechnik
Brennstoffzellen sind für viele Anwendungen, einschließlich Fahrzeuganwendungen, als eine Energiequelle entwickelt worden. Eine derartige Brennstoffzelle ist die Protonenaustauschmembran- oder PEM-Brennstoffzelle. PEM-Brennstoffzellen sind in der Technik gut bekannt und umfassen in jeder ihrer Zellen eine Membranelektrodenanordnung oder MEA. Die MEA ist ein dünner, protonenleitender, polymerer Membranelektrolyt mit einer Anodenelektrodenseite, die auf einer Seite desselben ausgebildet ist, und einer Kathodenelektrodenseite, die auf der entgegengesetzten Seite desselben ausgebildet ist. Ein Beispiel eines Membranelektrolyten ist der Typ, der aus Ionentauscherharzen besteht. Ein beispielhaftes Ionentauscherharz umfasst ein perfluoriertes Sulfonsäurepolymer, wie NAFION™, das von E. I. DuPont de Nemeours & Co. erhältlich ist. Die Anoden- und Kathodenseiten umfassen andererseits typischerweise fein geteilte Kohlenstoffpartikel, sehr fein geteilte katalytische Partikel, die an den Innen- und Außenflächen der Kohlenstoffpartikel getragen sind, und protonenleitende Partikel, wie NAFION™, die mit den katalytischen Partikeln und Kohlenstoffpartikeln; oder katalytischen Partikel ohne Kohlenstoff, die überall in einem Binder aus Polytetrafluorethylen (PTFE) dispergiert sind, vermischt sind.
Mehrzellige PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Vielzahl der MEAs, die in elektrischer Reihe aneinandergestapelt und voneinander durch eine gasimpermeable, elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte getrennt sind, die als eine Separatorplatte oder eine Bipolarplatte bekannt ist. Derartige mehrzellige Brennstoffzellen sind als Brennstoffzellenstapel bekannt. Die Bipolarplatte besitzt zwei Arbeitsseiten, wobei eine der Anode einer Zelle gegenüberliegt und die andere der Kathode an der nächsten benachbarten Zelle in dem Stapel gegenüberliegt, und leitet Strom elektrisch zwischen den benachbarten Zellen. Elektrisch leitende Fluidverteilungsplatten an den Enden des Stapels stehen nur mit den Endzellen in Kontakt und sind als Endplatten bekannt. Die Bipolarplatten enthalten ein Strömungsfeld, das die gasförmigen Reaktanden (beispielsweise H₂ und O₂/Luft) über die Oberflächen der Anode und der Kathode verteilt. Diese Strömungsfelder weisen allgemein eine Vielzahl von Stegen auf, die dazwischen eine Vielzahl von Strömungskanälen definieren, durch die die gasförmigen Reaktanden zwischen einer Versorgungssammelleitung und einer Austragssammelleitung, die an entgegengesetzten Enden der Strömungskanäle angeordnet sind, strömen.
Ein hochporöses (d.h. ca. 60 % bis 80 %), elektrisch leitendes Material (beispielsweise Gewebe, Sieb bzw. Gitter, Papier, Schaum, etc.), das als „Diffusionsmedium“ bekannt ist, ist allgemein zwischen elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatten und der MEA angeordnet und dient dazu, (1) gasförmigen Reaktand über die gesamte Seite der Elektrode zwischen und unter den Stegen der elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatte zu verteilen, und (2) sammelt Strom von der Seite der Elektrode, die einer Nut gegenüberliegt, und führt diesen an die benachbarten Stege, die diese Nut definieren. Ein bekanntes derartiges Diffusionsmedium umfasst ein Graphitpapier, das eine Porosität von etwa 70 Vol.-%, eine nicht komprimierte Dicke von etwa 0,17 mm aufweist und kommerziell von der Toray Company mit der Handelsbezeichnung Toray 060 erhältlich ist. Ein derartiges Diffusionsmedium kann auch ein feinmaschiges Edelmetallsieb und dergleichen umfassen, wie es in der Technik bekannt ist.
In einer H₂-O₂/Luft-PEM-Brennstoffzellenumgebung können die elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatten typischerweise in ständigem Kontakt mit leicht sauren Lösungen (pH 3 bis 5) stehen, die F-, SO₄--, SO₃-, HSO₄-, CO₃-- und HCO₃-, etc. enthalten. Überdies arbeitet die Kathode typischerweise in einer stark oxidierenden Umgebung, die auf ein Maximum von etwa +1 V (gegenüber der Normalwasserstoffelektrode) polarisiert ist, während sie Druckluft ausgesetzt ist. Schließlich ist die Anode typischerweise ständig Wasserstoff ausgesetzt. Daher sollten die elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatten beständig gegenüber einer rauen Umgebung in der Brennstoffzelle sein.
Einer der mehreren üblichen Typen von geeigneten elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatten umfasst diejenigen, die aus Polymerkompositmaterialien geformt sind, die typischerweise 50 bis 90 Vol.-% elektrisch leitenden Füllstoff (beispielsweise Graphitpartikel oder -filamente) umfassen, der über eine Polymermatrix (Thermoplast oder Duroplast) dispergiert ist. Jüngste Anstrengungen bei der Entwicklung elektrisch leitender Komposit-Fluidplatten sind auf Materialien gerichtet worden, die eine angemessene elektrische und thermische Leitfähigkeit besitzen. Materialzulieferer haben Kompositplatten mit hoher Kohlenstoffbeladung entwickelt, die Graphitpulver im Bereich von 50 bis 90 Vol.-% in einer Polymermatrix umfassen, um die erforderlichen Leitfähigkeitsziele zu erreichen. Platten dieses Typs sind typischerweise dazu in der Lage, die korrosive Brennstoffzellenumgebung auszuhalten und größtenteils Kosten- und Leitfähigkeitsziele zu erfüllen. Eine derartige derzeit erhältliche Bipolarplatte ist als die BMC-Platte von Bulk Molding Compound, Inc. in West Chicago, I11. erhältlich.
Alternativ dazu sind bei einem Versuch, die Kohlenstoffbeladung zu reduzieren und die Plattenfestigkeit zu erhöhen, diskrete leitende Fasern in Kompositplatten verwendet worden. Siehe das ebenfalls anhängige U.S. Patent Nr. US 6,607,857 B2 von Blunk, et al., das am 19. August 2003 erteilt wurde, auf den Anmelder dieser Erfindung übertragen ist und hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Faserige Materialien sind im Vergleich zu leitenden Pulvern in der Axialrichtung typischerweise zehn- bis eintausendmal leitender. Siehe das U.S. Patent Nr. US 6,827,747 B2 von Lisi et al., das am 7. Dezember 2004 erteilt wurde, auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen ist und hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
Ein anderer der üblicheren Typen von geeigneten elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatten umfasst diejenigen, die aus einem Metall hergestellt sind, das mit Polymerkompositmaterialien beschichtet ist, die etwa 30 bis etwa 40 Vol.-% leitende Partikel enthalten. Siehe diesbezüglich das U.S. Patent Nr. US 6,372,376 B1 von Fronk et al., das am 16. April 2002 erteilt wurde und das (1) auf den Anmelder dieser Erfindung übertragen ist, (2) hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist und (3) elektrisch leitende Fluidverteilungsplatten offenbart, die aus Metalltafeln bestehen, die mit einer korrosionsbeständigen elektrisch leitenden Schicht beschichtet sind, die eine Vielzahl elektrisch leitender, korrosionsfester (d.h. oxidationsbeständiger und säurebeständiger) Füllpartikel umfasst, die über eine Matrix eines säurebeständigen, wasserunlöslichen, oxidationsbeständigen Polymers verteilt sind, das die Partikel aneinander und an die Oberfläche der Metalltafel bindet. Kompositbeschichtungen vom Typ von Fronk et al. besitzen bevorzugt einen spezifischen elektrischen Widerstand von nicht größer als etwa 50 Ohm-cm und eine Dicke zwischen etwa 5 Mikrometer und 75 Mikrometer abhängig von der Zusammensetzung, dem spezifischen elektrischen Widerstand und der Integrität der Beschichtung. Die dünneren Beschichtungen sind bevorzugt, um einen geringeren IR-Abfall durch den Brennstoffzellenstapel zu erreichen.
Wie oben beschrieben ist, umfasst ein großer Prozentsatz der elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatten entweder ein leitendes Polymerkompositmaterial oder eine metallische Basisschicht, die mit einem leitenden Polymerkompositmaterial beschichtet ist. Während diese Typen von Platten derzeit akzeptable Wassermanagementeigenschaften besitzen, besteht das Bestreben, eine elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte bereitzustellen, die verbesserte Wassermanagementeigenschaften besitzt. Hierzu schlägt die US 2002/0034672 A1 vor, die Platte mit einer leitenden Polymerschicht zu versehen, welche über ihre gesamte Dicke hinweg Poren aufweist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei zumindest einer Ausführungsform ist eine elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte vorgesehen, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Bei einer anderen Ausführungsform ist ein Verfahren zur Herstellung einer Fluidverteilungsplatte vorgesehen, das die Merkmale des Anspruchs 12 aufweist.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform ist eine Brennstoffzelle vorgesehen, die die Merkmale des Anspruchs 19 aufweist.
Figurenliste

1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs ist, das ein Brennstoffzellensystem aufweist;
2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels ist, der zwei Brennstoffzellen verwendet;
3 eine Darstellung einer elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
4 eine Darstellung einer elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatte gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.

Beispielsweise können die Abmessungen von einigen der Elemente in den Figuren in Bezug auf andere Elemente übertrieben sein, um eine Verbesserung des Verständnisses von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu unterstützen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken. Nun wird detailliert Bezug auf derzeit bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung gemacht, die die besten Arten zur Ausführung der Erfindung bilden, die den Erfindern derzeit bekannt sind. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu. Es sei jedoch zu verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Daher sind spezifische Details, die hier offenbart sind, nicht als beschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als eine repräsentative Basis für die Ansprüche und/oder als eine repräsentative Basis, um den Fachmann zu unterrichten, die vorliegende Erfindung verschiedenartig anzuwenden.
Mit Ausnahme der Beispiele oder wo es anderweitig ausdrücklich angegeben ist, sind alle numerischen Größen in dieser Beschreibung, die Materialmengen oder Reaktionsbedingungen und/oder den Gebrauch angeben, so zu verstehen, dass sie mit dem Wort „etwa“ zur Beschreibung des breitesten Schutzumfangs der Erfindung abgewandelt sind. Eine Ausführung innerhalb der angegebenen numerischen Grenzen ist allgemein bevorzugt. Auch sind, sofern es nicht ausdrücklich gegenteilig angegeben ist: Prozent „Teile aus“ und Verhältniswerte auf Gewicht bezogen; der Begriff „Polymer“ umfasst „Oligomer“, „Copolymer“, „Terpolymer“ und dergleichen; die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien, wie es für einen gegebenen Zweck in Verbindung mit der Erfindung geeignet oder bevorzugt ist, gibt an, dass Mischungen aus beliebigen zwei oder mehr der Elemente der Gruppe oder Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sind; die Beschreibung von Bestandteilen in chemischen Ausdrücken betrifft die Bestandteile zum Zeitpunkt des Zusatzes zu einer beliebigen Kombination, die in der Beschreibung festgelegt ist, und schließt nicht notwendigerweise chemische Wechselwirkungen unter den Bestandteilen einer Mischung, sobald sie gemischt ist, aus; die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle anschließenden Verwendungen derselben Abkürzung hier und gilt für normale grammatische Variationen der anfangs definierten Abkürzung; und, sofern es nicht ausdrücklich gegenteilig angegeben ist, wird die Messung bzw. das Maß einer Eigenschaft durch dieselbe Technik bestimmt, wie vorher oder später für dieselbe Eigenschaft angegeben ist.
Bezug nehmend auf 1 ist ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem 2 für Kraftfahrzeuganwendungen gezeigt. Es sei jedoch angemerkt, dass andere Brennstoffzellensystemanwendungen, wie beispielsweise in dem Bereich von Wohngebäudesystemen, von der vorliegenden Erfindung profitieren können.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist ein Fahrzeug mit einer Fahrzeugkarosserie 90 und einem beispielhaften Brennstoffzellensystem 2 gezeigt, das einen Brennstoffzellenprozessor 4 und einen Brennstoffzellenstapel 15 besitzt. Eine Diskussion von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die in einem Brennstoffzellenstapel und einer Brennstoffzelle ausgeführt ist, ist nachfolgend mit Bezug auf die 2 bis 6 vorgesehen. Es sei angemerkt, dass, während eine bestimmte Konstruktion eines Brennstoffzellenstapels 15 beschrieben ist, die vorliegende Erfindung auf beliebige Brennstoffzellenstapelkonstruktionen anwendbar ist, bei denen Fluidverteilungsplatten Anwendung finden.
2 zeigt einen zwei Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenstapel 15 mit einem Paar von Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 20 und 22, die voneinander durch eine elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte 30 getrennt sind. Die Platte 30 dient als eine Bipolarplatte, die eine Vielzahl von Fluidströmungskanälen 35, 37 zur Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen an die MEAs 20 und 22 besitzt. Mit „Fluidströmungskanal“ ist ein Pfad, ein Gebiet, ein Bereich oder eine Domäne auf der Platte gemeint, der/das/die dazu verwendet wird, Fluid in, aus, entlang oder durch zumindest einen Abschnitt der Platte zu transportieren. Die MEAs 20 und 22 und die Platte 30 können zwischen Klemmplatten 40 und 12 und elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatten 32 und 34 aneinandergestapelt sein. Bei der gezeigten Ausführungsform dienen die Platten 32 und 34 als Endplatten, bei denen nur eine Seite Kanäle 36 bzw. 38 zur Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen an die MEAs 20 und 22 besitzt, im Gegensatz zu beiden Seiten der Platte.
Nichtleitende Dichtungen 50, 52, 54 und 56 können vorgesehen sein, um Abdichtungen und eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels vorzusehen. Gaspermeable Kohlenstoff/Graphit-Diffusionspapiere 60, 62, 64 und 66 können an die Elektrodenseiten der MEAs 20 und 22 pressen. Die Platten 32 und 34 können an die Kohlenstoff/Graphitpapiere 60 bzw. 66 pressen, während die Platte 30 an das Kohlenstoff/ Graphitpapier 64 auf der Anodenseite der MEA 20 pressen kann und an das Kohlenstoff/Graphitpapier 60 auf der Kathodenseite der MEA 22 pressen kann.
Bei der gezeigten Ausführungsform wird ein oxidierendes Fluid, wie O₂, an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels von einem Speichertank 70 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 86 geliefert. Während das oxidierende Fluid an die Kathodenseite geliefert wird, wird ein reduzierendes Fluid, wie H₂, an die Anodenseite der Brennstoffzelle von einem Speichertank 72 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 88 geliefert. Eine Austragsverrohrung (nicht gezeigt) für sowohl die H₂- als auch O₂/Luft-Seiten der MEAs ist ebenfalls vorgesehen. Eine zusätzliche Verrohrung 80, 82 und 84 ist zur Lieferung von flüssigem Kühlmittel an die Platte 30 und die Platten 32 und 34 vorgesehen. Es ist auch eine geeignete Verrohrung zum Austrag von Kühlmittel von den Platten 30, 32 und 34 vorgesehen, jedoch nicht gezeigt.
3 zeigt eine beispielhafte elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte 30, die eine erste Tafel 102 und eine zweite Tafel 104 umfasst. Die erste und zweite Tafel 102, 104 umfassen eine Vielzahl von Fluidströmungskanälen 106, 108 an ihren Außenseiten/-flächen, durch die die Reaktandengase der Brennstoffzelle typischerweise in einem gewundenen Pfad entlang einer Seite jeder Platte strömen. Die Innenseiten der ersten und zweiten Tafel 102, 104 können eine zweite Vielzahl von Fluidströmungskanälen 110, 112 aufweisen, durch die Kühlmittel während des Betriebs der Brennstoffzelle gelangt. Wenn die Innenseiten der ersten Tafel 102 und der zweiten Tafel 104 aneinander angeordnet sind, um einen Plattenkörper 120 zu bilden, werden die Fluidströmungskanäle verbunden und bilden eine Serie von Kanälen für Kühlmittel zum Durchgang durch die Platte 30.
Der Plattenkörper 120 kann aus einer einzelnen Tafel oder Platte anstatt aus den beiden in 3 gezeigten separaten Tafeln ausgebildet sein. Wenn der Plattenkörper 120 aus einer einzelnen Platte ausgebildet ist, können die Kanäle an den Außenseiten des Plattenkörpers 120 und durch die Mitte des Plattenkörpers 120 geformt sein, so dass der resultierende Plattenkörper 120 gleichwertig zu dem Plattenkörper 120 ist, der aus zwei separaten Tafeln 102, 104 ausgestaltet ist.
Der Plattenkörper 120 kann aus einem Metall, einer Metalllegierung oder einem Kompositmaterial ausgebildet werden und muss leitend sein. Bei einer Ausführungsform wird der Plattenkörper 120 aus einem passivierenden Metall oder einer passivierenden Legierung gebildet. Mit „passivierendem Metall“ oder „passivierender Legierung“ ist ein Metall oder eine Legierung gemeint, die eine inaktive passivierende Schicht infolge einer Reaktion mit Umgebungssubstanzen, wie Luft oder Wasser, bildet. Beispielsweise kann die passivierende Schicht (nicht gezeigt) ein Metalloxid sein. Metalloxide wirken typischerweise als Barrieren gegenüber weiterer Oxidation, indem es erforderlich ist, dass Sauerstoff durch die Schicht diffundieren muss, um die Metall- oder Legierungsfläche zu erreichen. Somit kann die passivierende Schicht die Integrität des Metalls oder der Metalllegierung schützen.
Geeignete Metalle, Metalllegierungen und Kompositmaterialien sollten durch eine ausreichende Haltbarkeit und Starrheit gekennzeichnet sein, um als eine Fluidverteilungsplatte in einer Brennstoffzelle zu funktionieren. Zusätzliche in Betracht zu ziehende Konstruktionseigenschaften bei der Auswahl eines Materials für den Plattenkörper umfassen eine Gaspermeabilität, Leitfähigkeit, Dichte, Wärmeleitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Musterdefinition, thermische und Musterstabilität, maschinelle Bearbeitbarkeit bzw. Zerspanbarkeit, Kosten und Verfügbarkeit.
Verfügbare Metalle und Legierungen umfassen Aluminium, Titan, rostfreien Stahl, Legierungen auf Nickelbasis und Kombinationen daraus. Kompositmaterialien können Graphit, Graphitfolie, Graphitpartikel in einer Polymermatrix, Kohlefaserpapier- und Polymerlaminate, Polymerplatten mit Metallkernen, leitend beschichtete Polymerplatten und Kombinationen daraus umfassen.
Die erste und zweite Tafel 102, 104 besitzen typischerweise eine Dicke zwischen etwa 51 bis etwa 510 : (Mikrometer). Die Tafeln 102, 104 können durch maschinelle Bearbeitung, Formen, Zerspanen, Schneiden, Stechen, Schnitzen, Stanzen, Prägen, Photoätzen, wie durch eine photolithographische Maske, chemisches Ätzen oder durch einen beliebigen anderen geeigneten Konstruktions- und Herstellprozess ausgebildet werden. Es ist denkbar, dass die Tafeln 102, 104 eine Laminatstruktur umfassen können, die eine flache Tafel und eine zusätzliche Tafel aufweist, die eine Serie externer Fluidströmungskanäle aufweist. Eine Innenmetallabstandhaltertafel (nicht gezeigt) kann zwischen der ersten und zweiten Tafel 102, 104 positioniert sein.
Bei der schematisch dargestellten Platte 30 von 3 umfasst das Substrat 102, 104, das das Bauelement des Körpers 120 bildet, ein korrosionsanfälliges Metall, wie Aluminium, Titan, rostfreien Stahl und Legierungen auf Nickelbasis. Die Arbeitsseiten der Platte 30 sind mit einer leitenden Polymerkompositbeschichtung 125 bedeckt. Bei zumindest einer Ausführungsform umfasst die leitende Polymerbeschichtung 125 ein elektrisch leitendes, oxidationsbeständiges und säurebeständiges Schutzmaterial mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als etwa 50 Ohm-cm² und umfasst eine Vielzahl oxidationsbeständiger, säureunlöslicher, leitender Partikel (d.h. kleiner als etwa 50 Mikrometer), die über eine säurebeständige oxidationsbeständige Polymermatrix verteilt sind. Es kann eine beliebige geeignete leitende Polymerbeschichtung 125 verwendet werden. Geeignete Beispiele derartiger Beschichtungen und ihre Aufbringungsweise können dem U.S. Patent Nr. US 6,372,376 B1 entnommen werden.
Bei zumindest einer Ausführungsform können die leitenden Füllpartikel zumindest eines aus Gold, Platin, Graphit, Kohlenstoff, Palladium, Niob, Rhodium, Ruthenium und den Seltenerdmetallen sein. Bei zumindest bestimmten Ausführungsformen können die Partikel leitenden Kohlenstoff und leitendes Graphit mit einer Beladung von 25 Gew.-% umfassen. Die Polymermatrix kann ein beliebiges wasserunlösliches Polymer umfassen, das in einen dünnen anhaftenden Film geformt werden kann und das die raue oxidative und saure Umgebung der Brennstoffzelle aushalten kann. Daher werden derartige Polymere, wie Epoxide, Polyamidimide, Polyetherimide, Polyphenole, Fluorelastomere (beispielsweise Polyvinylidenfluorid), Polyester, Phenoxyphenole, Epoxidphenole, Acrylharze und Urethane unter anderem als mit der Kompositbeschichtung anwendbar betrachtet. Vernetzte Polymere können zur Herstellung impermeabler Beschichtungen verwendet werden, wobei wärmeaushärtbare Polyamidimid-Polymere am bevorzugtesten sind.
Bei zumindest einer Ausführungsform kann die Polymerkompositschicht 125 durch Lösen von Polyamidimid in einem Lösemittel, das eine Mischung aus N-Methylpyrrolidon, Propylenglykol und Methyletheracetat umfasst, und 21 Gew.-% bis 23 Gew.-% einer Mischung aus Graphit- und Rußpartikeln, die diesem zugesetzt wurde, aufgebracht werden. Bei zumindest einer Ausführungsform können die Graphitpartikel in einem Größenbereich von 5 Mikrometer bis 20 Mikrometer liegen, und die Rußpartikel können im Größenbereich von 0,5 Mikrometer bis 1,5 Mikrometer liegen. Bei zumindest einer Ausführungsform kann die Mischung auf das Substrat gesprüht werden, getrocknet (d.h. Lösemittel verdampft) und gehärtet werden, um eine 10 bis 30 Mikrometer dicke Beschichtung vorzusehen, die einen Kohlenstoff-Graphit-Gehalt von 38 Gew.-% besitzt. Sie kann langsam bei geringen Temperaturen (d.h. < 204,4°C) oder schneller in einem zweistufigen Prozess gehärtet werden, bei dem das Lösemittel zuerst durch Erhitzen für zehn Minuten bei etwa 148,9°C bis 176,7°C entfernt (d.h. getrocknet) wird, gefolgt durch eine Erhitzung mit höherer Temperatur (260°C bis 398,9°C) für verschiedene Zeiten im Bereich von etwa ½ Minute bis etwa 15 Minuten (abhängig von der verwendeten Temperatur), um das Polymer zu härten. Wie nachfolgend beschrieben ist, wird die poröse Oberflächenschicht 130 der Erfindung vor dem Trocknen und Härten aufgebracht, während die Kompositschicht 125 immer noch klebrig ist.
Die leitende Polymerbeschichtung 125 kann direkt auf das Substratmetall aufgetragen und darauf getrocknet/gehärtet werden, oder das Substratmetall (beispielsweise A1) kann zuerst mit einem oxidierbaren Metall (beispielsweise rostfreiem Stahl) bedeckt werden, bevor die elektrisch leitende Polymerkompositschicht 125 aufgetragen wird (siehe Li et al., oben). Die Kompositschicht 125 kann auf eine Vielzahl von Wegen aufgebracht werden, beispielsweise Bürsten, Sprühen, Ausbreiten oder Laminieren eines vorgeformten Films auf das Substrat.
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform weist die elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte 30 eine poröse leitende Beschichtung 130 auf, die an der leitenden Polymerbeschichtung 125 angehaftet ist und diese bedeckt. Bei zumindest einer Ausführungsform besitzt die poröse leitende Beschichtung 130 ein Porositätsniveau, das geeignet ist, um einen Wasserkontaktwinkel von weniger als 40°, bei einer anderen Ausführungsform von weniger als 25°, bei einer noch weiteren Ausführungsform von weniger als 10°, bei einer anderen Ausführungsform von weniger als 5° und bei einer noch anderen Ausführungsform von weniger als 1° zu bewirken. Während sich die poröse leitende Beschichtung 130 über im Wesentlichen die gesamte Außenfläche der Platte 30 erstrecken kann, wie schematisch in 3 gezeigt ist, kann sich die poröse leitende Beschichtung 130 auch über weniger als die gesamte Außenfläche erstrecken.
Die Anmelder haben herausgefunden, dass das Bereitstellen einer elektrisch leitenden Verteilungsplatte 30, die die poröse leitende Schicht 130 mit einer Porosität (in Volumenprozent) von zumindest 10 % besitzt, in einer elektrisch leitenden Verteilungsplatte resultieren kann, die ausgezeichnete Wassermanagementeigenschaften besitzt. Bei zumindest einer Ausführungsform ist die poröse leitende Schicht 130 im Wesentlichen ähnlich zu der oben beschriebenen leitenden Polymerbeschichtung 125, mit der Ausnahme, dass die poröse leitende Beschichtung poröser ist. Bei zumindest einer Ausführungsform kann die poröse leitende Beschichtung 130 der elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatte 30, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, eine Porosität von 10 bis 50 %, bei anderen Ausführungsformen zwischen 15 und 40 % und bei noch anderen Ausführungsformen zwischen 20 und 35 % aufweisen. Die Porosität kann durch die BET-Oberflächenmesstechnik gemessen werden.
Bei zumindest einer Ausführungsform kann die poröse leitende Schicht 130 der elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatte 30, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, eine Porendichte von 50 bis 3000 Poren pro cm Oberfläche, bei anderen Ausführungsformen zwischen 100 und 1000 Poren pro cm an Oberfläche und bei noch weiteren Ausführungsformen zwischen 250 und 750 Poren pro cm an Oberfläche aufweisen. Die Porendichte kann durch die BET-Oberflächenmesstechnik gemessen werden.
Bei zumindest einer Ausführungsform kann die poröse leitende Schicht 130 der elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatte 30, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, einen durchschnittlichen Porendurchmesser von 0,05 bis 1 Mikrometer, bei anderen Ausführungsformen zwischen 0,1 und 0,5 Mikrometer aufweisen. Der durchschnittliche Porendurchmesser kann durch Rasterelektronenmikroskopie gemessen werden.
Die elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte 30 der vorliegenden Erfindung kann dadurch hergestellt werden, dass die poröse leitende Schicht 130 der Platte 30 mit zumindest einem der oben beschriebenen Porositätsbereiche vorgesehen wird. Die durchschnittliche Porosität der Oberfläche einer herkömmlichen Platte liegt typischerweise unter 5 % und besitzt einen Wasserkontaktwinkel von über 80°.
Die Art und Weise, in der das gewünschte Niveau an Porosität der porösen leitenden Schicht 130 erreicht wird, ist nicht unbedingt wichtig. Die poröse leitende Schicht 130 kann auf eine beliebige geeignete Weise, wie chemisch oder mechanisch, vorgesehen werden. Eine beispielhafte Art und Weise besteht darin, eine feuchte Schicht einer leitenden Polymerbeschichtung derselben oder ähnlichen Zusammensetzung, wie dazu verwendet wird, die leitende Polymerkompositbeschichtung 125 zu bilden, über der leitenden Polymerkompositbeschichtung 125 vorzusehen. Die feuchte leitende Polymerschicht kann auf eine beliebige geeignete Art und Weise, wie durch Sprühen, vorgesehen werden. Vor dem vollständigen Trocknen der feuchten leitenden Polymerschicht kann ein geeignetes Poren erzeugendes Mittel in die feuchte leitende Polymerschicht eingebettet werden. Das Poren erzeugende Mittel kann auf eine beliebige geeignete Weise eingebettet werden, wie durch Sprühen, Rakelbeschichten bzw. Streichbeschichten und Siebdrucken.
Dann kann die feuchte Polymerschicht mit dem eingebetteten Poren erzeugenden Mittel getrocknet oder gehärtet werden. Wenn überschüssiges Poren erzeugendes Mittel an der Oberfläche der gehärteten Polymerschicht, in die das Poren erzeugende Mittel eingebettet ist, nach dem Härten zurückbleibt, kann die Oberflächenschicht abgewischt oder auf eine beliebige geeignete Art und Weise von dem überschüssigen Poren erzeugenden Mittel gereinigt werden. Nachdem die feuchte leitende Polymerschicht gehärtet ist, kann das geeignete Poren erzeugende Mittel einem Entfernungsmedium ausgesetzt werden, um zu bewirken, dass das Poren erzeugende Mittel Poren in der leitenden Polymerschicht bildet, um eine poröse leitende Beschichtung 130 zu bilden. Der feuchten leitenden Polymerschicht kann eine beliebige geeignete Menge an Poren erzeugendem Mittel hinzugesetzt werden, um die poröse leitende Beschichtung 130 mit der gewünschten Porosität zu bewirken.
Bei zumindest bestimmten Ausführungsformen kann das Poren erzeugende Mittel ein beliebiges geeignetes Poren erzeugendes Mittel sein, wie ein Poren bildendes Mittel, ein Schäumungsmittel und Mischungen daraus. Bei zumindest einer Ausführungsform kann das Entfernungsmedium ein beliebiges geeignetes Medium sein, wie Wärme und Lösemittel zur Entfernung des Poren erzeugenden Mittels, um Poren in der Beschichtung 130 zu bilden.
Bei zumindest einer Ausführungsform liegt das Poren erzeugende Mittel in der Form eines festen körnigen Poren bildenden Mittels mit einem vorbestimmten Partikeldurchmesser, wie 0,1 bis 10 Mikrometer vor. Einige Beispiele geeigneter Poren bildender Mittel umfassen, sind jedoch nicht unbedingt darauf beschränkt, beliebige geeignete anorganische Salze, wie Carbonate und Bicarbonate. Einige Beispiele geeigneter Carbonate umfassen, sind jedoch nicht unbedingt darauf beschränkt, Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat, Ammoniumcarbonat, Magnesiumcarbonat, Kalziumcarbonat, Natriumbicarbonat, Kaliumbicarbonat, Ammoniumbicarbonat, Magnesiumbicarbonat, Kalziumbicarbonat, Zinkcarbonat, Bariumcarbonat und Mischungen daraus.
Einige Beispiele anderer geeigneter Poren bildender Mittel umfassen Nitrite, wie Natriumnitrite.
Einige Beispiele anderer geeigneter Poren bildender Mittel umfassen bestimmte organische Poren bildende Verbindungen, wie Kampfer, Harnstoff und Derivate von Kampfer und Harnstoff, und Mischungen daraus.
Beispiele geeigneter Lösemittelentfernungsmedien umfassen, sind jedoch nicht unbedingt darauf beschränkt, Säure, Wasser und Basen.
Bei zumindest einer Ausführungsform umfasst das Poren erzeugende Mittel ein Schäumungsmittel. Es können ein beliebiges geeignetes Schäumungsmittel und ein beliebiger geeigneter Schäumungsprozess verwendet werden. Geeignete Schäumungsmittel umfassen physikalische und chemische Schäumungsmittel, wie Azoverbindungen, Azodicarbonamid, Hydrazine, wie Trihydrazinotriazin, Tetrazole, wie 5-Phenyltetrazol, Benzoxazine und Semicarbazide.
Bei einer anderen Ausführungsform könnte die Porenoberflächenschicht 130 durch Ausbildung von Poren in der äußeren Oberflächenschicht 130 ausgebildet werden, nachdem sie gehärtet und geformt worden ist. Bei dieser Ausführungsform könnten Stifte oder andere Vorsprünge in eine erhitzte und/oder aufgeweichte Schicht 130 eindringen, um Poren darin zu bilden. Bei dieser Ausführungsform können die Stifte oder Vorsprünge auch entweder zusätzlich zu oder anstatt der Erhitzung der Schicht 130 erhitzt sein.
Bei zumindest einer Ausführungsform kann, wenn ein geringerer Kontaktwiderstand erwünscht ist, das Poren erzeugende Mittel mit einem leitenden Material gemischt werden, wie Graphit, Gold, Platin, Kohlenstoff, Palladium, Niob, Rhodium, Ruthenium und Seltenerdmetallen. Bei dieser Ausführungsform könnte die Mischung des Poren erzeugenden Mittels und des leitenden Materials in einem beliebigen geeigneten Prozentsatz vorliegen. Jedoch sei vorweggenommen, dass wahrscheinlich eine 75/25-Mischung aus Poren erzeugendem Mittel und leitendem Material bis zu einer 25/75- Mischung aus Poren erzeugendem Mittel und leitendem Material Anwendung findet. Bei zumindest einer Ausführungsform umfasst eine besonders bevorzugte Mischung eine 50/50- Mischung aus Graphit (hochwertigem Graphit BG-34) und Natriumcarbonat.
4 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Platte 30' und der Körper 120', die in 4 gezeigt sind, sind im Aufbau und der Verwendung ähnlich zu der Platte 30 und dem Körper 120, die in 3 gezeigt sind. Teile der Platte 30', die im Wesentlichen gleich den entsprechenden Teilen in der in 3 gezeigten Platte 30 sind, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet worden, und Teile der Platte 30', die im Wesentlichen verschieden von den entsprechenden Teilen in der Platte 30 sind, sind mit denselben Teilenummern jedoch mit Suffix (Oberstrich) versehen, der der Deutlichkeit halber hinzugefügt ist.
Der Körper 120' der elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatte 30' ist vollständig aus einem Kompositmaterial hergestellt (beispielsweise geformt), und die poröse Oberflächenschicht 130 ist auf der Außenfläche des Komposits ausgebildet, die mit den Diffusionsmedien in Eingriff steht. Bei dieser Ausführungsform ist die leitende Beschichtung 125 nicht notwendig. Das Kompositmaterial der Platte 30' kann ein beliebiges geeignetes leitendes Kompositmaterial zur Formung von Platten sein, wie ein Polymerkompositmaterial mit 50 bis 90 Vol.-% elektrisch leitendem Füllstoff (beispielsweise Graphitpartikeln oder -filamenten), der über eine Polymermatrix (Thermoplast oder Duroplast) dispergiert ist.
Bei einer anderen Ausführungsform könnte die poröse Oberflächenschicht 130 dadurch ausgebildet werden, dass die Kompositplatte 30' in einer strukturierten Form geformt wird, die die Außenfläche der Kompositplatte 30' mit der gewünschten Porosität versieht. Bei dieser Ausführungsform kann, wenn der Gebrauch einer strukturierten Form angewendet wird, sich die poröse Schicht 130 in den Kompositplattenkörper 120' bis zu einer Tiefe von 1 bis 5 Mikrometer erstrecken.
Eine elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besitzt ausgezeichnete Wassermanagementeigenschaften. Es sei zu verstehen, dass die Grundsätze der vorliegenden Erfindung gleichermaßen gut für Unipolarplatten und Bipolarplatten gelten.
Beispiel
Eine Metallbipolarplatte wird zuerst mit einer leitenden Schutzpolymerbeschichtung beschichtet, wie derjenigen, die in dem U.S. Patent Nr. US 6,372,376 B 1 offenbart ist. Diese erste Beschichtung hilft, das darunterliegende Metall (beispielsweise rostfreien Stahl) vor Korrosion in der aggressiven Brennstoffzellenumgebung zu schützen, und wird für 10 Minuten bei 150°C überfangen bzw. geflasht und dann bei 260°C für 15 Minuten gehärtet. Nachdem die Platte abgekühlt ist, wird dann eine zweite Schicht aus derselben Polymerbeschichtung auf die erste Beschichtung gesprüht. Diese feuchte Schicht wird dann mit einer Mischung (50/50 bezogen auf Gewicht) aus Graphit (z.B. hochwertiges Graphit BG-34) und Natriumcarbonat gestäubt bzw. eingestaubt und dann unter Verwendung desselben Härtezyklus wie bei der ersten Beschichtung gehärtet. Nach dem Härten wird trockener extra Staub (Graphit und Natriumcarbonat) von der Platte abgewischt. Die beschichtete Platte wird dann in eine saure Lösung aus 0,1M H₂SO₄ getaucht, um die Natriumcarbonatpartikel zu lösen, die in der Deckschicht eingebettet sind, wodurch Gase (beispielsweise CO₂) entwickelt werden, die Poren innerhalb der Deckschicht bilden. Die Platte wird dann gewaschen und getrocknet, um jegliches Salz zu entfernen, das an der Oberfläche infolge der Auflösung des Natriumcarbonats verbleiben kann. Die äußere Beschichtung besitzt eine Porosität von >30 %, gemessen durch BET-Messtechniken. Der Wasserkontaktwinkel auf dieser Platte wurde mit weniger als 10° gemessen.

Claims

Elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte, mit: einem Plattenkörper, der einen Satz von Fluidströmungskanälen definiert, die derart ausgebildet sind, um eine Strömung eines Fluides über zumindest eine Seite der Platte zu verteilen; und einer porösen leitenden Polymerschicht unmittelbar anschließend an den Plattenkörper, wobei die poröse leitende Schicht eine Porosität besitzt, die ausreichend ist, um einen Wasserkontaktwinkel der Oberfläche von weniger als 40° zu bewirken; wobei der Plattenkörper aus einem Metall, einer Metalllegierung oder einem Kompositmaterial ausgebildet ist und eine leitende Kompositpolymerbeschichtung umfasst, die von der porösen leitenden Beschichtung verschieden ist.
Platte nach Anspruch 1, wobei die poröse leitende Schicht eine poröse leitende Beschichtung umfasst, die an dem Plattenkörper angehaftet ist, wobei die poröse leitende Beschichtung eine Porosität von zumindest 10 % besitzt.
Platte nach Anspruch 2, wobei die poröse leitende Schicht eine Porendichte von zumindest 50 Poren pro cm an Oberfläche der Beschichtung aufweist.
Platte nach Anspruch 3, wobei die Poren eine durchschnittliche Größe von 0,05 bis 1,0 Mikrometer besitzen.
Platte nach Anspruch 1, wobei der Plattenkörper einen Komposit umfasst, der einen elektrisch leitenden Füllstoff umfasst, der über eine Polymermatrix angeordnet ist.
Platte nach Anspruch 2, wobei der Wasserkontaktwinkel kleiner als 25° ist.
Platte nach Anspruch 2, wobei die Porosität der Beschichtung 10 bis 50 % beträgt.
Platte nach Anspruch 1, wobei die Platte eine Bipolarplatte umfasst.
Platte nach Anspruch 2, wobei die Porosität der porösen leitenden Schicht dadurch erhalten wurde, dass ein festes Poren bildendes Mittel in einer leitenden Beschichtung angeordnet wird und das Poren bildende Mittel einer Säure ausgesetzt wird, die ausreichend ist, um das Poren bildende Mittel zu lösen.
Platte nach Anspruch 9, wobei das Poren bildende Mittel Natriumcarbonat umfasst.
Platte nach Anspruch 5, wobei die Porosität der porösen leitenden Schicht dadurch erhalten wurde, dass Poren in den Körper geformt wurden.
Verfahren zur Herstellung einer Fluidverteilungsplatte, umfassend, dass: ein Plattenkörper aus einem Metall, einer Metalllegierung oder einem Kompositmaterial und einer leitenden Kompositpolymerbeschichtung vorgesehen wird, der einen Körper besitzt, der einen Satz von Fluidströmungskanälen definiert, die derart ausgebildet sind, um eine Strömung eines Fluides über zumindest eine Seite der Platte zu verteilen; und eine poröse leitende Polymerschicht an dem Körper vorgesehen wird, wobei die poröse leitende Schicht von der porösen leitenden Beschichtung verschieden ist und eine Porosität besitzt, die ausreichend ist, um einen Wasserkontaktwinkel von weniger als 40° zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt, um eine poröse leitende Schicht an dem Körper vorzusehen, umfasst, dass: eine leitende Polymerbeschichtung mit einem daran eingebetteten Poren bildenden Mittel über dem Körper vorgesehen wird; und das Poren erzeugende Mittel einem Entfernungsmedium ausgesetzt wird, um zu bewirken, dass das Poren erzeugende Mittel Poren in der leitenden Polymerbeschichtung erzeugt, um eine poröse leitende Beschichtung an dem Plattenkörper mit einem Wasserkontaktwinkel von weniger als 40° vorzusehen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Entfernungsmedium Säure umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Poren erzeugende Mittel Natriumcarbonat umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Poren erzeugende Mittel ferner Graphit umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Körper ein leitendes Kompositmaterial umfasst und die Porosität durch Formen von Poren in die Kompositplatte erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Entfernungsmedium ein nicht chemisches Behandlungsmedium umfasst und das Poren erzeugende Mittel ein Schäumungsmittel umfasst.
Brennstoffzelle, mit: einer ersten elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatte, die gemäß Anspruch 1 ausgebildet ist, einer zweiten elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatte; und einer Membranelektrodenanordnung, die die erste elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte von der zweiten elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatte trennt, wobei die Membranelektrodenanordnung umfasst: eine Elektrolytmembran, die eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, eine Anode benachbart der ersten Seite der Elektrolytmembran; und eine Kathode benachbart der zweiten Seite der Elektrolytmembran.