DE112006001838B4

DE112006001838B4 - Elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte sowie damit ausgestaltete Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112006001838B4
Application number: DE112006001838T
Authority: DE
Inventors: Mahmoud H. Abd Elhamid; Feng Zhong; Richard H. Blunk
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-07-13
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2012-10-11
Anticipated expiration: 2026-06-28
Also published as: US8017280B2; US20110311720A1; JP2009501424A; US8247138B2; US20070015036A1; WO2007008421A3; DE112006001838T5; CN101258626A; WO2007008421A2; JP4977136B2

Abstract

Elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte (30'), umfassend: einen metallischen Plattenkörper (120'), der einen Satz von Fluidströmungskanälen (106) definiert, die ausgebildet sind, um eine Strömung eines Fluids über mindestens eine Seite der Platte (30') zu verteilen; eine metallhaltige haftungsfördernde Schicht (130), die auf dem Plattenkörper (120') angeordnet ist; und eine leitende Verbundpolymerschicht (140), die auf der metallischen Schicht (130) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltige haftungsfördernde Schicht (130) eine Dicke von weniger als 100 nm aufweist und dass der Plattenkörper (120') Stege (107) benachbart zu den Kanälen (106) umfasst, wobei die metallhaltige haftungsfördernde Schicht (130) in den Kanälen (106) frei von darauf angeordnetem leitendem Verbundpolymermaterial (140) ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie aus der DE 102 53 958 A1 bekannt geworden ist. Außerdem betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle mit solch einer Fluidverteilungsplatte. Im Spezielleren betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer elektrisch leitenden Metall-Fluidverteilungsplatte, die auf den Kontaktwiderstand und Wassertransportschwierigkeiten in Brennstoffzellen und anderen Arten von Vorrichtungen und die Nasshaftung von organischen Beschichtungen auf Fluidverteilungsplatten abzielt.
2. Stand der Technik
Brennstoffzellen werden als Energiequelle für viele Anwendungen einschließlich Fahrzeuganwendungen entwickelt. Eine solche 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, Protonen leitender Polymer-Membranelektrolyt mit einer Anodenelektrodenfläche, die auf einer Seite davon ausgebildet ist, und einer Kathodenelektrodenfläche, die auf der entgegengesetzten Seite davon ausgebildet ist. Ein Beispiel für einen Membranelektrolyten ist der Typ, der aus Ionenaustauscherharzen hergestellt ist. Ein beispielhaftes Ionenaustauscherharz umfasst ein Perfluorsulfonsäure-Polymer wie z. B. NAFION^TM, erhältlich von E. I. DuPont de Nemeours & Co. Die Anoden- und Kathodenflächen umfassen hingegen typischerweise fein verteilte Kohlenstoffpartikel, sehr fein verteilte katalytische Partikel, die auf den Innen- und Außenflächen der Kohlenstoffpartikel getragen sind, und Protonen leitende Partikel wie z. B. NAFION^TM, die mit den katalytischen und Kohlenstoffpartikeln vermischt sind; oder katalytische Partikel ohne Kohlenstoff, die über Polytetrafluorethylen(PTFE)-Bindemittel verteilt sind.
Mehrzellen-PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Vielzahl von MEAs, die zusammen elektrisch in Serie gestapelt und von der nächsten durch eine gasundurchlässige, elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte, die als Trennplatte oder bipolare Platte bekannt ist, getrennt sind. Solche Mehrzellen-Brennstoffzellen sind als Brennstoffzellenstapel bekannt. Die bipolare Platte besitzt zwei Arbeitsflächen, wobei eine der Anode einer Zelle gegenüberliegt, und die andere der Kathode an der nächsten benachbarten Zelle in dem Stapel gegenüberliegt, und leitet elektrisch Strom zwischen benachbarten Zellen. Elektrisch leitende Fluidverteilungsplatten an den Enden des Stapels stehen nur mit den Endzellen in Kontakt und sind als Endplatten bekannt. Die bipolaren Platten enthalten ein Strömungsfeld, das die gasförmigen Reaktanden (z. B. H₂ und O₂/Luft) über die Oberflächen der Anode und der Kathode verteilt. Diese Strömungsfelder umfassen allgemein eine Vielzahl von Stegen, die dazwischen eine Vielzahl von Strömungskanälen definieren, durch die die gasförmigen Reaktanden zwischen einem Zulaufsammler und einem Auslasssammler, die an entgegengesetzten Enden der Strömungskanäle angeordnet sind, strömen.
Ein hoch poröses (d. h., ca. 60% bis 80%), elektrisch leitendes Material (z. B. ein Gewebe, eine Leitschicht, ein Papier, ein Schaum etc.), bekannt als „Diffusionsmedien”, ist allgemein zwischen elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatten und der MEA angeordnet und dient (1) dazu, einen gasförmigen Reaktanden über die gesamte Fläche der Elektrode zwischen und unter die Stege der elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatte zu verteilen, und (2) sammelt den Strom von der Fläche der Elektrode, die einer Nut gegenüberliegt und transportiert ihn zu den benachbarten Stegen, die die Nut definieren. Ein bekanntes derartiges Diffusionsmedium umfasst ein Grafitpapier mit einer Porosität von etwa 70 Vol.-%, eine nicht komprimierte Dicke von etwa 0,17 mm und ist im Handel unter dem Namen Toray 060 von der Toray Company erhältlich. Solche Diffusionsmedien können auch ein feines Sieb, eine Edelmetallleitschicht und dergleichen, wie in der Technik bekannt, umfassen.
In einer H₂-O₂/Luft-PEM-Brennstoffzellenumgebung können die elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatten typischerweise in konstantem Kontakt mit mittelsauren Lösungen (pH-3–5) stehen, die F-, SO₄-, SO₃-, HSO₄-, CO₃- und HCO₃- etc. enthalten. Überdies arbeitet die Kathode typischerweise in einer stark oxidierenden Umgebung und wird auf ein Maximum von etwa +1 V (gegenüber der Normalwasserstoffelektrode) polarisiert, während sie Druckluft ausgesetzt ist. Schließlich wird die Anode typischerweise konstant Wasserstoff ausgesetzt. Somit sollten die elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatten beständig gegenüber einer aggressiven Umgebung in der Brennstoffzelle sein.
Eine der häufigeren Arten von geeigneten elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatten umfassen jene, die aus einem Metall wie z. B. Edelstahl hergestellt sind und mit Polymerverbundmaterialien, die etwa 30 Vol.-% bis etwa 40 Vol.-% leitende Partikel enthalten, beschichtet sind. Diesbezüglich wird auf das US-Patent US 6 372 376 B1 an Fronk et al., veröffentlicht am 16. April 2002, verwiesen, das (1) dem Eigner dieser Erfindung zugewiesen ist und (2) elektrisch leitende Fluidverteilungsplatten offenbart, die aus Blechen hergestellt sind, welche mit einer korrosionsbeständigen, elektrisch leitenden Schicht beschichtet sind, die eine Vielzahl von elektrisch leitenden, korrosionsfesten (d. h. oxidationsbeständigen und säurebeständigen) Füllstoffpartikeln, die über eine Matrix eines säurebeständigen, wasserunlöslichen, oxidationsbeständigen Polymers, das die Partikel aneinander und an die Oberfläche des Blechs bindet, fein verteilt sind, umfasst. Verbundbeschichtungen des Typs von Fronk et al. werden vorzugsweise einen Widerstand von nicht mehr als etwa 50 Ohm-cm und eine Dicke zwischen etwa 5 Mikrometer und 75 Mikrometer, abhängig von der Zusammensetzung, dem Widerstand und der Integrität der Beschichtung, aufweisen. Die dünneren Beschichtungen sind bevorzugt, um einen geringeren IR-Abfall durch den Brennstoffzellenstapel zu erzielen.
Während es sich gezeigt hat, dass Metallplatten, die mit einem leitenden Polymerverbundmaterial beschichtet sind, elektrisch leitende Fluidverteilungsplatten mit einer/m annehmbaren Korrosionsbeständigkeit und Kontaktwiderstand bereitstellen, haben die Anmelder festgestellt, dass die Haftung der Polymerbeschichtung an einigen Metallplatten wie z. B. jenen, die aus Edelstahl und Legierungen auf Nickelbasis hergestellt sind, auf Grund der relativen Inertheit der Metalloberfläche relativ schlecht ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine polymerbeschichtete, elektrisch leitende Metall-Fluidverteilungsplatte mit verbesserten Beschichtungshaftungseigenschaften bereitzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform wird diese Aufgabe mit einer elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatte gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
In zumindest einer Ausführungsform umfasst eine Brennstoffzelle eine elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte gemäß Anspruch 1. Die Brennstoffzelle umfasst ferner eine zweite elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte und eine Membranelektrodenanordnung, die die erste elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte und die zweite elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte trennt, wobei die Membranelektrodenanordnung eine Elektrolytmembran mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, eine Anode neben der ersten Seite der Elektrolytmembran und eine Kathode neben der zweiten Seite der Elektrolytmembran umfasst.
Die vorliegende Erfindung wird aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich.
Kurbeschreibung der Zeichnungen
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung ist am besten beim Lesen in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen verständlich, wobei gleiche Strukturen mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, und in denen:
1 eine schematische Veranschaulichung eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem ist;
2 eine schematische Veranschaulichung eines Brennstoffzellenstapels ist, der zwei Brennstoffzellen verwendet;
3 eine Veranschaulichung einer nicht erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatte ist;
4 eine Veranschaulichung einer nicht erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatte ist; und
5 eine Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatte ist;
Fachleute erkennen, dass Elemente in den Fig. zur Einfachheit und Klarheit veranschaulicht sind und nicht unbedingt maßstabgetreu gezeichnet sind. Zum Beispiel können die Abmessungen einiger der Elemente in den Fig. in Bezug auf andere Elemente vergrößert sein, um zum besseren Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beizutragen.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Außer in den Beispielen oder wo sonst ausdrücklich angegeben, sind alle numerischen Größen in dieser Beschreibung, die Mengen eines Materials oder Reaktions- und/oder Gebrauchsbedingungen anzeigen, als durch das Wort „etwa” beim Beschreiben des breitesten Umfangs der Erfindung zu verstehen. Eine praktische Ausführung innerhalb der angegebenen numerischen Grenzen ist allgemein bevorzugt. Wenn nicht ausdrücklich anders angegeben beziehen sich Prozent „Teile von” und Verhältniswerte auf das Gewicht; der Begriff „Polymer” umfasst „Oligomere”, „Copolymere”, „Terpolymere” und dergleichen; die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien, die für einen gegebenen Zweck in Verbindung mit der Erfindung geeignet oder bevorzugt sind, impliziert, dass Mischungen aus beliebigen zwei oder mehr der Elemente der Gruppe oder Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sind; die Beschreibung von Bestandteilen in chemischer Hinsicht bezieht sich auf die Bestandteile zum Zeitpunkt der Zugabe zu einer beliebigen in der Beschreibung spezifizierten Kombination und schlieft nicht unbedingt chemische Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen einer Mischung, sobald sie gemischt ist, aus; die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung trifft auf alle nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung und normale grammatikalische Varianten der ursprünglich definierten Abkürzung hierin zu; und wenn nicht ausdrücklich anders angegeben, wird die Messung einer Eigenschaft mit derselben Technik wie zuvor oder später für dieselbe Eigenschaft angeführt bestimmt.
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem 2 für Kraftfahrzeuganwendungen gezeigt. Es sollte jedoch einzusehen sein, dass andere Brennstoffzellensystemanwendungen wie z. B. auf dem Gebiet von Systemen im Wohnbereich Nutzen aus der vorliegenden Erfindung ziehen können.
In der in 1 veranschaulichten Ausführungsform ist ein Fahrzeug mit einer Fahrzeugkarosserie 90 und einem beispielhaften Brennstoffzellensystem 2 mit einem Brennstoffzellenprozessor 4 und einem Brennstoffzellenstapel 15 veranschaulicht. Eine Erläuterung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die in einem Brennstoffzellenstapel und einer Brennstoffzelle enthalten sind, ist hierin nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2–3 bereitgestellt. Es sollte einzusehen sein, dass die vorliegende Erfindung, während ein bestimmter Aufbau eines Brennstoffzellenstapels 15 beschrieben ist, auf beliebige Brennstoffzellenstapelaufbauten anwendbar ist, bei denen Fluidverteilungsplatten nützlich sind.
2 zeigt einen Brennstoffzellenstapel 15 aus zwei Brennstoffzellen, der ein Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 20 und 22 aufweist, die voneinander durch eine elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte 30 getrennt sind. Die Platte 30 dient als eine bipolare Platte mit einer Vielzahl von Fluidströmungskanälen 35, 37, um Brennstoff und Oxidationsmittelgase an die MEAs 20 und 22 zu verteilen. Unter „Fluidströmungskanal” ist ein Pfad, ein Gebiet, ein Bereich oder eine beliebige Domäne auf der Platte zu verstehen, der/das/die verwendet wird, um ein Fluid in, aus, entlang oder durch zumindest einen/s Abschnitt/s der Platte zu transportieren. Die MEAs 20 und 22 und die Platte 30 können zwischen Klemmplatten 40 und 42 und elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatten 32 und 34 zusammengestapelt sein. In der veranschaulichten Ausführungsform dienen die Platten 32 und 34 als Endplatten, von denen im Gegensatz zu den beiden Seiten der Platte nur eine Seite Kanäle 36 bzw. 38 enthält, um Brennstoff und Oxidationsmittelgase an die MEAs 20 und 22 zu verteilen.
Nicht leitende Dichtungen 50, 52, 54 und 56 können vorgesehen sein, um Abdichtungen und eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels bereitzustellen. Gasdurchlässige Kohle/Grafit-Diffusionspapiere 60, 62, 64 und 66 können nach oben gegen die Elektrodenflächen der MEAs 20 und 22 drücken. Platten 32 und 34 können nach oben gegen die Kohle/Grafit-Papiere 60 bzw. 66 drücken, während die Platte 30 nach oben gegen das Kohle/Grafit-Papier 64 auf der Anodenfläche der MEA 20 und gegen das Kohlen/Grafit-Papier 60 auf der Kathodenfläche der MEA 22 drücken kann.
In der veranschaulichten Ausführungsform wird ein oxidierendes Fluid wie z. B. O₂ von einem Speicherbehälter 70 über ein geeignetes Versorgungsleitungssystem 86 der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels zugeführt. Während das oxidierende Fluid der Kathodenseite zugeführt wird, wird ein reduzierendes Fluid wie z. B. H₂ aus einem Speicherbehälter 72 über ein geeignetes Versorgungsleitungssystem 88 der Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführt. Ein Austragleitungssystem (nicht gezeigt) für sowohl die H₂- als auch die O₂/Luft-Seiten der MEAs werden ebenfalls bereitgestellt. Ein zusätzliches Leitungssystem 80, 82 und 84 ist vorgesehen, um der Platte 30 und den Platten 32 und 34 flüssiges Kühlmittel zuzuführen. Ein geeignetes Leitungssystem zum Austragen des Kühlmittels von den Platten 30, 32 und 34 ist ebenfalls vorgesehen, aber nicht gezeigt.
3 veranschaulicht eine nicht erfindungsgemäße elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte 30, die ein erstes Blech 102 und ein zweites Blech 104 umfasst. Das erste und das zweite Blech 102 und 104 umfassen eine Vielzahl von Fluidströmungskanälen 106, 108 auf ihren Außenseiten/flächen, durch die die Reaktandengase der Brennstoffzelle typischerweise in einem gewundenen Pfad entlang einer Seite einer jeden Platte strömen. Das erste und das zweite Blech 102, 104 umfassen auch eine Vielzahl von Stegen 107, 109 neben den Kanälen 106, 108. Die Innenseiten des ersten und des zweiten Blechs 102 und 104 können eine zweite Vielzahl von Fluidströmungskanälen 110, 112 umfassen, durch die ein Kühlmittel während des Betriebs der Brennstoffzelle strömt. Wenn die Innenseiten des ersten Blechs 102 und des zweiten Blechs 104 zusammen angeordnet werden, um einen Plattenkörper 120 zu bilden, bilden und verbinden die Fluidströmungskanäle eine Reihe von Kanälen für das Kühlmittel, das durch die Platte 30 strömt.
Der Plattenkörper 120 kann eher aus einem/r einzigen Blech oder Platte als den zwei in 3 veranschaulichten Blechen gebildet sein. Wenn der Plattenkörper 120 aus einer einzigen Platte gebildet ist, können die Kanäle auf den Außenseiten des Plattenkörpers 120 und durch die Mitte des Plattenkörpers 120 gebildet sein, sodass der daraus entstehende Plattenkörper 120 dem aus zwei getrennten Blechen 102, 104 ausgebildeten Plattenkörper 120 entspricht.
Der Plattenkörper 120 kann aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet sein und muss leitend sein. Ein passivierendes Metall oder eine passivierende Legierung bildet den Plattenkörper 120. Unter einem „passivierenden Metall” oder einer „passivierenden Legierung” ist ein Metall oder eine Legierung zu verstehen, das/die eine Passivierungsschicht als ein Ergebnis einer Reaktion mit Substanzen aus der Umgebung wie z. B. Luft oder Wasser bildet. Wenn jedoch ein passivierendes Metall verwendet werden soll, wird bevorzugt, dass jegliche gebildete Passivierungsschicht relativ dünn ist, um den Kontaktwiderstand der Platte 30 nicht wesentlich zu erhöhen.
Geeignete Metalle und Metalllegierungen sollten durch eine ausreichende Haltbarkeit und Steifigkeit gekennzeichnet sein, um als eine Fluidverteilungsplatte in einer Brennstoffzelle zu dienen. Zusätzliche Konstruktionseigenschaften, die bei der Wahl eines Materials für den Plattenkörper zu berücksichtigen sind, umfassen die Gasdurchlässigkeit, die Leitfähigkeit, die Dichte, die Wärmeleitfähigkeit, die Korrosionsbeständigkeit, die Profildefinition, die thermische und Profilstabilität, die maschinelle Verarbeitbarkeit, die Kosten und die Verfügbarkeit. Verfügbare Metalle und Legierungen umfassen Edelstahl, Legierungen auf Nickelbasis und Kombinationen daraus.
Das erste und das zweite Blech 102, 104 weisen typischerweise eine Dicke zwischen etwa 50 und etwa 250 Mikrometer auf. Die Bleche 102, 104 können durch maschinelle Bearbeitung, Rotationsgesenkpressen, Schneiden, Ausstanzen, Formätzen wie z. B. mittels einer photolithographischen Maske, chemisches Ätzen oder ein beliebiges anderes geeignetes Konstruktions- und Herstellungsverfahren gebildet werden. Es wird in Erwägung gezogen, dass die Bleche 102, 104 eine geschichtete Struktur mit einem flachen Blechen und einem zusätzlichen Blech mit einer Reihe von äußeren Fluidströmungskanälen umfassen kann. Ein inneres Abstandhalterblech (nicht gezeigt) kann zwischen dem ersten und dem zweiten Blech 102, 104 angeordnet sein.
In der schematisch veranschaulichten Platte 30 von 3 umfasst das Substrat 102, 104, das die strukturelle Komponente des Körpers 120 bildet, ein korrosionsbeständiges metallisches Material wie z. B. Edelstahl, Legierungen auf Nickelbasis und Kombinationen daraus. Die Arbeitsflächen der Platte 30 sind mit einer leitenden Polymerverbund-Beschichtung 140 bedeckt. Die leitende Polymerbeschichtung 140 kann ein elektrisch leitendes, oxidationsbeständiges und säurebeständiges Schutzmaterial mit einem Widerstand von weniger als etwa 50 Ohm-cm² und eine Vielzahl von oxidationsbeständigen, säureunlöslichen, leitenden Füllstoffpartikeln (d. h. kleiner als 50 Mikrometer) umfassen, die über eine säurebeständige, oxidationsbeständige Polymermatrix fein verteilt sind. Es kann jede beliebige geeignete Polymerbeschichtung verwendet werden. Die leitende Polymerbeschichtung kann eine Dicke von 5 bis 45 Mikrometer oder von 10 bis 30 Mikrometer besitzen. Geeignete Beispiele für solche Beschichtungen und die Art ihrer Anwendung finden sich in dem US-Patent US 6 372 376 B1 .
Die leitenden Füllstoffpartikel können aus der Gruppe gewählt sein, die aus Gold, Platin, Grafit, Kohlenstoff, Palladium, Niobium, Rhodium, Ruthenium und den Seltenerdmetallen besteht. Die Partikel können leitenden Kohlenstoff und Grafit mit einer Beladung von 25 Gew.-% umfassen. Die Polymermatrix kann ein beliebiges wasserunlösliches Polymer umfassen, das zu einem dünnen, klebenden Film geformt werden kann und das der aggressiven oxidativen und sauren Umgebung der Brennstoffzelle standhalten kann. Daher werden unter anderem solche Polymere wie Epoxide, Polyamidimide, Polyetherimide, Polyphenole, Fluorelastomere (z. B. Polyvinylidenfluorid), Polyester, Phenoxyphenole, Epoxidphenole, Acryle und Urethane als nützlich bei der Verbundbeschichtung betrachtet. Vernetzte Polymere können verwendet werden, um weniger durchlässige Beschichtungen zu erzeugen, wobei duroplastische/thermoplastische Polyamid-Imidpolymere am bevorzugtesten sind.
Die leitende Polymerschicht 140 kann durch Lösen von Polyamidimid in einem Lösungsmittel, das ein Gemisch aus N-Methylpyrrolidon, Propylenglykol und Methylätheracetat und 21 Gew.-% bis 23 Gew.-% einer Mischung aus Grafit- und Russpartikeln, die diesem zugefügt wird, umfasst, aufgebracht werden. Die Größe der Grafitpartikel kann zwischen 5 Mikrometer und 20 Mikrometer betragen und die Größe der Russpartikel kann zwischen 0,5 Mikrometer und 1,5 Mikrometer betragen. Das Gemisch kann auf das Substrat gesprüht werden, getrocknet werden (d. h. das Lösungsmittel wird verdampft) und ausgehärtet werden, um eine Beschichtung mit einer Dicke von 10 bis 30 Mikrometer bereitzustellen, die einen Kohlenstoff-Grafit-Gehalt von bis zu 38 Gew.-% aufweist. Es kann langsam bei niedrigen Temperaturen (d. h. < 204,4°C) oder schneller in einem zweistufigen Prozess ausgehärtet werden, in dem das Lösungsmittel zuerst durch Erhitzen für 10 Minuten auf etwa 148,9°C bis 176,7°C (d. h. Trocknen) entfernt wird, gefolgt von einem Erhitzen bei einer höheren Temperatur (260°C bis 398,9°C) über verschiedene Zeitspannen, die (abhängig von der verwendeten Temperatur) im Bereich von etwa einer halben Minute bis etwa 15 Minuten liegen, um das Polymer auszuhärten. Alternativ kann die Beschichtung mittels Infrarot getrocknet/ausgehärtet werden.
In der in 3 umfasst die elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte 30 eine metallhaltige haftungsfördernde Beschichtung 130, die zwischen den Blechen 102, 104 und der leitenden Polymerbeschichtung 140 angeordnet ist. Während sich die metallhaltige haftungsfördernde Beschichtung 130 über im Wesentlichen die gesamte Außenfläche der Platte 30 erstrecken kann, wie in 3 schematisch veranschaulicht, kann sich die metallhaltige haftungsfördernde Beschichtung 130 auch über weniger als die gesamte Außenfläche erstrecken.
Die Anmelder haben festgestellt, dass durch das Vorsehen einer elektrisch leitenden Fluidverteilungsplatte 30, die die metallhaltige haftungsfördernde Beschichtung 130 aufweist, die zwischen den Blechen 102, 104 und der leitenden Polymerbeschichtung 140 angeordnet ist, eine elektrisch leitende Verteilungsplatte ergeben kann, die ausgezeichnete Kontaktwiderstands- und Wassertransporteigenschaften wie auch eine ausgezeichnete Nasshaftung der leitfähigen Polymerbeschichtungen 140 an der Platte 30 aufweist. Die metallhaltige haftungsfördernde Beschichtung 130 kann eine Metallschicht sein, die ein Ventilmetall umfasst. Es wird in Betracht gezogen, dass die metallhaltige haftungsfördernde Beschichtung 130 eine Reinmetall-Ventilschicht und andere metallhaltige Legierungs-Ventilschichten umfassen kann. Besonders geeignete Ventilmetalle können Titan, Zirconium, Niobium, Tantal und Mischungen daraus umfassen. Titan ist besonders geeignet.
Die metallhaltige haftungsfördernde Beschichtung 130 weist eine Dicke von weniger als 100 nm auf. Vorzugsweise weist die metallhaltige haftungsfördernde Beschichtung 130 eine Dicke von weniger als 75 nm auf. Besonders bevorzugt ist die Beschichtung 130 zwischen 1 und 60 nm und am besten zwischen 5 und 45 nm dick. Während die metallhaltige haftungsfördernde Beschichtung 130 der Platte 30 auf eine beliebige Weise zugeführt werden kann, besteht ein besonders geeigneter Ansatz darin, die metallhaltige haftungsfördernde Beschichtung 130 mittels eines physikalischen Gasphasenabscheidungsverfahrens auf der Platte 30 abzuscheiden. Die Anmelder haben festgestellt, dass die Verwendung der metallhaltigen haftungsfördernden Beschichtung 130 zu einer ausgezeichneten Haftung der Verbundbeschichtung 140 auf der Platte 30 führt. Die Verbundbeschichtung 140 wird mindestens 2000 Stunden (des Gebrauchs der Zelle) auf der Platte lang haften. Sie kann jedoch auch mindestens 4000 Stunden lang oder mindestens 6000 Stunden lang auf der Platte haften.
Die Anmelder haben auch festgestellt, dass die metallhaltige haftungsfördernde Beschichtung dabei hilfreich sein kann, die Wassermanagementeigenschaften der Platte 30 zu verbessern. Es kann sich eine geringe Menge der zwischen der Platte 30 und der leitenden Polymerbeschichtung 140 angeordneten Ventilmetallschicht 130 mit der Zeit, z. B. durch Oxidation, in eine Ventilmetalloxidschicht umwandeln. Die Ventilmetalloxidschicht ist ein relativ hydrophiler, nicht stöchiometrischer, metallischer, leitender passiver Film. In der 4 ist es der Außenflächenabschnitt 150 der Beschichtung 130, der sich in die Ventilmetalloxidschicht umwandelt. Der Außenflächenabschnitt 150 umfasst 0,001 bis 2,5 Vol.-%, der metallhaltigen haftungsfördernden Beschichtung 130, bevorzugt 0,05 bis 1,5% und besonders bevorzugt 0,1 bis 1%. Wenn der äußere Abschnitt der metallhaltigen haftungsfördernden Beschichtung 130 den Ventilmetalloxid-Außenflächenabschnitt 150 umfasst, ist die Beschichtung 130 relativ hydrophil, was zu einem hohen Spreitungsdruck der Platte 30 führt. Der Spreitungsdruck der Platte 30 beträgt, wenn die metallhaltige haftungsfördernde Beschichtung 130 den Ventilmetalloxid-Außenflächenabschnitt 150 umfasst, mindestens 200 mJ/m², vorzugsweise zwischen 225 und 375 mJ/m² und besonders bevorzugt zwischen 275 und 325 mJ/m². Platten mit Spreitungsdrücken in diesen Bereichen können gute Dochteigenschaften bereitstellen und können dabei helfen, Wasser aus dem Stapel zu entfernen. Auch werden Platten mit Ventil-Metalloxidschichten in den oben angeführten Volumina den Gesamtkontaktwiderstand der Platte nicht nennenswert erhöhen.
Die leitende Polymerbeschichtung 140 kann direkt auf die Beschichtung 130 aufgetragen werden und kann darauf trocknen/aushärten. Die Verbundschicht 140 kann auf vielerlei Arten wie z. B. Aufbürsten, Sprühen, Streichen, oder Laminieren, Bandbeschichten oder Walzenbeschichten eines vorgeformten Films auf das Substrat aufgebracht werden. Da die metallhaltige haftungsfördernde Beschichtung 130 einen nicht stöchiometrischen, leitenden, passiven Film bilden kann, der den Gesamtkontaktwiderstand der Platten 30 nicht nennenswert erhöht, kann die Abscheidung der Polymerschicht 140 nach einer relativ langen Verzögerung gegenüber der Abscheidung der metallhaltigen haftungsfördernden Beschichtung 130 stattfinden. Solche Verzögerungen können mindestens 24 Stunden, vorzugsweise mindestens 72 Stunden und besonders bevorzugt mindestens 168 Stunden betragen.
5 veranschaulicht eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Platte 30' und der Körper 120', die in 5 veranschaulicht sind, ähneln im Aufbau und in der Verwendung der Platte 30 und dem Körper 120, die in 3 veranschaulicht sind. Teile der Platte 30', die im Wesentlichen dieselben sind, wie die entsprechenden Teile in der in 3 veranschaulichten Platte 30 sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet, und die Teile der Platte 30', die sich im Wesentlichen von den entsprechenden Teilen in der Platte 30 unterscheiden, sind mit derselben Teilebezugsziffer bezeichnet, wobei zum besseren Verständnis das '-Suffix hinzugefügt ist.
Erfindungsgemäß ist die leitende Polymerschicht 140 nicht über die Kanäle 106, 108 der Platte 30' aufgebracht. Somit sind die Kanäle 106, 108 zumindest frei von der leitenden Polymerschicht 140. Entweder kann die Polymerschicht 140 selektiv nur im Wesentlichen auf den Stegen 107, 109 abgeschieden werden oder die Kanäle 106, 108 könnten während der Abscheidung der Polymerbeschichtung 140 auf der Platte 30' entsprechend maskiert sein, sodass zumindest im Wesentlichen keine Polymerbeschichtung in die Kanäle 106, 108 abgeschieden wird. In dieser Ausführungsform können die Kanäle 106, 108 relativ hydrophiler sein als die Stege 107, 109, wodurch das Wassermanagementvermögen der Platte 30' dadurch verbessert ist, dass relativ effizientere Wasserentfernungswege bereitgestellt sind.
In zumindest bestimmten Ausführungsformen weist eine elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausgezeichnete Kontaktwiderstands- und Beschichtungshaftungseigenschaften auf. In zumindest bestimmten Ausführungsformen weist eine elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausgezeichnete Wassermanagementeigenschaften auf.
In zumindest bestimmten Ausführungsformen besitzt eine elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zumindest auf Grund der Möglichkeit, die Abscheidung der Polymerbeschichtung in Bezug auf die Abscheidung der metallhaltigen haftungsfördernden Beschichtung zu verzögern, eine ausgezeichnete Verarbeitbarkeit. In zumindest bestimmten Ausführungsformen besitzt eine elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch auf Grund dessen eine ausgezeichnete Verarbeitbarkeit, dass die Verwendung der metallhaltigen haftungsfördernden Beschichtung die Abscheidung der Polymerbeschichtung auf der Platte ohne jegliches kathodisches Reinigen oder Ätzen ermöglichen kann, auch wenn in einigen Ausführungsformen ein Vor-Sputterschritt der Bleche oder die Verwendung von sauberen Blechen direkt aus einem Blankglühofen von Nutzen sein kann, um einen geringen Kontaktwiderstand aufrechtzuerhalten.
Es sollte einzusehen sein, dass die Prinzipien der vorliegenden Erfindung gleichermaßen auf unipolare Platten wie auf bipolare Platten zutreffen.
Die vorliegende Erfindung wird beispielhaft weiter erklärt. Es sollte einzusehen sein, dass die vorliegende Erfindung durch das Beispiel nicht beschränkt ist.
Beispiel
Einige Edelstahlplatten werden in einer Argonatmosphäre bei 1,33 Pa (–500 Vorsteuerspannung) fünf Minuten lang vorgesputtert, um jegliche natürlich vorhandene passivierende und isolierende Oxide zu entfernen. Danach werden die Platten mit einer Titanschicht von 10 bis 30 nm beschichtet und anschließend mit einer leitenden Polymerschicht wie den in dem US-Patent US 6 372 376 B1 offenbarten beschichtet. Anschließend werden die organischen Polymerbeschichtungen nach dem Abscheiden des Titans auf den Platten aufgebracht, um dabei zu helfen, das natürliche Aufwachsen von Oxiden zu verhindern. Danach werden die Platten 20 Wochen lang in eine simulierte Brennstoffzellenlösung mit einem pH von 3 bei 90°C eingetaucht. Nach 20 Wochen Eintauchen in der simulierten Brennstoffzellenlösung in Übereinstimmung mit der Haftfestigkeitsprüfung (ASTM Nr. D 3359) zeigen die Platten keine wesentlichen Ablösungsfehler.
Vergleichsbeispiel
Einige Edelstahlplatten werden kathodisch gereinigt, um jegliche natürlich vorhandene passivierende und isolierende Oxide zu entfernen. Danach werden die Platten mit einer leitenden Polymerschicht wie den in dem US-Patent US 6 372 376 B1 offenbarten beschichtet. Diese Platten weisen keine der leitenden Polymerbeschichtung benachbarte Titanschicht auf. Dann werden die Platten 12 Wochen lang in eine simulierte Brennstoffzellenlösung mit einem pH von 3 bei 90°C eingetaucht. Nach 12 Wochen Eintauchen in der simulierten Brennstoffzellenlösung in Übereinstimmung mit der Haftfestigkeitsprüfung (ASTM Nr. D 3359) zeigen die Platten deutliche Ablösungsfehler.

Claims

Elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte (30'), umfassend: einen metallischen Plattenkörper (120'), der einen Satz von Fluidströmungskanälen (106) definiert, die ausgebildet sind, um eine Strömung eines Fluids über mindestens eine Seite der Platte (30') zu verteilen; eine metallhaltige haftungsfördernde Schicht (130), die auf dem Plattenkörper (120') angeordnet ist; und eine leitende Verbundpolymerschicht (140), die auf der metallischen Schicht (130) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltige haftungsfördernde Schicht (130) eine Dicke von weniger als 100 nm aufweist und dass der Plattenkörper (120') Stege (107) benachbart zu den Kanälen (106) umfasst, wobei die metallhaltige haftungsfördernde Schicht (130) in den Kanälen (106) frei von darauf angeordnetem leitendem Verbundpolymermaterial (140) ist.
Elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte nach Anspruch 1, wobei die metallhaltige haftungsfördernde Schicht (130) ein Ventilmetall umfasst.
Elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte nach Anspruch 2, wobei das Ventilmetall aus der Gruppe gewählt ist, die aus Titan, Zirconium, Tantal, Niobium und Mischungen daraus besteht.
Elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte nach Anspruch 2, wobei die metallhaltige haftungsfördernde Schicht (130) eine Dicke von weniger als 75 nm aufweist.
Elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte nach Anspruch 2, wobei die metallhaltige haftungsfördernde Schicht (130) einen äußeren Flächenabschnitt mit einer Metalloxidschicht (150) umfasst, wobei der äußere Flächenabschnitt in einem Betrag vorhanden ist, der den Gesamtkontaktwiderstand der Platte (30') relativ zu einer Platte, die den äußeren Flächenabschnitt nicht aufweist, nicht erhöht.
Elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte nach Anspruch 3, wobei das Metall Titan ist.
Elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte nach Anspruch 3, wobei das Metall Zirconium ist
Elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte nach Anspruch 3, wobei das Metall Niobium ist.
Elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte nach Anspruch 3, wobei das Metall Tantal ist.
Elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte nach Anspruch 2, wobei die metallhaltige haftungsfördernde Schicht (130) durch physikalische Gasphasenabscheidung auf dem Plattenkörper (30') abgeschieden ist.
Elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte nach Anspruch 5, wobei das Metalloxid Titanoxid ist.
Elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte nach Anspruch 3, wobei die metallische Platte (30') Edelstahl umfasst.
Elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte nach Anspruch 3, wobei die Platte (30') einen Spreitungsdruck von mindestens 200 mJ/m² aufweist.
Brennstoffzelle, die umfasst: eine elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte gemäß Anspruch 1; eine weitere elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte (30'); eine Membranelektrodenanordnung (20), die die erste elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte (30') und die zweite elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte trennt, wobei die Membranelektrodenanordnung (20) umfasst: eine Elektrolytmembran mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, eine Anode neben der ersten Seite der Elektrolytmembran; und eine Kathode neben der zweiten Seite der Elektrolytmembran.