DE112006002090T5

DE112006002090T5 - Brennstoffzellenkomponente mit einer Nanopartikel enthaltenden Beschichtung

Info

Publication number: DE112006002090T5
Application number: DE112006002090T
Authority: DE
Inventors: Harald Schlag; Ralf Senner; Thomas A. Trabold; Thomas W. Tighe; Gayatri Rochester Hills Vyas; Keith E. Newman
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-08-12
Filing date: 2006-08-08
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2026-08-09
Also published as: US20140093639A1; JP2009505350A; US8735022B2; JP5719338B2; CN101375442A; DE112006002090B4; CN101375442B; WO2007021676A2; WO2007021676A3; JP5362356B2; JP2013069694A

Abstract

Produkt umfassend eine Brennstoffzellenkomponente, welche ein Substrat und eine Beschichtung, welche über dem Substrat angeordnet ist, umfasst, wobei die Beschichtung Nanopartikel mit Größen in einem Bereich zwischen 2 und 100 nm enthält.

Description

QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
Die vorliegende Patentanmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen US-Anmeldung Nr. 60/707,705, welche am 12. August 2005 eingereicht worden ist.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Brennstoffzellenkomponenten mit einer Nanopartikel enthaltenden Beschichtung darauf.
HINTERGRUND
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, weil dieser sauber ist und wirksam eingesetzt werden kann, um in einer Brennstoffzelle Elektrizität zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie setzt bei der Entwicklung von Wasserstoffbrennstoffzellen als eine Kraftquelle für Kraftfahrzeuge beträchtliche Ressourcen ein. Solche Kraftfahrzeuge wären effizienter und würden weniger Emissionen erzeugen als heutige Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren.
Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, welche eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode erhält wasserstoffreiches Gas oder reinen Wasserstoff und die Kathode erhält Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode dissoziiert, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen passieren durch den Elektrolyten zu der 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 Elektrolyten passieren und werden folglich durch eine Ladung geführt, um Arbeit zu verrichten, bevor diese zu der Kathode geleitet werden. Diese Arbeit kann dafür eingesetzt werden, um beispielsweise ein Kraftfahrzeug zu anzutreiben.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind für Kraftfahrzeuganwendungen beliebt. Die PEMFC umfasst im Allgemeinen eine feste protonenleitende Polymerelektrolytmembran, wie beispielsweise eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode enthalten üblicherweise fein verteilte Katalysatorpartikel, üblicherweise Platin (Pt), welche auf Kohlenstoffpartikeln getragen werden und mit einem Ionomer vermischt sind. Die Katalysatormischung ist auf gegenüberliegenden Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination der Anodenkatalysatormischung, der Kathodenkatalysatormischung und der Membran definiert einen Membranelektrodenaufbau (MEA). Die MEA'en sind relativ teuer herzustellen und erfordern gewisse Bedingungen für einen effektiven Betrieb. Diese Bedingungen schließen ein sauberes Wassermanagement und eine Befeuchtung sowie die Kontrolle der Katalysator vergiftenden Bestandteile, wie beispielsweise Kohlenmonoxid (CO), ein.
Mehrere Brennstoffzellen werden typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um den gewünschten Strom zu erzeugen. Der Stapel kann bei dem zuvor erwähnten Kraftfahrzeugbrennstoffzellenstapel ungefähr zweihundert oder mehr bipolare Platten enthalten. Der Brennstoffzellenstapel erhält ein Kathodenreaktandengas, typischerweise einen Luft strom, welcher durch einen Kompressor durch den Stapel hindurch gefördert wird. Nicht der gesamte Sauerstoff wird von dem Stapel verbraucht und einige der Luft wird als Kathodenabgas, welches flüssiges Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann, abgegeben. Der Brennstoffzellenstapel erhält außerdem ein Anodenwasserstoffreaktandengas, welches in die Anodenseite des Stapels strömt.
Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe von zwischen den verschiedenen MEA'en in dem Stapel positionierten Strömungsfeld- oder bipolaren Platten. Die bipolaren Platten umfassen eine Anodenseite sowie eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. An der Anodenseite der bipolaren Platten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, welche es ermöglichen, dass das Anodengas zu der Anodenseite des MEA's strömt. An der Kathodenseite der bipolaren Platten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, welche es erlauben, dass das Kathodengas zu der Kathodenseite des MEA's strömt. Die bipolaren Platten können ebenfalls Strömungskanäle für eine Kühlflüssigkeit enthalten.
Die bipolaren Platten werden typischerweise aus einem leitfähigen Material, wie beispielsweise aus rostfreiem Stahl, aus Titan, aus Aluminium, aus Polymerkohlenstoffverbundstoffen etc. hergestellt, so dass diese die durch die Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität von einer Zelle zu der nächsten Zelle und aus dem Stapel herausleiten. Bipolare Metallplatten erzeugen typischerweise an ihrer Außenfläche ein natürliches Oxid, welches diese gegenüber Korrosion beständig macht. Allerdings ist diese Oxidschicht nicht leitfähig und erhöht folglich den inneren Widerstand der Brennstoffzelle, was ihre elektrische Leistungsfähigkeit verringert. Ferner macht die Oxidschicht die Platten häufig hydrophober.
Die US-Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2003/0228512, welche dem Anmelder der vorliegenden Patentanmeldung zugeordnet ist und deren Offenbarung hiermit als Referenz eingeführt wird, offenbart ein Verfahren zum Abscheiden einer leitfähigen Außenschicht auf einer Strömungsfeldplatte, welche es verhindert, dass die Platte oxidiert, und welche ihren ohmschen Kontakt erhöht. Das US-Patent Nr. 6,372,376 , welches ebenfalls dem Anmelder der vorliegenden Patentanmeldung zugeordnet ist, offenbart das Abscheiden einer elektrisch leitfähigen oxidationsbeständigen und säurebeständigen Beschichtung auf einer Strömungsfeldplatte. Die US-Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2004/0091768, welche ebenfalls dem Anmelder der vorliegenden Patentanmeldung zugeordnet ist, offenbart das Abscheiden einer Graphit- und Rußbeschichtung auf einer Strömungsfeldplatte, um die Strömungsfeldplatte korrosionsbeständig, elektrisch leitfähig und thermisch leitfähig zu machen.
Wie auf diesem Fachgebiet gut bekannt ist, benötigen die Membranen in einer Brennstoffzelle eine gewisse relative Feuchtigkeit, damit der Innenwiderstand über die Membran gering genug ist, um Protonen wirksam zu leiten. Während des Betriebs der Brennstoffzelle kann Feuchtigkeit aus den MEA'en und äußere Befeuchtung in die Anoden- und in die Kathodenströmungskanäle eindringen. Bei niedrigen Zellstromanforderungen, typischerweise unterhalb von 0,2 A/cm², akkumuliert in den Strömungskanälen Wasser, weil die Strömungsgeschwindigkeit des Reaktandengases zu gering ist, um das Wasser aus den Kanälen heraus zu fördern. Wenn das Wasser akkumuliert, bildet dieses Tröpfchen, welche sich wegen der hydrophoben Natur des Plattenmaterials kontinuierlich ausdehnen. Der Kontaktwinkel der Wassertropfen liegt im Allgemeinen bei ungefähr 90°, weil sich die Tropfen in den Strömungskanälen im Wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrichtung des Reaktandengases ausbilden. Wenn sich die Größe der Tropfen erhöht, wird der Strömungskanal geschlossen und das Reaktandengas wird zu anderen Strömungskanälen abgelenkt, weil die Kanäle zwischen den Einlass- und Auslass-Verteilerrohren parallel strömen. Weil das Reaktandengas nicht durch einen Kanal, welcher mit Wasser blockiert ist, strömen kann, kann das Reaktandengas das Wasser nicht aus dem Kanal herausfördern. Diese Flächen der Membran, welche als Ergebnis der Blockierung des Kanals kein Reaktandengas erhalten, werden keine Elektrizität erzeugen, was zu einer nicht homogenen Stromverteilung führt und die Gesamteffizienz der Brennstoffzelle verringert. Wenn mehr und mehr der Strömungskanäle durch Wasser blockiert werden, nimmt die durch die Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie ab, wobei ein Zellspannungspotential von weniger als 200 mV als eine Zellfehlfunktion betrachtet wird. Weil die Brennstoffzellen elektrisch in Reihe verbunden sind, kann der gesamte Brennstoffzellenstapel aufhören, zu arbeiten, wenn eine der Brennstoffzellen nicht mehr arbeitet.
Es ist üblicherweise möglich, das in den Strömungskanälen akkumulierte Wasser durch periodisches Fördern des Reaktandengases bei einer höheren Strömungsgeschwindigkeit durch die Strömungskanäle abzuführen. Allerdings erhöht dies auf der Kathodenseite den an den Luftkompressor angelegten parasitären Strom, wodurch die Gesamtsystemeffizienz verringert wird. Ferner gibt es viele Gründe, den Wasserstoffbrennstoff nicht als ein Spülgas zu verwenden, einschließlich verringerte Wirtschaftlichkeit, verringerte Systemeffizienz und erhöhte Systemkomplexität zum Behandeln erhöhter Konzentrationen von Wasserstoff in dem Abgasstrom.
Eine Verringerung des akkumulierten Wassers in den Kanälen kann auch durch Verringern der Einlassbefeuchtung erreicht werden. Allerdings ist es wünschenswert, in den Anoden- und in den Kathodenreaktandengasen eine gewisse relative Feuchtigkeit vorzusehen, damit die Membran in den Brennstoffzellen hydriert verbleibt. Ein trockenes Einlassgas weist einen Trocknungseffekt auf die Membran auf, welcher den Innenwiderstand der Zelle erhöhen könnte und die Langzeitlebensdauer der Membran begrenzen könnte.
Durch die vorliegenden Erfinder ist es vorgeschlagen worden, bipolare Platten für eine Brennstoffzelle hydrophil zu machen, um den Kanalwassertransport zu verbessern. Eine hydrophile Platte bewirkt, dass sich Wasser in den Kanälen in einem spontane Benetzung genanntem Verfahren entlang der Oberfläche verteilt. Der resultierende dünne Film hat eine geringere Tendenz, die Strömungsverteilung entlang der Anordnung der Kanäle, welche mit den gemeinsamen Einlass- und Auslassköpfen verbunden sind, zu verändern. Wenn das Plattenmaterial eine ausreichend hohe Oberflächenenergie aufweist, wird der Wassertransport durch die Diffusionsmedien die Kanalwände kontaktieren und dann durch Kapillarkraft zu den Bodenecken des Kanals entlang seiner Länge transportiert werden. Die physikalischen Anforderungen, um ein spontanes Befeuchten in den Ecken eines Strömungskanals zu fördern, werden durch die Concus-Finn-Bedingung, β + α/2 < 90° beschrieben, worin β der statische Kontaktwinkel ist, welcher zwischen einer Flüssigkeitsfläche und einer Feststofffläche ausgebildet wird, und α der Kanaleckenwinkel ist. Für einen rechtwinkligen Kanal, α/2 = 45°, bestimmt diese, dass ein spontanes Benetzen auftreten wird, wenn der statische Kontaktwinkel weniger als 45° beträgt. Für die annähernd rechtwinkligen Kanäle, welche in herkömmlichen Brennstoffzellenstapelanordnungen mit bipolaren Verbundstoffplatten eingesetzt werden, setzt dies eine ungefähre obere Begrenzung für den Kontaktwinkel, welcher benötigt wird, um die vorteilhaften Effekte der hydrophilen Plattenoberflächen auf den Kanalwassertransport und eine geringe Belastungsstabilität zu realisieren.
ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Produkt, welches eine Brennstoffzellenkomponente aufweist, welche ein Substrat sowie eine das Substrat überschichtende Beschichtung umfasst, wobei die Beschichtung Nanopartikel mit Größen in einem Bereich zwischen 2 und 100 nm enthält.
Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung offensichtlich werden. Es sollte verstanden werden, dass die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele, während die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung andeutend, lediglich zum Zwecke der Illustration gedacht sind und nicht dazu gedacht sind, den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen vollständiger verstanden werden, wobei:
die 1 ein Diagramm des Ergebnisses von Fourier-Transformations-Infrarotspektren einer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellten Beschichtung ist,
die 2 ein Diagramm des Ergebnisses von Fourier-Transformations-Infrarotspektren einer gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellten Beschichtung ist,
die 3 eine Mikrofotografie einer Beschichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
die 4 eine Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle in einem Teilstück eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, welcher bipolare Platten mit einer Beschichtung enthält, um die Platte hydrophil zu machen,
die 5 eine gebrochene Querschnittsansicht einer bipolaren Platte für eine Brennstoffzelle gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, welche eine durch durch offene Flächen getrennte Stege definierte Beschichtung enthält,
die 6 eine gebrochene Querschnittsansicht einer bipolaren Platte für eine Brennstoffzelle gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, bei der die Beschichtung an den Stegen zwischen den Strömungskanälen in der Platte entfernt worden ist,
die 7 eine gebrochene Querschnittsansicht einer bipolaren Platte für eine Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, bei der eine Beschichtung über einer anderen Beschichtung, welche sich auf der bipolaren Platte befindet, abgeschieden ist,
die 8 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, welche ein Verfahren umfasst, bei dem zunächst selektiv eine Maske über den Stegen einer bipolaren Platte ausgebildet wird und daran anschließend eine Beschichtung über der die Maske umfassenden bipolaren Platte abgeschieden wird,
die 9 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert, welche ein Verfahren umfasst, bei dem die Maske über den Stegen entfernt wird, so dass die Beschichtung lediglich den Kanal der bipolaren Platte überlagert,
die 10 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert, welche ein Verfahren umfasst, bei dem zunächst eine Silizium enthaltende Beschichtung über der bipolaren Platte abgeschieden wird, dann selektiv eine Maske über den Kanälen einer bipolaren Platte ausgebildet wird und daran anschließend die Beschichtung über den Stegen der bipolaren Platte weggeätzt wird,
die 11 eine Draufsicht eines Systems zum Abscheiden der verschiedenen Schichten auf den bipolaren Platten gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist,
die 12 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert, welche eine Plasma unterstützte chemische Dampfabscheidungsreaktionskammer, welche für ein Verfahren geeignet ist, umfasst,
die 13 Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung illustriert, welche ein Produkt und ein Verfahren umfassen, bei dem die Beschichtung durch die Kanäle einer bipolaren Platte strömt,
die 14A ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert, bei dem eine bipolare Platte geformt wird und eine polymerreiche Haut umfasst,
die 14B ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert, welches das Abscheiden einer Beschichtung über der Haut der 14A umfasst, und
die 14C ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert, welches das Entfernen der Beschichtung und der Haut über den Stegen der bipolaren Platte umfasst.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und ist in keiner Weise dazu beabsichtigt, den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, deren Anwendung oder Verwendungen zu beschränken.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt eine Brennstoffzellenkomponente mit einem Substrat, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf eine bipolare Platte mit einer Nanopartikel enthaltenden Beschichtung ein. Die Nanopartikel können Größen in einem Bereich zwischen ungefähr 2 und ungefähr 100 nm, vorzugsweise zwischen ungefähr 2 und ungefähr 20 nm und am meisten bevorzugt zwischen ungefähr 2 und ungefähr 5 nm aufweisen. Die Nanopartikel können anorganische und/oder organische Materialien enthalten. Die Beschichtung kann ebenfalls eine Verbindung enthalten, welche funktionelle Hydroxyl-, Halogenid-, Carboxyl-, Keton- und/oder Aldehydgruppen enthält. Die Beschichtung macht die Brennstoffzellenkomponente, wie beispielsweise eine bipolare Platte, hydrophil.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt eine Brennstoffzellenkomponente mit einer hydrophilen Beschichtung ein, welche Nanopartikel mit hydrophilen Seitenketten enthält.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt eine Brennstoffzellenkomponente mit einer hydrophilen Beschichtung ein, welche Nanopartikel enthält, welche 10 bis 90 Gewichtsprozent anorganische Strukturen, 5 bis 70 Gewichtsprozent hydrophile Seitenketten und 0 bis 50 Gewichtsprozent organische Seitenketten mit funktionellen Gruppen enthalten. Solch eine Materialmischung bewirkt eine Hydrophilisierung der Oberflächen, wobei die Beschichtung aus nanogroßen Partikeln mit hydrophilen Seitenketten besteht, welche gesintert werden können.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die hydrophilen Seitenketten Amin-, Sulfonat-, Sulfat-, Sulfit, Sulfonamid-, Sulfoxid-, Carboxylat-, Polyol-, Polyether-, Phosphat- oder Phosphonatgruppen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Beschichtung organische Seitenketten enthalten, wobei die funktionellen Gruppen der organischen Seitenketten Epoxy-, Acryloxy-, Methacryloxy-, Glycidyloxy-, Allyl-, Vinyl-, Carboxyl-, Mercapto-, Hydroxyl-, Amid- oder Amin-, Isocyan-, Hydroxy- oder Silanolgruppen sind. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Beschichtung einen pH-Wert in einem Bereich zwischen 3 und 10 auf.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Abscheidung einer Aufschlämmungslösung auf einer Brennstoffzellenkomponente. Die Aufschlämmungslösung enthält Nanopartikel und einen Träger, wobei der Träger danach entfernt wird. Der Träger kann Wasser, Alkohol, andere geeignete Lösemittel oder Mischungen hievon enthalten.
In einer Ausführungsform enthält die Aufschlämmung 4 bis 5 Gewichtsprozent Nanopartikel, wobei der verbleibende Teil der Träger ist. In einer Ausführungsform kann der Träger bei einer Temperatur in einem Bereich zwischen ungefähr 80 und ungefähr 180°C entfernt werden. Die Aushärtezeit kann zwischen 10 Minuten bei 80°C und 10 Sekunden bei 180°C betragen.
Ein anderes Mittel zum Aufbringen von Nanopartikeln, um eine Oberfläche hydrophil zu machen, ist das Sol-Gel-Verfahren, welches den Übergang eines Systems von einem kolloidalen Zustand zu einem festen Gel einschließt. Das Kolloid wird aus in einer flüssigen Phase suspendierten festen Nanopartikeln hergestellt. In einem typischen Sol-Gel-Verfahren wird zunächst die kolloidale Suspension formuliert, aus der die Nanopartikelteilchen zu einer neuen Phase, dem Gel, in dem ein festes Makromolekül in einem Lösemittel eingetaucht ist, kondensieren. Durch nachfolgendes Trocknen und Aushärten gemäß denselben wie zuvor dargelegten Temperaturbereichen erzeugt das Endmaterial eine relativ kontinuierliche hydrophile Beschichtung.
Geeignete Aufschlämmungsmaterialien sind von der Nano-X GmbH unter den Handelsnamen HP 3408 und HP 4014 kommerziell erhältlich. Die Aufschlämmungsmaterialien liefern hydrophile Beschichtungen, welche die Brennstoffzellbetriebsbedingungen für mehr als 2500 Stunden überleben können. Die Beschichtung kann auf Metallen, wie beispielsweise auf Aluminium und auf hochwertigem rostfreiem Stahl, auf Polymersubstraten sowie auf elektrisch leitfähigen Verbundstoffsubstraten, wie beispielsweise bipolaren Platten, ausgebildet werden.
Die US Patentanmeldungsnummer 2004/0237833, deren Offenbarung hiermit als Referenz eingeführt wird, beschreibt eine Vielzahl von Wegen, um eine für die vorliegende Erfindung geeignete Aufschlämmung herzustellen, welche nachfolgend dupliziert werden.
Beispiel 1. 221,29 g (1 mol) 3-Aminopropyltriethoxysilan werden zu 444,57 g Sulfobernsteinsäure unter Rühren zugegeben und in einem Silikonbad für 5 Stunden auf 120°C erhitzt. Nachdem sich die Reaktionsmischung abgekühlt hat, werden 20 g viskoses Fluid mit 80 g (0,38 mol) Tetraethoxysilan vermischt und in 100 g Ethylalkohol absorbiert. Die Lösung wird dann mit 13,68 g (0,76 mol) einer 0,1 N HCl-Lösung vermischt und in einem Wasserbad über Nacht bei 40°C getempert. Dies führt zu hydrophilen Nanopartikeln mit reaktiven Endgruppen von ungefähr 2 nm. Die resultierende Lösung wird mit einer Mischung von 1/3 Wasser und 2/3 N-Methylpyrrolidon (NMP) bis zu einem Feststoffverbindungsgehalt von 5% verdünnt und durch Sprühen auf eine Glasplatte in einer Nassfilmdicke von 10 bis 20 μm aufgebracht. Nachfolgend wird das Substrat in einem zirkulierenden Luft-Trockenschrank für 3 Stunden bei 150°C verdichtet.
Beispiel 2. 221,29 g (1 mol) 3-Aminopropyltriethoxysilan werden unter Rühren zu 444,57 g Sulfobernsteinsäure zugegeben. Dann wird die Lösung in einem Silikonbad auf 130°C erhitzt. Nach einer Reaktionszeit von 1 Stunde werden 332,93 g einer alkalisch stabilisierten wässrigen Silicagellösung vom Levasil 300/30%-Typ (pH = 10) unter Rühren zu der Reaktionslösung zugegeben. Nach einer Reaktionszeit von 12 Stunden wird die Mischung mit Wasser bis auf einen Feststoffverbindungsgehalt von 5% verdünnt. Dies führt zu hydrophilen Nanopartikeln mit reaktiven Endgruppen von ungefähr 15 nm. Das System wird mittels Überflutung auf Plasma aktivierte Polycarbonatbleche aufgebracht und nachfolgend in einem zirkulierenden Luft-Trocknungsschrank für 5 Stunden bei 130°C getrocknet.
Beispiel 3. 123,68 g (0,5 mol) 3-Isocyanatpropyltriethoxysilan werden zu 600 g (1 mol) Polyethylenglykol 600 zugegeben und in einem Silikonbad nach Zugabe von 0,12 g Dibutylzinnlaurat (0,1 Gew.-% bezogen auf 3-Isocyanatpropyltriethoxysilan) erhitzt. 25 g (0,12 mol) Tetraethoxysilan und 33,4 g (0,12 mol) 3-Glycidyloxypropyltriethoxysilan werden unter Rühren zu 50 g der resultierenden Lösung (Lösung A) zugegeben. Nach der Zugabe von 15,12 g (0,84 mol) einer 0,1 N HCl-Lösung wird die Mischung hydrolysiert und bei Raumtemperatur für 24 Stunden kondensiert. Dies führt zu hydrophilen Nanopartikeln mit reaktiven Endgruppen von ungefähr 5 nm.
Beispiel 4. 12,5 g (0,05 mol) 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan, 12,5 g einer 20%-igen wässrigen CeO₂-Lösung (von Aldrich) sowie 50 g Ethylalkohol werden zu 50 g der in der exemplarischen Ausführungsform 3 beschriebenen Lösung A unter Rühren zugegeben, um die Mischung zu homogenisieren, und die Hydrophilisierung findet für 48 Stunden statt. Nach der Zugabe von 0,375 g Ingacure 184 von Ciba Spezialitäten Chemie (3 Gew.-% bezogen auf das 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan) wird die Mischung durch Sprühen auf ein aufgeflammtes Polycarbonatblech in einer Nassfilmdichte von maximal 30 μm aufgebracht und zunächst thermisch in einem zirkulierenden Luft-Trockenschrank für 10 Minuten bei 130°C getrocknet. Danach folgt eine fotochemische Trocknung mit Hg-Emittern mit einer Strahlungsleistung von 1 bis 2 J/cm².
Die Fourier-Transformations-Infrarot(FTIR)-Spektren, welche in den 1 und 2 dargestellt sind, sind für zwei unterschiedliche Beschichtungen, welche Nanopartikel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Partikel enthalten, aufgenommen worden. Sowohl in der 1 als auch in der 2 erscheint auf der linken Seite des Si-O-Si-Hauptpeaks ein kleiner "Schulter"-Peak, welcher einen relativ geringen Si-R-Gehalt repräsentiert, worin R eine gesättigte oder eine ungesättigte Kohlenstoffkette ist, welche wenigstens ein Kohlenstoffatom aufweist.
Eine Rasterelektronenmikrografie der bevorzugten Beschichtung ist in der 3 dargestellt. Die Beschichtung ist porös und die Nanopartikel weisen eine Kugelform auf.
Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die zuvor beschriebenen Materialien und Verfahren zum Herstellen derselben beschränkt, sondern schließt andere Beschichtungen ein, welche auf einer Brennstoffzellenkomponente ausgebildete Nanopartikel enthalten. Nachfolgend werden weitere Ausführungsformen der Beschichtungen und der Verfahren zum Herstellen derselben beschrieben.
Beispielsweise schließen geeignete Nanopartikel ein, sind aber nicht beschränkt auf SiO₂, andere Metalloxide, wie beispielsweise HfO₂, ZrO₂, Al₂O₃, SnO₂, Ta₂O₅, Nb₂O₅, MoO₂, IrO₂, RuO₂, metastabile Oxynitride, nicht stöchiometrische Metalloxide, Oxynitride und Derivate hiervon, einschließlich Kohlenstoffketten oder einschließlich Kohlenstoff und Mischungen hiervon.
In einer Ausführungsform ist die Beschichtung hydrophil und enthält wenigstens eine Si-O-Gruppe, wenigstens eine polare Gruppe und wenigstens eine Gruppe, welche eine gesättigte oder ungesättigte Kohlenstoffkette enthält. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die polare Gruppe eine funktionelle Hydroxyl-, Halogenid-, Carboxyl-, Keton- oder Aldehydgruppen enthalten. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Kohlenstoffkette gesättigt oder ungesättigt sein und kann zwischen 1 und 4 Kohlenstoffatome enthalten. Die Beschich tung kann weitere Elemente oder Verbindungen enthalten, einschließlich beispielsweise Au, Ag, Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir, Pt, Seltenderdmetalle, Legierungen hiervon, Polymerkohlenstoff oder Graphit, um die Leitfähigkeit zu verbessern.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Beschichtung eine SI-O-Gruppe und eine Si-R-Gruppe, worin R eine gesättigte oder ungesättigte Kohlenstoffkette enthält, wobei das molare Verhältnis der Si-R-Gruppen zu Si-O-Gruppen in einem Bereich zwischen 1/8 und 1/2, vorzugsweise 1/4 bis 1/2, liegt. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Beschichtung ferner Hydroxylgruppen, um die Hydrophilizität der Beschichtung zu verbessern.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Brennstoffzellenkomponente mit einer Komponente mit einer Beschichtung darauf, wobei die Beschichtung aus einem Siloxan abgeleitet ist. Das Siloxan kann linear, verzweigt oder zyklisch sein. In einer Ausführungsform weist das Siloxan die Formel R₂SiO auf, worin R eine Alkylgruppe ist.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Brennstoffzellenkomponente mit einer Komponente mit einer Beschichtung darauf, wobei die Beschichtung aus einem Material abgeleitet ist, welches die nachfolgende Formel aufweist:
worin R₁, R₂, R₃, R₄, R₅ und R₆ jeweils H, O, Cl oder eine gesättigte oder ungesättigte Kohlenstoffkette mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen sein kann, und, worin R₁, R₂, R₃, R₄, R₅ und R₆ gleich oder verschieden sein können.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Produkt, welches eine Brennstoffzellenkomponente mit einer darauf ausgebildeten Beschichtung umfasst, wobei die Beschichtung durch ein Verfahren gebildet worden ist, welches eine Plasma unterstützte chemische Dampfabscheidung der Beschichtung aus einem Vorläufergas umfasst, welches ein Material mit der nachfolgenden Formel enthält:
worin R₁, R₂, R₃, R₄, R₅ und R₆ jeweils H, O, Cl oder eine gesättigte oder ungesättigte Kohlenstoffkette mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen sein kann, und, worin R₁, R₂, R₃, R₄, R₅ und R₆ gleich oder verschieden sein können, und des Weiteren umfassend das Behandeln der durch Plasma verstärkte chemische Dampfabscheidung abgeschiedenen Beschichtung, um polare Gruppen zu liefern. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist wenigstens einer von R₁, R₂, R₃, R₄, R₅ oder R₆ eine Kohlenstoffkette mit wenigstens einem Kohlenstoffatom.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Nachbehandlung der abgeschiedenen Beschichtung, welche das Unterwerfen der Beschichtung gegenüber einem Plasma, welches Sauerstoff enthält, umfasst, um in der abgeschiedenen Beschichtung polare Gruppen zu erzeugen.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Brennstoffzellenkomponente mit einer Beschichtung darauf, wobei die Beschichtung Nanopartikel mit einer Größe in einem Bereich zwischen 1 und 100 nm, vorzugsweise 1 bis 50 nm und am meisten bevorzugt 1 bis 10 nm, enthält, wobei die Nanopartikel eine Verbindung enthalten, welche Silizium, eine gesättigte oder eine ungesättigte Kohlenstoffkette sowie eine polare Gruppe enthält.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Brennstoffzelle mit einer bipolaren Platte mit einer hydrophilen Beschichtung darauf sowie ein zu der bipolaren Platte benachbart positioniertes Diffusionsmedium. Die hydrophile Beschichtung umfasst kugelförmige Nanopartikel und die Beschichtung ist ausreichend porös, so dass sich die Fasern von einem benachbart zu der Beschichtung auf der bipolaren Platte positioniertem Diffusionsmedium durch die Beschichtung erstrecken, um einen elektrischen Pfad durch die Beschichtung von der bipolaren Platte zu dem Diffusionsmedium zu liefern.
Die hydrophile Beschichtung kann ebenfalls auf der Anodenseite der bipolaren Platten benötigt werden, weil bekannt ist, dass die Anodenwasserakkumulation die Betriebsstabilität unter einigen Bedingungen beeinflusst, und es wird vermutet, dass diese durch Wasserstoffverarmung die Elektroden- und Membranlebensdauer beeinträchtigt. Allerdings wird es erwartet, dass die Geschwindigkeit der Beschichtungsauflösung an der Anodenseite als ein Ergebnis der höheren HF-Konzentration in dem während des Brennstoffzellbetriebs erzeugten Wasser schneller als an der Kathodenseite sein wird. Daher sollte die Anodenbeschichtung dicker sein als die Kathodenbeschichtung, um eine Haltbarkeit bis zu dem Ende der Lebensdauer einer Brennstoffzelle zu erreichen. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die durchschnittliche Anodenbeschichtungsdicke ungefähr 15% größer als die durchschnittliche Kathodenbeschichtungsdicke.
Die Beschichtung sollte dick genug sein, um die Geschwindigkeit der Materialauflösung in der verdünnten HF-Umgebung in der Brennstoffzelle bis zu dem Lebensende anzupassen. Umgekehrt sollte die Beschichtung mit der bevorzugten diskontinuierlichen Morphologie dünn genug sein, um den zusätzlichen elektrischen Widerstand zu minimieren. In einer Ausführungsform weist die Beschichtung eine durchschnittliche Dicke von 80 bis 100 nm auf.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Vorläufergas vorzugsweise Hexamethyldisiloxan (HMDSO); dieses kann aber aus anorganischen oder organischen Derivaten von Siloxanen, Silanolen oder auf Silan basierender Chemie oder aus anderen Kohlenstoff und/oder Silizium enthaltenden Gasen und/oder Flüssigkeiten ausgewählt sein. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Beschichtungsverfahren eine Mikrowellen Plasma verstärkte chemische Dampfabscheidung (CVD) unter Verwendung von Hexamethyldisiloxan(HMDSO)-Vorläufer und von reinem Sauerstoff als ein Trägergas, was zu einer siloxanähnlichen (SiO_x)-Beschichtung führt. Die Mikrowellenfrequenz wird auf 2,45 GHz festgelegt. Die Verfahrenstemperatur kann relativ niedrig sein, und zwar in einem Bereich von Umgebungstemperatur bis 45°C, so dass jedes geeignete bipolare Plattenmaterial ohne Bedenken bezüglich thermischer Beschädigung oder Verformung beschichtet werden kann. Das tatsächliche Aufbringen des hydrophilen Beschichtungsmaterials und dessen resultierende chemische und physikalische Struktur wird durch die sechs einstellbaren Verfahrensparameter gesteuert, welche mit der Beschichtungsvorrichtung verbunden sind, in diesem Fall dem PLASMA tech Modell 110: betrieben bei einem Druck in einem Bereich zwischen 0 und 500 Pa, vorzugsweise: 10 bis 100 Pa und am meisten bevorzugt: 30 Pa, bei einer Mikrowellenleistung in einem Bereich zwischen 50 W und 10 kW, vorzugsweise: 100 W bis 1 kW und am meisten bevorzugt: 200 bis 300 W für einen CVD-Reaktor mit einem Volumen von 110 Litern. Das Vorläufergas ist vorzugsweise Hexamethyldisiloxan (HMDSO); dieses kann jedoch, wie zuvor beschrieben, aus anorganischen oder organischen Derivaten von Siloxanen, Silanolen oder auf Silan basierter Chemie oder anderen Kohlenstoff und/oder Silizium enthaltenden Gasen und/oder Flüssigkeiten ausgewählt sein. Das Trägergas ist vorzugsweise Sauerstoff; dieses kann jedoch wenigstens eines von Stickstoff, Stickstoffoxid, Argon, Argon-Sauerstoff oder deren Mischungen oder Mischungen mit anderen Gasen in geeigneten Verhältnissen enthalten.
Das Verhältnis der volumetrischen Strömungsgeschwindigkeit von Vorläufer zu Träger weist einen beträchtlichen Effekt auf die resultierende chemische Struktur und Morphologie der beschichteten Schicht auf. Im Allgemeinen wird insbesondere mit einem Siloxan enthaltenden Vorläufer ein kleines Vorläufer-zu-Träger-Verhältnis zu einer dichteren Beschichtung führen, welche der chemischen Struktur von reinem SiO₂ nahe kommt. Wenn dieses Verhältnis erhöht wird, vergrößert sich der organische Gehalt der Beschichtung, was die Hydrophilizität am wahrscheinlichsten verringert (d. h. den statischen Kontaktwinkel erhöht), aber auch die Porosität der Beschichtungsstruktur vergrößert. Es ist die Ausgewogenheit dieser Eigenschaften, welche für die Anwendung in einer Brennstoffzelle kritisch ist, um den benötigten Kontaktwinkel zu erreichen, während der zusätzliche elektrische Widerstand ebenfalls minimiert wird. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt das Vorläufer-zu-Träger-Strömungsverhältnis 2 bis 16%, vorzugsweise 4 bis 12% und am meisten bevorzugt 8 bis 10%.
Die absoluten Gasströmungsgeschwindigkeiten werden Funktionen des Gesamtreaktorvolumens sein. Für das zur Herstellung der hier beschriebenen bipolaren Plattenbeschichtungen eingesetzte PLASMAtech Modell 110 sind die Gasströmungsbereiche (unter der Annahme eines Gasströmungsverhältnisses von, wie zuvor dargelegt, 8 bis 10%) wie folgt: Anwendungsbereiche: Vorläufer = 2–50 ml/Min., Träger = 20–625 ml/Min., vorzugsweise: Vorläufer: 10–30 ml/Min., Träger = 100–375 ml/Min. und am meisten bevorzugt: Vorläufer = 15–20 ml/Min., Träger = 150–250 ml/Min.
Die Reaktorzeit wird die Dicke der beschichteten Schicht bestimmen, kann aber auch die Beschichtungsmorphologie beeinträchtigen. Die Zeit kann so ausgewählt werden, dass eine Beschichtung hergestellt wird, welche dick genug ist, um die Geschwindigkeit der Materialauflösung in der verdünnten HF-Umgebung in der Brennstoffzelle bis zu dem Ende der Lebenszeit anzupassen. Umgekehrt sollte die Beschichtung mit der bevorzugten diskontinuierlichen Morphologie dünn genug sein, um den zusätzlichen elektrischen Widerstand zu minimieren. Diese Kombination von Beschichtungseigenschaften wurde durch Verwenden einer Reaktorzeit von 4 Minuten pro Seite der bipolaren Platten optimiert, um eine Beschichtung mit einer durchschnittlichen Dicke von 80 bis 100 nm herzustellen.
Es kann ein Nachbehandlungsverfahren erforderlich sein, um polare funktionelle Reste (vornehmlich Hydroxylgruppen) an der SiO_x-Basisstruktur einzuführen, um dadurch die Materialhydrophilizität weiter zu erhöhen. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird dies durch Aussetzen der SiO_x-Filme gegenüber einem reaktiven Sauerstoffplasma erreicht, welches die SiO_x-Beschichtung durch Aufbrechen der organischen Bindungen und Ausbilden von funktionellen Hydroxyl-, Carboxyl- und Aldehydgruppen aktivieren würde. Diese Aktivierung durch Nachbehandlung verbessert auch die Materialporosität, was den elektrischen Widerstand weiter verringern kann. In einer anderen Ausführungsform wird die Beschichtung mit einer Chemikalie reagiert, um die polaren Gruppen herzustellen. In einer anderen Ausführungsform werden die polaren Gruppen durch Aufbringen einer dünnen Schicht einer hydrophilen Beschichtung eingeführt.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Nachbehandlungsverfahren das Aussetzen gegenüber einer Mikrowellen erzeugten Sauerstoffplasmaumgebung für 0 bis 5 Minuten, vorzugsweise für 0,5 bis 3 Minuten und am meisten bevorzugt für 1,5 Minuten.
Die 4 ist eine Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle 10, welche ein Teil eines Brennstoffzellenstapels des zuvor erörterten Typs ist. Die Brennstoffzelle 10 umfasst eine Kathodenseite 12 sowie eine Anodenseite 14, welche durch eine Elektrolytmembran 16 voneinander getrennt sind. An der Kathodenseite 12 ist eine Kathodenseitendiffusionsmediumschicht 20 vorgesehen und zwischen der Membran 16 und der Diffusionsmedienschicht 20 ist eine Kathodenseitenkatalysatorschicht 22 vorgesehen. Gleichermaßen ist an der Anodenseite 14 eine Anodenseitendiffusionsmediumschicht 24 vorgesehen und ist zwischen der Membran 16 und der Diffusionsmedienschicht 24 eine Anodenseitenkatalysatorschicht 26 vorgesehen. Die Katalysatorschichten 22 und 26 sowie die Membran 16 definieren einen MEA. Die Diffusionsmedienschichten 20 und 24 sind poröse Schichten, welche das Eingangsgas zu dem MEA liefern und Wasser von dem MEA wegtransportieren. Auf dem Fachgebiet sind verschiedene Techniken zum Abscheiden der Katalysatorschichten 22 und 26 auf den Diffusionsmedienschichten 20 bzw. 24 oder auf der Membran 16 bekannt.
An der Kathodenseite 12 ist eine Kathodenseitenströmungsfeldplatte oder bipolare Platte 18 vorgesehen und an der Anodenseite 14 ist eine Anodenseitenströmungsfeldplatte oder bipolare Platte 30 vorgesehen. Die bipolaren Platten 18 und 30 sind in dem Brennstoffzellenstapel zwischen Brennstoffzellen vorgesehen. Ein Wasserstoffreaktandengasstrom von den Strömungskanälen 28 in der bipolaren Platte 30 reagiert mit der Katalysatorschicht 26, um den Wasserstoff zu Ionen und zu Elektronen zu dissoziieren. Ein Luftstrom aus den Strömungskanälen 32 in der bipolaren Platte reagiert mit der Katalysatorschicht 22. Die Wasserstoffionen sind dazu fähig, durch die Membran 16 zu strömen, wodurch diese elektrochemisch mit dem Sauerstoff in dem Luftstrom und den Elektronen in der Katalysatorschicht 22 reagieren, um Wasser als ein Nebenprodukt zu bilden.
In dieser nicht beschränkenden Ausführungsform kann die bipolare Platte 18 zwei Bleche 34 und 36 umfassen, welche miteinander verstanzt und verschweißt sind. Das Blech 36 definiert die Strömungskanäle 32 und das Blech 34 definiert die Strömungskanäle 38 für die Anodenseite einer benachbarten Brennstoffzelle zu der Brennstoffzelle 10. Zwischen den Blechen 34 und 36 sind, wie dargestellt, Kühlflüssigkeitsströmungskanäle 40 vorgesehen. Gleichermaßen enthält die bipolare Platte 30 ein Blech 42, welches die Strömungskanäle 28 definiert, ein Blech 44, welches die Strömungskanäle 46 für die Kathodenseite einer benachbarten Brennstoffzelle sowie Kühlflüssigkeitsströmungskanäle 48 definiert. In der hier dargelegten Ausführungsform sind die Bleche 34, 36, 42 und 44 aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie beispielsweise aus rostfreiem Stahl, aus Titan, aus Aluminium, aus Polymerkohlenstoffverbundstoffen etc., hergestellt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die bipolaren Platten 18 und 30 eine Beschichtung 50 auf, welche die Platten 18 und 30 hydrophil macht. Die Hydrophilizität der Beschichtung 50 verursacht, dass das Wasser in den Strömungskanälen 28 und 32 einen Film anstelle von Wassertropfen ausbildet, so dass das Wasser die Strömungskanäle nicht signifikant blockiert. Insbesondere verringert die Hydrophilizität der Beschichtung 50 den Kontaktwinkel von akkumulierendem Wasser in den Strömungskanälen 32, 38, 28 und 46 vorzugsweise auf unter 40°, so dass das Reaktandengas immer noch mit geringer Last durch die Kanäle 28 und 32 strömen kann. In einer Ausführungsform ist die Beschichtung 50 ein dünner Film, beispielsweise in einem Bereich zwischen 5 und 50 nm, so dass es die Leitfähigkeit der Bleche 34, 36, 42 und 44 immer noch erlaubt, dass Elektrizität effektiv aus der Brennstoffzelle 10 gekoppelt wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Beschichtung 50 mit einem leitfähigen Material, wie beispielsweise mit Au, Ag, Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir, Pt, Seltenerdmetallen, Legierungen hiervon, Polymerkohlenstoff oder Graphit, vermischt, was die Leitfähigkeit der Beschichtung 50 erhöht. Indem die bipolaren Platten 18 und 30 leitfähiger gemacht werden, werden der elektrische Kontaktwiderstand und die ohmschen Verluste in der Brennstoffzelle 10 verringert, was die Zelleffektivität erhöht. Zudem kann in dem Stapel eine Verringerung der Kompressionskraft erreicht werden, was gewisse Lebensdauerprobleme innerhalb des Stapels löst.
Bevor die Beschichtung 50 auf den bipolaren Platten 18 und 30 abgeschieden wird, können die bipolaren Platten 18 und 30 durch ein geeignetes Verfahren, wie beispielsweise durch Ionenstrahlsputtern, gereinigt werden, um den widerstandsfähigen Oxidfilm an der Außenseite der Platten 18 und 30, welcher sich gebildet haben kann, zu entfernen. Die Beschichtung kann auf den bipolaren Platten 18 und 30 durch jede geeignete Technik abgeschieden werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf physikalische Dampfabscheidungsverfahren, chemische Dampfabscheidungs-(CVD)-Verfahren, thermische Sprühverfahren, Sol-Gel, Sprühen, Eintauchen, Pinselauftrag, Aufspinnen oder Siebdrucken. Geeignete Beispiele für physikalische Dampfabscheidungsverfahren schließen Elektronenstrahlverdampfung, Magnetronsputtern und gepulste Plasmaverfahren ein. Geeignete chemische Dampfabscheidungsverfahren schließen Plasma verstärkte CVD- und Atomschichtabscheidungsverfahren ein. Die CVD-Abscheideverfahren können für die Dünnfilmschichten der Beschichtung 50 geeigneter sein.
Die 5 ist eine gebrochene Querschnittsansicht einer bipolaren Platte 60 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche Reaktandengasströmungskanäle 62 und Stege 64 dazwischen umfasst. Die bipolare Platte 60 kann eingesetzt werden, um die bipolare Platte 18 oder 30 in der Brennstoffzelle 10 zu ersetzen. Bei dieser Ausführungsform wird eine Beschichtung 50 als zufällige Inseln 68 auf der Platte 60 abgeschieden, so dass das leitfähige Material der Platte 60 an den Flächen 70 zwischen den Inseln 68 freiliegt. Die beschichteten Inseln 68 liefern die gewünschte Hydrophilizität der Platte 60 und die exponierten Flächen 70 liefern die gewünschte Leitfähigkeit der Platte. Bei dieser Ausführungsform können die Inseln 68 am besten durch ein physikalisches Dampfabscheidungsverfahren, wie beispielsweise durch Elektronenstrahlverdampfung, durch Magnetronsputtern und durch gepulste Plasmaverfahren, abgeschieden werden. In einer Ausführungsform werden die Inseln 68 bis zu einer Dicke zwischen 50 und 100 nm abgeschieden.
Die 6 ist eine gebrochene Querschnittsansicht einer bipolaren Platte 72 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche Reaktandengasströmungskanäle 74 und Stege 76 dazwischen umfasst. Bei dieser Ausführungsform wird eine Beschichtung 78 auf der bipolaren Platte 72 abgeschieden. Die Beschichtung 78 wird dann über den Stegen 76 durch jedes geeignete Verfahren, wie beispielsweise durch Polieren oder durch Mahlen, entfernt, um das leitfähige Material der Platte 72 an den Stegen 76 freizulegen. Daher umfassen die Strömungskanäle 74 die hydrophile Beschichtung und die Stege 76 sind leitfähig, so dass die Elektrizität aus einer Brennstoffzelle heraus geleitet wird. Bei dieser Ausführungsform kann die Beschichtung 78 dicker als in den zuvor erörterten Ausführungsformen abgeschieden werden, wie beispielsweise mit einer Dicke von 100 nm bis 1 μm, weil die Platte 72 in den Kanälen 74 weniger leitfähig sein kann.
Die 7 ist eine gebrochene Querschnittsansicht einer bipolaren Platte 82 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche Reaktandengasströmungskanäle 74 und Stege 76 umfasst. Bei dieser Ausführungsform weist die bipolare Platte 82 eine elektrisch leitfähige Schutzschicht 52 darauf auf. Es ist eine Beschichtung 78 gemäß der vorliegenden Erfindung, welche lediglich die Kanäle 74 der bipolaren Platte 82 überschichtet, vorgesehen.
Die 8 illustriert eine Ausführungsform eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung umfassend zunächst das selektive Ausbilden einer Maske 200 über den Stegen 76 einer bipolaren Platte 18 und daran anschließend das Abscheiden einer Beschichtung 50, welche Silizium enthalten kann, über der bipolaren Platte 18 einschließlich der Maske 200. Die Maske 200 kann eine physikalisch harte Maske, eine viskose Flüssigkeit oder ein gelartiges Material oder ein entfernbares Material, wie bei spielsweise ein Fotolack, sein. Wie in der 9 gezeigt, wird die Maske 200 über den Stegen 76 entfernt, um die Beschichtung 50 lediglich den Kanal 74 der bipolaren Platte 18 überschichtend zurückzulassen.
Die 10 illustriert eine Ausführungsform eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, welches zunächst das Abscheiden einer Beschichtung 50, welche Silizium enthält, über der bipolaren Platte einschließlich der Stege 76 und der Kanäle 74 und dann das selektive Ausbilden einer Maske 200, wie beispielsweise eines Fotolacks oder eines wasserlöslichen Materials, über den Kanälen 74 einer bipolaren Platte umfasst, bevor daran anschließend die Beschichtung 50 über den Stegen 76 der bipolaren Platte weggeätzt wird. Die Ätzung kann unter Verwenden eines Nass- oder Trockenätzverfahrens erreicht werden, vorausgesetzt, dass das Ätzen nicht die bipolare Platte 18 beschädigt. In einer Ausführungsform kann die Beschichtung 50 über den Stegen 76 durch ein Argonplasma entfernt werden und daran anschließend werden jegliche verbliebene Teilstücke der Maske entfernt.
Die 11 ist eine Draufsicht eines Systems 100 zum Abscheiden der verschiedenen Schichten auf den zuvor erwähnten bipolaren Platten. Es ist beabsichtigt, dass das System 100 jede der zuvor erwähnten Techniken wiedergibt, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Strahlen, physikalische Dampfabscheideverfahren, chemische Dampfabscheideverfahren, thermische Sprühverfahren und Sol-Gel. In dem System 100 erhitzt ein Elektronenstrahlerzeuger ein Material 104, was verursacht, dass das Material 104 verdampft wird und auf einem Substrat 106, welches die bipolare Platte darstellt, abgeschieden wird, um darauf eine Beschichtung 108 auszubilden. In einem anderen Verfahren umfasst das System 100 einen Innenerzeuger 110, welcher einen Innenstrahl auf eine Sputteroberfläche 112 richtet, welche Material freisetzt, wie beispielsweise ein Metalloxid, um die Beschichtung 108 abzuscheiden. In einer anderen Ausführungsform kann die Beschichtung 15 durch Sprühen, Eintauchen, Bürsten, Aufspinnen oder Siebdrucken aufgebracht werden.
Die 12 illustriert eine Ausführungsform eines Plasma unterstützten chemischen Dampfabscheidereaktors 400, welcher für ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Der Reaktor 400 umfasst eine Vielzahl von Wänden 402 sowie eine Decke 404. Zum Einführen der Reaktions- und Trägergase in die Reaktorkammer 412 können eine Vielzahl von Gaseinführungsanschlüssen 406, 408, 410 durch die Wände 402 oder durch die Decke 404 vorgesehen sein. Ein Flüssigkeitseinführausgeber 414 kann ebenfalls vorgesehen sein. Der Reaktor kann Mikrowellen erzeugende Mittel 416 und ein Rf erzeugendes Mittel 418 umfassen, um in der Reaktorkammer 412 ein Plasma zu erzeugen. Es kann ein Futter 420 vorgesehen sein, um eine Brennstoffzellenkomponente, wie beispielsweise eine bipolare Platte, zu tragen.
Die 13 illustriert eine ein Produkt und ein Verfahren umfassende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Aufschlämmung gemäß der vorliegenden Erfindung durch die Kanäle 74 einer bipolaren Platte 18 beispielsweise durch Drücken der Aufschlämmung durch Köpfe (nicht dargestellt) der bipolaren Platte 18 strömt. Daran anschließend wird der Träger bei einer Temperatur in einem Bereich zwischen 80 und 180°C entfernt, um eine, ein Teilstück des Kanals 74 überschichtende, permanente Beschichtung 50 zurückzulassen.
Die 14A illustriert ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem eine bipolare Platte 18 geformt wird und eine polymerreiche Haut 500 über der Außenoberfläche einschließlich den Stegen 76 und den Kanälen 74 umfasst.
Die 14B illustriert ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welches das Abscheiden einer Beschichtung über der Haut 500 der 14A umfasst, wobei die Beschichtung 50 auch die Stege 76 und die Kanäle 74 der bipolaren Platte überschichtet.
Die 14C illustriert ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welches das Entfernen der Beschichtung 50 und der Haut 500 über den Stegen 76 der bipolaren Platte 18 umfasst.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Beschichtung mit Si-O- und Si-R-Gruppen (worin R eine gesättigte oder ungesättigte Kohlenstoffkette ist) selektiv auf einem flachen Substrat, wie beispielsweise auf einer Folie aus rostfreiem Stahl, abgeschieden und dann beispielsweise durch Stanzen zu einer bipolaren Platte mit einem Gasströmungsfeld einschließlich einer Vielzahl von Stegen und Kanälen geformt, wobei die Beschichtung in den Kanälen abgeschieden wird.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Beschichtung mit Si-O- und Si-R-Gruppen (worin R eine gesättigte oder eine ungesättigte Kohlenstoffkette ist) auf einem Substrat unter Verwendung einer Vielzahl von Chemien einschließlich Si enthaltendem Material und Kohlenstoff enthaltenden Materialien gebildet werden. Beispielsweise kann die Beschichtung unter Verwendung von Plasma unterstütztem CVD mit Silan (SiH₄), Sauerstoff und einem auf Kohlenstoff basierten Gas oder einer auf Kohlenstoff basierten Flüssigkeit hergestellt werden. In einer anderen Ausführungsform kann die Beschichtung unter Verwendung von Plasma unterstützter CVD mit TEOS, welches Tetraethoxysilat oder Tetraethoxysilan (Si(C₂H₅O)₄) ist, oder mit MTEOS, welches Methyltriethoxysilan ist, und mit Sauerstoff oder Ozon und optional einem auf Kohlenstoff basierendem Gas oder einer auf Kohlenstoff basierenden Flüssigkeit hergestellt werden.
Wenn die Begriffe "über", "überschichten", "darüber liegend" oder dergleichen hier mit Bezug zu der relativen Position der Schichten zueinander verwendet werden, sollen diese bedeuten, dass sich die Schichten in direktem Kontakt miteinander befinden, oder, dass eine andere Schicht oder andere Schichten zwischen den Schichten angeordnet ist/sind.
Die Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur und folglich werden Abweichungen hiervon nicht als eine Abkehr von dem Geist und von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung erachtet.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Produkt umfasst eine Brennstoffzellenkomponente, welche ein Substrat und eine über dem Substrat angeordnete Beschichtung aufweist, wobei die Beschichtung Nanopartikel mit Größen in einem Bereich zwischen 2 und 100 Nanometern enthält.

Claims

Produkt umfassend eine Brennstoffzellenkomponente, welche ein Substrat und eine Beschichtung, welche über dem Substrat angeordnet ist, umfasst, wobei die Beschichtung Nanopartikel mit Größen in einem Bereich zwischen 2 und 100 nm enthält.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung hydrophil ist.
Produkt umfassend eine bipolare Brennstoffzellenplatte, welche eine hydrophile Beschichtung, welche über der bipolaren Platte angeordnet ist, umfasst, wobei die Beschichtung Nanopartikel mit Größen in einem Bereich zwischen ungefähr 2 und ungefähr 100 nm enthält.
Produkt nach Anspruch 3, wobei die Nanopartikel eine Größe in einem Bereich zwischen ungefähr 2 und ungefähr 20 nm aufweisen.
Produkt nach Anspruch 3, wobei die Nanopartikel eine Größe in einem Bereich zwischen ungefähr 2 und ungefähr 5 nm aufweisen.
Produkt nach Anspruch 3, wobei die Nanopartikel wenigstens eines von SiO₂, HfO₂, ZrO₂, Al₂O₃, SnO₂, Ta₂O₅, Nb₂O₅, MoO₂, IrO₂, RuO₂, metastabilen Oxynitriden, nicht stöchiometrischen Metalloxiden, Oxynitriden oder Derivaten hiervon enthalten.
Produkt nach Anspruch 3, wobei die Nanopartikel wenigstens eine von funktionellen Hydroxyl-, Halogenid-, Carboxyl-, Keton- oder Aldehydgruppen enthalten.
Produkt nach Anspruch 3, wobei die Beschichtung 10 bis 90 anorganische Strukturen und 5 bis 70% hydrophile Seitenketten enthält.
Produkt nach Anspruch 3, wobei die Beschichtung durch ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt wird.
Produkt nach Anspruch 7, des Weiteren enthaltend organische Seitenketten mit funktionellen Gruppen.
Produkt nach Anspruch 8, wobei die anorganischen Strukturen Siliziumdioxid oder nicht stöchiometrisches Siliziumdioxid enthalten.
Produkt nach Anspruch 8, wobei die anorganischen Strukturen Zirkoniumoxid enthalten.
Produkt nach Anspruch 8, wobei die hydrophilen Seitenketten wenigstens eine von Amin-, Sulfonat-, Sulfat-, Sulfit-, Sulfonamid-, Sulfoxid-, Carboxylat-, Polyol-, Polyether-, Phosphat- oder Phosphonatgruppen enthalten.
Produkt nach Anspruch 8, wobei die funktionellen Gruppen wenigstens eine von Epoxy-, Acryloxy-, Methacryloxy-, Glycidyloxy-, Allyl-, Vinyl-, Carboxyl-, Mercapto-, Hydroxyl-, Amid- oder Amin-, Isocyan-, Hydroxy- oder Silanolgruppen enthalten.
Produkt nach Anspruch 3, wobei die Nanopartikel eine Kugelform aufweisen.
Produkt umfassend: eine Brennstoffzellenkomponente, welche ein Substrat und eine erste Beschichtung, welche über dem Substrat angeordnet ist, umfasst, wobei die Beschichtung Nanopartikel jeweils mit einer Größe in einem Bereich zwischen ungefähr 2 und 100 nm enthält, wobei die Nanopartikel wenigstens eine Si-O-Gruppe, wenigstens eine polare Gruppe und wenigstens eine eine gesättigte oder ungesättigte Kohlenstoffkette enthaltende Gruppe enthalten.
Produkt nach Anspruch 16, wobei die polare Gruppe eine funktionelle Hydroxylgruppe, Halogenidgruppe, Carboxylgruppe, Ketongruppe oder Aldehydgruppe enthält.
Produkt nach Anspruch 16, wobei die Kohlenstoffkette zwischen 1 und 4 Kohlenstoffatomen aufweist.
Produkt nach Anspruch 16, wobei die Beschichtung des Weiteren ein elektrisch leitfähiges Material enthält.
Produkt nach Anspruch 19, wobei das elektrisch leitfähige Material wenigstens eines von Au, Ag, Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir, Pt, Seltenerdmetallen, Legierungen hiervon, Polymerkohlenstoff oder Graphit enthält.
Produkt nach Anspruch 16, wobei die Komponente eine bipolare Platte enthält.
Produkt nach Anspruch 16, wobei das Substrat ein Metall enthält.
Produkt nach Anspruch 22, wobei das Substrat ein Polymerverbundmaterial enthält, das für erhöhte Steifigkeit und/oder Leitfähigkeit Faserstrukturen enthält.
Produkt nach Anspruch 22, welches des Weiteren eine zweite Beschichtung umfasst, welche ein elektrisch leitfähiges Material enthält, wobei die zweite Beschichtung über dem Substrat angeordnet ist und die erste Beschichtung über der zweiten Beschichtung angeordnet ist.
Produkt nach Anspruch 16, wobei die Kohlenstoffkette linear, verzweigt oder zyklisch ist.
Produkt umfassend: eine Brennstoffzellenkomponente, welche ein Substrat und eine erste Beschichtung, welche über dem Substrat angeordnet ist, umfasst, wobei die Beschichtung Nanopartikel mit jeweils einer Größe in einem Bereich zwischen ungefähr 2 und ungefähr 100 nm enthält, wobei die Nanopartikel eine Verbindung enthalten, welche wenigstens eine Si-O-Gruppe und eine Si-R-Gruppe, worin R eine gesättigte oder ungesättigte Kohlenstoffkette einschließt, enthält, und wobei das molare Verhältnis der Si-R-Gruppen zu den Si-O-Gruppen zwischen 1/8 und 1/2 beträgt.
Produkt nach Anspruch 26, wobei die Kohlenstoffkette 1 bis 4 Kohlenstoffatome aufweist.
Produkt nach Anspruch 26, wobei die erste Beschichtung ferner polare Gruppen aufweist, um die Hydrophilizität der Beschichtung zu verbessern.
Produkt nach Anspruch 28, wobei die polaren Gruppen Hydroxylgruppen enthalten.
Produkt nach Anspruch 26, wobei die Beschichtung ferner ein elektrisch leitfähiges Material enthält.
Produkt nach Anspruch 30, wobei das elektrisch leitfähige Material wenigstens eines von Au, Ag, Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir, Pt, Seltenerdmetallen, Legierungen hiervon, Polymerkohlenstoff oder Graphit enthält.
Produkt nach Anspruch 26, wobei die Komponente eine bipolare Platte umfasst.
Verfahren umfassend das Abscheiden einer Aufschlämmung über wenigstens einem Teil einer Brennstoffzellenkomponente, welche ein Substrat umfasst, wobei die Aufschlämmung Nanopartikel mit Größen in einem Bereich zwischen 2 und 100 nm sowie einen Träger enthält, und Entfernen des Trägers, um eine Beschichtung zu hinterlassen, welche Nanopartikel mit Größen in einem Bereich zwischen 2 und 100 nm enthält.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei die Beschichtung hydrophil ist.
Verfahren umfassend das Abscheiden einer Aufschlämmung über wenigstens einem Teil einer bipolaren Brennstoffzellenplatte, wobei die Aufschlämmung hydrophile Nanopartikel mit Größen in einem Bereich zwischen 2 und 100 nm sowie einen Träger enthält, Entfernen des Trägers, um eine hydrophile Beschichtung zu hinterlassen, welche Nanopartikel mit Größen in einem Bereich zwischen 2 und 100 nm enthält.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei die Nanopartikel Größen in einem Bereich zwischen ungefähr 2 und ungefähr 20 nm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei die Nanopartikel Größen in einem Bereich zwischen ungefähr 2 und ungefähr 5 nm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei die Nanopartikel wenigstens eines von SiO₂, HfO₂, ZrO₂, Al₂O₃, SnO₂, Ta₂O₅, Nb₂O₅, MoO₂, IrO₂, RuO₂, metastabilen Oxynitriden, nicht stöchiometrischen Metalloxiden, Oxynitriden oder Derivaten hiervon enthalten.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei die Nanopartikel wenigstens eine von funktionellen Hydroxyl-, Halogenid-, Carboxyl-, Keton- oder Aldehydgruppen enthalten.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei die Beschichtung 10 bis 90% anorganische Strukturen und 5 bis 70% hydrophile Seitenketten enthält.
Verfahren nach Anspruch 39, wobei die Nanopartikel des Weiteren organische Seitenketten mit funktionellen Gruppen enthalten.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei die anorganischen Strukturen Siliziumdioxid oder nicht stöchiometrisches Siliziumoxid sind.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei die anorganischen Strukturen Zirkoniumoxid enthalten.
Verfahren nach Anspruch 39, wobei die hydrophilen Seitenketten wenigstens eine von Amin-, Sulfonat-, Sulfat-, Sulfit-, Sulfonamid-, Sulfo xid-, Carboxylat-, Polyol-, Polyether-, Phosphat- oder Phosphonatgruppen enthalten.
Verfahren nach Anspruch 39, wobei die funktionellen Gruppen wenigstens eine von Epoxy-, Acryloxy-, Methacryloxy-, Glycidyloxy-, Allyl-, Vinyl-, Carboxyl-, Mercapto-, Hydroxyl-, Amid- oder Amin-, Isocyan-, Hydroxy- oder Silanolgruppen enthalten.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei die Nanopartikel eine Kugelform aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei die bipolare Platte ein Gasströmungsfeld aufweist, welches eine Vielzahl von Stegen und Kanälen aufweist, wobei die Beschichtung über den Stegen und Kanälen angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 47, des Weiteren umfassend das Entfernen der Beschichtung von den Stegen.
Verfahren nach Anspruch 47, wobei die Aufschlämmung lediglich über den Kanälen abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 47, wobei die Aufschlämmung lediglich über einem Teilstück des Kanals abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 47, wobei die Abscheidung einer Aufschlämmung über wenigstens einem Teilstück einer bipolaren Brennstoffzellenplatten das Strömen der Aufschlämmung durch das Strömungsfeld umfasst.
Verfahren nach Anspruch 47, des Weiteren umfassend das Abscheiden einer Maske über einem Teilstück der bipolaren Platte vor dem Abscheiden der Aufschlämmung, wobei die Maske freiliegende Teilstücke der bipolaren Platte hinterlässt.
Verfahren nach Anspruch 52, wobei die Aufschlämmung über der Maske und über den freiliegenden Teilstücken der bipolaren Platte abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 53, des Weiteren umfassend das Entfernen der Maske und das Beschichten über der Maske.
Verfahren nach Anspruch 52, wobei die Maske eine harte Maske, eine Fotolackmaske oder eine wasserwaschbare Maske umfasst.
Verfahren nach Anspruch 55, wobei die Maske über den Stegen angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 48, des Weiteren umfassend das Abscheiden einer Maske über der Beschichtung, welche über den Kanälen angeordnet ist, sowie das Entfernen der Beschichtung über den Stegen und daran anschließend das Entfernen aller verbleibenden Teilstücke der Maske.
Verfahren umfassend das Ausbilden einer Beschichtung über einer bipolaren Platte, wobei die bipolare Platte ein Strömungsfeld umfasst, welches eine Vielzahl von Stegen und von Kanälen umfasst, umfassend das Strömen einer flüssigen Beschichtung durch die Kanäle lediglich der bipolaren Platte und daran anschließend das Aushärten der flüssigen Beschichtung.
Verfahren nach Anspruch 58, wobei die Beschichtung Nanopartikel und einen Träger enthält.
Verfahren nach Anspruch 59, wobei das Aushärten der flüssigen Beschichtung das Entfernen des Trägers umfasst, um eine ausgehärtete Beschichtung zu liefern.
Verfahren nach Anspruch 60, wobei die ausgehärtete Beschichtung hydrophil ist.