DE112006002142B4 - Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenkomponente unter Verwendung einer leicht zu entfernenden Maskierung - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenkomponente unter Verwendung einer Maskierung, die nach einer Weiterverarbeitung entfernt wird, um eine Oberfläche mit variablen Eigenschaften zu erzielen.

Description

• Die Offenbarung betrifft allgemein ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenkomponente unter Verwendung einer Maskierung.
• Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Ressourcen bei der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen als eine Leistungsquelle für Fahrzeuge auf. Derartige Fahrzeuge wären effizienter und würden weniger Emissionen erzeugen, als heutige Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren verwenden.
• Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode nimmt wasserstoffreiches Gas oder reinen Wasserstoff auf und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Arbeit kann beispielsweise dazu verwendet werden, ein Fahrzeug zu betreiben. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind populär für Fahrzeuganwendungen. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran auf, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel auf, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb. Diese Bedingungen umfassen ein richtiges Wassermanagement und eine richtige Befeuchtung wie auch eine Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie Kohlenmonoxid (CO).
• Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Für den oben erwähnten Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel kann der Stapel etwa zweihundert oder mehr Bipolarplatten aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodenreaktandengas, typischerweise eine Luftströmung auf, die durch den Stapel über einen Kompressor getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das flüssiges Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffreaktandengas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
• Der Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von Strömungsfeld- oder Bipolarplatten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind. Die Bipolarplatten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. Auf der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodengas an die Anodenseite der MEA strömen kann. Auf der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodengas an die Kathodenseite der MEA strömen kann. Die Bipolarplatten können auch Strömungskanäle für ein Kühlfluid enthalten.
• Die Bipolarplatten bestehen typischerweise aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl, Titan, Aluminium, polymeren Kohlenstoffkompositen, etc., so dass sie die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität von einer Zelle zu der nächsten Zelle und aus dem Stapel heraus leiten. Aus Metall bestehende Bipolarplatten erzeugen typischerweise ein natürliches Oxid an ihrer Außenfläche, das diese gegenüber Korrosion beständig macht. Jedoch ist diese Oxidschicht nicht leitend und erhöht somit den Innenwiderstand der Brennstoffzelle, wodurch ihre elektrische Leistungsfähigkeit reduziert wird. Auch macht die Oxidschicht die Platten häufig hydrophober. US 2003/0228512 A1 offenbart einen Prozess zum Aufbringen einer leitenden Außenschicht auf einer Strömungsfeldplatte, die verhindert, dass die Platte oxidiert und ihren ohmschen Kontakt erhöht. US 6 372 376 B1 offenbart ein Aufbringen einer elektrisch leitenden, oxidationsbeständigen und säurebeständigen Beschichtung auf einer Strömungsfeldplatte. US 2004/0091768 A1 offenbart ein Aufbringen einer Graphit- und Ruß-Beschichtung auf einer Strömungsfeldplatte, um die Strömungsfeldplatte korrosionsbeständig, elektrisch leitend und thermisch leitend zu machen.
• WO 2005/048375 A2 offenbart eine Separatorbaugruppe zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, wobei die Separatorbaugruppe aus zwei gekoppelten Teilplatten jeweils mit Stegen und Kanälen besteht. Um eine korrosionsbeständige und leitfähige Kopplung der beiden Platten zu erreichen, werden die einander zugewandten Seiten der Stege der beiden Plattenhälften mit einer leitfähigen und korrosionsbeständigen Beschichtung beschichtet, während die Kanäle bei der Beschichtung maskiert sind und daher unbeschichtet bleiben.
• WO 01/04982 A1 beschreibt Strömungsfeldplatten, deren Strömungskanäle aus einem Plattenmaterial mittels einer Maskierung geätzt werden. Hierbei wird die Maskierung mittels eines Klebstoffes so an das Plattenmaterial geklebt, dass sie nach dem Ätzen leicht von dem Plattenmaterial entfernbar ist.
• WO 2004/100287 A2 offenbart eine polymere Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle. Hierbei wird die Bipolarplatte dadurch hergestellt, dass ein aus Polymermaterial bestehender Plattenkörper gebildet wird, der eine Außenfläche aufweist, und der Plattenkörper in einer hermetischen Kammer eingeschlossen wird. In die hermetische Kammer wird ein Einsatzgas eingeführt und elektromagnetische Energie an das Einsatzgas angelegt, um ein kaltes Plasma zu erzeugen. Anschließend wird auf dem Plattenkörper aus dem Einsatzgas mittels Plasmapolymerisation eine Polymerschicht abgeschieden.
• Wie es in der Technik gut bekannt ist, müssen die Membrane in einer Brennstoffzelle eine gewisse relative Feuchte besitzen, so dass der Ionenwiderstand über die Membran niedrig genug ist, um effektiv Protonen zu leiten. Im Betrieb der Brennstoffzelle kann Feuchtigkeit von den MEAs und externer Befeuchtung in die Anoden- und Kathodenströmungskanäle eintreten. Bei Anforderungen nach niedriger Zellenleistung, typischerweise unter 0,2 A/cm², sammelt sich Wasser in den Strömungskanälen an, da die Strömungsgeschwindigkeit des Reaktandengases zu gering ist, um das Wasser aus den Kanälen zu treiben. Wenn sich das Wasser ansammelt, bildet es Tröpfchen, die sich aufgrund der hydrophoben Beschaffenheit des Plattenmaterials weiter ausbreiten. Der Kontaktwinkel der Wassertröpfchen liegt allgemein bei etwa 90°, da die Tröpfchen sich in den Strömungskanälen im Wesentlichen rechtwinklig zu der Strömungsrichtung des Reaktandengases bilden. Wenn die Größe der Tröpfchen zunimmt, wird der Strömungskanal geschlossen, und das Reaktandengas wird an andere Strömungskanäle umgelenkt, da die Kanäle parallel zwischen gemeinsamen Einlass- und Auslassverteilern verlaufen. Da das Reaktandengas nicht durch einen Kanal strömen kann, der mit Wasser blockiert ist, kann das Reaktandengas das Wasser nicht aus dem Kanal hinaus treiben. Diejenigen Bereiche der Membran, die kein Reaktandengas aufgrund des blockierten Kanals erhalten, erzeugen keine Elektrizität, was in einer nicht homogenen Stromverteilung wie auch einer Reduzierung des Gesamtwirkungsgrades der Brennstoffzelle resultiert. Wenn mehr und mehr Strömungskanäle durch Wasser blockiert werden, nimmt die von der Brennstoffzelle erzeugte Elektrizität ab, wobei ein Zellenspannungspotential von weniger als 200 mV als ein Zellenausfall betrachtet wird. Da die Brennstoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, kann, wenn eine der Brennstoffzellen zu arbeiten aufhört, der gesamte Brennstoffzellenstapel zu arbeiten aufhören.
• Gewöhnlich ist es möglich, das angesammelte Wasser in den Strömungskanälen dadurch zu spülen, dass das Reaktandengas periodisch durch die Strömungskanäle mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit getrieben wird. Jedoch erhöht dies auf der Kathodenseite die parasitäre Leistung, die an den Luftkompressor angelegt wird, wodurch der Gesamtsystemwirkungsgrad reduziert wird. Überdies existieren viele Gründe, den Wasserstoffbrennstoff nicht als ein Spülgas zu verwenden, wie beispielsweise verringerte Wirtschaftlichkeit, verringerter Systemwirkungsgrad und erhöhte Systemkomplexität zur Behandlung erhöhter Konzentrationen von Wasserstoff in dem Abgasstrom.
• Eine Reduzierung von angesammeltem Wasser in den Kanälen kann auch durch Reduzierung einer Einlassbefeuchtung erreicht werden. Jedoch ist es erwünscht, eine gewisse relative Feuchte in den Anoden- und Kathodenreaktandengasen vorzusehen, so dass die Membran in den Brennstoffzellen hydratisiert bleibt. Ein trockenes Einlassgas besitzt einen Trocknungseffekt auf die Membran, der den Ionenwiderstand der Zelle erhöhen und die Langzeitbeständigkeit der Membran begrenzen könnte.
• Von den vorliegenden Erfindern ist vorgeschlagen worden, Bipolarplatten für eine Brennstoffzelle hydrophil zu machen, um einen Kanalwassertransport zu verbessern. Eine hydrophile Platte bewirkt, dass sich Wasser in den Kanälen entlang der Oberfläche in einem Prozess ausbreitet, der als spontane Benetzung bezeichnet wird. Der resultierende dünne Film besitzt nur eine geringe Neigung, die Strömungsverteilung entlang der Gruppierung von Kanälen, die mit den gemeinsamen Einlass- und Auslasssammelleitungen verbunden sind, zu ändern. Wenn das Plattenmaterial eine ausreichend hohe Oberflächenenergie aufweist, tritt das Wasser, das durch die Diffusionsmedien transportiert wird, in Kontakt mit den Kanalwänden und wird dann durch Kapillarkraft in die unteren Ecken des Kanals entlang seiner Länge transportiert. Die physikalischen Anforderungen, um eine spontane Benetzung in den Ecken eines Strömungskanals zu unterstützen, werden durch die Concus-Finn-Bedingung beschrieben: $\mathrm{\beta }+\frac{\mathrm{\alpha }}{2}<90°,$

  

  wobei β der statische Kontaktwinkel ist, der zwischen einer Flüssigkeitsfläche und einer festen Fläche gebildet wird, und α der Kanaleckenwinkel ist. Für einen rechtwinkligen Kanal gilt α/2 = 45°, was bestimmt, dass eine spontane Benetzung auftritt, wenn der statische Kontaktwinkel kleiner als 45° ist. Für die grob rechtwinkligen Kanäle, die in gegenwärtigen Brennstoffzellenstapelkonstruktionen mit Komposit-Bipolarplatten verwendet werden, setzt dies eine ungefähre obere Grenze hinsichtlich des Kontaktwinkels, der erforderlich ist, um die nützlichen Effekte hydrophiler Plattenoberflächen auf den Kanalwassertransport und eine Niedriglaststabilität zu verwirklichen.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein einfach auszuführendes Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte bereitzustellen, bei der im Betrieb eine Wasseransammlung in den Kanälen der Bipolarplatte zuverlässig vermieden werden kann.
• Die Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst.
• Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
• 1 ein Substrat zeigt, das zur Herstellung einer Brennstoffzellenkomponente gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendbar ist;
• 2 einen Verfahrensschritt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, der umfasst, dass ein Maskierungsmaterial auf einem Substrat aufgebracht wird;
• 3 einen Verfahrensschritt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, der umfasst, dass eine Beschichtung in der Öffnung zwischen Abschnitten des verbleibenden Maskierungsmaterials aufgebracht wird;
• 4 einen Verfahrensschritt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, der umfasst, dass das Maskierungsmaterial entfernt und das Substrat in eine Bipolarplatte geformt wird;
• 5 einen Verfahrensschritt gemäß einer Ausführungsform zeigt, der umfasst, dass ein Maskierungsmaterial über den Stegen einer Bipolarplatte aufgebracht wird;
• 6 einen Verfahrensschritt gemäß einer Ausführungsform zeigt, der umfasst, dass eine Beschichtung über dem Maskierungsmaterial und in die Kanäle aufgebracht wird; und
• 7 einen Verfahrensschritt gemäß einer Ausführungsform zeigt, der umfasst, dass die Maskierung und dann die Beschichtung über der Maskierung entfernt werden, um die Beschichtung in den Kanälen zurückzulassen.
• 1 zeigt ein Substrat 10, das zur Herstellung einer Brennstoffzellenkomponente, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, einer Bipolarplatte 8, anwendbar ist. Das Substrat 10 ist im Wesentlichen flach und weist eine obere Fläche 12 auf. Das Substrat 10 kann ein Metall, wie ein rostfreier Stahl mit hoher Güte, oder ein elektrisch leitendes Kompositmaterial sein.
• Nun Bezug nehmend auf 2 wird bei einer Ausführungsform der Erfindung ein Maskierungsmaterial 14 selektiv über Abschnitten der oberen Fläche 12 des Substrats 10 aufgebracht. Das Maskierungsmaterial 14 kann auf das Substrat 10 gestrichen, gewalzt, siebgedruckt oder gedruckt werden. Das Maskierungsmaterial 14 kann ein beliebiges Material sein, das in einem flüssigen Zustand angewendet werden kann und flüssig bleibt oder anschließend trocknen kann, und kann ohne Beschädigung des Substrates abgezogen oder abgewaschen werden. Das flüssige Maskierungsmateri kann ein Erdmaterial wie Kieselgur, ein Salz, ein Zucker, ein Mehl oder ein Mahlgut bzw. Korn sein. Bei einer Ausführungsform weist das flüssige Maskierungsmaterial Wasser und/oder Alkohol auf. Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist die flüssige Maskierung ein Natriumsalz von polymerer Karbonsäure und Kieselgur in einer Wasser-Alkohol-Lösung auf. Ein geeignetes Maskierungsmaterial ist von Techspray, L.P in Amarillo, TX mit der Handelsbezeichnung „WONDERMASK“ erhältlich. Die flüssige Maskierung kann selektiv auf der oberen Fläche 12 des Substrates 10 aufgebracht werden, wobei Abschnitte 12' der oberen Fläche 12 freiliegend zurückbleiben. Öffnungen oder Kanäle 26 können zwischen benachbarten Abschnitten der Maskierung 14 vorgesehen werden. Auf dem freiliegenden Abschnitt 12' der oberen Fläche 12 können Arbeiten ausgeführt werden. Die Arbeiten können umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Reinigen, Ätzen, Pitting, Ionenimplantation, Beschuss, Dotierung, Strahlen oder Beschichten des freiliegenden Abschnittes 12' der oberen Fläche.
• Nun Bezug nehmend auf 3 fließt bei einer Ausführungsform der Erfindung eine Beschichtung 16, wie eine hydrophile Beschichtung, durch den Kanal 26 zwischen benachbarten Abschnitten der Maskierung 14, und die Beschichtung wird gehärtet.
• Nun Bezug nehmend auf 4 kann, nachdem die Maskierung 14 entfernt ist, das Substrat 10 in eine Brennstoffzellenkomponente geformt werden, wie eine Bipolarplatte 8. Die Formung kann durch Prägen oder dergleichen durchgeführt werden. Die Maskierung 14 kann in einem Bad, das Wasser enthält, oder durch Sprühen von Wasser über das Substrat entfernt werden. Alternativ dazu kann bei einer Ausführungsform der Erfindung die Maskierung 14 von der oberen Fläche 12 des Substrates 10 abgezogen oder abgeschabt werden. Die Bipolarplatte 8 weist Stege 32 und Kanäle 34 auf. Bevorzugt bleibt die Beschichtung 16 nur in den Kanälen 34 der Bipolarplatte 8 zurück. Die Kanäle 34 der Bipolarplatte 8 können durch Seitenwände 100 und einen Boden 102 definiert sein. Die Beschichtung 16 kann sich an den Seitenwänden 100 und dem Boden 102 oder nur an dem Boden 102 befinden.
• Nun Bezug nehmend auf 5 wird bei einer anderen Ausführungsform eine Maskierung 14 über den Stegen 32 der Bipolarplatte 8 aufgebracht, wobei die Kanäle 34 der Bipolarplatte 8 unbedeckt und freiliegend zurückbleiben. Wiederum können die oben beschriebenen Typen von Arbeiten nun an dem freiliegenden Abschnitt der Bipolarplatte ausgeführt werden.
• Nun Bezug nehmend auf 6 wird eine Beschichtung 16, wie eine hydrophile Beschichtung, über der Maskierung 14 und den freiliegenden Abschnitten 34 der Bipolarplatte 8 aufgebracht. Die hydrophile Beschichtung 16 kann bei einer Ausführungsform anorganische und organische Strukturen aufweisen. Beispiele geeigneter hydrophiler Beschichtungen umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Beschichtungen, die Metalloxide aufweisen, die SiO₂, HfO₂, ZrO₂, Al₂O₃, SnO₂, Ta₂O₅, Nb₂O₅, MoO₂, IrO₂, RuO₂, metastabile Oxynitride, nichtstöchiometrische Metalloxide, Oxynitride und deren Derivate aufweisen, die Kohlenstoffketten aufweisen oder Kohlenstoff und/oder polare Gruppen aufweisen, und Mischungen daraus. Die Beschichtung 16 kann durch Sprühen, Streichen, Walzen, Drucken, Tauchen, physikalische Dampfphasenabscheidung, chemische Dampfphasenabscheidung oder plasmaunterstützte Dampfphasenabscheidung aufgebracht werden. Anschließend kann die Beschichtung 16 gehärtet werden und die Maskierung zusammen mit jeglicher die Maskierung 14 bedeckender Beschichtung entfernt werden, um die Beschichtung 16 nur in den Kanälen 34 der Bipolarplatte 8 zurückzulassen, wie in 7 gezeigt ist.
• Wenn die Begriffe „über“, „darüber liegend“, „liegt darüber“ oder dergleichen hier in Bezug auf die relative Position von Schichten zueinander verwendet sind, soll dies bedeuten, dass die Schichten in direktem Kontakt miteinander stehen oder dass eine andere Schicht oder andere Schichten zwischen den Schichten angeordnet sein können.

Claims (6)

1. Prozess, umfassend, dass: eine Maskierung (14), die Öffnungen hindurch aufweist, über Abschnitten eines flachen Substrates (10) zur Verwendung in einer Brennstoffzelle aufgebracht wird, wobei die Maskierung (14) Abschnitte des Substrates (10) freiliegend zurücklässt; eine hydrophile Beschichtung (16) über den freiliegenden Abschnitten (12') des Substrates (10) aufgebracht wird; die Maskierung (14) durch Abwaschen, Abziehen und/oder Abschaben der Maskierung (14) entfernt wird; und das Substrat (10) nach dem Entfernen der Maskierung (14) derart in eine Bipolarplatte mit Stegen (32) und Kanälen (34) geformt wird, dass die hydrophile Beschichtung (16) nur in den Kanälen (34) zurückbleibt.
2. Prozess nach Anspruch 1, wobei das Substrat (10) ein Metall oder ein elektrisch leitendes Kompositmaterial umfasst.
3. Prozess nach Anspruch 1, wobei das Aufbringen einer Beschichtung (16) über den freiliegenden Abschnitten (12') des Substrats (10) umfasst, dass eine Beschichtung (16) durch die Öffnungen in der Maskierung (14) fließt.
4. Prozess nach Anspruch 1, wobei die Maskierung (14) ein Erdmaterial, ein Salz, einen Zucker, ein Mehl und/oder ein Mahlgut umfasst.
5. Prozess nach Anspruch 1, wobei die Maskierung (14) Kieselgur umfasst.
6. Prozess nach Anspruch 5, wobei die Maskierung (14) ferner ein Natriumsalz einer Karbonsäure umfasst.

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