DE60003851T2

DE60003851T2 - Korrosionsbeständige beschichtete brennstoffzelle bipolare platte mit einer schutzschicht aus graphit und verfahren zur herstellung

Info

Publication number: DE60003851T2
Application number: DE60003851T
Authority: DE
Inventors: Zafar Iqbal; Timothy Rehg; V. James GUIHEEN; Dave Narasimhan
Original assignee: AlliedSignal Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1999-10-08
Filing date: 2000-10-05
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2020-10-06
Also published as: US6864007B1; JP2003511832A; WO2001028020A1; DK1240678T3; EP1240678A1; ATE244934T1; DE60003851D1; CA2386323A1; EP1240678B1; ES2204708T3

Description

Diese Anmeldung bezieht sich auf die hiermit in Beziehung stehende, gleichzeitig eingereichte US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 09/415,781 mit der Bezeichnung "Corrosion Resistant Coated Fuel Cell Bipolar Plate With Filled-In Fine Scale Porosities and Method of Making the Same".
Angabe zu föderativ gesponserter Forschung und Entwicklung
Diese Erfindung wurde mit Unterstützung aus der Regierung der Vereinigten Staaten von Amerika gemacht. Die Regierung der Vereinigten Staaten von Amerika kann gewisse Rechte an dieser Erfindung haben.
Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine korrosionsbeständige beschichtete bipolare Brennstoffzellenplatte und ein Verfahren zu ihrer Herstellung und insbesondere auf eine korrosionsbeständige, beschichtete, bipolare Brennstoffzellenplatte mit einer Graphit-Schutzschicht und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Brennstoffzellen, wie beispielsweise die Protonenaustauschmembran ("PEM" von Proton Exchange Membrane)-Brennstoffzelle enthalten eine Membranelektrodenanordnung ("MEA" von Membrane Electrode Assembly). Die MEA bildet einen festen Polymer-Elektrolyten oder eine Ionenaustauschmembran, die zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet ist und üblicherweise fein verteilte Kohlenstoffteilchen, sehr fein verteilte katalytische Teilchen, die auf den inneren und äußeren Oberflächen von den Kohlenstoffteilchen getragen sind, und Protonenleitungsmaterial aufweist, das mit den katalytischen und Kohlenstoffteilchen durchsetzt ist.
Die katalytischen Teilchen, z. B. fein zerkleinertes Platin, an jeder Membran/Elektroden-Grenzfläche rufen die gewünschte elektrochemische Reaktion hervor. Auf der Anodenseite durchdringt der Brennstoff (z. B. Wasserstoff) das poröse Elektrodenmaterial und reagiert mit den katalytischen Teilchen, um Wasserstoff-Kationen (z. B. Protonen) zu bilden, die durch die Ionenaustauschmembran hindurch zur Kathodenseite wandern. Auf der Kathodenseite reagiert das Oxidiermittel (z. B. sauerstoffhaltiges Gas) mit den katalytischen Teilchen, um Sauerstoff-Anionen zu bilden. An der Kathode reagieren die Anionen mit den Kationen, um die elektrochemische Reaktion zu vollenden und ein Reaktionsprodukt (z. B. flüssiges Wasser) zu bilden.
In üblichen Brennstoffzellen ist die MEA zwischen zwei elektrisch leitfähigen Elementen, üblicherweise Platten, angeordnet, die als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen. Die Platten sind häufig mit Kanälen versehen, um die Verteilung der vorgenannten gasförmigen Reaktionsmittel über die Anoden- und Kathoden-Katalysatorflächen zu erleichtern. Wenn eine Anzahl von Brennstoffzellen zu einem Stapel zusammengesetzt sind, um eine elektrische Reihenverbindung zwischen ihnen zu bilden, sorgen die Platten für die elektrische Verbindung und werden häufig als bipolare Platten bezeichnet. In einer derartigen Konfiguration leitet jede bipolare Platte Strom zwischen der Anode von der einen Zelle zur Kathode der benachbarten Zelle in dem Stapel.
In der Umgebung einer PEM Brennstoffzelle sind bipolare Platten (und Scheidewände) Korrosion ausgesetzt. Deshalb sollten bipolare Platten zusätzlich dazu, dass sie eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit haben, um für eine hohe Leistungsfähigkeit in einer PEM Brennstoffzelle zu sorgen, auch korrosionsbeständig sein, um so eine angemessene Leitfähigkeit über ausgedehnten Zeitperioden beizubehalten. Graphitplatten weisen diese Qualitäten auf, sind aber im allgemeinen spröde und teuer in der Fertigung. Edelmetalle, wie beispielsweise Platin, sind sehr korrosionsbeständig und können als leichte dünne Platten gefertigt werden, aber die Rohmaterialkosten für diese Platten würden für viele kommerzielle Anwendungen untragbar hoch sein. Leichte Metalle, wie beispielsweise Aluminium und Titan und ihre Legierungen, sind in der Umgebung einer PEM Brennstoffzelle nicht korrosionsbeständig, und daraus gebildete Kontaktelemente verschlechtern sich üblicherweise rasch oder sie bilden auf ihrer Oberfläche einen großen elektrischen Widerstand aufweisende Oxidfilme, die den elektrischen Innenwiderstand der Brennstoffzelle vergrößern und deren Leistungsfähigkeit verkleinern.
Somit besteht ein Bedürfnis für eine bipolare Brennstoffzellenplatte, die aus einem leichten Nicht-Edelmetall, wie beispielsweise Aluminium oder Titan, mit Oberflächen hergestellt ist, die durch eine elektrisch leitfähige, oxidationsbeständige Trennschicht, Beschichtung oder Verkleidung gegen Korrosion geschützt sind.
Zusammenfassung der Erfindung
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine metallische bipolare Brennstoffzellenplatte mit einem leitfähigen Mehrschichtüberzug und dann mit einem Mantel versehen, der die feinen Löcher bzw. Porositäten in dem darunter liegenden Überzug füllt. Die Abmessungen von dem Überzug und dem Mantel sind so gewählt, dass die elektrische Leitfähigkeit der bipolaren Platte nicht leidet. Der Mantel bildet eine Abdichtung der feinen Porositäten und kann kontinuierlich sein, wenn er Eigenleitfähigkeit hat, beispielsweise ein Mantel, der aus einem Brei von amorphem Kohlenstoff oder einem Suboxid von Titan gebildet ist. Im Fall von amorphem Kohlenstoff ist dieser Mantel auch hydrophob, was ferner die korrosiven Elektrolyten daran hindert, dass sie in Mikroporositäten in dem Überzug eindringen.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die metallische bipolare Brennstoffzellenplatte mit einem leitfähigen Mehrschichtüberzug versehen, und dann wird ein chemischer Anodisierungsprozess verwendet, um die feinen Porositäten in dem darunter liegenden Überzug mit einem diskontinuierlichen Mantel zu füllen, der keine hohe elektrische Leitfähigkeit haben muss, beispielsweise ein Aluminiumoxid, der aber elektrische Ladung zu dem Überzug durch die Diskontinuitäten in dem Mantel hindurch leitet. Die Füllung der Porositäten verhindert, dass korrosive Elektrolyten die beschichtete bipolare Brennstoffzellenplatte angreifen.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die metallische bipolare Brennstoffzellenplatte mit einem dünnen Graphit-Emulsionsüberzug versehen, und dann wird eine Schicht aus Graphitfolie über den darunter liegenden Überzug gepresst. Die Emulsion des Graphit dichtet Mikroporositäten ab, die in der Graphitfolie vorhanden sind. Zusätzlich hilft die hydrophobe Natur von dem Graphit-Emulsionsüberzug und der Graphitfolie zu verhindern, dass korrosive Elektrolyten die beschichtete bipolare Brennstoffzellenplatte angreifen.
Die oben beschriebenen und viele andere Merkmale und begleitende Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich, wenn die Erfindung durch die Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben.
1 ist ein Fließbild von zwei bevorzugten Verfahren zum Überziehen und Ummanteln einer bipolaren Platte von einer Brennstoffzelle gemäß der Erfindung;
2 ist ein Fließbild von einem anderen bevorzugten Verfahren zum Überziehen und Ummanteln einer bipolaren Platte von einer Brennstoffzelle gemäß der Erfindung;
3 ist eine geschnittene Teilseitenansicht von einer bipolaren Brennstoffzellenplatte;
4A ist eine vergrößerte Ansicht von einem Teil der bipolaren Brennstoffzellenplatte gemäß 3, nachdem sie mit einer Unterschicht aus Übergangsmetall, wie beispielsweise Titan, überzogen worden ist;
4B zeigt die bipolare Brennstoffzellenplatte gemäß 4A, nachdem sie mit einer Schicht aus Titan-Aluminiumnitrid überzogen worden ist;
4C zeigt die bipolare Brennstoffzellenplatte gemäß 4B, nachdem sie mit einer Unterschicht aus Übergangsmetall, wie beispielsweise Chrom, ummantelt worden ist;
4D zeigt die bipolare Brennstoffzellenplatte gemäß 4C, nachdem sie mit einer Schicht aus amorphem Graphit ummantelt worden ist;
4E zeigt die bipolare Brennstoffzellenplatte gemäß 4B, nachdem sie einem chemischen Anodisierungsprozess ausgesetzt worden ist, um eine dünne, diskontinuierliche Deckschicht zu formen, die aus einem Oxid, wie beispielsweise Aluminiumoxid, zusammengesetzt ist, die zum Füllen der Porositäten in dem Überzug dient;
5 ist eine geschnittene Teilseitenansicht von einer bipolaren Brennstoffzellenplatte;
6A ist eine vergrößerte Darstellung von einem Teil der bipolaren Brennstoffzellenplatte gemäß 5, nachdem sie mit einer Schicht aus Graphitemulsion überzogen ist;
6B zeigt die bipolare Brennstoffzellenplatte gemäß 6A, nachdem eine Schicht aus Graphitfolie über die Schicht aus Graphitemulsion gepresst worden ist, die die Graphitfolie mit der bipolaren Platte verbindet und Porositäten in der Graphitfolie dichtet; und
6C zeigt die bipolare Brennstoffzellenplatte gemäß 6B, nachdem ihr ein Strömungsfeld aufgedrückt ist, das sowohl die Graphitfolie als auch die darunter liegende Metallplatte deformiert.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Nachfolgend wird eine detaillierte Beschreibung von der gegenwärtig bekannten besten Art zum Ausführen der Erfindung geben. Diese Beschreibung ist nicht in einem einschränkenden Sinn zu verstehen, sondern sie wird lediglich zum Zweck der Darstellung der allgemeinen Prinzipien der Erfindung gemacht.
Gemäß 1 enthält ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100 gemäß der Erfindung zum Passivieren einer bipolaren Platte für eine Brennstoffzelle zunächst einen Schritt 102 zum Bereitstellen einer bipolaren Brennstoffzellenplatte 200 (3), die aus irgendeinem Metall, edel oder nicht edel, gebildet sein kann. Die bipolare Brennstoffzellenplatte 200 weist vorzugsweise Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder rostfreien Stahl auf, ist 0,05–2,0 Millimeter dick und ihr sind Strömungsfelder 202 auf beiden Seiten aufgedrückt (in 3 ist nur die eine Seite der bipolaren Platte 200 gezeigt). Alternative bevorzugte Materialien für die bipolaren Brennstoffzellenplatte 200 umfassen, ohne dass dies als Einschränkung zu verstehen ist, Titan, Niob, Chrom, Zinn, Molybdän, Zink, rostfreien Stahl und Nickel. Ferner sollte klar sein, dass die Prinzipien der vorliegenden Erfindung nicht auf bipolare Platten beschränkt sind und in gleicher Weise auf Endplatten, Stromkollektorelemente und elektrisch leitfähige Elemente anwendbar sind, die in anderen Formen als der einer Platte konfiguriert sind.
Im allgemeinen enthält das Verfahren 100 einen Überziehungs- oder Beschichtungsschritt 110 und einen Abscheidungs-Ummantelungsschritt 120 und/oder einen Ummantelungsschritt 130 mit chemischer Anodisierung. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält der Überziehungsschritt 110 einen Schritt 112 zum Überziehen einer Deckfläche 204 (4A) der bipolaren Platte 200 mit einer Übergangsmetall-Unterschicht 206 ( 4A) und dann einen Schritt 114 zum Überziehen der Unterschicht 206 mit einer Schicht 208 (4B) aus leitfähigem Material. Sowohl die Unterschicht 206 als auch die Schicht 208 sind elektrisch leitfähig. Die Unterschicht 206 und die Schicht 208 sind so gewählt, dass die Schicht 208 während des Zerstäubens (Sputtering) an der Unterschicht 206 anhaftet. Die Unterschicht 206 weist beispielsweise Titan auf, das über die Deckfläche 204 bis zu einer Dicke von etwa 1 Mikron aufgestäubt ist. Die Unterschicht 206 kann auch aus anderen leitfähigen Materialien, z. B. rostfreiem Stahl, gebildet sein.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Schicht 208. weist einen Bereich von Zusammensetzungen für Titan-Aluminiumnitrid (Ti_xAl_yN) auf, wobei x = 0,50–0,75 und y = 0,25–0,50. Bevorzugte Werte für x und y sind 0,70 bzw. 0,30. Die Titan-Aluminiumnitridschicht 208 ist beispielsweise durch gleichzeitiges Zerstäuben von Ti und Al mit einem Ablassen von Stickstoff gebildet. Die Dicke der Schicht 208 liegt vorzugsweise in dem Bereich von 1 bis 5 Mikron. Der Zusatz von Al zu Ti verringert die Dichte der d-Elektronenzustände und deshalb die Oxida tionsstabilität von der Überzugsschicht 208. Die elektrische Leitfähigkeit der Schicht 208 wird durch den Zusatz von Al auch verringert relativ zu TiN, aber sie bleibt dennoch bei der obigen Zusammensetzung sehr hoch. Typische spezifische Widerstände sind unter 1 Milliohm-Zentimeter. Andere Zusammensetzungen für den Überzug 208 umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Titannitrid, Titancarbid, eine Legierung aus Titannitrid und Titancarbid, die auch als Titancarbonitrid bezeichnet wird, Zirkonnitrid und Chromnitrid.
Vorzugsweise wird ein physikalischer Dampfabscheidungs ("PVD")-Prozess verwendet, um die Unterschicht 206 und die Schicht 208 abzuscheiden. Vorzugsweise wird während des gesamten Überziehungsschrittes 110 ein unsymmetrisches Magnetron-Zerstäubungsionen-Plattierungssystem im geschlossenen Feld (siehe z. B. europäisches Patent EP 0 521 045 B1 ) verwendet. In einem derartigen System werden unsymmetrische Magnetrons in einer Anordnung verwendet, bei der benachbarte Magnetrons entgegengesetzte magnetische Polarität haben. Verbundene magnetische Feldlinien umgeben die Abscheidungszone, wo die Substrate angeordnet sind. Dies hat eine signifikante Plasmaverstärkung zur Folge aufgrund des Einschlusses des Plasmas und der Verhinderung von ionisierenden Elektronenverlusten. Die zwei Hauptmerkmale von einem derartigen System sind: (1) es wird eine hohe Stromdichte verwendet, um sowohl die Überzugsstruktur als auch die Adhäsion zu verbessern, und (2) es wird ein Betrieb mit kleiner Vorspannung verwendet, um Überzüge bei niedrigen Temperaturen und mit minimalen inneren Beanspruchungen abzuscheiden.
Der Betrieb bei niedriger Vorspannung (nahe Null) und niedriger Temperatur bewirkt in signifikanter Weise, dass die kristallinen Teilchen des Überzuges 208 eine kleinere Größe haben und mehr abgerundet sind, was für ein verbessertes Ineinandergreifen der Korngrenzen sorgt. Dies wiederum hat kleinere Porositäten in dem Überzug 208 zur Folge.
Nachdem die bipolare Platte gestanzt oder mit Strömungsfeldmustern, Gaseinlässen usw. bearbeitet werden ist, wird sie entfettet, getrocknet und in dem Reaktor reduzierend plasma geätzt. Eine Reinigung vor der Abscheidung wird mit den Magnetrons ausgeführt, die bei kleiner Leistung geschaltet werden. Die Verwendung von Magnetrons an dieser Stufe gestattet, dass ein Plasma auf die Platten aufprallt bei einem niedrigen Argon-Druck von etwa 13,3 × 10^–2Pa (1 × 10^–3 Torr).
Nach einem ersten Abpumpen auf einen Druck von 13,3 × 10^–5Pa (1 × 10^–6 Torr) werden die Unterschicht 206 und die Schicht 208 auf der Platte 200 ausgebildet, die auf Raumtemperatur in der Abscheidungskammer gehalten ist. Während des Abscheidungsprozesses steigt die Temperatur der Platte auf zwischen 200°C und 350°C während des Plasma-Bombardements an. Durch geeignete Abschirmung und Stromsteuerung in der Abscheidungskammer können viele Platten bzw. Targets in einer üblichen Weise verwendet werden, um den oben beschriebenen abgestuften Ti/TiAlN Überzug auszubilden. Obwohl Magnetron-Zerstäubung bevorzugt ist, weil es für Überzüge mit niedriger Porosität sorgt, können innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung zusätzlich auch alternative Abscheidungsprozesse verwendet werden, wie beispielsweise kathodische Lichtbogen-Zerstäubung und bei niedriger Temperatur arbeitende metallorganische chemische Dampfabscheidung ("MOCVD" von metalorganic chemical vapor deposition).
Bei einer Prüfung unter einem abtastenden Elektronen-Mikroskop zeigt die Magnetron-zerstäubte Titan-Aluminiumnitridschicht 208 keine offene Porosität in dem 0,1 bis 1,0 Mikrometer-Größenbereich. Jedoch lassen potentiodynamische Korrosionsströme, die bei 900 mV über einer gesättigten Kalomel-Elektrode gemessen wurden, vermuten, dass Porositäten unterhalb dieses Bereiches vorhanden sind. Die Ummantelungsschritte 120, 130 – – alternative Prozesse zum Dichten bzw. Versiegeln der feinen Porosität in dem Titan-Aluminiumnitridüberzug 208 – – werden nachfolgend erläutert.
Gemäß 1 enthält ein bevorzugter Abscheidungs-Ummantelungsschritt 120 einen Schritt 122 zum Überziehen der bipolaren Brennstoffzellenplatte 200 (genauer der Titan- Aluminiumnitridschicht 208) mit einer Übergangsmetall-Unterschicht 210 (4C) und dann einen Schritt 124 zum Überziehen der Unterschicht 210 mit einer hydrophoben Deckschicht 212 aus amorphem Graphit (4D). Die Übergangsmetall-Unterschicht 210 kann irgendein Metall sein, an dem Graphit/Kohlenstoff einfach anhaftet. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Unterschicht 210 eine 0,5–1,0 Mikrometer dicke Chromschicht auf. Andere geeignete Materialien für die Unterschicht 210 umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Titan, Nickel, Eisen und Kobalt. Die hydrophobe Schicht 212 aus amorphem Graphit hat eine Dicke von vorzugsweise 2–5 Mikrometer.
Die Übergangsmetall-Unterschicht 210 und dann die Deckschicht 212 aus amorphem Graphit werden unter Verwendung des Zerstäubungsprozesses mit einem unsymmetrischen Magnetron, wie es oben unter Bezugnahme auf den Schritt 110 beschrieben ist, abgeschieden. Die gleiche oder eine unterschiedliche Kammer kann für den Ummantelungsschritt 120 verwendet werden. Die zu ummantelnde bipolare Platte 200 wird nach einem ersten Abpumpen auf 13,3 × 10^–5 Pa (10^–6 Torr) auf Raumtemperatur gehalten. Die Schicht 212 aus amorphem Graphit wird wenigstens teilweise als eine kontinuierliche Struktur mit einem zufälligen Netzwerk gebildet und ist im wesentlichen frei von anderen Korngrenzen als den makroskopischen Porositäten, wo eine Abscheidung nicht aufgetreten ist. Nach dem Abkühlen wird die bipolare Platte 200 aus der Abscheidungskammer genommen für eine Verwendung in einer Brennstoffzelle ohne weitere Behandlung.
Gemäß 4D sind Porositäten bzw. Löcher 214 (nicht notwendigerweise maßstabsgerecht) in der Schicht 208 gezeigt. Die Porositäten sind durch die Übergangsmetall-Unterschicht 210 überzogen, aber nicht notwendigerweise vollständig gefüllt. Die Schicht 212 aus amorphem Graphit ist so gezeigt, dass sie zwei Porositäten 214 ausfüllt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass einige Porositäten (nicht gezeigt) zu klein sind, um durch das amorphe Graphit gefüllt zu werden. Trotzdem hilft die hydrophobe Natur der Schicht 212 aus amorphem Graphit – – die den Umfang derartiger Porositäten überzieht, selbst wenn sie sie nicht ausfüllt – – zu verhindern, dass Gase und Wasser die bipolare Platte 200 oxidieren.
Gemäß 1 ist eine Alternative zu dem Abscheidungs-Ummantelungsschritt 120 der Ummantelungsschritt 130 durch chemische Anodisierung. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel versiegelt der Ummantelungsschritt 130 durch chemische Anodisierung oder Oxidation die feinen Porositäten in der Schicht 208 mit einer diskontinuierlichen Oxidschicht 216 (4E) mit kleiner Leitfähigkeit, wie beispielsweise Aluminiumoxid. In dem Fall von Aluminiumoxid infiltriert der chemische Anodisierungsprozess die feine Porosität mit internen Schichten aus Aluminiumoxid. Die Schicht 216 ist primär auf den Porositäten als eine amorphe Struktur angeordnet und führt elektrische Ladung zur Schicht 208 über Diskontinuitäten in der Schicht 216. Alternativ versiegelt der Ummantelungsschritt 130 mit chemischer Anodisierung oder Oxidation die feinen Porositäten in der Schicht 208 mit einer kontinuierlichen (oder diskontinuierlichen) Schicht 216 aus einem Material, wie beispielsweise ein Suboxid von Titan, das genügend elektrisch Leitfähigkeit ist, damit elektrische Ladung durch die Schicht 216 hindurch zur Schicht 208 gelangen kann.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Ummantelungsschrittes 130 mit chemischer Anodisierung enthält einen Schritt 132 des Eintauchens der bipolaren Platte 200 in ein Säurebad, einen Schritt 134 zum Waschen der bipolaren Platte 200 in deionisiertem Wasser und einen Schritt 136 des Siedens der bipolaren Platte 138 in Wasser. Ein bevorzugter Schritt 132 enthält das Eintauchen der beschichteten bipolaren Platte 200 in konzentrierte Schwefelsäure (95–98% ACS Reagenz) bei Umgebungstemperatur für 0,5–1,0 Minuten. Alternativ kann Chromsäure verwendet werden. Alternativ können erhöhte Temperaturen und oberflächenaktive Mittel verwendet werden, um die Säureeindringung in die Porosität 214 zu verstärken. Eine andere Alternative besteht darin, elektrolytische Oxidation zu verwenden. Als nächstes wird im Schritt 134 die bipolare Platte 200 aus dem Säurebad herausgenommen, sofort in deionisiertes Wasser eingetaucht und gewaschen, bis sie frei von Säure ist. Am Schritt 136 wird die Ummantelungsschicht 216 stabilisiert durch Sieden in deionisiertem Wasser für etwa 30 Minuten. Die bipolare Platte 200 wird dann aus dem Wasserbad herausgenommen und durch Blasen in Luft bei Raumtemperatur getrocknet, bevor sie verwendet wird. Bei Titan-Aluminiumnitrid hat die Oxidation die Bildung von sowohl Aluminium- als auch Titanoxiden zur Folge.
Gemäß 2 enthält ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens 300 gemäß der Erfindung zum Bereitstellen einer bipolaren Brennstoffzellenplatte mit einer korrosionsbeständigen Trennschicht einen Schritt 302 zum Reinigen einer Platte 400 (5), einen Schritt 304 zum Aufbringen eines Überzugs 402 (6A) auf eine äußere Oberfläche 404 der Platte 400 und einen Schritt 306 zum Bereitstellen eines Mantels 406 (6B). Die bipolare Platte 400 ist die gleiche wie die zuvor beschriebene bipolare Platte 200 mit bearbeiteten Gaseinlasslöchern, ist aber üblicherweise nicht mit Strömungsfeldern gebildet, bevor der Überzug 402 und der Mantel 406 aufgebracht werden. Ein Beispiel von einer bevorzugten bipolaren Platte 400 ist aus Aluminium hergestellt und ist 0,05–2,0 Millimeter dick.
Vorzugsweise sind der Überzug 402 und der Mantel 406 sowohl elektrisch leitfähig als auch hydrophob. Ein bevorzugter Überzug 402 ist etwa 10 Mikron dick und weist beschallte Graphitteilchen in einer Emulsion, Suspension oder einem Anstrich auf, z. B. Graphitteilchen in einem Epoxidharz, das durch ein organisches Lösungsmittel, wie beispielsweise Toluol, dünn gemacht ist. Eine geeignete Graphitemulsion, Electrodag-423SS, wird von der Acheson Colloids Company, 1600 Washington Ave., Postfach 611747, Port Huron, Michigan 48061–1747, verkauft. Ein Beispiel von einem bevorzugten Mantel 406 weist abgeschältes Graphit in der Form von Blättern aus flexibler Graphitfolie auf, wie beispielsweise solchen, die von UCAR Carbon Company Inc., Postfach 94637, Cleveland, Ohio 44101, gefertigt und unter dem Handelsnamen GRAFOIL^® verkauft wird. Graphitfolie, GRAFOIL^®, ist aus Feststoff-Graphitflocken gebildet, die durch einen Einlagerungsprozess hergestellt sind. Obwohl anisotrop und mit einem gewissen Ordnungsgrad ist GRAFOIL^® elektrisch gut leitend und hydrophob. Die Dicke des Graphitfolienmantels 406 beträgt beispielsweise 0,05–1,0 Millimeter und vorzugsweise 0,5 Millimeter.
Aus 6B ist zu sehen, dass der Mantel 406 Porositäten 410 hat. Der Überzug 402 bindet den Mantel 406 mit der bipolaren Platte 400 und füllt die Porositäten 410.
Gemäß 2 und gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens 300 wird die bipolare Platte 400 am Schritt 302 gereinigt und dann auf beiden Seiten mit der Graphit-Emulsion 402 am Schritt 304 gleichförmig bestrichen. Als nächstes wird am Schritt 306 die bipolare Platte 400 zwischen zwei Blättern aus Graphit-Folie 406 unter einer Last, dargestellt durch Pfeile 412 (6B) von 630–1134 kg (1500–2500 Pounds) angeordnet, die durch eine übliche Presse (nicht gezeigt) bei einer Temperatur von 50–70°C für 30 Minuten aufgebracht wird. Am Schritt 308 kann sich die bipolare Platte 400 auf Raumtemperatur unter Last abkühlen und wird dann aus der Presse herausgenommen. Am Schritt 310 werden Strömungsfelder 414 (6C) ausgebildet, beispielsweise durch einen Stanzvorgang, der die Deformation von sowohl der Graphit-Folie 406 als auch der Metallplatte 400 zur Folge hat. Der Klarheit halber sind die Porositäten 410 in 6C nicht gezeigt. Vorzugsweise haben die Blätter des Graphit-Folienmantels 406 die gleiche Form und Grundabmessungen wie die bipolare Platte 400. In einem anderen bevorzugten Herstellungsverfahren werden Spulen oder Rollen aus Plattenmaterial und Graphitfolie zusammen durch ein übliches Walzwerk oder ähnliches geleitet, auf Größe geschnitten, nachdem sie durch das Walzwerk zusammengepresst worden sind, und dann gestanzt, um Strömungsfelder zu bilden.
Obwohl die Erfindung anhand des vorstehenden bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben worden ist, stehen für den Fachmann zahlreiche Modifikationen und/oder Zusätze zu dem oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel zur Verfügung. Es ist beabsichtigt, dass der Schutzumfang der Erfindung alle derartigen Modifikationen und/oder Zusätze einschließt.

Claims

Beschichtete bipolare Brennstoffzellenplatte enthaltend: eine Aluminiumplatte (400), die eine äussere Oberfläche (404) aufweist, einen elektrisch leitfähigen Überzug (402), der über der äusseren Oberfläche (404) ausgebildet ist, und einen zweiten Überzug (406), der über dem Überzug (402) ausgebildet ist, wobei der zweite Überzug Graphit enthält, wobei einer der Überzüge die offene Porosität in dem anderen der Überzüge füllt.
Beschichtete bipolare Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 1, wobei der Überzug (402) aus einer Graphit-Emulsion abgeschieden ist.
Beschichtete bipolare Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 1, wobei der Überzug (402) Graphit-Partikel enthält, die aus einer organischen Suspension abgeschieden sind.
Beschichtete bipolare Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 1, wobei der zweite Überzug (404) abgeschälten Graphit enthält.
Beschichtete bipolare Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 1, wobei der zweite Überzug (404) Porositäten (410) enthält, die durch den Überzug (402) gefüllt sind.
Beschichtete bipolare Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 1, wobei der zweite Überzug (406) eine Folie ist.
Beschichtete bipolare Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 1, wobei der zweite Überzug (406) Graphit-Feststoffflocken enthält, die durch einen Einlagerungsprozess hergestellt sind.
Beschichtete bipolare Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 1, wobei der zweite Überzug (406) elektrisch leitfähig ist.
Beschichtete bipolare Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 1, wobei der zweite Überzug (406) hydrophob ist.
Beschichtete bipolare Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 1, wobei der Überzug (402) durch ein Magnetron aufgestäubtes Aluminium-Titan-Nitrid ist.