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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".
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Angabe zu
föderativ
gesponserter Forschung und Entwicklung
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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.
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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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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.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Eine detaillierte Beschreibung von
bevorzugten Ausführungsbeispielen
der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
gegeben.
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1 ist
ein Fließbild
von zwei bevorzugten Verfahren zum Überziehen und Ummanteln einer
bipolaren Platte von einer Brennstoffzelle gemäß der Erfindung;
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2 ist
ein Fließbild
von einem anderen bevorzugten Verfahren zum Überziehen und Ummanteln einer
bipolaren Platte von einer Brennstoffzelle gemäß der Erfindung;
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3 ist
eine geschnittene Teilseitenansicht von einer bipolaren Brennstoffzellenplatte;
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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;
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4B zeigt
die bipolare Brennstoffzellenplatte gemäß 4A, nachdem sie mit einer Schicht aus
Titan-Aluminiumnitrid überzogen
worden ist;
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4C zeigt
die bipolare Brennstoffzellenplatte gemäß 4B, nachdem sie mit einer Unterschicht
aus Übergangsmetall,
wie beispielsweise Chrom, ummantelt worden ist;
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4D zeigt
die bipolare Brennstoffzellenplatte gemäß 4C, nachdem sie mit einer Schicht aus
amorphem Graphit ummantelt worden ist;
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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;
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5 ist
eine geschnittene Teilseitenansicht von einer bipolaren Brennstoffzellenplatte;
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6A ist
eine vergrößerte Darstellung
von einem Teil der bipolaren Brennstoffzellenplatte gemäß 5, nachdem sie mit einer
Schicht aus Graphitemulsion überzogen
ist;
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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
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6C zeigt
die bipolare Brennstoffzellenplatte gemäß 6B, nachdem ihr ein Strömungsfeld
aufgedrückt
ist, das sowohl die Graphitfolie als auch die darunter liegende
Metallplatte deformiert.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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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.
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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.
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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.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Schicht 208. weist einen Bereich von Zusammensetzungen
für Titan-Aluminiumnitrid
(TixAlyN) 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.
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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.
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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.
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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).
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.