DE102007003825B4

DE102007003825B4 - Superhydrophile, nanoporöse, elektrisch leitende Beschichtungen für PEM-Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE102007003825B4
Application number: DE102007003825.0A
Authority: DE
Inventors: Gayatri Vyas; Mahmoud H. Abd Elhamid; Youssef M. Mikhail; Thomas A. Trabold
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2007-01-25
Publication date: 2020-03-05
Anticipated expiration: 2027-01-26
Also published as: JP4890279B2; US8389174B2; JP2007227369A; DE102007003825A1; US20070178357A1; CN101009385B; CN101009385A

Abstract

Brennstoffzelle mit einer Strömungsfeldplatte, die aus einem Plattenmaterial hergestellt ist, wobei die Strömungsfeldplatte eine Vielzahl von Strömungskanälen aufweist, die auf ein Reaktandengas ansprechen, wobei die Strömungsfeldplatte ferner eine Beschichtung aufweist, die an ihrer Außenfläche abgeschieden ist, wobei eine Außenfläche der Beschichtung so ausgebildet worden ist, dass sie Nanoporen besitzt, die dazu dienen, die Beschichtung hydrophil zu machen und Wasser wegzusaugen, dadurch gekennzeichnet, dass Stege zwischen den Strömungskanälen maskiert sind, wenn die Beschichtung auf der Strömungsfeldplatte abgeschieden wird, um zu verhindern, dass das Beschichtungsmaterial auf den Stegen abgeschieden wird, um einen guten Kontaktwiderstand für die Brennstoffzelle vorzusehen, wobei die Beschichtung eine Dicke im Bereich von 10-1000 nm besitzt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein Bipolarplatten für Brennstoffzellen und insbesondere eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, die eine leitende Beschichtung mit Nanoporen aufweist, die die Beschichtung hydrophil machen.
Beschreibung der verwandten Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas 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 dient dazu, das Fahrzeug zu betreiben.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen populäre Brennstoffzellen für Fahrzeuge dar. Die PEMFC umfasst allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA).
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Für den oben erwähnten Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel kann der Stapel zweihundert oder mehr einzelne Zellen umfassen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodenreaktandengas, typischerweise eine Strömung aus Luft 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 Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffreaktandengas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Serie von Strömungsfeld- oder Bipolarplatten, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind. Die Bipolarplatten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodengas an die Anodenseite der MEA strömen kann. An der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodengas an die Kathodenseite der MEA strömen kann. Die Bipolarplatten enthalten auch Strömungskanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.
Die Bipolarplatten bestehen typischerweise aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl, Titan, Aluminium, polymeren Kohlenstoffcompositen, etc., so dass sie die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität von einer Zelle zu der nächsten Zelle und aus dem Stapel heraus leiten. Metall-Bipolarplatten erzeugen typischerweise ein natürliches Oxid an ihrer Außenfläche, das diese beständig gegenüber Korrosion macht. Jedoch ist die Oxidschicht nicht leitend und erhöht somit den Innenwiderstand der Brennstoffzelle, wodurch ihre elektrische Leistungsfähigkeit verringert wird. Auch macht die Oxidschicht die Platte hydrophober. Es ist in der Technik bekannt, eine dünne Schicht aus einem leitenden Material, wie Gold, auf den Bipolarplatten abzuscheiden, um den Kontaktwiderstand zwischen der Platte und den Diffusionsmedien in den Brennstoffzellen zu reduzieren.
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 niedrigen Zellenleistungsanforderungen, typischerweise unter 0,2 A/cm², kann sich Wasser in den Strömungskanälen ansammeln, da der Durchfluss 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 relativ hydrophoben Beschaffenheit des Plattenmaterials zunehmend ausdehnen. Die Tröpfchen bilden sich in den Strömungskanälen im Wesentlichen rechtwinklig zu der Strömung des Reaktandengases. Wenn die Größe der Tröpfchen zunimmt, wird der Strömungskanal geschlossen und das Reaktandengas an andere Strömungskanäle umgelenkt, da die Kanäle zwischen üblichen Einlass- und Auslassverteilern parallel verlaufen. Da das Reaktandengas nicht durch einen mit Wasser blockierten Kanal strömen kann, kann das Reaktandengas das Wasser nicht aus dem Kanal treiben. Diejenigen Bereiche der Membran, die kein Reaktandengas aufgrund einer Blockierung des Kanals aufnehmen, erzeugen keine Elektrizität, was in einer nicht homogenen Stromverteilung und 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 Zellenspannungspotenzial von weniger als 200 mV als ein Zellenausfall betrachtet wird. Da die Brennstoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, kann, wenn eine der Brennstoffzellen funktionsunfähig wird, der gesamte Brennstoffzellenstapel funktionsunfähig werden.
Es ist üblicherweise möglich, das angesammelte Wasser in den Strömungskanälen dadurch zu spülen, dass das Reaktandengas periodisch durch die Strömungskanäle mit einem höheren Durchfluss 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, einschließlich einer reduzierten Wirtschaftlichkeit, einem reduzierten Systemwirkungsgrad und einer erhöhten 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 Langzeithaltbarkeit 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 Wasser in den Kanälen einen dünnen Film bildet, bei dem die Tendenz geringer ist, die Strömungsverteilung entlang der Gruppierung von Kanälen, die mit den gemeinsamen Einlass- und Auslasssammelleitungen verbunden sind, zu ändern. Wenn das Plattenmaterial ausreichend benetzbar ist, tritt der Wassertransport durch die Diffusionsmedien 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, sind in der Concus-Finn-Bedingung beschrieben: $β + \frac{α}{2} < 90 °,$
wobei β der statische Kontaktwinkel ist und α der Kanaleckenwinkel ist. Für einen rechtwinkligen Kanal gilt α/2 = 45°, was angibt, dass eine spontane Benetzung erfolgt, wenn der statische Kontaktwinkel kleiner als 45° ist. Für die grob rechtwinkligen Kanäle, die in gegenwärtigen Brennstoffzellenstapelkonstruktionen mit Composit-Bipolarplatten verwendet werden, setzt dies eine ungefähre obere Grenze für den Kontaktwinkel, der erforderlich ist, um die nützlichen Effekte hydrophiler Plattenoberflächen auf den Kanalwassertransport und eine Niedriglaststabilität zu verwirklichen.
Die US 2002/0187379 A1 , die US 2001/0031389 A1 und die nachveröffentlichte DE 11 2006 000 345 T5 offenbaren jeweils eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Oberbegriff des Anspruchs 17. Ferner offenbaren die US 2001/0031389 A1 und die nachveröffentlichte DE 11 2006 000 345 T5 jeweils ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 30.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzelle und einen Brennstoffzellenstapel zu schaffen, die einen verbesserten Kontaktwiderstand zwischen deren Funktionskomponenten aufweisen. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Strömungsfeldplatte zu schaffen, die in einer entsprechenden Brennstoffzelle zum Einsatz gelangen kann.
Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt durch den jeweiligen Gegenstand der Ansprüche 1 und 16 bzw. durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 28.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist eine Strömungsfeldplatte oder Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle offenbart, die eine leitende Beschichtung aufweist, die geformte Nanoporen besitzt, die die Beschichtung hydrophil machen. Es kann ein beliebiger geeigneter Prozess dazu verwendet werden, die Nanoporen in der Beschichtung auszubilden. Ein Prozess umfasst eine gleichzeitige Abscheidung eines leitenden Materials und eines relativ instabilen Elements auf der Platte und dann ein anschließendes Auflösen des instabilen Elements, um dieses von der Beschichtung zu entfernen und die Nanoporen zu erzeugen. Ein anderer geeigneter Prozess umfasst die Verwendung eines Niedrigenergieionenstrahls für Ionenstrahllithographie, um Nanoporen herzustellen.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
Figurenliste

1 ist eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel, die eine Bipolarplatte aufweist, die eine Beschichtung mit Nanoporen besitzt, die die Beschichtung hydrophil machen;
2 ist ein REM-Mikrobild von nanoporösem Gold, das durch selektives Auflösen von Silber aus Ag-Au-Legierungen, die in Salpetersäure getaucht sind, hergestellt ist;
3 ist eine Draufsicht eines Systems zum Ausbilden der Beschichtung an der Bipolarplatte; und
4 ist eine Darstellung eines Bades zum Entfernen eines instabilen Materials von der Beschichtung, um Nanoporen vorzusehen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle 10, die Teil eines Brennstoffzellenstapels des oben beschriebenen Typs ist. Die Brennstoffzelle 10 weist eine Kathodenseite 12 und eine Anodenseite 14 auf, die durch eine Perfluorsulfonsäuremembran 16 getrennt sind. An der Kathodenseite 12 ist eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 20 vorgesehen, und zwischen der Membran 16 und der Diffusionsmediumschicht 20 ist eine kathodenseitige Katalysatorschicht 22 vorgesehen. Ähnlicherweise ist an der Anodenseite 14 eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht 24 vorgesehen, und zwischen der Membran 16 und der Diffusionsmediumschicht 24 ist eine anodenseitige Katalysatorschicht 26 vorgesehen. Die Katalysatorschichten 22 und 26 und die Membran 16 definieren eine MEA. Die Diffusionsmediumschichten 20 und 24 sind poröse Schichten, die für einen Eingangsgastransport zu und Wassertransport von der MEA sorgen. In der Technik sind verschiedene Techniken zum Abscheiden der Katalysatorschichten 22 und 26 auf den Diffusionsmediumschichten 20 bzw. 24 oder auf der Membran 16 bekannt.
Eine kathodenseitige Strömungsfeldplatte oder Bipolarplatte 18 ist an der Kathodenseite 12 vorgesehen, und eine anodenseitige Strömungsfeldplatte oder Bipolarplatte 30 ist an der Anodenseite 14 vorgesehen. Die Bipolarplatten 18 und 30 sind zwischen den Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel vorgesehen. Eine Wasserstoffreaktandengasströmung von den Strömungskanälen 28 in der Bipolarplatte 30 reagiert mit der Katalysatorschicht 26, um die Wasserstoffionen und die Elektronen aufzuspalten. Eine Luftströmung von den Strömungskanälen 32 in der Bipolarplatte 18 reagiert mit der Katalysatorschicht 22. Die Wasserstoffionen können sich durch die Membran 16 ausbreiten, wobei sie den Ionenstrom durch die Membran führen. Das Nebenprodukt dieser elektrochemischen Reaktion ist Wasser.
Bei dieser nicht beschränkenden Ausführungsform umfasst die Bipolarplatte 18 zwei Tafeln 34 und 36, die separat ausgebildet und dann miteinander verbunden werden. Die Tafel 36 definiert die Strömungskanäle 32, und die Tafel 34 definiert Strömungskanäle 38 für die Anodenseite einer der Brennstoffzelle 10 benachbarten Brennstoffzelle. Zwischen den Tafeln 34 und 36 sind Kühlfluidströmungskanäle 40 vorgesehen, wie gezeigt ist. Ähnlicherweise weist die Bipolarplatte 30 eine Tafel 42, die die Strömungskanäle 28 definiert, eine Tafel 44, die Strömungskanäle 46 für die Kathodenseite einer benachbarten Brennstoffzelle definiert, und Kühlfluidströmungskanäle 48 auf. Bei den hier beschriebenen Ausführungsformen bestehen die Tafeln 34, 36, 42 und 44 aus einem elektrisch leitenden Material, wie rostfreiem Stahl, Titan, Aluminium, polymeren Kohlenstoffcompositen, etc.
Die Bipolarplatte 18 umfasst eine leitende Beschichtung 50, und die Bipolarplatte 30 umfasst eine leitende Beschichtung 52, die vorgesehen sind, um den Kontaktwiderstand zwischen der Platte 18 und 30 und den Diffusionsmediumschichten 20 bzw. 24 zu reduzieren. In der Technik sind zu diesem Zweck verschiedene leitende Materialien bekannt, wie Gold, Platin, Ruthenium, Rhodium und andere Edelmetalle. Andere Beschichtungen, die aus Kohlenstoff und einem Polymerbinder bestehen, können ebenfalls verwendet werden. Erfindungsgemäß werden die Beschichtungen 50 und 52 bis zu einer Dicke von 10 bis 1000 nm abgeschieden. Jedoch sind diese Materialien manchmal hydrophober Natur, da sie eine Oberflächenenergie besitzen, die bewirkt, dass das Wasser perlt und Tröpfchen bildet, die einen hohen Kontaktwinkel relativ zu den Strömungsfeldkanälen besitzen, wie oben beschrieben ist. Für Stapelstabilitätszwecke ist es insbesondere bei niedrigen Lasten erwünscht, dass die Oberfläche der Platten 18 und 30 hydrophil ist, so dass Wasser weggesaugt wird und diese einen niedrigen Kontaktwinkel, bevorzugt unter 20° besitzen.
Es ist entdeckt worden, dass die Porosität eines Substrats seinen Wasserkontaktwinkel beeinflusst und das Benetzen von benetzenden Flüssigkeiten und nichtbenetzenden Flüssigkeiten verbessert. Die Porosität in den Beschichtungen kann mit Präzision erzeugt und gesteuert werden und hat gezeigt, dass die Hydrophilie von Materialien allgemein erhöht wird. Nanoporen mit definierten Abständen und gesteuerten Durchmessern können durch verschiedene Verfahren erzeugt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die Beschichtungen 50 und 52 auf den Platten 18 bzw. 30 mit einem relativ instabilen Element abgeschieden, das später aus der Beschichtung ausgelaugt werden kann, um Nanoporen darin vorzusehen, die die Beschichtung porös machen und ihre Hydrophilie erhöhen. Es ist gezeigt worden, dass durch Bereitstellen einer texturierten Oberflächenmorphologie der Beschichtungen 50 und 52 auf diese Weise die Beschichtungen 50 und 52 hydrophil gemacht werden können, so dass der Kontaktwinkel von Wasser, das sich in den Strömungsfeldkanälen bildet, reduziert ist und seine Fähigkeit, Wasser wegzusaugen, erhöht ist, wodurch die Stapelstabilität unterstützt wird. Insbesondere wird die Oberflächenenergie der Beschichtungen 50 und 52 reduziert, so dass der Fortschreit- und Rückzugskontaktwinkel des Wassers in den Strömungsfeldkanälen etwa gleich sind.
Bei einer anderen Ausführungsform können die Beschichtungen 50 und 52 hydrophile Beschichtungen, wie Metalloxide sein, die Siliziumdioxid, Titandioxid, Zinndioxid, Tantaloxid, etc. umfassen. Diese Beschichtungen sind dazu bestimmt, den gewünschten Kontaktwiderstand, wie oben beschrieben ist, und die gewünschte Hydrophilie vorzusehen. Jedoch sind diese Materialien manchmal anfällig gegenüber einer Verschmutzung während des Brennstoffzellenbetriebs, was deren Hydrophilie reduziert. Indem die Oberfläche der Beschichtungen 50 und 52 mit morphologischen Änderungen oder einer Porosität versehen wird, wie oben beschrieben ist, können die natürlich hydrophilen Materialien superhydrophil gemacht werden und dem Effekt einer Oberflächenverschmutzung entgegenwirken.
Bei einem nicht beschränkenden Beispiel sind die Beschichtungen 50 und 52 Siliziumdioxid, das mit Zink gleichzeitig abgeschieden worden ist. Das Zink wird anschließend unter Verwendung eines geeigneten Materials, wie einer Säure, aufgelöst. Wenn das Zink aus den Beschichtungen 50 und 52 ausgelaugt wird, lässt es eine poröse Struktur zurück, die die Oberfläche dabei unterstützen kann, dass Wasser stärker zu saugen als die nichtporöse Siliziumoberfläche. Dieser Prozess kann auf andere Beschichtungen angewendet werden, die hydrophiler Natur sind, wie TiO₂, das unter Verwendung verschiedener Abscheidungstechniken abgeschieden werden kann, wie PVD oder CVD. Andere Beispiele geeigneter Materialien, die aus den Beschichtungen 50 und 52 ausgelaugt werden können, umfassen Kalzium und Aluminium. Indem die Nanoporen auf diese Weise vorgesehen werden, wird die Oberfläche der Beschichtungen 50 und 52 porös gemacht.
2 zeigt ein repräsentatives Beispiel einer geeigneten Beschichtung. Insbesondere zeigt 2 ein REM-Mikrobild von nanoporösem Gold, das durch selektives Auflösen von Silber aus Ag-Au-Legierungen, die in die Salpetersäure getaucht sind, hergestellt ist.
Erfindungsgemäß wird der elektrische Kontaktwiderstand zwischen den Bipolarplat-ten 18 und 30 und den Diffusionsmediumschichten 20 bzw. 24 durch Maskierung der Stege zwischen den Strömungskanälen 28 und 32, wenn die Beschichtungen 50 und 52 abgeschieden werden, beibehalten, so dass das Beschichtungsmaterial nicht an den Stegen abgeschieden wird. Es können verschiedene Maskierungstechniken verwendet werden, wie wasserlösliche Maskierungen, photolithografische Maskierungen oder beliebige andere physikalische Maskierungen und deren Kombinationen.
Bevor die Beschichtungen 50 und 52 auf den Bipolarplatten 18 und 30 abgeschieden werden, werden die Bipolarplatten 18 und 30 durch einen geeigneten Prozess gereinigt, wie Ionenstrahlsputtern, um den Widerstandsoxidfilm auf der Außenseite der Platten 18 und 30, der sich gebildet haben kann, zu entfernen. Die Beschichtungen 50 und 52 können auf den Bipolarplatten 18 und 30 durch eine beliebige geeignete Technik abgeschieden werden, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt: Prozesse mit physikalischer Dampfphasenabscheidung, Prozesse mit chemischer Dampfphasenabscheidung (CVD), Prozesse mit thermischem Spritzen, Schleuderbeschichtungsprozesse, Tauchbeschichtungsprozesse und Sol-Gel-Prozesse. Geeignete Beispiele von Prozessen mit physikalischer Dampfphasenabscheidung umfassen Elektronenstrahlverdampfung, Magnetronsputtern und Prozesse mit gepulstem Plasma. Geeignete Prozesse mit chemischer Dampfphasenabscheidung umfassen Prozesse mit plasmaunterstützter CVD und Atomschichtabscheidungsprozesse.
Das Ausbilden der Nanoporen in den Beschichtungen 50 und 52 kann durch einen beliebigen geeigneten Prozess durchgeführt werden. 3 ist eine Draufsicht eines Systems 60 zum Ausbilden von Nanoporen in einer Bipolarplatte 62. Eine geeignete Vorrichtung 64 sendet einen Strom 66 des Beschichtungsmaterials an der Bipolarplatte 62 aus, um zu bewirken, dass die Beschichtung auf der Platte 62 abgeschieden wird. Zusätzlich sendet eine geeignete Vorrichtung 68 einen Strom 70 des Materials aus, das mit der Beschichtung gleichzeitig abgeschieden werden soll und später entfernt wird, um die Nanoporen an der Beschichtung zu bilden. Sobald das Beschichtungsmaterial und das auslaugbare Material auf der Platte 62 abgeschieden worden sind, wird die Platte 62 dann in einem Bad angeordnet, um das auslaugbare Material zu entfernen. 4 zeigt einen Behälter 72, der ein geeignetes Fluid 74, wie Schwefelsäure, enthält, das das auslaugbare Material von der Beschichtung entfernt, um die Nanoporen zu bilden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sendet die Vorrichtung 64 den Strom 66 des Beschichtungsmaterials an der Bipolarplatte 62 aus, um zu bewirken, dass die Beschichtung darauf abgeschieden wird. Die Vorrichtung 68 ist eine Ionenstrahlvorrichtung, die einen Ionenstrahl mit niederenergetischen Argonionen (Ar+) 70 aussendet. Die Ar+-Ionen entfernen selektiv die Beschichtung, um eine Nanoporosität in der Beschichtung zu erzeugen.
Bei einem anderen Prozess der Erfindung kann eine Hybridvorgehensweise verwendet werden. Insbesondere wird ein anorganisches Material, wie Gold (Au), mit einem organischen Material, wie einem Polymer, verwendet. Das Polymer kann anschließend aus der Beschichtung ausgelaugt werden, wodurch ein Netzwerk von nanoporösem Gold zurückbleibt.
Bei einem anderen Prozess der Erfindung kann eine Kombination von Polymeren verwendet werden, um einen nanoporösen Feststoff zu erzeugen. Der nanoporöse Feststoff wird dann so erhitzt, dass sich eines der Polymere zersetzt und aus der Beschichtung entweicht.

Claims

Brennstoffzelle mit einer Strömungsfeldplatte, die aus einem Plattenmaterial hergestellt ist, wobei die Strömungsfeldplatte eine Vielzahl von Strömungskanälen aufweist, die auf ein Reaktandengas ansprechen, wobei die Strömungsfeldplatte ferner eine Beschichtung aufweist, die an ihrer Außenfläche abgeschieden ist, wobei eine Außenfläche der Beschichtung so ausgebildet worden ist, dass sie Nanoporen besitzt, die dazu dienen, die Beschichtung hydrophil zu machen und Wasser wegzusaugen, dadurch gekennzeichnet, dass Stege zwischen den Strömungskanälen maskiert sind, wenn die Beschichtung auf der Strömungsfeldplatte abgeschieden wird, um zu verhindern, dass das Beschichtungsmaterial auf den Stegen abgeschieden wird, um einen guten Kontaktwiderstand für die Brennstoffzelle vorzusehen, wobei die Beschichtung eine Dicke im Bereich von 10-1000 nm besitzt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Plattenmaterial aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: rostfreien Stahl, Titan, Aluminium und Polymer-Kohlenstoff-basiertes Material.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung ein Metall ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei die Beschichtung aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Gold, Platin, Ruthenium, Rhodium und andere Edelmetalle.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung ein Metalloxid ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 5, wobei die Metalloxidbeschichtung aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Siliziumdioxid, Titandioxid, Zinndioxid, Tantaloxid.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Nanoporen in der Beschichtung durch Abscheiden eines instabilen Materials mit der Beschichtung auf der Strömungsfeldplatte und dann später Entfernen des instabilen Materials ausgebildet sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 7, wobei das instabile Material aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Zink, Aluminium und Kalzium.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Nanoporen in der Beschichtung durch Beschuss von Niedrigenergieionen mit der Beschichtung auf die Strömungsfeldplatte und dann später Entfernen der Ionen von der Beschichtung ausgebildet sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei die Ionen Argonionen sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Nanoporen in der Beschichtung durch Abscheiden eines anorganischen Materials und eines organischen Materials und anschließendes Entfernen des organischen Materials gebildet sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei das anorganische Material Gold ist und das organische Material ein Polymer ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Nanoporen in der Beschichtung durch Abscheiden einer Kombination von Polymeren auf der Strömungsfeldplatte und dann Erhitzen der Strömungsfeldplatte, um eines der Polymere zu zersetzen, so dass dieses von der Beschichtung entweicht, ausgebildet sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Strömungsfeldplatte aus einer Gruppe gewählt ist, die umfasst: anodenseitige Strömungsfeldplatten und kathodenseitige Strömungsfeldplatten.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung durch einen Prozess abgeschieden wird, der aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Prozesse mit physikalischer Dampfphasenabscheidung, Prozesse mit chemischer Dampfphasenabscheidung (CVD), Prozesse mit thermischem Spritzen, Schleuderbeschichtungsprozesse, Tauchbeschichtungsprozesse und Sol-Gel-Prozesse, Elektronenstrahlverdampfung, Magnetronsputtern und Prozesse mit gepulstem Plasma, Prozesse mit plasmaunterstützter CVD und Atomschichtabscheidungsprozesse .
Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen, wobei jede Brennstoffzelle umfasst: eine Membran; eine anodenseitige Bipolarplatte auf einer Seite der Membran, wobei die anodenseitige Bipolarplatte eine Beschichtung aufweist, die an ihrer Außenfläche abgeschieden ist; und eine kathodenseitige Bipolarplatte an der anderen Seite der Membran, wobei die kathodenseitige Bipolarplatte eine Beschichtung aufweist, die an ihrer Außenfläche abgeschieden ist, wobei eine Außenfläche der Beschichtungen so ausgebildet worden ist, dass sie Nanoporen besitzt, die dazu dienen, die Beschichtungen hydrophil zu machen und Wasser wegzusaugen, dadurch gekennzeichnet, dass Stege zwischen Strömungskanälen der Bipolarplatten maskiert sind, wenn die Beschichtungen auf den Bipolarplatten abgeschieden werden, um zu verhindern, dass das Beschichtungsmaterial auf den Stegen abgeschieden wird, um einen guten Kontaktwiderstand für die Brennstoffzelle vorzusehen, wobei die Beschichtung eine Dicke im Bereich von 10-1000 nm besitzt.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 16, wobei die Beschichtungen ein Metall sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 17, wobei die Beschichtungen aus der Gruppe gewählt sind, die umfasst: Gold, Platin, Ruthenium, Rhodium und andere Edelmetalle.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 16, wobei die Beschichtungen ein Metalloxid sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 19, wobei die Metalloxidbeschichtungen aus der Gruppe gewählt sind, die umfasst: Siliziumdioxid, Titandioxid, Zinndioxid, Tantaloxid.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 16, wobei die Nanoporen in den Beschichtungen durch Abscheiden eines instabilen Materials mit der Beschichtung auf der Bipolarplatte und dann später Entfernen des instabilen Materials ausgebildet sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 21, wobei das instabile Material aus einer Gruppe gewählt ist, die umfasst: Zink, Aluminium und Kalzium.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 16, wobei die Nanoporen in der Beschichtung durch Beschuss von Niedrigenergieionen mit der Beschichtung auf die Strömungsfeldplatte und dann später Entfernen der Ionen von der Beschichtung ausgebildet sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 23, wobei die Ionen Argonionen sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 16, wobei die Nanoporen in der Beschichtung durch Abscheiden eines anorganischen Materials und eines organischen Materials und anschließend Entfernen des organischen Materials ausgebildet sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 25, wobei das anorganische Material Gold ist und das organische Material ein Polymer ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 16, wobei die Nanoporen in der Beschichtung durch Abscheiden einer Kombination von Polymeren auf der Strömungsfeldplatte und dann Erhitzen der Strömungsfeldplatte, um eines der Polymere zu zersetzen, so dass dieses von der Beschichtung entweicht, ausgebildet sind.
Verfahren zum Herstellen einer Strömungsfeldplatte für eine Brennstoffzelle, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Basisaufbau bereitgestellt wird, der aus einem Plattenmaterial hergestellt wird; eine Beschichtung auf einer Oberfläche des Basisaufbaus abgeschieden wird; und Nanoporen in der Beschichtung ausgebildet werden, um die Beschichtung hydrophil zu machen und in die Lage zu versetzen, Wasser wegzusaugen, dadurch gekennzeichnet, dass Stege zwischen Strömungsfeldkanälen in der Strömungsfeldplatte vor einem Abscheiden der Beschichtung auf der Oberfläche des Basisaufbaus maskiert werden, so dass die Beschichtung nicht auf den Stegen abgeschieden wird, wobei die Beschichtung eine Dicke im Bereich von 10-1000 nm besitzt.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Bereitstellen eines Basisaufbaus, der aus einem Plattenmaterial hergestellt wird, umfasst, dass ein Basisaufbau bereitgestellt wird, der aus einem Material hergestellt wird, das aus der Gruppe gewählt wird, die umfasst: rostfreien Stahl, Titan, Aluminium und ein Polymer-Kohlenstoff-basiertes Material.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Abscheiden einer Beschichtung umfasst, dass eine Metallbeschichtung abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei die Beschichtung aus der Gruppe gewählt wird, die umfasst: Gold, Platin, Ruthenium, Rhodium und andere Edelmetalle.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Abscheiden einer Beschichtung umfasst, dass eine Metalloxidbeschichtung abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei die Metalloxidbeschichtung aus der Gruppe gewählt wird, die umfasst: Siliziumdioxid, Titandioxid, Zinndioxid, Tantaloxid.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Abscheiden einer Beschichtung umfasst, dass die Beschichtung mit einem instabilen Material abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei das Ausbilden von Nanoporen in der Beschichtung umfasst, dass das instabile Material aus der Beschichtung ausgelaugt wird.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei das instabile Material aus der Gruppe gewählt wird, die umfasst: Zink, Aluminium und Kalzium.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Ausbilden von Nanoporen in der Beschichtung umfasst, dass ein Strom von Niedrigenergieionen in die Beschichtung ausgesendet wird und die Ionen selektiv von der Beschichtung entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei die Niedrigenergieionen Argonionen sind.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Abscheiden einer Beschichtung und das Ausbilden von Nanoporen umfasst, dass ein anorganisches Material und ein organisches Material abgeschieden werden und dann anschließend das organische Material von dem anorganischen Material ausgelaugt wird, um die Nanoporen zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 39, wobei das anorganische Material Gold ist und das organische Material ein Polymer ist.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Abscheiden der Beschichtung und das Ausbilden der Nanoporen umfasst, dass eine Kombination von Polymeren abgeschieden wird und dann die Beschichtung erhitzt wird, um eines der Polymere zu zersetzen und zu ermöglichen, dass dieses von der Beschichtung entweicht.