DE102008048632A1 - Nanoröhrenanordnung, Bipolarplatte und Prozess zu deren Herstellung - Google Patents

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Abstract

Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Anordnung aus Metalloxid, die Ventilmetalloxid-Nanoröhren umfasst.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Das Gebiet, das die Offenbarung allgemein betrifft, umfasst Metalloxid- Nanoröhren bzw. -Nanotubes, Bipolarplatten und Brennstoffzellen.
  • HINTERGRUND
  • Nanomaterialien sind als grundlegende Bausteine für hoch entwickelte funktionale Materialien umfangreich untersucht worden. Nanoröhren mit großer Oberfläche und hohem Aspektverhältnis halten die meisten Zusagen, einzigartige und verbesserte Eigenschaften für neue Materialien bereitzustellen. Obwohl viele verschiedene Prozesse zur Herstellung von Nanoröhren existieren, hat sich das Organisieren und Verarbeiten von Nanoröhren in eine bestimmte Anordnung, um eine reale Struktur im Produktmaßstab herzustellen, als Herausforderung herausgestellt.
  • Eine Brennstoffzelle ist aufgrund ihres hohen Energiewirkungsgrades und ihrer geringen Emission als eine der vielversprechendsten Energievorrichtungen erkannt worden. Jedoch existieren viele technische und wirtschaftliche Herausforderungen für eine kommerzielle Konstruktion und Produktion von Brennstoffzellen. Nanomaterialien, wie Nanoröhren, können potentiell helfen, einige dieser Herausforderungen zu bewältigen. Beispielsweise ist in den Bereichen von Korrosionsbeständigkeit, Wassermanagementfähigkeit und Haltbarkeit eine Verbesserung der Brennstoffzellenbipolarplatte erforderlich.
  • Eine Brennstoffzelle besteht gewöhnlich aus einer Reihe von Membranelektrodenanordnungen und Bipolarplatten, die in einer abwechselnden Weise aneinander gestapelt sind. Die Membranelektrodenanordnung besteht typischerweise aus einer innenleitenden Membran, die zwischen einem Anoden- und einem Kathodenteil, die sich jeweils an den entgegengesetzten Seiten der Membran befinden, schichtartig angeordnet ist. Eine Bipolarplatte ist ein plattenartiger elektrischer Leiter mit einer Vielzahl von Kanälen für einen Fluiddurchgang. Die reaktiven Gase strömen durch diese Kanäle, um die Anoden- und Kathodenteile zu erreichen, an denen elektrochemische Reaktionen der Gase stattfinden, um Elektrizität zu erzeugen. Die aus den elektrochemischen Reaktionen erzeugte Elektrizität wird von der Bipolarplatte gesammelt und an eine externe Schaltung geleitet. Die Bipolarplatte muss daher eine hohe elektrische Leitfähigkeit oder einen geringen Kontaktwiderstand besitzen, um einen Energieverlust zu vermeiden. Die Bipolarplatte muss auch eine sehr strenge Korrosionsbeständigkeitsanforderung aufgrund der rauen Umgebung erfüllen, die durch die reaktiven Gase, elektrochemischen Reaktionen und Schmutzstoffe erzeugt wird, die von dem Membranelektrolyt in dem Prozess erzeugt werden. In dem Fall einer Wasserstoff-Brennstoffzelle stellt ein Wassermanagement eine andere Schlüsselherausforderung dar. Wasser wird in einer Wasserstoff-Brennstoffzelle kontinuierlich erzeugt, und die innenleitende Membran muss ein bestimmtes Hydratationsniveau aufrecht erhalten. Wenn eine Wasserstoff-Brennstoffzelle bei eine geringen Stromdichte betrieben wird, beispielsweise bei 0,2 A/cm2, ist nicht ausreichend Gasströmung vorhanden, um das an dem Kathodenteil erzeugte Wasser zu entfernen. Wassertröpfchen können sich in den Fluiddurchgängen bilden und die Strömung von reaktivem Gas blockieren. Ohne die Lieferung von Reaktandengas erzeugt der blockierte Teil der Brennstoffzelle keine Elektrizität. Aufgrund einer nichthomogenen Stromverteilung verschlechtert sich die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle. Ein derartiges Phänomen ist als Niederleistungsstabilität (LPS) bekannt. Obwohl verschiedene kürzliche Versuche durchgeführt wurden, um die LPS zu verbessern, indem die Plattenkanaloberfläche hydrophil gemacht wird, um kondensiertes Wasser auszubreiten, ist eine weitere Verbesserung beim Wassermanagement erwünscht.
  • ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Bei einer Ausführungsform umfasst eine Anordnung eine Vielzahl von Ventilmetalloxid-Nanoröhren. Ein Ventilmetall kann zumindest eines aus Titan, Zirkonium, Niob, Tantal, Hafnium oder Mischungen oder Legierungen daraus umfassen. Die Ventilmetalloxid-Nanoröhre kann hergestellt werden, um eine photokatalytische Aktivität bereitzustellen.
  • Bei einer anderen Ausführungsform ist eine Bipolarplatte mit einer Vielzahl von Kanälen vorgesehen, die für Fluiddurchgänge konfiguriert sind. Die Bipolarplatte umfasst eine Ventilmetallplatte mit einer Metalloxid-Nanoröhrenanordnung, die an zumindest einem Teil ihrer Fläche angeordnet ist. Die Metalloxid-Nanoröhrenanordnung stellt zusätzlich zu einer Korrosionsbeständigkeit und elektrischen Leitfähigkeit ein verbessertes Wassermanagement bereit.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Metalloxid-Nanoröhrenanordnung, das umfasst, dass: ein Ventilmetall bereitgestellt wird, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Titan, Zirkonium, Niob, Tantal, Hafnium oder beliebige Mischungen daraus besteht; das Ventilmetall in einer Elektrolytlösung anodisiert wird, um die Bildung einer Nanoröhrenanordnung an der Ventilmetalloberfläche zu bewirken; und das Ventilmetall in einer Elektrolytlösung bei einem Anodisierungspotential oder einer Anodisierungsspannung passiviert wird, so dass der durch das Ventilmetall fließende elektrische Strom ein minimales Niveau erreicht.
  • Andere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es ist zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung einzuschränken.
  • Sofern es nicht anders angegeben ist, sind die hier beschriebenen Verfahrensausführungsformen nicht auf eine bestimmte Reihenfolge oder Abfolge beschränkt. Einige der beschriebenen Ausführungsformen oder Elemente daraus können gleichzeitig auftreten oder ausgeführt werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
  • 1 eine schematische Zeichnung einer beispielhaften elektrochemischen Zelle zum Anodisieren und Passivieren eines Ventilmetalls für die Herstellung einer Metalloxid-Nanoröhrenanordnung ist;
  • 2 feldemissionsrasterelektronenmikroskopische Aufnahmen in einer Draufsicht und einer Querschnittsan sicht einer Ventilmetalloxid-Nanoröhrenanordnung zeigt;
  • 3 verschiedene feldemissionsrasterelektronenmikroskopische Aufnahmen einer Ventilmetalloxid-Nanoröhrenanordnung zeigt, die zu verschiedenen Stufen eines Anodisierungsprozesses erzeugt wurden; und
  • 4 eine schematische Zeichnung einer Schnittansicht einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
  • Ventilmetalle sind Metallmaterialien, die die Eigenschaft besitzen, eine immanente Schutzoxidschicht an der Metalloberfläche zu bilden, wodurch das Metall effektiv vor Korrosion geschützt wird. Beispiele von Ventilmetallen umfassen Titan, Zirkonium, Niob, Tantal, Hafnium oder beliebige Mischungen oder Legierungen daraus. Die immanenten Schutzventilmetalloxidfilme sind typischerweise dünn und besitzen eine kompakte Struktur. Der immanente Oxidfilm besitzt somit eine kleine Oberfläche.
  • Eine Nanoröhre wird hier als eine röhrenartige Struktur bezeichnet, bei der der Durchmesser der Röhre im Bereich von 1 Nanometer bis 300 Nanometer liegt. Die Röhre ist allgemein länglich. Nanoröhren sehen typi scherweise eine große Oberfläche aufgrund ihrer hohlen Struktur und kleinen Abmessungen vor.
  • Bei einer Ausführungsform dieser Erfindung wird ein Ventilmetall in einer Elektrolytlösung mit einem ausreichenden elektrochemischen Potential oder einer ausreichenden elektrochemischen Spannung anodisiert. Dies kann zur Folge haben, dass ein Aufrauen der Oberfläche auftritt, wodurch anfänglich eine poröse Oberfläche erzeugt wird. Bei dem Anodisierungsprozess kann entweder eine zwei Elektroden umfassende Zelle oder eine drei Elektroden umfassende Zelle verwendet werden. In einer zwei Elektroden umfassenden Zelle sind eine Anode und eine Kathode in eine Elektrolytlösung getaucht, und eine gesteuerte Spannung wird über die beiden Elektroden angelegt. Ein Ventilmetallmaterial wird als die Anode verwendet. Bei einer drei Elektroden umfassenden Zelle werden eine Referenzelektrode (wie eine Silber/Silberchlorid-Referenzelektrode), eine Arbeitselektrode und eine Gegenelektrode in eine Elektrolytlösung getaucht. Die Arbeitselektrode ist ein Ventilmetall in der Form einer Platte oder anderer Konfigurationen. Die Gegenelektrode ist typischerweise ein inertes leitendes Material, wie Platin oder Graphit. Das elektrochemische Potential wird an die Arbeitselektrode durch Steuerung der Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Arbeitselektrode angelegt. Somit fließt ein minimaler Strom, wenn überhaupt, durch die Referenzelektrode. Der aus dem Anodisierungsprozess erzeugte Strom fließt nur zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode. Das Potential der Arbeitselektrode ist somit auf das Oxidationspotential des Ventilmetalls oder über dieses hinaus eingestellt, um eine Anodisierung der Ventilmetalloberfläche zu bewirken. In der anfänglichen Stufe kann ein relativ großer Stromfluss erzeugt werden, um das Aufrauen der Oberfläche einzuleiten. Eine weitere Anodisierung bewirkt die Ausbildung einer geordneten Anordnung von Metalloxid-Nanoröhren und die Passivierung der Ventilmetalloberfläche.
  • Der elektrische Strom fällt typischerweise ab, wenn eine Nanoröhrenanordnung ausgebildet ist. Der Strom fällt auf ein minimales Niveau, wenn die Ventilmetalloberfläche passiviert ist. Die Ventilmetalloberfläche kann mit einer derartigen korrosionsbeständigen Metalloxid-Nanoröhrenanordnung im Wesentlichen bedeckt sein. Die Nanoröhren in der Anordnung können im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und Seite an Seite miteinander verbunden sein. Es wird nicht nur eine Anordnung aus relativ gleichförmigen Metalloxid-Nanoröhren hergestellt, sondern es wird auch ein Ventilmetallmaterial erhalten, das mit einer ausgezeichneten korrosionsbeständigen Schutzschicht passiviert ist.
  • Der in dem Anodisierungsprozess verwendete Elektrolyt kann beliebige Materialien enthalten, die eine Innenleitfähigkeit und elektrochemische Stabilität bei den Anodisierungsbedingungen bereitstellen können. Der Elektrolyt umfasst typischerweise eine wässrige Lösung aus einer organischen oder anorganischen Säure oder einem Salz. Eine Mischung verschiedener Salze und Säuren kann ebenfalls verwendet werden. Bei einer Ausführungsform kann eine Elektrolytlösung, die ein Ion enthält, das in der Lage ist, in den immanenten Ventilmetalloxidfilm zumindest teilweise einzudringen und/oder einen Komplex mit dem Ventilmetall zu bilden, verwendet werden, um das anfängliche Aufrauen der Oberfläche in dem Anodisierungsprozess zu bewirken und damit die Ausbildung von Nanoröhren zu erleichtern. Die Elektrolytlösung kann Chlorid-, Fluorid- oder Oxalationen umfassen.
  • 1 zeigt eine schematische Zeichnung eines Anodisierungsprozesses, der eine zwei Elektroden umfassende Zelle verwendet, wobei eine Ventilmetallanode 10 und eine Kathode 30 in eine Elektrolytlösung 20 getaucht sind. Über die beiden Elektroden wird eine gesteuerte Spannung 40 angelegt, so dass das Ventilmetall elektrochemisch oxidiert wird. Bei einer Aus führungsform wird ein Titancoupon als die Anode verwendet und eine Platte aus rostfreiem Stahl wird als die Kathode verwendet. Die beiden Elektroden wurden in eine wässrige 0,2 M Fluorwasserstofflösung getaucht. Zwischen der Anode und der Kathode wurde eine Spannung von 20 Volt über 15 Minuten bei Raumtemperatur angelegt. Der Strom stieg schnell, als die Spannung zunächst angelegt wurde. Der Strom nahm nachfolgend ab und erreichte ein minimales Niveau, als die Couponoberfläche mit einer Anordnung aus Titanoxid-Nanoröhren passiviert war.
  • 2 zeigt die feldemissionsrasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen der Titancouponoberfläche nach dem Anodisierungsprozess. Die Aufnahme A zeigt eine Draufsicht der Anordnung von Titanoxid-Nanoröhren, die aus dem Anodisierungsprozess geformt wurden. Die Aufnahme B ist eine Schnittansicht derselben Nanoröhrenanordnung. Der durchschnittliche Durchmesser der Titanoxid-Nanoröhre beträgt etwa 60–75 Nanometer (nm), und die Länge der Nanoröhre liegt im Bereich von etwa 15 nm bis etwa 300 nm. Bei einem ähnlichen, jedoch separaten Experiment wurde eine Titancouponanode und eine Kathode aus rostfreiem Stahl bei Raumtemperatur in eine 0,2 M Fluorwasserstofflösung getaucht. Über die Anode und die Kathode wurden 20 V angelegt, und die Titananodenoberfläche wurde unter Verwendung eines Feldemissionsrasterelektronenmikroskops zu verschiedenen Zeitpunkten nach dem Anlegen der Spannung geprüft. 3 zeigt die feldemissionselektronenmikroskopischen Aufnahmen der Titanelektronenoberfläche zu verschiedenen Zeitpunkten. Wie in 3 gezeigt ist, ist bei 2 Minuten und innerhalb der Anfangsstufe deutlich eine Aufrauung der Oberfläche sichtbar. Bei 5 Minuten werden einige Titanoxid-Nanoröhren sporadisch über der Oberfläche gebildet. Bei 10 Minuten bedeckt eine Anordnung aus Nanoröhren schließlich die gesamte Oberfläche. Bei 15 und 210 Minuten stabilisierten sich die Nanoröhren mit nur einer geringfügigen Zunahme des Nanoröhrendurchmessers, wodurch eine wesentliche Passivierung der Metalloberfläche angezeigt wird. Somit wird eine Anordnung aus parallelen und miteinander verbundenen Titanoxid-Nanoröhren hergestellt. Es wird auch ein Titanmetall, das mit einer Anordnung aus Titandioxid-Nanoröhren passiviert ist, erhalten.
  • Die Anordnung der Ventilmetalloxid-Nanoröhren besitzt eine sehr große Oberfläche im Vergleich zu einem immanenten kompakten Oxidfilm. Die Anordnung weist somit exzellente Eigenschaften eines Katalysators oder eines Trägers für einen Katalysator auf. Bei einer Ausführungsform wird eine Anordnung aus Titanoxid-Nanoröhren hergestellt, wie oben beschrieben ist. Die Anordnung aus Titanoxid-Nanoröhren weist eine photokatalytische Aktivität auf. Zusätzlich kann eine Anordnung aus einer anatasreichen kristallinen (zwischen 50% bis etwa 99%) Form von Titandioxid-Nanoröhren für eine hohe photokatalytische Aktivität erzeugt werden. Anatas ist eine der drei Kristallformen von Titandioxid (Rutil, Anatas und Brookit). Eine Anordnung einer anatasreichen Form der Titandioxid-Nanoröhren kann durch Kalzinierung der oben beschriebenen Anordnung auf eine Temperatur zwischen 300°C und etwa 700°C erhalten werden. Als ein Photokatalysator kann Titandioxid eine Hydrolyse ausführen, d. h. Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufbrechen, wenn es UV-Licht ausgesetzt wird. Der aus dem Prozess gesammelte Wasserstoff kann als ein Brennstoff verwendet werden. Der Wirkungsgrad dieses Prozesses kann durch Dotierung des Oxids mit Kohlenstoff, Stickstoff oder anderen Elementen stark verbessert werden. Die Anordnung von photokatalytischen Nanoröhren kann auch als selbstreinigende Oberflächen verwendet werden, wie Windschutzscheiben für Kraftfahrzeuge.
  • Die Anordnung der Ventilmetalloxid-Nanoröhren, die aus einer Anodisierung hergestellt ist, erhöht die Korrosionsbeständigkeit und die Abnutzungsbeständigkeit eines Ventilmetalls und sieht eine bessere Anhaftung für Farbengrundierungen und Klebstoffe vor, als reines Metall. Die Anordnung von Nanoröhren, die oben beschrieben ist, ist wesentlich stärker und besser anhaftend als die meisten Farben und Plattierungen, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Reißens und Ablösens derselben geringer wird.
  • Bei einer noch weiteren Ausführungsform wird eine Bipolarplatte für Brennstoffzellen hergestellt, indem an der Oberfläche der Platte eine Anordnung von Ventilmetalloxid-Nanoröhren geformt wird. Zuerst wird eine dünne Ventilmetaliplatte, wie eine Titanmetallplatte, gestanzt bzw. geprägt, um eine Vielzahl von Kanälen als Durchgänge für Fluide, wie reaktive Gase, zu formen. Das Ventilmetall wird dann in einer Elektrolytlösung, wie oben beschrieben ist, anodisiert, um eine Anordnung von Ventilmetalloxid-Nanoröhren an seiner Oberfläche zu formen. Eine auf diese Weise hergestellte Bipolarplatte weist nicht nur eine exzellente Korrosionsbeständigkeit sondern auch eine verbesserte Wassermanagementeigenschaft auf. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird ein dünnes Titanblech mit einem Muster aus Gasströmungskanälen geprägt bzw. gestanzt. Die geprägte Titanplatte wird dann als eine Anode in eine wässrige 0,2 M Fluorwasserstofflösung zusammen mit einer Kathode aus rostfreiem Stahl getaucht. Dann können 20 V über die beiden Elektroden für etwa 15 Minuten angelegt werden, um eine Anordnung von Titanoxid-Nanoröhren an der Bipolarplattenoberfläche zu bilden. Die Bipolarplatte weist einen Wasserkontaktwinkel von weniger als 15 Grad unmittelbar nach der Formung der Nanoröhrenanordnung auf. Die Bipolarplatte wird in offener Atmosphäre in einer Laborumgebung für etwa eine Woche liegen gelassen, um die Robustheit der Oberfläche gegenüber Luftschmutzstoffen zu testen, die den Wasserkontaktwinkel typischerweise wesentlich erhöhen. Der Kontaktwinkel nach einer Woche in Berührung mit Laborluft stieg nur geringfügig auf etwa 22 Grad. Ein derartiger geringer Wasserkontaktwinkel gibt die Robustheit der Anordnung an, um eine Wassermanagementeigenschaft für eine Bipolarplatte und eine signifikante Verbesserung der LPS (Niederleistungsstabilität) für eine Brennstoffzelle bereitzustellen. Obwohl die Anmelder nicht durch oder an eine bestimmte Theorie gebunden sein möchten, wird angenommen, dass die große Oberfläche und die nanoporöse Struktur der Anordnung, die durch die Oxidchemie unterstützt ist, die dazu neigt, Wasser zu halten, eine derartige verbesserte Wassermanagementleistungsfähigkeit bieten. Die Anordnung breitet nicht nur effizient Wassertröpfchen aus, um ein Verstopfen von Gasströmungskanälen zu verhindern, sondern absorbiert auch eine dünne Wasserschicht in ihrer porösen Struktur.
  • Der elektrische Kontaktwiderstand der oben beschriebenen Bipolarplatte kann durch Beschichtung einer dünnen Schicht aus Edelmetall, Kohlenstoff, Metallcarbid, Metallnitrid oder einem leitenden Oxid verbessert werden. Die leitende Beschichtung wird aufgebracht, um einen Oberflächenkontaktwiderstand von weniger als etwa 50 Milliohm Quadratzentimeter (mohm cm2) oder bevorzugt weniger als 10 mohm/cm2 bereitzustellen. Edelmetalle sind Metalle, die im Gegensatz zu den meisten Grundmetallen beständig gegenüber Korrosion oder Oxidation sind. Beispiele von Edelmetallen umfassen Gold, Silber, Tantal, Platin, Palladium und Rhodium. Es können auch beliebige Oxide, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweisen, verwendet werden, um den Kontaktwiderstand der Bipolarplatte zu verbessern. Mischmetalloxide, Einzelmetalloxide und dotierte Metalloxide können auf der Bipolarplatte durch chemische Dampfphasenabscheidung bzw. Chemical Vapor Deposition, Vakuumabscheidung, Spritzen, Ionenplattierung, Sprühen, Tauchbeschichten, Atomschichtabscheidung und dergleichen abgeschieden werden. Nicht-beschränkende Beispiele einer leitenden Metallbeschichtung umfassen Fluor-dotiertes Zinnoxid, Tantal-dotiertes Titandioxid, Niob dotiertes Titandioxid, Iridiumoxid, Rutheniumoxid, Mischoxid aus Titan und Ruthenium und Titanoxid mit Sauerstoffleerstellen. Bei einer bestimmten Ausführungsform wird eine Titan-Bipolarplatte mit einer Titanoxid-Nanoröhrenanordnung hergestellt, wie oben beschrieben ist. Der Kontaktwiderstand der Bipolarplatte beträgt etwa 380 mohm/cm2 bei einer Messung von Probe zu Papier. Die Bipolarplatte wird dann unter Verwendung von 3 Gew.-% Rutheniumchlorid in Ethanollösung tauchbeschichtet, gefolgt durch Trocknen und Kalzinieren bei 450°C über 15 Minuten, um Rutheniumchlorid in Rutheniumoxid umzuwandeln. Die resultierende Bipolarplatte besitzt einen Kontaktwiderstand im Bereich von etwa 6 bis 8 mohm cm2.
  • Die Anordnung von Nanoröhren kann eine Mischung aus zumindest zwei verschiedenen Metalloxiden umfassen. Beispielsweise kann eine Metalllegierung in dem oben beschriebenen Verfahren anodisiert werden. Die Metalloxid-Nanoröhren, die aus der Legierung geformt werden, umfassen somit eine Mischung aus Metalloxiden mit einer Zusammensetzung, die ähnlich der immanenten Oxidschicht der Legierung ist. Die Zusammensetzung der Anordnung von Nanoröhren kann durch Verwendung verschiedener Metalllegierungen als dem Anodenmaterial variiert werden. Durch Variation der Zusammensetzung kann ein Mischoxid mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit und elektrischer Leitfähigkeit hergestellt werden. Beispiele elektrisch leitender Mischoxide können jegliche Mischungen aus Titanoxid, Rutheniumoxid, Tantaloxid und Nioboxid umfassen.
  • Die leitende Beschichtung und/oder die Anordnung von Metalloxid-Nanoröhren kann an der gesamten Oberfläche einer Bipolarplatte oder selektiv an der Oberfläche von Gasströmungskanälen oder Oberflächenkontaktbereichen geformt werden. Um eine leitende Beschichtung oder Anordnung an gewählten Bereichen der Bipolarplatte zu formen, können die Bereiche, die nicht behandelt werden sollen, zuerst mit einer Maskierungsvorlage oder einer entfernbaren Schutzschicht maskiert bzw. abgedeckt werden. Ein Beispiel eines selektiven Abscheidungsprozesses zur Herstellung einer Bipolarplatte ist in der U. S. Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 20060105222 beschrieben.
  • Nun Bezug nehmend auf 4 umfasst eine Ausführungsform der Erfindung ein Produkt 10, das eine Brennstoffzelle 12 umfasst. Die Brennstoffzelle 12 kann eine erste Brennstoffzellenbipolarplatte 14 aufweisen, die eine erste Seite 16 mit einem Reaktandengasströmungsfeld aufweist, das darin durch eine Vielzahl von Stegen 18 und Kanälen 20 definiert ist. Das Reaktandengasströmungsfeld kann einen Brennstoff auf einer Seite der Bipolarplatte und ein Oxidationsmittel auf der anderen Seite der Bipolarplatte liefern. Die Oberfläche der Stege 18 kann eine leitende Beschichtung oder eine blanke Metalloberfläche aufweisen. Die leitende Beschichtung kann eine dünne Schicht aus Edelmetall, Kohlenstoff, Metallcarbid, Metallnitrid oder einem leitenden Oxid sein, wie oben beschrieben ist. Die Bipolarplatte kann durch Prägen eines dünnen Bleches aus Ventilmetall, wie Titanblech, hergestellt werden, um ein gewünschtes Muster von Kanälen 20 für Fluiddurchgänge zu formen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die gesamte Oberfläche einschließlich der Stege 18 und der Kanäle 20 mit einer Beschichtung 11, die eine Anordnung von Ventilmetalloxid-Nanoröhren aufweist, und optional einer leitenden Beschichtung beschichtet werden. Die Brennstoffzelle 12 kann auch eine zweite Brennstoffzellenbipolarplatte 22 aufweisen, die eine erste Seite 24 mit einem Reaktandengasströmungsfeld aufweist, das darin durch eine Vielzahl von Stegen 26 und Kanälen 28 definiert ist. Die Stege 18 oder 16 und die Kanäle 20 oder 28 können in der Bipo larplatte 14 oder 22 durch maschinelles bzw. spanabhebendes Bearbeiten, Ätzen, Prägen bzw. Stanzen, Umformen oder dergleichen geformt werden. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird eine Beschichtung 11, die eine Anordnung aus Ventilmetalloxid-Nanoröhren aufweist, selektiv auf Abschnitten der Bipolarplatte 22 abgeschieden, beispielsweise nur auf der Oberfläche, die den in der Bipolarplatte 22 geformten Kanal 28 definiert. Auf den Stegen 18 kann eine leitende Rutheniumoxid-, Gold-, oder Kohlenstoffbeschichtungsschicht durch chemisches Abscheiden, Kalzinierungen, Vakuumabscheidung, Sprühen bzw. Spritzen oder andere Abscheidungsverfahren abgeschieden werden, die dem Fachmann bekannt sind.
  • Ein "Soft-Goods-Abschnitt" bzw. Weichgutabschnitt 30 kann zwischen der ersten Brennstoffzellenbipolarplatte 14 und der zweiten Brennstoffzellenbipolarplatte 22 vorgesehen sein. Die erste Brennstoffzellenbipolarplatte 14 und die zweite Brennstoffzellenbipolarplatte 22 können eine Vielzahl von Materialien aufweisen, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, ein Metall, eine Metalllegierung und/oder einen elektrisch leitenden Komposit. Bei einer Ausführungsform der Erfindung können die erste Brennstoffzellenbipolarplatte 14 und die zweite Brennstoffzellenbipolarplatte 22 rostfreier Stahl sein.
  • Der Weichgutabschnitt 30 kann eine Polymerelektrolytmembran 32 aufweisen, die eine erste Seite 34 und eine zweite Seite 36 umfasst. Eine Kathodenelektrode kann über der ersten Seite 34 der Polymerelektrolytmembran 32 liegen. Eine erste Gasdiffusionsmediumschicht 40 kann über der Kathodenelektrode 38 liegen, und optional kann eine erste mikroporöse Schicht 42 zwischen der ersten Gasdiffusionsmediumschicht 40 und der Kathodenelektrode 38 angeordnet sein. Die erste Gasdiffusionsmediumschicht 40 kann hydrophob sein. Die erste Bipolarplatte 14 kann über der ersten Gasdiffusionsmediumschicht 40 liegen. Gegebenenfalls kann eine hydrophile Schicht (nicht gezeigt) zwischen der ersten Brennstoffzellenbipolarplatte 14 und der ersten Gasdiffusionsmediumschicht 40 angeordnet sein.
  • Eine Anodenelektrode 46 kann unter der zweiten Seite 36 der Polymerelektrolytmembran 32 liegen. Eine zweite Gasdiffusionsmediumschicht 48 kann unter der Anodenschicht 46 liegen, und optional dazu kann eine zweite mikroporöse Schicht 50 zwischen der zweiten Gasdiffusionsmediumschicht 48 und der Anodenelektrode 46 angeordnet sein. Die zweite Gasdiffusionsmediumschicht 48 kann hydrophob sein. Die zweite Brennstoffzellenbipolarplatte 22 kann über der zweiten Gasdiffusionsmediumschicht 48 liegen. Gegebenenfalls kann eine zweite hydrophile Schicht (nicht gezeigt) zwischen der zweiten Brennstoffzellenbipolarplatte 22 und der zweiten Gasdiffusionsmediumschicht 48 angeordnet sein.
  • Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Polymerelektrolytmembran 32 eine Vielzahl verschiedener Typen von Membranen umfassen. Die Polymerelektrolytmembran 32, die bei verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung Anwendung findet, kann ein innenleitendes Material sein. Beispiele geeigneter Membrane sind in den U.S. Patenten Nummern 4,272,353 und 3,134,689 und in dem Journal of Power Sources, Band 28 (1990), Seiten 367–387 offenbart. Derartige Membranen sind auch als Ionentauscherharzmembrane bekannt. Die Harze umfassen Innengruppen in ihrer polymeren Struktur; eine Innenkomponente hiervon ist durch die Polymermatrix fixiert oder von dieser gehalten ist und zumindest eine andere Innenkomponente stellt ein mobiles austauschbares Ion dar, das der fixierten Komponente elektrostatisch zugeordnet ist. Die Fähigkeit zum Austausch des mobilen Ions unter geeigneten Bedingungen gegen andere Ionen verleiht diesen Materialien Ionentauschereigenschaften.
  • Die Ionentauscherharze können durch Polymerisieren einer Mischung aus Ingredienzien hergestellt werden, von denen eines einen Ionenbestandteil enthält. Eine breite Klasse von protonenleitenden Kationentauscherharzen ist das sogenannte Sulfonsäure-Kationentauscherharz. Bei den Sulfonsäuremembranen sind die Kationentauschergruppen Sulfonsäuregruppen, die an der Polymerhauptkette angebracht sind.
  • Die Formung dieser Ionentauscherharze in Membrane oder Rinnen ist dem Fachmann gut bekannt. Der bevorzugte Typ ist ein Elektrolyt aus perfluoriertem Sulfonsäurepolymer, bei dem die gesamte Membranstruktur Ionentauschereigenschaften besitzt. Diese Membrane sind kommerziell erhältlich, und ein typisches Beispiel einer kommerziellen protonenleitenden Sulfon-Perfluorkohlenstoffmembran wird von E. I. DuPont D Nemours & Company mit der Handelsbezeichnung NAFION vertrieben. Andere derartige Membrane sind von Asahi Glas und Asahi Chemical Company erhältlich. Die Verwendung anderer Typen von Membranen, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, perfluorierten Kationentauschermembranen, Kohlenwasserstoff basierten Kationentauschermembranen wie auch Aniontauschermembranen liegt ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung.
  • Bei einer Ausführungsform kann die erste Gasdiffusionsmediumschicht 40 oder die zweite Gasdiffusionsmediumschicht 48 ein beliebiges elektrisch leitendes poröses Material enthalten. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Gasdiffusionsmediumschicht nicht verwobenes Kohlefaserpapier oder verwobenes Kohlenstoffgewebe aufweisen, das mit einem hydrophoben Material behandelt sein kann, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, Polymeren aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), Fluorethylenpropylen oder Polytetrafluorethylen (PTFE). Die Gasdiffusionsmediumschicht kann eine durchschnittliche Porengröße im Bereich von 5–40 Mikrometer besitzen. Die Gasdiffusionsmediumschicht kann eine Dicke im Bereich von etwa 100 bis etwa 500 Mikrometer aufweisen.
  • Bei einer Ausführungsform können die Elektroden (Kathodenschicht und Anodenschicht) Katalysatorschichten sein, die Katalysatorpartikel, wie Platin, und ein innenleitendes Material enthalten können, wie ein protonenleitendes Ionomer, das mit den Partikeln gemischt ist. Das protonenleitende Material kann ein Ionomer sein, wie beispielsweise ein perfluoriertes Sulfonsäurepolymer. Die Katalysatormaterialien können Metalle, wie beispielsweise Platin, Palladium, und Gemische von Metallen, wie Platin und Molybdän, Platin und Kobalt, Platin und Ruthenium, Platin und Nickel, Platin und Zinn, andere Platin-Übergangsmetall-Legierungen und andere Brennstoffzellen-Elektrokatalysatoren enthalten, wie es in der Technik bekannt ist. Die Katalysatormaterialien können gegebenenfalls fein unterteilt sein. Die Katalysatormaterialien können nicht geträgert oder auf einer Vielzahl von Materialien geträgert sein, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, auf fein geteilten Kohlenstoffpartikeln.
  • Bei einer Ausführungsform können die Kathodenelektrode 38 und die Anodenelektrode 46 Katalysatorschichten sein, die Katalysatorpartikel, wie Platin, und ein innenleitendes Material enthalten können, wie ein protonenleitendes Ionomer, das mit den Partikeln gemischt ist. Das protonenleitende Material kann ein Ionomer sein, wie beispielsweise ein perfluoriertes Sulfonsäurepolymer. Die Katalysatormaterialien können Metalle, wie beispielsweise Platin, Palladium, und Gemische von Metallen, wie Platin und Molybdän, Platin und Kobalt, Platin und Ruthenium, Platin und Nickel, Platin und Zinn, andere Platin-Übergangsmetall-Legierungen und andere Brennstoffzellen-Elektrokatalysatoren enthalten, wie es in der Technik bekannt ist. Die Katalysatormaterialien können gegebenenfalls fein unterteilt sein. Die Katalysatormaterialien können nicht geträgert oder auf einer Vielzahl von Materialien geträgert sein, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, auf feingeteilten Kohlenstoffpartikeln.
  • Bei einer Ausführungsform können die erste mikroporöse Schicht 42 oder die zweite mikroporöse Schicht 50 aus Materialien hergestellt sein, wie Rußen und hydrophoben Bestandteilen, wie Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyvinylidenfluorid (PVDF), und können eine Dicke im Bereich von etwa 2 bis etwa 100 Mikrometer aufweisen. Bei einer Ausführungsform kann die mikroporöse Schicht eine Vielzahl von Partikeln, beispielsweise einschließlich graphitisiertem Kohlenstoff, und einen Binder aufweisen. Bei einer Ausführungsform kann der Binder ein hydrophobes Polymer, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, Polyvinylidenfluorid (PVDF), Fluorethylenpropylen (FEP), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder andere organische oder anorganische hydrophobe Materialien aufweisen. Die Partikel und der Binder können in einer flüssigen Phase enthalten sein, die beispielsweise ein Gemisch eines organischen Lösemittels und Wasser sein kann, um eine Dispersion bereitzustellen. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das Lösemittel zumindest eines aus 2-Propanol, 1-Propanol oder Ethanol, etc. enthalten. Die Dispersion kann auf ein Brennstoffzellensubstrat, wie eine Gasdiffusionsmediumschicht oder eine hydrophobe Beschichtung über der Gasdiffusionsmediumschicht aufgetragen werden. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Dispersion auf eine Elektrode aufgetragen werden. Die Dispersion kann (durch Verdunstung des Lösemittels) getrocknet werden, und die resultierende getrocknete mikroporöse Schicht kann 60–90 Gewichtsprozent Partikel und 10–40 Gewichtsprozent Binder enthalten. Bei verschiedenen anderen Ausführungsformen kann der Binder im Bereich von 10–30 Gewichtsprozent der getrockneten mikroporösen Schicht liegen.
  • Die obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen derselben nicht als Abweichung von der Grundidee und dem Schutzumfang der Erfindung anzusehen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 4272353 [0034]
    • - US 31334689 [0034]

Claims (29)

  1. Produkt, mit einer Metalloxidanordnung, die eine Vielzahl von Ventilmetalloxid-Nanoröhren umfasst, wobei das Ventilmetall zumindest eines aus Titan, Zirkonium, Niob, Tantal, Hafnium oder Legierungen oder Mischungen daraus umfasst.
  2. Produkt nach Anspruch 1, wobei die Metalloxid-Nanoröhren derart ausgestaltet sind, um eine wesentliche photokatalytische Aktivität bereitzustellen.
  3. Produkt, mit einer Bipolarplatte, die eine Ventilmetallplatte umfasst, die eine Vielzahl von Kanälen besitzt, die für Fluiddurchgänge konfiguriert sind, und einer Anordnung von Seite an Seite miteinander verbundenen Ventilmetalloxid-Nanoröhren, die an zumindest einem Teil der Oberfläche der Ventilmetallplatte angeordnet sind.
  4. Produkt nach Anspruch 3, wobei die Anordnung ferner eine elektrisch leitende Beschichtung umfasst, die ein Edelmetall, Kohlenstoff oder ein Oxid von Ruthenium, Platin, Rhodium, Palladium, Osmium oder Iridium umfasst, so dass der Kontaktwiderstand der Bipolarplatte etwa 50 Milliohm pro Quadratzentimeter oder weniger beträgt.
  5. Produkt nach Anspruch 4, wobei der Kontaktwiderstand etwa 8 Milliohm pro Quadratzentimeter oder weniger beträgt.
  6. Produkt nach Anspruch 3, wobei die Metalloxid-Nanoröhren derart ausgestaltet sind, dass sie einen Durchmesser von etwa 10 nm bis etwa 100 nm und eine Länge von etwa 10 nm bis etwa 1000 nm besitzen.
  7. Produkt nach Anspruch 3, wobei das Ventilmetall Titan ist.
  8. Produkt nach Anspruch 3, wobei die Anordnung derart ausgestaltet ist, um einen Wasserkontaktwinkel von höchstens etwa 22 Grad bereitzustellen.
  9. Produkt nach Anspruch 3, wobei die Metalloxid-Nanoröhre ferner eine Sauerstoffleerstelle oder ein Dotierelement umfasst, das aus zumindest einem aus Tantal oder Niob, Ruthenium, Iridium besteht.
  10. Produkt nach Anspruch 3, wobei das Metalloxid ein Mischoxid ist, das zumindest zwei verschiedene Ventilmetallelemente umfasst.
  11. Produkt nach Anspruch 3, ferner mit einer Gasdiffusionsmediumschicht, die unter der Bipolarplatte liegt, einer Elektrode, die unter der Gasdiffusionsmediumschicht liegt, und einer Polymerelektrolytmembran, die unter der Gasdiffusionsmediumschicht liegt.
  12. Produkt nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Nanoröhren in einer Seite an Seite miteinander verbundenen und allgemein parallelen Art und Weise positioniert sind.
  13. Verfahren zum Herstellen einer Metalloxid-Nanoröhrenanordnung, umfassend, dass: ein Ventilmetall bereitgestellt wird, das zumindest eines aus Titan, Zirkonium, Niob, Tantal, Hafnium oder Legierungen oder Mischungen daraus umfasst; das Ventilmetall in einer Elektrolytlösung anodisiert wird, um die Formung einer Nanoröhrenanordnung an der Ventilmetalloberfläche zu bewirken; und das Ventilmetall in einer Elektrolytlösung bei einem Anodisierungspotential oder einer Anodisierungsspannung passiviert wird, so dass der durch das Ventilmetall fließende elektrische Strom ein minimales Niveau erreicht.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend, dass das Ventilmetall gespült wird, um Elektrolytlösung zu entfernen.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Anodisieren ferner bewirkt, dass die Oberfläche vor der Formung einer Nanoröhrenanordnung aufgeraut wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Ventilmetall Titan ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Elektrolytlösung ein Ion umfasst, das zumindest eines aus Chlorid, Fluorid oder Cyanid umfasst.
  18. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Elektrolytlösung zumindest eines aus Fluorwasserstoff oder einem Fluoridsalz umfasst.
  19. Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend, dass eine leitende Beschichtung auf der Nanoröhrenanordnung abgeschieden wird, um einen Kontaktwiderstand von etwa 50 Milliohm/cm2 oder weniger bereitzustellen, und die leitende Beschichtung ein Edelmetall, Kohlenstoff, Rutheniumoxid, Rhodiumoxid, Platinoxid, Palladiumoxid, Osmiumoxid oder Iridiumoxid umfasst.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die leitende Beschichtung dadurch hergestellt wird, dass die Metalloxid-Nanoröhrenanordnung mit 3 Gew.-% Rutheniumchlorid in Ethanollösung beschichtet wird, gefolgt durch Kalzinierung bei 450°C über 15 Minuten, um das Rutheniumchlorid in Rutheniumoxid umzuwandeln.
  21. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Ventilmetall eine Brennstoffzellenbipolarplatte ist, die ein Reaktandengasströmungsfeld besitzt, das in zumindest einer Seite davon definiert ist, wobei das Strömungsfeld durch eine Vielzahl von Stegen und Kanälen definiert ist.
  22. Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend, dass das Ventilmetall auf einem Substrat vorgesehen wird.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Vorsehen des Ventilmetalls auf einem Substrat umfasst, dass eine dünne Folie des Ventilmetalls auf das Substrat plattiert wird.
  24. Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Vorsehen des Ventilmetalls auf einem Substrat umfasst, dass eine dünne Schicht des Ventilmetalls auf dem Substrat durch physikalische Dampfphasenabscheidung abgeschieden wird.
  25. Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Substrat rostfreien Stahl umfasst.
  26. Produkt mit einer ein Ventilmetall umfassenden Anordnung und einer Vielzahl von Ventilmetalloxid-Nanoröhren daran, wobei das Ventilmetall zumindest eines aus Titan, Zirkonium, Niob, Tantal, Hafnium oder beliebigen Mischungen daraus umfasst, und einem Substrat, das unter dem Ventilmetall liegt.
  27. Produkt nach Anspruch 26, wobei das Ventilmetall eine dünne Folienschicht ist.
  28. Produkt nach Anspruch 26, wobei das Substrat rostfreien Stahl umfasst.
  29. Produkt nach Anspruch 26, wobei das Ventilmetall auf dem Substrat unter Verwendung einer physikalischen Dampfphasenabscheidung abgeschieden worden ist.
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