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TECHNISCHES GEBIET
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Das
Gebiet, das die Offenbarung allgemein betrifft, umfasst Metalloxid-
Nanoröhren bzw. -Nanotubes, Bipolarplatten und Brennstoffzellen.
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HINTERGRUND
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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.
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Beispielhafte
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus
der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen
besser verständlich, in welchen:
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1 eine
schematische Zeichnung einer beispielhaften elektrochemischen Zelle
zum Anodisieren und Passivieren eines Ventilmetalls für
die Herstellung einer Metalloxid-Nanoröhrenanordnung ist;
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2 feldemissionsrasterelektronenmikroskopische
Aufnahmen in einer Draufsicht und einer Querschnittsan sicht einer
Ventilmetalloxid-Nanoröhrenanordnung zeigt;
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3 verschiedene
feldemissionsrasterelektronenmikroskopische Aufnahmen einer Ventilmetalloxid-Nanoröhrenanordnung
zeigt, die zu verschiedenen Stufen eines Anodisierungsprozesses
erzeugt wurden; und
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4 eine
schematische Zeichnung einer Schnittansicht einer Brennstoffzelle
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
folgende Beschreibung der Ausführungsformen) ist lediglich
beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre
Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4272353 [0034]
- - US 31334689 [0034]