DE102009034573A1

DE102009034573A1 - Amorphe Kohlenstoffbeschichtung für Bipolarplatten von Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE102009034573A1
Application number: DE102009034573A
Authority: DE
Inventors: Gayatri Vyas Rochester Hills Dadheech; Thomas A. Trabold; Youssef M. Sterling Heights Mikhail; Mahmoud H. Abd Grosse Pointe Woods Elhamid
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2009-07-24
Publication date: 2010-02-18
Also published as: US8497050B2; US20130302531A1; CN101640276B; US20100028743A1; CN101640276A; US8956785B2

Abstract

Eine Strömungsfeldplatte für Brennstoffzellenanwendungen umfasst ein Metall mit einer nichtkristallinen Kohlenstoffschicht, die über zumindest einem Abschnitt der Metallplatte angeordnet ist. Die nichtkristalline Kohlenstoffschicht umfasst eine aktivierte Oberfläche, die hydrophil ist. Überdies ist die Strömungsfeldplatte in einer Brennstoffzelle mit einer minimalen Erhöhung des Kontaktwiderstands eingeschlossen. Es sind auch Verfahren zum Formen der Strömungsfeldplatten vorgesehen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Bei zumindest einer Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung Bipolarplatten, die in PEM-Brennstoffzellen verwendet werden.
2. Hintergrundtechnik
Brennstoffzellen werden bei vielen Anwendungen als eine elektrische Energiequelle verwendet. Insbesondere werden Brennstoffzellen zur Verwendung in Kraftfahrzeugen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen. Eine üblicherweise verwendete Brennstoffzellenkonstruktion verwendet eine Festpolymerelektrolyt-(”SPE”)-Membran oder Protonenaustauschmembran (”PEM”), um einen Ionentransport zwischen der Anode und der Kathode bereitzustellen.
Bei Brennstoffzellen vom Protonenaustauschmembrantyp wird Wasserstoff an die Anode als Brennstoff geliefert und Sauerstoff an die Kathode als das Oxidationsmittel geliefert. Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O₂) oder als Luft (eine Mischung aus O₂ und N₂) vorliegen. PEM-Brennstoffzellen besitzen typischerweise eine Membranelektrodenanordnung (”MEA”), in der eine Festpolymermembran einen Anodenkatalysator auf einer Seite und einen Kathodenkatalysator auf der entgegengesetzten Seite aufweist. Die Anoden- und Kathodenschichten einer typischen PEM-Brennstoffzelle sind aus porösen leitenden Materialien ausgebildet, wie verwobenem Graphit, graphitisierten Lagen oder Kohlepapier, um zu ermöglichen, dass der Brennstoff über die der Brennstofflieferelektrode zugewandten Oberfläche der Membran verteilt wird. Jede Elektrode besitzt fein geteilte Katalysatorpartikel (beispielsweise Platinpartikel), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen sind, um eine Oxidation von Wasserstoff an der Anode und eine Reduktion von Sauerstoff an der Kathode zu unterstützen. Protonen fließen von der Anode durch die ionenleitende Polymermembran an die Kathode, an der sie sich mit Sauerstoff kombinieren, um Wasser zu bilden, das von der Zelle ausgetragen wird. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar poröser Gasdiffusionsschichten (”GDL”) angeordnet, die ihrerseits schichtartig zwischen einem Paar nicht poröser, elektrisch leitender Elemente oder Platten angeordnet sind. Die Platten dienen als Stromkollektoren für die Anode und die Kathode und enthalten geeignete Kanäle und Öffnungen, die darin ausgebildet sind, um die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberfläche jeweiliger Anoden- und Kathodenkatalysatoren zu verteilen. Um effizient Elektrizität zu erzeugen, muss die Polymerelektrolytmembran einer PEM-Brennstoffzelle dünn, chemisch stabil, protonendurchlässig, nicht elektrisch leitend und gasimpermeabel sein. Bei typischen Anwendungen werden Brennstoffzellen in Gruppierungen vieler einzelner Brennstoffzellenstapel vorgesehen, um hohe Niveaus an elektrischer Leistung bereitzustellen.
Die elektrisch leitenden Platten, die derzeit in Brennstoffzellen verwendet werden, sehen eine Anzahl von Möglichkeiten zur Verbesserung der Brennstoffzellenleistungsfähigkeit vor. Beispielsweise weisen diese Metallplatten typischerweise einen passiven Oxidfilm an ihren Oberflächen auf, wodurch elektrisch leitende Beschichtungen erforderlich werden, um den Kontaktwiderstand zu minimieren. Derartige elektrisch leitende Beschichtungen umfassen Gold- und polymere Kohlenstoffbeschichtungen. Typischerweise erfordern diese Beschichtungen eine teure Ausrüstung, die zu den Kosten der fertig gestellten Bipolarplatte beiträgt. Überdies sind metallische Bipolarplatten während des Betriebs auch einer Korrosion ausgesetzt. Ein Schädigungsmechanismus umfasst die Freisetzung von Fluoridionen von dem polymeren Elektrolyt. Eine Metalllösung der Bipolarplatten hat typischerweise eine Freisetzung von Eisen-, Chrom- und Nickelionen in verschiedenen Oxidationszuständen zur Folge.
Zum Wassermanagement ist es erwünscht, dass metallische Bipolarplatten einen geringen Kontaktwinkel an der Grenze zwischen Bipolarplatte und Wasser besitzen; d. h. einen Kontaktwinkel von weniger als 40°. Titannitridbeschichtungen sind als korrosionsbeständige Plattierung bzw. korrosionsbeständiger Überzug für Bipolarplatten vorgeschlagen worden. Obwohl Titannitridbeschichtungen kosteneffektiv sind, sehen derartige Beschichtungen keinen zufrieden stellenden Schutz für das Bipolarplattenmaterial vor. Ferner entwickeln Titannitridbeschichtungen eine relativ geringe Wasseraffinität mit einem Kontaktwinkel nahe bei 60°.
Demgemäß besteht Bedarf nach einer verbesserten Methode zur Verringerung des Kontaktwiderstands an den Oberflächen von Bipolarplatten, die in Brennstoffzellenanwendungen verwendet werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung löst ein oder mehrere Probleme des Standes der Technik dadurch, dass bei zumindest einer Ausführungsform eine Strömungsfeldplatte zur Verwendung in einer Brennstoffzelle bereitgestellt wird. Die Strömungsfeldplatte dieser Ausführungsform umfasst eine Metallplatte mit einer nichtkristallinen Kohlenstoffschicht, die über zumindest einem Abschnitt der Metallplatte angeordnet ist.
Bei einer anderen Ausführungsform ist eine Brennstoffzelle vorgesehen, die die oben dargestellte Strömungsfeldplatte enthält. Die Brennstoffzelle umfasst eine erste Strömungsfeldplatte mit einer Oberfläche, die mit einem nichtkristallinen Kohlenstofffilm beschichtet ist. Über der ersten Strömungsfeldplatte ist eine erste Katalysatorschicht angeordnet. Ein Polymerelektrolyt ist über der ersten Strömungsfeldplatte angeordnet, wobei eine zweite Katalysatorschicht über dem Polymerelektrolyt vorgesehen ist. Schließlich ist eine zweite Strömungsfeldplatte über der zweiten Katalysatorschicht angeordnet. Gegebenenfalls sind Gasdiffusionsschichten vorgesehen.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zum Ausbilden der oben dargestellten Strömungsfeldplatte vorgesehen. Das Verfahren umfasst, dass eine nichtkristalline Kohlenstoffschicht auf einer Metallplatte abgeschieden wird, gefolgt durch Aktivieren der Oberfläche der Kohlenstoffschicht.
Andere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch spezifische Beispiele, während sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1A eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle vorsieht, die eine beispielhafte Ausführungsform einer nichtkristallinen Kohlenstoffschicht auf einer Unipolarplatte enthält;
1B eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle vorsieht, die eine beispielhafte Ausführungsform einer nichtkristallinen Kohlenstoffschicht auf einer Bipolarplatte enthält;
2 eine Schnittansicht eines Bipolarplattenkanals vorsieht, der mit einer nichtkristallinen Kohlenstoffschicht beschichtet ist;
3 eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle vorsieht, die eine andere beispielhafte Ausführungsform einer amorphen Kohlenstoffschicht auf einer Bipolarplatte enthält;
4 ein Flussdiagramm vorsieht, das ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung einer mit einer nichtkristallinen Kohlenstoffschicht beschichteten Bipolarplatte veranschaulicht;
5 eine schematische Darstellung eines Sputtersystems ist, das dazu verwendet wird, Kohlenstoffschichten abzuscheiden;
6A eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer nicht plasmabehandelten Kohlenstoffschicht ist;
6B eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer plasmabehandelten Kohlenstoffschicht ist;
7 eine Aufzeichnung des Kontaktwiderstandes gegenüber einem Druck für eine Brennstoffzelle ist, die eine kohlenstoffbeschichtete Bipolarplatte enthält;
8 eine Aufzeichnung des Hochfrequenzwiderstands (HFR) gegenüber einer Stromdichte für Brennstoffzellen ist, die eine kohlenstoffbeschichtete Bipolarplatte enthalten; und
9 Aufzeichnungen für drei Brennstoffzellen in einem Stapel aus Brennstoffzellen vorsehen, um die Feucht/Trocken-Leistungsstabilität zu bewerten.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
Es wird nun detailliert Bezug auf derzeit bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung genommen, die die besten Arten zur Ausführung der Erfindung, die den Erfindern derzeit bekannt sind, bilden. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet. Es sei jedoch zu verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Daher sollen spezifische Einzelheiten, die hier offenbart sind, nicht als beschrän kend sondern lediglich als eine repräsentative Basis für irgendeinen Aspekt der Erfindung und/oder als eine repräsentative Basis zur Unterrichtung des Fachmanns interpretiert werden, um die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise auszuführen.
Ausgenommen in den Beispielen oder wo dies ausdrücklich anderweitig genannt ist, sind alle numerischen Mengen in dieser Beschreibung, welche die Mengen von Material oder Reaktionsbedingungen und/oder Verwendung bezeichnen, beim Beschreiben des breitesten Umfangs der vorliegenden Erfindung als durch das Wort „ungefähr” modifiziert zu verstehen. Die Anwendung innerhalb der genannten Zahlenbegrenzungen ist im Allgemeinen bevorzugt. Sofern nicht gegenteilig ausgeführt, sind: Prozent, „Teile von” und Verhältniswerte pro Gewicht; schließt der Begriff „Polymer” „Oligomer”, „Copolymer”, „Terpolymer” und dergleichen ein; beinhaltet die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien für einen vorgegebenen Zweck in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung als geeignet oder bevorzugt, dass Mischungen von zwei oder mehr der Mitglieder der Gruppe oder Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sind; bezieht sich die Beschreibung von Konstituenten in chemischen Begriffen auf die Konstituenten zu der Zeit der Zugabe zu irgendeiner Mischung, welche in der Beschreibung spezifiziert ist, und schließt nicht notwendigerweise chemische Interaktionen zwischen den Konstituenten einer einmal vermischten Mischung aus; ist die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung hier auf alle nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung und auf normale grammatikalische Abweichungen der anfänglich definierten Abkürzung anwendbar und wird, sofern nicht gegenteilig ausgeführt, die Messung einer Eigenschaft durch dieselbe Technik, wie zuvor oder nachfolgend für dieselbe Eigenschaft dargelegt, bestimmt.
Es sei auch zu verstehen, dass diese Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsformen und Verfahren, wie nachfolgend beschrieben ist, beschränkt ist, da selbstverständlich spezifische Komponenten und/oder Bedingungen variieren können. Ferner dient die hier verwendete Terminologie nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und ist nicht dazu bestimmt, in irgendeiner Weise einzuschränken.
Es muss auch angemerkt werden, dass, wie in der Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendet ist, die Singularform ”ein”, ”eine”, ”einer” und ”der”, ”die”, ”das” Pluralbezüge umfassen, sofern der Kontext dies nicht anderweitig deutlich angibt. Beispielsweise ist ein Bezug auf eine Komponente im Singular dazu bestimmt, eine Vielzahl von Komponenten zu umfassen.
In dieser Anmeldung sind, wenn auf Veröffentlichungen Bezug genommen wird, die Offenbarungen dieser Veröffentlichungen in ihrer Gesamtheit hierdurch durch Bezugnahme in diese Anmeldung eingeschlossen, um den Stand der Technik, zu dem diese Erfindung gehört, besser zu beschreiben.
Die Begriffe ”Rauheitsmittel” oder ”Oberflächenrauheitsmittel”, die hier verwendet sind, bedeuten das arithmetische Mittel der Absolutwerte der Profilhöhenabweichungen. Das Rauheitsmittel kann gemäß ANSI B46.1 bestimmt werden. Die gesamte Offenbarung dieser Referenz ist hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen.
Der Begriff ”nichtkristalline Kohlenstoffschicht”, wie er hier verwendet ist, bezeichnet eine Schicht, die zumindest 80 Gewichtsprozent Kohlenstoff umfasst, wobei weniger als 10 Gewichtsprozent der Schicht kristallin sind.
Typischerweise enthalten nichtkristalline Kohlenstoffschichten zumindest 90 Gewichtsprozent Kohlenstoff, wobei weniger als 5 Gewichtsprozent der Schicht kristallin sind. In einer Verfeinerung sind nichtkristalline Kohlenstoffschichten im Wesentlichen amorpher Kohlenstoff.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Strömungsfeldplatte zur Verwendung in Brennstoffzellenanwendungen vorgesehen. Die Strömungsfeldplatte dieser Ausführungsform umfasst eine Metallplatte mit einer nichtkristallinen Kohlenstoffschicht, die über zumindest einem Abschnitt der Metallplatte angeordnet ist. Die vorliegende Ausführungsform umschließt sowohl Unipolar- als auch Bipolarplatten.
Bezug nehmend auf die 1A und 1B ist ein schematischer Schnitt von Brennstoffzellen vorgesehen, die die Strömungsfeldplatten dieser Ausführungsform enthalten. Die Brennstoffzelle 10 umfasst Strömungsfeldplatten 12, 14. Typischerweise bestehen die Strömungsfeldplatten 12, 14 auf einem Metall, wie rostfreiem Stahl. Die Strömungsfeldplatte 12 umfasst eine Oberfläche 16 und eine Oberfläche 18. Die Oberfläche 16 definiert Kanäle 20 und Stege 22. 1A stellt eine Darstellung bereit, bei der die Strömungsfeldplatte 12 eine Unipolarplatte ist. 1B stellt eine Darstellung bereit, bei der die Strömungsfeldplatte 12 eine Bipolarplatte ist. Bei dieser Variation definiert die Oberfläche 18 Kanäle 24 und Stege 26. Gleichermaßen umfasst das Strömungsfeld 14 eine Oberfläche 30 und eine Oberfläche 32. Die Oberfläche 30 definiert Kanäle 36 und Stege 38. 1A stellt eine Darstellung bereit, bei der die Strömungsfeldplatte 14 eine Unipolarplatte ist. 1B stellt eine Darstellung bereit, bei der die Oberfläche 32 Kanäle 40 und Stege 42 definiert.
Weiter Bezug nehmend auf 1 wird eine nichtkristalline Kohlenstoffschicht 50 über der Oberfläche 16 angeordnet und tritt mit dieser in Kontakt. Bei einer Variation umfasst die nichtkristalline Kohlenstoffschicht 50 eine Oberfläche 52, die einen Kontaktwinkel von weniger als etwa 30 Grad besitzt.
Weiter Bezug nehmend auf 1 umfasst die Brennstoffzelle 10 ferner eine Gasdiffusionsschicht 60 und Katalysatorschichten 62, 64. Zwischen den Katalysatorschichten 62, 64 ist eine ionenleitende Polymermembran 70 angeordnet. Schließlich umfasst die Brennstoffzelle 10 auch eine Gasdiffusionsschicht 72, die zwischen der Katalysatorschicht 64 und der Strömungsfeldplatte 14 positioniert ist.
Bei einer Variation der vorliegenden Erfindung wird ein erstes Gas in die Kanäle 20 eingeführt und ein zweites Gas wird in die Kanäle 36 eingeführt. Die Kanäle 20 leiten die Strömung des ersten Gases, und die Kanäle 36 leiten die Strömung des zweiten Gases. Bei einer typischen Brennstoffzellenanwendung wird ein sauerstoffhaltiges Gas in die Kanäle 20 eingeführt, und ein Brennstoff wird in die Kanäle 36 eingeführt. Beispiele nützlicher sauerstoffhaltiger Gase umfassen molekularen Sauerstoff (beispielsweise Luft). Beispiele nützlicher Brennstoffe umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Wasserstoff. Wenn ein sauerstoffhaltiges Gas in die Kanäle 20 eingeführt wird, wird gewöhnlich Wasser als ein Nebenprodukt erzeugt, das über die Kanäle 20 entfernt werden muss. Bei dieser Variation ist die Katalysatorschicht 62 eine Kathodenkatalysatorschicht, und die Katalysatorschicht 64 ist eine Anodenkatalysatorschicht.
Bezug nehmend auf 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Kanals 20 vorgesehen. Die Oberflächen 80, 82, 84 der nichtkristallinen Kohlenstoffschicht 50 sehen freiliegende Oberflächen in dem Kanal 20 vor. Vorteilhafterweise sind diese Oberflächen der nichtkristallinen Kohlenstoffschicht 50 hydrophil mit einem Kontaktwinkel von weniger als etwa 30 Grad. Bei einer anderen Verfeinerung ist der Kontaktwinkel kleiner als etwa 20 Grad. Die hydrophile Beschaffenheit der nichtkristallinen Kohlenstoffschicht 50 verhindert eine Agglomeration von Wasser in den Kanälen 20. Bei einer Verfeinerung der vorliegenden Ausführungsform wird die Hydrophilie der nichtkristallinen Kohlenstoffschicht 50 durch Aktivieren der Oberfläche 52 (d. h. der Oberflächen 80, 82, 84, 86) verbessert. Bei einer Variation der vorliegenden Ausführungsform wird die Oberfläche durch ein Plasma (beispielsweise ein HF-Plasma, ein DC-Plasma, ein Mikrowellenplasma, ein Heißfilamentplasma, ein Atmosphärenplasma und dergleichen) aktiviert. Bei einer Verfeinerung wird die Aktivierung dadurch erreicht, dass die nichtkristallinen Kohlenstoffschichten einem reaktiven Sauerstoffplasma ausgesetzt werden, das die nichtkristallinen Kohlenstoffschichten durch Aufbrechen von Bindungen und Bildung von funktionellen Hydroxyl-, Carboxyl- und Aldehydgruppen aktiviert. Bei einer weiteren Verfeinerung wird die Nachbehandlung dadurch erreicht, dass die nichtkristallinen Kohlenstoffschichten reaktiven Gasen, wie Stickstoff, Distickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid, Ammoniak oder Mischungen daraus ausgesetzt werden, die die nichtkristallinen Kohlenstoffschichten durch Aufbrechen von Bindungen und Bildung von stickstoffbasierten Derivaten, wie funktionellen Amin-, Amid-, und Diazogruppen aktivieren. Demgemäß ist die Aktivierung der Nachbehandlung in der Lage, die Mengen an Stickstoff und/oder Sauerstoff in der nichtkristallinen Kohlenstoffschicht 50 zu erhöhen. Bei einer weiteren Verfeinerung liegen die Mengen von Stickstoff und Sauerstoff in Gebieten innerhalb von mehreren Nanometern der Oberfläche 52. Bei einer weiteren Verfeinerung hat die Aktivierung der Oberfläche 52 eine Zunahme der Porosität im Vergleich zu der Oberfläche vor der Aktivierung zur Folge. Bei einer weiteren Verfeinerung umfasst die Oberfläche 52 Gebiete, in denen zumindest 10 Poren pro μm² der Oberfläche vorhanden sind. Überdies umfasst die Oberfläche 52 im Mittel zumindest 5 Poren pro mikrom2 Oberfläche. Die Anzahl von Poren pro μm² wird durch Zählen der Anzahl von Poren in einem gegebenen Bereich, der in einer Aufnahme eines Rasterelektronenmikroskops betrachtet wird, berechnet.
Die Porosität der nichtkristallinen Kohlenstoffschicht 50 ist auch durch das Rauheitsmittel der Oberfläche 52 gekennzeichnet. Bei einer Variation liegt das Rauheitsmittel der Oberfläche 52 zwischen etwa 200 bis etwa 1000 nm. Bei einer weiteren Variation liegt das Rauheitsmittel der Oberfläche 52 zwischen etwa 300 bis etwa 900 nm. Bei einer noch weiteren Variation liegt das Rauheitsmittel der Oberfläche 52 zwischen etwa 400 bis etwa 700 nm.
Die nichtkristalline Kohlenstoffschicht der vorliegenden Erfindung ist elektrisch leitend. Die elektrische Leitfähigkeit der nichtkristallinen Kohlenstoffschicht 50 ist derart, dass der Kontaktwiderstand der Brennstoffzelle 10 kleiner als etwa 20 mohm-cm² ist. Bei einer Variation einer beispielhaften Ausführungsform ist die nichtkristalline Kohlenstoffschicht 50 dotiert, um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen. Bei einer Verfeinerung ist die nichtkristalline Kohlenstoffschicht 50 dotiert. Bei einer weiteren Verfeinerung ist das Dotiermittel ein Metall. Beispiele geeigneter Metalldotiermittel umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Pt, Ir, Pd, Au, Ag, Co, Fe, Cu, Si, Ti, Zr, Al, Cr, Ni, Nb, Hb, Mo, W und Ta. Bei einer weiteren Verfeinerung ist das Dotiermittel ein Nichtmetall, wie Stickstoff.
Bezug nehmend auf 3 ist eine schematische Schnittansicht vorgesehen, die zusätzliche Oberflächen von Brennstoffzellen-Bipolarplatten zeigt, die mit nichtkristallinen Kohlenstoffschichten beschichtet sind. Bei dieser Variation sind eine oder mehrere der Oberflächen 18, 30 und 32 mit einer nichtkristallinen Kohlenstoffschicht 50 beschichtet. Wie oben in Verbindung mit der Beschreibung der 1A und 1B dargestellt ist, umfasst die Brennstoffzelle 10 Strömungsfeldplatten 12, 14. Die Bipolarplatte 12 umfasst eine Oberfläche 16 und eine Oberfläche 18. Die Oberfläche 16 definiert Kanäle 20 und Stege 22. Die Oberfläche 18 definiert Kanäle 24 und Stege 26. Gleichermaßen umfasst die Bipolarplatte 14 eine Oberfläche 30 und eine Oberfläche 32. Die Oberfläche 30 definiert Kanäle 36 und Stege 38. Die Oberfläche 32 definiert Kanäle 40 und Stege 42.
Immer noch Bezug nehmend auf 3 ist eine nichtkristalline Kohlenstoffschicht 50 über der Oberfläche 16 abgeschieden und steht mit dieser in Kontakt. Bei einer Variation umfasst die nichtkristalline Kohlenstoffschicht 50 eine Oberfläche 52, die einen Kontaktwinkel von weniger als etwa 30 Grad besitzt. Ähnlicherweise ist eine nichtkristalline Kohlenstoffschicht 90 über der Oberfläche 18 abgeschieden und steht mit dieser in Kontakt, eine nichtkristalline Kohlenstoffschicht 92 ist über der Oberfläche 30 abgeschieden und steht mit dieser in Kontakt und eine nichtkristalline Kohlenstoffschicht 94 ist über der Oberfläche 32 abgeschieden und steht mit dieser in Kontakt. Die Brennstoffzelle 10 umfasst ferner eine Gasdiffusionsschicht 60 sowie Katalysatorschichten 62, 64. Zwischen den Katalysatorschichten 62, 64 ist eine ionenleitende Polymermembran 70 angeordnet. Schließlich umfasst die Brennstoffzelle 10 auch eine Gasdiffusionsschicht 72, die zwischen der Katalysatorschicht 64 und der Bipolarplatte 14 positioniert ist. Die Einzelheiten der nichtkristallinen Kohlenstoffschichten 50, 92, 94 sind oben in Verbindung mit der Beschreibung von 1 dargelegt
Bezug nehmend auf 4 ist ein bildliches Ablaufdiagramm vorgesehen, das ein beispielhaftes Verfahren zum Formen der Strömungsfeldplatten, wie oben dargestellt ist, zeigt. Bei Schritt a) wird eine Metallplatte 12 vor einer Abscheidung der nichtkristallinen Kohlenstoffschicht 50 vorkonditioniert. Während einer derartigen Vorkonditionierung werden Oxide an der Oberfläche der Metallplatte 12 typischerweise entfernt oder zumindest reduziert. Eine derartige Vorbehandlung kann einen Reinigungsschritt umfassen. Bei Schritt b) wird eine nichtkristalline Kohlenstoffschicht 50 auf der Metallplatte 12 abgeschieden. Die nichtkristalline Kohlenstoffschicht kann durch eine Anzahl von Technologien ausgebildet werden, die dem Fachmann bekannt sind. Beispiele derartiger Technologien umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Sputtern (beispielsweise Magnetron, unbalanciertes Magnetron, etc.), Chemical Vapor Deposition bzw. chemische Beschichtung aus der Gasphase (”CVD”) (beispielsweise Niederdruck-CVD, Atmosphären-CVD, plasmaunterstützte CVD, laserunterstützte CVD, etc.), Verdampfung (thermisch, e-Strahl, Lichtbogenverdampfung, etc.) und dergleichen. Das U.S. Patent Nr. 5,314,716 offenbart eine CVD-Technik zur Formung nichtkristalliner Kohlenstofffilme. Die gesamte Offenbarung dieses Patentes ist hierdurch durch Bezugnahme eingeschlossen. Bei Schritt c) wird die Oberfläche 52 der nichtkristallinen Kohlenstoffschicht 50 aktiviert. 4 zeigt eine Plasmaaktivierung über ein hochdichtes Plasma 100. Es sei auch angemerkt, dass zusätzliche Verfahren zur Aktivierung verwendet werden können. Derartige Verfahren umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, chemische Aktivierung, wie Behandlung (beispielsweise Ätzen) der Oberfläche mit einer Säure, wie Schwefelsäure, Fluorwasserstoffsäure, Chromsäure, Kaliumpermanganat und dergleichen.
Bei einer Variation der vorliegenden Ausführungsform werden nichtkristalline Kohlenstoffschichten durch Sputtern abgeschieden. Bei einer Verfeinerung werden die Kohlenstoffschichten unter Verwendung eines Systems eines unbalancierten Magnetrons mit geschlossenem Feld (”Closed Field Unbalanced Magnetron System”) abgeschieden. Für diesen Zweck ist eine Variation des Verfahrens und der Vorrichtung in dem U.S. Patent Nr. 6,726,993 (das '993-Patent ) dargestellt. Die gesamte Offenba rung des '993-Patents ist hierdurch in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen.
Unter Bezugnahme auf 5 ist eine Verfeinerung eines Sputterabscheidungssystems zur Abscheidung der nichtkristallinen Kohlenstoffschichten, das oben dargestellt ist, vorgesehen. 5 sieht eine schematische Draufsicht des Sputtersystems vor. Das Sputtersystem 102 umfasst eine Abscheidungskammer 103 sowie Sputtertargets 104, 106, 108, 110, die nahe zu Magnetsätzen 112, 114, 116, 118 angeordnet sind. Ein zwischen den Targets 104, 106, 108, 110 erzeugtes Magnetfeld ist dadurch gekennzeichnet, dass sich Feldlinien zwischen den Magnetrons erstrecken, wobei ein geschlossenes Feld gebildet wird. Das geschlossene Feld bildet eine Barriere, die ein Entweichen von Elektronen in dem plasmahaltigen Bereich 122 verhindert. Überdies unterstützt diese Konfiguration eine Ionisierung in dem Raum innerhalb des geschlossenen Feldes mit erhöhter Ionenbeschussintensität. Hierdurch wird eine hohe Ionenstromdichte erreicht. Das Substrat 124 (d. h. die Metallplatte 12) wird an der Plattform 126 gehalten, die entlang der Richtung d₁ rotiert. Ein Flipper bzw. eine Schwenkvorrichtung 132 bewirkt eine Drehung des Substrats 124 um eine Richtung d₂ während eines Zyklus der Plattform 126. Bei einem Beispiel sind die Sputtertargets 104, 106 Kohlenstofftargets, während die Sputtertargets 108, 110 Metalldotiermittel aufweisen. Überdies sehen bei diesem Beispiel die Magnetsätze 112, 114 ein intensiveres Magnetfeld vor, als die Magnetsätze 116, 118. Dieses magnetische Ungleichgewicht ermöglicht, dass weniger Dotiermittel gesputtert wird, als Kohlenstoff. Wenn das System 102 verwendet ist, wird der Vorkonditionierungsschritt a) vorteilhafterweise durch Ionenätzen innerhalb der Abscheidungskammer 103 ausgeführt. Es ist auch überraschend entdeckt worden, dass bei einer Anordnung eines Substrats 124 relativ nahe den Sputtertargets 104, 106, 108, 110 die Tendenz zur Bildung von nichtkristallinem Kohlenstoff im Gegensatz zu graphitischem Kohlenstoff besteht. Bei einem Beispiel beträgt eine Distanz d₃, die die nächste Distanz von dem Zentrum des Substrates 124 zu dem Target 104 während einer Bewegung des Substrats ist, etwa 5 cm bis etwa 20 cm.
Bei einer Variation der vorliegenden Ausführungsform werden Graphittargets in einer Kammer unter dem Einfluss eines unbalancierten Magnetronfeldes mit geschlossenem Feld gesputtert. Ein nutzbares Sputtersystem ist das Teer UDP 650-System. Zwei Graphittargets werden an starken Magnetrons angeordnet, die bei einem Strom im Bereich von 5 A–50 A in einer Magnetronanordnung mit geschlossenem Feld gesputtert werden. Zwei Metalldotiermitteltargets werden an zwei schwächeren Magneten angeordnet. Der Druck in der Sputterkammer kann im Bereich von 1 × 10^–6 bis 1 × 10^–4 liegen, eine Vorspannung kann im Bereich von –400 V bis –20 V liegen, eine Impulsbreite kann zwischen 250 Nanosekunden und 2.000 Nanosekunden liegen, und ein gepulster DC kann bei einer Frequenzrate von 400 kHz bis 50 kHz liegen und ein Argondurchfluss kann im Bereich von 200 sccm bis 20 sccm für eine Zeitdauer von 10 Minuten bis 500 Minuten liegen. Der Film kann in einer Dicke im Bereich von 5 nm bis 1.000 nm oder 10 nm bis 50 nm abgeschieden werden.
Die 6A und 6B sehen rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von amorphen Kohlenstoffschichten vor, die auf rostfreiem Stahl abgeschieden sind. 6A zeigt eine nicht behandelte Kohlenstoffoberfläche, während 6B die plasmabehandelte Oberfläche zeigt. Die Proben werden aufgrund der Abwesenheit von Spitzen in einem Röntgenbeugungsspektrograph als amorph bestimmt. 7 sieht eine Aufzeichnung des Kontaktwiderstands gegenüber dem Druck vor. Der Druck in dieser Messung ist der Druck, der auf eine mehrschichtige Struktur ausgeübt wird, die eine mit nichtkristallinem Kohlenstoff beschichtete Metallplatte auf weist. Bei Drücken, die für Brennstoffzellenanwendungen repräsentativ sind (> 100 psi), wird der Kontaktwiderstand als kleiner als 10 mohm-cm² beobachtet. Ein weiterer Nachweis der geringen Kontaktwiderstände, die durch die Kohlenstoff beschichteten Bipolarplatten geboten werden, ist in 8 gezeigt. 8 ist eine Aufzeichnung des Hochfrequenzwiderstands (HFR) gegenüber einer Stromdichte für Brennstoffzellen, die die Bipolarplatte enthalten. Insbesondere bei Stromdichten von größer als 0,4 A/cm² sind geringe HFRs deutlich dargestellt.
Es wird die Stabilität der Brennstoffzellenstapel, die Brennstoffzellen aufweisen, die eine mit einer nichtkristallinen Kohlenstoffschicht beschichtete Bipolarplatte verwenden, bewertet. 9 sieht Aufzeichnungen für drei Brennstoffzellen in einem Stapel aus Brennstoffzellen vor, um die Feucht/Trocken-Leistungsstabilität zu bewerten. Die Brennstoffzellen bei diesem Experiment werden zuerst mit einer Stromdichte von 0,4 A/cm² vorkonditioniert. Zu verschiedenen Zeitpunkten werden die Stromdichten konstant gehalten. Die überlappenden Aufzeichnungen bei jeder der Test-Stromdichten ist der Nachweis, dass keine der Zellen ausfällt. Insbesondere die Überlappung der Aufzeichnungen bei der Stromdichte von 0,02 A/cm² ist ein guter Nachweis, dass die Kohlenstoffschicht eine effektive Entfernung von Wasser zulässt, da sich bei dieser geringen Dichte das sauerstoffhaltige Zufuhrgas bei einem sehr geringen Durchfluss befindet, was eine Wasserentfernung möglicherweise schwierig machen könnte, sollte das Wasser nicht leicht aus den Kanälen in der Bipolarplatte gleiten.
Während Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung darstellen und beschreiben. Vielmehr ist der in der Anmeldung verwendete Wortlaut ein Wortlaut der Beschreibung anstatt der Einschränkung, und es sei zu verstehen, dass verschiedene Änderungen ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung durchgeführt werden können.
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 5314716 [0041]
- US 6726993 [0042, 0042, 0042]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- ANSI B46.1 [0028]

Claims

Strömungsfeldplatte für Brennstoffzellenanwendungen, umfassend: eine Metallplatte mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche eine Vielzahl von Kanälen zum Lenken einer Strömung einer ersten gasförmigen Zusammensetzung definiert; und eine nichtkristalline Kohlenstoffschicht, die über zumindest einem Abschnitt der Metallplatte angeordnet ist, wobei die nichtkristalline Kohlenstoffschicht eine Kohlenstoffschichtoberfläche mit einem Kontaktwinkel von weniger als etwa 30 Grad besitzt.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei der Kontaktwinkel kleiner als 20 Grad ist.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoffschicht mit einem Dotiermittelatom dotiert ist.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 3, wobei das Dotiermittelatom ein Metallatom ist.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei die nichtkristalline Kohlenstoffschicht amorphen Kohlenstoff umfasst.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoffschicht weniger als etwa 10 Gewichtsprozent kristallinen Kohlenstoff umfasst.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche der Kohlenstoffschicht eine aktivierte Oberfläche ist.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 7, wobei die Oberfläche der Kohlenstoffschicht Stickstoff- oder Sauerstoffatome umfasst.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 8, wobei die Oberfläche der Kohlenstoffschicht im Mittel zumindest 5 Poren pro μm² umfasst.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 8, wobei die Kohlenstoffschicht ein Rauheitsmittel zwischen etwa 200 bis etwa 1000 nm besitzt.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei die zweite Oberfläche eine Vielzahl von Kanälen zum Lenken einer Strömung einer zweiten gasförmigen Zusammensetzung definiert.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei die zweite Oberfläche eine zweite nichtkristalline Kohlenstoffschicht aufweist.
Brennstoffzelle, umfassend: eine erste Strömungsfeldplatte, umfassend: eine Metallplatte mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche eine Vielzahl von Kanälen zum Lenken einer Strömung einer ersten gasförmigen Zusammensetzung definiert; und eine nichtkristalline Kohlenstoffschicht, die über zumindest einem Abschnitt der Metallplatte angeordnet ist, wobei die nichtkristalline Kohlenstoffschicht eine Kohlenstoffschicht oberfläche mit einem Kontaktwinkel von weniger als etwa 30 Grad besitzt; eine erste Katalysatorschicht, die über der ersten Strömungsfeldplatte angeordnet ist; eine Ionenleiterschicht, die über der ersten Katalysatorschicht angeordnet ist; eine zweite Katalysatorschicht, die über der Ionenleiterschicht angeordnet ist; und eine zweite Strömungsfeldplatte, die über der zweiten Katalysatorschicht angeordnet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 13, mit einem Kontaktwiderstand von weniger als etwa 20 mOhm-cm².
Brennstoffzelle nach Anspruch 13, wobei eine Oberfläche der Kohlenstoffschicht einen Kontaktwinkel von weniger als 20 Grad besitzt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 13, wobei die nichtkristalline Kohlenstoffschicht mit einem Dotiermittelatom dotiert ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 13, wobei das Dotiermittelatom ein Metallatom ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 13, wobei die Oberfläche der Kohlenstoffschicht eine aktivierte Oberfläche ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 18, wobei die Oberfläche der Kohlenstoffschicht Stickstoff- oder Sauerstoffatome umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 18, wobei die Oberfläche der Kohlenstoffschicht im Mittel zumindest 5 Poren pro μm² umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei die Kohlenstoffschicht ein Rauheitsmittel zwischen etwa 50 bis etwa 300 nm besitzt.
Verfahren zum Herstellen einer Strömungsfeldplatte, wobei die Strömungsfeldplatte umfasst: eine Metallplatte mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche eine Vielzahl von Kanälen zum Lenken einer Strömung einer ersten gasförmigen Zusammensetzung definiert; und eine nichtkristalline Kohlenstoffschicht, die über zumindest einem Abschnitt der Metallplatte angeordnet ist, wobei die nichtkristalline Kohlenstoffschicht eine Kohlenstoffschichtoberfläche mit einem Kontaktwinkel von weniger als etwa 30 Grad besitzt, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine nichtkristalline Kohlenstoffschicht auf der Metallplatte abgeschieden wird; und die Oberfläche der Kohlenstoffschicht aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Oberfläche der Kohlenstoffschicht mit einem Plasma aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Plasma ein DC-Plasma, ein HF-Plasma, ein Mikrowellenplasma oder ein Heißfilamentplasma ist.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Oberfläche der Kohlenstoffschicht chemisch aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Oberfläche der Kohlenstoffschicht vor einer Abscheidung der nichtkristallinen Kohlenstoffschicht vorkonditioniert wird.