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TECHNISCHES GEBIET
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Das
Gebiet, das die Offenbarung allgemein betrifft, umfasst Verfahren
zum Herstellen von Nanopartikel aufweisenden Beschichtungen und
Nanopartikel aufweisenden Produkten, die eine Schicht besitzen,
die organometallische Nanopartikel oder ein Metalloxid aufweisende
Nanopartikel besitzt.
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HINTERGRUND
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Brennstoffzellen
erzeugen Energie durch die elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und
Sauerstoff/Luft mit Wasser als einem Endprodukt. Innerhalb der Brennstoffzellen
kann sich Wasser in Reaktionsgasverteilungskanälen ansammeln, die
in Brennstoffzellen-Bipolarplatten ausgebildet sind, wodurch der
Massentransport der Reaktandengase durch die Kanäle und
zu der Katalysatorschicht, an der die elektrochemische Reaktion
stattfindet, reduziert wird. Ferner kann die Ansammlung von Wasser
an einer Mehrzahl anderer Substrate ebenfalls unerwünscht
sein. Zusätzlich können Metalloxide aufweisende
Nanopartikel eine Mehrzahl von Anwendungen besitzen.
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ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Eine
beispielhafte Ausführungsform umfasst, dass eine flüssige
Beschichtung auf einem Substrat gebildet wird, wobei die flüssige
Beschichtung eine reaktive organometallische Verbindung aufweist,
die in einem nichtpolaren Lösemittel gelöst ist,
die flüssige Beschichtung getrocknet wird, um einen Film
bereitzustellen, der die organometallische Verbindung aufweist,
und oxidiert (zersetzt) wird.
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Andere
beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus
der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es
sei 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 zu beschränken.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Beispielhafte
Ausführungsformen der Erfindung werden aus der detaillierten
Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in
welchen:
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1A ein
Produkt und ein Verfahren zur Herstellung desselben, umfassend,
dass eine Lösung, die eine organometallische Verbindung
aufweist, auf einem Substrat abgeschieden wird, gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform zeigt.
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1B ein
Produkt und ein Verfahren zur Herstellung desselben, umfassend,
dass die Lösung, die auf dem Substrat von 1 abgeschieden
ist, getrocknet wird, um einen Film eines organisch metallischen
Materials auf dem Substrat zu bilden, gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform zeigt.
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1C ein
Produkt und ein Verfahren zur Herstellung desselben, umfassend,
dass der Film auf dem Substrat von 1B oxidiert
(zersetzt) wird, um eine Schicht, die ein Metalloxid enthaltende
Nanopartikel enthält, zu bilden, gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform zeigt.
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2 ein
Produkt und ein Verfahren zur Herstellung desselben, umfassend eine
Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit einer Schicht, die ein Metalloxid aufweisende
Nanopartikel aufweist und die selektiv darauf abgeschieden ist,
gemäß einer beispielhaften Ausführungsform
zeigt.
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3 eine
alternative Ausführungsform einer Brenstoffzellen-Bipolarplatte
mit einer Schicht, die ein Metalloxid aufweisende Nanopartikel aufweist und
die selektiv darauf abgeschieden ist, gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform zeigt.
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4 eine
weitere Ausführungsform einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte
mit einer einen niedrigen Kontaktwiderstand aufweisenden Beschichtung, die über
einer Fläche der Bipolarplatte abgeschieden ist, und einer
Schicht, die ein Metalloxid aufweisende Nanopartikel aufweist und
die über den Abschnitten der einen niedrigen Kontaktwiderstand
aufweisenden Schicht selektiv abgeschieden ist, gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform zeigt.
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5 eine
Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit einem einen geringen Kontaktwiderstand
aufweisenden Material, das selektiv auf Stegen einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte
abgeschieden ist, und einer Schicht, die ein Metalloxid aufweisende
Nanopartikel aufweist und die selektiv in den Kanälen der
Bipolarplatte abgeschieden ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform
zeigt.
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6 eine
Schnittansicht eines Abschnitts eines Brennstoffzellenstapels mit
einer Schicht, die ein Metalloxid aufweisende Nanopartikel aufweist und
die über Abschnitten einer oder mehrerer von Brennstoffkomponenten
in dem Brennstoffzellenstapel abgeschieden ist, gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform ist.
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7 ein
Produkt mit einer Schicht, die ein Metalloxid aufweisende Nanopartikel
aufweist und die an einer Fläche desselben geformt ist,
gemäß einer beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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8 eine
Schnittansicht eines Gehäuses mit einer Schicht, die ein
Metalloxid aufweisende Nanopartikel aufweist und die auf einer Fläche
des Gehäuses abgeschieden ist, gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform zeigt.
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9 eine
Mehrzahl von Metalloxidpartikeln oder -stäben, die durch
Beschichten eines porösen Filterpapiers mit einer organometallischen
Verbindung, Trocknen und Oxidieren (Zersetzen) derselben und Abbrennen
des Filterpapiers geformt sind, gemäß einer beispielhaften
Ausführungsform zeigt.
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10 eine
Mehrzahl von Metalloxid-Nanopartikel-Stäben, die durch
Abscheiden einer Lösung, die eine organometallische Verbindung
aufweist, über einer aus zufälligen Kohlefasern
gebildeten Matte, Trocknen der Lösung und Oxidieren des
resultierenden Filmes sowie Abbrennen der Kohlenstoffmatte, um die
Nanopartikelstäbe oder eine beliebige gewünschte
Morphologie abhängig von der Vorlage zu bilden, gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform zeigt.
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11 ein
FE-REM von Titanoxid-Nanopartikeln zeigt, die durch ein Verfahren
gemäß einer Ausführungsform hergestellt
sind.
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12 ein
anderes FE-REM von Titanoxid-Nanopartikeln zeigt, die durch ein
Verfahren gemäß einer Ausführungsform
hergestellt sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich
beispielhafter (illustrativer) Natur und nicht dazu bestimmt, die
Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
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Eine
beispielhafte Ausführungsform der Erfindung umfasst, dass
ein Material, das eine organometallische Verbindung aufweist, oxidiert
wird, um ein Metalloxid enthaltende Nanopartikel bereitzustellen.
Bei einer Ausführungsform wird im Wesentlichen der gesamte
organische Gehalt der organometallischen Verbindung oxidiert/zersetzt,
wobei im Wesentlichen nur Metalloxide zurückbleiben. Die
organometallische Verbindung kann auf einem Substrat als eine Lösung
abgeschieden werden, die Lösung kann getrocknet werden,
um einen die organometallische Verbindung enthaltenden Film bereitzustellen, und
anschließend wird der Film, der die organometallische Verbindung
enthält, oxidiert, um das Metalloxid enthaltende Nanopartikel
bereitzustellen, die fest an dem Substrat anhaften. Die ein Metalloxid
enthaltenden Nanopartikel können eine Mehrzahl von Anwendungen
besitzen. Derartige Anwendungen können umfassen, sind jedoch
nicht darauf beschränkt, ein Abscheiden der Nanopartikel
an, in oder durch ein Substrat, um diesem hydrophile Eigenschaften
zu verleihen, oder die Nanopartikel, die Metalloxide enthalten,
können als ein elektrochemischer stabiler Katalysatorträger
mit großer Oberfläche oder als ein Wasserstoffspeicher-
und Wasserstofferzeugungsmaterial verwendet werden. Bei einer Ausführungsform
kann das Metalloxid die Formel MXOa besitzen, wobei sowohl x als auch a größer
als 0 und kleiner als 10 sind. Die Metallkomponente (M) kann ein
einzelnes Element oder mehrere Elemente umfassen. Beispielsweise
können bei einer anderen Ausführungsform die Metalloxide
die Formel M1xM2yM3zOa besitzen, wobei
sowohl x als auch a größer als 0 und kleiner als
10 sind und sowohl y als auch z kleiner als oder gleich 0 und kleiner
10 sind.
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Um
hydrophile Eigenschaften bereitzustellen und als ein Katalysatorträger
zu funktionieren, kann die Metallkomponente des Metalloxids aufweisen,
ist jedoch nicht darauf beschränkt, Titan, Tantal, Zirkonium
oder Niob. Zur Wasserstoffspeicherung kann die Metallkomponente
der nun Partikel-Metalloxide aufweisen, ist jedoch nicht darauf
beschränkt, Titan, Tantal und/oder Zirkonium. Wasserstoff
kann an Materialien mit großer Oberfläche gespeichert
werden, die durch den Prozess erzeugt werden und Nanopartikel, die
im Wesentlichen aus Metalloxiden bestehen, aufweisen können,
oder die organische Komponente der organometallischen Verbindung
kann nur teilweise oxidiert sein, um eine Mehrzahl von Metalloxiden
zurück zu lassen, die durch organische Streben miteinander
verbunden sind. Die vorliegende Erfindung kann dazu verwendet werden,
Materialien zur Wasserstofferzeugung herzustellen, die die Halbleitereigenschaften
des nanokristallinen Metalloxids mit großer Oberfläche
verwenden. Wenn Licht mit einer gut definierten Wellenlänge
auf das Metalloxid beleuchtet wird, bewegen sich Elektronen von
dem Valenzband des Halbleiteroxids von dem Valenzband zu dem Leitungsband,
wobei positive Löcher zurückbleiben, von denen
bekannt ist, dass sie starke Oxidationsmittel darstellen, die dazu
verwendet werden können, organische Schmutzstoffe/Abfall
zu oxidieren. Die freien Elektronen können dann an einer
anderen Elektrode abgefangen werden, um Wasserstoff zu entwickeln.
Somit könnten die vorliegenden Materialien zur Herstellung
von Wasserstoff verwendet werden, während die Umgebung
von organischem Abfall/Schmutzstoffen gereinigt wird.
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Nun
Bezug nehmend auf 1A umfasst eine Ausführungsform
der Erfindung, dass eine organometallische Lösung 14 auf
einem Substrat 12 abgeschieden wird. Die Lösung
umfasst eine organische metallische Verbindung in einem Lösemittel,
die ein nichtpolares Lösemittel aufweisen kann, jedoch nicht
darauf beschränkt ist. Anschließend kann, wie in 1B gezeigt
ist, die Lösung 14 getrocknet werden, um eine
Schicht oder einen Film der organometallischen Verbindung 16 bereitzustellen.
Die organometallische Verbindung kann ein einzelnes Material sein,
oder es kann eine Mehrzahl organometallischer Materialien enthalten
sein, wobei die organische Komponente und/oder die metallische Komponente variiert.
Wie in 1C gezeigt, kann der Film oder die
Schicht aus organometallischer Verbindung 16 dann oxidiert/zersetzt
werden, wobei beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt,
der Film Luft ausgesetzt wird, um eine Schicht 18 aus einem
Film, der ein Metalloxid aufweisende Nanopartikel aufweist, bereitzustellen.
Wenn es notwendig ist oder verlangt wird, können zusätzliche
Oxidierungsprozesse verwendet werden, um die organische Komponente oder
die metallische Komponente der organometallischen Verbindung vollständig
oder teilweise zu oxidieren.
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Nun
Bezug nehmend auf 2 umfasst eine beispielhafte
Ausführungsform, dass ein Substrat 12 bereitgestellt
wird, das eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte sein kann, die ein
einzelnes Teil sein kann oder ein erstes Teil 12a und ein
zweites Teil 12b enthalten kann, die miteinander verbunden
sind. Jedes des ersten Teils 12a und des zweiten Teils 12b kann
eine erste Seite 20 aufweisen, die darin definiert ein
Reaktandengasströmungsfeld besitzt, das eine Mehrzahl von
Stegen 22 und Kanälen 24 aufweist, durch
die die Reaktandengase strömen. Eine zweite Seite 26 kann
darin definiert zumindest einen Anteil eines Kühlkanals 28 zum
Strömen von Kühlfluid hindurch, um die Brennstoffzelle
zu kühlen, aufweisen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform
kann ein Maskierungsmaterial 21 an den Stegen abgeschieden sein,
wobei die Kanäle freiliegend zurückbleiben. Die organometallische
Lösung 14 kann über der Maskierung 21 und
in die Kanäle 24 abgeschieden oder daran geformt
werden, wie an Teil 12a gezeigt ist. Die Lösung 14 kann
durch Tauchen der Bipolarplatte in eine Lösung des Bades,
Sprühen, Walzen oder eine andere geeignete Technik geformt
oder abgeschieden oder aufgetragen werden. Nachdem die Lösung 14 getrocknet
und/oder oxidiert worden ist, kann die Maskierung 21 einschließlich
des daran angebrachten Filmes oder der daran angebrachten Nanopartikel
entfernt werden, um eine Schicht oder einen Film aus Nanopartikeln
zurückzulassen, der nur in den Kanälen 24 abgeschiedene
Metalloxide aufweist. Obwohl eine Maskierung sicherstellt, dass
die frisch hergestellten Titanoxidnanopartikel nicht die Stege bedecken
und den Kontaktwiderstand stören, ist es möglich,
dass die Nanopartikel unter Verwendung von Düsen aufgetragen
werden können, die nur die reaktive organometallische nur
innerhalb der Kanäle auftragen, die sich in die Nanopartikel
innerhalb den Kanälen zersetzt, wobei die Stege intakt
bleiben Nun Bezug nehmend auf 3 umfasst
eine andere beispielhafte Ausführungsform eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte 12 mit
einem ersten Teil 12a und einem zweiten Teil 12b,
die durch Stanzen bzw. Prägen von Metallsubstraten, wie
rostfreiem Stahl, geformt sind.
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Nun
Bezug nehmend auf 4 kann ein Material 30 mit
geringem Kontaktwiderstand, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf
beschränkt, Gold, über einem Abschnitt oder der
gesamten ersten Seite 20, einschließlich an den
Stegen 22 und in die den Kanal 24 bildenden Flächen
abgeschieden werden. Die Schicht 18, die Metalloxide aufweisende
Nanopartikel aufweist, kann über dem Material 30 mit
geringem Kontaktwiderstand abgeschieden werden, jedoch bevorzugt
nur an den Flächen, die den Kanal 24 definieren.
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Nun
Bezug nehmend auf 5 umfasst eine weitere beispielhafte
Ausführungsform eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte 12 mit
einem Material 30 mit geringem Kontaktwiderstand, wie beispielsweise,
jedoch nicht darauf beschränkt, Gold, das nur an den Stegen 22 abgeschieden
ist, wobei die Schicht 18, die Metalloxide aufweisende
Nanopartikel aufweist, nur an den die Kanäle 24 formenden
Flächen abgeschieden ist.
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6 ist
eine Schnittansicht eines Abschnitts eines Brennstoffzellenstapels,
der eine Membran aufweist, die eine Protonenaustauschmembran 38 sein
kann und eine erste Seite [engl.: ”phase”] 37 und
eine entgegengesetzte zweite Seite [engl.: ”phase”] 39 besitzt.
Ein erster Katalysator 36 kann an der ersten Seite 37 der
Membran 38 abgeschieden sein, und ein zweiter Katalysator 40 kann an
der zweiten Membranseite 39 abgeschieden sein. Eine Schicht 18,
die Metalloxide aufweisende Nanopartikel aufweist, kann an einer
der Brennstoffzellenkomponenten, wobei sie eine Fläche
vollständig bedeckt oder selektiv darauf abgeschieden ist,
oder in oder durch verschiedene Brennstoffzellenkomponenten abgeschieden
sein. Beispielsweise kann eine Schicht 18, die Metalloxide
aufweisende Nanopartikel aufweist, an einer oder beiden der Katalysatorschichten 36, 40 abgeschieden
sein. Alternativ dazu kann die Schicht 18, die Metalloxide
aufweisende Nanopartikel aufweist, an jeder Diffusionsmediumschicht 32, 34 oder
an jeder mikroporösen Schicht 34, 42 abgeschieden
sein, wenn an den Gasdiffusionsmediumschichten 32, 34 vorhanden.
Die erste Gasdiffusionsmediumschicht 32 kann eine erste
Seite 31 und eine entgegengesetzte zweite Seite 33 aufweisen. Ähnlicherweise
kann die zweite Gasdiffusionsmediumschicht 44 eine erste
Seite 43 und eine entgegengesetzte zweite Seite 45 aufweisen.
Die Schicht 18, die Metalloxide aufweisende Nanopartikel
aufweist, kann direkt auf der zweiten Seite 33, 45 der
ersten Gasdiffusionsmediumschicht 32 bzw. der zweiten Gasdiffusionsmediumschicht 44 abgeschieden
sein. Bei noch einer weiteren Ausführungsform kann die Schicht 18 an
der ersten Seite 30 benachbart der Bipolarplatte 12a oder
an der ersten Seite 43 benachbart dem zweiten Bipolarplattenabschnitt 12b abgeschieden
sein. Bei einer Ausführungsform kann die Schicht 18,
die Metalloxide aufweisende Nanopartikel aufweist, auf eine Art
und Weise abgeschieden sein, die allgemein mit den Kanälen 24,
die in den Bipolarplattenabschnitten 12a, 12b geformt
sind, ausgerichtet ist. Bei einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform
können die Nanopartikel 18', die Metalloxide aufweisen,
durch zumindest Abschnitte des Körpers der Gasdiffusionsmediumschichten 32, 44,
beispielsweise in einem Bereich abgeschieden werden, der unter den
in der Bipolarplatte 12a, 12b geformten Kanälen 24 liegt.
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Nun
Bezug nehmend auf 7 kann bei einer noch weiteren
beispielhaften Ausführungsform die Schicht 18,
die Metalloxide aufweisende Nanopartikel aufweist, an einem Substrat 12 abgeschieden werden,
wie einem Glassubstrat, das eine Fahrzeugscheibe oder eine Windschutzscheibe
sein kann.
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Nun
Bezug nehmend auf 8 kann bei einer noch weiteren
beispielhaften Ausführungsform die Schicht 18,
die Metalloxide aufweisende Nanopartikel aufweist, an einer Fläche
eines Gehäusesubstrates 12 abgeschieden werden,
wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, einer
Gehäuseabdeckung eines Fahrzeug-Scheinwerfers oder einer Fahrzeug-Rückleuchte,
um an deren Oberfläche hydrophile Eigenschaften bereitzustellen
und eine Kondensation von Wassertröpfchen zu reduzieren.
Die hydrophile Beschaffenheit des nanokristallinen Metalloxids kann
bei Beleuchtung durch das Gehäuselicht weiter gesteigert
werden. Das Licht erzeugt positive Löcher innerhalb des
Oxids, die die meisten organischen Schmutzstoffe potentiell oxidieren
können, wodurch die Oberfläche des Gehäuses
weniger anfällig gegenüber Luftverschmutzung gemacht
wird.
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Nun
Bezug nehmend auf 9 kann eine Mehrzahl von Nanopartikelrods
bzw. -stäben vorgesehen und in einer Mehrzahl von Anwendungen
verwendet werden, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt,
Katalysatoren oder zur Wasserstoffspeicherung. Die Stäbe 18 können
bei einer Ausführungsform durch Abscheiden einer organometallischen
Lösung auf einer porösen Fasermatte, die verwoben
sein kann, gebildet sein. Die Matte kann aus einem Opfermaterial
hergestellt sein, wie Kohlenstoff, der abgebrannt, geätzt
oder anderweitig entfernt werden kann, um die Mehrzahl von Metalloxidstäben 18 zurückzulassen.
Gleichermaßen kann, wie in 10 gezeigt
ist, die Mehrzahl von Stäben 18 in einer zufälligen
Form unter Verwendung einer Matte mit nicht verwobenen bzw. vliesartigen,
zufällig positionierten Fasern, Abscheiden der organometallischen
Lösung, Trocknen derselben und Oxidieren derselben, vorgesehen
werden. Die Kohlenstoffmatte kann abgebrannt werden, um die Mehrzahl
von Nanopartikelstäben 18 bereitzustellen.
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Bei
einer anderen Ausführungsform wird die Lösung
in den Poren eines porösen Materials abgeschieden, getrocknet
und oxidiert, und anschließend wird das poröse
Material entfernt, um Nanopartikel in der Form der Poren zurückzulassen.
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Die 11 bis 12 sind
FE-REM-Mikrophotographien von Titanoxid-Nanopartikeln, die gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung hergestellt sind.
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Bei
einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird
eine reaktive organometallische Titanverbindung in einem nichtpolaren
Lösemittel mit niedrigem Siedepunkt gelöst, um
eine Lösung bereitzustellen, die 0,1 bis 2 Gewichtsprozent
der organometallischen Verbindung enthalten kann. Bei einer Ausführungsform
wurden die Nanopartikel aus 1 Gewichtsprozent Titanisopropoxid in
n-Hexan hergestellt. Andere Lösemittel können
umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, n-Heptan,
Xylen oder Ethylacetat. Der Gewichtsprozentsatz der organischen
metallischen Verbindung, die in der Lösung enthalten ist,
kann im Bereich von 0,1 bis 5, 0,1 bis 2, 0,1 bis 1 Gewichtsprozent
oder Bereichen dazwischen liegen.
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Wieder
Bezug nehmend auf 6 ist das Folgende eine Beschreibung
einer nicht beschränkenden beispielhaften Ausführungsform
verschiedener Brennstoffzellenkomponenten, an denen, in denen oder
durch die die Schicht, die Metalloxide aufweisende Nanopartikel
aufweist, abgeschieden sein können.
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Mikroporöse Schicht
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Bei
einer Ausführungsform kann die mikroporöse Schicht
aus Materialien, wie Kohlenstoffrußen, und hydrophoben
Bestandteilen, wie Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyvinylidenfluorid
(PVDF), hergestellt sein und kann eine Dicke im Bereich von etwa
2 bis 100 Mikrometer besitzen. Bei einer Ausführungsform
kann die mikroporöse Schicht eine Mehrzahl von Partikeln
aufweisen, beispielsweise einschließlich graphitisiertem
Kohlenstoff und einem Binder. Bei einer Ausführungsform
kann der Binder ein hydrophobes Polymer aufweisen, wie beispielsweise,
jedoch nicht darauf beschränkt, Polyvinylidenfluorid (PVDF),
Fluorethylenpropylen (FEP), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder andere
organische oder anorganische hydrophobe Materialien. Die Partikel und
der Binder können in einer flüssigen Phase enthalten
sein, der beispielsweise eine Mischung eines organischen Lösemittels
und Wasser sein kann, um eine Dispersion bereitzustellen. Bei verschiedenen Ausführungsformen
kann das Lösemittel 2-Propanol, 1-Propanol und/oder Ethanol,
etc. aufweisen. Die Dispersion kann auf ei nem Brennstoffzellensubstrat, wie
einer Gasdiffusionsmediumschicht oder einer hydrophoben Beschichtung über
der Gasdiffusionsmediumschicht aufgetragen werden. Bei einer anderen Ausführungsform
kann die Dispersion auf eine Elektrode aufgetragen werden. Die Dispersion
kann (durch Verdampfen des Lösemittels) getrocknet werden
und die resultierende getrocknete mikroporöse Schicht kann
60 bis 90 Gewichtsprozent Partikel und 10 bis 40 Gewichtsprozent
Binder aufweisen. Bei verschiedenen anderen Ausführungsformen
kann der Binder im Bereich von 10 bis 30 Gewichtsprozent der getrockneten
mikroporösen Schicht liegen.
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Gasdiffusionsmediumschicht
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Bei
einer Ausführungsform der Erfindung kann die Gasdiffusionsmediumschicht
ein beliebiges elektrisch leitendes poröses Material aufweisen.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Gasdiffusionsmediumschicht
ein nicht verwobenes bzw. vliesartiges 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 bis 40 Mikrometer besitzen. Die Gasdiffusionsmediumschicht kann
eine Dicke im Bereich von etwa 100 bis etwa 500 Mikrometer aufweisen.
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Elektrodenschichten
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Bei
einer Ausführungsform können die Elektroden (Kathodenschicht
und Anodenschicht) Katalysatorschichten sein, die Katalysatorpartikel,
wie Platin, und ein ionenleitendes Material, wie ein protonenleitendes
Ionomer, das mit den Partikeln vermischt ist, aufweisen können.
Das proto nenleitende Material kann ein Ionomer sein, wie ein perfluoriertes
Sulfonsäurepolymer. Die Katalysatormaterialien können Metalle,
wie Platin, Palladium, und Mischungen aus Metallen, wie Platin und
Molybdän, Platin und Kobalt, Platin und Ruthenium, Platin
und Nickel, Platin und Zinn, andere Platin-Übergangsmetall-Legierungen sowie
andere Brennstoffzellenelektrokatalysatoren, die in der Technik
bekannt sind, aufweisen. Die Katalysatormaterialien können
gegebenenfalls fein unterteilt sein. Die Katalysatormaterialien
können ungeträgert oder auf einer Mehrzahl von
Materialien geträgert sein, wie beispielsweise, jedoch
nicht darauf beschränkt, fein unterteilten Kohlenstoffpartikeln.
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Membran
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Es
kann eine Mehrzahl verschiedener Typen von Membranen bei den Ausführungsformen
der Erfindung verwendet werden. Die Festpolymerelektrolytmembran,
die bei verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet
wird, kann ein ionenleitendes Material sein. Beispiele geeigneter
Membranen sind offenbart in den
U.S.
Patenten Nr. 4,272,353 und
3,134,689 sowie
in dem
Journal of Power Sources, Band 28 (1990), Seiten
367-387. Derartige Membranen sind auch als Ionentauscherharzmembrane
bekannt. Die Harze umfassen Ionengruppen in ihrer polymeren Struktur;
eine Ionenkomponente derselben ist von der Polymermatrix fixiert
oder gehalten, und zumindest eine andere Ionenkomponente ist ein
mobiles austauschbares Ion, 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 Bestandteilen hergestellt werden, von denen einer 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 angebunden
sind.
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Die
Bildung dieser Ionentauscherharze in Membranen 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
vertrieben von E. I. DuPont D Nemours & Company mit der Handelsbezeichnung
NAFION. Andere derartige Membranen sind von Asahi Glass and Asahi
Chemical Company erhältlich. Die Verwendung anderer Typen
von Membranen, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt,
perfluorierten Kationentauschermembranen, kohlenwasserstoffbasierten
Kationentauschermembranen wie auch Anionentauschermembranen liegt
ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung.
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Bipolarplatten
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Bei
einer Ausführungsform der Erfindung können die
Bipolarplatten eine oder mehrere Schichten eines Metalls für
ein elektrisch leitendes Verbund- bzw. Kompositmaterial enthalten.
Bei einer Ausführungsform weisen die Bipolarplatten rostfreien
Stahl auf. Die Stege und Kanäle können in der
Bipolarplatte durch maschinelles bzw. spanabhebendes Bearbeiten, Ätzen,
Stanzen bzw. Prägen, Formgebung oder dergleichen geformt
werden. Die Stege und Kanäle können ein Reaktandengasströmungsfeld
definieren, um einen Brennstoff an eine Seite der Bipolarplatte
und ein Oxidationsmittel an die andere Seite der Platte zu liefern.
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Bei
einer Ausführungsform können die Nanopartikel,
die in der Form von Stäben vorliegen können, als
Katalysatorträger für Elektroden verwendet werden.
Die elektrochemische Stabilität zusammen mit der großen
Oberfläche der Nanopartikel, die diejenige der derzeit
verwendeten Kohlenstoffruße bei weitem überschreitet,
von denen bekannt ist, dass sie Stabilitätsprobleme aufweisen,
wie Kohlenstoffkorrosion.
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Eine
Ausführungsform kann umfassen, dass eine Lösung,
die eine organometallische Verbindung umfasst, auf einem Substrat
abgeschieden wird, um einen Film der organometallischen Verbindung
bereitzustellen, und eine organische Komponente der organometallischen
Verbindung zumindest teilweise oxidiert wird, um Nanopartikel bereitzustellen;
ein Katalysator auf die Nanopartikel beschichtet wird, um katalysatorbeschichtete
Nanopartikel bereitzustellen; eine Brennstoffzellenelektrode unter
Verwendung der katalysatorbeschichteten Nanopartikel gebildet wird.
Bei einer anderen Ausführungsform kann eine Lösung,
die katalysatorbeschichtete Nanopartikel aufweist, auf einer Brennstoffzellenmembran,
einer mikroporösen Schicht einer Brennstoffzelle oder einer
Diffusionsmediumschicht einer Brennstoffzelle abgeschieden werden.
Alternativ dazu kann die Lösung, die die katalysatorbeschichteten
Nanopartikel enthält, auf einer Abziehlage abgeschieden
und getrocknet werden, um eine Elektrode zu bilden. Die Elektrode
kann auf eine Brennstoffzellenmembran, eine mikroporöse
Schicht einer Brennstoffzelle oder auf eine Diffusionsmediumschicht
einer Brennstoffzelle aufgetragen werden.
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Eine
weitere Ausführungsform kann einen Prozess umfassen, der
umfasst, dass Brennstoffzellenmembranen hergestellt werden, umfassend,
dass eine organometallische Lösung, die eine organometallische
Verbindung enthält, einer Polyelektrolyt-, wie Nafion-,
Lösung hinzugefügt wird, um eine Mischung bereitzustellen,
und die Mischung so gegossen wird, dass die Metalloxidpartikel,
wie Titanoxid, an dem Polyelektrolyt angebunden sind, um eine Selbstbefeuchtungsmembran
zu erzeugen. Die organische Komponente der organometallischen Verbindung
kann vor oder während des Gießens oxidiert werden,
um Metalloxidpartikel bereitzustellen, die an dem Polyelektrolytpolymer
der Polyelektrolytlösung angebunden sind. Die Hydrophilie
von Titandioxid tendiert dazu, Wasser in der Membran zu halten,
wodurch der Bedarf nach externer Befeuchtung der Membran reduziert
oder beseitigt wird.
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Die
obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung
ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen
derselben nicht als Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang
der Erfindung zu betrachten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 4272353 [0038]
- - US 3134689 [0038]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Journal of
Power Sources, Band 28 (1990), Seiten 367-387 [0038]