DE102009057398A1

DE102009057398A1 - Verfahren zum Beschichten eines Substrates mit ein Metalloxid aufweisenden Nanopartikeln

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Publication number: DE102009057398A1
Application number: DE102009057398A
Authority: DE
Inventors: Mahmoud H. Abd Grosse Pointe Woods Elhamid; Youssef M. Sterling Heights Mikhail; Gayatri Vyas Rochester Hills Dadheech; Curtis A. Macomb Township Wong
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-12-16
Filing date: 2009-12-08
Publication date: 2010-09-02
Also published as: CN101916863A; US20100151135A1; US8871294B2

Abstract

Eine beispielhafte Ausführungsform kann ein Verfahren aufweisen, das umfasst, dass: eine Lösung, die eine organometallische Verbindung umfasst, auf einem Substrat abgeschieden wird, die Lösung getrocknet wird, um einen Film der organometallischen Verbindung bereitzustellen, und eine organische Komponente der organometallischen Verbindung zumindest teilweise oxidiert wird, um Metalloxid aufweisende Nanopartikel auf dem Substrat bereitzustellen, die vielfache industrielle Anwendungen besitzen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
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.
HINTERGRUND
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.
ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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.
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.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
11 ein FE-REM von Titanoxid-Nanopartikeln zeigt, die durch ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform hergestellt sind.
12 ein anderes FE-REM von Titanoxid-Nanopartikeln zeigt, die durch ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform hergestellt sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter (illustrativer) Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
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 M_XO_a 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 M1_xM2_yM3_zO_a 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die 11 bis 12 sind FE-REM-Mikrophotographien von Titanoxid-Nanopartikeln, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hergestellt sind.
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.
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.
Mikroporöse Schicht
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.
Gasdiffusionsmediumschicht
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.
Elektrodenschichten
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.
Membran
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.
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.
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.
Bipolarplatten
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.
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.
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.
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.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 4272353 [0038]
- US 3134689 [0038]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Journal of Power Sources, Band 28 (1990), Seiten 367-387 [0038]

Claims

Verfahren, umfassend, dass: eine Lösung, die eine organometallische Verbindung umfasst, auf einem Substrat abgeschieden wird, die Lösung getrocknet wird, um einen Film der organometallischen Verbindung bereitzustellen, und eine organische Komponente der organometallischen Verbindung zumindest teilweise oxidiert wird, um Metalloxide aufweisende Nanopartikel auf dem Substrat bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Lösung Titanisopropoxid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Lösung ein Lösemittel aufweist, das n-Hexan umfasst, und/oder wobei das Titanisopropoxid in etwa 1 Gewichtsprozent vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die organometallische Verbindung in etwa 0,1 bis 5 Gewichtsprozent vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Bipolarplatte ein Material mit geringem Kontaktwiderstand aufweist, das über einer Fläche derselben abgeschieden wird, und wobei die Lösung über der Schicht mit geringem Kontaktwiderstand abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Bipolarplatte eine Fläche aufweist, die ein darin definiertes Reaktionsgasströmungsfeld besitzt, das eine Mehrzahl von Stegen und Kanälen aufweist, und wobei die Lösung über den Stegen und Kanälen abgeschieden wird, ferner bevorzugt umfassend, dass die Lösung von Stegen vor dem Trocknen entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Bipolarplatte eine Seite aufweist, die einen Reaktionsgasströmungskanal definiert, der eine Mehrzahl von Stegen und Kanälen aufweist, und ferner umfassend, dass vor dem Abscheiden der Lösung eine Maskierung auf den Stegen abgeschieden wird, um die Kanäle freiliegend zu belassen, und ferner umfassend, dass die Maskierung nach dem Trocknen für die Oxidierung entfernt wird, um die Schicht, die Metalloxide aufweisende Nanopartikel aufweist, nur an der die Kanäle definierenden Oberfläche zu belassen, und/oder wobei eine Fläche der Bipolarplatte ein Reaktandengasströmungsfeld definiert, das eine Mehrzahl von Stegen und Kanälen aufweist, und ferner umfassend, dass die Lösung von den Stegen, der Film der organometallischen Verbindung an den Stegen oder die Schicht aus Nanopartikeln, die Metalloxide aufweisen, an den Stegen entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine Gasdiffusionsmediumschicht einer Brennstoffzelle; eine mikroporöse Schicht einer Brennstoffzelle; eine Brennstoffzellen-Katalysatorschicht oder eine Brennstoffzellenmembran umfasst, und/oder wobei das Substrat Glas umfasst, und/oder wobei das Substrat ein Polymermaterial umfasst, und/oder wobei das Substrat eine Fahrzeugscheibe, eine Windschutzscheibe, eine Scheinwerferabdeckung oder eine Rückleuchtenabdeckung umfasst, und/oder ferner umfassend, dass die Nanopartikel dazu verwendet werden, Wasserstoff zu erzeugen, während die Umgebung von organischem Schmutz gereinigt wird, und zwar unter Verwendung der großen Oberfläche der Nanopartikel sowie der photoelektrochemischen Eigenschaften der Nanopartikel, und/oder wobei das Substrat ein poröses Opfermaterial umfasst, und ferner umfassend, dass das poröse Material entfernt wird, um Nanopartikel in der Form der Porenstruktur des porösen Materials zurückzulassen, und/oder wobei das Substrat eine poröse verwobene Opfermatte umfasst, die eine Mehrzahl zufällig positionierter Fasern aufweist, und die Opfermatte durch Abbrennen entfernt wird, um eine Mehrzahl stabförmiger Nanopartikel oder Nanopartikel mit gut definierten Geometrien bereitzustellen, und/oder ferner umfassend, dass: ein Katalysator auf die Nanopartikel beschichtet wird, um katalysatorbeschichtete Nanopartikel bereitzustellen; eine Brennstoffzellenelektrode unter Verwendung der katalysatorbeschichteten Nanopartikel gebildet wird.
Prozess, umfassend, dass: eine organometallische Lösung zu einer Polyelektrolytlösung hinzugefügt wird, um eine Mischung zu bilden; die Mischung so gegossen wird, dass die Metalloxidpartikel an dem Polyelektrolyt anbinden, um eine Selbstbefeuchtungsmembran zu erzeugen.