DE102011014137A1

DE102011014137A1 - Verfahren zur Beschichtung eines Substrats mit ein Metalloxid umfassenden Nanopartikeln

Info

Publication number: DE102011014137A1
Application number: DE102011014137A
Authority: DE
Inventors: Mahmoud H. Abd Elhamid; Youssef M. Mikhail; Gayatri Vyas Dadheech; Curtis A. Wong
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2011-10-27
Also published as: CN102191499A; US8815335B2; US20100247749A1

Abstract

Eine beispielhafte Ausführungsform kann ein Verfahren aufweisen, welches umfasst, dass: eine Lösung, die eine organometallische Verbindung umfasst, auf einem Substrat abgeschieden wird, die Lösung getrocknet wird, um einen Film aus der organometallischen Verbindung vorzusehen, und eine organische Komponente der organometallischen Verbindung zumindest teilweise oxidiert wird, um Metalloxide umfassende Nanopartikel auf dem Substrat vorzusehen, die vielseitige industrielle Anwendungen finden könnten.

Description

Technisches Gebiet
Das Gebiet, auf das sich die Offenlegung allgemein bezieht, umfasst Verfahren zur Herstellung von Nanopartikel umfassenden Beschichtungen und Nanopartikel umfassenden Produkten, die eine Schicht umfassen, welche organometallische Nanopartikel oder ein Metalloxid umfassende Nanopartikel umfasst.
Hintergrund
Brennstoffzellen erzeugen Energie durch die elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff/Luft mit Wasser als einem Endprodukt. Im Inneren der Brennstoffzellen kann sich Wasser im Inneren von Reaktionsgasverteilungskanälen ansammeln, die in den bipolaren Brennstoffzellenplatten gebildet sind, um dadurch den Massetransport der Reaktandengase durch die Kanäle hindurch und zu der Katalysatorschicht zu reduzieren, wo die elektrischen chemischen Reaktionen stattfinden. Ferner kann auch die Ansammlung von Wasser auf verschiedenen anderen Substraten unerwünscht sein. Darüber hinaus können Metalloxide umfassende Nanopartikel eine Vielfalt von Anwendungsmöglichkeiten besitzen.
Zusammenfassung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung
Eine beispielhafte Ausführungsform umfasst, dass eine flüssige Beschichtung auf einem Substrat gebildet wird, wobei die flüssige Beschichtung eine reaktive organometallische Verbindung umfasst, die in einem nicht polaren Lösemittel gelöst ist, die flüssige Beschichtung getrocknet wird, um einen Film vorzusehen, der die organometallische Verbindung umfasst, und oxidiert (zersetzt) wird.
Weitere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der hierin nachfolgend vorgesehenen detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sollte einzusehen sein, dass die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele, während sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, lediglich Illustrationszwecken dienen sollen und den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken sollen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich, in denen:
1A ein Produkt und ein Verfahren zur Herstellung desselben, umfassend, dass eine Lösung, die eine organometallische Verbindung umfasst, auf einem Substrat abgeschieden wird, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
1B ein Produkt und ein Verfahren zur Herstellung desselben, umfassend, dass die auf dem Substrat von 1 abgeschiedene Lösung getrocknet wird, um einen Film aus einem organischen metallischen Material auf dem Substrat zu bilden, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
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 umfassende Nanopartikel umfasst, zu bilden, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
2 ein Produkt und ein Verfahren zur Herstellung desselben, umfassend eine bipolare Brennstoffzellenplatte mit einer Schicht, die ein Metalloxid umfassende Nanopartikel aufweist und die selektiv drauf abgeschieden ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
3 eine alternative Ausführungsform einer bipolaren Brennstoffzellenplatte mit einer Schicht, die ein Metalloxid umfassende Nanopartikel aufweist und die selektiv darauf abgeschieden ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
4 eine weitere Ausführungsform mit einer einen niedrigen Kontaktwiderstand aufweisenden Beschichtung, die über einer Oberfläche der bipolaren Platte abgeschieden ist, und einer Schicht, die ein Metalloxid umfassende Nanopartikel aufweist und die über Abschnitten der einen niedrigen Kontaktwiderstand aufweisenden Schicht selektiv abgeschieden ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
5 eine bipolare Brennstoffzellenplatte mit einem einen niedrigen Kontaktwiderstand aufweisenden Material, das selektiv auf Stegen einer bipolaren Brennstoffzellenplatte abgeschieden ist, und einer Schicht, die ein Metalloxid umfassende Nanopartikel aufweist und die selektiv in den Kanälen der bipolaren Platte abgeschieden ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
6 eine Schnittansicht eines Abschnitts eines Brennstoffzellenstapels mit einer Schicht, die ein Metalloxid aufweisende Nanopartikel umfasst und die über Abschnitten einer oder mehrerer von Brennstoffkomponenten in dem Brennstoffzellenstapel abgeschieden ist, gemäß einer beispielhaftere Ausführungsform ist.
7 ein Produkt mit einer Schicht, die ein Metalloxid umfassende Nanopartikel aufweist und die auf einer Oberfläche davon gebildet ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
8 eine Schnittansicht eines Gehäuses mit einer Schicht, die ein Metalloxid umfassende Nanopartikel aufweist und die auf einer Oberfläche des Gehäuses abgeschieden ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
9 eine Vielzahl von Metalloxidpartikeln oder -stäben, die durch Beschichten eines porösen Filterpapiers mit einer organometallischen Verbindung, Trocknen und Oxidieren (Zersetzen) desselben und Abbrennen des Filterpapiers gebildet ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
10 eine Vielzahl von Metalloxid-Nanopartikel-Stäben, die durch Abscheiden einer Lösung, die eine organometallische Verbindung umfasst, über einer aus zufälligen Kohlefasern gebildeten Matte, Trocknen der Lösung und Oxidieren des resultierenden Films und Abbrennen der Kohlenstoffmatte, um die Nanopartikelstäbe oder eine beliebige gewünschte Morphologie in Abhängigkeit von der Vorlage zu bilden, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
11 eine FE-REM von Titanoxidnanopartikeln veranschaulicht, die durch ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform in hergestellt sind.
12 eine weitere FE-REM von Titanoxidnanopartikeln veranschaulicht, die durch ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform hergestellt sind.
Detaillierte Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen
Die nachfolgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich von beispielhafter (illustrativer) Natur und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen in keiner Weise einschränken.
Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung umfasst, dass ein Material, das eine organometallische Verbindung umfasst, oxidiert wird, um ein Metalloxid umfassende Nanopartikel vorzusehen. In einer Ausführungsform wird im Wesentlichen der gesamte organische Inhalt 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 getrocknet werden, um einen die Organometallische Verbindung umfassenden Film vorzusehen, und danach wird der die organometallische Verbindung umfassende Film oxidiert, um das Metalloxid umfassende Nanopartikel vorzusehen, die fest an dem Substrat haften. Die ein Metalloxid umfassenden Nanopartikel können eine Vielfalt von Anwendungen besitzen. Solche Anwendungen können ein Abscheiden der Nanopartikel auf, in oder durch ein/em Substrat umfassen, um diesem hydrophile Eigenschaften zu verleihen, oder die Metalloxide umfassenden Nanopartikel können als ein elektrochemisch stabiler Katalysatorträger mit großer Oberfläche oder als ein Wasserstoffspeicher und Wasserstoff erzeugendes Material verwendet werden, sind jedoch nicht darauf beschränkt. In einer Ausführungsform kann das Metalloxid die Formel M_xO_a besitzen, wobei sowohl x als auch a größer als Q und kleiner als 10 sind. Die Metallkomponente (M) kann aus einem einzigen Element oder mehreren Elementen bestehen. Zum Beispiel können die Metalloxide in einer weiteren Ausführungsform die Formel M1_xM2_yM3_zO_a aufweisen, wobei sowohl x als auch a größer als Q und kleiner als 10 sind und sowohl y als auch z kleiner als Oder gleich und kleiner 10 sind.
Um hydrophile Eigenschaften vorzusehen und um als ein Katalysatorträger zu dienen, kann die Metallkomponente des Metalloxids Titan, Tantal, Zirconium oder Niob umfassen, ist jedoch nicht darauf beschränkt, Zur Wasserstoffspeicherung kann die Metallkomponente der nunmehr Partikelmetalloxide zumindest eines von Titan, Tantal oder Zirconium umfassen, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Wasserstoff kann an Materialien mit großer Oberfläche gespeichert werden, die durch den Prozess hergestellt werden und Nanopartikel, die im Wesentlichen aus Metalloxiden bestehen, umfassen können, oder die organische Komponente der organometallischen Verbindung kann nur teilweise oxidiert sein, um eine Vielzahl von metallischen Oxiden zurückzulassen, die durch organische Streben miteinander verbunden sind. Die vorliegende Erfindung kann dazu verwendet werden, Materialien zur Wasserstofferzeugung herzustellen, welche die Halbleitereigenschaften des nanokristallinen Metalloxids mit großer Oberfläche verwenden. Wenn Licht mit einer gut definierten Wellenlänge auf das Metalloxid geleuchtet 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 verwendet werden können, um organische/n Schmutzstoffe/Abfall zu oxidieren. Die freien Elektronen können dann an einer weiteren Elektrode abgefangen werden, um Wasserstoff zu entwickeln. Somit könnten die vorliegenden Materialien zur Herstellung von Wasserstoff verwendet werden, während die Umgebung von organischem/n Abfall/Schmutzstoffen gereinigt wird.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 1A umfasst eine Ausführungsform der Erfindung, dass eine organometallische Losung 14 auf einem Substrat 12 abgeschieden wird. Die Lösung umfasst eine organometallische Verbindung in einem Lösungsmittel, welches ein unpolares Lösungsmittel umfassen kann, jedoch nicht darauf beschränkt ist. Danach kann, wie in 1B gezeigt, die Lösung 14 getrocknet werden, um eine Schicht oder einen Film aus der organometallischen Verbindung 16 vorzusehen. Die organometallische Verbindung kann ein einziges Material sein, oder es kann eine Vielfalt von organometallischen Materialien umfasst sein, wobei die organische Komponente und/oder die metallische Komponente variiert/en. 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 metallisches Oxid aufweisende Nanopartikel umfasst, vorzusehen. Wenn es notwendig oder erwünscht ist, können zusätzliche Oxidierungsprozesse verwendet werden, um die organische Komponente oder die metallische Komponente der organometallischen Verbindung vollständig oder teilweise zu oxidieren.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 2 umfasst eine beispielhafte Ausführungsform, dass ein Substrat 12 vorgesehen wird, das eine bipolare Brennstoffzellenplatte sein kann, die ein einziges Teil sein kann oder ein erstes Teil 12a und ein zweites Teil 12b umfassen kann, die miteinander verbunden sind. Jedes von dem ersten Teil 12a und dem zweiten Teil 12b kann eine erste Seite 20 umfassen, die darin definiert ein Reaktandengasströmungsfeld aufweist, das eine Vielzahl von Stegen 22 und Kanälen 24 umfasst, durch welche die Reaktandengase hindurch strömen. Eine zweite Seite 26 kann darin definiert zumindest einen Abschnitt eines Kühlkanals 28 aufweisen, um Kühlfluid zum Kühlen der Brennstoffzelle dadurch strömen zu lassen. In einer beispielhaften Ausführungsform kann ein Maskierungsmaterial 21 an den Stegen abgeschieden sein, wobei die Kanäle freiliegend belassen werden. Die organometallische Lösung 14 kann über der Maskierung 21 und in die Kanäle 24 hinein abgeschieden oder gebildet sein, wie an dem Teil 12a gezeigt. Die Lösung 14 kann durch Tauchen der bipolaren Platte in eine Lösung des Bades, Sprühen, Walzen oder eine andere geeignete Technik gebildet oder abgeschieden oder aufgetragen werden, Nachdem die Lösung 14 getrocknet und/oder oxidiert wurde, kann die Maskierung 21 einschließlich des/der daran angebrachten Filmes oder Nanopartikel entfernt werden, um eine Schicht oder einen Film aus Nanopartikeln zurücklassen, der nur in den Kanälen 24 abgeschiedene Metalloxide aufweist. Wenngleich eine Maskierung sicherstellen wird, 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 das reaktive Organometall nur innerhalb der Kanäle auftragen, das sich in die Nanopartikel innerhalb der Kanäle zersetzt, wobei die Stege intakt bleiben.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 3 umfasst eine weitere beispielhafte Ausführungsform eine bipolare Brennstoffzellenplatte 12, die ein erstes Teil 12a und ein zweites Teil 12b umfasst, die durch Pressen von Metallsubstraten wie z. B. rostfreiem Stahl gebildet sind.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 4 kann ein Material 30 mit niedrigem Kontaktwiderstand wie z. B. Gold, jedoch nicht darauf beschränkt, über einem Abschnitt oder der gesamten ersten Seite 20, einschließlich an den Stegen 22 und in die den Kanal 24 bildenden Flächen hinein abgeschieden werden. Die Schicht 18, die Metalloxide umfassende Nanopartikel aufweist, kann über dem Material 30 mit niedrigem Kontaktwiderstand abgeschieden werden, jedoch bevorzugt nur auf den Flächen, die den Kanal 24 definieren.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 5 umfasst eine weitere beispielhafte Ausführungsform eine bipolare Brennstoffzellenplatte 12 mit einem Material 30 mit niedrigem Kontaktwiderstand wie z. B. Gold, jedoch nicht darauf beschränkt, das nur an den Stegen 22 abgeschieden ist, wobei die Schicht 18, die Metalloxide umfassende Nanopartikel aufweist, nur auf den die Kanäle 24 bildenden Flächen abgeschieden ist.
6 ist eine Schnittansicht eines Abschnittes eines Brennstoffzellenstapels, der eine Membran umfasst, die eine Protonenaustauschmembran 38 sein kann, die eine erste Seite [engl.: Phase] 37 und eine gegenüberliegende zweite Seite [engl.: Phase] 39 aufweist. Ein erster Katalysator 36 kann auf der ersten Seite 37 der Membran 38 abgeschieden sein, und ein zweiter Katalysator 40 kann auf der zweiten Membranseite 39 abgeschieden sein. Eine Schicht 18, die Metalloxide umfassende Nanopartikel aufweist, kann auf einer der Brennstoffzellenkomponenten, wobei sie eine Fläche vollständig bedeckt oder selektiv darauf abgeschieden ist, oder in oder durch verschiedene Brennstoffzellenkomponenten abgeschieden sein. Zum Beispiel kann eine Schicht 18, die Metalloxide umfassende Nanopartikel aufweist, auf einer oder beiden der Katalysatorschichten 36, 40 abgeschieden sein. Alternativ dazu kann die Schicht 18, die Metalloxide umfassende Nanopartikel aufweist, auf jeder Diffusionsmediumschicht 32, 34 oder auf 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 gegenüberliegende zweite Seite 33 umfassen. Ebenso kann die zweite Gasdiffusionsmediumschicht 44 eine erste Seite 43 und eine gegenüberliegende zweite Seite 45 aufweisen. Die Schicht 18, die Metalloxide umfassende Nanopartikel aufweist, kann direkt auf der zweiten Seite 33, 45 der ersten Gasdiffusionsmediumschicht 32 bzw. der zweiten Gasdiffusionsmediumschicht 44 abgeschieden sein. In einer noch weiteren Ausführungsform kann die Schicht 18 auf der ersten Seite 30 benachbart zu der bipolaren Platte 12a oder an der ersten Seite 43 benachbart zu dem zweiten bipolaren Plattenabschnitt 12b abgeschieden sein. In einer Ausführungsform kann die Schicht 18, die Metalloxide umfassende Nanopartikel aufweist, in einer Weise abgeschieden sein, die allgemein mit den Kanälen 24, die in den bipolaren Plattenabschnitten 12a, 12b gebildet sind, ausgerichtet ist. In einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform können die Nanopartikel 18, die Metalloxide umfassen, durch zumindest Abschnitte des Körpers der Gasdiffusionsmediumschichten 32, 44 z. B. in einem Bereich abgeschieden sein, der unter den in der bipolaren Platte 12a, 12b gebildeten Kanälen 24 liegt.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 7 kann in einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform die Schicht 18, die Metalloxide umfassende Nanopartikel aufweist, auf einem Substrat 12 wie z. B. einem Glassubstrat abgeschieden sein, das eine Fahrzeugscheibe oder Windschutzscheibe sein kann.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 8 kann in einer nach weiteren beispielhaften Ausführungsform die Schicht 18, die Metalloxide umfassende Nanopartikel aufweist, auf einer Fläche eines Gehäusesubstrates 12, wie z. B., jedoch nicht beschränkt auf einer Gehäuseabdeckung eines/r Fahrzeugscheinwerfers oder -heckleuchte abgeschieden sein, um an deren Oberfläche hydrophile Eigenschaften vorzusehen 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, welche die meisten organischen Verunreinigungen potentiell oxidieren könnten, wodurch die Oberfläche des Gehäuses weniger anfällig gegenüber Luftverunreinigung gemacht wird.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 9 kann eine Vielzahl von Nanopartikelstäben vorgesehen werden und kann und für eine Vielfalt von Anwendungen verwendet werden, welche Katalysatoren oder Wasserstoffspeicher umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind. Die Stäbe 18 können in einer Ausführungsform durch Abscheiden einer organometallischen Lösung auf einer porösen Fasermatte, die gewebt sein kann, gebildet sein. Die Matte kann aus einem Opfermaterial wie z. B. Kohlenstoff hergestellt sein, das abgebrannt, geätzt oder anderweitig entfernt werden kann, um die Vielzahl von Metalloxidstäben 18 zurückzulassen. Gleichermaßen kann, wie in 10 gezeigt, die Vielzahl von Stäben 18 in einer zufälligen Form unter Verwendung einer Matte mit vliesartigen, zufällig positionierten Fasern, Abscheiden der organometallischen Lösung, Trocknen derselben und Oxidieren derselben, vorgesehen werden. Die Kohlenstoffmatte kann abgebrannt werden, um die Vielzahl von Nanopartikelstäben 18 vorzusehen.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Lösung in den Poren eines porösen Materials abgeschieden, getrocknet und oxidiert, und danach 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.
In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine reaktive organometallische Titanverbindung in einem unpolaren Lösungsmittel mit niedrigern Siedepunkt gelöst, um eine Lösung vorzusehen, die 0,1 bis 2 Gewichtsprozent der organometallischen Verbindung umfassen kann. In einer Ausführungsform wurden die Nanopartikel aus einem Gewichtsprozent Titanisopropoxid in n-Hexan hergestellt. Weitere Lösungsmittel können n-Heptan, Xylol oder Ethylacetat umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Der Gewichtsprozentsatz der organischen metallischen Verbindung, die in der Lösung enthalten ist, kann im Bereich von 0,1–5, 0,1–2, 0,1–1 Gewichtsprozent oder Bereichen dazwischen liegen.
Unter erneuter Bezugnahme auf 6 folgt eine Beschreibung einer nicht einschränkenden beispielhaften Ausführungsform verschiedener Brennstoffzellenkomponenten, auf denen, in denen oder durch welche die Schicht, die Metalloxide umfassende Nanopartikel aufweist, abgeschieden sein kann.
Mikroporöse Schicht
In einer Ausführungsform kann die mikroporöse Schicht aus Materialien wie z. B. Kohlenstoffrußen und hydrophoben Bestandteilen wie z. B. Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyvinylidenfluorid (PVDF) hergestellt sein und kann eine Dicke im Bereich von etwa 2 bis etwa 100 Mikrometer aufweisen. In einer Ausführungsform kann die mikroporöse Schicht eine Vielzahl von Partikeln umfassen, die z. B. graphitisierten Kohlenstoff und ein Bindemittel umfassen. In einer Ausführungsform kann das Bindemittel ein hydrophobes Polymer wie z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF), Fluorethylenpropylen (FEP), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder andere organische oder anorganische hydrophobe Materialien umfassen, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Partikel und das Bindemittel können in einer flüssigen Phase enthalten sein, die z. B. eine Mischung aus einem organischen Lösungsmittel und Wasser sein kann, um eine Dispersion vorzusehen. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Lösungsmittel 2-Propanol, 1-Propanol und/oder Ethanol etc. umfassen. Die Dispersion kann auf einem Brennstoffzellensubstrat wie z. B. einer Gasdiffusionsmediumschicht oder einer hydrophoben Beschichtung über die Gasdiffusionsmediumschicht beschichtet werden. In einer weiteren Ausführungsform kann die Dispersion auf eine Elektrode aufgetragen werden. Die Dispersion kann (durch Verdampfen des Lösungsmittels) getrocknet werden und die resultierende getrocknete mikroporöse Schicht kann 60–90 Gewichtsprozent Partikel und 10–40 Gewichtsprozent Bindemittel umfassen. In verschiedenen weiteren Ausführungsformen kann das Bindemittel im Bereich von 10–30 Gewichtsprozent der getrockneten mikroporösen Schicht liegen.
Gasdiffusionsmediumschicht
In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Gasdiffusionsmediumschicht ein beliebiges elektrisch leitfähiges poröses Material umfassen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Gasdiffusionsmediumschicht ein vliesartiges Kohlefaserpapier oder gewebtes Kohlenstoffgewebe aufweisen, das mit einem hydrophoben Material wie z. B. Polymeren aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), Fluorethylenpropylen oder Polytetrafluorethylen (PTFE), jedoch nicht darauf beschränkt, behandelt sein kann. Die Gasdiffusionsmediumschicht kann eine durchschnittliche Porengröße im Bereich von 5–40 Mikrometer aufweisen. Die Gasdiffusionsmediumschicht kann eine Dicke im Bereich von etwa 100 bis etwa 500 Mikrometer aufweisen.
Elektrodenschichten
In einer Ausführungsform können die Elektroden (Kathodenschicht und Anodenschicht) Katalysatorschichten sein, die Katalysatorpartikel wie z. B. Platin und ein ionenleitfähiges Material wie z. B. ein protonenleitfähiges Ionomer, das mit den Partikeln vermischt ist, umfassen können. Das protonenleitfähige Material kann ein Ionomer wie z. B. ein perfluoriertes Sulfonsäurepolymer sein. Die Katalysatormaterialien können Metalle wie z. B. Platin, Palladium und Mischungen aus Metallen wie z. B. Platin und Molybdän, Platin und Kobalt, Platin und Ruthenium, Platin und Nickel, Platin und Zinn, andere Platin-Übergangsmetall-Legierungen sowie andere Brennstoffzellenelektrokatalysatoren, die auf dem technischen Gebiet bekannt sind, umfassen. Die Katalysatormaterialien können fein verteilt sein, falls erwünscht. Die Katalysatormaterialien können ungeträgert oder auf einer Vielzahl von Materialien wie z. B. fein verteilten Kohlenstoffpartikeln, jedoch nicht darauf beschränkt, geträgert sein.
Membran
Es kann eine Vielfalt verschiedener Typen von Membranen in Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden. Die Festpolymerelektrolytmembran, die in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet wird, kann ein ionenleitfähiges Material sein. Beispiele von geeigneten Membranen sind in dem U.S. Patent Nr. 4 272 353 und 3 134 689 offenbart. Derartige Membranen sind auch als Ionenauslauscherharzmembranen bekannt. Die Harze umfassen ionische Gruppen in ihrer polymeren Struktur; eine ionische Komponente derselben ist durch die polymere Matrix fixiert oder gehalten und zumindest eine weitere ionische Komponente ist ein mobiles austauschbares Ion, das der fixierten Komponente elektrostatisch zugeordnet ist. Die Fähigkeit des mobilen Ions, unter geeigneten Bedingungen durch andere Ionen ersetzt zu werden, verleiht diesen Materialien Ionenaustauschereigenschaften.
Die Ionenaustauscherharze können durch Polymerisieren einer Mischung aus Bestandteilen hergestellt werden, von denen einer einen ionischen Bestandteil enthält. Eine breite Klasse von protonenleitfähigen Kationenaustauscherharzen ist das sogenannte Sulfonsäure-Kationenaustauscherharz. In den Sulfonsäuremembranen sind die Kationenaustauschergruppen Sulfonsäuregruppen, die an der polymeren Hauptkette angehängt sind.
Die Bildung dieser Ionenaustauscherharze in Membranen oder Rinnen ist Fachleuten gut bekannt. Der bevorzugte Typ ist ein Elektrolyt aus perfluoriertem Sulfonsäurepolymer, bei dem die gesamte Membranstruktur Ionenaustauschereigenschaften besitzt. Diese Membranen sind im Handel erhältlich und ein typisches Beispiel einer handelsüblichen protonenleitfähigen Sulfon-Perfluorkohlenstoffmembran wird von E. I. DuPont D Nemours & Company mit der Handelsbezeichnung NAFION vertrieben. Weitere derartige Membranen sind von Asahi Glass and Asahi Chemical Company erhältlich. Die Verwendung anderer Typen von Membranen wie z. B. perfluorierte Kationenaustauschmembranen, Kationenaustauschmembranen auf Kohlenwasserstoffbasis sowie Anionenaustauschmembranen, jedoch nicht darauf beschränkt, liegt ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung.
Bipolare Platten
In einer Ausführungsform der Erfindung können die bipolaren Platten eine oder mehrere Schichten eines Metalls für ein elektrisch leitfähiges Verbundmaterial umfassen. in einer Ausführungsform umfassen die bipolare Platten rostfreien Stahl. Die Stege und Kanäle können in der bipolaren Platte durch maschinelles Bearbeiten, Ätzen, Pressen, Formen oder dergleichen gebildet werden. Die Stege und Kanäle können ein Reaktandengasströmungsfeld definieren, um einen Brennstoff an eine Seite der bipolaren Platte und ein Oxidationsmittel an die andere Seite der Platte zu liefern.
In 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 jene der derzeit verwendeten Kohlenstoffruße bei weitem überschreitet, von denen bekannt ist, dass sie Stabilitätsprobleme aufweisen wie z. B. Kohlenstoffkorrosion.
Eine Ausführungsform kann umfassen, dass eine Lösung, die eine organometallische Verbindung umfasst, auf einem Substrat abgeschieden wird, um einen Film aus der organometallischen Verbindung vorzusehen, und eine organische Komponente der organometallischen Verbindung zumindest teilweise oxidiert wird, um Nanopartikel vorzusehen; ein Katalysator auf den Nanopartikeln beschichtet wird, um katalysatorbeschichtete Nanopartikel vorzusehen; eine Brennstoffzellenelektrode unter Verwendung der katalysatorbeschichteten Nanopartikel gebildet wird. In einer weiteren Ausführungsform kann eine Lösung, welche die katalysatorbeschichtete Nanopartikel umfasst, auf einer Brennstoffzellenmembran, einer mikroporösen Brennstoffzellenschicht oder einer Brennstoffzellen-Diffusionsmediumschicht abgeschieden werden. Alternativ kann die Lösung, welche die katalysatorbeschichteten Nanopartikel umfasst, 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 umfasst, einer Polyelektrolyt- wie z. B. Nation-, Lösung hinzugefügt wird, um eine Mischung vorzusehen, und die Mischung derart gegossen wird, dass die Metalloxidpartikel wie z. B. Titanoxid an dem Polyelektrolyt angehängt werden, um eine Selbstbefeuchtungsmembran zu erzeugen. Die organische Komponente der organometallischen Verbindung kann vor oder während des Gießens oxidiert werden, um Metalloxidpartikel vorzusehen, die an dem Polyelektrolytpolymer der Polyelektrolytlösung angehängt sind. Die Hydrophilie von Titandioxid wird dazu neigen, Wasser in der Membran zu halten und somit den Bedarf an einer Befeuchtung der Membran von außen reduzieren oder beseitigen.
Die obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist lediglich von beispielhafter Natur und somit sind Abwandlungen davon nicht als Abweichung von dem Geist 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 [0039]
US 3134689 [0039]

Claims

Verfahren, welches umfasst, dass: eine Lösung, die eine organometallische Verbindung umfasst, auf einem Substrat abgeschieden wird, die Lösung getrocknet wird, um einen Film aus der organometallischen Verbindung vorzusehen, und eine organische Komponente der organometallischen Verbindung zumindest teilweise oxidiert wird, um Metalloxide umfassende Nanopartikel auf dem Substrat vorzusehen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Lösung Titanisopropoxid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die organometallische Verbindung in etwa 0,1–5 Gewichtsprozent vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine bipolare Brennstoffzellenplatte umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die bipolare Platte eine Seite umfasst, die einen Reaktionsgasströmungskanal mit einer Vielzahl von Stegen und Kanälen definiert, und welches ferner umfasst, dass eine Maskierung auf den Stegen abgeschieden wird und die Kanäle freiliegend belassen werden, bevor die Lösung abgeschieden wird, und welches ferner umfasst, dass die Maskierung nach dem Trocknen für die Oxidierung entfernt wird, um die Schicht mit Metalloxide umfassenden Nanopartikeln nur auf der die Kanäle definierenden Oberfläche zu hinterlassen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine Oberfläche der bipolaren Platte ein Reaktandengasströmungsfeld mit einer Vielzahl von Stegen und Kanälen definiert, und welches ferner umfasst, dass die Lösung von den Stegen, der Film aus der organometallischen Verbindung auf den Stegen oder die Schicht aus Metalloxide umfassenden Nanopartikeln auf den Stegen entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat eines von einer Brennstoffzellen-Gasdiffusionsmediumschicht; einer mikropurösen Brennstoffzellenschicht; einer Brennstoffzellen-Katalysatorschicht oder einer Brennstoffzellenmembran umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine Fahrzeugscheibe, eine Windschutzscheibe, eine Scheinwerferabdeckung oder eine Heckleuchtenabdeckung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner umfasst, dass: ein Katalysator auf die Nanopartikel beschichtet wird, um katalysatorbeschichtete Nanopartikel vorzusehen; eine Brennstoffzellenelektrode unter Verwendung der katalysatorbeschichteten Nanopartikel gebildet wird.
Prozess, welcher umfasst, dass: eine organometallische Lösung einer Polyelektrolytlösung zugesetzt wird, um eine Mischung vorzusehen; die Mischung gegossen wird, sodass die metallischen Oxidpartikel an dem Polyelektrolyt angebracht werden, um eine Selbstbefeuchtungsmembran zu erzeugen.