DE112004002166B4

DE112004002166B4 - Separatoranordnung zur Verwendung in einem Stapel elektrochemischer Zellen und Verfahren zum Herstellen

Info

Publication number: DE112004002166B4
Application number: DE112004002166.9T
Authority: DE
Inventors: Gayatri Vyas; Michael Budinski; Brian K. Brady; Michal J. Lukitsch; Harald Schlag
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-11-07
Filing date: 2004-10-07
Publication date: 2015-08-27
Anticipated expiration: 2024-10-08
Also published as: WO2005048375A3; US20070015034A1; CN100530765C; DE112004002166T5; JP2007511057A; US7641998B2; WO2005048375A2; US7550174B2; US20050100771A1; CN1981392A; US7344798B2; US20080134493A1

Abstract

Separatoranordnung zur Verwendung in einem Stapel elektrochemischer Zellen, umfassend: ein erstes leitendes Metallsubstrat mit einer ersten Fläche und ein zweites leitendes Metallsubstrat mit einer zweiten Fläche, wobei jede der ersten und zweiten Flächen einen elektrisch leitenden zentralen Bereich und einen nicht leitenden Umfangsbereich aufweist; eine elektrisch leitende Metallbeschichtung, mit der ein oder mehrere Gebiete der elektrisch leitenden Bereiche der jeweiligen ersten und zweiten Flächen überzogen ist; elektrisch leitende Strecken, die durch physikalischen Kontakt zwischen den beschichteten Gebieten der jeweiligen ersten und zweiten Flächen gebildet sind; und eine Dichtung, die jeden zentralen, elektrisch leitenden Bereich von jedem nicht leitenden Umfangsbereich isoliert; dadurch gekennzeichnet, dass dass die elektrisch leitende Metallbeschichtung eine Dicke von weniger als 10 nm aufweist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere eine elektrisch leitende Separatoranordnung und deren Herstellung für derartige Brennstoffzellen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen sind als Energiequelle für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Eine bekannte Brennstoffzelle ist die PEM-Brennstoffzelle (d. h. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle), die eine so genannte ”Membranelektrodenanordnung” mit einem dünnen Festpolymermembranelektrolyten umfasst, der eine Anode auf einer Seite des Membranelektrolyten und eine Kathode auf der entgegengesetzten Seite des Membranelektrolyten umfasst. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein verteilte Kohlenstoffpartikel mit sehr fein verteilten katalytischen Partikeln, die an den Innen- und Außenflächen der Kohlenstoffpartikel getragen sind, und protonenleitendes Material, das mit den katalytischen Partikeln und Kohlenstoffpartikeln vermischt ist.
Die Membranelektrodenanordnung ist als Schicht zwischen einem Paar elektrisch leitender Kontaktelemente angeordnet, die als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und geeignete Kanäle und Öffnungen darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden (d. h. H₂ & O₂/Luft) der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anode und Kathode enthalten können.
Bipolare PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Vielzahl der Membranelektrodenanordnungen, die in einer elektrischen Reihenschaltung aneinander gestapelt sind, während sie voneinander durch ein undurchlässiges, elektrisch leitendes Kontaktelement getrennt sind, das als eine bipolare Platte oder Separatorplatte oder Trennwand bekannt ist. Die Separatorplatte oder bipolare Platte besitzt zwei Arbeitsseiten, von denen eine der Anode einer Zelle gegenübersteht und die andere der Kathode an der nächsten benachbarten Zelle in dem Stapel gegenübersteht, wobei jede bipolare Platte Strom elektrisch zwischen den benachbarten Zellen leitet. Kontaktelemente an den Enden des Stapels werden als End-, Anschluss- oder Kollektorplatten bezeichnet. Diese Anschlusskollektoren stehen mit einem leitenden Element in Kontakt, das als Schicht zwischen der Anschlussbipolplatte und der Anschlusskollektorplatte angeordnet ist. Die leitenden Elemente dienen als ein elektrisch leitendes Separatorelement zwischen zwei benachbarten Zellen und besitzen typischerweise Reaktandengasströmungsfelder an ihren beiden Außenseiten, leiten elektrischen Strom zwischen der Anode einer Zelle und der Kathode der nächsten benachbarten Zelle in dem Stapel und besitzen Innendurchgänge darin, durch die Kühlmittel strömt, um Wärme aus dem Stapel abzuführen.
Die PEM-Brennstoffzellenumgebung ist stark korrosiv, und demgemäß müssen die bipolaren Platten und die Materialien, die für deren Zusammenbau verwendet werden, sowohl korrosionsbeständig als auch elektrisch leitend sein. Bipolare Platten werden allgemein aus zwei separaten leitenden Blechen hergestellt und können aus elektrisch leitenden Metall- oder Verbundmaterialien aufgebaut sein. Diese einzelnen Platten sind an mindestens einer Verbindungsstelle miteinander verbunden, an der ein Innenraum zwischen den Platten gebildet ist, der Kühldurchgänge enthält. Die Platten müssen die rauen Bedingungen der Brennstoffzelle aushalten, wobei gleichzeitig eine hohe elektrische Leitfähigkeit, ein geringes Gewicht, um den gravimetrischen Wirkungsgrad zu verbessern, und die Haltbarkeit für einen Langzeitbetriebswirkungsgrad bereitgestellt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das strömungsmechanische Verhalten einer Separatoranordnung zur Verwendung in einem Stapel elektrochemischer Zellen zu optimieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt wird diese Aufgabe durch eine Separatoranordnung zur Verwendung in einem Stapel elektrochemischer Zellen gelöst, umfassend ein erstes leitendes Metallsubstrat mit einer ersten Fläche und ein zweites leitendes Metallsubstrat mit einer zweiten Fläche; wobei jede der ersten und zweiten Flächen einen elektrisch leitenden zentralen Bereich und einen nicht elektrisch leitenden Umfangsbereich aufweist. Eine ultradünne, elektrisch leitende Metallbeschichtung überzieht ein oder mehrere Gebiete der elektrisch leitenden Bereiche der jeweiligen ersten und zweiten Flächen. Elektrisch leitende Strecken sind durch physikalischen Kontakt zwischen den beschichteten Gebieten der jeweiligen ersten und zweiten Flächen gebildet. Eine Dichtung isoliert jeden zentralen elektrisch leitenden Bereich von jedem nicht leitenden Umfangsbereich. Erfindungsgemäß weist Metallbeschichtung eine Dicke von weniger als 10 nm auf.
Gemäß einem anderen Aspekt wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zum Herstellen einer Separatoranordnung für eine Brennstoffzelle gelöst, umfassend, dass ein erstes und zweites elektrisch leitendes Metallsubstrat bereitgestellt werden, wobei die Metallsubstrate für die Bildung von Metalloxiden in Anwesenheit von Sauerstoff empfänglich sind. Jegliche Metalloxide werden von einer ersten und einer zweiten Fläche des ersten bzw. zweiten Substrats entfernt. Eine ultradünne elektrisch leitende Metallbeschichtung wird auf Auswahlbereiche der ersten und zweiten Metallflächen abgeschieden. Die Auswahlbereiche der ersten und der zweiten Fläche werden derart angeordnet, dass sie einander gegenüberstehen, und die Auswahlbereiche der ersten und zweiten Fläche werden an einem oder mehreren Kontaktbereichen kontaktiert, wobei die Kontaktbereiche eine elektrisch leitende Strecke zwischen dem ersten und zweiten Substrat bilden. Erfindungsgemäß wird die Metallbeschichtung mit einer Dicke von weniger als 10 nm abgeschieden.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehend angegebenen ausführlichen Beschreibung deutlich werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verstanden werden, wobei:
1 eine schematische Explosionsdarstellung eines PEM-Brennstoffzellenstapels ist (nur zwei Zellen sind gezeigt);
2 eine Explosionsansicht eines beispielhaften elektrisch leitenden Fluidverteilungselements ist, das bei PEM-Brennstoffzellenstapeln verwendbar ist;
3 eine Schnittansicht in der Richtung von 3-3 von 2 ist;
4 ein vergrößerter Abschnitt der bipolaren Platte von 3 ist;
5 ein vergrößerter Abschnitt einer alternativen Ausführungsform einer bipolaren Platte ist, bei der ein Separatorblech innerhalb des Kühlmittelkanals angeordnet ist; und
6 eine Darstellung einer ionenstrahlunterstützten PVD-Vorrichtung ist, die dazu verwendet wird, die bipolaren Platten mit dem elektrisch leitenden Material zu beschichten; und
7 eine Querschnittsansicht genommen entlang der Linie 7-7 von 2 ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung betrifft eine vereinfachte Separatoranordnung für ein Brennstoffzellensystem, die ein erstes und ein zweites Substrat umfasst, die mit einer ultradünnen, elektrisch leitenden Metallbeschichtung entlang elektrisch leitender Bereiche der Flächen jedes Substrats überzogen sind. Wenn das erste und zweite Substrat mit der Metallbeschichtung überzogen sind, werden sie miteinander in Kontakt gebracht, wobei die Metallbeschichtung das Verbinden des ersten und des zweiten Substrats miteinander ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen mechanischen Verbindung oder Verklebung, wie sie früher erforderlich war, erleichtert. Um ein besseres Verständnis der Gebiete, auf denen die vorliegende Erfindung nützlich ist, zu gewinnen, wird nachstehend eine Beschreibung einer beispielhaften Brennstoffzelle angegeben.
1 zeigt einen zweizelligen bipolaren Brennstoffzellenstapel 2, der ein Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4 und 6 aufweist, die voneinander durch ein elektrisch leitendes, flüssigkeitsgekühltes Verteilungselement 8 getrennt sind, das nachstehend als bipolare Platte 8 bezeichnet wird. Die MEAs 4 und 6 und die bipolare Platte 8 sind zwischen Klemmplatten oder Endplatten 10 und 12 aus rostfreiem Stahl und Endkontaktelementen 14 und 16 angeordnet. Die Endkontaktelemente 14 und 16 sowie beide Arbeitsflächen der bipolaren Platte 8 enthalten eine Vielzahl von Nuten oder Kanälen 18, 20, 22 bzw. 24 zur Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen (d. h. H₂ und O₂) auf die MEAs 4 und 6. Nichtleitende Dichtungselemente 26, 28, 30 und 32 sehen Dichtungen und eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Gasdurchlässige leitende Materialien sind typischerweise Kohlenstoff/Graphit-Diffusionspapiere 34, 36, 38 und 40, die gegen die Elektrodenflächen der MEAs 4 und 6 pressen. Die Endkontaktelemente 14 und 16 pressen jeweils gegen die Kohlenstoff/Graphit-Papiere 34 bzw. 40, während die bipolare Platte 8 gegen das Kohlenstoff/Graphit-Papier 36 auf der Anodenfläche der MEA 4 und gegen das Kohlenstoff/Graphit-Papier 38 auf der Kathodenfläche der MEA 6 presst.
Sauerstoff wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels aus einem Speichertank 46 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 42 geliefert, während Wasserstoff an die Anodenseite der Brennstoffzelle von einem Speichertank 48 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 44 geliefert wird. Alternativ kann Umgebungsluft an die Kathodenseite als eine Sauerstoffquelle und Wasserstoff an die Anode von einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen geliefert werden. Es ist auch eine Austragsverrohrung (nicht gezeigt) für sowohl die H₂- als auch O₂-Seiten der MEAs 4 und 6 vorgesehen. Eine zusätzliche Verrohrung 50, 52 und 54 ist vorgesehen, um ein der bipolaren Platte 8 und den Endplatten 14 und 16 flüssiges Kühlmittel zuzuführen. Eine zusätzliche Verrohrung zum Austragen von Kühlmittel von der bipolaren Platte 8 und den Endplatten 14 und 16 ist ebenfalls vorgesehen, aber nicht gezeigt.
Die vorliegende Erfindung betrifft leitende Separatorelementanordnungen in einer Brennstoffzelle, wie etwa die flüssigkeitsgekühlte bipolare Platte 56, die in 2 gezeigt ist, die benachbarte Zellen eines PEM-Brennstoffzellenstapels trennt, elektrischen Strom zwischen benachbarten Zellen des Stapels leitet und den Stapel kühlt. Die bipolare Platte 56 umfasst ein erstes äußeres Metallblech 58 und ein zweites äußeres Metallblech 60. Die Bleche 58, 60 können aus einem Metall, einer Metalllegierung oder einem Verbundmaterial gebildet sein und sind vorzugsweise elektrisch leitend. Die Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung ist auf Separatorelemente gerichtet, die aus Metallen oder Metalllegierungen bestehen, die für eine Passivierung oder einen Angriff durch Oxidation empfänglich sind, wobei eine Schicht aus Metalloxiden auf den dem Sauerstoff ausgesetzten Flächen gebildet wird. Geeignete Metalle und Metalllegierungen weisen vorzugsweise eine ausreichende Haltbarkeit und Steifigkeit auf, um als Bleche in einem leitenden Element in einer Brennstoffzelle zu fungieren. Zusätzliche Konstruktionseigenschaften für die Erwägung bei der Auswahl eines Materials für den Separatorelementkörper umfassen Gaspermeabilität, Leitfähigkeit, Dichte, Wärmeleitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Musterdefinition, Wärme- und Profilstabilität, maschinelle Verarbeitbarkeit, Kosten und Verfügbarkeit. Erhältliche Metalle und Legierungen umfassen Titan, Aluminium, rostfreien Stahl, Legierungen auf Nickelbasis und Kombinationen davon.
Die Außenbleche 58, 60 sind so dünn wie möglich ausgebildet (beispielsweise etwa 0,05–0,5 mm dick). Die Bleche 58, 60 können durch ein beliebiges in der Technik bekanntes Verfahren gebildet werden, wie beispielsweise durch maschinelles Bearbeiten, Formen, Trennen, Einschneiden Stanzen, Fotoätzen, wie beispielsweise durch eine fotolithografische Maske, oder durch einen beliebigen anderen geeigneten Konstruktions- und Herstellungsprozess. Es sei angemerkt, dass die Bleche 58, 60 einen Doppelaufbau umfassen können, der ein flaches Blech und ein zusätzliches Blech umfasst, welche eine Reihe von externen Fluidströmungskanälen aufweisen. Somit können Bleche erfindungsgemäß durch die oben beschriebenen Verfahren im Voraus gebildet werden, und im Anschluss daran wird eine ultradünne Beschichtung auf diese aufgebracht, oder es wird eine ultradünne Beschichtung aufgebracht und sie können im Anschluss daran gebildet werden (z. B. durch Stanzen).
Das Außenblech 58 weist eine erste Arbeitsfläche 59 auf seiner Außenfläche auf, die einer Anode einer Membranelektrodenanordnung (nicht gezeigt) gegenübersteht, und ist derart gebildet, dass eine Vielzahl von Stegen 64 bereitgestellt ist, die dazwischen eine Vielzahl von Nuten 66 definieren, die als ”Strömungsfeld” bekannt sind und durch die die Reaktandengase (d. h. H₂ oder O₂) der Brennstoffzelle in einem gewundenen Pfad von einer Seite 68 der bipolaren Platte zu ihrer anderen Seite 70 strömen. Wenn die Brennstoffzelle vollständig zusammengesetzt ist, werden die Stege 64 gegen die Kohlenstoff/Graphit-Papiere (wie etwa 36 oder 38 in 1) pressen, die wiederum gegen die MEAs (wie etwa 4 bzw. 6 in 1) pressen. Zur Vereinfachung der Zeichnung zeigt 2 nur zwei Arrays von Stegen 64 und Nuten 66. In Wirklichkeit werden die Stege und Nuten 64, 66 die gesamten Außenflächen der Bleche 58, 60 bedecken, die mit den Kohlenstoff/Graphit-Papieren in Eingriff stehen. Das Reaktandengas wird der Nut 66 von einer Sammel- oder Verteilernut 72 geliefert, die entlang einer Seite 68 der Brennstoffzelle liegt, und verlässt die Nuten 66 über eine andere Sammel/Verteilernut 74, die benachbart zu der entgegengesetzten Seite 70 der Brennstoffzelle liegt. Jedes Blech 58, 60 weist einen Außenumfangsbereich 77 bzw. 79 auf, der typischerweise elektrisch nichtleitend ist, da er sich außerhalb des Bereiches befindet, der von der elektrisch aktiven MEA eingenommen wird.
Wie es am besten in 3 gezeigt ist, umfasst die Unterseite des Blechs 58 eine Vielzahl von Rippen 76, die dazwischen eine Vielzahl von Kanälen 78 definieren, durch die während des Betriebes der Brennstoffzelle Kühlmittel strömt. Wie es in 3 gezeigt ist, liegt unter jedem Steg 64 ein Kühlmittelkanal 78, während unter jeder Rippe 76 eine Reaktandengasnut 66 liegt. Alternativ dazu könnte das Blech 58 flach sein und das Strömungsfeld in einem separaten Materialblech gebildet sein. Das Blech 60 ist ähnlich wie das Blech 58. In dieser Hinsicht ist eine Vielzahl von Rippen 80 gezeigt, die dazwischen eine Vielzahl von Kanälen 93 bilden, durch die Kühlmittel von einer Seite 69 der bipolaren Platte zu der anderen 71 strömt (wie es in 2 gezeigt ist). Die Wärmeaustauschflächen (kühlmittelseitigen Flächen) 90, 92 des ersten und zweiten Blechs 58, 60 stehen einander gegenüber, um dazwischen die Kühlmittelströmungsdurchgänge 93 zu definieren, die dafür geeignet sind, ein flüssiges Kühlmittel aufzunehmen, und sind elektrisch miteinander an einer Vielzahl von Verbindungsstellen oder Kontaktbereichen 100 gekoppelt. Elektrisch leitende Strecken sind durch physikalischen Kontakt über die Kontaktbereiche 100 gebildet. Wie Blech 58, und wie es am besten in 3 gezeigt ist, weist die Außenseite des Blechs 60 eine Arbeitsfläche 63 auf, die einer Kathode einer anderen MEA zugewandt ist, welche eine Vielzahl an Stegen 84 darauf aufweist, die eine Vielzahl von Nuten 86 definieren, durch die die Reaktandengase hindurchtreten.
Kühlmittel strömt zwischen den Kanälen 93, die durch die Bleche 58 bzw. 60 gebildet sind, wodurch laminare Grenzschichten aufgebrochen und eine Turbulenz erzeugt wird, die den Wärmeaustausch mit Innenflächen 90, 92 der Außenbleche 58 bzw. 60 steigert. Wie es Fachleuten bekannt ist, können die Stromkollektor-Separatoranordnungen der vorliegenden Erfindungen konstruktiv von den oben beschriebenen abweichen, wie beispielsweise bei der Ausgestaltung der Strömungsfelder, der Platzierung und der Anzahl von Fluidlieferungsverteilern und dem Kühlmittelzirkulationssystem, jedoch ist die Funktion der Leitung von elektrischem Strom durch die Fläche und den Körper der Separatorplattenelemente zwischen allen Konstruktionen ähnlich.
4 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 3 und zeigt, dass die Rippen 76 an dem ersten Blech 58 und die Rippen 80 an dem zweiten Blech 60 miteinander an ihren jeweiligen Flächen 90, 92 in dem Kontaktbereich 100 gekoppelt sind, um die bauliche Einheit der Separatorelementanordnung 56 sicherzustellen. Das erste Substratblech 58 ist an dem Kontaktbereich 100 direkt (d. h. ohne ein dazwischen liegendes Abstandshalterblech) mit dem zweiten Substratblech 60 über eine Vielzahl von diskreten Kontaktbereichen 100 verbunden. Der Kontaktbereich 100 stellt eine elektrisch leitende Strecke bereit, die erforderlich ist, damit die Bipolplatten-Separatorelementanordnung als Stromkollektor fungiert. Der Kontaktbereich 100 wird von Fachleuten oft als die ”Verbindung” oder ”Verbindungslinie” bezeichnet.
Unter Umständen, unter denen der elektrische Widerstand über die Kontaktbereiche 100 zu hoch ist, wird an den Kontaktbereichen 100 ein signifikanter Betrag an Wärme erzeugt, der auf das Kühlmittel übertragen wird. Man nimmt an, dass die herkömmliche Art und Weise der Verbindung zweier Bleche 58, 60 miteinander in einer Separatoranordnung, typischerweise durch Schweißen oder Hartlöten, ”Heftungen” schafft (wie sie in der Technik bekannt sind), die relativ diskrete, nicht durchgehende Bereiche sind, wo der physikalische und elektrische Kontakt zwischen den Blechen hergestellt ist. Wenn der elektrische Strom auf eine Leitung durch die Heftungen eingeschränkt wird, tritt eine ungleichmäßige Stromverteilung auf, die in jenen Bereichen einen hohen Widerstand und Wärme bewirkt. Der Wärmeaufbau trägt darüber hinaus aufgrund übermäßiger örtlicher Erwärmung zur Erwärmung des Kühlmittels und auch möglicherweise zu Fehlstellen oder Brüchen durch die Membran hindurch in den entsprechenden Bereichen bei. In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass der elektrische Strom gleichmäßig vollständig über die Kontaktbereiche 100 verteilt ist, und dass ein dauerhafter elektrischer Widerstand über die leitende Strecke hinweg niedrig genug ist, dass er keine Überwärmung des Kühlmittels oder Fehlstellen in der Membran hervorruft.
Erfindungsgemäß ist das erste Substratblech 58 mit einer ersten elektrisch leitenden, oxidations- und korrosionsbeständigen Metallbeschichtung 110 überzogen, die entlang der Fläche 90 in dem elektrisch aktiven Bereich, der dem Gebiet entspricht, das von der MEA eingenommen wird, liegt (wie etwa 4 bzw. 6 in 1). Auch das zweite Substratblech 60 ist mit einer zweiten elektrisch leitenden, oxidations- und korrosionsbeständigen Metallbeschichtung 112 entlang der Fläche 92 überzogen, die ebenso dem elektrisch aktiven Bereich entspricht. Die beschichteten ersten und zweiten Substratbleche 58, 60 werden einander an den Kontaktbereichen 100, die den Gebieten entsprechen, an denen sich die Stege 76, 78 berühren, gegenüberstehen. Wahlweise können die Außenseiten 59 und 63 der Bleche 58 und 60 auch mit der gleichen Metallbeschichtung bedeckt sein, wie es hier gezeigt ist, oder können alternativ unbedeckt bleiben (nicht gezeigt).
Die vorliegende Erfindung ist auch auf jegliche elektrisch leitende Elemente anwendbar, die miteinander in der Brennstoffzelle verbunden werden. Obgleich das erste und zweite Blech 58, 60 erfindungsgemäß in einer bipolaren Plattenanordnung 56 direkt miteinander verbunden sein können, wie es in 4 gezeigt ist, können das erste und zweite Blech 58, 60 alternativ an einem diskreten, dazwischen liegenden, leitenden Separatorblech 101 (5) angebracht sein, das den Kühlmittelströmungsdurchgang 93a abtrennen kann. Das dazwischen liegende Separatorblech 101 kann derart perforiert sein, dass zugelassen wird, dass sich Kühlmittel zwischen den kleineren Kühlmittelströmungsdurchgängen 93a bewegt. In einer solchen Ausführungsform wird das Separatorblech 101 gemäß der vorliegenden Erfindung behandelt, indem eine Metallbeschichtung 103 auf beide Kontaktflächen 105 des Separatorblechs 101, welche mit den Metallbeschichtungen 110, 112 des ersten und des zweiten leitenden Blechs 58, 60 in Kontakt stehen werden, aufgebracht wird. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform kann das Separatorblech 101 gerillt sein, um eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen in dem Kühlmittelströmungsdurchgang (nicht gezeigt) bereitzustellen, oder kann, wie es in 5 gezeigt ist, ein flaches Blech sein, das mit dem ersten und zweiten Außenblech 58, 60 verbunden ist, in denen jeweils eine Vielzahl von Kühlmittelströmungskanälen 107 ausgebildet ist, wie beispielsweise durch eine gerillte Ausgestaltung der Außenbleche.
Ein bevorzugter Aspekt der Metallbeschichtung 103 der vorliegenden Erfindung ist, dass sie eine relativ gleichmäßig verteilte Schicht aus Metall entlang des Substratblechs 101 aufweist. Erfindungsgemäß beträgt die Dicke weniger als 10 nm, und eine bevorzugte Dicke liegt zwischen ungefähr 2 nm und ungefähr 10 nm. Eine derartige Dicke entspricht einer Dicke von weniger als oder gleich der Tiefe von ungefähr 2 atomaren Monoschichten von Metallatomen. Brennstoffzellen werden vorzugsweise unter Kompression betrieben, und somit wird während des Betriebs Druck auf den gesamten Stapel einschließlich seiner mehreren Komponenten aufgebracht.
Unter erneuter Bezugnahme auf 4 erzeugt der Kontakt, der zwischen der ersten Metallbeschichtung 110 des ersten Blechs 58 und der zweiten Metallbeschichtung 112 des zweiten Blechs 60 hergestellt ist, eine dauerhafte, tragende Verbindung, die die Verbindung der Stege 76, 80 auf eine dauerhafte, tragende Weise bereitstellt, so dass keine zusätzliche Verbindung oder keine zusätzliche physikalische Anbringung benötigt werden. Darüber hinaus liefert der Kontaktbereich 100, der durch den Kontakt der Metallbeschichtung 110, 112 geschaffen wird, eine gleichmäßige Stromverteilung, eine verlängerte Langzeithaltbarkeit und einen dauerhaft niedrigen Kontaktwiderstand über 500 Betriebsstunden hinaus. Dünnere Beschichtungen 110, 112 nehmen erfindungsgemäß weniger Volumen in den Fluidströmungskanälen (z. B. Kühlmittelkanälen) ein und liefern somit größere Strömungsstrecken und einen verminderten Druckabfall im Vergleich mit Hartlöten. Zusätzlich führen andere frühere Verfahren zum Verkleben von Platten ein drittes Material ein, das die Strömungskanäle beschädigen oder beeinflussen kann und auch den Strömungswiderstand und den Druckabfall erhöht. Die vorliegende Erfindung beseitigt die Notwendigkeit für die dritte Komponente vollständig, wodurch jegliche potentielle Behinderung von Fluidströmungsstrecken beseitigt wird.
Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass der Kontaktwiderstand niedriger als 20 mOhm/cm² ist, gemessen mit einer Druckspannung von mindestens 350 kPa aufgebrachtem Druck, und stärker bevorzugt weniger als 15 mOhm/cm², und am stärksten bevorzugt zwischen ungefähr 7 bis ungefähr 8 mOhm/cm², wie über leitfähiges Diffusionspapier hinweg und durch die gesamte Separatoranordnung hindurch gemessen. Darüber hinaus ist es als Teil der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass alle Metalloxide von den Flächen 90, 92 der Metallbleche 58, 60 entlang der Bereiche entfernt werden, auf denen die Metallbeschichtung 110, 112 aufzubringen ist, und insbesondere in den Kontaktbereichen 100, um eine elektrische Verbindung zu schaffen, deren Widerstand zwischen den Blechen 58, 60 durch die verbundenen Metallbeschichtungen 110, 112 so niedrig wie möglich ist.
Bevorzugte ultradünne, elektrisch leitende, oxidations- und korrosionsbeständige Metallbeschichtungen 110, 112 umfassen erfindungsgemäß Edelmetalle, wie etwa Silber (Ag), Titan (Ti) und Platin (Pt). Eine am stärksten bevorzugte Metallbeschichtung für die vorliegende Erfindung umfasst Gold (Au). Es ist anzumerken, dass die erste und zweite Metallbeschichtung 110, 112 die gleiche Zusammensetzung oder unterschiedliche Zusammensetzungen haben können und darüber hinaus Mischungen von Metallen sein können. In bevorzugten Ausführungsformen haben die erste und die zweite Beschichtung 110, 112 die gleiche Zusammensetzung. Ein bevorzugtes Verfahren zum Abscheiden der Metallbeschichtungen 110, 112 auf die elektrisch aktiven Bereiche der Flächen 90, 92 wird nun anhand von 6 beschrieben. Um die leitende Beschichtung 110, 112 auf dem Substrat abzuscheiden, wird ein Verfahren einer ionenunterstützten physikalischen Abscheidung aus der Dampfphase (PVD) angewandt. Diesbezüglich sei an dieser Stelle exemplarisch auf die US 6,132, 564 A verwiesen, aus der ein Oberflächenbehandlungsverfahren mittels physikalischer Dampfabscheidung bekannt ist. Das Verfahren umfasst das Abdecken und das selektive Aufdampfen sowie das Abdecken und das selektive Entfernen zahlreicher Schichten aus leitendem, isolierendem und halbleitenden Material auf Substraten.
Wie es in 6 zu sehen ist, wird eine Vorrichtung zur ionenunterstützten PVD 136 verwendet. Die Vorrichtung 136 umfasst eine Abscheidungskammer 138 und zwei Elektronenkanonen A und B zum Abscheiden der Metallbeschichtung 110, 112. Die Vorrichtung 136 umfasst auch eine Niedrigenergie-Ionenkanone, die zum Sputter-Reinigen der Substrate verwendet wird, und eine Turbopumpe, die zulässt, dass die Vorrichtung in einem ultrahohen Vakuum betrieben werden kann. Das mit der leitenden Beschichtung 110, 112 zu beschichtende Substrat wird zunächst in einer ”Ladeschleusen”-Kammer 137 platziert, in der der Druck zwischen ungefähr 1 × 10^–3 Pa bis 1 × 10^–4 Pa liegt. Das mit der Metallbeschichtung 110, 112 zu beschichtende Substrat wird dann in die Abscheidungskammer 138 überführt.
Sobald das Substrat in der Abscheidungskammer 138 platziert worden ist, wird der Druck auf ungefähr 1 × 10^–7 Pa abgesenkt. Ein erster Tiegel 140 in der Kammer enthält das abzuscheidende Edelmetall. Wenn eine Kombination von Metallen oder Edelmetallen abgeschieden werden soll, ist das zweite Metall in einem zweiten Tiegel 142 enthalten. Beispielsweise liegen ein Tiegel 140, der Titan enthält, das als eine erste Schicht abgeschieden werden soll, und ein Tiegel 142, der Gold enthält, das über dem Titan als eine zweite Schicht abgeschieden werden soll, nicht außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung. Eine andere Option, die verfügbar ist, kann sein, eine Kombination aus Metallen gleichzeitig abzuscheiden.
Die Ionenkanone wird dazu verwendet, das Substrat über Sputtern zu reinigen. Wenn die Ionenkanone das Substrat über Sputtern reinigt, werden die Strahlen von Elektronen dazu verwendet, die Edelmetalle zu schmelzen und zu verdampfen. Ein derartiger Prozess kann auch als Elektronenstrahlverdampfung bekannt sein. Die Target-Metalle werden dann auf dem Substrat mit einer Rate von 0,1 nm/s bis zu einer Dicke von weniger als 10 nm abgeschieden, was durch Dickenüberwachungseinrichtungen beobachtet werden kann.
Ein einzigartiger Aspekt des ionenunterstützten PVD-Verfahrens ist, dass das Substrat über Sputtern gereinigt wird und die leitende Beschichtung im Wesentlichen gleichzeitig abgeschieden wird. Durch gleichzeitiges Sputterreinigen und Beschichten des Substrats kann die leitende Metallbeschichtung 110, 112 auf dem Substrat mit ultradünnen Dicken von weniger als 10 nm und vorzugsweise zwischen 2 nm bis ungefähr 10 nm abgeschieden werden.
Der vorliegende Aufbringungsprozess ist gegenüber bestimmten Prozessen bevorzugt, die nacheinander reinigen und abscheiden. Wenn das verwendete Substrat ein Metallsubstrat ist, wie etwa Titan oder rostfreier Stahl, bildet sich in der Zeit zwischen dem Auftreten der Reinigung bis zum Abscheiden des Metalls durch PVD auf das Substrat, ein Oxidfilm, wenn es Sauerstoff ausgesetzt wird. Durch gleichzeitiges Reinigen des Substrats und Abscheiden des Edelmetalls wird die Oxidschicht vollständig und durchgehend entfernt, wodurch die Oxidbildung oder ein anderer Verderb der Oberfläche verhindert oder zumindest wesentlich vermindert wird. Ein gleichzeitiges Reinigen des Substrats und Abscheiden des Edelmetalls kann aufgrund der Tatsache bewerkstelligt werden, dass die Ionenenergien, die erforderlich sind, um die Oxidschicht zu entfernen, niedrig sind. Da die Ionenenergien niedrig sind, werden die bombardierenden Ionenströme im Allgemeinen kleiner als die Abscheidungsatomflüsse, die von den Elektronenkanonen A und B emittiert werden. Dies ist der Fall, weil Oxide, die entfernt werden, leichter sind als das Metall, das auf das Substrat als die leitende Beschichtung 110, 112 abgeschieden wird. Als solche entfernt die Niedrigenergie-Ionenkanone nur die Oxidschicht und nicht die leitende Metallbeschichtung 110, 112. Das Ergebnis ist, dass die Metallbeschichtung 110, 112 mit einer ausgezeichneten Anhaftung an dem Substrat abgeschieden wird. Es ist darüber hinaus möglich, nur eine sehr dünne Schicht in der Größenordnung von ungefähr 2 bis ungefähr 10 nm zu beschichten, was gleich oder größer ist als zwei Atommonoschichten aus Metallatomen, wodurch eine gute Oberflächenabdeckung und eine relativ gleichmäßige Abdeckung erzielt werden. Somit erlaubt die Verwendung des ionenunterstützten PVD, dass das Edelmetall auf dem Substrat sehr glatt, gleichmäßig und in einer dünnen Schicht abgeschieden werden kann.
Es ist zu verstehen, dass ein wichtiges Merkmal der Erfindung die Abscheidung einer Metallbeschichtung 110, 112 auf einer im Wesentlichen sauberen Fläche 90, 92 ist. In einem bevorzugten Aspekt des vorliegenden Prozesses wird das Reinigen der Oberfläche des Substrats mit der Ionenkanone begonnen, kurz bevor die Metallabscheidung eingeleitet wird. Dann schreiten das Reinigen und die Metallabscheiung gleichzeitig bis zum Abschluss des Abscheidungsprozesses fort. Jedoch umfassen andere Verfahren zum Entfernen der Oxidschicht eine Vielfalt von geeigneten Prozessen, die vor der Beschichtung durchgeführt werden können, wie etwa kathodisches elektrolytisches Reinigen, mechanisches Abschleifen, Reinigen des Substrats mit alkalischen Reinigungsmitteln und Ätzen mit ätzenden Lösungs- oder Beizmitteln.
Wie es oben festgestellt wurde, wird durch Abscheiden der Metallbeschichtung 110, 112 auf einer sauberen Fläche die Anhaftung der Beschichtung stark verbessert, und hält somit einer Trennung von dem Substrat stand. Wenn beispielsweise eine Beschichtung Zyklen eines angelegten Kathodenstroms im Bereich von 10 mA/cm²–50 mA/cm² in einer Lösung von 0,5 M H₂SO₄ ausgesetzt wird, entwickelt sich Wasserstoffgas (H₂), das Beschichtungen aus dem Stand der Technik dazu bringt, sich von dem Substrat zu trennen oder abzuschälen. Wenn jedoch die Beschichtung durch das ionenunterstützte PVD-Verfahren der vorliegenden Erfindung abgeschieden wird, hält die ausgezeichnete Anhaftung der Beschichtung an der sauberen Fläche des Substrats der Trennung von dem Substrat, die durch das sich entwickelnde H₂ hervorgerufen wird, wenn der Kathodenstrom angelegt wird, stand.
Ein anderes bevorzugtes PVD-Verfahren, das ebenfalls für die vorliegende Erfindung geeignet ist, umfasst Magnetronsputtern, wobei ein Metall-Target (die Verbindung der Metallbeschichtung 130) mit einer Sputterkanone in einer Argonionen-Atmosphäre bombardiert wird und das Substrat aufgeladen wird. Die Sputterkanone bildet ein Plasma aus Metallpartikeln und Argonionen, die durch Bewegungsenergie übertragen werden, um das Substrat zu beschichten. Die Verwendung von ionenunterstütztem PVD, wie sie zuvor beschrieben wurde, kann eine bessere Steuerung des Plasmas als bei anderen Aufbringungsverfahren liefern, da beispielsweise beim Sputtern die Richtung des Plasmas schwieriger zu regulieren sein kann und ionenunterstütztes PVD eine bessere Steuerung der Abscheidungsparameter aufgrund der Tatsache liefert, dass die Ionenstrahlen eine niedrige Energie aufweisen und mit Divergenzwinkeln von nur ein paar Graden gut kollimiert sind. Jedoch können verschiedene Faktoren die Verwendung von einem Aufbringungsverfahren gegenüber einem anderen begünstigen, welche die gesamte Verarbeitungszeit und die gesamten Verarbeitungskosten mit einschließen.
Andere bevorzugte Verfahren zum Aufbringen der Metallbeschichtung 110, 112 gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen Elektronenstrahlverdampfung, wobei das Substrat in einer Vakuumkammer (von zwischen ungefähr 1 × 10^–1 Pa bis 1 × 10^–2 Pa) enthalten ist und ein Metallverdampfungsmittel durch einen aufgeladenen Elektronenstrahl erwärmt wird, wobei es verdampft und dann auf dem Target-Substrat kondensiert. Die Metallbeschichtungen 110, 112 können auch durch Elektroplattieren (z. B. elektrolytische Abscheidung), stromloses Plattieren oder Impuls-Laserabscheidung aufgebracht werden.
In einem ersten Experiment wurde das ionenunterstützte PVD-Verfahren der vorliegenden Erfindung angewandt, um zwei Proben vorzubereiten. Die Ionenkanone, die verwendet wurde, wurde auf einen 100 eV Ar⁺-Strahl mit einer Stromdichte von 1 mA/cm² für zwei Minuten eingestellt. Das Verdampfungsquellmaterial war 99,99% reines Gold. Die Substrate aus rostfreiem Stahl 316L, die verwendet wurden, waren 1'' × 1''-Abschnitte, die zuerst in einem Ultraschall-Acetonbad und anschließend in Methanol jeweils für 15 Minuten gereinigt wurden. Die Substrate aus rostfreiem Stahl wurden dann in die Abscheidungskammer der ionenunterstützten PVD-Vorrichtung geladen und dort gehalten, bis der Druck weniger als 3 × 10^–5 Pa betrug. Der Basisdruck der Abscheidungskammer lag typischerweise im Mittelbereich von 1 × 10^–7 Pa und immer niedriger als 1 × 10^–6 kPa. Als die Ionenkanone das Substrat aus rostfreiem Stahl reinigte, wurde eine Goldbeschichtung mit der Einzelelektronenstrahl-Verdampfungsquelle mit einer Rate von 0,10 nm/s bei einer Temperatur von 35 Grad Celsius bis 40 Grad Celsius abgeschieden. Die Goldbeschichtungen zeigten eine ausgezeichnete Anhaftung, auch nachdem sie in einer Korrosionstestlösung, die Brennstoffzellenbedingungen simuliert (z. B. pH = 3,0, 10 ppm HF) für beinahe 100 Stunden bei annähernd 80°C platziert wurden.
In einem zweiten Experiment wurde die Metallbeschichtung 110, 112 auf die Fläche von zwei Proben durch ein Magnetronsputtersystem von Teer aufgebracht. Die Substrate aus rostfreiem Stahl 316L wurden als 1'' × 1''-Abschnitte bereitgestellt, die zunächst durch Sputtern bei 400 V gereinigt wurden. Das Verdampfungsquellmaterial war 99,99% reines Gold und wurde in einem unausgeglichenen Magnetfeld bei geschlossenem Feld und 50 V Vorspannung unter Verwendung von 0,2 A für eine Dauer von einer Minute aufgebracht, um eine Dicke von annähernd 10 nm zu erzielen.
Es wurden Kontaktwiderstandsmessungen vorgenommen, indem die beschichteten Flächen von beiden Proben von dem ersten bzw. zweiten Experiment jeweils kontaktiert wurden. Die Proben wurden zwischen zwei Diffusionsmedienpapieren (d. h. Graphitdiffusionsmedien von Toray, die im Handel als Toray 060 erhältlich sind) zusammengedrückt, und es wurde ein Druck zwischen 350 und 1400 kPa aufgebracht, während eine Stromdichte von 1 A/cm² angewandt wurde. Kontaktwiderstandsmesswerte wurden aus dem Spannungsabfall zwischen dem Diffusionsmedium, das die beiden Metall-Abschnitte zwischen sich als Schicht aufweist, über die Beschichtung hinweg erhalten. Bei einem aufgebrachten Druck von 350 kPa wies die Anordnung des ersten Experiments einen maximalen Kontaktwiderstandswert von 18 mOhm/cm² und einen minimalen Kontaktwiderstandswert von 10 mOhm/cm² bei einem aufgebrachten Druck von 1400 kPa auf. Die Anordnung aus dem zweiten Experiment führte zu einem maximalen Kontaktwiderstand von 19 mOhm/cm² bei einem aufgebrachten Druck von 350 kPa und einem minimalen Kontaktwiderstandswert von 9,2 mOhm/cm², wenn 1400 kPa aufgebracht wurden.
Beispiele von den ersten und zweiten Experimenten wurden ebenfalls auf Korrosionsstromwerte getestet. Substrate aus rostfreiem Stahl, die mit 10 nm Au beschichtet waren, aus den beiden ersten und zweiten Experimenten, ermöglichten niedrige Korrosionsströme, während das Potential zwischen +0,4 und +0,6 V (über Ag/AgCl) in einer belüfteten Lösung bei 80°C zyklisch durchlaufen wurde, wodurch eine Umgebung einer bipolaren Platte in einer Brennstoffzelle simuliert wurde (pH = 3,0, 10 ppm, HF und 0,5 M Na₂SO₄ als der unterstützende Elektrolyt). Potentiostatische Korrosionsexperimente wurden über 100 Stunden bei sowohl einem angelegten Potential von +0,6 V (Ag/AgCl, in Luft) als auch bei –0,4 V (Ag/AgCl, in Wasserstoff) in einer belüfteten simulierten Brennstoffzellenlösung, die bei 80°C betrieben wurde, durchgeführt. Die gemessenen Strombedingungen lagen unter 1 Mikroampere/cm² für die ersten und zweiten Proben, was eine gute Stabilität der Beschichtung angibt.
Bipolare Platten aus rostfreiem Stahl, die gemäß der vorliegenden Erfindung zusammengebaut waren und eine aktive Fläche von 250 cm² aufwiesen, wurden mit unterschiedlichen Dicken beschichtet, um das elektrische Leistungsvermögen und die Goldmetallbeschichtungen zu vergleichen. Die Ergebnisse dieses Tests sind nachstehend in Tabelle 1 gezeigt.
Der erste Satz Platten wurde durch PVD mit einer Dicke von ungefähr 10 nm erfindungsgemäß beschichtet. Der zweite Satz Platten wurde durch PVD mit einer Dicke von ungefähr 100 nm beschichtet. Der dritte Satz Platten wurde elektroplattiert und wies eine Dicke im Bereich von ungefähr 212–260 nm auf. Ein Strom von 200 Ampere wurde mit einer Stromdichte von 0,8 A/cm² für alle getesteten Plattenproben angelegt, und alle bipolaren Plattenanordnungen wurden unter einem Kompressionsdruck von 1241 kPa getestet. Messungen wurden vorgenommen von 1) einem oberen (d. h. anodenseitigen) Diffusionspapier (als ”P_t” bezeichnet), zu einer Anodenplatte, 2) einem unteren (d. h. kathodenseitigen Diffusionspapier (als ”P_b” bezeichnet) zu einer Kathodenplatte und 3) einem oberen Diffusionspapier zu einem unteren Diffusionspapier über die Anoden- und Kathodenplatten hinweg. Ein Grenzflächenwiderstand wurde berechnet, indem die jeweiligen anoden- und kathodenseitigen Messungen von den gesamten Messungen von Papier zu Papier von oben nach unten subtrahiert wurden. Wie es beobachtet werden kann, zeigen Proben, die erfindungsgemäß vorbereitet sind (Satz 1), gleichermaßen niedrigen Widerstand bis zu irgendeiner der dickeren Beschichtungen (Sätze 2 und 3) und weisen einen vernachlässigbaren Grenzflächenwiderstand im Vergleich mit anderen Teilen der Brennstoffzellenanordnung auf. TABELLE 1
Unter erneutem Bezug auf 2 umfassen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch eine Umfangsdichtung 200, die verhindert, dass Reaktandengase in die Kühlmittelströmungskanäle eintreten (3 und 4, Bezugszeichen 93) oder die Strömungskanäle verlassen und in den Stapel einströmen. Die Dichtung 200 ist vorzugsweise zwischen den berührenden Innenflächen 90, 92 der Kühlmittelseite der bipolaren Platte 56 gebildet. Es ist bevorzugt, dass die Dichtung 200 fluiddicht und durch den Kontakt zwischen Flächen 90, 92 an dem Außenumfang 79 des elektrisch aktiven Bereiches an den Innenflächen 90, 92 gebildet ist und einen Fluid- und Gastransport dort hindurch verhindert oder zumindest beeinträchtigt. Die Dichtung 200 umgibt das Kühlmittelströmungsfeld, um einen Barriere für Reaktandengase zu bilden, die in dem Brennstoffzellenstapel verwendet werden, und verhindert vorzugsweise, dass Kühlmittel zurück in die Reaktandengase strömt.
Die Dichtung 200 ist vorzugsweise als ein Wulst aus entweder einem elektrisch leitenden oder einem elektrisch nicht leitenden Klebstoff gebildet. Wie es am besten in 7 zu sehen ist, kann die Dichtung 200 ferner dazu dienen, jegliche Zwischenräume zwischen den Blechen 58, 60 zu füllen, die aus Unregelmäßigkeiten bei der Herstellung resultieren. Ein Klebstoffwulst kann auf einer der Flächen einer Platte (d. h. entweder 90 oder 92) der Platten der bipolaren Separatoranordnung oder auf beiden Flächen 90, 92 der beiden Platten 58, 60 aufgebracht werden. Es kann auch ein Dichtungselement als die Dichtung 200 anstelle des Dichtmittels verwendet werden. Wie gezeigt ist, werden Umfangsdichtungselemente 202 auch dazu verwendet, die Außenumfänge 77, 79 der bipolaren Plattenanordnung 56 abzudichten.
Bevorzugte Dichtmittel für die vorliegende Erfindung umfassen warmhärtende und thermoplastische Klebstoffe oder druckempfindliche Klebebänder. Im Fall von Klebstoffen können die warmhärtenden oder thermoplastischen Polymerklebstoffe zu Vorformlingen geformt werden, die zwischen dem ersten und dem zweiten Blech 58, 60 angeordnet werden. Die Bleche 58, 60 werden dann miteinander in Kontakt gebracht und Wärme wird aufgebracht, um eine konstruktive Verbindung zu schaffen. Das Ausmaß und die Dauer der Erwärmung hängen von den Eigenschaften der gewählten Klebstoffe ab, wie es Fachleute wissen werden. Nichteinschränkende Beispiele derartiger warm härtender Klebstoffe umfassen Epoxide, Phenole, Polymethylmethacrylate, Polyurethane, Silikone, Polysulfide, Butyl, Fluorelastomere und Fluorsilikone. Weitere Beispiele von geeigneten thermoplastischen Klebstoffen umfassen beispielsweise Polyamide, Polyester, Polyolefine, Polyvinylacetate und Polyurethane. In alternativen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Dichtung 200 gebildet werden, indem Platten 58, 60 durch metallurgische Verfahren verbunden werden, wie etwa scannendes Remote-Laserschweißen oder durch mechanisches Crimpen. Es ist in 7 auch anzumerken, dass die elektrisch aktiven Bereiche der Flächen 90 und 92 jeweils auf dem ersten bzw. zweiten Blech 58, 60 mit ultradünnen Metallbeschichtungen 110, 112 überzogen sind, die einen elektrischen und physikalischen Kontakt dazwischen an den Kontaktbereichen 100 herstellen.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind nur die elektrisch leitenden Bereiche der Flächen 90, 92 beschichtet, und die elektrisch nicht leitenden Bereiche sind nicht beschichtet. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen ist der elektrisch aktive Bereich, der der MEA entspricht, an der das Strömungsfeld gebildet ist, mit einer Metallbeschichtung beschichtet, und die Umfangsbereiche 79 (die in 2 bezeichnet sind) bleiben unbeschichtet. In anderen bevorzugten alternativen Ausführungsformen kann die Beschichtung 110, 112 nur die Stege 76, 80 und nicht die Nuten 82, 86 der jeweiligen Bleche 58, 60 bedecken. Unter diesen Umständen sind nur benachbarte elektrisch leitende Flächen, die miteinander an den Kontaktbereichen 100 in elektrischem Kontakt stehen, mit der Metallbeschichtung 110, 112 beschichtet. In einer solchen Ausführungsform werden die elektrisch nicht leitenden Bereiche der Flächen 90, 92 bedeckt oder maskiert, während die Beschichtung aufgebracht wird. Eine Maske ist jedes Material, das auf das Substrat aufgebracht wird und während der Aufbringung der Beschichtung stabil bleibt, und kann beispielhaft Masken aus rostfreiem Stahl, Titan oder Keramik umfassen. Andere geeignete Maskenmaterialien umfassen: organische Beschichtungen, Gummimasken, oder Band, zur Verwendung in Niedertemperaturaufbringungsprozessen, wie etwa elektrolytische oder stromlose Abscheidung. Häufig werden Maskenmaterialien derart gewählt, dass eine Rückgewinnung und Wiederverwertung der über die Maske abgeschiedenen Metalle während des Abscheidungsprozesses zugelassen wird, wie es in der Technik allgemein bekannt ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen einer Separatoranordnung für eine Brennstoffzelle bereit, bei dem das erste und ein zweites elektrisch leitendes Metallsubstratblech bereitgestellt wird, wobei das erste und zweite Blech aus einem Metall hergestellt werden, das gegenüber einer Bildung von Metalloxiden bei Anwesenheit von Sauerstoff empfänglich ist. Die Metalloxide werden von den Flächen des ersten bzw. zweiten Substrats entfernt. Eine ultradünne, elektrisch leitende Metallbeschichtung wird auf Auswahlbereichen der ersten und zweiten Metallfläche abgeschieden. Auswahlbereiche der ersten und zweiten Flächen werden derart angeordnet, dass sie einander gegenüberstehen, und anschließend kontaktiert, um eine elektrisch leitende Strecke zwischen dem ersten und zweiten Substrat zu bilden.

Claims

Separatoranordnung zur Verwendung in einem Stapel elektrochemischer Zellen, umfassend: ein erstes leitendes Metallsubstrat mit einer ersten Fläche und ein zweites leitendes Metallsubstrat mit einer zweiten Fläche, wobei jede der ersten und zweiten Flächen einen elektrisch leitenden zentralen Bereich und einen nicht leitenden Umfangsbereich aufweist; eine elektrisch leitende Metallbeschichtung, mit der ein oder mehrere Gebiete der elektrisch leitenden Bereiche der jeweiligen ersten und zweiten Flächen überzogen ist; elektrisch leitende Strecken, die durch physikalischen Kontakt zwischen den beschichteten Gebieten der jeweiligen ersten und zweiten Flächen gebildet sind; und eine Dichtung, die jeden zentralen, elektrisch leitenden Bereich von jedem nicht leitenden Umfangsbereich isoliert; dadurch gekennzeichnet, dass dass die elektrisch leitende Metallbeschichtung eine Dicke von weniger als 10 nm aufweist.
Separatoranordnung nach Anspruch 1, wobei ein Strömungsfeld in dem elektrisch leitenden Bereich des ersten bzw. zweiten Substrats gebildet ist, wobei jedes Strömungsfeld entlang der Fläche durch Stege definiert ist, zwischen denen Nuten liegen, und die Metallbeschichtung sich auf den Stegen befindet, und wobei die elektrisch leitenden Strecken durch physikalischen Kontakt zwischen gegenüberliegenden Stegen des ersten Substrats und der zweite Substrate gebildet sind.
Separatoranordnung nach Anspruch 2, wobei die Nuten nicht leitend sind.
Separatoranordnung nach Anspruch 2, wobei der physikalische Kontakt zwischen gegenüberliegenden Stegen der ersten und zweiten Flächen Fluidströmungskanäle definiert, durch die ein Kühlmittel zirkuliert.
Separatoranordnung nach Anspruch 1, wobei die Substrate zusammen in einem Stapel angeordnet sind, und der physikalische Kontakt dadurch erzielt wird, dass auf den Stapel eine Druckspannung aufgebracht wird, die die Substrate gegeneinander vorspannt.
Separatoranordnung nach Anspruch 1, wobei die Dichtung eine Barriere erzeugt, die eine Fluidwanderung von dem elektrisch leitenden Bereich zu dem elektrisch nicht leitenden Bereich behindert.
Separatoranordnung nach Anspruch 1, wobei ein Kontaktwiderstand über das erste Substrat hinweg zu dem zweiten Substrat durch die elektrisch leitenden Strecken hindurch kleiner ist als 10 mOhm/cm² unter einer Druckspannung von 1400 kPa oder größer.
Separatoranordnung nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitende Metallbeschichtung Gold umfasst.
Separatoranordnung nach Anspruch 1, wobei die Dichtung durch einen Klebstoff gebildet ist.
Separatoranordnung nach Anspruch 1, wobei der Klebstoff ein klebendes Polymer umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: warmhärtenden und thermoplastischen Polymeren.
Separatoranordnung nach Anspruch 10, wobei das klebende Polymer aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Epoxiden, Phenolen, Polymethylmethacrylaten, Polyurethanen, Silikonen, Polysulfiden, Butylen, Fluorelastomeren, Fluorsilikonen, Polyamiden, Polyestern, Polyolefinen, Polyvinylacetat und Polyurethan.
Separatoranordnung nach Anspruch 1, wobei die Dichtung durch scannendes Remote-Laserschweißen gebildet ist.
Separatoranordnung nach Anspruch 1, wobei das erste Substrat eine der ersten Seite entgegengesetzte erste Seite aufweist, und das zweite Substrat eine der zweiten Seite entgegengesetzte zweite Seite aufweist, wobei die erste und die zweite entgegengesetzte Seite mit der elektrisch leitenden Metallbeschichtung überzogen sind.
Separatoranordnung nach Anspruch 1, wobei das erste und zweite leitende Metallsubstrat aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus rostfreiem Stahl, Aluminium und Titan besteht.
Verfahren zum Herstellen einer Separatoranordnung für eine Brennstoffzelle, das umfasst, dass: ein erstes und ein zweites elektrisch leitendes Metallsubstrat bereitgestellt werden, wobei das Metallsubstrat gegenüber einer Bildung von Metalloxiden in Anwesenheit von Sauerstoff empfänglich ist, jegliche Metalloxide von einer ersten und einer zweiten Fläche des ersten bzw. zweiten Substrats entfernt werden; eine elektrisch leitende Metallbeschichtung auf Auswahlbereiche der ersten und der zweiten Metallfläche abgeschieden wird; die ausgewählten Bereiche der ersten und der zweiten Fläche derart positioniert werden, dass sie einander gegenüberstehen, und die Auswahlbereiche der ersten und der zweiten Fläche an einem oder mehreren Kontaktbereichen in Kontakt gebracht werden, wobei die Kontaktbereiche eine elektrisch leitende Strecke zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat bilden; dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Metallbeschichtung mit einer Dicke von weniger als 10 nm abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei vor dem in Kontakt bringen eine Abdichtung durchgeführt wird, um eine Fluidisolierung zwischen einem inneren und einem äußeren abgedichteten Bereich bereitzustellen, die zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der innere abgedichtete Bereich den Auswahlbereichen entspricht, und Nichtauswahlbereiche dem äußeren abgedichteten Bereich entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Entfernen und das Abscheiden gleichzeitig durch Ionenstrahlsputtern bzw. Elektronenstrahlverdampfungsabscheidung durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Auswahlbereiche elektrisch leitenden Gebieten entsprechen und Nichtauswahlbereiche entlang der Fläche elektrisch nicht leitend sind.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei in jeder der ersten und zweiten Flächen ein Strömungsfeld gebildet wird, wobei das Strömungsfeld durch Stege definiert wird, zwischen denen Nuten liegen, die Strömungskanäle bilden, wobei die Stege des ersten und des zweiten Substrats miteinander in Kontakt gebracht werden, um die Kontaktbereiche zu bilden und den Auswahlbereichen entsprechen, und dem Abscheiden der elektrisch leitenden Metallbeschichtung auf den elektrischen Bereichen vorangeht, dass jegliche Nichtauswahlbereiche, die elektrisch nicht leitend sind, maskiert werden.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der elektrisch leitende Bereich zentral an sowohl der ersten als auch der zweiten Fläche des ersten bzw. zweiten Substrats angeordnet wird, und der elektrisch nicht leitende Bereich den zentral angeordneten, elektrisch leitenden Bereich umgibt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Abscheiden durch einen Prozess durchgeführt wird, der aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus: Elektronenstrahlverdampfen, Magnetronsputtern, physikalische Abscheidung aus der Dampfphase, elektrolytische Abscheidung und stromlose Abscheidung.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Entfernen durch elektrolytisches Reinigen, Ätzen, Laugen, mechanisches Abschleifen und Sputtern durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die elektrisch leitende Metallbeschichtung mit einer Dicke von weniger als oder gleich der Tiefe von zwei Atommonoschichten aus Metallatomen abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die elektrisch leitende Metallbeschichtung Gold umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das in Kontakt bringen bewerkstelligt wird, indem eine Druckspannung aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei ein elektrischer Kontaktwiderstand über das erste Substrat hinweg zu dem zweiten Substrat durch den Kontaktbereich hindurch kleiner ist als 10 mOhm/cm², indem eine Druckspannung von 1400 kPa oder größer aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das in Kontakt bringen bewerkstelligt wird, indem eine Druckspannung von 1400 kPa oder größer aufgebracht wird.