DE60107437T2

DE60107437T2 - Behandlung eines substrates aus nichtrostendem stahl

Info

Publication number: DE60107437T2
Application number: DE60107437T
Authority: DE
Inventors: Ronald David HODGSON
Original assignee: Ineos Chlor Enterprises Ltd
Current assignee: Inovyn Enterprises Ltd
Priority date: 2000-08-05
Filing date: 2001-07-24
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2021-07-25
Also published as: ATE283552T1; CN1446383A; DE60107437D1; AU2001272664B2; NO20030548D0; DK1305836T3; WO2002013300A1; ES2232646T3; BR0112955A; NO20030548L; EP1305836A1; CA2417753A1; AU7266401A; NZ523622A; KR20030023734A; JP2004506301A; EP1305836B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Substratbehandlung, insbesondere die Behandlung von rostfreien Stahlkomponenten, die in elektrochemischen Zellen aufgenommen werden. Obgleich die Erfindung in Verbindung mit Komponenten für Brennstoffzellen beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung auch bei anderen Typen von elektrochemischen Zellen Anwendung findet, beispielsweise elektrolytischen Zellen, die für die organische Synthese von Chemikalien und für die Erzeugung von Chlor verwendet werden.
Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, in der Elektrizität ohne die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt wird. In einer Brennstoffzelle wird ein Brennstoff, der typischerweise Wasserstoff ist, an einer Brennstoffelektrode (Anode) oxidiert, und Sauerstoff, typischerweise aus der Luft, wird an einer Katode reduziert, um elektrischen Strom zu erzeugen und das Nebenprodukt Wasser zu bil den. Ein Elektrolyt ist erforderlich, der in Kontakt mit beiden Elektroden ist, und der alkalisch oder sauer, flüssig oder fest sein kann. Wärme und Wasser sind die einzigen Nebenprodukte der elektrochemischen Reaktion in Brennstoffzellen, in denen der Brennstoff Wasserstoff ist. Demgemäß bietet die Verwendung derartiger Zellen bei der Leistungserzeugung potentielle umweltmäßig Vorteile im Vergleich mit der Leistungserzeugung durch Verbrennung von fossilen Brennstoffen oder durch nukleare Aktivität.
In Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, die nachfolgend aus Zweckmäßigkeit als "PEM"-Brennstoffzellen bezeichnet werden, ist der Elektrolyt eine feste Polymermembran, die den Transport von Protonen von der Anode zu der Katode ermöglicht, und beruht typischerweise auf Perfluorsulphonsäure-Materialien. Der Elektrolyt muss während des Betriebs in einer hydrierten Form aufrechterhalten werden, um einen Verlust von ionischer Leitung durch den Elektrolyten zu verhindern.
Eine PEM-Brennstoffzelle weist typischerweise zwei Elektroden auf, eine Anode und eine Katode, die durch einen Protonenaustauschmembran-Elektrolyten getrennt sind. An der Anode wird Wasserstoffbrennstoff katalytisch in freie Elektronen und Protonen disoziiert. Die freien Elektronen werden in der Form von nutzbarem elektrischem Strom durch die äußere Schaltung, mit der die Brennstoffzelle in elektrischem Kontakt ist, geleitet. Die Protonen wandern durch den Membranelektrolyten zu der Katode, wo sie mit Sauerstoff aus der Luft und Elektronen aus der externen Schaltung kombiniert werden, um Wasser zu bilden und Wärme zu erzeugen. Individuelle Brennstoffzellen können zu Anordnungen kombiniert werden, die im Stand der Tech nik häufig als Paket bezeichnet werden, um die erforderliche Leistungsmenge zu erhalten.
Elektrochemische Zellen wie Brennstoffzellen enthalten oft rostfreie Stahlkomponenten, wo es aus Gründen der Wirtschaftlichkeit möglich ist. In einem Brennstoffzellenpaket beispielsweise können Trennplatten zwischen benachbarten Brennstoffzellen und/oder Stromsammel-Endplatten rostfreien Stahl aufweisen. In elektrolytischen Zellen, die beispielsweise bei der Erzeugung von Chlor verwendet werden, können Elektroden der Zelle ein rostfreies Stahlsubstrat aufweisen.
Ein wichtiger Faktor bei der Sicherstellung eines guten Zellenwirkungsgrades ist der Grenzflächenwiderstand zwischen den Oberflächen von rostfreien Stahlsubstraten und den Oberflächen von anderen Komponenten, mit denen die Stahlsubstrate direkt oder indirekt elektroleitend gekoppelt sind.
Während die Verwendung von Metallplatten in Brennstoffzellen als viele Vorteile gegenüber anderen Materialien aufweisend angesehen wird, gibt es Bedenken hinsichtlich der Frage der Korrosion, die zu erhöhten Zellwiderständen führen kann. Makkus et al (J. Power Sources, 86(200) 274) beispielsweise haben berichtet, dass die Anodenseite der Brennstoffzelle (d.h. die Wasserstoffseite), die rostfreie bipolare Platten enthält, zu einer stärkeren Korrosion der Platte führt als die Katodenseite (d.h. Luftseite).
Makkus et al beziehen sich auch auf eine Metallpassivierung, die zu einer Erhöhung sowohl des elektrischen als auch des Korrosionswiderstands führt.
Die vorliegende Erfindung sucht Verbesserungen des Wirkungsgrades des Betriebs von elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, sicherzustellen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zellenanordnung oder eines Brennstoffzellenpakets vorgesehen, bei der/dem zumindest eine Komponente, die während des Betriebs der Zelle der chemischen Umgebung ausgesetzt ist, eine rostfreie Stahlkomponente aufweist, welches Verfahren aufweist: Behandeln einer Oberfläche des rostfreien Stahls vor dem Einsetzen in die Anordnung oder das Paket mit einem elektrischen Strom, während sie in Berührung mit einem Elektrolyten ist, unter Bedingungen, die den Grenzflächenwiderstand, der mit der Oberfläche assoziiert ist, um einen Faktor von zumindest 5% im Vergleich mit dem vor dieser Behandlung vorherrschenden Grenzflächenwiderstand herabsetzen, und Einsetzen der so behandelten rostfreien Stahlkomponente in eine elektrochemische Anordnung oder ein Brennstoffzellenpaket.
Die Behandlung wird typischerweise mit dem rostfreien Stahl als der Anode (anodische Behandlung) unter Verwendung von Gleichstrom durchgeführt.
Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, dass es möglich ist, einen relativ kostengünstigen rostfreien Stahl zu verwenden. Wir haben überraschend gefunden, dass es möglich ist, den mit einem derartigen rostfreien Stahl assoziierten Grenzflächenwiderstand durch einen Prozess herabzusetzen, bei dem normalerweise erwartet würde, dass er erhöht wird. Herkömmliches Wissen führt zu einer Erwartung, dass das Unterziehen einer rostfreien Stahloberfläche einer anodischen Behandlung normalerweise zu einem Wachstum von Oxiden auf der Oberfläche führen und damit einen erhöhten Grenzflächenwiderstand ergeben würde.
In dieser Beschreibung wird der Grenzflächenwiderstand durch das nachfolgend beschriebene Verfahren gemessen.
Die Herabsetzung des Grenzflächenwiderstands kann erhalten werden, indem der rostfreie Stahl einem elektrischen Potential oder Strom von im wesentlichen konstanter oder variabler Größe ausgesetzt wird. Beispielsweise kann während zumindest eines Hauptteils der Behandlung die Stromdichte oder angelegte Spannung im wesentlichen konstant gehalten werden.
Die Behandlung der rostfreien Stahloberfläche kann eine Modifikation der Oberflächenzusammensetzung des rostfreien Stahls und/oder der Oberflächenmorphologie hiervon einbeziehen.
Die Behandlung kann derart sein, dass das Verhältnis von Eisengehalt zu dem Chrom innerhalb des Oberflächenbereichs des rostfreien Stahls verringert wird im Vergleich mit dem vor einer derartigen Behandlung vorherrschenden Eisen-zu-Chrom-Gehalt.
Vor einer derartigen Behandlung können die Oberfläche oder die Oberflächen des rostfreien Stahls durch im Stand der Technik bekannte physikalische Techniken wie beispielsweise Sandstrahlen aufgeraut werden.
Die Behandlung kann bei zwei oder mehr Oberflächen des rostfreien Stahls durchgeführt werden. Dieselbe Behandlung kann auf zumindest jede Hauptfläche des rostfreien Stahls angewendet werden, oder die auf eine Oberfläche des rostfreien Stahls angewendete Be handlung kann unterschiedlich gegenüber der sein, die auf eine oder mehr andere Oberflächen des rostfreien Stahls angewendet wird.
Die Zellenanordnung kann zwei oder mehr rostfreie Stahlkomponenten, z.B. Platten aufweisen, die wie vorbeschrieben behandelt werden. Die Anordnung kann bipolare Platten, Trennplatten, Strömungsfeldplatten und/oder Stromsammelplatten enthalten, von denen zumindest eine wie vorbeschrieben behandelten rostfreien Stahl aufweist.
Die in den Elektrolyten vorhandene Säure (n) können ausgewählt sein aus einer oder mehreren der Gruppe enthaltend Schwefelsäure, Salzsäure, Salpetersäure, Chromsäure, Oxalsäure und Phosphorsäure. Die Säure kann beispielsweise Schwefelsäure sein.
Die Behandlung kann bei Raumtemperatur durchgeführt werden (z.B. mit dem Elektrolyten anfänglich bei im wesentlichen Raumtemperatur). Nichts desto weniger schließen wir nicht die Möglichkeit aus, dass die Behandlung bei erhöhten Temperaturen durchgeführt wird. Gewöhnlich ist jedoch die Temperatur zumindest am Anfang nicht höher als etwa 100°C, typischerweise nicht höher als etwa 90°Celsius und gewöhnlicher nicht höher als 70°Celsius.
Der Elektrolyt kann typischerweise einen pH von bis zu etwa 6 oder weniger haben, z.B. weniger als 5.
Die Behandlung kann derart sein, dass der Grenzflächenwiderstand des rostfreien Stahls um einen Faktor von zumindest 10% und vorzugsweise von zumindest 15% herabgesetzt wird, weniger als anderenfalls in dem Fall der unbehandelten Oberfläche vorherrschen würde.
Typischerweise beträgt dieser Faktor zumindest 25%, beispielsweise zumindest 40% oder sogar zumindest 50%, weniger als anderenfalls in dem Fall der unbehandelten Oberfläche vorherrschen würde.
Die so behandelte Oberfläche des rostfreien Stahls kann mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet werden, folgend der Behandlung zum Herabsetzen ihres Grenzflächenwiderstands beispielsweise mit einer Beschichtung aus Titannitrit oder Chromnitrit oder einem elektrokatalytisch aktiven Material.
Beispiele der elektrokatalytischen Beschichtungsbehandlung, die angewendet werden kann, sind in unserer früheren internationalen Patentanmeldung Nr. WO 00/22689 offenbart, deren gesamter Inhalt hier einbezogen wird, wenn es der Kontext zulässt. beispielsweise kann das elektrokatalytisch aktive Material ausgewählt werden aus der Gruppe, welche aufweist: ein oder mehr Platingruppenmetalle oder Oxide hiervon, Zer oder ein Oxid hiervon; Ruthenium oder ein Oxid hiervon; Rutheniumoxid oder ein Oxid eines unedlen Metalls; Mischungen von RuO₂ mit zumindest einem von TiO₂, SnO₂, IrO₂, PtO, Sb₂O₃, Ta₂O₅, PdO, CeO₂, Co₃O₄.
Der rostfreie Stahl ist vorzugsweise ein austenitischer rostfreier Stahl.
Der rostfreie Stahl kann ein rostfreier Stahl der Serie 300 wie rostfreier 316-Stahl oder rostfreier 316L-Stahl sein.
Die Behandlung kann ausgeführt werden, während der rostfreie Stahl in der Form eines Bleches ist, wobei das behandelte Blech nachfolgen geteilt wird, um eine Anzahl von Platten für das Einsetzen in eine oder mehrere elektrochemische Zellenanordnungen zu bilden.
Alternativ kann der rostfreie Stahl anfänglich in der Form eines Bleches sein, das dann geteilt wird, um eine Anzahl von Platten zu bilden, bevor die Behandlung bei den individuellen Platten durchgeführt wird.
Fluidströmungskanäle können in dem Blech ausgebildet werden, bevor eine derartige Teilung in Platten bewirkt wird. Alternativ können die Fluidströmungskanäle ausgebildet werden, nachdem die Teilung bewirkt wurde.
Die elektrochemische Zelle kann eine Brennstoffzelle, z.B. eine PEM-Brennstoffzelle, eine alkalische Brennstoffzelle, eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle, eine Direktmethanol-Brennstoffzelle, eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle oder eine Festoxid-Brennstoffzelle aufweisen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellenpaket vorgesehen, welches aufweist: a) mehrere Brennstoffzelleneinheiten, von denen jede eine Protonenaustauschmembran enthält, die die Zelle in eine Anolyt- und eine Katolyt-Kammer trennt und mit einer Anode und einer Katode an entgegengesetzten Seiten hiervon versehen ist; b) eine Separatorplatte, eine Strömungsfeldplatte oder Bipolarplatte, die zwischen benachbarten Zelleneinheiten angeordnet ist; c) Stromsammelmittel, die ein Paar von Platten aufweisen, von denen sich eine an jedem Ende des Pakets befindet; d) Mittel zum Zuführen von Brennstoff, z.B. Wasserstoff oder Methanol, zu den Anolyt-Kammern des Pakets; und e) Mittel zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Gases zu den Katolyt-Kammern des Pakets, wobei zumindest eine der Platten eine rostfreie Stahlplatte ist, z.B. eine rostfreie 316- oder 316-Stahlplatte, von der eine Oberfläche mit einem elektrischen Strom behandelt wurde, während sie mit einem sauren Elektrolyten in Berührung war, unter Bedingungen, die den mit der Oberfläche assoziierten Grenzflächenwiderstand herabsetzen.
Die Erfindung wird nun weiterhin mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 illustriert schematisch ein System zum Messen des Grenzflächenwiderstands;
2 ist ein Diagramm, das die Veränderung des unter Verwendung des Systems nach 1 erhaltenen Grenzflächenwiderstands der Beladung für behandelte und unbehandelte Proben von rostfreiem Stahl illustriert;
3 ist eine graphische Darstellung des Korrosionspotentials und des Korrosionsstroms gegenüber der Behandlungszeit für Proben aus rostfreiem Stahl, die mit derselben Stromdichte behandelt wurden;
4 ist ein Diagramm, das die Anteile von Eisen-, Chrom-, Nickel- und Molybdän-Bestandteilen illustriert, die an der Oberfläche einer unbehandelten Probe, einer unbehandelten Probe, einer unbehandelten und sandgestrahlten Probe, einer entsprechend der Erfindung behandelten Probe und der Gesamtzusammensetzung illustriert, wobei alle Proben aus demselben rostfreien 316-Stahl zusammengesetzt sind;
5 ist eine graphische Darstellung, die den Langzeitbetrieb einer Einzelzellen-Brennstoffzelle, die mit gemäß der vorliegenden Erfindung behandelten rostfreien Stahlplatten versehen ist, und einer entsprechenden Brennstoffzelle, die mit unbehandelten Platten des rostfreien Stahls versehen ist, vergleicht;
6 ist ein Diagramm, das die Veränderung des unter Verwendung des Systems nach 1 erhaltenen Grenzflächenwiderstands mit der Beladung für eine Probe aus bei konstanter Spannung behandelten rostfreien Stahl illustriert; und
7 ist eine schematische auseinander gezogene perspektivische Ansicht, die nur beispielhaft ein Brennstoffzellenpaket vom Ionenaustauschmembrantyp mit aus Gründen der Einfachheit nur einer begrenzten Anzahl von Zelleneinheiten illustriert, wobei das Paket rostfreie Stahlkomponenten enthält, die durch ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung behandelt wurden.
Der Grenzflächenwiderstand, auf den in dieser Beschreibung Bezug genommen wird, wird gemessen durch Verwendung des in 1 illustrierten Messsystems und des folgenden, mit Bezug auf 1 betriebenen Verfahrens.
Gemäß 1 weist das System einen Dehnungsmesser (Lloyd Instruments LRX plus, AMETEK Inc.) auf, der in
1 als eine feste Druckplatte 6 und eine bewegbare Druckplatte 1 gezeigt ist. Die rostfreie Stahlprobe 4 mit einer Fläche von etwa 50 × 50 mm ist zwischen zwei Stücken von Kohlenstoffdiffusoren 5 angeordnet, die beispielsweise Karbonpapier, hergestellt von Toray, oder Carbel-Karbontuch hergestellt von WL Gore and Associates sein können. Diese zusammengesetzte Anordnung wird dann zwischen zwei goldplattierten Kupferplatten 3 (50 × 50 mm) angeordnet, wobei die Kohlenstoffdiffusorschichten in Kontakt mit den goldplattierten Flächen sind. Die Kupferplatten 3 haben zwei Sätze von mit ihnen verbundenen Leitungen, einen für die Verwendung zum Messen des Spannungsabfalls über die Platten 3 und den zweiten Satz für die Verwendung zum Hindurchführen von Strom durch das System. Ein konstanter Strom von 5 Ampere wird verwendet mittels einer Hewlett Packard HP 6008A-Gleichstromquelle (nicht gezeigt). Die vorgenannten Anordnung 3, 4, 5 wird gegenüber dem Dehnungsmesser selbst isoliert durch Verwendung von zwei Blöcken aus Isoliermaterial 2, beispielsweise PTFE. Bevor der Dehnungsmesser betrieben wird, um Druckkräfte auf die Anordnung auszuüben, werden die Leitungen von den Gold/Kupferplatten mit einem Voltmeter (z.B. ein FLUKE 73 III-Multimeter, nicht gezeigt) und mit der Hewlett Packard-Leistungsquelle verbunden. Die Leistungsquelle wird auf 5 Ampere eingestellt und ein Amperemeter (Beckman Industrial T100B) wird verwendet, um den Strom genau zu messen.
Nachdem die rostfreie Stahlprobenplatte 4 hergestellt und wie vorstehend beschrieben angeordnet wurde, wird der Dehnungsmesser schrittweise betrieben, um zunehmende Drücke im Bereich von 40 bis 200 Ncm^–2 auszuüben. Spannungsabfälle E werden von dem Voltmeter jedes Mal gemessen, wenn der Dehnungsmesser einen durch die Maschine gespeicherten eingestellten Wert erreicht. Da dieses Verfahren den Spannungsabfall über zwei Grenzflächen aufzeichnet, wird nur die Hälfte des Spannungsabfalls verwendet, um den Grenzflächenwiderstand R_I unter Verwendung der Gleichung zu berechnen: RI = (E/2 × A) / I worin I der zugeführte Strom (5 Ampere) und A die Überlappungsfläche zwischen der Probe 4 und dem Kohlenstoffdiffusor (typischerweise 25 cm²) sind.
2 stellt eine typische Aufzeichnung dar, in der die Kurve B die Ergebnisse darstellt, die bei Verwendung einer rostfreien Stahlplatte, die gemäß dem Verfahren nach der Erfindung behandelt wurde, erhalten wurden. Die anodische Behandlung verwendete in diesem Fall eine Stromdichte von 25 mA.cm^–2 während 30 Minuten, wobei die Platte in einem wässrigen Elektrolyten von 0,5 M Schwefelsäure eingetaucht war, anfänglich bei Raumtemperatur. Die Kurve A stellt Ergebnisse dar, die bei Verwendung des Systems und des Verfahrens, die vorstehend mit Bezug auf 1 beschrieben wurden, aber mit einem unbehandelten Stück des rostfreien Stahls erhalten wurden. Anhand von 2 ist ersichtlich, dass die Kurven A und B sich Werten für R_I annähern, die bei Drücken in der Größenordnung von 200 Ncm^–2 und höher im wesentlichen konstant bleiben. Wie in der Spezifikation verwendet ist, entspricht der Grenzflächenwiderstand dem bei einer Belastung von 200 Ncm ^–2 erhaltenen Wert. Es wird beobachtet, dass der Grenzflächenwiderstand der behandelten Probe beträchtlich niedriger als der der unbehandelten Probe ist, d.h. etwa 12 mΩcm² verglichen mit etwa 65mΩcm².
Typische rostfreie Stahlplatten, die für die Verwendung in einer elektrochemischen Zelle gemäß der Erfindung zu behandeln sind, werden den folgenden Behandlungsschritten unterzogen. Das Werkstück aus rostfreiem Stahl wird unter Verwendung eines geeigneten Lösungsmittels (z.B. Azeton, Isopropylalkohol, Trichloräthylen, Ätzmittel usw.) entfettet und in ein Elektrolytbad eingetaucht. Der Elektrolyt basiert auf einer Säure, enthaltend eine oder mehr der folgenden: Schwefelsäure, Salzsäure, Salpetersäure, Chromsäure, Oxalsäure und Phosphorsäure. Unter Verwendung geeigneter Gegenelektroden (z.B. platinisiertes Ti) wird ein Gleichstrom zwischen dem Werkstück (als der Anode) und den Gegenelektroden (als der Katode) hindurchgeführt. Dieser Strom wird als eine Stromdichte berechnet und kann von 0,01 mA/cm² bis 500 mA/cm² sein, vorzugsweise in dem Bereich von 1 bis 50 mA/cm². Der Strom wird während einer Zeit zwischen 0,5 und 180 Minuten, vorzugsweise zwischen 1 und 60 Minuten und bevorzugter zwischen 2 und 7 Minuten auf den erforderlichen Pegel gesteuert. Am Beginn der anodischen Behandlung ist der Elektrolyt auf Raumtemperatur (und kann während des Verlaufs der Behandlung ansteigen). Die besonderen Bedingungen, die zur Sicherstellung einer Verringerung des Grenzflächenwiderstands erforderlich sind, während die Korrosionswiderstandseigenschaften des rostfreien Stahls im wesentlichen unverändert gehalten oder dieselben erhöht werden, können experimentell bestimmt werden.
Das Werkstück wird entfernt und in deionisiertem Wasser oder deionisiertem Wasser, das leicht alkalisch gemacht ist, um überschüssige Säure zu entfernen, abgespült und getrocknet, beispielsweise in Luft oder durch Leiten eines warmen Luftstroms über das Werk stück. Das Werkstück wird dann als eine bipolare Platte, Separatorplatte, Strömungsfeldplatte und/oder eine Stromsammelplatte in der elektrochemischen Zelle, beispielsweise einer Brennstoffzelle installiert.
Optimierte Bedingungen, die geeignet sind für eine anodische Behandlung des rostfreien Stahls, um den Grenzflächenwiderstand herabzusetzen, können für einen gegebenen Elektrolyten und eine gegebene Temperatur hergestellt werden durch Konfigurieren der Probe des zu behandelnden rostfreien Stahls als eine Anode in einem Bad eines Elektrolyten, Herstellen einer Potentialdifferenz zwischen der Anode und einer Gegenelektrode (als Katode), um einen Gleichstrom mit im wesentlichen konstanter Stromdichte durch den Elektrolyten zwischen der Anode und der Elektrode hindurchzuführen, und Verwenden eines Bereichs von Stromdichten und Behandlungszeiten. Anhand des Grenzflächenwiderstands, des Korrosionspotentials Ecorr und des Korrosionsstroms Icorr kann eine geeignete Operationsprozedur bestimmt werden. In der Praxis kann eine geeignete Stromdichte hergestellt werden, indem Experimente zum Bestimmen von Stromdichten, bei denen der Grenzflächenwiderstand (gemessen unter Verwendung der vorbeschriebenen Technik) beträchtlich verringert ist, durchgeführt werden. Für rostfreien 316-Stahl beispielsweise haben wir gefunden, dass eine bemerkenswerte Herabsetzung des Grenzflächenwiderstands erzielt werden kann bei Verwendung von Stromdichten von 20mA.cm^–2 und darüber. Für eine effiziente Energieverwendung ist es selbstverständlich wünschenswert, die Behandlung bei einer so niedrigen Stromdichte durchzuführen, wie erreicht werden kann, während eine beträchtliche Verringerung des Grenzflächenwiderstands sichergestellt wird.
Für einen gegebenen Elektrolyten und eine gegebene Temperatur kann eine geeignete Behandlungszeit eingestellt werden durch Bezugnahme auf grafische Darstellungen wie der in 3 illustrierten, die die Behandlungszeit gegenüber Ecorr und Icorr für die Behandlung von rostfreiem 316-Stahl, durchgeführt bei Raumtemperatur unter Verwendung einer Stromdichte von 25mA.cm^–2 und eines Elektrolyten, der eine 0,5M-Lösung von Schwefelsäure aufweist, illustriert. Die Daten der Kurven in 3 entsprechen den in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgeführten, in der die einer Stromdichte von 25mA.cm^–2 unterzogenen Proben durch SS316(25) identifiziert sind.
Tabelle 1 enthält auch Messungen für die folgenden Proben desselben rostfreien Stahls:

SS316(U) – eine unbehandelte Probe
SS316(UG) – eine Probe, die unter Verwendung von 60/80-Aluminiumoxid sandgestrahlt wurde, aber ansonsten unbehandelt war;
SS316(TG) – eine Probe, die unter Verwendung von 60/80-Aluminiumoxid sandgestrahlt und auch einer Stromdichte der spezifizierten Größe und Zeit unterzogen wurde;
SS316(100) – eine Probe, die einer Stromdichte von 100 mA.cm^–2 während 20 Minuten unterzogen wurde.

Ecorr und Icorr wurden durch eine Gleichstrom-Polarisationstechnik unter Verwendung der folgenden Prozedur bestimmt:
Die Polarisation wurde durchgeführt in einer EG&G (Eimer Perkin)-Flachzelle enthaltend 1N(0,5 mol) H₂SO₄-Elektrolyt und ausgestattet mit einer SCE-Bezugselektrode und einer Pt/Rh-Gegenelektrode. Mit der Arbeitselektrode an ihrer Stelle wurde die Zel lentemperatur auf 60°C gesetzt und leicht mit Stickstoffgas umspült, wobei ihr ermöglicht wurde, während zumindest 15 Minuten das Gleichgewicht herzustellen. Der Spannungsabfall zwischen der Arbeits- und der Gegenelektrode (Potential der offenen Schaltung) wurde nach jeweils einigen Minuten gemessen, bis das Potential stabilisiert war (±2mV zwischen aufeinander folgenden Messungen). Die Potentialabtastung wurde bewirkt von –0,5 bis 1,0 V gegenüber SCE mit einer Abtastrate von 0,1mV.s^–1. Anhand der erhaltenen Daten ergibt eine Aufzeichnung der logarithmischen Stromdichte gegenüber dem Potential, allgemein bezeichnet als eine Tafel-Aufzeichnung, die bekannte "gespitzte" Polarisationskurve, wobei die Mitte der Spitze der Ort ist, an dem sich die anodische und die katodische Kurve treffen. Dieser Punkt wird als das Korrosionspotential Ecorr behandelt. Durch Extrapolation entlang eines Teils der Kurve bei einem Potential von nicht mehr als 30mV auf jeder Seite von Ecorr kann ein Wert für Icorr bestimmt werden anhand des Schnittpunktes der Tangenten (siehe Principles and Prevention of Corrosion von Denny A. Jones, 2nd Edition, veröffentlicht von Prentice Hall, Seite 95, hinsichtlich der Einzelheiten der Bestimmung von Icorr.
Tabelle 1 Elektrolyt: 0,5M wässrige Schwefelsäurelösung
Durch Vergleich der Proben SS316(25) und SS316(100) mit SS316(U) ist ersichtlich, dass die Behandlung zu einer bemerkenswerten Herabsetzung des Grenzflächenwiderstands R_I führt. In gleicher Weise gibt es eine bemerkenswerte Herabsetzung des Grenzflächenwiderstands R_I für die Proben, die einer Sandbestrahlung unterzogen wurden, aber der Unterschied von R_I für SS316(UG) und SS316(TG) ist nur geringfügig. Es wird auch beobachtet, dass R_I für SS316(25), wenn die Behandlungszeit 60 Minuten betrug, dem für SS316(TG) leicht überlegen ist. Dies legt die Vermutung nahe, dass durch mechanische Aufrauung der Oberfläche des rostfreien Stahls nichts gewonnen wird, jedoch schließen wir aus dem Bereich der vorliegenden Erfin dung nicht die Möglichkeit aus, eine derartige Aufrauung durchzuführen.
Auch ist aus Tabelle 1 ersichtlich, dass der Grenzflächenwiderstand R_I, der für SS316(100) gemessen wurde, nur geringfügig besser ist als der, der für dieselbe Probe erhalten wurde, wenn diese während 5 Minuten bei 25 mA.cm^–2 behandelt wurde. Jedoch ist festzustellen, dass Ecorr- und Icorr-Werte, die innerhalb eines Fensters von relativ kurzen Behandlungszeiten erhalten wurden, besseren Korrosionswiderstandseigenschaften entsprechen als für beträchtlich längere Behandlungszeiten – siehe SS316(25), wenn während 10 Minuten behandelt, mit SS316(25), wenn zwischen 4 und 6 Minuten behandelt.
Tabelle 2 gibt ähnliche Daten wie diejenigen in 1 für denselben rostfreien Stahl, aber bei Verwendung unterschiedlicher Elektrolyten.
Tabelle 2
Alle in Tabelle 2 spezifizierten Elektrolyten sind wässrige 1M-Lösungen der spezifizierten Säure. Der Elektrolyt aus gemischter Säure (H₃PO₄/H₂SO₄) weist wässrige 1M-Lösungen jeder Säure auf. Obgleich HCl eine Herabsetzung des Grenzflächenwiderstandes zeigt, ist sie keine bevorzugte Säure wegen des Problems von Rostnarben.
Wie vorstehend erwähnt ist, wird die Verwendung von metallischen Bipolarplatten in Brennstoffzellen als vorteilhaft gegenüber anderen Materialien angesehen, wie z.B.: dünne Platten führen zu Paketen mit geringem Volumen; Leichtigkeit des Drückens eines Strömungsfeldes in die Platte; und kostengünstige Metalle und Legierungen sind in großen Mengen leicht verfügbar. Bedenken hinsichtlich der Verwendung von Metallplatten bestehen jedoch in Bezug auf die Frage der Korrosion, die dazu führen kann, dass Metallionen von den Metallplatten aktive Stellen in der Membran in einer Brennstoffzelle vom PEM-Typ blockieren, was zu erhöhten Zellenwiderständen führt. Makkus et all (J. Power Sources, 86(2000)274) haben berichtet, dass die Anodenseite der Brennstoffzelle (d.h. die Wasserstoffseite), die metallische Bipolarplatten enthält, zu einer größeren Korrosion der Platte führt, als die Katodenseite (d.h. Luftseite). Makkus et al beziehen sich auch auf die Passivierung, die zu einem erhöhten elektrischen sowie Korrosionswiderstand führt.
Um die Wirkung der Behandlung von rostfreiem Stahl gemäß der vorliegenden Erfindung zu prüfen, wurde der Betrieb einer PEM-Brennstoffzelle simuliert durch Verwendung eines Elektrolyten von 1 mol dm^–3 Schwefelsäure bei 60°C und Polarisieren eines Prüfstücks aus rostfreiem Stahl bei den Extremen der Brennstoffzellenoperation, d.h. 0V gegenüber SHE für die Ano denseite. Die Simulation wurde für behandelte und unbehandelte Prüfproben desselben rostfreien 316-Stahls durchgeführt und wurde während einer Anzahl von Stunden betrieben. Nach einer derartigen Operation unter Verwendung jeder Probe wurde der Elektrclyt für eine chemische Analyse gesammelt. Die bei der Herstellung der einen Probe für die Simulation angewendete Behandlung enthielt das Unterziehen der Probe einer Stromdichte von 25 mA.cm^–2 während 6 Minuten in einem wässrigen Elektrolyten von 0,5 mol Schwefelsäure pro dm³ anfänglich bei Raumtemperatur. Die Daten von der anodenseitigen Simulation sind in Tabelle 3 für die unbehandelte Probe (Probe 1) und die behandelte Probe (Probe 2) gezeigt.
Tabelle 3
Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, dass bei der simulierten Zelle unter Verwendung der behandelten Probe eine wesentliche Herabsetzung im Ausmaß der Korrosion besteht, wie durch die Anwesenheit von viel weniger Metallionen in dem Elektrolyten gezeigt ist.
Die anodische Behandlung des rostfreien Stahls enthält gewöhnlich die Anreicherung der Oberflächenschicht des rostfreien Stahls in einer solchen Weise, dass der Eisen-zu-Chrom-Gehalt in dem Oberflächenbereich des behandelten Stahls (gemessen unter Verwen dung der Röntgenstrahlen-Photoelektronen-Spektroskopie) verringert wird. Die ist in 4 für eine Anzahl von Proben desselben rostfreien 316-Stahls illustriert. Die Probe 4 stellt die Gesamtzusammensetzung des 316-Stahls in Bezug auf seine Eisen-, Chrom-, Nickel- und Molybdän-Bestandteile dar. Die Probe 1 stellt eine entfettete Probe dar, aus der ersichtlich ist, dass der Eisengehalt im wesentlichen größer als der Chromgehalt ist. Die Probe 2 stellt eine Probe dar, die entfettet und deren Oberfläche durch Sandstrahlen aufgeraut wurde. In diesem Fall ist der Eisengehalt sogar größer im Vergleich mit dem Chromgehalt, und ist im wesentlichen repräsentativ für die Gesamtzusammensetzung des rostfreien Stahls entsprechend der Probe 4. Die Probe 3 entspricht einer Probe, die der anodischen Behandlung gemäß der Erfindung unterzogen wurde, und es ist ersichtlich, dass sie eine Oberflächenzusammensetzung hat, bei der der Chromgehalt den Eisengehalt beträchtlich überschreitet.
5 illustriert den aus der Verwendung von anodisch behandelten rostfreien Stahlplatten in einer Brennstoffzelle abgeleiteten Nutzen. Diese Figur ist eine graphische Darstellung, die das längerzeitige Leistungsvermögen einer PEM-Einzelzellen-Brennstoffzelle, die mit behandelten rostfreien Stahlplatten ausgestattet ist, und einer solchen, die mit unbehandelten rostfreien Stahlplatten ausgestattet ist (Kurven T bzw. U in 5) vergleicht, wobei die rostfreien Stahlplatten in beiden Fällen als Feldströmungsplatten ausgebildet sind, die sich auf entgegengesetzten Seiten (Anoden- und Katodenseite) der Membran befinden. Die bei den Platten durchgeführte Behandlung enthält das Aussetzen von diesen einer Stromdichte von 25 mA/cm² in einer Lösung von 0,5 M-Schwefelsäureelektrolyt während 6 Minuten in dem Fall der anodenseitigen Platte und während 60 Minuten in dem Fall der katodenseitigen Platte. In dem Langzeittest nach 5 wurden die folgenden Bedingungen verwendet:

Wasserstoffdruck 3 bar (g)
Luftdruck 3 bar (g)
Wasserstoffverwendung 70%
Luftverwendung 35%
Zellentemperatur 50°C
Befeuchtung 50°C
Verdichtungskraft 220 N/cm²
Stromdichte 0,7 A/cm²

Die vergleichenden Langzeitdaten für unbehandelten rostfreien Stahl kommen von D.P. Davies, P.L. Adcock, M. Turpin und D.J. Rowen, J. Power Sources, 86(200), 237.
Aus 5 ist ersichtlich, dass eine beträchtliche Verbesserung im Spannungsausgang sichergestellt ist durch Verwendung von behandelten rostfreien Stahlplatten, ohne die Dauerhaftigkeit zu opfern.
Die Behandlung des rostfreien Stahls kann bei konstantem Strom oder bei konstanter Spannung durchgeführt werden. 6 zeigt Grenzflächenwiderstandsdaten, die unter Verwendung der mit Bezug auf 1 beschriebenen Prozedur erhalten wurden für eine Probe desselben rostfreien 316-Stahls, wie dem, auf den in Tabelle 2 Bezug genommen ist, aber in 0,5M-Schwefelsäureelektrolyten während 10 Minuten bei einer angelegten Spannung von 1,8 V gegenüber SCE behandelt wurde, d.h. einer im wesentlichen konstanten Spannung gegenüber der Bezugselektrode. Bei einem ausgeübten Druck von 200 N/cm² beträgt der Grenzflächenwiderstand angenähert 12,5 mΩ.cm² verglichen mit 64 mΩ.cm² für die unbehandelte Probe (siehe SS316(U) in Tabelle 2).
Bei einem typischen Herstellungsvorgang hat eine Anzahl von Flächen aus rostfreiem Stahl, z.B. rostfreiem 316- oder 316L-Stahl, jeweils Sätze von Merkmalen, die in eine oder beide Hauptflächen eingeführt sind (z.B. durch Ätzen oder Drücken), in einer solchen Weise, dass jeder Satz der Merkmale als Strömungsverteilungskanäle für Fluide in einer elektrochemischen Zellenanordnung wie einem Brennstoffzellenpaket dient. Die Fluide können Wasserstoff, Luft, Sauerstoff, Wasser und/oder Methanol sein (aber nicht hierauf beschränkt). Ein Beispiel für ein derartiges Strömungsmuster ist in der nachfolgend beschriebenen 7 gezeigt. Nachdem das Blech gemäß der Erfindung behandelt wurde, kann es in kleinere Stücke geschnitten werden, die jeweils eine Platte bilden, die mit einem Satz von Fluidströmungskanälen auf einer oder jeder Hauptfläche versehen ist, wobei jede Platte für die Verwendung in der Brennstoffzelle dimensioniert und ausgebildet ist. Gemäß der Erfindung wird das rostfreie Stahlblech in einer solchen Weise behandelt, dass die Oberflächenleitfähigkeit erhöht wird, vorzugsweise ohne Verringerung des Korrosionswiderstandes und in einigen Fällen Erhöhen des Korrosionswiderstandes des Metalls.
Der Behandlungsvorgang weist üblicherweise die folgenden Schritte auf:

1. Das zu behandelnde Blech wird zuerst unter Verwendung einer Entfettungslösung wie Azeton, Isopropanol, Trichloräthylen oder einem auf einem Alkali basieren den wässrigen System "gereinigt".
2. Blech wird in ein wässriges Behandlungsbad enthaltend Schwefelsäure, z.B. 1 mol dm^–3, bei Raumtemperatur oder einer anderen gewünschten Temperatur eingeführt. Das Behandlungsbad ist mit Gegenelektroden ausgestattet, die aus geeignetem Material (z.B. mit Iridiumdioxid oder Platin beschichtetes Titan) bestehen, die in Blatt- oder Maschenform sein können, und das zu behandelnde Blech befindet sich zwischen den beiden Gegenelektroden.
3. Elektrische Verbindungen werden sowohl mit dem Werkstück aus rostfreiem Stahlblech und den Gegenelektroden hergestellt und ein im wesentlichen konstanter Gleichstrom wird zwischen den Gegenelektroden und dem Werkstück geleitet. Die Stromdichte beträgt gewöhnlich zwischen 1 und 100 mAcm^–2 und wird während einer geeigneten Zeit (gewöhnlich zwischen 1 Minute und 2 Stunden) zugeführt, wobei die Stromdichte und die Anwendungszeit experimentell im Licht der Behandlung von Proben des rostfreien Stahls in der vorstehend beschriebenen Weise bestimmt werden.
4. Nachdem der Strom während der erforderlichen Zeit zugeführt wurde, wird das Werkstück von der elektrischen Schaltung getrennt, aus dem Bad entfernt, und überschüssige Säure wird entfernt, indem beispielsweise das Werkstück über dem Bad während einer Zeit aufgehängt wird, um der überschüssigen Säure zu ermöglichten, von der Oberfläche in das Bad abzufließen.
5. Das behandelte Blech wird dann zu einem Spülbad transportiert, das deionisiertes Wasser oder deionisiertes Wasser, das mit Natriumkarbonat oder Natriumhydroxid leicht alkalisch gemacht ist, enthält, und nach dem Abspülen wird das Blech in einer sauberen Umgebung getrocknet. Das Trocknen kann durch natürliche Verdampfung oder Zirkulation von Luft bei Raum- oder erhöhter Temperatur durchgeführt werden.
6. Das getrocknete Blech wird in kleinere Platten geschnitten, die in der Größe mit den Abmessungen und der Konfiguration des Brennstoffzellenpakets kompatibel sind, in das die Platten beispielsweise als Strömungsfeldplatte und/oder bipolare Platten einzusetzen sind.

Bei einem alternativen Verfahren kann anstelle des Teilens des rostfreien Stahlblechs in die individuellen Platten nach dem Behandlungsvorgang, nachdem es mit dem Sätzen von Fluidströmungskanalmerkmalen ausgebildet wurde, das rostfreie Stahlblech anfänglich in Platten von für das Einsetzen in die elektrochemische Zelle geeigneten Abmessungen und Konfigurationen getrennt werden (z.B. durch Schneiden oder Ätzen). Die so gebildeten individuellen Platten können dann entsprechend den vorstehenden Schritten 1.–5. individuell behandelt werden.
Bei einer anderen Variation können die entgegengesetzten Flächen des rostfreien Stahlblechs oder der individuellen Platten der Behandlung in unterschiedlichem Ausmaß unterzogen werden. Beispielsweise kann jede Fläche mit Bezug auf die Bedingungen behandelt werden, denen sie im Betrieb der elektrochemischen Zelle ausgesetzt sein wird. Beispielsweise kann in dem Fall einer bipolaren Platte für eine Brennstoffzelle eine Fläche einem Fluid ausgesetzt sein, das Wasserstoff oder Methanol aufweist (die Anodenseite), und die gegenüber liegende Fläche kann einem Fluid ausgesetzt sein, das Sauerstoff aufweist (die Katodenseite). Durch unterschiedliche Behandlung der beiden Flächen, z.B. während unterschiedlicher Zeitdauern, kann jede Fläche gemäß den Bedingungen optimiert werden, denen sie im Betrieb der Brennstoffzelle aus gesetzt ist. Somit kann der vorgenannte Prozess im Schritt 4 modifiziert werden durch Beendigen des Stromflusses zwischen einer Fläche und der zugeordneten Gegenelektrode nach einem ersten vorbestimmten Zeitintervall, das für diese Fläche zweckmäßig ist (z.B. die Wasserstoff- oder Anodenseite). An diesem Punkt wird diese Seite getrennt und isoliert, während der Stromfluss zwischen der gegenüber liegenden Fläche und ihrer zugeordneten Gegenelektrode fortgesetzt wird, bis ein zweites vorbestimmtes Zeitintervall verstrichen ist.
Es wird nun auf 7 Bezug genommen, gemäß der eine Anwendung der vorliegenden Erfindung in der Herstellung eines Brennstoffzellenpakets liegt, das ionendurchlässige Membranen 31 und 32 aufweist, die Katodenelektroden 33 bzw. 34 und Anodenelektroden (nicht gezeigt) haben, die mit jeder ihrer Hauptflächen verbunden sind. Jede Membran 31, 32 und ihre zugeordnete Anode und Katode bilden eine Brennstoffzelleneinheit eine bipolare Separatorplatte 35, die mit Oberflächenmerkmalen 36 versehen ist, befindet sich zwischen ionendurchlässigen Membranen 31 und 32 in Kontakt mit den Elektrodenoberflächen hiervon. Anschlussplatten 37 und 38, die mit Anschlüssen 39 und 40 zum Liefern von in dem Zellenpaket erzeugten elektrischen Strom zu einer externen Schaltung versehen sind, sind Membranen 31 bzw. 32 benachbart angeordnet. Bei dem illustrierten Ausführungsbeispiel ist nur eine bipolare Separatorplatte 35 gezeigt. In der Praxis gibt es gewöhnlich eine Vielzahl von bipolaren Separatorplatten, die jeweils mit angrenzenden Paaren von Brennstoffzelleneinheiten assoziiert sind.
In dem Paket wird die Membran 31 fest zwischen der Anschlussplatte 37 und der bipolaren Platte 35 gehal ten, um eine Oxidationsmittel-Gaskammer 41 und eine Brennstoff-Gaskammer 42 zu bilden. Wasserstoffbrennstoff wird zu den Anoden in den Brennstoff-Gaskammern 42 und 44 über eine Brennstoffgas-Einlassleitung geliefert, und Nebenprodukte werden über eine Leitung 46 entfernt. Oxidationsmittelgas wird zu den Katoden 33 und 34 in den Oxidationsmittel-Gaskammern 41 und 43 über eine Oxidationsmittelgas-Einlassleitung 47 zugeführt, und Nebenprodukte werden über eine Leitung 48 entfernt. Öffnung 49 und 50, die sich an entgegengesetzten Ecken der Membranen 31 und 32 befinden, sind mit der Wasserstoffgas-Einlass- und – Auslassleitung 45 und 46 und mit Öffnungen 51 und 52 in der bipolaren Platte 35 ausgerichtet, um den Durchgang von Wasserstoff-Brennstoffgas in die Brennstoffkammern 42 und 44 und das Entfernen von Nebenprodukten aus diesen zu erleichtern.
Nicht gezeigte Öffnungen und Öffnungen 53, die sich an entgegengesetzten Ecken der Membranen 31 und 32 befinden, sind mit Oxidationsmitteleinlass- und – auslassleitungen 47 und 48 und mit einer Öffnung 54 und einer anderen nicht gezeigten Öffnung in der bipolaren Platte 35 ausgerichtet, um den Durchgang von Oxidationsmittelgas in die Oxidationsmittelkammern 41 und 43 sowie die Entfernung von Nebenprodukten aus diesen zu erleichtern.
Die Endplatten 37 und 38, die Membranen 31 und 32 und die bipolare Platte 35 sind jeweils mit mehreren Öffnung 55 versehen, durch die Montageverbindungsbolzen 56 (von denen nur einer teilweise illustriert ist) hindurchgehen und mit Muttern 56A so in Eingriff sind, dass die Brennstoffzelleneinheiten und bipolaren Separatorplatten zwischen den Endplatten 37 und 38 eingeklemmt sind. Obgleich dies nicht illustriert ist, sind Dichtungen zwischen den membrantragenden Platten 31 und 32, den bipolaren Platten 35 und den Endplatten 37 und 38 angeordnet, um das aktive Innere des Brennstoffzellenpakets abzudichten.
Die Endplatten 37 und 38 und/oder die bipolare Platte 35 bestehen aus rostfreiem Stahl, der entsprechend dem Verfahren nach der Erfindung behandelt wurde, so dass der Grenzflächenwiderstand zwischen diesen Platten und den angrenzenden Membranen 31 beträchtlich herabgesetzt ist. Zusätzlich können die Leitungen und auch die Anschlüsse 39 und 40 aus rostfreiem Stahl bestehen, der auf diese Weise behandelt wurde. In dem Fall der Endplatten 37, 38 müssen nur solche Flächen, die dem Inneren des Brennstoffzellenpakets zugewandt sind, in der Praxis behandelt sein. Jedoch kann aus Gründen der Einfachheit der Behandlung die gesamte Oberfläche der Endplatten so behandelt sein, einschließlich der Grenzflächen, die tatsächlich nicht direkt im Inneren des Brennstoffzellenpakets und damit den stark reduzierenden/oxidierenden und Hochtemperaturbedingungen, die während des Betriebs des Brennstoffzellenpakets vorherrschen, ausgesetzt sind.
Obgleich dies nicht gezeigt ist, ist das Paket wünschenwerterweise mit Kühlmitteln versehen, um zumindest einen Teil der während des Betriebs erzeugten Wärme abzuführen. Solche Kühlmittel können implementiert sein durch Anpassung einer oder mehreren der Separatorplatten oder Einschluss von geeigneten Elementen innerhalb des Pakets, um Kühlmitteldurchgänge aufzunehmen, die in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem aktiven Inneren des Brennstoffzellenpakets stehen und durch die ein Kühlmittelfluid wie Wasser oder Luft hindurchgeführt werden kann, wobei das Innere der Fluidkühlmittel-Durchgänge von dem Inneren des Brennstoffzellenpakets isoliert ist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung befindet sich eine Schicht aus Diffusionsmaterial, die elektrisch leitend und porös ist, beispielsweise ein kohlenstoffbeschichtetes Papier oder ein mit Graphit imprägnierter Polymerfilm, in den Oxidationsmittel-Gaskammern 41 und 43 und/oder in den Brennstoff-Gaskammern 42 und 44. Beispielsweise kann die Schicht aus Diffusionsmaterial zwischen der bipolaren Platte 35 und den benachbarten Elektrodenflächen der Membranen 31 und 32 und/oder zwischen den Anschlussplatten 37 und 38 und den benachbarten Elektrodenoberflächen der Membranen 31 und 32 angeordnet sein.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zellenanordnung oder eines Brennstoffzellenpakets, bei der/dem zumindest eine Komponente, die während des Betriebs der Zelle der chemischen Umgebung ausgesetzt ist, eine rostfreie Stahlkomponente aufweist, welches Verfahren aufweist: Behandeln einer Oberfläche des rostfreien Stahls, vor dem Einsetzen in die Anordnung oder das Paket, mit einem elektrischen Strom, während sie in Berührung mit einem Elektrolyten ist, unter Bedingungen, die den Grenzflächenwiderstand, der mit der Oberfläche assoziiert ist, um einen Faktor von zumindest 5% im Vergleich mit dem vor dieser Behandlung vorherrschenden Grenzflächenwiderstand herabsetzen, und Einsetzen der so behandelten rostfreien Stahlkomponente in eine elektrochemische Anordnung oder ein Brennstoffzellenpaket.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Behandlung wirksam ist zum Verringern des Verhältnisses von Eisen- zu Chromgehalt innerhalb des Oberflächenbereiches des rostfreien Stahls, verglichen mit dem vor einer derartigen Behandlung vorherrschenden Eisen- zu Chromverhältnis.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Stromdichte, der die rostfreie Stahloberfläche zumindest eines Hauptteils dieser Behandlung unterworfen ist, im Wesentlichen konstant ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der rostfreie Stahl ein austenitischer Stahl ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Substrat einen rostfreien Stahl der Serie 300 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Substrat einen rostfreien 316-Stahl aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Substrat einen rostfreien 316L-Stahl aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Elektrolyt zumindest eine Säure enthält, die ausgewählt ist aus der Gruppe enthaltend Schwefelsäure, Salzsäure, Salpetersäure, Chromsäure, Oxalsäure und Phosphorsäure.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Säure Schwefelsäure aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Grenzflächenwiderstand des rostfreien Stahls um einen Faktor von zumindest 15% verglichen mit dem vor der Behandlung vorherrschenden Grenzflächenwiderstand herabgesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Grenzflächenwiderstand des rostfreien Stahls um einen Faktor von zumindest 25% verglichen mit dem vor der Behandlung vorherrschenden Grenzflächenwiderstand herabgesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Grenzflächenwiderstand des rostfreien Stahls um einen Faktor von zumindest 40% verglichen mit dem vor dieser Behandlung vorherrschenden Grenzflächen widerstand herabgesetzt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die behandelte Oberfläche des rostfreien Stahls mit einem die elektrische Leitfähigkeit erhöhenden Material beschichtet wird, folgend dieser Behandlung und vor dem Einsetzen in die elektrochemische Zellenanordnung oder das Paket.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die behandelte Oberfläche des rostfreien Stahls mit Titannitrid, Chromnitrid oder einem elektrokatalytisch aktiven Material beschichtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwei oder mehr Oberflächen des rostfreien Stahls so behandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem dieselbe Behandlung bei zumindest jeder Hauptfläche des rostfreien Stahls angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, bei dem die auf eine Oberfläche des rostfreien Stahls angewendete Behandlung sich von der unterscheidet, die bei einer oder mehr anderen Oberflächen des rostfreien Stahls angewendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Zellenanordnung oder das Paket zwei oder mehr rostfreie Stahlkomponenten aufweist, die wie vorgenannt behandelt wurden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Anordnung oder das Paket Bipolarplatten, Separatorplatten, Strömungsfeldplat ten und/oder Stromkollektorplatten aufweist, von denen mindestens eine eine rostfreie Stahlplatte aufweist, die wie vorgenannt behandelt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Behandlung unter Verwendung einer Stromdichte im Bereich von 1 bis 100 mA·cm^–2 durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Behandlung unter Verwendung einer Stromdichte von zumindest 20 mA·cm^–2 durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Behandlung unter Verwendung einer Stromdichte von bis zu 50 mA·cm^–2 durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Behandlung während eines Zeitraums von zwischen 0,5 und 180 Minuten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Behandlung während eines Zeitraums von zumindest einer Minute, vorzugsweise zumindest 2 Minuten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Behandlung während eines Zeitraums von bis zu 60 Minuten, z.B. bis zu 10 Minuten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Behandlung während eines Zeitraums von zwischen 3 und 7 Minuten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Behandlung durchgeführt wird, während der rostfreie Stahl in der Form eines Blattes ist, und bei dem das behandelte Blatt nachfolgend geteilt wird, um eine Anzahl von Platten für das Einsetzen in eine oder mehr elektrochemische Zellenanordnungen zu bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, bei dem der rostfreie Stahl anfänglich in der Form eines Blattes ist und bei dem das Blatt geteilt wird, um eine Anzahl von Platten zu bilden, bevor die Behandlung bei den individuellen Platten durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, bei dem Fluidströmungskanäle in dem Blatt gebildet werden, bevor eine derartige Teilung in Platten bewirkt wird.
Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zellenanordnung oder eines Brennstoffzellenpakets, bei der/dem zumindest eine Platte, die während des Betriebs der Zelle der chemischen Umgebung ausgesetzt ist, eine austenitische rostfreie Stahlplatte aufweist, welches Verfahren aufweist: Behandeln einer Oberfläche des rostfreien Stahls, vor dem Einsetzen in die Anordnung oder das Paket, gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 unter Verwendung eines elektrischen Stroms mit einer Stromdichte in dem Bereich von 20 mA·cm^–2 bis 100 mA·cm^–2 während einer Zeitdauer von 1 bis 10 Minuten, während sie in Kontakt mit einem Schwefelsäure enthaltenden Elektrolyten unter Bedingungen ist, die den Grenzflächenwiderstand, der mit dieser Oberfläche assoziiert ist, herabsetzen und das Verhältnis von Eisenge halt zu Chromgehalt and der Oberfläche des rostfreien Stahls herabsetzen, wobei der rostfreie Stahl danach in die Zellenanordnung oder das Brennstoffzellenpaket in der Form einer Platte eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem vor der Behandlung der Chromgehalt an der Oberfläche des rostfreien Stahls geringer als der Eisengehalt ist, und bei dem nachfolgend der Behandlung der Chromgehalt an der Oberfläche des rostfreien Stahls den Eisengehalt übersteigt.
Elektrochemische Zellenanordnung, die nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 31 hergestellt ist.
Brennstoffzellenanordnung, die nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 31 hergestellt ist.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 33, die eine PEM-Brennstoffzelle, eine Alkali-Brennstoffzelle, eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle, eine Direktmethanol-Brennstoffzelle, eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle oder eine Festoxid-Brennstoffzelle ist.
Elektrochemische Zelle enthaltend Bipolarplatten, Separatorplatten, Strömungsfeldplatten und/oder Stromkollektorplatten, von denen zumindest eine durch eine anodisch behandelte Platte aus rostfreiem Stahl mit herabgesetztem Grenzflächenwiderstand folgend der Behandlung gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29 gebildet ist.
Brennstoffzellenplatte, die mit Fluidströ mungskanälen ausgebildet ist, welche Platte einen rostfreien Stahl aufweist, der vor dem Einsetzen in die Brennstoffzelle nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29 behandelt wurde.
Brennstoffzellenpaket, welches aufweist: a) mehrere Brennstoffzelleneinheiten, von denen jede eine Protonenaustauschmembran enthält, die die Zelle in eine Anolyt- und eine Katolyt-Kammer trennt und mit einer Anode und einer Kathode an entgegengesetzten Seiten hiervon versehen ist; b) eine Separatorplatte, Strömungsfeldplatte oder Bipolarplatte, die zwischen benachbarten Zelleneinheiten angeordnet ist; c) Stromsammelmittel, die ein Paar von Platten aufweisen, von denen sich eine an jedem Ende des Pakets befindet; d) Mittel zum Zuführen von Brennstoff zu den Anolytkammern des Pakets; und e) Mittel zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Gases zu den Katolytkammern des Pakets; wobei zumindest eine der Platten eine rostfreie Stahlplatte ist, von der eine Oberfläche vor dem Einsetzen der Platte in das Paket nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29 behandelt wurde.
Verfahren zum Herstellen einer rostfreien Stahlkomponente zum Einsetzen in eine elektrochemische Zellenanordnung oder ein Brennstoffzellenpaket, aufweisend die Behandlung einer Oberflä che von zumindest einer rostfreien Stahlkomponente, die während des Betriebs der Zelle der chemischen Umgebung ausgesetzt wird, vor dem Einsetzen in die Anordnung oder das Paket, mit einem elektrischen Strom, während sie in Berührung mit einem Elektrolyten ist, unter Bedingungen, die den Grenzflächenwiderstand, der mit dieser Oberfläche assoziiert ist, herabsetzen, Beschichten der behandelten Oberfläche der Komponente mit einem elektrisch leitenden Material und Einsetzen der so behandelten rostfreien Stahlkomponente in eine elektrochemische Anordnung oder ein Brennstoffzellenpaket.
Verfahren zum Herstellen einer rostfreien Stahlkomponente zum Einsetzen in eine elektrochemische Zellenanordnung oder ein Brennstoffzellenpaket, aufweisend die Behandlung einer Oberfläche von zumindest einer rostfreien Stahlkomponente, die während des Betriebs der Zelle der chemischen Umgebung ausgesetzt ist, vor dem Einsetzen in die Anordnung oder das Paket, mit einem elektrischen Strom, während sie in Berührung mit einem Elektrolyten unter Bedingungen ist, die den Grenzflächenwiderstand, der mit dieser Oberfläche assoziiert ist, herabsetzen, Beschichten der behandelten Oberfläche mit Titannitrid oder Chromnitrid oder einem elektrokatalytisch aktiven Material, und Einsetzen der so behandelten rostfreien Stahlkomponente in eine elektrochemische Anordnung oder ein Brennstoffzellenpaket.
Verfahren nach Anspruch 39, bei dem die behandelte Oberfläche mit einem elektrokatalytisch aktiven Material beschichtet wird, das ausgewählt ist aus der Gruppe, welche aufweist: ein oder mehr Platingruppenmetalle oder Oxide hiervon, Cer oder ein Oxid hiervon; Ruthenium oder ein Oxid hiervon; Rutheniumoxid oder ein Oxid eines unedlen Metalls; Mischungen von RuO2 mit zumindest einem von TiO2, SnO2, IrO2, PtO, Sb2O3, Ta2O5, PdO, CeO2, Co3O4, und Einsetzen der so behandelten rostfreien Stahlkomponente in eine elektrochemische Anordnung oder ein Brennstoffzellenpaket.
Elektrochemische Zellenanordnung oder Brennstoffzellenpaket, enthaltend eine rostfreie Stahlkomponente, die während des Betriebs der chemischen Umgebung innerhalb der Zelle ausgesetzt ist, welche Komponente gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 40 hergestellt ist.