DE102009005766A1

DE102009005766A1 - Bipolare Platte mit variablen Oberflächeneigenschaften für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102009005766A1
Application number: DE102009005766A
Authority: DE
Inventors: Jon P. Owejan; Thomas A. Trabold; Thomas W. Tighe; Reena L. Rochester Hills Datta; Gayatri Vyas Rochester Hills Dadheech
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-01-28
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2009-08-20
Also published as: US20090191351A1; CN101499533A

Abstract

Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst eine erste Brennstoffzellenkomponente mit einer ersten Seite, eine erste hydrophile Beschichtung, die zumindest einen ersten Abschnitt der ersten Seite überlagert, und eine zweite weniger hydrophile Beschichtung, die zumindest einen zweiten Abschnitt der ersten Seite überlagert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das Gebiet, welches diese Offenbarung allgemein betrifft, umfasst bipolare Platten von Brennstoffzellen.
HINTERGRUND
Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Einrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt zwischen der Anode und der Kathode beinhaltet. Die Anode empfängt wasserstoffreiches Gas oder reinen Wasserstoff und die Kathode empfängt ein Oxidationsmittel, wie etwa Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode dissoziiert, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen wandern durch den Elektrolyt an die Kathode, bei der die Protonen mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode reagieren, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode sind nicht in der Lage, durch den Elektrolyt zu wandern. Daher werden die Elektronen durch eine Last geleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie an die Kathode gesandt werden. Die Arbeit kann zum Betreiben eines Fahrzeugs verwendet werden, ist aber nicht darauf beschränkt.
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe bipolarer Platten. Die bipolaren Platten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benach barte Brennstoffzellen in dem Stapel. Strömungskanäle für Anodengas sind auf der Anodenseite der bipolaren Platten bereitgestellt und Strömungskanäle für Kathodengas sind auf der Kathodenseite der bipolaren Platten bereitgestellt. Die bipolaren Platten können auch Strömungskanäle für ein Kühlfluid umfassen.
Die bipolaren Platten bestehen typischerweise aus einem leitfähigen Material, wie etwa einem Kohlenstoffverbundstoff oder einem Metall, so dass sie die Elektrizität, welche von den Brennstoffzellen erzeugt wird, von einer Zelle zur nächsten Zelle und aus dem Stapel heraus leiten. Die bipolaren Platten können aus relativ dünnen Metallsubstraten maschinell hergestellt werden oder aus dünnen Metallsubstraten, die geprägt oder gestanzt werden können, um Strömungsfelder für Reaktantengas und Strömungsfelder für ein Kühlmittelfluid bereitzustellen.
Wie auf dem Gebiet gut verstanden wird, benötigen die meisten Brennstoffzellentypen eine gewisse relative Feuchtigkeit. Im Betrieb der Brennstoffzelle kann Feuchtigkeit in die Strömungskanäle der Anode und der Kathode aufgrund dessen eindringen, dass die Reaktantengase befeuchtet sind oder aufgrund von Wasser, das an der Kathode erzeugt wird. Wenn die Größe der Wassertröpfchen wächst, wird der Strömungskanal verschlossen und das Reaktantengas wird zu anderen Strömungskanälen umgeleitet, da die Kanäle zwischen gemeinsamen Einlass- und Auslasssammelleitungen in einer im Allgemeinen parallelen Richtung verlaufen. Da das Reaktantengas nicht durch einen Kanal strömen kann, der durch Wasser blockiert ist, kann das Reaktantengas das Wasser nicht aus dem Kanal drücken. Wenn mehr und mehr Strömungskanäle durch Wasser blockiert werden, nimmt die von der Brennstoffzelle erzeugte Elektrizität ab. Da die Brennstoffzellen elektrisch in Reihe gekoppelt sind, kann der gesamte Brennstoffzellenstapel nicht mehr funktionieren, wenn eine der Brennstoffzellen nicht mehr funktioniert.
Üblicherweise ist es möglich, das in den Strömungskanälen angesammelte Wasser zu entleeren, indem das Reaktantengas periodisch mit einer höheren Strömungsrate durch die Strömungskanäle gedrückt wird. An der Kathodenseite erhöht dies jedoch die parasitäre Leistung, die an den Luftkompressor angelegt wird, wodurch der Wirkungsgrad des Gesamtsystems verringert wird. Außerdem sprechen viele Gründe dafür, den Wasserstoffbrennstoff nicht als Gas zum Entleeren zu verwenden, welche eine verringerte Wirtschaftlichkeit, einen verringerten Systemwirkungsgrad und eine erhöhte Systemkomplexität beim Behandeln erhöhter Konzentrationen von Wasserstoff in der Abgasströmung umfassen.
Eine Verringerung von Wasseransammlungen in den Kanälen kann auch durch ein Verringern der Einlassbefeuchtung erreicht werden. Es ist jedoch gewünscht, für eine gewisse relative Feuchtigkeit in den Anoden- und Kathodenreaktantengasen zu sorgen, so dass die Membran in den Brennstoffzellen hydratisiert bleibt. Ein trockenes Einlassgas übt einen Trocknungseffekt auf die Membran aus, der den Ionenwiderstand der Zelle erhöhen und die langfristige Haltbarkeit der Membran begrenzen kann.
Es ist auf dem Gebiet bekannt, die bipolare Platte mit einer hydrophilen Beschichtung zu beschichten, um Wasseransammlungen zu verringern.
ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der Erfindung beinhaltet eine erste Brennstoffzellenkomponente mit einem Substrat, das eine erste Seite, eine erste hydrophile Beschichtung, die zumindest einen ersten Abschnitt der ersten Seite überlagert, und eine zweite weniger hydrophile Beschichtung umfasst, welche zumindest einen zweiten Abschnitt der ersten Seite überlagert.
Weitere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der im Anschluss bereitgestellten genauen Beschreibung. Es versteht sich, dass die genaue Beschreibung und spezielle Beispiele, obwohl sie die beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung anzeigen, nur zur Veranschaulichung gedacht sind und den Umfang der Erfindung nicht begrenzen sollen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der genauen Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen besser verstanden werden.
1 veranschaulicht ein Produkt, das eine bipolare Platte mit einer hydrophilen Beschichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst.
2 veranschaulicht ein Produkt, das eine bipolare Platte mit einer hydrophilen Beschichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst.
3 veranschaulicht ein Produkt, das eine bipolare Platte mit einer hydrophilen Beschichtung und einer hydrophoben Beschichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst.
4 veranschaulicht ein Produkt, das eine bipolare Platte mit einer hydrophilen Beschichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst.
5 veranschaulicht ein Produkt, das eine bipolare Platte mit einer hydrophilen Beschichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst.
6 veranschaulicht ein Produkt, das eine bipolare Platte mit einer hydrophilen Beschichtung und einer hydrophoben Beschichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst.
7 veranschaulicht ein Produkt, das mehrere bipolare Platten und einen Soft-Goods-Abschnitt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst.
8 veranschaulicht eine Brennstoffzelle mit einer Region, bei der eine hydrophile SiO_x-Beschichtung von Stegen entfernt ist, und einer Region mit einer hydrophilen SiO_x-Beschichtung auf den Stegen.
9 ist ein Diagramm, welches die Verteilung von flüssigem Wasser für eine bipolare Platte mit einer hydrophilen Beschichtung auf Kanälen und Stegen, für eine bipolare Platte, bei der eine hydrophile Beschichtung von allen Stegen entfernt ist, und für eine bipolare Platte, bei der die hydrophile Beschichtung von Stegen in der Nä he des Einlasses und des Auslasses des Strömungsfelds entfernt ist, veranschaulicht.
GENAUE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen ist rein beispielhafter Natur und beabsichtigt keinesfalls, die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen zu begrenzen.
Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst eine bipolare Platte, die variable Oberflächeneigenschaften aufweist, um die vorteilhaften Effekte eines geringen elektrischen Widerstands und einer geringen angesammelten Wassermasse zu maximieren, wobei die bipolare Platte einen superhydrophilen Kanalboden und/oder superhydrophile Seitenwände und weniger hydrophile (oder hydrophobe) Stege aufweist, die einen Transport von Produktwasser von Diffusionsmedien an Kanäle ohne zusätzlichen elektrischen Widerstand maximieren. Bei einer weiteren Ausführungsform wird eine hydrophile Beschichtung so aufgebracht, dass die Gaseinlassflächen der Brennstoffzelle hydrophiler sind als das Zentrum der Zelle.
1 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Produkts 10, welches eine bipolare Platte 12 sein kann. Die bipolare Platte 12 umfasst eine erste Seite 20 und eine zweite Seite 20'. Bei einer Ausführungsform kann die bipolare Platte 12 zwei Folien 19 und 21 umfassen. Die zwei Folien 19 und 21 können maschinell bearbeitet oder geprägt bzw. gestanzt sein. Die zwei Folien 19 und 21 können beispielsweise durch Schweißen aneinander befestigt sein. Die bipolare Platte 12 kann eine Vielzahl von Materialien umfassen, welche ein Metall, eine Metalllegierung und/oder einen elektrisch leitfähigen Verbundstoff umfassen können, aber nicht darauf beschränkt sind. Die bipolare Platte 12 umfasst Strömungsfelder für Reak tantengas, die zumindest teilweise durch mehrere Stege 16 und Kanäle 18 auf der ersten Seite 20 und der zweiten Seite 20' definiert sind. Ein Kanal 18 kann durch Seitenwände 22 und eine Bodenwand 24 definiert sein. Kühlkanäle 26 können beispielsweise im Zentrum der bipolaren Platte 12 bereitgestellt sein, sind aber nicht darauf begrenzt. Abschnitte der Kühlkanäle können durch eine dritte Seite 28 und eine vierte Seite 28' der bipolaren Platte 12 definiert sein. Bei einer weiteren (nicht gezeigten) Ausführungsform kann die bipolare Platte 12 eine bipolare Platte aus einem einzigen Stück sein, bei der Kühlkanäle durch die Mitte gebohrt sind.
Eine erste Beschichtung 30 ist auf zumindest einem Abschnitt der bipolaren Platte 12 ausgebildet. Die erste Beschichtung 30 kann auf der gesamten Oberfläche der bipolaren Platte einschließlich der Stege 16 und der Kanäle 18 ausgebildet sein, oder die Beschichtung 30 kann selektiv auf Abschnitte der bipolaren Platte aufgetragen sein, z. B. nur auf die Kanäle 18. Die erste Beschichtung 30 kann eine hydrophile Beschichtung sein, z. B. eine Metalloxidbeschichtung, die Siliziumdioxid (SiO₂), Hafniumdioxid (HfO₂), Zirkoniumdioxid (ZrO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zinnoxid (SnO₂), Tantalpentoxid (Ta₂O₅), Niobpentoxid (Nb₂O₅), Molybdändioxid (MoO₂), Iridiumdioxid (IrO₂), Rutheniumdioxid (RuO₂), metastabile Oxinitride, nicht stöchiometrische Metalloxide, Oxinitride und Mischungen derselben, wie in der US-Patentanmeldung mit der Nr. 2006/02 16571 A1 offenbart, umfasst, aber nicht darauf beschränkt ist. Die erste Beschichtung 30 kann eine Kombination eines leitfähigen Materials und eines Metalloxids sein, wie in der US-Patentanmeldung mit der Nr. 2006/0194095 A1 offenbart ist. Die erste Beschichtung 30 kann auch eine SiO_x-Beschichtung sein. Die erste Beschichtung 30 kann beispielsweise durch physikalische Gasphasen-Abscheideprozesse, chemische Gasphasen-Abscheideprozesse (CVD-Prozesse), Plasma-CVD-Prozesse, thermische Spritzprozesse, Sol- Gel, Sprühen, Eintauchen, Bürsten, Aufdrücken bzw. Aufschleudern oder Siebdrucken ausgebildet sein. Die Dicke und damit die Hydrophilie der ersten Beschichtung 30 kann durch mehrfaches Eintauchen erhöht werden. Die Dicke der ersten Beschichtung 30 kann etwa 50 Nanometer bis etwa 1 Mikrometer betragen.
Die Wasseransammlung in Kanälen sowohl bei Anoden- als auch Kathodenströmungsfeldplatten kann das Brennstoffzellenverhalten bei niedriger Last wesentlich beeinflussen. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die Beschichtung 30 eine hydrophile Beschichtung, die aufgrund des Ausbreitens von Produktwasser in dünne Filme, die nur wenig Auswirkung auf den Plattenströmungswiderstand aufweisen, eine Spannungsinstabilität bei niedriger Last bei Strömungsfeldern mit Feinraster verringern oder beseitigen kann. Der Transport von Wasser aus den Diffusionsmedien und in die Strömungsfeldkanäle kann ohne eine Erhöhung beim elektrischen Widerstand verbessert werden. Bei anderen Ausführungsformen kann die Beschichtung 30 die Carbonkorrosionsrate in den Elektroden einer Membranelektrodenanordnung verringern, indem die Ausbildung von Wasserpfropfen in den Anodenkanälen über den ganzen Kanal und die Ansammlung in Anodendiffusionsmedien verringert wird, welche einen Wasserstoffmangel verursachen kann. Bei anderen Ausführungsformen kann die Beschichtung 30 Frostschäden und eine Anlaufzeit bei Frost verringern, indem die in den Kanälen und Diffusionsmedien angesammelte Wassermasse minimiert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die in 2 veranschaulicht ist, kann auf Abschnitte einer bipolaren Platte 12 selektiv eine Maske aufgetragen werden, z. B. auf die Stege 16, wobei die Kanäle 18 frei gelassen werden. Die erste Beschichtung 30 wird selektiv nur auf den Seitenwände 22 und der Bodenwand 24 der Kanäle 18 ausgebildet. Da nach wird die Maske entfernt. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die erste Beschichtung 30 auf der gesamten Oberfläche der bipolaren Platte einschließlich der Stege 16 und der Kanäle 18 ausgebildet werden und anschließend kann die Beschichtung von selektiven Abschnitten der Oberfläche der bipolaren Platte entfernt werden, z. B. von den Stegen 16 der bipolaren Platte.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die in 3 veranschaulicht ist, kann ein Maskierungsmaterial selektiv auf Abschnitte einer bipolaren Platte 12 aufgetragen werden, z. B. auf die Stege 16, wobei die Kanäle 18 frei gelassen werden. Eine erste Beschichtung 30 wird selektiv nur auf den Seitenwänden 22 und der Bodenwand 24 der Kanäle 18 ausgebildet. Anschließend wird das Maskierungsmaterial entfernt. Eine zweite Beschichtung 32, die eine Beschichtung umfasst, welche weniger hydrophil als die erste Beschichtung ist, und die hydrophob sein kann, kann auf den Stegen 16 der bipolaren Platte ausgebildet werden. Die zweite Beschichtung 32 kann beispielsweise durch physikalische Gasphasen-Abscheideprozesse, chemische Gasphasen-Abscheideprozesse (CVD-Prozesse), Plasma-CVD-Prozesse, thermische Spritzprozesse, Sol-Gel, Sprühen, Eintauchen, Bürsten, Aufdrücken bzw. Aufschleudern oder Siebdrucken ausgebildet werden. Die zweite Beschichtung 32 kann aus PTFE bestehen. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die zweite Beschichtung vor der ersten Beschichtung ausgebildet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die in 4 veranschaulicht ist, kann eine Maske selektiv auf Abschnitte der bipolaren Platte 12 aufgetragen werden, z. B. auf die Stege 16 und die Seitenwände 22 der Kanäle 18, wobei die Bodenwand 24 der Kanäle 18 frei gelassen wird. Die erste Beschichtung 30 wird selektiv nur auf der Bodenwand 24 der Kanäle 18 ausgebildet. Anschließend wird die Maske von den Stegen 16 und von den Seitenwänden 22 der Kanäle 18 entfernt. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die erste Beschichtung 30 auf der gesamten Oberfläche der bipolaren Platte einschließlich der Stege 16 und der Kanäle 18 ausgebildet werden und anschließend kann die erste Beschichtung von den Stegen 16 und den Seitenwänden 22 der Kanäle 18 der bipolaren Platte entfernt werden, wobei die erste Beschichtung auf der Bodenwand 24 des Kanals 18 verbleibt.
Nun auf 5 Bezug nehmend umfasst eine weitere Ausführungsform der Erfindung eine bipolare Platte 12, die eine erste dünne Metallfolie 40 und eine zweite dünne Metallfolie 42 umfasst, wobei beide so geprägt und verbunden wurden, dass sie mehrere Stege 16 und Kanäle 18 bereitstellen. Die Kühlkanäle 26 können zwischen der ersten Metallfolie 40 und der zweiten Metallfolie 42 bereitgestellt sein. Abschnitte der Kühlkanäle können durch dritte und vierte Seiten 28, 28' der bipolaren Platte 12 definiert sein. Die erste und zweite Seite 20 und 20' der bipolaren Platte 12 können eine darauf ausgebildete erste Beschichtung 30 aufweisen. Die erste Beschichtung 30 kann wie voranstehend beschrieben ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die in 6 veranschaulicht ist, kann eine Maske selektiv auf Abschnitte der bipolaren Platte 12 aufgetragen sein, z. B. auf die Stege 16, wobei die Kanäle 18 frei gelassen werden. Die erste Beschichtung 30 wird selektiv nur auf den Kanälen 18 ausgebildet. Anschließend wird die Maske entfernt. Eine zweite Beschichtung 32, die eine leitfähige hydrophobe Beschichtung umfasst, kann auf den Stegen 16 der bipolaren Platte ausgebildet werden. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die zweite Beschichtung 32 vor der ersten Beschichtung ausgebildet werden.
Nun auf 7 Bezug nehmend umfasst das Produkt 10 zwei voneinander beabstandete bipolare Platten 12 und einen dazwischen liegenden Soft-Goods-Abschnitt 50. Der Soft-Goods-Abschnitt 50 kann den Strömungsfeldern der bipolaren Platten 12 zugewandt sein, wobei die Strömungsfelder die Stege 16 und die Kanäle 18 der bipolaren Platte umfassen. Die bipolaren Platten 12 können eine erste Beschichtung 51, die zumindest einen ersten Abschnitt der bipolaren Platte überlagert, wobei der erste Abschnitt aus den Kanälen 18 bestehen kann, aufweisen. Die bipolaren Platten 12 können eine zweite Beschichtung 53 aufweisen, welche zumindest einen zweiten Abschnitt der bipolaren Platte überlagert, wobei der zweite Abschnitt aus den Stegen 16 bestehen kann. Der Soft-Goods-Abschnitt 50 kann eine Polyelektrolytmembran 52 umfassen, die eine erste Elektrode 54a, etwa eine Anode, welche die Polyelektrolytmembran 52 überlagert, aufweist. Eine mikroporöse Schicht 56a kann die erste Elektrode 54a überlagern und eine erste Gasdiffusionsmedienschicht 58a kann die erste mikroporöse Schicht 56a überlagern. Auf ähnliche Weise kann eine zweite Elektrode 54c, etwa eine Kathode, unter der Polyelektrolytmembran 52 gelagert sein. Eine zweite mikroporöse Schicht 56c kann unter der zweiten Elektrode 54c gelagert sein und eine zweite Gasdiffusionsmedienschicht 58c kann der zweiten mikroporösen Schicht 56c unterlagert sein.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird der hydrophile Charakter der bipolaren Platte 12 in der Ebene der aktiven Fläche variiert. Zum Beispiel kann eine hydrophile Beschichtung derart aufgebracht werden, dass die Gaseinlassflächen hydrophiler als das Zentrum der Brennstoffzelle sind. Nun auf 8 Bezug nehmend ist die bipolare Platte 12 mit Kathodeneinlässen 60, Kathodenauslässen 62, einem Anodeneinlass 64, einem Anodenauslass 66, Kühlmitteleinlässen 68 und Kühlmittelauslässen 70 versehen. Die Kanäle in allen Abschnitten der aktiven Fläche 72 können eine hydrophile SiO_x-Beschichtung aufweisen. Die aktive Fläche 72 beinhaltet einen Abschnitt 74, bei dem eine hydrophile SiO_x-Beschichtung von den Stegen entfernt ist, und einen Abschnitt 76 mit einer hydrophilen SiO_x-Beschichtung auf den Stegen.
Es wurden Neutronenradiographie-Experimente ausgeführt, um die Wasserverteilung bei verschiedenen 50 cm²-Brennstoffzellen zu zeigen: bei einer Brennstoffzelle, bei der die bipolare Platte eine hydrophile SiO_x-Beschichtung sowohl auf den Kanälen als auch den Stegen aufweist, bei einer Brennstoffzelle, bei der die bipolare Platte eine hydrophile SiO_x-Beschichtung auf den Kanälen aufweist, aber bei der die hydrophile Beschichtung von den Stegen entfernt wurde, und bei einer Brennstoffzelle, bei der die bipolare Platte eine hydrophile SiO_x-Beschichtung auf den Kanälen aufweist, aber bei der die hydrophile Beschichtung von den Stegen in der Nähe des Einlasses und des Auslasses des Strömungsfelds entfernt wurde. 9 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse dieser Experimente veranschaulicht. Nun auf 9 Bezug nehmend, kann die optimale Verteilung von flüssigem Wasser in der Brennstoffzelle erreicht werden, wenn die hydrophile Beschichtung von Stegen in der Nähe des Einlasses und des Auslasses des Strömungsfelds entfernt wird. 9 veranschaulicht auch, dass die Verteilung von flüssigem Wasser in einer Brennstoffzelle bei einer bipolaren Platte mit einer hydrophilen Beschichtung auf den Kanälen, die aber von allen Stegen entfernt ist, besser ist als bei einer bipolaren Platte mit einer hydrophilen Beschichtung sowohl auf den Stegen als auch den Kanälen.
Eine vollständige Beschichtung der bipolaren Platte (die Stege und die Kanäle) kann den elektrischen Widerstand an den Kontaktflächen zwischen den bipolaren Platten und den Diffusionsmedien erhöhen. Zum Beispiel erhöhte eine SiO_x-Beschichtung mit einer mittleren Dicke von 80 bis 100 Nanometer den durchschnittlichen Widerstand um 11,6 mΩ cm² basierend auf einem Muster aus 160 Platten und einem durchschnittlichen Widerstand von 44,0 mΩ cm² einer unbehandelten Platte. Das Platzieren der hoch hydrophilen PTFE-beschichteten Diffusionsmedien an den hoch hydrophil beschichteten Stegen der bipolaren Platte maximiert die Abstoßung von Produktwasser von der Kontaktregion nicht, was für einen verringerten Massentransportwiderstand von Vorteil sein kann.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann eine minimale Wasseransammlung und das beste Brennstoffzellenverhalten mit hydrophilen Kanälen und weniger hydrophilen Stegen realisiert werden. Die Gesamtmasse angesammelten Wassers ist bei der bipolaren Platte kleiner, bei der die hydrophile Beschichtung von den Kathodenstegen entfernt wurde. Bei einer Brennstoffzelle, bei der die Kanäle der bipolaren Platte mit einer hydrophilen SiO_x-Beschichtung beschichtet sind und die Stege weniger hydrophil sind, kann das Wasser effektiver aus der Gasdiffusionsmedienschicht an die Stege ausgestoßen werden. Obwohl die hydrophile SiO_x-Beschichtung sowohl auf den Stegen als auch auf den Kanälen die gesamte angesammelte Wassermasse um 55% im Vergleich zu einer unbehandelten bipolaren Platte verringern kann, kann die gesamte angesammelte Wassermasse zusätzlich um 13% abnehmen, wenn die hydrophile SiO_x-Beschichtung von den Kathodenstegen entfernt wird.
Wenn die Begriffe "auf/über", "überlagert", "liegt über" oder "unter", "unterlagert", "liegt unter" mit Bezug auf die relative Position einer ersten Komponente oder Schicht mit Bezug auf eine zweite Komponente oder Schicht verwendet werden, soll dies bedeuten, dass die erste Komponente oder Schicht in direktem Kontakt mit der zweiten Komponente oder Schicht steht, oder dass zusätzliche Schichten oder Komponenten zwi schen der ersten Komponente oder Schicht und der zweiten Komponente oder Schicht angeordnet sind.
Die vorstehende Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist rein beispielhafter Natur und folglich werden Variationen derselben nicht als eine Abweichung von dem Geist und dem Umfang der Erfindung angesehen.

Claims

Produkt, das umfasst: eine erste Brennstoffzellekomponente mit einer ersten Seite, wobei eine erste hydrophile Beschichtung zumindest einen ersten Abschnitt der ersten Seite überlagert, und wobei eine zweite weniger hydrophile Beschichtung zumindest einen zweiten Abschnitt der ersten Seite überlagert.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die zweite Beschichtung hydrophob ist.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die zweite Beschichtung PTFE umfasst.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die erste Beschichtung eine Dicke von etwa 50 Nanometer bis etwa 1 Mikrometer aufweist.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die zweite Beschichtung eine Dicke von etwa 50 Nanometer bis etwa 1 Mikrometer aufweist.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzellenkomponente eine bipolare Platte umfasst.
Produkt nach Anspruch 1, das ferner ein Strömungsfeld für ein Reaktantengas umfasst, das Stege und Kanäle auf der ersten Seite umfasst.
Produkt nach Anspruch 7, wobei der erste Abschnitt im Wesentlichen aus Seitenwänden und Bodenwänden der Kanäle besteht.
Produkt nach Anspruch 7, wobei der erste Abschnitt im Wesentlichen aus den Bodenwänden der Kanäle besteht.
Produkt nach Anspruch 7, wobei der zweite Abschnitt die Stege umfasst.
Produkt nach Anspruch 1, das ferner umfasst: eine zweite Brennstoffzellenkomponente mit einer ersten Seite, und wobei sowohl die erste Brennstoffzellenkomponente als auch die zweite Brennstoffzellenkomponente eine bipolare Platte und ein Strömungsfeld für ein Reaktantengas umfasst, welches Stege und Kanäle umfasst, die auf der ersten Seite jeder bipolaren Platte definiert sind; und einen Soft-Goods-Abschnitt, der zwischen den bipolaren Platten positioniert ist und den Strömungsfeldern zugewandt ist, wobei der Soft-Goods-Abschnitt eine Anode und eine Kathode an entgegengesetzten Seiten einer Polymerelektrolytmembran umfasst.
Produkt nach Anspruch 11, wobei der erste Abschnitt der ersten Seite Gaseinlassflächen umfasst.
Produkt nach Anspruch 12, wobei der erste Abschnitt der ersten Seite im Wesentlichen aus Seitenwänden und Bodenwänden der Kanäle in den Gaseinlassflächen besteht.
Produkt nach Anspruch 12, wobei der erste Abschnitt der ersten Seite im Wesentlichen aus den Bodenwänden der Kanäle in den Gaseinlassflächen besteht.
Produkt nach Anspruch 11, wobei der zweite Abschnitt der ersten Seiten das Zentrum der ersten Seite umfasst.
Produkt nach Anspruch 15, wobei der zweite Abschnitt der ersten Seite die Stege im Zentrum der ersten Seite umfasst.
Prozess zur Herstellung einer Brennstoffzellenkomponente, der umfasst, dass: ein Substrat bereitgestellt wird, das eine erste Seite und ein auf der ersten Seite definiertes Strömungsfeld für ein Reaktantengas umfasst; eine erste hydrophile Beschichtung auf zumindest einem ersten Abschnitt der ersten Seite ausgebildet wird; und eine zweite weniger hydrophile Beschichtung auf zumindest einem zweiten Abschnitt der ersten Seite derart ausgebildet wird, dass das Substrat eine Oberfläche mit einem selektiv frei liegenden Abschnitt der ersten hydrophilen Beschichtung und einen selektiv frei liegenden Abschnitt der zweiten hydrophilen Beschichtung umfasst.
Prozess nach Anspruch 17, wobei die zweite weniger hydrophile Beschichtung eine hydrophobe Beschichtung ist.
Prozess nach Anspruch 17, wobei das Ausbilden einer ersten Beschichtung physikalische Gasphasen-Abscheideprozesse und/oder chemische Gasphasen-Abscheideprozesse (CVD-Prozesse) und/oder Plasma-CVD-Prozesse und/oder thermische Spritzprozesse und/oder Sol-Gel und/oder Sprühen und/oder Eintauchen und/oder Bürsten und/oder Aufdrücken bzw. Aufschleudern und/oder Siebdrucken umfasst.
Prozess nach Anspruch 17, wobei das Ausbilden einer zweiten Beschichtung physikalische Gasphasen-Abscheideprozesse und/oder chemische Gasphasen-Abscheideprozesse (CVD-Prozesse) und/oder Plasma-CVD-Prozesse und/oder thermische Spritzprozesse und/oder Sol-Gel und/oder Sprühen und/oder Eintauchen und/oder Bürsten und/oder Aufdrücken bzw. Aufschleudern und/oder Siebdrucken umfasst.
Prozess nach Anspruch 17, der ferner umfasst, dass die zweite Beschichtung vor der ersten Beschichtung ausgebildet wird.
Prozess zum Herstellen einer Brennstoffzellenkomponente, der umfasst, dass: ein Substrat bereitgestellt wird, das eine erste Seite und ein auf der ersten Seite definiertes Strömungsfeld für ein Reaktantengas umfasst; eine erste hydrophile Beschichtung auf der ersten Seite ausgebildet wird; und die erste hydrophile Beschichtung von zumindest einem Abschnitt der ersten Seite derart entfernt wird, dass das Substrat eine Oberfläche mit einem selektiv frei liegenden Abschnitt der ersten hydrophilen Beschichtung umfasst.
Prozess nach Anspruch 22, wobei der Abschnitt der ersten Seite Stege umfasst.
Prozess nach Anspruch 23, wobei der Abschnitt der ersten Seite Stege im Zentrum der ersten Seite umfasst.
Prozess zum Herstellen einer Brennstoffzellenkomponente, der umfasst, dass: ein Substrat bereitgestellt wird, das eine erste Seite und ein auf der ersten Seite definiertes Strömungsfeld für ein Reaktantengas umfasst; eine Maske auf einem ersten Abschnitt der ersten Seite ausgebildet wird; eine erste hydrophile Beschichtung auf der ersten Seite ausgebildet wird; und die Maske derart entfernt wird, dass das Substrat die hydrophile Beschichtung auf einem zweiten Abschnitt der ersten Seite umfasst.