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GEBIET DER ERFINUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft PEM-Brennstoffzellen und spezieller
korrosionsbeständige,
elektrisch leitende Elemente dafür.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellen
wurden als Energiequelle für
elektrische Fahrzeuge und andere Anwendungen vorgeschlagen. Eine
bekannte Brennstoffzelle ist die PEM-(d.h. Protonenaustauschmembran-(Proton
Exchange Membrane)) Brennstoffzelle, die eine sogenannte MEA („Membranelektrodenanordnung") enthält, die
ein dünnes,
festes Polymermembranelektrolyt mit einer Anode auf einer Seite
und einer Kathode auf der gegenüberliegenden
Seite aufweist. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise
fein verteilte Kohlenstoffpartikel, sehr fein verteilte katalytische
Partikel, die auf den inneren und äußeren Oberflächen der
Kohlenstoffpartikel getragen werden, und Protonen leitendes Material
auf, das mit den katalytischen und Kohlenstoff-Partikeln vermischt
ist. Die MEA ist zwischen einem Paar elektrisch leitender Kontaktelemente
eingefügt,
die als Stromabnehmer für
die Anode und Kathode dienen, welche geeignete Kanäle und Öffnungen
darin enthalten können,
um die gasförmigen
Reaktanden (d.h. H2 und O2/Luft)
der Brennstoffzelle über
die Oberflächen
der Anode bzw. Kathode zu verteilen.
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Bipolar-PEM-Brennstoffzellen
weisen mehrere MEA auf, die in elektrischer Reihe aufeinander gestapelt
sind, wobei eine von der nächsten
durch ein undurchlässiges,
elektrisch leitendes Kontaktelement getrennt ist, das als Bipolarplatte
oder Septum bekannt ist. Die Bipolarplatte hat zwei Arbeitsoberflächen, wobei
eine der Anode der einen Zelle gegenübersteht und die andere der
Kathode der nächsten benachbarten
Zelle in dem Stapel bzw. der Baugruppe gegenübersteht. Die Bipolarplatte
leitet elektrischen Strom zwischen den benachbarten Zellen. Kontaktelemente
an den Enden des Stapels bzw. der Baugruppe kontaktieren nur die
Endzellen und werden als Endplatten bezeichnet.
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Kontaktelemente
werden oft aus elektrisch leitenden Metallmaterialien hergestellt.
In einer H2- und O2/Luft-PEM-Brennstoffzellenumgebung
stehen die Bipolarplatten und anderen Kontaktelemente (z.B. Endplatten)
in konstantem Kontakt mit stark sauren Lösungen (pH 3–5) und
arbeiten in einer stark oxidierenden Umgebung, wobei sie bis zu
einem Maximum von etwa +1 V (gegenüber der Normalwasserstoffelektrode)
polarisiert werden. An der Kathodenseite sind die Kontaktelemente
unter Druck gesetzter Luft und an der Anodenseite Wasserstoff ausgesetzt. Unglücklicherweise
sind viele Metalle in der aggressiven PEM-Brennstoffzellenumgebung
korrosionsanfällig
und einige bilden auch mit hohem elektrischen Widerstand behaftete,
passivierende Oxidfilme auf ihrer Oberfläche (z.B. im Falle von rostfreiem
Stahl, Nickel, Magnesium, Aluminium, Titan oder Legierungen), die
den Innenwiderstand der Brennstoffzelle erhöhen und deren Leistung reduzieren.
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Angesichts
der Korrosionsempfindlichkeit dieser Metalle wurden Versuche unternommen,
um leitende Polymerschutzbeschichtungen zu entwickeln. Ein Versuch
umfasst Polymerschutzbeschichtungen, die einen minimalen Einfluss
auf den elektrischen Widerstand haben und ein annehmbares Leitfähigkeitsniveau
erhalten, jedoch haben diese Beschichtungen das Potential, aufgrund
der möglichen Reduktion
der Beschichtungshaftung, während
das Element den befeuchteten Gasen und hoher Temperatur und Druck
der Brennstoffzellen-Arbeitsumgebung ausgesetzt ist, sich abzulösen oder
abzuplatzen. Die Abtrennung der Beschichtung könnte möglicherweise das darunter liegende
Metallsubstrat einer Korrosion und/oder verminderter Leitfähigkeit
aussetzen.
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Folglich
besteht ein Bedarf für
eine gesteigerte Haftung schützender
polymerer und elektrisch leitender Beschichtungen auf dem Substrat,
während die
elektrische Leitfähigkeit
erhalten bleibt, um der aggressiven Umgebung der Brennstoffzelle
zu widerstehen und die gesamte Leistungsfähigkeit, Haltbarkeit und Lebensdauer
der elektrochemischen Zelle zu verbessern.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein elektrisch leitendes Element für eine elektrochemische Zelle,
das ein elektrisch leitendes Substrat aufweist, das eine Metalloberfläche aufweist,
die für
eine Bildung von Oxiden in der Gegenwart von Sauerstoff anfällig ist.
Die Oberfläche
hat einen oder mehrere Bereiche, die mit einer Metallbeschichtungsschicht überzogen
sind. Die metallbeschichteten Bereiche sind mit einer haftungsfördernden
Beschichtung überzogen,
wobei die haftungsfördernde
Beschichtung ein Silizium enthaltendes Polymer aufweist. Einer oder
mehrere der mit dem Silizium enthaltenden Polymer beschichteten
Bereiche sind mit einer korrosionsbeständigen Polymerschutzbeschichtung
beschichtet.
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In
einem anderen Aspekt betrifft die vorliegenden Erfindung ein Verfahren
zur Herstellung eines Elements für
eine Brennstoffzelle, welches ein Bereitstellen einer Metallsubstratoberfläche, die
in der Gegenwart von Sauerstoff anfällig für eine Bildung von Oxiden ist,
ein Aufbringen einer Metallbeschichtung auf einen oder mehrere Bereiche
des Substrats, ein Aufbringen einer haftungsfördernden Beschichtung, die
ein Silizium enthaltendes Polymer aufweist, über bzw. auf den metallbeschichteten
Bereichen einer Oberfläche
des Substrats und ein Überziehen
der haftungsfördernden
Beschichtung mit einer korrosionsbeständigen Beschichtung, welche den
einen oder die mehreren Bereichen überdeckt, umfasst.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung
eines Elements für
eine Brennstoffzelle. Ein Hydrolysierungsmittel wird mit einer haftungsfördernden
Lösung
vermischt, um ein Gemisch zu bilden. Die haftungsfördernde
Lösung enthält ein funktionalisiertes
Silan und ein Wasser enthaltendes Lösemittel. Das Hydrolysierungsmittel hydrolysiert
wenigstens einen Teil des funktionalisiertes Silan enthaltenden
Gemisches, um ein Silizium enthaltendes Polymer zu bilden. Das hydrolysierte Gemisch
wird dann so auf einen oder mehrere Bereiche einer Metallbeschichtungsschicht
aufgebracht, dass ein Teil des Lösemittels
und ein Teil des Hydrolysierungsmittels aus dem Gemisch entfernt
werden und das Silizium enthaltende Polymer in einer im Wesentlichen
festen Phase bleibt, welche die Metallbeschichtungsschicht überdeckt,
um eine haftungsfördernde
Beschichtung zu bilden. Die haftungsfördernde Beschichtung wird mit
einer korrosionsbeständigen
Polymerschutzschicht auf dem einen oder den mehreren Bereichen überzogen.
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Weitere
Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehend
zur Verfügung
gestellten ausführlichen
Beschreibung ersichtlich werden. Es sollte selbstverständlich sein, dass
die ausführliche
Beschreibung und die spezifischen Beispiele, obwohl sie die bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung zeigen, nur zu Zwecken der Erläuterung beabsichtigt sind und
den Bereich der Erfindung nicht einschränken sollen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird aus der ausführlichen Beschreibung und den
begleitenden Zeichnungen vollständiger
verstanden werden, in denen
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1 eine
schematische Darstellung zweier Zellen in einer flüssigkeitsgekühlten PEM-Brennstoffzellen-Baugruppe
ist;
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2 eine
auseinandergezogene, isometrische Darstellung einer Bipolarplatte
ist, die für PEM-Brennstoffzellen-Baugruppen,
wie die in 1 dargestellte, brauchbar ist;
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3 eine
Schnittansicht in Richtung 3-3' von 2 ist;
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4 ein
vergrößerter Abschnitt
der Bipolarplatte aus 3 ist, die eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt, welche eine Titanbeschichtung,
eine Oxidschicht der Metallbeschichtung, eine haftungsfördernde
Silanbeschichtung und eine Polymerschutzbeschichtung zeigt;
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5 eine
Teilschnittansicht einer Arbeitsoberfläche einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, die ein Substrat mit einem kontinuierlichen
Bereich zeigt, der mit einer Metallbeschichtungsschicht, einer haftungsfördernden
Beschichtung und einer leitenden Polymerschutzbeschichtung beschichtet
ist;
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6 eine
Teilschnittansicht einer Arbeitsoberfläche einer anderen bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, die ein Substrat mit einem kontinuierlichen
Bereich zeigt, der mit einer Metallbeschichtungsschicht und einer
haftungsfördernden
Beschichtung beschichtet ist, die mit einer Polymerschutzbeschichtung
mit leitenden Bereichen und nicht leitenden Bereichen überzogen
ist;
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7 eine
Teilschnittansicht einer Arbeitsoberfläche einer anderen bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, die mehrere in der Oberfläche eines
Substrat gebildete Stege und Rillen zeigt, wobei die den Rillen
entsprechenden Bereiche mit einer Metallbeschichtungsschicht und
einer haftungsfördernden
Beschichtung beschichtet sind, die mit einer Polymerschutzbeschichtung überzogen
sind, und die Stege mit einer elektrisch leitenden Schicht beschichtet
sind;
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8 eine
Teilschnittansicht einer Arbeitsoberfläche einer alternativen bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, die ein Substrat mit mehreren darin
gebildeten Stegen und Rillen zeigt, wobei die Metalloxide in den
den Stegen der Oberfläche
entsprechenden Bereichen entfernt sind und die Metalloxide in den
den Rillen entsprechenden Bereichen bleiben, wobei sowohl die Stege als
auch die Rillen ferner einen durchgehenden Bereich aufweisen, der
mit einer Titanbe schichtung und einer haftungsfördernden Beschichtung und einer
leitenden Polymerschutzbeschichtung beschichtet ist; und
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9 eine
Teilschnittansicht einer Arbeitsoberfläche einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, in der mehrere Stege und Rillen
in der Oberfläche
gebildet sind und die Stege mit einer Polymerschutzbeschichtung überzogen sind
und die Rillen mit einer Metallbeschichtungsschicht, einer haftungsfördernden
Beschichtung und einer Polymerschutzbeschichtung überzogen
sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist lediglich
beispielhafter Natur und soll in keiner Weise die Erfindung, ihre
Anwendung oder Verwendungen einschränken.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisch leitendes Element
in einer elektrochemischen Zelle. Das leitende Element weist ein
Metallsubstrat mit einer Oberfläche
auf, die in der Gegenwart von Sauerstoff anfällig für eine Bildung von Metalloxiden ist,
und die einen oder mehrere Bereiche aufweist, die mit einer Metallbeschichtung
und einer haftungsfördernden
Silanbeschichtung beschichtet sind, die wenigstens einen Bereich
der Metallbeschichtung überdeckt.
Eine elektrisch leitende, korrosionsbeständige Polymerschutzbeschichtung überdeckt
die haftungsfördernde
Unterschicht. Die Kombination der haftungsfördernden Beschichtung und der
Metallbeschichtung verstärkt
eine Haftung zwischen dem darunter liegenden Metallsubstrat und
der elektrisch leitenden, korrosionsbestän digen Polymerschutzbeschichtung.
Auf diese Weise ist das darunter liegende Substrat vor der korrosiven
Umgebung der Brennstoffzelle geschützt. Die Metallbeschichtung
kann beispielsweise aus Titan, Zirkonium und Tantal ausgewählt sein.
Obgleich verschiedene Teile der Offenbarung die Verwendung von Titan
als Metallbeschichtung besonders hervorheben dürften, versteht es sich, dass
jedes beliebige der vorstehenden Metalle oder andere verwendet werden
können.
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Um
zunächst
die vorliegende Erfindung besser zu verstehen, wird hier eine Beschreibung
einer beispielhaften Brennstoffzelle und Brennstoffzellen-Baugruppe
zur Verfügung
gestellt. 1 stellt zwei einzelne Protonenaustauschmembran-(PEM-)Brennstoffzellen,
die zur Bildung einer Baugruppe bzw. eines Stapels verbunden sind,
mit einem Paar Membranelektrodenanordnungen (MEA) 4 und 6 dar,
die voneinander durch eine elektrisch leitende, flüssigkeitsgekühlte Bipolartrennplatte 8 getrennt
sind. Eine einzelne Brennstoffzelle, die nicht innerhalb einer Baugruppe
in Reihe geschaltet ist, hat eine Trennplatte 8 mit einer
einzigen, elektrisch aktiven Seite. In einer Baugruppe hat eine
bevorzugte Bipolartrennplatte 8 typischerweise zwei elektrisch aktive
Seiten 19, 21 innerhalb der Baugruppe, wobei jede
aktive Seite 19, 21 jeweils einer getrennten MEA 4, 6 zugewandt
ist mit entgegengesetzten Ladungen, die getrennt sind, daher die
sogenannte „Bipolar"-Platte. Wie hier
beschrieben, ist die Brennstoffzellen-Baugruppe so beschrieben,
dass sie leitende Bipolarplatten aufweist; jedoch ist die vorliegende
Erfindung ebenso auf leitende Platten innerhalb einer einzelnen
Brennstoffzelle anwendbar.
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Die
MEA 4 und 6 und Bipolarplatte 8 sind zwischen
Klemmplatten 10 und 12 aus rostfreiem Stahl und
Endkontaktelementen 14 und 16 aufeinander gestapelt.
Die Endkontaktelemente 14 und 16 sowie beide Arbeitsflächen der
Bipolarplatte 8 enthalten mehrere Kanäle 18, 20, 22 und 24,
um Brennstoff und Oxidationsmittelgase (d.h. H2 & O2)
an die MEA 4 und 6 zu verteilen. Nicht leitende
Dichtungen 26, 28, 30 und 32 schaffen
Abdichtungen und elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen
Komponenten der Brennstoffzellen-Baugruppe. Gasdurchlässige leitende
Diffusionsmedien 34, 36, 38 und 40 drücken an
die Elektrodenflächen
der MEA 4 und 6. Die Endkontaktelemente 14 und 16 drücken an
die Diffusionsmedien 24 bzw. 40, während die
Bipolarplatte 8 an das Diffusionsmedium 36 auf
der Anodenfläche der
MEA 4 und an das Diffusionsmedium 38 auf der Kathodenfläche der
MEA 6 drückt.
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Sauerstoff
wird der Kathodenseite der Brennstoffzellen-Baugruppe aus Speichertank 46 über geeignete
Versorgungsleitungen 42 zugeführt, während Wasserstoff der Anodenseite
der Brennstoffzelle von Speichertank 48 über geeignete
Versorgungsleitungen 44 zugeführt wird. Alternativ kann Luft
aus der Umgebung der Kathodenseite zugeführt werden und Wasserstoff
kann der Anode aus einem Methanol- oder Benzin-Reformer oder dergleichen zugeführt werden.
Abgasleitungen (nicht dargestellt) sowohl für die H2-
als auch für
die O2/Luftseiten der MEA werden auch bereitgestellt
werden. Zusätzliche Leitungen 50, 52 und 54 werden
zum Zirkulieren von Kühlmittel
durch die Bipolarplatte 8 und die Endplatten 14 und 16 bereitgestellt.
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2 ist
eine isometrische auseinandergezogene Ansicht einer beispielhaften
Bipolarplatte 56, die ein erstes äußeres Metallblech 58,
ein zweites äußeres Metallblech 60 und
ein inneres Abstandhaltermetallblech 62, das zwischen dem
ersten Metallblech 58 und dem zweiten Metallblech 60 liegt,
aufweist. Die äußeren Metallbleche 58 und 60 werden so
dünn wie
möglich
hergestellt (z.B. etwa 50 Mikrometer bis etwa 500 Mikrometer dick)
und können durch
Stanzen, durch Photoätzen
(d.h. durch eine photoli thographische Maske) oder ein beliebiges
anderes herkömmliches
Verfahren zum Formen von Metallblech gebildet werden.
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Das äußere Blech 58 hat
eine erste Arbeitsfläche 59 auf
dessen Außenseite,
die einer Membranelektrodenanordnung (nicht dargestellt) gegenüberliegt,
und ist so ausgebildet, dass mehrere Stege 64, die zwischen
einander mehrere Rillen 66 festlegen, bereitgestellt werden,
die als „Strömungsfeld" bekannt sind, durch
das die Reaktandengase (d.h. H2 oder O2) der Brennstoffzelle in einer gewundenen Bahn
von einer Einlassseite 68 der Bipolarplatte zu deren Auslassseite 70 strömen. Wenn
die Brennstoffzelle vollständig
zusammengesetzt ist, drücken
die Stege 64 gegen die Diffusionsmedien 36, 38 (1), die
wiederum gegen die MEA 4 bzw. 6 drücken. Der Einfachheit
halber zeigt 2 nur zwei Bereiche von Stegen
und Rillen. In Wirklichkeit werden die Stege und Rillen die gesamten äußeren Flächen der
Metallbleche 58 und 60 bedecken, die an den Diffusionsmedien 36 und 38 angreifen.
Das Reaktandengas wird den Rillen 66 aus einer Kopf- oder
Verteilerrille 72 zugeführt,
die entlang einer Seite 68 der Brennstoffzelle liegt, und
verlässt
die Rillen 66 über
eine andere Kopf/Verteilerrille 74, die neben der gegenüberliegenden
Seite 70 der Brennstoffzelle liegt.
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Metallblech 60 ist ähnlich Blech 58.
Die innere Fläche 61 (d.h.
Kühlmittelseite)
von Blech 60 ist in 2 gezeigt.
In dieser Hinsicht sind mehrere Rippen 80, die zwischen
einander mehrere Kanäle 82 festlegen,
durch die Kühlmittel
von einer Seite 69 der Bipolarplatte zur anderen 71 strömt, dargestellt.
Wie Blech 58 und wie am besten in 3 gezeigt
ist, die eine Querschnittansicht entlang der Linie 3-3' von 2 ist,
hat die Außenseite
des Blechs 60 eine Arbeitsfläche 63 mit mehreren
Stegen 64 darauf, die mehrere Rillen 66 festlegen,
durch welche die Reaktandengase durchströmen. Ein inneres Abstandhaltermetallblech 62 ist
zwischen den äußeren Blechen 58 und 60 angeordnet
und enthält
darin mehrere Öffnungen 88,
um zu erlauben, dass Kühlmittel
zwischen den Kanälen 82 in
Blech 60 und den Kanälen 78 in
Blech 58 strömt,
wodurch laminare Randschichten gebrochen werden und Turbulenz ermöglicht wird,
die den Wärmeaustausch
mit den Innenflächen 90 und 92 der
Außenbleche 58 bzw. 60 verbessert. Wie
für einen
Fachmann ersichtlich ist, kann ein ähnlicher Aufbau in der leitenden
Platte einer einzelnen Brennstoffzelle verwendet werden, die intern
durch die MEA und extern durch die Endplatten gebunden ist, wobei
ein Kühlmittelfeld
entlang der aktiven Fläche
verwendet werden kann.
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Die
Auswahl des Konstruktionsmaterials für alle Elemente in einer Brennstoffzelle
und vor allem für
Bipolarplatten, wie denen in 56 (z.B. 58 und 60), umfasst
das Abwägen
von Parametern, wie z.B. der Gesamtdichte (Masse und Volumen), dem
elektrischen Kontaktwiderstand des Substrats gemessen an der Oberfläche, der
Massenleitfähigkeit
und der Korrosions- und
Oxidationsbeständigkeit.
Beispielsweise sind rostfreie Stähle
besonders erwünschte Metalle
für eine
Verwendung innerhalb einer Brennstoffzelle aufgrund ihrer relativ
hohen elektrischen Massenleitfähigkeit
und Korrosionsbeständigkeit,
die durch eine dichte Passivierungsschicht (d.h. Metalloxidschicht)
an der Oberfläche
bereitgestellt ist. Materialien aus rostfreiem Stahl haben eine
relativ hohe Festigkeit, physikalische Beständigkeit, Haftung an Polymerbeschichtungen
und sind kostengünstiger als
viele andere leitende Metallalternativen und können zu dünnen Blechen geformt werden,
welche die gravimetrische Wirksamkeit verbessern. Jedoch erhöht eine
umfangreiche und dicke Oxidschicht an der Oberfläche eines Elements aus rostfreiem
Stahl unzulässigerweise
den elektrischen Kontaktwiderstand des Substrats, das zuvor eine
Schwierigkeit dahingehend aufwarf, es unabhängig als elektrisches Kontaktelement
oder Stromabnehmer zu verwenden. Zudem sind viele andere relativ
leichtgewichtige Metalle anfällig
für einen
Korrosionsangriff (z.B. Aluminium) sowie für eine Passivierung durch die
Bildung von Metalloxiden an der Oberfläche. Wie hier verwendet, bezieht
sich „Korrosion" auf den unabsichtlichen
und zerstörerischen
Angriff oder Inaktivierung eines Materials, der im Allgemeinen durch
eine elektrochemische Ablösung
auftritt. Somit ist ein korrosionsanfälliges Material, wie z.B. ein
Metall, Gegenstand eines Abbaus und/oder einer Passivierung innerhalb
einer arbeitenden Brennstoffzellenumgebung.
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In
Anbetracht einer solchen Korrosionsempfindlichkeit und ähnlichen
Neigung zur Oxidation sind verschiedene Schutzbeschichtungen zum
Schutz des darunter liegenden Metallsubstrats 58, 60 bevorzugt.
Einige Schutzbeschichtungen haben das Potenzial, den elektrischen
Widerstand der Oberflächen (wie
z.B. 59, 63) der Metallplatte 58, 60 auf
nicht akzeptable Niveaus zu erhöhen
oder sind sehr teuer, wie z.B. bei dicken Gold- oder Platinbeschichtungen. Wirtschaftlichere
Alternativen, wie z.B. bestimmte Polymerschutzbeschichtungen, können sich
ablösen oder
abplatzen, wenn sie den Bedingungen in elektrochemischen Zellen
für längere Dauer
ausgesetzt sind, insbesondere bei Substraten aus rostfreiem Stahl,
wodurch das darunter liegende Metallsubstrat einem korrosiven/oxidativen
Angriff ausgesetzt wird. Somit besteht eine Austauschbeziehung zwischen Leitfähigkeit
und Korrosionsschutz. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft
eine verbesserte Haftung der Polymerschutzbeschichtung auf dem Metallsubstrat
(z.B. 58, 60), während ein erwünschter
elektrischer Kontaktwiderstand für
das elektrisch leitende Element 56 erhalten wird.
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4 ist
eine vergrößerte Ansicht
einer Schnittansicht von 3 und zeigt die Rippen 76 auf dem
ersten Blech 58 und die Rippen 80 auf dem zweiten
Blech 60, die (z.B. durch Hartlötstelle 85) an dem
Abstandhalter blech 62 gebunden sind. Die vorliegende Erfindung
umfasst ein Metallsubstrat, das die Kontaktelementbleche 58, 60 bildet,
welche ein Metall aufweisen, das in der Gegenwart von Sauerstoff
anfällig
für eine
Bildung von Oxiden ist. In einigen bevorzugten Ausführungsformen
ist das Metall auch korrosionsanfällig.
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Wie
in 4 gezeigt ist, schützen viele Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung die Arbeitsflächen 59, 63 des
Substratmetalls der ersten und zweiten Bleche 58, 60,
indem eine Metallbeschichtung 98 und eine Unterschicht
aus einer haftungsfördernden
Beschichtung 101 (auch üblicherweise
bezeichnet als Verbindungsschichten oder Kopplungsmittel) bereitgestellt
werden, welche die Haftung einer prophylaktischen Polymerschutzbeschichtung 102 steigern.
Eine Titanbeschichtung 98 wird hier beispielhaft als Metallbeschichtung
angeführt.
Es versteht sich, dass die Metallbeschichtung 98 beispielsweise
aus Titan, Zirkonium oder Tantal hergestellt sein kann.
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In
verschiedenen Ausführungsformen
können
das Substrat und die Metallbeschichtung aus demselben Material hergestellt
sein. Beispielsweise kann bei Ausführungsformen, bei denen das
Substrat Titan ist, die Titanbeschichtung 98 die äußere Oberfläche des
Substrats 58, 60 sein oder die Titanbeschichtung 98 kann
eine zusätzliche,
auf das Substrat 58, 60 aufgebrachte Titanschicht
sein. Eine Polymerschutzbeschichtung 102 schützt das
darunter liegende Substrat 58, 60 und kann entweder
oxidationsbeständig,
korrosionsbeständig
oder beides sein, wobei sie allgemein das darunter liegende Substrat 58, 60 sowohl
vor zusätzlichem
oxidativen oder Säure-Angriff
nach Einwirken der Brennstoffzellenumgebung schützt, indem die Haftung der
prophylaktischen Beschichtung 102 an den Metallsubstratoberflächen 59, 60 erhöht wird.
Eine solche erhöhte
Haftung der Polymerschutzbeschichtung 102 an den Substraten 59, 60 ist gegenüber einer
Haftung zwischen einem vergleichbaren Metallsubstrat (ähnlich 58, 60)
mit einer Polymerschutzbeschichtung (ähnlich 102) ohne Titanbeschichtung
und/oder haftungsfördernder
Unterschicht dazwischen (Aufbau nicht dargestellt) verbessert. Ohne
für die
vorliegende Erfindung einschränkend
zu sein, wird angenommen, dass die Titanbeschichtung 98 die
lange Lebensdauer der haftungsfördernden
Beschichtung 102 weiter verbessert, da angenommen wird,
dass die Titanoxide, die sich auf der Oberfläche der Titanbeschichtung 98 bilden
können,
eine besondere Affinität
und starke chemische Anziehungskraft gegenüber der haftungsfördernden
Unterschicht 102 haben oder chemische Bindungen mit der
haftungsfördernden
Unterschicht 102 bilden.
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Die
Titanbeschichtung 98 kann durch ein beliebiges geeignetes
Mittel aufgebracht werden. Die Aufbringung kann zu starken Bindungen
führen,
die sich zwischen der Titanbeschichtung 98 und dem Metallsubstrat 58 bilden.
Geeignete Techniken, um die Bindungen zu erzeugen, umfassen, sind
aber nicht eingeschränkt
auf Tauchbeschichten, chemische Umsetzung, Spulenbeschichtung, mechanisches
Plattieren, Beschichtungskanone, Plasmalichtbogen, Vakuumplasma,
Drahtlichtbogen, chemische Aufdampfung, Elektronenstrahlverdampfung,
Verdampfung mittels Innenstrahlen, Ionenimplantation, Ionenplattieren,
physikalische Aufdampfung, Zerstäubung
und Metallbedampfung im Vakuum. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
wird die Titanbeschichtung 98 auf das Metallsubstrat 58 unter Verwendung
von chemischer Aufdampfung, physikalischer Aufdampfung oder Spulenbeschichtung
aufgebracht, da solche Verfahren zum Aufbringen der Titanbeschichtung 98 wirtschaftlich
und leicht verfügbar
sind. Bei Ausführungsformen,
welche die Spulenbeschichtung verwenden, kann das Spulenbeschichtungsverfahren
vorteilhafterweise mit chemischer Aufdampfung oder physikalischer
Aufdampfung gekoppelt werden, um die Titanbeschichtung wirksam abzulagern.
Das Spulenbeschichtungsverfahren ist ein Verfahren mit kontinuierlicher
Zuführung
zum Beschichten eines Metalls vor der Fertigung. Eine Spule des
Metallblechmaterials wird bereitgestellt und einer Spulenbeschichtungsmaschine
zugeführt,
in der das Metallblechmaterial mit einem Zielmaterial (hier kann so
ein Zielmaterial als die Titanbeschichtung 98, die haftungsfördernde
Beschichtung 101 und/oder die Schutzbeschichtung 102 gewählt werden)
beschichtet wird. Das Metallblechmaterial wird entwunden und die
Titanbeschichtung 98 gleichzeitig auf beide Seiten des
Metallblechmaterials durch Walzenbeschichtung aufgebracht. Zudem
kann die Spulenbeschichtungsvorrichtung mehrere Aufbringungs- und/oder Behandlungsschritte
umfassen, um das Metallblechmaterial vorzubehandeln, zu reinigen,
zu härten,
zu laminieren oder nachzubehandeln. Nach Vervollständigung
des Spulenbeschichtungsverfahrens kann das titanbeschichtete Metallblechmaterial in
die Spulenform zurückgeführt werden
oder es kann in die gewünschte
Form beispielsweise der elektrisch leitenden Zelle gepresst und
gestanzt werden.
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In
alternativen Ausführungsformen
kann die Titanschicht 98 durch Prägen einer Titanfolie auf ein Metallblechsubstrat 58 aufgebracht
werden. Geeignete Prägetechniken
umfassen solche, bei denen Maschinen verwendet werden, wie z.B.
die mechanische Presse, hydraulische Presse oder eine progressive
Gesenkpresse. Die Anwendung von Wärme und Druck bei der Prägetechnik
wird basierend auf den Eigenschaften des eingesetzten Metallsubstrats 58 und
der eingesetzten Titanbeschichtung 98 (d.h. Dicke und gewünschte Endform
des geprägten
Stücks) bestimmt.
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Die
Dicke der Titanbeschichtung 98 beträgt weniger als etwa 50 Nanometer.
In verschiedenen Ausführungsformen
beträgt
die Dicke weniger als etwa 30 Nanometer oder weniger als etwa 10
Nanometer. Die geeignete Dicke der Titanbeschichtung 98 wird
basierend auf der gewünschten Form
des fertiggestellten, elektrisch leitenden Elements und dem Niveau
der Korrosionsanfälligkeit
des darunter liegenden Metallsubstrats 58, 60 bestimmt.
Die Titanbeschichtung 98 dient als zusätzliche schützende Barriere zwischen den
Bedingungen in der Brennstoffzelle und dem darunter liegenden Metallsubstrat 58, 60. Es
wird angenommen, dass die Titanbeschichtung 98 die lange
Haltbarkeit des elektrisch leitenden Elements weiter erhöht, indem
die Haftung der haftungsfördernden
Beschichtung 101 und einer beliebigen Schutzbeschichtung 102 erhöht wird,
wodurch die Länge
der Zeit, die eine Brennstoffzelle z.B. erfolgreich betrieben werden
kann, erhöht
wird und deren elektrische Leitfähigkeit
verbessert wird.
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Wie
einem Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich ist, erläutert die
vorliegende Offenbarung brauchbare Verfahren zum Erhöhen der
Haftung beliebiger Schutzbeschichtungen 102, die zum Schutz auf
Brennstoffzellenelemente aufgebracht sind, die Brennstoffzellenbedingungen
ausgesetzt sind. Wie in 4 dargestellt ist, sind beispielsweise
die inneren Oberflächen 90, 92 jeder
Platte 58, 60, die Kühldurchgängen 78 der Bipolarplatte 56 gegenüberliegen,
auch mit einer Titanbeschichtung 98, einer haftungsfördernden
Beschichtung 101 und einer Polymerschutzbeschichtung 102 beschichtet.
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In
verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind die Oberflächen (z.B. 59, 63, 90, 92)
der Substrate 58, 60 in der Gegenwart von Sauerstoff
für eine
Bildung von Oxiden anfällig, die
zu Korrosionsproblemen in der elektrochemischen Zelle führen kann.
Ein oder Titanmetalloxidbereiche 100 liegen auf der Titanschutzbeschichtungsschicht 98 entlang
Metallsubstratoberflächen 59, 63, 90, 92 vor, über bzw.
auf denen die haftungsfördernde
Beschichtung 101 aufgebracht ist. Solche Metalloxidschichten
können
auch als passivierte Bereiche 100 bezeichnet wer den, wobei
sich „passiviert" auf die Gegenwart
von Metalloxiden an der Oberfläche im
Vergleich zu einem Bereich mit einem Metall ohne Metalloxide bezieht.
Die passivierten Bereiche 100 können eine Reihe von Konzentrationen
von Metalloxiden aufweisen, die entlang der Titanbeschichtungsschicht 98 vorliegen,
die im Bereich von einer niedrigen Konzentration (bei der die meisten
Oxide entfernt wurden) bis zu einer hohen Konzentration (die eine dicke,
kontinuierliche Schicht bildet) liegen. Wie hier verwendet, ist
der Begriff „Passivierungsschicht" synonym mit Oberflächenbereichen
mit Metalloxiden und bezieht sich auf die ausgewählten Bereiche 100 der
Titanbeschichtungsschicht 98, in denen Metalloxide vorliegen.
So eine Metalloxid-Passivierungsschicht 100 über der
Titanbeschichtung 98 kann einzelne Bereiche oder einen
gesamten durchgehenden Bereich der Substratoberfläche (z.B. 59, 63, 90, 92) bedecken.
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Ein
Einwirken von Umgebungsluft ist im allgemeinen ausreichend, um passivierte
Metalloxidbereiche 100 auf einem Substrat zu bilden, das
für eine Metalloxidbildung
anfällig
ist. Absichtliche Verarbeitung, wie z.B. Anodisierung bzw. anodische
Oxidation, bildet ebenfalls ausgewählte passivierte Bereiche 100 auf
einem Substrat, das für
eine Metalloxidbildung anfällig
ist. In einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hat die über bzw. auf der Oberfläche (wie
z.B. 59, 63) eines Substrats (wie z.B. 58, 60)
aufgebrachte Titanbeschichtung 98 wenigstens eine geringe
Konzentration an vorliegenden Titanoxiden. Es sollte angemerkt werden,
dass die Titanoxide typischerweise elektrochemisch weniger reaktiv
sind als das Basistitan. Jedoch erleichtert eine Titanoxidschicht
eine bessere Haftung einer haftungsfördernden Silan-Unterschicht 101 und
folglich der darüber
liegenden Polymerschutzbeschichtung 102, wie vorher hier
beschrieben wurde. Eine verstärkte
Haftung minimiert potenzielle Defekte in der darüber liegenden Polymerschutzbeschichtung,
wie z.B. Gasblasen, die darunter liegende Bereiche von unbeschichtetem Metall
freilegen. Diese Gasblasen entstehen als kleine, ungeschützte Bereiche
der Metalloberfläche
und haben das Potenzial, Wachstumsstellen für Korrosion, insbesondere bei
Substraten aus rostfreiem Stahl, zu werden. Daher ist es in elektrisch
leitenden Bereichen bevorzugt, eine ausreichende Menge an Titanoxiden
und jeglichen Oxiden auf den Metallsubstraten 58, 60 zu
entfernen, um den spezifischen elektrischen Widerstand zu reduzieren, während sichergestellt
wird, dass eine ausreichende Menge an Titanoxiden vorliegen, um
die haftungsfördernde
Unterschicht-Beschichtung 101 wirksam
festzuhalten.
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Polymerschutzbeschichtungen 102 werden aufgrund
ihrer Fähigkeit,
extremen Brennstoffzellenumgebungen standzuhalten, und aufgrund
ihrer Haftung an ausgewählten
Metallzusammensetzungen ausgewählt,
einschließlich
Metalloxidbereichen des Metallsubstrats (der Kürze halber konzentriert sich die
vorliegende Beschreibung auf eine beispielhafte Hälfte der
Bipolarplattenanordnung 56, nämlich das leitende Element/Substrat 58,
was obgleich es hier als Beispiel verwendet wird, die Anwendbarkeit
der vorliegenden Erfindung nicht einschränkt). Jedoch waren solche Polymere
bisher auf solche mit guter Haftung an Metalle und Metalloxide eingeschränkt. Die
vorliegende Erfindung erlaubt die Verwendung einer zusätzlichen
Klasse von Schutzpolymeren für die
Polymerschutzbeschichtung 102, die erwünschte Leitfähigkeit
und Kosten haben, aber bisher keine Vereinbarkeit mit und ausreichende
Haftung an Metallen hatten. Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine
verbesserte Leistung für
Polymere, die derzeit in Polymerschutzbeschichtungen 102 verwendet
werden, indem die Haftungseigenschaften an der Oberfläche 59 des
Substrats 58 durch Verwendung der haftungsfördernden
Beschichtung 101 erhöht
werden.
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Allgemein
werden haftungsfördernde
Beschichtungen 101 verwendet, um eine verbesserte Haftung
zwischen zwei verschiedenen Elementen (z.B. dem Substrat 58 und
der Polymerbeschichtung 102) zu erhalten. Ein „Primer" bezieht sich im
Allgemeinen auf eine Beschichtung, die auf eine Oberfläche vor
der Aufbringung einer anderen Polymerbeschichtung aufgebracht wurde,
um die Güte
der Bindung zwischen der Oberfläche
(z.B. 58) und der Polymerbeschichtung (z.B. 102)
zu verbessern. Das Einführen
der Titanbeschichtung 98 erhöht die Befestigung der haftungsfördernden
Beschichtung 101 an dem darunter liegenden Metallsubstrat 58 weiter.
Die haftungsfördernde
Primerbeschichtung 101 ist bevorzugt eine Substanz, die
durch Oberflächenanbindung
Materialien aneinander festhalten kann. Die haftungsfördernde
Beschichtung 101 ist bevorzugt mit der Titanbeschichtung 98,
dem Substrat 58 und der Polymerschutzbeschichtung 102 vereinbar
sogar wenn diese unähnliche
Eigenschaften aufweisen. Haftungsfördernde Beschichtungen 101 wirken
typischerweise durch Van-der-Waals-Anziehungskräfte, Wasserstoffbindung und
chemische Bindung. Chemische kovalente Bindungen sind bevorzugt,
weil die kovalenten Bindungen eine erhöhte Beständigkeit gegenüber Änderungen
der Umgebung und ungünstigen
Bedingungen im Vergleich zu Wasserstoffbindungen oder Van-der-Waals-Anziehungskräften aufweisen.
In bestimmten Ausführungsformen
ist die haftungsfördernde
Beschichtung 101 kovalent an die Titanbeschichtung 98 und
die darüber
liegende Polymerschutzbeschichtung 102 gebunden, um die
Haltbarkeit bei den hohen Druck-, Wärme- und Feuchtigkeitsbedingungen
in einer Brennstoffzelle zu verbessern.
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In
bestimmten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung enthält
die haftungsfördernde Beschichtung 101 ein
Silizium enthaltendes Polymer. Im Allgemeinen werden solche haftungsfördernden Siliziumpolymere
aus einer Ausgangsmaterialzusammensetzung gebildet, die eine Silanverbin dung enthält, die
behandelt wird, um das haftungsfördernde
Polymer zu bilden. Wie hier verwendet, beziehen sich Silane auf
Verbindungen mit der allgemeinen Struktur SiH4.
Die Silane können
funktionalisiert sein, wobei eines oder mehrere der Wasserstoffatome durch
eine Komponentengruppe ersetzt sind. In Abhängigkeit von den gewählten, in
der Verbindung vorliegenden Komponentengruppen können Silane weiter klassifiziert
werden in Untergruppen der organofunktionellen Silane, aminofunktionellen
Silane, Halogensilane und Silazane. Beispielweise umfassen Halogensilane
Chlorsilane, die Silane mit einer funktionellen Chlorgruppe sind,
und Fluorsilane mit einer funktionellen Fluorgruppe. Wie ein Fachmann
auf dem Gebiet erkennt, sind die Abweichungen bei möglichen
Kombinationen von für
die vorliegende Erfindung brauchbaren Komponentengruppen und entsprechend
den anwendbaren Klassifikationen von Silanen umfangreich. Silane
sind bevorzugte Ausgangsmaterialien für Kopplungsmittel. Nach einer Behandlung
verknüpfen
die haftungsfördernden
Polymere die Grenzflächen
zweier unähnlicher
Substrate aufgrund ihrer dualen organischen und anorganischen Eigenschaften.
Die behandelten Silane sind auch attraktiv, weil sie so leicht als
Dünnschichten
auf ein Substrat aufbringbar sind.
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Die
am meisten verbreitet verwendeten haftungsfördernden Silankopplungsmittelbeschichtungen 101 werden
aus den organofunktionellen Silanen gebildet, die durch die allgemein
anerkannte nominale Formel YRSiX3 dargestellt
sind, in der X eine hydrolysierbare Gruppe, wie z.B. eine Alkoxygruppe (z.B.
Methoxy-, Ethoxy-, Phenoxy-, Acetoxy- oder eine Halogen-, Halogenidgruppe)
und Y eine nicht hydrolysierbare funktionelle organische Gruppe
darstellt, wie z.B. Amino-, Amido-, Acrylat-, Hydroxyl-, Alkoxy-,
Halogen-, Mercapto-, Carboxy-, Acyl-, Vinyl-, Allyl-, Styryl-, Epoxy-,
Isocyanat-, Glycidoxy-, Methacryloxy- und Azido- und Acryloxygruppe.
R ist eine kleine aliphatische Verknüpfung zwischen der funktionellen organischen
Gruppe und dem Silizium. R kann Gruppen enthalten mit der Formel
-(CH2)n-, als nicht
einschränkendes
Beispiel, wie z.B. Methyl-, Ethyl-, Propyl- und Butylgruppen. Mit
ihren organischen und anorganischen Eigenschaften sind organofunktionelle
Silane als haftungsfördernde
Beschichtungen 101 zwischen der Titanschicht 98 und der
Polymerschutzbeschichtung 102 brauchbar. Als anderes Beispiel
kann das funktionelle Silan, wenn es eine polymerisierbare Funktionalität, wie z.B.
eine Vinylgruppe, enthält,
polymerisiert werden, um die Festigkeit der haftungsfördernden
Beschichtung und/oder der Polymerbeschichtung weiter zu verbessern.
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Obgleich
man nicht an eine bestimmte Theorie gebunden sein möchte, nach
der die Erfindung funktioniert, wird angenommen, dass die hydrolysierbaren
organischen Anteile der organofunktionellen Silane in der haftungsfördernden
Beschichtung 101 mit Titanoxiden 100 (oder Tantal-
oder Zirkoniumoxiden) Wechselwirken und sich daran binden, die entlang
der Titanbeschichtung 98 vorliegen, und die nicht hydrolysierbaren
organischen Anteile der haftungsfördernden Beschichtung 101 mit
der Polymerbeschichtung 102 Wechselwirken und sich daran
binden.
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Eine
Reihe von Silanen können
sich auch vernetzen. Die vorliegende Erfindung erwägt die Verwendung
von selbstvernetzenden Silanen, solange ausreichend organische Gruppen
für eine
Wechselwirkung mit der Titanbeschichtung 98 und/oder der Polymerbeschichtung 102 verfügbar bleiben.
In bestimmten Ausführungsformen
tritt ein gewisses Vernetzungsniveau auf, um die physikalische Integrität der haftungsfördernden
Silanbeschichtung 101 zu verbessern. In einigen Ausführungsformen
erwägt die
vorliegende Erfindung die Zugabe eines Stabilisators zu einem selbstvernetzenden
Silanpolymer, um die Geschwindigkeit der Selbstvernetzung (im Allgemeinen
durch Verlangsamung) zu kontrollieren. Ferner ist es bevorzugt,
das der Stabilisator so ausgewählt
ist, dass er keinen Rückstand übrig lässt, der die
Brennstoffzelle während
der Arbeitsvorgänge möglicherweise
kontaminieren kann.
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Bevorzugte,
zur Bildung haftungsfördernder Polymerbeschichtungen 101 verwendete
organofunktionelle Silane gemäß der vorliegenden
Erfindung umfassen die folgende nicht einschränkende Gruppe: 6-Azidosulfonylhexyltriethoxysilan, Bis[(3-ethoxysilyl)propyl]ethylendiamin;
N-[3-Triethoxysilylpropyl]-4,5-dihydroimidazol, 3-Aminopropyltriethoxysilan;
3-Isocyanatpropyltriethoxysilan, Diethoxyphosphatethyltriethoxysilan;
5,6-Epoxyhexyltriethoxysilan, Bis-[3-(triethoxysilyl)propyl]amin; 3-Aminopropylmethyldiethoxysilan,
N-(2-Aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilan, N-(2-Aminoethyl)-3-aminopropylmethyldimethoxysilan; Bis-[3-(triethoxysilyl)propyl]disulfid,
Bis-[3-(triethoxysilyl)propyl]tetrasulfid; 3-Mercaptopropyltriethoxysilan,
Aminopropylmethyldiethoxysilan, Chlorpropyltriethoxysilan, Chloropropyltrimethoxysilan,
Glycidoxypropyltrimethoxysilan, 3-Isocyanatpropyltrimethoxysilan,
3-Isocyanatpropyltriethoxysilan, Mercaptopropyltrimethoxysilan,
Methacryloxypropyltrimethoxysilan, Methyltriacetoxysilan (MTAS),
Methyltrimethoxysilan (MTMS), Methyltris(butanonoxim)silan (MOS),
Methyloximinosilan (MOS), Methyltris(methylethylketoximo)silan (MOS),
Tetraethoxysilan (TEOS), Tetramethoxysilan (TMOS), Vinyltriethoxysilan,
Vinyltrimethoxysilan, Vinyltris(butanonoxim)silan (VOS), Vinyloximinosilan
(VOS) und Vinyltris(methylethylketoximo)silan (VOS). In einer bevorzugten
Ausführungsform
sind die organofunktionellen Silane 6-Azidosulfonylhexyltriethoxysilan,
Bis[(3-ethoxysilyl)propyl]ethylendiamin, N-[3-Triethoxysilylpropyl]-4,5-dihydroimidazol,
3-Aminopropyltriethoxysilan, Diethoxyphosphatethyltriethoxysilan,
5,6-Epoxyhexyltriethoxysilan, Copolymere und deren Gemische. Besonders
bevorzugte Silanpolymere, die in der vorliegenden Erfindung brauchbar
sind, sind ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus 6-Azidosulfonylhexyltriethoxysilan,
Bis[(3-ethoxysilyl)propyl]ethylendiamin, N-[3-Triethoxysilylpropyl]-4,5-dihydroimidazol,
3-Aminopropyltriethoxysilan, Diethoxyphosphatethyltriethoxysilan,
5,6-Epoxyhexyltriethoxysilan, Copolymere und deren Gemischen. Ein
am meisten bevorzugtes Silanpolymer enthält 3-Aminopropyltriethoxysilan.
Es sollte angemerkt werden, dass bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung andere Polymere in Betracht ziehen, die oben nicht aufgeführt sind
und die Fachleuten auf dem Gebiet als haftungsfördernde Mittel zwischen Metall-
und Polymergrenzflächen
als geeignet für
die Verwendung in der haftungsfördernden
Beschichtung 101 gut bekannt sind.
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Die
hydrolysierbare X-Komponenten-Seitengruppe (d.h. Alkoxygruppe) des
organofunktionellen Silans wird hydrolysiert, um ein Silanol zu
bilden, bei dem die hydrolysierbaren Gruppen durch Hydroxylgruppen über eine
Reaktion mit einem Hydrolysierungsmittel ersetzt sind. Es wird angenommen,
dass wenn die haftungsfördernde
Beschichtung 101 auf die Titanbeschichtung 98 mit
der Metalloxidschicht 100 aufgebracht wird, diese Hydroxylgruppen
auf dem Silanol zu den Metalloxidbereichen 100 auf der Titanbeschichtungsoberfläche 98 entweder
aufgrund kovalenter Bindung oder Van-der-Waals-Anziehungskräfte hin
orientiert sind. Wie zuvor erläutert, sollen
die folgenden Beschreibungen des Mechanismus, von dem angenommen
wird, dass die vorliegende haftungsfördernde Beschichtung 101 danach funktioniert,
nicht dahingehend einschränkend
sein, wie die vorliegende Erfindung funktioniert.
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Die
als X auf dem funktionalisierten Silan (z.B. YRSiX3)
bezeichneten hydrolysierbaren funktionellen Gruppen werden die Hydroxylgruppen
auf dem entsprechenden Silanol (z.B. YRSi(OH)3),
die für
eine Reaktion verfügbar
sind. Wie angegeben, ist die Gruppe X bevorzugt eine Alkoxygruppe
(d.h. Methoxygruppe). In einem Beispiel wird die Alkoxygruppe hydroly siert,
wobei ein korrespondierendes Alkohol-Nebenprodukt (z.B. Methanol)
der Gruppe X gebildet wird, und dadurch RSi(OH)3 mit
drei zum Reagieren mit den Metalloxiden auf Bereichen des Substrats
verfügbaren
Hydroxylgruppen produziert. Das neu gebildete Alkohol-Nebenprodukt
aus der Hydrolysereaktion kann verdampft werden und beeinträchtigt die
Vorbereitung der Beschichtung oder deren Aufbringung nicht.
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Es
wird angenommen, dass eine anschließende Dehydratisierung der
drei verfügbaren
Hydroxylgruppen an den Silanolmolekülen YRSi(OH)3 zwei Arten
von kovalenten Bindungen bildet. Die erste ist eine Selbstbindung
zwischen Silanolgruppen, die zu der Schaffung eines Silizium-Sauerstoff-Rückgrates führt. Obgleich man nicht durch
irgendeinen bestimmten Mechanismus eingeschränkt sein möchte, wird angenommen, dass
die Kondensation der Silanolmoleküle dem Silizium eines ersten
Silanols ermöglicht,
sich an den Sauerstoff eines zweiten Silanolmoleküls zu binden.
Das Silizium-Sauerstoff-Rückgrat dient
als Verknüpfung
zwischen den neu gebildeten Metalloxidbindungen und den verfügbaren Gruppen R
innerhalb des Rückgrates.
Nach der fortlaufenden Verknüpfung
von Silanolmolekülen,
um das Silizium-Sauerstoff-Rückgrat
zu bilden, wird die zweite Art kovalenter Bindungen zwischen den
verfügbaren
Hydroxylgruppen an dem Silanol und den Metalloxiden auf der Titanschicht 98 gebildet.
Die organischen Eigenschaften der verfügbaren Gruppen R verbinden die
haftungsfördernde
Silanschicht 101 mit der Polymerschutzbeschichtung 102,
die über
bzw. auf der haftungsfördernden
Beschichtung 101 aufgebracht ist, höchstwahrscheinlich durch kovalente
Bindungen zwischen den Carboxylgruppen an den Polymerschutzbeschichtungsharzketten,
und schaffen dadurch eine starke Verknüpfung zwischen der Polymerschutzbeschichtung 102 und
der Titanschicht 98.
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Alternative
bevorzugte Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung beziehen sich auf bevorzugte Verfahren zur
Herstellung der haftungsfördernden
Beschichtung 101. Ein solches Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst das Einführen oder
Zumischen eines Hydrolysierungsmittels in eine ein funktionelles
Silan und ein Lösemittel
enthaltende Lösung.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen
enthält
die haftungsfördernde
Lösung
ein organofunktionelles Silan. Das Hydrolysierungsmittel dient zum
Hydrolysieren bestimmter hydrolysierbarer funktioneller Gruppen
(d.h. X) an dem funktionalisierten Silan und die resultierende Hydrolyse
fördert
die Wechselwirkung zwischen der Titanbeschichtung 98 und
der Polymerbeschichtung 102. Enthält dieses funktionelle Silan
eine polymerisierbare Funktionalität, wie z.B. eine Vinylgruppe,
kann es polymerisiert werden, um eine haftungsfördernde Beschichtung zu bilden.
Geeignete Hydrolysierungsmittel enthalten Säuren. In einigen Ausführungsformen
enthalten bevorzugte Hydrolysierungsmittel organische Säuren. Es
ist bevorzugt, dass das Hydrolysierungsmittel eine organische Säure enthält. In einer
Ausführungsform
ist die organische Säure
Eisessig.
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Ferner
enthalten die haftungsfördernden
Lösungen
der vorliegenden Erfindung bevorzugt ein oder mehrere Lösemittel.
Ein geeignetes Lösemittel ist
Wasser. Nach Zugabe des Hydrolysierungsmittels ist es bevorzugt,
dass die haftungsfördernde
Beschichtungslösung
gut gemischt wird und einen pH-Wert von etwa 3 bis etwa 5 aufweist,
um die Hydrolysereaktion zu fördern.
In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
wird die das hydrolysierende Säuremittel
aufweisende Lösung
für eine
kurze Dauer (z.B. etwa 10 Minuten) gemischt. Wie oben ausgeführt wird,
hydrolysiert das Hydrolysierungsmittel die hydrolysierbaren funktionellen
Gruppen an dem funktionalisierten Silan (z.B. YRSiX3)
zum korrespondierenden Silanol.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
enthält
die haftungsfördernde
Beschichtungslösung
ferner ein optionales Benetzungsmittel. Bevorzugte Benetzungsmittel
erleichtern oder verbessern die Aufbringung der haftungsfördernden
Polymerlösung
auf das Substrat. Besonders bevorzugte Benetzungsmittel lassen das
Substrat frei von Benetzungsmittelrückstand nach Aufbringen der
haftungsfördernden
Lösung.
In einigen Ausführungsformen
enthalten die Benetzungsmittel einen Alkohol mit niedrigem Molekulargewicht
einschließlich
als nicht einschränkendes
Beispiel Ethanol, Methanol, Propanol (z.B. Isopropanol, 1-Propanol,
1-Butanol usw.)
und deren Gemische. Das Benetzungsmittel kann auch Aceton sein.
In einer Ausführungsform
enthält
das Benetzungsmittel Ethanol. In anderen Ausführungsformen enthält das Benetzungsmittel
ein Alkan. Bevorzugt hat das Alkan ein Kohlenstoffrückgrat mit
weniger als 15 Kohlenstoffatomen. In bestimmten Ausführungsformen
enthält
das Alkan Heptan. Es ist bevorzugt, dass das Rückgrat weniger als 15 Kohlenstoffatome
aufweist, um das Verdampfen des Alkans im Lösemittel nach Aufbringen der
haftungsfördernden
Beschichtungslösung 101 auf
die Titanbeschichtung 98 zu erleichtern. In bestimmten
Ausführungsformen
erleichtert die Zugabe des Benetzungsmittels eine einfache Aufbringung
der haftungsfördernden Silan-Beschichtungslösung auf
das Substrat. Das unpolare Alkan-Benetzungsmittel schafft eine bessere
Gleichmäßigkeit
der Oberflächenspannung
der Beschichtung. Bei bestimmten Lösemittel-Polymer-Systemen kann die Oberflächenspannung
nicht ausreichend sein und die Beschichtung kann sich wegziehen
und kreisförmige
Flecken oder Bereiche ohne Beschichtung bilden, die „Fischaugen" genannt werden.
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Die
Lösung
haftungsfördernder
Beschichtung 101 kann auf die Titanbeschichtung 98 unter Verwendung
bekannter Aufbringungsverfahren aufgebracht werden, welche Gravurstreichen,
Umkehrwalzenbeschichtung, Rakelstreichverfahren, Tauchen, Anstreichen,
Sprühen,
Bürsten,
galvanische Abscheidung, Aufdampfen und dergleichen umfassen. Die
Lösung
haftungsfördernder
Beschichtung 101 kann auch unter Verwendung der oben hier
beschriebenen Spulenbeschichtungstechniken aufgebracht werden. Nach
Aufbringen der haftungsfördernden
Beschichtungslösung 101 in
flüssiger
Phase ist es bevorzugt, dass die Lösemittel und im Wesentlichen
alle darin gelösten
Verbindungen aus der flüssigen
Schicht bevorzugt durch Verdampfen entfernt werden, wodurch das
Polymer in einer trockenen Beschichtung 101 entlang der
Bereiche der Oberfläche 59,
auf die die Titanbeschichtung 98 und die haftungsfördernde
Beschichtungslösung 101 aufgebracht
wurden, verbleibt. Somit werden nach Aufbringen der haftungsfördernden
Lösung 101 auf
das elektrische leitende Element 58 Wärme und/oder verminderter Druck
angelegt, um die Lösemittel,
Benetzungsmittel und verbleibenden Verbindungen oder Nebenprodukte
aus dem Hydrolyseverfahren zu verdampfen. Bevorzugte Verfahren zum
Anwenden von Wärme
umfassen das Einsetzen des beschichteten Substrats in einen Ofen
und Trocknen innerhalb eines Temperaturbereichs von etwa 85°C bis etwa 150°C für 10 bis
15 Minuten. Jede Art von Ofen ist geeignet einschließlich sowohl
Nicht-Vakuum- aals auch Vakuum- oder Absaugöfen. Bevorzugte Öfen sind
Nicht-Vakuum-Öfen.
In einer Ausführungsform, in
der ein Absauggerät
verwendet wird, wird das Element unter einem gezogenen Vakuum für eine Dauer getrocknet,
die ausreicht, um die Lösung
zu trocknen und alle Lösemittel
und zusätzlichen
Komponenten zu entfernen, im Allgemeinen für 30 Minuten bis 16 Stunden.
Nach Abschluss des Trocknens ist eine feste Beschichtungsschicht
der haftungsfördernden
Silanpolymerbeschichtung 101 auf der Titanbeschichtung 98 auf
dem Metallsubstrat 58 gebildet.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
hat die trockene haftungsfördernde
Beschichtung 101 eine Dicke von weniger als 100 Angström (10 Nanome ter).
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat die haftungsfördernde
Silanbeschichtung 101 eine Dicke von zwischen etwa eine
bis wenige Monoschichten. So eine Dicke kann durch eine einzige
Aufbringung der haftungsfördernden
flüssigen
Lösung 101 auf
die Titanschicht 98 erreicht werden. Dort, wo eine gewünschte Dicke
für die
haftungsfördernde
Beschichtung 101 größer als
wenige Monoschichten ist, wird eine dickere Beschichtung 101 durch
Aufbringen mehrerer Schichten der Beschichtungslösung in einzelnen Aufbringungsschritten
erreicht.
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Der
eine oder die mehreren Titanoxidbereiche 100 über dem
Substrat 58 mit der haftungsfördernden Beschichtung 101 werden
ferner mit der Polymerschutzbeschichtung 102 überzogen.
Die Schutzbeschichtungen 102 der vorliegenden Erfindung
sind bevorzugt sowohl oxidationsbeständig als auch korrosionsbeständig, wodurch
das darunter liegende Metallsubstrat 58 vor einer Einwirkung
von korrodierenden Mitteln geschützt
wird. Die zusätzliche
Sicherheit und Bindungskraft von der Titanbeschichtung 98 erhöhen die
korrosionsbeständigen und
oxidationsbeständigen
Eigenschaften der Schutzbeschichtung und schützen das darunter liegende
Metallsubstrat 58 weiter. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen,
in denen die Bereiche 100 elektrisch leitende Bahnen in
der Brennstoffzelle bilden, ist es auch bevorzugt, dass die Schutzbeschichtungen 101, 102,
welche die Oberfläche 59 des
Substrats 58 bedecken, elektrisch leitend sind und einen
spezifischen Massenwiderstand von weniger als etwa 50 Ohm-cm (Ω-cm) aufweisen.
In bestimmten Ausführungsformen
sollte der Kontaktwiderstand an der Grenzfläche zwischen verschiedenem
Material, beispielsweise der Beschichtung mit dem nächsten Element
innerhalb der Brennstoffzelle, weniger als etwa 50 Milliohm-cm2, bevorzugt weniger als 25 Milliohm-cm2 betragen.
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In
bestimmten Ausführungsformen
ist die Schutzbeschichtung 102 elektrisch leitend und weist mehrere
oxidationsbeständige,
säureunlösliche,
leitende Partikel (d.h. weniger als etwa 50 Mikrometer) auf, die
in einer säurebeständigen,
oxidationsbeständigen
Polymermatrix dispergiert sind, in der die Polymermatrix die Partikel
miteinander verbindet. Es ist bevorzugt, dass die Beschichtung 102 ausreichend leitende
Füllpartikel
enthält,
um einen spezifischen Widerstand von nicht mehr als etwa 50 Ohm-cm
herzustellen. Dünnere
Polymerschutzbeschichtungen 102 (d.h. etwa 15-25 Mikrometer) sind
am meisten bevorzugt, um den IR-Abfall durch die Baugruppe bzw.
den Stapel zu minimieren. In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung hat die Schutzbeschichtung 102 eine Dicke zwischen etwa
5 Mikrometer und etwa 75 Mikrometer, bevorzugt zwischen etwa 5 und
etwa 30 Mikrometer in Abhängigkeit
von der Zusammensetzung, dem spezifischen Widerstand und der Intaktheit
der Beschichtung. Undurchlässige
Schutzbeschichtungen 102 sind für die vorliegenden Erfindung
bevorzugt, um das darunter liegende Metallsubstrat 58 vor
einer Permeation korrosiver Mittel zu schützen.
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So
eine leitende Polymerbeschichtung
102 wird direkt über bzw.
auf der getrockneten haftungsfördernden
Silanpolymerbeschichtung
101 auf der Titanschicht
98 auf
der Metalloberfläche
59 aufgebracht
und darauf trocknen und härten
gelassen. Die Beschichtung
102 kann auf eine Reihe von
Arten aufgebracht werden und Beispiele für solche Verfahren sind ausführlich in
dem
US-Patent Nr. 6,372,376 von Fronk
et al. beschrieben und können
umfassen (1) elektrophoretische Abscheidung, (2) Bürsten, Sprühen oder
Aufstreichen oder (3) Laminieren. Elekrophoretisch abgeschiedene
Beschichtungen sind besonders vorteilhaft, weil sie schnell in einem
automatisierten Verfahren mit wenig Abfall abgeschieden werden können und
im Wesentlichen gleichmäßig auf
Substrate mit komplexen und gerillten Oberflächen, wie solchen, die verwendet
werden, um die Reaktandenströmungsfelder
auf der (den) Arbeitsoberfläche(n)
der leitenden Elemente zu bilden, abgeschieden werden können. Elektrophoretische
Abscheidung ist ein gut bekanntes Verfahren, das verwendet wird,
um Polymere auf leitende Substrate aufzubringen. Werden vernetzbare
Polymere verwendet, enthält
die Suspension bevorzugt auch einen Katalysator und/oder ein Härtungsmittel,
um die Vernetzung zu fördern.
An der Kathode abgeschiedene Beschichtungen werden durch ein Verfahren
abgeschieden, bei dem ein positiv geladenes Polymer auf ein negativ
geladenes Substrat abgeschieden wird. Kathodische Epoxidharze, Acrylharze,
Urethane und Polyester sind bei diesem Verfahren zur Abscheidung
der Beschichtung brauchbar. Andere Beispiele für geeignete Polymere umfassen
duroplastische und thermoplastische Harze, wie beispielsweise die
in dem
US-Patent Nr. 6,372,376 von
Fronk, et al. und den darin zitierten Literaturstellen offenbarten. Eine
anschließende
Behandlung des leitenden Elements härtet und verdichtet die Beschichtung,
beispielsweise umfasst die Behandlung ein Erwärmen und/oder eine Anwendung
von UV-Licht.
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Gemäß anderen
Ausführungsformen
der Erfindung wird die Polymerschutzbeschichtung 102 auf die
haftungsfördernde
Silanbeschichtung 101 durch Sprühen, Bürsten oder Streichen (beispielsweise
mit einem Rakel) aufgebracht. In diesen Ausführungsformen wird ein Vorläufer der
Polymerschutzbeschichtung 102 durch Lösen des Polymers in einem geeigneten
Lösemittel,
wahlweise Mischen von leitenden Füllpartikeln 97 mit
dem gelösten
Polymer (wenn die Polymerschutzbeschichtung 102 leitend
ist) gebildet und diese als nasser Brei auf die haftungsfördernde Silanbeschichtung 101 aufgebracht.
Die nasse Beschichtung wird dann getrocknet (d.h. das Lösemittel wird
entfernt) und wenn notwendig (z.B. bei Duroplasten) gehärtet. Die
leitenden Partikel 97 haften an der Metalloberfläche 59 über die
Titanbeschichtung 98 mittels des lösemittelfreien Poly mers und
der Wechselwirkung der Titanbeschichtung 98 mit der haftungsfördernden
Beschichtung 101. Spulenbeschichtung kann, wie oben ausgeführt, auch
eingesetzt werden, um den nassen Brei auf die Metalloberfläche 59 aufzubringen
und die nasse Beschichtung in den verschiedenen Behandlungsphasen
des Spulenbeschichtungsverfahrens zu trocknen.
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Wie
in 5 gezeigt ist, bedeckt in bevorzugten Ausführungsformen
die Schutzbeschichtung 102 einen durchgehenden Bereich
der Oberfläche mit
Titanoxiden 100 auf dem Substrat 58 beispielsweise
wo der beschichtete Bereich 100 dem gesamten Strömungsfeld
entspricht, das sowohl Stege 64 als auch Rillen 66 aufweist.
Die elektrisch leitende Polymerschutzbeschichtung 102 mit
darin dispergierten leitenden Partikeln 97 wird über den
durchgehenden Bereich 100 des Strömungsfeldes aufgebracht und
bedeckt die haftungsfördernde
Beschichtung 101.
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In
alternativen Ausführungsformen,
wie der in 6 gezeigten, weisen der eine
oder die mehreren beschichteten Bereiche 100 die haftungsfördernde
Beschichtungsunterschicht 101 auf, die mit der Polymerschutzbeschichtung 102 überzogen
ist. In der dargestellten Ausführungsform
sind bestimmte Bereiche der Polymerschutzbeschichtungen 102a elektrisch
leitend und weisen somit auch mehrere oxidationsbeständige, säureunlösliche,
leitende Partikel 97 (d.h. weniger als etwa 50 Mikrometer)
auf, die entlang der elektrisch leitenden Bereiche, d.h. der Stege 64,
dispergiert sind, um elektrische Leitfähigkeit sicherzustellen. Leitende
Partikel liegen nur in den Bereichen der Stege 64 vor (d.h.
leitende Bereiche der Schutzbeschichtung 102a), in denen
elektrische Leitfähigkeit
erforderlich ist, liegen aber im Allgemeinen nicht in den nicht
leitenden Rillenbereichen 66 vor. Eine Polymermatrix wird
auf dem gesamten Strömungsfeld
aus Stegen und Rillen 64, 66 aufgebracht, sodass
die Rillen 66 mit einer nicht leitenden Polymerschutzbeschichtung 102b (ohne
leitende Partikel 97) beschichtet sind. Eine solche selektive
Aufbringung leitender Partikel 97 kann durch Streuen der
leitenden Partikel 97 nur über die Stege 64 (und
nicht in die Rillenbereiche 66) erreicht werden.
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Maskieren
ist auch erwünscht
bei Herstellungsumständen,
in denen unterschiedliche Beschichtungszusammensetzungen auf den
Stegen 64 und den Rillen 66 verwendet werden,
wie die in 6 gezeigten. Bei einem alternativen
Aufbringungsverfahren gemäß der in 6 gezeigten
Ausführungsform
ist Maskieren besonders nützlich
und kann verwendet werden, um eine erste nicht leitende Polymerbeschichtung 102 ohne
leitende Partikel 97 auf ausgewählte Bereiche 120 entsprechend
den Rillen 66 aufzubringen. Nach dem Aufbringen der ersten Polymerbeschichtung 102 kann
eine erste Maske 106 entfernt werden und die neu beschichteten
Bereiche 120 können
anschließend
mit einer zweiten Maske (nicht dargestellt) maskiert werden. Die
zweite leitende Polymerbeschichtung 102 mit darin dispergierten
leitenden Partikeln 97 kann auf die freigelassenen Bereiche 120 aufgebracht
werden, die zuvor mit der ersten Maske 106 maskiert waren.
Wie von einem Fachmann auf dem Gebiet erkannt wird, können sich
in der Ausführungsform,
in der sich die Beschichtungen in einzelnen Bereichen unterscheiden, die
Zusammensetzungen der Polymerschutzbeschichtungen 102 voneinander
unterscheiden.
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Auf
diese Weise können
unterschiedliche Zusammensetzungen von Polymerbeschichtungen auf
verschiedene Bereiche der Titanschicht 98 aufgebracht werden,
beispielsweise mit einer höheren elektrischen
Leitfähigkeit
kann auf die Stege 64 und eine weniger elektrisch leitende
Polymerbeschichtung 102 könnte auf die Rillen 66 aufgebracht
werden, weil nur die Stege 64 eine elektrisch leitende Bahn
zu anderen Elementen in einer Brennstoffzellenanordnung bereitstellen.
Zudem könnten,
wie in 7 gezeigt ist, andere elektrische leitende Materialien 122 auf
die Stege 64 aufgebracht werden, wie z.B. nicht oxidierende
Metalle, einschließlich
beispielsweise Gold, Platin, Rhodium oder deren Gemische. In den
Rillen 66 weisen beschichtete Bereiche 100 die
haftungsfördernde
Beschichtung 101 auf, die mit einer nicht leitenden Schutzbeschichtung 102 überzogen
ist.
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In
alternativen Ausführungsformen,
wie der in 8 gezeigten, ist es wünschenswert,
dass die Metalloxidbeschichtung 100 nur in den Bereichen vorliegt,
die den Rillen 66 der Arbeitsoberfläche 59 des Metallsubstrats
des Strömungsfeldes
entsprechen. Um Metalloxide 100 selektiv von dem Substrat 58 zu
entfernen, werden die Rillen 66 vor der Behandlung zur
Entfernung der Metalloxide davon (beispielsweise durch Plasmaätzen) mit
einem Maskierungsmaterial (nicht dargestellt) bedeckt. Nach Entfernen
der Metalloxide von den gewählten
Bereichen (sodass nur Metalloxide in den Rillen 66 bleiben), wird
das Maskierungsmaterial entfernt. Die haftungsfördernde Beschichtung 101 wird
sowohl auf die unbehandelten Rillen 66 als auch auf die
behandelten Stege 64 aufgebracht. Das Beschichtungsverfahren könnte auch
dazu ausgelegt werden, die Rillen 66 mit einer dickeren
Beschichtung aus haftungsfördernder Beschichtung 101 zu
beschichten, indem das Beschichten viele Male durchgeführt wird,
während
das Maskierungsmaterial 106 auf den Stegen 64 verbleibt,
in Abhängigkeit
von der gewünschten
Enddicke der haftungsfördernden
Beschichtung 101 und/oder der Polymerschutzbeschichtung 102 in
den Rillen 66. Eine leitende Polymerschutzbeschichtung 102 wird
auf die Stege 64 und die Rillen 66 aufgebracht.
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Es
sollte angemerkt werden, dass die vorliegende Erfindung alternative
Ausführungsformen
in Betracht zieht, wie die in 9 gezeigte,
in der ein oder mehrere Bereiche 250 sowohl die haftungsfördernde
Beschichtung 101 als auch die Schutzbeschichtung 102 aufweisen,
während
andere Bereiche 252 nur eine Schutzbeschichtung 102 ohne
die Haftungsunterschicht 101 und ohne die Titanschicht 98 aufweisen.
Die Bereiche 250 mit der haftungsfördernden Beschichtung 101 und
der Schutzbeschichtung 102 stellen eine verbesserte Haftung
und verbesserten Schutz sicher, während die einfach beschichteten
Bereiche 252 einen ausreichenden Schutz allein über die
Schutzbeschichtung 102 haben. In solchen Ausführungsformen
haben die einfach beschichteten Bereiche 252 einen verminderten elektrischen
Widerstand durch Wegfall des zusätzlichen
Kontaktwiderstands und Massenwiderstands, der mit zusätzlichen
Unterschichten verbunden ist, nämlich
der Titanbeschichtung 98 und der haftungsfördernden
Beschichtung 101. Die einfach beschichteten Bereiche 252 entsprechen
im Allgemeinen elektrisch leitenden Bereichen der Oberfläche 59, hier
entsprechend den Stegen 64.
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Bevorzugt
sind die leitenden Füllpartikel 97 für die elektrisch
leitende Polymerschutzbeschichtung 102 ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Gold, Platin, Graphit, Kohlenstoff, Nitriden
und Carbiden (z.B. Titannitrid, Titancarbid), Titan legiert mit Chrom
und/oder Nickel, Palladium, Niob, Rhodium, Seltenerdmetallen und
anderen Edelmetallen. Am meisten bevorzugt enthalten die Partikel
Kohlenstoff oder Graphit (d.h. hexagonal kristallisierten Kohlenstoff).
Die Partikel 97 machen unterschiedliche Gewichtsprozentanteile
der Schutzbeschichtung 102 aus in Abhängigkeit von der Dichte und
Leitfähigkeit der
Partikel (d.h. Partikel mit einer hohen Leitfähigkeit und geringen Dichte
können
in geringern Gewichtsprozentanteilen verwendet werden). Kohlenstoff/Graphit
enthaltende Beschichtungen 102 werden typischerweise 25
Gewichtsprozent Kohlenstoff/Graphitpartikel enthalten.
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Die
Polymermatrix der Schutzbeschichtungen 102 der vorliegenden
Erfindung weist bevorzugt ein beliebiges wasserunlösliches
Polymer auf, das zu einem dünnen
haftenden Film geformt werden kann und das der aggressiven oxidativen
und sauren Umgebung der Brennstoffzelle standhalten kann. Ferner ist
es bevorzugt, dass das ausgewählte
Polymer mit der haftungsfördernden
Beschichtung 101 kompatibel ist. Daher werden solche Polymere
wie Epoxidharze, Silikone, Polyamidimide, Polyetherimide, Polyphenole
(Phenolharze), Fluorelastomere (z.B. Polyvinylidenfluorid), Polyester,
Phenoxyphenolharze, Epoxidphenolharze, Acrylharze, Urethane und
deren Gemische unter anderen bei der vorliegenden Erfindung als
brauchbar angesehen. Vernetzte Polymere sind zur Herstellung undurchlässiger Schutzbeschichtungen 102 bevorzugt.
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Ein
Beispiel für
ein Polymer, das bei dieser Ausführungsform
brauchbar ist, enthält
ein wärmehärtbares
Polyamidimidpolymer. Es ist bevorzugt, dass das Polyamidimid zum
Aufbringen in einem kompatiblen Lösemittelvehikel gelöst wird,
wie von einem Fachmann auf dem Gebiet erkannt wird. Beispielsweise
wird in einer bevorzugten Ausführungsform
das Polyamidimid in einem Lösemittel
gelöst, das
ein Gemisch aus N-Methylpyrrolidon,
Propylenglycol und Methyletheracetat enthält. Dieser Lösung wird
etwa 21 Gewichts-% bis etwa 23 Gewichts-% eines Gemisches aus Graphit-
und Rußpartikeln
zugegeben, wobei die Größe der Graphitpartikel
im Bereich von etwa 5 Mikrometer bis etwa 20 Mikrometer und die
Größe der Rußpartikel
im Bereich von etwa 0,5 Mikrometer bis etwa 1,5 Mikrometer liegt,
wobei die kleineren Rußpartikel
dazu dienen, die Lücken zwischen
den größeren Graphitpartikeln
zu füllen und
dadurch die Leitfähigkeit
der Beschichtung im Vergleich zu Ganz-Graphitbeschichtungen erhöhen.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
dieser Erfindung wird die Polymerschutzbeschichtung 102 über das
haftungsfördernd
silanbeschichtete 101 und titanbeschichtete 98 Substrat 58 aufgebracht
und wird getrocknet und gehärtet.
Es ist bevorzugt, dass die Polymerbeschichtung 102 so überzogen
wird, dass eine Beschichtungsdicke von etwa 15–30 Mikrometer (bevorzugt etwa
17 Mikrometer) geschaffen wird, und einen Kohlenstoff-Graphit-Gehalt von
etwa 38 Gewichts-% aufweist. Sie kann langsam bei niedrigen Temperaturen
(d.h. <200°C) oder schneller
in einem zweistufigen Verfahren gehärtet werden, bei dem das Lösemittel
zuerst durch Erwärmen
für zehn Minuten
bei etwa 150°C
bis 175°C
entfernt wird (d.h. getrocknet wird) und anschließend zum
Härten
auf eine höhere
Temperatur (250°C
bis 400°C)
geheizt wird typischerweise für
eine Dauer von zwischen etwa 30 Sekunden bis etwa 15 Minuten, wobei
die Zeit letztendlich von der Temperatur abhängig ist, die verwendet wird,
um jedes spezifische Polymer zu härten.
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Wie
zuvor erläutert,
erhöhen
Metalloxide den elektrischen Widerstand von Metallsubstraten erheblich
und in bevorzugten Ausführungsformen
wird ein großer
Anteil solcher Metalloxide von mit Polymeren zu beschichtenden Metallsubstratoberflächen entfernt.
Metalloxide können
durch Plasmaätzen
oder durch Zerstäuben
entfernt werden. Jedes beliebige Verfahren zum Entfernen von Oxiden,
das einem Fachmann auf dem Gebiet bekannt ist und das die physikalischen
Eigenschaften des Metalls nicht nachteilig beeinflusst, wird zur
Verwendung bei der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen.
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In
bestimmten bevorzugten alternativen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung wird das Metallsubstrat vor dem Aufbringen der haftungsfördernden
Lösung
vorgereinigt. So eine Reinigung dient typischerweise dazu, jegliche
lose haftenden Verunreinigungen, wie z.B. Öle, Fett, wachsartige Feststoffe,
Partikel (einschließlich
Metallpartikel, Kohlenstoffpartikel, Staub und Schmutz), Siliziumdioxid,
Ablagerungen und deren Gemische zu entfernen. Viele Verunreinigungen
werden während
der Herstellung des Metallmaterials zugegeben und können sich
auch während
des Transports oder der Lagerung an der Oberfläche ansammeln. Somit ist das Vorreinigen
unter Umständen
bevorzugt, in denen das zur Verarbeitung bereitgestellte Metallsubstrat mit
Verunreinigungen verschmutzt ist. Das Vorreinigen kann eine mechanische
Abtragung erfordern; Reinigen mit traditionellen Alkalireinigern,
Tensiden, milden Säurewaschmitteln;
oder Ultraschallreinigen. Die Auswahl des geeigneten Reinigungsverfahrens oder
der Abfolge von Reinigungsverfahren wird auf Grundlage der Beschaffenheit
sowohl der Verunreinigung als auch des Metalls gewählt.
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Die
Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur und
somit sollen Abwandlungen, die nicht vom Geiste der Erfindung abweichen,
im Bereich der Erfindung liegen. Solche Abwandlungen sollen nicht
als Abweichung vom Geist und Bereich der Erfindung angesehen werden.