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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft spezielle korrosionsbeständige, elektrisch leitende Elemente für PEM-Brennstoffzellen sowie Verfahren zu deren Herstellung.
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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 andere 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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Aus der
US 2006/0280992 A1 ist eine Trennplatte für eine Brennstoffzelle bekannt, welche aus einem Metallsubstrat besteht, auf das wenigstens zwei verschiedene Harzschichten aufgebracht sind. Zwischen der Metallsubstratoberfläche und der untersten Harzschicht kann ein Primer, wie beispielsweise ein Silankupplungsmittel, angeordnet werden. Zudem kann auf dem Metallsubstrat eine Plattierungsschicht aufgebracht werden.
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In der
DE 103 20 765 A1 wird ein Mittel zur Beschichtung von Metallen zum Schutz vor Korrosion offenbart, welches (i) ein auf Siliciumverbindungen basierendes Sol, (ii) mindestens ein aminoalkylfunktionelles Alkoxysilan und/oder (iii) mindestens ein Umsetzungsprodukt der beiden vorgenannten Komponenten (i) und (ii) enthält, wobei der Gehalt an aminoalkylfunktioneller Silankomponente aus (ii) und (iii) in Summe 0,01 bis 15 Gew.-% beträgt, gerechnet als das jeweils eingesetzte Aminoalkylalkoxysilan und bezogen auf den SiO
2-Gehalt des Sols gemäß (i).
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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 Brennstoffzelle, 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 Metallbeschichtungsschicht ist mit einer kontinuierlichen Schicht aus Oxiden des Metalls der Metallbeschichtungsschicht passiviert. Eine haftungsfördernde Beschichtung überdeckt die kontinuierliche Schicht aus Oxiden des Metalls auf der Metallbeschichtungsschicht, 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 das Bereitstellen einer Metallsubstratoberfläche, die in der Gegenwart von Sauerstoff anfällig für eine Bildung von Oxiden ist, das Aufbringen einer Metallbeschichtung auf einen oder mehrere Bereiche des Substrats, wobei die Metallbeschichtung mit einer kontinuierlichen Schicht aus Oxiden des Metalls passiviert ist, das Aufbringen einer sauren Lösung mit einem pH-Wert zwischen 3 und 5, welche eine haftungsfördernden Beschichtung, die ein Silizium enthaltendes Polymer aufweist, über der kontinuierlichen Schicht aus Oxiden des Metalls der Metallbeschichtung bildet 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 weiteres 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 saures 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 auf einem Substrat angeordneten Metallbeschichtungsschicht, welche mit einer kontinuierlichen Schicht aus Oxiden des Metalls passiviert ist, aufgebracht, wobei ein Teil des Lösemittels und ein Teil des Hydrolysierungsmittels aus dem Gemisch entfernt werden und das Silizium enthaltende Polymer in einer festen Phase verbleibt, welche die kontinuierliche Schicht aus Oxiden des Metalls auf der 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 Titanbeschichtung 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 Brennstoffzelle. 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, korrosionsbeständigen 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 photolithographische 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 Abstandhalterblech 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 Ionenstrahlen, 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. Erfindungsgemäß liegen ein oder Titanmetalloxidbereiche 100 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 werden, wobei sich „passiviert” auf die Gegenwart von Metalloxiden an der Oberfläche im Vergleich zu einem Bereich mit einem Metall ohne Metalloxide bezieht. Erfindungsgemäß bilden die passivierten Bereiche 100 eine dicke kontinuierliche Schicht aus. 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 Silanverbindung 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 hydrolysiert, 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 erfindungsgemäß einen pH-Wert von 3 bis 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- als auch Vakuum- oder Absaugöfen. Bevorzugte Ofen 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 Nanometer). 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 der
US 63 72 376 B1 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 der US 63 72 376 B1 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 Polymers 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.