DE102009012995A1 - Verfahren zum Beschichten von Brennstoffzellenkomponenten zur Wasserentfernung - Google Patents

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Abstract

Es ist ein Verfahren zum Beschichten einer Brennstoffzellenkomponente vorgesehen. Das Verfahren umfasst die Schritte, dass eine Brennstoffzellenkomponente vorgesehen wird und eine Beschichtung an einer Oberfläche der Brennstoffzellenkomponente mit einem Plasmastrahl geformt wird. Der Schritt zum Formen der Beschichtung kann ein Auftragen eines Beschichtungsvorläufers auf eine Oberfläche der Brennstoffzellenkomponente und dann eine Reaktion des Beschichtungsvorläufers mit dem Plasmastrahl umfassen, um die Beschichtung zu bilden. Der Schritt zum Formen der Beschichtung kann auch ein Aufwachen der Beschichtung an der Oberfläche der Brennstoffzellenkomponente durch Liefern des den Beschichtungsvorläufer enthaltenden Plasmastrahls umfassen.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenkomponente und insbesondere ein Verfahren zum Beschichten einer Brennstoffzellenplatte und zum Unterstützen einer effektiven Entfernung von Wasser davon.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Brennstoffzellen sind als eine saubere, effiziente und umweltfreundliche Energiequelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Es kann eine Vielzahl von Brennstoffzellen in Reihe aneinander gestapelt werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, der in der Lage ist, eine gewünschte Menge an Elektrizität zu liefern. Der Brennstoffzellenstapel ist als eine potentielle Alternative für die in Kraftfahrzeugen verwendete, herkömmliche Brennkraftmaschine erkannt worden.
  • Ein Typ von Brennstoffzelle ist als eine Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzelle bekannt. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst typischerweise drei Grundkomponenten: eine Kathode, eine Anode und eine Elektrolytmembran. Die Elektrolytmembran ist allgemein schichtartig zwischen der Kathode und der Anode angeordnet. Die Brennstoffzelle weist allgemein auch poröse leitende Materialien, die als Gasdiffusionsmedium bekannt sind, auf, die Reaktandengase über die Oberflächen der Kathode und Anode verteilen. Die Reaktandengase umfassen typischerweise Wasserstoffgas, und Sauerstoff kann beispielsweise aus der Luft geliefert werden. Der Wasserstoff wird an die Anode geliefert und in Protonen umgewandelt. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Elektronen in der Anode fließen durch eine externe Schaltung an die Kathode, an der sie sich mit dem Sauerstoff und den Protonen rekombinieren, um Wasser zu bilden. Der Elektronenfluss durch die externe Schaltung erlaubt die Verwendung der Brennstoffzelle als eine Energiequelle.
  • Die Kathode, die Anode und die Elektrolytmembran sind allgemein zwischen einem Paar elektrisch leitender Brennstoffzellenplatten angeordnet, um die PEM-Brennstoffzelle zu vervollständigen. Die Platten dienen als Stromkollektoren für die Anode und die Kathode und besitzen geeignete Strömungskanäle und Öffnungen, die darin zur Verteilung der Reaktandengase der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Kathode und Anode geformt sind. Die Strömungskanäle definieren allgemein Stege dazwischen, die in elektrischem Kontakt mit den Gasdiffusionsmedien der Brennstoffzelle stehen. Typischerweise weisen die Platten auch Einlass- und Auslassöffnungen auf, die, wenn sie in einem Brennstoffzellenstapel ausgerichtet sind, interne Liefer- und Austragsverteiler zum Führen der Reaktandengase der Brennstoffzelle und von flüssigem Kühlmittel zu bzw. von den Anoden und Kathoden formen.
  • Im Betrieb der Brennstoffzelle kann Wasser von sowohl der elektrochemischen Brennstoffzellenreaktion als auch externer Befeuchtung in die Strömungskanäle eintreten. Das Wasser wird durch die Strömungskanäle typischerweise durch das Reaktandengas getrieben, dessen Druck einen Primärmechanismus zur Wasserentfernung von den Strömungskanälen darstellt. Wenn die Reaktandengasströmung jedoch nicht ausreichend ist, wie beispielsweise, wenn die Brennstoffzelle bei einer geringeren Leis tungsabgabe arbeitet, kann sich Wasser ansammeln oder ”stagnieren” bzw. ”stocken”. Stagnierendes Wasser kann Strömungskanäle blockieren und den Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelle reduzieren. Stagnierendes Wasser kann auch einen Strömungswiderstand in bestimmten Strömungskanälen erhöhen und die Reaktandengase an benachbarte Kanäle umlenken, was in einem lokalen Mangel in der Brennstoffzelle resultiert. Die Ansammlung von Wasser kann auch zu einer höheren Rate an Kohlenstoffkorrosion und einer schlechteren Haltbarkeit unter Gefrierbedingungen führen. Eine Wasseransammlung kann schließlich zu einem Ausfall der Brennstoffzelle führen.
  • In der Technik ist es bekannt, Brennstoffzellenplatten zu verwenden, die eine hydrophile Beschichtung und/oder eine hydrophobe Beschichtung besitzen, die die Entfernung von Wasser von der Brennstoffzelle unterstützen bzw. erleichtern. Die Brennstoffzelle kann auch andere Mittel zur Drainage bzw. zum Abführen von Wasser aufweisen, wie einen Schaum, einen Docht, ein gewebe- bzw. maschenartiges Material oder andere Wasser entfernende Strukturen, die derart angepasst sind, um eine Entfernung von Wasser von den Brennstoffzellenplatten zu unterstützen.
  • Die Brennstoffzellenplatten werden typischerweise zum Beispiel durch Besprühen, Bestreichen, Walzen, Drucken und/oder Tauchen beschichtet. Eine bekannte Hochleistungsbeschichtung ist die x-tec®-Beschichtung, die von Nano-X GmbH in Saarbrücken-Güdingen, Deutschland kommerziell erhältlich ist. Bestimmte Typen von Beschichtungen, wie verschiedene Siliziumdioxid basierte Beschichtungen, werden durch bekannte Sol-Gel-Techniken hergestellt. Vakuumunterstützte Techniken, wie Verfahren mit physikalische Abscheidung aus der Gasphase bzw. Physical Vapor Deposition (PVD), chemische Abscheidung aus der Gasphase bzw. Chemical Vapor Deposition (CVD), Atomschichtabscheidung (ALD) und plas maunterstützte Chemical Vapor Deposition (PECVD) zur Beschichtung von Brennstoffzellen sind ebenfalls bekannt. Eine Steuerung von Beschichtungscharakteristiken, wie der Dicke, der Morphologie wie auch des Kontaktwinkels, kann bei vielen der bekannten Beschichtungsverfahren schwierig sein. Bestimmte der bekannten Verfahren sind auch zu teuer.
  • Es existiert ein fortwährender Bedarf nach einem Verfahren zum Beschichten von Brennstoffzellenkomponenten mit einer hydrophilen Beschichtung und/oder einer hydrophoben Beschichtung, um eine Entfernung von Wasser von der Brennstoffzelle zu unterstützen. Das Verfahren soll wenig komplex, kostengünstig sein und eine Beschichtung mit ausreichender Haltbarkeit zur Verwendung in der Brennstoffzelle bereitstellen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • In Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung ist überraschend ein Verfahren zum Beschichten von Brennstoffzellenkomponenten mit einer hydrophilen Beschichtung und/oder einer hydrophoben Beschichtung entdeckt worden, um eine Entfernung von Wasser von der Brennstoffzelle zu unterstützen, wobei das Verfahren weniger komplex und weniger teuer ist und eine ausreichende Beschichtungshaltbarkeit bereitstellt.
  • Bei einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Beschichten einer Brennstoffzellenkomponente die Schritte, dass: die Brennstoffzellenkomponente bereitgestellt wird; und eine Beschichtung auf einer Oberfläche der Brennstoffzellenkomponente mit einem Plasmastrahl geformt wird.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst der Schritt zum Formen der Beschichtung an der Oberfläche der Brennstoffzellenkomponente die Schritte, dass: ein Beschichtungsvorläufer auf einer Oberfläche der Brennstoffzellenkomponente aufgebracht wird; und ein Plasmastrahl an den Beschichtungsvorläufer geliefert wird. Der Beschichtungsvorläufer wird dadurch einer Reaktion unterzogen und formt die Beschichtung an der Oberfläche der Brennstoffzellenkomponente.
  • Bei einer anderen Ausführungsform umfasst der Schritt zum Formen der Beschichtung an der Oberfläche der Brennstoffzellenkomponenten die Schritte, dass: ein Beschichtungsvorläufer in einen Plasmastrahl eingeführt wird; und die Beschichtung auf einer Oberfläche der Brennstoffzellenkomponente durch Lieferung des Plasmastrahls an die Oberfläche der Brennstoffzellenkomponente aufgewachsen wird.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte lediglich beispielhafter Natur und somit ist die Reihenfolge der Schritte weder notwendig noch kritisch.
  • Eine illustrative Brennstoffzellenkomponente zur Verwendung mit dem Verfahren der vorliegenden Offenbarung ist eine Brennstoffzellenplatte. Bei einer Ausführungsform ist die Brennstoffzellenplatte im Wesentlichen so, wie in der ebenfalls anhängigen U. S. Anmeldung Seriennr. 11/696,361 beschrieben ist, die hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Gemäß dem vorliegenden Verfahren können auch andere Brennstoffzellenplattenkonstruktionen und -konfigurationen beschichtet werden. Obwohl das Verfahren der Offenbarung hier nachfolgend in Bezug auf die Brennstoffzellenplatte beschrieben ist, sei angemerkt, dass der Schutzumfang der Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Das Verfahren kann ferner auf eine beliebige Brennstoffzellenkomponente angewendet werden, bei der eine bestimmte Hydrophobie oder Hydrophilie einer Oberfläche erreicht werden soll. Beispielsweise kann das Verfahren auch auf eine Drainage- bzw. Wasserabführkomponente oder dergleichen angewendet werden, die in der Brennstoffzelle verwendet wird, um eine Entfernung von Wasser davon zu unterstützen.
  • Die Brennstoffzellenplatte umfasst typischerweise eine Vielzahl von Einlassöffnungen, eine Vielzahl von Auslassöffnungen und eine Vielzahl von Strömungskanälen. Die Vielzahl von Einlassöffnungen und die Vielzahl von Auslassöffnungen sind zum Transport von Reaktandengasen zu bzw. von der Vielzahl von Strömungskanälen angepasst. Die Vielzahl von Strömungskanälen definiert eine Vielzahl von Stegen, die dazwischen geformt sind. Die Vielzahl von Strömungskanälen und die Vielzahl von Stegen formen einen aktiven Bereich der Brennstoffzellenplatte, benachbart zu dem eine elektrochemische Brennstoffzellenreaktion während des Brennstoffzellenbetriebs stattfindet. Zwischen einer der Einlass- und Auslassöffnungen und dem aktiven Bereich ist ein Zufuhrbereich angeordnet. Es sei zu verstehen, dass die Größe, die Form, die Menge wie auch der Typ von Brennstoffzellenplatten für eine Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellenstapel, wie auch die Konfiguration der Brennstoffzellenplatten innerhalb der Brennstoffzelle oder innerhalb des Brennstoffzellenstapels nach Bedarf variieren können. Beispielsweise kann die Brennstoffzellenplattenkonstruktion auf Parametern basieren, wie einer Menge an Elektrizität, die erzeugt werden soll, einer Größe eines Verbrauchers von Elektrizität, der mit dem Brennstoffzellenstapel betrieben werden soll, einem volumetrischen Durchfluss von Reaktandengasen durch den Brennstoffzellenstapel und anderen ähnlichen Faktoren, wie in der Technik bekannt ist. Die Brennstoffzellenplatten können aus einem beliebigen herkömmlichen Material geformt sein, wie beispielsweise Graphit, einem Kohlenstoffkomposit bzw. -verbundmaterial oder einem Metall. Es können auch andere geeignete Materialien verwendet werden.
  • Die Brennstoffzellenplatte umfasst eine hydrophobe Beschichtung und/oder eine hydrophile Beschichtung, die darauf angeordnet ist bzw. sind. Die hydrophobe Beschichtung kann aus einem hydrophoben Material geformt sein, das auf zumindest einem Abschnitt der Brennstoffzellenplatte angeordnet ist. Als nicht beschränkende Beispiele kann das hydrophobe Material eines aus einem Silan, Silizium, einem Alkylsilan, einem Fluoralkylsilan, einem Fluorkohlenstoff, einem Alkoxid, einem Phenylethoxysilan und einem Polydimethylsiloxan sein. Bei bestimmten Ausführungsformen ist das zur Formung der hydrophoben Beschichtung verwendete hydrophobe Material Hexamethyldisiloxan (HMDSO), Tetraethoxysilan (TEOS) oder 1,2-Bis(triethoxysilyl)(BTESE). Gegebenenfalls können andere geeignete hydrophobe Beschichtungen gewählt werden. Als nicht beschränkende Beispiele kann die hydrophobe Beschichtung einen Kontaktwinkel von größer als etwa 120 Grad, bei einer bestimmten Ausführungsform von größer als etwa 135 Grad und bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform von größer als etwa 150 Grad besitzen. Ein Fachmann kann ein gewünschtes Niveau an Hydrophobie nach Bedarf wählen.
  • Die hydrophile Beschichtung kann aus einem hydrophilen Material geformt sein, das an zumindest einem Abschnitt der Brennstoffzellenplatte angeordnet ist. Beispiele geeigneter hydrophiler Beschichtungen umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Metalloxide. Das hydrophile Material kann gegebenenfalls aus einem Vorläufer bzw. Precursor geformt sein, der Silizium, Titan, Zinn, Al oder ein anderes geeignetes hydrophiles Material aufweist. Das Verfahren der Offenbarung kann mit einem beliebigen hydrophilen Material verwendet werden, das zur Verwendung mit ei nem Sol-Gel-Prozess geeignet ist. Bei bestimmten Ausführungsformen besteht die geformte Beschichtung aus Siliziumdioxid, Titandioxid, Zinnoxid, Aluminiumoxid oder einer Mischung daraus. Gegebenenfalls können andere geeignete hydrophile Beschichtungen gewählt werden. Als nicht beschränkende Beispiele kann die hydrophile Beschichtung einen Kontaktwinkel von weniger als etwa 10 Grad, bei einer bestimmten Ausführungsform von weniger als etwa 5 Grad und bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform von weniger als etwa 1 Grad besitzen. Ein Fachmann kann ein gewünschtes Niveau an Hydrophilie nach Bedarf wählen.
  • Das Verfahren der vorliegenden Offenbarung umfasst die Schritte, dass die elektrisch leitende Brennstoffzellenplatte bereitgestellt wird und eine Beschichtung, wie die hydrophile Beschichtung und/oder die hydrophobe Beschichtung, auf einer Oberfläche derselben mit einem Plasmastrahl oder einer -fahne geformt wird. Die hydrophile Beschichtung und die hydrophobe Beschichtung der Brennstoffzellenplatte sind zur Optimierung und Unterstützung eines Transports von flüssigem Wasser weg von dem aktiven Bereich während eines Betriebs der Brennstoffzelle angepasst. Hierdurch wird einer Stagnation von Wasser an der Brennstoffzellenplatte entgegengewirkt.
  • Ein ionisierendes Gas, das dazu verwendet wird, den Plasmastrahl zu bilden, umfasst typischerweise Druckluft bzw. komprimierte Luft, wobei der Plasmastrahl jedoch nach Bedarf aus einem oder mehreren von Stickstoff, Sauerstoff und einem Inertgas gebildet werden kann. Weitere nicht beschränkende Beispiele ionisierender Gase, die verwendet werden können, um den Plasmastrahl zu bilden, umfassen gespeicherten Sauerstoff und Sauerstoff, der in dem Inertgas verdünnt ist, wie beispielsweise Stickstoff, Argon oder Helium. Der bei dem Formen der Beschichtung an der Oberfläche der Brennstoffzellenplatte verwendete Plasmastrahl kann durch ei ne Luftplasma-(AP)-Vorrichtung hergestellt werden, die zum Aufbringen eines Plasmastrahls in offener Atmosphäre auf eine Oberfläche der Brennstoffzellenplatte geeignet ist. Die AP-Vorrichtung kann eine unter atmosphärischem Druck arbeitende Luftplasma-(APAP)-Vorrichtung sein. Die AP-Vorrichtung umfasst typischerweise eine Spannungsversorgung zur Lieferung von Spannung an eine Elektrode und eine Masse zum Erden der AP-Vorrichtung. Die Spannung liegt typischerweise zwischen etwa 100 Volt bis etwa 400 Volt und bei einer bestimmten Ausführungsform zwischen etwa 130 Volt bis etwa 150 Volt, obwohl angemerkt sei, dass gegebenenfalls andere Spannungen verwendet werden können.
  • Das ionisierende Gas wird in die AP-Vorrichtung durch einen Einlass zugeführt und dazu verwendet, den Plasmastrahl zu erzeugen. Die Elektrode erzeugt den Plasmastrahl aus dem ionisierenden Gas, das durch eine Plasmadüse gestrahlt wird. Der Plasmastrahl verlässt die AP-Vorrichtung über die Plasmadüse. Die Plasmadüse kann eine Öffnung besitzen, die derart angepasst ist, um den Plasmastrahl effektiv an die Oberfläche der Brennstoffzellenplatte zu liefern. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann die Öffnung der Düse einen Durchmesser von weniger als 5 mm, bei bestimmten Ausführungsformen einen Durchmesser von weniger als 3,5 mm und bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform einen Durchmesser von weniger als etwa 2 mm besitzen. Gegebenenfalls können andere Größen der Düsenöffnungen gewählt werden.
  • Der Plasmastrahl wird entlang der Oberfläche der Brennstoffzellenplatte bewegt. Die AP-Vorrichtung kann den Plasmastrahl entlang der Oberfläche der Brennstoffzellenplatte mit einer Geschwindigkeit von bis zu etwa 1000 mm/Sekunde aufbringen. Bei einer Ausführungsform beträgt die Geschwindigkeit der Bewegung des Plasmastrahls bis zu etwa 500 mm/Sekunde. Bei einer bestimmten Ausführungsform wird der Plas mastrahl mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 mm/Sekunde aufgebracht. Es sei zu verstehen, dass die Lieferung des Plasmastrahls an die Oberfläche der Brennstoffzellenplatte während einer Aufbringung mehrmals intermittierend unterbrochen werden kann. Beispielsweise können Rastermuster mit Abständen erzeugt werden, wobei der Plasmastrahl intermittierend unterbrochen wird, um ein gewünschtes hydrophobes/hydrophiles Beschichtungsmuster zu erreichen.
  • Es sei auch angemerkt, dass eine Verweilzeit des Plasmastrahls über der Oberfläche dazu verwendet werden kann, eine Dicke der Beschichtung zu steuern. Eine Energie des Plasmas kann ferner dazu verwendet werden, die Beschichtungsdicke zu steuern. Als nicht beschränkende Beispiele kann die Beschichtungsdicke im Bereich von etwa 0,05 Mikrometer bis zu etwa 5 Mikrometer, bei bestimmten Ausführungsformen zwischen etwa 0,25 Mikrometer bis etwa 2 Mikrometer und bei einer besonders illustrativen Ausführungsform zwischen etwa 0,4 Mikrometer bis etwa 1 Mikrometer liegen. Gegebenenfalls kann ein Fachmann andere geeignete Dicken der Beschichtung wählen.
  • Bei einer Ausführungsform umfasst das Formen der Beschichtung auf der Brennstoffzellenplatte zunächst den Schritt, dass ein Beschichtungsvorläufer auf der Oberfläche der Brennstoffzellenplatte aufgetragen wird. Der Schritt zum Auftragen des Beschichtungsvorläufers kann durch zumindest eines aus einem Sprühprozess, einem Tauchprozess und einem Streichprozess ausgeführt werden. Andere geeignete Verfahren zum Auftragen des Beschichtungsvorläufers können ebenfalls verwendet werden. Der Plasmastrahl wird dann an den Beschichtungsvorläufer geliefert. Der Beschichtungsvorläufer wird einer Reaktion unterzogen, wie durch Polykondensation, wenn er in Kontakt mit dem Plasmastrahl gebracht wird, und bildet die Beschichtung an der Oberfläche der Brennstoffzellenplatte.
  • Durch den Plasmastrahl können auch andere Reaktionen bewirkt werden, die bei der Bildung der Beschichtung nützlich sind. Die Schritte zum Auftragen des Beschichtungsvorläufers und zur Reaktion des Vorläufers mit dem Plasmastrahl können wiederholt werden, um die gewünschte Beschichtungsdicke oder das gewünschte Beschichtungsmuster zu erhalten.
  • Bei einem Beispiel kann die Brennstoffzellenplatte gemäß der vorliegenden Offenbarung dadurch hergestellt werden, dass sie in Hexamethyldisiloxan (HMDSO), Tetraethoxysilan (TEOS), Hexamethyldisilazan (HMDSN), 1,2-Bis(triethoxysilyl)-ethan (BTESE) oder einen anderen geeigneten Silizumdioxid-Beschichtungsvorläufer getaucht wird. Der Beschichtungsvorläufer kann vor der Behandlung der Brennstoffzellenplatte mit dem Plasmastrahl entweder getrocknet werden oder kann direkt mit dem Plasmastrahl behandelt werden. Die Energie des Plasmastrahls kann das HMDSO, TEOS, HMDSN oder BTESE in eine hydrophile Beschichtung an der Oberfläche der Brennstoffzellenplatte kondensieren und polymerisieren. Die Energie des Plasmastrahls ist ausreichend, um die organischen Komponenten des Beschichtungsvorläufers zu entfernen und eine auf der Brennstoffzellenplatte geformte, hydrophile Beschichtung aus Siliziumoxid (SiOx) zu bewirken.
  • Bei einer anderen Ausführungsform umfasst der Schritt zum Formen der Beschichtung an der Brennstoffzellenplatte zunächst den Schritt, dass der Beschichtungsvorläufer in den Plasmastrahl eingeführt wird. Beispielsweise kann ein Beschichtungsvorläufer, der Silizium, Titan, Zinn oder Aluminium oder ein Metalloxid daraus enthält, durch ein Vorläuferliefersystem getrichtert werden, das dessen Durchfluss steuert, in den erregten Plasmastrahl dosiert werden und auf die Brennstoffzellenplatte aufgetragen werden. Es können auch andere Metalloxide verwendet werden. Der Beschichtungsvorläufer wird typischerweise in der Form eines Pulvers, einer Flüssigkeit oder einer Suspension vorgesehen. Die Wechselwirkung des Beschichtungsvorläufers mit dem Plasmastrahl und der Brennstoffzellenplatte kann auf Grundlage von Prozessparametern variieren, wie dem Typ des Beschichtungsvorläufers, der Zusammensetzung des Plasmastrahls, der Strömungsgeschwindigkeit bzw. dem Durchfluss des Plasmastrahls, der Größe des Energieeingangs in den Plasmastrahl, einer Distanz der Plasmadüse von der Brennstoffzellenplatte und dergleichen. Typischerweise wird der Beschichtungsvorläufer chemisch in dem Plasmastrahl verdampft. Der verdampfte Beschichtungsvorläufer kondensiert dann an der Oberfläche der Brennstoffzellenplatte. Dadurch kann die Beschichtung durch Chemical Vapor Deposition an der Oberfläche der Brennstoffzellenplatte durch das Auftragen des den verdampften Beschichtungsvorläufer enthaltenen Plasmastrahls auf der Oberfläche aufgewachsen werden. Die Energie des Plasmastrahls verdampft und kondensiert den Beschichtungsvorläufer in eine hydrophobe Beschichtung an der Oberfläche der Brennstoffzellenplatte. Die hydrophobe Beschichtung umfasst im Wesentlichen hydrophobe organische Komponenten. Wenn die Energie des Plasmastrahls ausreichend ist, kann der Plasmastrahl die organischen Komponenten weiter entfernen und eine an der Brennstoffzellenplatte geformte hydrophile Beschichtung bewirken.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst das vorliegende Verfahren den Schritt, dass die Brennstoffzellenplatte mit dem erregten Plasmastrahl vorbehandelt wird, um organische Materialien davon zu entfernen. Die Brennstoffzellenplatte kann dadurch gereinigt und bei bestimmten Ausführungsformen oberflächenaktiviert werden, um eine Anhaftung zwischen der Brennstoffzellenplatte und der Beschichtung zu steigern.
  • Das Verfahren der vorliegenden Offenbarung kann ferner einen Schritt zum Nachbehandeln der hydrophoben Beschichtung mit dem Plas mastrahl umfassen, um die Beschichtung hydrophil zu machen. Ohne Beschränkung des Schutzumfanges der vorliegenden Offenbarung auf irgendeine bestimmte Theorie sei angemerkt, dass der erregte Plasmastrahl hydrophobe organische Komponenten von der an der Brennstoffzellenplatte abgeschiedenen hydrophoben Beschichtung entfernen kann. Die hydrophobe Beschichtung kann dadurch in eine hydrophile Beschichtung umgewandelt werden. Der erregte Plasmastrahl kann auch zur Funktionalität der Beschichtung beitragen, wie dadurch, dass bewirkt wird, dass Sauerstoffradikale, die aus der Luft erzeugt werden, mit der hydrophoben Beschichtung reagieren, um Hydroxylgruppen zu erzeugen. Ähnlicherweise können Sulfat-, Carboxylat-, Aldehyd-, Keton- und andere funktionelle Gruppen an der Oberfläche der Beschichtung durch Verwendung einer geeigneten reaktiven Ionisation, wie H2S, C2H2, O2, Mischungen daraus oder dergleichen angebunden werden.
  • BEISPIEL
  • Die folgenden Beispiele sind lediglich illustrativ und beschränken in keiner Weise den Schutzumfang der Offenbarung, wie beschrieben und beansprucht ist.
  • Proben wurden gemäß dem Verfahren der vorliegenden Offenbarung dadurch hergestellt, dass 1'' x 1'' große Plättchen aus rostfreiem Stahl mit der Güte 304 (SS 304) zunächst in Beschichtungsvorläufer aus Hexamethyldisiloxan (HMDSO), Tetraethoxysilan (TEOS) und Hexamethyldisilazan (HMDSN), 1,2-Bis(triethoxysilyl)-ethan(BTESE) getaucht wurden. Der Beschichtungsvorläufer wurde dann für etwa zwei Minuten getrocknet. Die Probenplättchen wurden dann einer Plasmabehandlung mit einem Plasmastrahl in offener Atmosphäre unterzogen.
  • Eine AP-Vorrichtung, die dazu verwendet wurde, den Plasmastrahl in offener Atmosphäre zu erzeugen, war eine kommerziell erhältliche Plasma Treat®-AP-Vorrichtung. Die AP-Vorrichtung besaß eine Düsengröße von etwa 2 mm. Der Plasmastrahl wurde entlang einer Oberfläche von jedem der Plättchen mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 mm/Sekunde bewegt. Der Plasmastrahl in offener Atmosphäre bewirkte eine chemische Dampfhasenabscheidung einer hydrophilen (SiOx) Beschichtung aus dem HMDSO-Beschichtungsvorläufer auf der Oberfläche der Probenplättchen. Die Probenplättchen wurden dann gemäß einer etablierten Methodik für jedes der folgenden analysiert: Wasserkontaktwinkel; Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Röntgenfluoreszenz (XRF); Morphologie; Beständigkeit des Wasserkontaktwinkels; und elektrochemische Stabilität.
  • Die Kontaktwinkel der Probenplättchen wurden mit etwa 0 Grad beobachtet. Die Probenplättchen wurden dann für acht (8) Monate unter Umgebungsbedingungen gealtert. Die Kontaktwinkel der Plättchen nach acht (8) Monaten betrugen weniger als etwa 5 Grad. Die Probenplättchen wurden auch in einem Wasserbad für mehr als 500 Stunden durchtränkt. Nachdem die Probenplättchen im Wasserbad durchtränkt waren, wurde keine signifikante Änderung des Kontaktwinkels beobachtet. Der Kontaktwinkeltest zeigte, dass der Kontaktwinkel von Brennstoffzellenplatten, die gemäß der vorliegenden Offenbarung beschichtet sind, während des Betriebs eines Brennstoffzellenstapels ausreichend niedrig bleibt.
  • Der XPS-Test bestätigte, dass die an der Oberfläche der Probenplättchen gebildete hydrophile Beschichtung Siliziumdioxid bzw. Silica war. Der XRF-Test zeigte, dass die hydrophilen Beschichtungen eine Dicke zwischen etwa 0,4 Mikrometer und etwa 1 Mikrometer besaßen.
  • Durch Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM) wurden Mikrobilder gemacht, um die Morphologie der gemäß dem Verfahren der Offenbarung geformten Beschichtungen zu bewerten. Die Mikrobilder wurden mit Vergrößerungen von 1000x, 3000x, 10.000x, 30.000x und 100.000x gemacht. Jedes der Mikrobilder zeigte eine ähnliche Morphologie bezüglich der Siliziumdioxidbeschichtungen, die gemäß bekannter Vakuumabscheidungsverfahren hergestellt wurden. Es ist jedoch überraschend entdeckt worden, dass die Siliziumdioxiddichte mit den Beschichtungen, die gemäß dem vorliegenden Verfahren abgeschieden wurden, größer war, als im Vergleich zu Siliziumdioxidbeschichtungen, durch herkömmliche Verfahren abgeschieden wurden.
  • Es wurden auch elektrochemische Messungen durchgeführt. Proben-Bipolarplatten wurden gemäß dem vorliegenden Verfahren so hergestellt, dass sie eine Siliziumoxid-(SiOx)-Beschichtung aufwiesen. Die Proben-Bipolarplatten wurden in einen Brennstoffzellenstapel bei einem Druck von 7 psig zusammengebaut und bei einer Temperatur von etwa 80°C, einem Feuchteniveau von 100% RF und zugeführtem Wasserstoffgas und Luft bei einem Stöchiometrieverhältnis von 3/3 betrieben. Der Brennstoffzellenstapel wurde für bis zu etwa 1000 Stunden betrieben. Hochfrequenzresonanz-(HFR)- und Zellenspannungsmessungen zeigten, dass die Beschichtung in einer typischen Brennstoffzellenbetriebsumgebung im Wesentlichen stabil war.
  • Obwohl das vorher erwähnte Beispiel in Bezug auf Siliziumoxid-(SiOx)-Beschichtungen beschrieben ist, sei dem Fachmann angemerkt, dass gleichermaßen andere Metalloxide, wie Titanoxid, Zinnoxid und Aluminiumoxid, gemäß dem vorliegenden Verfahren verwendet werden können.
  • Der Einsatz einer AP-Vorrichtung zum Abscheiden multifunktionaler Beschichtungen durch einen Prozess, der beispielsweise von den vakuumunterstützen Sol-Gel-Abscheidungsprozessen abweicht, ist überraschend kostengünstig. Das derzeit beschriebene Verfahren ist auch wenig komplex. Die Fähigkeit, schnell hydrophile/hydrophobe Übergänge durch Nachbehandlung hydrophober Beschichtungen bereitzustellen, ist mit der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft, da die Notwendigkeit von Schritten, wie Maskieren und dergleichen, um hydrophile/hydrophobe Übergange zu erzeugen, minimiert ist. Da die Beschichtungen, die gemäß dem Verfahren aufgewachsen sind, im Wesentlichen dieselbe Morphologie wie herkömmliche Vakuumabscheidungsverfahren und eine größere Dichte besitzen, sei ferner angemerkt, dass eine Gesamtleistungsfähigkeit und -haltbarkeit mit Brennstoffzellen, die Brennstoffzellenkomponenten besitzen, die gemäß der vorliegenden Erfindung beschichtet sind, verbessert sind.
  • Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Einzelheiten zu Zwecken der Veranschaulichung der Erfindung gezeigt worden sind, sei dem Fachmann angemerkt, dass verschiedene Änderungen ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Offenbarung durchgeführt werden können, der ferner in den folgenden angefügten Ansprüchen beschrieben ist.

Claims (20)

  1. Verfahren zum Beschichten einer Brennstoffzellenkomponente, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: eine Brennstoffzellenkomponente bereitgestellt wird; und eine Beschichtung an einer Oberfläche der Brennstoffzellenkomponente mit einem Plasmastrahl geformt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung eine hydrophile Beschichtung und/oder eine hydrophobe Beschichtung umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die hydrophile Beschichtung einen Kontaktwinkel von weniger als etwa 10 Grad besitzt und die hydrophobe Beschichtung einen Kontaktwinkel von größer als etwa 120 Grad besitzt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 wobei die Brennstoffzellenkomponente eine Brennstoffzellenplatte mit Einlassöffnungen, Auslassöffnungen und einer Vielzahl von Strömungskanälen ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Formen der Beschichtung die Schritte umfasst, dass: ein Beschichtungsvorläufer auf der Oberfläche der Brennstoffzellenkomponente aufgetragen wird; und der Plasmastrahl an den Beschichtungsvorläufer geliefert wird, um eine Reaktion des Beschichtungsvorläufers und eine Polymerisierung der Beschichtung an der Oberfläche der Brennstoffzellenkomponente zu bewirken.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt zum Auftragen des Beschichtungsvorläufers einen Sprühprozess, einen Tauchprozess und/oder einen Streichprozess aufweist.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt zum Reagieren des Beschichtungsvorläufers eine Polykondensation des Beschichtungsvorläufers umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Beschichtungsvorläufer Hexamethyldisiloxan (HMDSO), Tetraethoxysilan (TEOS), Hexamethyldisilazan (HMDSN) oder 1,2-Bis(triethoxysilyl)-ethan (BTESE) ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Schritte zum Auftragen des Beschichtungsvorläufers und zum Reagieren des Vorläufers mit dem Plasmastrahl wiederholt werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Formen der Beschichtung die Schritte umfasst, dass: ein Beschichtungsvorläufer in den Plasmastrahl eingeführt wird; und die Beschichtung an der Oberfläche der Brennstoffzellenkomponente durch Lieferung des Plasmastrahls an die Oberfläche der Brennstoffzellenkomponente aufgewachsen wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt zum Einführen des Beschichtungsvorläufers in den Plasmastrahl den Beschichtungsvorläufer chemisch verdampft.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Beschichtung an der Oberfläche der Brennstoffzellenkomponente durch eine Kondensation des verdampften Beschichtungsvorläufers aufgewachsen wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt zum Nachbehandeln der Beschichtung mit dem Plasmastrahl, um die Beschichtung hydrophil zu machen.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt zum Vorbehandeln der Brennstoffzellenkomponente mit dem Plasmastrahl, um die Brennstoffzellenkomponente vor dem Abscheiden der Beschichtung daran zu reinigen.
  15. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Plasmastrahl durch eine unter atmosphärischem Druck arbeitende Luftplasma-(APAP)-Vorrichtung vorgesehen wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung eine Metalloxidbeschichtung oder eine durch einen Sol-Gel-Prozess aufgetragene Beschichtung ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Metalloxid Siliziumoxid, Titanoxid, Zinnoxid, Aluminiumoxid oder Mischungen daraus ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung ein Silan, Silizium, ein Alkylsilan, ein Fluoralkylsilan, ein Fluorkohlenstoff, ein Phenylethoxysilan oder ein Polydimethylsiloxan ist.
  19. Verfahren zum Beschichten einer Brennstoffzellenkomponente, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: die Brennstoffzellenkomponente bereitgestellt wird; ein Beschichtungsvorläufer auf eine Oberfläche der Brennstoffzellenkomponente aufgetragen wird; und ein Plasmastrahl an den Beschichtungsvorläufer geliefert wird, um eine Reaktion des Beschichtungsvorläufers und ein Ausbilden der Beschichtung an der Oberfläche der Brennstoffzellenkomponente zu bewirken.
  20. Verfahren zum Beschichten einer Brennstoffzellenkomponente, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: die Brennstoffzellenkomponente bereitgestellt wird; ein Beschichtungsvorläufer in einen Plasmastrahl eingeführt wird; und die Beschichtung an einer Oberfläche der Brennstoffzellenkomponente durch Liefern des Plasmastrahls an die Oberfläche der Brennstoffzellenkomponente aufgewachsen wird.
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