DE10235598B4 - Bipolarplatte sowie Verfahren zur Beschichtung derselben - Google Patents

Abstract

Metallische Bipolarplatte (1) mit einer als Korrosionsschutzschicht aufgebrachten elektrisch leitfähigen Oberflächenbeschichtung (4), wobei die Oberflächenbeschichtung aus einer Trägermasse (2) mit darin eingebundenen elektrisch leitfähigen Strukturen (3) in Form von Fasern, Körnern, Kugeln oder Nanotubes besteht, wobei die Strukturen die Bauteiloberfläche (4) kontaktieren und auf der von der Bauteiloberfläche abgewandten Seite der Oberflächenbeschichtung aus der Trägermasse (2) herausragen, wobei die Permeabilität der Oberflächenbeschichtung weniger als 10^–2mbar·l·s^–1 und die elektrische Leitfähigkeit im Bereich der eingelegten Strukturen >1S·cm beträgt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte mit einer auf die Bauteiloberfläche als Korrosionsschutzschicht aufgebrachten elektrisch leitfähigen Oberflächenbeschichtung sowie ein Verfahren zur Beschichtung der Bipolarplatte.
• Auf dem Gebiet der Brennstoffzellentechnik sind Bipolarplatten gegeben, welche einer sehr korrosiven Umgebung ausgesetzt sind. Diese Umgebungen enthalten beispielsweise Säuren, Laugen, Halogenide, deionisiertes Wasser, Kühlwasser, Luft, gasförmigen Wasserstoff usw.
• Zur Vermeidung von Korrosionsschäden werden daher Bipolarplatten (welche zwischen den einzelnen Zellen eines Brennstoffzellenstacks angeordnet sind) z.B. aus hochlegierten Stählen geformt und dann zusätzlich mit Elementen wie Gold, Silber oder Chrom beschichtet. Die Beschichtung mit diesen Materialien ist je doch sehr kostenaufwendig bzw. auch umweltschädlich.
• Eine weitere Möglichkeit sieht vor, für Bauteile wie etwa Bipolarplatten graphitische Werkstoffe vorzusehen. Der Vorteil dieser Werkstoffgruppe liegt zwar in der hohen Korrosionsbeständigkeit und im Hinblick auf mobile Anwendungen auch auf dieser geringe Materialdichte. Die Anfälligkeit auf Zugspannung und die damit verbundene Sprödigkeit von Graphit engt jedoch die Wahl des Formgebungsverfahrens für die Strukturierung stark ein. Weiterhin sind dem Design von graphitgebundenen Strukturplatten Grenzen bezüglich der Strukturstärke gesetzt. Der Grund hierfür liegt zum einen an der bereits erwähnten Sprödigkeit von Graphit und andererseits an der Restporösität des Werkstoffs, die stets die Gefahr einer unzulässigen Gaspermeabilität mit sich bringt.
• Als Alternative ist es auch versucht worden, metallische Bipolarplatten aus Edelstahl, Aluminium oder Titan herzustellen. Hierbei ergeben sich Nachteile in Bezug auf Korrosion. Diese sind in oxidierenden und reduzierenden Umgebungen, die einen pH-Wert von niedriger als 3 aufweisen, bei gleichzeitiger Präsenz eines Elektrolyten nicht korrosionsfrei. Bei den aggressiven Umgebungszuständen, die innerhalb einer Brennstoffzelle vorherrschen, ist es nach dem Stand der Technik nicht möglich, selbst bei hochlegierten Stählen Korrosionsstandzeiten von über 6.000 Stunden zu erreichen.
• Die EP 0122785 A2 zeigt ein elektrochemisches Verfahren sowie eine Vorrichtung, bei welchem ein strangförmiges Element mit einem Polymer beschichtet wird und auf der Oberfläche dieser Beschichtung faserförmige Elemente eingebracht werden.
• Die DE 4239931 zeigt ein Beschichtungsmittel, insbesondere für den Korrosionsschutz, welches Pulverlackabfälle in Form von Kornuntergrößen, insbesondere aus dem Herstellungs- bzw. Applikationsprozess von Pulverlacken als organisches Verschnittmittel aufweist. Aus dieser Druckschrift geht hervor, dass das für die Herstellung einer korrosionsbeständigen Oberflächenbeschichtung auf einem Bauteil erforderliche Ausgangsmaterial durch Vermischen einer Trägermasse, z.B. ein härtbares Copolymer, mit Strukturelementen erhältlich ist und danach auf das Bauteil aufgebracht und getrocknet/ausgehärtet wird.
• Die DE 199 51 133 zeigt leitfähige, organische Beschichtungen. Gezeigt ist ein Mittel zur Beschichtung von Metalloberflächen, das nach dem Aushärten eine elektrisch leitfähige und schweißbare Korrosionsschutzbeschichtung ergibt, wobei das Mittel 10-30 Gew% eines organischen Bindemittels enthält, welches vorzugsweise zwischen 135 und 150 °C aushärtet, außerdem 30-60 Gew% eines Pulvers einer elektrisch leitfähigen Substanz, 10-40 Gew% Wasser sowie gegebenenfalls insgesamt bis zu 50 Gew% weitere Wirk- und Hilfsstoffe enthält. Mit dem Mittel können Metalloberflächen derart beschichtet werden, dass nach dem Aushärten eine Schichtdicke von 1-10 μm erhalten wird.
• Die DE 100 22 075 A1 , die DE 100 14 704 A1 sowie das US-Patent 5,166,248 zeigen ergänzenden Stand der Technik bezüglich leitfähiger Beschichtungen.
• Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, auf eine kostengünstige Weise elektrisch leitfähige Bauteile in Form von Bipolarplatten mit einer korrosionsbeständigen Oberfläche herzustellen sowie ein entsprechendes Verfahren zur Oberflächenbeschichtung zur Verfügung zu stellen.
• Diese Aufgabe wird in Bezug auf die Bipolarplatte durch ein Bauteil nach Anspruch 1 und in Bezug auf das Verfahren durch Anspruch 8 gelöst.
• Dadurch, dass die Bipolarplatte mit einer auf die Bauteiloberfläche der Bipolarplatte als Korrosionsschutzschicht aufgebrachten elektrisch leitfähigen Oberflächenbeschichtung versehen ist, wobei die Oberflächenbeschichtung aus einer Trägermasse mit darin eingebundenen elektrisch leitfähigen Strukturen in Form von Fasern, Körnern, Kugeln oder Nanotubes besteht, wobei die Strukturen die Bauteiloberfläche kontaktieren und auf der von der Bauteiloberfläche abgewandten Seite der Oberflächenbeschichtung aus der Trägermasse herausragen wobei die Permeabilität der Oberflächenbeschichtung weniger als 10^–2mbar·l·s^–1 beträgt und die elektrische Leitfähigkeit im Bereich der eingelegten Strukturen >1S·cm beträgt, wird diese Aufgabe in Bezug auf die Bipolarplatte gelöst.
• Für den korrosionsdichten Abschluss ist hierbei im wesentlichen die Trägermasse zuständig. Hierbei kann es sich auch um eine elektrisch mäßig leitende bzw. nicht leitende Substanz handeln, welche jedoch die Bauteiloberfläche korrosionsdicht abschließt. Zur Herstellung einer sehr guten Leitfähigkeit durch die Oberflächenbeschichtung hindurch dienen die in die Trägermasse eingelegten Strukturen. Diese sind mit der unbeschichteten Bauteiloberfläche teilweise in Kontakt, teilweise ragen diese auch aus der Trägermasse (d.h. auf der vom Bauteil abgewandten Seite) heraus. Es ist nicht zwingend notwendig, dass stets dieselbe Struktur (etwa eine Faser) sowohl die Bauteiloberfläche berührt als auch aus der Trägermasse auf der dem Bauteil abgewandten Seite herausragt. Wichtig ist aber, dass zumindest durch eine Berührung z.B. einzelner Fasern untereinander ein Stromfluss mit möglichst geringem elektrischen Widerstand möglich wird. Die einzelnen Strukturen sind hierbei so gestaltet, dass die elektrische Leitfähigkeit sowohl tangential als auch normal zur Bauteiloberfläche gewährleistet ist.
• Das erfindungsgemäße Verfahren nach Patentanspruch 8 zeichnet sich dadurch aus, dass eine erste, elektrisch leitfähige Trägermasse in flüssigem Zustand auf die Bipolarplatte aufgetragen und anschließend mit einer zweiten, nicht leitenden Trägermasse überdeckt wird und leitfähige Strukturen in die aus erster und zweiter Trägermasse entstandene mehrschichtige Trägermasse eingepresst werden.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Bipolarplatte sieht vor, dass dessen Bauteiloberfläche aus Metall (z.B. Stahl, Edelstahl, Kupfer, Titan, Aluminium etc.) ist. Dieses Material ist kostengünstig erhältlich und mit bekannten Fertigungsmethoden gut formbar. Die unzureichenden Korrosionseigenschaften von Edelstahl selbst werden später durch die erfindungsgemäße Beschichtung aufgehoben.
• Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Trägermasse selbst elektrisch leitend ist. Dies ist für die Funktion der Erfindung nicht zwingend notwendig, da die elektrisch leitfähigen Struk turen selbst schon eine elektrische Leitung durch die Oberflächenbeschichtung hindurch erreichen. Zur Verbesserung der Gesamtleitfähigkeit ist es jedoch von großem Vorteil, wenn die Trägermasse zumindest mäßig elektrisch leitend ist (d.h., dass die elektrische Leitfähigkeit mehr als 0,01S·cm beträgt).
• Die Trägermasse kann hierbei z.B. ein schmelzbarer vernetzender, leitfähiger Pulverlack sein. Pulverlack und darin zu bindende Fasern werden hierbei zunächst vermischt, das Gemenge wird dann auf das Bauteil aufgetragen und anschließend aufgeschmolzen. Die Trägermasse kann aber auch aus leitfähiger 2-K-Masse (2-Komponenten-Masse), leitfähigen Duroplasten, leitfähigen Thermoplasten, leitfähigen Duroplasten im vorvernetzten Zustand, Novolacken etc. bestehen. Beispiele hierfür sind bevorzugt mit Ruß und/oder Graphit und/oder Graphitfasern gefüllte Thermo- und Duroplaste (z.B. Phenol- oder Epoxidharzmassen) die Füllgrade zwischen 5 und 60 Gew.-%, bevorzugt 15 bis 60 Gew.-% enthalten. Es ist auch möglich, eine Trägermasse mehrschichtig anzubringen (z.B. mit einer elektrisch leitenden und einer elektrisch nicht leitenden Schicht). Dabei wird die elektrisch leitfähige Trägermasse bevorzugt zunächst auf ein Bauteil aufgetragen und anschließend mit der nichtleitenden Masse überdeckt und leitfähigen Strukturen in diese mehrschichtige Trägermasse eingepresst. In einer besonderen Ausführungsform hierzu werden die mit der nichtleitenden Masse beschichteten, leitenden Strukturen auf ein mit der leitfähigen Masse beschichtete Bauteil aufgepresst.
• Die Strukturen können kurze oder lange Graphitfasern sein. Die Graphitfasern haben hierbei vorzugsweise eine Länge zwischen 100 und 500 μm (bzw. 1 bis 10 mm).
• Möglich sind aber auch Graphitfaservliese bzw. Graphitfasergewebe, Graphit-Glasfaser-Mischgewebe, Graphitkörner, Graphitkugeln, Titanfasern, Nanotubes oder dergleichen.
• Besonders vorteilhaft ist hierbei, wenn eine Gasdiffusionslage z.B. als Graphitfaservlies oder -gewebe ausgeführt ist. Bei üblichen Brennstoffzellen ist ein solches Gasdiffusionsvlies zwischen der Membran-Elektroden-Einheit und einer Bipolarplatte zur Feinstverteilung von Reaktionsgasen angeordnet. Für die einwandfreie Funktion der Brennstoffzelle ist es notwendig, dass eine gute elektrische Leitfähigkeit von der Bipolarplatte zu der Membran-Elektroden-Einheit gegeben ist. Dadurch, dass die in der Oberflächenbeschichtung angeordneten, aus der Trägermasse herausragenden Strukturen mit dieser Gasdiffusionslage sich verhaken können, ist eine noch höhere elektrische Leitfähigkeit erzielbar.
• Es ist sogar möglich, in eine noch formbare Trägermasse, in welcher noch keine Strukturen angeordnet sind, eine Gasdiffusionslage einzupressen. Hierdurch werden die Graphitfasern der Gasdiffusionslage direkt auf die Bauteiloberfläche gepresst, so dass sich eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit ergibt. Zusätzlich wird der spätere Montageaufwand etwas verringert, da die Positionierung einer separaten Gasdiffusionslage nicht mehr notwendig ist.
• Ein großer Vorteil der korrosionsfesten Beschichtung ist der, dass die Bauteiloberfläche auch partiell mit dieser versehen werden kann. Dies ist gegenüber z.B. graphitischen Bipolarplatten ein großer Kostenvor teil, da die Beschichtung lediglich an den Stellen angebracht werden müssen, welche einer Korrosion ausgesetzt sind. Hierbei kann außerdem die Trägermasse vollflächig oder auch nur teilflächig mit den leitenden Strukturen belegt sein. Somit wird es z.B. bei einer elektrisch nicht leitfähigen Trägermasse möglich, elektrisch leitende und elektrisch nicht leitende Bereiche voneinander abzugrenzen.
• Die vorliegende Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:
• 1 einen Querschnitt aus einer Brennstoffzellenanordnung,
• 2 eine Detailansicht von 1,
• 3 eine Detailansicht von 2.
• 1 zeigt eine Teilansicht einer Brennstoffzellenanordnung. Diese enthält eine Bipolarplatte 5, welche beidseitig mit einer erfindungsgemäßen Oberflächenbeschichtung versehen ist. Beidseits der Bipolarplatte 5 sind jeweils Gasdiffusionslagen 6 aus einem Graphitfaservlies angeordnet. Schließlich sind beidseits an den Außenseiten der Graphitfaservliese-Membran-Elektroden-Einheiten 7 angebracht.
• Im Folgenden soll jedoch speziell auf die Schnittstelle von Gasdiffusionslage 6 sowie Bipolarplatte 5 eingegangen werden. Dazu ist in 2 im vergrößerten Maßstab die Bipolarplatte 5 mit der rechtsseitigen Gasdiffusionslage 6 sowie der daran angrenzenden Membran-Elektroden-Einheit 7 gezeigt. Die Bipolarplatte 5 besteht aus einem Bauteil 1 aus Edelstahl. Dieses weist eine Wellenstruktur auf, welche das Leiten von Gas zu der Gasdiffusionslage 6 bzw. der Membran-Elektroden-Einheit 7 ermöglicht. Dieses Bauteil 1 aus Edelstahl ist beidseitig mit einer Oberflächenbeschichtung versehen. Die Oberflächenbeschichtung besteht aus einer Trägermasse 2, in welche zumindest bereichsweise elektrisch leitfähige Strukturen eingebracht sind. Bei der Trägermasse handelt es sich vorliegend um einen leitfähigen Thermoplast, es sind jedoch alle oben erwähnten weiteren Trägermassen auch möglich. Der in 2 hergestellte Zustand entstand dadurch, dass in die Trägermasse 2 in deren noch flüssigen Zustand eine Gasdiffusionslage 6 aufgedrückt wurde, so dass im Bereich der Erhebungen 8 der Bipolarplatte Fasern des Graphitfaservlieses bis auf das Stahlteil 1 gedrückt wurden.
• Eine genauere Ansicht hiervon ist in 3 zu sehen, welche zeigt, wie als Graphitfasern gestaltete Strukturen 3 in der Trägermasse 2 im ausgehärteten Zustand eingebunden sind. Die leitfähigen Strukturen 3 ragen zumindest teilweise aus der Trägermasse 2 auf deren dem Bauteil 1 abgewandten Seite heraus. Somit ergibt sich insgesamt eine extrem hohe elektrische Leitfähigkeit ausgehend von dem Bauteil 1 über die Oberflächenbeschichtung (welche aus der Trägermasse 2 sowie den eingebundenen Strukturen 3 besteht) über die nicht eingebundenen Bereiche der Gasdiffusionslage 6 bis hin zu der Membran-Elektroden-Einheit 7.
• Der große Vorteil der Erfindung besteht also darin, dass trotz der Verwendung kostengünstigen Stahles, der zudem leicht formbar ist, eine korrosionsdichte Beschichtung, welche zudem noch eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt, aufgebracht werden konnte. Die Permeabilität der Oberflächenbeschichtung beträgt <10^–2mbar·1·s^–1. Die elektrische Leitfähigkeit beträgt im Bereich der eingelegten Strukturen 3 etwa>1S·cm.
• Bei der hier in den Figuren gezeigten Ausführungsform handelt es sich lediglich um eine Variante der vorliegenden Erfindung. Es ist möglich, eine korrosionsfeste, elektrisch leitfähige Oberflächenbeschichtung auch auf andere Weisen herzustellen, z.B. indem elektrisch leitfähige Strukturen wie etwa Graphitfasern mit der Trägermasse im flüssigen Zustand vermischt und dann erst auf eine Bauteiloberfläche aufgetragen werden.
• Beim Auftragen der Trägermasse sind prinzipiell verschiedene Möglichkeiten gegeben. Zum einen ist es möglich, die Trägermasse in einem flüssigen Zustand mit den leitfähigen Strukturen zu vermischen, dann diese Mischung auf die Bauteiloberfläche aufzubringen und schließlich unter Bildung der Oberflächenbeschichtung aushärten zu lassen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, zunächst die Trägermasse auf die Bauteiloberfläche aufzutragen und dann in die noch formbare Trägermasse Strukturen (wie z.B. ein Graphitfaservlies) einzulegen bzw. einzupressen, um somit eine Kontaktierung der Struktur und der Bauteiloberfläche zu erreichen, anschließend erfolgt der Aushärtevorgang.
• Vorteilhaft hierbei ist, dass keine teuren Spezialvorrichtungen für diesen Auftrag notwendig sind. Je nach gewünschter Leitfähigkeit ist Art und Anzahl der eingelegten Strukturen variabel. Insbesondere bei der Variante, in welcher bereits vorgefertigte Strukturen in die formbare Trägermasse eingelegt bzw. eingepresst werden ergibt sich der Vorteil, dass eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit zwischen sonst getrennten Elementen (z.B. einer Gasdiffusionslage sowie einer Bipolarplatte) möglich wird.

Claims (8)

1. Metallische Bipolarplatte (1) mit einer als Korrosionsschutzschicht aufgebrachten elektrisch leitfähigen Oberflächenbeschichtung (4), wobei die Oberflächenbeschichtung aus einer Trägermasse (2) mit darin eingebundenen elektrisch leitfähigen Strukturen (3) in Form von Fasern, Körnern, Kugeln oder Nanotubes besteht, wobei die Strukturen die Bauteiloberfläche (4) kontaktieren und auf der von der Bauteiloberfläche abgewandten Seite der Oberflächenbeschichtung aus der Trägermasse (2) herausragen, wobei die Permeabilität der Oberflächenbeschichtung weniger als 10^–2mbar·l·s^–1 und die elektrische Leitfähigkeit im Bereich der eingelegten Strukturen >1S·cm beträgt.
2. Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteiloberfläche aus Metall ist.
3. Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägermasse schmelzbarer vernetzender, leitfähiger Pulverlack, leitfähige 2-Komponenten-Massen, leitfähige Duroplaste, leitfähige Thermoplaste, leitfähige Duroplaste in vorvernetztem Zustand (Novolacke) sind.
4. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen kurze oder lange Graphitfasern, Graphitfa servliese, Graphitfasergewebe, 3D-Graphitgewebe, Graphit-Glasfaser-Mischgewebe, Graphitkörner, Graphitkugeln, Titanfasern oder Nanotubes sind.
5. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteiloberfläche komplett oder partiell mit der Oberflächenbeschichtung versehen ist.
6. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägermasse vollflächig oder teilflächig mit Strukturen belegt ist.
7. Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Gasdiffusionslage (6) an der Bauteiloberfläche abgewandten Seite der Oberflächenbeschichtung anschließt.
8. Verfahren zur Beschichtung einer Bipolarplatte mit einer Oberflächenbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste, elektrisch leitfähige Trägermasse im flüssigen Zustand auf die Bipolarplatte aufgetragen wird und diese anschließend mit einer zweiten, nicht elektrisch leitfähigen Trägermasse überdeckt wird und leitfähige Strukturen (3) in die aus erster und zweiter Trägermasse entstandene mehrschichtige Trägermasse eingepresst werden.