DE102004039512B4 - Carbonaceous body and method of treating such - Google Patents
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Abstract
Kohlenstoffhaltiger Körper in Form einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle oder eines tribologisch beanspruchten Bauteils in Form einer Kohlebürste, eines Lagers, eines Schiebers, eines Pumpenflügels oder einer Dichtung, bei dem der Kohlenstoff in einer Oberflächenschicht des Körpers mit einer Dicke D von 100 nm ≤ D ≤ 5 µm chemisch an Fluor gebunden ist.carbonaceous body in the form of a bipolar plate of a fuel cell or a tribological claimed component in the form of a carbon brush, a bearing, a slider, a pump wing or a gasket in which the carbon is in a surface layer of the body with a thickness D of 100 nm ≤ D ≤ 5 μm chemically is bound to fluorine.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen kohlenstoffhaltigen Körper, in Form einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle oder eines tribologisch beanspruchten Bauteils in Form einer Kohlebürste, eines Lagers, eines Schiebers, eines Pumpenflügels oder einer Dichtung. Auch nimmt die Erfindung Bezug auf ein Verfahren zum Behandeln eines kohlenstoffhaltigen Körpers, in dessen Oberfläche Fluor chemisch gebunden wird.The The invention relates to a carbonaceous body, in Shape of a bipolar plate of a fuel cell or a tribological claimed component in the form of a carbon brush, a bearing, a slider, a pump wing or a seal. Also, the invention makes reference to a method for treating a carbonaceous body having fluorine in its surface becomes chemically bound.
Aus
der
Auch ist es bekannt, einen Oxidationsschutz für Kohlebürsten durch Flüssigimprägnierung zu erzielen. Erfolgt demgegenüber ein Oxidationsschutz nicht, so kann bei hohen Temperaturen ein Aufquellen der Kohlebürste erfolgen. Um dies zu vermeiden, ist es vorgesehen, Kohlebürsten mit Untertoleranz herzustellen, so dass die aufgequellten Bürsten die gewünschten Dimensionierungen aufweisen.Also It is known that an oxidation protection for carbon brushes by liquid impregnation to achieve. In contrast does not protect against oxidation, it can swell at high temperatures the carbon brush respectively. To avoid this, it is intended to use carbon brushes Subtolerance, so that the brushed bristles the desired Have sizing.
Ferner kann man den Ausgangsmaterialien einer Kohlebürste Alkali- und Erdalkalifluoride beigeben, um eine Feststoffschmierung zu erzielen.Further you can the starting materials of a carbon brush alkali and Erdalkalifluoride add to achieve a solid lubrication.
Eine
Bipolarplatte einer Brennstoffzelle nach der
Aus
der
Um
Elektroden herzustellen, werden nach der
In
der
Der
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen kohlenstoffhaltigen Körper sowie ein Verfahren zum Behandeln eines solchen derart weiterzubilden, dass gezielt physikalische bzw. chemische Eigenschaften verändert werden können, ohne dass es einer Änderung der Zusammensetzung der Materialien bedarf, aus denen der kohlenstoffhaltige Körper hergestellt wird.Of the The present invention is based on the object, a carbon-containing body and further develop a method for treating such that specifically physical or chemical properties are changed can, without that it is a change the composition of the materials that make up the carbonaceous body will be produced.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei dem kohlenstoffhaltigen Körper der Kohlenstoff in einer Oberflächenschicht des Körpers mit einer Dicke D von 100 nm ≤ D ≤ 5 µm chemisch an Fluor gebunden ist.According to the invention Task solved by that in the carbonaceous body of the carbon in a surface layer of the body with a thickness D of 100 nm ≤ D ≤ 5 microns chemically Fluorine is bound.
Erfindungsgemäß erfolgt eine Fluorierung des kohlenstoffhaltigen Körpers durch chemische Reaktion zwischen einem festen und einem gasförmigen Reaktionspartner. Somit erfolgen chemische Bindungen (CxFy), wobei an C angelagerter atomarer Wasserstoff durch atomares Fluor ersetzt wird. Dabei dürfte bei Bipolarplatten in etwa 75% atomarer Wasserstoff durch atomaren Fluor ersetzt werden.According to the invention, a fluorination of the carbonaceous body takes place by chemical reaction between a solid and a gaseous reactant. Thus, chemical bonds (C x F y ) occur, wherein atomic hydrogen attached to C is replaced by atomic fluorine. In the case of bipolar plates, approximately 75% of atomic hydrogen is likely to be replaced by atomic fluorine.
Bei der Bipolarplatte entstehen durch chemische Reaktion zwischen festen und gasförmigen Reaktionspartnern chemische Fluorverbindungen. Hierzu können Fluor-Stickstoff-Gemische oder Fluor-Luft-Gemische auf den kohlenstoffhaltigen Körper einwirken, wobei angelagerter atomarer Wasserstoff durch atomares Fluor ersetzt wird. Durch diese Oberflächenaktivierung werden hydrophile Eigenschaften erzielt, so dass in Kanälen einer Bipolarplatte vorhandene Flüssigkeit gut abfließen kann.at The bipolar plate is formed by chemical reaction between solid and gaseous Reactants chemical fluorine compounds. For this purpose, fluorine-nitrogen mixtures or fluorine-air mixtures act on the carbonaceous body, wherein accumulated atomic hydrogen replaced by atomic fluorine becomes. Through this surface activation Hydrophilic properties are achieved, so that in channels of a Bipolar plate available liquid drain well can.
Mit steigendem Fluor-Anteil kann auch eine Barrierefluorierung erfolgen, wodurch ein Oxidationsschutz für metallhaltige kohlenstoffhaltige Körper wie Kohlebürsten erzielt wird, wodurch die ansonsten bekannte Quellneigung bei hohen Betriebstemperaturen unterbunden wird.With increasing fluorine content can also be a barrier fluorination, whereby an oxidation protection for metal-containing carbonaceous bodies such as carbon brushes achieved which causes the otherwise known swell at high operating temperatures is prevented.
Gleichzeitig ergibt sich bei einer Kohlebürste als kohlenstoffhaltiger Körper, der metallhaltig oder metallfrei sein kann, der Vorteil, dass Fluor während des Betriebs partiell freigesetzt wird, um im Bereich der Gegenlauffläche der Kohlebürstenlauffläche eine Patinabildung zu beeinflussen bzw. zu verstärken. Hierdurch ergeben sich ein verbessertes Funkstörverhalten und ein geringerer Bürstenverschleiß, ohne dass es erforderlich ist, dass die Kohlebürste durch Flüssigkeit imprägniert wird oder durch Zugabe von Komponenten in die Ausgangsmaterialien der Kohlebürste diese verändert wird. Die Gegenlauffläche kann durch einen Kommutator oder einen Schleifring gebildet werden.At the same time, in the case of a carbon brush as a carbon-containing body, which may be metal-containing or metal-free, the advantage is that fluorine is partially released during operation in order to influence or reinforce a patina formation in the region of the mating surface of the carbon brush running surface. This results in an improved radio interference Behavior and a lower brush wear, without it being necessary that the carbon brush is impregnated by liquid or by adding components in the starting materials of the carbon brush is changed. The mating surface may be formed by a commutator or slip ring.
Die erfindungsgemäße Fluorierung gelangt auch für aus Kohlenstoff-Graphitwerkstoffen, Elektrographitwerkstoffen, kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen oder kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoffen hergestellte tribologische Bauteile wie Lager, Pumpenschieber oder Dichtungen zur Anwendung, wodurch verbesserte Reibwerte, ein verringerter Verschleiß insbesondere unter Trockenlaufbedingungen und eine geringere Reibwärme erzielbar sind. Als tribologische Bauelemente kommen Schieber bzw. Flügel von Pumpen wie Drehschieberpumpen, Lager oder Dichtungsringe in Frage, um nur einige Bauelemente beispielhaft zu nennen.The fluorination according to the invention also gets for made of carbon graphite materials, electrographic materials, carbon fiber reinforced plastics or carbon fiber reinforced Carbon tribological components such as bearings, pump shifter or seals for use, resulting in improved coefficients of friction, a reduced wear in particular under dry running conditions and a lower frictional heat can be achieved. As tribological components come slider or wing of Pumps such as rotary vane pumps, bearings or sealing rings in question, to name just a few examples.
Ein Verfahren zum Behandeln eines kohlenstoffhaltigen Körpers in Form einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle oder eines tribologisch beanspruchten Bauteils in Form einer Kohlebürste, eines Lagers, eines Schiebers, eines Pumpenflügels oder einer Dichtung, mit einem Halogen, zeichnet sich dadurch aus, dass der kohlenstoffhaltige Körper einem Halogen-Gas-Gemisch ausgesetzt wird, wodurch der Kohlenstoff in einer Oberflächenschicht des Körpers mit einer Dicke D von 100 nm ≤ D ≤ 5 µm chemisch an Fluor gebunden wird.One Process for treating a carbonaceous body in Shape of a bipolar plate of a fuel cell or a tribological claimed component in the form of a carbon brush, a bearing, a slider, a pump wing or a seal, with a halogen, characterized by that the carbonaceous body a halogen-gas mixture is exposed, causing the carbon in a surface layer of the body with a thickness D of 100 nm ≤ D ≤ 5 microns chemically Fluorine is bound.
Insbesondere besteht die Möglichkeit, den kohlenstoffhaltigen Körper einem Halogen-Gas-Gemisch mit einem Halogenanteil F mit F ≤ 5 Vol.-% auszusetzen, wodurch eine Oberflächenaktivierung des kohlenstoffhaltigen Körpers erfolgt. Dies bedeutet, dass sich eine funktionelle Dünnschicht im Nano- bis Mikrobereich ausbildet. Bei Bipolarplatten kann hierdurch eine Hydrophilierung erfolgen.Especially it is possible, the carbonaceous body a halogen-gas mixture with a halogen content F with F ≤ 5 Vol .-% suspend, whereby a surface activation of the carbonaceous body he follows. This means that there is a functional thin film in the nano- to micro-range forms. In bipolar plates can thereby a hydrophilization take place.
Wird der Halogen-Anteil erhöht, und zwar bis auf vorzugsweise maximal 25 Vol.-%, so ergibt sich eine Versiegelung der Körperoberfläche gegenüber z. B. Luft und Wasser und eine Passivierung gegenüber z. B. Luft. Beim Einsatz bei Kohlebürsten als dem kohlenstoffhaltigen Körper ergibt sich dann insbesondere der Vorteil, dass die Patinabildung zwischen Kohlebürste und Gegenlauffläche derart beeinflusst wird, dass sich ein besseres Kommutierungsverhalten sowie eine Temperaturreduzierung ergeben. Das Funkstörverhalten wird verbessert (Funken-Löscheigenschaften) und der Bürstenverschleiß reduziert.Becomes the halogen content increases, and except for preferably a maximum of 25 vol .-%, the result is a Sealing of the body surface against z. B. Air and water and a passivation against z. For example, air. When used with carbon brushes as the carbonaceous body then results in particular the advantage that the patina formation between carbon brush and mating surface is influenced so that a better Kommutierungsverhalten as well as a temperature reduction. The radio interference behavior is improved (spark-extinguishing properties) and reduces brush wear.
Ein entsprechend höherer Halogen-Anteil von vorzugsweise maximal 25 Vol.-% ist zur Verbesserung der Materialeigenschaften, d. h. zur Verbesserung der Reibwerte, Verringerung des Verschleißes und Erzielung geringer Reibwärme auch bei tribologischen Bauelementen von Vorteil, die aus einem Kohlenstoff-Graphitwerkstoff, Elektrographit-Werkstoff, kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen oder kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoffen bestehen.One correspondingly higher Halogen content of preferably at most 25% by volume is for improvement the material properties, d. H. to improve the coefficients of friction, Reduction of wear and achieving low frictional heat also with tribological components of advantage, consisting of a Carbon graphite material, electrographite material, carbon fiber reinforced plastics or carbon fiber reinforced Carbon exist.
Erfindungsgemäß wird insbesondere für Schleifkontakte durch Einwirken des in dem Trägergas vorhandenen Halogens, insbesondere Fluors, eine Depotwirkung erzielt, aufgrund der in Abhängigkeit von der Nutzung bzw. vom Nutzungsgrad des kohlenstoffhaltigen Körpers Fluor an der Verschleißfläche freigesetzt wird, um gewünschte physikalische Eigenschaften wie Verschleißreduzierung, Bürstenfeuerverminderung zu erreichen.In particular, according to the invention for sliding contacts by acting in the carrier gas existing halogen, in particular fluorine, achieved a depot effect, due to the dependent from the use or the degree of utilization of the carbonaceous body fluorine released on the wear surface will be desired physical properties such as wear reduction, brush fire reduction to reach.
Eine entsprechende Depotwirkung ist ebenfalls bei tribologischen Bauelementen von Vorteil.A corresponding depot effect is also with tribological components advantageous.
Ist der kohlenstoffhaltige Körper eine Bipolarplatte, ist eine Depotwirkung nicht erforderlich.is the carbonaceous body a bipolar plate, a depot effect is not required.
Bei metallhaltigen Kohlenstoffkörpern wird insbesondere bei Verwendung von Fluor als Halogen die Quellneigung in Pressrichtung reduziert.at metal-containing carbon bodies In particular, when using fluorine as halogen, the swelling tendency reduced in the pressing direction.
Bei Kohlebürsten als kohlenstoffhaltige Körper ergibt sich des Weiteren der Vorteil, dass die Fluorierung zu einem Oxidationsschutz der von der Kohlebürste ausgehenden bzw. mit dieser verbundenen Litze bzw. Armatur erfolgt. Die fluorierten Nichtkohlenstoffbestandteile des Kohlenstoffwerkstoffs wie z. B. Asche bedingen Schmierstoffeigenschaften.at carbon brushes as carbonaceous bodies Furthermore, there is the advantage that the fluorination to a Oxidation protection emanating from the carbon brush or with this connected strand or fitting takes place. The fluorinated non-carbon ingredients of the carbon material such. B. Ashes cause lubricant properties.
Insbesondere ist vorgesehen, dass der kohlenstoffhaltige Körper in einem Reaktor einem Druck P1 mit 10.000 Pa (100 mbar) ≤ P1 ≤ 100 Pa (1 mbar) über eine Zeit t1 ausgesetzt wird, das anschließend der Reaktor mit dem Halogen-Gas-Gemisch geflutet und sodann das Halogen-Gas-Gemisch auf den Körper über eine Zeit t2 einwirkt.In particular, it is provided that the carbon-containing body is exposed in a reactor to a pressure P 1 of 10,000 Pa (100 mbar) ≦ P 1 ≦ 100 Pa (1 mbar) for a time t 1 , which is then followed by the reactor with the halogen gas. Mixture flooded and then the halogen-gas mixture on the body over a time t 2 acts.
Dabei kann der kohlenstoffhaltige Körper über die Zeit t1 mit t1 ≥ 10 min dem Unterdruck ausgesetzt sein. Das Halogen-Gas-Gemisch wirkt auf den kohlenstoffhaltigen Körper insbesondere über eine Zeitdauer t2 mit t2 ≤ 1,5 h ein. Zur Verbesserung der chemischen Bindung des Halogens sollte der kohlenstoffhaltige Körper bei einer Temperatur T mit 20°C ≤ T ≤ 80°C dem Halogen-Gas-Gemisch ausgesetzt werden.In this case, the carbon-containing body can be exposed to the negative pressure over time t 1 with t 1 ≥ 10 min. The halogen-gas mixture acts on the carbon-containing body in particular over a period of time t 2 with t 2 ≦ 1.5 h. In order to improve the chemical bonding of the halogen, the carbonaceous body should be exposed to the halogen-gas mixture at a temperature T of 20 ° C ≦ T ≦ 80 ° C.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The Invention will be explained below with reference to exemplary embodiments.
Beispiel 1example 1
Eine Kohlebürste der Zusammensetzung 63 Gew.-% Graphit und 37 Gew.-% Kupfer mit einer Porosität von 10% wurde in einen Reaktionsbehälter eingebracht. Der Reaktionsbehälter wurde sodann abgepumpt bis auf einen Druck von 100 Pa. Bei diesem Druck wurde die Kohlebürste über eine Zeit von in etwa 10 Minuten gehalten. Sodann wurde der Reaktionsbehälter unter Normaldruck mit Stickstoff gespült. Beide Prozesse wurden bei Raumtemperatur durchgeführt. Anschließend wurde dem Reaktionsbehälter ein Reaktionsgasgemisch in Form von Fluor (F2) und Stickstoff (N2) zugeführt, wobei der Volumenanteil von Fluor 10% und der von Stickstoff 90% betrug. Die Temperatur wurde auf in etwa 35°C eingestellt. Die Einwirkung des Fluor-Luft-Gemisches auf die Kohlebürste dauerte bis 50 Minuten. Anschließend erfolgte ein erneutes Spülen mit Stickstoff (N2). Sodann wurde die Kohlebürste Aufheizversuchen in einem Trockenschrank unterzogen. Es konnte festgestellt werden, dass eine Quellneigung in Pressrichtung stark reduziert wurde. Auch zeigte sich bei Laufversuchen eine verstärkte Patina-Ausbildung zwischen der Kohlebürste und der Gegenlauffläche.A carbon brush of composition 63 % By weight of graphite and 37% by weight of copper with a porosity of 10% was placed in a reaction vessel. The reaction vessel was then pumped down to a pressure of 100 Pa. At this pressure, the carbon brush was held for about 10 minutes. Then, the reaction vessel was purged with nitrogen under normal pressure. Both processes were carried out at room temperature. Subsequently, a reaction gas mixture in the form of fluorine (F 2 ) and nitrogen (N 2 ) was fed to the reaction vessel, wherein the volume fraction of fluorine was 10% and that of nitrogen was 90%. The temperature was adjusted to about 35 ° C. The effect of the fluorine-air mixture on the carbon brush lasted up to 50 minutes. This was followed by another rinsing with nitrogen (N 2 ). The carbon brush was then subjected to heating tests in a drying oven. It could be determined that a swelling tendency in the pressing direction was greatly reduced. Also, in running tests showed a reinforced patina formation between the carbon brush and the mating surface.
Beispiel 2Example 2
Eine Bipolarplatte aus harzgebundenem graphitgefüllten Polymer oder Graphit mit einem C-Anteil von mehr als 80% wurde entsprechend dem Beispiel 1 in einem Reaktor angeordnet, der sodann entsprechend evakuiert wurde. Nach dem Spülen mit Stickstoff (N2) wurde als Reaktionsgas ein F2/N2/O2-Gemisch eingeführt, wobei der Vol.-%-Anteil von F2 5%, von N2 90% und von O2 5% betrug. Die Bipolarplatte wurde dem Reaktionsgas über eine Zeit von max. 30 Minuten bei einer Temperatur von 35°C ausgesetzt.A bipolar plate of resin-bonded graphite-filled polymer or graphite with a C content of more than 80% was arranged according to Example 1 in a reactor, which was then evacuated accordingly. After purging with nitrogen (N 2 ), an F 2 / N 2 / O 2 mixture was introduced as the reaction gas, the vol .-% fraction of F 2 being 5%, N 2 being 90% and O 2 being 5%. amounted to. The bipolar plate was the reaction gas over a period of max. Exposed for 30 minutes at a temperature of 35 ° C.
Rasterelektronenmikroskopaufnahmen der Bipolarplatte haben sodann ergeben, dass sich eine funktionelle Dünnschicht im Mikrobereich ausbildete, in der das Fluor chemisch gebunden war. Eine Benetzung der Bipolarplatte mit Wasser zeigte eine Hydrophilierung, die durch Kontaktwinkelmessung bestimmt wurde.scanning electron micrographs the bipolar plate have then revealed that a functional thin formed in the micro range, in which the fluorine was chemically bound. Wetting of the bipolar plate with water showed hydrophilization, which was determined by contact angle measurement.
Beispiel 3Example 3
Eine Kohlebürste in Form eines Kohlenstoff-Graphitwerkstoffes mit einer Porosität von 15 Vol.-% wurde entsprechend dem Beispiel 1 fluoriert. Sodann wurde die Kohlebürste in einem 2000 W-Universalmotor getestet. Es konnte eine Betriebstemperaturerniedrigung von 15°C gemessen werden. Ebenfalls entsprechend des Beispiels 1 wurde ein kunstharzgebundener Graphitwerkstoff in Form einer Kohlebürste fluoriert, wobei die Porosität 10 Vol.-% betrug. Ein Einsatz bei einem Universalmotor mit einer Leistung von 2000 W hat eine Betriebstemperaturreduzierung von 10°C ergeben.A carbon brush in the form of a carbon-graphite material with a porosity of 15% by volume was fluorinated according to Example 1. Then the carbon brush in a 2000 W universal motor tested. It could lower the operating temperature of 15 ° C be measured. Also according to Example 1 was a resin-bonded Graphite material in the form of a carbon brush fluorinated, wherein the porosity was 10 vol .-%. A use with a universal motor with a capacity of 2000 W has resulted in an operating temperature reduction of 10 ° C.
Beispiel 4Example 4
Ein Schieber einer Drehschieberpumpe einer Abmessung von 96 × 59 × 6 mm3 bestehend aus einem Kohlenstoff-Graphitwerkstoff mit einer Porosität von 10 Vol.-% wurde in einen Reaktionsbehälter eingebracht. Der Reaktionsbehälter wurde sodann abgepumpt bis auf einen Druck von 100 Pa. Bei diesem Druck wurde der Schieber über eine Zeit von etwa 10 Minuten gehalten. Sodann wurde der Reaktionsbehälter unter Normaldruck mit Stickstoff gespült. Die dabei herrschenden Temperaturen lagen im Raumtemperaturbereich. Anschließend wurde dem Reaktionsbehälter ein Reaktionsgasgemisch in Form von Fluor (F2) und Stickstoff (N2) zugeführt, wobei der Volumenanteil von Fluor 10% und der von Stickstoff 90% betrug. Die Temperatur wurde auf in etwa 35°C eingestellt. Die Einwirkung des Fluor-Luft-Gemisches auf den Schieber dauerte ungefähr 50 Minuten. Anschließend erfolgte ein erneutes Spülen mit Stickstoff (N2). Der entsprechende Schieber wurde anschließend in eine Drehschieberpumpe eingesetzt und unter Trockenlaufbedingungen getestet. Dabei konnte festgestellt werden, dass eine Verbesserung hinsichtlich des Reibwertes, ein verringerter Verschleiß und eine geringere Reibwärme im Vergleich zu Schiebern auftreten, die nicht fluoriert worden sind.A slider of a rotary vane pump measuring 96 × 59 × 6 mm 3 consisting of a carbon-graphite material having a porosity of 10% by volume was placed in a reaction vessel. The reaction vessel was then pumped down to a pressure of 100 Pa. At this pressure, the slider was held for about 10 minutes. Then, the reaction vessel was purged with nitrogen under normal pressure. The prevailing temperatures were in the room temperature range. Subsequently, a reaction gas mixture in the form of fluorine (F 2 ) and nitrogen (N 2 ) was fed to the reaction vessel, wherein the volume fraction of fluorine was 10% and that of nitrogen was 90%. The temperature was adjusted to about 35 ° C. The action of the fluorine-air mixture on the slide took about 50 minutes. This was followed by another rinsing with nitrogen (N 2 ). The corresponding slide was then inserted into a rotary vane pump and tested under dry running conditions. It was found that there is an improvement in the coefficient of friction, a reduced wear and a lower frictional heat compared to sliders that have not been fluorinated.
Beispiel 5Example 5
Entsprechend dem Beispiel 3 wurden Schieber aus Elektrographit-Werkstoff fluoriert. Es zeigten sich ebenfalls eine Verbesserung der Reibwerte, eine Verringerung der Reibwärme und des Verschleißes.Corresponding In example 3, slides made of electrographite material were fluorinated. There was also an improvement in friction, a reduction the frictional heat and wear.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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