DE102006043820A1

DE102006043820A1 - Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks und Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle mittels einer solchen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102006043820A1
Application number: DE102006043820A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Hopf; Juergen Hackenberg; Martin Schoepf; Alexander Reitzle; Norman Krings
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2008-03-27
Also published as: WO2008034818A1

Abstract

Eine Vorrichtung (1) zur Bearbeitung einer Oberfläche (207) eines Werkstücks (203) weist einen Reaktor (2) auf, in dem das Werkstück (203) eine erste Elektrode und ein Werkzeug (205) eine zweite Elektrode bildet, wobei das Werkstück (203) und das Werkzeug (205) elektrisch leitend über einen Elektrolyt verbunden sind und zumindest zeitweise eine elektrische Potenzialdifferenz zwischen dem Werkstück (203) und dem Werkzeug (205) ausgebildet ist. Das Werkstück (203) und das Werkzeug (205) sind in ihrer Wirkungsweise als Kathode oder Anode zur Durchführung eines Abtragungsprozesses an dem Werkstück (203) mit Erzeugung einer Struktur an der Oberfläche (207) des Werkstücks (203) und eines Beschichtungsprozesses zum Aufbringen einer Beschichtung (22) auf das Werkstück (203) in unmittelbarer Abfolge in dem Reaktor (2) umpolbar. Mittels der Vorrichtung (1) ist ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle durchführbar, bei dem die Bipolarplatte das Werkstück bildet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art und ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle mittels einer solchen Vorrichtung.
Aus der Praxis sind Vorrichtungen zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks in einem Reaktor bekannt, welche eine von einem Werkstück gebildete erste Elektrode und eine zu dem Werkstück beabstandete, von einem Werkzeug gebildete zweite Elektrode und ein die beiden Elektroden elektrisch leitend verbindenden Elektrolyt umfassen. Mittels derartiger Vorrichtungen können metallische Werkstücke bearbeitet werden.
Um einen gezielten Werkstoffabtrag an dem Werkstück zu erreichen, wird zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug eine Spannung angelegt, wobei dabei das Werkstück als Anode und das Werkzeug als Kathode fungiert. Als Abtragungsverfahren sind dabei eine elektrochemische Metallbearbeitung (Electro Chemical Machining (ECM)) eine Funkenerosion (Electrical Discharge Machining (EDM)) oder eine Kombination aus diesen beiden Verfahren bekannt, wobei für die unterschiedlichen Prozessarten unterschiedliche Elektrolyten zum Einsatz kommen.
Zur Aufbringung einer Beschichtung ist eine elektrochemische Abscheidung von metallischen Niederschlägen auf Werkstücken im Rahmen der Galvanotechnik bekannt. Hierbei fungiert das Werkstück als Anode und das Werkzeug als Kathode. Mittels einer Spannung zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug wird durch den Elektrolyten ein Strom geleitet, welcher Metallionen von dem Werkzeug ablöst und sie durch Reduktion auf dem Werkstück ablagert.
Weiterhin sind schichtbildende Elektrolyten bekannt, welche das Material für den Beschichtungsprozess liefern.
Nachteilhafterweise ist bei einer Kombination eines Abtragungsprozesses mit einem Beschichtungsprozess ein Werkzeugwechsel nötig, da insbesondere für die Anforderungen an das Werkzeug bei dem Abtragungsprozess und dem Beschichtungsprozess unterschiedliche Anforderungen gestellt sind. Somit ist zwischen dem Abtragungsprozess und dem Beschichtungsprozess bedingt durch den Werkzeugwechsel nachteilhafterweise eine Neupositionierung des neuen Werkzeugs gegenüber dem Werkstück nötig, wobei die Positionierung des neuen Werkzeugs aufgrund der teilweise sehr geringen einzuhaltenden Toleranzen problematisch sein kann. Weiterhin werden durch den Werkzeugwechsel lange Prozesszeiten verursacht.
Diese Nachteile wirken sich auch negativ auf die wirtschaftliche Anwendbarkeit der elektrochemischen Metallbearbeitung bei der Herstellung zahlreicher Produkte wie z. B. Bipolarplatten von Brennstoffzellen aus.
Die bei Brennstoffzellen verwendeten Bipolarplatten werden in der Praxis wirtschaftlicher durch Fräsen von komplexen Kanalstrukturen in entweder metallischen Werkstoffen, in Graphit oder durch Spritzguss von leitfähigen Kunststoffen hergestellt. Obwohl Graphit und Kunststoffe die Bearbeitung der Platten wesentlich erleichtern, und auch günstigere thermische Eigenschaften als Metalle haben, ergibt sich bei diesen Werkstoffen das Problem einer im Vergleich zu metallischen Werkstoffen geringen elektrischen Leitfähigkeit, wodurch die Effizienz dieser Brennstoffzellen sinkt.
Bedingt durch die in der Praxis angewandten günstigen Herstellungsmethoden und die dabei auftretenden mechanischen Belastungen der Bipolarplatten ergeben sich für die Bipolarplatten relativ große Mindestdicken und Mindestbreiten, woraus ein hohes Gewicht der Bipolarplatten und Brennstoffzellen-Stacks resultiert.
Offenbarung der Erfindung
Technische Aufgabe
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks in einem Reaktor zu schaffen, mit der ein Abtragungsprozess und ein Beschichtungsprozess des Werkstücks auf einfache Art und Weise derart kombinierbar sind, dass sowohl geringe Prozesszeiten als auch hohe Anforderungen an Toleranzen umsetzbar sind.
Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Herstellung von Bipolarplatten unter Verwendung elektrochemischer Bearbeitungsverfahren auf wirtschaftliche Weise zu ermöglichen.
Technische Lösung
Erfindungsgemäß ist zur Lösung der technischen Aufgabe nach Anspruch 1 eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks vorgesehen mit einem Reaktor, in dem das Werkstück eine erste Elektrode und ein Werkzeug eine zweite Elektrode bildet, wobei das Werkstück und das Werkzeug elektrisch leitend über einen Elektrolyt verbunden sind und zumindest zeitweise eine elektrische Potenzialdifferenz zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug ausgebildet ist, und wobei die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass das Werkstück und das Werkzeug in ihrer Wirkungsweise als Kathode oder Anode zur Durchführung eines Abtragungsprozesses an dem Werkstück mit Erzeugung einer Struktur an der Oberfläche des Werkstücks und eines Beschichtungsprozesses zum Aufbringen einer Beschichtung auf das Werkstück in unmittelbarer Abfolge in dem Reaktor umpolbar sind.
Des Weiteren wird die technische Aufgabe gemäß Anspruch 15 mit einem Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle mittels einer solchen Vorrichtung gelöst, wobei die Bipolarplatte das Werkstück bildet
Vorteilhafte Wirkungen
Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung werden in vorteilhafterweise sehr geringe Prozesszeiten erreicht, da bei einer Kombination des Abtragungsprozesses mit dem Beschichtungsprozesses ein Werkzeugtausch zwischen den Prozessschritten entfällt und nur eine Umpolung des Werkstücks und des Werkzeugs zwischen dem Abtragungsprozess und dem Beschichtungsprozess nötig ist. Durch den Entfall eines Werkzeugwechsels kann daher die Position des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück zwischen dem Abtragungsprozess und dem Beschichtungsprozess beibehalten werden, so dass mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sehr geringe Bearbeitungstoleranzen an dem Werkstück erzielbar sind.
Weiterhin kann mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in vorteilhafter Weise die Abfolge des Abtragungsprozesses und des Beschichtungsprozesses vertauscht werden, so dass entweder der Abtragungsprozess direkt auf die Oberfläche des Werkstücks wirkt und auf diese im Beschichtungsprozess eine Schicht aufgetragen wird, oder dass zunächst eine Beschichtung auf der Oberfläche des Werkstücks aufgetragen wird und diese in einem anschließenden Abtragungsprozess bearbeitet wird.
Das Werkzeug ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung in dem Reaktor relativ zu dem Werkstück verfahrbar, wodurch zum einen das Werkstück in einfacher Art und Weise positioniert werden kann und zum anderen eine Ausrichtung des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück während des Beschichtungsvorganges variierbar ist. Somit besteht eine große Freiheit in der Art der Beschichtung, so dass beispielsweise nur gezielt gewählte Stellen des Werkstücks beschichtet werden können. Die Bewegung des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück kann dabei motorisch sowohl in einer linearen als auch in einer rotatorischen Bewegungsart durchgeführt werden.
Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es in vorteilhafter Weise möglich, in Abhängigkeit von der Form des Werkzeugs, welches beispielsweise eine plane, wellige oder andersartig strukturierte Oberfläche aufweisen oder als Draht ausgebildet sein kann, und der Bewegung des Werkzeugs relativ zu dem Werkstück, unterschiedliche Arten und Formen von Beschichtungen zu realisieren. So kann eine beispielsweise als Spritzloch oder Drosselbohrung ausgebildete Bohrung auf ihrer Mantelfläche beschichtet werden und eine Ausnehmung wenigstens teilweise oder über die Ausnehmung hinaus mit einer Beschichtung ausgefüllt werden, wobei die Form der Beschichtung in Abhängigkeit von der Form des Werkzeugs und der Bewegung des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück beeinflusst werden kann.
Solche über die Ausnehmungen hinausragenden Beschichtungen können vorteilhafterweise zum Verschleißschutz durch gezielte Einstellung des Traganteils und der Materialeigenschaften eingesetzt werden, wobei derartig hergestellte Verschleißschutzstrukturen sich durch eine zusätzliche Verankerung in der Oberfläche des Werkstücks auszeichnen. Weiterhin kann die Beschichtung in Abhängigkeit der Stellung des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück innerhalb einer Ausnehmung lokal begrenzt angeordnet werden, so dass beispielsweise nur ein oberer Randbereich einer Ausnehmung beschichtet wird.
Für den Abtragungsprozess und den Beschichtungsprozess können in dem Reaktor unterschiedliche Elektrolyte vorgesehen sein, so dass der jeweilige Elektrolyt optimal auf die Anforderungen des Abtragungsprozesses bzw. des Beschichtungsprozesses abgestimmt werden kann. Als Elektrolyt für den Beschichtungsprozess kommen dabei beispielsweise ein Palladium-Elektrolyt, ein Platin-Elektrolyt oder ein Palladium/Platin-Mischelektrolyt zum Einsatz.
In besonderer Art und Weise vorteilhaft ist es, wenn in dem Reaktor ein Elektrolyt sowohl für den Abtragungsprozess als auch den Beschichtungsprozess vorgesehen ist, und somit Spül- und Reinigungsschritte zwischen den beiden Prozessschritten entfallen können und folglich die Prozesszeiten in vorteilhafter Weise minimiert werden können. Als Elektrolyt kommt dabei beispielsweise ein Chrom-Elektrolyt oder ein Watt-Nickel-Elektrolyt auf Chloridbasis zum Einsatz.
Da während des Abtragungsprozesses eventuell Ablagerungen durch die Abtragung des Werkstücks, beispielsweise bei auf Eisen basierenden Werkstoffen ein Hydroxidschlamm, in dem Reaktor entstehen können, kann es vorgesehen sein, dass der Elektrolyt den Reaktor durchströmt und die Ablagerungen somit während des Prozesses aus dem Reaktor entfernt werden, womit die Funktionalität des Elektrolyts gewährleistet werden kann.
Entsprechend der Wahl des Elektrolyten können beispielsweise eine sehr harte Verschleißstruktur, eine Dichtstruktur, eine als Opferanode fungierende Beschichtung, Strukturen zur Verschleißminderung oder verankerte elektrische Verbindungsstellen in das Werkstück eingebracht werden, wobei die Form der Schicht dabei ebenso wie die Form der Ausnehmungen abhängig von der Form des Werkzeugs ist.
Zur Erzeugung einer Dichtstruktur beispielsweise an einem Injektorkörper eines Kraftstoffeinspritzventils kann das Werkzeug z. B. mit einer ringförmige Struktur ausgebildet sein und dadurch eine entsprechend geformte Schicht in dem meist sehr harten Werkstück ausgebildet werden, wodurch sich bei einem Zusammenbau eines als Injektorkörper ausgebildeten Werkstücks mit einer Düse die gebildete Schicht an Unebenheiten in den Oberfläche der Verbindungsstelle anpassen und diese somit abdichten kann.
Bei aus Chromstählen gebildeten Werkzeugen ergibt sich zudem der Vorteil, dass das während des Bearbeitungsprozesses aufgelöste Chrom zum Aufbau der Chromschicht verwendet werden kann.
Als Schichtmaterialien für Dichtstrukturen sind insbesondere Kupfer, Indium und Nickel vorteilhaft.
Für den Abtragungsprozess kann in vorteilhafter Weise ein elektrochemischer Metallbearbeitungsprozess, ein Funkenerosionsprozess oder ein Hybridprozess mit einer Kombination aus einem elektrochemischen Metallbearbeitungsprozess und einem Funkenerosionsprozess zum Einsatz kommen, wobei die verschiedenen Arten von Abtragungsprozessen entsprechend der jeweiligen Anforderungen an den Prozess ausgewählt werden können.
Ein Funkenerosionsprozess zeichnet sich dabei durch eine hohe Formgenauigkeit und Präzision bei der Werkstückbearbeitung mit einem als Dielektrikum ausgebildeten Elektrolyten aus. Mit einem elektrochemischen Metallbearbeitungsprozess sind durch große Bearbeitungsgeschwindigkeiten hohe Abtragungsraten erzielbar, wobei durch die Vermeidung von Schmelzzonen im Bearbeitungsbereich des Werkstücks eine hohe Oberflächengüte realisierbar ist. Bei einem Hybridprozess werden die Vorteile des elektrochemischen Metallbearbeitungsprozesses und des Funkenerosionsprozesses kombiniert, wodurch geringe Spaltabstände zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück während des Prozesses möglich sind. Bei dem Hybridprozess wird während der Phasen der elektrochemischen Metallbearbeitung auf dem Werkzeug eine Beschichtung abgelagert, welche in vorteilhafter Weise durch die Phasen der Funkenerosion wieder entfernt werden, wobei die Zeitdauer der einzelnen Phasen in Form von Dauerstrom und/oder Strompulsen derart gewählt werden kann, dass eine Formänderung des Werkzeug vernachlässigbar klein ist.
Eine Werkzeugabnützung, welche bei einem Funkenerosionsprozess relativ groß und bei einem elektrochemischen Metallbearbeitungsprozess nicht vorliegt, weist bei einem Hybridprozess mittlere Werte auf. Die bei der Verwendung eines Funkenerosionsprozesses als Abtragungsprozess hohe Abtragung des Werkzeugs kann in vorteilhafter Weise durch ein Nachfügen des Werkzeugs, insbesondere wenn das Werkzeug als Draht ausgebildet ist, kompensiert werden.
Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von insbesondere bei Brennstoffzellen zum Einsatz kommenden Bipolarplatten verwendet wird, wobei die Bipolarplatte in dem Reaktor das Werkstück bildet, ist eine in vorteilhafter Weise schnelle, präzise und wirtschaftliche Herstellung der Bipolarplatten realisierbar.
Dabei können sehr leichte Bipolarplatte hergestellt werden, da sowohl der Abtragungsprozess als auch der Beschichtungsprozess nahezu kraftfreie Prozesse darstellen.
In vorteilhafter Weise kann ein einziger Elektrolyt sowohl für den Abtragungsprozess als auch den Beschichtungsprozess vorgesehen sein, oder alternativ der für den Abtragungsprozess verwendete Elektrolyt zum Beschichtungsprozess durch einen für den Beschichtungsprozess optimierten Elektrolyt ersetzt werden. Die während des Abtragungsprozesses in der Bipolarplatte erzeugten Kanalstrukturen können dabei mit sehr geringen Breiten und Abständen voneinander in sehr komplexen Strukturen hergestellt werden, wodurch sehr dünne Bipolarplatten mit geringem Gewicht realisierbar sind.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mögliche Herstellung der Bipolarplatten mit geringer Größe und die damit erzielbare geringe Größe von so genannten Stacks, ermöglicht eine leichte Abführung von in dem System entstehender Wärme, weshalb eine Aufschichtung von erfindungsgemäß hergestellten Bipolarplatten zu Stacks einer Brennstoffzelle ein einfaches thermisches Management in den Stacks ermöglicht.
Weiterhin kann eine Reduzierung der Herstellkosten der Bipolarplatte durch eine Verringerung der Herstellzeit erreicht werden, indem doppelte Rüstzeiten und Transport- und Lagerzeiten des Werkzeuges gegenüber herkömmlichen Herstellprozessen entfallen, da ein Wechsel in vorteilhafter Weise nicht nötig ist.
Besonders vorteilhaft ist, dass der während des Beschichtungsprozesses insbesondere über einen Platin-, einen Palladium- oder einen Platin/Palladium-Mischelektrolyt in den Kanalstrukturen der Bipolarplatte aufgetragene Katalysator nur an denjenigen Stellen aufgetragen werden kann, an denen er wirksam ist, d. h. in den der Oberfläche der Bipolarplatte zugewandten Randbereichen der Kanalstrukturen. Gegenüber herkömmlichen Herstellungsprozessen von Bipolarplatten, bei welchen der Katalysator meist die gesamte Kanalstruktur ausfüllt, kann Katalysatormaterial eingespart werden. Somit können die Materialkosten in vorteilhafter Weise reduziert werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks nach der Erfindung sowie des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für Bipolarplatten einer Brennstoffzelle sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks in einem Reaktor schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine prinzipmäßige Darstellung einer Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks durch ein als Draht ausgebildetes Werkzeug in einem Reaktor während eines Abtragungsprozesses, wobei zwischen dem als Anode fungierenden Werkstück und dem als Kathode fungierenden Draht eine elektrische Potenzialdifferenz ausgebildet ist und der zwischen dem Werkstück und dem Draht vorgesehene Raum mit einem Elektrolyt gefüllt ist;
2 eine vereinfachte schematische Darstellung der Vorrichtung der 1, wobei eine während des Abtragungsprozesses ausgebildete Bohrung in einem Beschichtungsprozess beschichtet wird;
3 ein prinzipmäßiges Spannungs-Zeit-Diagramm, welches die zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug ausgebildete Spannung in einem Zeitverlauf für den Abtragungsprozess und den Beschichtungsprozess der 1 und 2 zeigt;
4 eine prinzipmäßige Ansicht einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung während eines Abtragungsprozesses, wobei mittels eines kathodisch geschalteten als eine Formelektrode ausgebildeten Werkzeugs ein anodisch geschaltetes Werkstück bearbeitet wird;
5 eine prinzipmäßige Darstellung der Vorrichtung der 4, wobei das Werkstück als Kathode und das Werkzeug als Anode fungiert und die Vorrichtung in einem Zustand während eines Beschichtungsprozesses gezeigt ist;
6 eine schematische Darstellung des Werkstücks der 4 und 5 nach dem in 5 gezeigten Beschichtungsprozesses, wobei die während des in 1 dargestellten Abtragungsprozesses entstandenen Ausnehmungen Auffüllungen aufweisen;
7 eine prinzipmäßige Darstellung einer weiteren Ausführungsalternative einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem großflächigen Werkzeug und einem mit einer Verschleißstruktur auszubildenden Werkstück vor dem Abtragungsprozess;
8 eine pinzipmäßige Ansicht der Vorrichtung der 7 während des Beschichtungsprozesses, wobei auf eine von Unebenheiten befreite Oberfläche des Werkstücks eine verschleißfeste Beschichtung aufgetragen wird;
9 eine vereinfachte Darstellung des Werkstücks der 7 und 8, welches an seiner Oberfläche eine verschleißfeste Beschichtung aufweist;
10 eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung nach der Erfindung mit einem alternativen, als Kathode wirkenden Werkstück und einem alternativen, als Anode wirkenden Werkzeug während des Beschichtungsprozesses, wobei der Beschichtungsprozess vor dem Abtragungsprozess stattfindet;
11 eine prinzipmäßige Ansicht der Vorrichtung der 10 nach einer Umpolung des Werkstücks zur Anode und des Werkzeugs zur Kathode, wobei die während des Beschichtungsprozesses auf der Oberfläche des Werkstücks erzeugte Beschichtung in dem Abtragungsprozess bearbeitet wird;
12 eine vereinfachte Darstellung des Werkstücks der 10 und 11 nach dem Abtragungsprozess;
13 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung, bei der zur Beschichtung eines als Bipolarplatte ausgebildeten Werkstücks ein als Formelektrode ausgebildetes Werkzeug vorgesehen ist, welches eine komplexe Oberflächenstruktur aufweist; und
14 eine Prinzipsskizze einer Bipolarplatte der 13, wobei die Bipolarplatte auf zwei Seiten mit einem Abtragungs- und Beschichtungsprozess bearbeitet ist.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist eine Vorrichtung 1 mit einem Reaktor 2 und einem als Draht 105 ausgebildeten Werkzeug zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks 103 dargestellt, wobei eine Abtragung von Material an einer Oberfläche 107 des Werkstücks 103 durch das Werkzeug 105 durchgeführt wird.
Hierzu wird mittels einer Strom- und Spannungsquelle 9 zwischen dem Werkstück 103 und dem Werkzeug 105 derart eine Potenzialdifferenz erzeugt, dass das Werkstück 103 als Anode und das Werkzeug 105 als Kathode dient. Sowohl das als erste Elektrode fungierende Werkstück 103 als auch das zu dem Werkstück 103 beabstandete, als zweite Elektrode dienende Werkzeug 105 sind aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet.
Mit der Vorrichtung 1 wird eine in 2 ersichtliche Bohrung 6, welche vorliegend eine Mikrobohrung darstellt, ausschließlich mit dem Draht 105 in einem elektrochemischen Abtragungsprozess hergestellt und anschließend beschichtet.
Zur Durchführung des Abtragungs- und Beschichtungsprozesses wird der Reaktor 2 nach einer Ausrichtung und Positionierung des Drahtes 105 gegenüber dem Werkstück 103 und nach einem Abgleich der Drahtposition gegenüber der Werkstückposition mit einem Elektrolyt geflutet. Als Elektrolyt kommt dabei ein sogenannter Galvanikelektrolyt zum Einsatz, der einerseits die für den Abtragungsprozess notwendige elektrische Leitfähigkeit und andererseits die während des an die Abtragung anschließenden Beschichtungsprozess zum Aufbau einer Schicht notwendige Zusammensetzung aufweist und vorliegend als Chrom-Elektrolyt ausgebildet ist.
Während des Abtragungsprozesses wird der Draht 105 in einer mit dem Pfeil 8 gekennzeichneten Bewegungsrichtung auf das Werkstück 103 zu bewegt, wobei der Abtragungsprozess vorliegend ein Hybridprozess mit einer Kombination aus einem elektrochemischen Metallbearbeitungsprozess und einem Funkenerosionsprozess ist. Die Bewegung selbst kann linear sein oder eine Überlagerung einer linearen mit einer oszillierenden Bewegung darstellen. Durch die anliegende elektrische Potenzialdifferenz zwischen dem Draht 105 und dem Werkstück 103 wird eine Abtragung von metallischem Material des Werkstücks 103 in einem dem Draht 105 zugewandten Bereich des Werkstücks 103 bewirkt.
Die Bewegung des Drahtes 105 gegenüber dem Werkstück 103 in Pfeilrichtung 8 wird solange fortgesetzt, bis die gewünschte Endkontur, im vorliegenden Fall die der in der 2 dargestellten Mikrobohrung 6, erzeugt ist.
Zur Beschichtung der Mikrobohrung 6 werden der Draht 105 und das Werkstück 103 in ihrer Wirkungsweise als Kathode beziehungsweise Anode für den unmittelbar an den Abtragungsprozess anschließenden Beschichtungsprozess umgepolt, so dass der Draht 105 während der Beschichtung als Anode und das Werkstück 103 als Kathode fungiert.
Während der Beschichtung wird durch den sich in der Mikrobohrung 6 befindlichen Draht 105 eine Chrom-Schicht 10 auf die Mantelfläche der Mikrobohrung 6 aufgetragen. Die Dicke der aufgebrachten Chrom-Schicht 10 ist dabei direkt abhängig von der Beschichtungszeit, d. h. je länger der Beschichtungsprozess andauert, desto dicker wird die aufgebrachte Chrom-Schicht 10.
Bezug nehmend auf 3 ist ein beispielhafter Verlauf der von der Spannungsquelle 9 zwischen dem Werkstück 103 und dem Draht 105 angelegten Potenzialdifferenz über einen Zeitverlauf ersichtlich. Der Abtragungsprozess beginnt zu einem in dem Diagramm als T1 gekennzeichneten Zeitpunkt, zu welchem die Potenzialdifferenz zwischen dem Werkstück 103 und dem Draht 105 auf eine erste Spannung U₁ eingestellt wird. Die Spannung U₁ weist dabei einen Wert auf, bei welchem die elektrochemische Metallbearbeitung ausgeführt werden kann. Während des Abtragungsprozesses wird die zwischen dem Werkstück 103 und dem Draht 105 anliegende Potenzialdifferenz wiederholt kurzzeitig auf einen zweiten Spannungswert U₂ angehoben, so dass die Funkenerosion stattfinden kann.
Hat das Werkstück 103 seine gewünschte Form erhalten, so werden zum Zeitpunkt T2 das Werkstück 103 und der Draht 105 in ihrer Wirkungsweise als Kathode beziehungsweise Anode umgepolt, und eine Potenzialdifferenz mit einem geeigneten Spannungswert U₃ eingestellt, so dass der galvanische Beschichtungsprozess stattfindet. Die Spannung U₃ wird beibehalten, bis bei Erreichen eines weiteren Zeitpunktes T3 die gewünschte Schichtdicke am Werkstück 103 erreicht ist.
In 4 ist die Vorrichtung 1 mit einem alternativ ausgebildeten eine Formelektrode bildenden Werkzeug 205 zur Bearbeitung einer Oberfläche 207 eines Werkstück 203 dargestellt. Während des ebenfalls als Hybridprozess ausgebildeten Abtragungsprozesses wird das als Kathode fungierende Werkzeug 205 in Richtung des Pfeils 20 auf das als Anode wirkende Werkstück 203 analog zu dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel zubewegt. Das Werkzeug 205 weist zur Erzeugung von als Mikrokavitäten ausgebildeten Ausnehmungen 13, 14, 15 vorliegend drei vorstehende Teile 17, 18, 19 auf.
Die Anzahl der vorstehenden Teile kann vom Fachmann je nach Anzahl der geforderten Mikrokavitäten variiert werden, wobei auf einer Oberfläche eines Werkstücks eine beliebige Zahl von Ausnehmungen erzeugt werden kann und insbesondere sogenannte Arrays von Mikrokavitäten herstellbar sind.
Die Formgebung der Ausnehmungen 13, 14, 15 ist direkt abhängig von der Form des Werkzeugs 205. Somit besteht eine große Vielfalt bei der Erzeugung von Oberflächenstrukturen des Werkstücks, wobei die in den 4 und 5 gezeigten planen Oberflächen der vorstehenden Teile 17, 18, 19 des Werkzeugs 205 in einer alternativen Ausgestaltung des Werkzeugs auch unebene oder gekurvte Formen annehmen können.
Nachdem die Ausnehmungen 13, 14, 15 des Werkstücks 203 die während des vorliegend als Senkbearbeitung ausgebildeten Abtragungsprozesses endgültige Form erreicht haben, wird das Werkzeug 205 von der Kathode zur Anode und das Werkstück 203 von der Anode zur Kathode umgepolt. Die während des Beschichtungsprozesses, bei welchem das Werkzeug 205 gegenüber dem Werkstück 203 in Richtung des Pfeils 21 bewegt wird, in den Ausnehmungen 13, 14, 15 des Werkstücks 203 entstehende Schicht 22 ist hinsichtlich ihrer Zusammensetzung abhängig von dem eingesetzten Elektrolyten und kann durch die Beschichtungszeit und die Bewegungsgeschwindigkeit des Werkzeugs 205 gegenüber dem Werkstück 203 in ihrer Dicke und Form variiert werden.
Während in 5 ein Zustand während des Beschichtungsprozesses dargestellt ist, zeigt 6 das fertig beschichtete Werkstück 203, wobei die Schicht 20 bezüglich der Oberfläche 207 des Werkstücks 203 über die Ausnehmungen 13, 14, 15 hinausragt und pilzkopfförmige Strukturen bildet, welche der ursprünglich wenigstens annähernd planen Oberfläche 207 eine dreidimensionale Struktur verleihen.
In 7 ist die Vorrichtung 1 mit einem weiteren alternativen Werkzeug 305 dargestellt, welches zur großflächigen Bearbeitung einer Oberfläche 307 eines Werkstücks 303 vorgesehen ist. Während des in 7 dargestellten, durch eine Bewegung des Werkstücks 203 in Richtung des Werkstück 303 gemäß dem Pfeil 24 verursachten Abtragungsprozesses wird die Oberfläche 307 durch den als Elektropolitur wirkenden Abtragungsprozess von Unebenheiten 25 des Werkstücks 303 befreit.
In einem vergleichbar mit dem in den 4 bis 6 stattfindenden Prozess wird auf der Oberfläche 307 des Werkstücks 303 während des Beschichtungsprozesses eine Chrom-Schicht 27 aufgetragen, welche aus dem als Chrom-Elektrolyt ausgebildeten Elektrolyten abgeschieden wird. Eine derartige Kombination aus einem Werkstück 303 und einem Werkzeug 305 wird zur großflächigen Beschichtung der Oberfläche 307 des Werkstücks 303 zur Verminderung der Verschleißanfälligkeit eingesetzt.
Die 10 bis 12 zeigen die Vorrichtung 1 mit einem als Formelektrode ausgebildeten Werkzeug 405 und einem Werkstück 403 in dem einen Elektrolyten enthaltenden Reaktor 2, wobei der Reaktor 2 bei dem in 10 gezeigten Zustand zunächst als Beschichtungsreaktor und anschließend, bei dem in 11 und 12 gezeigten Zustand als Abtragungsreaktor ausgebildet ist.
Das Werkstück 405 wird somit von der Strom- und Spannungsquelle zunächst als Anode und das Werkstück 403 zunächst als Kathode ausgebildet. Bei dem in 10 dargestellten Beschichtungsprozess wird durch eine Bewegung des Werkzeugs 405 gegenüber dem Werkstück 403 in Richtung des Pfeils 29 auf einer Oberfläche 407 des Werkstücks eine Schicht 31 aufgebracht.
Nach Erreichung der gewünschten Schichtdicke der Schicht 31 auf dem Werkstück 403 wird das Werkstück 405 wie in 11 dargestellt zur Kathode und das Werkstück 403 zur Anode umgepolt. Durch eine Bewegung des Werkzeugs 405 gegenüber dem Werkstücks 403 wird ein Abtragungsprozess der reversiblen Schicht 31 verursacht, wobei Ausformungen 33 in der Schicht 31 erzeugt werden, welche entsprechend der Geometrie des Werkzeugs 405 geformt sind.
Eine derartig erzeugte Beschichtung findet unter anderem Anwendung bei Ventildichtsitzen, welche mit einem Verschleißschutz versehen werden sollen, wobei die Oberfläche der Beschichtung entsprechend den Dichteigenschaften des Ventildichtsitzes ausgebildet ist. Weiterhin ist eine derartige Beschichtung für spezielle Strukturen zur Rückhaltung von Schmierstoffen, Strukturen zur Selbst-Reinigung von Oberflächen, Andockstellen bzw. Verbindungsstellen zu anderen Werkstücken oder wenn es erforderlich oder gewünscht ist, dass nur ein Material die Bauteiloberfläche bildet, vorteilhaft.
Ein als Bipolarplatte 503 ausgebildetes Werkstück ist in 13 dargestellt. Die Bipolarplatte 503 ist mittels eines Abtragungsprozesses und eines daran anschließenden Beschichtungsprozesses entsprechend den in den 1 bis 9 dargestellten Ausführungsbeispielen hergestellt, wobei der Abtragungsprozess mittels einer elektrochemischen Metallbearbeitung durchgeführt wird, da hierdurch keine Formänderung des Werkzeugs während des gesamten Prozesses stattfindet und somit ein wiederholter Einsatz der kostenintensiven Werkzeuge bei der Herstellung von Bipolarplatten gewährleistet werden kann.
Mit dem vorgestellten Herstellungsverfahren können aufgrund der kraftfreien Arbeitsweise des Prozesses im Verhältnis zu herkömmlich hergestellten Bipolarplatten kleine als Brennstoffkanäle dienende sehr komplexe Kanalstrukturen 35 hergestellt werden.
Nach dem Abtragungsprozess wird der für den Abtragungsprozess eingesetzte hinsichtlich der Leitfähigkeit optimierte Elektrolyt durch einen Palladium-Elektrolyt, Platin-Elektrolyt beziehungsweise Palladium/Platin-Mischelektrolyt ersetzt, mittels welchem im Beschichtungsprozess die als Katalysator ausgebildete Schicht 37 in den Kanalstrukturen 35 erzeugt wird, wobei durch eine entsprechende Einstellung von Abscheidungsparametern die Größe der auf der Oberfläche 507 der Bipolarplatte 503 entstehenden Katalysatorkörner beeinflusst werden kann und somit die Eigenschaften der Bipolarplatte entsprechend der Anforderungen anpassbar sind.
Die Schicht 37 wird bei der gezeigten Ausführung in vorteilhafter Weise nur in einem der Oberfläche 507 der Bipolarplatte 503 zugewandten Bereich der Kanalstrukturen 35 erzeugt, in welchem in einem Einbauzustand der Bipolarplatte 503 in einer Brennstoffzelle eine Umsetzung des Brennstoffs stattfindet.
Die 14 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Bipolarplatte 603, welche auf zuvor beschriebenen Art und Weise derart beidseitig bearbeitet ist, dass Kanalstrukturen 35 und Katalysator-Schichten 37 auf beiden Seiten der Bipolarplatte 603 ausgebildet sind.
Durch das beschriebene Verfahren ist es möglich, Kanalstrukturen 35 in einer Größenordnung im Bereich von einigen 10μm bis zu einigen 100μm auf schnelle, kostengünstige, flexible und effektive Weise zu erzeugen, wodurch sehr dünne Bipolarplatten herstellbar sind. Durch die geringe Kanalgröße ist die im Einbauzustand der Bipolarplatte 503 bzw. 603 in einer Brennstoffzelle an der mit Katalysator beschichtete Fläche bezogen auf die Gesamtfläche der Bipolarplatte gegenüber herkömmlichen Bipolarplatten aufgrund der sehr hohen möglichen Kanaldichte stark erhöht, wodurch die verfügbare Fläche bei der Umsetzung des Brennstoffs sehr gut ausgenutzt ist.
Da die gesamte Kanalstruktur mit der Vorrichtung 1 ohne eine Neupositionierung des Werkzeugs gegenüber der Bipolarplatte 503 bzw. 603 in diese eingearbeitet wird, ist es möglich, auch hochkomplexe Kanalstrukturen auf einfache Weise zu erzeugen. Durch die mittels des annähernd kraftfreien Verfahrens erzielbare Formgebungsfreiheit der Kanalstrukturen 35 der Bipolarplatte sind optimierte Reaktionsräume für den Brennstoff im Einbauzustand der Bipolarplatte herstellbar, wodurch der in der Brennstoffzelle eingesetzte Brennstoff optimal verbraucht werden kann. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die bei Brennstoffzellen mit herkömmlichen Bipolarplatten notwendigen Systeme zur Rückgewinnung des eingesetzten Brennstoffes einzusparen und somit die Kosten der Brennstoffzelle zu senken und deren Wirkungsgrad zu erhöhen. Die Effizienz einer mit erfindungsgemäßen Bipolarplatten ausgebildeten Brennstoffzelle kann gegenüber herkömmlichen Brennstoffzellen somit auch dadurch erhöht werden, dass besser leitfähige Materialien für die Herstellung der Bipolarplatte verwendet werden.

Claims

Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche (107, 207, 307, 407, 507) eines Werkstücks (103, 203, 303, 403, 503, 603) mit einem Reaktor (2), in dem das Werkstück (103, 203, 303, 403, 503, 603) eine erste Elektrode und ein Werkzeug (105, 205, 305, 405) eine zweite Elektrode bildet, wobei das Werkstück (103, 203, 303, 403, 503, 603) und das Werkzeug (105, 205, 305, 405) elektrisch leitend über einen Elektrolyt verbunden sind und zumindest zeitweise eine elektrische Potenzialdifferenz zwischen dem Werkstück (103, 203, 303, 403, 503, 603) und dem Werkzeug (105, 205, 305, 405) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (103, 203, 303, 403, 503, 603) und das Werkzeug (105, 205, 305, 405) in ihrer Wirkungsweise als Kathode oder Anode zur Durchführung eines Abtragungsprozesses an dem Werkstück (103, 203, 303, 403, 503, 603) mit Erzeugung einer Struktur an der Oberfläche (107, 207, 307, 407, 507) des Werkstücks (103, 203, 303, 403, 503, 603) und eines Beschichtungsprozesses zum Aufbringen einer Beschichtung (10, 22, 27, 31, 37) auf das Werkstück (103, 203, 303, 403, 503, 603) in unmittelbarer Abfolge in dem Reaktor (2) umpolbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (103, 203, 303, 403, 503, 603) und das Werkzeug (105, 205, 305, 405) in dem Reaktor (2) relativ zueinander verfahrbar angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (205, 405) eine zur Ausformung und Beschichtung wenigstens einer Ausnehmung (13, 14, 15, 33, 35) in der Oberfläche (207, 407, 507) des Werkstückes (203, 403, 503, 603) geeignete Geometrie aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (105) eine zur Ausformung und Beschichtung einer Durchtrittsöffnung (6) durch die Oberfläche (107) des Werkstückes (103) geeignete, insbesondere als Draht ausgebildete Geometrie aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (205) und das Werkstück (203) derart zueinander relativ verfahrbar und umpolbar sind, dass mit dem Werkzeug (205) an dem Werkstück (203) zunächst wenigstens eine Ausnehmung (13, 14, 15) in der Oberfläche (207) ausformbar und anschließend mit einer Beschichtung (22) wenigstens teilweise und ggf. in formgebender Weise über die Ausnehmung (13, 14, 15) herausragend ausfüllbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (205) und das Werkstück (503, 603) derart zueinander relativ verfahrbar und umpolbar sind, dass mit dem Werkzeug (205) an dem Werkstück (503, 603) zunächst wenigstens eine Ausnehmung (35) in der Oberfläche (507) ausformbar und die Oberfläche (507) anschließend wenigstens bereichsweise beschichtbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktor (2) für den Abtragungsprozess und den Beschichtungsprozess unterschiedliche Elektrolyte zuführbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt ein Palladium-Elektrolyt, ein Platin-Elektrolyt oder ein Palladium/Platin-Mischelektrolyt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass derselbe Elektrolyt für den Abtragungsprozess und den Beschichtungsprozess in dem Reaktor (2) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt ein Chrom-Elektrolyt oder ein Watt-Nickel-Elektrolyt auf Chloridbasis ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt den Reaktor (2) durchströmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (2) zur Durchführung des Abtragungsprozesses als Reaktor zur elektrochemischen Metallbearbeitung, als Reaktor zur Funkenerosion oder als Reaktor zur elektrochemischen Metallbearbeitung kombiniert mit Funkenerosion ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (2) zur Durchführung des Beschichtungsprozesses als galvanischer Reaktor ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zeitweise zwischen dem Werkzeug (105, 205, 305, 405) und dem Werkstück (103, 203, 303, 403, 503, 603) ausgebildete Potenzialdifferenz sowohl während des Abtragungsprozesses als auch während des Beschichtungsprozesses über einen Zeitverlauf variierbar ist.
Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Bipolarplatte das Werkstück (503, 603) bildet.
Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktor (2) für den Abtragungsprozess und den Beschichtungsprozess unterschiedliche Elektrolyte, insbesondere Platin-Elektrolyte, Palladium-Elektrolyte oder Platin/Palladium-Mischelektrolyte zugeführt werden.