DE102009037206B4

DE102009037206B4 - Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstack und Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstack

Info

Publication number: DE102009037206B4
Application number: DE102009037206.7A
Authority: DE
Inventors: Dr. Kiefer Thomas; Dr. Hattendorf Heike; Dr. Quadakkers Willem J.
Original assignee: ElringKlinger AG; VDM Metals International GmbH
Current assignee: ElringKlinger AG; VDM Metals International GmbH
Priority date: 2009-08-12
Filing date: 2009-08-12
Publication date: 2019-09-19
Anticipated expiration: 2029-08-13
Also published as: DE102009037206A1; DE102009037206A8

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte (102) für einen Brennstoffzellenstack, umfassend folgenden Verfahrensschritt:
Beschichten eines Grundmaterials (120) der Bipolarplatte (102) durch Plattieren mit einem Beschichtungsmaterial, das Eisen, Nickel, Kobalt, Mangan, Silber, Gold und/oder Kupfer und/oder eine Legierung von Eisen, eine Legierung von Nickel, eine Legierung von Kobalt, eine Legierung von Mangan, eine Legierung von Silber, eine Legierung von Gold und/oder eine Legierung von Kupfer umfasst,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Grundmaterial (120) ein Chromoxid bildender Stahl verwendet wird und
dass als Beschichtungsmaterial eine Legierung verwendet wird, die Kobalt und Eisen, Mangan und/oder Nickel enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelleneinheit.
Da eine Brennstoffzelleneinheit nur eine geringe Einzelzellspannung von ungefähr 0,4 Volt bis ungefähr 1,2 Volt (je nach Last) aufweist, ist eine Reihenschaltung von mehreren elektrochemischen Zellen in einem Brennstoffzellenstack erforderlich, wodurch die Ausgangsspannung in einen aus anwendungstechnischer Sicht interessanten Bereich skaliert wird. Hierfür werden die einzelnen elektrochemischen Zellen mittels sogenannter Bipolarplatten (auch als Interkonnektoren bezeichnet) verbunden. Um die Leistungsausbeute zu maximieren, muss der Kontaktwiderstand im Kontaktbereich der Bipolarplatte und der elektrochemischen Zelle minimal und der Isolationswiderstand zwischen den aufeinanderfolgenden Bipolarplatten maximal sein.
Eine solche Bipolarplatte muss die folgenden Anforderungen erfüllen:

- Verteilung der Medien (Brenngas und/oder Oxidationsmittel).
- Ausreichende elektrische Leitfähigkeit, da innerhalb des Brennstoffzellenstacks die an der Wasserstoffseite (Anode) erzeugten Elektronen durch die Bipolarplatten geleitet werden, um der Luftseite (Kathode) der nächsten elektrochemischen Zelle zur Verfügung zu stehen. Um die elektrischen Verluste hierbei gering zu halten, muss der Werkstoff für die Bipolarplatten eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
- Ausreichende Korrosionsbeständigkeit, da die typischen Betriebsbedingungen einer Brennstoffzelleneinheit (Betriebstemperatur ungefähr 800°C, oxidierende/reduzierende Atmosphäre, feuchte Luft) korrosionsfördernd wirken. Aus diesem Grund werden an die Korrosionsbeständigkeit des Materials der Bipolarplatte hohe Anforderungen gestellt.

Üblicherweise werden ferritische, chromoxidbildende Edelstähle als Material für die Bipolarplatten von Hochtemperaturbrennstoffzellen eingesetzt. Ein Grund hierfür ist die relativ gute elektrische Leitfähigkeit der selbstbildenden Chromoxidschicht im Vergleich zu den isolierenden Oxidschichten, die von anderen Hochtemperaturstählen bzw. -legierungen ausgebildet werden (z.B. von Aluminiumoxid- oder Siliziumoxidbildnern).
Bei Temperaturerhöhung bildet sich auf der Oberfläche eines Chromoxid bildenden Edelstahls Chromoxid. Unter den Betriebsbedingungen einer Brennstoffzelle entstehen aus diesem Chromoxid flüchtige Chromverbindungen. Durch diese „Chromverdampfung“ kommt es, insbesondere im Langzeitbetrieb der Brennstoffzelleneinheit, zu einer Vergiftung der Kathode, wodurch sich die Stromausbeute drastisch reduziert.
Zur Verhinderung der Chromabdampfung wurde bereits vorgeschlagen, bestimmte Elemente (beispielsweise Mn, Ni, Co) in den Stahl der Bipolarplatte zu dotieren, welche das Oxidschichtwachstum beeinflussen und das ursprünglich gebildete Chromoxid in eine chemisch stabilere Form überführen. Durch solche Legierungszusätze kann zwar eine Minimierung der Chromabdampfung erreicht werden, jedoch ist ein nachhaltiger Schutz der Kathode nicht gegeben.
Ferner wurde bereits vorgeschlagen, die Bipolarplatten mit Oxiden oder Oxidmischungen (beispielsweise Oxiden von Mn, Co, Cu) zu beschichten. Durch eine anschließende Temperaturbehandlung werden diese Schichten aufgrund von Festkörperdiffusion verdichtet. Versuche haben gezeigt, dass Mn, Fe und Cr aus dem Stahl der Bipolarplatte in eine solche Schutzschicht diffundieren und dabei für eine Verdichtung sorgen. Die verdichtete Schutzschicht enthält jedoch, bedingt durch Diffusionsprozesse, ebenfalls Chrom. Damit besteht weiterhin die Möglichkeit einer Chromabdampfung, verbunden mit einer erhöhten Degradation der Kathode.
Außerdem wurde bereits vorgeschlagen, die Bipolarplatten mit LaCrO₃ und La₂O₃ mittels Plasmaspritzen zu beschichten. Bezüglich dieser verwendeten Materialien gibt es in der Literatur jedoch Hinweise auf die Entstehung von Mikrorissen, weshalb ein nachhaltiger Schutz vor einer Chromabdampfung hierdurch nicht gegeben ist.
Die US 6,599,651 B1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte für einen PEM(Polymer-Elektrolyt-Membran)-Brennstoffzellenstack, bei dem ein Grundmaterial der Bipolarplatte aus Aluminium oder einer AluminiumLegierung durch Plattieren mit einem Beschichtungsmaterial, das Ni, Fe, Co, B, Pb, Cr, Cu, Ti, Bi, Sn, W, P, Mo, Ag, Pt, Au, TiC, NbC, TiCN, TiN, CrN, TiB₂, ZrB₂, Fe₂B oder Si₃N₄ enthält, beschichtet wird.
Die DE 10 2007 032 116 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte für einen PEM- oder PAFC(Phosphoric Acid Fuel Cell)-Brennstoffzellenstack, bei dem ein Grundmaterial der Bipolarplatte aus einem Edelstahl durch Plattieren mit einem Beschichtungsmaterial, das ein Edelstahl ist oder ein Metall aus der Gruppe Ti, Hf, V, Nb, Ta, Ni, Pd, Pt, Cr, Mo, W, Cu, Ag, Au, Ru, Os, Rh und Ir oder eine Legierung eines solchen Metalls ist, beschichtet wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstack zu schaffen, durch welches eine Schutzschicht zur zuverlässigen Verminderung einer Chromabdampfung auch im Langzeitbetrieb bereitgestellt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstack nach Anspruch 1 gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Konzept zugrunde, einen Chromoxid bildenden Stahl mit einer oder mehreren metallischen Schichten, welche einzelne Elemente oder auch Legierungen umfassen können, zu plattieren.
Im Falle einer Beschichtung mit Edelmetallen weist die aufplattierte Beschichtung bereits ohne weitere chemische Veränderung eine ausreichende Chromrückhaltefähigkeit auf und kann als Schutzschicht zur Verminderung der Chromabdampfung aus dem Grundmaterial der Bipolarplatte dienen.
Im Falle einer Beschichtung mit Nicht-Edelmetallen kann die aufplattierte metallische Schicht bzw. können die aufplattierten metallischen Schichten durch eine nach dem Plattieren erfolgende Wärmebehandlung in eine oxidkeramische Schicht überführt werden, welche als Schutzschicht zur Verminderung der Chromabdampfung aus dem Grundmaterial der Bipolarplatte dient.
Eine solche Wärmebehandlung zur Überführung der aufplattierten Schicht bzw. der aufplattierten Schichten in eine oxidkeramische Schicht kann vor oder nach einem Umformprozess erfolgen, durch welchen Kontaktelemente zur elektrischen Kontaktierung einer Elektrode einer Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit des Brennstoffzellenstacks durch die Bipolarplatte erzeugt werden.
Bei der Verwendung von mehreren auf das Grundmaterial aufplattierten Schichten kann, bedingt durch Diffusionsprozesse, auch eine Wechselwirkung der aufplattierten Schichten untereinander auftreten. Hierdurch können Beschichtungen des Grundmaterials entstehen, die im Hinblick auf die an die Beschichtung zu stellenden Anforderungen verbesserte Eigenschaften zeigen.
Die Anforderungen an eine auf dem Grundmaterial der Bipolarplatte ausgebildete Schutzschicht zur Verminderung der Chromabdampfung aus dem Grundmaterial der Bipolarplatte sind insbesondere die folgenden:

- eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 0,01 S/cm bei einer Temperatur von 800°C;
- ein an die anderen Komponenten des Brennstoffzellenstacks angepasster thermischer Ausdehnungskoeffizient α von ungefähr 10·10^-6K^-1 bis ungefähr 13·10^-6K^-1;
- eine hinreichend große Chromrückhaltefähigkeit.

Das für die Erzeugung der aufplattierten Beschichtung verwendete Beschichtungsmaterial muss sowohl für den Plattiervorgang, mit welchem das Beschichtungsmaterial auf das Grundmaterial aufgebracht wird, als auch für den späteren Umformvorgang der Bipolarplatte (zur Ausbildung der Kontaktelemente) eine ausreichende Umformbarkeit und Duktilität aufweisen.
Diese Voraussetzung ist bei Beschichtungsmaterialien, welche Eisen, Nickel, Kobalt, Mangan, Silber, Gold und/oder Kupfer und/oder eine Legierung solcher Elemente umfassen, gewährleistet.
Hinsichtlich der Umformbarkeit eignen sich insbesondere Beschichtungsmaterialien, welche die Elemente Eisen, Nickel, Kobalt und/oder Mangan oder aus diesen Elementen resultierende Legierungen umfassen.
Unerwünschte Phasentransformationen im Beschichtungsmaterial (insbesondere in einem Eisen und/oder Kobalt umfassenden Beschichtungsmaterial) und die unerwünschte Bildung von spröden Ordnungsphasen können verringert oder vermieden werden, wenn das Beschichtungsmaterial einen Zusatz von Titan, Mangan, Niob, Nickel, Wolfram, Tantal, Molybdän und/oder Vanadium enthält.
Bei Zusatz von Mangan beträgt der Anteil von Mangan an dem Beschichtungsmaterial vorzugsweise von ungefähr 5 Gewichtsprozent bis ungefähr 50 Gewichtsprozent, insbesondere von ungefähr 5 Gewichtsprozent bis ungefähr 36 Gewichtsprozent. Ab einem Anteil des Mangans von ungefähr 35 Gewichtsprozent liegt eine γ-Phase vor.
Bei Zusatz von Niob beträgt der Anteil von Niob an dem Beschichtungsmaterial vorzugsweise von ungefähr 0,5 Gewichtsprozent bis ungefähr 4 Gewichtsprozent, insbesondere von ungefähr 0,5 Gewichtsprozent bis ungefähr 3 Gewichtsprozent.
Bei Zusatz von Nickel beträgt der Anteil von Nickel an dem Beschichtungsmaterial vorzugsweise von ungefähr 5 Gewichtsprozent bis ungefähr 50 Gewichtsprozent, insbesondere von ungefähr 5 Gewichtsprozent bis ungefähr 36 Gewichtsprozent. Ab einem Anteil des Nickels von ungefähr 35 Gewichtsprozent liegt eine γ-Phase vor.
Bei Zusatz von Tantal zu dem Beschichtungsmaterial beträgt der Anteil von Tantal an dem Beschichtungsmaterial vorzugsweise von ungefähr 0,7 Gewichtsprozent bis ungefähr 4 Gewichtsprozent, insbesondere von ungefähr 0,7 Gewichtsprozent bis ungefähr 3 Gewichtsprozent.
Bei Zusatz von Vanadium beträgt der Anteil von Vanadium an dem Beschichtungsmaterial vorzugsweise von ungefähr 2 Gewichtsprozent bis ungefähr 15 Gewichtsprozent, insbesondere von ungefähr 2 Gewichtsprozent bis ungefähr 10 Gewichtsprozent.
Dabei beträgt der Gesamtanteil von Mangan, Niob, Nickel, Wolfram, Molybdän, Tantal und Vanadium am gesamten Beschichtungsmaterial vorzugsweise von ungefähr 0,02 Gewichtsprozent bis ungefähr 50 Gewichtsprozent, insbesondere von ungefähr 0,02 Gewichtsprozent bis ungefähr 36 Gewichtsprozent.
Ferner kann vorgesehen sein, dass reaktive Elemente, insbesondere Lanthan, Cer, Yttrium, Zirkonium, Hafnium, Magnesium, Calcium, Titan und/oder Scandium dem Beschichtungsmaterial zugesetzt werden.
Dabei beträgt der Gesamtanteil von Lanthan, Cer, Yttrium, Zirkonium, Hafnium, Magnesium, Calcium, Titan und Scandium am gesamten Beschichtungsmaterial vorzugsweise von ungefähr 0,01 Gewichtsprozent bis ungefähr 15 Gewichtsprozent, insbesondere von ungefähr 0,01 Gewichtsprozent bis ungefähr 1 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt von ungefähr 0,01 Gewichtsprozent bis ungefähr 0,2 Gewichtsprozent.
Bei der vorliegenden Erfindung wird als Beschichtungsmaterial eine Legierung verwendet, die zum einen Kobalt und zum anderen Eisen, Mangan und/oder Nickel enthält.
Als Beschichtungsmaterial kann eine solche Legierung verwendet werden, welche die Zusammensetzung Co_3-xMe_x, mit 0 < x ≤ 2, vorzugsweise mit 0,5 ≤ x ≤ 1, aufweist, wobei Me ein metallisches Element oder eine Kombination mehrerer metallischer Elemente ist.
Aus einer solchen Legierung kann durch eine Wärmebehandlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre eine oxidkeramische Schutzschicht zur Verminderung der Chromabdampfung aus dem Grundmaterial der Bipolarplatte mit der nominellen Zusammensetzung Co_3-xMe_xO₄, mit 0 < x ≤ 2, vorzugsweise mit 0,5 ≤ x ≤ 1, gebildet werden.
In der vorstehend genannten Legierung kann Me insbesondere eines der Elemente Eisen, Mangan oder Nickel oder eine beliebige Kombination dieser Elemente sein.
Beispielsweise kann die Legierung Co₂Fe_0,5Mn_0,5 verwendet werden.
Einer als Beschichtungsmaterial verwendeten Kobalt-Eisen-Legierung können zur Verhinderung unerwünschter Phasentransformationen (beispielsweise einer Umwandlung des Kobalts, das bis zu einer Temperatur von 417°C in der ε-Phase und bei höheren Temperaturen in der fcc-α-Phase vorliegt) und zur Verhinderung der unerwünschten Bildung von spröden Ordnungsphasen (beispielsweise in der Mitte des Systems Kobalt-Eisen) insbesondere Vanadium und/oder Niob in einem Anteil von insgesamt bis zu 15 Gewichtsprozent des Beschichtungsmaterials zugesetzt werden.
Neben den vorstehend genannten Elementen oder daraus abgeleiteten Legierungen sind auch Zusätze mit Elementen der Übergangselemente (beispielsweise Kupfer) oder auch Edelmetalle (beispielsweise Silber oder Gold) denkbar.
Das Grundmaterial kann durch Aufplattieren mehrerer Schichten mit dem Beschichtungsmaterial versehen werden.
Dabei kann das Grundmaterial auf beiden Seiten mit jeweils einem Beschichtungsmaterial plattiert werden, wobei die auf die beiden Seiten des Grundmaterials aufplattierten Beschichtungsmaterialien einander gleich oder voneinander verschieden sein können.
Ferner ist es auch möglich, auf dieselbe Seite des Grundmaterials der Bipolarplatte mehrere Schichten von Beschichtungsmaterial aufzuplattieren, wobei die Zusammensetzung dieser aufplattierten Schichten jeweils einander gleich oder voneinander verschieden sein kann.
Werden mehrere Schichten auf dieselbe Seite des Grundmaterials der Bipolarplatte oder auf verschiedene Seiten des Grundmaterials der Bipolarplatte aufplattiert, so kann dieses Aufplattieren in mehreren, aufeinanderfolgenden Plattiervorgängen oder aber gleichzeitig, in einem einzigen Plattiervorgang, erfolgen.
Der Plattiervorgang wird vorzugsweise so durchgeführt, dass bei dem Plattiervorgang eine Verformung der miteinander zu plattierenden Materialien (Grundmaterial und Beschichtungsmaterial) von mindestens 50 % erreicht wird.
Wenn das Beschichtungsmaterial Nicht-Edelmetalle enthält, so ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Beschichtungsmaterial zumindest teilweise oxidiert wird, um eine oxidkeramische Schutzschicht zur Verminderung der Chromabdampfung aus dem Grundmaterial der Bipolarplatte zu bilden.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Grundmaterial der Bipolarplatte nach der Beschichtung mit dem Beschichtungsmaterial und vor der zumindest teilweisen Oxidation des Beschichtungsmaterials umgeformt wird, um an der Bipolarplatte Kontaktelemente zur Kontaktierung einer Elektrode einer Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit eines Brennstoffzellenstacks auszubilden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die zumindest teilweise Oxidation des Beschichtungsmaterials durch eine Erwärmung der Bipolarplatte nach deren Einbau in einen Brennstoffzellenstack erfolgt.
Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass die zumindest teilweise Oxidation des Beschichtungsmaterials durch eine Erwärmung der Bipolarplatte vor deren Einbau in einen Brennstoffzellenstack erfolgt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstack.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, eine solche Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstack zu schaffen, der eine Schutzschicht aufweist, welche eine Chromabdampfung auch im Langzeitbetrieb des Brennstoffzellenstacks zuverlässig vermindert.
Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstack nach Anspruch 12 gelöst.
Eine solche Bipolarplatte weist die vorstehend bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstack erläuterten vorteilhaften Eigenschaften auf.
Das Beschichtungsmaterial kann vorzugsweise (insbesondere wenn es Eisen und/oder Kobalt umfasst) einen Zusatz von Mangan, Niob, Nickel, Wolfram, Tantal, Molybdän und/oder Vanadium enthalten, um unerwünschte Phasentransformationen und die unerwünschte Bildung von spröden Ordnungsphasen im Beschichtungsmaterial zu vermeiden.
Bei Zusatz von Mangan beträgt der Anteil von Mangan an dem Beschichtungsmaterial vorzugsweise von ungefähr 5 Gewichtsprozent bis ungefähr 50 Gewichtsprozent, insbesondere von ungefähr 5 Gewichtsprozent bis ungefähr 36 Gewichtsprozent. Ab einem Anteil des Mangans von ungefähr 35 Gewichtsprozent liegt eine γ-Phase vor.
Bei Zusatz von Niob beträgt der Anteil von Niob an dem Beschichtungsmaterial vorzugsweise von ungefähr 0,5 Gewichtsprozent bis ungefähr 4 Gewichtsprozent, insbesondere von ungefähr 0,5 Gewichtsprozent bis ungefähr 3 Gewichtsprozent.
Bei Zusatz von Nickel beträgt der Anteil von Nickel an dem Beschichtungsmaterial vorzugsweise von ungefähr 5 Gewichtsprozent bis ungefähr 50 Gewichtsprozent, insbesondere von ungefähr 5 Gewichtsprozent bis ungefähr 36 Gewichtsprozent. Ab einem Anteil des Nickels von ungefähr 35 Gewichtsprozent liegt eine γ-Phase vor.
Bei Zusatz von Tantal zu dem Beschichtungsmaterial beträgt der Anteil von Tantal an dem Beschichtungsmaterial vorzugsweise von ungefähr 0,7 Gewichtsprozent bis ungefähr 4 Gewichtsprozent, insbesondere von ungefähr 0,7 Gewichtsprozent bis ungefähr 3 Gewichtsprozent.
Bei Zusatz von Vanadium beträgt der Anteil von Vanadium an dem Beschichtungsmaterial vorzugsweise von ungefähr 2 Gewichtsprozent bis ungefähr 15 Gewichtsprozent, insbesondere von ungefähr 2 Gewichtsprozent bis ungefähr 10 Gewichtsprozent.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Beschichtungsmaterial einen Zusatz eines reaktiven Elements, beispielsweise einen Zusatz von Lanthan, Cer, Yttrium, Zirkonium, Hafnium, Magnesium, Calcium, Titan und/oder Scandium enthält.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte eignet sich insbesondere zur Verwendung in einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, insbesondere einer SOFC (Solid Oxid Fuel Cell), mit einer Betriebstemperatur von beispielsweise mindestens 600°C.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstack, bei welcher ein Beschichtungsmaterial auf das Grundmaterial der Bipolarplatte aufplattiert wird, werden die Herstellungskosten der Bipolarplatte im Vergleich zu kostenintensiveren elektrochemischen, nasschemischen, thermischen oder aus der Gasphase abscheidenden Herstellverfahren gesenkt.
Der Plattiervorgang lässt sich einfach in den Herstellungsprozess der Bipolarplatte integrieren.
Bedingt durch das Plattieren kommt es zur Kaltverschweißung zwischen dem Grundmaterial der Bipolarplatte und der aufplattierten Schicht bzw. den aufplattierten Schichten, woraus eine gute Anhaftung des Beschichtungsmaterials an dem Grundmaterial der Bipolarplatte resultiert.
Wenn die gegebenenfalls erfolgende Wärmebehandlung zur Bildung einer oxidkeramischen Schutzschicht zur Verminderung der Chromabdampfung aus dem Grundmaterial der Bipolarplatte erst nach der Assemblierung des Brennstoffzellenstacks erfolgt, kann durch den Oxidationsvorgang, welcher mit einer Volumenzunahme der Beschichtung verbunden ist, die Haftung zwischen der aufplattierten Schicht bzw. den aufplattierten Schichten der Bipolarplatte einerseits und einer elektrochemischen Zelle (Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit) des Brennstoffzellenstacks, welche an die Bipolarplatte angrenzt, andererseits verbessert werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.
In den Zeichnungen zeigen:

1 einen schematischen Schnitt durch eine Baugruppe eines Brennstoffzellenstacks, welche eine Bipolarplatte, eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit (KEA-Einheit) und eine weitere Bipolarplatte umfasst; und
2 eine schematische Darstellung eines Plattierverfahrens zum Beschichten eines Grundmaterials der Bipolarplatte mit einem Beschichtungsmaterial.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Eine in 1 schematisch im Schnitt dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete Baugruppe eines Brennstoffzellenstacks umfasst eine Bipolarplatte 102 (auch als Interkonnektor bezeichnet), die in einer zentralen Kontaktzone 104 mit über eine Hauptebene 106 der Bipolarplatte 102 vorstehenden Kontaktelementen 108 versehen ist, an denen die Bipolarplatte 102 elektrisch leitend mit einer Kathode 110 einer als Ganzes mit 112 bezeichneten Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit (KEA-Einheit) verbunden ist.
Die Kontaktelemente 108 können beispielsweise in Form von Noppen oder in Form von Wellenbergen einer gewellten Kontaktzone 104 ausgebildet sein, wie dies beispielsweise in der DE 100 44 703 A1 offenbart ist, auf welche diesbezüglich Bezug genommen wird und welche durch Inbezugnahme zum Bestandteil dieser Anmeldung gemacht wird.
Die mittige Kontaktzone 104 der Bipolarplatte 102 ist von einer, vorzugsweise ringförmig geschlossenen, (nicht dargestellten) Fügezone umgeben, in welcher die Bipolarplatte durch eine Fügeverbindung mit einem weiteren Bauteil 114 der Baugruppe 100 des Brennstoffzellenstacks, beispielsweise mit einer weiteren Bipolarplatte 115, verbunden ist.
Die Bipolarplatte 102 ist zumindest in der Kontaktzone 104 mit einer Beschichtung 116 aus einem Beschichtungsmaterial versehen, wobei das Beschichtungsmaterial zumindest im Bereich der Kontaktzone 104 oxidiert ist, um eine Schutzschicht 118 zum Reduzieren von Chromabdampfung aus einem Grundmaterial 120 der Bipolarplatte 102 zu bilden.
Das weitere Bauteil 114 ist in der (nicht dargestellten) Fügezone mit einer bei der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstacks (von ungefähr 800°C) elektrisch isolierenden Isolationsschicht versehen, welche als Beschichtung auf einem Grundmaterial 122 des weiteren Bauteils 114 ausgebildet ist. Diese Isolationsschicht ist durch Verlötung und/oder durch eine andere Fügeverbindung mit der Bipolarplatte 102 verbunden.
Das insbesondere als weitere Bipolarplatte 115 ausgebildete weitere Bauteil 114 umfasst ebenso wie die Bipolarplatte 102 eine mittige Kontaktzone 124, die von einer (nicht dargestellten) Fügezone des weiteren Bauteils 114, in welcher das weitere Bauteil 114 mit der Bipolarplatte 102 durch eine Fügeverbindung verbunden ist, umgeben ist.
In der Kontaktzone 124 des weiteren Bauteils 114 sind mehrere Kontaktelemente 126 ausgebildet, über welche das weitere Bauteil 114 in elektrisch leitendem Kontakt mit einer Anode 128 der KEA-Einheit 112 steht.
Dabei kann zwischen den Kontaktelementen 126 des weiteren Bauteils 114 und der Anode 128 ein vorzugsweise metallisches, bei der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstacks elektrisch leitfähiges Anodenkontaktierungselement 130, beispielsweise in Form eines Drahtgestricks, insbesondere aus Nickel, vorgesehen sein.
Zwischen der Anode 128 und der Kathode 110 der KEA-Einheit 112 ist ein Elektrolyt 132 der KEA-Einheit 112 angeordnet.
Der Elektrolyt 132 ist vorzugsweise als Feststoffelektrolyt, insbesondere als Feststoffoxid-Elektrolyt, ausgebildet und beispielsweise aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid gebildet.
Die Anode 128 der KEA-Einheit 112 ist aus einem bei der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstacks (von ungefähr 800°C) elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise aus Nickeloxid, das im Betrieb der Brennstoffzelleneinheit zu metallischem Nickel reduziert wird, oder aus NiO + ZrO₂, das im Betrieb der Brennstoffzelleneinheit zu einem Cermet (Keramik-Metall-Gemisch) aus metallischem Nickel und keramischem ZrO₂ reduziert wird, gebildet. Die Anode ist porös, um einem Brenngas aus einem zwischen der KEA-Einheit 112 und dem weiteren Bauteil 114 gebildeten Brenngasraum 134 den Durchtritt durch die Anode 128 zu dem an die Anode 128 angrenzenden Elektrolyten 132 zu ermöglichen.
Als Brennstoff kann beispielsweise ein kohlenwasserstoffhaltiges Gasgemisch oder reiner Wasserstoff verwendet werden.
Die Kathode 110 ist aus einem bei der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstacks elektrisch leitfähigen keramischen Material, beispielsweise aus (La_0,8Sr_0,2)_0,98MnO₃, gebildet und porös, um einem Oxidationsmittel, beispielsweise Luft oder reinem Sauerstoff, aus einem zwischen der KEA-Einheit 112 und der Bipolarplatte 102 gebildeten Oxidationsmittelraum 136 den Durchtritt durch die Kathode 110 zu dem Elektrolyten 132 zu ermöglichen.
Zur Herstellung der in 1 dargestellten Baugruppe 100 wird wie folgt vorgegangen:
Das Grundmaterial 120 der Bipolarplatte 102 wird mit einer Beschichtung aus dem Beschichtungsmaterial versehen.
Als Grundmaterial 120 für die Bipolarplatte 102 sind insbesondere die folgenden Chromoxid bildenden Stähle geeignet:

- Der Stahl mit der Bezeichnung Crofer22APU des Herstellers ThyssenKrupp AG, Deutschland, mit der folgenden Zusammensetzung: 22,2 Gewichtsprozent Cr; 0,02 Gewichtsprozent Al; 0,03 Gewichtsprozent Si; 0,46 Gewichtsprozent Mn; 0,06 Gewichtsprozent Ti; 0,002 Gewichtsprozent C; 0,004 Gewichtsprozent N; 0,07 Gewichtsprozent La; 0,02 Gewichtsprozent Ni; Rest Eisen.

Der Stahl mit der Bezeichnung Crofer22APU hat die Werkstoffbezeichnungen 1.4760 nach EN und S44535 nach UNS.

- Der Stahl mit der Bezeichnung Crofer22H des Herstellers ThyssenKrupp AG, Deutschland, mit der folgenden nominellen Zusammensetzung: 22,5 Gewichtsprozent Cr; 2 Gewichtsprozent W; 0,5 Gewichtsprozent Nb; 0,25 Gewichtsprozent Si; 0,5 Gewichtsprozent Mn; 0,08 Gewichtsprozent Ti; 0,1 Gewichtsprozent La; Rest Eisen.
- Der Stahl mit der Bezeichnung F17TNb des Herstellers Imphy Ugine Precision, Frankreich, mit der folgenden Zusammensetzung: 17,5 Gewichtsprozent Cr; 0,6 Gewichtsprozent Si; 0,24 Gewichtsprozent Mn; 0,14 Gewichtsprozent Ti; 0,17 Gewichtsprozent C; 0,024 Gewichtsprozent N; 0,47 Gewichtsprozent Nb; 0,08 Gewichtsprozent Mo; Rest Eisen.

Der Stahl mit der Bezeichnung F17TNb hat die Werkstoffbezeichnungen 1.4509 nach EN, 441 nach AISI und S44100 nach UNS.

- Der Stahl mit der Bezeichnung ITM-11 des Herstellers Plansee AG, Österreich, mit der folgenden Zusammensetzung: 25,9 Gewichtsprozent Cr; 0,02 Gewichtsprozent Al; 0,01 Gewichtsprozent Si; 0,28 Gewichtsprozent Ti; 0,08 Gewichtsprozent Y; 0,01 Gewichtsprozent C; 0,02 Gewichtsprozent N; 0,01 Gewichtsprozent Mo; 0,16 Gewichtsprozent Ni; Rest Eisen.
- Der Stahl mit der Bezeichnung F18MT des Herstellers Ugine & Alz, Frankreich, mit der folgenden Zusammensetzung: 17,7 Gewichtsprozent Cr; 1,8 Gewichtsprozent Mo; zusammen 0,45 Gewichtsprozent Ti und Nb; 0,4 Gewichtsprozent Mn; 0,4 Gewichtsprozent Si; 0,02 Gewichtsprozent C; Rest Eisen. Der Stahl mit der Bezeichnung F18MT hat die Werkstoffbezeichnungen 1.4521 nach EN und 444 nach AISI.

Das Grundmaterial 120 der Bipolarplatte 102 aus einem der vorgenannten Stähle wird mit einer Beschichtung aus einem Beschichtungsmaterial versehen, welches zur Bildung einer Schutzschicht 118 zur Chromrückhaltung geeignet ist.
Als Beschichtungsmaterial können Eisen, Nickel, Kobalt, Mangan, Silber, Gold und/oder Kupfer und/oder eine Legierung von Eisen, eine Legierung von Nickel, eine Legierung von Kobalt, eine Legierung von Mangan, eine Legierung von Silber, eine Legierung von Gold und/oder eine Legierung von Kupfer, verwendet werden.
Besonders geeignet als Beschichtungsmaterial sind die Elemente Eisen, Nickel, Kobalt und/oder Mangan sowie daraus resultierende Legierungen, insbesondere Kobalt-Eisen-Legierungen.
Bei der Verwendung von Kobalt-Eisen-Legierungen können unerwünschte Phasentransformationen (beispielsweise eine Umwandlung des Kobalts, das bis zu einer Temperatur von 417°C in der ε-Phase und bei höheren Temperaturen in der fcc-α-Phase vorliegt) und die unerwünschte Bildung von spröden Ordnungsphasen vermieden werden, indem ein Zusatz von Vanadium und/oder Niob in einem Anteil von insgesamt bis zu 15 Gewichtsprozent des Beschichtungsmaterials zulegiert wird.
Ferner kann es zur Vermeidung von Verformbarkeitsproblemen günstig sein, Zusätze von Mangan, Niob, Nickel, Wolfram, Tantal, Molybdän und/oder Vanadium, insbesondere zu einer Eisen-Kobalt-Legierung, zuzulegieren.
Bei Zusatz von Mangan beträgt der Anteil von Mangan an dem Beschichtungsmaterial vorzugsweise von ungefähr 5 Gewichtsprozent bis ungefähr 50 Gewichtsprozent, insbesondere von ungefähr 5 Gewichtsprozent bis ungefähr 36 Gewichtsprozent. Ab einem Anteil des Mangans von ungefähr 35 Gewichtsprozent liegt eine γ-Phase vor.
Bei Zusatz von Niob beträgt der Anteil von Niob an dem Beschichtungsmaterial vorzugsweise von ungefähr 0,5 Gewichtsprozent bis ungefähr 4 Gewichtsprozent, insbesondere von ungefähr 0,5 Gewichtsprozent bis ungefähr 3 Gewichtsprozent.
Bei Zusatz von Nickel beträgt der Anteil von Nickel an dem Beschichtungsmaterial vorzugsweise von ungefähr 5 Gewichtsprozent bis ungefähr 50 Gewichtsprozent, insbesondere von ungefähr 5 Gewichtsprozent bis ungefähr 36 Gewichtsprozent. Ab einem Anteil des Nickels von ungefähr 35 Gewichtsprozent liegt eine γ-Phase vor.
Bei Zusatz von Tantal zu dem Beschichtungsmaterial beträgt der Anteil von Tantal an dem Beschichtungsmaterial vorzugsweise von ungefähr 0,7 Gewichtsprozent bis ungefähr 4 Gewichtsprozent, insbesondere von ungefähr 0,7 Gewichtsprozent bis ungefähr 3 Gewichtsprozent.
Bei Zusatz von Vanadium beträgt der Anteil von Vanadium an dem Beschichtungsmaterial vorzugsweise von ungefähr 2 Gewichtsprozent bis ungefähr 15 Gewichtsprozent, insbesondere von ungefähr 2 Gewichtsprozent bis ungefähr 10 Gewichtsprozent.
Ferner können Zusätze von reaktiven Elementen, wie insbesondere Lanthan, Cer, Yttrium, Zirkonium, Hafnium, Magnesium, Calcium, Titan und/oder Scandium, vorzugsweise in Gewichtsanteilen von jeweils ungefähr 0,01 Gewichtsprozent bis ungefähr 0,4 Gewichtsprozent, bezogen auf die Gesamtanalyse des Materialverbundes aus dem Grundmaterial und dem Beschichtungsmaterial, in das Beschichtungsmaterial eingebracht werden.
Vorzugsweise werden die genannten reaktiven Elemente jeweils in einem bevorzugten Anteil von ungefähr 0,04 Gewichtsprozent bis ungefähr 0,16 Gewichtsprozent, bezogen auf die Gesamtanalyse des Materialverbundes aus dem Grundmaterial und dem Beschichtungsmaterial, in das Beschichtungsmaterial eingebracht.
Der Gesamtanteil von Lanthan, Cer, Yttrium, Zirkonium, Hafnium, Magnesium, Calcium, Titan und Scandium am Beschichtungsmaterial beträgt vorzugsweise höchstens ungefähr 15 Gewichtsprozent, insbesondere von ungefähr 0,01 Gewichtsprozent bis ungefähr 15 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt von ungefähr 0,01 Gewichtsprozent bis ungefähr 1 Gewichtsprozent, insbesondere von ungefähr 0,01 Gewichtsprozent bis ungefähr 0,2 Gewichtsprozent.
Besonders bevorzugte Zusammensetzungen für das Beschichtungsmaterial sind die folgenden:

- eine Legierung der Zusammensetzung Co_3-xMe_x, mit 0 < x ≤ 2, vorzugsweise mit 0,5 ≤ x ≤ 1, wobei Me ein metallisches Element oder eine Kombination mehrerer metallischer Elemente ist. Einer solchen Legierung können zur Verhinderung unerwünschter Phasentransformationen und der unerwünschten Bildung von spröden Ordnungsphasen Mangan, Niob, Nickel, Wolfram, Tantal, Molybdän und/oder Vanadium zugesetzt werden. Bei Zusatz von Mangan beträgt der Anteil von Mangan an dem Beschichtungsmaterial vorzugsweise von ungefähr 5 Gewichtsprozent bis ungefähr 50 Gewichtsprozent, insbesondere von ungefähr 5 Gewichtsprozent bis ungefähr 36 Gewichtsprozent. Ab einem Anteil des Mangans von ungefähr 35 Gewichtsprozent liegt eine γ-Phase vor. Bei Zusatz von Niob beträgt der Anteil von Niob an dem Beschichtungsmaterial vorzugsweise von ungefähr 0,5 Gewichtsprozent bis ungefähr 4 Gewichtsprozent, insbesondere von ungefähr 0,5 Gewichtsprozent bis ungefähr 3 Gewichtsprozent. Bei Zusatz von Nickel beträgt der Anteil von Nickel an dem Beschichtungsmaterial vorzugsweise von ungefähr 5 Gewichtsprozent bis ungefähr 50 Gewichtsprozent, insbesondere von ungefähr 5 Gewichtsprozent bis ungefähr 36 Gewichtsprozent. Ab einem Anteil des Nickels von ungefähr 35 Gewichtsprozent liegt eine γ-Phase vor. Bei Zusatz von Tantal zu dem Beschichtungsmaterial beträgt der Anteil von Tantal an dem Beschichtungsmaterial vorzugsweise von ungefähr 0,7 Gewichtsprozent bis ungefähr 4 Gewichtsprozent, insbesondere von ungefähr 0,7 Gewichtsprozent bis ungefähr 3 Gewichtsprozent. Bei Zusatz von Vanadium beträgt der Anteil von Vanadium an dem Beschichtungsmaterial vorzugsweise von ungefähr 2 Gewichtsprozent bis ungefähr 15 Gewichtsprozent, insbesondere von ungefähr 2 Gewichtsprozent bis ungefähr 10 Gewichtsprozent.
- Nickel-Kupfer-Legierungen oder mehrschichtiges Beschichtungsmaterial aus einer Nickel-Schicht und einer Kupfer-Schicht.
- eine Nickel-Eisen-Legierung;
- eine Nickel-Beschichtung.

Ein Beschichtungsmaterial, das im Wesentlichen aus Nickel und Eisen besteht, lässt sich besonders einfach in der Edelstahlproduktion recyceln, wenn im Wesentlichen kein Silber in dem Beschichtungsmaterial enthalten ist.
Um eine einfache Recyclingfähigkeit der Bipolarplatte zu gewährleisten, ist es günstig, wenn der Gewichtsanteil von Kupfer in dem Gesamtsystem aus Grundmaterial und Beschichtungsmaterial höchstens ungefähr 0,4 Gewichtsprozent, vorzugsweise höchstens ungefähr 0,25 Gewichtsprozent, beträgt.
Ferner ist es aus Gründen der Recyclingfähigkeit günstig, wenn der Gewichtsanteil von Zinn an dem Gesamtsystem aus dem Grundmaterial und dem Beschichtungsmaterial der Bipolarplatte höchstens ungefähr 0,02 Gewichtsprozent, vorzugsweise höchstens ungefähr 0,01 Gewichtsprozent, beträgt.
Aus Gründen der guten Recyclingfähigkeit ist es ferner von Vorteil, wenn der Gesamtanteil von Chrom, Nickel und Molybdän an dem Gesamtsystem aus dem Grundmaterial und dem Beschichtungsmaterial der Bipolarplatte höchstens ungefähr 0,30 Gewichtsprozent, vorzugsweise höchstens ungefähr 0,25 Gewichtsprozent, beträgt.
Die Beschichtung des Grundmaterials der Bipolarplatte mit dem Beschichtungsmaterial erfolgt durch Plattieren, insbesondere durch Aufwalzen.
In 2 ist schematisch dargestellt, wie eine Folie 138 aus dem Beschichtungsmaterial gemeinsam mit einem Blech aus dem Grundmaterial 120 durch einen Walzenspalt 140 zwischen zwei gegenläufig rotierenden Walzen 142 und 144 geführt und auf diese Weise durch Aufwalzen mit dem Grundmaterial 120 in einem Kaltschweißvorgang verbunden wird.
Für die Durchführung des Plattiervorgangs ist erforderlich, dass sowohl das Grundmaterial als auch das Beschichtungsmaterial, die aufeinander plattiert werden sollen, beide gut walzbar sind.
Ferner wird der Plattiervorgang vorzugsweise so durchgeführt, dass bei dem Plattiervorgang eine Verformung der zu plattierenden Materialien von mindestens 50 % erreicht wird.
Grundsätzlich kann das Grundmaterial auch auf beiden Seiten mit jeweils einem Beschichtungsmaterial plattiert werden, wobei die auf die beiden Seiten des Grundmaterials aufplattierten Beschichtungsmaterialien einander gleich oder voneinander verschieden sein können.
So können beispielsweise in einem Walzgerüst mit drei übereinander angeordneten Haspeln auf der Einlaufseite die mittlere Haspel mit einem Band aus dem zu beschichtenden Grundmaterial (im Folgenden als Kernband bezeichnet), die obere Haspel mit einem Auflageband aus Beschichtungsmaterial für die obere Seite des Grundmaterials und die untere Haspel mit einem Auflageband aus Beschichtungsmaterial für die untere Seite des Grundmaterials belegt werden.
Um beispielsweise eine Enddicke von 0,3 mm zu erreichen, wird ein Kernband mit einer Dicke von beispielsweise 3 mm auf die mittlere Einlaufhaspel gelegt.
Das Beschichtungsmaterial für die obere Seite des Grundmaterials und/oder für die untere Seite des Grundmaterials ist beispielsweise ein Bandmaterial mit einer Dicke von beispielsweise 0,1 mm.
Die Kernlage und die beiden Auflagebänder werden gemeinsam in den Walzspalt des Plattiergerüstes eingeführt und dort mit großer Kraft bei einer Temperatur, die mindestens 30 % unterhalb der Rekristallisationstemperatur des Beschichtungsmaterials und des Grundmaterials liegt, verformt, um einen Verbund aus diesen Materialien zu bilden.
Dieser Verbund wird weiter verformt, bis die gewünschte Enddicke von beispielsweise 0,3 mm erreicht ist.
Mit den hier beispielhaft genannten Dicken für die einlaufenden Bänder beträgt die Enddicke der Beschichtungen auf jeder Seite des Grundmaterials ungefähr 10 µm.
Auch eine einseitige Beschichtung des Grundmaterials ist möglich, indem nur eine der Haspeln mit einem Auflageband belegt wird.
Um eine verbesserte Haftung zwischen dem Kernband und den Auflagebändern zu erreichen, werden das Kernband und/oder die Auflagebänder unmittelbar vor der Plattierung gereinigt und, vorzugsweise durch einen Bürstvorgang mit Stahlbürsten, aktiviert.
Das fertig plattierte und auf die Enddicke gewalzte Band wird vorzugsweise einer rekristallisierenden Glühung in reduzierender Atmosphäre, vorzugsweise in reinem Wasserstoff, mit einem Taupunkt niedriger als -35°C, unterzogen.
Eine solche rekristallisierende Glühung erleichtert eine spätere Umformung in die gewünschten Teile und verbessert zugleich die Haftung der Beschichtung an dem Grundmaterial.
Falls erforderlich, kann eine rekristallisierende, die Haftung verbessernde Glühung auch zwischen dem ersten Plattiervorgang und dem Walzen des Materialverbunds auf die Enddicke erfolgen.
Als Kernband kann ein ferritischer Edelstahl, beispielsweise der vorstehend genannte Stahl mit der Bezeichnung Crofer22APU oder der vorstehend genannte Stahl mit der Bezeichnung Crofer22H, eingesetzt werden.
Die Verformungstemperatur beim Plattieren beträgt vorzugsweise weniger als 400°C.
Als Auflageband aus Beschichtungsmaterial kann beispielsweise eine Legierung aus 10 Gewichtsprozent Fe; 30 Gewichtsprozent Mn; weniger als 0,5 Gewichtsprozent C; weniger als 0,3 Gewichtsprozent Si; Rest Co und die üblichen schmelzmetallurgisch bedingten Beimengungen, verwendet werden.
Nach einer Glühung in einer oxidierenden Atmosphäre, beispielsweise in Luft, bildet die Beschichtung aus einem solchen Auflageband ein Oxid, welches Co, Fe und Mn enthält.
Ferner kann als Auflageband beispielsweise eine Legierung aus 16 bis 18 Gewichtsprozent Co; 28 bis 30 Gewichtsprozent Ni; weniger als 0,5 Gewichtsprozent C; weniger als 0,5 Gewichtsprozent Mn; weniger als 0,3 Gewichtsprozent Si; Rest Eisen verwendet werden. Eine solche Legierung wird unter der Bezeichnet Pernifer 2918 vertrieben.
Nach einer Glühung in einer oxidierenden Atmosphäre, beispielsweise in Luft, bildet die Beschichtung aus einem solchen Auflageband ein Oxid, welches Co, Ni und Mn enthält.
Die rekristallisierende Glühung findet vorzugsweise in einem Temperaturbereich von ungefähr 700°C bis ungefähr 1.100°C statt.
Bei Verwendung von Crofer22APU als Kernband findet die rekristallisierende Glühung vorzugsweise bei einer Temperatur von ungefähr 700°C bis ungefähr 1.000°C statt.
Bei Verwendung von Crofer22H als Kernband findet die rekristallisierende Glühung vorzugsweise bei einer Temperatur von ungefähr 950°C bis ungefähr 1.100°C statt.
Ferner ist es möglich, auf dieselbe Seite des Grundmaterials 120 der Bipolarplatte 102 mehrere Schichten von Beschichtungsmaterial aufzuplattieren, wobei die Zusammensetzung dieser aufplattierten Schichten jeweils einander gleich oder voneinander verschieden sein kann.
Werden mehrere Schichten auf dieselbe Seite des Grundmaterials 120 der Bipolarplatte 102 aufplattiert, so kann dieses Aufplattieren in mehreren, aufeinanderfolgenden Plattiervorgängen oder aber gleichzeitig, in einem einzigen Plattiervorgang, erfolgen.
Für jede Plattierschicht muss jeweils eine Abhaspel mit zum jeweiligen Material passender Auslegung vorhanden sein.
Nach der Beschichtung wird an dem Grundmaterial 120 mit dem daran angeordneten Beschichtungsmaterial ein Umformungsprozess durchgeführt, um in der Kontaktzone 104 die über die Hauptebene 106 der Bipolarplatte 102 vorstehenden Kontaktelemente 108 auszubilden, an denen die Bipolarplatte 102 elektrisch leitend mit der Kathode 110 der KEA-Einheit 112 verbunden sein wird.
Die Umformung des Grundmaterials mit dem daran angeordneten Beschichtungsmaterial kann beispielsweise durch einen Prägevorgang oder einen Tiefziehvorgang erfolgen.
Das als Bipolarplatte 115 ausgebildete weitere Bauteil 114 der Baugruppe 100 wird ebenfalls durch einen Umformvorgang, beispielsweise einen Prägevorgang oder einen Tiefziehvorgang, aus einem Blech des Grundmaterials 122 des weiteren Bauteils 114 hergestellt, um die Kontaktelemente 126 der Kontaktzone 124 auszubilden.
Das weitere Bauteil 114 kann beispielsweise aus einem der vorstehend für das Grundmaterial 120 der Bipolarplatte 102 genannten Stahlmaterialen gebildet sein.
Vorzugsweise umfasst das weitere Bauteil 114 als Grundmaterial 122 dasselbe Grundmaterial wie die Bipolarplatte 102.
Vor oder nach dem Umformvorgang wird das weitere Bauteil 114 in seiner (nicht dargestellten) Fügezone mit der Isolationsschicht beschichtet.
Anschließend wird der Brennstoffzellenstack unter Bildung der in 1 dargestellten Baugruppe 100 zusammengesetzt (assembliert).
Nach der Assemblierung wird eine Wärmebehandlung der Baugruppe 100 durchgeführt, um aus der Beschichtung 116 im Bereich der Kontaktzone 104 der Bipolarplatte 102 die Schutzschicht 118 zur Verminderung von Chromabdampfung aus dem Grundmaterial 120 der Bipolarplatte 102 zu bilden.
Während einer solchen Wärmebehandlung wird der Oxidationsmittelraum 136 der Baugruppe 100 mit einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre und der Brenngasraum 134 der Baugruppe 100 mit einer sauerstoffreduzierten Atmosphäre befüllt. Anschließend wird die Baugruppe 100 auf eine Temperatur im Bereich von ungefähr 800°C bis ungefähr 1.100°C erwärmt.
Diese erhöhte Temperatur wird während einer Haltezeit von beispielsweise ungefähr 1 Stunde bis ungefähr 6 Stunden gehalten.
Bei dieser Wärmebehandlung wird das Material der Beschichtung 116 im Bereich der Kontaktzone 104 der Bipolarplatte 102 oxidiert und bildet eine oxidkeramische Schutzschicht 122, welche bei einer Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstacks von ungefähr 800°C eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 0,01 S/cm aufweist.
Ferner verbindet sich das Material der Schutzschicht 118 während der Wärmebehandlung durch Ansintern mit dem Material der Kathode 110 der KEA-Einheit 112, so dass durch die Wärmebehandlung zugleich auch die erforderliche Anhaftung der Schutzschicht 118 an der Kathode 110 erzeugt wird.
Zur Verbesserung der Anhaftung der Schutzschicht 118 an der Kathode 110 kann auch vorgesehen sein, dass eine bei der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstacks von beispielsweise ungefähr 800°C elektrisch leitfähige Kontaktpaste beim Zusammenbau der Baugruppe 100 zwischen die der Kathode 110 zugewandten Kontaktflächen der Kontaktelemente 108 der Bipolarplatte 102 einerseits und die den Kontaktelementen 108 gegenüberliegenden Kontaktflächen der Kathode 110 andererseits eingebracht wird, welche bei der Wärmebehandlung, bei der die Schutzschicht 118 erzeugt wird, mit der Schutzschicht 118 und mit der Kathode 110 versintert.
Während der Wärmebehandlung zur Bildung der Schutzschicht 118 können gleichzeitig die Bipolarplatte 102 und das weitere Bauteil 114 der Baugruppe 100 an ihren (nicht dargestellten) Fügezonen, welche die jeweiligen Kontaktzonen 104 bzw. 124 umgeben, miteinander gefügt werden, insbesondere miteinander verlötet werden.
Nach dieser Wärmebehandlung ist die Baugruppe 100 betriebsfertig hergestellt.
Statt die Herstellung der Fügeverbindung in den Fügezonen der Bipolarplatte 102 und des weiteren Bauteils 114 und die Bildung der Schutzschicht 118 in der Kontaktzone 104 der Bipolarplatte 102 gleichzeitig, während einer einzigen Wärmebehandlung, durchzuführen, kann auch vorgesehen sein, dass die Herstellung der Fügeverbindung und die Bildung der Schutzschicht 118 in zwei nacheinander stattfindenden, voneinander getrennten Wärmebehandlungen durchgeführt werden.
Beispielsweise kann zuerst die Herstellung der Fügeverbindung in den Fügezonen (insbesondere durch Verlötung) bei einer oberhalb der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstacks liegenden Temperatur durchgeführt werden, und die Oxidation des Beschichtungsmaterials in der Kontaktzone 104 zu der Schutzschicht 118 kann bei der ersten Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstacks erfolgen, wenn der Oxidationsmittelraum 136 ohnehin mit Oxidationsmittel gefüllt wird.
Ferner ist es möglich, die Oxidation der Beschichtung 116 in der Kontaktzone 104 zur Bildung der Schutzschicht 118 bereits vor dem Zusammenbau der Baugruppe 100, nämlich gleich nach dem Umformvorgang zur Bildung der Kontaktelemente 108, durchzuführen.
In diesem Fall erfolgt die Verbindung der Schutzschicht 118 mit der Kathode 110, getrennt von der Erzeugung der Schutzschicht 118, unter Verwendung einer zwischen der Schutzschicht 118 und der Kathode 110 angeordneten Kontaktpaste, erst zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise bei der ersten Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstacks.
Das Beschichtungsmaterial wird vorzugsweise so ausgewählt, dass die aus der Beschichtung 116 im Bereich der Kontaktzone 104 der Bipolarplatte 102 gebildete Schutzschicht 118 einen an die anderen Komponenten des Brennstoffzellenstacks angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ungefähr 10·10^-6K^-1 bis ungefähr 13·10^-6K^-1 aufweist.
Außerdem wird das Beschichtungsmaterial so ausgewählt, dass die daraus durch Oxidation gebildete Schutzschicht 118 eine hinreichend große Chromrückhaltefähigkeit aufweist, um zu verhindern, dass aus dem Grundmaterial 120 der Bipolarplatte 102 zu der Kathode 110 gelangendes Chrom die Kathode 110 schädigt.
Wenn die Beschichtung 116 aus einem Edelmetall, beispielsweise Silber und/oder Gold, oder aus einer Legierung eines solchen Edelmetalls gebildet ist, weist die Beschichtung 116 im Bereich der Kontaktzone 104 bereits ohne weitere chemische Veränderung eine ausreichende Chromrückhaltefähigkeit auf; in diesem Fall entfällt somit der Verfahrensschritt der Oxidation der Beschichtung 116 zu einer Schutzschicht 118.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte (102) für einen Brennstoffzellenstack, umfassend folgenden Verfahrensschritt: Beschichten eines Grundmaterials (120) der Bipolarplatte (102) durch Plattieren mit einem Beschichtungsmaterial, das Eisen, Nickel, Kobalt, Mangan, Silber, Gold und/oder Kupfer und/oder eine Legierung von Eisen, eine Legierung von Nickel, eine Legierung von Kobalt, eine Legierung von Mangan, eine Legierung von Silber, eine Legierung von Gold und/oder eine Legierung von Kupfer umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundmaterial (120) ein Chromoxid bildender Stahl verwendet wird und dass als Beschichtungsmaterial eine Legierung verwendet wird, die Kobalt und Eisen, Mangan und/oder Nickel enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial einen Zusatz von Mangan, Niob, Nickel, Wolfram, Tantal, Molybdän und/oder Vanadium enthält.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtanteil von Mangan, Niob, Nickel, Wolfram, Molybdän, Tantal und Vanadium am gesamten Beschichtungsmaterial von ungefähr 0,02 Gewichtsprozent bis ungefähr 50 Gewichtsprozent beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial einen Zusatz von Lanthan, Cer, Yttrium, Zirkonium, Hafnium, Magnesium, Calcium, Titan und/oder Scandium enthält.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtanteil von Lanthan, Cer, Yttrium, Zirkonium, Hafnium, Magnesium, Calcium, Titan und Scandium am Beschichtungsmaterial von ungefähr 0,01 Gewichtsprozent bis ungefähr 15 Gewichtsprozent beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Legierung der Zusammensetzung Co_3-xMe_x, mit 0 < x ≤ 2, verwendet wird, wobei Me ein metallisches Element oder eine Kombination mehrerer metallischer Elemente ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Legierung der Zusammensetzung Co_3-xMe_x, mit 0,5 ≤ x ≤ 1, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial (120) durch Aufplattieren mehrerer Schichten mit dem Beschichtungsmaterial versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial zumindest teilweise oxidiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial (120) der Bipolarplatte (102) nach der Beschichtung mit dem Beschichtungsmaterial und vor der zumindest teilweisen Oxidation des Beschichtungsmaterials umgeformt wird, um an der Bipolarplatte (102) Kontaktelemente (108) zur Kontaktierung einer Elektrode (110) einer Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit (112) eines Brennstoffzellenstacks auszubilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest teilweise Oxidation des Beschichtungsmaterials durch eine Erwärmung der Bipolarplatte (102) nach deren Einbau in einen Brennstoffzellenstack erfolgt.
Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstack, umfassend - ein Grundmaterial (120); und - eine auf das Grundmaterial (120) aufplattierte Beschichtung (116) aus einem Beschichtungsmaterial, das Eisen, Nickel, Kobalt, Mangan, Silber, Gold und/oder Kupfer, eine Legierung von Eisen, eine Legierung von Nickel, eine Legierung von Kobalt, eine Legierung von Mangan, eine Legierung von Silber, eine Legierung von Gold und/oder eine Legierung von Kupfer und/oder ein Oxid von Eisen, Nickel, Kobalt, Mangan und/oder Kupfer enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial (120) ein Chromoxid bildender Stahl ist und dass das Beschichtungsmaterial eine Legierung ist, die Kobalt und Eisen, Mangan und/oder Nickel enthält.
Bipolarplatte nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial einen Zusatz von Mangan, Niob, Nickel, Wolfram, Tantal, Molybdän und/oder Vanadium enthält.
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial einen Zusatz von Lanthan, Cer, Yttrium, Zirkonium, Hafnium, Magnesium, Calcium, Titan und/oder Scandium enthält.