DE102011120556A1

DE102011120556A1 - Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102011120556A1
Application number: DE102011120556A
Authority: DE
Inventors: Ümit Akay; Christian Martin Erdmann; Jan Peter Heinemann; Helmut Traiser
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2031-12-09
Also published as: DE102011120556B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte (1) eine Beschichtung (7) aufweist, die eine Deckschicht (4) umfasst, die eine gefärbte Metallschicht ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Bipolarplatte (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte eine Beschichtung aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Bipolarplatte.
Bipolarplatten, die auch als Separatorplatten bezeichnet werden, sind wesentliche Bestandteile von Brennstoffzellen. Bipolarplatten sind häufig metallisch ausgeführt. Um eine hohe Leistungsdichte und eine hohe Haltbarkeit zu erzielen, werden metallische Bipolarplatten oft mit einer mehrlagigen Beschichtung versehen. Meistens besteht die Deckschicht dabei aus einem Edelmetall, des einen hohen Korrosionswiderstand und einen geringen elektrischen Widerstand aufweist. Beispielsweise besteht die Deckschicht aus Iridium.
DE 103 15 796 A1 offenbart eine Membran zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle, die mit Katalysatorschichten auf beiden Seiten der Membranoberfläche beschichtet ist. Dabei ist eine erste Komponente auf der Stirnfläche der Membran befestigt und eine zweite Komponente ist auf der Rückfläche der Membran befestigt, wobei die beiden Komponenten verschiedene Farben aufweisen.
DE 602 18 747 T2 offenbart eine Brennstoffzelle, die mit einem Abfragecode, einem speziellen Informationsindikator, einem speziellen Informationsidentifizierungselement oder einem Datenspeichermedium gekennzeichnet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte beschichtete Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle anzugeben. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren Zur Herstellung einer derartigen Bipolarplatte anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Bipolarplatte durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung einer Bipolarplatte durch die Merkmale des Anspruchs 5 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle weist eine Beschichtung auf, die als Deckschicht eine gefärbte Metallschicht umfasst.
Durch die Färbung der Deckschicht können beschichtete Bipolarplatten leicht von unbeschichteten Bipolarplatten unterschieden werden. Dadurch kann auf einfache Weise vermieden werden, dass versehentlich unbeschichtete Bipolarplatten in Brennstoffzellen eingebaut werden. Insbesondere verbessert diese Kennzeichnung beschichteter Bipolarplatten die Qualitätssicherung bei der Serienfertigung von Brennstoffzellenstapeln mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen, indem sie die Gefahr einer Verwechselung von unbeschichteten und beschichteten Bipolarplatten und damit die Produktion von kostspieligem Ausschuss bei der Produktion reduziert. Die kennzeichnende Färbung der Deckschicht ist besonders vorteilhaft, wenn sich die Farbe des Metalls der Deckschicht nicht oder nur wenig von der Farbe einer unbeschichteten Bipolarplatte unterscheidet, da die Gefahr einer Verwechselung von unbeschichteten und beschichteten Bipolarplatten dann besonders groß ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Deckschicht mit Farbpigmenten gefärbt.
Die Färbung der Deckschicht mit Farbpigmenten ist besonders vorteilhaft, da die Farbpigmente die elektrochemischen und physikalischen Eigenschaften der Deckschicht gar nicht oder nur wenig beeinträchtigen und sich daher höchstens in geringem Maße auf die Funktion der Brennstoffzellen auswirkt.
Dabei haben die Farbpigmente vorzugsweise eine andere Farbe als das Metall der Deckschicht.
Dies ermöglicht es vorteilhaft, unbeschichtete und beschichtete Bipolarplatten voneinander zu unterscheiden, wenn sich die Farbe des Metalls der Deckschicht nicht oder nur wenig von der Farbe einer unbeschichteten Bipolarplatte unterscheidet.
Das Metall der Deckschicht ist vorzugsweise ein Edelmetall.
Edelmetalle sind besonders korrosionsbeständig und eignen sich daher in besonderem Maße als Material der Deckschicht einer Bipolarplatte, da diese vor allem in ihren elektrochemisch aktiven Bereichen besonders korrosionsgefährdet ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle wird zunächst eine unbeschichtete Bipolarplatte hergestellt und diese danach beschichtet, wobei die Beschichtung eine metallische Deckschicht umfasst und wenigstens die Deckschicht der Beschichtung gefärbt wird. Vorzugsweise wird die Deckschicht der Beschichtung dabei mit Farbpigmenten gefärbt. Dies ermöglicht die Herstellung von Bipolarplatten mit den bereits erwähnten Vorteilen.
Die Farbpigmente und das Metall der Deckschicht werden bei der Beschichtung der Bipolarplatte vorzugsweise gleichzeitig aufgebracht. Dadurch können die Farbpigmente besonders vorteilhaft in der Deckschicht verteilt werden, ohne die elektrochemischen und physikalischen Eigenschaften des Metalls der Deckschicht wesentlich zu beeinträchtigen.
Alternativ werden die Farbpigmente bei der Beschichtung der Bipolarplatte vor oder nach dem Metall der Deckschicht aufgebracht. Diese Art des Aufbringens der Farbpigmente wird in Fällen bevorzugt, in denen ein gleichzeitiges Aufbringen der Farbpigmente und des Metalls der Deckschicht nicht möglich ist oder zu aufwändig ist.
Vorzugsweise werden die Farbpigmente der Deckschicht bei der Beschichtung der Bipolarplatte mittels einer physikalischen oder chemischen Gasphasenabscheidung aufgebracht. Ferner wird das Metall der Deckschicht bei der Beschichtung der Bipolarplatte vorzugsweise mittels einer physikalischen oder chemischen Gasphasenabscheidung aufgebracht. Dabei können zum Aufbringen der Farbpigmente und des Metalls insbesondere das gleiche oder verschiedene Gasphasenabscheidungsverfahren verwendet werden.
Der Begriff der physikalischen Gasphasenabscheidung bezeichnet eine Gruppe von vakuumbasierten Beschichtungsverfahren bzw. Dünnschichttechnologien. Dabei wird das abzuscheidende Ausgangsmaterial mithilfe eines physikalischen Verfahrens in die Gasphase überführt. Das gasförmige Material wird anschließend zum zu beschichtenden Substrat geführt, wo es kondensiert und die Zielschicht bildet. Das abzuscheidende Material liegt dabei in fester Form in der meist evakuierten Beschichtungskammer vor. Durch den Beschuss mit Laserstrahlen, magnetisch abgelenkten Ionen oder Elektronen oder durch Lichtbogenentladung wird das abzuscheidende Material verdampft, wobei der Anteil an Atomen, Ionen oder größeren Clustern im Dampf von dem verwendeten Verfahren abhängt. Das verdampfte Material bewegt sich entweder ballistisch oder durch elektrische Felder geführt durch die Kammer und trifft dabei auf die zu beschichtenden Teile, wo es zur Schichtbildung kommt.
Unter dem Begriff der chemischen Gasphasenabscheidung versteht man eine Gruppe von Beschichtungsverfahren, welche unter anderem bei der Herstellung von mikroelektronischen Bauelementen eingesetzt werden. An der erhitzten Oberfläche eines zu beschichtenden Substrates wird aufgrund einer chemischen Reaktion aus der Gasphase eine Feststoffkomponente des abzuscheidenden Materials abgeschieden. Voraussetzung hierfür ist, dass flüchtige Verbindungen der Schichtkomponenten existieren, die bei einer bestimmten Reaktionstemperatur die feste Schicht abscheiden. Das Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung zeichnet sich durch mindestens eine Reaktion an der Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks aus. An dieser Reaktion müssen mindestens eine gasförmige Ausgangsverbindung (Edukt) und mindestens zwei Reaktionsprodukte – davon mindestens eines in der festen Phase – beteiligt sein. Um gegenüber konkurrierenden Gasphasen-Reaktionen jene Reaktionen an der Oberfläche zu fördern und damit die Bildung von festen Partikeln zu vermeiden, werden Prozesse chemischer Gasphasenabscheidung zumeist bei reduziertem Druck betrieben (typisch: 1 Pa bis 1000 Pa). Eine besondere Eigenschaft des Verfahrens ist die konforme Schichtabscheidung. Im Unterschied zu physikalischen Verfahren ermöglicht die chemische Gasphasenabscheidung auch die Beschichtung von komplex dreidimensional geformten Oberflächen. So können z. B. feinste Vertiefungen in Wafern oder auch Hohlkörper auf ihrer Innenseite gleichmäßig beschichtet werden. Ein präzises Abscheiden kann auch mit Hilfe von fokussierten Elektronen- oder Ionenstrahlen erreicht werden. Die geladenen Elektronen bzw. Ionen bewirken, dass sich die im Gas gelösten Stoffe an den angestrahlten Stellen abscheiden. Solche Elektronenstrahlen können beispielsweise mit einem Synchrotron erzeugt werden.
Im vorliegenden Fall ist das abzuscheidende Material bei physikalischer oder chemischer Gasphasenabscheidung das Farbpigmentmaterial und/oder das Metall der Deckschicht, welche gleichzeitig oder nacheinander verdampfen und der Bipolarplatte zugeführt werden.
Die physikalische und die chemische Gasphasenabscheidung erlauben vorteilhaft eine präzise und gleichmäßige Aufbringung der Farbpigmente und/oder des Metalls der Deckschicht einer Bipolarplatte. Welches Verfahren vorzugsweise verwendet wird oder ob eine Kombination beider Verfahren verwendet wird, hängt insbesondere von den eingesetzten Materialen und der Form der Bipolarplatten ab.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Babel zeigt:
1 schematisch und ausschnittsweise eine Schnittdarstellung einer beschichteten Bipolarplatte.
1 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Bipolarplatte 1 für eine Brennstoffzelle in einer Schnittdarstellung. Die Bipolarplatte 1 umfasst zwei Elektrodenplatten, von denen exemplarisch nur eine ausschnittsweise dargestellt ist. Die Elektrodenplatte weist eine metallische Grundplatte 2 auf, die als ein Stahlblech ausgebildet ist. Die Grundplatte 2 ist mit einer Beschichtung 7 beschichtet, die aus einer ersten Schicht 3 und einer Deckschicht 4 besteht. Die Deckschicht 4 ist eine mit Farbpigmenten 5 gefärbte Metallschicht, wobei sich das Metall 6 der Deckschicht 4 farblich kaum von der Grundplatte 2 unterscheidet. Das Metall 6 der Deckschicht 4 ist vorzugsweise ein Edelmetall, z. B. Iridium.
Die Farbpigmente 5 der Deckschicht 4 haben eine andere Farbe als das Metall 6 der Deckschicht 4 und die Grundplatte 2, so dass sich die durch die Farbpigmente 5 gefärbte Deckschicht 4 farblich deutlich von der Grundplatte 2 unterscheidet. Auf diese Weise können beschichtete Bipolarplatten 1 einfach von unbeschichteten Bipolarplatten 1 unterschieden werden, wodurch ein versehentlicher Einbau unbeschichteter Bipolarplatten 1 im Fertigungsprozess von Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapeln vorteilhaft reduzierbar ist.
Bei der Herstellung der Bipolarplatte 1 werden die Farbpigmente 5 und das Metall 6 der Deckschicht 4 gleichzeitig mittels einer physikalischen Gasphasenabscheidung auf die erste Schicht 3 aufgebracht.
In einem alternativen Herstellungsverfahren werden die Farbpigmente 5 und das Metall 6 gleichzeitig mittels einer chemischen Gasphasenabscheidung auf die erste Schicht 3 aufgebracht.
In einem weiteren alternativen Herstellungsverfahren werden die Farbpigmente 5 und das Metall 6 nacheinander jeweils mittels einer chemischen oder physikalischen Gasphasenabscheidung auf die erste Schicht 3 aufgebracht.
Bezugszeichenliste

1: Bipolarplatte
2: Grundplatte
3: erste Schicht
4: Deckschicht
5: Farbpigment
6: Metall
7: Beschichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10315796 A1 [0003]
DE 60218747 T2 [0004]

Claims

Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte (1) eine Beschichtung (7) aufweist, die eine Deckschicht (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (4) eine gefärbte Metallschicht ist.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (4) mit Farbpigmenten (5) gefärbt ist.
Bipolarplatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbpigmente (5) eine andere Farbe als das Metall (6) der Deckschicht (4) haben.
Bipolarplatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall (6) der Deckschicht (4) ein Edelmetall ist.
Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, wobei zunächst eine unbeschichtete Bipolarplatte (1) hergestellt wird und diese danach mit einer Beschichtung (7) beschichtet wird, wobei die Beschichtung (7) eine metallische Deckschicht (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Deckschicht (4) der Beschichtung (7) gefärbt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (4) der Beschichtung (7) mit Farbpigmenten (5) gefärbt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbpigmente (5) und das Metall (6) der Deckschicht (4) bei der Beschichtung der Bipolarplatte (1) gleichzeitig aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbpigmente (5) bei der Beschichtung der Bipolarplatte (1) vor oder nach dem Metall (6) der Deckschicht (4) aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbpigmente (5) der Deckschicht (4) bei der Beschichtung der Bipolarplatte (1) mittels einer physikalischen oder chemischen Gasphasenabscheidung aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall (6) der Deckschicht (4) bei der Beschichtung der Bipolarplatte (1) mittels einer physikalischen oder chemischen Gasphasenabscheidung aufgebracht wird.