DE102014113736A1

DE102014113736A1 - Elektrodenplatte mit Oberflächenkontaktschicht und Verfahren sowie Vorrichtung zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102014113736A1
Application number: DE102014113736.1A
Authority: DE
Inventors: Maik Vieluf; Carsten Deus; Ekkehart Reinhold; Jörg Faber
Original assignee: Von Ardenne GmbH
Current assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Priority date: 2014-05-21
Filing date: 2014-09-23
Publication date: 2015-11-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein PVD-Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Elektrodenplatte 1 bestehend aus einer metallischen Trägerplatte 2, welche zumindest einseitig eine leitfähige Oberflächenkontaktschicht 4 aufweist. Um zumindest bei gleichen elektrischen und Korrosionseigenschaften effizientere Herstellungsmöglichkeiten insbesondere für die großindustrielle Produktion zu erzielen, wird die Oberflächenkontaktschicht 4 aus einer leitfähigen metallbasierten Grundschicht 5 und darüber einer Kohlenstoffkontaktschicht 6 abgeschieden, wobei die Grundschicht 5 und/oder die Kohlenstoffkontaktschicht 6 mittels EB-PVD mit Ionenunterstützung abgeschieden wird. Die Ionenunterstützung erfolgt mittels Plasmaaktivierung des Dampfes der betreffenden Schicht oder Schichten oder mittels Ionenbeschuss der Trägerplatte 2.

Description

Die Erfindung betrifft ein PVD-Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Elektrodenplatte, bestehend aus einer metallischen Trägerplatte, welche zumindest einseitig eine leitfähige Oberflächenkontaktschicht aufweist.
Derartige Elektrodenplatten werden in verschiedensten Anwendungen benötigt, beispielsweise für energieumwandelnde Systeme, wie Brennstoffzellen, Batterien oder Elektrolysebaugruppen. Sie haben dabei eine Mehrzahl von Funktionen zu erfüllen, die sich mitunter einander entgegenstehen. So sollen die Elektrodenplatten für einen möglichst hohen Leistungsausgang und Langlebigkeit eine gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit, einen geringen Oberflächenkontaktwiderstand aufweisen. Sehr häufig soll die Elektrodenplatte auch eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit insbesondere auch in sauren Medien haben, um die Verwendbarkeit und insbesondere die elektrischen Eigenschaften langfristig zu erhalten. Außerdem ist eine hohe mechanische und thermische Stabilität erforderlich. In Brennstoffzellen müssen sie zudem den Anforderungen an das Wasser-, Gas- und Wärmemanagement in der bzw. durch die Zelle genügen und die strukturelle Basis für die Zelle bilden. Ein weiteres fortwährendes Erfordernis besteht in der kosteneffizienten und damit großindustriellen Herstellung.
Gegenwärtig werden bevorzugt metallische Trägerplatten verwendet, die mit bekannten und kostengünstigen Methoden auch für große Stückzahlen eine variable Gestaltung in Geometrie und Design für das jeweilige Anwendungsgebiet gestatten. Verwendet werden dafür häufig Edelstahl in verschiedenen Zusammensetzungen, Chrom, Aluminium, Titan, Nickel, Molybdän und Legierungen davon oder metallbasierte Komposite, wobei den eisenbasierten Legierungen gegenüber den Edelmetallen aufgrund der geringeren Kosten meist der Vorzug gegeben wird.
Zur Reduzierung des Oberflächenkontaktwiderstandes haben sich Oberflächenkontaktschichten etabliert, die gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit der Elektrodenplatte gegenüber dem umgebenden Medium verbessern, beispielsweise Beschichtungen von Edelmetallen, Metallcarbiden und Metallnitriden. Diese werden derzeit jedoch nicht mit der gewünschten Kosteneffizienz abgeschieden und/oder sie erreichen nicht die gewünschten Werte des Oberflächenkontaktwiderstands. Auch die gute und unter den chemischen und thermischen Anwendungsbedingungen langlebige Haftung ist zu berücksichtigen. So zeigen zwar Gold-, Silber- oder Platinschichten eine gute chemische Beständigkeit und Haftung auf Edelstahlträgerplatten. Jedoch weisen dünne Schichten Agglomerationen auf, die den Oberflächenkontaktwiderstand inakzeptabel vermindern. Dickere Schichten hingegen sind für die großindustrielle Produktion zu teuer.
Alternativ wird die korrosionsverbessernde Eigenschaft von Kohlenstoff in Metallcarbid-Beschichtungen beschrieben. So erzielt B. Wu et al. in „Chromium-containing carbon film on stainless steel as bipolar plates of polymer exchange membrane fuel cells", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 35, No. 24, PP. 13255–13261, 2010, mit Chrom enthaltenden Kohlenstoffschichten sehr gute Korrosionswerte und Werte für den Oberflächenkontaktwiderstand bis zu 2,8 mΩ cm². Letztere zeigte nach Korrosionstests jedoch eine Erhöhung um das zwei- bis 3-fache. Bezüglich der angegebenen Werte des Oberflächenkontaktwiderstands ist zu berücksichtigen, dass ein Vergleich mit fremden Messungen nur überblicksmäßig möglich ist, da diese Werte in hohem Maß von den aktuellen Messbedingungen und der verwendeten Messvorrichtung abhängen.
In der EP 1094 535 A1 werden verschiedene Oberflächenkontaktschichten mit sehr unterschiedlichen Beschichtungsmethoden aufgetragen, wobei häufig langlebige und korrosionsbeständige Beschichtungen deren kosteneffizienter Herstellung entgegenstanden oder nicht die gewünschten Werte für den Oberflächenkontaktwiderstand erzielt wurden. Auf die Kosteneffizienz haben, neben den Ausgangsprodukten des Verfahrens, in hohem Maße auch die Abscheiderate Einfluss. So ist es bekannt, dass von den PVD-Verfahren die Bedampfung, und besonders die Elektronenstrahlbedampfung hohe Abscheideraten liefert, die im Vergleich zum Magnetronsputtern als eine Hochratesputtermethode bis zu zwei Größenordnungen höher liegen können. Hingegen werden beim Sputtern dichtere und damit beständigere Schichten mit günstigeren Oberflächeneigenschaften erzielt.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde ein PVD-Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung einer solchen Elektrodenplatte anzugeben, mit im Vergleich zu den bekannten Elektrodenplatten zumindest gleichen elektrischen und Korrosionseigenschaften und effizienteren Herstellungsmöglichkeiten insbesondere für die großindustrielle Produktion.
Die Aufgabe wird durch ein Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 und die dazu geeignete Vorrichtung nach Anspruch 7 gelöst. Die jeweils darauf bezogenen abhängigen Ansprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.
Erfindungsgemäß wird die Oberflächenkontaktschicht der Elektrodenplatte auf der metallischen Trägerplatte in einer Vakuumbeschichtungsanlage hergestellt, indem zunächst eine leitfähige, metallbasierte Grundschicht auf der Trägerplatte und darüber eine Kohlenstoffkontaktschicht abgeschieden werden. Die Abscheidung erfolgt dabei mittels Elektronenstrahlvakuumbedampfung, hier auch als EB-PVD bezeichnet, mit Ionenunterstützung, wobei es sich herausgestellt hat, dass bereits bei der Abscheidung einer der beiden Schichten mittels ionenunterstützter Elektronenstrahlvakuumbedampfung die gewünschten Eigenschaften der Elektrodenplatte erzielbar sind.
Mit einer derart abgeschiedenen Oberflächenkontaktschicht wird der geringe Oberflächenkontaktwiderstand und die hohe Korrosionsbeständigkeit von Kohlenstoffschichten genutzt und mittels der zwischen der Kohlenstoffkontaktschicht und der Trägerplatte angeordneten leitfähigen metallbasierten Grundschicht anwendbar für metallische Trägerplatten, insbesondere auch für Edelstahlplatten. Insbesondere hat es sich herausgestellt, dass die beiden Schichten in Kombination miteinander zu einer haftfesten Oberflächenkontaktschicht mit der gewünschten hohen Leitfähigkeit und vergleichsweise deutlich verringerten Oberflächenkontaktwiderstand führen.
Als metallbasierte Grundschicht sind entsprechend der Verwendung und der Gestaltung der Elektrodenplatte und der damit verbundenen Anforderungen an den Herstellungsprozess, z.B. hinsichtlich Material und Form der Trägerplatte, und an die Einsatzbedingungen, z.B. hinsichtlich thermisch, chemischer oder mechanischer Belastungen, verschiedene Materialien verwendbar, soweit diese leitfähig sind. So sind bevorzugt Metalle aus der Gruppe Cu, Al, Ni, Cr, Sn, Pt, Au, Ag, Zr, Ti oder eine Metalllegierung mit zumindest einem dieser Metalle als wesentlichen Bestandteil verwendbar. In Kombination mit einer Edelstahlträgerplatte hat sich Titan als Grundschicht als vorteilhaft erwiesen. Auch Metallnitride aus der Gruppe TiN, TiN_x, CrN, Cr₂N, CrN_x, NbN, NbN_x, NbCrN, NbCr_xN_y oder Metallkarbide aus der Gruppe TiC, TiC_x, CrC_x sind verwendbar, wobei die Koeffizienten x und y unterstöchiometrische Verbindungen kennzeichnen, welche die Korrosionsbeständigkeit der Elektrodenplatte unterstützen. Über der Grundschicht ist die Kohlenstoffkontaktschicht angeordnet.
Die Schichtdicken der Grundschicht liegen je nach Material und Anwendungsgebiet im Bereich von 50 nm bis 250 nm, für die Metalle bevorzugt im Bereich von 100 nm bis 200 nm. Die Schichtdicke der darüber liegenden Kohlenstoffkontaktschicht liegt im Bereich 20 nm bis 100 nm, bevorzugt 20 nm bis 80 nm.
Optional kann zwischen der Grundschicht und der Kohlenstoffkontaktschicht eine Zwischenschicht angeordnet, welche die Materialien der Grundschicht und der Kohlenstoffkontaktschicht in gradierten Anteilen aufweist. Eine derartige Gradientenschicht wirkt als Interfaceschicht stressmindernd und kann die Langlebigkeit der Elektrodenplatte erhöhen.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare Elektrodenplatte gestattet insbesondere die Anwendbarkeit in einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle, in der wie eingangs dargelegt die Anforderungen an die chemische, mechanische und thermische Stabilität besonders hoch sind, auch aufgrund der geprägten Trägerplatte, über die die Gaszuführungen in der Zelle realisiert ist. Hier kann die Elektrodenplatte beispielsweise als Bipolarplatte im Inneren des Stapels verwendet werden.
Eine Elektronenstrahlvakuumbedampfung ist ein bekanntes Verfahren, bei welchem das zu verdampfende Beschichtungsmaterial in einem offenen Tiegel durch einen Elektronenstrahl auf eine hinreichend hohe Temperatur erwärmt wird, wodurch sich das verdampfte Material in einer charakteristischen räumlichen Verteilung, häufig als Dampfwolke oder Dampfkeule bezeichnet, ausbreitet und auf der gegenüberliegenden Trägerplatte niederschlägt.
Während der Abscheidung von zumindest einer der genannten beiden Schichten erfolgt eine Ionenunterstützung derart, dass entweder der Dampf des Beschichtungsmaterials aktiviert wird oder die Trägerplatte mit Ionen beschossen wird.
Im ersten Fall erfolgt die Aktivierung des dampfförmigen Beschichtungsmaterials mittels Heißkathodenbogenentladung, einer im Dampf brennenden diffusen Bogenentladung (in englischsprachiger Literatur häufig als Spotless arc-activated Deposition – SAD-Process – bezeichnet). Das Prinzip des SAD-Prozesses beruht darauf, dass unter bestimmten Prozessrandbedingungen aus einem mittels Elektronenstrahl erzeugten Verdampfungsspot ein Plasma gezündet werden kann, wenn die Sekundärelektronen, d.h. die thermisch angeregten und die Rückstreu-Elektronen, in Richtung eines positiven Potentials (Anode) mit einer bestimmten, durch die Beschleunigungsspannung eingestellten Energie, beschleunigt werden. Dabei zündet sich ein diffuser Lichtbogen, der im selbsterzeugten Dampf brennt. Über die Höhe der Beschleunigungsspannung kann der Wechselwirkungsquerschnitt, d.h. der Ionisierungsgrad nahezu beliebig eingestellt werden. Durch eine gezielte Einstellung der Prozessrandbedingungen, wie Beschleunigungsspannung, Druck, Temperatur, Elektronenstrahlleistung, usw. können zudem die Schichteigenschaften verbessert werden. Beispielsweise können Schichten mit einer dichten Mikrostruktur, glatten Oberfläche und hohen Härte hergestellt werden, aber auch Verbindungsschichten durch eine Erhöhung der Reaktivität im Prozess. Auf diese Weise können die vorteilhaften Schichtstrukturen, wie sie vom Sputtern bekannt sind, mit der effizienten Abscheidung kombiniert werden.
Auch die Ionenunterstützung der EB-PVD mittels Ionenbeschuss der Trägerplatte führt zu vergleichbar dichteren Schichten, da der Beschuss zum Rücksputtern solcher Schichtpartikel führt, die eine geringe Bindung aufweisen, so dass auch in dieser Variante die Vorteile der EB-PVD mit denen der Abscheidung energiereicher Partikel verknüpft werden können. Zur Realisierung dieser Alternative kann beispielsweise eine konventionelle Ionenquelle oder auch Ionenkanone mit dem EB-PVD-Prozess kombiniert werden. Darüber hinaus können auch positiv geladene Ionen mittels einer Hohlkathodenbogenentladung (Hollow Cathode Arc-activated deposition – HAD) erzeugt werden, die den Elektronenstrahlverdampfungsprozess wirksam unterstützen. In allen drei Ausführungsformen kann zur Erhöhung der Abtragrate schwach-gebundener Teilchen das elektrische Potential zwischen Ionenquelle und Substrat entsprechend verändert werden. Die Bereitstellung der Ionen kann dabei sehr vielfältig sein; sie ist stark durch die in Verwendung kommenden Ionisierungsarten geprägt und damit bauformabhängig.
Die beiden alternativen Verfahrensvarianten können auf jede der beiden Schichten der Oberflächenkontaktschicht angewendet werden, so dass eine Optimierung hinsichtlich Oberflächenkontaktwiderstand und Leitfähigkeit mit Korrosionsbeständigkeit und Kosteneffizienz in Abhängigkeit von den verwendete Materialien erfolgen kann. Da sich herausgestellt hat, dass sich die Ionenunterstützung mittels SAD-Prozess besonders auf eine metallische Grundschicht, insbesondere eine Titanschicht, positiv auswirkt, wird das SAD-unterstützte Verfahren besonders für diese Anwendung genutzt. Es ist aber ebenso für die oben genannten anderen Materialien der Grundschicht sowie die Kohlenstoffkontaktschicht anwendbar. Das ionenunterstütze Verfahren ist gleichermaßen für die Grundschicht wie auch für die Kohlenstoffkontaktschicht vorteilhaft.
Die jeweils andere, ohne Ionenunterstützung abgeschiedene Schicht der Oberflächenkontaktschicht kann mit den bekannten PVD-Verfahren hergestellt werden, beispielsweise mittels Sputtern oder EB-PVD, so dass Anlagen- und Energieaufwand vermindert werden kann. Grundsätzlich ist es auch möglich, Grund- und Kohlenstoffkontaktschicht mit Ionenunterstützung abzuscheiden.
Von Vorteil erweist es sich weiter, wenn die Abscheidung zumindest einer der Schichten der Oberflächenkontaktschicht mit einer Erwärmung der Trägerplatte kombiniert wird. Eine Erwärmung ist aus dem Stand der Technik für den Stressabbau in einer Schichtenfolge oder zur Beeinflussung der Schichtstruktur bekannt. In Kombination mit dem erfindungsgemäßen Verfahren darüber hinaus können die damit erzielbaren Effekte verstärkt und gesichert werden, wenn eine Erwärmung der Trägerplatte vor oder während der Beschichtung erfolgt. Dabei kann die Erwärmung sowohl mit dem ionengestützen als auch mit den anderen genannten Beschichtungsverfahren kombiniert werden sowie mit einer Erwärmung nach der Beschichtung.
Entsprechen alternativer Ausgestaltungen des Verfahrens kann die Erwärmung mittels Wärmestrahlung oder mittels Elektronenbeschuss der Trägerplatte oder mittels Ionenbeschuss von einem Wärmestrahler oder einer Elektronenquelle oder einer Ionenquelle erfolgen, wobei in den beiden letzteren Fällen die vorhandenen Vorrichtungen verwendbar sind. Auch eine Kombination mehrerer dieser alternativen Erwärmungen ist möglich. Die Trägerplatten werden auf eine Temperatur im Bereich von 100°C bis 500°C erwärmt, bevorzugt von 150°C bis 400°C, weiter bevorzugt von 200°C bis 300°C.
Zur Herstellung einer Elektrodenplatte, deren Oberflächenkontaktschicht eine Gradientenschicht zwischen Grundschicht und Kohlenstoffkontaktschicht aufweist, kann die bekannte Co-Verdampfung verwendet werden, bei der die beiden Materialien in separaten Beschichtungsvorrichtungen verdampft werden und sich die Dampfkeulen vermischen. Erfindungsgemäß erfolgt die Vermischung beider Dampfkeulen erst in Nähe der Trägerplatte. Das heißt, dass die Verdampfungseinrichtungen räumlich voneinander soweit getrennt sind, dass sich die Dampfkeulen erst in einem vordefinierten Abstand „sehen“. Der Abstand zwischen räumlicher Trennung und Trägerplatte wird dabei von der gewünschten Gradierung und der Dicke der Gradientenschicht bestimmt. Ein größerer Abstand führt bei gleicher Beschichtungsrate zu einer stärkeren Gradierung und im Durchlaufverfahren zu einer größeren Schichtdicke im Verhältnis zu den benachbarten Schichten und umgekehrt.
Alternativ kann die Gradientenbildung mittels Diffusion der beiden abgeschiedenen Beschichtungsmaterialien jeweils in die andere Schicht erfolgen. Dafür kann ein Energieeintrag, insbesondere eine Erwärmung der beschichteten Trägerplatte in die Oberflächenkontaktschicht während oder nach der Abscheidung der Kohlenstoffkontaktschicht genutzt werden. Auch hier ist Tiefe und Intensität der Durchmischung durch die Wahl des Zeitpunkts des Energieeintrags und dessen Intensität variierbar.
Eine zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendbare Vorrichtung weist in einer Vakuumkammer zumindest zwei Beschichtungsvorrichtungen, je eine für die Grundschicht und die Kohlenstoffkontaktschicht, zur Erzeugung je einer Beschichtungsquelle der abzuscheidenden Beschichtungsmaterialien auf. Weiter umfasst sie eine Substrathalterung zur Anordnung einer Trägerplatte oder mehrerer davon gegenüber jeder Beschichtungsquelle für die Abscheidung des jeweiligen Beschichtungsmaterials. Für die ionenunterstützende Komponente des Verfahrens ist zumindest eine Beschichtungsvorrichtung ein Elektronenstrahlverdampfer deren Beschichtungsquelle eine Ionisierungsvorrichtung zugeordnet ist, mit welcher alternativ das in der betreffenden Beschichtungsquelle verdampfte Beschichtungsmaterial ionisiert oder die Trägerplatte in zumindest einem Abschnitt im der Beschichtungsquelle zugehörigen Beschichtungsbereich mit Ionen beschossen werden kann.
Zur Ionisierung des Dampfes mittels SAD-Prozess umfasst die Beschichtungsvorrichtung zwischen dem Verdampfungsgut und Trägerplatte eine Hilfselektrode zum Zünden einer Entladung zwischen Hilfselektrode und Dampfquelle.
Zur Ionenunterstützung mittels Ionenbeschuss wird erfindungsgemäß eine Ionenquelle in Form einer Ionenkanone oder Hohlkathode in den EB-PVD-Prozessraum mündend angeordnet. Dazu wird der Ausgang der Ionenquelle mit einem Flansch an der Kammerwandung der Vakuumkammer montiert.
Entsprechend der oben dargelegten alternativen Verfahrenskombinationen mit anderen Beschichtungsverfahren kann die zweite Beschichtungsvorrichtung eine Sputtervorrichtung sein oder einen weiteren Elektronenstrahlverdampfer aufweisen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die zugehörigen Figuren zeigen in
1 ein Abschnitt einer erfindungsgemäßen Elektrodenplatte mit Oberflächenkontaktschicht und
2 ein Abschnitt einer Durchlaufbeschichtungsanlage mit Behandlungs- und Beschichtungsstationen zur Abscheidung der Oberflächenkontaktschicht gemäß 1.
Die Elektrodenplatte 1 in 1 ist eine Bipolarplatte einer PEM-Brennzelle. Sie umfasst eine Trägerplatte 2 aus Edelstahl, die mittels Prägungen hergestellte Kanäle 3 für die Zufuhr und Verteilung von Wasserstoff und Sauerstoff aufweist und als „Elektronensammler“ dient. Auf der dargestellten Oberfläche der Trägerplatte 2 ist eine Oberflächenkontaktschicht 4 abgeschieden, die aus einer die gesamte Oberfläche, einschließlich der Wandungen der Kanäle 3, konform bedeckende Grundschicht 5 aus Titan und einer die Grundschicht 5 konformen bedeckenden Kohlenstoffkontaktschicht 6 besteht.
2 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung der Oberflächenkontaktschicht 4. Dargestellt ist eine Vakuumkammernfolge 7, in deren einzelnen Vakuumkammern mittels nicht näher dargestellter Vakuumerzeugungseinrichtungen ein dem jeweiligen Teilprozess angepasstes Vakuum hergestellt wird. Durch die Vakuumkammernfolge 7 werden Substrate 2, im Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von in Substratträgern (nicht dargestellt) gehaltenen Trägerplatten 2 mit einer konstanten Geschwindigkeit in einer Substrattransportrichtung 8 bewegt wird. Die Vakuumkammernfolge 7 umfasst eine erste und nachfolgend eine zweite Vorbehandlungskammer 9, die sich an zumindest eine, nicht näher dargestellte Schleusen- und/oder Pufferkammer anschließen. In beiden Vorbehandlungskammern 9 wird das Substrat 2 einer Vorbehandlung unterzogen, um die Haftfähigkeit und die funktionellen Eigenschaften der nachfolgend abgeschiedenen Schicht zu optimieren.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel passiert das Substrat 2 in der ersten Vorbehandlungskammer 9 eine Ionenquelle 8, von der ein Ionenstrahl auf die noch unbeschichtete Oberfläche des Substrats 2 gerichtet ist, und in der zweiten Vorbehandlungskammer 9 einen Wärmestrahler 11, mit dem das Substrat 2 auf eine Temperatur im Bereich von 200°C bis 300°C erwärmt wird. Im Ausführungsbeispiel beträgt die Substrattemperatur vor dem Eintritt des Substrats 2 in die nächste Vakuumkammer ungefähr 300°C. Die Messung der Substrattemperatur erfolgt bevorzugt unmittelbar vor der Beschichtung kann aber auch während dessen erfolgen.
In der auf die zweite Vorbehandlungskammer 9 folgenden Bedampfungskammer 14 erfolgt die Abscheidung der Grundschicht 5 aus Titan. Zur Begrenzung des Auftreffwinkels der Dampfteilchen am Substrat 2 können Blenden 28 eingesetzt werden. Diese begrenzen den Beschichtungsbereich 26.
In der Bedampfungskammer 14 ist unterhalb der Ebene, in welcher das Substrat 2 durch die Vakuumkammernfolge 7 bewegt wird, ein Verdampfertiegel 16 angeordnet, aus welchem das Titan als Beschichtungsmaterial 18 verdampft wird. Dazu erfolgt eine Erhitzung des Beschichtungsmaterials 18 mittels Elektronenstrahl 20, der mit einer Elektronenstrahlkanone 22 erzeugt wird. Das verdampfte Beschichtungsmaterial 18 breitet sich in einer Dampfwolke 24 zum Substrat 2 hin aus und schlägt sich auf dem Substrat 2 nieder. Die Anordnung der Dampfquellen und die Winkelausnutzung des Dampfes durch die Blendenkontur wird so gewählt, dass durch den Dampfstrom eine homogene Schichtverteilung quer zur Substrattransportrichtung 8 und eine dichte Grundschicht 5 im durch Blenden 28 begrenzten Beschichtungsbereich 26 erzielt wird.
Erfindungsgemäß wird die Elektronenstrahlbedampfung mit einem SAD-Prozess kombiniert. Beim SAD-Prozess wird die Elektronenstrahl-Verdampfung mit einer diffusen Vakuumbogenentladung kombiniert, indem zwischen dem Auftreffpunkt des Elektrodenstrahls und einer seitlich über dem Verdampfertiegel 16 und abseits der Dampfwolke 24 angeordneten Hilfselektrode 17, vorliegende einer Anode, eine Entladung gezündet wird. Da die Entladung dem heißesten Punkt auf dem Beschichtungsmaterial 18 und damit der Elektronenstrahlablenkung folgt, kann ohne hohen zusätzlichen Aufwand eine plasmaaktivierte Großflächenbedampfung realisiert werden. Die Bodenentladung brennt direkt im Dampf und benötigt kein zusätzliches Trägergas.
In einer nachfolgenden Sputterkammer 12, die eine Magnetronkathode 13 aufweist, wird mittels Magnetronsputtern die Kohlenstoffkontaktschicht 6 auf der Grundschicht 5 abgeschieden.
Der Oberflächenkontaktwiderstand, der mit dieser Oberflächenkontaktschicht 4 unter Verwendung des beschriebenen Verfahrens erzielt wurde, konnte in ersten Versuchen im Vergleich zur Abscheidung derselben Oberflächenkontaktschicht 4 ohne Ionenunterstützung auf weniger als die Hälfte reduziert werden. Es wurden Werte von 1 bis 2 mΩ cm² im Vergleich zu 5 bis 7 mΩ cm² erzielt werden.
In einer alternativen Ausgestaltung (nicht dargestellt) der Vorrichtung zur Abscheidung der Oberflächenkontaktschicht 4 auf der Trägerplatte 2 wird in der Bedampfungskammer 14 anstelle der Hilfselektrode 17, bevorzugt ein einer seitlichen Kammerwand die Mündung einer Ionenquelle angeordnet. Diese Quelle verschiedener Ausführungsformen ist so zum Substrat ausgerichtet, dass eine über die Beschichtungsfläche homogene Ionenwechselwirkung gewährleistet wird.
Die Absolutschichtdicken der aufgebrachten Schichten lassen sich unabhängig von der konkreten abzuscheidenden Zusammensetzung der Oberflächenkontaktschicht mit den bekannten Verfahren inline und berührungslos überwachen. Die Messungen können vor, nach oder zwischen den einzelnen Schichten bestimmen oder auch im Anschluss an die Abscheidung der Oberflächenkontaktschicht. Bevorzugt sind z.B. für die Grundschicht die Röntgenfluoreszenzspektroskopie (XRF) oder optische Messungen wie Emissions-, ellipsometrische und/oder Reflexionsmessungen. Für die Kohlenstoffkontaktschicht hat sich eine Kombination von XRF- mit optischen Messungen als vorteilhaft erwiesen.
Bezugszeichenliste

1: Elektrodenplatte
2: Substrat, Trägerplatte
3: Kanal
4: Oberflächenkontaktschicht
5: Grundschicht
6: Kohlenstoffkontaktschicht
7: Vakuumkammernfolge
8: Substrattransportrichtung
9: Vorbehandlungskammer
10: Ionenquelle
11: Wärmestrahler
12: Sputterkammer
13: Magnetronkathode
14: Bedampfungskammer
16: Verdampfertiegel
17: Hilfselektrode
18: Beschichtungsmaterial
20: Elektronenstrahl
22: Elektronenstrahlkanone
24: Dampfwolke
26: Beschichtungsbereich
28: Blenden

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1094535 A1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

B. Wu et al. in „Chromium-containing carbon film on stainless steel as bipolar plates of polymer exchange membrane fuel cells“, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 35, No. 24, PP. 13255–13261, 2010 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenplatte, welche aus einer metallischen Trägerplatte (2) besteht und zumindest einseitig eine leitfähige Oberflächenkontaktschicht (4) aufweist, mittels PVD in einer Vakuumbeschichtungsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass auf der metallischen Trägerplatte (2) eine Oberflächenkontaktschicht (4) mit einer leitfähigen, metallbasierte Grundschicht (5) und einer darüber liegenden Kohlenstoffkontaktschicht (6), welche die oberste Schicht der Oberflächenkontaktschicht (4) ist, wobei die Grundschicht (5) und/oder die Kohlenstoffkontaktschicht (6) mittels Elektronenstrahlvakuumbedampfung, nachfolgend als EB-PVD bezeichnet, mit Ionenunterstützung erfolgt und die Ionenunterstützung mittels Plasmaaktivierung des Dampfes der betreffenden Schicht oder Schichten oder mittels Ionenbeschuss der Trägerplatte (2) erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine der besagten Schichten mittels ionenunterstütztem EB-PVD und die andere Schicht mittels Sputtern oder EB-PVD abgeschieden werden.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenplatte nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung zumindest einer der Schichten der Oberflächenkontaktschicht (4) mit einer Erwärmung der Trägerplatte (2) kombiniert wird, indem die Erwärmung vor oder während der Beschichtung erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der Trägerplatte (2) mittels Wärmestrahlung oder mittels Elektronenbeschuss der Trägerplatte (2) oder mittels Ionenbeschuss der Trägerplatte (2) oder einer Kombination mehrerer dieser Alternativen erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberflächenkontaktschicht (4) nach Anspruch 1 abgeschieden wird und die Gradientenbildung mittels Co-Verdampfung erfolgt, indem die dampfförmigen Beschichtungsmaterialien in Nähe der Trägerplatte (2) vermischt werden.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberflächenkontaktschicht (4) nach Anspruch 1 abgeschieden wird und die Gradientenbildung mittels Diffusion der beiden abgeschiedenen Beschichtungsmaterialien infolge eines Energieeintrags in die Oberflächenkontaktschicht (4) während oder nach der Abscheidung der Kohlenstoffkontaktschicht (6) erfolgt.
Vorrichtung zur Herstellung einer Elektrodenplatte mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welche in einer Vakuumkammer zumindest zwei Beschichtungsvorrichtungen zur Erzeugung je einer Beschichtungsquelle der abzuscheidenden Beschichtungsmaterialien und eine Substrathalterung zur Anordnung einer Trägerplatte (2) gegenüber jeder Beschichtungsquelle für die Abscheidung des jeweiligen Beschichtungsmaterials in einem Beschichtungsbereich umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Beschichtungsvorrichtung ein Elektronenstrahlverdampfer ist und deren Beschichtungsquelle eine Ionisierungsvorrichtung derart zugeordnet ist, dass deren dampfförmiges Beschichtungsmaterial ionisiert oder die Trägerplatte (4) in zumindest einem Abschnitt im der Beschichtungsquelle zugehörigen Beschichtungsbereich (26) mit Ionen beschossen wird.
Vorrichtung zur Herstellung einer Elektrodenplatte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Beschichtungsvorrichtung eine Sputtervorrichtung ist oder einen weiteren Elektronenstrahlverdampfer aufweist.
Vorrichtung zur Herstellung einer Elektrodenplatte nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer Beschichtungsvorrichtung ein Wärmestrahler (11) oder eine Elektronenquelle oder eine Ionenquelle zur Erwärmung der Trägerplatte (2) vor oder während der Beschichtung angeordnet ist.