DE102019116000A1

DE102019116000A1 - Schichtsystem zum Beschichten einer Bipolarplatte, sowie Bipolarplatte und Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102019116000A1
Application number: DE102019116000.6A
Authority: DE
Inventors: Jeevanthi Vivekananthan; Nazlim Bagcivan; Ricardo Henrique Brugnara
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2019-06-12
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2020-12-17
Also published as: JP7305804B2; KR20220018972A; WO2020249154A1; JP2022536721A; CN113892204A; EP3984088A1; BR112021025036A2; CA3140086A1; US20220246950A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem (1, 1', 1'') zum Beschichten einer Bipolarplatte (10) umfassend mindestens eine erste Schicht (2, 2a, 2b), mindestens eine zweite Schicht (3) und mindestens eine, insbesondere auf der mindestens einen zweiten Schicht (3) angeordnete, Deckschicht (4, 4a, 4b) aus dotiertem, tetraedrischem amorphem Kohlenstoff ta-C:X, wobei als Dotierstoff X mindestens ein Element vorhanden ist aus der Gruppe umfassend Titan, Niob, Wolfram, Zirkon, Tantal, Hafnium, Molybdän, Kupfer, Silizium, Platin, Palladium, Ruthenium, Iridium, Silber, Bor, Stickstoff, Phosphor, Fluor, Wasserstoff, Sauerstoff, und wobei der Dotierstoff X in einer Konzentration von > 0 bis 20 at.-% in der Deckschicht (4, 4a, 4b) vorhanden ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Bipolarplatte (10) mit einem derartigen Schichtsystem (1) und eine Brennstoffzelle (100).

Description

Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem zum Beschichten einer Bipolarplatte umfassend eine dotierte, Diamant-ähnliche Kohlenstoffschicht. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Bipolarplatte mit einem derartigen Schichtsystem und eine mit mindestens einer solchen Bipolarplatte gebildeten Brennstoffzelle.
Derartige Bipolarplatten und Brennstoffzellen sind aus der DE 102 30 395 A1 bereits bekannt. Diese Bipolarplatte weist ein metallisches Substrat auf, das mit einer dotierten Diamantbeschichtung und/oder einer dotierten Diamant-ähnlichen Kohlenstoffbeschichtung versehen ist.
Metallische Substrate werden für die Bildung von Bipolarplatten von Brennstoffzellen aufgrund ihrer guten mechanischen Stabilität sowie hohen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit eingesetzt. Unter den aggressiven Betriebsbedingungen in einer Brennstoffzelle kommt es aber häufig zu Korrosion und Auflösung des metallischen Substrats, so dass vor Korrosion schützende Beschichtungen aufgebracht werden, um die Langzeitstabilität der Bipolarplatten zu erhöhen. Bei ungünstigen Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle kommt es aber immer wieder zu Beschädigungen im Bereich solcher Beschichtungen, so dass der Schutz des metallischen Substrats zumindest lokal verloren geht und eine Korrosion des metallischen Substrats dennoch mit Zeitverzug einsetzt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Schichtsystem für eine Bipolarplatte bereitzustellen, das kostengünstig herzustellen st und ein metallisches Substrat vor Korrosion schützt. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine damit ausgebildete Bipolarplatte und eine Brennstoffzelle mit einer solchen Bipolarplatte bereitzustellen.
Die Aufgabe wird für das Schichtsystem zum Beschichten einer Bipolarplatte gelöst, indem dieses ausgebildet ist umfassend

- mindestens eine erste Schicht,
- mindestens eine zweite Schicht und
- mindestens eine, insbesondere auf der mindestens einen zweiten Schicht angeordnete, Deckschicht aus dotiertem, tetraedrischem amorphem Kohlenstoff ta-C:X, wobei als Dotierstoff X mindestens ein Element vorhanden ist aus der Gruppe umfassend Titan, Niob, Wolfram, Zirkon, Tantal, Hafnium, Molybdän, Kupfer, Silizium, Platin, Palladium, Ruthenium, Iridium, Silber, Bor, Stickstoff, Phosphor, Fluor, Wasserstoff, Sauerstoff, und wobei der Dotierstoff X in einer Konzentration von > 0 bis 20 at.-% in der Deckschicht vorhanden ist.

Das Schichtsystem zeichnet sich durch eine hohe Langzeitstabilität bei gleichzeitig hoher elektrischer Leitfähigkeit und geringen Kosten aus. Zudem gewährleistet das Schichtsystem einen ausgezeichneten Korrosionsschutz für ein metallisches Grundmaterial oder ein metallisches Substrat einer Bipolarplatte.
Die Deckschicht aus dotiertem, tetraedrischem amorphem Kohlenstoff ta-C:X weist dabei überwiegend sp³-hybridisierte Bindungen auf. Dabei wird hier unter einem tetraedrisch amorphen Kohlenstoff ta-C verstanden, wenn der sp³-Hybridisierungs-anteil in der Deckschicht bei über 50 % liegt.
Bevorzugt ist die mindestens eine erste Schicht des Schichtsystems eine metallische Schicht, die aus mindestens einem Element der Gruppe Titan, Niob, Hafnium, Zirkon, Tantal gebildet ist. Insbesondere ist die mindestens eine erste Schicht aus einer Titan-Niob-Legierung gebildet. Die Titan-Niob-Legierung weist dabei bevorzugt einen Niobanteil im Bereich von 20 bis 60 at.-% auf.
Es können mehrere solche erste Schichten vorhanden sein, die die gleiche oder auch voneinander abweichende Zusammensetzungen aufweisen können.
Die mindestens eine zweite Schicht des Schichtsystems ist bevorzugt eine mit mindestens einem Nichtmetall dotierte metallische Schicht, die gebildet ist aus mindestens einem Element der Gruppe Titan, Niob, Hafnium, Zirkon, Tantal, und wobei das mindestens eine Nichtmetall gebildet ist durch mindestens ein Element aus der Gruppe umfassend Stickstoff, Kohlenstoff, Fluor, Bor, Wasserstoff, Sauerstoff.
Es können mehrere solche zweite Schichten vorhanden sein, die die gleiche oder auch voneinander abweichende Zusammensetzungen aufweisen können.
Zudem können erste Schichten und zweite Schichten abwechselnd aufeinander angeordnet sein.
Es können weiterhin mehrere solche Deckschichten vorhanden sein, die die gleiche oder auch voneinander abweichende Zusammensetzungen aufweisen können.
Eine Anzahl n an ersten Schichten oder zweiten Schichten oder Deckschichten kann hierbei jeweils im Bereich von n ≥ 2 bis 100 liegen.
Bevorzugt ist eine Deckschicht aus ta-C:X, wobei der Dotierstoff X aus Wasserstoff und/oder Sauerstoff gebildet ist und in einer Menge im Bereich von 0,1 bis 10 at.-% vorhanden ist.
Besonders bevorzugt ist eine Deckschicht aus ta-C:X, wobei der Dotierstoff X aus Tantal oder Iridium oder Ruthenium gebildet ist und in einer Menge im Bereich von 0,1 bis 20 at.-% vorhanden ist.
Das Schichtsystem umfassend mindestens eine metallische erste Schicht und mindestens eine metallische zweite Schicht sowie die mindestens eine Deckschicht ist mit einem geringen elektrischen Kontaktwiderstand von weniger als 30 mΩ*cm² herstellbar, so dass eine hohe elektrische Leitfähigkeit resultiert.
Bevorzugt werden die mindestens eine erste Schicht, die mindestens eine zweite Schicht und die mindestens eine Deckschicht mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD-Verfahren, Physical Vapour Deposition) ausgebildet. Insbesondere ist hierbei eine Abscheidung mittels Lichtbogenverdampfens und/oder Sputterns bevorzugt. Aber auch eine Verwendung anderer Abscheideverfahren, wie eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD-Verfahren, Chemical Vapour Deposition), ist allein oder auch in Kombination mit einem PVD-Verfahren möglich. Auch der Einsatz von plasmaunterstützten CVD-Verfahren (PACVD) hat sich bewährt.
Die mindestens eine erste Schicht und/oder die mindestens eine zweite Schicht weist/weisen bevorzugt eine Schichtdicke im Bereich von 20 nm bis 900 nm auf. Die mindestens eine Deckschicht weist vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 5 nm bis 4,5 µm auf. So lässt sich der Materialbedarf für das Schichtsystem minimieren und dennoch ein ausreichender Korrosionsschutz für ein metallisches Substrat bei gleichzeitig guten elektrischen Eigenschaften erzielen.
Die Aufgabe wird für die Bipolarplatte mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite gelöst, indem diese umfassend ein metallisches Substrat sowie ein erfindungsgemäßes Schichtsystem aufweist, mit einem Aufbau der Bipolarplatte in der Reihenfolge:

metallisches Substrat,
optional eine Gasdiffusionsschicht,
mindestens eine erste Schicht,
mindestens eine zweite Schicht, optional in abwechselnder Anordnung von ersten Schichten und zweiten Schichten,
mindestens eine Deckschicht.

Das Schichtsystem kann sich dabei auf der Anodenseite und/oder der Kathodenseite der Bipolarplatte befinden. Bei mehreren ersten Schichten und mehreren zweiten Schichten können diese entweder nacheinander, d.h. zuerst alle ersten Schichten und dann alle zweiten Schichten, oder aber abwechselnd, das heißt eine oder mehrere erste Schichten und eine oder mehrere zweite Schichten abwechselnd aufeinander, angeordnet sein.
Als metallisches Substrat ist insbesondere ein Substrat aus Edelstahl, vorzugsweise austenitischem Edelstahl, aus Titan, einer Titanlegierung, Aluminium, einer Aluminium-Legierung oder einer Magnesium-Legierung bevorzugt.
Dabei ist eine optional vorhandene Gasdiffusionsschicht elektrisch leitfähig ausgebildet.
Die Aufgabe wird weiterhin für die Brennstoffzelle, insbesondere Sauerstoff-Wasserstoff-Brennstoffzelle, oder den Elektrolyseur, dadurch gelöst, dass diese/dieser umfassend mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte ausgebildet ist.
Bevorzugt umfasst die Brennstoffzelle mindestens eine Polymerelektrolytmembrane. Bei der Brennstoffzelle kann es sich demnach um eine Hoch- oder Niedertemperatur-Polymerelektrolytbrennstoffzelle handeln.
Die 1 bis 6 sollen erfindungsgemäße Schichtsysteme und eine damit gebildete Bipolarplatte sowie Brennstoffzelle beispielhaft erläutern. So zeigt:

1 ein erstes Schichtsystem auf einem metallischen Substrat,
2 ein zweites Schichtsystem auf einem metallischen Substrat,
3 ein drittes Schichtsystem auf einem metallischen Substrat,
4 ein viertes Schichtsystem auf einem metallischen Substrat mit Gasdiffusionsschicht,
5 eine Bipolarplatte mit einem Schichtsystem, und
6 eine Brennstoffzelle beziehungsweise ein Brennstoffzellensystem.

1 zeigt im Schnittbild ein Ausführungsbeispiel eines ersten erfindungsgemäßen Schichtsystems 1 auf einem metallischen Substrat 5. Auf dem Substrat 5 befindet sich eine erste Schicht 2 aus einer TiNb-Legierung. Auf der ersten Schicht 2 befindet sich eine zweite Schicht 3 aus TiNbN oder TiNbCN. Auf der zweiten Schicht 3 befindet sich mindestens eine Deckschicht 4 aus ta-C:H (Dotierstoff X = Wasserstoff) und/oder ta-C:H:O (Dotierstoffe X = Wasserstoff und Sauerstoff) oder ta-C:H:O:Si (Dotierstoffe X = Wasserstoff und Sauerstoff und Silizium).
2 zeigt im Schnittbild ein Ausführungsbeispiel eines zweiten erfindungsgemäßen Schichtsystems 1' auf einem metallischen Substrat 5. Auf dem Substrat 5 befindet sich eine erste Schicht 2a aus Titan und eine weitere erste Schicht 2b aus einer TiHf-Legierung. Auf der weiteren ersten Schicht 2b befindet sich eine zweite Schicht 3 aus TiHfN oder TiHfCN. Auf der zweiten Schicht 3 befindet sich eine Deckschicht 4 aus ta-C:Ir (Dotierstoff X = Iridium) oder ta-C:Ru (Dotierstoff X = Ruthenium).
3 zeigt im Schnittbild ein Ausführungsbeispiel eines dritten erfindungsgemäßen Schichtsystems 1'' auf einem metallischen Substrat 5. Auf dem Substrat 5 befindet sich eine erste Schicht 2 aus Titan. Auf der ersten Schicht 2 befindet sich eine zweite Schicht 3 aus TiBN. Auf der zweiten Schicht 3 befindet sich eine erste Deckschicht 4a aus ta-C:B (Dotierstoff X = Bor). Auf der ersten Deckschicht 4a befindet sich eine zweite Deckschicht 4b aus ta-C:Ta (Dotierstoff X = Tantal). Alternativ können die erste und die zweite Deckschicht 4a, 4b abwechselnd und jeweils in einer Anzahl n > 2 aufgebracht werden.
4 zeigt zeigt im Schnittbild ein Ausführungsbeispiel eines vierten erfindungsgemäßen Schichtsystems 1 auf einem metallischen Substrat 5, das eine Gasdiffusionsschicht 6 aufweist. Auf der Gasdiffusionsschicht 6 befindet sich eine erste Schicht 2 aus einer TiNb-Legierung. Auf der ersten Schicht 2 befindet sich eine zweite Schicht 3 aus TiNbN oder TiNbCN. Auf der zweiten Schicht 3 befindet sich mindestens eine Deckschicht 4 aus ta-C:H (Dotierstoff X = Wasserstoff) und/oder ta-C:H:O (Dotierstoffe X = Wasserstoff und Sauerstoff) oder ta-C:H:O:Si (Dotierstoffe X = Wasserstoff und Sauerstoff und Silizium).
5 zeigt eine Bipolarplatte 10 mit einem Schichtsystem 1, die hier ein metallisches Substrat 5 beziehungsweise eine metallische Trägerplatte aus Edelstahl aufweist. Das Schichtsystem 1 bedeckt die Bipolarplatte 10 beidseitig. Das Schichtsystem 1 weist insgesamt eine Dicke im Bereich von 20 nm bis 5 µm auf. Die Bipolarplatte 10 weist einen Einströmbereich 11 mit Öffnungen 8 sowie einen Auslassbereich 12 mit weiteren Öffnungen 8' auf, die zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Prozessgasen und Abführung von Reaktionsprodukten aus der Brennstoffzelle dienen. Die Bipolarplatte 10 weist weiterhin auf jeder Seite eine Gasverteilerstruktur 9 auf, die zur
6 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 100' umfassend mehrere Brennstoffzellen 100. Jede Brennstoffzelle 100 umfasst eine Polymerelektrolytmembrane 7, die zu beiden Seiten von Bipolarplatten 10, 10' benachbart ist. Gleiche Bezugszeichen wie in 5 kennzeichnen gleiche Elemente.
Bezugszeichenliste

1, 1', 1'': Schichtsystem
2, 2a, 2b: erste Schicht
3: zweite Schicht
4, 4a, 4b: Deckschicht
5: metallisches Substrat6 Gasdiffusionsschicht
7: Polymerelektrolytmembrane
8, 8': Öffnung
9: Gasverteilerstruktur
10, 10': Bipolarplatte
11: Einströmbereich
12: Auslassbereich
100: Brennstoffzelle
100': Brennstoffzellensystem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10230395 A1 [0002]

Claims

Schichtsystem (1, 1', 1'') zum Beschichten einer Bipolarplatte (10) umfassend - mindestens eine erste Schicht (2, 2a, 2b), - mindestens eine zweite Schicht (3) und - mindestens eine, insbesondere auf der mindestens einen zweiten Schicht (3) angeordnete, Deckschicht (4, 4a, 4b) aus dotiertem, tetraedrischem amorphem Kohlenstoff ta-C:X, wobei als Dotierstoff X mindestens ein Element vorhanden ist aus der Gruppe umfassend Titan, Niob, Wolfram, Zirkon, Tantal, Hafnium, Molybdän, Kupfer, Silizium, Platin, Palladium, Ruthenium, Iridium, Silber, Bor, Stickstoff, Phosphor, Fluor, Wasserstoff, Sauerstoff, und wobei der Dotierstoff X in einer Konzentration von > 0 bis 20 at.-% in der Deckschicht (4, 4a, 4b) vorhanden ist.
Schichtsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Schicht (2, 2a, 2b) eine metallische Schicht ist, die aus mindestens einem Element der Gruppe Titan, Niob, Hafnium, Zirkon, Tantal gebildet ist.
Schichtsystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Schicht (2, 2a, 2b) aus einer Titan-Niob-Legierung gebildet ist.
Schichtsystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Titan-Niob-Legierung einen Niobanteil im Bereich von 20 bis 60 at.-% aufweist.
Schichtsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zweite Schicht (3) eine mit mindestens einem Nichtmetall dotierte metallische Schicht ist, die gebildet ist aus mindestens einem Element der Gruppe Titan, Niob, Hafnium, Zirkon, Tantal, und wobei das mindestens eine Nichtmetall gebildet ist durch mindestens ein Element aus der Gruppe umfassend Stickstoff, Kohlenstoff, Fluor, Bor, Wasserstoff, Sauerstoff.
Schichtsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Schicht (2, 2a, 2b) und/oder die mindestens eine zweite Schicht (3) eine Schichtdicke im Bereich von 20 nm bis 900 nm aufweist.
Schichtsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Deckschicht (4, 4a, 4b) eine Schichtdicke im Bereich von 5 nm bis 4,5 µm aufweist.
Bipolarplatte (10) mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite, umfassend ein Substrat (5) sowie ein Schichtsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Aufbau der Bipolarplatte (10) in der Reihenfolge: metallisches Substrat (5), optional eine Gasdiffusionsschicht (6), mindestens eine erste Schicht (2, 2a, 2b), mindestens eine zweite Schicht (3), optional in abwechselnder Anordnung von ersten Schichten (2, 2a, 2b) und zweiten Schichten (3), mindestens eine Deckschicht (4, 4a, 4b).
Brennstoffzelle (100), insbesondere Sauerstoff-Wasserstoff-Brennstoffzelle, oder Elektrolyseur, umfassend mindestens eine Bipolarplatte (10) nach Anspruch 8.
Brennstoffzelle (100) nach Anspruch 9, umfassend mindestens eine Polymerelektrolytmembrane (7).