DE102021001020A1

DE102021001020A1 - Separatorplatte

Info

Publication number: DE102021001020A1
Application number: DE102021001020.5A
Authority: DE
Inventors: Philipp Hausmann; Arnd Bressel; Jan Peter Heinemann; Marc-Vincent Müller; Linda Kinlechner; Martin Eichelmann; Teja Roch
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Cellcentric GmbH and Co KG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2021-02-25
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2022-08-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte (10) für einen Brennstoffzellenstapel mit einem vorab beschichteten metallischen Substrat (1), umfassend wenigstens zwei umgeformte und gefügte plattenförmige Teile (4, 8) aus dem beschichteten Substrat (1). Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Bereich einer der Oberflächen der plattenförmigen Teile (4, 8) eine elektrochemische Passivierung (9) aufweist, welche nach dem Umformen und Fügen aufgebracht ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte für einen Brennstoffzellenstapel mit einem metallischen Substrat nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Solche Separatorplatten werden häufig als Bipolarplatten ausgebildet. Sie liegen typischerweise zwischen den Einzelzellen eines Brennstoffzellenstapels und bilden auf der einen Seite ein Strömungsfeld und die elektrische Kontaktierung für eine Anode der jeweiligen Einzelzelle und auf der gegenüberliegenden Seite für eine Kathode der jeweils benachbarten Einzelzelle aus. Meist sind derartige metallische Bipolarplatten aus zwei Teilen aufgebaut, und werden Rücken an Rücken zusammengefügt, um zwischen den beiden Platten Kühlkanäle zu realisieren. Dieser Aufbau ist prinzipiell so aus dem Stand der Technik bekannt. Um Kanäle zur Verteilung der Medien auf die jeweilige Gasdiffusionslage und Elektrode der jeweils benachbarten Brennstoffzelle zu ermöglichen, werden diese Kanäle meist durch ein Umformen eingebracht. Dies kann beispielsweise ein Tiefziehen mittels eines Werkzeugs, ein Hydroforming oder dergleichen sein.
In der Vergangenheit wurden solche metallischen Bipolarplatten zum Schutz gegen Korrosion und damit letztlich zum Schutz gegen den Eintrag von Ionen in die Brennstoffzellen versiegelt, indem diese nachträglich mit einer Oberflächenbeschichtung beispielsweise aus einem Edelmetall versehen worden sind. Dieses sogenannte Post-Coating ist dabei außerordentlich aufwendig und bedeutet ein teures Handling und verursacht einen hohen logistischen Aufwand. Quasi alle Hersteller von metallischen Bipolarplatten sind daher zwischenzeitlich zu einem sogenannten Pre-Coating übergegangen, bei dem das Substrat zur Herstellung der Bipolarplatte vor dem Umformen und Fügen der Teilplatten bereits beschichtet ist. Häufig sind die Beschichtungen dabei als elektrochemische Beschichtungen ausgebildet, welche zum Einsparen von Kosten nicht mehr auf Edelmetallen basieren.
Die EP 2 252 856 B1 beschreibt einen prinzipiellen Aufbau eines metallischen Substrats für eine Bipolarplatte mit einer derartigen Beschichtung. Die Beschichtung ist in diesem Fall auf Basis einer Zinn-Legierung ausgebildet. Gegenstand des genannten EP-Patents ist es nun, dass trotz dieser Beschichtung immer wieder Korrosion auftritt und zwar häufig lokal in Form von Lochfraß, welcher die Lebensdauer der Brennstoffzelle nachteilig beeinflusst. Die Erfinder in dem genannten EP-Patent führen dies auf Mikrorisse in der Oberfläche der Beschichtung zurück, welche insbesondere beim Umformen entstehen können. Sie gehen nun den Weg, über künstlich mit Mikrorissen versehene Oberflächen die Korrosion gleichmäßig über die Fläche der Bipolarplatte zu verteilen. Dadurch wird zwar das Problem eines Lochfrasses und damit der Undichtheit der Bipolarplatte verhindert, dennoch besteht der massive Nachteil, dass weiterhin Metallionen in die Brennstoffzelle eingetragen werden, was im Hinblick auf die gewünschte Performance des elektrochemischen Systems höchst unerwünscht ist.
Bestehen bleibt jedoch die Erkenntnis, dass beim Umformen beispielsweise mittels Tiefziehen oder Hydroforming sowie beim Fügen beispielsweise über Laserschweißen die Pre-Coat-Beschichtungen beschädigt werden, da Dehnrisse bis zum Basissubstrat auftreten können oder die Beschichtung durch das Aufschmelzen im Bereich des lokalen Wärmeeintrags beim Laserschweißen entfernt wird. An diesen Fehlstellen können dann beim Anlegen einer Spannung schädigende Elemente wie beispielsweise Eisen, Chrom, Nickel, Titan, Niob und dergleichen, welche im typischerweise aus Edelstahl ausgebildeten metallischen Substrat vorhanden sind, in das Brennstoffzellensystem eintreten. Dies kann zu massiven Problemen durch eine Schädigung des Brennstoffzellensystems durch die genannten Elemente führen.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine verbesserte Separatorplatte anzugeben, welche mit gegenüber einer nachträglichen Beschichtung erheblich reduziertem Aufwand die Belastung der Brennstoffzelle mit unerwünschten Elementen bzw. Ionen reduziert.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Separatorplatte mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Separatorplatte für einen Brennstoffzellenstapel besteht aus einem metallischen Substrat, welches wenigstens eine vor dem Umformen und/oder Fügen aufgebrachte Beschichtung aufweist. Die Separatorplatte umfasst dabei wenigstens zwei gefügte und umgeformte plattenförmigen Teile, wie es soweit aus dem Stand der Technik bekannt ist. Erfindungsgemäß ist es nun so, dass nach dem Umformen und Fügen der plattenförmigen Teile wenigstens ein Teil einer Oberfläche der plattenförmigen Teile elektrochemisch passiviert ist. Die Erfinder haben erkannt, dass der Aufwand einer nachträglichen Beschichtung der fertigen Separatorplatte leicht eingespart werden kann, wenn eine elektrochemische Passivierung der Separatorplatte nach dem Umformen und Fügen ihrer Teile erfolgt. Eine solche elektrochemische Passivierung lässt sich außerordentlich einfach, schnell, effizient und unabhängig von der Formgebung der plattenförmigen Teile realisieren. Sie kann dabei dafür sorgen, dass die beispielsweise durch Risse oder Schweißstellen freiliegenden Teile des Basissubstrats passiviert werden, die zuvor beschichteten Oberflächen dementsprechend frei von der Passivierung bleiben und weiterhin elektrochemisch für den Prozess in der Brennstoffzelle verfügbar sind.
Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Separatorplatte sind die plattenförmigen Teile dabei durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen gefügt, was entsprechend einfach und effizient ist. Typischerweise entsteht dabei das Problem, dass im Bereich der Schweißstellen das metallische Substrat frei zutage tritt, was eigentlich unerwünscht ist. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Separatorplatte mit der nachträglichen Passivierung ist dies jedoch kein Problem, so dass das einfache und effiziente Fügen der Teile über Schweißen problemlos möglich wird.
Die Passivierung kann dabei gemäß einer bevorzugten Weiterbildung bei der erfindungsgemäßen Separatorplatte durch eine anodische Oxidation in einer sauren Umgebung hergestellt sein. Insbesondere kann die Passivierung durch ein Bad in verdünnter Schwefelsäure mit einem Potentialbereich von 0,3 bis 3 V(HNE) realisiert werden. Wird die fertig hergestellte, umgeformte und gefügte Separatorplatte vor ihrem Einsatz in der Brennstoffzelle für wenigstens 5 Sekunden in ein derartiges Bad aus verdünnter Schwefelsäure getaucht, ist eine ausreichende Passivierung der freiliegenden Stellen des Basissubstrats erzielt, um so den Eintrag unerwünschter Elemente und Ionen in den Bereich des Brennstoffzellensystems und die Korrosion der Separatorplatte zuverlässig zu verhindern.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Separatorplatte ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:

1 das Ausgangsmaterial zur Herstellung eines Teils einer Separatorplatte;
2 eine sehr stark vergrößerte schematische Darstellung eines Ausschnitts aus einer Separatorplatte nach der Herstellung; und
3 eine schematische Ansicht, analog zu der in 2, der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Separatorplatte vor dem Einbau in einen Brennstoffzellenstapel.

Separatorplatten 10 z.B. in Form von metallischen Bipolarplatten, welche insbesondere aus zwei Rücken an Rücken miteinander verschweißten plattenförmigen Teilen 4, 8 bestehen, sind beim Einsatz in den Brennstoffzellenstapel soweit bekannt. Als Ausgangsmaterial dient typischerweise ein in der Darstellung der 1 mit 1 bezeichnetes metallisches Substrat, meist aus einem nicht-rostenden Edelstahl mit entsprechend hohem Anteil an Chrom und typischerweise Nickel. Dieses metallische Substrat 1 wird in der Praxis vor der Weiterverarbeitung im Rahmen eines sogenannten Pre-Coating-Prozesses beschichtet. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind auf dem metallischen Substrat 1 eine Zwischenschicht 2 und eine Deckschicht 3 angeordnet. Dieses beschichtete Material wird nun beispielsweise mit einem Werkzeug durch Tiefziehen, durch Hydroforming oder dergleichen umgeformt, um Kanäle zur Verteilung der Gase auf die jeweiligen Gasdiffusionslagen und Elektroden der Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels auszubilden und um Kanäle für den Durchfluss von Kühlmedium auszubilden. Typischerweise werden dann zwei derartige Teile 4, 8 Rücken an Rücken miteinander verschweißt.
In der Darstellung der 2 ist ein sehr stark vergrößerter Ausschnitt aus einer derartigen Separatorplatte 10 näher dargestellt. Er besteht aus einem hier oben dargestellten Teil 4, welcher wiederum das metallische Substrat 1, die Zwischenschicht 2 und die Deckschicht 3 aufweist. Durch den Umformprozess sind die Zwischenschicht 2 und die Deckschicht 3 über die Fläche des metallischen Substrats 1 durch Dehnungsrisse beschädigt, so dass an zumindest einigen Stellen, von welchen einige wenige hier mit 5 bezeichnet sind, die Oberfläche des metallischen Substrats 1 freiliegt. Außerdem ist eine mit 6 bezeichnete Schweißnaht zu erkennen, in deren Bereich die metallische Oberfläche ebenfalls freiliegt. Außerdem ist im Bereich der Oberfläche der Schweißnaht unerwünschter Zunder 7 zu erkennen.
Ein weiteres plattenförmiges Teil 8, mit welchem das Teil 4 über die Schweißnaht 6 gefügt ist, ist unten ebenfalls ausschnittsweise zu erkennen. Auch hier gilt für die in diesem Fall nach unten gewandte Oberfläche dasselbe wie für die Oberfläche des Teils 4, welche in der Darstellung der 2 nach oben gewandt ist. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde hierauf jedoch in der Zeichnung der Figur verzichtet.
Das vorab beschichtete Substrat 1 stellt nun für die Verwendung in einer Brennstoffzelle ein Problem dar, da die blanken Stellen 5 des metallischen Substrats 1 ebenso wie das im Bereich der Schweißnaht 6 blank vorliegende Substrat 1 sowie der Zunder 7 auf der Schweißnaht 6 dazu führen kann, dass Korrosion auftritt bzw. dass unerwünschte Metallionen in das Brennstoffzellensystem eingetragen werden und dieses entsprechend schädigen bzw. seine Lebensdauer verringern.
Die in der Darstellung der 2 dargestellte fertig umgeformte und gefügte Separatorplatte 1 wird daher nachträglich passiviert. Sie kann dafür in eine entsprechende Lösung, vorzugsweise eine verdünnte Schwefelsäure, gezielt in einem Potentialbereich von 0,3 bis 3 V(NHE) anodisch polarisiert werden. Vorzugsweise erfolgt dies über eine Dauer von mindestens 5 Sekunden. Dies ist einerseits bei einer Einzelplattenfertigung denkbar und kann ebenso bei einer kontinuierlichen Fertigung in einem Bandverfahren realisiert werden, beispielsweise indem das Band durch ein entsprechendes Bad „fährt“. Durch diese Passivierung, welche hier durch eine mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnete Schicht stark überhöht angedeutet ist, wird im Bereich der zuvor, in der Darstellung der 2 blanken Stellen 5 zwischen der Zwischenschicht 2 und der Deckschicht 3 sowie im Bereich der Schweißnaht 6 eine hohe chemische Beständigkeit erzielt. Gleichzeitig wird der unerwünschte Zunder 7 entfernt. Auch die Schweißnaht 6 selbst erfährt eine Passivierung 9, da sie ja typischerweise durch ein Aufschmelzen des metallischen Substrats 1, also aus dem Material dieses Substrats 1 ausgebildet ist.
Auf diese Art lässt sich außerordentlich einfach und kosteneffizient eine deutliche Verbesserung beim Einsatz von metallischen Separatorplatten 10 erzielen und dies entsprechend einfach und kostengünstig im Vergleich zu jeder Art von Post-Coating.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2252856 B1 [0004]

Claims

Separatorplatte (10) für einen Brennstoffzellenstapel mit einem vorab beschichteten metallischen Substrat (1), umfassend wenigstens zwei umgeformte und gefügte plattenförmige Teile (4, 8) aus dem beschichteten Substrat (1), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Bereich einer der Oberflächen der plattenförmigen Teile (4, 8) eine elektrochemische Passivierung (9) aufweist, welche nach dem Umformen und Fügen aufgebracht ist.
Separatorplatte (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenförmigen Teile (4, 8) durch Schweißen gefügt sind.
Separatorplatte (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierung (9) durch eine anodische Oxidation in einer vorzugsweise sauren Umgebung hergestellt ist.
Separatorplatte (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation in verdünnter Schwefelsäure mit einem Potentialbereich von 0,3 bis 3 V(HNE) erfolgt.
Separatorplatte (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierung (9) hergestellt ist, indem die umgeformten und gefügten plattenförmigen Teile (4, 8) für wenigstens 5 Sekunden in der verdünnten Schwefelsäure verbleiben.