DE102021130683A1

DE102021130683A1 - Verfahren zum Beschichten von Metall, Metallelement mit einer dadurch ausgebildeten Beschichtungsschicht und Brennstoffzellenseparator

Info

Publication number: DE102021130683A1
Application number: DE102021130683.3A
Authority: DE
Inventors: Hyun Gil Kim; Yang Il Jung; Dong Jun PARK; Jung Hwan Park; Jong Dae Hong; Il Hyun KIM
Original assignee: Korea Atomic Energy Research Institute KAERI
Current assignee: Korea Atomic Energy Research Institute KAERI
Priority date: 2020-11-24
Filing date: 2021-11-23
Publication date: 2022-05-25
Also published as: JP2022083439A; JP7373540B2; KR102350326B1; US20220161325A1

Abstract

Durch die vorliegende Erfindung werden ein Verfahren zum Beschichten von Metall, ein Metallelement, das die dadurch ausgebildete Beschichtungsschicht enthält, und ein Brennstoffzellenseparator bereitgestellt. Ein Verfahren zum Beschichten von Metall gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Bereitstellen eines Metallbasismaterials und das Ausbilden eines Schmelzbades durch Bestrahlen einer Oberfläche des Metallbasismaterials mit einem Laser und das Ausbilden einer Beschichtungsschicht unter Verwendung einer additiven Fertigung durch Zuführen eines Pulvers aus Si, SiC oder eines Gemischs aus Cr und Al zum Schmelzbad auf.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldung
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität und den Vorteil der am 24. November 2020 eingereichten koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2020-0158757 , deren Offenbarung hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Metall, ein Metallelement mit einer dadurch ausgebildeten Beschichtungsschicht, und einen Brennstoffzellenseparator, und insbesondere ein Verfahren zum Ausbilden einer Beschichtungsschicht auf einem Metallbasismaterial durch additive Fertigung, ein Metallelement mit der dadurch ausgebildeten Beschichtungsschicht und einen Brennstoffzellenseparator.
Hintergrund
Der Wasserstoff-Brennstoffzellenseparator dient dazu, Wasserstoff, Sauerstoff und Kühlwasser voneinander zu trennen und diese Komponenten gleichmäßig über die gesamte Fläche der Brennstoffzelle zuzuführen und dabei den durch die elektrochemische Reaktion erzeugten Strom zu sammeln.
Herkömmlich wurde für einen Wasserstoff-Brennstoffzellenseparator ein Graphitmaterial verwendet, das Graphitmaterial hat jedoch eine geringe Festigkeit, seine Gasdichtigkeit ist schwer zu gewährleisten und es verursacht hohe Fertigungskosten. Daher wird derzeit aktiv an der Erforschung und Entwicklung eines Metallmaterials gearbeitet, das ihn ersetzen kann. Der Separator auf Metallbasis gilt als eine Technologie, die aufgrund ihrer hohen Festigkeit und der Anwendung von Massenproduktionstechnologien, wie beispielsweise Stanzen, leicht kommerzialisierbar ist.
Bei metallischen Werkstoffen treten jedoch Probleme wie Korrosionsschäden in einer Brennstoffzellenumgebung und eine Erhöhung des Widerstandswerts aufgrund der Ausbildung eines Oxidfilms auf. Dieses Problem stellt ein Hindernis für die Kommerzialisierung von Separatoren auf Metallbasis dar. Um dieses Problem zu lösen, ist ein Verfahren zum Ausführen einer oxidationsbeständigen Beschichtung auf der Oberfläche eines Separators aus Metallmaterial vorgeschlagen worden.
Die oxidationsbeständige Beschichtung kann im Wesentlichen in einen Nass- und einen Trockenprozess unterteilt werden. Als Nassprozess wird die Galvanisierungs-, Polymer- oder Mischbeschichtungstechnologie aus Polymer und leitfähigen Partikeln eingeführt. Darüber hinaus werden in Bezug auf den Trockenprozess verschiedene Studien zur Beschichtung von oxidationsbeständigen und hochleitfähigen Materialien unter Verwendung von CVD-, PVD- und Plasmabeschichtungstechnologien ausgeführt.
Trotz dieser verschiedenen Beschichtungstechnologien ist es nach wie vor schwierig, die verschiedenen Leistungsfähigkeiten von Metallseparatoren für Wasserstoff-Brennstoffzellen zu erfüllen und die wirtschaftliche Machbarkeit zu gewährleisten. Daher ist es erforderlich, eine neuartige Technologie zu entwickeln, die Haltbarkeit und Wirtschaftlichkeit gewährleistet und gleichzeitig die elektrische Leitfähigkeit, die Wärmeleitfähigkeit, die Gasdichtigkeit und die Korrosionsbeständigkeit des Metallseparators für Wasserstoff-Brennstoffzellen erfüllt.
Die in diesem Hintergrundabschnitt dargelegten Informationen dienen lediglich dem besseren Verständnis des Hintergrunds der Erfindung und können daher Informationen enthalten, die nicht zum Stand der Technik gehören und einem Durchschnittsfachmann bereits bekannt sind.
(Dokument 1 der verwandten Technik) Koreanisches eingetragenes Patent Nr. 10-1609214 (eingetragen am 30. März 2016)
Kurzbeschreibung der Erfindung
Technisches Problem
Verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung betreffen das Bereitstellen eines Verfahrens zum Beschichten von Metall, das die Leistungsfähigkeit, wie z.B. die Korrosionsbeständigkeit, eines Metallseparators für eine Wasserstoff-Brennstoffzelle erfüllt und gleichzeitig Haltbarkeit und Wirtschaftlichkeit gewährleistet, sowie eines Metallelements mit einer dadurch gebildeten Beschichtungsschicht.
Verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung betreffen das Bereitstellen eines Brennstoffzellenseparators mit einer geeigneten Korrosionsbeständigkeit, Haltbarkeit und Wirtschaftlichkeit.
Technische Lösung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zum Beschichten von Metall das Bereitstellen eines Metallbasismaterials und das Ausbilden eines Schmelzbads durch Bestrahlung einer Oberfläche des Metallbasismaterials mit einem Laser und das Ausbilden einer Beschichtungsschicht unter Verwendung einer additiven Fertigung durch Zuführen eines Pulvers aus einer beliebigen Komponente von Si, SiC und einem Gemisch aus Cr und AI zum Schmelzbad aufweisen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Metallelement ein Metallbasismaterial und eine durch das Verfahren zum Beschichten von Metall auf einer Oberfläche des Metallbasismaterials ausgebildete Beschichtungsschicht aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Brennstoffzellenseparator ein Basismaterial aus Metall, eine Mischschicht, die durch Schmelzen und Mischen eines Beschichtungsmaterials aus einer beliebigen Komponente unter Si, SiC und eines Gemischs aus Cr und AI zusammen mit dem Basismaterial auf der Oberfläche des Basismaterials ausgebildet wird, und einen Strömungspfad aufweisen, der durch Auflaminieren des Beschichtungsmaterials auf der Oberfläche der Mischschicht gebildet wird.
Vorteilhafte Wirkungen
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Beschichtungsschicht unter Verwendung einer additiven Fertigung auszubilden durch Zuführen eines Pulvers aus einer beliebigen Komponente unter Si, SiC und eines Gemischs aus Cr und AI auf eine Oberfläche eines Metallbasismaterials, wodurch ein Metallelement mit einer geeigneten Korrosionsbeständigkeit, Haltbarkeit und Wirtschaftlichkeit bereitgestellt werden kann.
Darüber hinaus ist es gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, einen Brennstoffzellenseparator mit einer geeigneten Korrosionsbeständigkeit, Haltbarkeit und Wirtschaftlichkeit durch eine Struktur bereitzustellen, bei der eine Mischschicht, die durch Schmelzen eines Basismaterials und eines Beschichtungsmaterials gebildet wird, auf der Oberfläche des Basismaterials bereitgestellt wird, und ein Strömungspfad mit einem Beschichtungsmaterial auf der Mischschicht auflaminiert wird.
Figurenliste
Die vorstehenden und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Durchschnittsfachmann anhand der ausführlichen Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht; es zeigen:

1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Beschichten von Metall gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Ansicht zum Darstellen eines Prozesses, in dem eine Beschichtungsschicht auf einem Metallbasismaterial durch ein Verfahren zum Beschichten von Metall gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet wird;
3 elektronenmikroskopische Aufnahmen von Proben, die durch Laminieren von Cr10Al-Pulver auf der Oberfläche von SUS304 bei verschiedenen Scangeschwindigkeiten hergestellt wurden;
4 elektronenmikroskopische Aufnahmen von Proben, die durch Laminieren von SiC-Pulver auf der Oberfläche von SUS304 bei verschiedenen Scangeschwindigkeiten hergestellt wurden;
5 Fotografien von Proben, die nach einem Verfahren zum Beschichten von Metall gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden;
6 ein Diagramm zum Darstellen von Bewertungsergebnissen von Korrosionseigenschaften (Polarisationstest) einer Probe, bei der Cr10Al-Pulver auf der Oberfläche von SUS304 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auflaminiert ist;
7 ein Diagramm zum Darstellen der Bewertungsergebnisse von Korrosionseigenschaften (Polarisationstest) einer Probe, bei der Si-Pulver auf der Oberfläche von SUS304 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auflaminiert ist;
8 ein Diagramm zum Darstellen der Bewertungsergebnisse von Korrosionseigenschaften (Polarisationstest) einer Probe, bei der SiC-Pulver auf der Oberfläche von SUS304 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auflaminiert ist;
9 ein Diagramm zum Darstellen der Bewertungsergebnisse von Korrosionseigenschaften (Polarisationstest) von SUS304, bei dem keine Beschichtungsschicht ausgebildet ist;
10 Fotografien der Oberfläche der Proben vor und nach dem Polarisationstest;
11 eine Ansicht zum Darstellen einer Querschnittstruktur eines Brennstoffzellenseparators gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
12 eine Fotografie eines Brennstoffzellenseparators gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben, so dass Durchschnittsfachleute die vorliegende Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ohne Weiteres umsetzen können. Die vorliegende Erfindung kann in vielen verschiedenen Formen realisiert werden und ist nicht auf die hierin dargestellten Ausführungsformen beschränkt. In den Zeichnungen sind Teile, die nicht mit der Beschreibung in Beziehung stehen, aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. In der gesamten Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente.
Es versteht sich, dass die in dieser Beschreibung verwendeten Begriffe wie „aufweisen“ oder „haben“ das Vorhandensein bestimmter Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder einer Kombination davon beschreiben sollen, aber nicht die Möglichkeit des Vorhandenseins oder der Hinzufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten oder einer Kombination davon ausschließen sollen.
1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Beschichten von Metall gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 zeigt eine Ansicht zum Darstellen eines Verfahrens, bei dem eine Beschichtungsschicht durch ein Verfahren zum Beschichten von Metall gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf einem Metallbasismaterial ausgebildet wird.
Nach dem Verfahren zum Beschichten von Metall gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine oxidationsbeständige Beschichtungsschicht auf der Oberfläche eines Metallbasismaterials auszubilden. Das Verfahren zum Beschichten von Metall gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann zum Herstellen eines Brennstoffzellenseparators verwendet werden. Insbesondere kann das Verfahren zum Beschichten von Metall gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine 3D-Druckprozesstechnologie zum oxidationsbeständigen Beschichten und zum Ausbilden eines Strömungspfads eines Metallseparators für eine Wasserstoffbrennstoffzelle bereitstellen.
Das Verfahren zum Beschichten von Metall gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbessert die Haltbarkeit durch Beschichten eines oxidationsbeständigen, hochleitfähigen Materials, um eine starke Bindungskraft mit einem Metallbasismaterial aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus kann beim Ausführen einer additiven Fertigung (3D-Druck) nach dem Verfahren zum Beschichten von Metall gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Effizienz pro Flächeneinheit des Metallseparators erhöht werden, indem die Oberflächenrauhigkeit und der Strömungspfad gesteuert werden, und kann der Strömungspfad ausgebildet werden.
Gemäß den 1 und 2 kann das Verfahren zum Beschichten von Metall gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Bereitstellen eines Metallbasismaterials in Schritt S10 und das Ausbilden einer Beschichtungsschicht in Schritt S30 aufweisen.
Im Schritt S10 zum Bereitstellen des Metallbasismaterials 10 wird das Metallbasismaterial 10, auf dem die Beschichtungsschicht 30 auf der Oberfläche ausgebildet werden soll, vorbereitet. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Metallbasismaterial 10 ein Brennstoffzellenseparator sein. In diesem Fall kann die Brennstoffzelle eine Wasserstoff-Brennstoffzelle sein.
Das Material des Metallbasismaterials 10 kann beispielsweise rostfreier Stahl (SUS) sein. Insbesondere kann das Material des Metallbasismaterials 10 SUS304, SUS316 oder dergleichen sein.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können, da die Beschichtungsschicht 30 mit einer geeigneten Korrosionsbeständigkeit stabil auf der Oberfläche des Metallbasismaterials 10 ausgebildet werden kann, selbst wenn das SUS304-Material, das im Vergleich zu SUS316 relativ kostengünstig ist, verwendet wird, verschiedene Leistungsfähigkeiten einschließlich einer geeigneten Korrosionsbeständigkeit des Metallseparators für die Wasserstoff-Brennstoffzelle ausreichend gewährleistet werden.
In Schritt S30 zum Ausbilden der Beschichtungsschicht 30 wird ein Laserstrahl auf eine Oberfläche des Metallbasismaterials 10 aufgestrahlt, um ein Schmelzbad zu bilden, und ein Pulver aus einer beliebigen Komponente unter Si, SiC oder eines Gemischs aus Cr und AI wird dem Schmelzbad zugeführt, um die Beschichtungsschicht 30 durch ein additives Fertigungsverfahren auszubilden.
In diesem Fall kann das additive Fertigungsverfahren ein DED-, Direct Energy Deposition, Verfahren sein. Insbesondere kann das additive Fertigungsverfahren unter Verwendung einer Pulverzufuhrdüse für einen 3D-Laserdruckprozess ausgeführt werden, wie in der koreanischen Patentanmeldung Nr. 1609214 dargelegt ist.
Ein Gemisch aus Cr und AI kann eine feste Lösung sein. Darüber hinaus kann das Gemisch aus Cr und AI aus 85 bis 95 Gew.-% Cr und 5 bis 15 Gew.-% AI bestehen. Das Gemisch aus Cr und AI bildet die Beschichtungsschicht 30 auf der Oberfläche des Metallbasismaterials 10 und kommt mit Sauerstoff in Kontakt, um Cr₂O₃ bzw. Al₂O₃ auf der Oberfläche der Beschichtungsschicht 30 zu bilden. Cr₂O₃ und Al₂O₃ bilden dünne Schichten im Nanometerbereich und sorgen für Korrosionsbeständigkeit. In einem Gemisch aus Cr und AI wird bei einem Zusammensetzungsverhältnis von AI von weniger als 5 Gew.-% nicht genügend Al₂O₃ gebildet, und bei einem Zusammensetzungsverhältnis von AI von mehr als 15 Gew.-% kann die Menge der intermetallischen Verbindung, die bezüglich Stößen schwach ist, zunehmen und kann die Korrosionsbeständigkeit abnehmen.
Si kann die Beschichtungsschicht 30 auf der Oberfläche des Metallbasismaterials 10 bilden und mit Sauerstoff in Kontakt kommen, um eine SiO₂-Dünnschicht im Nanometerbereich auf der Oberfläche der Beschichtungsschicht 30 auszubilden. Die SiO₂-Dünnschicht stellt Korrosionsbeständigkeit bereit. Darüber hinaus bietet SiC selbst eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit.
Daher weist ein Gemisch aus Cr und Al, Si und SiC eine ausgezeichnete Säurebeständigkeit in einer Brennstoffzellenumgebung und eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit auf, ohne dass eine Oxidschicht gebildet wird. In Schritt S30 zum Ausbilden der Beschichtungsschicht 30 werden heterogene Partikel mit solchen Eigenschaften auf der Oberfläche des Metallbasismaterials 10 auflaminiert (beschichtet).
Um die Oxidationsbeständigkeit und Luftdichtigkeit der Beschichtungsschicht 30 aufrechtzuerhalten, während der Energiebereich des als eine Wärmequelle verwendeten Lasers derart eingestellt wird, dass das Beschichtungsmaterialpulver in einem geschmolzenen Zustand von 50% oder mehr vorliegt, ist es bevorzugt, die Haftfestigkeit der Grenzfläche zu verbessern, indem die Oberfläche des Metallbasismaterials im Bereich von 20 bis 60% geschmolzen wird, um eine Mischschicht zu bilden, in der das Beschichtungsmaterialpulver und das Metallbasismaterial 10 teilweise gemischt sind.
In diesem Fall ist es bevorzugt, wenn die Rückseite (Unterseite) des Metallbasismaterials 10 mit einem zirkulierenden Kühlmittel in Kontakt kommt, so dass die Temperatur bei 100° oder weniger gehalten werden kann. Dies liegt daran, dass bei einer übermäßigen Erhöhung der Temperatur des Metallbasismaterials 10 ein Problem dahingehend auftreten kann, dass die Dicke der Reaktionsschicht zunimmt.
In Schritt S30 zum Ausbilden der Beschichtungsschicht 30 kann in der Beschichtungsschicht 30 ein Muster ausgebildet werden. Wenn das Metallbasismaterial 10 beispielsweise ein Brennstoffzellenseparator ist, kann die Beschichtungsschicht 30 als ein Strömungspfad mit einem Muster ausgebildet werden. Wenn die Beschichtungsschicht 30 ausgebildet wird, stehen die Pulverpartikel außerdem hervor, wodurch die Oberfläche in der Brennstoffzellenumgebung maximiert wird, wodurch die Effizienz pro Flächeneinheit erhöht wird. Wie vorstehend beschrieben wurde, kann die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenseparators durch die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildete Beschichtungsschicht 30 verbessert werden.
In Schritt S30 zum Ausbilden der Beschichtungsschicht 30 kann die additive Fertigung unter den Bedingungen einer Laserleistung von 180 bis 220 W und eines Scanabstands (Hatching Distance) von 0,21 bis 0,39 mm ausgeführt werden. In diesem Fall kann der Fokus der Laserbestrahlung auf 0 gesetzt werden.
In 2 entspricht der Scanabstand D2 dem Überlappungsabstand zwischen benachbarten Schmelzbädern. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt der Durchmesser D1 des durch die Laserbestrahlung erzeugten Schmelzbades 1 mm und kann der Scanabstand D2 auf 0,21 bis 0,39 mm eingestellt werden.
Wenn der Scanabstand D2 übermäßig außerhalb des vorstehenden Bereichs liegt, nimmt die Effizienz zum Ausbilden der Beschichtungsschicht 30 ab, und wenn der Scanabstand D2 zu klein ist, besteht die Möglichkeit, dass wahrscheinlich ein Abschnitt auftritt, in dem die Beschichtungsschicht 30 nicht geeignet ausgebildet ist.
In Schritt S30 zum Ausbilden der Beschichtungsschicht 30 kann, wenn das Pulver ein Gemisch aus 90 Gew.-% Cr und 10 Gew.-% AI ist, die additive Fertigung unter der Bedingung einer Scangeschwindigkeit von 6 bis 12 mm/s ausgeführt werden.
In diesem Fall kann das Pulver zusammen mit dem Pulvergas, das mit 6 bis 7 l/min zugeführt wird, in das Schmelzbad eingeleitet werden. Das Pulvergas kann aus einem Inertgas bestehen. Das Pulvergas kann zum Beispiel Argon(Ar)gas sein.
Wenn der Laserstrahl aufgestrahlt wird, kann außerdem gleichzeitig ein inneres Gas, das mit 6,5 bis 7,5 l/min zugeführt wird, ausgegeben werden. Das innere Gas kann aus einem Inertgas bestehen. Das innere Gas ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung des Pulvers im Schmelzbad. Das innere Gas kann zum Beispiel Argon(Ar)gas sein.

Die nachstehende Tabelle 1 zeigt Prozessbedingungen für die Herstellung von 5 Proben bei verschiedenen Scangeschwindigkeiten, wenn ein Pulver aus einem Gemisch aus 90 Gew.-% Cr und 10 Gew.-% AI durch additive Fertigung auf ein Metallbasismaterial aus SUS304 auflaminiert wird, um eine Beschichtungsschicht zu bilden, wobei die Laserleistung 200 W, der Fokus 0, die Zufuhrrate des inneren Gases 7 l/min, die Pulvergaszufuhrrate 6,5 l/min und der Scanabstand 0,3 mm betragen. [Tabelle 1]

Probe	Laserleistung	Scangeschwindigkeit	Fokus	Gas (inneres Gas/Pulvergas)	Scanabstand
1	200 W	6 mm/s	0	7/6,5 (l/min)	0,3 mm
2	200 W	8 mm/s	0	7/6,5 (l/min)	0,3 mm
3	200 W	10 mm/s	0	7/6,5 (l/min)	0,3 mm
4	200 W	12 mm/s	0	7/6,5 (l/min)	0,3 mm
₅	200 W	14 mm/s	0	7/6,5 (l/min)	0,3 mm

3 zeigt elektronenmikroskopische Aufnahmen von Querschnitten des Metallbasismaterials und der Beschichtungsschicht, nachdem Schritt S30 zum Ausbilden der Beschichtungsschicht gemäß den Bedingungen des Laminierungsprozesses gemäß Tabelle 1 ausgeführt wurde.
Gemäß 3 wird, wenn ein Pulver eines Gemischs, das aus 90 Gew.-% Cr und 10 Gew.-% AI besteht, durch eine additive Fertigung auf ein Metallbasismaterial aus SUS304 auflaminiert wird, um eine Beschichtungsschicht zu bilden, wenn die Scangeschwindigkeit 12 mm/s übersteigt, bestätigt, dass die Beschichtungsdicke vermindert wird und die Beschichtung intermittierend erfolgt. Es zeigt sich daher, dass, wenn ein Pulver aus einem Gemisch aus 90 Gew.-% Cr und 10 Gew.-% AI auf ein Metallbasismaterial auflaminiert wird, die geeignete Scangeschwindigkeit zwischen 6 und 12 mm/s liegt, wobei hinsichtlich der Effizienz die Scangeschwindigkeit von 12 mm/s als vorteilhaft betrachtet wird.
Wenn das Pulver aus Si oder SiC besteht, kann die additive Fertigung in Schritt S30 zum Ausbilden der Beschichtungsschicht 30 unter der Bedingung einer Scangeschwindigkeit von 4 bis 8 mm/s ausgeführt werden.
In diesem Fall kann das Pulver zusammen mit einem Pulvergas, das mit 6 bis 7 l/min zugeführt wird, in das Schmelzbad eingeleitet werden. Das Pulvergas kann aus einem Inertgas bestehen. Das Pulvergas kann beispielsweise Argon(Ar)gas sein.
Außerdem kann, wenn der Laserstrahl aufgestrahlt wird, das innere Gas, das mit 6,5 bis 7,5 l/min zugeführt wird, gemeinsam mit ausgegeben werden. Das innere Gas kann aus einem Inertgas bestehen. Das innere Gas ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung des Pulvers im Schmelzbad. Das innere Gas kann beispielsweise Argon(Ar)gas sein.

Die nachstehende Tabelle 2 zeigt für den Fall, dass ein SiC-Pulver durch additive Fertigung auf ein Metallbasismaterial aus SUS304 auflaminiert wird, um eine Beschichtungsschicht zu bilden, die Prozessbedingungen für die Herstellung von 5 Proben bei verschiedenen Scangeschwindigkeiten, wobei festgelegt ist, dass die Laserleistung 220 W, der Fokus 0, die Zufuhrrate des inneren Gases 7 l/min, die Pulvergaszufuhrrate 6,5 l/min und der Scanabstand 0,3 mm betragen. [Tabelle 2]

Probe	Laserleistung	Scangeschwindigkeit	Fokus	Gas (inneres Gas/Pulvergas)	Scanabstand
1	220 W	4 mm/s	0	7/6,5 (l/min)	0,3 mm
2	220 W	6 mm/s	0	7/6,5 (l/min)	0,3 mm
3	220 W	8 mm/s	0	7/6,5 (l/min)	0,3 mm
4	220 W	10 mm/s	0	7/6,5 (l/min)	0,3 mm

4 zeigt elektronenmikroskopische Aufnahmen von Querschnitten des Metallbasismaterials und der Beschichtungsschicht, nachdem Schritt S30 zum Ausbilden der Beschichtungsschicht gemäß den Bedingungen des Laminierungsverfahrens nach Tabelle 2 ausgeführt wurde.
Gemäß 4 wird für den Fall, dass ein Pulver aus SiC durch eine additive Fertigung auf ein Metallbasismaterial aus SUS304 auflaminiert wird, um eine Beschichtungsschicht zu bilden, wenn die Scangeschwindigkeit 8 mm/s überschreitet, bestätigt, dass die Beschichtungsdicke vermindert wird und die Beschichtung intermittierend erfolgt. Wenn daher ein Pulver aus SiC auf ein Metallbasismaterial auflaminiert wird, liegt die geeignete Scangeschwindigkeit zwischen 4 und 8 mm/s, wobei hinsichtlich der Effizienz eine Scangeschwindigkeit von 8 mm/s als vorteilhaft betrachtet wird.
Es wurde bestätigt, dass die Ergebnisse entsprechend den Prozessbedingungen, wenn das Pulver aus SiC durch eine additive Fertigung auf das Metallbasismaterial aus SUS304 auflaminiert wird, um die Beschichtungsschicht auszubilden, ähnlich sind wie in dem Fall, dass das Pulver aus Si auf das Metallbasismaterial aus SUS304 auflaminiert wird, um die Beschichtungsschicht zu bilden.
In Schritt S30 zum Ausbilden der Beschichtungsschicht können alle vorstehend beschriebenen Prozesse in einem Zustand ausgeführt werden, in dem eine Rückseite des Metallbasismaterials gekühlt wird, um die Temperatur der Rückseite des Metallbasismaterials bei 100°C oder weniger zu halten.
5 zeigt Fotografien von Proben, die nach einem Verfahren zum Beschichten von Metall gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden. In 5 bedeutet Cr10Al ein Gemisch aus 90 Gew.-% Cr und 10 Gew.-% Al. Darüber hinaus zeigt 6 ein Diagramm zum Darstellen der Bewertungsergebnisse von Korrosionseigenschaften (Polarisationstest) einer Probe, bei der Cr10Al-Pulver auf die Oberfläche von SUS304 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auflaminiert ist, 7 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der Bewertungsergebnisse von Korrosionseigenschaften (Polarisationstest) einer Probe, bei der Si-Pulver auf die Oberfläche von SUS304 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auflaminiert ist, 8 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der Bewertungsergebnisse von Korrosionseigenschaften (Polarisationstest) einer Probe, bei der SiC-Pulver auf die Oberfläche von SUS304 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auflaminiert ist, und 9 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der Bewertungsergebnisse von Korrosionseigenschaften (Polarisationstest) von SUS304, bei dem keine Beschichtungsschicht ausgebildet ist.

Auf dieser Grundlage werden der Korrosionsstrom und die Korrosionsrate jeder Probe und des Vergleichsbeispiels wie in der nachstehenden Tabelle 3 angegeben bestimmt. [Tabelle 3]

	Korrosionsstrom (i_corr, µA/cm²)	Korrosionsrate (mm/yr)
CrAI-beschichtete Probe	1,285	9,79×10^-3
Si-beschichtete Probe	1,683	1,66×10^-2
SiC-beschichtete Probe	1,555	1,58×10^-2
Metallbasismaterial (Vergleichsbeispiel)	2,110	2,20×10^-2

Aus Tabelle 3 geht hervor, dass die Korrosionseigenschaften der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Proben allesamt besser sind als die des Vergleichsbeispiels. 10 zeigt Oberflächenfotografien der Proben vor und nach dem Polarisationstest, und gemäß 10 ist ersichtlich, dass nach dem eigentlichen Test kaum Korrosion auf der Oberfläche der Probe auftritt.
Wie vorstehend beschrieben wurde, wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Beschichten von Metall ein Metallelement bereitgestellt, das ein Metallbasismaterial 10 und eine durch das Verfahren zum Beschichten von Metall auf der Oberfläche des Metallbasismaterials 10 ausgebildete Beschichtungsschicht 30 aufweist. Das Metallelement kann beispielsweise ein Metallseparator einer Wasserstoff-Brennstoffzelle sein.
Wie vorstehend beschrieben wurde, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, unabhängig von Material und Form des Metallbasismaterials die für einen Brennstoffzellenseparator erforderliche Strömungspfadform und Oberflächenstruktur zu steuern und gleichzeitig die Korrosionseigenschaften zu verbessern, indem die Oberfläche mit einem oxidationsbeständigen Material beschichtet wird.
11 zeigt eine Ansicht zum Darstellen einer Querschnittsstruktur eines Brennstoffzellenseparators gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 12 zeigt eine Fotografie eines Brennstoffzellenseparators gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Gemäß den 11 und 12 weist der Brennstoffzellenseparator 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Basismaterial 110, eine Mischschicht 120 und einen Strömungspfad 130 auf.
Das Basismaterial 110 ist ein Teil, das den Körper des Brennstoffzellenseparators bildet. Das Basismaterial 110 kann aus Metall hergestellt sein. Insbesondere kann das Metall aus rostfreiem Stahl bestehen (z.B. SUS316 oder SUS304).
Die Mischschicht 120 wird durch Schmelzen und Mischen eines Beschichtungsmaterials, das aus einer beliebigen Komponente unter eines Gemischs aus Cr und Al, Si und SiC besteht, zusammen mit dem Basismaterial 110 auf der Oberfläche des Basismaterials 110 ausgebildet. Die Mischschicht 120 kann durch Schmelzen und Mischen des Beschichtungsmaterials, das in einem Pulverzustand zugeführt wird, in einem Zustand gebildet werden, in dem das Basismaterial 110 geschmolzen ist. Die Mischschicht 120 verbessert die Haftfestigkeit der Grenzfläche zwischen dem Basismaterial 110 und dem Strömungspfad 130.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Mischschicht 120 durch das Verfahren zum Beschichten von Metall gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie vorstehend beschrieben, ausgebildet werden. Mit anderen Worten kann die Oberfläche des Basismaterials 110 mit einem Laserstrahl bestrahlt werden, um das Basismaterial 110 bis zu einer vorbestimmten Tiefe zu schmelzen und ein Schmelzbad zu bilden, und das Pulver des Beschichtungsmaterials kann dem Schmelzbad zugeführt werden, um die Mischschicht 120 zu bilden. Insbesondere kann die Mischschicht 120 in einem Zustand gebildet werden, in dem 50% oder mehr des Pulvers durch Laserbestrahlung geschmolzen sind und die Oberfläche des Basismaterials 110 in einem Bereich von 20 bis 60 % geschmolzen ist.
Die Grenzfläche zwischen der Mischschicht 120 und dem Basismaterial 110 kann eine Wellenform haben. Wenn die Grenzfläche zwischen der Mischschicht 120 und dem Basismaterial 110 eine Wellenform hat, ist das Flächenmaß der Grenzfläche im Vergleich zu dem Fall, in dem die Mischschicht 120 und das Basismaterial 110 Seite an Seite angeordnet sind, größer. Daher können die Grenzflächenhaftfestigkeit und der Abschälwiderstand zwischen der Mischschicht 120 und dem Basismaterial 110 erhöht werden. Wenn die Mischschicht 120 durch das Verfahren zum Beschichten von Metall gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet wird, kann die Form der Grenzfläche zwischen der Mischschicht 120 und dem Basismaterial 110 durch Einstellen des Durchmessers des Schmelzbads, das durch den auf die Oberfläche des Basismaterials 110 aufgestrahlten Laserstrahl gebildet wird, des Überlappungsabstands zwischen benachbarten Schmelzbädern und dergleichen gesteuert werden.
Der Strömungspfad 130 wird durch Laminieren des Beschichtungsmaterials auf die Oberfläche der Mischschicht 120 gebildet. Der Strömungspfad 130 kann zusammen mit der Mischschicht 120 durch ein additives Fertigungsverfahren gebildet werden. Das additive Fertigungsverfahren kann beispielsweise ein DED- (Direct Energy Deposition) Verfahren sein.
Wie vorstehend beschrieben wurde, kann das Beschichtungsmaterial ein Gemisch aus Cr und AI sein. In diesem Fall kann das Gemisch aus Cr und AI eine feste Lösung sein, die aus 85 bis 95 Gew.-% Cr und 5 bis 15 Gew.-% AI besteht. Das Gemisch aus Cr und AI befindet sich in einem Zustand, in dem es auf der Oberfläche der Mischschicht 120 auflaminiert ist und in Kontakt mit Sauerstoff steht, um Cr₂O₃ bzw. Al₂O₃ auf der Oberfläche auszubilden. Cr₂O₃ und Al₂O₃ bilden dünne Schichten im Nanometerbereich und sorgen für Korrosionsbeständigkeit. In einem Gemisch aus Cr und AI wird bei einem Zusammensetzungsverhältnis von AI von weniger als 5 Gew.-% nicht genügend Al₂O₃ gebildet, und bei einem Zusammensetzungsverhältnis von AI von mehr als 15 Gew.-% kann die Menge der intermetallischen Verbindung, die bezüglich Stößen schwach ist, zunehmen und kann die Korrosionsbeständigkeit abnehmen.
Darüber hinaus kann das Beschichtungsmaterial aus Si oder SiC bestehen. Si kann den Strömungspfad 130 in einem Zustand bilden, in dem er auf die Oberfläche der Mischschicht 120 auflaminiert ist, und seine Oberfläche kann in Kontakt mit Sauerstoff stehen, um eine SiO₂-Dünnschicht im Nanometerbereich zu bilden. Die SiO₂-Dünnschicht sorgt für Korrosionsbeständigkeit. Darüber hinaus bietet SiC selbst eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit.
Obwohl beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, ist der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht auf die hierin dargelegten Ausführungsformen beschränkt. Durchschnittsfachleute, die den Sinn der vorliegenden Erfindung verstehen, können durch Ergänzen, Ändern, Entfernen, Hinzufügen usw. von Elementen ohne weiteres andere Ausführungsformen im gleichen Sinne vorschlagen, wobei die Ausführungsformen ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung fallen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 1020200158757 [0001]
KR 101609214 [0009]
KR 1609214 [0028]

Claims

Verfahren zum Beschichten von Metall, umfassend: Bereitstellen eines Metallbasismaterials; und Ausbilden eines Schmelzbades durch Bestrahlen einer Oberfläche des Metallbasismaterials mit einem Laser und Ausbilden einer Beschichtungsschicht unter Verwendung einer additiven Fertigung durch Zuführen eines Pulvers aus Si, SiC oder einem Gemisch aus Cr und Al zum Schmelzbad.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die additive Fertigung unter den Bedingungen einer Laserleistung von 180 bis 220 W und eines Scanabstands von 0,21 bis 0,39 mm ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Pulver aus einer festen Lösung hergestellt wird, die aus 85 bis 95 Gew.-% Cr und 5 bis 15 Gew.-% Al besteht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die additive Fertigung mit einer Scangeschwindigkeit von 6 bis 12 mm/s ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Pulver zusammen mit einem Pulvergas, das mit 6 bis 7 l/min zugeführt wird, in das Schmelzbad eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei bei der Bestrahlung mit dem Laserstrahl ein inneres Gas, das mit 6,5 bis 7,5 l/min zugeführt wird, gemeinsam mit zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Pulver aus Si oder SiC besteht und die additive Fertigung mit einer Scangeschwindigkeit von 4 bis 8 mm/s ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Pulver zusammen mit einem mit einer Zufuhrrate von 6 bis 7 l/min zugeführten Pulvergas in das Schmelzbad ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei bei der Bestrahlung mit dem Laserstrahl ein inneres Gas, das mit 6,5 bis 7,5 l/min zugeführt wird, gemeinsam mit ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausbilden einer Beschichtungsschicht in einem Zustand ausgeführt wird, in dem eine Rückseite des Metallbasismaterials gekühlt wird, um die Temperatur der Rückseite des Metallbasismaterials bei 100°C oder weniger zu halten.
Metallelement mit: einem Metallbasismaterial; und einer durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auf einer Oberfläche des Metallbasismaterials ausgebildeten Beschichtungsschicht.
Brennstoffzellenseparator mit: einem Basismaterial aus Metall; einer durch Schmelzen und Mischen eines Beschichtungsmaterials aus Si, SiC oder eines Gemischs aus Cr und Al zusammen mit dem Basismaterial auf der Oberfläche des Basismaterials ausgebildeten Mischschicht; und einem durch Laminieren des Beschichtungsmaterials auf der Oberfläche der Mischschicht ausgebildeten Strömungspfad.
Brennstoffzellenseparator nach Anspruch 12, wobei das Metall rostfreier Stahl ist.
Brennstoffzellenseparator nach Anspruch 12, wobei die Mischschicht durch Schmelzen und Mischen des Beschichtungsmaterials gebildet ist, das in einem Pulverzustand in einem Zustand zugeführt wird, in dem das Basismaterial geschmolzen ist.
Brennstoffzellenseparator nach Anspruch 12, wobei eine Grenzfläche zwischen dem Basismaterial und der Mischschicht eine wellenförmige Form aufweist.
Brennstoffzellenseparator nach Anspruch 12, wobei das Gemisch aus Cr und Al eine feste Lösung ist, die aus 85 bis 95 Gew.-% Cr und 5 bis 15 Gew.% Al besteht.