DE102022200505A1 - Bauteil zum Kontaktieren von Wasserstoff, Verwendung eines solchen Bauteils zum Herstellen eines Brennstoffzellensystems, eines Wasserstoff-Hochdruckspeichersystems, eines Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystems oder eines Wasserstoff-Verteilersystems, Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils - Google Patents

Bauteil zum Kontaktieren von Wasserstoff, Verwendung eines solchen Bauteils zum Herstellen eines Brennstoffzellensystems, eines Wasserstoff-Hochdruckspeichersystems, eines Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystems oder eines Wasserstoff-Verteilersystems, Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils Download PDF

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Friedrich Muehleder
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Robert Bosch GmbH
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C22/00—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C22/05—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions
    • C23C22/60—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions using alkaline aqueous solutions with pH greater than 8
    • C23C22/62—Treatment of iron or alloys based thereon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil zum Kontaktieren von Wasserstoff, aufweisend wenigstens eine Oberfläche, die dazu vorgesehen ist, mit einer Wasserstoffatmosphäre in Kontakt zu kommen. Die Oberfläche ist aus Stahl ausgebildet. Weiterhin ist auf der wenigstens einen Oberfläche des Bauteils eine amorphe und/oder teilkristalline Oxidschicht angeordnet.Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils zum Kontaktieren von Wasserstoff.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil, das geeignet und dazu vorgesehen ist, mit Wasserstoff in Kontakt zu sein. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Bauteil, welches Bestandteil eines Brennstoffzellensystems, eines Wasserstoff-Hochdruckspeichersystems, eines Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystems oder eines Wasserstoff-Verteilersystems sein kann. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils.
  • Stand der Technik
  • Typischerweise weisen Baukomponenten in beispielsweise Brennstoffzellensystemen oder Hochdruckspeichersystemen eine hohe mechanische Stabilität auf. Neben der mechanischen Stabilität ist es oftmals auch erforderlich, dass eine hohe Medienbeständigkeit vorhanden ist. Insbesondere in Brennstoffzellensystemen, Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystemen, in Wasserstoff-Hochdruckspeichersystemen oder auch in Wasserstoff-Verteilersystemen ist eine hohe Wasserstoffbeständigkeit erforderlich.
  • Das Dokument DE 10 2012 219 061 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einem Wasserstoffdrucktank, aus dem Wasserstoff zur Versorgung zumindest einer Anode des Brennstoffzellensystems entnehmbar ist. Für eine hohe Lebensdauer des Brennstoffzellensystems bzw. des Wasserstoffdrucktanks ist daher für die Baukomponenten des Brennstoffzellensystems und des Wasserstoffdrucktanks eine hohe Wasserstoffbeständigkeit notwendig.
  • Stahlwerkstoffe können unter Wasserstoffatmosphäre und mechanischer Beanspruchung eine Degradation der mechanischen Eigenschaften zeigen, was als Wasserstoffversprödung bezeichnet wird. Die Versprödungsneigung ist neben Faktoren wie beispielsweise der Mikrostruktur (z.B. ferritisch, martensitisch, austenitisch) und der Festigkeit auch vom Wasserstoffeintrag in den Werkstoff bzw. die Komponente abhängig. Eine Möglichkeit, die Wasserstoffversprödung zu minimieren, besteht darin, den Wasserstoffeintrag in das Material zu unterbinden bzw. zu behindern.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass auf eine einfache Weise ein Wasserstoffeintrag in die Vorrichtung minimiert werden kann.
  • Dazu weist das Bauteil zum Kontaktieren von Wasserstoff wenigstens eine Oberfläche auf, die dazu vorgesehen ist, mit einer Wasserstoffatmosphäre in Kontakt zu kommen. Diese Oberfläche ist aus Stahl ausgebildet. Darüber hinaus ist auf der wenigstens einen Oberfläche des Bauteils eine amorphe und/oder teilkristalline Oxidschicht angeordnet.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die amorphe und/oder teilkristalline Oxidschicht das Magnetit Fe3O4 umfasst.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils zum Kontaktieren von Wasserstoff, aufweisend der Verfahrensschritt
    1. a) alkalisches Brünieren zur Erzeugung einer amorphen und/oder teilkristallinen Oxidschicht.
  • Der Verfahrensschritt a) wird in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung durchgeführt, indem das Bauteil in eine bis zu 150° C heiße alkalische Lösung eingetaucht wird.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es in vorteilhafterweise vorgesehen, dass die alkalische Lösung Natronlauge und/oder Natriumnitrat umfasst.
  • Der Verfahrensschritt a) wird in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung durchgeführt, indem das Bauteil in eine Salzschmelze eingetaucht wird.
  • Durch die Ausbildung dieser amorphen und/oder teilkristallinen Oxidschicht, die sogenannte alkalische Brünierung, wird der Wasserstoffdurchtritt in das Bauteil vermindert oder gar unterbunden. Außerdem wird so auch die Anfälligkeit von hochfesten Stählen in wasserstoffhaltiger Atmosphäre verringert und ein Erhalt der Eigenschaften des Grundmaterials erzielt.
  • Durch die amorphe und/oder teilkristalline Oxidschicht erhält das Bauteil eine Diffusionsschutzschicht gegenüber Wasserstoff. Dies ist insbesondere für Bauteile von Vorteil, welche ständig in Kontakt mit Wasserstoff stehen, wie beispielsweise Ventil- und Tank-Komponenten für Wasserstoff-Hochdruckspeichersysteme oder Wasserstoff-Verteilersysteme wie Wasserstoff-Tankstellen, Komponenten der Wasserstoffeinblasung von Verbrennungskraftmaschinen wie ein Brennstoffzellensystem oder ein Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem und wasserstoffführende Verrohrungen bzw. allgemein wasserstoffführende Komponenten. Weitere Anwendungsfelder brünierter Stähle sind Umhausungen von Magneten oder von Sensorelementen bzw. den Stahlmembranen von Sensorelementen.
  • Daher wird gemäß der Erfindung die Verwendung des Bauteils und des Verfahrens zum Herstellen eines solchen Bauteils für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen.
  • Weiterhin wird gemäß der Erfindung die Verwendung des Bauteils und des Verfahrens zum Herstellen eines solchen Bauteils für einen Wasserstoff-Hochdruckspeicher vorgeschlagen.
  • Außerdem wird gemäß der Erfindung die Verwendung des Bauteils und des Verfahrens zum Herstellen eines solchen Bauteils für ein Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem vorgeschlagen.
  • Weiterhin wird gemäß der Erfindung die Verwendung des Bauteils und des Verfahrens zum Herstellen eines solchen Bauteils für ein Wasserstoff-Verteilersystem vorgeschlagen.
  • Figurenliste
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauteils zum Kontaktieren von Wasserstoff und die Anwendung in einem Brennstoffzellensystem, einem Wasserstoff-Hochdruckspeicher, einem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem und einem Wasserstoff-Verteilersystem gezeigt. Es zeigt in
    • 1 ein mögliches Ausführungsbeispiel eines Bauteils zum Kontaktieren von Wasserstoff in vereinfachter schematischer Ansicht,
    • 2 die Verwendung des Ausführungsbeispiels aus der 1 in einem Brennstoffzellensystem, einem Wasserstoff-Hochdruckspeicher, einem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem und einem Wasserstoff-Verteilersystem in vereinfachter schematischer Ansicht.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • 1 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel eines Bauteils 1 zum Kontaktieren von Wasserstoff in vereinfachter schematischer Ansicht. Das Bauteil 1 weist wenigstens eine mit einer Wasserstoffatmosphäre H2 in Kontakt stehende Oberfläche 3 auf. Weiterhin ist diese Oberfläche 3 aus Stahl ausgebildet und weist eine amorphe und/oder teilkristalline Oxidschicht 2 auf.
  • Typischerweise umfasst die amorphe und/oder teilkristalline Oxidschicht 2 das Magnetit Fe3O4.
  • Weiterhin wird das Bauteil 1 zum Herstellen eines Brennstoffzellensystems 70, eines Wasserstoff-Hochdruckspeichersystems 71, eines Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystems 72 oder eines Wasserstoff-Verteilersystems 73 verwendet (siehe 2).
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils 1 zum Kontaktieren von Wasserstoff mit dem Verfahrensschritt
    • - alkalisches Brünieren zur Erzeugung einer amorphen und/oder teilkristallinen Oxidschicht 2.
  • Das alkalische Brünieren zur Erzeugung einer amorphen und/oder teilkristallinen Oxidschicht 2 kann dabei so ausgeführt werden, indem das Bauteil 1 in eine bis zu 150° C heiße alkalische Lösung eingetaucht wird.
  • Die alkalische Lösung umfasst typischerweise Natronlauge und/oder Natriumnitrat.
  • Das alkalische Brünieren zur Erzeugung einer amorphen und/oder teilkristallinen Oxidschicht 2 kann dabei so ausgeführt werden, indem das Bauteil 1 in eine Salzschmelze eingetaucht wird.
  • Weiterhin wird das Verfahren insbesondere zum Herstellen eines Bauteils 1 für ein Brennstoffzellensystem 70, für einen Wasserstoff-Hochdruckspeichersystem 71 oder für ein Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem 72 verwendet. Neben den genannten Anwendungen ist auch eine Anwendung des Bauteils in Wasserstoff-Verteilersystemen 73 wie beispielsweise einer Wasserstoff-Tankstelle möglich, welche ebenso in Kontakt mit Wasserstoff steht bzw. in Kontakt tritt (siehe 2).
  • Das alkalische Brünieren ist in DIN 50938 beschrieben. Abhängig von der gewünschten Schichtdicke der amorphen und/oder teilkristallinen Oxidschicht können ein- bis drei-stufige Verfahren verwendet werden. Die Erfindung bezieht sich im Wesentlichen auf den Einsatz von alkalisch brünierten Bauteilen unter Wasserstoffgasatmosphäre, wie sie beispielsweise in einem Anodenpfad des Brennstoffzellensystems, in Komponenten des Wasserstoff-Hochdruckspeichersystems (Ventile, Speicherzylinder, usw.) und bei Komponenten der Wasserstoffeinblasung von Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystemen vorherrscht.
  • Durch das alkalische Brünieren entsteht eine Diffusionsschutzschicht gegenüber Wasserstoff.
  • Bauteile, die auf diese Art und Weise behandelt werden können, sind bspw. Ventil- und Tank-Komponenten für Wasserstoff Hochdruckspeichersysteme, Komponenten der Wasserstoffeinblasung von Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystemen und wasserstoffführende Verrohrungen bzw. allgemein wasserstoffführende Komponenten. Weitere Anwendungsfelder brünierter Stähle sind Umhausungen von Magneten oder von Sensorelementen bzw. den Stahlmembranen von Sensorelementen.
  • Durch alkalisches Brünieren kann auf Stählen eine Oxidschicht erzeugt werden, welche eine gute Anbindung an das Grundmaterial besitzt und zu wesentlichen Anteilen das Eisenoxid Fe3O4 (Magnetit) umfasst, welches häufig amorph bzw. teilkristallin vorliegt. Anteile weiterer Oxide in der Schicht, wie beispielsweise Fe2O3 sind möglich. Die durch das Brünieren erzeugte Schicht, stellt eine Wasserstoffdiffusionsbarriere dar und führt zu einer signifikant verringerten Versprödungsneigung. Darüber hinaus kann die Barrierewirkung auch zur Funktionserfüllung verwendet werden, wenn zum Beispiel ein Wasserstoffdurchtritt durch ein Bauteil verhindert werden soll, um dahinterliegende elektronische Komponenten oder magnetische Baugruppen vor einer Wasserstoffexposition zu schützen. Ein alkalisches Brünieren kann sowohl auf unlegierten, niedriglegierten sowie auf hochlegierten und rostfreien Stählen verwendet werden.
  • 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 102012219061 A1 [0003]

Claims (14)

  1. Bauteil (1) zum Kontaktieren von Wasserstoff, aufweisend wenigstens eine Oberfläche (3), die dazu vorgesehen ist, mit einer Wasserstoffatmosphäre in Kontakt zu kommen, wobei zumindest diese Oberfläche (3) aus Stahl ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der wenigstens einen Oberfläche des Bauteils eine amorphe und/oder teilkristalline Oxidschicht (2) angeordnet ist.
  2. Bauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe und/oder teilkristalline Oxidschicht (2) das Magnetit Fe3O4 umfasst.
  3. Verwendung eines Bauteils (1) nach Anspruch 1 oder 2 zum Herstellen eines Brennstoffzellensystems (70).
  4. Verwendung eines Bauteils (1) nach Anspruch 1 oder 2 zum Herstellen eines Wasserstoff-Hochdruckspeichersystems (71).
  5. Verwendung eines Bauteils (1) nach Anspruch 1 oder 2 zum Herstellen eines Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystems (72).
  6. Verwendung eines Bauteils (1) nach Anspruch 1 oder 2 zum Herstellen eines Wasserstoff-Verteilersystems (73).
  7. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (1) nach Anspruch 1 oder 2 zum Kontaktieren von Wasserstoff, aufweisend der Verfahrensschritt a) alkalisches Brünieren zur Erzeugung einer amorphen und/oder teilkristallinen Oxidschicht (2).
  8. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensschritt a) durchgeführt wird, indem das Bauteil in eine bis zu 150° C heiße alkalische Lösung eingetaucht wird.
  9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die alkalische Lösung Natronlauge und/oder Natriumnitrat umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensschritt a) durchgeführt wird, indem das Bauteil in eine Salzschmelze eingetaucht wird.
  11. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 7 bis 10 zum Herstellen eines Bauteils für ein Brennstoffzellensystem (70)
  12. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 7 bis 10 zum Herstellen eines Bauteils für einen Wasserstoff-Hochdruckspeichersystem (71).
  13. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 7 bis 10 zum Herstellen eines Bauteils für ein Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem (72).
  14. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 7 bis 10 zum Herstellen eines Bauteils für ein Wasserstoff-Verteilersystem (73).
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012219061A1 (de) 2012-10-19 2014-04-24 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem mit stabilisiertem H2-Mitteldruck
CN104609088A (zh) 2014-12-23 2015-05-13 自贡华气科技股份有限公司 一种存储特种气体的地下储气井装置的制造方法

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Title
Bhadeshia, H.K.D.H.; „Prevention of Hydrogen Embrittlement in Steels", ISIJ International, Vol. 56, Nr. 1, 2016, S.24-36 - ISSN: 0915-1559
Brünieren. In: Wikipedia, die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 02.01.2022, 19:26 UTC, URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Br%C3%BCnieren&oldid=218722485 [abgerufen am 26.08.2022]
HOFMANN, H.; SPINDLER, J.; „Verfahren in der Beschichtungs- und Oberflächentechnik", 4. Aufl., Carl Hanser Verlag München, 2020, S.194-195. – ISBN: 978-3-446-46455-1

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