DE10235598A1 - Component used in fuel cells has an electrically conducting surface coating applied as corrosion protection layer on its surface - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer auf die Bauteiloberfläche als Korrosionsschutzschicht aufgebrachten elektrisch leitfähigen Oberflächenbeschichtung sowie ein Verfahren zur Beschichtung des Bauteils.The present invention relates to a component with a corrosion protection layer on the component surface applied electrically conductive surface coating and a method for coating the component.
Auf dem Gebiet der Brennstoffzellentechnik sind zahlreiche Bauteile gegeben, welche einer sehr korrosiven Umgebung ausgesetzt sind. Diese Umgebungen enthalten beispielsweise Säuren, Laugen, Halogenide, deionisiertes Wasser, Kühlwasser, Luft, gasförmigen Wasserstoff usw.Are in the field of fuel cell technology given numerous components, which a very corrosive environment are exposed. These environments contain, for example, acids, alkalis, halides, deionized water, cooling water, Air, gaseous Hydrogen etc.
Zur Vermeidung von Korrosionsschäden werden daher Bauteile von Brennstoffzellen, etwa Bipolarplatten (welche zwischen den einzelnen Zellen eines Brennstoffzellenstacks angeordnet sind) z.B. aus hochlegierten Stählen geformt und dann zusätzlich mit Elementen wie Gold, Silber oder Chrom beschichtet. Die Beschichtung mit diesen Materialien ist jedoch sehr kostenaufwendig bzw. auch umweltschädlich.To avoid corrosion damage hence components of fuel cells, such as bipolar plates (which arranged between the individual cells of a fuel cell stack are) e.g. made of high-alloy steels shaped and then additional coated with elements such as gold, silver or chrome. The coating with these materials, however, is very expensive or too harmful to the environment.
Eine weitere Möglichkeit sieht vor, für Bauteile wie etwa Bipolarplatten graphitische Werkstoffe vorzusehen. Der Vorteil dieser Werkstoffgruppe liegt zwar in der hohen Korrosionsbeständigkeit und im Hinblick auf mobile Anwendungen auch auf dieser geringe Materialdichte. Die Anfälligkeit auf Zugspannung und die damit verbundene Sprödigkeit von Graphit engt jedoch die Wahl des Formgebungsverfahrens für die Strukturierung stark ein. Weiterhin sind dem Design von graphitgebundenen Strukturplatten Grenzen bezüglich der Strukturstärke gesetzt. Der Grund hierfür liegt zum einen an der bereits erwähnten Sprödigkeit von Graphit und andererseits an der Restporösität des Werkstoffs, die stets die Gefahr einer unzulässigen Gaspermlabilität mit sich bringt.Another possibility is for components such as bipolar plates to provide graphitic materials. The The advantage of this group of materials is their high corrosion resistance and with regard to mobile applications also on this low material density. The vulnerability tensile stress and the associated brittleness of graphite, however, narrow the choice of shaping method for structuring strongly on. There are also limits to the design of graphite-bonded structural panels in terms of the structural strength set. The reason for that is partly due to the previously mentioned brittleness of graphite and secondly the residual porosity of the material, which is always the risk of an inadmissible Gaspermlabilität brings with it.
Als Alternative ist es auch versucht worden, metallische Bipolarplatten aus Edelstahl, Aluminium oder Titan herzustellen. Hierbei ergeben sich Nachteile in Bezug auf Korrosion. Diese sind in oxidierenden und reduzierenden Umgebungen, die ein pH-Wert von niedriger als 3 aufweisen, bei gleichzeitiger Präsenz eines Elektrolyten nicht korrosionsfrei. Bei den aggressiven Umgebungszuständen, die innerhalb einer Brennstoffzelle vorherrschen, ist es nach dem Stand der Technik nicht möglich, selbst bei hochlegierten Stählen Korrosionsstandzeiten von über 6.000 Stunden zu erreichen.As an alternative, it is also tempted been made of stainless steel, aluminum or bipolar plates To produce titanium. There are disadvantages with regard to Corrosion. These are in oxidizing and reducing environments, which have a pH value of less than 3 with simultaneous presence of an electrolyte is not corrosion-free. With the aggressive environmental conditions that prevail within a fuel cell, it is according to the state technology is not possible even with high-alloy steels Corrosion service life of over To reach 6,000 hours.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, auf eine kostengünstige Weise elektrisch leitfähige Bauteile mit einer korrosionsbeständigen Oberfläche herzustellen sowie ein entsprechendes Verfahren zur Oberflä chenbeschichtung zur Verfügung zu stellen.Based on this state of the art the object of the present invention, in a cost-effective manner electrically conductive Manufacture components with a corrosion-resistant surface and to provide a corresponding process for surface coating.
Diese Aufgabe wird in Bezug auf das Bauteil durch ein Bauteil nach Anspruch 1 und in Bezug auf das Verfahren durch Ansprüche 12 und 13 gelöst.This task is related to that Component by a component according to claim 1 and in relation to the method through claims 12 and 13 solved.
Dadurch, daß das Bauteil mit einer auf die Bauteiloberfläche als Korrosionsschutzschicht aufgebrachten elektrisch leitfähigen Oberflächenbeschichtung versehen ist, wobei die Oberflächenbeschichtung aus einer Trägermasse mit darin eingebundenen elektrisch leitfähigen Strukturen besteht, wobei die Strukturen die Bauteiloberfläche kontaktieren und auf der von der Bauteiloberfläche abgewandten Seite der Oberflächenbeschichtung aus der Trägermasse herausragen, wird diese Aufgabe gelöst.The fact that the component with a the component surface applied as an anti-corrosion layer, electrically conductive surface coating is provided, the surface coating from a carrier mass with integrated electrically conductive structures, the Structures the component surface contact and on the side of the surface coating facing away from the component surface protrude from the carrier mass, this task is solved.
Für den korrosionsdichten Abschluß ist hierbei im wesentlichen die Trägermasse zuständig. Hierbei kann es sich auch um eine elektrisch mäßig leitende bzw. nicht leitende Substanz handeln, welche jedoch die Bauteiloberfläche korrosionsdicht abschließt. Zur Herstellung einer sehr guten Leitfähigkeit durch die Oberflächenbeschichtung hindurch dienen die in die Trägermasse eingelegten Strukturen. Diese sind mit der unbeschichteten Bauteiloberfläche teilweise in Kontakt, teilweise ragen diese auch aus der Trägermasse (d.h. auf der vom Bauteil abgewandten Seite) heraus. Es ist nicht zwingend notwendig, daß stets dieselbe Struktur (etwa eine Faser) sowohl die Bauteiloberfläche berührt als auch aus der Trägermasse auf der dem Bauteil abgewandten Seite herausragt. Wichtig ist aber, daß zumindest durch eine Berührung z.B. einzelner Fasern untereinander ein Stromfluß mit möglichst geringem elektrischen Widerstand möglich wird. Die einzelnen Strukturen sind hierbei so ges taltet, daß die elektrische Leitfähigkeit sowohl tangential als auch normal zur Bauteiloberfläche gewährleistet ist.For is the corrosion-tight seal here essentially the carrier mass responsible. in this connection it can also be an electrically moderately conductive or non-conductive Act substance, but the component surface is corrosion-proof concludes. To produce a very good conductivity through the surface coating through that serve in the carrier mass inlaid structures. These are partly with the uncoated component surface in contact, some of which also protrude from the carrier mass (i.e. on the side facing away from the component). It is not imperative that always the same structure (such as a fiber) both touches the component surface and also from the carrier mass protrudes on the side facing away from the component. But it is important that at least through a touch e.g. individual fibers with each other a current flow with the lowest possible electrical Resistance possible becomes. The individual structures are designed so that the electrical conductivity guaranteed both tangential and normal to the component surface is.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat verschiedene mögliche Ausprägungen.The method according to the invention has several possible Forms.
Zum einen ist es möglich, die Trägermasse in einem flüssigen Zustand mit den leitfähigen Strukturen zu vermischen, dann diese Mischung auf die Bauteiloberfläche aufzubringen und schließlich unter Bildung der Oberflächenbeschichtung aushärten zu lassen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, zunächst die Trägermasse auf die Bauteiloberfläche aufzutragen und dann in die noch formbare Trägermasse Strukturen (wie z.B. ein Graphitfaservlies) einzulegen bzw. einzupressen, um somit eine Kontaktierung der Struktur und der Bauteiloberfläche zu erreichen, anschließend erfolgt der Aushärtevorgang.For one thing, it is possible to carrier mass in a liquid Condition with the conductive Mix structures, then apply this mixture to the component surface and finally forming the surface coating Harden allow. Another possibility is to start with the carrier mass to be applied to the component surface and then into the formable carrier mass Insert or press in structures (such as a graphite fiber fleece), in order to contact the structure and the component surface, subsequently the curing process takes place.
Vorteilhaft hierbei ist, daß keine teuren Spezialvorrichtungen für diesen Auftrag notwendig sind. Je nach gewünschter Leitfähigkeit ist Art und Anzahl der eingelegten Strukturen variabel. Insbesondere bei der Variante, in welcher bereits vorgefertigte Strukturen in die formbare Trägermasse eingelegt bzw. eingepresst werden ergibt sich der Vorteil, daß eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit zwischen sonst getrennten Elementen (z.B. einer Gasdiffusionslage sowie einer Bipolarplatte) möglich wird.The advantage here is that none expensive special devices for this order are necessary. Depending on the desired conductivity the type and number of the inserted structures is variable. Especially at the variant in which already prefabricated structures in the malleable carrier mass be inserted or pressed in there is the advantage that a very good electrical conductivity between otherwise separate elements (e.g. a gas diffusion layer and a bipolar plate) possible becomes.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Advantageous further developments of present invention are specified in the dependent claims.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Bauteils sieht vor, daß dessen Bauteiloberfläche aus Me tall (z.B. Stahl, Edelstahl, Kupfer, Titan, Aluminium etc.) ist. Dieses Material ist kostengünstig erhältlich und mit bekannten Fertigungsmethoden gut formbar. Die unzureichenden Korrosionseigenschaften von Edelstahl selbst werden später durch die erfindungsgemäße Beschichtung aufgehoben.A particularly advantageous embodiment of the component provides that the component top surface made of metal (e.g. steel, stainless steel, copper, titanium, aluminum etc.). This material is available inexpensively and can be shaped well using known manufacturing methods. The inadequate corrosion properties of stainless steel itself are later eliminated by the coating according to the invention.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß die Trägermasse selbst elektrisch leitend ist. Dies ist für die Funktion der Erfindung nicht zwingend notwendig, da die elektrisch leitfähigen Strukturen selbst schon eine elektrische Leitung durch die Oberflächenbeschichtung hindurch erreichen. Zur Verbesserung der Gesamtleitfähigkeit ist es jedoch von großem Vorteil, wenn die Trägermasse zumindest mäßig elektrisch leitend ist (d.h., dass die elektrische Leitfähigkeit mehr als 0,01S*cm beträgt).A further advantageous embodiment provides before that carrier mass itself is electrically conductive. This is for the function of the invention not absolutely necessary because of the electrically conductive structures even an electrical wire through the surface coating reach through. To improve overall conductivity but it’s great Advantage if the carrier mass at least moderately electric is conductive (i.e. the electrical conductivity is more than 0.01S * cm).
Die Trägermasse kann hierbei z.B. ein schmelzbarer vernetzender, leitfähiger Pulverlack sein. Pulverlack und darin zu bindende Fasern werden hierbei zunächst vermischt, das Gemenge wird dann auf das Bauteil aufgetragen und anschließend aufgeschmolzen. Die Trägermasse kann aber auch aus leitfähiger 2-K-Masse, leitfähigen Duroplasten, leitfähigen Thermoplasten, leitfähigen Duroplasten im vorvernetzten Zustand, Novolacken etc. bestehen. Beispiele hierfür sind bevorzugt mit Ruß und/oder Graphit und/oder Graphitfasern gefüllte Thermo- und Duroplaste (z.B. Phenol- oder Epoxidharzmassen) die Füllgrade zwischen 5 und 60 Gew.-%, bevorzugt 15 bis 60 Gew.-% enthalten. Es ist auch möglich, eine Trägermasse mehrschichtig anzubringen (z.B. mit einer elektrisch leitenden und einer elektrisch nicht leitenden Schicht). Dabei wird die elektrisch leitfähige Trägermasse bevorzugt zunächst auf das Bauteil aufgetragen und anschließend mit der nicht nichtleitenden Masse überdeckt und leitfähigen Strukturen in diese mehrschichtige Trägermasse eingepreßt. In einer besonderen Ausführungsform hierzu werden die mit der nichtleitenden Masse beschichteten, leitenden Strukturen auf das mit der leitfähigen Masse beschichtete Bauteil aufgepreßt.The carrier mass can e.g. be a meltable, crosslinking, conductive powder coating. powder coating and fibers to be bound in it are first mixed, the mixture is then applied to the component and then melted. The carrier mass but can also be made of conductive 2-component ground, conductive Thermosets, conductive Thermoplastics, conductive There are thermosets in the pre-crosslinked state, novolaks etc. Examples of this are preferred with soot and / or Graphite and / or graphite fiber filled thermoplastics and thermosets (e.g. phenol or epoxy resin compositions) the filling levels between 5 and 60% by weight, preferably contain 15 to 60 wt .-%. It is also possible to get one carrier mass to be applied in multiple layers (e.g. with one electrically conductive and one electrically non-conductive layer). The electrically conductive carrier mass preferred first applied to the component and then with the non-conductive Mass covered and conductive Structures pressed into this multi-layer carrier mass. In a special embodiment For this purpose, the conductive, coated with the non-conductive mass Structures on that with the conductive Mass coated component pressed on.
Die Strukturen können kurze oder lange Graphitfasern sein. Die Graphitfasern haben hierbei vorzugsweise eine Länge zwischen 100 und 500 μm (bzw. 1 bis 10 mm).The structures can be short or long graphite fibers his. The graphite fibers preferably have a length between 100 and 500 μm (or 1 to 10 mm).
Möglich sind aber auch Graphitfaservliese bzw. Graphitfasergewebe, Graphit-Glasfaser-Mischgewebe, Graphitkörner, Graphitkugeln, Titanfasern, Nanotubes oder dergleichen.Possible but are also graphite fiber fleeces or graphite fiber fabrics, graphite-glass fiber mixed fabrics, Graphite grains, Graphite balls, titanium fibers, nanotubes or the like.
Besonders vorteilhaft ist hierbei, wenn eine Gasdiffusionslage z.B. als Graphitfaservlies oder -gewebe ausgeführt ist. Bei üblichen Brennstoffzellen ist ein solches Gasdiffusionsvlies zwischen der Membran-Elektroden-Einheit und einer Bipolarplatte zur Feinstverteilung von Reaktionsgasen angeordnet. Für die einwandfreie Funktion der Brennstoffzelle ist es notwendig, daß eine gute elektrische Leitfähigkeit von der Bipolarplatte zu der Membran-Elektroden-Einheit gegeben ist. Dadurch, daß die in der Oberflächenbeschichtung angeordneten, aus der Trägermasse herausragenden Strukturen mit dieser Gasdiffusionslage sich verhaken können, ist eine noch höhere elektrische Leitfähigkeit erzielbar.It is particularly advantageous here if a gas diffusion layer e.g. as graphite fiber fleece or fabric accomplished is. With usual Fuel cells is such a gas diffusion fleece between the Membrane-electrode assembly and a bipolar plate for the fine distribution of reaction gases arranged. For the proper functioning of the fuel cell it is necessary that a good electrical conductivity of the bipolar plate is given to the membrane electrode assembly. Because the in the surface coating arranged, from the carrier mass outstanding structures get caught with this gas diffusion layer can, is an even higher one electric conductivity achievable.
Es ist sogar möglich, in eine noch formbare Trägermasse, in welcher noch keine Strukturen angeordnet sind, eine Gasdiffusionslage einzupressen. Hierdurch werden die Graphitfasern der Gasdiffusionslage direkt auf die Bauteiloberfläche gepresst, so daß sich eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit ergibt. Zusätzlich wird der spätere Montageaufwand etwas verringert, da die Positionierung einer separaten Gasdiffusionslage nicht mehr notwendig ist.It is even possible to put it in a formable support, in which no structures are yet arranged, a gas diffusion layer to press. As a result, the graphite fibers of the gas diffusion layer directly on the component surface pressed so that very good electrical conductivity results. additionally will be the later Assembly effort somewhat reduced, since the positioning of a separate gas diffusion layer is no longer necessary.
Ein großer Vorteil der korrosionsfesten Beschichtung ist der, daß die Bauteiloberfläche auch partiell mit dieser versehen werden kann. Dies ist gegenüber z.B. graphitischen Bauteilen ein großer Kostenvorteil, da die Beschichtung lediglich an den Stellen angebracht werden müssen, welche eine Korrosion ausgesetzt sind. Hierbei kann außerdem die Trägermasse vollflächig oder auch nur teilflächig mit den leitenden Strukturen belegt sein. Somit wird es z.B. bei einer elektrisch nicht leitfähigen Trägermasse möglich, elektrisch leitende und elektrisch nicht leitende Bereiche voneinander abzugrenzen.A big advantage of the corrosion-resistant Coating is that the component surface can also be partially provided with this. This is compared to e.g. graphite components a big one Cost advantage because the coating is only applied at the points Need to become, which are exposed to corrosion. Here, the carrier mass entire area or even only partially be occupied with the leading structures. So it becomes e.g. at an electrically non-conductive Carrier mass possible, electrical demarcate conductive and electrically non-conductive areas.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:The present invention will now explained using several figures. Show it:
Im Folgenden soll jedoch speziell
auf die Schnittstelle von Gasdiffusionslage
Eine genauere Ansicht hiervon ist
in
Der große Vorteil der Erfindung besteht
also darin, daß trotz
der Verwendung kostengünstigen Stahles,
der zudem leicht formbar ist, eine korrosionsdichte Beschichtung,
welche zudem noch eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt, aufgebracht werden
konnte. Die Permeabilität
der Oberflächenbeschichtung
beträgt <10–2mbar*l*s–1.
Die elektrische Leitfähigkeit
beträgt
im Bereich der eingelegten Strukturen
Bei der hier in den Figuren gezeigten Ausführungsform handelt es sich lediglich um eine Variante der vorliegenden Erfindung. Es ist möglich, eine korrosionsfeste, elektrisch leitfähige Oberflächenbeschichtung auch auf andere Weisen herzustellen, z.B. indem elektrisch leitfähige Strukturen wie etwa Graphitfasern mit der Trägermasse im flüssigen Zustand vermischt und dann erst auf eine Bauteiloberfläche aufgetragen werden.The one shown here in the figures embodiment it is only a variant of the present invention. It is possible, a corrosion-resistant, electrically conductive surface coating also on others Making wise, e.g. by electrically conductive structures such as graphite fibers with the carrier mass in the liquid Condition mixed and only then applied to a component surface become.
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