DE10235598B4 - Bipolar plate and method for coating the same - Google Patents
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Abstract
Metallische Bipolarplatte (1) mit einer als Korrosionsschutzschicht aufgebrachten elektrisch leitfähigen Oberflächenbeschichtung (4), wobei die Oberflächenbeschichtung aus einer Trägermasse (2) mit darin eingebundenen elektrisch leitfähigen Strukturen (3) in Form von Fasern, Körnern, Kugeln oder Nanotubes besteht, wobei die Strukturen die Bauteiloberfläche (4) kontaktieren und auf der von der Bauteiloberfläche abgewandten Seite der Oberflächenbeschichtung aus der Trägermasse (2) herausragen, wobei die Permeabilität der Oberflächenbeschichtung weniger als 10–2mbar·l·s–1 und die elektrische Leitfähigkeit im Bereich der eingelegten Strukturen >1S·cm beträgt.Metallic bipolar plate (1) having an electrically conductive surface coating (4) applied as a corrosion protection layer, the surface coating consisting of a carrier mass (2) with electrically conductive structures (3) incorporated therein in the form of fibers, grains, spheres or nanotubes, wherein the structures Contact the component surface (4) and protrude on the side facing away from the component surface of the surface coating of the carrier mass (2), wherein the permeability of the surface coating less than 10 -2 mbar · l · s -1 and the electrical conductivity in the region of the inserted structures > 1S · cm.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte mit einer auf die Bauteiloberfläche als Korrosionsschutzschicht aufgebrachten elektrisch leitfähigen Oberflächenbeschichtung sowie ein Verfahren zur Beschichtung der Bipolarplatte.The The present invention relates to a bipolar plate having a the component surface as a corrosion protection layer applied electrically conductive surface coating and a method of coating the bipolar plate.
Auf dem Gebiet der Brennstoffzellentechnik sind Bipolarplatten gegeben, welche einer sehr korrosiven Umgebung ausgesetzt sind. Diese Umgebungen enthalten beispielsweise Säuren, Laugen, Halogenide, deionisiertes Wasser, Kühlwasser, Luft, gasförmigen Wasserstoff usw.On In the field of fuel cell technology bipolar plates are given, which are exposed to a very corrosive environment. These environments contain, for example, acids, Alkalis, halides, deionized water, cooling water, air, gaseous hydrogen etc.
Zur Vermeidung von Korrosionsschäden werden daher 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 je doch sehr kostenaufwendig bzw. auch umweltschädlich.to Avoidance of corrosion damage Therefore, bipolar plates (which between each cell of a Fuel cell stacks are arranged) e.g. molded from high-alloy steels and then in addition coated with elements such as gold, silver or chrome. The coating with these materials is ever but 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 Gaspermeabilität mit sich bringt.A another possibility looks for To provide components such as bipolar plates graphitic materials. The advantage of this material group lies in the high corrosion resistance and with regard to mobile applications also on this low material density. The susceptibility However, tensile stress and the associated brittleness of graphite narrows the choice of the shaping process for structuring strong one. Furthermore, there are limits to the design of graphite-bonded structural panels in terms of the structural strength set. The reason for that lies, on the one hand, in the already mentioned brittleness of graphite and, on the other hand on the residual porosity of the material, the always the danger of an inadmissible gas permeability 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 einen 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.When Alternative it has also been tried to metallic bipolar plates made of stainless steel, aluminum or titanium. This result disadvantages in terms of corrosion. These are in oxidizing and reducing environments that have a pH lower than 3, not in the simultaneous presence of an electrolyte corrosion-free. In the aggressive environmental conditions, the within a fuel cell, it is state of the art the technology is not possible even with high-alloy steels Corrosion life of over 6,000 hours to reach.
Die
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, auf eine kostengünstige Weise elektrisch leitfähige Bauteile in Form von Bipolarplatten mit einer korrosionsbeständigen Oberfläche herzustellen sowie ein entsprechendes Verfahren zur Oberflächenbeschichtung zur Verfügung zu stellen.outgoing from this prior art, the present invention is the Object based, in a cost-effective manner electrically conductive components in Form of bipolar plates with a corrosion resistant surface and a corresponding method for surface coating available put.
Diese Aufgabe wird in Bezug auf die Bipolarplatte durch ein Bauteil nach Anspruch 1 und in Bezug auf das Verfahren durch Anspruch 8 gelöst.These Task is with respect to the bipolar plate by a component after Claim 1 and with respect to the method by claim 8.
Dadurch, dass die Bipolarplatte mit einer auf die Bauteiloberfläche der Bipolarplatte als Korrosionsschutzschicht aufgebrachten elektrisch leitfähigen Oberflächenbeschichtung versehen ist, wobei die Oberflächenbeschichtung aus einer Trägermasse mit darin eingebundenen elektrisch leitfähigen Strukturen in Form von Fasern, Körnern, Kugeln oder Nanotubes besteht, wobei die Strukturen die Bauteiloberfläche kontaktieren und auf der von der Bauteiloberfläche abgewandten Seite der Oberflächenbeschichtung aus der Trägermasse herausragen wobei die Permeabilität der Oberflächenbeschichtung weniger als 10–2mbar·l·s–1 beträgt und die elektrische Leitfähigkeit im Bereich der eingelegten Strukturen >1S·cm beträgt, wird diese Aufgabe in Bezug auf die Bipolarplatte gelöst.In that the bipolar plate is provided with an electrically conductive surface coating applied to the component surface of the bipolar plate as a corrosion protection layer, the surface coating consisting of a carrier mass with electrically conductive structures incorporated therein in the form of fibers, grains, spheres or nanotubes, wherein the structures are the component surface contact and on the side facing away from the component surface side of the Oberflächenbe The permeability of the surface coating is less than 10 -2 mbar · l · s -1 and the electrical conductivity in the region of the inserted structures is> 1S · cm, this object is achieved with respect to the bipolar plate.
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 gestaltet, dass die elektrische Leitfähigkeit sowohl tangential als auch normal zur Bauteiloberfläche gewährleistet ist.For the corrosion-proof Conclusion here is essentially responsible for the carrier mass. in this connection It may also be an electrically moderately conductive or non-conductive Substance act, which, however, the component surface corrosion-resistant concludes. For producing a very good conductivity through the surface coating through which serve in the carrier mass inlaid structures. These are partially with the uncoated component surface In contact, some of these also protrude from the carrier mass (i.e., on the side away from the component). It is not imperative that always the same structure (about one fiber) both the component surface touched as well as from the carrier mass protrudes on the side facing away from the component. But it's important that at least by a touch e.g. individual fibers with each other a current flow as possible low electrical resistance is possible. The individual structures are here designed so that the electrical conductivity guaranteed both tangential and normal to the component surface is.
Das erfindungsgemäße Verfahren nach Patentanspruch 8 zeichnet sich dadurch aus, dass eine erste, elektrisch leitfähige Trägermasse in flüssigem Zustand auf die Bipolarplatte aufgetragen und anschließend mit einer zweiten, nicht leitenden Trägermasse überdeckt wird und leitfähige Strukturen in die aus erster und zweiter Trägermasse entstandene mehrschichtige Trägermasse eingepresst werden.The inventive method according to claim 8, characterized in that a first, electrically conductive carrier mass in the liquid state applied to the bipolar plate and then with a second, not covered by conductive carrier mass becomes and conductive Structures in the first and second carrier mass resulting multilayered carrier mass be pressed.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.advantageous Further developments of the present invention are specified in the dependent claims.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Bipolarplatte sieht vor, dass dessen Bauteiloberfläche aus Metall (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 the bipolar plate provides that the component surface of Metal (e.g., steel, stainless steel, copper, titanium, aluminum, etc.). This material is inexpensive available and well moldable with known manufacturing methods. The inadequate Corrosion properties of stainless steel itself will be later on the coating of the invention canceled.
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 Struk turen 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 sees further advantageous embodiment ago that the carrier mass itself is electrically conductive. This is for the function of the invention not mandatory, as the electrically conductive struc tures even an electrical line through the surface coating reach through. To improve the overall conductivity It is, however, of great Advantage, if the carrier mass at least moderately electric is conductive (i.e., that the electrical conductivity is more than 0.01 S · 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 (2-Komponenten-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 ein Bauteil aufgetragen und anschließend mit der 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 ein mit der leitfähigen Masse beschichtete Bauteil aufgepresst.The carrier mass may be e.g. a meltable, crosslinking, conductive powder coating. Powder coating and fibers to be bound therein are first mixed, The mixture is then applied to the component and then melted. The carrier mass but can also be more conductive 2-component mass (2-component mass), conductive thermosets, conductive Thermoplastics, conductive Thermosets in pre-crosslinked state, novolaks etc. exist. Examples of this are preferred with carbon black and / or Graphite and / or graphite fibers filled thermosets and thermosets (e.g., phenolic or epoxy resin compositions) fill levels between 5 and 60 weight percent, preferably contain 15 to 60 wt .-%. It is also possible to have one carrier mass multi-layered (e.g., with an electrically conductive and an electrically non-conductive layer). This is the electric conductive carrier mass preferred first applied to a component and then with the non-conductive Mass covered and conductive Structures pressed into this multilayer carrier mass. In a particular embodiment These are the coated with the non-conductive mass, conductive Structures on a 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 short or long graphite fibers. The graphite fibers have this preferably a length between 100 and 500 μm (resp. 1 to 10 mm).
Möglich sind aber auch Graphitfaservliese bzw. Graphitfasergewebe, Graphit-Glasfaser-Mischgewebe, Graphitkörner, Graphitkugeln, Titanfasern, Nanotubes oder dergleichen.Possible are but also graphite fiber webs or graphite fiber webs, graphite-glass fiber blended webs, Graphite grains, Graphite spheres, 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.Especially it is advantageous here if a gas diffusion layer, e.g. as graphite fiber fleece or fabric executed is. At usual Fuel cell is such a gas diffusion fleece between the Membrane-electrode assembly and a bipolar plate for the finest distribution of reaction gases arranged. For the proper function of the fuel cell, it is necessary that good electrical conductivity of the bipolar plate is given to the membrane-electrode assembly. Because of that in the surface coating arranged, from the carrier mass outstanding structures with this gas diffusion layer interlock 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 press a gas diffusion layer into a still moldable carrier mass in which no structures are yet arranged. As a result, the graphite fibers of Gasdiffusi Onslage pressed directly onto the component surface, so that there is a very good electrical conductivity. In addition, the subsequent assembly effort is reduced somewhat because 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 Bipolarplatten ein großer Kostenvor teil, da die Beschichtung lediglich an den Stellen angebracht werden müssen, welche einer 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.One greater The advantage of the corrosion-resistant coating is that the component surface is also partial can be provided with this. This is opposite to e.g. graphitic bipolar plates a big cost advantage, since the coating need only be applied at the points which are exposed to corrosion. This can also be the carrier mass entire area or only part of the area with be occupied by the leading structures. Thus it becomes e.g. at a electrically non-conductive carrier mass possible, electrically conductive and electrically non-conductive areas from each other delineate.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:The The present invention will now be explained with reference to several figures. It demonstrate:
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·1·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.at the embodiment shown here in the figures is only a variant of the present invention. It is possible one corrosion-resistant, electrically conductive surface coating on others To produce ways, e.g. by electrically conductive structures such as graphite fibers with the carrier mass in the liquid Condition mixed and then applied to a component surface become.
Beim Auftragen der Trägermasse sind prinzipiell verschiedene Möglichkeiten gegeben. 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.At the Applying the carrier mass are in principle different possibilities given. For one thing, it is possible the carrier mass in a liquid Condition with the conductive To mix structures, then apply this mixture on the component surface and finally forming the surface coating Harden allow. Another possibility is, first the carrier mass on the component surface apply and then into the still mouldable carrier mass structures (such as e.g. a graphite fiber fleece) insert or press, thus a Contacting the structure and the component surface to achieve, then done the curing process.
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 no expensive special devices for this order are necessary. Depending on the desired conductivity type and number of inserted structures is variable. In particular, in the variant in which already prefabricated structures inserted into the moldable carrier mass or be pressed in there is the advantage that a very good electrical conductivity between otherwise separate elements (eg, a gas diffusion layer and a bipolar plate) is possible.
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