DE112005001704T5 - Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität - Google Patents

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Abstract

Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität für eine Brennstoffzelle, umfassend:
ein Bipolarplattensubstrat; und
eine korrosionsbeständige Beschichtung, die auf das Bipolarplattensubstrat gesputtert ist.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen, die Elektrizität zum Antrieb von Fahrzeugen oder anderen Maschinen erzeugen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Bipolarplatte, die mit einer korrosionsbeständigen Beschichtung aus einem rostfreien Stahl mit hoher Güte oder einer Legierung mit hoher Güte beschichtet ist, um der Bipolarplatte eine Fluoridbeständigkeit zu verleihen, wenn sie in einer Polyelektrolytmembran-(PEM)-Brennstoffzelle verwendet wird.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Brennstoffzellentechnologie ist eine relativ junge Entwicklung in der Kraftfahrzeugindustrie. Es hat sich herausgestellt, dass Brennstoffzellenantriebsanlagen in der Lage sind, Wirkungsgrade in der Höhe von 55% zu erreichen. Ferner emittieren Brennstoffzellenantriebsanlagen nur Wärme und Wasser als Nebenprodukte.
  • Brennstoffzellen weisen drei Komponenten auf: eine Kathode, eine Anode und einen Elektrolyt, der zwischen der Kathode und der Anode schichtartig angeordnet ist und nur Protonen durchlässt. Jede Elektrode ist auf einer Seite mit einem Katalysator beschichtet. Im Betrieb spaltet der Katalysator an der Anode Wasserstoff in Elektronen und Protonen. Die Elektronen werden als elektrischer Strom von der Anode durch einen Antriebsmotor und dann an die Kathode geliefert, während die Protonen von der Anode durch den Elektrolyt an die Kathode wandern. Der Kataly sator an der Kathode kombiniert die Protonen mit den von dem Antriebsmotor zurückkehrenden Elektronen und Sauerstoff aus der Luft, um Wasser zu bilden. Einzelne Brennstoffzellen können in Reihe aneinander gestapelt werden, um zunehmend größere Mengen an Elektrizität zu erzeugen.
  • In einer Polymerelektrolytmembran-(PEM)-Brennstoffzelle dient eine Polymerelektrodenmembran als der Elektrolyt zwischen einer Kathode und einer Anode. Die Polymerelektrodenmembran, die gegenwärtig in Brennstoffzellenanwendungen verwendet wird, erfordert ein bestimmtes Niveau an Feuchte, um eine Leitfähigkeit der Membran zu erleichtern. Daher ist die Beibehaltung des richtigen Niveaus an Feuchte in der Membran durch ein Feuchte/Wasser-Management für die richtige Funktion der Brennstoffzelle sehr wichtig. An der Brennstoffzelle tritt ein irreversibler Schaden auf, wenn die Membran austrocknet.
  • In der PEM-Brennstoffzelle werden häufig mehrere Brennstoffzellen in Reihe gestapelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. In dem Brennstoffzellenstapel dient eine Seite einer Strömungsfeldplatte als die Anode für eine Brennstoffzelle, während die entgegengesetzte Seite der Strömungsfeldplatte als die Kathode für eine benachbarte Brennstoffzelle dient. Da jede Strömungsfeldplatte sowohl als eine Anode als auch eine Kathode dient, ist die Strömungsfeldplatte auch als eine Bipolarplatte bekannt. Monopolarplatten, wie Anodenkühlmittelströmungsfeldplatten können in dem Brennstoffzellenstapel vorgesehen sein. Eine Seite der Anodenkühlmittelströmungsfeldplatte dient als eine Anodenströmungsfeldplatte. Die entgegengesetzte Seite der Anodenkühlmittelströmungsfeldplatte dient als eine Kathodenkühlmittelströmungsfeldplatte. Kühlmittelkanäle der Anodenkühlmittelströmungsfeldplatte und der Kathoden kühlmittelströmungsfeldplatte können kombiniert werden, um gemeinsame Kühlmittelkanäle zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels zu bilden.
  • Bipolarplatten für PEM-Brennstoffzellen müssen elektrochemisch stabil, elektrisch leitend und kostengünstig sein. Die Korrosion metallischer Bipolarplatten in der Brennstoffzellenumgebung beschleunigt den Korrosionsprozess durch Abbau der Membran. Die Abbauprodukte der Membran weisen Fluorwasserstoff (HF) auf, der den Korrosionsprozess beschleunigt, wodurch bewirkt wird, dass der Korrosionsprozess autokatalytischer Natur wird. Es sind rostfreie Stähle mit 316L und anderen niedrigeren Güten als kostengünstige Bipolarplattenmaterialien verwendet worden.
  • Während rostfreier Stahl 316L eine gute Korrosionsbeständigkeit gegenüber Fluoridionen aufweist, nimmt die Korrosionsgeschwindigkeit mit der Zunahme der Geschwindigkeit der Fluoridionenauslaugung zu. Dieses Problem kann dadurch etwas gemindert werden, dass der Fluorwasserstoff aus der Brennstoffzellenumgebung entfernt wird, oder rostfreier Stahl mit höheren Güten verwendet wird, der beständiger gegenüber Korrosion durch Fluoridionen ist als rostfreier Stahl 316L. Die Verwendung rostfreier Stähle mit höheren Güten für die Bipolarplatte erhöht jedoch tendenziell die Kosten der Bipolarplatte.
  • Es sind verschiedene Verfahren bekannt, um die Korrosionsbeständigkeit eines korrosionsanfälligen Substrats zu erhöhen. Beispielsweise offenbart die US20030228512 A1 ein Verfahren zum Verbessern des Kontaktwiderstandes der Oberfläche eines Substrats aus rostfreiem Stahl, während eine optimale Korrosionsbeständigkeit des Substrats durch Abscheiden einer Goldbeschichtung auf dem Substrat beibehalten wird. Die US 20040091768 A1 offenbart ein Verfahren zum Erhöhen der Korrosionsbe ständigkeit eines Substrats dadurch, dass eine polymere leitende Beschichtung auf dem Substrat vorgesehen wird. Das US-Patent Nr. 6,372,376 B1 offenbart ein Verfahren zum Erhöhen der Korrosionsbeständigkeit eines Substrats, indem ein elektrisch leitendes korrosionsbeständiges Polymer, das eine Vielzahl von elektrisch leitenden, korrosionsbeständigen Füllpartikeln enthält, auf dem Substrat vorgesehen wird.
  • Es hat sich herausgestellt, dass ein Beschichten der Oberfläche einer Bipolarplatte aus rostfreiem Stahl mit geringerer Güte, wie beispielsweise einer Bipolarplatte aus rostfreiem Stahl 316L oder 304L, mit einer dünnen Schicht aus rostfreiem Stahl mit hoher Güte oder aus Legierung mit hoher Güte der Bipolarplatte einen hohen Grad an Fluoridionenkorrosionsbeständigkeit verleiht, während die Kosten der Bipolarplatte innerhalb akzeptabler Niveaus gehalten werden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ist allgemein auf eine neuartige Bipolarplatte gerichtet, die durch eine verbesserte Stabilität und Beständigkeit gegenüber Fluoridkorrosion in einer Brennstoffzelle gekennzeichnet ist. Die Bipolarplatte der vorliegenden Erfindung weist ein Bipolarplattensubstrat aus rostfreiem Stahl, das typischerweise ein rostfreier Stahl mit niedriger Güte ist, wie beispielsweise 316L, und eine korrosionsbeständige Beschichtung auf, die ein rostfreier Stahl oder eine Legierung mit höherer Güte ist, der/die auf dem Bipolarplattensubstrat vorgesehen ist. Die korrosionsbeständige Beschichtung kann ein rostfreier Stahl mit hoher Güte sein, wie beispielsweise rostfreier Stahl 904L oder AL6XN. Alternativ dazu kann die korrosionsbeständige Beschichtung eine Legierung sein, wie C-276, 254SMO, Carp-20, Niob und seine Legierungen, Tantal und seine Legierungen oder Molybdänlegierungen. Demgemäß macht die Beschichtung des rostfreien Stahls oder der Legierung das Bipolarplattensubstrat aus rostfreiem Stahl mit niedrigerer Güte im Wesentlichen beständig gegenüber Fluoridionen in der Brennstoffzellenumgebung, wodurch die Lebensdauer der Bipolarplatte wesentlich verlängert wird.
  • Die vorliegende Erfindung ist ferner auf ein neuartiges Verfahren zum Verbessern der Korrosionsbeständigkeit einer Bipolarplatte gerichtet. Das Verfahren umfasst, dass ein Bipolarplattensubstrat vorgesehen wird, das typischerweise ein rostfreier Stahl mit niedrigerer Güte ist, wie beispielsweise rostfreier Stahl 316L oder 304L, und eine korrosionsbeständige Beschichtung auf dem Bipolarplattensubstrat vorgesehen wird. Die korrosionsbeständige Beschichtung kann ein rostfreier Stahl mit hoher Güte sein, wie beispielsweise rostfreier Stahl 904L oder AL6XN. Alternativ dazu kann die korrosionsbeständige Beschichtung eine Legierung sein, wie beispielsweise C-276, 254SMO, Carp-20, Niob und seine Legierungen oder Tantal und seine Legierungen oder Molybdänlegierungen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird nun nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
  • 1 ein Schnitt eines Anteils einer Bipolarplatte gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 2 ein Flussdiagramm ist, das aufeinander folgende Prozessschritte zeigt, die gemäß einem Verfahren zur Herstellung der Bipolarplatte der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden;
  • 3 ein Balkendiagramm ist, das die Korrosionsraten bzw. -geschwindigkeiten (entlang der Y-Achse aufgetragen) verschiedener Legierungen rostfreien Stahls (entlang der X-Achse aufgetragen) vergleicht;
  • 4 ein Diagramm ist, bei dem potentiodynamische Polarisierungskurven aufgetragen sind, die für 316L- und AL6XN-Proben in einer entgasten Lösung mit 50 ppm HF, einem pH von 3 und bei 80 Grad C (Abtastgeschwindigkeit 0,1 mV/S) erhalten wurden;
  • 5 ein Diagramm ist, bei dem Polarisierungskurven für eine gesputterte Beschichtung aus AL6XN-Legierung auf rostfreiem Stahl 316L in einer entgasten Lösung mit einem pH von 3 und bei verschiedenen Fluoridionenkonzentrationen bei 80 Grad C aufgetragen sind;
  • 6 ein Diagramm ist, das die Polarisierungskurven von 4 mit der Polarisierungskurve vergleicht, die für rostfreien Stahl 316L bei einer Lösung mit 50 ppm HF, einem pH von 3 und bei 80 Grad C erhalten wurde;
  • 7 ein Diagramm ist, bei dem potentiodynamische Polarisierungskurven aufgetragen sind, die für rostfreien Stahl 316L und Nb in einer entgasten HF-Lösung mit einem pH von 3 bei 80 Grad C erhalten wurden; und
  • 8 ein Diagramm ist, bei dem Polarisierungskurven aufgetragen sind, die für rostfreien Stahl 316L und Nb in einer entgasten 3,5% NaCl-Lösung bei einer Abtastge schwindigkeit von 1 mV/s und bei Raumtemperatur erhalten wurden.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Bipolarplattensubstrat, das ein rostfreier Stahl mit niedriger Güte ist, wie rostfreier Stahl 316L, mit einem rostfreien Stahl mit höherer Güte sputterbeschichtet, um eine Bipolarplatte herzustellen, die eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit gegenüber Fluorwasserstoff aufweist. Bevorzugt wird die Kathodenseite des Bipolarplattensubstrats mit einer korrosionsbeständigen Beschichtung beschichtet, um die Beständigkeit der Kathodenseite der Bipolarplatte gegenüber einer Korrosion durch Chlorid beim Betrieb einer Brennstoffzelle zu erhöhen. Das Sputtern der Oberfläche eines Bipolarplattensubstrats aus rostfreiem Stahl 316L mit einer dünnen (0,1–2 μm) korrosionsbeständigen Beschichtung beispielsweise des rostfreien Stahls mit höherer Güte 904-L oder AL6XN senkt die Korrosionsgeschwindigkeit der Bipolarplatte in einer Fluoridionenumgebung signifikant, während die Bipolarplatte nicht signifikant teurer wird. Legierungen, die auf das Bipolarplattensubstrat als die korrosionsbeständige Beschichtung beschichtet werden können, umfassen beispielsweise C-276, 254SMO, Carp-20, Niob und seine Legierungen, Molybdänlegierungen oder Tantal und seine Legierungen. Der Kontaktwiderstand der gesputterten Beschichtung aus rostfreiem Stahl kann dadurch minimiert werden, dass eine Deckschicht auf der Beschichtung aus rostfreiem Stahl vorgesehen wird. Die Deckschicht kann beispielsweise eine dünne Schicht (< 10 nm) aus Gold (Au) oder eine organische Beschichtung sein. Andere geeignete Materialien für die Deckschicht umfassen Platin und seine Legierungen, Rhodium, Ruthenium und seine Legierungen und Palladium und seine Legierungen. Die Beschichtung eines rostfreien Stahls oder Materials mit geringerer Güte mit einem rostfreiem Stahl oder Material mit höherer Güte gemäß der Erfindung ist kosteneffektiv, da die Herstellung einer Bipolarplatte unter Verwendung von rostfreiem Stahl oder Material mit höherer Güte von den Kosten her untragbar ist.
  • 1 ist eine Schnittansicht einer Bipolarplatte 10 mit verbesserter Stabilität, nachfolgend Bipolarplatte, gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Bipolarplatte 10 umfasst ein Bipolarplattensubstrat 12, das typischerweise ein rostfreier Stahl mit niedriger Güte ist, wie beispielsweise rostfreier Stahl 316L. Eine korrosionsbeständige Beschichtung 14, die eine Güte von rostfreiem Stahl haben kann, die höher als die des Bipolarplattensubstrats 12 ist, ist an der Außenfläche 13 des Bipolarplattensubstrats 12 vorgesehen. Die korrosionsbeständige Beschichtung 14 besitzt bevorzugt eine Dicke von typischerweise etwa 0,1~2 μm. Geeignete Güten von rostfreiem Stahl für die korrosionsbeständige Beschichtung 14 umfassen beispielsweise rostfreien Stahl (ss) 904L als auch rostfreien Stahl (ss) AL6XN. Alternativ dazu kann die korrosionsbeständige Beschichtung 14 eine Legierung sein, wie beispielsweise C-276, 254SMO, Carp-20 oder Niob und seine Legierungen. Eine Deckschicht 16, die beispielsweise Gold (Au) oder ein organisches Material sein kann, wird typischerweise auf der korrosionsbeständigen Beschichtung 14 vorgesehen, um den Kontaktwiderstand der korrosionsbeständigen Beschichtung 14 niedrig zu halten. Die Dicke der Deckschicht 16 ist bevorzugt kleiner als typischerweise etwa 10 nm in dem Fall von Goldbeschichtungen und typischerweise etwa 10~28 Mikrometer in dem Fall von Polymerbeschichtungen.
  • 2 ist ein Flussdiagramm, das aufeinander folgende Prozessschritte zeigt, die zur Herstellung einer Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden. Bei Schritt 1 wird ein Bipolarplattensubstrat vorgesehen. Das Bipolarplattensubstrat ist typischerweise rostfreier Stahl mit niedriger Güte, wie beispielsweise 316L, und besitzt die geeignete Größe und Konfiguration zur Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel einer Brennstoffzelle.
  • Bei Schritt 2 wird eine korrosionsbeständige Beschichtung auf der Außenfläche des Bipolarplattensubstrats vorgesehen. Die Dicke der korrosionsbeständigen Beschichtung liegt bevorzugt im Bereich von typischerweise 0,1–2 μm. Die korrosionsbeständige Beschichtung kann ein rostfreier Stahl mit höherer Güte sein, der beispielsweise rostfreien Stahl 904L oder AL6XN umfasst. Alternativ dazu kann die korrosionsbeständige Beschichtung eine korrosionsbeständige Legierung sein, wie beispielsweise C-276, 254SMO, Carp-20 oder Niob und seine Legierungen. Die korrosionsbeständige Schicht wird typischerweise auf die Außenfläche des Bipolarplattensubstrats unter Verwendung eines herkömmlichen Magnetronsputterprozesses gesputtert.
  • Bei Schritt 3 wird eine Deckschicht auf der korrosionsbeständigen Beschichtung abgeschieden, um den Kontaktwiderstand der korrosionsbeständigen Schicht zu minimieren. Die Deckschicht besitzt bevorzugt eine Dicke von weniger als typischerweise etwa 10 nm. Die Deckschicht kann beispielsweise Gold (Au) oder beispielsweise ein organisches Material sein.
  • Die Tabelle (I) unten zeigt die tatsächlichen Korrosionsgeschwindigkeiten und die normalisierten Korrosionsgeschwindigkeiten für verschiedene Guten von rostfreiem Stahl (ss), Legierungen und Titan. Die Korrosionsgeschwindigkeit und die normalisierte Korrosionsgeschwindigkeit jeder Probe wurden dadurch erhalten, dass die Probe in einer Ätzlösung (1 M H2SO4 + 0,1 M HF) für eine Stunde bei 80°C eingeweicht wurde. Tabelle I
    Legierung Korrosionsgeschwindigkeit (g/s) Normalisierte Korrosionsgeschwindigkeit
    ss 304L 8,87E–05 1
    ss 353 2,62E–05 0,296
    ss 316L 1,89E–05 0,213
    Inconl 800 1,85E–05 0,208
    ss 317L 8,19E–06 0,092
    Inconl 601 5,97E–06 0,067
    ss 904L 7,50E–07 0,009
    254SMO 41,7E–07 0,005
    Carp-20 3,61E–07 0,004
    C-276 1,39E–07 0,002
    Titan 8,13E–05 Begrenzte Stabilität in fluoridionenhaltigen Umgebungen
  • Die Tabelle (I) oben zeigt, dass, je höher die Güte des rostfreien Stahls/der Legierung ist, um so besser die Korrosionsbeständigkeit des rostfreien Stahls/der Legierung in einer Schwefelsäure/Fluorwasserstoffmischung ist. Die Korrosionsbeständigkeit von Titan in derselben Lösung ist vergleichbar mit der von rostfreiem Stahl 304L. Das Balkendiagramm von 3 zeigt einen visuellen Vergleich der Korrosionsgeschwindigkeiten verschiedener Güten von rostfreiem Stahl und verschiedener Legierungen.
  • Die Erfindung wird durch Bezugnahme auf das folgende Beispiel besser verständlich.
  • BEISPIELHAFTE AL6XN-BESCHICHTUNG AUF ROSTFREIEM STAHL
  • Ein (1) Mikrometer einer Beschichtung einer Legierung rostfreien Stahls AL6XN wurde auf eine Probe aus rostfreiem Stahl 316L unter Verwendung von Magnetronsputtern gesputtert. Die Zusammensetzung der Beschichtung wurde unter Verwendung einer Elektronenstrahlmikroanalyse (EPM) analysiert, deren Ergebnisse in Tabelle (II) unten dargestellt sind.
    Material Cr Ni Mo Eisen
    AL6XN 20 24 6,3 44–50
    Gesputterter Film 23 22 7 47
  • Aus einer Betrachtung von Tabelle (II) kann gesehen werden, dass die Zusammensetzung der gesputterten AL6XN-Legierung nahezu identisch zu der ursprünglichen AL6XN-Legierung war. Somit kann bei einer Ausführungsform der Erfindung dieselbe Phase (wie das Target) eines teuren hochkorrosionsbeständigen rostfreien Stahls mit hoher Güte als eine sehr dünne Schicht auf einen weniger teuren, weniger korrosionsbeständigen rostfreien Stahl mit niedriger Güte gesputtert werden. Zusätzlich dazu, dass ermöglicht wird, dass dieselbe Phase abgeschieden werden kann, vermeidet das Sputtern auch die Umweltprobleme in Verbindung mit einem Galvanisieren. Das Sputtern sieht auch eine überlegene Anhaftung der korrosionsbeständigen Beschichtung an dem Bipolarplattensubstrat vor. Die Anhaftung ist insbesondere überlegen, wenn rostfreier Stahl mit hoher Güte auf ein Bipolarplattensubstrat aus rostfreiem Stahl mit niedrigerer Güte gesputtert wird.
  • Das Diagramm von 4 zeigt da P Korrosionsverhalten der Massen-AL6XN-Legierung im Vergleich zu dem des rostfreien Stahls 316L in entgasten HF-Lösungen mit einem pH von 3 bei 80 Grad C. Das Diagramm zeigt, dass bezüglich der Korrosionscharakteristiken die AL6XN-Legierung in demselben Potentialgebiet gegenüber dem rostfreien Stahl 316L in hohem Maße überlegen ist.
  • Das Korrosionsverhalten der gesputterten AL6XN-Legierungen auf Proben aus rostfreiem Stahl 316L ist in dem Diagramm von 5 gezeigt. 5 zeigt, dass die gesputterten Legierungen ein ähnliches Verhalten, wie die Massenlegierung bei 50 ppm HF zeigen. Die Korrosionsgeschwindigkeiten der Proben nehmen mit der Abnahme der HF-Konzentration ab.
  • Das Diagramm von 6 zeigt einen Vergleich zwischen dem rostfreien Stahl 316L und den gesputterten Proben. Gemäß dem Diagramm steigert ein Sputtern der AL6XN-Legierung auf den rostfreien Stahl signifikant die Korrosionseigenschaften des Substrats. Eine dickere Beschichtung ist erwünscht, um die Lebensdauer der gesputterten Proben zu erhöhen.
  • Dem Fachmann ist es gut bekannt, dass Beschichtungen aus der Gruppe von Niob und seinen Legierungen, Tantal und seinen Legierungen und Molybdänlegierungen ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeiten in aggressiven Umgebungen besitzen. Diese Beschichtungen können auf rostfreien Stahl mit niedrigeren Güten gesputtert werden, um die erforderliche elektrochemische Stabilität in der Brennstoffzellenumgebung vorzusehen.
  • Das Diagramm von 7 zeigt potentiodynamische Polarisierungskurven, die für Niob und rostfreien Stahl 316L in einer entgasten Lösung mit 50 ppm HF bei einem pH von 3 bei 80 Grad C erhalten wurden. Unter denselben Potentialbedingungen weist Niob einen wesentlich geringeren Strom auf, als rostfreier Stahl 316L. Niob weist auch eine ausgezeichnete Chloridlochkorrosionsbeständigkeit auf.
  • 8 zeigt zwei potentiodynamische Polarisierungskurven, die für rostfreien Stahl 316L und Niob in einer 3,5% NaCl-Lösung erhalten wurden. Das Lochfraßpotential für 316L liegt bei etwa 0,4 V (Ag/AgCl), während für die Niobprobe ein wesentlich höheres Potential zu erkennen ist. An der Probe aus rostfreiem Stahl 316L hat sich nach dem Experiment ein ernsthafter Lochfraß gezeigt, während bei der Niobprobe nach dem Experiment keinerlei derartiger Lochfraß beobachtet wurde. Diese Daten geben an, dass Niob als eine Beschichtung Eigenschaften sowohl einer Fluoridkorrosionsbeständigkeit als auch einer Chloridkorrosionsbeständigkeit kombiniert, die für Bipolarplatten erforderlich sind, da Fluoridionen bei dem Abbau der Membran freigesetzt werden und Chloridionen in dem befeuchteten Luftstrom in dem Brennstoffzellenstapel vorhanden sind.
  • Während die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung oben beschrieben worden sind, sei angemerkt und zu verstehen, dass verschiedene Abwandlungen in der Erfindung durchgeführt werden können, und die angefügten Ansprüche dazu bestimmt sind, alle derartigen Abwandlungen abzudecken, die in den Erfindungsgedanken und den Schutzumfang der Erfindung fallen können.
  • Zusammenfassung
  • Es ist eine kostengünstige Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität für eine Brennstoffzelle offenbart. Die Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität umfasst ein Bipolarplattensubstrat und eine korrosionsbeständige Beschichtung, die auf dem Bipolarplattensubstrat vorgesehen ist. Es ist auch ein Verfahren zum Verbessern einer Korrosionsbeständigkeit einer Bipolarplatte offenbart.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (55)

  1. Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität für eine Brennstoffzelle, umfassend: ein Bipolarplattensubstrat; und eine korrosionsbeständige Beschichtung, die auf das Bipolarplattensubstrat gesputtert ist.
  2. Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität nach Anspruch 1, wobei das Bipolarplattensubstrat rostfreien Stahl 304, 316L oder mit anderen Guten für niedrige Korrosionsbeständigkeit umfasst.
  3. Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität nach Anspruch 1, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung rostfreien Stahl mit der Güte 904L umfasst.
  4. Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität nach Anspruch 1, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung eine C-276-Legierung umfasst.
  5. Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität nach Anspruch 1, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung eine 254SMO-Legierung umfasst.
  6. Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität nach Anspruch 1, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung eine Carp-20-Legierung umfasst.
  7. Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität nach Anspruch 1, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung Niob umfasst.
  8. Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität nach Anspruch 1, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung rostfreien Stahl mit der Güte AL6XN umfasst.
  9. Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität für eine Brennstoffzelle, umfassend: ein Bipolarplattensubstrat aus rostfreiem Stahl; eine korrosionsbeständige Beschichtung, die auf dem Bipolarplattensubstrat vorgesehen ist, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung eine Korrosionsbeständigkeit aufweist, der höher als eine Korrosionsbeständigkeit des Bipolarplattensubstrats ist; und eine Deckschicht, die auf der korrosionsbeständigen Beschichtung vorgesehen ist, um einen Kontaktwiderstand der korrosionsbeständigen Beschichtung zu minimieren.
  10. Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität nach Anspruch 9, wobei das Bipolarplattensubstrat rostfreien Stahl mit der Güte 304L oder 316L umfasst.
  11. Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität nach Anspruch 9, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung zumindest eines aus rostfreiem Stahl mit der Güte 904-L und rostfreiem Stahl mit der Güte AL6XN umfasst.
  12. Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität nach Anspruch 9, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung zumindest eines aus C-276- Legierung, 254SMO-Legierung, Carp-20-Legierung, Niob und einer Niob-Legierung umfasst.
  13. Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität nach Anspruch 9, wobei die Deckschicht zumindest eines aus Gold, einem organischen Material, Platin, Platinlegierungen, Rhodium, Ruthenium, Rutheniumlegierungen, Palladium und Palladiumlegierungen umfasst.
  14. Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität nach Anspruch 13, wobei das Bipolarplattensubstrat rostfreien Stahl mit der Güte 304L oder 316L umfasst.
  15. Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität nach Anspruch 14, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung zumindest eines aus rostfreiem Stahl mit der Güte 904-L und rostfreiem Stahl mit der Güte AL6XN umfasst.
  16. Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität nach Anspruch 14, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung zumindest eines aus C-276-Legierung, 254SMO-Legierung, Carp-20-Legierung, Niob und einer Nioblegierung, Tantal und seinen Legierungen und Molybdänlegierungen umfasst.
  17. Verfahren zum Verbessern der Korrosionsbeständigkeit einer Bipolarplatte, umfassend, dass: ein Bipolarplattensubstrat vorgesehen wird; und eine korrosionsbeständige Beschichtung auf dem Bipolarplattensubstrat vorgesehen wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Bipolarplattensubstrat rostfreien Stahl mit der Güte 316L umfasst.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung zumindest eines aus rostfreiem Stahl mit der Güte 904-L und rostfreiem Stahl mit der Güte AL6XN umfasst.
  20. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung zumindest eines aus C-276-Legierung, 254SMO-Legierung, Carp-20-Legierung, Niob und einer Nioblegierung, Tantal und seinen Legierungen und Molybdänlegierungen umfasst.
  21. Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend, dass eine Deckschicht auf der korrosionsbeständigen Schicht vorgesehen wird, um einen Kontaktwiderstand der korrosionsbeständigen Schicht zu minimieren.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Deckschicht zumindest eines aus Gold, einem organischen Material, Platin, Platinlegierungen, Rhodium, Ruthenium, Rutheniumlegierungen, Palladium und Palladiumlegierungen umfasst.
  23. Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Deckschicht eine gesputterte Schicht umfasst.
  24. Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Bipolarplattensubstrat rostfreien Stahl mit der Güte 316L umfasst.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung zumindest eines aus rostfreiem Stahl mit der Güte 904-L und rostfreiem Stahl mit der Güte AL6XN umfasst.
  26. Verfahren nach Anspruch 24, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung zumindest eines aus C-276-Legierung, 254SMO-Legierung, Carp-20-Legierung, Niob und einer Niob-Legierung umfasst.
  27. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Vorsehen einer korrosionsbeständigen Beschichtung auf dem Bipolarplattensubstrat umfasst, dass die korrosionsbeständige Beschichtung auf die Bipolarplatte unter Verwendung eines Physical-Vapor-Deposition-Prozesses abgeschieden wird.
  28. Verfahren zum Verbessern der Chloridkorrosionsbeständigkeit einer Kathodenseite einer Bipolarplatte in einer Brennstoffzelle, umfassend, dass: ein Bipolarplattensubstrat vorgesehen wird, das eine Kathodenseite aufweist; und eine korrosionsbeständige Beschichtung auf der Kathodenseite des Bipolarplattensubstrats vorgesehen wird.
  29. Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Bipolarplattensubstrat rostfreien Stahl mit der Güte 316L umfasst.
  30. Verfahren nach Anspruch 29, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung zumindest eines aus rostfreiem Stahl mit der Güte 904L und rostfreiem Stahl mit der Güte AL6XN umfasst.
  31. Verfahren nach Anspruch 29, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung zumindest eines aus einer C-276-Legierung, 254SMO-Legierung, Carp-20-Legierung, Niob und einer Nioblegierung, Tantal und seinen Legierungen und Molybdänlegierungen umfasst.
  32. Verfahren nach Anspruch 29, ferner umfassend, dass eine Deckschicht auf der korrosionsbeständigen Schicht vorgesehen wird, um einen Kontaktwiderstand der korrosionsbeständigen Schicht zu minimieren.
  33. Verfahren nach Anspruch 32, wobei die Deckschicht zumindest eines aus Gold, einem organischen Material, Platin, Platinlegierungen, Rhodium, Ruthenium, Rutheniumlegierungen, Palladium und Palladiumlegierungen umfasst.
  34. Verfahren zum Verbessern der Korrosionsbeständigkeit einer Bipolarplatte, umfassend, dass: ein Bipolarplattensubstrat vorgesehen wird, wobei das Bipolarplattensubstrat eine erste Korrosionsbeständigkeit besitzt; und eine korrosionsbeständige Beschichtung auf das Bipolarplattensubstrat gesputtert wird, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung eine zweite Korrosionsbeständigkeit aufweist, und wobei die zweite Korrosionsbeständigkeit größer als die erste Korrosionsbeständigkeit ist.
  35. Verfahren nach Anspruch 34, wobei das Bipolarplattensubstrat ein Metall umfasst.
  36. Verfahren nach Anspruch 34, wobei das Bipolarplattensubstrat ein Material umfasst, das ein erstes Atomelement umfasst, und die korrosionsbeständige Beschichtung das erste Atomelement umfasst.
  37. Verfahren nach Anspruch 35, wobei das Bipolarplattensubstrat ein Material umfasst, das ein erstes, zweites und drittes Atomelement umfasst, und die korrosionsbeständige Beschichtung das erste, zweite und dritte Atomelement umfasst.
  38. Verfahren nach Anspruch 34, wobei das Sputtern eine physikalische Verdampfung eines Targets umfasst, das ein Material mit einer ersten Elementzusammensetzung umfasst, und wobei die korrosionsbeständige Beschichtung im Wesentlichen dieselbe erste Elementzusammensetzung besitzt.
  39. Verfahren nach Anspruch 34, wobei das Bipolarplattensubstrat eine erste Güte von rostfreiem Stahl umfasst und die korrosionsbeständige Beschichtung eine zweite Güte von rostfreiem Stahl umfasst.
  40. Verfahren nach Anspruch 34, wobei das Bipolarplattensubstrat rostfreien Stahl mit einer Güte 316L umfasst.
  41. Verfahren nach Anspruch 34, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung zumindest eines aus rostfreiem Stahl mit der Güte 904-L und rostfreiem Stahl mit der Güte AL6XN umfasst.
  42. Verfahren nach Anspruch 34, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung zumindest eines aus C-276-Legierung, 254SMO-Legierung, Carp-20-Legierung, Niob und einer Niob-Legierung, Tantal und seinen Legierungen und Molybdänlegierungen umfasst.
  43. Verfahren nach Anspruch 34, ferner umfassend, dass eine Deckschicht auf der korrosionsbeständigen Schicht vorgesehen wird, um einen Kontaktwiderstand der korrosionsbeständigen Schicht zu minimieren.
  44. Verfahren nach Anspruch 43, wobei die Deckschicht zumindest eines aus Gold, einem organischen Material, Platin, Platinlegierungen, Rhodium, Ruthenium, Rutheniumlegierungen, Palladium und Palladiumlegierungen umfasst.
  45. Verfahren nach Anspruch 43, wobei die Deckschicht eine gesputterte Schicht umfasst.
  46. Verfahren nach Anspruch 43, wobei das Bipolarplattensubstrat rostfreien Stahl mit der Güte 316L umfasst.
  47. Verfahren nach Anspruch 44, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung zumindest eines aus rostfreiem Stahl mit der Güte 904-L und rostfreiem Stahl mit der Güte AL6XN umfasst.
  48. Verfahren nach Anspruch 44, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung zumindest eines aus C-276-Legierung, 254SMO-Legierung, Carp-20-Legierung, Niob und einer Nioblegierung umfasst.
  49. Verfahren nach Anspruch 34, wobei die Dicke der korrosionsbeständigen Beschichtung im Bereich von 0,1–2 μm liegt.
  50. Verfahren nach Anspruch 34, wobei die Dicke der korrosionsbeständigen Beschichtung im Bereich von 0,1–10 μm liegt.
  51. Verfahren nach Anspruch 34, wobei das Bipolarplattensubstrat eine erste Güte von rostfreiem Stahl umfasst und die korrosionsbeständige Beschichtung eine zweite Güte von rostfreiem Stahl umfasst, wobei die Dicke der korrosionsbeständigen Beschichtung im Bereich von 0,1–2 μm liegt.
  52. Verfahren nach Anspruch 43, wobei das Bipolarplattensubstrat rostfreien Stahl mit der Güte 304L umfasst.
  53. Verfahren nach Anspruch 34, wobei das Bipolarplattensubstrat zumindest eines aus ferritischem und austenitischem Material umfasst.
  54. Verfahren nach Anspruch 34, wobei das Bipolarplattensubstrat zumindest eines aus ferritischem Material mit niedriger Güte und austenitischem Material mit niedriger Güte umfasst.
  55. Verfahren nach Anspruch 34, wobei sowohl das Bipolarplattensubstrat als auch die korrosionsbeständige Beschichtung jeweils Chrom umfassen, und wobei der Elementgewichtsprozentsatz von Chrom in der korrosionsbeständigen Beschichtung größer als der Elementgewichtsprozentsatz von Chrom in dem Bipolarplattensubstrat ist.
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