DE112005002612T5

DE112005002612T5 - Verfahren zur Herstellung einer korrosionsbeständigen Bipolarplatte

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Publication number: DE112005002612T5
Application number: DE112005002612T
Authority: DE
Inventors: Gayatri Rochester Hills Vyas; Mahmoud H. Grosse Pointe Woods Abd Elhamid; Youssef M. Sterling Heights Mikhail; Richard H. Macomb Township Blunk
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-11-01
Filing date: 2005-10-18
Publication date: 2010-02-11
Anticipated expiration: 2025-10-19
Also published as: WO2006049850A3; JP2008518110A; WO2006049850A2; US20060093888A1; US7632592B2; CN101095249A; DE112005002612B4

Abstract

Verfahren zum Verbessern der Korrosionsbeständigkeit einer Bipolarplatte, umfassend, dass:
ein Bipolarplattensubstrat vorgesehen wird; und
eine korrosionsbeständige Beschichtung auf das Bipolarplattensubstrat unter Verwendung eines kinetischen/Kaltspritzprozesses beschichtet wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen, die Elektrizität zum Antrieb von Fahrzeugen oder anderen Maschinen erzeugen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer korrosionsbeständigen Bipolarplatte durch Beschichten der Bipolarplatte mit einem rostfreien Stahl mit hoher Güte unter Verwendung einer kinetischen oder Kaltspritztechnik, um der Bipolarplatte eine Fluoridionenbeständigkeit zu verleihen, wenn sie in einer Polymerelektrolytmembran-(PEM)-Brennstoffzelle verwendet ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen erzeugen Energie durch Kombination von Wasserstoff und Sauerstoff, um Wasser und ein Endprodukt zu erzeugen. In einer Polymerelektrolytmembran-(PEM)-Brennstoffzelle dient eine Polymermembran als der Elektrolyt zwischen einer Kathode und einer Anode. In der PEM-Brennstoffzelle sind 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 als eine Kathode dient, ist die Strömungsfeldplatte auch als eine Bipolarplatte bekannt.
Herkömmlich haben Brennstoffzellenhersteller Poco-Graphit-Bipolarplatten verwendet, die elektrisch leitend und gegenüber Korrosion in der Brennstoffzellenumgebung beständig sind. Jedoch sind Graphitplatten brüchig und daher schwierig zu bearbeiten. Dies trägt zu den Kosten der Bipolarplatten und der volumetrischen Leistungsdichte des Brennstoffzellenstapels bei. Während die Verwendung von Metall-Bipolarplatten vorteilhaft ist, werden Metalle, wie Titan und rostfreier Stahl 316L, die leicht bearbeitet werden können, leicht durch Fluoridionen in einer Brennstoffzellenumgebung angegriffen.
Während rostfreier Stahl 316L eine ansehnliche Korrosionsbeständigkeit gegenüber Fluoridionen aufweist, nimmt die Korrosionsrate mit Zunahmen in der Fluoridionenauslaugrate zu. Ferner ist es gut bekannt, dass die Fluoridkorrosionsbeständigkeit mit der Zunahme des Molybdängehaltes der rostfreien Stahllegierung zunimmt. Dieses Problem kann dadurch etwas gelindert werden, dass der Fluorwasserstoff aus der Brennstoffzellenumgebung entfernt wird oder dass höhere Güten von rostfreiem Stahl verwendet werden, die beständiger gegenüber Korrosion durch Fluoridionen sind als rostfreier Stahl 316L. Jedoch erhöht die Verwendung von höheren Güten von rostfreiem Stahl für die Bipolarplatte tendenziell die Kosten der Bipolarplatte. Ferner fügt die Integration von rostfreiem Stahl mit höherer Güte in Bipolarplatten, die die erforderliche Dicke aufweisen, den Bipolarplatten signifikante Kosten hinzu, die die Kosten des rostfreien Stahls selbst überschreiten können.
Es sind verschiedene Verfahren zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit eines korrosionsanfälligen Substrats bekannt. Beispielsweise offenbart die U.S. 20030228512 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 U.S. 20040091768 A1 offenbart ein Verfahren zum Erhöhen der Korrosionsbeständigkeit eines Substrats, indem eine polymere leitende Beschichtung auf dem Substrat vorgesehen wird. Das U.S. Patent Nr. 6,372,376 B1 offenbart ein Verfahren zum Erhöhen der Korrosionsbeständigkeit eines Substrats, indem ein elektrisch leitendes korrosionsbeständiges Polymer, das eine Vielzahl elektrisch leitender korrosionsbeständiger Füllpartikel enthält, auf dem Substrat vorgesehen wird.
Das Beschichten der Oberfläche einer Bipolarplatte aus rostfreiem Stahl mit geringerer Güte, wie beispielsweise einer Bipolarplatte aus rostfreiem Stahl 304L oder 316L, mit einer dünnen Schicht aus rostfreiem Stahl oder Legierung mit hoher Güte unter Verwendung eines kinetischen oder Kaltspritzprozesses verleiht der Bipolarplatte einen hohen Grad an Fluoridionenkorrosionsbeständigkeit, während die Kosten der Bipolarplatte innerhalb akzeptabler Niveaus gehalten werden. Ferner kann ein kinetischer oder Kaltspritzprozess dazu verwendet werden, eine korrosionsbeständige Schicht abzuscheiden, die eine Dicke von bis zu 25 Mikrometer oder mehr aufweist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist allgemein auf ein neuartiges Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte gerichtet, die durch eine verbesserte Stabilität und Beständigkeit gegenüber Fluoridionenkorrosion in einer Brennstoffzelle gekennzeichnet ist. Das Verfahren zum Herstellen der Bipolarplatte der vorliegenden Erfindung umfasst, dass ein Bipolarplattensubstrat aus rostfreiem Stahl vorgesehen wird, das typischerweise ein rostfreier Stahl mit geringer Güte ist, wie beispielsweise 304L oder 316L, und eine korrosionsbeständige Beschichtung, die ein rostfreier Stahl oder eine Legierung mit höherer Güte ist, auf dem Bipolarplattensubstrat unter Verwendung einer kinetischen oder Kaltspritztechnik ausgebildet wird. Die korrosionsbeständige Beschichtung kann ein rostfreier Stahl mit hoher Güte sein, wie beispielsweise C-276. Es können auch andere Legierungen, wie beispielsweise 904L, 254SM0 und Capr-20, ebenfalls als Beschichtungsmaterialien verwendet werden. Demgemäß macht die korrosionsbeständige Beschichtung das Bipolarplattensubstrat aus rostfreiem Stahl mit geringerer Güte im Wesentlichen beständig gegenüber Fluoridionen in der Brennstoffzellenumgebung. Dies verlängert die Lebensdauer der Bipolarplatte wesentlich. Eine Deckschicht, die beispielsweise Gold oder eine organische Beschichtung sein kann, kann an der korrosionsbeständigen Beschichtung vorgesehen sein, um den Kontaktwiderstand der korrosionsbeständigen Beschichtung zu reduzieren.
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 mit verbesserter Stabilität ist, die durch einen kinetischen/Kaltspritzprozess gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
2 ein Flussdiagramm ist, das aufeinander folgende Prozessschritte zeigt, die gemäß einem kinetischen/Kaltspritzprozess zum Herstellen der Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden;
3 ein Balkendiagramm ist, das die Korrosionsraten (entlang der Y-Achse aufgetragen) von verschiedenen rostfreien Stahllegierungen (entlang der X-Achse aufgetragen) vergleicht; und
4 eine schematische Ansicht einer kinetischen Kaltspritzvorrichtung ist, die in einem kinetischen/Kaltspritzprozess zur Herstellung einer Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Bipolarplattensubstrat, das ein rostfreier Stahl mit geringer Güte ist, wie beispielsweise rostfreier Stahl 304L oder 316L, mit einer höheren Güte von rostfreiem Stahl unter Verwendung eines kinetischen oder Kaltspritzprozesses beschichtet, um eine Bipolarplatte herzustellen, die eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit gegenüber Fluorwasserstoff aufweist. Bevorzugt wird die Anodenseite des Bipolarplattensubstrats mit einer korrosionsbeständigen Beschichtung unter Verwendung eines kinetischen oder Kaltspritzprozesses beschichtet, um die Beständigkeit der Kathodenseite der Bipolarplatte gegenüber Korrosion durch Fluoridionen während des Betriebs einer Brennstoffzelle zu erhöhen. Ein Beschichten der Oberfläche eines Bipolarplattensubstrats aus rostfreiem Stahl mit geringer Güte mit einer dünnen (0,1 2 μm) korrosionsbeständigen Beschichtung beispielsweise des C-276 mit höherer Güte verringert die Korrosionsrate der Bipolarplatte in einer Fluoridionenumgebung signifikant, während der Bipolarplatte keine signifikanten Kosten hinzugefügt werden. Legierungen, die auf das Bipolarplattensubstrat als die korrosionsbeständige Beschichtung beschichtet wer den können, umfassen beispielsweise rostfreien Stahl 904L, 254SMO oder Carp-20.
Der Kontaktwiderstand der thermisch gespritzten 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. Ein Beschichten eines rostfreien Stahls oder Materials mit geringerer Güte mit einem rostfreien Stahl oder Material mit höherer Güte unter Verwendung eines kinetischen Kaltspritzprozesses gemäß der Erfindung ist kosteneffektiv, da eine Herstellung einer Bipolarplatte unter Verwendung eines rostfreien Stahls oder Materials mit höherer Güte von den Kosten her untragbar ist.
Ein kinetischer Spritz- oder Kaltspritzprozess verwendet Energie, die in einem unter hohem Druck komprimierten Gas gespeichert ist, um feine Pulverpartikel mit sehr hohen Geschwindigkeiten (500~1.500 m/s) gegen ein Substrat zu treiben und damit eine Materialschicht auf dem Substrat abzuscheiden. In dem Prozess wird Druckgas, typischerweise Helium, durch eine Heizeinheit und dann an eine Kanone zugeführt, an der das Gas als ein Hochgeschwindigkeitsgasstrahl durch eine speziell konstruierte Düse (wie beispielsweise eine Düse vom Laval-Typ) austritt. Gleichzeitig wird Druckgas durch eine Hochdruckpulverzufuhreinrichtung und in die Kanone zugeführt, um Pulverpartikel in den Hochgeschwindigkeitsgasstrahl einzuführen. Die Pulverpartikel werden auf eine bestimmte Geschwindigkeit und Temperatur beschleunigt und mäßig erhitzt, wobei sich die Partikel beim Aufprall auf das Substrat verformen und anbinden, um eine Beschichtung auf dem Substrat zu bilden.
Die beschleunigten Partikel bleiben in dem festen Zustand und sind relativ kalt, so dass der größte Teil der Reaktion der Partikel mit dem Substrat beim Aufprall nur im festen Zustand erfolgt. Da der Prozess auf das Spritzmaterial wenig oder gar keine Oxidation ausübt, bleiben die Oberflächen rein, was die Anbindung unterstützt. Das Fehlen eines Schmelzens und die Verwendung relativ niedrigen Temperaturen während des Prozesses resultieren in einer sehr geringen Schrumpfung der Partikel beim Kühlen. Überdies besteht aufgrund der hohen Dehnung, die an den Partikeln beim Aufprall auf das Substrat bewirkt wird, die Tendenz, dass die Beschichtungen auf Kompression und nicht auf Zug belastet werden, wie es der Fall bei Reaktionen im flüssigen/festen Zustand der meisten anderen thermischen Spritzprozesse ist. Niedrige Temperaturen unterstützen auch die Beibehaltung der ursprünglichen Pulverchemie und -phasen in der Beschichtung.
Das Verbinden der Partikel mit dem Substrat ist auf eine ausreichende Energie angewiesen, um eine signifikante plastische Verformung der Partikel und des Substrats zu bewirken. Unter den hohen Aufprallbelastungen und Aufpralldehnungen kann eine Wechselwirkung der Partikel und der Substratoberflächen eine Unterbrechung von Oxidfilmen bewirken, was einen Kontakt von chemisch reinen Oberflächen unterstützt und eine hohe Reibung erzeugt. Dies erzeugt einen sehr hohen Grad an lokalisierter Erwärmung, wodurch eine Anbindung ähnlich einem Reib- oder Explosionsschweißen unterstützt wird.
Anfänglich Bezug nehmend auf 1 ist eine Schnittansicht einer Bipolarplatte 10 mit verbesserter Stabilität, nachfolgend Bipolarplatte, gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Bipolarplatte 10 umfasst ein Bipolarplattensubstrat 12, das typischerweise ein rostfreier Stahl mit geringer Güte ist, wie beispielsweise rostfreier Stahl 304L oder 316L. Eine korrosionsbeständige Beschichtung 14, die eine Güte von rostfreiem Stahl oder Legierung sein kann, die höher als die des Bipolarplattensubstrats 12 ist, wird an der Außenfläche 13 des Bipolarplattensubstrats 12 unter Verwendung eines kinetischen oder Kaltspritzprozesses ausgebildet, der hier nachfolgend weiter beschrieben ist. Die korrosionsbeständige Beschichtung 14 besitzt bevorzugt eine Dicke von typischerweise etwa 0,1 2 μm. Es sei jedoch zu verstehen, dass korrosionsbeständige Beschichtungen 14, die eine Dicke besitzen, die 25 μm überschreitet, an dem Bipolarplattensubstrat 12 gegebenenfalls unter Verwendung eines kinetischen oder Kaltspritzprozesses gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet werden können. Guten von rostfreiem Stahl, die für die korrosionsbeständige Beschichtung 14 geeignet sind, umfassen beispielsweise rostfreien Stahl (ss) C-276. Alternativ dazu kann die korrosionsbeständige Beschichtung 14 eine Legierung sein, wie beispielsweise 904L, 254SMO oder Carp-20.
Eine Deckschicht 16, die beispielsweise Gold (Au) oder ein organisches Material sein kann, kann an der korrosionsbeständigen Beschichtung 14 vorgesehen sein, um den Kontaktwiderstand der korrosionsbeständigen Beschichtung 14 niedrig zu halten. Andere geeignete Materialien für die Deckschicht 16 umfassen Platin und seine Legierungen, Rhodium, Ruthenium und seine Legierungen und Palladium und seine Legierungen. Die Dicke der Deckschicht 16 ist bevorzugt kleiner als typischerweise etwa 10 nm in dem Fall von Goldbeschichtungen und typischerweise etwa 10~28 μm in dem Fall polymerer Beschichtungen.
2 ist ein Flussdiagramm, das aufeinander folgende Prozessschritte zeigt, die ausgeführt werden, um eine Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität unter Verwendung eines kinetischen oder Kaltspritzprozesses gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen. Bei Schritt 1 wird ein Bipolarplattensubstrat vorgesehen. Das Bipolarplattensubstrat ist typischerweise ein rostfreier Stahl mit geringer Güte, wie beispielsweise 304L oder 316L, und besitzt die geeignete Größe und Konfiguration zur Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel einer Brennstoffzelle. Das Bipolarplattensubstrat umfasst Stege und Gasströmungskanäle, die die Strömung von Reaktanden- und Produktgasen in einer zusammengebauten Brennstoffzelle erleichtern, wie dem Fachmann bekannt ist.
Bei Schritt 2 wird eine korrosionsbeständige Beschichtung an der Außenfläche des Bipolarplattensubstrats ausgebildet. Die Dicke der korrosionsbeständigen Beschichtung liegt bevorzugt im Bereich von typischerweise etwa 0,1~2 μm. Es sei jedoch zu verstehen, dass die korrosionsbeständige Beschichtung gegebenenfalls eine Dicke besitzen kann, die 25 μm überschreitet. Die korrosionsbeständige Beschichtung kann eine Güte von rostfreiem Stahl oder einer Legierung sein, die höher als diejenige des Bipolarplattensubstrats ist, einschließlich beispielsweise rostfreier Stahl C-276. Alternativ dazu kann die korrosionsbeständige Beschichtung eine korrosionsbeständige Legierung sein, wie beispielsweise 904L, 254SMO oder Carp-20. Die korrosionsbeständige Beschichtung wird auf die Außenfläche des Bipolarplattensubstrats unter Verwendung eines kinetischen oder Kaltspritzprozesses beschichtet, wie hier nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
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 ein organisches Material sein und besitzt eine Dicke von bevorzugt weniger als typischerweise etwa 10 nm in dem Fall von Goldbeschichtungen und typischerweise etwa 10~28 Mikrometer in dem Fall von polymeren Beschichtungen. Andere geeignete Materialien für die Deckschicht umfassen Platin und seine Legierungen, Rhodium, Ruthenium und seine Legierungen und Palladium und seine Legierungen. Die Deckschicht kann an der korrosionsbeständigen Schicht beispielsweise unter Verwendung einer herkömmlichen Technik mit physikalischer Dampfphasenabscheidung (PVD) ausgebildet werden.

Tabelle (I) unten zeigt die tatsächlichen Korrosionsraten und die normalisierten Korrosionsraten für verschiedene Güten von rostfreiem Stahl, Legierungen und Titan. Die Korrosionsrate und die normalisierte Korrosionsrate jeder Probe wurden durch Tauchen der Probe in eine Ätzlösung (1 M H₂SO₄ + 0,1 M HF) über eine Stunde bei 80 Grad C erhalten. Tabelle I

Legierung	Korrosionsrate (g/s)	Normalisierte Korrosionsrate
304L ss	8,87E-05	1
353 ss	2,62E-05	0,296
316L ss	1,89E-05	0,213
Inconl 800	1,85E-05	0,208
317L ss	8,19E-06	0,092
Inconl 601	5,97E-06	0,067
904L ss	7,50E-07	0,009
254SMO	4,17E-07	0,005
Carp-20	3,61E-07	0,004
C-276	1,39E-07	0,002
Titan	8,13E-05	0,92 (Begrenzte Stabilität in fluoridionenhaltigen Umgebungen)

Tabelle (I) oben zeigt, dass, je höher die Güte von rostfreiem Stahl/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 sieht einen visuellen Vergleich der Korrosionsraten verschiedener Guten von rostfreiem Stahl und verschiedenen Legierungen vor.
Als nächstes Bezug nehmend auf 4 kann ein kinetischer oder Kaltspritzprozess, der dazu verwendet wird, die korrosionsbeständige Beschichtung 14 auf dem Bipolarplattensubstrat 12 gemäß der vorliegenden Erfindung auszubilden, unter Verwendung einer kinetischen Spritzvorrichtung 20 ausgeführt werden, die herkömmlich sein kann. Die kinetische Spritzvorrichtung 20 umfasst typischerweise eine Kanone 36, die eine Mischkammer 38 aufweist, die ein Kammerinneres 40 besitzt. Ein länglicher Zylinder 42, der eine Düse 43 besitzt, wie beispielsweise eine Düse vom Laval-Typ, führt von der Mischkammer 38 weg. Ein Substratträger 52 ist in beabstandeter Beziehung bezüglich der Kanonendüse 43 positioniert.
Eine Pulverzufuhreinrichtung 24, die beispielsweise eine Versorgung von Pulverpartikeln aus rostfreiem Stahl (nicht gezeigt) enthält, ist in Fluidverbindung mit der Mischkammer 38 der Kanone 36 durch eine Gas/Pulverzufuhrleitung 32 angeordnet. Auf die gleiche Weise ist ein Gasheizer 26 in Fluidverbindung mit der Mischkammer 38 der Kanone 36 durch eine Zufuhrleitung 34 für erhitztes Gas angeordnet. Eine Druckgasversorgung 22, die ein unter Druck gesetztes Inertgas enthält, wie beispielsweise Helium, ist in Fluidverbindung mit der Pulverzufuhreinrichtung 24 durch eine Gaszufuhrleitung 28 und mit dem Gasheizer 26 durch eine separate Gaszufuhrleitung 30 angeordnet.
Bei Verwendung der kinetischen Spritzvorrichtung 20 gemäß dem Prozess der vorliegenden Erfindung wird das Bipolarplattensubstrat 12 anfänglich an dem Substratträger 52 angebracht, wobei die Außenfläche 13 des Bipolarplattensubstrats 12 zu der Kanonendüse 43 weist. Pulverpartikel aus rostfreiem Stahl oder Legierung, die als die korrosionsbeständige Beschichtung 14 verwendet werden sollen, werden anfänglich in der Pulverzufuhreinrichtung 24 angeordnet. Die Pulverpartikel können beispielsweise Partikel aus rostfreiem Stahl mit der Güte C-276 oder Partikel einer Legierung sein, wie 904L, 254SM0 oder Carp-20. Bevorzugt besitzen die Pulverpartikel eine Größe von 1 bis 50 μm.
Das Druckgas 44, wie beispielsweise Helium, wird dann kontinuierlich von der Druckgasversorgung 22 durch die Gaszufuhrleitung 30 an den Heizer 26 verteilt, an dem das Druckgas 44 auf eine Temperatur von bevorzugt etwa 0 bis 700°C erhitzt wird. Das erhitzte Gas 48 wird durch die Zufuhrleitung 34 für erhitztes Gas kontinuierlich von dem Gasheizer 26 in das Kammerinnere 40 in der Mischkammer 38 der Kanone 36 verteilt.
Wenn das Druckgas 44 durch den Gasheizer 26 und an die Mischkammer 38 der Kanone 36 verteilt wird, wird das Druckgas 44 auch von der Druckgasversorgung 22 an die Pulverzufuhreinrichtung 24 durch die Gaszufuhrleitung 28 verteilt. Das Druckgas 44 mischt sich mit den Pulverpartikeln in der Pulverzufuhreinrichtung 24, und eine Gas/Pulver- Mischung 46 wird durch die Gas/Pulver-Zufuhrleitung 32 und in das Kammerinnere 40 in der Mischkammer 38 der Kanone 36 verteilt.
In der Mischkammer 38 der Kanone 36 mischt sich das erhitzte Gas 48 mit der Gas/Pulver-Mischung 46. Der resultierende Gas/Partikelstrom 50 wird von der Kanonendüse 43 gegen die Außenfläche 13 des Bipolarplattensubstrats 12 mit einer Geschwindigkeit von typischerweise etwa 500~1.500 m/s ausgestoßen. Bei Aufprall auf die Außenfläche 13 des Bipolarplattensubstrats 12 verformen sich die Pulverpartikel und verbinden sich mit der Außenfläche 13 und miteinander, um die korrosionsbeständige Beschichtung 14 zu bilden. Bei nachfolgenden Prozessschritten kann die Deckschicht 16 (1) auf die korrosionsbeständige Beschichtung 14 unter Verwendung einer PVD-(physikalische Dampfphasenabscheidungs-)oder anderen Abscheidungstechnik, die dem Fachmann bekannt ist, beschichtet werden.
Während die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung oben beschrieben worden sind, sei zu erkennen und zu verstehen, dass verschiedene Abwandlungen in der Erfindung ausgeführt 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 ein Verfahren zum Herstellen einer korrosionsbeständigen und kostengünstigen Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle offenbart. Das Verfahren umfasst, dass ein Bipolarplattensubstrat vorgesehen wird und eine korrosionsbeständige Beschichtung auf das Bipolarplattensubstrat unter Verwendung eines kinetischen Spritzprozesses beschichtet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 20030228512 A1 [0005]
- US 20040091768 A1 [0005]
- US 6372376 B1 [0005]

Claims

Verfahren zum Verbessern der Korrosionsbeständigkeit einer Bipolarplatte, umfassend, dass: ein Bipolarplattensubstrat vorgesehen wird; und eine korrosionsbeständige Beschichtung auf das Bipolarplattensubstrat unter Verwendung eines kinetischen/Kaltspritzprozesses beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bipolarplattensubstrat rostfreien Stahl der Güte 304L oder 316L umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung rostfreien Stahl der Güte C-276 umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung ein Material umfasst, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: 904L Legierung, 254SMO Legierung und Carp-20 Legierung.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass eine Deckschicht auf der korrosionsbeständigen Beschichtung zur Minimierung eines Kontaktwiderstandes der korrosionsbeständigen Beschichtung vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Deckschicht ein Material ist, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Gold, ein organisches Material, Platin, Platinlegierungen, Rhodium, Ruthenium, Rutheniumlegierungen, Palladium und Palladiumlegierungen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Deckschicht eine gesputterte Schicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Bipolarplattensubstrat rostfreien Stahl der Güte 304L oder 316L umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung rostfreien Stahl der Güte C-276 umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung ein Material umfasst, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: 904L Legierung, 254SMO Legierung und Carp-20 Legierung.
Verfahren zum Verbessern der Korrosionsbeständigkeit einer Bipolarplatte, umfassend, dass: ein Bipolarplattensubstrat vorgesehen wird; eine Gas/Pulvermischung, die Metallpulverpartikel umfasst, vorgesehen wird; ein Strom von erhitztem Gas vorgesehen wird; ein Gas/Partikelstrom durch Mischen der Gas/Pulvermischung mit dem Strom von erhitztem Gas gebildet wird; und eine korrosionsbeständige Beschichtung auf dem Bipolarplattensubstrat durch Ausstoß des Gas/Partikelstroms gegen das Bipolarplattensubstrat vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bipolarplattensubstrat rostfreien Stahl der Güte 304L oder 316L umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Metallpulverpartikel Pulverpartikel aus rostfreiem Stahl der Güte C-276 umfassen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Metallpulverpartikel Metallpulverpartikel umfassen, die aus der Gruppe gewählt sind, die umfasst: 904L Legierung, 254SMO Legierung und Carp-20 Legierung.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Ausstoßen des Gas/Partikelstroms gegen das Bipolarplattensubstrat umfasst, dass der Gas/Partikelstrom gegen die Bipolarplatte mit einer Geschwindigkeit von etwa 500 bis 1.500 Meter/Sekunde ausgestoßen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend, dass eine Deckschicht auf der korrosionsbeständigen Beschichtung zur Minimierung eines Kontaktwiderstandes der korrosionsbeständigen Beschichtung vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Deckschicht ein Material umfasst, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Gold, ein organisches Material, Platin, Platinlegierungen, Rhodium, Ruthenium, Rutheniumlegierungen, Palladium und Palladiumlegierungen.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Deckschicht eine gesputterte Schicht umfasst.
Verfahren zum Verbessern einer Fluoridkorrosionsbeständigkeit einer Kathodenseite einer Bipolarplatte in einer Brennstoffzelle, umfassend, dass: ein Bipolarplattensubstrat vorgesehen wird, das eine Kathodenseite aufweist; und eine korrosionsbeständige Beschichtung auf die Kathodenseite des Bipolarplattensubstrats kinetisch gespritzt wird, indem eine Gas/Pulvermischung, die Metallpulverpartikel umfasst, vorgesehen wird, ein erhitzter Gasstrom vorgesehen wird, die Gas/Pulvermischung mit dem erhitzten Gasstrom gemischt wird, um einen Gas/Partikelstrom zu bilden, und der Gas/Partikelstrom gegen die Kathodenseite des Bipolarplattensubstrats ausgestoßen wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Bipolarplattensubstrat rostfreien Stahl der Güte 304L oder 316L umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Metallpulverpartikel rostfreien Stahl der Güte C-276 umfassen.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Metallpulverpartikel Metallpulverpartikel umfassen, die aus der Gruppe gewählt sind, die umfasst: 904L Legierung, 254SMO Legierung und Carp-20 Legierung.
Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend, dass eine Deckschicht auf der korrosionsbeständigen Beschichtung zur Minimierung eines Kontaktwiderstandes der korrosionsbeständigen Beschichtung vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Deckschicht ein Material umfasst, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Gold, ein or ganisches Material, Platin, Platinlegierungen, Rhodium, Ruthenium, Rutheniumlegierungen, Palladium und Palladiumlegierungen.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Deckschicht eine gesputterte Schicht umfasst.
Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität für eine Brennstoffzelle, mit: einem Bipolarplattensubstrat; und einer korrosionsbeständigen Beschichtung, die auf dem Bipolarplattensubstrat durch Bereitstellung einer Gas/Pulvermischung, die Metallpulverpartikel umfasst, Bereitstellung eines erhitzten Gasstromes, Mischen der Gas/Pulvermischung mit dem erhitzten Gasstrom, um einen Gas/Partikelstrom zu bilden, und Ausstoßen des Gas/Partikelstroms gegen die Kathodenseite des Bipolarplattensubstrats gebildet ist.
Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität nach Anspruch 26, wobei das Bipolarplattensubstrat rostfreien Stahl der Güte 304L oder 316L umfasst.
Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität nach Anspruch 26, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung rostfreien Stahl der Güte C-276 umfasst.
Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität nach Anspruch 26, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung 904L Legierung, 254SMO Legierung oder Carp-20 Legierung umfasst.
Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität nach Anspruch 26, ferner mit einer Deckschicht, die an der korrosionsbeständigen Beschich tung zur Minimierung eines Kontaktwiderstandes der korrosionsbeständigen Beschichtung vorgesehen ist.
Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität nach Anspruch 30, wobei das Bipolarplattensubstrat rostfreien Stahl der Güte 304L oder 316L umfasst.
Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität nach Anspruch 31, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung rostfreien Stahl der Güte C-276 umfasst.
Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität nach Anspruch 31, wobei die korrosionsbeständige Beschichtung 904L Legierung, 254SMO Legierung oder Carp-20 Legierung umfasst.