DE19541187C1 - Verfahren zur Herstellung einer Separatorplatte für eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle und nach dem Verfahren hergestellte Separatorplatte - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Separatorplatte aus einem Nickel-walzplattierten Edelstahlblech für eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle und auf eine nach dem Verfahren hergestellte Separatorplatte.

Separatorplatten sind bekannte Bauteile von Brennstoffzellen und werden zum Trennen benachbarter Zellen verwendet. Sie sollen ein Mischen eines Brennstoffgases, das sich im Raum auf einer Seite der jeweiligen Platte befindet, mit einem Oxidationsmittel verhindern, das sich im Raum auf der anderen Seite der Platte befindet. Ein Brennstoffzellen-Stapel aus Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen, zwischen denen sich Separatorplatten befinden, ist aus der EP 0 405 088 B1 bekannt.

In der DE 42 42 570 A1 ist ein Verbindermaterial einer Festoxid-Brennstoffzelle zum Verbinden benachbarter Zelleneinheiten beschrieben. Das Verbindermaterial besteht aus einer Mischung einer hauptsächlich Nickel und Chrom enthaltenden Legierung mit Oxidkeramiken. Die Legierung und die Keramik werden durch ein Pulvermischverfahren gemischt. Das Verbindungselement wird durch Plasmaspritzen oder Gasflammenspritzen ausgebildet.

In der EP 0 405 088 B1 ist die Ausbildung einer Dichtung für den Naß-Bereich einer Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle dargestellt. Um korrosive Prozesse zu verhindern, wird angegeben, daß die aus Metallstreifen hergestellte Dichtung aluminiert sein kann.

Aus der US 4,745,994 geht ein Elektrolyseur als bekannt hervor, dessen Elektroden, die beidseits eines Nickeloxiddiaphragmas anliegen, mit feinen Metallnetzen ausgebildet sind, die durch Flammspritzen mit einer Nickelschicht versehen werden.

Aus der US 4,251,478 geht es als bekannt hervor, zur Darstellung einer Kathode für einen Elektrolyseur durch Flammspritzen mit einem aus einer Nickel-Aluminiumlegierung bestehenden Pulver auf einem Substrat eine Nickelaluminid enthaltende Schicht auszubilden. Nach Behandlung in einer alkalischen Lauge besteht die Schicht aus Nickel und einem Anteil kristallinem Nickelaluminid.

Der Bereich der Naß-Dichtung einer Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle bildet den Zellabschluß nach außen. Die mit dem Elektrolyten (Lithium- und Kaliumkarbonat) gefüllte Matrix ist bis an die umgebogenen Kanten des Separatorblechs einer Brennstoffzelle herausgeführt und mit dieser im Bereich der Naß-Dichtung verbunden. Dadurch hat jedes Separatorblech direkten Kontakt mit der Salzschmelze. Aufgrund der Bauweise der Zellstapel haben sowohl die reduzierenden Gase als auch oxidierende Gase am Bereich der Naß-Dichtung Zutritt zu beiden Seiten des Separatorblechs, das z. B. aus Nickel­ walzplattiertem Edelstahlblech besteht. Das Separatorblech ist im Bereich der Naß- Dichtung daher dem korrosiven Angriff durch die Salzschmelze sowohl in reduzierender als auch oxidierender Atmosphäre ausgesetzt. Das führt zur Ausbildung von Oxidschichten, die jedoch den Stahl und das Nickel nicht vor weiteren Angriffen schützen können, da sie nicht dicht sind. Diese Situation stellt ein extremes Belastungskollektiv dar, dem das Edelstahlblech nicht standhält und nach einer relativ kurzen Zeit korrosiv zerstört wird. Der Korrosionsangriff findet an einem verhältnismäßig kleinen Flächenanteil des gesamten Separatorblechs statt.

Eine geeignete Methode zur Lösung der Korrosionsproblematik im Bereich der Naß-Dichtung ist die Verwendung stark aluminiumhaltiger Stähle für die Separatorplatten. Die sich an deren Oberflächen ausbildenden Oxidschichten sind dicht und stabil und schützen das Grundmaterial. Die Oxidschichten haben jedoch sehr hohe spezifische Widerstände, womit die Verwendung solcher Materialien für die gesamte Separatorplatte ausscheidet.

Um eine hohe Aluminiumkonzentration im Bereich der Naß-Dichtung zu erzeugen, könnten die Separatorplatten auf der Stahlseite partiell aluminiert werden. Zunächst scheint das trivial zu sein, stehen doch mit den verschiedenen Alitierverfahren und konventionellen Spritztechniken ausgereifte Methoden zum Aufbringen von Aluminium zur Verfügung. Die erwähnten Methoden eignen sich für das Alitieren von Separatorplatten nicht, da sie bei Separatorplatten entscheidende Nachteile haben. So ist das Alitieren nur eines geringen Teils der bis zu einem Quadratmeter großen Separatorbleche im Pulverpackverfahren oder mit ähnlichen Techniken schon aus wirtschaftlichen Gründen nicht sinnvoll. Vakuumbeschichtungsverfahren kommen aus dem gleichen Grunde nicht in Frage, da man sehr große Vakuumanlagen zur Beschichtung kleiner Flächen brauchte. Prinzipiell sind zwar alle Spritztechniken zum Aufbringen von Aluminium geeignet, jedoch ist die Haftung der Schichten ohne Substratvorbehandlung nicht ausreichend. Das deshalb notwendige Aufrauhen durch Sandstrahlen führt zu einem nicht tolerierbaren Verzug der Separatorbleche. Außerdem ist die Porösität der mit den bekannten Methoden des Plasmaspritzens oder Draht-Flammspritzen aufgebrachten Schichten so hoch, daß sich selbst nach einem Diffusionsglühen keine ausreichende Schutzschicht für den Edelstahl mehr bildet. Ein Alitieren des Nickels bereitet erhebliche Schwierigkeiten, so daß die vernickelten Seiten der Separatorbleche nur nach vorhergehendem Entfernen des Nickels alitiert werden können. Dies ist ein sehr aufwendiger Prozeß.

Der Erfindung liegt nun das Problem zugrunde, ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung einer eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisenden und gegen Korrosion widerstandsfähigen, aus nickelwalzplattiertem Edelstahlblech bestehenden Separatorplatte für eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle zu entwickeln und eine nach diesem Verfahren hergestellte, für Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen besonders geeignete Separatorplatte bereitzustellen.

Das Problem wird für das Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Aluminium durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen partiell auf die Separatorplatte im Bereich der Naß-Dichtung aufgebracht wird und daß eine intermetallische Aluminiumphase mit dem Trägermetall des Aluminiums erzeugt wird. Es hat sich gezeigt, daß die durch das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen aufgetragenen Aluminiumschichten aufgrund der hohen Partikelgeschwindigkeit bereits ohne vorgeschaltetes Sandstrahlen eine ausreichende Haftfestigkeit aufweisen. Das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen eignet sich auch für die partielle Beschichtung relativ großer Flächen und erzeugt Schichten mit geringer Porösität und hoher Haftfestigkeit, die mit anderen Spritztechniken nicht erreicht werden können. Die erzeugten Aluminiumschichten haben aber noch eine Restporosität, so daß sie für sich noch keinen ausreichenden Korrosionsschutz bieten. Ein hinreichender Schutz wird aber mit der Ausbildung einer dichten intermetallischen Aluminiumphase erzielt, wobei die Substratatome und das Aluminium interdiffundieren. Für die Erzeugung der intermetallischen Phase kann je nach der Seite der Separatorplatte, d. h. der Nickel- oder Edelstahlseite, nach unterschiedlichen Methoden vorgegangen werden.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform wird zuerst das Nickel auf der Separatorplatte im Bereich der Naß-Dichtung entfernt und danach auf die Separatorplatte auf der Kathodenseite und auf der Anodenseite Aluminium im Bereich der Naß-Dichtung durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen aufgebracht, worauf die Separatorplatte bei hoher Temperatur geglüht wird. Mit diesem Verfahren wird eine vollkommene Ausbildung der intermetallischen Aluminiumphase im Bereich der Naß-Dichtung erzielt, so daß eine riß- und spaltenfreie Schutzschicht vorhanden ist.

Bei einer anderen günstigen Ausführungsform wird die Separatorplatte im Bereich der Naß-Dichtung nach dem Entfernen des Nickels durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen in kurzem Abstand des Spritzwerkzeugs von der Oberfläche der Separatorplatte mit Aluminium beschichtet. Bei diesem Verfahren heizt sich das Substrat beim Auftreffen des Aluminiums so stark auf; daß eine rasche Diffusion des Aluminiums in den Stahl der Separatorplatte bereits während des Spritzvorgangs stattfindet. Es bildet sich daher beim Beschichten bereits eine intermetallische Aluminiumschicht, die den Stahl im Bereich der Naß-Dichtung ausreichend vor Korrosion schützt.

Bei einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform wird die Separatorplatte nach der Entfernung des Nickels im Bereich der Naß-Dichtung nach der Beschichtung mit Aluminium im Bereich der Naß-Dichtung durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen in eine Schmelzkarbonat- Brennstoffzelle eingebaut, wobei in einer nachfolgenden Einfahrphase intermetallisches Aluminid in situ bei Betriebstemperatur erzeugt wird. Während der Einfahrphase findet eine langsame Interdiffusion von Aluminium und Stahl bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle statt. Es hat sich gezeigt, daß der unter dem Aluminium liegende Stahl während der Entstehung der Aluminiumphase ausreichend lange geschützt wird, bevor eine ins Gewicht fallende Korrosion entsteht. Der besondere Vorteil des vorstehend beschriebenen Verfahrens besteht darin, daß auf einen Glühschritt verzichtet werden kann.

Die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellten Aluminidschichten schützen die Edelstahlbereiche der Separatorbleche im Bereich der Naß-Dichtung vollständig. Durch die gezielte Einstellung der Beschichtungsparameter können die mechanischen Eigenschaften der Separatorbleche, wie Duktilität, an die Anforderungen angepaßt werden.

Wenn Aluminium im Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren auf Nickel aufgebracht wird, dann zeigt sich, daß eine gewisse Porösität auftritt, d. h. das Aluminium ist zu porös, um das darunterlieggende Nickel vor Korrosion zu schützen. Die Entfernung des Nickels im Bereich der Naß-Dichtung also ein Schritt des Herstellungsverfahrens, kann eingespart werden, wenn eine intermetallische Phase zwischen dem aufgespritzten Aluminium und Nickel erzeugt wird.

Vorzugsweise wird die Aluminidphase durch Glühen des Separatorblechs mit auf das Nickel im Bereich der Naß-Dichtung aufgebrachten Aluminiums erzeugt, wobei das Aluminium im Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren auf das Nickel aufgebracht werden muß. Die Zusammensetzung der intermetallischen Phase ist unabhängig von der Menge des aufgebrachten Aluminiums und der Temperzeit und über die gesamte Dicke der Aluminiumschicht konstant. Die Menge des aufgebrachten Aluminiums bestimmt daher die Dicke der intermetallischen Phase.

Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform wird eine Mischung aus Aluminiumpulver und Nickelpulver im Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren im Verhältnis des sich bildenden Aluminids auf dem Nickel im Bereich der Naß-Dichtung aufgebracht. Bei entsprechender Wahl der Prozeßparameter und der Pulverkörnung bildet sich während des Spritzvorgangs eine Aluminidphase teilweise oder vollständig aus. Bei nur teilweiser Ausbildung der Aluminidphase wird die Restporösität durch in situ Interdiffusion während des Zellbetriebs beseitigt.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform wird eine Mischung aus einem Nickel und Aluminium enthaltenden Legierungspulver und reinem Aluminiumpulver im Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren auf das Nickel im Bereich der Naß-Dichtung aufgebracht. Hierbei bildet sich nach dem Aufspritzen zumindest teilweise eine Aluminidphase aus, deren Restporösität in situ, z. B. in der Einlaufphase der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle, beseitigt wird.

Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform wird ein Nickel und Aluminium enthaltendes Legierungspulver im Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren auf das Nickel im Bereich der Naß-Dichtung der Separatorplatte wenigstens bei der Zersetzungstemperatur der Nickellegierung aufgebracht. Bei diesem Verfahren zersetzt sich die Legierung ganz oder teilweise während des Beschichtungsvorgangs. Mit diesem Verfahren kann ein Glühschritt eingespart werden, da die Zusammensetzung der aufgespritzten Schicht derjenigen des gewünschten Aluminids entspricht, das sich in situ beim Einlaufbetrieb der jeweiligen Brennstoffzelle bildet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben, aus denen sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.

Es zeigt

Fig. 1 eine Separatorplatte für eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle in perspektivischer Ansicht;

Fig. 2 einen Teil einer Separatorplatte, der sich auf die in Fig. 1 mit X bezeichnete Stelle bezieht, in einer Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle schematisch im Längsschnitt;

Fig. 3 einen Teil einer Separatorplatte, der sich auf die in Fig. 1 mit Y bezeichnete Stelle bezieht, in einer Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle schematisch im Längsschnitt;

Fig. 4 eine Vorrichtung zum Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren eines Teils einer Separatorplatte für Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen im Schema und

Fig. 5 einen Teil einer Separatorplatte für Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen mit einer intermetallischen Phase zwischen Aluminium und einem Trägermetall im Querschnitt.

Die Fig. 1 zeigt eine Separatorplatte 1 in perspektivischer Ansicht. Die der Anode der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle zugewandte Seite der Separatorplatte 1 ist mit 2 und die der Kathode zugewandte Seite mit 3 bezeichnet. Die Separatorplatte 1 enthält ein Edelstahlblech 4, auf dem durch Walzplattieren Nickel 5 aufgebracht ist. Diese Platte ist im Querschnitt aus Fig. 2 und 3 zu ersehen.

Die Fig. 2 zeigt einen in Fig. 1 mit X bezeichneten Abschnitt der Separatorplatte 1 im Querschnitt im montierten Zustand in einer Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle. Dieser Abschnitt X befindet sich in der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle teilweise im Bereich der Naß-Dichtung. Der im Bereich der Naß-Dichtung auf der Anodenseite liegende Teil der Separatorplatte 1 ist in Fig. 2 mit WSA (Wet-Seal-Bereich-Anodenseite) bezeichnet. Die Außenseiten des umgebogenen Ab­ schnitts der Separatorplatte 1 bilden mit der das Schmelzkarbonat enthaltenden Matrix jeweils den Bereich WSA der Naß-Dichtung. Die Zone des Bereichs WSA der Naß-Dichtung ist in Fig. 2 strichpunktiert umrandet. Das Edelstahlblech 4 ist auf der Anodenseite 2 an seinem Rand zweimal rechtwinklig umgebogen, wodurch ein Hohlraum gebildet wird, in dem sich eine Leiste 6 befindet. Der einen Stirnseite 7 des Edelstahlblechs 4 steht der Rand der Anode 8 gegenüber. Die Leiste 6 bestimmt den Abstand zwischen der Anode 8 und der Schicht aus Nickel 5, die sich auf der der Anode 8 bzw. der Leiste 6 zugewandten Seite der Separatorplatte 1 befindet und sich bis zum Ende des Edelstahlblechs 4, d. h. bis zu dessen Stirnseite erstreckt. Im Raum zwischen der Anode 8 und dem Edelstahlblech 4 ist neben der Leiste 6 der Anodenstromkollektor 9 angeordnet. Im Bereich WSA der Naß-Dichtung befindet sich auf der Separatorplatte 1 eine Schicht 10 aus einer intermetallischen Phase von Aluminium und dem unter der Schicht liegenden Metall, insbesondere dem Edelstahl. Die Schicht 10 wird auf eine unten noch eingehend beschriebene Weise erzeugt. Außerhalb des Bereichs WSA der Naß-Dichtung auf der Anodenseite muß keine solche Schicht mehr vorhanden sein. Die Schicht 10 ist besonders widerstandsfähig gegen Korrosion.

In Fig. 3 ist der mit Y bezeichnete Abschnitt der Separatorplatte 1 im Querschnitt im montierten Zustand in einer Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle dargestellt. Dieser Abschnitt Y befindet sich in der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle teilweise im Bereich der Naß-Dichtung auf der Kathodenseite 3. Der auf der Kathodenseite im Bereich der Naß-Dichtung liegende Teil der Separatorplatte 1 ist in Fig. 3 mit WSK (Wet-Seal-Bereich-Kathodenseite) bezeichnet und durch eine strichpunktierte Umrandung gekennzeichnet. Das Edelstahlblech 4 ist auf der Kathodenseite 3 an seinem Rand zweimal rechtwinklig umgebogen, um einen Hohlraum zu bilden, in dem sich ebenso wie auf der Anodenseite eine Leiste 6 befindet. Einer zweiten Stirnseite 11 des Edelstahlblechs 4 steht der Rand der Kathode 12 gegenüber. Durch die Stärke der Leiste 6 ist ein bestimmter Abstand zwischen Kathode 12 und Edelstahlblech 4 gegeben. Die Schicht aus Nickel 5 befindet sich auf der der Kathode 12 abgewandten Seite des Edelstahlblechs 4. Im Hohlraum zwischen dem Edelstahlblech 4 und der Kathode 12 ist der Kathodenstromkollektor 13 angeordnet. Im Bereich WSK der Naß-Dichtung befindet sich auf der Separatorplatte 1 eine Schicht 14 aus einer intermetallischen Phase von Aluminium und dem unter der Schicht liegenden Metall, bei dem es sich gem. Fig. 3 um Edelstahl handelt. Diese Schicht 14 ist besonders widerstandsfähig gegen Korrosion. Bei der in Fig. 3 dargestellten Separatorplatte ist die Nickelschicht im Bereich WSK der Naß-Dichtung entfernt, so daß aus einer aufgetragenen Schicht aus Aluminium auf die unten beschriebene Weise die intermetallische Phase erzeugt werden kann.

Die Fig. 4 zeigt die Beschichtung des Bereichs WSK der Naß-Dichtung der Separatorplatte 1 auf der Kathodenseite 3 mit Aluminiumpulver im Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren. Von der Flammenspritzausrrüstung ist in Fig. 4 nur die Spritzpistole 15 mit ihrem vorderen Teil dargestellt. Das Aluminium wird im geschmolzenen oder weitgehend plastischen Zustand unter hohem Druck auf die Edelstahloberfläche geschleudert. Da vorwiegend nur ein Teil des Separatorblechs 1, nämlich derjenige, der dem Bereich WSK bzw. WSA der Naß-Dichtung entspricht, beschichtet wird, ist der übrige Teil des Separatorblechs 1 mit einer Abdeckung 16 versehen. Das Separatorblech 1 muß im Bereich WSA und WSK der Naß-Dichtung beschichtet werden. In diesem Bereich wird auf der Nickel-Seite des Separatorblechs 1 der Nickel entfernt, so daß nur das Edelstahlblech übrig bleibt. Der Abschnitt auf der Anodenseite ohne Nickel wird auf die gleiche Weise wie der andere Abschnitt nach der Entfernung des Nickels beschichtet. Als Spritzpistole 16 kann eine Pistole der Type Diamond Jet der Fa. Sulzer Metco verwendet werden. Der Durchsatz an Aluminiumpulver liegt beispielsweise zwischen 10 g/min und 50 g/min. Die Düse der Spritzpistole befindet sich vorzugsweise in einem Abstand von 180 mm bis 220 mm von der Oberfläche des Separatorblechs.

Nach der Beschichtung des Separatorblechs 1 im Bereich WSA und WSK der Naß-Dichtung mit Aluminium, wird das Separatorblech 1 in einen weiteren Verfahrensschritt geglüht. Das Glühen kann sich auf den Bereich der Naß-Dichtung beschränken, der nur einen kleinen Teil des Separatorblechs 1 ausmacht, so daß sich das Separatorblech 1 durch das Glühen nicht verzieht. Die Glühdauer beträgt ca. 3 min bis 60 min. Durch das Glühen bei Temperaturen von 700°C bis 900°C entsteht eine intermetallische Phase zwischen Edelstahl und Aluminium, d. h. es wird Aluminid gebildet. Hierdurch erhält die Oberfläche des Separatorblechs im Bereich der Naß-Dichtung einen Schutz vor Korrosion durch den Schmelzkarbonat-Elektrolyten. Ein Teil des Separatorblechs 1 mit einem Kern 17 aus Edelstahl und einer Schicht 18 aus intermetallischer Phase von Aluminium und Stahl ist in Fig. 5 im Längsschnitt dargestellt. Eine eigene Glühphase läßt sich einsparen, wenn die intermetallische Phase nach dem Einbau der Separatorplatte 1 in den Zellenstapel in situ in der Einlaufphase erzeugt wird. Der Abstand zwischen der Düse der Spritzpistole 15 und dem Separatorblech 1 kann beim Hochgeschwindigkeitsflammsprühen auf ca. 140 mm bis 180 mm vermindert werden, wodurch sich das Substrat, d. h. das Edelstahlblech, beim Auftreffen der Aluminiumpartikel bereits so stark aufheizt, daß die intermetallische Phase zwischen Stahl und Aluminium entsteht. Eine eigene Glühphase sowohl vor oder nach dem Einbau des Separatorblechs kann dann entfallen.

Die oben beschriebene Beschichtung des Separatorblechs 1 setzt die Entfernung der Nickelschicht voraus. Es besteht allerdings die Möglichkeit, auch auf dem Nickel Aluminium durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen abzuscheiden. Beispielsweise wird eine Aluminiumschicht mit der Stärke von ca. 30 µm bis 100 µm abgeschieden. Dabei ist es günstig, die Aluminiumschichten zuerst auf der Edelstahlseite und auf der Nickelseite des Separatorblechs 1 aufzutragen und danach durch Glühen eine intermetallische Phase zwischen dem abgeschiedenen Aluminium sowohl auf der Edelstahl- als auch auf der Nickelseite des Separatorblechs 1 zu erzeugen. Die Menge des aufgebrachten Aluminiums und die Temperzeit, die vorzugsweise zwischen 5 min und 60 min liegt, bestimmen die Stärke der Schicht der intermetallischen Phase.

Eine andere Methode zur Beschichtung und intermetallischer Phasenbildung besteht darin, eine Mischung aus Aluminiumpulver und Nickelpulver auf die Nickelseite des Separatorblechs 1 im Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren aufzutragen. Das Verhältnis von Nickel zu Aluminiumpulver kann 50 Gewichtsprozent bei gleicher Pulverkörnung betragen. Der Abstand zwischen Spritzpistolendüse und der Nickelseite des Separatorblechs beträgt dabei ca. 180 mm. Hierbei entsteht bereits beim Beschichten durch Interdiffusion von Aluminium und Nickel auf der Nickelschicht eine intermetallische Phase, die nach dem Einbau der Separatorplatte in den Zellstapel in situ verstärkt wird und die Separatorplatte im Bereich der Naß-Dichtung vor Korrosion schützt.

Bei einem weiteren Verfahren zur Beschichtung des Bereichs der Naß-Dichtung auf der Nickelseite und zur Bildung der intermetallischen Phase besteht darin, eine Mischung aus einem Nickel und Aluminium enthaltenden Legierungspulver und reinem Aluminium durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen abzuscheiden. Das Verhältnis der Nickel-Aluminium-Legierung zu Aluminium kann hierbei 50-90% bezogen auf das Gewicht sein. Mit diesem Verfahren wird bei dem Auftragen des Gemischs auf das Nickel teilweise eine Aluminidphase ausgebildet, deren Restporosität nach dem Einbau der Separatorplatte 1 in den Zellstapel in situ, z. B. in der Einlaufphase durch Bildung der intermetallischen Phase bei Betriebstemperatur der Zelle beseitigt wird.

Besonders günstig ist es, das Gemisch bei der Zersetzungstemperatur der Nickellegierung auf die Nickelseite der Separatorplatte aufgebracht wird. Hierfür ist eine Temperatur von ca. 1000-1600°C geeignet. Aufgrund der hohen Temperatur zersetzt sich die Nickel-Aluminium- Legierung während des Beschichtungsvorgangs, wodurch man eine Mischung aus reinem Al und Ni sowie einer intermetallischen Phase erhält, die nach dem Einbau des Separatorblechs in den Zellstapel in situ so vervollständigt wird, daß die Separatorplatte auch auf der Nickelseite vor Korrosion geschützt wird.

Mit den oben beschriebenen Verfahren lassen sich Separatorplatten herstellen, die im Bereich der Naß-Dichtung gegen Korrosion geschützt sind, und im restlichen Bereich eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Die intermetallische Phase zwischen dem Aluminium und dem darunter liegenden Metall, z. B. Edelstahl oder Nickel kann sich auch ein Stück über den im Betrieb der Brennstoffzelle auftretenden Bereich der Naß-Dichtung hinaus erstrecken, wodurch Toleranzen beim Montieren berücksichtigt werden.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung einer Separatorplatte für eine Schmelzkarbonat- Brennstoffzelle aus einem Nickel-walzplattierten Edelstahlblech, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminium durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen partiell auf die Separatorplatte (1) im Bereich der Naß- Dichtung (WSA, WSK) aufgebracht wird und daß zur Erzeugung einer intermetallischen Phase des Trägermetalls mit dem aufgebrachten Aluminium die beschichteten Bereiche während des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens oder danach auf eine zur Bildung der intermetallischen Phase ausreichende Temperatur erwärmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst das Nickel auf der Separatorplatte im Bereich der Naß-Dichtung entfernt wird und daß danach Aluminium auf die Separatorplatte (1) im Bereich der Naß-Dichtung (WSA, WSK) beidseitig durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die intermetallische Phase nach dem Beschichten des Bereichs der Naß-Dichtung (WSA, WSK) der Separatorplatte (1) mit Aluminium durch Glühen bei einer Temperatur von 700°C bis 900°C erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Separatorplatte (1) im Bereich der Naß-Dichtung (WSA, WSK) in kurzem Abstand vom Spritzkopf durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen mit Aluminium beschichtet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der mit Aluminium im Bereich der Naß-Dichtung beschichteten Separatorplatte nach dem Einbau in Brennstoffzellen in der Einfahrphase eine intermetallische Phase erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminium durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen auch auf das Nickel abgeschieden wird und daß danach zwischen Nickel und Aluminium eine intermetallische Phase erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die intermetallische Phase zwischen Aluminium und Nickel durch Glühen des Separatorblechs im Bereich der Naß- Dichtung erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung aus Aluminiumpulver und Nickelpulver durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen im Verhältnis des sich bildenden Aluminiums auf dem Nickel im Bereich der Naß-Dichtung abgeschieden wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung aus einem Nickel und Aluminium enthaltendem Legierungspulver und Aluminiumpulver durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen auf dem Nickel im Bereich der Naß-Dichtung abgeschieden wird und daß danach die Separatorplatte in einen Zellstapel eingebaut und in der Einlaufphase in situ die intermetallische Phase zwischen Aluminium und Nickel vervollständigt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung aus Nickel und Aluminium enthaltendem Legierungspulver durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen auf das Nickel im Bereich der Naß-Dichtung bei der Zersetzungstemperatur der Nickellegierung aufgebracht wird.

11. Separatorplatte, erhältlich nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Naß-Dichtung (WSA, WSK) das Nickel vom Edelstahl entfernt ist und daß im Bereich der Naß-Dichtung (WSA, WSK) auf der Separatorplatte (1) zumindest eine intermetallische Phase zwischen Stahl und Aluminium vorhanden ist.

12. Separatorplatte, erhältlich nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Naß-Dichtung (WSA, WSK) der Separatorplatte (1) auf dem Edelstahl eine intermetallische Phase zwischen Stahl und Aluminium und auf dem Nickel eine intermetallische Phase zwischen Nickel und Aluminium vorhanden ist.