DE19805674C1 - Mit Edelmetall lokal belegte bipolare Platte und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein verbindendes Element für Brennstoffzellen sowie ein Herstellungsverfahren für das verbindende Element.

Eine Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektro­ lyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxida­ tionsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brenn­ stoff, z. B. Wasserstoff zugeführt.

Verschiedene Brennstoffzellentypen sind bekannt, so beispielsweise die SOFC-Brennstoffzelle aus der Druck­ schrift DE 44 30 958 C1 oder die PEM-Brennstoffzelle aus der Druckschrift DE 195 31 852 C1.

Die Betriebstemperatur einer PEM-Brennstoffzelle liegt bei ca. 80°C. An der Anode einer PEM-Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Brennstoffs mittels ei­ nes Katalysators Protonen. Die Protonen passieren den Elektrolyten und verbinden sich auf der Kathodenseite mit dem vom Oxidationsmittel stammenden Sauerstoff zu Wasser. Elektronen werden dabei freigesetzt und elek­ trische Energie erzeugt.

Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzie­ lung großer Leistungen durch verbindende Elemente zu einem sogenannten Brennstoffzellenstapel mechanisch und elektrisch miteinander seriell verbunden. Ein Beispiel für ein solches verbindendes Element stellt die aus DE 44 10 711 C1 bekannte bipolare Platte dar.

Es ist bekannt, verbindende Elemente für PEM-Brenn­ stoffzellen aus Graphit durch mechanische Bearbeitung des Materials herzustellen. Alternativ kann gemäß der Druckschrift "M. S. Wilson, T. E. Springer, T. A. Zawodzinski, J. R. Davey, C. R. Derouin, S. Gottesfeld, Development of Components for a Polymer Electrolyte Fuell Cell of Low Cost and High Performance, 1994 Fuel Cell Seminar, 28 Nov.-1 Dec. 1994, p. 281 ff" ein derartiges verbindendes Element aus einem korrosionsbe­ ständigen Edelstahl wie AISI316L bestehen. Der Edel­ stahl ist dann mit einem Edelmetall wie Gold oder Pla­ tin beschichtet.

Die Edelmetallbeschichtung auf dem Edelstahl ist erfor­ derlich, da sich andernfalls elektronisch nichtleitende Oxidschichten auf der Oberfläche bilden können und dann der gewünschte elektrische Kontakt zwischen zwei Brenn­ stoffzellen unterbrochen wäre.

Nachteilhaft ist eine solche Edelmetallbeschichtung aufgrund des hohen Materialpreises sehr teuer.

Aus DE 195 23 635 C2 ist eine Lithiumferrit-Oxidschicht bekannt, bei der durch Dotierung mit zweiwertigen Elementen die Leitfähigkeit dieser Schicht erhöht werden konnte.

In DE 44 43 688 C1 ist eine bipolar-Platte für Brennstoffzellen aus Edelstahl beschrieben, die jedoch vollflächig zur Anodenseite hin vernickelt ist.

Ein Stromübertragungselement für Brennstoffzellen aus einer Nickel- oder Chrom/Nickellegierung mit einer elektrisch leitenden Cr₂O₃-Schicht wird in EP 04 24 732 A1 beschrieben.

Aus EP 04 11 374 A1 ist ein Bauelement zur Stromübertragung für Brennstoffzellen bekannt, welches aus einem Träger aus einer elektrisch leitenden, oxidationsbeständigen Hochtemperaturlegierung besteht und Kontaktstellen aus einem Edelmetall (Au, Pd, PT oder Legierung dieser Elemente) aufweist.

Das aus WO 97/35349 A1 beschriebene elektronische Verbindungsmittel für eine Brennstoffzelle besteht aus einem chromhaltigen Substrat, welches anodenseitig eine oxidationsbeständige Beschichtung aufweist. Diese Beschichtung enthält eine äußere Schicht als Sauerstoffbarriere, die aus Ni, einem Edelmetall außer Silber oder einer Legierung dieser Stoffe besteht. Ferner enthält sie eine elektrisch leitende Schicht als Metallbarriere, die aus Nb, Ta, Ag oder einer Mischung dieser Metalle besteht.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines preiswer­ ten verbindenden Elementes für eine Brennstoffzelle, dessen elektrische Leitfähigkeit auch während des Be­ triebes erhalten bleibt sowie die Schaffung eines zuge­ hörigen Herstellungsverfahrens.

Die Aufgabe wird durch ein verbindendes Element mit den Merkmalen des Haupt- sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Nebenanspruchs gelöst.

Das anspruchsgemäße verbindende Element besteht aus ei­ nem Edelstahl wie zum Beispiel V2A oder V4A. Der Edel­ stahl ist an seiner Oberfläche mit Edelmetall lokal an­ gereichert. Das Edelmetall befindet sich an dieser lo­ kal angereicherten Oberfläche sowohl im als auch auf dem Stahl.

Die anspruchsgemäßen, lokal mit Edelmetall angereicher­ ten Oberflächenbereiche werden zum Beispiel herge­ stellt, indem in einem ersten Verfahrensschritt punktu­ ell, also lokal begrenzt Edelmetall auf den Edelstahl des verbindenden Elementes aufgebracht wird. Anschlie­ ßend wird eine Wärmebehandlung durchgeführt. Infolge der Wärmebehandlung diffundiert das aufgebrachte Edel­ metall teilweise in den Stahl.

Durch das in den Stahl hineindiffundierte Edelmetall wird sichergestellt, daß sich zwischen dem Stahl und dem Edelmetall keine Oxidschichten bilden können. Der elektrische Kontakt zwischen dem Edelmetall und dem Stahl ist so dauerhaft auch während des Betriebes in einer Brennstoffzelle gewährleistet. Eine vollständige Beschichtung des Stahls mit einem Edelmetall kann daher unterbleiben. Die elektrische Verbindung zwischen zwei angrenzenden Elektroden in einer Brennstoffzelle ver­ läuft über die mit Edelmetall lokal angereicherten Be­ reiche der Oberfläche des verbindenden Elementes.

Das anspruchsgemäße verbindende Element ist preiswert, da lediglich geringe Mengen des teuren Edelmetalls im Vergleich zum genannten Stand der Technik benötigt wer­ den.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert.

Die vorgenannte Oberflächenbehandlung kann durch eine kombinierte Plasmaimplantations- und thermische Diffu­ sionsbehandlung erreicht werden. Hierbei wird während des Abscheideprozesses eine Lochmaske auf das vorge­ prägte Edelstahlbauteil aufgelegt. An diese Lochmaske wird ein positives elektrisches Potential zur Abstoßung von Ionen angelegt (Bereich 20 bis 200 V). An das hin­ ter dieser Maske befindliche Edelstahlbauteil wird ein gepulstes negatives Potential (1-10 kV) angelegt, durch das die Ionen auf die nicht abgedeckten Oberflächen des Bauteils beschleunigt werden. Die für die Implantation notwendigen Metallionen (z. B. Goldionen) werden durch eine kathodische Niederdruckbogenentladung erzeugt. Durch das positive elektrische Potential an der Blen­ denoberfläche treten nur geringe Ionenverluste an die­ ser Oberfläche auf. Der weitaus größte Teil der Metall­ ionen wird auf dem Zielelement abgeschieden. Die ge­ wählte Ionenenergie bewirkt, daß die Metallionen unter­ halb der natürlichen Oxidschicht des Edelstahls in ei­ ner Tiefe von einigen Atomlagen implantiert werden. Durch eine Temperatur von 700 bis 900°C während dieser Implantation tritt die thermische Diffusion der implan­ tierten Edelmetallatome in einen Tiefenbereich von 1-2 µm auf. Der Materialverbrauch für die Belegung von 1 m² bipolarer Plattenfläche bei einer Kontaktierungsober­ fläche von 10% beträgt ca. 0,5 g Gold. Durch die Wahl alternativer Herstellungsprozesse lassen sich noch eventuell auftretende Materialverluste an Maskenober­ flächen vermeiden.

Claims (2)

1. Verbindungselement bestehend aus Edelstahl, der an seiner Oberfläche lokal begrenzte, mit einem Edelmetall belegte Bereiche aufweist, an die sich lokal begrenzte Bereiche anschließen, in denen der Edelstahl mit Edelmetall angereichert ist.

2. Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselementes gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• 1. Formen eines Verbindungselementes aus Edelstahl durch Prägung oder mechanische Bearbeitung,
• 2. punktuelles Aufbringen von Edelmetall auf das Verbindungselement, worauf
• 3. der mit Edelmetall belegte Edelstahl einer Wärmebehandlung unterzogen wird, bei der das Edelmetall teilweise in den Edelstahl eindiffundiert.