WO2008034818A1 - Vorrichtung zur bearbeitung einer oberfläche eines werkstücks und verfahren zur herstellung einer bipolarplatte einer brennstoffzelle mittels einer solchen vorrichtung - Google Patents

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electrolyte
coating
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Martin Schoepf
Norman Krings
Juergen Hackenberg
Alexander Reitzle
Wilhelm Hopf
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a device for processing a surface of a workpiece according to the closer defined in the preamble of claim 1 and a method for producing a bipolar plate of a fuel cell by means of such a device.
  • devices for processing a surface of a workpiece in a reactor which comprise a first electrode formed by a workpiece and a spaced from the workpiece, formed by a tool second electrode and electrically connecting the two electrodes electrolyte.
  • Devices can be processed metal workpieces.
  • Electrochemical metal working Electrochemical Machining (ECM)
  • EDM electrical discharge machining
  • removal methods different electrolytes being used for the different process types.
  • an electrochemical deposition of metallic precipitates on workpieces in the context of electroplating is known.
  • the workpiece acts as an anode and the tool as a cathode.
  • a current is passed through the electrolyte, which dissolves metal ions from the tool and deposits them by reduction on the workpiece.
  • layer-forming electrolytes are known, which are the material for the
  • a tool change is necessary because, in particular, the requirements for the tool in the removal process and the coating process have different requirements.
  • the ablation process and the coating process due to the tool change disadvantageous repositioning of the new tool relative to the workpiece necessary, the positioning of the new tool due to the sometimes very low to be kept
  • the bipolar plates used in fuel cells are made more economical in practice by milling complex channel structures in either metallic materials, in graphite or by injection molding of conductive plastics. Although graphite and plastics substantially facilitate the processing of the plates, and also have more favorable thermal properties than metals, these materials have the problem of low electrical conductivity compared to metallic materials, which reduces the efficiency of these fuel cells.
  • a device for processing a surface of a workpiece is provided with a reactor in which the workpiece forms a first electrode and a tool, a second electrode, wherein the
  • Workpiece and the tool are electrically conductively connected via an electrolyte and at least temporarily an electrical potential difference between the workpiece and the tool is formed, and wherein the device is configured such that the workpiece and the tool in its operation as a cathode or anode for performing a Abtragungsrea on the workpiece with the creation of a structure on the surface of the
  • Workpiece and a coating process for applying a coating to the workpiece in immediate sequence in the reactor are umpolbar.
  • sequence of the ablation process and the coating process can advantageously be interchanged with a device according to the invention, so that either the ablation process acts directly on the surface of the workpiece and a layer is applied to it during the coating process, or at first a coating on the surface of the Workpiece is applied and this is processed in a subsequent removal process.
  • the tool is movable in an advantageous embodiment of the invention in the reactor relative to the workpiece, whereby on the one hand the workpiece can be positioned in a simple manner and on the other hand, an orientation of the tool relative to the workpiece during the coating process is variable.
  • an orientation of the tool relative to the workpiece during the coating process is variable.
  • Workpiece can be coated.
  • the movement of the tool relative to the workpiece can be carried out by motor both in a linear and in a rotational movement.
  • a trained example as a spray hole or throttle bore hole can be coated on its outer surface and a recess at least partially or beyond the recess with a coating filled, the shape of the coating depending on the shape of the tool and the movement of the tool relative to the Workpiece can be influenced.
  • Wear protection by targeted adjustment of the support component and the material properties are used, wherein such wear protection structures produced are characterized by an additional anchoring in the surface of the workpiece.
  • the coating depending on the position of the tool relative to the workpiece within a recess are arranged locally limited, so that, for example, only an upper
  • Edge region of a recess is coated.
  • the electrolyte used for the coating process is, for example, a palladium electrolyte, a platinum electrolyte or a palladium / platinum mixed electrolyte.
  • an electrolyte is provided in the reactor both for the removal process and the coating process, and thus rinsing and cleaning steps between the two process steps can be dispensed with and consequently the process times can advantageously be minimized.
  • the electrolyte used here is, for example, a chromium electrolyte or a watt-nickel electrolyte based on chloride.
  • deposits may be formed in the reactor during the removal process due to the removal of the workpiece, for example in the case of iron-based materials, it may be provided that the electrolyte flows through the reactor and the deposits are thus removed from the reactor during the process , whereby the functionality of the electrolyte can be ensured.
  • a very hard wear structure for example, a sealing structure, a sacrificial anode coating, structures for reducing wear or anchored electrical connection points in the
  • the tool z. B. be formed with an annular structure and thereby a correspondingly shaped layer are formed in the usually very hard workpiece, which adapt to the formation of a formed as injector body workpiece with a nozzle layer formed by unevenness in the surface of the joint and this thus can seal.
  • the chromium dissolved during the machining process can be used to build up the chromium layer.
  • the removal process may advantageously be an electrochemical metal working process, a spark erosion process or a hybrid process with a combination of an electrochemical metalworking process and a
  • Spark erosion process can be used, the different types of Abtragungsreaen can be selected according to the respective requirements of the process.
  • An EDM process is characterized by a high dimensional accuracy and precision in workpiece machining with an electrolyte designed as a dielectric. With an electrochemical metalworking process are due to large
  • machining process and the EDM process combined, whereby small gap distances between the tool and the workpiece during the process are possible.
  • a coating is deposited on the tool during the electrochemical metal working stages, which are advantageously removed again by the erosion phases, wherein the duration of the individual phases in the form of continuous current and / or current pulses can be chosen such that a change in shape of the tool is negligibly small.
  • Tool wear which is relatively large in a spark erosion process and absent in an electrochemical metalworking process, has average values in a hybrid process.
  • the high erosion of the tool when using a spark erosion process as a removal process can advantageously be compensated by adding the tool, in particular if the tool is designed as a wire.
  • Fuel cell used for coming bipolar plates is used, wherein the bipolar plate in the reactor forms the workpiece, an advantageously fast, precise and economical production of the bipolar plates is feasible.
  • a single electrolyte can be provided both for the removal process and the coating process, or alternatively the electrolyte used for the removal process for the coating process can be replaced by an electrolyte optimized for the coating process.
  • the channel structures generated in the bipolar plate during the ablation process can be produced with very small widths and distances from one another in very complex structures, as a result of which very thin bipolar plates with low weight can be realized.
  • a reduction of the manufacturing costs of the bipolar plate can be achieved by reducing the production time by eliminating duplicate set-up times and transport and storage times of the tool compared to conventional manufacturing processes, since a change in an advantageous manner is not necessary.
  • the catalyst applied during the coating process in particular via a platinum, a palladium or a platinum / palladium mixed electrolyte in the channel structures of the bipolar plate, can be applied only at those points at which it is effective, ie in the Surface of the bipolar plate facing edge regions of the channel structures.
  • catalyst material can be saved.
  • the material costs can be reduced advantageously.
  • Figure 1 is a schematic representation of an apparatus for processing a surface of a workpiece by a trained as a wire tool in a reactor during a removal process, wherein between the functioning as an anode workpiece and as
  • Cathode acting wire is formed an electric potential difference and the provided between the workpiece and the wire space is filled with an electrolyte;
  • Figure 2 is a simplified schematic illustration of the apparatus of Figure 1, wherein a bore formed during the ablation process is coated in a coating process;
  • Figure 3 is a principle voltage-time diagram showing the stress developed between the workpiece and the tool in a time course for the ablation process and the coating process of Figures 1 and 2;
  • Figure 4 is a principle view of an alternative embodiment of the device according to the invention during a removal process, wherein by means of a cathodically connected formed as a form of a mold tool, an anodically switched workpiece is processed;
  • Figure 5 is a schematic diagram of the device of Figure 4, wherein the workpiece acts as a cathode and the tool as an anode and the device is shown in a state during a coating process;
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of the workpiece of FIG. 4 and FIG. 5 according to the coating process shown in FIG. 5, wherein the recesses formed during the ablation process shown in FIG. 1 have fillings;
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a further alternative embodiment of a device according to the invention with a large-area tool and a workpiece to be formed with a wear structure before the removal process;
  • FIG. 8 is a schematic view of the device of FIG. 7 during the coating process, wherein a wear-resistant coating is applied to a surface of the workpiece which has been removed from unevenness;
  • Figure 9 is a simplified representation of the workpiece of Figure 7 and Figure 8, which has on its surface a wear-resistant coating;
  • Figure 10 is a schematic representation of another device according to the invention with an alternative, acting as a cathode workpiece and an alternative, acting as an anode tool during the coating process, wherein the coating process takes place before the removal process;
  • FIG. 11 is a schematic view of the device of FIG. 10 after the workpiece has been reversed in polarity relative to the anode and of the tool to the cathode, wherein the coating produced on the surface of the workpiece during the coating process is shown in FIG
  • FIG. 12 shows a simplified representation of the workpiece of FIG. 10 and FIG. 11 after the removal process
  • Figure 13 is a schematic representation of a further embodiment of the invention, in which for the preparation of a workpiece designed as a bipolar plate designed as a mold electrode tool is provided, which has a complex surface structure;
  • Figure 14 is a schematic diagram of a bipolar plate of Figure 13, wherein the bipolar plate is machined on two sides with a Abtragungs- and coating process.
  • FIG. 1 shows a device 1 with a reactor 2 and a tool 105 designed as wire 105 for the electrochemical machining of a workpiece 103, wherein a removal of material on a surface 107 of the workpiece 103 is performed by the tool 105.
  • a potential difference is generated by means of a current and voltage source 9 between the workpiece 103 and the tool 105 such that the workpiece 103 serves as the anode and the tool 105 as the cathode.
  • a current and voltage source 9 is generated between the workpiece 103 and the tool 105 such that the workpiece 103 serves as the anode and the tool 105 as the cathode.
  • 105 are formed of an electrically conductive material.
  • the reactor 2 is flooded with an electrolyte after alignment and positioning of the wire 105 relative to the workpiece 103 and after an adjustment of the wire position relative to the workpiece position.
  • the electrolyte used in this case is a so-called galvanic electrolyte, which on the one hand has the necessary electrical conductivity for the removal process and, on the other hand, the composition required to build up a layer during the coating process subsequent to the removal, and which is in the present case designed as a chromium electrolyte.
  • the wire 105 is moved toward the workpiece 103 in a direction of movement indicated by the arrow 8, the ablation process herein being a hybrid process with a combination of an electrochemical metalworking process and a spark erosion process.
  • Movement itself can be linear or represent a superposition of a linear and an oscillating motion.
  • the applied electrical potential difference between the wire 105 and the workpiece 103 causes a removal of metallic material of the workpiece 103 in a region of the workpiece 103 facing the wire 105.
  • the wire 105 and the workpiece 103 are in their
  • a chromium layer 10 is applied to the outer surface of the microbore 6 through the wire 105 located in the microbore 6. The thickness of the applied chromium layer 10 is directly dependent on the coating time, ie, the longer the coating process lasts, the thicker the applied chromium layer 10.
  • an exemplary course of the potential difference applied by the voltage source 9 between the workpiece 103 and the wire 105 can be seen over a time course.
  • the ablation process starts at a timing indicated in the diagram as Tl at which the potential difference between the workpiece 103 and the wire 105 is set to a first voltage Ui.
  • the voltage Ui in this case has a value at which the electrochemical metal machining can be performed.
  • the potential difference between the workpiece 103 and the wire 105 is repeatedly raised to a second voltage value U 2 for a short time, so that the spark erosion can take place.
  • the workpiece 103 and the wire 105 are reversed in their mode of operation as cathode or anode at time T2, and a potential difference with a suitable voltage value U 3 is set, so that the electroplating process takes place.
  • the voltage U3 is maintained until the desired layer thickness on the workpiece 103 has been reached when a further time T3 has been reached.
  • FIG. 4 shows the device 1 with an alternatively formed tool 205 forming a shaped electrode for processing a surface 207 of a workpiece 203.
  • the tool 205 functioning as a cathode is moved in the direction of the arrow 20 onto the workpiece 203 acting as an anode analogously to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2.
  • the tool 205 has three protruding parts 17, 18, 19 for producing recesses 13, 14, 15 formed as microcavities.
  • the number of protruding parts can be varied by the person skilled in the art, depending on the number of required microcavities, wherein any number of recesses can be produced on a surface of a workpiece and, in particular, so-called arrays of microcavities can be produced.
  • the shape of the recesses 13, 14, 15 is directly dependent on the shape of the tool 205.
  • Tool can also assume uneven or curved shapes.
  • the tool 205 is reversed from the cathode to the anode and the workpiece 203 is reversed from the anode to the cathode.
  • the layer 22 formed in the recesses 13, 14, 15 of the workpiece 203 during the coating process, in which the tool 205 is moved relative to the workpiece 203 in the direction of the arrow 21, is compositionally dependent on the electrolyte used and can be affected by the coating time and the speed of movement of the tool 205 relative to the workpiece 203 are varied in thickness and shape.
  • Figure 6 shows the finished coated workpiece 203, wherein the layer 20 protrudes with respect to the surface 207 of the workpiece 203 on the recesses 13, 14, 15 and mushroom-shaped structures, which originally at least Almost plan surface 207 give a three-dimensional structure.
  • FIG. 7 shows the device 1 with a further alternative tool 305, which is provided for large-area machining of a surface 307 of a workpiece 303.
  • the surface 307 is freed from unevenness 25 of the workpiece 303 by the removal process acting as electropolishing.
  • a chromium layer 27 is deposited on the surface 307 of the workpiece 303 during the coating process, which layer is deposited from the electrolyte formed as a chromium electrolyte.
  • FIGS. 10 to 12 show the device 1 with a tool 405 embodied as a shaped electrode and a workpiece 403 in the reactor 2 containing an electrolyte, the reactor 2 first being in the state shown in FIG. 10 as a coating reactor and then, in FIG. 11 and Figure 12 is shown as Abtragungsreaktor formed.
  • the workpiece 405 is thus initially formed by the current and voltage source as the anode and the workpiece 403 first as a cathode.
  • a layer 31 is applied to a surface 407 of the workpiece by movement of the tool 405 relative to the workpiece 403 in the direction of the arrow 29.
  • the workpiece 405 After reaching the desired layer thickness of the layer 31 on the workpiece 403, the workpiece 405 is reversed to the cathode as shown in Figure 11 and the workpiece 403 to the anode. Movement of the tool 405 relative to the workpiece 403 causes an ablation process of the reversible layer 31, forming protrusions 33 in the layer 31 that are shaped according to the geometry of the tool 405.
  • a coating produced in this way is used, inter alia, in valve-sealing seats which are to be provided with wear protection, the surface of the coating being designed in accordance with the sealing properties of the valve-sealing seat.
  • such a coating is advantageous for special structures for retaining lubricants, structures for self-cleaning of surfaces, docking sites with other workpieces, or when it is necessary or desired for only one material to form the component surface.
  • a workpiece designed as a bipolar plate 503 is shown in FIG.
  • the bipolar plate 503 is produced by means of a removal process and a subsequent coating process in accordance with the exemplary embodiments illustrated in FIGS. 1 to 9, wherein the removal process is carried out by means of electrochemical metalworking, since this does not alter the shape of the metal Tool throughout the process takes place and thus a repeated use of costly tools in the production of bipolar plates can be ensured.
  • Fuel channels serving very complex channel structures 35 are produced.
  • the conductivity-optimized electrolyte used for the removal process is replaced by a palladium electrolyte, platinum electrolyte or palladium / platinum mixed electrolyte, by means of which in the
  • the layer 37 formed as a catalyst is generated in the channel structures 35, wherein the size of the resulting on the surface 507 of the bipolar plate 503 catalyst grains can be influenced by an appropriate adjustment of deposition parameters and thus the properties of the bipolar plate can be adjusted according to the requirements.
  • the layer 37 is advantageously produced in the embodiment shown only in one of the surface 507 of the bipolar plate 503 facing region of the channel structures 35, in which takes place in an installed state of the bipolar plate 503 in a fuel cell, a conversion of the fuel.
  • FIG. 14 shows a further embodiment of a bipolar plate 603, which is machined on both sides in the previously described manner such that channel structures 35 and catalyst layers 37 are formed on both sides of the bipolar plate 603.
  • the method described makes it possible to produce channel structures 35 in the order of magnitude of a few 10 ⁇ m to a few 10 ⁇ m in a fast, cost-effective, flexible and effective manner, as a result of which very thin bipolar plates can be produced. Due to the small channel size is in the installed state of the bipolar plate 503 or 603 in a fuel cell at the catalyst-coated surface based on the total area of
  • Bipolar plate compared to conventional bipolar plates due to the very high potential channel density greatly increased, whereby the available area is very well utilized in the implementation of the fuel. Since the entire channel structure with the device 1 without a repositioning of the

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Abstract

Eine Vorrichtung (1) zur Bearbeitung einer Oberfläche (207) eines Werkstücks (203) weist einen Reaktor (2) auf, in dem das Werkstück (203) eine erste Elektrode und ein Werkzeug (205) eine zweite Elektrode bildet, wobei das Werkstück (203) und das Werkzeug (205) elektrisch leitend über einen Elektrolyt verbunden sind und zumindest zeitweise eine elektrische Potenzialdifferenz zwischen dem Werkstück (203) und dem Werkzeug (205) ausgebildet ist. Das Werkstück (203) und das Werkzeug (205) sind in ihrer Wirkungsweise als Kathode oder Anode zur Durchführung eines Abtragungsprozesses an dem Werkstück (203) mit Erzeugung einer Struktur an der Oberfläche (207) des Werkstücks (203) und eines Beschichtungsprozesses zum Aufbringen einer Beschichtung (22) auf das Werkstück (203) in unmittelbarer Abfolge in dem Reaktor (2) umpolbar. Mittels der Vorrichtung (1) ist ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle durchführbar, bei dem die Bipolarplatte das Werkstück bildet.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks und Verfahren zur
Herstellung einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle mittels einer solchen Vorrichtung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art und ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle mittels einer solchen Vorrichtung.
Aus der Praxis sind Vorrichtungen zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks in einem Reaktor bekannt, welche eine von einem Werkstück gebildete erste Elektrode und eine zu dem Werkstück beabstandete, von einem Werkzeug gebildete zweite Elektrode und ein die beiden Elektroden elektrisch leitend verbindenden Elektrolyt umfassen. Mittels derartiger
Vorrichtungen können metallische Werkstücke bearbeitet werden.
Um einen gezielten Werkstoffabtrag an dem Werkstück zu erreichen, wird zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug eine Spannung angelegt, wobei dabei das Werkstück als Anode und das Werkzeug als Kathode fungiert. Als Abtragungsverfahren sind dabei eine elektrochemische Metallbearbeitung (Electro Chemical Machining (ECM)) eine Funkenerosion (Electrical Discharge Machining (EDM)) oder eine Kombination aus diesen beiden Verfahren bekannt, wobei für die unterschiedlichen Prozessarten unterschiedliche Elektrolyten zum Einsatz kommen.
Zur Aufbringung einer Beschichtung ist eine elektrochemische Abscheidung von metallischen Niederschlägen auf Werkstücken im Rahmen der Galvanotechnik bekannt. Hierbei fungiert das Werkstück als Anode und das Werkzeug als Kathode. Mittels einer Spannung zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug wird durch den Elektrolyten ein Strom geleitet, welcher Metallionen von dem Werkzeug ablöst und sie durch Reduktion auf dem Werkstück ablagert. Weiterhin sind schichtbildende Elektrolyten bekannt, welche das Material für den
Beschichtungsprozess liefern.
Nachteilhafterweise ist bei einer Kombination eines Abtragungsprozesses mit einem Beschichtungsprozess ein Werkzeugwechsel nötig, da insbesondere für die Anforderungen an das Werkzeug bei dem Abtragungsprozess und dem Beschichtungsprozess unterschiedliche Anforderungen gestellt sind. Somit ist zwischen dem Abtragungsprozess und dem Beschichtungsprozess bedingt durch den Werkzeugwechsel nachteilhafterweise eine Neupositionierung des neuen Werkzeugs gegenüber dem Werkstück nötig, wobei die Positionierung des neuen Werkzeugs aufgrund der teilweise sehr geringen einzuhaltenden
Toleranzen problematisch sein kann. Weiterhin werden durch den Werkzeugwechsel lange Prozesszeiten verursacht.
Diese Nachteile wirken sich auch negativ auf die wirtschaftliche Anwendbarkeit der elektrochemischen Metallbearbeitung bei der Herstellung zahlreicher Produkte wie z. B.
Bipolarplatten von Brennstoffzellen aus.
Die bei Brennstoffzellen verwendeten Bipolarplatten werden in der Praxis wirtschaftlicher durch Fräsen von komplexen Kanalstrukturen in entweder metallischen Werkstoffen, in Graphit oder durch Spritzguss von leitfähigen Kunststoffen hergestellt. Obwohl Graphit und Kunststoffe die Bearbeitung der Platten wesentlich erleichtern, und auch günstigere thermische Eigenschaften als Metalle haben, ergibt sich bei diesen Werkstoffen das Problem einer im Vergleich zu metallischen Werkstoffen geringen elektrischen Leitfähigkeit, wodurch die Effizienz dieser Brennstoffzellen sinkt.
Bedingt durch die in der Praxis angewandten günstigen Herstellungsmethoden und die dabei auftretenden mechanischen Belastungen der Bipolarplatten ergeben sich für die Bipolarplatten relativ große Mindestdicken und Mindestbreiten, woraus ein hohes Gewicht der Bipolarplatten und Brennstoffzellen-Stacks resultiert.
Offenbarung der Erfindung
Technische Aufgabe Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur elektrochemischen
Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks in einem Reaktor zu schaffen, mit der ein Abtragungsprozess und ein Beschichtungsprozess des Werkstücks auf einfache Art und Weise derart kombinierbar sind, dass sowohl geringe Prozesszeiten als auch hohe Anforderungen an Toleranzen umsetzbar sind.
Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Herstellung von Bipolarplatten unter Verwendung elektrochemischer Bearbeitungsverfahren auf wirtschaftliche Weise zu ermöglichen.
Technische Lösung
Erfindungsgemäß ist zur Lösung der technischen Aufgabe nach Anspruch 1 eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks vorgesehen mit einem Reaktor, in dem das Werkstück eine erste Elektrode und ein Werkzeug eine zweite Elektrode bildet, wobei das
Werkstück und das Werkzeug elektrisch leitend über einen Elektrolyt verbunden sind und zumindest zeitweise eine elektrische Potenzialdifferenz zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug ausgebildet ist, und wobei die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass das Werkstück und das Werkzeug in ihrer Wirkungsweise als Kathode oder Anode zur Durchführung eines Abtragungsprozesses an dem Werkstück mit Erzeugung einer Struktur an der Oberfläche des
Werkstücks und eines Beschichtungsprozesses zum Aufbringen einer Beschichtung auf das Werkstück in unmittelbarer Abfolge in dem Reaktor umpolbar sind.
Des Weiteren wird die technische Aufgabe gemäß Anspruch 15 mit einem Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle mittels einer solchen Vorrichtung gelöst, wobei die Bipolarplatte das Werkstück bildet
Vorteilhafte Wirkungen
Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung werden in vorteilhafterweise sehr geringe
Prozesszeiten erreicht, da bei einer Kombination des Abtragungsprozesses mit dem Beschichtungsprozesses ein Werkzeugtausch zwischen den Prozessschritten entfällt und nur eine Umpolung des Werkstücks und des Werkzeugs zwischen dem Abtragungsprozess und dem Beschichtungsprozess nötig ist. Durch den Entfall eines Werkzeugwechsels kann daher die Position des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück zwischen dem Abtragungsprozess und dem - A - Beschichtungsprozess beibehalten werden, so dass mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sehr geringe Bearbeitungstoleranzen an dem Werkstück erzielbar sind.
Weiterhin kann mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in vorteilhafter Weise die Abfolge des Abtragungsprozesses und des Beschichtungsprozesses vertauscht werden, so dass entweder der Abtragungsprozess direkt auf die Oberfläche des Werkstücks wirkt und auf diese im Beschichtungsprozess eine Schicht aufgetragen wird, oder dass zunächst eine Beschichtung auf der Oberfläche des Werkstücks aufgetragen wird und diese in einem anschließenden Abtragungsprozess bearbeitet wird.
Das Werkzeug ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung in dem Reaktor relativ zu dem Werkstück verfahrbar, wodurch zum einen das Werkstück in einfacher Art und Weise positioniert werden kann und zum anderen eine Ausrichtung des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück während des Beschichtungsvorganges variierbar ist. Somit besteht eine große Freiheit in der Art der Beschichtung, so dass beispielsweise nur gezielt gewählte Stellen des
Werkstücks beschichtet werden können. Die Bewegung des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück kann dabei motorisch sowohl in einer linearen als auch in einer rotatorischen Bewegungsart durchgeführt werden.
Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es in vorteilhafter Weise möglich, in
Abhängigkeit von der Form des Werkzeugs, welches beispielsweise eine plane, wellige oder andersartig strukturierte Oberfläche aufweisen oder als Draht ausgebildet sein kann, und der Bewegung des Werkzeugs relativ zu dem Werkstück, unterschiedliche Arten und Formen von Beschichtungen zu realisieren. So kann eine beispielsweise als Spritzloch oder Drosselbohrung ausgebildete Bohrung auf ihrer Mantelfläche beschichtet werden und eine Ausnehmung wenigstens teilweise oder über die Ausnehmung hinaus mit einer Beschichtung ausgefüllt werden, wobei die Form der Beschichtung in Abhängigkeit von der Form des Werkzeugs und der Bewegung des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück beeinflusst werden kann.
Solche über die Ausnehmungen hinausragenden Beschichtungen können vorteilhafterweise zum
Verschleißschutz durch gezielte Einstellung des Traganteils und der Materialeigenschaften eingesetzt werden, wobei derartig hergestellte Verschleißschutzstrukturen sich durch eine zusätzliche Verankerung in der Oberfläche des Werkstücks auszeichnen. Weiterhin kann die Beschichtung in Abhängigkeit der Stellung des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück innerhalb einer Ausnehmung lokal begrenzt angeordnet werden, so dass beispielsweise nur ein oberer
Randbereich einer Ausnehmung beschichtet wird.
Für den Abtragungsprozess und den Beschichtungsprozess können in dem Reaktor unterschiedliche Elektro lyte vorgesehen sein, so dass der jeweilige Elektrolyt optimal auf die
Anforderungen des Abtragungsprozesses bzw. des Beschichtungsprozesses abgestimmt werden kann. Als Elektrolyt für den Beschichtungsprozess kommen dabei beispielsweise ein Palladium- Elektrolyt, ein Platin-Elektrolyt oder ein Palladium/Platin-Mischelektrolyt zum Einsatz.
In besonderer Art und Weise vorteilhaft ist es, wenn in dem Reaktor ein Elektrolyt sowohl für den Abtragungsprozess als auch den Beschichtungsprozess vorgesehen ist, und somit Spül- und Reinigungsschritte zwischen den beiden Prozessschritten entfallen können und folglich die Prozesszeiten in vorteilhafter Weise minimiert werden können. Als Elektrolyt kommt dabei beispielsweise ein Chrom-Elektrolyt oder ein Watt-Nickel-Elektrolyt auf Chloridbasis zum Einsatz.
Da während des Abtragungsprozesses eventuell Ablagerungen durch die Abtragung des Werkstücks, beispielsweise bei auf Eisen basierenden Werkstoffen ein Hydroxidschlamm, in dem Reaktor entstehen können, kann es vorgesehen sein, dass der Elektrolyt den Reaktor durchströmt und die Ablagerungen somit während des Prozesses aus dem Reaktor entfernt werden, womit die Funktionalität des Elektrolyts gewährleistet werden kann.
Entsprechend der Wahl des Elektrolyten können beispielsweise eine sehr harte Verschleißstruktur, eine Dichtstruktur, eine als Opferanode fungierende Beschichtung, Strukturen zur Verschleißminderung oder verankerte elektrische Verbindungsstellen in das
Werkstück eingebracht werden, wobei die Form der Schicht dabei ebenso wie die Form der Ausnehmungen abhängig von der Form des Werkzeugs ist.
Zur Erzeugung einer Dichtstruktur beispielsweise an einem Injektorkörper eines Kraftstoffeinspritzventils kann das Werkzeug z. B. mit einer ringförmige Struktur ausgebildet sein und dadurch eine entsprechend geformte Schicht in dem meist sehr harten Werkstück ausgebildet werden, wodurch sich bei einem Zusammenbau eines als Injektorkörper ausgebildeten Werkstücks mit einer Düse die gebildete Schicht an Unebenheiten in den Oberfläche der Verbindungsstelle anpassen und diese somit abdichten kann. Bei aus Chromstählen gebildeten Werkzeugen ergibt sich zudem der Vorteil, dass das während des Bearbeitungsprozesses aufgelöste Chrom zum Aufbau der Chromschicht verwendet werden kann.
Als Schichtmaterialien für Dichtstrukturen sind insbesondere Kupfer, Indium und Nickel vorteilhaft.
Für den Abtragungsprozess kann in vorteilhafter Weise ein elektrochemischer Metallbearbeitungsprozess, ein Funkenerosionsprozess oder ein Hybridprozess mit einer Kombination aus einem elektrochemischen Metallbearbeitungsprozess und einem
Funkenerosionsprozess zum Einsatz kommen, wobei die verschiedenen Arten von Abtragungsprozessen entsprechend der jeweiligen Anforderungen an den Prozess ausgewählt werden können.
Ein Funkenerosionsprozess zeichnet sich dabei durch eine hohe Formgenauigkeit und Präzision bei der Werkstückbearbeitung mit einem als Dielektrikum ausgebildeten Elektrolyten aus. Mit einem elektrochemischen Metallbearbeitungsprozess sind durch große
Bearbeitungsgeschwindigkeiten hohe Abtragungsraten erzielbar, wobei durch die Vermeidung von Schmelzzonen im Bearbeitungsbereich des Werkstücks eine hohe Oberflächengüte realisierbar ist. Bei einem Hybridprozess werden die Vorteile des elektrochemischen
Metallbearbeitungsprozesses und des Funkenerosionsprozesses kombiniert, wodurch geringe Spaltabstände zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück während des Prozesses möglich sind. Bei dem Hybridprozess wird während der Phasen der elektrochemischen Metallbearbeitung auf dem Werkzeug eine Beschichtung abgelagert, welche in vorteilhafter Weise durch die Phasen der Funkenerosion wieder entfernt werden, wobei die Zeitdauer der einzelnen Phasen in Form von Dauerstrom und/oder Strompulsen derart gewählt werden kann, dass eine Formänderung des Werkzeug vernachlässigbar klein ist.
Eine Werkzeugabnützung, welche bei einem Funkenerosionsprozess relativ groß und bei einem elektrochemischen Metallbearbeitungsprozess nicht vorliegt, weist bei einem Hybridprozess mittlere Werte auf. Die bei der Verwendung eines Funkenerosionsprozesses als Abtragungsprozess hohe Abtragung des Werkzeugs kann in vorteilhafter Weise durch ein Nachfügen des Werkzeugs, insbesondere wenn das Werkzeug als Draht ausgebildet ist, kompensiert werden. Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von insbesondere bei
Brennstoffzellen zum Einsatz kommenden Bipolarplatten verwendet wird, wobei die Bipolarplatte in dem Reaktor das Werkstück bildet, ist eine in vorteilhafter Weise schnelle, präzise und wirtschaftliche Herstellung der Bipolarplatten realisierbar.
Dabei können sehr leichte Bipolarplatte hergestellt werden, da sowohl der Abtragungsprozess als auch der Beschichtungsprozess nahezu kraftfreie Prozesse darstellen.
In vorteilhafter Weise kann ein einziger Elektrolyt sowohl für den Abtragungsprozess als auch den Beschichtungsprozess vorgesehen sein, oder alternativ der für den Abtragungsprozess verwendete Elektrolyt zum Beschichtungsprozess durch einen für den Beschichtungsprozess optimierten Elektrolyt ersetzt werden. Die während des Abtragungsprozesses in der Bipolarplatte erzeugten Kanalstrukturen können dabei mit sehr geringen Breiten und Abständen voneinander in sehr komplexen Strukturen hergestellt werden, wodurch sehr dünne Bipolarplatten mit geringem Gewicht realisierbar sind.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mögliche Herstellung der Bipolarplatten mit geringer Größe und die damit erzielbare geringe Größe von so genannten Stacks, ermöglicht eine leichte Abführung von in dem System entstehender Wärme, weshalb eine Aufschichtung von erfindungsgemäß hergestellten Bipolarplatten zu Stacks einer Brennstoffzelle ein einfaches thermisches Management in den Stacks ermöglicht.
Weiterhin kann eine Reduzierung der Herstellkosten der Bipolarplatte durch eine Verringerung der Herstellzeit erreicht werden, indem doppelte Rüstzeiten und Transport- und Lagerzeiten des Werkzeuges gegenüber herkömmlichen Herstellprozessen entfallen, da ein Wechsel in vorteilhafter Weise nicht nötig ist.
Besonders vorteilhaft ist, dass der während des Beschichtungsprozesses insbesondere über einen Platin-, einen Palladium- oder einen Platin/Palladium- Mischelektrolyt in den Kanalstrukturen der Bipolarplatte aufgetragene Katalysator nur an denjenigen Stellen aufgetragen werden kann, an denen er wirksam ist, d. h. in den der Oberfläche der Bipolarplatte zugewandten Randbereichen der Kanalstrukturen. Gegenüber herkömmlichen Herstellungsprozessen von Bipolarplatten, bei welchen der Katalysator meist die gesamte Kanalstruktur ausfüllt, kann Katalysatormaterial eingespart werden. Somit können die Materialkosten in vorteilhafter Weise reduziert werden. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks nach der Erfindung sowie des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für Bipolarplatten einer Brennstoffzelle sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks in einem Reaktor schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine prinzipmäßige Darstellung einer Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks durch ein als Draht ausgebildetes Werkzeug in einem Reaktor während eines Abtragungsprozesses, wobei zwischen dem als Anode fungierenden Werkstück und dem als
Kathode fungierenden Draht eine elektrische Potenzialdifferenz ausgebildet ist und der zwischen dem Werkstück und dem Draht vorgesehene Raum mit einem Elektrolyt gefüllt ist;
Figur 2 eine vereinfachte schematische Darstellung der Vorrichtung der Figur 1, wobei eine während des Abtragungsprozesses ausgebildete Bohrung in einem Beschichtungsprozess beschichtet wird;
Figur 3 ein prinzipmäßiges Spannungs-Zeit-Diagramm, welches die zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug ausgebildete Spannung in einem Zeitverlauf für den Abtragungsprozess und den Beschichtungsprozess der Figuren 1 und 2 zeigt;
Figur 4 eine prinzipmäßige Ansicht einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung während eines Abtragungsprozesses, wobei mittels eines kathodisch geschalteten als eine Formelektrode ausgebildeten Werkzeugs ein anodisch geschaltetes Werkstück bearbeitet wird;
Figur 5 eine prinzipmäßige Darstellung der Vorrichtung der Figur 4, wobei das Werkstück als Kathode und das Werkzeug als Anode fungiert und die Vorrichtung in einem Zustand während eines Beschichtungsprozesses gezeigt ist;
Figur 6 eine schematische Darstellung des Werkstücks der Figur 4 und Figur 5 nach dem in Figur 5 gezeigten Beschichtungsprozesses, wobei die während des in Figur 1 dargestellten Abtragungsprozesses entstandenen Ausnehmungen Auffüllungen aufweisen; Figur 7 eine prinzipmäßige Darstellung einer weiteren Ausführungsalternative einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem großflächigen Werkzeug und einem mit einer Verschleißstruktur auszubildenden Werkstück vor dem Abtragungsprozess;
Figur 8 eine pinzipmäßige Ansicht der Vorrichtung der Figur 7 während des Beschichtungsprozesses, wobei auf eine von Unebenheiten befreite Oberfläche des Werkstücks eine verschleißfeste Beschichtung aufgetragen wird;
Figur 9 eine vereinfachte Darstellung des Werkstücks der Figur 7 und Figur 8, welches an seiner Oberfläche eine verschleißfeste Beschichtung aufweist;
Figur 10 eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung nach der Erfindung mit einem alternativen, als Kathode wirkenden Werkstück und einem alternativen, als Anode wirkenden Werkzeug während des Beschichtungsprozesses, wobei der Beschichtungsprozess vor dem Abtragungsprozess stattfindet;
Figur 11 eine prinzipmäßige Ansicht der Vorrichtung der Figur 10 nach einer Umpolung des Werkstücks zur Anode und des Werkzeugs zur Kathode, wobei die während des Beschichtungsprozesses auf der Oberfläche des Werkstücks erzeugte Beschichtung in dem
Abtragungsprozess bearbeitet wird;
Figur 12 eine vereinfachte Darstellung des Werkstücks der Figur 10 und Figur 11 nach dem Abtragungsprozess;
Figur 13 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung, bei der zur Beschichtung eines als Bipolarplatte ausgebildeten Werkstücks ein als Formelektrode ausgebildetes Werkzeug vorgesehen ist, welches eine komplexe Oberflächenstruktur aufweist; und
Figur 14 eine Prinzipsskizze einer Bipolarplatte der Figur 13, wobei die Bipolarplatte auf zwei Seiten mit einem Abtragungs- und Beschichtungsprozess bearbeitet ist.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist eine Vorrichtung 1 mit einem Reaktor 2 und einem als Draht 105 ausgebildeten Werkzeug zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks 103 dargestellt, wobei eine Abtragung von Material an einer Oberfläche 107 des Werkstücks 103 durch das Werkzeug 105 durchgeführt wird.
Hierzu wird mittels einer Strom- und Spannungsquelle 9 zwischen dem Werkstück 103 und dem Werkzeug 105 derart eine Potenzialdifferenz erzeugt, dass das Werkstück 103 als Anode und das Werkzeug 105 als Kathode dient. Sowohl das als erste Elektrode fungierende Werkstück 103 als auch das zu dem Werkstück 103 beabstandete, als zweite Elektrode dienende Werkzeug
105 sind aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet.
Mit der Vorrichtung 1 wird eine in Figur 2 ersichtliche Bohrung 6, welche vorliegend eine Mikrobohrung darstellt, ausschließlich mit dem Draht 105 in einem elektrochemischen
Abtragungsprozess hergestellt und anschließend beschichtet.
Zur Durchführung des Abtragungs- und Beschichtungsprozesses wird der Reaktor 2 nach einer Ausrichtung und Positionierung des Drahtes 105 gegenüber dem Werkstück 103 und nach einem Abgleich der Drahtposition gegenüber der Werkstückposition mit einem Elektrolyt geflutet. Als Elektrolyt kommt dabei ein sogenannter Galvanikelektrolyt zum Einsatz, der einerseits die für den Abtragungsprozess notwendige elektrische Leitfähigkeit und andererseits die während des an die Abtragung anschließenden Beschichtungsprozess zum Aufbau einer Schicht notwendige Zusammensetzung aufweist und vorliegend als Chrom-Elektrolyt ausgebildet ist.
Während des Abtragungsprozesses wird der Draht 105 in einer mit dem Pfeil 8 gekennzeichneten Bewegungsrichtung auf das Werkstück 103 zu bewegt, wobei der Abtragungsprozess vorliegend ein Hybridprozess mit einer Kombination aus einem elektrochemischen Metallbearbeitungsprozess und einem Funkenerosionsprozess ist. Die
Bewegung selbst kann linear sein oder eine Überlagerung einer linearen mit einer oszillierenden Bewegung darstellen. Durch die anliegende elektrische Potenzialdifferenz zwischen dem Draht 105 und dem Werkstück 103 wird eine Abtragung von metallischem Material des Werkstücks 103 in einem dem Draht 105 zugewandten Bereich des Werkstücks 103 bewirkt.
Die Bewegung des Drahtes 105 gegenüber dem Werkstück 103 in Pfeilrichtung 8 wird solange fortgesetzt, bis die gewünschte Endkontur, im vorliegenden Fall die der in der Figur 2 dargestellten Mikrobohrung 6, erzeugt ist.
Zur Beschichtung der Mikrobohrung 6 werden der Draht 105 und das Werkstück 103 in ihrer
Wirkungsweise als Kathode beziehungsweise Anode für den unmittelbar an den Abtragungsprozess anschließenden Beschichtungsprozess umgepolt, so dass der Draht 105 während der Beschichtung als Anode und das Werkstück 103 als Kathode fungiert. Während der Beschichtung wird durch den sich in der Mikrobohrung 6 befindlichen Draht 105 eine Chrom-Schicht 10 auf die Mantelfläche der Mikrobohrung 6 aufgetragen. Die Dicke der aufgebrachten Chrom- Schicht 10 ist dabei direkt abhängig von der Beschichtungszeit, d. h. je länger der Beschichtungsprozess andauert, desto dicker wird die aufgebrachte Chrom-Schicht 10.
Bezug nehmend auf Figur 3 ist ein beispielhafter Verlauf der von der Spannungsquelle 9 zwischen dem Werkstück 103 und dem Draht 105 angelegten Potenzialdifferenz über einen Zeitverlauf ersichtlich. Der Abtragungsprozess beginnt zu einem in dem Diagramm als Tl gekennzeichneten Zeitpunkt, zu welchem die Potenzialdifferenz zwischen dem Werkstück 103 und dem Draht 105 auf eine erste Spannung Ui eingestellt wird. Die Spannung Ui weist dabei einen Wert auf, bei welchem die elektrochemische Metallbearbeitung ausgeführt werden kann. Während des Abtragungsprozesses wird die zwischen dem Werkstück 103 und dem Draht 105 anliegende Potenzialdifferenz wiederholt kurzzeitig auf einen zweiten Spannungswert U2 angehoben, so dass die Funkenerosion stattfinden kann.
Hat das Werkstück 103 seine gewünschte Form erhalten, so werden zum Zeitpunkt T2 das Werkstück 103 und der Draht 105 in ihrer Wirkungsweise als Kathode beziehungsweise Anode umgepolt, und eine Potenzialdifferenz mit einem geeigneten Spannungswert U3 eingestellt, so dass der galvanische Beschichtungsprozess stattfindet. Die Spannung U3 wird beibehalten, bis bei Erreichen eines weiteren Zeitpunktes T3 die gewünschte Schichtdicke am Werkstück 103 erreicht ist.
In Figur 4 ist die Vorrichtung 1 mit einem alternativ ausgebildeten eine Formelektrode bildenden Werkzeug 205 zur Bearbeitung einer Oberfläche 207 eines Werkstück 203 dargestellt. Während des ebenfalls als Hybridprozess ausgebildeten Abtragungsprozesses wird das als Kathode fungierende Werkzeug 205 in Richtung des Pfeils 20 auf das als Anode wirkende Werkstück 203 analog zu dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel zubewegt. Das Werkzeug 205 weist zur Erzeugung von als Mikrokavitäten ausgebildeten Ausnehmungen 13, 14, 15 vorliegend drei vorstehende Teile 17, 18, 19 auf.
Die Anzahl der vorstehenden Teile kann vom Fachmann je nach Anzahl der geforderten Mikrokavitäten variiert werden, wobei auf einer Oberfläche eines Werkstücks eine beliebige Zahl von Ausnehmungen erzeugt werden kann und insbesondere sogenannte Arrays von Mikrokavitäten herstellbar sind. Die Formgebung der Ausnehmungen 13, 14, 15 ist direkt abhängig von der Form des Werkzeugs 205. Somit besteht eine große Vielfalt bei der Erzeugung von Oberflächenstrukturen des Werkstücks, wobei die in den Figuren 4 und 5 gezeigten planen Oberflächen der vorstehenden Teile 17, 18, 19 des Werkzeugs 205 in einer alternativen Ausgestaltung des
Werkzeugs auch unebene oder gekurvte Formen annehmen können.
Nachdem die Ausnehmungen 13, 14, 15 des Werkstücks 203 die während des vorliegend als Senkbearbeitung ausgebildeten Abtragungsprozesses endgültige Form erreicht haben, wird das Werkzeug 205 von der Kathode zur Anode und das Werkstück 203 von der Anode zur Kathode umgepolt. Die während des Beschichtungsprozesses, bei welchem das Werkzeug 205 gegenüber dem Werkstück 203 in Richtung des Pfeils 21 bewegt wird, in den Ausnehmungen 13, 14, 15 des Werkstücks 203 entstehende Schicht 22 ist hinsichtlich ihrer Zusammensetzung abhängig von dem eingesetzten Elektrolyten und kann durch die Beschichtungszeit und die Bewegungsgeschwindigkeit des Werkzeugs 205 gegenüber dem Werkstück 203 in ihrer Dicke und Form variiert werden.
Während in Figur 5 ein Zustand während des Beschichtungsprozesses dargestellt ist, zeigt Figur 6 das fertig beschichtete Werkstück 203, wobei die Schicht 20 bezüglich der Oberfläche 207 des Werkstücks 203 über die Ausnehmungen 13, 14, 15 hinausragt und pilzkopfförmige Strukturen bildet, welche der ursprünglich wenigstens annähernd planen Oberfläche 207 eine dreidimensionale Struktur verleihen.
In Figur 7 ist die Vorrichtung 1 mit einem weiteren alternativen Werkzeug 305 dargestellt, welches zur großflächigen Bearbeitung einer Oberfläche 307 eines Werkstücks 303 vorgesehen ist. Während des in Figur 7 dargestellten, durch eine Bewegung des Werkstücks 203 in Richtung des Werkstück 303 gemäß dem Pfeil 24 verursachten Abtragungsprozesses wird die Oberfläche 307 durch den als Elektropolitur wirkenden Abtragungsprozess von Unebenheiten 25 des Werkstücks 303 befreit.
In einem vergleichbar mit dem in den Figuren 4 bis 6 stattfindenden Prozess wird auf der Oberfläche 307 des Werkstücks 303 während des Beschichtungsprozesses eine Chrom-Schicht 27 aufgetragen, welche aus dem als Chrom-Elektrolyt ausgebildeten Elektrolyten abgeschieden wird. Eine derartige Kombination aus einem Werkstück 303 und einem Werkzeug 305 wird zur großflächigen Beschichtung der Oberfläche 307 des Werkstücks 303 zur Verminderung der
Verschleißanfälligkeit eingesetzt.
Die Figuren 10 bis 12 zeigen die Vorrichtung 1 mit einem als Formelektrode ausgebildeten Werkzeug 405 und einem Werkstück 403 in dem einen Elektrolyten enthaltenden Reaktor 2, wobei der Reaktor 2 bei dem in Figur 10 gezeigten Zustand zunächst als Beschichtungsreaktor und anschließend, bei dem in Figur 11 und Figur 12 gezeigten Zustand als Abtragungsreaktor ausgebildet ist.
Das Werkstück 405 wird somit von der Strom- und Spannungsquelle zunächst als Anode und das Werkstück 403 zunächst als Kathode ausgebildet. Bei dem in Figur 10 dargestellten Beschichtungsprozess wird durch eine Bewegung des Werkzeugs 405 gegenüber dem Werkstück 403 in Richtung des Pfeils 29 auf einer Oberfläche 407 des Werkstücks eine Schicht 31 aufgebracht.
Nach Erreichung der gewünschten Schichtdicke der Schicht 31 auf dem Werkstück 403 wird das Werkstück 405 wie in Figur 11 dargestellt zur Kathode und das Werkstück 403 zur Anode umgepolt. Durch eine Bewegung des Werkzeugs 405 gegenüber dem Werkstücks 403 wird ein Abtragungsprozess der reversiblen Schicht 31 verursacht, wobei Ausformungen 33 in der Schicht 31 erzeugt werden, welche entsprechend der Geometrie des Werkzeugs 405 geformt sind.
Eine derartig erzeugte Beschichtung findet unter anderem Anwendung bei Ventildichtsitzen, welche mit einem Verschleißschutz versehen werden sollen, wobei die Oberfläche der Beschichtung entsprechend den Dichteigenschaften des Ventildichtsitzes ausgebildet ist.
Weiterhin ist eine derartige Beschichtung für spezielle Strukturen zur Rückhaltung von Schmierstoffen, Strukturen zur Selbst-Reinigung von Oberflächen, Andockstellen bzw. Verbindungsstellen zu anderen Werkstücken oder wenn es erforderlich oder gewünscht ist, dass nur ein Material die Bauteiloberfläche bildet, vorteilhaft.
Ein als Bipolarplatte 503 ausgebildetes Werkstück ist in Figur 13 dargestellt. Die Bipolarplatte 503 ist mittels eines Abtragungsprozesses und eines daran anschließenden Beschichtungsprozesses entsprechend den in den Figuren 1 bis 9 dargestellten Ausführungsbeispielen hergestellt, wobei der Abtragungsprozess mittels einer elektrochemischen Metallbearbeitung durchgeführt wird, da hierdurch keine Formänderung des Werkzeugs während des gesamten Prozesses stattfindet und somit ein wiederholter Einsatz der kostenintensiven Werkzeuge bei der Herstellung von Bipolarplatten gewährleistet werden kann.
Mit dem vorgestellten Herstellungsverfahren können aufgrund der kraftfreien Arbeitsweise des Prozesses im Verhältnis zu herkömmlich hergestellten Bipolarplatten kleine als
Brennstoffkanäle dienende sehr komplexe Kanalstrukturen 35 hergestellt werden.
Nach dem Abtragungsprozess wird der für den Abtragungsprozess eingesetzte hinsichtlich der Leitfähigkeit optimierte Elektrolyt durch einen Palladium-Elektrolyt, Platin-Elektrolyt beziehungsweise Palladium/Platin-Mischelektrolyt ersetzt, mittels welchem im
Beschichtungsprozess die als Katalysator ausgebildete Schicht 37 in den Kanalstrukturen 35 erzeugt wird, wobei durch eine entsprechende Einstellung von Abscheidungsparametern die Größe der auf der Oberfläche 507 der Bipolarplatte 503 entstehenden Katalysatorkörner beeinflusst werden kann und somit die Eigenschaften der Bipolarplatte entsprechend der Anforderungen anpassbar sind.
Die Schicht 37 wird bei der gezeigten Ausführung in vorteilhafter Weise nur in einem der Oberfläche 507 der Bipolarplatte 503 zugewandten Bereich der Kanalstrukturen 35 erzeugt, in welchem in einem Einbauzustand der Bipolarplatte 503 in einer Brennstoffzelle eine Umsetzung des Brennstoffs stattfindet.
Die Figur 14 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Bipolarplatte 603, welche auf zuvor beschriebenen Art und Weise derart beidseitig bearbeitet ist, dass Kanalstrukturen 35 und Katalysator-Schichten 37 auf beiden Seiten der Bipolarplatte 603 ausgebildet sind.
Durch das beschriebene Verfahren ist es möglich, Kanalstrukturen 35 in einer Größenordnung im Bereich von einigen 1 Oμm bis zu einigen 1 OOμm auf schnelle, kostengünstige, flexible und effektive Weise zu erzeugen, wodurch sehr dünne Bipolarplatten herstellbar sind. Durch die geringe Kanalgröße ist die im Einbauzustand der Bipolarplatte 503 bzw. 603 in einer Brennstoffzelle an der mit Katalysator beschichtete Fläche bezogen auf die Gesamtfläche der
Bipolarplatte gegenüber herkömmlichen Bipolarplatten aufgrund der sehr hohen möglichen Kanaldichte stark erhöht, wodurch die verfügbare Fläche bei der Umsetzung des Brennstoffs sehr gut ausgenutzt ist. Da die gesamte Kanalstruktur mit der Vorrichtung 1 ohne eine Neupositionierung des
Werkzeugs gegenüber der Bipolarplatte 503 bzw. 603 in diese eingearbeitet wird, ist es möglich, auch hochkomplexe Kanalstrukturen auf einfache Weise zu erzeugen. Durch die mittels des annähernd kraftfreien Verfahrens erzielbare Formgebungsfreiheit der Kanalstrukturen 35 der Bipolarplatte sind optimierte Reaktionsräume für den Brennstoff im
Einbauzustand der Bipolarplatte herstellbar, wodurch der in der Brennstoffzelle eingesetzte Brennstoff optimal verbraucht werden kann. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die bei Brennstoffzellen mit herkömmlichen Bipolarplatten notwendigen Systeme zur Rückgewinnung des eingesetzten Brennstoffes einzusparen und somit die Kosten der Brennstoffzelle zu senken und deren Wirkungsgrad zu erhöhen. Die Effizienz einer mit erfindungsgemäßen Bipolarplatten ausgebildeten Brennstoffzelle kann gegenüber herkömmlichen Brennstoffzellen somit auch dadurch erhöht werden, dass besser leitfähige Materialien für die Herstellung der Bipolarplatte verwendet werden.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche (107, 207, 307, 407, 507) eines Werkstücks (103, 203, 303, 403, 503, 603) mit einem Reaktor (2), in dem das Werkstück (103, 203, 303, 403, 503, 603) eine erste Elektrode und ein Werkzeug (105, 205, 305, 405) eine zweite Elektrode bildet, wobei das Werkstück (103, 203, 303, 403, 503, 603) und das Werkzeug (105, 205, 305, 405) elektrisch leitend über einen Elektrolyt verbunden sind und zumindest zeitweise eine elektrische Potenzialdifferenz zwischen dem Werkstück (103, 203, 303, 403, 503, 603) und dem Werkzeug (105, 205, 305, 405) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (103, 203, 303, 403, 503, 603) und das Werkzeug (105, 205, 305, 405) in ihrer Wirkungsweise als Kathode oder Anode zur Durchführung eines Abtragungsprozesses an dem Werkstück (103, 203, 303, 403, 503, 603) mit Erzeugung einer Struktur an der Oberfläche (107, 207, 307, 407, 507) des Werkstücks (103, 203, 303, 403, 503, 603) und eines Beschichtungsprozesses zum Aufbringen einer
Beschickung (10, 22, 27, 31, 37) auf das Werkstück (103, 203, 303, 403, 503, 603) in unmittelbarer Abfolge in dem Reaktor (2) umpolbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (103, 203, 303, 403, 503, 603) und das Werkzeug (105, 205, 305, 405) in dem Reaktor (2) relativ zueinander verfahrbar angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (205, 405) eine zur Ausformung und Beschichtung wenigstens einer Ausnehmung (13, 14, 15, 33, 35) in der Oberfläche (207, 407, 507) des Werkstückes (203, 403, 503, 603) geeignete Geometrie aufweist.
4. Vorrichtung nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (105) eine zur Ausformung und Beschichtung einer Durchtrittsöffhung (6) durch die Oberfläche (107) des Werkstückes (103) geeignete, insbesondere als Draht ausgebildete Geometrie aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (205) und das Werkstück (203) derart zueinander relativ verfahrbar und umpolbar sind, dass mit dem Werkzeug (205) an dem Werkstück (203) zunächst wenigstens eine Ausnehmung (13, 14, 15) in der Oberfläche (207) ausformbar und anschließend mit einer Beschichtung (22) wenigstens teilweise und ggf. in formgebender Weise über die Ausnehmung (13, 14, 15) herausragend ausfüllbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (205) und das Werkstück (503, 603) derart zueinander relativ verfahrbar und umpolbar sind, dass mit dem Werkzeug (205) an dem Werkstück (503, 603) zunächst wenigstens eine Ausnehmung (35) in der Oberfläche (507) ausformbar und die Oberfläche (507) anschließend wenigstens bereichsweise beschichtbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktor (2) für den Abtragungsprozess und den Beschichtungsprozess unterschiedliche Elektrolyte zuführbar sind.
8. Vorrichtung nach Ansprach 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt ein Palladium-Elektrolyt, ein Platin-Elektrolyt oder ein Palladium/Platiii-Mischelektrolyt ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass derselbe Elektrolyt für den Abtragungsprozess und den Beschichtungsprozess in dem Reaktor (2) ist.
10. Vorrichtung nach Ansprach 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt ein Chrom-Elektrolyt oder ein Watt-Nickel-Elektrolyt auf Chloridbasis ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt den Reaktor (2) durchströmt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (2) zur Durchführung des Abtragungsprozesses als Reaktor zur elektrochemischen Metallbearbeitung, als Reaktor zur Funkenerosion oder als Reaktor zur elektrochemischen Metallbearbeitung kombiniert mit Funkenerosion ausgebildet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (2) zur Durchführung des Beschichtungsprozesses als galvanischer Reaktor ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zeitweise zwischen dem Werkzeug (105, 205, 305, 405) und dem Werkstück (103, 203, 303, 403, 503, 603) ausgebildete Potenzialdifferenz sowohl während des Abtragungsprozesses als auch während des Beschichtungsprozesses über einen Zeitverlauf variierbar ist.
15. Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Bipolarplatte das Werkstück
(503, 603) bildet.
16. Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte nach Ansprach 15, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktor (2) für den Abtragungsprozess und den Beschichtungsprozess unterschiedliche Elektrolyte, insbesondere Platin-Elektrolyte, Palladium-Elektrolyte oder
Platin/Palladium-Mischelektrolyte zugeführt werden.
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