DE102015220504A1 - Process for the surface treatment of a metal foam, metal foam and its use - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Metallschaums (40). Darin wird ein Metallschaum (40) bereitgestellt und die Oberfläche des Metallschaums (40) wird mittels eines elektrochemischen Abtragverfahrens geglättet (54). Weiterhin betrifft die Erfindung einen Metallschaum (42), der einen Reflexionswert von mindestens 60 bei einem Messwinkel von 60° aufweist. Der Metallschaum (42) kann als Teil einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle oder eines Elektrolyseurs verwendet werden.The invention relates to a method for the surface treatment of a metal foam (40). Therein a metal foam (40) is provided and the surface of the metal foam (40) is smoothed (54) by means of an electrochemical removal process. Furthermore, the invention relates to a metal foam (42), which has a reflection value of at least 60 at a measuring angle of 60 °. The metal foam (42) may be used as part of a bipolar plate of a fuel cell or an electrolyzer.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Metallschaums. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen Metallschaum, der insbesondere mittels der Oberflächenbearbeitung herstellbar ist. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung des Metallschaums als Teil einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle oder eines Elektrolyseurs.The present invention relates to a method for surface treatment of a metal foam. Furthermore, the present invention relates to a metal foam, which can be produced in particular by means of surface processing. Finally, the present invention relates to a use of the metal foam as part of a bipolar plate of a fuel cell or of an electrolyzer.
Stand der TechnikState of the art
Bei Polymerelektrolytbrennstoffzellenstacks (PEM-FC) kommen als Teil der Bipolarplatte an Stelle von extrudierten keramischen Strukturen immer mehr Metallschäume zum Einsatz. Durch diese Metallschäume werden die Prozessgase geleitet. Die Metallschäume dienen als sogenanntes Gasflowfield, durch welches an der Anode Wasserstoffgas und an der Kathode Luft geleitet wird. Solche Metallschäume bestehen zum Teil aus reinen Metallen, wie beispielsweise Nickel, Kupfer, Eisen oder Silber. Reinmetallschäume weisen in der Regel glatte Stege auf, welche die Poren des Metallschaums begrenzen. Es werden aber auch Metallschäume aus Legierungen, wie beispielsweise Edelstählen eingesetzt. Edelstahlschäume sind für den Betrieb in einer Brennstoffzelle geeigneter als Nickel-, Eisen- oder Kupferschäume, da sie korrosionsbeständiger sind. Gleichzeitig weisen sie nicht die hohen Materialkosten auf, welche für ebenfalls korrosionsbeständige Silberschäume anfallen. Edelstahlschäume weisen aufgrund ihres Herstellungsprozesses jedoch in der Regel raue Stege auf. Durch diese rauen Stege wird die Leistung des Brennstoffzellenstacks sehr negativ beeinflusst.With polymer electrolyte fuel cell stacks (PEM-FC), more and more metal foams are used as part of the bipolar plate instead of extruded ceramic structures. These metal foams guide the process gases. The metal foams serve as a so-called gas flow field through which hydrogen is passed at the anode and air at the cathode. Such metal foams are partly made of pure metals, such as nickel, copper, iron or silver. Pure metal foams usually have smooth webs, which limit the pores of the metal foam. But there are also metal foams made of alloys, such as stainless steels used. Stainless steel foams are more suitable for operation in a fuel cell than nickel, iron or copper foams because they are more corrosion resistant. At the same time they do not have the high material costs that are incurred for also corrosion-resistant silver foams. Stainless steel foams, however, generally have rough webs due to their manufacturing process. These rough webs have a very negative impact on the performance of the fuel cell stack.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
In dem Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Metallschaums wird ein Metallschaum bereitgestellt und die Oberfläche des Metallschaums wird mittels eines elektrochemischen Abtragverfahrens geglättet. Je nach Materialdicke bzw. Materialstärke der Metallstege, welche die Poren des Metallschaums begrenzen, kann durch das Abtragverfahren eine glänzende oder sogar eine hochglänzende Oberfläche generiert werden. Durch die dabei erreichte Abrundung bzw. Abglättung der Stege wird die Nutzbarkeit des Metallschaums als Teil der Bipolarplatte einer Brennstoffzelle oder eines Elektrolyseurs verbessert. In the method of finishing a metal foam, a metal foam is provided, and the surface of the metal foam is smoothed by an electrochemical ablation method. Depending on the material thickness or thickness of the metal webs, which limit the pores of the metal foam, a shiny or even a high-gloss surface can be generated by the removal process. The rounding or smoothing of the webs achieved in this way improves the usability of the metal foam as part of the bipolar plate of a fuel cell or of an electrolyzer.
Um gezielt Profilspitzen an der Oberfläche des Metallschaums abzutragen, insbesondere Oberflächenrauheiten von weniger als 1 µm, wird vorzugsweise ein elektrochemisches Abtragverfahren verwendet, in dem eine transportlimitierende Schicht ausgebildet wird. Diese viskose, den Stofftransport limitierende Schicht, die auch Diffusionsschicht genannt wird, wird insbesondere bei Vorhandensein eines viskosen Elektrolyten, wie beispielsweise einer hoch konzentrierten viskosen Säure ausgebildet. Die Auflösungsrate des abgetragenen Metalls wird dann durch die Viskosität des Elektrolyten, dem Diffusionskoeffizienten, die limitierende Komponente und die erzwungene bzw. natürliche Konvektion bestimmt. In order to remove specific profile tips on the surface of the metal foam, in particular surface roughnesses of less than 1 μm, an electrochemical removal method is preferably used in which a transport-limiting layer is formed. This viscous mass transport limiting layer, also called diffusion layer, is particularly formed in the presence of a viscous electrolyte, such as a highly concentrated viscous acid. The dissolution rate of the removed metal is then determined by the viscosity of the electrolyte, the diffusion coefficient, the limiting component and the forced or natural convection.
Geeignete elektrochemische Abtragverfahren, bei denen eine transportlimitierende Schicht ausgebildet wird, sind insbesondere das Elysieren und das Elektropolieren. Unter Elysieren bzw. ECM (Electrochemical Machining) werden auch Weiterentwicklungen des klassischen ECM-Verfahrens, wie das PECM (Pulsed Electrochemical Machining) und das PEM (Precise Electrochemical Machining) verstanden. Unter Elektropolieren wird neben klassischem Elektropolieren auch das Plasmapolieren verstanden. Suitable electrochemical removal processes in which a transport-limiting layer is formed are, in particular, the polishing and the electropolishing. Elysium or ECM (Electrochemical Machining) also includes further developments of the classical ECM process, such as PECM (Pulsed Electrochemical Machining) and PEM (Precise Electrochemical Machining). Under electropolishing is understood in addition to classical electropolishing and plasma polishing.
Der bereitgestellte Metallschaum ist bevorzugt ein offenporiger Metallschaum. In einem offenporigen Metallschaum sind besonders viele Stege zwischen den Poren des Metallschaums oberflächlich zugänglich und können durch das Abtragverfahren geglättet werden. The provided metal foam is preferably an open-pored metal foam. In an open-pored metal foam, a particularly large number of webs are accessible superficially between the pores of the metal foam and can be smoothed by the removal method.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass der bereitgestellte Metallschaum aus einer Metalllegierung besteht. Herstellungsbedingt weisen Metalllegierungsschäume höhere Oberflächenrauigkeiten auf als Reinmetallschäume, so dass bei Metalllegierungsschäumen durch das Verfahren eine stärkere Glättung der Oberfläche und damit eine ausgeprägtere Verbesserung der Oberflächeneigenschaften erzielt werden kann als bei Reinmetallschäumen.Furthermore, it is preferred that the provided metal foam consists of a metal alloy. Due to the manufacturing process, metal-alloy foams have higher surface roughnesses than pure-metal foams, so that in the case of metal-alloy foams, the process can achieve a greater smoothing of the surface and thus a more pronounced improvement in surface properties than with pure-metal foams.
Es ist hierbei besonders bevorzugt, dass es sich bei der Metalllegierung um eine Nickellegierung, eine Kupferlegierung oder einen Stahl handelt. Dies führt zu einer besonders guten Eignung des Metallschaums als Teil einer Bipolarplatte. Gerade in dieser Anwendung werden die Materialeigenschaften des Metallschaums durch die Oberflächenglättung besonders vorteilhaft verbessert.It is particularly preferred here that the metal alloy is a nickel alloy, a copper alloy or a steel. This leads to a particularly good suitability of the metal foam as part of a bipolar plate. Especially in this application, the material properties of the metal foam are improved by the surface smoothing particularly advantageous.
Ein Metallschaum, der mittels des Verfahrens hergestellt werden kann, hat gegenüber herkömmlichen Metallschäumen den Vorteil, dass seine Stege eine besonders niedrige Rauigkeit aufweisen. Ein Metallschaum, der aus einer Metalllegierung besteht, und einen Reflexionswert von mindestens 60 bei einem Messwinkel von 60° aufweist, bevorzugt einen Reflexionswert von mindestens 60 bei einem Messwinkel von 20° aufweist, ist insbesondere mittels dieses Verfahrens herstellbar. Derart hohe Reflexionswerte, welche ein Indikator für eine glänzende bzw. hochglänzende Oberfläche sind, die nur geringe Oberflächenrauigkeiten aufweist, können herkömmlicherweise nur für Reinmetallschäume realisiert werden. Die Bestimmung des Reflexionswertes erfolgt dabei gemäß der
Die Verwendung des Metallschaums als Teil einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle oder eines Elektrolyseurs ermöglicht aufgrund abgerundeter bzw. abgeglätteter Stege im Metallschaum eine besonders hohe Leistung der Bipolarplatte. The use of the metal foam as part of a bipolar plate of a fuel cell or an electrolyzer allows due to rounded or smoothed webs in the metal foam a particularly high performance of the bipolar plate.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der ErfindungEmbodiments of the invention
Zur Herstellung eines Nickelreinmetallschaums wird zunächst ein offenporiger Polyurethanschaum bereitgestellt. Dieser ist in Mattenform kommerziell erhältlich. Ungefähr drei Porenreihen werden in einem Sputterverfahren so mit Nickel beschichtet, dass eine mittlere Schichtdicke von 0,1 µm erreicht wird. Hierdurch werden die beschichteten Porenreihen elektrisch leitfähig gemacht. Der elektrisch leitfähige Polyurethanschaum wird nun durch ein galvanisches Bad gezogen, um eine 10 µm dicke Nickelschicht galvanisch abzuscheiden. Der Polyurethanschaumkern wird anschließend in einem zweistufigen Wärmebehandlungsverfahren ausgebrannt. Hierbei erfolgt in einem ersten Schritt eine Pyrolyse des Polyurethans bei einer Temperatur von 550°C unter einer oxidierenden Atmosphäre. Anschließend wird das zurückbleibende Material unter einer reduzierenden Atmosphäre auf über 950°C erwärmt. Auf diese Weise werden Mikroporen geschlossen und das Material wird weichgeglüht, damit es flexibel wird. Der erhaltene Nickelreinmetallschaum
Die so erhaltene Nickelreinmetallschaummatte wird mit einer Lösung eines Bindemittels
Um die Rauigkeit der Stege
Der hochglänzende Metalllegierungsschaum
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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