DE10235598A1

DE10235598A1 - Bauteil sowie Verfahren zur Beschichtung desselben

Info

Publication number: DE10235598A1
Application number: DE10235598A
Authority: DE
Inventors: Kai Lemke; Markus Lemm; Raimund Stroebel; Dominique Tasch; Bernd Gaugler; Dieter Grafl
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2022-08-01
Also published as: DE10235598B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil (1) mit einer auf die Bauteiloberfläche (4) als Korrosionsschutzschicht aufgebrachten elektrisch leitfähigen Oberflächenbeschichtung. Die Oberflächenbeschichtung besteht aus einer Trägermasse (2) mit darin eingebundenen elektrisch leitfähigen Strukturen (3). Die Strukturen kontaktieren die Bauteiloberfläche (4) und ragen auf der von der Bauteiloberfläche abgewandten Seite der Oberflächenbeschichtung aus der Trägermasse heraus. Außerdem wird ein Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils mit einer erfindungsgemäßen Oberflächenbeschichtung gezeigt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer auf die Bauteiloberfläche als Korrosionsschutzschicht aufgebrachten elektrisch leitfähigen Oberflächenbeschichtung sowie ein Verfahren zur Beschichtung des Bauteils.
Auf dem Gebiet der Brennstoffzellentechnik sind zahlreiche Bauteile gegeben, welche einer sehr korrosiven Umgebung ausgesetzt sind. Diese Umgebungen enthalten beispielsweise Säuren, Laugen, Halogenide, deionisiertes Wasser, Kühlwasser, Luft, gasförmigen Wasserstoff usw.
Zur Vermeidung von Korrosionsschäden werden daher Bauteile von Brennstoffzellen, etwa Bipolarplatten (welche zwischen den einzelnen Zellen eines Brennstoffzellenstacks angeordnet sind) z.B. aus hochlegierten Stählen geformt und dann zusätzlich mit Elementen wie Gold, Silber oder Chrom beschichtet. Die Beschichtung mit diesen Materialien ist jedoch sehr kostenaufwendig bzw. auch umweltschädlich.
Eine weitere Möglichkeit sieht vor, für Bauteile wie etwa Bipolarplatten graphitische Werkstoffe vorzusehen. Der Vorteil dieser Werkstoffgruppe liegt zwar in der hohen Korrosionsbeständigkeit und im Hinblick auf mobile Anwendungen auch auf dieser geringe Materialdichte. Die Anfälligkeit auf Zugspannung und die damit verbundene Sprödigkeit von Graphit engt jedoch die Wahl des Formgebungsverfahrens für die Strukturierung stark ein. Weiterhin sind dem Design von graphitgebundenen Strukturplatten Grenzen bezüglich der Strukturstärke gesetzt. Der Grund hierfür liegt zum einen an der bereits erwähnten Sprödigkeit von Graphit und andererseits an der Restporösität des Werkstoffs, die stets die Gefahr einer unzulässigen Gaspermlabilität mit sich bringt.
Als Alternative ist es auch versucht worden, metallische Bipolarplatten aus Edelstahl, Aluminium oder Titan herzustellen. Hierbei ergeben sich Nachteile in Bezug auf Korrosion. Diese sind in oxidierenden und reduzierenden Umgebungen, die ein pH-Wert von niedriger als 3 aufweisen, bei gleichzeitiger Präsenz eines Elektrolyten nicht korrosionsfrei. Bei den aggressiven Umgebungszuständen, die innerhalb einer Brennstoffzelle vorherrschen, ist es nach dem Stand der Technik nicht möglich, selbst bei hochlegierten Stählen Korrosionsstandzeiten von über 6.000 Stunden zu erreichen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, auf eine kostengünstige Weise elektrisch leitfähige Bauteile mit einer korrosionsbeständigen Oberfläche herzustellen sowie ein entsprechendes Verfahren zur Oberflä chenbeschichtung zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird in Bezug auf das Bauteil durch ein Bauteil nach Anspruch 1 und in Bezug auf das Verfahren durch Ansprüche 12 und 13 gelöst.
Dadurch, daß das Bauteil mit einer auf die Bauteiloberfläche als Korrosionsschutzschicht aufgebrachten elektrisch leitfähigen Oberflächenbeschichtung versehen ist, wobei die Oberflächenbeschichtung aus einer Trägermasse mit darin eingebundenen elektrisch leitfähigen Strukturen besteht, wobei die Strukturen die Bauteiloberfläche kontaktieren und auf der von der Bauteiloberfläche abgewandten Seite der Oberflächenbeschichtung aus der Trägermasse herausragen, wird diese Aufgabe gelöst.
Für den korrosionsdichten Abschluß ist hierbei im wesentlichen die Trägermasse zuständig. Hierbei kann es sich auch um eine elektrisch mäßig leitende bzw. nicht leitende Substanz handeln, welche jedoch die Bauteiloberfläche korrosionsdicht abschließt. Zur Herstellung einer sehr guten Leitfähigkeit durch die Oberflächenbeschichtung hindurch dienen die in die Trägermasse eingelegten Strukturen. Diese sind mit der unbeschichteten Bauteiloberfläche teilweise in Kontakt, teilweise ragen diese auch aus der Trägermasse (d.h. auf der vom Bauteil abgewandten Seite) heraus. Es ist nicht zwingend notwendig, daß stets dieselbe Struktur (etwa eine Faser) sowohl die Bauteiloberfläche berührt als auch aus der Trägermasse auf der dem Bauteil abgewandten Seite herausragt. Wichtig ist aber, daß zumindest durch eine Berührung z.B. einzelner Fasern untereinander ein Stromfluß mit möglichst geringem elektrischen Widerstand möglich wird. Die einzelnen Strukturen sind hierbei so ges taltet, daß die elektrische Leitfähigkeit sowohl tangential als auch normal zur Bauteiloberfläche gewährleistet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat verschiedene mögliche Ausprägungen.
Zum einen ist es möglich, die Trägermasse in einem flüssigen Zustand mit den leitfähigen Strukturen zu vermischen, dann diese Mischung auf die Bauteiloberfläche aufzubringen und schließlich unter Bildung der Oberflächenbeschichtung aushärten zu lassen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, zunächst die Trägermasse auf die Bauteiloberfläche aufzutragen und dann in die noch formbare Trägermasse Strukturen (wie z.B. ein Graphitfaservlies) einzulegen bzw. einzupressen, um somit eine Kontaktierung der Struktur und der Bauteiloberfläche zu erreichen, anschließend erfolgt der Aushärtevorgang.
Vorteilhaft hierbei ist, daß keine teuren Spezialvorrichtungen für diesen Auftrag notwendig sind. Je nach gewünschter Leitfähigkeit ist Art und Anzahl der eingelegten Strukturen variabel. Insbesondere bei der Variante, in welcher bereits vorgefertigte Strukturen in die formbare Trägermasse eingelegt bzw. eingepresst werden ergibt sich der Vorteil, daß eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit zwischen sonst getrennten Elementen (z.B. einer Gasdiffusionslage sowie einer Bipolarplatte) möglich wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Bauteils sieht vor, daß dessen Bauteiloberfläche aus Me tall (z.B. Stahl, Edelstahl, Kupfer, Titan, Aluminium etc.) ist. Dieses Material ist kostengünstig erhältlich und mit bekannten Fertigungsmethoden gut formbar. Die unzureichenden Korrosionseigenschaften von Edelstahl selbst werden später durch die erfindungsgemäße Beschichtung aufgehoben.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß die Trägermasse selbst elektrisch leitend ist. Dies ist für die Funktion der Erfindung nicht zwingend notwendig, da die elektrisch leitfähigen Strukturen selbst schon eine elektrische Leitung durch die Oberflächenbeschichtung hindurch erreichen. Zur Verbesserung der Gesamtleitfähigkeit ist es jedoch von großem Vorteil, wenn die Trägermasse zumindest mäßig elektrisch leitend ist (d.h., dass die elektrische Leitfähigkeit mehr als 0,01S*cm beträgt).
Die Trägermasse kann hierbei z.B. ein schmelzbarer vernetzender, leitfähiger Pulverlack sein. Pulverlack und darin zu bindende Fasern werden hierbei zunächst vermischt, das Gemenge wird dann auf das Bauteil aufgetragen und anschließend aufgeschmolzen. Die Trägermasse kann aber auch aus leitfähiger 2-K-Masse, leitfähigen Duroplasten, leitfähigen Thermoplasten, leitfähigen Duroplasten im vorvernetzten Zustand, Novolacken etc. bestehen. Beispiele hierfür sind bevorzugt mit Ruß und/oder Graphit und/oder Graphitfasern gefüllte Thermo- und Duroplaste (z.B. Phenol- oder Epoxidharzmassen) die Füllgrade zwischen 5 und 60 Gew.-%, bevorzugt 15 bis 60 Gew.-% enthalten. Es ist auch möglich, eine Trägermasse mehrschichtig anzubringen (z.B. mit einer elektrisch leitenden und einer elektrisch nicht leitenden Schicht). Dabei wird die elektrisch leitfähige Trägermasse bevorzugt zunächst auf das Bauteil aufgetragen und anschließend mit der nicht nichtleitenden Masse überdeckt und leitfähigen Strukturen in diese mehrschichtige Trägermasse eingepreßt. In einer besonderen Ausführungsform hierzu werden die mit der nichtleitenden Masse beschichteten, leitenden Strukturen auf das mit der leitfähigen Masse beschichtete Bauteil aufgepreßt.
Die Strukturen können kurze oder lange Graphitfasern sein. Die Graphitfasern haben hierbei vorzugsweise eine Länge zwischen 100 und 500 μm (bzw. 1 bis 10 mm).
Möglich sind aber auch Graphitfaservliese bzw. Graphitfasergewebe, Graphit-Glasfaser-Mischgewebe, Graphitkörner, Graphitkugeln, Titanfasern, Nanotubes oder dergleichen.
Besonders vorteilhaft ist hierbei, wenn eine Gasdiffusionslage z.B. als Graphitfaservlies oder -gewebe ausgeführt ist. Bei üblichen Brennstoffzellen ist ein solches Gasdiffusionsvlies zwischen der Membran-Elektroden-Einheit und einer Bipolarplatte zur Feinstverteilung von Reaktionsgasen angeordnet. Für die einwandfreie Funktion der Brennstoffzelle ist es notwendig, daß eine gute elektrische Leitfähigkeit von der Bipolarplatte zu der Membran-Elektroden-Einheit gegeben ist. Dadurch, daß die in der Oberflächenbeschichtung angeordneten, aus der Trägermasse herausragenden Strukturen mit dieser Gasdiffusionslage sich verhaken können, ist eine noch höhere elektrische Leitfähigkeit erzielbar.
Es ist sogar möglich, in eine noch formbare Trägermasse, in welcher noch keine Strukturen angeordnet sind, eine Gasdiffusionslage einzupressen. Hierdurch werden die Graphitfasern der Gasdiffusionslage direkt auf die Bauteiloberfläche gepresst, so daß sich eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit ergibt. Zusätzlich wird der spätere Montageaufwand etwas verringert, da die Positionierung einer separaten Gasdiffusionslage nicht mehr notwendig ist.
Ein großer Vorteil der korrosionsfesten Beschichtung ist der, daß die Bauteiloberfläche auch partiell mit dieser versehen werden kann. Dies ist gegenüber z.B. graphitischen Bauteilen ein großer Kostenvorteil, da die Beschichtung lediglich an den Stellen angebracht werden müssen, welche eine Korrosion ausgesetzt sind. Hierbei kann außerdem die Trägermasse vollflächig oder auch nur teilflächig mit den leitenden Strukturen belegt sein. Somit wird es z.B. bei einer elektrisch nicht leitfähigen Trägermasse möglich, elektrisch leitende und elektrisch nicht leitende Bereiche voneinander abzugrenzen.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:
1 einen Querächnitt aus einer Brennstoffzellenanordnung,
2 eine Detailansicht von 1,
3 eine Detailansicht von 2.
1 zeigt eine Teilansicht einer Brennstoffzellenanordnung. Diese enthält eine Bipolarplatte 5, welche beidseitig mit einer erfindungsgemäßen Oberflächenbeschichtung versehen ist. Beidseits der Bipolarplatte 5 sind jeweils Gasdiffusionslagen 6 aus einem Graphitfaservlies angeordnet. Schließlich sind beidseits an den Außenseiten der Graphitfaservliese-Membran-Elektroden-Einheiten 7 angebracht.
Im Folgenden soll jedoch speziell auf die Schnittstelle von Gasdiffusionslage 6 sowie Bipolarplatte 5 eingegangen werden. Dazu ist in 2 im vergrößerten Maßstab die Bipolarplatte 5 mit der rechtsseitigen Gasdiffusionslage 6 sowie der daran angrenzenden Membran-Elektroden-Einheit 7 gezeigt. Die Bipolarplatte 5 besteht aus einem Bauteil 1 aus Edelstahl. Dieses weist eine Wellenstruktur auf, welche das Leiten von Gas zu der Gasdiffusionslage 6 bzw. der Membran-Elektroden-Einheit 7 ermöglicht. Dieses Bauteil 1 aus Edelstahl ist beidseitig mit einer Oberflächenbeschichtung versehen. Die Oberflächenbeschichtung besteht aus einer Trägermasse 2, in welche zumindest bereichsweise elektrisch leitfähige Strukturen eingebracht sind. Bei der Trägermasse handelt es sich vorliegend um einen leitfähigen Thermoplast, es sind jedoch alle oben erwähnten weiteren Trägermassen auch möglich. Der in 2 hergestellte Zustand entstand dadurch, daß in die Trägermasse 2 in derem noch flüssigen Zustand eine Gasdiffusionslage 6 aufgedrückt wurde, so daß im Bereich der Erhebungen 8 der Bipolarplatte Fasern des Graphitfaservlieses bis auf das Stahlteil 1 gedrückt wurden.
Eine genauere Ansicht hiervon ist in 3 zu sehen, welche zeigt, wie als Graphitfasern gestaltete Strukturen 3 in der Trägermasse 2 im ausgehärteten Zustand eingebunden sind. Die leitfähigen Strukturen 3 ragen zumindest teilweise aus der Trägermasse 2 auf deren dem Bauteil 1 abgewandten Seite heraus. Somit ergibt sich insgesamt eine extrem hohe elektrische Leitfähigkeit ausgehend von dem Bauteil 1 über die Oberflächenbeschichtung (welche aus der Trägermasse 2 sowie den eingebundenen Strukturen 3 besteht) über die nicht eingebundenen Bereiche der Gasdiffusionslage 6 bis hin zu der Membran-Elektroden-Einheit 7.
Der große Vorteil der Erfindung besteht also darin, daß trotz der Verwendung kostengünstigen Stahles, der zudem leicht formbar ist, eine korrosionsdichte Beschichtung, welche zudem noch eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt, aufgebracht werden konnte. Die Permeabilität der Oberflächenbeschichtung beträgt <10^–2mbar*l*s^–1. Die elektrische Leitfähigkeit beträgt im Bereich der eingelegten Strukturen 3 etwa>1S*cm.
Bei der hier in den Figuren gezeigten Ausführungsform handelt es sich lediglich um eine Variante der vorliegenden Erfindung. Es ist möglich, eine korrosionsfeste, elektrisch leitfähige Oberflächenbeschichtung auch auf andere Weisen herzustellen, z.B. indem elektrisch leitfähige Strukturen wie etwa Graphitfasern mit der Trägermasse im flüssigen Zustand vermischt und dann erst auf eine Bauteiloberfläche aufgetragen werden.

Claims

Bauteil (1) mit einer auf die Bauteiloberfläche als Korrosionsschutzschicht aufgebrachten elektrisch leitfähigen Oberflächenbeschichtung (4), wobei die Oberflächenbeschichtung aus einer Trägermasse (2) mit darin eingebundenen elektrisch leitfähigen Strukturen (3) besteht, wobei die Strukturen die Bauteiloberfläche (4) kontaktieren und auf der von der Bauteiloberfläche abgewandten Seite der Oberflächenbeschichtung aus der Trägermasse (2) herausragen.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteiloberfläche aus Metall ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägermasse elektrisch leitend oder nicht elektrisch leitend ist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägermasse schmelzbarer vernetzender, leitfähiger Pulverlack, leitfähige 2-K-Massen, leitfähige Duroplaste, leitfähige Thermoplaste, leitfähige Duroplaste in vorvernetztem Zustand (Novolacke) sind.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen kurze oder lange Graphitfasern, Graphitfaservliese, Graphitfasergewebe, 3D-Gewebe, Graphit-Glasfaser-Mischgewebe, Graphitkörner, Graphitkugeln, Titanfasern, Nanotubes oder dergleichen sind.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteiloberfläche komplett oder partiell mit der Oberflächenbeschichtung versehen ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägermasse vollflächig oder teilflächig mit Strukturen belegt ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese ein Teil einer Brennstoffzellenanordnung, etwa ein Teil einer Bipolarplatte (5) zur Trennung einzelner Zellen eines Brennstoffzellenstacks oder dergleichen ist.
Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Gasdiffusionslage (6) an der Bauteiloberfläche abgewandten Seite der Oberflächenbeschichtung anschließt.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Permeabilität der Oberflächenbeschichtung weniger als 10^–2mbar*l*S^–1 beträgt.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Leitfähigkeit mehr als 1S*cm beträgt.
Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils mit einer Oberflächenbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägermasse (2) im flüssigen Zustand mit den Strukturen (3) vermischt, dann auf die Bauteiloberfläche aufgebracht und schließlich, unter Bildung der Oberflächenbeschichtung, aushärtet.
Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils mit einer Oberflächenbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Trägermasse (2) im flüssigen Zustand aufgetragen, dann die Strukturen (3) in die noch formbare Trägermasse eingelegt oder eingepresst werden und anschließend die Trägermasse mit den darin enthaltenen Strukturen, unter Bildung der Oberflächenbeschichtung, aushärtet.