Oberflächentechnik für die Fertigung von wassergekühlten Bipolplatten aus chrombeschichteten Metallfolien für PEM-Brennstoffzellen

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Oberflächentechnik für die Fertigung von wassergekühlten Bipolplatten aus chrombeschichteten Metallfolien für PEM-Brennstoffzellen"

Dieter Rosenberg
vor 6 Jahren
Abrufe

PEM-Brennstoffzellen Markus Müller, Ingolf

1 Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. T. Lampke Oberflächentechnik für die Fertigung von wassergekühlten Bipolplatten aus chrombeschichteten Metallfolien für PEM-Brennstoffzellen Markus Müller, Ingolf Scharf, Thomas Lampke, Ulrich Holländer, Hans-Jürgen Maier

2 Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. T. Lampke Inhalt 1. Einleitung 2. Lösungsansatz 3. Elektrolytentwicklung 4. Thermochemische Behandlung 5. Fügen 6. Zusammenfassung + Ausblick

3 1. Einleitung Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik PEM Brennstoffzelle Bipolarplatte Elektrische Kontaktierung Gasversorgung Wasserabfuhr Kühlung Anforderungen Elektrische Leitfähigkeit Gasdicht Korrosionsstabil Druck- und biegefest Rost- und säurebeständiger Stahl Kohlefaserkomposite Titan, Zirconium Vergoldetes Nickel Nitrierungsschichten Aufgaben Materialien Kosten!! Serienproduktion?? 3

4 2. Lösungsansatz Beschichtungskonzept Elektrolyt Parameter Nitrieren Fügen Charakterisierung Skalier -ung Chrom aus Cr(III) Wärmebehandlung Einsatz 4

5 2. Lösungsansatz Beschichtungskonzept Cr aus Cr(III) Wärmebehandlung Bipolplatte 5

6 3. Elektrolytentwicklung Verchromen aus Cr(III) Stand der Technik Sunset Date 2017 für CrO 3 1 Alternative Chrom(III)-Verbindungen Kein Fortschritt Stand der Technik seit 1960er Problem: Abscheiderate niedrig Schichtdicken gering Aufwendige Elektrolytpflege Kein kommerzielles System für Hartchrom Dekorative Chromschichten bis 2 µm 1 Dennis, Such: Nickel and Chromium plating;

7 3. Elektrolytentwicklung Verchromen aus Cr(III) Versuchsmatrix Salz -SO 4 -CH -SO 4 -Cl OH 3 -NO 3 3 O 3 S - - CH H 2 PO 3 CO 4 OH Zusatz Komplexbildner Leitsalz Puffer Netzmittel Para meter Stromdichte ph Wert Temperatur 7

und Auswirkungen auf Morphologie 50 mm Hohe Schichtdicken

Liter Amorphe / kristalline Struktur 800 HV 1300 HV KEIN

8 3. Elektrolytentwicklung Verchromen aus Cr(III) Morphologie TUC_pH TUC_LF TUC_Cl Verschiedene Elektrolyten und Auswirkungen auf Morphologie 50 mm Hohe Schichtdicken realisierbar Stromausbeute % Versuche im Maßstab 10 Liter Amorphe / kristalline Struktur 800 HV 1300 HV KEIN KOMMERZIELLES VERFAHREN VERFÜGBAR d 40 mm 8

9 [HV] [HM] Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik 3. Elektrolytentwicklung Verchromen aus Cr(III) Charakterisierung Phasenanalyse Chrom 1800 Instrumentierte Eindringprüfung (DIN EN ISO 14577) 9000 Stahl TUC_pH TUC_Cl TUC_LF 0 0 TUC_pH TUC_LF TUC_Cl Cr(VI) Vickershärte Martenshärte Cr(VI) 9

10 3. Elektrolytentwicklung Verchromen aus Cr(III) Elektrolytauswahl TUC_LF TUC_Cl TUC_pH Härte HV HV HV Molekulare Ordnung röntgenamorph röntgenamorph kristallin Stabilität Reproduzierbarkeit Kostenvergleich Cr(VI) (20 /Liter) Abscheiderate (vgl. Cr(VI) 0,3-1 µm/min) Stromausbeute (vgl. Cr(VI) %) Eignung für weitere Prozessschritte 10

11 4. Thermochemische Behandlung Nitrieren (1) Versuchsmatrix T-t-Regime Vollfaktorieller Versuchsplan mit 3 Faktoren und 2 bzw. 4 Stufen: Atmosphäre: 20:80 50:50 80: % N 2 (silandotiert) Temperatur: 900 C 950 C 1000 C 1125 Glühzeit: 15 min 30 min 11

4. Thermochemische Behandlung Nitrieren (2)

12 4. Thermochemische Behandlung Nitrieren (2) 100 % N 2 (silandotiert) / 15 min Cr(VI) kommerziell TUC_pH As plated nitriert bei 1125 C 20 μm IW, Leibniz Universität Hannover Bereich Füge- und Oberflächentechnik (Fortis) 12

CPS Institut für Werkstoffwissenschaft und

/ 15 min Kristallines Chrom As plated Abbildungen @

13 CPS Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik 4. Thermochemische Behandlung Nitrieren (3) Phasenanalyse Chrom Cr 2 N Einphasiges Cr 2 N 1125 C / 15 min Kristallines Chrom As plated IW, Leibniz Universität Hannover Bereich Füge- und Oberflächentechnik (Fortis) 13

Vlies Anpressdruck = 0-150 Ncm -2 Versuchsaufbau ähnlich:

14 4. Thermochemische Behandlung Nitrieren (6) Flächenwiderstand Prinzip A Probe = 25 cm 2 I = 2 A R Fläche = 1 2 U A Probe I R Vlies Anpressdruck = Ncm -2 Versuchsaufbau ähnlich: Journal of Power Sources 115 (2003)

15 4. Thermochemische Behandlung Nitrieren (6) Flächenwiderstand Ergebnisse 15

16 4. Thermochemische Behandlung Nitrieren (4) Korrosionsuntersuchungen Aufbau Auslagerungsversuche unter Rückfluss Medium: 0,5 ml/l Ameisensäure Temperatur: 80 C Dauer: 100 h Analyse mittels ICP-OES 16

17 Fe Cu Metall [μmol/cm²] Cu Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik 4. Thermochemische Behandlung Nitrieren (5) Korrosionsuntersuchungen Ergebnisse 0,35 Analyse der Prüflösung nach 100 h Korrosionstest 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0, Cr-Cu / 900 C / 15min Cr-Cu / 1000 C / 15min 0,002 Titan 17

18 5. Fügen Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik Lotauswahl Benetzungsverhalten Legierungszusammensetzung [gew.%] Ni 710 Ni-14Cr-10P Schmelzpunkt 890 C Minimale Löttemperatur B- Ni60CrPSi- 980/1020 Ni-30Cr-6P- 4Si 980 C 1020 C 900 C 1120 C IW, Leibniz Universität Hannover Bereich Füge- und Oberflächentechnik (Fortis) 18

5. Fügen Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik Verfahrenskombination Abbildungen @

19 5. Fügen Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik Verfahrenskombination IW, Leibniz Universität Hannover Bereich Füge- und Oberflächentechnik (Fortis) 19

20 6. Zusammenfassung Bipolarplatte mit Cr 2 N als Endschicht im Vergleich Parameter Cr 2 N Titan Flächenwiderstand Korrosion Serientauglichkeit für Stack Preis Grundwerkstoff

21 6. Ausblick Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik Funktionstest Demonstrator 21

22 Technische Universität Chemnitz Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Lampke M.Sc. Markus Müller Erfenschlager Str Chemnitz GERMANY 22

Ähnliche Dokumente

Elektrochemisch hergestellte Iridium-Schichten und deren Anwendungspotenziale

DIE HOCHSCHULE MIT 140JÄHRIGER TRADITION Elektrochemisch hergestellte Iridium-Schichten und deren Anwendungspotenziale Forum F&T Arena Hannover Messe 2013 Prof. Dr. rer. nat. F. Köster Dipl.-Ing (FH) Ch.