DE102022108476A1

DE102022108476A1 - Bipolar plate, fuel cell and method for producing a bipolar plate

Info

Publication number: DE102022108476A1
Application number: DE102022108476.0A
Authority: DE
Inventors: Alexander Höflich; Andreas Schmid
Original assignee: Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
Current assignee: Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
Priority date: 2022-04-07
Filing date: 2022-04-07
Publication date: 2023-10-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Niedertemperaturbrennstoffzelle, insbesondere für eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle. Die Bipolarplatte umfasst ein metallisches Substrat, wobei das Substrat eine Prägestruktur mit Kanälen und zwischen den Kanälen befindlichen Stegen aufweist, und eine elektrisch leitfähige Beschichtung, wobei die Beschichtung auf einer ersten Oberfläche des Substrats nur im Bereich der Stege angeordnet ist, und wobei die Beschichtung ein Bindemittel und Partikel eines oder mehrerer elektrisch leitfähiger Füllstoffe umfasst. The present invention relates to a bipolar plate for a low-temperature fuel cell, in particular for a polymer electrolyte fuel cell. The bipolar plate comprises a metallic substrate, wherein the substrate has an embossed structure with channels and webs located between the channels, and an electrically conductive coating, wherein the coating is arranged on a first surface of the substrate only in the region of the webs, and wherein the coating is a Binders and particles of one or more electrically conductive fillers.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Niedertemperaturbrennstoffzelle, insbesondere für eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle.The present invention relates to a bipolar plate for a low-temperature fuel cell, in particular for a polymer electrolyte fuel cell.

Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzelle, die eine oder mehrere derartige Bipolarplatten umfasst.The invention further relates to a fuel cell which comprises one or more such bipolar plates.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Bipolarplatte.The invention further relates to a method for producing such a bipolar plate.

Bipolarplatten dienen in einer Brennstoffzelle der elektrischen Kontaktierung zwischen den einzelnen Zellen des Brennstoffzellenstapels. Bei einem bevorzugten Aufbau einer Niedertemperaturbrennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle, wechselt sich jeweils eine Bipolarplatteneinheit aus zwei Bipolarplatten mit einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA) ab, wobei Letztere aus dem Polymerelektrolyt und zwei als Gasdiffusionslage ausgebildeten Elektroden besteht. Die Bipolarplatteneinheit ermöglicht vorzugsweise auch die Zuführung der Betriebsstoffe, d.h. des Brennstoffs (insbesondere Wasserstoff) auf der Anodenseite und des Oxidators (insbesondere Sauerstoff) auf der Kathodenseite. Hierzu weisen die Bipolarplatten eine Prägestruktur mit Kanälen und zwischen den Kanälen befindlichen Stegen auf, wobei die Kanäle ein sog. Flowfield bilden, das eine möglichst optimale Verteilung der Betriebsstoffe über die gesamte Fläche der Bipolarplatte ermöglicht.In a fuel cell, bipolar plates are used to make electrical contact between the individual cells of the fuel cell stack. In a preferred structure of a low-temperature fuel cell, in particular a polymer electrolyte fuel cell, a bipolar plate unit consisting of two bipolar plates alternates with a membrane electrode unit (MEA), the latter consisting of the polymer electrolyte and two electrodes designed as a gas diffusion layer. The bipolar plate unit preferably also enables the supply of the operating materials, i.e. the fuel (in particular hydrogen) on the anode side and the oxidizer (in particular oxygen) on the cathode side. For this purpose, the bipolar plates have an embossed structure with channels and webs located between the channels, the channels forming a so-called flow field, which enables the operating materials to be distributed as optimally as possible over the entire surface of the bipolar plate.

Um eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit unter den jeweiligen elektrochemischen Bedingungen zu gewährleisten, ist in der Regel eine Beschichtung der zur MEA hin orientierten Oberfläche des metallischen Substrats der Bipolarplatte erforderlich. Diese Beschichtungen müssen gleichzeitig eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Es sind aus dem Stand der Technik sowohl anorganische als auch organische Beschichtungen für Bipolarplatten bekannt, wobei im Hinblick auf das Herstellungsverfahren grundsätzlich unterschieden wird, ob die Beschichtungen vor oder nach dem Erzeugen der Prägestruktur aufgebracht wird („precoating“ bzw. „postcoating“).In order to ensure sufficient corrosion resistance under the respective electrochemical conditions, a coating of the surface of the metallic substrate of the bipolar plate oriented towards the MEA is generally required. These coatings must also have sufficient electrical conductivity. Both inorganic and organic coatings for bipolar plates are known from the prior art, with a fundamental distinction being made with regard to the manufacturing process as to whether the coatings are applied before or after the embossed structure is created (“precoating” or “postcoating”).

Als anorganische Beschichtungen können insbesondere Edelmetalle im Precoating-Verfahren auf das Substrat aufgebracht werden. Das Aufbringen einer sehr dünnen Edelmetallschicht ist z.B. aus der EP 2 469 634 B1 bekannt. Die WO 2009/089376 A 2 und die EP 2 157 645 B1 offenbaren das Aufbringen einer dünnen Schicht aus Edelmetallclustern bzw. Edelmetalllegierungen. Diese Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass sie mit hohen Kosten für das Edelmetall verbunden sind und es häufig zur Ausbildung diskontinuierlicher Schichten kommt.Precious metals in particular can be applied to the substrate as inorganic coatings using the precoating process. The application of a very thin layer of precious metal is, for example EP 2 469 634 B1 known. The WO 2009/089376 A 2 and the EP 2 157 645 B1 disclose the application of a thin layer of precious metal clusters or precious metal alloys. However, these processes have the disadvantage that they involve high costs for the precious metal and often lead to the formation of discontinuous layers.

Die WO 2009/065545 A1 , WO 2009/108102 A1 , CA 2688483 A1 und US 5,624,769 A offenbaren die Applikation von dünnen keramischen Beschichtungen oder Kunststoffbeschichtungen auf einem Substrat einer Bipolarplatte. Die Beschichtungen werden üblicherweise mittels PVD und/oder CVD auf das Substrat abgeschieden. Derart hergestellte Beschichtungen sind jedoch relativ spröde, so dass nur eine Beschichtung des bereits geprägten Substrats im Postcoating-Verfahren möglich ist. Hingegen können nasschemisch aufgebrachte Kohlenstoffbeschichtungen, wie sie in der DE 10 2014 016 186 A1 offenbart sind, zwar problemlos umgeformt werden, weisen aber häufig keine ausreichende Haftung zum Substrat auf und degradieren vergleichsweise schnell.The WO 2009/065545 A1 , WO 2009/108102 A1 , CA 2688483 A1 and US 5,624,769 A disclose the application of thin ceramic coatings or plastic coatings to a substrate of a bipolar plate. The coatings are usually deposited onto the substrate using PVD and/or CVD. However, coatings produced in this way are relatively brittle, so that only the already embossed substrate can be coated using the postcoating process. On the other hand, wet-chemically applied carbon coatings, such as those in the DE 10 2014 016 186 A1 are disclosed, can be formed without any problems, but often do not have sufficient adhesion to the substrate and degrade comparatively quickly.

Organische Beschichtungen für Bipolarplatten umfassen typischerweise ein Bindemittel, insbesondere ein Polymer, und einen elektrisch leitfähigen Füllstoff. Eine derartige Beschichtung ist z.B. in der US 8,852,827 B2 offenbart. Auch diese Beschichtungen können in der Regel nur im Postcoating-Verfahren aufgebracht werden, da sie den mechanischen Einwirkungen bei einer Umformung des Substrats nicht standhalten würden.Organic coatings for bipolar plates typically include a binder, particularly a polymer, and an electrically conductive filler. Such a coating is, for example, in US 8,852,827 B2 disclosed. These coatings can usually only be applied using the postcoating process, as they would not be able to withstand the mechanical effects of forming the substrate.

Während bei einem Precoating-Verfahren grundsätzlich die gesamte Oberfläche des metallischen Substrats beschichtet wird, gilt dies auch bei den meisten Postcoating-Verfahren gemäß dem Stand der Technik, da mit den eingesetzten Beschichtungstechniken wie PVD oder CVD nur eine vollflächige Beschichtung möglich ist. Es werden also nicht nur die Stege beschichtet, was für die elektrische Kontaktierung der Bipolarplatte notwendig ist, sondern auch die Vertiefungen in den Kanälen. Dies führt zu einem erhöhten Materialverbrauch und damit höheren Kosten.While in a precoating process the entire surface of the metallic substrate is basically coated, this also applies to most postcoating processes according to the state of the art, since with the coating techniques used such as PVD or CVD only full-surface coating is possible. So not only the webs are coated, which is necessary for the electrical contacting of the bipolar plate, but also the depressions in the channels. This leads to increased material consumption and therefore higher costs.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte vorzuschlagen, mit der die oben genannten Nachteile ganz oder teilweise vermieden werden können.The present invention is based on the object of proposing a bipolar plate with which the above-mentioned disadvantages can be completely or partially avoided.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst durch eine Bipolarplatte gemäß Anspruch 1.This object is achieved according to the invention by a bipolar plate according to claim 1.

Bei der erfindungsgemäßen Bipolarplatte ist die Beschichtung auf einer ersten Oberfläche des Substrats nur im Bereich der Stege angeordnet. Da somit auf eine Beschichtung der übrigen Bereiche dieser Oberfläche verzichtet wird, insbesondere der Oberfläche in den Vertiefungen der Kanäle, ergibt sich eine deutliche Material- und Kostenersparnis im Vergleich zu beschichteten Bipolarplatten gemäß dem Stand der Technik.In the bipolar plate according to the invention, the coating is arranged on a first surface of the substrate only in the area of the webs. Since there is no need to coat the remaining areas of this surface, in particular the surface in the recesses of the channels, there are significant material and cost savings compared to coated bipolar plates according to the prior art.

Der Verzicht auf eine Beschichtung im Bereich der Kanäle führt darüber hinaus zu weiteren Vorteilen. Zum einen werden etwaige Wechselwirkungen zwischen der Beschichtung und den in den Kanälen strömenden Betriebsstoffen vermieden, und zum anderen wird der Kanalquerschnitt nicht durch die Beschichtung unkontrolliert verändert, zumal die Beschichtungsdicke in den Vertiefungen der Kanäle nicht genau kontrolliert werden kann.The lack of a coating in the area of the channels also leads to further advantages. On the one hand, any interactions between the coating and the operating fluids flowing in the channels are avoided, and on the other hand, the channel cross section is not changed in an uncontrolled manner by the coating, especially since the coating thickness in the recesses of the channels cannot be precisely controlled.

Die selektive Beschichtung der Stege des Substrats wird gemäß der Erfindung dadurch ermöglicht, dass das vorgesehene Beschichtungsmaterial auf einfache Weise mittels eines Druckverfahrens auf die Stege aufgebracht werden kann, z.B. mittels Siebdruck, Tampondruck, Stempeldruck oder einer Walzapplikation. Durch die Möglichkeit eines solchen einfachen Beschichtungsverfahrens ergibt sich eine weitere Kostenersparnis für die erfindungsgemäße Bipolarplatte.The selective coating of the webs of the substrate is made possible according to the invention in that the intended coating material can be applied to the webs in a simple manner by means of a printing process, for example by means of screen printing, pad printing, stamp printing or a roller application. The possibility of such a simple coating process results in further cost savings for the bipolar plate according to the invention.

Das metallische Substrat der erfindungsgemäßen Bipolarplatte ist bevorzugt aus Edelstahl gebildet, insbesondere aus einem Blech oder einer Platte aus Edelstahl, welche(s) mit einer Prägestruktur versehen wurde. Alternativ können auch andere metallische Materialien eingesetzt werden, insbesondere Legierungen auf Basis von Aluminium, Nickel, Kupfer, Titan und/oder Tantal.The metallic substrate of the bipolar plate according to the invention is preferably formed from stainless steel, in particular from a sheet or plate made of stainless steel, which has been provided with an embossed structure. Alternatively, other metallic materials can also be used, in particular alloys based on aluminum, nickel, copper, titanium and/or tantalum.

Die Stege der Prägestruktur können verschiedene Geometrien aufweisen. Insbesondere kann die erste Oberfläche im Bereich der Stege im Querschnitt konkav (z.B. nach oben gewölbt, dachförmig oder spitz), eben oder konvex (z.B. nach unten gewölbt) ausgebildet sein. Eine konvexe Oberfläche ist dabei besonders bevorzugt, da sie ein seitliches Abfließen der aufgebrachten Beschichtung in die Kanäle effektiv verhindert. Die Stege weisen in diesem Fall z.B. einen in etwa M-förmigem Querschnitt auf.The webs of the embossed structure can have different geometries. In particular, the first surface in the area of the webs can be concave in cross section (e.g. curved upwards, roof-shaped or pointed), flat or convex (e.g. curved downwards). A convex surface is particularly preferred because it effectively prevents the applied coating from flowing laterally into the channels. In this case, the webs have, for example, an approximately M-shaped cross section.

Die Stege weisen typischerweise eine Breite im Bereich von ca. 0,1 bis ca. 3 mm auf, wobei die Stegbreite über den Verlauf des Flowfields gleich oder verschieden sein kann. Auch eine Beschichtung von Stegen mit variierender Breite ist mit geeigneten Druckverfahren ohne weiteres möglich.The webs typically have a width in the range of approximately 0.1 to approximately 3 mm, whereby the web width can be the same or different over the course of the flow field. Coating webs with varying widths is also easily possible using suitable printing processes.

Die elektrisch leitfähige Beschichtung weist bevorzugt eine Dicke von ca. 2 bis ca. 200 µm aufweist, weiter bevorzugt von ca. 5 bis ca. 100 µm, weiter bevorzugt von ca. 10 bis ca. 20 µm. Die angegebenen Werte beziehen sich jeweils auf die Dicke der Beschichtung nach dem Trocknen und/oder Aushärten, d.h. in der fertigen Bipolarplatte.The electrically conductive coating preferably has a thickness of approximately 2 to approximately 200 μm, more preferably from approximately 5 to approximately 100 μm, further preferably from approximately 10 to approximately 20 μm. The values given refer to the thickness of the coating after drying and/or curing, i.e. in the finished bipolar plate.

Die elektrisch leitfähigen Füllstoffe sind bevorzugt ausgewählt aus elektrisch leitfähigen Keramikmaterialien auf Basis von Silikaten, Oxiden, Carbiden, Nitriden, Boriden und Siliciden, insbesondere von Übergangsmetallen wie Titan, Zirkonium, Chrom, Molybdän und Wolfram. Besonders bevorzugte Keramikmaterialien sind Chromcarbid, Chromnitrid, Wolframcarbid, Wolframnitrid, Titancarbid, Titannitrid, Titanborid, Zirkoniumcarbid, Zirkoniumnitrid, Molybdäncarbid, Molybdännitrid und deren Mischverbindungen. Diese Materialien zeichnen sich durch eine hohe Härte und chemische Widerstandsfähigkeit aus.The electrically conductive fillers are preferably selected from electrically conductive ceramic materials based on silicates, oxides, carbides, nitrides, borides and silicides, in particular transition metals such as titanium, zirconium, chromium, molybdenum and tungsten. Particularly preferred ceramic materials are chromium carbide, chromium nitride, tungsten carbide, tungsten nitride, titanium carbide, titanium nitride, titanium boride, zirconium carbide, zirconium nitride, molybdenum carbide, molybdenum nitride and mixed compounds thereof. These materials are characterized by high hardness and chemical resistance.

Die Angabe „elektrisch leitfähig“ bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung vorzugsweise, dass die entsprechenden Materialien und/oder Elemente bei 25 °C eine elektrische Leitfähigkeit von 10⁶ S/m oder mehr aufweisen.For the purposes of the present invention, the statement “electrically conductive” preferably means that the corresponding materials and/or elements have an electrical conductivity of 10 ⁶ S/m or more at 25 °C.

Vorteilhaft kann es sein, wenn der eine oder die mehreren Füllstoffe eine Oberflächenmodifizierung aufweisen. Insbesondere ist die Oberflächenmodifizierung eine Funktionalisierung des einen oder der mehreren Füllstoffe durch Hydroxygruppen, Carbonsäuregruppen, Aminogruppen, Aldehydgruppen, Carbonylgruppen und/oder SilanrestenIt can be advantageous if the one or more fillers have a surface modification. In particular, the surface modification is a functionalization of the one or more fillers by hydroxy groups, carboxylic acid groups, amino groups, aldehyde groups, carbonyl groups and/or silane residues

Die Partikel des oder der elektrisch leitfähigen Füllstoffe weisen günstigerweise eine Partikelgrößenverteilung aufweisen, deren Medianwert D₅₀ im Bereich von ca. 40% bis ca. 60% der Dicke der Beschichtung liegt. Der mittlere Partikelgröße des oder der Füllstoffe liegt vorzugsweise im Bereich von ca. 1 bis ca. 100 µm, weiter bevorzugt im Bereich von ca. 5 bis ca. 10 µm.The particles of the electrically conductive filler(s) advantageously have a particle size distribution whose median value D ₅₀ is in the range from approximately 40% to approximately 60% of the thickness of the coating. The average particle size of the filler(s) is preferably in the range from approximately 1 to approximately 100 μm, more preferably in the range from approximately 5 to approximately 10 μm.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Anteil des oder der elektrisch leitfähigen Füllstoffe in dem Bindemittel mindestens einer zum Erreichen einer Perkolationsschwelle notwendigen Partikelvolumenkonzentration entspricht, und bevorzugt diese um ca. 1 bis ca. 5% übersteigt. Unter der „Partikelvolumenkonzentration“ ist dabei der Anteil des oder der Füllstoffe an einem Gesamtvolumen der Beschichtung (im getrockneten und/oder ausgehärteten Zustand) zu verstehen. Die Perkolationsschwelle bezeichnet einen Grenzwert der Partikelvolumenkonzentration, ab welchem ca. 10% oder mehr, insbesondere ca. 20% oder mehr, der Füllstoffpartikel in direktem stofflichen Kontakt mit mindestens einem weiteren Füllstoffpartikel sind. D.h. die einzelnen Partikel sind unter diesen Bedingungen nicht mehr vollständig vom Bindemittel umschlossen und es entsteht ein poröses System. Diese Porosität ermöglicht einen verbesserten Wasserhaushalt der Brennstoffzelle, da entstehendes Produktwasser durch das poröse System einfach abgeführt werden kann. Weiterhin können auch die Betriebsstoffe dadurch besser zu den aktiven Schichten der Brennstoffzelle geleitet werden.It is particularly advantageous if the proportion of the electrically conductive filler(s) in the binder corresponds to at least one particle volume concentration necessary to achieve a percolation threshold, and preferably exceeds this by approximately 1 to approximately 5%. The “particle volume concentration” is understood to mean the proportion of the filler(s) in a total volume of the coating (in the dried and/or cured state). The percolation threshold refers to a limit value of the particle volume concentration, above which approximately 10% or more, in particular approximately 20% or more, of the filler particles are in direct material contact with at least one further filler particle. This means that under these conditions the individual particles are no longer completely surrounded by the binder and a porous system is created. This porosity enables an improved water balance in the fuel cell, as product water produced can easily be drained away through the porous system. Furthermore, the operating materials can also be used better the active layers of the fuel cell.

Als Bindemittel für die Beschichtung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte können verschiedenste Arten von organischen Polymeren eingesetzt werden, die durch Polykondensations-, Polyadditions-, oder Polymerisationsreaktionen hergestellt wurden. Bevorzugt ist das Bindemittel ausgewählt aus Polyesterharzen, Alkydharzen, ungesättigten Polyesterharzen, Amidoharzen, Aminoharzen, Phenolharzen, Ketonharzen, Aldehydharzen, Polyamiden, Polyamidimiden, Polyisocyanatharzen, Polyurethanharzen, Epoxidharzen, Acrylatharzen, Silikonharzen, Kautschukharzen, modifizierten Naturharzen, Polysulfiden, Polyphenylensulfiden, Polysulfonharzen, Polyimidharzen, Polyaspiranharzen, Polyethern, Polyphenylenen, Polyoxadiazolen, Polybenzoxazolen, Polyoxazolinen, Piperidinharzen, Polycyanatesterharzen, Polysilazanen sowie deren Copolymerisaten und Mischungen.A wide variety of types of organic polymers, which were produced by polycondensation, polyaddition or polymerization reactions, can be used as binders for the coating of the bipolar plate according to the invention. The binder is preferably selected from polyester resins, alkyd resins, unsaturated polyester resins, amido resins, amino resins, phenolic resins, ketone resins, aldehyde resins, polyamides, polyamideimides, polyisocyanate resins, polyurethane resins, epoxy resins, acrylate resins, silicone resins, rubber resins, modified natural resins, polysulfides, polyphenylene sulfides, polysulfone resins, polyimide resins, Polyaspiran resins, polyethers, polyphenylenes, polyoxadiazoles, polybenzoxazoles, polyoxazolines, piperidine resins, polycyanate ester resins, polysilazanes and their copolymers and mixtures.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Bindemittel ein Polyamidimid.In a preferred embodiment of the invention, the binder comprises a polyamideimide.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung umfasst das Bindemittel ein organisches Polymer, welches durch chemische Reaktion von mindestens zwei Komponenten gebildet ist, umfassend als erste Komponente eine bi- oder polyfunktionelle Isocyanat-Verbindung und als zweite Komponente eine oder mehrere Verbindungen mit mindestens zwei freien Hydroxy- oder Aminogruppen. Derartige Polymere, die in der DE 10 2019 127 626 A1 beschrieben sind, ermöglichen zum einen eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit der Bipolarplatte, und weisen zum anderen eine sehr hohe Beständigkeit sowohl gegenüber organischen Lösemitteln als auch gegenüber sauren oder alkalischen wässrigen Lösungen auf.According to a further preferred embodiment, the binder comprises an organic polymer which is formed by chemical reaction of at least two components, comprising as the first component a bi- or polyfunctional isocyanate compound and as the second component one or more compounds with at least two free hydroxyl or Amino groups. Such polymers that are in the DE 10 2019 127 626 A1 described, on the one hand enable excellent corrosion resistance of the bipolar plate, and on the other hand have a very high resistance to both organic solvents and to acidic or alkaline aqueous solutions.

Die erste Komponente, aus der das organische Polymer gebildet ist, kann aus Isocyanat-Verbindungen verschiedenster Art gewählt sein, deren Molekulargewicht über einen weiten Bereich variieren kann. Insbesondere kann die erste Komponente ein bi- oder polyfunktionelles Isocyanat-Monomer sein, ein Oligomer aus polyfunktionellen Isocyanat-Monomeren, oder ein Präpolymer aus polyfunktionellen Isocyanat-Monomeren und bi- oder polyfunktionellen Alkoholen oder Aminen. Der Begriff „polyfunktionell“ wird hier für mindestens trifunktionelle Verbindungen verwendet, d.h. in Abgrenzung zu bifunktionellen Verbindungen. Bei Oligomeren oder Präpolymeren, die aus polyfunktionellen Monomeren gebildet sind, stehen somit freie Isocyanatgruppen für die chemische Reaktion mit der zweiten Komponente zur Verfügung, um das erfindungsgemäße organische Polymer auszubilden.The first component from which the organic polymer is formed can be selected from isocyanate compounds of various types, the molecular weight of which can vary over a wide range. In particular, the first component can be a bi- or polyfunctional isocyanate monomer, an oligomer of polyfunctional isocyanate monomers, or a prepolymer of polyfunctional isocyanate monomers and di- or polyfunctional alcohols or amines. The term “polyfunctional” is used here for at least trifunctional compounds, i.e. in distinction to bifunctional compounds. In the case of oligomers or prepolymers formed from polyfunctional monomers, free isocyanate groups are therefore available for the chemical reaction with the second component in order to form the organic polymer according to the invention.

Die erste Komponente ist bevorzugt ein Isocyanat-Monomer, welches ausgewählt ist aus Diphenylmethan-2,2'-diisocyanat, Diphenylmethan-2,4'-diisocyanat, Diphenylmethan-4,4'-diisocyanat, Toluol-2,6-diisocyanat, Toluol-2,4-diisocyanat, Tetramethylxylylendiisocyanat, 1,4-Diisocyanatobenzol, 1,4-Bis(isocyanatomethyl)benzol, 1,3-Bis(isocyanatomethyl)benzol, Tetramethylendiisocyanat, Pentamethylendiisocyanat, Hexamethylendiisocyanat, 2,4,4-Trimethylhexamethylen-1,6-diisocyanat, 2,2,4-Trimethylhexamethylen-1,6-diisocyanat, Dodecamethylendiisocyanat, 1,4-Diisocyanatocyclohexan, 1,3-Bis(isocyanatomethyl)cyclohexan, 3-Isocyanatmethyl-3,5,5-trimethylcyclohexylisocyanat, 4,4'-Diisocyanatodi-cyclohexylmethan und deren Isomeren.The first component is preferably an isocyanate monomer which is selected from diphenylmethane-2,2'-diisocyanate, diphenylmethane-2,4'-diisocyanate, diphenylmethane-4,4'-diisocyanate, toluene-2,6-diisocyanate, toluene -2,4-diisocyanate, tetramethylxylylxylyl lylendiisocyanate, 1,4-diisocyanatobenzene, 1,4-bis (isocyanatometethyl) benzene, 1,3-to (isocyanatometethyl) benzene, tetramethylendiisocyanate, pentamethylendiisocyanate Isocyanate, 2.4.4-trimethylhexamethylene-1 ,6-diisocyanate, 2,2,4-trimethylhexamethylene-1,6-diisocyanate, dodecamethylene diisocyanate, 1,4-diisocyanatocyclohexane, 1,3-bis(isocyanatomethyl)cyclohexane, 3-isocyanatomethyl-3,5,5-trimethylcyclohexyl isocyanate, 4 '4'-Diisocyanatodi-cyclohexylmethane and their isomers.

Die zweite Komponente kann ebenfalls ausgewählt sein aus Monomeren, Oligomeren und Präpolymeren mit mindesten zwei freien Hydroxy- oder Aminogruppen. Geeignete Monomere sind in erster Linie Alkandiole bzw. Alkandiamine, die optional zusätzlich substituiert sein können. Durch die Verwendung von Kammpolymeren mit mehreren reaktiven Hydroxy- oder Aminogruppen kann der Vernetzungs-grad und damit das durpolastische Verhalten der gebildeten Polymere beeinflusst werden.The second component can also be selected from monomers, oligomers and prepolymers with at least two free hydroxy or amino groups. Suitable monomers are primarily alkanediols or alkanediamines, which can optionally be additionally substituted. By using comb polymers with several reactive hydroxy or amino groups, the degree of crosslinking and thus the thermosetting behavior of the polymers formed can be influenced.

Die zweite Komponente ist bevorzugt ausgewählt aus hydroxy- oder aminofunktionellen Polyacrylaten, Polycarbonaten, Polyethern, Polyestern, Polylactonen, Polyolefinen, Polyamiden, Polyharnstoffen, Alkydharzen und Polyalkylsiloxanen. Diese reagieren als Präpolymere mit der ersten Komponente zu dem erfindungsgemäßen organischen Polymer. Besonders bevorzugt sind hydroxyfunktionelle Polyacrylate und Polycarbonate, die auch als Polyacrylatpolyole bzw. Polycarbonatpolyole bezeichnet werden.The second component is preferably selected from hydroxy- or amino-functional polyacrylates, polycarbonates, polyethers, polyesters, polylactones, polyolefins, polyamides, polyureas, alkyd resins and polyalkylsiloxanes. These react as prepolymers with the first component to form the organic polymer according to the invention. Hydroxy-functional polyacrylates and polycarbonates, which are also referred to as polyacrylate polyols or polycarbonate polyols, are particularly preferred.

Die eine oder mehrere Verbindungen, die als zweite Komponente eingesetzt werden, weisen bevorzugt eine molare Masse im Bereich von ca. 1.000 bis ca. 4.000 g/mol auf.The one or more compounds used as the second component preferably have a molar mass in the range from approximately 1,000 to approximately 4,000 g/mol.

Besonders günstig ist es, wenn die zweite Komponente eine oder mehrere fluorierte Verbindungen umfasst. Hierbei kann es sich um fluorierte Monomere, Oligomere oder Präpolymere mit freien Hydroxy- oder Aminogruppen handeln. Mit Hilfe von fluorierten Verbindungen besteht die vorteilhafte Möglichkeit, den Grad der Hydrophobizität der Beschichtung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte zu erhöhen bzw. gezielt einzustellen. Die hydrophoben und hydrophilen Eigenschaften der Beschichtung sind für die Wechselwirkungen mit den gasförmigen Betriebsstoffen und mit der angrenzenden Gasdiffusionslage von großer Bedeutung.It is particularly advantageous if the second component comprises one or more fluorinated compounds. These can be fluorinated monomers, oligomers or prepolymers with free hydroxy or amino groups. With the help of fluorinated compounds there is the advantageous possibility of increasing or specifically adjusting the degree of hydrophobicity of the coating of the bipolar plate according to the invention. The hydrophobic and hydrophilic properties of the coating are of great importance for the interactions with the gaseous operating fluids and with the adjacent gas diffusion layer.

Die einen oder mehreren fluorierten Verbindungen weisen vorzugsweise einen Fluorierungsgrad von 5 bis 40% auf. Über den Fluorierungsgrad kann die Hydrophobizität angepasst werden, wobei Verbindungen mit einem hohen Fluorierungsgrad auch eine besonders hohe thermische Beständigkeit aufweisen. Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit, die Hydrophobizität und andere Eigenschaften der Beschichtung anzupassen, besteht in der Verwendung von verschiedenen Verbindungen als zweite Komponente, umfassend sowohl fluorierte als auch nicht-fluorierte Verbindungen.The one or more fluorinated compounds preferably have a fluorination degrees from 5 to 40%. The hydrophobicity can be adjusted via the degree of fluorination, with compounds with a high degree of fluorination also having a particularly high thermal resistance. Another advantageous way to adjust the hydrophobicity and other properties of the coating is to use various compounds as a second component, including both fluorinated and non-fluorinated compounds.

Optional kann zwischen dem metallischen Substrat und der Beschichtung eine Haftvermittlerschicht vorgesehen sein.Optionally, an adhesion promoter layer can be provided between the metallic substrate and the coating.

Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzelle, umfassend eine oder mehrere Bipolarplatten nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Die Brennstoffzelle ist bevorzugt eine Niedertemperaturbrennstoffzelle, insbesondere für eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle.The invention further relates to a fuel cell comprising one or more bipolar plates according to one of the preceding claims. The fuel cell is preferably a low-temperature fuel cell, in particular for a polymer electrolyte fuel cell.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Brennstoffzelle sind jeweils zwei Bipolarplatten so zu einer Bipolarplatteneinheit verbunden, dass die elektrisch leitfähigen Beschichtungen auf den ersten Oberflächen nach außen weisen. Dementsprechend sind die zwei Bipolarplatten über ihre zweiten Oberflächen, die den ersten Oberflächen gegenüberliegen, miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschweißt.In a preferred embodiment of the fuel cell, two bipolar plates are connected to form a bipolar plate unit in such a way that the electrically conductive coatings on the first surfaces face outwards. Accordingly, the two bipolar plates are connected to one another, in particular welded to one another, via their second surfaces, which lie opposite the first surfaces.

Die zweite Oberfläche der erfindungsgemäßen Bipolarplatte weist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform keine Beschichtung auf. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass beide Oberflächen des metallischen Substrats im Bereich der jeweiligen Stege eine entsprechende Beschichtung aufweisen.According to a preferred embodiment, the second surface of the bipolar plate according to the invention has no coating. Alternatively, however, it can also be provided that both surfaces of the metallic substrate have a corresponding coating in the area of the respective webs.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähig beschichteten Bipolarplatte vorzuschlagen, welches einfach und kostengünstig durchzuführen ist.The invention is also based on the object of proposing a method for producing an electrically conductive coated bipolar plate, which is simple and inexpensive to carry out.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 14.This object is achieved according to the invention by a method according to claim 14.

Besondere Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte beschrieben.Particular advantages and preferred embodiments of the method according to the invention have already been described in connection with the bipolar plate according to the invention.

Unter einem „Druckverfahren“ ist in diesem Zusammenhang jedes Verfahren zu verstehen, welches die gezielte Übertragung des Beschichtungsmaterials von der Oberfläche einer Druckform auf die Oberfläche des Substrats im Bereich der Stege erlaubt. Bevorzugte Druckverfahren sind insbesondere Siebdruck, Tampondruck, Stempeldruck oder Walzapplikation.In this context, a “printing process” is any process that allows the targeted transfer of the coating material from the surface of a printing form to the surface of the substrate in the area of the webs. Preferred printing methods are, in particular, screen printing, pad printing, stamp printing or roller application.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es auf einfache Weise, eine elektrisch leitfähige Beschichtung nur auf die Stege der Prägestruktur aufzutragen, was im Vergleich zu einer vollflächigen Beschichtung des Substrats eine erhebliche Material- und Kostenersparnis bedeutet.The method according to the invention makes it possible in a simple manner to apply an electrically conductive coating only to the webs of the embossed structure, which means significant material and cost savings compared to a full-surface coating of the substrate.

Das Trocknen und/oder Aushärten des Beschichtungsmaterials wird je nach Art des verwendeten Bindemittels durchgeführt.Drying and/or curing of the coating material is carried out depending on the type of binder used.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die erste Oberfläche des metallischen Substrats vor dem Aufbringen des Beschichtungsmaterials physikalisch und/oder chemisch vorbehandelt, um eine Passivierungsschicht zu entfernen und/oder die Rauigkeit der Oberfläche zu erhöhen. Bei Verwendung eines Substrats aus Edelstahl handelt es sich bei der Passivierungsschicht insbesondere Chromoxid, welches zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit zwischen dem Substrat und der Beschichtung entfernt werden sollte. Die Erhöhung der Rauigkeit der Fläche ist ebenfalls vorteilhaft, da hierdurch die Haftung zwischen dem Substrat und der Beschichtung verbessert werden kann.According to a preferred embodiment of the method, the first surface of the metallic substrate is physically and/or chemically pretreated before the coating material is applied in order to remove a passivation layer and/or to increase the roughness of the surface. When using a stainless steel substrate, the passivation layer is in particular chromium oxide, which should be removed to improve the electrical conductivity between the substrate and the coating. Increasing the roughness of the surface is also advantageous because this can improve the adhesion between the substrate and the coating.

Die Entfernung der Passivierungsschicht, insbesondere der Chromoxidschicht, kann durch nasschemische Verfahren wie z.B. Beizen erfolgen. Dabei erfolgt eine einheitliche Vorbehandlung der gesamten Oberfläche des metallischen Substrats, d.h. im Bereich der Stege und im Bereich der Kanäle gleichermaßen.The passivation layer, in particular the chromium oxide layer, can be removed using wet chemical processes such as pickling. This involves a uniform pretreatment of the entire surface of the metallic substrate, i.e. in the area of the webs and in the area of the channels equally.

Besonders vorteilhaft ist eine Vorbehandlung der Oberfläche des metallischen Substrats mittels eines Laserverfahrens. Es hat sich gezeigt, dass mit einem Laser sehr schnell und effektiv eine Passivierungsschicht entfernt und die Rauigkeit der Oberfläche erhöht werden kann. Zudem kann eine Laservorbehandlung selektiv durchgeführt werden, d. h. es können zum Beispiel nur die Stege vorbehandelt werden, auf deren Oberfläche anschließend die Beschichtung aufgebracht wird. Zusätzlich kann auch eine selektive Vorbehandlung der Substratoberfläche im Bereich der Kanäle vorteilhaft sein, um deren Oberflächenstruktur zu modifizieren und dadurch hydrophile, hydrophobe oder superhydrophobe („Lotuseffekt“) Eigenschaften zu erzielen. Über eine entsprechende Variation der Prozessparameter ermöglicht die Laservorbehandlung somit die Erzeugung unterschiedlicher Oberflächeneigenschaften in vorgegebenen Bereichen der Bipolarplatte.Pretreatment of the surface of the metallic substrate using a laser process is particularly advantageous. It has been shown that a laser can be used to remove a passivation layer very quickly and effectively and increase the roughness of the surface. In addition, laser pretreatment can be carried out selectively, i.e. H. For example, only the webs can be pretreated, onto whose surface the coating is then applied. In addition, a selective pretreatment of the substrate surface in the area of the channels can also be advantageous in order to modify their surface structure and thereby achieve hydrophilic, hydrophobic or superhydrophobic (“lotus effect”) properties. By varying the process parameters accordingly, the laser pretreatment enables the creation of different surface properties in specified areas of the bipolar plate.

Wie vorstehend für die erste Oberfläche beschrieben, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens auch eine physikalische und/oder chemische Vorbehandlung der zweiten Oberfläche des metallischen Substrats durchgeführt werden, und zwar je nach Behandlungsverfahren vollflächig oder nur selektiv in bestimmten Bereichen. Beispielsweise kann durch eine Laserbehandlung der zweiten Oberfläche die Wärmeübertragung zwischen dem Substrat und einem Kühlmittel, welches zwischen den zwei Bipolarplatten einer Bipolarplatteneinheit durchgeleitet wird, verbessert werden.As described above for the first surface, according to a further embodiment In an embodiment of the method according to the invention, a physical and/or chemical pretreatment of the second surface of the metallic substrate can also be carried out, namely over the entire surface or only selectively in certain areas, depending on the treatment method. For example, laser treatment of the second surface can improve the heat transfer between the substrate and a coolant which is passed between the two bipolar plates of a bipolar plate unit.

Die Vorbehandlung mittels eines Lasers kann mit hohen Prozessgeschwindigkeiten durchgeführt werden. Für die Vorbehandlung einer typischen Bipolarplatte mit einer Fläche von 200 bis 600 cm² werden z.B. weniger als 10 s benötigt.Pretreatment using a laser can be carried out at high process speeds. For example, less than 10 s are required for the pretreatment of a typical bipolar plate with an area of 200 to 600 cm ² .

Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.These and other advantages of the invention are explained in more detail using the following exemplary embodiments with reference to the figures.

Es zeigen im Einzelnen:

1: schematische Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte; und
2: verschiedene Querschnittsprofile von Stegen einer erfindungsgemä-ßen Bipolarplatte.

They show in detail:

1 : schematic cross-sectional representation of a bipolar plate according to the invention; and
2 : different cross-sectional profiles of webs of a bipolar plate according to the invention.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 10, wobei nur ein kleiner Abschnitt der Bipolarplatte 10 im Querschnitt gezeigt ist. Die Bipolarplatte 10 umfasst ein metallisches Substrat 12 mit einer Prägestruktur mit Kanälen 14 und zwischen den Kanälen 14 gebildeten Stegen 16. Die Kanäle 14 der Bipolarplatte 10 bilden in ihrer Gesamtheit ein Flowfield für die Betriebsstoffe eines Brennstoffzellenstapels.The 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a bipolar plate 10 according to the invention, with only a small section of the bipolar plate 10 being shown in cross section. The bipolar plate 10 comprises a metallic substrate 12 with an embossed structure with channels 14 and webs 16 formed between the channels 14. The channels 14 of the bipolar plate 10 in their entirety form a flow field for the operating materials of a fuel cell stack.

Das metallische Substrat 12 weist eine erste Oberfläche 18 auf, die in der 1 nach oben orientiert ist, und eine zweite, gegenüberliegende Oberfläche 20, die in der 1 nach unten orientiert ist.The metallic substrate 12 has a first surface 18 which is in the 1 is oriented upwards, and a second, opposite surface 20 which is in the 1 is oriented downwards.

Die Bipolarplatte 10 umfasst ferner eine elektrisch leitfähige Beschichtung 22, wobei diese Beschichtung 22 auf der ersten Oberfläche 18 nur im Bereich der Stege 16 angeordnet ist. Im Bereich der Kanäle 14 befindet sich keine Beschichtung.The bipolar plate 10 further comprises an electrically conductive coating 22, this coating 22 being arranged on the first surface 18 only in the area of the webs 16. There is no coating in the area of the channels 14.

Die elektrisch leitfähige Beschichtung 22 umfasst ein Bindemittel und Partikel eines oder mehrerer elektrisch leitfähige Stoffe. Bevorzugte Zusammensetzungen der elektrisch leitfähigen Beschichtung 22, die im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels verwirklicht sein können, wurden oben beschrieben.The electrically conductive coating 22 includes a binder and particles of one or more electrically conductive materials. Preferred compositions of the electrically conductive coating 22 that may be implemented in this embodiment have been described above.

Auf der zweiten Oberfläche 20 des metallischen Substrats 12 ist gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel keine Beschichtung vorgesehen. Alternativ ist es im Rahmen der Erfindung jedoch möglich, eine Beschichtung auch im Bereich der dortigen Stege, d.h. gegenüber den Kanälen 14, vorzusehen.On the second surface 20 of the metallic substrate 12 is according to the in 1 No coating is provided in the exemplary embodiment shown. Alternatively, within the scope of the invention, it is possible to also provide a coating in the area of the webs there, ie opposite the channels 14.

Zur Bildung einer Bipolarplatteneinheit können zwei Bipolarplatten 10 so miteinander verbunden werden, dass die elektrisch leitfähigen Beschichtungen 22 jeweils nach außen weisen. Die Verbindung der beiden Bipolarplatten 10 erfolgt dabei über die jeweiligen zweiten Oberflächen 20, insbesondere mittels Verschweißen. Bei der Anordnung mehrerer solcher Bipolarplatteneinheiten in einem Brennstoffzellenstapel, insbesondere einer Niedertemperaturbrennstoffzelle, steht die elektrisch leitfähige Beschichtung 22 auf der ersten Oberfläche 18 der Bipolarplatte 10 dann jeweils mit einer Membran-Elektroden-Einheit in Kontakt. In dem Bereich zwischen den beiden Bipolarplatten 10 einer Bipolarplatteneinheit kann ein Kühlmittel durchgeleitet werden.To form a bipolar plate unit, two bipolar plates 10 can be connected to one another in such a way that the electrically conductive coatings 22 each point outwards. The two bipolar plates 10 are connected via the respective second surfaces 20, in particular by welding. When arranging several such bipolar plate units in a fuel cell stack, in particular a low-temperature fuel cell, the electrically conductive coating 22 on the first surface 18 of the bipolar plate 10 is then in contact with a membrane-electrode unit. A coolant can be passed through in the area between the two bipolar plates 10 of a bipolar plate unit.

Die Stege 16 der Bipolarplatte 10 können verschiedene Geometrien aufweisen. In der 2 sind verschiedene Querschnittsprofile von Stegen 16 einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 10 schematisch dargestellt, wobei zur Verdeutlichung der Geometrie die Beschichtung 22 jeweils nur auf einem der beiden in den Figuren sichtbaren Stege 16 dargestellt ist.The webs 16 of the bipolar plate 10 can have different geometries. In the 2 Various cross-sectional profiles of webs 16 of a bipolar plate 10 according to the invention are shown schematically, with the coating 22 only being shown on one of the two webs 16 visible in the figures to illustrate the geometry.

2A zeigt schematisch eine Bipolarplatte 10, bei der die erste Oberfläche 18 im Bereich der Stege 16 eben ausgebildet ist. 2A shows schematically a bipolar plate 10, in which the first surface 18 is flat in the area of the webs 16.

2B zeigt schematisch eine Bipolarplatte 10, bei der die erste Oberfläche 18 im Bereich der Stege 16 konkav ausgebildet ist. 2 B shows schematically a bipolar plate 10, in which the first surface 18 is concave in the area of the webs 16.

2C zeigt schematisch eine Bipolarplatte 10, bei der die erste Oberfläche 18 im Bereich der Stege 16 konvex, nämlich dachförmig und relativ spitz, ausgebildet ist. 2C shows schematically a bipolar plate 10, in which the first surface 18 in the area of the webs 16 is convex, namely roof-shaped and relatively pointed.

2D zeigt schematisch eine Bipolarplatte 10, bei der die erste Oberfläche 18 im Bereich der Stege 16 konvex, nämlich gewölbt, ausgebildet ist. 2D shows schematically a bipolar plate 10, in which the first surface 18 is convex, namely curved, in the area of the webs 16.

2E zeigt schematisch eine Bipolarplatte 10, bei der die erste Oberfläche 18 im Bereich der Stege 16 mit einem gewellten Profil ausgebildet ist. 2E shows schematically a bipolar plate 10, in which the first surface 18 is designed with a corrugated profile in the area of the webs 16.

BeispieleExamples

Im Folgenden sind zwei konkrete Ausführungsbeispiel für die Herstellung von elektrisch leitfähigen Beschichtungen und deren Auftragung auf das metallische Substrat einer Bipolarplatte gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.Below are two specific exemplary embodiments for the production of electrically conductive coatings and their application the metallic substrate of a bipolar plate according to the present invention is described.

Beispiel 1example 1

33 g eines fluorierten, hydroxyfunktionellen Bindemittels werden in einem doppelwandigen Edelstahlgefäß vorgelegt. An einem Dissolver werden dann unter Rühren 3,3 g eines Netz- und Dispergieradditivs (DISPERBYK-180, Fa. BYK-Chemie GmbH) sowie 167,8 g Titancarbid zugegeben. Der Ansatz wird dann bis zu einer Kornfeinheit von unter 3 µm dispergiert.33 g of a fluorinated, hydroxy-functional binder are placed in a double-walled stainless steel vessel. 3.3 g of a wetting and dispersing additive (DISPERBYK-180, BYK-Chemie GmbH) and 167.8 g of titanium carbide are then added to a dissolver while stirring. The batch is then dispersed to a grain size of less than 3 µm.

Die Mischung wird dann mit 10 g eines Hexamethylendiisocyant-Trimers (TO-LONATE HDT-LV, Fa. Vencorex France) sowie 1,4 g eines bifunktionellen Aminosilans mit Hilfe eines Speedmixers vermischt und mit einer Walze auf das metallische Substrat einer Bipolarplatte appliziert. Die Beschichtung wird bei 150 °C für 15 min in einem Umluftofen getrocknet.The mixture is then mixed with 10 g of a hexamethylene diisocyanate trimer (TO-LONATE HDT-LV, Vencorex France) and 1.4 g of a bifunctional aminosilane using a speed mixer and applied to the metallic substrate of a bipolar plate with a roller. The coating is dried at 150 °C for 15 minutes in a circulating air oven.

Beispiel 2Example 2

65,8 g eines Polyamidimides werden in einem doppelwandigen Edelstahlgefäß mit 273,4 g Wasser vorgelegt. An einem Dissolver werden dann unter Rühren 15,96 g Diethanolamin zugegeben. Sobald sich das Polyamidimid vollständig gelöst hat, wird 2,84 g eines Netz- und Dispergieradditivs (DISPERBYK-180, Fa. BYK-Chemie GmbH) zugegeben und dann 142 g Titancabrid darin dispergiert, bis zu einer Kornfeinheit von unter 3 µm.65.8 g of a polyamide imide are placed in a double-walled stainless steel vessel with 273.4 g of water. 15.96 g of diethanolamine are then added to a dissolver with stirring. As soon as the polyamideimide has completely dissolved, 2.84 g of a wetting and dispersing additive (DISPERBYK-180, BYK-Chemie GmbH) is added and then 142 g of titanium cabrid are dispersed in it to a grain fineness of less than 3 µm.

Der Lack wird mit einer Walze auf das metallische Substrat einer Bipolarplatte appliziert. Die Beschichtung wird bei 285 °C für 15 min in einem Umluftofen getrocknet.The paint is applied to the metallic substrate of a bipolar plate with a roller. The coating is dried at 285 °C for 15 minutes in a circulating air oven.

BezugszeichenlisteReference symbol list

1010: BipolarplatteBipolar plate
1212: metallisches Substratmetallic substrate
1414: Kanälechannels
1616: StegeBridges
1818: erste Oberflächefirst surface
2020: zweite Oberflächesecond surface
2222: elektrisch leitfähige Beschichtungelectrically conductive coating

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2469634 B1 [0006]EP 2469634 B1 [0006]
WO 2009089376 A [0006]WO 2009089376 A [0006]
EP 2157645 B1 [0006]EP 2157645 B1 [0006]
WO 2009065545 A1 [0007]WO 2009065545 A1 [0007]
WO 2009108102 A1 [0007]WO 2009108102 A1 [0007]
CA 2688483 A1 [0007]CA 2688483 A1 [0007]
US 5624769 A [0007]US 5624769 A [0007]
DE 102014016186 A1 [0007]DE 102014016186 A1 [0007]
US 8852827 B2 [0008]US 8852827 B2 [0008]
DE 102019127626 A1 [0026]DE 102019127626 A1 [0026]

Claims

Bipolarplatte (10) für eine Niedertemperaturbrennstoffzelle, insbesondere für eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle, umfassend ein metallisches Substrat (12), wobei das Substrat eine Prägestruktur mit Kanälen (14) und zwischen den Kanälen befindlichen Stegen (16) aufweist; und eine elektrisch leitfähige Beschichtung (22), wobei die Beschichtung auf einer ersten Oberfläche (18) des Substrats nur im Bereich der Stege angeordnet ist, und wobei die Beschichtung ein Bindemittel und Partikel eines oder mehrerer elektrisch leitfähiger Füllstoffe umfasst.Bipolar plate (10) for a low-temperature fuel cell, in particular for a polymer electrolyte fuel cell, comprising a metallic substrate (12), the substrate having an embossed structure with channels (14) and webs (16) located between the channels; and an electrically conductive coating (22), wherein the coating is arranged on a first surface (18) of the substrate only in the region of the webs, and wherein the coating comprises a binder and particles of one or more electrically conductive fillers.

Bipolarplatte nach Anspruch 1, wobei das metallische Substrat aus Edelstahl gebildet ist, oder aus einer Legierung auf Basis von Aluminium, Nickel, Kupfer, Titan und/oder Tantal.Bipolar plate after Claim 1 , wherein the metallic substrate is formed from stainless steel, or from an alloy based on aluminum, nickel, copper, titanium and / or tantalum.

Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Oberfläche im Bereich der Stege im Querschnitt konkav, eben oder konvex ausgebildet sind, vorzugsweise konkav.Bipolar plate according to one of the preceding claims, wherein the first surface in the area of the webs is concave, flat or convex in cross section, preferably concave.

Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrisch leitfähige Beschichtung eine Dicke von ca. 2 bis ca. 200 µm aufweist, bevorzugt von ca. 5 bis ca. 100 µm, weiter bevorzugt von ca. 10 bis ca. 20 µm.Bipolar plate according to one of the preceding claims, wherein the electrically conductive coating has a thickness of approximately 2 to approximately 200 µm, preferably from approximately 5 to approximately 100 µm, more preferably from approximately 10 to approximately 20 µm.

Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der oder die elektrisch leitfähigen Füllstoffe ausgewählt sind aus elektrisch leitfähigen Keramikmaterialien auf Basis von Silikaten, Oxiden, Carbiden, Nitriden, Boriden und Siliciden, insbesondere von Übergangsmetallen wie Titan, Zirkonium und Wolfram.Bipolar plate according to one of the preceding claims, wherein the electrically conductive filler or fillers are selected from electrically conductive ceramic materials based on silicates, oxides, carbides, nitrides, borides and silicides, in particular transition metals such as titanium, zirconium and tungsten.

Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikel des oder der elektrisch leitfähigen Füllstoffe eine Oberflächenmodifizierung aufweisen, insbesondere eine Funktionalisierung durch Hydroxygruppen, Carbonsäuregruppen, Aminogruppen, Aldehydgruppen, Carbonylgruppen und/oder Silanresten.Bipolar plate according to one of the preceding claims, wherein the particles of the electrically conductive fillers have a surface modification, in particular a functionalization by hydroxy groups, carboxylic acid groups, amino groups, aldehyde groups, carbonyl groups and / or silane residues.

Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikel des oder der elektrisch leitfähigen Füllstoffe eine Partikelgrößenverteilung aufweisen, deren Medianwert D₅₀ im Bereich von ca. 40% bis ca. 60% der Dicke der Beschichtung liegt.Bipolar plate according to one of the preceding claims, wherein the particles of the electrically conductive filler or fillers have a particle size distribution whose median value D ₅₀ is in the range from approximately 40% to approximately 60% of the thickness of the coating.

Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anteil des oder der elektrisch leitfähigen Füllstoffe in dem Bindemittel mindestens einer zum Erreichen einer Perkolationsschwelle notwendigen Partikelvolumenkonzentration entspricht, und bevorzugt diese um ca. 1 bis ca. 5% übersteigt.Bipolar plate according to one of the preceding claims, wherein the proportion of the electrically conductive filler(s) in the binder corresponds to at least one particle volume concentration necessary to achieve a percolation threshold, and preferably exceeds this by approximately 1 to approximately 5%.

Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bindemittel ausgewählt ist aus Polyesterharzen, Alkydharzen, ungesättigten Polyesterharzen, Amidoharzen, Aminoharzen, Phenolharzen, Ketonharzen, Aldehydharzen, Polyamiden, Polyamidimiden, Polyisocyanatharzen, Polyurethanharzen, Epoxidharzen, Acrylatharzen, Silikonharzen, Kautschukharzen, modifizierten Naturharzen, Polysulfiden, Polyphenylensulfiden, Polysulfonharzen, Polyimidharzen, Polyaspiranharzen, Polyethern, Polyphenylenen, Polyoxadiazolen, Polybenzoxazolen, Polyoxazolinen, Piperidinharzen, Polycyanatesterharzen, Polysilazanen sowie deren Copolymerisaten und Mischungen, wobei das Bindemittel bevorzugt ein Polyamidimid umfasst.Bipolar plate according to one of the preceding claims, wherein the binder is selected from polyester resins, alkyd resins, unsaturated polyester resins, amido resins, amino resins, phenolic resins, ketone resins, aldehyde resins, polyamides, polyamideimides, polyisocyanate resins, polyurethane resins, epoxy resins, acrylate resins, silicone resins, rubber resins, modified natural resins, polysulfides , polyphenylene sulfides, polysulfone resins, polyimide resins, polyaspiran resins, polyethers, polyphenylenes, polyoxadiazoles, polybenzoxazoles, polyoxazolines, piperidine resins, polycyanate ester resins, polysilazanes and their copolymers and mixtures, the binder preferably comprising a polyamideimide.

Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Bindemittel ein organisches Polymer umfasst, welches durch chemische Reaktion von mindestens zwei Komponenten gebildet ist, umfassend als erste Komponente eine bi- oder polyfunktionelle Isocyanat-Verbindung und als zweite Komponente eine oder mehrere Verbindungen mit mindestens zwei freien Hydroxy- oder Aminogruppen.Bipolar plate according to one of the Claims 1 until 8th , wherein the binder comprises an organic polymer which is formed by chemical reaction of at least two components, comprising as the first component a bi- or polyfunctional isocyanate compound and as the second component one or more compounds with at least two free hydroxy or amino groups.

Bipolarplatte nach Anspruch 10, wobei die erste Komponente ein bi- oder polyfunktionelles Isocyanat-Monomer ist, ein Oligomer aus polyfunktionellen Isocyanat-Monomeren, oder ein Präpolymer aus polyfunktionellen Isocyanat-Monomeren und bi- oder polyfunktionellen Alkoholen oder Aminen, und wobei das Isocyanat-Monomer bevorzugt ausgewählt ist aus Diphenylmethan-2,2'-diisocyanat, Diphenylmethan-2,4'-diisocyanat, Diphenylmethan-4,4'-diisocyanat, Toluol-2,6-diisocyanat, Toluol-2,4-diisocyanat, Tetramethylxylylendiisocyanat, 1,4-Diisocyanatobenzol, 1,4-Bis(isocyanatomethyl)benzol, 1,3-Bis(isocyanatomethyl) benzol, Tetramethylendiisocyanat, Pentamethylendiisocyanat, Hexamethylendiisocyanat, 2,4,4-Trimethylhexamethylen-1,6-diisocyanat, 2,2,4-Trimethylhexamethylen-1,6-diisocyanat, Dodecamethylendiisocyanat, 1,4-Diisocyanatocyclohexan, 1,3-Bis(isocyanatomethyl)-cyclohexan, 3-Isocyanatmethyl-3,5,5-trimethylcyclohexylisocyanat, 4,4'-Diisocyanatodicyclohexylmethan und deren Isomeren.Bipolar plate after Claim 10 , wherein the first component is a bi- or polyfunctional isocyanate monomer, an oligomer of polyfunctional isocyanate monomers, or a prepolymer of polyfunctional isocyanate monomers and di- or polyfunctional alcohols or amines, and wherein the isocyanate monomer is preferably selected from Diphenylmethane 2,2'-diisocyanate, diphenylmethane 2,4'-diisocyanate, diphenylmethane 4,4'-diisocyanate, toluene 2,6-diisocyanate, toluene 2,4-diisocyanate, tetramethylxylylene diisocyanate, 1,4-diisocyanatobenzene , 1,4-bis(isocyanatomethyl)benzene, 1,3-bis(isocyanatomethyl)benzene, tetramethylene diisocyanate, pentamethylene diisocyanate, hexamethylene diisocyanate, 2,4,4-trimethylhexamethylene-1,6-diisocyanate, 2,2,4-trimethylhexamethylene-1 ,6-diisocyanate, dodecamethylene diisocyanate, 1,4-diisocyanatocyclohexane, 1,3-bis(isocyanatomethyl)cyclohexane, 3-isocyanatomethyl-3,5,5-trimethylcyclohexyl isocyanate, 4,4'-diisocyanatodicyclohexylmethane and their isomers.

Bipolarplatte nach Anspruch 10 oder 11, wobei die zweite Komponente ausgewählt ist aus Monomeren, Oligomeren und Präpolymeren mit mindestens zwei freien Hydroxy- oder Aminogruppen, insbesondere aus hydroxy- oder aminofunktionellen Polyacrylaten, Polycarbonaten, Polyethern, Polyestern, Polylactonen, Polyolefinen, Polyamiden, Polyharnstoffen, Alkydharzen und Polyalkylsiloxanen, und/oder wobei die zweite Komponente eine oder mehrere fluorierte Verbindung umfasst, bevorzugt mit einem Fluorierungsgrad von 5 bis 40%.Bipolar plate after Claim 10 or 11 , wherein the second component is selected from monomers, oligomers and prepolymers with at least two free hydroxy or amino groups, in particular from hydroxy or amino functional polyacrylates, polycarbonates, polyethers, polyesters, polylactones, polyolefins, polyamides, polyureas, alkyd resins and polyalkylsiloxanes, and / or wherein the second component comprises one or more fluorinated compounds, preferably with a degree of fluorination of 5 to 40%.

Brennstoffzelle, umfassend eine oder mehrere Bipolarplatten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bevorzugt jeweils zwei Bipolarplatten so zu einer Bipolarplatteneinheit verbunden sind, dass die elektrisch leitfähigen Beschichtungen nach außen weisen.Fuel cell, comprising one or more bipolar plates according to one of the preceding claims, wherein preferably two bipolar plates are connected to form a bipolar plate unit in such a way that the electrically conductive coatings face outwards.

Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines metallischen Substrats (12), wobei das Substrat eine Prägestruktur mit Kanälen (14) und zwischen den Kanälen befindlichen Stegen (16) aufweist; - Aufbringen eines Beschichtungsmaterials auf eine erste Oberfläche (18) des Substrats nur im Bereich der Stege mittels eines Druckverfahrens, wobei das Beschichtungsmaterial ein Bindemittel und Partikel eines oder mehrerer elektrisch leitfähiger Füllstoffe umfasst; und - Trocknen und/oder Aushärten des Beschichtungsmaterials, um eine elektrisch leitfähige Beschichtung (22) auf dem metallischen Substrat zu erhalten.Method for producing a bipolar plate (10) according to one of Claims 1 until 12 , comprising the steps: - providing a metallic substrate (12), the substrate having an embossed structure with channels (14) and webs (16) located between the channels; - applying a coating material to a first surface (18) of the substrate only in the area of the webs by means of a printing process, the coating material comprising a binder and particles of one or more electrically conductive fillers; and - drying and/or curing the coating material to obtain an electrically conductive coating (22) on the metallic substrate.

Verfahren nach Anspruch 14, wobei die erste Oberfläche (18) und/oder die zweite Oberfläche (20) des metallischen Substrats vor dem Aufbringen des Beschichtungsmaterials physikalisch und/oder chemisch vorbehandelt wird, um eine Passivierungsschicht zu entfernen und/oder die Rauigkeit der Oberfläche zu erhöhen, insbesondere mittels eines Laserverfahrens.Procedure according to Claim 14 , wherein the first surface (18) and/or the second surface (20) of the metallic substrate is physically and/or chemically pretreated before the coating material is applied in order to remove a passivation layer and/or to increase the roughness of the surface, in particular by means of a laser procedure.