DE102021113591A1 - METHOD FOR FORMING A HYDROPHILIC SURFACE ON A GRAPHITE-CONTAINING MATERIAL AND METHOD FOR MANUFACTURING A BIPOLAR PLATE AND BIPOLAR PLATE AND FUEL CELL RESPECTIVELY. FLOW BATTERY WITH THE SAME - Google Patents

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Sören Baumann
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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Ausbilden einer hydrophilen Oberfläche (3) auf einem graphithaltigen Werkstoff (7) beschrieben, wobei die hydrophil auszubildende Oberfläche (3) mit einem gepulsten Laser (11) mit einer Leistungsdichte vom mindestens 0,5 MW/mm2bestrahlt wird. Mithilfe des Verfahrens kann beispielsweise eine Bipolarplatte (1) in Teilbereichen (9) ihrer Oberfläche (3) in einfacher Weise und mit geringem apparativem Aufwand hydrophil ausgestaltet werden.A method for forming a hydrophilic surface (3) on a graphite-containing material (7) is described, the surface (3) to be formed hydrophilic being irradiated with a pulsed laser (11) with a power density of at least 0.5 MW/mm2. Using the method, for example, a bipolar plate (1) can be made hydrophilic in partial areas (9) of its surface (3) in a simple manner and with little outlay on equipment.

Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer hydrophilen Oberfläche auf einem graphithaltigen Werkstoff. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Fertigen einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle oder einer Flussbatterie. Außerdem betrifft die Erfindung eine Bipolarplatte sowie eine Energiespeicheranordnung beispielsweise in Form einer Brennstoffzelle oder einer Flussbatterie.The present invention relates to a method for forming a hydrophilic surface on a graphite-containing material. Furthermore, the invention relates to a method for manufacturing a bipolar plate of a fuel cell or a flow battery. The invention also relates to a bipolar plate and an energy storage arrangement, for example in the form of a fuel cell or a flow battery.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Graphithaltige Werkstoffe können in verschiedensten Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise um damit unterschiedliche Bauelemente auszubilden. Dabei können physikalische Eigenschaften des darin enthaltenen Graphits wie beispielsweise dessen hohe elektrische Leitfähigkeit, mechanischen Eigenschaften, thermische Stabilität und/oder chemische Stabilität vorteilhaft genutzt werden.Materials containing graphite can be used in a wide variety of applications, for example to form different components. In this case, physical properties of the graphite contained therein, such as its high electrical conductivity, mechanical properties, thermal stability and/or chemical stability, can be advantageously used.

Bei manchen Anwendungen kann es hierbei vorteilhaft sein, wenn eine Oberfläche eines mit einem graphithaltigen Werkstoff hergestellten Bauelements bestimmte physikalische Eigenschaften bei einem Kontakt mit anderen Materialien aufweist. Insbesondere kann es für manche Anwendungen vorteilhaft sein, wenn diese Oberfläche hydrophil ist, d.h. mit Wasser stark wechselwirkt und sich somit von Wasser gut benetzen lässt.In some applications, it can be advantageous here if a surface of a component produced with a graphite-containing material has certain physical properties when it comes into contact with other materials. In particular, it can be advantageous for some applications if this surface is hydrophilic, i.e. interacts strongly with water and can therefore be easily wetted by water.

Nachfolgend werden Ausführungsformen eines Verfahrens zum Ausbilden einer hydrophilen Oberfläche auf einem graphithaltigen Werkstoff sowie damit erzielbare physikalische Eigenschaften und/oder Vorteile ausführlich mit Bezug auf ein Ausbilden einer hydrophilen Oberfläche an einer mit graphithaltigem Werkstoff gebildeten Bipolarplatte, wie sie in einer Brennstoffzelle oder einer Flussbatterie zum Einsatz kommen kann, beschrieben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen des hierin beschriebenen Verfahrens auch bei der Fertigung anderer Bauelemente, bei denen zumindest Teiloberflächen hydrophil ausgebildet sein sollen, zum Einsatz kommen können.Embodiments of a method for forming a hydrophilic surface on a graphite-containing material and physical properties and/or advantages that can be achieved therewith are detailed below with reference to forming a hydrophilic surface on a bipolar plate formed with graphite-containing material, such as is used in a fuel cell or a flow battery can come, described. However, it is pointed out that embodiments of the method described herein can also be used in the production of other components in which at least partial surfaces are to be made hydrophilic.

Bipolarplatten sollen für Brennstoffzellen, die zu Stapeln geschichtet einen Kern eines Brennstoffzellensystems bilden, mehrere verschiedene Aufgaben erfüllen. Einerseits sollen sie benachbarte Brennstoffzellen miteinander verbinden, d.h. eine Anode einer Zelle mit einer Kathode einer benachbarten Zelle physikalisch und elektrisch leitend verbinden. Andererseits soll über eine Fläche der Bipolarplatte eine Gasverteilung hin zu Reaktionsräumen innerhalb der Brennstoffzellen erfolgen können, das heißt die Bipolarplatte soll Reaktionsgase in Reaktionszonen leiten. Die Bipolarplatte weist hierzu typischerweise auf beiden Seiten Strömungsprofile (sogenannte Flowfields) auf, die urgeformt und/oder umgeformt, d.h. zum Beispiel gefräst oder eingepresst, sein können und durch die auf der einen Seite Wasserstoff strömt und auf der anderen Seite Luft zugeführt wird. Die Bipolarplatte regelt hierbei im Allgemeinen auch eine Abfuhr von Wasserdampf beziehungsweise Abgabe von thermischer und elektrischer Energie. Außerdem soll die Bipolarplatte ferner für eine Gastrennung zwischen angrenzenden Zellen, für eine Dichtung nach außen und gegebenenfalls für eine Kühlung sorgen.Bipolar plates are intended to fulfill several different tasks for fuel cells which, when stacked, form a core of a fuel cell system. On the one hand, they should connect neighboring fuel cells with one another, i.e. physically and electrically conductively connect an anode of a cell to a cathode of a neighboring cell. On the other hand, it should be possible for gas to be distributed over a surface of the bipolar plate to reaction spaces within the fuel cells, ie the bipolar plate should conduct reaction gases into reaction zones. For this purpose, the bipolar plate typically has flow profiles (so-called flow fields) on both sides, which can be primary formed and/or formed, i.e. milled or pressed in, for example, and through which hydrogen flows on one side and air is supplied on the other side. In this case, the bipolar plate generally also regulates the removal of water vapor or the release of thermal and electrical energy. In addition, the bipolar plate should also ensure gas separation between adjacent cells, a seal to the outside and, if necessary, cooling.

Um den an sie gestellten Anforderungen gerecht werden zu können, sollten zumindest Teile der Oberfläche der Bipolarplatte möglichst gut von Wasser benetzt werden können, d.h. stark hydrophil sein. Beispielsweise sollte die Bipolarplatte anodenseitig, d.h. brenngasseitig, eine gleichmäßige Befeuchtung einer Elektrode und einer Membran in der Brennstoffzelle ermöglichen. Kathodenseitig, d.h. sauerstoffseitig, sollte Wasser, welches bei einer Reaktion innerhalb der Brennstoffzelle entsteht, effektiv abgeführt werden können, da dieses ansonsten ein Porensystem in der Elektrode und/oder Luftkanäle in der Bipolarplatte blockieren kann. Indem zugehörige Bereiche der Oberfläche der Bipolarplatte hydrophil ausgebildet werden und somit sehr gute Benetzungseigenschaften aufweisen, kann erreicht werden, dass Wasser nicht mehr tropfenförmig vorliegt, sondern einen Oberflächenfilm ausbildet und dann beispielsweise mit einem Gasstrom leicht ausgetragen werden kann.In order to be able to meet the requirements placed on them, at least parts of the surface of the bipolar plate should be able to be wetted by water as well as possible, i.e. they should be highly hydrophilic. For example, the bipolar plate should enable uniform humidification of an electrode and a membrane in the fuel cell on the anode side, i.e. on the fuel gas side. On the cathode side, i.e. on the oxygen side, water that is produced during a reaction within the fuel cell should be able to be removed effectively, since this can otherwise block a pore system in the electrode and/or air channels in the bipolar plate. By making associated areas of the surface of the bipolar plate hydrophilic and thus having very good wetting properties, it can be achieved that water is no longer present in the form of drops but forms a surface film and can then be easily removed, for example, with a gas stream.

Es sind verschiedene Ansätze bekannt, um Oberflächen von Werkstoffen hydrophil auszubilden.Various approaches are known for making the surfaces of materials hydrophilic.

Beispielsweise kann eine Oberfläche mit einem hydrophil wirkenden Material beschichtet werden. Als Beschichtungsmaterialien eignen sich beispielsweise polare Polymere.For example, a surface can be coated with a hydrophilic material. Polar polymers, for example, are suitable as coating materials.

Eine weitere Möglichkeit zur Ausbildung einer hydrophilen Oberfläche besteht in einer Behandlung mit einem Siloxan-haltigen Plasma, wodurch ähnlich wie bei einer Beschichtung oder einer Oberflächenmodifikation eine sehr dünne Schicht aus pyrogener Kieselsäure erzeugt wird.Another way to form a hydrophilic surface is to treat it with a siloxane-containing plasma, which produces a very thin layer of pyrogenic silica, similar to a coating or surface modification.

Eine häufig eingesetzte weitere Möglichkeit besteht in der direkten Oxidation der hydrophil auszubildende Oberfläche. Hierzu können verschiedene Verfahren zum Einsatz kommen wie beispielsweise eine nasschemische Oxidation mit stark oxidierenden Säuren oder Wasserstoffperoxid, eine trockene Oxidation in der Gasphase beispielsweise mit Fluor oder Schwefeltrioxid, eine atmosphärische Plasmabehandlung, eine Niederdruck-Plasmabehandlung oder eine Corona-Behandlung.Another option that is frequently used is the direct oxidation of the surface to be made hydrophilic. Various methods can be used for this, such as wet-chemical oxidation with strongly oxidizing acids or hydrogen peroxide, dry oxidation in the gas phase, for example with fluorine or sulfur trioxide, and atmospheric plasma treatment, a low-pressure plasma treatment or a corona treatment.

Die bekannten Ansätze gehen jedoch meist mit Nachteilen oder allenfalls aufwendig zu überwindenden Problemstellungen einher. Beispielsweise kann eine auf die Oberfläche einer Bipolarplatte aufgebrachte Schicht einen elektrischen Kontaktwiderstand an der Oberfläche der Bipolarplatte erhöhen. Außerdem kann sich eine gleichmäßige Beschichtung von zum Teil sehr filigranen Strukturen an der Oberfläche der Bipolarplatte schwierig gestalten. Auch eine dauerhafte und zuverlässige Haftung der Beschichtung an der Oberfläche der Bipolarplatte kann schwierig zu erreichen sein. Eine Oxidation mit stark toxischen Gasen wie Fluor oder Schwefeltrioxid kann hohe Anforderungen an hierbei einzusetzende Gerätschaften mit sich bringen, da eine solche Behandlung im Allgemeinen ausschließlich in hermetisch abgeschlossenen Systemen durchgeführt werden sollte. Bei manchen der oben genannten Verfahren wie beispielsweise der Plasma-Behandlung oder der Corona-Behandlung wird zwar direkt nach der Behandlung eine oft zufriedenstellende Hydrophilie erkannt, allerdings wurde häufig beobachtet, dass diese Hydrophilie nicht zeitlich stabil ist und beispielsweise nur über wenige Stunden oder Tage anhält. Außerdem ist es mit vielen der bekannten Verfahren schwierig, kleinflächige Teilbereiche einer Oberfläche gezielt lokal hydrophil auszubilden, beispielsweise indem hierbei andere Teilbereiche aufwendig maskiert werden.However, the known approaches are usually accompanied by disadvantages or problems that are difficult to overcome. For example, a layer applied to the surface of a bipolar plate can increase electrical contact resistance at the surface of the bipolar plate. In addition, a uniform coating of sometimes very filigree structures on the surface of the bipolar plate can be difficult. Permanent and reliable adhesion of the coating to the surface of the bipolar plate can also be difficult to achieve. Oxidation with highly toxic gases such as fluorine or sulfur trioxide can place high demands on the equipment to be used, since such treatment should generally only be carried out in hermetically sealed systems. In some of the methods mentioned above, such as plasma treatment or corona treatment, often satisfactory hydrophilicity is recognized immediately after the treatment, but it has often been observed that this hydrophilicity is not stable over time and, for example, only lasts for a few hours or days . In addition, it is difficult with many of the known methods to make small-area sub-areas of a surface specifically hydrophilic locally, for example in that other sub-areas are masked in a complex manner.

In der EP 2 615 675 A1 und der EP 2 960 973 A1 sind Verfahren zum Herstellen von Brennstoffzellenseparatoren beschrieben, bei denen eine Oberfläche zunächst gezielt aufgeraut und anschließend mit einem Laser bestrahlt wird. Die beschriebenen Verfahren benötigen im Allgemeinen mehrere Verfahrensschritte. Somit sind die Verfahren aufwendig durchzuführen bzw. erfordern signifikanten apparativen Aufwand.In the EP 2 615 675 A1 and the EP 2 960 973 A1 describes methods for producing fuel cell separators in which a surface is first roughened in a targeted manner and then irradiated with a laser. The processes described generally require several process steps. The processes are therefore complicated to carry out or require significant outlay in terms of equipment.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG UND VORTEILHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMENSUMMARY OF THE INVENTION AND ADVANTAGEOUS EMBODIMENTS

Es kann ein Bedarf an einem Verfahren zum Ausbilden einer hydrophilen Oberfläche auf einem graphithaltigen Werkstoff bestehen, mithilfe dessen zumindest einige der eingangs genannten Nachteile bzw. Problemstellungen herkömmlich bekannter Ansätze vermieden bzw. verringert werden können. Insbesondere kann ein Bedarf an einem solchen Verfahren bestehen, bei dem ein aus dem graphithaltigen Werkstoff hergestelltes Bauelement an seiner Oberfläche einen geringen elektrischen Kontaktwiderstand aufweist, bei dem auch filigrane Oberflächenstrukturen hydrophil ausgebildet werden können, bei dem keine stark toxischen Stoffe oder Katalysatorgifte eingesetzt werden brauchen, bei dem eine Hydrophilie langzeitstabil erzeugt werden kann und/oder welches einfach, mit geringem apparativem Aufwand und/oder kostengünstig durchzuführen ist. Ferner kann ein Bedarf an einem Verfahren zum Fertigen einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle oder einer Flussbatterie bestehen, bei dem durch Einsatz des hierin beschriebenen Verfahrens Teilbereiche der Bipolarplatte hydrophil ausgestattet werden. Ferner kann ein Bedarf an einer entsprechend zu fertigenden Bipolarplatte sowie einer Energiespeicheranordnung beispielsweise in Form einer Brennstoffzelle oder einer Flussbatterie bestehen.There may be a need for a method for forming a hydrophilic surface on a graphite-containing material, with the aid of which at least some of the disadvantages or problems of conventionally known approaches mentioned at the outset can be avoided or reduced. In particular, there may be a need for such a method in which a component made from the graphite-containing material has a low electrical contact resistance on its surface, in which even filigree surface structures can be made hydrophilic, in which no highly toxic substances or catalyst poisons need to be used, in which hydrophilicity can be generated with long-term stability and/or which can be carried out easily, with little outlay on equipment and/or inexpensively. Furthermore, there may be a need for a method for manufacturing a bipolar plate of a fuel cell or a flow battery, in which partial areas of the bipolar plate are made hydrophilic by using the method described herein. Furthermore, there may be a need for a correspondingly manufactured bipolar plate and an energy storage arrangement, for example in the form of a fuel cell or a flow battery.

Einem solchen Bedarf kann mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche entsprochen werden. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert sowie in der nachfolgenden Beschreibung beschrieben und in den Figuren dargestellt.Such a need can be met with the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments are defined in the dependent claims and described in the following description and illustrated in the figures.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer hydrophilen Oberfläche auf einem graphithaltigen Werkstoff, wobei die hydrophil auszubildende Oberfläche mit einem gepulsten Laser mit einer Leistungsdichte vom mindestens 0,5 MW/mm2, vorzugsweise mindestens 1 MW/mm2 oder mindestens 2 MW/mm2, bestrahlt wird.A first aspect of the invention relates to a method for forming a hydrophilic surface on a graphite-containing material, the surface to be formed hydrophilic being treated with a pulsed laser with a power density of at least 0.5 MW/mm 2 , preferably at least 1 MW/mm 2 or at least 2 MW/mm 2 .

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigen einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle oder einer Flussbatterie, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines plattenartigen Substrats, welches zumindest angrenzend an eine freiliegende Oberfläche des Substrates aus einem graphithaltigen Werkstoff besteht, und Ausbilden zumindest von Teilbereichen der freiliegenden Oberfläche als hydrophile Oberfläche mittels des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung.A second aspect of the invention relates to a method for manufacturing a bipolar plate of a fuel cell or a flow battery, the method comprising: providing a plate-like substrate which consists of a graphite-containing material at least adjacent to an exposed surface of the substrate, and forming at least partial areas of the exposed Surface as hydrophilic surface by the method according to an embodiment of the first aspect of the invention.

Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle oder einer Flussbatterie, welche mithilfe eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform des zweiten Aspekts der Erfindung gefertigt ist.A third aspect of the invention relates to a bipolar plate of a fuel cell or a flow battery, which is manufactured using a method according to an embodiment of the second aspect of the invention.

Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft eine Energiespeicheranordnung, insbesondere in Form einer Brennstoffzelle oder einer Flussbatterie, mit einer Bipolarplatte gemäß einer Ausführungsform des dritten Aspekts der Erfindung.A fourth aspect of the invention relates to an energy storage arrangement, in particular in the form of a fuel cell or a flow battery, with a bipolar plate according to an embodiment of the third aspect of the invention.

Ohne den Umfang der Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken, können Ideen und mögliche Merkmale zu Ausführungsformen der Erfindung unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.Without limiting the scope of the invention in any way, ideas and possible features relating to embodiments of the invention can be considered, inter alia, to be based on the thoughts and findings described below.

Kurz und grob zusammengefasst kann ein Grundgedanke zu der hierin beschriebenen Idee darin gesehen werden, dass überraschenderweise beobachtet wurde, dass die Oberfläche eines graphithaltigen Werkstoffs hydrophile Eigenschaften ausbildet, wenn sie mit einem gepulsten Laser mit einer verhältnismäßig hohen Leistungsdichte bestrahlt wird. Zwar wurden graphithaltige Werkstoffe auch bisher bereits unter Zuhilfenahme von Lasern bearbeitet, allerdings wurden hierbei Laser eingesetzt, deren Leistungsdichte deutlich geringer war als diejenige der Laser, die für die hierin beschriebene Erfindung eingesetzt werden sollen. Bei der Behandlung mit solchen leistungsärmeren Lasern bildeten die im Allgemeinen ohnehin eher hydrophoben Oberflächen des graphithaltigen Werkstoffs im Regelfall noch eine verstärkte Hydrophobie aus. Es war daher nicht zu erwarten, dass die mit einem Laser bestrahlte Oberfläche eines graphithaltigen Werkstoffs durch eine geeignete Wahl von Eigenschaften des hierzu eingesetzten Lasers nicht verstärkt hydrophob sondern sogar hydrophil ausbilden würde.Briefly and roughly summarized, a basic idea for the idea described here can be seen in the fact that it was surprisingly observed that the surface of a graphite-containing material develops hydrophilic properties when it is irradiated with a pulsed laser with a relatively high power density. Although materials containing graphite have also previously been processed with the aid of lasers, lasers were used here whose power density was significantly lower than that of the lasers that are to be used for the invention described herein. When treated with such low-power lasers, the surfaces of the graphite-containing material, which are generally hydrophobic in any case, developed increased hydrophobicity as a rule. It was therefore not to be expected that the surface of a graphite-containing material irradiated with a laser would not become more hydrophobic but even hydrophilic due to a suitable choice of properties of the laser used for this purpose.

Nachfolgend werden mögliche Details zu Ausgestaltungen der hierin vorgeschlagenen Verfahren und Produkte erläutert.Possible details on configurations of the methods and products proposed herein are explained below.

Graphit bietet als kohlenstoffhaltiges Material für viele Anwendungszwecke vorteilhafte Eigenschaften. Für die Verwendung beispielsweise in Bipolarplatten bietet Graphit eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit zusammen mit einer hohen thermischen Belastbarkeit und einer ausreichend hohen mechanischen Festigkeit.As a carbonaceous material, graphite offers advantageous properties for many applications. For use in bipolar plates, for example, graphite offers very high electrical conductivity together with high thermal resilience and sufficiently high mechanical strength.

Zur Bildung von Bauelementen wie zum Beispiel Bipolarplatten werden unter anderem graphithaltige Werkstoffe eingesetzt, bei denen Graphitpartikel in einer Polymermatrix eingebettet sind. Die Graphitpartikel geben dem Werkstoff gewünschte elektrische und/oder thermische Eigenschaften. Die Polymermatrix dient unter anderem dazu, die Graphitpartikel mechanisch zusammen zu halten und die Last im Bauteil zu übertragen. Die Polymermatrix kann beispielsweise ein Epoxidharz enthalten. Die Graphitpartikel wirken somit als Füllstoff und die Polymermatrix als eine Art Bindemittel. In dem Werkstoffgemisch können neben Graphitpartikeln und Polymeren noch weitere Bestandteile enthalten sein, beispielsweise in Form von Ruß, weiteren Bindemitteln oder ähnlichem.Materials containing graphite, in which graphite particles are embedded in a polymer matrix, are used to form components such as bipolar plates, for example. The graphite particles give the material desired electrical and/or thermal properties. The polymer matrix serves, among other things, to hold the graphite particles together mechanically and to transfer the load in the component. The polymer matrix can contain an epoxy resin, for example. The graphite particles thus act as a filler and the polymer matrix as a kind of binder. In addition to graphite particles and polymers, the mixture of materials can also contain other components, for example in the form of carbon black, other binders or the like.

Vorteilhafterweise kann der graphithaltige Werkstoff einen Graphitanteil von mindestens 60 %, vorzugsweise mindestens 70 % oder sogar mindestens 80 %, aufweisen. Die Prozentangaben können sich hierbei auf das Volumen beziehen. Aufgrund des hohen Graphitanteils kann der Werkstoff unter anderem eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit bieten, wie sie insbesondere bei einer Verwendung zur Ausbildung von Bipolarplatten vorteilhaft ist.The graphite-containing material can advantageously have a graphite content of at least 60%, preferably at least 70% or even at least 80%. The percentages here can relate to the volume. Due to the high proportion of graphite, the material can, among other things, offer very good electrical conductivity, which is particularly advantageous when used to form bipolar plates.

Beispiele und mögliche Eigenschaften von graphithaltigen Werkstoffen sind unter anderem in der früheren Patentanmeldung PCT/EP2020/078489 der Anmelderin beschrieben. Die dort beschriebenen graphithaltigen Werkstoffe können in Ausführungsformen der hierin beschriebenen Verfahren bearbeitet und an ihrer Oberfläche hydrophil ausgebildet werden. Der Inhalt der früheren Patentanmeldung wird hierin durch Inbezugnahme vollumfänglich aufgenommen.Examples and possible properties of graphite-containing materials are inter alia in the earlier patent application PCT/EP2020/078489 described by the applicant. The graphite-containing materials described there can be processed in embodiments of the methods described herein and made hydrophilic on their surface. The content of the earlier patent application is incorporated herein in its entirety by reference.

Es ist bekannt, dass reines Graphit im Allgemeinen keine polaren Gruppen aufweist, sodass Oberflächen des Graphits in der Regel hydrophobe Eigenschaften besitzen. It is known that pure graphite generally has no polar groups, so surfaces of graphite usually have hydrophobic properties.

Bisher wurde davon ausgegangen, dass Oberflächen eines graphithaltigen Werkstoffs zwar mithilfe eines Lasers bearbeitet werden können, dass dabei aber ihre hydrophoben Eigenschaften in vielen Fällen zumindest nicht verringert sondern eher verstärkt werden. Insbesondere wurde angenommen oder beobachtet, dass mikroskopische Oberflächentexturen, wie sie typischerweise beim Behandeln einer Oberfläche mit einem Laser gebildet werden, dazu führen, dass die behandelte Oberfläche noch stärker hydrophobe Eigenschaften ausbildet, da solche mikroskopische Oberflächenstrukturen aufgrund des Lotuseffekts typischerweise eine Benetzung mit Wasser hemmen.Up to now it was assumed that the surfaces of a material containing graphite can be processed using a laser, but that in many cases their hydrophobic properties are at least not reduced but rather increased. In particular, it was assumed or observed that microscopic surface textures, such as are typically formed when treating a surface with a laser, cause the treated surface to develop even more hydrophobic properties, since such microscopic surface structures typically inhibit wetting with water due to the lotus effect.

In der EP 2 615 675 A1 wird beschrieben, dass ein Brennstoffzellenseparator aus einer Zusammensetzung aus Graphitpulver, Epoxidharz, Phenolharz und anderen Bestandteilen mit einem leistungsstarken Laser behandelt werden soll, um unter anderem hydrophile Eigenschaften von dessen Oberfläche zu beeinflussen. Allerdings werden in der EP 2 615 675 A1 lediglich Angaben betreffend die Leistung und die Pulsdauer des einzusetzenden Lasers beschrieben. Dabei wird unter anderem angegeben, dass zu kurze Pulsdauern von beispielsweise weniger als 30 ns vermieden werden sollten, da ansonsten befürchtet wird, dass es zu einem Verziehen (englisch: warping) des Substrats kommen kann. Angaben über eine Pulswiederholungsfrequenz und/oder eine Querschnittsfläche eines Laserpulsstrahls werden in der EP 2 615 675 A1 nicht gemacht, sodass eine Aussage über durch den Pulslaser bewirkte Leistungsdichten aus dieser Druckschrift nicht ableitbar ist.In the EP 2 615 675 A1 it is described that a fuel cell separator made of a composition of graphite powder, epoxy resin, phenolic resin and other components is to be treated with a powerful laser in order to influence, among other things, hydrophilic properties of its surface. However, in the EP 2 615 675 A1 only information regarding the power and the pulse duration of the laser to be used is described. Among other things, it is stated that pulse durations that are too short, for example less than 30 ns, should be avoided, since otherwise there is a fear that warping of the substrate may occur. Information about a pulse repetition frequency and/or a cross-sectional area of a laser pulse beam is given in EP 2 615 675 A1 not made, so that a statement about the power densities caused by the pulsed laser cannot be derived from this publication.

Entgegen solcher Erwartungen bzw. bisherigen Beobachtungen wurde durch die Erfinder der vorliegend beschriebenen Erfindung überraschenderweise beobachtet, dass eine Oberfläche eines graphithaltigen Werkstoffs tatsächlich nach der Bestrahlung mit einem gepulsten Laser, der gewisse Voraussetzungen erfüllt, hydrophiler ist als vor dieser Bestrahlung. Mit anderen Worten ist ein Kontaktwinkel, den Wasser mit einer derart behandelten Oberfläche bildet, kleiner als vor der Bestrahlung. Dabei wurde erkannt, dass es für die Verbesserung der Hydrophilie maßgeblich zu sein scheint, dass der gepulste Laser die Oberfläche mit einer Leistungsdichte bestrahlt, die über einem Grenzwert liegt. Als ein solcher Grenzwert wird 0,5 MW/mm2 angenommen. Eine sehr gute Hydrophilie der behandelten Oberfläche wurde beispielsweise bei Bestrahlung mit gepulstem Laserlicht einer Leistungsdichte von mindestens 1 MW/mm2 oder insbesondere mindestens 1,5 MW/mm2 beobachtet. Einen Kurzpulslaser beleuchtet hierbei während einer sehr kurzen Pulsdauer eine im Allgemeinen sehr kleine Fläche von deutlich weniger als 1 mm2 kurzzeitig mit einer sehr hohen Lichtleistung.Contrary to such expectations or previous observations, the inventors of the present invention surprisingly observed that a surface of a graphite-containing material actually after the Irradiation with a pulsed laser that meets certain requirements is more hydrophilic than before this irradiation. In other words, a contact angle that water forms with a surface treated in this way is smaller than before the irradiation. It was recognized that it seems to be decisive for the improvement in hydrophilicity that the pulsed laser irradiates the surface with a power density that is above a limit value. 0.5 MW/mm 2 is assumed to be such a limit value. A very good hydrophilicity of the treated surface was observed, for example, when irradiated with pulsed laser light with a power density of at least 1 MW/mm 2 or in particular at least 1.5 MW/mm 2 . A short-pulse laser briefly illuminates a generally very small area of significantly less than 1 mm 2 with a very high light output during a very short pulse duration.

Es wurde versucht, die überraschende Beobachtung der verbesserten Hydrophilie aufgrund der Bestrahlung mit hoher Leistungsdichte, zu verstehen. Dabei wurde das nachfolgend dargelegte Modell entwickelt und Vermutungen hinsichtlich der durch die Laserbestrahlung bewirkten Effekte angestellt. Allerdings wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die der Beobachtung zugrunde liegenden mikroskopischen, d.h. insbesondere atomaren oder molekularen Wechselwirkungen, bisher nicht vollständig verstanden sind. Daher soll die folgende Beschreibung des Modells und der Vermutungen in keiner Weise den Umfang der Erfindung einschränken:

  • Es wird angenommen, dass die Bestrahlung des graphithaltigen Werkstoffs mit einer sehr hohen Leistungsdichte dazu führt, dass in dem Graphit Störstellen, insbesondere Fehlstellen, generiert werden. Solche Störstellen in einem Kristallgitter könnten an sich bereits die hydrophilen Eigenschaften an der Oberfläche des Werkstoffs beeinflussen. Ergänzend wird angenommen, dass an solchen Störstellen nachfolgend Hydroxylgruppen ankoppeln können. Diese Hydroxylgruppen können aufgrund ihrer Polarität die hydrophilen Eigenschaften der Werkstoffoberfläche vermutlich signifikant verstärken. Auch ein Ankoppeln von Sauerstoff kann ähnliche Effekte bewirken.
An attempt was made to understand the surprising observation of improved hydrophilicity due to high power density irradiation. The model presented below was developed and assumptions were made regarding the effects caused by the laser irradiation. However, it is expressly pointed out that the microscopic, ie in particular atomic or molecular interactions on which the observation is based have not yet been fully understood. Therefore, the following description of the model and assumptions is not intended in any way to limit the scope of the invention:
  • It is assumed that the irradiation of the graphite-containing material with a very high power density leads to imperfections, in particular defects, being generated in the graphite. Such imperfections in a crystal lattice could in themselves influence the hydrophilic properties on the surface of the material. In addition, it is assumed that hydroxyl groups can subsequently couple to such imperfections. Due to their polarity, these hydroxyl groups can presumably significantly increase the hydrophilic properties of the material surface. A coupling of oxygen can also cause similar effects.

Insbesondere wird davon ausgegangen, dass die hydrophilen Eigenschaften der behandelten Oberfläche verstärkt werden können, wenn der gepulste Laser diese Oberflächen mit Pulsen mit einer flächenbezogenen Pulsenergie von mindestens 0,1 J/mm2, vorzugsweise mindestens 0,2 J/mm2 oder sogar mindestens 0,3 J/mm2, bestrahlt.In particular, it is believed that the hydrophilic properties of the treated surface can be enhanced if the pulsed laser pulses these surfaces with an area-based pulse energy of at least 0.1 J/mm 2 , preferably at least 0.2 J/mm 2 or even at least 0.3 J/mm 2 , irradiated.

Anders ausgedrückt sollte der zur Behandlung der Oberfläche des graphithaltigen Werkstoffs eingesetzte gepulste Laser Lichtpulse emittieren, bei denen jeder einzelne Lichtpuls eine verhältnismäßig große Energiemenge auf eine kleine Fläche einstrahlt, sodass sich eine Pulsenergie einstellt, die einen unteren Grenzwert von mindestens 0,1 J/mm2 übersteigt. Die eingestrahlte Pulsenergie kann dabei innerhalb der bestrahlten Fläche lokal variieren und bei dem genannten Grenzwert kann es sich um einen gemittelten Wert handeln. Ein einzelner Lichtpuls kann hierbei beispielsweise eine Energie von mehr als 1 mJ aufweisen. Eine von dem Lichtpuls bestrahlte Fläche kann näherungsweise rund oder rechteckig oder anders geformt sein und beispielsweise einen Durchmesser bzw. laterale Dimensionen von 0,1 mm oder weniger aufweisen.In other words, the pulsed laser used to treat the surface of the graphite-containing material should emit light pulses in which each individual light pulse radiates a relatively large amount of energy onto a small area, resulting in a pulse energy that has a lower limit of at least 0.1 J/mm exceeds 2 . The irradiated pulse energy can vary locally within the irradiated area and the limit value mentioned can be an average value. A single light pulse can have an energy of more than 1 mJ, for example. An area irradiated by the light pulse can be approximately round or rectangular or have another shape and, for example, have a diameter or lateral dimensions of 0.1 mm or less.

Es wird vermutet, dass neben der Leistungsdichte auch die flächenbezogene Pulsenergie des von dem Laser emittierten Lichtpulses einen erheblichen Einfluss auf die Ausbildung hydrophiler Eigenschaften hat und vorzugsweise beide Parameter gewisse Grenzwerte überschreiten sollten.It is assumed that, in addition to the power density, the surface-related pulse energy of the light pulse emitted by the laser also has a significant influence on the formation of hydrophilic properties and that both parameters should preferably exceed certain limit values.

Dabei kann im Rahmen des oben vorgestellten Modells angenommen werden, dass mit zunehmender flächenbezogener Pulsenergie eine Dichte von Störstellen, wie sie durch die Bestrahlung mit dem Laserlicht generiert werden können, gesteigert werden kann.Within the framework of the model presented above, it can be assumed that with increasing surface-related pulse energy, a density of defects, such as those that can be generated by irradiation with the laser light, can be increased.

Allerdings wird ergänzend davon ausgegangen, dass beim Ausbilden der hydrophilen Eigenschaften die mit dem gepulsten Laser bestrahlte Oberfläche mit Pulsen mit einer flächenbezogenen Pulsenergie von weniger als 1 J/mm2, vorzugsweise weniger als 0,8 J/mm2 oder sogar weniger als 0,7 J/mm2, bestrahlt werden sollte.However, it is additionally assumed that when developing the hydrophilic properties, the surface irradiated with the pulsed laser with pulses with an area-related pulse energy of less than 1 J/mm 2 , preferably less than 0.8 J/mm 2 or even less than 0. 7 J/mm 2 should be irradiated.

Anders ausgedrückt sollte der zur Behandlung der Oberfläche des graphithaltigen Werkstoffs eingesetzte gepulste Laser Lichtpulse emittieren, deren Energiemenge auf die bestrahlte Fläche bezogen einen oberen Grenzwert von 1 J/mm2 nicht übersteigen sollte.In other words, the pulsed laser used to treat the surface of the graphite-containing material should emit light pulses whose amount of energy, based on the irradiated area, should not exceed an upper limit value of 1 J/mm 2 .

Es wird vermutet, dass es bei flächenbezogenen Pulsenergien oberhalb eines solchen Grenzwerts zu negativ wirkenden thermischen Effekten kommen kann. Mit anderen Worten wird vermutet, dass für den Fall, dass Laserpulse mit sehr hoher Pulsenergie pro beleuchteter Fläche dazu führen können, dass sich der graphithaltige Werkstoff lokal kurzzeitig sehr stark erhitzt und es dabei zu thermischen Schädigungen an dem Werkstoff kommen kann.It is suspected that negative thermal effects can occur with area-related pulse energies above such a limit value. In other words, it is assumed that in the event that laser pulses with very high pulse energy per illuminated area can lead to the graphite-containing material heating up very quickly locally, which can lead to thermal damage to the material.

Es wird als vorteilhaft vermutet, wenn der gepulste Laser die hydrophil auszubildende Oberfläche mit Pulsen mit einer Pulsdauer von weniger als 1 µs, vorzugsweise weniger als 100 ns oder sogar weniger als 20 ns oder weniger als 10 ns, bestrahlt.It is assumed to be advantageous if the pulsed laser cuts the surface to be hydrophilic with pulses with a pulse duration of less than 1 µs, preferably less than 100 ns or even less than 20 ns or less than 10 ns.

Anders ausgedrückt wird zur Bestrahlung der hydrophil auszubildenden Oberfläche eine Verwendung eines Nanosekunden-Kurzpulslasers als vorteilhaft erachtet. Dabei wird davon ausgegangen, dass die angestrebte hohe Leistungsdichte lediglich über einen sehr kurzen Zeitraum eingestrahlt werden braucht und eingestrahlt werden sollte, um einerseits die gewünschten hydrophilen Eigenschaften auszubilden und andererseits negative Effekte durch die Lasereinstrahlung zu vermeiden.In other words, the use of a nanosecond short-pulse laser is considered to be advantageous for irradiating the surface to be made hydrophilic. It is assumed that the desired high power density only needs to be irradiated over a very short period of time and should be irradiated in order on the one hand to develop the desired hydrophilic properties and on the other hand to avoid negative effects from the laser irradiation.

Insbesondere wird einerseits im Rahmen des oben vorgestellten Modells davon ausgegangen, dass Störstellen bereits mit sehr kurzzeitiger, hochintensiver Beleuchtung generiert werden können. Andererseits wird angenommen, dass es bei einer übermäßig langen Beleuchtung zu einer übermäßig starken lokalen Erhitzung des Werkstoffs und damit einhergehend zu negativen thermischen Effekten kommen kann.In particular, it is assumed in the context of the model presented above that imperfections can already be generated with very short-term, high-intensity illumination. On the other hand, it is assumed that excessively long illumination can lead to excessive local heating of the material and, as a result, to negative thermal effects.

Vorzugsweise wird angestrebt, die Oberfläche mit Pulsen einer Pulsdauer von mehr als 1 ns, vorzugweise mehr als 5 ns, zu beleuchten. Zwar wurde beobachtet, dass die hydrophilen Eigenschaften auch bei einer Bestrahlung mit noch kürzeren Pulsdauern verbessert werden kann. Allerdings sind zur Erzeugung solcher noch kürzerer Pulsdauern im Bereich von Picosekunden oder sogar Femtosekunden im Allgemeinen spezielle Ultrakurzpulslaser notwendig, die teuer und/oder wartungsintensiv sein können.The aim is preferably to illuminate the surface with pulses having a pulse duration of more than 1 ns, preferably more than 5 ns. It has been observed that the hydrophilic properties can also be improved with irradiation with even shorter pulse durations. However, in order to generate such even shorter pulse durations in the picosecond or even femtosecond range, special ultrashort pulse lasers are generally required, which can be expensive and/or maintenance-intensive.

Es wird davon ausgegangen, dass es im Rahmen des hierin vorgeschlagenen Verfahrens genügt, die hydrophil auszubildende Oberfläche mit Laserlichtpulsen eines ausreichend leistungsfähigen Nanosekundenlasers zu bestrahlen. Solche Nanosekundenlaser stehen verhältnismäßig kostengünstig zur Verfügung und/oder können wartungsarm betrieben werden. Beispielsweise können Nanosekunden-Faserlaser eingesetzt werden, die für einen Großserieneinsatz konzipiert sind und die kurze Laserpulse mit hoher Leistungsdichte erzeugen können.It is assumed that within the scope of the method proposed here it is sufficient to irradiate the surface to be made hydrophilic with laser light pulses from a sufficiently powerful nanosecond laser. Such nanosecond lasers are available relatively inexpensively and/or can be operated with little maintenance. For example, nanosecond fiber lasers can be used, which are designed for large-scale use and can generate short laser pulses with high power density.

Vorzugsweise kann der gepulste Laser die hydrophil auszubildende Oberfläche mit einer Pulsfrequenz von weniger als 100 kHz, vorzugweise weniger als 50 kHz oder sogar weniger als 30 kHz bestrahlen.The pulsed laser can preferably irradiate the surface to be made hydrophilic with a pulse frequency of less than 100 kHz, preferably less than 50 kHz or even less than 30 kHz.

Unter der Pulsfrequenz wird dabei die Frequenz verstanden, mit der die Laserpulse periodisch wiederholt werden. Es wird davon ausgegangen, dass es sich positiv auf das durchzuführende Verfahren auswirkt, wenn die Pulsfrequenz unterhalb einer Obergrenze bleibt. Zwar kann mit einer sehr hohen Pulsfrequenz eine zu bearbeitende Oberfläche durch Abrastern entlang der Oberfläche besonders schnell gescannt werden. Allerdings wird vermutet, dass bei dem Bestrahlen mit sehr hoher Leistungsdichte Material oberflächlich aus der bestrahlten Oberfläche herausgelöst werden kann und eine Art Staubwolke bilden kann. Diese Staubwolke könnte bei sehr hohen Pulsfrequenzen, d.h. bei sehr zeitnah aufeinanderfolgenden Pulsen, zu einer teilweisen Absorption des eingestrahlten Lichts und damit zu einer verringerten Wirksamkeit des Laserpulses führen.The pulse frequency is understood to be the frequency with which the laser pulses are periodically repeated. It is assumed that it has a positive effect on the procedure to be performed if the pulse rate remains below an upper limit. A surface to be processed can be scanned particularly quickly with a very high pulse frequency by scanning along the surface. However, it is assumed that when irradiating with a very high power density, material can be detached from the irradiated surface and a kind of dust cloud can form. At very high pulse frequencies, i.e. pulses that follow each other very quickly, this cloud of dust could lead to partial absorption of the incident light and thus to a reduced effectiveness of the laser pulse.

Der gepulste Laser kann die hydrophil auszubildende Oberfläche vorzugsweise mit Wellenlängen in einem Bereich von 800 nm bis 1500 nm, vorzugsweise von 1000 nm bis 1200 nm bestrahlen.The pulsed laser can preferably irradiate the surface to be made hydrophilic with wavelengths in a range from 800 nm to 1500 nm, preferably from 1000 nm to 1200 nm.

Einerseits kann eingestrahltes Laserlicht solcher Wellenlängen, d.h. im nahen Infrarotbereich, typischerweise von graphithaltigem Material gut absorbiert werden, insbesondere vorzugsweise oberflächennah absorbiert werden. Andererseits stehen Infrarotlaser im Allgemeinen kostengünstig und einfach anwendbar zur Verfügung.On the one hand, irradiated laser light of such wavelengths, i.e. in the near infrared range, can typically be well absorbed by material containing graphite, in particular preferably absorbed close to the surface. On the other hand, infrared lasers are generally available at low cost and are easy to use.

Als ergänzende Maßnahme kann die hydrophil auszubildende Oberfläche während des Bestrahlens einer reaktiven Gasatmosphäre ausgesetzt werden.As a supplementary measure, the surface to be made hydrophilic can be exposed to a reactive gas atmosphere during the irradiation.

Die reaktive Gasatmosphäre kann eine Bildung von Hydroxylgruppen oder anderer polarer chemischer Zusammensetzungen an der von dem Laser bestrahlten Oberfläche begünstigen. Die reaktive Gasatmosphäre kann beispielsweise Radikale, insbesondere Stickstoffradikale und/oder Sauerstoffradikale, aufweisen. Die reaktive Gasatmosphäre kann einen Umgebungsdruck aufweisen, d.h. einen Druck von typischerweise 1013 ± 50 hPa. Alternativ kann die Gasatmosphäre einen verringerten oder erhöhten Druck aufweisen. Außerdem kann die Gasatmosphäre auf einer Umgebungstemperatur, d.h. einer Temperatur von typischerweise 25 ± 15 °C, sein. Alternativ kann die Gasatmosphäre eine geringere oder höhere Temperatur aufweisen.The reactive gas atmosphere can favor formation of hydroxyl groups or other polar chemical compounds on the surface irradiated by the laser. The reactive gas atmosphere can have radicals, in particular nitrogen radicals and/or oxygen radicals, for example. The reactive gaseous atmosphere may be at ambient pressure, i.e. a pressure of typically 1013 ± 50 hPa Alternatively, the gaseous atmosphere may be at reduced or elevated pressure. In addition, the gaseous atmosphere may be at ambient temperature, i.e. a temperature of typically 25 ± 15°C. Alternatively, the gas atmosphere can have a lower or higher temperature.

Vorzugsweise wird der gepulste Laser, der eingesetzt wird, um die Werkstoffoberfläche hydrophiler zu gestalten, ergänzend auch zum Entfernen einer oberflächlichen Polymerschicht und/oder Oberflächenschicht, welche aus einem anderen Material als dem graphithaltigen Werkstoff besteht, von dem graphithaltigen Werkstoff eingesetzt.The pulsed laser, which is used to make the material surface more hydrophilic, is preferably also used to remove a superficial polymer layer and/or surface layer, which consists of a material other than the graphite-containing material, from the graphite-containing material.

Wie bereits weiter oben beschrieben, können insbesondere zum Bilden von Bipolarplatten Werkstoffe eingesetzt werden, bei denen elektrisch hochleitfähiges Graphitpulver in eine Matrix aus einem Polymermaterial eingebettet ist. Typischerweise bildet sich beim Fertigen einer Bipolarplatte aus einem solchen Werkstoff oberflächlich eine dünne Polymerschicht ähnlich einer Oberflächenhaut. Ergänzend oder alternativ kann sich an der Oberfläche des graphithaltigen Werkstoffs eine Oberflächenschicht bilden, welche aus einem anderen Material als dem graphithaltigen Werkstoff besteht. Eine solche Oberflächenschicht kann beispielsweise Additive oder externe Formtrennmittel enthalten oder aus diesen bestehen. Die Polymerschicht bzw. die Oberflächenschicht kann zu nachteiligen elektrischen Eigenschaften führen, beispielsweise indem sie einen Kontaktwiderstand zwischen der Oberfläche des graphithaltigen Werkstoffs und angrenzendem Material wie beispielsweise einem Elektrolyten oder einem Reaktionspartner-Fluid erhöhen. Um den darunterliegenden verpressten Graphit freizulegen und somit unter anderem einen elektrischen Kontaktwiderstand zu einem angrenzenden Medium wie beispielsweise einem Elektrolyt zu reduzieren, muss diese oberflächliche Polymerschicht und/oder Oberflächenschicht im Allgemeinen zumindest bereichsweise entfernt werden. Es wurde erkannt, dass zu diesem Zweck vorteilhafterweise der gleiche Laser eingesetzt werden kann, der auch zum hierin beschriebenen Bewirken der hydrophileren Oberflächeneigenschaften eingesetzt wird.As already described above, materials in which highly electrically conductive graphite powder is embedded in a matrix made of a polymer material can be used in particular to form bipolar plates. Typically, when fabricating a bipolar plate, a Such a material has a thin polymer layer on the surface, similar to a surface skin. Additionally or alternatively, a surface layer can form on the surface of the graphite-containing material, which consists of a material other than the graphite-containing material. Such a surface layer can, for example, contain or consist of additives or external mold release agents. The polymer layer or the surface layer can lead to disadvantageous electrical properties, for example by increasing a contact resistance between the surface of the graphitic material and adjacent material such as an electrolyte or a reactant fluid. In order to expose the pressed graphite underneath and thus, among other things, to reduce an electrical contact resistance to an adjacent medium such as an electrolyte, this superficial polymer layer and/or surface layer must generally be removed at least in regions. It has been recognized that the same laser used to effect the more hydrophilic surface properties described herein can advantageously be used for this purpose.

Insbesondere wurde beobachtet, dass das Entfernen der Polymerschicht und/oder Oberflächenschicht mit gleichen Laserparametern erfolgen kann wie das Ausbilden der hydrophilen Oberfläche.In particular, it was observed that the polymer layer and/or surface layer can be removed with the same laser parameters as the formation of the hydrophilic surface.

Anders ausgedrückt, wurde erkannt, dass die oberflächliche Polymerschicht auf dem Substrat mit dem gleichen Laser und den gleichen Laserparametern entfernt werden kann, wie diese auch zum Bewirken der hydrophileren Oberflächeneigenschaften führen können. Somit kann vorzugsweise in einem einzigen, gemeinsamen Prozessschritt sowohl die oberflächliche Polymerschicht und/oder nachteilige Oberflächenschicht von dem Substrat entfernt werden als auch der darunterliegende Anteil des graphithaltigen Werkstoffs derart modifiziert werden, dass dieser hydrophilere Eigenschaften entwickelt.In other words, it was recognized that the superficial polymer layer on the substrate can be removed with the same laser and the same laser parameters that can lead to the effecting of the more hydrophilic surface properties. Thus, preferably in a single, common process step, both the superficial polymer layer and/or disadvantageous surface layer can be removed from the substrate and the underlying portion of the graphite-containing material can be modified in such a way that it develops more hydrophilic properties.

Zusammenfassend kann mit dem hierin vorgestellten Verfahren mit verhältnismäßig geringem apparativem Aufwand eine Oberfläche eines mit graphithaltigem Werkstoff hergestellten Bauelements bereichsweise oder ganzflächig hydrophil ausgestaltet werden und/oder gleichzeitig eine nachteilige oberflächliche Polymerschicht bzw. Oberflächenschicht entfernt werden. Vorteilhafterweise kann hierzu ein gepulster Laser eingesetzt werden, der für diese Aufgabe gewisse Bedingungen, insbesondere hinsichtlich einer mindestens zu erbringenden Leistungsdichte, erfüllen muss, der aber dennoch kostengünstig und industriell erprobt bereitgestellt werden kann. Insbesondere kann hierfür ein gepulster Laser eingesetzt werden, der zum Beispiel bei der Bearbeitung des graphithaltigen Werkstoffs bzw. der Fertigung von Bipolarplatten auch für andere Zwecke einsetzbar ist, beispielsweise zum Entfernen einer oberflächlichen Polymerschicht an dem graphithaltigen Werkstoff. Bestenfalls können hierbei ausreichende hydrophile Eigenschaften der Oberfläche maßgeblich oder alleinig durch das beschriebene Bestrahlen mit dem leistungsstarken gepulsten Laser bewirkt werden. Mit anderen Worten kann vorzugsweise auf ergänzende Maßnahmen verzichtet werden. In summary, with the method presented here, a surface of a component produced with graphite-containing material can be made hydrophilic in areas or over the entire surface with relatively little equipment and/or a disadvantageous superficial polymer layer or surface layer can be removed at the same time. Advantageously, a pulsed laser can be used for this purpose, which must meet certain conditions for this task, in particular with regard to a minimum power density to be achieved, but which can nevertheless be provided cost-effectively and industrially tested. In particular, a pulsed laser can be used for this purpose, which can also be used for other purposes, for example when processing the graphite-containing material or the production of bipolar plates, for example for removing a superficial polymer layer on the graphite-containing material. At best, sufficient hydrophilic properties of the surface can be brought about primarily or solely by the described irradiation with the powerful pulsed laser. In other words, supplementary measures can preferably be dispensed with.

Zum Beispiel können vorangehende Bearbeitungsschritte wie beispielsweise ein Aufrauen der hydrophil auszubildenden Oberfläche entbehrlich sein. Ferner können nachfolgende Bearbeitungsschritte wie beispielsweise ein weiteres Aufrauen, ein Beschichten, ein Oxidieren, eine Plasmabehandlung oder eine Coronabehandlung entbehrlich sein.For example, previous processing steps, such as roughening the surface to be made hydrophilic, can be dispensed with. Furthermore, subsequent processing steps such as further roughening, coating, oxidation, plasma treatment or corona treatment can be dispensed with.

Ausführungsformen des hierin vorgestellten Verfahrens können unter anderem vorteilhaft dazu eingesetzt werden, beim Fertigen einer Bipolarplatte zumindest Teilbereiche der Bipolarplatte mit einer hydrophilen Oberfläche zu versehen. Ein plattenartiges Substrat kann hierbei vollständig aus graphithaltigem Werkstoff bestehen oder zumindest an einer seiner Oberflächen graphithaltigen Werkstoff aufweisen. Eine freiliegende Oberfläche dieses Werkstoffs kann dann in der beschriebenen Weise durch Bestrahlen mit Laserpulsen derart modifiziert werden, dass sie hydrophile Eigenschaften aufweist. Eine derart gefertigte Bipolarplatte kann vorteilhaft in einer Brennstoffzelle oder einer Flussbatterie, welche als Energiespeicheranordnung dient, eingesetzt werden.Embodiments of the method presented here can be advantageously used, inter alia, to provide at least partial regions of the bipolar plate with a hydrophilic surface when manufacturing a bipolar plate. A plate-like substrate can consist entirely of graphite-containing material or have graphite-containing material at least on one of its surfaces. An exposed surface of this material can then be modified in the manner described by irradiation with laser pulses in such a way that it has hydrophilic properties. A bipolar plate manufactured in this way can advantageously be used in a fuel cell or a flow battery, which serves as an energy storage arrangement.

Es wird darauf hingewiesen, dass hierin mögliche Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung teils mit Bezug generell auf ein Verfahren zum Ausbilden einer hydrophilen Oberfläche auf einem graphithaltigen Werkstoff und teils mit Bezug auf ein Verfahren zum Fertigen einer Bipolarplatte sowie auf eine verfahrensgemäß gefertigte Bipolarplatte und eine damit ausgestattete Energiespeicheranordnung beschrieben sind. Ein Fachmann wird erkennen, dass die für einzelne Ausführungsformen beschriebenen Merkmale in analoger und geeigneter Weise auf andere Ausführungsformen übertragen, angepasst und/oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung und möglicherweise zu Synergieeffekten zu gelangen.It is pointed out that here possible features and advantages of embodiments of the invention partly with reference generally to a method for forming a hydrophilic surface on a graphite-containing material and partly with reference to a method for manufacturing a bipolar plate and a bipolar plate manufactured according to the method and a so equipped energy storage arrangement are described. A person skilled in the art will recognize that the features described for individual embodiments can be transferred, adapted and/or exchanged in an analogous and suitable manner to other embodiments in order to arrive at further embodiments of the invention and possibly to achieve synergy effects.

Figurenlistecharacter list

Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter erläutert, wobei weder die Zeichnungen noch die Erläuterungen als die Erfindung in irgendeiner Weise einschränkend auszulegen sind.

  • 1 zeigt eine Bipolarplatte während eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt eine Energiespeicheranordnung mit einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Advantageous embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings, in which: neither the drawings nor the explanations are to be construed as limiting the invention in any way.
  • 1 12 shows a bipolar plate during a procedure according to an embodiment of the present invention.
  • 2 12 shows an energy storage arrangement with a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den verschiedenen Zeichnungen gleiche bzw. gleichwirkende Merkmale.The figures are merely schematic and not true to scale. In the various drawings, the same reference symbols denote the same features or features that have the same effect.

BESCHREIBUNG VON VORTEILHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION OF ADVANTAGEOUS EMBODIMENTS

1 zeigt eine stark schematisierte Darstellung einer Bipolarplatte 1, während diese mit einem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt wird, um eine Oberfläche 3 hydrophil auszubilden. 1 shows a highly schematized representation of a bipolar plate 1 while it is being treated with a method according to the invention in order to form a surface 3 hydrophilic.

Die Bipolarplatte 1 verfügt hierbei über ein plattenartige Substrat 5. Zumindest angrenzend an die freiliegende Oberfläche 3 steht das Substrat 5 aus einem graphithaltigen Werkstoff 7. Der graphithaltige Werkstoff 7 enthält Graphitpartikel. Die Graphitpartikel sind typischerweise von einer Matrix aus Polymermaterial zusammengehalten. An einer Oberfläche kann das Substrat 5 eine oberflächliche Polymerschicht aufweisen (aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Figur nicht veranschaulicht), welche beispielsweise beim Herstellen des Substrats 5 gebildet worden sein kann. Die Bipolarplatte 1 kann strukturell und/oder funktional in gleicher oder ähnlicher Weise ausgestaltet sein, wie herkömmliche Bipolarplatten.The bipolar plate 1 has a plate-like substrate 5. At least adjacent to the exposed surface 3, the substrate 5 is made of a graphite-containing material 7. The graphite-containing material 7 contains graphite particles. The graphite particles are typically held together by a matrix of polymeric material. On one surface, the substrate 5 can have a superficial polymer layer (not illustrated in the figure for reasons of clarity), which can have been formed, for example, when the substrate 5 was produced. The bipolar plate 1 can be designed structurally and/or functionally in the same or a similar way as conventional bipolar plates.

Um zumindest Teilbereiche 9 der freiliegenden Oberfläche 3 hydrophil auszubilden, werden diese Teilbereiche 9 mithilfe eines gepulsten Lasers 11 bestrahlt. Der gepulste Laser 11 kann beispielsweise ein Nanosekunden-Faserlaser 13 sein. Der gepulste Laser 11 kann einen gepulsten Laserstrahl 15 auf einen Belichtungsbereich 17 an der Oberfläche 3 des Substrats 5 richten. Der Laserstrahl 15 und der Belichtungsbereichs 17 können sukzessive entlang der Oberfläche 3 verlagert werden, um die hydrophil auszubildenden Teilbereiche 9 zu beleuchten. Die Teilbereiche 9 können dabei beispielsweise länglich ausgebildet sein und zum Beispiel den Boden einer Kanalstruktur bilden, in der während eines Betriebs einer Brennstoffzelle oder einer Flussbatterie Wasser entlang der Oberfläche der Bipolarplatte 1 geleitet werden soll.In order to make at least partial areas 9 of the exposed surface 3 hydrophilic, these partial areas 9 are irradiated with the aid of a pulsed laser 11 . The pulsed laser 11 can be a nanosecond fiber laser 13, for example. The pulsed laser 11 can direct a pulsed laser beam 15 onto an exposure area 17 on the surface 3 of the substrate 5 . The laser beam 15 and the exposure area 17 can be displaced successively along the surface 3 in order to illuminate the partial areas 9 to be made hydrophilic. The subregions 9 can be elongate, for example, and form the bottom of a channel structure, for example, in which water is to be conducted along the surface of the bipolar plate 1 during operation of a fuel cell or a flow battery.

Der Laserstrahl 15 trifft hierbei mit einer Leistungsdichte von 0,5 MW/mm2 oder mehr auf den Belichtungsbereich 17. Jeder einzelne Puls hat vorzugsweise eine flächenbezogenen Pulsenergie von mehr als 0,1 J/mm2, aber weniger als 1 J/mm2 Der Puls kann beispielsweise eine Pulsdauer von zwischen 5 ns und 20 ns aufweisen. Pulse können beispielsweise mit einer Pulsfrequenz von zwischen 20 kHz und 40 kHz wiederholt werden. Der Laserstrahl 15 kann beispielsweise mit einer Wellenlänge von 1064 nm emittiert werden. Während des Bestrahlens kann das Substrat 5 einer reaktiven Gasatmosphäre ausgesetzt sein. Im gleichen Arbeitsschritt oder, optional, in einem separaten Arbeitsschritt, kann der Laser 11 auch dazu eingesetzt werden, eine oberflächliche Polymerschicht von dem Substrat 5 zu entfernen. Der Laser 11 kann hierbei vorzugsweise mit den gleichen Laserparametern betrieben werden, wie diese zum Erreichen der verstärkt hydrophilen Oberflächeneigenschaften eingesetzt werden.The laser beam 15 strikes the exposure area 17 with a power density of 0.5 MW/mm 2 or more. Each individual pulse preferably has an area-related pulse energy of more than 0.1 J/mm 2 but less than 1 J/mm 2 The pulse can have a pulse duration of between 5 ns and 20 ns, for example. For example, pulses can be repeated with a pulse frequency of between 20 kHz and 40 kHz. The laser beam 15 can be emitted with a wavelength of 1064 nm, for example. During the irradiation, the substrate 5 can be exposed to a reactive gas atmosphere. In the same work step or, optionally, in a separate work step, the laser 11 can also be used to remove a superficial polymer layer from the substrate 5 . In this case, the laser 11 can preferably be operated with the same laser parameters as are used to achieve the increasingly hydrophilic surface properties.

Die Bipolarplatte 1 kann beispielsweise in einer Brennstoffzelle 19 verwendet werden, wie sie schematisch in 2 dargestellt ist. In einem Zellenstapel 21 eines als Energiespeicheranordnung 25 dienenden Brennstoffzellensystems 23 können dabei benachbarte Brennstoffzellen 19 mithilfe von Bipolarplatten 1 voneinander getrennt, elektrisch miteinander verbunden und mit Brennstoff versorgt werden.The bipolar plate 1 can be used, for example, in a fuel cell 19, as is shown schematically in 2 is shown. In a cell stack 21 of a fuel cell system 23 serving as an energy storage arrangement 25, adjacent fuel cells 19 can be separated from one another with the aid of bipolar plates 1, electrically connected to one another and supplied with fuel.

Nachfolgend werden Hintergründe sowie mögliche Ausgestaltungen und/oder Vorteile von Ausführungsformen der hierin dargelegten Erfindung nochmals mit einer teilweise anderen Wortwahl beschrieben, wobei diese Beschreibung lediglich weiter erläuternd, aber in keiner Weise einschränkend auszulegen ist.In the following, backgrounds as well as possible configurations and/or advantages of embodiments of the invention presented herein are described again with a partly different choice of words, whereby this description is to be interpreted merely as further explanation, but in no way restrictive.

Die Erfindung betrifft unter anderem ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Flussbatterie, Brennstoffzelle oder dergleichen, und eine mit dem Verfahren hergestellte Bipolarplatte. Die Erfindung betrifft weiter eine Brennstoffzelle, insbesondere ein Brennstoffzellenbündel (Stack), oder eine Flussbatterie, insbesondere Redox-Flow-Batterie, mit einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte. Die Erfindung betrifft überdies eine Verwendung eines Lasers, insbesondere eines Ultrakurzpuls-Lasers, zur Herstellung einer Bipolarplatte.The invention relates, inter alia, to a method for producing a bipolar plate for a flow battery, fuel cell or the like, and a bipolar plate produced with the method. The invention further relates to a fuel cell, in particular a fuel cell bundle (stack), or a flow battery, in particular redox flow battery, with a bipolar plate according to the invention. The invention also relates to the use of a laser, in particular an ultra-short pulse laser, to produce a bipolar plate.

Zweck der Erfindung:Purpose of the invention:

Verfahren zum Erzeugen von hydrophilen Oberflächen auf graphitischen Werkstoffen, insbesondere auf Bipolarplatten aus graphitgefüllten Polymeren zum Einsatz in Brennstoffzellen. Die Leistung und Zuverlässigkeit von Brennstoffzellen hängt in hohem Maß am Wassermanagement in der Zelle. Anoden-, d. h. brenngasseitig muss eine gleichmäßige Befeuchtung der Elektrode und der Membran sichergestellt werden, kathoden-, d. h. sauerstoffseitig muss dagegen das bei der Reaktion entstehende Wasser effektiv abgeführt werden, da ansonsten überschüssiges Wasser das Porensystem in der Elektrode und die Luftkanäle in der Bipolarplatte blockieren kann.Process for producing hydrophilic surfaces on graphitic materials, in particular on bipolar plates made from graphite-filled polymers for use in fuel cells. The performance and reliability of fuel cells depend to a large extent on water management in the cell. Uniform humidification of the electrode and the membrane must be ensured on the anode side, ie on the combustion gas side, and on the cathode side, ie on the oxygen side On the other hand, the water produced during the reaction must be effectively drained away, otherwise excess water can block the pore system in the electrode and the air channels in the bipolar plate.

Typischerweise erfordert dies Bipolarplatten mit hydrophilen Oberflächen. Sehr gute Benetzungseigenschaften führen dazu, dass Wasser nicht mehr tropfenförmig vorliegt, sondern einen Oberflächenfilm ausbildet und dann mit dem Gasstrom leicht ausgetragen werden kann.Typically this requires bipolar plates with hydrophilic surfaces. Very good wetting properties mean that water is no longer in the form of droplets, but forms a surface film and can then be easily removed with the gas flow.

Die Oberfläche von graphitgefüllte Polymeren wird von Wasser meist nur schlecht benetzt, die Kontaktwinkel liegen typischerweise bei > 60°. Die Ursache liegt in einer Kombination von hydrophoben Eigenschaften der graphitischen Füllstoffe, aber auch der polymeren Bindemittel und von Trennmitteln, die sich an der Oberfläche anreichern können.The surface of graphite-filled polymers is usually only poorly wetted by water, the contact angles are typically > 60°. The cause lies in a combination of hydrophobic properties of the graphitic fillers, but also of the polymeric binders and release agents that can accumulate on the surface.

Aus Gründen der besseren elektrischen Kontaktierung kann es erforderlich sein, die polymer- und trennmittelreiche Oberflächenhaut von den Funktionsflächen zu entfernen. Gängige Verfahren sind u. a. ein abrasives Bürsten, Feinstrahlen, Schleifen und insbesondere auch die Reinigung mit einem Infrarot-Laser. Diese Verfahren führen meist zu einem leichten Aufrauhen der Oberfläche. Bei gegebenen hydrophoben Eigenschaften des Graphits kann dies sogar zu superhydrophoben Oberflächen (Lotus-Effekt) mit Kontaktwinkeln > 90° führen, von denen Wassertropfen sehr leicht abperlen.For reasons of better electrical contact, it may be necessary to remove the surface skin rich in polymer and release agent from the functional surfaces. Common procedures include abrasive brushing, fine blasting, grinding and, in particular, cleaning with an infrared laser. These processes usually lead to a slight roughening of the surface. Given the hydrophobic properties of the graphite, this can even lead to superhydrophobic surfaces (lotus effect) with contact angles > 90°, from which water droplets roll off very easily.

Aus der Literatur sind Verfahren zur Beschichtung oder zur Modifizierung der Oberfläche bekannt. Das übergreifende Ziel ist die Schaffung einer hinreichenden Zahl von polaren funktionellen Gruppen, die eine Voraussetzung für gute Benetzungseigenschaften sind:

  • - Als Beschichtungsstoffe können polare Polymere (z. B. Phenolharze, vernetzter Polyvinylalkohol) eingesetzt werden, denen auch noch feinteilige polare Füllstoffe (z. B. pyrogene Kieselsäure, oxidierte Ruße) zugesetzt werden können.
  • - Im Grenzbereich zwischen Beschichtung und Oberflächenmodifikation steht die Behandlung mit einem Siloxan-haltigen Plasma, was zur Abscheidung einer sehr dünnen Schicht von pyrogener Kieselsäure führt.
  • - Überwiegend wird jedoch die direkte Oxidation der Graphitoberflächen angestrebt, wobei verschiedene Verfahren zum Einsatz kommen:
    • - Nasschemische Oxidation mit starken oxidierenden Säuren oder Wasserstoffperoxid
    • - Trockene Oxidation in der Gasphase mit Fluor oder Schwefeltrioxid
    • - Atmosphärische Plasmabehandlung
    • - Niederdruck-Plasmabehandlung
    • - Corona-Behandlung
Processes for coating or for modifying the surface are known from the literature. The overall goal is to create a sufficient number of polar functional groups, which are a prerequisite for good wetting properties:
  • - Polar polymers (e.g. phenolic resins, crosslinked polyvinyl alcohol) can be used as coating materials, to which finely divided polar fillers (e.g. pyrogenic silica, oxidized carbon blacks) can also be added.
  • - In the border area between coating and surface modification is the treatment with a siloxane-containing plasma, which leads to the deposition of a very thin layer of pyrogenic silica.
  • - However, the direct oxidation of the graphite surfaces is predominantly aimed at, whereby various processes are used:
    • - Wet chemical oxidation with strong oxidizing acids or hydrogen peroxide
    • - Dry gas phase oxidation with fluorine or sulfur trioxide
    • - Atmospheric plasma treatment
    • - Low pressure plasma treatment
    • - Corona treatment

Nachteile der vorbekannten Lösungen:

  • - Beschichtungen mit polymeren Bindemitteln können die graphitischen Füllstoffe teilweise wieder bedecken und damit den elektrischen Kontaktwiderstand erhöhen. Weiterhin gestaltet sich eine gleichmäßige Beschichtung von filigranen Kanalstrukturen, vor allem bei füllstoffhaltigen Systemen sehr schwierig. Die Einhaltung von sehr engen Toleranzen der Kanalgeometrien, was wiederum eine notwendige Voraussetzung für eine gleichmäßige Strömung und einen homogenen Stoffaustausch ist, ist damit nicht mehr möglich.
  • - Eine ausreichende Schichthaftung, die auch einem längeren Betrieb der Brennstoffzelle Stand hält, ist bei Beschichtungen mit geringem Bindemittelgehalt nicht zu gewährleisten. Dies gilt umso mehr bei der bindemittelfreien Abscheidung von pyrogener Kieselsäure über eine Plasmabehandlung.
  • - Die Oxidation mit Fluor oder Schwefeltrioxid in der Gasphase kann zu einer dauerhaft hydrophilen Oberflächenmodifikation führen, aufgrund der Toxizität der Gase kann die Behandlung aber nur in hermetisch abgeschlossenen Systemen durchgeführt werden, was für eine Großserienfertigung ein gravierender Nachteil ist. Weiterhin ist eine Behandlung von Teilflächen nicht oder nur mit einer sehr aufwändigen Maskierung der Platten möglich.
  • - Die Plasmabehandlung, insbesondere bei Normaldruck, und das technologisch verwandte Corona-Verfahren sind dagegen sehr gut in einen Fertigungsprozess zu integrieren und führen auch kurzfristig zu sehr gut benetzenden Oberflächen mit Kontaktwinkeln < 15°. Es zeigt sich jedoch, dass dieser Zustand nur über wenige Stunden bzw. Tage anhält. Nach längerer Liegezeit stellt sich ein weitgehend stationärer Zustand mit einer mittleren Benetzbarkeit und Kontaktwinkeln im Bereich von ca. 25 - 50° ein.
Disadvantages of the previously known solutions:
  • - Coatings with polymeric binders can partly cover the graphitic fillers again and thus increase the electrical contact resistance. Furthermore, a uniform coating of filigree channel structures is very difficult, especially in systems containing filler. It is therefore no longer possible to comply with very narrow tolerances of the channel geometries, which in turn is a necessary prerequisite for a uniform flow and a homogeneous mass transfer.
  • - Adequate layer adhesion, which also withstands prolonged operation of the fuel cell, cannot be guaranteed with coatings with a low binder content. This applies all the more to the binder-free deposition of pyrogenic silica via plasma treatment.
  • - The oxidation with fluorine or sulfur trioxide in the gas phase can lead to a permanently hydrophilic surface modification, but due to the toxicity of the gases, the treatment can only be carried out in hermetically sealed systems, which is a serious disadvantage for large-scale production. Furthermore, a treatment of partial areas is not possible or only possible with a very complex masking of the plates.
  • - The plasma treatment, especially at normal pressure, and the technologically related corona process, on the other hand, can be easily integrated into a manufacturing process and also lead to very well-wetted surfaces with contact angles < 15° for a short time. It turns out, however, that this condition only lasts for a few hours or days. After a long period of lying there, a largely stationary state sets in with average wettability and contact angles in the range of approx. 25 - 50°.

Aufgabe der Erfindung:Object of the invention:

Das Ziel sind dauerhaft hydrophile Oberflächen mit Kontaktwinkeln von Wassertropfen < 25° durch die Anwendung eines rationellen großserientauglichen Fertigungsverfahrens.The goal is permanently hydrophilic surfaces with contact angles of water droplets < 25° through the use of an efficient large-scale production process.

Lösung:Solution:

Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass dauerhaft hydrophile Oberflächen mit der Laserbehandlung, die auch zum Entfernen der polymerreichen Oberflächenhaut eingesetzt werden kann, hergestellt werden können. Entgegen der bisherigen Annahme, dass die Laserbehandlung eher die hydrophoben Eigenschaften verstärkt, führt die Behandlung mit einer hinreichend hohen Pulsenergie nicht nur zum Abtrag der Polymerhaut, sondern führt auch zu einer strukturellen Veränderung der Graphitoberfläche. Kurze intensive Laser induzieren offensichtlich Fehlstellen in den oberflächennahen Schichtebenen der Graphitpartikel und im Extremfall zur weitgehenden Zerstörung der Graphitkristalle. Die Fehlstellen sättigen sich dann spontan mit Sauerstoff- und Hydroxylgruppen, die eine Voraussetzung für ein gutes Benetzungsverhalten sind.
Der Effekt konnte zunächst beim Einsatz eines Ultrakurzpuls-Lasers mit Pulsdauern von ca. 15 ps und einer Pulsenergie von ca. 0,4 mJ nachgewiesen werden. Aufgrund der begrenzten Leistung und den vergleichsweise hohen Kosten scheidet der Einsatz von Ultrakurzpulslasern bei der Großserienfertigung von Bipolarplatten jedoch meist aus. Überraschenderweise hat sich dann aber gezeigt, dass sich vergleichbare Oberflächeneigenschaften auch mit gepulsten Nanosekunden-Faserlasern einstellen lassen, wenn die Pulsenergie auf einem vergleichbaren Niveau liegt, obwohl sich die Einzelpulsleistungen mit ca. 30 MW bzw. 5 kW um mehr als drei Größenordnungen unterscheiden. Scheinbar sollte die Pulsenergie pro Flächeneinheit einen kritischen Wert übersteigen. In den beschriebenen Fällen lag dieser Wert bei ca. 0,3 - 0,7 J/mm2, die Untergrenze wurde noch nicht präzise bestimmt. Nanosekunden-Faserlaser sind in unterschiedlichen Leistungsklassen Stand der Technik und lassen sich auf einfache Weise für den Großserieneinsatz skalieren.
Surprisingly, it has been shown that permanently hydrophilic surfaces can be produced with laser treatment, which can also be used to remove the polymer-rich surface skin. Contrary to the previous assumption that the laser treatment tends to increase the hydrophobic properties, the treatment with a sufficiently high pulse energy not only leads to the removal of the polymer skin, but also leads to a structural change in the graphite surface. Short, intense lasers apparently induce defects in the layer planes of the graphite particles close to the surface and, in extreme cases, extensive destruction of the graphite crystals. The defects then spontaneously saturate themselves with oxygen and hydroxyl groups, which are a prerequisite for good wetting behavior.
The effect could first be demonstrated when using an ultra-short pulse laser with a pulse duration of approx. 15 ps and a pulse energy of approx. 0.4 mJ. However, due to the limited power and the comparatively high costs, the use of ultrashort pulse lasers in the large-scale production of bipolar plates is usually ruled out. Surprisingly, however, it was then shown that comparable surface properties can also be set with pulsed nanosecond fiber lasers if the pulse energy is at a comparable level, although the individual pulse powers of approx. 30 MW or 5 kW differ by more than three orders of magnitude. Apparently, the pulse energy per unit area should exceed a critical value. In the cases described, this value was around 0.3 - 0.7 J/mm 2 ; the lower limit has not yet been precisely determined. Nanosecond fiber lasers are state-of-the-art in different power classes and can be easily scaled for large-scale use.

Dauerhaft hydrophile Eigenschaften wären möglicherweise auch durch die Kombination von Füllstoffen mit geringem Graphitierungsgrad und eine Plasma- oder Corona-Behandlung nach der Laserbehandlung mit geringerer Pulsenergie möglich. Die Füllstoffe hätten dann bereits eine hinreichende Anzahl von Fehlstellen, die zur Ausbildung der polaren Oberflächengruppen bei der oxidierenden Behandlung benötigt werden. In der Folge hat der gesamte Werkstoff dann aber auch eine geringe elektrische und thermische Leitfähigkeit und es wird wieder ein zusätzlicher Fertigungsschritt benötigt.Permanently hydrophilic properties might also be possible through the combination of fillers with a low degree of graphitization and a plasma or corona treatment after the laser treatment with lower pulse energy. The fillers would then already have a sufficient number of defects that are needed to form the polar surface groups during the oxidizing treatment. As a result, however, the entire material then also has low electrical and thermal conductivity and an additional production step is required again.

Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.Finally, it should be noted that terms such as "comprising," "comprising," etc. do not exclude other elements or steps, and terms such as "a" or "an" do not exclude a plurality. Furthermore, it should be pointed out that features or steps that have been described with reference to one of the above exemplary embodiments can also be used in combination with other features or steps of other exemplary embodiments described above. Any reference signs in the claims should not be construed as limiting.

BezugszeichenlisteReference List

11
Bipolarplattebipolar plate
33
hydrophil auszubildende Oberflächesurface to be hydrophilic
55
Substratsubstrate
77
graphithaltiger Werkstoffmaterial containing graphite
99
Teilbereichsubarea
1111
gepulster Laserpulsed laser
1313
Nanosekunden-FaserlaserNanosecond fiber laser
1515
Laserstrahllaser beam
1717
Belichtungsbereichexposure range
1919
Brennstoffzellefuel cell
2121
Zellenstapelcell stack
2323
Brennstoffzellensystemfuel cell system
2525
Energiespeicheranordnungenergy storage arrangement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Claims (14)

Verfahren zum Ausbilden einer hydrophilen Oberfläche (3) auf einem graphithaltigen Werkstoff (7), wobei die hydrophil auszubildende Oberfläche (3) mit einem gepulsten Laser (11) mit einer Leistungsdichte vom mindestens 0,5 MW/mm2 bestrahlt wird.Process for forming a hydrophilic surface (3) on a graphite-containing material (7), wherein the surface (3) to be formed hydrophilic is irradiated with a pulsed laser (11) with a power density of at least 0.5 MW/mm 2 . Verfahren nach Anspruch 1, wobei der gepulste Laser (11) die hydrophil auszubildende Oberfläche (3) mit Pulsen mit einer flächenbezogenen Pulsenergie von mindestens 0,1 J/mm2 bestrahlt.procedure after claim 1 , wherein the pulsed laser (11) irradiates the surface (3) to be hydrophilic with pulses having an area-related pulse energy of at least 0.1 J/mm 2 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der gepulste Laser (11) die hydrophil auszubildende Oberfläche (3) mit Pulsen mit einer flächenbezogenen Pulsenergie von weniger als 1 J/mm2 bestrahlt.Method according to one of the preceding claims, in which the pulsed laser (11) irradiates the surface (3) to be made hydrophilic with pulses having a pulse energy per unit area of less than 1 J/mm 2 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der gepulste Laser (11) die hydrophil auszubildende Oberfläche (3) mit Pulsen mit einer Pulsdauer von weniger als 1 µs bestrahlt.Method according to one of the preceding claims, in which the pulsed laser (11) irradiates the surface (3) to be made hydrophilic with pulses having a pulse duration of less than 1 µs. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der gepulste Laser (11) die hydrophil auszubildende Oberfläche (3) mit einer Pulsfrequenz von weniger als 100 kHz bestrahlt.Method according to one of the preceding claims, in which the pulsed laser (11) irradiates the surface (3) to be made hydrophilic with a pulse frequency of less than 100 kHz. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der gepulste Laser (11) die hydrophil auszubildende Oberfläche (3) mit Wellenlängen von zwischen 800 nm und 1500 nm bestrahlt.Method according to one of the preceding claims, wherein the pulsed laser (11) irradiates the surface (3) to be made hydrophilic with wavelengths of between 800 nm and 1500 nm. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die hydrophil auszubildende Oberfläche (3) während des Bestrahlens einer reaktiven Gasatmosphäre ausgesetzt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the surface (3) to be made hydrophilic is exposed to a reactive gas atmosphere during the irradiation. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der graphithaltige Werkstoff (7) Graphitpartikel aufweist, die in einer Polymermatrix eingebettet sind.Method according to one of the preceding claims, in which the graphite-containing material (7) has graphite particles which are embedded in a polymer matrix. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der gepulste Laser ergänzend auch zum Entfernen einer oberflächlichen Polymerschicht und/oder Oberflächenschicht, welche aus einem anderen Material als dem graphithaltigen Werkstoff besteht, von dem graphithaltigen Werkstoff (7) eingesetzt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the pulsed laser is additionally used to remove a superficial polymer layer and/or surface layer, which consists of a material other than the graphite-containing material, from the graphite-containing material (7). Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Entfernen der Polymerschicht und/oder Oberflächenschicht mit gleichen Laserparametern erfolgt wie das Ausbilden der hydrophilen Oberfläche.procedure after claim 9 , wherein the removal of the polymer layer and/or surface layer takes place with the same laser parameters as the formation of the hydrophilic surface. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der graphithaltige Werkstoff (7) einen Graphitanteil vom mindestens 60% aufweist.Method according to one of the preceding claims, in which the graphite-containing material (7) has a graphite content of at least 60%. Verfahren zur Fertigen einer Bipolarplatte (1) einer Brennstoffzelle (19) oder einer Flussbatterie, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines plattenartigen Substrats (5), welches zumindest angrenzend an eine freiliegende Oberfläche (3) des Substrates (5) aus einem graphithaltigen Werkstoff besteht, und Ausbilden zumindest von Teilbereichen (9) der freiliegenden Oberfläche (3) als hydrophile Oberfläche (3) mittels des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.Method for manufacturing a bipolar plate (1) of a fuel cell (19) or a flow battery, the method comprising: providing a plate-like substrate (5) which consists of a graphite-containing material at least adjacent to an exposed surface (3) of the substrate (5). , and forming at least partial areas (9) of the exposed surface (3) as a hydrophilic surface (3) by means of the method according to one of Claims 1 until 11 . Bipolarplatte (1) einer Brennstoffzelle (19) oder einer Flussbatterie, welche mit dem Verfahren gemäß Anspruch 12 gefertigt ist.Bipolar plate (1) of a fuel cell (19) or a flow battery, which according to the method claim 12 is made. Energiespeicheranordnung (25), insbesondere mit wenigstens einer Brennstoffzelle (19) oder Flussbatterie, mit einer Bipolarplatte (1) gemäß Anspruch 13.Energy storage arrangement (25), in particular with at least one fuel cell (19) or flow battery, with a bipolar plate (1) according to Claim 13 .
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