EP4292152A1 - Verfahren zur beschichtung von bipolarplatten und bipolarplatte - Google Patents

Verfahren zur beschichtung von bipolarplatten und bipolarplatte

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EP4292152A1
EP4292152A1 EP22706566.1A EP22706566A EP4292152A1 EP 4292152 A1 EP4292152 A1 EP 4292152A1 EP 22706566 A EP22706566 A EP 22706566A EP 4292152 A1 EP4292152 A1 EP 4292152A1
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EP
European Patent Office
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bipolar plate
epoxy resin
carbon mixture
coating
die
Prior art date
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Pending
Application number
EP22706566.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Marc-Vincent Müller
Philipp Hausmann
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Cellcentric GmbH and Co KG
Original Assignee
Cellcentric GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for coating bipolar plates, a bipolar plate, a fuel cell and a vehicle.
  • Bipolar plates are central components of fuel cell stacks, also known as stacks.
  • bipolar plates fulfill the following functions: making an electrically conductive connection between an anode of a first cell in the fuel cell stack and a cathode of a second cell in the fuel cell stack that is adjacent to the first cell, Supply and distribution of reaction gases in the reaction zone of a cell of the fuel cell stack, removal of reaction products such as liquid or gaseous water, and absorption or release of thermal energy.
  • flow profiles such as flow channels are typically applied to a bipolar plate, for example milled or pressed in.
  • a bipolar plate can have cooling channels in its interior, through which a cooling medium for dissipating dissipated heat is guided. It is often assembled from two halves back to back.
  • bipolar plates are coated to increase their electrical conductivity and thus to increase the electrical power output by a fuel cell.
  • the chemical resistance of the bipolar plate is also increased with the help of the coating in order to protect it from corrosion.
  • Such coatings are mostly applied with the so-called physical vapor deposition process (PVD). This requires the creation of a vacuum.
  • PVD physical vapor deposition process
  • the bipolar plates are exposed to high thermal stress. The production of such coatings is therefore comparatively expensive and complex.
  • the present invention is based on the object of specifying a method for coating bipolar plates, with the aid of which bipolar plates can be coated more simply and cost-effectively with a comparatively high level of process reliability.
  • a further object of the present invention is to specify a bipolar plate coated with such a method. According to the invention, these objects are achieved by a method for coating bipolar plates having the features of claim 1 and a bipolar plate having the features of claim 6. Advantageous refinements and developments as well as a fuel cell with such a bipolar plate and a vehicle with such a fuel cell result from the dependent claims.
  • a method for coating bipolar plates at least the following method steps are carried out according to the invention: at least regional application of an epoxy resin-carbon mixture on at least one side of a bipolar plate to be coated;
  • the low-pressure plasma can be generated at room temperature, which enables gentle but effective surface treatment.
  • only the roughened areas of the epoxy resin-carbon mixture coating are hydrophilized. Untreated areas of the coating remain in their untreated state and therefore have hydrophobic properties due to the epoxy resin.
  • At least the side of the bipolar plate to be coated has at least one elevation and at least one depression in the direction of a normal vector pointing away from the bipolar plate, the elevation being hydrophilized at least in sections and the depression remaining in its untreated surface state at least in sections .
  • bipolar plates are often provided with flow profiles for the targeted conduction of gases and liquids.
  • the fluid-guiding properties of the bipolar plate can be improved even further. Liquid thus remains on the elevations of the bipolar plate, with these elevations typically forming a contact surface with a gas diffusion layer. On the one hand, this improves electrical conductivity with respect to the gas diffusion layer and a removal effect for removing product water that is produced.
  • such a layer thickness or the distance between the die and the bipolar plate can be 100 ⁇ m.
  • thicker or thinner layers are also possible.
  • the die remains on the bipolar plate while the epoxy resin is curing and thus protects the epoxy resin-carbon mixture, which is still soft, from damage and/or contamination.
  • the die can be designed in such a way that it consists entirely of a material that is permeable to UV radiation, or the die can have individual recesses that are permeable to UV radiation. In this case, these recesses coincide with surface areas of the bipolar plate to which the epoxy resin-carbon mixture was applied for coating the bipolar plate. Ideally, a complete surface of at least one side of the bipolar plate is coated.
  • the bipolar plate and the die can remain in a common pressing machine during the curing process.
  • the die can also be fixed on the bipolar plate, for example with the aid of at least one fixing element such as a screw, a clamp, a rubber, or the like. This allows the bipolar plate with the fixed die to be removed from a press machine and transported. Spacers can also be inserted between the bipolar plate and the die in order to ensure the specified distance between the bipolar plate and the die during the removal and transport of the bipolar plate and the die from a corresponding machine.
  • a further advantageous embodiment of the method also provides that for the application of the epoxy resin-carbon mixture on the side of the bipolar plate to be coated, the epoxy resin-carbon mixture is sprayed or brushed onto the side to be coated, in particular brushed on using a squeegee.
  • the epoxy resin-carbon mixture can be applied to the bipolar plate like a paint. With the help of the squeegee, excess epoxy resin-carbon mixture accumulations can also be scraped off.
  • the hardened epoxy resin-carbon mixture is preferably roughened by irradiation with a laser beam or with an abrasive jet, in particular a glass bead jet.
  • the at least regional coating of the bipolar plate preferably takes place with an epoxy resin-carbon mixture, the epoxy resin-carbon mixture having been applied to the bipolar plate using a method described above.
  • a particularly reliable, simple and cost-effective coating of bipolar plates is possible with the aid of such a method.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a method according to the invention for coating bipolar plates
  • FIG. 2 shows a bipolar plate with an alternative geometry.
  • Section a) of FIG. 1 shows a bipolar plate 1 which is coated with an epoxy resin-carbon mixture 2 in a method step 110 .
  • the epoxy resin-carbon mixture 2 is applied with the aid of a nozzle 10 to a side S of the bipolar plate 1 that is to be coated.
  • the nozzle 10 is moved along the bipolar plate 1 in a feed direction V.
  • the bipolar plate 1 it is also conceivable for the bipolar plate 1 to be moved relative to a stationary nozzle or a movable nozzle 10 .
  • the bipolar plate 1 has a plurality of elevations 6 and depressions 7 running in the direction of a normal vector N extending away from a plate plane E.
  • the elevations 6 and depressions 7 form channels for conducting gases and/or liquids.
  • FIG. 1d) shows in method step 140 a roughening of partial areas of the coating 4 formed by curing of the epoxy resin-carbon mixture 2 on the bipolar plate 1.
  • partial areas of the coating 4 are treated with the aid of a laser beam 9.
  • the roughened areas 4.1 can also be roughened with the aid of an abrasive jet (not shown), for example with the aid of a glass bead jet.
  • first section A1 which has hydrophilic properties
  • second section A2 which has hydrophobic properties
  • the individual sections A1 and A2 can be configured individually on each elevation 6 and/or in each depression 7, ie have a different extent.
  • the bipolar plate 1 prefferably be coated at least in sections on at least two opposite sides S.
  • the bipolar plate 1 is made from two separate bipolar plate halves 1.1 and 1.2, in that the bipolar plate halves 1.1 and 1.2 are connected to one another on their respective sides facing away from the elevations 6 and the depressions 7.
  • the pages with the elevations 6 and depressions 7 form an anode side and a cathode side on which the coating is applied.
  • Recesses for forming the cooling channels 12 can be introduced on the sides on which the bipolar plate halves 1.1 and 1.2 are connected.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von Bipolarplatten (1) Sie ist gekennzeichnet durch zumindest folgende Verfahrensschritte: - Zumindest bereichsweise Applikation eines Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisches (2) auf zumindest einer zu beschichtenden Seite (S) einer Bipolarplatte (1); - Auflegen eines Gesenks (3) auf die mit Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisch (2) beschichtete Seite (S) der Bipolarplatte (1) und Fixierung des Gesenks (3) relativ zur Bipolarplatte mit einem festgelegten Abstand (x) zwischen Bipolarplatte (1) und Gesenk (3); - Aushärten des Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisches (2) und Entfernen des Gesenks (3); - Zumindest bereichsweises Aufrauen der ausgehärteten Epoxidharz-Kohlenstoff- Gemisch Beschichtung (4); - Hydrophilisierung zumindest der aufgerauten Bereiche (4.1) der Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisch Beschichtung (4) durch Aussetzen zumindest der aufgerauten Bereiche (4.1) einem Niederdruckplasma (5).

Description

Verfahren zur Beschichtung von Bipolarplatten und Bipolarplatte
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von Bipolarplatten, eine Bipolarplatte, eine Brennstoffzelle, sowie ein Fahrzeug.
Bipolarplatten stellen zentrale Komponenten von Brennstoffzellenstapeln, auch als sogenannte Stacks bezeichnet, dar. Als integrale Baugruppe erfüllen Bipolarplatten die folgenden Funktionen: Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einer Anode einer ersten Zelle des Brennstoffzellenstapels mit einer Katode einer zur ersten Zelle benachbarten zweiten Zelle des Brennstoffzellenstapels, Zuführen und Verteilen von Reaktionsgasen in die Reaktionszone einer Zelle des Brennstoffzellenstapels, Abfuhr von anfallenden Reaktionsprodukten wie flüssigem oder gasförmigen Wasser, sowie Aufnahme beziehungsweise Abgabe von thermischer Energie. Zum Zuführen der Reaktionsgase sowie zum Abführen der Reaktionsprodukte sind dabei typischerweise Strömungsprofile wie Strömungskanäle auf einer Bipolarplatte aufgebracht, beispielsweise eingefräst oder eingepresst. Fener kann eine Bipolarplatte in ihrem Inneren Kühlkanäle aufweisen durch die ein Kühlmedium zur Abfuhr dissipierter Wärme geführt wird. Sie wird dazu häufig aus zwei Hälften Rücken an Rücken zusammengefügt.
Typischerweise werden metallische Bipolarplatten zur Erhöhung ihrer elektrischen Leitfähigkeit und damit zur Erhöhung einer von einer Brennstoffzelle abgegebenen elektrischen Leistung beschichtet. Mit Hilfe der Beschichtung wird zudem eine chemische Beständigkeit der Bipolarplatte erhöht, um diese vor Korrosion zu schützen. Solche Beschichtungen werden meist mit dem sogenannten physical vapor deposition Verfahren (PVD) aufgetragen. Hierzu ist das Erzeugen eines Vakuums notwendig. Zudem werden die Bipolarplatten einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt. Die Herstellung solcher Beschichtungen ist somit vergleichsweise teuer und aufwändig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Beschichtung von Bipolarplatten anzugeben, mit dessen Hilfe Bipolarplatten bei einer vergleichsweise hohen Prozesssicherheit einfacher und kostengünstiger beschichtet werden können. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine mit einem solchen Verfahren beschichtete Bipolarplatte anzugeben. Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch ein Verfahren zur Beschichtung von Bipolarplatten mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie eine Brennstoffzelle mit einer solchen Bipolarplatte und ein Fahrzeug mit einer solchen Brennstoffzelle ergeben sich aus den hiervon abhängigen Ansprüchen.
Bei einem Verfahren zur Beschichtung von Bipolarplatten werden erfindungsgemäß zumindest die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt: zumindest bereichsweise Applikation eines Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisches auf zumindest einer zu beschichtenden Seite einer Bipolarplatte;
Auflegen eines Gesenks auf die mit Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisch beschichtete Seite der Bipolarplatte und Fixierung des Gesenks relativ zur Bipolarplatte mit einem festgelegten Abstand zwischen Bipolarplatte und Gesenk; Aushärten des Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisches und Entfernen des Gesenks; Zumindest bereichsweises Aufrauen der ausgehärteten Epoxidharz-Kohlenstoff- Gemisch beschichtung;
Hydrophilisierung zumindest der aufgerauten Bereiche der Epoxidharz- Kohlenstoff-Gemischbeschichtung durch Aussetzen zumindest der aufgerauten Bereiche einem Niederdruck-Plasma.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine besonders prozesssichere, einfache und kostengünstige Beschichtung von Bipolarplatten. So lässt sich die Beschichtung in Form des Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisches wie ein Lack auf eine Bipolarplatte auftragen. Hierzu ist es nicht notwendig ein Vakuum zu erzeugen oder die Bipolarplatte einer hohen thermischen Belastung auszusetzen, wie beim PVD-Verfahren. Dabei stellt das Epoxidharz eine Schutzschicht zum Schützen der Bipolarplatten vor Korrosionen dar. Mit Hilfe des beigemischten Kohlenstoffes lässt sich dabei eine Leitfähigkeit der Beschichtung gewährleisten. Durch die Hydrophilisierung mit Hilfe des Niederdruck-Plasmas wird eine chemische Struktur der Oberfläche der Beschichtung verändert, sodass polare funktionelle Gruppen in die Beschichtung eingebaut werden. Hierdurch wird eine Leitfähigkeit der Oberfläche der Beschichtung gewährleistet, zudem wird die Benetzbarkeit und Haftung von Feuchtigkeit auf der beschichteten Oberfläche verbessert. Das Niederdruck-Plasma ist schon bei Raumtemperatur erzeugbar, was eine schonende aber trotzdem effektive Oberflächenbehandlung ermöglicht. Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens werden lediglich die aufgerauten Bereiche der Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemischbeschichtung hyd rophilisiert. Nicht oberflächenbehandelte Bereiche der Beschichtung verbleiben in ihrem unbehandelten Zustand und weisen daher aufgrund des Epoxidharzes hydrophobe Eigenschaften auf. Somit existieren auf der fertig beschichteten Bipolarplatte partielle Bereiche mit hydrophilen Eigenschaften und partielle Bereiche mit hydrophoben Eigenschaften. Dies ermöglicht es entstehendes Produktwasser gezielt abzuführen sowie einen verbesserten Gasfluss auf der Bipolarplatte zu ermöglichen. Dies erlaubt es eine von einzelnen Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels abgegebene elektrische Leistung zu erhöhen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass zumindest die zu beschichtete Seite der Bipolarplatte in Richtung eines von der Bipolarplatte weggerichteten Normalenvektors wenigstens eine Erhebung und wenigstens eine Vertiefung aufweist, wobei der Erhebung zumindest abschnittsweise hydrophilisiert wird und die Vertiefung zumindest abschnittsweise in ihrem unbehandelten Oberflächenzustand verbleibt. Wie eingangs erwähnt sind Bipolarplatten oftmals mit Strömungsprofilen zum gezielten Leiten von Gasen und Flüssigkeiten versehen. Indem von der Bipolarplatte weggerichtete Erhebungen hydrophilisiert werden und sich in die Bipolarplatte hinein erstreckende Vertiefungen in ihrem hydrophoben Zustand verbleiben können die Fluidführungseigenschaften der Bipolarplatte noch weiter verbessert werden. So verbleibt Flüssigkeit auf den Erhebungen der Bipolarplatte, wobei diese Erhebungen typischerweise eine Kontaktfläche zu einer Gasdiffusionsschicht ausbilden. Dies verbessert zum einen eine elektrische Leitfähigkeit zur Gasdiffusionsschicht sowie eine Abfuhrwirkung zum Abführen entstehenden Produktwassers.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein durch UV-Strahlung aushärtbares Epoxidharz verwendet, wobei das Gesenk zumindest bereichsweise eine Transparenz für UV-Strahlung aufweist und das Epoxidharz- Kohlenstoff-Gemisch durch Bestrahlen mit UV-Strahlung bei aufgelegtem Gesenk auf der beschichteten Seite der Bipolarplatte ausgehärtet wird. Generell können zur Aushärtung des Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisches typische Verfahren angewendet werden, wie beispielsweise das Zumischen eines Härters. Indem die Aushärtung des Epoxidharz- Kohlenstoff-Gemisches jedoch durch eine Bestrahlung mit UV-Strahlung realisiert wird, kann der Schritt der Zumischung des Härters entfallen. Mit Hilfe des Gesenks ist es zudem möglich, eine gezielte Schichtdicke auf der Bipolarplatte einzustellen. Hierzu kann das Gesenk mit dem festgelegten Abstand zur Bipolarplatte eingestellt werden. Beispielsweise kann eine solche Schichtdicke beziehungsweise der Abstand zwischen dem Gesenk und der Bipolarplatte 100 pm betragen. Es sind jedoch auch dickere oder dünnere Schichten möglich. Das Gesenk verbleibt während der Aushärtung des Epoxidharzes auf der Bipolarplatte und schützt damit das noch weiche Epoxidharz- Kohlenstoff-Gemisch vor einer Beschädigung und/oder Verschmutzung. Das Gesenk kann dabei so ausgeführt sein, dass es vollständig aus einem für UV-Strahlung durchlässigen Material besteht, oder das Gesenk kann einzelne Aussparungen aufweisen, welche für UV-Strahlung durchlässig sind. Dabei fallen diese Aussparungen mit Flächenbereichen der Bipolarplatte zusammen, auf denen das Epoxidharz- Kohlenstoff-Gemisch zur Beschichtung der Bipolarplatte aufgetragen wurde. Idealerweise wird eine vollständige Oberfläche zumindest einer Seite der Bipolarplatte beschichtet.
Zur Fixierung des Gesenks auf der Bipolarplatte können die Bipolarplatte und das Gesenk während des Aushärteprozesses in einer gemeinsamen Pressmaschine verbleiben. Das Gesenk kann jedoch auch auf der Bipolarplatte fixiert werden, beispielsweise mit Hilfe wenigstens eines Fixierelements wie einer Schraube, einer Klammer, einem Gummi, oder dergleichen. Dies erlaubt es die Bipolarplatte mit dem fixierten Gesenk aus einer Pressmaschine zu entnehmen und zu transportieren. Dabei können auch Abstandshalter zwischen Bipolarplatte und Gesenk eingelegt werden, um den festgelegten Abstand zwischen Bipolarplatte und Gesenk während der Entnahme und des Transports der Bipolarplatte und des Gesenks aus einer entsprechenden Maschine zu gewährleisten.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht ferner vor, dass zur Applikation des Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisches auf der zu beschichtenden Seite der Bipolarplatte das Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisch auf die zu beschichtende Seite aufgesprüht oder aufgestrichen wird, insbesondere mittels Rakel aufgestrichen wird. Hierdurch wird eine besonders gleichmäßige und lückenlose Beschichtung der zu beschichtenden Seite der Bipolarplatte gewährleistet. Dabei lässt sich das Epoxidharz- Kohlenstoff-Gemisch wie ein Lack auf der Bipolarplatte auftragen. Mit Hilfe des Rakels lassen sich zudem überstehende Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisch-Ansammlungen abstreifen. Bevorzugt wird das ausgehärtete Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisch durch Bestrahlen mit einem Laserstrahl oder mit einem Abrasivstrahl, insbesondere einem Glasperlenstrahl aufgeraut. Das Aufrauen einzelner Bereiche der Beschichtung der Bipolarplatte dient zur Vorbereitung auf die nachfolgende Hydrophilisierung. Typischerweise werden dabei einzelne Bereiche der Beschichtung mit einer Höhe von ca. 5 bis 20 pm abgetragen. Ferner ist es ausreichend, dass zur ausreichenden Vorbereitung auf die Hydrophilisierung lediglich die zu hydrophilisierenden Bereiche partiell aufgeraut werden. Mit Hilfe eines Laserstrahls lässt sich die Beschichtung besonders gezielt und damit zuverlässig aufrauen. Dies ist auch unter Verwendung eines Glasperlenstrahls möglich. Generell kann jedoch auch das Aufrauen mittels üblicher Abrasivstrahlen erfolgen.
Eine Bipolarplatte weist erfindungsgemäß an zumindest einer zu beschichtenden Seite zumindest eine bereichsweise Beschichtung auf, wobei ein erster Abschnitt der Beschichtung hydrophile Eigenschaften aufweist und ein zweiter Abschnitt der Beschichtung hydrophobe Eigenschaften aufweist. Durch das Aufweisen einzelner Beschichtungsabschnitte mit hydrophilen und hydrophoben Eigenschaften lässt sich eine Feuchteverteilung auf der erfindungsgemäßen Bipolarplatte gezielt einstellen, was eine Leistungssteigerung einer Brennstoffzelle beziehungsweise eines Brennstoffzellenstapels mit einer solchen Bipolarplatte ermöglicht. Insbesondere werden dabei die hydrophilen Bereiche der Beschichtung auf Erhebungen der Bipolarplatte aufgebracht und die hydrophoben Bereiche der Beschichtung in Vertiefungen der Bipolarplatte aufgebracht.
Bevorzugt erfolgt dabei die zumindest bereichsweise Beschichtung der Bipolarplatte mit einem Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisch, wobei das Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisch mit einem im vorigen beschriebenen Verfahren auf der Bipolarplatte appliziert wurde. Mit Hilfe eines solchen Verfahrens ist eine besonders zuverlässige, einfache und kostengünstige Beschichtung von Bipolarplatten möglich.
Erfindungsgemäß weist eine Brennstoffzelle wenigstens eine solche Bipolarplatte auf. Hierdurch kann aufgrund der verbesserten Flüssigkeitsabfuhreigenschaften der Bipolarplatte und der verbesserten elektrischen Leitfähigkeit an der Kontaktfläche der Bipolarplatte zu einer Gasdiffusionsschicht eine von der Brennstoffzelle abgegebene elektrische Leistung erhöht werden. Erfindungsgemäß weist ein Fahrzeug zumindest eine solche Brennstoffzelle auf. Dabei können auch mehrere solcher Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst sein. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein beliebiges Fahrzeug wie einen PKW, LKW, Transporter, Bus oder dergleichen handeln. Das Fahrzeug kann dabei als Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und wenigstens einem elektrischen Motor zum Antreiben des Fahrzeugs ausgeführt sein. Das Fahrzeug kann auch rein elektrisch angetrieben sein. Generell ist es auch denkbar, dass es sich bei dem Fahrzeug um ein Schienenfahrzeug, Flugzeug oder Schiff handelt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Bipolarplatte ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Beschichtung von Bipolarplatten; und Fig. 2 eine Bipolarplatte mit einer alternativen Geometrie.
Figur 1 zeigt in Abschnitt a) eine Bipolarplatte 1, die in einem Verfahrensschritt 110 mit einem Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisch 2 beschichtet wird. Das Epoxidharz-Kohlenstoff- Gemisch 2 wird dabei mit Hilfe einer Düse 10 auf eine zu beschichtende Seite S der Bipolarplatte 1 aufgetragen. Zur Beschichtung der Bipolarplatte 1 wird die Düse 10 in Richtung einer Vorschubrichtung V entlang der Bipolarplatte 1 bewegt. Generell ist es auch denkbar, dass die Bipolarplatte 1 relativ zu einer feststehenden Düse oder beweglichen Düse 10 bewegt wird.
Die Bipolarplatte 1 weist dabei mehrere in Richtung eines sich von einer Plattenebene E wegerstreckenden Normalenvektors N verlaufende Erhebungen 6 und Vertiefungen 7 auf. Dabei bilden die Erhebungen 6 und Vertiefungen 7 Kanäle zum Führen von Gasen und/oder Flüssigkeiten aus.
Auch ist es möglich, dass, wie hier nicht dargestellt, das Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisch 2 auf die Bipolarplatte 1 aufgestrichen wird, beispielsweise mit einem Rakel. Figur 1b) zeigt einen Verfahrensschritt 120, in welchem ein Gesenk 3 zum Einstellen einer gezielten Beschichtungsdicke mit einem festgelegten Abstand x zwischen Bipolarplatte 1 und Gesenk 3 auf die Bipolarplatte 1 aufgelegt wird. Neben dem Einstellen der gezielten Schichtdicke dient das gesamte Gesenk 3 zum Schützen einer sich durch Aushärten des Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisches 2 bildenden Beschichtung 4 auf der Bipolarplatte 1 während dem Aushärteprozess. Das Gesenk 3 kann dabei eine beliebige Form aufweisen, wobei das Gesenk 3 an einer der zu beschichtenden Seite S der Bipolarplatte
1 zugewandten Seite eine zur Bipolarplatte 1 passende Form aufweist. An der hierzu gegenüberliegenden Seite des Gesenks 3 kann das Gesenk 3 beispielsweise wie durch eine durchgezogene Linie angedeutet ebene Form aufweisen, oder wie durch die gestrichelte Linie dargestellt ebenfalls eine zur Bipolarplatte 1 passende Form aufweisen.
Figur 1c) zeigt einen Verfahrensschritt 130, in dem das Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisch
2 ausgehärtet wird. Dabei erfolgt in dem Ausführungsbeispiel das Aushärten des Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisches 2 durch ein Bestrahlen des Epoxidharz-Kohlenstoff- Gemisches 2 mit UV-Strahlung 8. Die UV-Strahlung 8 kann beispielsweise von einer UV- Lampe 11 erzeugt werden. Das Gesenk 3 weist zumindest partiell oder auch vollständig eine Transparenz für UV-Strahlung 8 auf, sodass die UV-Strahlung 8 durch das Gesenk 3 hindurch wandern kann und auf das Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisch 2 treffen kann.
Figur 1d) zeigt im Verfahrensschritt 140 ein Aufrauen partieller Bereiche der sich durch Aushärten des Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisches 2 gebildeten Beschichtung 4 auf der Bipolarplatte 1. Hierzu werden partielle Bereiche der Beschichtung 4 mit Hilfe eines Laserstrahls 9 behandelt. Anstelle des Laserstrahls 9 können die aufgerauten Bereiche 4.1 auch mit Hilfe eines nicht dargestellten Abrasivstrahls, beispielsweise mit Hilfe eines Glasperlenstrahls aufgeraut werden.
Figur 1e) zeigt einen Verfahrensschritt 150, in welchem eine Oberflächenbehandlung der aufgerauten Bereiche 4.1 mit einem Niederdruck-Plasma 5 gezeigt ist. Das Niederdruck- Plasma 5 führt zu einer Umwandlung einer chemischen Struktur der Beschichtung 4, wodurch polare funktionelle Gruppen in diese eingebaut werden, wodurch die mit dem Niederdruck-Plasma 5 behandelten Bereiche der Beschichtung 4 hydrophilisiert werden. Dabei werden die aufgerauten Bereiche 4.1 mit dem Niederdruck-Plasma behandelt. Zu den aufgerauten Bereichen 4.1 abweichende Bereiche bleiben unbehandelt, wodurch diese hydrophobe Eigenschaften aufweisen. Idealerweise werden dabei die Erhebungen 6 zumindest bereichsweise hydrophilisiert und die Vertiefungen 7 verbleiben zumindest bereichsweise in ihrem unbehandelten, hydrophoben Zustand. Hierdurch lässt sich eine Feuchteverteilung auf der Bipolarplatte 1 gezielt einstellen. So bleibt vermehrt an den Erhebungen 6 Flüssigkeit haften, was eine elektrische Leitfähigkeit der entsprechenden Stellen verbessert. In den Vertiefungen 7 kann sich Flüssigkeit, insbesondere Wasser nur schwer ansammeln, wodurch beispielsweise bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts sich in den Vertiefungen 7 auch kein Eis bilden kann. Somit wird eine zuverlässige Abfuhr von Reaktionsflüssigkeit aus den einzelnen Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels gewährleistet. Neben einer erhöhten elektrischen Leistung ist somit eine entsprechende Brennstoffzelle beziehungsweise ein entsprechender Brennstoffzellenstapel somit auch zuverlässig betreibbar.
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 1 mit einer alternativen Geometrie. Dabei kann die Bipolarplatte 1 beispielsweise auch Kühlkanäle 12 zum Führen eines Kühlmediums aufweisen. Figur 2 dient zur Veranschaulichung, dass generell die Bipolarplatte 1 eine beliebige plattenförmige Geometrie aufweisen kann. Insbesondere erstrecken sich dabei Erhebungen 6 und Vertiefungen 7 von der Bipolarplatte 1 weg, beziehungsweise in diese hinein. In dem Beispiel in Figur 2 sind die Erhebungen 6 beziehungsweise Vertiefungen 7 rechteckförmig ausgebildet. Generell können die Erhebungen und/oder Vertiefungen 6, 7 eine beliebige Geometrie aufweisen. Beispielsweise können diese eine dreieckförmige, elliptische, kreisrunde oder beliebig polygonale Querschnittsform aufweisen. Die Erhebungen 6 und Vertiefungen 7 können auch verschieden groß ausgeführt sein. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass ein erster Abschnitt A1, der hydrophile Eigenschaften aufweist, zumindest auf einem Teilbereich der Erhebungen 6 vorgesehen ist und ein zweiter Abschnitt A2, welcher hydrophobe Eigenschaften aufweist, zumindest partiell auf oder in den Vertiefungen 7 vorgesehen ist. Dabei können die einzelnen Abschnitte A1 und A2 auf jeder Erhebung 6 und/oder in jeder Vertiefung 7 individuell ausgestaltet sein, das heißt eine unterschiedliche Ausdehnung aufweisen.
Auch ist es möglich, dass die Bipolarplatte 1 auf wenigstens zwei gegenüberliegenden Seiten S wenigstens abschnittsweise beschichtet ist.
Typischerweise wird die Bipolarplatte 1 aus zwei separaten Bipolarplattenhälften 1.1 und 1.2 gefertigt, indem die Bipolarplattenhälften 1.1 und 1.2 an ihrer jeweils den Erhebungen 6 und den Vertiefungen 7 abgewandten Seite miteinander verbunden werden. Die Seiten mit den Erhebungen 6 und Vertiefungen 7 bilden dabei eine Anoden- und eine Kathodenseite aus, auf welchen die Beschichtung aufgetragen wird. An den Seiten an denen die Bipolarplattenhälften 1.1 und 1.2 verbunden werden können Aussparungen zur Ausbildung der Kühlkanäle 12 eingebracht sein.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Beschichtung von Bipolarplatten (1), gekennzeichnet durch zumindest folgende Verfahrensschritte:
- Zumindest bereichsweise Applikation eines Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisches (2) auf zumindest einer zu beschichtenden Seite (S) einer Bipolarplatte (1);
- Auflegen eines Gesenks (3) auf die mit Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisch (2) beschichtete Seite (S) der Bipolarplatte (1) und Fixierung des Gesenks (3) relativ zur Bipolarplatte mit einem festgelegten Abstand (x) zwischen Bipolarplatte (1) und Gesenk (3);
- Aushärten des Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisches (2) und Entfernen des Gesenks (3);
- Zumindest bereichsweises Aufrauen der ausgehärteten Epoxidharz-Kohlenstoff- Gemisch Beschichtung (4);
- Hydrophilisierung zumindest der aufgerauten Bereiche (4.1) der Epoxidharz- Kohlenstoff-Gemisch Beschichtung (4) durch Aussetzen zumindest der aufgerauten Bereiche (4.1) einem Niederdruckplasma (5).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die zu beschichtende Seite (S) der Bipolarplatte (1) in Richtung eines von der Bipolarplatte weg gerichteten Normalenvektors (N) wenigstens eine Erhebung (6) und wenigstens eine Vertiefung (7) aufweist, wobei die Erhebung (6) zumindest abschnittsweise hydrophilisiert wird und die Vertiefung (7) zumindest abschnittsweise in ihrem unbehandelten Oberflächenzustand verbleibt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch UV-Strahlung (8) aushärtbares Epoxidharz verwendet wird, das Gesenk (3) zumindest bereichsweise eine Transparenz für UV-Strahlung (8) aufweist und das Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisch (2) durch Bestrahlen mit UV-Strahlung (8) bei aufgelegtem Gesenk (3) auf der beschichteten Seite (S) der Bipolarplatte (1) ausgehärtet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Applikation des Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemischs (2) auf der zu beschichtenden Seite (S) der Bipolarplatte (1) das Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisch (2) auf die zu beschichtende Seite (S) aufgesprüht oder aufgestrichen wird, insbesondere mittels Rakel aufgestrichen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgehärtete Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisch (2) durch Bestrahlen mit einem Laserstrahl (9) oder mit einem Abrasivstrahl, insbesondere einem Glasperlenstrahl, aufgeraut wird.
6. Bipolarplatte (1), gekennzeichnet durch eine zumindest bereichsweise Beschichtung (4) zumindest einer zu beschichtenden Seite (S), wobei ein erster Abschnitt (A1) der Beschichtung (4) hydrophile Eigenschaften aufweist und ein zweiter Abschnitt (A2) der Beschichtung (4) hydrophobe Eigenschaften aufweist.
7. Bipolarplatte (1) nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine zumindest bereichsweise Beschichtung (4) mit einem Epoxidharz-Kohlenstoff- Gemisch (2), wobei das Epoxidharz-Kohlenstoff-Gemisch (2) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 appliziert wurde.
8. Brennstoffzelle, gekennzeichnet durch wenigstens eine Bipolarplatte (1) nach Anspruch 7.
9. Fahrzeug, gekennzeichnet durch, wenigstens eine Brennstoffzelle nach Anspruch 8.
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