WO2015139880A1 - Bipolarplatte - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a bipolar plate for an electrochemical arrangement, in particular for a low-temperature fuel cell, comprising a metallic carrier with a single-layer or multi-layer coating.
  • Bipolar plates which are also referred to as interconnectors, allow in electrochemical arrangements of various types, the series connection of several individual elements in a stack.
  • the individual cells are combined in this way to form a fuel cell stack in order to provide a corresponding multiple of the cell voltage.
  • the bipolar plate performs several essential functions, namely the production of the electrical connection between the adjacent electrodes and the supply of the fuel to the anode on one side and the oxidizer to the cathode on the other side. Furthermore, the bipolar plate is often designed in two parts and includes a space through which a coolant flows and ensures a temperature of the stack. Basic prerequisites for the effective operation of the fuel cell are, inter alia, that the bipolar plate has the lowest possible electrical contact resistance and is substantially gas-tight.
  • the bipolar plates account for a substantial portion of the total weight of the stack as well as manufacturing costs (see, for example, S. Karimi et al .: A Review of Metallic Bipolar Plates for Proton Exchange Membrane Fuel Cells: Materials and Fabrication Methods, Advances in Materials Science and Engineering, 2012, 1-22).
  • the bipolar plates usually comprise a metal support plate, for example stainless steel, which is provided with a coating to reduce the contact resistance.
  • this coating must be durably resistant under the operating conditions of the PEFC to ensure efficient and efficient operation In particular, it must be sufficiently resistant to temperature and oxidation.
  • Coatings for metallic bipolar plates known in the art include, in particular, noble metal coatings, such as gold, as well as carbon-based coatings in various modifications.
  • noble metal coatings such as gold
  • carbon-based coatings in various modifications.
  • PVD physical or chemical vapor deposition
  • the material costs are added, which are considerable despite the relatively small layer thickness.
  • conductive ceramics such as titanium or chromium nitrides.
  • the invention is therefore based on the object to propose a bipolar plate for an electrochemical arrangement, which can be produced more cheaply.
  • an outermost layer of the coating contains an electrically conductive monomeric organic compound which is resistant to oxidation, temperature and substantially water insoluble.
  • bipolar plates having a high electrochemical resistance and a low contact resistance can be produced relatively simply and inexpensively. This is especially true in comparison to electrically conductive polymers, such as polyaniline and polypyrrole, in which there is usually no sufficient oxidation resistance.
  • the electrically conductive compound is favorably temperature resistant up to at least 100 ° C, preferably up to at least 130 ° C. This is an assignment the bipolar plate in low-temperature fuel cells and in many other electrochemical arrangements possible.
  • organic compounds having the required properties in particular polycyclic aromatic hydrocarbons or derivatives thereof can be used.
  • the electrical conductivity is based on the lone pairs of electrons of the conjugated aromatic system, which are delocalized over a relatively wide range within the molecule.
  • the electrically conductive compound is a perylene derivative, in particular the dianhydride or a diimide of 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic acid.
  • R 1 and R 2 are the same or different and are each selected from a hydrogen atom, an alkyl radical, an aryl radical or an aryl-alkyl radical, each of which may be substituted by one or more alkyl, alkyloxy, halogen, OH or CN groups.
  • the compounds according to the formula I are used as color pigments on a larger scale and are therefore readily available.
  • the perylene pigments with the CI designations PR29, PR123, PR149, PR178, PR179, PR190, PR224, PBk31 and PBk32 Advantage can be used as electrically conductive compounds for the bipolar plate according to the invention.
  • the electrically conductive compound in the outermost layer of the coating (which may also be their only location), since the electrical properties of this outermost layer for the contact resistance to the adjacent element, in particular an electrode, are crucial.
  • the layer thickness is as small as possible, wherein the thickness of the outermost layer of the coating can be in particular in the range of 1 to 20 ⁇ m.
  • the outermost layer of the coating can be formed according to an embodiment of the invention exclusively from the electrically conductive compound. In this case, a very small layer thickness will be sufficient to achieve the stated advantages.
  • the electrically conductive compound can be applied to the metallic carrier by means of PVD, for example.
  • the outermost layer of the coating comprises a binder in which the electrically conductive compound is dispersed.
  • a binder in which the electrically conductive compound is dispersed.
  • an optimal adhesion of the coating to the metallic carrier can be achieved.
  • the coating in liquid form can be applied to the carrier by means of simple methods such as spraying or dipping.
  • a solvent for the binder can be used or a liquid binder which hardens after application chemically, thermally or by UV radiation.
  • Binders which can preferably be used in the context of the invention are selected from epoxy resins, acrylic resins, phenolic resins, urethane resins, melamine resins, fluorine resins and silicone resins.
  • a sufficient amount of the electrically conductive compound in the binder must be dispersed, with smaller layer thicknesses tend to be lower amounts sufficient.
  • the compound is contained in a proportion of 30 to 90 wt.% In the outermost layer of the coating, more preferably in a proportion of 50 to 80 wt.%. Excessive levels may result in insufficient adhesion of the coating.
  • the coating comprises more than one layer
  • a further layer which contains carbon particles.
  • the carbon particles are preferably dispersed in a binder.
  • the outermost layer desirably has a smaller layer thickness than the layer with the carbon particles. Since the latter usually have better conductivity than the abovementioned organic compounds, the total resistance of such a coating with the same total thickness is substantially lower than a single-layer coating with the organic compound. Compared to a pure coating based on carbon particles, however, has the significant advantage that the organic compounds are much more resistant to oxidation and thus protect the underlying carbon particles from oxidation.
  • the carbon particles are preferably formed from graphite, carbon black or carbon nanotubes.
  • the metallic carrier is advantageously formed in the bipolar plate according to the invention from stainless steel or from an alloy based on aluminum, copper, titanium or tantalum, with stainless steel being preferred.
  • the best possible corrosion resistance of the metallic carrier is important in that it can not be ruled out in practice that the coating does not or not completely cover individual regions of the carrier. However, it is of course desirable that the coating be so to form uniformly as possible, since in this way the contact resistance is reduced.
  • the bipolar plate according to the invention may be constructed in one or two parts, depending on which variant is more advantageous for the relevant electrochemical arrangement.
  • the metallic carrier comprises a single metal plate having on one or both sides the single or multi-layer coating.
  • the metal plate has an embossing structure, are formed by the flow channels for the fuel on one side and for the oxidizer on the other side of the plate. The respective raised areas of the embossing are then in contact with the adjacent anode or cathode.
  • the metallic support comprises two metal plates, which are at least partially bonded together, in particular welded or glued, and at least on their outer sides have the one or more layers coating.
  • both plates preferably have an embossed structure, wherein between the two plates additional flow channels can be provided for a coolant.
  • the electrical contact between the two metal plates of the carrier takes place, if they are welded, over the welded areas, which may be individual spot welds. If the plates are joined by another method, or if the welded portions are insufficient, the total resistance of the bipolar plate can be favorably reduced by having the single-layered or multi-layered coating also on its inner sides facing each other. As a result, the lowest possible contact resistance between the plates can be achieved even in the non-welded areas.
  • the present invention further relates to the use of a bipolar plate according to the invention in a low-temperature fuel cell, in particular in a polymer electrolyte fuel cell (PEFC).
  • PEFC polymer electrolyte fuel cell
  • a bipolar plate in the formation of a sponding fuel cell stack alternate each a bipolar plate and an electrode-membrane unit (membrane electrode assembly, MEA), said MEA comprising respectively an anode, a cathode and an interposed ⁇ associated proton exchange membrane.
  • MEA electrode-membrane unit
  • the invention may also find application in electrochemical arrangements of another kind, in which bipolar plates are provided.
  • the invention also relates to the use of the bipolar plate in an electrolysis device.
  • This example describes the single-layer coating of a 0.1 mm thick sheet of stainless steel 1.4404 as a metallic support with the commercially available pigment perylene red (IC PR149) as an electrically conductive monomeric organic compound.
  • perylene red is the compound N, N'-bis (3,5-dimethylphenyl) -3,4,9,10-perylene bisimide, according to the general ⁇ my formula I wherein Ri and R2 are each a 3.5 -Dimethylphenylrest are.
  • the surface of the stainless steel support is first activated in order to free them from metal oxides.
  • the support is first immersed for 5 minutes in a first activating solution.
  • the carrier is immersed in a second activating solution and subjected to a cathodic current density of 0.14 A / cm 2 for 7 minutes.
  • Activation solution 1 The two activation solutions have the following compositions: Activation solution 1:
  • the binder used for the coating formulation is an epoxy-based two-component system available from Mankiewicz Gebr. & Co. under the names Seevenax Coating 110-37 and Seevenax-Hardener 115-37. Further, the thinner 903-76 of the same manufacturer as well as Perylenrot of the Fa. Clariant International AG under the name Pigment PV Fast Red B was used.
  • the coating formulation has the following quantitative composition:
  • the coating cures at room temperature within 24 hours.
  • a stainless steel plate which has been coated on both sides according to this example has an average coating thickness of approx. 15 pm a resistance of 20 ⁇ 2 , which is well below the value of the uncoated steel plate.
  • the coating according to the invention ensures a permanently low contact resistance when using the coated carrier as a bipolar plate in an electrochemical arrangement.
  • the organic compound used is temperature-resistant and at least 130 ° C substantially water-insoluble, and compared to a precious metal coating (for example gold) much cheaper and easier to apply.
  • the coating also protects the metallic carrier against oxidation, wherein it is not absolutely necessary for the functionality of the bipolar plate that the coating completely covers and hermetically seals the carrier. table is tight.
  • the coated areas need only be sufficient to achieve the desired low contact resistance. Uncoated areas of the carrier can passivate and are then also protected against further corrosion.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Anordnung, insbesondere für eine Niedertemperaturbrennstoffzelle, umfassend einen metallischen Träger mit einer ein-oder mehrlagigen Beschichtung. Eine äußerste Lage der Beschichtung enthält eine elektrisch leitfähige monomere organische Verbindung, die oxidationsbeständig, temperaturbeständig und im Wesentlichen wasserunlöslich ist.

Description

Bipolarplatte
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Anordnung, insbesondere für eine Niedertemperaturbrennstoffzelle, umfassend einen metallischen Träger mit einer ein- oder mehrlagigen Beschichtung.
Bipolarplatten, die auch als Interkonnektoren bezeichnet werden, ermöglichen bei elektrochemischen Anordnungen verschiedener Art die Reihenschaltung mehrerer Einzelelemente zu einem Stack. Bei Brennstoffzellen werden auf diese Weise die Einzelzellen zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um ein entsprechendes Vielfaches der Zellenspannung bereitzustellen.
In einem Brennstoffzellenstapel übernimmt die Bipolarplatte mehrere wesentliche Funktionen, nämlich die Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen den benachbarten Elektroden sowie die Zuführung des Brennstoffs zur Anode auf der einen und des Oxidators zur Kathode auf der anderen Seite. Weiterhin ist die Bipolarplatte oft zweiteilig ausgeführt und beinhaltet einen Raum, durch den ein Kühlmittel fließt und für eine Temperierung des Stacks sorgt. Grundvoraussetzungen für den effektiven Betrieb der Brennstoffzelle sind daher unter anderem, dass die Bipolarplatte einen möglichst niedrigen elektrischen Kontaktwiderstand aufweist und im Wesentlichen gasdicht ist.
Bei der Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEFC), die einen weit verbreiteten Typ der Niedertemperaturbrennstoffzellen darstellt, machen die Bipolarplatten einen wesentlichen Anteil am Gesamtgewicht des Stapels sowie an den Herstellungskosten aus (siehe zum Beispiel S. Karimi et al . : A Review of Metallic Bipolar Plates for Proton Exchange Membrane Fuel Cells: Materials and Fabri- cation Methods, Advances in Materials Science and Engineering, 2012, 1-22). Die Bipolarplatten umfassen in der Regel eine Trägerplatte aus Metall, zum Beispiel Edelstahl, die zur Verringerung des Kontaktwiderstandes mit einer Beschichtung versehen ist. Diese Beschichtung muss unter den Betriebsbedingungen der PEFC zudem dauerhaft beständig sein, um einen effizienten und zuverlässigen Betrieb zu ermöglichen, das heißt sie muss insbesondere ausreichend temperatur- und oxidationsbeständig sein.
Beschichtungen für metallische Bipolarplatten, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, umfassen insbesondere Edelmetallbeschichtungen, wie zum Beispiel Gold, sowie Beschichtungen auf der Basis von Kohlenstoff in verschiedenen Modifikationen. Derartige Beschichtungen sind jedoch für viele Anwendungen zu teuer, da ihre Herstellung nur mit aufwendigen Verfahren wie zum Beispiel physikalischer oder chemischer Gasphasenabscheidung (PVD bzw. CVD) möglich ist. Im Fall von Edelmetallen kommen noch die Materialkosten hinzu, die trotz der relativ geringen Schichtdicke erheblich sind . Ähnliches gilt auch für Beschichtungen auf der Basis von leitfähigen Keramiken wie zum Beispiel Titan- oder Chromnitriden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Anordnung vorzuschlagen, die kostengünstiger hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei der Bipolarplatte der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine äußerste Lage der Beschichtung eine elektrisch leitfähige monomere organische Verbindung enthält, die oxidationsbeständig, temperaturbeständig und im Wesentlichen wasserunlöslich ist.
Mit Hilfe von organischen Monomeren, welche die genannten Eigenschaften aufweisen, können Bipolarplatten mit einer hohen elektrochemischen Beständigkeit und einem niedrigen Kontaktwiderstand relativ einfach und kostengünstig hergestellt werden. Dies gilt insbesondere auch im Vergleich zu elektrisch leitfähigen Polymeren, wie zum Beispiel Polyanilin und Polypyrrol, bei denen in der Regel keine ausreichende Oxidationsbeständigkeit gegeben ist.
Die elektrisch leitfähige Verbindung ist günstigerweise bis mindestens 100 °C temperaturbeständig, bevorzugt bis mindestens 130 °C. Damit ist ein Einsatz der Bipolarplatte in Niedertemperaturbrennstoffzellen sowie in vielen anderen elektrochemischen Anordnungen möglich.
Als organische Verbindungen mit den geforderten Eigenschaften können insbesondere polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe oder deren Derivate eingesetzt werden. Bei diesen Verbindungen basiert die elektrische Leitfähigkeit auf den freien Elektronenpaaren des konjugierten aromatischen Systems, die über einen relativ weiten Bereich innerhalb des Moleküls delokalisiert sind.
Besonders günstig ist es, wenn die elektrisch leitfähige Verbindung ein Pery- lenderivat ist, insbesondere das Dianhydrid oder ein Diimid der 3,4,9, 10-Pe- rylentetracarbonsäure.
Die genannten Diimide entsprechen insbesondere der folgenden allgemeinen Formel (I),
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wobei Ri und R2 gleich oder verschieden sind und jeweils ausgewählt sind aus einem Wasserstoffatom, einem Alkylrest, einem Arylrest oder einem Aryl-Al- kylrest, die jeweils substituiert sein können mit einer oder mehreren Alkyl-, Alkyloxy-, Halogen-, OH- oder CN-Gruppen.
Einige der Verbindungen gemäß der Formel I werden als Farbpigmente im größeren Maßstab eingesetzt und sind daher leicht verfügbar. Dies sind insbesondere die Perylen-Pigmente mit den C.I. -Bezeichnungen PR29, PR123, PR149, PR178, PR179, PR190, PR224, PBk31 und PBk32, die mit besonderem Vorteil als elektrisch leitfähige Verbindungen für die erfindungsgemäße Bipolarplatte verwendet werden können.
Erfindungsgemäß ist die elektrisch leitfähige Verbindung in der äußersten Lage der Beschichtung (die auch deren einzige Lage sein kann) enthalten, da die elektrischen Eigenschaften dieser äußersten Lage für den Kontaktwiderstand zum angrenzenden Element, insbesondere einer Elektrode, entscheidend sind . Zur Verringerung des Kontaktwiderstandes ist es günstig, wenn die Schichtdicke möglichst gering ist, wobei die Dicke der äußersten Lage der Beschichtung insbesondere im Bereich von 1 bis 20 pm liegen kann.
Die äußerste Lage der Beschichtung kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausschließlich aus der elektrisch leitfähigen Verbindung gebildet sein. In diesem Fall wird eine sehr geringe Schichtdicke ausreichend sein, um die genannten Vorteile zu erreichen. Die elektrisch leitfähige Verbindung kann zum Beispiel mit Hilfe von PVD auf den metallischen Träger aufgebracht werden.
Häufig ist es jedoch bevorzugt, wenn die äußerste Lage der Beschichtung ein Bindemittel umfasst, in dem die elektrisch leitfähige Verbindung dispergiert ist. Durch ein solches Bindemittel kann eine optimale Haftung der Beschichtung auf dem metallischen Träger erreicht werden. Besonders vorteilhaft ist in diesem Fall auch, dass die Beschichtung in flüssiger Form mittels einfacher Verfahren wie zum Beispiel Sprühen oder Tauchen auf den Träger aufgebracht werden kann. Dabei kann entweder ein Lösungsmittel für das Bindemittel verwendet werden oder ein flüssiges Bindemittel, welches nach dem Aufbringen chemisch, thermisch oder durch UV-Strahlung härtet.
Bindemittel, die im Rahmen der Erfindung bevorzugt eingesetzt werden können, sind ausgewählt aus Epoxidharzen, Acrylharzen, Phenolharzen, Urethan- harzen, Melaminharzen, Fluorharzen und Silikonharzen. Um den gewünschten niedrigen Kontaktwiderstand der Bipolarplatte zu erreichen, muss eine ausreichende Menge der elektrisch leitfähigen Verbindung in dem Bindemittel dispergiert sein, wobei bei kleineren Schichtdicken tendenziell geringere Mengen ausreichend sind. Bevorzugt ist die Verbindung mit einem Anteil von 30 bis 90 Gew.% in der äußersten Lage der Beschichtung enthalten, weiter bevorzugt mit einem Anteil von 50 bis 80 Gew.%. Bei zu hohen Anteilen kann es zu einer unzureichenden Haftung der Beschichtung kommen.
Wenn die Beschichtung mehr als eine Lage umfasst, ist es besonders bevorzugt, wenn unter der äußersten Lage mit der elektrisch leitfähigen Verbindung eine weitere Lage vorgesehen ist, die Kohlenstoffpartikel enthält. Die Kohlenstoffpartikel sind bevorzugt in einem Bindemittel dispergiert. In diesem Fall weist die äußerste Lage günstigerweise eine geringere Schichtdicke auf als die Lage mit den Kohlenstoffpartikeln. Da letztere in der Regel eine bessere Leitfähigkeit aufweisen als die oben genannten organischen Verbindungen, ist der Gesamtwiderstand einer solchen Beschichtung bei gleicher Gesamtdicke wesentlich geringer als einer einlagigen Beschichtung mit der organischen Verbindung. Gegenüber einer reinen Beschichtung auf Basis von Kohlenstoffpartikeln besteht jedoch der wesentliche Vorteil, dass die organischen Verbindungen erheblich oxidationsbeständiger sind und somit auch die darunterliegenden Kohlenstoffpartikel vor Oxidation schützen.
Die Kohlenstoffpartikel sind vorzugsweise aus Graphit, Ruß oder Kohlenstoff- nanoröhrchen gebildet.
Der metallische Träger ist bei der erfindungsgemäßen Bipolarplatte günstigerweise aus Edelstahl oder aus einer Legierung auf Basis von Aluminium, Kupfer, Titan oder Tantal gebildet, wobei Edelstahl bevorzugt ist.
Eine möglichst gute Korrosionsbeständigkeit des metallischen Trägers ist insofern von Bedeutung, als in der Praxis nicht ausgeschlossen werden kann, dass die Beschichtung einzelne Bereiche des Trägers nicht oder nicht vollständig abdeckt. Gleichwohl ist es natürlich wünschenswert, die Beschichtung so gleichmäßig wie möglich auszubilden, da auf diese Weise der Kontaktwiderstand verringert wird.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte kann ein- oder zweiteilig aufgebaut sein, je nachdem, welche Variante für die betreffende elektrochemische Anordnung vorteilhafter ist. Im ersten Fall umfasst der metallische Träger eine einzelne Metallplatte, die auf beiden Seiten die ein- oder mehrlagige Beschichtung aufweist. Bevorzugt weist die Metallplatte eine Prägestruktur auf, durch die Strömungskanäle für den Brennstoff auf der einen und für den Oxidator auf der anderen Seite der Platte ausgebildet sind . Die jeweils erhabenen Bereiche der Prägung stehen dann mit der angrenzenden Anode bzw. Kathode in Kontakt.
Bei der zweiteiligen Ausführung umfasst der metallische Träger zwei Metallplatten, die zumindest bereichsweise stoffschlüssig miteinander verbunden, insbesondere verschweißt oder verklebt sind, und die zumindest auf ihren äußeren Seiten die ein- oder mehrlagige Beschichtung aufweisen. Auch hier weisen beide Platten bevorzugt eine Prägestruktur auf, wobei zwischen den beiden Platten zusätzliche Strömungskanäle für ein Kühlmittel vorgesehen sein können.
Der elektrische Kontakt zwischen den zwei Metallplatten des Trägers erfolgt, sofern sie verschweißt sind, über die verschweißten Bereiche, bei denen es sich um einzelne Schweißpunkte handeln kann. Sind die Platten mittels eines anderen Verfahrens gefügt oder sind die geschweißten Bereiche nicht ausreichend, kann der Gesamtwiderstand der Bipolarplatte günstigerweise dadurch verringert werden, dass die zwei Metallplatten auch auf ihren inneren Seiten, die einander zugewandt sind, die ein- oder mehrlagige Beschichtung aufweisen. Dadurch kann auch in den nicht verschweißten Bereichen ein möglichst geringer Kontaktwiderstand zwischen den Platten erzielt werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer Niedertemperaturbrennstoffzelle, insbesondere in einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEFC). Bei der Bildung eines entspre- chenden Brennstoffzellenstapels wechseln sich jeweils eine Bipolarplatte und eine Elektrode-Membran-Einheit (membrane electrode assembly, MEA) ab, wobei die MEA jeweils eine Anode, eine Kathode und eine dazwischen ange¬ ordnete Protonenaustauschmembran umfasst.
Die Erfindung kann darüber hinaus auch bei elektrochemischen Anordnungen anderer Art Anwendung finden, bei denen Bipolarplatten vorgesehen sind. Insbesondere betrifft die Erfindung auch die Verwendung der Bipolarplatte in einer Elektrolysevorrichtung.
Das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel dient der näheren Erläu¬ terung der Erfindung.
Beispiel
Dieses Beispiel beschreibt die einlagige Beschichtung einer 0,1 mm dicken Platte aus Edelstahl 1.4404 als metallischem Träger mit dem kommerziell erhältlichen Pigment Perylenrot (I.C. PR149) als elektrisch leitfähige monomere organische Verbindung. Bei Perylenrot handelt es sich um die Verbindung N,N'-Bis(3,5-dimethylphenyl)-3,4,9,10-perylenbisimid, entsprechend der allge¬ meinen Formel I, wobei Ri und R2 jeweils ein 3,5-Dimethylphenylrest sind.
Vor dem Aufbringen der Beschichtung wird die Oberfläche des Edelstahlträgers zunächst aktiviert, um diese von Metalloxiden zu befreien. Entsprechend einem Verfahren, dass in der US 4,422,906 beschrieben ist, wird der Träger zunächst 5 min in eine erste Aktivierungslösung eingetaucht. Unmittelbar danach wird der Träger in eine zweite Aktivierungslösung eingetaucht und dabei für 7 min mit einer kathodischen Stromdichte von 0,14 A/cm2 beaufschlagt.
Die beiden Aktivierungslösungen weisen folgende Zusammensetzungen auf: Aktivierungslösung 1:
Salzsäure 35%ig 8 Vol.-%
Zitronensäure 5 Gew.%
Salpetersäure 68%ig 2,5 Vol.%
Schwefelsäure 75%ig 6 Vol.%
Polyoxyethylen(40)stearat 2 Gew.%
N-Ethyl-2-pyrrolidon 3 Gew.%
Essigsäure 90%ig 2 Vol.%
2-Pentin-l,4-diol 2 Gew.%
Aktivierungslösung 2:
Phosphorsäure 85%ig 20 Vol.%
Zitronensäure 5 Gew.%
Oxalsäure 3 Gew.%
Salpetersäure 68%ig 5 Vol.%
Schwefelsäure 75%ig 5 Vol.%
Polyoxyethylen(40)Stearat 2 Gew.%
Gluconsäure 50%ig 10 Vol.%
N-Ethyl-2-Pyrrolidon 5 Gew.%
2-Pentin-l,4-diol 3 Gew.%
Unmittelbar nach der galvanischen Aktivierung wird der Träger mit entgastem deionisiertem Wasser abgespült, mittels eines Zellstofftuches getrocknet und umgehend beschichtet.
Als Bindemittel für die Beschichtungsformulierung wird ein Zwei-Komponenten-System auf Epoxidbasis eingesetzt, das von der Fa. Mankiewicz Gebr. & Co. unter den Bezeichnungen Seevenax-Beschichtung 110-37 und Seevenax- Härter 115-37 erhältlich ist. Ferner wurde der Verdünner 903-76 desselben Herstellers sowie Perylenrot von der Fa. Clariant International AG unter der Bezeichnung Pigment PV Fast Red B eingesetzt. Die Beschichtungsformulierung hat folgende quantitative Zusammensetzung :
17 g Seevenax-Beschichtung 110-37
8 g Seevenax-Härter 115-37
2000 g Verdünner 903-76
100 g Pigment PV Fast Red B
Alle Bestandteile werden mit einem Dispergiergerät (Ika Ultra-Turrax T 18 mit Dispergierwerkzeug S18N- 19G) bei einer Drehzahl von 15000/min für 60 Sekunden homogenisiert und anschließend beidseitig auf den aktivierten Edelstahlträger aufgesprüht.
Die Beschichtung härtet bei Raumtemperatur innerhalb von 24 Stunden aus.
Eine Edelstahlplatte, die gemäß diesem Beispiel beidseitig beschichtet wurde, weist bei einer mittleren Beschichtungsdicke von ca . 15 pm einen Widerstand von 20 ΓΠΩΟΓΠ2 auf, was deutlich unter dem Wert der unbeschichteten Stahlplatte liegt. Durch eine Variation der Herstellungsparameter, insbesondere der Auftragsmenge der Beschichtung und der Konzentration der elektrisch leitfähigen Verbindung, können die elektrischen Eigenschaften des beschichteten Trägers je nach Anforderung weiter optimiert werden .
Die erfindungsgemäße Beschichtung gewährleistet einen dauerhaft niedrigen Kontaktwiderstand bei einer Verwendung des beschichteten Trägers als Bipolarplatte in einer elektrochemischen Anordnung . Darüber hinaus ist die eingesetzte organische Verbindung bis mindestens 130 °C temperaturbeständig und im Wesentlichen wasserunlöslich, sowie im Vergleich zu einer Edelmetallbe- schichtung (zum Beispiel Gold) deutlich kostengünstiger und einfacher aufzutragen .
Prinzipiell schützt die Beschichtung den metallischen Träger auch vor Oxida- tion, wobei es für die Funktionsfähigkeit der Bipolarplatte nicht zwingend notwendig ist, dass die Beschichtung den Träger lückenlos bedeckt und herme- tisch dicht ist. Die beschichteten Bereiche müssen lediglich ausreichen, um den gewünschten niedrigen Kontaktwiderstand zu erreichen. Nicht beschichtete Bereiche des Trägers können passivieren und sind dann ebenfalls vor weiterer Korrosion geschützt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Bipolarplatte für eine elektrochemische Anordnung, insbesondere für eine Niedertemperaturbrennstoffzelle, umfassend einen metallischen Träger mit einer ein- oder mehrlagigen Beschichtung,
dadurch gekennzeichnet, dass eine äußerste Lage der Beschichtung eine elektrisch leitfähige monomere organische Verbindung enthält, die oxi- dationsbeständig, temperaturbeständig und im Wesentlichen wasserunlöslich ist.
2. Bipolarplatte nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitfähige Verbindung bis mindestens 100 °C temperaturbeständig ist, bevorzugt bis mindestens 130 °C.
3. Bipolarplatte nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elektrisch leitfähige Verbindung ein polycyclischer aromatischer Kohlenwasserstoff oder ein Derivat hiervon ist.
4. Bipolarplatte nach Anspruch 3, wobei die elektrisch leitfähige Verbindung ein Perylenderivat ist, insbesondere das Dianhydrid oder ein Diimid der 3,4,9, 10-Perylentetracarbonsäure.
5. Bipolarplatte nach Anspruch 4, wobei die elektrisch leitfähige Verbindung der folgenden allgemeinen Formel (I) entspricht,
Figure imgf000012_0001
wobei Ri und R2 gleich oder verschieden sind und jeweils ausgewählt sind aus einem Wasserstoffatom, einem Alkylrest, einem Arylrest oder einem Aryl-Alkyrest, die jeweils substituiert sein können mit einer oder mehreren Alkyl-, Alkyloxy-, Halogen-, OH- oder CN-Gruppen.
6. Bipolarplatte nach Anspruch 5, wobei die elektrisch leitfähige Verbindung ausgewählt ist aus den Perylen-Pigmenten mit den C.I. -Bezeichnungen PR29, PR123, PR149, PR178, PR179, PR190, PR224, PBk31 und PBk32.
7. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die äußerste Lage der Beschichtung eine Schichtdicke im Bereich von 1 bis 20 pm aufweist.
8. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die äußerste Lage der Beschichtung ausschließlich aus der elektrisch leitfähigen Verbindung gebildet ist.
9. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die äußerste Lage der Beschichtung ein Bindemittel umfasst, in dem die elektrisch leitfähige Verbindung dispergiert ist.
10. Bipolarplatte nach Anspruch 9, wobei das Bindemittel ausgewählt ist aus Epoxidharzen, Acrylharzen, Phenolharzen, Urethanharzen, Melaminhar- zen, Fluorharzen und Silikonharzen.
11. Bipolarplatte nach Anspruch 9 oder 10, wobei die elektrisch leitfähige Verbindung mit einem Anteil von 30 bis 90 Gew.% in der äußersten Lage der Beschichtung enthalten ist, bevorzugt mit einem Anteil von 50 bis 80 Gew.%.
12. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung unter der äußersten Lage mit der elektrisch leitfähigen Ver- bindung eine weitere Lage umfasst, die Kohlenstoffpartikel enthält, die bevorzugt in einem Bindemittel dispergiert sind.
13. Bipolarplatte nach Anspruch 12, wobei die Kohlenstoffpartikel aus Graphit, Ruß oder Kohlenstoffnanoröhrchen gebildet sind.
14. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der metallische Träger aus Edelstahl oder aus einer Legierung auf Basis von Aluminium, Kupfer, Titan oder Tantal gebildet ist.
15. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der metallische Träger eine einzelne Metallplatte umfasst, die auf beiden Seiten die ein- oder mehrlagige Beschichtung aufweist.
16. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der metallische Träger zwei Metallplatten umfasst, die zumindest bereichsweise stoffschlüssig miteinander verbunden, insbesondere verschweißt oder verklebt sind, und die zumindest auf ihren äußeren Seiten die ein- oder mehrlagige Beschichtung aufweisen.
17. Bipolarplatte nach Anspruch 16, wobei die zwei Metallplatten auch auf ihren inneren Seiten, die einander zugewandt sind, die ein- oder mehrlagige Beschichtung aufweisen.
18. Verwendung einer Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden
Ansprüche in einer Niedertemperaturbrennstoffzelle, insbesondere in einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle.
19. Verwendung einer Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 17 in einer Elektrolysevorrichtung .
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