半成品元件的亲水化方法和由此制造的电极元件、双极元件或换热器元件技术

本发明专利技术涉及一种用于使半成品元件(2)，尤其是电极元件、双极元件和/或换热器元件亲水化的方法，该半成品元件由包含至少一种热塑性塑料和/或至少一种热固性塑料的塑料材料或塑料复合材料制成。为了能够以较小的组织结构变化、较低的成本和较少的花费来提高部件表面对水性介质的润湿性，亲水化至少部分地通过将碳颗粒(3)至少区域性地施加在半成品元件(2)的至少一个表面(1)上来实现，并且通过涂抹、加压气体喷射和/或静电将碳颗粒(3)至少区域性地施加在至少一个表面(1)上，使得碳颗粒(3)保持粘附在表面(1)上。粘附在表面(1)上。粘附在表面(1)上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】半成品元件的亲水化方法和由此制造的电极元件、双极元件或换热器元件


[0001]本专利技术涉及一种用于使半成品元件，尤其是电极元件、双极元件和/或换热器元件亲水化的方法，该半成品元件由包含至少一种热塑性塑料和/或至少一种热固性塑料的塑料材料或塑料复合材料制成。此外，本专利技术涉及一种用于由半成品元件制造电极元件，尤其是电极板，双极元件，尤其是双极板，和/或换热器元件，尤其是换热器管或换热器板的方法。此外，本专利技术涉及根据权利要求12或13制造的电极元件以及具有根据权利要求14的电极元件的电化学电池。

技术介绍

[0002]电极元件和双极元件需要足够的导电性，因此已知的电极元件和双极元件由金属材料或具有至少一种导电组分的复合材料形成。相反，在换热器元件中通常不需要导电性。然而，在此需要高导热性。由于具有高导电性的材料通常也能很好地导热，因此换热器元件同样也经常由金属材料或具有至少一种导电组分的复合材料形成。一方面的电极元件和双极元件与另一方面的换热器元件之间的另一个共同点是，热量和电导通由于相应的导通阻力都应以尽可能均匀分布的方式在相应的元件的整个横截面上引导。如果将无论出于何种原因始终具有显著含量塑料的复合材料用于制造相应的部件，通常将细小的导电颗粒分布在塑料中，以提供必要的导电性或导热性。在相应的复合材料中，通常由至少一种塑料或塑料混合物形成基质，其中以精细分布的方式容纳有导电颗粒。该基质因此形成连续相，其中导电颗粒以精细分布的方式并且尽可能均匀地分散。导电颗粒例如是金属或碳基颗粒，因为与该至少一种的塑料相比，这些材料具有增加的导电性和导热性。
[0003]在例如呈由连续相具有至少一种塑料的复合材料形成的电极元件、双极元件和换热器元件形式的半成品元件中，部分地存在表面对水或水性介质的润湿性受限的基本问题。当使用疏水塑料形成半成品元件时尤其如此，其中必须注意的是，大多数使用的热塑性塑料和热固性塑料都是相对疏水的。如果填充材料颗粒也是疏水的，在碳基填充材料颗粒中经常是这种情况，则对水性介质的润湿性有限的问题进一步增强。在水或水性介质被吸引并因此在表面上平面地扩散，即润湿表面时，疏水性表面具有排斥水或水性介质或减少表面与水或水性介质之间的接触面积的趋势。
[0004]对水性介质的良好润湿性对于电极元件和双极元件尤其重要，因为这些半成品元件应尽可能在其整个表面上与亲水性电解质接触。这同样适用于应当从水性介质吸收热量和/或将热量排放到水性介质中的换热器元件。在疏水材料中，这种全表面接触虽然原则上也可以通过适当处理电解质或参与热交换的至少一种介质实现。然而，这在之后仍然导致在一方面的电极元件、双极元件或换热器元件与另一方面的相邻水性介质之间的边界表面上的过渡阻力增加，这最终体现为针对电流的导通或要传递的热量的传导，在相应边界面上的导通阻力或过渡阻力显著。
[0005]当半成品旨在形成电极元件、双极元件或换热器元件时，半成品的润湿性或亲水
性尤其重要。在这种情况下，电极元件或双极元件例如用于电化学电池，例如燃料电池或氧化还原液流电池。
[0006]氧化还原液流电池的不同的实施方案是已知的。例如在AT 510 250 A1和US 2004/0170893 A1中说明了这样的实施方案。氧化还原液流电池的一个重要优点是能够储存非常大量的电能。在这里，能量储存在电解液中，电解液可以以节省空间的方式保存在非常大的罐中。电解液通常具有不同氧化态的金属离子。为了从电解液中提取电能或为其充电而将电解液泵送通过所谓的电化学电池。在这种情况下，电池由两个半电池形成，这两个半电池通过膜彼此分开并且分别包括电池内部腔室、电解液和电极或双极板。该膜是半渗透性的，其作用是在空间和电学上将电化学电池的阴极和阳极彼此隔离。为此，膜必须对某些离子具有透过性，从而将储存的化学能转化为电能。在电池的电极或双极板上发生氧化还原反应，其中电子从一个电极处的电解液中释放出来，而在另一个电极处的电解液中被接收。电解液的金属和/或非金属离子形成氧化还原对并因此产生氧化还原电位。作为氧化还原对，例如考虑铁
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铬、多硫化物
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溴化物、钒或其他重金属。这些或其他氧化还原对可以基本上存在于水溶液或非水溶液中。然而，氧化还原活性的有机物质，例如蒽醌，也可考虑作为电解质。
[0007]由于氧化还原电位而在其间形成电位差的电池电极在电池外部彼此电连接，例如通过用电器。当电池外部的电子从一个半电池移动到另一个时，电解质的离子直接从一个半电池穿过膜到另一个半电池。为了给氧化还原液流电池充电，可以取代用电器例如通过充电装置将电位差施加到半电池的电极上，通过该电位差使在半电池的电极上发生的氧化还原反应反转。
[0008]如有必要，将多个相同类型的电池组合在一个氧化还原液流电池中。为此，电池通常彼此叠放，因此多个电池的总体也被称为电池叠或电池堆。单个的电池通常彼此平行地由电解液流过，而这些电池通常是顺次电连接的。因此，这些电池通常以流体并联和电气串联的方式连接。在这种情况下，电解液的充电状态在电池堆的各个半电池中分别是相同的。
[0009]虽然电化学电池的电极元件或双极元件，尤其是用于形成电池堆并且为了简单起见以板状方式形成，在换热器元件中尤其考虑使用板状和管状换热器元件。使用相应的换热器元件的板式换热器和管束换热器的不同构造是已知的。
[0010]在针对所使用的半成品，尤其是电极元件、双极元件或换热器元件的部分缺乏润湿性或亲水性的已经说明的
技术介绍
下，已经提出了用于使半成品元件的表面亲水化的不同方法。由此，例如已知化学表面处理，其中用稀酸蚀刻表面。在此，提到了表面的酸洗，这会导致亲水基团，例如氧化物基团或氧基团的积累，从而使表面总体更加亲水，因此可以更好地润湿。此外，已知对部件的表面进行氟化，其中氟在高压和升高的温度下沉积在表面中。氟原子在部件表面局部导致发生许多小的电荷位移，从而使表面总体更加亲水。相应部件的表面也可以替代地与等离子体或电晕束接触。相应地用电荷轰击表面，激发表面出现比原始表面结构更亲水的表面结构的化学变化。
[0011]然而，所有这些方法都具有非常复杂且因此昂贵的缺点。除此之外，表面处理导致组织结构的改变，尤其是在塑料表面上导致不希望的结晶或再结晶。其原因是例如部件表面上的热效应和/或表面结构的化学改性。在部件表面上的塑料过度结晶通常会对部件的机械性能产生不利影响。

技术实现思路

[0012]因此，本专利技术的目的是设计和进一步扩展开头提到的和前面详细说明的方法，使得可以以较小的组织结构变化、较低的成本和较少的花费来提高部件表面对水性介质的润湿性。
[0013]该目的根据权利要求1通过一种用于使半成品元件，尤其是电极元件、双极元件和/或换热器元件亲水化的方法来实现，该半成品元件由包含至少一种热塑性塑料和/或至少一种热固性塑料的塑料材料或塑料复合材料制成，
[0014]‑
在该方法中，亲水化至少部分地通过将碳颗粒至少区域性地施加在半成品元件的至少一个表面上来实现，并且
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.用于使半成品元件(2)，尤其是电极元件、双极元件和/或换热器元件亲水化的方法，所述半成品元件由包含至少一种热塑性塑料和/或至少一种热固性塑料的塑料材料或塑料复合材料制成，
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在所述方法中，亲水化至少部分地通过将碳颗粒(3)至少区域性地施加在半成品元件(2)的至少一个表面(1)上来实现，并且
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在所述方法中，通过涂抹、加压气体喷射和/或通过静电将碳颗粒(3)至少区域性地施加在至少一个的所述表面(1)上，使得碳颗粒(3)保持粘附在所述表面(1)上。2.根据权利要求1所述的方法，在所述方法中，在将碳颗粒(3)施加到至少一个的所述表面(1)上以将所述半成品元件(2)亲水化之后，通过敲击、摇动、吹扫、冲洗和/或擦拭至少基本上从至少一个的所述表面(1)去除过量的碳颗粒。3.根据权利要求1或2所述的方法，在所述方法中，石墨、石墨烯、碳纳米管、炭黑和/或碳纤维作为碳颗粒(3)用于亲水化。4.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，在所述方法中，在0℃至50℃之间，优选5℃至40℃之间，尤其是10℃至30℃之间的温度使用碳颗粒(3)进行亲水化。5.根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，在所述方法中，在将碳颗粒(3)施加到至少一个的待亲水化的所述表面(1)之后，尤其是在从亲水化的表面(1)去除碳颗粒(3)之后，表面的碳颗粒(3)的克重为至少区域性地小于10000mg/m2，优选小于1000mg/m2，尤其是小于500mg/m2。6.根据权利要求1至5中任意一项所述的方法，在所述方法中，至少90重量％的碳颗粒(3)小于100μm，优选小于10μm，尤其小于0.1μm。7.根据权利要求1至6中任意一项所述的方法，在所述方法中，碳颗粒(3)的BET表面积在50m2/g和10000m2/g之间，优选在250m2/g和2500m2/g之间，尤其是在500m2/g和1800m2/g之间。8.根据权利要求1至7中任意一项所述的方法，在所述方法中，碳颗粒(3)的吸油值(ISO 4656:2012
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07)在10ml/100g和1000ml/100g之间，尤其在50ml/100g和500ml/100g之间，尤其在100ml/100g和300ml/100g之间。9.根据权利要求1至8中任意一项所述的方法，在所述方法中，至少一种的所述热塑性塑料选自聚烯烃(例如聚乙...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢卡斯，
申请(专利权)人：弗劳恩霍夫应用研究促进协会，
类型：发明
国别省市：