DE102005043203B4

DE102005043203B4 - Gasdiffusionsschicht und Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht

Info

Publication number: DE102005043203B4
Application number: DE102005043203A
Authority: DE
Inventors: Klaus-Dietmar Dr. Wagner; Achim Bock; Karim Salama; Achim Weller
Original assignee: Carl Freudenberg KG
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2025-09-10
Also published as: CN101258630A; JP2009507349A; KR20080033485A; DE102005043203A1; US20100219069A1; EP1925050A1; WO2007031159A1; CA2621335A1

Abstract

Gasdiffusionsschicht mit einer Fasern (1) umfassenden Lage (2), wobei die Fasern (1) teilweise mit einem Beschichtungsmaterial (3) versehen sind, wobei die Fasern (1) an Kontaktstellen (4) aneinanderliegen und wobei die Lage (2) der Umgebung zugewandte Grenzflächen (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (1) an den Kontaktstellen (4) und/oder den Grenzflächen (5) von Beschichtungsmaterial (3) befreit sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Gasdiffusionsschichten mit einer Fasern umfassenden Lage, wobei die Fasern teilweise mit einem Beschichtungsmaterial versehen sind, wobei die Fasern an Kontaktstellen aneinander liegen und wobei die Lage der Umgebung zugewandte Grenzflächen aufweist. Die Erfindung betrifft des Weiteren Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht, bei denen eine Fasern umfassende Lage mit Beschichtungsmaterial ausgerüstet wird und bei denen die Fasern mit Beschichtungsmaterial zumindest teilweise bedeckt werden.
Stand der Technik
Derartige Gasdiffusionsschichten und Verfahren sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt und finden in Brennstoffzellen Anwendung, welche chemische Energie in elektrische Energie umwandeln. Für den Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle ist es von entscheidender Bedeutung, welchen elektrischen Widerstand eine Gasdiffusionsschicht aufweist.
Gasdiffusionsschichten werden aus unterschiedlichen Gründen mit Beschichtungsmaterialien versehen. Diese Materialien nehmen jedoch entscheidend Einfluss auf das elektrische Leitfähigkeitsverhalten einer Gasdiffusionsschicht.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Gasdiffusionsschichten, welche mechanisch gebunden sind, wie beispielsweise Vliesstoffe oder Gewebe weisen in Bezug auf diese physikalische Eigenschaft nach einer Beschichtung gemäß dem Stand der Technik relativ hohe und wenig optimierte Widerstandswerte auf.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Gasdiffusionsschicht der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiter zu bilden, dass ein optimales elektrisches Leitfähigkeitsverhalten gegeben ist.
Die vorliegende Erfindung löst die zuvor genannte Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Danach ist eine Gasdiffusionsschicht dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern an den Kontaktstellen und/oder den Grenzflächen von Beschichtungsmaterial befreit sind.
Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass konkrete Bereiche, nämlich die Grenzflächen und Kontaktstellen der Fasern, die elektrische Leitfähigkeit maßgeblich beeinflussen. In einem zweiten Schritt ist sodann erkannt worden, dass die selektive Befreiung spezieller Bereiche einer Gasdiffusionsschicht von Beschichtungsmaterial die Stabilität sowie die physiko-chemischen Eigenschaften der Gasdiffusionsschicht nur in notwendigstem Maße ändert. Schließlich ist erkannt worden, dass die selektive bereichsweise Befreiung von Beschichtungsmaterial die Reproduzierbarkeit bestimmter Widerstandswerte ermöglicht. Die Befreiung der Grenzflächen von Beschichtungsmaterial bewirkt eine Reduzierung des elektrischen Kontaktwiderstands zu benachbarten Komponenten in einer Brennstoffzellenanordnung. Insoweit ist eine Gasdiffusionsschicht angegeben, welche stets ein optimales elektrisches Leitfähigkeitsverhalten zeigt.
Folglich ist die eingangs genannte Aufgabe gelöst.
Die Aufgabe wird des Weiteren mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 2 gelöst.
Wird nämlich eine Gasdiffusionsschicht, bei welcher die Kontaktstellen der Fasern weitgehend frei von Beschichtungsmaterial sind, auf eine Temperatur erwärmt, welche gleich oder höher als die Schmelz-, Erweichungs- oder Sintertemperatur ist, so kann das Beschichtungsmaterial an den Kontaktstellen wieder zusammenfließen. Die elektrische Leitfähigkeit wird hierdurch wieder signifikant verschlechtert und der elektrische Widerstand einmalig deutlich erhöht.
Unter elektrischem Widerstand ist der Durchgangswiderstand durch die Lage zu verstehen. Diese kann zwischen geeigneten Elektroden angeordnet werden, um den Widerstand zu messen. Die Erwärmung bewirkt üblicherweise zumindest eine Verdopplung des elektrischen Widerstands. Wenn eine erfindungsgemäße Gasdiffusionsschicht vor der Erwärmung bei Raumtemperatur (T = 20°C) einen elektrischen Widerstand aufweist, so ist dieser einmalig allein durch Erwärmen auf oder über die Schmelz-, Erweichungs- oder Sintertemperatur des Beschichtungsmaterials erhöhbar. Insoweit weist die Gasdiffusionsschicht nach einmaliger Erwärmung und erneuter Abkühlung auf Raumtemperatur einen deutlich erhöhten elektrischen Widerstand auf.
In einer konstruktiv besonders günstigen Ausgestaltung könnte die Lage als leitfähiges textiles Flächengebilde ausgestaltet sein. Diese konkrete Ausgestaltung ermöglicht die problemlose Verarbeitung bereits vorgefertigter Halbzeuge. Die Verwendung eines textilen Flächengebildes stellt sicher, dass die Gasdiffusionsschicht gewisse elastische Eigenschaften zeigt und beispielsweise rollbar oder deformierbar ist.
Die Lage könnte Kohlenstofffasern umfassen. Kohlenstoff zeichnet sich durch ein besonders günstiges elektrisches Leitfähigkeitsverhalten aus. Kohlenstofffasern weisen darüber hinaus eine hohe Steifigkeit, Stabilität und niedrige Dichte auf, wodurch sie für die Fertigung leichter und stabiler Lagen geeignet sind. Des Weiteren ist vor diesem Hintergrund denkbar, dass Kohlefaserpapier oder Kohlevlies verwendet werden, welche einen guten Zugang der in einer Brennstoffzelle auftretenden Reaktionspartner zu den Elektroden gewährleisten.
Das Beschichtungsmaterial könnte als Hydrophobierungsmittel ausgestaltet sein. Beispielsweise ist denkbar, dass bei hydrophober Ausgestaltung in der Brennstoffzelle auftretendes Reaktionswasser daran gehindert wird, die Poren der Gasdiffusionsschicht zu verschließen und einen Gasfluss zu verhindern.
Denkbar ist auch, dass das Beschichtungsmaterial als Hydrophilierungsmittel ausgestaltet ist. Hierdurch könnte die Anlagerung von Wasser an der Gasdiffusionschicht begünstigt werden, um deren Austrocknen und somit eine Verschlechterung der Protonenleitfähigkeit zu verhindern.
Je nach Wahl der hydrophoben bzw. hydrophilen Eigenschaften der Gasdiffusionsschicht kann eine Optimierung des Gas- oder Flüssigkeitsflusses durch die Gasdiffusionsschicht, das Gas- und Wassermanagement, optimiert werden. Dabei ist sogar denkbar, dass die Gasdiffusionschicht zugleich bereichsweise mit Hydrophobierungsmittel und bereichsweise mit Hydrophilierungsmittel ausgerüstet ist.
Das Beschichtungsmaterial könnte als Bindemittel fungieren. Diese Ausgestaltung erlaubt die Realisierung einer chemischen Bindung der Fasern der Lage. Dabei ist insbesondere denkbar, dass die Fasern über Beschichtungsmaterialstrukturen miteinander verbunden sind, wobei die Kreuzungspunkte, an denen die Fasern aneinander liegen, vom Beschichtungsmaterial frei sind. Das Bindemittel kann Additive, wie Ruß, enthalten, um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen und/oder hydrophile bzw. weniger hydrophobe Zentren zu schaffen.
Die Gasdiffusionschicht könnte durch eine Kombination aus thermischen, chemischen oder mechanischen Bindemechanismen stabilisiert sein. Die Kombination unterschiedlicher Bindemechanismen erlaubt die selektive Einstellung verschiedener physikalischer und chemischer Eigenschaften der Gasdiffusionschicht.
Das Beschichtungsmaterial könnte einen Anteil von 0 bis 70 Vol.-% umfassen. Ganz in Abhängigkeit von der Wahl des prozentualen Anteils des Beschichtungsmaterials können auch die elastischen und mechanischen Eigenschaften der Lage eingestellt werden. Besonders bevorzugt könnte der Anteil an Beschichtungsmaterial 5 bis 20 Vol.-% umfassen. Durch die Auswahl dieses Bereichs zeigt die Gasdiffusionsschicht trotz zufriedenstellender hydrophober Eigenschaften ein gleichermaßen zufriedenstellendes Wasserrückhaltevermögen.
Das Beschichtungsmaterial könnte Polytetrafluorethylen umfassen. Polytetrafluorethylen ist in besonderer Weise als Hydrophobierungsmittel geeignet, da es kommerziell leicht erhältlich ist und im Hinblick auf seine physiko-chemischen Eigenschaften gut erforscht ist. Des Weiteren lässt sich Polytetrafluorethylen problemlos in einer Flüssigkeit dispergiert verarbeiten. Neben Polytetrafluorethylen sind auch andere Fluorpolymere, wie z. B. Fluoropolyethylenpropylen (FEP), sowie Copolymere von Fluorpolymeren, Silane oder andere hydrophobe Materialien verwendbar, die sich problemlos auf die Gasdiffusionsschicht auftragen lassen. Fluorpolymere sind hydrophobe Materialien, welche sich durch eine hohe thermische und chemische Stabilität auszeichnen.
Zumindest einer Grenzfläche könnte eine mikroporöse Beschichtung zugeordnet sein. Hierdurch erfolgt eine bessere Anbindung an eine Katalysatorschicht, die auf die mikroporöse Beschichtung der Gasdiffusionschicht aufgebracht oder an einer protonenleitfähigen Membran einer Brennstoffzelle vorgesehen sein kann. Die mikroporöse Beschichtung könnte so aufgebracht werden, dass bei geeigneter Rohstoffauswahl und Verfahrensführung die Beschichtungsmaterialkonzentration im Bereich der Kontaktstellen nicht beeinflusst wird.
Die Gasdiffusionsschicht könnte einer Plasmabehandlung unterzogen worden sein. Eine Plasmabehandlung kann eine selektive Anbindung von Ionen oder Molekülen an bestehende Strukturen bewirken. Hierdurch werden die Permeationseigenschaften der Gasdiffusionschicht für Fluide beeinflusst. Durch die Plasmabehandlung können zusätzlich zu den durch das Beschichtungsmaterial geschaffenen hydrophoben und hydrophilen Bereichen weitere solcher Bereiche geschaffen werden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird des Weiteren durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Danach ist ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial von den Fasern bereichsweise und selektiv entfernt wird.
Die eingangs genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst.
Um Wiederholungen zu vermeiden, sei in Bezug auf die erfinderische Tätigkeit auf die Ausführungen zur Gasdiffusionsschicht als solcher verwiesen.
Das Beschichtungsmaterial könnte durch Druckbeaufschlagung entfernt werden. Dabei ist denkbar, dass die Gasdiffusionsschicht durch eine Anordnung durchgeführt wird, welche in der Weise definiert Druck auf die Gasdiffusionsschicht ausübt, dass das Beschichtungsmaterial zwischen zwei aneinander liegenden Fasern herausgepresst wird. Insbesondere könnte die Druckkraft, mit der die Lage beaufschlagt wird, in Abhängigkeit von der gewünschten Leitfähigkeit der Gasdiffusionsschicht gewählt werden. Durch dieses Verfahren ist eine Gasdiffusionsschicht mit vorgebbarer Leitfähigkeit reproduzierbar herstellbar.
Vor diesem Hintergrund ist ebenso denkbar, dass das Beschichtungsmaterial einen oder mehrere Zusatzstoffe umfasst, welche bewirken, dass das Beschichtungsmaterial an den Grenzflächen der Gasdiffusionsschicht zur Atmosphäre nicht haftet. Dabei ist denkbar, dass das Beschichtungsmaterial bevorzugt in die Bulk-Phase der Lage eindringt.
Das Beschichtungsmaterial könnte vor, während oder nach einem Temperprozess entfernt werden.
Der Temperprozess bewirkt bei einem thermoplastischen Beschichtungsmaterial dessen gleichmäßiges Verschmelzen zum Erzeugen einer homogenen Schicht, auch bekannt als Sintern. Ein Sinterprozess wird üblicher Weise bei der Sintertemperatur des Beschichtungsmaterials durchgeführt.
Ein Entfernen während des Sinterprozesses erlaubt einen besonders schnellen Fertigungsprozess bei der Verwendung thermoplastischer Beschichtungsmaterialien, da diese im aufgeschmolzenen Zustand eine ausreichende Fluidität aufweisen. Die Fluidität erlaubt ein Entfernen des Beschichtungsmaterials zwischen den Kontaktstellen.
Das Entfernen nach dem Sinterprozess in einem nachgeordneten Verfahrensschritt erlaubt eine Optimierung des Sinterprozesses, wobei die Beschichtungsmaterialkonzentration zwischen den Kontaktstellen vernachlässigt werden kann.
Bei Verwendung eines vernetzenden Beschichtungsmaterials dient der Temperprozess der homogenen und ausreichend vollständigen Vernetzungsreaktion. Ein Entfernen vor dem Temperprozess stellt sicher, dass die Kontaktstellen vor der Vernetzungsreaktion nahezu völlig frei von Beschichtungsmaterial sind.
Die Lage könnte feucht oder trocken mit Beschichtungsmaterial ausgerüstet werden. Die trockene Ausrüstung hat den Vorteil, dass auf Trockungsprozesse vor einem Sinterprozess verzichtet werden kann. Die feuchte Ausrüstung erlaubt ein vollständiges Benetzen der Fasern mit Beschichtungsmaterial, so dass eine nahezu vollständige Ummantelung der Fasern sicher gestellt werden kann. Hierdurch kann eine mechanisch besonders stabile und homogen aufgebaute Gasdiffusionsschicht realisiert werden.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung auf vorteilhafte Weise auszugestalten und weiter zu bilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung zeigt die einzige
Fig. eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionschicht.
Ausführung der Erfindung
Die einzige Fig. zeigt in schematischer Ansicht eine Gasdiffusionsschicht mit einer flächigen Lage 2. Der Ausschnitt A zeigt eine vergrößerte Ansicht der Lage 2. Die Lage 2 umfasst Fasern 1, wobei die Fasern 1 teilweise mit einem Beschichtungsmaterial 3 versehen sind, wobei die Fasern 1 an Kontaktstellen 4 aneinander liegen und wobei die Lage 2 der Umgebung zugewandte Grenzflächen 5 aufweist. Die Fasern 1 sind an den Kontaktstellen 4 und/oder den Grenzflächen 5 vom Beschichtungsmaterial 3 befreit.
Die Lage 2 ist als leitfähiges textiles Flächengebilde ausgestaltet und umfasst Kohlenstofffasern. Das Beschichtungsmaterial 3 ist als Hydrophobierungsmittel ausgestaltet. Als Beschichtungsmaterial 3 wird Polytetrafluorethylen verwendet.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lehre wird einerseits auf den allgemeinen Teil der Beschreibung und andererseits auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
Abschließend sei ganz besonders hervorgehoben, dass das zuvor rein willkürlich gewählte Ausführungsbeispiel lediglich zur Erörterung der erfindungsgemäßen Lehre dient, diese jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel einschränkt.

Claims

Gasdiffusionsschicht mit einer Fasern (1) umfassenden Lage (2), wobei die Fasern (1) teilweise mit einem Beschichtungsmaterial (3) versehen sind, wobei die Fasern (1) an Kontaktstellen (4) aneinanderliegen und wobei die Lage (2) der Umgebung zugewandte Grenzflächen (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (1) an den Kontaktstellen (4) und/oder den Grenzflächen (5) von Beschichtungsmaterial (3) befreit sind.
Gasdiffusionsschicht mit einer Fasern (1) umfassenden Lage (2), wobei die Fasern (1) teilweise mit einem Beschichtungsmaterial (3) versehen sind, wobei die Fasern (1) an Kontaktstellen (4) aneinanderliegen und wobei die Lage (2) der Umgebung zugewandte Grenzflächen (5) aufweist, gekennzeichnet durch, einen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur, der durch einmalige Erwärmung der Gasdiffusionsschicht auf oder über die Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials (3) erhöhbar ist.
Gasdiffusionsschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage (2) als leitfähiges textiles Flächengebilde ausgestaltet ist.
Gasdiffusionsschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage (2) Kohlenstofffasern umfasst.
Gasdiffusionsschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial (3) ein Hydrophobierungsmittel umfasst.
Gasdiffusionsschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial (3) ein Hydrophilierungsmittel umfasst.
Gasdiffusionsschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial (3) als Bindemittel fungiert.
Gasdiffusionsschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Beschichtungsmaterialanteil von 0 bis 70 Volumenprozent.
Gasdiffusionsschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial Polytetrafluorethylen, Fluorpolymere oder Silane umfasst.
Gasdiffusionsschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer Grenzfläche (5) eine mikroporöse Beschichtung zugeordnet ist.
Gasdiffusionsschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 10, welche einer Plasmabehandlung unterzogen wurde.
Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht, insbesondere nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 11, bei dem eine Fasern (1) umfassende Lage (2) mit Beschichtungsmaterial (3) ausgerüstet wird und bei dem die Fasern (1) mit Beschichtungsmaterial (3) zumindest teilweise bedeckt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial (3) von den Fasern (1) bereichsweise und selektiv entfernt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht, insbesondere nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 11, bei dem eine Fasern (1) umfassende Lage (2) mit Beschichtungsmaterial (3) ausgerüstet wird und bei dem die Fasern (1) mit Beschichtungsmaterial (3) zumindest teilweise bedeckt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand der Gasdiffusionsschicht bei Raumtemperatur durch Erwärmung der Gasdiffusionsschicht auf oder über die Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials (3) einmalig erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial (3) durch Druckbeaufschlagung entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial (3) vor, während oder nach einem Temperprozess entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage (2) feucht oder trocken mit Beschichtungsmaterial (3) ausgerüstet wird.