DE102020213461A1

DE102020213461A1 - Elektrodenmaterial

Info

Publication number: DE102020213461A1
Application number: DE102020213461.8A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger-Bernd Schweiss; Christian Meiser; Dana Cazimir
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2020-10-26
Publication date: 2022-04-28
Also published as: CN116670865A; WO2022090196A1; KR20230096020A; CA3199942A1; EP4233108A1; JP2023549666A; US20230395279A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenmaterials für Gasdiffusionsschichten, das mit diesem Verfahren hergestellte Elektrodenmaterial sowie dessen Verwendung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenmaterials für Gasdiffusionsschichten, das mit diesem Verfahren hergestellte Elektrodenmaterial sowie dessen Verwendung.
Gasdiffusionsschichten (englisch: Gas Diffusion Layers, GDLs) sind hochporöse, leitfähige Materialien auf Basis von Kohlenstoff oder Metallen und werden vornehmlich in Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEMFCs), Metall-Luft-Batterien, elektrochemischen Reaktoren und Elektrolyseuren eingesetzt. Als Gasdiffusionselektroden (GDEs) werden GDLs bezeichnet, welche zusätzlich elektrokatalytisch wirksame Bestandteile enthalten.
Kernaufgabe der GDL ist die Versorgung der elektrochemisch aktiven Schichten mit gasförmigen bzw. flüssigen Brennstoffen (Wasserstoff, Methanol) und mit Oxidanten (Sauerstoff) sowie die Ableitung von Strom und Wärme bzw. der Abtransport von Reaktionsprodukten. Kohlenstoffbasierte GDLs weisen in der Regel ein makroporöses, Carbonfasern umfassendes Elektrodenmaterial auf, welches mit Fluorpolymeren hydrophobiert und einseitig mit einer mikroporösen Schicht (engl. micro-porous layer, MPL) aus Kohlenstoffpartikeln und Fluorpolymeren (in der Regel Polytetrafluorethylen, PTFE) versehen ist. Die MPL penetriert zum Teil in das makroporöse Elektrodenmaterial.
Die makroporösen Elektrodenmaterialien werden entweder durch Weben von Kohlenstoffasern oder durch Vliesstoffprozesse (Trocken- bzw. Nassvliestechnologie) hergestellt. Heutige GDLs basieren fast ausschließlich auf Vliesstoffen aus Carbonfasern, während die Gewebe nur noch eine untergeordnete Rolle spielen.
Zur Herstellung von GDL-Elektrodenmaterialien wird entweder ein Primärvlies aus Carbonfasern und Bindern erzeugt oder es wird ein Primärvlies aus Carbonfaserprekursoren erzeugt und dieses Vlies wird anschließend karbonisiert. In der industriellen Praxis verwendet man im Wesentlichen folgende 2 unterschiedliche Verfahren zur Herstellung von Primärvliesen:

A) Trockenlegen von Vliesen aus Prekursorfasern:
- Hier werden Vliese aus gekräuselten Stapelfasern aus Polyacrylnitril (PAN) bzw. aus oxidiertem Polyacrylnitril mit einem typischen Fasertiter von 0.8 bis 4 dtex und einer Faserlänge von 30 bis 70 mm unter Anwendung der Wasserstrahlverfestigung (Spunlace-Technologie) hergestellt. Diese Vliese werden dann weiter zu Carbonfaservliesen karbonisiert, wobei bei Verwendung von PAN als Prekursorfaser eine vorherige thermische Stabilisierung erfolgt. Die Karbonisierung bewirkt einen Schrumpf des Vlieses um ca. 10 bis 15 %.
B) Nassvliestechnologie (Papierherstellung) mit Kurzschnitt-Carbonfasern Hier werden Kurzschnitt-Carbonfasern aus Polyacrylnitril (PAN) mit einer typischen Faserlänge von 3 bis 15 mm dispergiert und mittels einer Schrägsieb-Papiermaschine unter Zuhilfenahme von Bindefasern bzw. von wässrigen Dispersionen von Binderpolymeren zu Vliesen verarbeitet. Anschließend erfolgt optional eine Imprägnierung mit karbonisierbaren Harzen und eine Härtung der Harzmatrix mit anschließender Karbonisierung.

EP1328947B1 beschreibt einen Prozess auf Basis von Verfahren A mit gekräuselten, präoxidierten Polyacrylnitril-Stapelfasern aufweisend eine Länge von 40 bis 80 mm unter Zusatz von Bindefasern auf Basis von Polyvinylalkohol. Letztere verfließen durch die Einwirkung von Temperatur und Feuchtigkeit (Wasserstrahlverfestigung). Diese Primärvliese werden mittels Kalander verdichtet und anschließend karbonisiert.
Routen nach Verfahren B basieren auf Kurzschnitt-Carbonfasern aufweisend eine Länge von 6 bis 12 mm, welche mittels thermoplastischen Bindern zu einem Papier verarbeitet werden. Diese Primärvliese („Papiere“) haben in der Regel eine niedrige Grammatur (< 30 g/m²) und sind mechanisch weniger stabil. Zur Verbesserung der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit und zur Erhöhung der Festigkeit werden diese mit karbonisierbaren Harzen, z.B. Phenolharzen, imprägniert und nochmals karbonisiert ( US7144476B2 ).
EP1502992A1 beschreibt eine Methode auf Basis von Verfahren B (Papierprozess) mit Kurzschnitt-Carbonfasern und unter Verwendung von fibrillierten bzw. gemahlenen Polyacrylnitrilfasern als Bindesubstanz. Letztere werden in die Faserstoffsuspension zudosiert. Nach der Bildung des Vliesstoffes erfolgt eine Verdichtung der Bahn unter Wärmeeinwirkung mittels Doppelbandpressen.
Herstellungsverfahren gemäß EP 2089925B1 nutzen Trocken- bzw. Nasslegeprozesse, bei welchen der Binder in unter anderem Form von ungehärteten Phenolharzfasern (beispielsweise Novoloid® (ungehärtete Phenolharzfasern)) eingebracht wird. Durch thermische Vernetzung unter Druckeinwirkung mit anschließender Karbonisierung wird ein Elektrodenmaterial erhalten.
Brennstoffzellen für den automobilen Einsatz erfordern aufgrund des beschränkten Bauraums und der hohen Stromdichten zunehmend dünnere Gasdiffusionsschichten (< 200 µm) mit hohen Anforderungen bezüglich Dickentoleranzen und Homogenität. Dies hat damit zu tun, dass diese Brennstoffzellenstapel aus bis zu 400 Einzelzellen bestehen, und damit bei relativ hohen Dickenschwankungen der GDL (im Vergleich zu den restlichen Komponenten) Probleme bezüglich gleichmäßiger Kompression und Stapeldimensionierung auftreten können.
Nachteilig an dem Verfahren B ist, dass vor allem bei Carbonfaser-Papieren Imprägnierprozesse im Anschluss an den Papierherstellungsprozess erforderlich sind, welche zusätzliche Prozessschritte und Kostenfaktoren erfordern. Dies betrifft insbesondere den Aufwand für das Dispergieren und die Trocknung und die längeren Prozesszyklen. Zudem könnend die Imprägnierprozesse zum Teil zu Inhomogenitäten führen, falls die Imprägnierung mit Füllstoffen oder Binderharzen ungleichmäßig erfolgt. Darüber hinaus ermöglichen klassische Herstellverfahren ohne Verdichtung des imprägnierten Materials keine Herstellung von dünnen Substraten mit ausreichender mechanischer Stabilität, da der Faservolumenanteil zu gering ausfällt. Ein hoher Faseranteil bzw. ein geringer Binderanteil ist erwünscht, da im Brennstoffzellenbetrieb bevorzugt an der Bindermatrix eine Wasserakkumulation erfolgen kann, welche nachteilig ist, da diese die Leistung der Zelle herabsetzt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenmaterials für Gasdiffusionsschichten mit geringer Dicke bereitzustellen, welches die Nachteile, von zusätzlichen Prozessschritten und somit Kosten verhindert.
Erfindungsgemäß wurde diese Aufgabe durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Elektrodenmaterials für Gasdiffusionsschichten gelöst, welches folgende Schritte umfasst:

a) Bereitstellen von mindestens einer Lage Fasergebilde,
b) Bereitstellen von mindestens einer Lage thermoplastischen Materials,
c) Stapeln der mindestens einen Lage Fasergebilde aus Schritt a) mit der mindestens einen Lage thermoplastischen Materials aus Schritt b)
d) Verbinden der gestapelten Lagen aus Schritt c) durch Anwenden eines Drucks von 2 bis 80 bar und einer Temperatur von 70 bis 280 °C zu einem Verbundmaterial, und
e) Karbonisieren des Verbundmaterials aus Schritt d) bei Temperaturen von 1400 bis 2500 °C unter Schutzgasatmosphäre.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass keine Imprägnierungsschritte des Fasergebildes in der weiteren Herstellung des Elektrodenmaterials notwendig sind, so dass ein einfacheres und kostengünstigeres Verfahren zur Verfügung gestellt wird. Der Grund hierfür liegt darin, dass durch die Bildung eines Verbundes aus mindestens einer Lage Fasergebilde und mindestens einer Lage thermoplastischen Materials, durch das Verbinden der Lagen zu einem Verbundmaterial, das thermoplastische Material in das Fasergebilde eindringt und so eine Imprägnierung überflüssig wird. Darüber hinaus ist das Elektrodenmaterial stabiler und weist einen höheren Faservolumengehalt auf. Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl als kontinuierlicher oder Batch Prozess ausgeführt werden. Im kontinuierlichen Verfahren (Rolle-zu Rolle-Verfahren) werden Bahnen von Fasergebilden und thermoplastischen Materialien verwendet. Im Batch-Prozess wird hingegen Plattenware verwendet. Bevorzugt wird der kontinuierliche Prozess, da so Prozesszeiten verringert werden. Das in Schritt c) beschriebene Stapeln der Lagen kann in jeglicher Reihenfolge erfolgen, wobei die Anzahl der Lagen nicht begrenzt ist. Bevorzugt werden jedoch zwei und drei-Lagen. Durch die Hitze und Druckeinwirkung in Schritt d), welche mittel Doppelstempelpressen, Kaschieranlagen, Doppelbandpressen oder Kalandrieren wird der Verbund erhalten. Bei dem in Schritt e) verwendeten Schutzgas kann jedes beliebige Schutzgas, wie beispielsweise Argon oder Stickstoff verwendet werden.
Im Rahmen der Erfindung werden unter Fasergebilden Vliesstoffe aus Kurzfasern oder Stapelfasern verstanden, wobei auch, Fasergewebe zu den Fasergebilden zählen. Kurzfasern weisen eine Länge von 1 mm - 20 mm und Stapelfasern eine Länge von 30-80 mm auf. Bei Geweben handelt es sich um textile Flächengebilde, wobei diese mindestens zwei Fadensysteme aufweisen, die nicht parallel verlaufen und sich somit kreuzen. Unter einem Vliesstoff versteht man ein Gebilde aus Kurzfasern oder Stapelfasern, welche durch Nasslegen bzw. Trockenlegen hergestellt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die mindestens eine Lage Fasergebilde aus Schritt a) ein Carbonfaservlies oder ein Carbonfasergewebe. Die Carbonfaservliese können mittels verschiedener Verfahren, wie Meltblown, Spunlace oder Nasslegeverfahren, erhalten werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die mindestens eine Lage des Fasergebildes eine Dicke von 50 µm bis 400 µm, bevorzugt 100 µm bis 250 µm auf. Bei einer Dicke von kleiner als 50 µm ist das Fasergebilde zu instabil, so dass das Handling erschwert wird und bei größer als 400 µm Dicke des Fasergebildes ist die Verdichtung erschwert. Der Dickenbereich von 100 µm bis 200 µm ist bevorzugt, da hier das Verhältnis von Stabilität und Verdichtungsmöglichkeit besonders günstig ist.
Erfindungsgemäß wird die mindestens eine Lage thermoplastischen Materials aus Schritt b) aus der Gruppe Polyethylen (Low Density Polyethylen (LDPE), High Density Polyethylen (HDPE)), Polypropylen (PP), Ethylen-Vinylacetat-Copolymere (EVA), Polyvinylbutyral (PVB), Celluloseacetat (CA), Polyvinylalkohol (PVA), Vinylpyrrolidon-vinylacetat-Copolymere, Styrol-Maleinsäureanhydrid-Copolymere (Styrol-Maleinsäureanhydrid (SMA)) oder thermoplastische Elastomere (thermoplastische Polyolefine (TPO), Styrolblockcopolymere (TPS)), bevorzugt Polyvinylbutyral, Celluloseacetat oder Polyvinylalkohol ausgewählt. Bevorzugt sind Polymere mit Hydroxyl- oder Anhydridgruppen, da diese Kondensationsreaktionen mit Harzen eingehen oder selbst zu Vernetzungsreaktionen befähigt sind.
Vorteilhafterweise ist das thermoplastische Material als Folie oder textiles Gebilde ausgebildet. Folie und textiles Gebilde werden bevorzugt, da es sich um bahnförmiges Material handelt, so dass das Verfahren als kontinuierliches Verfahren ausgeführt werden kann.
Vorteilhafterweise weist das thermoplastische Material eine Dicke von 10 µm bis 300 µm auf, bevorzugt von 50 µm bis 250 µm. Thermoplastisches Material mit einer Dicke kleiner als 10 µm ist kommerziell nicht verfügbar und dicker als 300 µm verringert die Stabilität des Substrates und die Verdichtung wird verschlechtert. Der Bereich 50 µm bis 250 µm ist bevorzugt, da sich hier ein bevorzugtes Verhältnis von Fasergebilde zu thermoplastischem Material ergibt. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die mindestens eine Lage thermoplastischen Materials mit karbonisierbaren Harzen und/oder Kohlenstoffmaterialien beschichtet. Durch die Beschichtung wird die Kohlenstoffausbeute erhöht., denn die karbonisierbaren Harze wandeln sich bei der Karbonisierung in Kohlenstoff um. Die Harze und Kohlenstoffmaterialien können in Form von Pulvern, Suspensionen, Dispersionen oder Lösungen vorliegen. Suspensionen, Dispersionen oder Lösungen können durch Tauchbeschichtung, Besprühen, Siebdruck, Rakeln, Curtain-Coating, Walzenauftrag, Prepreg-Technologie oder Inkjet-Drucken aufgebracht werden. Pulverförmige Stoffe können durch Aufstreuen aufgetragen werden. Durch die Beschichtung können die mechanischen Eigenschaften des Elektrodenmaterials gesteuert werden und auch die Beschichtung trägt dazu bei, dass ein Imprägnierungsschritt in der weiteren Herstellung des Elektrodenmaterial nicht erforderlich ist.
Vorteilhafterweise werden die Harze aus der Gruppe Phenolharze, Melaminharze, Resorcinolharze, Cyanesterharze, Vinylesterharze ausgewählt
Diese Harze weisen eine besonders hohe Kohlenstoffausbeute auf.
Vorteilhafterweise werden die Kohlenstoffmaterialen aus der Gruppe Melasse, Bitumen, Graphit, Ruß, Aktivkohle, gemahlene Carbonfasern, Steinkohlenteerpech oder Kokspartikel ausgewählt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Beschichtung Vernetzungsadditive (1-5% bezogen auf den Anteil an thermoplastischem Material). Durch die Vernetzungsadditive wird die Kohlenstoffausbeute der thermoplastischen Komponenten erhöht und dadurch wird ein Elektrodenmaterial mit verbesserter Stabilität und Leitfähigkeit erhalten.
Vorteilhafterweise werden die Vernetzungsadditive aus der Gruppe organische Peroxide, Dialdehyde, Diamine oder UV- härtbare Polymere ausgewählt.
Diese Vernetzungsadditive weisen eine besonders hohe Kohlenstoffausbeute auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der Verbund in Schritt d) zusätzlich mit ionisierender Strahlung oder UV-Strahlung bestrahlt.
Hierdurch kann die Kohlenstoffausbeute erhöht werden, was eine höhere Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials erzeugt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Elektrodenmaterial, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist.
Der Vorteil des Elektrodenmaterials ist, dass dieses eine besonders glatte Oberfläche aufweist, so dass Kontaktwiderstände innerhalb der Zelle verringert werden. Darüber hinaus wird durch den hohen Faservolumengehalt des Elektrodenmaterials zum einen die Wasserakkumulation deutlich verringert, so dass die Zelle eine höhere Leistung aufweist und zum anderen die thermische und elektrische Leitfähigkeit erhöht, was ebenfalls zu einer höheren Leitung der Zelle führt. Der höhere Faservolumengehalt bewirkt zusätzlich eine höhere Steifigkeit bzw. einen höheren Schermodul des Materials. Daraus resultiert eine geringere Intrusion des Elektrodenmaterials in die Flußkanäle der Bipolarplatte in der Zelle. Dies hat den Vorteil, dass wiederum Kontaktwiderstände reduziert werden und weniger Flüssigwasseranreicherung in den Flußkanälen der Bipolarplatten erfolgt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Elektrodenmaterial
eine Dicke von 50 µm bis 500 µm, bevorzugt von 70 µm bis 200 µm auf. Gemäß einer noch weiter bevorzugten Ausführungsform weist das Elektrodenmaterial eine Dichte von 0,1 g/cm³ bis 0,6 g/cm³, bevorzugt 0,15 g/cm³ bis 0,40 g/cm³ auf. Die gewählten Dicken des Elektrodenmaterials bedingen die gewünschte Stabilität und die gewählten Dichten des Elektrodenmaterials sorgen für einen Porenraum, der für die GDL von Bedeutung ist.
Ein noch weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung des Elektrodenmaterials in Polymerelektrolytbrennstoffzellen, in Phosphorsäurebrennstoffzellen, mikrobiellen Brennstoffzellen, elektrochemischen Reaktoren, Sauerstoffverzehrkatoden, Metall-Luft-Batterien, PEM-Elektrolyseuren oder Batterien.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

1 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren
2 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren
3 zeigt ein thermoplastisches Material mit Beschichtung
4 zeigt ein Substrat mit zwei Lagen
5 zeigt ein Substrat mit drei Lagen
6: zeigt ein Substrat mit drei Lagen

1 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren. Zunächst wird eine thermoplastische Folie (1) mit einer Dispersion (2) beschichtet und dadurch eine Folienbahn mit einer Beschichtung (4) erhalten. Zwei Folienbahnen mit Beschichtung (4) werden mit einem Carbonfaservlies (6) zu einem Verbund (9) mittels mehrerer Heißkalander oder Bandpressen (7,8) vereinigt. In einem folgenden Schritt wird der Verbund (9) anschließend in einem kontinuierlichen Ofen (10) unter Schutzgasatmosphäre zu einem Elektrodenmaterial (11) karbonisiert.
2 zeigt zusätzlich die Vernetzung des thermoplastischen Polymers durch ionisierende oder UV-Strahlung (12).
3 zeigt ein erfindungsgemäßes beschichtetes thermoplastisches Material (4), wobei die Beschichtung (5) auf dem thermoplastischen Material (1) aufgebracht ist.
4 zeigt ein erfindungsgemäßes zwei-lagiges Elektrodenmaterial, wobei die Beschichtung (5) des thermoplastischen Materials (1) an die Lage Carbonfaservlies (6) angrenzt.
5 zeigt ein erfindungsgemäßes, 3-lagiges Elektrodenmaterial, wobei die Schichtreihenfolge thermoplastisches Material (1) mit einer Beschichtung (5), Carbonfaservlies (6), thermoplastisches Material (1) mit einer Beschichtung (5) ist und die Beschichtung (5) jeweils an das Carbonfaservlies (6) angrenzt.
6 zeigt ein erfindungsgemäßes, 3-lagiges Elektrodenmaterial, wobei die Schichtreihenfolge Carbonfaservlies(6), thermoplastisches Material mit Beschichtung (5), Carbonfaservlies (6) ist.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, wobei die Ausführungsbeispiele keine Einschränkung der Erfindung darstellen.
Die Herstellung eines Prothesenbauteils kann wie unten beschrieben erfolgen.
Ausführungsbeispiel 1
1,5 Teile Novolak-Phenolharz (Bakelit, Hexion) und 1 Teil synthetischer Graphit (d50 =4 µm) werden in 1,5 Teilen Ethanol gelöst bzw. suspendiert. Mittels Rakelverfahren wird diese viskose Dispersion auf eine Polyvinylbutyralfolie (Trosifol®, Kuraray, 50µm) beschichtet (Nassfilmdicke 40 µm). Anschließend wird mittels einer Heißpresse (160°C, 5 bar) ein Verbund aus 2 Lagen der beschichteten Polyvinylbutyralfolie und einem Carbonfaservlies (23 g/m²) hergestellt (Schichtfolge: Folie I Carbonfaservlies I Folie). Dieser Verbund wird anschließend in Schutzgasatmosphäre bei einer Temperatur von 1400°C karbonisiert.
Ausführungsbeispiel 2
150 g Novolak-Phenolharz (Bakelit PF0227 SP, Hexion), 100 g gemahlene Kohlenstofffasern (Sigrafil® CM80, SGL Carbon) und 100 g phenolmodifiziertes Inden-Cumaronharz (Novares CA80, Rütgers) werden in 150 g Aceton gelöst bzw. suspendiert. Mittels Rakelverfahren wird diese viskose Dispersion auf eine Polyvinylbutyralfolie (Trosifol®, Kuraray, 50 µm) beschichtet (Nassfilmdicke 50 µm). Anschließend wird mittels einer Heißpresse ein Verbund aus 2 Lagen der beschichteten Polyvinylbutyralfolie und einem Carbonfasergebilde (23 g/m²) hergestellt (Schichtfolge Folie I Carbonfasergebilde I Folie). Dieser Verbund wird anschließend in Schutzgasatmosphäre bei einer Temperatur von 1400°C karbonisiert.
Ausführungsbeispiel 3
Auf einem Deskcoater wird eine Polyethylenfolie (HDPE, 50 µm, Folienwerk Lahr) mit einer Dispersion aus Phenolharz (10 Teile), Azetylenruß (5 Teile) in Isopropanol (18,5 Teile) beschichtet und bei 80 °C getrocknet. Die Auftragsmenge betrug 10 g/m². Mittels eines Heißkalanders (180 °C, 10 bar) wird ein Verbund aus einer Lage Carbonfasergebilde (23 g/m²) zwischen 2 Lagen der beschichteten Folie hergestellt, wobei die Beschichtung jeweils zum Carbonfasergebilde orientiert ist. Anschließend erfolgt eine Karbonisierung bei 1700 °C in Schutzgasatmosphäre.
Ausführungsbeispiel 4
Mittels einer kontinuierlichen Presse (140 °C, 5 bar) wird eine Lage Carbonfaservlies (18 g/m²) und beidseitig mit je einer Folie auf Basis von Ethylen-Vinylacetat-Copolymer (TecWeb®, 20) kaschiert. Anschließend erfolgt eine Elektronenbestrahlung (Dosis 150 Gy) zur Vernetzung des Polymers. Der Verbund wird anschließend in Schutzgasatmosphäre bei einer Temperatur von 1750 °C karbonisiert.

Die folgende Tabelle zeigt eine Zusammenfassung der Ausfahrungsbeispiele.

Nr	Typ	Decklagen (⁴)	Mittellage (⁵)	Elektronenbestrahlung (¹¹)	Karbonisierung (⁹)
1	A	PVB-Folie/Phenolharz/Graphit	Carbonfaservlies	keine	1400°C
2	A	PVB-Folie/Phenolharz/C-Mahlfaser	Carbonfaservlies	keine	1400°C
3	A	HDPE/Phenolharz/Ruß	Carbonfaservlies	keine	1700°C
4	B	Ethylen-Vinylacetat-Copolymer (EVA)	Carbonfaservlies	150 Gy	1750°C

Folgende Tabelle zeigt die physikalischen Eigenschaften der Ausführungsbeispiele im Vergleich zu kommerziellen Referenzmaterialien auf Basis von etablierter Technologie (Sigracet® GDL 29 AA und Sigracet® GDL 28 AA). Es zeigt sich, dass die Elektrodenmaterialen gemäß der Erfindung bei geringerer Dicke vergleichbare Eigenschaften wie die Referenzmaterialien aufweisen. Der flächenspezifische Widerstand wurde gemäß DIN 51911 -1997 gemessen und die Biegesteifigkeit längs und quer gemäß ISO 5628-2019
Bezugszeichenliste

(1): Thermoplastische Folie
(2): Dispersion
(3): Rolle
(4): Thermoplastisches Material mit Beschichtung
(5): Beschichtung
(6): Carbonfaservlies
(7): Heißkalander oder Bandpressen
(8): Heißkalander oder Bandpressen
(9): Verbund
(10): Ofen
(11): Elektrodenmaterial
(12): Ionisierende oder UV-Strahlung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1328947 B1 [0006]
US 7144476 B2 [0007]
EP 1502992 A1 [0008]
EP 2089925 B1 [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenmaterials für Gasdiffusionsschichten umfassend folgende Schritte: a) Bereitstellen von mindestens einer Lage Fasergebilde, b) Bereitstellen von mindestens einer Lage thermoplastischen Materials, c) Stapeln der mindestens einen Lage Fasergebilde aus Schritt a) mit der mindestens einen Lage thermoplastischen Materials aus Schritt b), d) Verbinden der gestapelten Lagen aus Schritt c) durch Anwenden eines Drucks von 2 bis 80 bar und einer Temperatur von 70 bis 280 °C zu einem Verbundmaterial, und e) Karbonisieren des Verbundmaterials aus Schritt d) bei Temperaturen von 1400 bis 2500 °C unter Schutzgasatmosphäre.
Verfahren nach Anspruch1, wobei die mindestens eine Lage Fasergebilde aus Schritt a) ein Carbonfaservlies oder Carbonfasergewebe ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine Lage Fasergebilde aus Schritt a) eine Dicke von 50 bis 400 µm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das thermoplastische Material der mindestens einen Lage aus der Schritt b) aus der Gruppe Polyethylen Polypropylen, Ethylen-Vinylacetat- Copolymere, Polyvinylbutyral, Celluloseacetat, Polyvinylalkohol, Vinylpyrrolidon-vinylacetat-Copolymere, Styrol-Maleinsäureanhydrid-Copolymere oder thermoplastische Elastomere, bevorzugt Polyvinylbutyral, Celluloseacetat oder Polyvinylalkohol ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, wobei die mindestens eine Lage des thermoplastischen Materials aus Schritt b) als Folie oder textiles Gebilde ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die mindestens eine Lage des thermoplastisches Materials eine Dicke von 10 bis 300 µm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die mindestens eine Lage des thermoplastischen Materials mit karbonsierbaren Harzen und/oder Kohlenstoffmaterialien beschichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die karbonisierbaren Harze aus der Gruppe Phenolharze, Melaminharze, Rescorinolharze, Cyanesterharze, Vinylesterharze ausgewählt sind.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Kohlenstoffmaterialen aus der Gruppe Melasse, Bitumen, Steinkohlenteerpech, Graphit, Ruß, Aktivkohle, gemahlene Carbonfasern oder Kokspartikel ausgewählt sind.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die mindestens eine Lage des thermoplastischen Materials zusätzlich mit Vernetzungsadditiven beschichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Vernetzungsadditive aus der Gruppe organische Peroxide, Dialdehyde, Diamine oder UV- härtbare Polymere ausgewählt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt d) der Verbund zusätzlich mit ionisierender Strahlung oder UV-Strahlung bestrahlt wird.
Elektrodenmaterial hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Elektrodenmaterial nach Anspruch 12, wobei das Elektrodenmaterial eine Dicke von 50 bis 500 µm aufweist.
Verwendung des Elektrodenmaterials gemäß Anspruch 13 oder 14 in Polymerelektrolytbrennstoffzellen, in Phosphorsäurebrennstoffzellen, mikrobiellen Brennstoffzellen, elektrochemischen Reaktoren, Sauerstoffverzehrkatoden, Metall-Luft-Batterien, PEM-Elektrolyseuren oder Batterien.