DE10244228B4 - Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode und deren Verwendung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode, die Kohlefasern, Ruß und Polytetrafluorethylen enthält, folgende Schritte aufweisend:
a) Herstellen von zwei oder mehr Dispersionen, die jeweils mindestens einen Gasdiffusionselektroden-Bestandteil und mindestens eine Flüssigkeit enthalten, wobei die zur Herstellung der Gasdiffusionselektrode erforderlichen Mengen an Gasdiffusionselektroden-Bestandteilen in der Gesamtheit der Dispersionen enthalten sind,
b) Formen mindestens einer der Dispersionen zu einem Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial, wobei ein Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial gebildet wird, das mindestens einen der Gasdiffusionselektroden-Bestandteile Kohlefasern, Ruß und Polytetrafluorethylen in einer kleineren Menge als der für das Gasdiffusionselektroden-Material gewünschten Menge enthält
c) Trocknen des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials,
d) Sintern des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials,
e) Imprägnieren des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials mit mindestens einer der in Schritt a) hergestellten Dispersionen, wobei die mindestens eine Dispersion den oder die Bestandteile, die in dem Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial in einer kleineren Menge als der für das Gasdisffusionselektroden-Material gewünschten Menge enthalten sind, enthält, Trocknen und Sintern des imprägnierten Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials, und
f) Verdichten des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials zu einem...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gasdiffusionselektroden, insbesondere Gasdiffusionselektroden für Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen, und ihre Verwendung für Membran-Elektrodeneinheiten mit mindestens einer erfindungsgemäß hergestellten Gasdiffusionselektrode, sowie für Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen mit mindestens einer erfindungsgemäß hergestellten Gasdiffusionselektrode.
  • Gasdiffusionselektroden in Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen haben die Funktion, Reaktionsgase durchdiffundieren zu lassen und den an der Membrane erzeugten Strom zu den Stromsammlern abzuleiten. Wegen der Gefahr des Flutens der Poren der Gasdiffusionselektroden durch bei der Reaktion gebildetes Wasser müssen Gasdiffusionselektroden zumindest an der der Membrane zugewandten Seite Wasser abweisend sein. Für viele Anwendungen, beispielsweise in der Raumfahrt, ist es von besonderer Wichtigkeit, dass die zum Aufbau der Zellstapel verwendeten Materialien leicht und Platz sparend sind. Dies darf jedoch nicht auf Kosten der Festigkeitseigenschaften gehen. Außerdem sollten die Gasdiffusionselektroden möglichst unkompliziert und kostengünstig herstellbar sein.
  • Gängige Gasdiffusionselektroden sind Matten aus grafitisiertem Gewebe. Die Gasdiffusionsmatten aus grafitisiertem Gewebe lassen Sauerstoff, insbesondere Sauerstoff aus der Luft unter niedrigem Druck, oft nicht ausreichend gut diffundieren und sind außerdem relativ schwer. Bei ihrer Herstellung werden hohe Temperaturen benötigt, was zu einem entsprechend hohen Energieverbrauch und hohen Preisen führt.
  • Aus DE 697 01 103 T2 ist eine Gasdiffusionselektrode bekannt, die Kohlefasern, Ruß und Polytetrafluorethylen enthält. Die Gasdiffusionselektrode ist für eine Membranelektrodenanordnung und eine Brennstoffzelle verwendbar. Die Gasdiffusionselektrode ist erhältlich durch Herstellen einer Aufschlämmung aus Ruß/PTFE, Behandeln von Kohlefasern mit einer PTFE-Dispersion, um sie mit PTFE zu überziehen, Mischen der mit PTFE überzogenen Kohlefasern mit der Ruß/PTFE-Aufschlämmung, und Formen des Gemischs zu einer Folie. Die so hergestellte Folie enthält alle für die Gasdiffusionselektrode erforderlichen Bestandteile.
  • DE 197 21 952 A1 offenbart ebenfalls eine Gasdiffusionselektrode, die Ruß, Kohlefasern und PTFE enthält. Die Gasdiffusionselektrode wird mittels eines thermoplastischen Verfahrens, beispielsweise durch Extrusion, geformt. Durch das thermoplastische Verfahren werden Gasdiffusionsschichten gebildet, wobei mehrere Gasdiffusionsschichten miteinander zu einer Gasdiffusionselektrode verbunden werden können.
  • Aus der WO 97/2035911 sind Gasdiffusionselektroden bekannt, die durch Imprägnieren eines Kohlefaservlieses mit einer Suspension von Polytetrafluorethylen (PTFE) und Ruß, gefolgt von thermischer Behandlung, erhalten werden.
  • Diese Gasdiffusionselektroden haben gegenüber den Gasdiffusionselektroden aus grafitisiertem Gewebe den Vorteil, dass sie aus preiswerten carbonisierten Kohlefaservliesen mit geringen Flächengewichten, z.B. unter 60 g/m2, hergestellt werden können. Sie besitzen eine gute elektrische Leitfähigkeit, sind auf Grund ihres PTFE-Gehalts Wasser abstoßend und besitzen gute Diffusionseigenschaften, auch für Sauerstoff aus der Luft. Die Verteilung von Ruß und PTFE ist recht homogen.
  • Nachteilig ist jedoch, dass als Grundmaterial ein Kohlefaservlies verwendet werden muss. Bei der Herstellung von Kohlefaservliesen werden Kohlefasern und Bindemittel, ggf. auch ein Lösungsmittel, vermischt und flächig ausgearbeitet.
  • Nach der Imprägnierung des Vlieses mit Ruß und PTFE wird bei einer Temperatur von mindestens 200°C gesintert. Dabei wird das Bindemittel des Vlieses teilweise zerstört. Ein Kohlefaservlies enthält typischerweise etwa 10 Masse% Bindemittel. Beim Sintern verliert das Vlies etwa 7 bis 8 Masse%. Die Folge davon ist, dass der Zusammenhalt zwischen den Fasern geschwächt wird und störende Rückstände im Vlies zurückbleiben.
  • Außerdem sind Vliese nur in bestimmten Dicken erhältlich. Die herstellbaren Dicken der Gasdiffusionselektroden werden notwendigerweise von den verfügbaren Vliesdicken vorgegeben. Variationen der Gasdiffusionselektroden-Dicke sind nur durch Kombination mehrer Vliese möglich, also in Schritten von jeweils einer Vliesdicke.
  • Nachteilig ist auch, dass die Homogenität der Verteilung von Ruß und PTFE über die Dicke des Elektrodenmaterials zwar für relativ dünne Elektrodenmaterialien sehr gut ist. Dickere Elektrodenmaterialien sind jedoch nur schwer in der erstrebenswerten optimalen Homogenität zu erhalten. Besonders senkrecht zur Elektrodenoberfläche wird eine homogene Verteilung mit zunehmender Dicke erschwert.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode mit hoher Homogenität bereitzustellen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es auch, ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode bereitzustellen, die bei geringem Flächengewicht mechanisch stabil ist, über eine gute elektrische Leitfähigkeit und gute Diffusionseigenschaften, insbesondere für Sauerstoff, verfügt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es außerdem, ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode bereitzustellen, die in einer gewünschten Dicke herstellbar ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode bereitzustellen, die einfach und kostengünstig herstellbar ist.
  • Weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung bestehen darin, die Verwendung der erfindungsgemäß hergestellten Gasdiffusionselektrode für eine Membranelektrodeneinheit sowie für eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode gemäß Anspruch 1.
  • Die Aufgabe wird ferner gelöst durch die Verwendung gemäß Anspruch 9.
  • Die Aufgabe wird darüberhinaus gelöst durch die Verwendung gemäß Anspruch 10.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die erfindungsgemäß hergestellte Gasdiffusionselektrode enthält Kohlefasern, Kohlenstoffpartikel, d. h. Ruß, und Polytetrafluorethylen. Das Polytetrafluorethylen wirkt als Bindemittel.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Gasdiffusionselektrode weist folgende Schritte auf:
    • a) Herstellen von zwei oder mehr Dispersionen, die jeweils mindestens einen Gasdiffusionselektroden-Bestandteil und mindestens eine Flüssigkeit enthalten, wobei die zur Herstellung der Gasdiffusionselektrode erforderlichen Mengen an Gasdiffusionselektroden-Bestandteilen in der Gesamtheit der Dispersionen enthalten sind,
    • b) Formen mindestens einer der Dispersionen zu einem Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial, wobei ein Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial gebildet wird, das mindestens einen der Gasdiffusionselektroden-Bestandteile Kohlefasern, Ruß und Polytetrafluorethylen in einer kleineren Menge als der für das Gasdiffusionselektroden-Material gewünschten Menge enthält,
    • c) Trocknen des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials,
    • d) Sintern des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials,
    • e) Imprägnieren des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials mit mindestens einer der in Schritt a) hergestellten Dispersionen, wobei die mindestens eine Dispersion den oder die Bestandteile, die in dem Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial in einer kleineren Menge als der für das Gasdiffusionselektroden-Material gewünschten Menge enthalten sind, enthält, Trocknen und Sintern des imprägnierten Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials, und
    • f) Verdichten des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials zu einem Gasdiffusionselektroden-Material.
  • Um Gasdiffusionselektroden gewünschter Abmessungen zu erhalten, werden Stücke entsprechender Abmessungen von dem Gasdiffusionselektroden-Material abgetrennt.
  • Die Schritte des Formens, Trocknens, Sinterns, Verdichtens und Abtrennens können als Einzelschritte nacheinander durchgeführt werden, oder es können zwei oder mehrere der Schritte miteinander kombiniert werden.
  • Das Abtrennen kann zu einem beliebigen Zeitpunkt, frühestens gemeinsam mit Schritt b) erfolgen.
  • Bei der vorliegenden Erfindung werden die folgenden Begriffe in der jeweils angegebenen Bedeutung verwendet:
    Eine Schicht ist eine Komponente eines unfertigen Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials, die während des Aufbaus des Vorläufermaterials durch Auftragen mehrerer Dispersionen vorkommt und nicht alle Gasdiffusionselektroden-Bestandteile enthält. Sie ist im fertigen Gasdiffusionselektroden-Material nicht mehr als solche existent.
  • Eine Lage besteht aus einer oder mehreren Schichten, enthält aber die Bestandteile Kohlefasern, Ruß und Polytetrafluorethylen in den für das Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial oder das Gasdiffusionselektroden-Material erforderlichen Mengen.
  • Eine Gasdiffusionselektroden-Basisschicht ist eine nasse oder trockene Schicht, die mindestens einen Gasdiffusionselektroden-Bestandteil, z. B. Kohlefasern, Ruß, Polytetrafluorethylen oder Kombinationen davon, enthält. Sie ist die einzige Schicht oder die bei der Herstellung als erste geformte Schicht des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials.
  • Ein Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial ist ein ungesintertes oder gesintertes Material, das mindestens aus der Basisschicht besteht, aber auch weitere Komponenten enthalten kann. Das Vorläufermaterial wird imprägniert. Vor dem Imprägnieren wird bevorzugt nicht verdichtet.
  • Ein Gasdiffusionselektroden-Material ist ein Material, das alle Bestandteile Kohlefasern, Ruß, Polytetrafluorethylen enthält, gesintert und verdichtet ist. Es kann ggf. noch beschichtet werden. Außerdem können mehrere Lagen des Materials miteinander kombiniert werden.
  • Eine Gasdiffusionselektrode ist jedes Flachmaterial, das mindestens eine Lage Gasdiffusionselektroden-Material aufweist. Es können auch zwei oder mehrere Lagen Gasdiffusionselektroden-Material zu einer Gasdiffusionselektrode kombiniert werden und/oder das Gasdiffusionselektroden-Material kann beschichtet werden. Die Bezeichnung Gasdiffusionselektrode ist unabhängig von der flächenmäßigen Ausdehnung des Flachmaterials. Sie kann die für ihren Einbau in eine Brennstoffzelle geeigneten Abmessungen haben oder erst auf diese Abmessungen gebracht werden müssen.
  • Aufgetragen wird eine Dispersion auf eine frisch ausgebildete, nasse oder ggf. getrocknete Schicht (z. B. Basisschicht), die einen oder mehrere Gasdiffusionselektroden-Bestandteile (z. B. Kohlefasern, Ruß, Polytetrafluorethylen) enthält. Es findet eine Vermischung der Bestandteile der einzelnen Schichten statt, wobei eine homogene Lage Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial entsteht.
  • Imprägniert wird ein gesintertes Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial, das einen oder mehrere der Bestandteile Kohlefasern, Ruß und Polytetrafluorethylen des Gasdiffusionselektroden-Materials enthält. Die Imprägnierung erfolgt idealerweise homogen über die Dicke des Flachmaterials.
  • Beschichtet wird ein Gasdiffusionselektroden-Material oder eine Gasdiffusionselektrode, das oder die alle Bestandteile Kohlefasern, Ruß und Polytetrafluorethylen enthält, gesintert und zumindest so weit verdichtet ist, dass die Bestandteile der Beschichtungsdispersion nicht oder zumindest nicht wesentlich in das Gasdiffusionselektroden-Material eindringen können. Eine Beschichtung ist also im Unterschied zur Imprägnierung oberflächlich.
  • In der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen bedeuten "Prozent" oder "Teile" stets "Gewichtsprozent" bzw. "Gewichtsteile", und Verhältnisse sind Gewichtsverhältnisse, außer es ist explizit etwas anderes angegeben.
  • Das Gasdiffusionselektroden-Material kann (gemäß einer nicht beanspruchten Ausführungsform) ausgehend von einer Dispersion oder von Dispersionen, worin die Gasdiffusionselektroden-Bestandteile Kohlefasern, Kohlenstoffpartikel und Polytetrafluorethylen enthalten sind, hergestellt werden. Zuerst wird ein Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial geformt, aus dem nach Sintern und Verdichten eine Gasdiffusionselektrode entsteht. Dabei ist es grundsätzlich unwesentlich, ob das Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial hergestellt wird durch Formen einer Dispersion, die sämtliche Bestandteile des herzustellenden Gasdiffusionselektroden-Materials in den erforderlichen Mengen enthält, oder ob das Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial hergestellt wird durch Formen einer ersten Dispersion zu einer ersten Schicht, der Basisschicht, gefolgt von Auftragung einer zweiten Dispersion und ggf. weiterer Dispersionen zwecks Auftragung weiterer Schichten, wobei nicht jede der Dispersionen alle Gasdiffusionselektroden-Bestandteile Kohlefasern, Ruß und Polytetrafluorethylen enthalten muß. Wesentlich ist lediglich, dass die Materialmengen in den Dispersionen so aufeinander abgestimmt werden, dass aus der Gesamtheit der Dispersionen ein Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial mit der gewünschten Zusammensetzung des Gasdiffusionselektroden-Materials entsteht. Wesentlich ist außerdem, dass die einzelnen Schichten ausreichend dünn und niederviskos sind, dass eine homogene Durchmischung ihrer Bestandteile gewährleistet ist. Bei einem Aufbau des Vorläufermaterials aus zu dicken oder zu viskosen Schichten findet keine homogene Durchmischung statt, und es wird ein Konzentrationsgradient der Bestandteile ausgebildet.
  • Gemäß der beanspruchten Ausführungsform der Erfindung wird ein Gasdiffusionselektroden-Material aus zwei oder mehr Dispersionen seiner Bestandteile hergestellt, wie oben beschrieben, wobei jedoch während des Herstellungsverfahrens gesintert wird. Das heißt, es wird zuerst ein Gasidffusionselektroden-Vorläufermaterial aus einer oder mehreren Dispersionen hergestellt, das Vorläufermaterial getrocknet und gesintert, und anschließend das gesinterte Vorläufermaterial mit einer oder mehreren weiteren Dispersionen imprägniert. Das Vorläufermaterial hat in diesem Fall noch nicht die Zusammensetzung des gewünschten Gasdiffusionselektroden-Materials. Vielmehr werden die noch fehlenden Bestandteile in der erforderlichen Menge durch Imprägnierung ergänzt. Anschließend wird erneut getrocknet und gesintert.
  • Abschließend wird durch Verdichten des gesinterten Vorläufermaterials ein Gasdiffusionselektroden-Material erhalten.
  • Unabhängig von der Art seiner Herstellung kann das Gasdiffusionselektroden-Material an einer oder zwei Seiten beschichtet werden, oder es können zwei oder mehr Lagen Gasdiffusionselektroden-Material miteinander zu einer mehrlagigen Gasdiffusionselektrode kombiniert werden. Dies findet vorzugsweise durch Zusammenpressen der Lagen statt. Besonders bevorzugt wird die gewünschte Anzahl Lagen des Vorläufermaterials gestapelt und das Verbinden der Lagen durch Verpressen gleichzeitig mit der Verdichtung des Vorläufermaterials durchgeführt.
  • Die erfindungsgemäße Gasdiffusionselektrode enthält kein Bindemittel, d. h. das in der Elektrode enthaltene Polytetrafluorethylen wirkt als das alleinige Bindemittel.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen, die nicht beschränkend zu verstehen sind, näher erläutert.
  • Erfindungsgemäß wird beispielsweise eine Dispersion hergestellt, die nur einen oder zwei der Bestandteile Kohlefasern, Ruß und PTFE enthält, und aus dieser Dispersion wird eine erste Schicht, die sogenannte Basisschicht, des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials geformt. Für die Einbringung des fehlenden Bestandteils oder der fehlenden Bestandteile wird eine weitere Dispersion oder weitere Dispersionen hergestellt, die auf die Basisschicht aufgebracht werden. Dabei findet eine Durchmischung der Bestandteile in den Schichten statt, so dass auch bei einem Aufbau der Gasdiffusionselektrode durch Auftragen mehrerer Schichten eine über ihre Dicke homogene Gasdiffusionselektrode erhalten wird. Die Homogenität der Gasidffusionselektrode ist im Allgemeinen umso besser, aus je weniger Schichten sie aufgebaut wird, und bei mehrschichtigem Aufbau, je weniger Material auf einmal aufgetragen wird und je geringer die Viskosität der Dispersionen ist.
  • Ein Gasdiffusionselektroden-Material kann jedoch grundsätzlich in beliebig vielen Schichten aus beliebig vielen Dispersionen mit unterschiedlichen Kombinationen der Bestandteile Kohlefasern, Ruß und PTFE aufgebaut werden. Limitierend wirkt allerdings, zusätzlich zu der potentiellen Gefahr von Inhomogenitäten, die zunehmende Komplexität des Verfahrens, wenn eine größere Anzahl verschiedener Dispersionen verwendet wird. In der Praxis werden daher nicht mehr als drei verschiedene Dispersionen verwendet.
  • Einige Beispiele für Kombinationen verschiedener Dispersionen zum Aufbau des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials sind nachfolgend angegeben.
  • Formen einer Basisschicht aus einer Kohlefaser-Dispersion, Auftragen oder Imprägnieren mit einer Ruß-Dispersion auf der Basisschicht, und dann Imprägnieren mit einer PTFE-Dispersion.
  • Formen einer Basisschicht aus einer Kohlefaser-Dispersion, Auftragen oder Imprägnieren mit einer Kohlefasern, Ruß und PTFE enthaltenden Dispersion auf der Basisschicht, und dann Imprägnieren mit einer Ruß-Dispersion.
  • Formen einer Basisschicht aus einer PTFE-Dispersion, und dann Imprägnieren mit einer Kohlefasern und Ruß enthaltenden Dispersion.
  • Formen einer Basisschicht aus einer Ruß-Dispersion, und dann Imprägnieren mit einer Kohlefasern, Ruß und PTFE enthaltenden Dispersion.
  • Das Auftragen einer weiteren Dispersion auf die bereits geformte Schicht oder die bereits geformten Schichten kann im nassen Zustand erfolgen, aber die bereits ausgebildete(n) Schicht(en) kann bzw. können auch angetrocknet oder getrocknet sein.
  • Vor dem Imprägnieren wird getrocknet und gesintert, und erst dann mit einer oder mehreren der vorstehend beschriebenen weiteren Dispersionen imprägniert. Nach der Imprägnierung muss erneut getrocknet und gesintert werden.
  • Bezüglich der Gasdiffusionselektroden-Bestandteile Kohlefasern, Ruß und Polytetrafluorethylen ergeben sich folgende Kombinationsmöglichkeiten für die Zusammensetzung der Basisschicht und der weiteren Dispersionen, die auf die Basisschicht aufgetragen werden oder mit denen imprägniert wird. Zusammensetzung eines erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektroden-Materials
    GDE-Bestandteile der Dispersion(en) für die Ausformung des GDE-Vorläufermaterials oder der Basisschicht des GDE-Vorläufermaterials GDE-Bestandteile der Dispersion(en), mit der (denen) das GDE-Vorläufermaterial imprägniert wird und/oder die auf die Basisschicht des GDE-Vorläufermaterials aufgetragen wird (werden)
    KF Ruß PTFE KF Ruß PTFE
    x x - o o x
    x - x o x o
    - x x x o o
    x - - o x x
    - x - x o x
    - - x x x o
    • x = enthaltener Bestandteil
    • - = nicht enthaltener Bestandteil
    • o = optional enthaltener Bestandteil
  • Ist ein Bestandteil in dem Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial bzw. der Basisschicht des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials zwar vorhanden, aber nicht in der erforderlichen Menge, ist die fehlende Menge mittels einer weiteren Dispersion oder weiterer Dispersionen aufzutragen oder das Vorläufermaterial mit einer die fehlende Menge enthaltenden Dispersion (oder Dispersionen) zu imprägnieren. Fehlende Mengen von Bestandteilen werden durch eine Kombination von Auftragen und Imprägnieren oder nur durch Imprägnieren in das Material eingebracht.
  • Erfindungsgemäß wird ein Gasdiffusionselektroden-Material also hergestellt durch Ausformen eines Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials, das nicht alle Gasdiffusionselektroden-Bestandteile enthält, Trocknen und Sintern des Vorläufermaterials, anschließendes Imprägnieren des Vorläufermaterials mit mindestens den fehlenden Bestandteilen bzw. der noch fehlenden Menge eines oder mehrerer Bestandteile, gefolgt von erneutem Trocknen, Sintern und Verdichten.
  • Wird ein Gasdiffusionselektroden-Material durch Ausformen einer einzigen Dispersion hergestellt, enthält diese Dispersion die Gasdiffusionselektroden-Bestandteile in den erforderlichen Mengen und Mengenverhältnissen (nicht beansprucht). Wird ein Gasdiffusionselektroden-Material durch Ausformen mehrerer Dispersionen und/oder Imprägnieren mit mehreren Dispersionen hergestellt, werden die Konzentrationen der Dispersionen an den einzelnen Bestandteilen so gewählt, dass sich insgesamt die erforderlichen Mengen und Mengenverhältnisse der Bestandteile in dem Gasdiffusionselektroden-Material ergeben.
  • Für jeden der Gasdiffusionselektroden-Bestandteile kann jeweils nur eine Art von Material verwendet werden, beispielsweise eine Sorte Ruß einer bestimmten Partikelgröße, es können aber auch Gemische verschiedener Sorten von Materialien verwendet werden, ebenso wie verschiedene Partikelgrößen und/oder Faserlängen und Faserdicken.
  • Außer Ruß, PTFE und Kohlefasern kann eine erfindungsgemäße Gasdiffusionselektrode noch weitere Bestandteile enthalten, beispielsweise Graphitteilchen zur Verbesserung der Leitfähigkeit oder zusätzliche Polymere zur Beeinflussung der Hydrophilie der Gasdiffusionselektrode. Derartige zusätzliche Bestandteile werden als Beimischung zu einer der vorstehend aufgeführten Dispersionen oder als separate Dispersion in das herzustellende Material eingebracht.
  • Als Ausgangsmaterialien zur Herstellung der erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode eignen sich sowohl carbonisierte als auch graphitisierte Kohlefasern. Carbonisierte Kohlefasern sind insbesondere wegen ihres günstigeren Preises bevorzugt.
  • Geeignete Kohlefasern sind grundsätzlich Fasern, wie sie auch zur Herstellung von Kohlefaservliesen verwendet werden. Längen und Dicken der Kohlefasern sind in breitem Umfang variierbar, wobei die Dicke durch die Dicke des Gasdiffusionselektroden-Materials limitiert wird. Für Gasdiffusionselektroden-Material von 70 μm Dicke beispielsweise kommen Kohlefasern mit einem Durchmesser von maximal 70 μm, bevorzugt weniger, in Frage. Bevorzugte Längen sind, unter verarbeitungstechnischen Gesichtspunkten, etwa 3 bis 30 mm, besonders bevorzugt etwa 6 bis 12 mm, aber die brauchbaren Kohlefaser-Längen sind keinesfalls auf diesen Bereich beschränkt.
  • Besonders bevorzugt ist es, längere und kürzere Fasern in Kombination zu verwenden, beispielsweise Fasern von 3 mm Länge und 20 mm Länge. Durch geeignete Kombination verschiedener Faserlängen läßt sich die Porosität der Gasdiffusionselektrode, und damit ihre Gasdiffusionseigenschaften, steuern.
  • Weitere Ausgangsmaterialien sind Ruß und PTFE, wobei Ruß in Partikelform und PTFE in Partikel- oder Faserform eingesetzt wird.
  • Bei Ruß ist es vorteilhaft, kleine Partikel mit großer Oberfläche zu verwenden, beispielsweise Partikel mit einem mittlerem Partikeldurchmesser von kleiner als 3 μm, bevorzugt kleiner als 1,5 μm, und einer spezifischen Oberfläche von mindestens etwa 150 m2/g, bevorzugt etwa 250 m2/g.
  • Ein gut geeignetes PTFE-Material ist beispielsweise Hostaflon TF 5032 (Hoechst). Dabei handelt es sich um eine 60 %ige Dispersion in Wasser mit 3 bis 5% Stabilisator.
  • Als Flüssigkeiten, d. h. als Dispersionsmittel, eignen sich insbesondere polare Flüssigkeiten, beispielsweise Wasser, Alkohole, wie z. B. Methanol, Ethanol oder Isopropanol, und Gemische davon. Grundsätzlich sind alle Flüssigkeiten verwendbar, die nicht mit den Gasdiffusionselektroden-Bestandteilen reagieren, die Bestandteile dispergieren, und sich gut wieder entfernen lassen.
  • Jede Dispersion kann nur ein Dispersionsmittel oder ein Gemisch aus zwei oder mehreren Dispersionsmitteln enthalten. Bei Verwendung mehrerer Dispersionen können die Dispersionsmittel der einzelnen Dispersionen gleich oder verschieden sein, d. h. eine Ruß-Dispersion kann dasselbe oder ein anderes Dispersionsmittel oder Dispersionsmittelgemisch enthalten wie beispielsweise eine ebenfalls verwendete PTFE-Dispersion.
  • Neben den Gasdiffusionselektroden-Bestandteilen und dem Dispersionsmittel oder den Dispersionsmitteln können die Dispersionen Hilfsstoffe enthalten, beispielsweise Bindemittel, Dispergierhilfsmittel und Viskositätsregler. Brauchbar sind hier die gängigen Hilfsstoffe.
  • Die Gasdiffusionselektroden-Bestandteile Kohlefasern, Ruß und PTFE werden bevorzugt in einem Gewichtsverhältnis von (1 bis 10):(1 bis 10):1 verwendet, besonders bevorzugt in einem Gewichtsverhältnis von (1 bis 5):(1 bis 5):1, und insbesondere bevorzugt in einem Gewichtsverhältnis von (1 bis 3):(1 bis 3):1. Dabei handelt es sich um die Verhältnisse in dem fertigen Gasdiffusionselektroden-Material, nicht um Verhältnisse in den bei der Herstellung verwendeten Dispersionen, die beliebig variiert werden können.
  • Die Konzentrationen der Dispersionen an Feststoffen hängen zum Einen von der Dispergierbarkeit der Bestandteile ab, wobei es in der Regel nicht störend ist, wenn Feststoffe zum Teil ausfallen, da durch Bewegung der Dispersionen für eine homogene Verteilung der Feststoffe in der Dispersion gesorgt werden kann. Zum Anderen hängt die Konzentration der Feststoffe von dem zur Herstellung der Gasdiffusionselektrode gewählten Formgebungsverfahren ab.
  • Üblicherweise werden auf einen Teil Feststoffe (Kohlefasern, Ruß, PTFE oder Kombinationen davon) mindestens drei Teile Dispersionsmittel oder Dispersionsmittelgemisch, bevorzugt mindestens fünf Teile Dispersionsmittel oder Dispersionsmittelgemisch verwendet.
  • Geeignete Formgebungsverfahren sind Auswalzen, kontinuierliches Ausbilden auf einer Siebtrommel, einem Bandfilter oder einer Bandfilterpresse, Tape-Casting, Rakeln, Abschöpfen, Extrudieren, Aufspritzen oder Aufstreichen. Be sonders bevorzugt sind Auswalzen und kontinuierliches Ausbilden auf einer Siebtrommel, sowie das Abschöpfen analog der Papierherstellung. Für das Imprägnieren von Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial ist ein Aufspritzen oder Aufstreichen der Imprägnierungs-Dispersionen besonders bevorzugt.
  • Für das Auswalzen ist eine eher pastöse Konsistenz der Mischungen erforderlich, die durch einen entsprechend geringen Dispersionsmittelanteil oder durch Beimischen von Verdickungsmitteln erreicht werden kann. Das Auswalzen findet typischerweise bei Temperaturen um Raumtemperatur und mit einem Druck von etwa 0,5 bis 2 N/cm2 statt.
  • Für die Herstellung durch kontinuierliches Ausbilden auf einer Siebtrommel ist eine eher flüssige Dispersion erforderlich. Hier beträgt der Anteil an Flüssigkeit bevorzugt mindestens etwa 90 Gewichts%.
  • Nach dem Ausformen wird das Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial getrocknet, wobei sich die zur Trocknung erforderlichen Temperaturen nach der Art der verwendeten Flüssigkeiten richten. In der Regel ist ein Trocknen bei höheren Temperaturen als Raumtemperatur vorteilhaft, z. B. bei etwa 110°C oder darüber bei vorwiegend wässrigen Dispersionen. Trocknungstemperatur und Trocknungsdauer können verringert werden, indem das Trocknen im Vakuum oder im Luftstrom durchgeführt wird. Typische, keinesfalls beschränkende, Bedingungen sind etwa 15 min bei 120°C und Normaldruck in Umluft mit Luftabzweigung.
  • Das Trocknen des Vorläufermaterials kann auch gleichzeitig mit dem Ausformen durchgeführt werden, beispielsweise durch Ausformen auf beheizten Walzen oder Aufspritzen auf beheizte Oberflächen.
  • Anschließend wird das Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial gesintert, bevorzugt bei einer Temperatur von etwa 200 bis 400°C. Dabei werden etwaige noch vorhandene Hilfsstoffe entfernt. Man erhält ein Material, das praktisch ausschließlich aus den gewünschten Gasdiffusionselektroden-Bestandteilen besteht, also im Gegensatz zu Materialien, die durch Imprägnierung von Kohlefaservlies erhalten wurden, keine Rückstände von Bindemitteln enthält. Bei dem erfindungsgemäßen Material wirkt das enthaltene PTFE als das alleinige Bindemittel. Dies ist insofern überraschend, als PTFE üblicherweise keine Bindemitteleigenschaften aufweist.
  • Vor, anschließend oder gleichzeitig mit dem Sintern kann das Vorläufermaterial verdichtet werden. Das Verdichten erfolgt bevorzugt bei einem Druck von 100 bis 500 bar, besonders bevorzugt auch bei erhöhter Temperatur. Insbesondere bevorzugte Bedingungen sind ein Druck von etwa 200 bis 300 bar und eine Temperatur von etwa 100°C bis zur Sintertemperatur. Bevorzugt wird vor dem Imprägnieren jedoch nicht verdichtet.
  • Auf diese Weise wird Gasdiffusionselektroden-Material mit weitgehend wunschgemäß einstellbarer Dicke und weitgehend wunschgemäß einstellbarem Flächengewicht erhalten. Dies ist beim Imprägnieren von Kohlefaservliesen nicht möglich, da die Dicke und das Flächengewicht des Gasdiffusionselektroden-Materials von der Dicke und dem Flächengewicht der verfügbaren Vliese abhängen. Erfindungsgemäß werden typischerweise Gasdiffusionselektroden-Materialien mit einer Dicke im Bereich von 50 bis 300 μm, bevorzugt etwa 100 bis 150 μm, und mit einem Flächengewicht von etwa 50 bis 100 g/m2 hergestellt. Es sind aber auch erheblich höhere Flächengewichte sowie erheblich geringere Flächengewichte von beispielsweise unter 60 g/m2, sogar unter 30 g/m2, herstellbar.
  • Nach dem Sintern wird das Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial mit dem fehlenden Bestandteil oder den fehlenden Bestandteilen imprägniert. Das Imprägnieren findet mittels Dispersionen der entsprechenden Bestandteile statt. Für die Imprägnierungs-Dispersionen gilt hinsichtlich Konzentration, Dispersionsmitteln und etwaigen Hilfsstoffen das vorher Ausgeführte. Zur Erzielung einer möglichst homogenen Imprägnierung ist es bevorzugt, mit geringen Feststoff-Gehalten von typischerweise höchstens 10 Gewichts% zu arbeiten. Außerdem sollte bei den Imprägnierungs-Dispersionen keine Ausflockung eines Bestandteils, was bei den zur Ausformung des Vorläufermaterials bestimmten Dispersionen nicht weiter störend ist, stattfinden. Daher ist es bevorzugt, Dispergierhilfsmittel zu verwenden, beispielsweise zur Herabsetzung der Oberflächenspannung und besseren Benetzbarkeit des zu dispergierenden Bestand teils einem wässrigen Dispersionsmittel Isopropanol und/oder ein Tensid zuzugeben.
  • Das Imprägnieren erfolgt bevorzugt durch Aufspritzen oder Aufstreichen der Dispersionen. Anschließend wird erneut getrocknet und gesintert. Außerdem wird das Vorläufermaterial, das nun sämtliche Bestandteile des fertigen Gasdiffusionselektroden-Materials enthält, verdichtet. Für die Bedingungen des Trocknens, Sinterns und Verdichtens gilt das vorstehend Ausgeführte.
  • Aus dem Gasdiffusionselektroden-Material werden Stücke in einer für die beabsichtigte Verwendung passenden Größe abgetrennt, beispielsweise abgeschnitten. Das Zuschneiden auf die gewünschte Größe kann an dem fertigen Gasdiffusionselektroden-Material erfolgen, es kann aber auch bereits zu einem früheren Zeitpunkt zugeschnitten werden, beispielsweise bereits nach dem Trocknen des Vorläufermaterials. Bevorzugt werden mehrere Verfahrensschritte kombiniert, beispielsweise das Verdichten und Abtrennen oder das Sintern, Verdichten und Abtrennen.
  • Eine Gasdiffusionselektrode kann aus einer Lage des Gasdiffusionselektroden-Materials bestehen, oder es können mehrere Lagen zu einer mehrlagigen Gasdiffusionselektrode miteinander kombiniert werden. Typischerweise werden nur zwei bis drei Lagen miteinander kombiniert, und die Verwendung von mehr als vier Lagen übereinander kann die Gasdiffusionseigenschaften beeinträchtigen. Zur Erzielung einer guten Haftung der einzelnen Lagen einer mehrlagigen Gasdiffusionselektrode aneinander wird die Gasdiffusionselektrode bevorzugt gepresst. Das Pressen erfolgt bevorzugt bei erhöhter Temperatur und Drücken von bis zu 500 bar. Besonders bevorzugte Bedingungen sind ein Druck von ca. 200 bar und eine Temperatur von ca. 140°C.
  • Das Verpressen der Lagen wird am verfahrensökonomischten gleichzeitig mit dem Verdichten des Gasdiffusionselektroden-Materials, d. h. auch unter den gleichen Bedingungen, durchgeführt.
  • Die erfindungsgemäße Gasdiffusionselektrode besitzt auf Grund ihrer hohen Homogenität über ihre gesamte Dicke dieselbe elektrische Leitfähigkeit und Hydrophobie.
  • Unter bestimmten Bedingungen kann es jedoch wünschenswert sein, bestimmte Eigenschaften einer Gasdiffusionselektrode, insbesondere ihre elektrische Leitfähigkeit und/oder Hydrophobie, über ihre Dicke kontrolliert zu variieren. So kann es beispielsweise vorteilhaft sein, wenn die Gasdiffusionselektrode in membrannahen Bereichen hydrophober ist als in membranfernen Bereichen, oder wenn die Gasdiffusionselektrode in den dem Stromsammler zugewandten Bereichen über eine besonders gute elektrische Leitfähigkeit verfügt.
  • Mehrlagige Gasdiffusionselektroden bieten die Möglichkeit, Konzentrationsgradienten zu schaffen und dadurch die Eigenschaften der Gasdiffusionselektrode über ihre Dicke in kontrollierter Weise zu variieren. Bei einer zweilagigen Gasdiffusionselektrode können beispielsweise zwei Lagen Gasdiffusionselektrodenmaterial miteinander kombiniert werden, die sich in ihren Anteilen an Ruß und PTFE unterscheiden. Die PTFE-reichere Lage wird beim Einbau in eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle der Membran zugewandt sein, und die PTFE-ärmere Lage wird dem Stromsammler, beispielsweise der bipolaren Platte, zugewandt sein. Je mehr Lagen Gasdiffusionselektrodenmaterial eine Gasdiffusionselektrode enthält, desto mehr unterschiedliche Konzentrationszonen können geschaffen werden.
  • Die Gasdiffusionselektrode kann mit Katalysatormaterial beschichtet werden.
  • Das Beschichten kann am Gasdiffusionselektroden-Material oder an einer einlagigen oder mehrlagigen, zugeschnittenen oder nicht zugeschnittenen Gasdiffusionselektrode erfolgen.
  • Das Trocknen des beschichteten Gasdiffusionselektroden-Materials oder der beschichteten Gasdiffusionselektroden erfolgt bevorzugt bei erhöhter Temperatur, wobei die Temperatur von der Art des verwendeten Dispersionsmittels abhängt. Bei vorwiegend wässrigen Dispersionen empfiehlt sich eine Tempera tur von etwa 110°C oder darüber. Das Trocknen kann durch Vakuum oder einen Luftstrom beschleunigt werden.
  • Gewünschtenfalls können mehrere Beschichtungsvorgänge durchgeführt werden.
  • Die fertige Gasdiffusionselektrode kann nun in eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle eingesetzt werden. Wenn die Elektrode keine katalytisch aktive Beschichtung aufweist, muss eine mit Katalysator beschichtete Membran verwendet werden. Alternativ kann auch die erfindungsgemäße Gasdiffusionselektrode mit Katalysator beschichtet werden. Zur Aufbringung einer Katalysatorschicht ist beispielsweise ein Gemisch aus einem Ionen leitenden Polymer, wie z. B. Nafion, und einem Edelmetallkatalysator auf Kohlenstoffträger, wie z.B. Platin auf Kohlenstoff, geeignet. Die Beschichtung mit Katalysator ist in der WO 97/2035911 , auf die in diesem Zusammenhang verwiesen wird, beschrieben.
  • Die erfindungsgemäß hergestellte Gasdiffusionselektrode kann mit einer Polymerelektrolytmembran zu einer Membran-Elektrodeneinheit kombiniert werden. Eine geeignete Polymerelektrolytmembran ist beispielsweise eine Nafion-Membran. Je nachdem, ob die Gasdiffusionselektrode eine katalytische Beschichtung aufweist oder nicht, muss eine Membran ohne oder mit katalytisch aktiver Beschichtung verwendet werden. Zur Herstellung einer Membran-Elektrodeneinheit wird eine erfindungsgemäß hergestellte Gasdiffusionselektrode, die aus einer oder mehreren Lagen aufgebaut ist, an einer Seite einer Polymerelektrolytmembran angeordnet und bei Drücken bis zu 500 bar und Temperaturen bis zu 250°C aufgepresst. Typische Bedingungen sind ein Druck von ca. 70 bar und eine Temperatur von ca. 40°C. Mit beiden Seiten der Membran kann auf diese Weise verfahren werden, so dass sowohl Anode als auch Kathode auf diese Weise hergestellt werden können. Durch das Aufpressen wird der elektrische Kontakt zwischen Membran, Katalysatorschicht und Elektrode, sowie deren Handhabbarkeit gegenüber einem losen Zusammenspannen deutlich verbessert.
  • Das Verdichten des Gasdiffusionselektroden-Materials und/oder das Verpressen mehrerer Lagen Gasdiffusionselektroden-Material zu einer Gasdiffusions elektrode kann gleichzeitig mit dem Aufpressen der Membran durchgeführt werden.
  • Vor dem Einbau der Membran-Elektrodeneinheit in eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle können die Gasdiffusionselektroden auf der der Membran abgewandten Seite durch Beilegung eines Gitternetzes verstärkt werden, wie es in der WO 97/2035911 beschrieben ist.
  • Die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Gasdiffusionselektroden eignen sich prinzipiell für beliebige elektrochemische Vorrichtungen, z. B. für Galvanikapparate, elektrochemische Gaspumpen, Elektrolysezellen und insbesondere Brennstoffzellen. Mit besonderem Vorteil werden sie in Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen als Anode und/oder als Kathode verwendet. Insbesondere geeignet sind Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen, die als Brenngas Wasserstoff und als Oxidationsmittel Luft verwenden und bei niedrigem Druck betrieben werden, z. B. bei Differenzen zwischen mittlerem Zelldruck und Umgebung von 0,5 bar oder weniger. Der Einsatz der erfindungsgemäß hergestellten Gasdiffusionselektroden ist jedoch keinesfalls auf niedrige Betriebsdruckdifferenzen beschränkt.
  • Das erfindungsgemäß hergestellte Gasdiffusionselektroden-Material ist sehr leicht, aber dennoch von hoher mechanischer Festigkeit, sehr homogen, und enthält kein durch Einwirkung hoher Temperaturen zersetztes Bindemittel. Die erfindungsgemäße Herstellung des Gasdiffusionselektroden-Materials ist anlagentechnisch unkompliziert und preiswert. Wichtige Faktoren sind auch die hervorragenden Diffusionseigenschaften und die hohe elektrische Leitfähigkeit der Gasdiffusionselektroden, sowie ihre Herstellbarkeit in weitgehend beliebiger Dicke. Besonders vorteilhaft ist, dass die elektrische Leitfähigkeit und die Hydrophobie bzw. Hydrophilie der Gasdiffusionselektroden gezielt eingestellt werden können. Sie können über die gesamte Dicke der Gasdiffusionselektrode identisch sein oder durch Kombination verschiedener Lagen von Gasdiffusionselektroden-Material in bestimmten Bereichen gezielt erhöht werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode, die Kohlefasern, Ruß und Polytetrafluorethylen enthält, folgende Schritte aufweisend: a) Herstellen von zwei oder mehr Dispersionen, die jeweils mindestens einen Gasdiffusionselektroden-Bestandteil und mindestens eine Flüssigkeit enthalten, wobei die zur Herstellung der Gasdiffusionselektrode erforderlichen Mengen an Gasdiffusionselektroden-Bestandteilen in der Gesamtheit der Dispersionen enthalten sind, b) Formen mindestens einer der Dispersionen zu einem Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial, wobei ein Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial gebildet wird, das mindestens einen der Gasdiffusionselektroden-Bestandteile Kohlefasern, Ruß und Polytetrafluorethylen in einer kleineren Menge als der für das Gasdiffusionselektroden-Material gewünschten Menge enthält c) Trocknen des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials, d) Sintern des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials, e) Imprägnieren des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials mit mindestens einer der in Schritt a) hergestellten Dispersionen, wobei die mindestens eine Dispersion den oder die Bestandteile, die in dem Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial in einer kleineren Menge als der für das Gasdisffusionselektroden-Material gewünschten Menge enthalten sind, enthält, Trocknen und Sintern des imprägnierten Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials, und f) Verdichten des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials zu einem Gasdiffusionselektroden-Material.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Stücke gewünschter Abmessungen von dem Gasdiffusionselektroden-Material abgetrennt werden, wobei das Abtrennen zu einem beliebigen Zeitpunkt, frühestens gemeinsam mit Schritt b), erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Schritte des Formens, Trocknens, Sinterns, Verdichtens und gegebenenfalls des Abtrennens als Einzelschritte nacheinander durchgeführt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zwei oder mehrere der Schritte des Formens, Trocknens, Sinterns, Verdichtens und ggf. des Abtrennens miteinander kombiniert werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem in Schritt b) durch Formen einer Dispersion, die mindestens einen der Gasdiffusionselektroden-Bestandteile Kohlefasern, Ruß, Polytetrafluorethylen enthält, eine Gasdiffusionselektroden-Basisschicht hergestellt wird, und auf die Gasdiffusionselektroden-Basisschicht mindestens eine weitere Dispersion mit mindestens einem der Gasdiffusionselektroden-Bestandteile Kohlefasern, Ruß, Polytetrafluorethylen aufgetragen wird, wobei ein Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial gebildet wird, das die Feststoffzusammensetzung des Gasdiffusionselektroden-Materials aufweist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zwei oder mehr Lagen Gasdiffusionselektroden-Material zu einer mehrlagigen Gasdiffusionselektrode kombiniert werden, wobei die Lagen Gasdiffusionselektroden-Material gleich oder verschieden sein können.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Gasdiffusionselektroden-Material oder die Gasdiffusionselektrode mit Katalysatormaterial beschichtet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem Kohlefasern, Ruß, Polytetrafluorethylen in einem Gewichtsverhältnis von (1 bis 10):(1 bis 10):1 verwendet werden.
  9. Verwendung einer nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellten Gasdiffusionselektrode für eine Membran-Elektrodeneinheit mit einer Polymer elektrolytmembran und mindestens einer Gasdiffusionselektrode.
  10. Verwendung einer nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellten Gasdiffusionselektrode für eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode und einer zwischen Anode und Kathode angeordneten Polymerelektrolytmembran.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997020359A1 (de) * 1995-11-28 1997-06-05 Magnet-Motor Gesellschaft Für Magnetmotorische Technik Mbh Gasdiffusionselektrode für polymerelektrolytmembran-brennstoffzellen
DE19721952A1 (de) * 1997-05-26 1998-12-03 Volker Rosenmayer Gasdiffusionselektrode mit thermoplastischem Binder
DE69701103T2 (de) * 1996-02-28 2000-06-15 Johnson Matthey Plc Katalytisch aktive Gasdiffusionselektroden mit Faservliessubstrat

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997020359A1 (de) * 1995-11-28 1997-06-05 Magnet-Motor Gesellschaft Für Magnetmotorische Technik Mbh Gasdiffusionselektrode für polymerelektrolytmembran-brennstoffzellen
DE69701103T2 (de) * 1996-02-28 2000-06-15 Johnson Matthey Plc Katalytisch aktive Gasdiffusionselektroden mit Faservliessubstrat
DE19721952A1 (de) * 1997-05-26 1998-12-03 Volker Rosenmayer Gasdiffusionselektrode mit thermoplastischem Binder

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