DE10247363A1

DE10247363A1 - Process for optimizing the conductivity of a carbon fiber fleece bound using a binder used in polymer electrolyte fuel cells comprises introducing conducting particles into the binder

Info

Publication number: DE10247363A1
Application number: DE10247363A
Authority: DE
Inventors: Karsten Dipl.-Phys. Dr. Löhr
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2004-04-22

Abstract

Process for optimizing the conductivity of a carbon fiber fleece bound using a binder comprises introducing conducting particles into the binder, preferably into the non-active binder, contacting the particles and the binder with the carbon fiber fleece, forming a composite from the materials, determining the conductivity of the bound fleece, optionally repeating the above steps if the conductivity of the bound fleece is to be increased, optionally varying the surface tension and/or inertness of the binder in the bound fleece, and optionally varying the wettability in the bound fleece. An Independent claim is also included for a carbon fiber fleece bound using a binder.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung der Leitfähigkeit mittels Bindemittel gebundener Kohlenstofffaservliese, gebundene Kohlenstofffaservliese als leitfähige Elektroden und deren Verwendung in Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen.The invention relates to a method for optimizing the conductivity Bonded carbon fiber nonwoven, bound Carbon fiber webs as conductive Electrodes and their use in polymer electrolyte membrane fuel cells.

Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen) enthalten Elektroden, die eine Membran, eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht aufweisen. Die Membran mit den Elektroden wird als Membran-Elektroden-Einheit (MEA, membrane electrode assembly) bezeichnet. Die Membran ist eine dünne gasdichte protonenleitenden Folie, auf der auf beiden Seiten die porösen Gasdiffusionselektroden mit einer Katalysatorbeschichtung aufgebracht sind.Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEM fuel cells) contain electrodes that form a membrane, a Catalyst layer and have a gas diffusion layer. The Membrane with the electrodes is called Membrane Electrode Unit (MEA, membrane electrode assembly). The membrane is a thin gastight proton-conducting film, on both sides of the porous gas diffusion electrodes are applied with a catalyst coating.

Die Gasdiffusionsstruktur der Gasdiffusionselektroden besteht im Allgemeinen aus porösen, elektrisch leitfähigen Materialien. Zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit wird üblicherweise ein Material auf Kohlenstoffbasis verwendet. Im Stand der Technik sind Gasdiffusionselektroden aus Kohlepapier oder leitfähige Schichtpapiere aus Kohlefasern bekannt. Die Patentschrift DE 100 52 223 offenbart mehrschichtige, kohlenstoffhaltige, elektrisch leitfähige Schichtpapiere zur Verwendung in PEM-Brennstoffzellen, die ein Bindemittel aus thermoplastischem Material enthalten. Verfahren zur Herstellung von Faservliesen werden z. B. in der Patentschrift DE 199 18 343 offenbart.The gas diffusion structure of the gas diffusion electrodes is generally made of porous, electrically conductive materials. To improve the electrical conductivity, a carbon-based material is usually used. In the prior art gas diffusion electrodes made of carbon paper or conductive layer papers made of carbon fibers are known. The patent DE 100 52 223 discloses multilayer carbonaceous electrically conductive layer papers for use in PEM fuel cells containing a thermoplastic material binder. Process for the production of fiber webs are z. B. in the patent DE 199 18 343 disclosed.

Die Gasdiffusionselektrode muss für viele Anwendungen hydrophob sein, damit die Poren der Elektrode nicht von der umgebenden Flüssigkeit gefüllt werden. Die wasserabweisende Eigenschaft der Gasdiffusionsschichten reicht aber oftmals nicht aus, um der Menge an erzeugtem Wasser während des Betriebs gerecht zu werden. Dies bewirkt einen Rückgang der Leistung der Zelle. Es ist bekannt, dass das Wasserabweisungsvermögen des Elektrolyten durch Erhöhung des Gehaltes an Polytetrafluorethylen (PTFE) verbessert werden kann.The gas diffusion electrode must be for many Applications should be hydrophobic so the pores of the electrode are not from the surrounding liquid filled become. The water-repellent property of the gas diffusion layers Often, however, it is not enough for the amount of water produced while to comply with the operation. This causes a decline in the Performance of the cell. It is known that the water repellency of Electrolytes by increase the content of polytetrafluoroethylene (PTFE) can be improved.

Ein Nachteil der Verwendung fluorierter Polymere wie PTFE ist jedoch eine unzureichende Adhäsion zum Kohlenstoffmaterial, wodurch die wasserabweisenden Eigenschaften während des langfristigen Gebrauchs abnehmen.A disadvantage of using fluorinated However, polymers such as PTFE are insufficient in adhesion Carbon material, reducing the water-repellent properties while of long-term use.

Wesentliche Nachteile der bekannten Gasdiffusionselektroden ergeben sich aus der Gewährleistung einer guten elektrischen Leitfähigkeit und einer guten Gasdiffusionsfähigkeit während des Betriebes.Major disadvantages of the known Gas diffusion electrodes result from ensuring a good electrical conductivity and a good gas diffusion ability while of the operation.

Bindemittel sind beispielsweise aus den Patentschriften DE 196 47 368 und DE 196 47 369 bekannt. Nachteilig bei den im Stand der Technik bekannten Verfahren ist, dass durch den Einsatz der Bindemittel die Leitfähigkeit der Gasdiffusionsschicht mit steigendem Gehalt an Bindemittel absinkt. Ferner führt der Einsatz von Bindemitteln dazu, dass diese die Poren der Schichtpapiere oder Faservliese verstopfen und somit den Gasdurchfluss behindern.Binders are for example from the patents DE 196 47 368 and DE 196 47 369 known. A disadvantage of the processes known in the prior art is that the conductivity of the gas diffusion layer decreases as the content of binder increases as a result of the use of the binders. Furthermore, the use of binders causes them to clog the pores of the layer papers or fiber webs and thus hinder the gas flow.

Weiterhin zeigen die im Stand der Technik bekannten, mittels organischen Bindemitteln gebundenen Faservliese eine nicht ausreichende Temperaturbeständigkeit. Dieser Nachteil ist insbesondere im Hinblick auf die während des Betriebes auftretenden, schwankenden und zeitweise sehr hohen Temperaturen bedenklich, da diese Vliese teilweise bereits bei Temperaturen von etwa 200°C zu verbrennen bzw. zu veraschen beginnen, und die Funk tionsfähigkeit der Brennstoffzellen somit bei hohen Temperaturen stark beeinträchtigen.Furthermore, the show in the state of Technically known, bound by means of organic binders nonwovens insufficient temperature resistance. This disadvantage is in particular with regard to those occurring during operation, fluctuating and at times very high temperatures alarming, because partially to burn these nonwovens already at temperatures of about 200 ° C or to begin to ash, and the func tion capability of the fuel cell thus severely impair at high temperatures.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das die Leitfähigkeit mittels Bindemittel gebundener Kohlenstofffaservliese verbessert. Weiterhin wird an das Kohlenstofffaservlies die Aufgabe gestellt, dass es eine gute Leitfähigkeit mit einer hohen Temperaturbeständigkeit, einer guten Durchströmbarkeit und guten mechanischen Eigenschaften verbindet und als leitfähige Elektrode in Brennstoffzellen einsetzbar sein soll.It is therefore the object of the present Invention to provide a method which improves the conductivity improved by bonding binder bonded carbon fiber web. Furthermore, it is the task of the carbon fiber fleece, that it has good conductivity with a high temperature resistance, one good flowability and combines good mechanical properties and as a conductive electrode in Fuel cells should be used.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich eines Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst.This task is in terms of a Method according to the preamble of claim 1 in conjunction with its characterizing features solved.

Bezüglich eines Kohlenstofffaservlieses wird die Aufgabe durch Anspruch 18 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst.Regarding a carbon fiber fleece The object is achieved by claim 18 in conjunction with the characterizing Characteristics solved.

Hinsichtlich einer Brennstoffzelle wird die Aufgabe durch Anspruch 27 gelöst.Regarding a fuel cell the problem is solved by claim 27.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Advantageous developments of Invention are in the dependent claims specified.

Der erfindungsgemäße Gegenstand betrifft ein Verfahren zur Optimierung der Leitfähigkeit mittels Bindemittel gebundener Kohlenstofffaservliese, wobei man den Widerstand des mittels Bindemittel gebundenen Kohlenstofffaservlieses minimiert, indem man den Gehalt in das Bindemittel eingearbeiteter leitfähiger Partikel variiert.The subject invention relates to a Method for optimizing the conductivity by means of a binder bonded carbon fiber nonwoven fabric, wherein the resistance of the minimized by bonding bound carbon fiber fabric, by varying the content of incorporated conductive particles in the binder.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass eine Optimierung der Leitfähigkeit mittels Bindemittel gebundener Kohlenstofffaservliese durch Variieren des Anteils im Bindemittel eingearbeiteter leitfähiger Partikel ermöglicht wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere die Ermittlung des Maximums der Leitfähigkeit des gebundenen Kohlenstofffaservlieses in Verbindung mit einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des gebundenen Kohlenstofffaservlieses ermöglicht.The invention includes the technical teaching that an optimization of the conductivity by means of bandage medium bonded carbon fiber nonwoven fabric is made possible by varying the proportion of incorporated in the binder conductive particles. In particular, the determination of the maximum of the conductivity of the bonded carbon fiber fleece in conjunction with an improvement in the mechanical properties of the bonded carbon fiber fleece is made possible by the method according to the invention.

Eine wichtige Kenngröße eines Kohlenstofffaservlieses für seine Verwendung als poröses, elektrisch leitfähiges Material in Gasdiffusionselektroden ist seine Leitfähigkeit.An important parameter of a Carbon fiber fleece for its use as a porous, electrically conductive Material in gas diffusion electrodes is its conductivity.

Das erfindungsgemäße gebundene Kohlenstofffaservlies umfasst ein Vlies aus Kohlenstofffasern, Binder sowie in das Bindemittel eingearbeitete leitfähige Partikel. Die Leitfähigkeit dieses erfindungsgemäß gebundenen Kohlenstofffaservlieses ergibt sich nicht direkt aus der Summe der Leitfähigkeiten seiner Komponenten. Erfindungsgemäß werden durch eine Änderung des Gehaltes an leitfähigen Partikeln neben den elektrischen Eigenschaften des gebundenen Kohlenstofffaservlieses auch seine mechanischen Eigenschaften geändert. Dies bedingt, dass durch eine Erhöhung des Anteils leitfähiger Partikel im Bindemittel die Leitfähigkeit des gebundenen Kohlenstofffaservlieses nicht linear ansteigt, sondern ein Maximum durchläuft, das von der Zusammensetzung der Komponenten abhängt und nur empirisch ermittelt werden kann.The bonded carbon fiber nonwoven according to the invention comprises a fleece of carbon fibers, binder and in the binder incorporated conductive Particle. The conductivity this bound invention Carbon fiber fleece does not result directly from the sum of conductivities its components. According to the invention by a change the content of conductive Particles in addition to the electrical properties of the bonded carbon fiber fleece also changed its mechanical properties. This requires that through an increase proportion of more conductive Particles in the binder, the conductivity of the bonded carbon fiber fleece does not increase linearly, but goes through a maximum that depends on the composition of the components and only determined empirically can be.

Der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung hat den Vorteil, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren der Widerstand des gebundenen Kohlenstofffaservlieses minimierbar und somit die Leitfähigkeit unter Berücksichtigung der mechanischen Eigenschaften maximierbar ist.The subject of the present application has the advantage that by the inventive method of resistance of the bonded carbon fiber fleece minimized and thus the conductivity considering the mechanical properties is maximized.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Optimierung der Leitfähigkeit mittels Bindemittel gebundener Kohlenstofffaservliese umfasst die folgenden Schritte:

a) Einarbeiten leitfähiger Partikel in das Bindemittel, bevorzugt in das nicht aktivierte Bindemittel;
b) In Kontakt bringen des leitfähige Partikel umfassenden Bindemittels mit den Kohlenstofffasern;
c) Ausbilden eines Verbundes unter Ausbildung eines Kohlenstofffaservlieses umfassend Binder, leitfähige Partikel und Kohlenstofffasern;
d) Bestimmung der Leitfähigkeit des gebundenen Kohlenstofffaservlieses;
e) gegebenenfalls, falls die Leitfähigkeit des gebundenen Kohlenstofffaservlieses erhöht werden soll, Wiederholung der Schritte a) bis d);
f) gegebenenfalls Variieren der Oberflächenspannung und/oder Inertheit des Binders im gebundenen Kohlenstofffaservlies;
g) gegebenenfalls Variieren der Benetzbarkeit im gebundenen Kohlenstofffaservlies.

The method according to the invention for optimizing the conductivity by means of binders of bound carbon fiber nonwovens comprises the following steps:

a) incorporation of conductive particles in the binder, preferably in the non-activated binder;
b) contacting the binder comprising conductive particles with the carbon fibers;
c) forming a composite to form a carbon fiber fabric comprising binders, conductive particles and carbon fibers;
d) determination of the conductivity of the bonded carbon fiber fleece;
e) optionally, if the conductivity of the bonded carbon fiber fabric is to be increased, repeating steps a) to d);
f) optionally varying the surface tension and / or inertness of the binder in the bonded carbon fiber fabric;
g) optionally varying the wettability in the bonded carbon fiber nonwoven.

Von Vorteil ist, dass zur Ausbildung einer elektrisch leitfähigen Struktur erfindungsgemäß Kohlenstofffasern, karbonisierte Kohlefasern, Vliese aus Kohlenstofffasern oder kohlenstoffhaltige Fasern verwendbar sind. Die verwendbaren Fasern umfassen Fasern verschiedener morphologischer oder chemischer Beschaffenheit, beispielsweise unterschiedlicher Länge, Dicke oder Glätte oder gemahlene Fasern. Weiterhin sind kommerziell erhältliche Kohlefaservliese ohne Binder verwendbar, beispielsweise „AvCarb^TM, carbon fibre paper", Ballard Material Products Inc., „Sigracet^®, gas diffusion media", SGL Carbon AG oder Vliese der Fa. Freudenberg. Ferner verwendbar sind aus Kohlefasern hergestellte Vliese mit polymeren Bindern, beispielsweise „bicomponent fibres" der Fa. FiberVisions oder Ethylvinylacetat-Copolymere (EVA), eine thermoplastische Verbindung, welche auch als Bindemittel verwendbar ist.It is advantageous that, to form an electrically conductive structure, carbon fibers, carbonized carbon fibers, fleeces of carbon fibers or carbonaceous fibers can be used according to the invention. The fibers which can be used include fibers of different morphological or chemical nature, for example different length, thickness or smoothness or ground fibers. Furthermore, commercially available carbon fiber nonwoven fabrics without binder can be used, for example, "AvCarb ^TM, carbon fiber paper", Ballard Material Products Inc., "Sigracet ^® gas diffusion media", SGL Carbon AG or webs of Fa. Freudenberg. It is also possible to use nonwovens made of carbon fibers with polymeric binders, for example "bicomponent fibers" from FiberVisions or ethylvinyl acetate copolymers (EVA), a thermoplastic compound which can also be used as a binder.

Mit einem Kohlenstofffaservlies werden erfindungsgemäß verwendbare Bindemittel bevorzugt in Form eines Pulvers und/oder in Form von Fasern in Kontakt gebracht. Hierbei wird das nicht aktivierte Bindemittel bevorzugt durch ein trockenes Vorprodukt mit den Kohlenstofffasern in Kontakt gebracht.Become a carbon fiber fleece usable according to the invention Binder preferably in the form of a powder and / or in the form of Fibers brought into contact. Here, the non-activated binder is preferred through a dry precursor with the carbon fibers in contact brought.

„In Kontakt bringen" umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung die Bedeutung, dass das Bindemittel auf die Fasern aufgebracht und/oder in das Vlies eingemischt wird. Eine Einarbeitung des Bindemittels erfolgt bevorzugt mittels „Foulardieren", hierbei wird das Bindemittel mittels einer Art Filzrolle aufgetragen. Von Vorteil ist, dass dadurch, dass diese Auftragung Bindemittel, welches nicht in den Kreuzungspunkten der Fasern sitzt, entfernt, ein Verstopfen der Poren des Vlieses durch überschüssiges Bindemittel verhindert wird. Vorteilhafter Weise wird die Leitfähigkeit des Bindemittels als trockenes Vorprodukt durch das erfindungsgemäße Verfahren an die Kohlenstofffasern eingestellt."Contacting" includes in the sense the present invention, the meaning that the binder the fibers are applied and / or mixed into the web. A Incorporation of the binder is preferably carried out by means of "padding", this is the Binder applied by means of a kind of felt roll. Advantageous is that by that this application binder, which is not sits in the crossing points of the fibers, removed, a clogging the pores of the web by excess binder is prevented. Advantageously, the conductivity the binder as a dry precursor by the inventive method adjusted to the carbon fibers.

Vorteilhafter Weise werden als Bindemittel für die vorliegende Erfindung hydrolisierbare und/oder kondensierbare Silicium-organische Verbindungen verwendet. Im Sinne der Erfindung umfasst die Bezeichnung „Bindemittel" hydrolisierbare bzw. kondensierbare Silicium-organische Verbindungen, die Bezeichnung „Binder" die hydrolysierte bzw. kondensierte, d.h. „ausgehärtete", Verbindung. Durch hydrolytische Reaktion des Bindemittels entsteht eine Vernetzung zu einem Binder. Die Reaktion ist beispielsweise durch Temperatur und/oder Feuchtigkeit beschleunigbar. Von besonderem Vorteil ist, dass die erfindungsgemäß verwendeten Binder über mehr als 400 °C temperaturstabil sind.Advantageously, be used as a binder for the present invention hydrolyzable and / or condensable silicon-organic Used connections. For the purposes of the invention, the term "binder" includes hydrolyzable or condensable organosilicon compounds, the name "binder" which hydrolyzed or condensed, i. "Cured", compound hydrolytic reaction of the binder results in a crosslinking to a binder. The reaction is for example by temperature and / or Moisture accelerable. Of particular advantage is that the Binders used in the invention have more as 400 ° C are temperature stable.

Vorteilhafter Weise werden substituierte Silicium-organische Verbindungen verwendet, bevorzugt sind die Silicium-organischen Verbindungen mit Alkylgruppen und/oder fluorierten Alkylgruppen substituiert, wobei die Silicium-organischen Verbindungen hydrolytisch abspaltbare und nicht hydrolytisch abspaltbare Gruppen aufweisen können. Besonders bevorzugt werden Alkylgruppenhaltige Alkoxysilane und/oder Tetraethylsilikate sowie deren Hydrolysate und Kondensate verwendet. Ferner werden in vorteilhafter Weise polymere Bindemittel, bevorzugt anorganische polymere Bindemittel verwendet. Erfindungsgemäß wird ein kommerziell erhältliches Bindemittel, beispielsweise das Produkt „Nanobinder" der Inomat GmbH verwendet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung der vorgenannten Bindemittel beschränkt, vielmehr können ebenso übliche Bindemittel und/oder Gemische aus mehreren Bindemitteln verwendet werden. Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Silicium-organische Bindemittel vor der Aufbringung auf die Kohlenstofffasern in einem geeigneten Lösungsmittel, beispielsweise Ethanol, verdünnt wird. Erfindungsgemäß wird die Verdünnung durch vorausgehende Versuche ermittelt. Dabei haben sich Verdünnungsgrade von 10 bis 50 Gew.-%, bezogen auf die Ausgangssubstanz, beispielsweise in Ethanol als geeignet erwiesen. Bevorzugt wird jedoch das Bindemittel auf etwa 50 Gew.-%, bezogen auf die Ausgangssubstanz, verdünnt. Geeignete Verdünnungen werden derart bestimmt, dass der gewünschte Feststoffgehalt an Binder auf dem Kohlenstofffaservlies verbleibt und gleichmäßig verteilt ist. Ein Anteil des Silicium-organischen Bindemittels von 5 bis 15 Gew.-%, bezogen auf die Kohlenstofffasern, hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen.Advantageously, substituted silicon-organic compounds are used, preferably the organosilicon compounds are substituted with alkyl groups and / or fluorinated alkyl groups, wherein the organosilicon compounds may have hydrolytically cleavable and non-hydrolytically removable groups. Particularly preferred are alkyl-containing alkoxysilanes and / or tetraethyl silicates and their hydrolyzates and condensates used. Furthermore, polymeric binders, preferably inorganic polymeric binders, are advantageously used. According to the invention, a commercially available binder, for example the product "Nanobinder" from Inomat GmbH, is used, but the invention is not limited to the use of the abovementioned binders, but conventional binders and / or mixtures of a plurality of binders can also be used in that the silicon-organic binder is diluted in a suitable solvent, for example ethanol, prior to application to the carbon fibers According to the invention, the dilution is determined by preliminary experiments, with dilution levels of from 10 to 50% by weight, based on the starting substance However, it is preferred to dilute the binder to about 50% by weight of the starting material Suitable dilutions are determined such that the desired solids content of binder remains on the carbon fiber nonwoven fabric and g is moderately distributed. A proportion of the silicon-organic binder of 5 to 15 wt .-%, based on the carbon fibers, has proved to be advantageous.

Das Ausbilden eines Verbundes unter Ausbildung eines Kohlenstofffaservlieses umfassend Binder, leitfähige Partikel und Kohlenstofffasern erfolgt bevorzugt dadurch, dass mittels Druck, Wasser, Temperatur und/oder Strahlung die Adhäsionseigenschaften des Bindemittels aktiviert werden. Erfindungsgemäß erfolgt die Ausbildung eines Verbundes eines erfindungsgemäßen Kohlenstofffaservlieses durch Temperatureinwirkung auf das Kohlenstofffaservlies, auf welches zuvor Bindemittel aufgebracht wurde. Bevorzugt wird das Kohlenstofffaservlies ausgeheizt, wobei das Vlies auf Temperaturen im Bereich von 200 °C bis > 400 °C, erwärmt wird, bevorzugt wird das Vlies auf Temperaturen > 400 °C erwärmt, besonders bevorzugt wird das Vlies bei einer Temperatur von 417 °C ausgeheizt. Das Ausheizen dient u.a. der Beschleunigung des Aushärtens des Bindemittels und der Verdampfung von Lösungsmittel. Die Zeitspanne der Temperierung oder des Ausheizens ist variabel und wird erfindungsgemäß auf das Bindemittel und die Fasern abgestimmt, bevorzugt wird das Vlies für etwa 10 Minuten auf einer Heizplatte ausgeheizt.The formation of a bond under Forming a carbon fiber fabric comprising binder, conductive particles and carbon fibers preferably takes place in that by means of pressure, Water, temperature and / or radiation, the adhesion properties of the binder to be activated. According to the invention, the Forming a composite of a carbon fiber nonwoven fabric according to the invention by the effect of temperature on the carbon fiber fleece, on which previously binder was applied. The carbon fiber fleece is preferred heated, the fleece is heated to temperatures in the range of 200 ° C to> 400 ° C, the fleece is preferably heated to temperatures> 400 ° C heated Particularly preferably, the nonwoven is baked at a temperature of 417 ° C. The heating serves u.a. accelerating the curing of the binder and the evaporation of solvent. The period of tempering or baking is variable and is inventively on the Binders and the fibers tuned, preferably the fleece is for about Cooked for 10 minutes on a hotplate.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Aktivierung des Bindemittels unter einem Pressdruck eingestellt. Die Aktivierung des Bindemittels unter Pressdruck ermöglicht in vorteilhafter Weise, Porosität und Leitfähigkeit des Kohlenstofffaservlieses einzustellen. Vorteilhaft ist weiterhin, dass die Adhäsionseigenschaften des Bindemittels über den Anpressdruck des Bindemittels einstellbar sind.In a further advantageous embodiment the invention, the activation of the binder under a Pressing pressure adjusted. The activation of the binder under pressing pressure allows advantageously, porosity and conductivity to adjust the carbon fiber fleece. It is also advantageous that the adhesion properties of the binder over the contact pressure of the binder are adjustable.

Ein großer Vorteil der Erfindung wird dadurch realisiert, dass man leitfähige kolloidale Partikel, bevorzugt anorganische leitfähige kolloidale Partikel, im Bindemittel, vorzugsweise im nicht aktivierten Bindemittel, dispergiert. Geeignet sind alle Partikel, die eine gute Leitfähigkeit aufweisen, erfindungsgemäß sind leitfähige kolloidale Partikel ausgewählt aus der Gruppe umfassend Ruß, Hochleitfähigkeitsruß, Graphit, Metallpartikel und/oder Edelmetallpartikel bevorzugt. In vorteilhafter Weise sind leitfähige Partikel auch als Gemisch verwendbar. Bei den Metallpartikeln und Edelmetallpartikeln sind Partikel aus Platin, Eisen, Zinn, Kupfer, Gold und/oder Aluminium bevorzugt, weiterhin sind Metalloxide, beispielsweise Zinnoxide oder Zinn/Antimonoxide, verwendbar, bei den Edelmetallpartikeln sind Silberpartikel besonders bevorzugt.A big advantage of the invention will be realized by using conductive colloidal particles inorganic conductive colloidal particles, in the binder, preferably in the non-activated Binder, dispersed. Suitable are all particles that have a good conductivity have, according to the invention are conductive colloidal Particles selected from the group comprising carbon black, High conductivity carbon black, graphite, Metal particles and / or noble metal particles preferred. In an advantageous manner Way are conductive Particles can also be used as a mixture. For the metal particles and Precious metal particles are particles of platinum, iron, tin, copper, Gold and / or aluminum are preferred, furthermore, metal oxides, for example Tin oxides or tin / antimony oxides, usable in the noble metal particles silver particles are particularly preferred.

Die Einarbeitung leitfähiger Partikel in das Bindemittel erfolgt bevorzugt mittels üblicher Verfahren, leitfähige Partikel werden bevorzugt in das Bindemittel eingebracht, indem die Partikel eingerührt, eingemischt oder dispergiert werden. Hierbei kann nachdispergiert werden, bis die Partikel die gewünschte Feinverteilung aufweisen. Die Verteilung der leitfähigen Partikel im Bindemittel kann homogen oder inhomogen sein, bevorzugt ist die Verteilung der leitfähigen Partikel im Bindemittel homogen.The incorporation of conductive particles into the binder is preferably carried out by conventional methods, conductive particles are preferably introduced into the binder by the particles stirred, be mixed or dispersed. This can be post-dispersed until the particles are the desired Have fine distribution. The distribution of conductive particles in the binder may be homogeneous or inhomogeneous, preferably is the Distribution of conductive Particles in the binder homogeneous.

Leitfähigkeitsverbessernde Partikel werden erfindungsgemäß dem Silicium-organischen Bindemittel in dem Maße zugesetzt, dass eine durchgängige Leitfähigkeit in dem Binder entsteht. Besonders bevorzugt ist Hochleitfähigkeitsruß, der eine niedrige Perkolationsschwelle aufweist. Mit Perkolationsschwelle wird der Gewichtsbereich, bezogen auf leitfähigkeitsverbessernde Partikel in einem Stoff, beschrieben, in dem die Leitfähigkeit sprunghaft zunimmt. Außerhalb dieses Bereiches nimmt die Leitfähigkeit trotz Erhöhung des Anteils leitfähigkeitsverbessernder Partikel kaum zu. Erfindungsgemäß stellt man den Gehalt leitfähiger Partikel im Bindemittel so ein, dass der Gehalt, bezogen auf das Gesamtgewicht des Bindemittels, im Bereich von 5 Gew.-% bis 10 Gew.-% liegt. Geeignete Gewichtsgehalte sind durch vorausgehende Reihenuntersuchungen ermittelbar. Das Bindemittel kann erfindungsgemäß ebenso niedrigere oder höhere Gehalte leitfähiger Partikel aufweisen, beispielsweise 5 Gew.-% bis 40 Gew.-%. Eine die Erfindung verbessernde Maßnahme sieht vor, dass man zur Erhöhung der Leitfähigkeit leitfähige kolloidale Partikel, welche über chemisch vernetzende Silane verbunden sind, verwendet. Darüber hinaus kann das Bindemittel weitere geeignete Komponenten aufweisen, beispielsweise Antistatika, Pigmente, Füllstoffe.Conductivity improving particles According to the invention are the silicon-organic Binder to the extent added that a continuous conductivity arises in the binder. Particularly preferred is Hochleitfähigkeitsruß, the one low percolation threshold. With percolation threshold is the weight range, based on conductivity-improving particles in a substance, in which the conductivity increases abruptly. Outside this area decreases the conductivity despite increase of the share conductivity improving Particles barely too. According to the invention provides to make the content more conductive Particles in the binder such that the content, based on the Total weight of binder, in the range of 5% to 10% by weight. lies. Suitable weight contents can be determined by preliminary screening. The binder can according to the invention also lower or higher contents conductive Particles, for example 5 wt .-% to 40 wt .-%. A the invention improving measure Provides that one to raise the conductivity conductive colloidal particles which over chemically crosslinking silanes are used. Furthermore For example, the binder may have other suitable components Antistatic agents, pigments, fillers.

Die erfindungsgemäß verwendeten Binder sind schlecht benetzend, die Anlagerung des Bindemittels gemäß dem erfindungsgemäß verwendeten Verfahren des Foulardierens erfolgt bevorzugt mit großen Benetzungswinkeln.The binders used according to the invention are poor wetting, the addition of the binder according to the invention used Method of padding is preferably carried out with large wetting angles.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ergibt sich dadurch, dass das Verfahren vorsieht, dass man die Oberflächenspannung des Bindemittels, vorzugsweise des nicht aktivierten Bindemittels, so einstellt, dass das Bindemittel im Wesentlichen an den Kreuzungspunkten der Kohlenstofffasern des Kohlenstofffaservlieses haftet. Der Begriff „Wesentlich" hat im Sinne dieser Erfindung die Bedeutung, dass ein Anteil von mehr als 50 Gew.-% des Bindemittels, bezogen auf das Gesamtgewicht dieses Bindemittels, an den Kreuzungspunkten der Kohlenstofffasern des Kohlenstofffaservlieses haftet. Bevorzugt haften mehr als 50 Gew.-% des Bindemittels an den Kreuzungspunkten der Fasern, besonders bevorzugt haftet > 80 Gew.-% des gesamten Bindemittels, noch bevorzugter > 90 Gew.-% und insbesondere bevorzugt nahezu das gesamte Bindemittel an den Kreuzungspunkten der Fasern.Another advantage of the method results from the fact that the method provides that one sets the surface tension of the binder, preferably the non-activated binder so that the binder haf substantially at the crossing points of the carbon fibers of the carbon fiber nonwoven fabric tet. For the purposes of this invention, the term "essential" has the meaning that a proportion of more than 50% by weight of the binder, based on the total weight of this binder, adheres to the intersection points of the carbon fibers of the carbon fiber nonwoven fabric. % of the binder at the crossing points of the fibers, more preferably> 80 wt .-% of the total binder, more preferably> 90 wt .-% and more preferably almost the entire binder at the crossing points of the fibers.

Vorzugsweise stellt man die Oberflächenspannung des Bindemittels, vorzugsweise des nicht aktivierten Bindemittels, durch eine Methylierung der Nebengruppen ein. Eine Erhöhung der Oberflächenspannung führt zu einer schlechteren Benetzbarkeit der Fasern durch das Bindemittel. Die Oberflächenspannung des Bindemittels wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren so eingestellt, dass das Bindemittel als Tröpfchen die Kohlenstofffasern entlang läuft und sich bevorzugt an den Kreuzungspunkten zweier oder mehrerer Fasern, den Zwickeln, absetzt und dort zum Binder aushärtet. In vorteilhafter Weise wird somit eine Haftung zwischen Bindemittel und Kohlenstofffaservlies auf Kreuzungspunkte der Kohlenstofffasern beschränkt.Preferably, the surface tension is set the binder, preferably the non-activated binder, by a methylation of the subgroups. An increase in the Surface tension leads to a poor wettability of the fibers by the binder. The surface tension of the binder is according to the inventive method adjusted so that the binder as droplets of carbon fibers runs along and preferably at the crossing points of two or more fibers, the gussets, settles and hardens there to the binder. In an advantageous way Thus, an adhesion between the binder and carbon fiber fleece limited to crossing points of the carbon fibers.

Vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass somit verhindert wird, dass das Bindemittel sich an anderen Orten auf den Fasern absetzt und Poren zwischen den Fasern verengt, oder dass das Bindemittel zwischen verschiedenen Fasern einen Film oder eine Membranfläche ausbildet und eine Pore verengt oder verstopft und somit die Durchströmung des Vlieses behindert.Advantageous in the method according to the invention is that thus prevents the binder from affecting others Deposits on the fibers and narrows pores between the fibers, or that the binder between different fibers is a film or a membrane surface forms and constricts a pore or clogged and thus the flow through the Fleece obstructed.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Viskosität des Bindemittels einzustellen, um eine Anlagerung des Bindemittels auf Kreuzungspunkte der Fasern zu beschränken. In vorteilhafter Weise wird somit eine gute Durchströmbarkeit des Vlieses gewährleistet. Vorteilhafter Weise wird durch das erfindungsgemäße Verfahren der Verbund von Bindemittel und Kohlenstofffasern auf Kreuzungspunkte der Kohlenstofffasern beschränkt und der Anteil des Bindemittels reduziert und die Leitfähigkeit des Vlieses verbessert. Durch eine Minimierung des Anteils an Binder wird die durch den Binder zu überbrückende Leitungsstrecke verringert und die Leitfähigkeit des Vlieses erhöht.Furthermore, the invention provides the viscosity adjust the binder to an addition of the binder to limit crossover points of the fibers. In an advantageous way thus a good flow through of the fleece ensured. Advantageously, the inventive method of the composite of Binder and carbon fibers at crossing points of the carbon fibers limited and the proportion of binder reduces and the conductivity of the fleece improved. By minimizing the amount of binder becomes the line to be bridged by the binder decreases and the conductivity of the fleece increased.

Nach Aktivierung des Bindemittels entsteht eine feste, inerte temperaturbeständige Verbindung. Ein gebundenes Kohlenstofffaservlies umfasst Kohlenstofffasern, Binder sowie leitfähige Partikel, die der Binder aufweist.After activation of the binder creates a solid, inert temperature resistant compound. A tied Carbon fiber nonwoven comprises carbon fibers, binders and conductive particles, which has the binder.

Die erfindungsgemäß verwendeten Binder erzeugen eine schlechte Benetzbarkeit des Vlieses. Eine schlechte Benetzbarkeit des Vlieses verhindert, dass Feuchtigkeit im Vlies kondensiert und die Gasverteilung behindert. Eine Änderung des Gehaltes an Binder ändert neben den elektrischen Eigenschaften des gebundenen Kohlenstofffaservlieses auch seine mechanischen Eigenschaften. Unter den mechanischen Eigenschaften der Vliese werden im Sinne dieser Erfindung Reißfestigkeit, Schlagzähigkeit, Biegbarkeit, Sprödigkeit und Zähigkeit verstanden. Eine Erhöhung des Anteils des Binders im Vlies bewirkt eine Verschlechterung der Benetzbarkeit, mindert hingegen Leitfähigkeit und Porengröße des Vlieses. Diese Kriterien werden erfindungsgemäß durch Reihenuntersuchungen aufeinander abgestimmt. Vorteilhafter Weise setzt man einen minimalen Anteil Binder ein, um Porengröße und Leitfähigkeit des Vlieses nicht zu mindern.The binders used according to the invention produce poor wettability of the web. A bad wettability the fleece prevents moisture from condensing in the fleece and hinders gas distribution. A change in the content of binder changes in addition the electrical properties of the bonded carbon fiber fleece also its mechanical properties. Under the mechanical properties the nonwovens are for the purposes of this invention tensile strength, impact resistance, Bendability, brittleness and toughness Roger that. An increase the proportion of the binder in the web causes a deterioration of the wettability, reduces conductivity and pore size of the web. These criteria are inventively by screening coordinated. Advantageously, one sets a minimum proportion Binders to pore size and conductivity of the fleece not to diminish.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen sehen vor, dass die Benetzbarkeit des Vlieses nach Ausbildung des Verbundes umfassend Kohlenstofffasern, Binder sowie die in das Bindemittel eingearbeiteten leitfähigen Partikel, modifizierbar ist. Oberflächenspannung und Inertheit des Binders können ebenfalls durch eine anschließende Behandlung des Vlieses modifiziert werden. Eine erfindungsgemäße Behandlung des Vlieses umfasst eine Feineinstellung von Oberflächenspannung und Benetzbarkeit durch Fluorierung. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass man die Oberflächenspannung und/oder die Inertheit des aktivierten Binders im gebundenen Kohlenstofffaservlies durch Fluorierung erhöht. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist es, dass man durch eine Fluorierung die Benetzbarkeit des gebundenen Kohlenstofffaservlieses erniedrigt.Further improving the invention activities provide that the wettability of the nonwoven after training of the Composite comprising carbon fibers, binders as well as those in the binder incorporated conductive Particle that is modifiable. Surface tension and inertness of the binder can also by a subsequent Treatment of the nonwoven be modified. A treatment according to the invention of the nonwoven includes a fine adjustment of surface tension and wettability by fluorination. An advantageous development The invention provides that the surface tension and / or the inertness of the activated binder in the bonded carbon fiber nonwoven by fluorination elevated. A further advantageous embodiment of the invention is that by a fluorination, the wettability of the bonded carbon fiber fleece decreased.

Eine weitere erfindungsgemäße Behandlung zur nachträglichen Modifizierung der Oberflächenspannung und der Benetzbarkeit des Vlieses mit Wasser umfasst eine Korona-Behandlung des Vlieses. Bevorzugt wird die Korona-Behandlung im elektrischen Feld, knapp unterhalb einer Spannung, bei der es zu einem Funkenüberschlag kommt in Gegenwart von Sauerstoff durchgeführt. Durch die Korona-Behandlung werden Fluor-Gruppen durch hydrophile Gruppen, beispielsweise OH-Gruppen, ersetzt. Eine die Erfindung verbessernde Maßnahme sieht vor, dass man die Oberflächenspannung des aktivierten Binders im gebundenen Kohlenstofffaservlies durch eine Korona-Behandlung erniedrigt. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist, dass man durch eine Korona-Behandlung die Benetzbarkeit des gebundenen Kohlenstofffaservlieses erhöht. Die Korona-Behandlung bietet eine Möglichkeit, durch eine erfindungsgemäße Nachbehandlung eine Feineinstellung der Oberflächenspannung und der Benetzbarkeit des Vlieses mit Wasser durchzuführen.Another treatment according to the invention for later Modification of the surface tension and the wettability of the web with water comprises a corona treatment of the fleece. The corona treatment is preferred in the electrical Field, just below a voltage at which there is a sparkover comes in the presence of oxygen. By the corona treatment fluorine groups are represented by hydrophilic groups, for example OH groups, replaced. A measure improving the invention provides that one the surface tension of the activated binder in the bonded carbon fiber nonwoven lowered corona treatment. A further advantageous embodiment is that by a corona treatment, the wettability of the bonded carbon fiber fleece increases. The corona treatment offers a possibility, by an aftertreatment according to the invention a fine adjustment of the surface tension and the wettability of the web with water.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass das Vlies durch thermische Behandlung, Oxidieren, Pyrolysieren, Pressen zum Cabonisieren, Verbinden, Verdichten und/oder Glätten nachbehandelbar ist.Further advantageous embodiments of the invention provide that the nonwoven fabric is removed by thermal treatment, Oxidizing, Pyrolysing, Pressing for Cabonising, Joining, Compacting and / or smoothing is treatable.

Eine Erhöhung des Anteils an Bindemittel führt dazu, dass sich das Bindemittel auf den Fasern absetzt und der Binder im gebundenen Vlies die Zwischenräume und Poren zwischen den Fasern verengt. Das Bindemittel kann ferner zwischen verschiedenen Fasern einen Film oder eine Membranfläche ausbilden und Poren verengen oder völlig verstopfen und somit die Durchströmung des Vlieses behindern oder verhindern. Erfindungsgemäß wird der Anteil des anorganischen Binders im Kohlenstofffaservlies derart erhöht, dass eine schichtweise oder völlige Gasdichtheit entsteht. Eine die Erfindung verbessernde Maßnahme sieht beispielsweise vor, dass man den Anteil des Binders im Kohlenstofffaservlies derart erhöht, dass die Gasdiffusion durch das Kohlenstofffaservlies oder wenigstens durch eine Kohlenstofffaserschicht des Kohlenstofffaservlieses ≥ 0%, bezogen auf eine ungehinderte Gasdiffusion von 100 %, ausmacht.An increase in the proportion of binder causes the binder to settle on the fibers and the binder in the bonded nonwoven constricts the interstices and pores between the fibers. The bin Furthermore, the medium can form a film or a membrane surface between different fibers and constrict pores or block them completely and thus hinder or prevent the throughflow of the nonwoven fabric. According to the invention, the proportion of the inorganic binder in the carbon fiber non-woven fabric is increased in such a way that a layer-wise or complete gas-tightness results. A measure improving the invention provides, for example, that the content of the binder in the carbon fiber fleece is increased such that the gas diffusion through the carbon fiber fleece or at least through a carbon fiber layer of the carbon fiber fleece is ≥ 0%, based on an unimpeded gas diffusion of 100%.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass die gebundenen Kohlenstofffaservliese im Vergleich zu be kannten Produkten kostengünstiger hergestellt werden können, da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere auf teure Zusatzstoffe wie Teflon und/oder zusätzliche Verfahrensschritte verzichtet werden kann.Another advantage of the method according to the invention is it compared to the bonded carbon fiber webs to be known products cheaper can be produced since in the inventive method especially on expensive additives such as Teflon and / or additional Procedural steps can be omitted.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist es, dass das Kohlenstofffaservlies ein mittels Bindemittel gebundenes Kohlenstofffaservlies ist, wobei das gebundene Kohlenstofffaservlies bevorzugt ein anorganisch gebundenes Kohlenstofffaservlies ist.An advantageous embodiment of Invention is that the carbon fiber nonwoven by means of a binder bonded carbon fiber nonwoven fabric, wherein the bonded carbon fiber nonwoven fabric preferably an inorganic bonded carbon fiber fleece is.

Das gebundene Kohlenstofffaservlies weist vorteilhafter Weise eine hohe Temperaturbeständigkeit auf, bevorzugt ist das gebundene Kohlenstofffaservlies temperaturbeständig bis zu einem Bereich von 400 °C. Für die thermische Zersetzung gibt es keine scharfe Grenztemperatur, beispielsweise 400 °C, sondern nur einen Grenzbereich, so dass die erfindungsgemäßen Kohlenstofffaservliese über einen gewissen Zeitraum auch bei mehr als 400 °C stabil sind. Erste Anzeichen einer Zersetzung können bei etwa 450 °C beobachtet werden; ab 500 °C sind deutliche Zersetzungsanzeichen beobachtbar. Die guten thermischen Eigenschaften des gebundenen Vlieses sind auf die erfindungsgemäß als Bindemittel verwendeten Silicium-organischen Bindemittel zurückzuführen. Das erfindungsgemäße Vlies ist bis etwa 400 °C temperaturbeständig bevor es, wie oben beschrieben, bei über 400 °C zu verbrennen oder zu veraschen beginnt. Dieses Merkmal bedingt eine Einsatzfähigkeit des erfindungsgemäßen Vlieses bei hohen bis sehr hohen Betriebstemperaturen wie sie beispielsweise in Brennstoffzellen auftreten können.The bonded carbon fiber fleece advantageously has a high temperature resistance, Preferably, the bonded carbon fiber fabric is temperature resistant until to a range of 400 ° C. For the thermal Decomposition, there is no sharp limit temperature, for example 400 ° C, but only a border area, so that the carbon fiber webs according to the invention have a period are stable even at more than 400 ° C. First signs a decomposition can at about 450 ° C to be watched; from 500 ° C Significant signs of decomposition are observable. The good thermal Properties of the bonded web are according to the invention as a binder attributed silicon organic binder used. The nonwoven according to the invention is up to about 400 ° C temperature resistant before it burns or ashes at over 400 ° C, as described above starts. This feature requires a usability of the nonwoven fabric according to the invention at high to very high operating temperatures such as for example can occur in fuel cells.

Übliche Vliese sind demgegenüber nur bis etwas 200 °C temperaturbeständig, wodurch die erfindungsgemäßen Vliese völlig neue Einsatzmöglichkeiten bei erhöhten Temperaturen ermöglichen. Übliche Produkte weisen beispielsweise eine Anwendungstemperatur im Bereich von 130 °C bis 200 °C auf. Die erfindungsgemäß gebundenen Kohlenstofffaservliese können bis auf Temperaturen höher als 400 °C temperiert werden, während bei Vorprodukten, die mittels polymerem Binder gebunden sind, das Polymer bei dieser Behandlung zersetzt wird. Eine Minderung der Leistung von Brennstoffzellen sowie die Vermeidung einer potenziellen Gefahrenquelle durch das Auftreten hoher Temperaturen in einer Brennstoffzelle während des Betriebes wird vermieden. Gängige Einsatztemperaturen des erfindungsgemäßen Kohlenstofffaservlieses in PEM-Brennstoffzellen liegen im allgemeinen im Bereich von etwa 90 °C. Höhere Temperaturen kommen im Betrieb im Normalfall kaum vor, können aber bei Störungsfällen auftreten. Eine thermische Belastbarkeit von etwa 400 °C und mehr hat daher insbesondere bei der Herstellung und Bearbeitung der erfindungsgemäßen Kohlenstofffaservliese Vorteile. So erhöhen sich mit zunehmender Temperatur die Reaktionsgeschwindigkeiten (z.B. beim Aushärten des Bindemittels), wodurch sich der Herstellungsprozess in vorteilhafter Weise verkürzt.usual Nonwovens are in contrast only up to 200 ° C temperature resistant, whereby the webs of the invention completely new uses at elevated Allow temperatures. Usual products For example, have an application temperature in the range of 130 ° C to 200 ° C. The bound according to the invention Carbon fiber webs can higher up to temperatures as 400 ° C to be tempered while for precursors bound by polymeric binder, the Polymer is decomposed in this treatment. A reduction of Performance of fuel cells as well as avoiding a potential Source of danger due to the occurrence of high temperatures in a fuel cell while the operation is avoided. common Operating temperatures of the carbon fiber nonwoven fabric according to the invention in PEM fuel cells are generally in the range of about 90 ° C. Higher temperatures Normally hardly occur during operation, but can occur in the event of a fault. A thermal capacity of about 400 ° C and more, therefore, in particular in the production and processing of carbon fiber webs according to the invention Advantages. So increase With increasing temperature, the reaction rates (e.g. during curing the binder), whereby the manufacturing process in an advantageous Way shortened.

Ferner ist von Vorteil, dass die elektrische Leitfähigkeit des gebundenen Kohlenstofffaservlieses nach der erfindungsgemäßen Minimierung des Widerstandes im Bereich von 0,1 mS/cm² liegt. Unter „Leitfähigkeit" wird im Sinne der Erfindung die Leitfähigkeit senkrecht zur Oberfläche, die Durchleitfähigkeit bzw. Querleitfähigkeit verstanden. Die erfindungsgemäßen Vliese weisen somit eine Leitfähigkeit auf, die höher als die Leitfähigkeit von im Stand der Technik bekannten Vliesen ist. Diese hohe Leitfähigkeit ist unter anderem darauf zurückzuführen, dass der Binderanteil im gebundenen Vlies optimiert ist und überschüssiger Binder nicht die Leitfähigkeit des Vlieses herabsetzt. Die erfindungsgemäßen Vliese weisen im gebundenen Zustand, d.h. wie vorstehend beschrieben mit Bindemittel behandelt, einen Querbzw. Durchgangswiderstand auf, der höchstens 130 % des wertes in ungebundenem Zustand entspricht.Furthermore, it is advantageous that the electrical conductivity of the bonded carbon fiber fabric after the minimization of the resistance according to the invention is in the range of 0.1 mS / cm ² . For the purposes of the invention, "conductivity" is understood as meaning the conductivity perpendicular to the surface, the conductivity or transverse conductivity, etc. The nonwovens according to the invention thus have a conductivity which is higher than the conductivity of nonwovens known in the art Another reason is that the binder content in the bonded nonwoven fabric is optimized and that excess binder does not reduce the conductivity of the nonwoven fabric The bonded fabrics according to the invention, when treated with binders as described above, have a transverse resistance which is at most 130% of the value in an unbound state.

Von Vorteil ist, dass der Binder im gebundenen Kohlenstofffaservlies im Wesentlichen auf die Kreuzungsstellen der Fasern beschränkt ist. Besonders bevorzugt ist die Anlagerung des Binders im gebundenen Kohlenstofffaservlies ausschließlich auf die Kreuzungsstellen der Fasern beschränkt.The advantage is that the binder in the bonded carbon fiber fabric substantially at the intersections limited to the fibers is. Particularly preferred is the addition of the binder in the bonded carbon fiber fleece exclusively limited to the crossing points of the fibers.

Das Kohlenstofffaservlies weist erfindungsgemäß eine gute Durchströmbarkeit für Gase auf, wobei diese gute Durchströmbarkeit auf die Eigenschaft des Binders zurückzuführen ist, sich vorwiegend an den Kreuzungspunkten der Fasern abzusetzen und dadurch die Poren und Zwischenräume zwischen den Fasern nicht zu verstopfen. Die gute Durchstömbarkeit des Vlieses bietet den Vorteil, dass das Elektrodenmaterial die elektrochemischen Reaktionen in einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle nicht durch einen mangelnden An- oder Abtransport der Reaktionsstoffe hemmt.The carbon fiber nonwoven according to the invention has a good through flow for gases on, with this good flow through attributed to the property of the binder is mainly to settle the crossing points of the fibers and thereby the pores and spaces between the fibers not to clog. The good Durchstömbarkeit of the nonwoven offers the advantage that the electrode material is the electrochemical Reactions in a polymer electrolyte membrane fuel cell not by a lack of supply or removal of the reactants inhibits.

Ferner zeichnet sich das Kohlenstofffaservlies dadurch aus, dass das gebundene Kohlenstofffaservlies im Wesentlichen hydrophob ist. „Hydrophob" hat im Sinne der Erfindung die Bedeutung, dass das Kohlenstofffaservlies für Wasser wenig benetzbar ist. Die geringe Benetzbarkeit hinsichtlich Wasser ist auf den hydrophoben Binder zurückzuführen. Die geringe Benetzbarkeit bewirkt, dass sich im Vlies während des Betriebes der Brennstoffzelle keine Wassertropfen bilden können, die die Poren des Vlieses verstopfen würden, und somit die Durchströmbarkeit des gebundenen Vlieses für Reaktionsgase beeinträchtigen würden. Erfindungsgemäß werden die vorteilhaften Benetzbarkeitseigenschaften ohne die im Stand der Technik übliche Verwendung von Teflon erzielt. Weiterhin vorteilhaft ist, dass für die geringe Benetzbarkeit nicht eine nachträgliche Beschichtung, also in einem zusätzlichen Verfahrensschritt, durchgeführt werden muss. Erfindungsgemäß kann die Benetzbarkeit auch nachträglich am gebundenen Vlies durch Fluorierung verringert oder durch Korona-Behandlung erhöht werden. Vorteilhafter Weise zeichnen sich die erfindungsgemäßen Vliese ebenfalls durch gute mechanische Festigkeit und Biegesteifigkeit aus.Further, the carbon fiber nonwoven fabric is characterized in that the bonded carbon fiber nonwoven fabric is substantially hydrophobic. For the purposes of the invention, "hydrophobic" has the meaning that the carbon fiber fleece is less wettable to water.The low water wettability is due to the hydro attributed to phoben binder. The low wettability causes the fleece during operation of the fuel cell can not form water droplets that would clog the pores of the fleece, and thus affect the flowability of the bonded nonwoven fabric for reaction gases. According to the invention, the advantageous wettability properties are achieved without the customary use of Teflon in the prior art. It is also advantageous that for the low wettability not a subsequent coating, ie in an additional process step, must be performed. According to the invention, the wettability can also be subsequently reduced by fluorination on the bonded nonwoven fabric or increased by corona treatment. Advantageously, the nonwovens of the invention are also characterized by good mechanical strength and flexural rigidity.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das gebundene Kohlenstofffaservlies wenigstens eine Kohlenstofffaservlies-Schicht, vorzugsweise mehrere Kohlenstofffaservlies-Schichten umfasst. Bevorzugt umfasst das gebundene Kohlenstofffaservlies ein bis drei Schichten, besonders bevorzugt zwei Schichten, jedoch sind ebenfalls eine höhere Anzahl an Schichten erfindungsgemäß denkbar. Die verschiedenen Schichten des Kohlenstofffaservlieses können hierbei unterschiedlich wie auch gleichartig in der Dicke der Schicht, der Beschaffenheit und/oder Dichte der Fasern, des Anteils an Binder, des Anteils und/oder der Art leitfähiger Partikel im Binder, der Oberflächenspannung, Benetzbarkeit, Durchströmbarkeit, Temperaturbeständigkeit und/oder Oberflächenbehandlung sein.An advantageous development of Invention provides that the bonded carbon fiber nonwoven at least a carbon fiber nonwoven layer, preferably a plurality of carbon fiber nonwoven layers includes. Preferably, the bonded carbon fiber nonwoven comprises to three layers, more preferably two layers, however also a higher one Number of layers conceivable according to the invention. The different Layers of carbon fiber fleece can be different as well as in the thickness of the layer, the texture and / or density of the fibers, the proportion of binder, the proportion and / or the kind of conductive Particles in the binder, the surface tension, Wettability, flowability, temperature resistance and / or surface treatment his.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist, dass wenigstens eine Kohlenstofffaservlies-Schicht, vorzugsweise mehrere Kohlenstofffaservlies-Schichten, weiterhin bevorzugt sämtliche Schichten des Kohlenstofffaservlieses gasundurchlässig sind. Erfindungsgemäß kann der Anteil an Binder im Vlies derart erhöht werden, dass die Zwischenräume oder Poren zwischen den einzelnen Fasern verstopft sind und ein gasundurchlässiges oder schichtweise gasundurchlässiges Vlies entsteht. „Gasundurchlässig" im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass das Vlies für alle anderen Gase bis auf Wasserstoff undurchlässig ist. Die Diffusion durch ein solches gasdichtes Vlies wäre für alle Stoffe außer für Wasserstoff auf 0% oder nahezu 0 % reduziert. Das Ausmaß der Gasdurchlässigkeit hängt hierbei von der Anzahl offener Zwischenräume oder Poren im gebundenen Vlies ab. Die Gasundurchlässigkeit des erfindungsgemäßen Kohlenstofffaservlieses ist hierbei nicht auf ein gasundurchlässiges oder ein möglichst durchlässiges Vlies beschränkt, vielmehr ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass jegliches Ausmaß der Gasdurchlässigkeit zwischen 0 % und 100 %, welche sich auf ein Vlies beziehen, welches keine verstopften Zwischenräume oder Poren aufweist, einstellbar ist. Vorteilhaft ist, dass mittels Variieren des Anteils an Binder eine bevorzugte Gasdurchlässigkeit einstellbar ist.A further advantageous embodiment in that at least one carbon fiber nonwoven layer, preferably a plurality of carbon fiber nonwoven layers, further preferably all Layers of carbon fiber fleece are gas impermeable. According to the invention of Proportion of binder in the nonwoven be increased so that the interspaces or Pores between the individual fibers are clogged and a gas impermeable or layer by layer gas impermeable Fleece is created. "Gas impermeable" in the sense of the present Invention means that the fleece for all other gases except for Hydrogen impermeable is. The diffusion through such a gas-tight fleece would be for all substances except for hydrogen reduced to 0% or nearly 0%. The extent of gas permeability depends on this from the number of open spaces or pores in the bonded nonwoven. The gas impermeability the carbon fiber nonwoven fabric according to the invention is not on a gas impermeable or possible permeable Fleece limited, rather, it is provided according to the invention that any extent of the Gas permeability between 0% and 100%, which refers to a nonwoven, which no clogged spaces or pores, is adjustable. It is advantageous that means Varying the proportion of binder a preferred gas permeability is adjustable.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist es, dass das Kohlenstofffaservlies oberflächenbehandelt ist, wobei nach der Behandlung wenigstens eine der sich gegenüberstehenden äußeren Oberflächen einer Schicht des Kohlenstofffaservlieses wasserabweisend und/oder wenigstens eine der sich gegenüberstehenden Oberflächen einer Schicht des Kohlenstofffaservlieses wasseraufnehmend ist. Erfindungsgemäß werden die Benetzungseigenschaften des gebundenen Kohlenstofffaservlieses durch eine verschiedene Behandlung der beiden Vliesseiten geeignet modifiziert, dass eine Seite wasserabweisend und eine Seite wasserhaltend ist.An advantageous embodiment of Invention is that the carbon fiber nonwoven surface treated is, wherein after the treatment at least one of the opposing outer surfaces of a Layer of carbon fiber fabric water repellent and / or at least one of the opposite surfaces a water-absorbing layer of the carbon fiber nonwoven fabric. According to the invention the wetting properties of the bonded carbon fiber fleece suitable by a different treatment of the two nonwoven pages modified one side to repel water and one side to keep water out is.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass erfindungsgemäß wenigstens eine der Membran einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle abgewandte Schicht des Kohlenstofffaservlieses wasserabweisend und wenigstens eine der Membran zugewandte Schicht wasserhaltend ist. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die wasserhaltende oder wasserabweisende Eigenschaft des Vlieses nicht auf Oberflächen oder Schichten beschränkt ist, sondern sich innerhalb des Vlieses auch graduell ändern kann.An advantageous development of The invention provides that according to the invention at least one of the membrane a polymer electrolyte membrane fuel cell facing away layer the carbon fiber fabric water repellent and at least one the membrane facing layer is water-retaining. Furthermore is provided according to the invention, that the water-holding or water-repellent property of the fleece not on surfaces or layers limited is, but can also change gradually within the fleece.

Die erfindungsgemäßen gebundenen Kohlenstofffaservliese sind geeignet für elektrochemische Anwendungen, insbesondere werden mittels Bindemittel gebundene Kohlenstofffaservliese in Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen verwendet. Vorteilhafter Weise ist das gebundene Kohlenstofffaservlies als leitfähige Elektrode in Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen angeordnet.The bonded carbon fiber webs of the invention are suitable for electrochemical applications, in particular by means of binders bonded carbon fiber webs in polymer electrolyte membrane fuel cells used. Advantageously, the bonded carbon fiber nonwoven fabric as conductive Electrode arranged in polymer electrolyte membrane fuel cells.

Vorteilhafter Weise kann das erfindungsgemäße gebundene Kohlenstofffaservlies als Gasdiffusionselektrode in Brennstoffzellen verwendet werden. Das erfindungsgemäße gebundene Kohlenstofffaservlies kann weiterhin mit einer katalytisch aktiven Schicht versehen sein, insbesondere kann das erfindungsgemäße gebundene Kohlenstofffaservlies mit einer Polymerelektrolytmembran zu einer Membran-Elektroden-Einheit kombiniert werden.Advantageously, the bound Carbon fiber nonwoven as a gas diffusion electrode in fuel cells be used. The bonded carbon fiber nonwoven according to the invention may further be provided with a catalytically active layer, In particular, the bonded carbon fiber nonwoven according to the invention combined with a polymer electrolyte membrane to form a membrane-electrode assembly become.

Gegenstand der Erfindung sind ebenfalls Brennstoffzellen, insbesondere Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelle wenigstens ein gebundenes Kohlenstofffaservlies nach einem der vorherigen Ansprüche aufweist.Subject of the invention are also Fuel cells, in particular polymer electrolyte membrane fuel cells, wherein the fuel cell has at least one bonded carbon fiber nonwoven fabric according to one of the preceding claims having.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained below an embodiment explained in more detail.

1. Herstellung eines erfindungsgemäßen Kohlenstofffaservlies1. Production a carbon fiber nonwoven fabric according to the invention

Als Grundlage wurde ein ungebundenes Kohlenstofffaservlies des Typs „AvCarb^TMGrade – P50T Carbon Fiber Paper" der Firma Ballard Materials Products Inc. eingesetzt.As a basis, an unconstrained carbon fiber nonwoven fabric of the type "AvCarb ^™ Grade - P50T Carbon Fiber Paper" from Ballard Materials Products Inc. was used.

Als leitfähige Partikel wurde ein Hochleitfähigkeitsruß des Typs „Printex XE 2" der Firma Degussa-Hüls AG eingesetzt, als Bindemittel der Typ „Nanobinder" der Firma Inomat GmbH. „Nanobinder" enthält ein hydrolysierbares, vernetzbares, alkylgruppenhaltiges Alkoxysilan (das eigentliche Bindemittel), und zwar zu etwa 26 Gew.-%, in ethanolischer Lösung.As the conductive particles, a high conductivity black of the type "Printex XE 2 "of the company Degussa-Huls AG used, as a binder of the type "Nanobinder" from the company Inomat GmbH. "Nanobinder" contains a hydrolyzable, crosslinkable, alkyl-containing alkoxysilane (the actual Binder), to about 26 wt .-%, in ethanolic solution.

Zunächst wurde eine erste Mischung des Hochleitfähigkeitsrußes in Bindemittel hergestellt. Die Menge an Bindemittel wurde so bemessen, dass sie etwa 10 Gew.%, bezogen auf das ungebundene Vlies, betrug. In diese Menge an Bindemittel wurde das Hochleitfähigkeitsruß in einer Menge von etwa 5 Gew.-%, bezogen auf das Bindemittel, eingearbeitet. Diese erste Mischung wurde dann auf das Kohlenstofffaservlies aufgetragen und durch Foulardieren verteilt. Durch das Foulardieren wurde außerdem automatisch überschüssige Mischung entfernt. Das foulardierte Vlies wurde dann für 2 h an der Luft ruhen gelassen. Durch das in der Luft vorhandene Wasser, die Luftfeuchtigkeit, wurde das Bindemittel aktiviert, d.h. hydrolysiert und zum Binder umgewandelt. Danach wurde das Produkt 10 Minuten auf einer Heizplatte bei 417 °C ausgeheizt. Nach Abkühlen lag ein erstes gebundenes Vlies vor.First, a first mix the Hochleitfähigkeitsrußes in binder produced. The amount of binder was calculated to be about 10 wt.%, Based on the unbonded web was. In these Amount of binder became the high conductivity carbon black in an amount of about 5 Wt .-%, based on the binder, incorporated. This first Mixture was then applied to the carbon fiber fleece and distributed by padding. In addition, the padding automatically became excess mixture away. The padded nonwoven was then allowed to air for 2 hours. By the water present in the air, the humidity, became the binder is activated, i. hydrolyzed and converted to the binder. Thereafter, the product was baked for 10 minutes on a hot plate at 417 ° C. After cooling, lay a first bonded web before.

Dieses erste gebundene Vlies wurde anschließend hinsichtlich seiner Leitfähigkeit untersucht. Anstelle der Leitfähigkeit wurde jedoch der Widerstand gemessen, und zwar der Durchgangswiderstand in Richtung senkrecht zur größten Oberfläche (sog „Querwiderstand"). Die Messung erfolgte mit einem Keithley 2010 Mikro-Multimeter gemäß ISO 3115–1981.This first bonded fleece was subsequently in terms of its conductivity examined. Instead of conductivity However, the resistance was measured, namely the volume resistance in the direction perpendicular to the largest surface (so-called "transverse resistance") with a Keithley 2010 micro-multimeter according to ISO 3115-1981.

Anschließend wurde eine zweite Mischung von leitfähigen Partikeln in Bindemittel hergestellt. Dazu wurde das Hochleitfähigkeitsruß in einer Menge von etwa 40 Gew.-%, bezogen auf das Bindemittel, in das Bindemittel eingearbeitet. Mit dieser zweiten Mischung wurde wie oben beschrieben ein zweites gebundenes Vlies hergestellt und wie oben beschrieben hinsichtlich seiner Leitfähigkeit untersucht.Subsequently, a second mixture of conductive Particles made in binder. This was the Hochleitfähigkeitsruß in one Amount of about 40 wt .-%, based on the binder, in the binder incorporated. With this second mixture was as described above a second bonded nonwoven prepared and as described above in terms of its conductivity examined.

Die zweite Messung ergab einen etwas geringeren Durchgangswiderstand für das zweite gebundene Vlies im Vergleich zum ersten gebundenen Vlies.The second measurement showed something lower volume resistivity for the second bonded web compared to the first bonded nonwoven.

Um iterativ das Minimum des Durchgangswiderstandes eines gebundenen Vlieses zu finden, wurde eine dritte Mischung von leitfähigen Partikeln in Bindemittel hergestellt, wobei die Menge an Hochleitfähigkeitsruß in etwa das arithmetische Mittel der Mengen der ersten und der zweiten Mischung betrug: Etwa 20 Gew.-% Hochleitfähigkeitsruß, bezogen auf das Bindemittel, in Bindemittel. Wieder wurde ein gebundenes Vlies hergestellt und wieder wurde dessen Durchgangswiderstand bestimmt. Der Durchgangswiderstand des resultierenden dritten gebundenen Vlieses war, im Vergleich zum ersten und zweiten Vlies, erhöht.To iteratively the minimum of the volume resistance of a bonded nonwoven, a third blend of conductive Particles made in binder, wherein the amount of Hochleitfähigkeitsruß in about the arithmetic mean of the quantities of the first and the second mixture was about 20% by weight of high conductivity carbon black, based on the binder, in binder. Again became a bound Nonwoven produced and again its volume resistance was determined. The volume resistivity of the resulting third bonded web was increased compared to the first and second fleece.

Daraufhin wurde in einem vierten Iterationsschritt ein viertes gebundenes Vlies mit einer vierten Mischung aus Hochleitfähigkeitsruß in Bindemittel hergestellt (30 Gew.-%) usw.. Insgesamt wurden 8 Iterationsschritte durchgeführt, bis schließlich ein gebundenes Vlies mit minimalem Durchgangswiderstand gefunden war. Die Iterationsschritte können Tabelle 1 entnommen werden. Tabelle 1:

Subsequently, in a fourth iteration step, a fourth bonded nonwoven fabric was prepared with a fourth mixture of high conductivity carbon black in binder (30% by weight), etc. In total, 8 iterations were performed until finally a bonded nonwoven having minimal volume resistivity was found. The iteration steps are shown in Table 1. Table 1:

Tabelle 1 zeigt, dass ein gebundenes Vlies, das mit einer Mischung aus 8 Gew.-% Hochleitfähigkeitsruß in Bindemittel behandelt wurde, den geringsten Durchgangswiderstand aufweist und damit das gewünschte gebundene Kohlenstofffaservlies darstellt. Von diesem Vlies aus Iterationsschritt 7 (kurz: „Vlies 7") wurden mehrere Exemplare hergestellt und wie nachfolgend beschrieben auf ihre Eigenschaften untersucht.Table 1 shows that a bound Nonwoven fabric containing a mixture of 8 wt .-% Hochleitfähigkeitsruß in binder has been treated, has the least volume resistance and with it the desired represents bonded carbon fiber nonwoven fabric. From this fleece Iteration step 7 (in short: "fleece 7 ") were several Copies made and their characteristics as described below examined.

2. Untersuchung der thermischen Eigenschaften2. Investigation of the thermal characteristics

Als Kriterium für die Wärmestabilität eines Vlieses 7 wurde die Gewichtskonstanz der Vliese 7 nach thermischer Belastung gemessen, da ein Gewichtsverlust ein Hinweis auf thermische Zersetzung ist. Dazu wurden sieben Vliese 7 hergestellt, jeweils bei 20 °C gewogen und dann jeweils in einem vorgeheizten Ofen, über einen Zeitraum von 2 h, bei einer bestimmten Temperatur thermisch belastet. Nach Abkühlen (etwa 1 h bei 20 °C) wurden die Vliese 7 erneut jeweils bei 20 °C gewogen und die Gewichtsdif ferenz berechnet. Tabelle 2 zeigt das Ergebnis dieser Messungen. Tabelle 2:

As a criterion for the thermal stability of a web 7, the weight constancy of the webs 7 was measured after thermal stress, since a weight loss is an indication of thermal decomposition. For this purpose, seven webs 7 were prepared, each weighed at 20 ° C and then each thermally stressed in a preheated oven, over a period of 2 h, at a certain temperature. After cooling (about 1 h at 20 ° C), the webs 7 were weighed again each at 20 ° C and calculated the Gewichtsdif difference. Table 2 shows the result of these measurements. Table 2:

Tabelle 2 zeigt die enorme Wärmebeständigkeit der erfindungsgemäßen Vliese 7: Sie weisen nach thermischer Belastung bei bis zu 400 °C ein nahezu unverändertes Gewicht auf, was bedeutet dass sie bis zu dieser Temperatur thermisch stabil sind. Ab etwa 450 °C weisen sie allerdings nach thermischer Belastung ein zunehmend geringeres Gewicht auf, was auf beginnende bzw. fortschreitende thermische Zersetzung hinweist. Ab etwa 500 °C ist der Gewichtsverlust deutlich; auch die Konsistenz der Vliese verändert sich: Sie werden brüchig, was ein Hinweis auf Verkohlung ist.Table 2 shows the enormous heat resistance the webs of the invention 7: They almost show after thermal stress up to 400 ° C unchanged Weight on, which means that they are thermal up to this temperature are stable. From about 450 ° C However, they have an increasingly lower level of thermal stress Weight on, indicating incipient or progressive thermal Decomposition indicates. From about 500 ° C the weight loss is clear; also the consistency of the fleeces changed yourself: you become brittle, which is an indication of charring.

3. Untersuchung der elektrischen Eigenschaften3rd investigation the electrical properties

Es wurden die Durchgangswiderstände der Vliese gemessen. Da die Angabe der Absolutwerte der Durchgangswiderstände keinen Sinn macht, weil der Absolutwert vom jeweils eingesetzten unbehandelten Vlies abhängig ist, werden hier nur die relativen Durchgangswiderstände angegeben. Der relative Durchgangswiderstand ist dabei des Verhältnis des Durchgangswiderstandes des gebundenen Vlieses zum Durchgangswiderstand des ungebundenen Vlieses, das als Grundlage für das gebundene Vlies diente. Dazu wurde das entsprechende Vlies ungebunden, d.h. vor der Behandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, vermessen, und gebunden, d.h. nach der Behandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.There were the volume resistances of Nonwovens measured. Since the indication of the absolute values of the volume resistances no Makes sense, because the absolute value of each used untreated fleece dependent is, only the relative volume resistances are specified here. The relative volume resistance is the ratio of Volume resistance of the bonded web to the volume resistivity of the unbonded web that served as the basis for the bonded web. For this, the corresponding web was unbonded, i. before the treatment according to the method of the invention, measured, and bound, i. after treatment by the method according to the invention.

Die Messung der Durchgangswiderstände erfolgte, wie bereits oben erwähnt, nach ISO 3915–1981.The measurement of the volume resistances took place as mentioned above, according to ISO 3915-1981.

Der relative Durchgangswiderstand des erfindungsgemäßen Vlies 7 betrug 120%, d.h. der Durchgangswiderstand des gebundenen Vlieses war lediglich um den Faktor 1,2 größer als der Durchgangswiderstand des ungebundenen Vlieses.The relative volume resistance of the nonwoven according to the invention 7 was 120%, i. the volume resistivity of the bonded web was only 1.2 times larger than the volume resistivity of the unbound fleece.

3. Untersuchung der mechanischen Eigenschaften3rd investigation the mechanical properties

3.1. Mechanische Stabilität unter Druck3.1. Mechanical stability under pressure

Es wurden sechs Vlies 7 hergestellt und bei 120 °C über einen Zeitraum von zwei Minuten jeweils einem bestimmten Druck, d.h. einer bestimmten mechanischen Belastung, ausgesetzt. Der Druck wurde mittels einer Presse, über einen Stempel gleichmäßig auf die gesamte Fläche eines Vlies 7 (Abmessungen: 80 x 10 mm) aufgebracht. Anschließend wurden die Vliese optisch auf Beschädigungen begutachtet. Das Ergebnis zeigt Tabelle 3. Tabelle 3:

Six fleece 7 were prepared and each exposed at 120 ° C over a period of two minutes to a certain pressure, ie a certain mechanical stress. The pressure was applied by means of a press, evenly over a stamp on the entire surface of a fleece 7 (dimensions: 80 x 10 mm). Subsequently, the nonwovens were visually inspected for damage. The result is shown in Table 3. TABLE 3

Tabelle 3 zeigt die hohe mechanische Stabilität der erfindungsgemäßen Vliese 7. Die erfindungsgemäßen Vliese sind bei 120 °C über wenigstens zwei Minuten unter Drücken von wenigstens 3,2 MPa mechanisch stabil (der Druck, bei dem ein Vlies 7 bricht wurde nicht ermittelt). Diese mechanische Stabilität ist insbesondere deshalb von großem Vorteil, weil die Herstellung von Brennstoffzellen am allgemeinen bei einem Druck von 3,2 MPa stattfindet.Table 3 shows the high mechanical stability the webs of the invention 7. The webs of the invention are at 120 ° C over at least two minutes under pressure of at least 3.2 MPa mechanically stable (the pressure at which a Fleece 7 break was not determined). This mechanical stability is particular therefore of great Advantage, because the production of fuel cells at the general takes place at a pressure of 3.2 MPa.

3.2. Mechanische Stabilität beim Biegen, Biegefestigkeit3.2. Mechanical stability when bending, flexural strength

Zur Ermittlung der Biegefestigkeit wurden analog zur DIN ISO 178 3-Punkt-Biegeversuche auf einer Zwick-Prüfmaschine des Typs 1455 unter Standardbedingungen und einer Prüfgeschwindigkeit von 1 mm/min durchgeführt. Die geprüften Vliese 7 hatten die Abmessungen 80 × 10 mm. Es wurde die Durchbiegung s gemessen, und zwar wurde die maximale Durchbiegung ermittelt, bei deren Überschreitung das Vlies 7 brach (kurz: Bruchdurchbiegung).To determine the bending strength were analogously to DIN ISO 178 3-point bending tests on a Zwick testing machine Type 1455 under standard conditions and a test speed of 1 mm / min. The tested Nonwovens 7 had the dimensions 80 × 10 mm. It became the deflection s measured, namely the maximum deflection was determined, when they are exceeded the fleece 7 broke (short: break deflection).

Dabei ergab sich für die erfindungsgemäßen Vliese 7 eine Bruchdurchbiegung von 20 mm.This resulted in the webs according to the invention 7 a break deflection of 20 mm.

4. Untersuchung der fluidischen Eigenschaften4th investigation the fluidic properties

Es wurde ein Vlies 7 hergestellt und die Gasverteilung in diesem Vlies im Vergleich zur Gasverteilung in dem ungebundenen Kohlenstofffaservlies, das als Grundlage für die Herstellung des gebundenen Vlieses 7 diente, untersucht.A nonwoven fabric 7 was produced and the gas distribution in this web compared to the gas distribution in the unbound carbon fiber nonwoven used as the basis for the production of the bonded web 7, examined.

Die Messung der Gasverteilung fand gemäß dem in der bislang unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10223781.6 beschriebenen Gasverteilungsmessverfahren statt.The measurement of the gas distribution took place according to the previously unpublished German patent application DE 10223781.6 gas distribution measurement method described instead.

Die Messung ergab, dass die Gasverteilung im erfindungsgemäßen gebundenen Vlies 7 nahezu gleich gut war, wie die Gasverteilung im ungebundenen Vlies.The measurement revealed that the gas distribution bound in the invention Fleece 7 was almost as good as the gas distribution in the unbound Fleece.

4. Untersuchung der hydrophoben Eigenschaften4th investigation the hydrophobic properties

Es wurde ein Vlies 7 hergestellt. Dieses wurde mit Wasser betropft, wobei das Abperlverhalten optisch begutachtet wurde. Die Wassertropfen perlten ab ohne das Vlies zu benetzen. Dieses Abperlverhalten zeigt die gute Hydrophobizität des erfindungsgemäßen Vlies 7.A nonwoven fabric 7 was produced. This was dripped with water, wherein the Abperlverhalten visually appraised has been. The drops of water beaded off without wetting the fleece. This bead behavior shows the good hydrophobicity of the web according to the invention 7th

Claims

A method of optimizing the conductivity of bonded carbon fiber nonwoven binders, characterized by minimizing the resistance of the binder bonded carbon fiber nonwoven fabric by varying the content of conductive particles incorporated in the binder.

Method for optimizing the conductivity Bonded carbon fiber nonwoven fabric according to claim 1, characterized in that the method comprises the steps: a) Incorporate conductive Particles in the binder, preferably in the non-activated binder; b) Contact the conductive Particle-containing binder with the carbon fibers; c) Forming a composite to form a carbon fiber fleece comprising binders, conductive particles and carbon fibers; d) Determination of the conductivity the bonded carbon fiber fabric; e) where appropriate, if the conductivity of bonded carbon fiber nonwoven fabric should be repeated the steps a) to d); f) optionally varying the surface tension and / or inertness of the binder in the bonded carbon fiber nonwoven fabric; G) optionally varying the wettability in the bonded carbon fiber fabric, includes.

Method for optimizing the conductivity Bonded carbon fiber nonwoven fabric according to claim 1 or 2, characterized in that the binder in the form a powder and / or in the form of fibers with the carbon fiber fleece brings in contact.

Method for optimizing the conductivity Bonded carbon fiber nonwoven fabric after a the previous claims, characterized in that the binder is hydrolyzable and / or condensable organosilicon compounds.

Method for optimizing the conductivity Bonded carbon fiber nonwoven fabric after a the previous claims, characterized in that conductive colloidal particles, preferably inorganic conductive colloidal particles, in the binder, preferably in the non-activated Binder, dispersed.

Method for optimizing the conductivity Bonded carbon fiber nonwoven fabric after a the previous claims, characterized in that conductive colloidal particles are selected from the group comprising carbon black, High conductivity carbon black, graphite, Metal particles and / or precious metal particles used.

Method for optimizing the conductivity Bonded carbon fiber nonwoven fabric after a the previous claims, characterized in that the content of conductive particles in the binder adjusted so that the content, based on the total weight of Binder, in the range of 5 wt .-% to 10 wt .-% is.

Method for optimizing the conductivity Bonded carbon fiber nonwoven fabric after a the previous claims, characterized in that conductive colloidal particles, which are chemically crosslinking silanes are used.

Method for optimizing the conductivity Bonded carbon fiber nonwoven fabric after a the previous claims, characterized in that by means of pressure, water, temperature and / or Radiation the adhesion properties activated the binder.

Method for optimizing the conductivity Bonded carbon fiber nonwoven fabric after a the previous claims, characterized in that the surface tension of the binder, preferably the non-activated binder, so adjusts that the binder substantially at the crossing points of the carbon fibers of the carbon fiber nonwoven adheres.

Method for optimizing the conductivity Bonded carbon fiber nonwoven fabric after a the previous claims, characterized in that the surface tension of the binder, preferably the unactivated binder, by methylation of the subgroups.

Method for optimizing the conductivity Bonded carbon fiber nonwoven fabric after a the previous claims, characterized in that the surface tension and / or the inertness of the activated binder in the bonded carbon fiber nonwoven Increased fluorination.

Method for optimizing the conductivity Bonded carbon fiber nonwoven fabric after a the previous claims, characterized in that the wettability by fluorination of the bonded carbon fiber nonwoven fabric.

Method for optimizing the conductivity Bonded carbon fiber nonwoven fabric after a the previous claims, characterized in that the surface tension of the activated Binders in bonded carbon fiber nonwoven through a corona treatment decreased.

Method for optimizing the conductivity Bonded carbon fiber nonwoven fabric after a the previous claims, characterized in that by a corona treatment, the wettability of the bonded carbon fiber fabric increased.

Method for optimizing the conductivity Bonded carbon fiber nonwoven fabric after a the previous claims, characterized in that the proportion of the binder in the carbon fiber fleece so increased that the gas diffusion through the carbon fiber fleece or at least by a carbon fiber layer of the carbon fiber nonwoven fabric ≥ 0% to an unimpeded gas diffusion of 100%.

Use of bonded carbon fiber nonwovens, producible according to one of the claims 1-16, in polymer electrolyte membrane fuel cells.

Carbon fiber fleece, producible according to one of claims 1-16, characterized in that the carbon fiber nonwoven by means of Binders bonded carbon fiber nonwoven fabric, wherein the bound Carbon fiber fleece prefers an inorganic bonded carbon fiber fleece is.

Carbon fiber fleece according to claim 18, characterized characterized in that the bonded carbon fiber nonwoven fabric has a high temperature resistance preferably, the bonded carbon fiber nonwoven is temperature resistant until to a range of 400 ° C.

Carbon fiber fabric according to claim 18 or 19, characterized in that the electrical conductivity of the bonded carbon fiber fabric after minimizing the resistance in the range of 0.1 mS / cm ² .

Carbon fiber fleece after one of the previous Claims, characterized in that the binder in the bonded carbon fiber fleece is essentially limited to the crossing points of the fibers.

Carbon fiber fleece after one of the previous Claims, characterized in that the bonded carbon fiber fleece is substantially hydrophobic.

Carbon fiber fleece after one of the previous Claims, characterized in that the bonded carbon fiber fleece at least one carbon fiber nonwoven layer, preferably several Carbon fiber nonwoven layers comprises.

Carbon fiber fleece after one of the previous Claims, characterized in that at least one carbon fiber nonwoven layer, preferably a plurality of carbon fiber nonwoven layers, further preferably all Layers of carbon fiber fleece are gas impermeable.

Carbon fiber fleece after one of the previous Claims, characterized in that the carbon fiber nonwoven surface treated is, wherein after the treatment at least one of the opposing outer surfaces of a Layer of carbon fiber fabric water repellent and / or at least one of the opposite surfaces a water-absorbing layer of the carbon fiber nonwoven fabric.

Carbon fiber fleece after one of the previous Claims, characterized in that the bonded carbon fiber fleece as conductive Electrode arranged in polymer electrolyte membrane fuel cells is.

Fuel cell, in particular polymer electrolyte membrane fuel cell, characterized in that the fuel cell at least one bonded carbon fiber fabric according to one of the preceding claims.