WO2004030127A2 - Gasdiffusionselektroden für polymerelektrolytmembran-brennstoffzellen und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Gasdiffusionselektroden für polymerelektrolytmembran-brennstoffzellen und verfahren zu ihrer herstellung Download PDF

Info

Publication number
WO2004030127A2
WO2004030127A2 PCT/EP2003/010536 EP0310536W WO2004030127A2 WO 2004030127 A2 WO2004030127 A2 WO 2004030127A2 EP 0310536 W EP0310536 W EP 0310536W WO 2004030127 A2 WO2004030127 A2 WO 2004030127A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas diffusion
diffusion electrode
precursor material
carbon black
polytetrafluoroethylene
Prior art date
Application number
PCT/EP2003/010536
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2004030127A3 (de
Inventor
Roland Hamelmann
Original Assignee
Proton Motor Fuel Cell Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10244228A external-priority patent/DE10244228B4/de
Application filed by Proton Motor Fuel Cell Gmbh filed Critical Proton Motor Fuel Cell Gmbh
Priority to AU2003270239A priority Critical patent/AU2003270239A1/en
Publication of WO2004030127A2 publication Critical patent/WO2004030127A2/de
Publication of WO2004030127A3 publication Critical patent/WO2004030127A3/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0234—Carbonaceous material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/926—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to gas diffusion electrodes, in particular gas diffusion electrodes for polymer electrolyte membrane fuel cells, a process for their production, membrane electrode assemblies with at least one gas diffusion electrode according to the invention, and polymer electrolyte membrane fuel cells with at least one gas diffusion electrode according to the invention.
  • Gas diffusion electrodes in polymer electrolyte membrane fuel cells have the function of allowing reaction gases to diffuse through and of diverting the current generated at the membrane to the current collectors. Because of the risk of the pores of the gas diffusion electrodes being flooded by water formed during the reaction, gas diffusion electrodes must be water-repellent at least on the side facing the membrane. For many applications, for example in space travel, it is particularly important that the materials used to construct the cell stack are light and space-saving. However, this must not come at the expense of the strength properties. In addition, the gas diffusion electrodes should be as simple and inexpensive to manufacture as possible.
  • gas diffusion electrodes are mats made of graphitized fabric.
  • the gas diffusion mat made of graphitized tissue often does not sufficiently diffuse oxygen, especially oxygen from the air under low pressure. base and are also relatively difficult. High temperatures are required in their manufacture, which leads to correspondingly high energy consumption and high prices.
  • WO 97/20359 discloses gas diffusion electrodes which are obtained by impregnating a carbon fiber fleece with a suspension of polytetrafluoroethylene (PTFE) and carbon black, followed by thermal treatment.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • gas diffusion electrodes have the advantage over the gas diffusion electrodes made of graphitized fabric that they can be produced from inexpensive carbonized carbon fiber nonwovens with low basis weights, for example below 60 g / m 2 . They have good electrical conductivity, are water-repellent due to their PTFE content and have good diffusion properties, also for oxygen from the air. The distribution of soot and PTFE is quite homogeneous.
  • a carbon fiber fleece typically contains about 10% by mass of binder.
  • the fleece loses about 7 to 8% by mass during sintering. The consequence of this is that the cohesion between the fibers is weakened and disturbing residues remain in the fleece.
  • nonwovens are only available in certain thicknesses.
  • the thicknesses of the gas diffusion electrodes that can be produced are necessarily determined by the available fleece thicknesses. Variations in gas diffusion electrode thickness are only possible by combining several nonwovens, i.e. in steps of one nonwoven thickness.
  • the object of the present invention is to provide a gas diffusion electrode with high homogeneity.
  • the object of the present invention is in particular to provide a method for producing a gas diffusion electrode with the above-mentioned properties.
  • Further objects of the present invention are to provide a membrane electrode unit and a polymer electro-membrane fuel cell with such a gas diffusion electrode. 95 The object is achieved by the method for producing a gas diffusion electrode according to claim 1.
  • the object is further achieved by the membrane electrode assembly according to claim 14.
  • the object is also achieved by the polymer electrolyte membrane fuel cell according to claim 15.
  • the gas diffusion electrode according to the invention contains carbon fibers, carbon particles, i. H. Carbon black, and polytetrafluoroethylene.
  • the polytetrafluoroethylene acts as a binder.
  • the method according to the invention for producing the gas diffusion electrode 115 has the following steps:
  • gas diffusion electrode precursor material does not contain one or more of the constituents in the desired amount, impregnating the gas diffusion electrode precursor material with at least one of the dispersions prepared in step a), drying and sintering the impregnated gas diffusion electrode precursor material,
  • step 145 d) can be replaced by compression of the gas diffusion electrode precursor material
  • the steps of forming, drying, sintering, compacting and separating can be carried out as individual steps in succession or two or 150 more of the steps can be combined with one another, and wherein
  • the separation can take place at any time, at the earliest together with step b).
  • the following terms are used in the meanings given:
  • a layer is a component of an unfinished gas diffusion electrode precursor material that occurs during the build-up of the precursor material by applying several dispersions and does not necessarily contain all gas diffusion electrode components. It no longer exists as such in the finished gas diffusion electrode material.
  • a layer consists of one or more layers, but contains the constituents of carbon fibers, carbon black and polytetrafluoroethylene in the amounts required for the gas diffusion electrode precursor material or the gas diffusion electrode material.
  • a gas diffusion electrode base layer is a wet or dry layer containing at least one gas diffusion electrode component, e.g. B. carbon fibers, carbon black, polytetrafluoroethylene or combinations thereof. It is the only layer or the first molded layer of the gas diffusion electrode precursor material when manufactured.
  • B. carbon fibers, carbon black, polytetrafluoroethylene or combinations thereof It is the only layer or the first molded layer of the gas diffusion electrode precursor material when manufactured.
  • a gas diffusion electrode precursor material is an unsintered or sintered material that consists at least of the base layer, but can also contain other components. If desired, the precursor material can be impregnated. Unsintered precursor material should be compacted before impregnation; sintered material is preferably not compacted.
  • a gas diffusion electrode material is a material that contains all components carbon fiber, carbon black, polytetrafluoroethylene, is sintered and compressed. If necessary, it can still be coated. In addition, several layers of the material can be combined.
  • a gas diffusion electrode is any flat material that has at least one layer of gas diffusion electrode material. Two or more layers of gas diffusion electrode material can also be combined to form a gas diffusion electrode and / or the gas diffusion electrode material can be coated 190.
  • the designation gas diffusion electrode is independent of the areal expansion of the flat material. It can have the dimensions suitable for its installation in a fuel cell or must first be brought to these dimensions.
  • a dispersion is applied to a freshly formed, wet or possibly dried layer (e.g. base layer) which contains one or more gas diffusion electrode components (e.g. carbon fibers, carbon black, polytetrafluoroethylene).
  • gas diffusion electrode components e.g. carbon fibers, carbon black, polytetrafluoroethylene.
  • Impregnated is a sintered gas diffusion electrode precursor material or an unsintered, compressed gas diffusion electrode precursor material which contains one or more of the components carbon fibers, carbon black and polytetrafluoroethylene of the gas diffusion electrode material.
  • the impregnation is ideally carried out 205 homogeneously over the thickness of the flat material.
  • a gas diffusion electrode material or a gas diffusion electrode is coated, which contains or contains all components carbon fibers, carbon black and polytetrafluoroethylene, is sintered and compressed at least to such an extent that the components 210 of the coating dispersion cannot penetrate, or at least not significantly, into the gas diffusion electrode material , In contrast to impregnation, a coating is superficial.
  • percent 215 or “parts” always means “percent by weight” or “parts by weight”, and ratios are weight ratios unless explicitly stated otherwise.
  • the gas diffusion electrode material is therefore based on a dispersion or dispersions in which the gas diffusion electrode components are carbon.
  • a gas diffusion electrode precursor material is formed, from which a gas diffusion electrode is formed after sintering and compression. It is fundamentally immaterial whether the gas diffusion electrode precursor material is produced by forming a dispersion that contains all of the constituents.
  • gas diffusion electrode components must contain carbon fibers, carbon black and polytetrafluoroethylene. It is only essential that the material amounts in the dispersions are coordinated with one another in such a way that a gas diffusion electrode precursor material with the desired composition of the gas diffusion electrode material is formed from the totality of the dispersions
  • the individual layers are sufficiently thin and low-viscosity that a homogeneous mixing of their components is guaranteed.
  • the precursor material is built up from layers that are too thick or too viscous, there is no homogeneous mixing, and a concentration gradient of the constituents is formed.
  • a gas diffusion electrode material is produced from two or more dispersions of its constituents, as described above, but during the manufacturing process rens is sintered. That is, first a gas-fusion electrode precursor material is produced from one or more dispersions, the precursor material is dried and sintered, and then the sintered precursor material is impregnated with one or more further dispersions. In this case, the precursor material does not have to have the composition of the desired gas diffusion electrode material. Rather, the 250 missing components can be supplemented in the required amount by impregnation. Then it is dried again and sintered.
  • the precursor material can alternatively be compressed with the required pressure in order to ensure the stability desired for the impregnation. Sintering is preferred for reasons of easier handling.
  • the gas diffusion electrode material can be coated on one or two sides, or two or more layers of gas diffusion electrode material can be combined to form a multi-layer gas diffusion electrode. This is preferably done by pressing the layers together.
  • the desired number of layers of the precursor material is particularly preferably stacked and the layers 270 are joined by pressing at the same time as the precursor material is compressed.
  • the gas diffusion electrode according to the invention contains no binder, ie the polytetrafluoroethylene contained in the electrode acts as the sole binder.
  • a single dispersion is produced, which contains carbon fibers, carbon black and polytetrafluoroethylene, and this dispersion is formed into a gas diffusion electrode precursor material.
  • the dispersion can be prepared in a single step by mixing all the constituents, or premixes can be prepared first, their mixing
  • a dispersion of carbon black and at least one liquid and a dispersion of PTFE and at least one liquid are produced.
  • the two dispersions are then mixed together 290 and carbon fibers are mixed in simultaneously with or after the mixing.
  • a dispersion of carbon fibers and carbon black can be produced in at least one liquid and this dispersion can be mixed with a dispersion of PTFE and at least one liquid.
  • a dispersion which contains carbon fibers, carbon black and PTFE in the amounts and proportions required to produce the gas diffusion electrode material, results in particularly homogeneous gas diffusion electrodes after drying, sintering and compression.
  • a dispersion is produced which contains only one or two of the constituents carbon fiber, carbon black and PTFE, and from this dispersion a first layer, the so-called
  • a further dispersion or further dispersions are produced which are applied to the base layer.
  • the constituents are mixed in the layers, so that even when the gas diffusion
  • onelectrode is obtained by applying several layers of a gas diffusion electrode which is homogeneous over its thickness.
  • the homogeneity of the gasid fusion electrode is the better, the fewer layers it is built from, and in the case of a multilayer structure, the less material is applied at once and the lower the viscosity of the dispersions.
  • a gas diffusion electrode material can in principle be built up in any number of layers from any number of dispersions with different combinations of the components carbon fibers, carbon black and PTFE.
  • the increasing complexity of the process has a limiting effect if a larger number of different dispersions is used. In practice, therefore, no more than three different dispersions are used.
  • a further dispersion can be applied to the layer or layers already formed in the wet state, but the layer (s) already formed can also be dried or dried.
  • a gas diffusion electrode precursor material can be produced, dried and sintered (or optionally compacted) as described above, and only then be impregnated with one or more of the further dispersions described above. In this case, 350 must be dried and sintered again after impregnation.
  • the gas diffusion electrode components carbon fibers, carbon black and polytetrafluoroethylene, the following combination options result for the composition of the base layer and the further dispersions, which are applied to or impregnated with the 355 base layer.
  • the missing amount is by means of a constituent that is present in the gas diffusion electrode precursor material or the base layer of the gas diffusion electrode precursor material, but not in the required amount, the missing amount is by means of a constituent that is present in the gas diffusion electrode precursor material or the base layer of the gas diffusion electrode precursor material, but not in the required amount, the missing amount is by means of a constituent that is present in the gas diffusion electrode precursor material or the base layer of the gas diffusion electrode precursor material, but not in the required amount, the missing amount is by means of a constituent that is present in the gas diffusion electrode precursor material or the base layer of the gas diffusion electrode precursor material, but not in the required amount, the missing amount is by means of a constituent that is present in the gas diffusion electrode precursor material or the base layer of the gas diffusion electrode precursor material, but not in the required amount, the missing amount is by means of a constituent that is present in the gas diffusion electrode precursor material or the base layer of the gas diffusion electrode precursor material, but not in the required amount, the missing amount is by means of a constituent that is present in the gas diffusion electrode precursor material
  • Gas diffusion electrode material according to the invention can thus be produced by molding a gas diffusion electrode precursor material that contains all gas diffusion electrode components, drying, sintering and compressing this precursor material, or by molding a gas diffusion electrode precursor material that does not necessarily contain all gas diffusion electrode components. Drying and sintering the precursor material, then impregnating the precursor material with at least the missing components or the still missing amount of one or more components, followed by drying, sintering and compacting again.
  • a gas diffusion electrode material is produced by molding a single dispersion, this dispersion contains the gas diffusion electrode components in the required amounts and proportions. Becomes a gas diffusion electrode material by shaping several dispersions 390 and / or. When impregnated with several dispersions, the concentrations of the dispersions on the individual constituents are selected such that the required amounts and proportions of the constituents in the gas diffusion electrode material result overall.
  • Only one type of material can be used for each of the gas diffusion electrode components, for example a type of carbon black of a certain particle size, but mixtures of different types of materials can also be used, as can different particle sizes and / or fiber lengths and fiber thicknesses.
  • a gas diffusion electrode according to the invention can also contain further constituents, for example graphite particles to improve the conductivity or additional polymers to influence the hydrophilicity of the gas diffusion electrode.
  • additional components 405 are introduced as an admixture to one of the dispersions listed above or as a separate dispersion in the material to be produced.
  • Both carbonized and graphitized carbon fibers are suitable as starting materials for producing the gas diffusion electrode according to the invention.
  • 410 carbonized carbon fibers are particularly preferred because of their lower price.
  • Suitable carbon fibers are basically fibers such as are also used for the production of carbon fiber nonwovens. Lengths and thicknesses of the carbon fibers
  • gas diffusion electrode material 415 can be varied widely, the thickness being limited by the thickness of the gas diffusion electrode material.
  • gas diffusion electrode material of 70 ⁇ m thickness for example, carbon fibers with a maximum diameter of 70 ⁇ m, preferably less, are suitable. Preferred lengths are, from a processing point of view, about 3 to 30 mm, particularly
  • a suitable carbon fiber product is, for example, the Sigracet carbon fiber from SGL Carbon.
  • carbon black and PTFE with carbon black in particle form and PTFE in particle or fiber form.
  • carbon black it is advantageous to use small particles with a large surface area, for example particles with an average particle diameter of less than 3 ⁇ m, preferably less than 1.5 ⁇ m, and a specific surface area of at least about 150 m 2 / g, preferably about 250 m 2 / g.
  • a well-suited carbon black material is Vulcan XC72 (Hoechst).
  • a well-suited PTFE material is, for example, Hostafion TF 5032 (Hoechst). It is a 60% dispersion in water with 3 to 5% stabilizer (surfactant Triton X100 and ammonia).
  • liquids i.e. H.
  • polar liquids for example water, alcohols, such as. As methanol, ethanol or isopropanol, and mixtures thereof. Basically, all liquids can be used that do not react with the gas diffusion electrode components, disperse the components and can be easily removed.
  • Each dispersion can contain only one dispersant or a mixture of two or more dispersants.
  • the dispersants of the individual dispersions can be the same or different, i. H. a carbon black dispersion can contain the same or a different dispersing agent or dispersing agent mixture, such as a PTFE dispersion which is also used.
  • the dispersions can contain auxiliaries, for example binders, dispersing assistants and viscosity regulators.
  • auxiliaries for example binders, dispersing assistants and viscosity regulators.
  • the usual auxiliaries can be used here.
  • the gas diffusion electrode components carbon fibers, carbon black and PTFE are preferably used in a weight ratio of (1 to 10): (1 to 10): 1, particularly preferably in a weight ratio of (1 to 5): (1 to 5): 1, 465 and particularly preferably in a weight ratio of (1 to 3):
  • concentrations of the dispersions of solids depend on the one hand on the dispersibility of the constituents, although it is generally not a problem if some of the solids fail, since a movement of the dispersions can ensure a homogeneous distribution of the solids in the dispersion. On the other hand, the concentration of the solids depends on the
  • dispersant or dispersant mixture preferably at least five parts of dispersant or dispersant mixture, are used for one part of solids (carbon fibers, carbon black, PTFE or combinations thereof).
  • Suitable shaping processes are rolling out, continuous forming on a screen drum, a belt filter or a belt filter press, tape casting, knife coating, skimming, extruding, spraying or spreading. Rolling out and continuous forming on a screen drum, as well as skimming analogous to paper production, are particularly preferred.
  • spraying on or brushing on the impregnation dispersions is particularly preferred.
  • a rather liquid dispersion is required for production by continuous formation on a sieve drum.
  • the proportion of liquid here is preferably at least about 90% by weight.
  • the gas diffusion electrode precursor material is dried, the temperatures required for drying depending on the type of liquids used. In general, drying at temperatures higher than room temperature is advantageous, e.g. B. at about 110 ° C or above for predominantly aqueous dispersions. Drying temperature and
  • drying time can be reduced by drying in a vacuum or airflow. Typical, in no way restrictive, conditions are about 15 minutes at 120 ° C and normal pressure in recirculating air with air branch.
  • the precursor material can also be dried at the same time as the molding, for example by molding on heated rollers or spraying onto heated surfaces.
  • the gas diffusion electrode precursor material is then sintered, preferably at a temperature of about 200 to 400 ° C. Any auxiliary substances still present are removed.
  • a material is obtained which consists practically exclusively of the desired gas diffusion electrode components, that is to say, in contrast to materials which have been obtained by impregnating carbon fiber fleece, which contains no residues of binders.
  • the PTFE contained acts as the sole binder. This is surprising insofar as PTFE usually has no binder properties.
  • the precursor material 525 is compressed before, after or simultaneously with the sintering. The compression is preferably carried out at a pressure of 100 to 500 bar, particularly preferably also at an elevated temperature. Particularly preferred conditions are a pressure of approximately 200 to 300 bar and a temperature of approximately 100 ° C. up to the sintering temperature.
  • gas diffusion electrode material with a thickness that can be largely adjusted as desired and a weight that can be largely adjusted is obtained. This is not possible when impregnating carbon fiber nonwovens because the thickness and basis weight of the gas diffusion electrode material depend on the thickness and basis weight of the available nonwovens.
  • typically gas diffusion electrode materials with a thickness in the range of 50 to 300 ⁇ m, preferably about 100 to 150 ⁇ m, and with a basis weight of about 50 to 100 g / m 2 are produced.
  • basis weights and significantly lower basis weights are also significantly higher.
  • the gas diffusion electrode precursor material After sintering (or possibly without prior sintering), the gas diffusion electrode precursor material, if it does not yet contain all components of the gas diffusion electrode material in the desired amount, with the
  • impregnated missing component or components The impregnation takes place by means of dispersions of the corresponding components. What has been said above applies to the impregnation dispersions with regard to concentration, dispersing agents and any auxiliaries. In order to achieve the most homogeneous impregnation possible, it is preferred
  • the impregnation is preferably carried out by spraying or brushing on the dispersions. Then it is dried again and sintered. In addition, 560 the precursor material, which now contains all components of the finished gas diffusion electrode material, is compressed.
  • Pieces are cut off from the gas diffusion electrode material in a size suitable for the intended use, for example cut off.
  • the cutting to the desired size can be done on the finished gas diffusion electrode material, but it can also be cut at an earlier point in time, for example after the precursor material has dried.
  • Several process steps are preferably combined, for example compression and separation or sintering, compression and separation.
  • a gas diffusion electrode can consist of one layer of the gas diffusion electrode material, or several layers can form a multi-layer gas
  • 575 diffusion electrode can be combined. Typically, only two to three layers are combined, and using more than four layers on top of one another can affect gas diffusion properties.
  • the gas diffusion electrode is preferred in order to achieve good adhesion of the individual layers of a multi-layer gas diffusion electrode to one another
  • the pressing is preferably carried out at elevated temperature and pressures of up to 500 bar. Particularly preferred conditions are a pressure of approximately 200 bar and a temperature of approximately 140 ° C.
  • the pressing of the layers is most economically at the same time as 585 the compression of the gas diffusion electrode material, i.e.. also carried out under the same conditions.
  • the gas diffusion electrode according to the invention Due to its high homogeneity, the gas diffusion electrode according to the invention has the same electrical conductivity and hydrophobicity over its entire thickness.
  • a gas diffusion electrode in particular its electrical conductivity and / or hydrophobicity, in a controlled manner over its thickness.
  • the gas diffusion electrode is more hydrophobic in areas near the membrane than in areas away from the membrane, or if the gas diffusion electrode has particularly good electrical conductivity in the areas facing the current collector.
  • multi-layer gas diffusion electrodes offer the possibility to create concentration gradients and thereby vary the properties of the gas diffusion electrode over its thickness in a controlled manner.
  • a two-layer gas diffusion electrode for example, two layers of gas diffusion electrode material can be combined with one another, which differ in their proportions of soot and
  • the PTFE-rich layer will face the membrane when installed in a polymer electrolyte membrane fuel cell, and the PTFE-poorer layer will face the current collector, such as the bipolar plate.
  • the gas diffusion electrode can be coated with catalyst material. Coating can be carried out on the gas diffusion electrode material or on a single-layer or multi-layer, cut or not cut gas diffusion electrode.
  • the coated gas diffusion electrode material or the coated gas diffusion electrodes are preferably dried at elevated temperature, the temperature depending on the type of dispersant used. In the case of predominantly aqueous dispersions, a temperature of approximately 110 ° C. or above is recommended. Drying can be accelerated by vacuum or airflow.
  • the finished gas diffusion electrode can now be inserted into a polymer electrolyte membrane fuel cell. If the electrode is not catalytically active
  • a membrane coated with catalyst must be used.
  • the gas diffusion electrode according to the invention can also be coated with a catalyst.
  • a catalyst for example, a mixture of an ion-conducting polymer, such as e.g. National, and a carbon supported noble metal catalyst such as plan-
  • the gas diffusion electrode according to the invention can be combined with a polymer electrolyte membrane to form a membrane electrode assembly.
  • a suitable polymer electrolyte membrane is, for example, a Nafion membrane.
  • a membrane with or without a catalytically active coating must be used.
  • a gas diffusion electrode according to the invention which consists of or 645 is built up in several layers, arranged on one side of a polymer electrolyte membrane and pressed on at pressures up to 500 bar and temperatures up to 250 ° C. Typical conditions are a pressure of approx. 70 bar and a temperature of approx. 40 ° C. Both sides of the membrane can be moved in this way, so that both the anode and the cathode are produced in this way.
  • the compression of the gas diffusion electrode material and / or the pressing of several layers of gas diffusion electrode material to a gas diffusion electrode can be carried out simultaneously with the pressing on of the membrane.
  • the gas diffusion electrodes on the side facing away from the membrane can be reinforced by the addition of a grid, as described in WO 97/20359.
  • polytetrafluoroethylene (Hostaflon TF 5032) are dispersed in a mixture of 25 kg of water and 25 kg of isopropanol. The two dispersions are mixed, the polytetrafluoroethylene partially flocculating and adhering to the soot particles.
  • the mixture is a band filter with a mesh size of 0.1 mm or smaller at room temperature with a
  • the dry gas diffusion electrode precursor material is removed from the belt filter, sintered at a temperature of 340 ° C for twenty minutes, and then pressed at 680 room temperature and 300 bar for five minutes.
  • the gas diffusion electrode obtained has a ratio of carbon fibers: carbon black: polytetrafluoroethylene of 18: 20: 9.
  • FIG. 1 shows a flow diagram of an embodiment of the 690 method according to the invention for producing a single-layer gas diffusion electrode
  • FIG. 2 shows a flow diagram of one of the method steps of the method according to the invention for producing a gas diffusion electrode
  • FIG. 3 shows a flow diagram of another embodiment of a method according to the invention for producing a single-layer gas diffusion electrode
  • FIG. 4 shows a flow chart of a further embodiment of the method according to the invention for producing a single-layer gas diffusion electrode
  • FIG. 5 shows a flow diagram of an embodiment of the method according to the invention for producing a multilayer gas diffusion electrode
  • FIG. 7 shows an enlarged detail from FIG. 6,
  • FIG. 8 is a sectional view of a two-day gas diffusion electrode according to the invention.
  • FIG. 9 is a sectional view of a membrane electrode unit 715 according to the invention.
  • Fig. 10 is a sectional view of a fuel cell according to the invention.
  • the letters a, b, c, 720 d, e, f, g respectively denote process steps of the process according to the invention for producing a gas diffusion electrode, the letters having the same meaning as given in the description above.
  • the same reference numerals 725 denote the same components of gas diffusion electrodes according to the invention. If the same constituents occur several times in a figure, they are designated by numeral / digit '(for example anode gas diffusion electrode and cathode gas diffusion electrode 1' in FIG. 9).
  • FIG. 1 shows an example of a production method for a gas diffusion electrode according to the invention.
  • a dispersion is produced which contains the gas diffusion electrode components carbon fibers, carbon black and polytetrafluoroethylene in the required amounts and proportions (step a). This dispersion is formed into a gas diffusion electrode precursor material
  • step b The gas diffusion electrode precursor material is dried (step c), then sintered (step d) and then compressed (step f).
  • step f The Process steps a to f result in the gas diffusion electrode material according to the invention, which, if necessary, is cut to a certain size (step g), in accordance with the dimensions required for use as a gas diffusion electrode.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment for producing the gas diffusion electrode precursor material according to the invention.
  • Three dispersions are produced, one dispersion containing carbon fibers (dispersion a1), one
  • second dispersion contains carbon black (dispersion a2) and a third dispersion contains PTFE particles (dispersion a3).
  • the three dispersions a1, a2 and a3 taken together contain the gas diffusion electrode material constituents carbon fiber, carbon black and PTFE in such coordinated amounts that a gas diffusion electrode precursor material with the desired composition
  • a base layer is first formed from the carbon fiber dispersion a1 in a first step b1, then the carbon black dispersion a2 is applied to the base layer in a second step b2, and then in turn in a third step b3 the PTFE -Dispersion a3 applied.
  • the constituents carbon fibers, carbon black and PTFE are mixed homogeneously, a gas diffusion electrode precursor material being obtained which can be further processed into a gas diffusion electrode, as explained above in connection with FIG. 1.
  • FIG. 3 shows an example of an alternative production method for a gas diffusion electrode according to the invention.
  • the method shown in FIG. 3 differs from the method shown in FIG. 1 essentially in that a gas diffusion electrode precursor material is produced which does not have the composition of the desired gas diffusion electrode material.
  • step e the gas diffusion electrode precursor material
  • a gas diffusion electrode precursor material is formed, dried and sintered (steps b1, d, d1) from one of the dispersions (a1), in which not all gas diffusion electrode constituents carbon fibers, carbon black and polytetrafluoroethylene are contained in the required amount, as in Fig. 1 described, but now of course the gas diffusion electrode precursor
  • step f the composition of the gas diffusion electrode material and is compressed to form the gas diffusion electrode material
  • step g the desired dimensions
  • FIG. 4 shows a further example of a production method for a gas diffusion electrode according to the invention.
  • a gas diffusion electrode precursor material is formed from a dispersion of its constituents and dried, as described in FIG. 1 (steps a, b, c). The subsequent steps of sintering and processing
  • step d, f 790 sealing the gas diffusion electrode precursor material to the gas diffusion electrode material (steps d, f) and trimming to desired gas diffusion electrode dimensions (step g) are carried out simultaneously, i. H. combined into one process step.
  • FIG. 5 shows an example of a method variant, in which two dispersions a1 and a2 are produced with gas diffusion electrode components, a gas diffusion electrode precursor material is formed from the dispersion a1 (step b1), dried (step d) and sintered (step d1) becomes.
  • the gas diffusion Sion electrode precursor material is then impregnated with the second dispersion a2 and dried again and sintered (step e).
  • the method corresponds to the method shown in FIG. 3.
  • a single-layer gas diffusion electrode material is obtained by subsequent compression (step f).
  • two layers of the gas diffusion electrode 805 precursor material are combined to form a two-layer gas diffusion electrode material.
  • step e the two layers of the precursor material obtained in step e are placed on top of one another and at the same time compressed and compressed (f), as a result of which the two layers are connected to one another.
  • step f The conditions for step f are the same as for step f in the compression to the single-layer gas diffusion electrode material.
  • Figures 6 to 10 are sectional views of gas diffusion electrodes according to the invention or a membrane electrode assembly and a fuel cell with gas diffusion electrodes according to the invention. It is pointed out that the representations are not to scale 815, neither with regard to the components of the gas diffusion electrodes, nor with regard to the dimensions of the electrodes, the membrane electrode assembly and the fuel cell.
  • FIG. 6 shows a single-layer gas diffusion electrode 1, which contains carbon fibers 2, carbon black 3 820 and PTFE particles 4 in a homogeneous distribution.
  • the gas diffusion electrode 1 is coated on one surface with catalyst 6.
  • FIG. 7 shows an enlarged section of an alternative embodiment of a gas diffusion electrode according to the invention. This is a section A as it is sketched in FIG. 6.
  • the gas diffusion electrode shown in detail in FIG. 7 contains, in addition to carbon fibers 2, carbon black 3 and PTFE particles 4, additionally graphite particles 5 to improve the conductivity.
  • 8 shows a two-layer gas diffusion electrode 7, consisting of the gas diffusion electrode material layers 8 and 9. Both layers contain carbon fibers 2, carbon black 3 and PTFE particles 4 in a homogeneous distribution, the two layers, however, differing in terms of their proportion Differentiate carbon black and PTFE. Layer 8 is richer in PTFE and layer 9 contains more soot.
  • the layer 8 is therefore more hydrophobic than the layer 9, and the gas diffusion electrode 7 should, when installed in a fuel cell, face the layer 8 of the polymer electrolyte membrane. Accordingly, the catalyst coating 6 is located on the surface of the layer 8 of the gas diffusion electrode 7.
  • FIG. 9 shows a membrane electrode unit 10, consisting of two single-layer gas diffusion electrodes according to the invention, which form an anode 1 and a cathode 1 ', and a polymer electrolyte membrane 11. Between the anode 1 and membrane 11 there is a catalyst layer 6 and between cathode 1' and membrane 11 is a catalyst layer 6 '.
  • FIG. 10 shows a polymer electrolyte membrane fuel cell 12 with an anode 1 and a cathode 1 'made of gas diffusion electrode material according to the invention.
  • the fuel cell 12 has the membrane electrode unit 10 shown in FIG. 9 and the bipolar plates 13, 13 '(current collector).
  • the fuel cells arranged adjacent to the fuel cell 12 in a fuel cell stack are indicated in FIG. 10 by the reference numerals 12 ′ and 12 ′′.
  • the gas diffusion electrodes according to the present invention are suitable in principle for any electrochemical devices, for. B. for electroplating apparatus, electrochemical gas pumps, electrolytic cells and in particular fuel cells. They are used with particular advantage in polymer electrolyte membrane fuel cells as an anode and / or as a cathode. Particularly suitable are polymer electrolyte membrane fuel cells which use hydrogen as the fuel gas and air as the oxidant and are operated at low pressure, e.g. B. with differences between mean cell pressure and environment 860 exercise of 0.5 bar or less. However, the use of the gas diffusion electrodes according to the invention is in no way limited to low operating pressure differences.
  • the gas diffusion electrode material according to the invention is very light, but nevertheless of high mechanical strength, very homogeneous, and contains no binder which has been decomposed by the action of high temperatures.
  • the production of the gas diffusion electrode material according to the invention is simple and inexpensive in terms of plant technology. Important factors are also the excellent diffusion properties and the high electrical conductivity of the gas 870 diffusion electrodes, as well as their manufacturability in largely any thickness. It is particularly advantageous that the electrical conductivity and the hydrophobicity or hydrophilicity of the gas diffusion electrodes can be set in a targeted manner. They can be identical over the entire thickness of the gas diffusion electrode or can be specifically increased in certain areas by combining different layers of gas diffusion electrode material.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionselektro­de, die Kohlefasern, Russ und Polytetrafluorethylen enthält, durch Herstellen ei­ner Dispersion aus Kohlefasern, Russ, PTFE und mindestens einer Flüssigkeit, Formen der Dispersion zu einem Gasdiffusionselektrodenmaterial, Trocknen des Gasdiffusionselektrodenmaterials, und Verdichten des Gasdiffusionselektrodenmaterials. Die Erfindung betrifft ausserdem eine Gasdiffusionselektrode, welche sich durch besondere Homogenität auszeichnet, sowie Membran-Elek­ trodeneinheiten und Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen, die minde­stens eine erfindungsgemässe Gasdiffusionselektrode aufweisen.

Description

GASDIFFUS101MSELEKTRODEN
FÜR POLYMERELEKTROLYTMEMBRAN-BRENNSTOFFZELLEN
UND VERFAHREN ZU IHRER HERSTELLUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Gasdiffusionselektroden, insbesondere Gas- diffusionselektroden für Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen, ein Verfahren zu ihrer Herstellung, Membran-Elektrodeneinheiten mit mindestens einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode, sowie Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen mit mindestens einer erfindungsgemäßen Gasdiffusion- selektrode.
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 Gasdϊffusionselektroden möglichst unkompliziert und kostengünstig herstellbar sein.
Gängige Gasdiffusionselektroden sind Matten aus grafitisiertem Gewebe. Die Gasdiffusionsmatteπ aus grafitisiertem Gewebe lassen Sauerstoff, insbesondere Sauerstoff aus der Luft unter niedrigem Druck, oft nicht ausreichend gut dif- fundieren und sind außerdem relativ schwer. Bei ihrer Herstellung werden hohe Temperaturen benötigt, was zu einem entsprechend hohen Energieverbrauch und hohen Preisen führt.
Aus der WO 97/20359 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 Diffusionsei- genschaften, 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 teil- weise 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 Gasdiffusϊonselektroden-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, eine Gasdiffusionselektrode mit hoher Homogenität bereitzustellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es auch, eine 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, eine Gasdiffusionselektrode bereitzustellen, die in einer gewünschten Dicke herstellbar ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ferner, eine Gasdiffusionselektrode bereitzustellen, die einfach und kostengünstig herstellbar ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode mit den oben genannten Eigenschaften bereitzustellen.
Weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung bestehen darin, eine Membranelektrodeneinheit sowie eine Polymerelektroiytmembran-Brennstoffzelle mit einer derartigen Gasdiffusionselektrode bereitzustellen. 95 Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode gemäß Anspruch 1.
Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch die Gasdiffusionselektroden gemäß den Ansprüchen 9 und 10.
100
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch die Membranelektrodeneinheit gemäß Anspruch 14.
Die Aufgabe wird darüberhinaus gelöst durch die Polymerelektrolytmembran- 105 Brennstoffzelle gemäß Anspruch 15.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
110 Die erfindungsgemäße Gasdiffusionselektrode enthält Kohlefasern, Kohlenstoffpartikel, d. h. Ruß, und Polytetrafluorethylen. Das Polytetrafluorethylen wirkt als Bindemittel.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Hersteilung der Gasdiffusionselektrode 115 weist folgende Schritte auf:
a) Herstellen einer oder mehrerer Dispersionen, die jeweils mindestens einen Gasdiffusionselektroden-Bestandteil und mindestens eine Flüssigkeit enthalten, wobei die zur Herstellung der Gasdiffusionselektrode erforderlichen
120 Mengen an Gasdiffusionselektroden-Bestandteilen in der Gesamtheit der
Dispersionen enthalten sind,
b) Formen der mindestens einen Dispersion zu einem Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial, c) Trocknen des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials,
d) Sintern des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials,
130 e) Wenn das Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial einen oder mehrere der Bestandteile nicht in der gewünschten Menge enthält, Imprägnieren des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials mit mindestens einer der in Schritt a) hergestellten Dispersionen, Trocknen und Sintern des imprägnierten Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials,
135 f) Verdichten des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials zu einem Gasdiffusionselektroden-Material, und, optional, g) Abtrennen von Stücken gewünschter Abmessungen von dem Gasdiffusi- 140 onselektroden-Material,
wobei
wenn das Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial imprägniert wird, Schritt 145 d) durch ein Verdichten des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials ersetzt werden kann,
die Schritte des Formens, Trocknens, Sinterns, Verdichtens und Abtrennens als Einzelschritte nacheinander durchgeführt werden könnnen oder zwei oder 150 mehrere der Schritte miteinander kombiniert werden können, und wobei
das Abtrennen zu einem beliebigen Zeitpunkt, frühestens gemeinsam mit Schritt b) erfolgen kann. 155 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 Auf- 160 tragen mehrerer Dispersionen vorkommt und nicht notwendigerweise alle Gas- diffusionselektroden-Bestandteile enthält. Sie ist im fertigen Gasdiffusionselektroden-Material nicht mehr als solche existent.
Eine Lage besteht aus einer oder mehreren Schichten, enthält aber die Be- 165 standteile Kohlefasern, Ruß und Polytetrafluorethylen in den für das Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial oder das Gasdiffusionselektroden-Material erforderlichen Mengen.
Eine Gasdiffusionselektroden-Basisschicht ist eine nasse oder trockene 170 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.
175 Ein Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial ist ein ungesintertes oder gesintertes Material, das mindestens aus der Basisschicht besteht, aber auch weitere Komponenten enthalten kann. Gewünschtenfalls kann das Vorläufermaterial imprägniert werden. Ungesintertes Vorläufermaterial sollte vor dem Imprägnieren verdichtet werden, gesintertes wird bevorzugt nicht verdichtet.
180
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.
185 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 190 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.
195 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.
200
Imprägniert wird ein gesintertes Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial oder ein ungesintertes, verdichtetes Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial, das einen oder mehrere der Bestandteile Kohlefasern, Ruß und Polytetrafluorethylen des Gasdiffusionselektroden-Materials enthält. Die Imprägnierung erfolgt 205 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 Bestand- 210 teile 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" 215 oder "Teile" stets "Gewichtsprozent" bzw. "Gewichtsteile", und Verhältnisse sind Gewichtsverhältnisse, außer es ist explizit etwas anderes angegeben.
Das Gasdiffusionselektroden-Material wird also ausgehend von einer Dispersion oder von Dispersionen, worin die Gasdiffusionselektroden-Bestandteile Koh-
220 lefasern, Kohlenstoffpartikel und Polytetrafluorethylen enthalten sind, hergestellt. 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 Bestandtei-
225 le 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 Dis-
230 persionen 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
235 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.
240
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Gasdiffusionse- lektroden-Material aus zwei oder mehr Dispersionen seiner Bestandteile hergestellt, wie oben beschrieben, wobei jedoch während des Herstellungsverfah- rens gesintert wird. Das heißt, es wird zuerst ein Gasidffusionselektroden-Vor- 245 läufermaterial 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 muß in diesem Fall noch nicht die Zusammensetzung des gewünschten Gasdiffusionselektroden-Materials aufweisen. Vielmehr können die 250 noch fehlenden Bestandteile in der erforderlichen Menge durch Imprägnierung ergänzt werden. Anschließend wird erneut getrocknet und gesintert.
Anstelle des ersten Sinterns vor der Imprägnierung kann das Vorläufermaterial alternativ mit dem erforderlichen Druck verdichtet werden, um die für das Im- 255 prägnieren gewünschte Stabilität zu gewährleisten. Sintern ist aus Gründen der leichteren Handhabbarkeit jedoch bevorzugt.
Abschließend wird bei beiden Alternativen, der Herstellung des Vorläufermaterials in der gewünschten Zusammensetzung zum einen ohne und zum anderen 260 mit zwischengeschalteten Schritten des Sinterns und Imprägnierens, durch Verdichten des gesinterten Vorläufermaterials ein Gasdiffusionselektroden-Material erhalten.
Unabhängig von der Art seiner Herstellung kann das Gasdiffusionselektroden- 265 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 270 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 Bin- 275 demittel.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen, die nicht beschränkend zu verstehen sind, näher erläutert.
280 Im einfachsten Fall wird eine einzige Dispersion hergestellt, die Kohlefasern, Ruß und Polytetrafluorethylen enthält, und diese Dispersion zu einem Gasdiffu- sionselektroden-Vorläufermaterial ausgeformt. Das Herstellen der Dispersion kann in einem einzigen Schritt durch Vermischen aller Bestandteile erfolgen, oder es können zuerst Vormischungen hergestellt werden, deren Vermischen
285 miteinander dann die endgültige Dispersion ergibt.
Gemäß einer bevorzugten Vorgehensweise wird eine Dispersion aus Ruß und mindestens einer Flüssigkeit und eine Dispersion aus PTFE und mindestens einer Flüssigkeit hergestellt. Die beiden Dispersionen werden dann miteinander 290 vermischt, und gleichzeitig mit oder nach dem Mischen werden Kohlefasern eingemischt.
Alternativ kann beispielsweise auch eine Dispersion aus Kohlefasern und Ruß in mindestens einer Flüssigkeit hergestellt werden und diese Dispersion mit ei- 295 ner Dispersion aus PTFE und mindestens einer Flüssigkeit vermischt werden.
Das Ausformen einer derartigen Dispersion, die Kohlefasern, Ruß und PTFE in den zur Herstellung des Gasdiffusionselektroden-Materials erforderlichen Mengen und Mengen-Verhältnissen enthält, ergibt nach Trocknen, Sintern und Ver- 300 dichten besonders homogene Gasdiffusionselektroden. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird eine Dispersion hergestellt, die nur einen oder zwei der Bestandteile Kohlefasern, Ruß und PTFE enthält, und aus dieser Dispersion wird eine erste Schicht, die sogenann-
305 te 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 Gasdiffusi-
310 onselektrode durch Auftragen mehrerer Schichten eine über ihre Dicke homogene Gasdiffusionselektrode erhalten wird. Die Homogenität der Gasidffusion- selektrode 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.
315
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 Inhomogenitä- 320 ten, 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 325 des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials sind nachfolgend angegeben.
Formen einer Basisschicht aus einer Kohlefaser-Dispersion, Auftragen einer Ruß-Dispersion auf der Basisschicht, und darauf Auftragen einer PTFE-Dispersi- on.
330 Formen einer Basisschicht aus einer Kohlefaser-Dispersion, Auftragen einer Kohlefasern, Ruß und PTFE enthaltenden Dispersion auf der Basisschicht, und darauf Auftragen einer Ruß-Dispersion.
335 Formen einer Basisschicht aus einer PTFE-Dispersion, und darauf Auftragen einer Kohlefasern und Ruß enthaltenden Dispersion.
Formen einer Basisschicht aus einer Ruß-Dispersion, und darauf Auftragen einer Kohlefasern, Ruß und PTFE enthaltenden Dispersion.
340
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.
345
Als weitere Alternative kann ein Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial hergestellt werden, wie vorstehend beschrieben, getrocknet und gesintert (oder ggf. verdichtet) werden, und erst dann mit einer oder mehreren der vorstehend beschriebenen weiteren Dispersionen imprägniert werden. In diesem Fall muß 350 nach der Imprägnierung 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 355 Basisschicht aufgetragen werden oder mit denen imprägniert wird.
Zusammensetzung eines erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektroden-Materials
360
Figure imgf000014_0001
x = enthaltener Bestandteil
- = nicht enthaltener Bestandteil
365 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
370 weiteren Dispersion oder weiterer Dispersionen aufzutragen oder das Vorläufermaterial mit einer die fehlende Menge enthaltenden Dispersion (oder Dispersionen) zu imprägnieren. Alternativ werden fehlende Mengen von Bestandteilen durch eine Kombination von Auftragen und Imprägnieren in das Material eingebracht.
375 Erfindungsgemäßes Gasdiffusϊonselektroden-Material kann also hergestellt werden durch Ausformen eines Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials, das alle Gasdiffusionselektroden-Bestandteile enthält, Trocknen, Sintern und Verdichten dieses Vorläufermaterials, oder durch Ausformen eines Gasdiffusi- 380 onselektroden-Vorläufermaterials, das nicht notwendigerweise 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.
385
Wird ein Gasdiffusionselektroden-Material durch Ausformen einer einzigen Dispersion hergestellt, enthält diese Dispersion die Gasdiffusionselektroden-Bestandteile in den erforderlichen Mengen und Mengenverhältnissen. Wird ein Gasdiffusionselektroden-Material durch Ausformen mehrerer Dispersionen 390 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.
395 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.
400
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 405 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. 410 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
415 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
420 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 ge- 425 eignete Kombination verschiedener Faserlängen läßt sich die Porosität der Gasdiffusionselektrode, und damit ihre Gasdiffusionseigenschaften, steuern.
Ein geeignetes Kohlefaser-Produkt sind beispielsweise die Kohlefasern Sigracet von SGL Carbon.
430
Weitere Ausgangsmaterialien sind Ruß und PTFE, wobei Ruß in Partikeiform 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 Ruß-Material ist Vulcan XC72 (Hoechst).
Ein gut geeignetes PTFE-Material ist beispielsweise Hostafion TF 5032 (Hoechst). Dabei handelt es sich um eine 60 %ige Dispersion in Wasser mit 3 bis 5 % Stabilisator (Tensid Triton X100 und Ammoniak).
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 ei- ne 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, 465 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.
470 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 Her-
475 Stellung 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 Dis- 480 persionsmittelgemisch verwendet.
Geeignete Formgebungsverfahren sind Auswalzen, kontinuierliches Ausbilden auf einer Siebtrommel, einem Bandfilter oder einer Bandfilterpresse, Tape- Casting, Rakeln, Abschöpfen, Extrudieren, Aufspritzen oder Aufstreichen. Be- 485 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.
490 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 fin- det typischerweise bei Temperaturen um Raumtemperatur und mit einem Druck von etwa 0,5 bis 2 N/cm2 statt.
495
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%.
500 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
505 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.
510 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, be- 515 vorzugt 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 520 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 wird das Vorläufermaterial 525 verdichtet. 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.
530 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 Vlie-
535 se 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
540 g/m2, herstellbar.
Nach dem Sintern (oder ggf. auch ohne vorheriges Sintern) wird das Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial, sofern es noch nicht alle Bestandteile des Gasdiffusionselektroden-Materials in der gewünschten Menge enthält, mit dem
545 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 Fest-
550 stoff-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 Dis- persionen nicht weiter störend ist, stattfinden. Daher ist es bevorzugt, Disper- gierhilfsmittel zu verwenden, beispielsweise zur Herabsetzung der Oberflächen- 555 Spannung und besseren Benetzbarkeit des zu dispergierenden Bestandteils 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 560 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 beab- 565 sichtigte 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 Verfahrensschrit- 570 te 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 Gas-
575 diffusionselektrode 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
580 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 585 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 Hy- 590 drophobie.
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 595 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.
600 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 Gasdiffusionselektroden- material miteinander kombiniert werden, die sich in ihren Anteilen an Ruß und
605 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 Gasdϊffusionselektrodenmaterial eine Gasdiffusionselektrode enthält, desto mehr unterschiedliche Konzentrationszonen
610 können geschaffen werden.
Die Gasdiffusionselektrode kann mit Katalysatormaterial beschichtet werden. Das Beschichten kann am Gasdiffusionselektroden-Material oder an einer einla- 615 gigen oder mehrlagigen, zugeschnittenen oder nicht zugeschnittenen Gasdiffusionselektrode erfolgen.
Das Trocknen des beschichteten Gasdiffusionselektroden-Materials oder der beschichteten Gasdiffusionselektroden erfolgt bevorzugt bei erhöhter Tempera- 620 tur, wobei die Temperatur von der Art des verwendeten Dispersionsmittels abhängt. Bei vorwiegend wässrigen Dispersionen empfiehlt sich eine Temperatur von etwa 1 10°C oder darüber. Das Trocknen kann durch Vakuum oder einen Luftstrom beschleunigt werden.
625 Gewünschtenfalls können mehrere Beschichtungsvorgänge durchgeführt werden.
Die fertige Gasdiffusionselektrode kann nun in eine Polymerelektrolytmembran- Brennstoffzelle eingesetzt werden. Wenn die Elektrode keine katalytisch aktive
630 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. Nation, und einem Edelmetallkatalysator auf Kohlenstoffträger, wie z.B. Pla-
635 tin auf Kohlenstoff, geeignet. Die Beschichtung mit Katalysator ist in der WO 97/20359, auf die in diesem Zusammenhang verwiesen wird, beschrieben.
Die erfindungsgemäße Gasdiffusionselektrode kann mit einer Polymerelektrolytmembran zu einer Membran-Elektrodeneinheit kombiniert werden. Eine ge- 640 eignete 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 erfindungsgemäße Gasdiffusionselektrode, die aus einer oder 645 mehreren Lagen aufgebaut ist, an einer Seite einer Polymerelektrolytmembran angeordnet und bei Drücken bis zu 500 bar und Temperaturen bis zu 250°C auf- gepresst. 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 herge-
650 stellt werden können. Durch das Aufpressen wird der elektrische Kontakt zwischen Membran, Katalysatorschieht und Elektrode, sowie deren Handhabbarkeit gegenüber einem losen Zusammenspannen deutlich verbessert.
Das Verdichten des Gasdiffusionselektroden-Materials und/oder das Verpres- 655 sen mehrerer Lagen Gasdiffusionselektroden-Material zu einer Gasdiffusionselektrode kann gleichzeitig mit dem Aufpressen der Membran durchgeführt werden.
Vor dem Einbau der Membran-Elektrodeneinheit in eine Polymerelektrolyt- 660 membran-Brennstoffzelle können die Gasdiffusionselektroden auf der der Membran abgewandten Seite durch Beilegung eines Gitternetzes verstärkt werden, wie es in der WO 97/20359 beschrieben ist.
Im Folgenden wird die Herstellung einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionse- 665 lektrode anhand eines veranschaulichenden, nicht beschränkenden Beispiels beschrieben:
Bei Raumtemperatur werden 10 kg Ruß (Vulcan XC72) und 9 kg Kohlefasern (Sigracet) in einem Gemisch aus 100 kg Wasser und 100 kg Isopropanol disper-
670 giert. Außerdem werden 4,5 kg Polytetrafluorethylen (Hostaflon TF 5032) in einem Gemisch aus 25 kg Wasser und 25 kg Isopropanol dispergiert. Die beiden Dispersionen werden vermischt, wobei das Polytetrafluorethylen zum Teil ausflockt und an den Rußpartikeln anhaftet. Durch das Gemisch wird ein Bandfilter mit einer Maschenweite von 0,1 mm oder kleiner bei Raumtemperatur mit einer
6 5 Geschwindigkeit von 1 cm/s hindurchbewegt, und das abgeschiedene Gasdiffu- sionselektroden-Vorläufermaterial auf dem Bandfilter bei 200 mbar Unterdruck mittels einer IR-Lampe bei 120 °C getrocknet. Das trockene Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial wird von dem Bandfilter abgenommen, bei einer Temperatur von 340 °C zwanzig Minuten lang gesintert, und anschließend bei 680 Raumtemperatur und 300 bar fünf Minuten lang gepresst. Die erhaltene Gasdiffusionselektrode weist ein Verhältnis von Kohlefasern: Ruß: Polytetrafluorethylen von 18:20:9 auf.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand graphischer Darstellungen näher erläu- 685 tert. ,
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen 690 Verfahrens zur Herstellung einer einlagigen Gasdiffusionselektrode,
Fig. 2 ein Flussdiagramm eines der Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode,
695 Fig. 3 ein Flussdiagramm einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer einlagigen Gasdiffusionselektrode,
Fig. 4 ein Flussdiagramm einer weiteren Ausführungsform des erfindungs- 700 gemäßen Verfahrens zur Herstellung einer einlagigen Gasdiffusionselektrode,
Fig. 5 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer mehrlagigen Gasdiffusionselektrode,
705 Fig. 6 eine Schnittdarsteilung einer einlagigen erfϊndungsgemäßen Gasdiffusionselektrode,
Fig. 7 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 6,
710
Fig. 8 eine Schnittdarstellung einer zweitägigen erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode,
Fig. 9 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Membranelektroden- 715 einheit,
Fig. 10 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle.
In den Flussdiagrammen der Figuren 1 bis 5 bezeichnen die Buchstaben a, b, c, 720 d, e, f, g jeweils Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode, wobei die Buchstaben dieselbe Bedeutung haben wie in der Beschreibung vorne angegeben ist.
In den Schnittdarstellungen der Figuren 6 bis 10 bezeichnen gleiche Bezugszif- 725 fern jeweils gleiche Bestandteile erfindungsgemäßer Gasdiffusionselektroden. Kommen in einer Figur dieselben Bestandteile mehrmals vor, so werden sie mit Ziffer/Ziffer' (beispielsweise Anoden-Gasdiffusionselektrodel und Kathoden- Gasdiffusionselektrode 1' in Fig. 9) bezeichnet.
730 Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines Herstellungsverfahrens einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode. Es wird eine Dispersion hergestellt, die die Gasdiffusionselektroden-Bestandteile Kohlefasern, Ruß und Polytetrafluorethylen in den erforderlichen Mengen und Mengenverhältnissen enthält (Schritt a). Diese Dispersion wird zu einem Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial ausgeformt
735 (Schritt b). Das Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial wird getrocknet (Schritt c), dann gesintert (Schritt d) und anschließend verdichtet (Schritt f). Die Verfahrensschritte a bis f ergeben das erfindungsgemäße Gasdiffusionselektroden-Material, das, wenn erforderlich, noch auf eine bestimmte Größe zugeschnitten wird (Schritt g), entsprechend den für die Verwendung als Gasdiffusi- 740 onselektrode erforderlichen Abmessungen.
Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform zur Herstellung des erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials. Es werden drei Dispersionen hergestellt, wobei eine Dispersion Kohlefasern enthält (Dispersion a1), eine
745 zweite Dispersion Ruß enthält (Dispersion a2) und eine dritte Dispersion PTFE- Partikel enthält (Dispersion a3). Die drei Dispersionen a1, a2 und a3 zusammengenommen enthalten die Gasdiffusionselektroden-Material-Bestandteile Kohlefasern, Ruß und PTFE in so aufeinander abgestimmten Mengen, dass ein Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial mit der gewünschten Zusammenset-
750 zung des Gasdiffusionselektroden-Materials daraus hergestellt werden kann. Zu diesem Zweck wird zuerst aus der Kohlefaserdispersion a1 in einem ersten Schritt b1 eine Basis-Schicht geformt, anschließend wird auf die Basis-Schicht in einem zweiten Schritt b2 die Ruß-Dispersion a2 aufgetragen, und darauf wiederum wird in einem dritten Schritt b3 die PTFE-Dispersion a3 aufgetragen. Es
755 findet eine homogene Durchmischung der Bestandteile Kohlefasern, Ruß und PTFE statt, wobei ein Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial erhalten wird, das zu einer Gasdiffusionselektrode weiterverarbeitet werden kann wie vorstehend in Verbindung mit Fig. 1 erläutert.
760 Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines alternativen Herstellungsverfahrens einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode. Das in Fig. 3 dargestellte Verfahren unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten Verfahren im Wesentlichen dadurch, dass ein Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial hergestellt wird, das nicht die Zusammensetzung des gewünschten Gasdiffusionselektroden-Materi-
765 als aufweist, wobei die zur gewünschten Zusammensetzung noch fehlenden Bestandteile durch Imprägnierung (Schritt e) des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials ergänzt werden. Es werden also mindestens zwei Dispersionen hergestellt, die zusammen alle Bestandteile des Gasdiffusionselektroden-Materials in der erforderlichen Zusammensetzung enthalten (bespielsweise die Dis-
770 persionen a1 und a2). Aus einer der Dispersionen (a1), in der nicht alle Gasdiffusionselektroden-Bestandteile Kohlefasern, Ruß und Polytetrafluorethylen in der erforderlichen Menge enthalten sind, wird ein Gasdiffusionselektroden-Vor- läufermaterial geformt, getrocknet und gesintert (Schritte b1, d, d1), wie bei Fig. 1 beschrieben, wobei nun natürlich das Gasdiffusionselektroden-Vorläufer-
775 material noch nicht die Zusammensetzung des fertigen Gasdiffusionselektroden-Materials aufweist. Die noch fehlenden Bestandteile in der erforderlichen Menge werden nun durch Imprägnierung mit der weiteren Dispersion, die diese Bestandteile in der entsprechenden Menge enthält (a2) ergänzt und erneut getrocknet und gesintert (Schritt e). Das Gasdiffusionselektroden-Vorläuferma-
780 terial weist nun die Zusammensetzung des Gasdiffusionselektroden-Materials auf und wird zum Gasdiffusionselektroden-Material verdichtet (Schritt f) und ggf. auf gewünschte Abmessungen gebracht (Schritt g), wie bei Fig. 1 beschrieben.
785 Fig. 4 zeigt ein weiteres Beispiel eines Herstellungsverfahrens einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial aus einer Dispersion seiner Bestandteile geformt und getrocknet, wie bei Fig. 1 beschrieben (Schritte a, b, c). Die nachfolgenden Schritte des Sinterns und Ver-
790 dichtens des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials zum Gasdiffusionselektroden-Material (Schritte d, f) und des Zuschneidens auf gewünschte Gasdiffusionselektroden-Abmessungen (Schritt g) werden jedoch gleichzeitig durchgeführt, d. h. zu einem Verfahrensschritt kombiniert.
795 Fig. 5 zeigt ein Beispiel für eine Verfahrensvariante, bei der zwei Dispersionen a1 und a2 mit Gasdiffusionselektroden-Bestandteilen hergestellt werden, aus der Dispersion a1 ein Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial geformt (Schritt b1), getrocknet (Schritt d) und gesintert (Schritt d1) wird. Das Gasdiffu- sionselektroden-Vorläufermaterial wird anschließend mit der zweiten Dispersi- 800 on a2 imprägniert und erneut getrocknet und gesintert (Schritt e). In soweit entspricht das Verfahren dem in Fig. 3 dargestellten Verfahren. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Verfahren wird jedoch durch anschließendes Verdichten (Schritt f) ein einlagiges Gasdiffusionselektroden-Material erhalten. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Verfahren hingegen werden zwei Lagen des Gasdiffusionselektroden- 805 Vorläufermaterials zu einem zweilagigen Gasdiffusionselektroden-Material kombiniert. Dazu werden die zwei in Schritt e erhaltene Lagen des Vorläufermaterials aufeinander gelegt und gleichzeitig verdichtet und verpresst (f), wodurch die beiden Lagen miteinander verbunden werden. Die Bedingungen für Schritt f sind dieselben wie für Schritt f beim Verdichten zum einlagigen Gasdiffusi- 810 onselektroden-Material.
Figuren 6 bis 10 sind Schnittdarstellungen erfindungsgemäßer Gasdiffusionselektroden bzw. einer Membranelektrodeneinheit und einer Brennstoffzelle mit erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektroden. Es wird darauf hingewiesen, dass 815 die Darstellungen nicht maßstabsgetreu sind, und zwar weder hinsichtlich der Bestandteile der Gasdiffusionselektroden noch hinsichtlich der Abmessungen der Elektroden, der Membranelektrodeneinheit und der Brennstoffzelle.
Fig. 6 zeigt eine einlagige Gasdiffusionselektrode 1, die Kohlefasern 2, Ruß 3 820 und PTFE-Teilchen 4 in homogener Verteilung enthält. Die Gasdiffusionselektrode 1 ist an einer Oberfläche mit Katalysator 6 beschichtet.
Fig. 7 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode. Dabei handelt es sich um ei- 825 nen Ausschnitt A wie er in Fig. 6 skizziert ist. Die in Fig. 7 ausschnittsweise dargestellte Gasdiffusionselektrode enthält neben Kohlefasern 2, Ruß 3 und PTFE- Teilchen 4 zusätzlich Graphitteilchen 5 zur Verbesserung der Leitfähigkeit. Fig. 8 zeigt eine zweilagige Gasdiffusionselektrode 7, bestehend aus den Gas- diffusionselektroden-Material-Lagen 8 und 9. Beide Lagen enthalten Kohlefasern 2, Ruß 3 und PTFE-Teilchen 4 in homogener Verteilung, wobei sich die beiden Lagen jedoch hinsichtlich ihres Anteils an Ruß und PTFE unterscheiden. Die Lage 8 ist PTFE-reicher und die Lage 9 enthält mehr Ruß. Daher ist die Lage 8 hydrophober als die Lage 9, und die Gasdiffusionselektrode 7 sollte beim Ein- bau in eine Brennstoffzelle mit der Lage 8 der Polymerelektrolyt-Membran zugewandt werden. Dementsprechend befindet sich die Katalysatorbeschichtung 6 an der Oberfläche der Lage 8 der Gasdiffusionselektrode 7.
Fig. 9 zeigt eine Membranelektrodeneinheit 10, bestehend aus zwei erfindungs- gemäßen einlagigen Gasdiffusionselektroden, die eine Anode 1 und eine Kathode 1' bilden, und einer Polymerelektrolytmembran 11. Zwischen Anode 1 und Membran 1 1 befindet sich eine Katalysatorschicht 6 und zwischen Kathode 1' und Membran 11 befindet sich eine Katalysatorschicht 6'.
Fig. 10 zeigt eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle 12 mit einer Anode 1 und einer Kathode 1' aus erfindungsgemäßem Gasdiffusionselektroden- Material. Die Brennstoffzelle 12 weist die in Fig. 9 dargestellte Membranelektrodeneinheit 10 sowie die bipolaren Platten 13, 13' (Stromsammler) auf. Die der Brennstoffzelle 12 in einem Brennstoffzellen-Stapel benachbart angeordneten Brennstoffzellen sind in Fig. 10 durch die Bezugsziffern 12' und 12" angedeutet.
Die Gasdiffusionselektroden gemäß der vorliegenden Erfindung eignen sich prinzipiell für beliebige elektrochemische Vorrichtungen, z. B. für Galvanikapparate, elektrochemische Gaspumpen, Elektrolysezellen und insbesondere Brenn- Stoffzellen. 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 Umge- 860 bung von 0,5 bar oder weniger. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektroden ist jedoch keinesfalls auf niedrige Betriebsdruckdifferenzen beschränkt.
Das erfindungsgemäße Gasdiffusionselektroden-Material ist sehr leicht, aber 865 dennoch von hoher mechanischer Festigkeit, sehr homogen, und enthält kein durch Einwirkung hoher Temperaturen zersetztes Bindemittel. Die Herstellung des erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektroden-Materials ist anlagentechnisch unkompliziert und preiswert. Wichtige Faktoren sind auch die hervorragenden Diffusionseigenschaften und die hohe elektrische Leitfähigkeit der Gas- 870 diffusionselektroden, 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 Gasdiffusionselektro- 8 5 den-Material in bestimmten Bereichen gezielt erhöht werden.

Claims

Patentansprüche880
1. Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode, die Kohlefasern, Ruß und Polytetrafluorethylen enthält, folgende Schritte aufweisend: a) Herstellen einer oder mehrerer Dispersionen, die jeweils mindestens ei- 885 nen Gasdiffusioπselektroden-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 der mindestens einen Dispersion zu einem Gasdiffusionselek- 890 troden-Vorläufermaterial, c) Trocknen des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials, d) Sintern des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials, e) Wenn das Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial einen oder mehrere der Bestandteile nicht in der gewünschten Menge enthält, Imprä-
895 gnieren des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials mit mindestens einer der in- Schritt a) hergestellten Dispersionen, Trocknen und Sintern des imprägnierten Gasdiffusionselektrodeπ-Vorläufermaterials, f) . Verdichten des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials zu einem
Gasdiffusionselektroden-Material, und, 900 optional, g) Abtrennen von Stücken gewünschter Abmessungen von dem Gasdiffusionselektroden-Material, wobei wenn das Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial imprägniert wird, 905 Schritt d) durch ein Verdichten des Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterials ersetzt werden kann, die Schritte des Formens, Trocknens, Sinterns, Verdichtens und Abtrennens als Einzelschritte nacheinander durchgeführt werden können oder zwei oder mehrere der Schritte miteinander kombiniert werden können, 910 und wobei das Abtrennen zu einem beliebigen Zeitpunkt, frühestens gemeinsam mit Schritt b), erfolgen kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem
915 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 Kohle-
920 fasern, Ruß, Polytetrafluorethylen aufgetragen wird, wobei ein Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial gebildet wird, das die Feststoffzusammensetzung des Gasdiffusionselektroden-Materials aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem
925 in Schritt b) durch Formen einer Dispersion, die Kohlefasern, Ruß und Polytetrafluorethylen enthält, ein Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial gebildet wird, das die Feststoffzusammensetzung des Gasdiffusionselektroden-Materials aufweist.
930 4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in Schritt b) 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, und 935 das Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial nach dem Trocknen und Sintern mit mindestens einer Dispersion, die den oder die in dem Gasdiffusionselektroden-Vorläufermaterial im Unterschuss vorliegenden Bestandteil(e) enthält, imprägniert wird.
940 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zwei oder mehr Lagen Gasdiffusionselektroden-Material zu einer mehrlagigen Gasdiffusionselektrode kombiniert werden, wobei die Lagen Gasdiffusionselektroden-Material gleich oder verschieden sein können.
945 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Gasdiffusionselektroden-Material oder die Gasdiffusionselektrode mit Katalysatormaterial beschichtet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem
950 das Verdichten des Gasdiffusionselektroden-Materials gleichzeitig mit dem
Kombinieren von zwei oder mehr Lagen Gasdiffusionselektroden-Material zu einer mehrlagigen Gasdiffusionselektrode durchgeführt wird.
8. Verfahren nach, einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem Kohlefasern, Ruß, 955 Polytetrafluorethylen in einem Gewichtsverhältnis von (1 bis 10) : (1 bis 10)
:1 verwendet werden.
9. Gasdiffusionselektrode, erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
960
10. Gasdiffusionselektrode auf der Basis von Kohlefasern, Ruß und Polytetrafluorethylen, aufweisend ein Gasdiffusionselektroden-Material, das Kohlefasern, Ruß und Polytetrafluorethylen in homogener Verteilung enthält, wobei als ein Bindemittel nur Polytetrafluorethylen enthalten ist.
965
1 1. Gasdiffusionselektrode nach Anspruch 10, die zwei oder mehr Gasdiffusionselektroden-Materialien aufweist, die Kohlefasern, Ruß und Polytetrafluorethylen in homogener Verteilung enthalten, wobei sich mindestens zwei Lagen der Gasdiffusionselektroden-Materialien hinsichtlich ihres Gewichtsverhältnisses von Kohlefaser : Ruß : Polytetrafluorethylen unterscheiden.
12. Gasdiffusionselektrode nach Anspruch 10 oder 11, die an einer Oberfläche eine Katalysatorbeschichtung aufweist.
13. Gasdiffusionselektrode nach einem der Ansprüche 10 bis 12, die in mindestens einer ihrer Gasdiffusionselektroden-Material-Lagen ein die elektrische Leitfähigkeit und/oder die Hydrophilie modifizierendes Mate- rial enthält.
14. Membran-Elektrodeneinheit mit einer Polymerelektrolytmembran und mindestens einer Gasdiffusionselektrode, wobei die mindestens eine Gasdiffusionselektrode eine Gasdiffusionselektrode gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13 ist.
15. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode und einer zwischen Anode und Kathode angeordneten Polymerelektrolytmembran, bei der mindestens eine der Elektroden eine Gasdiffusionselek- trode gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13 ist.
PCT/EP2003/010536 2002-09-23 2003-09-22 Gasdiffusionselektroden für polymerelektrolytmembran-brennstoffzellen und verfahren zu ihrer herstellung WO2004030127A2 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AU2003270239A AU2003270239A1 (en) 2002-09-23 2003-09-22 Gas diffusion electrodes for polymer electrolyte membrane fuel cells and methods for producing the same

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10244228.2 2002-09-23
DE10244228A DE10244228B4 (de) 2002-09-23 2002-09-23 Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode und deren Verwendung
DE10259383A DE10259383A1 (de) 2002-09-23 2002-12-18 Gasdiffusionselektroden für Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen und Verfahren zu ihrer Herstellung
DE10259383.3 2002-12-18

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2004030127A2 true WO2004030127A2 (de) 2004-04-08
WO2004030127A3 WO2004030127A3 (de) 2005-03-03

Family

ID=32043954

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2003/010536 WO2004030127A2 (de) 2002-09-23 2003-09-22 Gasdiffusionselektroden für polymerelektrolytmembran-brennstoffzellen und verfahren zu ihrer herstellung

Country Status (3)

Country Link
AU (1) AU2003270239A1 (de)
DE (1) DE10259383A1 (de)
WO (1) WO2004030127A2 (de)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8412872B1 (en) 2005-12-12 2013-04-02 Nvidia Corporation Configurable GPU and method for graphics processing using a configurable GPU
US8417838B2 (en) 2005-12-12 2013-04-09 Nvidia Corporation System and method for configurable digital communication
US8453019B2 (en) 2007-11-06 2013-05-28 Nvidia Corporation Method and system for a free running strobe tolerant interface
WO2020182433A1 (de) * 2019-03-13 2020-09-17 Robert Bosch Gmbh Gasdiffusionslage für eine brennstoffzelle und brennstoffzelle

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7879389B2 (en) * 2006-06-27 2011-02-01 GM Global Technology Operations LLC Low-cost bipolar plate coatings for PEM fuel cell
US8724483B2 (en) 2007-10-22 2014-05-13 Nvidia Corporation Loopback configuration for bi-directional interfaces
US9331869B2 (en) 2010-03-04 2016-05-03 Nvidia Corporation Input/output request packet handling techniques by a device specific kernel mode driver
DE102018215464A1 (de) * 2018-09-12 2020-03-12 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Herstellen einer Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3854994A (en) * 1972-02-24 1974-12-17 H Binder Gas electrodes
US4615954A (en) * 1984-09-27 1986-10-07 Eltech Systems Corporation Fast response, high rate, gas diffusion electrode and method of making same
DE19721952A1 (de) * 1997-05-26 1998-12-03 Volker Rosenmayer Gasdiffusionselektrode mit thermoplastischem Binder
US5998057A (en) * 1995-11-28 1999-12-07 Magnet-Motor Gesellschaft fur Magnetmotorische Technik GmbH Gas diffusion electrode for polymer electrolyte membrane fuel cells

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3854994A (en) * 1972-02-24 1974-12-17 H Binder Gas electrodes
US4615954A (en) * 1984-09-27 1986-10-07 Eltech Systems Corporation Fast response, high rate, gas diffusion electrode and method of making same
US5998057A (en) * 1995-11-28 1999-12-07 Magnet-Motor Gesellschaft fur Magnetmotorische Technik GmbH Gas diffusion electrode for polymer electrolyte membrane fuel cells
DE19721952A1 (de) * 1997-05-26 1998-12-03 Volker Rosenmayer Gasdiffusionselektrode mit thermoplastischem Binder

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8412872B1 (en) 2005-12-12 2013-04-02 Nvidia Corporation Configurable GPU and method for graphics processing using a configurable GPU
US8417838B2 (en) 2005-12-12 2013-04-09 Nvidia Corporation System and method for configurable digital communication
US8453019B2 (en) 2007-11-06 2013-05-28 Nvidia Corporation Method and system for a free running strobe tolerant interface
WO2020182433A1 (de) * 2019-03-13 2020-09-17 Robert Bosch Gmbh Gasdiffusionslage für eine brennstoffzelle und brennstoffzelle
CN113574708A (zh) * 2019-03-13 2021-10-29 罗伯特·博世有限公司 用于燃料电池的气体扩散层和燃料电池

Also Published As

Publication number Publication date
WO2004030127A3 (de) 2005-03-03
DE10259383A1 (de) 2004-07-01
AU2003270239A1 (en) 2004-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0968542B1 (de) Gasdiffusionselektrode mit verringertem diffusionsvermögen für wasser und polymerelektrolytmembran-brennstoffzelle
DE60319031T2 (de) Kohlenstofffaser-Elektrodensubstrat für elektrochemische Zellen
DE69701103T3 (de) Katalytisch aktive Gasdiffusionselektroden mit Faservliessubstrat
EP1114475B1 (de) Gasdiffusionsstruktur senkrecht zur membran von polymerelektrolyt-membran brennstoffzellen
EP0867048B1 (de) Gasdiffusionselektrode für polymerelektrolytmembran-brennstoffzellen
DE1671453A1 (de) Elektroden und Verfahren zu ihrer Herstellung
DE10222090A1 (de) Brennstoffzelle, Elektrode für eine Brennstoffzelle und Herstellungsverfahren einer Elektrode für eine Brennstoffzelle
DE102007012718A1 (de) Acrylfasergebundenes Kohlefaserpapier als Gasdiffusionsmedium für eine Brennstoffzelle
DE10151134B4 (de) Diffusionsschicht für eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zur Herstellung derselben
DE102006028256A1 (de) Polymerelektrolytbrennstoffzelle und Herstellungsverfahren
DE3640108A1 (de) Elektrodensubstrat
DE112005000819T5 (de) Herstellung eines gemusterten Diffusionsmediums
EP1150369A1 (de) Gasverteilerstrukturen und Gasdiffusionselektroden für Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen
DE2208632B2 (de) Verfahren zur Herstellung von kohlehaltigen Gaselektroden mit hydrophober Rückschicht
DE1771663A1 (de) Poren- bzw. poroese Elektroden und Verfahren zu deren Herstellung
DE102019131343A1 (de) Gasdiffusionslage für Brennstoffzellen
EP1261057A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektrodeneinheit und dadurch hergestellte Membran-Elektrodeneinheit
EP1108259B1 (de) Elektrisch leitfähiges schichtmaterial
WO2004030127A2 (de) Gasdiffusionselektroden für polymerelektrolytmembran-brennstoffzellen und verfahren zu ihrer herstellung
DE2924669C2 (de) Verfahren zur Herstellung einer porösen Elektrode für Brennstoffzellen
DE10052223A1 (de) Mehrschichtiges, flexibles, kohlenstoffhaltiges Schichtpapier mit hoher Biegesteifigkeit
DE10244228B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode und deren Verwendung
DE10031123A1 (de) Verfahren zum Herstellen durchgehend poröser Substrate durch Foliegießen keramischer Schlickersysteme
EP1784877A1 (de) Fasern f]r ein textiles gewebe sowie deren herstellung und verwendung
DE112020001656T5 (de) Membran-Elektroden-Anordnung und Brennstoffzelle

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): GH GM KE LS MW MZ SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LU MC NL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
122 Ep: pct application non-entry in european phase
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: JP