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Themengebiet: Brennstoffzellen
Thema: Fertigung von Gasdiffusionselektroden aus Kohlenstofffasern

Der Trickfilm zeigt den Ablauf in einem galvanischen Elements: Bei Kontakt werden Ionen (+) an den Elektroden K/A erzeugt und über den Elektrolyten E ausgetauscht. Das erhöhte elektrische Potenzial leitet die Elektronen (-) über einen Kollektor in den Stromkreis, wo es von einem Verbraucher genutzt werden kann. (Neben dem dargestellten sauren Elektrolyten gibt es auch basische Elektrolyten, bei denen dann entsprechend die Anionen ausgetauscht werden.)

Was man nicht sieht: Galvanische Elemente sind das Grundprinzip einer direkten Umwandlung chemischer Reaktionsenergie in elektrischen Strom. Während bei einer Batterie die Elektrode selbst als Reaktionsmittel dient, müssen bei einer Brennstoffzelle die Reaktionsmittel [die „Brennstoffe“] durch die Elektrode zum Elektrolyten geführt werden. Die Reaktionsmittel bilden Kationen K+ und Anionen A-, welche über den Elektrolyten reagieren – allerdings ohne dabei zu brennen.

Was man erkennt: Eine Brennstoffzelle benötigt eine gleichermaßen hochporöse wie hochleitfähige Schicht als Elektrode: die Gasdiffusionselektrode oder -schicht GDE / GDL (Gas Diffusion Electrode / Layer). Aufgrund der aggressiven elektrochemischen Medien muss diese außerdem aus einem Material bestehen, welches sehr korrosionsbeständig ist. Die elektrische Leistung einer Zelle wird aufgrund der chemisch bedingten Spannung allein durch die Stromstärke erreicht. Da diese von der verfügbaren Kontaktfläche abhängt, sind großflächige Bauweisen – wie Stapel oder Wickel – erforderlich. Für die massentaugliche Fertigung kompakter Aggregate werden daher dünne, glatte, flexible und biegesteife „Papiere“ benötigt.

Was man damit macht: Herkömmlich werden GDE aus dünnen Schichten verschiedener organischer Prekursoren (z.B. Teer, Pech, Fette, Wachse, Öle) hergestellt, welche in einem Hochtemperaturprozess karbonisiert werden. Beim Ausgasen erlangen sie die gewünschte Porosität und durch das Karbonisieren zu reinem Kohlenstoff die gewünschte Leitfähigkeit. Allerdings ist dieser Prozess sehr aufwendig und die Kohlenstoffpapiere recht spröde, wodurch sie auch in der Handhabung und Weiterverarbeitung problematisch sind. Alternativ dazu lässt sich ein Kohlenstoffpapier aus Kohlefasern in einem Papierprozess herstellen. Insbesondere das trockene Vlieslegeverfahren “Airlaid” eignet sich dazu, genau festgelegte Papierstrukturen (z.B. Dichte, Faserorientierung, Steifigkeit) herzustellen. Dabei werden Stapelfasern unterschiedlicher Länge in einem Luftstrom dispergiert und über eine definierte Sinkgeschwindigkeit abgelegt. Beispielsweise kann eine Außenstruktur mit langen Fasern von einigen Millimetern mit einer Innenstruktur aus Kurzfasern von einigen Dutzend Mikrometern gefüllt werden. Das Gelege wird über ein Bindemittel oder spezielle Bindefasern fixiert. Beispielsweise kann ein leitfähiges Nanokomposit aus hydrophilem Polysilan verwendet werden, welches sich von selbst in die Zwickel zwischen verschiedenen Fasern einlagert und dort eine gleichmaßen chemisch inerte, wie elektrisch leitfähige Verbindung herstellt. Solche Papiere sind nicht nur als Flächenware in Endlosbahnen herzustellen, sondern auch wie ein übliches Zellstoffpapier flexibel und biegesteif. Dadurch wird die Herstellung großer Flächen für Brennstoffzellen einfach, automatisierbar und massentauglich.

Meine Veröffentlichungen dazu:

Mehrschichtiges, flexibles, kohlenstoffhaltiges Schichtpapier mit hoher Biegesteifigkeit Patent DE 100 52 223 (2000) mit Dolny, Thomas; Kübler, Eberhard

Anorganisch gebundene Kohlenstofffaservliese als leitfähige Elektroden Patent DE 102 47 363 (2002)

Gasbehälter Patent DE 101 49 487 (2001)

Vorrichtung zur Messung von Schichteigenschaften eines flächigen Prüflings Patent DE 102 341 72 (2002) mit Kimmelmann, Christian; Tober, Harald

Brennstoffzelle Patent DE 102 20 400 (2002) mit Toth, Gabor

Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen, porösen Materials Patent DE 102 47 364 (2002) mit Toth, Gabor