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DE102020005477A1 - Verfahren zur Herstellung eines Grünpapiers zur Herstellung eines Gas-Diffusion-Layers für eine Brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Grünpapiers zur Herstellung eines Gas-Diffusion-Layers für eine Brennstoffzelle Download PDF

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DE102020005477A1
DE102020005477A1 DE102020005477.3A DE102020005477A DE102020005477A1 DE 102020005477 A1 DE102020005477 A1 DE 102020005477A1 DE 102020005477 A DE102020005477 A DE 102020005477A DE 102020005477 A1 DE102020005477 A1 DE 102020005477A1
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paper
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coating
green
Prior art date
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DE102020005477.3A
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English (en)
Inventor
Karlheinz Mayer
Alexander Tantscher
Mario Keller
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Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Original Assignee
Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Grünpapiers zur Herstellung eines Gas-Diffusion-Layers (GDL) für eine Brennstoffzelle. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung eines entsprechend hergestellten Gas-Diffusion-Layers (GDL) in einer Brennstoffzelle.Erfindungsgemäß wird eine erste bevorzugt mit Metall-Pulver und/oder Metall-Fasern versetzte Papierbahn erzeugt und wird auf die Papierbahn ein Micro-Porous-Layer (MPL) in Form mindestens einer Beschichtung aufgebracht. Diese Papierbahn wird anschließend durch Entbindern, Sintern, Beschichten, Abscheiden von Atomschichten (ALD - atomic layer deposition) mittels des thermischen ALD-Verfahrens und gegebenenfalls weiteren Prozessschritten zur endgültigen GDL verarbeitet. Nach dem Sintern sind alle organischen Bestandteile des Grünpapiers pyrolisiert und damit nicht mehr in dem GDL enthalten, die GDL besteht nahezu ausschließlich aus einem Metallgerüst.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Grünpapiers zur Herstellung eines Gas-Diffusion-Layers (GDL) für eine Brennstoffzelle. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung eines entsprechend hergestellten Gas-Diffusion-Layers (GDL) in einer Brennstoffzelle.
  • Bei einer Brennstoffzelle vom Typ Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), auch als Polymerelektrolytbrennstoffzelle bezeichnet, wird die Gasverteilung über eine sogenannte Bipolarplatte (BPP) und das Gas Diffusion Layer (GDL) an die, mit katalytischem Platin beschichtete, Membran (auch als CL bzw. Catalyst Layer bezeichnet) erreicht. Der gesamte Aufbau zwischen zwei Bipolarplatten wird auch als Membrane-Electrode Assembly (MEA) bezeichnet.
  • Die Brennstoffzelle produziert unter der katalytischen Oxidation von Wasserstoff und Sauerstoff, elektrischen Strom, Wasserdampf und Wärme.
  • Für den Automotive-Bereich hat sich mittlerweile ein GDL durchgesetzt, die aus einem Fasermaterial, beispielsweise aus Carbonfasern hergestellt wird, und eine beschichtete BPP aus Stahl. Das Fasermaterial kann dabei als textiles Gewebe/Gewirke oder als papiertechnisch hergestellte Fasermatte ausgeführt sein, wie es beispielsweise aus DE 10 2008 042 415 B3 bekannt ist. Es kann auch aus zwei Lagen bestehen, einer feinen Lage, die an die CL grenzt und einer gröberen Lage, die an die BPP und das Flow-Field grenzt.
  • Die papiertechnisch hergestellte Fasermatte wird als Grünpapier oder Sinterpapier bezeichnet, das in einem der nachfolgenden Arbeitsschritte entbindert und/ oder gesintert und damit zu einem GDL weiterverarbeitet wird.
  • Nachteilig bei der Herstellung von GDLs basierend auf Carbonfasern ist insbesondere, dass Carbonfasern sowie deren Weiterverarbeitung mit relativ hohen Kosten verbunden sind. Des Weiteren sind Carbonfasern druckempfindlich, was zum Brechen von Fasern führen kann, die dann möglicherweise die CL/PEM verletzten können. Des Weiteren können die Carbonfasern aufwölben oder aufquellen und dabei in die Kanäle der BPP eindringen, wodurch der Gas- und Wasserdurchfluss gemindert wird und die Effizienz der Brennstoffzelle leidet. Des Weiteren ist die Porosität des GDL nur begrenzt einstellbar und sind bei einem zweischichtigen GDL mit einer Kombination aus grober und feiner Porosität mindestens zwei zusätzliche Arbeitsschritte notwendig.
  • Schließlich muss das Flow-Field vollständig von der BPP gebildet werden, weil ein aus dem Stand der Technik bekanntes GDL keine Möglichkeit zur Strukturierung bietet. Dazu muss die BPP geprägt werden oder das Grünpapier bearbeitet werden, um eine bzw. die Gasverteilungsstruktur bzw. eine Strukturierung für das Flow-Field zu erreichen. Dies ist in der Regel ein eigener, aufwändiger Arbeitsgang.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Grünpapiers zur Herstellung eines Gas-Diffusion-Layers (GDL) für eine Brennstoffzelle derart weiterzubilden, dass die Nachteile des Standes der Technik behoben werden.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Erfindungsgemäß wird eine erste bevorzugt mit Metall-Pulver und/ oder Metall-Fasern versetzte Papierbahn erzeugt und wird auf die Papierbahn ein Micro-Porous-Layer (MPL) in Form mindestens einer Beschichtung aufgebracht. Diese Papierbahn wird anschließend durch Entbindern, Sintern, Beschichten, Abscheiden von Atomschichten (ALD - atomic layer deposition) mittels des thermischen ALD-Verfahrens und gegebenenfalls weiteren Prozessschritten zur endgültigen GDL verarbeitet.
  • Nach dem Sintern sind alle organischen Bestandteile des Grünpapiers pyrolysiert und damit nicht mehr in dem GDL enthalten, die GDL besteht nahezu ausschließlich aus einem Metallgerüst. Die Porosität des Metallgerüstes ist nach derzeitiger Ansicht abhängig insbesondere von der Faserdichte der Papierbahnen und der (Korn-)-Größe der Metall-Pulver und/ oder Metall-Fasern.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Beschichtung durch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Papierstrichverfahren, Siebdruckverfahren oder Plasmabeschichten auf die Papierbahn aufgebracht wird.
  • Wird die Beschichtung vor einem Sintern des Grünpapiers auf die Papierbahn aufgebracht, weist die Beschichtung bevorzugt Pulver/Fasern mit Korngröße/Faserdurchmesser von bevorzugt 0,4 µm bis 5 µm auf, das sich bei dem Papierstrichverfahren oder Siebdruckverfahren in einer organischen Bindemittelmatrix befindet. Nach dem Sintern entstehen dabei in der GDL bzw. MPL Porengrößen in der Größenordnung von 0,1 µm bis 3 µm.
  • Wird die Beschichtung nach einem Sintern des Grünpapiers auf die Papierbahn aufgebracht, weist die Beschichtung bevorzugt eine aus dem Stand der Technik bekannte Zusammensetzung auf, die beispielsweise aus DE 10 2008 042 415 B3 bekannt ist.
  • Für die Beschichtung des Papieres können als Auftragswerk entweder ein LTDA (LongTimeDwellApplicator) - Walzenauftragswerk bzw. STDA (ShortTimeDwellApplicator) - Düsenauftragswerk zum Einsatz kommen. Nach dem Auftrag erfolgt die Egalisierung durch ein geeignetes Rakelverfahren. (Rollrakel / bend/ stiff Blade, Airblade). Um die Konturierung des Strichens relativ zur Oberfläche zu erreichen, kann der Auftrag des Striches über Curtaincoater bzw. Filmpresse (Sizepress, Gravurecoater, Leimpressen) erfolgen. Erreicht man mit Bladestrichen Aufträge von bis zu 30 g/m2, kann man mit Filmpressen bis Strichaufträgen bis 7 g/m2 erreichen.
  • Wird die Beschichtung mittels Siebdruckverfahren vor dem Sintern auf die Papierbahn aufgebracht, wird der Siebdruck bevorzugt mit einem Rundsieb auf einer Rolle-zu-Rolle-Maschine oder einer Kaschieranlage durchgeführt. Wird die Beschichtung mittels Siebdruckverfahren nach dem Sintern auf die Papierbahn aufgebracht, wird der Siebdruck bevorzugt auf einer Bogenmaschine durchgeführt, besonders bevorzugt kann dabei eine Rundsiebmaschine, beispielsweise eine NotaScreen, oder eine Flachsiebmaschine eingesetzt werden. Besonders bevorzugt wird dabei der Siebdruck mit weiteren Verfahren in einer Druckmaschine durchgeführt, beispielsweise mit Stanzen und etwaigem zusätzlichen Prägen der GDL.
  • Wird die Beschichtung mittels Plasmabeschichten durchgeführt, wird bevorzugt in einem Plasmakopf ein Metallpulver zugeführt und auf eine Papierbahn gesprüht. Durch die Plasmaenergie „verbacken“ die Metallkörner miteinander. Die Korngröße des Metallpulvers ist so zu wählen, dass sich die gewünschte Porengröße ergibt. Ein sehr feinkörniges Pulver mit einer Korngröße von 0,4 µm bis 5 µm ergibt eine Porengrößen in der Größenordnung von 0,1 µm bis 3 µm. Die Plasmabeschichtung kann vor oder nach dem Sintern durchgeführt werden. Nach dem Sintern bevorzugt in einem Bogenverfahren.
  • Besonders bevorzugt wird für das Plasmabeschichten ein atmosphärisches Heißplasma verwendet das die Metallpartikel/-körner aufschmilzt, sodass sie sich mit den Papierfasern, bzw. dem Untergrund verbinden. Für die MPL ist darauf zu achten, dass der Schmelzprozess nur die Oberfläche der Metallpartikel betrifft, damit deren Form im Wesentlichen noch erhalten bleibt und sich dadurch die gewünschte Porenstruktur ausbildet.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in mindestens eine Papierbahn ein Wasserzeichen eingebracht wird. Es hat sich überraschend gezeigt, dass ein papiermacherisch hergestelltes Grünpapier durch Einbringung eines Wasserzeichens in eine Papierbahn des Grünpapiers derart strukturiert werden kann, dass eine aufwendige Prägung der BPP oder Nachbearbeitung des Grünpapiers bzw. des aus dem Grünpapier hergestellten GDL entfällt oder zumindest einfacher ausgeführt werden kann.
  • Dabei wird das spätere Flow-Field ohne eigenen Arbeitsgang in das Grünpapier integriert, indem ein entsprechendes Wasserzeichen in die Wasserzeichenlage am Rundsieb einer Papiermaschine integriert wird. Dabei kann, ohne besonderen Aufwand, durch die Design-abhängige Strukturierung des Wasserzeichensiebes, mit der damit verbundenen Dickenmodulation des Papiers, jede beliebige Form und Abstufung der Flow-Field-Kanäle erzielt werden. Um die Auflösung der Strukturierung zu erhöhen, kann auch ein hochaufgelöstes bzw. mehr- oder vielstufiges Wasserzeichen eingesetzt werden, wie es beispielsweis aus EP 1432868 A1 oder WO 2014/040706 A1 bekannt ist.
  • Ein Wasserzeichen ist im Sinne dieser Erfindung ein echtes Wasserzeichen, bei dem die Dicke des Papiers variiert, die Dichte des Papiers jedoch nicht variiert. Das Papier weist hierbei Bereiche auf, die gegenüber den benachbarten Bereichen eine größere und/oder geringere Dicke aufweisen, wobei die Dichte des Papiers in allen Bereichen gleich ist. Ein derartiges Wasserzeichen kann entweder bei der Papierherstellung in die Papierbahn eingebracht werden, indem beispielsweise in ein Rundsieb Vertiefungen oder Erhöhungen eingebracht sind, an denen sich beim Schöpfen des Papiers aus der Pulpe mehr oder weniger Papierfasern anlagern. Es kann jedoch auch nachträglich in die Papierbahn eingebracht werden, indem Teile des Papiers abgetragen werden, beispielsweise mechanisch durch Fräsen.
  • Alternativ ist auch ein unechtes Wasserzeichen möglich, bei dem die noch nasse Papierbahn durch einen Prägevorgang nach dem Abnehmen der Papierbahn beispielsweise von dem Rundsieb geprägt wird. Ein derartiges Wasserzeichen wird auch als Egoutteur-Wasserzeichen bezeichnet. Durch das Prägen wird die Dicke des Papiers reduziert, wobei jedoch gleichzeitig die Dichte des Papiers erhöht wird. Die Papierfasern werden also verdichtet bzw. zusammengepresst. Diese Verdichtung hat den Vorteil, dass sie verhindert, dass zu viel Gas bereits im vorderen Bereichs des Kanals Richtung Catalyst Layer (CL) durch die GDL hindurchdiffundiert und sorgt damit für eine gleichmäßigere Gasverteilung.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Grünpapier aus einer ersten Papierbahn und mindestens einer zweiten Papierbahn besteht. Das Grünpapier wird hierbei aus der ersten Papierbahn und mindestens eine zweite Papierbahn gebildet. Die zweite Papierbahn wird im noch feuchten Zustand mit der ersten Papierbahn zusammengeführt und fest verbunden. Hierbei kann auch die zweite und/oder jede weitere Papierbahn ein Wasserzeichen aufweisen.
  • Die erste und/ oder mindestens eine zweite Papierbahn kann hierbei in einer Rundsieb-Papiermaschine erzeugt werden. Alternativ kann die erste und/oder mindestens eine zweite Papierbahn auch in einem Kurzformer erzeugt werden, bei dem die Papiermasse auf ein Rundsieb aufgedüst wird. Diese Herstellungsverfahren sind für die Herstellung von Sicherheits- oder Wertdokumenten, wie Banknoten oder Ausweiskarten, aus WO 2006/099971 A2 bekannt und sind auch erfindungsgemäß bevorzugte Verfahren zur Herstellung eines GDL aus mindestens einer Papierbahn.
  • So entsteht in einem Arbeitsgang das mit Metall-Pulver und/oder Metall-Fasern hochgefüllte Grünpapier, das nach DE 10 2008 042 415 B3 mit mindestens zwei verschiedene Rezepturen zu einem kombinierten Grünpapier mit verschiedenen Eigenschaften verarbeitet wird. Für die Brennstoffzelle sind dies zum Beispiel eine dünne Lage mit feinen Poren und eine dickere Lage mit gröberen Poren. Auch die Porosität kann zwischen zwei Papierbahnen variieren.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Papierbahn eine höhere Dichte aufweist, als die zweite Papierbahn. Die erste Papierbahn weist beispielsweise eine Dichte von 3 g/cm3 bis 10 g/cm3, die zweite eine Dichte von 1 g/cm3 bis 5 g/cm3 auf. Besonders bevorzugt wird hierbei die erste Papierbahn durch einen feineren Papierfaserbrei gebildet, als die zweite Papierbahn, was dementsprechend zu feineren Poren in diesem Teilbereich des Sinterpapiers führt.
  • Die Dicke der ersten Papierbahn beträgt bevorzugt 5 µm bis 50 µm, besonders bevorzugt 10 µm bis 20 µm und die der zweiten Papierbahn 50 µm bis 400 µm, besonders bevorzugt 80 µm bis 200 µm.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Wasserzeichen als Vertiefung in Form von mindestens einem Kanal ausgestaltet ist, wobei der Kanal zur Durchleitung von Gas dient, also dem Brennstoff oder dem Sauerstoff. Dieser Kanal ist bevorzugt mäanderförmig über die Fläche der Papierbahn ausgeführt. Alternativ sind auch mehrere Kanäle, gitterförmig oder strahlenförmig mit kreissegmentartigen Verbindungskanälen möglich.
  • In einer oder mehreren der Papierlagen können auch zusätzliche Kanäle für den Wassertransport nach einem der oben beschriebenen Verfahren eingebracht werden. Diese sorgen für einen ausgewogenen Wassertransport und haben den besonderen Vorteil, dass die PEM-Zelle weder überflutet wird noch austrocknet, denn beides wirkt sich nachteilig auf den Wirkungsgrad der Zelle aus. Des Weiteren können Wasserkanäle auch für die nachhaltige Kühlung der Zelle eingesetzt werden.
  • Das GDL hat üblicherweise eine Fläche von 300 cm2 bis 350 cm2 und ist je nach System und Funktion zwischen 100 µm bis 300 µm dick. Wenn die Funktion des Flow-Fields mit in das GDL integriert wird, kann die Dicke des GDL auch größer sein. Die Tiefe der Kanäle beträgt bis zu 350 µm. Da das GDL auch eine gewisse Kompressibilität aufweisen und gleichzeitig den Strom zwischen den einzelnen Zellen leiten muss, weist das GDL mit Formerlage und Rundsieblage eine Dicke von 100 µm bis 400 µm auf und ist die BPP als glattes Blech mit einer Dicke von 75 µm oder weniger auszuführen. Da die BPP üblicherweise auch eine Kühlfunktion für die Brennstoffzelle übernimmt, kann die BPP dann auch als Komposit-Sandwich ausgeführt sein, das einen porösen oder kanalartigen Durchlass für Kühlmittel aufweist. Alternativ können die Kühlkanäle auch in das GDL oder MEA integriert werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die BPP eine vereinfachte Flow-Field-Struktur aufweist und zusätzlich ein Teil-Flow-Field in dem GDL erzeugt wird. Die Formerlage ist dabei dünn ausgeführt, um nicht zu viel Platz in Anspruch zu nehmen.
  • Der Zell-Pitch beträgt bevorzugt 0,8 mm bis 1 mm, da für eine 120 kW Brennstoffzelle in einer KFZ-Anwendung etwa 400 Zellen übereinander gestapelt werden. Die feine Formerlage weist bevorzugt eine Dicke zwischen 5 µm bis 50 µm auf. Die Formerlage weist bevorzugt in dem Gesamt-GDL einen Anteil von 2 % bis 40 % auf.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden mit Hilfe von hochaufgelösten bzw. mehr- oder vielstufigen Wasserzeichen Passermarken, Positionierhilfen, Zentrierhilfen und Ansätze für Durchlässe erzeugt. Hierdurch wird vorteilhaft die weitere Verarbeitung des GDL zum Brennstoffzellen-Stack vereinfacht, da beispielsweise mit Hilfe von Durchlicht/Auflicht Bildverarbeitungssystemen eine genaue Positionierung des GDL relativ zu den anderen Komponenten, wie BPP oder CL möglich ist.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Strukturen des GDL der Anodenseite und der Kathodenseite nicht identisch, sondern genau spiegelsymmetrisch in der Fläche und in Richtung der Materialstärke sind. Anders ausgedrückt sind die Strukturen des GDL der Anodenseite um 180° phasenverschoben zu den Strukturen des GDL der Kathodenseite. Das bedeutet, dass wenn ein Anoden-GDL mit der Flow-Field-Seite auf die Flow-Field-Seite eines Kathoden-GDL gelegt wird, die Erhebungen des einen GDL exakt mit den Vertiefungen des anderen GDL zusammenfallen. Die Kombination aus zwei 3D-spiegelsymmetrischen Anoden-/Kathoden-GDLs ergibt somit übereinandergelegt ein exakt planes Stück Grünpapier, das mit beliebigem mechanischen Druck verdichtet werden kann, ohne seine Kanalstruktur zu verlieren. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die durch das Wasserzeichen erzeugten, Flow-Field-Kanäle bildende Erhebungen und Vertiefungen des Grünpapiers durch späteres Verpressen und andere mechanische Belastungen weder verletzt, zurückgedrückt oder egalisiert werden, so dass die Kanäle wirksam bleiben können. Alternativ zur alternierenden Struktur von Anoden- und Kathoden-GDL kann auch jedes zweite Anoden-/Kathoden-Paar im Stack oder jeder zweite Stack mit 3D-Spiegesysmmetrischen GDLs ausgestattet sein.
  • Die Brennstoffzelle ist besonders bevorzugt eine Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) Brennstoffzelle. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bildet die erste Papierbahn hierbei in dem aus dem Grünpapier hergestellten Gas-Diffusion-Layer eine Diffusionsschicht für eine mit katalytischem Metall, bevorzugt Platin, beschichtete Membran (CL) und die zweite Papierbahn in dem aus dem Grünpapier hergestellten Gas-Diffusion-Layer eine Verteilschicht mit Flow-Field. Das aus einem erfindungsgemäßen Grünpapier hergestellte GDL kann jedoch auch für andere Arten von Brennstoffzellen verwendet werden, die eine poröse, leitfähige Schicht zur Gasverteilung benötigen, beispielsweise eine Proton Exchange Membrane Electrolyser Cell (PEMEC), Elektrolyseur-Zellen oder einer anderen Power to X Technologie.
  • Die Papierbahn besteht unter anderem bevorzugt aus Papier aus Zellstofffasern oder aus Baumwollfasern, wie es beispielsweise für Banknoten verwendet wird, oder aus anderen natürlichen Fasern oder aus Synthesefasern oder einer Mischung aus natürlichen und synthetischen Fasern. Weiterhin bevorzugt besteht die Papierbahn aus einer Kombination aus mindestens zwei übereinander angeordneten und miteinander verbundenen unterschiedlichen Substraten, einem sogenannten Hybrid. Angaben zum Gewicht der verwendeten Papierbahn sind beispielsweise in der Schrift DE 102 43 653 A9 angegeben, deren Ausführungen diesbezüglich vollumfänglich in diese Anmeldung aufgenommen werden. Das metallgefüllte Grünpapier kann eine Grammatur von 100 g/m2 bis 1200 g/m2 aufweisen.
  • Als Füllstoff-Materialien für das Sinterpapier können alle Metallpulver und Metallfasern im Mikromaßstab verwendet werden, beispielsweise Titan, Kupfer, Zink oder rostfreie Edelstähle, wie sie aus DE 10 2008 042 415 B3 bekannt sind. Wichtig ist dabei, dass für die Formerlage und die Rundsieblage unterschiedliche Mischungen verwendet werden, um eine unterschiedliche Porosität der Papierlagen zu erreichen. Dabei ist die Formerlage feiner zu gestalten als die Rundsieblage. In der Formerlage können auch Nanopulver zum Einsatz kommen.
  • Um die Metalle bis in die kleinsten Poren vor Korrosion zu schützen und die meist gewünschten hydrophoben Eigenschaften bevorzugt auf der dem Katalysator zugewandten Seite zu erzeugen, werden gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einem der nachfolgenden Prozessschritte eine (thermische) ALD-Beschichtung oder andere Beschichtungsverfahren eingesetzt. Bevorzugt nach dem Entbindern und Sintern und vor dem Stanzen und Konfektionieren des GDL, sofern die Schnitte außerhalb des Korrosionsgefährdeten Bereichs liegen, oder die Schnitte in den weiteren Prozessschritten für zur fertigen Zelle extra versiegelt werden. Ansonsten besteht auch die Möglichkeit, die GDL nach dem Stanzen und Konfektionieren mit ALD, etc. zu beschichten.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen, soweit dies von dem Schutzumfang der Ansprüche erfasst ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (13)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Grünpapiers zur Herstellung eines Gas-Diffusion-Layers (GDL) für eine Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste bevorzugt mit Metall-Pulver und/ oder Metall-Fasern versetzte Papierbahn erzeugt wird und auf die Papierbahn ein Micro-Porous-Layer (MPL) in Form mindestens einer Beschichtung aufgebracht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch ein Papierstrichverfahren, ein Siebdruckverfahren oder Plasmabeschichten auf die Papierbahn aufgebracht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung vor einem Sintern des Grünpapiers auf die Papierbahn aufgebracht wird und ein Pulver mit einer Korngröße von bevorzugt 0,4 µm bis 5 µm aufweist, wobei sich das Pulver bei Papierstrichverfahren oder Siebdruckverfahren in einer organischen Bindemittelmatrix befindet.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung nach einem Sintern des Grünpapiers auf die Papierbahn aufgebracht wird.
  5. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mehrlagig ausgeführt wird, wobei die unterschiedlichen Lagen verschiedene Korngrößen und/ oder verschiedene Schichtdicken aufweisen und/oder partiell bzw. strukturiert auf der Seite des Grünpapiers aufgebracht werden, die in der Brennstoffzelle einem Catalyst Layer (CL) oder einer Bipolarplatte (BPP) zugewandt ist.
  6. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Beschichtung mindestens eine weitere Papierbahn gebildet wird, die im noch feuchten Zustand mit der ersten Papierbahn zusammengeführt und fest verbunden wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder jede weitere Papierbahn in einer Rundsieb-Papiermaschine erzeugt wird und/oder in einem Kurzformer erzeugt wird, bei dem die Papiermasse auf ein Rundsieb aufgedüst wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Papierbahn (20) eine höhere Dichte aufweist, als die zweite Papierbahn (30), wobei die erste Papierbahn beispielsweise eine Dichte von 3 g/cm3 bis 10 g/cm3 und die zweite Papierbahn eine Dichte von 1 g/cm3 bis 5 g/cm3 aufweist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Papierbahn durch einen feineren Papierfaserbrei gebildet wird, als die zweite Papierbahn.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Papierbahn in dem aus dem Grünpapier hergestellten Gas-Diffusion-Layer (GDL) eine Diffusionsschicht für eine mit katalytischem Metall, bevorzugt Platin, beschichtete Membran (CL) bildet und die zweite Papierbahn in dem aus dem Grünpapier hergestellten Gas-Diffusion-Layer (GDL) eine Verteilschicht mit Flow-Field bildet.
  11. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens eine Papierbahn ein Wasserzeichen eingebracht wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserzeichen ein echtes Wasserzeichen ist, bei dem die Dicke des Papiers variiert, die Dichte des Papiers jedoch nicht variiert, und/oder dass das Wasserzeichen ein unechtes Wasserzeichen ist, bei dem die Dicke des Papiers reduziert ist, wobei jedoch gleichzeitig die Dichte des Papiers erhöht ist.
  13. Verwendung eines Gas-Diffusion-Layers (GDL), das aus einem Grünpapier nach einem der Ansprüche 1 bis 12 hergestellt worden ist, in einer Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) Brennstoffzelle, in einer Proton Exchange Membrane Electrolyser Cell (PEMEC), in Elektrolyseur-Zellen oder einer anderen Power to X Technologie, die entsprechend poröses, leitfähiges Material zu Gas-/Strom-/Reaktionstroff-Verteilung benötigt.
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