SIGRACET® Brennstoffzellenkomponenten

SIGRACET Gasdiffusionsschicht der SGL Carbon

Die SGL Carbon entwickelt und produziert carbonbasierte Produkte für Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzellen:

Gasdiffusionsmedien (Gas Diffusion Layer, GDL)
Folien als Separatorplatten für Brennstoffzellen und Redox-Batterien (Expandierter Graphit)

GDLs bestehen aus einer zweilagigen Struktur aus dünnen carbonfaserbasierten Trägerpapieren, die mit einer mikroporösen Schicht aus Kohlenstoffpartikeln und PTFE versehen sind. Dieser Aufbau ist vorteilhaft, da der Wasserhaushalt der PEM positiv beeinflusst wird und eine gute Ankopplung der Gasdiffusionsschicht an die Katalysatorschichten ermöglicht wird.

Struktur der Gasdiffusionsschicht der SGL Carbon — Skizze der zweilagigen Struktur der Gasdiffusionsschicht

Hydrophobe Eigenschaften im Trägerpapier und in der MPL (Mikroporöse Lage) werden durch definiertes Zufügen von Polytetrafluorethylen (PTFE) zu beiden Lagen hergestellt. Verschiedene Typen kohlenstoffhaltiger Partikel (Ruß, Graphit) können in der MPL zum Einstellen unterschiedlich hydrophober Eigenschaften genutzt werden. Des Weiteren kann die MPL als Substrat für Katalysatorpartikel zur Herstellung von Gasdiffusionselektroden (GDEs) genutzt werden.

Die SGL Carbon stellt SIGRACET^® Gasdiffusionlagen im Rolle-zu-Rolle-Prozess seit 1999 her. Carbonfaserbasierte Gasdiffusionsschichten sind die bevorzugte Lösung, da sie in hohen Volumina und in dünnen Schichten hergestellt werden können. Die folgenden Abbildungen zeigen die gesamte Wertschöpfungskette der GDL-Herstellung. Alle kommerziell erhältlichen GDL-Materialien basieren auf Carbonfasern, hergestellt aus Polyacrylonitril (PAN). PAN-Copolymere werden im Nassspinnprozess zu Precursoren versponnen, anschließend stabilisiert und carbonisiert. Die resultierenden High Tensile (HT) Carbonfasern sind als Kurzfasern für den Einsatz in Papierherstellungsprozessen geeignet.

Herstellung von SIGRAFIL^® Kurzschnittfasern

Ein primäres Carbonfaserpapier wird im Papierherstellungsverfahren mit nachfolgender Thermobindung produziert. Dieses wird mit carbonisierbaren Thermosetharzen imprägniert, gehärtet und carbonisiert. Dadurch werden mechanische Stabilität, Leitfähigkeit sowie die gewünschte Porosität eingestellt.

Herstellung von SIGRACET^® (Carbonfaserpapier-basierten) Gasdiffusionsschichtträgern

Die Veredelung der GDL erfolgt durch hydrophobe Behandlung des Substrats mit PTFE und Beschichtung mit einer mikroporösen Schicht (MPL).

Veredelung der Gasdiffusionsschicht der SGL Carbon für Brennstoffzellen — Veredelung der SIGRACET^® (Carbonfaserpapier-basierten) Gasdiffusionsschic

Eine Beladung des Substrats mit 5% (w/w) PTFE ist für eine gute Hydrophobizität ausreichend. MPLs enthalten typischerweise 20 bis 25% PTFE. Diese MPL-Zusammensetzung ist für ein breites Feld von operativen Bedingungen das optimale Verhältnis für die PEMFC Performance. Durchschnittliche Porengrößen von SIGRACET^® GDLs sind typischerweise in einem Bereich von 0,1 bis 0,3 µm (Hg-Porosimetrie) oder 1,5 bis 3 µm (berechnet durch Kapillarflußporosimetrie). Die hydrophobe Behandlung erzeugt wasserabweisende Eigenschaften für Substrat und MPL (statischer Kontaktwinkel > 130°).