Rosenmayer, Gunther (Gaisbergstrasse 32 Saaldorf-Surheim, D-83416, DE)
| 1. | Elektrisch leiffähiges, flexibles und mechanisch stabiles Schichtmaterial enthal tend ein vorgeformtes, leitfahiges, poröses Schichtmaterial, welches Partikel aus Nichtmetallen als eine leiffähige Komponenten enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren des vorgeformten Schichtmaterials mit einem ausgehärteten Harz ganz oder teilweise gefüllt und die leitfahigen Partiel von diesem Harz nicht wesentlich umhüllt sind. |
| 2. | Elektrisch leiffähiges, flexibles und mechanisch stabiles Schichtmaterial nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leifähige Komponente des vorgeformten Schichtmaterials aus Graphit und/oder Ruß besteht. |
| 3. | Elektrisch leitfähiges, flexibles und mechanisch stabiles Schichtmaterial nach ei nem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgeformte Schichtmaterial Fasern enthält. |
| 4. | Elektrisch leitfähiges, flexibles und mechanisch stabiles Schichtmaterial nach ei nem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Partiel des vorgeformten Schichtmaterials mittels Hilfsstoffen vorläufig ge bunden sind. |
| 5. | Elektrisch leiffähiges, flexibles und mechanisch stabiles Schichtmaterial nach ei nem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgeformte Schichtmaterial aus einer verdichteten Schüttung besteht. |
| 6. | Elektrisch leitfähiges, flexibles und mechanisch stabiles Schichtmaterial nach ei nem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgeformte Schichtmaterial aus ein oder mehreren mit Ruß und einem Bin der imprägnierten Faserviiesen besteht. |
| 7. | Elektrisch leitfähiges, flexibles und mechanisch stabiles Schichtmaterial nach ei nem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz ein Phenolharz oder ein Epoxidharz enthält. |
| 8. | Elektrisch leiffähiges, flexibles und mechanisch stabiles Schichtmaterial nach ei nem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es Strukturen an mindestens einer der Oberflächen in Form von Erhebungen und Vertiefungen aufweist. |
| 9. | Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfahigen, flexiblen und mechanisch stabilen Schichtmaterials enthaltend ein vorgeformtes, leiffähiges, poröses Schichtmaterial, welches Partiel aus Nichtmetallen als eine teitfähige Kompo nente enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren des vorgeformten Schichtmaterials mit einem aushärtbaren Harz ganz oder teilweise gefüllt und die leitfahigen Partiel von diesem Harz nicht wesentlich umhüllt werden. |
| 10. | Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leiffähigen, flexiblen und mechanisch stabilen Schichtmaterials nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die leifähige Komponente des vorgeformten Schichtmaterials aus Graphit und/oder Ruß besteht. |
| 11. | Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leiffähigen, flexiblen und mechanisch stabilen Schichtmaterials nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgeformte Schichtmaterial Fasern enthält. |
| 12. | Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen, flexiblen und mechanisch stabilen Schichtmaterials nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Partiel des vorgeformten Schichtmaterials mittels Hilfsstoffen voriäufig ge bunden werden. |
| 13. | Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leiffähigen, flexiblen und mechanisch stabilen Schichtmaterials nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgeformte Schichtmaterial aus einer verdichteten Schüttung besteht. |
| 14. | Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfahigen, flexiblen und mechanisch stabilen Schichtmaterials nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgeformte Schichtmaterial aus ein oder mehreren mit Ruß einem Binder imprägnierten und vorgepressten Faserviiesen besteht. |
| 15. | Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen, flexiblen und mechanisch stabilen Schichtmaterials nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz ein Phenolharz oder ein Epoxidharz enthält. |
| 16. | Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfahigen, flexiblen und mechanisch stabilen Schichtmaterials nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das noch nicht ausgehärtete Harz mittels Kapillarwirkung in das vorgeformte Schichtmaterial eindringt. |
| 17. | Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen, flexiblen und mechanisch stabilen Schichtmaterials nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das noch nicht ausgehärtete Harz mittels Druck in die Poren des vorgeformten Schichtmaterials gepresst wird. |
| 18. | Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leiffähigen, flexiblen und mechanisch stabilen Schichtmaterials nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das noch nicht ausgehärtete Harz vor dem Füllen des vorgeformten Schichtmate rials mittels einer Flüssigkeit verdünnt wird. |
| 19. | Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leiffähigen, flexiblen und mechanisch stabilen Schichtmaterials nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß daß das Harz unter Druck und/oder erhöhter Temperatur ausgehärtet wird. |
| 20. | Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leiffähigen, flexiblen und mechanisch stabilen Schichtmaterials nach einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß Strukturen in Form von Erhebungen und Vertiefungen an mindestens einer der Oberflächen durch Prägen zumindest während des Aushärtevorgangs erzeugt werden. |
| 21. | Verwendung des elektrisch teitfähigen flexiblen und mechanisch stabilen Schichtmaterials als Bipolarplatte von PEMBrennstoffzellen. |
| 22. | Verwendung des elektrisch leiffähigen und mechanisch stabilen Schichtmaterials als mechanische Verstärkung für Gasdiffusionselektroden. |
Bekannt sind leitfähige, nichtmetallische Schichtmaterialien zur Verwendung als Ab- leiter für elektrostatische Ladung, als Abschirmung von elektromagnetischen Störun- gen, als Widerstandsmaterial für elektrische Heizmatten und als Separatoren und Bipolarplatten in elektrochemischen Anwendungen, insbesondere Brennstoffzellen.
Die wesentlichen Vorteile dieser Materialien gegenüber der Verwendung von Metal- len sind deren geringes Gewicht, und die hohe Beständigkeit gegenüber chemisch aggressiven Medien. Gewünscht wird meist ein geringer elektrischer Widerstand und hohe mechanische Festigkeit.
Im Stand der Technik sind Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe beschrieben, die aus mit Leitruß oder Graphit compoundierten Thermoplasten oder Harzen bestehen. Ein derartiger Verbundwerkstoff ist z. B. in DE 3135430 C2 offengelegt. Diese Materialien weisen eine geringe elektrische Leitfähigkeit auf, da beim intensiven Mischen des in flüssiger Form vorliegenden Binders die elektrisch leitfahigen Kohlenstoffpartikel vom Binder zum Teil umhüllt werden. Der elektrische Kontakt der leitfahigen Partiel geht damit teilweise verloren.
DE 4234688 C2 hingegen legt ein sehr gut leitfähiges Verbundmaterial offen, wel- ches ebenfalls durch compoundieren mit wärmehärtbaren Harzen gefertigt wird. Al- lerdings dient hier eine Graphit-lnterkalationsverbindung als leitfahige Substanz, die durch Dotierung von faserartigen Kohlenstoffpartikeln mit Halogenen oder Alkalime- tallen hergestellt wird. Die Kohlenstoffpartikel werden zuvor mittels eines katalysier- ten Crackverfahres aus der Gasphase abgeschieden und anschließend bei 2400°C graphitiert. Das Verfahren ist insgesamt sehr aufwendig und zudem ist die Bestän- digkeit der Interkalationsverbindung für die elektrochemische Anwendung, z. B. in Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzellen nicht gesichert.
US 4,643,956 beschreibt eine Separatorplatte, die zunächst aus Harz und Koksparti- keln geformt und anschließend mittels eines kostenintensiven, mehrstufigen Graphi- tierungsprozesses bis nahe 3000°C fertiggestellt wird. Die Platten sind sehr gut leit- fähig und chemisch stabil. Sie zeigen aber aufgrund des fehlenden Polymeranteils einen erheblichen Grad an Sprödigkeit.
Mit der vorliegenden Erfindung können alle oben aufgeführten Nachteile vermieden werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein kostengünstiges, hochflexibles und sehr gut elek- trisch ieitfähiges Schichtmaterial aus Kohlenstoff-Verbundwerstoff bereitzustellen.
Das Schichtmaterial kann gasdicht oder porös sein.
Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein einfaches, kostengünstiges Verfahren zur Herstellung dieses Schichtmaterials aufzuzeigen.
Darüberhinaus ist es Aufgabe der Erfindung, die Verwendung dieses Schichtmateri- als als bipolare Separatoren in PEM-Brennstoffzellen und als mechanische Verstär- kung von Gasdiffusionselektroden darzustellen.
Die Lösung dieser Aufgaben bietet das Schichtmaterial aus Kohlenstoff Verbund- werkstoff von Anspruch 1, das Verfahren zur Herstellung dieses Schichtmaterials nach Anspruch 9 und die Verwendung des Schichtmaterials als bipolarer Separator und/oder mechanische Verstärkung von Gasdiffusionselektroden in PEM- Brennstoffzellen nach den Ansprüchen 21 und 22.
Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Schichtmaterial bestehend aus Fasern, elektrisch leitfähigen Kohlenstoffpartikeln, die untereinander in hohem Ausmaß leitfähige Kontaktstellen besitzen und einem Polymer, das lediglich die Hohiraüme zwischen den Kohlenstoffpartikeln ganz oder teilweise füllt, ohne die Kontaktstellen zwischen den Kohlenstoffpartikeln wesentlich zu beeinträchtigen.
Weiterhin enthält das Schichtmaterial meist einen Hilfsstoff, der bedingt durch spezi- elle Herstellungsverfahren im Schichtmaterial verbleibt.
Fasern mit hoher mechanischer Festigkeit und hohem E-Modul werden bevorzugt eingesetzt. Besonders bevorzugt werden Kohlefasern (carbonisiert) verwendet da sie
hervorragende mechanische Eigenschaften und zumindest etwas elektrische Leiffä- higkeit besitzen. Es ist von Vorteil wenn die Fasern eine Lange besitzen, die minde- stens 30 Schichtdicken entspricht.
Als elektrisch leitfahige Kohlenstoffpartikel werden bevorzugt Leitruß, Graphit oder Mischungen daraus eingesetzt.
Um dem Schichtmaterial mechanische Festigkeit zu geben wird bevorzugt ein aus- gehärtetes, duroplastisches Harz verwendet das die Kohlenstoffpartikel bzw. Agglo- merate davon und die Fasern bindet. Besonders bevorzugt wird Phenolharz oder Epoxidharz verwendet.
Die Verwendung eines Hilfsstoffes ist durch eines der erfindungsgemäßen Herstel- lungsverfahren bedingt. Es wird bevorzugt Polytetrafluorethylen (PTFE) in Form fei- ner Partiel (ca. 120-500 nm) eingesetzt. Der Hilfsstoff PTFE verleiht dem Schicht- material einen ausgeprägt hydrophoben Charakter, der vor allem für die Anwendung des Schichtmaterials als mechanische Verstärkung von Gasdiffusionseiektroden von Brennstoffzellen erwünscht ist.
Der Anteil an Fasern an der Gesamtmasse der Schicht beträgt bevorzugt 0-40%, der von Leitruß und/oder Graphit 10-75% und der Anteil des ausgehärteten Polymers liegt bei 10-70%. Bei einer Schicht mit großem offenen Porenvolumen liegt der Anteil an Polymer in der Nähe der unteren Grenze des angegebenen Bereichs.
Das Verfahren zur Herstellung des Schichtmaterials hat sicherzustellen, daß die Kohlenstoffpartikel und die Fasern schon vor der Zugabe des aushärtbaren Harzes in ausreichendem elektrischem Kontakt zueinander stehen. Das flüssige, noch nicht gehärtete Harz wird im erfindungsgemäßen Verfahren nicht, wie im Stand der Tech- nik durch Mischen mit Kohlenstoffpulver und Fasern eingebracht, sondern durch im- prägnieren eines schon vorgeformten, porösen Schichtmaterials enthaltend Kohlen- stoffpartikeln und Fasern.
Die Poren des vorgeformten Schichtmaterials können somit ganz oder teilweise ge- füllt werden, ohne die bereits bestehenden elektrischen Kontakte zwischen den elektrisch leitfähigen Partikeln wesentlich zu losen. Bevorzugt werden die Poren des vorgeformten Schichtmaterials dadurch gefüllt, daß das flüssige Harz aufgrund der Kapillarwirkung in das Kohlenstoffmaterial eindringt. Ein Vorteil dieses Verfahrens
besteht auch darin, daß Kohle-oder Glasfasern in ihrer ursprünglichen Länge erhal- ten bleiben und nicht durch einen Mischvorgang brechen.
Das vom vorgeformten Schichtmaterial aufgenommene Harz wird anschließend, be- vorzugt unter Wärme und Druck, ausgehärtet. Der Druck kann im Rahmen eines kontinuierlichen Verfahrens mittels eines Kalanders durch beheizte Walzen oder dis- kontinuierlich durch eine Presse ausgeübt werden. Wird eine Strukturierung der Oberfläche, z. B. eine Kanalstruktur gewünscht, so kann ein Presswerkzeug entspre- chend gestaltet werden, welches die Struktur während des Aushärtevorgangs in die Schicht einprägt.
Als vorgeformtes Schichtmaterial kann ein handelsübliches Kohlefaserpapier (Toray, Japan) oder, besonders bevorzugt, ein mit Ruß und/oder Graphitpulver und feinteili- gem PTFE gefülltes Kohlefaservlies verwendet werden, das nach DE 195 44 323 oder EP 0298690 hergestellt wurde. Im einfachsten Fall besteht das vorgeformte Schichtmaterial nur aus den in Form einer Schicht gepressten Kohlenstoffkompo- nenten und evtl. einer geringen Menge eines Binders (z. B. PTFE). In vielen Fällen sind diese vorgeformten Schichtmaterialien allerdings nicht eigenstabil, d. h. sie mus- sen bis zur Weiterverarbeitung in der Pressform verbleiben.
Im Kohlefaserpapier (Toray, Japan) sind die Fasern bereits relativ fest durch Graphi- tierung eines Polymers gebunden. Allerdings sind die Fasern und die Bindung auf- grund der Graphitierung spröde, was sich in den mechanischen Eigenschaften des Endprodukts widerspiegelt. Weiterhin ist der Graphitierungsprozess kostenintensiv und daher nicht im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Bei Verwendung des mit Ruß und/oder Graphit gefüllten Kohlefaserviieses als vor- geformtes Schichtmaterial dient PTFE zur voriäufigen Bindung der Kohlenstoffparti- kel. Umhüllung der Kohlenstoffpartikel durch geringe Mengen PTFE ist nicht zu be- fürchten, da das PTFE während des gesamten Herstellungsprozesses als Feststoff vorliegt.
Erstaunlicherweise entsteht nach Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein hartes, hochflexibles Schichtmaterial aus dem weichen, empfindlichen Aus-
gangsmaterial. Die Leitfähigkeit des Endprodukts ist nahezu identisch mit der Leitfä- higkeit des Ausgangsmaterials.
Beispiel 1 : Ein Vlies aus carbonisierten Kohlefasern mit einer flächenbezogenen Massendichte von 30 g/m2 wird mit einer Suspension aus Ruß und PTFE nach Maßgabe von DE 195 44 323 mittels Walzen imprägniert. Als Suspensionsflüssigkeit wird Wasser und Isopropanol im Volumemverhältnis von ca. 1 : 1 verwendet. PTFE wird in Form kleiner Partiel mit Durchmesser von ca. 180 nm ebenfalls als wässrige Suspension einge- setzt. Der Anteil an PTFE, bezogen auf die Gesamtmasse aus Ruß und PTFE, kann 2-40% betragen. Speziell für dieses Beispiel wird ein 8 %-iger PTFE Anteil gewähit.
Als Ruß kann Vulkan XC 72 oder Black Pearls der Firma Cabot oder bevorzugt Ket- jenblack von Akzo Nobel verwendet werden.
Die flächenbezogene Massendichte des möglichst homogen imprägnierten und an- schließend getrockneten Vlieses soll 50-150 g/m2 betragen. Speziell für dieses Bei- spiel werden ca. 90 g/m2 gewähit. Um die Dispersionsmittel aus der eingesetzten PTFE Suspension thermisch zu zersetzen, wird das imprägnierte Vlies bei ca. 350°C 5 min lang gesintert. Der für die Sinterung mögliche Temperaturbereich liegt zwi- schen 250°C und 400°C.
Um das vorgeformte Schichtmaterial zu erhalten, werden je nach gewünschter Schichtdicke ein oder mehrere imprägnierte Vliese bei evtl. erhöhter Temperatur verpresst. Die elektrischen Kontakte zwischen den Rußpartikeln werden zum Teil dadurch und auch durch den vorausgegangenen Walzprozess ausgebildet. Die Pressdrücke liegen zwischen 5 und 500 bar und die Temperatur sollte unter 400°C liegen. Speziell für dieses Beispiel wird 100 bar und 120°C gewählt. Dieses poröse Schichtmaterial ist zwar flexibel, besitzt jedoch geringe Elastizität und geringe me- chanische Festigkeit.
Um nun das erfindungsgemäße Schichtmaterial zu erhalten, wird eine Lösung oder Suspension aus einem ein-oder zweikomponentigem Epoxidharz, hier speziell ein zweikomponentiges Epoxidharz mit einer Viskosität von etwa 1500 mPa s und einem Alkohol, hier speziell Ethanol hergestelit. Das Massenverhältnis aus den bereits vor-
gemischten Epoxidharzkomponenten und dem Alkohol beträgt etwa 1 : 1, um am En- de des Verfahrens eine gasdichte Schicht zu erhalten.
Das vorgeformte Schichtmaterial wird in die Suspension getaucht oder mit der Sus- pension besprüht oder bepinselt. Aufgrund der Kapillarkräfte zwischen vorgeformten Scichtmaterial und der Suspension dringt letztere über Schichtdicken von meist mehr als 1 mm in das vorgeformte Schichtmaterial ein. Nachdem eine homogene Tränkung des Materials erreicht ist, wird der Alkohol bei leicht erhöhter Temperatur abge- dampft. Diese Tränkung kann ein oder mehrmals wiederholt werden.
Anschließend wird das Epoxidharz bevorzugt unter Druck und erhöhter Temperatur ausgehärtet. Speziell in diesem Beispiel werden 120°C und 275 bar angewendet. Bei Verwendung von 3 imprägnierten Vliesschichten mit einer Masse von je 90 g/m2 im vorgeformten Schichtmaterial erhält man ein erfindungsgemäßes Schichtmaterial von etwa 0.4 mm Dicke.
Das Schichtmaterial ist gasdicht und hydrophob. Der elektrische Widerstand parallel zur Schicht gemessen mit der Vierpunktmethode beträgt etwa 0.018 Ohm cm.
Als Maß für die Flexibilität kann das Verhältnis zwischen minimalen Biegedurchmes- ser D und Schichtstärke d betrachtet werden : Für das hier beschriebene Material wurde das Verhältnis D/d zu etwa 50 bestimmt.
Beispiel 2 : Die Verwendung des erfindungsgemäßen Schichtmaterials nach Beispiel 1 als Bi- polarplatte eines PEM-Brennstoffzellenstapels insbesondere für die Reaktionsgase Wasserstoff und Sauerstoff oder Luft kann auf zwei unterschiediiche Weisen erfol- gen : a) Man verwendet ein unstrukturiertes glattes Schichtmaterial als elektrisch leitfähige Gastrennschicht und legt die typischerweise erforderlichen Gas flow field Strukturen (z. B. eine Kanalstruktur evtl. in einem porösen Träger eingearbeitet) für Kathode und Anode auf die gegenüberliegenden Oberflächen des Schichtmaterials nach Beispiel 1 auf. Durch Stapeln von Gastrennschichten, flow fields und Membran-Elektroden
Einheiten in der richtigen Reihenfolge und einer geeigneten Dichtungs-und Gaszu- fuhrtechnik erhält man einen PEM Brennstoffzellenstapel. b) Man verwendet beim Pressen, insbesondere während der Aushärtephase des erfindungsgemäßen Schichtmaterials nach Beispiel 1 ein Presswerkzeug, das eine für ein Gas flow field geeignete (Negativ-) Struktur (z. B. eine Kanalstruktur) aufweist.
Nach dem Aushärten erhält man ein Schichtmaterial das ein-oder beidseitig die Struktur des Werkzeugs trägt. Durch Stapeln und Dichten dieser so erhaltenen Gastrennschichten mit flow field Struktur mit Membran-Elektroden Einheiten erhält man einen PEM-Brennstoffzellenstapel.
Beispiel 3 : Wie in Beispiel 1 wird ein Schichtmaterial bestehend aus Ruß, PTFE und einem Kohlefaserviies hergestellt. Zur Verfestigung der Schicht wird im Gegensatz zu Bei- spiel 1 eine 10 %-ige Lösung von Phenolharz in Isopropanol eingesetzt. Das vorge- formte Schichtmaterial wird zweimal mit dieser Lösung imprägniert und anschließend getrocknet. Nach Verpressen und gleichzeitigem Aushärten bei 160°C-180°C erhält man ein aufgrund des niedrigeren Polymergehaltes poröses Schichtmaterial. Es ist hydrophob und besitzt hohes Elastizitätsmodul. Das Porenvolumen faßt sich in wei- ten Grenzen durch Variation des Polymergehalts einstellen. Daher faßt sich dieses Schichtmaterial vorteilhaft als Verstärkungsschicht von Gasdiffusionselektroden ein- setzen.
Beispiel 4 : Das poröse, teitfähige Schichtmaterial nach Beispiel 3 kann vorteilhaft als mechani- sche Verstärkung von Gasdiffusionselektroden insbesondere von PEM- Brennstoffzellen eingesetzt werden. Häufig bestehen Gasdiffusionselektroden aus relativ weichen und empfindlichen Flächengebilden aus meist graphitierten Kohlefa- sern und Ruß. Der zum Zwecke der Erniedrigung des elektrischen Übergangswider- stands zwischen Elektrode und Bipolarplatte notwendige Anpreßdruck an die Kanal-
struktur der Bipolarplatte verformt diese Elektroden. Dadurch kann die zwischen den Elektroden liegende meist sehr dünne Kunststoffmembran verletzt werden oder die Elektroden verschließen aufgrund der Verformung die Kanake.
Durch Auflegen oder Aufpressen im gehärteten oder noch nicht gehärteten Zustand des erfindungsgemäßen Schichtmaterials nach Beispiel 3 (evtl. auch mit Epoxidharz gebunden) auf die Anode und/oder die Kathode können die erwähnten Nachteile aufgrund der mechanischen Verstärkung vermieden werden.
Beispiel 5 : Als vorgeformtes Schichtmaterial kann auch ein handelsübliches Kohlefaserpapier (Fa. Toray) aus graphitierten Fasern verwendet werden. Die Imprägnierung kann mit unverdünntem Epoxidharz niedriger Viskosität erfolgen. Der Aushärtevorgang erfolgt bei nur geringen Drücken von etwa 1-80 bar und einer an das verwendete Epoxid- harz angepaßten, erhöhten Temperatur. Die mechanische Stabilität und Flexibilität des Kohlefaserpapiers kann dadurch deutlich verbessert werden. Jedoch können die geringen Biegeradien aus Beispiel 1 aufgrund der geringen Reißdehnung der graphi- tierten Fasern bei weitem nicht erreicht werden.
Die elektrische Leitfähigkeit parallel zur Schichtebene wird durch den Imprägnie- rungsvorgang nicht beeinflußt.
Beispiel 6 : Die Leitfähigkeit der Schichtmaterialien aus Beispiel 1,3,4 kann erhöht werden, in dem zur Herstellung des vorgeformten Schichtmaterials der Ruß durch eine Mi- schung aus Ruß und graphitierten Kohlenstoffen ersetzt wird. Als graphitierte Kom- ponente eignet sich besonders graphitierte Kurzschnittfasern mit einer bevorzugten Länge von 10um-1mm und einem Durchmesser von bevorzugt 2um-20um. Ein geeignetes Material sind z. B. die Fasern Donacarbo SG 241 der Fa. Ashland- Südchemie-Kernfest GmbH mit einer Länge von 0,13mm und einem Durchmesser von 13pm.
Der Massenanteil der graphitierten Komponente bezogen auf die Gesamtmasse an leiffähigem Material beträgt bevorzugt 10%-75%. Der Anteil an PTFE kann im Ver- gleich zu Beispiel 1 auf etwa 3%-5% zurückgenommen werden. Alle Verfahrens- schritte können analog zu Beispiel 1 durchgeführt werden.
Beispiel 7 : Insbesondere bei Verwendung des Schichtmaterials in Brennstoffzellen als Bipolar- platte oder zur Verstärkung der Gasdiffusionselektroden ist eine gute elektrische Leitfähigkeit senkrecht zur Schicht und ein niedriger Übergangswiderstand zu ande- ren elektrisch leitfahigen Materialien von Vorteil. Zur Absenkung der Übergangswi- derstände (bei gegebenen Anpreßdruck) kann das Schichtmaterial bevorzugt vor Aushärten des Binders und besonders bevorzugt vor dem Imprägnieren mit Binder auf mindestens einer Oberflache mit einem besonders gut elektrisch leitfähigen Ma- terial beschichtet werden. Bei mehrschichtigem Aufbau, wie in Beispiel 1 dargestellt, ist es auch vorteilhaft, Oberflächen die sich später im Schichtmaterial befinden zu beschichten.
Besonders geeignet ist eine Beschichtung enthaltend graphitierten Kohlenstoff ins- besondere in Form von graphitierten Kohlenfasern.. Ein geeignetes Material sind z. B. die Fasern Donacarbo SG 241 der Ashland-Südchemie-Kernfest GmbH mit ei- ner Länge von 0,13mm und einem Durchmesser von 13, um. Bevorzugt werden die Kohlenfasern suspendiert und durch Sprühen auf ein Schichtmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Fertigungszustand vor der Imprägnierung mit Bin- der aufgebracht. Vorteilhaft ist die Verwendung eines Hilfsbinders der die Fasern aneinander und an das Schichtmaterial bindet, um sicherzustellen, daß keine Ablö- sung der Fasern in den weiteren Prozessschritten auftritt.
Spezielles Verfahren zur Herstellung einer Sprühsuspension : Mischung von Fasern Donacarbo SG 241 und 20 g Hz0 durch leichtes Rühren Mischen von 0,42 g 60 %-iger PTFE Dispersion (z. B. TF 5032 von Fa. Dyneon) mit 10 g H20 durch leichtes Rühren -Mischen der beiden obigen Suspensionen Bevorzugt werden durch Sprühen Feststoffmassenbelegungen von 0,2-5 mg/cm2 aufgebracht. Nach Trocknen der Suspensionsflüssigkeiten ist ein Sinterprozeß ana- log Beispiel 1 aufgrund der Verwendung der PTFE Suspension als Hilfsbinder vor- teilhaft. Die weiteren Verfahrensschritte können nun beginnend mit der Imprägnie- rung mit dem (Haupt-) Binder etwa nach Beispiel 1 ausgeführt werden.