Durch die hocheffiziente Energieausbeute bei gleichzeitig geringen Emissionen stellen Brennstoffzellen-Systeme eine vielversprechende Alternative zu den bishe- rigen Energieumwandlungsverfahren dar. Brennstoffzellen sind elektrochemische Stromerzeuger, die ohne den Umweg über die Wärme, direkt aus einer chemi- schen Verbindung, Elektrizität erzeugen. Im Zentrum des Interesses steht dabei die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC), die sich speziell für mobile Anwen- dungen bei tiefer Betriebstemperatur eignet.

Eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle ist typischerweise aus zwei Elektroden aufgebaut, die durch eine Polymer-Elektrolyt-Membran voneinander getrennt sind, sowie jeweils zwei beidseitig angeordneten Diffusionsschichten und Strömungs- kanalplatten für die Reaktanden, montiert in einem Gehäuse. Das Herzstück einer Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle ist dabei die Membran-Elektroden-Einheit (MEA - membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer Polymermembran und den beidseitig darauf aufgebrachten Elektroden ist. Der Anode wird der Brennstoff durch Transport-bzw. Strömungskanäle im Gehäuse der Zelle zuge- führt und gelangt durch die Diffusionsschicht fein verteilt an eine auf der Elektrode üblicherweise angeordnete Katalysatorschicht, wie z. B. Platin, Ruthenium oder Rhodium. An der Anode wird der Brennstoff mit Hilfe des Katalysators zu Proto- nen (H+-ionen), Elektronen (e) und, je nach eingesetztem Brennstoff, Kohlendi- oxid (CO2) gespalten. Während die Protonen durch die Polymermembran zur Ka- thodenseite gelangen, werden die Elektronen durch die Elektrodenschichten an das Gehäuse, üblicherweise ein Graphitgehäuse, abgegeben und über einen elektrischen Verbraucher zur Kathode geleitet. Dort erfolgt üblicherweise ebenfalls

katalysiert und unter Aufnahme der Elektronen die Rekombination von Protonen und Sauerstoff zu Wasser. In der Regel werden für die Niedertemperatur- Brennstoffzelle Wasserstoff oder alternativ Methanol als Brennstoff eingesetzt.

Die entsprechenden Reaktionsgleichungen lauten dabei : Wasserstoff-Zelle : H2 +'/2 02- H20 Direkt-Methanol-Zelle : CH30H + 3/2 02- C02 + 2 H20 Bei einer Wasserstoffzelle werden Wasserstoff und Luft jeweils in die Halbzellen eingeleitet. Die Reaktion findet nur an der Phasengrenze zwischen Katalysator, Reaktionspartnern und der Polymermembran satt. Der anodenseitig zugeführte Wasserstoff wird an der Anode oxidiert und gibt seine Elektronen ab. Die dabei gebildeten Protonen durchdringen die ionenleitfähige Polymermembran hin zur Kathode. Dort setzen sie sich mit Sauerstoffionen zu Wasser um. Der Elektronen- übergang erfolgt dabei über einen äußeren Leiterkreis. An der Kathode werden aus Sauerstoffmolekülen 02--lone gebildet. Das Reaktionswasser wird im Abluft- strom abgeführt.

Die Diffusionsschicht in einer Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle wird dabei übli- cherweise aus Kohlefaserpapier oder Kohlevlies gefertigt. Die Kohlefasern leiten den elektrischen Strom, während die Poren des Materials den Transport der Re- aktanden zu den Elektroden ermöglichen. Die Funktion der Diffusionsschicht im Zusammenspiel mit den Strömungskanal-Platten ("flow field plates") innerhalb der Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle besteht darin, die Membran-Elektroden-Einheit einer Brennstoffzelle mit Reaktanden zu versorgen und die Reaktionsprodukte und elektrischen Strom zum Gehäuse der Brennstoffzelle zu transportieren. Die Strömungskanal-Platten sind zur Aufnahme und Abgabe eines fluiden Brennstoffs ausgelegt und weisen üblicherweise in einer der planen Außenflächen kontinuier- liche Fluidströmungskanäle auf. Zwar sind große Kanalstrukturen im Millimeterbe- reich erwünscht, derartige Kanalstrukturen resultieren jedoch in einer großen Schichtdicke des Aufbaus. Typische Abmessungen von im Stand der Technik üb- licherweise eingesetzten Strömungskanälen und den sie trennenden Stegen lie-

gen im Bereich von etwa 0,5 bis 3 mm, strukturiert in Stahl oder Graphit. Solche Stahl-oder Graphitplatten mit derartig strukturierten Strömungskanälen weisen üblicherweise eine Dicke von bis zu 5 mm auf, um die erforderliche Steifheit für eine gleichmäßige Druckverteilung auf der Diffusionsschicht und damit einen ge- ringen Kontaktwiderstand und die Gasdichtigkeit des Gehäuses zu ermöglichen.

In einer einzelnen Brennstoffzelle werden üblicherweise zwei solche Strömungs- kanal-Platten, eine Membran mit einer Dicke von etwa 50 bis 200 j. m, zwei beid- seitig angeordnete Katalysatorschichten mit einer Dicke von jeweils 5 bis 10 pm und zwei beidseitig angeordnete Diffusionsschichten mit einer typischen Dicke von etwa 200 im eingesetzt. Die Dicke einer einzelnen Zelle addiert sich somit auf etwa 10,5 mm, wobei der kleinste Anteil auf die zentralen Komponenten Membran und Katalysatorschichten entfällt. Zudem bedingt die aufwändige Strukturierung der Strömungskanal-Platten (Flow Fields) in Graphit oder Stahl einen großen Teil der Gesamtproduktionskosten für eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle.

Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Material bereit- zustellen, das im Rahmen seiner Verwendung in einer Polymer-Elektrolyt- Brennstoffzelle eine optimale Versorgung der Membran-Elektroden-Einheit bei gleichzeitiger Reduzierung der Schichtdicke der Zelle liefern soll.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausfüh- rungsformen gelöst.

Insbesondere wird ein Kohlefaserpapier bzw. Kohlenstofffaserpapier mit mi- krostrukturierter Oberfläche aus Erhebungen und Vertiefungen auf mindestens einer Oberflächenseite davon bereitgestellt, wobei der Abstand zwischen den Er- hebungen im Bereich von 30 zm bis 1500 m, vorzugsweise 300 lim bis 700 p. m. besonders bevorzugt 400 bis 600 um, und die Höhe der Erhebungen im Bereich von 30 zum bis 1500 pLm, vorzugsweise 300 zum bis 700 pm, besonders bevorzugt 400 bis 600 m, liegen.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegen die Erhebungen in der Form von Stegen vor, so daß die Vertiefungen zwischen den Stegen Kanäle bilden. Die Stegbreiten liegen dabei im Bereich von 30 tm bis 1500 , m, vorzugs- weise 300 pm bis 700 , m, besonders bevorzugt 400 bis 600, um. Die Form der Stege unterliegt keiner spezifischen Beschränkung. So können die Stege bei- spielsweise in im wesentlichen rechtwinkliger Form oder auch prismatischer Form ausgebildet sein. Die Kanäle können beispielsweise auch konisch oder sich ver- jüngend ausgelegt sein. Die Strukturierung bzw. Anordnung der Stege bzw. Ka- näle unterliegt keiner spezifischen Beschränkung. So können die Stege kontinu- ierlich, d. h. ohne Unterbrechungen, verlaufen, so daß die Vertiefungen zwischen den Stegen beispielsweise zueinander parallel verlaufende Kanäle bilden. Alter- nativ kann die Anordnung dergestalt sein, daß die Stege bereichsweise unterbro- chen sind.

Die Fig. 1 zeigt schematisch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen oberflächen- strukturierten Kohlefaserpapiers, welches derart strukturiert ist, daß sich zueinan- der parallel verlaufende Kanäle bilden, die durch entsprechende Erhebungen bzw.

Stege voneinander separiert sind.

Die Gesamtdicke des erfindungsgemäßen Kohlefaserpapiers liegt üblicherweise im Bereich von 100 bis 2000 jim, vorzugsweise 250 bis 1000 im. Der elektrische spezifische Widerstand des Kohlefaserpapiers liegt vorzugsweise im Bereich von 0,005 bis 0,2 Qcm, wenn senkrecht zur Ebene gemessen, und im Bereich von 0,0005 bis 0,01 Qcm, wenn horizontal in der Ebene gemessen. Das erfindungs- gemäße Kohlefaserpapier weist im allgemeinen eine Gaspermeabilität im Bereich von 10 bis 100 mmeq/mm, gemessen als Druckdifferenz bei einem Luftstrom von 14 cm/s, geteilt durch die Schichtdicke, auf. Die Biegefestigkeit des erfindungs- gemäßen Kohlefaserpapiers liegt üblicherweise im Bereich von 10 bis 70 MPa.

Das mikrostrukturierte Kohlefaserpapier gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise auf Polyacrylnitril (PAN) -Basis. Derartige Kohlefasern werden durch Pyrolysieren von Polyacrylnitril bei Temperaturen von 1200 bis 1500°C unter

Stickstoffatmosphäre erhalten. üblicherweise werden die Kohlefaser zur Verbes- serung der Festigkeit und der Handhabung mit einem Polymerbindemittel verse- hen. Das Polymermaterial zum Binden der Kohlefaser ist vorzugsweise aus thermoplastischen Harzen, wie Polyvinylalkohol (PVA), Polyvinylacetat, Polyethy- lenterephthalat (PET), Polypropylen (PP), Polyethylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Acrylharzen, Polyurethanen und dergleichen, härtbaren Har- zen, wie z. B. Phenolharze, Epoxyharze, Melaminharze, Harnstoffharze, Alkydhar- ze, ungesättigte Polyesterharze und dergleichen, und thermoplastischen Elasto- meren, Butadien/Styrol/Copolymeren (SBR), Butadien/Acrylnitril/Co-polymeren (NBR) und dergleichen bzw. einem Gemisch davon ausgewählt. Durch Verwen- dung eines Fluorpolymers kann dem erfindungsgemäßen Kohlefaserpapier zudem eine wasserbeständige Eigenschaft verliehen werden. Dabei ist es bevorzugt, daß der Gehalt des polymeren Bindemittels, bezogen auf das Gesamtgewicht des Kohlefaserpapiers, in dem Bereich von 2 bis 30 Gew.-% liegt.

Als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße mikrostrukturierte Kohlefaserpa- pier kann beispielsweise"TGP-H", vertrieben von Toray Industries, Inc., verwen- det werden.

Das erfindungsgemäße Kohlefaserpapier läßt sich in besonders vorteilhafter Wei- se insbesondere als mikrostrukturierte Flow-Field-Diffusionschicht in einer Poly- mer-Elektrolyt-Brennstoffzelle einsetzen. Somit betrifft ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Kohlefaser- papiers als mikrostrukturierte Flow-Field-Diffusionschicht bzw. Fluidstromverteiler- schicht in einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymer-Elektrolyt- Brennstoffzelle, die in sich die Funktion der in Brennstoffzellen üblicherweise ver- wendeten Strömungskanal-Platten und Diffusionsschichten vereint. Durch das erfindungsgemäß mikrostrukturierte Kohlefaserpapier ist es erstmalig möglich, mikrostrukturierte Flow-Field-Diffusionsschichten mit einem Aspektverhältnis von bis zu 1 : 10 für Polymermembran-Brennstoffzellen bereitzustellen.

Das erfindungsgemäße mikrostrukturierte Kohlefaserpapier ermöglicht den Ersatz der zwei Funktionseinheiten Strömungskanäle (Flow Fields) und Diffusionsschicht

durch eine einzelne mikrostrukturierte Diffusionsschicht. Dadurch kann eine Funk- tionseinheit eingespart werden, wodurch sich der Brennstoffzellenaufbau verein- facht, was wiederum eine kostengünstigere Herstellung von Brennstoffzellen zur Folge hat. Ferner wird durch Anwendung des erfindungsgemäßen mikrostruktu- rierten Kohlefaserpapiers eine wesentlich geringere Schichtdicke der Zelle er- reicht, was eine Verringerung des Gewichts der Zellen und eine höhere Energie- dichte bewirkt. Zudem wird durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Koh- lefaserpapiers anstelle metallischer Materialien im Rahmen deren Einsatzes als Strö-mungskanal-Platten Korrosion und damit eine Degradation der Leistung ver- mieden.

Durch die erfindungsgemäße Mikrostrukturierung des Kohlefaserpapiers unter Ausbildung von Erhebungen bzw. Stegen, die in direktem Kontakt mit dem Mem- bran-Elektroden-Aufbau (MEA) stehen, bietet das erfindungsgemäße Kohlefaser- papier in seiner Funktion als mikrostrukturierte"Flow Fields"gegenüber den her- kömmlicherweise als Strömungskanal-Platten verwendeten metallischen Materia- lien den Vorteil kleinerer elektrischer Kontaktwiderstände, was zur verbesserten Kontaktierung der Membran-Elektroden-Anordnung beiträgt.

Der Einsatz mikrostrukturierter Strömungskanäle, wie durch das erfindungsgemä- ße Kohlefaserpapier bereitgestellt, verbessert somit unter gleichzeitiger Reduzie- rung der Schichtdicke einer Zelle die Versorgung der Membran-Elektroden-Einheit im Vergleich zu konventionellen Strömungskanal-Platten in Verbindung mit ent- sprechenden Diffusionsschichten.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kohlefaserpapiers, umfassend : (a) Bereitstellen eines Kohlefaserpapiers und (b) Anordnen bzw. Erzeugen einer Mikrostruktur aus Erhebungen und Ver- tiefungen, wobei der Abstand zwischen den Erhebungen im Bereich von 30 bis 1500 lim und die Höhe der Erhebungen im Bereich von 30 bis 1500 ktm liegen, auf mindestens einer Oberflächenseite des Kohlefaserpapiers

mittels Prägen, Heißpressen, Laminieren, Walzen, Schleifen, Fräsen, elektrochemischer Erosion, funkenerosivem Schneiden oder funkenerosi- vem Senken.

Unter funkenerosivem Senken wird erfindungsgemäß im Einklang mit der DIN 8580 bzw. der VDI-Richtlinie 3402 ein funkenerosives Bearbeitungsverfahren ver- standen, worin die mittlere Relativbewegung zwischen Werkzeugelektrode und Werkstück-im vorliegenden Fall das zu strukturierende Kohlefaserpapier-mit der Vorschubbewegung zusammenfällt. Diese Relativbewegung kann sowohl durch Bewegung der Werkzeugelektrode als auch durch die des Werkstücks erzeugt werden. Außerdem kann dieser Relativbewegung eine Zusatzbewegung überla- gert werden. Die Werkzeugelektrode bildet sich dabei unter Aufschlag des Fun- kenspalts im Werkstück ab.

Unter funkenerosivem Schneiden wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung im Einklang mit der DIN 8580 bzw. der VDI-Richtlinie 3402 das Schneiden mit Blatt, Schneiden mit Draht oder Band und Schneiden mit rotierender Scheibe verstan- den.

Das in Schritt (a) bereitgestellte Kohlefaserpapier weist dabei vorzugsweise die vorstehend angeführten Eigenschaften, wie insbesondere Dicke, elektrischer spe- zifischer Widerstand, Gaspermeabilität und Biegefestigkeit, auf. Insbesondere kann ein solches Kohlefaserpapier auf Polyacrylnitril (PAN) -Basis hergestellt sein.

Bislang wurde eine derartige Mikrostrukturierung von Kohlefaserpapier im Stand der Technik nicht ausgeführt, insofern die Mikrostrukturierung von Kohlefaserpa- pieren die Fertigungstechnik vor einige Probleme stellt. Mit vorwiegend spanen- den Fertigungsverfahren können Kohlefaserpapiere nicht oder nur unbefriedigend hinsichtlich der Formgenauigkeit und Kantenschärfe strukturiert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Anordnen der Mikrostruktur mittels funkenerosivem Drahtschneiden (WEDM- Wire-EDM ; wire electrodischarge machining) des Kohlefaserpapiers. Mit WEDM

ist insbesondere auch die Strukturierung von sehr sprödem Kohlefaserpapier oh- ne die Beeinflussung des Kohlefaserpapiers durch Prozesskräfte möglich. Zudem kann aufgrund der Prozesskräftefreiheit im Rahmen des WEDM-Behandelns des Kohlefaserpapiers in besonders vorteilhafter Weise eine sehr hohe Abbildege- nauigkeit und Kantenschärfe des eingesetzten Materials erzielt werden.

Das Verfahren des funkenerosiven Drahtschneidens (Wire-EDM) macht im allge- mein von einer Durchlaufdrahtelektrode Gebrauch, die vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich zwischen 3 bis 250 pm aufweist und beispielsweise aus Messing, Stahl, Wolfram, Kupfer oder Kohlefaser besteht. Die Durchlaufdraht- elektrode wird dabei längs einer gegebenen zusammenhängenden Führungsbahn von einer Zuführeinrichtung, z. B. einer Drahtspeichertrommel, zu einer Aufnah- meeinrichtung, z. B. einer Drahtaufnahmetrommel, durch ein in einer vorbestimm- ten Zeitzone angeordnetes Werkstück gefördert. Ein Paar von Drahtfüh- rungskörpern ist üblicherweise zu beiden Seiten des Werkstücks angeordnet, um in der Schneidzone eine geradlinige Bahn dazwischen zu bilden und so ausgelegt, daß die Drahtelektrode genau das Werkstück durchläuft.

Der Schneidspalt wird mit einem Schneidfluid gespült und mit einem elektrischen Strom hoher Stromdichte gespeist, der zwischen der Drahtelektrode und dem Werkstück fließt, um funkenerosiv vom Werkstück Material abzutragen. Üblicher- weise ist das Schneidfluid destilliertes Wasser oder irgendein dielektrisches Medi- um. Der funkenerosive Arbeitsstrom weist die Form einer Folge elektrischer Im- pulse auf, die zu einer Wiederholung von zeitlich beabstandeten, einzelnen örtli- chen elektrischen Entladungen durch den Arbeitsspalt führt. Jede einzelne, auf eine beliebige örtliche Teilfläche auf der Werkstückoberfläche auftreffende elektri- sche Entladung wirkt unter impulsmäßigem Schmelzen und Verdampfen von Ma- terial, das impulsmäßig von dieser Teilfläche unter die elektrische Entladung be- gleitendem hohen Druck entfernt wird. Bei der aufeinanderfolgenden Zuführung von Arbeitsimpulsen durch den Spalt werden die elektrischen Entladungen wie- derholt, jedoch an wechselnden örtlichen Teilflächen erzeugt, wodurch kumulativ Material vom Werkstück abgetragen wird. Während die funkenerosive Materialab- tragung fortschreitet, wird das Werkstück relativ zur erwähnten geradlinigen Bahn

quer dazu bewegt. Dies ermöglicht, daß die durch das Werkstück geführte Draht- elektrode quer zum Werkstück vorrückt und folglich ein Schneidspalt hinter der vorrückenden Drahtelektrode gebildet wird. Die fortgesetzte Relativbewegung längs einer vorgeschriebenen Bahn führt zur Bildung eines dieser entsprechenden und durch diesen Schneidspalt im Werkzeug definierten gewünschten Profils.

Die erfindungsgemäße Bearbeitung von Kohlefaserpapier zu dessen Mikrostruktu- rierung mittels funkenerosivem Drahtschneiden führt zu einer ausgezeichneten Kantenschärfe und Abbildegenauigkeit dieses Materials. Dadurch können sogar Erhebungen und Vertiefungen bzw. Kanal-und Stegbreiten im Bereich von 30 jim gefertigt werden, sofern entsprechende Drähte und Schnitttechnologien eingesetzt werden.

Die Fig. 1 zeigt ein mittels WEDM mikrostrukturiertes Kohlefaserpapier, das sich zum Einsatz in einer Brennstoffzelle eignet. Dabei wurde ein herkömmliches, im Handel erhältliches Kohlefaserpapier (TGP-H von Toray Industries, Inc.) von ca.

700 m Dicke mittels WEDM derart strukturiert, daß parallele Kanäle mit einer Tiefe von ca. 500 lim und einer Breite von ca. 400 pm gebildet wurden. Die Stege zwischen den Kanälen weisen ein Breite von ca. 400 um auf. Die Gesamtfläche dieser Strukturen kann in einem weiten Bereich gewählt werden. in einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Anordnen der Mikrostruktur mittels thermischem Prägen des Kohlefaserpapiers mit einem Prägewerkzeug, welches an dessen Oberfläche Vorsprünge aufweist, so daß die Vertiefungen an den Stellen erzeugt werden, welche mit den an der Oberfläche des Prägewerkzeugs angeordneten Vorsprüngen in Kontakt kommen.

Die Oberflächentemperatur des Prägewerkzeugs, welches das Negativ der ge- wünschten Oberflächenmikrostruktur aufweist, liegt dabei im allgemeinen über der Zersetzungstemperatur des Kohlefaserpapiers. Die Größe der an der Oberfläche des Prägewerkzeugs angeordneten Vorsprünge beträgt dementsprechend 30 um bis 1500 tj. m, vorzugsweise 300 jj. m bis 700 pm, besonders bevorzugt 400 bis 600 ; j. m.