DE60000451T2

DE60000451T2 - Vliesbahn

Info

Publication number: DE60000451T2
Application number: DE60000451T
Authority: DE
Inventors: Karen Leanne Brown; John Malcolm Gascoyne; Robertson Ralph
Original assignee: Johnson Matthey PLC
Current assignee: Technical Fibre Products Ltd
Priority date: 1999-02-15
Filing date: 2000-02-09
Publication date: 2003-02-27
Anticipated expiration: 2020-02-10
Also published as: EP1165885A1; WO2000047816A1; GB9903320D0; ES2182774T3; EP1165885B1; DE60000451D1; DK1165885T3; JP2002536565A; ATE223985T1; CA2353883A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vliesstoff bzw. Faservlies-Bahn, ein poröses Gasdiffusions-Substrat und eine poröse Gasdiffusions-Elektrode, die in elektrochemischen Vorrichtungen, beispielsweise in einer Brennstoffzelle, Verwendung finden können, und ein Verfahren zur Herstellung der Bahn, des Substrats und der Elektrode.
Elektrochemische Zellen umfassen in ihrem Grundaufbau stets einen festen oder flüssigen Elektrolyten und zwei Elektroden, eine Anode und eine Kathode, an der die gewünschten elektrochemischen Reaktionen stattfinden. In einer Reihe von elektrochemischen Vorrichtungen, in denen ein gasförmiger Reaktant und/oder ein gasförmiges Produkt in eine der Elektrodenstrukturen der Zellen hineindiffundieren und/oder herausdiffundieren müssen, werden Gasdiffusions-Elektroden verwendet. Sie sind dazu bestimmt, den Kontakt zwischen dem Reaktanten und dem Elektrolyten zu optimieren, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu maximieren. In Gasdiffusions-Elektroden-Strukturen werden häufig Elektrokatalysatoren eingearbeitet, um die Geschwindigkeiten der gewünschten Elektrodenreaktionen zu erhöhen.
In vielen verschiedenen elektrochemischen Vorrichtungen, z. B. in Metall-Luft-Batterien, elektrochemischen Gassensoren, bei der Elektrosynthese von nützlichen chemischen Verbindungen und insbesondere in Brennstoffzellen werden Gasdiffusions-Elektroden verwendet. Üblicherweise umfassen Gasdiffusions- Elektroden viele Komponenten und sie bestehen in der Regel aus einer, zwei oder auch mehr Schichten aus diesen Komponenten. In der Regel umfasst die Gasdiffusions-Elektrode eine oder mehr Elektrokatalysatorhaltige Schichten, die auf einer steiferen porösen Substratschicht aufgebracht sind.
Eine Brennstoffzelle ist eine Energie-Umwandlungsvorrichtung, in der die gespeicherte chemische Energie ihres Brennstoffs auf wirksame Weise in elektrische Energie umgewandelt wird durch Kombination von Wasserstoff, der als Gas gespeichert wird, oder Methanol, das als Flüssigkeit oder Gas gespeichert wird, mit Sauerstoff unter Erzeugung von elektrischer Energie. Der Wasserstoff oder das Methanol werden an der Anode oxidiert und der Sauerstoff wird an der Kathode reduziert. Beide Elektroden sind solche vom Gasdiffusions- Typ. Der Elektrolyt muss mit beiden Elektroden in Kontakt stehen und kann saurer oder alkalischer, flüssiger oder fester Natur sein. In Protonenaustausch-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) ist der Elektrolyt eine feste Protonen leitende Polymer-Membran, die üblicherweise auf Perfluorosulfonsäure-Materialien basiert, und die aus der Membran und den beiden Gasdiffusions-Elektroden gebildete kombinierte Struktur ist bekannt als Membran-Elektroden-Anordnung (MEA). Alternativ kann die MEA aus zwei porösen Gasdiffusions-Substraten und einer festen Protonen leitenden Polymer-Membran, die auf beiden Seiten katalysiert ist, bestehen, oder die MEA kann aus einer Gasdiffusions-Elektrode und einem Gasdiffusions-Substrat und einem festen Protonen leitenden Polymer, das auf der dem Gasdiffusions-Substrat gegenüberliegenden Seite katalysiert ist, bestehen. Die (das) Anoden-Gasdiffusions-Elektrode- oder -Substrat soll porös sein und den Reaktanten Wasserstoff oder Methanol aus der Oberfläche der Elektrode oder des Substrats, die (das) der Reaktanten-Brennstoffzufuhr ausgesetzt ist, eintreten lassen und dann durch die Dicke der Elektrode oder des Substrats zu den Reaktionsstellen, die Elektrokatalysatoren, in der Regel solche auf Platin-Metallbasis, enthalten, hindurchdiffundieren lassen, um die elektrochemische Oxidation von Wasserstoff oder Methanol zu maximieren. Die Anode ist auch dazu bestimmt, den Elektrolyten durch die Oberfläche der Elektrode oder des Substrats, die (das) dem Elektrolyten ausgesetzt ist, durchdringen zu lassen und auch mit den gleichen Reaktionsstellen in Kontakt zu kommen. Bei Elektrolyten vom sauren Typ sind das Produkt der Anoden-Reaktion Protonen und diese können dann auf wirksame Weise aus den Anoden-Reaktionsstellen durch den Elektrolyten hindurch zu der Kathoden-Gasdiffusions- Elektrode oder -Substrat transportiert werden. Die Kathode soll ebenfalls porös sein und Sauerstoff oder Luft in die Elektrode oder das Substrat eindringen und durch dieses zu den Reaktionsstellen diffundieren lassen. Üblicherweise werden Elektrokatalysatoren eingearbeitet, um die Reaktionsgeschwindigkeit an den Kathoden- Reaktionsstellen, an denen die Protonen sich mit Sauerstoff verbinden unter Bildung von Wasser, zu maximieren. Das Produkt Wasser muss dann aus der Kathodenstruktur herausdiffundieren. Die Struktur der Kathode muss so sein, dass sie die wirksame Entfernung des Produkts Wassers ermöglicht. Wenn sich Wasser in der Kathode anreichert, wird es schwieriger für den Reaktanten Sauerstoff, zu den Reaktionsstellen zu diffundieren und damit nimmt das Leistungsvermögen der Brennstoffzelle ab. Im Falle der mit Methanol betriebenen PEMFCs ist zusätzliches Wasser als Folge des in dem Methanol enthaltenen Wassers vorhanden, das von der Anodenseite durch die Membran hindurch zu der Kathodenseite transportiert werden kann. Es muss eine höhere Menge Wasser an der Kathode entfernt werden. Es gilt aber auch, dass bei Protonen leitenden Membran- Elektrolyten, dann, wenn zu viel Wasser aus der Kathodenstruktur entfernt wird, die Membran austrocknen kann, was zu einer signifikanten Abnahme des Leistungsvermögens der Brennstoffzelle führt.
Üblicherweise basieren die in den PEMFC verwendeten gasporösen Substrate auf Materialien mit einer hohen Dichte, wie z. B. steifem Carbonfaser-Papier (d. h. Toray TGP-H-60 oder TGP-H-90 von der Firma Toray Europe Ltd., 7 Old Park Lane, London, W1Y 4AD) mit einer Schüttdichte von 0,49 g/cm³ oder auf einem Carbonfaser-Textilgewebe, wie z. B. Zoltek PWB-3 (der Firma Zoltek Corporation, 3101 McKelvey Road, St. Louis, Missouri 63044) mit einer Schüttdichte von 1,75 g/cm³. Substrate wie diese weisen im allgemeinen gute Wasser-Rückhalteeigenschaften auf, sie lassen jedoch entweder die Reaktantengase nicht leicht passieren wie im Falle des Carbonfaser-Papiers, oder sie haben keine Dimensions-Stabilität, da das Gewebe in Richtungen der Hauptoberflächen (in den x- und y-Richtungen) leicht gestreckt werden kann. Außerdem sind diese Material- Typen teuer, verglichen mit den Materialkosten, die erforderlich sind, um Brennstoffzellen konkurrenzfähig zu den bereits existierenden Technologien zu machen, insbesondere im Hinblick auf mobile Anwendungen, z. B. in Automobilen und Bussen.
In EP-A-0 875 524 sind Faservliesstoff-Bahnen beschrieben, die Fasern aufweisen, deren Länge in dem Bereich von 0,05 bis 300 mm liegt.
Neuerdings haben Elektrodenstrukturen, die auf einem porösen Substrat basieren, das ein Vliesstoff- Netzwerk aus Carbonfasern umfasst, bei dem ein teilchenförmiges Material in das Fasernetzwerk eingebettet ist, wie in EP-A-0 791 974 beschrieben, sich als solche mit vergleichbarer Leistungsfähigkeit wie Strukturen erwiesen, die auf einem Carbonfaser-Papier oder Carbonfaser-Gewebe basieren, ohne die Nachteile dieser Materialien zu haben, und das bei viel niedrigeren Faser-Schüttdichten in der Regel von unter 0,1 g/cm³. Elektroden auf Basis von Carbonfaservlies-Strukturen, wie z. B. Optimat® 203 mit einer Schüttdichte von 0,07 g/cm³ (von der Firma Technical Fibre Products, Kendal, Cumbria, UK) ergeben eine physikalisch feste, dimensionsbeständige und handhabbare Struktur bei Kosten, die mit mobilen Anwendungen kompatibel sind. Obgleich die Gasdiffusions-Eigenschaften dieser Substrate sehr gut sind, ermangelt es der Struktur jedoch an der Fähigkeit, genügend Wasser zurückzuhalten, wenn sie bei hohen Stromdichten betrieben werden, um eine optimale Hydratation der Membran aufrechtzuerhalten. Als Folge davon steigt der Widerstand der Membran an bei einem entsprechenden Verlust an Gesamtleistung.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein poröses Substrat bereitzustellen, das geeignet ist beispielsweise für die Verwendung in einer Gasdiffüsions-Elektrode, das die Festigkeit und Flexibilität eines Carbonfaservlies-Netzwerk-Substrats und dessen gute Gasdiffusions-Eigenschaften beibehält, das aber auch stark verbesserte Wasserrückhalte-Eigenschaften aufweist. Die Kontrolle (Steuerung) dieser Eigenschaften ist höchst wichtig, um ein optimales Funktionieren der PEMFC zu gewährleisten, die in einem Bereich unterschiedlicher Bedingungen, beispielsweise in bezug auf Temperatur, Druck, Reaktantengasströmungsraten und Reaktantengasfeuchtigkeits-Gehalten betrieben werden können.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit eine Vliesstoff bzw. Faservlies-Bahn, die umfasst eine Vielzahl von längeren Fasern in den x- und y-Richtungen mit einer durchschnittlichen Länge von mehr als 5 mm und eine Vielzahl von kürzeren Fasern mit einer durchschnittlichen Länge von weniger als 3 mm, wobei mindestens ein Teil der Fasern mit einer durchschnittlichen Länge von weniger als 3 mm in der z-Richtung ausgerichtet ist, und wobei der Mengenanteil der Fasern mit einer durchschnittlichen Länge von weniger als 3 mm mindestens 20%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Fasern, beträgt und die Dichte der Faservlies-Bahn 0,1 g/cm³ bis 0,35 g/cm³ beträgt.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine Vliesstoff bzw. Faservlies-Bahn, die bis zu einschließlich 80 Gew.-% längere Fasern in den x- und y-Richtungen mit einer durchschnittlichen Länge von mehr als 5 mm und 20 Gew.-% oder mehr kürzere Fasern mit einer durchschnittlichen Länge von weniger als 3 mm umfasst, wobei mindestens ein Teil der Fasern mit einer durchschnittlichen Länge von weniger als 3 mm in der z-Richtung orientiert ist und die Dichte der Faservlies-Bahn 0,1 g/cm³ bis 0,35 g/cm³ beträgt.
Die Fasern mit einer durchschnittlichen Länge von mehr als 5 mm (die "längeren Fasern") verleihen der Bahn physikalische Festigkeit, während die Fasern mit einer durchschnittlichen Länge von weniger als 3 mm (die "kürzeren Fasern") die Erhöhung der Dichte der Bahn auf einen Wert über den hinaus, der mit längeren Fasern allein erzielbar ist, ermöglichen. Da mit steigendem Mengenanteil an kürzeren Fasern die Festigkeit der Bahn abnimmt, beträgt daher zweckmäßig der Mengenanteil an kürzeren Fasern nicht mehr als 85 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Fasern in dem Substrat, vorzugsweise nicht mehr als 70 Gew.-% der Gesamtmenge der Fasern.
Die längeren Fasern sind alle in den x- und y-Richtungen orientiert, während die kürzeren Fasern in den x-, y- und z-Richtungen orientiert sein können.
Die längeren Fasern haben eine durchschnittliche Länge von mehr als 5 mm und zweckmäßig haben sie eine maximale durchschnittliche Länge von 50 mm. Die bevorzugte durchschnittliche Länge der Fasern beträgt 5 mm bis mehr als 30 mm. Der Durchmesser der längeren Fasern liegt in der Regel in dem Bereich von 0,2 bis 25 um, vorzugsweise in dem Bereich von 2 bis 20 um.
Die kürzeren Fasern haben eine durchschnittliche Länge von weniger als 3 mm und zweckmäßig haben sie eine durchschnittliche Länge von weniger als 2 mm, vorzugsweise von weniger als 1 mm. Die kürzeren Fasern haben zweckmäßig eine minimale durchschnittliche Länge von 50 um, vorzugsweise von 100 um. Der Durchmesser der kürzeren Fasern liegt in der Regel in dem Bereich von 0,1 bis 20 um, vorzugsweise in dem Bereich von 0,4 bis 10 um. Zu Beispielen für solche Fasern gehören gesponnene Fasern und Carbonfaser-Wolle vom Typ FRC 15 (von der Firma Le Carbone (GB) Ltd.), die besteht aus gemischten Längen, die im allgemeinen zwischen etwa 0.2 und etwa 2 mm liegen.
Zu Fasern, die für die Verwendung als längere Fasern und als kürzere Fasern geeignet sind, gehören Carbon-, Glas-, Siliciumdioxid-, Polymer-, Metall- oder Keramikfasern, vorzugsweise Carbon-, Siliciumdioxid-, Metall- oder Keramikfasern, am meisten bevorzugt Carbonfasern. Die als längere und kürzere Fasern verwendeten Fasern können aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Die Dichte der Faservlies-Bahn beträgt zweckmäßig mehr als 0,1 g/cm³, die maximale Dichte der Faservlies-Bahn beträgt zweckmäßig 0,35 g/cm³. Der bevorzugte Bereich liegt bei 0,1 bis 0,2 g/cm³.
Die Fasern in der Bahn werden zusammengehalten durch ein Polymer (das "Schluss-Polymer"). Je nach der verwendeten polymeren Substanz kann sie auch zu den wesentlichen Elektrode-Struktureigenschaften in einem Gasdiffusions-Substrat oder -Elektrode beitragen, beispielsweise zur Kontrolle (Steuerung) des hydrophoben/hydrophilen Gleichgewichts. Zu Beispielen für solche Polymere gehören Polytetrafluoroethylen (PTFE), fluoriertes Ethylen-Propylen (FEP), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Viton A, Polyethylen, Polypropylen, Ethylen-Propylen. Das bevorzugte Schluss-Polymer ist PTFE oder FEP.
Die Faservlies- bzw. Vliesstoff-Bahn kann nach einem einzelnen individuellen Verfahren hergestellt sein oder sie kann unter Anwendung eines kontinuierlichen Herstellungsverfahrens, beispielsweise eines Papier- Herstellungsverfahrens, hergestellt sein. In beiden Fällen werden die Fasern (die langen und die kurzen Fasern) in einer Lösung, vorzugsweise in Wasser, dispergiert unter Bildung einer Aufschlämmung. Der Aufschlämmung werden außerdem ein oder mehr Polymere als erstes Polymer, vorzugsweise hydrophile Polymere, beispielsweise Polyvinylalkohol (PVA) zugegeben. Das erste Polymer kann in Form von Fasern vorliegen.
Wenn einmal die langen und kurzen Fasern und das erste Polymer in der Flüssigkeit gleichmäßig dispergiert sind, wird die Flüssigkeit entweder entwässert im Falle eines einzelnen individuellen Verfahrens oder die Fasern werden zu einer kontinuierlichen Struktur geformt durch die kontrollierte Ablagerung der Aufschlämmung auf einem sich bewegenden Maschengitter. Die so hergestellte Bahn wird in einem Ofen getrocknet und erforderlichenfalls in eine Lösung des Schluss-Polymers eingebracht, welches das gleiche wie das erste Polymer oder davon verschieden sein kann, trocknen gelassen und anschließend wärmebehandelt, um das Schluss-Polymer, falls verwendet, zu verfestigen oder um das erste Polymer zu verfestigen. Wenn es nicht erwünscht ist, dass das erste Polymer in der fertigen Bahnstruktur verbleiben soll, kann es durch die Wärmebehandlung oder durch ein anderes geeignetes Verfahren entfernt werden. Außerdem können unerwünschte Rückstände durch die Wärmebehandlung oder durch ein alternatives geeignetes Verfahren entfernt werden.
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ergibt ein Gasdiffusions-Substrat, das eine Faservlies- bzw. Vliesstoff-Bahn, wie vorstehend definiert, und ein Füllstoffmaterial umfasst. Das Füllstoffmaterial dient dazu, geeignete Gasdiffusions-, elektrische Leitfähigkeits- und Wasserrückhalte-Eigenschaften zu verleihen, wenn es als Gasdiffusions-Substrat verwendet wird. Zweckmäßig umfasst das Füllstoffmaterial teilchenförmigen Kohlenstoff und ein Polymer, wobei der Kohlenstoff zweckmäßig in Form eines Pulvers vorliegt. Das Kohlenstoff-Pulver kann irgendeines der Materialien sein, die allgemein als Ruß bezeichnet werden, wie z. B. Acetylenruße, Ofenruße, Pulver auf Pechkoks-Basis und graphitierte Versionen dieser Materialien. Zweckmäßig können bei dieser Anwendung außerdem sowohl natürliche als auch synthetische Graphite verwendet werden. Diese Materialien können entweder einzeln oder in Kombination verwendet werden. Der oder die teilchenförmige(n) Kohlenstoff(e) in der Füllung werden durch ein oder mehr Polymere zusammengehalten. Die verwendeten polymeren Materialien tragen zu den wesentlichen Elektroden-Struktureigenschaften, beispielsweise der Kontrolle (Steuerung) des hydrophobenlhydrophilen Gleichgewichts bei. Zu Beispielen für diese Polymeren gehören Polytetrafluoroethylen (PTFE), fluoriertes Ethylen-Propylen (FEP), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Viton A, Polyethylen, Polypropylen, Ethylen-Propylen. Das bevorzugte Schluss-Polymer ist PTFE oder FEP.
Das Füllstoffmaterial kann außerdem einen anderen Katalysator als einen Elektrokatalysator enthalten, beispielsweise einen Gasphasen-Katalysator, der dazu bestimmt ist, Verunreinigungsgase in den Brennstoff- oder Oxidationsmittel-Beschickungsströmen, beispielsweise Kohlenmonoxid in dem Wasserstoff-Brennstoff, zu entfernen, wenn dieser aus einem Reformator zugeführt wird.
Das am besten geeignete Verfahren zur Herstellung des Gasdiffusions-Substrats besteht darin, die Faservlies-Bahn herzustellen beispielsweise unter Anwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens und anschließend das Füllstoffmaterial einzufüllen. Der Hauptanteil des Füllstoffmaterials wird in die Struktur der Faservlies-Bahn hineingepresst, obgleich auch eine geringe Menge an der Oberfläche verbleiben kann. Alternativ kann ein kontinuierliches Herstellungsverfahren ähnlich demjenigen, wie es zur Herstellung der Faservlies- Bahn verwendet wird, angewendet werden, wobei das Füllstoffmaterial der Aufschlämmung zugesetzt wird. Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung eine Gasdiffusionselektrode, die ein Gasdiffusions- Substrat, wie es vorstehend beschrieben worden ist, und ein Elektrokatalysator-Material umfasst. Das Elektrokatalysator-Material wird in Form einer dünnen Schicht auf die Oberfläche des Gasdiffusions-Substrats aufgebracht. Ein Teil des Elektrokatalysator-Materials kann geringfügig in das Substrat eindringen, wobei das restliche Material eine Schicht auf der Oberfläche des Substrats bildet. Das Elektrokatalysator-Material umfasst eine oder mehr elektrokatalytische Komponenten und ein Polymer. Zu geeigneten Polymeren gehören hydrophobe Polymere wie PTFE und/oder Protonen leitende Polymere wie Nafion (von der Firma DuPont). Die elektrokatalytische Komponente ist definiert als eine Substanz, welche die Geschwindigkeit der interessierenden elektrochemischen Reaktion fördert oder verbessert, jedoch durch die Reaktion unverändert bleibt. Die ausgewählte(n) elektrolytische Komponente(n) hängt von der Anwendung ab, für welche die Gasdiffusions- Elektrode vorgesehen ist. Dabei kann es sich beispielsweise handeln um ein Edelmetall oder ein Übergangsmetall in Form des Metalls oder eines Metalloxids, entweder ohne Träger oder aufgebracht auf einen Träger in einer dispergierten Form auf einem Kohlenstoff-Träger; ein Kohlenstoff oder ein organischer Komplex in Form eines feinteiligen Pulvers mit einer großen spezifischen Oberfläche oder in Form einer Faser oder in Form einer Kombination dieser Optionen. Ein Beispiel für ein geeignetes Elektrokatalysator-Material ist in EP-A-0 731 520 beschrieben.
Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die Erfindung eine Membran-Elektroden-Anordnung, die umfasst eine erfindungsgemäße Gasdiffusions-Elektrode, wie sie vorstehend definiert ist, und eine zweite Gasdiffusions- Elektrode, die eine erfindungsgemäße Elektrode sein kann oder nicht sein kann, und eine feste Polymer- Membran wie z. B. Nafion®. Alternativ betrifft die Erfindung eine Membran-Elektroden-Anordnung, die eine erfindungsgemäße Gasdiffusions-Elektrode, wie vorstehend definiert, ein Gasdiffusions-Substrat, das ein erfindungsgemäßes Substrat sein kann oder nicht, und eine feste Polymer-Membran wie z. B. Nafion® umfasst, wobei eine Elektrokatalysatorschicht auf die Seite der Membran aufgebracht ist, die dem Gasdiffusions-Substrat gegenüberliegt. Alternativ umfasst die Erfindung eine Membran-Elektroden-Anordnung, die umfasst ein erfindungsgemäßes Gasdiffusions-Substrat, wie es vorstehend definiert ist, eine Gasdiffusions-Elektrode, die eine erfindungsgemäße Elektrode sein kann oder nicht, und eine feste Polymermembran, wie z. B. Nafion®, wobei eine Elektrokatalysatorschicht auf die Seite der Membran aufgebracht ist, die dem Gasdiffizsions-Substrat gegenüberliegt. Alternativ betrifft die Erfindung eine Membran-Elektroden-Anordnung, die umfasst ein erfindungsgemäßes Gasdiffusions-Substrat, wie es vorstehend definiert ist, und ein zweites Gasdiffusions- Substrat, das ein erfindungsgemäßes Substrat sein kann oder nicht, und eine feste Polymermembran, wie z. B. Nafion®, worin eine Elektrokatalysatorschicht auf beide Seiten der festen Polymermembran aufgebracht ist.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle, die ein erfindungsgemäßes Gasdiffusions-Substrat umfasst. Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle, die eine erfindungsgemäße Gasdiffusions-Elektrode umfasst.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele (gemäß der Erfindung) und das folgende Vergleichsbeispiel (nicht erfindungsgemäß) beschrieben.
Die erfindungsgemäßen Materialien können entweder als Anode oder als Kathode und tatsächlich auch sowohl als Anode als auch Kathode in den elektrochemischen Zellen mit einer spezifischen Anwendung verwendet werden. In den folgenden Beispielen werden die Elektroden als Kathode den Membran-Elektroden- Anordnungen (MEAs) einverleibt und in einer Protonenaustausch-Membran-Brennstoffzelle bewertet, wobei Wasserstoff als Anodenbrennstoff und Luft oder reiner Sauerstoff als Kathoden-Oxidationsmittel fungieren. An der Kathode tritt der größte Teil der Zellenleistungs-Verluste (Spannung) beim Betrieb der Zellen mit Wasserstoff als Brennstoff auf. Die MEAs wurden hergestellt durch Warmverpressen der Anode und der Kathode mit jeder Oberfläche der festen Protonen leitenden Elektrolyt-Membran, wie dies auf diesem Gebiet allgemeine Praxis ist.
Die Anoden waren solche vom mehr konventionellen Typ, wie sie derzeit in großem Umfang in PEMFC verwendet werden. Sie umfassten ein konventionelles vorher tefloniertes steifes elektrisch leitendes Carbonfaser-Papiersubstrat (Toray TGP-H-090, erhältlich von der Firma Toray Industries Inc., Tokyo, Japan), auf das eine Schicht aus einem Katalysator mit 20 Gew.-% Platin und 10 Gew.-% Ruthenium, der auf Cabot's Vulcan® XC72R (von der Firma Johnson Matthey Inc., New Jersey, USA) als Träger in einer Elektroden- Platinbeladung von 0,25 mg/cm² geometrischer Elektrodenfläche aufgebracht war. Die MEAs wurden in einer PEMFC-Einzelzelle mit einer elektrochemisch aktiven geometrischen Fläche von 240 cm² bewertet. Die Einzelzelle bestand aus Graphitplatten, in denen Strömungsfelder maschinell hergestellt worden waren, um die Reaktantengase und das Anfeuchtungswasser zu verteilen und die Produkte zu entfernen. Die MEA war zwischen den Strömungsfeld-Platten angeordnet. Der Betrieb der Einzelzelle wurde mittels einer speziell dafür aufgebauten Teststationsanlage gesteuert (kontrolliert). Die "Leistung" der Brennstoffzelle wurde bewertet durch Messung der Beziehung zwischen der Spannung und der Stromdichte unter Anwendung eines Standard-Betriebs- Verfahrens. Wenn nichts anderes angegeben ist, waren diese Bedingungen in der Regel eine Reaktantengas- Einlasstemperatur von 80 0C, ein Druck der Anoden- und Kathoden-Reaktantengase von 3 Atmosphären und eine Reaktanten-Stöchiometrie von 1,5 für Wasserstoff und 2,0 für Luft.

Vergleichsbeispiel 1 (nicht erfindungsgemäß)

Eine vorgeformte Carbonfaservlies-Struktur war ein Carbonfaser-Papier mit einer Dichte von 17 g/m² (entsprechend 0,07 g/cm³) (Optimat® 203 von der Firma Technical Fibre Products, Kendal, Cumbria, UK). Dieses wurde mit Polytetrafluoroethylen (PTFE) vorbeschichtet durch Imprägnieren des Gewebes für 1 min in einer Lösung von 20 Gew.-Teilen einer PTFE-Emulsion (ICI Fluon® Dispersion GPl) in 500 Gew.-Teilen Wasser und anschließendes Entwässern und Trocknenlassen. Das beschichtete Carbonfaser-Papier wurde an der Luft auf 350ºC erhitzt, um das PTFE zu sintern.
Das für die Einbettung innerhalb des Fasernetzwerks verwendete teilchenförmige Material (das "Füllstoffmaterial") wurde hergestellt durch Dispergieren von 47 Gew.-Teilen Acetylenruß (Shawinigan-Black von der Firma Chevron Chemicals, Houston, Texas, USA) in 1200 Teilen Wasser. Dazu wurden 3 Gew.-Teile PTFE in Form einer Dispersion in Wasser (ICI Fluon® Dispersion GP1, Suspension mit 64 Gew.-% Feststoffen) zugegeben und die Mischung wurde gerührt, um die PTFE-Teilchen innerhalb des Rußes zu verteilen. Das resultierende Material wurde dispergiert unter Verwendung eines Mischers mit hoher Scherwirkung (Silverson L4R) zur Herstellung einer glatten Mischung.
Das teilchenförmige Material wurde von einer Seite her in die Carbonfaser-Vliesstruktur hineingepresst und unter Verwendung einer Metallkante bzw. -schneide nivelliert. Die Folie wurde dann 1 min lang bei 200ºC getrocknet. Auf die gleiche Seite wurde eine weitere dünne Schicht aus dem teilchenförmigen Material aufgebracht; die Struktur wurde sandwichartig zwischen zwei Filterpapier-Lagen angeordnet und durch eine Gruppe von Walzen hindurchgeführt, um die Schicht zu pressen. Dann wurde die Folie 1 min lang bei 200ºC getrocknet. Dieses Verfahren wurde dann für die zweite Seite wiederholt. Weitere dünne Schichten aus dem teilchenförmigen Material wurden auf jede Seite aufgebracht unter Pressen und Trocknen, bis eine Beladung von 3,33 mg/cm² mit Kohlenstoff erzielt war. Die resultierende Gasdiffusions-Substratfolie wurde an der Luft 30 min lang bei 200ºC gebrannt.
Ein Katalysatormaterial, das zur Herstellung der Elektrokatalysatorschicht auf dem Gasdiffusions- Substrat verwendet wurde, wurde hergestellt durch Dispergieren von 100 Gew.-Teilen von 40 Gew.-% Platin auf Ruß (Johnson Matthey FC40) in 30 Teilen DuPont Nafion® EW 1100 in Form einer 9,5 gew.-%igen Dispersion in Wasser unter Anwendung von Verfahren, wie sie in EP-A-0 731 520 beschrieben sind. Der teilchenförmige Katalysator wurden unter Verwendung eines Mischers mit hoher Scherwirkung (Silverson L4R) dispergiert zur Herstellung einer glatten Druckfarbe.
Dann wurde eine Schicht aus dem Katalysatormaterial auf die obere Oberfläche des gefüllten Vliesstoff-Gasdiffusions-Substrats aufgebracht zur Erzielung einer Beladung von 0,71 mg Platin/cm². Die Elektrode bildete die Kathode einer MEA, wobei die Platin-Elektrokatalysatorschicht an die Membran-Elektrolyt- Oberfläche gebunden war. Die verwendete Membran war DuPont Nafion® 112. Die Ergebnisse der Einzelzelle beim Betrieb mit Luft und Sauerstoff sind in den Fig. 1 und 2 jeweils angegeben.

Beispiel 1

1,0 g Carbon-Stapelfasern mit einer Faserlänge von 6 mm und 1,0 g Carbron-Stapelfasern mit einer Faserlänge von 12 mm (Typ RK 10, geliefert von der Firma RK Carbon Fibres Ltd.) wurden zusammen mit 1,0 g Carbonfaser-Wolle, bestehend aus solchen mit gemischten Längen zwischen 0,2 und 2 mm (Typ FRC 15, geliefert von der Firma Le Carbone (Great Britain) Ltd., Portslade, Sussex, UK) und 0,2 g Polyvinylalkohol- Fasern (Typ Mewlon® SML, geliefert von der Firma Unitika Ltd.; Osaka 541, Japan) in 3 l Wasser dispergiert unter Verwendung eines Standard-Catering-Mischers. Die resultierende Dispersion wurde verwendet zur Herstellung einer Probe aus einer Faservlies-Folie einer Größe von 330 mm im Durchmesser (855,3 cm²) in einem bei speziell dafür aufgebauten Blattformer (im allgemeinen Betrieb ähnlich einem Standard-SCA-Blattformer, geliefert von der Firma AB Lorentzen & Wettre, Box 4, S-163 93 Stockholm, Schweden). Die Folie wurde an der Luft bei 100ºC getrocknet und hatte eine Dichte von 0,116 g/cm³.
Die Carbonfaservlies-Folie wurde auf eine Folie aus PTFE (eine gewalzte Folie der Firma Dalau Ltd., Clacton-on-sea, Essex, UK) aufgebracht und mit einer Suspension von 2,3 g PTFE (ICI Fluon®-Dispersion GPI, Suspension mit 64 Gew.-% Feststoffen) in 10 g Wasser besprüht. Die Hälfte der Suspension wurde auf die erste Seite aufgesprüht, die Folie wurde bei 120ºC getrocknet und die andere Seite wurde mit dem Rest der Suspension besprüht. Die resultierende Folie wurde an der Luft 15 min lang bei 340ºC gebrannt, wobei man eine 30 %ige Beladung mit PTFE erhielt.
Ein teilchenförmiges Material (hergestellt wie oben im Vergleichsbeispiel 1 beschrieben) wurde von einer Seite her in die Carbonfaservlies-Folie hineingepresst und unter Verwendung einer Metallkante geglättet. Dann wurde die Folie 1 min lang bei 200ºC getrocknet. Es wurde eine weitere dünne Schicht aus dem teilchenförmigen Material auf die gleiche Seite aufgebracht; die Struktur wurde sandwichartig zwischen zwei Lagen Filterpapier angeordnet und durch eine Gruppe von Walzen hindurchgeführt, um die Schicht zu pressen. Dann wurde die Folie 1 min lang bei 200ºC getrocknet. Dieses Verfahren wurde für die zweite Seite wiederholt. Es wurden weitere dünne Schichten aus dem teilchenförmigen Material abwechselnd auf jede Seite unter Pressen und Trocknen aufgebracht, bis eine Beladung von 3,33 mg/cm² mit Kohlenstoff erzielt war. Die resultierende Gasdiffusions-Substratfolie wurde 30 min lang an der Luft bei 300ºC gebrannt.
Ein Katalysatormaterial, das zur Bildung der Elektrokatalysatorschicht auf dem Gasdiffusions-Substrat verwendet wurde, wurde hergestellt wie in dem obigen Vergleichsbeispiel 1 beschrieben.
Eine Schicht aus dem Elektrokatalysator-Material wurde auf die obere Oberfläche des gefüllten Vliesstoff-Gasdiffusions-Substrats aufgebracht zur Erzielung einer Beladung von 0,8 mg Platin/cm².
Die Elektrode bildete die Kathode einer MEA, wobei die Platin-Katalysatorschicht an die Membran- Elektrolyt-Oberfläche gebunden war. Die verwendete Membran war aus DuPont Nafion® 112. Die Ergebnisse einer Einzelzelle beim Betrieb mit Luft und Sauerstoff sind in den Fig. 1 und 2 jeweils angegeben.

Beispiel 2

1,0 g Carbon-Stapelfasern mit einer Faserlänge von 6 mm und 1,0 g Carbon-Stapelfasern mit einer Faserlänge von 12 mm (Typ RK 10, geliefert von der Firma RK Carbon Fibres Ltd.) wurden zusammen mit 1,0 g Carbonfaserwolle, bestehend aus solchen mit gemischten Längen zwischen 0,2 mm und 2 mm (Typ Donacarbo MC232, geliefert von der Firma Asland-Sudchemie-Kernfest GmbH, Hilden, Deutschland) und 0,3 g Polyvinylalkohol-Fasern (Typ Mewlon® SML, geliefert von der Firma Unitika Ltd., Osaka 541, Japan) in 3 l Wasser dispergiert unter Verwendung eines Standard-Catering-Mischers. Die resultierende Dispersion wurde verwendet zur Herstellung einer Probe einer Vliesstoff-Folie mit einer Größe mit einem Durchmesser von 330 mm (855,3 cm²) in einem eigens dafür aufgebauten Blattformer (im allgemeinen Betrieb ähnlich einem Standard- SCA-Blattformer, geliefert von der Firma AB Lorentzen & Wettre, Box 4,5-163 93 Stockholm, Schweden). Die Folie wurde bei 100ºC an der Luft getrocknet und wies eine Dichte von 0,13 g/cm³ auf.
Die Carbon-Faservlies-Folie wurde auf eine Folie aus PTFE (gewalzte Folie der Firma Dalau Ltd., Clacton-on-sea, Essex, UK) aufgebracht und mit einer Suspension von 2,3 g PTFE (ICI Fluon®-Dispersion GP1, Suspension mit 64 Gew.-% Feststoffen) in 10 g Wasser besprüht. Die Hälfte der Suspension wurde auf die erste Seite aufgesprüht, die Folie wurde bei 120ºC getrocknet und auf die andere Seite wurde der Rest der Suspension aufgesprüht. Die resultierende Folie wurde 15 min lang bei 340ºC an der Luft gebrannt, wobei man eine 30 %ige Beladung mit PTFE erhielt.
Das teilchenförmige Material (hergestellt wie oben in dem Vergleichsbeispiel 1 beschrieben) wurde von einer Seite her in die Carbonfaservlies-Folie hineingepresst und unter Verwendung einer Metallkante geglättet. Dann wurde die Folie 1 min lang bei 200ºC getrocknet. Eine weitere dünne Schicht aus dem teilchenförmigen Material wurde auf die gleiche Seite aufgebracht; die Struktur wurde sandwichartig zwischen zwei Filterpapierblätter gelegt und durch eine Gruppe von Walzen hindurchgeführt, um die Schicht zu pressen. Die Folie wurde dann 1 min lang bei 200ºC getrocknet. Dieses Verfahren wurde für die zweite Seite wiederholt. Es wurden weitere dünne Schichten aus dem teilchenförmigen Material abwechselnd auf jede Seite aufgebracht unter Pressen und Trocknen, bis eine Beladung von 6,03 mg/cm² Kohlenstoff erzielt war. Die resultierende Gasdiffusions-Substratfolie wurde 30 min lang an der Luft bei 300ºC gebrannt.
Ein Katalysatormaterial, das für die Bildung der Elektrokatalysatorschicht auf dem Gasdiffusions- Substrat verwendet wurde, wurde wie im obigen Vergleichsbeispiel 1 beschrieben hergestellt.
Dann wurde eine Schicht aus dem Elektrokatalysator-Material auf die obere Oberfläche des gefüllten Vliesstoff-Gasdiffusionssubstrats aufgebracht zur Erzielung einer Beladung mit Platin von 0,73 mg/cm².
Die Elektrode bildete die Kathode einer MEA, wobei die Platin-Katalysatorschicht mit der Membran- Elektrolytoberfläche verbunden war. Die verwendete Membran war aus DuPont Nafion® 112. Die Ergebnisse der Einzelzelle beim Betrieb mit Luft und Sauerstoff sind jeweils in den Fig. 1 und 2 dargestellt.

Beispiel 3

1,0 g Carbon-Stapelfasern mit einer Faserlänge von 6 mm und 1,0 g Carbon-Stapelfasern mit einer Faserlänge von 12 mm (Typ RK 10, geliefert von der Firma RK Carbon Fibres Ltd.) wurden zusammen mit 1,0 g Carbonfaserwolle, bestehend aus gemischten Längen zwischen 0,2 mm und 2 mm (Typ Donacarbo S232, geliefert von der Firma Asland-Sudchemie-Kemfest GmbH, Hilden, Deutschland) und 0,25 g Polyvinylalkohol- Fasern (Typ Mewlon® SML, geliefert von der Firma Unitika Ltd., Osaka 541, Japan) in 3 l Wasser dispergiert unter Verwendung eines Standard-Catering-Mischers. Die resultierende Dispersion wurde verwendet zur Herstellung einer Probe einer Faservlies-Folie mit einer Größe von 330 mm im Durchmesser (855,3 cm²) in einem individuell angefertigten Blattformer (ähnlich betrieben wie ein Standard-SCA-Blattformer, geliefert von der Firma AB Lorentzen & Wettre, Box 4,5-163 93 Stockholm, Schweden). Die Folie wurde bei 100ºC an der Luft getrocknet und hatte eine Dichte von 0,12 g/cm³.
Das Carbonfaservlies wurde auf eine Folie aus PTFE (eine gewalzte Folie der Firma Dalau Ltd., Clacton-on-sea, Essex, UK) gelegt und mit einer Suspension von 2,3 g PTFE (ICI' Fluon®-Dispersion GP1, Suspension mit 64 Gew.-% Feststoffen) in 10 g Wasser besprüht. Die Hälfte der Suspension wurde auf die erste Seite aufgesprüht, die Bahn wurde bei 120ºC getrocknet und die andere Seite wurde mit dem Rest der Suspension besprüht. Die resultierende Bahn wurde 15 min lang bei 340ºC an der Luft gebrannt, wobei man eine PTFE- Beladung von 30% erhielt.
Das teilchenförmige Material (hergestellt wie in dem obigen Vergleichsbeispiel 1 beschrieben) wurde von einer Seite her in die Carbonfaservlies-Folie hineingepresst und unter Verwendung einer Metallkante geglättet. Dann wurde die Bahn 1 min lang bei 200ºC getrocknet. Es wurde eine weitere dünne Schicht aus dem teilchenförmigen Material auf die gleiche Seite aufgebracht; die Struktur wurde sandwichartig zwischen zwei Filterpapierlagen gelegt und durch eine Anordnung von Walzen hindurchgeführt, um die Schicht zu pressen. Dann wurde die Bahn 1 min lang bei 200ºC getrocknet. Dieses Verfahren wurde für die zweite Seite wiederholt. Es wurden weitere dünne Schichten aus dem teilchenförmigen Material abwechselnd auf jede Seite aufgebracht, es wurde gepresst und getrocknet bis eine Beladung mit Kohlenstoff von 5,6 mg/cm² erreicht war. Die resultierende Gasdiffusions-Substratbahn wurde 30 min lang an der Luft bei 300ºC gebrannt.
Ein Katalysatormaterial, das zur Bildung der Elektrokatalysatorschicht auf dem Gasdiffusions-Substrat verwendet wurde, wurde wie in dem Vergleichsbeispiel 1 beschrieben hergestellt.
Dann wurde eine Schicht aus dem Elektrokatalysator-Material auf die obere Oberfläche des gefüllten Vliesstoff-Diffusionssubstrats aufgebracht zur Erzielung einer Platin-Beladung von 0,71 mg Platin/cm².
Die Elektrode bildete die Kathode einer MEA, wobei die Platin-Katalysatorschicht an die Membran- Elektrolyt-Oberfläche gebunden war. Die verwendete Membran war Nafion® 112 von der Firma DuPont. Die Ergebnisse der Einzelzelle beim Betrieb mit Luft und Sauerstoff sind jeweils in den Fig. 1 und 2 dargestellt.
Das Zellenpotential vs. Stromdichte-Leistungsvermögen der Elektroden in dem Vergleichstest 1 (nicht erfindungsgemäß) ist typisch für das Leistungsvermögen einer Elektrode, die durch Füllen von konventionellen Carbonfaservlies-Strukturen hergestellt wurde. Die Gasdiffusions-Eigenschaften dieser Substrate sind sehr gut, wobei die Abnahme des Leistungsvermögens beim Betrieb mit Luft oberhalb 1200 mA/cm² darauf zurückzuführen ist, dass die Struktur nicht in der Lage ist, genügend Wasser zurückzuhalten, um eine optimale Hydratation der Membran aufrechtzuerhalten, wenn sie bei hohen Stromdichten betrieben wird. Als Folge davon steigt der Widerstand der Membran mit steigender Stromdichte, was zu einem entsprechenden Abfall der Gesamtleistung führt. Dies ist auch bei der Abnahme der Leistung beim Betrieb mit Sauerstoff zu erkennen an einer steigenden Stromdichte an einem ähnlichen Punkt wie bei dem Betrieb mit Luft (die Verwendung von Sauerstoff durch Beseitigung der Massentransporteffekte, die beim Betrieb mit Luft zu erkennen sind, bestätigt, dass die Verlust beim Betrieb mit Luft nicht auf Massentransporteffekte zurückzuführen sind), wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt.
Mit der Struktur des erfindungsgemäßen Faserstoff-Gasdiffusions-Substrats werden die Probleme in bezug auf die Wasserretention beseitigt und die Membranhydratation wird bis zu viel höheren Stromdichten sowohl beim Betrieb mit Luft als auch beim Betrieb mit Sauerstoff beibehalten, wie aus den Diagrammen für die Beispiele 1, 2 und 3 in den Fig. 1 und 2 zu erkennen ist, in denen das Zellenpotential gegen die Stromdichte aufgetragen ist.

Claims

1. Faservlies- bzw. Vliesstoff-Bahn, die umfasst eine Vielzahl von längeren Fasern in den x- und y-Richtungen mit einer durchschnittlichen Länge von mehr als 5 mm und eine Vielzahl von kürzeren Fasern mit einer durchschnittlichen Länge von weniger als 3 mm, wobei mindestens ein Teil der Fasern mit einer durchschnittlichen Länge von weniger als 3 mm in der z-Richtung orientiert ist und wobei der Mengenanteil der Fasern mit einer durchschnittlichen Länge von weniger als 3 mm mindestens 20% des Gesamtgewichts der Fasern beträgt und die Dichte der Faservlies- bzw. Vliesstoff-Bahn 0,1 bis 0,35 g/cm³ beträgt.

2. Faservlies-Bahn, die bis zu einschließlich 80 Gew.-% längere Fasern in den x- und y-Richtungen mit einer durchschnittlichen Länge von mehr als 5 mm und 20 oder mehr Gew.-% kürzere Fasern mit einer durchschnittlichen Länge von weniger als 3 mm enthält, wobei mindestens ein Teil der Fasern mit einer durchschnittlichen Länge von weniger als 3 mm in der z-Richtung orientiert ist, und wobei die Dichte der Faservlies-Bahn 0,1 bis 0,35 g/cm³ beträgt.

3. Faservlies-Bahn nach Anspruch 1 oder 2, worin der Mengenanteil der kürzeren Fasern zweckmäßig nicht mehr als 85 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Fasern in dem Substrat, beträgt.

4. Faservlies-Bahn nach Anspruch 3, worin der Mengenanteil der kürzeren Fasern zweckmäßig nicht mehr als 70 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Fasern, beträgt.

5. Faservlies-Bahn nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die längeren Fasern zweckmäßig eine maximale durchschnittliche Länge von 50 mm haben.

6. Faservlies-Bahn nach Anspruch 5, worin die längeren Fasern eine durchschnittliche Länge von mehr als 5 bis 30 mm haben.

7. Faservlies-Bahn nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, worin die kürzeren Fasern eine durchschnittliche Länge von weniger als 2 mm haben.

8. Faservlies-Bahn nach Anspruch 7, worin die kürzeren Fasern eine durchschnittliche Länge von weniger als 1 mm haben.

9. Faservlies-Bahn nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, worin die kürzeren Fasern eine durchschnittliche minimale Länge von 50 um haben.

10. Faservlies-Bahn nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, worin die längeren Fasern und die kürzeren Fasern unabhängig voneinander ausgewählt werden aus der Gruppe, die besteht aus Carbon-, Glas-, Siliciumdioxid-, Polymer-, Metall- und Keramik-Fasern.

11. Faservlies-Bahn nach Anspruch 10, worin die längeren Fasern und die kürzeren Fasern Carbonfäsern sind.

12. Faservlies-Bahn nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, deren Dichte 0,1 bis 0,2 g/cm³ beträgt.

13. Verfahren zur Herstellung einer Faservlies- bzw. Vliesstoff-Bahn nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, das die folgenden Stufen umfasst:

(i) Dispergieren der längeren und kürzeren Fasern in einer Lösung unter Bildung einer Aufschlämmung;

(ii) Zugabe eines oder mehrerer Polymerer als erstes Polymer zu der Aufschlämmung;

(iii) Ablaufenlassen der Flüssigkeit aus der Aufschlämmung unter Bildung einer Bahn oder Bildung einer kontinuierlichen Struktur durch kontrollierte Ablagerung der Aufschlämmung auf einem sich bewegenden Unterlagengitter;

(iv) Trocknen der Bahn;

(v) gegebenenfalls Einführen der Bahn in eine Lösung eines Polymers als Schlusspolymer;

(vi) Trocknen der Bahn und

(vii) Wärmebehandeln der Bahn.

14. Gasdiffusionssubstrat, das eine Faservlies-Bahn nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und ein Füllstoffmaterial umfasst.

15. Gasdiffusionssubstrat nach Anspruch 14, worin das Füllstoffmaterial teilchenförmigen Kohlenstoff und ein Polymer umfasst.

16. Gasdiffusionssubstrat nach Anspruch 14 oder 15, worin das Füllstoffmaterial ein Katalysatormaterial umfasst.

17. Gasdiffusionselektrode, die ein Gasdiffusionssubstrat nach einem der Ansprüche 14, 15 und 16 und ein Elektrokatalysator-Material umfasst.

18. Gasdiffusionselektrode nach Anspruch 17, worin das Elektrokatalysator-Material eine oder mehr elektrokatalytische Komponenten und ein Polymer umfasst.

19. Gasdiffusionselektrode nach Anspruch 18, worin das Elektrokatalysator-Material ein Edelmetall oder ein Übergangsmetall in Form des Metalls oder des Metalloxids entweder ohne Träger oder aufgebracht in einer dispergierten Form auf einen Kohlenstoff-Träger, ein Kohlenstoff oder ein organischer Komplex in Form eines feinteiligen Pulvers oder einer feinteiligen Faser mit großer spezifischer Oberfläche oder eine Kombination dieser Optionen ist.

20. Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), die eine Gasdiffusions-Elektrode nach einem der Ansprüche 17, 18 und 19, eine zweite Gasdiffusions-Elektrode, die eine Elektrode nach einem der Ansprüche 17, 18 und 19 oder eine andere Elektrode sein kann, und eine feste Polymermembran umfasst.

21. Membran-Elektroden-Anordnung, die eine Gasdiffusions-Elektrode nach einem der Ansprüche 17, 18 und 19, ein Gasdiffusionssubstrat, das ein Substrat nach einem der Ansprüche 14, 15 und 16 oder ein anderes Substrat sein kann, und eine feste Polymermembran umfasst, wobei eine Elektrokatalysatorschicht auf die Seite der Membran aufgebracht ist, die dem Gasdiffusionssubstrat gegenüberliegt.

22. Membran-Elektroden-Anordnung, die ein Gasdiffusionssubstrat nach einem der Ansprüche 14, 15 und 16, eine Gasdiffusionselektrode, die eine Elektrode nach einem der Ansprüche 17, 18 und 19 oder eine andere Elektrode sein kann und eine feste Polymermembran umfasst, wobei eine Elektrokatalysatorschicht auf die Seite der Membran aufgebracht ist, die dem Gasdiffusionssubstrat gegenüberliegt.

23. Membran-Elektroden-Anordnung, die ein Gasdiffusionssubstrat nach einem der Ansprüche 14, 15 und 16 und ein zweites Gasdiffusionssubstrat, das ein Substrat nach einem der Ansprüche 14, 15 und 16 oder ein anderes Substrat sein kann, und eine feste Polymermembran umfasst, wobei eine Elektrokatalysatorschicht auf beide Seiten der festen Polymermembran aufgebracht ist.

24. Brennstoffzelle, die ein Gasdiffusionssubstrat nach einem der Ansprüche 14, 15 und 16 umfasst.

25. Brennstoffzelle, die eine Gasdiffusionselektrode nach einem der Ansprüche 17, 18 und 19 umfasst.