Gasdiffusionsschichten: Warum Faserfilze die bevorzugte Wahl sind

Gasdiffusionsschichten (GDLs) sind entscheidende Elemente in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren. Sie ermöglichen einen effizienten Transport von Gasen, Elektronen und Flüssigkeiten zwischen den Strömungskanälen und dem Katalysator. Faserfilze sind die bevorzugte Option, da sie die ideale Kombination aus Leitfähigkeit, Porosität und Flexibilität darstellen.

Was sind Gasdiffusionsschichten?

Gasdiffusionsschichten sind poröse Materialien, die zwischen der Katalysatorschicht und dem Strömungsfeld in elektrochemischen Geräten angeordnet sind. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die gleichmäßige Zufuhr von Reaktionsgasen zur Katalysatoroberfläche zu ermöglichen und gleichzeitig eine effiziente Evakuierung der Produktgase zu gewährleisten. In Brennstoffzellen steuern GDLs den Wasserstoff- und Sauerstofftransport, um die elektrochemischen Reaktionen zu maximieren und die Konzentrationsverluste zu minimieren. In Elektrolyseuren helfen sie dabei, die an den Elektroden entstehenden Wasserstoff- und Sauerstoffgase effektiv abzuführen.

Neben dem Gastransport bieten GDLs auch mechanische Unterstützung für die Katalysatorschicht und sind am Wassermanagement beteiligt. Durch die gleichmäßige Verteilung von Wasser wird eine Überflutung oder Austrocknung des Katalysators vermieden, was beides die Leistung stark beeinträchtigen kann. Die elektrische Leitfähigkeit ist ebenfalls eine wichtige Funktion, wobei GDLs Elektronen zwischen dem Katalysator und externen Schaltkreisen leiten. Angesichts dieser Anforderungen ist die Materialwahl von GDLs für die Effizienz und Langlebigkeit der Geräte von entscheidender Bedeutung.

Abb. 1 Schematische Darstellung der Zero-Gap-Elektrolysezelle [1]

Was sind Faserfilze?

Faserfilze sind nicht gewebte Matten, die durch die Verflechtung von Fasern zu einem hochporösen Netzwerk gebildet werden. Sie bestehen in der Regel aus Kohlenstoff, der sich durch seine elektrische Leitfähigkeit und chemische Stabilität auszeichnet. Die Fasern in einem Filz sind willkürlich ausgerichtet und bilden eine dreidimensionale Struktur, die Gasen und Flüssigkeiten miteinander verbundene Wege bietet. Diese Struktur unterscheidet sich von derjenigen von Geweben oder Kohlepapieren und verleiht ihnen eine höhere Porosität und Flexibilität bei gleichbleibender mechanischer Festigkeit.

Bei der Herstellung von Faserfilzen werden die Fasern durch Erhitzen, Druck oder Harzbehandlungen miteinander verbunden, um Matten mit einer bestimmten Dicke, Dichte und Durchlässigkeit zu erzeugen. Kohlenstofffilze eignen sich hervorragend für elektrochemische Umgebungen, da sie inert, hochtemperatur- und korrosionsbeständig sind.

Warum sind Faserfilze ideal für Gasdiffusionsschichten?

Faserfilze bieten eine Reihe von Eigenschaften, die sie für die Verwendung als GDL besonders geeignet machen. Eine der wichtigsten Eigenschaften ist ihre hohe Gasdurchlässigkeit und Porosität, die eine gleichmäßige Verteilung der Reaktionsgase in der Katalysatorschicht ermöglicht, während die Produktgase effektiv abgeführt werden können. Dadurch wird die Konzentrationspolarisation minimiert und eine hohe elektrochemische Effizienz erzielt.

Ein weiterer wichtiger Vorteil ist die hervorragende elektrische Leitfähigkeit. Kohlenstofffaserfilze bieten den Elektronen einen geringen Widerstand, was eine effiziente Stromaufnahme und -verteilung auf der Katalysatoroberfläche ermöglicht. Auch die chemische Stabilität ist von Bedeutung: Faserfilze sind resistent gegen Korrosion und Zersetzung in aggressiven sauren oder alkalischen Umgebungen, wie sie in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren häufig vorkommen.

Auch die mechanische Flexibilität ist ein wichtiger Faktor. Aus Fasern bestehende Filze können komprimiert werden, um einen engen Kontakt mit dem Katalysator und dem Strömungsfeld herzustellen, ohne dass es zu Rissen oder einer Beeinträchtigung der strukturellen Integrität kommt. Durch die Komprimierbarkeit werden thermische Ausdehnungen und mechanische Beanspruchungen während des Betriebs ausgeglichen, so dass eine langfristige Leistung gewährleistet ist.

In Brennstoffzellen verwalten sie das Wasser. Sie verteilen das Wasser gleichmäßig, verhindern eine Überflutung und sorgen für eine optimale Hydratisierung des Katalysators. In Elektrolyseuren sorgen sie für eine schnelle Freisetzung von Wasserstoff- und Sauerstoffblasen bei minimaler Ansammlung von Blasen, was einen hohen Wirkungsgrad bei hohen Stromdichten ermöglicht.

Wo werden Faserfilze für Gasdiffusionsschichten verwendet?

Faserfilze werden vor allem in Brennstoffzellen und Wasserelektrolyseuren eingesetzt, wo Wassermanagement und Gastransport entscheidend sind. In PEM-Brennstoffzellen werden Faserfilze als GDLs für die gleichmäßige Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff zur Katalysatorschicht und für den freien Austritt von Wasser eingesetzt. In alkalischen oder PEM-Elektrolyseuren werden Faserfilze zur effektiven Freisetzung von Wasserstoff- und Sauerstoffblasen von den Elektrodenoberflächen eingesetzt, um den Betrieb mit hoher Stromdichte zu ermöglichen. Darüber hinaus werden die Faserfilze in regenerativen Brennstoffzellen, Redox-Flow-Batterien und anderen elektrochemischen Reaktoren eingesetzt, bei denen eine gleichmäßige Gas- und Flüssigkeitsverteilung sowie chemische und mechanische Stabilität für eine hohe Leistung entscheidend sind.

Liste der Faserfilzmaterialien

Titan-, Nickel- und Edelstahlfaserfilze bieten jeweils deutliche Vorteile für Gasdiffusionsschichten. Titanfilz wird in PEM-Elektrolyseuren und Brennstoffzellen wegen seiner hohen Porosität, Festigkeit und ausgezeichneten Beständigkeit gegenüber sauren Umgebungen geschätzt. Dank seiner anpassbaren Größe und Porosität gewährleistet er eine stabile Leistung und eine effiziente Gasabgabe auch bei hohen Stromdichten. Nickelfilz, der für seine Leitfähigkeit und Beständigkeit gegen alkalische Korrosion bekannt ist, wird häufig auf der Kathodenseite von alkalischen Elektrolyseuren und in einigen Brennstoffzellen zur Förderung der Wasserstofferzeugung eingesetzt. Edelstahlfilz ist zwar weniger korrosionsbeständig, bietet aber Haltbarkeit, Verschleißfestigkeit und geringere Kosten, was ihn zu einer praktischen Wahl für große Elektrolyseure und Durchflussbatterien macht, bei denen die mechanische Festigkeit entscheidend ist.

Fazit

Gasdiffusionsschichten tragen wesentlich zur Leistung und Lebensdauer von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren bei. Unter den in Frage kommenden Materialien zeichnen sich Faserfilze durch ihre hohe Porosität, elektrische Leitfähigkeit, chemische Stabilität und mechanische Flexibilität aus. Weitere fortschrittliche Materialien finden Sie bei Stanford Advanced Materials (SAM).

Referenz:

[1] Samu AA, Szenti I, Kukovecz Á, Endrődi B, Janáky C. Systematic screening of gas diffusion layers for high performance_CO2 electrolysis. Commun Chem. 2023 Feb 24;6(1):41. doi: 10.1038/s42004-023-00836-2. PMID: 36828885; PMCID: PMC9958001.