DE3335638A1

DE3335638A1 - Mit laengsloechern zur zufuehrung der gasfoermigen reaktanten versehene traegermaterialien fuer brennstoffzellen-elektroden

Info

Publication number: DE3335638A1
Application number: DE19833335638
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Fukuda; Hisatsugu Iwaki Fukushima Kaji; Kuniyuki Saitoh; Masatomo Shigeta
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 1982-10-01
Filing date: 1983-09-30
Publication date: 1984-04-05
Also published as: FR2534071A1; DE3335638C2; GB2128395A; GB8326048D0; FR2534071B1; GB2128395B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Trägermaterial für eine Brennstoffzellen-Elektrode, insbesondere ein derartiges Elektroden-Trägermaterial, das langge-. streckte Löcher zur Zuführung der gasförmigen Reaktanten (Wasserstoff als Brennstoffgas sowie Sauerstoff oder . Luft) in eine Brennstoffzelle aufweist.

Es ist eine bipolare Brennstoffzelle bekannt, die eine gerippte bipolare Trennwand aufweist, die aus einer undurchlässigen dünnen Graphit-Platte hergestellt ist.

Andererseits wurde ein geripptes Elektroden-Trägermaterial für eine monopolare Brennstoffzelle entwickelt, das eine gerippte Oberfläche sowie eine flache Oberfläche aufweist, die mit einer Katalysatorschicht in Kontakt steht. Ein derartiges Elektroden-Trägermaterial besteht zur

25 Gänze aus Kohlenstoff und ist durchgängig porös.

Eine übliche monopolare Brennstoffzelle, bei der ein solches Elektroden-Trägermaterial verwendet wird, wird in'Fig. 1 gezeigt.Eine Zelle ist aus zwei Elektroden-Trägermaterialien 1 (Elektrodensubstraten 1), zwei Katalysatorschichten 2, einer Matrixschicht 3, die mit einem Elektrolyten imprägniert ist, und zwei Trenn-Blättern 4 aufgebaut, die bei einer Stapelanordnung derartiger Zellen unter Bildung einer Brennstoffzelle einen Kontakt mit den Rippen 5 des Trägermaterials 1 aufweisen. Die gasförmigen Reaktanten werden durch die von den

Zur Herstellung eines derartigen Elektroden-Trägermaterials können die folgenden bekannten Verfahren verwendet werden. So wurde beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung eines Elektroden-Trägermaterials ganz allgemein in der offengelegten Japanischen Patentanmeldung No. 166354/82 vorgeschlagen, gemäß dem eine Mischung auf der Basis kurzer Kohlenstoffasern unter Bildung eines porösen geformten Gegenstandes verpreßt wird. Ein weiteres Verfahren ist in der JP-PS 18603/78 beschrieben, gemäß dem ein maschinell bearbeitetes Papier aus Kohlenstoffasern mit einer Lösung eines organischen Polymeren imprägniert und zu einem porösen Papier aus Kohlenstoffasern umgewandelt wird. Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Elektroden-Trägermaterials ist in der US-PS 3 829 327 beschrieben, gemäß welchem Verfahren ein Gewebe aus Kohlenstoffasern auf chemische Weise mit Kohlenstoff bedampft wird, wobei ein poröses Elektroden-Trägermaterial gebildet wird. Alle diese Elektroden-Trägermaterialien weisen im wesentlichen homogene einschichtige Strukturen auf.

Ein derartiges homogenes einschichtiges Elektroden-Trägermaterial weist jedoch verschiedene Nachteile auf, beispielsweise die folgenden: Wenn das Trägermaterial eine hohe Rohdichte aufweist, wird nur eine niedrige Grenz-Stromdichte erhalten, und zwar aufgrund der verminderten Diffusion der gasförmigen Reaktanten, sowie eine schnelle Verschlechterung des Betriebsverhaltens einer Brennstoffzelle infolge einer unzureichenden Speicherung des Elektrolyten in dem Trägermaterial, weshalb

die Lebensdauer einer Brennstoffzelle verkürzt ist; andererseits sind mit einer niedrigen Rohdichte eines Elektroden-Trägermaterials die Nachteile hoher elektrischer und thermischer Widerstände und einer niedrigen mechanischen Festigkeit wie beispielsweise Biegefestigkeit verbunden.

Darüber hinaus ist im Falle von Elektroden-Trägermaterialien mit Rippen deren Widerstandsmoment infolge einer gerippten Oberfläche vermindert, wie sie in Fig. 1 zu erkennen ist, und eine Spannung konzentriert sich im Bereich der scharfen Kanten 6 der Rippen 5, was zu einer unzureichenden mechanischen Festigkeit des gesamten Elektroden-Trägermaterials führt. Um eine ausreichende Festigkeit eines geformten Trägermaterials zu erhalten, ist daher ein dickes derartiges Trägermaterial unvermeidlich, was jedoch heißt, daß die Diffusion der gasförmigen Reaktanten von der gerippten Oberfläche zu der ebenen Oberfläche durch einen größeren Widerstand behindert ist.

Andererseits ist es schwierig, an der Deckfläche der Rippen eine vollständig ebene Fläche zu erzeugen, so daß derartige Unebenheiten in der Rippenoberfläche dazu führen, daß zwischen der Rippenoberfläche und einem Trenn-Blatt elektrische und thermische Widerstände von beträchtliehen Größen entstehen. Wie allgemein bekannt ist, ist ein solcher Kontakt-Widerstand gelegentlich um ein Mehrfaches größer als der Ohm^J sehe Widerstand in dem Trägermaterialjr was dazu führte, daß ein übliches monopolares Elektroden-Trägermaterial im Hinblick auf eine gleichförmige Temper a turver te ilung in der Zelle Mängel aufwies und sich der Wirkungsgrad der Stromerzeugung infolge des großen Kontaktwiderstandes verminderte.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter Vermeidung derartiger Nachteile ein Elektroden-Trägermaterial, insbesondere ein Elektroden-Trägermaterial

--■ -·^: "^:- ^:·- 3335638 -ιοί für eine Brennstoffzelle ohne Rippen zu schaffen, das trotzdem eine ungehinderte Zuführung der gasförmigen Reaktanten ermöglicht und -außerdem eine gute mechanische Festigkeit aufweist, wobei gleichzeitig das Betriebsverhalten der unter Verwendung eines derartigen Trägermaterials erzeugten Brennstoffzelle verbessert wird. Diese Aufgabe wird durch Elektroden-Trägermaterialien für Brennstoffzellen gelöst, wie sie in den Patentansprüchen beschrieben sind.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit ein Elektroden-Trägermaterial geschaffen, das langgestreckte Löcher zur Zuführung der gasförmigen Reaktanten in eine Brennstoff-Zelle aufweist, wobei ein derartiges Trägermaterial in einer Ausführungsform eine einzige poröse Schicht mit zentral in seiner Mittelebene angeordneten Löchern aufweist.

Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform wird ein solches Trägermaterial so ausgebildet, daß zur Erzeugung einer Brennstoffzelle unter stapelförmiger Anordnung derartiger Trägermaterialien kein zusätzliches Trenn-Blatt erforderlich ist. Weitere Ausführungsformen betreffen dreischichtige Elektroden-Trägermaterialien mit einer dichten Schicht, die ein Trenn-Blatt bildet, sowie zwei porösen Schichten auf beiden Oberflächen der dichten Schicht, wobei diese drei Schichten einen integrierten Verbund bilden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine vergrößerte dichte Schicht verwendet, so daß ein Trennblatt erhalten wird, das sich nach außen über die porösen Schichten hinaus erstreckt.

35 Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme

auf die Figuren noch näher erläutert. Der Fachmann kann

dabei der nachfolgenden Beschreibung weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung und damit durch die vorliegende Erfindung gelöste Aufgaben entnehmen.

Ein Elektroden-Trägermaterial für eine Brennstoffzelle, wie es gemäß der vorliegenden Erfindung geschaffen wird, weist eine Vielzahl von Löchern in der Nähe der Mittelebene für die Dicke des Trägermaterials auf, wobei diese Löcher sich von einer Seite des Trägermaterials zu der gegenüberliegenden Seite erstrecken und zueinander und zu der Elektroden-Oberfläche parallel sind. Diese Löcher bilden Kanäle für die Zufuhr der gasförmigen Reaktanten in eine Brennstoffzelle. Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Elektroden-Trä- germaterial als Ganzes porös und aus einem Kohlenstoffmaterial hergestellt. Gemäß einer zweiten Ausführungsform weist das Trägermaterial, das ebenfalls aus einem Kohlenstoffmaterial besteht, eine dichte Schicht auf, die als Trenn-Blatt wirkt, sowie eine poröse Schicht mit derartigen Löchern, wobei die genannten Schichten in Form eines gemeinsamen Körpers integriert sind. Gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Elektroden-Trägermaterial aus einem Kohlenstoffmaterial geschaffen, das eine dichte Schicht als Trenn-Blatt aufweist, sowie zwei poröse Schichten, die auf beiden Seiten dieser dichten Schicht so erzeugt wurden, daß sie mit dieser verbunden sind, wobei die porösen Schichten Löcher der angegebenen Art aufweisen. Gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Elektroden-Trägermaterial auf Kohlenstoffbasis eine vergrößerte dichte Schicht als Trenn-Blatt auf, sowie zwei poröse Schichten, die Löcher der genannten Art aufweisen und die auf beiden Seiten der vergrößerten dichten Schicht so ausgeführt sind, daß sie mit dieser

35 einen integrierten Verbund bilden.

Die "Elektrodenoberfläche" oder gelegentlich einfach "Oberfläche" bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Oberfläche einer Brennstoffzelle, eines Elektroden-Trägermaterials oder eines schichtförmigen Bestandteils davon, die parallel zu der Oberläche der Katalysatorschicht (Bezugszeichen 2 in Fig. 1) angeordnet sind, die sich in Kontakt mit einem Trägermaterial oder einer Matrixschicht (3 in Fig. 1) befindet. Die "Seite" oder gelegentlich "Seitenfläche" bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Oberfläche einer Brennstoffzelle eines Elektroden-Trägermaterials oder eines schichtförmigen Bestandteils davon, die senkrecht zu der erstgenannten "Elektroden-Oberfläche" angeordnet ist.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren in genaueren Einzelheiten erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 den Zellenaufbau einer Brennstoffzelle mit

einem gerippten monopolaren Elektroden-Trägermaterial der bekannten Art,

Fig. 2 den Zellenaufbau einer Brennstoffzelle gemaß der ersten Ausführungsform der vorlie

genden Erfindung,

Fig. 3 den Zellenaufbau einer Brennstoffzelle gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4 den Zellenaufbau einer Brennstoffzelle gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 35

Fig. 5 den Aufbau des Elektroden-Trägermaterials gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 6 die Art und Weise, wie das Elektroden-Trägermaterial gemäß Fig. 5 in einer Brennstoffzelle verwendet wird,

Fig. 7 eine abgewandelte Ausführung der vierten

Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektroden-Trägermaterials, und

Fig. 8 eine erläuternde Darstellung für die Herstellung des Elektroden-Trägermaterials

gemäß Fig. 7.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen einander in den einzelnen Ausführungsformen entsprechende Teile.

Bezugnehmend auf Fig. 2 ist ein Elektroden-Trägermaterial 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Ganzen porös und aus einem Kohlenstoffmaterial aufgebaut. Wie die in Fig. 2 gezeigte Darstellung einer Brennstoffzelle zeigt, sind die langgestreckten Löcher zur Zuführung gasförmiger Reaktanten in eine Brennstoffzelle in der Nähe der Mittelebene für die Dicke des Trägermaterials 1 angeordnet. Diese Löcher 7 sind zueinander und zu der Elektroden-Oberfläche parallel und erstrecken sich kontinuierlich von einer Seite des Trägermaterials 1 zur gegenüberliegenden Seite des Trägermaterials 1. Obwohl der Querschnitt der Löcher 7, wie in Fig. 2 gezeigt, kreisförmig sein kann, ist gemäß der vorliegenden Erfindung jeder beliebige Querschnitt für die Löcher 7 möglich. Der Querschnitt der Löcher 7 beträgt vorzugsweise etwa 0,2 bis 7 mm², wobei ein solcher Querschnitt einem Durchmesser von 0,5 bis 3 mm für den typischen Fall eines kreisförmigen Querschnitts entspricht. Bei kleineren Querschnittsflächen wird der der Diffusion der gasförmigen Reaktanten entgegengesetzte Widerstand zu hoch. Bei einer größeren Querschnittsfläche

wird andererseits die Dicke des Trägermaterials zu groß, was zu einer Verminderung des Volumen-Wirkungsgrads einer Brennstoffzelle in einer Stapelanordnung führt.

Das Elektroden-Trägermaterial umfaßt ein gleichförmig poröses Kohlenstoffmaterial. Das Trägermaterial 1 weist eine mittlere Rohdichte von 0,3 bis 1,0 g/cm³, vorzugsweise von 0/4 bis 0,8 g/cm³ auf und weist eine spezifische Gasdurchlässigkeit (Gaspermeabilität) für die gasförmigen Reaktanten von nicht weniger als 20 ml/cm.h.mm Wassersäule auf. Das Elektroden-Trägermaterial mit einer derartigen Rohdichte und einer derartigen Gasdurchlässigkeit ist für eine Brennstoffzelle im Hinblick auf eine mechanische Festigkeit wie beispielsweise Biegefestigkeit und auf den Diffusionswiderstand der gasförmigen Reaktanten vorteilhaft. Außerdem sind die Poren des Elektroden-Trägermaterials 1 offene Poren und vorzugsweise weisen nicht weniger als 60% der Poren Durchmesser im Bereich von 10 - 100 μπι auf.

Das Elektroden-Trägermaterial kann bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beispielsweise wie folgt hergestellt werden.

10-50 Gew.-% eines Füllstoffs wie beispielsweise kurze Kohlenstoffasern und körnige Aktivkohle, 10-40 Gew.-% eines Bindemittels wie ein Phenolharz, Epoxyharz und Erdöl- und/oder Kohle-Teer und 20 - 50 Gew.-% eines Porositätsreglers wie beispielsweise Polyvinylalkohol, Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid und Zucker werden zu einer homogenen Mischung vermischt. Die Mischungsmengen der Bestandteile sind dabei nur beispielhaft angegeben, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die erwähnten Bereiche beschränkt. Eine der-

35 artige Mischung kann auch als Ausgangsmaterial für

eine poröse Schicht bei den anderen Ausführungsformen

der vorliegenden Erfindung, wie sie nachfolgend beschrieben werden, eingesetzt werden. Die erhaltene homogene Mischung wird dann in eine Preßform der geeigneten Konfiguration eingegeben. Auf die eingegebene Mischung wird ein Polymermaterial in Form eines Gewebes (oder Tuchs) oder eines geflechtartigen Blattes (oder Gitters) zur Bildung langgestreckter Löcher wie beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polyvinylalkohol und Polyvinylchlorid gegeben, wonach eine zweite Charge der bereits obenerwähnten Mischung eingespeist wird. Danach wird bei einer Preßtemperatur von 70 - 200⁰C bei einem Preßdruck von 5-100 kg/cm² für einen Zeitraum von 1 - 60 Minuten gepreßt. Die Preßbedingungen können im Hinblick auf die spezielle Aufgabenstellung auch aus einem weiteren Bereich als oben angegeben gewählt werden. Das erhaltene geformte Blatt wird bei 120 - 170⁰C unter einem Druck von nicht mehr als 5 kg/cm² wenigstens zwei Stunden nachgehärtet und bei 1000 - 3000⁰C für einen Zeitraum von etwa einer Stunde i-ⁿ einer inerten Atmosphäre kalziniert. Bei dem Erhitzen ist eine langsame Temperatursteigerung bis zu etwa 700⁰C bevorzugt, um die Spannungsbildung infolge einer plötzlichen Schrumpfung aufgrund thermischer Zersetzungen bei niedrigen Temperaturen zu vermeiden. Derartige Spannungen könnten zu einer Schichtentrennung und/ oder Rißbildung führen.

Das erfindungsgemäße Elektroden-Trägermaterial weist eine ebene Oberfläche auf, die in Kontakt mit dem Trenn-Blatt in einem Stapel unter Bildung einer Brennstoffzelle angeordnet ist, sowie eine weitere ebene Oberfläche, die sich in Kontakt mit der Katalysatorschicht 2 befindet, weshalb das Trägermaterial ein größeres Widerstandsmoment und eine verbesserte mechanische Festigkeit wie beispielsweise Biegefestigkeit aufweist als ein übliches geripptes Elektroden-Trägermaterial. Darüber hinaus kann

die Biegefestigkeit noch verbessert werden, da die Löcher 7 in der Nähe der Mittelebene für die Dicke des Trägermaterial^ 1 ausgebildet sind, wie in Fig. 2 zu erkennen ist. Es gibt weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung, indem ein dünneres Trägermaterial erhalten werden kann, was zu einer kürzeren Diffusions-Weglänge oder einem niedrigeren Diffusionswiderstand für die gasförmigen Reaktanten und zu einer großen Stromdichte führt. Ein Trennblatt kann mit der gesamten Oberfläche des Elektroden-Trägermaterials der vorliegenden Erfindung in Kontakt sein, weshalb der elektrische und der thermische Kontaktwiderstand vermindert sein können. Die Kosten für die Herstellung des Elektroden-Trägermaterials der vorliegenden Erfindung können, verglichen mit einem üblichen Trägermaterial für eine Brennstoff-Zelle, beispielsweise mit einem gerippten Elektroden-Trägermaterial 1, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, beträchtlich vermindert werden. Somit ist ein Elektroden-Trägermaterial gemäß der ersten Ausführungsform der vorlie-

20 genden Erfindung für eine Brennstoff-Zelle sehr gut geeignet.

Das erfindungsgemäße Elektroden-Trägermaterial wird in einer Brennstoff-Zelle wie in Fig. 2 gezeigt verwendet.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist-, sind zur Erzeugung einer Stapelanordnung von Zellen unter Bildung einer Brennstoff-Zelle Trenn-Blätter 4 erforderlich. Es ist jedoch vorzuziehen, die Verwendung von Trenn-Blättern in einer

30 Stapelanordnung von Zellen zu umgehen, und zwar im Hinblick auf eine weitere Verminderung des Kontaktwiderstandes zwischen dem Trägermaterial und dem Trenn-Blatt.

im Hinblick auf diese Problemstellung kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Trenn-Blatt in integrierter

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Form mit einem Elektroden-Trägermaterial geschaffen werden, um den elektrischen Widerstand einer Brennstoff-Zelle weiter zu vermindern. Fig. 3 zeigt eine erläuternde Darstellung einer solchen zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektroden-Trägermaterials. Das Elektroden-Trägermaterial 1' der vorliegenden Erfindung umfaßt eine poröse Schicht 8 mit den Löchern 7, die wie oben beschrieben in der Nähe der Mittelebene dieser Schicht angeordnet sind, sowie eine dichte Schicht 9.

Die poröse Schicht 8 weist dabei ähnliche physikalische Eigenschaften wie das Trägermaterial der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf, d.h. eine mittlere Rohdichte von 0,3 - 1,0 g/cm³, vorzugsweise 0,4 - 0,8 g/cm³, sowie eine spezifische Gas-Durchlässigkeit von nicht weniger als 20 ml/cm.h.mm Wassersäule, wobei außerdem nicht weniger als 60% der Poren der porösen Schicht 8 einen Durchmesser im Bereich von 10 - 100 μπι aufweisen.

Die dichte Schicht 9 weist vorzugsweise eine mittlere Rohdichte von nicht weniger als 1,0 g/cm³ und eine spezifische Gas-Durchlässigkeit von nicht mehr als 0,2 ml/cm.h.mm Wassersäule auf, um es ihr zu ermöglichen, als Trenn-Blatt (4 in den Fig. 1 und 2) zu wirken. Die Dicke der dichten Schicht 9 beträgt vorzugsweise nicht mehr als die Hälfte der Gesamtdicke des Elektroden-Trägermaterials 1' der vorliegenden Erfindung.

Das Rohmaterial für die poröse Schicht 8 bei der Herstellung des Elektroden-Trägermaterials 1' ist das gleiche wie das Rohmaterial für das Elektroden-Trägermaterial der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Material für die Löcher 7 ist ebenfalls das gleiche wie das in der ersten Ausführungsform der Erfindung verwendete Material.

Das Rohmaterial für die dichte Schicht 9 ist aus einer Graphit-Platte, einem Graphit-Blatt oder -Blech, einer Kohlenstoff-Platte und einer pulverförmigen Mischung ausgewählt, die kurze Kohlenstoffasern, ein feines Pulver eines Kohlenstoff-Vorläufers (vgl. JP-PS No. 31116/80), Phenolharz und körnige Aktivkohle umfaßt. Dabei ist als Material für die dichte Schicht der vorliegenden Erfindung ein Graphit-Blatt besonders bevorzugt.

Bei der Herstellung des Elektroden-Trägermaterials gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden das Rohmaterial für die poröse Schicht? das Material zur Bildung der Löcher, dann das Rohmaterial für die poröse Schicht und zum Schluß das Rohmaterial für die dichte Schicht in der angegebenen Reihenfolge in die Preßform eingegeben. Diese Materialien werden dann unter den obenbeschriebenen Bedingungen verpreßt. Das geformte Produkt wird bei etwa 800⁰C etwa eine Stunde vorgehärtet. Dann, nachdem nur die dichte Schicht des gehärteten Produkts mit einem flüssigen Phenolharz (unter Verwendung von Alkohol o.dgl. als LösungsmitteI₁ in dem das Phenolharz aufgelöst werden kann) imprägniert wurde, wird das Produkt wiederum bei etwa 800⁰C etwa eine Stunde gehärtet. Diese Imprägnier- und Härtungs-Stufen werden mehrmals wiederholt, um die gewünschte Dichte der dichten Schicht zu erhalten. Abschließend wird das gehärtete Produkt mit der gewünschten Dichte bei 120 - 170⁰C bei einem Druck von nicht mehr als 5 kg/cm² für etwa zwei Stunden nachgehärtet und dann bei 1000 - 3000⁰C kalziniert.

Gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Elektroden-Trägermaterial eine dichte Schicht sowie zwei poröse Schichten auf beiden Oberflächen der dichten Schicht aufweisen, wobei die genannten drei Schichten in integrierter Form als ein einziger Körper hergestellt werden.

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In Fig. 4 ist eine Stapelanordnung von Zellen dargestellt, bei der die Elektroden-Trägermaterialien gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wobei das Bezugszeichen 10 eine Zellenstruktur bezeichnet, die der in Fig. 1 oder 2 dargestellten Struktur entspricht. Das Elektroden-Trägermaterial 11 gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine dichte Schicht 9 sowie zwei poröse Schichten 8 mit Löchern 7 wie oben erwähnt auf. Die Löcher 7 in der porösen Schicht 8 sind so gestaltet, daß sie eine Richtung senkrecht zur Richtung der Löcher 7 in der benachbarten porösen Schicht 8 aufweisen, wie in Fig. 4 gezeigt ist.

Die poröse Schicht 8 und die dichte Schicht 9 weisen den gleichen Aufbau und die gleichen physikalischen Eigenschaften auf, wie oben im Hinblick auf die zweite Ausführungsform der Erfindung erwähnt wurde. Die dichte Schicht 9 weist vorzugsweise eine Dicke von 0,1 - 3,0 mm auf.
20

Das Elektroden-Trägermaterial 11 gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann aus den gleichen Materialien in ähnlicher Weise wie für die zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben hergestellt werden (siehe auch die nachfolgenden Beispiele 5 - 7) .

Bei der zweiten und dritten Ausführungsform der Erfindung erfüllt die dichte Schicht die Funktion eines Trenn- Blattes, weshalb in einer Stapelanordnung zur Bildung einer Brennstoff-Zelle kein Trenn-Blatt erforderlich ist. Somit kommt es zu keinem Kontaktwiderstand zwischen einem Trenn-Blatt und einem Elektroden-Material gemäß der vorliegenden Erfindung. Da darüber hinaus die dichte Schicht, die als Trenn-Blatt wirkt, und die zwei porösen Schichten in Form eines einzigen Körpers bei der

dritten Ausführungsform der Erfindung integriert sind, kommt es zu keinem Kontakt-Widerstand zwischen der dichten Schicht (dem Trenn-Blatt) und der porösen Schicht einer Stapelanordnung unter Bildung einer Brennstoff-Zelle. Da keinerlei Trenn-Blatt erforderlich ist, können die Kosten niedrig gehalten werden. Selbstverständlich weist ein Elektroden-Trägermaterial gemäß der zweiten und der dritten Ausführungsform der Erfindung außerdem alle Vorteile der ersten Ausführungsform auf, wie sie im Zusammenhang mit dieser ersten Ausführungsform beschrieben wurden.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nunmehr anhand der nachfolgenden Tabelle 1 verdeutlicht, in der die physikalischen Eigenschaften von erfindungsgemäßen Elektroden-Trägermaterialien und solchen Trägermaterialien des Standes der Technik (Fig. 1) zu Vergleichszwecken einander gegenübergestellt sind.

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25 30 35

' Tabelle 1

	Trägermaterial	Stand der Technik	vorliegende Erfinduna ""	zweite ' Ausführasforra	dritte Ausführasform
Dicke des Trägermaterials (mm)	Kontaktwiderstand	2.4	erste Ausführgsform	2,0	3.6 ^1]
Dicke einer Zelle (mm)	Gesamtwiderstand d. ZeI]	5.8 ²⁾	2.0	4.5 ³⁾	4.1 ⁴⁾
Biegefestigkeit (kg/cm²)	Dicke für die Gasdiffusion (¹^)	100	5.0 ²>	250	250
Druckfestigkeit (kg/cm²)	2 Grenz strom (mA/cm )	100	150	150	150
Elektrischer	3 9) Volumenleistung (KW/m )	8	150	6	10
Widerstand (mft) '	30	6	20	-
	e 77 ⁷⁾	20	32 ⁸⁾	10
1.2	53 ⁷⁾	1.0	1.0
400	1.0	500	500
207	500	267	298
240

Anmerkung: 1) Eine dichte Schicht (0,6 mm)+ zwei poröse Schichten (jeweils 1,5 mm)

2) Trenn-Blatt (0,5 mm) + zwei Trägermaterialien + Matrixschicht (0,5 mm)

3) Zwei Trägermaterialien + Matrixschicht (0,5 mm)

4) Trägermaterial + Matrixschicht (0,5 mm)

5) Widerstand pro 1 cm²

6) Widerstand gemessen bei einem Kontaktdruck von 1 ³^?/?.*.,,. _Hf3T._Q4- *_ηΛ~ 7 Trenn-Blatt (1 mill + zwei Trägermaterialien + zwei Kontaktwiderstande

8) Zwei Trägermaterialien + KontaRtwiderstand

9) Gemessen bei 200 mA/cm²

CO CO CO cn οι U) OO

Das erfindungsgemäße Elektroden-Trägermaterial ist für eine monopolare Brennstoff-Zelle geeignet, indem man es wie in den Fig. 2, 3 und 4 übereinanderstapelt. Bei der Verwendung der Brennstoff-Zelle können jedoch die gasförmigen Reaktanten auch seitlich aus den porösen Trägermaterialien zu beiden Seiten des Trenn-Blattes (der dichten Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung in der Brennstoff-Zelle ausdiffundieren, was die Gefahr einer Vermischung der gasförmigen Reaktanten mit sich bringt.

Gemäß der vierten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung ist die dichte Schicht nach außen über die Seitenflächen des Brennstoff-Zellenträgermaterials hinaus vergrößert, um die Gefahr einer Vermischung der gasförmigen Reaktanten zu verhindern. Fig. 5 zeigt den Aufbau des Elektroden-Trägermaterials, wie es gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung geschaffen wird. Das Trägermaterial umfaßt eine vergrößerte dichte Schicht 9 sowie zwei poröse Schichten 8 auf beiden Oberflächen der dichten Schicht 9, wobei jede der porösen Schichten Löcher 7 der obenerwähnten Art aufweist. Die dichte Schicht 9 ist vorzugsweise ein Graphit-Blatt. Die physikalischen Eigenschaften der porösen Schichten 8 und der dichten Schicht 9 sind die gleichen wie oben im Zusammenhang mit der zweiten und dritten Ausführungsform angegeben.

Das Elektroden-Trägermaterial gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann aus den gleichen Rohmaterialien hergestellt werden wie die dritte Ausführungsform, die oben erwähnt wurde. Bei der Herstellung des Trägermaterials wird nach dem Formpressen einer Mischung für eine poröse Schicht, des Materials zur Bildung der Löcher, einer weiteren Mischung für eine poröse Schicht und eines Materials für eine dichte

O O "ι Γ ^Λ 1 -23- J OO JO JO

Schicht, die in der angegebenen Reihenfolge in die Preßform eingegeben wurden, das geformte Produkt aus der Preßform entfernt, und in die gleiche Preßform wird eine Mischung für eine poröse Schicht, ein Material für !die Bildung der Löcher und eine zweite Mischung für eine poröse Schicht eingegeben. Das vorher geformte Produkt wird auf die eingefüllten Materialien gegeben, wobei die dichte Schicht das Material berührt, und dann verpreßt. Die weiteren Behandlungen sind die gleichen wie bei der dritten Ausführungsform.

Die Elektrode gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung verhindert in wirksamer Weise die Vermischung von gasförmigen Reaktanten, die seitlich aus der Brennstoff-Zelle ausdiffundieren, da die dichte Schicht 9 sich nach außen über die Seitenflächen des porösen Trägermaterials hinaus erstreckt. Die Brennstoff-Zelle gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann daher in wirksamer Weise gefahrlos betrieben werden.

Fig. 6 zeigt den Aufbau einer Brennstoff-Zelle unter Verwendung des Elektroden-Trägermaterials gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Stapelanordnung. In der Brennstoff-Zelle werden Umfangs-Abdichtungen 12 auf geeignete Weise an den Seitenflächen der porösen Schicht 8, die parallel zu den Löchern 7 sind, angeordnet, und Gasverteiler 13 mit einem Rohr 14 für die Zufuhr der gasförmigen Reaktanten in die Löcher werden an den anderen Seiten der porösen Schicht 8, wie in Fig. 6 gezeigt, angeordnet. In Fig. 6 bezeichnen die Pfeile die Strömungsrichtungen der gasförmigen Reaktanten. Die Umfangs-Abdichtung 12 ist aus einem Material hergestellt, das eine gute elektrische Isolationsfähigkeit aufweist, eine gute thermische Beständigkeit bei etwa 200⁰C beim Betrieb der Brennstoff-Zelle sowie eine gute Beständigkeit gegenüber Korrosion durch 100%ige Phosphor-

säure, wobei ein solches Material beispielsweise Teflon, Siliciumcarbid oder keramische Materialien oder ein geeignetes Material, das mit Teflon oder Siliciumcarbid beschichtet ist, ist.
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Um die Diffusion von gasförmigen Reaktanten aus den Seitenflächen .der porösen Schicht 8 noch wirksamer zu verhindern, kann ein Graphit-Blatt 15 zur Abdichtung der Seite der porösen Schicht 8, die mit der Umfangs-Abdichtung 12 in Berührung ist, verwendet werden, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Das Graphit-Blatt 15 ist aus einem Material hergestellt, das die gleichen Eigenschaften wie die dichte Schicht 9 aufweist. Obwohl das Graphit-Blatt 15 nur die Seite, die mit der Umfangsabdichtung

15 12 in Kontakt ist, bedecken kann, ist es bevorzugt,

es integriert mit der dichten Schicht 9 (vorzugsweise einem Graphit-Blatt 16) auszuführen. In diesem Falle weist das Graphit-Blatt 15 vorzugsweise einen U-förmigen Querschnitt auf und ist mit dem Graphit-Blatt 16 wie

20 in Fig. 7 gezeigt kombiniert. Das Graphit-Blatt 15

zur Abdichtung der Seite der porösen Schicht 8 kann sich von der Seite senkrecht zu den Löchern bis zum Ende des Graphit-Blattes 16 nach außen erstrecken.

Ein Elektroden-Trägermaterial gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann in einer ähnlichen Weise hergestellt werden, wie oben im Zusammenhang mit der vierten Ausführungsform erwähnt wird und wie in Beispiel 9 genauer gezeigt wird.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand nichteinschränkender Beispiele noch näher erläutert. Es ist dabei selbstverständlich, daß dem Fachmann aufgrund der vorliegenden Offenbarung noch zahlreiche Modifikationen möglich sind, die von den vorliegenden Ansprüchen mitumfaßt werden und in den Bereich der vorliegenden Erfindung fallen.

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In den Beispielen wurde die "Porosität P (%)" nach der folgenden Gleichung bestimmt, wobei angenommen wurde, daß die wirkliche Dichte eines Kohlenstoff-Materials 1,6 g/cm³ beträgt:

P=(1-p _b/1,6) x 100

worin ρ , die gemessene Rohdichte ( g/cm³) einer Probe ist. Die "Biegefestigkeit (kg/cm²)" eines porösen geformten Kohlenstoff-Gegenstandes wurde gemäß dem japanischen Industrie-Standard (JIS) K-6911/1970 bestimmt, wobei eine ;Probe mit einer Abmessung von 100 χ 10 χ 2,5 mm verwendet wurde. Der "mittlere Porendurchmesser (um)" einer Probe wurde unter Verwendung eines Quecksilber-Porosimeters ermittelt (hergestellt von Carlo Erba Strumentazione, Italien) . Die "spezifische Gasdurchlässxgkeit Q (ml/cm.h.mm WS)" wurde wie folgt bestimmt: Eine zylindrische Probe mit einem Durchmesser von 90 mm und einer Dicke von t mm wurde aus dem zu vermessenden Trägermaterial ausgeschnitten und die Umfangsflache der Probe wurde mit einem thermisch aushärtenden Harz so behandelt, daß kein Gas durch diese Fläche hindurchdringen kann, während die beiden Endflächen in Längsrichtung der Probe zwischen zwei zylindrische Gasrohre mit einem Flansch, der eine Dichtung aufwies, eingespannt wurden, und von einem Ende der Probe wurde eine vorgegebene Luftmenge (10 l/min) dem anderen Ende der Probe zugeführt, das zur Atmosphäre offen war, und es wurde der Druckverlust zwischen den beiden Enden der Probe unter Verwendung eines Manometers gemessen, das stromauf im Gasrohr angeordnet war, wonach die spezifische Gas-Durchlässigkeit Q nach der folgenden Gleichung berechnet wurde:

6 χ t χ 10⁴ ₃₅ ^S 50.24 x4p

worin Λ ρ der gemessene Druckverlust (mmWS) ist und 50,24 cm² die wirkliche gemessene Fläche bedeutet (ein Kreis
mit einem Durchmesser von 80 mm).

Ferner wurde der "Volumen-Widerstand ρ (-/!cm)" wie folgt gemessen: Beide Enden einer Probe wurden mit einem elektrisch leitenden Beschichtungsmaterial überzogen, und der elektrische Widerstand zwischen den beiden Enden der Probe wurde nach der Vorschrift gemäß SRIS (Standards of Japan Rubber Association) 2301-1969 gemessen, wonach der volumen-Widerstand nach der folgenden Gleichung errechnet wurde:

p = R.w.t/l

worin R der gemessene Widerstand (A) zwischen den Enden der Probe ist, 1 (cm) die Länge in Längsrichtung (Meßrichtung) ist und w (cm) und t (cm) die Längen in waagerechter bzw. senkrechter Richtung, die einen Querschnitt

20 der Probe definieren.

Beispiel 1

Es wurde eine homogene Mischung dadurch hergestellt, daß 40 Gew.-% kurze Kohlenstoffasern mit einer mittleren
Faserlänge von 0,45 mm und einem mittleren Faserdurchmesser von 12 μΐϋ (hergestellt von Kureha Chemical In-. dustry Co., Ltd., M104S), 30 Gew.-% körniger Polyvinylalkohol mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 180 um (hergestellt von the Nippon Synthetic Chemical Industry Co., Ltd.) als Regler der Porengröße und 30 Gew.-% eines Phenolharzes (hergestellt von Asahi Organic Material K.K.) als Bindemittel miteinander vermischt wurden.

Die Mischung wurde in eine Form zum Formpressen gegeben.

Auf die eingeführte Mischung wurde ein geformtes rohrartiges Polyvinylalkohol-Stück zur Bildung der langgestreckten Löcher angeordnet, wonach die homogene Mischung ein zweites Mal auf das Material zur Bildung der Löcher aufgegeben wurde.

Die eingefüllten Materialien wurden bei 140⁰C und einem Druck von 50 kg/cm² etwa 30 Minuten verpreßt und dann bei 2000⁰C etwa eine Stunde kalziniert.

Das erhaltene Elektroden-Trägermaterial von 300 mm Länge, 300 mm Breite und 2 mm Dicke wies langgestreckte Löcher auf, die einen kreisförmigen Querschnitt von etwa 0,8 mm Durchmesser aufwiesen, wobei der Abstand zwischen zwei benachbarten Löchern 5 mm betrug. Die physikalischen Eigenschaften des Trägermaterials sind in der nachfolgenden Tabelle 2 wiedergegeben.

Tabelle 2

25	Rohdichte ¹⁾	0	.51 g/cm³
	Porosität¹*	74	%
	Spezifische Gas- . durchlässigkeit '	120	ml / cm.h.mmWS
30	Biegefestigkeit	142	kg/cm
	Volumenwiderstand.	27	χ 10 Ωση
35	mittl.Porendurchmesser	31	Mm

Anmerkungen: 1) Die Löcher sind eingeschlossen

2) Von einem Loch zu einer Oberfläche, d.h. über etwa eine Hälfte der Dicke des Trägermaterial (etwa 1 mm)

3) Die Löcher sind nicht eingeschlossen.

Beispiel 2

Eine homogene Mischung für eine poröse Schicht, die mit der von Beispiel 1 identisch war, wurde in eine Form für das Formpressen eingegeben. Zur Bildung der Löcher wurde das gleiche Material wie in Beispiel 1 auf die Mischung aufgegeben, wonach nochmals ein Teil der Mischung für die poröse Schicht in die Preßform eingefüllt wurde.

Auf die Mischung für die poröse Schicht wurde eine homogene Mischung für eine dichte Schicht in die Preßform eingegeben, wobei diese homogene Mischung durch Vermisehen von 20 Gew.-% kurzen Kohlenstoffasern (die gleichen wie in Beispiel 1), 20 Gew.-% einer feinen körnigen Aktivkohle mit einem mittleren Durchmesser von 300 \im (hergestellt von Kureha Chemical Industry Co., Ltd.), 40% eines feinen Pulvers eines Kohlenstoff-Vorläufers mit einem mittleren Durchmesser von 40 um (hergestellt von Kureha Chemical Industry Co., Ltd., M.H.), und 20 Gew.-% Phenolharz (das gleiche wie in Beispiel 1), bereitet wurde.

pie eingefüllten Materialien wurden bei 140⁰C und 50 kg/cm² etwa 30 Minuten verpreßt"und bei 800⁰C etwa eine Stunde gehärtet. Danach wurde die Oberfläche der dichten Schicht des gehärteten Produkts mit einer Lösung des Phenolharzes in Ethylalkohol imprägniert. Nach dem Trocknen wurde das produkt abermals bei 800⁰C etwa eine Stunde gehärtet. Die

-29-

Imprägnier- und Härtungs-Stufen wurden dreimal wiederholt, wonach das Trägermaterial eine Stunde bei 2000⁰C kalziniert wurde.

Das erhaltene Trägermaterial von 300 mm Länge und 300 mm Breite wies eine poröse Schicht mit Löchern auf, deren Querschnitt etwa kreisförmig mit einem Durchmesser von etwa 0,8 mm war, sowie eine dichte Schicht, die sich als Trenn-Blatt geeignet erwies.

Das Trägermaterial hatte die in der nachfolgenden Tabelle 3 angegebenen Eigenschaften.

Tabelle 3

ί dichte Schicht ~ I	Dicke (mm)	0,5	I poröse Schicht	240
Rohdichte (g/cm³) ¹^	1/47	1,5	16 χ 10~³
D Porosität (%)	9	0,58
Spezifische Gasdurchlässigkeit (ml/cm.h.mmWS)	0,02	64
mittlerer Porendurchmesser (μια) '	-	100
Biegefestigkeit (kg/cm²)	30
Volumenwiderstand (Ohm-cm)

Anmerkungen: 1) die Löcher nicht eingeschlossen

1 Beispiel 3

Als Material zur Bildung einer dichten Schicht wurde eine Graphit-Platte einer Dicke von 1 mm verwendet. In ähnlicher Weise wie in Beispiel 2 beschrieben, wurde ein Elektroden-Trägermaterial mit einer dichten Schicht und einer porösen Schicht mit Löchern hergestellt. Die Löcher wiesen einen annähernd kreisförmigen Querschnitt von etwa 0,8 mm Durchmesser auf.

Das Trägermaterial wies die in Tabelle 4 wiedergegebenen physikalischen Eigenschaften auf.

Tabelle 4

i	Dicke (mm)	(g/cm^J) ¹⁾	' dichte	Schicht	poröse	Schicht
Rohdichte	1) U)		0	1	,5
Porosität		1,	8	0	,58
		0	64

J Spezifische Gasdurchlässigkeit

(ml/cm. h.mmWS) } £.0,01

110

ι,' mittlerer Porendurchmessei (μπ;)

j: Biegefestigkeit (kg/cm ) Volumenwiderstand (Ohm-cm)

280

14 χ 10

-3

Anmerkungen: 1) die Löcher nicht eingeschlossen

1 Beispiel 4

Unter Verwendung eines Graphit-Blattes einer Dicke von 0,3 mm (hergestellt von UCC, GRAPOIL) anstelle des in Beispiel 2 verwendeten Materials, wurde auf ähnliche Weise wie in Beispiel 2 ein Elektroden-Trägermaterial hergestellt.

Das erhaltene Trägermaterial wies Löcher mit einem annähernd kreisförmigen Querschnitt von etwa 0,8 mm Durchmesser auf. Seine physikalischen Eigenschaften sind in Tabelle 5 gezeigt.

Tabelle 5

ι dichte Schicht	Dicke (mm)	0,3	poröse Schicht	280
Rohdichte (g/cm³) ¹^	1,12	1,5	14 χ 10~³
1) Porosität (%)		0,58
Spezifische Gasdurchlässigkeit (ml/cm.h.mmWS)	10,01	64
1) mittlerer Porendurchmesser (um)·		115
2 Biegefestigkeit (kg/cm )	30
Volumenwiderstand (Ohm-cm)

Anmerkungen: 1) die Löcher nicht eingeschlossen

-32-1 Beispiel 5

Die gleiche wie in Beispiel 1 zur Bildung der porösen Schicht 'verwendete Mischung, das gleiche Material zur Erzeugung der Löcher wie in Beispiel 1 und ein weiterer Teil einer Mischung für eine poröse Schicht wurden in der angegebenen Reihenfolge in eine Form für das Formpressen eingegeben. Anschließend wurde eine Kohlenstoffplatte einer Dicke von 0,6 mm (hergestellt von

10 Toyo Carbon Co., Ltd.) als Material für eine dichte

Schicht auf die Mischung aufgegeben. Auf die Kohlenstoffplatte wurden abermals die Mischung für eine poröse Schicht, das Material zur Bildung der Löcher und die Mischung für eine poröse Schicht in der angegebenen Rei-

15 henfolge aufgegeben.

Die Materialien wurden bei 140⁰C und 40 kg/cm² 20 Minuten verpreßt. Nach einer Nachhärtung des geformten Produkts bei 13O⁰C für zwei Stunden wurde die Temperatur allmählich suf 700⁰C mit einer Geschwindigkeit von 100⁰C pro Stunde gesteigert, wonach das geformte Produkt eine Stunde bei 2000⁰C kalziniert wurde.

Das erhaltene Elektroden-Trägermaterial wies die Struktur auf, wie sie durch Bezugszeichen 11 in Fig. 4 wiedergegeben wird, und die poröse Schicht wies Löcher mit einem etwa kreisförmigen Querschnitt von etwa 0,8 mm Durchmesser auf. Das Trägermaterial wies die in Tabelle 6 gezeigten physikalischen Eigenschaften auf.

Tabelle 6

¹ dichte Schicht	Dicke (mm)	0,6	poröse Schicht	250
Rohdichte (g/cm³) ¹⁾	1,47	1,5²⁾	10 χ 10~³
1) Porosität (%)	9	0,58
Spezifische Gasdurchlässigkeit (ml/cm.h.mmWS)	0,02	64
mittlerer Porendurchmesser (um)	-	110
Biegefestigkeit (kg/cm²)	30
Volumenwiderstand (Ohm-cm) -

Anmerkungen: 1) die Löcher nicht eingeschlossen

2) Eine Schicht gemäß Bezugszeichen 8 in Fig.

Beispiel 6

Unter Verwendung einer Mischung für die dichte Schicht, wie sie in Beispiel 2 verwendet wurde, anstelle der Kohlenstoffplatte des Beispiels 5, wurde auf ähnliche Weise wie in Beispiel 5 ein Elektroden-Trägermaterial hergestellt.

Das erhaltene Trägermaterial wies die in Tabelle 7 ange· gebenen physikalischen Eigenschaften auf.

Tabelle

ι ■ ■■—.-■	I i dichte Schicht	poröse Schicht	240
Dicke (mm)	0,6	1,5²⁾	10 χ 10~³
Rohdichte (g/cm³) ¹⁾	1/47	0,58
1) Porosität (%)	9	64
Spezifische Gasdurchlässigkeit (ml/cm.h.mmWS)	0,02	110
mittlerer Porendurchmes sei- (μΐη)	-	30
2 Biegefestigkeit (kg/cm )
Volumenwiderstand (Ohm·cm) I

Anmerkungen: 1) die Löcher nicht eingeschlossen

2) eine Schicht gemäßt Bezugszeichen 8 in Fig.

Beispiel 7

Das gleiche Verfahren wie in Beispiel 5 wurde mit der Abweichung durchgeführt, daß für die dichte Schicht ein Graphit-Blatt einer Dicke von 0,3 mm (wie es in Beispiel 4 verwendet wurde) verwendet wurde.

Das erhaltene Elektroden-Trägermaterial wies Löcher von etwa kreisförmigem Querschnitt mit einem Durchmesser von etwa 0,8 mm in der porösen Schicht auf. Die physikalischen Eigenschaften des Trägermaterials sind in Tabelle 8 wiedergegeben.

Tabelle

	dichte Schicht	poröse Schicht	280
Dicke (mm)	0,3	1,5²⁾	14 χ 10~³
Rohdichte (g/cm³) ¹⁾	1,12	0,58
1) Porosität (%)	-	64
Spezifische Gasdurchlässigkeit (ml/cm.h.mmWS)	< 0,01 ^v	115
mittlerer Porendurchmessei· (um) '	-	30
2 Biegefestigkeit (kg/cm )
Volumenwiderstand (Ohm-cm)

Anmerkungen: 1) die Löcher nicht eingeschlossen

2) eine Schicht gemäß Bezugszeichen 8 in Fig. 4.

Beispiel 8

Die gleiche Mischung wie in Beispiel 1 zur Bildung einer porösen Schicht, das gleiche Material zur Bildung der Löcher wie in Beispiel 1 und ein weiteres Mal die Mischung für die poröse Schicht wurden in der angegebenen Reihenfolge in eine Form für das Formpressen eingegeben. Ein Graphit-Blatt mit einer Dicke von 0,6 mm und einer Größe, die etwa 50 mm insgesamt (auf einer Seite 25 mm) größer war als die innere Größe der Preßform, wurde auf die Mischung aufgegeben. Die Materialien wurden

-36-1 bei 140⁰C und 40 kg/cm² 20 Minuten verpreßt.

Nach dem Pressen wurde das geformte Produkt aus der Form entnommen und in die gleiche Form wurde die Mischung für eine poröse Schicht, das Material zur Bildung der Löcher und die Mischung für eine poröse Schicht in der angegebenen Reihenfolge eingegeben.

Das oben erhaltene geformte Produkt wurde so darauf angeordnet, daß das Graphit-Blatt auf die neu eingefüllten Materialien zeigte, und alle Materialien wurden zusammen bei 14O⁰C und 40 kg/cm² 20 Minuten verpreßt. Nach einer Nachhärtung bei 130⁰C für etwa zwei Stunden wurde die Temperatur allmählich mit einer Geschwindigkeit von 100⁰C pro Stunde bis zu 700⁰C gesteigert, wonach eine Stunde bei 2000⁰C kalziniert wurde. Das erhaltene Elektroden-Trägermaterial wies eine Struktur auf, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist, und die Löcher in der porösen Schicht wiesen einen annähernd kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von etwa 0,8 mm auf.

Die physikalischen Eigenschaften sind in Tabelle 9 ge-" zeigt.

Tabelle 9

¹ dichte Schicht ι	Dicke (nun)	0,6	., . poröse Schicht	180
Rohdichte (g/cm³) ¹ *	1,12	1.5²»	10 χ 10~³
1) Porosität (%)		0,58
Spezifische Gasdurchlässigkeit (ml/cm.h.mmWS)	0,02	64
mittlerer Porendurchmessei (um) '	-	110
2 Biegefestigkeit (kg/cm )	30
Volumenwiderstand (Ohm«cm)

Anmerkungen: 1) die Löcher nicht eingeschlossen

2) eine Schicht gemäß Bezugszeichen 9 in Fig. 5.

Beispiel 9

Dieses Beispiel erläutert das Verfahren zur Herstellung des in Fig. 7 gezeigten Elektroden-Trägermaterials unter Bezugnahme auf Fig. 8.

Ein Graphit-Blatt 17 mit einer Dicke von 0,3 mm wurde in eine Form für das Formpressen (in Fig. 8 durch die Bezugszeichen 20 und 21 wiedergegeben) eingegeben, wie in Fig. 8 gezeigt ist. Eine Mischung 18 für die Bildung einer porösen Schicht 8, ein Material 19 zur Bildung der Löcher 7 und abermals die Mischung 18 für die poröse

Schicht 8 wurden auf das Graphit-Blatt 17 aufgegeben, wobei die Materialien die gleichen wie in Beispiel 8 waren.

Die Materialien wurden bei 140⁰C und 40 kg/cm² 20 Minuten verpreßt.

Auf die gleiche Weise, wie oben erwähnt, wurde ein weiteres geformtes Produkt hergestellt. Nach dem Aufstreichen

^O eines Kohlenstoff-Klebers aus einem Phenolharz auf das Graphit-Blatt 15 (in Fig. 7) der erhaltenen geformten Produkte wurden zwei solche geformten Produkte miteinander verklebt, wobei ein Graphit-Blatt 16 einer Dicke von 0,3 mm (GRAFOIL) zwischen ihnen angeordnet wurde, wobei dieses Graphit-Blatt 16 eine insgesamt 50 mm größere Größe (auf einer Seite 25 mm) aufwies als die äußere Größe der geformten Produkte, wobei das Verkleben so erfolgte, daß die Richtungen der Löcher in jeder porösen Schicht 8 auf beiden Seiten des Graphit-Blattes 16 senkrecht zu-

20 einander angeordnet waren.

Das erhaltene Trägermaterial wurde bei 13O⁰C etwa zwei Stunden nachgehärtet, und nach einer allmählichen Steigerung der Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 100⁰C pro Stunde bis zu 700⁰C wurde das Trägermaterial eine Stunde bei 2000⁰C kalziniert.

Das erhaltene Elektroden-Trägermaterial wies die in Fig.7 gezeigte Struktur auf, wobei die Löcher 7 in der porösen OQ Schicht einen annähernd kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von etwa 0,8 mm aufwiesen.

Die physikalischen Eigenschaften dieses Trägermaterials sind in Tabelle 10 wiedergegeben.

3335633

Tabelle 10

	dichte Schiclnt	poröse Schicht	200
Dicke (mm)	1,1	1,5³>	10 χ 10~³
Rohdichte (g/cm³) ¹⁾	1,10	0,58
1) Porosität (%)	-	64
Spezifische Gasdurchlässigkeit (ml/cm.h.mmWS)	0,02	110
mittlerer Porendurchmessei (um)	-	30
2 Biegefestigkeit (kg/cm )
Volumenwiderstand (Ohm* cm)

Anmerkungen: 1) die Löcher nicht eingeschlossen

2) zwei Graphit-Blätter 15 + das Graphit-Blatt 16

3) eine Schicht gemäß Bezugszeichen 8 in Fig. 7.

Claims

4DORKIUNKERSCHMITT-NIl^ONHmSCH Β\ΤΕΝΤ\Ν\\Ά1ΤΕ Kl'!«»VAN K 20 750Κ/3 Kureha Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha 9-11 Horidome-cho 1-chome, Nihonbashi Chuo-ku, Tokyo, Japan Mir Längslöchern zur Zuführung der gasförmigen Reaktanten versehene Trägermaterialien für Brennstoffzellen-Elektroden Patentansprüche

1. Poröses Kohlenstoff-Trägermaterial für eine Brennstoffzellen-Elektrode, dadurch gekennzeichnet , daß es langgestreckte Löcher aufweist, die sich von einer Seite des Trägermaterials zur gegenüberliegenden Seite erstrecken und zueinander und zur Oberfläche der Elektrode parallel angeordnet sind.

2. Trägermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher in der Nähe einer Ebene, die die Mitte der Dicke des Trägermaterials bezeichnet, angeordnet sind.

3. Trägermaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 0,5 bis 3,0 mm aufweisen.

4. Trägermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß es eine

mittlere Rohdichte von 0,3 bis 1,0 g/cm³ und eine spezifische Gasdurchlässigkeit von nicht weniger als 20 ml/cm .h.mm Wassersäule aufweist.

5. Trägermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß nicht weniger als 60% seiner Poren einen Durchmesser von 10-100 μΐη aufweisen.

6. Kohlenstoff-Trägermaterial für eine Brennstoffzellen-Elektrode, dadurch gekennzeichnet , daß es eine dichte Schicht und eine poröse Schicht mit Löchern umfaßt, die sich als Längslöcher von einer Seite zur gegenüberliegenden Seite der porösen Schicht erstrecken und zueinander und zur Oberfläche der Elektrode parallel angeordnet sind.

7. Trägermaterial nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Löcher in der Nähe einer Ebene, die die Mitte der Dicke in der porösen Schicht bezeichnet, angeordnet sind.

8. Trägermaterial nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 0,5 bis 3,0 mm aufweisen.

9. Trägermaterial nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die poröse Schicht eine mittlere Rohdichte von 0,3 bis 1,0 g/cm³ und eine spezifische Gaspermeabilität von nicht weniger als 20 ml/cm.h.mm Wassersäule aufweist.

10. Trägermaterial nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß nicht weniger als 60% der Poren der porösen Schicht einen Durchmesser von 10-100 μΐη aufweisen.

11. Trägermaterial nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die dichte Schicht eine mittlere Rohdichte von nicht weniger als 1,0 g/cm³ und eine spezifische Gaspermeabilität von nicht mehr als 0,2 ml/cm.h.mm Wassersäule aufweist.

12. Trägermaterial nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke der dichten Schicht nicht größer ist als die Hälfte

10 der Gesamtdicke des Trägermaterials.

13. Trägermaterial nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß die dichte Schicht ein Graphit-Blatt ist.

14. Kohlenstoff-Trägermaterial für eine Brennstoffzellen-Elektrode, dadurch gekennzeichnet , daß es eine dichte Schicht und zwei poröse Schichten aufweist, wobei die beiden porösen Schichten auf den beiden Oberflächen der dichten Schicht angeordnet sind und langgestreckte Löcher aufweisen, die sich von einer Seite zur gegenüberliegenden Seite der jeweiligen porösen Schicht erstrecken und zueinander und zur Elektrodenoberfläche parallel angeordnet sind.

15. Trägermaterial nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Löcher in der Nähe einer Ebene, die die Mitte der Dicke der jeweiligen porösen Schicht bezeichnet, angeordnet sind.

16. Trägermaterial nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet , daß die Löcher einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 0,5-3,0 mm aufweisen.

17. Trägermaterial nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet , daß eine poröse Schicht eine mittlere Rohdichte von 0,3 bis 1,0 g/cm³ und eine spezifische Gasdurchlässigkeit von nicht weniger als

5 20 ml/cm.h.mm Wassersäule aufweist.

18. Trägermaterial nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet , daß nicht weniger als 60% der Poren in der porösen Schicht einen Durchmesser

10 von 10-100 μπι aufweisen.

19. Trägermaterial nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet , daß die dichte Schicht eine mittlere Rohdichte von nicht weniger als

15 1,0 g/cm³ und eine spezifische Gaspermeabilität von nicht mehr als 0,2 ml/cm.h.mm Wassersäule aufweist.

20. Trägermaterial nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke der dichten Schicht nicht mehr als eine Hälfte der Gesamtdicke des Trägermaterials und vorzugsweise 0,1 bis 3,0 mm beträgt.

21. Trägermaterial nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet , daß die dichte

Schicht ein Graphit-Blatt ist.

22. Kohlenstoff-Trägermaterial für eine Brennstoffzellen-Elektrode, dadurch gekennzeichnet , daß es eine vergrößerte dichte Schicht und zwei poröse Schichten aufweist, wobei die beiden porösen Schichten auf den beiden Oberflächen der dichten Schicht angeordnet sind und langgestreckte Löcher aufweisen, die sich von einer Seite zur gegenüberliegenden Seite einer porösen Schicht erstrecken und zueinander und zu der Elektroden-Oberfläche parallel angeordnet sind.

23. Trägermaterial nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet , daß die Löcher in der Nähe einer Ebene angeordnet sind, die die Mitte der Dicke einer porösen Schicht bezeichnet.

24. Trägermaterial nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet , daß die Löcher einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 0,5-3,0 mm aufweisen.

25. Trägermaterial nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet , daß eine poröse Schicht eine mittlere Rohdichte von 0,3 bis 1,0 g/cm³ und eine spezifische Gas-Durchlässigkeit von nicht weniger

15 als 20 ml/cm.h.mm Wassersäule aufweist.

26. Trägermaterial nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet , daß nicht weniger als 60% der Poren in einer porösen Schicht einen Durch-

20 messer von 10 - 100 μΐη aufweisen.

27. Trägermaterial nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet , daß die dichte Schicht eine mittlere Rohdichte von nicht weniger als 1,0 g/cm³ und eine spezifische Gasdurchlässigkeit von nicht mehr als 0,2 ml/cm.h.mm Wassersäule aufweist.

28. Trägermaterial nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke der dichten Schicht nicht mehr als die Hälfte der Gesamtdicke des Trägermaterials und vorzugsweise von 0,1-3,0 mm beträgt.

29. Trägermaterial nach einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet , daß die dichte

Schicht ein Graphit-Blatt ist.

30. Trägermaterial nach einem der Ansprüche 22 bis 29, dadurch gekennzeichnet , daß es außerdem ein weiteres dichtes Blatt umfaßt, das eine Seitenfläche der porösen Schicht parallel zu den Löchern abdichtet.

31. Trägermaterial nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet , daß das weitere dichte Blatt ein Graphit-Blatt mit einem U-förmigen Querschnitt ist.

32. Trägermaterial nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet , daß das weitere dichte Blatt auf die dichte Schicht aufgeklebt ist.

33. Trägermaterial nach einem der Ansprüche 22 bis 32, dadurch gekennzeichnet , daß es zusätzlich eine Rand-Abdichtung an der Seitenfläche der porösen

Schicht, die parallel zu den Löchern angeordnet ist, ' sowie einen Gasverteiler an der Seitenfläche der porösen Schicht, die senkrecht zu den Löchern angeordnet ist, aufweist.