NL8601849A

NL8601849A - Koolstof-grafiet bestanddeel voor een elektrochemische cel en werkwijze voor het vervaardigen van het bestanddeel.

Info

Publication number: NL8601849A
Application number: NL8601849A
Authority: NL
Original assignee: Int Fuel Cells Corp
Priority date: 1985-07-17
Filing date: 1986-07-15
Publication date: 1987-02-16
Also published as: DE3623881A1; FR2585187A1; JPS6332863A; FR2585187B1; GB8617111D0; US4938942A; GB2178019B; GB2178019A

Description

-1- "

Koolstof-grafiet bestanddeel voor een elektrochemische cel en werkwijze voor het vervaardigen van het bestanddeel.

De uitvinding heeft betrekking op koolstof-grafiet bestanddelen van het type, dat gebruikt wordt in elektrochemische cellen, zoals brandstofcel krachtinstallaties.

Ofschoon deze uitvinding werd ontwikkeld voor gebruik in het 5 gebied van fosforzuur brandstofcel krachtinstallaties, kan de uitvinding toegepast worden op elk gebied waarin kool» stof-grafiet bestanddelen gebruikt worden.

Brandstofcel krachtinstallaties leveren elektrische energie door elektrochemisch een brandstof en een oxidant 10 te verbruiken in êên of meer elektrochemische cellen.De oxidant kan zuivere zuurstof zijn of een mengsel van gassen die zuurstof, zoals lucht, bevatten. De brandstof kan waterstof zijn.

Elke brandstofcel heeft in het algemeen electroden 15 voor het ontvangen van de gassen, zoals een anode electrode voor brandstof en een kathode electrode voor een oxidant.

De kathode electrode staat op een afstand van de anode electrode en een matrix, verzadigd met elektroliet is tussen de electroden geplaatst.

20 Elke electrode bevat een substraat. Het substraat heeft een katalysatorlaag aangebracht op de zijde van het substraat, die naar de elektrolietmatrix gekeerd is. In sommige gevallen zit aan de andere zijde van het substraat een elektrolietreservoirplaat, en is in staat elektroliet 25 te verschaffen door kleine porieën naar het substraat. Deze elektrolietreservoirplaten kunnen kanalen of doorgangen achter het substraat hebben om een reaktiedeelnemer gas, zoals een gasvormige brandstof, naar de anode, en gasvormig oxidant naar de kathode te leiden. Deze kanalen kunnen bij-30 voorbeeld verlopen evenwijdig aan ribben op de substraatzij-de van de elektrolietreservoir plaat. Een scheidingsplaat aan de andere zijde van de elektrolietreservoirplaat verschaft een afsluiting tegen het verlies aan elektroliet en voorkomt mengen van de brandstof en oxidant gassen in nabu-35 rige cellen. Een andere aanvaardbare constructie is om het electrodesubstraat te laten werken als zowel een elektroliet reservoirplaat alsook een electrodesubstraat met kanalen 860 iO 4 & t ^ - 2 - aan de scheidingskant van het substraat.

In het algemeen worden een stapel brandstofcellen en scheidingsplaten gebruikt bij het uitvoeren van de elektrochemische reaktie. Als een gevolg van de elektrochemische 5 reaktie levert de brandstofcelstapel elektrische energie, een r aktieprodukt en afvalwarmte. Een koelsysteem verloopt door de stapel ter verwijdering van de afvalwarmte uit de brandstofcelstapel. Het koelsysteem bevat een.koelmiddel en leidingen voor het koelmiddel, De leidingen zijn geplaatst 10 in koelerhouders om koelers in de stapel te vormen. Hitte wordt door de koelerhouders overgebracht van de brandstofcellen naar de. leidingen en van de leidingen naar het koelmiddel ,

De koelerhouder moet elektrisch en thermisch gelei- J.5 dend zijn en kan gasdoorlaatbaar zijn. Een voorbeeld van een dergelijke.koeIerhouder wordt getoond in Amerikaans Octrooi-schrift Nr.4.245.009, verleend aan Guthrie, getiteld "Porous Coolant Tube Holder for Fuel Cell Stack". Inplaats daarvan kan de koelerhouder ondoorlaatbaar voor gas zijn. Een 2Q voorbeeld van een dergelijke koeler wordt getoond in Amerikaans Octrooischrift Nr.3.990.913, verleend aan Tuschner, getiteld "Phosphoric, Acid. Heat'Transfer Material". In dit octrooischrift dient de koelerhouder de dubbele funktie van koelerhouder en schéidingsplaat.

25 Scheidingsplaten voorkomen het mengen van het brand stofgas, zoals waterstof, gelegen aan êên zijde van de plaat met een oxidant, zoals zuurstof, gelegen aan de andere zijde van de plaat. Scheidingsplaten zijn daarom zeer ondoorlaatbaar voor gassen zoals waterstof en zeer elektrisch gelei-3Q dend om de elektrische stroom door de brandstofcelstapel te te voeren. Bovendien moeten scheidingsplaten ook bestand zijn tegen de zeer corroderende atmosfeer, die gevormd wordt door de in de brandstofcel gebruikte elektroliet. Een voorbeeld van een dergelijke elektroliet is heet fosforzuur.

35 Bovendien moeten scheidingsplaten, zoals koelerhouders, sterk zijn, in het bijzonder in termen van buigsterkte, die een maat is voor het vermogen van de schéidingsplaat om bestand te zijn tegen hoge drukbelastingen, verschillende warmteuitzetting van passende onderdelen, en verschillende 40. warmtecycli zonder barsten of breken.

3601849 i i - 3 -

Een voorbeeld van een werkwijze voor het vervaardigen van scheidingsplaten voor elektrochemische cellen wordt besproken in Amerikaans Octrooischrift Nr.4.360.485, verleend aan Etaanuelson c.s., waarvan de beschrijving hierin 5 door verwijzing wordt opgenomen. In deze werkwijze wordt de scheidingsplaat gevormd door gieten en dan grafitiseren van een mengsel van bij voorkeur 50 procent zeer zuiver grafietpoeder en 50 procent carboniseerbare.thermohardende fenolhars. Eraanuelson bespreekt in het bijzonder een goed 10 gemengd mengsel van de geschikte hars en grafietpoeder. Het mengsel wordt dan in een vorm verdeeld. De vorm wordt onder druk en temperatuur gecompacteerd om de hars te smelten en gedeeltelijk te harden en de plaat te vormen.

Elektrolietreservoirlagen, zoals gebruikelijk wor-15 den aangetroffen in elektrolietreservoirplaten en als elec-trodesubstraten hebben vereisten, die afwijken van die voor een scheidingsplaat. Reservoirplaten moeten bijvoorbeeld volumewijziglngen in de elektroliet tijdens gebruik van de brandstofcel kunnen opvangen. Voorbeelden van dergelijke 20 elektrolietreservoirlagen worden getoond in aan de gemeenschap behorende Amerikaanse Octrooischriften Nrs.3.779.811; 3.905.832; 4.035.551; 4.038.463; 4.064.207; 4.080.413; 4.064.322; 4.185.145 en 4.37.4.906.

Verscheidene van deze octrooischriften tonen de 25 elektrolietreservoirlaag als een electrodesubstraat. Naast het opvangen van wijzigingen, in zuurvolume tengevolge van elektrolietverdamping en wijzigingen in de uitvoeringsom-standigheden van de. celelectrode, moeten substraten voldoen aan verscheidene andere funktionele vereisten. Het substraat 3Q verschaft bijvoorbeeld steun aan de katalysatorlaag en verschaft een middel voor de gasvormige reaktiedeelnemers om door de katalysatorlaag te gaan. De randen van het substraat dienen dikwijls te fungeren als een natte afdichting om het ontsnappen van reaktiedeelnemergassen en elektroliet uit de 35 cel te voorkomen. Tenslotte moet het substraat een goede elektrische geleider, een goede warmtegeleider zijn en voldoende bouwsterkte en corrosiebestendigheid hebben.

Eén materiaal dat is voorgesteld ten gebruike in brandstofcellen, zoals kaliumhydroxide brandstofcellen, 4Q wordt besproken in aan de gemeenschap behorend Amerikaans

aao18 4 S

- 4 -

" i' X

Octrooischrift Nr.4.064.207, verleend aan DeCrescente c.s., getiteld "Porous Carbon Fuel Cell Electrode Substrates and Method of Manufacture". Daarin wordt voorgesteld het substraat te vervaardigen uit één of ander goedkoop materiaal 5 dat in filamentvorm beschikbaar is en dat gepyroliseerd kan worden om een koolstofvezel te vormen. Voorbeelden van dergelijke filamenten zijn filamenten samengesteld uit acrylonitrile polymeren en filamenten samengesteld uit natuurlijk voorkomende cellulosevezels, zoals rayon. De carboniseerbare 10 filamenten zijn gelijkmatig verdeeld op een vlakke drager om de vezels te doen vervilten. Een harsbindmiddel wordt daarna aangebracht, karakteristiek door‘sproeien. Daarna wordt het vilt onderworpen aan pyrolyse door verhitten.

Een ander materiaal dat gewoonlijk gebruikt wordt 15 als een reservoirlaag in fosforzuur.. elektroliet. brandstofcellen wordt gevormd uit koolstofvezels die met een hars, zoals een fenolhars, met elkaar verbonden zijn en verhit worden om de hars en koolstofvezels om te zetten in grafiet. Inplaats daarvan kunnen koolstof of grafietvezels met elkaar 2Q verbonden worden door pyrolitisch grafiet, door een hoeveelheid vezels te plaatsen in een ontleedbare koolwaterstof-atmosfeer (b.v. methaan! onder omstandigheden die veroorzaken' dat de 'koolwaterstof wordt afgebroken tot koolstof en waterstof. De koolstof (nu pyrolitisch grafiet! zet zich af 25 op de vezels. Deze twee materialen zijn in de handel verkrijgbaar en worden gewoonlijk aangeduid als koolstofpapier.

Ofschoon vele voorlopermaterialen zijn voorgesteld voor koolstofvezels, worden slechts drie, rayon, polyacrylonitrile. (PANL, en pek gebruikt in industriële produktie.

30. Dergelijke koolstofvezels zijn buigzaam, licht van gewicht, thermisch en in grote mate chemisch inert. Deze vezels worden alle geacht goede warmte en elektrische geleiders te zijn.

Goedkope cellulosevezels, zoals katoenvezels en 35 houtvezels,.zijn een aantrekkelijk voorlopermateriaal voor koolstofvezels. Gasdoorlaatbare bestanddelen, zoals brandstof celsubstraten, vervaardigd van koolstofvezels op cellulose basis hadden echter lagere elektrische en warmte geleid baarheid, 40 Derhalve zoeken wetenschappers en technici naar 8601849 ir i - 5 - het ontwikkelen van werkwijzen om gasdoorlaatbare brandstofcel bestanddelen te maken, zoals electrodesubstraten en koolstofvezels voor dergelijke bestanddelen uit cellulose voorlopervezels bij hogere verhittingssnelheden en met 5 verbeterde elektrische en thermische eigenschappen.

Volgens de onderhavige uitvinding wordt een kool-stof-grafiet bestanddeel, dat geschikt is voor gebruik in een elektrochemische cel, gevormd uit een- carboniseerbare thermohardende hars, een anorganische verbinding, die boor 1G en zuurstof bevat, en voorlopervezels, gekozen uit de groep, die. bestaat uit cellulosevezels, gecarboniseerde cellulosevezels en mengsels daarvan.

Overeenkomstig ëên uitvoeringsvorm van deze uitvinding behelst de werkwijze voor het vervaardigen van het 25 koolstof-grafiet bestanddeel de stap van mengen van de

Boor en zuurstof bevattende anorganische verbinding met de vezels en de hars voorafgaande aan het harden van de hars.

Een eerste punt van deze uitvinding is een werkwijze voor het vervaardigen van een koolstof-grafiet bestand 2Q deel dat geschikt is voor gebruik in een electrochemische cel, die de stap behelst van het mengen van een boor en zuurstof bevattende anorganische verbinding met cellulosevezels, gecarboniseerde cellulosevezels of mengsels van cel-. lulosevezels met gecarboniseerde cellulosevezels. In êên 25 uitvoeringsvorm vindt het mengen van de hars, cellulosevezels en anorganische verbinding plaats voorafgaand aan het harden van de hars. De anorganische verbinding is boorzuur in een hoeveelheid die voldoende is om de warmtegeleidbaar-heid te verhogen en de elektrische weerstand te verlagen 3Q van het verkregen bestanddeel in vergelijking met bestanddelen die uit dezelfde vezel zijn gevormd zonder gebruik van boorzuur, In ëën uitvoeringsvorm wordt een hoeveelheid kiezelzuur met het boorzuur gemengd.

Een eerste voordeel van deze uitvinding is de 35 energieafgifte van een brandstofcel die voorzien is van. bestanddelen gevormd uit koolstofvezels op cellulosebasis, die het gevolg is van de elektrische weerstand en warmte geleidbaarheid van de bestanddelen in vergelijking met een brandstofcel van dezelfde grootte met bestanddelen, die 4Q vervaardigd zijn van gecarboniseerde cellulosevezels zonder 360134? v * - 6 - het gebruik van anorganische verbindingen die boor en zuurstof bevatten. Een ander voordeel is de tijdsduur die nodig is om het bestanddeel te vormen, die voortkomt uit het verkrijgen van een koolstofopbrengst, die meer dan twintig 5 gew.% van-de cellulosevezel bedraagt bij verhittingssnelhe-den die meer dan 55,6°C/min bedragen tijdens het carbonise-ringsproces. Nog een ander voordeel is het vermogen om de gemiddelde poriegrootte te wijzigen van een elektrolietre-servoirlaag door verandering van de volgorde van verwerking 10 van de katoenvezel in een gecarboniseerde vezel.

De voorgaande kenmerken en voordelen van deze uitvinding zullen duidelijker worden aan de hand'van de onderstaande nadere beschrijving van de beste uitvoeringsvorm van de uitvinding en uit de bijgaande tekeningen.

15 In de tekeningen is

Figuur 1 een dwarsdoorsnede aanzicht van een deel van een elektrochemische cel stapel met een elektroliet-raservoirlaag en. een scheidingsplaat nabij een koelerhouder.

Figuur 2 is een grafische weergave van de weerstand 20 van een substraat in mV/mil bij een stroomdichtheid. van 2 2 3.00 Λ per 9. dm en onder een axiale belasting van 72 kg/cm .

Beste wijze van uitvoering van de uitvinding. .

Figuur 1 een een dwarsdoorsnede aanzicht van een deel van een brandstofcelstapel 6. De brandstofcelstapel 25 bevat ëên of meer brandstofcellen, zoals weergegeven door de brandstofcel 8 en koelerhouders, zoals weergegeven door de enkele koelerhouder 10, die op afstand staan met tussen ruimten tussen stellen brandstofcellen. De koelerhouders zijn geschikt om leidingen 11 voor een koelmiddel op te 3 0 nemen.

Elke brandstofcel bevat een elektroliet vasthoudende matrix 12 die geplaatst is tussen een anode electrode 14 en een kathode electrode 16. De bepaalde cel als weergegeven gebruikt fosforzuur als de elektroliet. Een elektrolietre-35 seryoirplaat 18 ligt tegen de anode en een elektrolietreser-voirplaat 2Qligt tegen de kathode. In een andere opbouw kunnen de elektrolietreservolrplaten vervangen worden door geribde gasscheidingsplaten.

De anode electrode 14 heeft een katalysatorlaag 22 40 en een poreuze reservoirlaag 24. De katalysatorlaag is aan § S y i 8 4 è fc si --7- de reservoirlaag gebonden en wordt gevormd uit katalysator-deeltjes, die met een hydrofoob materiaal aan elkaar gebonden zijn, zoals polytetrafluorethyleen. Eên dergelijke katalysator is platina op koolstofdeeltjes als drager, De 5 reservoirlaag in deze uitvoeringsvorm is ook een electrode substraat daar het de katalysatorlaag draagt.

De poreuze elektrolietreservoirplaat 18 heeft ribben 26 en een randgedeelte 28. De ribben staan op afstand van elkaar en laten doorgangen 23 daartussen vrij voor IQ brandstof. Een geschikte brandstof, zoals waterstof, wordt door de doorgangen 29 tussen de reservoirlaag en de elektrolietreservoirplaat gevoerd en van daar naar de katalysator-laag 22.

Elektrolietverplaatsing binnen de cel vindt plaats 15 als een gevolg van de capillariteit van poreuze strukturen die capillaire krachten ontwikkelen. Hoe kleiner de porie, des te groter de capillaire kracht en des te groter het vloeistofretentievermogen. Elektroliet overdracht tussen de matrix 12 en zpwel de elektrolietreservoirplaat 18 als 2d reservoirlaag 24 geschiedt rechtstreeks door de porieën van de katalysatorlaag 22, die gedeeltelijk hydrofiel is. De katalysatorlaag kan gaten bevatten om aan deze vloeistof overdracht bij te dragen.

In dit voorbeeld van een brandstofcel heeft de 25 kathode electrode 16 ook een reservoirlaag 30 en een katalysatorlaag 32. De katalysatorlaag is gebonden aan de reservoirlaag. In vele toepassingen kan een reservoirlaag aan slechts êën zijde van de cel worden verschaft.

Net als de elektrolietreservoirplaat 18 tegen de 30 anode, heeft de elektrolietreservoirplaat 20 tegen de kathode een aantal ribben, zoals weergegeven door de enkele ribbe 34, die op een afstand van elkaar staan om doorgangen 38 voor de oxidant te bepalen. Deze doorgangen verlopen in het algemeen loodrecht op de doorgangen 29. Een oxidant, 35 zoals de in de lucht aanwezige zuurstof, wordt door deze doorgangen tussen de reservoirlaag en de elektrolietreservoirplaat gevoerd en van daar door de reservoirlaag naar de katalysatorlaag.

Scheidingsplaat 39a, voorzien van een randgedeelte 4Q en scheidingsplaat 39 b voorzien van een randgedeelte 40b, 8601849 v 4 - 8 - worden gebruikt om de naburige brandstofcellen te scheiden. De scheidingsplaten verhinderen dat de waterstof, die door de doorgangen 29 stroomt, mengt met de zuurstof uit lucht die door de doorgangen 38 stroomt. De scheidingsplaten zijn 5 zeer ondoorlaatbaar voor een gas, zoals waterstof, en sterk elektrisch geleidend om electronenstroom in de langsrichting door de stapel mogelijk te maken. De scheidingsplaten blokkeren ook de overdracht van elektroliet uit reservoirlagen binnen de cel.

20. In dit voorbeeld hebben de reservoirlagen elk. een afdichtend gedeelte langs de omtrek. De reservoirlaag 24 heeft bijvoorbeeld een afdichtend gedeelte 41 langs de omtrek., de reservoirlaag 30 heeft een afdichtend gedeelte 42 langs de omtrek, en de randgebieden 28 en 36 van de elek-15 trolletreservoirplaten zijn afdichtende gedeelten langs de omtrek. Deze afdichtende gedeelten zijn geïmpregneerd, zoals met materiaal waaruit de matrix 12 vervaardigd is, opdat het gehele volume van deze gedeelten in hoofdzaak volledig met elektroliet gevuld- blijft zoland de matrix 12 met 20 elektroliet gevuld is. Vloeistofafdichtingen worden daardoor geyormd door de afdichtende gedeelten in te klemmen tussen hét randgedeelte 40a van de Bovenste 'gasscheidingsplaat en het randgedeelte 40B van de onderste gasscheidingsplaat.

Deze vloeistof afdichtingen worden gevormd aan de oppervlak-25 ken 45, 46, 48, 50·, 52 en 54. Dit kan worden gedaan op de . wijze als beschreven in Amerikaans Octrooischrift Nr. 3.867.206, getiteld "Wet Seal for Liquid Electrolyte Fuel Cells", verleend aan Trocciola c.s.

Zoals getoond zijn de bestanddelen die de electro-30 chemische cel vormen plaatvormige constructies, die gegoten of gevormd worden tot configuraties die zich aanpassen aan hun bepaalde gebruik.

Electrode substraten, vervaardigd uit gecarboni-seerde cellulosevezels, werden gemaakt uit mengsels van 35 vezels, zowel gecarboniseerd als ongecarboniseerd, een ther-mohardende hars en bepaalde verbindingen, die tijdens verschillende stappen in de vervaardigin.gswerkwij ze werden toegevoegd. De stappen van de werkwijze behelsden het vormen van een voorloper vel struktuur, die de vezels en hars 40 bevat, verhitten van de voorloper vel struktuur in een

^ · 'M' ‘V

* » - 9 - niet-oxiderende atmosfeer tot een eerste temperatuurtrajekt voor het carboniseren van delen van de vel struktuur en verhitten van de voorloper vel struktuur in een niet-oxide-rende atmosfeer tot een tweede temperatuurtrajekt om de 5 gecarboniseerde delen in grafiet om te zetten. In het algemeen vondt carbonisering plaats in een niet-oxiderende at- . mosfeer (zoals een inerte of reducerende atmosfeer] bij een temperatuur beneden ongeveer 2500°C en grafitisering bij een temperatuur boven ongeveer 2500°C zoals besproken op bl.

10 3d, vol.6 van de McGraw-Hill Encyclopedia of Science and

Technology (5e ed., 1982], waarvan de tekst hierin wordt opgenomen door verwijzing. Deze substraten worden besproken in de volgende voorbeelden.

yoorbeeld 1 15 Een reeks proeven werd uitgevoerd om de invloed te

Bepalen van verschillende toegevoegde verbindingen op de fysische eigenschappen van uit katoen vervaardigde substraten, In dit bepaalde voorbeeld waren de katoenvezels gebleekte katoenpluizen. De katoenvezels hadden een gemiddelde 2d . diameter van 9-10 micron en een nominale lengte van 0,254 mm na hakken van de vezels in een Wiley molen). De carboniseer-bare, thermohardende fenolhars was Reichhold EX4347 fenolhars, verkrijgbaar bij Varcum Chemical, een divisie van Reichhold Chemicals, Inc., Niagara Falls, New York. De toege 25 voegde verbindingen waren een anorganische verbinding, die boor en zuurstof bevat, zoals boorzuur (H^BO^ poeder, reagens kwaliteit}., kiezelzuur (I^SIO^ poeder, reagens kwaliteit), ijzer poeder (Fe), en siliciumcarbide deeltjes (SiC). Deze toegevoegde verbindingen werden cpgenomen in een twee-tot-30 ëên cellulose-tot—fenolhars mengsel doomechanisch droog mengen voorafgaande aan vorming van het substraat. In dit voorbeeld en in andere voorbeelden is de aanwezigheid van elke toegevoegde verbinding hieronder vermeld in gew.% betrokken op het totale mengsel van cellulose, fenolharshars en de 35 toegevoegde verbinding of verbindingen.

Het mengsel werd gevormd tot een substraat, 2,54 mm dik en thermogehard door verhitten van het mengsel in een vorm in de aanwezigheid van lucht tot een temperatuur van ongeveer 160°C. Na het vormen werd het gevormde voorloper 40 vel verhit in een niet-exiderende atmosfeer in het bijzonder 360134Θ * * - 10 - een inerte stikstofatmosfeer/ tot ongeveer 982°C met een snelheid van ongeveer 5^C/uur om de cellulose en hars te carboniseren. Zoals algemeen bekend is, kan de carbonisatie plaats vinden in een temperatuurtrajekt en met tijden, die 5 bepaald worden als funktie van de temperatuur. Ofschoon geen monsters gemaakt zijn in een reducerende atmosfeer wordt aangenomen, dat een reducerende atmosfeer dezelfde resultaten zal geven. Het mengsel werd dan verhit in een niet-oxiderende atmosfeer, in het bijzonder een argon-helium 10 atmosfeer tot ongeveer 2720?C in een Astro laboratorium gra-fitiseringsoven, vervaardigd door de Astro Corporation. Aangenomen wordt, dat een reducerende atmosfeer dezelfde resultaten zou geven. Tabel I vergelijkt de fysische kenmerken van deze substraten met een onbehandeld substraat, 15 gemaakt van dezelfde katoenvezel. Elektrische weerstand 2 werd gemeten in mV/pm bij een stroomdichtheid van 1111A/m en onder een .axiale belasting van 6,897 bar.

20 8§918 4 § < * -11- σ> c •Η φ ρ Ë Φ 3 Ό m ο cm co rl c tfl ^ Γ» Is lil O (0 > u Φ <JP >

-P

om •Η Φ

£ -H t— CO *Φ <T\ LD

Φ γη co m co r- co σ> 5-i Φ HP > cm cm Ρ φ O g Π3 <J\ <T* £> \ Λ m ro ld

t)iQ < O O O O

W G >4 <- Γ" r- - - - * •Hflj «- cn o o o o o

M-U gf-CO «- I I I I

i-JOlS'-** » O til 1Λ O' y 5_i vo o ro n ro n φ φ > -rn o o o o HÖJë-HC ----

Pt} £ — 43 φ o O O o

U

0 oo . <X> co g - o H * CM - ty» j-i cm m cn

J G p Vö I I CO CO

H -p 3 <— <n - -

PQ φ rQ\ T— η 'φ CM CM

< +1-HH "LH

g E (1) id ^ t-

MH O CM

(Ö Φ M S Cn— -P — χςη o m o m m +JQË -φ <Φ CO "Φ «Φ Ρ -p c - -" - - - O S\ 00 00 0 +J (D S' co cn-— -p H H is φ φ O pp o

CQ Cfl -Ρ Γ— CM

σι en 5 pp pp Φ G Φ 1 1 r~ o o φ σ> i > g CM o Φ a <-

0 G O

E-t -H

Φ ό σ>

Cn G en

φ -p m O

O T3 G O --i > c φ ca en o

φ -η Φ m cm φ -P

ty-Q O S3 B fe en

φ P

O Φ .....

g > «— cm cn -Φ in i 5 !i 13 4 9 » i - 12 -

Uit deze gegevens is het duidelijk, dat substraten die gevormd zijn met deze toevoegsels een aanmerkelijk lagere elektrische weerstand en een hogere warmtegeleidbaar-heid hebben dan substraten die gevormd zijn met onbehandelde 5 katoen, die met dezelfde werkwijze gecarboniseerd en gegra-fitiseerd werd. Boorzuur is het bevoorkeurde toevoegsel van de onderzochte. In het bijzonder vergde het boorzuur een geringer gew.% om tenminste hetzelfde effekt te verkrijgen en leed een geringer gewichtsverlies en volumeverandering.

10 Er wordt aangenomen dat totale toevoegsels niet meer dienen te bedragen dan 20 gew.% betrokken op het totale·,gewicht"'van het mengsel en dat hoeveelheden boorzuur tussen 2 en 15 % bevredigende resultaten geven.

Voorbeeld 2 15 Een tweede reeks proeven werd uitgevoerd om te bepa len of harden van de fenolhars voorafgaande aan het toevoegen van de anorganische boor-zuurstof verbinding de verbetering van de eigenschappen zou beïnvloeden. In dit voorbeeld waren de katoenvezels gebleekte katoenpluizen en werden op 20 dezelfde manier als in Voorbeeld 1 vervaardigd. De katoenvezels werden droog gemengd met 3,1% gepoederd boorzuur gedurende omgeveer h uur. Na met elkaar mengen van het gepoederde boorzuur en de katoenvezels, werd dezelfde gepoederde fenolhars toegevoegd in een hoeveelheid, die een twee-tot- 25 één cellulose-tot-fenolhars mengsel verschafte. Het mengsel werd dan in een vorm tot substraten gevormd zoals beschreven in Voorbeeld 1.

Een ander stel substraten werd gevormd zonder toevoegen van boorzuur voorafgaande aan het harden van de hars.

30 Na harden van de hars om het voorloper vel te vormen werd het boorzuur aan het voorloper vel toegevoegd. Het boorzuur werd toegevoegd met gebruikmaking van een oplosmiddel impreg neringsschema met methanol als het oplosmiddel voor boorzuur Substraten met drie verschillende beladingen boorzuur werden 35 vervaardigd.

Tabel II vergelijkt de fysische kenmerken van substraten die boorzuur ontvangen voor de harsharding en substraten die boorzuur ontvangen na de harsharding.

40 86 0 18*8 * *

- 13 -I

Cn

C

•Η φ u ε © 3 iq if) νο m r-' ,-ι d m* if) in if) O (Ö > U © op >

P

Λ ο m •h ©

£ -H CO '— σ CN

φ ,-1 If) VO VO VO

O) M Φ dP >

CM MM

φ g (d O

Λ \Λ «“ Ο Ό <! ωβ^-Γ'Χ σ> *- σ' en .,-1 π3 <— σι cm σι νο ιη Μ ρ <-* οο ε ο ο ο ο 4J ω *- «* 3 » ν ν », 4ί* Μ νο ΜΟ Ο Ο Ο Ο φ φ -Γ-) >

HdJ-rlfiE

ΒΪΛΦ- ο ο ε • Η Cn Μ CO OV <Γι Μ* ι_ι 3 d <D tn m νο •ri 3 * * fc "· J ©Ό\ cm ο ο *- Η Ρ -Η i-i β ε © © < Μ ι—I ϋ & CÖ Φ Μ SE en— Ρ — ο; η if» ο cm Γ" ' +j ο ε <3* 10 10 U ·Η ϋ - ' * ^ 0 ο ο ο ο Ρ Φ εη m en— Ρ σ> λ ^

3 Γ-Η ο dP dP dP dP

Μ φ ·Η Τ- Ο σι Μ· en en £ - ** *· tji en Φ cn cm μ* ιη Φ d en ^ ηθ Φ ο > ε Ρ ca φ φ η0 C Ω» 33 Ρ -Μ —

Cn diii 3ν -η cn cn en 3 leSMOipcnMen -η Ιι id d si d « fi en μ φ Λ -w >β ή pi Φ Ο- Λ Ό Ό Ό

no OcnröPdS-tcöM

o> >k 215 2« zm CQ φ <ΰ -d P Λ

ηθ · P

B p r- cm n

8601S4 S

• * - 14 -

Uit deze gegevens blijkt duidelijk dat toevoegen van boorzuur voorafgaande aan het harden van de hars leidt tot een signifikant betere thermische en elektrische geleidbaarheid dan toevoegen van boorzuur en na harden van de 5 hars. Desondanks veroorzaakte toevoegen van boorzuur na de harsharding toch een verbetering van zowel de thermische geleidbaarheid als de elektrische weerstand.

Aangenomen wordt dat mengen van het boorzuur met zowel de ongeharde fenolische hars als de katoevezels het 10 voor het boorzuur mogelijk maakt de cellulosevezel gelijkmatiger te bedekken. Als de hars gehard wordt voorafgaand aan het toevoegen van boorzuur, kan de harsfase in het voorgevormde vel de vezel bedekken en aldus toegang van het boorzuur tot de vezel blokkeren. Bovendien dispergeert het 15 boorzuur niet gemakkelijk door de hars als de hars eenmaal gesmolten en gehard is in zijn fase met gering oppervlak-gebied.

Voorbeeld 3

Verdere proeven werden uitgevoerd om het effëkt 20 te bepalen op warmtegeleidbaarheid en elektrische weerstand van het carboniseren van de gehakte katoenvezels (in dit geval katoenpluizen) voorafgaand aan het mengen van de katoenvezels met de ongeharde hars en met de ongeharde hars en het toevoegsel.

25 In proef 1 werden ongecarboniseerde katoenvezels gemengd met fenolhars in een twee-tot-één verhouding zonder toevoegsel en gevormd, thermogehard, gecarboniseerd en ge-grafitiseerd zoals uiteengezet in Voorbeeld 1.

In overeenkomstige proeven 2, 3 en 4 werden de 30 zelfde soort katoenvezels gecarboniseerd door verhitten van de vezels in een inerte atmosfeer ( in het bijzonder een stikstofatmosfeer) tot 982°C met een snelheid van 5°C/uur. De koolstofopbrengst van de vezels was 23 gew.% van de uit-gangsvezels. In de overeenkomstige proeven werden deze ge-35 carboniseerde vezels gemengd met fenolhars in een verhouding van twee-op-één zonder toevoegsels(proef 2), met een hoeveelheid boorzuur, die 3,1 gew.% van het totale mengsel was (proef 3), en met een hoeveelheid boorzuur en kiezel-zuur waarin het boorzuur 5 gew.% van het totale mengsel en 40 het kiezelzuur 1 gew.% van het totale mengsel was(proef 4).

§§01348 - 15 - « *

De mengsels van katoenvezels, ongeharde fenolhars en toegevoegde verbindingen als geschikt, werden gevormd tot substraten en thermogehard zoals uiteengezet in Voorbeeld 1.De mengsels werden dan gecarboniseerd en gegrafiti-5 seerd zoals uiteengezet in Voorbeeld 1. Tabel III vergelijkt de fysiche gegevens van de vier substraten.

10 8601349 - 16 - cn c (1) -μ S Μ 3 Φ Η Ό οο ο σι τ- 0 3 LO τ- <ν > tö μ ο\° φ > -μ

Xt ϋ Φ •Η φ 5 ·η σ r- Γ-* ro φ Η >>0 CN CN ^ Ο» μ Φ ο® >

CN MCN

Φ g 3 ο X, \Λγ- ον «Λ η ° ϋ Τ5 sd 2 οο <Ν cn wö'-r'X S ο ο ο Η 3 <- σ *· *· *» M+Jr-COg q ο ο ο χ μ νο ^ φ φ ·π > (—ι φ -η c ε Η SX3 Φ~ *·»» υ Η ο Η η ε • μ 0ι μ «5 £Ν σ ιό Η β 3 CM ο Γ-- CQ ·Η 3 - - * - < φ U \ ρ- οο ^ "3* Ε-ι +J ·Η Η ε Φ 3 μ η ο id φλ 5 Ο"— •μ — j^ro νο νο ιη ο μ υ ε ^ ^ ^ μ ·μ Ο 0 |5 \ Ο Ο ο ο μ 0 ο cn &iw ι ι ι ι φ 0 Ή -μ -μ Ό 42 Φ 3 3 3 ό μ μ τΰ ο ο ο Ö1 3 3 μ 3 Λ Φ 3 Λ Φ 3 Λ Φ 3 η 3 μ φφφ μ3 φ μ ό φ μ 35 φ φφ φ φ φ φ ο 3 μ ο 3 μ ο 3 μ ο ν βμ ομ σ> φ μ υφμ οφμ οφμ ΦΦΦ33 3 ·μ 3 Φ Φ 3 Φ Φ 3 Φ Φ 3 > tn g 0 ,3 0344 0344 0344 0344 +J ΓΟ Λ . οο ο rH rH ü ο ·μ Φ φ·η CQ cn

Φ Φ 5 ΓΟ ΓΟ CN

ΟΟΦ 3 3 ο\οθ HE

φ 3 0ι Φ Φ '-Η 0 Φ Φ Φ > Γ0 ο\ο ο\° >εμθ Ο ooffi m <- Φ Φ 0 3 Dj · · · * ÊH ·Η W t- CM Γ0 ·=ρ Q g Q 1 ο /; £ -w - 17 - -¾

Uit proeven 1 en 2 blijkt duidelijk voor voorloper vellen vervaardigd zonder toevoegsels en uit ongecarboni-' seerde en gecarboniseerde katoen, dat carboniseren van de katoenvezel voorafgaand aan het vormen van de voorloper vel 5 struktuur de warmtegeleidbaarheid en de elektrische weerstand van het substraat verbetert.

Zoals blijkt uit proef 3 leidt toevoegen van 3,1 gew.% boorzuur aan het gecarboniseerde katoen tot verdere verbetering van de thermische geleidbaarheid en elektrische 10 weerstand. Zo verbeterde carboniseren van de katoenvezels voorafgaand aan het vormen van de velstruktuur de thermische geleidbaarheid en elektrische weerstand ongeacht of het boorzuur toevoegsel aanwezig was. Maar carboniseren van de katoen en mengen van de gecarboniseerde katoen met ongeharde 15 hars en boorzuur is beter dan mengen van ongecarboniseerde katoen met ongeharde hars en boorzuur zoals blijkt door vergelijken van deze proef en proef 2 uit Voorbeeld 1, waar ongecarboniseerde katoen en boorzuur gebruikt werden om het substraat te vormen.

20 Verrassenderwijze gaf toevoeging van een hoeveel heid boorzuur en kiezelzuur in een hoeveelheid van ongeveer 20 gew.% van het boorzuur verdere verhoging van thermische geleidbaarheid en elektrische weerstand verschafte zoals getoond door de vierde proef van Voorbeeld 3. Aangenomen 25 wordt dat het kiezelzuur aanwezig dient te zijn in een hoeveelheid die ongeveer 20 gew.% van het boorzuur is, met een voorkeurstrajekt van 15 tot 25 gew.% betrokken op de hoeveelheid boorzuur.

Gebruik van cellulosevezels en gecarboniseerde 30 cellulosevezels had een ander verrassend effekt. In het verleden werd de porie grootte van elektrolietreservoir lagen, karakteristiek vervaardigd uit grafietpoeder, geregeld om de deeltjesgrootte van het grafietpoeder en andere organische toevoegsels. Het werd niet mogelijk geacht de 35 poriegrootte van een uit katoen vervaardigd substraat aanzienlijk te wijzigen, omdat katoen een betrekkelijk konstant en smal vezeldiameter trajekt. De boven beschreven proeven toonden aan dat de gemiddeld poriegrootte van de substraten die vervaardigd zijn uit de gecarboniseerde katoenvezel 40 gemengd met de ongeharde hars 15,5 /am was tegen een gemid- 860134? - 18 - melde poriegrootte van 10,1yum voor substraten vervaardigd uit gecarboniseerde katoen. Derhalve beïnvloedt de volgorde van verwerking van de katoenvezels tot een substraat de gemiddelde poriegrootte van het gerede substraat en ver-5 schaft een andere variabel voor het bereiken van de gewenste poriegrootte. Aangenomen wordt dat mengen van de katoenvezels met gecarboniseerde vezels het mogelijk zal maken de gemiddelde poriegrootte te varëren tussen de gemiddelde poriegrootte voor de ongecarboniseerde katoen an de gemid-10 delde poriegrootte voor de gecarboniseerde katoen.

Voorbeeld 4

Substraten voor een brandstofcel van 5,12 cm x 5,12 cm proef werden bereid door carboniseren van katoen- pluis, dan droog mengen van de gecarboniseerde vezel met 3,1 15 % boorzuur en vervolgens mengen van de vezel en boorzuur met fenolhars als uiteengezetin Voorbeeld3. Nadien werd het mengsel gevormd tot een handvel (10,2 cn x 10,2 cm vel), de voorloper vel struktuur werd aan de lucht verhit tot een temperatuur van 163°C voor thermoharden van de hars. De 20 voorloper vel struktuur werd dan verhit om de velstruktuur te carboniseren en dan te grafitiseren zoals uiteengezet in

Voorbeeld 1. Deze delen werden geribbeld na carboniseren en grafitiseren op een manier zoals uiteengezet in aan de gemeenschap behorend Amerikaans Octrooischrift Nr.4.115.627, 25 getiteld "Electrochemical Cell Comprising Ribbed Electrode

Substrate”, verleend aan Christner eb Nagel, en Amerikaans

Octrooischrift Nr.4.269.642, getiteld "Method of Forming Den sified Edge Seals for Fuel Cell Components", verleend aan

DeCasperis, Roethlein en Breault, waarvan de beschrijvingen 30 hierin door verwijzing zijn opgenomen. De substraten werden gekatalyseerd om te dienen als electroden in de brandstof cel van 5,08 x 5,08 cm. De anode van de cel bevatte 2 0,25 mg platina per cm , een 10 gew.% platina - Vulcan katalysator, een teflonge'halte van 50 gew.% en een 25,4 yim 2 35 dikke siliciumcarbide matrix. De kathode bevatte \ mg/cm van een platinalegering katalysator, een teflongehalte van 35 gew.% en een 25,4 ^um dikke siliciumcarbide matrix. De produktie van deze brandstofcel was 0,671 mV bij 2222 A/m^ en 720 uur op een standaard waterstof brandstof en lucht. De 40 produktie vandeze cel wordt vergeleken met een karakteris- 3601849 - 19 - tieke cel, waarvan de substraten werden gemaakt met een dergelijke werkwijze uit koolstofvezels op pekbasis en dezelfde fenolhars. Deze resultaten worden vermeld in Tabel IV De brandstofcel elektroliet was 100% fosforzuur, de ge-5 bruiksdruk was 1,01 bar. De standaard waterstof brandstof was 70% waterstof, 1% koolmonoxide en de rest kooldioxide op basis van vol.%.

Een vergelijking van fysische eigenschappen voor het voorgecarboniseerde, met boorzuur behandelde cellulose 10 substraat en substraat van vezels op pek basis wordt gegeven in Tabel V.

15 5 S v 1 3 4 9 - 20 - Μ £ ' ο\° ο\° μ ιη ιη CM φ co co Μ > Μ η ο\ο <λ° μ ο ο Ν φ m m Ο > Μ μ 3 0) 3 3 Γζ) 3 C ιο φ Ό Γ"·* μ ε o' r +J μ ο \ \ 3 φ Ο m αο Ο & μ οο σι 3 (D 4-> θ' t'- 31 Λ αΐ <- ^ μ η μ 3 α> 3 3 φ 3 Η Τ3 ^ Φ μ οο cm > φ Ο οο <- Η Τ3 Ο \ \ μ > r- σι JO r- Γ

Η Ο IN

CQ > Ο < &η Φ 13 . .

O' 3 - > > γΙ Hi Η 6 Ë 33 4-) Φ

duo (Ν CM

φ μ\. »- *- £ φ > α φ ε Η S'- μ μ 3 3 •1-1 3 3 &ι·Η

C η Ο CM

•μ CM CM co 3η ε r- ό

Son \ \ «“ ιη ώ μ- γ- Φ X CM ιο >3

Η CM

φ > CM

U ε CM

•Η X X

3 ι -η ·μ ο φ μ μ Λ 4-) X! +> -μ η μ φ 3 -μ 3 3 3 ε μ φ ε η 3 ε cö U 3 33 Φ 3 -Η ΦΦ3Η3Φ Ν μ Φ μ οιφ ν φ φ 3 Φ-μ3 φ μ μ μ 33 ο 3 >φ3 4-1 0 Φ 0 3 4J 3 Χί Χ3 3

3 Ο Φ 0 3 3 Q Φ 3 Q

£ > m Λ X! ,¾ — ΟηΦ'- - 21 - ί—i 3 a) id _ Η -Η Ο o 03 4-1 Λ ^ Ο Ο ^ " u © ε Μ -Ρ ^ ο ο üa σ’ £ •Η 34 dj (1) Β 'Ö

3C LD

η id *“ *“ on >03 dP > -μ Λ ο οι •Η © _ Ξϊ -η οη ο

(13 ι—I CM CM

4-) ra«- * Λ - JT

Ρ1 X U 30^0 <=> ° Η © ©·η > pa Γ-+ © «η c ε < HS33©-& Ο ο • ε σ» n _ £-3 CM Γ» -Η 3 Ο Μ © Ό \ *· “ 4J ·Η ι—I ^ « Ε © id 34 r-4 Ο (d © Λ S Ιτ»'— 4J 0-0 ,£οη ιΛ 4-ΐ ϋ Ε - J- Ρ-η ϋ ο ο Ο S \ 4-ι © σ> ω σ>^ I4-J1 cn

Ο ί) C C

I s ο 1 3 4 S

- 22 -

Het is duidelijk, dat de voorgecarboniseerde ka-toenvlok met boorzuur tenminste gelijk resultaat geeft als het vezelsubstraat op pekbasis en heeft toch de voordelen van het gebruik van katoen voor het voorloper materiaal, 5 zoals boven besproken.

Substraten, die vervaardigd zijn van vezels op pek basis en vezels op panbasis verschillen in voorkomen van substraten die vervaardigd zijn uit cellulosevezels, zoals katoenvezels en houtvezels. De cellulose en houtvezels zijn ringvormige strukturen, die, indien losgemaakt van de levendé plant, vrijwel volledig in elkaar zal klappen tot bijna rechthoekige strukturen. Fotomicrografieën van substraten laten zien dat de gecarboniseerde vezels een nominale breedte tot dikte verhouding hebben die groter is dan 3,0 voor 15 Katoen en-meer· dan 8,0..voor/;i3oüëv Het zal* duidelijk zijn, dat onder bepaalde omstandigheden een deel’ van de vezel niet niet samenklapt, maar dit verandert niet het totale voorkomen van het substraat in microfotografie zoals gemaakt van kronkelige, bandvormige vezels.

20 In tegenstelling daartoe zijn vezels öp pekbasis massief, verstrengeld en geven het voorkomen van gedraaide 'en gebogen cilinders. De vezels op pekbasis en panbasis hebben ook een glanzender voorkomen dan de doffere vezels op cellulosebasis. Zo kunnen substraten die gemaakt zijn van 25 vezels op pekbasis of panbasis gemakkelijk naar voorkomen worden onderscheiden van die gemaakt van cellulosevezels.

Het stortgewicht voor substraten ligt, net als de meeste elektrolietreservoirlagen, tussen ongeveer 0,25 g en 3 0,65 g per cm om te verzekeren, dat een voldoende porosi-30 teit bestaat in de laag. Zo zal, als beter doorlaatbare substraten wenselijk zijn, het stortgewicht afnemen.

Zoals weergegeven in Fig.2, die een grafische voorstelling is van weerstand tegen stortgewicht voor substraten gemaakt van vezels op pek en panbasis, en substra-35 ten gemaakt van gecarboniseerde cellulosevezels, neemt de elektrische soortelijke weerstand van vezels op pek en panbasis toe als het stortgewicht afneemt. Verraseenderwijs neemt de elektrische soortelijke weerstand van cellulosevezels af ofwel is die onafhankelijk van het stortgewicht. Als 40 een .gevolg daarvan wordt de soortelijke weerstand van met 8 6 0 1 8 41: - 23 - anorganische verbinding van boor en zuurstof, zoals boorzuur behandelde cellulose voorlopervezels nog minder als de porositeit toeneemt (en het stortgewicht afneemt). Zo heeft, in

O

bestanddelen met een stortgewicht dat minder dan 0,55 g/cirr 5 is, de reservoirlaag een elektrische soortelijke weerstand _2 die minder is dan 0,023 x 10 mV/^um.

Voorbeeld 5

In overeenkomstige proeven met die uitgevoerd in Voorbeeld 3 werden katoenvezels gecarboniseerd om de kool-10 stof opbrengst te bepalen. Karakteristiek is de koolstof opbrengst van katoenvezels laag in vergelijking met vezels op pekbasis. Karakteristieke opbrengsten zijn 20-25 gew.% betrokken op de uitgangsvezel voor op 1010°C met een snelheid van 5°C/uur gecarboniseerde katoen. Deze loopsnelheid is 15 niet praktisch voor produktie op grote schaal waarin konti-nue industriële ovens gebruikt worden. Voor economische uitvoering zijn loopsnelheden van meer dan 55°C en in het trajekt van 55-223°C/min nodig om redelijke afmeting van de apparatuur te handhaven. De koolstof opbrengst voor katoen-20 vezels, die gecarboniseerd zijn bij 66/min. tot 1010°C gaat v 7 tot 15 % afhankelijk ervan welke katoenvezel gebruikt is. Deze verminderde koolstof opbrengst is niet aanvaardbaar voor produktie op grote schaal.

Tijdens een reeks overeenkomstige proeven werd de 25 koolstofopbrengst bij hoge loopsnelheden (55-83°C/min) aanzienlijk verbeterd door boorzuur(poeder - tot ongeveer 15 gew.% van de vezels) te mengen met de vezels voorafgaand aan verhitten van de vezels in een inerte stikstofatmosfeer. Er werden geen andere bijzondere stappen ondernomen om de 30 als verkregen cellulosevezels te behandelen.

In een tweede proef werd een andere deel van de als verkregen vezels geïmpregneerd met een vlamvertrager die een basis van een organische boor en zuurstofverbinding (boorzuur) heeft, door het gebruik van een samenstelling op 35 waterbasis. Samenstellingen op waterbasis, die geschikt zijn voor toepassing op cellulosesubstraten zijn in het algemeen uit meervoudige bestanddelen bestaande samenstellingen, die een oppervlakaktief middel, een bevochtigingsmiddel en kom-binaties van verschillende oplosbare zouten, zoals ammonium-40 sulfaat, ammoniumfosfaat, ammoiniumsulfamaat, borax, en

SoiMaiS

- 24 - natuurlijk boorzuur. Eén vlamvertrager op waterbasis, die boorzuur bevat en waarvan bekend is dat hij werkzaam is, is Kelsul-FR-502, verkrijgbaar bij Kelsul, Ine., 3205 Foxgrove Lane, Chesapeake, Virginia.

5 Tabel VI vat de resultaten samen van koolstof op brengsten bij twee verschillende loopsnelheden tot 1Q10°C voor onbehandelde katoenvezel (proef 1), katoenvezel behandeld met boorzuur on poedervorm(ongeveer 10 gew.% van de katoenvezels), en katoenvezel behandeld met een vlamvertra- 10 ger zoals Kelsul-FR-502, die ook aanwezig was in een hoeveel hei van ongeveer 10 gew.% betrokken op de cellulosevezels.

15 8d0184Ö - 25 - μ ω εη c

(D

Μ -Q P CU 3 U O Do m \o O U «- -po o w in *-

p—i d^P

Ο'Γ-IJJ -ΓΊ <*> <*P

o -Η 0 ίΊ PO ™

« Λ -P l ™ M

CM

H

> -μ ij tn m cn oic < o) p λ c

CU‘H

OÊÜ \o <4-1 O O O O r-

+J νΰ O dP t#P <iP

BlVDr- *3< <— O

iH ^ CM m

O -n+J 0 -ri O W Λ -P

P

Φ

(0 --P CN -P O

φ p P Φ in Ό r-4 3 iH 3 > <—! t 1—( <U 3 ® Φ 3 S Φ Φ tó φ M N«CSN N (β ΌΜ fc

Ό 0 p ri φ PHH ¢) I

p 3>0Φ>0>Φ>·-1 φ (8 C 0 Ό C O <033 4->χ!ΦΧίαΦΧ}ω3α>αι CO ΦΟ 30 -PröOr-i 3 J34J 4J34J 4J3134JI1)

033Φ03Φπ3Φ3ί*ί 2 OM & AM

9601840 * - 26 -

Zoals aangegeven is de koolstofopbrengst voor de met boorzuur behandelde vezels bij de hogeloopsnelheid bijna hetzelfde als of meer dan de koolstofopbrengst bij de lage loopsnelheid. De koolstofopbrengst voor de behandelde vezels 5 wordt zeer aanmerkelijk verhoogd in vergelijking met de kool stofopbrengst voor onbehandelde katoenvezels in beide gevallen bij beide loopsnelheden waarbij de koolstofopbrengst bij de hoge loopsnelheid tenminste gelijk is aan de koolstofopbrengst bij de lage loopsnelheid voor de onbehandelde vezel. 10 Dit maakt snel verhitten van de koolstofvezel mogelijk in het gebied tussen 205°C en 538°C als de meeste vluchtige bestanddelen worden uitgedreven uit de cellulosevezel bij gemiddelde snelheden tijdens deze periode die kunnen lopen tussen 55°C/min en 111°C/min (en zelfs meer) met bevredigen-15 de koolstofopbrengsten.

Het zal duidelijk zijn dat de uitvinding niet beperkt is tot de bepaalde uitvoeringsvormen die hierin getoond en beschreven zijn, maar dat verscheidene veranderingen en modificaties gemaakt kunnen worden zonder buiten de 20 gedachte en het kader van dit nieuwe concept te gaan, zoals in de volgende conclusies vastgelegd.

36013 4§

Claims

1. Een werkwijze voor het maken van een koolstof- grafiet bestanddeel/ dat geschikt is voor gebruik in een electrochemische cel/ met het kenmerk/ dat men een vooloper vel struktuur vormt, die een anorganische 5 verbinding met boor en zuurstof, een carboniseerbare, thermohardende hars en vezels, gekozen uit de groep die bestaat uit cellulosevezels, gecarboniseerde cellulosevezels en mengsels daarvan, bevat; de velstruktuur verhit in een niet-oxiderende atmosfeer tot een eerste temperatuurtrajekt 10 dat cellulosevezels en de thermohardende hars carboniseert, waarin de gecarboniseerde hars de gecarboniseerde cellulosevezels aan elkaar bindt; de velstruktuur verhit in een niet-oxiderende atmosfeer tot een tweede, hoger temperatuurtrajekt om de mate van gafitisering van de gecarboniseerde 15 cellulosevezels en hars te verhogen.

2. Werkwijze voor het maken van een koolstof-grafiet bestanddeeel volgens conclusie T,met het kenmerk , dat de stap van het vormen van de voorloper vel 20 struktuur de stap behelst van het vormen van een mengsel, dat een anorganische.verbinding met boor en zuurstof, een ongeharde, carboniseerbare, thermohardende hars en vezels, gekozen uit de groep, die bestaat uit cellulosevezels, ge-carboniseerde cellulosevezels en mengsels daarvan, bevat en 25 de voorloper vel struktuur uit genoemd mengsel gevormd wordt.

3. Werkwijze voor het maken van een kollstof-grafiet bestanddeel volgens conclusie 2,met het kenmerk, dat genoemde thermohardende hars een fenolhars is 30 en de stap voor het vormen van een voorloper vel struktuur de stap bevat van het harden van de thermohardende hars door de voorloper vel struktuur in een oxiderende atmosfeer te verhitten op een temperatuur die lager is dan het eerste temperatuurtrajekt en het mengsel op deze lagere temperatuur 35 te houden tot de thermohardende hars gehard is. *· ^ - 28 - merk, dat de vezel is gekozen uit de groep die bestaat uit katoenvezels, gecarboniseerde katoenvezels en mengsels daarvan.

5. Werkwijze voor het maken van een koolstof-grafiet bestanddeel volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat de niet-oxiderende atmosfeer voor het verhitten van de velstruktuur tot het eerste temperatuurtrajekt stikstof is. 10

6. Werkwijze voor het maken van een koolstof-grafiet bestanddeel volgens conclusie 4,met het kenmerk, dat de werkwijze veder de stap behelst van het toe voegen van een anorganische verbinding van boor en zuurstof Ί5 aan de voorloper vel struktuur na verhitten van de voorloper vel struktuur tot genoemd eerste temperatuurtrajekt en voorafgaand aan het verhitten van de voorloper vel struktuur tot genoemd tweede temperatuurtrajekt.

7. Werkwijze voor het maken van een koolstof-grafiet bestanddeel volgens één van de conclusies 2 - 5, m e t het kenmerk, dat de anorganische verbinding van boor en zuurstof boorzuur is.

8. Werkwijze voor het maken van een koolstof-grafiet bestanddeel volgens één van de conclusies 2 - 5, met het kenmerk, dat de ongecarboniseerde vezel verhit wordt tot het eerste temperatuurtrajekt met een snelheid die meer dan 55°C/min bedraagt en een koolstofopbrengst ver- 30 schaft die groter is dan 20 gew.% betrokken op de ongecarboniseerde vezel.

9. Werkwijze voor het vormen van het koolstof-grafiet bestanddeel volgens conclusie 8,met het ken- 35 merk, dat het mengsel in hoofdzaak bestaat uit genoemde vezels, genoemde hars en 2 - 15 gew.% vlamvertrager, die genoemd boorzuur en een zout, gekozen uit de groep, die bestaat uit ammoniumsulfaat, ammoniumfosfaat, ammoniumsulfam-aat, borax en mengsels daarvan. 40 8601845 <r s - 29 -

10. Werkwijze voor het maken een een koolstof-grafiet bestanddeel volgens conclusie 7,met het kenmerk, dat het mengsel genoemde hars, genoemde vezels en 2-15 gew.% boorzuur bevat. 5

11. Werkwijze voor het maken van een koolstof-grafiet bestanddeel volgens conclusie 10,met het ken merk, dat het mengsel in hoofdzaak bestaat uit genoemde hars, genoemde vezels, genoemd boorzuur en kiezelzuur. 10

12. Werkwijze voor het maken van een koolstof-grafiet bestanddeel volgens conclusie 11,met het ken merk, dat het kiezelzuur aanwezig is in een hoeveelheid die ongeveer 15-25 gew.% bedraagt, betrokken op het ge- 15 wicht van genoemd boorzuur.

13. Werkwijze voor het maken van een koolstof-grafiet bestanddeel volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat het mengsel 5-10 gew.% boorzuur en 1 - 2 20 gew.% kiezelzuur bevat.

14. Werkwijze-voor het maken van een koolstof-grafiet bestanddeel volgens conclusie 13,met het kenmerk, dat het mengsel 30 - 45 gew.% fenolhars bevat. 25

15. Een koolstof-grafiet reservoirlaag voor een elec-trochemische cel, die gegrafitiseerde, verwikkelde, bandvormige vezels bevat, waarbij het bestanddeel een stortgewicht 3 heeft dat minder is dan 0,55 g/cm en een elektrische soorte _2 30 lijke weerstand, die minder is dan 0,031 x 10 mV//um.

16. De koolstof-grafiet reservoirlaag voor een elec-trochemische cel volgens conclusie 15, met' het kenmerk , dat de doorsnede vorm van de vezel een nomi- 35 nale breedte tot dikte verhouding heeft die groter is dan 3 (b/d > 3,0).

17. De koolstof-grafiet reservoirlaag voor een elec-trochemische cel volgens conclusie 16,met het 40 kenmerk , dat genoemde nominale breedte tot dikte a w' - 30 - verhouding groter dan 8 is (b/d > 8).

18. Een koolstof-grafiet bestanddeel geschikt voor gebruik in een electrochemische cel, vervaardigd met de werk- 5 wijze die bestaat uit het vormen van een voorloper vel struk tuur, die een anorganische verbinding met boor en zuurstof, een carboniseerbare, thermohardende hars, en vezels gekozen uit de groep die bestaat uit cellulose vezels, gecarboniseer de cellulose vezels en mengsels daarvan, bevat? verhitten 10 van de vel struktuur in een niet-oxiderende atmosfeer tot een eerste temperatuurtrajekt, dat cellulosevezels en thermo hardende hars carboniseert, waarin de gecarboniseerde hars de gecarboniseerde vezels aan elkaar bindt; en verhitten van de velstruktuur in een niet-oxiderende atmosfeer tot een 15 tweede, hoger temperatuurtrajekt om de mate van grafitise-ring van de gecarboniseerde cellulosevezels en hars te verhogen.

19. Het koolstof-grafiet bestanddeel volgens conclusie 20 18,met het kenmerk, dat de stap van het vormen van de voorloper velstruktuur de stap bevat van het vormen van een mengsel, dat een anorganische verbinding met boor en zuurstof, een ongeharde, carboniseerbare, thermohardende hars en vezels, gekozen uit de groep die bestaat 25 uit cellulosevezels, gecarboniseerde cellulosevezels en meng seis daarvan, bevat en het vormen van de voorloper velstruktuur uit genoemd mengsel.

20. Het koolstof-grafiet bestanddeel volgens conclusie 30 19,met het kenmerk, dat genoemde thermohardende hars een fenolhars is en de stap van het vormen van een voorloper velstruktuur de stap behelst van het harden van de thermohardende hars door de voorloper velstruktuur te verhitten in een oxiderende atmosfeer tot een temperatuur 35 die lager is dan het eerste temperatuurtrajekt en het mengsel op genoemde lagere temperatuur te houden tot de thermohardende hars gehard is.

21. Het koolstof-grafiet bestanddeel volgens conclusie 40 20,met het kenmerk, dat de vezel is gekozen 8601348 - 31 - uit de groep die bestaat uit katoenvezels, gecarboniseerde katoenvezels en mengsels daarvan.

22. Het koolstof-grafiet bestanddeel volgens conclusie 5 18, m e t het kenmerk / dat de niet-oxiderende atmosfeer voor het verhitten van de velstruktuur tot het eerste temperatuurtrajekt stikstof is.

23. Het koolstof-grafiet bestanddeel volgens conclusie 10 21,met het kenmerk, dat de werkwijze verder de stap bevat van het toevoegen van een hoeveelheid van een organische verbinding van boor en zuurstof aan de: voorloper velstruktuur na verhitten van de voorloper velstruktuur tot genoemd eerste temperatuurtrajekt en vooraf- 15 gaand aan het verhitten van de voorloper velstruktuur tot genoemd tweede temperatuurtrajekt.

24. Het koolstof-grafiet bestanddeel volgens conclusie 19- 22,met het kenmerk, dat de anorgani- 20 sche verbinding van boor en zuurstof boorzuur is.

25. Het koolstof-grafiet bestanddeel volgens conclusie 19-22,met het kenmerk, dat de ongecarbo-niseerde vezel wordt verhit tot het eerste temperatuurtra- 25 jekt met een snelheid die meer dan 55°C/min bedraagt en een koolstofopbrengst verschaft die groter is dan 20 gew.% betrokken op de ongecarboniseerde vezel.

26. Het koolstof-grafiet bestanddeel volgens conclusie 30 25,met het kenmerk, dat het mengsel in hoofdzaak bestaat uit genoemde vezels, genoemde hars, en 2-15 gew.% vlamvertrager, die genoemd boorzuur bevat en een zout gekozen uit de groep die bestaat uit ammoniumsulfaat, ammoniumfosfaat, ammoniumsulfamaat, borax en mengsels daar-35 van.

27. Het koolstof-grafiet bestanddeel volgens conclusie 24,met het kenmerk, dat het mengsel genoem de hars, genoemde vezels en 2-15 gew.% boorzuur bevat. 40 SSü 1 3 λ £ j V - 32 -

28. Het koolstof-grafiet bestanddeel volgens conclusie 27, met het kenmerk, dat het mengsel in hoofdzaak bestaat uit genoemde hars, genoemde vezels, genoemd boorzuur en kiezelzuur. 5

29. Het koolstof-grafiet bestanddeel volgens conclusie 28, met het kenmerk, dat het kiezelzuur aanwezig is in een hoeveelheid van ongeveer 15-25 gew.% betrokken op de gewichtshoeveelheid van genoemd boorzuur. 10 ' .

30. Het koolstof-grafiet bestanddeel volgens conclusie 29, met het kenmerk, dat het mengsel 5-10 gew.% boorzuur en 1-2 gew.% kiezelzuur bevat.

31. Het koolstof-grafiet bestanddeel volgens conclusie 30, met het kenmerk, dat het mengsel 30-45 gew.% fenolhars bevat. 20 δ 6 ö 1 8 4 i