DE3632651C2

DE3632651C2 -

Info

Publication number: DE3632651C2
Application number: DE3632651A
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Fukuda; Masatomo Shigeta; Kiyomi Ohuchi; Hisatsugu Iwaki Fukushima Jp Kaji; Kuniyuki Abiko Chiba Jp Saitoh; Masayuki Iwaki Fukushima Jp Funabashi
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 1985-09-25
Filing date: 1986-09-23
Publication date: 1991-07-18
Also published as: US4818640A; GB2181422A; FR2587696B1; GB2181422B; FR2587696A1; DE3632651A1; GB8623043D0

Description

Die Erfindung betrifft ein zusammengesetztes Elektrodensubstrat für eine Brennstoffzelle enthaltend eine Elektrode und einen Separator sowie Verfahren zum Herstellen desselben.

Die zusammengesetzten Elektrodensubstrate der Erfindung, die im folgenden auch als Verbundelektrode bezeichnet werden, sind für Brennstoffzellen des Phosphorsäuretyps geeignet.

In der Vergangenheit sind kohlenstoffhaltige Materialien wie Kohlefäden, Kohleteilchen wie Kohlenstoffaggregate auf den verschiedensten technischen Gebieten verwendet worden. Mit dem Fortschreiten der technischen Entwicklung und der zunehmenden Nachfrage sind auch die Anforderungen wie Verbesserung der Pro duktivität und der physikalischen Eigenschaften der Gegenstände laufend gestiegen.

Wenngleich die kohlenstoffhaltigen Materialien (Werkstoffe) hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften wie Wärmebeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit, mechanische Festigkeit usw. ein ausgezeichnetes Material darstellen, ist die Entwicklung von kohlenstoffhaltigen Verbundmaterialien durch Kombinieren und Verbinden von kohlenstoffhaltigen Materialien gleicher oder unterschiedlicher Qualität gefördert worden, um die meisten der genannten ausgezeichneten physikalischen Eigenschaften noch wirkungsvoller auszunutzen. Bisher sind derartige kohlenstoffhaltige Verbundmaterialien in Form von Kohlenstoffprodukten verwendet worden, die nur durch Verbinden einer Vielzahl von Materialien mit einem Klebstoff hergestellt wurden. Hierbei ergeben sich jedoch hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit, elektrischer Leitfähigkeit, Dimensionsstabilität usw. Probleme.

In den vergangenen Jahren ist ein Verfahren zur Lösung der obigen Probleme vorgeschlagen worden (JP 60-1 31 872), wobei die kohlenstoffhaltigen Materialien mit einem Klebstoff verbunden und die so verbundenen Materialien in einer inerten Atmosphäre calciniert wurden.

Bei einer derartigen Herstellung der kohlenstoffhaltigen Verbundprodukte gibt es jedoch viele Gelegenheiten zur Ablösung der kohlenstoffhaltigen Materialien an der gemeinsamen Verbindungsfläche und zur Bildung von Rissen im Produkt während des Herstellungsverfahrens aufgrund der Unterschiede der thermischen Ausdehnungs- und Kontraktionskoeffizienten bei der Calcinierung zwischen den kohlenstoffhaltigen Materialien. Dies führt zu einer Verringerung der Produktivität.

Ferner besteht ein Bedarf bei der Entwicklung und dem Einsatz von Brennstoffzellen und deren Systemen als Vorrichtung zur Erzeugung einer sauberen Energie oder eines einfach herzustellenden Elektrogenerators, der zu einer besseren Wirtschaftlichkeit auch hinsichtlich der zur Verfügung stehenden Energiequellen beitragen kann, und zwar als Ausgleich zu Dampfkraftwerken oder Wasserkraftwerken.

Bekannt sind ferner Brennstoffzellen des bipolaren Typs (US 41 15 627), bei dem Bipolar-Separatoren verwendet werden, die durch Verarbeitung von gasundurchlässigen dünnen Graphitplatten unter Rippenausbildung erhalten und in Kombination mit einem porösen, flachen Kohlenstoffblatt verwendet werden. Andererseits sind Brennstoffzellen des monopolaren Typs entwickelt worden, die aus aufeinandergestapelten porösen Elektrodensubstraten bestehen, die auf einer Seite Rippen haben und auf der anderen Seite flach sind und eine Katalysatorschicht, eine mit einem Elektrolyten imprägnierte Matrix und einen Separator aufweisen. Bei einer solchen monopolaren Brennstoffzelle diffundiert der gasförmige Reaktant, wie Sauerstoff oder Wasserstoff, von dem Gaszuführungskanal, der durch die in dem Elektrodensubstrat geformten Rippen gebildet wird, zu der flachen Elektrodenfläche.

Diese Elektrodensubstrate werden im allgemeinen aus Kohlenstoffmaterial hergestellt und haben die erforderlichen physikalischen Eigenschaften wie Wärmebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit, mechanische Festigkeit und behalten ihre Porosität bei; sie werden nach Aufeinanderlegen verwendet; es ist jedoch schwierig, die flachen Oberseiten der Rippen plan und perfekt auszubilden, so daß der elektrische und thermische Kontaktwiderstand zwischen dem Separator und den Rippen so groß wird, daß er nicht vernachlässigt werden kann. Im allgemeinen ist dieser Kontaktwiderstand größer als der Durchtrittswiderstand innerhalb des Substrates, und zwar um ein Vielfaches, und führt daher wegen der ungleichen Temperaturverteilung zwischen den Zellen und einer Verringerung der Energieerzeugung zu Nachteilen.

Um das Problem des Kontaktwiderstandes zu lösen, wurde ein zusammengesetztes Elektrodensubstrat vorgeschlagen (US 41 15 627), das durch Verbinden des Elektrodensubstrates mit dem Separator usw. in einer Stapelkonstruktion der oben erwähnten Brennstoffzelle hergestellt wurde, wonach die miteinander verbundenen Materialien durch Calcinieren zu einem Kohlenstoffkörper verarbeitet wurden. Wenngleich bei einem solchen zusammengesetzten Elektrodensubstrat der Kontaktwiderstand, der auf den Kontaktflächen herrscht, dadurch gegen Null geht, wenn man durch die Verbindung einen einzigen Block herstellt, ergeben sich gelegentlich Ablösungen oder Aufblätterungen der miteinander verbundenen Flächen des Kohlenstoffmaterials, und ferner können aufgrund der verschiedenen Expansions- und Kontraktionskoeffizienten zwischen dem Kohlenstoffmaterial und dem Klebstoff Risse in dem Produkt entstehen, da das Elektrodensubstrat durch Verbinden der Kohlenstoffmaterialien miteinander und weiteres Carbonisieren und Calcinieren der derart zusammengesetzten Materialien erzeugt wird. Hierdurch ergibt sich eine Verringerung der Wirksamkeit dieser Elemente, so daß weitere Verbesserungen erforderlich sind.

Wie erwähnt, sollen die kohlenstoffhaltigen, zusammengesetzten Materialien erhebliche Anforderungen erfüllen, nämlich (1) kein Aufblättern des Kohlenstoffmaterials während der Herstellung und während des Einsatzes des Elektrodensubstrates zeigen, (2) keine Rißbildung in dem Produkt ergeben und demzufolge (3) die ausgezeichneten ursprünglichen Eigenschaften behalten, die dem Kohlenstoffmaterial zu eigen sind, wie beispielsweise Wärmebeständigkeit, Beständigkeit gegenüber Chemikalien, mechanische Festigkeit und elektrische Eigenschaften; wegen dieser erheblichen Anforderungen ist die Herstellung der kohlenstoffhaltigen zusammengesetzten Materialien mit überaus großen Schwierigkeiten verbunden.

Aufgrund von Untersuchungen der Erfinder über Verfahren zur Verbindung der Kohlenstoffmaterialien miteinander bei der Herstellung von kohlenstoffhaltigen zusammengesetzten Materialien wurde gefunden, daß das kohlenstoffhaltige zusammengesetzte Material mit gewünschten Eigenschaften und mit günstiger Wirtschaftlichkeit hergestellt werden kann, wenn man ein flexibles Graphitblatt zwischen die Kohlenstoffmaterialien legt, wobei dieses zwischengelegte Graphitblatt als Pufferschicht für den Unterschied der Expansions- und Kontraktionskoeffizienten der Kohlenstoffmaterialien bei der Calcinierung dient. Diese Erkenntnisse finden ihren Niederschlag in der US-PS 47 77 083.

Das Konzept dieser Arbeit beruhte darauf, daß der Unterschied der Expansions- und Kontraktionskoeffizienten zwischen der porösen kohlenstoffhaltigen Schicht und der gasundurchlässigen Schicht, dem Separator verringert oder durch eine Pufferschicht aufgehoben werden kann, die zwischen der porösen kohlenstoffhaltigen Schicht und der gasundurchlässigen Schicht, dem Separator, liegt, da das Aufblättern des zusammengesetzten Elektrodensubstrates für eine Brennstoffzelle beim Calcinieren bis zu einer Temperatur von 3000°C auf dem Unterschied der thermischen Expansion zwischen der porösen kohlenstoffhaltigen Schicht und der gasundurchlässigen Schicht, dem Separator, bei der Temperaturerhöhung oder auf dem Unterschied der thermischen Kontraktion zwischen den beiden oben erwähnten Schichten beim Abkühlen auf Zimmertemperatur nach beendeter Calcinierung beruht. Ausgehend von diesem Konzept wurde von den vorliegenden Erfindern festgestellt, daß die bislang problematische Aufblätterung zwischen den Schichten verbessert werden kann, wenn man ein flexibles Kohlenstoffblatt als eine Pufferschicht einlegt, welches einen verhältnismäßig großen thermischen Expansions- und Kontraktionskoeffizienten hat und eine Haftung mit einem Klebstoff ermöglicht und nicht so durchlässig gegenüber Gasen ist, wobei diese Pufferschicht zwischen der porösen kohlenstoffhaltigen Schicht und dem Separator des oben erwähnten Elektrodensubstrats zu liegen kommt und die oben erwähnten beiden Schichten mit einem carbonisierten Klebstoff verbunden werden.

Jedoch wird das Substrat als Elektrode in der Brennstoffzelle des Phosphorsäuretyps im allgemeinen gestapelt, so daß eine Seite dieser Elektrode Kontakt mit der Matrix von Phosphorsäure hat und die andere Seite auf den Separator gerichtet ist.

Bei der Herstellung einer Brennstoffzelle durch Stapeln der Elektrodensubstrate werden (1) äußere Abschlußstücke oder ein Abschlußstück und ein Gasverteilerstück an der Seite des Elektrodensubstrates parallel oder parallel und senkrecht zur den Durchtrittskanälen angeordnet, um eine Diffusion des gasförmigen Reaktanten von der Seite der Elektrode heraus zu verhindern oder (2) werden Verteilerstücke an jeder Seite der Elektrode angeordnet, um den gasförmigen Reaktanten zu der Brennstoffzelle zu leiten und gleichzeitig eine Diffusion des gasförmigen Reaktanten von der Seite des Elektrodensubstrates nach außen zu verhindern.

Demzufolge und insbesondere bei einem zusammengesetzten Elektrodensubstrat aus einer porösen und kohlenstoffhaltigen Elektrode, deren Durchflußkanäle für den gasförmigen Reaktanten direkt am Randbereich des zusammengesetzten Elektrodensubstrates in eine externe Verteilerleitung münden, werden kompakte und kohlenstoffhaltige äußere Anschlußstücke an der porösen und kohlenstoffhaltigen Elektrode einander gegenüber auf dem Separator im Randbereich des Separators angeordnet. Hierdurch ergibt sich das Problem, daß Verwerfungen oder Spannungen bei den verbundenen Teilen aufgrund der unterschiedlichen thermischen Schrumpfung zwischen diesen Materialien selbst bei Zwischenlegung eines flexiblen Kohlenstoffbogens auftreten. Um das oben erwähnte Verwerfen zu verhindern, müssen die Materialien so ausgewählt werden, daß sie nur einen äußerst kleinen Unterschied hinsichtlich des thermischen Kontraktionskoeffizienten aufweisen. Eine derartige Beschränkung hat die Produktion der zusammengesetzten Produkte bislang gestört.

Zusätzlich ergeben sich noch weitere Schwierigkeiten bei den konventionellen Elektrodensubstraten für Brennstoffzellen. Einmal können die einzelnen Schichten aufblättern und einen Durchtritt des gasförmigen Reaktanten durch die verbundenen Teile aufgrund der geringen Festigkeit des Kohlenstoffzementes ermöglichen, da dieser gegenüber Phosphorsäure nur wenig beständig ist; zum anderen besteht ein Problem bezüglich der mechanischen Festigkeit des Elektrodensubstrates, was zu einem Brechen beim Handhaben führt, und zwar wenn die Fläche des Substrates zu groß ist, da das Elektrodensubstrat eine dünne Platte ist.

Ferner wurde z. B. gemäß US-PS 45 05 992 ein Verfahren zum Verbinden der porösen elektroleitfähigen Materialien vorgeschlagen, wobei die Gasundurchlässigkeit zwischen den porösen elektroleitfähigen Materialien erhöht wird. Nach diesem Verfahren wird das poröse elektroleitfähige Material mit einem fluorierten Ethylen-Propylen-Polymer oder einem Polysulfonharz imprägniert und die derart imprägnierte Schicht wird als Zwischenfläche mit einem anderen elektroleitfähigen Material durch heißes Verpressen verbunden, während die Elektroleitfähigkeit durch den gasundurchlässigen Bereich beibehalten wird. Bei diesem Verfahren wird zwar der Durchtritt von Gas zwischen den beiden Kohlenstoffmaterialien durch die derart mit Harz imprägnierte Kohlenstoffschicht ver hindert, jedoch ist die Verwendung des derart erhaltenen zusam mengesetzten und mit einem derartigen Harz imprägnierten Materi als begrenzt, da das Harz eine sehr niedrige Schmelzviskosität hat.

Es wurde nun gefunden, daß sich die obigen Nachteile konventio neller Verfahren vermeiden lassen, und daß man Kohlenstoffmate rialien, die eine große mechanische Festigkeit haben und in einer Atmosphäre bei einer Temperatur bis zu 350°C verwendet werden können, verbinden kann und hierbei ein zusammengesetztes Produkt erhält, welches eine ausgezeichnete Wärmefestigkeit und Beständigkeit gegenüber Chemikalien und eine verbesserte Puffer wirkung gegenüber der thermischen Expansion und eine Klebe festigkeit hat, indem man die Kohlenstoffmaterialien durch Schmelzverklebung mit einem Tetrafluorethylenharz verbindet, welches zwischen die beiden Kohlenstoffmaterialien gelegt wird. Dabei erhält man gleichzeitig ein zusammengesetztes Produkt, welches Kohlenstoffmaterialien enthält, ausgezeichnet in seiner Beständigkeit gegenüber Chemikalien ist und dann eine sehr gute Elektroleitfähigkeit hat, wenn man Ruß hoher Elektroleitfähig keit mit dem Tetrafluorethylenharz vermischt.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein zusammengesetztes Produkt, insbesondere Elektrodensubstrat, aus Kohlenstoffmate rialien zu schaffen, welches ausgezeichnete physikalische Eigen schaften, vor allem verbesserte Eigenschaften wie Wärmebestän digkeit sowie Beständigkeit gegenüber Chemikalien und Haft- bzw. Klebefestigkeit aufweist. Es ist ebenfalls Aufgabe der Erfindung, ein derartiges Produkt vorzuschlagen, das elektroleit fähig ist.

Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein zusammengesetz tes Elektrodensubstrat für eine Brennstoffzelle verfügbar zu machen,

- bei der äußere Abschlußstücke aus kompaktem, gasundurchlässi gen Kohlenstoffmaterial auf der Seite der Elektrode parallel zu den Durchtrittskanälen für den gasförmigen Reaktanten mit dem Separator aus kompaktem, gasundurchlässigen Kohlenstoffmaterial verbunden und die zusammengesetzten Materialien zu einem Körper verformt sind; oder
- bei der das äußere Abschlußstück auf der Seite der Elektrode parallel zu den Durchtrittskanälen für den gasförmigen Reaktan ten und ein Gasverteilerstück aus kompaktem, gasundurchlässigen Kohlenstoffmaterial auf der Seite der Elektrode senkrecht zu den Durchtrittskanälen für den gasförmigen Reaktanten mit dem Sepa rator verbunden sind und die zusammengesetzten Materialien zu einem Körper verformt sind; oder
- bei der ein Verteiler aus kompaktem, gasundurchlässigem Koh lenstoffmaterial mit einer Durchflußpassage vorgesehen wird, um den gasförmigen Reaktanten zu führen, wobei dieser mit dem Sepa rator verbunden ist, und diese zusammengesetzten Materialien zu einem Körper verarbeitet worden sind.

Insbesondere ist Aufgabe der Erfindung, ein zusammengesetztes Elektrodensubstrat für eine Brennstoffzelle des Phosphorsäure typs, welche gegenüber Phosphorsäure eine ausgezeichnete Bestän digkeit aufweisen.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstel lung derartiger zusammengesetzter Produkte verfügbar zu machen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein zusammengesetztes Elektroden substrat gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 vorgeschlagen.

Das Ziel der Erfindung wird dadurch erreicht, daß man die Koh lenstoffmaterialien miteinander verbindet, indem man einen Bogen eines TFE-Harzes oder eine Dispersion eines TFE-Harzes in Mischung mit einem Ruß hoher elektrischer Leitfähigkeit zwischen den Kohlenstoffmaterialien vorsieht.

Das gemäß Erfindung verwendete Fluorkohlenstoffharz ist vorzugsweise ein Tetrafluorethylenharz. Als TFE-Harze wird beispielsweise bei der vorliegenden Erfindung ein TFE-Harz mit einem Schmelzpunkt von 327°C und einer thermischen Verfor mungstemperatur von 121°C bei einem Druck von 5,52×10 N/cm² verwendet.

Gemäß Erfindung wird das TFE-Harz als Bogen mit einer Dicke von etwa 50 µm oder als eine Dispersion mit einem Gehalt von 60 Gew.% an TFE-Harz eingesetzt. Die erwähnte Dispersion kann eine kleine Menge eines Tensides enthalten.

Bei der Herstellung eines elektrisch leitfähigen zusammen gesetzten Produktes gemäß Erfindung wird ein Ruß hoher elektrischer Leitfähigkeit mit der oben erwähnten Dispersion eines TFE-Harzes vermischt, und die so erhaltene Dispersion wird dann verwendet.

Im Falle der oben erwähnten Mischung liegt das Mischungsverhältnis von TFE-Harz zu Ruß in einem Bereich von 1 : 9 bis 9 : 1, bezogen auf das Gewicht der Komponente. Um den Ruß hoher elektrischer Leitfähigkeit mit der Dispersion des TFE-Harzes zu vermischen, können die beiden Komponenten durch einen Rührer vermischt werden, jedoch wird die Verwendung durch einen Ultraschallmischer bevorzugt.

Als Kohlenstoffmaterialien, die gemäß Erfindung miteinander verbunden werden, werden solche mit einer Dichte von nicht weniger als 1,40 g/cm³ bevorzugt. Hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften können die Kohlenstoffmaterialien gleiche oder verschiedene Qualität besitzen, wobei jedoch im Falle abweichender Eigenschaften vorzugsweise die Differenz des thermischen Expansionskoeffizienten der Materialien nicht mehr als 2×10^-6°C^-1 sein soll. Ferner ist es bevorzugt, daß die Schrumpfung dieser Materialien für den Fall der Calcinierung dieser bei 2000°C unter verringertem Druck und/oder unter inerter Atmosphäre nicht mehr als 0,2% beträgt.

Als Beispiel für das Kohlenstoffmaterial (Rohprodukt), das gemäß vorliegender Erfindung verwendet wird, können die folgenden Materialien erwähnt werden, wobei die vorliegende Erfindung sich jedoch auf diese Kohlenstoffmaterialien beschränkt:

(1) Geformte kohlenstoffhaltige Materialien mit einem Gehalt an einem Bindemittel und einem Kohlenstoffaggregatmaterial ausgewählt aus Kohlefäden, Kohleteilchen und oxydierten Pechteilchen. Als Bindemittel können die verschiedensten Mittel benutzt werden, und es können beispielsweise ein oder zwei oder mehr Materialien miteinander kombiniert werden, die ausgewählt sind aus der Gruppe der Phenolharze, Furanharze, Epoxyharze oder Erdölpech oder Kohlepech.
(2) Kohlenstoffhaltige Materialien, die, durch Calcinieren des kohlenstoffhaltigen Materials gemäß (1) bei Temperaturen von nicht weniger als 800°C unter verringertem Druck und/oder unter inerter Atmosphäre erhalten worden sind,
(3) geformtes kohlenstoffhaltiges Material, das ein Aggregatmaterial aus Graphitteilchen und/oder leicht graphitisierbaren Kohlenstoffteilchen und ein Bindemittel wie Kohlepech oder Erdölpech, Phenolharz, Furanharz und Epoxyharz enthält,
(4) kohlenstoffhaltiges Material, das durch Calcinieren des kohlenstoffhaltigen Materials gemäß (3) bei einer Temperatur von nicht weniger als 800°C in einer inerten Atmosphäre und/oder unter einem verringerten Druck erhalten worden ist,
(5) einem zusammengesetzten Kohlenstoffmaterial, das erhalten worden ist durch Verbindung der Kohlenstoffmaterialien gemäß (1) bis (4) und das weiter zu einem einheitlichen Körper unter verringertem Druck und/oder unter inerter Atmosphäre calciniert worden ist.

Erfindungsgemäß können die oben genannten Kohlenstoffmaterialien auch in beliebiger Kombination verwendet werden.

Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen zusammengesetzten Materials durch Schmelzverklebung der oben erwähnten kohlenstoffhaltigen Materialien mit einem TFE-Harz wird das TFE-Harz zwischen die Kohlenstoffmaterialien gebracht, und die so zusammengesetzten Materialien werden dann durch Erwärmen unter Druck preßverklebt. Beispielsweise wird bei Verwendung eines folienartigen TFE-Harzes diese Folie zwischen die beiden Kohlenstoffmaterialien gelegt und die so zusammengesetzten Materialien werden dann durch Erwärmen unter Druck preßverklebt, während im Falle der Verwendung einer Dispersion aus TFE-Harz oder eine Dispersion aus TFE-Harz in Mischung mit Ruß von hoher elektrischer Leitfähigkeit die jeweilige Dispersion auf die zu verbindenden Oberflächen der Kohlenstoffmaterialien aufgebracht und nach Trocknen der so aufgebrachten Dispersion die derart behandelten Materialien aufeinander gelegt und das erhaltene zusammengesetzte Kohlenstoffmaterial dann durch Erwärmung unter Druck preßverklebt wird.

Die Temperatur bei der Erwärmung in den oben erwähnten Fällen ist nicht niedriger als die Temperatur, die um 50°C niedriger ist als der Schmelzpunkt des TFE-Harzes und der Druck bei diesen Verfahren liegt nicht unter 1,99×10 N/cm². Wenn der Klebdruck niedriger als der obige Wert ist, ist die Temperatur vorzugsweise nicht niedriger als der Schmelzpunkt des TFE-Harzes; andererseits, falls der Klebdruck höher als 1,99×10 N/cm² ist, kann die Verbindung selbst bei einer Temperatur bewirkt werden, die nicht höher als der Schmelzpunkt des TFE-Harzes ist. Der vorbestimmte Druck wird nicht weniger als 10 Sekunden beibehalten, nachdem das TFE-Harz auf die vorbestimmte Verbindungstemperatur erhitzt worden ist. Anschließend wird das derart erhitzte Produkt bei Normaldruck freigegeben oder unter Beibehaltung des vorbestimmten Druckes auf Zimmertemperatur abgekühlt.

Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene zusammengesetzte Produkt zeigt die ausgezeichneten Eigenschaften, die die Kohlenstoffmaterialien ursprünglich hatten; gleichzeitig wirkt das TFE-Harz als Puffermaterial für den Unterschied der thermischen Expansions- und Kontraktionskoeffizienten zwischen den Kohlenstoffmaterialien im Temperaturbereich von beispielsweise 150 bis 350°C, so daß demzufolge keine Gelegenheit zu einem Aufblättern der Ausgangsprodukte beim Verbinden der Oberflächen zur Zeit der Herstellung des zusammengesetzten Produkts gegeben ist und keine Risse in dem Produkt entstehen können, was dazu führt, daß man diese zusammengesetzten Produkte mit guter Ausbeute erhalten kann. Inbesondere wird die Wirkung der vorliegenden Erfindung deutlich, im Vergleich zu solchen Fällen, wo die Kohlenstoffmaterialien miteinander nur durch Verwendung eines Klebstoffes verbunden sind.

Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße zusammengesetzte Produkt hervorragend bezüglich seiner Widerstandskraft gegenüber Chemikalien aufgrund der Verwendung des TFE-Harzes. Da die üblicherweise bei der Verbindung von Kohlenstoffmaterialien verwendeten Harze hinsichtlich ihrer Beständigkeit gegenüber Chemikalien schlecht sind, ist ein Entblättern oder Aufblättern der verbundenen Flächen zu befürchten, wenn ein derart zusammengesetztes Produkt in einer Umgebung verwendet wird, bei der dieses Produkt Chemikalien ausgesetzt ist.

Ferner wird in dem Falle, wo Ruß hoher elektrischer Leitfähigkeit mit der Klebschicht des TFE-Harzes vermischt worden ist, die elektrische Leitfähigkeit selbst in den Verbindungsflächen und Klebstofffläche beibehalten. Darüber hinaus ist der Ruß hoher elektrischer Leitfähigkeit selbst gegenüber Chemikalien resistent, so daß die Beständigkeit gegenüber Chemikalien in den Verbindungsbereichen beibehalten wird.

Wenngleich die üblicherweise verwendeten Klebstoffe nur bei einer Temperatur von nicht mehr als etwa 160°C verwendet werden können, kann das kompakte Produkt aus Kohlenstoffmaterial gemäß Erfindung auch bei höherer Temperatur im Bereich des Schmelzpunktes des TFE-Harzes verwendet werden; in diesem Zusammenhang kann erwähnt werden, daß bei einem mehrmaligen Erhitzen des zusammengesetzten Produktes gemäß Erfindung auf eine Temperatur, die nicht unter der Schmelztemperatur des TFE-Harzes lag, und anschließendem mehrmaligen Abkühlen kein Aufblättern der Kohlenstoffmaterialien beobachtet werden konnte.

Das zusammengesetzte Produkt gemäß Erfindung hat eine große Haftfestigkeit von nicht weniger als etwa beispielsweise 8,83×10² N/cm², und zwar aufgrund des Einbaues des TFE-Harzes. Bislang war die Klebfestigkeit von kohlenstoffhaltigen zusammengesetzten Produkten, bei denen ein flexibles Graphitblatt zwischen die Kohlenstoffmaterialien gelegt war, wie beispielsweise bei der eigenen US-PS 47 77 083 nur 1,96×10 bis 2,94×10 N/cm².

Bislang war es bei Verwendung eines kohlenstoffhaltigen zusammengesetzten Materials in Chemikalien bei hoher Temperatur erforderlich, beispielsweise die zusammengesetzten Materialien bei einer hohen Temperatur zu calcinieren, damit sie vollständig carbonisiert sind, um die Widerstandsfähigkeit gegenüber Chemikalien und die elektrische Leitfähigkeit des Produktes aufrechtzuerhalten. In diesem Falle wurden zur Verhinderung eines Aufblätterns der miteinander verbundenen Flächen des kohlenstoffhaltigen Materials und zur Verhinderung von Rissen in dem Produkt aufgrund der Calcinierung bei hoher Temperatur die Kohlenstoffmaterialien mittels eines flexiblen Graphitbogens als ein die Spannung minderndes Material verbunden. Bei der vorliegenden Erfindung jedoch, bei der die Kohlenstoffmaterialien mittels eines TFE-Harzes oder mittels eines TFE-Harzes, das mit Ruß hoher elektrischer Leitfähigkeit vermischt ist, verbunden sind, können die Verbindungstemperaturen gegenüber dem bisherigen Verarbeiten niedriger sein, und die absoluten Werte der thermischen Ausdehnung jeder dieser miteinander verbundenen Materialien wird kleiner, und es ist möglich, diese Materialien von verschiedener Qualität mit einem großen Unterschied hinsichtlich des thermischen Expansionskoeffizienten miteinander zu verbinden. Es ist ferner nicht erforderlich, die zusammengesetzten Materialien zu calcinieren, so daß demzufolge die Energiekosten und Anlagekosten zur Herstellung dieser Produkte wirtschaftlicher werden.

Darüber hinaus ist die Verbindungsstelle des zusammengesetzten Produktes gemäß Erfindung ausgezeichnet hinsichtlich der Gasundurchlässigkeit. Die Gasundurchlässigkeit wird durch die Menge des durchgetretenen Gases durch die äußere Länge des verbindenden Teiles je Zeiteinheit unter einem bestimmten Differentialdruck (Menge des Gasdurchtrittes/Länge der Seite × Differentialdruck) bestimmt und lag bei 8,49×10^-6 cm²/s·bar bei einem Produkt gemäß Beispiel 1 und betrug bei einem Produkt gemäß Beispiel 2 etwa 5,66×10^-4 cm²/s·bar.

Da das zusammengesetzte Produkt hauptsächlich aus Kohlenstoffmaterialien besteht, ist es besonders ausgezeichnet hinsichtlich der Beständigkeit gegenüber Chemikalien und Hitze, und es ist insbesondere geeignet als kohlenstoffhaltiges zusammengesetztes Produkt wie als Elektrode für eine elektrochemische Zelle, die in einer Umgebung verwendet wird, in der ein solches Produkt Chemikalien bei hoher Temperatur ausgesetzt wird.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden; es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Verbundelektrode mit äußeren Abschlußteilen für eine Brennstoffzelle;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Verbundelektrode gemäß Fig. 1 in abgewandelter Ausführungsform;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Verbundelektrode mit einem Gasverteilerstück und äußeren Abschlußteilen;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Verbundelektrode analog Fig. 3 in anderer Darstellung;

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Verbundelektrode mit einer Verteilerplatte;

Fig. 6 einen Schnitt durch die Verbundelektrode in der Ebene VI-VI von Fig. 5;

Fig. 7 einen Schnitt durch die Verbundelektrode in der Ebene VII-VII von Fig. 6;

Fig. 8 Teilschnitte (linke Darstellungen) und Teilansichten (rechte Darstellungen) der Verteilerplatte.

In der vorliegenden Verbundelektrode, die auch als zusammengesetztes Elektrodensubstrat bezeichnet wird, sind die beiden Elektroden vorzugsweise an den beiden Flächen des Separators so gebunden, daß die Durchtrittskanäle für den gasförmigen Reaktanten - im folgender der Einfachheit halber als Gas bezeichnet - in einer Elektrode senkrecht zu denen der anderen Elektroden verlaufen.

Die in Fig. 1 und 2 gezeigten Verbundelektroden bestehen aus zwei Elektroden 1 und 1′ mit Durchtrittskanälen 5, 5′ für das Gas und Rippen 7, 7′, wobei zwischen den beiden Elektroden ein Separator 4 und äußere Abschlußteile 8 an den Seiten der Elektroden parallel zu den Durchtrittskanälen 5, 5′ vorgesehen sind.

Der Separator 4 hat eine größere Oberfläche als die Elektroden 1, 1′ und erstreckt sich über den Umfang der Elektrode parallel zu den Durchtrittskanälen 5 oder 5′ bei einer dieser Elektroden, wobei die äußere Kante des verlängerten Teils mit der äußeren Kante einer weiteren Elektrode zusammentrifft; der äußere Abschlußteil 8 - im folgenden auch als Abschlußstück bezeichnet - ist mit dem verlängerten Teil über ein TFE-Harz verbunden. Zwischen dem Separator 4 und den Elektroden 1, 1′ ist ein flexibler Kohlenstoffbogen, -folie oder -blatt 30 eingefügt und der äußere oder verlängerte Teil des Separators und das äußere Anschlußstück 8 sind mittels des TFE-Harzes 40 miteinander verbunden.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Verbundelektrode wird der Durchtrittskanal 5 für das Gas durch die Rippen 7 der Elektrode 1 und das flexible Kohlenstoffblatt 30 gebildet, wobei der Bereich des Kohlenstoffblattes 30 dem Bereich der Elektrode 1 entspricht; bei der in Fig. 2 gezeigten Verbundelektrode wird der Durchflußkanal 5 für das Gas durch die Rippe 7 der Elektrode 1, den Separator 4 und das Kohlenstoffblatt 30 gebildet, wobei das Kohlenstoffblatt 30 nur zwischen der Kopfseite der Rippe 7 und dem Separator 4 angeordnet ist.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Verbundelektrode ist ein Gasverteilerstück vorgesehen, welches Kanäle aufweist, um den Durchtritt für die Verteilung des gasförmigen Reaktanten und ein äußeres Abschlußstück zu bilden.

Bei Fig. 4 ist das Gasverteilerstück 9, welches Rippen 7″ zur Ausbildung des Kanales 10 hat, und das TFE-Harz 40, welches an dem Gasverteilerstück 9 anhaftet, weggelassen.

Die in Fig. 3 und 4 gezeigte Verbundelektrode besteht wiederum aus dem Separator 4, den beiden Elektroden 1, 1′ mit Vertiefungen, die die Durchtrittskanäle 5, 5′ für das Gas zusammen mit dem Separator 4 bilden, und die so angeordnet sind, daß die Durchtrittskanäle 5, 5′ für das Gas senkrecht zueinander auf die beiden Flächen des Separators angeordnet sind, wobei die äußeren Abschlußteile 8 an der Seite oder am äußeren Bereich der Elektrode parallel zu dem Durchtrittskanal 5 oder dem Durchtrittskanal 5′ angeordnet sind, wobei das Verteilerstück 9 an der Seite bzw. am Außenbereich der Elektrode senkrecht zu den Durchtrittskanälen 5 oder den Durchtrittskanälen 5′ angeordnet ist.

Der Separator 4 ist in seiner flächigen Ausdehnung größer als die Elektrode 1, 1′ und reicht - wie sich aus den Fig. 3 und 4 ergibt - über den Umfang der Elektrode hinaus; das äußere Abschlußstück 8 und das Gasverteilerstück 9 sind mit dem überstehenden Teil verbunden, wobei die äußere Ecke des überstehenden Teiles des Separators mit der äußeren Ecke des äußeren Abschlußstückes und dem Gasverteilerstück nach dem Zusammenfügen zusammenpaßt.

Das Gasverteilerstück 9, welches mit dem über den Umfang der Elektrode verlängerten Teil senkrecht zu den Durchflußkanälen 5 für das Gas verbunden ist, besitzt Vertiefungen und bildet mit den Rippen 7″ und dem Separator einen Kanal; das äußere Abschlußstück, welches mit dem über den Umfang der Elektrode verlängerten Teil parallel zu dem Durchtrittskanal für das Gas verbunden ist, hat nicht die oben erwähnten Rippen, wenngleich die Rippen 7″ des Gasverteilerstückes 9 einen Kanal 10 zur Verteilung des gasförmigen Reaktanten außerhalb der Durchtrittskanäle 5 bilden. Es ist nicht erforderlich, daß der Querschnitt des Kanals 10 mit dem Querschnitt des Durchtrittskanals 5 in Größe und Form übereinstimmt und es ist darüber hinaus auch nicht erforderlich, daß alle Öffnungen der Durchtrittskanäle 5 für das Gas gegenüber dem Kanal 10 offen sind. Der Querschnitt des Kanals kann so abgestimmt werden, daß die erforderliche Menge an durchtretendem Gas in dem Fall aufrechterhalten wird, bei dem das Verbundprodukt als Elektrodensubstrat für eine Brennstoffzelle verwendet wird.

Zwischen dem Separator 4 und der Rippe 7 ist ein flexibles Kohlenstoffblatt 30 eingesetzt. Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 2 bis 4 ist das flexible Kohlenstoffblatt 30 nur zwischen den verbindenden Flächen des Separators und der Rippe 7 eingesetzt, so daß demzufolge der Durchtrittskanal 5 für das Gas durch die Vertiefung der Elektrode, den Separator und das flexible Kohlenstoffblatt gebildet wird; darüber hinaus hat der Kanal 10 eine Form, die durch die Kerbe des Gasverteilerstückes, den Separator und das TFE-Harz gebildet wird. Aus Gründen einer einfacheren Herstellung hat das flexible Kohlenstoffblatt 30 die gleiche Größe wie die Elektrode und kann mit der gesamten Fläche des Separators im Bereich der Elektrode verbunden werden.

Hinsichtlich der Dicke der Verbundelektrode werden die Ausführungsformen gemäß Fig. 2 bis 4 gegenüber der gemäß Fig. 1 bevorzugt, weil erstere schmaler sind, und zwar um die Dicke des flexiblen Kohlenstoffblattes, wobei erstere auch den gleichen Querschnittsbereich der Durchtrittskanäle für den gasförmigen Reaktanten beibehalten.

Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 3 und 4 ist der über die Elektrode hinaus vorstehende oder verlängerte Teil des Separators, der äußere Abschlußteil 8 und das Gasverteilerstück 9 mittels des TFE-Harzes 40 entsprechend verbunden. Wenngleich das TFE-Harz zwischen die Verbindungsflächen des äußeren Abschlußteiles und des Gasverteilerstückes zu liegen kommt, von denen beide mit der gleichen Seite des Separators verbunden sind, ist dieses nicht besonders notwendig, da ein ungewollter Durchtritt des Gases dann kein Problem ist, wenn das Produkt in Kombination mit dem äußeren Verteiler verwendet wird, der so ausgebildet ist, daß er die oben erwähnten verbundenen Teile bedeckt.

Die in den Fig. 5 bis 7 gezeigte Verbundelektrode verdeutlicht die Verteilerplatte 2, 2′, wobei die beiden Elektroden 1, 1′ mit ihren Durchtrittskanälen 5, 5′ und dem zwischen den Elektroden befindlichen Separator die Verteilerplatten 2, 2′ im Anschluß an den Umfang der Elektrode zeigen.

Der Separator 4 ist in seiner Oberfläche größer als die Elektroden 1, 1′ und erstreckt sich, wie Fig. 5 zeigt, über den Umfang der Elektroden 1, 1′; die Verteilerplatten 2, 2′ sind mit dem derart verlängerten Teil verbunden. Zwischen dem Separator und der Elektrode ist ein flexibles Kohlenstoffblatt 30 angeordnet und der über die Elektrode hinausreichende Teil des Separators und die Verteilerplatte sind mit einem TFE-Harz 40, wie in Fig. 8 gezeigt, miteinander verbunden.

Darüber hinaus ist in der Verteilerplatte 2 ein Durchtritt 3 vorgesehen, um den gasförmigen Reaktanten zuzuführen, welcher durch den Separator 4 und die Verteilerplatte 2 führt. Der Durchtritt 3 für die Zufuhr des Gases ist (1) verbunden mit dem Durchtrittskanal 5, der in der Elektrode 1 vorgesehen ist, einschließlich dem gasdiffundierenden Teil 6 und Rippen 7 über eine Durchflußleitung 11 für den gasförmigen Reaktanten, der in der Verteilerplatte 2 vorhanden ist, oder der (2) direkt mit dem Durchtrittskanal 5 verbunden ist, der für den gasförmigen Reaktanten in der Elektrode 1 vorgesehen ist, während die andere Elektrode 1′ durch die Verteilerplatte 2′, wie in Fig. 7 gezeigt, verschlossen ist.

Bei der Ausführungsform in Fig. 6 ist der Durchtritt 3′ für das Gas (1) mit dem Durchtrittskanal 5′, der in der Elektrode 1′ vorgesehen ist, über die Durchflußleitung 11′ in der Verteilerplatte 2′ oder (2) direkt verbunden mit dem Durchtrittskanal 5′ in der Elektrode 1′, wobei die andere Elektrode 1 durch die Verteilerplatte 2 abgeschlossen ist. Die Strömungsrichtung des gasförmigen Reaktanten ist durch die Pfeile in den Fig. 6 und 7 markiert.

Der Durchtrittskanal 5 wird vorgegeben durch den gasdiffundierenden Teil 6 und die Rippe 7 in der Elektrode 1 und den Separator 4 oder das flexible Kohlenstoffblatt 30, welches mit dem Separator 4 verbunden ist.

Die Ausbildung der inneren Struktur der Verteilerplatte kann vielfältig sein, wie es in Fig. 8 gezeigt ist, wobei die linken Abbildungen einen Teilschnitt und die rechten Abbildungen eine Draufsicht zeigen.

Bei Fig. 8 (1) ist eine Ausbildung gezeigt, bei der die Verteilerplatte in drei Teile 21, 22 und 23 unterteilt ist, und die Rippe 7 einer der Elektroden so ausgebildet ist, daß sie um einen kleinen Bereich wie beispielsweise bei 7‴ unter den Verteilerteil 21 reicht. Zusätzlich ist die innere Kante des Verteilers 22 mit 22′ bezeichnet. Die beiden Teile 21 und 22 des Verteilers, 22 und der Separator und 23 und der Separator 4 sind gegeneinander mit dem TFE-Harz, wie es durch 40 in Fig. 8 (1) gezeigt ist, miteinander verbunden.

In Fig. 8 (2) ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß die Verteilerteile 21 und 22 von (1) zu einem Körper verformt sind und der Verteiler aus den beiden Teilen 21 und 23 besteht, und die Rippe 7 in der gleichen Ebene 7‴ endet wie die Oberflächenkante des gasdiffundierenden Teils. Zusätzlich ist die Oberfläche, die der inneren Kante 22 von (1) entspricht, in (2) durch 21′ bezeichnet.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 (3) und (4) ist eine der Elektroden, wie es bei 1″ gezeigt ist, zu dem einen Ende der Durchtrittsleitung 3 verlängert, um das reagierende Gas zuzuführen, und berührt die innere Kante des Verteilerteiles 21.

In jedem Fall sind der Verteiler und der Separator über das dazwischenliegende TFE-Harz miteinander verbunden. Die Ausführung gemäß Fig. 8 zeigt nur ein Beispiel und die innere Ausbildung der Verteilerplatte kann auf die vielfältigste Weise konstruiert werden.

Die Elektrode zur Herstellung der erfindungsgemäßen Verbundelektrode umfaßt ein poröses und kohlenstoffhaltiges Material, welches vorzugsweise die folgenden Eigenschaften nach Calcinierung bei einer Temperatur von nicht weniger als 800°C unter verringertem Druck und/oder unter inerter Atmosphäre hat:
mittlere Dichte: 0,3 bis 0,9 g/cm³
Gaspermeabilität: nicht weniger als 5,66×10² cm/s·bar
Elektrischer Widerstand: nicht mehr als 200 mΩ·cm.

Als Material für die Elektrode der erfindungsgemäßen Verbundelektrode können die folgenden Materialien verwendet werden:

(1) Ein Material, das durch Verformen einer Mischung kurzer Kohlenstoffasern, einem Bindemittel und einer organischen granulierten Substanz bei hoher Temperatur unter Druck z. B. gemäß japanischer Offenlegungsschrift Nr. 59-68 170 (1984) hergestellt wurde. Insbesondere enthält das durch Verformen erhaltene Material eine Mischung aus 20 bis 60 Gew.% kurzer Kohlenstofffäden, die nicht länger als 2 mm sind, 20 bis 50 Gew.% eines Phenolharzes und 20 bis 50 Gew.% einer organischen granulierten Substanz als Mikroporenregulator, wobei die Verformungstemperatur 100 bis 180°C, der Verformungsdruck 2,97×10 bis 9,91×10² N/cm² und die Preßdauer 1 bis 60 Minuten beträgt.
(2) Ein Material, das durch Calcinieren des oben erwähnten verformten Materials (1) bei einer Temperatur nicht unter 800°C unter einem verringerten Druck und/oder unter inerter Atmosphäre erhalten worden ist.
Darüber hinaus dienen als Material der Elektrode der Verbundelektrode gemäß Fig. 1 und Fig. 5 bis 8 und insbesondere das Elektrodenmaterial, das mit Rippen versehen ist, bevor es mit dem flexiblen Kohlenstoffblatt verbunden wird, die folgenden Materialien:
(3) Ein geformtes Produkt, welches den gasdiffundierenden Teil umfaßt, der aus einem Papierbogen, beispielsweise gemäß japanischer Patentanmeldung 53-18 603 (1978) hergestellt worden ist durch Imprägnieren eines Papierbogens, der wiederum aus einer Mischung von Kohlenstoffäden mit einer Länge von nicht mehr als 20 mm bereitet wurde, ferner mindestens einer organischen Faser auf Basis von Pulpe, regenerierter Cellulosefasern und Polyacrylnitrilfäden und dergleichen und einem Bindemittel aus der Papierherstellung wie Polyvinylalkoholfäden usw. durch ein Papierherstellungsverfahren mit einer Lösung eines Phenolharzes, wobei die Rippen unter Verwendung eines Materials, wie oben erwähnt unter (1), gebildet sind und
(4) einem Produkt, welches durch Calcinieren des obigen Produktes (3) bei einer Temperatur nicht unter 800°C unter verringertem Druck und/oder unter inerter Atmosphäre erhalten worden ist.

Der kompakte und kohlenstoffhaltige Separator für die erfindungsgemäßen Verbundelektroden besteht vorzugsweise aus einem Material mit den folgenden Eigenschaften:

mittlerer Dichte: nicht weniger als 1,40 g/cm³
Gaspermeabilität: nicht mehr als 2,83×10^-6 cm/s·bar
Elektrischer Widerstand: nicht mehr als 10 mΩ·cm
Materialstärke: vorzugsweise nicht mehr als 2 mm.

Darüber hinaus wird als Material für den Separator eine kompakte Kohlenstoffplatte mit einer Calcinierungsschrumpfung von nicht mehr als 0,2% im Falle des Calcinierens derselben bei 2000°C bevorzugt.

Ferner ist der Separator im allgemeinen plattenförmig und der Bereich auf einer Seite desselben ist größer als der Bereich einer Seite der Elektrode, wobei jedoch in dem Moment, wenn Separatormaterial und Elektrodenmaterial miteinander verbunden werden, der Bereich der ersteren gleich dem des letzteren sein kann, wie es später beschrieben wird.

Das Material für das äußere Abschlußteil, das Gasverteilerstück und die Verteilerplatte bei der erfindungsgemäßen Verbundelektrode ist vorzugsweise ein kompaktes Kohlenstoffmaterial mit den folgenden Eigenschaften:

mittlere Dichte: nicht mehr als 1,40 g/cm³
Gaspermeabilität: nicht mehr als 2,83×10^-4 cm/s·bar
Differenz des thermischen Expansionskoeffizienten dieses Materials gegenüber dem des Separators; nicht mehr als 2×10^-6/°C.

Vorzugsweise wird dieses erwähnte Material einer Calcinierung bei Temperaturen von nicht unter 800°C unter verringertem Druck und/oder inerter Atmosphäre unterworfen.

Darüber hinaus ist das Material des äußeren Abschlußteils, des Gasverteilerstückes und der Verteilerplatte vorzugsweise aus einem derart kompakten Kohlenstoffmaterial, daß die Schrumpfung beim Calcinieren nicht mehr als 0,2% nach einer Calcinierung bei 2000°C beträgt.

Da alle äußeren Abschlußteile, die Gasverteilerstücke und die Verteilerplatten mit den oben erwähnten physikalischen Eigenschaften mit dem TFE-Harz mit dem Separator verbunden sind, wird die Menge des Gasdurchtritts durch den äußeren Abschlußteil, das Gasverteilerstück und die Verteilerplatte einschließlich der mit diesen verbundenen Teilen tatsächlich von der Gasdiffusion beeinflußt und nicht so sehr durch den Druck des gasförmigen Reaktanten. Wenn jedoch die Menge des Gasdurchtritts unter einem Differentialdruck von 4,90×10² bar durch die Menge des Gasdurchtritts durch die periphere Länge des verbindenden Teils je Zeiteinheit repräsentiert wird, nämlich (Menge des Gasdurchtritts/(Seitenlänge des Umfanges) × (Differenzialdruck), so ist die Menge vorzugsweise nicht mehr als 2,83×10^-2 cm²/s·bar.

Bei der Herstellung der Verbundelektrode gemäß Erfindung ist das TFE-Harz, das zur Verbindung der äußeren Abschlußteile, des Gasverteilerstückes und der Verteilerplatte mit dem verlängerten Teil des Separators verwendet wird, das gleiche, wie es bei Verbindung der oben erwähnten Kohlenstoffmaterialien im allgemeinen miteinander verwendet wird.

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Verbundelektrode wird das oben erwähnte TFE-Harz in Form einer Folie mit etwa 50 µm Dicke eingesetzt oder als eine Dispersion, die etwa 60 Gew.% TFE-Harz enthält, wobei eine kleine Menge eines Tensides dieser Dispersion zugesetzt werden kann.

Zusätzlich kann die eben erwähnte Dispersion des TFE-Harzes mit Ruß hoher Elektroleitfähigkeit verwendet werden.

Als flexibles Kohlenstoffblatt zur Verbindung der Elektrode und des Separators in der erfindungsgemäßen Verbundelektrode kann eine flexible Graphitfolie mit einer Stärke von nicht mehr als 1 mm verwendet werden, die durch Zusammenpressen expandierter Graphitteilchen hergestellt wird, die dadurch erhalten werden, daß man Graphitteilchen mit einem Durchmesser von nicht mehr als 5 mm mit Säure behandelt und ferner die derart mit Säure behandelten Teilchen weiter erhitzt; diese zeigen eine Dichte von 1,0 bis 1,5 g/cm³ und Druckverformungs koeffizienten von nicht mehr als 3,57×10^-4 cm²/N (nämlich ein Verformungsverhältnis bei einer Kompressionsbelastung von 9,81 N/cm²), wobei die Flexibilität der Folie so beschaffen ist, daß die Folie nicht bricht, wenn man sie zu einem Kreis mit einem Radius von 20 mm biegt.

Das flexible Kohlenstoffblatt, das ebenfalls gemäß Erfindung verwendet wird, wird hergestellt durch Vermischen von Kohlenstoffasern mit einer mittleren Länge von nicht weniger als 1 mm mit einem Bindemittel von nicht weniger als 10%, bezogen auf die Kohlenstoffausbeute, indem man beispielsweise das Bindemittel in die Matrix der Kohlenstoffasern eingießt und dieses Verbundmaterial durch Erwärmen unter Druck verformt und das so verformte Material bei Temperaturen von nicht weniger als 850°C unter verringertem Druck und/oder unter inerter Atmosphäre calciniert. Das derart erhaltene flexible Kohlenstoffblatt hat eine Dicke von nicht mehr als 1 mm, eine Dichte von 0,2 bis 1,3 g/cm³ und einen Druckverformungs koeffizienten von nicht mehr als 2,04×10^-2 cm²/N, wobei die Kohlenstoffklümpchen von dem oben erwähnten Bindemittel in der Matrix der Kohlenstoffäden dispergiert sind und eine Vielzahl der Kohlenstoffäden festhalten, und die Kohlenstoffäden mit den erwähnten Kohlenstoffklümpchen verbunden sind, so daß sie frei durch den Kohlenstoffklumpen gleiten können. Diese flexible Kohlenstoffolie hat eine Flexibilität, daß sie beim Biegen um einen Bogen mit einem Radius von 10 mm nicht bricht.

Als Klebstoff bzw. Klebmittel zur Verbindung der aneinanderliegenden Flächen beim Elektrodenmaterial mit dem Separatormaterial über das flexible Kohlenstoffblatt kann ein Klebstoff verwendet werden, wie er allgemein beim Verbinden von kohlenstoffhaltigen Materialien verwendet wird, jedoch wird vorzugsweise für diesen Zweck ein wärmehärtbares Harz und insbesondere ein Phenolharz, Epoxyharz, Furanharz usw. verwendet.

Die Dicke der Klebstoffschicht ist nicht sonderlich beschränkt; vorzugsweise wird der Klebstoff gleichförmig in einer Dicke von nicht mehr als 0,5 mm aufgebracht.

Die Verbindung des Elektrodenmaterials und des Separatormaterials mit dem obigen Klebstoff kann bei Temperaturen von 100 bis 180°C unter einem Preßdruck von 1,99×10 bis 5,00×10² N/cm² bei einer Preßdauer von 1 bis 120 Minuten erfolgen.

Das Verbinden der Elektrodenteile und des Separators bei der erfindungsgemäßen Verbundelektrode gemäß Fig. 1 und Fig. 5 bis 8 wird durchgeführt, indem man nach Herstellung der Kanäle, die die Durchflußkanäle für den gasförmigen Reaktanten im Elektrodenmaterial vorgesehen sind, jede der Elektroden auf beiden Oberflächen des Separators über das flexible Kohlenstoffblatt verbindet, und zwar vorzugsweise so, daß die Durchflußkanäle für den gasförmigen Reaktanten in der einen Elektrode senkrecht zu denen in der anderen Elektrode sind, worauf man die so zusammengesetzten Materialien bei einer Temperatur von nicht weniger als 800°C unter verringertem Druck und/oder unter inerter Atmosphäre calciniert.

Darüber hinaus kann das Verbinden des Elektrodenmaterials und des Separatormaterials bei einer Verbundelektrode gemäß Fig. 2 bis 4 und die Ausbildung der Kanäle wie folgt durchgeführt werden.

Nach Anbringen des flexiblen Kohlenstoffblattes an dem plattenförmigen Elektrodenmaterial unter Verwendung der oben erwähnten Klebstoffe und Verklebungsbedingungen wird die Oberfläche des Bogens, der an dem Elektrodenmaterial befestigt ist, mit Schneidwerkzeugen bearbeitet, um die Kerben oder Kanäle in der gewünschten Abmessung einzuarbeiten, um die Durchtrittskanäle für den gasförmigen Reaktanten in der Elektrode auszubilden. Dieses Schneidverfahren kann auf beliebige Weise beispielsweise mit einer Diamantklinge durchgeführt werden.

Auf der Oberfläche des flexiblen Kohlenstoffblattes, die noch auf den beiden Elektrodenmaterialien nach dem Schneidverfahren verbleibt, wird der Klebstoff aufgebracht und die so behandelten beiden Elektrodenmaterialien mit den jeweiligen beiden Oberflächen des Separators auf die gleiche Methode verbunden, wie beim Verbinden des Elektrodenmaterials mit dem flexiblen Kohlenstoffblatt, so daß die Durchflußkanäle für den gasförmigen Reaktanten in einer der Elektroden senkrecht zu denen in der anderen Elektrode sind. Die derart zusammengesetzten Materialien werden dann bei einer Temperatur von nicht weniger als 800°C unter verringertem Druck und/oder unter inerter Atmosphäre calciniert. Zusätzlich kann die Carbonisierung der derart zusammengesetzten Materialien auch dadurch gesichert werden, daß man die Calcinierung der zusammengesetzten Materialien unter den gleichen Bedingungen durchführt, wie beim Calcinieren der einzelnen Materialien, bevor sie dem Schneidverfahren unterworfen worden sind, nämlich indem man die Calcinierung zweimal durchführt.

Nach Verbindung des Elektrodenmaterials und des Separatormaterials und Calcinieren der derart verbundenen Materialien - falls Elektrode und Separator die gleiche Dimension haben, nämlich wenn der verlängerte Teil des Separators über die Elektrode hinaus nicht vorgesehen ist - werden die Teile des Elektrodenmaterials und das flexible Kohlenstoffblatt, welches dem verlängerten Teil des Separators gegenüberliegt und später verbunden werden soll, durch Abschneiden entfernt, wobei man die Verbindungsfläche, nämlich den über die Elektrode hinaus verlängerten Teil des Separators, der mit dem äußeren Abschlußstück verbunden werden soll bzw. dem Gasverteilerstück und der Verteilerplatte freilegt. Danach wird ein Bogen oder eine Dispersion des TFE-Harzes zwischen die derart freigelegten oder vorher vorgesehenen verlängerten Teile des Separators und der Oberfläche des äußeren Abschlußstückes, des Gasverteilerstückes und der Verteilerplatte eingesetzt oder die Dispersion auf die Oberflächen aufgebracht und die derart zusammengesetzten Teile unter Druck durch Erwärmen bei einem Druck von nicht weniger als 1,99×10 N/cm² und bei einer Temperatur von nicht weniger als der Temperatur, die unterhalb dem Schmelzpunkt des TFE-Harzes liegt, bei 50°C, nicht weniger als 10 Sekunden verklebt.

Ferner wird bei der Herstellung der Verbundelektrode gemäß Fig. 1 und 4 ein Paar äußerer Abschlußteile, die keine Kerben als Ausbildung für die Durchtrittskanäle besitzen, mit den verlängerten Teilen des oben erwähnten Separators verbunden, während sie in Nachbarschaft zu dem Umfang der Elektroden liegen, und zwar parallel zu den Durchtrittskanälen des gasförmigen Reaktanten, und zwar mit einer Schicht des TFE-Harzes wie oben erwähnt.

Bei der Herstellung einer Verbundelektrode gemäß Fig. 3 und 4 wird zusätzlich das Gasverteilerstück mit den Kerben, die die Durchflußleitungen zur Verteilung des gasförmigen Reaktanten bilden, am Seitenrand senkrecht zu den Durchflußkanälen für den gasförmigen Reaktanten der oben erwähnten Elektrode mit dem verlängerten Teil des Separators über eine Schicht des TFE-Harzes, wie oben beschrieben, verbunden.

Die Kerben oder Rillen des in Fig. 3 und 4 gezeigten Gasverteilerstückes können vorher durch Einschneiden in gewünschter Größe, auf übliche Weise, wie bei den aus porösem Kohlenstoff bestehenden Elektrodenmaterial, hergestellt werden.

Zusätzlich kann das TFE-Harz vorher durch Aufschmelzen an das äußere Abschlußteil und an das Gasverteilerstück aufgebracht werden.

Darüber hinaus können verschiedene Verfahren benutzt werden, um eine Struktur der in Fig. 2 bis 4 gezeigten Elektroden herzustellen. Beispielsweise kann nach Ausbildung der Kerben oder Rillen durch Einschneiden in das Elektrodenmaterial das flexible Kohlenstoffblatt nur mit der Oberfläche der derart gebildeten Rippen verbunden werden. Die beste Methode ist jedoch, daß man nach dem Anhaften des flexiblen Kohlenstoffblattes an die noch nicht mit Rillen versehenen Elektroden das Einschneiden durchführt.

Als praktische Herstellungsmethode für Verbundelektroden, die von denen in Fig. 3 und 4 gezeigten Elektroden abweichen, kann man beispielsweise zur Erzielung eines Produktes, bei dem das flexible Kohlenstoffblatt an der ganzen Oberfläche des oben erwähnten Separators anhaftet, zuerst das flexible Kohlenstoffblatt an den Separator ankleben und dann die poröse und kohlenstoffhaltige Elektrode mit den Kerben, die eingeschnitten sind oder durch Verformen erhalten wurden, mit dem Separator über das flexible Kohlenstoffblatt verbinden, wobei auch andere Verfahren möglich sind.

Ferner kann die Durchbrechung 3, die der Durchtritt 3 zur Zufuhr des gasförmigen Reaktanten in der in Fig. 5 bis 8 gezeigten Verteilerplatte wird, auf beliebige Weise während des Verfahrens offengelegt werden; beispielsweise kann der Durchtritt mit üblichen Mitteln vor oder nach Verbindung der jeweiligen Verteilerplatten mit dem Separator hergestellt werden. Natürlich wird bevorzugt, einen Durchtritt 11 zur Verbindung der oben erwähnten Durchbrechung 3 zum Durchtrittskanal 5 der Elektrode vorzusehen, bevor man die Verteilerplatte mit dem Separator verbindet.

Da bei den derart erhaltenen, in den Fig. 1 bis 8 gezeigten Verbundelektroden die Elektrode und der Separator durch das flexible Kohlenstoffblatt zu einem Körper verbunden sind und das Gasverteilerstück, der äußere Abschlußteil und die Verteilerplatte mit dem Separator einstückig verbunden sind, ist die derart erhaltene Verbundelektrode ausgezeichnet widerstandsfähig und gegenüber Phosphorsäure und gegenüber einem Gasdurchtritt und ist insbesondere geeignet als Verbundelektrode für eine Brennstoffzelle des Phosphorsäuretyps.

Da bei den erfindungsgemäßen Verbundelektroden für Brennstoffzellen, wie sie in Fig. 1 bis 4 gezeigt sind, die äußeren Abschlußteile an den Seiten der Elektrode parallel zu den Durchtrittskanälen mit dem Substrat verbunden und zu einem Körper verformt sind, ist es nicht erforderlich, besondere äußere Abschlußteile vorzusehen, die bislang als erforderlich angesehen wurden, um einen Austritt des gasförmigen Reaktanten an der Seite der Zelle zu verhindern.

Da ferner bei den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Verbundelektroden die äußeren Abschlußteile gleichmäßig angeordnet und um die dünne plattenförmige Elektrode herum verbunden sind und den Separator alternierend an beiden Seiten halten, ergibt sich eine Verstärkungswirkung durch eine derartige Konstruktion, so daß diese Verbundelektrode bei der Handhabung während der Herstellung der Brennstoffzelle ausgezeichnet beständig ist.

Bei den Verbundelektroden gemäß Fig. 3 und 4 sind die äußeren Abschlußteile und die Gasverteilerstücke aus dem gleichen Material geformt und liegen einander gegenüber auf dem Separator, und der thermische Expansionskoeffizient der oberen Schicht fällt zusammen mit dem der unteren Schicht, so daß die thermische Belastung zwischen Separator und dem äußeren Abschlußteil und die zwischen dem Separator und dem Gasverteilerstück gleich ist und ein Verwerfen und Verformen bei der Herstellung der Verbundelektrode verringert wird, und zwar zuzüglich zu der Wirkung durch Einlegen eines flexiblen Kohlenstoffblattes zwischen den zu verbindenden Flächen von Elektrode und Separator.

Da in dem Randbereich der dünnen plattenförmigen Elektrode die äußeren Abschlußteile und die Gasverteilerstücke Fläche zu Fläche auf beiden Oberflächen des Separators angeordnet und verbunden sind und den Separator halten, hat eine derartige Ausbildung darüber hinaus noch einen stabilisierenden Effekt, so daß die erfindungsgemäße Verbundelektrode sich ausgezeichnet bei der Herstellung der Brennstoffzelle handhaben läßt.

Bei Verbundelektroden mit einer Verteilerplatte für eine Brennstoffzelle, wie sie erfindungsgemäß in Fig. 5 bis 8 gezeigt ist, ist es möglich, da die Verteilerplatte verbunden mit dem Substrat und zu einem Körper verformt ist, das erforderliche Gas in die ganze Zelle durch jeden Abschnitt der Verteilerplatten einzuleiten bzw. abzuziehen bei den übereinandergestapelten Elementen in der Brennzelle, und zwar einfach durch Einführung des gasförmigen Reaktanten in die Verteilerplatte. Demzufolge ist es nicht erforderlich, das äußere Gasverteilerstück für die Zufuhr und Ableitung des gasförmigen Reaktanten zu benutzen was bislang bei üblichen Brennstoffzellen für erforderlich gehalten wurde.

Da die Verteilerplatte gleichmäßig angeordnet und um die plattenförmige Elektrode herum befestigt worden ist, hat diese Struktur eine Verstärkungswirkung, wodurch sich wiederum eine ausgezeichnete Handhabung bei der Herstellung der Brennstoffzelle ergibt.

Bei einer Verbundelektrode gemäß Fig. 2 bis 4 kann die Wandstärke des flexiblen Kohlenstoffblattes als die wirksame Höhe der Rippen der Elektrode benutzt werden, da das flexible Kohlenstoffblatt, das zwischen den sich verbindenden Flächen der Elektrode und des Separators eingeschoben ist, als Puffermaterial nur die verbindenden Kopfflächen der Rippen bedecken. Im Vergleich zu einer Verbundelektrode, bei der das flexible Kohlenstoffblatt auf der ganzen Fläche zwischen Separator und Elektrode angeordnet ist, wird die Dicke eines Elektrodensubstratblattes, die gewöhnlich bei 3,8 bis 4 mm liegt, um 0,3 bis 0,5 mm, also um 7 bis 13%, verringert, wobei der gleiche Querschnitt des Durchtrittskanals für den gasförmigen Reaktanten beibehalten wird.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Beispielen weiter erläutert werden.

Beispiel 1

Es wurde ein Bogen aus Tetrafluorethylenharz mit einer Dicke von 50 µm zwischen ein 300 mm breites, 25 mm langes und 2 mm dickes Kohlenstoffmaterial (Dichte von 1,85 g/cm³) und ein 300 mm breites, 300 mm langes und 0,8 mm dickes Kohlenstoffmaterial (Dichte: 1,50 g/cm³) eingesetzt, worauf dieses Gebilde auf 350°C erwärmt und bei dieser Temperatur und einem Druck von 5,00×10² N/cm² 5 Minuten lang verpreßt wurde. Anschließend wurde das Produkt unter Normaldruck auf Zimmertemperatur abgekühlt.

Um die Haftfestigkeit des erhaltenen Produktes zu bestimmen, wurde an beiden Seiten des Verbundkörpers ein Haken mit einem Epoxyharz aufgeklebt, wobei senkrecht zu der Fläche des Kohlenstofflaminats an den Haken ein Zug ausgeübt wurde. Bei einer Zugbelastung von 8,83×10² N/cm² wurde keine Entblätterung des TFE-Harzbogens festgestellt und es brachen die Verbindungsstellen des Epoxyharzes. Diese Ergebnisse zeigen, daß die Haftfestigkeit aufgrund des TFE-Harzes nicht unter 8,83×10² N/cm² liegt.

Beispiel 2

Es wurden die gleichen Kohlenstoffplatten aus Beispiel 1 mit einer Dispersion von Tetrafluorethylenharz beschichtet und die so aufgebrachte Dispersion getrocknet; die beschichteten Flächen wurden dann aufeinandergelegt, auf 350°C erhitzt und 5 Minuten unter einem Druck von 5,00×10² N/cm² bei dieser Temperatur verpreßt und dann auf Zimmertemperatur unter dem gleichen Druck abgekühlt.

Die Haftfestigkeit wurde analog Beispiel 1 festgestellt, wobei die gleichen Ergebnisse erhalten wurden.

Beispiel 3

Es wurden Verbundelemente analog Beispiel 2 hergestellt, die jedoch mit einer Mischung aus der gleichen Dispersion des Tetrafluorethylenharzes aus Beispiel 2 und Ruß unter den verschiedensten Mischverhältnissen hergestellt waren, wobei der spezifische Widerstand der derart hergestellten Verbindungsschichten bestimmt wurde. Die folgende Tabelle zeigt diese Werte bei verschiedenen Mischungsverhältnissen von TFE-Harz, bezogen auf den Feststoffgehalt in der Dispersion:

Gewichtsverhältnis von TFE-Harz zu Ruß
Spezifischer Widerstand (Ωcm)
1 : 8
2,4
1 : 4	2,6
1 : 1	3,5
3 : 1	4,7
6 : 1	40,0

Beispiel 4

Es wurde eine Dispersion aus einem Gemisch von Tetrafluorethylenharz und Ruß im Verhältnis von 3 : 1 analog Beispiel 3 auf die zu verbindenden Oberflächen der beiden Kohlenstoffelemente gemäß Beispiel 1 aufgebracht und getrocknet. Die Elemente wurde nach dem Zusammenfügen auf 350°C erwärmt und bei dieser Temperatur 5 Minuten unter einem Druck von 5,00×10² N/cm² verpreßt und bei diesem Druck auf Zimmertemperatur abgekühlt.

Die Haftfestigkeit wurde analog Beispiel 1 bestimmt, wobei die gleichen Ergebnisse erzielt wurden. Demzufolge war die Haftfestigkeit des mit Ruß vermischten TFE-Harzes nicht unter 8,83×10² N/cm².

Beispiel 5 5-1: Elektrodenmaterial

Es wurden 35 Gew.% kurze Kohlefasern (durchschnittlicher Durchmesser 14 µm und durchschnittliche Länge 400 µm) und 30 Gew.% eines Phenolharzes und 35 Gew.% Polyvinylalkohol-Granulat (mit einem mittleren Durchmesser von 180 µm) gemischt. Die so erhaltene Mischung wurde in eine vorgegebene Metallform gegeben und bei einer Temperatur von 135°C und einem Druck von 3,53×10² N/cm² 20 Minuten lang verpreßt, wobei eine 600 mm breite, 720 mm lange und 1,5 mm dicke gerippte Elektrode erhalten wurde. Die Stärke der Rippen und die Dicke des gasdiffundierenden Teiles betrug 1,0 mm bzw. 0,5 mm.

5-2: Separatormaterial

Es wurde eine kompakte Kohlenstoffplatte mit einer Dicke von 0,8 mm in Einzelabschnitte von 720 mm×720 mm geschnitten und als Separationsmaterial verwendet.

5-3: Äußere Abschlußteile:

Es wurde eine kompakte Kohlenstoffplatte mit einer Dichte von 1,85 g/cm³ und einer Dicke von 1,5 mm in vier Stücke von 60 mm Breite und 720 mm Länge geschnitten.

5-4: Tetrafluorethylenharz

Es wurde ein Teflonbogen mit einer Wandstärke von 0,05 mm eingesetzt.

5-5: Flexibles Kohlenstoffblatt

Es wurde ein GRAFOIL-Bogen® (Dichte von 1,10 g/cm³) in einer Dicke von 0,13 mm entsprechend den Abmessungen der zu verbindenden Oberflächen zugeschnitten.

Nach Aufbringen des Klebstoffes von Phenolharz-Serien auf beide Oberflächen des Separatormaterials und auf eine der Seiten des GRAFOIL-Bogens wurde der derart aufgebrachte Klebstoff getrocknet und die beiden Materialien bei einer Temperatur von 135°C unter einem Druck von 1,08×10² N/cm² Minuten verpreßt.

Anschließend wurde der gleiche Klebstoff auf die GRAFOIL-Oberfläche des so verbundenen Separatormaterials aufgebracht und getrocknet. Auf gleiche Weise wurde der gleiche Klebstoff auf die Rippenoberfläche des Elektrodenmaterials aufgebracht und getrocknet. Anschließend wurden die derart verbundenen Separatormaterialien und das Elektrodenmaterial miteinander bei 135°C unter einem Druck von 1,08×10² N/cm² 20 Minuten verklebt und bei 2000°C unter einem verringerten Druck von 1,33×10^-3 bar und unter inerter Atmosphäre calciniert.

Anschließend wurde der Teflon®-Bogen zwischen das äußere Abschlußteil und den Separator eingelegt und die derart verbundenen Materialien durch Schmelzklebung des Teflons bei 360°C unter einem Druck von 2,06×10² N/cm² verbunden.

Um die Klebfestigkeit der durch Schmelzklebung unter Druck verbundenen Flächen zu bestimmen, wurden die Probekörper mit einem Epoxyharz mit einem Meßhaken verklebt und die Reißfestigkeit bestimmt.

Da das Ablösen oder Abblättern nicht in den Verbindungsbereichen des Teflon-Bogens, sondern an den Klebstellen der Epoxyharz-Verklebungen auftrat, ergibt sich eine Klebfestigkeit von nicht weniger als 8,83×10² N/cm². Diese Klebfestigkeit ist 30mal größer als die Klebfestigkeit von 2,94×10² N/cm², wenn die Kohlenstoffmaterialien mit einem üblichen Lösungsmittelkleber auf Basis eines wärmehärtbaren Harzes miteinander verklebt werden.

Beispiel 6

Anstelle des Teflon-Bogens gemäß Beispiel 5 wurde eine Teflon®-Dispersion (PTFE in wäßriger Lösung mit einem Gehalt von 60 Gew.% Teflon) verwendet und auf die zu verbindenden Oberflächen der äußeren Abschlußteile und den Separator gleichmäßig verteilt und an Luft getrocknet. Anschließend wurden die Materialien durch Schmelzverklebung des Teflons unter einem Druck von 2,06×10² N/cm² bei 360°C verbunden. Die Haftfestigkeit des Produktes entsprach dem des gemäß Beispiel 5.

Beispiel 7 7-1: Elektrodenmaterial

Als Elektrodenmaterial wurden zwei Stücke eines porösen kohlenstoffhaltigen plattenförmigen Materials mit einer Breite von 650 mm, einer Länge von 690 mm und einer Wandstärke von 1,47 mm verwendet.

7-2: Separatormaterial:

Als Separatormaterial wurde eine kompakte Kohlenstoffplatte mit einer Wandstärke von 0,6 mm verwendet, die in 690 mm breite und 690 mm lange Stücke geschnitten wurden.

7-3: Äußere Abschlußstücke:

Als äußere Abschlußstücke wurde eine kompakte Kohlenstoffplatte (mit einer Dichte von 1,85 g/cm³ und einer Wandstärke von 1,5 mm) in vier Abschnitte von 690 mm Länge und 20 mm Breite zurechtgeschnitten.

7-4: Tetrafluorethylenharz:

Als TFE-Harz wurde ein Teflon-Bogen gemäß Beispiel 5 in vier Abschnitte geschnitten, die hinsichtlich Breite und Länge dem äußeren Abschlußstück entsprachen.

7-5: Flexibles Kohlenstoffblatt:

Es wurde ein GRAFOIL-Blatt gemäß Beispiel 5 in zwei Stücke geschnitten; die Abmessungen entsprachen den Abmessungen der zu verbindenden Oberflächen und diese beiden Stücke wurden als flexibles Kohlenstoffblatt benutzt.

Nach Aufbringung eines Phenolharzklebers auf die Oberfläche jeder der beiden Elektrodenmaterialien und auf eine Oberfläche von jeder der beiden GRAFOIL-Bogen wurden die so behandelten Materialien getrocknet und bei 140°C unter einem Druck von 1,08×10² N/cm² unter einer Andruckzeit von 20 Minuten verklebt.

Danach wurde eine Mehrzahl von Kerben mit rechteckigem Querschnitt von 2 mm Breite und 1 mm Tiefe parallel zueinander mit einem Abstand von 4 mm auf der Oberfläche jeder der Elektroden, auf welcher der GRAFOIL-Bogen vorher aufgeklebt worden war, mit einem Diamant-Schneider eingeschnitten.

Anschließend wurde auf die GRAFOIL-Oberfläche, die auf dem Kopfbereich der die Kerben bildenden Rippen des so verarbeiteten Gegenstandes verblieben waren, der oben erwähnte Klebstoff aufgebracht und getrocknet.

Auf die gleiche Weise wie oben, wurde der oben erwähnte Klebstoff auf die Oberfläche des Separators aufgebracht und getrocknet. Anschließend wurden die entsprechenden verbliebenen GRAFOIL-Oberflächen der beiden Elektroden mit den beiden Oberflächen des Separators verbunden, so daß die Vielzahl der parallel zueinander angeordneten Kanäle der einen Elektrode senkrecht zu denen der anderen Elektroden lagen, und bei 140°C und einem Druck von 1,08×10² N/cm² 20 Minuten verpreßt. Das derart erhaltene Verbundmaterial wurde bei einem Unterdruck von 1,33×10^-3 bar und unter einer inerten Atmosphäre bei 2000°C calciniert.

Nach der Calcinierung wurde der Teil der Elektrode, die auf den verlängerten Teil des Separators gerichtet ist und mit dem äußeren Abschlußstück verbunden werden soll, abgeschnitten, um die Verbindungsfläche (den verlängerten Teil) des Separators, der mit dem äußeren Abschlußstück verbunden werden soll, freizulegen; es wurde der Teflon-Bogen zwischen die zu verbindenden Flächen des Abschlußstückes und des Separators gelegt. Anschließend wurden die beiden Materialien durch Schmelzverklebung des Harzes bei 350°C unter einem Druck von 2,06×10² N/cm² und einer Druckhaltezeit von 20 Minuten verklebt.

Nach diesem Verfahren wurde eine 3,8 mm dicke Verbundelektrode erhalten.

Die Haftfestigkeit der durch Schmelzklebung verbundenen Flächen wurden analog Beispiel 1 bestimmt, wobei die gleichen Ergebnisse wie in Beispiel 1 erhalten wurden, so daß die Haftfestigkeit als nicht unter 8,83×10² N/cm² liegend bezeichnet werden kann.

Die derart erhaltene Verbundelektrode ist für den sofortigen Einsatz in einer Brennstoffzelle geeignet.

Beispiel 8

Es wurde eine Verbundelektrode analog Beispiel 7 hergestellt, wobei jedoch jetzt anstelle des GRAFOIL-Bogens ein flexibles Kohlenstoffblatt verwendet wurde, das wie folgt hergestellt wurde:

Es wurden 7 Gewichtsteile Kohlenstoffäden (die durch Calcinieren von isotropen Pechfäden bei 2000°C hergestellt waren und eine Länge von 6 mm und einen Durchmesser von 14 bis 16 µm hatten) und 1 Gewichtsteil Polyvinylalkoholfäden (mit einer Länge von 3 mm) in Wasser dispergiert und auf einer üblichen Papierverarbeitungsmaschine zu Papierbogen verarbeitet. Die so hergestellten Kohlenstoffpapierbogen wurden getrocknet und mit einer 20%igen Phenolharz-Lösung in Methanol imprägniert. Nach Entfernung des Lösungsmittels durch Trocknen wurde das Kohlepapier thermisch in einer Metallform bei 130°C unter einem Druck von 1,08×10² N/cm² 20 Minuten verformt und anschließend bei 2000°C unter verringertem Druck von 1,33×10^-3 bar und unter inerter Atmosphäre calciniert, wobei ein 0,3 mm dicker plattenförmiger Bogen erhalten wurde. Dieser Bogen hatte eine Dichte von 0,4 g/cm³, einen Druckverformungskoeffizienten von 8,16×10^-3 cm²/N und eine Flexibilität entsprechend einer Biegung um einen Radius von 5,3 mm. Analog Beispiel 7 wurde dieser Bogen in zwei Stücke geschnitten, und zwar entsprechend der Abmessung der zu verbindenden Oberfläche mit dem Elektrodenmaterial.

Das derart hergestellte flexible Kohlenstoffblatt wurde anstelle des GRAFOIL-Blattes von Beispiel 7 mit der Elektrode bei 130°C und einem Preßdruck von 1,08×10² N/cm² 20 Minuten verpreßt.

Anschließend wurde wie in Beispiel 7 (1) das Einschneiden der Kerben in die Oberfläche des flexiblen Kohlenstoffblattes, welches an jeder der Elektroden haftete, durchgeführt, (2) das Elektrodenmaterial mit beiden Flächen des Separators durch Erwärmen unter Druck verbunden, (3) das Verbundmaterial calciniert und (4) das Schneiden und die Entfernung des Teiles des Kohlenstoffblattes und der Elektrode, die dem verlängerten Teil des Separators gegenüberliegt und die mit dem äußeren Abschlußteil verbunden werden soll, durchgeführt, worauf das äußere Abschlußteil und der Separator durch Schmelzklebung des Harzes zu einer Verbundelektrode mit einer Stärke von 4,14 mm für eine Brennstoffzelle verklebt wurden.

Die Bedingungen bei der Verbindung von Separator und Elektrodenmaterial waren 130°C bei 1,08×10² N/cm² und 120 Minuten Druckverpressung.

Die derart erhaltene Verbundelektrode zeigte die gleiche starke Festigkeit wie die gemäß Beispiel 7 und konnte genauso eingesetzt werden.

Beispiel 9

Es wurden die folgenden drei verschiedenen Verbundelektroden unterschiedlicher Größe aus den folgenden Materialien hergestellt.

9-1: Elektrodenmaterial

Es wurde das gleiche Material wie in Beispiel 7 als Elektrodenmaterial verwendet und in drei Paar quadratische Stücke in Längen von 100, 300 und 600 mm geschnitten, wobei jeweils Paare der gleichen Größe als Elektrodenmaterial verwendet wurden. Der thermische Expansionskoeffizient dieser Produkte lag im Durchschnitt bei Temperaturen bis zu 400°C bei 2,5×10^-6/°C.

9-2: Separatormaterial

Es wurde eine kompakte Kohlenstoffplatte einer Dicke von 0,6 mm in drei quadratische Stücke mit einer Längenabmessung von 100, 300 und 600 mm geschnitten, um die entsprechenden Separatormaterialien zu erhalten, deren thermischer Expansionskoeffizient 3,0×10^-6/°C betrug.

9-3: Äußere Abschlußteile und Gasverteilerstücke

Es wurde eine kompakte Kohlenstoffplatte mit einer Dichte von 1,85 g/cm³ und einer Wandstärke von 1,5 mm) zu 6 Gruppen von Stücken geschnitten, die bei einer Breite von 20 mm eine Länge von 100 mm, bzw. 60 mm, bzw. 300 mm, bzw. 260 mm, bzw. 600 mm, bzw. 560 mm hatten, die als äußere Abschlußteile bzw. Gasverteilerstücke benutzt wurden. Bei den Stücken mit einer kürzeren Länge von nämlich 60 mm, 260 mm und 560 mm, die als Gasverteilerstücke verwendet wurden, wurden nach Schmelzkleben eines Teflon-Bogens auf diese Kerben von 8 mm Breite und 0,6 mm Tiefe parallel mit einem Abstand von 12 mm eingeschnitten. Der thermische Expansionskoeffizient aller dieser Stücke lag bei 2,5×10^-6/°C.

9-4: Tetrafluorethylenharz

Es wurden vier Stücke in einer Abmessung entsprechend der äußeren Abschlußteile durch Zuschneiden eines Teflon-Bogens, wie er in Beispiel 5 verwendet wurde, hergestellt und als TFE-Harzbogen verwendet.

9-5: Flexibles Kohlenstoffblatt

Es wurde ein GRAFOIL-Bogen, wie er in Beispiel 5 benutzt wurde, zu zwei Stücken geschnitten, deren Abmessungen der der zu verbindenden Oberfläche entsprach.

Nach Aufbringen eines Phenol-Harz-Klebstoffes auf eine der Oberflächen jeder der beiden Elektrodenmaterialien und auf eine der beiden Oberflächen der GRAFOIL-Folie und nach Trocknen des derart aufgebrachten Klebstoffes wurden die Elektrodenmaterialien und GRAFOIL miteinander bei 140°C und einem Druck von 1,08×10² N/cm² 20 Minuten lang verpreßt.

Anschließend wurde eine Mehrzahl von 2 mm breiten und 1 mm tiefen Kerben mit rechteckigem Querschnitt parallel zueinander mit einem Abstand von 4 mm auf der Oberfläche der GRAFOIL-Bogen (unter Verwendung einer Diamant-Klinge) eingeschnitten, welche an jeder der beiden Elektrodenmaterialien hafteten.

Anschließend wurde der oben erwähnte Klebstoff auf die verbliebene GRAFOIL-Fläche des so vorbereiteten Körpers aufgebracht und getrocknet.

Anschließend wurden die entsprechenden verbliebenen GRAFOIL-Flächen der beiden Elektroden mit den beiden Oberflächen des Separators verbunden, so daß die Vielzahl der parallelen Kerben in einer der Elektroden senkrecht zu denen der anderen Elektroden lagen, wobei das Verkleben bei 140°C und unter einem Druck von 1,08×10² N/cm² und bei einer Druckzeit von 20 Minuten erfolgte, worauf dieses Verbundmaterial dann bei 2000°C unter verringertem Druck von 1,33×10^-3 bar und unter inerter Atmosphäre calciniert wurde.

Nach dem Calcinieren wurde der Teil der Elektrode, die dem verlängerten Teil des Separators, der mit dem äußeren Abschlußteil und dem Gasverteilerstück verbunden werden soll, durch Abschneiden entfernt, um die Verbindungsfläche des Separators, die mit dem äußeren Abschlußteil und dem Gasverteilerstück verbunden werden soll, freizulegen, wobei ein Teflon-Bogen zwischen die zu verbindenden Oberflächen des äußeren Abschlußteils und des verlängerten Teils des Separators gelegt wurde. Zusätzlich wurde das Gasverteilerstück, auf welches der Teflon-Bogen vorher durch Schmelzklebung aufgebracht wurde, aufgelegt, wobei die Oberfläche des Teflon-Bogens auf die Oberfläche des Separators zu liegen kam. Anschließend wurde dieses verbundene Produkt durch Schmelzklebung bei 350°C und bei einem Druck von 2,06×10² N/cm² und 20 Minuten unter Druck verklebt.

Nach diesem Verfahren wurden drei verschiedene Verbundelektroden für Brennstoffzellen erhalten, deren Seitenlängen 100 mm, bzw. 300 mm, bzw. 600 mm betrugen.

Bei diesen Verbundelektroden lag der Unterschied des thermischen Expansionskoeffizienten zwischen Separator und äußerem Abschlußteil und zwischen Separator und Gasverteilerstück bei 0,5×10^-6/°C.

Es wurde das Ausmaß der Verwerfung bei jeder dieser Verbundelektroden wie folgt bestimmt:

Länge der Seite der Verbundelektrode in mm: 100; 300; 600
Verwerfung in mm: 0; <0,03; <0,05

Es wurde ferner analog Beispiel 2 die Haftfestigkeit der schmelzverklebten Flächen bestimmt, wobei die gleichen Ergebnisse wie in Beispiel 1 erhalten wurden, so daß die Klebfestigkeit als mit nicht weniger als 8,83×10² N/cm² bezeichnet werden kann. Daraus ergibt sich, daß die erhaltenen Verbundelektroden ohne Schwierigkeiten für Brennstoffzellen verwendet werden können.

Beispiel 10

Es wurde eine Verbundelektrode unter Verwendung der gleichen Materialien wie in Beispiel 9 hergestellt, wobei jedoch jetzt anstelle von GRAFOIL ein flexibles Kohlenstoffblatt, wie es in Beispiel 8 verwendet wurde, eingesetzt wurde.

Dieses flexible Kohlenstoffblatt gemäß Beispiel 8 wurde auf die gleiche Weise 05339 00070 552 001000280000000200012000285910522800040 0002003632651 00004 05220 wie in Beispiel 9 in zwei Abschnitte geschnitten, deren Abmessungen denen der zu verbleibenden Flächen des Elektrodenmaterials entsprachen; die so erhaltenen Abschnitte wurden mit dem Elektrodenmaterial bei 130°C und einem 20 Minuten dauernden Preßdruck von 1,08×10² N/cm² miteinander verklebt.

Anschließend wurde wie folgt analog Beispiel 9 gearbeitet:

(1) Es wurden die Kerben auf der Oberfläche des flexiblen Kohlenstoffblattes, das an jeder der Elektroden haftete, eingearbeitet, (2) die Elektrodenmaterialien wurden auf beide Flächen des Separators unter Druck aufgeklebt, (3) es wurde calciniert, (4) es wurde der Teil der Elektrode abgeschnitten, der dem verlängerten Teil des Separators gegenüberliegt, der mit dem äußeren Abschlußteil verbunden werden soll, und (5) es wurden die äußeren Abschlußstücke und der Separator durch Zwischenlegung eines Teflon-Bogens miteinander verbunden, wobei (6) eine Verbundelektrode für eine Brennstoffzelle in einer Dicke von 4,14 mm erhalten wurde.

Die Verbindung des Separators und der Elektrode wurde jedoch bei 130°C und einem Druck von 1,08×10² N/cm² bei einer Druckzeit von 120 Minuten verklebt.

Die so erhaltene Verbundelektrode hatte wie die gemäß Beispiel 9 eine große Haftfestigkeit und konnte sofort als Verbundelektrode für eine Brennstoffzelle eingesetzt werden.

Beispiel 11 11-1: Elektrodenmaterial

Es wurde ein geripptes Elektrodenmaterial mit einer Breite von 600 mm, einer Länge von 600 mm und einer Wandstärke von 1,5 mm unter Verwendung der gleichen Ausgangsprodukte und bei gleichen Bedingungen wie in Beispiel 5 hergestellt. Die Dicke der Rippen betrug 1,0 mm und die Dicke des gasdiffundierenden Teiles lag bei 0,5 mm.

11-2: Separatormaterial

Es wurde das gleiche Material verwendet mit den gleichen Abmessungen wie in Beispiel 5 verwendet.

11-3: Verteilerplattenmaterial

Es wurde eine kompakte Kohlenstoffplatte mit einer Dichte von 1,85 g/cm³ und einer Dicke von 1,5 mm in zwei Abschnitte von 60 mm Breite und 720 mm Länge und in zwei weitere Abschnitte von 60 mm Breite und 60 mm Länge hergestellt, wobei jeder dieser vier Teile entsprechend den Durchtrittsöffnungen für die Zufuhr des gasförmigen Reaktanten mit Durchtrittsöffnungen versehen wurde. Anschließend wurde ein Paar der Platten mit den entsprechenden Durchbrechungen durch entsprechendes Zuschneiden zur Erzielung von Durchtrittskanälen hergestellt, so daß letztlich vier Verteilerplatten zur Verbindung auf eine der Oberflächen des Separators gehalten wurden. Auf die gleiche Weise unter Beibehaltung der gleichen Abmessungen und Materialien wurden vier Verteilerplatten hergestellt, um sie auf der anderen Oberfläche des Separators zu befestigen.

11-4: Tetrafluorethylenharz

Es wurde der gleiche Teflon-Bogen wie in Beispiel 5 als TFE-Harz verwendet.

11-5: Flexibles Kohlenstoffblatt

Es wurde der gleichen GRAFOIL-Bogen wie in Beispiel 5 in entsprechende Abschnitte gemäß den Abmessungen der zu verbindenden Flächen zugeschnitten.

Nach Aufbringung eines Phenol-Harz-Klebstoffes auf beide Flächen des Separators und auf eine der Flächen des GRAFOIL-Bogens wurde der aufgebrachte Klebstoff getrocknet und die beiden Materialien bei 135°C und 1,08×10² N/cm² Druck bei 20 Minuten Preßdauer miteinander verbunden. Danach wurde der oben erwähnte Klebstoff auf die Oberfläche des erwähnten GRAFOIL-Bogens aufgebracht und getrocknet.

Auf die gleiche Weise wurde der oben erwähnte Klebstoff auf die Rippenoberfläche der oben erwähnten Elektrode aufgebracht und getrocknet. Anschließend wurden diese beiden Materialien bei 135°C und einem Druck von 1,08×10² N/cm² verpreßt, worauf die derart erhaltenen Materialien bei 2000°C unter einem verringerten Druck von 1,33×10^-3 bar und unter inerter Atmosphäre calciniert wurden.

Anschließend wurde zwischen die zu verbindenden Flächen der Verteilerplatte und des Separators ein Teflon-Bogen eingelegt, der durch Schmelzverklebung unter einem Druck von 2,06×10² N/cm² bei 360°C verbunden wurde.

Um die Klebfestigkeit der miteinander durch Schmelzverklebung verbundenen Flächen zu bestimmen, wurde analog Beispiel 1 gearbeitet, wobei die gleichen Ergebnisse wie in Beispiel 1 erhalten wurden, so daß die Klebfestigkeit als mit nicht weniger als 8,83×10² N/cm² bestimmt werden konnte, die 30mal größer ist als die Klebfestigkeit von 2,94×10² N/cm², wenn Kohlenstoffmaterialien mit einem üblichen wärmehärtbaren Harz in Lösung verklebt werden.

Beispiel 12

Anstelle des Teflon-Bogens gemäß Beispiel 11 wurde eine 60%ige wäßrige Teflon-Dispersion wie in Beispiel 2 verwendet und auf die zu verbindenden Flächen der Verteilerplatte und des Separators gleichmäßig verteilt und an Luft getrocknet. Anschließend wurden diese beiden Materialien durch Schmelzverklebung bei 360°C unter einem Druck von 20 kg/cm² verklebt. Die Klebfestigkeit entsprach der des Produktes gemäß Beispiel 11.

Claims

1. Zusammengesetztes Elektrodensubstrat für eine Brenn stoffzelle, enthaltend eine Elektrode und einen Separa tor, dadurch gekennzeichnet, daß

(1) ein verlängerter Teil des Separators, der aus einem kompakten Kohlenstoffmaterial ist, jenseits der Elektrode und
(2a) ein äußeres Abschlußstück,
(2b) das äußere Abschlußstück und ein Gasverteilerteil oder
(2c) ein Verteilerelement, die jeweils mit der Periphe rie der Elektrode in Kontakt stehen und aus einem gasundurchlässigen kompakten Kohlenstoffmaterial bestehen, durch Schmelzverklebung mit zwischen diesen Kohlenstoffprodukten (1) und (2a), (2b) oder (2c) befindlichem Tetrafluorethylenharz oder einer Mischung aus Tetrafluorethylenharz und Ruß hoher elektrischer Leitfähigkeit verbunden sind.

2. Kohlenstoffprodukt nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß es

- eine poröse und kohlenstoffhaltige Elektrode, die Durchlaßkanäle für gasförmige Reaktanten besitzt und mit beiden Oberflächen eines Separators über einen flexiblen Bogen aus kohlenstoffhaltigem Material verbunden ist, und
- ein äußeres Abschlußstück auf der Seite der Elek trode parallel zu den in dieser befindlichen Durchtrittskanälen, das äußere Abschlußstück auf der Seite der Elektrode parallel zu den Durchfluß kanälen in dieser und ein Gasverteilungsstück zum Verteilen des gasförmigen Reaktanten an der Seite der Elektrode senkrecht zu den Durchflußkanälen in dieser oder einen Verteiler, der eine Durchtritts öffnung für die Zuführung des gasförmigen Reaktan ten hat, aufweist, wobei das äußere Abschlußteil, das äußere Abschlußteil und das Verteilerstück oder der Gasverteiler mit dem verlängerten Teil des Separators jenseits der Elektrode mittels einer Tetrafluorethylenharzschicht verbunden sind.

3. Elektrodensubstrat nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die poröse und kohlenstoffhaltige Elek trode eine Dichte von 0,3 bis 0,9 g/cm³ hat und die Gaspermeabilität nicht weniger als 5,66×10² cm/s·bar ist und daß der elektrische Widerstand nicht größer als 200 mΩ·cm ist, nachdem sie bei einer Temperatur von nicht weniger als 800°C unter verringertem Druck und/oder inerter Atmosphäre calciniert worden ist.

4. Elektrodensubstrat nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Separator ein kompaktes Kohlenstoff material mit einer Dicke von nicht mehr als 2 mm ist, dessen Dichte nicht weniger als 1,40 g/cm³ ist und dessen Gaspermeabilität nicht größer als 2,83×10^-6/cm/s·bar und dessen elektrischer Widerstand nicht mehr als 10 mΩ·cm ist.

5. Elektrodensubstrat nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das äußere Abschlußteil, das Gasverteiler stück und der Verteiler jeweils aus einem kompakten Kohlenstoffmaterial mit einer Dichte von nicht weniger als 1,40 g/cm³ und einer Gaspermeabilität von nicht mehr als 2,83×10^-4 cm/s·bar sind.

6. Elektrodensubstrat nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der flexible Kohlenstoffbogen durch Verpressen von expandierten Graphitteilchen erhältlich ist.

7. Elektrodensubstrat nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß der flexible Kohlenstoffbogen aus einem Material besteht, welches durch Verpressen expandierter Graphitteilchen erhalten worden ist, die dadurch erhalten wurden, daß man Graphitteilchen mit einem Durchmesser von nicht mehr als 5 mm einer Säurebehandlung unterwirft und die derart mit Säure behandelten Teilchen weiter erhitzt, und daß der Kohlenstoffbogen eine Wandstärke von nicht mehr als 1 mm hat, wobei die Dichte 1,0 bis 1,5 g/cm³ und der Druckverformungskoeffizient nicht mehr als 3,57×10^-4 cm²/N beträgt und die Flexibilität noch beim Biegen um einen Radius von 20 mm gegeben ist.

8. Elektrodensubstrat nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der flexible Kohlenstoffbogen aus einem Material besteht, welches durch Carbonisieren eines zusammengesetzten Materials aus Kohlenstoffäden einer mittleren Länge von nicht weniger als 1 mm und einem Bindemittel erhalten wurde, und eine Wandstärke von nicht mehr als 1 mm hat, wobei die Dichte 0,2 bis 1,3 g/cm³ und der Druckverformungskoeffizient nicht mehr als 2,04×10^-2 cm²/N beträgt und die Flexibilität noch beim Biegen um einen Radius von 10 mm ausreicht, und daß der flexible Kohlenstoffbogen von dem Bindemittel stammende Klümpchen aufweist, die in der Matrix der Kohlenstoffäden dispergiert sind und eine Vielzahl von Kohlenstoffäden halten, wobei die Kohlenstoffäden so mit dem Kohlenstoffklümpchen verbun den sind, daß sie frei durch diese Kohlenstoffklümpchen gleiten.

9. Elektrodensubstrat nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die porösen und kohlenstoffhaltigen Elektrodenmaterialien an die beiden Flächen des Separa tors über den flexiblen Kohlenstoffbogen gebunden sind, so daß die Durchflußkanäle für den gasförmigen Reaktan ten in einer der Elektroden senkrecht zu denen in einer anderen Elektrode stehen, und daß ein Paar der äußeren Abschlußstücke so angeordnet sind, daß sie in Nachbar schaft zu dem Randbereich der Elektrode parallel zu den Durchflußkanälen für den gasförmigen Reaktanten in der Elektrode liegen, wobei die äußeren Abschlußstücke mit dem verlängerten Teil des Separators über die Elektrode hinaus mit der Tetrafluorethylenharzschicht verbunden sind.

10. Elektrodensubstrat nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß es einen kompakten und kohlenstoffhaltigen Separator sowie die porösen und kohlenstoffhaltigen, mit einer Mehrzahl von Rillen versehenen Elektroden, die Durchflußkanäle für den gasförmigen Reaktanten bilden, aufweist, wobei die Elektroden mit beiden Oberflächen des Separators verbunden ist, so daß die Durchtrittskanäle in einer der Elektroden senkrecht zu denen in einer anderen Elektrode stehen, und Rippen vorgesehen sind, die die Rillen in der Elektrode bilden, wobei der Separator mittels des flexiblen Kohlenstoffbogens mit den Verbindungsflächen der Rippen verbunden ist, und daß das Substrat ein Paar der äußeren Abschlußstücke auf der Seite der Elektrode parallel zu den Durchtrittskanälen in dieser aufweist, welches mit dem verlängerten Teil des Separators jenseits der Elektrode mittels einer Tetra fluorethylenharzschicht verbunden ist.

11. Elektrodensubstrat nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß ein kompakter und kohlenstoffhaltiger Separator vorgesehen ist, daß die porösen und aus kohlenstoffhaltigem Material bestehenden Elektroden eine Mehrzahl von Rillen aufweisen, die die Durchfluß kanäle für den gasförmigen Reaktanten auf einer Seite derselben bilden, während die andere Seite eine flache Fläche ist, und daß die Elektroden mit beiden Seiten des Separators mittels eines flexiblen Kohlenstoff bogens verbunden ist, so daß die Durchflußkanäle für den gasförmigen Reaktanten in einer der Elektroden senkrecht zu denen in einer anderen Elektrode stehen, und daß ein Paar der äußeren Abschlußstücke auf der Seite der Elektrode parallel zu den Durchtrittskanälen in dieser vorgesehen sind, und daß ferner ein Paar Gasverteiler auf der Seite der Elektrode senkrecht zu den Durchtrittskanälen in dieser vorgesehen sind, wobei die seitlichen Abschlußstücke und die Gasverteiler mit dem überstehenden Teil des Separators jenseits der Elektroden mittels einer Tetrafluorethylenharzschicht verbunden sind.

12. Elektrodensubstrat nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Teile des Verteilers mittels einer Schicht aus Tetrafluorethylenharz miteinander verbunden sind.

13. Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten Elek trodensubstrats für eine Brennstoffzelle, nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, das eine Elektrode, einen Separator und ein äußeres Abschlußstück, das seitliche Abschlußstück und ein Gasverteilerteil oder ein Verteilerelement aufweist, dadurch gekenn zeichnet, daß man Tetrafluorethylenharz oder eine Mischung aus Tetrafluorethylenharz mit Ruß hoher elek trischer Leitfähigkeit zwischen einen jenseits der Elektrode verlängerten Teil eines Separators, wobei der Separator aus einem kompakten Kohlenstoffmaterial ist, und ein äußeres Abschlußstück, das seitliche Ab schlußstück und den Gasverteiler oder ein Verteiler element einbringt, die jeweils mit der Peripherie der Elektrode in Kontakt stehen und aus einem gasundurch lässigen und kompakten Kohlenstoffmaterial sind und daß man die so zusammengefügten Materialien durch Erwärmen unter Druck preßverklebt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß man jedes der Kohlenstoffmaterialien aus der Gruppe der folgenden Bestandteile ausgewählt:

(1) ein Kohlenstoffmaterial, welches durch Calcinie ren eines verformten Kohlenstoffmaterials, bestehend aus Kohlenstoffaggregaten und einem Bindemittel unter verringertem Druck und/oder inerter Atmosphäre erhalten worden ist,
(2) ein Kohlenstoffmaterial, welches durch Calcinieren eines verformten Kohlenstoffmaterials, bestehend aus Graphitaggregat und einem Bindemittel unter verringertem Druck und/oder inerter Atmosphäre erhalten worden ist, und
(3) ein zusammengesetztes Kohlenstoffmaterial, wel ches dadurch erhalten wurde, daß man die Kohlen stoffmaterialien (1) und (2) zu einem Körper verbindet und die so verbundenen Kohlenstoffmate rialien unter verringertem Druck und/oder inerter Atmosphäre calciniert.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßverklebung unter einem Druck von nicht weniger als 1,99×10² N/cm² und bei Temperaturen nicht unter der Temperatur, die um 50°C niedriger als der Schmelzpunkt des Tetrafluorethylenharzes ist, und in nicht weniger als 10 Sekunden durchgeführt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Tetrafluorethylenharz in Form eines Bogens verwendet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß man den Tetrafluorethylenharzbogen zwischen die Kohlen stoffmaterialien legt und die derart zusammengesetzten Materialien durch Erwärmen unter Druck preßverklebt.

18. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß man das Tetrafluorethylenharz in Form einer Dispersion verwendet.

22. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß man (1) die Dispersion von Tetrafluorethylenharz auf die zu verbindenden Oberflächen der Kohlenstoffmate rialien aufbringt und (2) nach Trocknen der so aufge brachten Dispersion und Aufeinanderstapeln der so behandelten Kohlenstoffmaterialien die zusammengesetz ten Materialien durch Erwärmen unter Druck preßverklebt.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß man Ruß hoher elektrischer Leitfähigkeit zu der Disper sion aus Tetrafluorethylenharz gibt und die so herge stellte Mischung rührt und die Dispersion von Tetra fluorethylenharz mit Ruß hoher elektrischer Leitfähig keit auf die zu verbindenden Oberflächen der Kohlen stoffmaterialien aufbringt.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß man das Umrühren unter Verwendung von Ultraschall durchführt.

22. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß man

(1) ein poröses und kohlenstoffhaltiges Elektroden material, das mit Durchflußkanälen für den gasförmi gen Reaktanten versehen ist, mit einem Separator material mittels eines Klebstoffs verbindet, indem man einen flexiblen Kohlenstoffbogen zwischen das Elektrodenmaterial und den Separator einbringt,
(2) die derart miteinander verbundenen Materialien bei einer Temperatur von nicht weniger als 800°C unter verringertem Druck und/oder inerter Atmosphäre calciniert und dabei ein Elektrodenstubstratteil herstellt, bei dem die porösen und kohlenstoffhal tigen Elektrodenmaterialien mit den beiden Ober flächen des Separators über den flexiblen Kohlen stoffbogen verbunden sind, und
(3) daß man (a) ein äußeres Abschlußteil aus einem gasundurchlässigen Kohlenstoffmaterial an der Seite der Elektrode parallel zu den Durchflußkanälen in dieser verbindet, (b) das äußere Abschlußstück auf der Seite der Elektrode parallel zu den Durchflußkanälen in dieser und einen Gasverteiler aus einem gasundurchlässigen Kohlenstoffmaterial an der Seite der Elektrode senkrecht zu den Durchtrittskanälen in dieser verbindet oder (c) ein Verteilermaterial aus einer gasundurchlässigen und kompakten Kohlenstoffplatte mit dem verlängerten Teil des Separators jenseits der Elektrode mittels eines Bogens oder einer Dispersion aus Tetrafluorethylenharz verbindet.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß man das poröse und kohlenstoffhaltige Material auswählt aus der Gruppe aus:

(1) einem verformten Material, welches hergestellt ist durch thermisches Verformen einer Mischung aus kurzen Kohlenstoffäden, einem Bindemittel und einer organischen granularen Substanz und das unter Druck zu einem einstückigen Körper verpreßt ist,
(2) einem calcinierten Material, welches durch Calci nieren des verformten Materials gemäß (1) erhalten wurde,
(3) einem verformten Material, welches den Gasdiffu sionsteil einschließt, der aus einem mit Harz imprägnierten Papierbogen besteht, der hergestellt worden ist durch Imprägnieren eines Mischpapier bogens, der hergestellt worden ist aus einer Mischung von Kohlenstoffäden und mindestens einer Sorte von organischen Fäden aus der Gruppe von Pulpe, regenerierten Cellulosefäden und Polyacryl nitrilfäden und einem Bindemittel aus der Papier herstellung nach einem Papierherstellungsverfahren mit einer Lösung eines Phenolharzes, und der verformten Rippen, die durch Verformen der Mi schung gemäß (1) erhalten worden sind, und
(4) einem calcinierten Material, welches durch Calci nieren des verformten Materials gemäß (3) hergestellt worden ist.

24. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß man für den Separator eine kompakte Kohlenstoffplatte mit einer Schrumpfung von nicht mehr als 0,2% bei Calcinieren bei 2000°C verwendet.

25. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß man für das äußere Abschlußstück, den Gasverteiler und das Verteilerelement ein kompaktes Kohlenstoffmaterial verwendet, das eine Schrumpfung von nicht mehr als 0,2% beim Calci nieren bei 2000°C hat.

26. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß man ein flexibles Kohlenstoffblatt, das durch Verpressen von expandierten Graphitteilchen hergestellt worden ist, verwendet.

27. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß man einen flexiblen Kohlenstoffbogen verwendet, der aus einem Kohlenstoffmaterial ist, das erhalten wurde, indem man ein zusammengesetztes Material verformt, welches Koh lenstoffäden einer Länge von nicht weniger als 1 mm und ein Bindemittel in einer Menge von nicht weniger als 10 Gew.-%, bezogen auf die Kohlenstoffausbeute, enthält, unter Druck erwärmt und das so verformte Material bei einer Temperatur von nicht weniger als 850°C unter verringertem Druck und/oder inerter Atmosphäre calciniert.

28. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß man als Klebstoff für den flexiblen Kohlenstoffbogen ein wärmehärtbares Harz aus der Gruppe der Phenolharze, Epoxyharze und Furanharze verwendet.

29. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß man das Elektrodenmaterial mit dem Separatormaterial in einem Temperaturbereich von 100 bis 180°C und bei einem Druck von 1,99×10 bis 5,00×10² N/cm² verbindet, wobei die Preßdauer bis 120 Minuten beträgt.

30. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß man

(1) das poröse und kohlenstoffhaltige Elektrodenmate rial mit dem Separatormaterial mittels eines Klebstoffs verbindet, indem man die porösen und kohlenstoffhaltigen Elektrodenmaterialien auf die beiden Seiten des Separatormaterials auflegt, so daß die Durchflußkanäle für den gasförmigen Reak tanten in den Elektroden senkrecht zu denen in der anderen Elektrode stehen und daß man den flexiblen Kohlenstoffbogen zwischen das poröse kohlenstoff haltige Elektrodenmaterial und das Separatormate rial legt,
(2) nach Herstellung eines Elektrodensubstratteils für eine Brennstoffzelle durch Calcinieren der derart verbundenen Materialien bei einer Temperatur von nicht weniger als 800°C unter verringertem Druck und/oder unter inerter Atmosphäre ein Paar der äußeren Abschlußstücke auf dem verlängerten Teil des Separators verbindet, der über den Umfang der Elektrode herausreicht, und zwar parallel zu den Durchflußkanälen in dieser mittels eines Bogens oder einer Dispersion des Tetrafluorethylen harzes.

31. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß man (1) die verbindenden Teile des Verteilermaterials untereinander mittels eines Bogens oder einer Disper sion aus Tetrafluorethylenharz verbindet.

32. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß man

(1) den flexiblen Kohlenstoffbogen auf eine Oberfläche eines porösen und kohlenstoffhaltigen Elektroden materials einer flachen Plattenform ohne Rillen mit den vorgeschriebenen Abmessungen durch den Klebstoff anbringt,
(2) die Rillen in den gewünschten Abmessungen zur Bildung der Durchflußkanäle für den gasförmigen Reaktanten auf der verbundenen Oberflächenseite durch ein Schneidverfahren vorsieht,
(3) das Separatormaterial mit der Oberfläche des flexiblen Kohlenstoffbogens, die auf der derartig behandelten Oberfläche des Elektrodenmaterials verbleibt, Fläche zu Fläche aufbringt,
(4) die so zusammengesetzten Materialien bei einer Temperatur von nicht weniger als 800°C unter verringertem Druck und/oder inerter Atmosphäre calciniert und
(5) die äußeren Abschlußstücke an der Seite der Elek trode parallel zu den Durchflußkanälen in dieser auf den verlängerten Teil des Separators jenseits der Elektrode mittels eines Bogens oder einer Dispersion aus Tetrafluorethylenharz verbindet.

33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Paar der äußeren Abschlußstücke an der Seite der Elektrode parallel zu den Durchflußkanälen in dieser und ein Paar Gasverteiler an der Seite der Elektrode senkrecht zu den Durchflußkanälen in dieser auf den verlängerten Teil des Separators jenseits der Elektrode mittels eines Bogens oder einer Dispersion von Tetrafluorethylenharz anbringt oder verbindet.