DE3638856C2 - Verfahren zur Herstellung einer porösen Platte für eine Brennstoffzelle und nach dem Verfahren hergestellte poröse Platte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine poröse Platte für eine elektro­ chemische Zelle und ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Naßdichtung für eine poröse Platte, die in einer elektrochemischen Zelle, wie einem Brennstoffzellenkraftwerk, verwendet wird. Obwohl diese Erfindung zum Gebrauch auf dem Gebiet der Phosphor­ säuren-Brennstoffzellenkraftwerke gemacht wurde, findet sie auch bei anderen elektrochemischen Zellen Anwendung, bei denen solche Dichtungen verwendet werden.

Brennstoffzellenkraftwerke erzeugen dadurch elektrische Energie, daß sie in einer oder mehreren elektrochemischen Zellen einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel elektro­ chemisch verbrauchen. Das Oxidationsmittel kann reiner Sauerstoff oder eine Mischung aus sauerstoffhaltigen Gasen, wie Luft, sein. Der Brennstoff kann Wasserstoff sein.

Jede Brennstoffzelle weist im allgemeinen Elektroden zur Aufnahme der Gase, nämlich eine Anode für den Brenn­ stoff und eine Kathode für das Oxidationsmittel, auf. Die Kathode ist von der Anode beabstandet, und eine mit dem Elektrolyten gesättigte Matrix ist zwischen diesen Elek­ troden angeordnet.

Jede Elektrode weist ein Substrat auf, auf dem auf der Seite, die der Elektrolytmatrix zugekehrt ist, eine Kata­ lysatorschicht angeordnet ist. In einigen Fällen ist auf der anderen Seite des Substrats eine Elektrolytspeicher­ platte angeordnet, die dem Träger Elektrolyt durch kleine Poren zuführen kann. Diese Elektrolytspeicherplatten kön­ nen Kanäle oder Durchgänge hinter dem Substrat für die Zuführung eines Reaktionsgases, wie des gasförmigen Brenn­ stoffes zu der Anode und des gasförmigen Oxidationsmit­ tels zu der Kathode, aufweisen. Beispielsweise können diese Kanäle zwischen parallelen Rippen auf der Substrat­ seite der Elektrolytspeicherplatte ausgebildet sein. Eine Trennplatte auf der anderen Seite der Elektrolytspeicher­ platte bildet eine Sperre gegen den Übertritt des Elektro­ lyten und verhindert eine Durchmischung der Brennstoff- und Oxidationsmittelgase in angrenzenden Zellen. Eine wei­ tere annehmbare Konstruktion besteht darin, das Elektro­ densubstrat sowohl als Elektrolytspeicherplatte als auch als Elektrodensubstrat wirken zu lassen, wobei auf der der Trennplatte zugekehrten Seite des Substrats Kanäle ausge­ bildet sind.

Im allgemeinen wird ein Stapel aus Brennstoffzellen und Trennplatten zur Durchführung der elektrochemischen Reak­ tion verwendet. Infolge der elektrochemischen Reaktion er­ zeugt der Brennstoffzellenstapel elektrische Energie, ein Reaktionsprodukt und Abwärme. Ein Kühlsystem erstreckt sich durch den Stapel, um die Abwärme von dem Brennstoffzellen­ stapel abzuführen. Das Kühlsystem weist ein Kühlmittel und Leitungen für das Kühlmittel auf. Die Leitungen sind in Kühlerhaltern angeordnet, um Kühler in dem Stapel zu bil­ den. Mit Hilfe der Kühlerhalter wird Wärme von den Brenn­ stoffzellen auf die Leitungen und von den Leitungen auf das Kühlmittel übertragen.

Der Kühlerhalter muß elektrisch und thermisch leitfähig sein und kann gasdurchlässig sein. Ein Beispiel für einen der­ artigen Kühlerhalter ist in der US-PS 42 45 009 mit dem Titel "Poröser Kühlmittelrohr-Halter für einen Brennstoffzellenstapel" gezeigt.

Alternativ dazu kann der Kühlerhalter auch gasundurch­ lässig sein. Ein Beispiel für einen derartigen Kühlerhal­ ter ist in der US-PS 39 90 913 mit dem Titel "Phosphorsäure-Wärmeübertragungsmaterial" gezeigt, bei der der Kühlerhalter sowohl als Kühlerhalter als auch als Trennplatte dient.

Die Trennplatten verhindern das Vermischen des Brennstoff­ gases, wie Wasserstoff, das auf der einen Seite der Platte vorliegt, mit einem Oxidationsmittel, wie Luft, das auf der anderen Seite der Platte vorliegt. Die Trennplatten sind daher für Gase wie Wasserstoff hoch undurchlässig und elektrisch hoch leitfähig, um den elektrischen Strom durch den Brennstoffzellenstapel hindurchzuleiten. Außerdem müs­ sen die Trennplatten auch die stark korrodierende Atmos­ phäre tolerieren, die von dem in der Brennstoffzelle ver­ wendeten Elektrolyten gebildet wird. Ein Beispiel für einen solchen Elektrolyten ist heiße Phosphorsäure. Zusätzlich müssen die Trennplatten, wie die Kühlerhalter, eine hohe Festigkeit, insbesondere Biegefestigkeit, aufweisen, die ein Maß für die Trennplatte ist, hohe Druckbelastungen, eine unterschiedliche thermische Ausdehnung von aneinander­ liegenden Bauteilen und zahlreiche thermische Zyklen, ohne Rißbildung oder Bruch auszuhalten.

Ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung von Trenn­ platten für elektrochemische Zellen wird in der US-PS 43 60 485 beschrieben, wobei die Offen­ barung dieses Patents durch ausdrückliche Bezugnahme die vorliegende Beschreibung ergänzt. Bei dem dort beschriebe­ nen Verfahren wird die Trennplatte dadurch hergestellt, daß man eine Mischung aus vorzugsweise 50% eines Graphit­ pulvers hoher Reinheit und 50% eines verkohlbaren thermisch härtenden Phenolharzes in die gewünschte Form bringt und dann graphitiert. Insbesondere wird dabei eine gut durch­ mischte Mischung aus dem geeigneten Harz und dem Graphit­ pulver beschrieben. Die Mischung wird dann in einer Form verteilt. Der Formling wird unter Druck und erhöhter Tem­ peratur verdichtet, um das Harz zu schmelzen und teilweise zu härten und die Platte auszubilden.

Elektrolytspeicherschichten, wie sie üblicherweise in Elek­ trolytspeicherplatten und als Elektrodensubstrat verwendet werden, müssen Anforderungen erfüllen, die sich von denen an einer Trennplatte unterscheiden. Zum Beispiel müssen Speicherschichten Volumenveränderungen des Elektrolyten während des Betriebs der Brennstoffzelle ausgleichen. Bei­ spiele für derartige Elektrolytspeicherschichten sind in den US-PSen 37 79 811, 39 05 832, 40 35 551, 40 38 463, 40 64 207, 40 80 413, 40 64 322, 41 85 145 und 43 74 906 beschrieben.

Verschiedene dieser Patente zeigen die Nutzung der Elektro­ lytspeicherschicht als Elektrodensubstrat. Zusätzlich zum Ausgleich von Veränderungen des Säurevolumens infolge einer Elektrolytverdampfung und von Veränderungen der Betriebs­ bedingungen der Zellenelektrode müssen Substrate ver­ schiedene andere funktionelle Anforderungen erfüllen. Bei­ spielsweise muß das Substrat ein guter elektrischer Leiter und ein guter thermischer Leiter sein und eine ausreichende strukturelle Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf­ weisen. Das Substrat dient als Träger für die Katalysator­ schicht und als ein Mittel für die Durchleitung der gasförmigen Reaktanten durch die Katalysatorschicht. Schließlich müs­ sen die Kanten des Substrats oft als Naßdichtung dienen, die ein Entweichen der Reaktionsgase und des Elektrolyten aus der Zelle verhindert.

Dies kann auf die in der US-PS 38 67 206 mit dem Titel "Naßdichtung für Flüssigelektrolytbrennstoff­ zellen" beschriebene Art und Weise gemacht werden. Ein weiteres Beispiel ist in US-PS 42 59 389 mit dem Titel "Naßdich­ tung mit geringer Porosität für hohen Druck" gezeigt. Dabei kann die Dichtung in den Kantenbereich einer porösen Platte unter Verwendung eines pulverförmigen Füllstoffes gebildet werden, die dem Bereich eine höhere Dichte ver­ leiht, welche die Porosität vermindert. Dennoch ist dieser Vorschlag nicht allgemein angenommen worden.

Ein weiterer Vorschlag für die Bildung von Randdichtungen besteht darin, die Dichte des Randbereiches durch Zusam­ mendrücken zu erhöhen. Verdichtete Trägerranddichtungen sind in den der Anmelderin gehörenden US-PSen 42 69 642 und 43 65 008 beschrieben. Die Praxis hat gezeigt, daß die Dichtungsdichte und Porengröße, die praktisch erhalten werden können, den Randdichtungsquerdruck (der allgemein als Blasendruck bezeichnet wird) auf 0,206-0,275 bar beschränken. Dies ist weniger als die 0,69 bar, die für einen Brennstoffzellenstapel erwünscht sind, der bei 8,3 bar arbeitet, wobei Druckunterschiede zwischen den Reak­ tanten bis zu 0,34-0,69 bar erreichen können.

Demzufolge versuchen Naturwissenschaftler und Ingenieure, für poröse Platten einer elektrochemischen Zelle Dichtun­ gen zu entwickeln, die höhere Übergangsdrücke, die bei Brennstoffzellen mit höherem Druck auftreten, aushalten können.

Einige der neuesten Vorschläge folgten der in der US-PS 42 59 389 angegebenen Lösung, den Rand- oder Kanten­ bereich zu imprägnieren. Diese Vorschläge hatten aber nur mäßigen Erfolg. Ein von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung entwickeltes verbessertes Verfahren besteht darin, eine Suspension aus Dichtungsmaterial zu bilden und die Suspension in den Randbereich zu drücken. Jedoch war bei den Feststoffkonzentrationen, die zur Füllung der Hohlraumstruktur erforderlich sind, die Suspensionsvisko­ sität zu hoch, um ein vollständiges Eindringen in das dicke Substrat zu erhalten. Bei genügend niedrigen Visko­ sitäten für ein gutes Eindringen war der Feststoffgehalt der Suspension zu niedrig, um das Hohlraumvolumen auszu­ füllen, und führte zu großen Poren.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer porösen Platte, die in einer Brennstoffzelle eingesetzt werden kann, bzw. eine für den genannten Zweck verbesserte poröse Platte zu schaffen, die eine Verbesserung der Randabdichtung und damit eine Verwendung der erhaltenen Platte in einer Brennstoffzelle ermöglichen, in der es zu erheblichen Druckunterschieden zwischen den Reaktanten kommen kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß Oberbegriff dem von Anspruch 1 bzw. einer porösen Platte gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 5 durch die in den jeweiligen Kennzeichen aufgeführten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß Anspruch 1 bzw. der Platte gemäß Anspruch 5 sind den jeweiligen nachgeordneten Unteransprüchen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß wird somit ein Dichtungsbereich einer porösen Platte für eine elektrochemische Zelle mit einem einen hohen Feststoffgehalt ergebenden und eine niedere Struktur aufweisenden Pulver in einer Suspension unter Druck gefüllt, um eine Dichtung für die poröse Platte nach der Entfernung der Flüssigkeit zu bilden, wobei die Dich­ tung in der Lage ist, momentane Querdrücke auszuhalten, die um eine Größenordnung größer als die beim normalen Betrieb auftretenden Querdrücke sind.

Erfindungsgemäß besteht das Verfahren zum Herstellen der Dichtung darin, daß eine Vorläufersuspension für das Dichtungsmaterial gebildet wird, die einen so hohen Feststoffgehalt hat, daß Gesamtvolumenverminderungen des Dichtungsmaterials nach der Entfernung der Flüssigkeit aus der Suspension vermie­ den werden und daß der Dichtungsbereich durch Aufbringen von Druck auf das Dichtungs-Vorläufermaterial gefüllt wird, der größer als 0,34 bar ist, um das Dichtungsmaterial in das Substrat zu drücken.

Ein Hauptmerkmal der Erfindung besteht darin, daß die poröse Platte einen Dichtungsbereich hat, der eine wesent­ lich größere Dichte als ein nicht dichtender Bereich der Platte aufweist. Ein Beispiel dafür ist ein Elektroden­ substrat, bei dem der Dichtungsbereich eine Dichte hat, die mindestens ungefähr 200% der Dichte der porösen Platte in einem nicht abgedichteten Bereich der Platte beträgt. Ein weiteres Beispiel dafür ist eine Elektrolytspeicher­ platte, bei der wegen der viel höheren Dichte im Vergleich zu der des Elektrodensubstrats die Dichte des Dichtungs­ bereiches ungefähr 150% der Dichte des nicht dichtenden Bereiches beträgt. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist der hohe Feststoffgehalt der Vorläufersuspension für das Dichtungsmaterial und der Kontakt zwischen den Teilchen des Dichtungsmaterials nach der Entfernung des Trägers der Suspension. Bei einer Ausführungsform besteht ein Merkmal in einem inerten Binde­ mittel in der Suspension, das in einer genügend kleinen Menge vorhanden ist, um eine wesentliche Veränderung der hydrophilen Natur der Teilchen zu verhindern, und das dennoch einen Binder zwischen den Teilchen des Dichtungs­ materials bildet. Das Dichtungsmaterial ist ein Pulver, das aus der aus Kohlenstoff, Graphit oder Siliciumcarbid oder aus daraus gebildeten Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

Ein Hauptvorteil der Erfindung ist die Perfektheit einer elektrochemischen Zelle, die in der Lage ist, momentane Querdrücke zwischen einer Anode und einer Kathode auszu­ halten, die um eine Größenordnung größer als die normalen Betriebsquerdrücke sind. Dies ergibt sich aus einer Dich­ tung, die aus abgesetztem Dichtungsmaterial gebildet ist, das eine geringe Porengröße dadurch hat, daß eine Gesamt­ volumenverminderung des Dichtungsmaterials verhindert wird, die sich ergeben könnte, wenn die Flüssigkeit der Dich­ tungsmaterial-Suspension aus einer porösen Platte entfernt wird, wie z.B. einem Substrat, in welchem das Dichtungs­ material abgesetzt ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnun­ gen gezeigt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Teil eines elektro­ chemischen Zellenstapels mit Elektrolytspeicher­ schichten, wie z.B. einem Substrat oder einer Elektrolytspeicherplatte, bei denen ein Dichtungs­ material in einem Dichtungsbereich abgesetzt ist, und

Fig. 2 eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum Drücken der Vorläufersuspension für das Dichtungsmaterial in eine poröse Platte in auseinandergezogener Form.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenkraftwerks, wobei ein Teil eines Brenn­ stoffzellenstapels 6 gezeigt ist. Der Brennstoffzellen­ stapel enthält eine oder mehrere Brennstoffzellen, die durch die Brennstoffzelle 8 repräsentiert werden, sowie Kühlerhalter, die durch den einzigen Kühlerhalter 10 re­ präsentiert werden, die in bestimmten Abständen zwischen Gruppen von Brennstoffzellen angeordnet sind. Die Kühler­ halter sind dafür ausgebildet, Leitungen 11 für ein Kühl­ mittel aufzunehmen.

Jede Brennstoffzelle enthält eine den Elektrolyten halten­ de Matrix 12, die zwischen einer Anode 14 und einer Kathode 16 angeordnet ist. Bei der speziellen gezeigten Zelle wird Phosphorsäure als Elektrolyt verwendet. Eine Elektrolyt­ speicherplatte 18 grenzt an die Anode an, und eine Elektro­ lytspeicherplatte 20 an die Kathode. Bei einer alternativen Konstruktion können die Elektrolytspeicherplatten durch gerippte Gastrennplatten ersetzt sein.

Die Anode 14 weist eine Katalysatorschicht 22 und ein die Katalysatorschicht tragendes Elektrodensubstrat auf. Das Substrat ist eine poröse Platte und wirkt als gasdurchläs­ sige Speicherschicht für den Elektrolyten. Die Katalysator­ schicht ist an dem Substrat befestigt und ist aus Kataly­ satorteilchen gebildet, die mit Hilfe eines hydrophoben Materials, wie beispielsweise Polytetrafluoräthylen, anein­ andergebunden sind. Ein solcher Katalysator besteht aus Platin auf Kohleteilchen.

Die poröse Elektrolytspeicherplatte 18 weist Rippen 26 und einen Randabschnitt 28 auf. Die Rippen haben einen Abstand voneinander, so daß Durchgangskanäle 29 für den Brennstoff zwischen ihnen freigelassen werden. Ein geeig­ neter Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff, wird durch die Kanäle 29 zwischen der Speicherschicht und der Elektrolytspeicherplatte und von dort zu der Katalysator­ schicht 22 geleitet.

Die Elektrolytübertragung zwischen der Matrix 12 und der Elektrolytspeicherplatte 18 wie auch der Speicherschicht 24 erfolgt direkt durch die Poren der Katalysatorschicht 22, die teilweise hydrophil ist. Die Katalysatorschicht kann Löcher zur Unterstützung dieser Flüssigkeitsübertra­ gung haben. Diese Verteilung des Elektrolyten innerhalb der Zelle tritt infolge der Kapillarwirkung der porösen Strukturen (d.h. der Oberflächenspannungserscheinung der Gas-Flüssigkeit-Schnittstelle) auf, welche bewirkt, daß die poröse Struktur Kapillarkräfte entwickelt. Je kleiner die Poren sind, desto größer ist die Kapillarkraft und die Fähigkeit zur Zurückhaltung der Flüssigkeit.

Die Kathode 16 hat wie die Anode 14 ein Substrat 30 und eine Katalysatorschicht 32. Die Katalysatorschicht ist an dem Substrat befestigt.

Die an die Kathode angrenzende Elektrolytspeicherplatte 20 hat eine Vielzahl von Rippen, die durch die einzige Rippe 34 repräsentiert sind und einen Abstand voneinander aufweisen, um Durchgangskanäle 38 für das Oxidationsmittel zu bilden. Diese Durchgangskanäle erstrecken sich im all­ gemeinen senkrecht zu den Durchgangskanälen 29. Ein Oxida­ tionsmittel, wie z.B. der Sauerstoff in der Luft, wird durch diese Durchgangskanäle zwischen der Speicherschicht und der Elektrolytspeicherplatte und von dort durch das Substrat zu der Katalysatorschicht geleitet.

Zur Trennung der aneinandergrenzenden Brennstoffzellen werden eine Trennplatte 39a mit einem Randabschnitt 40a und eine Trennplatte 39b mit einem Randabschnitt 40b ver­ wendet. Die Trennplatten verhindern eine Vermischung des Wasserstoffes, der in den Durchgangskanälen 29 strömt, mit dem Sauerstoff der Luft, die in den Durchgangskanälen 38 strömt. Die Trennplatten sind dabei für ein Gas wie Wasserstoff hoch undurchlässig und außerdem elektrisch hoch leitfähig, um einen Elektrodenfluß von Zelle zu Zelle durch den Stapel zu ermöglichen. Die Trennplatten verhin­ dern ferner einen Austritt des Elektrolyten aus den Spei­ cherschichten innerhalb der Zelle.

Jede eine Speicherschicht aufweisende poröse Platte hat am Rand einen Dichtungsbereich. Beispielsweise weist das Anodensubstrat 24 einen Randdichtungsbereich 41, das Katho­ densubstrat 30 einen Randdichtungsbereich 42 auf und die Elektrolytspeicherplatten haben ebenfalls Randdichtungs­ bereiche in dem Kantenbereich 28, der sich parallel zu dem letzten Durchgangskanal 29 erstreckt, und in dem Kanten­ bereich 36, der sich parallel zu dem letzten Durchgangs­ kanal 34 erstreckt. Jeder Dichtungsbereich ist mit einem Dichtungsmaterial gefüllt, so daß der Dichtungsbereich eine Dichtung mit dem Elektrolyten bildet. Das Dichtungsmaterial weist ein inertes Pulver auf, das aus der aus Kohlenstoff, Graphit, Siliciumcarbid und daraus gebildeten Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Das Pulver hat eine Teilchengröße, die kleiner als 1 µm ist, und eine geringe Struktur, um die Zerteilung des Pulvers auf die ursprünglichen Hauptteilchen zu erleichtern, so daß die Bildung einer einen hohen Feststoffgehalt und eine geringe Viskosität aufweisenden Suspension unterstützt wird. Das Dichtungsmaterial erhöht die Dichte des Dichtungsbereiches des Substrats und verringert die Porosität der Platte. Da die Poren des Dichtungsbereiches kleiner als der Rest der Platte sind, bleibt das gesamte Volumen der Poren fast vollständig mit Elektrolyt gefüllt, solange die Matrix 12 mit Elektrolyt gefüllt ist. Durch das Einklemmen der Dichtungsabschnitte zwischen den Randabschnitt 40a der oberen Gastrennplatte und den Randabschnitt 40b der unte­ ren Gastrennplatte werden Flüssigkeitsdichtungen gebildet, die sich zu den Oberflächen 45, 46, 48, 50, 52 und 54 hin erstrecken.

Wie erwähnt erzeugt die aus der Oberflächenspannung einer Flüssigkeit von porösen Strukturen sich ergebende Kapillar­ wirkung Kapillarkräfte, die eine Bewegung des flüssigen Elektrolyten aus den Poren des Dichtungsbereiches verhin­ dern. Je kleiner die Pore, desto größer ist die Kapillar­ kraft an der Gas-Flüssigkeit-Schnittstelle und die Fähig­ keit, Druckunterschiede zwischen dem Reaktionsgas in der Brennstoffzelle und zwischen irgendeinem Reaktionsgas und dem Äußeren der Zelle zu verhindern. Aufgrund des zum Füllen des Dichtungsbereiches mit dem Dichtungsmaterial verwendeten Verfahrens kann die in dem Substrat gebildete Dichtung statischen Gasdrücken und sogar momentanen Druckdif­ ferenzen, die im Bereich zwischen 0,34 und 2,07 bar liegen können, widerstehen.

Fig. 2 zeigt eine auseinandergezogene Seitenansicht einer Vorrichtung 58 zum Füllen einer porösen Platte einer elek­ trochemischen Zelle, wie z.B. des Kathodensubstrats 30 mit einem Dichtungsmaterial. Die Vorrichtung weist eine erste Platte 60 und eine zweite Platte 62 auf, von denen jede an einer zugeordneten Oberfläche (d.h. Oberfläche 50 oder 52) des Substrats angreifen kann. Die zweite Platte hat eine axial sich erstreckende Aushöhlung 64, die ungefähr die axiale Breite der in der porösen Platte zu bildenden Dichtung hat. Die Aushöhlung wird von drei Seiten der Platte begrenzt. Ein Sieb 66 begrenzt die Aushöhlung auf der vierten Seite. Die Öffnungen des Siebs betragen 0,147 mm. Bei anderen Ausführungsformen kann das Sieb weggelassen und die Platte 62 gegen die Platte 60 ausgetauscht werden, derart, daß die Dichtungsmaterial-Suspension nicht aus der Aushöhlung durch die Schwerkraft herausgezogen werden kann.

Eine Dichtung 68 verläuft um den Umfang der Aushöhlung 64 und läßt einen Strömungsbereich 72 dazwischen frei. Ein geeignetes Material für die Dichtung ist ein mittlerer, geschlossene Zellen aufweisender Neoprenschaum, wie z.B. der COHRlastic-Schaum, der von der Auburn Rubber Company, Middletown, Connecticut erhältlich ist. Die Dichtung hat eine Oberfläche 74, mit der sie an der Oberfläche 52 der porösen Platte angreift.

Ein bewegbares Band 86 fördert die poröse Platte in einen Bereich zwischen den einander zugekehrten Platten. Das Band ist ein Nytex-Band, das von Nazdur K.C. Coatings, Taerboro, New Jersey erhältlich ist und ein monophiles Nylon­ stoffmatrizenband ist, das annähernd 198 µm dick ist und eine Öffnungsgröße von 0,222 mm mit einem offenen Bereich von 48,5% hat. Ein poröses Papier 78 ist zwischen dem Band und der porösen Platte angeordnet. Das poröse Papier ist ein gebleichtes mittleres Filzpapier, wie es gewöhnlich in der Medizin verwendet wird.

Die erste Platte 60 hat eine Vielzahl von quer verlaufen­ den Rippen 82, die einen axialen Abstand voneinander haben, so daß sie eine Vielzahl von Spalten 84 dazwischen frei­ lassen. Diese Spalten stehen über eine Leitung 96 in Strö­ mungsverbindung mit einem Unterdruckerzeuger, der den Druck in den Spalten 84 während des Betriebes der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung vermindert. Bei anderen Ausführungs­ formen wird kein Unterdruck in den Spalten 84 erzeugt.

Während des Betriebes der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung wird die poröse Platte durch die Bewegung des Bandes 86 zwischen die erste und zweite Platte 60, 62 in Position gebracht. Die Platten bewegen sich relativ zueinander, um die poröse Platte zwischen sich einzuklemmen. Die Aushöh­ lung 64 steht in Strömungsverbindung mit einer Quelle für die Vorläufersuspension für das Dichtungsmaterial. Die Suspen­ sion wird unter einem erheblichen Druck zugeführt, der im allgemeinen größer als 68,95 kPa über die poröse Platte hinweg ist.

Wenn die Suspension in die poröse Platte 30 gedrückt wird, wird die erste Platte 60 in Strömungsverbindung mit einem Unterdruckerzeuger gesetzt, so daß sie einen Teil der Sus­ pension durch das Nytex-Band zieht. Nach dem Füllen des Dichtungsbereiches der porösen Platte mit dem Dichtungs­ material wird die poröse Platte an eine Stelle bewegt, an der die Flüssigkeit vollständig durch Verdampfung, wie z.B. durch Erhitzen, entfernt werden kann, so daß das ab­ gesetzte Dichtungsmaterial zurückbleibt.

Die Vorläufersuspension für das Dichtungsmaterial für den Randbereich um­ faßt eine Flüssigkeit, wie z.B. Wasser, und ein inertes Pulver in der Flüssigkeit, wie z.B. Kohlenstoff, Graphit oder Siliciumcarbid, wie bereits erwähnt. Das Pulver hat eine variable Teilchengröße, die kleiner als oder gleich 1 µm ist, und eine geringe Struktur, die durch die Größe und Form des Pulverhaufwerks, die Anzahl von Teil­ chen pro Gewichtseinheit des Pulverhaufwerks und ihre durchschnittliche Masse bestimmt wird. Die Struktureigen­ schaften beeinflussen die Pulverpackung und das Volumen der Hohlräume in dem Grundmaterial. Die Struktur wird in bezug auf das Zwischenteilchenvolumen und insbesondere unter Verwendung der DBPA-Methode gemessen, der eine Zahl zugeordnet ist, wie sie in der Norm ASTMD 2414 festgelegt ist, die von der American Society for Testing and Materials herausgegeben wird. Das Pulver wird dann als eine geringe Struktur aufweisend betrachtet, wenn es eine DBPA-Zahl hat, die kleiner als 50 ml pro 100 g ist. Die Herstellung der Vorläufersuspension für das Dichtungsmaterial beinhaltet das Hinzu­ fügen des Pulvers zu der Flüssigkeit und das mechanische Verrühren der Suspension zur Vermeidung von Klumpenbildung. Somit wird das Pulver der Suspension zugegeben, das Pulver wird gründlich durchgemischt und dann wird noch mehr Pulver der Suspension hinzugefügt. Ein oberflächenaktives Mittel oder ein Dispersionsmittel wird der Flüssigkeit zugegeben, um die Benetzung des Pulvers zu erhöhen und beim Vermischen mitzuhelfen. Dieses Verfahren wird solange fortgeführt, bis der Feststoffgehalt eine Höhe erreicht hat, bei der eine Gesamtvolumenverminderung des Dichtungsmaterials nach dem Entfernen der Flüssigkeit aus der Suspension verhindert wird.

Dies ist wichtig, weil eine Gesamtvolumenverminderung, wie sie z.B. das Zusammenfallen des Materials auf sich selbst nach der Entfernung der Flüssigkeit begleitet, zu Poren­ größen führt, die viel größer sind als wenn das Dichtungs­ material nahe bei seiner Ausrichtung bleibt, die es hatte, als es von der Flüssigkeit an Ort und Stelle gehalten wurde. Es wurde festgestellt, daß ein großer Feststoff­ gehalt, der typischerweise größer als 60%, bezogen auf das Gewicht der Suspension, ist, die Gesamtvolumenverrin­ gerung vermeidet, weil die Teilchen genügend Berührungs­ punkte haben, daß sie einander abstützen und in einer verhältnismäßig festen Lage bleiben, selbst nachdem die Flüssigkeit entfernt ist.

Ein empirisches Verfahren zum Bestimmen, ob eine Gesamt­ volumenverringerung stattgefunden hat, besteht darin, eine poröse Platte mit einer Menge des Dichtungsmaterials mit dem oben erwähnten Verfahren zu tränken, die Flüssig­ keit zu entfernen und das Material mit dem Elektrolyten zu füllen und danach den Querdruck zu messen. Wenn der Querdruck hoch und gewöhnlich gleich oder größer als 0,34 bar ist, dann hat das Dichtungsmaterial keine Gesamt­ volumenverringerung durchgemacht.

Die Vorläufersuspension für das Dichtungsmaterial hat somit einen hohen Feststoffgehalt. Der hohe Feststoffgehalt ermöglicht es, daß jedes Teilchen an angrenzenden Teilchen angreift, nachdem die Flüssigkeit aus der Suspension entfernt ist. Infolgedessen hat das Dichtungsmaterial eine gewisse struk­ turelle Festigkeit und kleinere Poren als wenn die Teil­ chen sich nicht gegenseitig stützen würden und mit einer Gesamtvolumenverringerung und einer Vergrößerung der Poren zusammenbrechen könnten. Die kleinen Poren haben eine Kapillaritätscharakteristik (Querdruck für eine gegebene Flüssigkeit bei einer gegebenen Temperatur) für konzen­ trierte Phosphorsäure von 23,9°C, die über 0,34 bar liegt. Eine Messung der Kapillaritätscharakteristik bestätigt, daß das Dichtungsmaterial keine Gesamtvolumenverringerung durchgemacht hat.

Eine andere Vorgehensweise zum Bestimmen des Feststoff­ gehaltes, der zum Vermeiden einer Gesamtvolumenverringe­ rung in dem Dichtungsmaterial notwendig ist, und die bei­ nahe so sicher wie das oben umrissene Verfahren ist, be­ steht darin, die Suspension zu bilden und die Flüssigkeit aus der Suspension zu verdampfen. Ein sich ergebender Rückstand, der seine strukturelle Form ohne große Unregel­ mäßigkeiten in der Oberfläche des Rückstandes beibehält, zeigt an, daß eine Gesamtvolumenverringerung vermieden wurde. Wenn jedoch große Risse in der Oberfläche auftre­ ten, die als "Schlammrisse" bezeichnet werden, ist der Feststoffgehalt der Suspension wahrscheinlich nicht aus­ reichend, um den hohen Querdruck über die Dichtung hinweg zu erhalten, wenn der Dichtungsbereich einmal mit Dich­ tungsmaterial gefüllt ist.

Außerdem kann eine kleine Menge eines Bindemittels, das sich in der Umgebung des Elektrolyten der Brennstoffzelle inert verhält, wie z.B. Polytetrafluoräthylen, der Suspension zugefügt werden. Das Bindemittel wirkt als weiterer Klebstoff zwischen den Teilchen, um die struk­ turelle Festigkeit der Gruppe von Teilchen zu erhöhen. Im allgemeinen werden bis zu 5% Polytetrafluoräthylen, bezo­ gen auf das Gewicht der Suspension, der Suspension hinzu­ gefügt. Größere Mengen von Polytetrafluoräthylen sollten vermieden werden, weil dieses Bindemittel aufgrund seines inerten Verhaltens in der Umgebung der Brennstoff­ zelle hydrophob ist und weil zuviel des Bindemittels die Fähigkeit der Dichtung, hohe Kapillarkräfte mit dem Elek­ trolyt zu entwickeln, zerstören kann. Die Menge von zu­ lässigem Polytetrafluoräthylen kann wieder empirisch da­ durch festgestellt werden, daß die Dichtung mit einem ge­ gebenen hohen Feststoffgehalt gebildet wird und der Quer­ druck, den die Dichtung aushalten kann, wenn sie den Elek­ trolyten enthält, gemessen wird.

Ein spezielles gegenwärtig verwendetes Dichtungsmaterial, das eine geringe Struktur hat und ein Kohlenpulver im sub-µm-Bereich enthält, ist ein solches, bei dem ein Thermax- Kohlenpulver verwendet wird, das von der R.T. Vanderbilt Company, Inc., 30 Winfield Street, Norwalk, Connecticut 06855 erhältlich ist. Die ASTM-Bezeichnung ist N-990 und es hat einen typischen DBPA-Wert von ungefähr 35 ml pro 100 g entsprechend dem Maßstandard der Norm ASTM D-2414. Dieser kugelförmige Ruß kann in mehr graphitierter Form verwendet werden, wenn dies zur Oxidationsbeständigkeit durch Erhitzen des Materials bis zu 2700°C oder höher er­ forderlich ist. Natürlich können kompatible Materialien wie Siliciumcarbid verwendet werden, wenn die Teilchen­ größe kleiner als oder gleich 1 µm ist.

Beispiel 1

Eine Vorläufersuspension für das Dichtungsmaterial, die ungefähr 70 Gew.-% Thermax-Ruß enthält, wurde auf die folgende Art und Weise zubereitet und mit einem Kohlefasersubstrat verwen­ det. 5 g des oberflächenaktiven Mittels Triton (das von der Rohm und Haas Company, Inc., Philadelphia, Pennsyl­ vania erhältlich ist) wurden zu 2000 g Wasser hinzugegeben. 2700 g Thermax-Ruß wurden in die Suspension unter Verwendung eines Mischers mit geringer Scherung eingemischt. Die Menge des zugefügten Thermax-Rußes wurde durch die Dicke der Mischung begrenzt. Ungefähr die Hälfte der Mischung wurde in eine Kugelmühle gegossen und 24 Stunden lang disper­ giert (d.h. bis auf ungefähr Hauptteilchengröße zerbrochen). Die Dispergierwirkung brachte die Mischung in den flüssigen Zustand zurück, der die Hinzufügung weiterer 336 g Thermax gestattete. Die Mischung wurde weitere 50 Stunden lang dis­ pergiert, und dann wurden 5 g Triton hinzugefügt. Das zusätz­ liche oberflächenaktive Mittel ermöglichte die Hinzufügung weiterer 443 g Thermax-Ruß. Die Mischung wurde dann für 24 Stunden wieder in die Kugelmühle gegeben. Nach einer Zerstäubung von 24 Stunden war die Mischung zu dick, und es wurden 5 g Wasser und 5 g des oberflächenaktiven Mittels Triton hinzugefügt. Nach einer weiteren Zerstäubung von ungefähr 2 Stunden wurde eine Probe von der Mischung abge­ zogen, verdampft, und es wurde ermittelt, daß sie 67,4% Feststoffe hat. Nach 24stündiger Zerstäubung durch die Kugelmühle wurden weitere 143 g Thermax hinzugefügt, das den Feststoffgehalt auf 71,8% brachte.

Die Vorläufersuspenion des Beispieles 1, die einen Fest­ stoffgehalt von 70 Gew.-% und eine Viskosität von unge­ fähr 1000 mPa · s hat, wurde dazu verwendet, ein Kohlefaser­ substrat zu füllen. Das Substrat war 2,0 mm dick und hatte eine mittlere Porengröße von 36 µm.

Die Vorläufersuspension wurde unter einem Druck von 0,69 bar durch das Sieb, durch den Strömungsbereich und in das Substrat extrudiert. Nach dem Füllen wurde das Substrat getrocknet, um das Wasser aus der Suspension zu entfernen. Die Dichte des Dichtungsbereiches betrug 230% der Dichte des Substrates, bevor es mit der Vorläufersuspension ge­ füllt war. Insbesondere betrug die Dichte des Dichtungs­ bereiches ungefähr 1,25 g/cm³, während die Dichte des Substrates an einer von dem Dichtungsbereich entfernten Stelle 0,55 g/cm³ betrug.

Die so gebildete Randdichtung wurde mit Phosphorsäure (H₃PO₄) durch Untertauchen in 85 Gew.-% H₃PO₄ bei 163°C für 1 Stunde gefüllt. Die Kapillaritätscharakteristik der Dichtung (d.h. der Querdruck oder der Blasendruck für konzentrierte Phosphorsäure bei 23,9°C dieser Dichtung) wurde mit 0,62 bar bei 23,9°C gemessen. Andere Kohlefaser­ substrate wurden mit Vorläufersuspensionen mit einem höhe­ ren Feststoffgehalt imprägniert, die wie in Beispiel 1 an­ gegeben hergestellt wurden, aber einen Feststoffgehalt von 75% hatten. Die sich ergebende Dichte betrug 260% der Dichte des Substrates in einem nicht dichtenden Bereich. Die Kapillaritätscharakteristik (Querdruck) der Dichtung wurde mit 2,07 bar gemessen.

Beispiel 2

Eine Vorläufersuspension für das Dichtungsmaterial, die ungefähr 74% Thermax-Ruß enthält, wurde in einem Großchargenprozeß her­ gestellt, der in vielen Punkten dem beim Beispiel 1 verwen­ deten Verfahren ähnlich ist. Die Vorläufersuspension sollte ein graphitiertes Zellulosesubstrat füllen, das eine mitt­ lere Porengröße von 21 µm hat.

Die Suspension wurde in einem Großchargenprozeß in einem 24stündigen Mischzyklus unter mehreren Hinzufügungen von abnehmenden Mengen von Thermax-Ruß hergestellt. Wegen der Größe der Charge (ungefähr 34,1 l) wurde eine Kugelmühle in Produktionsgröße verwendet. Diese Kugelmühle wird von Paul O. Abbe, Inc., Little Falls, New Jersey hergestellt.

Der Großchargenprozeß führte zu einer besseren Verteilung des Rußes in der Suspension (ungefähr 73%) mit einer gleich­ zeitigen Erhöhung der Viskosität der Suspension auf unge­ fähr 6000 bis 7000 mPa · s. Wegen der kleineren Porengröße wurde die Viskosität der Vorläufersuspension durch den Zusatz von Wasser um ungefähr ein Drittel abgesenkt, um den Fest­ stoffgehalt auf 69% zu reduzieren, wonach sich eine wei­ tere Zerstäubung der Suspension anschloß. Die Dichte des Dichtungsbereiches nach dem Trocknen betrug 199%, ungefähr 200% der Dichte des nicht dichtenden Bereiches des Sub­ strates. Die Kapillaritätscharakteristik betrug 0,79 bar für konzentrierte Phosphorsäure bei 23,9°C.

Beispiel 3

Eine Vorläufersuspension für das Dichtungsmaterial die ungefähr 70 bis 71 Gew.-% Ruß enthielt, wurde unter Verwendung eines Cowles-Auflösers, der von der Cowles-Auflöser Company, Inc. Cayuga, New York hergestellt wird, und einer in Reihe ge­ schalteten Netzsch Molinex-Rührmühle hergestellt. Durch Vermischen von 12% eines Dispersionsmittels, 23% entioni­ siertem Wasser und 65% Ruß wurde eine Mischung in dem Auflöser hergestellt. Das Dispersionsmittel ist eine Lösung aus 25% Aminomethylpropanol, 37,5% Dimethylformamid und 37,5% einer Handelschemikalie E-902-10-B, die von der Inmont Corporation, Clifton, New Jersey erhältlich ist.

Die sich ergebende Mischung hat einen Feststoffgehalt von ungefähr 70 bis 71%. Die Viskosität wurde durch den Zusatz von Wasser gegenüber der aus der Rührmühle erhaltenen Vis­ kosität um mehr als 5000 mPa · s auf eine Viskosität von eini­ gen Tausend mPa · s verringert. Der Zusatz von Wasser verringer­ te auch den Feststoffgehalt von 70 bis 71% Feststoffgehalt auf 64% Feststoffgehalt. Nach Beendigung dieses Vorganges wurde die dispergierte Suspension dazu verwendet, eine Elektrolytspeicherplatte zu füllen.

In diesem speziellen Beispiel hatte die Elektrolytspeicher­ platte eine Dichte von 0,91 g/cm³. Nach dem Füllen hatte der Randbereich der Elektrolytspeicherplatte eine Dichte von 1,34 g/cm³. Eine Vorrichtung von der Art, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, wurde wegen der geringen Porengröße der Elektrolytspeicherplatte von ungefähr 25 µm und der Viskosität der Vorläufersuspension, die über einige Tausend mPa · s betrug, dazu verwendet, die Vorläufersuspension in die Elektrolytspeicherplatte zu drücken.

Nach dem Füllen des Randbereiches wurde die Elektrolyt­ speicherplatte getrocknet, um die Flüssigkeit aus der Sus­ pension zu entfernen und die einen hohen Feststoffgehalt aufweisende Mischung in den Poren der Elektrolytspeicher­ platte ohne Gesamtvolumenänderung des Dichtungsmaterials abzusetzen. Dies wurde durch die hohe Kapillaritätscharak­ teristik der Elektrolytspeicherplatte bestätigt, die 2,07 bar für hoch konzentrierte Phosphorsäure (85 bis 99% Phosphorsäure) bei 23,9°C betrug.

Während des Betriebes einer Brennstoffzelle, die eine mit dem beschriebenen Dichtungsmaterial gefüllte Randdichtung aufweist, bildet das Dichtungsmaterial eine wirksame Dich­ tung, wenn sie durch den Elektrolyt benetzt ist, um den Verlust der Reaktionsgase aus der Brennstoffzelle zu ver­ hindern, wenn die Zelle in Betrieb genommen wird, obgleich die momentanen Querdrücke sich an Werte zwischen 0,34 bar und 2,07 bar annähern. Hierdurch kann der Brennstoffzellen­ stapel bei Druckhöhen arbeiten, die zu solchen Druckunter­ schieden zwischen den Reaktanten während des Übergangs­ betriebes der Brennstoffzelle führen können.

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung einer in einer Brennstoffzelle einsetzbaren porösen Platte, die aus einem Substrat besteht, dessen Randbereich als Randdichtung ausgebildet ist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• a) Herstellung einer Suspension aus einem Dichtungsmaterial für den Randbereich, bestehend aus einer Flüssigkeit und einem darin suspendierten inerten Pulver aus Siliciumcarbid, Kohlenstoff oder Graphit oder einer Mischung daraus, das eine geringe Struktur von <50 ml pro 100 g (ASTM D-2414) bei einer Teilchengröße von kleiner gleich 1 µm aufweist, wobei der Feststoffgehalt der Suspension so hoch ist, daß eine Volumenverminderung des Dichtungsmaterials nach dem Entfernen der Flüssigkeit aus der den Randbereich des Substrates füllenden Suspension unterbleibt,
• b) Füllen des Randbereichs mit dem Dichtungsmaterial durch Aufbringen eines Drucks von <0,69 bar, unter dessen Wirkung das Dichtungsmaterial in das Substrat eindringt,
• c) Entfernen der Flüssigkeit aus der Suspension, wobei das Dichtungsmaterial als Ablagerung in dem Randbereich des Substrates zurückbleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeit Wasser, das ein Dispersionsmittel oder ein oberflächenaktives Mittel enthält, eingesetzt wird und der Feststoffgehalt in der Suspension auf einen Wert von <60% eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeit Wasser, das neben einem Dispersionsmittel oder einem oberflächenaktiven Mittel noch eine Dispersion mit bis zu 5 Massen-% an Polytetrafluorethylen, bezogen auf das Gewicht der Suspension, enthält, eingesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser durch Verdampfung entfernt wird.

5. Poröse, in einer Brennstoffzelle einsetzbare Platte, erhältlich nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, die aus einem Substrat besteht, dessen Randbereich als Randdichtung ausgebildet ist, die den Austritt von Gasen aus der Zelle verhindert, wozu der als Randdichtung ausgebildete Randbereich zwischen den Dichtflächen der angrenzenden Bauteile eingeklemmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungsmaterial im als Randdichtung ausgebildeten Randbereich des Substrats aus einem inerten Pulver aus Siliciumcarbid, Kohlenstoff oder Graphit oder einer Mischung daraus besteht, das eine geringe Struktur bei einer Teilchengröße von kleiner gleich 1 µm aufweist, der als Randdichtung ausgebildete Randbereich eine Dichte besitzt, die wesentlich größer ist als die Dichte der von dem Randbereich beabstandeten Randbereiche, und eine Kapillaritätscharakteristik von <0,34 bar für konzentrierte Phosphorsäure aufweist.

6. Poröse Platte nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungsmaterial neben dem inerten Pulver noch Polytetra­ fluoräthylen in einer solchen Menge enthält, die bis zu 5 Massen-% Polytetrafluorethylen, bezogen auf das Gewicht der zur Herstellung der Randdichtung verwendeten Suspension, entspricht.

7. Poröse Platte nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Platte eine Elektrolytspeicherplatte (18, 20) ist, deren Dichte in dem als Randdichtung ausgebildeten Randbereich mindestens 140% der Dichte der von dem Randbereich beabstandeten Plattenbereiche beträgt.

8. Poröse Platte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der als Randdichtung ausgebildeten Randbereiche 1,1-1,4 g/cm³ und die Dichte der davon beabstandeten Plattenbereiche 0,7 bis 1,0 g/cm³ beträgt.

9. Poröse Platte nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Platte ein Substrat (24, 30) für eine Elektrode (14, 16) ist und die Dichte des als Randdichtung (41, 42) ausgebildeten Randbereichs mindestens 200% der Dichte der von dem Randbereich beabstandeten Plattenbereiche beträgt.

10. Poröse Platte nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der als Randdichtung ausgebildeten Randbereiche 1,1 bis 1,4 g/cm³ und die Dichte der davon beabstandeten Plattenbereiche 0,3 bis 0,6 g/cm³ beträgt.

11. Poröse Platte nach Anspruch 5, 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver für das Dichtungsmaterial eine niedrige Strukturzahl (DBPA, gemessen nach ASTM D-2414) aufweist, die <50 ml/100 g ist.

12. Poröse Platte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das für das Dichtungsmaterial verwendete inerte Pulver aus Kohlenstoff in Form von graphitiertem Ruß mit einheitlicher Größe und kugelförmiger Gestalt besteht.

13. Poröse Platte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das für das Dichtungsmaterial verwendete inerte Pulver aus Siliciumcarbid mit variabler Teilchengröße besteht.