DE3727282A1 - Composite substrate for fuel cell and method for making same - Google Patents

Composite substrate for fuel cell and method for making same

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DE3727282A1
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    • HELECTRICITY
    • H01BASIC ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/96Carbon-based electrodes

Abstract

Disclosed herein is a composite substrate for fuel cells, comprising (1) a separator, (2) two porous and carbonaceous electrode substrates which are joined to the separator, respectively provided with a plurality of grooves forming the flow channels of the reactant gas on one side thereof and one flat surface on the other side thereof and (3) peripheral sealers which have been joined to the separator via a layer of a fluorocarbon resin, the above-mentioned electrode substrates having been joined to the opposing surfaces of the above-mentioned separator so that the flow channels of the reactant gas in one of the electrode substrates are perpendicular to those in the another electrode substrate, a ratio of the sum of the cross- sectional areas of the flow channels of the reactant gas formed by the separator and the grooves of the porous and carbonaceous electrode substrate on the fuel electrode side to the sum of the cross-sectional areas of the flow channels of the reactant gas formed by the separator and the grooves of the porous and carbonaceous electrode substrate on the air electrode side being from 1:3 to 2:3, and a process for producing the above-mentioned composite substrate for fuel cells. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein zusammengesetztes Substrat für Brennstoffzellen vom Phosphorsäuretyp und ein Verfahren zum Herstellen derselben. The invention relates to a composite substrate for phosphoric acid type fuel cell and a method for manufacturing the same.

Seit einigen Jahren besteht ein großer Bedarf nach Entwick lung und Anwendung einer Brennstoffzelle einschließlich "Umfangssystem" (circum ferential system) als Einrichtung zur Erzeugung sauberer Energie bzw. beliebig verfügbarer Elektrizität, um durch Ausgleich des Betriebs bei Dampf kraft- oder Wasserkraftwerken zur Rohstoffeinsparung beizu tragen oder die Energieeffizienz zu verbessern. Since a few years there is a great need for development development and application of a fuel cell including "circumferential System" (circum axle differential system) as a device for generating clean energy or any available electricity to force or by compensating operation in steam beizu carry water power plants for resource saving or to improve energy efficiency.

Bislang sind als Brennstoffzellen allgemein solche vom bipolaren Typ bekannt, in welchen der bipolare Separator, den man durch Einarbeiten von Rippen in die gasundurchlässige dünne Graphitplatte erhält, nach Kombination mit einer porösen flachen Kohlenstoffplatte verwendet wird. So far, generally those known as bipolar type fuel cell in which the bipolar separator which is obtained by incorporation of ridges in the gas-impermeable thin graphite plate is used by combination with a porous flat carbon plate. Demgegen über wurde eine Brennstoffzelle vom monopolaren Typ ent wickelt, die man durch Aufeinanderstapeln eines porösen Elektrodensubstrats, das an der einen Seite Rippen und an der anderen Seite eine flache Oberfläche aufweist, einer Katalysatorschicht, einer mit einem Elektrolyten imprägnierten Matrix und eines Separators zusammensetzt. In contrast, a fuel cell of the monopolar type was developed ent that one composed by stacking a porous electrode substrate having on one side ribs and on the other side a flat surface, a catalyst layer, an impregnated with an electrolyte matrix and a separator. Bei einer solchen Brennstoffzelle vom monopolaren Typ diffundiert der Gasreaktant (Sauerstoff oder Wasserstoff) von dem Strömungskanal des Gases, der durch die auf dem Elektrodensubstrat angebrachten Rippen gebildet wird, zu der flachen Oberfläche der Elektrode. In such fuel cell of the monopolar type of Gasreaktant diffuses (oxygen and hydrogen) of the flow channel formed by the attached ribs on the electrode substrate of the gas, to the flat surface of the electrode.

In einer solchen Brennstoffzelle hatten die beiden Arten von Strömungskanälen für die Gasreaktanten auf den gegenüber ligenden Separatorseiten, zwischen denen sich der Separator befindet, dh die Strömungskanäle des Gasreaktanten auf der Brennstoffelektrodenseite und die Strömungskanäle des Gasreaktanten auf der Luftelektrodenseite, im allgemeinen jeweils die gleiche Summe an Querschnittsflächen, was den Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung des Gas reaktanten betrifft. In such a fuel cell, the two kinds of flow channels for the reactant gas on the opposite leaf ligand Separatorseiten between which the separator is located, that is, the flow channels of the reactant gas at the fuel electrode side and the flow passages of the reactant gas to the air electrode side, generally in each case the same amount to have cross-sectional areas, as regards the cross-section perpendicular to the flow direction of the reactant gas.

Da die Elektrodenreaktion der Brennstoffzelle von Phosporsäure typ H₂+½ O₂ → H₂O ist, ist das ideale stöchiome trische Volumenverhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff (dh der Brennstoff) 2 : 1, wobei es bei Anwendung der oben erwähnten beiden Gase unter gleichem Druck zur Erzie lung gleicher Diffusion der Gase in der erwähnten Brennstoff zelle, in welcher die Querschnittsfläche der Strömungskanäle für Sauerstoff die gleiche ist wie die für Wasserstoff, theoretisch vernünftig ist, reinen gasförmigen Sauerstoff in einem Volumen entsprechend 50% des Volumens von reinem gasförmigen Wasserstoff anzuwenden. Since the electrode reaction of the fuel cell of phosphoric acid type H₂ + ½ O₂ → H₂O is, is the ideal stöchiome tric volume ratio of hydrogen to oxygen (ie, the fuel) 2: 1, wherein the application of the above-mentioned two gases under the same pressure for Erzie lung the same diffusion of the gases in said fuel cell, in which the cross-sectional area of ​​the flow ducts for oxygen is the same as the hydrogen is theoretically reasonable to apply pure gaseous oxygen in a volume corresponding to 50% of the volume of pure hydrogen gas.

Wenn man jedoch berücksichtigt, daß beim tatsächlichen Betrieb einer Brennstoffzelle die Sauerstoffzufuhr mittels Luft, und die Wasserstoffzufuhr mittels eines Gases erfolgt, das man durch Reformieren von LNG, LPG, etc. erhält und das einen H₂ Gehalt von 65 bis 80 Vol.-% besitzt, und wenn man darüber hinaus die Verbrauchsrate von Brennstoffgas und Luft in Betracht zieht, war die Querschnittsfläche der Strömungskanäle des Gasreaktanten auf der Brennstoff elektrodenseite in der oben erwähnten Brennstoffzelle, in welcher die Summe der Querschnittsflächen der Strömungs kanäle des Gasreaktanten auf der Brennstoffelektrodenseite und die Summe der Querschnittsflächen der Strömungskanäle des Gasreaktanten auf der Luftelektrodenseite je zusammenge setztem Substrat vom bipolaren Typ gleich sind, zu groß. However, if one takes into account that during actual operation of a fuel cell, the supply of oxygen by means of air, and the supply of hydrogen obtained by reforming of LNG, LPG, etc., and is effected by means of a gas having a H₂ content of 65 to 80 vol .-% and when considering furthermore the rate of consumption of fuel gas and air into consideration, the cross sectional area of ​​the flow channels of the gas reactants was on the fuel electrode side in the above-mentioned fuel cell in which the sum of the cross sectional areas of the flow channels of the reactant gas at the fuel electrode side, and the sum the cross-sectional areas of the flow channels of the gas reactants on the air electrode side of each substrate together quantitative setztem bipolar type are the same, too large.

Zwar kann die übermäßig große Querschnittsfläche der Strömungs kanäle des Gasreaktanten auf der Brennstoffelektrodenseite kompensiert werden, indem man die Strömungsgeschwindigkeit der Luft entsprechend erhöht; Namely, the excessively large cross-sectional area of ​​the flow can be compensated channels of the reactant gas at the fuel electrode side, by increasing the flow velocity of the air accordingly; wenn man jedoch den angegebenen Gastransfer zu der Gegenelektrode in Betracht zieht, ist es eindeutig erwünscht, beide Gase unter gleichem Druck einzusetzen. However, if one takes the gas transfer given to the counter electrode into consideration, it is clearly desirable to use both gases at the same pressure.

Zu weiteren Problemen bei den oben erwähnten Brennstoffzellen sei die Möglichkeit erwähnt, daß Teile abblättern und der Gasreaktant durch die miteinander verbundenen Teile austritt, da die Verbindung jedes Teils mit einem durch Phosphorsäure leicht erudierbaren Kohlebindemittel erfolgt, das aus dem Auftreten von Rissen bei der Handhabung resultiert, wenn die Substratfläche groß ist, da das Elek trodensubstrat in dünnplattiger Form hergestellt ist. Further problems with the above-mentioned fuel cells, the possibility is noted that parts of flake and the Gasreaktant exits through the interconnected parts, since the connection of each part is carried out with a slightly erudierbaren by phosphoric acid coal binder which results from the occurrence of cracks during the handling when the substrate surface is large, because the Elek trodensubstrat is made in dünnplattiger form.

Kürzlich wurde eine bipolare Zusammensetzung für Brennstoff zellen vorgeschlagen, die eine undurchlässige Schicht aufweist, die durch Imprägnieren mit einem Dichtungsmittel der Gruppe aus fluoriertem Copolymeren von Ethylen und Propylen, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyphenylsulfon, perfluoriertem Alkoxytetafluorethylen und Gemischen derselben in der Zwischenfläche zwischen den beiden porösen kohlenstoffhaltigen Platten gebildet ist (US-PS 45 05 992). Recently a bipolar composition for fuel cell has been proposed which has an impermeable layer, the same porous by impregnating with a sealing agent of the group of fluorinated copolymers of ethylene and propylene, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylsulfone, perfluorinated Alkoxytetafluorethylen and mixtures in the intermediate area between the two formed carbon-containing plates (US-PS 45 05 992).

Jedoch besteht auch in einer derartigen Zusammensetzung das Problem des Ungleichgewichts zwischen der Menge an der Brennstoffelektrode und der Luftelektrode zugeführtem Gasreaktanten, und das Problem des Austretens des Gasreak tanten zur Seite der porösen und kohlenstoffhaltigen Elektrode wurde niemals gelöst. However, even in such a composition, the problem of imbalance between the amount of the fuel electrode and the air electrode supplied reactant gas and the problem of the leakage of Gasreak tanten to the side of the porous and carbon-containing electrode was never resolved.

Es wurde nun gefunden, daß man It has now been found that

  • (1) in einem zusammengesetzten Substrat bestehend aus (1) consisting in a composite substrate
    • (a) einem Separator, (A) a separator,
    • (b) zwei Elektrodensubstraten, die eine Brennstoff-(Wasserstoff)elektrode und eine Luftelektrode bilden und zwischen die der Separator eingefügt ist, und (B) two electrode substrates, the electrode is a fuel (hydrogen) and form an air electrode and is interposed between the separator, and
    • (c) Abschlußteilen, die Generatoreffizienz je Volumen erhöhen kann, indem man das Verhältnis der Summe der Querschnitts flächen der Strömungskanäle des Gasreaktanten der einen der beiden Elektroden zu der der anderen Elektrode in einem bestimmten Bereich hält, wobei man beide Gase unter annähernd gleichem Druck zuführt und die Höhe der Rippen des Elektrodensub strats auf der Brennstoffelektrodenseite verringert, und (C) terminating parts, can increase generator efficiency per volume by surfaces the ratio of the sum of the cross section to the holding of the flow channels of the reactant gas of one of the two electrodes of the other electrode in a certain area, being fed both gases under approximately the same pressure and the height of the ribs of Elektrodensub strats on the fuel electrode side is decreased, and
  • (2) das Austreten (Verlust) von Gas zu der Seite der Elektrode verhindern kann, indem man Abschlußteile über eine Schicht aus Fluorkohlenstoffharz mit dem Separator verbindet. (2) can prevent the leakage (loss) of gas to the side of the electrode by connecting termination parts via a layer of fluorocarbon resin with the separator.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein zusammengesetztes Substrat für Brennstoffzellen verfügbar zu machen, welches einen Separator, zwei poröse, kohlenstoffhaltige Elektroden substrate und Abschlußteile aufweist und ein Verhältnis der Querschnittsfläche des Strömungskanals des Gasreak tanten auf der Brennstoffelektrodenseite zu der auf der Luftelektrodenseite besitzt, das mit den Bedingungen des tatsächlichen Brennstoffverbrauchs übereinstimmt. The object of the invention is therefore to make a composite substrate for fuel cell available which substrates a separator, two porous, carbonaceous electrodes, and having sealing members and a ratio of the cross sectional area of ​​the flow channel of the Gasreak aunts on the fuel electrode side to the features on the air electrode side, complies with the conditions of the actual fuel consumption.

Aufgabe der Erfindung ist ferner ein zusammengesetztes Substrat für Brennstoffzellen zu schaffen, bei dem der Rand des porösen, kohlenstoffhaltigen Elektrodensubstrats abgedichtet ist, indem man Abschlußteile mit den überstehenden Rändern des Separators über eine Fluorkohlenstoffharzschicht verbindet, wodurch sich die Randdichtungsbehandlung zur Verhinderung des Austretens des Gasreaktanten zu der Seite der Zelle erübrigt. The object of the invention is also a composite substrate for fuel cell to provide, in which the edge of the porous carbonaceous electrode substrate is sealed by connecting termination parts with the protruding edges of the separator over a fluorocarbon resin layer, whereby the edge sealing treatment to prevent the leakage of the reactant gas to the side of the cell is unnecessary.

Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein zusammengesetztes Substrat für Brennstoffzellen vom Phosphorsäuretyp verfügbar zu machen, das gegenüber Phosphorsäure eine hervorragende Widerstandsfähigkeit besitzt. The object of the invention is also to make a composite substrate for phosphoric acid type fuel cell available, which has excellent resistance to phosphoric acid.

Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein zusammenge setztes Substrat für Brennstoffzellen, enthaltend According to a first aspect, the invention relates to a quantitative together translated substrate for fuel cell containing

  • (1) einen Separator, (1) a separator,
  • (2) zwei poröse, kohlenstoffhaltige Elektrodensub strate, mit jeweils einer Vielzahl von Auskehlungen auf einer Seite derselben, welche Strömungskanäle für den Gasreaktanten bilden, und einer flachen Ober fläche auf der anderen Seite derselben, die mit gegenüber liegenden Oberflächen des Separators derart verbunden sind, daß die Strömungskanäle des Gasreaktanten in dem einen der Elektrodensubstrat senkrecht zu denen in dem anderen Elektrodensubstrat sind und daß der Separator über beide Ränder des Elektrodensubstrats, die parallel zu den Strömungskanälen des Gasreaktanten in dem Elektrodensubstrat sind, reicht und (2) strate two porous carbonaceous Elektrodensub, each having a plurality of grooves on one side thereof, which flow channels for the reactant gas form, and a flat top surface on the other side thereof which are connected to opposite surfaces of the separator in such a way that the flow passages of the reactant gas in the to those of one of the electrode substrate vertically in the other electrode substrate, and in that the separator on both edges of the electrode substrate which are parallel to the flow channels of the reactant gas in the electrode substrate ranges and
  • (3) Abschlußteile, die über eine Fluorkohlenstoffharz schicht mit den überstehenden Randteilen des Separators verbunden sind, die über beide Ränder des Elektrodensub strats hinausreichen, welches sich dadurch ausgezeichnet, daß das Verhältnis der Summe der Querschnittsflächen der Gasreaktanten- Strömungskanäle, gebildet durch den Separator und die Auskehlungen des porösen, kohlenstoffhaltigen Elektrodensubstrats auf der Brennstoffelektrodenseite, zu der Summe der Querschnittsflächen der Gasreaktanten- Strömungskanäle, gebildet durch den Separator und die Auskehlungen des porösen, kohlenstoffhaltigen Elektrodensubstrats auf der Luftelektrodenseite, 1 : 3 bis 2 : 3 ist. (3) termination parts, the layer over a fluorocarbon resin are connected to the projecting edge parts of the separator which strats extend beyond both edges of the Elektrodensub, which is excellent from the fact that the ratio of the sum of the cross sectional areas of the Gasreaktanten- flow channels formed by the separator, and the grooves of the porous carbonaceous electrode substrate on the fuel electrode side to the sum of the cross sectional areas of the Gasreaktanten- flow channels formed by the separator and the grooves of the porous carbonaceous electrode substrate on the air electrode side, 1: 3 to 2: 3.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines zusammengesetzten Substrats für Brennstoffzellen mit den Stufen: According to a second aspect, the invention relates to a method for producing a composite substrate for fuel cell comprising the steps of:

  • (1) Ankleben einer flexiblen Kohlefolie auf je eine Fläche von zwei porösen, kohlenstoffhaltigen Elektrodensubstraten, die in flachplattiger Form ohne Auskehlungen und mit vorgegebener Abmessung vorliegen, unter Anwen dung eines Klebstoffs, (1) adhering a flexible carbon film on each one face of two porous carbonaceous electrode substrates, which are present in flachplattiger shape without grooves and having a predetermined dimension, under appli cation of an adhesive,
  • (2) Zurechtschneiden jeder beklebten (adhering) Fläche der Elektrodensubstrate zur Ausbildung von Auskehlungen, die Strömungskanäle für den Gasreaktanten bilden, derart, daß das Verhältnis der Summe der Querschnitts flächen der Strömungskanäle des Gasreaktanten auf der Brennstoffelektrodenseite zu der Summe der Quer schnittsfläche der Strömungskanäle des Gasreaktanten auf der Luftelektrodenseite 1 : 3 bis 2 : 3 ist, (2) trimming any adherend (Adhering) area of ​​the electrode substrates for the formation of grooves, the flow channels for the reactant gas form, such that the ratio of the sum of the cross-sectional areas of the flow channels of the reactant gas on the fuel electrode side to the sum of the cross sectional area of ​​the flow channels of the reactant gas to the air electrode side 1: 3 to 2: 3,
  • (3) Ankleben der Oberflächen der flexiblen Kohlefolie, die auf den so zurechtgeschnittenen Oberflächen der Elektrodensubstrate verbleiben, an die gegenüberliegenden Oberflächen des Separators derart, daß die Auskehlungen in dem einen Elektrodensubstrat senkrecht zu denen in dem anderen Elektrodensubstrat sind, (3) adhering to the surfaces of the flexible carbon film that remain on the thus trimmed surfaces of the electrode substrates to opposite surfaces of the separator so that the grooves in the substrate to those of an electrode perpendicular to the other electrode substrate,
  • (4) Calcinieren der so aneinandergeklebten Materialien bei einer Temperatur nicht unter etwa 800°C in einer inerten Atmosphäre und/oder verringertem Druck, und (4) calcining the so spliced ​​materials at a temperature not below about 800 ° C in an inert atmosphere and / or reduced pressure, and
  • (5) Verbinden von Abschlußteilen aus einem gasundurch lässigen kompakten Kohlematerial mit den überstehenden Randteilen des Separators, der über beide Ränder des Elektrodensubstrats reicht, die parallel zu den Strömungs kanälen des Gasreaktanten sind, mittels einer Folie aus Fluorkohlenstoffharz. (5) connecting the conclusion parts of a gasundurch permeable compact carbon material with the protruding edge portions of the separator which extends over both edges of the electrode substrate, the channels parallel to the flow of the reactant gas are, by means of a film of fluorocarbon resin.

Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines zusammengesetzten Substrats für Brennstoffzellen mit den Stufen: According to a third aspect, the invention relates to a method for producing a composite substrate for fuel cell comprising the steps of:

  • (1) Aufbringen einer Dispersion eines Tetrafluorethylen harzes auf die gegenüberliegenden Oberflächen eines Separators, (1) applying a dispersion of a tetrafluoroethylene resin on the opposite surfaces of a separator,
  • (2) Verbindungen jeder ausgekehlten Fläche der beiden porösen, kohlenstoffhaltigen Elektrodensubstrate in vorgegebener Position mit den gegenüberliegenden Oberflächen des mit der Dispersion versehenen Separators durch Schmelz kleben derart, daß die Auskehlungen in dem einen Elek trodensubstrat senkrecht zu denen in dem anderen Elektro densubstrat sind, wobei die Elektrodensubstrate jeweils auf einer Seite eine Vielzahl von Strömungskanäle für den Gasreaktanten bildenden Auskehlungen aufweisen und auf der anderen Seite derselben eine flache Ober fläche ist, und wobei die Größe der Auskehlungen ein Verhältnis der Summe der Querschnittsflächen der Strö mungskanäle des Gasreaktanten auf der Brennstoffelektro denseite zu der Summe der Querschnittsfläche der Strömungskanäle des Gasreaktanten auf der Luftelek trodenseite von 1 : 3 bis 2 : 3 ergibt, und (2) compounds in a predetermined position with the opposite surfaces of the separator provided with the dispersion by fusion bonding of each grooved surface of the two porous carbonaceous electrode substrates such that the grooves in the trodensubstrat a Elek to those perpendicular densubstrat in the other electromagnet, wherein the electrode substrates on each side have a plurality of flow channels for the reactant gas forming grooves and the same is a flat upper surface on the other side, and wherein the size of the grooves, a ratio of the sum of the cross sectional areas of the Strö mung channels of the reactant gas to the fuel electric denseite to the sum of the cross-sectional area of ​​the flow channels of the gas reactants on the Luftelek trodenseite of 1: 3 to 2: 3 results, and
  • (3) Verbinden von Abschlußteilen aus einem gasundurchlässigen kompakten Kohlenstoffmaterial mit den überstehenden Randteilen des Separators, die über die beiden Ränder des Elektrodensubstrats reichen, die parallel zu den Strömungskanälen des Gasreaktanten darin sind, über eine Folie aus Fluorkohlenstoffharz. (3) bonding of seal members of a gas impermeable compact carbon material with the protruding edge portions of the separator, which extend over the two edges of the electrode substrate which are parallel to the flow channels of the reactant gas is a film of fluorocarbon resin.

Das zusammengesetzte Substrat der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen als Schrägansicht in den Fig. 1 bis 3, gezeigt. The composite substrate of the invention is shown in the accompanying drawings as an oblique view in Figs. 1 to 3 is shown.

Im einzelnen betrifft die Erfindung ein zusammengesetztes Substrat für Brennstoffzellen vom bipolaren Typ. More specifically, the invention relates to a composite substrate for fuel cell of the bipolar type. Das Sub strat umfaßt einen Separator, zwei poröse, kohlenstoffhaltige Elektrodensubstrate, welche eine Brennstoff(Wasser stoff)elektrode und eine Luftelektrode bilden, wobei der Separator zwischen beiden eingefügt ist, und Abschlußteile. The sub strate comprising a separator, two porous carbonaceous electrode substrates (material water) a fuel electrode to form an air electrode, wherein the separator is interposed between the two, and final parts. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen des zusammengesetzten Substrats für Brennstoffzellen. The invention also relates to a method for preparing the composite substrate for fuel cells.

Wie beschrieben ist das stöchiometrische Volumenverhältnis von Brennstoff (Wasserstoff) zu Sauerstoff in einer Brenn stoffzelle vom Phosphorsäuretyp 2 : 1. Beim Betrieb einer Brennstoffzelle liegt (da Sauerstoff durch Luft zugefügt wird) der Sauerstoffgehalt in dem zugeführten Gas bei etwa 20%, während der Gaslieferant für Wasserstoff (wie oben erwähnt) reformiertes LNG, LPG etc. mit Gehalt an CO₂, Wasserdampf etc. ist, dessen Wasserstoffgehalt etwa 65 bis etwa 80 Vol.-% ausmacht. the stoichiometric ratio by volume of fuel (hydrogen) is materially cell to oxygen in an internal phosphoric acid type 2 as described: 1 is the operation of a fuel cell (because oxygen is added through air) the oxygen content in the feed gas at about 20%, while the gas supplier represents hydrogen (as mentioned above), reformed LNG, LPG etc. with content of CO₂, water vapor, etc., the hydrogen content of about 65 to about 80 vol .-% mind.

Wenn man andererseits die Nutzungsrate berücksichtigt, nämlich das Verhältnis der Menge an verbrachtem Gasreaktanten zu der an zugeführtem Gasreaktanten, ist diese Nut zungsrate limitiert, da die Klemmspannung der Zelle zu sinken beginnt, wenn die Nutzungsrate einen bestimmten Wert überschreitet. If we on the other hand takes into account the usage rate, namely the ratio of the amount of verbrachtem reactant gas to the reactant gas supplied to this groove is wetting rate limited, since the terminal voltage of the cell starts to decrease when the usage rate exceeds a certain value. In praxi ist es notwendig, daß die Nutzungsrate von Wasserstoff nicht mehr als 75% und die Verbrauchsrate von Sauerstoff nicht mehr als 50% beträgt. In practice, it is necessary that the utilization rate of hydrogen is not more than 75%, and the rate of consumption of oxygen is not more than 50%.

Vorausgesetzt, daß die beiden Gasreaktanten unter gleichem Druck verwendet werden, errechnet sich das Verhältnis der Summe der Querschnittsflächen der Strömungskanäle des Gasreaktanten auf der Brennstoffelektrodenseite zu der Summe der Querschnittsflächen der Strömungskanäle des Gasreaktanten auf der Luftelektrodenseite zu etwa 0,325 : 1 bis 0,41 : 1. Wenn man berücksichtigt, daß der Wasser stoffgehalt je nach wasserstofflieferndem Gas etwas geringer sein kann, kann das oben erwähnte Verhältnis der Summe von etwa 1 : 3 bis etwa 2 : 3 mit den tatsächlichen Bedingungen der zugeführten Gase in Übereinstimmung sein. 1 to 0.41: provided that the two gas reactants are used under the same pressure, the ratio of the sum of the cross sectional areas of the flow passages of the reactant gas on the fuel electrode side to the sum of the cross sectional areas of the flow channels of the gas reactants on the air electrode side to about 0.325 calculated 1 . 3 to about 2: If it is considered that the hydrogen content depending on wasserstofflieferndem gas may be somewhat less, the ratio of the sum of about 1 mentioned above may be 3 with the actual conditions of the supplied gases into agreement.

Darüber hinaus kann man, wenn man das Elektrodensubstrat mit dem Separator dadurch verbindet, daß man die beiden Materialien mittels eines carbonisierbaren Klebstoffs aneinanderklebt und die so aneinandergeklebten Materialien zu einem Körper calciniert, oder beide Materialien mit einer Dispersion eines Tetrafluorethylenharzes aneinanderklebt, ausreichende elektrische Eigenschaften und Widerstandsfähig keit gegenüber Phosphorsäure in dem Produkt erhalten; Moreover, if one thereby connecting the electrode substrate with the separator, that together adheres the two materials by means of a carbonizable adhesive and calcining the so spliced ​​materials into one body, or both materials with a dispersion of a tetrafluoroethylene resin each bonded, sufficient electrical properties and Resistant obtained ness compared to phosphoric acid in the product; und wenn die Abschlußteile aus kompakten Kohlematerial mit dem Separator über eine Fluorkohlenstoffharzfolie verbunden werden, kann man in dem Produkt eine ausreichende Verhinderung von Gasverlust, Widerstandsfähigkeit gegenüber Phosphorsäure und gesamtmechanische Festigkeit erreichen. and when the end parts are connected from compact carbon material with the separator over a fluorocarbon resin film can be achieved in the product, a sufficient prevention of gas loss, resistance to phosphoric acid and overall mechanical strength.

Die Erfindung schafft ein zusammengesetztes Substrat für Brennstoffzellen, enthaltend The invention provides a composite substrate for fuel cells, containing

  • (1) einen Separator, (1) a separator,
  • (2) zwei poröse, kohlenstoffhaltige Elektrodensubstrate, die jeweils auf einer Seite derselben mit zahlreichen Auskehlungen ausgestattet sind, welche Strömungskanäle für die Gasreaktanten bilden, und an der anderen Seite eine flache Oberfläche besitzen und die mit den gegenüber liegenden Oberflächen des Separators derart verbunden sind, daß die Strömungskanäle des Gasreaktanten in dem einen Elektrodensubstrat senkrecht zu denen in dem anderen Elektrodensubstrat sind und daß der Separator über beide Ränder des Elektrodensubstrats reicht, die zu den Strömungskanälen des Gasreaktanten in dem Elektrodensubstrat parallel sind, und (2) two porous carbonaceous electrode substrates, the same are each on one side provided with a number of grooves which form flow channels for the reactant gas, and have a flat surface on the other side and which are connected to the opposite surfaces of the separator in such a way that the flow passages of the reactant gas in the to those of a perpendicular electrode substrate in the other electrode substrate, and in that the separator on both edges of the electrode substrate ranges which are parallel to the flow channels of the reactant gas in the electrode substrate, and
  • (3) Abschlußteile oder Randdichtungen, die über eine Schicht aus Fluorkohlenstoffharz mit den überstehenden Randteilen des Separators verbunden sind, welche über beide Ränder des Elektrodensubstrats reichen, wobei das Verhältnis der Summe der Querschnittsflächen der Strö mungskanäle für den Gasreaktanten, die durch den Separator und die Auskehlungen des porösen, kohlenstoff haltigen Elektrodensubstrats auf der Brennstoffelektro denseite gebildet sind, zu der Summe der Querschnitts flächen der Strömungskanäle für den Gasreaktanten, die durch den Separator und die Auskehlungen des porösen, kohlenstoffhaltigen Elektrodensubstrats auf der Luftelektrodenseite gebildet sind, 1 : 3 bis 2 : 3 beträgt. (3) termination parts or edge seals, which are connected by a layer of fluorocarbon resin with the protruding edge portions of the separator which extend over both edges of the electrode substrate, wherein the ratio of the sum of the cross sectional areas of the Strö mung channels for the reactant gas passing through the separator and recesses of the porous, carbon-containing electrode substrate on the fuel electric are denseite formed to the sum of the cross-section 1 faces the flow channels for the reactant gas, which are formed by the separator and the grooves of the porous carbonaceous electrode substrate on the air electrode side: 3 to 2: 3 is. Darüber hinaus gibt die in der Erfindung genannte Querschnittsfläche der Strömungskanäle des Gasreaktanten die Querschnittsfläche des Strömungskanals des Gasreaktanten an, die senkrecht zur Strömungsrich tung des Gasreaktanten ist. In addition, as referred to in the invention cross-sectional area of ​​the flow channels of the gas reactants shows the cross-sectional area of ​​the flow passage of the reactant gas, which is perpendicular to the flow of the reactant gas rich processing.

In dem zusammengesetzten Substrat für Brennstoffzellen gemäß Erfindung können die porösen, kohlenstoffhaltigen Elektrodensubstrate und der Separator miteinander nach Verkleben mittels eines carbonisierbaren Klebstoffs durch Calcinieren zu einem Körper verbunden werden oder durch Anwendung einer Dispersion eines Tetrafluorethylenharzes miteinander verbunden sein. In the composite substrate for fuel cells according to the invention, the porous carbonaceous electrode substrates and the separator can be joined together by adhesive bonding by means of a carbonizable adhesive by calcining to form a body or be connected to each other by applying a dispersion of a tetrafluoroethylene resin. Wenn die Verbindung durch Calcinieren zu einem Körper erfolgt, ist es erwünscht, zwischen die Materialien eine flexible Kohleschicht einzufügen, die als Pufferfolie wirkt und die thermische Ausdehnung und Schrumpfung der Materialien während des Calcinierens absorbiert. If the connection is made by calcining into one body, it is desirable to insert a flexible carbon layer between the materials, the film acts as a buffer and absorbs the thermal expansion and shrinkage of the materials during calcination.

Die Erfindung schafft daher auch ein Verfahren zum Herstellen des erwähnten zusammengesetzten Substrats für Brennstoff zellen, das die Stufen umfaßt: The invention therefore also provides a method of manufacturing the aforementioned composite substrate for fuel cells, comprising the steps of:

  • (1) Ankleben einer flexiblen Kohlefolie mittels eines Klebstoffs auf je eine Oberfläche der beiden porösen, kohlenstoffhaltigen Elektrodensubstrate, die eine flache Plattform ohne Auskehlungen und mit vorgegebener Abmessung aufweisen, (1) adhering a flexible carbon film by means of an adhesive to a respective surface of the two porous carbonaceous electrode substrates having a flat platform without grooves and having a predetermined dimension,
  • (2) Zurechtschneiden jeder der beklebten bzw. klebenden Flächen der Elektrodensubstrate zur Ausbildung von Auskehlungen, welche Strömungskanäle für den Gasreaktanten darin bilden derart, daß das Verhältnis der Summe der Querschnittsflächen der Gasreaktantenströmungskanäle auf der Brennstoffelektrodenseite zu der Summe der Querschnittsflächen der Gasreaktantenströmungskanäle auf der Luftelektrodenseite 1 : 3 bis 2 : 3 ist, (2) trimming each of the adherend or adhesive surfaces of the electrode substrates for the formation of grooves, which flow channels for the reactant gas is formed such that the ratio of the sum of the cross sectional areas of the Gasreaktantenströmungskanäle on the fuel electrode side to the sum of the cross sectional areas of the Gasreaktantenströmungskanäle on the air electrode side 1 : 3 to 2: 3,
  • (3) Ankleben der Oberflächen der flexiblen Kohlefolie, die auf den so zurechtgeschnittenen Oberflächen der Elektrodensubstrate verbleiben, an die gegenüberliegenden Oberflächen des Separators derart, daß die Auskeh lungen in dem einen Elektrodensubstrat senkrecht zu denen in dem anderen Elektrodensubstrat sind, (3) adhering to the surfaces of the flexible carbon film that remain on the thus trimmed surfaces of the electrode substrates in which an electrode substrate to those of the opposite surfaces of the separator so that the Auskeh lungs vertically in the other electrode substrate,
  • (4) Calcinieren der so zusammengeklebten Materialien bei einer Temperatur nicht unter etwa 800°C in einer inerten Atmosphäre und/oder unter verringertem Druck, und (4) calcining the so glued-together materials at a temperature not below about 800 ° C in an inert atmosphere and / or under reduced pressure, and
  • (5) Verbinden von Abschlußteilen aus einem gasundurchlässigen kompakten Kohlematerial mit den überstehenden Randteilen des Separators, der über die beiden Ränder des Elektrodensubstrats reicht, die parallel zu den Strömungskanälen des Gasreaktanten darin sind, mittels einer Fluorkohlenstoffharzfolie. (5) Connecting seal members of a gas impermeable compact carbon material with the protruding edge portions of the separator which extends over the two edges of the electrode substrate which are parallel to the flow channels of the gas reactants therein, by means of a fluorocarbon resin film.

Ferner schafft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen des erwähnten zusammengesetzten Substrats für Brennstoff zellen mit den Stufen: Further, the invention provides a method of manufacturing the aforementioned composite substrate for fuel cell comprising the steps of:

  • (1) Aufbringen einer Dispersion eines Tetrafluorethylenharzes auf die gegenüberliegenden Oberflächen eines Separators, (1) applying a dispersion of a tetrafluoroethylene resin on the opposite surfaces of a separator,
  • (2) Verbinden jeder der ausgekehlten Flächen der beiden porösen, kohlenstoffhaltigen Elektrodensubstrate in vorgegebener Position mit den gegenüberliegenden Ober flächen des mit der Dispersion versehenen Separators derart, daß die Auskehlungen in dem einen Elektroden substrat senkrecht zu denen in dem anderen Elektroden substrat sind, wobei die Elektrodensubstrate jeweils mit zahlreichen, Strömungskanälen des Gasreaktanten an einer Seite derselben bildenden Auskehlung ausge stattet sind und mit einer flachen Oberfläche auf der anderen Seite derselben, wobei die Größe der Auskeh lungen ein Verhältnis der Summe der Querschnittsflächen der Strömungskanäle des Gasreaktanten auf der Brennstoff elektrodenseite zu der Summe der Querschnittsflächen der Strömungskanäle des Gasreaktanten auf der Luftelek trodenseite von 1 : 3 bis 2 : 3 ergibt, und (2) connecting each of the grooved surfaces of the two porous carbonaceous electrode substrates in a predetermined position with the opposed top of the separator provided with the dispersion surfaces such that the grooves in the one electrode substrate to which are perpendicular to the substrate in the other electrodes, the electrode substrates each having numerous flow channels of the gas reactants are equipped out on one side thereof forming groove, and having a flat surface on the other side thereof, the size of the Auskeh lungs a ratio of the sum of the cross sectional areas of the flow passages of the reactant gas at the fuel electrode side to the sum of the cross sectional areas of the flow channels of the gas reactants on the Luftelek trodenseite of 1: 3 to 2: 3 results, and
  • (3) Verbinden von Abschlußteilen aus einem gasundurchlässigen kompakten Kohlematerial mit den überstehenden Randteilen des Separators, die über die beiden Ränder des Elektroden substrats reichen, die parallel zu den Strömungskanälen des Gasreaktanten darin sind, über eine Folie aus Fluorkohlenwasserstoffharz. (3) bonding of seal members of a gas impermeable compact carbon material with the protruding edge portions of the separator, the substrate extend over the two edges of the electrodes, which are parallel to the flow channels of the reactant gas is a film of fluorocarbon resin.

Im folgenden wird das zusammengesetzte Substrat der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In the following, the composite substrate of the invention is described with reference to the accompanying drawings.

Fig. 1 ist die Schrägansicht des zusammengesetzten Substrats der Erfindung, bei dem zwei poröse, kohlenstoffhaltige Elektrodensubstrate und ein Separator miteinander mittels einer Dispersion eines Tetrafluorethylenharzes verbunden sind. Fig. 1 is an oblique view of the composite substrate of the invention, in which two porous carbonaceous electrode substrates, and a separator are connected to each other by means of a dispersion of a tetrafluoroethylene resin.

Das zusammengesetzte Substrat der Fig. 1 gemäß Erfindung besitzt eine Struktur bestehend aus einem Separator 1 , zwei Elektrodensubstraten, dh dem Elektrodensubstrat für die Brennstoffelektrode 2 und dem Elektrodensubstrat für die Luftelektrode 2 ′, die jeweils Auskehlungen aufweisen, welche Strömungskanäle 5 und 6 des Gasreaktanten zusammen mit dem erwähnten Separator bilden und die an den gegenüber liegenden Oberflächen des Separators angeordnet sind, und Abschlußteilen 3 und 3 ′, welche beide Ränder der Elektrodensubstrate 2 und 2 ′ abdichten, die parallel zur Richtung der Strömungskanäle 5 und 6 des Gasreaktanten sind. The composite substrate of Fig. 1 according to the invention has a structure consisting of a separator 1, two electrode substrates, that is, along the electrode substrate for the fuel electrode 2 and the electrode substrate for the air electrode 2 ', each having grooves, which flow channels 5 and 6 of the gas reactants forming with said separator and which are arranged on the opposite surfaces of the separator, and final parts 3 and 3 ', which both edges of the electrode substrates 2 and 2' to seal that are parallel to the direction of the flow channels 5 and 6 of the gas reactants.

Der Umfang des Separators 1 ist größer als der der Elektroden substrate 2 und 2 ′, und wie in Fig. 1 gezeigt ist, ragt der Separator 1 über die beiden Ränder des Elektrodensubstrats, die zu den Strömungskanälen 5 und 6 des Gasreaktanten in dem Elektrodensubstrat parallel sind, während die Ab schlußteile 3 und 3 ′ mit den erwähnten überstehenden Rand teilen des Separators 1 verbunden sind (der Außenrand der überstehenden Randteile des erwähnten Separators deckt sich mit dem Außenrand der Abschlußteile). The scope of the separator 1 is greater than that of the electrode substrates 2 and 2 ', and as shown in Fig. 1, projects the separator 1 via the two edges of the electrode substrate which is parallel to the flow channels 5 and 6 of the reactant gas in the electrode substrate (the outer edge of the projecting edge portions of said separator coincide with the outer edge of the end parts) are are, while Ab-circuit parts 3 and 3 'with the aforementioned projecting edge parts of the separator 1 is connected.

Die überstehenden Randteile des Separators, die über beide Ränder des Elektrodensubstrats ragen und die Abschluß teile 3 und 3 ′ sind miteinander jeweils über Fluorkohlenstoff harze 4 und 4 ′ verbunden. The projecting edge portions of the separator which protrude over both edges of the electrode substrate and the sealing parts 3 and 3 'are connected in each case via fluorocarbon resins 4 and 4'.

In dem in Fig. 1 dargestellten zusammengesetzten Substrat sind der Separator 1 und die Elektrodensubstrate 2 und 2 ′ miteinander mittels einer Dispersion eines Tetrafluorethylen harzes verbunden, wobei die Strömungskanäle 5 und 6 des Gasreaktanten durch die Auskehlungen der Elektrodensubstrate 2 und 2 ′ und den Separator vorgegeben sind. In the example shown in FIG. 1, the composite substrate of the separator 1 and the electrode substrates are 'connected to each other by means of a dispersion of a tetrafluoroethylene resin, wherein the flow channels 5 and 6 of the gas reactants through the grooves of the electrode substrates 2 and 2' 2 and 2 predetermined, and the separator are.

Ferner zeigt Fig. 2 das zusammengesetzte Substrat, das durch Verbinden des Separators 1 und der Elektrodensubstrate 2 und 2 ′ miteinander gebildet ist, wobei zwischen den Separator und jedes der Elektrodensubstrate 2 und 2 ′ jeweils flexible Kohlefolien 7 und 7 ′ eingefügt sind. Further, Fig. 2 shows the composite substrate by joining the separator 1 and the electrode substrates 2 and 2 'is formed with one another, 2 and 2 between the separator and each of the electrode substrates' each flexible carbon films are inserted 7 and 7'.

In dem zusammengesetzten Substrat der Erfindung gemäß den Fig. 1 und 2 ist das Verhältnis der Summe der Quer schnittsflächen der Strömungskanäle 5 des Gasreaktanten auf der Brennstoffelektrodenseite zu der Summe der Querschnitts flächen der Strömungskanäle 6 des Gasreaktanten auf der Luftelektrodenseite 1 : 3 bis 2 : 3. Die Form des Querschnitts der Strömungskanäle für den Gasreaktanten, welche dem erwähnten Verhältnis der Querschnittsflächen entspricht, kann beliebig gestaltet werden. . In the composite substrate of the invention according to Figures 1 and 2 is the ratio of the sum of the cross sectional areas of the flow channels 5 of the reactant gas on the fuel electrode side to the sum of the cross-section of the flow channels surfaces 6 of the gas reactants on the air electrode side of 1: 3 to 2: 3 . the shape of the cross section of the flow channels for the reactant gas, which corresponds to the above-mentioned ratio of cross sectional areas can be designed as desired. Jedoch ist es angesichts der Wirkung einer möglichst geringen Dicke des Elektroden substrats als solchem und der Verbesserung der Leistung und mechanischen Festigkeit der Zelle selbst erwünscht, die Strömungskanäle des Gasreaktanten im allgemeinen rechteckig auszubilden, wobei die Querschnittsflächen der Strömungskanäle der Gasreaktanten auf beiden Elektrodenseiten dadurch verschieden sind, daß die Strömungskanäle des Gasreaktanten auf der Brennstoffelektrodenseite und auf der Luftelektrodenseite mit gleichen Breiten, jedoch mit verschiedenen Höhen ausgebildet sind (dh die Tiefe der Auskehlungen der Elektrodensubstrate ist auf der Brennstoffelektrodenseite verschieden von der auf der Luftelektrodenseite). However, it is substrate as such and improving the performance and mechanical strength of the cell itself desirable to form the flow channels of the gas reactants are generally rectangular in view of the effect of a smallest possible thickness of the electrodes, the cross-sectional areas of the flow channels of the gas reactants are different on both electrode sides characterized in that the flow channels of the reactant gas on the fuel electrode side and the air electrode side having equal widths, however, are formed with different heights (ie, the depth of the grooves of the electrode substrates is on the fuel electrode side different from that on the air electrode side).

Die Form des Querschnitts der Strömungskanäle der Gasreaktanten, die in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist rechteckig; . The shape of the cross section of the flow channels of the reactant gas, which is shown in Figures 1 and 2, is rectangular; die Strömungskanäle verlaufen parallel mit den Abschlußteilen bzw. Randdichtungen und linear von einem der offenen Enden zu dem anderen. the flow channels are parallel to the terminating portions or edge seals and linearly from one of the open ends to the other. Sofern jedoch der Strömungskanal eine ausreichende Zuführung des Gasreaktanten gewährleistet, welcher in die porösen und kohlenstoffhaltigen Elektrodensubstrate diffundiert, kann der Querschnitt der Strömungskanäle des Gasreaktanten jede beliebige Form annehmen. However, if the flow channel has a sufficient supply of the reactant gas ensures that diffuses into the porous and carbonaceous electrode substrates, the cross section of the flow channels of the gas reactants may take any form. Wenn beispielsweise der Querschnitt der Rippen, welche die Auskehlungen des Elektrodensubstrats bilden, eine trapezoide oder nicht lineare Form annimmt, ist es möglich, auf die Verteilung der Druckspannung der Elektrodensubstrate Einfluß zu nehmen, was besonders vorteilhaft während der Herstellung des zusammengesetzten Substrats ist. For example, if the cross-section of the ribs which form the recesses of the electrode substrate, assuming a trapezoidal or non-linear shape, it is possible to refer to the distribution of the compressive stress of the electrode substrates influence, which is particularly advantageous during fabrication of the composite substrate. Außerdem ist es auch möglich, die Strömungskanäle des Gasreaktanten innerhalb des Elektrodensubstrats miteinander zu verbinden; Moreover, it is also possible to connect the flow passages of the reactant gas within the electrode substrate to each other; die vorstehenden Teile, deren Kopfflächen Verbindungsflächen mit dem Separator werden und wahlweise die Form von Kreis, Ellipse, Rechteck etc. aufweisen, können an der Verbindungsfläche des Elektrodensubstrats angeordnet werden, um mit den Separator reihenförmig, verwinkelt oder in beliebigen anderen Positionen verbunden zu werden. the protruding parts, the head faces are joining faces with the separator and optionally in the form of circle, ellipse, rectangle, etc., can be disposed on the connecting surface of the electrode substrate in order in rows with the separator, angled or to be connected in any other positions. Natürlich kann jede Kombination der erwähnten Formen und Anordnungen möglich sein. Of course, any combination of shapes and configurations mentioned may be possible.

Das Elektrodensubstrat der Erfindung ist porös und kohlenstoffhaltig. The electrode substrate of the invention is porous and carbonaceous. Vorteilhafterweise besitzt es die folgenden Eigenschaften: Eine mittlere Dichte bzw. Schüttdichte von 0,3 bis 0,9 g/ml, eine Gaspermeabilität nicht unter 200 ml/cm². Advantageously, it has the following properties: not cm² an average density or bulk density of 0.3 to 0.9 g / ml, a gas permeability of less than 200 ml /. Std. · mmAq und einen spezifischen elektrischen Widerstand von nicht über 200 mΩ · cm nach dem Calcinieren bei einer Temperatur nicht unter 800°C in einer inerten Atmosphäre und/oder unter verringertem Druck. H. MmAq · and a specific electrical resistance of not more than 200 mQ-cm after calcination at a temperature not lower than 800 ° C in an inert atmosphere and / or under reduced pressure.

Der gemäß Erfindung angewandte Separator hat zweckmäßig folgende Eigenschaften: Eine mittlere Dichte bzw. Schüttdichte nicht unter 1,4 g/ml, eine Gaspermeabilität nicht über 10 -6 ml/cm² · Std. · mmAq, einen spezifischen elektrischen Widerstand nicht über 10 mΩ · cm und eine Dicke nicht über 2 mm. The applied according to the invention separator suitably has the following properties:. A medium density or apparent density is not less than 1.4 g / ml, a gas permeability not more than 10 -6 ml / cm² · hr · mmAq, an electrical resistivity not exceeding 10 mQ cm and a thickness not greater than 2 mm.

Die gemäß Erfindung angewandten Abschlußteile haben zweckmäßig folgende Eigenschaften: Eine mittlere Dichte bzw. Schüttdichte nicht unter 1,4 g/ml und eine Gaspermeabilität nicht über 10 -4 ml/cm² · Std. · mmAq. The sealing members applied in accordance with the invention advantageously have the following properties:. A medium density or apparent density is not less than 1.4 g / ml and a gas permeability of not more than 10 -4 ml / cm² · hr · mmAq.

Obwohl die beiden zu den Strömungskanälen des Gasreaktanten parallelen Ränder des Elektrodensubstrats durch Verbinden der Abschlußteile aus kompakten Kohlematerial mit dem Separator über eine Fluorkohlenstoffharzfolie abgedichtet sind, hängt wie oben beschrieben in dem zusammengesetzten Substrat für Brennstoffzellen gemäß Erfindung die Menge des nach außen durch die Abschlußteile einschließlich Verbindungsteil abgehenden Gases hauptsächlich von der Diffusion ab und wird nicht so sehr durch den Druck beein flußt; Although the two parallel to the flow channels of the gas reactants edges of the electrode substrate are sealed by joining the sealing parts made of compact carbon material with the separator over a fluorocarbon resin film depends, as described above in the composite substrate for fuel cells according to the invention, the amount of outward through the end parts including connection part effluent gas mainly on the diffusion and is not so much influenced by conditions in the pressure; doch ist es gemäß Erfindung vorteilhaft, daß die Menge an Gasverlust nicht mehr als 10 -2 ml/cm² · Std. · mmAq beträgt, wobei die Menge an Gasverlust je Zeiteinheit und je Einheit der Länge der Randseite des verbindenden Teils bei einer Druckdifferenz von 500 mmAq dargestellt wird durch [Menge an Gasverlust/Länge der Seite · Druckdiffe renz]. but it is advantageous according to the invention is that the amount of gas loss is not more than 10 -2 ml / cm² · hr. is · mmAq, wherein the amount of loss of gas per unit time and per unit of length of the edge side of the connecting part at a pressure difference of 500 mmAq is represented by [amount of gas loss / length of the side Renz · Druckdiffe].

Das zum Verbinden der Abschlußteile mit den überstehenden Randteilen des Separators gemäß Erfindung angewandte Fluor kohlenstoffharz ist im allgemeinen ein Fluorkohlenstoffharz mit einem Schmelzpunkt nicht unter 200°C. The invention according to Applied fluoro-carbon resin for joining the sealing parts with the protruding edge portions of the separator generally a fluorocarbon resin having a melting point not lower than 200 ° C. Ein solches Harz, das keinerlei besonderen Beschränkungen unterliegt, ist beispielsweise Tetrafluorethylenharz (bezeichnet als PTEE mit einem Schmelzpunkt von 327°C und einer thermischen Verformungstemperatur von 121°C unter 4,6 kgf*/cm² G), copolymeres Harz von Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen (bezeichnet als FEP mit einem Schmelzpunkt von 250 bis 280°C und einer thermischen Verformungstemperatur von 72°C unter 4,6 kgf*/cm² G), fluoriertes Alkoxyethylharz (bezeichnet als PFA mit einem Schmelzpunkt von 300 bis 310°C und einer thermischen Verformungstemperatur von 75°C unter 4,6 kgf*/cm² G) und fluoriertes copolymeres Harz aus Ethylen und Propylen (bezeichnet als TFP mit einem Schmelzpunkt von 290 bis 300°C). Such a resin is not subject to particular limitations, for example, tetrafluoroethylene resin (referred to as PTEE having a melting point of 327 ° C and a thermal deformation temperature of 121 ° C under 4.6 kgf / cm²G), copolymer resin of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene ( referred to as FEP having a melting point of 250 to 280 ° C and a thermal deformation temperature of 72 ° C under 4.6 kgf / cm² G), fluorinated Alkoxyethylharz (referred to as PFA with a melting point of 300 to 310 ° C and a thermal deformation temperature of 75 ° C under 4.6 kgf / cm²G), and fluorinated copolymeric resin of ethylene and propylene (referred to as TFP having a melting point 290-300 ° C). Die erwähnten Fluor kohlenstoffharze sind im Handel erhältlich. The above-mentioned fluorine-carbon resins are commercially available. Von den genannten Fluorkohlenstoffharzen ist Tetrafluorethylharz bevorzugt, man erhält es unter den Handelsnamen TEFLON. Of the above fluorocarbon resins Tetrafluorethylharz is preferable to get it under the trade name TEFLON.

Gemäß Erfindung ist es erwünscht, das oben erwähnte Fluor kohlenstoffharz beispielsweise als Folie einer Dicke von etwa 50 Mikrometer anzuwenden. According to the invention, it is desired, the above-mentioned fluorocarbon resin, for example, as a film having a thickness of about 50 microns apply.

Als Elektrodensubstrat des zusammengesetzten Substrats der Erfindung werden folgende Materialien verwendet: As the electrode substrate of the composite substrate of the invention, the following materials are used:

  • (1) Das Material, das durch Preßformen eines Gemisches aus kurzen Kohlefasern, einem Bindemittel und einer organischen granulierten Substanz durch Erhitzen unter Druck erhalten wird (beispielsweise US-PS 45 22 895). (1) The material obtained by compression molding of a mixture of short carbon fibers, a binder and an organic granular form by heating under pressure (for example, US-PS 45 22 895).

Besonders vorteilhaft ist das Material, das erhalten wird durch Preßformen eines Gemischs aus 20 bis 60 Gew.-% kurzer Kohlefasern eines Durchmessers von 5 bis 30 µm, einer Länge von 0,05 bis 2 mm und einer linearen Carbonisie rungsschrumpfung beim Calcinieren bei 2000°C von 0,1 bis 3,0%; Particularly advantageously, the material obtained is by compression molding of a mixture of 20 to 60 wt .-% short carbon fibers of a diameter of 5-30 .mu.m, a length of 0.05 to 2 mm and a linear shrinkage of approximately Carbonisie upon calcination at 2000 ° C of 0.1 to 3.0%; 20 bis 50 Gew.-% eines kohlenstoffhaltigen Bindemittels einer Carbonisierungsausbeute von 30 bis 75 Gew.-% wie Phenolharz, Epoxyharz und Petroleum- und/oder Kohlepech und 20 bis 50 Gew.-% organischer granulierter Substanzen (als Mikroporenregulator und Formmittel) mit einer Carboni sierungsausbeute von höchstens 30 Gew.-%, einem Durchmesser von 30 bis 300 Mikrometer, das bei 100°C nicht verdampft, wir Polyvinylalkohol, Polyethylen, Polypropylen, Polyvinyl chlorid, copolymerem Harz aus Ethylen und Vinylacetat und Zucker oder ein Gemisch derselben unter folgenden Bedingungen: einer Formtemperatur von 100 bis 180°C, einem Verformungsdruck von 2 bis 100 kgf*/cm² G und einer Druckhalte zeit oder Druckretentionszeit von 1 bis 60 Minuten; 20 to 50 wt .-% of a carbonaceous binder of a carbonization yield of 30 to 75 wt .-% such as phenolic resin, epoxy resin and petroleum and / or coal pitch and 20 to 50 wt .-% organic granulated substances (as micropores regulator and forming means) having a Carboni sierungsausbeute of at most 30 wt .-%, a diameter of 30 to 300 microns, which does not evaporate at 100 ° C, we polyvinyl alcohol, polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, copolymer resin of ethylene and vinyl acetate, and glucose or a mixture thereof under the following conditions: a mold temperature of 100 to 180 ° C, a molding pressure of 2 to 100 kgf / cm² G and a pressure holding time or pressure retention time of 1 to 60 minutes; und and

  • (2) das Material, das man durch Calcinieren des oben ge nannten Materials (1) bei einer Temperatur nicht unter 800°C in einer inerten Atmosphäre und/oder verrin gertem Druck erhält. (2) the material is not obtained by calcining the above ge named material (1) at a temperature below 800 ° C in an inert atmosphere and / or verrin gertem pressure.

Wenn jedoch der Separator und das Elektrodensubstrat mitein ander mittels einer Dispersion von Tetrafluorethylenharz verbunden werden, wird das calcinierte Material, dh das Material von (2) verwendet. However, when the separator and the electrode substrate mitein other are connected by means of a tetrafluoroethylene resin dispersion, the calcined material, that is, the material of (2).

Als Separator wird gemäß Erfindung vorteilhaft eine kompakte Kohleplatte verwendet, die eine Calcinierungsschrumpfung nicht über 0,2% zeigt, wenn sie bei 2000°C in einer inerten Atmosphäre und/oder unter verringertem Druck calciniert wird. As the separator, a compact carbon plate is used according to the invention advantageously does not exhibit a Calcinierungsschrumpfung about 0.2% when it is calcined at 2000 ° C in an inert atmosphere and / or under reduced pressure.

Im folgenden werden die verwendeten Materialien zum Herstellen des zusammengesetzten Substrats der Erfindung, das durch Zusammenkleben von Separator und Elektrodensubstraten über eine flexible Kohlefolie, die zwischen die Bindeflächen von Elektrodensubstrat und Separator eingefügt wird, wobei ein Klebemittel verwendet wird und Calcinieren der so zusammengeklebten Materialien zu einem Körper hergestellt ist sowie das Verfahren zum Herstellen des zusammengesetzten Substrats der Erfindung beschrieben. The following are the materials used for the manufacture of the composite substrate of the invention, a by adhering together of separator and electrode substrates through a flexible carbon film, which is interposed between the bonding surfaces of electrode substrate and a separator, wherein an adhesive is used and calcining the so glued materials body and made the method of producing the composite substrate of the invention.

Als erfindungsgemäß anwendbare flexible Kohlefolie wird eine flexible Graphitfolie genannt, die durch Komprimieren expandierter Graphitteilchen hergestellt ist, die man durch Säurebehandlung von Graphitkörnern eines Teilchendurch messers nicht über 5 mm und weiteres Erwärmen der säurebe handelten Körner erhält. As according to the invention applicable coal flexible film is a flexible graphite foil is mentioned, which is produced by compressing expanded graphite particles, which can not diameter obtained by acid treatment of graphite particles by grains of about 5 mm, and further heating the säurebe treated grains. Vorteilhafterweise besitzt die so hergestellte flexible Graphitfolie eine Dicke nicht über 1 mm und hat eine Dichte bzw. Schüttdichte von 1,0 bis 1,5 g/ml, eine Kompressionsverformungsgeschwindigkeit (di die Geschwindigkeit der Verformung unter einer Kompres sionslast von 1 kgf*/cm²) von nicht mehr als 0,35×10 -2 cm²/ kgf* sowie eine Flexibilität, die bis zu einem Krümmungsradius von 20 mm Bruchfreiheit bzw. Nichtbrechen gewährleistet. Advantageously, the flexible graphite sheet thus produced does not have a thickness greater than 1 mm and has a density or bulk density of 1.0 to 1.5 g / ml, a compression deformation rate (ie, the rate of deformation under a compres sion load of 1 kgf / cm ) of not more than 0.35 × 10 -2 cm / kgf * as well as a flexibility, which ensures to a radius of curvature of 20 mm fraction freedom or not break. Von den im Handel befindlichen flexiblen Graphitfolien ist GRAFOIL (hergestellt von UCC) ein geeignetes Beispiel. From the commercially available flexible graphite sheets GRAFOIL® (manufactured by UCC) a suitable example.

Außerdem kann als flexible Kohlefolie gemäß Erfindung auch das folgende Material verwendet werden: In addition, the following material can be used as flexible carbon film according to the invention:
Ein zusammengesetztes Material, das durch Mischen von Kohlefasern eines Durchmessers von 4 bis 25 µm und einer mittleren Länge nicht unter 1 mm, die man durch thermische Behandlung von Polyacrylnitril, Kunstseide, Phenolharz, isotropischem oder anisotropischem Pech bei einer Temperatur nicht unter 100°C erhält, und einem Bindemittel einer Carbonisierungsausbeute nicht unter 10 Gew.-% wie einem Material der Gruppe aus Phenolharzen, Epoxyharzen, Furanharzen, Pechen von Rohöl oder Kohlen, Polyvinylalkoholen, Polyvinylchloriden, Polyacrylnitrilen, Kunstseiden und Polymeren von Siloxan hergestellt ist; A composite material obtained by mixing carbon fibers of a diameter of 4-25 microns and an average length of not less than 1 mm, which is not obtained by heat treatment of polyacrylonitrile, rayon, phenolic resin, isotropic or anisotropic pitch at a temperature below 100 ° C and a binder of a carbonization yield is not made less than 10 wt .-% as a material of the group consisting of phenolic resins, epoxy resins, furan resins, pitches of crude oil or coal, polyvinyl alcohols, polyvinyl chlorides, polyacrylonitriles, rayons and polymers of siloxane; oder ein zusammenge setztes Material, das man dadurch erhält, daß man das Bindemittel in eine Matrix aus Kohlefasern gießt, unter Druck durch Erhitzen preßformt und das so preßgeformte zusammengesetzte Material bei einer Temperatur nicht unter 850°C in einer inerten Atmosphäre und/oder verringertem Druck zur Herstellung der flexiblen Kohlefolie calciniert. or together quantitative translated material, which is obtained by by pouring the binder in a matrix of carbon fibers, preßformt under pressure by heating, and the thus composed material not press-formed at a temperature below 850 ° C in an inert atmosphere and / or reduced pressure calcined to prepare the flexible carbon film. In dieser flexiblen Kohlefolie sind von dem Bindemittel stammende Kohleklümpchen in der Matrix der Kohlefasern dispergiert und halten zahlreiche Kohlefasern zusammen, wobei die Kohlefasern durch die Kohleklümpchen gleitbar aneinander gehalten werden. In this flexible sheet coal derived Kohleklümpchen are dispersed in the matrix of carbon fibers by the binder and hold many carbon fibers together, wherein the carbon fibers are held by the Kohleklümpchen slidable to each other. Eine derartige flexible Kohlefolie besitzt eine Dicke nicht über 1 mm, eine Schüttdichte von 0,2 bis 1,3 g/ml und eine Druckverformungsgeschwindig keit nicht über 2,0×10 -1 cm²/kgf*. Such a flexible carbon film has a thickness not greater than 1 mm, a bulk density of 0.2 to 1.3 g / ml and a Druckverformungsgeschwindig not ness about 2.0 x 10 -1 cm / kgf. Diese flexible Kohle folie besitzt eine Flexibilität, die bis zu einem Krümmungs radius von 10 mm Bruchfreiheit gewährleistet. This flexible carbon film has a flexibility which ensures to a curvature radius of 10 mm fraction freedom.

Als Klebemittel für jede klebende Fläche beim Verbinden der Elektrodensubstrate und des Separators über die flexible Kohlefolie kann jedes überlicherweise zum Kleben von Kohle materialien verwendete Klebemittel angewandt werden, jedoch ist ein wärmehärtbares Harz der Gruppe aus Phenolharzen, Epoxyharzen und Furanharzen speziell bevorzugt. As the adhesive agent for each adhesive surface when connecting the electrode substrates and the separator via the flexible carbon film of each adhesive customarily used for bonding carbon materials can be used, but a thermosetting resin of the group consisting of phenolic resins, epoxy resins and furan resins is especially preferred.

Obgleich die Dicke des erwähnten Klebemittels nicht eigentlich begrenzt ist, ist es im allgemeinen vorteilhaft, das Klebe mittel gleichmäßig in einer Dicke von nicht mehr als 0,5 mm aufzubringen. Although the thickness of said adhesive agent is not actually limited, it is generally advantageous to apply the adhesive uniformly in a thickness of not more than 0.5 mm.

Außerdem kann das Ankleben mittels des oben erwähnten Klebemittels bei einer Temperatur von 100 bis 180°C unter einem Preßdruck von 1 bis 50 kgf*/cm² G während einer Druckzeit spanne in einem Bereich von 1 bis 120 Minuten durchgeführt werden. In addition, the adhesion by the above-mentioned adhesive agent at a temperature of 100 to 180 ° C may be at a compression pressure of 1 to 50 kgf / cm² G during a printing time period are performed in a range of 1 to 120 minutes.

Das durch Zusammenkleben der flexiblen Kohlefolie mit den beiden Elektrodensubstraten unter Anwendung des genannten Klebemittels und der genannten Bedingungen zum Verkleben erhaltene zusammengesetzte Material wird wie folgt verarbeitet: The composite material obtained by bonding the flexible carbon film with the two electrode substrates under application of said adhesive and said conditions for bonding is processed as follows:
Man schneidet in die Oberfläche des Elektrodensubstrats, an welches die Kohlefolie geklebt ist, Einkehlungen in gewünschter Größe, welche die Strömungskanäle des Gasreaktanten bilden, so daß das Verhältnis der Summe der Querschnitts flächen der Strömungskanäle des Gasreaktanten auf der Brennstoffelektrodenseite zu der Summe der Querschnitts flächen der Strömungskanäle des Gasreaktanten auf der Luftelektrodenseite 1 : 3 bis 2 : 3 ist. One cuts into the surface of the electrode substrate to which the carbon film is adhered Einkehlungen surfaces in the desired size, which form the flow passages of the reactant gas so that the ratio of the sum of the cross-sectional areas of the flow channels of the reactant gas on the fuel electrode side to the sum of the cross-section of the flow passages of the reactant gas to the air electrode side is 1: 3: 3 to the second Dieses Zurechtschneiden kann mittels beliebiger Mittel erfolgen, beispielsweise mit Hilfe eines Diamantmessers. This trimming can be done by any means, for example using a diamond knife.

Die Oberflächen der beiden flexiblen Kohlefolien, die auf den zurechtgeschnittenen Elektrodensubstraten verbleiben, werden wie beim Ankleben der Elektrodensubstrate an die Kohlefolie an die gegenüberliegenden Flächen des Separators geklebt. The surfaces of the two flexible sheets carbon remaining on the trimmed electrode substrates are bonded to the carbon film to the opposite surfaces of the separator as in the adhesion of the electrode substrates. Das so kombinierte Material wird bei einer Temperatur nicht unter etwa 800°C in einer inerten Atmosphäre und/oder verringertem Druck calciniert. The thus combined material is not calcined at a temperature below about 800 ° C in an inert atmosphere and / or reduced pressure. Die Carbonisierung der so kombinierten Materialien kann gewährleistet werden, indem man die (gleiche) Calcinierung nach Ankleben der Elektrodensubstrate an die Kohlefolie in der gleichen Weise wie die Calcinierung von dem Schneideschritt durch führt. Carbonization of the thus combined materials can be ensured by the (same) calcination leads to sticking of the electrode substrates to the carbon foil in the same manner as the calcination of the cutting step by. Die Calcinierung wird nämlich zweimal durchgeführt. The calcination is namely carried out twice.

Anschließend werden die Abschlußteile (Randdichtungen) aus gasundurchlässigem kompakten Kohlematerial durch Schmelz kleben einer Folie aus Fluorkohlenstoffharz (dh über die Folie aus Fluorkohlenstoffharz) mit den überstehenden Randteilen des Separators verbunden, die über beide Ränder des Elektrodensubstrats reichen, die parallel zu den Strömungskanälen des Gasreaktanten darin sind und an die beiden Ränder des oben erwähnten Elektrodensubstrats angrenzen, und zwar bei einer Temperatur nicht unter der Temperatur des Schmelzpunktes des Fluorkohlenstoffharzes von etwa 50°C (of not lower than the temperature of lower than the melting point of the fluocarbon resin by 50°C) bei einem Druck nicht unter 1 kgf*/cm² G, wobei die Fluor kohlenstoffharzfolie vorher zwischen jedes Abschlußteil und jedes überstehende Randteil eingefügt wurde. Thereafter, the sealing parts (edge ​​seals) are of gas-impermeable compact carbon material by fusion bonding of a film of fluorocarbon resin (ie, over the film of fluorocarbon resin) is connected to the protruding edge portions of the separator which extend over both edges of the electrode substrate which is parallel to the flow channels of the gas reactants therein and are adjacent to the two edges of the above-mentioned electrode substrate, and at a temperature not lower than the temperature of the melting point of the fluorocarbon resin is from about 50 ° C (of not lower than the temperature of lower than the melting point of the Fluocarbon resin by 50 ° C) was added at a pressure not less than 1 kgf / cm² G, wherein the fluorocarbon resin film previously between each end part and each projecting edge portion.

Um die Struktur des angegebenen Elektrodensubstrats gemäß Erfindung zu erhalten, können verschiedene modifizierte Methoden verwendet werden. To obtain the structure of the specified electrode substrate according to the invention, various modified methods can be used. Beispielsweise wird die flexible Kohlefolie mit der oberen Fläche des hervortretenden Teils oder Höckers (protuberance) verbunden, nachdem die Auskeh lungen durch Ausschneiden auf dem Elektrodensubstrat ausge bildet sind. For example, the forms are flexible carbon film with the top surface of the protruding portion or hump (protuberance) is connected after the Auskeh lungs by cutting out on the electrode substrate. Es ist jedoch am praktischsten, das Zurecht schneiden nach Verbinden der flexiblen Kohlefolie mit dem noch nicht zurechtgeschnittenen Elektrodensubstrat vorzunehmen. However, it is most convenient when trimming after connecting the flexible carbon film with the not yet trimmed electrode substrate made.

Ferner können unter gewissen Herstellungsumständen die flexiblen Kohlefolien 7 und 7 ′ die gleiche Größe wie das Elektrodensubstrat aufweisen und mit der gesamten Oberfläche des Separators verbunden sein. Further, the flexible carbon films can, under certain circumstances preparation 7 and 7 'have the same size as the electrode substrate and be connected to the entire surface of the separator. Eine derartige Ausführungs form liegt im Rahmen der Erfindung. Such an execution form is within the scope of the invention. Da jedoch die vorherige Struktur eine Verringerung der Dicke des zusammengesetzten Substrats eher möglich macht als die letztere Struktur (wegen der Dicke der flexiblen Kohlefolie), wobei die gleiche Querschnittsfläche der Strömungskanäle des Gasreak tanten gewährleistet wird, wird im Hinblick auf die Dicke des zusammengesetzten Substrats die erstere Struktur bevorzugt. However, since the previous structure rather makes possible a reduction in the thickness of the composite substrate than the latter structure is guaranteed (due to the thickness of the flexible carbon film), the same cross-sectional area of ​​the flow channels of the Gasreak aunts, is in terms of the thickness of the composite substrate, the former structure is preferred.

An nächster Stelle werden die Materialien beschrieben, die zur Herstellung des zusammengesetzten Substrats verwendet werden, wenn Separator und Elektrodensubstrate miteinander durch eine Dispersion eines Tetrafluorethylenharzes verbun den werden, sowie das Verfahren zum Herstellen eines solchen zusammengesetzten Substrats. In the next place, the materials are described which are used in the preparation of the composite substrate, when separator and electrode substrates verbun each other by a dispersion of a tetrafluoroethylene resin to be, as well as the method for producing such a composite substrate.

Als Dispersion eines Tetrafluorethylenharzes wird eine wäßrige Dispersion angewandt, die 10 bis 70 Gew.-%, beispiels weise 60 Gew.-% des erwähnten Tetrafluorethylenharzes enthält. As the dispersion of a tetrafluoroethylene resin, an aqueous dispersion is used containing 10 to 70 wt .-%, example, 60 wt .-% of the mentioned contains tetrafluoroethylene resin. Dieser Dispersion kann man eine geringe Menge oberflächen aktiver Substanz zugeben. This dispersion may be added a small amount of surface active substance.

Nach Aufbringen dieser Dispersion eines Tetrafluorethylenharzes auf die gegenüberliegenden Oberflächen des Separators in einer Dicke von 0,01 bis 0,5 mm werden die beiden gerillten bzw. Auskehlungen aufweisenden Elektrodensubstrate, welche vorher zur Ausbildung der Strömungskanäle des Gasreak tanten derart ausgekehlt wurden, daß das Verhältnis der Summe der Querschnittsflächen der Strömungskanäle des Gasreaktanten auf der Brennstoffelektrodenseite zu der Summe der Querschnittsflächen der Strömungskanäle des Gas reaktanten auf der Luftelektrodenseite 1 : 3 bis 2 : 3 ist, mit den gegenüberliegenden Flächen des Separators in Flächen kontakt gebracht und durch Schmelzkleben (Temperatur nicht unter etwa 270°C, Druck nicht unter 1 kgf*/cm² G) verbunden. After applying this dispersion of a tetrafluoroethylene resin on the opposite surfaces of the separator in a thickness of 0.01 to 0.5 mm, the two grooved or grooves having electrode substrates, which were tanten chamfered beforehand to form the flow channels of the Gasreak such are such that the ratio the sum of the cross sectional areas of the flow passages of the reactant gas on the fuel electrode side to the sum of the cross sectional areas of the flow channels of the gas reactants on the air electrode side 1: 3 to 2: brought into contact with the opposite surfaces of the separator in surface contact and (by fusion bonding temperature is 3, not about 270 ° C, pressure is not connected below 1 kgf / cm² G).

Obgleich das Tetrafluorethylenharz eine nicht elektrisch leitende Substanz ist, ist die Elektroleitfähigkeit zwischen den porösen, kohlenstoffhaltigen Elektrodensubstrat und dem Separator bei dieser Verbindung ausreichend gewährleistet. Although the tetrafluoroethylene resin is a non-electroconductive substance, the electroconductivity between the porous carbonaceous electrode substrate and the separator in this connection is sufficiently guaranteed. Der Grund dafür wird darin gesehen, daß die beiden Materialien bei der erwähnten Verklebung unter Druck derart miteinander verbunden werden, daß das auf den Separator aufgebrachte Tetrafluorethylenharz in das poröse und kohlen stoffhaltige Elektrodensubstrat imprägniert wird. The reason for this is seen in the fact that the two materials in the aforementioned bonding under pressure can be joined together such that the force applied to the separator tetrafluoroethylene resin is impregnated into the porous carbons and carbonaceous electrode substrate. Dadurch werden die beiden Materialien miteinander mit ausreichen der Festigkeit und gleichzeitig hinreichendem Kontakt verbun den. Thereby, the two materials are verbun with sufficient strength and a sufficient contact with each other at the same time the.

Anschließend werden die Abschlußdichtungen aus gasundurch lässigem kompakten Kohlematerial durch Schmelzkleben einer Fluorkohlenstoffharzfolie (dh via eine Fluorkohlenstoff harzfolie), die über die beiden Ränder des Elektrodensub strats ragen, die zu den Strömungskanälen des Gasreaktanten darin parallel sind und an die beiden Ränder des oben erwähnten Elektrodensubstrats angrenzen, und zwar in der gleichen Weise wie oben erwähnt, wobei die Fluorkohlenstoff harzfolie vorher jeweils zwischen die Abschlußteile und die überstehenden Randteile gelegt wird. Subsequently, the completion of seals made gasundurch casual compact carbon material are prepared by melt adhesion of a fluorocarbon resin film (that is, resin film via a fluorocarbon) that strats protrude beyond the two edges of the Elektrodensub therein are parallel to the flow channels of the gas reactants and adjacent to the two edges of the above-mentioned electrode substrate , specifically mentioned in the same manner as above, wherein the fluorocarbon resin sheet is previously placed respectively between the seal members and the projecting edge parts.

Das erwähnte Verbinden der porösen, kohlenstoffhaltigen Elektrodensubstrate mit dem Separator sowie das Verbinden des Separators mit den Abschlußteilen via Fluorkohlenstoff harzfolie kann in gleicher Weise durch Wahl geeigneter Bindebedingungen durchgeführt werden; The joining-mentioned porous carbonaceous electrode substrates with the separator, and connecting the separator with the closure parts via fluorocarbon resin film can be carried out in the same manner by selecting suitable binding conditions; ein solches Verfahren ist besonders vorteilhaft, da die Zahl der Stufen durch ein solches Verfahren verringert werden kann. such a process is particularly advantageous since the number of steps can be reduced by such a method.

Das Preßformen des porösen, kohlenstoffhaltigen Elektroden substrats mit den Auskehlungen, welche die Strömungskanäle für den Gasreaktanten bilden, kann nach verschiedenen Verfahren erfolgen. The press molding of the porous carbonaceous electrode substrate with the grooves forming the flow channels for the reactant gas, can be effected by various methods. Beispielsweise wird nach dem Einfüllen des Rohmaterialgemischs in eine Metallform erwünschter Größe das gefüllte Gemisch preßgeformt, oder es werden nach dem Preßformen des Gemischs der Rohmaterialien in eine Flachplattenform (nach weiterem Calcinieren des geform ten Gemischs) die Einkehlungen in einer Schneidestufe ausgebildet. For example, after filling the raw material mixture press-molded, the filled mixture into a metal mold of desired size, or it can be after the press forming of the mixture of raw materials into a flat plate shape formed (after further calcining the geform th mixture) the Einkehlungen in a cutting step. Vom Standpunkt der Produktivität und Gleichför migkeit des Produkts ist es jedoch erwünscht, das Gemisch aus Rohmaterialien nach Durchkneten derselben zu extru dieren und dann das so extrudierte Gemisch durch Walzen oder Feststampfen zu formen (Preßformen). However, from the standpoint of productivity and Gleichför migkeit of the product, it is desirable to decode the same extru the mixture of raw materials by kneading, and then the thus extruded mixture to form by rolling or tamping (press molding).

Außerdem kann das zusammengesetzte Substrat gemäß Erfindung, wie in Fig. 3 gezeigt, Gasverteiler 8 und 8 ′ aufweisen, welche aus dem gleichen kompakten Kohlematerial wie die Abschlußteile bestehen und derart angeordnet sind, daß sie an die beiden Ränder des Elektrodensubstrats anliegen, die senkrecht zu den Strömungskanälen des Gasreaktanten darin sind. In addition, the composite substrate, according to invention, as shown in Fig. 3, gas distributor having '8 and 8 which are made of the same compact carbon material as the sealing members and are arranged so as to abut against the two edges of the electrode substrate which is perpendicular to the flow channels of the gas reactants therein.

Diese Gasverteiler 8 und 8 ′ besitzen die Auskehlungen, welche zusammen mit dem Separator die Strömungsgänge zur Verteilung des Gasreaktanten bilden, wobei der Gasreaktant von außen durch diese Strömungsgänge 9 und 9 ′ zum Verteilen des Gasreaktanten zu den Strömungskanälen 5 und 6 der Gasreaktanten (in Fig. 3 nicht gezeigt) geliefert wird. This gas distributor 8 and 8 'have the grooves, which together with the separator, the flow passages for distributing the reactant gas, wherein the Gasreaktant from the outside through these flow passages 9 and 9' (for distributing the reactant gas to the flow channels 5 and 6 of the gas reactants in Figure . 3 not shown) is provided. Jedoch ist es nicht erforderlich, daß die Querschnittsform der Strömungsgänge 9 und 9 ′ sich mit der Querschnitts form der Strömungskanäle 5 und 6 des Gasreaktanten deckt. However, it is not necessary that the cross-sectional shape of the flow passages 9 and 9 'with the cross-sectional shape of the flow channels covers 5 and 6 of the gas reactants. Darüber hinaus ist es auch nicht notwendig, daß alle offenen Enden der Strömungskanäle 5 und 6 des Gasreaktanten zu den Strömungsgängen 9 und 9 ′ geöffnet sind, um den Gasreak tanten zu verteilen. Moreover, it is also not necessary that all of the open ends of the flow channels are open 5 and 6 of the reactant gas to the flow passages 9 and 9 ', in order to distribute the Gasreak aunts. Die Querschnittsform der Strömungs gänge 9 und 9 ′ zum Verteilen des Gasreaktanten kann derart sein, daß die erforderliche Strömungsmenge des Gasreaktanten gewährleistet ist, wenn der Apparat als zusammengesetztes Substrat für Brennstoffzellen eingesetzt wird. The cross-sectional shape of the flow passages 9 and 9 'for distributing the reactant gas may be such that the required flow rate of the reactant gas is assured when the apparatus is used as a composite substrate for fuel cells.

Was die Querschnittsfläche der Strömungseinlässe oder -gänge 9 und 9 ′ für die Verteilung des Gasreaktanten be trifft, so ist es nicht notwendig, andere Bedingungen als die oben erwähnten vorzusehen; What 9 and 9 'for distributing the reactant gas be true, the cross-sectional area of the flow inlets or systems, it is not necessary to provide as mentioned above, other conditions; demzufolge ist es ledig lich notwendig, daß das Verhältnis der Summe der Quer schnittsflächen der Strömungskanäle des Gasreaktanten für der Brennstoffelektrodenseite zu der Summe der Quer schnittsflächen der Strömungskanäle der Gasreaktanten auf der Luftelektrodenseite 1 : 3 bis 2 : 3 ist. Accordingly, it is single Lich necessary that the ratio of the sum of the cross sectional areas of the flow passages of the reactant gas for the fuel electrode side to the sum of the cross sectional areas of the flow channels of the gas reactants on the air electrode side of 1: 3 to 2: 3.

Darüber hinaus wird in dem zusammengesetzten Substrat von Fig. 3, da Abschlußteil und Gasverteiler, die beide aus dem gleichen Material gebildet sind, sich einander gegenüber (bzw. jeweils jenseits von) dem Separator befinden und der Wärmeausdehnungskoeffizient der oberen Schicht gleich ist dem der unteren Schicht, die thermische Spannung zwischen Separator und Abschlußteil sowie die thermische Spannung zwischen Separator und Gasverteiler die gleiche, Verziehungen und Verdrehungen beim Calcinieren können somit verringert werden. Moreover, in the composite substrate of Fig. 3, since sealing part and gas manifold, both of which are formed of the same material are located opposite to each other (or in each case beyond) the separator and the thermal expansion coefficient of the upper layer is equal to that of the lower layer, the thermal stress between the separator and closing part and the thermal stress between the separator and the gas distributor is the same, warping and twisting upon calcining can thus be reduced. Dies ist insbesondere von Vorteil dann, wenn der Separator und die Elektrodensubstrate zu einem Körper calciniert werden. This is particularly advantageous if the separator and the electrodes substrates are calcined to a body. Da Abschlußteil und Gasver teiler in dem Randbereich des dünnen plattenähnlichen zusammengesetzten Substrats angeordnet sind und Fläche an Fläche an die beiden Oberflächen des Separators gebunden sind, wobei sie den Separator halten, besitzt eine derartige Struktur eine verstärkende Wirkung. Since sealing part and Gasver are relatively disposed in the edge region of the thin plate-like composite substrate surface and attached to surface on the both surfaces of the separator, wherein they hold the separator, such a structure has a reinforcing effect. Im Ergebnis zeigt das zusammengesetzte Substrat der Erfindung hervorragende Handhabungseigenschaften dann, wenn die Brennstoffzelle hergestellt wird. As a result, the composite substrate of the invention will show excellent handling properties when the fuel cell is manufactured.

Das wie oben erhaltene zusammengesetzte Substrat gemäß Erfindung weist eine Summe der Querschnittsflächen der Strömungskanäle der Gasreaktanten auf den beiden Elektroden seiten auf, die in Übereinstimmung ist mit den Bedingungen der tatsächlich zugeführten Gasreaktanten. The composite substrate obtained as above according to the invention has a sum of the cross sectional areas of the flow channels of the gas reactants on the two electrode sides, which is in accordance with the terms of the actually supplied gas reactants. Im Vergleich mit dem Elektrodensubstrat, bei dem die Summen der Quer schittsflächen der Strömungskanäle der Gasreaktanten auf der Brennstoffelektrodenseite und auf der Luftelektroden seite gleich sind, kann daher die Summe der Querschnitts flächen der Strömungskanäle des Gasreaktanten auf der Brennstoffelektrodenseite verringert werden, wobei die gleiche Leistungsfähigkeit beim Betrieb des Apparats als Brennstoffzelle aufrechterhalten wird. As compared with the electrode substrate, in which the sums of the cross schittsflächen the flow channels of the reactant gas on the fuel electrode side and the air electrode side are equal, therefore, the sum of the cross-section of the flow passages of the reactant gas at the fuel electrode side can surfaces be reduced while the same performance when operation of the apparatus is maintained as a fuel cell. Es kann nämlich die Höhe der Strömungskanäle des Gasreaktanten verringert werden. Namely, it can be reduced the height of the flow channels of the reactant gas. Infolgedessen ist es möglich, die Dicke des zusammen gesetzten Substrats selbst zu verringern. As a result, it is possible to reduce the thickness of the composite substrate itself.

Beispielsweise kann bei dem gewöhnlichen zusammengesetzten Substrat einer Dicke von 3,8 bis 4,0 mm, da die Strömungs kanäle des Gasreaktanten mit einer Höhe von 1,0 bis 1,4 mm ausgebildet sind, die Dicke des Elektrodensubstrats um maximal etwa 0,6 bis 0,9 mm verringert werden, wobei bei dem gesamten Substrat die Dicke um etwa 15 bis 24% verringert werden kann. For example, with the usual composite substrate of a thickness of 3.8 to 4.0 mm since the flow channels of the gas reactants are formed with a height of 1.0 to 1.4 mm, the thickness of the electrode substrate by a maximum of about 0.6 be reduced to 0.9 mm, wherein in the entire substrate, the thickness can be reduced by about 15 to 24%. Eine derartige Bauweise trägt nicht nur dazu bei, die Brennstoffzelle kompakter zu machen, sondern verringert auch den elektrischen wie den thermischen Widerstand im selben Ausmaß (um etwa 15 bis 24%) wegen der Verringerung der Dicke des zusammengesetzten Substrats. Such a construction does not only help to make the fuel cell compact, but also reduces the electric and the thermal resistance to the same extent (to approximately 15 to 24%) due to the reduction in the thickness of the composite substrate. Infolgedessen ist mit dem zusammengesetzten Substrat der Erfindung eine größere Brennstoffeffizienz zu erwarten. As a result to be expected with the composite substrate of the invention, a greater fuel efficiency.

Außerdem verhindert das zusammengesetzte Substrat der Erfindung, da die Abschlußteile mit den überstehenden Randteilen des Separators zu einem Körper via Fluorkohlen stoffharz verbunden sind, wobei sie an die beiden Ränder des Elektrodensubstrats anliegen, in hervorragenderweise den Gasaustritt und es ist nicht notwendig, eine Randabdich tungsbehandlung durchzuführen, die bei gewöhnlichen Brenn stoffzellen erforderlich ist, um das Austreten des Gasreak tanten zu oder an den Seiten der Brennstoffzellen zu verhin dern. In addition, the composite substrate of the invention prevented since the sealing parts are connected to the projecting edge parts of the separator to a body via fluoro carbon resin, wherein they rest against the two edges of the electrode substrate, tung treatment to carry out the gas outlet and it is not necessary to provide a Randabdich in excellent legally , the fuel cells at ordinary combustion, is required to tanten the leakage of the Gasreak countries to verhin to or at the sides of the fuel cells.

Ferner sind die Elektrodensubstrate und der Separator via die flexible Kohlenstofffolie zu einem Körper verbunden oder sie sind durch die Dispersion eines Tetrafluorethylen harzes verbunden, und die Abschlußteile und der Separator sind durch das Fluorkohlenstoffharz zu einem Körper verbunden. Further, the electrode substrates and the separator via the flexible carbon film are connected to a body or they are connected by the dispersion of a tetrafluoroethylene resin, and the sealing members and the separator are connected by the fluorocarbon resin into one body. Demzufolge besitzt das zusammengesetzte Substrat der Erfindung eine hervorragende Widerstandsfähigkeit gegenüber Phosphorsäure und ist insbesondere als zusammen gesetztes Substrat für Brennstoffzellen vom Phosphorsäuretyp brauchbar. Accordingly, the composite substrate of the invention has excellent resistance to phosphoric acid and is particularly useful as a composite substrate for phosphoric acid type fuel cell.

Da die Abschlußteile gleichmäßig an dem Randbereich des dünnplattigen zusammengesetzten Substrats angeordnet und damit verbunden sind, wobei sie den Separator wechselseitig an beiden Seiten halten, kommt es darüber hinaus in dem zusammengesetzten Substrat der Erfindung durch diese Bauweise zu einer verstärkenden Wirkung, was zur Folge hat, daß das zusammengesetzte Substrat bei der Herstellung der Brennstoffzelle hervorragende Handhabungseigenschaften besitzt. Since the sealing parts arranged uniformly on the periphery of the thin-plate composite substrate and connected thereto, they consider the separator alternately on both sides, it the invention is moreover in the composite substrate by this construction to a reinforcing effect, as a result, that the composite substrate has excellent handling properties in the production of the fuel cell.

Das folgende Beispiel soll die Erfindung erläutern. The following example illustrates the invention.

Beispiel example

Das zusammengesetzte Substrat für Brennstoffzellen gemäß Erfindung wurde unter Anwendung der folgenden Materialien hergestellt: The composite substrate for fuel cells according to the invention was prepared using the following materials:

(1) Elektrodensubstrate (1) electrode substrates

1-1: Eine poröse und kohlenstoffhaltige flache Platte (hergestellt von KUREHA KAGAKU KOGYO Co., Ltd., Handelsname KES-400), die vorher bei einer Temperatur nicht unter 800°C in einer Stickstoffatmosphäre calciniert wurde und die eine Breite und Länge von jeweils 690 mm sowie eine Dicke von 1,47 mm besaß. 1-1: A porous and carbonaceous flat plate (manufactured by KUREHA KAGAKU KOGYO Co., Ltd., trade name KES-400) was not calcined beforehand at a temperature below 800 ° C in a nitrogen atmosphere and a width and length of each 690 mm and a thickness of 1.47 mm had.

1-2: Eine poröse und kohlenstoffhaltige flache Platte entsprechend der von 1-1 mit der Ausnahme, daß die Dicke 0,97 mm anstatt 1,47 mm betrug. 1-2: A porous and carbonaceous flat plate from 1-1 except that the thickness was 0.97 mm instead of 1.47 mm according to the.

(2) Separator (2) Separator

Der Separator wurde erhalten, indem man eine kompakte Kohlenstoffplatte (hergestellt von SHOWA DENKO Co., Ltd., unter dem Handelsnamen SG-2, mit einer Dicke von 0,6 mm) zu einem Stück zurechtschnitt, dessen Länge und Breite jeweils 690 mm betrug. The separator was obtained by a compact carbon plate (manufactured by SHOWA DENKO Co., Ltd., under the trade name SG-2, with a thickness of 0.6 mm) carved out into a piece having a length and width in each case was 690 mm ,

(3) Folie aus Fluorkohlenstoffharz (3) film of fluorocarbon resin

Vier Stück der Folie eines Fluorkohlenstoffharzes wurden erhalten, indem man eine Teflonfolie (hergestellt von NICHIAS Co., Ltd., mit einer Dicke von 0,10 mm) entsprechend der Größe des Abschlußteils zurechtschnitt. Four pieces of the film of a fluorocarbon resin obtained by reacting a Teflon film (manufactured by NICHIAS Co., Ltd., having a thickness of 0.10 mm) carved out according to the size of the end part.

(4) Flexible Kohlefolie (4) Flexible carbon film

Zwei Stücke der flexiblen Kohlefolie wurden erhalten, indem man eine GRAFOIL-Folie (hergestellt von UCC mit einer Schüttdichte von 1,10 g/ml und einer Dicke von 0,13 mm) entsprechend der Größe der verbindenden Fläche (690 mm Länge 650 mm Breite) zurechtschnitt. Two pieces of the flexible carbon film were obtained by reacting a GRAFOIL® sheet (manufactured by UCC having a bulk density of 1.10 g / ml and a thickness of 0.13 mm) according to the size of the joining surface (690 mm length 650 mm width ) carved out.

(5) Abschlußteile (5) termination parts

5-1: Zwei Stücke einer kompakten Kohleplatte (hergestellt von TOKAI Carbon Co., Ltd., einer Dichte (Schüttdichte) von 1,85 g/ml) wurden zu einer Größe von 690 mm Länge, 20 mm Breite und 1,5 mm Dicke zurechtgeschnitten. Two pieces were a compact carbon plate (manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd., a density (bulk density) of 1.85 g / ml) to a size of 690 mm length, 20 mm width and 1.5 mm: 5-1 cut thickness.

5-2: Zwei Stücke einer kompakten Kohleplatte (die gleiche wie oben) wurden zu Größen von 690 mm Länge, 20 mm Breite und 1,0 mm Dicke zurechtgeschnitten. 5-2: Two pieces of a compact carbon plate (the same as above) were cut into sizes of 690 mm length, 20 mm width and 1.0 mm thickness.

Nach Aufbringen eines Klebemittels vom Phenolharztyp auf je eine Seite der beiden Elektrodensubstrate und auf je eine Seite der beiden GRAFOIL-Folien, wurde dasselbe getrock net. After applying an adhesive of phenolic resin type, depending on one side of the two electrode substrates and to a respective side of the two GRAFOIL films was the same getrock net.

Anschließend wurde die bindende Oberfläche von GRAFOIL mit der bindenden Oberfläche des Elektrodensubstrats verbun den, mit Ausnahme der Fläche, die den Randteilen des Sepa rators zugewandt werden sollte, an welche das Abschlußteil material gebunden wird, und zwar bei einer Temperatur von 140°C, einem Druck von 10 kgf*/cm² G und einer Druckhalte zeit von 20 Minuten. Then the bonding surface of GRAFOIL® with the binding surface of the electrode substrate was-jointed, with the exception of the area that should be rators facing the edge portions of the Sepa, to which the end part is material bonded and at a temperature of 140 ° C, a pressure of 10 kgf / cm² G and a pressure holding time of 20 minutes.

Dann wurde die an das GRAFOIL geklebte Oberfläche des Elektrodensubstrats, welches die poröse und kohlenstoff haltige flache Platte einer Dicke von 1,47 mm war, unter Ausbildung einer Vielzahl paralleler Auskehlungen zurechtge schnitten, die einen rechteckigen Querschnitt einer Höhe von 1 mm und einer Breite von 2 mm in einem Abstand von 4 mm aufweisen, wozu ein Diamantenmesser verwendet wurde. Then, the glued to the GRAFOIL® surface of the electrode substrate which was the porous and carbon-containing flat plate having a thickness of 1.47 mm was zurechtge cut to form a plurality of parallel grooves having a rectangular cross section a height of 1 mm and a width of 2 mm having at a distance of 4 mm, to which a diamond knife was used. Auf die gleiche Weise wurde die an das GRAFOIL geklebte Oberfläche des Elektrodensubstrats, welches die poröse und kohlenstoffhaltige Platte einer Dicke von 0,97 mm war, unter Ausbildung einer Vielzahl von parallelen Auskeh lungen mit einem rechteckigen Querschnitt einer Höhe von 0,5 mm, einer Breite von 2 mm bei einem Abstand von 4 mm zurechtgeschnitten. In the same manner was the glued to the GRAFOIL® surface of the electrode substrate which was the porous and carbonaceous plate having a thickness of 0.97 mm, lungs, forming a plurality of parallel Auskeh with a rectangular cross section a height of 0.5 mm, a cut width of 2 mm at a distance of 4 mm.

Anschließend wurde auf die verbliebenen GRAFOIL-Flächen der so verarbeiteten Materialien das oben genannte Klebe mittel aufgebracht und getrocknet. The mixture was then applied to the medium remaining GRAFOIL® surfaces of the thus-processed materials, the above-mentioned adhesive and dried. In gleicher Weise wurde das obige Klebemittel auf die gegenüberliegenden Oberflächen des Separators aufgebracht und getrocknet. Similarly, the above adhesive was applied to the opposite surfaces of the separator and dried.

Anschließend wurde jede der verbliebenen GRAFOIL-Oberflächen der beiden Elektrodensubstrate mit der gegenüberliegenden Oberfläche des Separators derart verklebt, daß die zahl reichen parallelen Auskehlungen in einem der beiden Elektroden substrate senkrecht zu denen in dem anderen Elektroden substrat waren, und zwar bei einer Temperatur von 140°C, einem Druck von 10 kgf*/cm² G und einer Druckhaltezeit von 20 Minuten. Then, each of the remaining GRAFOIL® surfaces of the two electrode substrates was bonded to the opposite surface of the separator such that the number-rich parallel grooves in one of the two electrode substrates perpendicular to whom were substrate in the other electrode, and at a temperature of 140 ° C, a pressure of 10 kgf / cm² G and a pressure holding time of 20 minutes. Die so zusammengeklebten Materialien wurden bei 2000°C in einer Stickstoffatmosphäre calciniert. The thus glued materials were calcined at 2000 ° C in a nitrogen atmosphere.

Nach dem Calcinieren wurden die Teile des Elektrodensubstrats, die den Randteilen des Separators zugewandt (faced) waren, mit welchen die Abschlußteile verbunden werden, entfernt, um die überstehenden Randteile des Separators freizulegen, und es wurde eine Teflonfolie zwischen jeden der Abschluß teile und dem Separator eingefügt und die beiden Materialien wurden durch Schmelzkleben der Teflonfolie bei 350°C und einem Druck von 20 kgf*/cm² G bei einer Druckhaltezeit von 20 Minuten verbunden. After calcination, the parts of the electrode substrate, the (faced) were facing the edge portions of the separator were to be connected with which the sealing members are removed to expose the projecting edge parts of the separator, and it was share a Teflon film between each of the end and the separator inserted and the two materials were joined by melt-adhesion of the Teflon film at 350 ° C and a pressure of 20 kgf / cm² G at a pressure holding time of 20 minutes.

Mit dem obigen Verfahren erhielt man ein zusammengesetztes Substrat für Brennstoffzellen, das eine Dicke von 3,3 mm besaß. With the above method to obtain a composite substrate for fuel cells, which had a thickness of 3.3 mm.

Vergleichsbeispiel Comparative example

In der gleichen Weise wie in dem Beispiel mit der Ausnahme, daß zwei Stücke der porösen, kohlenstoffhaltigen Flachplatten mit der Dicke von 1,47 mm als Elektrodensubstrate verwendet und die beiden an GRAFOIL geklebten Oberflächen der beiden Elektrodensubstrate unter Bildung einer Vielzahl paralleler Auskehlungen mit einem rechteckigen Querschnitt einer Höhe von 1,0 mm, einer Breite von 2 mm und in einem Abstand von 4 mm beschnitten wurden, wurde ein zusammenge setztes Substrat für Brennstoffzellen hergestellt. In the same manner as in the example with the exception that two pieces of the porous carbonaceous flat plates used, and with the thickness of 1.47 mm as the electrode substrates, the two adhered to GRAFOIL surfaces of the two electrode substrates to form a plurality of parallel grooves having a rectangular cross section of a height of 1.0 mm, a width of 2 mm and were cut at a distance of 4 mm, a quantitative together translated substrate for fuel cells was prepared. Die Dicke dieses zusammengesetzten Substrats betrug 3,8 mm. The thickness of this composite substrate was 3.8 mm.

Die Ergebnisse der Messung des elektrischen Widerstands und des thermischen Widerstands der beiden Substrate von Beispiel und Vergleichsbeispiele sind in der folgenden Tabelle dargestellt. The results of measurement of the electrical resistance and the thermal resistance of the two substrates of Example and Comparative Examples are shown in the following table.

Tabelle table

Wie aus der Tabelle deutlich ist, konnten der elektrische und der thermische Widerstand in dem zusammengesetzten Substrat für Brennstoffzellen gemäß Erfindung gegenüber dem bekannten zusammengesetzten Substrat um 15 bis 16% durch Verringerung der Dicke des zusammengesetzten Substrats verringert werden. As is clear from the table, the electrical and the thermal resistance in the composite substrate for fuel cells according to the invention over the known composite substrate is 15 to 16% by reducing the thickness of the composite substrate could be reduced.

Claims (21)

  1. 1. Zusammengesetztes Substrat für Brennstoffzellen, enthaltend 1. A composite substrate for fuel cell containing
    • (1) einen Separator, (1) a separator,
    • (2) zwei poröse, kohlenstoffhaltige Elektrodensubstrate, welche jeweils an einer Seite derselben mit zahlreichen, Strömungskanäle des Reaktanten bildenden Auskeh lungen und mit einer flachen Oberfläche an der anderen Seite derselben ausgestattet sind und mit den gegenüberliegenden Separatoroberflächen derart verbunden sind, daß die Strömungskanäle des Gasreaktanten in dem einen Elektrodensubstrat senkrecht zu denen in dem anderen Elektrodensubstrat sind, und daß der Separator über beide, zu den Strömungskanälen des Gasreaktanten in dem Elektro densubstrat parallelen Ränder des Elektrodensub strats hinausreicht, und (2) two porous carbonaceous electrode substrates lungs on either side thereof forming with numerous flow channels of the reactants Auskeh and having a flat surface on the other side thereof are provided and are connected to the opposite separator surfaces such that the flow channels of the gas reactants in which an electrode substrate to which are perpendicular in the other electrode substrate, and in that the separator over both, extends to the flow channels of the reactant gas in the electric densubstrat parallel edges of the Elektrodensub strats, and
    • (3) Abschlußteile, die mit den überstehenden Separatorrand teilen, welche über die beiden Ränder des Elektroden substrats hinausreichen, über eine Schicht aus Fluorkohlenstoffharz verbunden sind, wobei das Verhältnis der Querschnittsflächensumme der aus dem Separator und den Auskehlungen des porösen, kohlenstoffhaltigen Elektrodensubstrats gebildeten Strömungskanäle für den Gasreaktanten auf der Brennstoffelektrodenseite zu der Quer schnittsflächensumme der aus dem Separator und den Auskehlungen des porösen, kohlenstoffhaltigen Elektrodensubstrats gebildeten Strömungskanäle auf der Luftelektrodenseite 1 : 3 bis 2 : 3 beträgt. (3) termination parts, the parts with the protruding Separatorrand which substrate extend beyond the two edges of the electrodes are connected by a layer of fluorocarbon resin, wherein the ratio of the cross sectional area of ​​the sum of the flow channels formed by the separator and the grooves of the porous carbonaceous electrode substrate for the reactant gas on the fuel electrode side to the total cross-sectional area of ​​the flow channels formed by the separator and the grooves of the porous carbonaceous electrode substrate on the air electrode side of 1: 3 to 2: 3.
  2. 2. Zusammengesetztes Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die verbindenden Flächen des porösen kohlenstoffhaltigen Elektrodensubstrats und des Separators eine flexible Kohlenfolie gelegt ist. 2. The composite substrate according to claim 1, characterized in that a flexible carbon film is placed between the connecting surfaces of the porous carbonaceous electrode substrate and the separator.
  3. 3. Zusammengesetztes Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die porösen, kohlenstoffhaltigen Elektrodensubstrate und der Separator mittels einer Dispersion eines Tetrafluorethylenharzes verbunden sind. 3. A composite substrate according to claim 1, characterized in that the porous carbonaceous electrode substrates and the separator are connected by means of a dispersion of a tetrafluoroethylene resin.
  4. 4. Zusammengesetztes Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse, kohlenstoffhaltige Elektrodensubstrat eine Schüttdichte von 0,3 bis 0,9 g/ml, eine Gaspermeabilität von nicht weniger als 200 ml/cm² · Std. · mmAq und einen spezifischen elektrischen Widerstand von nicht mehr als 200 mΩ · cm nach dem Calcinieren bei einer Temperatur von nicht weniger als 1000°C in einer Atmosphäre und/oder verringertem Durck besitzt. 4. A composite substrate according to claim 1, characterized in that the porous carbonaceous electrode substrate has a bulk density of 0.3 to 0.9 g / ml, a gas permeability of not less than 200 ml / cm² · h. · MmAq and a specific electrical resistivity of not more than 200 milliohms · cm after calcination at a temperature of not less than 1000 ° C in an atmosphere and / or reduced Durck.
  5. 5. Zusammengesetztes Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Separator, ein kompaktes Kohle material bzw. Kohlenstoffmaterial mit einer Schüttdichte von nicht weniger als 1,4 g/ml, einer Gaspermeabilität von nicht weniger als 10 -6 ml/cm² · Std. · mmAq, einem spezifischen elektrischen Widerstand von nicht weniger als 10 mΩ · cm und einer Dicke von nicht weniger als 2 mm ist. 5. A composite substrate according to claim 1, characterized in that the separator, a compact carbon material or carbon material having a bulk density of not less than 1.4 g / ml, a gas permeability of not less than 10 -6 ml / cm² · h . · is mmAq, a specific electrical resistance of not less than 10 mQ-cm and a thickness of not less than 2 mm.
  6. 6. Zusammengesetztes Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußteile ein kompaktes Kohlematerial bzw. Kohlenstoffmaterial mit einer Schütt dichte von nicht weniger als 1,4 g/ml und einer Gaspermeabilität von nicht weniger als 10 -4 ml/cm² · Std. · mmAq sind. 6. A composite substrate according to claim 1, characterized in that the end parts of a compact carbon material or carbon material having a bulk density of not less than 1.4 g / ml and a gas permeability of not less than 10 -4 ml / cm² · h. · mmAq are.
  7. 7. Zusammengesetztes Substrat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Kohlefolie durch Carbonisieren eines zusammengesetzten Materials erhalten ist, das Kohlenstofffasern einer mittleren Länge nicht unter 1 mm und ein Bindemittel umfaßt, eine Dicke nicht über 1 mm, eine Schüttdichte von 0,2 bis 1,3 g/ml, eine Kompressionsverformungsgeschwindigkeit nicht über 2,0×10 -1 cm²/kgf* und eine Flexibiltät auf weist, entsprechend der sie beim Biegen bis zu einem Krümmungsradius von 10 mm nicht bricht, wobei in der flexiblen Kohlefolie von dem Bindemittel stammende Kohleklümpchen in der Matrix der Kohlefasern dispergiert sind und eine Vielzahl dieser Kohlefasern zusammenhalten, wobei die Kohlefasern durch die Kohleklümpchen gleitbar aneinandergehalten werden. 7. A composite substrate according to claim 2, characterized in that the flexible carbon film is obtained by carbonizing a composite material, the carbon fibers of average length not covered under 1 mm and a binder, a thickness not greater than 1 mm, a bulk density of 0.2 to 1.3 g / ml, a compression strain rate not exceeding 2.0 × 10 -1 cm / kgf * and a flexibility at points corresponding to the up to a radius of curvature of 10 mm does not break when bent, whereby the flexible film of coal the binder derived Kohleklümpchen are dispersed in the matrix of carbon fibers and hold together a plurality of carbon fibers wherein the carbon fibers are held together by slidably Kohleklümpchen.
  8. 8. Zusammengesetztes Substrat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Kohlefolie durch Komprimieren expandierter Graphitteilchen erzeugt ist, die durch Säurebehandlung von Graphitteilchen eines Teilchendurchmessers nicht über 5 mm und weiterem Erhitzen der auf diese Weise säurebehandelten Teilchen erhalten sind, und eine Dicke nicht über 1 mm, eine Schüttdichte von 1,0 bis 1,5 g/ml, eine Druckverformungs geschwindigkeit nicht über 0,35×10 -2 cm²/kgf* und eine Flexibilität aufweist, wonach sie bei Biegung bis zu einem Krümmungsradius von 20 mm nicht bricht. 8. A composite substrate according to claim 2, characterized in that the flexible carbon film is produced by compressing expanded graphite particles which have about 5 mm, and further heating the acid-treated in this way particles are not obtained by acid treatment of graphite particles having a particle diameter and a thickness not greater than rate not greater than 0.35 × 10 -2 has cm² / kgf * and a flexibility of 1 mm, a bulk density of 1.0 to 1.5 g / ml, a compression set, after which it up to a radius of curvature of 20 mm is not in bending breaks.
  9. 9. Zusammengesetztes Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluorkohlenstoffharz einen Schmelzpunkt nicht unter 200°C besitzt. 9. A composite substrate according to claim 1, characterized in that the fluorocarbon resin does not have a melting point below 200 ° C.
  10. 10. Verfahren zum Herstellen eines zusammengesetzten Sub strats für Brennstoffzellen nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Stufen: 10. A method of manufacturing a composite sub strats for fuel cells according to claim 2, characterized by the steps of:
    • (1) Ankleben einer flexiblen Kohlefolie auf je eine Oberfläche von zwei porösen, kohlenstoffhaltigen flachplattenförmigen Elektrodensubstraten ohne Auskehlungen und mit vorgegebener Abmessung unter Anwendung eines Klebemittels, (1) adhering a flexible carbon film on each one surface of two porous, carbon-containing flat plate-shaped electrode substrates without grooves and having a predetermined dimension by using an adhesive,
    • (2) Zurechtschneiden jeder klebenden Oberfläche der Elektrodensubstrate unter Ausbildung von Auskeh lungen, die auf diesen Strömungskanäle für den Gasreaktanten bilden, so daß das Verhältnis der Summe der Querschnittsflächen der Strömungskanäle des Gasreaktanten auf der Brennstoffelektrodenseite zu der Summe der Querschnittsflächen der Strömungs kanäle des Gasreaktanten auf der Luftelektrodenseite 1 : 3 bis 2 : 3 ist, (2) trimming settings each adhesive surface of the electrode substrates to form Auskeh that form on these flow channels for the reactant gas so that the ratio of the sum of the cross sectional areas of the flow passages of the reactant gas on the fuel electrode side to the sum of the cross sectional areas of the flow channels of the gas reactants on the air electrode side 1: 3 to 2: 3,
    • (3) Ankleben auf der den so zurecht geschnittenen Oberflächen der Elektrodensubstrate verbliebenen Oberflächen der flexiblen Kohlefolie auf die gegenüber liegenden Flächen des Separators, so daß die Auskeh lungen in dem einem Elektrodensubstrat senkrecht zu denen in dem anderen Elektrodensubstrat sind, (3) adhering on the remaining so the trimmed surfaces of the electrode substrates surfaces of the flexible film in the coal to those on the opposite surfaces of the separator so that the lungs Auskeh an electrode substrate vertically in the other electrode substrate,
    • (4) Calcinieren der so aneinandergeklebten Materialien bei einer Temperatur nicht unter 800°C in einer inerten Atmosphäre und/oder einem verringerten Druck, und (4) calcining the so spliced ​​materials at a temperature not lower than 800 ° C in an inert atmosphere and / or a reduced pressure, and
    • (5) Verbinden von Abschlußteilen aus gasundurchlässigem kompakten Kohlematerial mit überstehenden Randteilen des Separators, die über beide Ränder des Elektrodensubstrats reichen, die parallel zu den Strömungskanälen des Gasreaktanten darin sind mittels einer Folie aus Fluorkohlenstoffharz. (5) connecting the conclusion parts of gas-impermeable compact carbon material with projecting edge parts of the separator, which extend over both edges of the electrode substrate which is parallel to the flow channels of the reactant gas by means of a film of fluorocarbon resin.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man das poröse kohlenstoffhaltige Elektrodensubstrat aus der Gruppe aus 11. The method according to claim 10, characterized in that one of the porous carbonaceous electrode substrate from the group
    • (a) einem preßgeformten Material, erhalten durch Preß formen eines Gemischs aus kurzen Kohlefasern, einem Bindemittel und einer organischen granulierten Substanz zu einem Körper durch Erhitzen unter Druck und (A) a compression-molded material obtained by compression molding of a mixture of short carbon fibers, a binder and an organic granular form into one body by heating under pressure and
    • (b) einem calinierten Material, erhalten durch Calcinieren des preßgeformten Materials (a) in einer inerten Atmosphäre und/oder einem verringerten Druck, wählt. (B) a calinierten material obtained by calcination of the molded material (a) in an inert atmosphere and / or a reduced pressure selected.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Kohlefolie durch Carbonisieren eines zusammengesetzten Materials aus Kohlefasern einer mittleren Länge nicht unter 1 mm und einem Bindemittel hergestellt ist und eine Dicke nicht über 1 mm, eine Schüttdichte von 0,2 bis 1,3 g/ml, eine Druckverformungs geschwindigkeit nicht über 2,0×10 -1 cm²/kgf* und eine Flexibilität besitzt, wonach sie bei Biegung bis zu einem Krümmungsradius von 10 mm nicht gebrochen wird, daß in der flexiblen Kohlefolie von dem Binde mittel stammende Kohleklümpchen in der Matrix der Kohle fasern dispergiert sind und eine Vielzahl dieser Kohle fasern zusammengehalten, wobei die Kohlefasern gleitbar aneinander durch die Kohleklümpchen gehalten werden. 12. The method according to claim 10, characterized in that the flexible carbon film is not made less than 1 mm and a binder by carbonizing a composite material of carbon fibers with an average length and a thickness not greater than 1 mm, a bulk density of 0.2 to 1, 3 g / ml, a compression strain rate not exceeding 2.0 × 10 -1 has cm² / kgf * and flexibility, after which it is not broken when bent to a radius of curvature of 10 mm, that means in the flexible carbon film of the binder derived Kohleklümpchen in the matrix of carbon fibers are dispersed and a plurality of carbon fibers held together, wherein the carbon fibers are slidably held together by the Kohleklümpchen.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Kohlefolie durch Preßformen eines zusammengesetzten Materials aus Kohlefasern einer mittleren Länge nicht unter 1 mm und einem Bindemittel einer Carbonisierungsausbeute nicht unter 10% durch Erhitzen unter Druck und Calcinieren des so geformten zusammengesetzten Materials bei einer Temperatur nicht unter 850° in einer inerten Atmosphäre und/oder verrin gertem Druck erhalten ist. 13. The method according to claim 12, characterized in that the flexible carbon film by compression molding a composite material of carbon fibers of average length not less than 1 mm and a binder of a carbonization yield not less than 10% by heating under pressure and calcining the thus-shaped composite material at a temperature is not obtained below 850 ° in an inert atmosphere and / or verrin gertem pressure.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Kohlefolie durch Komprimieren expandierter Graphitteilchen hergestellt ist, die durch Säurebe handlung von Graphitteilchen eines Teilchendurchmessers nicht über 5 mm und weiterem Erhitzen der so säurebe handelten Graphitteilchen erhalten sind, und eine Dicke nicht über 1 mm, eine Schüttdichte von 1,0 bis 1,5 g/ml, eine Druckverformungsgeschwindigkeit nicht über 0,35×10 -2 cm²/kgf* und eine Flexibilität aufweist, wonach sie beim Biegen bis zu einem Krümmungsradius von 20 mm nicht gebrochen wird. 14. The method according to claim 10, characterized in that the flexible carbon film is produced by compressing expanded graphite particles, which are obtained by Säurebe treatment of graphite particles having a particle diameter not greater than 5 mm and further heating the so säurebe negotiated graphite, and a thickness not exceeding 1 not more than 0.35 × 10 -2 has cm² / kgf * and a flexibility mm, a bulk density of 1.0 to 1.5 g / ml, a compression strain rate, after which it is not broken when bent to a radius of curvature of 20 mm ,
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Klebemittel ein wärmehärtendes Harz der Gruppe aus Phenolharzen, Epoxyharzen und Furanharzen ist. 15. The method according to claim 10, characterized in that the adhesive is a thermosetting resin of the group consisting of phenolic resins, epoxy resins and furan resins.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedingungen zum Verbinden des Elektrodensub strats mit dem Separator die Verbindungstemperatur von 100 bis 180°C, der Preßdruck von 1 bis 50 kgf*/cm² G und die Druckzeit von 1 bis 120 Min. sind. 16. The method according to claim 10, characterized in that the conditions for connecting the Elektrodensub strats with the separator, the bonding temperature of 100 to 180 ° C, the press pressure of 1 to 50 kgf / cm² G and the printing time of 1 to 120 min. are.
  17. 17. Verfahren zum Herstellen eines zusammengesetzten Substrats für Brennstoffzellen nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Stufen: 17. A method for producing a composite substrate for fuel cell according to claim 3, characterized by the steps of:
    • (1) Aufbringen einer Dispersion von Tetrafluorethylen harz auf die gegenüberliegenden Oberflächen eines Separators, (1) applying a dispersion of tetrafluoroethylene resin on the opposite surfaces of a separator,
    • (2) Verbindungen der ausgekehlten Oberflächen von je zwei porösen, kohlenstoffhaltigen Elektrodensubstraten in der vorgegebenen Position mit den gegenüber liegenden Flächen des mit der Dispersion versehenen Separators, so daß die Auskehlungen in dem einem Elektrodensubstrat senkrecht zu denen in dem anderen Elektrodensubstrat sind, wobei die Elektrodensub strate jeweils mit einer Vielzahl von Auskehlungen ausgestattet sind, welche Strömungskanäle des Gasreaktanten auf der einen Seite derselben bilden und einer flachen Oberfläche auf der anderen Seite, wobei die Größe der Auskehlungen derart ist, daß ein Verhältnis der Summe der Querschnittsflächen der Strömungskanäle des Gasreaktanten auf der Brennstoffelektrodenseite zu der Summe der Quer schnittsflächen der Strömungskanäle des Gasreaktanten auf der Luftelektrodenseite 1 : 3 bis 2 : 3 ist, durch Schmelzkleben und (2) Compounds of the fluted surfaces of two porous carbonaceous electrode substrates in the predetermined position with the opposing surfaces of the bearing the dispersion separator, so that the grooves in the to those of an electrode substrate vertically in the other electrode substrate, wherein the Elektrodensub are strate each having a plurality of grooves provided, which flow channels of the gas reactants on one side form the same, and a flat surface on the other side, wherein the size of the grooves is such that a ratio of the sum of the cross sectional areas of the flow channels of the gas reactants on the fuel electrode side to the sum of the cross sectional areas of the flow channels of the gas reactants on the air electrode side of 1: 3 to 2: 3, by fusion bonding, and
    • (3) Verbinden von Abschlußteilen aus einem gasundurch lässigen kompakten Kohlematerial mit den überstehenden Randteilen des Separators, die über die beiden Ränder des Elektrodensubstrats reichen, die parallel zu den Strömungskanälen des Gasreaktanten darin sind über eine Folie aus Fluorkohlenstoffharz. (3) connecting the conclusion parts of a gasundurch permeable compact carbon material with the protruding edge portions of the separator, which extend over the two edges of the electrode substrate which are parallel to the flow channels of the reactant gas is a film of fluorocarbon resin.
  18. 18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß man das poröse, kohlenstoffhaltige Elektrodensubstrat durch Calcinieren des preßgeformten Materials herstellt, das man durch Preßformen eines Gemischs aus kurzen Kohlefasern, einem Bindemittel und einer organischen granulierten Substanz zu einem Körper durch Erhitzen unter Druck erhält. 18. The method according to claim 17, characterized in that one produces the porous carbonaceous electrode substrate by calcination of the molded material is obtained by compression molding of a mixture of short carbon fibers, a binder and an organic granular form into one body by heating under pressure.
  19. 19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Separator und das poröse, kohlenstoffhaltige Elektrodensubstrat bei einer Temperatur nicht unter etwa 270°C und einem Druck nicht unter 1 kgf*/cm² G durch Schmelzkleben verbunden werden. 19. The method according to claim 17, characterized in that the separator and the porous carbonaceous electrode substrate at a temperature not not be less than 1 kgf / cm² G connected by melt bonding under about 270 ° C and a pressure.
  20. 20. Verfahren nach Anspruch 10 oder 17, dadurch gekennzeich net, daß der Separator eine kompakte Kohleplatte ist, deren Schrumpfung bei Calcinierung nicht mehr als 0,2% beträgt, wenn sie bei 2000°C in einer inerten Atmosphäre und/oder verringertem Druck calciniert wird. 20. The method according to claim 10 or 17, characterized in that the separator is a compact carbon plate, the shrinkage is not more than 0.2% upon calcination, when calcined at 2000 ° C in an inert atmosphere and / or reduced pressure becomes.
  21. 21. Verfahren nach Anspruch 10 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie aus Fluorkohlenstoffharz einen Schmelz punkt nicht unter 200°C hat. 21. The method according to claim 10 or 17, characterized in that the film of fluorocarbon resin has a melting point not lower than 200 ° C.
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