DE69009450T2

DE69009450T2 - Poröser kohlenstoffkörper mit flachen blattförmigen rippen und herstellungsverfahren.

Info

Publication number: DE69009450T2
Application number: DE69009450T
Authority: DE
Inventors: Hikonori Abe; Hiroyuki Fukuda; Masayuki Funabashi
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 1989-10-17
Filing date: 1990-09-21
Publication date: 1995-02-09
Anticipated expiration: 2010-09-22
Also published as: EP0448719A4; EP0448719A1; US5236687A; WO1991006131A1; DE69009450D1; EP0448719B1; US5338320A; JPH07101609B1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein flaches plattenartiges, mit Rippen versehenes Kohlenstoffmaterial von großer Festigkeit, das Kohlefasern enthält und entlang der Richtung der Dicke hinsichtlich seiner elektrischen und thermischen Leitfähigkeit verbessert ist, wobei es vorteilhafterweise als Elektrodensubstrat für eine Brennstoffzelle verwendbar ist, sowie ein Herstellungsverfahren dafür.

Stand der Technik

Als ein Elektrodensubstrat für eine Brennstoffzelle niedrigen elektrischen Widerstands ist eine Elektrodenplatte für eine Brennstoffzelle bekannt, die aus einem Material zusammengesetzt ist, das überwiegend Kohlefasern aufweist und eine Vielzahl von Gasdiffusionsporen hat, wobei ein dünnwandiger Teil, der als ein plattenartiges Glied ausgeformt ist, als ein Flußkanal für einen Brennstoff und ein Oxidationsgas wirkt, während ein dickwandiger Teil als ein Kollektorteil wirkt, wobei die Kohlefasern, die den Kollektorteil bilden, Monofilamente aufweisen, die aneinanderhängen, wobei die Faserachse von ihnen im wesentlichen entlang der Richtung der Dicke des dickwandigen Teils ausgerichtet ist (japanische Patentveröffentlichung Nr. Sho 57-210571). Als ein Beispiel für das Herstellungsverfahren dafür wird das folgende Verfahren beschrieben. Eine wässrige Dispersion, die Kohlefasern mit einer Länge größer als die Dicke des Kollektorteils enthält, die darin dispergiert sind, wird präpariert, wobei diese Dispersion einem Filterverfahren mittels Filtern unterzogen wird, die aus einem Metalldrahtgitter aus rostfreiem Stahl mit etwa 150 Maschen hergestellt sind, und die Kohlefasern setzen sich auf den Filtern ab, um maschenartige Kohlefasern auszubilden. Bei den Filterverfahren werden, wenn die Filtergeschwindigkeit durch Verwenden einer Vakuumpumpe erhöht wird, die Kohlefasern, die in einer maschenartigen Form auf den Filtern abgesetzt sind, entlang der Filtrationsrichtung ausgerichtet. Die maschenartigen Kohlefasern werden mit einem Bindemittel, z. B. einem Phenolharz, imprägniert, mit Gasflußkanälen durch ein Heißpreßverfahren geformt bzw. ausgebildet und werden anschließend zum Verkohlen des Bindemittels gebrannt.
Bei diesem Verfahren neigen die mattenartigen Kohlefasern jedoch dazu, inhomogen zu werden, und es ist extrem schwierig, eine Elektrodenplatte von gleichmäßigen physikalischen Eigenschaften herzustellen. Dies führt zu einem schweren Problem, insbesondere beim Herstellen eines Substrats von großen Ausmaßen. Zusätzlich ist die Festigkeit der Elektrodenplatte von einer solchen Struktur an der Grenze zwischen dem dickwandigen Teil und dem dünnwandigen Teil gering, und es bricht leicht.
Als ein Verfahren zum Herstellen eines mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterials ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine trockene Mischung, die 20 bis 50 Gew.-% eines wärmeaushärtenden Kunstharzes und 80 bis 50 Gew. -% von Kohlefasern in einer solchen vorbestiuten Menge aufweist, daß eine gewünschte Porosität geschaffen wird, in eine Gußform in einer Spiegelbildbeziehung zu den in dem Substrat gewünschten Rippenmuster zugeführt wird, danach eine Preßformung durchgeführt wird und es anschließend gebrannt wird (US-Patent Nr. 4165349). Weiterhin ist auch ein Verfahren zum Herstellen eines Elektrodensubstrats für eine Brennstoffzelle mit einer Porosität und einem Porendurchmesser mit einer scharfen Verteilung bekannt, bei dem Kohlefasern, ein Bindemittel und ein organisches Partikelmaterial gemischt und danach durch Pressen oder Rollen einer Preßformung unterzogen werden, gefolgt von einem Brennverfahren (japanische Offenlegungsschrift Nr. Sho 58- 117649).
Bei diesem Verfahren neigt das Ausgangsmaterial jedoch dazu, ungleichmäßig in die Gußform oder die Walzvorrichtung zugeführt zu werden und somit besteht die Tendenz, die physikalischen Eigenschaften des resultierenden Substrats nicht gleichmäßig auszubilden.
Weiterhin ist auch ein Verfahren zum Herstellen eines Elektrodensubstrats mit gleichförmigen physikalischen Eigenschaften bekannt, bei dem eine Ausgangsmischung extrudiert wird, die kurze Kohlefasern, ein Phenolharz und ein Gußhilfsmittel aufweist, das Ganze mittels Walzens oder Pressens bzw. Stanzens einer Preßformung unterworfen wird und anschließend gebrannt wird (japanische Patentveröffentlichung Nr. Sho 63- 21753).
Aber sogar das durch ein solches Verfahren hergestellten poröse Kohlenstoffmaterial kann die physikalischen Eigenschaften, wie z. B. elektrischen Widerstand, Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit, die auf dem Gebiet der Brennstoffzellen erforderlich sind, nicht vollständig gewährleisten, und eine weitere Verbesserung ist erforderlich.
Für das mit Rippen versehene poröse Elektrodensubstrat zur Verwendung in einer Brennstoffzelle ist es erforderlich, daß die elektrische Leitfähigkeit und die thermische Leitfähigkeit, insbesondere entlang der Richtung der Dicke des Substrats, groß ist und die Dicke verringert ist, um die Energie- bzw. Leistungserzeugungskapazität pro Einheitsvolumen einer Zelle zu erhöhen und die Kosten für die Energieerzeugung zu verringern, und es ist notwendig, eine hinreichende Festigkeit zu haben, damit es nicht bei der Handhabung während des Aufbauens einer Zellgruppe bzw. eines Zellstapels oder der Herstellung des Substrats bricht, auch wenn es dünn ist.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein flaches plattenartiges mit Rippen versehenes poröses Kohlenstoffmaterial von großer Festigkeit sowie ein Herstellungsverfahren dafür zu schaffen.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein mit Rippen versehenes poröses Kohlenstoffmaterial mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit entlang der Richtung der Dicke sowie ein Herstellungsverfahren dafür zu schaffen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein mit Rippen versehenes poröses Kohlenstoffmaterial von im hohen Maße gleichmäßigen physikalischen Eigenschaften sowie ein Herstellungsverfahren dafür zu schaffen.

Offenbarung der Erfindung

Das mit Rippen versehene poröse Kohlenstoffmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung enthält Kohlefasern und hat einen Rippenteil und einen Mattenteil, wobei die Kohlefasern in dem Mattenteil entlang der Richtung der Ebene des Mattenteils und entlang der Richtung senkrecht zu dem Rippenteil ausgerichtet sind.
Die Orientierungsrichtung der Kohlefasern bedeutet hierbei nicht die Orientierungsrichtung einzelner Kohlefasern, sondern eine durchschnittliche bzw. gemittelte Orientierungsrichtung der Kohlefasern in dem porösen Kohlenstoffmaterial, insbesondere in dem Rippenteil oder in dem Mattenteil. Die durchschnittliche bzw. gemittelte Orientierungsrichtung, in der die Kohlefasern orientiert sind, z. B. entlang der Richtung senkrecht zu dem Rippenteil in einer zweidimensionalen Ebene, bedeutet unter der Annahme, daß der Winkel senkrecht zu dem Rippenteil 90º ist, daß die Anzahl von Kohlefasern, die entlang der Richtungen von einem Winkel von 45º zu einem Winkel von 135º pro Einheitsfläche größer ist als die Anzahl der Kohlefasern pro Einheitsfläche, die entlang anderer als der obenbeschriebenen Richtungen ausgerichtet sind.
Der Mattenteil ist ein flacher plattenartiger Teil, der an dem Boden der Rippenteile angeordnet ist und die Rippenteile miteinander verbindet, und die Orientierung der Kohlefasern, in denen die Kohlefasern entlang der Richtung senkrecht zu dem Rippenteil orientiert sind, bedeutet, daß die Kohlefasern entlang der Richtung senkrecht zu der Erstreckungsrichtung des Rippenteils ausgerichtet sind, d. h. entlang der Richtung senkrecht zu der Längsrichtung des Rippenteils.
In dem mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Kohlefasern in dem Mattenteil entlang der Richtung der Ebene des Mattenteils und entlang der Richtung senkrecht zu dem Rippenteil ausgerichtet. Das poröse Kohlenstoffmaterial eines solchen Aufbaus hat als Ganzes eine hohe Festigkeit und eine zufriedenstellende Handhabbarkeit durch den kombinierten Effekt des Verstärkungseffekts gegen eine Verbiegung entlang der Richtung parallel zu dem Rippenteil aufgrund der Orientierung der Fasern in dem Mattenteil und dem Verstärkungseffekt gegen das Biegen entlang der Richtung senkrecht zu dem Rippenteil aufgrund der Balkenfunktion des Rippenteils.
In dem mit Rippen versehenen Kohlenstoffmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung ist es nicht immer notwendig, daß sich der Rippenteil kontinuierlich von einem zu dem anderen Ende des Mattenteils erstreckt, sondern es kann einen ähnlichen Effekt vorsehen, wenn es stückweise diskret ist.
In dem mit Rippen versehenen Kohlenstoffmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Kohlefasern in dem Rippenteil entlang der Richtung der Dicke der Matte ausgerichtet. In dem porösen Kohlenstoffmaterial, das Kohlefasern enthält, sind, da die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit entlang der Orientierungsrichtung der Kohlefasern größer als diejenigen entlang anderer Richtungen sind, die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit des ganzen porösen Kohlenstoffmaterials entlang seiner Richtung der Dicke aufgrund der Orientierung der Kohlefasern entlang der Richtung der Dicke verbessert.
Der Grad der Orientierung der Kohlefasern in dem porösen Kohlenstoffmaterial, das die Kohlefasern enthält, kann durch das Verhältnis des elektrischen Widerstands und demjenigen der Festigkeit definiert werden, wobei entlang verschiedener Richtungen des porösen Kohlenstoffmaterials gemessen wird.
Wenn der spezifische elektrische Widerstand für den Mattenteil nach Abkratzen des Rippenteils in dem flachen plattenartigen mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung gemessen wird, hat das Verhältnis pWP/pWT einen Wert größer als 1,0, wobei pWP der elektrische spezifische Widerstand gemessen entlang der Richtung parallel mit der Erstreckungsrichtung des Rippenteils und pWT der spezifische elektrische Widerstand gemessen entlang der Richtung senkrecht zu der Erstreckungsrichtung des Rippenteils in der Ebene des Mattenteils ist. Das Verhältnis pWP/pWT wird als das anisotrope Verhältnis für den spezifischen elektrischen Widerstand in der Ebene definiert.
Werden die Biegefestigkeit des Mattenteils, die durch Biegen des mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung entlang der Richtung parallel zu dem Rippenteil gemessen wird, als FSP bezeichnet, und die Biegefestigkeit des Mattenteils, die durch Biegen des Mattenteils nach Abkratzen des Rippenteils senkrecht zu dem Rippenteil gemessen wird, als FST bezeichnet, ist der Wert für FSP/FST größer als 1,0. FSP/FST wird als das anisotrope Verhältnis der Biegefestigkeit definiert. Wenn das anisotrope Verhältnis der Biegefestigkeit zu groß ist, da der Widerstand des mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterials gegen die Verbiegung entlang der Richtung senkrecht zu dem Rippenteil manchmal auf weniger als der Widerstand gegen die Verbiegung entlang der Richtung parallel zu dem Rippenteil verringert ist, ist das anisotrope Verhältnis der Biegefestigkeit vorzugsweise nicht größer als 10. Zur vollen Verwendung des Verstärkungseffekts aufgrund der Orientierung der Kohlefasern ist das anisotrope Verhältnis der Biegefestigkeit vorzugsweise nicht weniger als 1,2 und insbesondere nicht weniger als 1,5.
Wird die Fläche des Mattenteils als SW, die Dicke davon als tW, der elektrische Widerstand und der spezifische elektrische Widerstand entlang der Richtung der Dicke als RW und pW angenommen, die gesamte Projektionsfläche des Rippenteils zu dem Mattenteil als Sr, die Höhe des Rippenteils als tr und der spezifische elektrische Widerstand des Rippenteils entlang der Richtung der Höhe als pr angenommen wird, so ergibt sich der elektrische Widerstand R entlang der Richtung der Dicke für das gesamte mit Rippen versehene poröse Kohlenstoffmaterial schematisch als:
R = pW tW/SW + pr tr/Sr
Gemäß dieser Gleichung kann
γ = pW/pr SW/Sr tr/tW 1/(R/RW - 1)
gewonnen werden.
Werden die gemessenen Werte für den elektrischen Widerstand und den spezifischen elektrischen Widerstand des mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterials entlang der Richtung der Dicke des Mattenteils nach Abkratzen des Rippenteils jeweils als RW und pw bezeichnet und der gemessene Wert für den elektrischen Widerstand entlang der Richtung der Dicke für das ganze mit Rippen versehene poröse Kohlenstoffmaterials als R angenommen, wird der Wert γ, der nach der rechten Seite der Gleichung berechnet wird, als das elektrische Widerstandsverhältnis zwischen dem Mattenteil und dem Rippenteil definiert. Bei dem mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung ist das elektrische Widerstandsverhältnis γ zwischen dem Mattenteil und dem Rippenteil größer als 1,0.
Dies zeigt, daß die Kohlefasern in dem Rippenteil stärker entlang der Richtung der Dicke orientiert sind als in dem Mattenteil.
Ein größeres elektrisches Widerstandsverhältnis γ zwischen dem Mattenteil und dem Rippenteil wird bevorzugt, und ein poröses Kohlenstoffmaterial mit einem Wert von nicht weniger als 1,2 kann leicht durch das unten beschriebene Herstellungsverfahren hergestellt werden. Weiterhin ist der spezifische elektrische Widerstand pW entlang der Richtung der Dicke des Mattenteils vorzugsweise nicht größer als 40 mΩ-cm.
Weiterhin sind in dem mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung der Rippenteil und der Mattenteil in ein in einem Stück geformtes Produkt integriert. Wenn der Rippenteil und der Mattenteil in ein einstückig geformtes Produkt integriert sind, sind die obengenannte mechanische Festigkeit sowie die elektrische Leitfähigkeit und die thermische Leitfähigkeit weiter verbessert.
Das Herstellungsverfahren des mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Extrudieren eines Ausgangsmaterials für die Formung, das kohlenstoffhaltige Fasern und ein Bindemittel enthält, in eine flache plattenartige Form, weiterhin das Ausbilden eines gerippten Teils senkrecht zu der Extrudierrichtung auf dem extrusionsgeformten Produkt und weiterhin das Anwenden eines Brenn- bzw. Glühverfahrens.
Genauer gesagt, bei dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Ausgangsmaterial für die Formgebung, das kohlenstoffhaltige Fasern und ein Bindemittel enthält, aus einer Extrudiermaschine extrudiert, wodurch ein homogenes flaches plattenartiges extrusionsgeformtes Produkt gebildet wird. In diesem Fall sind die kohlenstoffhaltigen Fasern vorzugsweise entlang der Extrudierrichtung orientiert. Dann wird das flache plattenartige extrusionsgeformte Produkt zum Beispiel in eine Rippen ausbildende Walze oder Gußform mit einer Vielzahl von parallelen Rillen bzw. Nuten zugeführt, und es wird gepreßt, um einen Rippenteil entlang der Richtung senkrecht zu der Extrudierrichtung (Orientierungsrichtung der Fasern) auszubilden. Durch Ausbilden der Rippen entlang der Richtung senkrecht zu der Extrudierrichtung, d. h. der Orientierungsrichtung der Fasern, fließt Ausgangsmaterial für die Formung in die Rillen bzw. Nuten der Gußform oder der Walze entsprechend dem Rippenteil des porösen Kohlenstoffmaterials, und die Fasern werden in dem Rippenteil entlang der Richtung der Dicke des extrusionsgeformten Produkts ausgerichtet. Wenn der Rippenteil parallel zu der Orientierungsrichtung der Fasern in dem extrusionsgeformten Produkt ausgebildet wird, sind die Fasern in dem Rippenteil kaum entlang der Richtung der Dicke orientiert. Auf diese Weise wird ein flaches plattenartiges mit Rippen versehenes geformtes Produkt erzeugt, das einen derartigen Aufbau hat, daß die Fasern in dem Rippenteil entlang der Richtung der Dicke des Mattenteils und in dem Mattenteil entlang der Richtung der Ebene und senkrecht zum Rippenteil orientiert sind. Das mit Rippen versehene geformte Produkt wird in einer inerten Atmosphäre gebrannt, um ein mit Rippen versehenes poröses Kohlenstoffmaterial auszubilden. Die kohlenstoffhaltigen Fasern werden durch Brennen in Kohlefasern umgewandelt und miteinander mit Kohlenstoff, das aus dem Bindemittel oder dergleichen gebildet wird, verbunden.
Weiterhin ist es in dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, da das extrudierte Produkt gleichmäßiger Dicke durch Extrusion gewonnen wird und dann zu der Walze oder der Gußform zugeführt wird, um den Rippenteil auszubilden, möglich, das ungleichmäßige Mischen des Ausgangsmaterials und eine ungleichmäßige Zuführung des Ausgangsmaterials zu der Gußform oder dergleichen zu verringern, und das resultierende mit Rippen versehene poröse Kohlenstoffmaterial hat extrem gleichmäßige physikalische Eigenschaften.
Das Ausgangsmaterial für die Formgebung, das die kohlenstoffhaltigen Fasern enthält, gemäß dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung weist die folgenden Materialien auf:
(1) Kohlenstoffhaltige Fasern, die überwiegend als das verstärkende Material für das mit Rippen versehene poröse Kohlenstoffmaterial wirken.
(2) Ein Bindemittel zum Binden der kohlenstoffhaltigen Fasern und anderer Füllmittel miteinander.
(3) Ein die Fluidität verbesserndes Material zum Versehen des Ausgangsmaterials für die Formgebung mit einer zur Extrusion oder anderen ähnlichen Operation notwendigen Fluidität.
(4) Feste Partikel zum Verbessern der Orientierung der Fasern während der Formgebung.
(5) Ein Poren einstellendes Material zum Erleichtern der Kontrolle bzw. Einstellung der Poren in dem porösen Kohlenstoffmaterial.
Es ist nicht immer notwendig, daß das Ausgangsmaterial für die Formgebung alle die obenbeschriebenen Materialien enthält. Unter den obenbeschriebenen Materialien können, obwohl die kohlenstoffhaltigen Fasern und das Bindemittel notwendig sind, das die Fluidität verbessernde Material, die festen Partikel und das Poren einstellende Material wahlweise in Kombination verwendet werden.
Die kohlenstoffhaltigen Fasern bedeuten Kohlenstofffasern oder derartige Fasern, die durch Brennen in Kohlenstofffasern umgewandelt werden können, und sie umfassen zum Beispiel Pechfasern, Polyacrylnitrilfasern und Rayonfasern, die einer Behandlung zur Schmelzverhinderung unterzogen wurden, sowie solche, die weiterhin mit einer Wärmebehandlung in einer inerten Atmosphäre behandelt wurden. Die Fasern, die durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur höher als 800ºC in Kohlefasern umgewandelt wurden, sind vorzuziehen, da sie zum Beispiel beim Extrudieren weniger unter einer Zerstörung der Fasern leiden.
Als kohlenstoffhaltige Fasern sind kurze Fasern mit einer mittleren Faserlänge von 0,05 bis 3 mm und einem Längenverhältnis (L/D) von nicht weniger als 5 vorzuziehen. Mittlere Faserlängen von größer als 3 mm sind nicht wünschenswert, da die Fluidität während der Herstellung des Ausgangsmaterials der Formgebung verringert ist, was den Vorgang der Extrusion und der Rippenausbildung erschwert, und das resultierende poröse kohlenstoffhaltige Material wird inhomogen, da sich Fasern miteinander verwickeln bzw. verhaken und bei den auf die Formgebung folgenden Schritten Pillen bzw. Pellets ausbilden und die Fasern nicht gleichmäßig in dem geformten Produkt verteilt sind. Auf der anderen Seite ist eine mittlere Faserlänge von weniger als 0,05 mm nicht erwünscht, da das resultierende poröse Kohlenstoffprodukt manchmal eine zu geringe Festigkeit aufweist. Damit sich die Fasern beim Extrudieren und der Rippenausbildung hinreichend orientieren und einen hinreichenden Verstärkungseffekt schaffen, haben die kohlenstoffhaltigen Fasern vorzugsweise eine mittlere Faserlänge von nicht weniger als 0,05 mm und ein Längenverhältnis (L/D) von nicht weniger als 5. Ein noch bevorzugterer Bereich ist von 0,1 bis 2 mm für die mittlere Faserlänge und nicht weniger als 10 für das Längenverhältnis (L/D). Der Mischbetrag von kohlenstoffhaltigen Fasern ist vorzugsweise von 3 bis 50 Gew.-% von der Gesamtmenge des Ausgangsmaterials für die Formgebung. Das Verfahren zum Messen der Faserlänge und des Faserdurchmessers wird später beschrieben.
Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Bindemittel behält die Form des geformten Produkts vor und während des Brennens des geformten Produkts und ist nach dem Brennen verkohlt, um die Kohlefasern miteinander zu verbinden. Es wird ein Bindemittel bevorzugt, das eine Verkohlungsergiebigkeit höher als etwa 40 % hat, bei Extrusion und Ausbildung des Rippenteils schmilzt und fließt und bei Brennen des geschmolzenen Produktes durch eine einfache Behandlung, wie z. B. Erhitzen oder Oxidieren, leicht unschmelzbar gemacht werden kann. Als ein Bindemittel kann z.B. ein wärmeaushärtendes Kunstharz, wie z. B. ein Phenolharz oder ein Furfurylalkoholharz, ein Erdölpech, ein Kohlepech und eine Mischung von zwei oder mehr von diesen genannt werden. Insbesondere ist ein Phenolharz alleine oder eine Mischung aus einem Phenolharz und einem Pech ein bevorzugtes Bindemittel, da es eine hohe Verkohlungsergiebigkeit hat und leicht durch Erhitzen behandelt bzw. ausgehärtet werden kann.
Das die Fluidität verbessernde Material, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, schmilzt und fließt bei einer Temperatur (Schmelztemperatur), bei welcher das verwendete Bindemittel fluidisiert ist, und es schafft das Ausgangsmaterial für die Formgebung mit einer für den Vorgang des Knetens, Extrudierens und Ausbildens des Rippenteils notwendigen Fluidität. Ein thermoplastisches Kunstharz mit einer Schmelzflußrate von 30 bis 500 g/10 min nach der ASTM D 1238 (Bedingung: 190/2. 16) wird geeigneterweise verwendet und es können zum Beispiel erwähnt werden Ethylen-Vinylacetat-Copolymerharz, niedermolekulargewichtiges Polyethylen, niedermolekulargewichtiges Polypropylen, Cumaronharz-und Erdölharz.
Weiterhin ist eine Zuführung eines Schmiermittels wie z. B. Stearinsäure in 1 bis 5 Gewichtsteilen auf 100 Gewichtsteile des Ausgangsmaterials für die Formgebung wirksam zur Erleichterung des Knetens und Extrudierens.
Weiterhin kann der vorteilhafte Effekt der vorliegenden Erfindung durch Einarbeiten von Partikeln mit einer Korngröße von 5 bis 50 um weiter verbessert werden, die während der Formgebung in dem Ausgangsmaterial für die Formgebung fest sind.
Wenn das Ausgangsmaterial für die Formgebung, das solche festen Partikel bzw. Festteilchen enthält, verwendet wird, verhindern die festen Partikel, daß das Bindemittel und/oder das die Fluidität verbessernde Material durch Zwischenräume zwischen den einzelnen Kohlefasern fließt, wenn das Ausgangsmaterial für die Formgebung fluidisiert ist und sie bewirken, daß das Ausgangsmaterial für die Formgebung als Ganzes fluidisiert wird. Dies kann insbesondere einen vorteilhaften Effekt bei der Ausbildung des Rippenteils mittels einer Form oder einer Walze bewirken. Das heißt, wenn solche festen Partikel enthalten sind, fließt das Ausgangsmaterial für die Formgebung in den Teil der Form (oder der Walze) hinein, der dem Rippenteil entspricht. Entsprechend ist die Zusammensetzung des Ausgangsmaterials in dem Rippenteil des geformten Produkts homogen ausgebildet, weiterhin sind die Kohlefasern in dem Rippenteil stärker entlang der Richtung der Dicke des geformten Produkts, insbesondere des Mattenteils, ausgerichtet. Wenn auf der anderen Seite die festen Partikel nicht beigemischt werden, fließt mehr Bindemittel und/oder die Fluidität verbesserndes Material in den Teil der Form (oder der Walze), der dem Rippenteil entspricht, und bewirkt, daß die Zusammensetzung des Ausgangsmaterials in dem Rippenteil nicht gleichmäßig ist, sowie, daß der Anteil der in dem Rippenteil entlang der Richtung der Dicke des Mattenteils ausgerichteten Kohlefasern verkleinert ist im Vergleich zu dem Fall der Beimischung der festen Partikel. Die festen Partikel unterstützen die Orientierung der Fasern während der Formgebung und verbessern die elektrische Leitfähigkeit und die thermische Leitfähigkeit des resultierenden porösen Kohlenstoffmaterials.
Als feste Partikel werden kohlenstoffhaltige Partikel bevorzugt. Da die kohlenstoffhaltigen Partikel nach dem Brennen des geformten Produktes verbleiben wie sie sind und einen Bestandteil für das mit Rippen versehene poröse Kohlenstoffmaterial bilden, haben sie keinen besonderen unerwünschten Effekt auf die Verwendung des mit Rippen versehenen Kohlenstoffmaterials. Koks- und/oder Graphitpartikel, die nach dem Brennen eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit haben, werden insbesondere bevorzugt. Ein mittlerer Korndurchmesser der kohlenstoffhaltigen Partikel ist vorzugsweise von 5 bis 50 um und insbesondere von 10 bis 30 um. Wenn die mittlere Korngröße 50 um überschreitet, ist dies nicht vorteilhaft, da der Effekt des -integralen Fluidisierens des Ausgangsmaterials für die Formgebung verringert ist, und da nur poröses Kohlenstoffmaterial von niedriger mechanischer Festigkeit gewonnen werden kann. Wenn weiterhin die mittlere Korngröße weniger als 5 um ist, ist die Fluidität des Ausgangsmaterials für die Formgebung beim Kneten und Extrudieren verringert und macht die Vorgänge schwierig. Die Beimischmenge der kohlenstoffhaltigen Partikel liegt vorzugsweise von 5 bis 40 Gew.-% und insbesondere von 10 bis 30 Gew.-% von der Gesamtmenge des Ausgangsmaterials für die Formgebung.
Weiterhin kann die Einstellung bzw. Steuerung für die Poren in dem resultierenden porösen Kohlenstoffmaterial durch Beifügen des Poren einstellenden Materials in das Ausgangsmaterial für die Formgebung erleichtert werden. Das Poren einstellende Material hat eine solche Funktion, daß es während des Brennens verdampft oder in Gas zerfällt und daraufhin Poren zurückläßt. Als das Poren einstellende Material ist ein granulares organisches Polymermaterial, das etwas deformiert sein kann, aber beim Vorgang des Knetens, Extrudierens und Ausbildens des Rippenteils nicht schmilzt oder fließt, vorzuziehen, da die Poren leicht eingestellt werden können. Als ein Beispiel kann ein hochdichtes Polyethylen, Polymethylmethacrylat, Polypropylen, Polyvinylalkohol, Polystyrol und Stärke genannt werden. Die Porosität und der Porendurchmesser des porösen Kohlenstoffmaterials können genau eingestellt werden, indem die Menge und die Korngröße des Poren einstellenden Materials genau eingestellt werden. Für ein effizientes Erreichen der Ausbildung der Poren ist die Verkohlungsergiebigkeit des Poren einstellenden Materials (verbleibender-Kohlenstoffanteil nach dem Brennen) vorzugsweise nicht größer als 10 %. Als ein bevorzugtes Poren einstellendes Material kann hochdichtes Polyethylen oder Polymethylmethacrylat genannt werden.
Mit Bezug auf ein Beispiel einer Beimischung für das Startmaterial, wie oben erwähnt, für die Herstellung eines mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterials, welches den Herstellungsvorgang erleichtert und ausgewogene bzw. eingestellte Eigenschaften als eine Gasdiffusionselektrode zur Verwendung in einer Brennstoffzelle hat, liegt es in einem Bereich von 2 bis 40 Gew.-% von kohlenstoffhaltigen Fasern, von 20 bis 50 % eines Bindemittels, von 0 bis 30 Gew.-% eines Fluidität verbessernden Materials, von 0 bis 40 Gew.-% von kohlenstoffhaltigen Partikeln, von 0 bis 35 Gew.-% eines Poren ausbildenden Materials und insbesondere von 5 bis 30 Gew.-% der kohlenstoffhaltigen Fasern, von 25 bis 40 Gew.-% des Bindemittels, von 5 bis 25 Gew.-% des Fluidität verbessernden Materials, von 10 bis 30 Gew.-% der kohlenstoffhaltigen Partikel und von 20 bis 30 Gew.-% des Poren ausbildenden Materials.
Alle diese Bestandteile für das Ausgangsmaterial werden gemischt und dann geknetet. Für diesen Knetvorgang ist es, obwohl Kneten und Formen zusammen durch einen Formextruder ausgeführt werden kann, vorteilhaft, daß eine Mischung der Bestandteile für das Ausgangsmaterial durch Verwendung einer Knetvorrichtung gleichmäßig geknetet wird, wobei sie danach zu Pellets ausgebildet wird und zu einer Extrudiermaschine zum Verringern der Ungleichmäßigkeit in der Zuführung des Ausgangsmaterials zugeführt wird, wodurch gleichmäßigeres poröses Kohlenstoffmaterial hergestellt wird.
Nach dem Kneten wird das Ausgangsmaterial für die Formgebung extrudiert und geformt. Bei der Extrusionsformung wird das Material von einer flachen Form in die Form einer flachen Platte extrudiert. Im Fall der Verwendung eines wärmeaushärtenden Kunstharzes als das Bindemittel nimmt, wenn während des Knetens oder Extrudierens die Temperatur zu hoch oder die Zeit zu lang ist, das Aushärten des Bindemittels manchmal zu und verringert die Fluidität des Ausgangsmaterials und macht die Vorgänge unmöglich. Als eine Maßnahme zum Vermeiden eines solchen unerwünschten Zustandes wird im Fall der Verwendung von zum Beispiel einem Phenolkunstharz als das Bindemittel ein Kunstharz mit einem Schmelzpunkt von weniger als 90ºC und einer Verfestigungszeit bzw. Gelierzeit von mehr als 1 Minute/150ºC verwendet und das Kneten und Extrudieren werden unterhalb von 110ºC innerhalb von 10 Minuten durchgeführt.
Die Ausbildung des Rippenteils wird durch Verwendung einer Walze oder einer Preßform durchgeführt, die so ausgebildet ist, daß sie einen gewünschten Rippenteil entlang der Richtung senkrecht zu der Extrudierrichtung ausbilden. Das extrusionsgeformte Produkt wird vorzugsweise vorher bei einer Temperatur von 130 bis 170ºC für eine Zeitdauer von 1 bis 10 Minuten ausgehärtet und anschließend bei einer Temperatur von 140 bis 170ºC und unter einem Druck von 20 bis 60 kg/cm² erhalten.
Das auf diese Weise gewonnene geformte Produkt wird in einer inerten Atmosphäre, d. h. in einem inerten Gas wie zum Beispiel Stickstoff oder Argon oder unter einem verringerten Druck bei 800 bis 3000ºC zu porösem Kohlenstoffmaterial gebrannt. Zum Vermeiden der Deformation des geformten Produkts wird der Brennvorgang vorzugsweise durchgeführt, während es zwischen Graphitplatten gelegt ist. Vorzugsweise wird eine Nachbehandlung bei einer Temperatur von 150 bis 500ºC vor dem Brennen durchgeführt, da die Form des geformten Produktes effektiv während des Brennens beibehalten werden kann.
In dem mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung sind, da die Kohlefasern orientiert sind, in dem Mattenteil entlang der Richtung der Ebene des Mattenteils und senkrecht zu dem Rippenteil der Verstärkungseffekt gegen eine Verbiegung entlang der Richtung parallel zu dem Rippenteil aufgrund der Orientierung der Kohlefasern in dem Mattenteil und der Verstärkungseffekt gegen eine Verbiegung entlang der Richtung senkrecht zu dem Rippenteil aufgrund der Balkenfunktion des Rippenteils miteinander kombiniert, um ein mit Rippen versehenes poröses Kohlenstoffmaterial von guter Handhabbarkeit mit hoher Festigkeit als Ganzes auszubilden. Weiterhin sind die elektrische und die thermische Leitfähigkeit entlang der Richtung der Dicke des porösen Kohlenstoffmaterials durch die Orientierung der Kohlefasern in dem Rippenteil entlang der Richtung der Dicke verbessert.
Weiterhin ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, ein flaches plattenartiges mit Rippen versehenes geformtes Produkt leicht herzustellen, das einen solchen Aufbau hat, daß die Fasern in dem Rippenteil entlang der Richtung der Dicke des Mattenteils orientiert sind, während sie in dem Mattenteil entlang der Richtung der Ebene des Mattenteils und entlang der Richtung senkrecht zu dem Rippenteil orientiert sind, in dem das Ausgangsmaterial der Formgebung, das die kohlenstoffhaltigen Fasern enthält, durch einen Extruder extrudiert wird, wodurch eine flache Platte von gleichmäßiger Dicke (Extrusionsprodukt) hergestellt wird, in dem die kohlenstoffhaltigen Fasern entlang der Extrudierrichtung orientiert sind, und danach die flache Platte zu einer Walze oder Preßform zugeführt wird, die eine Vielzahl von parallelen Rillen bzw. Nuten zum Ausbilden des Rippenteils hat, und Pressen, um einen Rippenteil entlang der Richtung senkrecht zu der Extrudierrichtung (Orientierungsrichtung der Fasern) auszubilden. Wenn das mit Rippen versehene geformte Produkt in einer inerten Atmosphäre gebrannt ist, wird ein poröses Kohlenstoffmaterial mit hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit entlang der Richtung der Dicke und mit hoher Festigkeit durch eine Verfahren von extrem hoher Produktivität hergestellt, das Extrusion mit Walzen oder einem Preßvorgang verbindet.
Darüberhinaus ist es möglich, die elektrische Leitfähigkeit und die thermische Leitfähigkeit des porösen Kohlenstoffmaterials entlang der Richtung der Dicke durch Hinzufügen der kohlenstoffhaltigen Partikel zu dem Ausgangsmaterial für die Formgebung weiter zu verbessern, wodurch die Orientierung der Fasern verbessert wird.
Als ein Ergebnis kann ein Elektrodensubstrat mit ausgezeichneten Eigenschaften zur Verwendung in einer Brennstoffzelle leicht hergestellt werden.
Im folgenden wird eine Beschreibung mit Bezug auf Beispiele durchgeführt, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Beispiele beschränkt, soweit sie innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche der vorliegenden Erfindung liegt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht für eine bevorzugte Ausführungsform eines flachen plattenartigen mit Rippen versehenen. porösen Kohlenstoffmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 ist eine erläuternde Ansicht, die schematisch die Orientierung der Fasern in einem Querschnitt entlang der Linie II-II aus Fig. 1 darstellt, und Fig. 3 ist eine erklärende Ansicht, die schematisch die Orientierung der Fasern in einem Querschnitt entlang der Linien III-III aus Fig. 2 darstellt.

Beispiel

Vor der Beschreibung der Beispiele werden zuerste Meßverfahren gezeigt.

(Meßverfahren)

(1) Faserdurchmesser für kohlenstoffhaltige Fasern:
Gemessen durch ein Meßmikroskop
(2) Faserlänge für kohlenstoffhaltige Fasern:
Bestimmt durch tatsächliche Messung der Faserlänge der Kohlefasern in einer mikroskopischen Fotographie (bei bekanntem Vergrößerungsverhältnis) und Ausgleichen durch das Vergrößerungsverhältnis.
(3) Korngröße der kohlenstoffhaltigen Partikel und des Poren einstellenden Materials:
Gemessen durch eine Korngrößenverteilungsmeßeinrichtung durch ein Zentrifugalausfällverfahren.
(4) Schmelzpunkt von Phenolharz:
Gemäß der JIS K 6910
(5) Gelierzeit von Phenolharz:
Gemäß JIS K 6910
(6) Verkohlungsergiebigkeit des Bindemittels und Poreneinstellmaterials:
Gemäß JIS M 8812
(7) Schmelzflußrate des thermoplastischen Kunstharzes:
Gemäß JIS K 7210
(8) Biegefestigkeit für mit Rippen versehenes poröses Kohlenstoffmaterial 1: Fsp
Gemäß JIS K 6911. Das kohlenstoffhaltige Material 1 als Probe wurde so eingesetzt, daß es parallel mit dem Rippenteil 2, wie in der Zeichnung gezeigt, gebogen wurde, und die Dicke der Probe beim Berechnen der Festigkeit wird als eine Dicke definiert, den Rippenteil 2 nicht enthält.
(9) Biegefestigkeit des Mattenteils 3 des mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterials 1 (entlang der Richtung senkrecht zu dem Rippenteil 2): FST
Der Rippenteil 2 des mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterials 1 wurde durch Abschneiden entfernt, um eine flache plattenartige Probe zu gewinnen, die nur aus dem Mattenteil 3 besteht. Die Probe wurde so eingestellt, daß sie entlang der Richtung senkrecht zu dem Rippenteil 2 gebogen wird, und die Messung erfolgte gemäß JIS K 6911.
(10) Spezifischer elektrischer Widerstand des mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterials 1:
Eine Abdruckmasse bzw. plastische Masse wurde in die Nuten bzw. Rillen 4 des mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterials 1, wie in den Zeichnungen gezeigt, gefüllt, so daß es auf gleicher Höhe mit dem Rippenteil 2 ist, und das mit Rippen versehene poröse Material 1 wurde zwischen zwei Quecksilberelektroden senkrecht in Fig. 1 gelegt. Ein Gleichstrom E (mV) wurde zwischen die Quecksilberelektroden angelegt und der durch sie fließende Strom I (A) wurde gemessen. Der spezifische elektrische Widerstand wurde durch die folgende Zeichnung bestimmt, während die Dicke des mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterials 1, das den Rippenteil 2 enthält, als t (cm) und der Bereich bzw. die Fläche des Kontakts des Rippenteils 2 mit der Quecksilberelektrode als S (cm&sub2;) angenommen wurde:
Spezifischer elektrischer Widerstand (mΩ.cm) = E.S/I.t
11) Elektrischer Widerstand des mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterials 1 in Richtung der Dicke: R. Es wurde auf gleiche Weise wie in (10) durch die folgende Gleichung bestimmt:
Elektrischer Widerstand (mΩ) = E/I
(12) Spezifischer elektrischer Widerstand des mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterials 1 in dem Mattenteil 3: pW, pWT, pWP
Eine flache plattenartige Probe, die nur aus dem Mattenteil 3 besteht, wurde durch das gleiche Verfahren wie in (9) oben gewonnen. Der spezifische elektrische Widerstand wurde für die Probe gemessen.
Der spezifische elektrische Widerstand in der Richtung der Dicke wurde auf die gleiche Weise wie in (10) oben ohne Verwendung eines plastischen Füllmittels gewonnen (pW) Der spezifische elektrische Widerstand in der Richtung der Ebene wurde gemäß JIS R 7202 gemessen (pWT, pWP).
(13) Wärmeleitfähigkeit des mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterials 1:
Das poröse Kohlenstoffmaterial 1 wurde zwischen Kupferplatten gelegt und es wurde ein Temperaturgradient eingegeben, so daß bewirkt wurde, daß eine konstante Wärmemenge in einen stationären Zustand fließt (Q: Kcal/h).
Die Temperaturdifferenz Δ T (ºC) zwischen beiden Oberflächen des mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterials 1 wurde gemessen, Wenn die Kontaktfläche der Oberfläche des mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterials 1 nicht den Rippenteil 2 (eine Oberfläche des Mattenteils 3) hat, mit der Kupferplatte als S (m²) und der Dicke des porösen Kohlenstoffmaterials 1, das den Rippenteil 2 umfaßt, als t (m), wurde die Wärmeleitfähigkeit gemäß der folgenden Gleichung bestimmt:
Wärmeleitfähigkeit (kcal/m.h. ºC) = Q.t/S.ΔT
(14) Gasdurchlässigkeit des mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterials 1:
Ein Napf bzw. eine Manschette von 80 mm Durchmesser (Gasdurchtrittsfläche S: cm²) wurde auf eine Oberfläche des Mattenteils 3 gelegt, die nicht den Rippenteil 2 hat. Es wurde bewirkt, daß Luft mit einer konstanten Flußrate V (ml/h) fließt und die Druckdifferenz Δ P (mmAq) zwischen beiden Flächen der Probe wurde gemessen, um die Gaspermeabilität gemäß der folgenden Gleichung zu bestimmen:
Gaspermeabilität (ml/cm² . h. mmAq) = V/S.ΔP

Beispiel-1

Nach gleichmäßigem Mischen in einem Drehflügelmischer wurden 2 Gewichtsteile von Stearinsäure auf 100 Gewichtsteile von Ausgangsmaterial hinzugegeben, das aufweist:
Kurze Kohlefasern aus einem Erdölpech als das Ausgangsmaterial, die bei 900ºC als kohlenstoffhaltige Fasern gebrannt wurden:
durchschnittlicher Durchmesser von 14 um,
durchschnittliche Faserlänge von 0,4 mm 10 Gew.-%
Kohlepechkoks als die kohlenstoffhaltigen Partikel:
durchschnittliche Korngröße von 20 um 20 Gew.-%
Pulverförmiges Phenolharz vom Novolac- typ als Bindemittel:
Schmelzpunkt bei 81ºC,
Gelierzeit von 1,2 min/150ºC,
Verkohlungsrate von 54 Gew.-% 35 Gew.-%
Ethylen-Vinylacetat-Copolymerharz als ein flußverbesserndes Material:
Viniyacetatanteil von 19 Gew.-%,
Schmelzflußrate von 150 g/10 min (190/2.16) 12 Gew.-%
Polyethylenharz als das Poren einstellende Material:
Schmelzpunkt bei 120ºC,
mittlere Korngröße von 80 um 8 Gew.-%
Polymethylmethacrylatharz als das Poren einstellende Material:
Aufweichpunkt bei 170ºC,
mittlere Korngröße von 80 um 15 Gew.-%
Die Bestandteile wurden in einer Knetvorrichtung vom Extrudertyp bei einer Temperatur von 100ºC für 5 Minuten geknetet und dann extrudiert, um zylindrische Pellets mit einem Durchmesser von 3 mm auszubilden. Dann wurden die Pellets zu einem Extruder zugeführt, der eine Überzugshängedüse mit einem Schraubendurchmesser von 90 mm und einem Schrauben-Längen/ Durchmesser-Verhältnis (L/D) von 24 aufweist, und bei einer Temperatur von 100ºC und einer Extrusionsrate von 40 kg/h in eine flache Form von 1,3 mm Dicke und 650 mm Breite extrudiert. Die Temperatur in dem Knetteil war 110ºC und die Standzeit war 6 Minuten. Dann wurde die extrudierte flache Platte mit einem 650 mm-Abstand geschnitten und gelangte durch eine Vorhärt-Ofen, der bei 145 bis 160ºC gehalten wurde, um eine Vorhärtung durchzuführen, und anschließend wurde die flache Platte in eine Preßform eingegeben, die eine obere Form mit einer flachen Oberfläche und eine untere Form mit Nuten jeweils von rechteckigem Querschnitt von 1,2 mm Tiefe und 1 mm Breite in paralleler Anordnung ausgerichtet aufwies, wobei der Abstand zwischen den Mittelpunkten beider Nuten 2 mm ist, und bei einer Temperatur von 160ºC gehalten, so daß die Nuten der Preßform, insbesondere die Längsrichtung der Nuten in der Preßform senkrecht zu der Extrudierrichtung der flachen Platte war, und sie wurde unter einem Druck von 50 kg/cm² für 3 Minuten gepreßt, um einen gerippten Teil 2 zu präparieren. Das geformte Produkt wurde aus der Preßform genommen, und in einer Stickstoffatmophäre wurde eine Temperatur von 150ºC bis 500ºC für 10 Stunden beibehalten, um ein Vorbrennen zusammen mit einer Nachhärtung durchzuführen. Die vorgebrannten Produkte wurden zwischen Graphitplatten bei einem Verhältnis von 20 Scheiben des Produkts pro 1 Scheibe der Graphitplatte von 10 mm Dicke gelegt und bei eienr Temperatur von bis 2000ºC für 30 Stunden in einem Vakuumofen gebrannt, um ein mit Rippen versehenes poröses Kohlenstoffmaterial 1 herzustellen, wie in Fig. 1, Vergleichsbeispiel 1 gezeigt.
Das mit Rippen versehene poröse Kohlenstoffmaterial wurde auf die gleiche Weise wie in dem Beispiel hergestellt, außer daß der Rippenteil parallel mit der Extrudierrichtung der flachen Platte ausgebildet wurde.

Beispiel-2

Eine Mischung, die durch Addieren von 3 Gewichtsteilen Stearinsäure auf 100 Gewichtsteile von Ausgangsmaterial für die Formgebung bereitet wurde, weist auf:
Kohlenstoffhaltige Fasern, die durch Oxidierung von Erdölpechfäden zum Unschmelzbarmachen präpariert wurden und dann bei 600ºC gebrannt wurden (mittlerer Durchmesser von 12,5 um, mittlere Faserlänge von 1 mm) 38 Gew.-%
Im Beispiel 1 verwendetes Phenolharz 25 Gew.-%
Ethylen-Vinylacetat-Copolymerharz, wie in Beispiel 1 verwendet 37 Gew.-% wurde mit den gleichen Verfahren wie diejenigen in Beispiel 1 behandelt, um ein flaches plattenartiges mit Rippen versehenes poröses Kohlenstoffmaterial 1 herzustellen.

Vergleichsbeispiel-2

Ein flaches plattenartiges poröses Kohlenstoffmaterial ohne Rippen wurde mit den gleichen Verfahren wie diejenigen in Beispiel 2 hergestellt, außer daß eine Form verwendet wurde, die eine obere Form und eine untere Form aufwies, die beide flach waren. Rippenteile wurden parallel zu der Extrudierrichtung durch ein Schneidverfahren hergestellt, um die gleiche Dimension wie diejenige des flachen plattenartigen mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterials 1 im Beispiel 2 zu haben, um ein mit Rippen versehenes poröses Kohlenstoffmaterial herzustellen.
Charakteristische Werte, die für jedes der mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterialien gewonnen wurden, sind in Tabelle 1 enthalten.
Wie daraus ersichtlich, kann gesagt werden, daß bei dem mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterial 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, wie schematisch in Fig. 1 bis 3 gezeigt, die Kohlefasern 5 in dem Rippenteil 2 entlang der Richtung A orientiert sind, die die Richtung entlang der Dicke des Plattenteils 3 ist, während sie in dem Mattenteil 3 entlang der Richtung B orientiert sind, die die Richtung entlang der Ebene des Mattenteils 3 und entlang der Richtung senkrecht zu dem Rippenteil 2 ist. Tabelle 1 Beispiel Vergleichsbeispiel spezifischer elektrischer Widerstand des mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterials (mΩ.cm) des Mattenteils in der Richtung senkrecht zu dem Rippenteil: pWT (mΩ.cm) anisotropes Verhältnis des spezifischen elektrischen Widerstands in dem Mattenteil innerhalb der Ebene: pWP/pWT der Dicke: pW (mΩ.cm) Verhältnis des elektrischen Widerstandes zwischen dem Mattenteil und dem Rippenteil: γ Wärmeleitfähigkeit (kcal/m.h.ºC) Biegefestigkeit FSP(kg/cm²) der Biegefestigkeit: Gaspermeabilität (ml/cm².h.mmAq)

Claims

1. Ein mit Rippen versehenes poröses Kohlenstoffmaterial, das Kohlefasern enthält und einen Rippenteil und einen Mattenteil aufweist, wobei die Kohlefasern in dem Mattenteil entlang einer Richtung einer Ebene des Mattenteils und entlang einer Richtung senkrecht zu dem Rippenteil orientiert sind.

2. Ein mit Rippen versehenes poröses Kohlenstoffmaterial nach Anspruch 1, wobei die Kohlefasern in dem Rippenteil entlang einer Richtung einer Dicke des Mattenteils orientiert sind.

3. Ein mit Rippen versehenes poröses Kohlenstoffmaterial nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein spezifischer elektrischer Widerstand des Mattenteils entlang einer Richtung einer Dicke des Mattenteils nicht größer als 40 mΩ.cm ist.

4. Ein mit Rippen versehenes poröses Kohlenstoffmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Verhältnis eines spezifischen elektrischen Widerstands des Mattenteils entlang einer Richtung einer Dicke des Mattenteils zu einem spezifischen elektrischen Widerstand des Rippenteils entlang einer Richtung einer Höhe des Rippenteils nicht kleiner als 1,2 ist.

5. Ein mit Rippen versehenes poröses Kohlenstoffmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Verhältnis einer Biegefestigkeit des Mattenteils entlang einer Richtung parallel zu dem Rippenteil zu einer Biegefestigkeit des Mattenteils entlang einer Richtung senkrecht zu dem Rippenteil in dem Bereich von 1,2 bis 10 liegt.

6. Ein mit Rippen versehenes poröses Kohlenstoffmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Rippenteil und der Mattenteil zu einem einteiligen geformten Produkt integriert sind.

7. Ein Verfahren zum Herstellen eines porösen Kohlenstoffmaterials, welches die Schritte aufweist des Extrudierens eines Ausgangsmaterials für die Formung, das kohlenstoffhaltige Fasern und ein Bindemittel enthält, in einen 5 flachen plattenförmigen Zustand, anschließendes Ausbilden eines Rippenteils zu einem extrudierten geformten Produkt entlang einer Richtung senkrecht zu einer Extruderrichtung und nachfolgendes Glühen bzw. Brennen der Teile.

8. Ein Verfahren zum Herstellen eines mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterials nach Anspruch 7, wobei der Rippenteil durch Walzen oder Preßformen zu dem geformten Produkt ausgebildet wird.

9. Ein Verfahren zum Herstellen eines mit Rippen versehenen porösen Kohlenstoffmaterials nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Startmaterial für die Formung weiterhin kohlenstoffhaltige Partikel mit einer Korngröße von 5 bis 50 um enthält.