JPS627618A - 炭素−黒鉛構成要素用の前駆物質シ−ト構造、炭素−黒鉛構成要素及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、燃料電池発電プラントのような電気化学的電
池に使用される形式の炭素−黒鉛構成要素に係る。本発
明はリン＃、燃料電池発電プラントの分野で使用するた
めに開発されたが、本発明は、炭素−黒鉛構成要素を使
用する分野のいずれにも応用され得る。

発明の背景 燃料電池発電プラントは一つ又はそれ以上の電気化学的
電池のなかで燃料及び酸化剤を電気化学的に消貸するこ
とにより電力を発生する。酸化剤は純酸素又は空気のよ
うな酸素を含む気体の混合物であってよい、燃料は水素
であってよい。

各燃料電池は一般に、燃料に対する負極（ａｎｏｄｅｅ
ｌｅｃｔｒｏｄｅ）及び酸化剤に対する正極（ｃａｔｈ
ｏｄｅ　ｅＩｅｃＬｒｏｄｅ）のような気体を受は入れ
るための電極を有する。電解質で飽和されたマトリック
スが電極の間に配置されている。各電橋は電解質マトリ
ックスのほうを向いた側に配置されている触媒層を有す
るサブストレートを含んでいる。サブストレートの他方
の側の電解質リザーバ板が小さい孔を通じてサブストレ
ートに電解質を供給し得る。

これらの電解質リザーバ板は負極への気体状燃料又は正
極への気体状酸化剤のような反応気体を運ぶためサブス
トレートの後に溝又は通路を存し得る。例えば、これら
の溝は電解質リザーバ板のサブストレート側の平行リブ
の間を延びていてよい、他の受容可能な構造は電解質リ
ザーバ板として且つ咳板のセパレーター側に溝を有する
電極サブストレートとして電極サブストレートを有する
構造である。電解質リザーバ板の他方の側のセパレータ
ー板は電解質の損失を防ぐバリヤーを形成し、また隣接
セル内の燃料及び酸化剤の混合を阻止する。

一般に、燃料電池及びセパレーター板のスタックが電気
化学的反応を行うのに使用される。電気化学的反応の結
果として、燃料電池スタックは電力、反応生成物及び廃
熱を発生する。冷却システムが燃料電池スタックから廃
熱を除去するため該スタックを通って延びている。冷却
システムは冷却材とスタック内に配置されている冷却材
導管とを有する。熱は冷却器ホルダーにより燃料電池か
ら導管へ、また導管から冷却材へ伝達される。

冷却器ホルダーは電気的且つ熱的に伝導性でなければな
らず、また気体に対して透過性であってよい。このよう
な冷却器ホルダーの一例は“燃料電池スタック用の多孔
性冷却材チューブホルダー”という名称の米国特許第４
．２４５，００９号明ｍ書に示されている０代替的に、
冷却器ホルダーは気体に対して不透過性であってもよい
、このような冷却器ホルダーの一例は“リン酸熱伝達材
料”という名称の米国特許第３，９９０．９１３号明細
書に示されている。この場合、冷却器ホルダーは冷却器
ホルダー及びセパレーター板の二重機能を有する。

セパレーター板は杉板の一方の側に配置されている水素
のような燃料ガスと杉板の他方の側に配置されている空
気のような酸化剤との混合を阻止する。従って、セパレ
ーター板は水素のような気体に対して高度に不透過性で
あり、また燃料電池スタックを通じて電流を通すべく電
気的に高度に伝導性である。加えて、セパレーター板は
燃料電池内に使用される電解質により形成される腐食性
の高い雰囲気を許容しなければならない。このような電
解質の一例は高温のリン酸である。加えて、セパレータ
ー板は冷却器ホルダーと同様に特に、セパレーター板が
ひび割れ又は破壊せずに高圧負荷、雌雄結合する構成要
素の熱膨張の差及び種々の熱サイクルに耐える能力の尺
度である曲げ強度が強くなければならない。

電気化学的電池用のセパレーター板の製造方法の一例は
米国特許第４，３６０，４８５号明細書に示されており
、その内容を参照によりここに組入れたものとする。こ
の方法では、セパレーター板は、好ましくは５０％の高
純度の黒鉛粉末及び５０％の炭化可能な熱硬化性フェノ
ール樹脂をモールドし、次いで黒鉛化することにより形
成される。特に上記明細書には、適当な樹脂及び黒鉛粉
末の良く混合された混合物の形成について説明されてい
る。混合物は次いでモールド内に分配される。モールド
は、樹脂を融解させ且つ部分的に硬化させるべく、また
板を形成するべく圧力及び温度のもとに圧縮される。

電解質リザーバ坂及び電極サブストレートのような電解
質リザーバ層はセパレーク板用のものとは異なる必要条
件を有する。これらの層又は板は燃料電池作動中の電解
質の体積変化に順応する。

このような電解質リザーバ層の例は本願の譲受人と同一
の譲受人に譲渡された米国特許第３，７７９，８１１号
、第３．９０５，８３２号、第４．０３５．５５１号、
第４，０３８．４６３号、第４　、０６４　、２０７号
、第４，０８０，４１３号、第４．０６４，３２２号、
第４．１８５．１４５号及び第４．３７４．９０６号明
ＩＩｗに示されている。これらの特許のいくつかはサブ
ストレートとしての電解質リザーバ層を示している。こ
れらのサブストレートはいくつかの機能上の必要条件を
満足する０例えば、サブストレートは触媒層に対する支
えを形成し、また気体状反応物を触媒層に通すための手
段を形成する。またサブストレートは、単独で又は電解
質リザーバ板と組合わさって、燃料電池の作動条件の変
化又は電解質の蒸発に起因する酸体積の変化に順応する
べく電解質貯蔵リザーバを形成する。サブストレートの
縁はしばしば、燃料電池からの反応ガス及び電解質の逃
げを阻止するべく湿潤シールとして機能することを必要
とされる。上記の必要条件に加えて、サブストレートは
良好な電気的伝導体且つ良好な熱的伝導体でなければな
らず、また適当な構造的強度及び長い寿命を有していな
ければならない。

リン酸電解質燃料電池内のりザーバ層として一般に使用
される一つの材料は、フェノール樹脂のような樹脂で互
いに結合された炭素繊維から形成され、また樹脂及び炭
素繊維を黒鉛に転換するべく加熱される。代替的に、炭
素又は黒鉛繊維が、炭化水素を炭素及び水素に分解させ
る条件のもとに成る量の繊維を分解可能な炭化水素雰囲
気（例えばメタン）内に五くことにより、熱分解によっ
て作られる黒鉛で互いに結合され得る。炭素（いまはピ
ロリチック黒鉛）が繊維の上にデポジットする。これら
の二つの材料は商業的に入手可能であり、一般にカーボ
ン紙と呼ばれている。

水酸化カリウム燃料電池のような燃料電池内に使用する
ことが示唆されている他の材料は、本願の譲受人と同一
の譲受人に譲渡された“多孔性炭素から成る燃料電池電
極サブストレート及びその製造方法”という名称の米国
特許第４　、０６４　、２０７号明細書に説明されてい
る。この明細書には、炭素繊維を形成するべ（熱分解さ
れ得るフィラメント形態で入手可能な任意の高価でない
材料からサブストレートを製造することが示唆されてい
る。このようなフィラメントの例はアクリロニトリル重
合体から成るフィラメント及びレーヨンのような天然発
生セルロース繊維から成るフィラメントである。炭化可
能なフィラメントは繊維をフェルト状にするべく平らな
支えの上に均等に分配される、その後に樹脂結合材が典
型的に吹付けにより着装される。その後に、フェルトは
加熱により熱分解を受ける。

電極及び電解質リザーバ板肉の不透過性の板及びリザー
バのような構成要素を形成するための多くの方法が存在
するけれども、科学技術者は高速で量産に向いたこれら
の構成要素の材料及びその製造方法を開発するべく努め
ている。

発明の開示 本発明によれば、電気化学的電池内に使用するための炭
素−黒鉛構成要素がセルロース繊維、高純度の黒鉛及び
炭化可能な樹脂から形成される。

本発明は部分的に、新しい高速の紙製造を可能にするセ
ルロース繊維の有利な性質が電気化学的電池用の炭素−
黒鉛構成要素の製造に特に有利であるという！！！識に
基づいている。

ここで、セルロース繊維とは紙製造に適した形式のセル
ロース繊維を意味し、ビータ−又は精砕機内で繊維を機
械的に処理することにより精砕されるパルプ化及び漂白
操作から得られるような一般に変性されないセルロース
繊維である。セルロース繊維の機械的精砕はＭｃＧｒａ
ｗ−旧１１の科学技術百科辞典（Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄ
ｉａ　ｏｆ　５ｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌ
ｏｇｙ）　（第５版、１９８２年）に記載されているよ
うにセルロースパルプ繊維の分離、破砕、はぐし、フィ
ブリル化及び切断を含んでおり、その記載内容を参照に
よりここに組入れたものとする６機械的精砕の結果とし
て、繊維は水を吸収して膨清し、一層曲がりやすく且つ
一層しなやかになる。

乾燥時に互いに結合する能力は部分的に繊維表面の変態
によって、また部分的に新しい表面積の生成によって大
きく強化される。このようなセルロース繊維は紙製造に
通していないレーヨン又はアセテートのようなセルロー
ス繊維を含んでいない。

本発明によれば、電気化学的電池内で使用するのに適し
た炭素−黒鉛構成要素の製造方法は、セルロース繊維、
高純度の黒鉛粒子及び炭化可能な熱硬化性樹脂から成る
シート構造を形成する過程と、セルロース繊維及び樹脂
を炭化するべく第一の温度範囲にシート構造を加熱する
過程と、炭化されたセルロース繊維及び樹脂を黒鉛化す
るべく第二の温度範囲にシート構造を加熱する過程とを
含んでいる。

本発明の主要な特徴は、セルロース繊維が純化された黒
鉛及び炭化可能な熱硬化性樹脂の混合物内に存在するこ
とである。他の特徴は、主繊維からフック状に延びてい
るフィブリルを有するセルロース繊維の構造である。偽
の特徴は、セルロース繊維が、水性懸濁物から乾燥され
る時に互いに結合する傾向を有することである。他の特
徴は、純化された黒鉛が混合物中に配置されていること
である。

本発明の主要な利点は、セルロース繊維が黒鉛粒子を支
え且つ置き得るので、また他のセルロース繊維に結合し
得るので、電気化学的電池用のシート構造を製造するの
に新しい紙形成技術を使用し得ることである。他の利点
は、溶液中の樹脂がフィブリル及びミクロフィブリルに
より形成される多くの接触点に選択的に移行し、またこ
れらの個所でデポジットするので、仕上げられた構造の
強度及び均等性が優れていることである。一つの利点は
、炭化された（ｌ脂が炭化されたセルロース繊維を、ま
たもし存在するならば炭素粒子を互いに結合するので、
炭化後の構造が剛固であることである。一つの利点は、
黒鉛が存在するので、そり及び収縮が減少すること、ま
た電気的、機械的及び熱的性質が向上することである。

本発明の上記の特徴及び利点は以下に本発明の最良の実
施態様を図面により詳細に説明するなかで一層明らかに
なろう。

発明を実施するための最良の形態 図面は燃料電池スタック６の一部分の断面図である。燃
料電池スタックは燃料電池８により表されているような
一つ又はそれ以上の燃料電池と単一の冷却器ホルダーｌ
Ｏにより表されているような冷却器ホルダーとを含んで
おり、冷却器ホルダーは燃料電池の組の間に間隔をおい
て配置されている。冷却器ホルダーは冷却材を導く導管
を受は入れるべ（構成されている。

各燃料電池は負極１４と正極１６との間に配置された電
解質保持マトリックス１２を含んでいる、図示されてい
る特定の燃料電池は電解質としてリン酸を使用している
。電解質リザーバ板１８が負極に隣接しており、また電
解質リザーバ板２０が正極に隣接している０代替的な構
造では、電解質リザーバ板が気体セパレータ板により置
換されていてよい。

負極１４は触媒層２２及び多孔性リザーバ層２４を有す
る。触媒層はリザーバ層に結合されており、またポリテ
トラフルオロエチレンのような疎水性の材料により互い
に結合された触媒粒子から成っている。この実施σすに
於けるリザーバ層は、触媒層を支えているので、電極サ
ブストレートでもある。

多孔性の電解質リザーバ板１８はリブ２６及び縁部分２
８を有する。リブは間隔をおかれており、それらの間に
燃料に対する通路を残している。

水素のような適当な燃料がリザーバ層と電解質リザーバ
板との間の通路２９を通して、またそこから触媒層２２
へ流される。

燃料電池内の電解質の運動は毛管力を生ずる多孔性構造
の三管特性の結果として起こる。孔が小さいほど、毛管
力は大きく、また液体保持能力は大きい。マトリックス
１２と電解質リザーバ坂１８及びリザーバＪｉｔ２４と
の間の電解質移動は直接に、部分的に親水性である触媒
Ｊｉｉ２２の孔を通じて生ずる。触媒層はこの液体移動
を助ける孔を有していてよい。

この燃料電池の例では、正極１６はリザーバ層３０及び
触媒層３２をも有する。触媒層はリザーバ１ｉ３２に結
合されている。多（の応用では、リザーバ層は燃料電池
の唯一つの側に設けられていてよい。

負極に隣接する電解質リザーバ板１８と同様に、正極に
隣接する電解質リザーバ板２０は単一のリブ３４により
表されているような複数個のリブを有し、これらのリブ
は酸化剤に対する通路３８を郭定するべく間隔をおかれ
ている。これらの通路は通路２９に対してほぼ垂直に延
びている。空気中に含まれている酸素のような酸化剤は
リザーバ層と電解質リザーバ板との間のこれらの通路を
通して、またそこからリザーバ層を通して触媒層へ流さ
れる。

縁部分４０ａを有するセパレーター板３９ａ及び縁部分
４Ｑｂを有するセパレーター板３９ｂが隣接する燃料電
池を隔てるために使用されている、セパレーター板は、
通路２９に沿って流される水素が通路３８に沿って流さ
れる空気中の酸素と混合するのを阻止する。セパレータ
ー板は水素のような気体に対して高度に不透過性であり
、またスタックに沿う電子の流れを可能にするべく電気
的に高度に伝導性である。またセパレーター板は燃料電
池内のりザーバ層からの電解質の漏洩を閉塞する。

−この例では、リザーバ層はそれぞれ周縁シール部分を
有する０例えば、リザーバ層２４は周縁シール部分４１
を有し、リザーバ層３０は周縁シール部分４２を有し、
また電解質リザーバ板の縁部分２８及び３６は周縁シー
ル部分である。これらの量線シール部分は、マトリック
ス１２が電解質で満たされているかぎりこれらの部分の
全体積がほぼ完全に電解質で満たされている状態に留ま
るように、マトリックス１２の材料のような材料で含浸
されている。それにより液体シールが上側気体セパレー
ター板の縁部分４０ａと下側気体セパレーター板の縁部
分４０ｂとの間のシール部分のサンドインチ配置により
形成される。これらの液体シールは表面４５．４６．４
８．５０．５２及び５４に於いて形成される。これは、
本願の譲受人と同一の譲受人に譲渡された“液体電解質
燃料電池用の湿潤シール”という名称の米国特許第３゜
８６７、２０６号明細書に記載されている仕方で行われ
得る。

図示されているように、電気化学的電池を形成する構成
要素は特定の用途に適するような形態にモールド又は加
工された板状の構造である。

不透過性の冷却器ホルダー及び電極サブストレートは紙
の製造に使用されている形式の量産技術を使用して成功
裡に製造されてきた。一つのアプローチは、ニューヨー
ク州トロイ所在のベンディックス・カンパニーから入手
可能なりｅｎｄｉｘ　Ｖ１１２９のようなセルロース繊
維、黒鉛粒子及び炭化可能且つ水分散可能な熱硬化性樹
脂の混合物を形成することである。混合物は機械的に、
又はスラリーの形態でほぼセルロース繊維、純化された
黒鉛粉末及びフェノール樹脂から成る希薄な水性懸濁物
を形成することにより形成され得る。他の炭化可能な樹
脂のような特定の湿潤強度結合剤及びｐＨ緩衝剤が、混
合物の基本的な性質を変更しない程度の少量で存在して
よい。

懸濁物が形成された後に、懸濁物のｐＨが、水からセル
ロース繊維及び炭素粒子上へ樹脂を均等に沈澱させるべ
く調節される。セルロース繊維の構造は、懸濁物内に樹
脂と共に使用される時、特に有利である。セルロース繊
維は光学顕微鏡下で見ることができる微細なフィブリル
を有する。電子顕微鏡によれば、フィブリルが一層微細
なミクロフィブリル又はミセルストリングから成ってい
ることが示される。ミクロフィブリルは、クリスタライ
ト又はミセルと呼ばれる結晶性領域を形成するように整
然と配列されている多数のほぼ平行なセルロース繊維分
子から成るものと考えられている。加えて、あまり整然
と配列されていないセルロース繊維連鎖はもつれさせら
れ得る。これらのフィブリル又はミクロフィブリルの相
互間及びそれらと黒鉛粒子との間の多くの接触点は懸濁
された樹脂を選択的に吸引し、また樹脂を多くの接触点
に選択的に移行させ、またこれらの個所にデポジットさ
せる。その結果として、樹脂と黒鉛粒子及びセルロース
繊維とが均等に分散する。

セルロース繊維、黒鉛粒子及びデボジフトされた樹脂の
懸濁物を形成した後、新しい紙形成技術がシート構造を
形成するべく使用され得る。これらの技術はハルバーン
（Ｉｌａｌｐｅｒｎ）著“紙製造（Ｐａｐｅｒ　Ｍａｎ
ｕｆａｃｔｕｒｅ）　　”　　（ノイエス出版（Ｎｏｙ
ｅｓ　Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ）　１９７５年）及びレー
バー（Ｌｏｅｂｅｒ）著“イー・ジェイ・ラバレ（Ｅ、
Ｊ、Ｌａｂａｒｒｅ）の紙及び紙製造の辞書及び百科辞
典への補遺（Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ　ｔｏ　Ｅ、Ｊ、Ｌ
ａｂａｒｒｅ’ｓ　Ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙ　ａｎｄ　Ｅ
ｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ　ｏｆＰａｐｅｒ　ａｎｄ　Ｐ
ａｐｅｒａ＋ａｋｉｎｇ　”　（スウエツ８パブリッシ
ング・サービス（Ｓｉｖｅｒｓ　Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ
　５ｅｒｖｆｃｅ）、ニューコーク州しウィストン所在
のスウェツ・ノース・アメリカ（Ｓｗｅｔｓ　Ｎｏｒｔ
ｈ　Ａｍｅｒｉｃａ）より配付、ｌ５ＢＮ　９Ｏ−２６
５−１００３８−６）に記載されている形式のものであ
り、その内容を参照符号によりここに組入れたものとす
る。このような技術では、スラリーは典型的に移動する
連続ワイアベルト又はスクリーンの上に又は代替的に一
連の回転シリンダフィルタの上にデポジットされる。シ
リンダ又はスクリーンはスラリーを受入れ、スラリーか
ら水を分離し、また湿潤シートを形成する。湿潤シート
はベルトスクリーン又はフィルタから連続的に除去され
、また自動的に支持紡毛フェルト又は他の手段により次
の個所へ送られる０次の個所でシートは、一層厚い積層
されたシート又はボードを形成するべく隣接機械からの
他の湿潤シートに接合され得る。湿潤シートは水を除去
するべく一連のロールを通して運ばれる。水は成る程度
まで機械的に押し出され、また残りの水はシートが一連
の蒸気加熱された円筒状ドライアの上を通過するにつれ
て蒸発により除去される。

部分的に乾燥された前駆物質シートは、熱硬化性の炭化
可能な樹脂が完全には硬化されていないので、可撓性で
ある。炭化に先だって、前駆物質シートはそのまま使用
されてもよいし、樹脂を部分的又は完全に硬化させるべ
くモールディング及び加熱により圧縮されてもよい。

純化された黒鉛粒子は黒鉛粉末の形態でシート内に配置
される。非常に高い純度の黒鉛が満足な構成要素を得る
上で臨界的である。不純物は、熔融し、蒸発し、分解し
又は炭素、（樹脂が分解するにつれて）樹脂もしくは炭
化された樹脂と相互作用する炭素以外の任意の材料、又
は板の炭化又は黒鉛化の間に燃焼する炭素以外の任意の
材料である。これらの形式の不純物はボイド又は仕上げ
られた板を貫くピンホールを生ぜしめる。不純物は、燃
料電池環境と化学的及び電気的に適合せず、従って電解
質及び究極的に燃料電池触媒の一層高い腐食速度及び汚
染の原因となるような構成要素内に残留する外来材料で
もあり得る。最も有害な不純物は鉛、銅、ビスマス、銀
、カドミウム、水銀及びヒ素である。これらの不純物の
全量は約１１００ｐｐを越えてはならず、２０ｐｐｍ以
下であることが好ましい、上記の不純物はど有害ではな
い他の不純物はシリコン、鉄、ナトリウム及びカリ゛ウ
ムを含んでいる。黒鉛粉末中のすべての不純物の全量は
１５００ｐｐｍを越えてはならず・９００ｐｐｍ以下で
あることが好ましＧ゛・なぜ　　　　　　　　１ならば
、全量が多過ぎると、熱処理の間のこれら　　　　　　
　　ｉの不純物の揮発に起因して過度に多孔性の板が生
ずるからである。上記のことにかかわらず、不純物は約
２５４μｍよりも大きい粒子を含む量では許容され得な
い、なぜならば、これらの粒子は仕上げられた坂のなか
に大きな許容し得ない欠陥を惹起するからである。これ
らの性質は“電気化学的電池用の改良されたセパレータ
板の製造方法”という名称の米国特許第４．３６０．４
８５号明細書に記載されており、その内容を参照により
ここに組入　　　　　　　　　□れたものとする。

黒鉛粉末の使用はこの方法により製造される電極及び他
の構成要素に有利な性質を付与する。黒鉛の存在は燃焼
中のそり及び収縮を、黒鉛を含まないセルロース繊維フ
ェノール組成物で経験される値の半分以下に減少する。

加えて、燃焼欠陥に　　　　　　　　　、１゜起因する
スクラップロスが他の組成で経験されるスクラップロス
よりも少ない。電気的及び熱的性質が、炭素を含有しな
いセルロース繊維フェノール組成物と比較して高められ
ている。

前駆物質シート構造を製造するための新しい紙形成技術
の使用の間、セルロース繊維は炭素粉末（粒子）及び（
もし樹脂が機械的に混合されるならば）熱硬化性樹脂を
支え且つ置く重要な機能をする。またセルロース繊維は
互いに結合する傾向があり、熱硬化性樹脂の硬化に先立
つ操作の間に前駆物質に形状及び凝集力を与える。いく
つかの構造では、樹脂は、湿潤シートが液体除去された
シートから送られるにつれて噴霧又は浸漬により追加さ
れ得る。

不透過性の冷却器ホルダー又はセパレータ板の製造にあ
たっては、前駆物質シート構造は重量比で少なくとも２
０％ないし８０％の黒鉛を残りの組成物、セルロース繊
維もしくはほぼ等量のセルロース繊維及び炭化可能な熱
硬化性樹脂、と共に含んでいる。この範囲内で、重量比
で約３５％ないし４５％の黒鉛粉末を残りの重量比でほ
ぼ等量のセルロース繊維及び有機樹脂と共に含む前駆物
質シート構造が試験され、完全に満足であることが見出
された。量は、もし量の間の差が重量比で非炭素残余物
の１０％よりも小さいならば、はぼ等しいとみなされる
。

例 本ｍｉｓ受人の仕様による１　８６ｍ２を越える試料が
コネクチカット州、マンチェスター所在のリダル・イー
スタン・インコーボレイション（ＬｙｄａｌＩ　Ｅａｓ
ｙｅｒｎ＋Ｉｎｃ、）　　（コロニアル・ファイバ・デ
ィビジョン（Ｃｏｌｏｎｉａｌ　Ｆｉｂｅｒ　Ｄｉｖｉ
ｓｉｏｎ）　）により生産ランの間にこれらの通常の紙
形成技術により本願譲受人のために生産された。生産さ
れた材料はＬｙｄａｌｌ　　８１−８７と呼ばれ、また
二ニーシャーシー州アスバリ所在のアスバリ・グラファ
イト・コーポレイション（Ａｓｂｕｒｙ　Ｇｒａｐｈｉ
ｔｅ　Ｃｏｒｐ。

ｒａｔｉｏｎ）により製造されたＡ−９９黒鉛粉末を使
用している６本質的に、１００％のＡ−９９粉末が０．
０４５ｍｍふるいを通過し、また７０％が０゜０２０ｍ
ｍふるいを通過する。炭素粉末の粒子寸法は１９μｍか
ら４０μｍまでの範囲であり、これらの範囲外のわずか
な量を有し、また平均粒子寸法は２５ないし３０μｍで
ある。熱硬化性の炭化可能なフェノール樹脂が結合剤と
して使用された。満足と考えられる一つの樹脂はニュー
ヨーク州ナイアガラフォールス所在のライヒホールド・
ケミカルス（Ｒｅｉｃｈｈｏｌｄ　Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ
）の部門であるバキューム・ケミカル（νａｃｕｕｍ　
Ｃｈｅｍｉｃａｌ）から人。

手回能なＲｅ１ｃｈｈｏｌｄ　２４−６５５フエノール
樹脂である。化学的に等価な樹脂が使用されてよ（、特
定の＋Ｕ脂の使用は紙製造機械の特定の形式及び特定の
樹脂との製造者のなじみを考慮に入れて指定され得る。

セルロース繊維、高純度の黒鉛粒子及び部分的に硬化さ
れた炭化可能な熱硬化性フェノール樹脂を含む前駆物質
シート構造が所望の寸法に切断され、またモールド内に
置かれた。各前駆物質シートは２分間にわたり１６３°
Ｃの温度に保たれ、次いで２０．７　ｂ　ａ　ｒの圧力
で圧縮された０次いで温度が１０分以上の周期にわたり
２０４°Ｃに高められ、その際にシートは２０．７ｂａ
ｒ以下の圧力に保たれた。パーツは１４９°Ｃに冷却さ
れ、またプレスから除かれた。モールドされた前駆物質
シートはフェノール樹脂及びセルロース繊維を炭化させ
るべ（加熱された。典型的な炭化サイクルはシート構造
を周囲温度から１８５０°Ｆ（１０１０°Ｃ）へ３６時
間にわたり徐々に加熱することである。この徐々の加熱
は、炭化の間に発生されたガスが逃げるのを許すために
必要とされる、材料はこの温度に通常約６時間にわたり
保たれ、また７２時間までの周期にわたり徐々に周囲温
度まで冷却することを許される。加熱は未硬化の樹脂を
硬化させ、またセルロース繊維及び炭化可能な樹脂を炭
化させ、少なくとも３０％の樹脂及びセルロース繊維を
炭素に転換する。前駆物質シート構造が炭化された後、
炭化可能な樹脂が炭化されたセルロース繊維及び黒鉛粒
子を互いに結合して、シート構造にその構造的インテグ
リテイを保たしめる。

炭化の後、シート構造は、炭化サイクルの間に形成され
る炭素を黒鉛化するべく第一の温度範囲よりも高い第二
の温度範囲に加熱された。これは、例えば、シート構造
を周囲温度から５０００゜Ｆ（約２７６０°Ｃ）へ４８
時間の周期にわたり徐々に加熱することにより行われ得
る。不活性又は還元性雰囲気中でこの温度に高められた
後、シート構造は５００時間の周期にわたり周囲温度に
冷却された。特定の時間及び温度範囲は、時間の短縮を
許すべく温度を高めるように変更され得る。冷却時間は
実験室条件のもとに４８時間に短縮され得る。

前記のようにして製造された冷却器ホルダーはリン酸燃
料電池発電プラントに使用するための満足な冷却器ホル
ダーであるとみなされる。

仕上げられたセパレータ板は１５．２４ｃｍｘ１５．２
４ｃｍで厚みは０．３８ｃｍであった。セパレータ板は
下記の物理的特性を有した。３７ｂａｒのたわみ強度、
６．９０ｂａｒ及び１０７６．４Ａ／ｍ２に於いて０．
２６Ω−ｃｍの面に垂直な電気抵抗率、６．９０ｂａｒ
の圧縮耐力、１１３０ｍＶのしきい腐食電位、１９．５
６Ｋｃａ　１／ｈｏｕｒ　・ｍ／″Ｃの面に垂直な熱伝
導率及び０．６３ｇ／ｃｍ１の板密度。

例 重量比で約５ないし３５％の黒鉛粉末をセルロース繊維
とフェノール樹脂との間に等分された残余物と共に用い
る電極に対するサブストレートが同一の技術を使用して
本１Ｎ譲受人の仕様で形成された。詳細には、黒鉛粒子
は重量比で３５％の量で存在した。前駆物質はＬｙｄａ
ｌｌ　　８ｌ−１４８−２Ａと呼ばれた。電極前駆物質
シートは炭化に先立って圧縮硬化又は稠密化されなかっ
た、それは前記のように炭化且つ黒鉛化された。

その結果として得られたサブストレートは下記の特性を
有した−１２．０６ｂａｒのたわみ強度、９．７８Ｋｃ
ａ　Ｉ／ｈｏｕｒ−ｍ−”Ｃの面に垂直な熱伝導率、２
８μｍの平均孔寸法、１１００ｍＶの腐食電位及び０．
４１　ｇ　／　ｃ　ｍ　”の密度、このサブストレート
はその意図された環境でその意図された機能をした。孔
寸法は所望の寸法よりも小さがったが、２０ないし３０
μｍの所望の範囲内に入った。第１表はこのサブストレ
ートを使用して形成された燃料電池電極が満足に機能す
ることを示す。

第１表 ピーク及び最終性能の要約−Ｌｙｄａｌｌ　８１−１４
８性能の　性能　０２　Ｈ２内部　　０２時間　　（ｍ
Ｖ）　　利得　利得　抵抗　　活性ｈｒｓ、　　　　　
　ｍｌ／　　　ｍＶ　　９ｃｍ”ピーク　７６　　６３
８　　８０　　２３　２８　　３４．１終了　１１８０
　　６２１　　９１　　２４　２７　　２９．１変化　
　　　　　　　＋ｔｉ　　＋ｉ　　＋ｉ　　−ｓこの特
定の燃料電池は炭素の上にデポジットされた白金の触媒
を使用する５、０８　ｃｍＸ５．Ｑ　Ｂ　Ｃｍの試験電
池から形成された。試験電池は約１２００時間にわたり
運転された。第１表に示されているように、持続運転の
終了時に於ける出力は６２２ｍＶであった。ピーク性能
及び終了時に於いてなされた診断の比較により、両性能
損失が正常な限度内であることが示された。サブストレ
ート腐食損傷は標準試験条件への１０００時間の露出の
後にも検出されなかった。

以上に於ては本発明を特定の好ましい実施例について説
明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されるも
のではなく、本発明の範囲内にて種々の実施例が可能で
あることは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

図面はリザーバ層と冷却器ホルダーに隣接するセパレー
タ板とを含む電気化学的電池の横断面図である。 ６・・・燃料電池スタック、８・・・燃料電池、１０・
・・冷却器ホルダー、１１・・・導管、１２・・・電解
質保持マトリックス、１４・・・負極、１６・・・正極
、１８．２０・・・電解質リザーバ板、２２・・・触媒
層、２４・・・多孔性リザーバ層、２６・・・リブ、２
８・・・縁部分、２９・・・燃料通路、３０・・・リザ
ーバ層、３２・・・触媒層、３４・・・リブ、３８・・
・酸化剤通路、３９ａ、３９ｂ・・・セパレータ板、４
０ａ、４０ｂ・・・縁部分、４１．４２・・・周縁シー
ル部分、４５〜５４・・・表面特許出願人　　インター
ナショナル・フューエル・セルズ・コーポレイション

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）電気化学的電池の炭素−黒鉛構成要素用の前駆物
   質シート構造に於いて、 本質的にセルロース繊維、炭化可能な熱硬化性フェノー
   ル樹脂及び純化された黒鉛粒子から成る混合物を含んで
   いることを特徴とする炭素−黒鉛構成要素用の前駆物質
   シート構造。
2. （２）電気化学的電池内に使用するのに特に適した炭素
   −黒鉛構成要素に於いて、 本質的にセルロース繊維、純化された黒鉛粒子及び炭化
   可能な熱硬化性樹脂の混合物から成り、セルロース繊維
   が純化された黒鉛粒子を支え且つ置く前駆物質シート構
   造を形成する過程と、セルロース繊維及び熱硬化性樹脂
   を炭化し、その際に炭化された樹脂により炭化されたセ
   ルロース繊維及び黒鉛粒子を互いに結合させるべく、第
   一の温度範囲にシート構造を加熱する過程と、炭化され
   たセルロース繊維及び樹脂を黒鉛化するべく、第一の温
   度範囲よりも高い第二の温度範囲にシート構造を加熱す
   る過程とを含んでいる方法により製造されることを特徴
   とする炭素−黒鉛構成要素。
3. （３）電気化学的電池内に使用するのに特に適した炭素
   −黒鉛構成要素の製造方法に於いて、本質的にセルロー
   ス繊維、純化された黒鉛粒子及び炭化可能な熱硬化性樹
   脂の混合物から成り、セルロース繊維が純化された黒鉛
   粒子を支え且つ置く前駆物質シート構造を形成する過程
   と、セルロース繊維及び熱硬化性樹脂を炭化し、その際
   に炭化された樹脂により炭化されたセルロース繊維及び
   黒鉛粒子を互いに結合させるべく、第一の温度範囲にシ
   ート構造を加熱する過程と、炭化されたセルロース繊維
   及び樹脂を黒鉛化するべく、第一の温度範囲よりも高い
   第二の温度範囲にシート構造を加熱する過程とを含んで
   いることを特徴とする炭素−黒鉛構成要素の製造方法。