JPS627617A - 炭素−黒鉛構成要素用の前駆物質シ−ト構造、炭素−黒鉛構成要素の製造方法及び電極の製造方法 - Google Patents

炭素−黒鉛構成要素用の前駆物質シ−ト構造、炭素−黒鉛構成要素の製造方法及び電極の製造方法

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JPS627617A
JPS627617A JP61149334A JP14933486A JPS627617A JP S627617 A JPS627617 A JP S627617A JP 61149334 A JP61149334 A JP 61149334A JP 14933486 A JP14933486 A JP 14933486A JP S627617 A JPS627617 A JP S627617A
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resin
cellulose fibers
sheet structure
graphite
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JP61149334A
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ジョン・エム・リー
ロジャー・シー・エマニュエルソン
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    • C04B35/78—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents containing non-metallic materials
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    • H—ELECTRICITY
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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
明はリン酸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費するこ
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
　ｌｅｃ　ｔｒｏｄｅ）及び酸化剤に対する正極（ｃａ
ｔｈｏｄｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）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。各電極は電解質マ
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。いくつかの場合に
は、電解質リザーバ板がサブストレートの他方の側に位
置しており、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有し得る。
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号明細書に示されている。代替的に、
冷却器ホルダーは気体に対して不透過性であワてもよい
。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．’１１３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。
セパレーター板は該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該扱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、セパレーク−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。
電解質リザーバ板に一般に見出されるような、また電極
サブストレートのような電解質リザーバ層はセパレータ
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４．０３５，５５ｄ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号明細書に示されている。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６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）内に置くことにより、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く熱分解され得
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・　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　１電極及び電解質リザーバ板肉
の不透過性の板瓦　　　　　　　　１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、制御された孔構造を有し電気化学的電
池内に使用するのに適した炭素−黒鉛構成要素がセルロ
ース繊維及び炭化可能な（Ｈ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認識に基づ
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バルブ化及び漂白
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　−Ｈｉｌｌの科学技術百科辞典（Ｅｎｃｙｃｌｏｐ
ｅｄｉａ　ｏｆ　５ｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎ
ｏｌＯｇｙ）　（第５版、１９８２年）に記載されてい
るようにセルロースバルブ繊維の分離、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０機械的精砕の結果
として、繊維は水を吸収して膨潤し、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、セルロース繊維及
び炭化可能な熱硬化性樹脂から成り制御された孔構造を
有す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。
一つの実施例では、シート構造は、セルロース繊維によ
るシート構造の形成の間に支えられ且つ置かれる比較的
純粋な炭素粒子を含んでいる。
本発明の主要な特徴は、セルロース繊維が炭化可能な熱
硬化性樹脂と混合されることである。他の特徴は、水性
懸濁物から乾燥される時にセルロース繊維が互いに結合
する傾向を有することである。他の特徴は、一つの実施
態様に於いて、比較的純粋な炭素粉末が混合物中に配置
されることである。
本発明の主要な利点は、セルロース繊維が他のセルロー
ス繊維に結合し得るので、また、もし炭素粒子が存在す
るならば、炭素粒子を支え且つ置き得るので、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、一つの実施態様
に於いて、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、炭化された樹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１
０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
を受は入れるべく構成されている。
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ｒｆｉ２４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。この実施例
に於けるリザーバ層は、触媒層を支えているので、電掘
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ｉ！２
２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
の毛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と電解質リザーバ板１８及びリザーバ層２４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層２
２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。触媒層はリザーバ層３２に結合
されている。多くの応用では、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
４０ｂ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。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。これらの周縁シール部分は、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ッチ配置により形
成される。これらの液体シールは表面４５．４６．４８
．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培渡された“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゜８
６７、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通ず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。
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ソク
ス・カンパニーから入手可能なりｅｎｄｉｘ　Ｖ１１２
９のようなセルロース繊維及び炭化可能且つ水分散可能
な熱硬化性樹脂から形成された制御された孔構造を有す
る混合物を形成することである。もし炭素粉末が添加さ
れても、それに伴って製造過程を変更する必要はない。
従って、炭素が存在しても存在しなくても、製造過程は
同一の過程で進められ得る。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、（もし存在するな
らば）比較的純粋な炭素粉末及びフェノール樹脂から成
る非常に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綱
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、黒鉛粒子及びデポジットされた樹脂の
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。これらの技術ばハルパーン
（Ｈａｌｐｅｒｎ）著“紙製造（Ｐａｐｅｒ　Ｍａｎｕ
ｆａｃｔｕｒｅ）　　”　（ノイエス出版（Ｎｏｙｅｓ
　Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ）　１９７５年）及びレーバー
（Ｌｏｅｂｅｒ）著“イー・ジェイ・ラバレ（Ｈ，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、Ｌａｂ
ａｒｒｅ’ｓ　Ｄｊｃｔｉｏｎａｒｙ　ａｎｄ　Ｅｎｃ
ｙｃｌｏｐｅｄｉａ　ｏｆＰａｐｅｒ　ａｎｄ　Ｐａｐ
ｅｒｖａｋｉｎｇ　’　（スウェツ・パブリッシング・
サービス（Ｓｗｅｔｓ　Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ　５ｅｒ
ｖｉｃｅ）、ニューヨーク州しウィストン所在のスウェ
ッ・ノース・アメリカ（Ｓｗｅｔｓ　Ｎｏｒｔｈ　Ａｍ
ｅｒｉｃａ）より配付、ＴＳＢＮ　９Ｏ−２６５−１０
０３８−６）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。１ｉｉｉｉｉ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。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。
炭素粉末の形態でシート内に配置されている炭素粒子は
比較的純粋である。セパレータ板肉に使用される形式の
非常に高い純度の炭素は満足な構成要素を得るために必
要とされない。
セパレータ板に対しては、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、又は坂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
くピンホールを生せしめる。
セパレータ板及びリザーバ層の双方に関係する他の不純
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
来材料である。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。
セパレータ板に対しては、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、９００ｐｐ
ｍ以下であることが好ましい。なぜならば、全量が多過
ぎると、熱処理の間のこれら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
仕上げられた板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４，３６０．４８５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。
黒鉛粉末を含む炭素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。炭
素粒子の存在は燃焼中のそり及び収縮を減少する。そり
及び収縮は、もちろん、もし黒鉛が炭素の一層無定形な
形態に比較して使用されるならば、少ない、加えて、燃
焼欠陥に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、セルロース繊維は熱硬化性樹脂及び（もし
存在するならば）炭素粉末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
。はるかに少ない炭素粉末を含む試料が電極に対するサ
ブストレートを製造するのに使用された。
例 本Ｉｙ１ｕＡ受入の仕様による試料がニューヨーク州ウ
ォータータウン所在のフィルトレイジョン・サイエンス
（Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ　５ｃｉｅｎｃｅｓ）により生
産ランの間にフィルタ紙製造に使用される通常の紙形成
技術により本［譲受人のために生産された。約５％の比
較的純粋な炭素粉末がセルロース繊維及びフェノール樹
脂の混合物に添加された。炭素が添加される必要はない
が、もし添加されるならば、約５％ないし２０％の範囲
内であり、好ましい範囲は５％ないし１０％である。炭
素はセルロース収率と共に百分率炭素収率を約３０％炭
素だけ増大させるために添加される。炭素粉末はニュー
シャーシー州アスバリ所在のアスバリ・グラファイトや
コーポレイション（Ａｓｂｕｒｙ　Ｇｒａｐｈｉｔｅ　
Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）により供給された。典型的に
、１００％のＡ−９９粉末が０．０４５ｍｍふるいを通
過し、また７０％が０．０２０ｍｍ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（Ｖａｃｕｕｍ　Ｃｈｅ
ｗｉｃａｌ）から入手可能なＲｅ１ｃｈｈｏｌｄ　２４
−６５５フエノール樹脂である。化学的に等価な樹脂が
使用されてよく、特定の樹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、比較的純粋な炭素粒子及び部分的に硬
化された炭化可能な熱硬化性樹脂を含む前駆物質シート
構造が所定の寸法に切断された。
切断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く加熱された。大きな体積の前
駆物質シートに対する典型的な炭化サイクルはシート構
造を周囲温度から約１０００’Ｃ（典型的には８００な
いし１１００″Ｃの範囲）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、炉内の過酷な熱
勾配を回避するため、また炭化の間に発生されたガスが
、種々の温度で生ずる種々の揮発により逃げるのを許す
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
を周囲温度から約４７００°Ｆ〜５２５０°Ｆ（約２６
００°Ｃ〜２９００’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。その後、シート構
造はこの温度に短い周期（３時間まで）にわたり不活性
又は還元性雰囲気中に保たれた。シート構造は徐々に周
囲温度に冷却される。
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。３４．５ｂａｒの破砕強度、８６゜９０ｂａｒ
のたわみ強度、１．５０４Ｋｃａｌ／ｈｏｕｒ’ｍ・°
Ｃの面に垂直な熱伝導率、２２〜２５μｍの平均孔寸法
及び１１５０ｍＶ以上の腐食電位。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かったが、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。
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．ｏ　８　ｃｍの
試験電池から形成された。試験電池は約１１００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６２０ｍＶであった。１２
０時間性能時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１１００
時間の露出の後にも検出されなかった。
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 時間　　（ｎ＋Ｖ）　　　利得　　利得　　抵抗（ｈｒ
ｓ、）　　　　　　（ｍＶ）　　　（＋＋＋Ｖ）　　（
２０ＯＡＳＦ）（９ｃｍ２） 初期　１２０　　６３５　　８５　　　２１　　　３２
終了　１１００　　６２０　　９９　　　２２　　　３
２変化　　　　　　　　＋１４＋１ 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 (4)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）電気化学的電池のリザーバ層として使用するのに
    特に適した炭素−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及び重量比で３０％ないし５５
    ％の炭化可能な熱硬化性フェノール樹脂から成っており
    、また制御された孔構造を有す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）電気化学的電池のリザーバ層として使用するのに
    特に適した炭素−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、重量比で５％ないし２０％以
    下の純化された炭素粒子及び重量比で３０％ないし５５
    ％の炭化可能な熱硬化性フェノール樹脂から成っており
    、また制御された孔構造を有す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。
  3. （３）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に於いて、 セルロース繊維及び炭化可能な熱硬化性樹脂の混合物か
    ら成り、また制御された孔構造を有する前駆物質シート
    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を互いに
    結合させるべく、第一の温度範囲に制御された孔構造を
    有する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制御された
    孔構造を有する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。
  4. （４）電極の製造方法に於いて、 セルロース繊維及び炭化可能な熱硬化性樹脂の混合物か
    ら成り、また制御された孔構造を有する前駆物質シート
    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を互いに
    結合させるべく、第一の温度範囲に制御された孔構造を
    有する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制御された
    孔構造を有するシート構造を加熱する過程と、 触媒層を制御された孔構造を有するシート構造に結合さ
    せる過程とを含んでいることを特徴とする電極の製造方
    法。
JP61149334A 1985-07-02 1986-06-24 炭素−黒鉛構成要素用の前駆物質シ−ト構造、炭素−黒鉛構成要素の製造方法及び電極の製造方法 Pending JPS627617A (ja)

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