JPH01253164A - 腐食に対し耐性を有する燃料電池基盤及びその製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、腐食に対する耐性を改善した燃料電池の電極
基盤に関するものである。また、更に本発明は、Ｌ記電
極基盤の製造方法に関するしのである。

［従来の技術］ リン酸水溶液を電解質とする燃料電池は、表面に触媒相
を付着させた基盤を包含する電極構成を有している。典
型的には、上記基盤を最初に製造し、続（工程でこの基
盤上に触媒相を付着する。

本基盤は、炭素繊維性物質もしくは炭素繊維及び炭素粉
末の混合物から得る。従来は、本基盤は乾式法によって
製造されている。乾式法においては、炭素粉末を添加す
る添加しないにかかわらず、炭素繊維及びバインダー粒
子の混合物を得る。バインダーには、熱によって活性化
し、続く加熱工程で炭化される樹脂を用いる。フェノー
ル樹脂は、このような条件に好適であることが確認され
ている。炭素及び樹脂を密に混合し、移動膜あるいは連
続したウェブ等の板状マット部材上に付着させる。次い
でこのウェブを成形し、加熱してバインダーを固着させ
、合着基盤を得る。次に、加熱によってガラス質の炭素
に変化したバインダーを更に加熱して炭化する。以上の
ようにして最終基盤物質を得る。基盤には、機械あるい
はそれに代わる手段によって、燃料等の反応物質が流入
拡散できるように、細孔を開け、表面に触媒相を付着さ
せる。

［発明が解決しようとする課題］ 上記乾式法によって製造された基盤は、構造上比較的脆
く、リン酸水溶液のような腐食性の高い電解質に対して
あまり高い腐食耐性を持たない。

構造上の弱さ及び腐食耐性の不足は双方とも、炭素繊維
が加熱処理後完全にバインダーによって被覆されていな
いことに起因する。二つの成分を混合して乾燥した際、
バインダー粒子は混合物内に完全には分散されないため
、炭素繊維あるいはバインダーが炭化されて生成するガ
ラス質炭素は部分的にバインダーで被覆されないからで
ある。同様に、ウェブ内の繊維間の接着部もまたバイン
ダーで完全に被覆されておらず、このことは本質的に製
品を益々弱くする結果を招いている。

従って本発明の目的は、電解質にリン酸水溶液を用いる
燃料電池において、より強度があり、腐食に対する耐性
の高い電極基盤及び該基盤の製造方法を提供するもので
ある。

［課題を解決するための手段コ 上記目的を達成するために、本発明による燃料電池の製
造方法においては、比較的衆知の製紙用機械を用いて湿
式製紙１法によりポリビニルアルコールから炭素繊維を
マット状に重ねたウェブ１１を躯体を製造し、得られた
ウェブを乾燥する予備ｆ二程が含まれる。乾燥したウェ
ブは、溶液状にしたバインダー樹脂中に飽和する。バイ
ンダー溶液にはフェノール樹脂とし、これを水中に分散
もしくは有機溶媒に溶解して用いる。これにより、ウェ
ブ内の総ての繊維をバインダーで被覆でき、また、ウェ
ブ内の総ての繊維間接着部をもバインダー樹脂で被覆す
ることができる。飽和したウェブはバインダー中の液体
成分を除去するため乾燥し、バインダーは好適温度に設
定して加熱する。その後、ウェブ内のバインダー総てが
炭化するようにウェブを加熱する。黒鉛化の温度まで加
熱する際、バインダーはガラス質に変化し、炭素繊維よ
りも腐食に対して高い耐性を有するアモルファス炭素に
形成される。総ての繊維が十分完全にガラス質炭素で被
覆されているため、得られる基盤は、腐食に対しより高
い耐性を示す。

従って、本発明により、酸性溶液中での使用に対して、
強度及び腐食への耐性を改善する燃料電池の電極基盤が
提供される。

加えて、本発明により、表面の露出部及び間隙部が、高
い腐食耐性を有する炭素形態で十分に形成される燃料電
池の電極基盤が提供される。

また、本発明により、腐食耐性炭素が、基盤を飽和した
樹脂性のバインダーを、黒鉛化する温度に設定して加熱
することにより製造される燃料電池の電極基盤が提供さ
れる。

さらにまた、本発明により、炭素繊維成分が総ての繊維
の界面をバインダーで被覆できるように液体樹脂性バイ
ンダーで飽和したウェブで構成される燃料電池の電極基
盤が提供される。

以下に示す好適な実施例において、本発明の詳細な説明
する。

［実施例］ 実施例１ ４０％＆＠のフェノール粉末バインダー及び６θｚ小撤
の炭化した未加丁の炭素繊維の混合物をおよそＩＯ分間
乾乾燥台した。次いで混合物を空気中で、多孔性のポリ
テトラフルオロエチレンで被覆した繊維ガラス生地上に
、生地をバキュームで引きながら噴射した。混合物は、
重さがおよそ２２５ｇ／ｓ”になるまで生地に付着させ
た。混合物を付着させたろニブは、フェノールバインダ
ーを熱硬化させるため、３２５°Ｆで３分間、およそ２
５ｉｉ１の厚さに圧縮した。次に、フェノールバインダ
ーを炭化するため、得られた複合物を窒素雰囲気中で最
終的に１８５０°Ｆになるまで８°Ｆ／時間の割合で温
度をＬ昇させながら加熱した。続いて、炭素繊維を黒鉛
化するため、炭化物を黒鉛化燃焼炉中で最終温度が２８
５０°Ｆになるまで加熱した。得られた基盤は、従来技
術による基盤の例とじて、本発明によって製造された基
盤とその特徴を比較する目的で使用した。

実施例２゜ 第２の燃料電池の電極基盤を、炭化した未加工の繊維及
びスラリー中に混合したポリビニルアルコールバインダ
ー繊維から、衆知の湿式製紙工法を用いて炭素繊維ウェ
ブを製造することによって得た。上記のようにして得ら
れたウェブを乾燥し、繊維ウェブにその５０％重１のフ
ェノール樹脂を添加するために、水をキャリアーとして
分散させた１０〜１５％重量のフェノール樹脂を飽和さ
せた。飽和したウェブは、２３０°Ｆで１０分間空気乾
燥した。

次いで乾燥したウェブを圧縮し、熱硬化させ、前記実施
例１．と同様にして加熱処理を行った。

実施例３ 第３の燃料電池の電極基盤として、前記実施例２、と同
様にして炭素繊維ウェブを得た。５０％重頃Ｏ７ェノー
ルバインダーを有機溶媒に溶解したものをウェブに含浸
飽和した。飽和したウェブは、乾燥させ、圧縮し、熱硬
化させ、前記実施例２と同様にして加熱処理を行った。

Ｌ記実施例１．乃至３　における３種の基盤の物理的特
性を添付した表１　に記載する。

表１　のデータから、本発明の製造方法によって製造し
た実施例２．及び実施例３．の基盤は、従来の乾式法に
よって製造した基盤に比べ、腐食（こ対して非常に大き
な抵抗性を有するごとは明らかである。

特に、有機溶媒に溶解したバインダーで含浸飽和した基
盤は、最も高い腐食耐性を示した。電子走ｈマイク〔１
グラフによって、本発明の基盤の炭素繊維上に−ぽして
均一なフェノールノくインダーのコーティングが得られ
たことが判明した。また、本発明による基盤のウェブ内
の繊維間接着部の総てがバインダーで被覆されたことが
判明した。フェノールバインダーを溶解するのに好適な
有機溶媒は、アセトン及び低分子量アルコールである。

また、本発明で用いた工法は、湿式製紙工法によって製
造した炭素繊維紙前駆体をロールから引き出し、バイン
ダー溶液槽中を経由させ、蒸発装置へ送り、ベルトプレ
ス内に挿入し熱硬化させる工程を、連続したライン上で
流す工法である。

本発明によって製造された基盤を使用した電池の電気的
特性を測定するために、以下のようにして電池を構成し
た。２インチｘ２インチの燃料電池に用いる基盤の起電
力測定用電池を、炭素繊維を炭化処理しこれらの炭素繊
維を湿式製紙工程を経てウェブ内に形成することにより
得た。ウェブの基礎重量は、およそ１５０ｍｇ／＊’に
設定した。得られた炭素繊維ウェブを、水中に分散した
１２１重Ｐ、１のフェノール樹脂溶液で生成基盤が５０
■１の樹脂を含ｆ「するように飽和した。飽和したウェ
ブは、ウェブ内の水を蒸発させ、フェノール樹脂を残ず
ため、２３０°Ｆで５〜１０分間乾燥した。次に、フェ
ノール樹脂を熱硬化させるため、乾燥させたつＪ−ブを
３２５°Ｆで３分間２５ｍ１ｌの一定の厚さに圧縮した
。

さらに、ウェブに前記実施例１．に記載した方法で加熱
処理を行った。２インチｘ２インチの燃料電池の電極と
しての目的に適うように、加熱処理１、たウェブを触媒
化した。電池のアノードは、１７４１ｇ／ｃｓ″のプラ
チナ及びｌＯ％’！量のプラチナ−パルカン（Ｙｕｌｃ
ａｎ）触媒及び５０％ｆｆ　ｆｆｌのポリテトラフルオ
ロエチレン並びにｊａｉｌ厚のシリコンカーバイドマト
リックスで構成された。

また、電池のカソードは、ｌ／２ｍｇ／ｃｍ’のプラチ
ナ及びＧ５Ｂ１８触媒及び３５％市量のポリテトラフル
オロエチレン並びにＪａｉｌ厚のシリコンカーバイドマ
トリックスで構成された。

これらのカソード及びアノードを電解液貯蔵プレートと
それぞれ対にし、カソード貯蔵プレートは、溝をつけた
カーボン−カーボンプレートを甲均滴下径９ミクロンに
形成し、アノード貯蔵プレートは、溝をつけたカーボン
−カーボンプレートを平均滴下径２１ミク【Ｊンに形成
した。得られた電池の起電力は、アノード側反応物質と
して７０％１１．・２９＄ＣＯ，・１％ＣＯの混合気、
カソード側反応物質として空気を使用した際、３７０時
間、２００＾ＳＦで６８５ＭＶであった。

添付した表２．に、上記電池と空気中での積層工法を用
いた従来技術により製造された典型的な電池の起電力を
比較し記載する。

［発明の効果］ 表１．及び表２．から、本発明によって基盤に樹脂を含
浸させた電池は、従来技術によって製造された電池に比
べ、同等の起電力を有し、非常に優れた腐食耐性を有す
ることは明らかである。また、腐食耐性の改善に加えて
、本発明による基盤は、従来技術による基盤よりも強度
が大きい。

本発明によって得られる上記二つの利益は、従来は空気
中で粒子状のバインダーと炭素繊維を混合して燃料電池
の基盤を製造しているものを、バインダーに樹脂を用い
、これを液状にして炭素繊維を含浸させる工法に改みし
たことによるものである。本発明によるこの改善によっ
て、総ての炭素繊維が炭素繊維より腐食耐性の高いガラ
ス質炭素に変化したバインダーで被覆されるため、より
腐食耐性の高い燃料電池の電極基盤が得られる。

また、バインダー及び炭素繊維間の接着部も完全にこの
ガラス質炭素で被覆されるため、従来は脆かった電極基
盤の構造上の課題が改善され、より強固な燃料電池の電
極基盤が得られる。

なお、本発明の適応は例示された実施例に限られるもの
でなく、特許請求の範囲に述へた本発明の主旨を逸脱し
ない範囲での総ての実施可能な変形例において実施し得
るものである。

人−」−一

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）電池を構成する電極基盤が、腐食に対して耐性の
   高いガラス質炭素でコーティングすることによりマット
   部材中の全繊維が十分に被覆された黒鉛化炭素繊維のマ
   ット部材を有し、該ガラス質炭素のコーティングが、マ
   ット部材内の繊維を接着するための総ての繊維間接着部
   をも十分に被覆して、基盤の腐食耐性を高め、強度を増
   大することを特徴とする燃料電池基盤。
2. （２）前記マット部材が湿式製紙工法により、フェノー
   ルバインダー溶液を含浸した炭素繊維マット部材前駆体
   から形成され、ガラス質炭素部を形成するように黒鉛化
   された、請求項第１項記載の基盤。
3. （３）前記ガラス質炭素のコーティングが黒鉛化温度下
   で一定時間加熱したフェノールバインダー溶液によって
   形成されることを特徴とする請求項第１項記載のマット
   部材。
4. （４）湿式製紙工法を用いた炭素繊維マット部材前駆体
   の製造工程と、液体状に製造された該マット部材前駆体
   の乾燥工程と、乾燥したマット部材前駆体を炭化可能バ
   インダー溶液中にマット部材内の総ての隙間がこのバイ
   ンダー溶液によって浸透されるよう飽和する工程と、飽
   和したマット部材からバインダーの液体成分を除去する
   工程と、マット部材内の総ての炭素繊維及び総ての繊維
   間接着部を十分に被覆するガラス質にバインダーを変化
   させるために、マット部材を黒鉛化温度で加熱する工程
   を有する燃料電池の電極基盤の製造方法。
5. （５）前記マット部材前駆体の製造工程にポリビニルア
   ルコールバインダーを用いることを特徴とする請求項第
   ４項記載の製造方法。
6. （６）前記炭化可能バインダー溶液がフェノール樹脂で
   あることを特徴とする請求項第５項記載の製造方法。
7. （７）前記フェノール樹脂が飽和工程において、水中に
   分散されることを特徴とする請求項第６項記載の製造方
   法。
8. （８）前記フェノール樹脂が飽和工程において、有機溶
   媒に溶解されることを特徴とする請求項第６項記載の製
   造方法。