JPH0248466A

JPH0248466A - 薄板状炭素材料の製造法

Info

Publication number: JPH0248466A
Application number: JP63197778A
Authority: JP
Inventors: Koji Kamata; 鎌田　浩治; Shigeru Takano; 茂高野; Tsuneo Kaneshiro; 庸夫金城
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1988-08-08
Filing date: 1988-08-08
Publication date: 1990-02-19

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、薄板状炭素材料の製造法に関し、特にリン酸
型燃料電池セパレータ用炭素材料の製造方法に関する。

〈従来の技術〉一般に、リン酸型燃料電池は、例えばリン酸を保持した
電解質層と、その両側に配置され白金触媒を担持した多
孔質の電極基板と、前記電極基板の各外面に形成されて
いる流通溝を覆って設けられたセパレータとで構成され
ている単位セルを、前記セパレータを介して積層したも
のである。

かかるセパレータの上下面には、燃料ガスと酸素ガスが
それぞれ流されるので、前記セパレータは燃料ガスと酸
素ガスを分離するための境界としての機能と単位セル間
の接続体としての機能を必要とするため、その材料には
、ガス不透過性、電気伝導性、機械的強度および作動温
度における耐リン酸性等について優れた特性を有するこ
とが要求され、通常、炭素材料が使用されている。

従来、前記炭素材料の製造方法としては、黒鉛微粉に熱
硬化性樹脂を加え混錬したペーストをロール成形により
成形し、硬化させたのち、加熱炭素化処理する方法が、
例えば特開昭５９−２６９０７号公報に開示されている
。

また、前記炭素材の製造方法として、熱硬化性樹脂を含
浸し、かつ黒鉛粉末または炭素繊維を含むセルロース質
の紙を積層圧着し、硬化、焼成する方法が、例えば特開
昭６０−１６１１４４号公報に開示されている。

〈発明が解決しようとする課題〉特開昭５９−２８９０７号公報に開示された方法によれ
ば、電気特性の優れた炭素材が得られるが、板厚の薄い
ものを作るには困難であるという問題点があった。

前記特開昭６０−１６１１４４号公報に開示された方法
では、基材表面に炭素繊維、黒鉛粉末等の炭素フィラー
が完全に含浸されないまま付着し、基材内部との組成が
異なり、最終的に熱硬化性樹脂、セルロース質紙よりな
るガラス状カーボンリッチな層と炭素フィラーリッチな
層が板厚方向に交互に介在する炭素材料になってしまい
、板厚方向の導電性が低下してしまうという問題点があ
る。

本発明は、高導電性を有するカーボンブラックを配合し
たワニスを含浸することにより電気特性に優れた薄板状
炭素材料が得られる薄板状炭素材料の製造法を提供する
ことを目的としている。

〈課題を解決するための手段〉上記目的を達成するために、本発明によればセルロース
質紙またはセルロースフィルムを基材として、これにマ
トリクスヒして熱硬化性樹脂、フィラーとして高導電性
を有するカーボンブラックを混合混錬したワニスを含浸
して内部まで均一な組成を有するプリプレグを得、この
プリプレグを積層成形し、焼成処理を施すことにより得
られる薄板状炭素材料の製造法が提供される。

前記カーボンブラックは、黒鉛化していないものも使用
できるが、２０００℃以上の温度で黒鉛化処理したもの
を使用すれば、さらに特性が向上し、好ましい。

また、前記熱硬化性樹脂に対するカーボンブラックの混
合割合が、熱硬化性樹脂に対し、２〜５０ｗｔ％である
のが好ましい。

以下に本発明をさらに詳細に説明する。

本発明は、まず繊維集合体またはフィルム状の基材に、
液状樹脂とフィラーを混合混錬した導電性ワニスを含浸
し、導電性のプリプレグとする。　基材に使用される繊
維集合体およびフィルムとしては、セルロース質紙、セ
ルロースフィルムのように８００℃以上での焼成処理に
おいて、炭素化した形で基材内に残存する物質が使用さ
れる。

セルロース質紙には、工業用ろ紙、クラフト紙のような
一般的な紙が使用可能であり、さらにフェノール積層板
等に使用されるような、含浸性の優れた紙がより好まし
い。

また、セルロースフィルムは、アセチルセルロースを加
水分解して得られる気孔径３０〜１００μｍの多孔質フ
ィルムが好ましい。　さらには、含浸性を向上させるた
め、あらかじめアセチルセルロースにポリビニルアルコ
ール等の開孔材を混合し、フィルム成形後、前記開孔材
を溶出処理し、気孔径１００〜５００μｍに調整した多
孔質セルロースフィルムを用いるとなお好ましい。

基材の厚みとしては、１０〜１０００μｍが好ましい。

　　１０μｍ未満の場合には、基材としての強度が保て
ず、また、１０００μｍ超になると、含浸、積層成形、
焼成して得られた炭素材料の厚さが不均一になるという
問題が生じる。

また、マトリクスとして用いられる熱硬化性樹脂には、
フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリイミド樹脂、エポキ
シ樹脂等の液状の樹脂が使用される。

さらに、この液状樹脂と混合混錬するフィラーには、ワ
ニスにした場合の分散性に優れ、基材である繊維集合体
またはフィルム状物質内部まで安全に均一に入り込み、
かつ導電性を有するもの、特に導電性を向上させた平均
粒子径が１０〜１０００ｍ１固有抵抗がＪＩＳに一１４
ｆｉ９固有抵抗測定法にて０．１〜１．０Ω−ｃｍのカ
ーボンブラックを使用するのが好ましい。

またさらに、２０００℃以上で黒鉛化処理したカーボン
ブラックを使うと最終的な炭素材料の導電性が一層向上
し好ましい。

前記液状樹脂とフィラーを混合混錬する方法としでは、
オーブンロール混錬機、インテンシブミキサー　ボール
ミル、三木ロール混錬機等一般の混錬装置を挙げること
ができる。　また、液状樹脂とフィラーとの混合割合は
、樹脂に対してフィラーを２〜５０ｗｔ％とするのが好
ましい。　フィラーの混合割合が２ｗｔ％未溝の場合に
は、導電性が低いという問題があり、一方、５０ｗｔ％
超の場合には、導電性は向上するが、ワニスとした場合
、粘度が高くなり基材への含浸性に問題が生じてしまう
。

導電性ワニスを基材に含浸する方法としては、バット状
容器に入ったワニスに基材を浸す方法や、基材にへヶ、
スプレー等でワニスを塗工するという一般的な含浸方法
や、ロールを有する含浸装置を使う方法等が用いられる
。

この含浸処理により基材表面から内部に至るまで均一な
組成を有する導電性プリプレグが得られる。

得られたプリプレグを　１００〜１５０℃で乾燥させた
後、数枚積層して　１００〜１５０℃、５０〜１５０ｋ
ｇ／ｃｍ２で加熱圧縮成形を行い、導電性積層板とする
。　プリプレグを積層する枚数は、最終的に目的とする
炭素材料の厚さに応じて調整するまた、成形に用いられ
る方法としては、熱プレス成形法、熱ロール成形法等、
−船釣な成形法が用いられる。

次に、得られた導電性積層板を焼成炉にセットし、焼成
炭素化して目的とする薄板状炭素材料とする。　焼成に
使用される炉としては、炉内を非酸化性霊囲気下にでき
る市販のマツフル炉、トンネル炉等が使用可能であり、
Ｎ２、Ａｒ等不活性ガスを流通させながら焼成したり、
試料の周囲をコークス微粉で充填しながら焼成するのが
好ましい。　焼成温度に関しては特に制限はないが、通
常最高温度９００〜１５００℃である。

〈実施例〉以下に本発明を実施例に基づき具体的に説明する。

（実施例１）市販フェノール樹脂溶液（群宋化学＠製レジトップＰＬ
−２２１１、不揮発分５６ｗｔ％）８０ｗｔ％と導電性
カーボンブラック（東海カーボン＠製トーカブラック、
平均粒径５０ｎｍ）２０ｗｔ％をボールミルで混合混錬
して導電性ワニスとした後、ステンレス製バットに穆し
、この中に、市販の積層板用セルロース貿紙（ダイセル
化学■製）を通し、含浸処理を行った。

得られたプリプレグを室温で１０時間、オーブン中で１
００℃、３０分乾燥した後、２００Ｘ２００ｍｍの寸法
に切断した。　この所定寸法のプリプレグを１５枚積屡
し、熱プレスにセットした後、成形温度１５０℃、成形
圧力１５０　ｋｇ／ｃｍ’の条件下で成形し、厚さ２．
０ｍｍの導電性積層板とした。

次に、この積層板をステンレス製焼成箱にセットし、上
下を黒鉛板で保持した後、周囲をコークス微粉末でバッ
キングして、市販のマツフル炉を用い、Ｎ２雰囲気下、
昇温速度１０”Ｃ／ｈｒ、最高温度１０００℃で焼成炭
素化し、薄板状炭素材料とした。　この炭素材料の特性
を第１表に示す。

（実施例２）実施例１と同様のフェノール樹脂溶液８０ｗｔ％と、２
５００℃で黒鉛化処理を行い導電性を向上させたカーボ
ンブラック（東海カーボン■製トーカブラック、平均粒
径５０ｎｍ）２０ｗｔ％をボールミルで混合混錬し、導
電性ワニスとした。　このワニスをステンレス製バット
に移し、その中に実施例１と同様に積層板用セルロース
質紙を通し、含浸処理を行った。

得られたプリプレグを実施例１と同様、室温で１０時間
、オーブン中で１００℃、３０分乾燥した後、２００ｘ
２００ｍｍの寸法に切断し、１５枚積層して熱プレスに
より成形温度１５０℃、成形圧力１５０　ｋｇ／ｃｍ２
の条件下で成形し、厚さ２．０ｍｍの導電性積層板とし
た。

次に、この積層板をステンレス製焼成箱にセットし、上
下を黒鉛板で保持し、周囲をコークス微粉末でバッキン
グした後、実施例１と同様のマツフル炉を用い、Ｎ２雰
囲気下、昇温速度１０℃／ｈｒ、最高温度１０００℃で
焼成炭素化し、薄板状炭素材料とした。　この炭素材料
の特性を第１表に示す。

（比較例１）実施例１と同様のフェノール樹脂溶液８０ｗｔ％に人造
黒鉛粉末（平均粒径３０μｍ）２０ｗｔ％をボールミル
で混合混錬し、導電性ワニスとした。゛　このワニスを
ステンレス製バットに径し、その中に実施例１と同様に
積層板用セルロース買紙を通し、含浸処理を行った。

得られたプリプレグ表面には、フィラーの含浸不良によ
る模様が発生していた。　このプリプレグを実施例１と
同様、室温で１０時間、オーブン中で１００℃、３０分
乾燥した後、２００ｘ２００ｍｍの寸法に切断し、１５
枚積層して熱プレスにより成形温度１５０℃、成形圧力
１５０　ｋｇ／ｃｍ２の条件下で成形し、厚さ２．０ｍ
ｍの導電性積層板とした。

次に、この積層板をステンレス製焼成箱にセットし、上
下を黒鉛板で保持し、周囲をコークス微粉末でバッキン
グした後、実施例１と同様のマツフル炉を用い、Ｎ２ｊ
Ｊ囲気下、昇温速度１０℃ハｒ、最高温度１０００℃で
焼成炭素化し、薄板状炭素材料とした。　この炭素材料
の特性を第１表に示す。

（実施例３）実施例１と同様のフェノール樹脂溶液８０ｗｔ％と導電
性カーボンブラック（東海カーボン■製トーカブラック
、平均粒径５０ｎｍ）２０ｗｔ％をボールミルで混合混
錬し、導電性ワニスとした。　　このワニスを市販のへ
ケで、アセチルセルロースを加水分解したセルロースフ
ィルムにまんべんなく塗布し、含浸処理を行った。

得られたプリプレグを実施例１と同様、室温で１０時間
、オーブン中で１００℃、３０分乾燥した後、２００ｘ
２００ｍｍの寸法に切断し、１５枚積層して熱プレスに
より成形温度１５０℃、成形圧力１００　ｋｇ／ｃｍ２
の条件下で成形し、厚さ２．５ｍｍの導電性積層板とし
た。

次に、この積層板をステンレス製焼成箱にセットし、上
下を黒鉛板で保持し、周囲をコークス微粉末でバッキン
グした後、実施例１と同様のマツフル炉を用い、Ｎ２霊
囲気下、昇温速度１０℃／ｈｒ、最高温度１０００℃で
焼成炭素化し、薄板状炭素材料とした。　　この炭素材
料の特性を第１表に示す。

（比較例２）実施例１と同様のフェノール樹脂溶液８０ｗｔ％に人造
黒鉛粉末（平均粒径１００μｍ）２０　ｗ　ｔ％をボー
ルミルで混合混錬し、導電性ワニスとした。　このワニ
スを実施例３と同様、市販のへケで、アセチルセルロー
スを加水分解したセルロースフィルムにまんべんなく塗
布し、含浸処理を行った。

得られたプリプレグ表面には、基材に含浸されなかった
黒鉛粉末が多量に付着しており、表面性状が劣っていた
。

このプリプレグを実施例１と同様、室温で１０時間、オ
ーブン中で１００℃、３０分乾燥した後、２００ｘ２０
０ｍｍの寸法に切断し、１５枚積層して熱プレスにより
成形温度１５０℃、成形圧力１００　ｋｇ／ｃｍ”の条
件下で成形し、淳さ２．５ｍｍの導電性積層板とした。

〈発明の効果〉本発明は以上説明したように構成されているので、高い
導電性を有するカーボンブラックを用いることによって
、基材内部まで均一に導電性ワニスを含浸させることが
できる。

その結果、電気特性だけでなく、機械特性にも優れた薄
板状炭素材料が得られる。

−３゜

Claims

【特許請求の範囲】

（１）セルロース質紙またはセルロースフィルムを基材
として、これにマトリクスとして熱硬化性樹脂、フィラ
ーとして高導電性を有するカーボンブラックを混合混錬
したワニスを含浸して内部まで均一な組成を有するプリ
プレグを得、このプリプレグを積層成形し、焼成処理を
施すことにより得られる薄板状炭素材料の製造法。
（２）前記カーボンブラックが、２０００℃以上の温度
で黒鉛化処理したものである請求項１記載の薄板状炭素
材料の製造法。
（３）前記熱硬化性樹脂に対するカーボンブラックの混
合割合が、熱硬化性樹脂に対し、２〜５０ｗｔ％である
請求項１または２記載の薄板状炭素材料の製造法。