JPH027373A - 燃料電池用インタークーラープレート及びその製造方法 - 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】 ［発明の分野］ 本発明は、リン酸型燃料電池用インタークーラープレー
ト及びその製造方法に係る。

［従来の技術］ リン酸型燃料電池は、一般に、多孔質材料からなる電極
部材をセパレータ一部材を介して多数積層し１、その間
に反応ガスの流路が形成されている。

そしてこの１ａｌｉ！Ｊ体には、冷却用流体を循環させ
るクーラーパイプをその中に有するインタークーラープ
レートが適当な間隔で挿入される。

従って、インタークーラープレートは、電気抵抗が小さ
いことに加えて、良好な冷却性能を発揮するために熱抵
抗が小さいことが望まれる。インタークーラープレート
の熱抵抗をを小さくするためには、インタークーラープ
レートを形成する材料自体の熱抵抗に加えて、上記した
ようにインタークーラープレート内には冷却用流体が循
環されるクーラーパイプが配設されるので、インターク
ーラープレート材料とインタークーラーパイプとの接触
熱抵抗が問題となる。

従来、インタークーラープレートを形成する材料として
は、その電気抵抗、熱抵抗等の特性から緻密黒鉛材等が
主として使用されているが、これは圧縮弾性率が高く極
めて硬質な材料である。またセパレーターとしての機能
を与えるためにガス不透過処理等を行なうとさらに弾性
率は高くなってしまう。

一方、クーラーパイプは熱伝導の面から銅等の金属で製
造され、通常は腐蝕の防止と、発生した電気の絶縁を目
的として、被覆処理されている。

かかるクーラーパイプを上記のような硬質のインターク
ーラープレートに埋設する際には、クーラーパイプの被
膜を保護するため、インタークーラープレート材料とク
ーラーパイプの間にかなり大きなりリアランスを設ける
必要がある。従って、このような空隙の存在によりクー
ラーパイプとインタークーラープレート部材との間の接
触熱抵抗が極めて大ぎくなってしまう。

このような欠点を解消するため、熱伝導率の良いペース
ト等をインタークーラープレート部材とクーラーパイプ
との間隙に充填することも提案されているが、製造が極
めて煩雑なものとなり、組立コストも高くなってしまう
。

［発明の構成１ 本発明は、上記のような問題を解決し得る、極めて熱抵
抗が低く、優れた冷却性能を発揮し、更にガスの不透過
処理を必要としない燃料電池用インタークーラープレー
トを提供覆ることを１］的とする。

本発明のインタープレートは、クーラーパイプを嵌装す
るクーラーパイプホルダーとなる複数の平行な溝を有す
る可撓性炭素質部、セパレーター及び一対の端部シール
部からなり、可撓性炭素質部がセパレーター面上にフッ
素樹脂層を介して接合され、端部シール部はセパレータ
ー上の可撓性炭素質部と同一面上の前記満と平行な端部
にフッ素樹脂層を介して接合されていることを特徴とす
る。

以下、添付の図面を参照して本発明のインタークーラー
プレートを説明する。

図は本発明の燃料電池用インタークーラープレート６の
斜視図である。セパレーター１と、クーラーパイプホル
ダーになる溝４を有する可撓性炭素質部２と、一対の端
部シール部３から成る。

セパレーター１は、可撓性炭素質部２より大きく、可撓
性炭素質部に設けられた溝に平行な両側のヒバレータ−
の縁部は可撓性炭素！１部を□超えて伸延してａ３す、
端部シール部３はこのセパレーター伸延部５上の可撓性
炭素質部と同じ側に位置する。端部シール部の外側縁部
とセパレーターの縁部は一致している。

尚、図面は本発明のインタークーラープレートの構成を
示すための概略図であり、厚さと大きさの比、渦の大ぎ
さと数等は実際とは異なるが、燃料電池における電気化
学反応で発生する熱を除去し、安定した運転を維持する
ために必要な適当な大きさ□、溝部の数等は当業者には
明らかであろう。

本発明のインタークーラープレートの重要な特徴の１つ
は、クーラーパイプを嵌装する材料として可撓性炭素材
を使用したことである。

可撓性炭素材は圧縮弾性率が低く、クーラーパイプを嵌
装する際、従来の緻密炭素材を使用する場合に必要であ
ったクーラーパイプとの間のクリアランスを殆んど必要
としない。ざらに可撓性炭素材は、圧縮変形率が大きい
のでｍｎ電池を積層する際に通常負荷される２〜５　Ｋ
９　ｆ　／　ｃｉの荷重によりゴム弾性体に近い挙動を
示して水平方向（面方向）への変位も示し、その結果ク
ーラーパイプとの接触性が著しく改良される。

即ち、本発明のインタークーラープレートにおいては、
クーラーパイプを即設する材料として可撓性炭素材を使
用したことにより、インタークーラープレート部材とク
ーラーパイプ間の接触熱抵抗が著しく改善され、インタ
ークーラープレート自体の熱抵抗が大幅に低下されてお
り、従って優れた冷却性能を達成し得るものである。

本発明のインタークーラープレートに使用する可撓性炭
素材としては圧縮弾性率が１００〜２５００Ｋｌ　ｆ　
／　ｃｉの範囲のものが使用できるが、１００〜１００
０に９　ｆ　／　ｃｉが好ましい。圧縮弾性率がｉｏｏ
＊ｙｆ’／ｄ以下であると組立て時にクーラープレート
に加重を均一に作用させる作業が煩雑になり、２５００
に９　ｆ　／　ｃｉを超えると加重時の変形が不十分と
なる。

本発明に使用する可撓性炭素材としては、本発明者等が
開発した、炭素Ｉ１Ｍと結合材とからなる複合材料を炭
化して製造される可撓性炭素材料を特に好ましく使用で
きる（特開昭６２−１１９１６１号）。

この可撓性炭素材料は、平均長さ１Ｎｎ以上の炭素繊維
と結合材とからなる複合材料を調製し、加熱加圧成形し
た後焼成することにより形成され、結合材由来の炭素塊
が炭素繊維マトリックス中に分散して複数本の炭素繊維
を拘束しておりかつ前記炭素塊と炭素ＩＮとが摺動自在
に結合しているものである。

使用する炭素繊維としてはＰＡＮ系、レーヨン系、フェ
ノール樹脂系１等方性ピッチ系、異方性ピッチ系等の種
々のものがあり、これらを１，０００℃以上、好ましく
は１，５００℃以上、さらに好ましくは２　、０００℃
以上で処理したものを使用する。これら炭素！Ｉ雑は平
均長さ１＃ｌ１ｌＩ以上、好ましくは３Ｍ以上、ざらに
好ましくは６Ｍ以上５０ＩｎＩＲ以下であり、１１雑径
が４〜２５μである。結合材としては炭化率が１０％以
上、好ましくは２０％以上の有機物質、たとえばフェノ
ール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂１石部系または石
炭系ピッチ、ＰＶＡ、ＰＶＣ，ＰＡＮ、レーヨン、シロ
キリン系ポリマー等の１種あるいは２種以上を使用でき
る。

上述のような材料からＷＡ製した複合材料をたとえば成
形温度１００℃以上、成形圧力２　Ｋｙ　ｆｏｃ＃ｌＧ
以上、圧保持時間１分以、Ｆの条件で加熱成形し、その
後常法の真空又は不活性ガス雰囲気下の焼成により８０
０℃以上の焼成温度で全体を炭化して得られる。

この可撓性炭素材料の製造等については上記特開昭６２
−１１９１６１号に詳細に開示されている。

セパレーター及び端部シール部は緻密炭素材により形成
する。

セパレーターは甲均嵩密度１．４ｇ／ｃｃ以上、ガス透
過率１０’ａｅ　／　ｔ：ｉ　・ｈｒ　＠　ａｍ　Ａ　
Ｑ以下、電気抵抗１０ＩΩ・υ以下で厚さ２　ｍｍ以下
が好ましい。

また端部シール部は平均嵩密痩が１．４ｇ／ＣＣ以上で
ガス透過率が１０−’ａｌｌ／ｃｊ・ｈｒ・−へｑ以下
で、少なくとも８００℃以上で炭化された緻密炭素材で
あることが好ましい。

本発明のインタークーラープレートは、所望の大きさの
セパレーター上にフッ素樹脂層を介してそれぞれセパレ
ーターの大きさに対応づる所望の大ぎさの可撓性炭素質
部材と端部シール部材を融着接合して製造することがで
きる。

セパレーターと可撓性炭素質部材はフッ素樹脂デイスパ
ージョンを塗布して融着接合することで充分であるが、
セパレーターと端部シール部材の接合はガスリークを防
ぐためにフッ素樹脂シートを使用して融着接合すること
が好ましい。

端部シール部を通して外部に漏れるリーク量は、本発明
では５００＃１ＩｌｌＡＱの差圧下で接合部周辺長当り
の単位時間内リークガス伍として〔リークガスδ／（辺
長）　　（差圧）〕なる関係で表わすものとすると１Ｏ
−２１ＲＩｌ／ＩＪ−ｈｒ−ａｌｌＩＡｑ以下が好まし
い。

本発明で使用するフッ素樹脂は一般に融点が２００℃以
上のフッ素樹脂であり、特に限定されないが、例えば四
フッ化エチレン樹脂（略称ＰＴＦＥ、融点３２７℃、　
　４．６に９　ｆ　／　ｃＩｌｉＧ熱変形温度１２１℃
）、四フッ化エヂレンー六フッ化プロピレン共重合樹脂
（略称ＦＥＰ、融点２５０〜２８０℃、４．６に９　ｆ
　／　ｃＪ　Ｇ熱変形温度１２℃）、フッ化アルコキシ
エチレン樹脂（略称ＰＦＡ、融点３００〜３１０℃。

４．６８９　ｆ　／　ｃｉＧ熱変形温度７５℃）、フッ
化エチレンプロピレン樹脂（略称ＴＦＰ、融点２９０〜
３００℃）などがある。これらのフッ素樹脂は市販され
ている。

セパレーターと端部シール部との接合においては上記フ
ッ素樹脂を、たとえば厚さ３０〜２００ｔＩＩｎ、好ま
しくは１００／ＪＰｉ！度のシートとして使用する。

セパレーターと可撓性炭素質部材との接合においては上
記のようなフッ素樹脂を、１０〜７０ｆｉ　１％、例え
ば約６０重ｆｉ％の、例えば水中のディスパージョンと
して使用する。このアイスバージョンには少量の界面活
性剤を添加することができる。

上記フッ素樹脂ディスパージョンをセパレーターの端部
シール部が接合される部分を除いた面に厚さ０．０１〜
０．５ｍ＋’ｒＫ布した後、所定の位置に可撓性炭素質
部材を置き、さらに端部シール部接合面にその大きさに
切断した前記フッ素樹脂シートを介在させて端部シール
部材を欝き、全体を３０に９ｆ　／　ａｌ　０以上の圧
ノＪ、　　２５０〜４５０℃の温度、例えば約３５０℃
の温度にて、プレス時間１〜６０分で融着接合する。

尚、可撓性炭素質部の溝部は切削加工する必要があるが
、該切削加工は可撓竹炭素質部のセパレーターへの接合
の前後いずれにおいて行なってもよい。

切削加工は任意の手段により行なうことができ、例えば
ダイヤモンドブレードにより切削する。

［発明の効果］ 本発明の燃料電池用インタークーラープレートにおいて
は、可撓性を右する低弾性率の可撓性炭素材をクーラー
バイブとの接触部に用いているので、適正な締付は圧に
て該可撓性炭素材が変位し、バイブとの接触性が良くな
る為、パイプと炭素材間の接触熱抵抗が小さくなり、イ
ンタークーラープレート仝体としての熱抵抗が小さくな
る。

その結果電池のセル温度がより均一□になり、更に除熱
聞が多くなるので、インダークーラープレート数を減少
することができる。

更に端部シール部材が接合されているため、従来行なわ
れていたガス不透過処理が不必要となり、組立コストが
安価になる。

［実施例コ 以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。以
下の実施例は本発明を説明することを目的とするもので
あり、本発明はこれに限定されるものではない。

実施例　１ 可撓性炭素材 炭素繊維（呉羽化学工業制）製、Ｃ−２０ＧＳ、６＃長
、１４〜１６岬径、等方性ピッチ系を２，０００℃で焼
成したもの）７￥量部とポリビニルアルコール繊維（ク
ラレａ勾製、商品名：クラレビニロンＶＢＰ１０５−２
．３ｍｍ長）１重足部とを水中に分散して通常の抄紙機
で抄造、乾燥した炭素繊維紙に２０％フェノール樹脂溶
液（メタノール溶媒）を含浸した後、溶媒を乾燥除去し
、金型内で１３０℃、１ＯＮｇｆ／ａＡＧで２０分間加
熱成型した後、２０００℃で焼成して厚み４．５ＩＮｎ
の板を得た。この炭素材シートは嵩密度が０．６ｇ／ｃ
ｃ、圧縮弾性率が２５ＯＮ９ｆ　／　ｃＩｊであった。

この炭素材シートを、セパレーターとの接合面寸法に合
わせてａ断し、更にインタークーラーパイプホルダーと
なる深さ４．４　ｒｆｒｍ　＝幅４，４喘のＵ字形断面
の２４本の溝部を加工したものを用意した。

セパレーター 緻密炭素材（昭和電工間）製、５Ｇ−２、ｏ、６ｍｍ厚
さ）を７００ｔｎｍ　（タテ）　Ｘ７００　ｒｔｖｎ　
（ヨコ）に切断加工したものを用いた。

端部シール部材 端部シール部材として緻密黒鉛板（東海カーボン■製、
Ｔ−２１７３、嵩密度１．８５ｇ／ｃｃ、厚さ４）４ｍ
）を７００ｒｎｍ　（タテ）Ｘ２５＃ｌｌＩ＋（ヨコ）
に裁断したちのを２本使用した。

フッ素樹脂 セパレーターと端部シール部材を接合させるフッ素樹脂
としてテフロンシートにチアス側製、厚さ０．１＃ｌＩ
ｌ＋）端部シール部材のタテ、ヨコの寸法に合わせて裁
断したものを２枚使用した。またセパレーターと多孔性
炭素材とを接合させるフッ素樹脂としては、テフロンデ
ィスパージョン（三井フロロケミカル■製、水を分散媒
体としてテトラフルオロエチレン樹脂を６０重伍％含有
する）を使用した。

セパレーターの片面の多孔性炭素材を接合させる部分に
テフロンディスパージョンを０．０３ｍの厚さで塗布し
、乾燥させた後、多孔性炭素材をその部分につき合せ、
更にセパレーターの伸延部にテフロンシートを介して端
部シール部材を置き、３５０℃、３０１ｇｆ　／　ａｉ
　Ｇ　、圧力保持時間２０分で全体を融着接合して本発
明のインタークーラープレートを１９だ。

実施例　２ インタークーラープレートの熱抵抗比較試験実施例１に
おける可撓性炭素材に代えて緻密黒鉛材（日本カーボン
ｉＩｌ’！Ｊ、　５ＥＧ−５＞を使用し、その他は実施
例１と同様にして比較例となるインタークーラープレー
トを作成した。クーラーバイブホルダーとなる渦部の数
、形状も同じである。

上記で得られた比較例のインタークーラープレートと、
実施例１で得られた本発明のインタークーラープレート
とを使用して以下のような熱抵抗の比較試験を行なった
。

それぞれのインタークーラープレートに設けられたクー
ラーパイプホルダー全てに、クーラーバイブとして外径
４．２ｍｓ内径２．５Ｍの１本の連続した調性パイプを
曲折させて嵌挿した。

クーラーパイプを配設した本発明と比較例のそれぞれの
インタークーラープレートを、荷１３　Ｋｇｆ　／　ｃ
Ｍをかけて２枚の電熱加熱板の間に挟持して、加熱板の
加熱面の温度が１００℃になるように一様に加熱し、そ
れぞれのクーラーパイプに冷却水を流した。

冷却水の流ｍをＩ　Ｊ　／ｍ１ｎ一定とした時の冷却水
流入温度と流出温度をそれぞれについて測定した。

結果を下記式に示す。

ラープレートにおける冷却水温度差は比較例に比べて約
３３％大きく、クーラーバイブと炭素材との間の熱抵抗
が著しく改善されていることが判る。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の燃料電池用インタークーラープレートの
概略斜視図である。 １・・・　セパレーター ２・・・　可撓性炭素質部（クーラーパイプホルダー）
３・・・　端部シール部 ４・・・溝 ５・・・　セパレーター伸延部 ６・・・　インタークーラープレート 上記から明らかな通り、本発明のインタークー手続有１
）　ＬＥ書 平成元年４月２乙日 特許庁長官　古　１）文　毅　殿 １、事件の表示 。６３□□□４３Ｂ２３’Ｍ絖 ２、発明の名称 燃料電池用インタークーラープレート及びその製造方法 ３、補正をする者 引付との関係

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）クーラーパイプを嵌装するクーラーパイプホルダ
   ーとなる複数の平行な溝を有する可撓性炭素質部、セパ
   レーター及び一対の端部シール部からなり、可撓性炭素
   質部がセパレーター面上にフッ素樹脂層を介して接合さ
   れ、端部シール部はセパレーター上の可撓性炭素質部と
   同一面上の前記溝と平行な端部にフッ素樹脂層を介して
   接合されていることを特徴とする燃料電池用インターク
   ーラープレート。
2. （２）可撓性炭素質部が、平均長さ１ｍｍ以上の炭素繊
   維と結合材とからなる複合材料を少なくとも８００℃以
   上の温度で炭化したものであつて、結合材由来の炭素塊
   が炭素繊維マトリックス中に分散して複数本の炭素繊維
   を拘束し、かつ前記炭素塊と炭素繊維とが摺動自在に結
   合しており、密度が０．２〜１．３ｇ／ｃｃ）電気抵抗
   が２００ｍΩ・ｃｍ以下、圧縮弾性率が１００〜２５０
   ０Ｋｇｆ／ｃｍ＾２である炭素材からなり、８ｍｍ以下
   の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の燃料
   電池用インタークーラープレート。
3. （３）セパレーターが１．４ｇ／ｃｃ以上の嵩密度、１
   ０＾−＾６ｍｌ／ｃｍ＾２・ｈｒ・ｍｍＡｑ以下のガス
   透過率、１０ｍΩ・ｃｍ以下の電気抵抗を有する少なく
   とも８００℃以上で炭化された緻密炭素材からなり、２
   ｍｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１また
   は２に記載の燃料電池用インタークーラープレート。
4. （４）端部シール部が１．４ｇ／ｃｃ以上の嵩密度及び
   １０＾−＾４ｍｌ／ｃｍ＾２・ｈｒ・ｍｍＡｑ以下のガ
   ス透過度を有する少なくとも８００℃以上で炭化された
   緻密炭素材であることを特徴とする請求項１〜３のいず
   れかに記載の燃料電池用インタークーラープレート。
5. （５）フッ素樹脂が２００℃以上の融点を有するもので
   あることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の
   燃料電池用インタークーラープレート。
6. （６）所望寸法及び数の溝を切削加工した可撓性炭素質
   部材と該可撓性炭素質部材が接合される溝を加工してい
   ない平面部分に予めフッ素樹脂ディスパージョンが塗布
   されているセパレーターをつき合せ、更に、前記可撓性
   炭素質部材をつき合わせたのと同一のセパレーターの面
   上に、前記可撓性炭素質部材上の溝と平行な両端部を超
   えて、ガス不透過性の端部シール部材をフッ素樹脂のシ
   ートを介してセパレーターの伸延部分とつき合せ、２５
   ０℃〜４５０℃の温度、１〜６０Ｋｇｆ／ｃｍ＾２Ｇの
   圧力、２〜６０分の加圧時間で全体を接合することを特
   徴とする請求項１に記載の燃料電池用インタークーラー
   プレートの製造方法。
7. （７）溝を加工していない所望寸法の可撓性炭素質部材
   と該多孔性炭素質部材が接合される部分に予めフッ素樹
   脂ディスパージョンが塗布され且つ該多孔性炭素質部材
   の加工しようとする溝に平行な両端部に伸延部分を有す
   るセパレーターをつき合せ、更に該セパレーターの前記
   可撓性炭素質部材をつき合わせたのと同一の面上の上記
   伸延部分にフッ素樹脂のシートを介してガス不透過性の
   端部シール部材をつき合せ、２５０℃〜４５０℃の温度
   、１〜６０Ｋｇｆ／ｃｍ＾２Ｇの圧力、２〜６０分の加
   圧時間で接合した後に、前記多孔性炭素質部材に前記端
   部シール部材と平行に所望寸法及び数の溝部を切削加工
   することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用イン
   タークーラープレートの製造方法。