JPH04366557A - 多孔質炭素基板の製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、リン酸を電解質とする
燃料電池に係り、特に、電極として使用される多孔質炭
素基板の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、燃料の有している化学的エネルギ
―を直接電気的エネルギ―に変換する装置として燃料電
池が知られている。この燃料電池は、一般に、電解質を
含浸したマトリックスを挟んで一対の多孔質電極を配置
すると共に、一方の電極の背面に水素などの燃料ガスを
接触させ、また他方の電極の背面に酸素などの酸化剤ガ
スを接触させ、このとき起こる電気化学的反応を利用し
て、電極間から電気エネルギ―を取出すようにした装置
である。そして、各電極にそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガ
スが供給されている限り、高い変換効率で電気エネルギ
―を取出すことができるものである。

【０００３】また、以上のような燃料電池の多孔質電極
は多孔質炭素基板から構成されており、このような一対
の多孔質電極及びマトリックスから構成された単位セル
の起電力は、高くても１Ｖ程度である。そのため、この
ような単位セルを使用して実用規模の発電装置を得るた
めには、数十枚乃至数百枚の単位セルを積層する必要が
ある。

【０００４】通常、このように多数枚の単位セルを積層
する場合には、高密度で導電性の高い炭素隔離板（セパ
レ―タ）が使用されている。この隔離板は、単位セルを
構成する電極の形状に応じて、異なるものが用いられる
。すなわち、両電極が共に平滑な多孔質炭素基板から構
成されている場合には、上面及び下面に互いに異なる方
向のガス流通路が形成された隔離板を使用し、また、両
電極にガス流通路が形成された多孔質炭素基板を使用す
る場合には、平滑な隔離板を使用する。

【０００５】ここに、燃料電池の一例として、リン酸を
電解質としたリブ付き電極型燃料電池単位セルの基本的
な構成例を図４に示す。この図４においては、電解質と
してリン酸を保持するマトリックス層１を挟んで、一対
のリブ付き電極２である燃料極２ａ及び酸化剤極２ｂが
対向配置されることにより、燃料電池の単位セルが構成
されている。そして、このような単位セルが複数個用意
され、セパレータ３を挟んで積層され、燃料電池が構成
されている。

【０００６】この場合、一対のリブ付き電極２である燃
料極２ａ及び酸化剤極２ｂは、通常、炭素材から構成さ
れ、各背面には、互いに直交する方向に複数本の溝が平
行に設けられており、その反対面である対向面には、そ
れぞれ触媒層４ａ，４ｂが形成されている。そして、燃
料極２ａ及び酸化剤極２ｂにそれぞれ形成された溝は、
燃料ガス及び酸化剤ガスの流通路となっている。また、
セパレ―タ３は、誘導性を有し、且つ透過性を持たない
ように構成されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、以上のよう
に構成されたリン酸を電解質とする燃料電池において、
長期に亘って安定した高性能を維持するためには、長期
に亘って安定した起電反応を進めることが不可欠である
。そして、そのためには、健全な触媒層と、これらの反
応を円滑に進める活物質（反応ガス）とを十分にシール
し、且つ両者を互いに分離するためのシ―ル機能の充実
が必要である。しかしながら、前記のように構成された
リン酸を電解質とする従来の燃料電池においては、シー
ル機能が不十分であり、燃料極の活物質である水素を主
体とする反応ガス及び酸化剤極の活物質である酸素を含
む反応ガスが、電極端部から流出する場合があった。 そして、このように流出した反応ガスが、電池外部出力
としての起電反応以外で反応したり、あるいは、相反す
る反応ガス（水素を主体とするガス及び酸素を含むガス
）の混合が生じることがあるため、長期に亘って安定し
た起電反応を進めることができなくなる問題があった。

【０００８】これに対し、このようなシール機能の必要
性に対し、従来、例えば、多孔質電極を構成する多孔質
炭素基板の端部にガスリ―クを防止するＰＦＥ（ポリフ
ルオロエチレン）フィルムを溶着する方法や、多孔質炭
素基板を黒鉛化する前に予め端部に高充填のシール部を
形成する方法などが考えられている。しかしながら、前
者のＰＦＥフィルム溶着は、シ―ル機能は十分であるが
加工工数が多く、実現が困難であった。また、後者の高
充填シール部を形成する方法は、シ―ル部の寸法精度を
良くすることが困難であり、且つ、内部と端部との密度
差により黒鉛化後の多孔質炭素基板に歪を生じてしまう
などの問題点があった。

【０００９】本発明は、以上のような従来技術の課題を
解決するために提案されたものであり、その目的は、リ
ン酸を電解質とする燃料電池の構成部材である多孔質炭
素基板の端部に、反応ガス（水素を主体とするガス及び
酸素を含むガス）の流出を確実に防止可能なシール部を
容易に形成できるような、優れた多孔質炭素基板の製造
方法を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による多孔質炭素
基板の製造方法は、燃料電池の電極として使用され、そ
の一面に、電極反応を促進するための触媒層を担持する
と共に、反対側の面に、水素を主成分とする反応ガスま
たは酸化性の反応ガスを一定の方向に流通させる多孔質
炭素基板の製造方法において、炭化処理によって多孔質
炭素基板を形成し、黒鉛化処理を行った後に、多孔質炭
素基板の反応ガス流通方向の端部に、微小炭素繊維を高
充填する処理を行うことを特徴としている。また、この
場合の高充填処理としては、真空吸引方法を採用するこ
とが可能である。

【００１１】さらに、本発明において使用する微小炭素
繊維としては、１８００℃以上の黒鉛化処理によって黒
鉛化した多孔質炭素基板を解砕してなる微小炭素繊維や
、また、１４００℃以上の炭化処理によって炭化した多
孔質炭素基板を解砕してなる微小炭素繊維などを使用す
ることができる。

【００１２】

【作用】以上のような構成を有する本発明の作用は次の
通りである。まず、本発明においては、黒鉛化処理後に
微笑炭素繊維の高充填処理を行うため、黒鉛化処理前に
行う場合に生じてしまう寸法精度の低下や歪みなどの不
都合を生じることがない。

【００１３】そして、多孔質炭素基板の端部に高充填さ
れた微小炭素繊維は、この後に、多孔質炭素基板に電解
質としてリン酸を含浸することによって有効に作用する
。

【００１４】すなわち、微小炭素繊維が高充填された端
部は、他の一般部分の基板組織よりも基板繊維によって
形成される細孔径が小さくなる。そのため、多孔質炭素
基板にリン酸を含浸すると、基板端部の毛管作用により
、リン酸は基板端部に吸引される形で端部に移動し、こ
の端部に集中して保持される傾向を示す。この結果、基
板端部においては、この保持されたリン酸によりいわゆ
るウェットシ―ル作用を生ずる。従って、このような処
理を施してなる多孔質炭素基板を、燃料電池の電極とし
て使用した場合には、このウェットシ―ル作用により、
基板端部からの反応ガスのリ―クを確実に防止すること
ができる。

【００１５】さらに、微小炭素繊維として、黒鉛化処理
によって黒鉛化した多孔質炭素基板や炭化処理によって
炭化した多孔質炭素基板を、そのまま解砕するだけで利
用できるため、特別に微小炭素繊維を用意する必要がな
いという利点もある。

【００１６】

【実施例】以下、本発明による多孔質炭素基板の製造方
法の一実施例について、図１及び図２を参照して詳細に
記載する。

【００１７】すなわち、本発明による実施例として、次
に示す炭化処理（１）、黒鉛化処理（２）、及び高充填
処理（３）を順次行い、リン酸を電解質とする燃料電池
を構成する一部材である多孔質炭素基板を製造した。

【００１８】（１）炭化処理 まず、石油ピッチから製造したカ―ボンファイバ―７０
重量部に対し、３０重量部のフェノ―ル系熱硬化性樹脂
を混合し、粉砕したものをホッパ―に充填して、ホッパ
―より５０ｃｍ角に仕切ったステンレス容器中に均一に
散布した。次に、この散布粉末を、１４０℃、８気圧の
平型プレスで約１０分間熱間プレスを行い、厚さ３ｍｍ
に成型した。続いて、この成型体を、電気炉中に入れ、
不活性ガス中、５０℃／ｈｏｕｒの昇温速度で９５０℃
まで昇温し、この９５０℃の状態で約１５時間維持して
、フェノ―ル系熱硬化性樹脂の炭化処理を行った。そし
て、炭化処理後は徐冷し、約２５０℃で空気中に取出し
た。なお、このような炭化処理によって形成された基体
は、通常、炭化した多孔質炭素基板と呼ばれる。

【００１９】（２）黒鉛化処理 前記炭化処理を行って形成された多孔質炭素基板を、さ
らに、不活性ガス中において２５００℃の温度で８０時
間熱処理した。この黒鉛化処理によって、気孔率７０％
、密度０．５０〜０．６０ｇ／ｃｃの多孔質炭素基板が
得られた。なお、このようにして黒鉛化処理を施された
多孔質炭素基板は、通常、黒鉛化した多孔質炭素基板と
呼ばれる。

【００２０】（３）高充填処理 前記黒鉛化処理によって黒鉛化された多孔質炭素基板の
端部に、図１に示す真空吸引方法によって、微小炭素繊
維を高充填した。すなわち、図１に示すように、多孔質
炭素基板５の端部の片面に、微小炭素繊維６を収納した
容器７を配置すると共に、この端部の反対面に、真空吸
引口８を配置して、真空吸引を行い、図２に示すように
、多孔質炭素基板５の端部に、高充填シール部９を形成
した。この場合、端部に充填する微小炭素繊維６として
は、前記の黒鉛化処理によって黒鉛化した多孔質炭素基
板を解砕してなる、繊維長１００μｍ（マイクロメ―ト
ル）以下の微小炭素繊維を使用した。

【００２１】このようにして製造した図２の多孔質炭素
基板５を電極として用い、図４に示すような燃料電池単
位セルを構成した。この場合、各電池構成部材に含浸す
るリン酸は、以下に示す濃度とした。また、以下に示す
各量は、各部材の体積から算出した。 マトリックス層：　　全空隙の１００％に１０５％リン
酸を含浸。 触媒層：　　全空隙の２０％に１０５％リン酸を含浸。 多孔質炭素基板（電極）：　　全空隙の４０％に１０５
％リン酸を含浸。 この条件でリン酸を含浸して構成した燃料電池単位セル
を、最終的に１００℃において２４時間保持した。この
操作により、多孔質炭素基板の端部にリン酸が移動し、
その端部にウェットシ―ル部が形成された。

【００２２】以上のようにして得られた本発明による多
孔質炭素基板を有してなる燃料電池の作用を、図３を参
照して説明する。ここで、図３は、本発明による多孔質
炭素基板を有してなる燃料電池単位セルの電圧特性を示
す特性図である。すなわち、この図３は、下記の条件下
で長期に亘り単位セルの起電試験を行った場合における
定格出力電圧を示す（実線）と共に、開回路電圧の推移
を同時に点線で示している。 試験条件：　　常圧、２２０ｍＡ／ｃｍ２　、２０５℃
、ＵＦ　＝ＵＡ　＝５０％） そして、この図３に示すように、開回路電圧は、高電圧
で、長期に亘り安定して推移している。このことは、本
発明に係る多孔質炭素基板のシ―ル性が良好であり、起
電反応に関与する活物質同士の相互の混入がないことを
実証している。なお、本発明は、前記実施例に限定され
るものではなく、例えば、多孔質炭素基板の端部に充填
する微小炭素繊維としては、黒鉛化した多孔質炭素基板
を解砕してなるものに限らず、炭化した多孔質炭素基板
を解砕してなる微小炭素繊維を使用することも可能であ
る。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に従う多孔
質炭素基板の製造方法においては、黒鉛化処理を行った
後に、多孔質炭素基板の反応ガス流通方向の端部に、微
小炭素繊維を高充填する処理を行うことにより、リン酸
を電解質とする燃料電池の構成部材である多孔質炭素基
板の端部に、反応ガス（水素を主体とするガス及び酸素
を含むガス）の流出を確実に防止可能なシール部を容易
に形成できる。

【００２４】従って、リン酸を電解質とする燃料電池に
おいて、従来問題となっていた流出反応ガスの電池外部
出力としての起電反応以外の反応、あるいは、相反する
反応ガスの混合といった不具合を防止できるため、長期
に亘り安定した起電反応を進めることができ、長期に亘
って安定した高性能を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による多孔質炭素基板の製造方法の一実
施例において、真空吸引方法を用いて多孔質炭素基板に
微小炭素繊維を高充填している高充填処理状態を示す模
式的概略図。

【図２】図１の処理によって製造した多孔質炭素基板を
示す模式的斜視図。

【図３】図２の多孔質炭素基板を使用して構成した燃料
電池単位セルの電圧特性を示す特性図。

【図４】リン酸を電解質としたリブ付き電極型燃料電池
単位セルの基本的な構成例を示す構成図。

【符号の説明】

１　　…　　マトリックス層 ２　　…　　リブ付き電極 ３　　…　　セパレータ ４ａ，４ｂ　　…　　触媒層 ５　　…　　多孔質炭素基板 ６　　…　　微小炭素繊維 ７　　…　　容器 ８　　…　　真空吸引口 ９　　…　　高充填シール部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　燃料電池の電極として使用され、その
   一面に、電極反応を促進するための触媒層を担持すると
   共に、反対側の面に、水素を主成分とする反応ガスまた
   は酸化性の反応ガスを一定の方向に流通させる多孔質炭
   素基板の製造方法において、炭化処理によって多孔質炭
   素基板を形成し、黒鉛化処理を行った後に、多孔質炭素
   基板の反応ガス流通方向の端部に、微小炭素繊維を高充
   填する処理を行うことを特徴とする多孔質炭素基板の製
   造方法。