JPH0546668B2 - - Google Patents
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- JPH0546668B2 JPH0546668B2 JP59277868A JP27786884A JPH0546668B2 JP H0546668 B2 JPH0546668 B2 JP H0546668B2 JP 59277868 A JP59277868 A JP 59277868A JP 27786884 A JP27786884 A JP 27786884A JP H0546668 B2 JPH0546668 B2 JP H0546668B2
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- electrode plate
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- gas
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/96—Carbon-based electrodes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
この発明は、バイポーラ型燃料電池に使用する
極板に関する。
極板に関する。
従来技術
バイポーラ型燃料電池、特にリン酸水溶液を電
解質とする高温型のものにおいては、化学的に安
定であり、しかも安価であるという理由でその極
板を炭素材料で構成している。
解質とする高温型のものにおいては、化学的に安
定であり、しかも安価であるという理由でその極
板を炭素材料で構成している。
そのような極板としては、たとえば特公昭53−
43920号公報に記載されているものが知られてい
る。この極板は、平均長１〜10mmの炭素繊維短繊
維にバインダを加えて抄紙した後、それを焼成し
てバインダを炭化し、その後熱分解炭素を沈着さ
せることによつて作られたもので、短繊維同士が
その交点において炭素で結着されている。しかし
ながら、かかる従来の極板には、以下において説
明するような欠点がある。
43920号公報に記載されているものが知られてい
る。この極板は、平均長１〜10mmの炭素繊維短繊
維にバインダを加えて抄紙した後、それを焼成し
てバインダを炭化し、その後熱分解炭素を沈着さ
せることによつて作られたもので、短繊維同士が
その交点において炭素で結着されている。しかし
ながら、かかる従来の極板には、以下において説
明するような欠点がある。
すなわち、燃料電池用極板の特性は、これはバ
イポーラ型のものに限つたことではないが、一般
に、燃料ガス（水素ガス、天然ガスなど）や参照
ガス（空気または酸素ガス）を透過させる、いわ
ゆる気体透過性と、厚み方向の導電性に大きく左
右され、両者のバランスがとれていることが大変
重要であるが、上記従来の極板は、炭素繊維短繊
維を使用するので製造時における嵩の制御が大変
難しく、短繊維が詰まりすぎたり、逆に粗になつ
て嵩高になりやすい。しかるに、短繊維が詰まり
すぎると、導電性は上がるものの気孔率が低くな
つて気体透過性が低下し、また嵩高になると気体
透過性は向上するものの導電性が低下して、気体
透過性と導電性のバランスがなかなかとれない。
しかして、気体透過性と導電性のバランスがとれ
ていないような極板によつては、発電効率の高い
燃料電池が得られない。
イポーラ型のものに限つたことではないが、一般
に、燃料ガス（水素ガス、天然ガスなど）や参照
ガス（空気または酸素ガス）を透過させる、いわ
ゆる気体透過性と、厚み方向の導電性に大きく左
右され、両者のバランスがとれていることが大変
重要であるが、上記従来の極板は、炭素繊維短繊
維を使用するので製造時における嵩の制御が大変
難しく、短繊維が詰まりすぎたり、逆に粗になつ
て嵩高になりやすい。しかるに、短繊維が詰まり
すぎると、導電性は上がるものの気孔率が低くな
つて気体透過性が低下し、また嵩高になると気体
透過性は向上するものの導電性が低下して、気体
透過性と導電性のバランスがなかなかとれない。
しかして、気体透過性と導電性のバランスがとれ
ていないような極板によつては、発電効率の高い
燃料電池が得られない。
また、上記従来の極板は、抄紙法によつて製造
したものであるから、大部分の短繊維は極板の面
とほぼ平行になつており、極板の厚み方向に向い
ているものは極くわずかである。そのため、厚み
方向の導電性は短繊維同士を結着している炭素に
大きく依存することになるが、導電性を向上させ
ようとして炭素の量、つまりバインダの添加量を
多くすると、それに比例して気体透過性が低下し
てしまう。
したものであるから、大部分の短繊維は極板の面
とほぼ平行になつており、極板の厚み方向に向い
ているものは極くわずかである。そのため、厚み
方向の導電性は短繊維同士を結着している炭素に
大きく依存することになるが、導電性を向上させ
ようとして炭素の量、つまりバインダの添加量を
多くすると、それに比例して気体透過性が低下し
てしまう。
さらに、上記従来の極板は、炭素繊維短繊維を
使用しているので、機械的強度がもともと高くな
いうえに、何らかの機械的、電気的または化学的
作用によつて炭化物による結着が解かれた場合に
短繊維がばらばらに分離し、形態を保ち得なくな
るばかりか導電性が大きく低化する。特に、電解
質たるリン酸水溶液側の面では、リン酸による炭
化物の脆化が起こりやすいが、炭素による結着が
解かれて短繊維ばらばらになると、この面は触媒
を担持している面であるから電池の特性に大きな
影響を与えることになる。
使用しているので、機械的強度がもともと高くな
いうえに、何らかの機械的、電気的または化学的
作用によつて炭化物による結着が解かれた場合に
短繊維がばらばらに分離し、形態を保ち得なくな
るばかりか導電性が大きく低化する。特に、電解
質たるリン酸水溶液側の面では、リン酸による炭
化物の脆化が起こりやすいが、炭素による結着が
解かれて短繊維ばらばらになると、この面は触媒
を担持している面であるから電池の特性に大きな
影響を与えることになる。
発明が解決しようとする問題点
この発明の目的は、従来の極板の上記欠点を解
決し、気体透過性、導電性、機械的強度がともに
高く、かつ耐久性に優れたパイポーラ型燃料電池
用極板を提供するにある。
決し、気体透過性、導電性、機械的強度がともに
高く、かつ耐久性に優れたパイポーラ型燃料電池
用極板を提供するにある。
問題点を解決するための手段
上記目的を達成するためのこの発明は、平板状
の多孔質極板であつて、前記極板には炭素繊維織
物が使用され、かつ前記炭素繊維織物の経糸およ
び緯糸がそれらの交錯部において炭化物で結着さ
れているバイポーラ型燃料電池用極板を特徴とす
るものである。
の多孔質極板であつて、前記極板には炭素繊維織
物が使用され、かつ前記炭素繊維織物の経糸およ
び緯糸がそれらの交錯部において炭化物で結着さ
れているバイポーラ型燃料電池用極板を特徴とす
るものである。
この発明をさらに詳細に説明するに、第２図
は、バイポーラ型の積層型燃料電池をその１ユニ
ツト分について示す概略斜視図である。第２図に
おいて、２枚の多孔質極板１，２の間には、たと
えばリン酸水溶液からなる電解質３が担持されて
いる。また、各極板１，２と上記電解質３の間に
は、たとえば白金黒からなる触媒４，５が担持さ
れている。極板１，２は、全体として２〜５mm程
度の厚みを有している。バイポーラ型燃料電池
は、このようなユニツトを多数積層することによ
つて構成されるが、各ユニツト間は、燃料ガス
（水素ガス、天然ガスなど）または参照ガス（空
気または酸素ガス）を透過することのない、リブ
８，９を備えた、たとえば黒鉛板などの隔壁板
６，７で仕切られている。リブ８，９は、それぞ
れ隔壁板６，７に幅および深さがともに１〜2.5
mm程度であるような溝１０，１１を形成されてい
る。しかして、隔壁板６，７は溝１０，１１が互
いに直交するように配置され、いずれか一方の隔
壁板の溝内に燃料ガスが流され、他方の隔壁板の
溝内に参照ガスが流されるものである。
は、バイポーラ型の積層型燃料電池をその１ユニ
ツト分について示す概略斜視図である。第２図に
おいて、２枚の多孔質極板１，２の間には、たと
えばリン酸水溶液からなる電解質３が担持されて
いる。また、各極板１，２と上記電解質３の間に
は、たとえば白金黒からなる触媒４，５が担持さ
れている。極板１，２は、全体として２〜５mm程
度の厚みを有している。バイポーラ型燃料電池
は、このようなユニツトを多数積層することによ
つて構成されるが、各ユニツト間は、燃料ガス
（水素ガス、天然ガスなど）または参照ガス（空
気または酸素ガス）を透過することのない、リブ
８，９を備えた、たとえば黒鉛板などの隔壁板
６，７で仕切られている。リブ８，９は、それぞ
れ隔壁板６，７に幅および深さがともに１〜2.5
mm程度であるような溝１０，１１を形成されてい
る。しかして、隔壁板６，７は溝１０，１１が互
いに直交するように配置され、いずれか一方の隔
壁板の溝内に燃料ガスが流され、他方の隔壁板の
溝内に参照ガスが流されるものである。
上記極板１，２は、第１図に示すように平板状
をしていて、１〜数枚の炭素繊維織物１２が使用
され、しかもその炭素繊維織物１２の経糸および
緯糸の交錯部には炭化物（図示せず）が付着し、
それら経糸および緯糸を互いに結着している。し
たがつて、経糸および緯糸の配列の乱れ、つまり
目ずれが容易に起こるようなことはない。
をしていて、１〜数枚の炭素繊維織物１２が使用
され、しかもその炭素繊維織物１２の経糸および
緯糸の交錯部には炭化物（図示せず）が付着し、
それら経糸および緯糸を互いに結着している。し
たがつて、経糸および緯糸の配列の乱れ、つまり
目ずれが容易に起こるようなことはない。
上記炭素繊維は、ピツチ系、ポリアクリルニト
リル系などの、好ましくは無撚の炭素繊維であ
る。単糸径は、５〜15μm程度である。炭化系、
黒鉛系のいずれであつてもよいが、導電性や耐食
性が高く、しかも機械的特性が優れているという
理由で、黒鉛系の、それもポリアクリルニトリル
系炭素繊維であるのが最も好ましい。しかして、
そのような炭素繊維からなる織物は、平織物、朱
子織物、綾織物のようなものである。なかでも、
経糸と緯糸の交錯が最も多く、組織が安定してい
る平織物であるのが最も好ましい。これらの織物
は、極板に高い気体透過性、厚み方向の導電性、
機械的強度を与える。これらの特性を十分に発揮
させるために、上記織物は、クリンプ率が20〜
200％であり、かつ１cm3当りの重さが0.08〜0.3ｇ
であるようなものであるのが好ましい。ここにお
いて、クリンプ率は、式、 Ｃ＝［（Ｌ−L′）／L′］×100 ただし、 Ｃ：クリンプ率（％） Ｌ：真直ぐに延ばした状態で計つた経糸または
緯糸の長さ L′：織物を構成している状態で計つた経糸また
は緯糸の長さ で定義されるものである。この定義から明らかな
ように、クリンプ率が大きいということは、経糸
および緯糸の交錯部におけるそれらの屈曲の程度
が大きいということである。しかして、クリンプ
率が大きいほど経糸および緯糸が織物の厚み方向
に向くことになり、これが厚み方向の導電路を形
成する。また、織物の目、つまり織目は、燃料ガ
スや参照ガスの通路を形成する。
リル系などの、好ましくは無撚の炭素繊維であ
る。単糸径は、５〜15μm程度である。炭化系、
黒鉛系のいずれであつてもよいが、導電性や耐食
性が高く、しかも機械的特性が優れているという
理由で、黒鉛系の、それもポリアクリルニトリル
系炭素繊維であるのが最も好ましい。しかして、
そのような炭素繊維からなる織物は、平織物、朱
子織物、綾織物のようなものである。なかでも、
経糸と緯糸の交錯が最も多く、組織が安定してい
る平織物であるのが最も好ましい。これらの織物
は、極板に高い気体透過性、厚み方向の導電性、
機械的強度を与える。これらの特性を十分に発揮
させるために、上記織物は、クリンプ率が20〜
200％であり、かつ１cm3当りの重さが0.08〜0.3ｇ
であるようなものであるのが好ましい。ここにお
いて、クリンプ率は、式、 Ｃ＝［（Ｌ−L′）／L′］×100 ただし、 Ｃ：クリンプ率（％） Ｌ：真直ぐに延ばした状態で計つた経糸または
緯糸の長さ L′：織物を構成している状態で計つた経糸また
は緯糸の長さ で定義されるものである。この定義から明らかな
ように、クリンプ率が大きいということは、経糸
および緯糸の交錯部におけるそれらの屈曲の程度
が大きいということである。しかして、クリンプ
率が大きいほど経糸および緯糸が織物の厚み方向
に向くことになり、これが厚み方向の導電路を形
成する。また、織物の目、つまり織目は、燃料ガ
スや参照ガスの通路を形成する。
炭素繊維織物の経糸と緯糸および短繊維同士を
結着している炭化物は、たとえばフエノール樹
脂、ポリビニルアルコール樹脂、タール、ピツチ
などの有機物を焼成、炭化することによつて得ら
れたものである。しかして、極板中における炭化
物の割合は、重量比で、炭素繊維織物３〜10に対
して炭化物１程度でよい。
結着している炭化物は、たとえばフエノール樹
脂、ポリビニルアルコール樹脂、タール、ピツチ
などの有機物を焼成、炭化することによつて得ら
れたものである。しかして、極板中における炭化
物の割合は、重量比で、炭素繊維織物３〜10に対
して炭化物１程度でよい。
この発明に係る極板は、いろいろな方法によつ
て製造することができるが、次にその好ましい一
例を示す。
て製造することができるが、次にその好ましい一
例を示す。
すなわち、まず、所望の枚数の炭素繊維織物を
積層し、これにフエノール樹脂のメタノール溶液
を含浸する。このとき、フエノール樹脂の濃度は
５〜50重量％程度であるのがよく、また含浸量は
５〜40重量％程度であるのがよい。あらかじめフ
エノール樹脂のメタノール溶液を含浸した炭素繊
維織物を積層するようにしてもよい。
積層し、これにフエノール樹脂のメタノール溶液
を含浸する。このとき、フエノール樹脂の濃度は
５〜50重量％程度であるのがよく、また含浸量は
５〜40重量％程度であるのがよい。あらかじめフ
エノール樹脂のメタノール溶液を含浸した炭素繊
維織物を積層するようにしてもよい。
次に、２枚の金属平板の間に上記積層体を挟
み、加圧下に100〜200℃の温度で数十分間加熱す
る。すると、フエノール樹脂によつて、炭素繊維
織物の経糸および緯糸がそれらの交錯部において
結着され、形状的には第１図に示すような、いわ
ゆる極板素材が得られる。
み、加圧下に100〜200℃の温度で数十分間加熱す
る。すると、フエノール樹脂によつて、炭素繊維
織物の経糸および緯糸がそれらの交錯部において
結着され、形状的には第１図に示すような、いわ
ゆる極板素材が得られる。
次に、上記極板素材を、窒素ガスなどの不活性
雰囲気中で、かつおおむね1000℃以上の温度で数
十分間焼成し、上記フエノール樹脂を炭化してこ
の発明に係る極板を得る。
雰囲気中で、かつおおむね1000℃以上の温度で数
十分間焼成し、上記フエノール樹脂を炭化してこ
の発明に係る極板を得る。
発明の効果
この発明に係る極板は、炭素繊維織物を使用
し、しかもその経糸および緯糸をそれらの交錯部
において炭化物を結着しているから、気体透過
性、導電性および機械的強度のいずれにおいても
大変優れている。
し、しかもその経糸および緯糸をそれらの交錯部
において炭化物を結着しているから、気体透過
性、導電性および機械的強度のいずれにおいても
大変優れている。
すなわち、織物は織組織や織密度などによつて
定まる織目をもつているから、適当な織組織およ
び織密度をもつ織物を選択使用することによつて
高い気体透過性を得ることができる。また、織物
は経糸および緯糸がクリンプしており、表から裏
へ、また裏から表へと炭素繊維が延びていてこれ
が導電路を形成するから、経糸および緯糸を導電
性をもつ炭化物で結着していることと相まつて短
繊維を使用した場合にくらべて厚み方向の導電性
が飛躍的に向上する。さらに、織物は繊維が連続
しており、また経糸と緯糸が互いに交錯していて
もともと形態保持性が高いが、この発明において
はその経糸および緯糸を炭化物で結着しているか
ら耐久性が一層向上する。しかも、機械的、電気
的あるいは化学的作用が加わつて炭化物による結
着が解かれても、短繊維を使用している場合のよ
うにばらばらになつてしまうことがない。
定まる織目をもつているから、適当な織組織およ
び織密度をもつ織物を選択使用することによつて
高い気体透過性を得ることができる。また、織物
は経糸および緯糸がクリンプしており、表から裏
へ、また裏から表へと炭素繊維が延びていてこれ
が導電路を形成するから、経糸および緯糸を導電
性をもつ炭化物で結着していることと相まつて短
繊維を使用した場合にくらべて厚み方向の導電性
が飛躍的に向上する。さらに、織物は繊維が連続
しており、また経糸と緯糸が互いに交錯していて
もともと形態保持性が高いが、この発明において
はその経糸および緯糸を炭化物で結着しているか
ら耐久性が一層向上する。しかも、機械的、電気
的あるいは化学的作用が加わつて炭化物による結
着が解かれても、短繊維を使用している場合のよ
うにばらばらになつてしまうことがない。
第１図は、この発明に係る極板の一実施態様を
示す概略斜視図、第２図は、上記第１図に示した
極板を使用したバイポーラ型の積層型燃料電池を
その１ユニツト分について示す概略斜視図であ
る。 １，２……極板、３……電解質、４，５……触
媒、６，７……隔壁板、８，９……リブ、１０，
１１……溝、１２……炭素繊維織物。
示す概略斜視図、第２図は、上記第１図に示した
極板を使用したバイポーラ型の積層型燃料電池を
その１ユニツト分について示す概略斜視図であ
る。 １，２……極板、３……電解質、４，５……触
媒、６，７……隔壁板、８，９……リブ、１０，
１１……溝、１２……炭素繊維織物。
Claims (1)
- １ 平板状の多孔質極板であつて、前記極板には
炭素繊維織物が使用され、かつ前記炭素繊維織物
の経糸および緯糸がそれらの交錯部において炭化
物で結着されていることを特徴とするバイポーラ
型燃料電池用極板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59277868A JPS61158669A (ja) | 1984-12-28 | 1984-12-28 | バイポ−ラ型燃料電池用極板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59277868A JPS61158669A (ja) | 1984-12-28 | 1984-12-28 | バイポ−ラ型燃料電池用極板 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61158669A JPS61158669A (ja) | 1986-07-18 |
| JPH0546668B2 true JPH0546668B2 (ja) | 1993-07-14 |
Family
ID=17589401
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59277868A Granted JPS61158669A (ja) | 1984-12-28 | 1984-12-28 | バイポ−ラ型燃料電池用極板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61158669A (ja) |
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-
1984
- 1984-12-28 JP JP59277868A patent/JPS61158669A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61158669A (ja) | 1986-07-18 |
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