JPH0626128B2 - 燃料電池用複合電極の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、多孔質炭素電極板と気体不透過性炭素セパレ
ーター板とを一体的に形成するリン酸型燃料電池用複合
電極の製造方法に関する。

「従来の技術」 燃料電池は、リン酸を保持したマトリックス層の両面に
触媒を担持した多孔質電極板と気体不透過性セパレータ
ー板とを配置して単位セルを構成し、各単位セルを多数
直列接続することにより所定のスタック構造に形成して
いる。電極板およびセパレーター板の形状は、燃料と酸
化剤の気体流通溝を付けるか否かによってリブ付または
平板に分かれるが、これらの部材には耐熱性、耐蝕性、
導電性、熱伝導性、易加工法などの特性が必要とされて
おり、この要求特性を満たすものとして炭素材が有用さ
れている。

このスタック構造においては、電極板とセパレーター板
間の接触抵抗を出来る限り小さくするためにスタック全
体を強固に圧締、密着させること、さらに全体をコンパ
クト化するために電極板およびセパレーター板の厚さを
薄くすることが必要とされている。しかしながら、炭素
材は機械的強度が十分でないためにハンドリングや電池
組立時に破損を生じる場合がある。

このような理由から、多孔質炭素電極板と気体不透過性
炭素セパレーター板とを一体的に形成することにより、
接触抵抗の減少や機械的強度の増大をはかり、電池組立
を容易にする試みがなされている。例えば、出願人は気
体不透過性炭素セパレーター板の両面に、厚さのほぼ中
央部に貫通孔群を有する多孔質炭素電極板を、炭化性物
質を介して一体的に接合する方法を提案した（特願昭６
０−２９０８４８）。この場合、炭化性物質としては未
硬化状態の炭素セパレーター板あるいは熱硬化性樹脂の
初期縮合物または当該樹脂にコークス、黒鉛、ガラス状
カーボン等の微粉を配合したものが用いられる。

「発明が解決しようとする問題点」 しかしながら、上記炭化性物質は接着強度の増大と電気
抵抗の減少化の両立をはかることが困難である。すなわ
ち、強固な接着層の形成には樹脂成分が多い程有利であ
るが相対的に電気抵抗の増大を招き、一方黒鉛微粉末を
配合すると電気抵抗の増大化を防止することができるが
接着強度が相対的に低下するという難点がある。

「問題点を解決するための手段」 本発明は上記問題点を解消し、接着層の接着強度と電気
抵抗の改善を目的とするものである。

すなわち、本発明は気体不透過性炭素薄板の両面に、厚
さのほぼ中央部に貫通孔群を有する多孔質炭素成形体
を、炭化性物質を介して一体的に接着したのち焼成炭化
処理する燃料電池用複合電極の製造方法において、前記
炭化性物質がフェノール系またはフラン系の熱硬化性樹
脂初期縮合物１００重量部に対して平均粒径８０μｍ以
下の黒鉛粉末３０〜７０重量部、直径２０μｍ以下、長
さ１mm以下の炭素繊維チョップ０．１〜１０重量部およ
び界面活性剤０．０１〜１重量部の組成より成ることを
構成的特徴とする燃料電池用複合電極の製造方法であ
る。

多孔質炭素成形体は、炭素繊維チョップと熱硬化性樹脂
との複合体を焼成炭化処理するような方法で得られる。
例えば、水溶性フェノール樹脂と炭素繊維チョップとを
水に分散させてスラリー状にし、このスラリーを所定形
状の金型中に注入した後加圧成形、加熱硬化処理するこ
とにより製造される。この場合、金型中の所定位置に棒
状体を挿着し、加熱硬化処理後棒状体を抜き出すことに
より貫通孔群を形成することができる。棒状体の材質と
しては、成形硬化体から抜き出すことが容易な金属やテ
トラフルオロエチレン樹脂などが使用される。また、前
記スラリーを抄紙法を利用して成形することもできる。

気体不透過性炭素薄板は、予め粒度を調整した黒鉛粉末
あるいはコークス粉末などとフェノール系やフラン系な
どの熱硬化性樹脂液とを混練し、混練物やモールド成形
した後所定厚さの薄板状にロール圧延成形して得られ
る。この薄板状成形体は、加熱硬化炭化性物質を介して
前記多孔質炭素成形体と一体的に挿着される。次いで、
不活性雰囲気中で加熱して焼成炭化することにより多孔
質炭素電極板と気体不透過性炭素セパレーター板とが一
体的に接合した燃料電池用複合電極を製造することがで
きる。

本発明はこの炭化性物質として、熱硬化性樹脂初期縮合
物１００重量部に対して平均粒径80μｍ以下の黒鉛粉末
３０〜７０重量部、直径２０μｍ以下、長さ１mm以下の
炭素繊維チョップ０．１〜１０重量部および界面活性剤
0.01〜１重量部の割合いで混合したものを使用する。

本発明において用いられる熱硬化性樹脂初期縮合物とし
ては、焼成炭化後の残炭率の高いフェノール系やフラン
系などの樹脂を使用することが好ましい。また、混合す
る黒鉛粉末は人造黒鉛、天然黒鉛いずれも使用でき、炭
素繊維チョップは黒鉛繊維チョップを用いることもでき
る。界面活性剤としては、陽イオン、陰イオン、中性界
面活性剤などいずれを使用してもよい。

この場合、黒鉛粉末の平均粒径が８０μｍを越えると接
着層の機械的強度の低下が大きくなり、また導電性を維
持し電気抵抗を低位に保持するとともに機械的強度を維
持するためには３０〜７０重量部の割合で配合すること
が必要である。

接着層の強度向上をはかるために複合する炭素繊維は、
接着層の表面平滑性を維持するために繊維径および長さ
の短い短繊維を用いることが必要であり、直径２０μｍ
以下、長さ１mm以下の炭素繊維チョップを０．１〜１０
重量部の割合で配合する。また接着強度向上のために添
加する界面活性剤はできるだけ少量に抑えることが重要
であり、０．０１〜１重量部の範囲内で添加することが
必要である。

「作 用」 本発明においては、炭化性物質として熱硬化性樹脂成分
に黒鉛粉末を配合することにより接着層の電気抵抗の減
少をはかるとともに、機械的強度の低下は炭素繊維チョ
ップを複合することにより効果的に防止される。更に、
添加する界面活性剤は電極板とセパレーター板との界面
接着性能を増大して接着強度の向上に機能する。

「実施例」 水溶性フェノール樹脂(日本ライヒホールド(株)製プラ
イオーフェンＪ３０３)１０重量部と炭素繊維チョップ
（平均径１０μｍ、平均長さ８mm）７０重量部を水２０
重量部中に加えて撹拌し、均一に分散させてスラリー状
にした。このスラリーをステンレスの棒状体を挿着した
金型中に注入し、乾燥加圧成形し、次いで１４０℃にて
加熱硬化処理した後冷却してステンレス棒状体を抜きだ
した。このようにして１５０mm角、厚さ２．３mm、厚さ
のほぼ中央部に直径１mmの貫通孔３０本を有する多孔質
炭素電極板を製造した。

また、平均粒径５μｍの人造黒鉛粉末１００重量部に液
状フェノール樹脂１００重量部を加えて充分に混練し、
この混練物をロール圧延し次いでモールド成形により平
板に成形した後１８０℃で３時間加熱硬化処理して１５
０mm角、厚さ０．５mmの炭素セパレーター板を製造し
た。

炭化性接着剤として、フェノール樹脂初期縮合物(住友
デュレズ(株)ＰＲ９４０)１００重量部に対して平均粒
径５０μｍの人造黒鉛粉末を４０、６０重量部、直径１
６μｍ、長さ０．１mmの炭素繊維チョップを０．５、３
重量部、界面活性剤として臭化ジエチル・ジメチル・ア
ンモニウムを０．１重量部の割合で配合し、充分に加熱
混練して均一なペースト状に調整した。なお、樹脂硬化
剤としてパラトルエン・スルホン酸クロライドを２．５
重量部の割合で添加した。

この炭化性接着剤を、前記セパレーター板の両面に均一
に塗布した後多孔質炭素電極板を、貫通孔群が互いに直
交する方向にして接着し、常温下に１２時間圧着硬化処
理し、次いで１８０℃で３時間加熱して硬化処理を完結
させた。このようにして得た一体化接合体を黒鉛製のル
ツボに入れ、周囲をコークスパッキングで被包した後電
気炉中で５℃／h の昇温速度で１１００℃に昇温し、３
時間保持して焼成炭化処理をした。

この一体化接合体の諸特性を測定して別表に示した。

比較のために炭素繊維チョップおよび界面活性剤を配合
せず、それ以外は実施例と同じ組成の接着剤ペーストを
調整し、同様の方法で一体化接合体を製造してその特性
を同表中に併記した。

「発明の効果」 上記説明で明らかなように、本発明の炭化性接着剤を使
用することにより接着層の強度の増大とともに電気抵抗
を低位に保持した複合電極を容易に製造することが可能
となる。したがって、リン酸型燃料電池の小型コンパク
ト化、高能率化に大きく貢献することができる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】気体不透過性炭素薄板の両面に、厚さのほ
   ぼ中央部に貫通孔群を有する多孔質炭素成形体を炭化性
   物質を介して一体的に接着したのち焼成炭化処理する燃
   料電池用複合電極の製造方法において、前記炭化性物質
   がフェノール系またはフラン系の熱硬化性樹脂初期縮合
   物１００重量部に対して平均粒径８０μｍ以下の黒鉛粉
   末３０〜７０重量部、直径２０μｍ以下、長さ１mm以下
   の炭素繊維チョップ０．１〜１０重量部および界面活性
   剤０．０１〜１重量部の組成より成ることを特徴とする
   燃料電池用複合電極の製造方法。