JPS5937662A - 二層構造のモノポーラ型燃料電池用電極基板の製造方法 - 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】 本発明は、モノポーラ型燃料電池電極基板において、セ
パレータ側と電極面側とが異なった物性を有する二層構
造の電極基板に係る。

本発明にいうモノポーラとは、黒鉛製薄板をリブ加工し
て得たバイポーラセパレータを用いるバイポーラセパレ
ータ型燃料電池とは異なり、一方の面にリブを設け、他
方の面は平坦な電極面となった構造を有し、リブ付き面
から反応ガスが平坦な電極面に拡散してくる電極基板で
あ′　　る。

このようなモノポーラ型電極基板は、一方の面に反応ガ
ス（ｔｘｔまたは０．）の通路を形成するリブを具備し
ており、他方の面には電極が形成されるか又は電極に接
するように構成されており、炭木質で、全体を通して多
孔質になっている。電極基板は電極と一諸ｌこなって一
つの燃料セルを形成し、セパレータを介して多数のセル
を積層することにより、モノポーラ型燃料電池が形成さ
れる。

従来、この種の燃量電池用電極基板の製造方法として、
短炎素繊維をベースにしてプレス成形する方法（／ｌ？
願昭５６−４８７００）、炭素繊維を分散させた抄造法
（特公昭５３−１８６０３）、炭素戦維のウェブに熱分
解炭素を化学的蒸着する方法（米国特許第３．８２９．
３２７号明細書）が提案されている。これら従来の製造
方法によって得られる電極基板は、いずれも全体的に均
一なｔｔｉ造の一つの層からなっている。

このような均質単層の富、極基板は、その嵩密度が大き
い場合、ガス拡散係数が小さいため限界電流密度が小と
なるとともに電解液の保持量が充分でないため件能の低
下する時期が早くなる、すなわちｈ命が短いという欠点
を有する。

他方、その嵩密度が小さい場合には、電気抵抗、熱抵抗
が大きく、曲げ強度などの機械的強度が低いという欠点
を有している。

本発明は上記した問題点を解決することを目的とするも
のであって、本発明が提供する電極基板は、モノポーラ
型燃料電池用リブ付電極基板であって、該雷１極基板は
セパレータ側層と電極面側層との二層構造からなり、該
セパレータ側層の嵩密度が該電極面側層の嵩密度より太
ききくなるように両嵩窄度の値が異なることを特徴とす
る。

本発明の電極基板は高嵩密度のセパレータ側層と低嵩密
度の電極面側層の二層より構成されているので、セパレ
ータ側層の高嵩密度性によ電極面側層の細孔にリン酸を
充分に保持出来るので、リン酸−ＩＩ！＋　’Ｊン酸−
〇、の相互拡散によるリン酸の移動量を減少させてリン
酸の飛散による燃料電池の性能低下を極力押えることが
可能である。更に、触媒の浸入可能領域が大きなため、
触媒が有効に作用し限界電流密度も大きくなるという効
果を有している。

本発明の電極基板は、以下の各方法に製造することが出
来る。

（１）プレス成形法 セパレータ側層および電極面側層を各々形成するための
異った原料を、上下にプレス成形用金型に供給しプレス
成形する。

（２）炭素繊維混抄紙を使用する方法 セパレータ側層はプレス成形法と同一の原料を使用し、
プレス成形した後で、抄造法にて得られる炭素繊維混抄
紙を電極面側層として貼り合はせ使用する。

（３）電極面側層の塗布形成法 セパレータ側層は小（１）法と同様に製造した後に、活
性炭またはカーボンブラックを充填材とした液状フェノ
ール樹脂（溶媒はアルコール類）等の熱硬化性樹脂との
混合物を塗布するＯ セパレータ側層の原料としては、充填材は炭素繊維また
は活性炭、細孔謂節材は粒径分布のシャープな高分子化
合物（ポリビニルアルコール、ポリエチレン、ポリプロ
ピレン、ポリ塩化ビニル、砂糖等）、結合材はフェノー
ル樹脂等の熱硬化性樹脂から任意に選択出来る。

電極面側層の原料は各成形方法により異なり、表−】に
各成形方法とその原料の関係を示した。

充填材および細孔調節材は任意に選択出来る。

（以［余白） 以下に本発明による二層構造を持つ燃料電池用電極基板
の製造方法を更に具体的に詳述する１ここでは特に充填
材として短炎素繊維、細孔調節材としてポリビニルアル
コール粒子を用いたプレス成形法について述べる。

セパレータ側層の原料は平均繊維長が１　ｍｓ以下の炭
素繊維を３０〜ｓｏｗｔ％、１００〜３００μの範囲に
粒径分布を示すポリビニルアルコール粒子２０〜５［１
ｗｔ％、１００μ以下の粉末フェノール樹脂１　（１〜
４ｏｗｔ　％をヘンシェルミキサー等の混合機により混
合して得られる。

電極面側層の原料は炭素繊維の平均繊維長がセパレータ
側層に使用した炭素繊維より０．１〜０．３　ｍｓ長い
のを使うことと、ポリビニルアルコール粒子の配合比が
セパレータ側１’＋Ｗの配合比より５〜２ｇｗｔ％多く
なる点以外ではセパレータ側層の原料の作り方と同様で
ある。

この範囲外での配合比では、ガス透過度が小さくなるか
、機械強度が小さくなる等の理由で３−　適当でなくな
る。金型内への供給はベルトフイグー等の定量供給機に
より行ない。セパレータ側層及び、ａ極面側層の各原料
は別個の定量供給機から所定の厚、さにする歇を供給さ
れる。

成形は加熱式プレス機によって行なわれる。

その条件として、金製の加熱温度は１００〜２００℃、
成形圧は５〜１００　Ｋｙ／♂、圧保時間は２〜６０分
の範囲から任意に選択出来る。

上記条件でプレス成形された成形板を少なくとも２時間
以上力ロ圧せずに後硬化させる。その後不活性ガス雰囲
気中で１５００〜２４００℃で焼成する。この際３００
〜７００℃の低温域でポリビニルアルコール及びフェノ
ール樹脂の炭化反応が進行するのでこの間の昇温は除々
に行なうことが望ましい。

本発明電極基板のリブを有する面を形成するセパレータ
側層は、電極基板に所望の強度を付与するために、０．
５〜０．８　、！ｉ’　／　ｃｍ”の嵩密度を有するこ
とが好ましい。この大きさの嵩密度を有するセパレータ
側層は、本発明電極基板の機械的強度たとえば曲げ強度
を少なくとも５０にｌ／α２にすることができる。該セ
パレータ層は電極基板の全厚さよりリブの部分を除いた
ものの１／４〜５／６　　を占める。

本発明の電極が形成されるか又は電極に接する面を形成
する電極面側層は、反応ガスの望ましい拡散または透過
のために及び所要量の電解液を保持するために、０．４
〜０．６１／ｃｍ”の嵩密度を有することが好ましい。

一般に燃料電池に於いては電極基板中の細孔を介して反
応ガスの電極基板に亘る拡散が良好であることが望まし
いが、本発明においては、前記した製造方法により、セ
パレータ側層および電極面側層の各層の細孔の気孔率を
５０〜８０％の範囲内に入るように調節し得、全細孔の
７０％以上が開細孔になるように電極基板を成形するこ
とができる。更に、各層の細孔の６０％以上が５〜５０
μの範囲内に入り、各層の細孔の大きさを略均−にそろ
え、シャープにすることができる。本発明のこれらの細
孔に関する規定は電極基板の燃料電池への適用をよりよ
きものとする。

本発明の嵩密度は、炭素質の真密度を１．６９／　Ｃｍ
　’として換算して得られたものである。

以下、実施例について説明する。

各実施例の電極基板は、リブの厚さがｌ　ｙａになるよ
うに成形されている。

実施例−１ 短炭素ＦＲ維（呉羽化学製　平均繊維長０．４５朋Ｍ−
１０４８）４０ｗｔ％と細孔調節利としてポリビニルア
ルコール（日本合成化学に、に、製）ａ　ｏ　ｗｔ　％
および結合材としてフェノール樹脂（旭有機材に、に、
製）３０Ｗｔ　％からなる混合物を、セパレータ側層を
形成するために、プレス成形用金型に供給し、しかる後
に、電極面側層を形成するために、更に、短炎素繊維（
上記仝）４５Ｗｔ　％、ポリビニルアルコール（上記仝
）３５ｗｔ％およびフェノール樹脂（上記仝）２０Ｗｔ
　％からなる混合物を上記セパレータ側層用混合物の上
側に２層になるべく供給する。

該２層形成混合物を１４０℃、５０　ＫＪＩ／α２約３
０分の条件にてプレス成形し、更に２０００℃、約１時
間で焼成した。得られた電極基板の各種物性を後記表−
２にまとめて示す。

実施例−２ 短炎素繊維（実施例−１に同じ）４０ｗｔ％、ポリビニ
ルアルコール（実施例−１に同じ）３０ｗｔ％およびフ
ェノール樹脂（実施例−１に同じ）３０ｗｔ％から成る
混合物を、セパレータ側層形成のために、プレス成形用
金型に供給し、１４０℃、５０にり／副′、約３０分の
条件でプレス成形する。

【運に、砂造法にて得られた炭素幌維混抄紙を上記成形
品に、フェノール＃４賭（こで１４０　’Ｃ１Ｉｎバク
／♂、約３０分の条件で貼り合せる。

ぞの？ｋ　２　ｎ　＋ｌ　ｎｃ　で焼成した。得られた
電極基板の諸物性を後記表−２に併記する。

なお、使用された炭素繊維高抄紙は、平均繊維長がｌ１
０ｌ１の炭素−に維（呉羽化学製１２μ　）とポリビニ
ルアルコールｔａ維（り５　Ｌ／　Ｋ、　Ｋ、製１０μ
φ）を水中にて混合、抄造後乾燥して得られたものであ
る。

実す値例−３ 妬炭素横維（実施例−１に同じ）　４０　ｗｔ％、ポリ
ビニルアルコール（実痛例−１に同じ）３１１　ｗｔ％
およびフェノール樹脂（実施例−１に同じ）　３１１　
ｗｔ％からなるセパレータ側層形成のための混合物を、
プレス成形用金型に供給Ｌ／％　１４０℃、５０１’−
１’／　ｃｍ”　、約３０分の条件にてプレス成形する
。

更に、液状フェノール樹脂（群栄化学ＫＫ、製）５（１
ｗｔ％、カーボンブラック３０　ｗｔ％、ポリビニルア
ルコール粒子（日本合成化学に、に、％）２０　Ｗｔ　
％から成る高粘度の混合物を、上記成・形品に塗布し１
４０℃、＋、ｏＫり／ｃｒｎ′、約３０分の条件でプレ
ス成形する。

その後２０００℃で焼成した。

該ｉｔｒ：極基板の各種物性を前記実施例と同様に下記
表−２に併記する。

（以下余白） ゴ＝続ネ１雪１１Ｆ書 昭和５８年９月５［］ １、事イ′１の表示　　　昭和５７年特許願第１４６６
９１号２、発明の名称　　　二層構造のモノポーラ型燃
料電池用電極基板３、補ｊ［をする者 事件との関係　　特ｒ［出願人 名　称　　　　（＋１０）呉羽化学工業株式会社４、代
　理　人　　　東京都新宿区新宿１丁目１番１４号　山
田ビル（１）　　明細書中第２頁第１３行、「モノポー
ラ型燃料電池電極基板」を「モノポーラ型燃料電池用電
極基板」と補正する。

（２１同第２頁末尾から第３行目、「モノポーラ」を「
モノポーラ型電極基板」と補正する。

（３）同頁末尾の行、「バイポーラセパレータ型燃料電
池」をパイポーラセ、ｅレータ型燃料電池用電極基板」
と補正する。

（４）　　同第３頁第７行〜第１３行を、「るリブを具
備しておシ、他方の面には触媒を担持させて電極を形成
するか又は触媒を担持させた電極に接するように構成さ
れており、炭素質で、全体を通して多孔質になっている
、このような２枚の電極基板はそれぞれの電極面が向い
合うように配置され、その両電極面間に電解質を保持す
るマトリックスを挾持して一つの燃料セルを形成し、七
ノ３レータを介して多数のセルを積層することによシ、
モノポーラ型燃料電池が形成される。」と補正する。

（５）同第６頁末尾の行、［ビニル、砂糖等）、」を［
ビニル等）又は砂糖等、」と補正する。

（６）同第９員第６行乃至第１１行を、［七）（レータ
仰層の原料は平均繊維長が１篩以下、繊維直径が３〜３
０μの範囲に分布する炭素繊維３０〜５０ｗｔ％、粒子
径が１００〜３００μの範囲に分布する量が７０ｗｔ％
以上の粒径分布を有する。ｄ　＋７ビニルアルコ一ル粒
子２０〜５０　ｗｔ％、粒子径１００μ以下の粉末フェ
ノール樹脂１０〜４０　ｗｔ％をヘンシエルミキザー等
の混合機によシ混合時間」と補正する。

（８）同第１１頁第５行、「該セノｑレータ層」を「該
七ノＱレータ側層」と補正する。

（９）同第１２頁第８行乃至第９行を次のように補正す
る。

［本発明の気孔率は、炭素質の真田度を１．６ｇ／ｃＩ
ｌとして次式により得られたものである。

（＋０１　　同第１２頁末尾から３行目、「（日本合成
化学■、製）」を「（日本合成化学Ｘ、に製、平均粒子
径１８０μ）」と補正する、 Ｑｌｌ　　同第１４頁第５行、ｒ２０００Ｃで」と「焼
成した。」の間に「約１時間」を挿入する。

１２１　　同第１５頁第３行、「カーボンブラック３０
ｗｔ　’ｌｙ、」を「カーボンブラック（ライオンＩＫ
、ｆｆ平均粒子径約４００１　）　３０ｗｔ　％、」と
補正する。

（ｐ３ｊ　　同第１５頁第４行、［（日本合成化学ＬＫ
、製）」を「（実施例−１に同じ）」と補正する。

（１４１同ｇ１５頁ｆｉ８行、「２０００Ｃテ」ト「焼
成シた。」の間に「約１時間」を挿入する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　モノポーラ型燃料電池用リブ付電極基板であ
   って、該電極基板はセパレータ側層と電極面側層との二
   層構造からなり、該セパレータ側層の嵩密度が該電極面
   側層の嵩密度より大きくなるように両嵩密度の値が異な
   ることを特徴とする二層構造の電極基板。 （２）セパレータ側層の嵩密度が０．５〜０゜８［：ｇ
   ／ｍ’）であり且つ電極面側層の嵩密度が０．４〜ｏ、
   ｅ　Ｃ９／ｅｔｎ”　）であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の電極基板っ（３）　　セパレー
   タ側層の嵩密度が０．５〜０，８Ｃｇ／ｃｍ’　］を占
   める範囲は、電極基板の全厚さよりリブの部分を除いた
   もののｌ／４〜５／６を占めることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項又は第２項に記載の電極基板。 （４）気孔率が５０〜８０％で、且つ全細孔の７０％以
   上は開用孔であり、細孔径の分布がセパレータ側層、及
   び電極面側層各々シャープであり、電極基板の曲げ強度
   が５０Ｋｙ／ｌｙｎ’以上であることを特徴とする特許
   請求の範囲第（１）〜（３）項のいずれかに記載の電極
   基板。 （５）セパ１／−夕側および電極面側の各層の細孔の６
   ０％以上が５〜５０μの範囲内に細孔径を有することを
   特徴とする特許請求の範囲第（１）〜（４）項のいずれ
   かに記載の電極基板。