JP2001085032A

JP2001085032A - 燃料電池用ガス不透過膨張黒鉛プレート

Info

Publication number: JP2001085032A
Application number: JP26147599A
Authority: JP
Inventors: Motohiko Sato; 元彦佐藤
Original assignee: KEMITSUKUSU KK; Chemix Inc
Current assignee: KEMITSUKUSU KK; Chemix Inc
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 1999-09-16
Publication date: 2001-03-30

Abstract

(57)【要約】【課題】ガス圧を上げてもガスがリークすることがな
く、薄型、軽量、高出力、且つ低価格の燃料電池の実現
を達成しうる、燃料電池用ガス不透過膨張黒鉛プレート
を提供することを課題とする。【解決手段】所定形状に加工された嵩密度が０．５〜
１．８ｇ／ｃｍ³のガス透過性膨張黒鉛プレートに、高
分子材料を減圧超音波含浸法により含浸・硬化してその
全部又は一部をガス不透過性とし、燃料電池用スタック
等に用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池用膨張黒
鉛プレートに関する。詳しくは、本発明は、薄型、軽
量、高出力、低価格の燃料電池用セパレーター等に使用
されるガス不透過膨張黒鉛プレートに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、燃料電池用の構成材であるガスプ
レート、冷却プレート等は、カーボンの大きなブロック
を切断して切削・研削し、その後ＮＣ装置などで加工し
てフェノール樹脂などを含浸し、窒素雰囲気で高温焼成
することにより得られる気密性をもったカーボンプレー
ト等で構成されていた。

【０００３】しかしながら、かかる従来のカーボンプレ
ートは、原料のカーボン素材が高価な上、該カーボン素
材から直接削り出すため機械加工費が高く、結果として
一枚のプレートの価格は非常に高いものとなっていた。

【０００４】また、素材の機械的強度や加工性などか
ら、プレート厚みはある程度以上（５〜８ｍｍ以上）必
要であるから、燃料電池スタックを構成した場合、非常
に重いものとなり、例えば５０セルで１５０ｋｇ以上も
の重さとなっていた。このようなことから、燃料電池は
コストが高く、また大きい上に重く、そのため実用化に
大きな障害となっている。

【０００５】かかる問題点を解決する手段として、カー
ボンの不織布や薄板等の基板に高分子材料を含浸・硬化
させたカーボンプレートを用いることが提案されている
（特開平９−１３４７３２号公報）。しかしながら、こ
こで提案された高分子材料含浸方法は、上述のように、
カーボン素材が高価なため、一枚のプレートの価格は非
常に高いものとなっていた。さらに、カーボンプレート
は、高分子材料の含浸方法が単なる減圧含浸であるた
め、高分子材料とカーボンとの密着性が悪く、含浸され
た高分子材料が縮んで隙間が生じる場合があるので、燃
料電池にした際、ガス圧力を上げるとガスのリークが発
生しやすい傾向にあった。

【０００６】したがって、低価格で軽量且つ薄型の燃料
電池であって、ガスのリークがないものを提供しうる燃
料電池スタック構成部材の開発が望まれていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、燃料電池の
ガス圧を上げてもガスがリークすることがなく、薄型、
軽量、高出力、且つ低価格の燃料電池の実現を達成しう
る、燃料電池用ガス不透過膨張黒鉛プレートを提供する
ことを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、鋭意検討
を行った結果、所定形状に加工したガス透過性膨張黒鉛
プレートに高分子材料を減圧含浸・硬化させることによ
り、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成
するに至った。

【０００９】すなわち、本発明は、所定形状に加工され
たガス透過性膨張黒鉛プレートに高分子材料を減圧含浸
・硬化し、その全部又は一部をガス不透過性としたもの
である。また、本発明は、所定形状に加工されたガス透
過性膨張黒鉛プレートに高分子材料を、特に、減圧超音
波含浸・硬化し、その全部又は一部をガス不透過性とし
たものである。また、本発明は、前記ガス透過性膨張黒
鉛プレートの嵩密度が０．５〜１．８ｇ／ｃｍ³とした
ものである。

【００１０】また、本発明は、前記高分子材料が、エポ
キシ樹脂、ポリエステル樹脂、シリコン樹脂、ポリイミ
ド樹脂、ウレタン樹脂、カプロラクタム樹脂、尿素樹
脂、アクリル樹脂、ポリアミド樹脂、トリアジン樹脂、
ビスマレイミドトリアジン樹脂、シアノアクリレート、
及びビニロンからなる群から選択される樹脂材料とした
ものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を説
明する。本発明の実施の形態では、ガス不透過膨張黒鉛
プレートは、所定形状に加工されたガス透過性膨張黒鉛
プレートに高分子材料を、特に、減圧超音波含浸・硬化
してなるものについて説明する。

【００１２】（１）ガス透過性膨張黒鉛プレート所定形状本発明で高分子材料を含浸・硬化させるのに用いる膨張
黒鉛は、微小孔を有するガス透過性の多孔質体であっ
て、所定形状に加工された膨張黒鉛プレートである。原
料となる膨張黒鉛は、天然黒鉛粒子を原料とし、これを
酸化・湿潤処理し、水洗い・膨張処理を経て圧縮シート
化することにより製造され、該膨張黒鉛シートから所定
の寸法に切り出す等の加工をすることにより膨張黒鉛プ
レートが得られる。加工方法は特に限定されず、型によ
るプレス加工等の機械加工によって得ることができる。

【００１３】嵩密度前記ガス透過性膨張黒鉛プレートの多孔度は特に限定さ
れないが、好ましくは嵩密度が０．５〜１．８ｇ／ｃｍ
³、より好ましくは１．０〜１．５ｇ／ｃｍ³である。嵩
密度が上記範囲内の膨張黒鉛は安価であり、型によるプ
レス加工等の機械加工も容易である。なお、本発明で
は、減圧含浸により高分子材料を含浸することも可能で
あるが、特に、減圧超音波含浸により高分子材料を含浸
するようにすることにより、従来の単なる減圧含浸を用
いた場合よりに比べ、嵩密度が低い膨張黒鉛を用いても
高分子材料と膨張黒鉛の微小孔との隙間が生ぜずガスリ
ークがない。よって、上記範囲で示したような嵩密度を
有する通常のポーラスな膨張黒鉛プレートを用いると、
本発明の効果がより顕著に発揮される。

【００１４】（２）高分子材料本発明に用いられる高分子材料は、加熱等により硬化し
うる樹脂材料であれば特に制限はなく、例えばエポキシ
樹脂、ポリエステル樹脂（ポリエチレンテレフタレート
樹脂等）、シリコン樹脂、ポリイミド樹脂、ウレタン樹
脂、尿素樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド樹脂（ナイロ
ン６等のカプロラクタム樹脂やナイロン６６等）、トリ
アジン樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂、シアノア
クリレート、ビニロン等が挙げられる。

【００１５】これらのうち、エポキシ樹脂、アクリル樹
脂、トリアジン樹脂化合物、ビスマレイミドトリアジン
樹脂化合物、シアノアクリレート樹脂、及びウレタン樹
脂からなる群から選択される樹脂材料が好ましい。高分
子材料としてエポキシ樹脂、アクリル樹脂、トリアジン
樹脂化合物、ビスマレイミドトリアジン樹脂化合物、シ
アノアクリレート樹脂、及びウレタン樹脂からなる群か
ら選択される樹脂材料を用いることにより、高分子材料
が縮むことがなく隙間が生じないので、燃料電池にした
際、ガス圧力を上げてもガスがリークすることがない。

【００１６】（３）含浸・硬化本発明のガス不透過膨張黒鉛プレートは、前記高分子材
料を、減圧超音波含浸法により、ガス透過性膨張黒鉛プ
レートに含浸して硬化させることにより得られる。

【００１７】減圧超音波含浸減圧超音波含浸法は、まず多孔質体である前記ガス透過
性膨張黒鉛プレートを溶融した高分子材料に浸漬しつつ
減圧下で空気を抜き、次いで超音波を作用させて多孔質
体の微小孔内に高分子材料を含浸させるというものであ
る。

【００１８】減圧工程では、例えば真空ポンプ等を備え
た真空機械（真空炉）内に多孔質体を入れ、真空度１０
〜１０^-6ｔｏｒｒ、より好ましくは１０〜１０^-5ｔｏｒ
ｒの真空雰囲気まで空気を抜く。また、真空炉の温度は
２０〜２００℃とするのが好ましい。

【００１９】超音波含浸工程では、超音波発生装置から
周波数１０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚ、好ましくは２０ｋＨ
ｚ〜１００ｋＨｚ、出力１０Ｗ〜１００ｋＷ、好ましく
は３０Ｗ〜３０ｋＷの超音波を作用させつつ多孔質体に
高分子材料を含浸させる。

【００２０】減圧超音波含浸法は、含浸させる溶融した
高分子材料を超音波で振動させるため、減圧下で効率よ
く含浸され、多孔質体の微小孔の細部まで高分子材料が
入り込み、隙間が生じにくい。よって、このような方法
で得られる膨張黒鉛プレートを燃料電池に用いた際、ガ
ス圧力を上げてもガスがリークすることがない。

【００２１】硬化減圧超音波含浸の後、窒素ガス等の不活性ガスを真空炉
内に導入して大気圧に戻し、膨張黒鉛プレートを真空炉
から取り出し、余分な高分子材料をふき取った後、静置
して加熱等により高分子材料を硬化させる。加熱温度は
２０〜２００℃程度、硬化時間は１〜８時間程度であ
る。

【００２２】（４）ガス不透過膨張黒鉛プレート本発明のガス不透過膨張黒鉛プレートは、その全部又は
一部が上述した高分子材料の含浸によりガス不透過性と
なっており、燃料電池用スタックの構成部材に使用する
ことができる。

【００２３】そのうち、全部がガス不透過性となってい
るガス不透過膨張黒鉛プレートは、ガスまたは冷却水用
のマニホールド穴を有し、表側ガスと裏側ガスを分離す
るために使用するセパレーターとして用いることができ
る。また、ガスのマニホールド穴を有し、入口マニホー
ルド部からガスを電極部に導き出口マニホールド部へ通
すための溝部を設けたガスプレートとして用いることも
できる。また、冷却水のマニホールド穴を有し、入口マ
ニホールド部から冷却水を電極部に導き出口マニホール
ド部へ通すための溝部を設けた冷却プレートとして用い
ることもできる。

【００２４】該構成部材は、前記セパレーターとガスプ
レートとが貼り合わされたセパレーター付きガスプレー
トであってもよい。また、ガスプレートとガスプレート
の間にセパレーターを挟み重ねて貼り合わせ、表側ガス
と裏側ガスを分離し各々ガスを電極部に導くようにした
ガス−ガスプレートであってもよい。また、セパレータ
ーとガスプレートと冷却プレートとが重ねて貼り合わさ
れ、片側にガス入口マニホールド部からガスを電極部に
導き出口マニホールド部へ通す溝部が形成され、他の片
側に冷却水入口マニホールド部から冷却水を電極部に導
き出口マニホールド部へ通す溝部が形成されたガス−冷
却プレートであってもよい。また、セパレーター、ガス
プレート、冷却プレート、セパレーター、ガスプレート
が重ねられて貼り合わされ、芯に冷却層が形成され、そ
の両側が冷却水とガスに分離され、両側外面にガス溝部
が形成された冷却部付ガス−ガスプレートであってもよ
い。

【００２５】また、前記ガス不透過膨張黒鉛プレート
は、その一部が高分子材料の含浸によりガス不透過性と
なっているものであってもよい。例えば、ガス又は冷却
水のマニホールド部相当の周辺部及び電極部の周辺部を
高分子材料により部分的にガス不透過性とし、中央の電
極部をガス透過性のままとし、その上に触媒層が形成さ
れた電極プレートが挙げられる。なお、一部のみをガス
不透過性とする場合は、高分子材料の含浸時に、一部に
マスキングをして部分的に含浸させるようにすればよ
い。

【００２６】前記燃料電池用スタック構成部材は、前記
電極プレートを、固体高分子電解質膜の両側に触媒層が
接触し対向するように配した一式の電池セルになったも
のであってもよい。また、冷却プレートの両面にセパレ
ーターが配され、その両外表面にガスプレートが配さ
れ、さらにその両外表面に前記電極プレートが配され
て、これらが貼り合わされ、芯に冷却層が形成されその
両側が冷却水とガスに分離され、その両側外面にガス溝
が形成され、両側最外面に触媒層が露出した電極を有す
る冷却部付き電極セットであってもよい。

【００２７】本発明のガス不透過膨張黒鉛プレートを用
いた燃料電池用スタックとしては、前記冷却部付き電極
セットと、固体高分子電解質膜とを所要数繰返して積層
したものであってもよい。また、前記冷却部付きガス−
ガスプレートと、前記電池セルとが積層されたものであ
ってもよい。

【００２８】

【実施例】以下に、本発明を実施例により更に具体的に
説明するが、本発明はこれらに限定されるものではな
い。

【００２９】

【実施例１】図１のＡ、Ｂ、Ｃに示す厚さ０．５〜２ｍ
ｍ、１００ｍｍ×１００ｍｍの方形のガス透過性膨張黒
鉛プレート（嵩密度；１．５ｇ／ｃｍ³）を、エポキシ
樹脂に浸漬し、真空炉に導入して減圧超音波含浸（真空
度；１０^-2ｔｏｒｒ、真空炉温度；２００℃、周波数；
５０ｋＨｚ、出力；１００Ｗ〜１ｋＷ、時間；１５分）
によりエポキシ樹脂を膨張黒鉛プレートに含浸した。次
いで、真空炉を大気圧に戻して膨張黒鉛プレートを取り
出し、加熱してエポキシ樹脂を硬化させ（加熱温度；２
００℃、加熱時間；８時間）、プレートＡ〜Ｃを得た。
得られたプレートＡ〜Ｃを、Ａ／Ｂ／Ｃの順で図１に示
すように重ねて貼り合わせ、ガス不透過膨張黒鉛プレー
トを得た。得られたガス不透過膨張黒鉛プレートを図２
に示す。なお、プレートＡ、Ｂ、Ｃの内容は以下の通り
である。Ａ；ガス不透過性膨張黒鉛水素プレートＢ；ガス不透過性膨張黒鉛中間プレートＣ；ガス不透過性膨張黒鉛酸素プレートなお、図２のＤは、貼り合わせ後のガス不透過性膨張黒
鉛プレートである。

【００３０】

【実施例２】高分子材料としてアクリル樹脂、ビスマレ
イミドトリアジン樹脂、トリアジン樹脂、シアノアクリ
レート樹脂、ウレタン樹脂に代えた他は、実施例１と同
様にしてガス不透過膨張黒鉛プレートを得た。

【００３１】上記実施例１〜２で得られた６種類の燃料
電池用ガス不透過膨張黒鉛プレートは、素材である膨張
黒鉛にエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ビスマレイミドト
リアジン樹脂、トリアジン樹脂、シアノアクリレート樹
脂、ウレタン樹脂が微小孔まで含浸されて硬化されるの
で縮むことがなく、まったく隙間が生じなかった。実際
に燃料電池スタックに使用したところ、酸素や水素のガ
スのリークが発生することはなかった。ガス圧を３ｋｇ
ｆ／ｃｍ²まであげてもガスリークは発生しなかった。

【００３２】また、上記実施例は、膨張黒鉛プレート全
体に高分子材料が含浸され、全体がガス不透過性となっ
ているが、膨張黒鉛プレートの一部にマスキングをして
部分的に高分子材料を含浸させ、所定の部分のみガス不
透過性としたものでも同様に効果があった。

【００３３】

【発明の効果】以上の結果からわかるように、本発明の
燃料電池用ガス不透過膨張黒鉛プレートは、高分子材料
を減圧含浸法により含浸させているので、微小孔に高分
子材料が含浸され、膨張黒鉛との間に隙間が生じにく
く、燃料電池にした際ガス圧力を上げてもガスがリーク
することがない。また、本発明の燃料電池用ガス不透過
膨張黒鉛プレートは、高分子材料を、特に、減圧超音波
含浸法により含浸させることにより、超音波の振動によ
り微小孔にまで十分に高分子材料が含浸され、膨張黒鉛
との間に隙間が生じにくく、燃料電池にした際ガス圧力
を上げてもガスがリークすることがない。また、素材に
嵩密度０．５〜１．８ｇ／ｃｍ³の膨張黒鉛を用いる
と、安価であり、型によるプレス加工などの機械加工が
容易であり、さらにガスリークが生じにくい。また、上
記膨張黒鉛プレートに含浸させる高分子材料にエポキシ
樹脂、アクリル樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂、
トリアジン樹脂、シアノアクリレート樹脂、ウレタン樹
脂を用いることにより、縮むこともなく、隙間が生じに
くくなるので、ガスリークがさらに防止される。さら
に、従来のようにカーボンにフェノール樹脂などを含浸
し、窒素雰囲気で高温焼成により得られる気密性をもっ
たカーボンのような高価なものを使う必要もなく、燃料
電池スタック自体が薄型、軽量、高出力、低価格にな
り、環境にやさしいエネルギーを作ることができ、本発
明の工業的価値は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１で製造した燃料電池用ガス不
透過膨張黒鉛プレートの素材であるプレートＡ、Ｂ、Ｃ
を表す図である。

【図２】本発明の実施例１で製造した燃料電池用ガス不
透過膨張黒鉛プレートを表す図であって、プレートＡ〜
Ｃを貼り合わせ後の図である。

【符号の説明】

Ａ・・・ガス不透過性膨張黒鉛水素プレートＢ・・・ガス不透過性膨張黒鉛中間プレートＣ・・・ガス不透過性膨張黒鉛酸素プレートＤ・・・ガス不透過性膨張黒鉛プレート（貼り合わせ
後）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定形状に加工されたガス透過性膨張黒
鉛プレートに高分子材料を減圧含浸・硬化し、その全部
又は一部をガス不透過性とした、燃料電池用ガス不透過
膨張黒鉛プレート。
【請求項２】所定形状に加工されたガス透過性膨張黒
鉛プレートに高分子材料を減圧超音波含浸・硬化し、そ
の全部又は一部をガス不透過性とした、燃料電池用ガス
不透過膨張黒鉛プレート。
【請求項３】前記ガス透過性膨張黒鉛プレートの嵩密
度が０．５〜１．８ｇ／ｃｍ³であることを特徴とす
る、請求項１又は２記載の燃料電池用ガス不透過膨張黒
鉛プレート。
【請求項４】前記高分子材料が、エポキシ樹脂、ポリ
エステル樹脂、シリコン樹脂、ポリイミド樹脂、ウレタ
ン樹脂、カプロラクタム樹脂、尿素樹脂、アクリル樹
脂、ポリアミド樹脂、トリアジン樹脂、ビスマレイミド
トリアジン樹脂、シアノアクリレート、及びビニロンか
らなる群から選択される樹脂材料である、請求項１〜３
のいずれかに記載の燃料電池用ガス不透過膨張黒鉛プレ
ート。