JP5055960B2 - 燃料電池用多孔質基材 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の電解質膜に、燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するためのガス流路を備えた燃料電池用多孔質基材に関する。

燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。高いエネルギー効率が実現可能で、また、ＮＯ_ｘ、ＳＯ_ｘ等の公害原因物質の発生も極めて少なく、従来の化石燃料由来の代替となる新たなエネルギー供給源として期待がもたれている。

図１は、燃料電池の基本単位となる単位セルの一般的な構成を示す分解断面図である。図１に見られるように、電解質膜６を、酸化剤ガス拡散層３の一面に形成した酸化剤極４と、燃料ガス拡散層８の一面に形成した燃料極７とで挟持し、その外面に酸化剤ガス流路付の基材２と燃料ガス流路付の基材９とをそれぞれ配し、さらにその外側にガス不透過性の良導電性材料よりなる空気極セパレータ１と燃料極セパレータ１０を配して単位セルが形成されている。なお、図中の５は、端面方向をシールする電極シール材である。

このうち、ガス拡散層３（８）及びガス流路付き基材２（９）には、ガス拡散性、電気伝導性及び耐食性が要求されている。また、ガス流路付き基材２（９）には、補充用の電解質を内部に保持させ、電極反応で消費した電解質を電解質膜６へ補給するリザーバ部としての機能を付与することも行われている。このため、ガス拡散層３（８）には、カーボンペーパー等が、ガス流路付き基材２（９）には、ガス流路加工の施された多孔質カーボン板等が一般的に使用されている。また、ガス流路付き基材２（９）として使用されている多孔質カーボン板は、繊維等を加熱加圧成形し、黒鉛化処理したものが汎用的であり、例えば下記特許文献１には、捲縮処理を施した固相炭化可能な有機高分子繊維を抄紙後、該抄紙シートに熱硬化性樹脂を含浸し、焼成炭素化して多孔質カーボン板を製造することが開示されている。

一方、近時、様々な形状の多孔質カーボン成形体が知られている。例えば、多数の連通孔を有するハニカム構造の多孔質カーボン成形体（下記特許文献２、３参照）、コルゲート形状の多孔質カーボン成形体（下記特許文献４参照）等がある。
特開平５−２５４９５７号公報 特開平６−５６５５２号公報 特開２００２−２９８４２号公報 特開２００５−２１３０４９号公報

これまでのガス流路付き基材は、樹脂含浸されたシートを複数枚積層させて所望の厚さになるようにして用いていたので、それぞれのシートの接合が難しく、使用時に各シートが層状剥離してしまうことがあった。

また、多孔質カーボン板に、ＮＣ加工等の方法でガス流路となる溝を成形加工してガス流路を形成しているが、黒鉛化された材料にＮＣ加工等を施すことから、切削用工具の消耗が激しく、更には、長時間に渡り精度良く流路形状を設計どおりに維持することが困難であった。このため、製造コストを要するものであった。

一方、ダンボールシートに熱硬化性樹脂を含浸させて黒鉛化処理して、ダンボールシートの形状が維持された多孔質カーボン成形体を得ることは上記特許文献２、３に開示されているものの、その用途については特に記載されていない。更には、ダンボールシートの中芯とライナーとの間に形成される空隙を、燃料電池のガス流路として利用するといった試みはこれまで報告されていない。

したがって、本発明の目的は、簡単な工程で安価に製造することができる、ガス流路を備えた燃料電池用多孔質基材を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池用多孔質基材は、電解質膜の両面に電極層が配置され、電極層の外側にガス流路を備えた燃料電池の、前記ガス流路を形成するための燃料電池用多孔質基材であって、中芯と該中芯の少なくとも片面に貼合されたライナーとを有し、前記中芯と前記ライナーとの間に空隙が形成されたダンボールシートを熱硬化性樹脂に含浸させ、焼成して得られるカーボン焼結体からなり、前記中芯と前記ライナーとの間の空隙がガス流路をなすことを特徴とする。

本発明の燃料電池用多孔質基材は、ダンボールシートを熱硬化性樹脂に含浸させ、焼成して得られるカーボン焼結体からなり、ダンボールシートの中芯とライナーとの間の空隙がガス流路をなすので、ＮＣ加工機によるガス流路形成工程や、樹脂含浸されたシートを複数枚積層してプレスする工程が必要なく、簡単な工程で安価に製造することができる。

本発明の燃料電池用多孔質基材は、前記ライナーがガス拡散層をなしていることが好ましい。この態様によれば、ガス拡散層と一体化したガス通路付き多孔質基材を得ることができ、ガス拡散層を別に設けて接合する必要がなくなる。

本発明の燃料電池用多孔質基材は、前記中芯の両面に前記ライナーが貼合されたダンボールシートを用いて形成され、前記電極層側に配置されるライナーが、ガス拡散層をなし、他方のライナーが、補充用の電解質を内部に保持して電極反応で消費した電解質を電解質膜へ補給するリザーバ部をなすことが好ましい。この態様によれば、ガス流路を備えた多孔質基材とガス拡散層とリザーバ部とが、一体となって構成された多孔質基材を得ることができ、ガス拡散層やリザーバ部を別に設けて接合する必要がなくなり、燃料電池の製造工程を簡略化できる。

本発明の燃料電池用多孔質基材は、前記ガス拡散層をなすライナーが、３０〜５０μｍの細孔を有する原紙で形成されていることが好ましい。ガス拡散層をなすライナーの原紙が、上記範囲の細孔を有することにより、ガス拡散層としてより好適なものにすることができる。

本発明の燃料電池用多孔質基材は、前記リザーバ部をなすライナーが、２０〜４０μｍの細孔を有する原紙で形成されていることが好ましい。リザーバ部をなすライナーの原紙が、上記範囲の細孔を有することにより、リザーバ部としてより好適なものにすることができる。

本発明は、ガス流路を形成するための燃料電池用多孔質基材であって、ダンボールシートを熱硬化性樹脂に含浸させ、焼成して得られるカーボン焼結体からなり、ダンボールシートの中芯とライナーとの間の空隙がガス流路をなすので、ＮＣ加工機によるガス流路形成工程や、樹脂含浸されたシートを複数枚積層してプレスする工程が必要なく、簡単な工程で安価に製造することができる。

本発明の燃料電池用多孔質基材について、燃料電池の構成を含めて説明する。図２に本発明の燃料電池用多孔質基材を備えた燃料電池の分解断面図を示す。

この燃料電池は、図２に示すように、電解質膜６を、酸化剤極４と、燃料極７とで挟持させ、それぞれの電極層４，７の外面に、ガス流路付き多孔質基材１１，１１を配置させ、更にその外面に、空気極セパレータ１と燃料極セパレータ１０とを配置して単位セルが構成されている。なお、図中の５は、端面方向をシールする電極シール材である。

上記ガス流路付き多孔質基材１１，１１は、本発明の燃料電池用多孔質基材である。この多孔質基材１１，１１は、原料素材であるダンボールシート３０を、熱硬化性樹脂に含浸させ、焼成して得られるカーボン焼結体である。このカーボン焼結体を電解質膜６の両側に配置された燃料極７及び酸化剤極４に配置することで、芯材２０とライナー２１との間の空隙２５が、燃料極７及び酸化剤極４に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給させるためのガス流路となる。

なお、この実施形態では、ダンボールシート３０として芯材２０の両面にライナー２１、２２が貼合されている両面ダンボールシートを用いたが、芯材２０の片面のみにライナー２１が貼合されている片面ダンボールシートを用いてもよく、また、ライナー２１（２２）と芯材２０とがそれぞれ交互に多層積層されている多重ダンボールシートであってもよい。

また、この実施形態では、上記芯材２０の形状は三角状の山型形状としたが、特に限定は無く、波形状、矩形状等が挙げられる。

本発明の燃料電池用多孔質基材は、ライナー２１，２２をガス拡散層及び／又はリザーバ部として用いることが好ましい。なかでも、電極４，７側に配置されるライナー２１をガス拡散層として用い、セパレータ１，１０側に配置されるライナー２２をリザーバ部として用いることが好ましい。

ライナー２１（２２）をガス拡散層として用いる場合、ライナー２１（２２）の原紙は、平均細孔径が３０〜５０μｍであることが好ましく、３５〜４５μｍがより好ましい。また、気孔率は６０〜８０％が好ましく、７０〜８０％がより好ましい。また、厚さは０．２〜０．５ｍｍが好ましい。

また、ライナー２１（２２）をリザーバ部として用いる場合、ライナー２１（２２）の原紙は、平均細孔径が２０〜４０μｍであることが好ましく、３０〜３５μｍがより好ましい。また、気孔率は４０〜７０％が好ましく、６０〜７０％がより好ましい。また、厚さは1〜３ｍｍが好ましい。

また、本発明の燃料電池用多孔質基材は、芯材２０の段高（屈曲した部分の山の高さ）が１〜２ｍｍであることが好ましい。芯材２０の段高が１ｍｍ未満であると、ライナー２１（２２）と芯材２０との間に形成される空隙を上記ガス流路として利用した際、積層された各セルに等配よくガスを供給するためにガスの供給圧を大きくする必要が生じ、ガス供給系の漏れ体策として構成材が重くなったり、ガス圧力を上げるために動力を要し、運転コストが大きくなる傾向にある。また、芯材２０の段高が２ｍｍを超えると、圧力欠損が生じ易くなり、電極４，７へガスを安定供給できなくなる傾向にあり、さらには、積層体としての電池スタック高さが高くなり、燃料電池がコンパクト化できなくなる。

また、本発明の燃料電池用多孔質基材は、芯材２０の段山数（屈曲した部分の山の数）が５〜２０個／ｃｍであることが好ましく、５〜１０個／ｃｍがより好ましい。芯材２０の段山数が５個／ｃｍ未満であると、圧縮強度が低下して、単セルを積層して電池スタックとした際、ガス流路となる上記空隙が潰れたり、電気伝導性が低下することがあり、芯材２０の段山数が２０個／ｃｍを超えると、ガス流路となる上記空隙の断面積が小さくなり、ガスの流通が安定しにくくなる傾向にある。

本発明の燃料電池用多孔質基材において、ダンボールシート３０に含浸させる上記熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂等が挙げられ、黒鉛粉を含有する熱硬化性樹脂が更に好ましく、黒鉛を５〜３０質量％含有する熱硬化性樹脂が特に好ましい。

本発明の燃料電池用多孔質基材は、例えば、以下のようにして製造することができる。

すなわち、原料素材となるダンボールシート３０を熱硬化性樹脂に浸漬させて、ダンボールシート３０に熱硬化性樹脂を含浸させる。熱硬化性樹脂の含浸量は、ライナー原紙及び中芯原紙の材質、使用する熱硬化性樹脂の種類により異なるので特に限定しないが、例えば、ダンボールシート３０に２０〜７０質量％含有させることが好ましく、４０〜６０質量％含浸させることがより好ましい。特に好ましくは、熱硬化性樹脂として黒鉛含有熱硬化性樹脂を用い、熱硬化性樹脂を４０〜６０質量％及び黒鉛を２〜１８質量％ダンボールシート３０に含浸させる。なお、中芯とライナーとの間の空隙が閉塞されないように、熱硬化性樹脂の含浸中又は、含浸終了後、通風を行うことが好ましい。

ライナー２１（２２）にガス拡散層としての機能を付与する場合においては、上述した平均細孔径を有する原紙で形成されたライナー２１（２２）の貼合されたダンボールシート３０を原料素材として用い、ライナー２１（２２）の原紙に、熱硬化性樹脂を２０〜６０質量％含有させることが好ましく、３０〜４０質量％含浸させることがより好ましい。特に好ましくは、熱硬化性樹脂として黒鉛含有熱硬化性樹脂を用い、熱硬化性樹脂を３０〜４０質量％及び黒鉛を２〜１０質量％含浸させる。

また、ライナー２１（２２）にリザーバ部としての機能を付与する場合においては、上述した平均細孔径を有する原紙で形成されたライナー２１（２２）の貼合されたダンボールシート３０を原料素材として用い、ライナー２１（２２）の原紙に、熱硬化性樹脂を３０〜７０質量％含有させることが好ましく、４０〜６０質量％含浸させることがより好ましい。特に好ましくは、熱硬化性樹脂として黒鉛含有熱硬化性樹脂を用い、熱硬化性樹脂を４０〜６０質量％及び黒鉛を２〜１８質量％含浸させる。

また、一方のライナー２１（２２）にガス拡散層としての機能を付与させ、他方のライナー２２（２１）にリザーバ部としての機能を付与させる場合においては、芯材２０のそれぞれの面に、上述した平均細孔径を有する原紙で形成されたライナー２１、２２の貼合されたダンボールシート３０を原料素材として用い、ライナー２１，２２の原紙に、熱硬化性樹脂を３０〜６０質量％含有させることが好ましく、４０〜５０質量％含浸させることがより好ましい。特に好ましくは、熱硬化性樹脂として黒鉛含有熱硬化性樹脂を用い、熱硬化性樹脂を４０〜５０質量％及び黒鉛を２〜１０質量％含浸させる。

そして、熱硬化性樹脂を乾燥させた後、２０００℃以上で黒鉛化処理を行うことで、本発明の燃料電池用多孔質基材（カーボン焼結体）が得られる。なお、黒鉛化処理に先立ち、６００〜１０００℃で仮焼成を行うことが好ましい。仮焼成を行うことで、ダンボール原紙材料や樹脂分を炭化すると共にタール等余分な成分を除去することができる。

このように、本発明の燃料電池用多孔質板は、ダンボールシート３０を熱硬化性樹脂に含浸させ、焼成して得られるカーボン焼結体からなり、ダンボールシート３０の中芯２０とライナー２１（２２）との間の空隙２５が、燃料電池の電極層４，７に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するためのガス流路となるので、ＮＣ加工機によるガス流路形成工程や、樹脂含浸されたシートを複数枚積層してプレスする工程が必要なく、ガス流路付き多孔質基材を簡単な工程で安価に製造することができ、製造コストを大幅に削減できる。また、芯材２０に貼合させるライナー２１（２２）の原紙を変更することで、ライナー２１（２２）にガス拡散層やリザーバ部としての機能を付与することができるので、ガス拡散層及び／又はリザーバ部が一体となったガス流路付き多孔質板とすることができる。

以下実施例を挙げて本発明を説明する。

（実施例１）
ライナー（厚さ１．５ｍｍ，平均細孔径３０μｍ，気孔率５０％）が、芯材（段高１．５ｍｍ，段山数８個／ｃｍ）に貼付された厚さ３ｍｍの片面Ｂフルートダンボールシートに、黒鉛粉を混合したフェノール樹脂を含浸させた（樹脂含浸量５０質量％，黒鉛含浸量５質量％）。含浸中、ライナーと中芯間の空間に、樹脂が含浸されないよう通風処理等を施した。乾燥後、８００℃の仮焼成を行い、ダンボール原紙材料やフェノール樹脂分を炭化すると共にタール等余分な成分を除去した。仮焼成後、２５００℃で焼成し、黒鉛化処理を行った。

このカーボン焼結体を、燃料電池のセパレータ側にライナーを配置し、ガス拡散層側に芯材を配置したところ、ライナー部分をリザーバプレートとして利用できた。また、芯材をガス流路として利用することができた。また、使用時において、素材が層状に剥離破壊する不良は全く見られなかった。なお、ガス拡散層及びその他の部材は、従来と同様のものを用いた。

（実施例２）
ライナー（厚さ０．５ｍｍ，平均細孔径３５μｍ，気孔率５５％）が、芯材（段高１ｍｍ，段山数１０個／ｃｍ）に貼付された厚さ１．５ｍｍの片面Ｅフルートダンボールシートに、黒鉛粉を混合したフェノール樹脂を含浸させた（樹脂含浸量５０質量％，黒鉛含浸量５質量％）。含浸中、ライナーと中芯間の空間に、樹脂が含浸されないよう通風処理等を施した。乾燥後、８００℃の仮焼成を行い、ダンボール原紙材料やフェノール樹脂分を炭化すると共にタール等余分な成分を除去した。仮焼成後、２５００℃で焼成し、黒鉛化処理を行った。

このカーボン焼結体を、燃料電池の電極層側にライナーを配置したところ、ライナー部分をガス拡散層として利用できた。また、ライナーと芯材との間の空隙をガス流路として利用することができた。また、使用時において、素材が層状に剥離破壊する不良は全く見られなかった。なお、リザーバプレート及びその他の部材は、従来と同様のものを用いた。

（実施例３）
芯材（段高１ｍｍ，段山数１０個／ｃｍ）の一方の面に、ライナーＡ（厚さ１．５ｍｍ，平均細孔径３５μｍ，気孔率５５％）が、他方の面に、ライナーＢ（厚さ０．５ｍｍ，平均細孔径４５μｍ，気孔率７０％）が貼付された厚さ３ｍｍの両面Ｂフルートダンボールシートに、黒鉛粉を混合したフェノール樹脂を含浸させた（樹脂含浸量４０質量％，黒鉛含浸量５質量％）。含浸中、ライナーと中芯間の空間に、樹脂が含浸されないよう通風処理等を施した。乾燥後、不活性ガス雰囲気下で、８００℃の仮焼成を行い、ダンボール原紙材料やフェノール樹脂分を炭化すると共にタール等余分な成分を除去した。仮焼成後、２５００℃で焼成し、黒鉛化処理を行った。

このカーボン焼結体を、燃料電池の電極層の外周にライナーＢを、セパレータ側にライナーＡを配置したところ、ライナーＡをリザーバプレートとして使用することができ、また、ライナーＢをガス拡散層として使用することができた。そして、ライナーＢと芯材との間の空隙をガス流路として利用することができた。また、使用時において、素材が層状に剥離破壊する不良は全く見られなかった。

燃料電池の単位セルの一般的な構成を示す分解断面図である。 本発明の電解質用多孔質板を備えた燃料電池を示す分解断面図である。

符号の説明

１：空気極セパレータ
２：酸化剤ガス流路付の基材
３：ガス拡散層
３：酸化剤ガス拡散層
４：酸化剤極
５：電極シール材
６：電解質膜
７：燃料極
８：燃料ガス拡散層
９：燃料ガス流路付の基材
１０：燃料極セパレータ
１１：ガス流路付き多孔質基材
２０：芯材
２１、２２：ライナー
３０：ダンボールシート

Claims (5)

1. 電解質膜の両面に電極層が配置され、電極層の外側にガス流路を備えた燃料電池の、前記ガス流路を形成するための燃料電池用多孔質基材であって、
   中芯と該中芯の少なくとも片面に貼合されたライナーとを有し、前記中芯と前記ライナーとの間に空隙が形成されたダンボールシートを熱硬化性樹脂に含浸させ、焼成して得られるカーボン焼結体からなり、前記中芯と前記ライナーとの間の空隙がガス流路をなすことを特徴とする燃料電池用多孔質基材。
2. 前記ライナーがガス拡散層をなしている請求項１に記載の燃料電池用多孔質基材。
3. 前記中芯の両面に前記ライナーが貼合されたダンボールシートを用いて形成され、
   前記電極層側に配置されるライナーが、ガス拡散層をなし、
   他方のライナーが、補充用の電解質を内部に保持して電極反応で消費した電解質を電解質膜へ補給するリザーバ部をなす請求項１に記載の燃料電池用多孔質基材。
4. 前記ガス拡散層をなすライナーが、３０〜５０μｍの平均細孔径を有する原紙で形成されている、請求項２又は３に記載の燃料電池用多孔質基材。
5. 前記リザーバ部をなすライナーが、２０〜４０μｍの平均細孔径を有する原紙で形成されている、請求項３に記載の燃料電池用多孔質基材。