JPH01320763A - 燃料電池用炭素質複合部材の製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、炭素質材料で構成された多孔質電極板ならび
に緻密質セパレータ板を一体的に形成してなるりん酸型
燃料電池用の炭素質複合部材を製造する方法に関する。

〔従来の技術〕

りん酸型燃料電池を構成する電極板、セパレーク板など
の部材には、材質的に耐熱性、耐薬品性、良電気伝導性
、易加工性等の要求特性を満たす炭素質材料が有用され
ている。

ところが、炭素質材料は本質的に機械的強度が低いため
、ハンドリングあるいはセルの組立時に破損することが
ある。近時、抵抗およびスタック厚みの低下を図るため
に電極板は約２ｍｍ、セパレータ板は０．８〜１．０ｍ
ｍ程度まで薄肉化が進んでおり、破損の度合は一層増加
する傾向にある。また、電極板とセパレーク板を積層す
る従来の方式では、両方の面間に十分均等な密着接触を
得ることが困難であるため、電池内部抵抗の低減化には
限界がある。

このような不都合を排除し、機械的強度の向上、電気的
・熱的抵抗の低減およびセル組立の簡素化を図るため、
電極板とセパレーク板の両部材を予め一体形成して複合
構造とする試のが急速に進められている。

このような複合部材を製造するための最も簡易で実用性
の高い手段は、特開昭６０−２０４７１号公報、実開昭
６０−１５７５９号公報などに開示されているような電
極基材とセパレータ基材とを接着剤で結合したのち焼成
する接合焼成法である。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の接合焼成法には、各炭化済の炭素質電極板と炭素
質セパレータ板を接合して焼成する方法と、焼成前の前
駆体（生成形体）の段階にある電極板とセパレータ板を
接合して焼成する方法とがあるが、前者の方法に比べ後
者の方法は焼成炭化の工程が１回で済むうえ接合強度が
増大する点で有利である。

しかしながら、後者の前駆体段階における接合方式を採
る場合には、組合せる電極材とセパレータ板の焼成過程
における収縮差が大きいと焼成中に界面剥離や部材の反
り、割れ等の欠陥現象が起こる。この傾向は、部材が大
型化するほど顕著となるため、実用面の大きなネックと
なっている。

本発明者は、焼成過程における部材の収縮挙動について
多角的に研究を重ねた結果、電極板とセパレータ板の収
縮差を特定範囲内に収めると上記した欠陥現象を効果的
に減少することができることを解明して本発明に至った
ものである。

〔課題を解決するための手段〕

すなわち、本発明による燃料電池用炭素質複合部材の製
造方法は、炭素質の電極板とセパレータ板を焼成前の前
駆体の段階で接合したのち焼成処理する方法において、
それぞれの面方向寸法収縮率の差を１．０％以内に調整
した電極板前駆体と七　　　′バレーク板前駆体とを接
合することを構成的特徴とする。

電極板の前駆体は、炭素繊維あるいはポリアクリルニト
リル、セルローズなどの有機質繊維を例えばフェノール
樹脂のような熱硬化性樹脂と共にモールド法、抄紙法等
の手段を用いて薄板状に成形し、１５０〜２５０°Ｃの
温度域で加熱硬化するプロセスによって製造される。

セパレータ板の前駆体は、黒鉛、ガラス状炭素、コーク
スなどの粉末から選ばれた少なくとも１種のフィラーと
フェノール系あるいはフラン系など炭化性の熱硬化性樹
脂からなるバインダーとの混練物を薄板状に成形し、５
０〜１２０°Ｃで１０時間以上に亘り加熱硬化するプロ
セスによって製造される。

このようにして製造された電極板前駆体とセパレータ板
前駆体とは、それぞれの面方向寸法収縮率の差を１．０
％以内に調整した状態で接合する。

本発明にいう面方向寸法収縮率とは、角板状部材を非酸
化雰囲気中で１０００’Ｃに焼成した際の平面縦横方向
に生じる熱収縮率の平均値を指し、この値が接合しよう
とする電極板前駆体とセパレータ板前駆体の相互間にお
いて１．０％以内に入る場合には正常な焼成がおこなわ
れるが、その差が１．０％を越すと焼成過程での界面剥
離、反り、割れ等の現象が多発するようになる。

電極板前駆体の面方向寸法収縮率は、上述した製造プロ
セスで８〜３０％の範囲にある。この収縮率は繊維系の
基材原料と熱硬化性樹脂との配合比を変えることにより
目的の値に制御することが可能であるが、この製造条件
の変更は電極の気孔構造そのものも変動させることにな
るため好ましくない。したがって、面方向寸法収縮率の
調整は専らセパレータ板前駆体の製造過程でおこない、
電極板前駆体では気孔構造の変動を伴わないで数％範囲
内の減少制御ができる熱処理（２５０〜４００°Ｃ）に
留めておくのが良策である。

セパレータ板前駆体における面方向寸法収縮率は炭素、
質粉末フィラーと熱硬化性樹脂バインダーの配合割合を
変えることにより所望の値に容易に調整することができ
る。

両部材の面方向寸法収縮率は予め製造条件との関係を検
量しておくことにより前駆体段階で把握することができ
、１．０％内外差の組合わせ確認も接合工程でおこなう
ことができる。

電極板前駆体とセパレータ板前駆体との接合は、両部材
を直に当接し１７０〜２５０°Ｃの温度域で１時間以上
のプレス硬化を施すか、接合界面に熱硬化性樹脂あるい
はこれに黒鉛微粉末を混入した接着剤を介して接着硬化
する方法によっておこなわれる。

接合後の部材は、常法に従い非酸化性雰囲気中で１００
０°Ｃ以上の温度に焼成処理される。

〔作　用〕

上記のプロセスにより多孔質電極板とセパレータ板が一
体に形成された燃料電池用炭素質複合部材が得られるが
、本発明においては電極板前駆体とセパレータ板前駆体
の接合時に両部材間の面方向寸法収縮率の差を１．０％
以内に調整するため、焼成過程において熱収縮の差に基
づく接合界面の剥離、部材の反り、割れ等の現象は生し
ることがない。したがって、常に良品質の複合部材を製
造することができる。

〔実施例］ （１）電極板前駆体の製造例 炭素繊維のチョツプドストランド７０重量部に水溶性フ
ェノール樹脂〔日本ライヒホールド■製゛プライオーフ
ェンＪ３０３”）　１０重量部と水２０重量部を加えて
攪拌混合し、均一なスラリー状分散液を調整した。この
スラリーを抄紙法によって薄板状に成形したのち、２５
０°Ｃの温度で加熱硬化して電極板前駆体を製作した。

このものの面方向寸法収縮率は１３．２％であり、焼成
後の見掛比重は０．６３ｇ／　ｃｃ、気孔率は６６．１
％の多孔質構造であった。

また、この電極板前駆体を３５０°Ｃで３時間熱処理を
施した。このものの面方向寸法収縮率は１１．１％に減
少したが、焼成後の気孔特性には相違はなかった。

（２）セパレーク板前駆体の製造側 平均粒径４μｍの黒鉛粉末をフィラーとし、これに粉末
フェノール樹脂〔住人デュレズ■製゛スミライトレジン
ＰＲ１１０７８”〕、液状フェノール樹脂〔住人デュレ
ズ■製゛スミライトレジンＰＲ９４０“〕およびカルボ
キシメチルセルローズを表１に示す重量部の割合で配合
した。

表１ ＲｕｎＮＯ，１２３４５６７８ 黒鉛粉末　１８５１３０１０５　８０　６０　４０　３
０　２０粉末樹脂　　８５１４０１６５１９０２１０２
３０２４０２５０液状樹脂　１００１００１００１００
１００１００１００１００カル手キノ　　　　　　　　
５５５５５５５５メチルセルロース 配合物をスクリュー型混練機で混練したのち、ロール圧
装置を用い厚さ１胴の薄板状に成形した。

次いで、成形体を５０°Ｃで２４時間、８０°Ｃで２４
時間の条件で加熱硬化をおこなってセパレータ板前駆体
を製造した。

得られた各セパレータ板前駆体の面方向寸法収縮率は、
表２のとおりであった。

表２ Ｒｕｎ置−１２□１−］］□−工−ニー−ニー−１−−
影一収縮率　４．２　７．０　８．３　１０．９　１２
．０　１２．９　１３．９　１５．５（３）複合部材の
製造例と評価 上記（１）と（２）で製造した電極板前駆体とセパレー
タ板前駆体とを１９０°Ｃで２時間プレスして接合し、
引続き焼成炉に移し窒素ガス雰囲気中で１０００’Ｃの
温度により焼成処理して炭素質複合部材を製造した。

得られた各炭素質複合部材の焼成処理後の状況を表３お
よび表４に示した。なお、表示の数値は検体数１０牧の
うちの発生数である。

表３および表４の結果から、電極板前駆体とセパレータ
板前駆体の面方向寸法収縮率の差が１．０％以内にある
調整されている本発明の場合には部材の界面剥離、反り
、割れ等の現象は生しないが、その差が１．０％を越え
るといずれかの欠陥現象が発生することが確認された。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば焼成過程で性状欠陥が生
じない良品質の炭素質複合部材を量産することが可能と
なる。したがって、高性能の燃料電池用複合部材として
常に安定して供給することができる。

特許出願人　　東海カーボン株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、炭素質の電極板とセパレータ板を焼成前の前駆体の
   段階で接合したのち焼成処理する方法において、それぞ
   れの面方向寸法収縮率の差を１．０％以内に調整した電
   極板前駆体とセパレータ板前駆体とを接合することを特
   徴とする燃料電池用炭素質複合部材の製造方法。