JPH02103862A - 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、炭素竹材料で構成された電極基材、セパレー
タおよびサイドシールを一体的に形成してなる燃料電池
用炭素質複合部材の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

燃料電池を構成する電極基材、セパレータなどの部材に
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
に電極基板は約２ｍＩｎ、セパレータ板は０．２〜０．
４ｍｍ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、電極基板とセパレータ板を
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」二、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
、電極基板とセパレータ板の両部材を予め一体形成して
複合構造とする試みが進められている。

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、セパレータ材およびサイドシール材とを接着剤
で結合したのち焼成する接合焼成法である。

上記の接合焼成法には、各炭化後の電極基板、セパレー
タおよびサイドシールを接合して焼成する方法と、焼成
前のグリーン前駆体の段階にある電極基板、セパレータ
材およびサイドシール材を接合して焼成する方法とがあ
るが、後者の方法は前者の方法に比へて焼成炭化の工程
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、後者のグリーン前駆体段階における接合
方式を採る場合には、組合せる電極基材、セパレータ材
およびサイドシール材の焼成段階におりる収縮差が大き
いと焼成中あるいは実用過程におけるヒートサイクルに
より界面ｔＩＩ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。

出願人は、上記の問題点を解消する手段として、部材の
面方向における寸法収縮率の差を１．０％以内に調整し
た電極基板前駆体とセパレータ板前駆体とを接合する方
法（特願昭６１１５５１６１号）をすでに提案した。

〔発明が解決しようとする課題］ しかし、各構成材料の熱膨張率に差があると、焼成後の
冷却過程あるいは実用温度域（２００“Ｃ程度）でも割
れや剥離が生しることがある。とくに、局部的に応力集
中が起り易い緻密なサイドシールをもつ構造の場合に、
この傾向が強くなる。

本発明は、サイドシールの材質構成を変えることによっ
て熱変動に伴う応力集中を軽減化し得る燃料電池用炭素
質複合部材の製法開発に成功したものである。

〔課題を解決するための手段〕

すなわち、本発明により提供される燃料電池用炭素質複
合部材の製造方法は、多孔質電極基材、緻密質セパレー
タ材およびサイドシール材の各グリーン前駆体を一体に
接合成形したのち焼成処理して燃料電池用の炭素質複合
部材を形成する方法において、サイドシール材のグリー
ン前駆体を、予め多孔質電極基材および緻密質セパレー
タ材と同一のグリーン前駆体からなる薄板により電極の
溝方向側面と平行に交互配列する層状形態に一体形成し
、接合成形時、層面が多孔質電極との当接面および部材
の外側面を構成する状態に配列することを構成上の特徴
とする。

多孔質電極基材のグリーン前駆体は、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
〜３００°Ｃの温度域で加熱硬化するプロセスによって
作成される。

緻密質セパレータ材のグリーン前駆体は、黒鉛、ガラス
状炭素、コークスなどの粉末から選ばれる少なくとも一
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、５０〜１２０°Ｃで１０時間以上に亘り加
熱硬化するプロセスによって作成される。

サイドシール材のグリーン前駆体は、前記した多孔質電
極基材および緻密質セパレータ材と同一のグリーン前駆
体からなる薄板を用い、該薄板の複数枚を電極の溝方向
側面と平行に交互配列するサンドインチ層状形態に一体
化するプロセスにより作成される。第１図は前記層状形
態のサイドシール材１を示した斜視図で、２は多孔質電
極基材と同一グリーン前駆体の薄板、３は緻密質セパレ
ータ材と同一グリーン前駆体の薄板である。

この際の一体化は、多孔質層と緻密質層の層状物をその
ままもしくは熱硬化性樹脂接着剤（黒鉛粉末をフィラー
とする場合を含む。）を介して１２０〜２５０°Ｃの温
度域でプレス硬化接合する方法が適用される。

上記の工程で形成された電極基材、セパレータ材および
サイドシール材の各グリーン前駆体は、第２図に示すよ
うに中心部にセパレータ材４、上下に電極基材５と両端
部にサイドシール材１を組合せてセル形態にセットした
のち一体に接合成形する。この場合、サイドシール材１
は両端の層面６が多孔質電極基材との当接面および部材
の外側面を構成する状態に配置される。

接合成形は、１２０〜２５０°Ｃ程度の温度と１ｋｇ／
Ｃイ以上の加圧力を適用して熱圧することによっておこ
なわれる。接合にあたっては、熱硬化性樹脂あるいはこ
れに黒鉛粉末のようなフィラーを混入した接着剤を用い
ても差し支えない。

接合成形後の複合グリーン部材は、常法に従って非酸化
性雰囲気下１０００〜２０００°Ｃの温度で焼成炭化し
、更に必要に応して３（ｌＱＯ’ｃの温度で黒鉛化処理
をおこなう。

このようにして得られた炭素質複合部材は、所定のサイ
ズ形状に加工して燃料電池用複合電極基板とする。

〔作　用〕

上記の構成によれば、サイドシールが多孔質組織と緻密
質組織の炭素質薄板によるサンドインチ層状形態を呈し
ており、熱変動に伴って発生する応力の偏りは交互に介
在する多孔質組織層によって巧みに吸収分散される。し
たがって、焼成後の冷却過程あるいは実用時の運転・停
止ムこよる温度変化に際しても割れ、反りあるいは剥離
等の現象は効果的に回避される。

また、サイドシール機能は交互に介在する一方の緻密質
層によって万全に保たれるからガス漏れの危険性はない
。

〔実施例］ 以下、本発明を実施例および比較例に基づいて説明する
。

実施例 （１）電極基材グリーン前駆体の形成 炭素繊維チョップ７０重量部と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重量部を攪拌混合し、均一なスラリー状分散液
を調製した。このスラリーを抄紙法によって薄板状に成
形したのち、２５０°Ｃの温度で加熱硬化して多孔質電
極基材のグリーン前駆体を形成した。このものの焼成後
の特性は見掛比重０９６３　ｇ　／　ｃｃ、気孔率６６
．１％であった。

（２）セパレータ材グリーン前駆体の形成平均粒径４μ
ｍの黒鉛粉末８０重量部、粉末フェノール樹脂〔住友デ
ュレズ■製、“’ＰＩ？　１１０７Ｂ’”）１９０重品
部、液状フェノール樹脂（住友デュレズ■製、“ＰＲ９
４０’”〕１１００重量およびカルボキシメチルセルロ
ーズ５重量部をスクリュー型混練機で混練したのち、ロ
ール圧延機で厚さ１肛の薄板に成形した。ついで成形体
を５０°Ｃで２４時間、８０°Ｃで２４時間の熱硬化処
理を施して緻密質セパレータのグリーン前駆体を形成し
た。

（３）サイドシール材グリーン前駆体の形成前記（１）
で形成した電極基材グリーン前駆体を厚さ１肛にスライ
スした薄板と（２）で形成したセパレータ材グリーン前
駆体の薄板の各２５枚を電極の溝方向側面と平行になる
ように交互に積層し、１９０°Ｃで３０分間熱圧してサ
ンドイッチ層状形態に一体接合されたサイドシールのグ
リーン前駆体を形成した。

（４）複合成形と焼成処理 上記（１）〜（３）で形成した各部材を第２図に示すよ
うにサイドシール両端の層面が電極基材との当接面およ
び部材の外側面を構成する状態に配置し、１９０°Ｃで
２時間熱圧して部材を一体に接合した。ついで、得られ
た複合グリーン部材を焼成炉に移し、窒素ガス雰囲気中
で１０００°Ｃの温度により焼成処理して燃料電池用炭
素質複合部材を製造した。

（５）性能評価 上記の方法により１０枚の炭素質複合部材を製造したが
、焼成処理後に部材の割れ、反り、剥離等の欠陥現象は
全く認められなかった。また、実用時に対応する室温〜
２００°Ｃの熱サイクル試験を反復したところ、前記の
欠陥現象は生しなかった。

比較例 サイドシール材を上記（２）のセパレータ材グリーン前
駆体と同一方法で作成し、その他は実施例と同様にして
燃料電池用炭素質複合部材を製造した。その結果、焼成
冷却後の段階で１０枚中４枚に亀裂の発生が認められ、
残りの６枚にも僅かに反りがみられた。

〔発明の効果］ 以上のとおり、本発明に従えばサイドシールの特殊構造
化により焼成冷却過程あるいは実用段階の熱変動に伴っ
て部材にかかる応力の偏りを効果的に軽減することがで
きるから、常に高品質の燃料電池用炭素質複合部材を収
率よく製造することができ、また、長時間安定した実用
性能が保障される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を構成するサイドシール材のグリーン前
駆体を示した斜視図、第２図は本発明における各グリー
ン前駆体部材の接合成形状態を示した斜視図である。 １・−・サイドシール材、 ２・・・多孔質電極基材と同一グリーン前駆体の薄板、
３・・・緻密質セパレータ材と同一グリーン前駆体の薄
板、 ４・・・セパレータ材、　　５・・・電極基材、６・・
・層面。 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、多孔質電極基材、緻密質セパレータ材およびサイド
   シール材の各グリーン前駆体を一体に接合成形したのち
   焼成処理して燃料電池用の炭素質複合部材を形成する方
   法において、サイドシール材のグリーン前駆体を、予め
   多孔質電極基材および緻密質セパレータ材と同一のグリ
   ーン前駆体からなる薄板により電極の溝方向側面と平行
   に交互配列する層状形態に一体形成し、接合成形時、層
   面が多孔質電極との当接面および部材の外側面を構成す
   る状態に配列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。