JPH0384865A - 燃料電池用セパレーター - 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、リン酸型あるいはプロトン交換膜型等の燃料
電池用として好適なガラス状カーボン質のセパレーター
に関する。

〔従来の技術〕

カーボン材料は、耐熱性、耐食性、熱伝導性、電気伝導
性などに優れるうえにガス不透過性の付与ができる材質
特性を有することから、燃料電池用のセパレーターとし
て有用されている。

近時、電池の高性能化、コンパクト化の要請がますます
高まってきており、これに伴ってセパレーターの厚さは
従来の０．３〜０．ｈｓを下潮る極薄化が要求条件とな
っている。また、自動車あるいは潜水艦などに搭載する
プロトン交換膜型といわれる小型の燃料電池のセパレー
ターは、リン酸型以下の肉厚が必要とされている。

したがって、通常のカーボン材では上記の肉厚条件にお
いて十分なガス不透過性を付与することは極めて困難と
なる。

この点、ガラス状カーボンは製造履歴的に無孔構造が付
与される材質的特長があり、１量水度の薄い肉厚におい
ても十分なガス不透過性の組織を得ることできるためセ
パレーター用として最適な特性を具備している（特公昭
６２−２８５４６号公報）。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、ガラス状カーボンの組織内には概して若
干の微小なりローズドポアが存在する。

通常、燃料電池のセパレーターは４万時間を越える耐用
が要求されるが、この過程でカーボン材の電気化学的な
腐食により０．０１〜０．０ｂ−程度損耗するとされて
いる。このため、使用前の状態で完全なガス不透過性を
備えるガラス状カーボン質のセパレーターであっても、
使用中の電気化学的な腐食損耗によってピンホールが表
面に露出する現象を招く、ピンホールの露出と進行はガ
スリークの発生を惹起する原因となり、電池性能の劣化
およびｈと０２の混合に伴う爆発の危険性を招く大きな
問題点となる。

本発明は、ガラス状カーボン材質を極薄状の燃料電池用
セパレーターとして適用する場合の特性項目につき詳細
に検討を重ねた結果得られたもので、０．２■−を下田
る肉厚においても十分な耐用性を有する特性のガラス状
カーボン賞燃料電池用セパレーターを提供することを目
的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するための本発明による燃料電池用セ
パレーターは、厚さ０．０５〜０．２ｈ＋ｗ、気孔率５
％以下、および内在最大ボア径が３０μ麟以下の特性を
備えるガラス状カーボン質でなることを構成上の特徴と
する。

本発明にいうガラス状カーボン質とは、熱硬化性もしく
は熱可塑性樹脂の単味を焼成炭化して得られる純粋なガ
ラス状カーボン組織に限らず、組織内に黒鉛、ガラス状
カーボン等の炭素質微粉末あるいは炭素繊維などを少量
含有するガラス状カーボン材であっても前記した特性項
目を満足するものであれば工亥当することを意味する。

前記の特性に加えて、曲げ強さがｌｏｏｏｋｇ／ｃ＋ｉ
”以上で、電解酸化後の気体透過量が１０−６ｃｍ”７
ｓｅｃ以下の特性を有するガラス状カーボン質は、−暦
本発明の目的に対し好適に機能する。

本発明におけるガラス状カーボン質の各特性値は、以下
の測定方法または計算式によるものとす（１）気孔率 真比重をり、カサ比重をＡＤとした場合に、（Ｄ−ＡＤ
）／Ｄ　Ｘ　ｔｏｏの計算式で算出される値（％）を気
孔率とする。

（２）内在最大ボア径 試片破断面を光学顕微鏡またはＳＥＭ観察して測定する
。

（３）曲げ強さ ＪＩＳ　Ｋ６９１１によって測定する。ただし、支点間
距離は、厚さの４０倍以上とする。

（４）電解酸化後の気体透過量 試片を２００℃の熱リン酸中で、２００ａ＋Ａ／ＣｎＦ
　、　１０分の定電流電解条件により電解酸化し、処理
後の試片につき室温下、窒素ガスを１ｋｇ／ｃｍ”で圧
入した場合のガス透過ｔ（ｍ”／５ｅｃ）を測定する。

本発明の特性項目を備えるガラス状カーボン質は、例え
ばフラン系樹脂、フェノール系樹脂、芳香族ポリイミド
系樹脂のような炭素残留率の高い熱硬化性樹脂または熱
可塑性樹脂、もしくはこれらの樹脂に黒鉛、ガラス状カ
ーボン等の微粉末、炭素繊維のチゴップを若干量混入し
たものをシート状に成形し、成形シートを非酸化性雰囲
気下で８００℃以上の温度により焼成炭化する方法を用
い、シートの成形条件、焼成段階の昇温条件などを制御
することによって製造することができる。本発明の目的
には、とくに原料樹脂として芳香族ポリイミド樹脂を用
いることが効果的で、この場合には前記した製造時の細
かな条件制御をおこなわなくともボアのない組織のガラ
ス状カーボンを得ることができる。この理由は、フラン
系樹脂、フェノール系樹脂のように硬化・焼成時に縮合
水や未反応分の生成を伴わないことに基づくものと推測
される。

〔作　用〕

本発明のガラス状カーボン質による燃料電池用セパレー
ターは、厚さ０．０５〜０．２ｈ＋ｓの範囲において気
孔率５％以下、内在最大ボア径３ｏｔＩ１１以下の特性
を有しており、この無孔構造化性状により実用段階で材
質面が多少の電解酸化を受けてもビンホールリークに発
展する事態は起こらない、しかし、気孔率が５％を上廻
り、内在最大ボア径が３０μ園を越える特性範囲では電
解酸化によるピンホールリークが多発し、また組織強度
も弱化して組立過程での破損も多くなる。

本発明の望ましい態様は、上記した無孔構造化性状に加
えて曲げ強さ１０００ｋｇ／ｃｍ”以上、電解酸化後の
気体透過量が１０−”ａｍ”／ｓｅｅ以下の特性を有す
ることで、これら全ての特性項目を満足することによっ
て厚さ０．０５〜０．２０ｍ５の極薄化セパレーターに
要求される組織強度および耐久性を悉く充足する機能が
付与される。

〔実施例） 以下、実施例に基づいて本発明を説明する。

実施例１ 芳香族ポリアミック酸ジメチルアセトアミド２０重量％
溶液をモールド中に流し込み、５０°Ｃで１時間、１０
０　’Ｃで１時間、１５０°Ｃで１時間それぞれ処理し
たのち、毎分５°Ｃで３００　’Ｃまで昇温し、ついで
３００°Ｃに２４時間保持した。このようにしてフィル
ム状に底形された芳香族ポリイミド樹脂を窒素雰囲気に
保持された電気焼成炉に移し、２０°Ｃ／ｈｒの昇温速
度で１３００″Ｃまで上昇させて焼成炭化処理をおこな
って、厚さ０．０５ｍ＋ｉ、縦横３００ｍｍの極薄セパ
レーターを作成した。

得られたセパレーターの特性は、気孔率３％、内在最大
ボア径１μ鴎、曲げ強さ１４５０ｋｇ／ｃ＋ｍ”、電解
酸化後の気体透過量は１０−　”　ｃｍ”／ｓｅｃであ
った。

このセパレーターを用いて燃料電池セルを組立運転した
ところ、組立時の破損、運転時のガスリーク等は一切発
生せず、１００００時間以上に亘り安定して操業できる
ことが認められた。

実施例２〜４、比較例１〜４ 原料樹脂として液状のフェノール樹脂初期縮合物〔住友
デュレズ■製、ＰＲ９４０）を用い、予め０゜１重量％
の無水マレイン酸を添加して平盤状モールドに流し込ん
だ、ついで、真空処理および加熱処理を施してシート状
の成形体を得た。この場合のシート厚さは流し込む樹脂
量によって調整した。

上記の工程のうち、真空処理および硬化処理の条件を変
えて特性の異なる６種類のセパレーターを作成した。

得られた各セパレーターの特性を組立・運転時の問題点
、セル高さ比（比較例４を１，００として）と対比させ
て、表１に示した。

表１の結果から、本発明の特性要件を満たす実施例２〜
４は組立・運転時のトラブルは発生せず、またコンパク
トなセル形成ができるが、本発明の特性範囲を外れる比
較例１〜４は組立時の破損、運転過程でのピンホールリ
ークが発生して安定した電池性能は得られないことが認
められる。

〔発明の効果〕

以上のとおり、本発明によれば０．２ｏｎ＋未満の極薄
タイプにおいてセル組立時の破損がなく、運転時のガス
リークを生じることのない優れた耐久性と安定操業が保
障される燃料電池用セパレーターを提供することができ
る。したがって、高性能化とコンパクト化が要求される
リン酸型あるいはプロトン交換膜型用のセパレーク−材
として極めて有用である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、厚さ０．０５〜０．２０ｍｍ、気孔率５％以下、お
   よび内在最大ボア径が３０μｍ以下の特性を備えるガラ
   ス状カーボン質の燃料電池セパレーター。 ２、曲げ強さが１０００ｋｇ／ｃｍ＾２以上で、電解酸
   化後の気体透過量が１０＾−＾６ｃｍ＾２／ｓｅｃ以下
   である請求項１記載の燃料電池セパレーター。 ３、芳香族ポリイミド樹脂のフィルム状成形体を焼成炭
   化して得られる請求項１または２記載の燃料電池セパレ
   ーター。