JPH04282565A - 端部シール付燃料電池セパレータの製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、炭素質の多孔質電極板
と緻密質セパレータが一体化したリン酸型燃料電池用複
合部材を構成する端部シール付セパレータの製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】リン酸型燃料電池を形成する電極板、セ
パレータ板等の部材には、材質的に耐熱性、耐薬品性、
良電気伝導性、易加工性など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、電池内部抵抗およ
びスタック厚みの低下を図るために電極板およびセパレ
ータ板はますます薄肉化が進んでおり、破損の度合は増
加の傾向にある。

【０００３】このような問題を解消するために、予め炭
素材で形成された多孔質電極基材とセパレータ基材また
はこれらの前駆体（炭素化前の材料）を接着剤を介して
結合したのち焼成炭化処理する接合焼成法が開発されて
いる（特開昭６０−２０４７１号公報、実開昭６０−１
６７５９号公報）　。しかし、該接合焼成法による場合
には電池内部抵抗を低下させる面では優れた効果を示す
ものの、炭素部材の前面を接合し、さらに焼成処理を施
こす工程が必要となるために、製造コストが著しく高く
なる欠点がある。

【０００４】このため、セパレータの両端部位に端部シ
ール材を耐熱耐蝕性の弗素系樹脂などによって接合し、
形成された凹部に多孔質電極基材を嵌挿するシール接合
法（特開昭６２−２９６３６８　号公報）　が提案され
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記のシール接合法に
よれば、製造工程を大幅に簡略化することが可能となる
が、端部シールの接着強度が十分ではなく、後加工（仕
上げ）時に部材の剥離現象を起こし易い難点がある。そ
のうえ、接合時にホットプレス工程を必要とする煩雑性
があった。

【０００６】本発明は上記従来技術の諸問題を解消する
ために開発されたもので、その目的はシール接合法を採
る場合に端部シール材を十分な気密性、耐ヒートサイク
ル性および耐蝕性を保持した状態で効率よく結合するこ
とができる端部シール付燃料電池セパレータの製造方法
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による端部シール付燃料電池セパレータの製
造方法は、ガラス状炭素系セパレータの互いに直交する
表面と裏面の端部に、表面粗さが１０μｍ　Ｒｚ以上で
５〜３００　μｍ　薄く形成した接合部位を設け、該接
合部位にセパレータと同材質の端部シール材を平均粒径
７０μｍ　以下のカーボン粉末１００　重量部、芳香族
ポリイミド前駆体　１００〜２００　重量部およびフェ
ノール樹脂初期縮合物２０〜５０重量部からなる組成の
接着剤を用いて接合し、熱圧・硬化させることを構成上
の特徴とする。

【０００８】セパレータを構成する炭素質材料としては
、耐熱性、耐蝕性、高強度性に加え優れた気体不透過性
を備えるガラス状炭素あるいはこれを基材とする複合炭
素材などガラス状炭素系のものが適用される。したがっ
て、例えばフェノール系樹脂、フラン系樹脂、ポリイミ
ド樹脂のような樹脂類、もしくは炭素粉末、黒鉛粉末、
炭素繊維チョップ等を混合した前記樹脂類を板状に成形
したのち、焼成炭化処理して得られる材料が該当する。

【０００９】上記のガラス状炭素系セパレータには、互
いに直交する表面と裏面の各端部（端部シール材の接合
部分）に表面粗さが１０μｍ　Ｒｚ以上で他のセパレー
タ部分よりも５〜３００　μｍ　薄い接合部位を形成す
る。表面粗さＲｚは、ＪＩＳ　　Ｂ０６０１（１９８２
）で定められた表面粗さ基準を指し、この表面粗さを１
０μｍ　Ｒｚ以上に調整することによって接合面の接着
濡れ性が改善され、同時に接着面積が増大して接着強度
が効果的に向上する。薄肉化した接合面を形成するのは
段違い構造に基づく気密性の向上を図るものであるが、
この薄肉度合が５μｍ　未満では気密性の改善効果が得
られず、他方、３００　μｍ　を越えるとセパレータが
破損し易くなる。該接合部位は、フライス加工のような
機械加工により前記範囲に薄肉化したのち、表面粗さ１
０μｍ　Ｒｚ以上になるようにペーパー仕上げまたはシ
ョットブラスト法、サンドブラスト法等の手段で粗面化
する方法で形成することができる。この際、薄肉化をセ
パレータのグリーン段階（炭素化前）でおこなってもよ
く、また前記の粗面加工によって薄肉化と粗面化を同時
におこなうこともできる。

【００１０】端部シール材は、前記したセパレータと同
材質のガラス状炭素系材料で構成される。この部材は燃
料電池側部からのガスリークを防止するために機能する
もので、気密性が不完全であると発電効率が低下するほ
か、水素と酸素が混合して爆発の危険が生じる。端部シ
ール材の材質がセパレータと異なると、熱膨張差によっ
て接合界面に剥離、亀裂等が発生して前記の現象を惹起
し易くなる。該端部シール材のサイズは、セパレータの
大きさによっても異なるが、概して幅２０〜５０ｍｍ、
厚さ０．８　〜２．０ｍｍ　程度である。なお、端部シ
ール材の接合面についてもセパレータ接合部位と同様の
粗面加工を施しておくと、一層接合強度を増大させるこ
とができる。

【００１１】接着剤の組成は、カーボン粉末　１００重
量部、芳香族ポリイミド前駆体　１００〜２００　重量
部およびフェノール樹脂初期縮合物２０〜５０重量部の
配合とする。カーボン粉末には平均粒径７０μｍ　以下
のコークス粉、天然または人造黒鉛粉等が用いられる。 芳香族ポリイミド前駆体としては、ワニス状のポリアミ
ック酸が効果的に使用される。また、フェノール樹脂初
期縮合物は、室温下で流動性を有するレゾール系のもの
が好適である。これらの３成分は、ニーダー等で均一に
混練して接着剤とする。

【００１２】接合は、前記の接着剤を刷毛塗り法、スプ
レー法、ドクターブレード法など適宜な手段を用いてガ
ラス状炭素系セパレータの接合部位に均一に塗布したの
ち、端部シール材を置いて熱圧しながら接着層を硬化さ
せる方法でおこなわれる。この際、接着層の厚さは５０
〜２００　μｍ　の範囲にあることが好ましい。また、
熱圧操作には加熱盤付のプレスを用い、温度　１００〜
２５０　℃、加圧力　０．５〜２ｋｇ／ｃｍ２の条件を
適用することが望ましい。

【００１３】接合後、とくにリン酸に接触し易い接合部
分に例えばポリテトラフルオロエチレンのディスパージ
ョンを塗布・硬化してフッ素樹脂の被覆層を形成すると
一層接合部の安定性が向上する。このようにして形成さ
れた接合部材は、最終的に所定の幅、長さおよび厚さに
加工して端部シール付燃料電池セパレータを得る。

【００１４】

【作用】本発明では、第１にガラス状炭素系セパレータ
の接合部位を１０μｍ　Ｒｚ以上に粗面化することで接
着性を高め、更にその部位を５〜３００　μｍ　の範囲
で薄く形成することによって段違い接合に基づく気密性
の向上を図る。第２に、セパレータと端部シール材を同
一のガラス状炭素系材質で構成することによって、実用
段階での材質熱膨張差による部材の剥離、亀裂発生など
の発生を防止する。

【００１５】第３に、接着剤の成分組成を特定して接合
層の強度、耐熱耐蝕性などを向上させる。すなわち各成
分の機能は、平均粒径７０μｍ　以下のカーボン粉末の
配合は複合効果により接合層に靭性を付与し、芳香族ポ
リイミド前駆体はフッ素樹脂のように高温高圧をかけず
に優れた接合強度と耐熱耐蝕性を備えるポリイミド樹脂
に転化し、またフェノール樹脂初期縮合物は界面接着力
を高めるために寄与する。

【００１６】このような作用が相乗してセパレータの互
いに直交する両面端部に強固かつ気密性よく端部シール
材が一体に接合され、実用段階においても長期安定な端
部シール付燃料電池セパレータを得ることが可能となる
。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して説
明する。 実施例１〜７、比較例１〜９ 平均粒径７μｍ　の黒鉛微粉末をフェノール樹脂に添加
混練し、圧延成形したのち１３００℃の温度で焼成炭化
処理した縦横７１０ｍｍ　、厚さ０．６ｍｍ　の平滑表
面を有するガラス状炭素系のセパレータを準備した。つ
いで、セパレータの互いに直交する表面と裏面の各幅４
５ｍｍの端部をショットブラストして表１に示す表面粗
さおよび薄肉度になるように粗面化と薄肉化を同時にお
こなった。

【００１８】接着剤としては、表１に示す成分組成　（
黒鉛微粉　１００重量部当たりの配合重量部）　の混練
物を用いた。、なお、芳香族ポリイミド前駆体は、無水
ピロメリト酸〔関東化学（株）製、試薬特級〕と４，４
′ジアミノジフェニルエーテル〔東京加成（株）製、試
薬特級〕をＮ，Ｎジメチルアセトアミド〔関東化学（株
）製、試薬特級〕中で重合して得た樹脂分２０％のもの
を用いた。 また、フェノール樹脂初期縮合物は、市販品〔住友デュ
レズ（株）製、ＰＲ９４０　〕を使用した。

【００１９】

【００２０】表１に示した接合部位に各同欄の組成を有
する接着剤を刷毛塗りにより均一に塗布したのち、接合
部位に端部シール材を重ねて圧力１ｋｇ／ｃｍ２、温度
２００　℃の条件で熱圧・硬化した。このようにして一
体に接合した複合部材を機械加工し、一変の長さが７０
０ｍｍ　の正方形で、端部シール材の厚さが２．４ｍｍ
　になる寸法に仕上げた。なお、各例のうち実施例７に
ついては、接合部位にポリテトラフルオロエチレンのデ
ィスパージョン〔旭硝子（株）製、ＡＤ−１〕を塗布し
、１００　℃で乾燥したのち３４０　℃の温度で硬化処
理をおこなった。

【００２１】得られた各端部シール付燃料電池セパレー
タにつき、接合部の気体透過度（気密性）、加工歩留り
、ヒートサイクルテストおよびリン酸（２００℃）　浸
漬テスト等の測定をおこない、その結果を表２に示した
。なお、気体透過度は室温で１ｋｇ／ｃｍ２の窒素ガス
でおこない、またヒートサイクルテストは２５０　℃に
保持された恒温槽中に接合部材を入れ、取り出して室温
に戻す操作を１回とした。

【００２２】表２の結果から、比較例では気密性、加工
歩留り、耐ヒートサイクル性または耐蝕性のいずれかの
性能で欠陥が認められるが、本発明の要件を満たす実施
例では全ての特性において優れていることが判明する。

【００２３】

【００２４】比較例１０ 熱膨張係数１×１０−６℃−１のガラス状炭素系からな
るセパレータと熱膨張係数２×１０−６℃−１のカーボ
ン材からなる端部シール材を用い、実施例１と同一の条
件およびプロセスで接合して複合部材を作製した。この
異種材質を接合した端部シール付燃料電池セパレータの
各種性能を測定したところ、気体透過度は１０−６ｃｃ
／ｃｍ２ｍｉｎ　、加工歩留りは９０％と良好な結果で
あったが、ヒートサイクルテストでは５回で剥離現象が
認められた。

【００２５】比較例１１ 実施例１と同一のセパレータと端部シール材を、セパレ
ータの接合部位になんらの加工を施すことなしに厚さ０
．０５ｍｍのポリテトラフルオロエチレンシート〔ニチ
アス（株）製〕を介在させ、温度３４０　℃、圧力１０
ｋｇ／ｃｍ２の熱圧条件で接合した。この端部シール付
燃料電池セパレータについて各種性能を測定したところ
、気体透過度は１０−６ｃｃ／ｃｍ２ｍｉｎ　と良好な
気密性を示したが、加工歩留りは４０％でヒートサイク
ルテストでは３８回で剥離現象が発生した。

【００２６】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば簡便な手
段により気密性、耐ヒートサイクル性および耐蝕性に優
れた端部シール付燃料電池セパレータを加工歩留りよく
製造することができる。したがって、長期に運転に耐え
る高性能セルを効率的に生産供給することが可能となる
ほか、製造コストの低減化にも有効である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ガラス状炭素系セパレータの互いに直
   交する表面と裏面の端部に、表面粗さが１０μｍ　Ｒｚ
   以上で５〜３００　μｍ　薄く形成した接合部位を設け
   、該接合部位にセパレータと同材質の端部シール材を平
   均粒径７０μｍ　以下のカーボン粉末　１００重量部、
   芳香族ポリイミド前駆体　１００〜２００　重量部およ
   びフェノール樹脂初期縮合物２０〜５０重量部からなる
   組成の接着剤を用いて接合し、熱圧・硬化させることを
   特徴とする端部シール付燃料電池セパレータの製造方法
   。