JPH0449746B2 - - Google Patents
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- JPH0449746B2 JPH0449746B2 JP57146691A JP14669182A JPH0449746B2 JP H0449746 B2 JPH0449746 B2 JP H0449746B2 JP 57146691 A JP57146691 A JP 57146691A JP 14669182 A JP14669182 A JP 14669182A JP H0449746 B2 JPH0449746 B2 JP H0449746B2
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- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、モノポーラ型燃料電池用電極基板の
製造方法に関する。更に詳しくはセパレータ側と
電極面側とが異なつた物性を有する二層構造の電
極基板の製造方法に関する。 本発明にいうモノポーラ型電極基板とは、黒鉛
製薄板をリブ加工して得たバイポーラセパレータ
を用いるバイポーラセパレータ型燃料電池用電極
基板とは異なり、一方の面にリブを設け、他方の
面には平坦な面を有する構造で、リブ付き面から
反応ガスが平坦な面に拡散してくる電極基板であ
る。 このようなモノポーラ型電極基板は、一方の面
に反応ガス（H2OまたはO2）の通路を形成する
リブを具備しており、他方の面には触媒を担持さ
せて電極を形成するか又は触媒を担持させた電極
に接するように構成されており、炭素質で、全体
を通して多孔質になつている。このような２枚の
電極基板はそれぞれの電極面が向かい合うように
設置され、その両電極面間に電解液を保持したマ
トリツクスを挟持して一つの燃料電池セルを形成
し、セパレータを介して多数のセルを積層するこ
とにより、モノポーラ型燃料電池が形成される。 従来、この種の燃料電池用電極基板の製造方法
として、短炭素繊維をベースとしてプレス成形す
る方法（特願昭56−48700）、炭素繊維を分散させ
た抄造法（特公昭53−18603）、炭素繊維のウエブ
に熱分解炭素を化学的に蒸着する方法（米国特許
第3829327号明細書）が提案されている。これら
従来の製造方法によつて得られる電極基板は、い
ずれも全体に均一な構造の一つの層からなつてい
る。 このような均質単層の電極基板は、その嵩密度
が大きい場合、ガス拡散係数が小さいため、これ
らの電極基板を使用した燃料電池は限界電流密度
が小となるとともに電解液の保持量が充分でない
ため性能の低下する時期が早くなる、すなわち寿
命が短いという欠点を有する。他方、電極基板の
嵩密度が小さい場合には電極基板の電気抵抗、熱
抵抗が大きく、曲げ強度などの機械的強度が低い
という欠点を有する。 本発明は上述の問題点を解決するに好適な燃料
電池用電極基板を製造する方法を提供するもので
ある。 本発明によつて製造される電極基板は、モノポ
ーラ型燃料電池用リブ付き電極基板であつて、該
電極基板はセパレータ側と電極面側との二層構造
からなり、該セパレータ側層の嵩密度が該電極側
層の嵩密度より大きくなるように両嵩密度の値が
異なることを特徴とする。このような構成にする
ことにより、セパレータ側層の嵩密度が大きいこ
とにより電極基板の電気抵抗と熱抵抗は小となり
且つ機械的強度は充分大きくなるとともに、嵩密
度の小さい電極面側層の細孔にリン酸を充分に保
持できるので、リン酸の飛散による燃料電池の性
能低下を極力押さえることが可能である。更に、
触媒の侵入可能領域が大きいため、触媒が有効に
作用し限界電流密度も大きくなるという効果を有
している。 本発明は、炭素繊維、細孔調節材粒子、結合材
からなる高嵩密度層用原料混合物と炭素繊維、細
孔調節材及び結合材からなる低嵩密度層用原料混
合物を金型に二層になるように供給し、加熱プレ
スした後、不活性雰囲気中で焼成することによつ
て、嵩密度の異なる二層構造を有し高嵩密度層に
リブを有するリブ付燃料電池用電極基板を製造す
るものである。 細孔調節材としてはポリビニルアルコール、ポ
リエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、
砂糖が適している。結合材としてはフエノール樹
脂が好適である。 以下に炭素繊維として短炭素繊維、細孔調節材
粒子としてポリビニールアルコール粒子、結合材
としてフエノール樹脂を用いた場合について本発
明を詳述する。 高嵩密度層用の原料は平均繊維長が１mm以下の
炭素繊維30〜50wt％、粒子径が100〜300μmのポ
リビニルアルコール粒子20〜50wt％、粒子径
100μm以下の粉末フエノール樹脂10〜40wt％を
ヘンシエルミキサー等の混合機で混合して得られ
る。 低嵩密度層用の原料は炭素繊維の量及び平均繊
維長、ポリビニルアルコール粒子の配合比を調節
することにより高嵩密度層用の原料の作り方と同
様の方法で製造することができる。炭素繊維の平
均繊維長を高嵩密度層用原料で使用したものより
0.1〜0.3mm長くすること、ポリビニルアルコール
の配合比を高嵩密度層用原料より５〜20wt％多
くすること等が有効である。 上記範囲外の配合比では、ガス透過度が小さく
なるか、機械的強度が小さくなる等の理由で適当
でない。金型への供給はベルトフイーダー等の定
量供給機により行い、高嵩密度層用及び低嵩密度
層用の各原料は別個の定量供給機から所定の厚さ
にする量供給される。 成形は加熱式プレス機によつて行われる。その
条件として、金型の加熱温度は、100〜200℃、成
形圧力は５〜100Kg／cm2、圧力保持時間は２〜60
分の範囲から任意に選択できる。 上記条件でプレス成形された成形体を２時間以
上加圧せずに後硬化させることが好ましい。その
後不活性ガス雰囲気中で1500〜2400℃で焼成す
る。この際300〜700℃の低温域でポリビニルアル
コール及びフエノール樹脂の炭化反応が進行する
のでこの間の昇温は徐々に行うことが望ましい。 リブは成形時に形成することも、成形後に機械
加工によつて形成することも可能である。リブを
形成する高嵩密度層は、電極に所望の強度を付与
するために、0.5〜0.8ｇ／cm3の嵩密度を有するこ
とが好ましい。この大きさの嵩密度を有する高嵩
密度層は、本発明によつて製造される電極基板の
機械的強度たとえば曲げ強度を少なくとも50Kg／
cm2にすることができる。高嵩密度層の厚さはリブ
の部分を除いた場合、電極基板の全体の厚さ（リ
ブの厚さを除いた厚さ）の１／４〜５／６となる
ようにすることが好ましい。 低嵩密度層は、反応ガスの拡散または透過が容
易で所要量の電解液を保持できるように、0.4〜
0.6ｇ／cm3の嵩密度を有することが好ましい。 一般に、燃料電池に於いては電極中の細孔を介
しての良好な反応ガスの拡散が要求される。前記
した本発明の製造法により電極基板の高嵩密度層
及び低嵩密度層の各層の細孔の気孔率を50〜80％
の範囲内に入るように調節し得、全細孔の70％以
上が開細孔になるようにすることが可能である。
更に、各層の細孔の60％以上が５〜50μmの範囲
に入り、各層の細孔の大きさを略均一にそろえ、
シヤープにすることができる。このような電極基
板は良好な反応ガス拡散性能を有する。 本発明により製造される電極基板は優れた機械
的特性及び反応ガスに対する拡散・透過性を有す
るので燃料電池の電極基板として好適である。 上述した気孔率の値は、炭素の真密度を1.6
ｇ／cm3として次式により求めたものである。 気孔率（％）＝ ｛１−試料の嵩密度（ｇ／cm3）／1.6（ｇ／cm3）｝
×100 以下実施例について説明する。 実施例 １ 高嵩密度層用原料として、短炭素繊維（呉羽化
学K.K.製平均繊維長0.45mmＭ−104S）40wt％と
細孔調節材粒子としてポリビニルアルコール（日
本合成化学K.K.製平均粒子径180μm）30wt％お
よび結合材としてフエノール樹脂（旭有機材K.
K.製）30wt％からなる混合物をプレス成形用金
型に供給する。 低嵩密度層用原料として上記と同じ短炭素繊維
45wt％、ポリビニルアルコール35wt％およびフ
エノール樹脂20wt％からなる混合物を上記高嵩
密度層用原料の上側に高嵩密度層用原料と低嵩密
度層用原料が上下２層になるように供給する。 次に、このように２層になるように金型に供給
された原料を140℃、50Kg／cm2の条件で約30分プ
レス成形する。更に2000℃で約１時間焼成して高
嵩密度層に１mmの厚さのリブを有する電極基板を
製造した。 得られた電極基板の各種物性を表−１に示す。 【表】
製造方法に関する。更に詳しくはセパレータ側と
電極面側とが異なつた物性を有する二層構造の電
極基板の製造方法に関する。 本発明にいうモノポーラ型電極基板とは、黒鉛
製薄板をリブ加工して得たバイポーラセパレータ
を用いるバイポーラセパレータ型燃料電池用電極
基板とは異なり、一方の面にリブを設け、他方の
面には平坦な面を有する構造で、リブ付き面から
反応ガスが平坦な面に拡散してくる電極基板であ
る。 このようなモノポーラ型電極基板は、一方の面
に反応ガス（H2OまたはO2）の通路を形成する
リブを具備しており、他方の面には触媒を担持さ
せて電極を形成するか又は触媒を担持させた電極
に接するように構成されており、炭素質で、全体
を通して多孔質になつている。このような２枚の
電極基板はそれぞれの電極面が向かい合うように
設置され、その両電極面間に電解液を保持したマ
トリツクスを挟持して一つの燃料電池セルを形成
し、セパレータを介して多数のセルを積層するこ
とにより、モノポーラ型燃料電池が形成される。 従来、この種の燃料電池用電極基板の製造方法
として、短炭素繊維をベースとしてプレス成形す
る方法（特願昭56−48700）、炭素繊維を分散させ
た抄造法（特公昭53−18603）、炭素繊維のウエブ
に熱分解炭素を化学的に蒸着する方法（米国特許
第3829327号明細書）が提案されている。これら
従来の製造方法によつて得られる電極基板は、い
ずれも全体に均一な構造の一つの層からなつてい
る。 このような均質単層の電極基板は、その嵩密度
が大きい場合、ガス拡散係数が小さいため、これ
らの電極基板を使用した燃料電池は限界電流密度
が小となるとともに電解液の保持量が充分でない
ため性能の低下する時期が早くなる、すなわち寿
命が短いという欠点を有する。他方、電極基板の
嵩密度が小さい場合には電極基板の電気抵抗、熱
抵抗が大きく、曲げ強度などの機械的強度が低い
という欠点を有する。 本発明は上述の問題点を解決するに好適な燃料
電池用電極基板を製造する方法を提供するもので
ある。 本発明によつて製造される電極基板は、モノポ
ーラ型燃料電池用リブ付き電極基板であつて、該
電極基板はセパレータ側と電極面側との二層構造
からなり、該セパレータ側層の嵩密度が該電極側
層の嵩密度より大きくなるように両嵩密度の値が
異なることを特徴とする。このような構成にする
ことにより、セパレータ側層の嵩密度が大きいこ
とにより電極基板の電気抵抗と熱抵抗は小となり
且つ機械的強度は充分大きくなるとともに、嵩密
度の小さい電極面側層の細孔にリン酸を充分に保
持できるので、リン酸の飛散による燃料電池の性
能低下を極力押さえることが可能である。更に、
触媒の侵入可能領域が大きいため、触媒が有効に
作用し限界電流密度も大きくなるという効果を有
している。 本発明は、炭素繊維、細孔調節材粒子、結合材
からなる高嵩密度層用原料混合物と炭素繊維、細
孔調節材及び結合材からなる低嵩密度層用原料混
合物を金型に二層になるように供給し、加熱プレ
スした後、不活性雰囲気中で焼成することによつ
て、嵩密度の異なる二層構造を有し高嵩密度層に
リブを有するリブ付燃料電池用電極基板を製造す
るものである。 細孔調節材としてはポリビニルアルコール、ポ
リエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、
砂糖が適している。結合材としてはフエノール樹
脂が好適である。 以下に炭素繊維として短炭素繊維、細孔調節材
粒子としてポリビニールアルコール粒子、結合材
としてフエノール樹脂を用いた場合について本発
明を詳述する。 高嵩密度層用の原料は平均繊維長が１mm以下の
炭素繊維30〜50wt％、粒子径が100〜300μmのポ
リビニルアルコール粒子20〜50wt％、粒子径
100μm以下の粉末フエノール樹脂10〜40wt％を
ヘンシエルミキサー等の混合機で混合して得られ
る。 低嵩密度層用の原料は炭素繊維の量及び平均繊
維長、ポリビニルアルコール粒子の配合比を調節
することにより高嵩密度層用の原料の作り方と同
様の方法で製造することができる。炭素繊維の平
均繊維長を高嵩密度層用原料で使用したものより
0.1〜0.3mm長くすること、ポリビニルアルコール
の配合比を高嵩密度層用原料より５〜20wt％多
くすること等が有効である。 上記範囲外の配合比では、ガス透過度が小さく
なるか、機械的強度が小さくなる等の理由で適当
でない。金型への供給はベルトフイーダー等の定
量供給機により行い、高嵩密度層用及び低嵩密度
層用の各原料は別個の定量供給機から所定の厚さ
にする量供給される。 成形は加熱式プレス機によつて行われる。その
条件として、金型の加熱温度は、100〜200℃、成
形圧力は５〜100Kg／cm2、圧力保持時間は２〜60
分の範囲から任意に選択できる。 上記条件でプレス成形された成形体を２時間以
上加圧せずに後硬化させることが好ましい。その
後不活性ガス雰囲気中で1500〜2400℃で焼成す
る。この際300〜700℃の低温域でポリビニルアル
コール及びフエノール樹脂の炭化反応が進行する
のでこの間の昇温は徐々に行うことが望ましい。 リブは成形時に形成することも、成形後に機械
加工によつて形成することも可能である。リブを
形成する高嵩密度層は、電極に所望の強度を付与
するために、0.5〜0.8ｇ／cm3の嵩密度を有するこ
とが好ましい。この大きさの嵩密度を有する高嵩
密度層は、本発明によつて製造される電極基板の
機械的強度たとえば曲げ強度を少なくとも50Kg／
cm2にすることができる。高嵩密度層の厚さはリブ
の部分を除いた場合、電極基板の全体の厚さ（リ
ブの厚さを除いた厚さ）の１／４〜５／６となる
ようにすることが好ましい。 低嵩密度層は、反応ガスの拡散または透過が容
易で所要量の電解液を保持できるように、0.4〜
0.6ｇ／cm3の嵩密度を有することが好ましい。 一般に、燃料電池に於いては電極中の細孔を介
しての良好な反応ガスの拡散が要求される。前記
した本発明の製造法により電極基板の高嵩密度層
及び低嵩密度層の各層の細孔の気孔率を50〜80％
の範囲内に入るように調節し得、全細孔の70％以
上が開細孔になるようにすることが可能である。
更に、各層の細孔の60％以上が５〜50μmの範囲
に入り、各層の細孔の大きさを略均一にそろえ、
シヤープにすることができる。このような電極基
板は良好な反応ガス拡散性能を有する。 本発明により製造される電極基板は優れた機械
的特性及び反応ガスに対する拡散・透過性を有す
るので燃料電池の電極基板として好適である。 上述した気孔率の値は、炭素の真密度を1.6
ｇ／cm3として次式により求めたものである。 気孔率（％）＝ ｛１−試料の嵩密度（ｇ／cm3）／1.6（ｇ／cm3）｝
×100 以下実施例について説明する。 実施例 １ 高嵩密度層用原料として、短炭素繊維（呉羽化
学K.K.製平均繊維長0.45mmＭ−104S）40wt％と
細孔調節材粒子としてポリビニルアルコール（日
本合成化学K.K.製平均粒子径180μm）30wt％お
よび結合材としてフエノール樹脂（旭有機材K.
K.製）30wt％からなる混合物をプレス成形用金
型に供給する。 低嵩密度層用原料として上記と同じ短炭素繊維
45wt％、ポリビニルアルコール35wt％およびフ
エノール樹脂20wt％からなる混合物を上記高嵩
密度層用原料の上側に高嵩密度層用原料と低嵩密
度層用原料が上下２層になるように供給する。 次に、このように２層になるように金型に供給
された原料を140℃、50Kg／cm2の条件で約30分プ
レス成形する。更に2000℃で約１時間焼成して高
嵩密度層に１mmの厚さのリブを有する電極基板を
製造した。 得られた電極基板の各種物性を表−１に示す。 【表】
Claims (1)
- １ 炭素繊維、細孔調節材粒子、結合材からなる
高嵩密度層用原料混合物と炭素繊維、細孔調節材
及び結合材からなる低嵩密度層用原料混合物を金
型に二層になるように供給し、加熱プレスした
後、不活性雰囲気中で焼成することを特徴とす
る、嵩密度の異なる二層構造を有し、高嵩密度層
の嵩密度が0.5〜0.8ｇ／cm3、低嵩密度層の嵩密度
が0.4〜0.6ｇ／cm3であり、高嵩密度層にリブを有
するリブ付燃料電池用電極基板の製造方法。
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|---|---|---|---|
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| JP57146691A JPS5937662A (ja) | 1982-08-24 | 1982-08-24 | 二層構造のモノポーラ型燃料電池用電極基板の製造方法 |
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