JPH0546667B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、燃料電池に使用するリブ付極板に
関する。

従来技術 燃料電池、特にリン酸水溶液を電解質とする高
温型燃料電池においては、化学的に安定であると
いう理由でその極板を炭素材料で構成している。
そのような極板としては、多孔質基板の一面に、
多数の、互いに並行する多孔質リブを設けたリブ
付極板が多い。

リブ付極板としては、たとえば米国特許第
4165627号明細書や特開昭58−100364号公報に記
載されているような、基板およびリブにともに炭
素繊維短繊維を使用し、かつ短繊維同士をその交
点において炭化物で結着してなるようなものが知
られている。しかしながら、かかる従来の極板に
は、以下において説明するような欠点がある。

すなわち、燃料電池用極板の特性は、特に基板
における、燃料ガスや参照ガスを透過させる、い
わゆる気体透過性と、厚み方向の導電性に大きく
左右され、両者のバランスがとれていることが重
要であるが、上記従来の極板は、炭素繊維短繊維
のみを使用するので製造時における嵩の制御が大
変難しく、短繊維が詰まりすぎたり、逆に粗にな
つて嵩高になりやすい。しかるに、短繊維が詰ま
りすぎると、導電性は上がるものの気孔率が低く
なつて気体透過性が低下し、また嵩高になると気
体透過性は向上するものの導電性が低下して、気
体透過性と導電性のバランスがなかなかとれな
い。しかして、気体透過性と導電性のバランスが
とれていないような極板によつては、発電効率の
高い燃料電池が得られない。

また、上記従来の極板は、炭素繊維短繊維のみ
を使用しているので、機械的強度がもともと高く
ないうえに、何らかの機械的、電気的または化学
的作用によつて炭化物による結着が解かれた場合
に短繊維がばらばらに分離し、形態を保ち得なく
なるばかりか導電性が大きく変化する。特に、基
板の、電解質たるリン酸水溶液側の面では、リン
酸による炭化物の脆化が起こりやすいが、炭化物
による結着が解かれて短繊維がばらばらになる
と、この面は触媒が接触している面であるから電
池の特性の大きな影響を与えることになる。

発明が解決しようとする問題点 この発明の目的は、従来の極板の上記欠点を解
決し、気体透過性、導電性、機械的強度がともに
高く、かつ耐久性に優れた燃料電池用リブ付極板
を提供するにある。

問題点を解決するための手段 上記目的を達成するためのこの発明は、多孔質
基板の一面に、多数の、互いに並行する多孔質リ
ブを設けてなる極板であつて、前記基板には炭素
繊維織物が使用され、かつ前記炭素繊維織物の経
糸および緯糸はその交錯部において炭化物で結着
され、前記リブには炭素繊維短繊維が使用され、
かつ前記炭素繊維短繊維同士はその交点において
炭化物で結着されている燃料電池用リブ付極板を
特徴とするものである。

この発明をさらに詳細に説明するに、第２図
は、積層型燃料電池をその１ユニツト分について
示す概略斜視図である。第２図において、２枚の
極板１，２の間には、たとえばリン酸水溶液から
なる電解質３が担持されている。また、各極板
１，２と上記電解質３の間には、たとえば白金黒
からなる触媒４，５が担持されている。極板１，
２は、全体として２〜５mm程度の厚みを有してい
る。また、各極板１，２は、その一方の側に、多
数の、互いに並行するリブ７を有し、そのリブ７
によつて幅および深さがともに１〜2.5mm程度で
あるような溝８が形成されている。すなわち、こ
の極板１，２はリブ付極板であり、極板１と２
は、リブ７を有しない側の面が互いに対向し、か
つ溝８が互いに直交するように配置され、いずれ
か一方の極板の溝８内に燃料ガス（水素ガス、天
然ガスなど）が流され、他方の極板の溝８内に参
照ガス（空気または酸素ガス）が流されるもので
ある。積層型燃料電池は、このようなユニツトを
多数積層して構成されるが、各積層間は、燃料ガ
スまたは参照ガスを透過させることのない、たと
えば黒鉛板などの隔壁板６で仕切られている。

上記極板１，２は、第１図（概略斜視図）に示
すように、基板９とリブ７とを有している。しか
して、基板９には１〜数枚の炭素繊維織物１０が
使用され、しかもその炭素繊維織物１０の経糸お
よび緯糸の交錯部には炭化物（図示せず）が付着
し、それら経糸および緯糸を互いに結着してい
る。したがつて、経糸および緯糸の配列の乱れ、
つまり目ずれが容易に起こるようなことはない。
これに対して、リブ７には、炭素繊維短繊維１１
が使用されている。しかして、短繊維同士はその
交点において同様に炭化物（図示せず）で結着さ
れている。基板９とリブ７もまた、炭素繊維織物
１０および炭素繊維短繊維１１に使用されている
炭化物で一体に結合されている。なお、短繊維同
士は、互いに接触して交わつている場合もある
し、離れて交わつている場合もある。

上記炭素繊維は、ピツチ系、ポリアクリルニト
リル系などの炭素繊維である。単糸径は、５〜
15μm程度である。炭化系、黒鉛系のいずれであ
つてもよいが、導電性で耐食性が高く、しかも機
械的特性が優れているという理由で、黒鉛系の、
それもポリアクリルニトリル系炭素繊維であるの
が最も好ましい。しかして、そのような炭素繊維
からなる織物は、平織物、朱子織物、綾織物のよ
うなものである。なかでも、経糸と緯糸の交錯が
最も多く、組織が安定している平織物であるのが
最も好ましい。これらの織物は、極板に高い気体
透過性、厚み方向の導電性、機械的強度を与え
る。これらの特性を十分に発揮させるために、上
記織物は、クリンプ率が20〜200％であり、かつ
１cm³当りの重さが0.08〜0.3ｇであるようなもの
であるのが好ましい。ここにおいて、クリンプ率
は、式、 Ｃ＝［（Ｌ−L′）／L′］×100 ただし、 Ｃ：クリンプ率（％） Ｌ：真直ぐに延ばした状態で計つた経糸または
緯糸の長さ L′：織物を構成している状態で計つた経糸また
は緯糸の長さ で定義されるものである。この定義から明らかな
ように、クリンプ率が大きいということは、経糸
および緯糸の交錯部におけるそれらの屈曲の程度
が大きいということである。しかして、クリンプ
率が大きいほど経糸および緯糸が織物の厚み方向
に向くことになり、これが厚み方向の導電路を形
成する。また、織物の目、つまり織目は、燃料ガ
スや参照ガスの通路を形成する。

一方、上記リブには、上述したような炭素繊維
の短繊維が使われているが、その平均長は、リブ
においては気体透過性もさることながら導電性の
高いことが要求されるので、比較的密に配置して
導電性を向上させることができるように、50〜
800μm程度であるのが好ましい。

炭素繊維織物の経糸と緯糸および短繊維同士を
結着している炭化物は、たとえばフエノール繊
維、ポリビニルアルコール繊維、セルロース繊維
などの有機繊維や、パルプ、フエノール樹脂、ポ
リビニルアルコール樹脂、タール、ピツチなどの
有機物を焼成、炭化することによつて得られたも
のである。しかして、極板中における炭化物の割
合は、重量比で、炭素繊維の織物および短繊維３
〜10に対して炭化物１程度でよい。

この発明に係るリブ付極板は、いろいろな方法
によつて製造することができるが、次にその好ま
しい一例を示す。

すなわち、まず、所望枚数の炭素繊維織物を積
層して厚み0.1〜2.5mm程度の積層体を造り、これ
にフエノール樹脂のメタノール溶液を含浸する。
このとき、フエノール樹脂の濃度は５〜50重量％
程度であるのがよく、また含浸量は５〜40重量％
程度であるのがよい。あらかじめフエノール樹脂
のメタノール溶液を含浸した炭素繊維織物を積層
するようにしてもよい。

次に、下型として、互いに並行した、幅および
深さがともに１〜2.5mm程度である多数の溝を有
する割り金型を用い、その下型の溝内に、炭素繊
維短繊維と有機繊維または有機物粉末との混合物
（有機繊維または有機物粉末の量：５〜50重量％）
を上記溝の深さよりもわずかに厚くなるように入
れ、さらにその上に上記積層体を重ね合わせ、上
型を閉じて100〜200℃で数十分間加熱する。する
と、有機物によつて、炭素繊維織物の経糸および
緯糸がそれらの交錯部において結着され、また炭
素繊維短繊維同士がそれらの交点において結着さ
れ、さらに織物と短繊維とがその界面において結
合され、形状的には第１図に示すような、いわゆ
る極板素材が得られる。

次に、上記極板素材を、窒素ガスなどの不活性
雰囲気中で、かつおおむね1000℃以上の温度で数
十分間焼成し、上記有機物を炭化してこの発明に
係るリブ付極板を得る。

発明の効果 この発明に係る極板は、基板に炭素繊維織物を
使用し、しかもその経糸および緯糸がそれらの交
錯部において炭化物を結着しているから、気体透
過性、導電性および機械的強度のいずれにおいて
も大変優れている。

すなわち、織物は織組織や織密度などによつて
定まる織目をもつているから、適当な織組織およ
び織密度をもつ織物を選択使用することによつて
高い気体透過性を得ることができる。また、織物
は経糸および緯糸がクリンプしており、表から裏
へ、また裏から表へと炭素繊維が延びていてこれ
が導電路を形成するから、経糸および緯糸を導電
性をもつ炭化物で結着していることと相まつて短
繊維を使用した場合にくらべて厚み方向の導電性
が飛躍的に向上する。さらに、織物は繊維が連続
しており、また経糸と緯糸が互いに交錯していて
もともと形態保持性が高いが、この発明において
はその経糸および緯糸を炭化物で結着しているか
ら耐久性が一層向上する。しかも、機械的、電気
的あるいは化学的作用が加わつて炭化物による結
着が解かれても、短繊維を使用している場合のよ
うにばらばらになることがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に係る極板の一実施態様を
示す概略斜視図、第２図は、上記第１図に示した
極板を使用した積層型燃料電池をその１ユニツト
分について示す概略斜視図である。 １，２……極板、３……電解質、４，５……触
媒、６……隔壁板、７……リブ、８……溝、９…
…基板、１０……炭素繊維織物、１１……炭素繊
維短繊維。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 多孔質基板の一面に、多数の、互いに並行す
   る多孔質リブを設けてなる極板であつて、前記基
   板には炭素繊維織物が使用され、かつ前記炭素繊
   維織物の経糸および緯糸はその交錯部において炭
   化物で結着され、前記リブには炭素繊維短繊維が
   使用され、かつ前記炭素繊維短繊維同士はその交
   点において炭化物で結着されていることを特徴と
   する燃料電池用リブ付極板。