JPH06104591B2 - 薄板状炭素質成形体の製造方法 - Google Patents

薄板状炭素質成形体の製造方法

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JPH06104591B2
JPH06104591B2 JP60174022A JP17402285A JPH06104591B2 JP H06104591 B2 JPH06104591 B2 JP H06104591B2 JP 60174022 A JP60174022 A JP 60174022A JP 17402285 A JP17402285 A JP 17402285A JP H06104591 B2 JPH06104591 B2 JP H06104591B2
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義雄 鈴木
好夫 高橋
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    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
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Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、薄板状炭素質成形体に関し、とくにリン酸型
燃料電池のセパレーターとして有用な高強度、気体不透
過性の薄板状炭素質成形体の製造方法に関する。
「従来の技術」 炭素質材は、すぐれた耐熱性や耐蝕性を有し、また導電
性も良好であるために各種電気電子分野において広く利
用されている。
一般に、これら炭素質材はコークス、黒鉛などの粉粒体
にピッチや樹脂などのバインダーを加えて混練し、これ
を所望形状に成形したのち焼成炭化さらに黒鉛化処理す
ることにより製造されている。このようにして製造され
る炭素質材は、その組織構造が多孔性であるために例え
ば、リン酸型燃料電池用セパレーターのような高度の気
体不透過性が要求される用途にはそのまま適用すること
ができない。
リン酸型燃料電池は、リン酸電解液を含浸させたマトリ
ックスを一対の多孔質電極板の間に挟持し、その外側に
セパレーターを配置し燃料気体および酸化剤気体の供給
通路である溝を形成し、この単位セルを多数積層して電
池を構成している。例えば、一方の電極の溝に水素ガ
ス、他方の電極の溝に空気や酸素ガスを供給し、これら
のガスがマトリックスを介して拡散し電極部において担
持された触媒により電池反応を生起する。したがって、
セパレーターは供給される燃料気体と酸化剤気体とが混
合しないように気体不透過性がすぐれていること、また
単位セルを積層構成した場合セパレーターは電池の内部
抵抗として作用するために導電性が高いこと、および薄
板状であっても積層圧縮に耐え得る大きな強度を有する
ことなどの特性を具備することが要求される。この場
合、実用上は気体透過量は10-4cm3/cm2・分以下、比抵
抗は30×10-4Ω・cm以下、曲げ強度は800kg/cm2以上の
特性値を有することが必要とされている。さらに、酸化
反応に伴なう高熱を効率よく冷却するために熱伝導率が
大きいこと、熱歪を少なくするために熱膨張係数が小さ
いこと、ならびに長期安定使用を確保するために高温リ
ン酸液中における電気化学反応による電解消耗量が少な
いことなどの諸特性を有することも重要である。実用
上、例えば、熱伝導率は5Kcal/m・hr・℃以上、熱膨張
係数4.0×10-6/℃以下、また40,000時間以上の稼動寿
命を確保するためには電解消耗量比が2.0以下であるこ
とが要求される。
気体不透過性のすぐれた炭素質成形体を得るためには、
例えば炭素質材に熱硬化性樹脂液を含浸硬化する方法
(樹脂含浸法)あるいは炭素質粉末を熱硬化性樹脂液と
混練し、成形硬化する方法(樹脂連結合法)がある。さ
らにこれらの成形体を非酸化性雰囲気中で加熱処理をし
て樹脂成分を炭化、黒鉛化することにより、高度の導電
性、耐熱性、耐蝕性および機械的強度特性などの諸特性
を付与することができる。しかしながら、リン酸型燃料
電池セパレーターとして要求される上記諸特性を完備さ
せることは至難であり、とくに導電性、機械的強度特性
および気体不透過性を併有させることは困難である。
「発明が解決しようとする問題点」 本発明は、上記問題点を解消することを目的に、樹脂結
合焼成法について種々検討した結果、炭素質薄板にセパ
レーターとして好適に使用し得る諸特性をバランスよく
具備させ得ることに成功したものである。
「問題点を解決するための手段」 本発明は、平均粒径0.5〜10μmの炭素質粉末100重量部
および平均粒径0.5〜10μmの熱硬化性樹脂粉末50〜70
重量部に、熱硬化性樹脂液50〜70重量部を添加混合し、
混練チャンバー内を30mmHg以下に減圧脱気しつつ混合物
を0.1kg/cm2以上の加圧下に混練し、次いで混練物を所
定形状に成形、硬化したのち非酸化性雰囲気中で焼成炭
化することを特徴とする、比抵抗7〜20×10-4Ω・cm、
熱伝導率10〜100Kcal/m・hr・℃、熱膨張係数3.0×10-6
/℃以下、曲げ強度900〜1800kg/cm2、気体透過量10-4c
m3/cm2・分以下、電解消耗量比2.0以下の特性値を有す
る薄板状炭素質成形体の製造方法を提供するものであ
る。
リン酸型燃料電池セパレーターとしては、比抵抗、気体
透過量、電解消耗量比などは小さい程好ましく、また曲
げ強度、熱伝導率などは大きいことが望ましい。しか
し、例えば比抵抗を小さくするためには黒鉛質部分を相
対的に多くし、ガラス状炭素質分を少なくすることが必
要であり、一方曲げ強度は相対的に黒鉛質部分が少なく
ガラス状炭素質分が多い程大きくなる。このように上記
特性値は背反的関係にあり、全ての特性値を望ましい値
に設定することは製造面から至難である。そこで、本発
明者らは原料、混練方法などを主体に製造方法について
種々研究を重ねた結果、リン酸型燃料電池セパレーター
として要求される諸特性値をバランスよく付与すること
に成功したものである。
本発明で使用する原料のうち、炭素質粉末は平均粒径を
0.5〜10μmに粒度調整した黒鉛粉末あるいはコークス
粉末が用いられる。熱硬化性樹脂粉末とは、非酸化性雰
囲気中で焼成炭化してガラス状炭素質に転化し得る例え
ばフェノール系やフラン系の樹脂粉末をいい、平均粒径
0.5〜10μmの粉末樹脂を使用する。また、熱硬化性樹
脂液としては樹脂粉末と同種のフェノール系樹脂液やフ
ラン系樹脂液などが使用される。
炭素質粉末と熱硬化性樹脂液とを混練する場合均一に混
練し、また混練物に適度の粘稠性を保持させて成形性を
高めるためには、熱硬化性樹脂液の混合比率を相対的に
高く設定することが有利である。しかし、焼成炭化時に
おいて成形体の収縮が大きく、また巣や亀裂が発生し易
くなる欠点がある。また熱硬化性樹脂液の混合比率が小
さい場合には、混練性が悪化して均一な混練物を調整す
ることが困難となり、成形性も劣化する。本発明におい
ては、熱硬化性樹脂粉末を併用することによって混練性
ならびに成形性を良好に維持するとともに、焼成炭化時
における収縮、亀裂割れの発生を極力防止するものであ
る。これらの混合割合は、炭素質粉末100重量部に対し
熱硬化性樹脂粉末50〜70重量部、熱硬化性樹脂液50〜70
重量部に設定される。また炭素質粉末および樹脂粉末は
0.5〜10μmの粒度範囲に調整される。平均粒径が10μ
mを越える場合は緻密な混練物の調整が困難なためであ
り、一方0.5μm未満の微粉末では混練作業性が劣るた
めである。
混練過程においては、発生する気泡ガスを充分に脱気す
ることが必要であり、脱気が不充分な場合には焼成炭化
時にガスの揮散による微細孔が形成されて気体不透過性
を劣化させることとなる。本発明においては、混練チャ
ンバー内において混合物に0.1kg/cm2以上の圧力を付加
するとともに一方で30mmHg以下の減圧下に脱気しつつ混
練するものである。混練時に発生する気泡ガスは減圧脱
気されて混練物中から除去される。
次いで、混練物は所定形状の薄板に成形されるが、成形
方法はモールド成形、ロール成形、射出成形など通常用
いられる各種成形手段が適用される。この成形体は加熱
して硬化させるが、加圧下とくに1kg/cm2以上の圧力下
に加熱硬化させると緻密質な硬化成形物が得られるので
好ましい。この硬化成形物は、常法に従い非酸化性雰囲
気中で焼成炭化処理されて薄板状炭素質成形体が製造さ
れる。
「作用」 本発明においては、炭素質粉末および熱硬化性樹脂粉末
の粒度を調整し、これらの粉末と熱硬化性樹脂液との混
合比率を一定範囲内に規制すること、および減圧脱気を
行ないつつ加圧混練することにより均質緻密な混練物が
調製される。この混練物は常法に従って、成形、硬化、
焼成炭化処理されるが、その際とくに樹脂成分の焼成炭
化時における亀裂、割れなどの発生を効果的に防止する
ことができる。したがって、このようにして得られた薄
板状炭素質成形体には、比抵抗、気体不透過性、機械的
強度、耐蝕性などの各特性値をバランスよく付与するこ
とが可能となる。
「実施例」 平均粒径2μmの人造黒鉛粉末100重量部、平均粒径5
μmの粉末レゾール樹脂70重量部の混合物に液状レゾー
ル樹脂70重量部を添加混合し、加圧捏合機中で0.5kg/cm
2の圧力を付加しつつ20分間混練した。なお、混練時に
捏合機内を真空ポンプで30mmHg以下に減圧した。このよ
うにして得られた混練物を70℃に予熱しつつ、ロール圧
延して1000mm×1000mm×0.8mmの薄板状に成形した。こ
の成形品は180℃で12時間加熱硬化し、さらに温度1300
℃で3時間焼成炭化処理を施した。
比較例1 上記人造黒鉛粉末100重量部に液状レゾール樹脂140重量
部を添加混合し、減圧脱気を行なわない以外は実施例と
同一条件で、加圧混練、成形、硬化、焼成炭化処理を行
なった。
比較例2 平均粒径2μmの人造黒鉛粉末100重量部に液状レゾー
ル樹脂140重量部を添加混合したほかは実施例と同一条
件で、加圧混練、成形、硬化、焼成炭化処理を行った。
比較例3 平均粒径2μmの人造黒鉛粉末100重量部、平均粒径5
μmの粉末レゾール樹脂70重量部の混合物に液状レゾー
ル樹脂70重量部を添加混合し、加圧捏合機中で減圧にす
ることなく、0.5kg/cm2の圧力を付加しつつ20分間混練
し、混練物を実施例と同一条件で、成形、硬化、焼成炭
化処理を行った。
比較例4 平均粒径2μmの人造黒鉛粉末100重量部、平均粒径5
μmの粉末レゾール樹脂100重量部の混合物に液状レゾ
ール樹脂70重量部を添加混合したほかは実施例と同一条
件で、加圧混練、成形、硬化、焼成炭化処理を行った。
比較例5 平均粒径2μmの人造黒鉛粉末100重量部、平均粒径5
μmの粉末レゾール樹脂30重量部の混合物に液状レゾー
ル樹脂70重量部を添加混合したほかは実施例と同一条件
で、加圧混練、成形、硬化、焼成炭化処理を行った。
比較例6 平均粒径2μmの人造黒鉛粉末100重量部、平均粒径5
μmの粉末レゾール樹脂70重量部の混合物に液状レゾー
ル樹脂100重量部を添加混合したほかは実施例と同一条
件で、加圧混練、成形、硬化、焼成炭化処理を行った。
比較例7 平均粒径2μmの人造黒鉛粉末100重量部、平均粒径5
μmの粉末レゾール樹脂70重量部の混合物に液状レゾー
ル樹脂30重量部を添加混合したほかは実施例と同一条件
で、加圧混練、成形、硬化、焼成炭化処理を行った。
このようにして製造した薄板状炭素質成形体の諸特性を
表に示した。
表の結果から本発明の薄板状炭素質成形体は比抵抗、気
体透過量、電解消耗量比が小さく、一方曲げ強度、熱伝
導率が大きいなどのリン酸型燃料電池セパレーターとし
て好適な特徴を有していることが判明する。
「発明の効果」 上記説明で明らかなように本発明は気体不透過性、導電
性、機械的強度特性などのすぐれた薄板状炭素質成形体
の製造方法を提供するものであり、とくにリン酸型燃料
電池用セパレーターとして耐用性や発電効率などの著し
い向上をもたらし、安定して長期の使用に供することが
可能である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】平均粒径0.5〜10μmの炭素質粉末100重量
    部および平均粒径0.5〜10μmの熱硬化性樹脂粉末50〜7
    0重量部に、熱硬化性樹脂液50〜70重量部を添加混合
    し、混練チャンバー内を30mmHg以下に減圧脱気しつつ混
    合物を0.1kg/cm2以上の加圧下に混練し、次いで混練物
    を所定形状に成形、硬化したのち非酸化性雰囲気中で焼
    成炭化することを特徴とする、比抵抗7〜20×10-4Ω・
    cm、熱伝導率10〜100Kcal/m・hr・℃、熱膨張係数3.0×
    10-6/℃以下、曲げ強度900〜1800kg/cm2、気体透過量1
    0-4cm3/cm2・分以下、電解消耗量比2.0以下の特性値を
    有する薄板状炭素質成形体の製造方法。
JP60174022A 1985-08-09 1985-08-09 薄板状炭素質成形体の製造方法 Expired - Lifetime JPH06104591B2 (ja)

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