JPH07192733A - 固体高分子電解質型燃料電池の集電極板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 機械加工を必要とせずまた冷却用の水や、燃
料の水素ガス、酸素ガスおよび水蒸気の経路が同時に形
成され、且つＸ−Ｙ方向とＺ方向の体積固有抵抗値がき
わめて均一な体積固有抵抗を有する固体高分子電解質型
燃料電池の集電極板を提供する。 【構成】 （ａ）カーボンブラック２、（ｂ）伸長度１
〜３の範囲にある球状導電性粒子１、（ｃ）熱可塑性ま
たは熱硬化性の樹脂またはエラストマーから成り、体積
固有抵抗が10^-2Ω・cm以下で、成形体のＸ−Ｙ方向とＺ
方向の体積固有抵抗値の比の値が３以下であることを特
徴とする固体高分子電解質型燃料電池の集電極板。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は10^-2Ω・cm以下の体積固
有抵抗を有し、かつ成形品のＸ−Ｙ方向（面方向）とＺ
方向（Ｘ−Ｙ方向に垂直な方向）の体積固有抵抗値がき
わめて均一な特性を示すなど安定した電気特性を有する
燃料電池の集電極板に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、化石エネルギーを用いて高
効率、低公害に発電する電気化学システムである。燃料
電池にはリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体酸化物型
燃料電池（ＳＯＦＣ）、固体高分子電解質型燃料電池
（以下ＰＥＦＣと略称する）、溶解炭酸塩型燃料電池
（ＭＣＦＣ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）といった
方式がある。

【０００３】その中の一方式であるＰＥＦＣは、電解質
に陽イオン交換樹脂膜を用いるのが特徴で、現在陽イオ
ン交換樹脂はパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー
から成るデュポン社のナフィオン膜やダウ・ケミカル社
のＤＯＷ膜と呼ばれるイオン交換樹脂膜が用いられてい
る。このＰＥＦＣの一般的な構成は、厚さ0.13〜0.25mm
程度の陽イオン交換樹脂膜を挟んで、線径約0.38mmのニ
オブスクリーンに４mg/cm²程度の白金を付着させた正極
と、同構造の負極とを重ね合わせてセルが構成されてい
る。正極の外側にはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴ
ＦＥ）とカーボン粉末とを混練して成形後、焼成した撥
水性の高い炭素多孔板が、負極の外側には多孔性炭素板
が単位セルの機械的強度を維持するために組み合わされ
ている。また単位セルの積層化には冷却用の水の流路が
設けられ、両側面にそれぞれ酸素および水蒸気の流路と
水素ガスの流路とが設けられた厚さが５mm程度の集電極
板が形成されている。この集電極板はフェノール樹脂、
ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂などを原料
として硬化反応させた成形品を不活性ガス雰囲気中で焼
成して製作したものである。

【０００４】このＰＥＦＣの集電極板は、単位セル同士
をつなぐ役目を持ち、集電機能が要求されるため導電性
が必要であり、またＰＥＦＣの運転温度が60℃〜 100℃
のためそれを満足する耐熱性、燃料となる水素ガスと酸
素ガスとが混合しないための気体不透過性、そして化学
反応により生成する水蒸気に対する耐加水分解性、耐熱
水性などが要求される。

【０００５】従来のＰＥＦＣの集電極板は、フェノール
樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂など
を原料として成形し、硬化反応させた後、焼成させる工
程を行って製作されていた。このため焼成品は板状など
の単純な形状のものしか成形できず、冷却用の水や、燃
料の水素ガス、酸素ガスおよび水蒸気の経路を集電極板
に形成するためには焼成後の板状成形品に機械加工を行
う工程が必要とされ、結果としてコスト的にも非常に高
価なものとなるという問題点を有していた。

【０００６】このような問題点を解決するために導電性
フィラーを添加した樹脂を用いてＰＥＦＣの集電極板を
形成することが考えられるが、この集電極板はおよそ５
mm程度の厚さをもつ成形品であり集電機能を要求され
る。このため該集電極板のＸ−Ｙ方向とＺ方向に対して
できるだけ均一で、且つ低い体積固有抵抗をもつことが
必要となる。

【０００７】集電極板を成形する樹脂に添加する導電性
フィラーの形状は繊維状、鱗片状、フレーク状、球状と
いった様々な形状のものがある、ところが繊維状、鱗片
状、フレーク状といったアスペクト比の大きい導電性フ
ィラーを樹脂に添加した場合、成形時にこの導電性フィ
ラーが配向しやすいためＸ−Ｙ方向とＺ方向の体積固有
抵抗値の比が10以上となり、Ｘ−Ｙ方向とＺ方向で不均
一な体積固有抵抗をもつ集電極板となる。これは集電極
板の厚さが 0.6mmを越えるような場合には集電機能に悪
影響を及ぼすという問題も存在する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上のような
問題点を解決し、機械加工を必要とせずまた冷却用の水
や、燃料の水素ガス、酸素ガスおよび水蒸気の経路が同
時に形成され、且つＸ−Ｙ方向とＺ方向の体積固有抵抗
値がきわめて均一な体積固有抵抗を有するＰＥＦＣの集
電極板を提供しようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】発明者等は、上記のよう
な優れた性質を有するＰＥＦＣの集電極板を開発すべく
鋭意研究を重ねた結果、導電性フィラーとしてストラク
チャーの発達したカーボンブラックと球状導電性粒子を
組み合わせ、さらに熱可塑性または熱硬化性の樹脂また
はエラストマーと混合し、混練して成形することにより
冷却用の水や、燃料の水素ガス、酸素ガスおよび水蒸気
の経路も含めた複雑な形状のＰＥＦＣの集電極板を成形
することができ、さらにそれがＸ−Ｙ方向とＺ方向に対
してきわめて均一な体積固有抵抗値を示すものとなるこ
とを見出した。

【００１０】即ち本発明は、（ａ）カーボンブラック、
（ｂ）伸長度１〜３の範囲にある球状導電性粒子、
（ｃ）熱可塑性または熱硬化性の樹脂またはエラストマ
ーから成り体積固有抵抗が10^-2Ω・cm以下で、成形体の
Ｘ−Ｙ方向とＺ方向の体積固有抵抗値の比の値が３以下
であることを特徴とするＰＥＦＣの集電極板である。

【００１１】以下に、その詳細について説明する。ま
ず、ＰＥＦＣの連続使用温度は60〜 100℃程度となるた
めそれを満足する耐熱性が必要となり、またその他にも
気体不透過性、耐加水分解性、耐熱水性などの特性が必
要となる。これらの要求特性を満足させる樹脂は例えば
熱可塑性樹脂またはエラストマーとして、フッ素樹脂、
液晶ポリマー、芳香族ポリエステル、ポリアセタール、
ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、ポリ
アリルスルホン、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテ
ルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテル
ケトン、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルスルホ
ン、ポリチオエーテルスルホン、ポリイミド、ポリアミ
ノビスマレイミド、ポリケトン、ポリフェニレンエーテ
ル、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホンなどが挙
げられる。一方、熱硬化性樹脂またはエラストマーとし
ては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、
フラン樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂、シリコー
ンエラストマー、アクリルエラストマーなどが挙げられ
る。

【００１２】次にカーボンブラックには、原油を原料と
するオイルファーネスブラック、天然ガス類を原料とす
るガスファ−ネスブラック、チャンネルブラック、サ−
マルブラック、石炭、石油系重油を原料とするランプブ
ラック、アセチレンを原料とするアセチレンブラックと
呼ばれる種類のものがあるが、ここではストラクチャー
の発達したカーボンブラック、特により球状に近いのも
のを用いることが望ましく、中でもＢＥＴ表面積が 800
m²/g以上、ＤＢＰ吸油量が250ml/100g以上の種々のファ
ーネスカーボンブラックを用いることが好ましい。

【００１３】球状導電性粒子としてはカーボン粒子、金
属粒子、セラミック粒子などが挙げられる。球状導電性
粒子の形状については、一般に粒子の形状の表し方とし
て１個の粒子の平面上への投影像を一組（２本）の平行
線ではさみ、その平行線の間隔が最小となるときの距離
を粒子の短軸径Ｗ、このときの平行線に直角な方向の一
組の平行線で粒子をはさむときの距離を長軸径Ｌとし、
長軸径Ｌと短軸径Ｗの比Ｌ／Ｗを伸長度として表すが、
ここで用いる球状導電性粒子は伸長度が１〜３の範囲内
のものが望ましい。伸長度が３よりも大きくなると成形
時に球状導電性粒子の配向が顕著に表れて、Ｘ−Ｙ方向
とＺ方向での体積固有抵抗値に大きな差を生じてしまい
好ましくないからである。

【００１４】球状導電性粒子の粒径としては 0.1〜 200
μｍの範囲のものであれば良いが、0.1〜50μｍの範囲
のものが更に好ましい。0.1 μｍよりも粒径の小さいも
のは、二次凝集が起こりやすくなり、混練等の加工性を
低下させやすく、これが原因でＸ−Ｙ方向とＺ方向の体
積固有抵抗値の比の値を大きくさせることになりやすい
ので、混練等の加工に十分留意すべきである。また200
μm より粒径の大きいものでは加工性には問題ないもの
の、機械的強度が低下しやすいという問題が生じるので
好ましくない、なおここで用いる球状粒子の粒度分布
は、10〜20μｍを中心として、上記の好ましい粒径の範
囲内で連続した分布を示すものがよい。カーボンブラッ
クと球状導電性粒子との配合比は用いる球状導電性粒子
の比重によって大きく影響を受けるが重量比で、１：３
〜１：30の範囲内のものが高充填および導電性の面から
みて好ましい。この範囲よりカーボンブラックの比率が
高い場合には樹脂との混練性ひいては加工性が悪化する
だけで導電性能が向上せず、またこの範囲より球状導電
性粒子の比率が高くなると加工性は改善されるもののス
トラクチャーが発達せず、球状導電性粒子の接触が点接
触になるので導電性能が悪化する。

【００１５】カーボンブラックと球状導電性粒子の樹脂
への添加量は用いる球状導電性粒子の比重によって大き
く影響を受けるが、樹脂 100重量部に対して 250〜 2,0
00重量部の添加が必要である。 250重量部より少ない添
加量では要求される導電性能が発揮されず、また、 2,0
00重量部を超えて添加すると、樹脂の持つ機械的強度が
失われ成形も困難となる。

【００１６】樹脂あるいはエラストマーと導電性フィラ
ーの混練方法は、２本ロール、単軸あるいは二軸押出
機、バンバリーミキサー、加圧ニーダーなどを用いるこ
とができる。また、成形方法としてはプレス成形、射出
成形が可能である。

【００１７】図１、２は集電極板の断面モデル図であ
る。図１は本発明の集電極板の一例を示すもので、球状
導電性粒子１とカーボンブラック２を配合したものであ
る。球状導電性粒子１は配向することなく、均一に分散
・接触しており、さらにカーボンブラック２が球状導電
性粒子１間をつなぐように等方的にストラクチャーを形
成しているため、等方的な導電特性を示す。図２は比較
のため鱗片状カーボン３とカーボンブラック２を配合し
た集電極板である。鱗片状カーボン３は成形時に配向
し、その間をカーボンブラック２のストラクチャーが発
達しつないでいる。鱗片状カーボン３は、導電性にかか
わるπ電子に方向性を持っていることから面方向と層方
向の導電特性に大きな差があるため、導電特性は異方性
を示す。

【００１８】

【実施例】つぎに本発明を実施例、比較例により説明す
るが、本発明はこれに限定されるものではない。

【００１９】実施例１ アクリルゴム：ＲＶ−2520［日信化学工業（株）製商品
名］ 100重量部に球状導電性粒子：ベルパールＣ−2000
［鐘紡（株）製商品名］ 300重量部、オイルファーネス
系カーボンブラック：ケッチェンブラックＥＣ［ライオ
ン（株）製商品名］75重量部、滑剤としてステアリン
酸：Ｆ３を１重量部、安定剤：ナウガード＃445 ［ユニ
ロイヤル社製商品名］１重量部、加硫促進剤：スミファ
インＢＭ［住友化学工業（株）製商品名］ 2.4重量部、
可塑剤：ＲＳ−700 ［旭電化工業（株）製商品名］20重
量部、加硫剤：Ｃ13［信越化学工業（株）製商品名］
4.8重量部を２本ロールで混練し、分出ししたシートを
温度 150℃、圧力50kgf/cm² 、時間10分の条件でプレス
を行い、 100mm× 100mm×５mmの成形品を得た。成形品
の体積固有抵抗の測定はＸ−Ｙ方向についてはプレス成
形で得た成形品から80mm×20mm×５mmの試験片を作製
し、日本ゴム協会標準規格ＳＲＩＳ−2301に基づき測定
を行った。なお、電極は試験片に導電性樹脂材料・ドー
タイトＦＡ−303 ［藤倉化成（株）製商品名］を塗布、
乾燥して成形させた。また、Ｚ方向についてはプレス成
形で得た成形品から10mm×10mm×５mmの試験片を作製し
10mm×10mmの両面にドータイトＦＡ−303 を塗布、乾燥
させて電極を形成し、日本ゴム協会標準企画ＳＲＩＳ−
2301に準拠した方法で測定を行った。

【００２０】実施例２ アクリルゴム：ＲＶ−2520［日信化学工業（株）製商品
名］ 100重量部に球状導電性粒子：ベルパールＣ−2000
［鐘紡（株）製商品名］ 112.5重量部、球状導電性粒
子：ＧＣＰ−10［ユニチカ（株）製商品名］ 112.5重量
部、オイルファーネス系カーボンブラック：ケッチェン
ブラックＥＣ［ライオン（株）製商品名］75重量部、滑
剤としてステアリン酸：Ｆ３を１重量部、安定剤：ナウ
ガード＃445 ［ユニロイヤル社製商品名］１重量部、加
硫促進剤：スミファインＢＭ［住友化学工業（株）製商
品名］ 2.4重量部、加硫剤：Ｃ13［信越化学工業（株）
製商品名］ 4.8重量部を２本ロールで混練し、分出しし
たシートを温度 150℃、圧力50kgf/cm² 、時間10分の条
件でプレスを行い、 100mm× 100mm×５mmの成形品を得
た。成形品の体積固有抵抗の測定は、実施例１と同様に
して行った。

【００２１】比較例１ アクリルゴム：ＲＶ−2520［日信化学工業（株）製商品
名］ 100重量部に膨張黒鉛：ＥＸＰ−５（フレーク状）
［丸豊鋳材製作所製商品名］ 135重量部、オイルファー
ネス系カーボンブラック：ケッチェンブラックＥＣ［ラ
イオン（株）製商品名］の45重量部、滑剤としてステア
リン酸：Ｆ３を１重量部、安定剤：ナウガード＃445
［ユニロイヤル社製商品名］１重量部、加硫促進剤：ス
ミファインＢＭ［住友化学工業（株）製商品名］ 2.4重
量部、加硫剤：Ｃ13［信越化学工業（株）製商品名］
4.8重量部を２本ロールで混練し、分出ししたシートを
温度 150℃、圧力50kgf/cm² 、時間10分の条件でプレス
を行い、 100mm× 100mm×５mmの成形品を得た。成形品
の体積固有抵抗の測定は、実施例１と同様にして行っ
た。

【００２２】それぞれの実施例で得られた体積固有抵抗
値およびＸ−Ｙ方向とＺ方向の体積固有抵抗値の比の値
を表１に示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【発明の効果】プレス成形あるいは射出成形時に冷却
水、水素ガス、酸素ガスの経路を含めた成形体を成形す
ることができ、従来の機械加工で冷却水、酸素ガスの経
路を形成する工程を省くことができた。また、球状導電
性粒子を配合したことにより、成形体のＸ−Ｙ方向とＺ
方向の体積固有抵抗値の比の値が３以下となり厚さが
0.6mmを超えるような集電極板に対しても十分な性能を
付与することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の集電極板の断面モデル図である。

【図２】従来の集電極板の一例の断面モデル図である。

【符号の説明】

１ 球状導電性粒子、 ２ カ−ボンブラック、 ３ 鱗片状カ−ボン。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）カーボンブラック、（ｂ）伸長度
   １〜３の範囲にある球状導電性粒子、（ｃ）熱可塑性ま
   たは熱硬化性の樹脂またはエラストマーから成り、体積
   固有抵抗が10^-2Ω・cm以下で、成形体のＸ−Ｙ方向とＺ
   方向の体積固有抵抗値の比の値が３以下であることを特
   徴とする固体高分子電解質型燃料電池の集電極板。