JPH08180892A

JPH08180892A - 燃料電池用集電体の製造方法

Info

Publication number: JPH08180892A
Application number: JP6337937A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Higashide; 一規東出
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-12-26
Filing date: 1994-12-26
Publication date: 1996-07-12

Abstract

(57)【要約】【目的】いずれの方向においても固有抵抗の低い集電
体を製造することで、燃料電池の性能の向上を図る。【構成】熱膨張黒鉛の粉末をプレス治具に充填して、
Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３方向から順に押圧圧縮する。この
結果、熱膨張黒鉛粉末の各結晶の配向は上下方向および
横方向などのランダムな方向となり、集電体は特定方向
に固有抵抗が高いといったことがなくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、燃料電池に備えられ
る集電体を製造する燃料電池用集電体の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、燃料の有しているエネルギを
直接電気的エネルギに変換する装置として燃料電池が知
られている。燃料電池は、通常、電解質膜を挟んで一対
の電極を配置するとともに、一方の電極の表面に水素等
の燃料ガスを接触させ、また他方の電極の表面に酸素を
含有する酸素含有ガスを接触させ、このとき起こる電気
化学反応を利用して、電極間から電気エネルギを取り出
すようにしている。燃料電池は、燃料ガスと酸素含有ガ
スが供給されている限り高い効率で電気エネルギを取り
出すことができる。

【０００３】ところで、こうした燃料電池は、電解質膜
と一対の電極とからなる接合体を複数積層することで、
高出力を実現している。このため、燃料電池は、通常、
接合体と接合体との境に集電体と呼ばれる部材を配置し
て、複数の接合体を直列接続する構造としている。

【０００４】こうした集電体は、通常、黒鉛化炭素を材
料として、次のようにして製造される。図９に示すよう
に、雌型Ａ１を用意し、この雌型Ａ１に黒鉛粉末Ａ２を
詰めて、その雌型Ａ１に嵌合する雄型Ａ３で黒鉛粉末Ａ
２を加圧圧縮して製造される（特開平３−１６７７５２
号公報）。この製造方法により、電気電導性、耐食性、
熱伝導性に優れ、かつガス不透過性を満たす集電体が製
造される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記従来の
技術では、黒鉛粉末を一方向からだけ加圧して集電体を
製造していることから、黒鉛粉末の結晶方向が一方向に
揃い、特定方向に固有抵抗が高い集電体が製造される問
題が生じた。

【０００６】集電体の材料である黒鉛は、図１０に示す
ように、ハニカム構造の六角層を積層した結晶構造をも
ち、その六角層平面内の炭素原子は互いに強い共役二重
結合で結ばれており、その積層した層間は弱いファン・
デア・ワールス力で結ばれている。こうした黒鉛の粉末
が一方向から加圧圧縮されると、ランダムに存在してい
た各結晶の配向が一方向に揃い、各結晶が燐片状にきれ
いに並んだ形となる。このため、各結晶の面方向（六角
層平面の方向）では低い固有抵抗となるが、各結晶の積
層方向（六角層平面に垂直な方向）では、層間に空間が
生じていることから、高い固有抵抗となる。実際、積層
方向の固有抵抗は面方向の固有抵抗の約５０〜１００倍
もの大きさを示した。こうした問題は、当然、燃料電池
の性能を低下するに至った。

【０００７】この発明の燃料電池用集電体の製造方法
は、こうした問題に鑑みてなされたもので、いずれの方
向においても固有抵抗の低い集電体を製造することで、
燃料電池の性能の向上を図ることを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
べく、前記課題を解決するための手段として、以下に示
す構成をとった。

【０００９】即ち、本発明の請求項１記載の燃料電池用
集電体の製造方法は、集電体材料を型に充填して加圧圧
縮することにより、燃料電池用の集電体を製造する燃料
電池用集電体の製造方法において、前記加圧圧縮を複数
の方向から行なうことを、その要旨としている。

【００１０】こうした構成の燃料電池用集電体の製造方
法において、前記集電体材料は、導電性物質を添加した
ものとしてもよい。

【００１１】

【作用】以上のように構成された請求項１記載の燃料電
池用集電体の製造方法によれば、加圧圧縮を複数の方向
から行なっていることから、集電体材料の結晶の配向を
上下方向および横方向などのランダムな方向として集電
体を製造することができる。このため、この製造方法で
製造される集電体は、特定の方向に固有抵抗が高くなる
ようなことがない。

【００１２】請求項２記載の燃料電池用集電体の製造方
法によれば、導電性物質を添加していることから、結晶
間にその導電性物質が充填されることになる。このた
め、複数の方向から押圧圧縮することで各結晶の配向を
ランダムな方向とした上で、さらに、結晶の層間の固有
抵抗をより一層低下する。

【００１３】

【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明ら
かにするために、以下本発明の好適な実施例について説
明する。

【００１４】まず、第１実施例としての燃料電池用集電
体の製造方法により製造された集電体を使用した固体高
分子型燃料電池１０の構成について先に説明する。図１
は、この固体高分子型燃料電池１０の構造図である。こ
の図に示すように、固体高分子型燃料電池１０は、単一
のセルとして、電解質膜１１と、この電解質膜１１を両
側から挟んでサンドイッチ構造とするガス拡散電極とし
てのカソード１２およびアノード１３と、このサンドイ
ッチ構造２０を両側から挟みつつカソード１２およびア
ノード１３とで材料ガスおよび燃料ガスの流路を形成す
る集電体１５とにより構成されている。

【００１５】電解質膜１１は、高分子材料、例えばフッ
素系樹脂により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状
態で良好な電気電導性を示す。ここでは、米国Ｅ.Ｉ.デ
ュポン社製の商標名ナフィオン（Nafion）を使用する。
カソード１２およびアノード１３は、炭素繊維からなる
糸で織成したカーボンクロスにより形成されており、こ
のカーボンクロスの表面には、触媒としての白金または
白金と他の金属からなる合金等を担持したカーボン粉が
塗布されている。

【００１６】白金を担持したカーボン粉は次のような方
法で作成されている。塩化白金酸水溶液とチオ硫酸ナト
リウムを混合して、亜硫酸白金錯体の水溶液を得る。こ
の水溶液を攪拌しながら、過酸化水素水を摘下して、水
溶液中にコロイド状の白金粒子を析出させる。次に担体
となるカーボンブラック（例えばＶｕｌｃａｎＸＣ−
７２（米国のＣＡＢＯＴ社の商標）やデンカブラック
（電気化学工業株式会社の商標）を添加しながら、攪拌
し、カーボンブラックの表面にコロイド状の白金粒子を
付着させる。次に溶液を吸引ろ過または加圧ろ過して白
金粒子が付着したカーボンブラックを分離した後、脱イ
オン水（純水）で繰り返し洗浄した後、室温で完全に乾
燥させる。

【００１７】次に、凝集したカーボンブラックを粉砕器
で粉砕した後、水素還元雰囲気中で、２５０℃〜３５０
℃で２時間程度加熱することにより、カーボンブラック
上の白金を還元するとともに、残留していた塩素を完全
に除去して、白金を担持したカーボン粉が完成する。こ
こでは、カーボンブラックの重量に対して白金の重量が
２０［％］（重量％）になるようにして制作している。

【００１８】集電体１５は、ち密質のカーボンプレート
により形成されている。集電体１５は、カソード１２の
表面とで材料ガスである酸素含有ガスの流路をなすと共
にカソード１２で生成する水の集水路をなす酸素含有ガ
ス流路１５ａを形成し、また、アノード１３の表面とで
燃料ガスである水素ガスと水蒸気との混合ガスの流路を
なす水素ガス流路１５ｂを形成する。なお、この集電体
１５の製造方法については後ほど詳しく説明する。

【００１９】以上説明した電解質膜１１、カソード１
２、アノード１３および集電体１５が固体高分子型燃料
電池１０の単一セルの構成であり、実際には、集電体１
５、カソード１２、電解質膜１１、アノード１３、集電
体１５をこの順に複数組（図１では２組）積層して、固
体高分子型燃料電池１０は構成されている。

【００２０】こうした構成の固体高分子型燃料電池１０
の集電体１５の製造方法について、以下、詳しく説明す
る。なお、この集電体１５は、次のようにして製造され
た熱膨張黒鉛の粉末を材料として製造される。天然の燐
片状の黒鉛粉末を用意し、この黒鉛粉末を濃硫酸や濃硝
酸および混酸などに浸して、黒鉛粉末を湿式酸化させ
る。その後、この黒鉛粉末を９００［℃］以上の高温で
急速加熱すると、黒鉛の結晶構造における層間の距離が
５０〜５００倍に膨張して、熱膨張黒鉛の粉末が形成さ
れる。この熱膨張黒鉛粉末を材料として集電体１５が製
造される。

【００２１】図２は、その集電体１５の製造方法の工程
を示すフローチャートである。この図２に示すように、
まず、第１のプレス治具をセットする工程を実行する
（ステップＳ１）。この工程では、具体的には、図３に
示すように、前後、左右、上下の６面の内の右方向（−
ｘ方向）の側面を除く雌型５２と、この雌型５２に嵌合
してｘ軸方向に移動する雄型５４とからなるプレス治具
５０を用意し、この雌型５２内に熱膨張黒鉛粉末Ｃを入
れる。

【００２２】次いで、第１のプレス治具５０の雄型５４
を押圧移動して、熱膨張黒鉛粉末Ｃをｘ軸方向に圧縮す
る工程を実行する（図２のステップＳ２）。即ち、図３
に示すように、雄型５４により、熱膨張黒鉛粉末Ｃにｘ
軸方向の力Ｐｘを加えることにより、熱膨張黒鉛粉末Ｃ
をｘ軸方向に圧縮する。なお、こうして製作される予備
成形品は、図３に示すように、ピン５６，５８を熱膨張
黒鉛粉末Ｃ中に予め埋設しておくことで、ガスマニホー
ルドを一体成形するように構成したものでもよい。ここ
で、ステップＳ２で雄型５４を押圧する圧力は０．３
［ton／cm²］とした。

【００２３】図２のフローチャートに戻り、続いて、ス
テップＳ２で熱膨張黒鉛粉末Ｃを圧縮して製作した予備
成形品に第１のプレス治具５０に換えて第２のプレス治
具６０をセットする工程を実行する（ステップＳ３）。
この工程では、図４に示すように、前後、左右、上下の
６面の内の前方向（−ｙ方向）の側面を除く雌型６２
と、この雌型６２に嵌合してｙ軸方向に移動する雄型
（図示せず）とからなるプレス治具６０を用意し、ステ
ップＳ２で熱膨張黒鉛粉末Ｃを圧縮して製作した予備成
形品をこの雌型６２内にセットする。次いで、その第２
のプレス治具６０の雄型を押圧移動して、予備成形品を
ｙ軸方向に圧縮する工程を実行する（ステップＳ４）。
即ち、図４に示すように、雄型により、予備成形品にｙ
軸方向の力Ｐｙを加えることにより、予備成形品をｙ軸
方向に圧縮する。なお、ここで、雄型を押圧する圧力は
０．３［ton／cm²］とした。

【００２４】図２のフローチャートに戻り、続いて、こ
れまでに圧縮を施してきた予備成形品に第２のプレス治
具６０に換えて第３のプレス治具７０をセットする工程
を実行する（ステップＳ５）。この工程では、図５に示
すように、前後、左右、上下の６面の内の上方向（−ｚ
方向）の側面を除く雌型７２と、この雌型７２に嵌合し
てｚ軸方向に移動する雄型７４とからなるプレス治具７
０を用意し、予備成形品をこの雌型７２内にセットす
る。次いで、その第３のプレス治具７０の雄型７４を押
圧移動して、その予備成形品をｚ軸方向に圧縮する工程
を実行する（ステップＳ６）。即ち、図５に示すよう
に、雄型７４により、予備成形品にｚ軸方向の力Ｐｚを
加えることにより、予備成形品をｚ軸方向に圧縮する。
なお、雄型７４の押圧面７４ｓと、雌型７２の雄型７４
と対向する面７２ｓとには、複数の溝がそれぞれ形成さ
れており、この溝により、製作される成形品は複数のリ
ブを備えたものとなる。ここで、雄型７４を押圧する圧
力は１．０［ton／cm²］とした。

【００２５】ステップＳ６により予備成形品をｚ軸方向
に圧縮する工程を終えると、この製造方法を終了させ
る。この結果、図６に示すように、４つの辺に沿って細
長い孔８１，８２，８３，８４が形成され、孔８２と孔
８４との間に、孔８１，８３の長手方向と平行に複数の
リブ８６が形成された集電体１５が製造される。孔８１
〜８４は、燃料電池１０を積層した際、燃料電池１０を
積層方向に貫通する燃料ガスの給排用の２つのマニホー
ルドと酸素含有ガスの給排用の２つのマニホールドを構
成する。また、リブ８６は、カソード１２の表面とで酸
素含有ガスの流路を構成し、あるいはアノード１３の表
面とで水素ガスの流路を構成する。

【００２６】以上詳述したように、この第１実施例の集
電体の製造方法では、集電体１５の材料である熱膨張黒
鉛粉末Ｃを互いに垂直となる３軸方向から押圧圧縮して
いる。このため、１軸方向に押圧圧縮した際、即ち、ス
テップＳ２の実行後には、図７の（Ａ）に示すように、
熱膨張黒鉛粉末の各結晶の配向が一方向に揃い、各結晶
が燐片状にきれいに並んだ形となったのに対して、この
製造方法を最後まで完了した際には、図７の（Ｂ）に示
すように、熱膨張黒鉛粉末の各結晶の配向は上下方向お
よび横方向などのランダムな方向となる。したがって、
集電体１５は特定方向に固有抵抗が高いといったことが
ない。これは、この集電体１５を用いた固体高分子型燃
料電池１０の性能を高める効果を招来する。

【００２７】本発明の第２実施例について、次に説明す
る。この第２実施例は、第１実施例の固体高分子型燃料
電池１０と同じ構成の燃料電池に関するもので、その固
体高分子型燃料電池１０に使用される集電体１５の製造
方法が第１実施例と相違する。図８は、この第２実施例
における集電体の製造方法の内容を示す構成図である。

【００２８】図８に示すように、この第２実施例の集電
体の製造方法によれば、ゴム製の雌型１０１内に熱膨張
黒鉛粉末Ｃを充填し、同じくゴム製の雄型１０３により
その雌型１０１に蓋をし、これら雄型１０３と雌型１０
１とを、水を充填し密封した容器１０５内に配置する。
そして、この容器１０５内を加圧ポンプ１０７により加
圧する。こうした構成により、熱膨張黒鉛粉末Ｃをどの
方向にも等しい圧力で加圧圧縮する。なお、このときの
加圧する圧力が１．０［ton／cm²］となるように、加圧
ポンプ１０７の吐出量を調整している。

【００２９】また、雄型１０３の押圧面１０３ｓと、雌
型１０１の雄型１０３に対向する面１０３ｓとには、複
数の溝がそれぞれ形成されており、この溝により、集電
体１５に複数のリブを形成することが可能となる。この
リブは水素ガスまたは酸素含有ガスの流路となる。

【００３０】以上詳述したように、この第２実施例の集
電体の製造方法によれば、熱膨張黒鉛粉末Ｃをどの方向
からも等しい圧力で圧縮している。このため、１軸方向
に押圧圧縮した従来例では、熱膨張黒鉛粉末の各結晶の
配向が一方向に揃ったのに対して、この実施例では、そ
の配向を上下方向および横方向などのランダムな方向と
することができる。したがって、この第２実施例の集電
体の製造方法で製造した集電体は、特定方向に固有抵抗
が高いといったことがない。この結果、第１実施例と同
様に、この集電体を用いた固体高分子型燃料電池１０の
性能を高める効果を招来する。

【００３１】なお、前記第２実施例では、容器１０５内
に水を充填して、その水を介して、雌型１０１および雄
型１０３を押圧していたが、これに換えて、容器１０５
内に油を充填して、その油を介して、雌型１０１および
雄型１０３を押圧する構成としてもよく、第２実施例と
同様な効果を奏することができる。

【００３２】前述した第１実施例および第２実施例の製
造方法で製造した集電体の固有抵抗値と強度とを従来の
集電体と比較したので、次に説明する。比較する従来の
集電体は、第１実施例および第２実施例と同じ熱膨張黒
鉛粉末を用い、１軸方向からのプレス成形（面圧１．０
［ton／cm²］）で製造したものである。その比較結果を
以下の表に示す。

【００３３】

【表１】

【００３４】この表に示すように、第１実施例および第
２実施例では、集電体の面方向の抵抗値Ｒ１について
は、従来品と比べて、ほほ同じ値（多少は高い）である
のに対して、集電体の層方向の抵抗値Ｒ２については、
従来品と比べて、１０分の１ほどの極端に小さい値とな
っている。一方、強度については、第１実施例、第２実
施例、従来品の３者とも、ほぼ等しい値となっている。

【００３５】この測定結果からも、第１実施例および第
２実施例の製造方法で製造した集電体の固有抵抗は、層
方向の値を従来品の１０分の１と極端に小さくすること
ができ、いずれの方向にも小さな値となっていることが
わかる。また、この測定結果から、第１実施例および第
２実施例の製造方法によっても、従来品のものと比べて
強度が低下するようなこともない。

【００３６】本発明の第３実施例について、次に説明す
る。この第３実施例は、第２実施例とほぼ同じ構成で、
相違する点は集電体１５の材料として、熱膨張黒鉛粉末
にカーボンブラックの粉末を添加した点が相違する。即
ち、熱膨張黒鉛粉末にカーボンブラックの粉末を添加し
た材料を、静水圧加圧によってどの方向からも等しい圧
力で圧縮加圧することにより、集電体１５を製造する。

【００３７】なお、この第３実施例では、カーボンブラ
ックとして、白金触媒で使用したものと同じＶｕｌｃａ
ｎＸＣ−７２（米国のＣＡＢＯＴ社の商標：平均粒径
３０［ｎｍ］）を使用し、その添加量を、熱膨張黒鉛粉
末の重量に対してカーボンブラックの重量が５〜１５０
［％］（以下、重量部と呼ぶ）、好ましくは、５０〜１
００［重量部］とした。

【００３８】この第３実施例の集電体の製造方法では、
材料にカーボンブラックといった導電性の物質を添加し
ていることから、その材料である熱膨張黒鉛粉末の結晶
間に導電性物質が充填されることになる。このため、ど
の方向からも等しい圧力で圧縮加圧することで各結晶の
配向をランダムな方向とした上で、さらに、結晶の層間
の固有抵抗をより小さくすることができる。したがっ
て、固有抵抗のより低い集電体を製造することができ、
その結果、その集電体を燃料電池に使用することで、燃
料電池の性能をより優れたものとすることができる。

【００３９】なお、熱膨張黒鉛粉末に添加量１００［重
量部］だけカーボンブラックを添加したときのこの第３
実施例の製造方法で製造した集電体について、固有抵抗
値と強度とを実際に測定したので、その測定結果を以下
の表に示す。

【００４０】

【表２】

【００４１】この表の値と、表１で示した第２実施例の
値とを比較してみると、集電体の面方向の抵抗値Ｒ１お
よび層方向の抵抗値Ｒ２について共により一層小さい値
となっている。一方、強度については、第３実施例およ
び第２実施例とも、ほぼ等しい値となっている。即ち、
この測定結果からも、製造される集電体は、強度の低下
を引き起こすことなしに、固有抵抗値がより一層低いも
のとなっていることがわかる。

【００４２】なお、この第３実施例では、熱膨張黒鉛粉
末にカーボンブラックを添加した材料を用いた上で、第
２実施例の製造方法を採用する構成としたが、これに換
えて、同じ材料で、前記第１実施例の製造方法を採用す
る構成としてもよい。こうした構成によれば、第３実施
例と同様に、より一層固有抵抗の低い集電体を製造する
ことができ、その結果、その集電体を燃料電池に使用す
ることで、燃料電池の性能をより優れたものとすること
ができる。

【００４３】また、前記第３実施例では、集電体の材料
に添加する導電性物質として、カーボンブラックを用い
ていたが、これに換えて、銀粉末、銅粉末等の金属材料
を用いる構成としてもよい。また、前記導電性物質とし
て、フッ素系イオン交換樹脂（アルドリッチ社製）、ポ
リアセチレン、ポリピロール等の導電性樹脂材料を用い
る構成としてもよい。さらに、その導電性樹脂材料とし
ては、エポキシ、フェノール、ナイロン、シリコーンお
よびポリプロピレン等の樹脂基材にカーボン粉末、カー
ボン繊維、銀粉末、銅粉末等の導電性材料を添加したも
のを用いる構成としてもよい。

【００４４】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではな
く、例えば、この発明で製造された接合体を燃料電池に
換えて、水電解に用いた構成等、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲内において、種々なる態様で実施し得ることは
勿論である。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように請求項１記載の燃料
電池用集電体の製造方法では、加圧圧縮を複数の方向か
ら行なうことにより、集電体材料の結晶の配向を上下方
向および横方向などのランダムな方向として集電体を製
造することができる。このため、集電体の固有抵抗をい
ずれの方向でも低くすることができ、この結果、燃料電
池の性能を向上することができる。

【００４６】請求項２記載の燃料電池用集電体の製造方
法では、材料に導電性物質を添加していることから、集
電体の結晶間にその導電性物質が充填されることにな
る。このため、集電体の固有抵抗をより一層低くして、
燃料電池の性能の向上をより一層図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の製造方法で製造される集
電体を使用した固体高分子型燃料電池１０の単一セルの
構造図である。

【図２】その集電体の製造方法の工程を示すフローチャ
ートである。

【図３】ｘ軸方向への押圧圧縮を行なう第１のプレス治
具５０を示す説明図である。

【図４】ｙ軸方向への押圧圧縮を行なう第２のプレス治
具６０を示す説明図である。

【図５】ｚ軸方向への押圧圧縮を行なう第３のプレス治
具７０を示す説明図である。

【図６】その集電体の製造方法で製造される集電体の平
面図である。

【図７】熱膨張黒鉛粉末の結晶の配向の変化を示す説明
図である。

【図８】第２実施例における集電体の製造方法の内容を
示す構成図である。

【図９】従来の集電体の製造方法の内容を示す構成図で
ある。

【図１０】黒鉛の結晶構造の模式図である。

【符号の説明】

１０…固体高分子型燃料電池１１…電解質膜１２…カソード１３…アノード１５…集電体１５ａ…酸素含有ガス流路１５ｂ…水素ガス流路２０…サンドイッチ構造５０…第１のプレス治具５２…雌型５４…雄型５６，５８…ピン６０…第２のプレス治具６２…雌型７０…第３のプレス治具７２…雌型７４…雄型１０１…雌型１０３…雄型１０５…容器１０７…加圧ポンプＣ…熱膨張黒鉛粉末

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】集電体材料を型に充填して加圧圧縮する
ことにより、燃料電池用の集電体を製造する燃料電池用
集電体の製造方法において、前記加圧圧縮を複数の方向から行なうことを特徴とする
燃料電池用集電体の製造方法。
【請求項２】請求項１記載の燃料電池用集電体の製造
方法であって、前記集電体材料は、導電性物質を添加したものである燃
料電池用集電体の製造方法。