JPS6086762A - 燃料電池のリブ付き電極基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は燐酸型燃料電池のリブ付き電極基材の製造方法
に関する。

〔従来技術とその問題点〕

第１図は燐酸型燃料電池の構成部材と、それらの配置関
係を示した斜視図である。第１図において、空気電極１
および水素電極２は、それぞれ例えば厚さ１．５〜２簡
のカーボン繊維織布からなる多孔質のリブ付き電極基材
３，４の上に、貴金属を担持したカーボン触媒層５，６
を結合剤ポリテトラフルオロエチレン（以下ＰＴＦＥと
称する）とともに約０．１簡の厚さに塗布したものであ
シ、さらに空気電極ｌの触媒層５の上にはＳｉＣ微粉末
に少量のＰＴＦＥを混合して約０．ＩＮの厚さに塗布し
たマトリックス７が設けられ、このマトリックス７には
燐酸電解液が含浸されている。

電池は第１図に示したように、リブ付き電極１゜２をマ
トリックス７を介して触媒層５，６の主表面が向き合う
ように重ね、電極１，２のリプ側には反応ガスが相互に
混合することがないよう、導電性を有するガス不透過性
のセパレータプレート８を設置することによシ、空気電
極ＩＫ空気通路９および水素電極２には燃料通路１０が
形成される。

以上のごとく、燃料電池はそれぞれ触媒層５，６を有す
る空気電極１．水素電極２．電解液が含浸されたマトリ
ックス７およびセパレータプレート８からなる単電池を
多数積層し、全体を積層方向に締付けて、燃料電池のセ
ルスタックを構成することにより、所期の出力が得られ
るように設計されるのが普通である。

例えば５０　ＫＷの出力を得るため罠は、有効電極面積
３６００　ａＡを有し、温度１９０℃２作動圧力２５〜
．１！流密度０．２２〜髄で出力０．７５Ｖの単電池を
１００個積層することが必要となる。

このような構造を有する燃料電池において、電池の出力
特性を向上させるためには電池の内部抵抗を低く抑える
ことが重要である。電池の内部抵抗を減らすためには、
電極、マトリックス、セパレータプレートなどの電池構
成部材を可能な限り薄くすると同時に、導電性を必要と
する部材には極力高導電性材料を用いるのは勿論である
が、このことに加えてさらに重要なのは、内部抵抗のう
ちでとくに大きな割合を占める接触抵抗、すなわち、マ
トリックスと電極触媒層間、電極基材と触媒層間、電極
基材とセパレータプレート間などの接触抵抗を減らすこ
とである。これらの接触抵抗を減らすためには、各部材
の寸法精度を向上させ前述のような多数の単電池を組立
て積層するに当たり、締付圧力が各部に均等にかがり、
互に均一な接触を保つことが好ましい。

これに対して、姦たイ品韮礒セ婆４４−→−牡希二゛　
、電極あるいはマトリックスの基材としてカーボン繊維
を用いたものが知られている。このカーボン繊維により
作成された基材は繊維が複雑にからみあって組織を構成
するため基材の強度が高くなるという利点がある。しか
しながらカーボン繊維織布などからなる電極基材は、複
雑な形状などのために、製造上肉厚の不同が避けられず
、寸法精度の良好なものが得られていない。

したがってこの基材に設けられる触媒層やマ）　ＩＪノ
クスの厚さの精度も好ましいものが得られないばかりで
なく、触媒層やマトリックスの厚さは電極基材に比べて
かなシ薄いので、基材の偏肉による厚さ寸法のばらつき
を十分に吸収することがてきず、締付圧力が均一にかか
らない。一方電極は剛性の大きな緻密な材料のセパレー
トプレートで締付けられるから、電極基材の偏肉の著し
い部分では過剰な締付圧力がかがシ、電極やマド１７ツ
クスの破損を生ずるなどの問題が生じている。

このため基材にカーボン繊維を用いる燃料電池では、各
構成部材の寸法精度を向上するかゎりに１基材に弾性を
もたせて接触部のなじみをよくすることが必要となる。

しかしながら、電極基材を構成するカーボン繊維織布の
カーボン繊維は横方向すなわち織布の面方向に配列され
ており、セルスタックの締付けに対して、カーボン繊維
は横方向に伸ばされ、カーボン繊維同志の結合部でも、
それぞれカーボン繊維が横方向にずれるので、電池を長
時間運転する際の起動停止に伴う熱サイクルを受けたと
き、厚さ方向への弾性を失って各部材の寸法変動による
部材間の接触状態に追従できなくなり、接触不良を生じ
て電池の接触抵抗が増加してし１う。

すなわち、基材にカーボン繊維を用いた従来の燃料電池
は基材の弾性作用により接触抵抗の初期値を低減させる
ことはできるが、電池が熱ザイクルを受けたときには、
その弾性が各部材間の接触状態に追従できず、接触抵抗
が増加するという欠点を有している。

〔発明の目的〕

本発明の目的は上述の欠点を除去し、運転期間を通じて
均一な締付圧力と小さな接触抵抗を保つことができる燃
料電池の電極基材の製造方法を提供することにある。

〔発明の要点〕

本発明は電極基材の触媒層側に少量のフェノール樹脂を
加え、リプ側には多量の７エノール樹脂を加え、かつ樹
脂を熱分解させて黒鉛化することにより、触媒層側には
弾性、リブ側には剛性を何カせしめるようにしたもので
ある。

〔発明の実施例〕

以下本発明を実施例に基づき説明する。

本発明の適用される燃料電池の構成部材は第１図に示し
たものと全く同じであり、本実施例は第１図におけるリ
プ付き電極基材３および４の製造方法について述べる。

まず耐熱、耐燐酸性を有する厚さ約２５鮎、気孔率５０
％以上のカーボン繊維織布の厚さ方向的１．３順まで、
フェノール樹脂濃度６０〜７０重量％のアルコール溶液
に浸漬する。これを引揚げて、例えば４０°Ｃ２時間、
さらに１２０℃で２時間乾燥した後、窒素写囲気中で１
５００℃〜２０００℃に数時間加熱し、フェノール樹脂
を熱分解させるとともに１熱分解により生じたカーボン
を黒鉛化する。次にこのカーボン繊維織布の前記処理を
施した側と反対面をフェノール樹脂濃度１０〜１５重量
％のアルコール溶液に厚さ方向約１２順浸漬した後引揚
げて、１２０℃で２〜３時間乾燥し、さらに約２３０℃
で数時間焼成する。なお前記樹脂の黒鉛化処理の際に、
基材のカーボン繊維も黒鉛化するがこれは説明の便宜上
以後もカーボン繊維と記すととＫする。

このようにして得られたカーボン繊維織布の材料組織の
一部を模式的に厚さ方向の拡大断面で示すと第２図のご
とくなる。

第２図は電極基材の全厚を表わし、この基羽の稀薄フェ
ノール樹脂溶液の浸漬領域をＡ、濃厚フェノール樹脂溶
液の浸漬領域をＢで表示するとともに、カーボン繊維９
同志の接触部分を１０．　フェノール樹脂を１１．フェ
ノール樹脂の熱分解黒鉛を１２で示しである。

第２図にみられるように、この基羽はＡ領域が１０〜１
５重量％フェノール樹脂溶液に浸漬された部分に相当し
、カーボン繊維９同志の接触部分１ｏに刺着したフェノ
ール樹脂１１は、その接触部分１ｏを固定しているので
、厚さ方向の加圧力に対してカーボア　１Ｍ維９は接触
部分１０における面方向へのずれが少くなり、しかも接
触部１０の周囲には多くの空隙を有しているから、Ａ領
域では厚さ方向に変形しイ０る弾性体として作用するこ
とができる。これに対してＢ領域は、フェノール樹脂６
０〜７０重量％溶液に浸漬された部分に相描し、カーボ
ン繊維９同志の接触部１０は熱分解黒鉛１２でＡ領域よ
シも強固に固定されるだけでなく、この熱分解黒鉛１２
がカーボン繊維９により形成される空隙に充填されてい
るので、厚さ方向の加圧力に対しては、カーボン繊維９
の変形が拘束された剛性体と見なされる。すなわちこの
基材は厚さ方向の加圧力に対して、Ａ領域がクッション
の役割を果す。更に、カーボン繊維９の空隙に充填され
たフェノール樹脂が黒鉛化されるため、電極の固有電気
抵抗は著しく低減する。

以上のような機能を付与したカーボン繊維織布のＢ領域
に、深さ１．３　雁ｒ中２酊のリプの必要々数を切削加
工して設けることにより、合目的なリプ付き電極基材を
得ることができる。

第３図は、このリプ付き電極基材全体の羽料組織を縦断
面図で模式的に表わしたものであり、第２図と同一符号
は同一名称で示しである。第３図のごとく、本発明によ
る電極基材は、はぼ厚さの半分を境にして、リプ形成部
分は多量のフェノール樹脂の熱分解黒鉛を含む剛性体で
あり、リプを形成してない部分では少量のフェノール樹
脂を含む弾性体となる。なおフェノール樹脂を添加する
ことにより、カーボン繊維織布のガス透過性は、カーボ
ン繊維のままの初期状態より低下するのは自然であるが
、本実施例に示す樹脂量ではガスと電解質との反応に支
障をきたすことはない。

また異なる方法として、はじめにカーボン繊維織布の片
面にリプを形成しておき、しかる後前記と同様の方法で
、まずリブ面からフェノール樹脂の高濃度溶液を含浸、
焼成して、樹脂分を熱分解。

黒鉛化し、次いでリプを形成してない面から、フェノー
ル樹脂の低濃度溶液を含浸、！成してもよく、前記と同
様の多孔性リプ付き電極基材を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上実施例で説明したように、本発明のリブ付き電極暴
利の製造方法によれば、カーボン繊維織布基材の全面積
にわたる厚さをほぼ２分するようニ、リフを形成すべき
領域には多量のフェノール樹脂を含浸してこれを熱分解
黒鉛とし、リブを形成してない領域には少量のフェノー
ル樹脂を含浸することによシ、弾性挙動を異にする材料
が一体として成形された基材とすることができる。この
ようにして得られたリブ付き電極基材は次のような利点
を有する。

（１１本発明により得られるリブ付き電極基材の触媒層
の接触面から深さ方向へ全面にわたって厚さのはぼ１／
２に近い領域までは、樹脂の含有量を少くしてあり、カ
ーボン繊維間の空隙を多く残すことができ、しかもカー
ボン繊維同志の交点は、樹脂で固定しであるから、厚さ
方向への加圧力、すなわち、燃料電池のスタンク組立て
における締付力に対しても、カーボン繊維の交点におけ
る離反が少く、しだがって、この領域は厚さ方向への変
形能を有する弾性体として、電極基材のクツジョンの役
割を果す。このためセルスタックにおいて電極基材の肉
厚不同に基づく触媒層の厚さ寸法のばらつきを吸収する
ことができる。

（２）一方上記電極基材のリブ形成領域では、樹脂の含
浸量が多く、カーボン繊維間の空隙には、樹脂の熱分解
黒鉛が一部に分散充填され、剛性を有するようになるか
ら、緻密で固いセパレータプレートにリブ面が接触して
締付けられたとき、リプ部に偏肉を有する場合に、局部
的に過剰な圧力を受けた基材が押しつぶされて、暴利と
セパレータプレートとの間に形成されるガス区画室のガ
ス流路断面積が変化して、ガスの均等配分ができなくな
るという不都合を生ずることがない。

（３）本発明によシ製造されるリブ付き電極基材は前記
（１）、（２）項に述べた利点を有する領域を一体とし
て同一の基材に成形しであるので、燃料電池の積層構造
において、基材の肉厚寸法変動を吸収し、初期電気抵抗
値を低減することは勿論、長期間の運転に際して、熱サ
イクルによる電気抵抗増加をも防ぐことができる。

更に、電極のリブが形成された領域には黒鉛化されたフ
ェノール樹脂が充填されているため、その表面積が小さ
いリブ部の固有電気抵抗を低下すると七ができ、一方、
電極のリブが形成されない領域では、カーボン繊維の接
触部が焼成されたフェノール樹脂により固定されるため
、セルスタックの締付けにより基材のカーボン繊維が横
方向に伸ばされても、その結合が解かれて基材の固有電
気抵抗が増加することはない。

【図面の簡単な説明】

第１図は燐酸型燃料電池の構成部材の配置関係を示した
斜視図、第２図および第３図は本発明の方法により得ら
れたリブ付電極基材の材料組織の一部および全体を縦断
面で表わした模式的説明図である。 ３．４・・・リブ付き電極基材、５，６・・・触媒層、
７・・・マトリックス、８・・セパレータプレート、９
・・・カーボン繊維、１０・・・カーボン繊維接触！、
１１・・・フェノール樹脂、１２・・・熱分解黒鉛、Ａ
・・・稀薄フェノール樹脂溶液含浸領域、Ｂ・・濃厚フ
ェノール樹脂“３“２・　ｒ。 １゜ 代理人弁理士　山　口　責（１，）ν

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）平板状カーボン繊維織布を、またはその片面にリブ
   を形成したものを、リブを形成すべき面またはリブが形
   成された面から、リブの溝底となるべき部分または溝底
   部近傍まで、第１のフェノール樹脂溶液に浸漬、焼成し
   た後、該織布を加熱して樹脂分を熱分解させるとともに
   黒鉛化し、次いで前記リブを形成すべき面またはリブが
   形成された面の反対側から、前記リブの溝底となるべき
   部分または溝底部近傍まで、前記第１の溶液よ勺低濃度
   の第２の７エノール樹脂溶液に浸漬、焼成することを特
   徴とする燃料電池のリブ付き電極基材の製造方法。 ２、特許請求の範囲第１項記載の方法において、第１の
   フェノール樹脂溶液の７工ノール樹脂濃度が６０〜７０
   重量％であることを特徴とする燃料電池のリブ付き電極
   基材の製造方法。 ３）特許請求の範囲第１項または第２項記載の方法にお
   いて、第２のフェノール樹脂溶液のフェノール樹脂濃度
   が１０〜１５重量％であることを特徴とする燃料電池の
   リブ付き電極基材の製造方法。