JPS61128467A - 燃料電池用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】

本発明は一面に電極活性層を担持し他面に反応ガスの供
給溝が設けられるガス拡散性の燃料電池の電極基板、最
も典型的にはいわゆるマトリックス形燃料電池の電極基
板を多孔質の板状材料とくに炭素系の多孔性薄板材料か
ら製造する方法に関する。

【従来技術とその問題点】

前述の燃料電池とくにマトリックス系のものは周知のよ
うに実用性の高い大容量燃料電池として属目されている
ものであり、さらにこの形式のものでもリプ付き電極基
板形式と称されるものが性能の点で優れていることが知
られている０本発明の対象としてのこの種の燃料電池電
極基板の構造を第１図および第２図を用いてまず説明す
る。 第１図は当該形式の燃料電池を構成する単電池を断面で
示すもので、電解質たとえば燐酸が多孔性のマトリック
ス層ｌ内に保持され、これを図の上下から挿むように１
対の電極基板４．５が配置されている。当該電極基板４
．５はいずれも多孔質材料１例えば２／３程度の空孔率
を有する炭素ないしはグラファイト材料からなり、その
マトリックス層１に面する一方の面倒には電極活性層２
゜３が設けられ、マトリックス層１と反対側の他面には
多数の溝４ａ、５６がそれぞれ切られる。公知のように
電極活性Ｎ２．３が含有する活性物質は燃料ガス側と酸
化ガス側とで異なるが、いずれも極く薄い層であって電
極基板４．５にそれぞれ付着ないしは接着され、従って
両電極基板４．５はこの意味では電極活性層２，３をそ
れぞれ担持する担体としての役割りを果たす０両電極基
板４，５の溝４ａｔ４ｂは図示のように互いに直交して
おり、例えば溝４ａには燃料ガス例えば水素を含む天然
ガスの改質ガスが、溝４ｂには酸化ガス例えば酸素を含
む空気が供給ないしは流通される。従って電極基板４．
５はこの意味では反応ガスの供給流通手段としての役目
をもっている。なお、上述の溝４ｍ。 ５１は非通気性のセパレータ板６，６によりて図示のよ
うに上下から閉鎖される。 電極基板４．５のもつ第３の役割りは反応ガスをその７
１１４ｍ、５ａから電極活性層２．３に円滑に導（こと
であって、そのため両電極基板４．５にはいずれも前述
のようにかなり高い気孔率の多孔性材料が用いられる０
反応ガスとしての燃料ガスＦと酸化ガスＡは図の小さな
矢印で示されたように、溝４ａ、５ｍから電極基板４．
５の内部を拡散して電極活性層２．３にそれぞれ達し、
咳層内でマトリックス層１からの電解質Ｅの存在下で電
気化学的反応のための反応物質として参加する。電極基
板４．５のもう一つの役割りはこの電気化学反応によっ
て生じた電池電流をふつうは導電性材料で構成されたセ
パレータ板に低い電気抵抗で導（ことであって、このた
め両電極基板４．５は前述の炭素系などの導電性材料で
構成される。第２図にはこの電極基板４が斜視図により
電池から取り出された形で斜視図により示されている。 もう一方の電極基Ｆｉ５の方は溝の方向が異なるのみで
同構造でよい。 以上のように電極基板は燃料電池内で多重の役割りを果
たすが、単電池１個について２枚、積層形燃料電池１個
あたり数百枚が必要なので、その厚さを極力薄くして電
池の積層方向の寸法を短縮しかつ電池内の内部電気抵抗
を低くする必要があり、望ましくは２ｆｉ以下の厚さし
たい、また、最近の大容量燃料電池では有効電池面積を
大きくする必要があるので電極基板も数千〜致方平方１
の大面積のものが必要となる。一方、電極基板の材料と
しての板状材料は前述のような高い気孔率のものが必要
なので、その強度と（に耐曲げ強度が充分でなく、ふつ
うは０．５ｋｒ／−程度の曲げ強度しか得られないので
、前述のように薄（て広い電極基板は非常に曲がりやす
く取り扱いに充分な注意を要し、取り扱いにかなりの注
意を払っても破損しやすい。 電極基板の製作上のもう一つの難点は前述の溝を設ける
必要があることである。理想的には溝つきの材料を成形
と焼成工程により得るのが望ましいが、片面溝つき成形
材料は２０００℃程度の焼成工程中にそりが出やす（、
積層電池の形に積み上げて締め付けた際に面内の締め付
は圧力分布に不均一が生じて、反応ガス洩れの事故やセ
パレータ板との接触不良に基づく内部電気抵抗の増加の
原因となりやすい、このため、電極基板用材料としては
平坦な板状材料を用いてその片面にフライス加工等によ
り溝を設ける方が電池の品質保証上有利である。かかる
溝の切削加工は材料が比較的柔らかいので回能ではない
、しかし、薄い板状材料の片面に数百本の平行溝を機械
加工によって切るのであるから、高温焼成工程における
よりは僅小ではあるが若干のそりが発生することはなお
避は難く、表面の精密なならし研磨等の工程がふつう必
要となり、容易にわかるようにかかろ付加工程によって
も電極基板の微妙なそりを完全に除くことは困難である
。なお、前述の第１図の燃料電池の構造上もう一つの電
池積層上の重要な因子となるセパレータ板の方には、非
透気性の高密度材料を利用できかつ溝のない平坦なもの
でよいので０．５〜１訪程度の薄くて広い材料を用いて
もかなりの強度がありそりの問題も少ない。

【発明の目的】

本発明の目的は、反応ガスに対する充分な透気度を維持
しながら、電極基板の強度を向上して電極活性層の担持
工程や積層電池への積み上げ工程に際して取り扱いが容
易で破損しにくいように改良できる燃料電池の電極基板
の製造方法を得ることにある。

【発明の要点】

この目的は本発明方法によれば、多孔質の板状材料から
電極基板を製作するに当たって、−面に電極活性層を担
持し他面に反応ガスの供給溝が設けられるガス拡散性の
電極基板を分散媒にふっ素樹脂を分散させた含浸液内に
板状材料を浸漬して超音波浴の条件下でふっ素樹脂を表
面から液状材料内に含浸させ、樹脂含浸ずみ板状材料を
分散媒を飛散させた上で樹脂の融点付近の温度に加熱し
て含浸樹脂を硬化させるようにすることによって達成さ
れる。 上記の製造方法によって、多孔質の板状材料内の連続気
泡壁にはふっ素樹脂が含浸によって付着しかつ硬化され
るので、電極基板の曲げ強度はほぼ２倍に強化され取り
扱いが非常に容易になるとともに、ふっ素樹脂のもつ固
有の靭性によって割れや欠けを生じる危険が大幅に減少
する。またふっ素樹脂は電池内の電解質に対する耐薬品
性ないしは耐腐食性に優れており、長年の電池運転に際
しても劣化を生じることがない。 ふっ素樹脂としては代表的な４ふっ化エチレン樹脂がよ
く、含浸工程には前述のように超音波浴を用いるのでい
わゆるディスパージラン液を利用するのがよい、この種
のディスバージ四ン液は水を分散媒とし６０％程度の固
形樹脂分を分散させたものが市販されており、例えば三
井フロロケミカル社製のテフロン３０Ｊないしは１２０
　Ｊを用いることができる。しかし、実験結果によれば
かかるふっ素樹脂の分散液中に単に板状材料を浸漬した
だけでは樹脂分の多孔質材料内部への含浸が不充分で強
度改善も思わしくなく、分散液内の超音波浴の条件下で
樹脂含浸させるのが強度改善上非常に有効である。超音
波浴により樹脂はほぼ薄板材料の全体によ（浸漬して含
浸され、表面付近に集中して気泡を閉塞するようなこと
がないので、本発明方法によりて製作された電極基板は
表面を機械加工しなくても充分な透気度を維持できる。 樹脂含浸ずみの電極基板材料は公知の手段で分散媒たと
えば水を飛散させた後に加熱して含浸樹脂をその融点付
近で硬化させる。硬化温度が融点よりもかなり低いと電
極基板の充分な強度が得られずまたこれをあまり越えて
も強度がかえって低下する。樹脂硬化ずみ基板材料への
溝加工は、樹脂含浸なし材料の加工と大差な（、容易に
機械加工たとえばフライス加工できる。溝加工後の電極
基板のそりは樹脂を含浸しないものに比べて少な（、こ
れは溝加工前の樹脂硬化工程で板状材料の形状が安定化
されたためと考えられる。 過小量の樹脂含浸は電極１５仮の強度改善上有効でない
が、逆に過剰量の樹脂含浸は電極基板の透気度低下のお
それがある。しかし、板状材料の気孔率が前述のように
２７３程度と高い場合には、よほど過剰の樹脂を含浸し
ない限りそのおそれは少ない、しかし、適量以上の樹脂
含浸は電極活性の見地から思わしくない、すなわち、電
極基板は電極活性層を担持する役割りを果たすほか、若
干ではあるがそれ自体が活性物質としての役割りも分担
する場合が多く、と（に電極基板が炭素系材料で構成さ
れる中温以上の運転温度をもつ電池の場合にその貢献度
が高くなる。従って適量以上の樹脂含浸は電極活性層の
担持面付近の電極基板自身のもつ活性度を低下させやす
いことになる。実験によればこの意味での適量の樹脂含
浸量は板状材料の表面積１平方１あたり２〜４−ｇ、望
ましくは３〜３．５醜ｇである。また、この程度の樹脂
含有量を得る具体的な含浸工程条件としては、板状材料
が２部３程度の気孔率を有する場合に含浸液中に分散さ
せる固形樹脂分を１５％程度にすればよく、かつ樹脂を
板状材料のほぼ全体にわたって含浸させて基板の強度を
無含浸の場合の約２倍に向上することができる。 さらには、電極基板の充分な通気度を電池の運転条件下
で維持するためには、電解質が基板側に浸出してその気
孔を閉塞しないようにする必要があり、この観点では電
極基板に含浸する樹脂に電解質ないしは電解液に対する
撥液性を待たせるのが一石二鳥であろ、ふっ素樹脂は燐
酸電解質に対してこの性質をふつう具備しているが、撥
液性の見地からこの材質を選択するのが望ましい。

【発明の実施例】

以下本発明の実施例を詳しく説明する８本発明方法の実
施対象は前述の第２図に示したような多数の溝４畠を備
えた電極基板４であって、この原材料として溝がまだ設
けられていない多孔質の例えば炭素からなる平坦な薄板
を用いる。該薄板材は炭素粉材料を所定密度に成形後に
２０００℃程度で焼成して調製したもので、炭素は大部
分がこの焼成温度下でグラファイト化して低い固有電気
抵抗になっており、その見掛は比重が例えば０．６程度
の多孔質材料となる０例えば薄板の厚さが１．８　ｆｉ
でその面積がほぼ５０００平方■のものを用いる０次の
含浸工程に備えてこの薄板を純水中に少時浸漬し、含浸
液中の分散媒に対するなじみをあらかじめ良くして置く
のがよい。 ふっ素樹脂樹脂を分散させたディスバージラン液として
例えば三井フロロケミカル社製のテフロン３ＱＪを用い
る。このディスバージ雪ン液は固形分として約６０％の
未硬化４ふっ化エチレン樹脂を含有するが、このディス
パージラン液１部ニ対して３部の純水を加えて固形樹脂
分を約１５％含む分散液にし、これを含浸液として用い
る。この含浸液を納める含浸槽としては、もちろんこれ
に浸漬する板状材料に合わせた形状の例えば上方開口の
浅底の方形槽を用い、その底面および側面に分布させた
要所に超音波振動子を含浸液中に浸漬するように取り付
けろ、樹脂含浸は常温でよいが、含浸液の温度が超音波
エネルギによって上昇しやすいので槽壁に冷却水を流通
する冷却管等の冷却手段を設けて、含浸作業中の含浸液
温度が可及的に一定になるように配慮するのが望ましい
、ｆｆｌ音波音波性条件るために前述の振動子に与える
エネルギの条件はとくに厳密ではないが、数十ＫＨｚの
超音波エネルギを含浸液１リツトルあたり数十Ｗのエネ
ルギ密度で与える。その−例としては周波数が２６ＫＢ
！、エネルギ密度にして４０Ｗ／１がよい。 含浸槽内の板状材料の装入にあたっては、材料全面が超
音波浴のエネルギをよく受けるようにスペーサ等を用い
て槽底から若干離して位置させる。 一度に多数枚を含浸処理する場合には、同様に板相互間
をスペーサにより若干離間させてセットする。材料の装
入後直ちに超音波振動子を付勢して含浸工程に入るが、
含浸時間は３〜５分程度の比較的短時間で済む、含浸工
程終了後は樹脂含浸ずみ材料を含浸液から取り出して、
公知の風乾等の手段で材料内にしみ込んだ分散液中の分
散媒を飛散させればよいが、あまり急激な加熱は材料の
そりを生じることがあるので、常温ないしは１００℃以
下の比較的低温で１時間程度かけて分散媒をほぼ全量飛
散させる。 硬化工程はもちろん加熱炉内で行なうが１．雰囲気が清
浄であれば空気中であってよい、板状材料は炉の棚に並
べて装入し、あろいは加熱炉内に前記の風乾ずみ材料を
硬化工程中に材料のそりを発生させないよう精度のよい
平坦台板上に積み重ねて装入する。材料に急激な温度変
化を与えるのは思わしくないので、加熱炉に材料を装入
後に炉を昇温させるのが望ましい、従って板状材料を炉
に装入あとに前述の分散媒の飛散を加熱炉内で行なわせ
ることもできる。硬化温度は含浸樹脂の融点で、前のテ
フロン３０Ｊの場合は融点が３２７℃であろから３３０
℃程度で行ない、この硬化温度を少なくとも数分間例え
ば１０分間維持した後に加熱源を切って材料を１００℃
程度までに除冷した上で材料を加熱炉から取り出す。 溝切り工程は普通の機械加工と特に変わる点はなく、材
料で多孔賞なので切削は比較的容易で、切望の溝断面形
状にあった通常のカッタを用いてフライス加工すること
によって溝を削成できる。 溝切りによって電極基板にそりが出ないよう、被加工板
を平坦な切削台板上に周囲から位置決めした後に真空吸
引等の手段で平均に合板上に固定して切削加工を行なう
のが望ましい、この溝加工により電極基板は完成し、以
後の電極活性層付は工程に直ちに移ることができる。上
述の硬化工程と溝加工工程が適正になされておれば、電
極活性層付は工程の前にその表面の切削や研磨による仕
上げ加工はとくには必要でない。

【発明の効果】

以上説明したとおり、本発明方法によれば樹脂含浸工程
と樹脂硬化工程とを従来の工程に付加するだけで電極基
板の機械強度を向上して、その取り扱い作業を容易にし
かつ作業中に割れや欠けを生じるおそれを大幅に減少さ
せることができる。 前述の実施例におけるような条件で調製された電極基板
の曲げ強度は従来の２倍に改善され、反応ガスに対する
透気度は従来のものと変わらず、また電極活性層を担持
した後に示す全体としての電極の活性度も従来品と比べ
て遜色がない、電極基板のそりなどの形状安定性はむし
ろ従来品よりも優れ、数百側の単電池が積層構成される
燃料電池用の電極基板として採用するに適したものが得
られろ、また、前述のように含浸樹脂として電解質ない
しは電解液に対して特に撥液性に冨むふう素樹脂を選べ
ば、電解質が電極活性層を越えて電極基板の方に滲出す
るようなことがあつても、その気孔が電解質によりふさ
がれて基板の透気性が失われる危険をほぼ完全に防止す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による製造方法の適用対・象としての電
極基板のもつ役割りを説明するための燃料電池（単電池
）の一部縦断面図、第２図は完成後の電極基板の外形を
例示する斜視図である０図において、 ２．３；電極活性層、４．５８電極基板、４ａ。 ４ｂ＋反応ガスの供給溝、である。 第１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）一面に電極活性層を担持し他面に反応ガスの供給溝
   が設けられるガス拡散性の電極基板を多孔質の板状材料
   から製造する方法であって、分散媒にふっ素樹脂を分散
   させた含浸液内に板状材料を浸漬して超音波浴の条件下
   でふっ素樹脂を表面から板状材料内に含浸させる工程と
   、該樹脂含浸ずみ板状材料を分散媒を飛散させた上で樹
   脂の融点付近の温度に加熱して含浸樹脂を硬化させる工
   程と、板状材料の所定の面に機械加工により溝を設ける
   工程とを含むことを特徴とする燃料電池用電極基板の製
   造方法。 ２）特許請求の範囲第１項記載の方法において、板状材
   料の表面積１平方センチメートルあたり２〜４ミリグラ
   ムのふっ素樹脂を含浸硬化させることを特徴とする燃料
   電池用電極基板の製造方法。 ３）特許請求の範囲第１項記載の方法において、板状材
   料の表面積１平方センチメートルあたり３〜３．５ミリ
   グラムのふっ素樹脂を含浸硬化させることを特徴とする
   燃料電池用電極基板の製造方法。 ４）特許請求の範囲第１項記載の方法において、板状材
   料が２／３程度の空孔率を有する炭素系の薄板材料であ
   り、含浸液が１５％程度の固形樹脂分を含浸し、ふっ素
   樹脂が前記薄板材料のほぼ全体にわたって含浸されるこ
   とを特徴とする燃料電池用電極基板の製造方法。 ５）特許請求の範囲第１項記載の方法において、ふっ素
   樹脂として電解質に対する撥液性を有する材料が選択さ
   れることを特徴とする燃料電池用電極基板の製造方法。