JPS63967A - 燃料電池用電極基板の製造方法 - Google Patents

燃料電池用電極基板の製造方法

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JPS63967A
JPS63967A JP61143516A JP14351686A JPS63967A JP S63967 A JPS63967 A JP S63967A JP 61143516 A JP61143516 A JP 61143516A JP 14351686 A JP14351686 A JP 14351686A JP S63967 A JPS63967 A JP S63967A
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JP
Japan
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pore
carbon fiber
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binder
impregnated
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JP61143516A
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English (en)
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Mikiro Kato
加藤 幹郎
Yoshihiko Sunami
角南 好彦
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Sumitomo Metal Industries Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/96Carbon-based electrodes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、炭素繊維を基材とした多孔質炭素板の製造法
に関する。さらに詳しくは、気孔径分布がシャープで、
通気度、電気伝導性、熱伝導性に優れ、機械的強度の高
い燃料電池用電極基板として好適な多孔質炭素板の製造
法に関する。
〔発明の背景〕
近年、多孔質炭素板は濾過材および燃料電池用電極基板
として注目されている。特に燃料電池においては、電解
質を電極で挟んだセルをセパレータを介して多数集積す
るため、セパレー夕、電極とも薄物の素材が望まれるだ
けでなく、充分な平面度、平滑度等の寸法精度のほか、
低熱膨張係数、耐熱性、耐化学薬品性等に優れた材料が
要求される。とりわけ、電極材は上記特性以外に、ガス
拡散性の良好な素材、すなわち、通気度が大きく、気孔
径分布がシャープな多孔質材料が望まれている。
このような燃料電池用電極基板としての多孔質炭素材は
、上記の如く薄物であるため、機械的強度の面から炭素
繊維で補強した炭素材が良好である。
炭素繊維を基材とした燃料電池用電極基板は、従来、以
下に述べる方法で製造されていた。
その第一は、炭素繊維、結合材、および有機粒状物質を
混合し、得られた混合物を加圧成形し、後硬化後不活性
雰囲気下1000〜3000 ’Cで焼成する方法(特
開昭59 − 141)70号公報)である。
この方法では、炭素繊維に結合材と有機粒状物質とを混
合した混合物を成形するため、成形品および製品炭素材
中の炭素繊維の配向が3次元ランダム配向となるので、
成形品および製品炭素材の強度が弱く、従って、成形用
金具型からの成形品の取り出しや炭化品の加工等の取扱
いが難しいため:.薄物で大面積の多孔質炭素仮の製造
が困難という欠点があった。
第二の製造法としては、炭素繊維マットにレジン処理を
施してプリブレグ化したプリプレグ炭素繊維マントを加
熱加圧して硬化した後、炭化する方法(特開昭57 −
 129814号公報)と炭素繊維紙に炭化性樹脂を含
浸した後炭化し、さらに気相熱分解炭素を沈着させる方
法(特公昭53 − 43920号公報)が知られてい
る。これらの方法では炭素繊維マット、ないしは、炭素
繊維紙を基材とするため、炭素繊維が二次元的に配向し
た成形品、および炭化品が得られるので、機械的強度の
点では優れているものの、気孔径分布の制御が困難であ
り、シャープな気孔径分布をもった多孔質炭素仮の製造
が困難な欠点があった。
本発明は、上記実情を鑑みて鋭意研究を重ねた結果なさ
れたものであって、その目的とするところは、気孔径分
布がシャープで機械的強度の高い、薄物、大面積の多孔
質炭素板を安価に、しかも容易に製造する方法を提供す
ることにある。
〔問題点を解決するための手段〕
気孔径分布をシャープにするためには、気孔形成剤の粒
度分布をそろえることが必要であり、機械的強度を上げ
るためには、補強材の炭素繊維が二次的に配向している
マット状炭素繊維を用いる必要がある。本発明者らはこ
れらの点に着眼し、前記目的を達成する製造法を見い出
した。
本発明の製造法の特徴は、結合材と気孔形成剤とを含浸
させたマット状炭素繊維を加熱加圧成形し、後硬化後、
炭化あるいはさらに黒鉛化することにある。
〔発明の具体的構成〕
以下に本発明を詳述する。
本発明法で用いる結合材どしては、低温で硬化する熱硬
化性樹脂が好ましく、さらに炭化収率の高い、従って結
合材自体が炭化する時に発生するガスによる気孔生成が
出来るだけ抑制できる樹脂が必要であるので、フェノー
ル樹脂が好適である。
また、フェノール樹脂は炭化すればガス不浸透性の炭化
物を与え得るが、そのためには、炭化の昇温速度を極め
て遅くする必要があるので、生産性が上げられない。さ
らに昇温速度が早い場合には昇温過程での急激な収縮に
よりフェノール樹脂由来の炭化物に亀裂が生じるため、
機械的強度を低下させるばかりでなく、目標値よりも大
きな気孔が生成することにもなる。本発明者らは、この
ような問題点を解決するためにはフェノール樹脂への骨
材の配合が有効であることを見い出した。
骨材として、5〜30μm程度に粉砕した黒鉛粉または
/およびコークス粉をフェノール樹脂100重量部に対
して5〜40重量部配合すると、生産性を確保するに妥
当な早い昇温速度、例えば10〜30℃/Hrで炭化し
ても亀裂の生成は認められず、従って、設計通りの気孔
径分布をもつ炭素材の製造が可能となった。一方、上記
骨材は導電性、耐化学薬品性を向上させることができる
という利点もある。
次に、本発明法で用いる気孔形成剤は、結合材とともに
マット状炭素繊維に含浸させて使用するが、結合材の硬
化温度以下では流動せず、がっ、分解もしくは昇華しな
い物質が好適である。その理由は、結合材が硬化するま
では望む径と体積の空間が気孔形成剤で充填されており
、次の炭化工程で気孔形成剤が分解または昇華すること
によって、結合材の硬化時に気孔形成剤で形成していた
空間と同一形状の気孔を生成させるためである。
上記特性を持った気孔形成剤としては、ヨウ化アンモニ
ウム、塩化アンモニウム、硫酸水素アンモニウム、硫酸
ヒドロキシルアンモニウム等アンモニウム塩とへキサメ
チレンテトラミン、エボキシ樹脂の硬化物等有機物等を
使用できる。
炭素繊維マット製造用の炭素繊維としては、PAN系、
ピッチ系、レーヨン系いずれの炭素繊維も用いることが
できる。また、これらの炭素繊維からマントを形成する
に際して、炭素繊維の接着にはフェノール樹脂、エポキ
シ樹脂等の熱硬化性樹脂が好ましく用いられ、たとえば
従来の抄紙法が適用できる。熱硬化性樹脂は熱変形温度
が高いため、加熱加圧過程で流動、ないしは、変形しな
いので、炭素繊維の接着性が接続でき、従って金型から
の炭素繊維の部分的な流動による成形品の厚みのバラッ
キが生じないので好ましい。炭素繊維マントは通常厚さ
0. 1〜0.8 *ta、重さ10〜6 0 g/m
”のものが用いられる。
次に、上記の基材を用いて、燃料電池用電極基板を製造
する方法について述べる。
結合材100重量部と70%以上の粒径が5〜50μm
の気孔形成剤50〜200重量部に気孔形成剤を溶解し
ない溶剤、たとえばメタノール、エタノール等アルコー
ル類100〜800重量部を添加して、結合材および気
孔形成剤が均一分敗するまで攪拌混合して、マトリック
ス・スラリーを製造する。次いでこのマトリックス・ス
ラリーを所定サイズに裁断した炭素繊維マットに均一含
浸させた後、溶剤を除去するため乾燥して含浸炭素繊維
マットとする。この含浸炭素繊維マントを通常1〜10
枚の範囲で製品の目標厚みになるような枚数だけ禎層し
た後、上下面から加熱加圧できるような金型に挟み加熱
加圧成形する。加熱加圧成形時の温度は、結合材の硬化
温度以上で、気孔形成剤の融点および分解または昇華温
度以下であるのが好ましい。
結合材の硬化温度以下の場合には成形品の強度が低いの
で金型からの離型が困難になるし、極端な場合には次の
後硬化工程で成型品に曲り、そりが生じて寸法精度が悪
くなる。また、気孔形成剤の融点および分解または昇華
温度以下で成形した場合は、前記の気孔形成剤の必要特
性および気孔生成のメカニズムから判るように気孔径の
制御が困難となる外、多孔質化した成型品は強度が低い
ので離型が困難になる。通常、加熱温度は150〜30
0℃、好ましくは180〜220℃である。
また圧力は1〜100kg/cnlの条件が好適である
次に、金型から離型した成形品を黒鉛板に挟み通常15
0〜300℃、好ましくは180〜220℃で、1〜2
4時間、0. 1 ” 1 kg/ crJの加圧下で
後硬化を行なう。後硬化された成形品は不活性ガス雰囲
気中で1000゜Cで炭化後、さらに必要に応じて10
00〜3000゜Cまで焼成し、加工して燃料電池用電
極基板とする。
〔実施例〕
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明する
結合材として用いたフェノール樹脂はノボラック型フェ
ノールホルムアルデヒド樹脂の固体粉末であり、100
0゜C、炭化収率は53−t%であった。
黒鉛粉末は平均粒径1)μm、灰分1wt%のリン片状
天然黒鉛であり、石油コークス扮は1000’c焼成し
た後、平均粒径l2μm粉砕して使用した。
気孔形成剤用のエボキシ樹脂硬化物は200℃で硬化し
たものを粉砕して用いた。その1000゜C炭化収率は
31ivt%であった。気孔形成剤は70wt%以上の
粒径が.5〜50μmになるように粉砕して用いた。
上記結合材と気孔形成剤とを下記第1表に示す組成で結
合材100重量部に対して400重景部のエタノール中
に均一分敗させ、マトリノクス・スラリーを製造した。
このマトリックス・スラリーを攪拌しながら1000 
x 1000龍の炭素繊維マントをマトリソクス・スラ
リー中に浸漬した後、マトリソクス・スラリーから引上
げ金網上に置き、風乾後、さらに50℃の乾燥機に入れ
、乾燥して含浸炭素繊維マントを製作した。この含浸炭
素繊維マットを原料の炭素繊維マント厚みが0. 7 
m+*の場合には3枚、0.2關の場合には9枚積層し
て、1200 X 120Onの平面を持つ金型に挟み
第1表に示す温度、圧力で30分間加熱加圧成形した後
、金型からとり出した。
この成形品を黒鉛坂に挟み0.1kg/cnlの荷重下
、成形温度と同一の温度で5時間後硬化した後、成形品
の周囲にコークス粉を詰めてN2ガスを流しながら12
℃/Hrの昇温速度で1000゜Cまで焼成した。得ら
れた電極基板の物性を第1表に示す。
第1表から明らかなように本発明法による燃料電池用電
極基板の物性は優れたものであった。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明に従えば、気孔率とガス透
過率が大きく、細孔分布がシャープで、強度の高い燃料
電池用電極基板が安価にしかも容易に製造できる。
特 許 出 願人  住友金属工業株式会社代理人  
弁理士  永  井  義  久手続主甫正書印発) 昭和61年12月23日 同 特許庁長宮  黒 田 明 雄 殿 1.事件の表示 昭和61年 特許願 第143516号2.発明の名称 燃料電池用電極基板の製造方法 3.補正をする者 事件との関係   特許出願人 住所 名称  (2 1 1)住友金属工業株式会社4.代理
人■101 5.補正命令の日付  自発補正 6.補正の対象 明細書、特許請求の範囲の欄及び発明の詳細な説明の欄 7.補正の内容 (1)明細書、特許請求の範囲を別紙のとおり訂正する
(2)明細書、発明の詳細な説明の欄、第12頁の第1
表を別紙のとおり訂正する。
〔特許請求の範囲〕
「(1)結合材および気孔形成剤を含浸させた炭素繊維
マットを加熱・加圧成形し、後硬化後、炭化あるいはさ
らに黒鉛化することを特徴とする燃料電池用電極基板の
製造方法。
(2)結合材が樹脂と黒鉛粉又はコークス粉等の骨材と
の混合物であることを特徴とする第1項記載の方法。
(3)気孔形成剤の融点および分解又は昇華温度が結合
材の硬化温度以上であることを特徴とする第1項記載の
方法。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)結合材および気孔形成剤を含浸させた炭素繊維マ
    ットを加熱・加圧成形し、後硬化後、炭化あるいはさら
    に黒鉛化することを特徴とする燃料電池用電極基板の製
    造方法。
  2. (2)結合材が樹脂と黒鉛粉又はコークス粉等の骨材と
    の混合物であることを特徴とする第1項記載の方法。
  3. (3)気孔成形剤の融点および分解又は昇華温度が結合
    材の硬化温度以上であることを特徴とする第1項記載の
    方法。
  4. (4)炭素繊維マットが、フェノール樹脂、エポキシ樹
    脂等の熱硬化性樹脂で炭素繊維を接着させたものである
    ことを特徴とする第1項記載の方法。
JP61143516A 1986-06-19 1986-06-19 燃料電池用電極基板の製造方法 Pending JPS63967A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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US10592834B2 (en) 2009-02-20 2020-03-17 Sunpower Corporation Automated solar collector installation design including version management
US10909276B2 (en) 2009-02-20 2021-02-02 Sunpower Corporation Solar collector installation design system including exceptional condition management and display

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