JPH04214072A

JPH04214072A - 炭素質組成物、燃料電池用炭素材およびその製造方法

Info

Publication number: JPH04214072A
Application number: JP2410299A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Tajiri; 博幸田尻; Satoru Nakatani; 悟中谷
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1990-12-12
Filing date: 1990-12-12
Publication date: 1992-08-05
Anticipated expiration: 2016-03-07
Also published as: JP3142587B2

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池用セパレータ
を作製する上で有用な炭素質組成物、特に燃料電池用と
して有用な炭素材およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、他の発電装置と異なり、Ｓ
Ｏｘ　、ＮＯｘ　及び粉塵などの公害物質の発生が極め
て少なく、騒音発生源も少ないなどの特徴を有している
。このような燃料電池は、通常、ポーラスな陰極で燃料
の酸化反応、ポーラスな陽極で酸化剤の還元反応を行な
わせており、両極間には、セパレータが使用されている
。このセパレータには、密度が大きく、導電性が高いこ
とが要求される。

【０００３】前記セパレータは、通常、フェノール樹脂
などのバインダーと、黒鉛などを混練し、シート状に圧
縮成形した後、前記バインダーを硬化させ、焼成するこ
とにより製造されている。この製造方法では、硬化及び
焼成過程でのガス抜けが悪く、発泡を伴なうので、得ら
れた炭素板には気孔が生成し、機械的強度も小さい。す
なわち、焼成によりフェノール樹脂が炭化又は黒鉛化し
て空隙が生成し、炭素材の気孔率が２０〜３０％にも達
する。従って、密度及び曲げ強度などが小さくなる。特
に、得られた炭素板は、導電性、特に厚み方向、すなわ
ち陰極と陽極間の導電性が低いため、電気エネルギーへ
の変換効率が低下する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、緻密で機械的強度が大きく、導電性に優れた炭素材
を得ることができる炭素質組成物を提供することにある
。

【０００５】また、本発明の他の目的は、上記の如き優
れた特性を示す燃料電池用炭素材およびその製造方法を
提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、本発明者らは、鋭意検討の結果、粒径の異なる複数の
炭素質粉粒体を特定量用いる場合には、緻密で導電性に
優れた炭素材が得られることを見いだし、本発明を完成
した。すなわち、本発明は、炭化又は黒鉛化可能なバイ
ンダーと、炭素繊維化可能な繊維又は炭素繊維（以下、
特に明示のない限り、単に繊維という）と、炭化又は黒
鉛化可能な粉粒体及び炭化又は黒鉛化した粉粒体から選
択された少なくとも一種の炭素質粉粒体とを含む組成物
であって、前記炭素質粉粒体が、平均粒径２５〜７５μ
ｍの粉粒体１００重量部に対して、平均粒径７５〜１２
５μｍの粉粒体１０〜５０重量部、平均粒径１２５〜１
７５μｍの粉粒体１００〜１５０重量部の割合からなる
炭素質組成物を提供する。

【０００７】また、本発明は、炭化又は黒鉛化したバイ
ンダーと、炭素繊維と、炭化又は黒鉛化した炭素質粉粒
体とを含むシート状炭素材であって、前記炭素質粉粒体
が、平均粒径２５〜７５μｍの粉粒体１００重量部に対
して、平均粒径７５〜１２５μｍの粉粒体１０〜５０重
量部、平均粒径１２５〜１７５μｍの粉粒体１００〜１
５０重量部の割合からなる燃料電池用炭素材を提供する
。

【０００８】さらに、本発明は、前記炭素質組成物をシ
ート状に成形し、炭化又は黒鉛化する燃料電池用炭素材
の製造方法を提供する。

【０００９】なお、本明細書における用語の定義は次の
通りである。

【００１０】炭化とは、炭素化可能な成分を、例えば、
４５０〜１５００℃程度の温度で焼成処理することを言
う。黒鉛化とは、例えば１５００〜３０００℃程度の温
度で焼成処理することを言い、黒鉛の結晶構造を有して
いないときでも黒鉛化の概念に含める。

【００１１】炭素繊維とは炭化又は黒鉛化された繊維を
言う。耐炎化処理とは、ピッチ系繊維以外の繊維を、例
えば、酸素存在下、２００〜４５０℃程度の温度で加熱
して表面に耐熱層を形成し、焼成時の溶融を防止する処
理を言う。不融化処理とは、例えば、ピッチ系繊維を、
酸素存在下、２００〜４５０℃程度の温度で加熱して表
面に耐熱層を形成し、焼成時の溶融を防止する処理を言
う。

【００１２】以下に、本発明をより詳細に説明する。

【００１３】炭化又は黒鉛化可能なバインダーとしては
、例えば、フェノール樹脂、フラン樹脂、メラミン樹脂
、不飽和ポリエステル、ビニルエステル樹脂、ジアリル
フタレート樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド、熱硬化性
アクリル樹脂などの熱硬化性樹脂；ポリアクリロニトリ
ルなどの熱可塑性樹脂；石炭又は石油ピッチなどが例示
される。これらのバインダーのうち、加熱による形状保
持性、炭化又は黒鉛化による残炭率が大きく、かつ高い
強度を付与できる熱硬化性樹脂、特にフェノール樹脂が
好ましい。なお、バインダーの残炭率は、通常約５０〜
６０重量％程度又はそれ以上であるのが好ましい。これ
らのバインダーは、少なくとも一種使用できる。

【００１４】繊維は、焼成により得られる炭素材を補強
できるものであればよい。炭素繊維化可能な繊維として
は、炭素繊維の素材となりうる種々の繊維、例えば、ポ
リアクリロニトリル繊維、フェノール樹脂繊維、レーヨ
ン、セルロース系繊維、ピッチ系繊維などが挙げられる
。炭化又は黒鉛化可能な繊維は、耐炎化処理又は不融化
処理されていてもよい。好ましい繊維は、炭素材に高い
補強性及び導電性を付与できる炭素繊維である。

【００１５】前記繊維は、ミルドファイバー、例えば、
繊維長０．０１〜３ｍｍ程度の短繊維であるのが好まし
い。

【００１６】炭素質粉粒体は、それ自体又は焼成により
、炭素材に高い導電性を付与するものであればよい。この炭素質粉粒体は、炭素材の圧縮強度も高める。炭化
又は黒鉛化可能な粉粒体としては、例えば、ピッチの破
砕品を不融化処理したバルクメソフェーズカーボン、石
炭などを５００℃程度の低温で乾留し、粉砕した低温か
焼コークスなどが挙げられる。また、炭化又は黒鉛化し
た粉粒体としては、例えば、メソカーボンマイクロビー
スなどの炭素質小球体、コークスブリーズ、鱗状黒鉛、
土壌黒鉛や人造黒鉛などが挙げられる。これらの炭素質
粉粒体は少なくとも一種使用される。好ましい炭素質粉
粒体は、高い導電性を付与できる黒鉛粉である。

【００１７】前記バインダーと、繊維と、炭素質粉粒体
との割合は、バインダー１００重量部に対して、繊維１
０〜７５重量部、炭素質粉粒体５０〜１５０重量部程度
である。好ましい組成割合は、バインダー１００重量部
に対して、繊維４０〜６０重量部、炭素質粉粒体７５〜
１２５重量部程度である。

【００１８】そして、前記炭素質粉粒体は、平均粒径２
５〜７５μｍの粉粒体１００重量部に対して、平均粒径
７５〜１２５μｍの粉粒体１０〜５０重量部、平均粒径
１２５〜１７５μｍの粉粒体１００〜１５０重量部の割
合からなる。好ましい炭素質粉粒体は、平均粒径３５〜
６５μｍの粉粒体１００重量部に対して、平均粒径８５
〜１１５μｍの粉粒体１５〜４０重量部、平均粒径１３
５〜１６５μｍの粉粒体１１０〜１４０重量部の割合か
らなる。このように、粒径の異なる複数の炭素質粉粒体
を組合せて用い、焼成すると、炭素質粉粒体が炭素繊維
間に緻密に充填するためか、炭素材の密度、機械的強度
及び導電性が大きくなる。特に炭素材の厚み方向の電気
抵抗が著しく小さくなる。

【００１９】前記炭素質組成物は、炭素材の導電性、機
械的強度などの特性を損わない範囲で、例えば、前記粒
径以外の炭素質粉粒体、有機溶剤、熱可塑性樹脂や、酸
化防止剤、充填剤、可塑剤などの添加剤を含んでいても
よい。

【００２０】本発明の燃料電池用炭素材は、炭化又は黒
鉛化したバインダーと、炭素繊維と、炭化又は黒鉛化し
た炭素質粉粒体とを含むシート状である。また、前記炭
素質粉粒体は、前記と同様に、粒径が異なり、かつ特定
量の炭素質粉粒体からなる。

【００２１】炭素材の厚みは、例えば、０．１〜５ｍｍ
、好ましくは０．２〜４ｍｍ程度である。炭素材は導電
性が高く、その厚み方向の比抵抗は、通常、１×１０−
２Ω・ｃｍ以下、例えば５×１０−３〜９×１０−３Ω
・ｃｍ程度である。また、炭素材は緻密であり、その密
度は、通常、１．６ｇ／ｃｍ３　以上、好ましくは１．
７〜２．１ｇ／ｃｍ３　程度である。さらに、炭素材は
機械的特性にも優れ、その曲げ強度は６〜１５Ｋｇｆ　
／ｍｍ２　程度、曲げ弾性率４０００〜７０００Ｋｇｆ
　／ｍｍ２　程度である。

【００２２】本発明の燃料電池用炭素材は、前記炭素質
組成物をシート状に成形する成形工程と、シートを炭化
又は黒鉛化する焼成工程を経ることにより得ることがで
きる。なお、成形工程に先立って、炭素質組成物は、通
常、混練工程に供される。

【００２３】前記混練工程では、慣用の混練機、例えば
、ニーダー、ロールなどを用いることができる。混練時
には、例えば、アルコール類、炭化水素類、ケトン類、
エステル類、エーテル類などの有機溶媒を使用してもよ
い。

【００２４】成形工程では、シート状に成形可能な種々
の成形金型、２本ロールなどを用いることができる。な
お、成形金型でシート状に成形する場合、前記有機溶剤
は、成形工程に先立って、除去するのが好ましい。炭素
材を燃料電池用の薄板として使用する場合には、焼成に
よる収縮を考慮して、例えば、０．５〜５ｍｍ程度に成
形することができる。金型成形に際しては、通常、加圧
加熱により成形される。この加圧加熱工程で、熱硬化性
樹脂からなるバインダーは硬化する。熱硬化性樹脂の硬
化は、穏やかに昇温し、樹脂の硬化温度、例えば１００
〜２５０℃、好ましくは１４０〜２２０℃程度に保持す
ることにより行なうことができる。成形圧は、炭素材の
密度に応じて選択でき、例えば、５０〜１０００Ｋｇｆ
　／ｃｍ２　程度である。

【００２５】そして、焼成工程で炭化又は黒鉛化するこ
とにより、前記シートが炭素質となり、密度及び機械的
強度が大きく、導電性に優れたシート状炭素材が得られ
る。焼成工程では、導電性を高めるため、前記シートを
８００℃以上の温度、好ましくは黒鉛化する温度、例え
ば２０００℃以上に加熱するのが好ましい。この焼成に
おいても、穏やかに、特に６００℃程度までは１０℃／
時間以下の昇温速度で加熱するのが好ましい。焼成は、
真空下または不活性ガス雰囲気中で行なわれる。不活性
ガスとしては、窒素、ヘリウム、アルゴン等が使用でき
る。

【００２６】

【発明の効果】本発明の炭素質組成物は、緻密で機械的
強度が大きく、導電性に優れた炭素材を得ることができ
る。

【００２７】また、本発明の燃料電池用炭素材は、上記
の如き優れた特性を示し、電気エネルギーへの変換効率
を高めることができる。

【００２８】さらに、本発明の製造方法によれば、上記
の如き優れた特性を有する燃料電池用炭素材を得ること
ができる。

【００２９】

【実施例】以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細
に説明する。

【００３０】実施例フェノール樹脂［群栄化学工業（株）製、商品名ＰＬ−
３８２０Ａ］４０重量部、炭素繊維ミルドファイバー［
ドナック（株）製、商品名ドナカーボＳ−２４１］２０
重量部、平均粒径５０μｍの土壌黒鉛粉［日本黒鉛工業
（株）製、商品名ＧＡ−２］１６重量部、平均粒径１０
０μｍの土壌黒鉛粉［日本黒鉛工業（株）製、商品名Ｇ
Ａ−３］４重量部、平均粒径１５０μｍの土壌黒鉛粉［
日本黒鉛工業（株）製、商品名ＧＡ−１５０］２０重量
部、およびアセトン１００重量部を、ニーダーで３０分
間混練した後、６０℃に加熱し、アセトンを除去した。混合物を粉砕機で粉砕し、４０メッシュより細かい粒状
物を回収した。

【００３１】そして、粒状物を金型に入れ、１４０℃、
圧力３００Ｋｇｆ／ｃｍ２　の条件で３０分間成形し、
脱型したシート（厚み２ｍｍ、３００ｍｍ×３００ｍｍ
）を、窒素ガス雰囲気中、２００時間かけて２０００℃
に昇温し、黒鉛化炭素材を作製した。

【００３２】得られたシート状炭素材は、密度１．８６
ｇ／ｃｍ３　、厚み方向の比抵抗８×１０−３Ω・ｃｍ
、曲げ強度１０．２Ｋｇｆ　／ｍｍ２　、曲げ弾性率５
２００Ｋｇｆ　／ｍｍ２　であった。

【００３３】比較例１実施例で用いた全土壌黒鉛粉に代えて、平均粒径１００
μｍの土壌黒鉛粉［日本黒鉛工業（株）製、商品名ＧＡ
−３］４０重量部を用いる以外、実施例と同様にしてシ
ート状炭素材を作製した。得られたシート状炭素材は、
密度１．４６ｇ／ｃｍ３　、厚み方向の比抵抗２×１０
−２Ω・ｃｍ、曲げ強度４．６Ｋｇｆ　／ｍｍ２　、曲
げ弾性率３２００Ｋｇｆ　／ｍｍ２　であった。

【００３４】比較例２実施例の黒鉛粉を、平均粒径１５０μｍの土壌黒鉛粉［
日本黒鉛工業（株）製、商品名ＧＡ−１５０］４０重量
部とする以外、実施例と同様にしてシート状炭素材を作
製した。得られたシート状炭素材は、密度１．６５ｇ／
ｃｍ３　、厚み方向の比抵抗８×１０−２Ω・ｃｍ、曲
げ強度６．２Ｋｇｆ　／ｍｍ２　、曲げ弾性率４０００
Ｋｇｆ　／ｍｍ２　であった。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　炭化又は黒鉛化可能なバインダーと、
炭素繊維化可能な繊維又は炭素繊維と、炭化又は黒鉛化
可能な粉粒体及び炭化又は黒鉛化した粉粒体から選択さ
れた少なくとも一種の炭素質粉粒体とを含む組成物であ
って、前記炭素質粉粒体が、平均粒径２５〜７５μｍの
粉粒体１００重量部に対して、平均粒径７５〜１２５μ
ｍの粉粒体１０〜５０重量部、平均粒径１２５〜１７５
μｍの粉粒体１００〜１５０重量部の割合からなる炭素
質組成物。
【請求項２】　　バインダー１００重量部に対して、炭
素繊維化可能な繊維又は炭素繊維１０〜７５重量部、炭
素質粉粒体５０〜１５０重量部を含む請求項１記載の炭
素質組成物。
【請求項３】　　バインダーがフェノール樹脂、炭素繊
維化可能な繊維又は炭素繊維が炭素繊維ミルドファイバ
ー、炭素質粉粒体が黒鉛粉である請求項１記載の炭素質
組成物。
【請求項４】　　炭化又は黒鉛化したバインダーと、炭
素繊維と、炭化又は黒鉛化した炭素質粉粒体とを含むシ
ート状炭素材であって、前記炭素質粉粒体が、平均粒径
２５〜７５μｍの粉粒体１００重量部に対して、平均粒
径７５〜１２５μｍの粉粒体１０〜５０重量部、平均粒
径１２５〜１７５μｍの粉粒体１００〜１５０重量部の
割合からなる燃料電池用炭素材。
【請求項５】　　比抵抗が１×１０−２Ω・ｃｍ以下、
密度が１．６ｇ／ｃｍ３　以上である請求項４記載の燃
料電池用炭素材。
【請求項６】　　請求項１記載の炭素質組成物をシート
状に成形し、炭化又は黒鉛化する燃料電池用炭素材の製
造方法。