(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に用いられる炭素繊維多孔質電極であって、該多孔質電極が５〜２５ｍｍの繊維長を有する炭素繊維と、５ｍｍ未満の繊維長を有する炭素繊維とが１０：０〜３：７の範囲で混用され、且つ、その繊維配向度が３０％以上９５％未満である炭素で結着された紙状体が繊維の配向方向が直行するように積層されて構成されていることを特徴とする炭素繊維多孔質電極。
【請求項２】
平板部上に突条部と突条間に形成されるガス流路とを有する燃料電池用炭素繊維多孔質電極に於て、突条部はその高さ方向と長手方向に繊維の配向方向を持ち、平板部は突条部の長手方向に添った繊維配向と、これに直交する繊維配向とからなることを特徴とする請求項１の炭素繊維多孔質電極。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池用炭素繊維多孔質電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池に用いられるガス拡散電極の代表的構造を図３に示す。ガス拡散電極はその１面に複数の突条部（１−ａ）とセパレータ（２）と呼ばれる気体不透過性の黒鉛板で形成されるガス流路（１−ｂ）を設けその平板部（１−ｃ）の反対面に触媒層（１−ｄ）を設けた炭素多孔質体である。
【０００３】
ガス拡散電極多孔質体に要求される機能は、ガス拡散に十分な多孔質性を維持しながら電極材料としての電気伝導性能及びガス流路（１−ｂ）形成のための機械加工、並びに電池構成に当って電極の積層圧力に十分耐えうる機械的強度等が要求される。
【０００４】
従来の電極用多孔質体の製造では、数ミリメートルの炭素繊維を平面方向及び厚さ方向に対して出来るだけ方向性のないように抄紙した薄板に樹脂含浸を行った後、この樹脂を炭化して繊維の結合材とした多孔質板を機械加工によりガス流路を形成していたが電気伝導性、機械的強度と多孔質性は相反するものであり、この両者を満足せしめることは極めて困難であった。
【０００５】
電極用多孔質体の機械的強度向上策としては、例えばガス流路に添って突条部に炭素繊維糸条を配置する手段が特公平１−２９３０９号公報に、或は平板部に長繊維を配置する手段が特開昭６３−９６８号公報等に開示されている。これらに共通する思想は応力の発生する方向に繊維を配することであり、この考え方は繊維強化プラスチックの強化理論として一般化されているものである。
しかし、これを電極用多孔質板に適用しようとする時、その具体策を見い出すことは困難であり、これまで前記文献の如く、炭素繊維から成る糸条物を特定の方向及び位置に人為的に配置する以外に具体的提案はなされていないばかりでなく、糸条物を配置する方法では次の様な問題点がある。
【０００６】
その第１は品質的問題である。特開昭６３−９６８号公報では特定の長さを有する長繊維を特定の方向に配置する方法が記載されているがここに用いられる炭素繊維の長繊維はマルチフィラメントであり、したがって集束された糸条物であるため高密度であり、極板の多孔質性を阻害すると同時に、配置されるべき極板の厚さは０．５ｍｍ以下であるので極板内に於ける配置位置の制御は極めて困難である。
【０００７】
第２の問題は経済的問題である。極めて薄い極板に配置位置を制御し、かつ強度向上を期待するためには極めて細い炭素繊維糸条を高密度に配置する必要があり、このためには多大の費用を要することは必須である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の問題点、特に多孔性を維持しつつ機械的強度の向上及び電気伝導性の向上を可能とする経済的な多孔質体からなる炭素繊維多孔質電極を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多孔質電極が５〜２５ｍｍの繊維長さを有する炭素繊維と、５ｍｍ未満の繊維長を有する炭素繊維とが１０：０〜３：７の範囲で混用され、且つ、その繊維配向度が３０％以上９５％未満である炭素で結着された紙状体が繊維の配向方向が直行するように積層されて構成されていることを特徴とする燃料電池用炭素繊維多孔質電極にある。
【００１０】
本発明は、ガス拡散電極用多孔質体の構造、特に燃料電池のガス拡散電極として炭素繊維で構成された多孔質電極、さらにはガス流路を形成する所定間隔毎の突条部を有する電極板の構造に係るものである。
【００１１】
本発明の構造要素である紙状体は、例えば特開昭６０−１９９９９６号に開示された方法によって得ることが可能である。この様な炭素繊維の短繊維が特定の方向に配向した紙状体に於て、配向度が３０％以下では紙状体の強度向上は顕著ではなく、また、９５％以上では、紙状体の多孔質性が低下する。この外完全に配向した紙状体を得ることは現技術では困難である。従って電極用多孔質体として用いられる紙状体の配向度は３０〜９５％の範囲にあることが必要である。
【００１２】
紙状体の繊維配向度は、該紙状体の特定の方向に対し±５°以内に配向している繊維の重量の全体繊維重量に対する割合（％）として定義され、この定義によれば無配向の紙の配向度は凡そ６％である。
【００１３】
電極用多孔質板の強度は、板の平面に添った少くとも２方向について補強されることが好ましく、上記繊維配向を有する紙状体により多孔質板を構成するためには、その配向方向が交叉する様に積層されることがよい。一般には突条部の長手方向とこれと直交する方向の２方向である場合が普通であるがこの方向のみに限定されるものではない。
【００１４】
一般に、積層構造の電気的性質はその平面方向と厚さ方向では異なり平面方向の電気伝導性が高く、厚さ方向の伝導性が低い。本発明で用いる多孔質板に於てもその傾向が認められ、使用に耐えない物性ではないが本発明者等は紙状体を構成する炭素繊維の繊維長を検討することによって、上記伝導性に係る問題点の改良及び多孔質の均一化が計れることを見い出した。
【００１５】
即ち、比較的長い繊維長である５〜２５ｍｍの炭素繊維と、これより短い５ｍｍ未満の繊維長を有する炭素繊維を混合して抄紙することにより、５〜２５ｍｍの比較的長い炭素繊維の配向度が高く、５ｍｍ未満の短繊維の配向度が低い紙状体の構造が得られ、この様な構成の紙状体を積層して得た多孔質板は、均一な多孔質性と厚さ方向の電気伝導度が高いことが判明した。
【００１６】
上記に説明した様な多孔質板から図３に示す、リブ付多孔質電極を機械加工によりガス流路を形成して得ることも出来る。しかし、最も性能的にすぐれた代表的な電極構造は、リブ付電極の突条部と平面部を分離し、突条部はその高さ方向と長手方向に繊維の配向方向を持ち、平板部は突条部の長手方向に添った繊維配向と、これに直交する繊維配向とを有する構造である。繊維の配向方向は機械的性質等の改良のために他の配向方向を含ませることも可能である。
【００１７】
従来の構造は図３に示す如く突条部（１−ａ）は平板部（（１−ｃ）と一体化された構造であるのに対し、本発明の構造は、図１に示す如く突条部（３−ａ）は平板部（３−ｃ）と分離された構造である。
【００１８】
突条部（３−ａ）は図２に積層状態が示す様に、例えば突条部が配向を有する紙状体の５枚の積層で成り立つ場合には、その配向は突条部の長手方向の配向を有する紙状体（４−１）と高さ方向に配向を有する紙状体（４−２）との積層により具体化することが出来る。この様な積層棒状体は配向方向が直交する様に積層した平板をその一方の配向方向に添って特定のピッチで切断することによって容易に製作することが出来る。これに対して従来の如く無配向の多孔質材料では強度が低く到底長尺の極めて細い角柱棒状物を得ることは不可能であり、本発明に用いられる配向を有する紙状体によってのみ可能である。
この様にして得た突条部の特徴は、その高さ方向の圧縮強度が高いこと、及び高さ方向の電気伝導度が極めて高いことである。
【００１９】
また、平板部（３−ｃ）は、前述の如く配向性を有する紙状物を、好ましくは２方向を補強する様に積層された構造であり、極めて高い曲げ強度を実現することが可能となる。この平板部（３−ｃ）の曲げ強度が高いことはその取扱いが容易であるばかりでなく薄板化が計れることにより、ガス流路の短縮と電気抵抗の低下を期待することが出来る。
【００２０】
図１に示された構造では接触対抗部が突条部（３−ａ）と黒鉛板（２）、及び突条部（３−ａ）と平板部（３−ｃ）の２ヶ所になり、この点では従来の電極に対し不利になるが突条部（３−ａ）と黒鉛板（２）との接触は黒鉛質による接着により回復することが可能である。
【００２１】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をさらに説明する。
［実施例１］
特開昭６０−１９９９９６号公報に記載されている方法に従って、太さ７〜８μ、繊維長１０ｍｍ、弾性率２４トン／ｍｍ２  の炭素繊維が紙状物の巾方向に８５％配向した目付１０ｇ／ｍ２  の紙状体を得、次いでこれに１５ｇ／ｍ２  のエポキシ樹脂を含浸せしめ樹脂含有率６０％のプリプレグとした。
【００２２】
このプリプレグを積層毎にその配向方向が直交する様に４１枚積層し、次いで１ｋｇ／ｃｍ２  の圧力下１３０℃×９０分の樹脂硬化を行い厚さ１．６ｍｍの成形板を得た。
さらに、これをＮ２  ガス中で１５００℃の炭化処理を行い、厚さ１．９ｍｍの炭素繊維が炭素で結着された多孔質板（以下Ｃ／Ｃ多孔質板と称す。）を得た。このＣ／Ｃ多孔質板の密度は０．２２ｇ／ｃｍ３  であり、その空隙率はおよそ８７％（計算による推定値）であった。また、この板の曲げ強度は従来技術より高い空隙率であるに拘らず７００ｋｇ／ｃｍ２  であり、従来技術によるＣ／Ｃ多孔質板の曲げ強度１００ｋｇ／ｃｍ２  に対し著しく高いものであった。
【００２３】
註、従来技術
繊維長６ｍｍの前記炭素繊維を水中に分散した後、該繊維を自然沈降せしめ脱水して得た４００ｇ／ｍ２  の紙状物に、６００ｇ／ｍ２  のエポキシ樹脂を含浸、硬化後炭化して得た厚さ２ｍｍのＣ／Ｃ多孔質板。
【００２４】
その電気抵抗値は、面方向で２×１０−２Ω・ｃｍであり、従来品の５×１０−２Ω・ｃｍより低いものであったが厚さ方向は１Ω・ｃｍであり、機械的物性の改良は達成された。
【００２５】
［実施例２］
実施例１で使用したエポキシ樹脂に代えて２０ｇ／ｍ２  のフェノール樹脂を用いた炭素繊維／フェノール樹脂プリプレグを、同様４１枚積層し、１８０℃×４８時間硬化して得た炭素繊維／フェノール樹脂板をＮ２  ガス中、１５００℃で炭化処理し、厚さ１．６ｍｍ、密度０．４６ｇ／ｃｍ３  、空隙率７０％（計算推定値）のＣ／Ｃ多孔質板を得た。
【００２６】
この多孔質板の曲げ強度は２１００ｋｇ／ｃｍ２  であり、平板平面方向の電気抵抗値は５×１０−３Ω・ｃｍ、厚さ方向０．２Ω・ｃｍであり曲げ強度及び電気抵抗値が大巾に改良された。
【００２７】
［実施例３］
実施例２に於て、炭素繊維の構成を表１に示す構成に変更し、４種の紙状体を作成し、表１に記載した配向度を得た。
【００２８】
【表１】
0003542141.tif 000002
【００２９】
上記４種の紙状体に２０ｇ／ｍ２  のフェノール樹脂含浸を行い、実施例２と同様４１枚の交互積層、樹脂硬化、炭化処理を行い、Ｃ／Ｃ多孔質板を得た。その物性を測定したところ表２の結果を得た。
【００３０】
【表２】
0003542141.tif 000003
【００３１】
本実施例から配向度の曲げ強度向上に与える効果は明確であり、かつ、比較的短かい短繊維を混用することにより多孔質を維持しながら、厚さ方向の電気抵抗を低下せしめる効果のあることが判明した。
［実施例４］
２表１Ｂの組成の紙状物に２０ｇ／ｍ２  のフェノール樹脂を含浸したプリプレグを平板部構成用として５枚を交互積層、突条部構成用として４１枚を交互積層し、板厚０．２ｍｍ及び１．６ｍｍのＣ／Ｃ多孔質板を作成した。
【００３２】
突条部構成用の１．６ｍｍのＣ／Ｃ多孔質板はその最外層を形成する積層シート（紙状体）の配向方向に添って切断し断面が１．６ｍｍ×１．６ｍｍの角柱を切出した。この角柱は図２に示すように角柱の長手方向に添った繊維配向とこれに直交する方向に繊維配向を有するものであり１ｍの長尺角柱を取扱うのに十分な強度を有しているものであった。
【００３３】
この角柱を、巾１．６５ｍｍ×深さ１ｍｍの溝が３ｍｍピッチに刻まれた接着用治具に、図２の４−２の配向方向が溝底部と垂直になる様に装着した後、導電性接着剤を塗布した厚さ０．５ｍｍの気体不透明性黒鉛板を前記角柱の頂部に接着した。
【００３４】
本実施例により本発明の技術による０．２ｍｍのＣ／Ｃ多孔質板は１辺が１ｍ以上の大面積板を取扱うのに十分な強度を有し、かつ従来の如く平板から溝を削出す製作方法に比べて安価に溝（ガス流路）を形成しうるものであることが明らかとなった。
【００３５】
【発明の効果】
本発明燃料電池用電極は、多孔質性能を維持しつつ機械的強度が優れ、かつ電気伝導度の高いＣ／Ｃ多孔質板を用いたことによって、特に機械的強度が高いためリブ付電極の突条部と平面部と分離することを可能とし、同様に、平板部の薄肉化による触媒層に至るガス流路の短縮と電気抵抗値の低下を可能とするものである。
また、突条部と平面部を分離することは、機械加工に伴う加工収率を大巾に向上せしめることが可能となり経済的にも利点のある技術である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の炭素繊維多孔質電極の構造を示す部分外観図である。
【図２】突条部を構成する紙状体の積層体の繊維配向を示す説明図である。
【図３】従来の電極の構造を示す部分外観図
【符号の説明】
１−ａ    突条部
１−ｂ    ガス流路
１−ｃ    平板部
１−ｄ    触媒層
２    セパレーター
３−ａ    分離された突状部
３−ｃ    分離された平板部
４−１    紙状体
４−２    紙状体
【図１】
0003542141.tif 000004
【図２】
0003542141.tif 000005
【図３】
0003542141.tif 000006