(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定形状に加工されたガス透過性カーボンプレートに高分子材料を減圧超音波含浸した後に硬化し、その全部又は一部をガス不透過性とした、燃料電池用ガス不透過カーボンプレートであって、前記高分子材料が、エポキシ樹脂と、トリアジン樹脂化合物及びビスマレイミドトリアジン樹脂化合物からなる群から選択される樹脂材料との樹脂混合物である燃料電池用ガス不透過カーボンプレート。
【請求項２】
前記ガス透過性カーボンプレートの嵩密度が１〜３ｇ／ｃｍ3であることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池用ガス不透過カーボンプレート。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用カーボンプレートに関する。詳しくは、本発明は、薄型、軽量、高出力、低価格の燃料電池用セパレーター等に使用されるガス不透過カーボンプレートに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池用の構成材であるガスプレート、冷却プレート等は、カーボンの大きなブロックを切断して切削・研削し、その後、ＮＣ装置などで加工してフェノール樹脂などを含浸し、窒素雰囲気で高温焼成することにより得られる気密性をもったカーボンプレート等で構成されていた。
【０００３】
しかしながら、かかる従来のカーボンプレートは、原料のカーボン素材は嵩密度が高く緻密で加工が難しく高価な上、該カーボン素材から直接削り出すため機械加工費が高く、結果として一枚のプレートの価格は非常に高いものとなっていた。
【０００４】
また、素材の機械的強度や加工性などから、プレート厚みはある程度以上（５〜８ｍｍ以上）必要であるから、燃料電池スタックを構成した場合、非常に重いものとなり、例えば５０セルで１５０ｋｇ以上もの重さとなっていた。
このようなことから、燃料電池はコストが高く、また大きい上に重く、そのため実用化に大きな障害となっている。
【０００５】
かかる問題点を解決する手段として、カーボンの不織布や薄板等の基板に高分子材料を含浸・硬化させたカーボンプレートを用いることが提案されている（特開平９−１３４７３２号公報）。しかしながら、ここで提案された高分子材料含浸カーボンプレートは、高分子材料の含浸方法が単なる減圧含浸であるため、高分子材料とカーボンとの密着性が悪く、含浸された高分子材料が縮んで隙間が生じる場合があるので、燃料電池にした際、ガス圧力を上げるとガスのリークが発生しやすい傾向にあった。
【０００６】
したがって、低価格で軽量且つ薄型の燃料電池であって、ガスのリークがないものを提供しうるカーボンプレートの開発が望まれていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、燃料電池のガス圧を上げてもガスがリークすることがなく、薄型、軽量、高出力、且つ低価格の燃料電池の実現を達成しうる、燃料電池用ガス不透過カーボンプレートを提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意検討を行った結果、所定形状に加工したガス透過性カーボンプレートに高分子材料を減圧超音波含浸・硬化させることにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明は、所定形状に加工されたガス透過性カーボンプレートに高分子材料を減圧超音波含浸・硬化し、その全部又は一部をガス不透過性としたものである。
【００１０】
また、本発明は、前記ガス透過性カーボンプレートの嵩密度が１〜３ｇ／ｃｍ3であることを特徴とする。
また、本発明は、前記高分子材料が、エポキシ樹脂、トリアジン樹脂化合物、ビスマレイミドトリアジン樹脂化合物、ポリイミド樹脂、及びアクリル樹脂からなる群から選択される樹脂材料であるものである。
【００１１】
また、本発明は、前記高分子材料が、エポキシ樹脂と、トリアジン樹脂化合物、ビスマレイミドトリアジン樹脂化合物、ポリイミド樹脂、及びアクリル樹脂からなる群から選択される樹脂材料との樹脂混合物としたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を説明する。
本発明のガス不透過カーボンプレートは、所定形状に加工されたガス透過性カーボンプレートに高分子材料を減圧超音波含浸・硬化してなるものである。
【００１３】
（１）ガス透過性カーボンプレート
▲１▼所定形状
本発明で高分子材料を含浸・硬化させるのに用いるカーボン素材は、微小孔を有するガス透過性の多孔質体であって、所定形状に加工されたカーボンプレートである。加工方法は特に限定されず、カーボンのブロック等から機械加工により切削、研磨する方法が一般的である。
【００１４】
▲２▼嵩密度
前記ガス透過性カーボンプレートの多孔度等は特に限定されないが、好ましくは嵩密度が１〜３ｇ／ｃｍ3、より好ましくは１〜２ｇ／ｃｍ3である。嵩密度が上記範囲内である通常のポーラスなカーボン素材は、安価であり機械加工性がよいので好ましい。なお、本発明では、減圧超音波含浸により高分子材料を含浸するので、従来の単なる減圧含浸を用いた場合よりに比べ、嵩密度が低い材料を用いても高分子材料とカーボンとの隙間が生ぜずガスリークがない。よって、上記範囲で示したような低い嵩密度を有するカーボンプレートを用いると、本発明の効果がより顕著に発揮される。
【００１５】
（２）高分子材料
本発明に用いられる高分子材料は、加熱等により硬化しうる樹脂材料であれば特に制限はなく、例えばエポキシ樹脂、トリアジン樹脂化合物、ビスマレイミドトリアジン樹脂化合物、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ウレタンゴム、シリコーンゴム、天然ゴム、合成ゴム、シアノアクリレート等が挙げられる。これらのうち好ましくは、エポキシ樹脂、トリアジン樹脂化合物、ビスマレイミドトリアジン樹脂化合物、ポリイミド樹脂、及びアクリル樹脂からなる群から選択される樹脂材料が用いられる。
【００１６】
前記高分子材料のより好ましい例としては、エポキシ樹脂と、トリアジン樹脂化合物、ビスマレイミドトリアジン樹脂化合物、ポリイミド樹脂、及びアクリル樹脂からなる群から選択される樹脂材料との樹脂混合物が挙げられる。高分子材料としてエポキシ樹脂を配合した樹脂混合物を用いることにより、カーボンプレートの柔軟性及び機械的強度が向上し、さらには該カーボンプレートと高分子材料との密着性がよく隙間が生じないので、燃料電池にした際、ガス圧力を上げてもガスがリークすることがない。
【００１７】
エポキシ樹脂の配合割合は、混合する他の樹脂材料の種類にもよるが、ビスマレイミドトリアジン樹脂化合物と混合する場合、該樹脂化合物１００重量部に対し好ましくは１〜５０重量部、より好ましくは１〜２０重量部程度である。また、トリアジン樹脂と混合する場合、該樹脂１００重量部に対し好ましくは１〜８０重量部、より好ましくは１〜３０重量部程度である。
【００１８】
（３）含浸・硬化
本発明のガス不透過カーボンプレートは、前記高分子材料を、減圧超音波含浸法により、ガス透過性カーボンプレートに含浸して硬化させることにより得られる。
【００１９】
▲１▼減圧超音波含浸
減圧超音波含浸法は、まず多孔質体である前記ガス透過性カーボンプレートを溶融した高分子材料に浸漬しつつ減圧下で空気を抜き、次いで超音波を作用させて多孔質体の微小孔内に高分子材料を含浸させるというものである。
【００２０】
減圧工程では、例えば真空ポンプ等を備えた真空機械（真空炉）内に多孔質体を入れ、真空度１０〜１０-6ｔｏｒｒ、より好ましくは１０〜１０-5ｔｏｒｒの真空雰囲気まで空気を抜く。また、真空炉の温度は２０〜３００℃とするのが好ましい。
【００２１】
超音波含浸工程では、超音波発生装置から周波数１０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚ、好ましくは２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ、出力１０Ｗ〜１００ｋＷ、好ましくは３０Ｗ〜３０ｋＷの超音波を作用させつつ多孔質体に高分子材料を含浸させる。
【００２２】
減圧超音波含浸法は、含浸させる溶融した高分子材料を超音波で振動させるため、減圧下で効率よく含浸され、多孔質体の微小孔の細部まで高分子材料が入り込み、隙間が生じにくい。よって、このような方法で得られるカーボンプレートを燃料電池に用いた際、ガス圧力を上げてもガスがリークすることがない。
【００２３】
なお、本発明ではカーボンプレートの全部に高分子材料を含浸させてもよいが、一部のみに含浸させてもよい。一部のみに含浸させる場合は、カーボンプレートの所定箇所にマスキング等を行って含浸させればよい。
【００２４】
▲２▼硬化
減圧超音波含浸の後、窒素ガス等の不活性ガスを真空炉内に導入して大気圧に戻し、カーボンプレートを真空炉から取り出し、所定温度で、好ましくは高温循環炉等で加熱して、高分子材料を硬化させる。加熱温度は２０〜３００℃程度、硬化時間は１〜８時間程度である。
【００２５】
（４）ガス不透過カーボンプレート
本発明のガス不透過カーボンプレートは、その全部又は一部が上述した高分子材料の含浸によりガス不透過性となっており、燃料電池用スタックの構成部材に使用することができる。
【００２６】
そのうち、全部がガス不透過性となっているガス不透過カーボンプレートは、ガスまたは冷却水用のマニホールド穴を有し、表側ガスと裏側ガスを分離するために使用するセパレーターとして用いることができる。また、ガスのマニホールド穴を有し、入口マニホールド部からガスを電極部に導き出口マニホールド部へ通すための溝部を設けたガスプレートとして用いることもできる。また、冷却水のマニホールド穴を有し、入口マニホールド部から冷却水を電極部に導き出口マニホールド部へ通すための溝部を設けた冷却プレートとして用いることもできる。
【００２７】
該構成部材は、前記セパレーターとガスプレートとが貼り合わされたセパレーター付きガスプレートであってもよい。また、ガスプレートとガスプレートの間にセパレーターを挟み重ねて貼り合わせ、表側ガスと裏側ガスを分離し各々ガスを電極部に導くようにしたガス−ガスプレートであってもよい。また、セパレーターとガスプレートと冷却プレートとが重ねて貼り合わされ、片側にガス入口マニホールド部からガスを電極部に導き出口マニホールド部へ通す溝部が形成され、他の片側に冷却水入口マニホールド部から冷却水を電極部に導き出口マニホールド部へ通す溝部が形成されたガス−冷却プレートであってもよい。また、セパレーター、ガスプレート、冷却プレート、セパレーター、ガスプレートが重ねられて貼り合わされ、芯に冷却層が形成され、その両側が冷却水とガスに分離され、両側外面にガス溝部が形成された冷却部付ガス−ガスプレートであってもよい。
【００２８】
また、前記ガス不透過カーボンプレートは、その一部が高分子材料の含浸によりガス不透過性となっているものであってもよい。例えば、ガス又は冷却水のマニホールド部相当の周辺部及び電極部の周辺部を高分子材料により部分的にガス不透過性とし、中央の電極部をガス透過性のままとし、その上に触媒層が形成された電極プレートが挙げられる。なお、一部のみをガス不透過性とする場合は、高分子材料の含浸時に、一部にマスキングをして部分的に含浸させるようにすればよい。
【００２９】
前記燃料電池用スタック構成部材は、前記電極プレートを、固体高分子電解質膜の両側に触媒層が接触し対向するように配した一式の電池セルになったものであってもよい。また、冷却プレートの両面にセパレーターが配され、その両外表面にガスプレートが配され、さらにその両外表面に前記電極プレートが配されて、これらが貼り合わされ、芯に冷却層が形成されその両側が冷却水とガスに分離され、その両側外面にガス溝が形成され、両側最外面に触媒層が露出した電極を有する冷却部付き電極セットであってもよい。
【００３０】
本発明のガス不透過カーボンプレートを用いた燃料電池用スタックとしては、前記冷却部付き電極セットと、固体高分子電解質膜とを所要数繰返して積層したものであってもよい。また、前記冷却部付きガス−ガスプレートと、前記電池セルとが積層されたものであってもよい。
【００３１】
【実施例】
以下に、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３２】
【実施例１】
２ｍｍ（厚み）×１００ｍｍ×１００ｍｍのカーボンプレート（嵩密度；１．８ｇ／ｃｍ3）を、ビスマレイミドトリアジン樹脂１００重量部に対しにエポキシ樹脂を２０重量部混合してなる高分子材料に浸漬し、真空炉に導入して減圧超音波含浸（真空度；１０-2ｔｏｒｒ、真空炉温度；２００℃、周波数；５０ｋＨｚ、出力；１００Ｗ〜１ｋＷ、時間；１５分）により高分子材料をカーボンプレートに含浸した。次いで、真空炉を大気圧に戻してカーボンプレートを取り出し、加熱して、含浸した高分子材料を硬化させた（加熱温度；２００℃、加熱時間；８時間）。
【００３３】
【実施例２】
高分子材料としてトリアジン樹脂にエポキシ樹脂を２０重量部混合してなる材料を用いた他は、実施例１と同様のカーボンプレートを用い、実施例１と同じ条件で減圧超音波含浸及び加熱硬化を行った。
【００３４】
上記実施例１〜２で得られた２種類の燃料電池用ガス不透過カーボンプレートは、素材であるカーボンにビスマレイミドトリアジン樹脂化合物、トリアジン樹脂化合物が微小孔まで含浸されて硬化されるので、隙間が生ぜず、またエポキシ樹脂が入っているため柔軟性があり機械的強度も上がり、まったく隙間がなく、ガス圧を３ｋｇｆ／ｃｍ2まであげてもガスリークはなかった。また、リークデテクターで測定したところ、１．０×１０-11（pa・m3／sec）以下だった。実際に燃料電池スタックにしようしたところ、酸素や水素のガスのリークが発生することはなかった。
【００３５】
また、上記実施例は、カーボンプレート全体に高分子材料が含浸され、全体がガス不透過性となっているが、カーボンプレートの一部にマスキングをして部分的に高分子材料を含浸させ、所定の部分のみガス不透過性としたものでも同様に効果があった。
【００３６】
【発明の効果】
以上の結果からわかるように、本発明の燃料電池用ガス不透過カーボンプレートは、高分子材料を減圧超音波含浸法により超音波で樹脂間に振動させて含浸させているので、微小孔にまで、短時間で十分に高分子材料が含浸され、カーボンとの間に隙間が生じにくく、燃料電池にした際ガス圧力を上げてもガスがリークすることがない。
また、素材に嵩密度１〜３ｇ／ｃｍ3のカーボンを用いると、安価であり、機械加工性がよく、さらにガスリークが生じにくい。また、上記カーボンプレートに含浸させる高分子材料にエポキシ樹脂を配合することにより、カーボンとの密着性がよく、また縮むこともなく、隙間が生じにくくなるので、ガスリークがさらに防止される。さらに、従来のようにカーボンにフェノール樹脂などを含浸し、窒素雰囲気で高温焼成により得られる気密性をもったカーボンのような高価なものを使う必要もなく、燃料電池スタック自体が薄型、軽量、高出力、低価格になり、環境にやさしいエネルギーを作ることができ、本発明の工業的価値は大きい。