(57)【要約】【課題】  簡易な方法で効率よく基板上に炭素粒子を堆積させて、特に燃料電池のガス拡散層に用いた場合に触媒を有効利用でき、かつ燃料の拡散性を阻害しない多孔質炭素層を形成させる方法を提供する。【解決手段】  基板上に炭素粒子を堆積させて多孔質炭素層を形成させる方法において、該炭素粒子を分散媒体に導入し、該分散媒体中に沈降させて、該分散媒体中に配置された該基板上に該炭素粒子を堆積させ、ついで該分散媒体を除去し、該炭素粒子を堆積した該多孔質炭素層を乾燥させる。さらには炭素粒子の粒径が触媒層側に向かって順次小さく多孔質炭素層を、セパレータと触媒層の間のガス拡散層として用いて燃料電池を得る。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に炭素粒子を堆積させて多孔質炭素層を形成させる方法において、該炭素粒子を分散媒体に導入し、該分散媒体中に沈降させて、該分散媒体中に配置された該基板上に該炭素粒子を堆積させ、ついで該分散媒体を除去し、該炭素粒子を堆積した該多孔質炭素層を乾燥させることを特徴とする多孔質炭素層の形成法。
【請求項２】
炭素粒子がピッチ系炭素、メソカーボンマイクロビーズ系炭素、人造黒鉛または天然黒鉛である請求項１記載の多孔質炭素層の形成法。
【請求項３】
基板が液体透過性材料からなる請求項１記載の多孔質炭素層の形成法。
【請求項４】
液体透過性材料が多孔質セラミックス、メッシュ状もしくは開孔された金属、多孔質ポリマー、カーボンペーパーまたはカーボンフェルトである請求項３記載の多孔質炭素層の形成法。
【請求項５】
分散媒体が水性媒体および/またはアルコール類である請求項１記載の多孔質炭素層の形成法。
【請求項６】
水性媒体が水もしくは蔗糖含有水である請求項５記載の多孔質炭素層の形成法。
【請求項７】
導入が予め炭素粒子を分散媒体に分散させた炭素粒子/分散媒体混合物を分散媒体に導入することにより行なわれる請求項１記載の多孔質炭素層の形成法。
【請求項８】
導入する炭素粒子/分散媒体混合物は導入される分散媒体よりも高い温度を有する請求項７記載の多孔質炭素層の形成法。
【請求項９】
導入が炭素粒子を分散媒体中に均一分散させるように導入するように行なわれる請求項１記載の多孔質炭素層の形成法。
【請求項１０】
炭素粒子の堆積を二回以上繰り返し、炭素粒子の粒径が段階的に異なるようにした請求項１〜９のいずれか記載の多孔質炭素層の形成法。
【請求項１１】
炭素粒子の粒径が順次小さくなるように構成された請求項１０記載の多孔質炭素層の形成法。
【請求項１２】
炭素粒子の粒径が触媒層側に向かって順次小さくなるように構成された多孔質炭素層を、セパレータと触媒層の間におけるガス拡散層として備えてなる燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は多孔質炭素層を形成させる方法ならびに得られる多孔質炭素を用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池においては、たとえば水素イオン伝導性の高分子電解質膜の両面に貴金属触媒を担持した導電性炭素粒子を主成分とする触媒層が配置される。そして、触媒層の外面には、ガス透過性および導電性を有するガス拡散層が設けられる。このガス拡散層にはカーボンフェルト、カーボンペーパー等が用いられるのが通常であり、これらの触媒層とガス拡散層で電極が構成される。この電極の外側にセパレータが設けられ、セパレータの片側面には電極に反応ガスを供給し、発生した水、余分なガスを運ぶために流路が形成される。したがって、反応ガス中の燃料分子は、セパレータの流路から電極触媒粒子まで、たとえばカーボンフェルト等の多孔質材料や粒子の間を拡散して移動する。ガス拡散層として、カーボンフェルト、カーボンペーパー等に、さらに炭素粒子を堆積させたものも用いられており、触媒層との接合面が緻密になるため、触媒の有効利用および集電性の向上等の利点がある。しかしながら、その反面、堆積した炭素粒子により、燃料の拡散が阻害されるといった問題が生じる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、簡易な方法で効率よく基板上に炭素粒子を堆積させて、特に燃料電池のガス拡散層に用いた場合に触媒を有効利用でき、かつ燃料の拡散性を阻害しない多孔質炭素層を形成させる方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、基板上に炭素粒子を堆積させて多孔質炭素層を形成させる方法において、該炭素粒子を分散媒体に導入し、該分散媒体中に沈降させて、該分散媒体中に配置された該基板上に該炭素粒子を堆積させ、ついで該分散媒体を除去し、該炭素粒子を堆積した該多孔質炭素層を乾燥させることを特徴とする多孔質炭素層の形成法、さらには炭素粒子の粒径が触媒層側に向かって順次小さく多孔質炭素層を、セパレータと触媒層の間のガス拡散層として備えてなる燃料電池を要旨とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、簡易な方法で効率よく基板上に炭素粒子を堆積させて、特に燃料電池のガス拡散層に用いた場合に触媒を有効利用でき、かつ燃料の拡散性を阻害しない多孔質炭素層を形成させる方法を提供しうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明の多孔質炭素層の形成法においては、該炭素粒子を分散媒体に導入し、該分散媒体中に沈降させて、該分散媒体中に配置された該基板上に該炭素粒子を堆積させ、ついで該分散媒体を除去し、該炭素粒子を堆積した該多孔質炭素層を乾燥させる。炭素粒子としては特に制限されず、通常ガス拡散層として用いられるものが使用されるが、ピッチ系炭素、メソカーボンマイクロビーズ系炭素、人造黒鉛または天然黒鉛等が好適である。形状は特に制限されず、球状、略球状、フレーク状等でありうる。さらに粒径は、通常１〜５００μｍ程度であるが、後述するように異なる粒径の炭素粒子の堆積を二回以上繰り返し、炭素粒子の粒径が段階的に異なるようにしうる。
【０００７】
上記の基板は液体透過性材料からなるのが好適であり、たとえば素焼き等の多孔質セラミックス、メッシュ状もしくは開孔された金属、多孔質ポリマー、カーボンペーパーまたはカーボンフェルト等が選ばれ、さらに好ましくは多孔質セラミックス、カーボンペーパーまたはカーボンフェルト等である。カーボンペーパーまたはカーボンフェルト等のガス拡散層として用いられうる材料を基板とする場合には、堆積させた炭素材を基板から脱離する必要はなく、一緒にガス拡散層として用いることができる。
【０００８】
本発明において用いられる分散媒体としては、好適には水性媒体および/またはアルコール類である。水性媒体は水もしくは蔗糖含有水であるのが好ましく、アルコール類としてはエチルアルコールが好適である。
【０００９】
本発明方法においては、上記の炭素粒子を分散媒体が充填された容器中に導入し、この分散媒体中に沈降させ、下方の基板に堆積させることにより行われる。この導入に際しては、炭素粒子が基板に一様に堆積するように、炭素粒子が分散媒体中でなるべく均一分散するようにするのが好ましい。この観点から、予め炭素粒子を分散媒体に分散させた炭素粒子/分散媒体混合物を別途調製し、ついでこの炭素粒子/分散媒体混合物を分散媒体に導入し、炭素粒子を基板に堆積するのが特に好適である。この場合、導入する炭素粒子/分散媒体混合物は導入される分散媒体よりも高い温度を有するのが好ましく、これにより上記の沈降を緩やかにしうる。この温度差は、通常１０℃以上、好ましくは２０〜５０℃程度であり、分散媒体、炭素粒子の種類等により適宜選定することにより、炭素粒子の沈降を調節しうる。また、この沈降の調節は分散媒体の密度を選定することによっても行いうる。
【００１０】
さらに、本発明の多孔質炭素層の形成法においては、基板上への上記炭素粒子の堆積は一回もしくは多数回で行うことができ、目的とする多孔質炭素層の厚さ、密度等により適宜選定しうる。また、炭素粒子の種類もしくは粒径を変えて二回以上繰り返し堆積させることにより、炭素粒子の粒径が段階的に異なるように構成しうる。たとえば、炭素粒子の粒径が順次小さくなるように行われる。
【００１１】
炭素材を堆積した後、分散媒体が液体透過性材料である基板より系外に通常下方より排出される。この排出に際しては、適宜吸引等によることができる。ついで得られた多孔質炭素層は空気乾燥等の常法により乾燥される。
【００１２】
このようにして得られた多孔質炭素層は、たとえば常法により燃料電池のセパレータと触媒層の間のガス拡散層として好適に用いられうる。好適には、炭素粒子の粒径が触媒層側に向かって順次小さく多孔質炭素層を、セパレータと触媒層の間のガス拡散層として備えてなる燃料電池として用いられる。すなわち、ガス拡散電極として、カーボンフェルト、カーボンペーパー等の触媒層側に上記の多孔質炭素層を炭素粒子の粒径が順次小さくして組合わせることにより、触媒を有効利用でき、かつ燃料の拡散性を最小限に抑えうる燃料電池を提供しうる。
【実施例】
【００１３】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例１
底部にセラミックフィルター基板を備えたろ過容器に、分散媒体としてエタノール１００ｍL（２０℃）を充填し、平均粒径５０μｍの炭素粒子１８０ｍｇを含む６０℃のエタノール５ｍLを添加した。さらに平均粒径１０μｍの炭素粒子１８０ｍｇを含む６０℃のエタノール５ｍLを添加した。そしてさらに、平均粒径１μｍの炭素粒子１８０ｍｇを含む６０℃のエタノール５ｍLを添加し、吸引ろ過を行い、基板より脱離させて多孔質炭素層を得た。これを室温で乾燥して、乾燥多孔質炭素層が得られた。得られた多孔質炭素層は厚さが約２００μｍであり、平均粒径５０、１０および１μｍの炭素粒子が順次堆積された構成を有していた。
実施例２
実施例1で得られた多孔質炭素層を用いてガス拡散層を作製した。すなわち、水素イオン伝導性高分子電解質膜（ぺルフルオロカーボンスルホン酸ポリマー）の両面に、白金担持導電性カーボンブラックを主成分とする触媒層を配置させた。そしてこの触媒層の外側に実施例１で得られた多孔質炭素層をガス拡散層として配置し、さらにその外側には片面にガス流路を備えたセパレータ（樹脂含浸黒鉛板）を設けて燃料電池単セルを構成させた。これを１方向に積層した後、両端にエンドプレートを設け締結部材で固定して燃料電池を構成し得る。
【産業上の利用可能性】
【００１４】
簡易な方法で効率よく基板上に炭素粒子を堆積させて、特に燃料電池のガス拡散層に用いた場合に触媒を有効利用でき、かつ燃料の拡散性を阻害しない多孔質炭素層を形成しうる。