JP2009064591A - Electrode for fuel cell, manufacturing method thereof, and membrane electrode assembly using the electrode - Google Patents

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紀彰 佐野
Koji Kusumura
幸治 楠村
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode for a fuel cell in which using efficiency of a catalyst metal is high, the catalyst metal can be supported firmly at a part where the catalyst metal is necessary, and which can be used stably for a long period. <P>SOLUTION: The electrode is constituted of a gas diffusion layer 12 composed of a conductive porous body 12a formed of carbon material, a web layer 14 which is composed of carbon nanotubes 14a that are directly synthesized on a surface of the gas diffusion layer 12, that makes the carbon nanotubes 14a randomly grow in the three-dimensional direction, and that is formed by mutually intertwining the carbon nanotubes 14, and the catalyst metal 16 for electrode reaction carried on the surface of the web layer 14. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、主として固体高分子形燃料電池用の電極として好適な燃料電池用電極とその製造方法、並びに当該電極を用いた膜電極接合体に関する。   The present invention mainly relates to a fuel cell electrode suitable as an electrode for a polymer electrolyte fuel cell, a method for producing the same, and a membrane electrode assembly using the electrode.

水素と酸素とを化学反応させて直接「電気」を発生させる燃料電池は、理論的に高効率発電が可能であり、発電時に窒素酸化物(NOX),硫化物(SOX)と云った有害物質や二酸化炭素(CO2)が発生しないこと等から、エネルギー問題や環境問題を解決し得るキーテクノロジーとして注目されている。 A fuel cell that directly generates “electricity” by chemically reacting hydrogen and oxygen is capable of theoretically high-efficiency power generation, and is said to be nitrogen oxide (NO x ) and sulfide (SO x ) during power generation. Since no harmful substances and carbon dioxide (CO 2 ) are generated, it is attracting attention as a key technology that can solve energy problems and environmental problems.

この燃料電池としてアルカリ形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形および固体高分子形など様々な種類のものが開発されているが、とりわけ固体高分子形燃料電池(以下、「PEFC」という。)は、上記特徴に加えて、電解質部分が固体であり移動しないので、電池本体を単純且つコンパクトにできると云った特徴を有する。又、溶融炭酸塩形や固体酸化物形の燃料電池に比べて極めて低い温度(具体的には80℃前後)で作動させることができる。このため、PEFCは燃料電池自動車用の電源や家庭用の熱電併給装置或いは携帯用の電源としての実用化が期待されている。   Various types of fuel cells such as alkaline type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type and solid polymer type have been developed, and in particular, a solid polymer type fuel cell (hereinafter referred to as “PEFC”). In addition to the above-mentioned features, the electrolyte portion is solid and does not move, so that the battery body can be made simple and compact. Further, it can be operated at an extremely low temperature (specifically, around 80 ° C.) as compared with a molten carbonate type or solid oxide type fuel cell. For this reason, PEFC is expected to be put to practical use as a power source for fuel cell vehicles, a combined heat and power supply device for home use, or a portable power source.

このPEFCは、上述のように極めて低い温度で動作させることができる反面、「電極反応」の反応速度が遅いと云う問題がある。しかしながら、かかる問題に関しては、白金などの貴金属からなる高価な触媒金属を使用することで解決が図られている。   Although the PEFC can be operated at a very low temperature as described above, there is a problem that the reaction rate of the “electrode reaction” is slow. However, this problem has been solved by using an expensive catalyst metal made of a noble metal such as platinum.

ここで、「電極反応」とは、水素をプロトンと電子とに分ける反応、或いはプロトンと酸素と電子から水を生成する反応を云うが、PEFCでは、この「電極反応」が、ガス,触媒金属,固体電解質が互いに触れ合う領域、すなわち「三相界面」でのみ起こる。したがって、「三相界面」の形成をいかに多くするかがPEFCの電気特性を向上させるための重要なポイントとなる。   Here, the “electrode reaction” refers to a reaction that separates hydrogen into protons and electrons, or a reaction that generates water from protons, oxygen, and electrons. In PEFC, this “electrode reaction” is a gas, a catalytic metal. , Occurs only in the area where the solid electrolytes touch each other, ie the “three-phase interface”. Therefore, how to increase the formation of the “three-phase interface” is an important point for improving the electrical characteristics of PEFC.

そこで、従来より、この「三相界面」を多く形成する技術として、図8に示すような膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly; MEA)が開発されている(例えば、特許文献1参照。)。   Therefore, a membrane electrode assembly (MEA) as shown in FIG. 8 has been developed as a technique for forming many “three-phase interfaces” (see, for example, Patent Document 1).

この膜電極接合体(1)は、電解質膜(3)の表裏両面に触媒層(5)を配置し、更にその外側にカーボンペーパー(又はカーボン布)からなるガス拡散層(7)を配置すると共に、これらを圧着して接合一体化したものであり、触媒層(5)が、ナノサイズの触媒金属(5a)[ 主として白金]を担持させたカーボンブラックなどの微小な炭素粒子(5b)で構成されている。このように触媒金属(5a)を比表面積の大きい微小な炭素粒子(5b)に担持させることによって、「三相界面」をより多く形成することができる。
特開2002−305000号公報
In this membrane electrode assembly (1), the catalyst layer (5) is arranged on both the front and back surfaces of the electrolyte membrane (3), and the gas diffusion layer (7) made of carbon paper (or carbon cloth) is further arranged on the outer side. The catalyst layer (5) is made of fine carbon particles (5b) such as carbon black carrying nano-sized catalyst metal (5a) [mainly platinum]. It is configured. Thus, by supporting the catalytic metal (5a) on the fine carbon particles (5b) having a large specific surface area, more “three-phase interfaces” can be formed.
JP 2002-305000 A

しかしながら、図8に示すように、膜電極接合体(1)において、「三相界面」が形成されるのは電解質膜(3)と触媒層(5)とが接触する界面領域(A)である。したがって、炭素粒子(5b)に担持されているものの、電解質膜(3)と触媒層(5)とが接触する領域(A)に存在しない触媒金属(5a)は、「三相界面」を形成することができず、電極反応に全く寄与しない。このため、図8に示すような従来の膜電極接合体(1)では、電極反応に全く寄与しない触媒金属(5a)が必然的に多く含まれることになり、触媒金属(5a)の使用効率を向上させるのが困難であると云う問題があった。   However, as shown in FIG. 8, in the membrane electrode assembly (1), the “three-phase interface” is formed in the interface region (A) where the electrolyte membrane (3) and the catalyst layer (5) are in contact with each other. is there. Therefore, the catalyst metal (5a) supported on the carbon particles (5b) but not present in the region (A) where the electrolyte membrane (3) and the catalyst layer (5) are in contact forms a “three-phase interface”. And cannot contribute to the electrode reaction at all. For this reason, the conventional membrane electrode assembly (1) as shown in FIG. 8 inevitably contains a large amount of catalyst metal (5a) that does not contribute to the electrode reaction at all, and the use efficiency of the catalyst metal (5a). There is a problem that it is difficult to improve the performance.

また、かかる膜電極接合体(1)では、「三相界面」の形成をより多くするためには、触媒金属(5a)を担持させた炭素粒子(5b)の量を増やさなければならないが、そうすると燃料や空気が触媒層(5)を通過する際の圧力損失が大きくなると云う問題があった。   Further, in the membrane electrode assembly (1), in order to increase the formation of the “three-phase interface”, it is necessary to increase the amount of the carbon particles (5b) supporting the catalyst metal (5a). In this case, there is a problem that the pressure loss when the fuel or air passes through the catalyst layer (5) increases.

加えて、このように炭素粒子(5b)で構成された触媒層(5)は、ガス拡散係数が小さく、電解質膜(3)の面に沿う方向での物質移動が乏しい。このため、電解質膜(3)の表面全体に均一且つ効率よく「三相界面」を形成して電極反応を生起させるのが困難であった。   In addition, the catalyst layer (5) composed of the carbon particles (5b) in this way has a small gas diffusion coefficient and poor mass transfer in the direction along the surface of the electrolyte membrane (3). For this reason, it has been difficult to form a “three-phase interface” uniformly and efficiently on the entire surface of the electrolyte membrane (3) to cause an electrode reaction.

さらに、かかる膜電極接合体(1)では、触媒層(5)を構成する炭素粒子(5b)と電解質膜(3)或いはガス拡散層(7)との結合が弱く、当該膜電極接合体(1)を用いたPEFCを燃料電池自動車に適用した場合、自動車運転時の振動などに起因して外部より与えられる応力によって触媒金属(5a)を担持する炭素粒子(5b)が触媒層(5)から離脱して様々なトラブルを生じさせる虞がある。   Further, in the membrane electrode assembly (1), the bond between the carbon particles (5b) constituting the catalyst layer (5) and the electrolyte membrane (3) or the gas diffusion layer (7) is weak, and the membrane electrode assembly ( When the PEFC using 1) is applied to a fuel cell vehicle, the carbon particles (5b) carrying the catalyst metal (5a) by the stress applied from the outside due to vibrations during driving of the vehicle are formed in the catalyst layer (5). There is a risk that it may leave and cause various troubles.

それゆえ、本発明の主たる課題は、触媒金属の使用効率が極めて高く、しかも触媒金属を必要な部分に強固に支持でき、長期間安定して使用することが可能な燃料電池用電極とその製造方法、並びに該電極を用いた膜電極接合体を提供することである。   Therefore, the main object of the present invention is to provide an electrode for a fuel cell, which has a very high use efficiency of the catalyst metal, and can firmly support the catalyst metal in a necessary part, and can be used stably for a long period of time. A method and a membrane electrode assembly using the electrode are provided.

請求項1に記載した発明は、「炭素材料で形成された導電性多孔質体(12a)からなるガス拡散層(12)と、ガス拡散層(12)の表面に直接合成したカーボンナノチューブ(14a)からなり、カーボンナノチューブ(14a)を三次元方向にランダムに成長させると共に、カーボンナノチューブ(14a)同士を互いに絡合させて形成したウェブ層(14)と、ウェブ層(14)の表面に担持させた電極反応用の触媒金属(16)とで構成されている」ことを特徴とする燃料電池用電極(10)である。   The invention described in claim 1 is directed to “a gas diffusion layer (12) made of a conductive porous body (12a) formed of a carbon material, and a carbon nanotube (14a synthesized directly on the surface of the gas diffusion layer (12)”. The carbon nanotubes (14a) are randomly grown in the three-dimensional direction, and the carbon nanotubes (14a) are entangled with each other, and the web layer (14) is supported on the surface of the web layer (14). The electrode for a fuel cell is characterized in that it comprises a catalyst metal (16) for electrode reaction.

この発明では、ガス拡散層(12)の表面にカーボンナノチューブ(14a)からなるウェブ層(14)を形成し、このウェブ層(14)の表面に電極反応用の触媒金属(16)を担持させているので、電極(10)に担持させた電極反応用の触媒金属(16)の大部分を「三相界面」の形成に寄与させることができる。   In this invention, a web layer (14) composed of carbon nanotubes (14a) is formed on the surface of the gas diffusion layer (12), and a catalyst metal (16) for electrode reaction is supported on the surface of the web layer (14). Thus, most of the electrode reaction catalyst metal (16) supported on the electrode (10) can contribute to the formation of the “three-phase interface”.

また、上記ウェブ層(14)は、三次元方向にランダムに成長させたカーボンナノチューブ(14a)を互いに絡合させることによって構成されており、その表面の比表面積が極めて大きく、又、燃料(水素)や空気がウェブ層(14)を通過する際の圧力損失が小さい。加えて、このように構成されたウェブ層(14)はガス拡散係数が大きく、ウェブ層(14)の表面に沿う方向での物質移動も活発になる。したがって、ウェブ層(14)の表面に担持させた触媒金属(16)と電解質膜(E)とを高い確率で接触させることができると共に、低空気送気速度でも電解質膜(E)と触媒(16)との界面に燃料や空気などのガスを供給でき、電解質膜(E)の表面全体に均一且つ効率よく「三相界面」を形成することができる。   The web layer (14) is formed by entanglement of carbon nanotubes (14a) that are randomly grown in a three-dimensional direction. The specific surface area of the surface is extremely large, and the fuel (hydrogen) ) Or air passing through the web layer (14), the pressure loss is small. In addition, the web layer (14) configured in this manner has a large gas diffusion coefficient, and mass transfer in the direction along the surface of the web layer (14) becomes active. Therefore, the catalyst metal (16) supported on the surface of the web layer (14) and the electrolyte membrane (E) can be brought into contact with high probability, and the electrolyte membrane (E) and the catalyst ( Gases such as fuel and air can be supplied to the interface with 16), and a “three-phase interface” can be formed uniformly and efficiently over the entire surface of the electrolyte membrane (E).

さらに、ウェブ層(14)を形成するカーボンナノチューブ(14a)は、ガス拡散層(12)を構成する導電性多孔質体(12a)の表面に直接合成されており、しかも、このカーボンナノチューブ(14a)が三次元方向にランダムに成長し、互いに絡合してウェブ層(14)が形成されているので、当該ウェブ層(14)に外部から応力が加わったとしても、カーボンナノチューブ(14a)が容易に破壊することがなく、カーボンナノチューブ(14a)及びこれに担持させた触媒金属(16)がウェブ層(14)から簡単に離脱する心配はない。   Further, the carbon nanotube (14a) forming the web layer (14) is directly synthesized on the surface of the conductive porous body (12a) constituting the gas diffusion layer (12), and the carbon nanotube (14a) ) Grows randomly in the three-dimensional direction and is entangled with each other to form the web layer (14) .Therefore, even if external stress is applied to the web layer (14), the carbon nanotubes (14a) The carbon nanotubes (14a) and the catalyst metal (16) supported on the carbon nanotubes (14a) are not easily broken, and there is no fear that the web layer (14) is easily detached.

ここで、請求項2に記載したように「電極反応用の触媒金属(16)がナノサイズの白金」である場合には、当該電極(10)を燃料電池の燃料極(アノード)及び空気極(カソード)の何れに使用した場合であっても優れた電極反応を生起させることができる。   Here, when “the catalytic metal for electrode reaction (16) is nano-sized platinum” as described in claim 2, the electrode (10) is connected to the fuel electrode (anode) and the air electrode of the fuel cell. Even if it is used for any of (cathodes), an excellent electrode reaction can be caused.

また、電極反応用の触媒金属(16)としてナノサイズの白金を用いる場合には、「ウェブ層(14)表面への白金の担持量が0.008mg/cm2以上で且つ0.03mg/cm2以下の範囲である」ようにすることが好ましい。白金の担持量が0.008mg/cm2未満の場合には、PEFCに使用した際、触媒層を白金担持炭素粒子で形成した従来の電極に比べて、触媒質量当たりの電力値は極めて高いものになるが、最大出力密度が低下するようになり、逆に、白金の担持量が0.03mg/cm2より多くなると、従来の電極に比べて、触媒質量当たりの電力値自体は高いものの、その低下割合が大きくなり、又、最大出力密度も頭打ちとなるからである。 Further, when nano-sized platinum is used as the catalyst metal (16) for electrode reaction, “the amount of platinum supported on the surface of the web layer (14) is 0.008 mg / cm 2 or more and 0.03 mg / cm 2. It is preferable to be within the range of 2 or less. When the supported amount of platinum is less than 0.008 mg / cm 2 , when used in PEFC, the power value per catalyst mass is extremely high compared to the conventional electrode in which the catalyst layer is formed of platinum-supported carbon particles. However, when the maximum power density is decreased and, on the contrary, when the supported amount of platinum is more than 0.03 mg / cm 2 , the power value per catalyst mass is higher than that of the conventional electrode, This is because the rate of decrease increases and the maximum power density reaches its peak.

請求項3に記載した発明は、請求項1又は2に記載の燃料電池用電極(10)の製造方法であって、「(a)炭素材料で形成された導電性多孔質体(12a)の表面にカーボンナノチューブ成長用の触媒金属をスパッタリングし、これを水素処理してカーボンナノチューブ成長用の触媒金属をナノサイズに粒状化させると共に活性化させるカーボンナノチューブ成長用触媒担持工程、(b)化学気相成長法を用いて導電性多孔質体(12a)の表面に直接カーボンナノチューブ(14a)を合成すると共に、カーボンナノチューブ(14a)同士が互いに絡合するようカーボンナノチューブ(14a)を三次元方向にランダムに成長させてウェブ層(14)を形成するウェブ層形成工程、及び(c)カーボンナノチューブ(14a)によって形成されたウェブ層(14)の表面に電極反応用の触媒金属(16)をスパッタリングする電極反応用触媒担持工程で構成されている」こと特徴とする燃料電池用電極(10)の製造方法である。   Invention of Claim 3 is a manufacturing method of the electrode (10) for fuel cells of Claim 1 or 2, Comprising: "(a) Conductive porous body (12a) formed of carbon material" A catalyst supporting step for carbon nanotube growth, in which a catalyst metal for carbon nanotube growth is sputtered on the surface, and the catalyst metal for carbon nanotube growth is granulated into nano-size and activated, and (b) chemical gas The carbon nanotubes (14a) are synthesized directly on the surface of the conductive porous body (12a) using the phase growth method, and the carbon nanotubes (14a) are arranged in a three-dimensional direction so that the carbon nanotubes (14a) are intertwined with each other. A web layer forming step of randomly growing the web layer (14), and (c) a catalyst metal for electrode reaction (16) on the surface of the web layer (14) formed by the carbon nanotubes (14a) It is a method for producing a fuel cell electrode (10), characterized in that it comprises an electrode reaction catalyst supporting step of sputtering.

この発明では、「カーボンナノチューブ成長用触媒担持工程」において、導電性多孔質体(12a)の表面にカーボンナノチューブ成長用の触媒金属をスパッタリングして担持させているので、触媒金属の酢酸塩を用いて担持させる従来の方法に比べて、効率的且つ簡便にカーボンナノチューブ成長用の触媒金属を導電性多孔質体(12a)の極表面に担持させることができる。   In this invention, in the “carbon nanotube growth catalyst supporting step”, the catalyst metal for carbon nanotube growth is sputtered and supported on the surface of the conductive porous body (12a). Compared to the conventional method of supporting the carbon nanotube, the catalyst metal for growing carbon nanotubes can be supported on the extreme surface of the conductive porous body (12a) efficiently and simply.

また、導電性多孔質体(12a)の表面に担持させたカーボンナノチューブ成長用の触媒金属を水素処理して当該触媒金属をナノサイズに粒状化させると共に活性化させているので、続く「ウェブ層形成工程」では、いわゆるcrowding効果が抑制され、個々のカーボンナノチューブ(14a)が単独に合成されると共に、カーボンナノチューブ(14a)同士が互いに絡合するように三次元方向にランダムに成長してウェブ層(14)が形成される。   In addition, since the catalyst metal for carbon nanotube growth supported on the surface of the conductive porous body (12a) is treated with hydrogen to granulate the catalyst metal into nano-size and activate it, the following “web layer In the `` formation process '', the so-called crowding effect is suppressed, the individual carbon nanotubes (14a) are synthesized independently, and the carbon nanotubes (14a) are randomly grown in a three-dimensional direction so that the carbon nanotubes (14a) are intertwined with each other. A layer (14) is formed.

ここで、「水素処理」とは、不活性雰囲気の高温条件下で、水素を用いて導電性多孔質体(12a)の表面に担持させたカーボンナノチューブ成長用触媒金属を還元する処理を云う。   Here, “hydrogen treatment” refers to a treatment for reducing the catalyst metal for carbon nanotube growth supported on the surface of the conductive porous body (12a) using hydrogen under a high temperature condition in an inert atmosphere.

そして、「電極反応用触媒担持工程」では、カーボンナノチューブ(14a)によって形成されたウェブ層(14)の表面に電極反応用の触媒金属(16)をスパッタリングして担持させているので、スパッタリングターゲットに対面するウェブ層(14)の極表面にのみ電極反応用の触媒金属(16)をナノサイズにて担持させることができる。   In the “electrode reaction catalyst supporting step”, the electrode reaction catalyst metal (16) is sputtered and supported on the surface of the web layer (14) formed by the carbon nanotubes (14a). The catalytic metal (16) for electrode reaction can be supported in nano size only on the extreme surface of the web layer (14) facing the substrate.

請求項4に記載した発明は、「電解質膜(E)と、電解質膜(E)の表裏両面に、電極反応用の触媒金属(16)が当接するようにして接合一体化された一対の請求項1又は2に記載の燃料電池用電極(10)とで構成されている」ことを特徴とする膜電極接合体(M)で、このように燃料電池用電極(10)と電解質膜(E)とを接合一体化して1つのユニットとすることにより、ハンドリングや燃料電池への組み付けを容易にすることができる。   The invention described in claim 4 is “a pair of claims in which the electrolyte membrane (E) and the catalyst metal (16) for electrode reaction are in contact with each other on both the front and back surfaces of the electrolyte membrane (E). It is composed of the fuel cell electrode (10) according to Item 1 or 2 ”, and thus the fuel cell electrode (10) and the electrolyte membrane (E ) To form a single unit, handling and assembly to the fuel cell can be facilitated.

請求項1、2又は4に記載の発明によれば、燃料電池用電極に担持させた電極反応用の触媒金属と電解質膜とを高い確率で接触させることができ、電極反応用の触媒金属の大部分を「三相界面」の形成に寄与させることができる。   According to the invention described in claim 1, 2 or 4, the electrode reaction catalyst metal supported on the fuel cell electrode and the electrolyte membrane can be brought into contact with high probability, and the electrode reaction catalyst metal The majority can contribute to the formation of a “three-phase interface”.

また、ウェブ層に外部から応力が加わったとしても、ウェブ層を形成するカーボンナノチューブが離脱するのを防止でき、ウェブ層の表面に担持させた電極反応用の触媒金属が移動するのを防止することができる。   Further, even when stress is applied to the web layer from the outside, the carbon nanotubes forming the web layer can be prevented from detaching, and the electrode reaction catalyst metal carried on the surface of the web layer can be prevented from moving. be able to.

請求項3に記載の発明によれば、ガス拡散層を構成する導電性多孔質体の表面に、カーボンナノチューブからなるウェブ層を効率的且つ簡便に形成することができると共に、ウェブ層の極表面にのみ電極反応用の触媒金属を担持させることができる。   According to the invention of claim 3, the web layer made of carbon nanotubes can be efficiently and easily formed on the surface of the conductive porous body constituting the gas diffusion layer, and the extreme surface of the web layer Only the catalyst metal for electrode reaction can be supported.

したがって、触媒金属の使用効率が極めて高く、しかも触媒金属を必要な部分に強固に支持でき、長期間安定して使用することが可能な燃料電池用電極とその製造方法、並びに該電極を用いた膜電極接合体を提供することができる。   Therefore, the use efficiency of the catalyst metal is extremely high, and the catalyst metal can be firmly supported on a necessary portion, and can be used stably for a long period of time. A membrane electrode assembly can be provided.

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.

図1は、本発明の燃料電池用電極(10)を用いたPEFC用の膜電極接合体(M)の要部を示す模式図である。本発明の一実施例の膜電極接合体(M)は、燃料電池の単セルを形成する部材であり、電解質膜(E)とこれを挟持する一対の燃料電池用電極(10)とで構成されている。   FIG. 1 is a schematic view showing a main part of a membrane electrode assembly (M) for PEFC using a fuel cell electrode (10) of the present invention. A membrane electrode assembly (M) according to an embodiment of the present invention is a member that forms a single cell of a fuel cell, and includes an electrolyte membrane (E) and a pair of fuel cell electrodes (10) sandwiching the electrolyte membrane (E). Has been.

電解質膜(E)
電解質膜(E)は、電気絶縁性を有し、燃料として供給された水素から電子をはぎ取った際に生じる水素イオン(プロトン)のみを通過させる陽イオン伝導膜(固体電解質)である。現在、PEFCに用いられる電解質膜(E)としては、スルホン酸フルオロポリマー(フルオロエチレン)を用いたものが主流であり、かかる材料のなかで最もよく知られているものは、デュポン社製のナフィオン(登録商標)膜である。なお、本発明の膜電極接合体(M)に用いる電解質膜(E)は、スルホン酸フロオロポリマーを用いたものに限定されるのでなく、電気絶縁性及びプロトン伝導性を有するものであれば如何なるものであってもよい。
Electrolyte membrane (E)
The electrolyte membrane (E) is a cation conductive membrane (solid electrolyte) that has electrical insulation properties and allows only hydrogen ions (protons) generated when electrons are stripped from hydrogen supplied as a fuel. Currently, the electrolyte membrane (E) used in PEFC is mainly made of sulfonic acid fluoropolymer (fluoroethylene), and the most well-known of these materials is Nafion manufactured by DuPont. (Registered trademark) film. Note that the electrolyte membrane (E) used in the membrane electrode assembly (M) of the present invention is not limited to one using a sulfonic fluoropolymer, as long as it has electrical insulation and proton conductivity. It can be anything.

燃料電池用電極(10)
燃料電池用電極(10)は、単セルにおける燃料極(アノード)及び/又は空気極(カソード)を構成する部材であり、図1に示すように、ガス拡散層(12),ウェブ層(14)及び電極反応用の触媒金属(16)で構成されている。
Fuel Cell Electrode (10)
The fuel cell electrode (10) is a member constituting a fuel electrode (anode) and / or an air electrode (cathode) in a single cell, and as shown in FIG. 1, a gas diffusion layer (12), a web layer (14) ) And catalytic metal (16) for electrode reaction.

ガス拡散層(12)は、燃料電池用電極(10)の骨格を形成し、単セルに供給された燃料(水素)や空気を拡散させてウェブ層(14)表面全体に担持させた触媒金属(16)に与えると共に、電極反応によって生成した水を排出し、又、後述するセパレータなどの集電体と電気的に結合するためのものであり、炭素材料で形成された厚さ100〜300μm程度の導電性多孔質体(12a)によって構成されている。   The gas diffusion layer (12) forms the skeleton of the fuel cell electrode (10), and diffuses the fuel (hydrogen) and air supplied to the single cell to support the entire surface of the web layer (14). (16) for discharging water generated by the electrode reaction, and for electrically coupling with a collector such as a separator described later, and having a thickness of 100 to 300 μm formed of a carbon material. It is constituted by a conductive porous body (12a) having a degree.

このガス拡散層(12)を構成する導電性多孔質体(12a)としては、炭素繊維紙や炭素繊維布など、炭素繊維によって構成された布帛を挙げることができる。このうち、ガス拡散性やシートの剛性と云った物理的性質およびコスト等を勘案すると、炭素繊維(特に短繊維)をバインダーで接合して形成した炭素繊維紙を用いるのが好ましい。   Examples of the conductive porous body (12a) that constitutes the gas diffusion layer (12) include cloths composed of carbon fibers such as carbon fiber paper and carbon fiber cloths. Among these, in consideration of physical properties such as gas diffusibility and sheet rigidity and cost, it is preferable to use carbon fiber paper formed by bonding carbon fibers (particularly short fibers) with a binder.

ウェブ層(14)は、ガス拡散層(12)の表面に直接合成したカーボンナノチューブ(14a)からなり、当該カーボンナノチューブ(14a)を三次元方向にランダムに成長させると共に、カーボンナノチューブ(14a)同士を互いに絡合させて形成した層である。このウェブ層(14)は、後述する電極反応用の触媒金属(16)を担持する担体となるものである。   The web layer (14) is composed of carbon nanotubes (14a) synthesized directly on the surface of the gas diffusion layer (12), the carbon nanotubes (14a) are randomly grown in a three-dimensional direction, and the carbon nanotubes (14a) are Is a layer formed by entangled with each other. This web layer (14) serves as a carrier for supporting a catalyst metal (16) for electrode reaction described later.

ここで、ウェブ層(14)を形成するカーボンナノチューブ(14a)は、1枚のグラフェンシートが円筒状に丸まってできる、その名のとおり炭素からなるナノサイズの直径を持つチューブ状の物質である。このカーボンナノチューブ(14a)は、直径がナノサイズであるのに対してその長さは数μmから数十μmという非常に高いアスペクト比を有する。したがって、このようなカーボンナノチューブ(14a)で形成されたウェブ層(14)は、表面の比表面積が極めて大きなものとなる。又、燃料(水素)や空気がウェブ層(14)を通過する際の圧力損失が極めて小さくなることに加え、このように構成されたウェブ層(14)ではガス拡散係数が大きく、ウェブ層(14)の表面に沿う方向での物質移動が活発になる。   Here, the carbon nanotube (14a) forming the web layer (14) is a tube-shaped substance having a nano-sized diameter made of carbon, as the name suggests, in which one graphene sheet is rounded into a cylindrical shape. . The carbon nanotube (14a) has a very high aspect ratio of several μm to several tens of μm while its diameter is nano-sized. Accordingly, the web layer (14) formed of such carbon nanotubes (14a) has a very large specific surface area. Further, in addition to extremely small pressure loss when fuel (hydrogen) or air passes through the web layer (14), the web layer (14) constructed in this way has a large gas diffusion coefficient, and the web layer ( 14) Mass transfer in the direction along the surface becomes active.

また、カーボンナノチューブ(14a)は、電気伝導性に優れ、化学的に安定で且つ不活性であり、疎水性を示すことなどから、電極反応用の触媒金属(16)の担体として極めて優れた材料である。   The carbon nanotube (14a) is an excellent material as a carrier for the catalytic metal (16) for electrode reaction because it has excellent electrical conductivity, is chemically stable and inert, and exhibits hydrophobicity. It is.

さらに、このカーボンナノチューブ(14a)は、6員環ネットワークが丸まることによってシームレスに閉じた構造をしているので、炭素原子間共有結合の強さをそのまま生かすことができ、力学的に非常に高い比強度と剛性とを有している。また、曲げ変形に対しても非常に強く、原子間力顕微鏡(AFM)を用いた実験では大きな曲げに対してもほとんど欠陥が生じることなく復元し、弾性変形することも知られている。したがって、このようなカーボンナノチューブ(14a)を導電性多孔質体(12a)の表面に直接合成し、三次元方向にランダムに成長させると共に、これらを互いに絡合させて形成したウェブ層(14)では、外部から応力が加わったとしても、カーボンナノチューブ(14a)が容易に破壊することはなく、又、ウェブ層(14)から簡単に離脱する心配もない。   Furthermore, this carbon nanotube (14a) has a seamless closed structure by rounding the six-membered ring network, so it can take advantage of the strength of the covalent bond between carbon atoms as it is, and it is very high mechanically. It has specific strength and rigidity. It is also very strong against bending deformation, and it is also known that in an experiment using an atomic force microscope (AFM), even a large bending is restored with little defect and elastically deformed. Therefore, such a carbon nanotube (14a) is directly synthesized on the surface of the conductive porous body (12a) and randomly grown in the three-dimensional direction, and the web layer (14) formed by entanglement with each other. Then, even if stress is applied from the outside, the carbon nanotubes (14a) are not easily broken, and there is no fear that they are easily detached from the web layer (14).

電極反応用の触媒金属(16)は、上述した電極反応を低温でも可能とするために用いられる触媒である。この電極反応用の触媒金属(16)として、白金やルテニウムなどの貴金属単体あるいはこれらの合金を挙げることができる。現在のところ、燃料極(アノード)及び空気極(カソード)の何れに使用した場合であっても優れた電極反応を生起させることができる触媒金属(16)は、白金およびその合金である。   The catalyst metal (16) for electrode reaction is a catalyst used to enable the electrode reaction described above even at a low temperature. Examples of the catalyst metal for the electrode reaction (16) include noble metals such as platinum and ruthenium, or alloys thereof. At present, platinum and its alloys are the catalytic metals (16) that can cause an excellent electrode reaction regardless of whether they are used for the fuel electrode (anode) or the air electrode (cathode).

ここで、この触媒金属(16)は、触媒機能を効率よく発揮できるようにするため、ナノサイズ(例えば1〜10nm前後)に微粒子化させた状態でウェブ層(14)の極表面のみに担持させている(図1参照)。   Here, the catalyst metal (16) is supported only on the extreme surface of the web layer (14) in a state of being finely divided into nano-size (for example, around 1 to 10 nm) so that the catalytic function can be efficiently exhibited. (See FIG. 1).

また、触媒金属(16)としてナノサイズの白金を用いる場合、ウェブ層(14)表面への白金の担持量が0.008mg/cm2以上で且つ0.03mg/cm2以下の範囲であるようにすることが好ましい。白金の担持量が0.008mg/cm2未満の場合には、PEFCに使用した際、触媒層を白金担持炭素粒子で形成した従来の電極に比べて、触媒質量当たりの電力値は極めて高いものになるが、最大出力密度が低下するようになり、逆に、白金の担持量が0.03mg/cm2より多くなると、従来の電極に比べて、触媒質量当たりの電力値自体は高いものの、その低下割合が大きくなり、又、最大出力密度も頭打ちとなるからである(詳しくは後述する)。 In the case of using a platinum nano-sized as the catalytic metal (16), so that the supported amount of platinum in the web layer (14) surface is and 0.03 mg / cm 2 or less in the range 0.008 mg / cm 2 or more It is preferable to make it. When the supported amount of platinum is less than 0.008 mg / cm 2 , when used in PEFC, the power value per catalyst mass is extremely high compared to the conventional electrode in which the catalyst layer is formed of platinum-supported carbon particles. However, when the maximum power density is decreased and, on the contrary, when the supported amount of platinum is more than 0.03 mg / cm 2 , the power value per catalyst mass is higher than that of the conventional electrode, This is because the rate of reduction increases and the maximum power density reaches its peak (details will be described later).

以上のように構成された燃料電池用電極(10)によれば、ガス拡散層(12)の表面にカーボンナノチューブ(14a)からなるウェブ層(14)を形成し、このウェブ層(14)の表面に電極反応用の触媒金属(16)を担持させている、つまり、図1に示すように、電解質膜(M)とウェブ層(14)とが接触する領域(A)にのみ電極反応用の触媒金属(16)を配置させているので、電極(10)に担持させた電極反応用の触媒金属(16)の大部分を「三相界面」の形成に寄与させることができる。   According to the fuel cell electrode (10) configured as described above, the web layer (14) made of carbon nanotubes (14a) is formed on the surface of the gas diffusion layer (12), and the web layer (14) The catalyst metal (16) for electrode reaction is supported on the surface, that is, as shown in FIG. 1, only for the region (A) where the electrolyte membrane (M) and the web layer (14) are in contact with each other. Since the catalyst metal (16) is arranged, most of the electrode reaction catalyst metal (16) supported on the electrode (10) can contribute to the formation of the “three-phase interface”.

また、上記ウェブ層(14)は、三次元方向にランダムに成長させたカーボンナノチューブ(14a)を互いに絡合させることによって構成されており、その表面の比表面積が極めて大きく、又、燃料や空気がウェブ層(14)を通過する際の圧力損失が小さい。加えて、このように構成されたウェブ層(14)はガス拡散係数が大きく、ウェブ層(14)の表面に沿う方向での物質移動も活発になる。したがって、ウェブ層(14)の表面に担持させた触媒金属(16)と電解質膜(E)とを高い確率で接触させることができると共に、低空気送気速度でも電解質膜(E)と触媒(16)との界面に燃料(水素)や空気などのガスを供給でき、電解質膜(E)の表面全体に均一且つ効率よく「三相界面」を形成することができる。   Further, the web layer (14) is constituted by entanglement of carbon nanotubes (14a) randomly grown in a three-dimensional direction, the specific surface area of the surface thereof is extremely large, and fuel and air Pressure drop when passing through the web layer (14) is small. In addition, the web layer (14) configured in this manner has a large gas diffusion coefficient, and mass transfer in a direction along the surface of the web layer (14) becomes active. Therefore, the catalyst metal (16) supported on the surface of the web layer (14) and the electrolyte membrane (E) can be brought into contact with high probability, and the electrolyte membrane (E) and the catalyst ( A gas such as fuel (hydrogen) or air can be supplied to the interface with 16), and a “three-phase interface” can be formed uniformly and efficiently on the entire surface of the electrolyte membrane (E).

さらに、ウェブ層(14)を形成するカーボンナノチューブ(14a)は、ガス拡散層(12)を構成する導電性多孔質体(12a)の表面に直接合成されており、しかも、このカーボンナノチューブ(14a)が三次元方向にランダムに成長し、互いに絡合してウェブ層(14)が形成されているので、当該ウェブ層(14)に外部から応力が加わったとしても、カーボンナノチューブ(14a)が容易に破壊することはなく、カーボンナノチューブ(14a)及びこれに担持させた触媒金属(16)がウェブ層(14)から簡単に離脱する心配はない。   Further, the carbon nanotube (14a) forming the web layer (14) is directly synthesized on the surface of the conductive porous body (12a) constituting the gas diffusion layer (12), and the carbon nanotube (14a) ) Grows randomly in the three-dimensional direction and is entangled with each other to form the web layer (14) .Therefore, even if external stress is applied to the web layer (14), the carbon nanotubes (14a) The carbon nanotube (14a) and the catalyst metal (16) supported on the carbon nanotube (14a) are not easily broken, and there is no fear that the web layer (14) is easily detached.

燃料電池用電極(10)の製造方法
本発明の燃料電池用電極(10)を製造する際には、「カーボンナノチューブ成長用触媒担持工程」,「ウェブ層形成工程」及び「電極反応用触媒担持工程」がこの順に実行される。
Manufacturing Method of Fuel Cell Electrode (10) When the fuel cell electrode (10) of the present invention is manufactured, the "carbon nanotube growth catalyst supporting step", the "web layer forming step" and the "electrode reaction catalyst supporting step""Process" is performed in this order.

「カーボンナノチューブ成長用触媒担持工程」は、炭素材料で形成された導電性多孔質体(12a)の表面に、鉄(Fe),ニッケル(Ni),コバルト(Co)などのカーボンナノチューブ成長用の触媒金属を単体で、或いはこれらに助触媒としてモリブデン(Mo)などを加えたものをスパッタリングした後、これを水素処理して導電性多孔質体(12a)の表面に担持させたカーボンナノチューブ成長用の触媒金属をナノサイズに粒状化させると共に活性化させる工程である。   The “carbon nanotube growth catalyst supporting step” is for growing carbon nanotubes such as iron (Fe), nickel (Ni), and cobalt (Co) on the surface of the conductive porous body (12a) formed of a carbon material. For growth of carbon nanotubes by sputtering a catalyst metal alone or by adding molybdenum (Mo) or the like as a co-catalyst to the catalyst metal, and then supporting it on the surface of the conductive porous body (12a) The catalyst metal is granulated into nanosize and activated.

ここで、スパッタリングとは、真空チャンバー内に薄膜としてつけたい金属をターゲットとして設置し、このターゲットに高電圧をかけてイオン化させたアルゴンなどの希ガス元素(すなわち、プラズマ)を衝突させて、はじき飛ばされたターゲット表面の原子をターゲットに対面する基板の表面に堆積させて薄膜を形成する成膜方法である。このスパッタリングには、2極,高周波プラズマ,マグネトロン,イオンビームなど様々な方式のものがあり、何れの方式も本発明の「カーボンナノチューブ成長用触媒担持工程」に使用可能であるが、このうち、プラズマ内に磁界をつくることにより、プラズマ内のイオンを増やしスパッタリングの速度を向上させることが可能なマグネトロン・スパッタリングを用いるのが好適である。   Here, sputtering means that a metal desired to be deposited as a thin film in a vacuum chamber is set as a target, and a high-voltage ionized rare gas element such as argon (i.e., plasma) is collided to be repelled. In this film forming method, atoms on the target surface are deposited on the surface of the substrate facing the target to form a thin film. There are various types of sputtering such as bipolar, high-frequency plasma, magnetron, ion beam, and any method can be used for the “catalyst supporting step for carbon nanotube growth” of the present invention. It is preferable to use magnetron sputtering which can increase the number of ions in the plasma and improve the sputtering speed by creating a magnetic field in the plasma.

このようにカーボンナノチューブ成長用の触媒金属をスパッタリングすることによって、スパッタリングターゲットに対面する導電性多孔質体(12a)の極表面のみにカーボンナノチューブ成長用の触媒金属を担持させることができる。   Thus, by sputtering the catalyst metal for growing carbon nanotubes, the catalyst metal for growing carbon nanotubes can be supported only on the extreme surface of the conductive porous body (12a) facing the sputtering target.

そして、表面にカーボンナノチューブ成長用触媒金属を担持させた導電性多孔質体(12a)は、図2に示すようなCVD装置(18)にセットされ、水素処理が行われる。このCVD装置(18)は、続く「ウェブ層形成工程」を実行する装置であり、大略、石英ガラス管からなる耐熱性の反応器(20)と、この反応器(20)を加熱する電気炉(22)と、電気炉(22)の温度を制御する温度制御手段(24)とで構成されている。また、反応器(20)の両端は、シリコン栓などで密閉されると共に、一端にアルゴン(Ar)ガス供給源(26),水素(H2)ガス供給源(28)及びエチレン(C24)ガス供給源(30)が接続され、他端に反応ガスの排出口が設けられる。 Then, the conductive porous body (12a) carrying the carbon nanotube growth catalyst metal on the surface is set in a CVD apparatus (18) as shown in FIG. 2 and subjected to hydrogen treatment. This CVD apparatus (18) is an apparatus for performing the subsequent “web layer forming step”, and is generally a heat-resistant reactor (20) made of a quartz glass tube, and an electric furnace for heating the reactor (20). (22) and temperature control means (24) for controlling the temperature of the electric furnace (22). Further, both ends of the reactor (20) are sealed with a silicon stopper or the like, and at one end, an argon (Ar) gas supply source (26), a hydrogen (H 2 ) gas supply source (28), and ethylene (C 2 H). 4 ) A gas supply source (30) is connected, and a reaction gas discharge port is provided at the other end.

かかるCVD装置(18)を用いて水素処理を行う際には、まず始めに、反応器(20)内にArガスなどを導入してパージし、反応器(20)内の空気を完全に追い出す。そして、パージ終了後、反応器(20)内にArガス及びH2ガスを所定の流量流しならが、電気炉(22)を設定温度(すなわち還元温度)まで昇温させ、一定時間保持する。 When performing hydrogen treatment using such a CVD apparatus (18), first, Ar gas or the like is introduced into the reactor (20) and purged to completely expel the air in the reactor (20). . Then, after completion of the purge, Ar gas and H 2 gas are allowed to flow into the reactor (20) at a predetermined flow rate, but the electric furnace (22) is heated to a set temperature (that is, a reduction temperature) and held for a certain time.

ここで、水素処理を行う際の還元温度は、導電性多孔質体(12a)として炭素繊維紙(カーボンペーパー)を用いた場合、概ね550℃程度に設定するのが好ましい。水素処理は高温で長時間(例えば1〜2時間程度)保持して行われるため、仮に還元温度を750℃程度の高温にすると、炭素繊維同士を結合するバインダーが徐々に分解(劣化)し、導電性多孔質体(12a)を構成する炭素繊維紙の機械的強度が低下するようになるからである。又、還元温度を550℃程度とすることにより、カーボンナノチューブ成長用触媒金属の粒子の融合による肥大化が抑制され、カーボンナノチューブの直径を小さくできると共に、その合成密度を大きくすることができるからである。   Here, when the carbon fiber paper (carbon paper) is used as the conductive porous body (12a), the reduction temperature at the time of performing the hydrogen treatment is preferably set to about 550 ° C. Since the hydrogen treatment is performed at a high temperature for a long time (for example, about 1 to 2 hours), if the reduction temperature is set to a high temperature of about 750 ° C., the binder that bonds the carbon fibers gradually decomposes (deteriorates), This is because the mechanical strength of the carbon fiber paper constituting the conductive porous body (12a) is lowered. Further, by setting the reduction temperature to about 550 ° C., the enlargement due to the coalescence of the carbon nanotube growth catalyst metal particles can be suppressed, the diameter of the carbon nanotube can be reduced, and the synthesis density can be increased. is there.

以上のような「カーボンナノチューブ成長用触媒担持工程」が完了すると、続く「ウェブ層形成工程」が実行される。   When the “carbon nanotube growth catalyst supporting step” as described above is completed, the subsequent “web layer forming step” is executed.

「ウェブ層形成工程」は、化学気相成長(CVD)法を用いて導電性多孔質体(12a)の表面に直接カーボンナノチューブ(14a)を合成すると共に、カーボンナノチューブ(14a)同士が互いに絡合するようカーボンナノチューブ(14a)を三次元方向にランダムに成長させてウェブ層(14)を形成する工程である。   In the `` web layer forming step '', carbon nanotubes (14a) are synthesized directly on the surface of the conductive porous body (12a) using chemical vapor deposition (CVD), and the carbon nanotubes (14a) are entangled with each other. In this step, the carbon nanotubes (14a) are randomly grown in the three-dimensional direction to form the web layer (14).

具体的には、上述の水素処理が終了した後、反応器(20)内にArガス及びH2ガスを所定の流量流しなら電気炉(22)を750℃まで昇温させる。続いて、電気炉(22)が750℃に達した後、反応器(20)内に炭素源(反応ガス)としてC24ガスを所定流量導入する。なお、カーボンナノチューブ成長用触媒金属の活性を維持するため、H2ガスは引き続き導入している。すると、導電性多孔質体(12a)の表面に直接カーボンナノチューブ(14a)が合成される。このカーボンナノチューブ(14a)は、多層ナノチューブ(MWCNT)であり、上述のような水素処理を行うことによって、いわゆるcrowding効果が抑制され、カーボンナノチューブ(14a)同士が互いに絡合するよう三次元方向にランダムに成長し、導電性多孔質体(12a)やCVD装置(18)の大きさ或いはCVDの際のガス濃度や温度等にもよるが、C24ガス導入開始から概ね数分から1時間程度でウェブ層(14)が形成される。 Specifically, after the above-described hydrogen treatment is completed, the electric furnace (22) is heated to 750 ° C. if Ar gas and H 2 gas are allowed to flow into the reactor (20) at a predetermined flow rate. Subsequently, after the electric furnace (22) reaches 750 ° C., a predetermined flow rate of C 2 H 4 gas is introduced into the reactor (20) as a carbon source (reactive gas). In order to maintain the activity of the catalytic metal for carbon nanotube growth, H 2 gas is continuously introduced. Then, the carbon nanotube (14a) is synthesized directly on the surface of the conductive porous body (12a). The carbon nanotubes (14a) are multi-walled nanotubes (MWCNTs). By performing the hydrogen treatment as described above, the so-called crowding effect is suppressed, and the carbon nanotubes (14a) are entangled with each other in a three-dimensional direction. It grows at random, depending on the size of the conductive porous body (12a) and the CVD apparatus (18), or the gas concentration and temperature during the CVD, but it usually takes several minutes to 1 hour from the start of the introduction of the C 2 H 4 gas. The web layer (14) is formed to the extent.

ここで、個々のカーボンナノチューブ(14a)を十分に成長させ、多くの交絡点で当該カーボンナノチューブ(14a)同士を絡合させて機械的強度に優れたウェブ層(14)を成形するためには、CVDの反応時間を長くするのみならず、カーボンナノチューブ成長用触媒金属が失活するのを防止する必要がある。そこで、この「ウェブ層形成工程」では、反応器(20)内に、C24ガス等の反応ガスと共に水蒸気やアルコールを導入するのが好ましい。このように反応器(20)内に水蒸気やアルコールを導入することにより、カーボンナノチューブ成長用触媒金属の表面に蓄積するアモルファスカーボンを酸化除去して当該触媒金属が失活するのを防止することができ、カーボンナノチューブ(14a)を十分に成長させることができるからである。 Here, in order to sufficiently grow individual carbon nanotubes (14a) and to entangle the carbon nanotubes (14a) at many entanglement points to form a web layer (14) having excellent mechanical strength. In addition to lengthening the CVD reaction time, it is necessary to prevent the catalyst metal for carbon nanotube growth from being deactivated. Therefore, in this “web layer forming step”, it is preferable to introduce water vapor or alcohol into the reactor (20) together with a reaction gas such as C 2 H 4 gas. Thus, by introducing water vapor or alcohol into the reactor (20), it is possible to prevent amorphous carbon accumulated on the surface of the carbon nanotube growth catalyst metal from being oxidized and prevent the catalyst metal from being deactivated. This is because the carbon nanotube (14a) can be sufficiently grown.

そして、CVD反応終了後、反応器(20)内へのC24ガスおよびH2ガスの導入を止め、Arガスのみ流し、室温まで温度を下げることによって、図3に示すようなウェブ層(14)が完成する。 Then, after the CVD reaction is completed, the introduction of C 2 H 4 gas and H 2 gas into the reactor (20) is stopped, only Ar gas is allowed to flow, and the temperature is lowered to room temperature, whereby a web layer as shown in FIG. (14) is completed.

なお、上述の例では、炭素源(反応ガス)としてエチレン(C24)を用いる場合を示したが、炭素源はこれに限定されるものではなく、例えば、メタン(CH4),アセチレン(C22),一酸化炭素(CO)及びエタノール(CH3CH2OH)などを用いることもできる。 In the above example, ethylene (C 2 H 4 ) is used as the carbon source (reaction gas). However, the carbon source is not limited to this, for example, methane (CH 4 ), acetylene. (C 2 H 2 ), carbon monoxide (CO), ethanol (CH 3 CH 2 OH), and the like can also be used.

以上のような「ウェブ層形成工程」が完了すると、続く「電極反応用触媒担持工程」が実行される。   When the “web layer forming step” as described above is completed, the subsequent “electrode reaction catalyst supporting step” is executed.

「電極反応用触媒担持工程」は、カーボンナノチューブ(14a)によって形成されたウェブ層(14)の表面に電極反応用の触媒金属(16)をスパッタリングする工程である。   The “electrode reaction catalyst supporting step” is a step of sputtering the electrode reaction catalyst metal (16) on the surface of the web layer (14) formed of the carbon nanotubes (14a).

ここで、ウェブ層(14)の表面に電極反応用の触媒金属(16)をスパッタリングする方法としては、上述の「カーボンナノチューブ成長用触媒担持工程」と同様に、2極,高周波プラズマ,マグネトロン,イオンビームなど様々な方式のものを使用できるが、プラズマ内に磁界をつくることにより、プラズマ内のイオンを増やしスパッタリングの速度を向上させることが可能なマグネトロン・スパッタリングを用いるのが好適である。   Here, as a method of sputtering the electrode reaction catalyst metal (16) on the surface of the web layer (14), as in the above-described “carbon nanotube growth catalyst supporting step”, bipolar, high-frequency plasma, magnetron, Various types such as an ion beam can be used, but it is preferable to use magnetron sputtering that can increase the number of ions in the plasma and improve the sputtering speed by creating a magnetic field in the plasma.

このように電極反応用の触媒金属(16)をスパッタリングすることによって、スパッタリングターゲットに対面するウェブ層(14)の極表面にのみ電極反応用の触媒金属(16)をナノサイズにて担持させることができる。   By sputtering the electrode reaction catalyst metal (16) in this way, the electrode reaction catalyst metal (16) is supported in nano size only on the extreme surface of the web layer (14) facing the sputtering target. Can do.

以上のような各工程で構成された燃料電池用電極(10)の製造方法によれば、「カーボンナノチューブ成長用触媒担持工程」において、導電性多孔質体(12a)の表面にカーボンナノチューブ成長用の触媒金属をスパッタリングして担持させているので、触媒金属の酢酸塩を用いて担持させる従来の方法に比べて、効率的且つ簡便にカーボンナノチューブ成長用の触媒金属を導電性多孔質体(12a)の極表面に担持させることができる。   According to the manufacturing method of the fuel cell electrode (10) configured in each step as described above, in the “carbon nanotube growth catalyst supporting step”, the surface of the conductive porous body (12a) is used for carbon nanotube growth. Therefore, the catalyst metal for growing carbon nanotubes is more efficiently and simply compared to the conventional method in which the catalyst metal is supported by sputtering with the catalyst metal acetate. ).

また、導電性多孔質体(12a)の表面に担持させたカーボンナノチューブ成長用の触媒金属を水素処理して当該触媒金属をナノサイズに粒状化させると共に活性化させているので、続く「ウェブ層形成工程」では、いわゆるcrowding効果が抑制され、個々のカーボンナノチューブ(14a)が単独に合成されると共に、カーボンナノチューブ(14a)同士が互いに絡合するように三次元方向にランダムに成長してウェブ層(14)が形成される。   In addition, since the catalyst metal for carbon nanotube growth supported on the surface of the conductive porous body (12a) is treated with hydrogen to granulate the catalyst metal into nano-size and activate it, the following “web layer In the `` forming process '', the so-called crowding effect is suppressed, the individual carbon nanotubes (14a) are synthesized alone, and the carbon nanotubes (14a) are randomly grown in three dimensions so that the carbon nanotubes (14a) are intertwined with each other. A layer (14) is formed.

膜電極接合体(M)及びPEFCの製造方法
上述した燃料電池用電極(10)を用いて膜電極接合体(M)を製造する際には、まず、電解質膜(E)の表裏両面を、電極反応用の触媒金属(16)が電解質膜(E)に当接するよう配置した一対の燃料電池用電極(10)で挟持する。そして、これらを圧着して接合一体化させることによって膜電極接合体(M)が完成する。このように、燃料電池用電極(10)と電解質膜(E)とを接合一体化して1つのユニットとした膜電極接合体(M)は、ハンドリングや燃料電池への組み付けを容易にすることができる。
Manufacturing method of membrane electrode assembly (M) and PEFC When manufacturing the membrane electrode assembly (M) using the fuel cell electrode (10) described above, first, both the front and back surfaces of the electrolyte membrane (E), The electrode reaction catalyst metal (16) is sandwiched between a pair of fuel cell electrodes (10) arranged in contact with the electrolyte membrane (E). Then, the membrane electrode assembly (M) is completed by pressure-bonding them and integrating them. As described above, the membrane electrode assembly (M), which is a unit obtained by joining and integrating the fuel cell electrode (10) and the electrolyte membrane (E), facilitates handling and assembly to the fuel cell. it can.

また、この膜電極接合体(M)を用いてPEFCを製造する際には、まず、膜電極接合体(M)を、反応ガスの供給流路が彫り込まれた、セパレータ,インターコネクタ或いはバイポーラプレート等と称される導電板で挟み込んで1つの基本単位、すなわち単セル(single cell)を構成する。そして、この単セルを複数積層(スタック)して単セル同士を直列接続することによって、PEFCが完成する。   When manufacturing a PEFC using this membrane electrode assembly (M), first, the membrane electrode assembly (M) is separated from the separator, interconnector or bipolar plate in which the reaction gas supply channel is engraved. One basic unit, that is, a single cell, is formed by sandwiching between conductive plates called “etc.”. A plurality of single cells are stacked (stacked) and the single cells are connected in series to complete the PEFC.

以下に、実施例をあげて本発明の燃料電池用電極を具体的に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。   Examples The fuel cell electrode of the present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

燃料電池用電極の製造
15×15mm2の寸法に断裁したカーボンペーパー(販売元;株式会社メガケム,炭素繊維紙2050−A,厚さ0.26mm)を準備し、該カーボンペーパー表面にマグネトロンスパッタ装置(日本電子(株)製,JFC−1600)を用い、カーボンナノチューブ成長用触媒金属のニッケル(Ni)をスパッタリングした。なお、スパッタリングの条件は、下表1に示す通りである。
Manufacture of fuel cell electrode Carbon paper cut to a size of 15 × 15 mm 2 (distributor: Megachem Co., Ltd., carbon fiber paper 2050-A, thickness 0.26 mm) is prepared, and a magnetron sputtering apparatus is provided on the surface of the carbon paper (JEOL Co., Ltd., JFC-1600) was used to sputter nickel (Ni) as a catalyst metal for carbon nanotube growth. The sputtering conditions are as shown in Table 1 below.

続いて、表面にNiをスパッタリングしたカーボンペーパーを図2に示すCVD装置にセットした。本実施例で使用した反応器(20)は長さ500mm,内径20mm,外径23mmの石英管で構成されており、内部への空気の混入を防ぐため、両端をシリコン栓で密栓した。また、反応器(20)の加熱には、長さ300mmの電気炉(22)を用いた。   Then, the carbon paper which sputter | spatterd Ni on the surface was set to the CVD apparatus shown in FIG. The reactor (20) used in this example was composed of a quartz tube having a length of 500 mm, an inner diameter of 20 mm, and an outer diameter of 23 mm, and both ends were sealed with silicon plugs in order to prevent air from entering inside. Further, an electric furnace (22) having a length of 300 mm was used for heating the reactor (20).

そして、カーボンペーパーをセットした反応器(20)の内部にArガス,H2ガス,C24ガスを導入してパージし、反応器(20)内の空気を完全に追い出した後、C24ガスの導入を止め、下表2に示す条件で水素処理を行った。 Then, Ar gas, H 2 gas, and C 2 H 4 gas are introduced into the reactor (20) in which carbon paper is set and purged, and the air in the reactor (20) is completely expelled. The introduction of 2 H 4 gas was stopped, and hydrogen treatment was performed under the conditions shown in Table 2 below.

続いて、水素処理によるNiの還元終了後、反応器(20)の温度を750℃まで昇温させ、当該温度に達した後、下表3に示す条件で1時間程度CVD反応を行い、カーボンペーパー上にカーボンナノチューブを十分成長させてウェブ層を形成した。   Subsequently, after the reduction of Ni by the hydrogen treatment, the temperature of the reactor (20) is raised to 750 ° C., and after reaching the temperature, a CVD reaction is performed for about 1 hour under the conditions shown in Table 3 below. Carbon nanotubes were sufficiently grown on the paper to form a web layer.

CVD反応終了後、C24ガス及びH2ガスの導入を止め、Arガスのみ流し、室温まで冷却した後、表面にウェブ層を形成したカーボンペーパーをCVD装置から取り出し、ウェブ層の表面にマグネトロンスパッタ装置(日本電子(株)製,JFC−1600)を用い、電極反応用の触媒金属として白金(Pt)をスパッタリングした。なお、スパッタリングの条件は、下表4に示す通りであり、スパッタ時間を変更した4水準の電極を作製した。 After the completion of the CVD reaction, the introduction of C 2 H 4 gas and H 2 gas is stopped, only Ar gas is allowed to flow, and after cooling to room temperature, the carbon paper on which the web layer is formed is taken out from the CVD apparatus, Using a magnetron sputtering apparatus (manufactured by JEOL Ltd., JFC-1600), platinum (Pt) was sputtered as a catalyst metal for electrode reaction. The sputtering conditions were as shown in Table 4 below, and four-level electrodes with different sputtering times were produced.

ここで、表4に示す白金スパッタ条件(スパッタ時間を除く)でスパッタリングを行った際のスパッタ時間と白金担持量との関係について予め検討を行なったところ、両者には、下式(1)に示すような線形関係が成り立つことが明らかとなった。   Here, when the relationship between the sputtering time and the amount of platinum carried when sputtering was performed under the platinum sputtering conditions shown in Table 4 (excluding the sputtering time) was examined in advance, the following equation (1) was obtained. It became clear that the linear relationship shown was established.

したがって、表4に示した4水準のスパッタ時間それぞれにおける単位面積当たりの白金担持量は下表5の通りとなる。   Therefore, the platinum loading per unit area in each of the four levels of sputtering times shown in Table 4 is as shown in Table 5 below.

また、スパッタ時間15秒で白金を担持させた電極について、ウェブ層の表面に担持させた白金粒子を透過電子顕微鏡で観察したところ、その粒径は概ね1〜7nmであった。   Moreover, when the platinum particle supported on the surface of the web layer was observed with a transmission electron microscope with respect to the electrode supporting platinum with a sputtering time of 15 seconds, the particle size was approximately 1 to 7 nm.

燃料電池用電極の性能評価方法
得られた燃料電池用電極の性能を、以下の方法で評価した。
Performance Evaluation Method for Fuel Cell Electrode The performance of the obtained fuel cell electrode was evaluated by the following method.

(1)評価用燃料電池の作成
上述の方法で作成した4水準の燃料電池用電極それぞれについて、図4に示すような単セルからなる燃料電池(F)[具体的にはPEFC]を製作し、性能評価を行った。
(1) Preparation of evaluation fuel cell For each of the four levels of fuel cell electrodes prepared by the above method, a fuel cell (F) [specifically, PEFC] consisting of a single cell as shown in FIG. The performance was evaluated.

図4に示す電極性能評価用の燃料電池(F)は、Nafion(登録商標)117(デュポン社製)からなる電解質膜(E)の表裏両面を、10×10mm2の寸法に調整した一対の燃料電池用電極(10)で挟持し、その外側をステンレス・メッシュ(stainless mesh)からなる一対のセパレータ(32)で挟持すると共に、さらにその外側を一対のアクリル製プレート(34)で挟持し、アクリル製プレート(34)の四隅をボルト(36)で3.5Nmのトルクにて締め付けて構成されている。 The fuel cell (F) for electrode performance evaluation shown in FIG. 4 has a pair of electrolyte membranes (E) made of Nafion (registered trademark) 117 (manufactured by DuPont) and adjusted to a size of 10 × 10 mm 2 . The fuel cell electrode (10) is sandwiched between the stainless steel mesh (stainless mesh) pair of separators (32), and the outside is sandwiched between a pair of acrylic plates (34). The four corners of the acrylic plate (34) are tightened with bolts (36) to a torque of 3.5 Nm.

また、アクリル製プレート(34)と電解質膜(E)との間に形成される空間がシリコンゴム(38)で密閉されると共に、セパレータ(32)の一部がアクリル製プレートの縁部より突出して接続端子(40)が形成されている、この接続端子(40)には、後述する電気化学計測ステーション(42)が接続される。   The space formed between the acrylic plate (34) and the electrolyte membrane (E) is sealed with silicon rubber (38), and a part of the separator (32) protrudes from the edge of the acrylic plate. The connection terminal (40) is formed, and an electrochemical measurement station (42) described later is connected to the connection terminal (40).

そして、燃料電池用電極(10)の一方[図4において電解質膜(E)の左側に位置するもの]には、水素(H2)ガス供給源(44)より供給されるH2が蒸留水(W)で加湿された後に与えられるようになっており、燃料電池用電極(10)の他方[図4において電解質膜(E)の右側に位置するもの]には、ポンプ(46)より供給される空気が蒸留水(W)で加湿された後に与えられるようになっている。 Then, one of the fuel cell electrode (10) in the at those located on the left side of the electrolyte membrane (E) 4] is hydrogen (H 2) H 2 distilled water supplied from a gas supply source (44) (W) is supplied after being humidified, and is supplied from the pump (46) to the other of the fuel cell electrodes (10) [located on the right side of the electrolyte membrane (E) in FIG. 4]. The air is supplied after being humidified with distilled water (W).

ここで、電解質膜(E)の表裏両面を一対の燃料電池用電極(10)で挟持する際には、ウェブ層の表面に担持させた白金と電解質膜(E)との接触性を向上させるため、燃料電池用電極(10)の白金担持面に5wt%ナフィオン(登録商標)溶液(Aldrich社製)をスポイトで滴下して塗布した後、予め蒸留水に浸して十分な水分を保持させた電解質膜(E)の表裏両面を一対の燃料電池用電極(10)で素早く挟持した。そして、電解質膜(E)が十分な水分を保持している間に、図4に示す燃料電池(F)を組み立てた。   Here, when the front and back surfaces of the electrolyte membrane (E) are sandwiched between the pair of fuel cell electrodes (10), the contact between the platinum supported on the surface of the web layer and the electrolyte membrane (E) is improved. Therefore, after 5 wt% Nafion (registered trademark) solution (manufactured by Aldrich) was dropped onto the platinum carrying surface of the fuel cell electrode (10) with a dropper, it was immersed in distilled water in advance to retain sufficient moisture. The front and back surfaces of the electrolyte membrane (E) were quickly sandwiched between a pair of fuel cell electrodes (10). The fuel cell (F) shown in FIG. 4 was assembled while the electrolyte membrane (E) retained sufficient moisture.

また、比較例として、従来の白金担持炭素粒子を用いた電極性能評価用の燃料電池(F)を以下の方法で作成した。すなわち、白金担持炭素粒子としてVALCAN XC72(Carbot社製)に40wt%の白金が担持されたIFPC40(石福金属興業(株)製)を準備した。そして、0.5mlの5wt%ナフィオン(登録商標)溶液(Aldrich社製)にIFPC40を2mg加え、3分間超音波により分散させた後、当該分散液を直ちに10×10mm2の寸法に調整したカーボンペーパー2枚にスポイトで滴下して塗布し、以降、上述の実施例と同様の方法で電極性能評価用の燃料電池(F)を組み立てた。なお、IFPC40を用いた電極(比較例)の単位面積当たりの白金担持量は、0.4mg/cm2となるように調整した。 As a comparative example, a fuel cell (F) for evaluating electrode performance using conventional platinum-supported carbon particles was prepared by the following method. That is, IFPC40 (Ishifuku Metal Industry Co., Ltd.) in which 40 wt% platinum was supported on VALCAN XC72 (Carbot) as platinum-supporting carbon particles was prepared. Then, 2 mg of IFPC40 was added to 0.5 ml of 5 wt% Nafion (registered trademark) solution (manufactured by Aldrich) and dispersed by ultrasonic waves for 3 minutes, and the dispersion was immediately adjusted to a size of 10 × 10 mm 2. A fuel cell (F) for electrode performance evaluation was assembled in the same manner as in the above-described example after dropping it onto two sheets of paper with a dropper. In addition, the platinum carrying amount per unit area of the electrode (comparative example) using IFPC40 was adjusted to be 0.4 mg / cm 2 .

(2)電極性能の評価
上述のように構成した4水準の実施例及び比較例の燃料電池(F)に、電気化学計測ステーション(北斗電工(株)製,電気化学測定システムHZ−5000)を接続し、I−V特性を測定することによって電極性能の評価を行った。
(2) Evaluation of electrode performance An electrochemical measurement station (made by Hokuto Denko Co., Ltd., electrochemical measurement system HZ-5000) was added to the fuel cells (F) of the four-level examples and comparative examples configured as described above. The electrode performance was evaluated by connecting and measuring the IV characteristics.

具体的には、下表6に示す条件で、計測前に予め2時間、燃料電池(F)の予備運転を行い、I−V特性が定常に達した後に測定を行った。I−V特性測定時のスキャン速度は40mV/secとし、サンプリング間隔は0.05secとした。   Specifically, the fuel cell (F) was preliminarily operated for 2 hours before the measurement under the conditions shown in Table 6 below, and the measurement was performed after the IV characteristics reached a steady state. The scan speed at the time of measuring the IV characteristic was 40 mV / sec, and the sampling interval was 0.05 sec.

燃料電池用電極の性能評価結果
上記性能評価方法によって得られた結果を以下に示す。
Results of Performance Evaluation of Fuel Cell Electrode Results obtained by the above performance evaluation method are shown below.

(1)白金スパッタ時間とPt触媒質量当たりの電力値との関係
白金スパッタ時間(換言すれば、ウェブ層表面における単位面積当たりの白金担持量)とPt触媒質量当たりの電力値との関係を図5に示す。
(1) Relationship between platinum sputtering time and power value per mass of Pt catalyst Graph showing the relationship between platinum sputtering time (in other words, the amount of platinum supported per unit area on the surface of the web layer) and the power value per mass of Pt catalyst As shown in FIG.

この図が示すように、白金スパッタ時間が15秒のとき、すなわち単位面積当たりの白金担持量が0.011mg/cm2のときにPt触媒質量当たりの電力値が最大となり、白金スパッタ時間が15秒より長くなるに連れて、すなわち単位面積当たりの白金担持量が0.011mg/cm2よりも多くなるに従って、Pt触媒質量当たりの電力値が低下するようになる。つまり、ウェブ層表面における単位面積当たりの白金担持量が0.011mg/cm2のときに白金使用効率が極大化することが分かる。 As shown in this figure, when the platinum sputtering time is 15 seconds, that is, when the amount of platinum supported per unit area is 0.011 mg / cm 2 , the power value per Pt catalyst mass is maximum, and the platinum sputtering time is 15 As it becomes longer than 2 seconds, that is, as the amount of platinum supported per unit area becomes larger than 0.011 mg / cm 2 , the power value per Pt catalyst mass decreases. That is, it can be seen that the platinum use efficiency is maximized when the amount of platinum supported per unit area on the surface of the web layer is 0.011 mg / cm 2 .

ここで、白金スパッタ時間が15秒より長くなるに連れて白金使用効率が低下していく理由としては、白金スパッタ時間を長くして白金担持量を増加させることで、ウェブ層に担持させた白金粒子の粒径が大きくなり、島状構造でウェブ層表面に担持されていたナノサイズの白金粒子が連続膜へと変化するようになる結果、白金粒子の比表面積が低下することによるものと考えられる。   Here, as the platinum sputtering time becomes longer than 15 seconds, the reason why the platinum use efficiency decreases is that the platinum supported on the web layer is increased by increasing the platinum loading by increasing the platinum sputtering time. This is thought to be due to the decrease in the specific surface area of the platinum particles as a result of the increase in the particle size and the change in the nano-sized platinum particles supported on the surface of the web layer in an island-like structure into a continuous film. It is done.

また、図6に、白金スパッタ時間が15秒の電極(実施例)におけるPt触媒質量当たりの電力値と、IFPC40を用いた従来の電極(比較例) におけるPt触媒質量当たりの電力値とを示す。   FIG. 6 shows the power value per mass of Pt catalyst in an electrode (Example) with a platinum sputtering time of 15 seconds and the power value per mass of Pt catalyst in a conventional electrode (Comparative Example) using IFPC40. .

この図が示すように、白金スパッタ時間が15秒の電極は、IFPC40を用いた従来の電極に比べて20倍以上の高い白金使用効率を示すことが分かる。   As shown in this figure, it can be seen that an electrode having a platinum sputtering time of 15 seconds exhibits a platinum use efficiency 20 times higher than that of a conventional electrode using IFPC40.

なお、上述のように、単位面積当たりの白金担持量が0.011mg/cm2よりも多くなるに従って白金使用効率は低下するようになるが、そのような場合であっても、従来の白金担持炭素粒子を用いた電極に比べれば、依然として高い白金使用効率を有している。 As described above, the platinum use efficiency decreases as the amount of platinum supported per unit area exceeds 0.011 mg / cm 2. Even in such a case, the conventional platinum support Compared to an electrode using carbon particles, it still has a high platinum use efficiency.

(2)白金スパッタ時間と最大電力密度との関係
白金スパッタ時間と最大電力密度との関係を図7に示す。
(2) Relationship between platinum sputtering time and maximum power density FIG. 7 shows the relationship between platinum sputtering time and maximum power density.

この図が示すようにスパッタ時間15秒(白金担持量0.011mg/cm2)付近を境に、スパッタ時間が短くなる(白金担持量0.011mg/cm2よりも少なくなる)と最大電力密度が急激に低下するようになる。一方、スパッタ時間が15秒を超える(白金担持量0.011mg/cm2よりも多くなる)と最大電力密度は若干上昇するものの、スパッタ時間30秒(白金担持量0.023mg/cm2)を超えるとほぼ頭打ちとなる。 As shown in this figure, the maximum power density when the sputtering time is shortened (less than 0.011 mg / cm 2 of platinum) with a sputtering time of 15 seconds (platinum supported of 0.011 mg / cm 2 ). Suddenly drops. On the other hand, if the sputtering time exceeds 15 seconds (more than the platinum loading 0.011 mg / cm 2 ), the maximum power density slightly increases, but the sputtering time 30 seconds (platinum loading 0.023 mg / cm 2 ). Beyond that, it almost reaches its peak.

なお、IFPC40を用いた従来の電極について最大電力密度を測定した結果、概ね26〜39mW/cm2 (平均31.4mW/cm2)の範囲であったことから、白金スパッタ時間が15秒前後より多ければ、従来のものとほぼ同等の発電出力を得ることができる。 As a result of measuring the maximum power density of the conventional electrode using IFPC40, it was generally in the range of 26 to 39 mW / cm 2 (average 31.4 mW / cm 2 ), so the platinum sputtering time was around 15 seconds or so. If the number is large, it is possible to obtain almost the same power generation output as the conventional one.

ちなみに、ウェブ層を設けず、カーボンペーパーの表面に直接0.011mg/cm2の白金を担持させた電極について最大電力密度を調べたところ、その値は2.9mW/cm2と極めて低いものであった。 By the way, when the maximum power density was examined for an electrode in which 0.011 mg / cm 2 of platinum was directly supported on the surface of carbon paper without providing a web layer, the value was extremely low at 2.9 mW / cm 2. there were.

以上、(1)及び(2)の結果をまとめると、触媒金属としてナノサイズの白金を用いる場合、ウェブ層表面への白金の担持量は0.008mg/cm2以上で且つ0.03mg/cm2以下の範囲にするのが好ましい。なぜなら、白金の担持量が0.008mg/cm2未満の場合には、PEFCに使用した際、触媒層を白金担持炭素粒子で形成した従来の電極に比べて、触媒質量当たりの電力値は極めて高いものになるが、最大出力密度が低下するようになり、逆に、白金の担持量が0.03mg/cm2より多くなると、従来の電極に比べて、触媒質量当たりの電力値自体は高いものの、その低下割合が大きくなり、又、最大出力密度も頭打ちとなるからである As described above, the results of (1) and (2) are summarized. When nano-sized platinum is used as the catalyst metal, the supported amount of platinum on the surface of the web layer is 0.008 mg / cm 2 or more and 0.03 mg / cm. A range of 2 or less is preferable. This is because when the amount of platinum supported is less than 0.008 mg / cm 2 , when used in PEFC, the power value per catalyst mass is extremely higher than that of a conventional electrode in which the catalyst layer is formed of platinum-supported carbon particles. However, when the amount of platinum supported is larger than 0.03 mg / cm 2 , the power value per catalyst mass is higher than that of the conventional electrode. However, the rate of decline increases and the maximum power density reaches its peak.

本発明の燃料電池用電極並びに該電極を用いた膜電極接合体は、PEFCのみならず、ダイレクトメタノール燃料電池などにも好適に利用することができる。   The fuel cell electrode of the present invention and the membrane electrode assembly using the electrode can be suitably used not only for PEFC but also for direct methanol fuel cells.

本発明の燃料電池用電極を用いた膜電極接合体の要部を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the principal part of the membrane electrode assembly using the electrode for fuel cells of this invention. ウェブ層形成に用いるCVD装置を示す概略図である。It is the schematic which shows the CVD apparatus used for web layer formation. ガス拡散層の表面に形成されたウェブ層を示すSEM写真である。It is a SEM photograph which shows the web layer formed in the surface of a gas diffusion layer. 電極特性評価用の燃料電池を示す概略図である。It is the schematic which shows the fuel cell for electrode characteristic evaluation. 白金スパッタ時間とPt触媒質量当たりの電力値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between platinum sputtering time and the electric power value per Pt catalyst mass. 白金スパッタ時間が15秒の電極(実施例)とIFPC40を用いた従来の電極(比較例)のPt触媒質量当たりの電力値を示すグラフである。It is a graph which shows the electric power value per mass of Pt catalyst of the electrode (Example) for which platinum sputtering time is 15 seconds, and the conventional electrode (comparative example) using IFPC40. 白金スパッタ時間と最大電力密度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between platinum sputtering time and a maximum power density. 従来の燃料電池用電極を用いた膜電極接合体の要部を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the principal part of the membrane electrode assembly using the conventional electrode for fuel cells.

符号の説明Explanation of symbols

(10)…燃料電池用電極
(12)…ガス拡散層
(12a)…導電性多孔質体
(14)…ウェブ層
(14a)…カーボンナノチューブ
(16)…触媒金属
(18)…CVD装置
(20)…反応器
(22)…電気炉
(24)…温度制御手段
(32)…セパレータ
(34)…アクリル製
(36)…ボルト
(38)…シリコンゴム
(40)…接続端子
(42)…電気化学計測ステーション
(M)…膜電極接合体
(E)…電解質膜
(F)…燃料電池
(10)… Fuel cell electrode
(12)… Gas diffusion layer
(12a) ... conductive porous body
(14)… Web layer
(14a)… Carbon nanotube
(16)… Catalyst metal
(18)… CVD equipment
(20)… Reactor
(22)… Electric furnace
(24)… Temperature control means
(32) ... Separator
(34)… Acrylic
(36) ... Bolt
(38)… Silicone rubber
(40)… Connection terminal
(42)… Electrochemical measurement station
(M) ... Membrane electrode assembly
(E) ... Electrolyte membrane
(F)… Fuel cell

Claims (4)

炭素材料で形成された導電性多孔質体からなるガス拡散層と、
前記ガス拡散層の表面に直接合成したカーボンナノチューブからなり、前記カーボンナノチューブを三次元方向にランダムに成長させると共に、前記カーボンナノチューブ同士を互いに絡合させて形成したウェブ層と、
前記ウェブ層の表面に担持させた電極反応用の触媒金属とで構成されていることを特徴とする燃料電池用電極。
A gas diffusion layer made of a conductive porous body formed of a carbon material;
A carbon layer composed of carbon nanotubes directly synthesized on the surface of the gas diffusion layer, the carbon nanotubes are randomly grown in a three-dimensional direction, and a web layer formed by entanglement of the carbon nanotubes with each other;
A fuel cell electrode comprising an electrode reaction catalyst metal supported on the surface of the web layer.
前記電極反応用の触媒金属がナノサイズの白金であり、前記ウェブ層表面への前記白金の担持量が0.008mg/cm2以上で且つ0.03mg/cm2以下の範囲であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用電極。 Wherein the catalytic metal for the electrode reaction is a platinum nano-sized, the supported amount of the platinum to the web layer surface is and 0.03 mg / cm 2 or less in the range 0.008 mg / cm 2 or more The fuel cell electrode according to claim 1. (a)炭素材料で形成された導電性多孔質体の表面にカーボンナノチューブ成長用の触媒金属をスパッタリングし、これを水素処理して前記カーボンナノチューブ成長用の触媒金属をナノサイズに粒状化させると共に活性化させるカーボンナノチューブ成長用触媒担持工程、
(b)化学気相成長法を用いて前記導電性多孔質体の表面に直接カーボンナノチューブを合成すると共に、前記カーボンナノチューブ同士が互いに絡合するよう前記カーボンナノチューブを三次元方向にランダムに成長させてウェブ層を形成するウェブ層形成工程、及び
(c)カーボンナノチューブによって形成されたウェブ層の表面に電極反応用の触媒金属をスパッタリングする電極反応用触媒担持工程で構成されていること特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
(A) A catalyst metal for carbon nanotube growth is sputtered on the surface of a conductive porous body made of a carbon material, and this is treated with hydrogen to granulate the catalyst metal for carbon nanotube growth into nano-size particles. A catalyst supporting step for carbon nanotube growth to be activated,
(B) Carbon nanotubes are directly synthesized on the surface of the conductive porous body using chemical vapor deposition, and the carbon nanotubes are randomly grown in a three-dimensional direction so that the carbon nanotubes are intertwined with each other. A web layer forming step of forming a web layer, and (c) an electrode reaction catalyst supporting step of sputtering a catalyst metal for electrode reaction on the surface of the web layer formed of carbon nanotubes. Manufacturing method of electrode for fuel cell.
電解質膜と、前記電解質膜の表裏両面に前記電極反応用の触媒金属が当接するようにして接合一体化された一対の請求項1又は2に記載の燃料電池用電極とで構成されていることを特徴とする膜電極接合体。   The fuel cell electrode according to claim 1 or 2, comprising an electrolyte membrane, and a pair of fuel cell electrodes joined and integrated so that the electrode reaction catalyst metal is in contact with both surfaces of the electrolyte membrane. A membrane electrode assembly characterized by the above.
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US10644325B2 (en) 2013-12-19 2020-05-05 Kabushiki Kaisha Toshiba Porous catalyst layer, membrane electrode assembly, and electrochemical cell

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