燃料電池用電極以及燃料電池用電極、膜電極接合體和燃料電池的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種燃料電池所使用的電極。
【背景技術】
[0002] 已知有將碳納米管（CNT)用作電極的燃料電池（例如專利文獻1)。專利文獻1 中公開了一種燃料電池，具備：纖維狀導電性載體、擔載于上述纖維狀導電性載體表面的催 化劑、以及被覆上述催化劑表面的固體高分子電解質。其中，對于燃料電池用的電極，在以 R(nm)作為上述纖維狀導電性載體的纖維半徑、以A(根/nm2)作為上述纖維狀導電性載體 的每單位電極面積的纖維根數密度、以L(nm)作為上述纖維狀導電性載體的纖維長度時， 定義為滿足以下4個式子的電極。
[0003] R>lnm
[0004] L< 20000nm
[0005] 1-AjtR2> 0. 5
[0006] 2 3iRLA> 200
[0007] 現有技術文獻
[0008] 專利文獻
[0009] 專利文獻1 :日本特開2009-140764號公報
【發明內容】
[0010] 但是，對現有技術而言，由于碳納米管上的擔載金屬催化劑的位點的量少，所以擔 載的金屬催化劑的量少，存在無法得到充分輸出的問題。這里，為了增加碳納米管上的擔載 金屬催化劑的位點的量，考慮了延長碳納米管的長度，或者提高碳納米管的根數密度（每 單位面積的根數）。但是，如果過度延長碳納米管的長度或者過度提高碳納米管的根數密 度，則存在如下情況：在層疊燃料電池時，碳納米管會被氣體擴散層按壓而容易阻塞，由于 氣體擴散性、排水性的惡化而產生電壓降低。另外，還存在如下情況：即使施加載荷，碳納米 管也不被壓縮，電解質膜與作為發電位置的燃料電池用催化劑的距離變長，由于質子導電 性的惡化而導致電壓降低。本申請的發明人以各種條件進行了研宄，結果發現燃料電池的 發電特性在碳納米管的芯間距（或者每單位面積的密度）與長度之間存在一定關系的情況 下會變得良好。另外，對于以碳納米管作為電極的燃料電池，發現提高了離聚物的氧溶解度 時的效果比使用碳粒子電極時的效果大。
[0011] 本發明是為了解決上述課題的至少一部分而進行的，可通過以下方式實現。
[0012] (1)根據本發明的一個方式，提供一種燃料電池用電極。該燃料電池用電極 具備：碳納米管、擔載于上述碳納米管的燃料電池用催化劑、以及被覆上述碳納米管和 上述燃料電池用催化劑的離聚物，將上述碳納米管的長度設為La[ym]、將上述碳納米 管的芯間距設為Pa[nm]時，長度La和芯間距Pa滿足以下2個式子：30彡La彡240、 0. 351XLa+75 <Pa< 250。根據該方式的燃料電池用電極，在使用具有該燃料電池用電極 的燃料電池時，即使燃料電池受到載荷而被壓縮，碳納米管間的細孔也不易阻塞，因此可抑 制氣體擴散性、生成水的排水性的惡化，能夠提高發電特性。另外，能夠將電解質膜與作為 發電位置的燃料電池用催化劑的距離維持得足夠小，使質子導電性良好。
[0013] (2)在上述方式的燃料電池用電極中，上述長度La和上述芯間距Pa可以進一步滿 足以下的式子：〇. 708XLa+59. 3彡Pa彡250。根據該方式的燃料電池用電極，能夠使燃料 電池的發電特性更加良好。
[0014] (3)在上述方式的燃料電池用電極中，上述長度La和上述芯間距Pa可以進一步滿 足以下的式子：30彡La彡210、0. 611XLa+82. 5彡Pa彡1. 333XLa+190。將燃料電池用電 極用于燃料電池時，燃料電池被層疊而受到載荷，被壓縮。根據該方式的燃料電池用電極， 通過壓縮能夠縮短電解質膜與作為發電位置的燃料電池用催化劑的距離，因此能夠良好地 維持從電解質膜經由電極內的離聚物到燃料電池用催化劑的質子導電性，從而使燃料電池 的發電特性良好。
[0015] (4)在上述方式的燃料電池用電極中，上述長度La和上述芯間距Pa可以進一步滿 足以下的式子：〇. 78XLa+78彡Pa彡1. 333XLa+150。根據該方式的燃料電池用電極，能夠 使燃料電池的發電特性更加良好。
[0016] (5)根據本發明的一個方式，提供一種燃料電池用電極。該燃料電池用電極具 備：碳納米管、擔載于上述碳納米管的燃料電池用催化劑、以及被覆上述碳納米管和上述 燃料電池用催化劑的離聚物，將上述碳納米管的長度設為La[ym]、將上述碳納米管的根 數密度設為Nd[根/m2]時，長度La和根數密度Nd滿足以下2個式子：30<La< 240、 1. 7X1013彡Nd彡IX10 18八0. 351XLa+75)2。根據該方式的燃料電池用電極，在使用具有 該燃料電池用電極的燃料電池時，即使燃料電池受到載荷而被壓縮，碳納米管間的細孔也 不易阻塞，因此，可抑制氣體擴散性、生成水的排水性的惡化，能夠提高發電特性。
[0017] (6)在上述方式的燃料電池用電極中，含有上述碳納米管的燃料電池用電極可以 在通過上述熱壓而接合于上述電解質膜后，被壓縮為5[ym]?20[ym]的厚度而用作燃料 電池的催化劑。根據該方式的燃料電池用電極，能夠使氣體擴散性和質子導電性兩者達到 良好的狀態，因此能夠使燃料電池的發電特性良好。
[0018] (7)在上述方式的燃料電池用電極中，含有上述碳納米管的燃料電池用電極可以 在通過上述熱壓而接合于上述電解質膜后，被壓縮為7. 5[ym]?17. 5[ym]的厚度而用作 燃料電池的催化劑。根據該方式的燃料電池用電極，能夠使氣體擴散性和質子導電性兩者 達到良好的狀態，因此能夠使燃料電池的發電特性更加良好。
[0019] (8)在上述方式的燃料電池用電極中，上述離聚物可以以2. 5[nm]?15[nm]的厚 度覆蓋上述碳納米管。根據該方式的燃料電池用電極，可將質子導電性維持在良好的狀態， 不阻礙經由離聚物到燃料電池用催化劑表面的氧的輸送，將催化劑附近的氧濃度維持得較 高，因此能夠使燃料電池的發電特性良好。
[0020] (9)在上述方式的燃料電池用電極中，上述離聚物可以以5[nm]?12. 5[nm]的厚 度覆蓋上述碳納米管。根據該方式的燃料電池用電極，能夠使燃料電池的發電特性更加良 好。
[0021] (10)在上述方式的燃料電池用電極中，上述離聚物的質量與上述碳納米管的質量 之比即（離聚物的質量V(碳納米管的質量）可以為0.5?3.0。根據該方式的燃料電池 用電極，可以使燃料電池的發電特性良好。
[0022] (11)在上述方式的燃料電池用電極中，上述（離聚物的質量V(碳納米管的質 量）可以為1.0?2. 5。根據該方式的燃料電池用電極，能夠使燃料電池的發電特性更加良 好。
[0023] (12)在上述方式的燃料電池用電極中，上述離聚物的氧溶解度可以大于 10. 9m〇V(dm3)。根據該方式的燃料電池用電極，由于離聚物表面與燃料電池用催化劑的間 隔短，所以可通過提高離聚物的氧溶解度而增大對燃料電池用催化劑的氧供給，能夠使燃 料電池的發電特性良好。
[0024] (13)在上述方式的燃料電池用電極中，上述離聚物的氧溶解度可以為20mol/ (dm3)以上。根據該方式的燃料電池用電極，能夠使燃料電池的發電特性更加良好。
[0025] (14)根據本發明的一個方式，提供一種燃料電池用電極的制造方法。該燃料電池 用電極的制造方法具備如下工序：使碳納米管在基板上生長的工序，使得將碳納米管的長 度設為La[ym]、將上述碳納米管的芯間距設為Pa[nm]時，長度La和芯間距Pa滿足以下2 個式子：30彡La彡240、0. 35IXLa+75彡Pa彡250 ;使燃料電池用催化劑擔載在上述碳納 米管上的工序；用離聚物被覆上述碳納米管的工序；以及施加熱壓使上述碳納米管接合于 電解質膜而形成第1催化劑層的工序。根據該方式的燃料電池用電極的制造方法，在使用 具有利用該燃料電池用電極的制造方法制得的燃料電池用電極的燃料電池時，形成離聚物 薄且均勻地被覆于碳納米管的結構，即使燃料電池受到載荷而被壓縮，第1催化劑層中的 碳納米管間的細孔也不易阻塞，因此可抑制氣體擴散性、生成水的排水性的惡化，能夠提高 發電特性。
[0026] (15)根據本發明的一個方式，提供一種燃料電池用電極的制造方法。該燃料電池 用電極的制造方法具備如下工序：使碳納米管在基板上生長的工序，使得將上述碳納米管 的長度設為La[ym]、將上述碳納米管的根數密度設為Nd[根/m2]時，長度La和根數密度 Nd滿足以下 2 個式子：30 彡La彡 240、1. 7X1013彡Nd彡 1X10y(0? 351XLa+75)2;使燃 料電池用催化劑擔載在上述碳納米管上的工序；用離聚物被覆上述碳納米管的工序；以及 施加熱壓使上述碳納米管接合于電解質膜而形成第1催化劑層的工序。根據該方式的燃料 電池用電極的制造方法，在使用具有利用該燃料電池用電極的制造方法制得的燃料電池用 電極的燃料電池時，形成離聚物薄且均勻地被覆于碳納米管的結構，即使燃料電池受到載 荷而