JP2013159498A - Method for coating with coating material, and method for manufacturing fuel cell electrode - Google Patents

Method for coating with coating material, and method for manufacturing fuel cell electrode Download PDF

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禎宏 篠▲崎▼
Masaru Hori
勝 堀
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method capable of coating selectively the surface of a material to be treated with a coating material, especially a method capable of coating selectively the surface of a carbon nanotube oriented on a substrate at least with either of an electrolyte resin and a metal catalyst, concerning a method for coating with a coating material by utilizing temperature dependency of solubility of a supercritical fluid.SOLUTION: This method for coating the surface of a material to be treated with a coating material has: a contact step of bringing the material to be treated into contact with a supercritical fluid obtained by dissolving a precursor of the coating material and/or the coating material into a supercritical solvent; and a heating step in which the material to be treated is heated by irradiating the material to be treated with an electromagnetic wave having a wavelength in which the absorptivity of the material to be treated is higher than the absorptivity of the supercritical solvent, to thereby reduce solubility of the precursor and/or the coating material to the supercritical solvent.

Description

本発明は、被処理材の表面を被覆材で被覆する方法、及び、燃料電池用電極の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for coating the surface of a material to be treated with a coating material, and a method for manufacturing a fuel cell electrode.

燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された2つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。   A fuel cell directly converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to two electrically connected electrodes and causing the fuel to be oxidized electrochemically. Unlike thermal power generation, fuel cells are not subject to the Carnot cycle, and thus exhibit high energy conversion efficiency. A fuel cell is usually formed by laminating a plurality of single cells having a basic structure of a membrane / electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes.

燃料電池の電極は、一般的に、導電性担体に触媒及び電解質樹脂が担持された電極触媒層を備える。このような燃料電池の電極触媒層では、導電性担体と電解質樹脂と反応ガスとが接する、いわゆる、三相界面において、電極反応が進行するため、三相界面を効率的に形成することが重要である。   An electrode of a fuel cell generally includes an electrode catalyst layer in which a catalyst and an electrolyte resin are supported on a conductive carrier. In such a fuel cell electrode catalyst layer, since the electrode reaction proceeds at the so-called three-phase interface where the conductive carrier, the electrolyte resin, and the reactive gas are in contact, it is important to efficiently form the three-phase interface. It is.

近年、超臨界流体を用いて、触媒や電解質樹脂を導電性担体の表面に担持させる方法が提案されている。具体的には、触媒や電解質樹脂又はこれらの前駆体等を溶解させた超臨界流体を、導電性担体と接触させることで、導電性担体の表面に触媒や電解質樹脂を担持させる方法が提案されている(例えば、特許文献1〜3)。   In recent years, a method of supporting a catalyst or an electrolyte resin on the surface of a conductive carrier using a supercritical fluid has been proposed. Specifically, a method of supporting a catalyst or electrolyte resin on the surface of a conductive carrier by bringing a supercritical fluid in which a catalyst, an electrolyte resin, or a precursor thereof is dissolved into contact with the conductive carrier has been proposed. (For example, Patent Documents 1 to 3).

例えば、特許文献1には、金属を担持させたカーボンナノウォールの製造方法であって、基板に形成したカーボンナノウォールに、前記金属の化合物を超臨界流体に溶解した状態で接触処理する処理工程を有する方法が開示されている。特許文献1には、前記処理工程において、300〜800℃にカーボンナノウォールを加熱することが記載されており、カーボンナノウォールの加熱方法としては、カーボンナノウォールを載せたヒーターを加熱する方法が記載されている。   For example, Patent Document 1 discloses a method for producing a carbon nanowall carrying a metal, wherein the carbon nanowall formed on a substrate is contacted with the metal compound dissolved in a supercritical fluid. A method is disclosed. Patent Document 1 describes that in the treatment step, the carbon nanowall is heated to 300 to 800 ° C. As a heating method of the carbon nanowall, there is a method of heating a heater on which the carbon nanowall is mounted. Have been described.

一方、電解質樹脂や触媒の担持方法ではないが、特許文献4には、カーボンナノチューブの賦活方法として、カーボンナノチューブの外壁及び内壁の少なくとも一方に、マイクロ波加熱により容易に蒸発除去可能な液体を班点状に付着させる工程と、上記液体を付着させたカーボンナノチューブにマイクロ波を照射することにより、上記液体を加熱蒸発させて除去し、これにより上記カーボンナノチューブの外壁及び内壁の少なくとも一方に欠陥を生成させる工程を含む方法が開示されている。   On the other hand, although not a method for supporting an electrolyte resin or a catalyst, Patent Document 4 discloses a method for activating carbon nanotubes, which includes a liquid that can be easily evaporated and removed by microwave heating on at least one of the outer and inner walls of the carbon nanotubes. By irradiating the carbon nanotubes to which the liquid is adhered with microwaves by removing the liquid by heating and evaporating, the defects are formed on at least one of the outer wall and the inner wall of the carbon nanotube. A method is disclosed that includes generating.

特開2006−273613号公報JP 2006-273613 A 特開2007−123049号公報JP 2007-123049 A 特開2003−321791号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-321791 特開2003−212527号公報JP 2003-212527 A

超臨界流体を利用した触媒や電解質樹脂の担持(被覆)方法において、特許文献1のように、超臨界流体に対する物質の溶解度の温度依存性を利用することで、その被覆量を増加させることができる。具体的には、例えば、金属触媒又は電解質樹脂或いはその前駆体を溶解した超臨界流体を加熱することで、これら被覆材又は前駆体の超臨界流体に対する溶解度を低下させることができ、より多くの被覆材又は前駆体を析出させることができる。
しかしながら、特許文献1に記載された方法のように、基板を加熱することによってカーボンナノウォール(導電性担体)を加熱する場合、カーボンナノウォール以外にも、基板等も高温となるため、これらの高温部材上にも金属が析出してしまう。すなわち、導電性担体上に狙い通りの量の金属を担持させることができない。
In a method for supporting (coating) a catalyst or an electrolyte resin using a supercritical fluid, as described in Patent Document 1, it is possible to increase the coating amount by utilizing the temperature dependence of the solubility of a substance in a supercritical fluid. it can. Specifically, for example, by heating a supercritical fluid in which a metal catalyst or an electrolyte resin or a precursor thereof is dissolved, the solubility of the coating material or precursor in the supercritical fluid can be reduced, and more A coating or precursor can be deposited.
However, when the carbon nanowall (conductive carrier) is heated by heating the substrate as in the method described in Patent Document 1, the substrate and the like become high temperature in addition to the carbon nanowall. Metal is also deposited on the high temperature member. In other words, the intended amount of metal cannot be supported on the conductive carrier.

本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、本発明の目的は、超臨界流体の溶解度の温度依存性を利用した被覆材の被覆方法において、被処理材表面に選択的に被覆材を被覆させることが可能な方法、特に、基板上に配向したカーボンナノチューブの表面に電解質樹脂及び金属触媒の少なくとも一方を選択的に被覆させることが可能な方法を提供することにある。   The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to selectively coat the surface of a material to be treated in a coating method of a coating material using the temperature dependence of the solubility of a supercritical fluid. An object of the present invention is to provide a method capable of coating a material, particularly a method capable of selectively coating at least one of an electrolyte resin and a metal catalyst on the surface of carbon nanotubes oriented on a substrate.

本発明の被覆方法は、被処理材の表面を被覆材で被覆する方法であって、
超臨界溶媒に前記被覆材の前駆体及び/又は前記被覆材を溶解させた超臨界流体に、前記被処理材を接触させる接触工程と、
前記被処理材に該被処理材の吸収率が前記超臨界溶媒の吸収率よりも高い波長の電磁波を照射することによって、該被処理材を、前記前駆体及び/又は前記被覆材の前記超臨界溶媒に対する溶解度が低下する温度まで加熱する加熱工程と、
を有することを特徴とする。
The coating method of the present invention is a method of coating the surface of a material to be treated with a coating material,
Contacting the material to be treated with a supercritical fluid obtained by dissolving the precursor of the coating material and / or the coating material in a supercritical solvent;
By irradiating the material to be treated with an electromagnetic wave having a wavelength higher than the absorption rate of the supercritical solvent, the material to be treated is treated with the precursor and / or the super material of the coating material. A heating step of heating to a temperature at which the solubility in the critical solvent decreases;
It is characterized by having.

本発明の被覆方法では、上記電磁波の照射により被処理物のみを加熱することが可能であり、その結果、被処理物の極近傍の領域のみ、典型的には、被処理物の表面に選択的に被覆材を析出させることが可能である。   In the coating method of the present invention, it is possible to heat only the workpiece by irradiation with the electromagnetic wave, and as a result, only the region in the immediate vicinity of the workpiece is typically selected on the surface of the workpiece. It is possible to deposit the coating material.

本発明の被覆方法の具体的態様としては、例えば、前記超臨界溶媒が超臨界二酸化炭素であり、前記電磁波の波長が2μm以下である態様が挙げられる。
また、本発明の被覆方法の具体的態様としては、例えば、前記超臨界溶媒が超臨界二酸化炭素であり、前記電磁波が半導体レーザ及びハロゲンランプの少なくとも一方より照射される態様が挙げられる。
Specific embodiments of the coating method of the present invention include, for example, an embodiment in which the supercritical solvent is supercritical carbon dioxide and the wavelength of the electromagnetic wave is 2 μm or less.
In addition, as a specific aspect of the coating method of the present invention, for example, an aspect in which the supercritical solvent is supercritical carbon dioxide and the electromagnetic wave is irradiated from at least one of a semiconductor laser and a halogen lamp.

本発明の被覆方法において、前記被覆材としては、例えば、白金が挙げられる。
また、本発明の被覆方法において、前記被覆材としては、例えば、電解質樹脂が挙げられる。
In the coating method of the present invention, examples of the coating material include platinum.
Moreover, in the coating method of this invention, electrolyte resin is mentioned as said coating | covering material, for example.

本発明の被覆方法において、前記被処理材としては、例えば、基板上に配向したカーボンナノチューブが挙げられ、より具体的には、基板上に略垂直配向したカーボンナノチューブが挙げられる。   In the coating method of the present invention, examples of the material to be treated include carbon nanotubes oriented on the substrate, and more specifically, carbon nanotubes oriented substantially vertically on the substrate.

本発明の燃料電池用電極の製造方法は、カーボンナノチューブの表面が金属触媒及び電解質樹脂で被覆された燃料電池用電極の製造方法であって、
超臨界溶媒に金属触媒の前駆体及び/又は電解質樹脂を溶解させた超臨界流体に、基板上に配向した前記カーボンナノチューブを接触させる接触工程と、
前記カーボンナノチューブに、前記カーボンナノチューブの吸収率が前記超臨界溶媒の吸収率よりも高い波長の電磁波を照射することによって、前記カーボンナノチューブを、前記金属触媒の前駆体及び/又は前記電解質樹脂の前記超臨界溶媒に対する溶解度が低下する温度まで加熱する加熱工程と、
を有することを特徴とする。
The method for producing a fuel cell electrode of the present invention is a method for producing a fuel cell electrode in which the surface of a carbon nanotube is coated with a metal catalyst and an electrolyte resin,
Contacting the carbon nanotubes oriented on the substrate with a supercritical fluid in which a precursor of a metal catalyst and / or an electrolyte resin is dissolved in a supercritical solvent;
By irradiating the carbon nanotube with an electromagnetic wave having a wavelength higher than the absorption rate of the supercritical solvent, the carbon nanotube is converted into the precursor of the metal catalyst and / or the electrolyte resin. A heating step of heating to a temperature at which the solubility in the supercritical solvent decreases;
It is characterized by having.

本発明の燃料電池用電極の製造方法では、本発明の被覆方法と同様、上記電磁波の照射によりカーボンナノチューブのみを加熱することが可能であり、その結果、カーボンナノチューブの極近傍の領域のみ、典型的には、カーボンナノチューブの表面に、電解質樹脂及び金属触媒の少なくとも一方を選択的に析出させることが可能である。
上記金属触媒としては、例えば、白金が挙げられる。
In the method for producing a fuel cell electrode of the present invention, as in the coating method of the present invention, it is possible to heat only the carbon nanotubes by irradiation with the electromagnetic wave, and as a result, only the region in the immediate vicinity of the carbon nanotubes is typical. Specifically, it is possible to selectively deposit at least one of an electrolyte resin and a metal catalyst on the surface of the carbon nanotube.
An example of the metal catalyst is platinum.

本発明の被覆方法及び燃料電池用電極の製造方法によれば、被覆材、或いは、金属触媒又は電解質樹脂の少なくとも一方を、被処理材又はカーボンナノチューブの表面に選択的に被覆させることができる。従って、本発明によれば、被覆材、電解質樹脂、金属触媒の被覆量を確保しつつ、これら材料の歩留を向上させることが可能である。   According to the coating method and the method for producing a fuel cell electrode of the present invention, the surface of the material to be treated or the carbon nanotube can be selectively coated with the coating material, or the metal catalyst or the electrolyte resin. Therefore, according to the present invention, it is possible to improve the yield of these materials while ensuring the coating amount of the coating material, the electrolyte resin, and the metal catalyst.

本発明の被覆方法及び製造方法における第一の電磁波照射形態におけるフローを示す図である。It is a figure which shows the flow in the 1st electromagnetic wave irradiation form in the coating method and manufacturing method of this invention. 本発明の被覆方法及び製造方法における第一の電磁波照射形態を示す模式図(2A)と、第一の電磁波照射形態における電磁波照射時の温度分布を示す図(2B)である。It is a schematic diagram (2A) which shows the 1st electromagnetic wave irradiation form in the coating method and manufacturing method of this invention, and a figure (2B) which shows the temperature distribution at the time of the electromagnetic wave irradiation in a 1st electromagnetic wave irradiation form. 本発明の被覆方法及び製造方法における第二の電磁波照射形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the 2nd electromagnetic wave irradiation form in the coating method and manufacturing method of this invention. 従来の被覆方法におけるフローを示す図である。It is a figure which shows the flow in the conventional coating method.

本発明の被覆方法は、被処理材の表面を被覆材で被覆する方法であって、
超臨界溶媒に前記被覆材の前駆体及び/又は前記被覆材を溶解させた超臨界流体に、前記被処理材を接触させる接触工程と、
前記被処理材に該被処理材の吸収率が前記超臨界溶媒の吸収率よりも高い波長の電磁波を照射することによって、該被処理材を、前記前駆体及び/又は前記被覆材の前記超臨界溶媒に対する溶解度が低下する温度まで加熱する加熱工程と、
を有することを特徴とする。
The coating method of the present invention is a method of coating the surface of a material to be treated with a coating material,
Contacting the material to be treated with a supercritical fluid obtained by dissolving the precursor of the coating material and / or the coating material in a supercritical solvent;
By irradiating the material to be treated with an electromagnetic wave having a wavelength higher than the absorption rate of the supercritical solvent, the material to be treated is treated with the precursor and / or the super material of the coating material. A heating step of heating to a temperature at which the solubility in the critical solvent decreases;
It is characterized by having.

また、本発明の燃料電池用電極の製造方法は、カーボンナノチューブの表面が金属触媒及び電解質樹脂で被覆された燃料電池用電極の製造方法であって、
超臨界溶媒に金属触媒の前駆体及び/又は電解質樹脂を溶解させた超臨界流体に、基板上に配向した前記カーボンナノチューブを接触させる接触工程と、
前記カーボンナノチューブに、前記カーボンナノチューブの吸収率が前記超臨界溶媒の吸収率よりも高い波長の電磁波を照射することによって、前記カーボンナノチューブを、前記金属触媒の前駆体及び/又は前記電解質樹脂の前記超臨界溶媒に対する溶解度が低下する温度まで加熱する加熱工程と、
を有することを特徴とする。
The method for producing a fuel cell electrode of the present invention is a method for producing a fuel cell electrode in which the surface of a carbon nanotube is coated with a metal catalyst and an electrolyte resin,
Contacting the carbon nanotubes oriented on the substrate with a supercritical fluid in which a precursor of a metal catalyst and / or an electrolyte resin is dissolved in a supercritical solvent;
By irradiating the carbon nanotube with an electromagnetic wave having a wavelength higher than the absorption rate of the supercritical solvent, the carbon nanotube is converted into the precursor of the metal catalyst and / or the electrolyte resin. A heating step of heating to a temperature at which the solubility in the supercritical solvent decreases;
It is characterized by having.

超臨界流体における物質の溶解度は、同一圧力下において温度が上がると、溶媒密度低下に伴い低下することが知られている。また、超臨界流体における物質の溶解度は、物質(溶質)が溶媒に溶け込もうとする力、すなわち蒸気圧とのせめぎあいになるため、溶媒と溶質固有の関係を知る必要があるが、高温であるほど溶解度が低下する関係が成立する条件は存在する。このような超臨界流体に対する温度依存性を利用することで、超臨界流体からの物質の析出量を増加することが可能である。
本発明者らは、上記のような超臨界流体に対する溶解度の温度依存性を利用して、基板上に略垂直配向したカーボンナノチューブ(CNT)の表面に電解質樹脂及び金属触媒を担持した電極の製造方法について、検討したところ、従来のように、CNTを配向させた基板(CNT基板)を、ヒーター上に置き、該ヒーターを加熱することでCNTを加熱する場合、基板上でも電解質樹脂や金属触媒の析出が生じてしまうという知見を得た。基板上に析出した電解質樹脂や金属触媒は電極反応に寄与せず、材料歩留まりの低下を招く。
さらに、本発明者らが検討を重ねた結果、CNTの吸収率が超臨界溶媒の吸収率よりも高い波長の電磁波を照射することによって、CNTのみを局所的に加熱することができ、電解質樹脂や金属触媒をCNTの表面に選択的に析出させることができることが見出された。
It is known that the solubility of a substance in a supercritical fluid decreases as the solvent density decreases as the temperature increases under the same pressure. In addition, the solubility of a substance in a supercritical fluid is a struggle with the force that the substance (solute) tries to dissolve in the solvent, that is, the vapor pressure, so it is necessary to know the relationship between the solvent and the solute. There is a condition that the relationship where the solubility decreases as the value increases. By utilizing such temperature dependence on the supercritical fluid, it is possible to increase the amount of substances deposited from the supercritical fluid.
The inventors of the present invention make use of the temperature dependence of the solubility in the supercritical fluid as described above to manufacture an electrode in which an electrolyte resin and a metal catalyst are supported on the surface of a carbon nanotube (CNT) that is substantially vertically aligned on a substrate. As a conventional method, when a CNT-oriented substrate (CNT substrate) is placed on a heater and the CNT is heated by heating the CNT, the electrolyte resin or metal catalyst is also used on the substrate. We obtained the knowledge that precipitation of. The electrolyte resin and the metal catalyst deposited on the substrate do not contribute to the electrode reaction, leading to a decrease in material yield.
Furthermore, as a result of repeated studies by the present inventors, it is possible to locally heat only the CNT by irradiating an electromagnetic wave having a wavelength at which the absorption rate of the CNT is higher than that of the supercritical solvent. It has been found that metal catalysts can be selectively deposited on the surface of CNTs.

図1、図2及び図4を用い、本発明について具体的に説明する。図1は、本発明の被覆方法及び燃料電池用電極の製造方法における第一の電磁波照射形態のフローを示すものであり、図2は、第一の電磁波照射形態を示す模式図(2A)と、第一の電磁波照射形態における電磁波照射時の温度分布を示す図(2B)である。また、図4は、従来の被覆方法のフローを示すものである。   The present invention will be specifically described with reference to FIGS. 1, 2, and 4. FIG. 1 shows the flow of the first electromagnetic wave irradiation form in the coating method and the fuel cell electrode manufacturing method of the present invention, and FIG. 2 is a schematic view (2A) showing the first electromagnetic wave irradiation form. It is a figure (2B) which shows the temperature distribution at the time of the electromagnetic wave irradiation in a 1st electromagnetic wave irradiation form. FIG. 4 shows a flow of a conventional coating method.

白金触媒をCNT基板の略垂直配向CNTの表面に担持させる場合には、例えば、図1及び図4に示すように、まず、白金触媒の前駆体である白金錯体を超臨界二酸化炭素に溶解させ、白金錯体を溶解した超臨界二酸化炭素にCNT基板を浸漬等することにより、白金錯体を溶解した超臨界二酸化炭素をCNT間に浸透させる。   When the platinum catalyst is supported on the surface of the substantially vertically aligned CNT of the CNT substrate, for example, as shown in FIGS. 1 and 4, first, a platinum complex that is a precursor of the platinum catalyst is dissolved in supercritical carbon dioxide. Then, by immersing the CNT substrate in supercritical carbon dioxide in which the platinum complex is dissolved, the supercritical carbon dioxide in which the platinum complex is dissolved is permeated between the CNTs.

次に、従来の方法では、図4に示すように、上記CNT基板を載せたヒーターを加熱することによって、基板を加熱し、さらに、該基板の加熱によりCNTを加熱する。この場合、基板及びCNTのいずれもが加熱され、基板の表面及びCNTの表面のいずれにおいても、超臨界二酸化炭素に対する白金の溶解度が低下する。典型的には、図4に示すように、基板温度及びCNT温度のいずれもが、白金の析出温度より高くなる。すなわち、CNT表面のみならず、基板表面においても、白金が析出する。また、ヒーターの表面にも白金が析出してしまう場合もある。   Next, in the conventional method, as shown in FIG. 4, the substrate is heated by heating the heater on which the CNT substrate is placed, and further the CNT is heated by heating the substrate. In this case, both the substrate and the CNT are heated, and the solubility of platinum in supercritical carbon dioxide is reduced on both the surface of the substrate and the surface of the CNT. Typically, as shown in FIG. 4, both the substrate temperature and the CNT temperature are higher than the deposition temperature of platinum. That is, platinum precipitates not only on the CNT surface but also on the substrate surface. Also, platinum may be deposited on the surface of the heater.

これに対して、本発明では、図1に示すように、上記したような特定の吸収率を有するレーザ等の電磁波をCNTに照射し、CNTを加熱する。具体的には、図2の(2A)のように、CNT基板のCNT配向面にレーザを照射することによって、CNTを加熱する。図2の(2A)において、圧力容器1には、超臨界流体(白金錯体が溶解した超臨界二酸化炭素)2が充填されている。また、圧力容器1には、基板4上に略垂直配向したCNT3が配設されている。基板4のCNT配向面には下地層5が設けられている。基板4上のCNT3には、圧力容器1に設けられた窓6を介して、レーザ発振器7より放射されたレーザ8が照射される。図2の(2B)は、図2の(2A)における温度分布を示すものであり、CNTを選択的に加熱できることが示されている。このように、CNTのみを加熱することによって、CNTの表面においてのみ超臨界二酸化炭素に対する白金の溶解度を低下させることができる。典型的には、図1及び図2の(2B)に示すように、基板温度は白金の析出温度より低いまま、CNT温度を白金の析出温度より高くすることができる。すなわち、基板上には白金を析出させることなく、CNT表面に選択的に白金を析出させることができる。   On the other hand, in this invention, as shown in FIG. 1, electromagnetic waves, such as a laser which has the above specific absorption factors, are irradiated to CNT, and CNT is heated. Specifically, as shown in FIG. 2 (2A), the CNTs are heated by irradiating the CNT alignment surface of the CNT substrate with a laser. In (2A) of FIG. 2, the pressure vessel 1 is filled with a supercritical fluid (supercritical carbon dioxide in which a platinum complex is dissolved) 2. The pressure vessel 1 is provided with CNTs 3 that are substantially vertically oriented on the substrate 4. A base layer 5 is provided on the CNT orientation surface of the substrate 4. The CNT 3 on the substrate 4 is irradiated with a laser 8 emitted from a laser oscillator 7 through a window 6 provided in the pressure vessel 1. (2B) in FIG. 2 shows the temperature distribution in (2A) in FIG. 2, and shows that CNT can be selectively heated. Thus, by heating only CNT, the solubility of platinum in supercritical carbon dioxide can be lowered only on the surface of CNT. Typically, as shown in FIG. 1 and FIG. 2 (2B), the CNT temperature can be made higher than the platinum deposition temperature while the substrate temperature remains lower than the platinum deposition temperature. That is, platinum can be selectively deposited on the CNT surface without depositing platinum on the substrate.

超臨界流体を利用する本発明は、次のようなメリットも有している。
まず、超臨界流体は、溶質を溶解するという液相的な挙動と、拡散性に優れているという気相的な挙動との両方を併せ持つことから、CNT基板のような非常に微細な構造を有する被処理材に対して、被覆材や被覆材の前駆体を溶解した超臨界流体を接触させることによって、被覆材や被覆材の前駆体を被処理材全体に浸透させることが可能である。その結果、金属触媒や電解質樹脂等の被覆材を、被処理材の表面に均一に被覆(担持)させることが可能である。
また、物質が超臨界状態になる過程と超臨界状態から臨界点以下となる過程において、系に激しい流れが生じることから、被処理材の洗浄効果も得られる。例えば、被処理材に対して、本発明による被覆方法を施す前に、電気化学処理を行っている場合、或いは、本発明による被覆方法を施した後に、被処理材に対して、電気化学処理を施す場合等に、一般的に必要な洗浄工程を省略することも可能である。
また、超臨界流体には、液相と気相との界面がないため、表面張力が発生しない。従って、繊維形状を有する被処理材を用いる場合、例えば、高アスペクト比(チューブ径に対するチューブ長の割合が大きい)のCNTが配向したCNT基板等を被処理材として用いる場合であっても、超臨界溶媒を超臨界状態から気相へと相変化させることにより、表面張力を発生させずに、繊維間(CNT間)の凝集を抑制することができる。
The present invention using a supercritical fluid has the following merits.
First, supercritical fluids have both a liquid-phase behavior of dissolving solutes and a gas-phase behavior of excellent diffusivity, so they have a very fine structure like a CNT substrate. By contacting a supercritical fluid in which a coating material or a precursor of the coating material is dissolved with the material to be processed, the coating material or the precursor of the coating material can be infiltrated into the entire material to be processed. As a result, a coating material such as a metal catalyst or an electrolyte resin can be uniformly coated (supported) on the surface of the material to be treated.
In addition, since a vigorous flow is generated in the system in the process where the substance is in the supercritical state and in the process where the supercritical state is below the critical point, the cleaning effect of the material to be processed can also be obtained. For example, when an electrochemical treatment is performed on a material to be treated before the coating method according to the present invention is performed, or after a coating method according to the present invention is performed, an electrochemical treatment is performed on the material to be treated. In general, it is possible to omit a necessary cleaning step.
In addition, since the supercritical fluid has no interface between the liquid phase and the gas phase, no surface tension is generated. Therefore, when using a material to be processed having a fiber shape, for example, even when using a CNT substrate or the like in which CNTs with a high aspect ratio (the ratio of the tube length to the tube diameter is large) are aligned, By changing the phase of the critical solvent from the supercritical state to the gas phase, aggregation between fibers (between CNTs) can be suppressed without generating surface tension.

さらに、本発明では、超臨界溶媒に対する被覆材又は被覆材の前駆体の溶解度の温度依存性を利用して、被覆材や前駆体を析出させることから、簡易的な処理や簡便な装置により、実施可能である。   Furthermore, in the present invention, since the coating material and the precursor are precipitated using the temperature dependency of the solubility of the coating material or the precursor of the coating material with respect to the supercritical solvent, by a simple treatment or a simple device, It can be implemented.

本発明者らは、上記のような電磁波照射による、CNT基板のCNT表面への選択的な白金触媒や電解質樹脂の被覆方法は、CNT基板を用いた電極の製造方法のみならず、CNT基板以外の導電性材料を含む電極の製造方法、さらに、その他の被処理材を被覆材で被覆する方法に応用可能であることを見出した。本発明によれば、CNT基板のような微細な細孔構造を有する多孔質構造体に対して、効率良く被覆材を被覆できることから、CNT基板以外の多孔質構造体や、その他の構造体の表面を被覆する方法として有効であることが充分に推測できる。   The present inventors have not only applied a method for producing an electrode using a CNT substrate but also a method for coating a CNT surface of a CNT substrate to a CNT surface by electromagnetic wave irradiation as described above. It has been found that the present invention can be applied to a method for producing an electrode containing the above conductive material, and a method for coating another material to be treated with a coating material. According to the present invention, a porous structure having a fine pore structure such as a CNT substrate can be efficiently coated with a coating material. Therefore, porous structures other than the CNT substrate and other structures It can be sufficiently estimated that the method is effective as a method for coating the surface.

以下、本発明の被覆方法及び燃料電池用電極の製造方法について説明する。
本発明の被覆方法は、被処理材の表面を被覆材で被覆する方法であり、本発明の燃料電池用電極の製造方法は、本発明の被覆方法において、被処理材としてCNT基板、被覆材として金属触媒の前駆体及び電解質樹脂の少なくとも一方を用い、CNTの表面に金属触媒及び電解質樹脂の少なくとも一方を被覆させるものである。ここでは、主に燃料電池用電極の製造方法を説明しながら、適宜、本発明の被覆方法について説明する。
また、本明細書において、超臨界流体とは、被覆材の前駆体及び/又は被覆材を溶解した超臨界溶媒、或いは、金属触媒の前駆体及び/又は電解質樹脂の他、超臨界溶媒以外の溶媒や、上記前駆体や被覆材等の成分の超臨界溶媒への溶解を促進するための成分(エントレナー)等を含む超臨界溶媒も指すものとする。また、本明細書において、被覆とは、被処理材の表面の一部を覆う形態及び被処理材の表面全面を覆う形態を含む。
Hereinafter, the coating method and the method for producing a fuel cell electrode according to the present invention will be described.
The coating method of the present invention is a method of coating the surface of a material to be treated with a coating material, and the method for producing an electrode for a fuel cell of the present invention comprises a CNT substrate, a coating material as the material to be treated in the coating method of the present invention. At least one of a precursor of a metal catalyst and an electrolyte resin is used, and the surface of the CNT is coated with at least one of the metal catalyst and the electrolyte resin. Here, the coating method of the present invention will be described as appropriate while mainly explaining the method for producing the fuel cell electrode.
In the present specification, the supercritical fluid is a supercritical solvent in which a coating material precursor and / or a coating material is dissolved, or a metal catalyst precursor and / or an electrolyte resin, and other than the supercritical solvent. A supercritical solvent including a solvent and a component (entrenner) for accelerating dissolution of a component such as the precursor and the coating material in the supercritical solvent is also meant. Further, in this specification, the covering includes a form covering a part of the surface of the material to be processed and a form covering the entire surface of the material to be processed.

[接触工程]
接触工程は、超臨界溶媒に金属触媒の前駆体(被覆材の前駆体)及び/又は電解質樹脂(被覆材)を溶解させた超臨界流体に、基板上に配向したCNT(被処理材)を、接触させる工程である。
超臨界流体の溶解性及び拡散性により、金属触媒の前駆体や電解質樹脂を、CNT基板のCNT間に浸透させ、CNT基板の各CNTの表面に行き渡らせることができる。
[Contact process]
In the contacting step, CNT (material to be treated) oriented on a substrate is dissolved in a supercritical fluid in which a precursor of a metal catalyst (precursor of a coating material) and / or an electrolyte resin (coating material) is dissolved in a supercritical solvent. , The step of contacting.
Due to the solubility and diffusibility of the supercritical fluid, the precursor of the metal catalyst and the electrolyte resin can be infiltrated between the CNTs of the CNT substrate and spread over the surface of each CNT of the CNT substrate.

基板上に配向したCNTとは、CNTが基板表面に固定された状態を指し、例えば、該基板上でCNTを成長させることにより得ることができる。或いは、他の基板等で別途生成させたCNTを該基板上に固定することにより得ることもできる。基板上におけるCNTの配向形態は特に限定されないが、基板上に略垂直に配向していることが好ましい。燃料電池用電極を、略垂直配向CNT基板を用いて形成することで、ガス拡散性、電子伝導性、イオン伝導性等の電極性能を向上させることができるからである。
ここで、基板上に略垂直に配向したCNTとは、基板の面方向と、CNTのチューブ長さ方向とのなす角度が、90°±30°の範囲であることを意味する。90°±30°の範囲であれば、垂直(90°)に配向した場合と同様の効果が得られる。尚、CNTには、直線状のものと、直線状でないものとがあり、直線状でないCNTの場合には、チューブ長さ方向の両端面の中心を結ぶ直線の方向を、チューブ長さ方向とする。
The CNT oriented on the substrate refers to a state in which the CNT is fixed to the substrate surface, and can be obtained, for example, by growing the CNT on the substrate. Alternatively, it can be obtained by fixing CNTs separately generated on another substrate or the like on the substrate. The alignment form of the CNTs on the substrate is not particularly limited, but it is preferable that the alignment is substantially perpendicular on the substrate. This is because the electrode performance such as gas diffusibility, electron conductivity, and ion conductivity can be improved by forming the fuel cell electrode using a substantially vertically aligned CNT substrate.
Here, the CNT oriented substantially perpendicularly on the substrate means that the angle formed by the surface direction of the substrate and the tube length direction of the CNT is in a range of 90 ° ± 30 °. If it is in the range of 90 ° ± 30 °, the same effect as in the case of being oriented vertically (90 °) can be obtained. There are two types of CNT, straight and non-linear. In the case of non-linear CNT, the direction of the straight line connecting the centers of both end faces in the tube length direction is the tube length direction. To do.

CNT基板を構成する基板としては、特に限定されず、例えば、SUS、シリコン、アルミニウム等が挙げられる。中でも、基板コストと熱伝導率の低さとの両立の観点からSUSが好ましい。SUSは、後述するように、CNTと比較してその熱伝導率が非常に低いことから、CNTのみの選択的な加熱状態を長く保持できるというメリットも有する。
また、基板の表面には、該基板上にCNTを成長させる際に使用した下地層が残っていてもよい。下地層としては、アルミナやシリカ等の多孔質材料を含むものが挙げられる。多孔質材料にCNTの成長の核となる成長触媒を担持させるために使用される。
The substrate constituting the CNT substrate is not particularly limited, and examples thereof include SUS, silicon, and aluminum. Among these, SUS is preferable from the viewpoint of achieving both substrate cost and low thermal conductivity. As will be described later, SUS has a merit that a selective heating state of only CNT can be maintained for a long time because its thermal conductivity is very low as compared with CNT.
Moreover, the base layer used when growing CNTs on the substrate may remain on the surface of the substrate. Examples of the underlayer include those containing a porous material such as alumina or silica. The porous material is used to support a growth catalyst that becomes the nucleus of CNT growth.

尚、燃料電池用電極やその他電池用電極を構成する導電性材料として、CNT基板以外のその他の導電性材料を用いた場合でも、本発明の効果は充分に発揮される。本発明によれば、被処理材の表面に選択的に被覆材を被覆することができるからである。
その他の導電性材料としては、例えば、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンナノファイバー、カーボンブラック、グラッシーカーボン、アセチレンブラック、カーボンフェルト、カーボンクロス、カーボンナノホーン(CNH)、カーボンナノウォール(CNW)等の炭素材料、チタン、シリコン、スズ、銅、チタニア、シリカ、酸化スズ等の金属や金属酸化物、等を挙げることができる。これら導電性材料は、1種類のみでも、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
CNT基板や、上記したような導電性材料を用いて形成される電極は、表面に微細な細孔構造(多孔質構造)を有していることから、その表面に電解質樹脂や金属触媒を被覆することが困難である場合があるが、本発明では、超臨界流体の優れた拡散性及び溶解性により、金属触媒の前駆体や電解質樹脂を多孔質構造内に浸透させることができるため、多孔質構造の表面に充分量の金属触媒や電解質樹脂を担持させることができる。
Even when other conductive materials other than the CNT substrate are used as the conductive material constituting the fuel cell electrode and other battery electrodes, the effects of the present invention are sufficiently exhibited. This is because according to the present invention, the surface of the material to be treated can be selectively coated with the coating material.
Other conductive materials include carbon such as carbon nanotube (CNT), carbon nanofiber, carbon black, glassy carbon, acetylene black, carbon felt, carbon cloth, carbon nanohorn (CNH), carbon nanowall (CNW), etc. Examples thereof include metals, metals such as titanium, silicon, tin, copper, titania, silica, and tin oxide, and metal oxides. These conductive materials may be used alone or in combination of two or more.
Electrodes formed using CNT substrates and conductive materials as described above have a fine pore structure (porous structure) on the surface, so the surface is covered with an electrolyte resin or metal catalyst. In the present invention, the excellent diffusibility and solubility of the supercritical fluid allows the metal catalyst precursor and the electrolyte resin to permeate into the porous structure. A sufficient amount of metal catalyst or electrolyte resin can be supported on the surface of the porous structure.

尚、本発明の燃料電池用電極の製造方法において、電解質樹脂を被覆させる被処理材としてのCNT等の導電性材料は、予め、その表面に後述するような金属触媒が被覆(担持)されていてもよい。この場合、CNT等の導電性材料表面への金属触媒の被覆方法は、本発明の電極の製造方法(本発明の被覆方法)の他、一般的な触媒担持法を採用することができる。一般的な触媒担持法としては、例えば、湿式法や乾式法等が挙げられ、具体的には、金属触媒塩溶液(例えば、白金塩溶液等)や金属触媒錯体溶液を表面に塗布し、乾燥、焼成還元する方法等が挙げられる。   In the fuel cell electrode manufacturing method of the present invention, the conductive material such as CNT as the material to be coated with the electrolyte resin is previously coated (supported) with a metal catalyst as described later. May be. In this case, as a method for coating the surface of the conductive material such as CNT with the metal catalyst, a general catalyst supporting method can be adopted in addition to the electrode manufacturing method of the present invention (the coating method of the present invention). Examples of a general catalyst loading method include a wet method and a dry method. Specifically, a metal catalyst salt solution (for example, a platinum salt solution) or a metal catalyst complex solution is applied to the surface and dried. And a method of firing reduction.

被覆材の被覆対象である被処理材としては、上記したようなCNT基板やその他の導電性材料の以外の材料も用いることができる。   As a material to be treated which is a coating target of the coating material, a material other than the above-described CNT substrate and other conductive materials can be used.

超臨界溶媒としては、例えば、トリフルオロメタン(CHF)、CO、テトラフルオロエチレン(CF=CF)、1,1,2,2−テトラフルオロエタン(CHFCHF)、ペンタフルオロエタン(CFCHF)、水、エタノール、及びメタノール等を超臨界状態にしたものを挙げることができる。これら溶媒は1種のみを単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
超臨界溶媒としては、超臨界トリフルオロメタン(CHF)、超臨界COが特に好ましい。臨界点が比較的低温且つ低圧であるために取り扱い易く、また、不活性で安全性にも優れているからである。
溶媒を、該溶媒の臨界温度より高い温度に加熱すると共に、該溶媒の臨界圧力よりも高い圧力に加圧することにより、超臨界状態とすることができる。
Examples of supercritical solvents include trifluoromethane (CHF 3 ), CO 2 , tetrafluoroethylene (CF 2 ═CF 2 ), 1,1,2,2-tetrafluoroethane (CHF 2 CHF 2 ), pentafluoroethane. Examples include (CF 3 CHF 2 ), water, ethanol, methanol, and the like in a supercritical state. These solvents may be used alone or in combination of two or more.
As the supercritical solvent, supercritical trifluoromethane (CHF 3 ) and supercritical CO 2 are particularly preferable. This is because the critical point is relatively low temperature and low pressure, so that it is easy to handle, inert, and excellent in safety.
A supercritical state can be obtained by heating the solvent to a temperature higher than the critical temperature of the solvent and pressurizing the solvent to a pressure higher than the critical pressure of the solvent.

金属触媒としては、電極反応を促進できるものであれば特に限定されず、例えば、燃料電池用電極の金属触媒としては、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、これら金属の合金等が挙げられる。中でも、白金及び白金合金、特に白金は、触媒性能に優れることから好ましい。
金属触媒は、通常、金属錯体、金属塩、合金錯体、合金錯体等の前駆体を、超臨界溶媒に溶解させ、該前駆体を本発明によりCNT(被処理材)の表面に被覆させた後、金属又は合金へと変化させることで、CNT(被処理材)の表面に被覆させることができる。前駆体を金属又は合金へと変化させる方法としては、例えば、熱分解、還元等の一般的な手法を採用することができる。
合金触媒を被覆させる場合には、前駆体として、2種以上の金属原子を含む化合物を用いてもよいし、前駆体として、異なる金属原子を含む2種類以上の化合物を組み合わせて用いてもよい。
The metal catalyst is not particularly limited as long as it can promote the electrode reaction. For example, the metal catalyst for the fuel cell electrode includes platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium. And metals such as cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum, and alloys of these metals. Among these, platinum and platinum alloys, particularly platinum are preferable because of their excellent catalytic performance.
The metal catalyst is usually prepared by dissolving a precursor such as a metal complex, a metal salt, an alloy complex, or an alloy complex in a supercritical solvent, and coating the precursor on the surface of the CNT (material to be treated) according to the present invention. By changing to a metal or alloy, the surface of the CNT (material to be treated) can be coated. As a method for changing the precursor into a metal or an alloy, for example, general techniques such as thermal decomposition and reduction can be employed.
When coating the alloy catalyst, a compound containing two or more metal atoms may be used as a precursor, or two or more compounds containing different metal atoms may be used in combination as a precursor. .

金属触媒の具体的な前駆体としては、例えば、白金触媒の前駆体として、(トリメチル)メチルシクロペンタジエニル白金、ヘキサクロロ白金酸カリウム、ジニトロジアンミン白金(溶液)等が挙げられる。
尚、金属触媒そのものを、超臨界溶媒に溶解し、CNT表面に析出させてもよい。
Specific examples of the metal catalyst precursor include platinum catalyst precursors such as (trimethyl) methylcyclopentadienylplatinum, potassium hexachloroplatinate, and dinitrodiammine platinum (solution).
The metal catalyst itself may be dissolved in a supercritical solvent and deposited on the CNT surface.

電解質樹脂としては、所望のイオン伝導性を有し、超臨界溶媒に溶解可能であれば、特に限定されず、例えば、プロトン伝導性を有する電解質樹脂としては、フッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質等が挙げられる。
ここで、フッ素系高分子電解質とは、ナフィオン(商品名、デュポン製)やアシプレックス(商品名、旭化成製)、フレミオン(商品名、旭硝子製)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の他、炭化フッ素系ビニルモノマーと炭化水素系ビニルモノマーの共重合体やジフルオロビニルモノマーの重合物にスルホン酸基、スルホンイミド基、カルボン酸基、リン酸基、ホスホン酸基、フェノール性水酸基等のプロトン酸基(プロトン伝導性基)を導入したもののような部分フッ素化高分子電解質等の含フッ素高分子電解質を指す。
また、炭化水素系高分子電解質とは、フッ素を含有しない高分子電解質であり、具体的には、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリパラフェニレン等のエンジニアリングプラスチックや、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等の汎用プラスチックにスルホン酸基、スルホンイミド基、カルボン酸基、リン酸基、ホスホン酸基、フェノール性水酸基等のプロトン酸基(プロトン伝導性基)を導入したもの又はこれらの共重合体等が挙げられる。
The electrolyte resin is not particularly limited as long as it has desired ionic conductivity and can be dissolved in a supercritical solvent. For example, the electrolyte resin having proton conductivity includes a fluorine-based polymer electrolyte and a hydrocarbon-based electrolyte. Examples include polymer electrolytes.
Here, the fluoropolymer electrolyte is a perfluorocarbon sulfonic acid resin represented by Nafion (trade name, manufactured by DuPont), Aciplex (trade name, manufactured by Asahi Kasei), Flemion (trade name, manufactured by Asahi Glass), Protonic acids such as sulfonic acid groups, sulfonimide groups, carboxylic acid groups, phosphoric acid groups, phosphonic acid groups, and phenolic hydroxyl groups on copolymers of fluorocarbon vinyl monomers and hydrocarbon vinyl monomers and polymers of difluorovinyl monomers Fluorine-containing polymer electrolytes such as partially fluorinated polymer electrolytes such as those having a group (proton conductive group) introduced.
The hydrocarbon-based polymer electrolyte is a polymer electrolyte that does not contain fluorine. Specifically, polyether ether ketone, polyether ketone, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylene ether, polyparaphenylene, etc. General purpose plastics such as engineering plastics, polyethylene terephthalate, polyethylene, polypropylene, polystyrene, and proton acid groups (proton conductive groups such as sulfonic acid groups, sulfonimide groups, carboxylic acid groups, phosphoric acid groups, phosphonic acid groups, phenolic hydroxyl groups) ) Or a copolymer thereof.

また、被覆材としては、超臨界溶媒に溶解可能であれば特に限定されず、上記電解質樹脂及び金属触媒以外に、例えば、撥水材や撥水材のペースト等を挙げることができる。   The coating material is not particularly limited as long as it can be dissolved in a supercritical solvent. In addition to the electrolyte resin and the metal catalyst, for example, a water repellent material, a water repellent material paste, and the like can be given.

金属触媒の前駆体(被覆材の前駆体)や電解質樹脂(被覆材)は、超臨界溶媒以外の溶媒に溶解した状態で超臨界溶媒と混合することで、金属触媒の前駆体や電解質樹脂を超臨界溶媒に溶解させやすくすることができる。上記したような金属触媒の前駆体用の溶媒としては、前駆体を溶解できれば特に限定されず、例えば、ヘキサン等が挙げられる。また、電解質樹脂用の溶媒としては、電解質樹脂を溶解できれば特に限定されず、適宜選択することができる。例えば、エタノール等のアルコール、水、N−メチルピロリドン(NMP)等の溶媒が挙げられる。   The metal catalyst precursor (coating material precursor) and electrolyte resin (coating material) are dissolved in a solvent other than the supercritical solvent and mixed with the supercritical solvent, so that the metal catalyst precursor and the electrolyte resin are mixed. It can be easily dissolved in a supercritical solvent. The solvent for the metal catalyst precursor as described above is not particularly limited as long as the precursor can be dissolved, and examples thereof include hexane. Further, the solvent for the electrolyte resin is not particularly limited as long as the electrolyte resin can be dissolved, and can be appropriately selected. Examples thereof include alcohols such as ethanol, water, and solvents such as N-methylpyrrolidone (NMP).

超臨界流体の調製方法は特に限定されず、例えば、超臨界溶媒と金属触媒の前駆体及び/又は電解質樹脂とを混合することができる。
また、CNT基板のカーボンナノチューブ(被処理材)を、超臨界流体に接触させる方法も特に限定されず、例えば、超臨界流体にCNT基板を浸漬させる方法等が挙げられる。
通常は、圧力容器内に、CNT基板(被処理物)と金属触媒の前駆体及び/又は電解質樹脂と超臨界溶媒とを封入することで、金属触媒の前駆体(被覆材の前駆体)及び/又は電解質樹脂(被覆材)を溶解させた超臨界流体に、CNT基板を浸漬させることができる。
The method for preparing the supercritical fluid is not particularly limited, and for example, a supercritical solvent and a metal catalyst precursor and / or an electrolyte resin can be mixed.
Further, the method of bringing the carbon nanotubes (material to be treated) of the CNT substrate into contact with the supercritical fluid is not particularly limited, and examples thereof include a method of immersing the CNT substrate in the supercritical fluid.
Normally, a metal catalyst precursor (coating material precursor) and a CNT substrate (object to be processed) and a metal catalyst precursor and / or an electrolyte resin and a supercritical solvent are sealed in a pressure vessel. The CNT substrate can be immersed in a supercritical fluid in which an electrolyte resin (coating material) is dissolved.

[加熱工程]
加熱工程は、CNT(被処理物)に、CNT(被処理物)の吸収率が超臨界溶媒の吸収率よりも高い波長の電磁波を照射することによって、CNTを加熱し、金属触媒の前駆体(被覆材の前駆体)及び/又は電解質樹脂(被覆材)の超臨界溶媒に対する溶解度が低下する温度まで加熱する工程である。
加熱工程では、CNTを加熱して、CNT近傍に存在する超臨界流体に対する金属触媒の前駆体(被覆材の前駆体)及び/又は電解質樹脂(被覆材)の溶解度を低下させることによって、CNT表面(被処理物表面)への金属触媒の前駆体(被覆材の前駆体)及び/又は電解質樹脂(被覆材)の析出を促進し、析出量(被覆量)を確保することができる。本発明では、上記溶解度を低下させるためのCNTの加熱手段として、上記特定の波長を有する電磁波を用いることによって、CNT(被処理物)のみを加熱することを可能とし、CNT以外の部材への析出を抑制し、CNT(被処理物)表面に金属触媒の前駆体(被覆材の前駆体)及び/又は電解質樹脂(被覆材)を効率的良く析出させることができる。
[Heating process]
The heating step irradiates the CNT (object to be processed) with electromagnetic waves having a wavelength higher than that of the supercritical solvent to absorb the CNT (object to be processed), thereby heating the CNT, and the precursor of the metal catalyst. It is a step of heating to a temperature at which the solubility of the (precursor of the coating material) and / or the electrolyte resin (coating material) in the supercritical solvent is lowered.
In the heating step, the CNT surface is heated by reducing the solubility of the precursor of the metal catalyst (precursor of the coating material) and / or the electrolyte resin (coating material) in the supercritical fluid existing in the vicinity of the CNT. Precipitation of the precursor of the metal catalyst (precursor of the coating material) and / or the electrolyte resin (coating material) on the (surface of the object to be processed) can be promoted, and the precipitation amount (coating amount) can be ensured. In the present invention, by using an electromagnetic wave having the specific wavelength as a heating means of the CNT for reducing the solubility, it is possible to heat only the CNT (object to be processed), and to a member other than the CNT. Precipitation can be suppressed, and the precursor of the metal catalyst (precursor of the coating material) and / or the electrolyte resin (coating material) can be efficiently deposited on the surface of the CNT (object to be treated).

電磁波は、CNT(被処理材)の吸収率が超臨界溶媒の吸収率よりも高いという条件(CNT吸収率>超臨界溶媒吸収率)を満たせばよい。
例えば、二酸化炭素の吸収波長は、約3μm〜12μm(赤外線域)であることから、この範囲外の波長を有する電磁波を用いれば、超臨界二酸化炭素を超臨界溶媒として用いた場合でも、超臨界二酸化炭素は加熱されないため、CNTから離れて位置する超臨界流体(雰囲気)は加熱されない。具体的には、超臨界二酸化炭素を超臨界溶媒として用いる場合には、2μm以下の波長を有する電磁波を用いることが好ましく、特に1μm以下の波長を有する電磁波を用いることが好ましい。
具体的な電磁波の発振源としては、例えば、GaAsレーザ(波長0.6〜1.6μm)等の半導体レーザ、YAGレーザ(波長1.06μm)及びルビーレーザ(波長0.69μm)等の固体レーザ、He−Neレーザ(波長0.63μm)、Arレーザ(波長0.51μm)、及びエキシマレーザ(波長0.15〜0.35μm)等の気体レーザ、ハロゲンランプ等が挙げられる。中でも、2μm以下の波長を有する導体レーザ及びハロゲンランプの少なくとも一方が好ましい。
The electromagnetic wave should just satisfy | fill the conditions (CNT absorption rate> supercritical solvent absorption rate) that the absorption rate of CNT (material to be processed) is higher than the absorption rate of a supercritical solvent.
For example, since the absorption wavelength of carbon dioxide is about 3 μm to 12 μm (infrared region), if an electromagnetic wave having a wavelength outside this range is used, even when supercritical carbon dioxide is used as a supercritical solvent, it is supercritical. Since carbon dioxide is not heated, the supercritical fluid (atmosphere) located away from the CNT is not heated. Specifically, when supercritical carbon dioxide is used as a supercritical solvent, it is preferable to use an electromagnetic wave having a wavelength of 2 μm or less, and it is particularly preferable to use an electromagnetic wave having a wavelength of 1 μm or less.
Specific examples of the electromagnetic wave oscillation source include a semiconductor laser such as a GaAs laser (wavelength 0.6 to 1.6 μm), a solid-state laser such as a YAG laser (wavelength 1.06 μm), and a ruby laser (wavelength 0.69 μm). Gas lasers such as He—Ne laser (wavelength 0.63 μm), Ar laser (wavelength 0.51 μm), and excimer laser (wavelength 0.15 to 0.35 μm), halogen lamps, and the like. Among these, at least one of a conductor laser and a halogen lamp having a wavelength of 2 μm or less is preferable.

一方、CNTは、特に略垂直配向したCNTは、紫外〜遠赤外域の全域において、高い吸収率を有する。すなわち、上記範囲の波長を有する電磁波を照射することによってCNTを加熱することができ、用いる超臨界溶媒に応じて適宜選択することができる。また、超臨界二酸化炭素を超臨界溶媒として用いる場合に適した、2μm以下の波長を有する電磁波や、上記したような半導体レーザ、固体レーザ、気体レーザ、及びハロゲンランプ等を発振源とする電磁波を照射することによって、CNTを加熱することができる。   On the other hand, CNTs, especially CNTs that are substantially vertically aligned, have a high absorption rate in the entire ultraviolet to far infrared region. That is, CNTs can be heated by irradiating electromagnetic waves having a wavelength in the above range, and can be appropriately selected according to the supercritical solvent to be used. Also suitable for the use of supercritical carbon dioxide as a supercritical solvent is an electromagnetic wave having a wavelength of 2 μm or less, or an electromagnetic wave having an oscillation source such as a semiconductor laser, solid laser, gas laser, or halogen lamp as described above. By irradiating, the CNT can be heated.

尚、超臨界溶媒の電磁波の吸収波長や吸収率に対して、超臨界流体中の溶質(金属触媒の前駆体や電解質樹脂等の被覆材前駆体や被覆材)及びエントレナー等の影響や、超臨界状態による影響(例えば、溶媒を気相状態から超臨界状態へ相変化させることによる影響)が生じる場合もある。この場合、予め、実験的に、超臨界流体の固有吸収波長を測定し、該波長を避けて電磁波を選択すればよい。   The influence of the solute (coating material precursor or coating material such as a metal catalyst precursor or electrolyte resin) and the entrainer in the supercritical fluid on the absorption wavelength and absorption rate of electromagnetic waves of the supercritical solvent, In some cases, an influence due to a critical state (for example, an influence due to a phase change of the solvent from a gas phase state to a supercritical state) may occur. In this case, the intrinsic absorption wavelength of the supercritical fluid may be measured experimentally in advance, and the electromagnetic wave may be selected avoiding the wavelength.

加熱工程において、被処理材であるCNTに対してのみ電磁波を照射することによって、CNTのみを加熱することが可能となる。
CNT(被処理材)に対してのみ電磁波を照射する方法としては、特に限定されず、例えば、図2の(2A)に示すように、圧力容器1の壁に設けられた窓6の外からレーザ発振器7から発生したレーザ8を照射する方法が挙げられる。このとき、レーザ(電磁波)の焦点径はデフォーカスして拡大することで、照射面積を拡大することができる。また、図2のように、複数のレーザ発振器7を用いることで、基板上に配向したCNT全面にレーザを照射できるようにしてもよい。
尚、上記窓は、レーザ発振器からのレーザを透過させることが可能であればよく、使用するレーザに応じて材料や形状を適宜選択すればよい。窓の具体的な材料として、例えば、超臨界二酸化炭素を超臨界溶媒として用いる場合には、石英ガラス等が挙げられる。
In the heating step, only the CNTs can be heated by irradiating the electromagnetic waves only to the CNTs to be processed.
The method of irradiating electromagnetic waves only to the CNT (material to be treated) is not particularly limited. For example, as shown in FIG. 2 (2A), from the outside of the window 6 provided on the wall of the pressure vessel 1 A method of irradiating the laser 8 generated from the laser oscillator 7 is mentioned. At this time, the focal area of the laser (electromagnetic wave) can be defocused and expanded, so that the irradiation area can be expanded. Further, as shown in FIG. 2, a plurality of laser oscillators 7 may be used so that the entire surface of the CNT oriented on the substrate can be irradiated with the laser.
Note that the window need only be able to transmit the laser from the laser oscillator, and the material and shape may be appropriately selected according to the laser to be used. As a specific material of the window, for example, when supercritical carbon dioxide is used as a supercritical solvent, quartz glass and the like can be mentioned.

また、図2とは異なり、圧力容器内に導波路を導入し、CNT近傍に開口端を配置し、CNT近傍から電磁波を照射してもよい。この場合も、上記同様、デフォーカスや、複数の発振器の使用及び/又は複数の導波路の導入等による照射面積の拡大を行うことができる。   Further, unlike FIG. 2, a waveguide may be introduced into the pressure vessel, an open end may be disposed in the vicinity of the CNT, and electromagnetic waves may be irradiated from the vicinity of the CNT. In this case as well, the irradiation area can be expanded by defocusing, using a plurality of oscillators, and / or introducing a plurality of waveguides.

図3には、ハロゲンランプを用い、CNTに対して電磁波を照射する方法を示す。図3においては、圧力容器1の壁に設けられた窓6の外からハロゲンランプ9から発生した電磁波10が、CNT基板の上部から照射される。このとき、図2の上記レーザ発振器を用いた場合と同様、電磁波の焦点径をデフォーカスして拡大したり、複数のハロゲンランプを用いることで、基板上に配向したCNT全面に電磁波を照射できるようにしてもよい。
尚、上記窓は、ハロゲンランプから放射される電磁波を透過させることが可能であればよく、使用するハロゲンランプの波長に応じて材料や形状を適宜選択すればよい。窓の具体的な材料として、例えば、超臨界二酸化炭素を超臨界溶媒として用いる場合には、石英ガラス等が挙げられる。
FIG. 3 shows a method of irradiating CNT with electromagnetic waves using a halogen lamp. In FIG. 3, the electromagnetic wave 10 generated from the halogen lamp 9 from outside the window 6 provided on the wall of the pressure vessel 1 is irradiated from the upper part of the CNT substrate. At this time, as in the case of using the laser oscillator shown in FIG. 2, the electromagnetic wave can be irradiated on the entire surface of the CNT oriented on the substrate by defocusing and expanding the focal diameter of the electromagnetic wave or using a plurality of halogen lamps. You may do it.
Note that the window need only be able to transmit electromagnetic waves radiated from the halogen lamp, and the material and shape may be appropriately selected according to the wavelength of the halogen lamp to be used. As a specific material of the window, for example, when supercritical carbon dioxide is used as a supercritical solvent, quartz glass and the like can be mentioned.

ハロゲンランプの放射波長域は1μm程度であるため、一般的には、1μm程度の波長の吸収率が0.3以上の材料の場合、良好に加熱することができる。一方、1μm程度の波長の吸収率が0.1以下の材料の場合、加熱効果は一般的に低い。   Since the radiation wavelength range of the halogen lamp is about 1 μm, in general, a material having an absorptance of a wavelength of about 1 μm of 0.3 or more can be heated satisfactorily. On the other hand, in the case of a material having an absorptance at a wavelength of about 1 μm of 0.1 or less, the heating effect is generally low.

尚、1μm程度の波長に対するCNTの吸収率は0.98程度であるため、ハロゲンランプによる電磁波の照射による加熱は有効である。
一方、上記したように、1μm程度の波長の吸収率が0.1以下の材料の場合、加熱効果が低いことから、加熱工程において、CNT以外の部材を、1μm程度の波長に対する吸収率が0.1以下の材料で構成又はその表面を被覆することによって、CNTの選択的な加熱をより効果的に行うことが可能といえる。例えば、圧力容器の内壁を、研磨アルミ合金(1μm波長の吸収率0.1)、酸化銀(1μm波長の吸収率0.05)等で構成する或いはメッキすることで、CNTはハロゲンランプから放射された電磁波を吸収し加熱される一方、圧力容器の内壁表面ではハロゲンランプの電磁波が反射されるようにすることができる。
In addition, since the absorption rate of CNT with respect to a wavelength of about 1 μm is about 0.98, heating by irradiation of electromagnetic waves with a halogen lamp is effective.
On the other hand, as described above, when the absorptivity at a wavelength of about 1 μm is 0.1 or less, the heating effect is low. It can be said that selective heating of CNTs can be performed more effectively by constituting or covering the surface with a material of 0.1 or less. For example, the inner wall of the pressure vessel is made of polished aluminum alloy (1 μm wavelength absorptivity 0.1), silver oxide (1 μm wavelength absorptivity 0.05) or the like, or CNT is emitted from the halogen lamp. The electromagnetic wave of the halogen lamp can be reflected on the inner wall surface of the pressure vessel while being absorbed and heated.

被処理材であるCNTの温度制御は、電磁波の強度、電磁波のデフォーカス径、電磁波の照射距離、電磁波の照射時間、圧力容器内の雰囲気(超臨界流体)における溶質濃度、基板の熱容量等によって、行うことができる。これら条件は、適宜設定すればよい。電磁波の照射径内において、強度分布は生じないため、CNT表面全体に電磁波を照射することによって、CNTの温度分布は生じない。   The temperature control of the CNT as the material to be treated is controlled by the intensity of the electromagnetic wave, the defocus diameter of the electromagnetic wave, the irradiation distance of the electromagnetic wave, the irradiation time of the electromagnetic wave, the solute concentration in the atmosphere (supercritical fluid) in the pressure vessel, the heat capacity of the substrate ,It can be carried out. These conditions may be set as appropriate. Since the intensity distribution does not occur within the irradiation diameter of the electromagnetic wave, the temperature distribution of the CNT does not occur by irradiating the entire surface of the CNT with the electromagnetic wave.

尚、CNTの熱伝導率は、200〜3000W/m・Kと非常に高く、CNTの表面で発生した熱は速やかにCNTの内部や根元まで伝わる。一方、基板(例えば、SUS等)や下地層を構成するアルミナ及びシリカ等の熱伝導率は10〜400W/m・K程度であり、また、超臨界溶媒である超臨界二酸化炭素の熱伝導率は60℃で0.03W/m・K程度である。すなわち、CNTと比較してこれらの熱伝導率は1〜5桁低く、加熱されたCNTの熱は、瞬間的に基板や雰囲気に伝わるわけではなく、温度差のある時間が確保される。また、基板上に配向した複数のCNT(CNT層)と基板との熱容量比は、CNT層の方が充分に小さいために、伝熱で基板が瞬時に、超臨界流体中に溶解した溶質の析出温度に到達するわけでもなく、やはりCNTだけが加熱されて高温状態となる時間が確保される。   In addition, the thermal conductivity of CNT is as high as 200 to 3000 W / m · K, and the heat generated on the surface of the CNT is quickly transferred to the inside and the root of the CNT. On the other hand, the thermal conductivity of alumina and silica constituting the substrate (e.g., SUS) and the underlayer is about 10 to 400 W / m · K, and the thermal conductivity of supercritical carbon dioxide, which is a supercritical solvent. Is about 0.03 W / m · K at 60 ° C. That is, these thermal conductivities are 1 to 5 orders of magnitude lower than those of CNTs, and the heat of the heated CNTs is not instantaneously transferred to the substrate or atmosphere, but a time with a temperature difference is secured. In addition, the heat capacity ratio between the plurality of CNTs (CNT layer) oriented on the substrate and the substrate is sufficiently smaller in the CNT layer, so that the substrate is instantaneously dissolved in the supercritical fluid by heat transfer. It does not reach the deposition temperature, but only the CNT is heated to ensure a high temperature.

基板の温度をより確実に溶質の析出温度未満に保持することを目的として、基板を冷却する冷却手段を設けてもよい。具体的な冷却手段の形態として、例えば、圧力容器内のCNT基板配置位置に冷却手段を設け、その上にCNT基板を置く形態が挙げられる。   A cooling means for cooling the substrate may be provided for the purpose of more reliably maintaining the temperature of the substrate below the solute precipitation temperature. As a specific form of the cooling means, for example, there is a form in which the cooling means is provided at the CNT substrate arrangement position in the pressure vessel and the CNT substrate is placed thereon.

加熱工程において、電磁波の照射によりCNT(被処理材)の表面に金属触媒の前駆体及び/又は電解質樹脂を析出させた後、例えば、圧力容器内の温度及び/又は圧力を低下させることで、超臨界溶媒を臨界点以下にすることができる。
本発明の電極の製造方法や被覆方法は、上記各工程以外の工程を備えていてもよく、例えば、加熱工程において、金属触媒の前駆体をCNT表面に析出させた場合には、適切な処理により、CNT表面の金属触媒前駆体を金属触媒に変化させる。金属触媒前駆体を金属触媒に変化させる方法としては、上記したように、熱分解、還元等の一般的な手法を採用することができる。
また、本発明によりCNT表面に金属触媒を被覆させた後、該金属触媒が被覆されたCNT表面に、本発明により電解質樹脂を被覆させることもできる。
In the heating step, after depositing the precursor of the metal catalyst and / or the electrolyte resin on the surface of the CNT (material to be treated) by electromagnetic wave irradiation, for example, by reducing the temperature and / or pressure in the pressure vessel, The supercritical solvent can be below the critical point.
The electrode manufacturing method and coating method of the present invention may include steps other than the above steps. For example, in the heating step, when a metal catalyst precursor is deposited on the CNT surface, an appropriate treatment is performed. Thus, the metal catalyst precursor on the CNT surface is changed to a metal catalyst. As a method for changing the metal catalyst precursor to a metal catalyst, general methods such as thermal decomposition and reduction can be employed as described above.
Further, after the metal catalyst is coated on the CNT surface according to the present invention, the electrolyte resin can be coated on the CNT surface coated with the metal catalyst according to the present invention.

本発明の燃料電池用電極の製造方法により提供される電極は、従来の燃料電池用電極と比較して、CNTの表面に充分量の電解質樹脂及び/又は金属触媒が担持されている、優れた電極性能を発現することができる。本発明により提供される電極は、燃料電池用電極として特に有効であるが、燃料電池以外の幅広い種類及び分野の電池用電極として好適に使用可能である。   The electrode provided by the method for producing a fuel cell electrode of the present invention is superior in that a sufficient amount of electrolyte resin and / or metal catalyst is supported on the surface of the CNT as compared with a conventional fuel cell electrode. Electrode performance can be expressed. The electrode provided by the present invention is particularly effective as a fuel cell electrode, but can be suitably used as a battery electrode for a wide variety of fields and fields other than fuel cells.

1…圧力容器
2…超臨界流体
3…CNT
4…基板
5…下地層
6…窓
7…レーザ発振器
8…電磁波(レーザ)
9…ハロゲンランプ
10…電磁波
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Pressure vessel 2 ... Supercritical fluid 3 ... CNT
4 ... Substrate 5 ... Underlayer 6 ... Window 7 ... Laser oscillator 8 ... Electromagnetic wave (laser)
9 ... Halogen lamp 10 ... Electromagnetic wave

Claims (9)

被処理材の表面を被覆材で被覆する方法であって、
超臨界溶媒に前記被覆材の前駆体及び/又は前記被覆材を溶解させた超臨界流体に、前記被処理材を接触させる接触工程と、
前記被処理材に該被処理材の吸収率が前記超臨界溶媒の吸収率よりも高い波長の電磁波を照射することによって、該被処理材を、前記前駆体及び/又は前記被覆材の前記超臨界溶媒に対する溶解度が低下する温度まで加熱する加熱工程と、
を有することを特徴とする被覆方法。
A method of coating the surface of a material to be treated with a coating material,
Contacting the material to be treated with a supercritical fluid obtained by dissolving the precursor of the coating material and / or the coating material in a supercritical solvent;
By irradiating the material to be treated with an electromagnetic wave having a wavelength higher than the absorption rate of the supercritical solvent, the material to be treated is treated with the precursor and / or the super material of the coating material. A heating step of heating to a temperature at which the solubility in the critical solvent decreases;
A coating method characterized by comprising:
前記超臨界溶媒が超臨界二酸化炭素であり、前記電磁波の波長が2μm以下である、請求項1に記載の被覆方法。   The coating method according to claim 1, wherein the supercritical solvent is supercritical carbon dioxide, and the wavelength of the electromagnetic wave is 2 μm or less. 前記超臨界溶媒が超臨界二酸化炭素であり、前記電磁波が半導体レーザ及びハロゲンランプの少なくとも一方より照射される、請求項1又は請求項2に記載の被覆方法。   The coating method according to claim 1, wherein the supercritical solvent is supercritical carbon dioxide, and the electromagnetic wave is irradiated from at least one of a semiconductor laser and a halogen lamp. 前記被覆材が白金である、請求項1乃至3のいずれかに記載の被覆方法。   The coating method according to claim 1, wherein the coating material is platinum. 前記被覆材が電解質樹脂である、請求項1乃至4のいずれかに記載の被覆方法。   The coating method according to claim 1, wherein the coating material is an electrolyte resin. 前記被処理材が、基板上に配向したカーボンナノチューブである、請求項1乃至5のいずれかに記載の被覆方法。   The coating method according to claim 1, wherein the material to be treated is a carbon nanotube oriented on a substrate. 前記カーボンナノチューブが前記基板上に略垂直配向している、請求項6に記載の被覆方法。   The coating method according to claim 6, wherein the carbon nanotubes are substantially vertically aligned on the substrate. カーボンナノチューブの表面が金属触媒及び電解質樹脂で被覆された燃料電池用電極の製造方法であって、
超臨界溶媒に金属触媒の前駆体及び/又は電解質樹脂を溶解させた超臨界流体に、基板上に配向した前記カーボンナノチューブを接触させる接触工程と、
前記カーボンナノチューブに、前記カーボンナノチューブの吸収率が前記超臨界溶媒の吸収率よりも高い波長の電磁波を照射することによって、前記カーボンナノチューブを、前記金属触媒の前駆体及び/又は前記電解質樹脂の前記超臨界溶媒に対する溶解度が低下する温度まで加熱する加熱工程と、
を有することを特徴とする、燃料電池用電極の製造方法。
A method for producing an electrode for a fuel cell in which the surface of a carbon nanotube is coated with a metal catalyst and an electrolyte resin,
Contacting the carbon nanotubes oriented on the substrate with a supercritical fluid in which a precursor of a metal catalyst and / or an electrolyte resin is dissolved in a supercritical solvent;
By irradiating the carbon nanotube with an electromagnetic wave having a wavelength higher than the absorption rate of the supercritical solvent, the carbon nanotube is converted into the precursor of the metal catalyst and / or the electrolyte resin. A heating step of heating to a temperature at which the solubility in the supercritical solvent decreases;
A method for producing an electrode for a fuel cell, comprising:
前記金属触媒が白金である、請求項8に記載の燃料電池用電極の製造方法。   The method for producing a fuel cell electrode according to claim 8, wherein the metal catalyst is platinum.
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