JP5417038B2 - Method for producing catalyst electrode used for membrane electrode assembly, catalyst electrode used for membrane electrode assembly, method for producing membrane electrode assembly, membrane electrode assembly, and fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池用の膜電極接合体に用いられる触媒電極の製造方法、膜電極接合体に用いられる触媒電極、膜電極接合体の製造方法、膜電極接合体、および、燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a catalyst electrode used for a membrane electrode assembly for a fuel cell, a catalyst electrode used for a membrane electrode assembly, a method for producing a membrane electrode assembly, a membrane electrode assembly, and a fuel cell. It is.

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、電解質膜の両面に、それぞれ、触媒電極を接合してなる膜電極接合体を備えるタイプのものがある。このような膜電極接合体において、触媒電極には、従来、白金等の触媒金属を担持したカーボンブラックが用いられていた。   A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas has attracted attention as an energy source. This type of fuel cell includes a membrane electrode assembly formed by bonding a catalyst electrode to both surfaces of an electrolyte membrane. In such a membrane electrode assembly, conventionally, carbon black carrying a catalyst metal such as platinum has been used for the catalyst electrode.

近年では、触媒電極における電子伝導性、および、ガス拡散性を向上させるために、膜電極接合体に用いられる触媒電極に、カーボンブラックの代わりに、カーボンナノチューブを用いる技術が提案されている(下記特許文献1,3参照)。この技術では、基板上に、基板の表面に対して垂直に配向した複数のカーボンナノチューブを成長させ、これらに白金等の触媒金属を担持させた後、その表面をアイオノマ(電解質)によって被覆することによって触媒電極を製造する。カーボンナノチューブの表面をアイオノマによって被覆する際には、一般に、アイオノマを分散させた溶液(以下、アイオノマ分散溶液と呼ぶ)をカーボンナノチューブに滴下して、乾燥させる。   In recent years, in order to improve the electron conductivity and gas diffusibility in the catalyst electrode, a technique using carbon nanotubes instead of carbon black has been proposed for the catalyst electrode used in the membrane electrode assembly (see below). (See Patent Documents 1 and 3). In this technique, a plurality of carbon nanotubes oriented perpendicular to the surface of the substrate are grown on the substrate, and a catalytic metal such as platinum is supported thereon, and then the surface is covered with an ionomer (electrolyte). To produce a catalyst electrode. When the surface of a carbon nanotube is coated with an ionomer, generally, a solution in which an ionomer is dispersed (hereinafter referred to as an ionomer dispersion solution) is dropped onto the carbon nanotube and dried.

特開2005−353496号公報JP 2005-35396 A 特開2006−085929号公報JP 2006-085929 A 特開2007−257886号公報JP 2007-257886 A

中山喜萬、他、“グリーンエンジニアリングによるカーボンナノコイル、ナノチャプレットおよび関連材料の大量合成と高度機能複合材料の開発研究”、インターネット<URL:http://www.osaka.jst.go.jp/kadai/pdf/h1305.pdf>Yoshiaki Nakayama, et al., “High-volume synthesis of carbon nanocoils, nanochaplets and related materials by green engineering and development research on highly functional composite materials”, Internet <URL: http://www.osaka.jst.go.jp/ kadai / pdf / h1305.pdf>

しかし、膜電極接合体に用いられる触媒電極に、上述した、基板の表面に対して垂直に配向したカーボンナノチューブを用いる場合、カーボンナノチューブの形状によっては、触媒金属を担持した複数のカーボンナノチューブの表面をアイオノマによって被覆する際に、アイオノマ分散溶液の張力によって、複数のカーボンナノチューブが凝集するという不具合が生じる場合があることが分かった。なお、本明細書において、「複数のカーボンナノチューブが凝集する」とは、基板上にほぼ均一に分布して成長した複数のカーボンナノチューブが局所的に集合して、複数のカーボンナノチューブの分布が不均一になることを意味している。   However, when the above-mentioned carbon nanotubes oriented perpendicular to the surface of the substrate are used for the catalyst electrode used in the membrane electrode assembly, the surface of the plurality of carbon nanotubes carrying the catalyst metal depending on the shape of the carbon nanotube. It has been found that there is a case where a plurality of carbon nanotubes may be agglomerated due to the tension of the ionomer dispersion solution when the is coated with ionomer. In this specification, “a plurality of carbon nanotubes agglomerate” means that a plurality of carbon nanotubes grown in a substantially uniform distribution on the substrate gather locally and the distribution of the plurality of carbon nanotubes is not good. It means to be uniform.

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池用膜電極接合体に用いられる触媒電極に、カーボンナノチューブを用いる場合に、触媒電極の製造時における複数のカーボンナノチューブの凝集を防止することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems. When carbon nanotubes are used as catalyst electrodes used in membrane electrode assemblies for fuel cells, a plurality of carbon nanotubes at the time of production of the catalyst electrodes are used. The purpose is to prevent aggregation.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

[適用例1]燃料電池用膜電極接合体に用いられる触媒電極の製造方法であって、基板上に、該基板の表面に対して垂直に配向するとともに、波型形状を有する複数のカーボンナノチューブを成長させるカーボンナノチューブ成長工程と、前記複数のカーボンナノチューブに、触媒金属塩溶液を滴下して、乾燥・焼成還元することによって、前記複数のカーボンナノチューブに触媒金属を担持させる触媒金属担持工程と、前記触媒金属を担持した複数のカーボンナノチューブに、アイオノマを分散させたアイオノマ分散溶液を滴下して、乾燥させることによって、前記触媒金属を担持した複数のカーボンナノチューブの表面を、前記アイオノマによって被覆するアイオノマ被覆工程と、を備え、前記カーボンナノチューブ成長工程は、前記複数のカーボンナノチューブについて、前記波型形状における波長が、0.3(μm)以上、5(μm)未満となるように、前記複数のカーボンナノチューブを成長させる工程を含む、触媒電極の製造方法。   [Application Example 1] A method for producing a catalyst electrode used in a membrane electrode assembly for a fuel cell, wherein a plurality of carbon nanotubes are oriented on a substrate perpendicularly to the surface of the substrate and have a corrugated shape A carbon nanotube growth step for growing the catalyst, a catalyst metal supporting step for supporting the catalyst metal on the plurality of carbon nanotubes by dropping a catalyst metal salt solution onto the plurality of carbon nanotubes, drying and firing reduction, and An ionomer dispersion solution in which an ionomer is dispersed in the plurality of carbon nanotubes supporting the catalyst metal is dropped and dried, whereby the surface of the plurality of carbon nanotubes supporting the catalyst metal is coated with the ionomer. A coating step, wherein the carbon nanotube growth step includes the compounding step. For carbon nanotubes, the wavelength of the wave shape, 0.3 ([mu] m) or more, to be less than 5 ([mu] m), comprising the step of growing the plurality of carbon nanotubes, producing a catalyst electrode.

本願発明者は、実験を重ね、適用例1の触媒電極の製造方法によって、すなわち、上記カーボンナノチューブ成長工程において、波型形状における波長が、0.3(μm)以上、5(μm)未満、好ましくは、0.5(μm)以上、1.8(μm)未満となるように複数のカーボンナノチューブを成長させることによって、上記アイオノマ被覆工程において、先に説明したアイオノマ分散溶液による複数のカーボンナノチューブの凝集を防止することができることを見出した。つまり、適用例1の触媒電極の製造方法によって、触媒電極の製造時における複数のカーボンナノチューブの凝集を防止することができる。   The inventor of the present application has repeated experiments, and the wavelength of the wave shape is 0.3 (μm) or more and less than 5 (μm) by the method for producing a catalyst electrode of Application Example 1, that is, in the carbon nanotube growth step. Preferably, the plurality of carbon nanotubes by the ionomer dispersion solution described above are grown in the ionomer coating step by growing the plurality of carbon nanotubes to be 0.5 (μm) or more and less than 1.8 (μm). It was found that agglomeration can be prevented. That is, the method for producing a catalyst electrode of Application Example 1 can prevent aggregation of a plurality of carbon nanotubes during production of the catalyst electrode.

[適用例2]適用例1記載の触媒電極の製造方法であって、前記カーボンナノチューブ成長工程は、前記基板上において、隣接する前記カーボンナノチューブ同士が互いに接触する密度で、前記複数のカーボンナノチューブを成長させる工程を含む、触媒電極の製造方法。   [Application Example 2] The method of manufacturing a catalyst electrode according to Application Example 1, wherein the carbon nanotube growth step is performed by adding the plurality of carbon nanotubes at a density at which adjacent carbon nanotubes contact each other on the substrate. A method for producing a catalyst electrode, comprising a step of growing.

適用例2の触媒電極の製造方法によって、触媒電極の製造時における複数のカーボンナノチューブの凝集をさらに防止することができる。   By the method for producing a catalyst electrode of Application Example 2, aggregation of a plurality of carbon nanotubes during production of the catalyst electrode can be further prevented.

[適用例3]
燃料電池用膜電極接合体に用いられる触媒電極であって、適用例1または記載の製造方法によって製造された触媒電極。
[Application Example 3]
A catalyst electrode used in a membrane electrode assembly for a fuel cell, which is produced by the production method described in Application Example 1 or described above.

[適用例4]燃料電池用膜電極接合体の製造方法であって、適用例3記載の触媒電極を製造する触媒電極製造工程と、前記基板上に製造された触媒電極を、電解質膜の少なくとも一方の表面に転写する触媒電極転写工程と、を備える燃料電池用膜電極接合体の製造方法。   [Application Example 4] A method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell, comprising: a catalyst electrode production process for producing a catalyst electrode according to Application Example 3; and a catalyst electrode produced on the substrate at least on an electrolyte membrane. A catalyst electrode transfer step of transferring to one surface of the fuel cell membrane electrode assembly.

適用例4の燃料電池用膜電極接合体の製造方法によって、カーボンナノチューブが凝集していない、すなわち、カーボンナノチューブの面内分布が均一な触媒電極を、電解質膜の表面に接合することができる。   According to the manufacturing method of the fuel cell membrane electrode assembly of Application Example 4, the catalyst electrode in which the carbon nanotubes are not aggregated, that is, the in-plane distribution of the carbon nanotubes can be joined to the surface of the electrolyte membrane.

[適用例5]燃料電池用膜電極接合体であって、適用例4記載の製造方法によって製造された燃料電池用膜電極接合体。   Application Example 5 A fuel cell membrane electrode assembly manufactured by the manufacturing method according to Application Example 4, which is a fuel cell membrane electrode assembly.

[適用例6]燃料電池であって、適用例5記載の燃料電池用膜電極接合体と、前記燃料電池用膜電極接合体を挟持するセパレータと、を備える燃料電池。   Application Example 6 A fuel cell comprising a fuel cell membrane electrode assembly according to Application Example 5 and a separator sandwiching the fuel cell membrane electrode assembly.

本発明の一実施例としての燃料電池の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell as one Example of this invention. 膜電極接合体10の製造工程を示す説明図である。5 is an explanatory view showing a manufacturing process of the membrane electrode assembly 10. FIG. カーボンナノチューブの波型形状における波長とカーボンナノチューブの凝集との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the wavelength in the waveform shape of a carbon nanotube, and aggregation of a carbon nanotube.

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
A.燃料電池の構成:
図1は、本発明の一実施例としての燃料電池の概略構成を示す説明図である。図1では、燃料電池100の断面構造を模式的に示した。図示するように、この燃料電池100は、膜電極接合体10の両面を、カソード側セパレータ20、および、アノード側セパレータ30で挟持することによって構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples.
A. Fuel cell configuration:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell as one embodiment of the present invention. In FIG. 1, the cross-sectional structure of the fuel cell 100 is schematically shown. As shown in the figure, the fuel cell 100 is configured by sandwiching both surfaces of a membrane electrode assembly 10 with a cathode side separator 20 and an anode side separator 30.

膜電極接合体10は、プロトン伝導性を有する電解質膜12の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合することによって構成されている。アノード、および、カソードは、それぞれ、触媒層14と、ガス拡散層16とを含んでいる。本実施例では、電解質膜12として、ナフィオン(登録商標)を用いるものとした。電解質膜12として、他の電解質膜を用いるようにしてもよい。また、本実施例では、触媒層14として、白金を担持したカーボンナノチューブとアイオノマ(電解質)とからなる層を用いるものとした。膜電極接合体10、および、触媒層14については、後から詳述する。また、本実施例では、ガス拡散層16として、カーボンクロスを用いるものとした。ガス拡散層16として、カーボンペーパ等、ガス拡散性、および、導電性を有する他の材料を用いるものとしてもよい。   The membrane electrode assembly 10 is configured by joining an anode and a cathode to both surfaces of an electrolyte membrane 12 having proton conductivity, respectively. The anode and the cathode each include a catalyst layer 14 and a gas diffusion layer 16. In this embodiment, Nafion (registered trademark) is used as the electrolyte membrane 12. Another electrolyte membrane may be used as the electrolyte membrane 12. In this embodiment, the catalyst layer 14 is a layer composed of carbon nanotubes carrying platinum and an ionomer (electrolyte). The membrane electrode assembly 10 and the catalyst layer 14 will be described in detail later. In this embodiment, carbon cloth is used as the gas diffusion layer 16. As the gas diffusion layer 16, other materials having gas diffusibility and conductivity such as carbon paper may be used.

カソード側セパレータ20におけるカソード側のガス拡散層16と当接する表面には、リブ、および、溝が形成されており、この溝は、酸化剤ガスとしての空気、および、カソードから排出されるカソードオフガスを流すためのカソードガス流路20pを構成する。また、アノード側セパレータ30におけるアノード側のガス拡散層16と当接する側の表面にも、リブ、および、溝が形成されており、この溝は、燃料ガスとしての水素、および、アノードから排出されるアノードオフガスを流すためのアノードガス流路30pを構成する。なお、図示は省略しているが、カソード側セパレータ20、および、アノード側セパレータ30には、冷却水を流すための冷却水流路も形成されている。カソード側セパレータ20、および、アノード側セパレータ30の材料としては、カーボンや、金属など、導電性を有する種々の材料を適用可能である。   Ribs and grooves are formed on the surface of the cathode-side separator 20 that is in contact with the gas diffusion layer 16 on the cathode side, and these grooves form air as an oxidant gas and cathode off-gas discharged from the cathode. A cathode gas flow path 20p is formed. Ribs and grooves are also formed on the surface of the anode-side separator 30 on the side in contact with the gas diffusion layer 16 on the anode side, and these grooves are discharged from hydrogen as fuel gas and from the anode. The anode gas flow path 30p for flowing the anode off gas is configured. Although not shown, the cathode side separator 20 and the anode side separator 30 are also formed with cooling water passages for flowing cooling water. As materials for the cathode side separator 20 and the anode side separator 30, various materials having conductivity such as carbon and metal can be applied.

B.膜電極接合体の製造工程:
図2は、膜電極接合体10の製造工程を示す説明図である。まず、シリコン基板上に、カーボンナノチューブの成長核となる鉄触媒を、スパッタリング等によってほぼ均一に付着させ、CVD(Chemical Vapor Deposition)法によって、シリコン基板上に、シリコン基板の表面に対して垂直に配向するとともに、波型形状を有する複数のカーボンナノチューブ(CNT)を成長させる(ステップS100)。ここで、「垂直に配向した」とは、厳密に垂直に配向している必要はなく、例えば、シリコン基板の表面とカーボンナノチューブの根元と先端とを結ぶ直線とのなす角度が90±10°の範囲内であってもよい。予めシリコン基板上にカーボンナノチューブを成長させるための成長核(例えば、鉄触媒)を高密度に形成しておくことによって、シリコン基板上には、シリコン基板の表面に対してほぼ垂直に配向し、隣接するカーボンナノチューブ同士が互いに接触する密度で、ブラシ状のカーボンナノチューブが成長する。なお、本実施例では、カーボンナノチューブの成長条件を制御することによって、カーボンナノチューブの波型形状における波長が、0.5〜1.8(μm)となるように成長させるものとした。本実施例において、カーボンナノチューブの形状を波型形状とし、さらに、カーボンナノチューブの波型形状における波長を0.5〜1.8(μm)とした理由については後述する。
B. Manufacturing process of membrane electrode assembly:
FIG. 2 is an explanatory view showing a manufacturing process of the membrane electrode assembly 10. First, an iron catalyst, which is a growth nucleus of carbon nanotubes, is deposited almost uniformly on a silicon substrate by sputtering or the like. By a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, it is perpendicular to the surface of the silicon substrate. A plurality of carbon nanotubes (CNTs) that are oriented and have a wave shape are grown (step S100). Here, “vertically oriented” does not need to be strictly vertically oriented. For example, the angle formed by the straight line connecting the surface of the silicon substrate and the root and tip of the carbon nanotube is 90 ± 10 °. It may be within the range. By forming growth nuclei (for example, iron catalyst) for growing carbon nanotubes on a silicon substrate in advance at a high density, the silicon substrate is oriented almost perpendicularly to the surface of the silicon substrate, Brush-like carbon nanotubes grow at a density at which adjacent carbon nanotubes are in contact with each other. In this embodiment, the growth conditions of the carbon nanotubes are controlled so that the wavelength in the wave shape of the carbon nanotubes is 0.5 to 1.8 (μm). In this embodiment, the reason why the shape of the carbon nanotube is a wave shape and the wavelength in the wave shape of the carbon nanotube is 0.5 to 1.8 (μm) will be described later.

次に、ブラシ状に成長させたカーボンナノチューブの全面に白金塩溶液を滴下して、乾燥・焼成還元することによって、カーボンナノチューブに触媒金属としての白金(Pt)を担持させる(ステップS110)。なお、本実施例では、触媒層14の厚さに相当する、シリコン基板の表面からカーボンナノチューブの先端までの高さを、30〜120(μm)とした。触媒層14の厚さを30(μm)未満とすると、カーボンナノチューブの表面積が比較的小さくなるため、カーボンナノチューブの表面に、白金を高分散に、すなわち、均一に分散させて担持することが、触媒層14の厚さを30(μm)とする場合よりも困難になり、触媒層14の厚さを120(μm)よりも厚くすると、プロトンの移動距離が比較的長くなるため、燃料電池100において、比較的高電流が流れる発電領域での発電性能が、触媒層14の厚さが120(μm)以下の場合よりも低下するからである。   Next, a platinum salt solution is dropped on the entire surface of the carbon nanotubes grown in a brush shape, dried and baked and reduced, thereby supporting platinum (Pt) as a catalyst metal on the carbon nanotubes (step S110). In this example, the height from the surface of the silicon substrate to the tip of the carbon nanotube corresponding to the thickness of the catalyst layer 14 was set to 30 to 120 (μm). When the thickness of the catalyst layer 14 is less than 30 (μm), the surface area of the carbon nanotubes is relatively small, so that platinum is supported on the surface of the carbon nanotubes in a highly dispersed state, that is, uniformly dispersed. Since the thickness of the catalyst layer 14 is more difficult than when the thickness is 30 (μm), and the thickness of the catalyst layer 14 is larger than 120 (μm), the proton moving distance becomes relatively long. This is because the power generation performance in a power generation region in which a relatively high current flows is lower than when the thickness of the catalyst layer 14 is 120 (μm) or less.

次に、白金を担持したカーボンナノチューブに、アイオノマ分散溶液(例えば、ナフィオン分散溶液(「ナフィオン」は、登録商標))を滴下して、乾燥させることによって、白金を担持したカーボンナノチューブの表面をアイオノマ(電解質)によって被覆する(ステップS120)。以上の工程によって、膜電極接合体10における触媒層14となる触媒電極が作製される。   Next, an ionomer dispersion solution (for example, Nafion dispersion solution (“Nafion” is a registered trademark)) is dropped on the carbon nanotubes supporting platinum, and the surface of the carbon nanotubes supporting platinum is ionized by drying. Covering with (electrolyte) (step S120). Through the above steps, a catalyst electrode to be the catalyst layer 14 in the membrane electrode assembly 10 is produced.

次に、上述した工程によって作製された触媒電極(触媒層14)を、電解質膜12の両面に、それぞれ熱転写する(ステップS130)。さらに、触媒層14の表面に、ガス拡散層16をホットプレス接合することによって、膜電極接合体10は完成する。   Next, the catalyst electrode (catalyst layer 14) produced by the above-described process is thermally transferred to both surfaces of the electrolyte membrane 12 (step S130). Furthermore, the membrane electrode assembly 10 is completed by hot press bonding the gas diffusion layer 16 to the surface of the catalyst layer 14.

C.実験:
本願発明者は、上述した触媒電極の製造工程、膜電極接合体10の製造工程において、白金を担持したカーボンナノチューブの表面を、アイオノマによって被覆する際に(図2のステップS120)、カーボンナノチューブの形状によっては、アイオノマ分散溶液によって、ブラシ状のカーボンナノチューブが凝集する不具合が生じる場合があることを実験的に確認した。以下、カーボンナノチューブの波型形状における波長、および、その振幅と、カーボンナノチューブの凝集との関係について説明する。
C. Experiment:
In the manufacturing process of the catalyst electrode and the manufacturing process of the membrane electrode assembly 10 described above, the inventor of the present application coats the surface of the carbon nanotube carrying platinum with an ionomer (step S120 in FIG. 2). Depending on the shape, it was experimentally confirmed that the ionomer dispersion solution may cause a problem of aggregation of the brush-like carbon nanotubes. Hereinafter, the relationship between the wavelength and the amplitude of the wave shape of the carbon nanotube and the aggregation of the carbon nanotube will be described.

図3は、カーボンナノチューブの波型形状における波長とカーボンナノチューブの凝集との関係を示す説明図である。   FIG. 3 is an explanatory view showing the relationship between the wavelength in the corrugated shape of the carbon nanotube and the aggregation of the carbon nanotube.

本実験では、まず、図2に示したステップS100,110の工程によって、シリコン基板上に形状の異なる7種類のカーボンナノチューブを成長させ、それぞれに、白金を担持させたサンプルを用意した。図示するように、実施例1〜4のカーボンナノチューブの波型形状における波長は、それぞれ、約0.5(μm),0,75〜0,85(μm),0.85〜1.57(μm),1.34〜1.79(μm)とした。また、比較例1〜3のカーボンナノチューブの波型形状における波長は、約5(μm),8.1(μm),10(μm)以上(波長の測定不能、ほぼストレート)とした。なお、これらの各波長は、各サンプルの走査型電子顕微鏡による観察結果から算出した。また、一部のサンプルについては、カーボンナノチューブの波型形状における振幅も算出した。   In this experiment, first, seven types of carbon nanotubes having different shapes were grown on a silicon substrate by the steps S100 and 110 shown in FIG. 2, and samples each carrying platinum were prepared. As shown in the figure, the wavelengths in the corrugated shape of the carbon nanotubes of Examples 1 to 4 are about 0.5 (μm), 0, 75 to 0, 85 (μm), and 0.85 to 1.57, respectively. μm), 1.34 to 1.79 (μm). Moreover, the wavelength in the waveform shape of the carbon nanotubes of Comparative Examples 1 to 3 was about 5 (μm), 8.1 (μm), 10 (μm) or more (wavelength measurement impossible, almost straight). In addition, each of these wavelengths was computed from the observation result by the scanning electron microscope of each sample. For some samples, the amplitude of the carbon nanotube in the wave shape was also calculated.

実施例2のカーボンナノチューブにおいて、波長が0.75(μm)の部分における振幅は、0.7(μm)だった。すなわち、この部分において、振幅/波長≒0.93だった。また、実施例2のカーボンナノチューブにおいて、波長が0.85(μm)の部分における振幅は、0.61(μm)だった。すなわち、この部分において、振幅/波長≒0.72だった。   In the carbon nanotube of Example 2, the amplitude in the portion where the wavelength was 0.75 (μm) was 0.7 (μm). That is, in this part, amplitude / wavelength≈0.93. Further, in the carbon nanotube of Example 2, the amplitude in the portion where the wavelength was 0.85 (μm) was 0.61 (μm). That is, in this part, amplitude / wavelength≈0.72.

また、実施例3のカーボンナノチューブにおいて、波長が1.21(μm)の部分における振幅は、0.47(μm)だった。すなわち、この部分において、振幅/波長≒0.39だった。また、実施例3のカーボンナノチューブにおいて、波長が1.57(μm)の部分における振幅は、0.81(μm)だった。すなわち、この部分において、振幅/波長≒0.52だった。   Further, in the carbon nanotube of Example 3, the amplitude in the portion where the wavelength was 1.21 (μm) was 0.47 (μm). That is, in this portion, amplitude / wavelength≈0.39. In addition, in the carbon nanotube of Example 3, the amplitude in the portion where the wavelength was 1.57 (μm) was 0.81 (μm). That is, in this portion, amplitude / wavelength≈0.52.

また、実施例4のカーボンナノチューブにおいて、波長が1.34(μm)の部分における振幅は、1.11(μm)だった。すなわち、この部分において、振幅/波長≒0.83だった。また、実施例4のカーボンナノチューブにおいて、波長が1.79(μm)の部分における振幅は、1.51(μm)だった。すなわち、この部分において、振幅/波長≒0.84だった。   In addition, in the carbon nanotube of Example 4, the amplitude in the portion where the wavelength was 1.34 (μm) was 1.11 (μm). That is, in this part, amplitude / wavelength≈0.83. Further, in the carbon nanotube of Example 4, the amplitude at the wavelength portion of 1.79 (μm) was 1.51 (μm). That is, in this part, amplitude / wavelength≈0.84.

また、比較例2のカーボンナノチューブにおいて、波長が8.1(μm)の部分における振幅は、2.7(μm)だった。すなわち、この部分において、振幅/波長≒0.33だった。   Further, in the carbon nanotube of Comparative Example 2, the amplitude in the portion where the wavelength was 8.1 (μm) was 2.7 (μm). That is, in this part, amplitude / wavelength≈0.33.

次に、図2に示したステップS120の工程によって、各サンプルについて、白金を担持したカーボンナノチューブの表面を、アイオノマによって被覆し、触媒電極を作製した。そして、各サンプルについて、ブラシ状のカーボンナノチューブの表面を走査型電子顕微鏡によって観察した。比較例1〜3では、ブラシ状のカーボンナノチューブに、凝縮が生じた。これに対し、実施例1〜4では、ブラシ状のカーボンナノチューブに、凝縮は生じなかった。なお、このような結果が得られたのは、カーボンナノチューブの波型形状における波長が、約0.5〜1.79(μm)であり、かつ、その振幅/波長が0.39〜0.93の場合には、隣接するカーボンナノチューブ同士が予め互いに接触しており、各カーボンナノチューブのシリコン基板の表面に沿った方向へ移動が制限されたためであると考えられる。   Next, in the step S120 shown in FIG. 2, for each sample, the surface of the carbon nanotube carrying platinum was covered with an ionomer to produce a catalyst electrode. And about each sample, the surface of the brush-like carbon nanotube was observed with the scanning electron microscope. In Comparative Examples 1 to 3, condensation occurred in the brush-like carbon nanotubes. On the other hand, in Examples 1-4, condensation did not arise in the brush-like carbon nanotube. In addition, such a result was obtained because the wavelength in the wave shape of the carbon nanotube is about 0.5 to 1.79 (μm), and the amplitude / wavelength is 0.39 to 0.00. In the case of 93, it is considered that the adjacent carbon nanotubes are in contact with each other in advance, and the movement of each carbon nanotube in the direction along the surface of the silicon substrate is restricted.

以上の実験結果から、本実施例の触媒電極の製造工程、膜電極接合体10の製造工程では、図2に示したステップS100において、シリコン基板上に成長するカーボンナノチューブが波型形状となるように、さらに、その波型形状における波長が、0.5〜1.8(μm)であり、かつ、その振幅/波長が0.3〜1.0となるように、カーボンナノチューブの成長条件を決定した。なお、シリコン基板上に成長するカーボンナノチューブの形状には、バラツキが生じるため、上述した凝集が生じない波型形状を有するカーボンナノチューブをシリコン基板上の全面に成長させることが困難な場合がある。したがって、シリコン基板上に成長した複数のカーボンナノチューブのうち、上述した凝集が生じない波型形状を有するカーボンナノチューブの存在比率が50(%)以上、好ましくは、80(%)以上となるように、カーボンナノチューブの成長条件を決定する。   From the above experimental results, in the manufacturing process of the catalyst electrode and the manufacturing process of the membrane electrode assembly 10 of the present example, the carbon nanotubes grown on the silicon substrate have a wave shape in step S100 shown in FIG. Furthermore, the growth conditions of the carbon nanotubes are adjusted so that the wavelength in the corrugated shape is 0.5 to 1.8 (μm) and the amplitude / wavelength is 0.3 to 1.0. Were determined. In addition, since the shape of the carbon nanotubes grown on the silicon substrate varies, it may be difficult to grow the carbon nanotubes having the wave shape that does not cause the aggregation described above on the entire surface of the silicon substrate. Therefore, among the plurality of carbon nanotubes grown on the silicon substrate, the abundance ratio of the carbon nanotubes having a wave shape that does not cause the aggregation described above is 50% or more, preferably 80% or more. Determine the growth conditions for carbon nanotubes.

以上説明した本実施例の膜電極接合体10に用いられる触媒電極(触媒層14)の製造工程、膜電極接合体10の製造工程によれば、膜電極接合体10に用いられる触媒電極に、カーボンナノチューブを用いる場合に、アイオノマ分散溶液の張力による複数のカーボンナノチューブの凝集を防止することができる。   According to the manufacturing process of the catalyst electrode (catalyst layer 14) used in the membrane electrode assembly 10 of the present embodiment described above and the manufacturing process of the membrane electrode assembly 10, the catalyst electrode used in the membrane electrode assembly 10 is When carbon nanotubes are used, aggregation of a plurality of carbon nanotubes due to the tension of the ionomer dispersion solution can be prevented.

D.変形例:
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
D. Variations:
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to such embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention. For example, the following modifications are possible.

D1.変形例1:
上記実施例では、カーボンナノチューブに担持させる触媒金属として、白金を用いるものとしたが、触媒金属として、白金の代わりに、他の触媒金属を用いるものとしてもよい。
D1. Modification 1:
In the above embodiment, platinum is used as the catalyst metal supported on the carbon nanotubes, but other catalyst metals may be used instead of platinum as the catalyst metal.

D2.変形例2:
上記実施例では、電解質膜12の両面に、カーボンナノチューブを備える触媒層14を形成するものとしたが、電解質膜12の少なくとも一方の面に、上記触媒層14を接合するようにしてもよい。
D2. Modification 2:
In the above embodiment, the catalyst layer 14 including carbon nanotubes is formed on both surfaces of the electrolyte membrane 12. However, the catalyst layer 14 may be bonded to at least one surface of the electrolyte membrane 12.

D3.変形例3:
上記実施例では、電解質膜12の両面に、それぞれ触媒層14を熱転写によって形成した後に、その表面にガス拡散層16をそれぞれ接合したものを膜電極接合体10としたが、ガス拡散層16の接合を省略してもよい。
D3. Modification 3:
In the above embodiment, the catalyst electrode 14 is formed on both surfaces of the electrolyte membrane 12 by thermal transfer, and then the gas diffusion layer 16 is bonded to the surface of the membrane electrode assembly 10. Bonding may be omitted.

100…燃料電池
10…膜電極接合体
12…電解質膜
14…触媒層
16…ガス拡散層
20…カソード側セパレータ
20p…カソードガス流路
30…アノード側セパレータ
30p…アノードガス流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Fuel cell 10 ... Membrane electrode assembly 12 ... Electrolyte membrane 14 ... Catalyst layer 16 ... Gas diffusion layer 20 ... Cathode side separator 20p ... Cathode gas channel 30 ... Anode side separator 30p ... Anode gas channel

Claims (6)

燃料電池用膜電極接合体に用いられる触媒電極の製造方法であって、
基板上に、該基板の表面に対して垂直に配向するとともに、波型形状を有する複数のカーボンナノチューブを成長させるカーボンナノチューブ成長工程と、
前記複数のカーボンナノチューブに、触媒金属塩溶液を滴下して、乾燥・焼成還元することによって、前記複数のカーボンナノチューブに触媒金属を担持させる触媒金属担持工程と、
前記触媒金属を担持した複数のカーボンナノチューブに、アイオノマを分散させたアイオノマ分散溶液を滴下して、乾燥させることによって、前記触媒金属を担持した複数のカーボンナノチューブの表面を、前記アイオノマによって被覆するアイオノマ被覆工程と、を備え、
前記カーボンナノチューブ成長工程は、
前記複数のカーボンナノチューブのうち50%以上について、前記波型形状における波長が、0.3(μm)以上、5(μm)未満となるように、かつ、前記基板上において、隣接する前記カーボンナノチューブ同士が互いに接触する密度となるように、前記複数のカーボンナノチューブを成長させる工程を含む、
触媒電極の製造方法。
A method for producing a catalyst electrode used in a membrane electrode assembly for a fuel cell, comprising:
A carbon nanotube growth step for growing a plurality of carbon nanotubes having a corrugated shape while being oriented perpendicularly to the surface of the substrate on the substrate;
A catalyst metal supporting step of supporting a catalyst metal on the plurality of carbon nanotubes by dropping a catalyst metal salt solution on the plurality of carbon nanotubes, drying and firing reduction, and
An ionomer dispersion solution in which an ionomer is dispersed is dropped onto a plurality of carbon nanotubes supporting the catalyst metal and dried to dry the ionomer so that the surfaces of the plurality of carbon nanotubes supporting the catalyst metal are coated with the ionomer. A coating process,
The carbon nanotube growth step includes:
About 50% or more of the plurality of carbon nanotubes, the wavelength in the corrugated shape is 0.3 (μm) or more and less than 5 (μm), and the adjacent carbon nanotubes on the substrate Including a step of growing the plurality of carbon nanotubes such that the densities are in contact with each other ,
A method for producing a catalyst electrode.
請求項1記載の触媒電極の製造方法であって、
前記カーボンナノチューブ成長工程は、
前記複数のカーボンナノチューブのうち80%以上について、前記波型形状における波長が、0.3(μm)以上、5(μm)未満となるように、かつ、前記基板上において、隣接する前記カーボンナノチューブ同士が互いに接触する密度となるように、前記複数のカーボンナノチューブを成長させる工程を含む、
触媒電極の製造方法。
A method for producing a catalyst electrode according to claim 1,
The carbon nanotube growth step includes:
About 80% or more of the plurality of carbon nanotubes, the wavelength in the corrugated shape is 0.3 (μm) or more and less than 5 (μm), and the adjacent carbon nanotubes on the substrate Including a step of growing the plurality of carbon nanotubes such that the densities are in contact with each other,
A method for producing a catalyst electrode.
燃料電池用膜電極接合体に用いられる触媒電極であって、
請求項1または2記載の製造方法によって製造された触媒電極。
A catalyst electrode used in a fuel cell membrane electrode assembly,
The catalyst electrode manufactured by the manufacturing method of Claim 1 or 2.
燃料電池用膜電極接合体の製造方法であって、
請求項3記載の触媒電極を製造する触媒電極製造工程と、
前記基板上に製造された触媒電極を、電解質膜の少なくとも一方の表面に転写する触媒電極転写工程と、
を備える燃料電池用膜電極接合体の製造方法。
A method for producing a fuel cell membrane electrode assembly comprising:
A catalyst electrode manufacturing process for manufacturing the catalyst electrode according to claim 3,
A catalyst electrode transfer step of transferring the catalyst electrode produced on the substrate to at least one surface of the electrolyte membrane;
A method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell.
燃料電池用膜電極接合体であって、
請求項4記載の製造方法によって製造された燃料電池用膜電極接合体。
A fuel cell membrane electrode assembly comprising:
The membrane electrode assembly for fuel cells manufactured by the manufacturing method of Claim 4.
燃料電池であって、
請求項5記載の燃料電池用膜電極接合体と、
前記燃料電池用膜電極接合体を挟持するセパレータと、
を備える燃料電池。
A fuel cell,
A fuel cell membrane electrode assembly according to claim 5,
A separator for sandwiching the fuel cell membrane electrode assembly;
A fuel cell comprising:
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