JP6572416B1 - Conductive nanofiber member, fuel cell member, fuel cell, and method of manufacturing conductive nanofiber member - Google Patents

Conductive nanofiber member, fuel cell member, fuel cell, and method of manufacturing conductive nanofiber member Download PDF

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Abstract

【課題】導電性の確保、触媒担持能の向上、及びひび割れの抑制が可能な導電性ナノファイバ部材及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明は、複数の繊維状のカーボンナノファイバ21で構成されたカーボンナノファイバ部材2を備え、カーボンナノファイバ部材2は、複数の細孔21aを有し、BJH法による解析で得られる細孔径4nm以上8nm以下の細孔容積が、0.2cm3/g以上であるように構成されている。また、本発明において、アノード電極42の触媒層421及びカソード電極43の触媒層431の少なくとも一方は、導電性ナノファイバ部材1で構成されている。【選択図】図2Disclosed is a conductive nanofiber member capable of ensuring conductivity, improving catalyst supporting ability, and suppressing cracks, and a method for producing the same. The present invention includes a carbon nanofiber member 2 composed of a plurality of fibrous carbon nanofibers 21. The carbon nanofiber member 2 has a plurality of pores 21a and is analyzed by a BJH method. The resulting pore volume is 4 cm or more and 8 nm or less, and the pore volume is 0.2 cm 3 / g or more. In the present invention, at least one of the catalyst layer 421 of the anode electrode 42 and the catalyst layer 431 of the cathode electrode 43 is composed of the conductive nanofiber member 1. [Selection] Figure 2

Description

本発明は、導電性ナノファイバ部材、燃料電池用部材、燃料電池、及び導電性ナノファイバ部材の製造方法に関する。   The present invention relates to a conductive nanofiber member, a fuel cell member, a fuel cell, and a method for producing a conductive nanofiber member.

導電性ナノファイバ部材は、導電性を有するカーボンナノファイバの集合体(例えばシート状の部材)である。導電性ナノファイバ部材は、例えば、燃料電池用部材として用いることができる。例えば特開2012−188790号公報には、電界紡糸法を用いたカーボンナノファイバの製造方法が記載されている。   The conductive nanofiber member is an aggregate (for example, a sheet-like member) of carbon nanofibers having conductivity. The conductive nanofiber member can be used, for example, as a fuel cell member. For example, JP 2012-188790 A describes a method for producing carbon nanofibers using an electrospinning method.

特開2012−188790号公報JP 2012-188790 A

ここで、導電性ナノファイバ部材を例えば電池等の実用部材として用いる場合、導電性を有するとともに、触媒を担持しやすい構成であることが好ましい。つまり、導電性ナノファイバ部材には、少なくとも、導電性の確保とともに、担体としての性能(触媒担持能)の向上が望まれる。換言すると、導電性ナノファイバ部材に対して、電池部品のような実用部材として適した構成・性能を実現することが望まれる。また、従来の触媒層(燃料電池の電極構成要素)は、ひび割れが入りやすく、耐久性の面でも改良の余地があった。   Here, in the case where the conductive nanofiber member is used as a practical member such as a battery, it is preferable that the conductive nanofiber member has a conductivity and easily supports the catalyst. That is, the conductive nanofiber member is required to at least ensure conductivity and improve the performance as a carrier (catalyst support ability). In other words, it is desired that the conductive nanofiber member has a configuration and performance suitable as a practical member such as a battery component. Further, the conventional catalyst layer (electrode element of the fuel cell) is easily cracked, and there is room for improvement in terms of durability.

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、導電性を確保、触媒担持能の向上、及びひび割れの抑制が可能な導電性ナノファイバ部材及びその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、これら導電性ナノファイバ部材を用いた燃料電池用部材及び燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a conductive nanofiber member capable of ensuring conductivity, improving catalyst supporting ability, and suppressing cracks, and a method for manufacturing the same. Objective. It is another object of the present invention to provide a fuel cell member and a fuel cell using these conductive nanofiber members.

本発明の態様1に係る導電性ナノファイバ部材は、複数の繊維状のカーボンナノファイバで構成されたカーボンナノファイバ部材を備え、前記カーボンナノファイバ部材は、複数の細孔を有し、BJH法による解析で得られる細孔径4nm以上8nm以下の細孔容積が、0.2cm/g以上であるように構成され、細孔径4nm以上8nm以下の細孔は、前記カーボンナノファイバ部材の表面に位置する複数の細孔と、前記カーボンナノファイバ部材の内部に位置し前記表面に位置する細孔を介して外部に連通する複数の細孔と、を含む。 The conductive nanofiber member according to the first aspect of the present invention includes a carbon nanofiber member composed of a plurality of fibrous carbon nanofibers, the carbon nanofiber member having a plurality of pores, and a BJH method. The pore volume having a pore diameter of 4 nm or more and 8 nm or less obtained by analysis according to the above is configured to be 0.2 cm 3 / g or more, and the pores having a pore diameter of 4 nm or more and 8 nm or less are formed on the surface of the carbon nanofiber member. And a plurality of pores located inside the carbon nanofiber member and communicating with the outside via pores located on the surface.

本発明の態様3に係る導電性ナノファイバ部材の製造方法は、カーボンナノファイバの集合体である導電性ナノファイバ部材の製造方法であって、電界紡糸可能な有機材料と、無機材料で構成された鋳型である無機鋳型とを含む混合溶液を作成する溶液作成工程と、電界紡糸法により前記混合溶液から繊維状物で構成されたシート状の堆積層を形成する堆積層形成工程と、前記堆積層に対して一次焼成を含む焼成処理を行う一次焼成工程と、前記一次焼成工程の後の前記堆積層から前記無機鋳型を除去し、前記堆積層に複数の細孔を形成する細孔形成工程と、前記細孔形成工程の後の前記堆積層に対して、前記一次焼成よりも高温で二次焼成を行う二次焼成工程と、を含み、前記無機鋳型は、平均粒径が4nm以上8nm以下である無機材料を含み、前記二次焼成工程後の前記堆積層は、触媒が担持されていない状態において、BJH法による解析で得られる細孔径4nm以上8nm以下の細孔容積が、0.2cm/g以上であるように構成されることを特徴とする。 A method for producing a conductive nanofiber member according to Aspect 3 of the present invention is a method for producing a conductive nanofiber member that is an aggregate of carbon nanofibers, and is composed of an organic material that can be electrospun and an inorganic material. A solution preparation step of preparing a mixed solution containing an inorganic template that is a mold, a deposition layer formation step of forming a sheet-like deposition layer composed of fibrous materials from the mixture solution by electrospinning, and the deposition A primary firing step in which a firing process including primary firing is performed on the layer, and a pore forming step in which the inorganic template is removed from the deposited layer after the primary firing step to form a plurality of pores in the deposited layer And a secondary firing step of subjecting the deposited layer after the pore formation step to a secondary firing at a higher temperature than the primary firing, and the inorganic template has an average particle size of 4 nm to 8 nm. Inorganic materials that are Wherein, said deposition layer after the secondary sintering step, in a state in which the catalyst is not supported, 8 nm or less of the pore volume of pore diameter 4nm or more obtained by the analysis by the BJH method, with 0.2 cm 3 / g or more It is characterized by being configured.

また、本発明の態様4に係る導電性ナノファイバ部材の製造方法は、カーボンナノファイバの集合体である導電性ナノファイバ部材の製造方法であって、電界紡糸可能な有機材料と、無機材料で構成された鋳型である無機鋳型とを含む混合溶液を作成する溶液作成工程と、電界紡糸法により前記混合溶液から繊維状物で構成されたシート状の堆積層を形成する堆積層形成工程と、前記堆積層に対して一次焼成を含む焼成処理を行う一次焼成工程と、前記一次焼成工程の後の前記堆積層から前記無機鋳型を除去し、前記堆積層に複数の細孔を形成する細孔形成工程と、前記細孔形成工程の後の前記堆積層に対して、前記一次焼成よりも高温で二次焼成を行う二次焼成工程と、を含み、前記無機鋳型が、平均粒径が異なる複数の無機材料で構成されていることを特徴とする。   Moreover, the manufacturing method of the electroconductive nanofiber member which concerns on aspect 4 of this invention is a manufacturing method of the electroconductive nanofiber member which is an aggregate | assembly of carbon nanofiber, Comprising: The organic material which can be electrospun, and an inorganic material A solution preparation step of preparing a mixed solution containing an inorganic template that is a configured template, a deposition layer forming step of forming a sheet-like deposition layer composed of fibrous materials from the mixture solution by electrospinning, A primary firing step for performing a firing process including primary firing on the deposited layer, and pores for removing the inorganic template from the deposited layer after the primary firing step to form a plurality of pores in the deposited layer And a secondary firing step of subjecting the deposited layer after the pore formation step to secondary firing at a higher temperature than the primary firing, wherein the inorganic template has a different average particle size Consists of multiple inorganic materials And wherein the are.

本発明の態様1、3によれば、導電性ナノファイバ部材が繊維状のカーボンナノファイバで構成されているため、粒子状のカーボンで構成された集合体よりも1つの導体(カーボン)の導電距離が長く、電気抵抗が小さくなり、良好な導電性が確保される。また、細孔径4〜8nmの細孔容積が大きいため、平均粒径が小さい触媒の担持に適する構成が実現される。また、カーボンナノファイバ部材は、長さを持つカーボンナノファイバの集合体であるため、製造時に焼成されても、粒子状カーボンの集合体に比べてひび割れが生じにくい。このように、本発明の態様1、3によれば、導電性ナノファイバ部材において、導電性の確保、触媒担持能の向上、及びひび割れの抑制が可能となる。   According to aspects 1 and 3 of the present invention, since the conductive nanofiber member is composed of fibrous carbon nanofibers, the conductivity of one conductor (carbon) is higher than the aggregate composed of particulate carbon. The distance is long, the electric resistance is small, and good conductivity is ensured. Moreover, since the pore volume with a pore diameter of 4 to 8 nm is large, a configuration suitable for supporting a catalyst having a small average particle diameter is realized. In addition, since the carbon nanofiber member is an aggregate of carbon nanofibers having a length, even when baked at the time of manufacture, cracks are less likely to occur than the aggregate of particulate carbon. As described above, according to the first and third aspects of the present invention, in the conductive nanofiber member, it is possible to ensure conductivity, improve the catalyst supporting ability, and suppress cracking.

また、本発明の態様4によれば、カーボンナノファイバ部材に対し、機能別に細孔径が異なる複数種類の細孔を持たせることができる。このため、導電性の確保及び触媒担持能の向上が可能な上、燃料電池等の実用部材に適した構成を実現することができる。換言すると、細孔を担持させたい触媒に応じた細孔を形成することができる上、電子や流体の移動性を向上させるための細孔も同時に形成することができる。


Further, according to the state-like 4 of the present invention, it is possible to carbon nanofibers member, by function pore size to have multiple types of pores are different. For this reason, it is possible to secure conductivity and improve the catalyst carrying capacity, and it is possible to realize a configuration suitable for a practical member such as a fuel cell. In other words, it is possible to form pores corresponding to the catalyst on which the pores are to be supported, and to simultaneously form pores for improving the mobility of electrons and fluids.


本実施形態の導電性ナノファイバ部材を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the electroconductive nanofiber member of this embodiment. 本実施形態のカーボンナノファイバ及び触媒を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the carbon nanofiber and catalyst of this embodiment. 本実施形態の導電性ナノファイバ部材の製造方法を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the manufacturing method of the electroconductive nanofiber member of this embodiment. 本実施形態の燃料電池の構成を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the structure of the fuel cell of this embodiment. 実施例1における高比表面積カーボンナノファイバシートの走査型電子顕微写真である。2 is a scanning electron micrograph of a high specific surface area carbon nanofiber sheet in Example 1. FIG. 実施例1における白金触媒を担持した高比表面積カーボンナノファイバシートの透過型電子顕微写真である。2 is a transmission electron micrograph of a high specific surface area carbon nanofiber sheet carrying a platinum catalyst in Example 1. FIG. 実施例1における白金触媒を担持した高比表面積カーボンナノファイバシートの透過型電子顕微写真である。2 is a transmission electron micrograph of a high specific surface area carbon nanofiber sheet carrying a platinum catalyst in Example 1. FIG. 実施例1、2の細孔容積分布を示す図である。It is a figure which shows pore volume distribution of Example 1,2. 実施例3〜5の細孔容積分布を示す図である。It is a figure which shows the pore volume distribution of Examples 3-5. ピークを説明するための参考図である。It is a reference figure for demonstrating a peak.

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、図1、図2、及び図4は、説明のための概念図であり、多数ある部分(カーボンナノファイバや細孔)については、形状表記や符号が一部省略されている。
図1及び図2に示すように、本実施形態の導電性ナノファイバ部材1は、カーボンナノファイバ21の集合体であって、シート状に形成されている。導電性ナノファイバ部材1は、導電性を有する不織布やシート部材といえる。詳細に、導電性ナノファイバ部材1は、複数の繊維状のカーボンナノファイバ21で構成されたシート状のカーボンナノファイバ部材2と、カーボンナノファイバ21に担持された触媒3と、を備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1, FIG. 2, and FIG. 4 are conceptual diagrams for explanation, and some of the shape notations and symbols are omitted for a large number of portions (carbon nanofibers and pores).
As shown in FIG.1 and FIG.2, the electroconductive nanofiber member 1 of this embodiment is an aggregate | assembly of the carbon nanofiber 21, and is formed in the sheet form. It can be said that the conductive nanofiber member 1 is a non-woven fabric or a sheet member having conductivity. Specifically, the conductive nanofiber member 1 includes a sheet-like carbon nanofiber member 2 composed of a plurality of fibrous carbon nanofibers 21 and a catalyst 3 supported on the carbon nanofibers 21. .

カーボンナノファイバ部材2は、複数の細孔21aを有し、BJH法による解析で得られる細孔径4〜8nmの細孔容積が、0.2cm/g以上であるように構成されている。カーボンナノファイバ部材2は、全細孔容積が0.6cm/g以上であり、且つ細孔径4〜30nmの間に細孔容積のピークを少なくとも1つ持つように構成されている。 The carbon nanofiber member 2 has a plurality of pores 21a, and is configured such that the pore volume having a pore diameter of 4 to 8 nm obtained by analysis by the BJH method is 0.2 cm 3 / g or more. The carbon nanofiber member 2 has a total pore volume of 0.6 cm 3 / g or more and is configured to have at least one peak of pore volume between pore diameters of 4 to 30 nm.

ピークとは、縦軸を微分細孔容積(cm/g/nm)とし横軸を細孔径(nm)とした細孔容積分布(細孔分布曲線)において、凸状に表れる部分(曲線)であり、ピークの頂点(最大値)が0.04cm/g/nm以上であるものをいう。さらに、図10に示すように、細孔容積分布において、ピークの頂点P1から横軸値が小さくなる側に向かい最初に縦軸値が0又は極小値となる点を第1基点r1とし、同じピークの頂点P1から横軸値が大きくなる側に向かい最初に縦軸値が0又は極小値となる点を第2基点r2とする。この場合、第1基点r1及び第2基点r2のうち縦軸値が大きい方を基準点(ここでは第2基準点r2)として、当該基準点における縦軸値とピークの頂点P1の縦軸値との差が、0.008(cm/g/nm)以上であるものを「ピーク」とする。
また、本明細書において、粒径、繊維径、及び細孔径は、各対象の直径を意味している。また、本明細書において、「数値Z1〜数値Z2」又は「数値Z1から数値Z2」との記載は、「数値Z1以上数値Z2以下」を意味する。
A peak is a portion (curve) that appears in a convex shape in a pore volume distribution (pore distribution curve) in which the vertical axis represents differential pore volume (cm 3 / g / nm) and the horizontal axis represents pore diameter (nm). And the peak apex (maximum value) is 0.04 cm 3 / g / nm or more. Furthermore, as shown in FIG. 10, in the pore volume distribution, the first base point r1 is a point where the vertical axis value first becomes 0 or the minimum value from the peak apex P1 toward the side where the horizontal axis value becomes smaller, and is the same. A point where the vertical axis value first becomes 0 or a minimum value from the peak apex P1 toward the side where the horizontal axis value increases is defined as a second base point r2. In this case, the larger one of the first base point r1 and the second base point r2 is defined as the reference point (here, the second reference point r2), and the vertical value at the reference point and the vertical value of the peak vertex P1. The difference between this and the difference is 0.008 (cm 3 / g / nm) or more as “peak”.
Moreover, in this specification, a particle size, a fiber diameter, and a pore diameter mean the diameter of each object. In the present specification, the description “numerical value Z1 to numerical value Z2” or “numerical value Z1 to numerical value Z2” means “numerical value Z1 or more and numerical value Z2 or less”.

カーボンナノファイバ部材2は、ラマン分光測定により得られるD3/G比が1.0以下であるように構成されている。カーボンナノファイバ21は、平均繊維径が50nmから150nmであるように構成されている。カーボンナノファイバ21は、平均アスペクト比が5以上であるように構成されている。本実施形態では、明確に粒子状でないといえる平均アスペクト比が5以上のものを繊維状と称している。カーボンナノファイバ部材2は、BET比表面積が300m/g以上であるように構成されている。なお、上記各種数値は、カーボンナノファイバ部材2又はカーボンナノファイバ21に対するものであり、触媒3が担持されていないものが対象である。 The carbon nanofiber member 2 is configured such that the D3 / G ratio obtained by Raman spectroscopic measurement is 1.0 or less. The carbon nanofibers 21 are configured so that the average fiber diameter is 50 nm to 150 nm. The carbon nanofibers 21 are configured so that the average aspect ratio is 5 or more. In the present embodiment, a fiber having an average aspect ratio of 5 or more that is clearly not particulate is referred to as a fiber. The carbon nanofiber member 2 is configured such that the BET specific surface area is 300 m 2 / g or more. The above-mentioned various numerical values are for the carbon nanofiber member 2 or the carbon nanofiber 21 and are for the case where the catalyst 3 is not supported.

触媒3は、カーボンナノファイバ21の表面及び細孔21aに担持されている。触媒3は、担持率が30wt%以上において、透過型電子顕微鏡で測定される平均粒径が5nm以下であるように構成されている。触媒3の平均粒径は、表面積拡大の観点から小さいことが好ましく、また非溶解の観点から小さすぎないほうが良く、2nm以上5nm以下であることが好ましい。触媒は、遷移金属触媒であり、チタン、コバルト、鉄、ニッケル、銅、ジルコニア及び白金からなる群より選ばれた少なくとも1種の金属を含むことが好ましい。   The catalyst 3 is supported on the surface of the carbon nanofiber 21 and the pores 21a. The catalyst 3 is configured such that the average particle diameter measured with a transmission electron microscope is 5 nm or less when the loading ratio is 30 wt% or more. The average particle diameter of the catalyst 3 is preferably small from the viewpoint of surface area expansion, and is preferably not too small from the viewpoint of non-dissolution, and is preferably 2 nm or more and 5 nm or less. The catalyst is a transition metal catalyst, and preferably contains at least one metal selected from the group consisting of titanium, cobalt, iron, nickel, copper, zirconia and platinum.

(製造方法)
ここで、導電性ナノファイバ部材1の製造方法について説明する。各工程は、作業者が各種装置を用いて実行される。図3に示すように、まず、電界紡糸可能な有機材料と、無機材料で構成された鋳型である無機鋳型とを含む混合溶液が作成される(S101)。無機鋳型は、付与したい細孔径に応じて選択される。本実施形態では、無機鋳型として、複数種類の鋳型、すなわち平均粒径が4〜8nmの第1無機鋳型と、第1無機鋳型より大きい平均粒径(例えば10〜24nm)の第2無機鋳型とを用いている。そして、当該混合溶液を用いて電界紡糸法(エレクトロスピニング法)により、繊維状物で構成されたシート状の堆積層が作成される(S102)。
(Production method)
Here, a manufacturing method of the conductive nanofiber member 1 will be described. Each process is performed by an operator using various devices. As shown in FIG. 3, first, a mixed solution containing an organic material that can be electrospun and an inorganic template that is a template made of an inorganic material is prepared (S101). The inorganic template is selected according to the pore diameter to be applied. In this embodiment, as the inorganic template, a plurality of types of templates, that is, a first inorganic template having an average particle size of 4 to 8 nm, and a second inorganic template having an average particle size (for example, 10 to 24 nm) larger than the first inorganic template, Is used. And the sheet-like deposition layer comprised with the fibrous material is produced by the electrospinning method (electrospinning method) using the said mixed solution (S102).

続いて、堆積層に対して一次焼成を含む焼成処理が行われる(S103)。具体的に、焼成処理は、耐炎化・不融化処理としての焼成と、炭化処理としての一次焼成とを含む。一次焼成は、例えば1000℃以下で行われる。そして、当該焼成後の堆積層に対して、酸又はアルカリ溶液による無機鋳型の除去が行われる(S104)。こうして、カーボンナノファイバ21に複数の細孔21aが形成され、多孔体であるカーボンナノファイバシートが得られる。   Subsequently, a firing process including primary firing is performed on the deposited layer (S103). Specifically, the firing treatment includes firing as a flameproofing / infusibilizing treatment and primary firing as a carbonization treatment. The primary firing is performed at 1000 ° C. or less, for example. Then, the inorganic template is removed with an acid or alkaline solution from the fired deposited layer (S104). Thus, a plurality of pores 21a are formed in the carbon nanofiber 21, and a carbon nanofiber sheet that is a porous body is obtained.

そして、当該カーボンナノファイバシートに対して、黒鉛化処理(高結晶化処理)としての二次焼成が行われる(S105)。これにより、シート状のカーボンナノファイバ部材2が形成される。二次焼成は、例えば1200〜2800℃の範囲で行われ、カーボンナノファイバ部材2の耐久性及び導電性を向上させることができる。二次焼成により、D3/G比が1.0以下の導電性ナノファイバ部材1(カーボンナノファイバ部材2)が作成される。ここで、例えば従来のような粒子状のカーボンで構成された多孔体に対して、当該二次焼成を行うと、体積がおよそ1/4以下となり、細孔もほとんどが消滅した。しかしながら、上記製造方法によれば、二次焼成後も細孔が維持される。最後に、カーボンナノファイバ部材2に対して、触媒3を担持させる(S106)。これにより、導電性ナノファイバ部材1が製造される。   And the secondary baking as a graphitization process (high crystallization process) is performed with respect to the said carbon nanofiber sheet (S105). Thereby, the sheet-like carbon nanofiber member 2 is formed. Secondary baking is performed, for example in the range of 1200-2800 degreeC, and can improve durability and electroconductivity of the carbon nanofiber member 2. FIG. Conductive nanofiber member 1 (carbon nanofiber member 2) having a D3 / G ratio of 1.0 or less is produced by secondary firing. Here, for example, when the secondary firing was performed on a porous body made of particulate carbon as in the prior art, the volume became about 1/4 or less, and most of the pores disappeared. However, according to the said manufacturing method, a pore is maintained even after secondary baking. Finally, the catalyst 3 is supported on the carbon nanofiber member 2 (S106). Thereby, the conductive nanofiber member 1 is manufactured.

まとめると、導電性ナノファイバ部材1の製造方法は、電界紡糸可能な有機材料と、無機材料で構成された鋳型である無機鋳型とを含む混合溶液を作成する溶液作成工程と、電界紡糸法により混合溶液から繊維状物で構成されたシート状の堆積層を形成する堆積層形成工程と、堆積層に対して一次焼成を含む焼成処理を行う一次焼成工程と、一次焼成工程の後の堆積層から無機鋳型を除去し、堆積層に複数の細孔を形成する細孔形成工程と、細孔形成工程の後の堆積層に対して一次焼成よりも高温で二次焼成を行う二次焼成工程と、を含み、無機鋳型は、平均粒径が4〜8nmの無機材料を含む。また、無機鋳型は、平均粒径が異なる複数の無機材料で構成されている。さらに、当該製造方法は、二次焼成工程の後に、堆積層の細孔に担持可能な触媒を担持させる触媒担持工程を含む。なお、堆積層(1)の外形状は、図1を参照することができる。   In summary, the manufacturing method of the conductive nanofiber member 1 includes a solution preparation step of preparing a mixed solution including an organic material that can be electrospun and an inorganic template that is a template made of an inorganic material, and an electrospinning method. A deposition layer forming step for forming a sheet-like deposition layer composed of fibrous materials from the mixed solution, a primary firing step for performing a firing process including primary firing on the deposited layer, and a deposited layer after the primary firing step Pore forming step of removing inorganic template from the substrate and forming a plurality of pores in the deposited layer, and secondary firing step of performing secondary firing at a higher temperature than the primary firing on the deposited layer after the pore forming step The inorganic template includes an inorganic material having an average particle diameter of 4 to 8 nm. The inorganic mold is composed of a plurality of inorganic materials having different average particle diameters. Furthermore, the manufacturing method includes a catalyst supporting step of supporting a catalyst that can be supported on the pores of the deposited layer after the secondary firing step. Note that FIG. 1 can be referred to for the outer shape of the deposited layer (1).

(燃料電池用部材)
導電性ナノファイバ部材1は、燃料電池用部材として用いることが好ましい。燃料電池は、供給される水素と酸素を反応させて、化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置である。図4に示すように、本実施形態の燃料電池9は、固体高分子形燃料電池であって、燃料電池用部材4と、燃料電池用部材4を挟むように配置されたセパレータ5、6と、を備えている。燃料電池用部材4は、膜・電極接合体(MEA)であって、電解質層41と、電解質層41の一方側に配設されたアノード電極42と、電解質層41の他方側に配設されたカソード電極43と、を備えている。電解質層41は、高分子電解質膜(PEM)である。
(Fuel cell components)
The conductive nanofiber member 1 is preferably used as a fuel cell member. A fuel cell is a power generator that reacts supplied hydrogen and oxygen to convert chemical reaction energy into electrical energy. As shown in FIG. 4, the fuel cell 9 of the present embodiment is a polymer electrolyte fuel cell, and includes a fuel cell member 4 and separators 5 and 6 disposed so as to sandwich the fuel cell member 4. It is equipped with. The fuel cell member 4 is a membrane / electrode assembly (MEA), and is disposed on the electrolyte layer 41, the anode electrode 42 disposed on one side of the electrolyte layer 41, and the other side of the electrolyte layer 41. Cathode electrode 43. The electrolyte layer 41 is a polymer electrolyte membrane (PEM).

アノード電極42は、水素が送り込まれる燃料極であって、触媒層421と、ガス拡散層422と、を備えている。触媒層421は、電池反応の反応場となる層であり、電解質層41に接合されている。触媒層421は、電解質層41とガス拡散層422との間に配置されている。ガス拡散層(GDL)422は、多孔質で導電性を有するものであり、水素を均一に触媒層421に行き渡らせるための層である。   The anode electrode 42 is a fuel electrode into which hydrogen is fed, and includes a catalyst layer 421 and a gas diffusion layer 422. The catalyst layer 421 is a layer that serves as a reaction field for battery reaction, and is joined to the electrolyte layer 41. The catalyst layer 421 is disposed between the electrolyte layer 41 and the gas diffusion layer 422. The gas diffusion layer (GDL) 422 is porous and has conductivity, and is a layer for uniformly distributing hydrogen to the catalyst layer 421.

カソード電極43は、空気(酸素)が送り込まれる空気極であって、触媒層431と、ガス拡散層432と、を備えている。触媒層431は、電池反応の反応場となる層であり、電解質層41を介してアノード電極42と対向するように、電解質層41に接合されている。触媒層431は、電解質層41とガス拡散層432との間に配置されている。ガス拡散層(GDL)432は、多孔質で導電性を有するものであり、空気を均一に触媒層431に行き渡らせるための層である。   The cathode electrode 43 is an air electrode into which air (oxygen) is sent, and includes a catalyst layer 431 and a gas diffusion layer 432. The catalyst layer 431 is a layer that serves as a reaction field for battery reaction, and is joined to the electrolyte layer 41 so as to face the anode electrode 42 with the electrolyte layer 41 interposed therebetween. The catalyst layer 431 is disposed between the electrolyte layer 41 and the gas diffusion layer 432. The gas diffusion layer (GDL) 432 is porous and conductive, and is a layer for uniformly distributing air to the catalyst layer 431.

本実施形態において、アノード電極42の触媒層421及びカソード電極43の触媒層431の少なくとも一方は、導電性ナノファイバ部材1で構成されている。なお、各電極42、43は、触媒層421、431とガス拡散層422、432との間に撥水層を備えていてもよい。セパレータ5、6は、ガスの流路を形成する導電部材であって、例えば表面に複数の溝が形成されている。セパレータ5はアノード電極42側に配置され、セパレータ6はカソード電極43側に配置されている。   In the present embodiment, at least one of the catalyst layer 421 of the anode electrode 42 and the catalyst layer 431 of the cathode electrode 43 is composed of the conductive nanofiber member 1. Each of the electrodes 42 and 43 may include a water repellent layer between the catalyst layers 421 and 431 and the gas diffusion layers 422 and 432. The separators 5 and 6 are conductive members that form a gas flow path. For example, a plurality of grooves are formed on the surface. The separator 5 is disposed on the anode electrode 42 side, and the separator 6 is disposed on the cathode electrode 43 side.

(効果)
本実施形態によれば、導電性ナノファイバ部材1が全体として繊維状のカーボンナノファイバ21で構成されているため、粒子状のカーボンで構成された導電性部材よりも1つの導体(カーボン)の導電距離が長く、電気抵抗が小さくなり、良好な導電性が確保される。また、細孔径4〜8nmの細孔容積が大きいため、平均粒径が小さい触媒の担持に適している。触媒について、平均粒径を小さくすることで触媒全体としての表面積を大きくすることができるため、触媒機能の観点から平均粒径はある程度小さいことが好ましい。本実施形態は、このような好適な触媒(例えば平均粒径2〜5nm)の担持に適している。触媒は、自身の粒径よりも大きな細孔内に担持され、活性の観点からも自身よりある程度大きい細孔に担持されることが好ましい。また、カーボンナノファイバ部材2は、長さを持つカーボンナノファイバ21の集合体であるため、製造時に焼成されても、粒子状カーボンの集合体に比べてひび割れが生じにくい。このように、本実施形態によれば、導電性の確保、触媒担持能の向上、及びひび割れの抑制が可能となる。また、4〜8nmの細孔には、小さい粒径の触媒が高い耐久性をもって担持されやすい。したがって、本実施形態によれば、触媒の活性及び耐久性も向上させることができる。
(effect)
According to the present embodiment, since the conductive nanofiber member 1 is composed of the fibrous carbon nanofibers 21 as a whole, it has one conductor (carbon) rather than the conductive member composed of particulate carbon. The conductive distance is long, the electric resistance is small, and good conductivity is ensured. Moreover, since the pore volume with a pore diameter of 4 to 8 nm is large, it is suitable for supporting a catalyst having a small average particle diameter. Since the surface area of the catalyst as a whole can be increased by reducing the average particle diameter of the catalyst, the average particle diameter is preferably small to some extent from the viewpoint of the catalyst function. The present embodiment is suitable for supporting such a suitable catalyst (for example, an average particle diameter of 2 to 5 nm). It is preferable that the catalyst is supported in pores larger than its own particle diameter and supported in pores somewhat larger than itself from the viewpoint of activity. In addition, since the carbon nanofiber member 2 is an aggregate of carbon nanofibers 21 having a length, even when baked at the time of manufacture, cracks are less likely to occur than the aggregate of particulate carbon. As described above, according to this embodiment, it is possible to ensure conductivity, improve the catalyst supporting ability, and suppress cracking. In addition, a catalyst having a small particle size is easily supported with high durability in 4 to 8 nm pores. Therefore, according to this embodiment, the activity and durability of the catalyst can also be improved.

また、カーボンナノファイバ部材2は、全細孔容積が0.6cm/g以上であり、且つ細孔径4nm以上30nm以下の範囲に細孔容積のピークを少なくとも1つ持つ構成であるため、触媒担持能だけでなく、細孔を介したガスや水の移動性が向上する。導電性ナノファイバ部材1が燃料電池用部材として用いられた場合には、反応ガスの透過性が向上し、反応で生成される水の排出が良好となる。 Further, since the carbon nanofiber member 2 has a total pore volume of 0.6 cm 3 / g or more and a structure having at least one pore volume peak in the range of the pore diameter of 4 nm to 30 nm, the catalyst Not only the carrying ability but also the mobility of gas and water through the pores is improved. When the conductive nanofiber member 1 is used as a fuel cell member, the permeability of the reaction gas is improved, and the water generated by the reaction is discharged better.

また、カーボンナノファイバ部材2は、ラマン分光測定により得られるD3/G比が1.0以下であるように構成されている。このため、化学的耐久性が高く、サイクル試験における触媒活性の低下を抑えることができる。   The carbon nanofiber member 2 is configured such that the D3 / G ratio obtained by Raman spectroscopy is 1.0 or less. For this reason, chemical durability is high and the fall of the catalyst activity in a cycle test can be suppressed.

また、カーボンナノファイバ21の平均繊維径が50nm以上150nm以下であるため、カーボンナノファイバ21内部の中心部に入り込んで有効に機能しにくい触媒の発生が抑制され、触媒効率を高めることができる。また、燃料電池用部材としては、繊維径が大きいことにより空間(繊維間の隙間)が増大し、電子が流れにくくなることが抑制され、繊維系が小さいことにより空間が微小となり、反応ガスが流れにくくなることが抑制される。つまり、導電性ナノファイバ部材1が燃料電池用部材により適した構成となる。   Moreover, since the average fiber diameter of the carbon nanofiber 21 is 50 nm or more and 150 nm or less, the generation of a catalyst that enters the central portion of the carbon nanofiber 21 and hardly functions effectively is suppressed, and the catalyst efficiency can be increased. In addition, as a member for a fuel cell, a space (gap between fibers) increases due to a large fiber diameter, and it is suppressed that electrons do not flow easily. It is suppressed that it becomes difficult to flow. That is, the conductive nanofiber member 1 is more suitable for the fuel cell member.

また、カーボンナノファイバ21の平均アスペクト比が5以上であるため、明らかに粒子状ではなく、より方向性を持った形状となり、例えば二次焼成のような高温処理(高結晶化処理)を施しても、体積が小さくなりにくく、細孔も維持されやすい。さらに、二次焼成により、耐久性及び導電性は向上する。このように、本実施形態によれば、狙った径の細孔を多数作成しやすく、その分カーボンナノファイバ部材2の体積が小さくても有効な性能を発揮させることができ、且つ耐久性及び導電性を向上させることができる。   In addition, since the average aspect ratio of the carbon nanofibers 21 is 5 or more, the carbon nanofibers 21 are clearly not in the form of particles but in a more directional shape. However, the volume is hardly reduced and the pores are easily maintained. Furthermore, durability and electrical conductivity are improved by secondary firing. Thus, according to the present embodiment, it is easy to create a large number of pores with a targeted diameter, and accordingly, even if the volume of the carbon nanofiber member 2 is small, effective performance can be exhibited, and durability and The conductivity can be improved.

また、本実施形態は、カーボンナノファイバ部材2のBET比表面積が300m/g以上であるため、触媒が担持しやすく、燃料電池用部材などの実用部品として適している。また、担持される触媒の平均粒径が、担持率が30wt%以上の高濃度担持において、5nm以下であるため、高い触媒活性を実現することができる。また、燃料電池用部材4によれば、上記特徴を有する導電性ナノファイバ部材1により、発電特性に優れ小型で高性能の燃料電池を提供することができる。 In addition, since the carbon nanofiber member 2 has a BET specific surface area of 300 m 2 / g or more, the present embodiment easily supports the catalyst, and is suitable as a practical part such as a fuel cell member. In addition, since the average particle size of the supported catalyst is 5 nm or less in a high concentration loading with a loading rate of 30 wt% or more, high catalytic activity can be realized. Moreover, according to the member 4 for fuel cells, the electroconductive nanofiber member 1 having the above characteristics can provide a small and high-performance fuel cell having excellent power generation characteristics.

また、細孔径が異なる複数種類の細孔を形成できることで、導電性ナノファイバ部材1に対して、触媒の担持に適した細孔や、ガスや水の移動に適した細孔(比較的径が大きい細孔)など、狙った機能に応じた複数種類の細孔を持たせることができる。つまり、本実施形態によれば、適用する機器(燃料電池等)に適した構成を作成することができる。また、本実施形態の製造方法によれば、特に燃料電池に適した導電性ナノファイバ部材が作成されるが、当該導電性ナノファイバ部材は燃料電池以外の機器(例えば二次電池等)に適用されてもよい。   In addition, since a plurality of types of pores having different pore diameters can be formed, the conductive nanofiber member 1 can have pores suitable for supporting a catalyst and pores suitable for movement of gas and water (relative diameters). A plurality of types of pores according to the aimed function. That is, according to the present embodiment, it is possible to create a configuration suitable for the device (fuel cell or the like) to be applied. In addition, according to the manufacturing method of the present embodiment, a conductive nanofiber member particularly suitable for a fuel cell is created. The conductive nanofiber member is applied to a device other than a fuel cell (for example, a secondary battery). May be.

なお、触媒3が担持されていない導電性ナノファイバ部材1、すなわちカーボンナノファイバ部材2も、導電性の確保及び触媒担持能の向上を可能とする部材といえる。また、カーボンナノファイバ部材2は、細孔21aや導電性を有するとともに、二次焼成による耐久性も有するため、そのまま又は細かくして、燃料電池の他の部材(例えばガス拡散層や撥水層)としても用いることができる。   The conductive nanofiber member 1 on which the catalyst 3 is not supported, that is, the carbon nanofiber member 2 can also be said to be a member that can ensure conductivity and improve the catalyst support capability. In addition, since the carbon nanofiber member 2 has pores 21a and conductivity, and also has durability by secondary firing, it can be made as it is or finely and other members of the fuel cell (for example, gas diffusion layer or water repellent layer) ).

以下、導電性ナノファイバ部材1及び燃料電池用部材4について、さらに詳細に説明する。説明において、「高比表面積カーボンナノファイバシート」は、カーボンナノファイバ部材2に相当する。
高い化学的耐久性を持つ高比表面積カーボンナノファイバシートの製造方法は、電界紡糸法により有機材料あるいは有機・無機混合材料含有溶液を、コレクタ板あるいは回転ドラムコレクタ上に向けて噴射して繊維状物の堆積層を形成する工程と、繊維状物の堆積層を1000℃以下で焼成したのち水蒸気等によるふ活処理、あるいは、酸またはアルカリ溶液による無機鋳型除去により得られる高比表面積ナノファイバシートを得る工程と、高比表面積ナノファイバシートを1000℃以上の高温で焼成することにより高い化学的耐久性を持つ高比表面積カーボンナノファイバシートを生成させる工程を含む。
Hereinafter, the conductive nanofiber member 1 and the fuel cell member 4 will be described in more detail. In the description, the “high specific surface area carbon nanofiber sheet” corresponds to the carbon nanofiber member 2.
A high specific surface area carbon nanofiber sheet with high chemical durability is produced by spraying an organic material or a solution containing an organic / inorganic mixed material onto a collector plate or a rotating drum collector by electrospinning. A high specific surface area nanofiber sheet obtained by forming a deposited layer of a product, firing the fibrous deposited layer at 1000 ° C. or less, and then activating it with water vapor or removing an inorganic template with an acid or alkali solution And a step of producing a high specific surface area carbon nanofiber sheet having high chemical durability by firing the high specific surface area nanofiber sheet at a high temperature of 1000 ° C. or higher.

電界紡糸可能な有機材料としては、特に限定されるものではなく、その具体例としては、ポリアクリロニトリル系樹脂、ポリイミド系樹脂、ピッチ、およびポリエチレングリコール等が挙げられ、これらは単独あるいは2種類以上組み合わせて用いても良い。また、有機材料を溶解する溶媒としては、有機材料の種類に応じて選択されるが、例えばN,N−ジメチルホルムアミド、ジオキサン、アセトン、テトラヒドロフラン、およびメタールやエタノール等のアルコール類などが挙げられる。   The organic material that can be electrospun is not particularly limited, and specific examples thereof include polyacrylonitrile resin, polyimide resin, pitch, and polyethylene glycol. These may be used alone or in combination of two or more. May be used. The solvent for dissolving the organic material is selected according to the type of the organic material, and examples thereof include N, N-dimethylformamide, dioxane, acetone, tetrahydrofuran, and alcohols such as methanol and ethanol.

添加可能な無機材料としては、特に限定されるものではなく、具体的には二酸化ケイ素分散液、二酸化セリウム分散液、酸化亜鉛分散液等が挙げられ、これらは単独あるいは2種類以上組み合わせて用いても良い。また、前記無機材料の分散溶解液としては、N,N−ジメチルホルムアミド、ジオキサン、アセトン、テトラヒドロフラン、およびメタールやエタノール等のアルコール類などが挙げられる。   The inorganic material that can be added is not particularly limited, and specific examples include silicon dioxide dispersion, cerium dioxide dispersion, zinc oxide dispersion, and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Also good. Examples of the inorganic material dispersion solution include N, N-dimethylformamide, dioxane, acetone, tetrahydrofuran, and alcohols such as methanol and ethanol.

カーボンナノファイバシートはカーボンナノファイバの集合体であるが平均繊維径が150nm以下である。これにより、比表面積及び触媒層の密度が高く、触媒担持能力及び導電性の高いカーボンナノファイバシートを得ることができる。   The carbon nanofiber sheet is an aggregate of carbon nanofibers, but has an average fiber diameter of 150 nm or less. Thereby, it is possible to obtain a carbon nanofiber sheet having a high specific surface area and a high density of the catalyst layer, and a high catalyst carrying capacity and conductivity.

電界紡糸法は、有機材料含有溶液が噴射されるノズルに15kV以上の高電圧を印加すると、有機材料含有溶液がコレクタに向けて吐出され、電界中でナノファイバとなり、コレクタ上に堆積する。   In the electrospinning method, when a high voltage of 15 kV or higher is applied to a nozzle from which an organic material-containing solution is jetted, the organic material-containing solution is discharged toward the collector, becomes nanofibers in the electric field, and is deposited on the collector.

電界紡糸法において、印加電圧とノズルとコレクタの距離を適正に保つことでナノファイバが形成される。また、有機材料成分の違いや、有機材料溶液の濃度、回転ドラムコレクタの回転速度、添加剤の有無により、所望の平均直径のナノファイバが得られる。   In the electrospinning method, the nanofiber is formed by keeping the applied voltage and the distance between the nozzle and the collector appropriate. Further, nanofibers having a desired average diameter can be obtained depending on the difference in organic material components, the concentration of the organic material solution, the rotational speed of the rotating drum collector, and the presence or absence of additives.

前記有機材料含有溶液の濃度は、特に限定されるものではなく、有機材料の組成により異なるが、3から10質量%の範囲が好ましい。溶液中の有機材料濃度が3質量%を下回ると繊維化しないことが多く、10質量%を上回ると繊維径が太くなりすぎてしまう。   The concentration of the organic material-containing solution is not particularly limited and varies depending on the composition of the organic material, but is preferably in the range of 3 to 10% by mass. If the concentration of the organic material in the solution is less than 3% by mass, the fiber is often not formed, and if it exceeds 10% by mass, the fiber diameter becomes too thick.

添加する無機鋳型の濃度としては、特に限定されるものではなく、有機材料の組成により異なるが、紡糸液の0.1から15質量%であることが好ましい。0.1質量%を下回ると添加無機材料の効果が薄く、15質量%を上回ると繊維としての維持が難しくなる。   The concentration of the inorganic template to be added is not particularly limited and varies depending on the composition of the organic material, but is preferably 0.1 to 15% by mass of the spinning solution. When the amount is less than 0.1% by mass, the effect of the added inorganic material is thin.

また、無機鋳型としては、特に限定するものではないが、有機材料に用いた溶剤と同様の溶剤にナノ分散されているものがこのましい。無機鋳型に固体から用いると凝集体を分散させることが難しく、満足いく細孔を繊維に付与することが難しく、繊維強度も低下することがある。また、細孔径が4から8nmの細孔を付与するには平均粒径が4から8nmのものが好ましく、細孔径が10nm以上の細孔を付与するには、平均粒径が10nm以上のものを用いるのが好ましい。つまり、作成目標の細孔径に応じた平均粒径の無機鋳型が選択される。   In addition, the inorganic template is not particularly limited, but is preferably nano-dispersed in a solvent similar to the solvent used for the organic material. When an inorganic mold is used from a solid, it is difficult to disperse aggregates, it is difficult to impart satisfactory pores to the fiber, and the fiber strength may be reduced. Further, in order to give pores having a pore diameter of 4 to 8 nm, those having an average particle diameter of 4 to 8 nm are preferable, and in order to give pores having a pore diameter of 10 nm or more, those having an average particle diameter of 10 nm or more. Is preferably used. That is, an inorganic template having an average particle size corresponding to the target pore diameter is selected.

続いて、得られたナノファイバシートを耐炎・不融化処理及び一次焼成処理してカーボンナノファイバシートを得る。耐炎・不融化処理は酸素の存在する雰囲気下で、室温から250から300℃まで昇温し、その後同温度で30分から3時間程度保持することで行われる。一次焼成処理は耐炎化・不融化処理の後、窒素やアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気下で500から1000℃の範囲のある温度まで徐々に昇温し、その後同温度で0から60分間程度保持することで行われる。   Subsequently, the obtained nanofiber sheet is subjected to flame resistance / infusibilization treatment and primary firing treatment to obtain a carbon nanofiber sheet. The flame resistance / infusibilization treatment is performed by raising the temperature from room temperature to 250 to 300 ° C. in an oxygen-containing atmosphere, and then maintaining the same temperature for 30 minutes to 3 hours. In the primary firing treatment, after flameproofing and infusibilization treatment, the temperature is gradually raised to a temperature in the range of 500 to 1000 ° C. in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon gas, and then at that temperature for about 0 to 60 minutes. It is done by holding.

続いて、得られた一次焼成カーボンナノファイバシートを処理することにより多孔体とする。その方法は特に限定されるものではないが、水蒸気ふ活処理や無機鋳型の除去により行われる。水蒸気ふ活処理は700から900℃の範囲で1分から1時間の範囲で10mLから1Lの水量で処理することが望ましい。温度が700℃を下回ったり、処理時間が10分を下回ったり、水量が10mLを下回ると処理効果が低くなる。その一方で、温度が900℃を超えたり、処理時間が1時間を超えたり水分量が1Lを超えたりすると処理時間が増大したり、過剰な処理となりコストが大きくなりすぎる。また、無機鋳型の除去については酸やアルカリ水溶液を用いて除去することができる。   Then, it is set as a porous body by processing the obtained primary baking carbon nanofiber sheet. The method is not particularly limited, but is performed by steam activation treatment or removal of the inorganic template. The steam activation treatment is desirably performed at a temperature of 700 to 900 ° C. and a water amount of 10 mL to 1 L in a range of 1 minute to 1 hour. When the temperature falls below 700 ° C., the treatment time falls below 10 minutes, or the amount of water falls below 10 mL, the treatment effect is lowered. On the other hand, if the temperature exceeds 900 ° C., the processing time exceeds 1 hour, or the amount of moisture exceeds 1 L, the processing time increases or the processing becomes excessive and the cost becomes too high. The inorganic template can be removed using an acid or alkaline aqueous solution.

続いて、得られた高比表面積を有する一次焼成カーボンナノファイバシートを二次焼成することにより、化学的耐久性及び導電性の高い高比表面積カーボンナノファイバシートを得ることができる。二次焼成温度範囲は特に限定されるものではないが、1200から2800℃の範囲で行われる。1200℃を下回ると耐久性及び導電性が低くなり、2800℃を上回ると細孔が失われ比表面積が低下する。   Subsequently, by subjecting the obtained primary fired carbon nanofiber sheet having a high specific surface area to secondary firing, a high specific surface area carbon nanofiber sheet having high chemical durability and conductivity can be obtained. The secondary firing temperature range is not particularly limited, but is performed in the range of 1200 to 2800 ° C. When the temperature is lower than 1200 ° C., durability and conductivity are lowered, and when the temperature is higher than 2800 ° C., pores are lost and the specific surface area is reduced.

このようにして得られた高比表面積カーボンナノファイバシートは、繊維径が50から150nm程度であり、300m/g以上の高い比表面積を有しており、また、優れた金属触媒担持能力を示す。上述の高比表面積カーボンナノファイバシートはこのまま、あるいは、粉砕機で粉砕してアスペクト比5以上のカーボンロッドとしても用いることができる。 The high specific surface area carbon nanofiber sheet thus obtained has a fiber diameter of about 50 to 150 nm, a high specific surface area of 300 m 2 / g or more, and has an excellent metal catalyst supporting ability. Show. The above-mentioned high specific surface area carbon nanofiber sheet can be used as it is or as a carbon rod having an aspect ratio of 5 or more after being pulverized by a pulverizer.

高比表面積カーボンナノファイバシートに担持する燃料電池用触媒としては、金属酸化物や合金を含む金属触媒や、カーボンアロイ触媒等が挙げられるが、本発明においては金属触媒が適している。金属触媒の具体例としては、白金、金、銀、パラジウム、ルテニウム、コバルト、ニッケル、クロム等の遷移金属、及びそれらの合金等が挙げられ、その中でも白金や白金合金が好ましい。   Examples of the fuel cell catalyst supported on the high specific surface area carbon nanofiber sheet include metal catalysts including metal oxides and alloys, carbon alloy catalysts, and the like. In the present invention, metal catalysts are suitable. Specific examples of the metal catalyst include transition metals such as platinum, gold, silver, palladium, ruthenium, cobalt, nickel, and chromium, and alloys thereof, among which platinum and platinum alloys are preferable.

上記触媒の担持方法としては、特に限定されるものではなく、従来公知の方法を採用することができるが、本実施形態においては析出沈殿法を用いることが好ましい。また、担持前処理として高比表面積カーボンナノファイバシートに、硫酸や硝酸などの無機酸単独、あるいは混合して得られる混酸やオゾンによる表面処理を施すことが好ましい。これにより、溶液還元法による触媒担持において、高比表面積カーボンナノファイバシートへの触媒担持率の向上、及び触媒の高分散化が可能となる。   The method for supporting the catalyst is not particularly limited, and a conventionally known method can be adopted. In this embodiment, it is preferable to use a precipitation method. In addition, it is preferable to subject the high specific surface area carbon nanofiber sheet to a surface treatment with an inorganic acid such as sulfuric acid or nitric acid alone or a mixed acid or ozone obtained by mixing as a pretreatment for supporting. Thereby, in catalyst loading by the solution reduction method, it is possible to improve the catalyst loading ratio on the high specific surface area carbon nanofiber sheet and to highly disperse the catalyst.

本実施形態の膜・電極接合体(膜電極接合体)は、上述した燃料電池用部材を、電解質層の両側に配置されたアノード電極及びカソード電極の少なくとも一方に用いるものである。また、膜・電極接合体の一構成要素である電解質層(電解質膜)には、一般的に、高分子電解質膜が用いられる。高分子電解質膜としては、パーフルオロスルホン酸膜や、スルホン酸基を有する炭化水素系電解質膜等が挙げられる。   The membrane / electrode assembly (membrane electrode assembly) of the present embodiment uses the above-described fuel cell member for at least one of an anode electrode and a cathode electrode arranged on both sides of the electrolyte layer. In general, a polymer electrolyte membrane is used for an electrolyte layer (electrolyte membrane) which is one component of the membrane-electrode assembly. Examples of the polymer electrolyte membrane include a perfluorosulfonic acid membrane and a hydrocarbon electrolyte membrane having a sulfonic acid group.

上記膜・電極接合体の製造方法としては特に限定されるものではないが、一般的熱加圧等により電極と高分子電解質膜とガス拡散層とを一体化する手法をとることができる。例えば、Nafion(登録商標)等のプロトン伝導高分子溶液を、高比表面積カーボンナノファイバシートに付与した後、カーボンペーパー等のガス拡散層と高分子電解質膜との間に、プロトン伝導高分子溶液が付与された高比表面積カーボンナノファイバシートを挟み込み、熱加圧等により一体化する。   The method for producing the membrane / electrode assembly is not particularly limited, but a method of integrating the electrode, the polymer electrolyte membrane, and the gas diffusion layer by general thermal pressing or the like can be employed. For example, after a proton conducting polymer solution such as Nafion (registered trademark) is applied to a high specific surface area carbon nanofiber sheet, the proton conducting polymer solution is interposed between a gas diffusion layer such as carbon paper and a polymer electrolyte membrane. Are sandwiched between carbon nanofiber sheets having a high specific surface area and integrated by thermal pressing or the like.

このように、本実施形態よれば、多くの細孔を有しており、かつ、高比表面積を有するカーボンナノファイバシートを用いた、導電性、物質透過性、及び耐久性に優れ、触媒層作製時に割れの生じない燃料電池触媒用部材(電極、担体)を提供することができる。本実施形態によれば、導電性ナノファイバ部材1を燃料電池用電極として使用することにより、発電特性に優れ小型で高性能かつ高耐久性の膜・電極接合体、及びそれを備える燃料電池を提供することができる。   Thus, according to the present embodiment, the catalyst layer is excellent in conductivity, material permeability, and durability using a carbon nanofiber sheet having many pores and a high specific surface area. It is possible to provide a fuel cell catalyst member (electrode, carrier) that does not crack during production. According to the present embodiment, by using the conductive nanofiber member 1 as an electrode for a fuel cell, a membrane / electrode assembly having excellent power generation characteristics, a small size, a high performance and a high durability, and a fuel cell including the same Can be provided.

本発明者らは、鋭意研究の結果、燃料電池用電極を構成する炭素材料として電界紡糸法により得られるナノファイバを炭化焼成すること、並びに、このカーボンナノファイバ外面及び内面に遷移金属等の触媒担持能に優れる細孔を多く付与すること、さらには、そのナノファイバ内の細孔分布を制御することにより、上記構成を実現できることを見出し、本発明の完成に至った。   As a result of earnest research, the present inventors have carbonized and fired nanofibers obtained by an electrospinning method as a carbon material constituting an electrode for a fuel cell, and catalysts such as transition metals on the outer and inner surfaces of the carbon nanofiber. The inventors have found that the above-described configuration can be realized by providing a large number of pores having excellent supporting ability, and further controlling the pore distribution in the nanofiber, and the present invention has been completed.

本実施形態の燃料電池用部材4は、平均繊維径が50nmから150nmであり、かつ、粉砕機などにより平均アスペクト比を5以上で調整することのできるカーボンナノファイバからなる燃料電池用電極であって、カーボンナノファイバ21は、BJH解析により得られる4nmから8nmの細孔容積が0.2cm/g以上かつBET比表面積が300m/g以上であることを特徴とし、ファイバ表面及びメソ孔表面に触媒が担持されることを特徴とする。 The fuel cell member 4 of the present embodiment is a fuel cell electrode made of carbon nanofibers having an average fiber diameter of 50 nm to 150 nm and an average aspect ratio of 5 or more that can be adjusted by a pulverizer or the like. The carbon nanofiber 21 has a pore volume of 4 nm to 8 nm obtained by BJH analysis of 0.2 cm 3 / g or more and a BET specific surface area of 300 m 2 / g or more. The catalyst is supported on the surface.

(実施例の説明)
(1)高比表面積カーボンナノファイバシートの形態観察、及びカーボンナノファイバの平均繊維径の測定
走査型電子顕微鏡(日本電子株式会社製、JSM−6010 PLUS/LA)を用いて、高比表面積カーボンナノファイバシートを撮影した電子顕微鏡写真から無作為に100箇所を選択し、カーボンナノファイバの側面から繊維径を測定し、それらすべての測定結果の平均値を平均繊維径とした。
(Description of Examples)
(1) Observation of morphology of high specific surface area carbon nanofiber sheet and measurement of average fiber diameter of carbon nanofiber High specific surface area carbon using scanning electron microscope (JEOL Ltd., JSM-6010 PLUS / LA) 100 spots were selected at random from an electron micrograph of the nanofiber sheet, the fiber diameter was measured from the side of the carbon nanofiber, and the average value of all the measurement results was taken as the average fiber diameter.

(2)金属触媒を担持した高比表面積カーボンナノファイバシートの透過型電子顕微鏡による形態観察
金属触媒を担持した高比表面積カーボンナノファイバシートの形態観察は、電界放出型透過電子顕微鏡(日本電子株式会社製、JEM−2100F)を用いて行った。
(2) Observation of morphology of a high specific surface area carbon nanofiber sheet carrying a metal catalyst using a transmission electron microscope The observation of the morphology of a high specific surface area carbon nanofiber sheet carrying a metal catalyst was conducted using a field emission transmission electron microscope (JEOL Ltd.) JEM-2100F) manufactured by company was used.

(3)白金担持量の測定
金属触媒を担持した高比表面積カーボンナノファイバシートの白金担持量の測定は、示差熱天秤(株式会社リガク製、Thermo plus TG8120)を用いて測定した。
(3) Measurement of platinum carrying amount The platinum carrying amount of the high specific surface area carbon nanofiber sheet carrying a metal catalyst was measured using a differential thermal balance (manufactured by Rigaku Corporation, Thermo plus TG8120).

(4)BET比表面積の測定
カーボンナノファイバシートあるいはカーボンブラックの比表面積は自動比表面積/細孔分布測定装置(マイクロトラック・ベル株式会社製、BELSORP−mini II)にて、吸着ガスに窒素ガスを用いて行った。
(4) Measurement of BET specific surface area The specific surface area of the carbon nanofiber sheet or carbon black is measured by an automatic specific surface area / pore distribution measuring device (BELSORP-mini II, manufactured by Microtrack Bell Co., Ltd.), and nitrogen gas is adsorbed. It was performed using.

[実施例1]
(1)電界紡糸溶液の調製
ポリアクリロニトリル(シグマアルドリッチジャパン株式会社製)6.5、ナノシリカ(日産化学工業株式会社製スノーテックスXSより調製)3.5、N,N−ジメチルホルムアミド(キシダ化学株式会社製)90.0の質量割合で混合し、電界紡糸溶液を調製した。当該ナノシリカは、無機鋳型として機能し、細孔直径およそ4〜6nmの細孔の作成に寄与する。
[Example 1]
(1) Preparation of electrospinning solution Polyacrylonitrile (manufactured by Sigma Aldrich Japan Co., Ltd.) 6.5, nano silica (prepared from Snowtex XS, manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.) 3.5, N, N-dimethylformamide (Kishida Chemical Co., Ltd.) (Manufactured by company) was mixed at a mass ratio of 90.0 to prepare an electrospinning solution. The nanosilica functions as an inorganic template and contributes to the creation of pores having a pore diameter of about 4 to 6 nm.

(2)電界紡糸
上記で得られた電界紡糸液を、電界紡糸装置を用いて回転ドラムコレクタを用い電界紡糸した。
(2) Electrospinning The electrospinning solution obtained above was electrospun using a rotating drum collector using an electrospinning apparatus.

(3)耐炎化・不融化処理
上記のとおり得られたナノファイバシートを、酸素存在雰囲気下で室温から230℃まで3時間で昇温し、その後3時間で300℃まで昇温し、そこで1時間保持することで耐炎化・不融化処理をした。
(3) Flame resistance / infusibilization treatment The nanofiber sheet obtained as described above was heated from room temperature to 230 ° C. in an oxygen-existing atmosphere in 3 hours, and then heated to 300 ° C. in 3 hours. Flame resistance and infusibilization treatment was carried out by maintaining the time.

(4)一次焼成処理
耐炎化・不融化処理後のナノファイバシートを、一次焼成処理し、一次焼成カーボンナノファイバシートを得た。昇温条件は、室温から600℃まで昇温し、600℃で1時間保持した。焼成は窒素ガス気流下で行った。
(4) Primary firing treatment The nanofiber sheet after the flameproofing / infusibilization treatment was subjected to a primary firing treatment to obtain a primary firing carbon nanofiber sheet. The temperature raising condition was that the temperature was raised from room temperature to 600 ° C. and held at 600 ° C. for 1 hour. Firing was performed under a nitrogen gas stream.

(5)鋳型除去処理
得られた一次焼成カーボンナノファイバシートを水酸化ナトリウム水溶液中に浸し、処理した。アルカリ処理後ろ別し、残渣を水酸化ナトリウム水溶液、純水、酢酸水溶液、純水の順で洗浄した。その後残渣を乾燥して鋳型が除去された一次焼成カーボンナノファイバシートを得た。
(5) Template removal treatment The obtained primary calcined carbon nanofiber sheet was immersed in an aqueous sodium hydroxide solution for treatment. After the alkali treatment, the residue was separated, and the residue was washed with a sodium hydroxide aqueous solution, pure water, acetic acid aqueous solution and pure water in this order. Thereafter, the residue was dried to obtain a primary baked carbon nanofiber sheet from which the mold was removed.

(6)二次焼成処理
得られた鋳型が除去された一次焼成カーボンナノファイバシートを脱脂炉にて、不活性ガス気流下で、1800℃、1時間の二次焼成処理を施し、高比表面積カーボンナノファイバシート得た。
得られた高比表面積カーボンナノファイバシートを走査型電子顕微鏡で観察した。図5に高比表面積カーボンナノファイバシート(カーボンナノファイバ部材2)の走査型電子顕微鏡写真を示す。平均繊維径は132nmであった。また、BET比表面積を測定したところ440m/gであった。さらにBJH解析で得られる4から8nmの細孔容積は0.31m/gであり、全細孔容積は0.67m/gであった。また、体積抵抗率は0.1Ω・cmであった。またラマン分光測定によるD3/G比は0.4であった。
(6) Secondary firing treatment The primary firing carbon nanofiber sheet from which the obtained mold has been removed is subjected to a secondary firing treatment at 1800 ° C. for 1 hour in an inert gas stream in a degreasing furnace to obtain a high specific surface area. A carbon nanofiber sheet was obtained.
The obtained high specific surface area carbon nanofiber sheet was observed with a scanning electron microscope. FIG. 5 shows a scanning electron micrograph of the high specific surface area carbon nanofiber sheet (carbon nanofiber member 2). The average fiber diameter was 132 nm. Moreover, it was 440 m < 2 > / g when the BET specific surface area was measured. Further, the pore volume of 4 to 8 nm obtained by BJH analysis was 0.31 m 3 / g, and the total pore volume was 0.67 m 3 / g. The volume resistivity was 0.1 Ω · cm. The D3 / G ratio measured by Raman spectroscopy was 0.4.

(7)析出沈殿法による白金触媒担持
高比表面積カーボンナノファイバについては、あらかじめ湿式法により各フレーク片が数十μm程度となるまで粉砕し担持に供した。超純水495mLとエタノール5mLの混合溶液中に、上記の方法によりフレーク化した高比表面積カーボンナノファイバーフレーク100mgを投入、超音波処理を30分行い、溶液中に均一に分散させた。その分散溶液中へ、ヘキサヒドロキソ白金(IV)酸エタノールアミン溶液(白金濃度:100g/L)500μLを添加し、加熱撹拌した。液温が80℃に達した後、1.75mol/L酢酸水溶液を、24回に分け、計960μL添加した。酢酸添加後、液温を80℃で保持し2時間反応させた。反応終了後、溶液を吸引ろ過し、処理した高比表面積カーボンナノファイバを80℃で1時間乾燥させた。処理後高比表面積カーボンナノファイバを再度水495mL・エタノール5mLの溶液に再分散させ、この分散溶液を50℃まで加熱し、撹拌しながらギ酸1.2mLを加えてそのまま2時間反応させ、還元処理を行った。その後、再度吸引ろ過により試料をろ別し、水洗後80℃で1時間乾燥させ、白金触媒を担持した高比表面積カーボンナノファイバシートを得た。得られた白金触媒を担持した高比表面積カーボンナノファイバシートの白金重量含有率は33±1%であり、ほぼ仕込んだ白金の全てが担持されていた。
(7) Platinum catalyst support by precipitation method The high specific surface area carbon nanofibers were crushed in advance by a wet method until each flake piece was about several tens of μm and provided for support. Into a mixed solution of 495 mL of ultrapure water and 5 mL of ethanol, 100 mg of high specific surface area carbon nanofiber flakes formed into flakes by the above method was added, and subjected to ultrasonic treatment for 30 minutes, and uniformly dispersed in the solution. To the dispersion, 500 μL of a hexahydroxoplatinum (IV) acid ethanolamine solution (platinum concentration: 100 g / L) was added and stirred with heating. After the liquid temperature reached 80 ° C., a 1.75 mol / L acetic acid aqueous solution was divided into 24 times and a total of 960 μL was added. After acetic acid addition, the liquid temperature was kept at 80 ° C. and reacted for 2 hours. After completion of the reaction, the solution was subjected to suction filtration, and the treated high specific surface area carbon nanofibers were dried at 80 ° C. for 1 hour. After the treatment, the carbon nanofibers with a high specific surface area are re-dispersed in a solution of 495 mL of water and 5 mL of ethanol, this dispersion is heated to 50 ° C., and 1.2 mL of formic acid is added with stirring and reacted as it is for 2 hours. Went. Thereafter, the sample was again filtered by suction filtration, washed with water, and dried at 80 ° C. for 1 hour to obtain a high specific surface area carbon nanofiber sheet carrying a platinum catalyst. The platinum content of the obtained high specific surface area carbon nanofiber sheet carrying the platinum catalyst was 33 ± 1%, and almost all of the charged platinum was carried.

得られた白金触媒を担持した高比表面積カーボンナノファイバシートを透過電子顕微鏡にて観察した結果を図6及び図7に示す。図6及び図7に示されるように、ナノファイバ上に白金触媒が高密度かつ高分散に担持されていることが確認された。   The result of having observed the obtained high specific surface area carbon nanofiber sheet which carried the platinum catalyst with the transmission electron microscope is shown in FIG.6 and FIG.7. As shown in FIGS. 6 and 7, it was confirmed that the platinum catalyst was supported on the nanofibers with high density and high dispersion.

(8)膜・電極接合体の作製
白金触媒を担持した高比表面積カーボンナノファイバシートと、ナフィオン(登録商標)溶液を混合し、ジルコニアビーズを用いた撹拌によりカソード用触媒インクを調製した。得られたカソード用触媒インクを、転写基材表面に白金量が0.1g/cmになるように塗布、乾燥し、カソード用触媒層転写シートを作製した。このとき、触媒層に割れは観察されなかった。
(8) Production of membrane / electrode assembly A high specific surface area carbon nanofiber sheet carrying a platinum catalyst and a Nafion (registered trademark) solution were mixed, and a catalyst ink for cathode was prepared by stirring using zirconia beads. The obtained cathode catalyst ink was applied to the surface of the transfer substrate so that the amount of platinum was 0.1 g / cm 2 and dried to prepare a cathode catalyst layer transfer sheet. At this time, no cracks were observed in the catalyst layer.

また、白金担持カーボン(市販の30%白金担持カーボン)と、ナフィオン(登録商標)溶液を混合し、ジルコニアビーズを用いた撹拌によりアノード用触媒インクを調製した。得られたアノード用触媒インクを、転写基材表面に白金量が0.05g/cmになるように塗布、乾燥し、アノード用触媒層転写シートを作製した。 Also, platinum-supported carbon (commercially available 30% platinum-supported carbon) and a Nafion (registered trademark) solution were mixed, and an anode catalyst ink was prepared by stirring using zirconia beads. The obtained anode catalyst ink was applied to the surface of the transfer substrate so that the amount of platinum was 0.05 g / cm 2 and dried to prepare an anode catalyst layer transfer sheet.

上記の方法にて作製したカソード用触媒層転写シート、及びアノード用触媒層転写シートを用い、高分子電解質膜の片側の面にカソード用触媒層、もう一方の面にアノード用触媒層を熱加圧により転写し、さらに、2枚のカーボンペーパーで挟み込み膜・電極接合体を作製した。   Using the cathode catalyst layer transfer sheet and anode catalyst layer transfer sheet prepared by the above method, the cathode catalyst layer is heated on one side of the polymer electrolyte membrane and the anode catalyst layer is heated on the other side. The film was transferred by pressure and sandwiched between two pieces of carbon paper to produce a membrane / electrode assembly.

(9)発電特性評価
上記の方法にて作製した膜・電極接合体を用いて単セルを作製し、燃料電池の電流−電圧特性を測定したところ、電圧0.8V時の出力密度におけるカソード白金使用量は1.06g/kWであった。また、1.0V保持3秒、0.6V保持3秒を1サイクルとした電位サイクル試験を10,000回行ったあとの電流−電圧特性を測定したところ、電圧0.8V時の出力密度におけるカソード白金使用量は3.14g/kWであった。条件は、単セル:1cmセル(エフシー開発社製、ND−1)、セル温度:80℃、評価装置:FC評価試験装置(株式会社東陽テクニカ製、AutoPEM)、アノード:水素0.5L/min、湿度100%RH、カソード:空気1.0L/min、湿度100%RHである。
(9) Evaluation of power generation characteristics A single cell was prepared using the membrane-electrode assembly prepared by the above method, and the current-voltage characteristics of the fuel cell were measured. As a result, cathode platinum at a power density at a voltage of 0.8 V was obtained. The amount used was 1.06 g / kW. In addition, when the current-voltage characteristics after 10,000 potential cycle tests with 1.0 V hold for 3 seconds and 0.6 V hold for 3 seconds were measured 10,000 times, the output density at a voltage of 0.8 V was obtained. The amount of cathode platinum used was 3.14 g / kW. The conditions are: single cell: 1 cm 2 cell (manufactured by FC Development Co., Ltd., ND-1), cell temperature: 80 ° C., evaluation apparatus: FC evaluation test apparatus (manufactured by Toyo Corporation, AutoPEM), anode: hydrogen 0.5 L / min, humidity 100% RH, cathode: air 1.0 L / min, humidity 100% RH.

[実施例2]
実施例1の(6)二次焼成処理の前に、水蒸気ふ活処理を次の通り施し、それ以外は実施例1と同様に行った。
(水蒸気ふ活処理)
鋳型が除去された一次焼成カーボンナノファイバシートをメッシュ状カーボン板上に敷き、850℃、60分間の水蒸気ふ活処理を施し、水蒸気ふ活処理カーボンナノファイバシートを得た。処理は窒素気流下で、水量50mLの条件で行った。
[Example 2]
Before the (6) secondary firing treatment of Example 1, steam activation treatment was performed as follows, and the others were performed in the same manner as in Example 1.
(Water vapor activation treatment)
The primary-fired carbon nanofiber sheet from which the mold was removed was laid on a mesh-like carbon plate and subjected to a steam activation treatment at 850 ° C. for 60 minutes to obtain a steam activation carbon nanofiber sheet. The treatment was carried out under a nitrogen stream under the condition of 50 mL of water.

その結果、得られた高比表面積カーボンナノファイバシートの平均繊維径は103nmであった。また、BET比表面積を測定したところ1058m/gであった。さらにBJH解析で得られる4から8nmの細孔容積は0.60m/gであり、全細孔容積は1.48m/gであった。また、体積抵抗率は0.1Ω・cmであった。またラマン分光測定によるD3/G比は0.4であった。また、白金触媒を担持した高比表面積カーボンナノファイバシートを用いてカソード電極を作製した際の割れは見られず、発電特性評価を行ったところ、電圧0.8V時の出力密度におけるカソード白金使用量は1.43g/kWであった。また、1.0V保持3秒、0.6V保持3秒を1サイクルとした電位サイクル試験を10,000回行ったあとの電流−電圧特性を測定したところ、電圧0.8V時の出力密度におけるカソード白金使用量は2.81g/kWであった。 As a result, the average fiber diameter of the obtained high specific surface area carbon nanofiber sheet was 103 nm. Moreover, it was 1058 m < 2 > / g when the BET specific surface area was measured. Furthermore, the pore volume of 4 to 8 nm obtained by BJH analysis was 0.60 m 3 / g, and the total pore volume was 1.48 m 3 / g. The volume resistivity was 0.1 Ω · cm. The D3 / G ratio measured by Raman spectroscopy was 0.4. In addition, when the cathode electrode was produced using a high specific surface area carbon nanofiber sheet carrying a platinum catalyst, no cracks were observed, and when power generation characteristics were evaluated, cathode platinum was used at a power density of 0.8V. The amount was 1.43 g / kW. In addition, when the current-voltage characteristics after 10,000 potential cycle tests with 1.0 V hold for 3 seconds and 0.6 V hold for 3 seconds were measured 10,000 times, the output density at a voltage of 0.8 V was obtained. The amount of cathode platinum used was 2.81 g / kW.

[実施例3]
実施例1の(1)電界紡糸溶液の調製において、電界紡糸液を次の質量割合で調製した。
ポリアクリロニトリル(シグマアルドリッチジャパン株式会社製)6.0
ナノシリカ(日産化学工業株式会社製スノーテックスXSより調製)3.0
ナノシリカ(日産化学工業株式会社製オルガノシリカゾルMA−ST−Mより調製)1.0
N,N−ジメチルホルムアミド(キシダ化学株式会社製)90.0
これ以外は実施例1と同様に処理を行った。後者のナノシリカも無機鋳型として機能し、細孔直径およそ20〜25nmの細孔の作成に寄与する。
ついで、実施例1と同様の方法で、燃料電池の発電特性評価を実施した。
その結果、得られた高比表面積カーボンナノファイバシートの平均繊維径は112nmであった。また、BET比表面積を測定したところ503m/gであった。さらにBJH解析で得られる4から8nmの細孔容積は0.33m/gであり、全細孔容積は1.04m/gであった。また、体積抵抗率は0.11Ω・cmであった。またラマン分光測定によるD3/G比は0.5であった。また、白金触媒を担持した高比表面積カーボンナノファイバシートを用いてカソード電極を作製した際の割れは見られず、発電特性評価を行ったところ、電圧0.8V時の出力密度におけるカソード白金使用量は2.98g/kWであった。また、1.0V保持3秒、0.6V保持3秒を1サイクルとした電位サイクル試験を10,000回行ったあとの電流−電圧特性を測定したところ、電圧0.8V時の出力密度におけるカソード白金使用量は9.75g/kWであった。
[Example 3]
In the preparation of the electrospinning solution of Example 1 (1), the electrospinning solution was prepared at the following mass ratio.
Polyacrylonitrile (Sigma Aldrich Japan Co., Ltd.) 6.0
Nano silica (prepared from Snowtex XS, manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.) 3.0
Nanosilica (prepared from Nissan Chemical Industries, Ltd. organosilica sol MA-ST-M) 1.0
N, N-dimethylformamide (Kishida Chemical Co., Ltd.) 90.0
Except for this, the same processing as in Example 1 was performed. The latter nano silica also functions as an inorganic template and contributes to the creation of pores having a pore diameter of about 20 to 25 nm.
Next, the power generation characteristics of the fuel cell were evaluated in the same manner as in Example 1.
As a result, the average fiber diameter of the obtained high specific surface area carbon nanofiber sheet was 112 nm. Moreover, it was 503 m < 2 > / g when the BET specific surface area was measured. Furthermore, the pore volume of 4 to 8 nm obtained by BJH analysis was 0.33 m 3 / g, and the total pore volume was 1.04 m 3 / g. The volume resistivity was 0.11 Ω · cm. The D3 / G ratio measured by Raman spectroscopy was 0.5. In addition, when the cathode electrode was produced using a high specific surface area carbon nanofiber sheet carrying a platinum catalyst, no cracks were observed, and when power generation characteristics were evaluated, cathode platinum was used at a power density of 0.8V. The amount was 2.98 g / kW. In addition, when the current-voltage characteristics after 10,000 potential cycle tests with 1.0 V hold for 3 seconds and 0.6 V hold for 3 seconds were measured 10,000 times, the output density at a voltage of 0.8 V was obtained. The amount of cathode platinum used was 9.75 g / kW.

[実施例4]
実施例1の(1)電界紡糸溶液の調製において、電界紡糸液を次の質量割合で調製した。
ポリアクリロニトリル(シグマアルドリッチジャパン株式会社製)6.0
ナノシリカ(日産化学工業株式会社製スノーテックスXSより調製)2.0
ナノシリカ(日産化学工業株式会社製オルガノシリカゾルMA−ST−Mより調製)2.0
N,N−ジメチルホルムアミド(キシダ化学株式会社製)90.0
これ以外は実施例1と同様に処理を行った。後者のナノシリカも無機鋳型として機能し、細孔直径およそ20〜25nmの細孔の作成に寄与する。
ついで、実施例1と同様の方法で、燃料電池の発電特性評価を実施した。
その結果、得られた高比表面積カーボンナノファイバシートの平均繊維径は107nmであった。また、BET比表面積を測定したところ394m/gであった。さらにBJH解析で得られる4から8nmの細孔容積は0.20m/gであり、全細孔容積は1.00m/gであった。また、体積抵抗率は0.10Ω・cmであった。またラマン分光測定によるD3/G比は0.7であった。また、白金触媒を担持した高比表面積カーボンナノファイバシートを用いてカソード電極を作製した際の割れは見られず、発電特性評価を行ったところ、電圧0.8V時の出力密度におけるカソード白金使用量は2.22g/kWであった。また、1.0V保持3秒、0.6V保持3秒を1サイクルとした電位サイクル試験を10,000回行ったあとの電流−電圧特性を測定したところ、電圧0.8V時の出力密度におけるカソード白金使用量は9.55g/kWであった。
[Example 4]
In the preparation of the electrospinning solution of Example 1 (1), the electrospinning solution was prepared at the following mass ratio.
Polyacrylonitrile (Sigma Aldrich Japan Co., Ltd.) 6.0
Nano silica (prepared from Snowtex XS, manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.) 2.0
Nanosilica (prepared from Nissan Chemical Industries, Ltd. organosilica sol MA-ST-M) 2.0
N, N-dimethylformamide (Kishida Chemical Co., Ltd.) 90.0
Except for this, the same processing as in Example 1 was performed. The latter nano silica also functions as an inorganic template and contributes to the creation of pores having a pore diameter of about 20 to 25 nm.
Next, the power generation characteristics of the fuel cell were evaluated in the same manner as in Example 1.
As a result, the average fiber diameter of the obtained high specific surface area carbon nanofiber sheet was 107 nm. Moreover, it was 394 m < 2 > / g when the BET specific surface area was measured. Further 8nm pore volume from 4 obtained in BJH analysis is 0.20 m 3 / g, total pore volume was 1.00 m 3 / g. The volume resistivity was 0.10 Ω · cm. The D3 / G ratio measured by Raman spectroscopy was 0.7. In addition, when the cathode electrode was produced using a high specific surface area carbon nanofiber sheet carrying a platinum catalyst, no cracks were observed, and when power generation characteristics were evaluated, cathode platinum was used at a power density of 0.8V. The amount was 2.22 g / kW. In addition, when the current-voltage characteristics after 10,000 potential cycle tests with 1.0 V hold for 3 seconds and 0.6 V hold for 3 seconds were measured 10,000 times, the output density at a voltage of 0.8 V was obtained. The amount of cathode platinum used was 9.55 g / kW.

[実施例5]
実施例1の(1)電界紡糸溶液の調製において、電界紡糸液を次の質量割合で調製した。
ポリアクリロニトリル(シグマアルドリッチジャパン株式会社製)6.0
ナノシリカ(日産化学工業株式会社製スノーテックスXSより調製)2.0
ナノシリカ(日産化学工業株式会社製オルガノシリカゾルTOL−STより調製)4.0
N,N−ジメチルホルムアミド(キシダ化学株式会社製)88.0
これ以外は実施例1と同様に処理を行った。後者のナノシリカも無機鋳型として機能し、細孔直径およそ10〜15nmの細孔の作成に寄与する。
ついで、実施例1と同様の方法で、燃料電池の発電特性評価を実施した。
その結果、得られた高比表面積カーボンナノファイバシートの平均繊維径は114nmであった。また、BET比表面積を測定したところ490m/gであった。さらにBJH解析で得られる4から8nmの細孔容積は0.20m/gであり、全細孔容積は1.35m/gであった。また、体積抵抗率は0.12Ω・cmであった。またラマン分光測定によるD3/G比は0.7であった。また、白金触媒を担持した高比表面積カーボンナノファイバシートを用いてカソード電極を作製した際の割れは見られず、発電特性評価を行ったところ、電圧0.8V時の出力密度におけるカソード白金使用量は1.67g/kWであった。また、1.0V保持3秒、0.6V保持3秒を1サイクルとした電位サイクル試験を10,000回行ったあとの電流−電圧特性を測定したところ、電圧0.8V時の出力密度におけるカソード白金使用量は7.07g/kWであった。
[Example 5]
In the preparation of the electrospinning solution of Example 1 (1), the electrospinning solution was prepared at the following mass ratio.
Polyacrylonitrile (Sigma Aldrich Japan Co., Ltd.) 6.0
Nano silica (prepared from Snowtex XS, manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.) 2.0
Nanosilica (prepared from Nissan Chemical Industries' organosilica sol TOL-ST) 4.0
N, N-dimethylformamide (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) 88.0
Except for this, the same processing as in Example 1 was performed. The latter nanosilica also functions as an inorganic template and contributes to the creation of pores having a pore diameter of approximately 10 to 15 nm.
Next, the power generation characteristics of the fuel cell were evaluated in the same manner as in Example 1.
As a result, the average fiber diameter of the obtained high specific surface area carbon nanofiber sheet was 114 nm. Moreover, it was 490 m < 2 > / g when the BET specific surface area was measured. Further 8nm pore volume from 4 obtained in BJH analysis is 0.20 m 3 / g, total pore volume was 1.35 m 3 / g. The volume resistivity was 0.12 Ω · cm. The D3 / G ratio measured by Raman spectroscopy was 0.7. In addition, when the cathode electrode was produced using a high specific surface area carbon nanofiber sheet carrying a platinum catalyst, no cracks were observed, and when power generation characteristics were evaluated, cathode platinum was used at a power density of 0.8V. The amount was 1.67 g / kW. In addition, when the current-voltage characteristics after 10,000 potential cycle tests with 1.0 V hold for 3 seconds and 0.6 V hold for 3 seconds were measured 10,000 times, the output density at a voltage of 0.8 V was obtained. The amount of cathode platinum used was 7.07 g / kW.

[比較例1]
実施例1の(1)電界紡糸溶液の調製において、電界紡糸液を次の質量割合で調製した。
ポリアクリロニトリル(シグマアルドリッチジャパン株式会社製)7.0
N,N−ジメチルホルムアミド(キシダ化学株式会社製)93.0
また、実施例1の(4)一次焼成処理において、室温から800℃まで昇温し、800℃で1時間保持した。また、実施例1の(5)鋳型除去処理は行わなかった。これら以外は実施例2と同様に処理を行った。
[Comparative Example 1]
In the preparation of the electrospinning solution of Example 1 (1), the electrospinning solution was prepared at the following mass ratio.
Polyacrylonitrile (Sigma Aldrich Japan Co., Ltd.) 7.0
N, N-dimethylformamide (Kishida Chemical Co., Ltd.) 93.0
Moreover, in (4) primary baking process of Example 1, it heated up from room temperature to 800 degreeC, and hold | maintained at 800 degreeC for 1 hour. In addition, (5) template removal treatment of Example 1 was not performed. Except for these, the same processing as in Example 2 was performed.

ついで、実施例1と同様の方法で、燃料電池の発電特性評価を実施した。その結果、得られた高比表面積カーボンナノファイバシートの平均繊維径は49nmであった。また、BET比表面積を測定したところ194m/gであった。さらにBJH解析で得られる4から8nmの細孔容積は0.04m/gであり、全細孔容積は0.35m/gであった。また、体積抵抗率は0.2Ω・cmであった。またラマン分光測定によるD3/G比は0.3であった。また、白金触媒を担持した高比表面積カーボンナノファイバシートを用いてカソード電極を作製した際の割れは見られず、発電特性評価を行ったところ、電圧0.8V時の出力密度におけるカソード白金使用量は3.51g/kWであった。また、1.0V保持3秒、0.6V保持3秒を1サイクルとした電位サイクル試験を10,000回行ったあとの電流−電圧特性を測定したところ、電圧0.8V時の出力密度におけるカソード白金使用量は17.0g/kWであり、実施例1から5に比べて劣っており、十分な特性が得られなかった。 Next, the power generation characteristics of the fuel cell were evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, the average fiber diameter of the obtained high specific surface area carbon nanofiber sheet was 49 nm. Moreover, it was 194 m < 2 > / g when the BET specific surface area was measured. Furthermore, the pore volume of 4 to 8 nm obtained by BJH analysis was 0.04 m 3 / g, and the total pore volume was 0.35 m 3 / g. The volume resistivity was 0.2 Ω · cm. The D3 / G ratio measured by Raman spectroscopy was 0.3. In addition, when the cathode electrode was produced using a high specific surface area carbon nanofiber sheet carrying a platinum catalyst, no cracks were observed, and when power generation characteristics were evaluated, cathode platinum was used at a power density of 0.8V. The amount was 3.51 g / kW. In addition, when the current-voltage characteristics after 10,000 potential cycle tests with 1.0 V hold for 3 seconds and 0.6 V hold for 3 seconds were measured 10,000 times, the output density at a voltage of 0.8 V was obtained. The amount of cathode platinum used was 17.0 g / kW, which was inferior to Examples 1 to 5, and sufficient characteristics could not be obtained.

[比較例2]
実施例1の(1)電界紡糸溶液の調製において、電界紡糸液を次の質量割合で調製した。
ポリアクリロニトリル(シグマアルドリッチジャパン株式会社製)6.0
ナノシリカ(日産化学工業株式会社製オルガノシリカゾルTOL−STより調製)3.5
N,N−ジメチルホルムアミド(キシダ化学株式会社製)90.5
これ以外は実施例1と同様に処理を行った。
[Comparative Example 2]
In the preparation of the electrospinning solution of Example 1 (1), the electrospinning solution was prepared at the following mass ratio.
Polyacrylonitrile (Sigma Aldrich Japan Co., Ltd.) 6.0
Nanosilica (prepared from Nissan Chemical Industries, Ltd. organosilica sol TOL-ST) 3.5
N, N-dimethylformamide (Kishida Chemical Co., Ltd.) 90.5
Except for this, the same processing as in Example 1 was performed.

ついで、実施例1と同様の方法で、燃料電池の発電特性評価を実施した。その結果、得られた高比表面積カーボンナノファイバシートの平均繊維径は125nmであった。また、BET比表面積を測定したところ383m/gであった。さらにBJH解析で得られる4から8nmの細孔容積は0.09m/gであり、全細孔容積は1.17m/gであった。また、体積抵抗率は0.10Ω・cmであった。またラマン分光測定によるD3/G比は0.5であった。また、白金触媒を担持した高比表面積カーボンナノファイバシートを用いてカソード電極を作製した際の割れは見られず、発電特性評価を行ったところ、電圧0.8V時の出力密度におけるカソード白金使用量は3.51g/kWであった。また、1.0V保持3秒、0.6V保持3秒を1サイクルとした電位サイクル試験を10,000回行ったあとの電流−電圧特性を測定したところ、電圧0.8V時の出力密度におけるカソード白金使用量は17.0g/kWであり、実施例1から5に比べて劣っており、十分な特性が得られなかった。 Next, the power generation characteristics of the fuel cell were evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, the average fiber diameter of the obtained high specific surface area carbon nanofiber sheet was 125 nm. Moreover, it was 383 m < 2 > / g when the BET specific surface area was measured. Further, the pore volume of 4 to 8 nm obtained by BJH analysis was 0.09 m 3 / g, and the total pore volume was 1.17 m 3 / g. The volume resistivity was 0.10 Ω · cm. The D3 / G ratio measured by Raman spectroscopy was 0.5. In addition, when the cathode electrode was produced using a high specific surface area carbon nanofiber sheet carrying a platinum catalyst, no cracks were observed, and when power generation characteristics were evaluated, cathode platinum was used at a power density of 0.8V. The amount was 3.51 g / kW. In addition, when the current-voltage characteristics after 10,000 potential cycle tests with 1.0 V hold for 3 seconds and 0.6 V hold for 3 seconds were measured 10,000 times, the output density at a voltage of 0.8 V was obtained. The amount of cathode platinum used was 17.0 g / kW, which was inferior to Examples 1 to 5, and sufficient characteristics could not be obtained.

[比較例3]
実施例1の(1)電界紡糸溶液の調製において、電界紡糸液を次の質量割合で調製した。
ポリアクリロニトリル(シグマアルドリッチジャパン株式会社製)6.0
ナノシリカ(日産化学工業株式会社製オルガノシリカゾルMA−ST−Mより調製)3.5
N,N−ジメチルホルムアミド(キシダ化学株式会社製)90.5
これ以外は実施例1と同様に処理を行った。
[Comparative Example 3]
In the preparation of the electrospinning solution of Example 1 (1), the electrospinning solution was prepared at the following mass ratio.
Polyacrylonitrile (Sigma Aldrich Japan Co., Ltd.) 6.0
Nanosilica (prepared from Nissan Chemical Industries, Ltd. organosilica sol MA-ST-M) 3.5
N, N-dimethylformamide (Kishida Chemical Co., Ltd.) 90.5
Except for this, the same processing as in Example 1 was performed.

ついで、実施例1と同様の方法で、燃料電池の発電特性評価を実施した。その結果、得られた高比表面積カーボンナノファイバシートの平均繊維径は110nmであった。また、BET比表面積を測定したところ219m/gであった。さらにBJH解析で得られる4から8nmの細孔容積は0.04m/gであり、全細孔容積は1.00m/gであった。また、体積抵抗率は0.10Ω・cmであった。またラマン分光測定によるD3/G比は0.7であった。また、白金触媒を担持した高比表面積カーボンナノファイバシートを用いてカソード電極を作製した際の割れは見られず、発電特性評価を行ったところ、電圧0.8V時の出力密度におけるカソード白金使用量は3.12g/kWであった。また、1.0V保持3秒、0.6V保持3秒を1サイクルとした電位サイクル試験を10,000回行ったあとの電流−電圧特性を測定したところ、電圧0.8V時の出力密度におけるカソード白金使用量は22.3g/kWであり、実施例1から5に比べて劣っており、十分な特性が得られなかった。 Next, the power generation characteristics of the fuel cell were evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, the average fiber diameter of the obtained high specific surface area carbon nanofiber sheet was 110 nm. Moreover, it was 219 m < 2 > / g when the BET specific surface area was measured. Furthermore, the pore volume of 4 to 8 nm obtained by BJH analysis was 0.04 m 3 / g, and the total pore volume was 1.00 m 3 / g. The volume resistivity was 0.10 Ω · cm. The D3 / G ratio measured by Raman spectroscopy was 0.7. In addition, when the cathode electrode was produced using a high specific surface area carbon nanofiber sheet carrying a platinum catalyst, no cracks were observed, and when power generation characteristics were evaluated, cathode platinum was used at a power density of 0.8V. The amount was 3.12 g / kW. In addition, when the current-voltage characteristics after 10,000 potential cycle tests with 1.0 V hold for 3 seconds and 0.6 V hold for 3 seconds were measured 10,000 times, the output density at a voltage of 0.8 V was obtained. The amount of cathode platinum used was 22.3 g / kW, which was inferior to Examples 1 to 5, and sufficient characteristics could not be obtained.

[比較例4]
実施例1の(1)電界紡糸溶液の調製において、電界紡糸液を次の質量割合で調製した。
ポリアクリロニトリル(シグマアルドリッチジャパン株式会社製)6.0
ナノシリカ(日産化学工業株式会社製スノーテックスXSより調製)1.0
N,N−ジメチルホルムアミド(キシダ化学株式会社製)93.0
これ以外は実施例1と同様に処理を行った。
[Comparative Example 4]
In the preparation of the electrospinning solution of Example 1 (1), the electrospinning solution was prepared at the following mass ratio.
Polyacrylonitrile (Sigma Aldrich Japan Co., Ltd.) 6.0
Nanosilica (prepared from Snowtex XS manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.) 1.0
N, N-dimethylformamide (Kishida Chemical Co., Ltd.) 93.0
Except for this, the same processing as in Example 1 was performed.

ついで、実施例1と同様の方法で、燃料電池の発電特性評価を実施した。その結果、得られた高比表面積カーボンナノファイバシートの平均繊維径は75nmであった。また、BET比表面積を測定したところ170m/gであった。さらにBJH解析で得られる4から8nmの細孔容積は0.13m/gであり、全細孔容積は0.34m/gであった。また、体積抵抗率は0.07Ω・cmであった。またラマン分光測定によるD3/G比は0.8であった。また、白金触媒を担持した高比表面積カーボンナノファイバシートを用いてカソード電極を作製した際の割れは見られず、発電特性評価を行ったところ、電圧0.8V時の出力密度におけるカソード白金使用量は2.88g/kWであった。また、1.0V保持3秒、0.6V保持3秒を1サイクルとした電位サイクル試験を10,000回行ったあとの電流−電圧特性を測定したところ、電圧0.8V時の出力密度におけるカソード白金使用量は21.0g/kWであり、実施例1から5に比べて劣っており、十分な特性が得られなかった。 Next, the power generation characteristics of the fuel cell were evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, the average fiber diameter of the obtained high specific surface area carbon nanofiber sheet was 75 nm. Moreover, it was 170 m < 2 > / g when the BET specific surface area was measured. Furthermore, the pore volume of 4 to 8 nm obtained by BJH analysis was 0.13 m 3 / g, and the total pore volume was 0.34 m 3 / g. The volume resistivity was 0.07 Ω · cm. The D3 / G ratio measured by Raman spectroscopy was 0.8. In addition, when the cathode electrode was produced using a high specific surface area carbon nanofiber sheet carrying a platinum catalyst, no cracks were observed, and when power generation characteristics were evaluated, cathode platinum was used at a power density of 0.8V. The amount was 2.88 g / kW. In addition, when the current-voltage characteristics after 10,000 potential cycle tests with 1.0 V hold for 3 seconds and 0.6 V hold for 3 seconds were measured 10,000 times, the output density at a voltage of 0.8 V was obtained. The amount of cathode platinum used was 21.0 g / kW, which was inferior to Examples 1 to 5, and sufficient characteristics could not be obtained.

[比較例5]
カソード用触媒インク作製(実施例1の(8)参照)において、カソード用として、市販のカーボンブラックであるケッチェンブラックEC300Jに実施例1の(7)析出沈殿法による白金触媒担持に従って白金を担持した白金担持カーボンブラックを用いて、膜・電極接合体を作製した。
[Comparative Example 5]
In preparation of the catalyst ink for the cathode (see (8) of Example 1), platinum was supported on the ketjen black EC300J, which is a commercially available carbon black, for the cathode according to (7) the platinum catalyst supported by the precipitation precipitation method of Example 1. Using the platinum-supported carbon black, a membrane / electrode assembly was produced.

ついで、実施例1と同様の方法で、燃料電池の発電特性評価を実施した。その結果、BET比表面積を測定したところ795m/gであった。さらにBJH解析で得られる4から8nmの細孔容積は0.11m/gであり、全細孔容積は1.11m/gであった。また、体積抵抗率は0.3Ω・cmであった。またラマン分光測定によるD3/G比は1.3であった。カソード電極を作製した際に割れが観察された。また、発電特性評価を行ったところ、電圧0.8V時の出力密度におけるカソード白金使用量は1.87g/kWであった。この初期のカソード白金使用料については、比較例5が実施例3、4よりも優れた値となっているが、比較例5では割れが生じており、耐久性の面で課題がある。また、1.0V保持3秒、0.6V保持3秒を1サイクルとした電位サイクル試験を10,000回行ったあとの電流−電圧特性を測定したところ、電圧0.8V時の出力密度におけるカソード白金使用量は15.0g/kWであり、実施例1から5に比べて劣っており、十分な特性が得られなかった。 Next, the power generation characteristics of the fuel cell were evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, the BET specific surface area was measured and found to be 795 m 2 / g. Furthermore, the pore volume of 4 to 8 nm obtained by BJH analysis was 0.11 m 3 / g, and the total pore volume was 1.11 m 3 / g. The volume resistivity was 0.3 Ω · cm. The D3 / G ratio measured by Raman spectroscopy was 1.3. Cracks were observed when the cathode electrode was produced. Further, when the power generation characteristics were evaluated, the amount of cathode platinum used at a power density at a voltage of 0.8 V was 1.87 g / kW. As for this initial cathode platinum usage fee, Comparative Example 5 has a value superior to that of Examples 3 and 4, but Comparative Example 5 is cracked, and there is a problem in terms of durability. In addition, when the current-voltage characteristics after 10,000 potential cycle tests with 1.0 V hold for 3 seconds and 0.6 V hold for 3 seconds were measured 10,000 times, the output density at a voltage of 0.8 V was obtained. The amount of cathode platinum used was 15.0 g / kW, which was inferior to Examples 1 to 5, and sufficient characteristics could not be obtained.

[比較例6]
比較例6では、比較例5と異なる点として、カソード用に、市販のカーボンブラックであるケッチェンブラックEC300Jを窒素雰囲気で1800℃・1時間の熱処理を施したものに実施例1の(7)析出沈殿法による白金を担持した白金担持カーボンブラックを用いて、膜・電極接合体を作製した。
[Comparative Example 6]
Comparative Example 6 differs from Comparative Example 5 in that Ketjen Black EC300J, a commercially available carbon black, was subjected to heat treatment at 1800 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere for the cathode. A membrane / electrode assembly was prepared using platinum-supported carbon black supporting platinum by precipitation precipitation.

ついで、実施例1と同様の方法で、燃料電池の発電特性評価を実施した。その結果、BET比表面積を測定したところ153m/gであった。さらにBJH解析で得られる4から8nmの細孔容積は0.04m/gであり、全細孔容積は1.01m/gであった。また、体積抵抗率は0.5Ω・cmであった。またラマン分光測定によるD3/G比は1.1であった。カソード電極を作製した際に割れが観察された。また、発電特性評価を行ったところ、電圧0.8V時の出力密度におけるカソード白金使用量は2.57g/kWであった。また、1.0V保持3秒、0.6V保持3秒を1サイクルとした電位サイクル試験を10,000回行ったあとの電流−電圧特性を測定したところ、電圧0.8V時の出力密度におけるカソード白金使用量は30g/kW以上であり、実施例1から5に比べて劣っており、十分な特性が得られなかった。 Next, the power generation characteristics of the fuel cell were evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, the BET specific surface area was measured and found to be 153 m 2 / g. Further 8nm pore volume from 4 obtained in BJH analysis is 0.04 m 3 / g, total pore volume was 1.01m 3 / g. The volume resistivity was 0.5 Ω · cm. The D3 / G ratio measured by Raman spectroscopy was 1.1. Cracks were observed when the cathode electrode was produced. When the power generation characteristics were evaluated, the amount of cathode platinum used at a power density at a voltage of 0.8 V was 2.57 g / kW. In addition, when the current-voltage characteristics after 10,000 potential cycle tests with 1.0 V hold for 3 seconds and 0.6 V hold for 3 seconds were measured 10,000 times, the output density at a voltage of 0.8 V was obtained. The amount of cathode platinum used was 30 g / kW or more, which was inferior to Examples 1 to 5, and sufficient characteristics could not be obtained.

[比較例7]
カソード用触媒インク作製(実施例1の(8)参照)において、カソード用として、市販のカーボンブラックであるバルカンXC−72Rに実施例1の(7)析出沈殿法による白金触媒担持に従って白金を担持した白金担持カーボンブラックを用いて、膜・電極接合体を作製した。
[Comparative Example 7]
In preparation of cathode catalyst ink (see (8) in Example 1), platinum was supported on the commercial carbon black Vulcan XC-72R according to (7) platinum catalyst support in Example 1 by precipitation precipitation method. Using the platinum-supported carbon black, a membrane / electrode assembly was produced.

ついで、実施例1と同様の方法で、燃料電池の発電特性評価を実施した。その結果、BET比表面積を測定したところ221m/gであった。さらにBJH解析で得られる4から8nmの細孔容積は0.03m/gであり、全細孔容積は0.55m/gであった。また、体積抵抗率は0.7Ω・cmであった。またラマン分光測定によるD3/G比は2.2であった。カソード電極を作製した際に割れが観察された。また、発電特性評価を行ったところ、電圧0.8V時の出力密度におけるカソード白金使用量は2.74g/kWであった。また、1.0V保持3秒、0.6V保持3秒を1サイクルとした電位サイクル試験を10,000回行ったあとの電流−電圧特性を測定したところ、電圧0.8V時の出力密度におけるカソード白金使用量は30g/kW以上であり、実施例1から5に比べて劣っており、十分な特性が得られなかった。 Next, the power generation characteristics of the fuel cell were evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, the BET specific surface area was measured and found to be 221 m 2 / g. Furthermore, the pore volume of 4 to 8 nm obtained by BJH analysis was 0.03 m 3 / g, and the total pore volume was 0.55 m 3 / g. The volume resistivity was 0.7 Ω · cm. The D3 / G ratio measured by Raman spectroscopy was 2.2. Cracks were observed when the cathode electrode was produced. Further, when the power generation characteristics were evaluated, the amount of cathode platinum used at the output density at a voltage of 0.8 V was 2.74 g / kW. In addition, when the current-voltage characteristics after 10,000 potential cycle tests with 1.0 V hold for 3 seconds and 0.6 V hold for 3 seconds were measured 10,000 times, the output density at a voltage of 0.8 V was obtained. The amount of cathode platinum used was 30 g / kW or more, which was inferior to Examples 1 to 5, and sufficient characteristics could not be obtained.

上記実施例1〜5及び比較例1〜7の評価結果のまとめを表1に示す。BET比表面積は、300m/g以上が好ましく、350m/g以上がより好ましく、さらに390m/g以上であればより確実に効果が発揮される。図8に示すように、実施例1(実線)及び実施例2(破線)は、細孔径4nm以上30nm以下の範囲に細孔容積のピークを1つ持つように構成されている。また、図9に示すように、実施例3(一点鎖線)、実施例4(実線)、及び実施例5(破線)は、細孔径4nm以上30nm以下の範囲に細孔容積のピークを複数持つように構成されている。実施例3、4は2つのピークを持ち、実施例5は4つのピークを持っている(実施例5は、大きく見て2つの大ピークを持つともいえる)。実施例1〜5によれば、優れた白金使用量が実現され、触媒担持能の向上が確認できた。また、実施例1〜5及び比較例1〜4では、カソード電極として電界紡糸法による繊維状カーボンナノファイバの集合体が用いられており、粒子状のカーボンブラック(比較例5〜7)よりも良好な導電性が確保された。実施例1〜5では、電界紡糸溶液の調製(溶液作成工程)において、細孔直径4〜6nmの細孔の作成に寄与する無機鋳型(ナノシリカ)の質量割合が、2.0以上となっている。細孔直径4〜6nmに寄与する当該無機鋳型の質量割合は、強度担保の観点から、2以上10以下であることが好ましい。また、実施例1〜5及び比較例1〜4では、ひび割れが発生しなかった。 A summary of the evaluation results of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 7 is shown in Table 1. The BET specific surface area is preferably 300 m 2 / g or more, more preferably 350 m 2 / g or more, and even more preferably 390 m 2 / g or more. As shown in FIG. 8, Example 1 (solid line) and Example 2 (broken line) are configured to have one pore volume peak in the pore diameter range of 4 nm to 30 nm. Moreover, as shown in FIG. 9, Example 3 (dashed line), Example 4 (solid line), and Example 5 (broken line) have a plurality of pore volume peaks in the range of the pore diameter of 4 nm to 30 nm. It is configured as follows. Examples 3 and 4 have two peaks, and Example 5 has four peaks (Example 5 can be said to have two large peaks when viewed largely). According to Examples 1-5, the outstanding platinum usage-amount was implement | achieved and the improvement of the catalyst carrying | support ability has been confirmed. Moreover, in Examples 1-5 and Comparative Examples 1-4, the aggregate | assembly of the fibrous carbon nanofiber by an electrospinning method is used as a cathode electrode, and it is rather than particulate carbon black (Comparative Examples 5-7). Good conductivity was ensured. In Examples 1 to 5, in the preparation of the electrospinning solution (solution preparation step), the mass ratio of the inorganic template (nanosilica) that contributes to the creation of pores with a pore diameter of 4 to 6 nm is 2.0 or more. Yes. The mass ratio of the inorganic template contributing to the pore diameter of 4 to 6 nm is preferably 2 or more and 10 or less from the viewpoint of ensuring the strength. Moreover, in Examples 1-5 and Comparative Examples 1-4, the crack did not generate | occur | produce.

本発明は、上記実施形態に限られない。   The present invention is not limited to the above embodiment.

1…導電性ナノファイバ部材、2…カーボンナノファイバ部材(導電性ナノファイバ部材)、21…カーボンナノファイバ、21a…細孔、3…触媒、4…燃料電池用部材、41…電解質層、42…アノード電極、421…触媒層、422…ガス拡散層、43…カソード電極、431…触媒層、432…ガス拡散層、5、6…セパレータ、9…燃料電池 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Conductive nanofiber member, 2 ... Carbon nanofiber member (conductive nanofiber member), 21 ... Carbon nanofiber, 21a ... Fine pore, 3 ... Catalyst, 4 ... Fuel cell member, 41 ... Electrolyte layer, 42 ... Anode electrode, 421 ... Catalyst layer, 422 ... Gas diffusion layer, 43 ... Cathode electrode, 431 ... Catalyst layer, 432 ... Gas diffusion layer, 5, 6 ... Separator, 9 ... Fuel cell

Claims (19)

複数の繊維状のカーボンナノファイバで構成されたカーボンナノファイバ部材を備え、
前記カーボンナノファイバ部材は、複数の細孔を有し、BJH法による解析で得られる細孔径4nm以上8nm以下の細孔容積が、0.2cm/g以上であるように構成され
細孔径4nm以上8nm以下の細孔は、前記カーボンナノファイバの表面に位置する複数の細孔と、前記カーボンナノファイバの内部に位置し前記表面に位置する細孔を介して外部に連通する複数の細孔と、を含む導電性ナノファイバ部材。
Comprising a carbon nanofiber member composed of a plurality of fibrous carbon nanofibers;
The carbon nanofiber member has a plurality of pores, and a pore volume having a pore diameter of 4 nm or more and 8 nm or less obtained by analysis by a BJH method is configured to be 0.2 cm 3 / g or more ,
The pores having a pore diameter of 4 nm or more and 8 nm or less are a plurality of pores located on the surface of the carbon nanofiber and a plurality of pores located inside the carbon nanofiber and communicated to the outside via the pores located on the surface. And a conductive nanofiber member.
前記カーボンナノファイバ部材は、BJH法による解析で得られる結果において、全細孔容積が0.6cm/g以上であり、且つ細孔径4nm以上30nm以下の範囲に細孔容積のピークを少なくとも1つ持つように構成されている請求項1に記載の導電性ナノファイバ部材。 The carbon nanofiber member has a total pore volume of 0.6 cm 3 / g or more and a pore volume peak of at least 1 in the pore diameter range of 4 nm to 30 nm in the results obtained by analysis by the BJH method. The conductive nanofiber member according to claim 1, which is configured to have one. 前記カーボンナノファイバ部材は、ラマン分光測定により得られるD3/G比が1.0以下であるように構成されている請求項1又は2に記載の導電性ナノファイバ部材。   The conductive nanofiber member according to claim 1 or 2, wherein the carbon nanofiber member is configured so that a D3 / G ratio obtained by Raman spectroscopic measurement is 1.0 or less. 前記カーボンナノファイバは、平均繊維径が50nm以上150nm以下であるように構成されている請求項1〜3の何れか一項に記載の導電性ナノファイバ部材。   The conductive nanofiber member according to any one of claims 1 to 3, wherein the carbon nanofiber is configured to have an average fiber diameter of 50 nm or more and 150 nm or less. 前記カーボンナノファイバは、平均アスペクト比が5以上であるように構成されている請求項1〜4の何れか一項に記載の導電性ナノファイバ部材。   The conductive nanofiber member according to any one of claims 1 to 4, wherein the carbon nanofiber is configured to have an average aspect ratio of 5 or more. 前記カーボンナノファイバ部材は、BET比表面積が300m/g以上であるように構成されている請求項1〜5の何れか一項に記載の導電性ナノファイバ部材。 The conductive nanofiber member according to claim 1, wherein the carbon nanofiber member is configured to have a BET specific surface area of 300 m 2 / g or more. 前記カーボンナノファイバの表面及び前記細孔に担持された触媒を備える請求項1〜6の何れか一項に記載の導電性ナノファイバ部材。   The conductive nanofiber member according to claim 1, further comprising a catalyst supported on a surface of the carbon nanofiber and the pores. 前記触媒は、担持率が30wt%以上において、透過型電子顕微鏡で測定される平均粒径が5nm以下であるように構成されている請求項7に記載の導電性ナノファイバ部材。   The conductive nanofiber member according to claim 7, wherein the catalyst is configured such that an average particle diameter measured by a transmission electron microscope is 5 nm or less at a loading rate of 30 wt% or more. 前記触媒は、遷移金属触媒である請求項7又は8に記載の導電性ナノファイバ部材。   The conductive nanofiber member according to claim 7 or 8, wherein the catalyst is a transition metal catalyst. 前記遷移金属触媒は、チタン、コバルト、鉄、ニッケル、銅、ジルコニア及び白金からなる群より選ばれた少なくとも1種の金属を含む請求項9に記載の導電性ナノファイバ部材。   The conductive nanofiber member according to claim 9, wherein the transition metal catalyst includes at least one metal selected from the group consisting of titanium, cobalt, iron, nickel, copper, zirconia, and platinum. 前記カーボンナノファイバ部材は、BJH法による解析で得られる結果において、全細孔容積が0.6cm/g以上であり、且つ細孔径4nm以上30nm以下の範囲に細孔容積のピークを複数持つように構成されている請求項1〜10の何れか一項に記載の導電性ナノファイバ部材。 The carbon nanofiber member has a total pore volume of 0.6 cm 3 / g or more and a plurality of pore volume peaks in the pore diameter range of 4 nm to 30 nm in the results obtained by the analysis by the BJH method. The conductive nanofiber member according to any one of claims 1 to 10, which is configured as described above. 電解質層と、前記電解質層の一方側に配設されたアノード電極と、前記電解質層の他方側に配設されたカソード電極と、を備える燃料電池用部材であって、
前記アノード電極の触媒層及びカソード電極の触媒層の少なくとも一方は、請求項7〜11の何れか一項に記載の導電性ナノファイバ部材で構成されている燃料電池用部材。
A fuel cell member comprising: an electrolyte layer; an anode electrode disposed on one side of the electrolyte layer; and a cathode electrode disposed on the other side of the electrolyte layer,
The member for fuel cells, wherein at least one of the catalyst layer of the anode electrode and the catalyst layer of the cathode electrode is composed of the conductive nanofiber member according to any one of claims 7 to 11 .
請求項12に記載の燃料電池用部材を備える燃料電池。 A fuel cell comprising the fuel cell member according to claim 12 . カーボンナノファイバの集合体である導電性ナノファイバ部材の製造方法であって、
電界紡糸可能な有機材料と、無機材料で構成された鋳型である無機鋳型とを含む混合溶液を作成する溶液作成工程と、
電界紡糸法により前記混合溶液から繊維状物で構成されたシート状の堆積層を形成する堆積層形成工程と、
前記堆積層に対して一次焼成を含む焼成処理を行う一次焼成工程と、
前記一次焼成工程の後の前記堆積層から前記無機鋳型を除去し、前記堆積層に複数の細孔を形成する細孔形成工程と、
前記細孔形成工程の後の前記堆積層に対して、前記一次焼成よりも高温で二次焼成を行う二次焼成工程と、
を含み、
前記無機鋳型は、平均粒径が4nm以上8nm以下である無機材料を含む導電性ナノファイバ部材の製造方法。
A method for producing a conductive nanofiber member that is an aggregate of carbon nanofibers,
A solution creating step of creating a mixed solution including an organic material that can be electrospun and an inorganic template that is a template composed of an inorganic material;
A deposition layer forming step of forming a sheet-like deposition layer composed of fibrous materials from the mixed solution by electrospinning;
A primary firing step of performing a firing treatment including primary firing on the deposited layer;
Removing the inorganic template from the deposited layer after the primary firing step and forming a plurality of pores in the deposited layer; and
A secondary firing step of performing secondary firing at a temperature higher than the primary firing for the deposited layer after the pore forming step;
Including
The inorganic mold manufacturing method of the average particle size of the inorganic material including conductive nano fibers member is 4nm or more 8nm or less.
前記二次焼成工程後の前記堆積層は、触媒が担持されていない状態において、BJH法による解析で得られる細孔径4nm以上8nm以下の細孔容積が、0.2cm  The deposited layer after the secondary firing step has a pore volume of 0.2 cm or more and a pore diameter of 4 nm or more and 8 nm or less obtained by analysis by the BJH method in a state where no catalyst is supported. 3 /g以上であるように構成される請求項14に記載の導電性ナノファイバ部材の製造方法。The method for producing a conductive nanofiber member according to claim 14, wherein the method is configured to be not less than / g. 前記無機鋳型は、平均粒径が異なる複数の無機材料で構成されている請求項14又は15に記載の導電性ナノファイバ部材の製造方法。 The method for producing a conductive nanofiber member according to claim 14 or 15, wherein the inorganic template is composed of a plurality of inorganic materials having different average particle diameters. カーボンナノファイバの集合体である導電性ナノファイバ部材の製造方法であって、
電界紡糸可能な有機材料と、無機材料で構成された鋳型である無機鋳型とを含む混合溶液を作成する溶液作成工程と、
電界紡糸法により前記混合溶液から繊維状物で構成されたシート状の堆積層を形成する堆積層形成工程と、
前記堆積層に対して一次焼成を含む焼成処理を行う一次焼成工程と、
前記一次焼成工程の後の前記堆積層から前記無機鋳型を除去し、前記堆積層に複数の細孔を形成する細孔形成工程と、
前記細孔形成工程の後の前記堆積層に対して、前記一次焼成よりも高温で二次焼成を行う二次焼成工程と、
を含み、
前記無機鋳型は、平均粒径が異なる複数の無機材料で構成されている導電性ナノファイバ部材の製造方法。
A method for producing a conductive nanofiber member that is an aggregate of carbon nanofibers,
A solution creating step of creating a mixed solution including an organic material that can be electrospun and an inorganic template that is a template composed of an inorganic material;
A deposition layer forming step of forming a sheet-like deposition layer composed of fibrous materials from the mixed solution by electrospinning;
A primary firing step of performing a firing treatment including primary firing on the deposited layer;
Removing the inorganic template from the deposited layer after the primary firing step and forming a plurality of pores in the deposited layer; and
A secondary firing step of performing secondary firing at a temperature higher than the primary firing for the deposited layer after the pore forming step;
Including
The said inorganic mold is a manufacturing method of the electroconductive nanofiber member comprised with the some inorganic material from which average particle diameter differs.
前記二次焼成の焼成温度は、1200℃以上2800℃以下である請求項14〜17の何れか一項に記載の導電性ナノファイバ部材の製造方法。 The method for producing a conductive nanofiber member according to any one of claims 14 to 17, wherein a firing temperature of the secondary firing is 1200 ° C or higher and 2800 ° C or lower. 前記二次焼成工程の後に、前記堆積層の表面及び前記細孔に触媒を担持させる触媒担持工程を含む請求項14〜18の何れか一項に記載の導電性ナノファイバ部材の製造方法。 The method for producing a conductive nanofiber member according to any one of claims 14 to 18, further comprising a catalyst supporting step of supporting a catalyst on the surface of the deposited layer and the pores after the secondary firing step.
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