燃料电池用电极以及燃料电池用电极、膜电极接合体和燃料电池的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种燃料电池所使用的电极。
【背景技术】
[0002] 已知有将碳纳米管（CNT)用作电极的燃料电池（例如专利文献1)。专利文献1 中公开了一种燃料电池，具备：纤维状导电性载体、担载于上述纤维状导电性载体表面的催 化剂、以及被覆上述催化剂表面的固体高分子电解质。其中，对于燃料电池用的电极，在以 R(nm)作为上述纤维状导电性载体的纤维半径、以A(根/nm2)作为上述纤维状导电性载体 的每单位电极面积的纤维根数密度、以L(nm)作为上述纤维状导电性载体的纤维长度时， 定义为满足以下4个式子的电极。
[0003] R>lnm
[0004] L< 20000nm
[0005] 1-AjtR2> 0. 5
[0006] 2 3iRLA> 200
[0007] 现有技术文献
[0008] 专利文献
[0009] 专利文献1 :日本特开2009-140764号公报
【发明内容】
[0010] 但是，对现有技术而言，由于碳纳米管上的担载金属催化剂的位点的量少，所以担 载的金属催化剂的量少，存在无法得到充分输出的问题。这里，为了增加碳纳米管上的担载 金属催化剂的位点的量，考虑了延长碳纳米管的长度，或者提高碳纳米管的根数密度（每 单位面积的根数）。但是，如果过度延长碳纳米管的长度或者过度提高碳纳米管的根数密 度，则存在如下情况：在层叠燃料电池时，碳纳米管会被气体扩散层按压而容易阻塞，由于 气体扩散性、排水性的恶化而产生电压降低。另外，还存在如下情况：即使施加载荷，碳纳米 管也不被压缩，电解质膜与作为发电位置的燃料电池用催化剂的距离变长，由于质子导电 性的恶化而导致电压降低。本申请的发明人以各种条件进行了研宄，结果发现燃料电池的 发电特性在碳纳米管的芯间距（或者每单位面积的密度）与长度之间存在一定关系的情况 下会变得良好。另外，对于以碳纳米管作为电极的燃料电池，发现提高了离聚物的氧溶解度 时的效果比使用碳粒子电极时的效果大。
[0011] 本发明是为了解决上述课题的至少一部分而进行的，可通过以下方式实现。
[0012] (1)根据本发明的一个方式，提供一种燃料电池用电极。该燃料电池用电极 具备：碳纳米管、担载于上述碳纳米管的燃料电池用催化剂、以及被覆上述碳纳米管和 上述燃料电池用催化剂的离聚物，将上述碳纳米管的长度设为La[ym]、将上述碳纳米 管的芯间距设为Pa[nm]时，长度La和芯间距Pa满足以下2个式子：30彡La彡240、 0. 351XLa+75 <Pa< 250。根据该方式的燃料电池用电极，在使用具有该燃料电池用电极 的燃料电池时，即使燃料电池受到载荷而被压缩，碳纳米管间的细孔也不易阻塞，因此可抑 制气体扩散性、生成水的排水性的恶化，能够提高发电特性。另外，能够将电解质膜与作为 发电位置的燃料电池用催化剂的距离维持得足够小，使质子导电性良好。
[0013] (2)在上述方式的燃料电池用电极中，上述长度La和上述芯间距Pa可以进一步满 足以下的式子：〇. 708XLa+59. 3彡Pa彡250。根据该方式的燃料电池用电极，能够使燃料 电池的发电特性更加良好。
[0014] (3)在上述方式的燃料电池用电极中，上述长度La和上述芯间距Pa可以进一步满 足以下的式子：30彡La彡210、0. 611XLa+82. 5彡Pa彡1. 333XLa+190。将燃料电池用电 极用于燃料电池时，燃料电池被层叠而受到载荷，被压缩。根据该方式的燃料电池用电极， 通过压缩能够缩短电解质膜与作为发电位置的燃料电池用催化剂的距离，因此能够良好地 维持从电解质膜经由电极内的离聚物到燃料电池用催化剂的质子导电性，从而使燃料电池 的发电特性良好。
[0015] (4)在上述方式的燃料电池用电极中，上述长度La和上述芯间距Pa可以进一步满 足以下的式子：〇. 78XLa+78彡Pa彡1. 333XLa+150。根据该方式的燃料电池用电极，能够 使燃料电池的发电特性更加良好。
[0016] (5)根据本发明的一个方式，提供一种燃料电池用电极。该燃料电池用电极具 备：碳纳米管、担载于上述碳纳米管的燃料电池用催化剂、以及被覆上述碳纳米管和上述 燃料电池用催化剂的离聚物，将上述碳纳米管的长度设为La[ym]、将上述碳纳米管的根 数密度设为Nd[根/m2]时，长度La和根数密度Nd满足以下2个式子：30<La< 240、 1. 7X1013彡Nd彡IX10 18八0. 351XLa+75)2。根据该方式的燃料电池用电极，在使用具有 该燃料电池用电极的燃料电池时，即使燃料电池受到载荷而被压缩，碳纳米管间的细孔也 不易阻塞，因此，可抑制气体扩散性、生成水的排水性的恶化，能够提高发电特性。
[0017] (6)在上述方式的燃料电池用电极中，含有上述碳纳米管的燃料电池用电极可以 在通过上述热压而接合于上述电解质膜后，被压缩为5[ym]?20[ym]的厚度而用作燃料 电池的催化剂。根据该方式的燃料电池用电极，能够使气体扩散性和质子导电性两者达到 良好的状态，因此能够使燃料电池的发电特性良好。
[0018] (7)在上述方式的燃料电池用电极中，含有上述碳纳米管的燃料电池用电极可以 在通过上述热压而接合于上述电解质膜后，被压缩为7. 5[ym]?17. 5[ym]的厚度而用作 燃料电池的催化剂。根据该方式的燃料电池用电极，能够使气体扩散性和质子导电性两者 达到良好的状态，因此能够使燃料电池的发电特性更加良好。
[0019] (8)在上述方式的燃料电池用电极中，上述离聚物可以以2. 5[nm]?15[nm]的厚 度覆盖上述碳纳米管。根据该方式的燃料电池用电极，可将质子导电性维持在良好的状态， 不阻碍经由离聚物到燃料电池用催化剂表面的氧的输送，将催化剂附近的氧浓度维持得较 高，因此能够使燃料电池的发电特性良好。
[0020] (9)在上述方式的燃料电池用电极中，上述离聚物可以以5[nm]?12. 5[nm]的厚 度覆盖上述碳纳米管。根据该方式的燃料电池用电极，能够使燃料电池的发电特性更加良 好。
[0021] (10)在上述方式的燃料电池用电极中，上述离聚物的质量与上述碳纳米管的质量 之比即（离聚物的质量V(碳纳米管的质量）可以为0.5?3.0。根据该方式的燃料电池 用电极，可以使燃料电池的发电特性良好。
[0022] (11)在上述方式的燃料电池用电极中，上述（离聚物的质量V(碳纳米管的质 量）可以为1.0?2. 5。根据该方式的燃料电池用电极，能够使燃料电池的发电特性更加良 好。
[0023] (12)在上述方式的燃料电池用电极中，上述离聚物的氧溶解度可以大于 10. 9m〇V(dm3)。根据该方式的燃料电池用电极，由于离聚物表面与燃料电池用催化剂的间 隔短，所以可通过提高离聚物的氧溶解度而增大对燃料电池用催化剂的氧供给，能够使燃 料电池的发电特性良好。
[0024] (13)在上述方式的燃料电池用电极中，上述离聚物的氧溶解度可以为20mol/ (dm3)以上。根据该方式的燃料电池用电极，能够使燃料电池的发电特性更加良好。
[0025] (14)根据本发明的一个方式，提供一种燃料电池用电极的制造方法。该燃料电池 用电极的制造方法具备如下工序：使碳纳米管在基板上生长的工序，使得将碳纳米管的长 度设为La[ym]、将上述碳纳米管的芯间距设为Pa[nm]时，长度La和芯间距Pa满足以下2 个式子：30彡La彡240、0. 35IXLa+75彡Pa彡250 ;使燃料电池用催化剂担载在上述碳纳 米管上的工序；用离聚物被覆上述碳纳米管的工序；以及施加热压使上述碳纳米管接合于 电解质膜而形成第1催化剂层的工序。根据该方式的燃料电池用电极的制造方法，在使用 具有利用该燃料电池用电极的制造方法制得的燃料电池用电极的燃料电池时，形成离聚物 薄且均匀地被覆于碳纳米管的结构，即使燃料电池受到载荷而被压缩，第1催化剂层中的 碳纳米管间的细孔也不易阻塞，因此可抑制气体扩散性、生成水的排水性的恶化，能够提高 发电特性。
[0026] (15)根据本发明的一个方式，提供一种燃料电池用电极的制造方法。该燃料电池 用电极的制造方法具备如下工序：使碳纳米管在基板上生长的工序，使得将上述碳纳米管 的长度设为La[ym]、将上述碳纳米管的根数密度设为Nd[根/m2]时，长度La和根数密度 Nd满足以下 2 个式子：30 彡La彡 240、1. 7X1013彡Nd彡 1X10y(0? 351XLa+75)2;使燃 料电池用催化剂担载在上述碳纳米管上的工序；用离聚物被覆上述碳纳米管的工序；以及 施加热压使上述碳纳米管接合于电解质膜而形成第1催化剂层的工序。根据该方式的燃料 电池用电极的制造方法，在使用具有利用该燃料电池用电极的制造方法制得的燃料电池用 电极的燃料电池时，形成离聚物薄且均匀地被覆于碳纳米管的结构，即使燃料电池受到载 荷而