JP2006134603A - Catalyst structure and film-electrode junction for solid, polymer type fuel cell using the same - Google Patents

Catalyst structure and film-electrode junction for solid, polymer type fuel cell using the same Download PDF

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雅人 吉川
Shinichiro Sugi
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Yoshinori Iwabuchi
芳典 岩淵
Osamu Shiino
修 椎野
Shinichi Toyosawa
真一 豊澤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a catalyst structure made to carry a catalyst material on a carrier by reactive sputtering method, and to provide a film-electrode junction for a solid, polymer type fuel cell that uses the catalyst structure. <P>SOLUTION: The catalyst structure is formed by coating a catalyst material on the surface of the carrier by reactive sputtering method. The film-electrode junction for solid, polymer type fuel cell is composed of a solid, polymer type electrolyte film, a catalyst layer arranged on both sides of the solid, polymer type electrolyte film, and a diffusion layer arranged on both sides of the catalyst layer. The film-electrode junction for solid, polymer type fuel cell uses this catalyst structure as the catalyst layer. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、触媒構造体及び該触媒構造体を用いた固体高分子型燃料電池用膜電極接合体に関し、特に固体高分子型燃料電池の膜電極接合体の触媒層に好適な触媒構造体に関するものである。   The present invention relates to a catalyst structure and a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell using the catalyst structure, and more particularly to a catalyst structure suitable for a catalyst layer of a membrane electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell. Is.

昨今、発電効率が高く、環境への負荷が小さい電池として、燃料電池が注目を集めており、広く研究開発が行われている。燃料電池の中でも、出力密度が高く作動温度が低い固体高分子型燃料電池は、小型化や低コスト化が他のタイプの燃料電池よりも容易なことから、電気自動車用電源、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムとして広く普及することが期待されている。   In recent years, fuel cells have attracted attention as a battery with high power generation efficiency and a low environmental load, and extensive research and development has been conducted. Among fuel cells, polymer electrolyte fuel cells with high output density and low operating temperature are easier to reduce in size and cost than other types of fuel cells. It is expected to spread widely as a household cogeneration system.

一般に固体高分子型燃料電池においては、固体高分子電解質膜を挟んで一対の電極を配置すると共に、一方の電極の表面に水素等の燃料ガスを接触させ、もう一方の電極の表面に酸素を含有する酸素含有ガスを接触させ、この時起こる電気化学反応を利用して、電極間から電気エネルギーを取り出している(非特許文献1及び2参照)。また、上記電極の高分子電解質膜に接する側には触媒層が配設されており、高分子電解質膜と触媒層とガスとの三相界面で電気化学反応が起こる。そのため、固体高分子型燃料電池の発電効率を向上させるためには、上記電気化学反応の反応場を拡大する必要がある。   In general, in a polymer electrolyte fuel cell, a pair of electrodes are arranged with a polymer electrolyte membrane sandwiched between them, a fuel gas such as hydrogen is brought into contact with the surface of one electrode, and oxygen is applied to the surface of the other electrode. The oxygen-containing gas contained is brought into contact, and electric energy is taken out between the electrodes by using an electrochemical reaction that occurs at this time (see Non-Patent Documents 1 and 2). A catalyst layer is disposed on the electrode in contact with the polymer electrolyte membrane, and an electrochemical reaction occurs at the three-phase interface between the polymer electrolyte membrane, the catalyst layer, and the gas. Therefore, in order to improve the power generation efficiency of the polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to expand the reaction field of the electrochemical reaction.

上記電気化学反応の反応場を拡大することが可能な触媒層を形成するために、一般に、白金等の貴金属触媒をカーボンブラック等の粒状カーボン上に担持した触媒粉を含有するペースト又はスラリーを、カーボンペーパー等の導電性の多孔質支持体上に塗布する方法が採られている。しかしながら、この方法で形成された触媒層を備える固体高分子型燃料電池であっても、依然として発電効率の点で改善の余地があり、上記電気化学反応の反応場を更に拡大することが可能な触媒層の開発が求められている。   In order to form a catalyst layer capable of expanding the reaction field of the electrochemical reaction, generally, a paste or slurry containing catalyst powder in which a noble metal catalyst such as platinum is supported on granular carbon such as carbon black, The method of apply | coating on electroconductive porous supports, such as carbon paper, is taken. However, even a polymer electrolyte fuel cell including a catalyst layer formed by this method still has room for improvement in terms of power generation efficiency, and the reaction field for the electrochemical reaction can be further expanded. Development of a catalyst layer is required.

日本化学会編,「化学総説No.49,新型電池の材料化学」,学会出版センター,2001年,p.180−182The Chemical Society of Japan, “Chemical Review No. 49, Material Chemistry of New Batteries”, Academic Publishing Center, 2001, p. 180-182 「固体高分子型燃料電池<2001年版>」,技術情報協会,2001年,p.14−15“Polymer fuel cell <2001 edition>”, Technical Information Association, 2001, p. 14-15

このような状況下、本発明の目的は、従来試みられることのなかった新規な方法で担体に触媒材料を担持してなる触媒構造体及び該触媒構造体を用いた固体高分子型燃料電池用膜電極接合体を提供することにある。   Under such circumstances, an object of the present invention is to provide a catalyst structure in which a catalyst material is supported on a support by a novel method that has not been attempted in the past, and a polymer electrolyte fuel cell using the catalyst structure. The object is to provide a membrane electrode assembly.

本発明者らは、種々の触媒担持方法を試みた結果、反応性スパッタリング法で触媒を担体にコーティングすることにより、高い触媒活性を有する触媒構造体が得られ、その中に固体高分子型燃料電池用膜電極接合体の触媒層として十分に機能するものが存在することを見出し、本発明を完成させるに至った。   As a result of trying various catalyst loading methods, the present inventors obtained a catalyst structure having high catalytic activity by coating a catalyst on a support by a reactive sputtering method, in which a solid polymer fuel is obtained. The inventors have found that there is a material that functions sufficiently as a catalyst layer of a membrane electrode assembly for a battery, and completed the present invention.

即ち、本発明の触媒構造体は、担体表面に反応性スパッタリング法により触媒材料をコーティングしてなることを特徴とする。   That is, the catalyst structure of the present invention is characterized in that the catalyst surface is coated with a catalyst material by a reactive sputtering method.

本発明の触媒構造体としては、一種又は複数の金属又は金属化合物を同時にスパッタリングして前記担体表面に触媒材料をコーティングしたものが好ましい。ここで、本発明の触媒構造体としては、前記複数の金属又は金属化合物をスパッタリングするに際し、複数のカソードを用い同時に放電させて、前記担体表面に触媒材料をコーティングしたもの、並びに、前記複数の金属又は金属化合物をスパッタリングするに際し、複数のターゲットを一つのカソードに取り付け、放電時に該カソードにおいて同時に複数の金属をスパッタリングして前記担体表面に触媒材料をコーティングしたものが更に好ましい。なお、前記複数の金属又は金属化合物をスパッタリングするに際し、複数のターゲットを一つのカソードに取り付け、放電時に該カソードにおいて同時に複数の金属をスパッタリングして前記担体表面に触媒材料をコーティングした後に、該コーティングされた触媒材料中の金属又は金属化合物の少なくとも1種を酸及び/又はアルカリで除去することも好ましい。また、前記複数のターゲットを一つのカソードに取り付けるに際し、該ターゲットが二つの場合は、該ターゲットを対面させて配置し、前記ターゲットが三つ以上の場合は、該ターゲットを多面体状に配置することが好ましい。   The catalyst structure of the present invention is preferably one in which one or a plurality of metals or metal compounds are simultaneously sputtered and the catalyst surface is coated with the catalyst material. Here, as the catalyst structure of the present invention, when the plurality of metals or metal compounds are sputtered, a plurality of cathodes are simultaneously discharged to coat the support surface with a catalyst material, and When sputtering a metal or metal compound, it is more preferable that a plurality of targets are attached to one cathode, and a plurality of metals are simultaneously sputtered at the cathode during discharge to coat the support surface with a catalyst material. When sputtering the plurality of metals or metal compounds, a plurality of targets are attached to one cathode, and a plurality of metals are simultaneously sputtered at the cathode during discharge to coat the catalyst material on the surface of the support. It is also preferable to remove at least one kind of metal or metal compound in the prepared catalyst material with an acid and / or an alkali. Further, when attaching the plurality of targets to one cathode, when there are two targets, the targets are arranged to face each other, and when there are three or more targets, the targets are arranged in a polyhedral shape. Is preferred.

本発明の触媒構造体としては、前記反応性スパッタリングにおいて、放電時の発光量をモニタリングし、該発光量に応じて反応性ガスをカソード又は担体近傍に供給したものや、放電時の電源部のインピーダンスをモニタリングし、該インピーダンスの値に応じて反応性ガスをカソード又は担体近傍に供給したものも好ましい。ここで、該触媒構造体は、反応性ガス量に応じて電流、電圧及び電力が大きく変化する遷移領域で前記反応性スパッタリングを行ったものであることが更に好ましい。   As the catalyst structure of the present invention, in the reactive sputtering, the amount of luminescence at the time of discharge is monitored, and a reactive gas is supplied in the vicinity of the cathode or the carrier according to the amount of luminescence, or the power supply unit at the time of discharge It is also preferable to monitor the impedance and supply a reactive gas in the vicinity of the cathode or the carrier in accordance with the impedance value. Here, it is more preferable that the catalyst structure is obtained by performing the reactive sputtering in a transition region in which current, voltage, and power change greatly according to the amount of reactive gas.

本発明の触媒構造体としては、前記反応性スパッタリングにおいて、カソード近傍に隠れアノードを設け、カソード-アノード間に交流電圧を印加したものや、カソードを複数設け、該カソードに交流電圧を印加したものも好ましい。ここで、前記交流電圧の波形がサイン波又は矩形波であることが好ましい。また、前記矩形波がパルス状であり、印加パターン、より具体的には、正負の印加電圧、正負の印加時間及び印加比率で規定される印加パターンを任意に制御することが更に好ましい。   As the catalyst structure of the present invention, in the reactive sputtering, a hidden anode is provided near the cathode and an AC voltage is applied between the cathode and the anode, or a plurality of cathodes are provided and an AC voltage is applied to the cathode. Is also preferable. Here, it is preferable that the waveform of the AC voltage is a sine wave or a rectangular wave. Further, it is more preferable that the rectangular wave has a pulse shape, and the application pattern, more specifically, the application pattern defined by positive / negative application voltage, positive / negative application time and application ratio is arbitrarily controlled.

本発明の触媒構造体の好適例においては、前記金属が、Na,Mg,Al,Si,K,Ca,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ga,Ge,Rb,Sr,Y,Zr,Nb,Mo,Ru,Rh,Ag,Cd,In,Sn,Sb,Cs,Ba,La,Hf,Ta,W,Re,Os,Ir,Tl,Pb,Bi,Ce,Pr,Nd,Sm及びEuからなる群から選択される少なくとも1種である。   In a preferred embodiment of the catalyst structure of the present invention, the metal is Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Tl, Pb, It is at least one selected from the group consisting of Bi, Ce, Pr, Nd, Sm and Eu.

本発明の触媒構造体の他の好適例においては、前記金属が貴金属である。ここで、該貴金属が、Ag,Pt及びAuからなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。   In another preferred embodiment of the catalyst structure of the present invention, the metal is a noble metal. Here, it is preferable that the noble metal is at least one selected from the group consisting of Ag, Pt and Au.

本発明の触媒構造体の他の好適例においては、前記金属化合物が金属酸化物である。ここで、該金属酸化物が、AlOx,SiOx,TiOx,FeOx,CoOx,NiOx,CuOx,ZnOx,NbOx,MoOx,LaOx,TaOx,WOx及びPbOxからなる群から選択される少なくとも1種であり、前記xの値をスパッタリング時の酸素流量で制御することが好ましい。 In another preferred embodiment of the catalyst structure of the present invention, the metal compound is a metal oxide. Here, the metal oxide is AlO x , SiO x , TiO x , FeO x , CoO x , NiO x , CuO x , ZnO x , NbO x , MoO x , LaO x , TaO x , WO x and PbO x. It is preferable that the value of x is controlled by the oxygen flow rate during sputtering.

本発明の触媒構造体の他の好適例においては、前記金属化合物が金属窒化物である。ここで、該金属窒化物が、AlNx,SiNx,TiNx,FeNx,CoNx,NiNx,CuNx,ZnNx,NbNx,MoNx,LaNx,TaNx,WNx及びPbNxからなる群から選択される少なくとも1種であり、前記xの値をスパッタリング時の窒素流量で制御することが好ましい。 In another preferred embodiment of the catalyst structure of the present invention, the metal compound is a metal nitride. Here, the metal nitride is AlN x , SiN x , TiN x , FeN x , CoN x , NiN x , CuN x , ZnN x , NbN x , MoN x , LaN x , TaN x , WN x and PbN x. It is preferable that the value of x is controlled by a nitrogen flow rate during sputtering.

本発明の触媒構造体の他の好適例においては、前記金属化合物が金属炭化物である。ここで、該金属炭化物が、AlCx,SiCx,TiCx,FeCx,CoCx,NiCx,CuCx,ZnCx,NbCx,MoCx,LaCx,TaCx,WCx及びPbCxからなる群から選択される少なくとも1種であり、前記xの値をスパッタリング時の炭化水素流量で制御することが好ましい。 In another preferred embodiment of the catalyst structure of the present invention, the metal compound is a metal carbide. Here, the metal carbide is composed of AlC x , SiC x , TiC x , FeC x , CoC x , NiC x , CuC x , ZnC x , NbC x , MoC x , LaC x , TaC x , WC x and PbC x. It is preferable that the value of x is controlled by the hydrocarbon flow rate during sputtering.

本発明の触媒構造体の他の好適例においては、前記金属化合物が金属酸化窒化物である。ここで、該金属酸化窒化物が、AlOxy,SiOxy,TiOxy,FeOxy,CoOxy,NiOxy,CuOxy,ZnOxy,NbOxy,MoOxy,LaOxy,TaOxy,WOxy及びPbOxyからなる群から選択される少なくとも1種であり、前記x及びyの値をスパッタリング時の酸素流量及び窒素流量で制御することが好ましい。 In another preferred embodiment of the catalyst structure of the present invention, the metal compound is a metal oxynitride. Here, the metal oxynitride is AlO x N y , SiO x N y , TiO x N y , FeO x N y , CoO x N y , NiO x N y , CuO x N y , ZnO x N y , NbO x N y , MoO x N y , LaO x N y , TaO x N y , WO x N y, and PbO x N y , and at least one of the values of x and y are sputtered. It is preferable to control by the oxygen flow rate and the nitrogen flow rate.

本発明の触媒構造体においては、前記反応性スパッタリングで用いたターゲット材の使用効率が80%以上であることが好ましい。   In the catalyst structure of the present invention, the use efficiency of the target material used in the reactive sputtering is preferably 80% or more.

本発明の触媒構造体の他の好適例においては、前記担体がカーボン繊維集合体である。ここで、該カーボン繊維集合体としては、カーボンペーパー、直径1nm〜1μmのフィブリル状カーボン繊維集合体、並びに前記カーボンペーパー上に直径1nm〜1μmの前記フィブリル状カーボン繊維集合体を配設してなる複合カーボン集合体が好ましい。   In another preferred embodiment of the catalyst structure of the present invention, the carrier is a carbon fiber aggregate. Here, as the carbon fiber aggregate, carbon paper, a fibrillar carbon fiber aggregate having a diameter of 1 nm to 1 μm, and the fibrillar carbon fiber aggregate having a diameter of 1 nm to 1 μm are disposed on the carbon paper. A composite carbon aggregate is preferred.

本発明の触媒構造体の担体としては、芳香環を有する化合物を酸化重合してフィブリル状ポリマーを得、該フィブリル状ポリマーを焼成、好ましくは非酸化性雰囲気中で焼成して得た3次元連続状炭素繊維が特に好ましい。ここで、前記芳香環を有する化合物がベンゼン環又は芳香族複素環を有する化合物であることが好ましく、アニリン、ピロール、チオフェン及びそれらの誘導体からなる群から選択された少なくとも一種の化合物であることが更に好ましい。   As the carrier of the catalyst structure of the present invention, a three-dimensional continuous product obtained by oxidative polymerization of a compound having an aromatic ring to obtain a fibril-like polymer, and firing the fibril-like polymer, preferably in a non-oxidizing atmosphere. A carbon fiber is particularly preferred. Here, the compound having an aromatic ring is preferably a compound having a benzene ring or an aromatic heterocyclic ring, and is at least one compound selected from the group consisting of aniline, pyrrole, thiophene and derivatives thereof. Further preferred.

また、本発明の固体高分子型燃料電池用膜電極接合体は、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両側に配置した触媒層と、該触媒層の両側に配置した拡散層とからなる固体高分子型燃料電池用膜電極接合体において、前記触媒層に上記触媒構造体を用いたことを特徴とする。   Further, a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention comprises a solid polymer electrolyte membrane, a catalyst layer disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and a diffusion layer disposed on both sides of the catalyst layer In the membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell comprising the above, the catalyst structure is used for the catalyst layer.

本発明によれば、触媒材料を反応性スパッタリング法で担体にコーティングした新規な触媒構造体、並びに該触媒構造体を用いた固体高分子型燃料電池用膜電極接合体を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the novel catalyst structure which coated the catalyst material on the support | carrier by the reactive sputtering method, and the membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells using this catalyst structure can be provided.

以下に、本発明を詳細に説明する。本発明の触媒構造体は、担体表面に反応性スパッタリング法により触媒材料をコーティングしてなる。反応性スパッタリング法により触媒材料を担体表面にコーティングすることにより、通常のスパッタリング方式(プレーナー型マグネトロンスパッタリング)対比、金属酸化物薄膜の場合、2〜20倍の成膜速度で膜を形成することができる。高速成膜法としては、真空蒸着法がポピュラーであるが、基材との密着性が悪く、これに対し、スパッタリング法を用いることで基材と強固に結合した膜を作製することができる。従って、触媒性能を発揮するためのある膜厚を得るのに、スパッタ法では短時間で成膜が可能であるため、低温での形成が可能となり、また、担持体との密着性に優れた触媒担持材料を形成することができる。一方、成膜時に流す反応性ガス流量の制御により、本願にも記載するように、例えば、MeOx(Meは金属を示す、以下同じ)等のx値、MeOxy等のx、y値を制御することができ、この制御は真空蒸着法では不可能である。なお、本発明の触媒構造体は、種々の化学反応の触媒として有効であるが、特に固体高分子型燃料電池の触媒層として好適である。 The present invention is described in detail below. The catalyst structure of the present invention is obtained by coating the support surface with a catalyst material by a reactive sputtering method. By coating the catalyst surface on the surface of the support by reactive sputtering, the film can be formed at a film formation rate of 2 to 20 times in the case of a metal oxide thin film, compared with a normal sputtering method (planar type magnetron sputtering). it can. As a high-speed film formation method, a vacuum deposition method is popular, but the adhesion with the base material is poor. On the other hand, a film firmly bonded to the base material can be produced by using the sputtering method. Therefore, in order to obtain a certain film thickness for exerting the catalytic performance, the sputtering method can form a film in a short time, so that it can be formed at a low temperature and has excellent adhesion to the carrier. A catalyst support material can be formed. On the other hand, the control of reactive gas flow to flow during film formation, as described in the present application, e.g., MeO x (Me represents a metal, hereinafter the same) x values such, MeO x N y or the like of the x, y The value can be controlled, and this control is not possible with vacuum deposition. The catalyst structure of the present invention is effective as a catalyst for various chemical reactions, but is particularly suitable as a catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell.

本発明で担体表面に触媒材料をコーティングするのに用いる反応性スパッタリング法は、スパッタガス中に反応性ガスを混合し、スパッタリングによって成膜される触媒材料の薄膜の組成や性質を制御する方法である。該反応性スパッタリング法は、デュアルカソード方式マグネトロンスパッタリング法で行うことが好ましく、バイポーラ型デュアルカソード方式マグネトロンスパッタリング法又はユニポーラ型デュアルカソード方式マグネトロンスパッタリング法で行うことが更に好ましい。図1に本発明の実施に好適なバイポーラ型デュアルカソード方式マグネトロンスパッタ装置の概略図を、図2に本発明の実施に好適なユニポーラ型デュアルカソード方式マグネトロンスパッタ装置の概略図を示す。   In the present invention, the reactive sputtering method used to coat the catalyst surface on the support surface is a method in which a reactive gas is mixed in a sputtering gas and the composition and properties of the thin film of the catalyst material formed by sputtering are controlled. is there. The reactive sputtering method is preferably performed by a dual cathode type magnetron sputtering method, more preferably by a bipolar type dual cathode type magnetron sputtering method or a unipolar type dual cathode type magnetron sputtering method. FIG. 1 is a schematic diagram of a bipolar type dual cathode type magnetron sputtering apparatus suitable for implementing the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram of a unipolar type dual cathode type magnetron sputtering apparatus suitable for implementing the present invention.

図1に示すバイポーラ型デュアルカソード方式マグネトロンスパッタ装置は、カソード1A,1B上にターゲット2A,2Bが配設されており、カソード1A,1Bの背面には磁石3A,3Bが配設されている。また、カソード1A,1Bは、スイッチングユニット4を介して交流電源5A,5Bに接続されている。更に、ターゲット2A,2Bの近傍には、ガスの導入口6A,6Bが配置されており、該導入口6A,6Bからは、瞬間的にガス供給可能なピエゾバルブ7A,7Bで制御された反応性ガスが供給される。ここで、反応性ガスの供給制御には、ピエゾバルブに代えて高速応答性マスフローコントローラー等の他の制御機器を用いてもよい。また更に、ガス導入口6A,6Bの近傍には、放電時の発光量をモニタリングするセンサー8A,8Bが配置されており、該センサー8A,8Bは、コントローラー9A,9Bに信号を送り、該コントローラー9A,9Bが、該信号に応じて、ピエゾバルブ7A,7Bの開閉を制御する。なお、交流電源5A,5Bのインピーダンスをモニタリングして、該インピーダンスの値に応じて反応性ガスの供給を制御することも可能である。図1に示すスパッタ装置では、スイッチングユニット4により、カソード1Aとカソード1Bとに電力が交互に供給される。そのため、高速且つ安定して触媒材料のコーティングを形成することができると共に、スイッチングユニット4による切換えで極性が変わり、ターゲット2A,2Bに蓄積された荷電が解消されるため、安定してスパッタリングすることができ、また、触媒材料からなる薄膜中の組成を均一にすることができる。   In the bipolar dual cathode magnetron sputtering apparatus shown in FIG. 1, targets 2A and 2B are disposed on the cathodes 1A and 1B, and magnets 3A and 3B are disposed on the back surfaces of the cathodes 1A and 1B. The cathodes 1A and 1B are connected to AC power supplies 5A and 5B via the switching unit 4. Further, gas inlets 6A and 6B are arranged in the vicinity of the targets 2A and 2B, and the reactivity controlled by the piezo valves 7A and 7B capable of instantaneous gas supply from the inlets 6A and 6B. Gas is supplied. Here, instead of the piezo valve, other control devices such as a high-speed responsive mass flow controller may be used for the reactive gas supply control. Further, sensors 8A and 8B for monitoring the light emission amount at the time of discharge are arranged in the vicinity of the gas inlets 6A and 6B. The sensors 8A and 8B send signals to the controllers 9A and 9B. 9A and 9B control the opening and closing of the piezo valves 7A and 7B according to the signal. It is also possible to monitor the impedance of the AC power supplies 5A and 5B and control the supply of the reactive gas according to the impedance value. In the sputtering apparatus shown in FIG. 1, electric power is alternately supplied to the cathode 1 </ b> A and the cathode 1 </ b> B by the switching unit 4. Therefore, the coating of the catalyst material can be formed at high speed and stably, and the polarity is changed by switching by the switching unit 4, and the charge accumulated in the targets 2A and 2B is eliminated, so that stable sputtering is performed. In addition, the composition in the thin film made of the catalyst material can be made uniform.

一方、図2に示すユニポーラ型デュアルカソード方式マグネトロンスパッタ装置は、カソード1A,1B上にターゲット2A,2Bが配設されており、カソード1A,1Bの背面には磁石3A,3Bが配設されている。また、カソード1A,1Bは、それぞれスイッチングユニット4A,4Bを介して交流電源5A,5Bに接続されている。更に、ターゲット2A,2Bの近傍には、ガスの導入口6A,6Bが配置されており、該導入口6A,6Bからは、瞬間的にガス供給可能なピエゾバルブ7A,7Bで制御された反応性ガスが供給される。また更に、ガス導入口6A,6Bの近傍には、放電時の発光量をモニタリングするセンサー8A,8Bが配置されており、該センサー8A,8Bは、コントローラー9A,9Bに信号を送り、該コントローラー9A,9Bが、該信号に応じて、ピエゾバルブ7A,7Bの開閉を制御する。更にまた、カソード1A,1Bの近傍には、隠れアノード10A,10Bが配設されており、カソード-アノード間に交流電圧を印加することができる。図2に示すスパッタ装置では、スイッチングユニット4A,4Bにより、カソード1A,1Bに独立して電圧を印加することが可能である。   On the other hand, in the unipolar type dual cathode magnetron sputtering apparatus shown in FIG. 2, targets 2A and 2B are disposed on the cathodes 1A and 1B, and magnets 3A and 3B are disposed on the back surfaces of the cathodes 1A and 1B. Yes. The cathodes 1A and 1B are connected to AC power supplies 5A and 5B via switching units 4A and 4B, respectively. Further, gas inlets 6A and 6B are arranged in the vicinity of the targets 2A and 2B, and the reactivity controlled by the piezo valves 7A and 7B capable of instantaneous gas supply from the inlets 6A and 6B. Gas is supplied. Further, sensors 8A and 8B for monitoring the light emission amount at the time of discharge are arranged in the vicinity of the gas inlets 6A and 6B. The sensors 8A and 8B send signals to the controllers 9A and 9B. 9A and 9B control the opening and closing of the piezo valves 7A and 7B according to the signal. Furthermore, hidden anodes 10A and 10B are disposed in the vicinity of the cathodes 1A and 1B, and an alternating voltage can be applied between the cathode and the anode. In the sputtering apparatus shown in FIG. 2, it is possible to apply a voltage independently to the cathodes 1A and 1B by the switching units 4A and 4B.

また、図1及び図2において、担体11は、ホルダー12に支持されており、スパッタ粒子及び反応性ガスから所望の組成の触媒材料の被膜を担体11の表面に形成することができる。   1 and 2, the carrier 11 is supported by a holder 12, and a coating of a catalyst material having a desired composition can be formed on the surface of the carrier 11 from sputtered particles and a reactive gas.

上記触媒材料は、通常金属及び/又は金属化合物からなり、本発明においては、金属及び金属化合物の少なくとも一種をスパッタリングして上記触媒材料の被膜を担体表面に形成する。ここで、スパッタリングされる金属及び金属化合物は、一種単独であっても、二種以上の混合物であってもよい。また、複数の金属又は金属化合物をスパッタリングして担体表面上に触媒材料の層を形成する場合、複数の金属又は金属化合物を同時にスパッタリングすることが好ましい。   The catalyst material is usually composed of a metal and / or a metal compound. In the present invention, at least one of the metal and the metal compound is sputtered to form a film of the catalyst material on the surface of the support. Here, the metal and metal compound to be sputtered may be a single kind or a mixture of two or more kinds. When a plurality of metals or metal compounds are sputtered to form a catalyst material layer on the support surface, it is preferable to simultaneously sputter the plurality of metals or metal compounds.

上記複数の金属又は金属化合物をスパッタリングする場合は、複数のカソード1A,1Bを用い同時に放電させて、前記担体表面に触媒材料をコーティングすることが好ましい。ここで、各カソード1A,1Bに、異種の金属からなるターゲット2A,2Bを配設することで、複数の金属又は金属化合物を同時にスパッタリングして触媒材料の被膜を形成することが可能となる。   When sputtering the plurality of metals or metal compounds, it is preferable to discharge simultaneously using the plurality of cathodes 1A and 1B and coat the catalyst material on the surface of the carrier. Here, by disposing the targets 2A and 2B made of different metals on the respective cathodes 1A and 1B, it becomes possible to form a catalyst material film by simultaneously sputtering a plurality of metals or metal compounds.

また、上記複数の金属又は金属化合物をスパッタリングする場合は、複数のターゲットを一つのカソードに取り付け、放電時に該カソードにおいて同時に複数の金属をスパッタリングして担体表面に触媒材料をコーティングすることも好ましい。ここで、上記カソードにおいて同時に複数の金属をスパッタリングして担体表面に触媒材料をコーティングした後、コーティングされた触媒材料中の金属又は金属化合物の少なくとも1種を酸及び/又はアルカリで除去してもよい。ここで、金属又は金属化合物を除去するために用いる酸及びアルカリは、除去対象の金属又は金属化合物と、残留させる金属又は金属化合物との種類に応じて適宜選択され、例えば、酸としては、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、酢酸、フッ酸、クロム酸、過酸化水素、過塩素酸、塩素酸、亜塩素酸、次亜塩素酸、クエン酸、シュウ酸、臭化水素等が挙げられ、これらを単体で又はこれらを混合した混酸で水溶液として用いることができる。また、溶解する金属によっては、混酸と塩化第二鉄のような金属塩化物、金属硫化物との混合水溶液を用いることもできる。一方、アルカリ水溶液としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等の水溶液やアンモニア水等を用いることができる。なお、酸水溶液、アルカリ水溶液の濃度、組成は、溶解する金属の種類に応じて適宜選定することができる。   When sputtering the plurality of metals or metal compounds, it is also preferable to attach a plurality of targets to one cathode, and simultaneously coat the catalyst material on the support surface by sputtering a plurality of metals at the cathode during discharge. Here, after a plurality of metals are simultaneously sputtered on the cathode to coat the catalyst material on the surface of the support, at least one of the metals or metal compounds in the coated catalyst material may be removed with an acid and / or alkali. Good. Here, the acid and alkali used for removing the metal or metal compound are appropriately selected according to the type of the metal or metal compound to be removed and the metal or metal compound to be left. For example, the acid is hydrochloric acid. , Sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, acetic acid, hydrofluoric acid, chromic acid, hydrogen peroxide, perchloric acid, chloric acid, chlorous acid, hypochlorous acid, citric acid, oxalic acid, hydrogen bromide, etc. These can be used as an aqueous solution alone or with a mixed acid obtained by mixing them. Further, depending on the metal to be dissolved, a mixed aqueous solution of a mixed acid, a metal chloride such as ferric chloride, and a metal sulfide can be used. On the other hand, as the alkaline aqueous solution, an aqueous solution such as sodium hydroxide or potassium hydroxide, aqueous ammonia, or the like can be used. In addition, the density | concentration and composition of acid aqueous solution and alkali aqueous solution can be suitably selected according to the kind of metal to melt | dissolve.

また、上記複数のターゲットを一つのカソードに取り付けるに際しては、該ターゲットが二つの場合は、ターゲットを対面させて配置し、ターゲットが三つ以上の場合は、ターゲットを多面体状に配置することが好ましく、例えば、ターゲットが三つの場合は、ターゲットを三角形状に配置し、ターゲットが四つの場合は、ターゲットを四角形状に配置することが好ましい。   Further, when attaching the plurality of targets to one cathode, when there are two targets, the targets are preferably arranged facing each other, and when there are three or more targets, the targets are preferably arranged in a polyhedral shape. For example, when there are three targets, it is preferable that the targets are arranged in a triangular shape, and when there are four targets, the targets are arranged in a quadrangular shape.

上記反応性スパッタリングにおいては、放電時の発光量をモニタリングし、該発光量に応じて反応性ガスをカソード又は担体近傍に供給することが好ましい。また、上記反応性スパッタリングにおいては、放電時の電源部5A,5Bのインピーダンスをモニタリングし、該インピーダンスの値に応じて反応性ガスをカソード又は担体近傍に供給することも好ましい。発光量に応じて反応性ガスをカソード1A,1B又は担体11近傍に供給したり、インピーダンスの値に応じて反応性ガスをカソード1A,1B又は担体11近傍に供給することで、担持される触媒材料の組成を均一に制御することができる。ここで、反応性ガス量に応じて電流、電圧及び電力が大きく変化する遷移領域で前記反応性スパッタリングを行うことが好ましい。   In the reactive sputtering, it is preferable to monitor the amount of light emitted during discharge and supply a reactive gas to the cathode or the vicinity of the carrier according to the amount of light emitted. In the reactive sputtering, it is also preferable to monitor the impedance of the power supply units 5A and 5B during discharge and supply a reactive gas to the cathode or the vicinity of the carrier according to the impedance value. A catalyst that is supported by supplying a reactive gas to the cathodes 1A, 1B or the vicinity of the carrier 11 according to the amount of luminescence, or by supplying a reactive gas to the cathodes 1A, 1B or the vicinity of the carrier 11 according to the impedance value. The composition of the material can be controlled uniformly. Here, it is preferable to perform the reactive sputtering in a transition region where the current, voltage, and power change greatly according to the amount of reactive gas.

上記反応性スパッタリングにおいては、カソード1A,1B近傍に隠れアノード10A,10Bを設け、カソード-アノード間に交流電圧を印加することが好ましい。また、カソード1A,1Bを複数設け、該カソード1A,1Bに交流電圧を印加することも好ましい。ここで、交流電圧の波形としては、サイン波及び矩形波が好ましい。また、交流電圧の波形が矩形波の場合、該矩形波がパルス状であり、その印加パターンを任意に制御することが好ましい。ここで、該印加パターンは、正負の印加電圧、正負の印加時間及び印加比率等で規定されるものである。   In the reactive sputtering, it is preferable to provide hidden anodes 10A and 10B in the vicinity of the cathodes 1A and 1B and apply an AC voltage between the cathode and the anode. It is also preferable to provide a plurality of cathodes 1A and 1B and apply an AC voltage to the cathodes 1A and 1B. Here, as the waveform of the AC voltage, a sine wave and a rectangular wave are preferable. Further, when the waveform of the AC voltage is a rectangular wave, the rectangular wave is in a pulse shape, and it is preferable to arbitrarily control the application pattern. Here, the application pattern is defined by positive / negative applied voltage, positive / negative application time, application ratio, and the like.

上記スパッタリングされる金属は、Na,Mg,Al,Si,K,Ca,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ga,Ge,Rb,Sr,Y,Zr,Nb,Mo,Ru,Rh,Ag,Cd,In,Sn,Sb,Cs,Ba,La,Hf,Ta,W,Re,Os,Ir,Tl,Pb,Bi,Ce,Pr,Nd,Sm及びEuからなる群から選択されることが好ましく、本発明の触媒構造体には、これら金属を一種単独で用いてもよいし、これら金属の二種以上を用いてもよい。   The metals to be sputtered are Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Rb, Sr, Y, Zr. , Nb, Mo, Ru, Rh, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Tl, Pb, Bi, Ce, Pr, Nd, Sm And Eu are preferably selected, and the catalyst structure of the present invention may use these metals alone or in combination of two or more of these metals.

また、触媒構造体の使用目的によっては、上記金属としては、貴金属が好ましく、該貴金属としては、Ag,Pt及びAu等が挙げられる。本発明の触媒構造体においては、これら貴金属の一種若しくは複数を使用することができる。なお、触媒構造体を固体高分子型燃料電池用膜電極接合体の触媒層に用いる場合、貴金属の中でもPtが特に好ましい。貴金属としてPtを用いることで、100℃以下の低温でも水素を高効率で酸化することができる。また、PtをRu等の他の金属との合金として用いることで、COによるPtの被毒を防止して、触媒の活性低下を防止することができる。   Further, depending on the purpose of use of the catalyst structure, the metal is preferably a noble metal, and examples of the noble metal include Ag, Pt, and Au. One or more of these noble metals can be used in the catalyst structure of the present invention. In addition, when using a catalyst structure for the catalyst layer of the membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells, Pt is particularly preferable among noble metals. By using Pt as the noble metal, hydrogen can be oxidized with high efficiency even at a low temperature of 100 ° C. or lower. Further, by using Pt as an alloy with other metals such as Ru, it is possible to prevent poisoning of Pt by CO and prevent a decrease in the activity of the catalyst.

本発明においてスパッタリングされる金属化合物としては、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物及び金属酸化窒化物等が挙げられ、触媒構造体を固体高分子型燃料電池用膜電極接合体の触媒層に用いる場合は、金属酸化窒化物をスパッタリングすることが好ましい。なお、これら金属化合物を担体表面にコーディングする場合は、ターゲット2A,2Bに上記金属を用い、反応性ガスを導入口6A,6Bから導入して反応性スパッタリングを行うことが好ましい。   Examples of the metal compound sputtered in the present invention include metal oxides, metal nitrides, metal carbides, and metal oxynitrides. The catalyst structure is used as a catalyst layer of a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell. When used, it is preferable to sputter metal oxynitride. When these metal compounds are coded on the surface of the carrier, it is preferable to perform reactive sputtering by using the above metals for the targets 2A and 2B and introducing a reactive gas from the inlets 6A and 6B.

上記金属酸化物としては、AlOx,SiOx,TiOx,FeOx,CoOx,NiOx,CuOx,ZnOx,NbOx,MoOx,LaOx,TaOx,WOx及びPbOx等が挙げられ、本発明の触媒構造体には、これら金属酸化物を一種単独で用いてもよいし、これら金属酸化物の二種以上を用いてもよい。ここで、上記反応性スパッタリングによれば、上記各化学式中のxの値をスパッタリング時において導入口6A,6Bから導入される酸素の流量を調整することで所望の値に制御することが可能となる。 The metal oxide, AlO x, SiO x, TiO x, FeO x, CoO x, NiO x, CuO x, ZnO x, NbO x, MoO x, LaO x, TaO x, etc. WO x and PbO x is In the catalyst structure of the present invention, these metal oxides may be used alone, or two or more of these metal oxides may be used. Here, according to the reactive sputtering, the value of x in each chemical formula can be controlled to a desired value by adjusting the flow rate of oxygen introduced from the inlets 6A and 6B during sputtering. Become.

また、上記金属窒化物としては、AlNx,SiNx,TiNx,FeNx,CoNx,NiNx,CuNx,ZnNx,NbNx,MoNx,LaNx,TaNx,WNx及びPbNx等が挙げられ、本発明の触媒構造体には、これら金属窒化物を一種単独で用いてもよいし、これら金属窒化物の二種以上を用いてもよい。ここで、上記反応性スパッタリングによれば、上記各化学式中のxの値をスパッタリング時において導入口6A,6Bから導入される窒素の流量を調整することで所望の値に制御することが可能となる。 Further, as the metal nitride, AlN x, SiN x, TiN x, FeN x, CoN x, NiN x, CuN x, ZnN x, NbN x, MoN x, LaN x, TaN x, WN x and PbN x In the catalyst structure of the present invention, these metal nitrides may be used alone, or two or more of these metal nitrides may be used. Here, according to the reactive sputtering, the value of x in each chemical formula can be controlled to a desired value by adjusting the flow rate of nitrogen introduced from the inlets 6A and 6B during sputtering. Become.

上記金属炭化物としては、AlCx,SiCx,TiCx,FeCx,CoCx,NiCx,CuCx,ZnCx,NbCx,MoCx,LaCx,TaCx,WCx及びPbCx等が挙げられ、本発明の触媒構造体には、これら金属炭化物を一種単独で用いてもよいし、これら金属炭化物の二種以上を用いてもよい。ここで、上記反応性スパッタリングによれば、上記各化学式中のxの値をスパッタリング時において導入口6A,6Bから導入される炭化水素の流量を調整することで所望の値に制御することが可能となる。なお、反応性スパッタリングにおいて使用する炭化水素としては、特に制限はなく、メタン、エタン、エチレン、アセチレン等が挙げられる。 The metal carbide, AlC x, SiC x, TiC x, FeC x, CoC x, NiC x, CuC x, ZnC x, NbC x, MoC x, LaC x, TaC x, WC x and PBC x or the like can be mentioned In the catalyst structure of the present invention, these metal carbides may be used alone, or two or more of these metal carbides may be used. Here, according to the reactive sputtering, the value of x in each chemical formula can be controlled to a desired value by adjusting the flow rate of hydrocarbons introduced from the inlets 6A and 6B during sputtering. It becomes. In addition, there is no restriction | limiting in particular as hydrocarbon used in reactive sputtering, Methane, ethane, ethylene, acetylene etc. are mentioned.

また、上記金属酸化窒化物としては、AlOxy,SiOxy,TiOxy,FeOxy,CoOxy,NiOxy,CuOxy,ZnOxy,NbOxy,MoOxy,LaOxy,TaOxy,WOxy及びPbOxy等が挙げられ、本発明の触媒構造体には、これら金属酸化窒化物を一種単独で用いてもよいし、これら金属酸化窒化物の二種以上を用いてもよい。ここで、上記反応性スパッタリングによれば、上記各化学式中のx及びyの値をスパッタリング時において導入口6A,6Bから導入される酸素及び窒素の流量を調整することで所望の値に制御することが可能となる。なお、触媒構造体を固体高分子型燃料電池用膜電極接合体の触媒層に用いる場合は、これら金属酸化窒化物の中でも、TiOxyを用いることが更に好ましい。 Examples of the metal oxynitride include AlO x N y , SiO x N y , TiO x N y , FeO x N y , CoO x N y , NiO x N y , CuO x N y , ZnO x N y , NbO x N y , MoO x N y , LaO x N y , TaO x N y , WO x N y, PbO x N y and the like can be mentioned. The catalyst structure of the present invention includes one of these metal oxynitrides. You may use independently and 2 or more types of these metal oxynitrides may be used. Here, according to the reactive sputtering, the values of x and y in the chemical formulas are controlled to desired values by adjusting the flow rates of oxygen and nitrogen introduced from the inlets 6A and 6B during sputtering. It becomes possible. In addition, when using a catalyst structure for the catalyst layer of the membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells, it is more preferable to use TiO x N y among these metal oxynitrides.

本発明の好適態様においては、上記反応性スパッタリングで用いたターゲット材の使用効率が80%以上である。この場合、高価なターゲット材を有効に利用することができる。   In a preferred embodiment of the present invention, the use efficiency of the target material used in the reactive sputtering is 80% or more. In this case, an expensive target material can be used effectively.

本発明の触媒構造体における上記触媒材料の担持量は、その材料の触媒性能によって大きく変わるが、0.001mg/cm2〜10g/cm2の範囲が好ましい。担持量が0.001mg/cm2未満では、触媒としての働きが不十分であり、一方、10g/cm2を超えると、触媒としての有効面積が取れず、触媒性能が飽和する。 The supported amount of the catalyst material in the catalyst structure of the present invention varies greatly depending on the catalyst performance of the material, but is preferably in the range of 0.001 mg / cm 2 to 10 g / cm 2 . When the supported amount is less than 0.001 mg / cm 2 , the function as a catalyst is insufficient. On the other hand, when it exceeds 10 g / cm 2 , the effective area as a catalyst cannot be obtained and the catalyst performance is saturated.

本発明の触媒構造体を構成する担体としては、カーボン繊維集合体が好ましい。ここで、該カーボン繊維集合体としては、カーボンペーパー及び直径1nm〜1μmのフィブリル状カーボン繊維集合体等が更に好ましい。また、上記担体としては、カーボンペーパー上に直径1nm〜1μmのフィブリル状カーボン繊維集合体を配設してなる複合カーボン集合体も特に好ましい。   The carrier constituting the catalyst structure of the present invention is preferably a carbon fiber aggregate. Here, as the carbon fiber aggregate, carbon paper and a fibrillar carbon fiber aggregate having a diameter of 1 nm to 1 μm are more preferable. Further, as the carrier, a composite carbon aggregate obtained by disposing fibrillar carbon fiber aggregates having a diameter of 1 nm to 1 μm on carbon paper is particularly preferable.

また、上記担体として用いるフィブリル状カーボン繊維集合体としては、芳香環を有する化合物を酸化重合してフィブリル状ポリマーを得、該フィブリル状ポリマーを焼成、好ましくは非酸化性雰囲気中で焼成して得た3次元連続状炭素繊維が特に好ましい。なお、上記芳香環を有する化合物としては、ベンゼン環を有する化合物、芳香族複素環を有する化合物を挙げることができ、ベンゼン環を有する化合物としては、アニリン及びアニリン誘導体が好まく、芳香族複素環を有する化合物としては、ピロール、チオフェン及びこれらの誘導体が好ましい。これら芳香環を有する化合物は、一種単独で用いても、二種以上の混合物として用いてもよい。   The fibrillar carbon fiber aggregate used as the carrier is obtained by oxidatively polymerizing a compound having an aromatic ring to obtain a fibrillar polymer, and firing the fibrillated polymer, preferably in a non-oxidizing atmosphere. Particularly preferred is a three-dimensional continuous carbon fiber. In addition, examples of the compound having an aromatic ring include a compound having a benzene ring and a compound having an aromatic heterocyclic ring. As the compound having a benzene ring, aniline and aniline derivatives are preferable, and the aromatic heterocyclic ring. As the compound having pyrrole, pyrrole, thiophene and derivatives thereof are preferable. These compounds having an aromatic ring may be used alone or as a mixture of two or more.

上記芳香環を有する化合物を酸化重合して得られるフィブリル状ポリマーは、直径が30〜数百nmで、好ましくは40〜500nmであり、長さが0.5〜100000μmで、好ましくは1〜10000μmである。   The fibrillar polymer obtained by oxidative polymerization of the compound having an aromatic ring has a diameter of 30 to several hundred nm, preferably 40 to 500 nm, and a length of 0.5 to 100,000 μm, preferably 1 to 10,000 μm. .

上記酸化重合法としては、電解酸化重合法が好ましい。また、酸化重合においては、原料の芳香環を有する化合物と共に、酸を混在させることが好ましい。この場合、酸の負イオンがドーパントとして合成されるフィブリル状ポリマー中に取り込まれ、導電性に優れたフィブリル状ポリマーが得られ、このフィブリル状ポリマーを用いることにより最終的に得られる炭素繊維の導電性を向上させることができる。なお、重合の際に混在させる酸としては、特に限定されるものではなく、HBF4、H2SO4、HCl、HClO4等を例示することができ、該酸の濃度は、0.1〜3mol/Lの範囲が好ましく、0.5〜2.5mol/Lの範囲が更に好ましい。 As the oxidative polymerization method, an electrolytic oxidative polymerization method is preferable. Moreover, in oxidative polymerization, it is preferable to mix an acid with the compound which has a raw material aromatic ring. In this case, the negative ion of the acid is taken into the fibril polymer synthesized as a dopant to obtain a fibril polymer excellent in conductivity, and the conductivity of the carbon fiber finally obtained by using this fibril polymer is obtained. Can be improved. The acid mixed in the polymerization is not particularly limited, and examples thereof include HBF 4 , H 2 SO 4 , HCl, HClO 4 , and the concentration of the acid is 0.1 to 3 mol / The range of L is preferable, and the range of 0.5 to 2.5 mol / L is more preferable.

上記電解酸化重合によりフィブリル状ポリマーを得る場合には、芳香環を有する化合物を含む溶液中に、作用極及び対極を浸漬し、両極間に上記芳香環を有する化合物の酸化電位以上の電圧を印加するか、または該芳香環を有する化合物が重合するのに充分な電圧が確保できるような条件の電流を通電すればよく、これにより作用極上にフィブリル状ポリマーが生成する。ここで、作用極及び対極としては、ステンレススチール、白金、カーボン等の良導電性物質からなる板や多孔質材などを用いることができる。また、電解酸化重合における電流密度は、0.1〜1000mA/cm2の範囲が好ましく、0.2〜100mA/cm2の範囲が更に好ましく、芳香環を有する化合物の電解溶液中の濃度は、0.05〜3mol/Lの範囲が好ましく、0.25〜1.5mol/Lの範囲が更に好ましい。なお、電解溶液には、上記成分に加え、pHを調製するために可溶性塩等を適宜添加してもよい。 When a fibrillated polymer is obtained by the electrolytic oxidation polymerization, the working electrode and the counter electrode are immersed in a solution containing the compound having an aromatic ring, and a voltage higher than the oxidation potential of the compound having the aromatic ring is applied between both electrodes. Or a current having such a condition that a voltage sufficient to polymerize the compound having an aromatic ring may be passed, whereby a fibril-like polymer is formed on the working electrode. Here, as the working electrode and the counter electrode, a plate made of a highly conductive material such as stainless steel, platinum, or carbon, a porous material, or the like can be used. Also, the current density in the electrolytic oxidation polymerization is preferably in the range of 0.1~1000mA / cm 2, more preferably in the range of 0.2~100mA / cm 2, the concentration of the electrolytic solution of the compound having an aromatic ring, 0.05 to 3 mol / The range of L is preferable, and the range of 0.25 to 1.5 mol / L is more preferable. In addition to the above components, a soluble salt or the like may be appropriately added to the electrolytic solution in order to adjust the pH.

上記のようにして作用極上に得られたフィブリル状ポリマーを、水や有機溶剤等の溶媒で洗浄し、乾燥させた後、焼成、好ましくは非酸化性雰囲気中で焼成して炭化することで、フィブリル状で3次元連続状の炭素繊維が得られる。ここで、乾燥方法としては、特に制限されるものではないが、風乾、真空乾燥の他、流動床乾燥装置、気流乾燥機、スプレードライヤー等を使用した方法を例示することができる。また、焼成条件としては、特に限定されるものではなく、最適導電率となるように適宜設定すればよいが、特に高導電率を必要とする場合は、温度500〜3000℃、好ましくは600〜2800℃で、0.5〜6時間焼成することが好ましい。更に、非酸化性雰囲気としては、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、ヘリウム雰囲気等を挙げることができ、場合によっては水素雰囲気とすることもできる。なお、非酸化性雰囲気は、フィブリル状ポリマーが完全に酸化されない限り、少量の酸素を含んでもよい。   The fibrillated polymer obtained on the working electrode as described above is washed with a solvent such as water or an organic solvent, dried, then fired, preferably fired in a non-oxidizing atmosphere and carbonized. A fibril-like three-dimensional continuous carbon fiber is obtained. Here, the drying method is not particularly limited, and examples thereof include a method using a fluidized bed drying device, an air dryer, a spray dryer, etc., in addition to air drying and vacuum drying. In addition, the firing conditions are not particularly limited, and may be set as appropriate so as to obtain the optimum conductivity. Particularly, when high conductivity is required, the temperature is 500 to 3000 ° C., preferably 600 to Baking is preferably performed at 2800 ° C. for 0.5 to 6 hours. Further, examples of the non-oxidizing atmosphere include a nitrogen atmosphere, an argon atmosphere, and a helium atmosphere, and in some cases, a hydrogen atmosphere can also be used. The non-oxidizing atmosphere may contain a small amount of oxygen as long as the fibrillated polymer is not completely oxidized.

上記3次元連続状炭素繊維は、直径が30〜数百nm、好ましくは40〜500nmであり、長さが0.5〜100000μm、好ましくは1〜10000μmであり、表面抵抗が106〜10-2Ω、好ましくは104〜10-2Ωである。また、該炭素繊維は、残炭率が95〜30%、好ましくは90〜40%である。該炭素繊維は、カーボン全体が3次元に連続した構造を有するため、粒状カーボンよりも導電性が高い。 The three-dimensional continuous carbon fiber has a diameter of 30 to several hundred nm, preferably 40 to 500 nm, a length of 0.5 to 100,000 μm, preferably 1 to 10,000 μm, and a surface resistance of 10 6 to 10 −2 Ω. It is preferably 10 4 to 10 −2 Ω. The carbon fiber has a residual carbon ratio of 95 to 30%, preferably 90 to 40%. Since the carbon fiber has a structure in which the entire carbon is three-dimensionally continuous, the carbon fiber has higher conductivity than the granular carbon.

また、本発明の固体高分子型燃料電池用膜電極接合体は、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両側に配置した触媒層と、該触媒層の両側に配置した拡散層とからなり、上記触媒層に上述した本発明の触媒構造体を用いたことを特徴とする。ここで、固体高分子電解質膜の各側に位置する触媒層及びガス拡散層の組は、燃料極及び空気極をそれぞれ構成し、燃料極では、2H2→4H++4e-で表される反応が起こり、発生したH+が固体高分子電解質膜を経て空気極に至る一方、発生したe-が外部に取り出されて電流となる。また、空気極では、O2+4H++4e-→2H2Oで表される反応が起こり、水が発生する。ここで、上記触媒構造体の担体が、カーボンペーパーと、該カーボンペーパー上に配設されたフィブリル状カーボン繊維集合体とからなる複合カーボン集合体であり、該集合体のフィブリル状カーボン繊維集合体の表面に触媒材料が反応性スパッタリング法でコーティングされている場合、触媒材料がコーティングされたフィブリル状カーボン繊維集合体が触媒層に相当し、カーボンペーパーが拡散層として機能する。なお、固体高分子電解質膜としては、イオン伝導性のポリマーを使用することができ、該イオン伝導性のポリマーとしては、スルホン酸、カルボン酸、ホスホン酸、亜ホスホン酸等のイオン交換基を有するポリマーを挙げることができ、該ポリマーはフッ素を含んでも、含まなくてもよい。該イオン伝導性のポリマーとしては、ナフィオン(登録商標)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー等が挙げられる。 Further, a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention comprises a solid polymer electrolyte membrane, a catalyst layer disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and a diffusion layer disposed on both sides of the catalyst layer The catalyst structure of the present invention described above is used for the catalyst layer. Here, the combination of the catalyst layer and the gas diffusion layer located on each side of the solid polymer electrolyte membrane constitutes a fuel electrode and an air electrode, respectively, and the reaction expressed by 2H 2 → 4H + + 4e at the fuel electrode. The generated H + reaches the air electrode through the solid polymer electrolyte membrane, and the generated e is taken out to become an electric current. In the air electrode, a reaction represented by O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O occurs, and water is generated. Here, the carrier of the catalyst structure is a composite carbon aggregate comprising carbon paper and a fibrillar carbon fiber aggregate disposed on the carbon paper, and the fibrillar carbon fiber aggregate of the aggregate When the catalyst material is coated on the surface of the substrate by the reactive sputtering method, the fibrillar carbon fiber aggregate coated with the catalyst material corresponds to the catalyst layer, and the carbon paper functions as a diffusion layer. As the solid polymer electrolyte membrane, an ion conductive polymer can be used, and the ion conductive polymer has an ion exchange group such as sulfonic acid, carboxylic acid, phosphonic acid, and phosphonous acid. Mention may be made of polymers, which may or may not contain fluorine. Examples of the ion conductive polymer include perfluorocarbon sulfonic acid polymers such as Nafion (registered trademark).

以下に、実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

(実施例1)
[担体の作製]
アニリンモノマー0.5mol/LとHBF4 1.0mol/Lとを含む酸性水溶液中に、作用極としてカーボンペーパー[東レ製]を設置し、対極として白金板を使用し、室温にて10mA/cm2の定電流で10分間電解重合を行い、ポリアニリンを作用極上に電析させた。得られたポリアニリンをイオン交換水で洗浄後、24時間真空乾燥した後、SEMで観察したところ、カーボンペーパーの白金板に面した側に直径が50〜100nmのフィブリル状ポリアニリンが生成していることを確認した。
Example 1
[Production of carrier]
In an acidic aqueous solution containing 0.5 mol / L of aniline monomer and 1.0 mol / L of HBF 4 , carbon paper [manufactured by Toray] was installed as a working electrode, a platinum plate was used as a counter electrode, and 10 mA / cm 2 at room temperature. Electropolymerization was performed at a constant current for 10 minutes, and polyaniline was electrodeposited on the working electrode. The obtained polyaniline was washed with ion-exchanged water, vacuum-dried for 24 hours, and then observed with SEM. As a result, fibrillar polyaniline having a diameter of 50 to 100 nm was formed on the side of the carbon paper facing the platinum plate. It was confirmed.

次に、上記ポリアニリンをカーボンペーパーごとAr雰囲気中3℃/分の昇温速度で950℃まで加熱し、その後950℃で1時間保持して焼成処理した。得られた焼成物をSEMで観察したところ、直径が40〜100nmのフィブリル状で3次元連続状の炭素繊維が、カーボンペーパー上に生成していることを確認した。なお、得られた炭素繊維は、残炭率が45%で、表面抵抗が1.0Ωであった(三菱油化製, Loresta IP又はHiresta IPで測定)。   Next, the polyaniline was heated to 950 ° C. at a rate of 3 ° C./min in an Ar atmosphere together with the carbon paper, and then calcined by holding at 950 ° C. for 1 hour. When the obtained fired product was observed by SEM, it was confirmed that fibril-like and three-dimensional continuous carbon fibers having a diameter of 40 to 100 nm were formed on the carbon paper. The obtained carbon fiber had a residual carbon ratio of 45% and a surface resistance of 1.0Ω (measured by Mitsubishi Yuka, Loresta IP or Hiresta IP).

[触媒の担持]
図2に示すスパッタ装置を用い、下記の条件でTiOxy薄膜を成膜し、触媒構造体を作製した。なお、チタン化合物の成膜は、先ずアルゴンガスのみでの放電を起こし、その時のチタンの発光強度を測定し、その値を基準値(9.5)とし、未発光時をゼロとし、0〜9.5間で設定値(セットポイント)を決め、該設定値を維持できるように反応性ガスの供給を高速応答性マスフローコントローラーで制御して行った。
<パルス反応性スパッタリング条件>
・ターゲット寸法: 75mmφ×5mmt
・基板位置と基板間距離: 平行平板(片側にターゲット、距離80mm離して基板)
・スパッタ圧力: 0.5Pa
・スパッタ電力: 300W
・Arガス流量: 50sccm
・O2ガス流量: 0〜25sccm
・N2ガス流量: 0〜10sccm
・ガス制御セットポイント: 1〜5
・基板温度: 室温(基板加熱なし)
・基板固定
・スパッタ成膜時間: 1分〜100分
・TiOxy触媒担持量: 0.4mg/cm2
[Supporting catalyst]
Using the sputtering apparatus shown in FIG. 2, a TiO x N y thin film was formed under the following conditions to produce a catalyst structure. In addition, the titanium compound film is formed by first causing a discharge only with argon gas, and measuring the emission intensity of titanium at that time, setting the value as a reference value (9.5), and zero when no light is emitted, between 0 and 9.5 The set value (set point) was determined by (1), and the supply of the reactive gas was controlled by a high-speed responsive mass flow controller so that the set value could be maintained.
<Pulse reactive sputtering conditions>
・ Target dimensions: 75mmφ × 5mmt
-Board position and distance between boards: Parallel plate (target on one side, board 80mm away)
・ Sputtering pressure: 0.5Pa
・ Sputtering power: 300W
・ Ar gas flow rate: 50sccm
・ O 2 gas flow rate: 0 ~ 25sccm
・ N 2 gas flow rate: 0 ~ 10sccm
・ Gas control set point: 1 ~ 5
・ Substrate temperature: Room temperature (no substrate heating)
Substrate fixing and sputtering time: 1 minute to 100 minutes, TiO x N y catalyst loading: 0.4 mg / cm 2

[燃料電池の作製及び評価]
上記カーボンペーパー上に形成した触媒構造体に、5質量%のナフィオン(登録商標)溶液を塗布した後、乾燥して、カーボンペーパー上に触媒層を形成した。次に、ナフィオン(登録商標)からなる固体高分子電解質膜(膜厚:175μm)の両面に上記触媒層が接触するように触媒層付きカーボンペーパーをそれぞれ配置し、ホットプレスにより膜電極接合体(MEA)を作製した。得られた膜電極接合体は、触媒層の厚さが10μm、触媒構造体/ナフィオン=4/1(質量比)である。該膜電極接合体をエレクトロケミカル社製の試験セル(EFC25−01SP)に組み込み、燃料電池を作製した。該燃料電池の電圧-電流特性を、H2流量300cm3/分、O2流量300cm3/分、セル温度80℃、加湿温度80℃の条件で測定した。結果を表1に示す。
[Production and evaluation of fuel cells]
A 5 mass% Nafion (registered trademark) solution was applied to the catalyst structure formed on the carbon paper, and then dried to form a catalyst layer on the carbon paper. Next, carbon paper with a catalyst layer is arranged so that the catalyst layer is in contact with both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane (film thickness: 175 μm) made of Nafion (registered trademark), and the membrane electrode assembly ( MEA) was prepared. In the obtained membrane / electrode assembly, the thickness of the catalyst layer was 10 μm, and the catalyst structure / Nafion = 4/1 (mass ratio). The membrane electrode assembly was incorporated into a test cell (EFC25-01SP) manufactured by Electrochemical Co., to produce a fuel cell. The voltage-current characteristics of the fuel cell were measured under the conditions of an H 2 flow rate of 300 cm 3 / min, an O 2 flow rate of 300 cm 3 / min, a cell temperature of 80 ° C., and a humidification temperature of 80 ° C. The results are shown in Table 1.

(比較例1〜2)
比較として、反応性ガスを導入しなかった例(比較例1)と、反応性ガスとして酸素のみを導入した例(比較例2)とを行った。これらの結果を1に示す。
(Comparative Examples 1-2)
For comparison, an example in which no reactive gas was introduced (Comparative Example 1) and an example in which only oxygen was introduced as a reactive gas (Comparative Example 2) were performed. These results are shown in 1.

Figure 2006134603
Figure 2006134603

表1から明らかなように、反応性スパッタリング法により3次元連続状炭素繊維上にTiOxyをコーティングした触媒構造体は、固体高分子型燃料電池用膜電極接合体の触媒層として作用し、電流掃引により電圧が発生したが、チタンのみ又は酸化チタンからなる膜を配設したものでは、電圧が発生しなかった。 As is apparent from Table 1, the catalyst structure in which TiO x N y is coated on the three-dimensional continuous carbon fiber by the reactive sputtering method acts as a catalyst layer of the membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell. The voltage was generated by the current sweep, but no voltage was generated in the case where a film made of only titanium or titanium oxide was provided.

本発明の触媒構造体の製造に好適なバイポーラ型デュアルカソード方式マグネトロンスパッタ装置の一例の概略図を示す。The schematic of an example of the bipolar type dual cathode system magnetron sputtering apparatus suitable for manufacture of the catalyst structure of this invention is shown. 本発明の触媒構造体の製造に好適なユニポーラ型デュアルカソード方式マグネトロンスパッタ装置の一例の概略図を示す。The schematic of an example of the unipolar type | mold dual cathode system magnetron sputtering apparatus suitable for manufacture of the catalyst structure of this invention is shown.

符号の説明Explanation of symbols

1A,1B カソード
2A,2B ターゲット
3A,3B 磁石
4,4A,4B スイッチングユニット
5A,5B 交流電源
6A,6B ガス導入口
7A,7B ピエゾバルブ
8A,8B センサー
9A,9B コントローラー
10A,10B 隠れアノード
11 担体
12 ホルダー
1A, 1B Cathode 2A, 2B Target 3A, 3B Magnet 4, 4A, 4B Switching unit 5A, 5B AC power supply 6A, 6B Gas inlet 7A, 7B Piezo valve 8A, 8B Sensor 9A, 9B Controller 10A, 10B Hidden anode 11 Carrier 12 holder

Claims (36)

担体表面に反応性スパッタリング法により触媒材料をコーティングしてなる触媒構造体。   A catalyst structure obtained by coating a support material with a catalyst material by a reactive sputtering method. 一種又は複数の金属又は金属化合物を同時にスパッタリングして前記担体表面に触媒材料をコーティングしたことを特徴とする請求項1に記載の触媒構造体。   The catalyst structure according to claim 1, wherein one or a plurality of metals or metal compounds are simultaneously sputtered to coat a catalyst material on the surface of the carrier. 前記複数の金属又は金属化合物をスパッタリングするに際し、複数のカソードを用い同時に放電させて、前記担体表面に触媒材料をコーティングしたことを特徴とする請求項2に記載の触媒構造体。   3. The catalyst structure according to claim 2, wherein when the plurality of metals or metal compounds are sputtered, a plurality of cathodes are simultaneously discharged to coat the support surface with a catalyst material. 前記複数の金属又は金属化合物をスパッタリングするに際し、複数のターゲットを一つのカソードに取り付け、放電時に該カソードにおいて同時に複数の金属をスパッタリングして前記担体表面に触媒材料をコーティングしたことを特徴とする請求項2に記載の触媒構造体。   When sputtering the plurality of metals or metal compounds, a plurality of targets are attached to one cathode, and a plurality of metals are simultaneously sputtered on the cathode during discharge to coat a catalyst material on the support surface. Item 3. The catalyst structure according to Item 2. 前記複数の金属又は金属化合物をスパッタリングするに際し、複数のターゲットを一つのカソードに取り付け、放電時に該カソードにおいて同時に複数の金属をスパッタリングして前記担体表面に触媒材料をコーティングした後、該コーティングされた触媒材料中の金属又は金属化合物の少なくとも1種を酸及び/又はアルカリで除去したことを特徴とする請求項4に記載の触媒構造体。   When sputtering the plurality of metals or metal compounds, a plurality of targets are attached to one cathode, and a plurality of metals are simultaneously sputtered at the cathode during discharge to coat a catalyst material on the surface of the support, and then the coated The catalyst structure according to claim 4, wherein at least one of a metal or a metal compound in the catalyst material is removed with an acid and / or an alkali. 前記反応性スパッタリングにおいて、放電時の発光量をモニタリングし、該発光量に応じて反応性ガスをカソード又は担体近傍に供給したことを特徴とする請求項1に記載の触媒構造体。   2. The catalyst structure according to claim 1, wherein in the reactive sputtering, a light emission amount at the time of discharge is monitored, and a reactive gas is supplied in the vicinity of the cathode or the carrier in accordance with the light emission amount. 前記反応性スパッタリングにおいて、放電時の電源部のインピーダンスをモニタリングし、該インピーダンスの値に応じて反応性ガスをカソード又は担体近傍に供給したことを特徴とする請求項1に記載の触媒構造体。   2. The catalyst structure according to claim 1, wherein, in the reactive sputtering, an impedance of a power supply unit during discharge is monitored, and a reactive gas is supplied in the vicinity of the cathode or the carrier in accordance with the impedance value. 反応性ガス量に応じて電流、電圧及び電力が大きく変化する遷移領域で前記反応性スパッタリングを行ったことを特徴とする請求項6又は7に記載の触媒構造体。   The catalyst structure according to claim 6 or 7, wherein the reactive sputtering is performed in a transition region in which current, voltage, and power vary greatly according to the amount of reactive gas. 前記反応性スパッタリングにおいて、カソード近傍に隠れアノードを設け、カソード-アノード間に交流電圧を印加したことを特徴とする請求項1に記載の触媒構造体。   2. The catalyst structure according to claim 1, wherein in the reactive sputtering, a hidden anode is provided in the vicinity of the cathode, and an AC voltage is applied between the cathode and the anode. 前記反応性スパッタリングにおいて、カソードを複数設け、該カソードに交流電圧を印加したことを特徴とする請求項1に記載の触媒構造体。   2. The catalyst structure according to claim 1, wherein a plurality of cathodes are provided in the reactive sputtering, and an AC voltage is applied to the cathodes. 前記交流電圧の波形がサイン波であることを特徴とする請求項9又は10に記載の触媒構造体。   The catalyst structure according to claim 9 or 10, wherein the waveform of the AC voltage is a sine wave. 前記交流電圧の波形が矩形波であることを特徴とする請求項9又は10に記載の触媒構造体。   The catalyst structure according to claim 9 or 10, wherein the waveform of the AC voltage is a rectangular wave. 前記矩形波がパルス状であり、印加パターンを任意に制御したことを特徴とする請求項12に記載の触媒構造体。   The catalyst structure according to claim 12, wherein the rectangular wave has a pulse shape and an application pattern is arbitrarily controlled. 前記印加パターンが、正負の印加電圧、正負の印加時間及び印加比率で規定されることを特徴とする請求項13に記載の触媒構造体。   The catalyst structure according to claim 13, wherein the application pattern is defined by a positive / negative applied voltage, a positive / negative application time, and an application ratio. 前記金属が、Na,Mg,Al,Si,K,Ca,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ga,Ge,Rb,Sr,Y,Zr,Nb,Mo,Ru,Rh,Ag,Cd,In,Sn,Sb,Cs,Ba,La,Hf,Ta,W,Re,Os,Ir,Tl,Pb,Bi,Ce,Pr,Nd,Sm及びEuからなる群から選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項2に記載の触媒構造体。   The metal is Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, From Mo, Ru, Rh, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Tl, Pb, Bi, Ce, Pr, Nd, Sm and Eu The catalyst structure according to claim 2, wherein the catalyst structure is at least one selected from the group consisting of: 前記金属が貴金属であることを特徴とする請求項2に記載の触媒構造体。   The catalyst structure according to claim 2, wherein the metal is a noble metal. 前記貴金属が、Ag,Pt及びAuからなる群から選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項16に記載の触媒構造体。   The catalyst structure according to claim 16, wherein the noble metal is at least one selected from the group consisting of Ag, Pt and Au. 前記金属化合物が金属酸化物であることを特徴とする請求項2に記載の触媒構造体。   The catalyst structure according to claim 2, wherein the metal compound is a metal oxide. 前記金属酸化物が、AlOx,SiOx,TiOx,FeOx,CoOx,NiOx,CuOx,ZnOx,NbOx,MoOx,LaOx,TaOx,WOx及びPbOxからなる群から選択される少なくとも1種であり、前記xの値をスパッタリング時の酸素流量で制御したことを特徴とする請求項18に記載の触媒構造体。 The metal oxide is composed of AlO x , SiO x , TiO x , FeO x , CoO x , NiO x , CuO x , ZnO x , NbO x , MoO x , LaO x , TaO x , WO x and PbO x. The catalyst structure according to claim 18, wherein the value of x is controlled by an oxygen flow rate during sputtering. 前記金属化合物が金属窒化物であることを特徴とする請求項2に記載の触媒構造体。   The catalyst structure according to claim 2, wherein the metal compound is a metal nitride. 前記金属窒化物が、AlNx,SiNx,TiNx,FeNx,CoNx,NiNx,CuNx,ZnNx,NbNx,MoNx,LaNx,TaNx,WNx及びPbNxからなる群から選択される少なくとも1種であり、前記xの値をスパッタリング時の窒素流量で制御したことを特徴とする請求項20に記載の触媒構造体。 Wherein the metal nitride, the group consisting of AlN x, SiN x, TiN x , FeN x, CoN x, NiN x, CuN x, ZnN x, NbN x, MoN x, LaN x, TaN x, WN x and PbN x 21. The catalyst structure according to claim 20, wherein the value of x is controlled by a nitrogen flow rate during sputtering. 前記金属化合物が金属炭化物であることを特徴とする請求項2に記載の触媒構造体。   The catalyst structure according to claim 2, wherein the metal compound is a metal carbide. 前記金属炭化物が、AlCx,SiCx,TiCx,FeCx,CoCx,NiCx,CuCx,ZnCx,NbCx,MoCx,LaCx,TaCx,WCx及びPbCxからなる群から選択される少なくとも1種であり、前記xの値をスパッタリング時の炭化水素流量で制御したことを特徴とする請求項22に記載の触媒構造体。 The metal carbide, AlC x, SiC x, TiC x, FeC x, CoC x, NiC x, CuC x, ZnC x, NbC x, MoC x, LaC x, TaC x, from the group consisting of WC x and PBC x The catalyst structure according to claim 22, wherein the catalyst structure is at least one selected, and the value of x is controlled by a hydrocarbon flow rate during sputtering. 前記金属化合物が金属酸化窒化物であることを特徴とする請求項2に記載の触媒構造体。   The catalyst structure according to claim 2, wherein the metal compound is a metal oxynitride. 前記金属酸化窒化物が、AlOxy,SiOxy,TiOxy,FeOxy,CoOxy,NiOxy,CuOxy,ZnOxy,NbOxy,MoOxy,LaOxy,TaOxy,WOxy及びPbOxyからなる群から選択される少なくとも1種であり、前記x及びyの値をスパッタリング時の酸素流量及び窒素流量で制御したことを特徴とする請求項24に記載の触媒構造体。 The metal oxynitride is AlO x N y , SiO x N y , TiO x N y , FeO x N y , CoO x N y , NiO x N y , CuO x N y , ZnO x N y , NbO x N y , MoO x N y , LaO x N y , TaO x N y , WO x N y, and PbO x N y , and the values of x and y are oxygen values during sputtering. The catalyst structure according to claim 24, which is controlled by a flow rate and a nitrogen flow rate. 前記反応性スパッタリングで用いたターゲット材の使用効率が80%以上であることを特徴とする請求項1に記載の触媒構造体。   The catalyst structure according to claim 1, wherein the use efficiency of the target material used in the reactive sputtering is 80% or more. 前記複数のターゲットを一つのカソードに取り付けるに際し、該ターゲットが二つの場合は、該ターゲットを対面させて配置し、前記ターゲットが三つ以上の場合は、該ターゲットを多面体状に配置したことを特徴とする請求項4又は5に記載の触媒構造体。   When attaching the plurality of targets to one cathode, when there are two targets, the targets are arranged facing each other, and when there are three or more targets, the targets are arranged in a polyhedral shape. The catalyst structure according to claim 4 or 5. 前記担体がカーボン繊維集合体であることを特徴とする請求項1〜27のいずれかに記載の触媒構造体。   The catalyst structure according to any one of claims 1 to 27, wherein the carrier is a carbon fiber aggregate. 前記カーボン繊維集合体がカーボンペーパーであることを特徴とする請求項28に記載の触媒構造体。   The catalyst structure according to claim 28, wherein the carbon fiber aggregate is carbon paper. 前記カーボン繊維集合体が直径1nm〜1μmのフィブリル状カーボン繊維集合体であることを特徴とする請求項28に記載の触媒構造体。   The catalyst structure according to claim 28, wherein the carbon fiber aggregate is a fibrillar carbon fiber aggregate having a diameter of 1 nm to 1 µm. 前記担体が、前記カーボンペーパー上に直径1nm〜1μmの前記フィブリル状カーボン繊維集合体を配設してなる複合カーボン集合体であることを特徴とする請求項28に記載の触媒構造体。   29. The catalyst structure according to claim 28, wherein the carrier is a composite carbon aggregate in which the fibrillar carbon fiber aggregate having a diameter of 1 nm to 1 [mu] m is disposed on the carbon paper. 前記担体が、芳香環を有する化合物を酸化重合してフィブリル状ポリマーを得、該フィブリル状ポリマーを焼成して得た3次元連続状炭素繊維であることを特徴とする請求項28又は30に記載の触媒構造体。   The said support | carrier is a three-dimensional continuous carbon fiber obtained by oxidatively polymerizing the compound which has an aromatic ring, obtaining a fibril polymer, and baking this fibril polymer. Catalyst structure. 前記焼成を非酸化性雰囲気中で行ったことを特徴とする請求項32に記載の触媒構造体。   The catalyst structure according to claim 32, wherein the calcination is performed in a non-oxidizing atmosphere. 前記芳香環を有する化合物がベンゼン環又は芳香族複素環を有する化合物であることを特徴とする請求項32に記載の触媒構造体。   The catalyst structure according to claim 32, wherein the compound having an aromatic ring is a compound having a benzene ring or an aromatic heterocyclic ring. 前記芳香環を有する化合物が、アニリン、ピロール、チオフェン及びそれらの誘導体からなる群から選択された少なくとも一種の化合物であることを特徴とする請求項34に記載の触媒構造体。   The catalyst structure according to claim 34, wherein the compound having an aromatic ring is at least one compound selected from the group consisting of aniline, pyrrole, thiophene, and derivatives thereof. 固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両側に配置した触媒層と、該触媒層の両側に配置した拡散層とからなる固体高分子型燃料電池用膜電極接合体において、前記触媒層に請求項1〜35のいずれかに記載の触媒構造体を用いたことを特徴とする固体高分子型燃料電池用膜電極接合体。   In the membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, comprising: a solid polymer electrolyte membrane; a catalyst layer disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane; and a diffusion layer disposed on both sides of the catalyst layer. A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, wherein the catalyst structure according to any one of claims 1 to 35 is used for a layer.
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