JP2009230892A - Catalyst layer, membrane electrode assembly, fuel cell, and method of manufacturing catalyst layer - Google Patents

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和弘 山田
Yoshinobu Okumura
善信 奥村
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a catalyst layer preventing a filler material existing on the surface of the catalyst layer from flowing out and having good water resistance for a long time, a membrane electrode assembly, a fuel cell, and a method of manufacturing the catalyst layer. <P>SOLUTION: The catalyst layer has a catalyst structure layer composed of a catalyst structure containing at least platinum, a proton conductive electrolyte, and a siloxane polymer having a hydrophobic radical, and a hydrophobic coat forming the coat of the catalyst structure layer. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、触媒層、膜電極接合体、燃料電池および触媒層の製造に関するものである。   The present invention relates to the production of a catalyst layer, a membrane electrode assembly, a fuel cell, and a catalyst layer.

特許文献1には、多孔質白金酸化物からなる構造体に、白金酸化物の触媒作用で加水分解反応を起こし重合可能基を生成する疎水性置換基を有するSi化合物を接触させ、その後に白金酸化物を還元する方法が記載されている。これにより、触媒層にメチルシロキサンなどからなる疎水剤を簡便に添加することができる。
特開2006−332041号公報
In Patent Document 1, a structure composed of porous platinum oxide is contacted with a Si compound having a hydrophobic substituent that generates a polymerizable group by causing a hydrolysis reaction by the catalytic action of platinum oxide, and then platinum. A method for reducing oxides is described. Thereby, the hydrophobic agent which consists of methylsiloxane etc. can be simply added to a catalyst layer.
JP 2006-332041 A

しかしながら、特許文献1に記載の多孔質触媒層における長時間の耐水性は十分とまでは言えず、更なる改善が望まれていた。   However, the long-term water resistance of the porous catalyst layer described in Patent Document 1 cannot be said to be sufficient, and further improvement has been desired.

そこで、本発明は、触媒層表面に存在する疎水剤の流出を防止し、長時間耐水性が良い触媒層、膜電極接合体、燃料電池、および触媒層の製造方法を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a catalyst layer, a membrane electrode assembly, a fuel cell, and a method for producing the catalyst layer, which prevent the outflow of the hydrophobic agent present on the surface of the catalyst layer and has good water resistance for a long time. To do.

本発明は、
少なくとも白金を含む触媒構造体と、プロトン伝導性電解質と、疎水性基を有するシロキサン重合体と、からなる触媒構造体層と、
該触媒構造体層の被膜である疎水性被膜と、
を有することを特徴とする触媒層である。
The present invention
A catalyst structure layer comprising a catalyst structure containing at least platinum, a proton conductive electrolyte, and a siloxane polymer having a hydrophobic group;
A hydrophobic coating that is a coating of the catalyst structure layer;
It is a catalyst layer characterized by having.

前記疎水性被膜が含フッ素重合体からなることが好ましい。   The hydrophobic coating is preferably made of a fluoropolymer.

前記含フッ素重合体が、パーフルオロポリエーテル、フルオロシランポリマー、ヘキサフルオロプロピレンエポキシドのいずれかの重合体を含むことが好ましい。
前記触媒構造体が樹枝状形状を有することが好ましい。
The fluorinated polymer preferably contains any polymer of perfluoropolyether, fluorosilane polymer, and hexafluoropropylene epoxide.
It is preferable that the catalyst structure has a dendritic shape.

また、別の本発明は、
前記触媒層と、高分子電解質膜と、を少なくとも有することを特徴とする膜電極接合体である。
Another aspect of the present invention is:
A membrane electrode assembly comprising at least the catalyst layer and a polymer electrolyte membrane.

また、別の本発明は、
前記膜電極接合体と、ガス拡散層と、集電体と、を有することを特徴とする燃料電池である。
Another aspect of the present invention is:
A fuel cell comprising the membrane electrode assembly, a gas diffusion layer, and a current collector.

また、別の本発明は、
1)少なくとも白金酸化物を含む触媒前駆体層の表面に、Siと、該Siと結合している−OHまたは該Siと結合しており加水分解により−OHとなる基と、疎水性基と、を有するSi化合物を付与する工程と、
2)前記Si化合物が付与された触媒前駆体層の表面にプロトン伝導性電解質を付与する工程と、
3)前記プロトン伝導性電解質が付与された触媒前駆体層の表面に疎水性被膜を形成する工程と、
4)前記疎水性被膜が形成された触媒前駆体層を還元する工程と、
を有することを特徴とする触媒層の製造方法である。
Another aspect of the present invention is:
1) On the surface of the catalyst precursor layer containing at least platinum oxide, Si, -OH bonded to Si, a group bonded to Si and converted to -OH by hydrolysis, and a hydrophobic group Providing a Si compound having:
2) providing a proton conductive electrolyte on the surface of the catalyst precursor layer provided with the Si compound;
3) forming a hydrophobic coating on the surface of the catalyst precursor layer provided with the proton conductive electrolyte;
4) reducing the catalyst precursor layer on which the hydrophobic coating is formed;
It is a manufacturing method of the catalyst layer characterized by having.

前記2)の工程の後かつ前記3)の前に、前記2)の工程によって得られた前記プロトン伝導性電解質が付与された触媒前駆体層を高分子電解質膜の表面に接合する工程をさらに有することが好ましい。   After the step 2) and before the step 3), a step of joining the catalyst precursor layer provided with the proton conductive electrolyte obtained in the step 2) to the surface of the polymer electrolyte membrane is further performed. It is preferable to have.

また、別の本発明は、
i)少なくとも白金酸化物を含む触媒前駆体層の表面に、Siと、該Siと結合している−OHまたは該Siと結合しており加水分解により−OHとなる基と、疎水性基と、を有するSi化合物を付与する工程と、
ii)前記Si化合物が付与された触媒前駆体層の表面にプロトン伝導性電解質を付与する工程と、
iii)前記プロトン伝導性電解質が付与された触媒前駆体層を還元して触媒構造体層(a)を得る工程と、
iv)前記触媒構造体層(a)の表面に疎水性被膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする触媒層の製造方法である。
Another aspect of the present invention is:
i) On the surface of the catalyst precursor layer containing at least platinum oxide, Si, —OH bonded to Si, a group bonded to Si and converted to —OH by hydrolysis, and a hydrophobic group Providing a Si compound having:
ii) providing a proton conductive electrolyte on the surface of the catalyst precursor layer provided with the Si compound;
iii) reducing the catalyst precursor layer provided with the proton conductive electrolyte to obtain a catalyst structure layer (a);
iv) forming a hydrophobic coating on the surface of the catalyst structure layer (a);
It is a manufacturing method of the catalyst layer characterized by having.

前記ii)の工程の後であってiii)の工程の前に、前記ii)の工程によって得られたプロトン伝導性電解質が付与された触媒前駆体層を高分子電解質膜の表面に接合する工程を有することが好ましい。   The step of joining the catalyst precursor layer provided with the proton conductive electrolyte obtained by the step ii) to the surface of the polymer electrolyte membrane after the step ii) and before the step iii) It is preferable to have.

前記iii)の工程の後であってiv)の工程の前に、前記iii)の工程によって得られた前記触媒構造体層(a)を高分子電解質膜の表面に接合する工程をさらに有することが好ましい。   The method further comprises the step of joining the catalyst structure layer (a) obtained by the step iii) to the surface of the polymer electrolyte membrane after the step iii) and before the step iv). Is preferred.

また、別の本発明は、
I)少なくとも白金酸化物を含む触媒前駆体層の表面に、Siと、該Siと結合している−OHまたは該Siと結合しており加水分解により−OHとなる基と、疎水性基と、を有するSi化合物を付与する工程と、
II)前記触媒前駆体層を還元して触媒構造体層(b)とする工程と、
III)前記触媒構造体層(b)の表面にプロトン伝導性電解質を付与する工程と、
IV)前記プロトン伝導性電解質が付与された触媒構造体層(b)の表面に疎水性被膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする触媒層の製造方法である。
Another aspect of the present invention is:
I) On the surface of the catalyst precursor layer containing at least platinum oxide, Si, —OH bonded to Si, a group bonded to Si and converted to —OH by hydrolysis, and a hydrophobic group Providing a Si compound having:
II) reducing the catalyst precursor layer to a catalyst structure layer (b);
III) providing a proton conductive electrolyte on the surface of the catalyst structure layer (b);
IV) forming a hydrophobic coating on the surface of the catalyst structure layer (b) provided with the proton conductive electrolyte;
It is a manufacturing method of the catalyst layer characterized by having.

前記III)の工程の後であり前記IV)の前に、前記III)の工程によって得られたプロトン伝導性電解質が付与された触媒構造体層(b)を高分子電解質膜に接合する工程をさらに有することが好ましい。   After the step III) and before the step IV), a step of joining the catalyst structure layer (b) provided with the proton conductive electrolyte obtained by the step III) to the polymer electrolyte membrane Furthermore, it is preferable to have.

前記疎水性被膜が含フッ素重合体からなることが好ましい。   The hydrophobic coating is preferably made of a fluoropolymer.

前記含フッ素重合体が、パーフルオロポリエーテル、フルオロシランポリマーおよびヘキサフルオロプロピレンエポキシドのうちのいずれかの重合体を含むことが好ましい。   The fluorine-containing polymer preferably contains any polymer of perfluoropolyether, fluorosilane polymer, and hexafluoropropylene epoxide.

前記Siと結合しており加水分解により−OHとなる基が、−H、−OR(R:炭素数6以下のアルキル基)、−Clのうちのいずれかであることを特徴とする請求項7〜15に記載の触媒層の製造方法。   The group which is bonded to Si and becomes -OH by hydrolysis is any one of -H, -OR (R: an alkyl group having 6 or less carbon atoms), and -Cl. The manufacturing method of the catalyst layer of 7-15.

前記白金酸化物を含む触媒前駆体層を形成する工程が、気相法により行われることが好ましい。   The step of forming the catalyst precursor layer containing platinum oxide is preferably performed by a gas phase method.

本発明によれば、長時間耐水性が良い触媒層、膜電極接合体、燃料電池および触媒層の製造方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a catalyst layer, a membrane electrode assembly, a fuel cell, and a method for producing a catalyst layer that have good water resistance for a long time.

以下、本発明の好適な実施の形態の一例を説明する。ただし、本発明の範囲は特許請求の範囲によって定まるものであり、以下の記載は本発明の範囲を限定するものではない。たとえば、以下に記載されている材質、寸法、形状、配置、製造条件等は、この発明の範囲を限定するものではない。   Hereinafter, an example of a preferred embodiment of the present invention will be described. However, the scope of the present invention is determined by the scope of claims, and the following description does not limit the scope of the present invention. For example, the materials, dimensions, shapes, arrangements, manufacturing conditions, and the like described below do not limit the scope of the present invention.

本発明の第一は、
少なくとも白金を含む触媒構造体と、プロトン伝導性電解質と、疎水性基を有するシロキサン重合体と、からなる触媒構造体層と、
該触媒構造体層の被膜である疎水性被膜と、
を有することを特徴とする触媒層である。
The first of the present invention is
A catalyst structure layer comprising a catalyst structure containing at least platinum, a proton conductive electrolyte, and a siloxane polymer having a hydrophobic group;
A hydrophobic coating that is a coating of the catalyst structure layer;
It is a catalyst layer characterized by having.

図1は、本発明の第一の触媒層の一部を取り出して模式化した図である。なお、図1の投影図は、基板と平行に触媒層に光を照射することによって得られる投影図である。   FIG. 1 is a schematic view of a part of the first catalyst layer of the present invention taken out. 1 is a projection obtained by irradiating the catalyst layer with light parallel to the substrate.

図1において、11は少なくとも白金を含む触媒構造体、12は疎水性基を有するシロキサン重合体、13はプロトン伝導性電解質、14は疎水性被膜である。また、触媒構造体層19は、少なくとも白金を含む触媒構造体11と疎水性基を有するシロキサン重合体12とプロトン伝導性電解質13とからなる構造体からなる層である。   In FIG. 1, 11 is a catalyst structure containing at least platinum, 12 is a siloxane polymer having a hydrophobic group, 13 is a proton conductive electrolyte, and 14 is a hydrophobic coating. The catalyst structure layer 19 is a layer made of a structure composed of a catalyst structure 11 containing at least platinum, a siloxane polymer 12 having a hydrophobic group, and a proton conducting electrolyte 13.

以下、各部分について説明する。   Hereinafter, each part will be described.

少なくとも白金を含む触媒構造体11は、少なくとも白金を含む白金以外にもコバルト、銅、鉄などの遷移金属元素、ルテニウムやイリジウムなど貴金属元素、チタン酸化物、ニオブ酸化物などを含んでいても良い。   The catalyst structure 11 containing at least platinum may contain transition metal elements such as cobalt, copper and iron, noble metal elements such as ruthenium and iridium, titanium oxide and niobium oxide in addition to platinum containing at least platinum. .

触媒構造体11は、樹枝状形状を有することが好ましい。ここで、「樹枝状形状」とは、棒状あるいはフレーク(薄片)状の組織が、分岐点を有して多数集まった構造を指す。樹枝状形状を有する触媒層の断面を電子顕微鏡などで観察すると、棒状の構造体やフレーク状の構造体が複数集合することによって枝分かれした樹木のように見える。一つの棒状あるいはフレーク状組織は、その短手方向の長さが5nm以上200nm以下であることが好ましい。なお、ここにいう短手方向の長さとは、一つの棒状の構造体あるいはフレーク状の構造体の仮想投影面内における最小の寸法を意味する。   The catalyst structure 11 preferably has a dendritic shape. Here, the “dendritic shape” refers to a structure in which a large number of rod-like or flake (thin piece) structures are gathered with branch points. When the cross section of the catalyst layer having a dendritic shape is observed with an electron microscope or the like, it looks like a tree that is branched by a plurality of rod-like structures or flake-like structures. One rod-like or flake-like structure preferably has a short-side length of 5 nm to 200 nm. Here, the length in the short direction means the minimum dimension in the virtual projection plane of one rod-like structure or flake-like structure.

疎水性基を有するシロキサン重合体12は、連続した−Si−O−結合からなる主鎖(シロキサン骨格からなる主鎖)と、疎水性基からなる側鎖とを有する分子構造で構成されている。シロキサン重合体12が疎水性基を有することにより、触媒構造体層は疎水性を有し、耐水性が向上する。ここで、本発明および本明細書における「疎水性」とは、水との接触角が90°以上である場合を示す。なお、以降、疎水性基を有するシロキサン重合体12を単に疎水剤12と呼ぶ場合がある。このような疎水性基の例としては、アルキル基(直鎖状アルキル基やフェニル基など)、フルオロアルキル基などが挙げられる。疎水性基を有するシロキサン重合体の例としては、アルキルシルセスキオキサン、アルキルシロキサン、またはそれらの混合物が、網目状に重合したものなどが挙げられる。   The siloxane polymer 12 having a hydrophobic group is composed of a molecular structure having a main chain composed of continuous —Si—O— bonds (a main chain composed of a siloxane skeleton) and a side chain composed of a hydrophobic group. . When the siloxane polymer 12 has a hydrophobic group, the catalyst structure layer has hydrophobicity and water resistance is improved. Here, “hydrophobic” in the present invention and the present specification indicates a case where the contact angle with water is 90 ° or more. Hereinafter, the siloxane polymer 12 having a hydrophobic group may be simply referred to as a hydrophobic agent 12. Examples of such hydrophobic groups include alkyl groups (such as linear alkyl groups and phenyl groups), fluoroalkyl groups, and the like. Examples of the siloxane polymer having a hydrophobic group include those obtained by polymerizing alkylsilsesquioxane, alkylsiloxane, or a mixture thereof in a network.

プロトン伝導性電解質13は、プロトン伝導性基を有する高分子化合物である。プロトン伝導性基としては、例えば、スルホン酸基、リン酸基などの酸性基が挙げられる。このようなプロトン伝導性電解質の例としては、Nafion(登録商標、デュポン社製)などのスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体スルホン化またはリン酸化された芳香族ポリエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。なお、プロトン伝導性電解質は複数種類のプロトン伝導性基を有していても良い。   The proton conductive electrolyte 13 is a polymer compound having a proton conductive group. Examples of proton conductive groups include acidic groups such as sulfonic acid groups and phosphoric acid groups. Examples of such proton conducting electrolytes include perfluorocarbon polymers having sulfonic acid groups such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), sulfonated or phosphorylated aromatic polyether ketone, polysulfone, and the like. . The proton conductive electrolyte may have a plurality of types of proton conductive groups.

疎水性被膜14は、触媒構造体層の被膜であって、疎水性を有する。疎水性被膜14があることによって、触媒層の細孔内の疎水性が向上し疎水剤12と水との接触時間が短くなる。また、疎水剤12が疎水性被膜で覆われた状態となるため、疎水剤12の流出を抑制することができる。また、疎水性被膜14は、触媒構造体層19の表面全体を実質的に覆っている。ここで、「触媒構造体層の表面全体を実質的に覆う」とは、疎水性被膜14に微小な孔やクラックがあったとしても、それによって疎水性基を有するシロキサン重合体12が流出しない程度には触媒構造体層19を覆っていることを意味する。したがって、疎水性基を有するシロキサン重合体12の一部が疎水性被膜14に覆われることなく露出していたとしても、周囲の含フッ素重合体からなる疎水性被膜14の疎水性によって、疎水性基を有するシロキサン重合体12と水との接触時間が十分に短くなり、流出が十分に抑制される場合は、「触媒構造体層の表面全体を実質的に覆う」場合に含まれるものとする。なお、疎水性被膜14は触媒構造体層19の表面の90%以上を覆っていることが好ましい。   The hydrophobic coating 14 is a coating of the catalyst structure layer and has hydrophobicity. The presence of the hydrophobic coating 14 improves the hydrophobicity in the pores of the catalyst layer and shortens the contact time between the hydrophobic agent 12 and water. Further, since the hydrophobic agent 12 is covered with the hydrophobic film, the outflow of the hydrophobic agent 12 can be suppressed. The hydrophobic coating 14 substantially covers the entire surface of the catalyst structure layer 19. Here, “substantially covering the entire surface of the catalyst structure layer” means that the siloxane polymer 12 having a hydrophobic group does not flow out even if there are minute holes or cracks in the hydrophobic coating 14. To the extent, it means that the catalyst structure layer 19 is covered. Therefore, even if a part of the siloxane polymer 12 having a hydrophobic group is exposed without being covered with the hydrophobic coating 14, the hydrophobicity of the hydrophobic coating 14 made of the surrounding fluoropolymer causes the hydrophobicity. When the contact time between the siloxane polymer 12 having a group and water is sufficiently short and the outflow is sufficiently suppressed, it is included in the case of “substantially covering the entire surface of the catalyst structure layer”. . The hydrophobic coating 14 preferably covers 90% or more of the surface of the catalyst structure layer 19.

このような疎水性被膜を構成する材料としては、例えば、含フッ素重合体(フッ素を有する化合物の重合体)などが挙げられる。   Examples of the material constituting such a hydrophobic coating include a fluorine-containing polymer (polymer of a compound having fluorine).

含フッ素重合体としては、パーフルオロポリエーテル、フルオロシランポリマーおよびヘキサフルオロプロピレンエポキシドのうちのいずれかの重合体を含むものであることが好ましい。なお、含フッ素重合体は前記材料の重合体を二種以上含んでいても良い。   The fluorine-containing polymer preferably contains any polymer of perfluoropolyether, fluorosilane polymer and hexafluoropropylene epoxide. The fluoropolymer may contain two or more polymers of the above materials.

次に、本発明の第二について説明する。   Next, the second aspect of the present invention will be described.

図2は、本発明の第二の膜電極接合体8を示す図であり、1は高分子電解質膜、2はアノード側触媒層、3はカソード側触媒層3を示している。   FIG. 2 is a view showing a second membrane electrode assembly 8 of the present invention, wherein 1 is a polymer electrolyte membrane, 2 is an anode side catalyst layer, and 3 is a cathode side catalyst layer 3.

カソード側触媒層2もしくはアノード側触媒層3は本発明の第一の触媒層である。なお、本発明および本明細書において、「AもしくはBがCである」と表現する場合は、AがCでありBがCでない場合と、AがCでなくBがCである場合と、AおよびBのいずれもがCである場合を含む概念とする。したがって、アノード側触媒層2およびカソード側触媒層3のいずれかが本発明の第一の触媒層であっても良く、いずれもが本発明の第一の触媒層であっても良い。なお、水が生成するカソード側触媒層でフラッディングが起きやすく、かつ生成水が滞留しやすいことからすれば、少なくともカソード側触媒層3を本発明の第一の触媒層とすることが好ましい。   The cathode side catalyst layer 2 or the anode side catalyst layer 3 is the first catalyst layer of the present invention. In the present invention and the present specification, when expressing “A or B is C”, when A is C and B is not C, when A is not C but B is C, The concept includes a case where both A and B are C. Therefore, either the anode side catalyst layer 2 or the cathode side catalyst layer 3 may be the first catalyst layer of the present invention, and either may be the first catalyst layer of the present invention. In addition, it is preferable that at least the cathode side catalyst layer 3 is the first catalyst layer of the present invention because flooding easily occurs in the cathode side catalyst layer where water is generated and the generated water is likely to stay.

高分子電解質膜1は、プロトン伝導性基を有し、アノード側で生成したプロトン(H)をカソード側に伝達する機能(プロトン伝導機能)を有する高分子電解質膜であり、プロトン伝導性基を有する高分子化合物からなる。このような高分子電解質膜の例としては、Nafion(登録商標、デュポン社製)などのスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体、スルホン化された芳香族ポリエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。 The polymer electrolyte membrane 1 is a polymer electrolyte membrane having a proton conductive group and having a function of transmitting protons (H + ) generated on the anode side to the cathode side (proton conduction function). It consists of a high molecular compound having. Examples of such a polymer electrolyte membrane include perfluorocarbon polymers having a sulfonic acid group such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), sulfonated aromatic polyether ketone, polysulfone and the like.

また、本発明の第二の膜電極接合体が、本発明の第一の触媒層以外の触媒層を有する場合(すなわち、カソード側触媒層およびアノード側触媒層のいずれかのみが本発明の第一の触媒層である場合)、本発明の第一の触媒層以外の触媒層は、白金を含む構造体、白金担持カーボンからなる構造体などで構成することができる。   Further, when the second membrane electrode assembly of the present invention has a catalyst layer other than the first catalyst layer of the present invention (that is, only one of the cathode side catalyst layer and the anode side catalyst layer is the first layer of the present invention). In the case of a single catalyst layer), the catalyst layers other than the first catalyst layer of the present invention can be composed of a structure containing platinum, a structure made of platinum-supporting carbon, or the like.

次に、本発明の第三について説明する。
図3は、本発明の第三の燃料電池の一例を示す断面図であり、8は本発明の第二の膜電極接合体、4はアノード側ガス拡散層、5はカソード側ガス拡散層、6はアノード側集電体6、7はカソード側集電体である。
Next, the third aspect of the present invention will be described.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of a third fuel cell of the present invention, wherein 8 is a second membrane electrode assembly of the present invention, 4 is an anode side gas diffusion layer, 5 is a cathode side gas diffusion layer, Reference numeral 6 denotes an anode-side current collector 6 and 7 denotes a cathode-side current collector.

アノード側ガス拡散層4およびカソード側ガス拡散層5は、膜電極接合体8に酸素もしくは燃料を供給する役割を有する。アノード側ガス拡散層4およびカソード側ガス拡散層5は、複数のサブレイヤーで構成されていることが好ましい。複数のサブレイヤーで構成する場合は、アノード側ガス拡散層4およびカソード側ガス拡散層5が有するサブレイヤーのうち膜電極接合体8と接触するサブレイヤーがその他のサブレイヤーと比較して孔の平均径が小さいことが好ましい。具体的には、ガス拡散層を2つのサブレイヤーで構成する場合、図4に示したように、アノード側ガス拡散層4およびカソード側ガス拡散層5のうちの膜電極接合体8と接触するサブレイヤー9の孔の平均径を、アノード側ガス拡散層4およびカソード側ガス拡散層5を構成するその他のサブレイヤー10の平均径よりも小さくすることが好ましい。   The anode side gas diffusion layer 4 and the cathode side gas diffusion layer 5 serve to supply oxygen or fuel to the membrane electrode assembly 8. The anode-side gas diffusion layer 4 and the cathode-side gas diffusion layer 5 are preferably composed of a plurality of sublayers. In the case of being constituted by a plurality of sublayers, the sublayers in contact with the membrane electrode assembly 8 among the sublayers of the anode side gas diffusion layer 4 and the cathode side gas diffusion layer 5 have pores as compared with the other sublayers. It is preferable that the average diameter is small. Specifically, when the gas diffusion layer is composed of two sublayers, as shown in FIG. 4, the gas diffusion layer contacts the membrane electrode assembly 8 of the anode side gas diffusion layer 4 and the cathode side gas diffusion layer 5. The average diameter of the holes in the sublayer 9 is preferably made smaller than the average diameter of the other sublayers 10 constituting the anode side gas diffusion layer 4 and the cathode side gas diffusion layer 5.

なお、以降は、アノード側ガス拡散層4およびカソード側ガス拡散層5が有するサブレイヤーのうち膜電極接合体8と接触するサブレイヤーがその他のサブレイヤーと比較して孔の平均径が小さい場合、膜電極接合体8と接触するサブレイヤーをマイクロポーラスレイヤー(MPL)と呼ぶ場合がある。   In the following, the sublayers of the anode-side gas diffusion layer 4 and the cathode-side gas diffusion layer 5 that are in contact with the membrane electrode assembly 8 have a smaller average pore diameter than the other sublayers. The sublayer in contact with the membrane electrode assembly 8 may be referred to as a microporous layer (MPL).

MPLとしては、例えば、PTFEをバインダーとして用いた炭素微粒子などで構成することができる。炭素微粒子の例としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、気相成長によって形成される繊維状カーボン、カーボンナノチューブなどが挙げられる。   The MPL can be composed of, for example, carbon fine particles using PTFE as a binder. Examples of the carbon fine particles include acetylene black, ketjen black, fibrous carbon formed by vapor phase growth, and carbon nanotube.

アノード側ガス拡散層4及びカソード側ガス拡散層5を構成するサブレイヤーの内、MPL以外の部分には、カーボンクロスやカーボンペーパー、多孔質金属などを用いることができる。すなわち、MPLとこれらを積み重ねて、3つのサブレイヤーからなる構造のガス拡散層として用いることもできる。なお、サブレイヤーに金属材料を用いる場合には、耐酸化性に優れた材料を用いることが好ましい。具体的にはSUS316L,ニッケルクロム合金、チタンなどを用いることができる。ニッケルクロム合金の多孔質金属の例としては、例えば富山住友電工社製のセルメット(登録商標)などを用いることができる。   Among the sublayers constituting the anode side gas diffusion layer 4 and the cathode side gas diffusion layer 5, carbon cloth, carbon paper, porous metal, or the like can be used for portions other than the MPL. That is, MPL and these can be stacked and used as a gas diffusion layer having a structure composed of three sublayers. In addition, when using a metal material for a sublayer, it is preferable to use the material excellent in oxidation resistance. Specifically, SUS316L, nickel chromium alloy, titanium, or the like can be used. As an example of the nickel-chromium alloy porous metal, for example, Celmet (registered trademark) manufactured by Toyama Sumitomo Electric Co., Ltd. can be used.

次に、本発明の第四〜第六について説明する。   Next, the fourth to sixth aspects of the present invention will be described.

本発明の第四は、
1)少なくとも白金酸化物を含む触媒前駆体層の表面に、Siと、該Siに結合する−OHまたは加水分解により−OHとなる基と、疎水性基と、を有するSi化合物を付与する工程と、
2)Si化合物が付与された触媒前駆体層の表面にプロトン伝導性電解質を付与する工程と、
3)前記プロトン伝導性電解質が付与された触媒前駆体層の表面に含フッ素重合体からなる疎水性被膜を形成する工程と、
4)前記疎水性被膜が形成された触媒前駆体層を還元する工程と、
を有することを特徴とする触媒層の製造方法である。
The fourth aspect of the present invention is
1) The process of providing Si compound which has Si, -OH couple | bonded with this Si, or group which becomes -OH by hydrolysis, and a hydrophobic group on the surface of the catalyst precursor layer containing at least platinum oxide When,
2) providing a proton conductive electrolyte on the surface of the catalyst precursor layer provided with the Si compound;
3) forming a hydrophobic film made of a fluoropolymer on the surface of the catalyst precursor layer provided with the proton conductive electrolyte;
4) reducing the catalyst precursor layer on which the hydrophobic coating is formed;
It is a manufacturing method of the catalyst layer characterized by having.

各工程について説明する。
1)の工程について、
少なくとも白金酸化物を含む触媒前駆体層は、少なくとも白金酸化物を含む多孔質体であることが好ましく、樹枝状形状を有していることが更に好ましい。なお、樹枝状形状の定義は本発明の第一における樹枝状形状と同様である。樹枝状形状を有する白金酸化物に関しては、例えば、特開2006−49278号公報に開示されている技術を本発明に適用することが可能である。
Each step will be described.
About the process of 1)
The catalyst precursor layer containing at least platinum oxide is preferably a porous body containing at least platinum oxide, and more preferably has a dendritic shape. The definition of the dendritic shape is the same as that of the first dendritic shape of the present invention. For platinum oxide having a dendritic shape, for example, a technique disclosed in JP-A-2006-49278 can be applied to the present invention.

なお、白金酸化物はPtOxで表すことができる。その際のXの範囲は2以上であれば良く、樹枝状形状を維持する限り上限はないが、現実的にはXの上限は2.5と考えられる。   Platinum oxide can be represented by PtOx. The range of X at that time may be 2 or more, and there is no upper limit as long as the dendritic shape is maintained, but in reality, the upper limit of X is considered to be 2.5.

少なくとも白金酸化物を含む触媒前駆体層を形成する場合には、反応性スパッタなどのスパッタ法や反応性イオンプレーティング法などの反応性気相法を用いることが好ましい。触媒前駆体層を形成する際は上記のようなO/Pt比を満たすように成膜条件(成膜圧力、ターゲットに印加するRFパワー、成膜時の酸素分圧など)を適宜調節する。   When forming a catalyst precursor layer containing at least platinum oxide, it is preferable to use a sputtering method such as reactive sputtering or a reactive gas phase method such as reactive ion plating. When forming the catalyst precursor layer, the film formation conditions (film formation pressure, RF power applied to the target, oxygen partial pressure during film formation, etc.) are appropriately adjusted so as to satisfy the above O / Pt ratio.

触媒前駆体層は、基板に形成した後に高分子電解質膜表面に転写しても良いし、ガス拡散層に形成した後で、ガス拡散層と触媒前駆体層を高分子電解質膜表面に接合させても良い。また、高分子電解質膜の表面に形成しても良い。   The catalyst precursor layer may be transferred to the surface of the polymer electrolyte membrane after being formed on the substrate, or after being formed on the gas diffusion layer, the gas diffusion layer and the catalyst precursor layer are bonded to the surface of the polymer electrolyte membrane. May be. Further, it may be formed on the surface of the polymer electrolyte membrane.

触媒前駆体層を基板に形成した後に高分子電解質膜表面に転写する場合、転写工程は、後に説明する工程(2)の後かつ工程(3)の前(すなわち工程(2)と工程(3)の間)に行うことが好ましい。工程(2)の前に触媒前駆体層を高分子電解質膜の表面に転写または接合しようとしても、工程(2)で添加するプロトン伝導性電解質が触媒前駆体層に含まれていないため、高分子電解質膜と触媒前駆体層の密着性が得られない場合があるからである。また、工程(3)の後に、触媒前駆体層を電解質膜表面に転写または接合しようとすると、含フッ素重合体からなる被膜によって触媒前駆体層と高分子電解質膜との密着性が悪くなる場合がある。   When the catalyst precursor layer is formed on the substrate and then transferred to the surface of the polymer electrolyte membrane, the transfer step is performed after step (2) and before step (3) (that is, step (2) and step (3) described later. It is preferable to carry out during (). Even if an attempt is made to transfer or join the catalyst precursor layer to the surface of the polymer electrolyte membrane before the step (2), the proton conductive electrolyte added in the step (2) is not contained in the catalyst precursor layer, This is because the adhesion between the molecular electrolyte membrane and the catalyst precursor layer may not be obtained. In addition, when the catalyst precursor layer is transferred or joined to the electrolyte membrane surface after the step (3), the adhesion between the catalyst precursor layer and the polymer electrolyte membrane is deteriorated by the coating made of the fluoropolymer. There is.

また、基板に形成した後に高分子電解質膜表面に転写する場合、基板には耐熱温度が130℃以上の材料を用いることが好ましい。耐熱温度が130℃以上の材料からなる基板を用いると、転写後にホットプレスを行う際に、固体高分子電解質のガラス転移温度(Nafion(登録商標)では130℃)以上の温度で行うことができるからである。また、耐熱温度が高い材料を用いると、気相成膜時に基板の損傷を防ぎやすくすることができる。   In addition, when the film is transferred to the surface of the polymer electrolyte membrane after being formed on the substrate, a material having a heat resistant temperature of 130 ° C. or higher is preferably used for the substrate. When a substrate made of a material having a heat resistant temperature of 130 ° C. or higher is used, it can be performed at a temperature higher than the glass transition temperature of solid polymer electrolyte (130 ° C. in Nafion (registered trademark)) when hot pressing is performed after transfer. Because. In addition, when a material having a high heat-resistant temperature is used, it is possible to easily prevent damage to the substrate during vapor deposition.

このような材料としては、例えば、PTFE、ポリカーボネート、ポリイミドなどの耐熱温度が高い樹脂シートが用いられる。なお、ポリカーボネートまたはポリイミドのシートを用いる場合には、シートを多層構造とし、触媒層成膜面にフッ素樹脂やフルオロシランなどからなる離型層を形成することが望ましい。   As such a material, for example, a resin sheet having a high heat resistance such as PTFE, polycarbonate, polyimide, or the like is used. When a polycarbonate or polyimide sheet is used, it is desirable that the sheet has a multilayer structure and a release layer made of a fluororesin, fluorosilane, or the like is formed on the catalyst layer forming surface.

触媒前駆体層を形成したガス拡散層を高分子電解質膜表面に接合させる場合も、転写工程は、2)の工程の後かつ3)の工程の前に行うことが好ましい。触媒前駆体層を形成したガス拡散層を高分子電解質膜表面に接合させる場合、ガス拡散層としては、カーボン粒子やカーボン繊維などのカーボン担体や該カーボン担体を樹脂シートの表面に層状に存在させたものであっても良い。また、前記カーボン担体カーボンクロスやカーボンペーパーの表面に存在させたものでも良い。   Also when the gas diffusion layer on which the catalyst precursor layer is formed is bonded to the surface of the polymer electrolyte membrane, the transfer step is preferably performed after the step 2) and before the step 3). When the gas diffusion layer on which the catalyst precursor layer has been formed is bonded to the surface of the polymer electrolyte membrane, the gas diffusion layer includes carbon carriers such as carbon particles and carbon fibers, and the carbon carriers are present in layers on the surface of the resin sheet. It may be. Further, it may be present on the surface of the carbon carrier carbon cloth or carbon paper.

なお、触媒前駆体層を高分子電解質膜の表面に形成する場合は、上述したような触媒前駆体層の電解質膜への転写工程または接合工程は不要である。   In addition, when forming a catalyst precursor layer on the surface of a polymer electrolyte membrane, the transfer process or joining process to the electrolyte membrane of a catalyst precursor layer as mentioned above is unnecessary.

前記触媒前駆体層に1)の工程では、Siと、該Siと結合している−OHまたは該Siと結合しており加水分解により−OHとなる基と、疎水性基と、を有するSi化合物を付与する。   In the step 1), the catalyst precursor layer includes Si, —OH bonded to the Si or a group bonded to the Si and converted to —OH by hydrolysis, and a hydrophobic group. Compound is given.

Si化合物は、Siを有し、該Siに結合している−OHまたは該Siに結合しており加水分解により−OHとなる基と、疎水性基と、を有する。   The Si compound has Si and has —OH bonded to the Si or a group bonded to the Si and converted to —OH upon hydrolysis, and a hydrophobic group.

Si化合物がSi−OHを有する(言い換えれば、Siに結合している−OHを有する)場合の−OHもしくは形成されたSi−OHの−OHは、−OH同士で起こる脱水縮合反応によって重合されて、触媒前駆体表面に疎水性基と−Si−O−結合(シロキサン結合)を骨格とするシロキサン重合体が形成される。   When the Si compound has Si—OH (in other words, has —OH bonded to Si), —OH of the formed Si—OH is polymerized by a dehydration condensation reaction that occurs between —OH. Thus, a siloxane polymer having a skeleton of a hydrophobic group and a —Si—O— bond (siloxane bond) is formed on the surface of the catalyst precursor.

Si化合物が、Siと結合しており加水分解により−OHとなる基を有する場合、Siと結合しており加水分解により−OHとなる基は、プロトン伝導性電解質に含まれる酸や、触媒前駆体層の白金酸化物、該白金酸化物に含まれるPtなどを触媒として加水分解されて−OHとなる。   When the Si compound has a group that is bonded to Si and becomes -OH by hydrolysis, the group that is bonded to Si and becomes -OH by hydrolysis is an acid contained in the proton conductive electrolyte or a catalyst precursor. It is hydrolyzed to -OH by using platinum oxide of the body layer and Pt contained in the platinum oxide as a catalyst.

ここで、Siと結合しており加水分解により−OHとなる基とは、−H、−OR(R:炭素数6以下のアルキル基)、−Clなどが挙げられる。   Here, examples of the group that is bonded to Si and becomes -OH by hydrolysis include -H, -OR (R: an alkyl group having 6 or less carbon atoms), -Cl, and the like.

疎水性基の例としては、アルキル基、フルオロアルキル基などが挙げられる。なお、ここでのアルキル基は、炭素鎖が分岐していても良いし、二重結合を有していても良い。   Examples of the hydrophobic group include an alkyl group and a fluoroalkyl group. The alkyl group here may have a branched carbon chain or a double bond.

このようなSi化合物としては、Siを有し、該Siに結合している−OHまたは該Siに結合しており加水分解により−OHとなる基と、疎水性基とを有していれば、モノマーであっても良く、オリゴマーであっても良く、ポリマーであっても良い。したがって、上記基を有するシロキサン重合体またはアルキルシランであっても良い。Si化合物のより具体的な材料としては、2,4,6,8−テトラアルキルシクロテトラシロキサン、1,1,1,3,3,3−ヘキサアルキルジシラザン、モノアルキルシラン、ジアルキルシラン、トリアルキルシラン、ポリアルキルハイドロジェンシロキサン、2,4,6,8−テトラアルキルテトラアルコキシシクロテトラシロキサン、モノアルキルトリアルコキシシラン、ジアルキルジアルコキシシラン、トリアルキルモノアルコキシシラン、ポリアルキルアルコキシシロキサン、2,4,6,8−テトラアルキルテトラクロロシクロテトラシロキサン、モノアルキルトリクロロシラン、ジアルキルジクロロシラン、トリアルキルモノクロロシラン、ポリアルキルクロロシロキサン、などが挙げられる。これらの化合物のアルキル基は、H原子の一部または全部をF原子で置換したフルオロアルキル基であっても良い。   As such a Si compound, if it has Si, -OH bonded to Si or a group bonded to Si and converted to -OH by hydrolysis, and a hydrophobic group A monomer, an oligomer, or a polymer may be used. Therefore, it may be a siloxane polymer or alkylsilane having the above group. More specific materials for the Si compound include 2,4,6,8-tetraalkylcyclotetrasiloxane, 1,1,1,3,3,3-hexaalkyldisilazane, monoalkylsilane, dialkylsilane, Alkylsilane, polyalkylhydrogensiloxane, 2,4,6,8-tetraalkyltetraalkoxycyclotetrasiloxane, monoalkyltrialkoxysilane, dialkyldialkoxysilane, trialkylmonoalkoxysilane, polyalkylalkoxysiloxane, 2,4 , 6,8-tetraalkyltetrachlorocyclotetrasiloxane, monoalkyltrichlorosilane, dialkyldichlorosilane, trialkylmonochlorosilane, polyalkylchlorosiloxane, and the like. The alkyl group of these compounds may be a fluoroalkyl group in which part or all of the H atoms are substituted with F atoms.

Si化合物を触媒前駆体層の表面に付与する方法としては、Si化合物の溶液中に触媒前駆体層を浸漬する方法や前記溶液を触媒前駆体層に滴下・刷毛塗り・噴霧法などで塗布する方法、CVDによる方法(特開2006−332041、特表1999−510643、特開2006−164575に記載)など、公知の方法を用いることができる。   As a method for applying the Si compound to the surface of the catalyst precursor layer, a method of immersing the catalyst precursor layer in a solution of the Si compound, or applying the solution to the catalyst precursor layer by dropping, brushing, spraying, or the like. A known method such as a method, a method by CVD (described in JP-A-2006-332041, JP-T-1999-510443, and JP-A-2006-164575) can be used.

また、Siと、該Siと結合している−OHまたは該Siと結合しており加水分解により−OHとなる基と、疎水性基と、を有するSi化合物は、Si/Ptモル比が0.1〜0.25となる量で付与することが好ましい。   An Si compound having Si and -OH bonded to Si or a group bonded to Si and converted to -OH by hydrolysis and a hydrophobic group has a Si / Pt molar ratio of 0. It is preferable to apply in an amount of 1 to 0.25.

これは、少なすぎると触媒層空孔内の疎水性が低下して触媒層がフラッディングを起こしやすくなる場合があり、多すぎると触媒反応表面積が小さくなって、触媒利用率が低下してしまう場合があるからである。   If the amount is too small, the hydrophobicity in the catalyst layer pores may be reduced and the catalyst layer may be easily flooded. If the amount is too large, the catalytic reaction surface area may be reduced, resulting in a decrease in catalyst utilization. Because there is.

特開2006−332041に記載のように、Si/Ptモル比を0.1〜0.25として、原料ガスに2,4,6,8−テトラメチルシクロテトラシロキサンを使用し、室温でCVDを行う場合、例えば、白金酸化物からなる触媒前駆体層と原料ガスとの接触時間は3〜5分とすることが好ましい。   As described in JP-A-2006-332041, Si / Pt molar ratio is set to 0.1 to 0.25, 2,4,6,8-tetramethylcyclotetrasiloxane is used as a source gas, and CVD is performed at room temperature. When performing, for example, the contact time between the catalyst precursor layer made of platinum oxide and the source gas is preferably 3 to 5 minutes.

2)の工程について
2)の工程では、1)の工程でSi化合物が付与された触媒前駆体層の表面にプロトン伝導性電解質を付与する。
Step 2) In the step 2), a proton conductive electrolyte is applied to the surface of the catalyst precursor layer to which the Si compound is applied in the step 1).

プロトン伝導性電解質を触媒前駆体層の表面に付与する具体的な方法としては、プロトン伝導性電解質を溶媒に溶解させて溶液を作製し、1)の工程でSi化合物が付与された触媒前駆体層の表面に付与する。この際、前記溶液の濃度は、1%以下とすることが好ましい。濃度が1%より高いと、溶液の粘度が高くなり、Si化合物が付与された触媒前駆体層の表面に溶液を均一に付与することが困難となる可能性がある。   As a specific method for applying the proton conductive electrolyte to the surface of the catalyst precursor layer, a solution is prepared by dissolving the proton conductive electrolyte in a solvent, and the catalyst precursor provided with the Si compound in the step 1). Apply to the surface of the layer. At this time, the concentration of the solution is preferably 1% or less. When the concentration is higher than 1%, the viscosity of the solution becomes high, and it may be difficult to uniformly apply the solution to the surface of the catalyst precursor layer to which the Si compound is applied.

プロトン伝導性電解質は、スルホン酸基やリン酸基などのプロトン伝導性基を有する高分子化合物からなる。このようなプロトン伝導性電解質の例としては、Nafion(登録商標、デュポン社製)などのスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体や、スルホン化された芳香族ポリエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。   The proton conductive electrolyte is made of a polymer compound having a proton conductive group such as a sulfonic acid group or a phosphoric acid group. Examples of such proton conductive electrolytes include perfluorocarbon polymers having sulfonic acid groups such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), sulfonated aromatic polyether ketones, polysulfones, and the like.

3)工程について
3)の工程では、前記プロトン伝導性電解質が付与された触媒前駆体層の表面に含フッ素重合体からなる疎水性被膜を形成する。
3) Step In the step 3), a hydrophobic film made of a fluoropolymer is formed on the surface of the catalyst precursor layer provided with the proton conductive electrolyte.

含フッ素重合体としては、パーフルオロポリエーテル、フルオロシランポリマー、ヘキサフルオロプロピレンエポキシドからなる重合体を用いることができる。   As the fluorine-containing polymer, a polymer composed of perfluoropolyether, fluorosilane polymer, and hexafluoropropylene epoxide can be used.

プロトン伝導性電解質が付与された触媒前駆体層の表面に含フッ素重合体からなる疎水性被膜を形成する方法としては、浸漬法、スプレー法、スピンコーティング法、ディップコーティング法などが挙げられる。   Examples of the method for forming a hydrophobic film made of a fluorine-containing polymer on the surface of the catalyst precursor layer provided with the proton conductive electrolyte include an immersion method, a spray method, a spin coating method, and a dip coating method.

4)の工程について
4)の工程では、1)〜3)の工程で得られた前記疎水性被膜が形成された触媒前駆体層を還元して触媒層とする。1)〜3)の工程で得られた触媒前駆体層を触媒層に還元する方法としては、水素ガスによる還元でも良く、溶液による還元でも良く、電気化学的な還元であっても良い。なお、本発明の第四における4)の工程では、3)の工程でプロトン伝導性電解質を触媒前駆体層の表面に付与した後に還元を行うことにより、還元後も触媒前駆体層の形状を維持しやすい。
Step 4) In step 4), the catalyst precursor layer on which the hydrophobic coating obtained in steps 1) to 3) is formed is reduced to form a catalyst layer. The method of reducing the catalyst precursor layer obtained in the steps 1) to 3) to the catalyst layer may be reduction with hydrogen gas, reduction with a solution, or electrochemical reduction. In the step 4) of the fourth aspect of the present invention, the shape of the catalyst precursor layer is reduced even after reduction by performing reduction after applying the proton conductive electrolyte to the surface of the catalyst precursor layer in step 3). Easy to maintain.

本発明の第五は、
i)少なくとも白金酸化物を含む触媒前駆体層の表面に、Siと、該Siと結合している−OHまたは該Siと結合しており加水分解により−OHとなる基と、疎水性基と、を有するSi化合物を付与する工程と、
ii)前記Si化合物が付与された触媒前駆体層の表面にプロトン伝導性電解質を付与する工程と、
iii)前記プロトン伝導性電解質が付与された触媒前駆体層を還元して触媒構造体層(a)とする工程と、
iv)前記触媒構造体層(a)の表面に疎水性被膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする触媒層の製造方法である。
The fifth aspect of the present invention is
i) On the surface of the catalyst precursor layer containing at least platinum oxide, Si, —OH bonded to Si, a group bonded to Si and converted to —OH by hydrolysis, and a hydrophobic group Providing a Si compound having:
ii) providing a proton conductive electrolyte on the surface of the catalyst precursor layer provided with the Si compound;
iii) reducing the catalyst precursor layer provided with the proton conductive electrolyte to a catalyst structure layer (a);
iv) forming a hydrophobic coating on the surface of the catalyst structure layer (a);
It is a manufacturing method of the catalyst layer characterized by having.

本発明の第五は、本発明の第四における3)の工程と4)の工程の順序を入れ替えた以外は本発明の第四と同様である。   The fifth aspect of the present invention is the same as the fourth aspect of the present invention except that the order of the steps 3) and 4) in the fourth aspect of the present invention is changed.

高分子電解質膜表面に触媒前駆体層または触媒構造体層を転写または接合する場合には、ii)の工程の後であってiii)の工程の前、もしくはiii)の工程の後であってiv)の工程の前に行うことが好ましい。   When the catalyst precursor layer or the catalyst structure layer is transferred or bonded to the surface of the polymer electrolyte membrane, after the step ii) and before the step iii), or after the step iii) It is preferable to carry out before the step iv).

また、本発明の第六は、
I)少なくとも白金酸化物を含む触媒前駆体層の表面に、Siと、該Siと結合している−OHまたは該Siと結合しており加水分解により−OHとなる基と、疎水性基と、を有するSi化合物を付与する工程と、
II)Si化合物が付与された前記触媒前駆体層を還元して触媒構造体層(b)とする工程と、
III)前記触媒構造体層(b)の表面にプロトン伝導性電解質を付与する工程と、
IV)前記プロトン伝導性電解質が付与された触媒構造体層の表面に含フッ素重合体からなる疎水性被膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする触媒層の製造方法である。
The sixth aspect of the present invention is
I) On the surface of the catalyst precursor layer containing at least platinum oxide, Si, —OH bonded to Si, a group bonded to Si and converted to —OH by hydrolysis, and a hydrophobic group Providing a Si compound having:
II) reducing the catalyst precursor layer to which the Si compound has been added to form a catalyst structure layer (b);
III) providing a proton conductive electrolyte on the surface of the catalyst structure layer (b);
IV) forming a hydrophobic film made of a fluoropolymer on the surface of the catalyst structure layer provided with the proton conductive electrolyte;
It is a manufacturing method of the catalyst layer characterized by having.

本発明の第六は、本発明の第四における4)の工程を1)の工程の後であり2)の工程の前に行う以外は本発明の第四と同様である。なお、高分子電解質膜の表面に触媒構造体を転写または接合する場合には、工程III)の後であり、工程IV)の前に行うことが好ましい。   The sixth aspect of the present invention is the same as the fourth aspect of the present invention except that the step 4) in the fourth aspect of the present invention is performed after the step 1) and before the step 2). In addition, when the catalyst structure is transferred or bonded to the surface of the polymer electrolyte membrane, it is preferably performed after the step III) and before the step IV).

また、本発明の第四〜第六に記載の製造方法によって得られる触媒層を含む2つの触媒層で高分子電解質膜を挟んでホットプレスを行うことで膜電極接合体を形成することができる。この場合、前述したように、高分子電解質膜の表面に触媒構造体を転写または接合する工程を触媒層の製造工程の途中に組み込むことができる。   Moreover, a membrane electrode assembly can be formed by performing hot pressing with a polymer electrolyte membrane sandwiched between two catalyst layers including the catalyst layers obtained by the production methods described in the fourth to sixth aspects of the present invention. . In this case, as described above, the step of transferring or joining the catalyst structure to the surface of the polymer electrolyte membrane can be incorporated in the course of the production process of the catalyst layer.

さらに、得られた触媒層を用いて燃料電池を得る場合は、前記得られた膜電極接合体のアノード側触媒層にアノード側ガス拡散層を接触させ、カソード側ガス触媒層にカソード側ガス拡散層を接触させて配置する。その上で、カソード側ガス拡散層およびアノード側ガス拡散層に各々接触させて集電体を形成する。   Further, when a fuel cell is obtained using the obtained catalyst layer, the anode side gas diffusion layer is brought into contact with the anode side catalyst layer of the obtained membrane electrode assembly, and the cathode side gas diffusion layer is contacted with the cathode side gas catalyst layer. Place the layers in contact. Then, the current collector is formed by contacting the cathode side gas diffusion layer and the anode side gas diffusion layer, respectively.

次に、具体的な実施例を示し、本発明を詳細に説明する。   Next, specific examples will be shown to describe the present invention in detail.

(実施例1)
図5に本実施例で用いた固体高分子型燃料電池の模式断面図を示す。
Example 1
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the polymer electrolyte fuel cell used in this example.

以下、本実施例の固体高分子型燃料電池の製造工程を詳細に説明する。   Hereinafter, the manufacturing process of the polymer electrolyte fuel cell of this example will be described in detail.

(工程1)
まず触媒前駆体層成膜工程として、PTFEシート(日東電工製、ニトフロン:以下、「基板」という場合もある)の表面に、Pt(4N)ターゲットを用いたRF反応性スパッタリング法で触媒前駆体層であるPtOx層を厚さ2μmで成膜した。反応性スパッタ装置は、アルバック社製のCS−200を使用した。ここで反応性スパッタは、全圧5Pa、酸素ガス100%、基板ヒーター温度40℃で行った。具体的にはPtターゲットへのRF(13.56MHzの高周波)の投入パワーは5.4W/cmいう条件にて行った。
(Process 1)
First, as a catalyst precursor layer forming step, a catalyst precursor is formed by an RF reactive sputtering method using a Pt (4N) target on the surface of a PTFE sheet (manufactured by Nitto Denko, Nitoflon: hereinafter sometimes referred to as “substrate”). A PtOx layer as a layer was formed to a thickness of 2 μm. As a reactive sputtering apparatus, CS-200 manufactured by ULVAC was used. Here, the reactive sputtering was performed at a total pressure of 5 Pa, an oxygen gas of 100%, and a substrate heater temperature of 40 ° C. Specifically, the power of RF (13.56 MHz high frequency) applied to the Pt target was 5.4 W / cm 2 .

(工程2)
特開2006−332041に記載の公知技術に従い、PtOx表面にSi化合物を付与した。具体的には、(工程1)で得られた触媒前駆体層を、2,4,6,8−テトラメチルテトラシクロシロキサンの蒸気と室温(蒸気圧約1.2kPa)で密閉容器中で4分間接触させた。触媒前駆体中のSi/Ptモル比は、0.10であった。
(Process 2)
According to a known technique described in JP-A-2006-332041, a Si compound was applied to the PtOx surface. Specifically, the catalyst precursor layer obtained in (Step 1) is placed in a closed container for 4 minutes at room temperature (vapor pressure of about 1.2 kPa) with 2,4,6,8-tetramethyltetracyclosiloxane vapor. Made contact. The Si / Pt molar ratio in the catalyst precursor was 0.10.

(工程3)
続いて、得られたPtOx層を2%H/He雰囲気に30分間曝して還元処理を行い、PTFEシートの表面に樹枝状形状を有しPtからなる触媒構造体層(a)を得た。なお、Pt担持量は0.6mg/cmであった。
(Process 3)
Subsequently, the obtained PtOx layer was subjected to a reduction treatment by exposing it to a 2% H 2 / He atmosphere for 30 minutes to obtain a catalyst structure layer (a) having a dendritic shape on the surface of the PTFE sheet and made of Pt. . The amount of Pt supported was 0.6 mg / cm 2 .

(工程4)
その後、(工程3)で得られた触媒構造体層(b)に1%ナフィオン溶液(シグマアルドリッチ製Nafion5%溶液をIPAで1%に希釈したもの)を触媒面積1cm当たり8μl滴下し、真空中にて溶媒を揮発させた。これにより、触媒表面に電解質との界面を形成した。以上の(工程1)〜(工程4)により、プロトン伝導性電解質を含む触媒構造体層(b)を得た。
(Process 4)
Thereafter, 8 μl of 1% Nafion solution (Sigma Nadrich Nafion 5% solution diluted to 1% with IPA) was dropped into the catalyst structure layer (b) obtained in (Step 3) per 1 cm 2 of catalyst area, and vacuum was applied. The solvent was volatilized in. This formed an interface with the electrolyte on the catalyst surface. By the above (Step 1) to (Step 4), a catalyst structure layer (b) containing a proton conductive electrolyte was obtained.

(工程5)
アノード側触媒層を作成するため、PTFEシートの表面に、ドクターブレード法にて白金担持カーボン層をPt担持量が0.3mg/cmになるように形成した。ここで使用する触媒スラリーは、白金担持カーボン(Jhonson Matthey製、HiSPEC4000)1質量部、ナフィオン0.07質量部、IPA1質量部、水0.4質量部の混錬物である。
(Process 5)
In order to form the anode catalyst layer, a platinum-supporting carbon layer was formed on the surface of the PTFE sheet by a doctor blade method so that the amount of Pt supported was 0.3 mg / cm 2 . The catalyst slurry used here is a kneaded product of 1 part by mass of platinum-supporting carbon (manufactured by Johnson Matthey, HiSPEC 4000), 0.07 part by mass of Nafion, 1 part by mass of IPA, and 0.4 part by mass of water.

(工程6)
触媒層が内側になるようにして、(工程4)で作製したプロトン伝導性電解質を含む触媒構造体層(b)及び(工程5)で作成した触媒層付きPTFEシートで、固体高分子電解質膜(Dupont製Nafion112、厚さ50μm)を挟み、4MPa、150℃、10minなるプレス条件でホットプレスを行った。その後、アノード及びカソード側の両触媒層からPTFEシートを剥離してPTFEシートを除去した。
(Step 6)
A catalyst structure layer (b) containing the proton conductive electrolyte prepared in (Step 4) and a PTFE sheet with a catalyst layer prepared in (Step 5) so that the catalyst layer is on the inside, and a solid polymer electrolyte membrane (Dupont Nafion112, thickness 50 μm) was sandwiched, and hot pressing was performed under pressing conditions of 4 MPa, 150 ° C., 10 min. Thereafter, the PTFE sheet was removed from both the anode and cathode catalyst layers to remove the PTFE sheet.

(工程7)
(工程6)で得られた構造体を、含フッ素重合体溶液であるフルオロシランポリマー溶液(Novec(R) EGC1720、住友スリーエム製)に浸し、引き上げた後に風乾して疎水性被膜を形成し、MEA(膜電極接合体)を得た。
(Step 7)
The structure obtained in (Step 6) is immersed in a fluorosilane polymer solution (Novec (R) EGC1720, manufactured by Sumitomo 3M), which is a fluoropolymer solution, pulled up and air-dried to form a hydrophobic film, MEA (membrane electrode assembly) was obtained.

(比較例1)
実施例1において、(工程7)を行わなかったこと以外は、すべて同様にして含フッ素重合体からなる疎水性被膜を有さない触媒層と高分子電解質膜とからなるMEAを作製した。触媒中のSi/Ptモル比は、0.11であった。Pt担持量は0.6mg/cmであった。
(Comparative Example 1)
In Example 1, except that (Step 7) was not performed, an MEA composed of a catalyst layer having no hydrophobic coating composed of a fluoropolymer and a polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner. The Si / Pt molar ratio in the catalyst was 0.11. The amount of Pt supported was 0.6 mg / cm 2 .

(実施例2)
実施例1の(工程7)において、含フッ素重合体溶液をパーフルオロポリエーテル溶液(Fluorolink(R) S10、ソルベイソレクシス社製)とした以外は、すべて同様にしてMEAを作製した。触媒中のSi/Ptモル比は、0.11であった。Pt担持量は0.6mg/cmであった。
(Example 2)
MEAs were produced in the same manner as in Example 1 (Step 7) except that the fluoropolymer solution was a perfluoropolyether solution (Fluorolink® S10, manufactured by Solvay Solexis). The Si / Pt molar ratio in the catalyst was 0.11. The amount of Pt supported was 0.6 mg / cm 2 .

(実施例3)
実施例1の(工程2)において、付与するSi化合物を2,4,6,8−テトラメチルテトラシクロシロキサンから、メチルハイドロジェン変性シリコーンオイル(信越化学工業製、KF−9901)に変更した。KF9901はIPAを溶媒に、2重量%濃度になるように希釈した後に、触媒前駆体層面積1cm2当たり18μL添加した。(工程3)以降は、すべて実施例1と同様にしてMEAを作製した。触媒中のSi/Ptモル比は、0.11であった。Pt担持量は0.6mg/cmであった。
(Example 3)
In Example 1 (Step 2), the Si compound to be provided was changed from 2,4,6,8-tetramethyltetracyclosiloxane to methylhydrogen-modified silicone oil (KF-9901, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.). KF9901 was diluted with IPA in a solvent to a concentration of 2% by weight, and then 18 μL was added per 1 cm 2 of catalyst precursor layer area. (Step 3) After that, MEA was produced in the same manner as in Example 1. The Si / Pt molar ratio in the catalyst was 0.11. The amount of Pt supported was 0.6 mg / cm 2 .

(比較例2)
実施例3において、(工程7)を行わなかったこと以外は、すべて実施例3と同様にして含フッ素重合体からなる疎水性被膜を有さない触媒層と高分子電解質膜とからなるMEAを作製した。触媒中のSi/Ptモル比は、0.11であった。Pt担持量は0.6mg/cmであった。
(Comparative Example 2)
In Example 3, except that (Step 7) was not performed, an MEA comprising a catalyst layer having no hydrophobic film made of a fluoropolymer and a polymer electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 3. Produced. The Si / Pt molar ratio in the catalyst was 0.11. The amount of Pt supported was 0.6 mg / cm 2 .

(実施例1〜3及び比較例1〜2の評価)
実施例1〜3及び比較例1〜2のMEAを蛍光X線分析(X‐ray Fluorescence Analysis以下、XRFと略す)にて分析し、疎水性基を有するシロキサン重合体の構成元素であるSi量を測定した。分析装置にはZSX1009e(株式会社リガク製)を用いた。
(Evaluation of Examples 1-3 and Comparative Examples 1-2)
The MEA of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 was analyzed by X-ray fluorescence analysis (X-ray Fluorescence Analysis, hereinafter abbreviated as XRF), and the amount of Si as a constituent element of the siloxane polymer having a hydrophobic group Was measured. ZSX1009e (manufactured by Rigaku Corporation) was used as the analyzer.

その後、各々のMEAを50℃の温水中に4日間浸漬保管する試験を行った。次にMEAを風乾し、再度XRFにてSi量を測定した。このMEA中の触媒層は長時間水に接触した経歴を有するので、温水浸漬試験の前後でのSi量を比較することで、疎水剤として機能するシロキサン重合体の流出量を測定することができる。   Thereafter, a test was conducted in which each MEA was immersed and stored in warm water at 50 ° C. for 4 days. Next, the MEA was air-dried, and the Si amount was measured again by XRF. Since the catalyst layer in this MEA has a history of contact with water for a long time, the outflow amount of the siloxane polymer functioning as a hydrophobic agent can be measured by comparing the Si amount before and after the hot water immersion test. .

実施例1、2及び比較例1のMEAの試験前後でのSi量の残存率を、表1に示す。Si量の残存率は、各MEAの試験後のSi量を試験前のSi量で除して算出した。   Table 1 shows the residual amounts of Si before and after the tests of the MEAs of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. The remaining amount of Si was calculated by dividing the amount of Si after each MEA test by the amount of Si before the test.

Figure 2009230892
Figure 2009230892

表1から判るように、比較例1、2では試験後に各々約1/3、約1/2のSiしか触媒層に残っておらず、疎水剤の流出が起こっていた。これに対し、実施例1〜3では疎水剤であるシロキサン重合体の流出が大幅に抑制されていた。このように触媒構造体に含フッ素重合体からなる疎水性被膜を添加したことで、疎水剤の流出が大幅に抑制されることが判る。   As can be seen from Table 1, in Comparative Examples 1 and 2, only about 1/3 and about 1/2 Si remained in the catalyst layer after the test, respectively, and the outflow of the hydrophobic agent occurred. On the other hand, in Examples 1-3, the outflow of the siloxane polymer which is a hydrophobic agent was significantly suppressed. Thus, it can be seen that the outflow of the hydrophobic agent is greatly suppressed by adding the hydrophobic film made of the fluoropolymer to the catalyst structure.

次に、実施例1のMEA(試験前の状態)と、比較例1で得られたMEA(試験前の状態)を、アノード側ガス拡散層4(カーボンクロス、E−TEK製 LT2500−W)、カソード側ガス拡散層5、アノード側集電体6、カソード側集電体7、によって図5のような順で挟んで燃料電池単セルを形成した。なお、カソード側ガス拡散層5には、MPL9とサブレイヤー10で構成されるカーボンクロス(E−TEK製 LT1200−W)と発泡金属16とからなるガス拡散層を用いた。更に、実施例1及び比較例1の温水浸漬後のMEAを用いて前記と同様にして燃料電池単セルを作製した。   Next, the MEA (state before the test) of Example 1 and the MEA (state before the test) obtained in Comparative Example 1 were combined into the anode side gas diffusion layer 4 (carbon cloth, LT2500-W manufactured by E-TEK). A single fuel cell was formed by sandwiching the cathode side gas diffusion layer 5, the anode side current collector 6, and the cathode side current collector 7 in this order as shown in FIG. For the cathode side gas diffusion layer 5, a gas diffusion layer made of carbon cloth (LT 1200-W manufactured by E-TEK) composed of MPL 9 and sublayer 10 and foam metal 16 was used. Furthermore, using the MEA after immersion in warm water of Example 1 and Comparative Example 1, fuel cell single cells were produced in the same manner as described above.

なお、図5では不図示であるが、アノード側ガス拡散層4およびカソード側ガス拡散層5の周囲はOリング15でシールしてある。そして、各燃料電池単セルそれぞれに、図6に示したように電子負荷装置及び水素ガス配管を接続し、燃料電池の電流掃引試験を行い発電特性の評価を行った。図6においてアノード側集電体6にはスリットを設け、水素ガスが自由に通過できるようにした。またアノード側集電体には水素ガスをデッドエンドで0.15MPaで充填し、カソード電極側は空気に開放した。また、発電特性の評価は、電池温度25℃、外部環境の相対湿度を100%で行った。なお電流掃引速度(スイープレート)は1mA/cm/秒とした。 Although not shown in FIG. 5, the periphery of the anode side gas diffusion layer 4 and the cathode side gas diffusion layer 5 is sealed with an O-ring 15. Then, an electronic load device and a hydrogen gas pipe were connected to each fuel cell single cell as shown in FIG. 6, and a current sweep test of the fuel cell was performed to evaluate the power generation characteristics. In FIG. 6, the anode-side current collector 6 is provided with a slit so that hydrogen gas can freely pass therethrough. The anode current collector was filled with hydrogen gas at a dead end at 0.15 MPa, and the cathode electrode side was opened to the air. The evaluation of power generation characteristics was performed at a battery temperature of 25 ° C. and a relative humidity of the external environment of 100%. The current sweep rate (sweep plate) was 1 mA / cm 2 / sec.

この条件ではアノード側がデッドエンドであるので、アノード側からの水分蒸発が抑制されている。さらにカソード側の空気湿度は100%RHであるので、カソード側からの水分蒸発も小さい状態となっている。すなわち、この条件ではセル外への水分移動が抑制されているので、カソード触媒層でのフラッディングが起こり易い。さらに測定時の電流値のスィ―プレートが小さく、それだけ測定時の発電時間が長くなり多くの水が生成されるので、高電流密度において触媒層でのフラッディングが起こり易い。このようにフラッディングが起こり易い条件で、実施例1と比較例1のMEAによるセル発電特性を比較すると、各MEAのカソード触媒層における物質拡散性の差が大きな差となって発電特性に現れるので、疎水剤の流出による発電特性への効果を判断しやすい。   Under this condition, since the anode side is dead-end, moisture evaporation from the anode side is suppressed. Furthermore, since the air humidity on the cathode side is 100% RH, moisture evaporation from the cathode side is also small. That is, under this condition, moisture movement outside the cell is suppressed, so that flooding in the cathode catalyst layer is likely to occur. Furthermore, the current value sweep plate at the time of measurement is small, and the power generation time at the time of measurement is increased to generate a lot of water. Therefore, flooding in the catalyst layer easily occurs at a high current density. When the cell power generation characteristics of the MEAs of Example 1 and Comparative Example 1 are compared under conditions where flooding is likely to occur, the difference in material diffusivity in the cathode catalyst layer of each MEA appears as a large difference in the power generation characteristics. It is easy to judge the effect on the power generation characteristics by the outflow of the hydrophobic agent.

実施例1及び比較例1のMEAの電圧―電流密度特性の結果を図7に示す。0.4Vにおける実施例1の試験前の電流密度は465mA/cmであり、比較例1(475mA/cm)より小さかったものの、試験後では、実施例1の電流密度は452mA/cmと、比較例1(157mA/cm)より大きくなった。 The results of the voltage-current density characteristics of the MEAs of Example 1 and Comparative Example 1 are shown in FIG. The current density before the test of Example 1 at 0.4 V was 465 mA / cm 2 , which was smaller than Comparative Example 1 (475 mA / cm 2 ). However, after the test, the current density of Example 1 was 452 mA / cm 2. And larger than Comparative Example 1 (157 mA / cm 2 ).

これは、実施例1では、試験後も95%の疎水剤が残存しているため、触媒層の疎水性が充分に維持されているからであると推測される。比較例1では浸漬試験により疎水剤の2/3が流出してしまったため、触媒層の疎水性が低下し、フラッディングが起こり易くなったと推測される。0.4Vにおける電流密度の、試験前後での差を比較すると、比較例1では318mA/cmであったのに対し、実施例1は13mA/cmであり、発電特性の劣化が大幅に抑制されていた。 This is presumed to be because, in Example 1, 95% of the hydrophobic agent remains after the test, so that the hydrophobicity of the catalyst layer is sufficiently maintained. In Comparative Example 1, since 2/3 of the hydrophobic agent flowed out by the immersion test, it is presumed that the hydrophobicity of the catalyst layer was lowered and flooding was likely to occur. The current density at 0.4V, when comparing the difference before and after the test, whereas Comparative Example 1 was 318mA / cm 2, Example 1 was 13 mA / cm 2, deterioration of the power generation characteristics is much It was suppressed.

実施例2の、浸漬試験後のMEAを用いた燃料電池セルの発電特性を、比較例1のデータとともに図8に示す。0.4Vにおける実施例2の電流密度は422mA/cmと、比較例1(157mA/cm)より大きくなっており、電池特性の劣化が大幅に抑制されていた。これは実施例2では、試験後も95%の疎水剤が残存しているため、触媒層の疎水性が充分に維持されているからであると推測される。 The power generation characteristics of the fuel cell using the MEA after the immersion test of Example 2 are shown in FIG. 8 together with the data of Comparative Example 1. The current density of Example 2 at 0.4 V was 422 mA / cm 2, which was larger than Comparative Example 1 (157 mA / cm 2 ), and the deterioration of battery characteristics was significantly suppressed. This is presumed to be because in Example 2, the hydrophobicity of the catalyst layer was sufficiently maintained because 95% of the hydrophobic agent remained after the test.

実施例3の浸漬試験前後のMEAを用いた燃料電池セルの発電特性を、図9に示す。図9から判るように、実施例3のMEAは浸漬試験前後でほぼ同一の発電特性を示し、ほぼ劣化していないことが判る。0.4Vにおける実施例3MEA(試験後)の電流密度は431mA/cmと、比較例1の試験後の値(157mA/cm)に比べて電池特性の劣化が大幅に抑制されていた。これは実施例3では、浸漬試験中の疎水剤の流出が殆ど無かったため、触媒層の疎水性が充分に維持されているからであると推測される。 The power generation characteristics of the fuel cell using the MEA before and after the immersion test of Example 3 are shown in FIG. As can be seen from FIG. 9, the MEA of Example 3 shows almost the same power generation characteristics before and after the immersion test, and it can be seen that there is almost no deterioration. The current density of Example 3 MEA (after the test) at 0.4 V was 431 mA / cm 2, which was significantly suppressed from deterioration of the battery characteristics as compared with the value after the test of Comparative Example 1 (157 mA / cm 2 ). This is presumed to be because the hydrophobicity of the catalyst layer was sufficiently maintained in Example 3 because there was almost no outflow of the hydrophobic agent during the immersion test.

実施例3のMEA(試験前の状態)と、比較例1のMEA(試験前の状態)を、アノード側ガス拡散層4(カーボンクロス、E−TEK製 LT1400−W)、カソード側ガス拡散層5(カーボンクロス、E−TEK製 LT1400−W)、アノード側セパレータ17、カソード側セパレータ18、アノード側集電体6及びカソード側集電体7、によって図10のような順で挟んで燃料電池単セルを形成した。   The MEA of Example 3 (state before the test) and the MEA of Comparative Example 1 (state before the test) were combined with the anode side gas diffusion layer 4 (carbon cloth, LT1400-W manufactured by E-TEK), the cathode side gas diffusion layer. 5 (carbon cloth, LT1400-W made by E-TEK), anode side separator 17, cathode side separator 18, anode side current collector 6 and cathode side current collector 7 are sandwiched in this order as shown in FIG. A single cell was formed.

実施例3及び比較例1のMEAを用いた燃料電池セルを定電圧発電試験した後の、発電特性を各々図11及び図12に示す。発電試験は、セル温度40℃、セル電圧0.75V、アノードガス、カソードガスを各々H2(流量50ccm)・空気(流量200ccm)、両ガス露点40℃として行った。さらに、発電試験においては発電・停止を各10分間ずつ繰り返して行うようにプログラム運転した。   The power generation characteristics after the constant voltage power generation test of the fuel cells using the MEAs of Example 3 and Comparative Example 1 are shown in FIGS. 11 and 12, respectively. The power generation test was performed at a cell temperature of 40 ° C., a cell voltage of 0.75 V, an anode gas and a cathode gas of H 2 (flow rate 50 ccm) / air (flow rate 200 ccm), and both gas dew points 40 ° C. Further, in the power generation test, a program operation was performed so that power generation and stop were repeated for 10 minutes each.

図11から判るように、実施例3のMEAは160時間の発電試験後で、試験前よりやや優れた発電特性を示しており、劣化していないことが判る。これに対し、図12から判るように比較例1のMEAでは、試験時間に伴って発電特性が低下していくことが判る。これは、実施例3のカソード側触媒層が、発電に伴って発生する生成水に長時間曝されても、疎水剤の流出が比較例1よりも少なく、触媒層の疎水性が充分に維持されているためであると考えられる。   As can be seen from FIG. 11, the MEA of Example 3 shows slightly better power generation characteristics after the 160-hour power generation test than before the test, and it can be seen that the MEA has not deteriorated. On the other hand, as can be seen from FIG. 12, in the MEA of Comparative Example 1, it can be seen that the power generation characteristics decrease with the test time. This is because even when the cathode side catalyst layer of Example 3 is exposed to the generated water generated during power generation for a long time, the outflow of the hydrophobic agent is less than that of Comparative Example 1, and the hydrophobicity of the catalyst layer is sufficiently maintained. It is thought that this is because

本発明の触媒層の一例の一部を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a part of example of the catalyst layer of this invention. 本発明の膜電極接合体の一例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows an example of the membrane electrode assembly of this invention. 本発明の燃料電池セルの一例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows an example of the fuel battery cell of this invention. 本発明の燃料電池セルの一例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows an example of the fuel battery cell of this invention. 本発明の燃料電池セルの一例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows an example of the fuel battery cell of this invention. 本実施例の燃料電池セルの一例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows an example of the fuel battery cell of a present Example. 実施例1及び比較例1の燃料電池セルの電圧―電流密度特性を示す図である。It is a figure which shows the voltage-current density characteristic of the fuel cell of Example 1 and Comparative Example 1. 実施例2および比較例1の燃料電池セルの電圧―電流密度特性を示す図である。It is a figure which shows the voltage-current density characteristic of the fuel cell of Example 2 and Comparative Example 1. 実施例3の燃料電池セルの電圧―電流密度特性を示す図である。FIG. 6 is a graph showing voltage-current density characteristics of the fuel battery cell of Example 3. 実施例3および比較例1の燃料電池セルの構成を示す模式断面図である。3 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of fuel cells of Example 3 and Comparative Example 1. FIG. 実施例3の燃料電池セルの定電圧発電試験における電流値の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the electric current value in the constant voltage electric power generation test of the fuel cell of Example 3. 比較例1の燃料電池セルの定電圧発電試験における電流値の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the electric current value in the constant voltage power generation test of the fuel cell of the comparative example 1.

符号の説明Explanation of symbols

1 固体高分子電解質膜
2 アノード側触媒層
3 カソード側触媒層
4 アノード側ガス拡散層
5 カソード側ガス拡散層
6 アノード側集電体
7 カソード側集電体
8 MEA(膜電極接合体)
9 MPL
10 サブレイヤー
11 触媒層
12 疎水性基を有するシロキサン重合体(疎水剤)
13 プロトン伝導性電解質
14 含フッ素重合体
15 Oリングシール
16 発泡金属層
17 アノード側セパレータ
18 カソード側セパレータ
19 触媒構造体層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid polymer electrolyte membrane 2 Anode side catalyst layer 3 Cathode side catalyst layer 4 Anode side gas diffusion layer 5 Cathode side gas diffusion layer 6 Anode side current collector 7 Cathode side current collector 8 MEA (membrane electrode assembly)
9 MPL
10 Sublayer 11 Catalyst layer 12 Siloxane polymer having hydrophobic group (hydrophobic agent)
13 Proton Conducting Electrolyte 14 Fluoropolymer 15 O Ring Seal 16 Foamed Metal Layer 17 Anode Side Separator 18 Cathode Side Separator 19 Catalyst Structure Layer

Claims (17)

少なくとも白金を含む触媒構造体と、プロトン伝導性電解質と、疎水性基を有するシロキサン重合体と、からなる触媒構造体層と、
該触媒構造体層の被膜である疎水性被膜と、
を有することを特徴とする触媒層。
A catalyst structure layer comprising a catalyst structure containing at least platinum, a proton conductive electrolyte, and a siloxane polymer having a hydrophobic group;
A hydrophobic coating that is a coating of the catalyst structure layer;
A catalyst layer characterized by comprising:
前記疎水性被膜が含フッ素重合体からなることを特徴とする請求項1に記載の触媒層。   The catalyst layer according to claim 1, wherein the hydrophobic coating is made of a fluoropolymer. 前記含フッ素重合体が、パーフルオロポリエーテル、フルオロシランポリマー、ヘキサフルオロプロピレンエポキシドのいずれかの重合体を含むことを特徴とする請求項2に記載の触媒層。   The catalyst layer according to claim 2, wherein the fluorine-containing polymer contains a polymer of perfluoropolyether, fluorosilane polymer, or hexafluoropropylene epoxide. 前記触媒構造体が樹枝状形状を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の触媒層。   The catalyst layer according to claim 1, wherein the catalyst structure has a dendritic shape. 請求項1〜4のいずれかに記載の触媒層と、高分子電解質膜と、を少なくとも有することを特徴とする膜電極接合体。   5. A membrane / electrode assembly comprising at least the catalyst layer according to claim 1 and a polymer electrolyte membrane. 請求項5に記載の膜電極接合体と、ガス拡散層と、集電体と、を有することを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 5, a gas diffusion layer, and a current collector. 1)少なくとも白金酸化物を含む触媒前駆体層の表面に、Siと、該Siと結合している−OHまたは該Siと結合しており加水分解により−OHとなる基と、疎水性基と、を有するSi化合物を付与する工程と、
2)前記Si化合物が付与された触媒前駆体層の表面にプロトン伝導性電解質を付与する工程と、
3)前記プロトン伝導性電解質が付与された触媒前駆体層の表面に疎水性被膜を形成する工程と、
4)前記疎水性被膜が形成された触媒前駆体層を還元する工程と、
を有することを特徴とする触媒層の製造方法。
1) On the surface of the catalyst precursor layer containing at least platinum oxide, Si, -OH bonded to Si, a group bonded to Si and converted to -OH by hydrolysis, and a hydrophobic group Providing a Si compound having:
2) providing a proton conductive electrolyte on the surface of the catalyst precursor layer provided with the Si compound;
3) forming a hydrophobic coating on the surface of the catalyst precursor layer provided with the proton conductive electrolyte;
4) reducing the catalyst precursor layer on which the hydrophobic coating is formed;
A method for producing a catalyst layer, comprising:
前記2)の工程の後かつ前記3)の前に、前記2)の工程によって得られた前記プロトン伝導性電解質が付与された触媒前駆体層を高分子電解質膜の表面に接合する工程をさらに有することを特徴とする請求項7に記載の触媒層の製造方法。   After the step 2) and before the step 3), a step of joining the catalyst precursor layer provided with the proton conductive electrolyte obtained in the step 2) to the surface of the polymer electrolyte membrane is further performed. The method for producing a catalyst layer according to claim 7, comprising: i)少なくとも白金酸化物を含む触媒前駆体層の表面に、Siと、該Siと結合している−OHまたは該Siと結合しており加水分解により−OHとなる基と、疎水性基と、を有するSi化合物を付与する工程と、
ii)前記Si化合物が付与された触媒前駆体層の表面にプロトン伝導性電解質を付与する工程と、
iii)前記プロトン伝導性電解質が付与された触媒前駆体層を還元して触媒構造体層(a)を得る工程と、
iv)前記触媒構造体層(a)の表面に疎水性被膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする触媒層の製造方法。
i) On the surface of the catalyst precursor layer containing at least platinum oxide, Si, —OH bonded to Si, a group bonded to Si and converted to —OH by hydrolysis, and a hydrophobic group Providing a Si compound having:
ii) providing a proton conductive electrolyte on the surface of the catalyst precursor layer provided with the Si compound;
iii) reducing the catalyst precursor layer provided with the proton conductive electrolyte to obtain a catalyst structure layer (a);
iv) forming a hydrophobic coating on the surface of the catalyst structure layer (a);
A method for producing a catalyst layer, comprising:
前記ii)の工程の後であってiii)の工程の前に、前記ii)の工程によって得られたプロトン伝導性電解質が付与された触媒前駆体層を高分子電解質膜の表面に接合する工程を有することを特徴とする請求項9に記載の触媒層の製造方法。   The step of joining the catalyst precursor layer provided with the proton conductive electrolyte obtained by the step ii) to the surface of the polymer electrolyte membrane after the step ii) and before the step iii) The method for producing a catalyst layer according to claim 9, wherein: 前記iii)の工程の後であってiv)の工程の前に、前記iii)の工程によって得られた前記触媒構造体層(a)を高分子電解質膜の表面に接合する工程をさらに有することを特徴とする請求項9に記載の触媒層の製造方法。   The method further comprises the step of joining the catalyst structure layer (a) obtained by the step iii) to the surface of the polymer electrolyte membrane after the step iii) and before the step iv). The method for producing a catalyst layer according to claim 9. I)少なくとも白金酸化物を含む触媒前駆体層の表面に、Siと、該Siと結合している−OHまたは該Siと結合しており加水分解により−OHとなる基と、疎水性基と、を有するSi化合物を付与する工程と、
II)前記触媒前駆体層を還元して触媒構造体層(b)とする工程と、
III)前記触媒構造体層(b)の表面にプロトン伝導性電解質を付与する工程と、
IV)前記プロトン伝導性電解質が付与された触媒構造体層(b)の表面に疎水性被膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする触媒層の製造方法。
I) On the surface of the catalyst precursor layer containing at least platinum oxide, Si, —OH bonded to Si, a group bonded to Si and converted to —OH by hydrolysis, and a hydrophobic group Providing a Si compound having:
II) reducing the catalyst precursor layer to a catalyst structure layer (b);
III) providing a proton conductive electrolyte on the surface of the catalyst structure layer (b);
IV) forming a hydrophobic coating on the surface of the catalyst structure layer (b) provided with the proton conductive electrolyte;
A method for producing a catalyst layer, comprising:
前記III)の工程の後であり前記IV)の前に、前記III)の工程によって得られたプロトン伝導性電解質が付与された触媒構造体層(b)を高分子電解質膜に接合する工程をさらに有することを特徴とする請求項12に記載の触媒層の製造方法。   After the step III) and before the step IV), a step of joining the catalyst structure layer (b) provided with the proton conductive electrolyte obtained by the step III) to the polymer electrolyte membrane The method for producing a catalyst layer according to claim 12, further comprising: 前記疎水性被膜が含フッ素重合体からなることを特徴とする請求項7〜13のいずれかに記載の触媒層の製造方法。   The method for producing a catalyst layer according to any one of claims 7 to 13, wherein the hydrophobic film is made of a fluoropolymer. 前記含フッ素重合体が、パーフルオロポリエーテル、フルオロシランポリマーおよびヘキサフルオロプロピレンエポキシドのうちのいずれかの重合体を含むことを特徴とする請求項14に記載の触媒層の製造方法。   The method for producing a catalyst layer according to claim 14, wherein the fluorine-containing polymer includes any one of a perfluoropolyether, a fluorosilane polymer, and a hexafluoropropylene epoxide. 前記Siと結合しており加水分解により−OHとなる基が、−H、−OR(R:炭素数6以下のアルキル基)、−Clのうちのいずれかであることを特徴とする請求項7〜15に記載の触媒層の製造方法。   The group which is bonded to Si and becomes -OH by hydrolysis is any one of -H, -OR (R: an alkyl group having 6 or less carbon atoms), and -Cl. The manufacturing method of the catalyst layer of 7-15. 前記白金酸化物を含む触媒前駆体層を形成する工程が、気相法により行われることを特徴とする請求項7〜16に記載の触媒層の製造方法。   The method for producing a catalyst layer according to any one of claims 7 to 16, wherein the step of forming the catalyst precursor layer containing platinum oxide is performed by a gas phase method.
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