JP5430079B2 - Manufacturing method of membrane electrode assembly - Google Patents

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Description

本発明は膜電極接合体の製造方法、燃料電池の製造方法、膜電極接合体及び燃料電池に関するものである。本発明の製造方法による膜電極接合体は、燃料電池の膜電極接合体として好適に使用することができる。   The present invention relates to a method for manufacturing a membrane electrode assembly, a method for manufacturing a fuel cell, a membrane electrode assembly, and a fuel cell. The membrane electrode assembly according to the production method of the present invention can be suitably used as a membrane electrode assembly for a fuel cell.

固体高分子型燃料電池は、エネルギー変換効率が高いこと、クリーンであること、静かであることなどから、将来のエネルギー生成装置として期待されている。固体高分子型燃料電池はエネルギー密度が高く、運転温度が低いことから、近年では、自動車や家庭用発電機などの用途だけではなく、携帯電話、ノート型パソコン、デジタルカメラなど小型の電気機器などの用途も検討されている。固体高分子型燃料電池は、従来の二次電池に比べ長時間駆動できる可能性があり、注目を集めている。   The polymer electrolyte fuel cell is expected as a future energy generation device because of its high energy conversion efficiency, cleanliness, and quietness. Since polymer electrolyte fuel cells have high energy density and low operating temperature, in recent years, they are not only used for automobiles and household power generators, but also for small electric devices such as mobile phones, laptop computers, digital cameras, etc. The use of is also being studied. Solid polymer fuel cells are attracting attention because they may be able to be driven for a longer time than conventional secondary batteries.

固体高分子型燃料電池は、運転温度が100℃以下でも駆動できるという利点を有する一方、発電時間の経過に伴って次第に電圧が低下し、終には発電が停止するという問題点を有している。   While the polymer electrolyte fuel cell has the advantage that it can be driven even at an operating temperature of 100 ° C. or lower, it has the problem that the voltage gradually decreases with the lapse of the power generation time and the power generation stops at the end. Yes.

このような問題点は、反応で生じる水が触媒層の空隙内に滞留し、触媒層中の空隙を水が塞いで、反応物質である燃料ガスの供給を妨げることにより、電圧が低下して終には発電反応が停止するという、所謂「フラッディング現象」に起因している。特に水が生成するカソード側の触媒層でフラッディングが起きやすい。   Such a problem is that the water generated by the reaction stays in the gap of the catalyst layer, and the gap in the catalyst layer is blocked by water, and the supply of the fuel gas, which is a reactant, is hindered. This is due to a so-called “flooding phenomenon” in which the power generation reaction stops. In particular, flooding is likely to occur in the catalyst layer on the cathode side where water is generated.

また、小型の電気機器用燃料電池として実用化するためには、システム全体のコンパクト化が必須である。特に燃料電池を小型電気機器に搭載する場合においては、システム全体だけでなく電池自体も小型化する必要がある。そのため、ポンプやブロワーなどを用いずに空気を通気孔から自然拡散によって空気極(カソード)へ供給される方式(Air Breathing)が有力視されている。   Moreover, in order to put it to practical use as a small fuel cell for electric equipment, it is essential to make the entire system compact. In particular, when the fuel cell is mounted on a small electric device, it is necessary to downsize not only the entire system but also the battery itself. For this reason, a method (Air Breathing) in which air is supplied to the air electrode (cathode) by natural diffusion without using a pump or a blower is considered promising.

このような方式を用いた場合、生成水は自然蒸発によってのみ燃料電池外へ排出されるので、生成水が触媒層に滞留しフラッディングが起こることが多い。   When such a method is used, the generated water is discharged out of the fuel cell only by natural evaporation, so that the generated water stays in the catalyst layer and flooding often occurs.

以上のことから、触媒層のガス拡散性、特に生成水散逸性を向上させ、フラッディングを抑制することが、燃料電池の性能安定性を左右する重要な要素となると考えられる。   From the above, it is considered that improving the gas diffusibility of the catalyst layer, particularly the generated water dissipation, and suppressing flooding are important factors affecting the performance stability of the fuel cell.

これに関して、特許文献1及び2には、触媒層に排水用の溝を設けることで、ガス拡散性及び生成水散逸性を向上させる技術が開示されている。   In this regard, Patent Documents 1 and 2 disclose techniques for improving gas diffusibility and generated water dissipation by providing a drainage groove in the catalyst layer.

一方、特許文献3には、スパッタ法やイオンプレーティング法を用いて、樹枝状形状を有する多孔質触媒層を形成する方法が開示されている。特許文献3は、触媒層の厚さを数μmと従来の白金担持カーボン触媒(数10μm)よりも薄くし、ガス及び水滴の物質拡散経路を短くすることで、ガス拡散性及び生成水散逸性を向上させる技術を開示する。   On the other hand, Patent Document 3 discloses a method of forming a porous catalyst layer having a dendritic shape using a sputtering method or an ion plating method. In Patent Document 3, the thickness of the catalyst layer is several μm, which is thinner than that of the conventional platinum-supported carbon catalyst (several tens of μm), and the material diffusion path of gas and water droplets is shortened. Disclosed is a technique for improving the performance.

また、非特許文献1には、イオンビームアシスト蒸着(IBAD)法によって触媒層を成膜する際に、マスクを用いることで、触媒形成領域と触媒非形成領域とに分けるように触媒層をパターニングしている。非特許文献1は、これにより生成水の散逸性が向上し、燃料電池の出力が向上する、としている。
特開2004−327358号公報 特開2004−039474号公報 特開2006−49278号公報 M.S.Saha A.F.Gulla,R.J.Allen and S.Mukerjee,Electrochim.Acta,51(2006)4680.
In Non-Patent Document 1, when forming a catalyst layer by an ion beam assisted deposition (IBAD) method, the catalyst layer is patterned to be divided into a catalyst formation region and a catalyst non-formation region by using a mask. doing. Non-Patent Document 1 states that the dissipating property of the generated water is thereby improved and the output of the fuel cell is improved.
JP 2004-327358 A JP 2004-039474 A JP 2006-49278 A M.M. S. Saha A.B. F. Gulla, R .; J. et al. Allen and S.M. Mukerjee, Electrochim. Acta, 51 (2006) 4680.

特許文献3の実施例では、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)製の転写シートを基板として、気相成膜法により多孔質触媒層を形成した後、固体高分子電解質膜に転写することで膜電極接合体(以下、「MEA」という)を作製している。   In the example of Patent Document 3, a porous catalyst layer is formed by a vapor deposition method using a PTFE (polytetrafluoroethylene) transfer sheet as a substrate, and then transferred to a solid polymer electrolyte membrane to form a membrane electrode A joined body (hereinafter referred to as “MEA”) is produced.

しかしながら、本発明の発明者らが鋭意検討を行った結果、特許文献3の実施例の場合、多孔質触媒層のPTFEシート側近傍で、厚さ約0.1〜0.2μmほどの緻密層が形成されることがわかった。なお、本願発明及び本明細書において、緻密層とは、多孔質ではあるが、多孔質触媒層中の他の領域と比べて空孔率が低い層状の領域のことである。   However, as a result of intensive studies by the inventors of the present invention, in the case of the example of Patent Document 3, in the vicinity of the PTFE sheet side of the porous catalyst layer, a dense layer having a thickness of about 0.1 to 0.2 μm. Was found to form. In addition, in this invention and this specification, a dense layer is a layered area | region which is porous, but has a low porosity compared with the other area | region in a porous catalyst layer.

更に、発明者らは、燃料電池セルを組み立てた際、この緻密層により多孔質触媒層とガス拡散層の間の物質拡散性が阻害されるという問題点を見出した。   Furthermore, the inventors have found that when the fuel cell is assembled, the dense layer inhibits the material diffusibility between the porous catalyst layer and the gas diffusion layer.

さらに、MEAを作製した際、電解質膜の膨潤作用により触媒層に幅1μm以上のクラックがランダムな形状で多数生じていることを見出した。この多孔質触媒層においては、ガス及び水滴は触媒層中を面内方向に拡散し、このクラックを通してガス拡散層とやり取りされているものと考えられる。   Furthermore, when producing MEA, it discovered that many cracks with a width of 1 micrometer or more were produced in the random shape in the catalyst layer by the swelling action of the electrolyte membrane. In this porous catalyst layer, it is considered that gas and water droplets diffuse in the catalyst layer in the in-plane direction and are exchanged with the gas diffusion layer through this crack.

すなわち、従来では、物質拡散経路の長さが触媒層の厚みより大きくなっている場所が多数存在しており、このことが多孔質触媒層の物質拡散性を低下させてしまう要因となっていた。   That is, conventionally, there are many places where the length of the substance diffusion path is larger than the thickness of the catalyst layer, and this has been a factor of reducing the substance diffusibility of the porous catalyst layer. .

ここで、特許文献1及び2に記載の製造方法を、単純に特許文献3に記載の触媒層製造方法に組み合わせて排水溝を設けたとしても、触媒層の転写シート近傍にはやはり緻密層が形成されてしまうため、物質拡散性が阻害されてしまい、問題の解決に至らない。   Here, even if the manufacturing method described in Patent Documents 1 and 2 is simply combined with the catalyst layer manufacturing method described in Patent Document 3 and a drainage groove is provided, a dense layer is still formed near the transfer sheet of the catalyst layer. Since it is formed, the material diffusibility is hindered and the problem cannot be solved.

また、特許文献2に記載の製造方法による場合、転写シートを金型により折り曲げることにより触媒の非転写部、すなわち溝を形成している。このため形成可能な溝の幅と間隔は転写シートの厚みの2倍より大きくなる。特許文献2には、転写シートの厚みは10μm以上でないと製造操作に耐える強度が得られないと記載されているので、溝の幅及び間隔は20μmより大きいものに制限されるという問題点がある。   Further, in the case of the manufacturing method described in Patent Document 2, a non-transfer portion of the catalyst, that is, a groove is formed by bending the transfer sheet with a mold. For this reason, the width and interval of the grooves that can be formed are larger than twice the thickness of the transfer sheet. Patent Document 2 describes that the strength of the manufacturing operation cannot be obtained unless the thickness of the transfer sheet is 10 μm or more. Therefore, there is a problem that the width and interval of the grooves are limited to those larger than 20 μm. .

特許文献3に記載の触媒層の物質拡散性を向上させるには、溝の間隔を触媒層の厚み(数μm)とほぼ同等にする必要があるので、特許文献2に記載の方法を単純に組み合わせても問題の解決には至らない。   In order to improve the material diffusibility of the catalyst layer described in Patent Document 3, it is necessary to make the groove interval substantially equal to the thickness (several μm) of the catalyst layer, so the method described in Patent Document 2 is simply Combining them does not solve the problem.

また、溝の幅が数100μmと大きいと毛管力が弱くなるため、溝内に生成水が滞留しやすくなるという問題点があるため、好ましくなく、やはり問題の解決には至らない。   Further, when the groove width is as large as several hundreds of micrometers, the capillary force is weakened, and thus there is a problem that the generated water tends to stay in the groove, which is not preferable, and the problem cannot be solved.

一方、非特許文献1に記載されているようにマスク成膜法を用いて触媒非形成領域(この領域は、機能的には排水溝である)を設けることは、簡便な方法ではあるが、マスク上に形成された触媒が無駄となってしまうので、コスト面で問題がある。仮に、マスク上に形成された触媒を回収し再利用するとしても、回収コストは無視できない。また、マスクの製作費用もコスト増の一因となる。   On the other hand, as described in Non-Patent Document 1, it is a simple method to provide a non-catalyst formation region (this region is functionally a drainage groove) using a mask film formation method. Since the catalyst formed on the mask is wasted, there is a problem in terms of cost. Even if the catalyst formed on the mask is recovered and reused, the recovery cost cannot be ignored. In addition, the mask manufacturing cost also contributes to the cost increase.

従来技術には上記のような問題があり、特許文献3に記載の樹枝状形状を有する触媒層の物質拡散性及び生成水散逸性を向上し、触媒利用効率を向上させる実用的な技術が求められていた。   The prior art has the above-mentioned problems, and a practical technique for improving the material diffusibility and generated water dissipation of the catalyst layer having a dendritic shape described in Patent Document 3 and improving the catalyst utilization efficiency is demanded. It was done.

本発明は以上のような事情に鑑みて構成されたもので、物質拡散性と触媒利用効率を向上させた膜電極接合体の製造方法を提供することを目的とするものである。   This invention is comprised in view of the above situations, and it aims at providing the manufacturing method of the membrane electrode assembly which improved the material diffusibility and the catalyst utilization efficiency.

また、本発明は、上記の製造方法により製造された膜電極接合体を用いて、高出力で安定な発電特性を有する燃料電池を低コストで提供することを目的としている。   Another object of the present invention is to provide a fuel cell having high output and stable power generation characteristics at low cost using the membrane electrode assembly produced by the above production method.

さらに、本発明は、物質拡散性と触媒利用効率に優れた膜電極接合体及びそれを用いた燃料電池を提供することを目的とする。   Furthermore, an object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly excellent in substance diffusibility and catalyst utilization efficiency and a fuel cell using the same.

そこで、本発明は、固体高分子電解質膜の両側に触媒層を有する膜電極接合体の製造方法において、
シートの表面に触媒又は触媒前駆体からなる第一の層を気相成膜法により成膜する第一成膜工程と、
前記第一の層に貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔を形成した第一の層の表面に触媒又は触媒前駆体からなる第二の層を気相成膜法により成膜する第二成膜工程と、
前記第二の層の表面に固体高分子電解質膜を接合する工程と、
前記シートを前記第一の層から剥離する工程と、
を少なくとも有することを特徴とする膜電極接合体の製造方法である。これらの工程によって、前記触媒層のうちの少なくとも一方が固体高分子電解質膜上に形成されることになる。
Therefore, the present invention provides a method for producing a membrane electrode assembly having a catalyst layer on both sides of a solid polymer electrolyte membrane,
A first film forming step of forming a first layer comprising a catalyst or a catalyst precursor on the surface of the sheet by a vapor phase film forming method;
Forming a through hole in the first layer;
A second film forming step of forming a second layer made of a catalyst or a catalyst precursor on the surface of the first layer in which the through holes are formed by a vapor phase film forming method;
Bonding a solid polymer electrolyte membrane to the surface of the second layer;
Peeling the sheet from the first layer;
Is a method for producing a membrane electrode assembly, comprising: Through these steps, at least one of the catalyst layers is formed on the solid polymer electrolyte membrane.

前記第一の層に貫通孔を形成する工程は、該第一の層の前記シートに接する表面の開口率が8%以上40%以下となるように貫通孔を形成する工程であることが好ましい。   The step of forming the through hole in the first layer is preferably a step of forming the through hole so that the opening ratio of the surface of the first layer in contact with the sheet is 8% or more and 40% or less. .

前記第一の層に貫通孔を形成する工程は、貫通孔形成後に該第一の層中の触媒又は触媒前駆体が前記シートの表面積1cmあたり50μg以上残存するように貫通孔を形成する工程であることが好ましい。 The step of forming the through hole in the first layer is a step of forming the through hole so that the catalyst or the catalyst precursor in the first layer remains at 50 μg or more per 1 cm 2 of the surface area of the sheet after the through hole is formed. It is preferable that

前記第一成膜工程の前に、前記シートの表面に凹凸を設ける工程を有し、該凹凸を設けた表面に前記第一の層を成膜することが好ましい。このような凹凸としては、筋状の凹凸が好ましい。前記シートの表面に凹凸を設ける工程としては、ラビング処理又は研磨処理が好適に用いられる。前記第二の層の表面に固体高分子電解質膜を接合する工程は、前記凹凸の凸部上に形成された第二の層と、該凹凸の凹部上に形成された第二の層の少なくとも一部と、前記固体高分子電解質膜に接合する工程であることが好ましい。 Before the first film forming step, it is preferable to have a step of providing irregularities on the surface of the sheet, and depositing the first layer on the surface having the irregularities. As such irregularities, streaky irregularities are preferable. As the step of providing irregularities on the surface of the sheet, rubbing treatment or polishing treatment is preferably used. The step of bonding the solid polymer electrolyte membrane to the surface of the second layer includes at least a second layer formed on the concave and convex portions and a second layer formed on the concave and convex portions. It is preferable to be a step of joining a part and the solid polymer electrolyte membrane.

前記貫通孔を設ける方法は種々考えられるが、ドライエッチング法が好ましい。   Various methods for providing the through hole are conceivable, but a dry etching method is preferable.

前記第一の層として白金あるいは白金酸化物からなる層を設け、前記第二の層としてPtOx(X≧2)からなる層を設け、該PtOx(X≧2)を還元する工程を有することが好ましい。前記PtOx(X≧2)を還元することにより、樹枝状形状を有する触媒層を形成することが好ましい。   Providing a layer made of platinum or platinum oxide as the first layer, providing a layer made of PtOx (X ≧ 2) as the second layer, and reducing the PtOx (X ≧ 2). preferable. It is preferable to form a catalyst layer having a dendritic shape by reducing the PtOx (X ≧ 2).

また、本発明は、上記いずれかに記載の製造方法により膜電極接合体を製造する工程と、前記膜電極接合体の両側にガス拡散層を形成する工程と、を少なくとも有する燃料電池の製造方法である。   Further, the present invention provides a method for producing a fuel cell comprising at least a step of producing a membrane electrode assembly by any one of the production methods described above and a step of forming a gas diffusion layer on both sides of the membrane electrode assembly. It is.

さらに、本発明は、固体高分子電解質膜の両側に触媒層を有し、該触媒層の少なくとも一方が樹枝状形状を有する触媒層である膜電極接合体において、
該樹枝状形状を有する触媒層はマクロクラック及び貫通孔を有し、該樹枝状形状を有する触媒層の該マクロクラックに囲まれた領域内の前記貫通孔の前記固体高分子電解質膜と反対側の表面における開口率が8%以上40%以下であることを特徴とする膜電極接合体である。
Furthermore, the present invention provides a membrane electrode assembly having a catalyst layer on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, wherein at least one of the catalyst layers is a catalyst layer having a dendritic shape,
The catalyst layer having the dendritic shape has macro cracks and through holes, and the through hole in the region surrounded by the macro cracks of the catalyst layer having the dendritic shape is opposite to the solid polymer electrolyte membrane. The membrane electrode assembly is characterized in that the aperture ratio at the surface is 8% or more and 40% or less.

前記マクロクラックに囲まれた領域の円相当直径の加重平均は35μm以下であることが好ましく、該円相当直径の標準偏差は前記加重平均の50%以下であることが好ましい。   The weighted average of the equivalent circle diameter in the region surrounded by the macro cracks is preferably 35 μm or less, and the standard deviation of the equivalent circle diameter is preferably 50% or less of the weighted average.

また、本発明は、このような膜電極接合体と、その両側に存在するガス拡散層と、を少なくとも有する燃料電池である。   Further, the present invention is a fuel cell having at least such a membrane electrode assembly and gas diffusion layers present on both sides thereof.

本発明の膜電極接合体の製造方法及び燃料電池の製造方法によれば、得られた膜電極接合体の物質拡散性を向上させるとともに、触媒層のフラッディングに伴う燃料電池の出力低下を抑制し、長期間安定に駆動し得る燃料電池を得ることができる。また、触媒利用効率を向上させることができるため、触媒量を低減することができ、膜電極接合体及び燃料電池の低コスト化を図ることができる。本発明の膜電極接合体及び燃料電池によっても、膜電極接合体の物質拡散性を向上させ、触媒層のフラッディングに伴う燃料電池の出力低下を抑制し、長期間安定に駆動し得る燃料電池を得ることができる。   According to the method for manufacturing a membrane electrode assembly and the method for manufacturing a fuel cell of the present invention, it is possible to improve the material diffusibility of the obtained membrane electrode assembly and to suppress a decrease in the output of the fuel cell due to flooding of the catalyst layer. Thus, a fuel cell that can be stably driven for a long time can be obtained. Moreover, since the catalyst utilization efficiency can be improved, the amount of catalyst can be reduced, and the cost of the membrane electrode assembly and the fuel cell can be reduced. According to the membrane electrode assembly and the fuel cell of the present invention, a fuel cell that improves the material diffusibility of the membrane electrode assembly, suppresses the output decrease of the fuel cell due to the flooding of the catalyst layer, and can be driven stably for a long time. Can be obtained.

本発明者らが鋭意検討を行った結果、前述した問題を解決するには、前記緻密層中の物質拡散性を向上すること、及び/又は、前記クラックに囲まれて島状になった触媒領域(以下、「触媒グレイン」と呼ぶ場合がある)の円相当直径を小さくすることによって触媒層中の面内方向の物質拡散経路長を短くすること、が有効であるとの考えに至った。   As a result of intensive studies by the present inventors, in order to solve the above-mentioned problem, the material diffusibility in the dense layer is improved and / or the catalyst is island-shaped surrounded by the cracks. It came to the idea that shortening the in-plane material diffusion path length in the catalyst layer by reducing the equivalent circle diameter of the region (hereinafter sometimes referred to as “catalyst grain”) is effective. .

これに加えて、前記触媒グレインの円相当直径のバラツキを小さくすることで、触媒層の物質拡散性を向上することができることを見出した。   In addition, it has been found that the material diffusibility of the catalyst layer can be improved by reducing the variation in the equivalent circle diameter of the catalyst grains.

以下、図面を用いて、本発明に係る膜電極接合体の製造方法の好適な実施の形態、本発明に係る燃料電池の製造方法の好適な実施の形態及び本発明に係る膜電極接合体の好適な実施の形態並びにそれを用いた燃料電池の好適な実施の形態について説明する。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, preferred embodiments of a method for producing a membrane electrode assembly according to the present invention, preferred embodiments of a method for producing a fuel cell according to the present invention, and a membrane electrode assembly according to the present invention will be described with reference to the drawings. A preferred embodiment and a preferred embodiment of a fuel cell using the same 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.

まず、本発明の製造方法によって製造される膜電極接合体及び燃料電池の好適な形態について説明する。   First, preferred embodiments of the membrane electrode assembly and the fuel cell manufactured by the manufacturing method of the present invention will be described.

本明細書でいうところの膜電極接合体(MEA)は、固体高分子電解質膜の両側に触媒層を有するものである。   The membrane electrode assembly (MEA) referred to in this specification has a catalyst layer on both sides of a solid polymer electrolyte membrane.

図1は、本発明によって製造方法される膜電極接合体を用いた燃料電池単セルの断面構成の一例を示す模式図である。図1において、1は固体高分子電解質膜であり、これを挟んで一対の触媒層、すなわちアノード側触媒層2と、カソード側触媒層3が配置されている。この固体高分子電解質膜1とアノード側触媒層2とカソード側触媒層3との一体物がMEA8である。   FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a cross-sectional configuration of a fuel cell single cell using a membrane electrode assembly produced by the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a solid polymer electrolyte membrane, and a pair of catalyst layers, that is, an anode-side catalyst layer 2 and a cathode-side catalyst layer 3 are arranged with this sandwiched therebetween. An integral body of the solid polymer electrolyte membrane 1, the anode side catalyst layer 2, and the cathode side catalyst layer 3 is an MEA8.

本例においては、カソード側電極(空気極)側のみに本発明の製造方法による触媒層が配置された例を示すが、触媒層の配置構成はこれに限定されるものではない。例えば、本発明による触媒層をアノード側に配置してもよいし、アノード側のみに配置してもよい。もっとも、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いことからすれば、少なくともカソード側には本発明の製法による触媒層を配置することが好ましい。   In this example, an example is shown in which the catalyst layer according to the production method of the present invention is arranged only on the cathode side electrode (air electrode) side, but the arrangement configuration of the catalyst layer is not limited to this. For example, the catalyst layer according to the present invention may be disposed on the anode side, or may be disposed only on the anode side. However, in view of the fact that flooding is likely to occur in the cathode-side catalyst layer where water is generated, it is preferable to dispose a catalyst layer according to the production method of the present invention at least on the cathode side.

アノード側触媒層2の外側には、アノード側ガス拡散層4とアノード側電極(燃料極)6が配置される。アノード側電極6は燃料ガス(代表的には水素ガス)が通過できる貫通孔を少なくとも1つは有している。アノード側ガス拡散層4は、微細孔層(マイクロポーラス層。以下、MPLと略記する。)9と、MPL9を支持するガス拡散基材10とから構成される。   An anode side gas diffusion layer 4 and an anode side electrode (fuel electrode) 6 are disposed outside the anode side catalyst layer 2. The anode electrode 6 has at least one through hole through which fuel gas (typically hydrogen gas) can pass. The anode-side gas diffusion layer 4 is composed of a microporous layer (microporous layer, hereinafter abbreviated as MPL) 9 and a gas diffusion base material 10 that supports the MPL 9.

カソード側の触媒層3の外側には、カソード側ガス拡散層5、カソード側電極(空気極)7及び発泡金属12が配置される。カソード側ガス拡散層5も、MPL9と、MPL9を支持するガス拡散基材10とから構成される。   On the outside of the catalyst layer 3 on the cathode side, a cathode side gas diffusion layer 5, a cathode side electrode (air electrode) 7 and a foam metal 12 are arranged. The cathode-side gas diffusion layer 5 is also composed of MPL 9 and a gas diffusion base material 10 that supports MPL 9.

また電極6及び7の材料としては、導電性と耐酸化性に優れた材料が好適に用いられる。好適な材料の具体例としては、白金、チタン、カーボン、SUS(ステンレス)、金で被覆したSUS、カーボンで被覆したSUS、金で被覆したアルミニウム、カーボンで被覆したアルミニウムを挙げることができる。   Moreover, as the material of the electrodes 6 and 7, a material excellent in conductivity and oxidation resistance is preferably used. Specific examples of suitable materials include platinum, titanium, carbon, SUS (stainless steel), SUS coated with gold, SUS coated with carbon, aluminum coated with gold, and aluminum coated with carbon.

発泡金属12の材料としては、電極6及び7と同じく、導電性と耐酸化性に優れた材料が好適である。具体的には、SUS、ニッケルクロム合金、チタンが好適に用いられる。ニッケルクロム合金発泡金属の例として、セルメット(登録商標、富山住友電工社製)が挙げられる。耐蝕性向上や接触抵抗低減の観点から、これらのいずれかの材料が金で被覆されたものであっても良い。発泡金属12は必ずしも用いなくても良いが、用いない場合は、電極7に貫通孔を設け、少なくとも酸素や水蒸気ガスが通過できる機能を付与することが必要である。なお、発泡金属12は必ずしもカソード側のみに設置するものではなく、アノード側のみ用いても良いし、両極に用いても良い。発泡金属12の細孔径や空孔率は、反応ガスや水蒸気などの拡散を阻害しないものであれば、特に限定されるものではない。   As the material of the foam metal 12, like the electrodes 6 and 7, a material excellent in conductivity and oxidation resistance is suitable. Specifically, SUS, nickel chromium alloy, and titanium are preferably used. As an example of the nickel chromium alloy foam metal, Celmet (registered trademark, manufactured by Toyama Sumitomo Electric Co., Ltd.) can be mentioned. From the viewpoint of improving corrosion resistance and reducing contact resistance, any of these materials may be coated with gold. The foam metal 12 is not necessarily used, but if not used, it is necessary to provide a through hole in the electrode 7 and to provide a function of allowing at least oxygen and water vapor gas to pass. The foam metal 12 is not necessarily installed only on the cathode side, but may be used only on the anode side or on both electrodes. The pore diameter and porosity of the foam metal 12 are not particularly limited as long as they do not hinder the diffusion of reaction gas, water vapor and the like.

固体高分子電解質膜(以下、単に「電解質膜」という場合がある)1としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体を好適に使用することができる。パーフルオロスルホン酸重合体の例としてNafion(ナフィオン)(登録商標、デュポン社製)が挙げられる。   As the solid polymer electrolyte membrane (hereinafter sometimes simply referred to as “electrolyte membrane”) 1, a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group can be suitably used. An example of a perfluorosulfonic acid polymer is Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont).

なお、プロトンHが電解質膜中をカソード側に向かって移動する場合には水分子を媒体として電解質中の親水性部分を移動する場合が多いので、電解質膜は水分子を保有する機能も有していることが好ましい。 When proton H + moves in the electrolyte membrane toward the cathode side, the electrolyte membrane also has a function of retaining water molecules because water molecules are often used to move the hydrophilic portion in the electrolyte. It is preferable.

固体高分子電解質膜の機能としては、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とともに未反応の反応ガス(水素及び酸素)を通さないこと、所定の保水機能があることが好ましい。固体高分子電解質膜には、このような機能を有する材料のうち、諸条件を考慮して任意の材料を選択して使用することができる。 As a function of the solid polymer electrolyte membrane, it is preferable that the proton H + generated on the anode side is transmitted to the cathode side, unreacted reaction gases (hydrogen and oxygen) are not passed, and a predetermined water retention function is provided. Any material having such a function can be selected and used for the solid polymer electrolyte membrane in consideration of various conditions.

ガス拡散層4,5は、以下の機能を有することが好ましい。まず、電極反応を効率良く行わせるために、燃料ガス又は空気を燃料極又は空気極の触媒層中の電極反応領域へ、面内で均一に充分に供給する機能である。また、電極反応によって生じる電荷を単セル外部に放出させる機能である。さらに、反応生成水や未反応ガスを単セル外部に効率よく排出する機能である。   The gas diffusion layers 4 and 5 preferably have the following functions. First, in order to perform an electrode reaction efficiently, it is a function which supplies fuel gas or air uniformly and sufficiently in a plane to the electrode reaction region in the fuel electrode or the catalyst layer of the air electrode. In addition, it is a function for releasing the charge generated by the electrode reaction to the outside of the single cell. Further, it is a function for efficiently discharging reaction product water and unreacted gas to the outside of the single cell.

このような機能を有するガス拡散層としては、電子伝導性を有する多孔質体を好ましく用いることができる。例えばガス拡散基材10としてはカーボンクロスやカーボンペーパーを、MPL9としてはPTFEをバインダーとした炭素微粒子層が、好適に使用できる。炭素微粒子はアセチレンブラックやケッチェンブラック、気相成長繊維状カーボン、カーボンナノチューブなどを使用できる。カソード側触媒層3は、多孔質触媒層であることが好ましく、白金ナノ粒子の集合体からなるものであることが好ましい。中でも、PtOx(X≧2:代表的には二酸化白金)を還元して得られる樹枝状形状を有しているものをカソード側触媒層3として用いることが、特に好ましい。樹枝状形状を有する触媒層は、比表面積の大きな優れた多孔質触媒層である。   As the gas diffusion layer having such a function, a porous body having electron conductivity can be preferably used. For example, a carbon fine particle layer using carbon cloth or carbon paper as the gas diffusion base material 10 and PTFE as a binder as the MPL 9 can be preferably used. As the carbon fine particles, acetylene black, ketjen black, vapor-grown fibrous carbon, carbon nanotube, or the like can be used. The cathode side catalyst layer 3 is preferably a porous catalyst layer, and is preferably composed of an aggregate of platinum nanoparticles. Among them, it is particularly preferable to use as the cathode-side catalyst layer 3 a dendritic shape obtained by reducing PtOx (X ≧ 2: typically platinum dioxide). The catalyst layer having a dendritic shape is an excellent porous catalyst layer having a large specific surface area.

ここで本明細書における樹枝状形状とは、触媒ナノ粒子が集まって構成される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トンネル顕微鏡などで観察すると、触媒粒子からなる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。   Here, the dendritic shape in the present specification refers to a structure in which a large number of rod-like or flake (thin pieces) -like structures composed of catalyst nanoparticles are gathered with branch points. When the cross section of the catalyst layer having a dendritic shape is observed with a tunnel microscope or the like, it looks like a tree that is branched by a plurality of rod-like structures or flake-like structures made of catalyst particles.

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。樹枝状形状の白金ナノ粒子の集合体に関しては、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。   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. With respect to the aggregate of dendritic platinum nanoparticles, for example, a technique disclosed in JP-A-2006-49278 can be applied to the present invention.

本明細書中において、単に二酸化白金という場合は、PtOx(X≧2)の意味である、すなわち、一般的に二酸化白金と称される化学式PtOで表されるもののみならず、化学式PtOx(X>2)で表されるものを含む。化学式PtOx(X>2)で表されるものを使用しても、本発明の効果を十分に得ることができる。Xに特に上限はないが、白金の性質を考えると、現実的にはXの上限は2.5と考えられる。また、樹枝状形状を有する触媒層を得るという観点からは、このように定義された二酸化白金を還元することが望ましい。さらに、樹枝状構造を得るためには、ヘキサゴナル(Hexagomal)系の結晶二酸化白金あるいはアモルファス二酸化白金を還元することが好ましい。もっとも、第一の層には、二酸化白金以外の白金酸化物あるいは白金をも好適に用いられる。第一の層の組成が樹枝状形状の形成に与える影響は極めて小さい一方で、二酸化白金でなくても貫通孔の形成は可能だからである。 In the present specification, the term “platinum dioxide” simply means PtOx (X ≧ 2), that is, not only that represented by the chemical formula PtO 2 generally called platinum dioxide, but also the chemical formula PtOx ( X> 2) is included. Even if what is represented by the chemical formula PtOx (X> 2) is used, the effect of the present invention can be sufficiently obtained. There is no particular upper limit for X, but considering the properties of platinum, the upper limit for X is actually considered to be 2.5. Further, from the viewpoint of obtaining a catalyst layer having a dendritic shape, it is desirable to reduce platinum dioxide defined in this way. Furthermore, in order to obtain a dendritic structure, it is preferable to reduce hexagonal crystalline platinum dioxide or amorphous platinum dioxide. However, platinum oxide other than platinum dioxide or platinum is also preferably used for the first layer. This is because the influence of the composition of the first layer on the formation of the dendritic shape is extremely small, but it is possible to form a through-hole without using platinum dioxide.

前記白金ナノ粒子としては、直径が2nm以上20nm以下のものが、触媒活性が高いため好ましく、直径が2nm以上10nm以下のものが、表面積が大きいため特に好ましい。   The platinum nanoparticles having a diameter of 2 nm or more and 20 nm or less are preferable because of high catalytic activity, and those having a diameter of 2 nm or more and 10 nm or less are particularly preferable because of a large surface area.

直径が20nmを超えると、触媒活性が低くなってしまう場合があり、それにともなって燃料電池の性能が低下するおそれがある。一方、直径が2nm未満のものは作製が困難である。   When the diameter exceeds 20 nm, the catalytic activity may be lowered, and the performance of the fuel cell may be lowered accordingly. On the other hand, those having a diameter of less than 2 nm are difficult to produce.

カソード側触媒層3には疎水剤が含まれていることが好ましい。   The cathode catalyst layer 3 preferably contains a hydrophobic agent.

カソード側触媒層3に疎水剤を添加するには、カソード側触媒層3にフッ素樹脂微粒子分散液(例えば、ポリフロン(登録商標、ダイキン工業製))などを添加する方法、特開2006−332041に記載の方法などの公知の方法を使用することができる。触媒層3の空孔の細部にまで疎水剤を行き渡らせるという観点からは、特開2006−332041に記載の方法を用いることが特に好ましい。   In order to add a hydrophobic agent to the cathode side catalyst layer 3, a method of adding a fluororesin fine particle dispersion (for example, Polyflon (registered trademark, manufactured by Daikin Industries)) or the like to the cathode side catalyst layer 3 is disclosed in JP-A-2006-332041. Known methods such as those described can be used. From the viewpoint of spreading the hydrophobic agent to the details of the pores of the catalyst layer 3, it is particularly preferable to use the method described in JP-A-2006-332041.

特開2006−332041に記載の方法は、具体的には、以下のステップを有する。まず、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、白金酸化物に接触させる。次に、このSi化合物を重合反応させることで、疎水剤を白金酸化物表面に生じさせる。その後に白金酸化物を還元する。   Specifically, the method described in JP-A-2006-332041 includes the following steps. First, an Si compound having a hydrophobic substituent that generates a polymerizable group by causing a hydrolysis reaction by the catalytic action of platinum oxide is brought into contact with platinum oxide. Next, the Si compound is subjected to a polymerization reaction to produce a hydrophobic agent on the surface of the platinum oxide. Thereafter, the platinum oxide is reduced.

この方法によれば、カソード側触媒層3のみ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。   According to this method, a hydrophobic agent made of methylsiloxane or the like can be easily added only to the cathode side catalyst layer 3.

以上のカソード側触媒層3に関する技術は、すべてアノード側触媒層2にも適用可能である。もっとも、フラッディングがカソード側触媒層3で生じやすくアノード側触媒層2では生じ難いことを考えると、アノード側触媒層に2としては、白金黒、白金担持カーボンなどの一般的な触媒を使用することもできる。   All of the techniques related to the cathode side catalyst layer 3 described above can be applied to the anode side catalyst layer 2 as well. However, considering that flooding is likely to occur in the cathode-side catalyst layer 3 and not in the anode-side catalyst layer 2, a general catalyst such as platinum black or platinum-supported carbon should be used as the anode-side catalyst layer 2. You can also.

次に、本発明に係る製造方法の実施形態について説明する。   Next, an embodiment of a manufacturing method according to the present invention will be described.

本発明の第一の実施形態は、シート(以下、わかりやすくするために「転写シート」という)の表面に気相成膜法により触媒層又は触媒前駆体層(第一の層)を成膜する第一成膜工程と、触媒層又は触媒前駆体層に貫通孔を形成する工程と、貫通孔を形成した触媒層又は貫通孔を形成した触媒前駆体層の表面にさらに触媒層又は触媒前駆体層(第二の層)を成膜する第二成膜工程とを有する膜電極接合体の製造方法である。   In the first embodiment of the present invention, a catalyst layer or a catalyst precursor layer (first layer) is formed on the surface of a sheet (hereinafter referred to as a “transfer sheet” for the sake of clarity) by a vapor deposition method. A first film forming step, a step of forming a through hole in the catalyst layer or the catalyst precursor layer, and a catalyst layer or a catalyst precursor further on the surface of the catalyst layer or the catalyst precursor layer in which the through hole is formed. And a second film formation step for forming a body layer (second layer).

気相成膜法としては、反応性スパッタなどのスパッタ法やイオンプレーティング法が好適に用いられる。   As the vapor deposition method, a sputtering method such as reactive sputtering or an ion plating method is preferably used.

本発明で用いる転写シートの材料としては、耐熱温度が130℃以上の材料が好適に用いられる。MEAを形成する際の転写工程で、固体高分子電解質膜のガラス転移温度(Nafion(登録商標)では130℃)以上の温度でのホットプレスを行うからである。また、耐熱温度が高い材料を用いると、気相成膜時に転写シートの温度が上昇した際に、転写シートが損傷を受けるおそれを少なくすることができる。より具体的には、転写シートとして、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基板を用いることが好ましい。   As a material for the transfer sheet used in the present invention, a material having a heat resistant temperature of 130 ° C. or higher is preferably used. This is because, in the transfer step when forming the MEA, hot pressing is performed at a temperature equal to or higher than the glass transition temperature (130 ° C. in Nafion (registered trademark)) of the solid polymer electrolyte membrane. In addition, when a material having a high heat-resistant temperature is used, it is possible to reduce a possibility that the transfer sheet is damaged when the temperature of the transfer sheet is increased during vapor deposition. More specifically, it is preferable to use a resin substrate having a high heat resistant temperature such as PTFE, polycarbonate, polyimide, etc. as the transfer sheet.

これらの転写シートの中心線平均粗さが10nm以下の場合、イオンプレーティング法や反応性スパッタ法などの気相成膜法により二酸化白金層を成膜すると、シート近傍には通常0.02〜0.2μm程の厚さの緻密層が形成され、その上に多孔質な層が形成される。これらの全体が触媒前駆体層となる。この緻密層の厚さは、成膜中の雰囲気の全圧によって変化し、全圧が高いほど薄くなり、全圧が低いほど厚くなる。たとえば、全圧8Paでは0.02μmの、全圧5Paでは0.1μmの、全圧3Paでは0.2μmの厚さの緻密層がそれぞれ形成される。   When the center line average roughness of these transfer sheets is 10 nm or less, when a platinum dioxide layer is formed by a vapor phase film forming method such as an ion plating method or a reactive sputtering method, usually 0.02 to A dense layer having a thickness of about 0.2 μm is formed, and a porous layer is formed thereon. These as a whole become a catalyst precursor layer. The thickness of the dense layer varies depending on the total pressure of the atmosphere during film formation, and the thickness is reduced as the total pressure is increased, and is increased as the total pressure is decreased. For example, a dense layer having a thickness of 0.02 μm at a total pressure of 8 Pa, a thickness of 0.1 μm at a total pressure of 5 Pa, and a thickness of 0.2 μm at a total pressure of 3 Pa is formed.

このような触媒前駆体層を電解質膜に転写した後に還元して、あるいはこのような触媒前駆体層を還元した触媒層を電解質膜に転写して、MEAを作成すると、触媒層中の緻密層(不図示)がMPL9側の触媒層表面に露出することとなる。その結果、燃料電池単セル内では、触媒層中の多孔質層(不図示)とMPL9との間にこの緻密層が位置することになり、触媒層とガス拡散層との間の物質拡散性が阻害される。   When such a catalyst precursor layer is transferred to the electrolyte membrane and then reduced, or a catalyst layer obtained by reducing such a catalyst precursor layer is transferred to the electrolyte membrane to form an MEA, a dense layer in the catalyst layer is obtained. (Not shown) is exposed on the surface of the catalyst layer on the MPL 9 side. As a result, in the single fuel cell, this dense layer is located between the porous layer (not shown) in the catalyst layer and the MPL 9, and the material diffusibility between the catalyst layer and the gas diffusion layer. Is inhibited.

転写シートの中心線平均粗さが10nm以上であれば、前記緻密層は形成されないが、粗さが大きいと、離型性に優れたPTFEシートを使用した場合でさえ、転写後に触媒層から転写シートを剥離しにくくなってしまうという問題点がある。   If the center line average roughness of the transfer sheet is 10 nm or more, the dense layer is not formed, but if the roughness is large, even if a PTFE sheet having excellent releasability is used, transfer is performed from the catalyst layer after transfer. There is a problem that it becomes difficult to peel off the sheet.

図4及び図5は、従来の製造方法で作製された触媒層の表面(MPL側)を示す。図5から、触媒層表面は微小なクラックが存在するものの、かなり緻密であることが判る。   4 and 5 show the surface (MPL side) of the catalyst layer produced by the conventional production method. From FIG. 5, it can be seen that the surface of the catalyst layer is quite dense although there are minute cracks.

また、図4から判るように従来の触媒層表面には幅数μm程の大きなクラックが網目状に多数存在している。これは電解質膜の膨潤に伴って形成されたと考えられる。   Further, as can be seen from FIG. 4, a large number of large cracks having a width of several μm are present on the surface of the conventional catalyst layer. This is considered to be formed with the swelling of the electrolyte membrane.

従来の触媒層では、ガスや水滴の移動は、主にこの大きなクラックを通して行われると考えられる。この大きなクラック同士の間隔は広いので、反応ガスや生成水が触媒層の厚さ方向に移動しようとした場合、反応ガスや生成水が触媒層中を面内方向に移動しなければならない距離が長くなってしまう。そのため、従来の触媒層は厚さ方向の物質拡散性が低いと推測される。   In the conventional catalyst layer, it is considered that the movement of gas and water droplets is mainly performed through this large crack. Since the gap between the large cracks is wide, when the reaction gas or generated water tries to move in the thickness direction of the catalyst layer, there is a distance that the reaction gas or generated water must move in the in-plane direction in the catalyst layer. It will be long. Therefore, it is estimated that the conventional catalyst layer has a low material diffusibility in the thickness direction.

一方、本発明の第一の実施形態によれば、前記緻密層に貫通孔を形成する。緻密層に貫通孔が存在するので、反応ガスや生成水が触媒層の厚さ方向に移動しようとした場合の面内方向の移動距離が短くて済む。このため、従来に比べて触媒層の厚さ方向の物質拡散性が大幅に向上する。   On the other hand, according to the first embodiment of the present invention, a through hole is formed in the dense layer. Since the through hole exists in the dense layer, the moving distance in the in-plane direction when the reaction gas or generated water tries to move in the thickness direction of the catalyst layer can be shortened. For this reason, the material diffusibility in the thickness direction of the catalyst layer is greatly improved as compared with the conventional case.

ここで、第一の層の転写シートに接する表面の貫通孔の開口率は8%以上40%以下となるようにすることが好ましい。開口率を8%未満とした場合、本発明の効果が急激に小さくなってしまう。開口率を40%よりも大きくした場合、本発明の効果はほぼ飽和してしまう一方で、転写シートと第一の層との密着力が小さくなって剥離しやすくなるので、製造時の取扱いが困難となる。   Here, it is preferable that the opening ratio of the through holes on the surface in contact with the transfer sheet of the first layer be 8% or more and 40% or less. When the aperture ratio is less than 8%, the effect of the present invention is drastically reduced. When the aperture ratio is larger than 40%, the effect of the present invention is almost saturated. On the other hand, the adhesion between the transfer sheet and the first layer is reduced and the film is easily peeled off. It becomes difficult.

なお、本発明でいうところの貫通孔の形状は、その断面が円形に近いものである必要はない。たとえば、断面が円形に近い貫通孔が複数連なって形成されたマイクロクラックも、本発明でいう貫通孔に包含される。本明細書中において、マイクロクラックとは幅1μm以下のクラックを指す。一方、本発明及び本明細書中においては、幅が1μmを超えるクラックをマクロクラックと呼ぶ。マクロクラックの代表例は筋状クラックである。本発明及び本明細書中における「筋状クラック」とは、幅1μm以上のクラックが少なくとも100μm以上の長さに渡って略直線状になっているものを指す。   In addition, the shape of the through hole as referred to in the present invention does not need to have a cross section close to a circle. For example, a microcrack formed by connecting a plurality of through-holes having a substantially circular cross section is also included in the through-hole referred to in the present invention. In the present specification, a microcrack refers to a crack having a width of 1 μm or less. On the other hand, in the present invention and the present specification, a crack having a width exceeding 1 μm is called a macro crack. A typical example of a macro crack is a streak crack. In the present invention and the present specification, the term “streak crack” means that a crack having a width of 1 μm or more is substantially linear over a length of at least 100 μm or more.

なお、本発明でいうところの貫通孔の開口率とは、層の表面における一つの触媒グレイン内での貫通孔の開口部の占有率を指す。ここで、一つの触媒グレインとは、マクロクラックによって囲まれた領域である。なお、第一の層に貫通孔を形成した段階では、このようなマクロクラックはほとんど存在しないので、開口率の計算上、マクロクラックの開口部が占める面積は無視し得る。このような開口部の定義が実質的に意味を持つのは、最終的に膜電極接合体あるいは燃料電池を形成した場合についてである。以下、そのような場合について、貫通孔の開口率の求め方について説明する。   In addition, the aperture ratio of the through hole as used in the field of this invention refers to the occupation rate of the opening part of the through hole in one catalyst grain in the surface of a layer. Here, one catalyst grain is a region surrounded by macro cracks. In the stage where the through holes are formed in the first layer, such macro cracks are scarcely present, and therefore the area occupied by the openings of the macro cracks can be ignored in calculating the aperture ratio. The definition of such an opening is substantially meaningful when a membrane electrode assembly or a fuel cell is finally formed. Hereinafter, how to obtain the aperture ratio of the through hole will be described in such a case.

まず、膜電極接合体形成後の触媒層(製造工程において触媒前駆体からなる層を用いた場合は、還元処理を施して触媒層にしたもの)の主平面(固体高分子電解質膜とは反対側の表面:すなわち表に現れている表面)を走査電子顕微鏡によって撮影する。撮影の際にはマクロクラック(すなわち、貫通孔(マイクロクラックを含む)以外のクラック)が画面内に入らないように撮影位置と倍率を適宜調整する。撮影の際には、開口部が暗く、それ以外(表面に触媒が存在する部分)は明るく撮影されるので、できるだけコントラストが高くなるように画質を調整することが好ましい。   First, the main plane of the catalyst layer after the formation of the membrane electrode assembly (reverse treatment to the solid polymer electrolyte membrane when the catalyst precursor layer is used in the production process is reduced to a catalyst layer) The side surface: the surface appearing in the table) is photographed with a scanning electron microscope. At the time of shooting, the shooting position and magnification are appropriately adjusted so that macro cracks (that is, cracks other than through holes (including micro cracks)) do not enter the screen. When photographing, the aperture is dark, and the others (the portion where the catalyst is present on the surface) are photographed brightly. Therefore, it is preferable to adjust the image quality so that the contrast is as high as possible.

次に、画像解析ソフト(例えば、旭化成エンジニアリング社製の商品名「A像くん」)を使用し、得られた電子顕微鏡写真に、画像の白黒2値化処理及び画像解析処理を施すことで、個々の触媒グレイン内での貫通孔の開口部の占有率(すなわち、本発明でいうところの、貫通孔の開口率)を求めることができる。   Next, by using image analysis software (for example, trade name “A image kun” manufactured by Asahi Kasei Engineering Co., Ltd.), the obtained electron micrograph is subjected to black and white binarization processing and image analysis processing of the image, It is possible to determine the occupancy ratio of the opening portion of the through hole in each catalyst grain (that is, the opening ratio of the through hole in the present invention).

転写シートの表面に気相成膜法により触媒層又は触媒前駆体層を成膜する第一成膜工程において形成する層の厚さ50〜500nmであることが好ましい。厚さが50nmより薄いと、次の貫通孔形成工程後に残存する触媒層又は触媒前駆体層が少なくなりすぎないように貫通孔を形成することが困難となる。一方、厚さが500nmより厚いと、貫通孔形成工程で取り除かなければならない二酸化白金量が多くなりすぎて、無駄になる白金が多くなってしまう。   It is preferable that the thickness of the layer formed in the first film forming step of forming a catalyst layer or a catalyst precursor layer on the surface of the transfer sheet by a vapor phase film forming method is 50 to 500 nm. If the thickness is less than 50 nm, it is difficult to form through holes so that the catalyst layer or catalyst precursor layer remaining after the next through hole forming step does not become too small. On the other hand, if the thickness is greater than 500 nm, the amount of platinum dioxide that must be removed in the through-hole forming step becomes too large, resulting in an increase in wasted platinum.

貫通孔形成工程では、エッチング法、なかでもドライエッチング法を用いることが好ましい。
貫通孔形成工程においては、貫通孔の開口率が8%以上40%以下となるような条件(たとえば、エッチング条件)を適宜選択することが好ましい。 貫通孔形成後には、触媒層又は触媒前駆体層が転写シート面積当たり50μg/cm以上残っていることが好ましい。
In the through hole forming step, it is preferable to use an etching method, especially a dry etching method.
In the through hole forming step, it is preferable to appropriately select conditions (for example, etching conditions) such that the opening ratio of the through holes is 8% or more and 40% or less. After the through holes are formed, it is preferable that 50 μg / cm 2 or more of the catalyst layer or the catalyst precursor layer remains per transfer sheet area.

残存量が50μg/cmより少ないと、触媒層又は触媒前駆体層が基板を覆う面積が小さくなりすぎ、基板の露出面積が大きくなるため、次の第二成膜工程で、再度緻密層が形成されてしまうおそれがあり、その場合、本発明の効果が十分に得られないおそれがある。 If the remaining amount is less than 50 μg / cm 2 , the area where the catalyst layer or the catalyst precursor layer covers the substrate becomes too small and the exposed area of the substrate becomes large. Therefore, in the next second film forming step, the dense layer is formed again. In that case, the effects of the present invention may not be sufficiently obtained.

貫通孔形成後に該第一の層中の触媒又は触媒前駆体が前記シートの表面積1cmあたり50μg以上残存するような貫通孔形成条件(たとえばエッチング条件)を適宜選択することが好ましい。 It is preferable to appropriately select through-hole forming conditions (for example, etching conditions) such that 50 μg or more of the catalyst or catalyst precursor in the first layer remains per 1 cm 2 of the surface area of the sheet after forming the through-holes.

また、貫通孔形成後の該第一の層の空孔率が35%以上45%以下となるようにすることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the porosity of the first layer after forming the through-hole is 35% or more and 45% or less.

空孔率が35%以上になるようにすることによって、物質拡散性及び生成水散逸性をより向上させることができる。一方、空孔率が45%を超えるようにすることも可能ではあるが、空隙率が45%より大きな範囲において空隙率を上昇させたとしても物質拡散性及び生成水散逸性の向上の程度は小さくる一方で、転写シートと第一の層との密着力が小さくなって剥離しやすくなるので、製造時の取扱いに注意を要することになる。   By setting the porosity to be 35% or more, the material diffusibility and the generated water dissipation can be further improved. On the other hand, although it is possible for the porosity to exceed 45%, even if the porosity is increased in a range where the porosity is greater than 45%, the degree of improvement in material diffusibility and generated water dissipation is On the other hand, since the adhesive force between the transfer sheet and the first layer becomes small and easily peels off, care must be taken in handling during production.

なお、ここでいう空孔率は次の通りにして算出される。まずMEAを収束イオンビーム(FIB)を用いて切断(以下、「FIB加工」という)し、その断面を走査電子顕微鏡(SEM)にて観察し写真を撮影する。得られた断面写真のうち第一の層内に、第一の層の主平面に対して平行なラインを引く。SEM写真では空孔部が黒く観察され、触媒部は白く観察されるため、このライン上の黒い画素がライン上の全画素中に占める割合を第一の層の空孔率とする。   The porosity here is calculated as follows. First, the MEA is cut using a focused ion beam (FIB) (hereinafter referred to as “FIB processing”), and the cross section is observed with a scanning electron microscope (SEM) to take a photograph. A line parallel to the main plane of the first layer is drawn in the first layer in the obtained cross-sectional photograph. In the SEM photograph, the hole portion is observed as black and the catalyst portion is observed as white. Therefore, the ratio of the black pixels on this line to all the pixels on the line is defined as the porosity of the first layer.

ここで、FIB加工する際には、触媒層の主平面に対して90°の角度でFIBを入射させて切断するよりも、FIBの入射角度を触媒層の主平面に対して20〜40°程度とすることで、主平面に直角ではない角度を持って切断し、触媒層の斜断面が露出するように加工すると良い。このように切断すると、断面の情報に平面の情報が加わった3次元的な情報を含む画像を得ることができるため、より正確な空孔率を求めることができる。   Here, when performing the FIB processing, the incident angle of the FIB is set to 20 to 40 ° with respect to the main plane of the catalyst layer, rather than being cut by causing the FIB to enter at a 90 ° angle with respect to the main plane of the catalyst layer. By making the degree, it is preferable that the main plane is cut at an angle other than a right angle so that the oblique section of the catalyst layer is exposed. By cutting in this way, an image including three-dimensional information in which plane information is added to cross-sectional information can be obtained, so that a more accurate porosity can be obtained.

FIB加工に先立って、触媒層をインクなどに浸し触媒層の空孔にカーボンを充填しておくと、FIB加工時の飛散物の付着を防ぐことができ、SEM観察時に空孔と触媒のコントラスト比が高くなるため正確な空孔率を計算でき、好ましい。もっともこの方法では、インクは第一の層には行き渡りやすいが、インクを触媒層の全域に行き渡らせることは困難である。このため、この方法により作製した試料の断面観察像では、第一の層はコントラストの高い像が得られるものの、第二の層では不正確な像しか得られない可能性がある。この方法で得られた観察像では、第一の層の領域のみ解析対象とすることが好ましい。   Prior to FIB processing, if the catalyst layer is immersed in ink or the like and the pores of the catalyst layer are filled with carbon, adhesion of scattered matter during FIB processing can be prevented, and the contrast between the pores and the catalyst during SEM observation. Since the ratio becomes high, an accurate porosity can be calculated, which is preferable. However, in this method, the ink easily spreads over the first layer, but it is difficult to spread the ink over the entire catalyst layer. For this reason, in the cross-sectional observation image of the sample manufactured by this method, although the first layer can obtain a high-contrast image, the second layer may obtain only an inaccurate image. In the observation image obtained by this method, it is preferable that only the region of the first layer is an analysis target.

以下、本発明の第一の実施形態を用いた燃料電池(単セル)の製造方法の一例について、工程順に沿って、より具体的に説明する。   Hereinafter, an example of a method for manufacturing a fuel cell (single cell) using the first embodiment of the present invention will be described more specifically along the order of steps.

なお、下記(3)の工程の還元処理は、下記(5)の工程の後に行ってもよい。
(1)二酸化白金層(触媒前駆体層)を成膜する。
In addition, you may perform the reduction process of the process of the following (3) after the process of the following (5).
(1) A platinum dioxide layer (catalyst precursor layer) is formed.

第一成膜工程として、転写シートとしてのPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)シートの表面に、反応性スパッタ法により二酸化白金層を形成する。   As a first film forming step, a platinum dioxide layer is formed on the surface of a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet as a transfer sheet by a reactive sputtering method.

その後、貫通孔形成工程としてAr雰囲気下でドライエッチングを行う。   Thereafter, dry etching is performed in an Ar atmosphere as a through hole forming step.

さらにその後、第二成膜工程として、ドライエッチングを行った二酸化白金層の表面に、二酸化白金層を反応性スパッタ法により成膜する。
(2)触媒層を疎水化処理する。
Thereafter, as a second film formation step, a platinum dioxide layer is formed on the surface of the platinum dioxide layer subjected to dry etching by a reactive sputtering method.
(2) Hydrophobizing the catalyst layer.

引き続き、特開2006−332041に記載の公知技術に従い、触媒層を疎水化する。すなわち、得られた多孔質白金酸化物層を、疎水性置換基を含むSi化合物の気体とを接触させることによって、触媒表面上に疎水剤を形成する。その後、加熱することによって、疎水剤の重合反応を促進しても良い。
(3)二酸化白金層を還元処理する。
Subsequently, the catalyst layer is hydrophobized according to a known technique described in JP-A-2006-332041. That is, a hydrophobic agent is formed on the catalyst surface by bringing the obtained porous platinum oxide layer into contact with a gas of an Si compound containing a hydrophobic substituent. Then, you may accelerate | stimulate the polymerization reaction of a hydrophobic agent by heating.
(3) The platinum dioxide layer is reduced.

続いて、この二酸化白金層を水素還元処理することによって、カソード側触媒層としての多孔質な白金触媒層を得る。   Subsequently, the platinum dioxide layer is subjected to hydrogen reduction treatment to obtain a porous platinum catalyst layer as a cathode side catalyst layer.

さらに、その後、得られた触媒層上にプロトン伝導性電解質であるナフィオンのIPA(イソプロピルアルコール)溶液を適量滴下し、その後真空中にて溶媒を揮発させることで、触媒表面にプロトンパスを形成する。   Furthermore, an appropriate amount of an IPA (isopropyl alcohol) solution of Nafion, which is a proton conductive electrolyte, is dropped on the obtained catalyst layer, and then the solvent is volatilized in a vacuum to form a proton path on the catalyst surface. .

このようにしてカソード側触媒層を得る。
(4)アノード側触媒層を準備する。
In this way, a cathode side catalyst layer is obtained.
(4) An anode side catalyst layer is prepared.

PTFEシートの表面に、ドクターブレードを用いて白金担持カーボン触媒層を形成することによりアノード側触媒層を得る。触媒層の厚さは20〜40μmの範囲が好ましい。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)、ナフィオン、PTFE、IPA及び水の混錬物である。
(5)MEAを作成する。
An anode-side catalyst layer is obtained by forming a platinum-supported carbon catalyst layer on the surface of the PTFE sheet using a doctor blade. The thickness of the catalyst layer is preferably in the range of 20 to 40 μm. The catalyst slurry used here is a mixture of platinum-supported carbon (manufactured by Johnson Matthey, HiSPEC 4000), Nafion, PTFE, IPA, and water.
(5) Create an MEA.

工程(3)で得られたカソード側触媒層付きPTFEシートと(4)で得られたアノード側触媒層付きPTFEシートによって、それぞれの触媒層が内側になるようにして固体高分子電解質膜(Dupont製、NRE211)を挟み、ホットプレスを行う。その後、カソード側触媒層の外側のPTFEシートとアノード側触媒層の外側のPTFEシートを剥離することにより、本発明の触媒層を具備したMEAが得られる。
(6)燃料電池単セルを作成する。
A solid polymer electrolyte membrane (Dupont) is formed by using the PTFE sheet with the cathode side catalyst layer obtained in the step (3) and the PTFE sheet with the anode side catalyst layer obtained in the step (4) so that each catalyst layer is inside. Made by NRE 211) and hot pressing. Thereafter, the PTFE sheet outside the cathode side catalyst layer and the PTFE sheet outside the anode side catalyst layer are peeled off to obtain an MEA having the catalyst layer of the present invention.
(6) Create a single fuel cell.

工程(5)で得られたMEAを、カーボンクロス(E−TEK製 LT1400−W)からなるガス拡散層4、5、アノード側電極6、発泡金属12、カソード側電極7によって、図1のように挟んで、燃料電池単セルを作製する。   The MEA obtained in the step (5) is converted into the gas diffusion layers 4 and 5 made of carbon cloth (LT1400-W manufactured by E-TEK), the anode side electrode 6, the foam metal 12, and the cathode side electrode 7 as shown in FIG. A fuel cell single cell is produced by sandwiching between the two.

なお、このようにして作製した単セルを複数スタックした燃料電池を作製することも可能である。   It is also possible to produce a fuel cell in which a plurality of single cells produced in this way are stacked.

また本発明の第二の実施形態は、前記第一成膜工程前に、前記転写シートに凹凸を設ける工程を追加することを特徴とする。このようにすると、作成されたMEAにおいて、触媒層に貫通孔に加えてマクロクラック(たとえば、筋状クラック)が形成されるため、物質拡散性が更に向上し、好ましい。より具体的には、以下のとおりである。   Moreover, 2nd embodiment of this invention adds the process of providing an unevenness | corrugation in the said transfer sheet before said 1st film-forming process. In this way, in the produced MEA, macro cracks (for example, streak cracks) are formed in the catalyst layer in addition to the through-holes, which is preferable because the substance diffusibility is further improved. More specifically, it is as follows.

転写シートの表面に凹凸を設けると、それに倣って触媒層又は触媒前駆体層に凹凸が形成される。この触媒層又は触媒前駆体層の凹凸の高低差及びスペース間隔(段差間の凹部における最小距離:すなわち、凹部の最小幅)を制御することにより、触媒層(触媒前駆体層を還元処理して得られた触媒層であってもよい)又は触媒前駆体層を電解質膜に転写する際に、凹部内に電解質膜を接触させることが可能となり、凸部の触媒層とともに凹部の触媒層を電解質膜に転写することが可能となる。このようにすると、転写時(ホットプレス時)に凹凸の段差部において触媒層又は触媒前駆体層が剪断破壊する。それにより、触媒層又は触媒前駆体層の緻密層に凹凸形状(段差)を反映した形状のクラックが形成される。そして、ホットプレス後に電解質膜が膨潤することに伴ってこのクラックの幅が拡大し、幅が1μmを超えるマクロクラックが多数形成される。制御の好適な例については後述する。   When unevenness is provided on the surface of the transfer sheet, unevenness is formed in the catalyst layer or the catalyst precursor layer. By controlling the height difference of the unevenness of this catalyst layer or the catalyst precursor layer and the space interval (minimum distance in the recesses between steps: that is, the minimum width of the recesses), the catalyst layer (the catalyst precursor layer is reduced) When transferring the catalyst precursor layer or the catalyst precursor layer to the electrolyte membrane, the electrolyte membrane can be brought into contact with the recess, and the catalyst layer in the recess is electrolyted together with the catalyst layer in the recess. It becomes possible to transfer to a film. If it does in this way, a catalyst layer or a catalyst precursor layer will shear-break in the uneven | corrugated level | step difference part at the time of transcription | transfer (at the time of a hot press). Thereby, the crack of the shape reflecting the uneven shape (step) is formed in the dense layer of the catalyst layer or the catalyst precursor layer. As the electrolyte membrane swells after hot pressing, the width of the crack expands, and many macro cracks having a width exceeding 1 μm are formed. A suitable example of control will be described later.

このようにして形成されたマクロクラックは、最終的に触媒層中の排水溝としても機能する。すなわち、マスク成膜法と比較して触媒を無駄にすることなく、低コストで膜電極接合体及び燃料電池を製造することができる。   The macro cracks thus formed finally function as a drainage groove in the catalyst layer. That is, the membrane electrode assembly and the fuel cell can be manufactured at low cost without wasting the catalyst as compared with the mask film forming method.

なお、第二の実施形態においても、緻密層に貫通孔を形成する工程は必要である。緻密層に貫通孔を形成しない場合、緻密層の機械的強度が高くなってしまうので剪断破壊を生じさせることができず、凹凸形状を反映したマクロクラックが形成されないからである。   In the second embodiment, the step of forming the through hole in the dense layer is necessary. This is because when the through hole is not formed in the dense layer, the mechanical strength of the dense layer becomes high, so that shear fracture cannot be caused, and macro cracks reflecting the uneven shape are not formed.

第二の実施形態の具体的な手法としては、以下に示す(A)の工程の後に、上述した第一の実施形態の(1)〜(6)の工程を行うことが挙げられる。なお、第二の実施形態においても、(3)の工程を(5)の工程の後に行ってもよい。
(A)転写シートに凹凸を形成する。
As a specific method of the second embodiment, the steps (1) to (6) of the first embodiment described above may be performed after the step (A) shown below. In the second embodiment, the step (3) may be performed after the step (5).
(A) Concavities and convexities are formed on the transfer sheet.

研磨処理、ラビング処理、インプリンティングなどを用いて、転写シートとしてのPTFEシートの表面に凹凸を形成する。   Unevenness is formed on the surface of the PTFE sheet as a transfer sheet using polishing treatment, rubbing treatment, imprinting or the like.

凹凸の形成方法は特に限定されるものではない。例えば、インプリンティング、研磨紙による研磨、ラビング布を用いたラビング、各種押圧処理、シートを溶融して凹凸表面を有するように成型すること、レーザー照射などによって、シート表面の分子を熱分解若しくは光分解させ、又はシートの表面近傍を一部溶融させ、凹部を形成すること、フォトリソグラフィープロセスの利用、などを用いることができる。製造コストの観点からは、ラビング処理又は研磨処理が好ましい。ラビング処理又は研磨処理を用いた場合、転写シートにはさまざまな形状の凹凸が形成されうる。この場合、転写シートに形成される凹凸形状は、中心線平均粗さ(Ra)が0.38μm以上30μm以下であることが好ましい。Raを0.38μm以上にすることにより、最終的に凹凸形状を反映したマクロクラックが触媒層に形成されやすくなる。また、Raを30μm以下とすることにより、電解質膜への転写時に凹部の触媒層と電解質膜との接触が良好となり、触媒又は触媒前駆体の無駄を抑えることができる。   The method for forming the unevenness is not particularly limited. For example, by imprinting, polishing with abrasive paper, rubbing with a rubbing cloth, various pressing treatments, melting the sheet to form an irregular surface, laser irradiation, etc., the molecules on the sheet surface are thermally decomposed or light Decomposition or partial melting of the vicinity of the surface of the sheet to form a recess, use of a photolithography process, or the like can be used. From the viewpoint of production cost, rubbing treatment or polishing treatment is preferable. When a rubbing process or a polishing process is used, irregularities having various shapes can be formed on the transfer sheet. In this case, the uneven shape formed on the transfer sheet preferably has a center line average roughness (Ra) of 0.38 μm or more and 30 μm or less. By setting Ra to 0.38 μm or more, macro cracks that finally reflect the uneven shape are easily formed in the catalyst layer. Further, when Ra is set to 30 μm or less, the contact between the catalyst layer in the recess and the electrolyte membrane becomes good during transfer to the electrolyte membrane, and waste of the catalyst or catalyst precursor can be suppressed.

インプリンティング法やフォトリソグラフィープロセスなどを利用して凹凸形状を精密に制御することができる。この場合、凹凸の高低差を0.1μm以上とすることが好ましい。凹凸の高低差を0.1μm以上とすることにより、緻密層の厚さ(0.02μm〜0.2μm)と比較して十分な高低差が緻密層に与えられ、転写工程における剪断破壊を生じやすくすることができる。   The concavo-convex shape can be precisely controlled using an imprinting method or a photolithography process. In this case, it is preferable that the height difference of the unevenness is 0.1 μm or more. By making the unevenness height difference to be 0.1 μm or more, a sufficient height difference is given to the dense layer compared to the thickness of the dense layer (0.02 μm to 0.2 μm), resulting in shear failure in the transfer process. It can be made easier.

また、凹凸の形成方法とは関係なく、凹凸の高低差は、転写工程における電解質膜の凹部への侵入可能深さと触媒層又は触媒前駆体層の厚さとの和以下とすることが好ましい。そのような関係にすることによって、凹部の触媒層又は触媒前駆体層の転写を良好にすることができる。   Regardless of the method of forming the unevenness, the height difference of the unevenness is preferably equal to or less than the sum of the penetration depth of the electrolyte membrane into the recess and the thickness of the catalyst layer or the catalyst precursor layer in the transfer step. By making such a relationship, the transfer of the catalyst layer or catalyst precursor layer in the recess can be improved.

電解質膜の凹部への侵入可能深さは転写工程の温度に依存する。すなわち、転写工程において、電解質膜を軟化点以上に加熱することによって、電解質膜の凹部への侵入を容易ならしめることができる。侵入可能深さは電解質膜の物性に依存するので、使用する電解質膜に応じて転写シート表面の凹凸の高低差を予め設計しておくことが望ましい。たとえば、電解質膜としてNRE212(Dupont社製、厚さ50μm)を用い、触媒層の厚さを2μmとした場合、転写シート表面の凹凸の高低差は20μm以下とすることが好ましい。   The depth of penetration of the electrolyte membrane into the recess depends on the temperature of the transfer process. That is, in the transfer step, the electrolyte membrane can be easily heated to the softening point or more to easily enter the recess of the electrolyte membrane. Since the penetration depth depends on the physical properties of the electrolyte membrane, it is desirable to design in advance the height difference of the irregularities on the transfer sheet surface according to the electrolyte membrane to be used. For example, when NRE212 (manufactured by Dupont, thickness: 50 μm) is used as the electrolyte membrane, and the thickness of the catalyst layer is 2 μm, the height difference of the unevenness on the surface of the transfer sheet is preferably 20 μm or less.

前述したスペース間隔は5μm以上200μm以下とすることが好ましい。スペース間隔を5μm以上とすることにより、転写工程における凹部への電解質膜の侵入を容易にすることができる。また、スペース間隔を200μm以下とすることにより、凹凸形状を反映したマクロクラックを多くすることができる。スペース間隔についても、電解質膜の物性に応じて最適な範囲は異なるので、使用する電解質膜に応じて予め設計しておくことが望ましい。たとえば、電解質膜としてNRE212(Dupont社製、厚さ50μm)を用い、触媒層の厚さを2μmとした場合の、転写シートの凹凸高低差に応じた転写シートの好ましいスペース間隔は以下のとおりである。
凹凸高低差≦2μmのとき: 5μm<スペース間隔≦50μm
凹凸高低差>2μmのとき: 10μm<スペース間隔≦50μm
転写シートに設ける凹凸の形状としては、筋状(直線状、曲線状、ジグザグ状)、ドット状、ホール状、あるいはそれらの混合形状を挙げることができる。いずれの凹凸形状を採用した場合であっても、転写工程時に凹部の触媒層又は触媒前駆体層が電解質膜に転写されることで、最終的には、採用した凹凸形状を反映したマクロクラックが触媒層に形成される。
The above-described space interval is preferably 5 μm or more and 200 μm or less. By setting the space interval to 5 μm or more, the electrolyte membrane can easily enter the recess in the transfer process. Moreover, the macro crack which reflected the uneven | corrugated shape can be increased by making space space into 200 micrometers or less. As for the space interval, the optimum range varies depending on the physical properties of the electrolyte membrane, so it is desirable to design in advance according to the electrolyte membrane to be used. For example, when NRE212 (manufactured by Dupont, thickness: 50 μm) is used as the electrolyte membrane, and the thickness of the catalyst layer is 2 μm, the preferable spacing of the transfer sheet according to the unevenness of the transfer sheet is as follows. is there.
When uneven height difference ≦ 2 μm: 5 μm <space interval ≦ 50 μm
When uneven height difference> 2 μm: 10 μm <space interval ≦ 50 μm
Examples of the shape of the projections and depressions provided on the transfer sheet include streaks (straight, curved, zigzag), dots, holes, or a mixed shape thereof. Even if any uneven shape is adopted, the catalyst layer or catalyst precursor layer in the concave portion is transferred to the electrolyte membrane during the transfer process, and finally, the macro crack reflecting the adopted uneven shape is formed. Formed in the catalyst layer.

転写シート上に凹凸を設けることなく製造した触媒層中にも多数のクラックが存在している。たとえば、触媒前駆体層である白金酸化物層を還元して触媒層を得た場合、還元に伴う体積収縮に起因するクラック(以下、クラックAと呼ぶ)や、電解質膜の膨潤に伴って発生するクラック(以下、クラックBと呼ぶ)が存在する。   Many cracks also exist in the catalyst layer produced without providing irregularities on the transfer sheet. For example, when a platinum oxide layer, which is a catalyst precursor layer, is reduced to obtain a catalyst layer, cracks (hereinafter referred to as crack A) due to volume shrinkage due to reduction or swelling of the electrolyte membrane occur. Cracks (hereinafter referred to as cracks B) exist.

これらのクラックに加えて、第二の実施形態として上述した工程によって凹凸形状を反映したクラック(以下、クラックCと呼ぶ)を形成することで、触媒グレインをより小さくすることができる。それにより、触媒層中の物質拡散性をさらに向上させることができる。なぜならば、触媒層中に存在する反応ガスや生成水が、触媒層中の緻密層(の主として貫通孔)を透過して拡散することに加えてクラックCを経由して面内方向に拡散することができるとともに、触媒グレインが小さいほど、触媒層面内方向での物質拡散距離が短くなるからである。   In addition to these cracks, the catalyst grains can be made smaller by forming cracks reflecting the uneven shape (hereinafter referred to as cracks C) by the steps described above as the second embodiment. Thereby, the substance diffusibility in the catalyst layer can be further improved. This is because the reaction gas and generated water existing in the catalyst layer diffuse through the dense layer (mainly through holes) in the catalyst layer and diffuse in the in-plane direction via the crack C. This is because the smaller the catalyst grain, the shorter the material diffusion distance in the in-plane direction of the catalyst layer.

ここで、触媒層のマクロクラックに囲まれた領域(触媒グレイン)の円相当直径の加重平均Dは、35μm以下であることが好ましい。   Here, the weighted average D of the equivalent circle diameter of the region (catalyst grain) surrounded by macro cracks in the catalyst layer is preferably 35 μm or less.

Dを35μm以下とすることにより、触媒層中の物質拡散性をより向上させることができる。   By setting D to 35 μm or less, the material diffusibility in the catalyst layer can be further improved.

なお、Dは以下の数式により求めることができる。   In addition, D can be calculated | required with the following numerical formula.

Figure 0005430079
Figure 0005430079

((式1)中、Nは触媒グレインの総数であり、S(n)はn番目の触媒グレインの周囲長を表す。) (In (Formula 1), N is the total number of catalyst grains, and S (n) represents the perimeter of the nth catalyst grain.)

S(n)の求め方は以下のとおりである。   The method for obtaining S (n) is as follows.

まず、膜電極接合体形成後の触媒層(触媒前駆体層を還元処理した場合は還元処理後の触媒層)の主平面(固体高分子電解質膜とは反対側の表面:すなわち表に現れている表面)を走査電子顕微鏡によって撮影する。撮影面積は0.08mm以上であることが好ましい。また、クラックや触媒グレインを高い解像度で撮影し正しい形状を把握するためには、500倍以上の倍率で触媒層の複数箇所を撮影し、撮影面積の総和が0.08mm以上となるようにすることが好ましい。この場合、個々の画像について個別に粒子解析処理を行うことが好ましい。 First, the main plane of the catalyst layer after the formation of the membrane electrode assembly (the catalyst layer after the reduction treatment when the catalyst precursor layer is reduced) (surface opposite to the solid polymer electrolyte membrane), that is, appears on the table The surface is taken with a scanning electron microscope. The imaging area is preferably 0.08 mm 2 or more. In order to capture the correct shape by photographing cracks and catalyst grains with high resolution, photograph a plurality of locations on the catalyst layer at a magnification of 500 times or more so that the total photographing area is 0.08 mm 2 or more. It is preferable to do. In this case, it is preferable to perform the particle analysis process individually for each image.

撮影の際には、クラック部及び貫通孔の開口部が暗く、それ以外の触媒グレイン部分が明るく撮影されるので、できるだけコントラストが高くなるように画質を調整することが好ましい。   When photographing, the crack portion and the opening of the through hole are dark, and the other catalyst grain portions are photographed brightly. Therefore, it is preferable to adjust the image quality so that the contrast is as high as possible.

次に、画像解析ソフト(例えば、旭化成エンジニアリング社製の商品名「A像くん」)を使用し、得られた電子顕微鏡写真に、画像の白黒2値化処理及び画像解析処理を施すことで、個々の触媒グレインの周囲長S(n)を求めることができる。なお、画像端部などに存在し触媒グレイン全体が写っていないグレインについては、解析対象から除くようにする。   Next, by using image analysis software (for example, trade name “A image kun” manufactured by Asahi Kasei Engineering Co., Ltd.), the obtained electron micrograph is subjected to black and white binarization processing and image analysis processing of the image, The perimeter length S (n) of each catalyst grain can be determined. Note that grains that are present at the edge of the image and do not show the entire catalyst grain are excluded from the analysis target.

解析処理にあたっては、得られた画像から触媒グレインを正確に粒子として抽出することができるように、種々のパラメータを設定する。   In the analysis process, various parameters are set so that catalyst grains can be accurately extracted as particles from the obtained image.

なお、ラビング処理や研磨処理によって転写シートに凹凸を付与した場合、クラックが触媒グレインの途中で止まっており複数の触媒グレインが一部連結したような1個の大きな触媒グレインが観察されることがある。このような大きな触媒グレインについては連結部の最小幅が5μm以下である場合には、実質的に触媒グレインが寸断されているとみなして、別個の触媒グレインとして粒子解析処理を行う。なぜならば、物質拡散性の向上というマクロクラックの機能を考慮した場合、クラックがグレインを完全に分割していなくとも、連結部が十分小さい幅を有している場合には、その周囲の触媒層においては、クラックがグレインを完全に分割している場合と実質的に同じ効果が得られると考えられるためである。   In addition, when unevenness is given to the transfer sheet by rubbing treatment or polishing treatment, cracks are stopped in the middle of the catalyst grains, and one large catalyst grain in which a plurality of catalyst grains are partially connected may be observed. is there. For such a large catalyst grain, if the minimum width of the connecting portion is 5 μm or less, it is considered that the catalyst grain is substantially broken, and the particle analysis process is performed as a separate catalyst grain. This is because, in consideration of the function of macro cracks for improving material diffusivity, even if the cracks do not completely divide the grains, if the connecting portion has a sufficiently small width, the surrounding catalyst layer This is because substantially the same effect as in the case where cracks completely divide the grains is considered to be obtained.

以上の周囲長を求めるための測定は、前述した貫通孔の開口率を求めるための測定と同時に行うこともできる。   The above-described measurement for determining the perimeter can be performed simultaneously with the above-described measurement for determining the aperture ratio of the through hole.

触媒層のマクロクラックに囲まれた領域(触媒グレイン)の円相当直径の加重平均Dは、小さければ小さいほど、物質拡散性に優れている。   The smaller the weighted average D of the equivalent circle diameter of the region (catalyst grains) surrounded by macro cracks in the catalyst layer, the better the material diffusibility.

もっとも、ラビング処理や研磨処理を用いた場合、さまざまな形状の凹凸が形成されるため、Dの値を小さくするのには限界がある。本発明者らの実験検討によれば、この場合のDの下限値は16μmであった。   However, when a rubbing process or a polishing process is used, irregularities having various shapes are formed, so there is a limit to reducing the value of D. According to the experiments by the present inventors, the lower limit value of D in this case was 16 μm.

一方、インプリンティング法やフォトリソグラフィー法を用いれば、凹凸形状を1μm以下の寸法精度で精密に制御することができるので、コスト面を度外視すれば、Dをさらに小さくすることが可能である。その場合であっても、Dは5μm以上とすることが好ましい。なぜならば、転写シートのスペース間隔及び凸部の最小幅をそれぞれお5μm以上としておくことが、凹部の触媒又は触媒前駆体に転写するために好ましいからである。   On the other hand, if the imprinting method or the photolithography method is used, the concavo-convex shape can be precisely controlled with a dimensional accuracy of 1 μm or less. Even in that case, D is preferably 5 μm or more. This is because it is preferable to set the space interval of the transfer sheet and the minimum width of the convex portions to 5 μm or more in order to transfer to the catalyst or catalyst precursor in the concave portions.

転写シートのスペース間隔及び凸部の最小幅を5μm以上50μm以下とした場合、クラックC同士の間隔は5μm以上50μm以下となる。この場合、触媒層の応力緩和が起こり、それ以外のクラック(クラックA及びクラックB)が形成されにくくなる。すなわち、クラックA及びクラックBによるDを小さくする効果は望みにくい。このため、転写シートのスペース間隔及び凸部の最小幅を5μmとしたとしても、Dを5μm未満とすることは困難である。   When the space interval of the transfer sheet and the minimum width of the convex portion are 5 μm or more and 50 μm or less, the interval between the cracks C is 5 μm or more and 50 μm or less. In this case, stress relaxation of the catalyst layer occurs, and other cracks (crack A and crack B) are hardly formed. That is, the effect of reducing D due to crack A and crack B is difficult to expect. For this reason, even if the space interval of the transfer sheet and the minimum width of the convex portion are 5 μm, it is difficult to make D less than 5 μm.

また、触媒層のマクロクラックに囲まれた領域(触媒グレイン)の円相当直径の標準偏差をσとした場合に、σ/Dは50%(0.5)以下であることが物質拡散性の向上の観点から好ましく、40%(0.4)以下であることがより好ましい。σ/Dの値に下限はないが、ラビング処理や研磨処理を用いた場合、実験的に確認されたσ/Dの下限値は37%(0.37)であった。なお、コストを度外視するのであれば、インプリンティング法やフォトリソグラフィー法を用いることによりσ/Dを3%以下とすることも可能である。   Further, when the standard deviation of the equivalent circle diameter of the region (catalyst grains) surrounded by macro cracks in the catalyst layer is σ, σ / D should be 50% (0.5) or less. It is preferable from a viewpoint of an improvement, and it is more preferable that it is 40% (0.4) or less. Although there is no lower limit to the value of σ / D, when rubbing treatment or polishing treatment was used, the lower limit value of σ / D confirmed experimentally was 37% (0.37). If the cost is not considered, σ / D can be set to 3% or less by using an imprinting method or a photolithography method.

以上の実施形態に係るMEAや燃料電池の製造方法としては、様々な方法を採用し得る。   Various methods can be adopted as a method for manufacturing the MEA and the fuel cell according to the above embodiments.

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)
本実施例は本発明の第一の実施形態を用いて、図1に示した構成からなる固体高分子型燃料電池を作製した例である。
Example 1
In this example, a polymer electrolyte fuel cell having the structure shown in FIG. 1 was produced using the first embodiment of the present invention.

以下、本実施例に係わる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 according to the present embodiment will be described in detail.

(工程1)
まず第一成膜工程として、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白金酸化物層を厚さ300nmに成膜した。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、酸素流量比(QO2/(QAr+QO2))90%、基板ヒーター温度40℃、ターゲットへのRF(13.56MHzの高周波)の投入パワーは5.4W/cmという条件にて行った。
(Process 1)
First, as a first film forming step, a platinum oxide layer is formed on the surface of a PTFE sheet (manufactured by Nitto Denko, Nitoflon: hereinafter sometimes referred to as “substrate”) by RF reactive sputtering using a Pt (4N) target. A film was formed to a thickness of 300 nm. As a reactive sputtering apparatus, CS-200 manufactured by ULVAC was used. Here, in the reactive sputtering, the total pressure is 5 Pa, the oxygen flow rate ratio (Q O2 / (Q Ar + Q O 2 ) is 90%, the substrate heater temperature is 40 ° C., and the RF (13.56 MHz high frequency) input power is 5 .4 W / cm 2 was performed.

その後に貫通孔形成工程として、真空チャンバー内をAr雰囲気(0.67Pa)に置換し、RFを基板に2.8mW/cmのパワーで投入し、7分間プラズマエッチングを行った。ここで基板上に残った白金酸化物は、基板面積当たり50μg/cmであった。 Thereafter, as a through hole forming step, the inside of the vacuum chamber was replaced with an Ar atmosphere (0.67 Pa), RF was applied to the substrate at a power of 2.8 mW / cm 2 , and plasma etching was performed for 7 minutes. Here, the platinum oxide remaining on the substrate was 50 μg / cm 2 per substrate area.

さらにその後に第二成膜工程として、二酸化白金層を2μmの厚さで成膜した。反応性スパッタの条件は第一成膜工程と同一にした。白金酸化物層中のO/Ptモル比は、約2.4であった。   Further, as a second film formation step, a platinum dioxide layer was formed with a thickness of 2 μm. The reactive sputtering conditions were the same as those in the first film formation step. The O / Pt molar ratio in the platinum oxide layer was about 2.4.

(工程2)
特開2006−332041に記載の公知技術に従い、白金酸化物表面に疎水剤を形成した。すなわち、(工程1)で得られた白金酸化物層を、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1.2kPa)で密閉容器中で4分間接触させることによって、白金酸化物の表面上に適量の疎水剤を形成した。白金酸化物層中のSi/Ptモル比は、0.18であった。
(Process 2)
A hydrophobic agent was formed on the surface of the platinum oxide according to a known technique described in JP-A-2006-332041. That is, the platinum oxide layer obtained in (Step 1) is brought into contact with the vapor of 2,4,6,8-tetramethyltetracyclosiloxane at room temperature (vapor pressure 1.2 kPa) for 4 minutes in a closed container. Thus, an appropriate amount of hydrophobic agent was formed on the surface of the platinum oxide. The Si / Pt molar ratio in the platinum oxide layer was 0.18.

(工程3)
続いて、得られた白金酸化物層を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する多孔質白金触媒層を得た。Pt担持量は0.65mg/cmであった。
(Process 3)
Subsequently, the obtained platinum oxide layer was subjected to a reduction treatment by exposing it to a 2% H 2 / He atmosphere for 30 minutes to obtain a porous platinum catalyst layer having a dendritic shape on the surface of the PTFE sheet. The amount of Pt supported was 0.65 mg / cm 2 .

その後、得られた触媒層に1wt%のナフィオン溶液(和光純薬工業製5%ナフィオン分散溶液を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ることで、触媒表面にプロトンパスを形成した。 Thereafter, 8 μl of a 1 wt% Nafion solution (5% Nafion dispersion solution manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. diluted to 1% with IPA) was dropped on the obtained catalyst layer per 1 cm 2 of catalyst area, and the solvent was removed in a vacuum. By volatilizing, a proton path was formed on the catalyst surface.

このようにして、カソード側触媒層としての多孔質白金触媒層が得られた。   In this way, a porous platinum catalyst layer as a cathode side catalyst layer was obtained.

(工程4)
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 4)
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-supported 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5)
触媒層が内側になるようにして、(工程3)及び(工程4)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シートを除去することにより、MEAを得た。このMEAは、カソード側触媒層が本発明の触媒層であり、アノード側触媒層が白金担持カーボン触媒層である。
(Process 5)
With the catalyst layer on the inside, the PTFE sheet with the catalyst layer prepared in (Step 3) and (Step 4) sandwiched the solid polymer electrolyte membrane (Dupont Nafion 112, thickness 50 μm), 4 MPa, 150 ° C. Hot pressing was performed under pressing conditions of 10 min. Thereafter, the PTFE sheet was peeled off from both the anode and cathode catalyst layers to remove the PTFE sheet, thereby obtaining an MEA. In this MEA, the cathode side catalyst layer is the catalyst layer of the present invention, and the anode side catalyst layer is the platinum-supported carbon catalyst layer.

(工程6)
(工程5)で得られたMEAを、MPL付きカーボンクロス(E−TEK製 LT1400−W)からなるガス拡散層4、5並びにアノード側電極6、発泡金属12及びカソード側電極7、によって図1のような順で挟んで燃料電池単セルを形成した。なお、図1では不図示であるが、ガス拡散層4、5の周囲はOリング11でシールしてある。
(Step 6)
The MEA obtained in (Step 5) is formed by the gas diffusion layers 4 and 5 made of carbon cloth with MPL (LT1400-W manufactured by E-TEK), the anode side electrode 6, the foamed metal 12 and the cathode side electrode 7 in FIG. A fuel cell single cell was formed by sandwiching in this order. Although not shown in FIG. 1, the periphery of the gas diffusion layers 4 and 5 is sealed with an O-ring 11.

(比較例1)
(工程1)において貫通孔形成工程を行わなかった以外は、すべて実施例1と同様にして作成した単セルを作製した。カソード側触媒層のPt担持量は0.61mg/cmであった。
(Comparative Example 1)
A single cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the through hole forming step was not performed in (Step 1). The amount of Pt supported on the cathode side catalyst layer was 0.61 mg / cm 2 .

(工程5)においてPTFEシートを除去した後の実施例1のカソード側触媒層表面(MPLと対向する側の表面:以下の実施例、比較例においても、特に断らない限り同様)の走査電子顕微鏡写真を図2及び図3に示す。また比較例1のカソード側触媒層表面の走査電子顕微鏡写真を図4及び図5に示す。   Scanning electron microscope of the cathode side catalyst layer surface of Example 1 after removing the PTFE sheet in (Step 5) (surface on the side facing the MPL: the same applies to the following Examples and Comparative Examples unless otherwise specified) The photographs are shown in FIGS. Further, scanning electron micrographs of the cathode side catalyst layer surface of Comparative Example 1 are shown in FIGS.

これらの図からわかるように、比較例1では触媒層表面は比較的緻密質な部分から形成され、触媒層間には数μmの幅の大きなクラックが網目状に存在していた。   As can be seen from these figures, in Comparative Example 1, the surface of the catalyst layer was formed from a relatively dense portion, and a large crack having a width of several μm was present in a mesh form between the catalyst layers.

これに対し、実施例1では大きなクラックは少なく、触媒層表面に多数の貫通孔が形成されており、比較例1よりも多孔質になっていることが観察された。これが(工程1)のエッチング工程によりもたらされた形状の違いである。   On the other hand, in Example 1, there were few big cracks, many through-holes were formed in the catalyst layer surface, and it was observed that it was more porous than Comparative Example 1. This is the difference in shape brought about by the etching step (step 1).

(実施例2)
本実施例は本発明の第一の実施形態を用いて、図1に示した構成からなる固体高分子型燃料電池を作製した例である。
(Example 2)
In this example, a polymer electrolyte fuel cell having the structure shown in FIG. 1 was produced using the first embodiment of the present invention.

(工程1)において第二成膜工程で白金酸化物層を1μmの厚さで成膜した以外は、すべて実施例1と同様にして作成した単セルを作製した。カソード側触媒層のPt担持量は0.35mg/cmであった。 A single cell prepared in the same manner as in Example 1 was prepared except that the platinum oxide layer was formed to a thickness of 1 μm in the second film forming step in (Step 1). The amount of Pt supported on the cathode catalyst layer was 0.35 mg / cm 2 .

(比較例2)
(工程1)において貫通孔形成工程を行わなかった以外は、すべて実施例2と同様にして作成した単セルを作製した。カソード側触媒層のPt担持量は0.31mg/cmであった。
(Comparative Example 2)
A single cell was produced in the same manner as in Example 2 except that the through hole forming step was not performed in (Step 1). The amount of Pt supported on the cathode catalyst layer was 0.31 mg / cm 2 .

(実施例1、2及び比較例1、2の評価)
以上の工程によって作製した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、燃料電池の発電特性の評価を行った。その際、アノード電極側に水素ガスをデッドエンド0.2MPa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50%で行った。
(Evaluation of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2)
As shown in FIG. 6, an electronic load device and a hydrogen gas pipe were connected to each single fuel cell produced by the above process, and the power generation characteristics of the fuel cell were evaluated. At that time, the anode electrode side was filled with hydrogen gas at a dead end of 0.2 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 50%.

電流密度400mA/cmで、連続発電を行った場合のセル電圧の時間変化を、図7に示す。 FIG. 7 shows the time change of the cell voltage when continuous power generation is performed at a current density of 400 mA / cm 2 .

図7において、実施例1と比較例1を比較すると、実施例1の触媒層を用いた単セルが、30分を経過してもなお電圧が平均0.62V以上あったのに対し、比較例1の単セルでは0.56Vであり、実施例1より約60mVも低い電圧であった。なお、「平均」というのは、測定結果中の短期的な電圧変動(ノイズ)の影響を除去して電圧を平均化したことを意味する。   In FIG. 7, when Example 1 and Comparative Example 1 are compared, the voltage of the single cell using the catalyst layer of Example 1 was still 0.62 V or more on average even after 30 minutes. In the single cell of Example 1, it was 0.56 V, which was about 60 mV lower than Example 1. Note that “average” means that the voltage is averaged by removing the influence of short-term voltage fluctuation (noise) in the measurement result.

なお、実施例1のPt量は比較例1より40μg/cm多いが、この差はごく小さいため、60mVもの電圧の差を与える要因にはならないと考えられる。 The amount of Pt in Example 1 is 40 μg / cm 2 greater than that in Comparative Example 1, but this difference is very small, so it is not considered to be a factor that gives a voltage difference of 60 mV.

また、実施例2と比較例2を比較すると、実施例2の触媒層を用いた単セルが、30分を経過してもなお電圧が平均0.58V以上あったのに対し、比較例2の単セルでは平均0.52Vであり、実施例2より約60mVも低い電圧であった。   Further, when Example 2 and Comparative Example 2 were compared, the voltage of the single cell using the catalyst layer of Example 2 was still 0.58 V or more on average even after 30 minutes, whereas Comparative Example 2 In the single cell, the average voltage was 0.52 V, which was about 60 mV lower than Example 2.

このような結果は、実施例1及び2の燃料電池(単セル)は、比較例1及び2の燃料電池(単セル)と比べて、出力と出力安定性(発電安定性)が格段に優れていることを示している。このような結果が得られる理由は、実施例1及び2のカソード側触媒層は、貫通孔を有しているために、比較例1及び2のカソード側触媒層と比べて、生成水散逸性、排水性に優れていることにあると考えられる。   As a result, the fuel cells (single cells) of Examples 1 and 2 are much more excellent in output and output stability (power generation stability) than the fuel cells (single cells) of Comparative Examples 1 and 2. It shows that. The reason why such a result is obtained is that the cathode side catalyst layers of Examples 1 and 2 have through-holes, so that compared to the cathode side catalyst layers of Comparative Examples 1 and 2, the generated water dissipation is It is thought that it is excellent in drainage.

さらに、図7において実施例2と比較例1を比較すると、実施例2の触媒層は比較例1の触媒層に比べてPt量が約60%であるにも関わらず、比較例1よりも高い電圧を長時間維持できていた。   Furthermore, when Example 2 and Comparative Example 1 are compared in FIG. 7, the catalyst layer of Example 2 has a Pt amount of about 60% as compared with the catalyst layer of Comparative Example 1, but it is more than that of Comparative Example 1. The high voltage could be maintained for a long time.

このことは、本発明の製造方法により触媒利用効率が向上し、より少ないPt量でより高い燃料電池出力が得られるようになったことを示す。   This shows that the catalyst utilization efficiency is improved by the production method of the present invention, and a higher fuel cell output can be obtained with a smaller amount of Pt.

次に、実施例1の単セルと比較例1の単セルとを電流密度450mA/cmで連続発電を行った場合のセル電圧の時間変化を、図8に示す。 Next, FIG. 8 shows changes in cell voltage over time when continuous power generation is performed on the single cell of Example 1 and the single cell of Comparative Example 1 at a current density of 450 mA / cm 2 .

図8において、実施例1と比較例1を比較すると、実施例1の触媒層を用いた単セルが、1時間(3600秒)を経過してもなお電圧が平均0.52V以上あったのに対し、比較例1の単セルでは平均0.46Vであり、実施例1より約60mVも低い電圧であった。   In FIG. 8, when Example 1 was compared with Comparative Example 1, the average voltage of the single cell using the catalyst layer of Example 1 was 0.52 V or more even after 1 hour (3600 seconds). On the other hand, the average value of the single cell of Comparative Example 1 was 0.46 V, which was about 60 mV lower than Example 1.

さらに、比較例1では発電時間の経過に伴い電圧が低下していくのに対し、実施例1の単セルでは3000秒を経過した後には電圧の低下が見られなくなった。   Furthermore, in Comparative Example 1, the voltage decreased with the lapse of power generation time, whereas in the single cell of Example 1, the voltage did not decrease after 3000 seconds.

これは、電流密度450mA/cmで連続発電を行った場合には、比較例1では触媒層中の生成水の発生量が散逸量を上回ってしまったため発電時間の経過と共に滞留水量が増加したのに対し、実施例1では生成水散逸量が比較例1より大きかったため滞留水が一定以上増加しなかったことを示していると考えられる。 This is because when continuous power generation was performed at a current density of 450 mA / cm 2 , the amount of generated water in the catalyst layer exceeded the amount of dissipation in Comparative Example 1, and the amount of retained water increased with the lapse of power generation time. On the other hand, in Example 1, since the generated water dissipation amount was larger than that in Comparative Example 1, it is considered that the accumulated water did not increase more than a certain level.

(実施例3)
本実施例は、本発明の第二の実施形態を用いて、図1に示した構成からなる固体高分子型燃料電池を作製した例である。
(Example 3)
In this example, a polymer electrolyte fuel cell having the configuration shown in FIG. 1 was produced using the second embodiment of the present invention.

(工程A)
PTFEシート(日東電工製、商品名ニトフロン)にラビング処理により深さ約1μmの略直線状凹凸を形成した。ラビング処理に用いた布(クロス)はカーボンクロス(LT1400−W、E−TEK社)であり、クロスが露出している面をPTFEシートに当てて手動で一定方向に擦り、略直線状の凹凸を形成した。
(Process A)
A substantially linear unevenness having a depth of about 1 μm was formed on a PTFE sheet (manufactured by Nitto Denko, trade name Nittolon) by rubbing. The cloth (cloth) used for the rubbing treatment is a carbon cloth (LT1400-W, E-TEK Co.). Formed.

以降の工程は実施例1の(工程1)以降とすべて同様として燃料電池単セルを作製した。   Subsequent steps were the same as those in Example 1 (Step 1) and thereafter, and a single fuel cell was produced.

(実施例4)
(工程1)において、プラズマエッチングの時間を8分間とした以外は、すべて実施例3と同様にして、燃料電池単セルを作成した。
Example 4
A fuel cell single cell was prepared in the same manner as in Example 3 except that the plasma etching time was 8 minutes in (Step 1).

(比較例3)
貫通孔形成工程を行わなかった以外はすべて実施例3と同様にして燃料電池単セルを作製した。
(Comparative Example 3)
A fuel cell single cell was produced in the same manner as in Example 3 except that the through hole forming step was not performed.

図9及び10に実施例3のPTFEシートを除去した後のカソード側触媒層表面の走査電子顕微鏡写真を示す。また比較例3のPTFEシートを除去した後のカソード側触媒層表面の走査電子顕微鏡写真を図11に示す。   9 and 10 show scanning electron micrographs of the cathode-side catalyst layer surface after the PTFE sheet of Example 3 was removed. Further, FIG. 11 shows a scanning electron micrograph of the surface of the cathode side catalyst layer after removing the PTFE sheet of Comparative Example 3.

図9からわかるように、実施例3では、触媒層に網目状クラックとともに幅数μmの略直線状クラックが多数形成されていた。また図10からわかるように、実施例3では、触媒層表面は実施例1と同様に多数の貫通孔が形成されていた。   As can be seen from FIG. 9, in Example 3, a large number of substantially linear cracks having a width of several μm were formed in the catalyst layer together with the mesh cracks. Further, as can be seen from FIG. 10, in Example 3, the surface of the catalyst layer was formed with a large number of through holes in the same manner as in Example 1.

これに対し図11から判るように、比較例3では筋状クラックは見られず、網目状クラックのみが形成されていた。また、比較例3では、触媒層表面は比較例1と同様に比較的緻密質な部分から形成されていた。   On the other hand, as can be seen from FIG. 11, no streak crack was observed in Comparative Example 3, and only a mesh crack was formed. In Comparative Example 3, the surface of the catalyst layer was formed from a relatively dense portion as in Comparative Example 1.

転写シートに付与した凹凸の形状は略直線状であったことから、実施例3で観察された略直線状のクラックは凹凸段差を反映したクラック(クラックC)であると考えられる。それ以外の網目状クラックは、触媒層の還元による体積収縮や電解質膜の膨潤によって形成されたクラック(クラックA、クラックB)であると考えられる。図10と図11との比較から、緻密層に貫通孔を形成する工程が、触媒層表面のクラックCの形成に寄与していると考えられる。   Since the shape of the unevenness imparted to the transfer sheet was substantially linear, the substantially linear crack observed in Example 3 is considered to be a crack (crack C) reflecting the uneven step. The other network cracks are considered to be cracks (crack A, crack B) formed by volume shrinkage due to reduction of the catalyst layer or swelling of the electrolyte membrane. From the comparison between FIG. 10 and FIG. 11, it is considered that the step of forming the through hole in the dense layer contributes to the formation of the crack C on the surface of the catalyst layer.

(実施例3、4及び比較例3の評価)
実施例1などの評価と同様にして、電流密度400mA/cmで連続発電を行った場合の実施例3、実施例4の燃料電池単セルのセル電圧の時間変化を、実施例1、比較例1及び比較例3の燃料電池単セルの結果とともに図12に示す。
(Evaluation of Examples 3 and 4 and Comparative Example 3)
Similar to the evaluation of Example 1 and the like, the time change of the cell voltage of the single fuel cell of Example 3 and Example 4 when continuous power generation was performed at a current density of 400 mA / cm 2 was compared with Example 1. FIG. 12 shows the results of the fuel cell single cells of Example 1 and Comparative Example 3 together with the results.

実施例3と比較例1及び3とを比較すると、実施例3の触媒層を用いた単セルが、30分を経過してもなお電圧が平均0.65V以上あったのに対し、比較例1及び3の単セルの電圧はいずれも約0.57Vであり、実施例3より約80mVも低かった。   When Example 3 and Comparative Examples 1 and 3 were compared, the single cell using the catalyst layer of Example 3 had an average voltage of 0.65 V or more after 30 minutes, whereas Comparative Example The voltages of the single cells 1 and 3 were both about 0.57 V and about 80 mV lower than Example 3.

実施例4と比較例1及び3とを比較すると、実施例4の触媒層を用いた単セルが、30分を経過してもなお電圧が0.60V以上あったのに対し、比較例1及び3の単セルの電圧はいずれも約0.57Vであり、実施例4より約30mVも低かった。   When Example 4 was compared with Comparative Examples 1 and 3, the voltage of the single cell using the catalyst layer of Example 4 was still 0.60 V or more after 30 minutes, whereas Comparative Example 1 The voltage of the single cells 3 and 3 was about 0.57 V, which was about 30 mV lower than Example 4.

また、実施例3と実施例1を比較すると、30分後の電圧は実施例3の方が実施例1より20mV高かった。また、最高電圧で比較すると、実施例3は0.7Vであり、実施例1の最高電圧である0.64Vよりも60mVも高かった。   Further, comparing Example 3 and Example 1, the voltage after 30 minutes was 20 mV higher in Example 3 than in Example 1. Further, when compared with the maximum voltage, Example 3 was 0.7 V, which was 60 mV higher than 0.64 V which is the maximum voltage of Example 1.

さらに、実施例4と実施例1とを最高電圧で比較すると、実施例4は0.67Vであり、実施例1の最高電圧である0.64Vよりも30mVも高かった。   Furthermore, when Example 4 and Example 1 were compared by the maximum voltage, Example 4 was 0.67V, 30 mV higher than 0.64V which is the maximum voltage of Example 1.

このような結果は、実施例3及び実施例4の燃料電池(単セル)は、実施例1の燃料電池(単セル)よりも、さらに出力と出力安定性(発電安定性)が優れていることを示している。このような結果が得られる理由は、実施例3及び実施例4のカソード側触媒層は、貫通孔に加えてクラックCを有しているために、実施例1と比べて、生成水散逸性、排水性がさらに優れていることにあると考えられる。すなわち、転写シートに凹凸を形成する工程と触媒層の緻密層に貫通孔を形成する工程とを併用することにより、触媒層の生成水散逸性が大幅に向上し、燃料電池の出力と出力安定性を向上させることができる。   As a result, the fuel cells (single cells) of Example 3 and Example 4 are more excellent in output and output stability (power generation stability) than the fuel cell (single cell) of Example 1. It is shown that. The reason why such a result is obtained is that the cathode side catalyst layers of Example 3 and Example 4 have cracks C in addition to the through-holes. It is considered that the drainage is more excellent. In other words, by combining the process of forming irregularities on the transfer sheet and the process of forming through-holes in the dense layer of the catalyst layer, the water dissipation of the catalyst layer is greatly improved, and the fuel cell output and output stability are stabilized. Can be improved.

(実施例5)
本実施例は、本発明の第二の実施形態を用いて、図1に示した構成からなる固体高分子型燃料電池を作製した例である。
(Example 5)
In this example, a polymer electrolyte fuel cell having the configuration shown in FIG. 1 was produced using the second embodiment of the present invention.

(工程A)
転写シーとしてのPTFEシート(日東電工製、ニトフロン)に研磨処理により略直線状の凹凸を形成した。研磨処理に用いた研磨シートには、アルミナ系研磨シート(WA400−75FEZ−A、日本ミクロコーティング株式会社製)を用い、研磨シートの上からゴムロールを押し当ててPTFEシート上を一定方向に研磨し、略直線状の凹凸を形成した。この時の加圧力は2kg/cm、ゴムロール硬度は60度、研磨シート移動速度は1400mm/minとした。研磨処理後のPTFEシートのRaは、0.46μmであった。
(Process A)
A substantially linear unevenness was formed on a PTFE sheet (Nitto Denko, Nitoflon) as a transfer sheet by polishing treatment. As the polishing sheet used for the polishing treatment, an alumina polishing sheet (WA400-75FEZ-A, manufactured by Nihon Micro Coating Co., Ltd.) is used, and a rubber roll is pressed on the polishing sheet to polish the PTFE sheet in a certain direction. A substantially linear unevenness was formed. The applied pressure at this time was 2 kg / cm 2 , the rubber roll hardness was 60 degrees, and the polishing sheet moving speed was 1400 mm / min. Ra of the PTFE sheet after the polishing treatment was 0.46 μm.

以降の工程は実施例1の(工程1)以降とすべて同様として燃料電池単セルを作製した。   Subsequent steps were the same as those in Example 1 (Step 1) and thereafter, and a single fuel cell was produced.

(実施例6)
実施例5において、研磨シートをWA1000−75FEZ−Aとした以外は、すべて実施例5と同様にして燃料電池単セルを作製した。研磨処理後のPTFEシートのRaは0.26μmであった。
(Example 6)
A fuel cell single cell was produced in the same manner as in Example 5 except that the polishing sheet was changed to WA1000-75FEZ-A in Example 5. Ra of the PTFE sheet after the polishing treatment was 0.26 μm.

図13に、PTFEシートを除去した後の実施例5のカソード側触媒層表面の走査電子顕微鏡写真を示す。また、図14に、PTFEシートを除去した後の実施例6のカソード側触媒層表面の走査電子顕微鏡写真を示す。   FIG. 13 shows a scanning electron micrograph of the cathode side catalyst layer surface of Example 5 after removing the PTFE sheet. FIG. 14 shows a scanning electron micrograph of the cathode-side catalyst layer surface of Example 6 after the PTFE sheet was removed.

図13からわかるように、実施例5では、触媒層に網目状クラックとともに幅数μmの略直線状クラックが多数形成されていた。また図には明確に現れていないが、実施例5の触媒層表面には実施例1と同様に多数の貫通孔が形成されていた。   As can be seen from FIG. 13, in Example 5, a large number of substantially linear cracks having a width of several μm were formed in the catalyst layer together with the mesh cracks. Although not clearly shown in the figure, a large number of through holes were formed on the surface of the catalyst layer of Example 5 as in Example 1.

これに対し図14から判るように、実施例6の触媒層表面には略直線状クラックは見られず、網目状クラックのみが形成されていた。このような結果は、研磨処理によって転写シートに凹凸を付与する場合には、Raが0.3μm以上でなければ、クラックCが形成されないことを示している。   On the other hand, as can be seen from FIG. 14, substantially straight cracks were not seen on the surface of the catalyst layer of Example 6, and only mesh cracks were formed. Such a result shows that when the unevenness is imparted to the transfer sheet by the polishing treatment, the crack C is not formed unless Ra is 0.3 μm or more.

(実施例5及び実施例6の評価)
実施例1などの評価と同様にして、電流密度400mA/cmで連続発電を行った場合の実施例5の燃料電池単セルのセル電圧の時間変化を、実施例6及び実施例1の燃料電池単セルの結果とともに図15に示す。
(Evaluation of Example 5 and Example 6)
Similar to the evaluation of Example 1 and the like, the time change of the cell voltage of the single fuel cell of Example 5 when continuous power generation is performed at a current density of 400 mA / cm 2 is the same as the fuel of Example 6 and Example 1. It shows in FIG. 15 with the result of a battery single cell.

実施例5と実施例6とを比較すると、実施例5の触媒層を用いた単セルが、30分を経過してもなお電圧が平均0.66V以上あったのに対し、実施例6の単セルの電圧は約0.625Vであり、実施例5は実施例6よりも約35mVも高かった。   Comparing Example 5 and Example 6, the single cell using the catalyst layer of Example 5 had an average voltage of 0.66 V or more even after 30 minutes, whereas Example 6 The voltage of the single cell was about 0.625 V, and Example 5 was about 35 mV higher than Example 6.

また、最高電圧で比較すると、実施例5は約0.69Vであり、実施例6の最高電圧である約0.66Vよりも30mVも高かった。実施例6と実施例1を比較すると、実施例6は実施例1よりも最高電圧は約20mV高いものの、30分後には実施例6と実施例1は同じ電圧となった。   Further, when compared with the maximum voltage, Example 5 was about 0.69 V, which was 30 mV higher than about 0.66 V which is the maximum voltage of Example 6. When Example 6 and Example 1 were compared, Example 6 and Example 1 became the same voltage after 30 minutes although Example 6 had a maximum voltage higher by about 20 mV than Example 1.

すなわち、本例では、研磨処理によって転写シートに凹凸を付与する場合において、Raを0.3μm以上とすることにより、第二の実施形態による効果を十分に得られた。   That is, in this example, when the unevenness was imparted to the transfer sheet by the polishing treatment, the effect of the second embodiment was sufficiently obtained by setting Ra to 0.3 μm or more.

次に、実施例1、3〜6の触媒グレインの円相当直径の加重平均Dと、電流密度400mA/cmで連続発電を行った場合の燃料電池単セルの最大電圧との関係を図16に示す。 Next, the relationship between the weighted average D of the equivalent circle diameters of the catalyst grains of Examples 1 and 3 to 6 and the maximum voltage of the single fuel cell when continuous power generation is performed at a current density of 400 mA / cm 2 is shown in FIG. Shown in

また同様に図17に、実施例1、3〜6の触媒グレインの円相当直径の標準偏差σとDの比σ/Dと、電流密度400mA/cmで連続発電を行った場合の燃料電池単セルの最大電圧との関係を示す。 Similarly, FIG. 17 shows a fuel cell when continuous power generation is performed at a ratio σ / D of standard deviation σ and D of the equivalent circle diameter of catalyst grains of Examples 1 and 3 to 6 and a current density of 400 mA / cm 2. The relationship with the maximum voltage of a single cell is shown.

ここでD及びσの計算には、画像解析ソフト(A像くん、旭化成株式会社製)を用いた。電子顕微鏡観察にあたっては、500倍の倍率で触媒層の任意の場所を1箇所につき、0.02mmずつ4個所撮影し、個別に粒子解析処理を行い、個々の触媒グレインの周囲長S(n)を得た。また一部のみがわずかに連結したような触媒グレインについては、連結部の最小幅が5μm以下の触媒グレインに限って、クラックが触媒グレインを実施的に寸断しているものと見なして別個の触媒グレインとして解析処理を実施した。 Here, for the calculation of D and σ, image analysis software (A image-kun, manufactured by Asahi Kasei Corporation) was used. When observing with an electron microscope, an arbitrary place of the catalyst layer was photographed at a magnification of 500 times at four locations of 0.02 mm 2 and subjected to particle analysis processing individually, and the perimeter of each catalyst grain S (n ) In addition, for catalyst grains in which only a part of the catalyst grains is slightly connected, it is considered that the crack is effectively cut off from the catalyst grains only when the minimum width of the connecting portion is 5 μm or less. The analysis process was carried out as a grain.

図16〜17から、D及びσ/Dが小さいほど、単セル電圧の最大電圧は大きくなる傾向にあることが判る。特に、D<35μm、σ/D<50%である実施例3〜5では、実施例1、6に比べて大幅に単セル電圧が向上していることが判る。   16-17, it turns out that the maximum voltage of a single cell voltage tends to become large, so that D and (sigma) / D are small. In particular, in Examples 3 to 5 in which D <35 μm and σ / D <50%, it can be seen that the single cell voltage is significantly improved as compared with Examples 1 and 6.

このような結果が得られる理由は、実施例3〜5のカソード側触媒層は、第一の実施形態による触媒層緻密層への貫通孔形成に加え、クラックCを形成することにより、触媒グレインの大きさとそのバラツキが小さくなっているために、実施例1、6と比べて、物質拡散性が向上していることにあると考えられる。   The reason why such a result is obtained is that the cathode side catalyst layers of Examples 3 to 5 have catalyst grains formed by forming cracks C in addition to the formation of through holes in the dense catalyst layer according to the first embodiment. It is considered that the material diffusibility is improved as compared with Examples 1 and 6 because the size and the variation thereof are small.

すなわち、転写シートに凹凸を形成する工程と触媒層の緻密層に貫通孔を形成する工程とを併用することにより、触媒層の生成水散逸性が大幅に向上し、燃料電池の出力を向上させることができる。   That is, by combining the step of forming irregularities on the transfer sheet and the step of forming through holes in the dense layer of the catalyst layer, the generated water dissipation of the catalyst layer is greatly improved and the output of the fuel cell is improved. be able to.

(実施例7)
本実施例は本発明の第二の実施形態を用いて、図1に図示した膜電極接合体8を作製した例である。
(Example 7)
This example is an example in which the membrane electrode assembly 8 illustrated in FIG. 1 was produced using the second embodiment of the present invention.

(工程A)
フォトリソグラフィープロセス及びドライエッチングプロセスにより、Si基板上に、図18〜20に示すような、ライン状、ドット状、ホール状の3種類の規則的形状を有する凹凸パターンを形成した。ここで凹凸のスペース間隔は10μmとし、凸部の最小幅も10μmとした。凹凸高低差は2μmとした。
(Process A)
By a photolithography process and a dry etching process, a concavo-convex pattern having three types of regular shapes such as a line shape, a dot shape, and a hole shape as shown in FIGS. 18 to 20 was formed on the Si substrate. Here, the space between the concave and convex portions was 10 μm, and the minimum width of the convex portion was also 10 μm. The uneven height difference was 2 μm.

次に、サイトップ(商品名、旭硝子株式会社製)を使用して、Si基板上に離型層としてのフッ素樹脂膜(厚さ0.1μm以下)を成膜した。   Next, using CYTOP (trade name, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), a fluororesin film (thickness of 0.1 μm or less) as a release layer was formed on the Si substrate.

この離型層を有するSi基板を転写シートとして使用し、以降の工程は実施例1の(工程1)〜(工程5)まですべて同様として、膜電極接合体を作製した。   A Si substrate having this release layer was used as a transfer sheet, and the subsequent steps were the same as those in Example 1 (Step 1) to (Step 5), and a membrane electrode assembly was produced.

(実施例8)
凹凸のスペース間隔を50μmとし、凸部の最小幅も50μmとした以外は、すべて実施例7と同様にして膜電極接合体を作製した。
(Example 8)
A membrane / electrode assembly was produced in the same manner as in Example 7 except that the uneven space interval was 50 μm and the minimum width of the convex portion was 50 μm.

(実施例9)
凹凸高低差を10μmとした以外は、すべて実施例8と同様にして膜電極接合体を作製した。
Example 9
A membrane / electrode assembly was produced in the same manner as in Example 8 except that the unevenness height difference was 10 μm.

(実施例10)
凹凸のスペース間隔を5μmとし、凸部の最小幅も5μmとした以外は、すべて実施例7と同様にして膜電極接合体を作製した。
(Example 10)
A membrane / electrode assembly was produced in the same manner as in Example 7 except that the uneven spacing was 5 μm and the minimum width of the convex portion was 5 μm.

(実施例11)
凹凸のスペース間隔を1μmとし、凸部の最小幅も1μmとした以外は、すべて実施例7と同様にして膜電極接合体を作製した。
(Example 11)
A membrane / electrode assembly was fabricated in the same manner as in Example 7 except that the uneven space interval was 1 μm and the minimum width of the convex portion was 1 μm.

(実施例12)
凹凸のスペース間隔を5μmとし、凸部の最小幅も5μmとした以外は、すべて実施例9と同様にして膜電極接合体を作製した。
(Example 12)
A membrane / electrode assembly was produced in the same manner as in Example 9 except that the uneven space interval was 5 μm and the minimum width of the convex portion was also 5 μm.

(実施例13)
凹凸のスペース間隔を1μmとし、凸部の最小幅も1μmとした以外は、すべて実施例9と同様にして膜電極接合体を作製した。
(Example 13)
A membrane / electrode assembly was fabricated in the same manner as in Example 9 except that the uneven space interval was 1 μm and the minimum width of the protrusion was 1 μm.

(実施例14)
凹凸高低差を10μmとした以外は、すべて実施例7と同様にして膜電極接合体を作製した。
(Example 14)
A membrane / electrode assembly was produced in the same manner as in Example 7 except that the unevenness height difference was 10 μm.

表1及び2に、実施例7〜14の凹凸形状条件と転写工程後にSi基板に残った触媒層の有無の結果を示す。   Tables 1 and 2 show the uneven shape conditions of Examples 7 to 14 and the results of the presence or absence of a catalyst layer remaining on the Si substrate after the transfer step.

Figure 0005430079
Figure 0005430079

Figure 0005430079
Figure 0005430079

これらの表から判るように、実施例7〜9では、ホール形状の場合を除いて転写工程後のSi基板には触媒層はほとんど残っていなかった。   As can be seen from these tables, in Examples 7 to 9, almost no catalyst layer remained on the Si substrate after the transfer step except in the case of the hole shape.

これに対し、実施例7のホール状凹凸形状の場合、及び実施例10〜14では、転写工程において、凹部の触媒層はほとんど転写されず、転写工程後のSi基板の凹部には多くの触媒層が残っていた。   On the other hand, in the case of the hole-shaped uneven shape of Example 7 and Examples 10 to 14, in the transfer process, the catalyst layer in the recess was hardly transferred, and many catalysts were formed in the recess in the Si substrate after the transfer process. The layer remained.

これらの結果は、Si基板の凹凸深さが2μmの場合で、且つ凹凸形状がライン状またはドット状の場合、スペース間隔が5μmより大きければ、凸部上の触媒層とともに、ほぼすべての凹部上の触媒層が電解質膜に転写されることを示す。   These results show that when the concave / convex depth of the Si substrate is 2 μm, and the concave / convex shape is a line or a dot, if the space interval is larger than 5 μm, along with the catalyst layer on the convex portion, almost all the concave portions This shows that the catalyst layer is transferred to the electrolyte membrane.

またこれらの結果は、凹凸深さが10μmの場合、スペース間隔が10μmより大きければ、凹凸形状によらず、凸部上の触媒層とともに凹部の触媒層まで電解質膜に転写されることを示す。   These results also indicate that, when the uneven depth is 10 μm, if the space interval is larger than 10 μm, the catalyst layer on the convex portion and the catalyst layer on the concave portion are transferred to the electrolyte membrane regardless of the uneven shape.

図21及び22に、実施例7及び8(凹凸形状=ライン状)で得られた各々の膜電極接合体の剥離シートを除去した後のカソード側触媒層の表面(MPLと対向する側の表面)の走査電子顕微鏡写真を示す。   21 and 22 show the surface of the cathode catalyst layer after removing the release sheet of each membrane electrode assembly obtained in Examples 7 and 8 (uneven shape = line shape) (surface on the side facing the MPL). ) Shows a scanning electron micrograph.

これらの図から判るように、これらの触媒層では凹凸の段差部位置に相当する場所に白線が観察された。これは、他の凹凸形状にも共通して観察された。   As can be seen from these figures, in these catalyst layers, white lines were observed at locations corresponding to the uneven step positions. This was observed in common with other uneven shapes.

図23は、実施例8において、凹凸形状がドット状の場合の、白線に見える部分を俯瞰した拡大図である。図23から判るように、図21及び22において白線となって写っている部分は、凹凸段差を反映したクラックであった。これは、他の凹凸形状の場合でも共通していた。   FIG. 23 is an enlarged view of a portion that appears as a white line when the uneven shape is a dot shape in the eighth embodiment. As can be seen from FIG. 23, the portions shown as white lines in FIGS. 21 and 22 were cracks reflecting uneven steps. This was common even in the case of other uneven shapes.

即ち、凹部の触媒層まで転写された場合にはすべて、凹凸段差部において触媒層にクラックCが形成されていた。   That is, in all cases where the catalyst layer was transferred to the concave portion, cracks C were formed in the catalyst layer at the uneven step portion.

なお図21及び22から判るように、このような凹凸寸法条件においては、クラックCのみが観察され、それ以外のクラックA及びBはほとんど観察されなかった。このことは、クラックCの間隔が50μm以下の場合、クラックCにより触媒層の応力緩和が起こるため、クラックA及びBは形成されにくくなることを示していると考えられる。   As can be seen from FIGS. 21 and 22, only cracks C were observed under such uneven dimension conditions, and cracks A and B other than that were hardly observed. This is considered to indicate that the cracks A and B are hardly formed because the stress relaxation of the catalyst layer occurs due to the crack C when the interval between the cracks C is 50 μm or less.

(実施例15)
(工程1)においてプラズマエッチング時間を1分とした以外は、すべて実施例1と同様にして作成した単セルを作製した。貫通孔形成後にシート上に残った白金酸化物は、基板面積当たり84μg/cmであった。
(Example 15)
A single cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the plasma etching time was set to 1 minute in (Step 1). The platinum oxide remaining on the sheet after forming the through-hole was 84 μg / cm 2 per substrate area.

(実施例16)
(工程1)においてプラズマエッチング時間を3分とした以外は、すべて実施例1と同様にして作成した単セルを作製した。貫通孔形成後にシート上に残った白金酸化物は、基板面積当たり75μg/cmであった。
(Example 16)
A single cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the plasma etching time was 3 minutes in (Step 1). The platinum oxide remaining on the sheet after forming the through-hole was 75 μg / cm 2 per substrate area.

(実施例17)
(工程1)においてプラズマエッチング時間を8分とした以外は、すべて実施例1と同様にして作成した単セルを作製した。貫通孔形成後にシート上に残った白金酸化物は、基板面積当たり52μg/cmであった。
(Example 17)
A single cell prepared in the same manner as in Example 1 was prepared except that the plasma etching time was 8 minutes in (Step 1). The platinum oxide remaining on the sheet after forming the through-hole was 52 μg / cm 2 per substrate area.

(実施例18)
(工程1)において第一成膜工程の際の全圧を3Pa、貫通孔形成工程の際のプラズマエッチング時間を8分とした以外は、すべて実施例1と同様にして作成した単セルを作製した。貫通孔形成後にシート上に残った白金酸化物は、基板面積当たり56μg/cmであった。
(Example 18)
A single cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the total pressure in the first film formation step was 3 Pa and the plasma etching time in the through hole formation step was 8 minutes in (Step 1). did. The platinum oxide remaining on the sheet after forming the through hole was 56 μg / cm 2 per substrate area.

(実施例19)
(工程1)において第一成膜工程の際の全圧を8Pa、貫通孔形成工程の際のプラズマエッチング時間を8分とした以外は、すべて実施例1と同様にして作成した単セルを作製した。貫通孔形成後にシート上に残った白金酸化物は、基板面積当たり40μg/cmであった。
(Example 19)
A single cell produced in the same manner as in Example 1 except that the total pressure in the first film formation step was 8 Pa and the plasma etching time in the through-hole formation step was 8 minutes in (Step 1). did. The platinum oxide remaining on the sheet after forming the through holes was 40 μg / cm 2 per substrate area.

(実施例15乃至19の評価)
以上の工程によって作製した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、燃料電池の発電特性の評価を行った。その際、アノード電極側に水素ガスをデッドエンド0.2MPa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。
(Evaluation of Examples 15 to 19)
As shown in FIG. 6, an electronic load device and a hydrogen gas pipe were connected to each single fuel cell produced by the above process, and the power generation characteristics of the fuel cell were evaluated. At that time, the anode electrode side was filled with hydrogen gas at a dead end of 0.2 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%.

試験方法は開回路電圧(OCV)から1A/cmの電流密度まで、電流掃印速度0.1mA/cm/secでスウィープを行った後に1mA/cm/secで0Vまでスウィープし、各セルの電圧―電流密度特性を評価した。 The test method is the open circuit voltage (OCV) to a current density of 1A / cm 2, and sweep to 0V at 1mA / cm 2 / sec after the sweep in the current sweep rate 0.1mA / cm 2 / sec, the The voltage-current density characteristics of the cell were evaluated.

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は起こらない。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蒸発量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燃料電池がフラッディングを起こし易い。このようにフラッディングが起こり易い条件で、各実施例と比較例の膜電極接合体を比較することで、各膜電極接合体のカソード触媒層における物質拡散性の大小を評価することができるので、効果を判断しやすくなる。   Under this condition, since the anode side is a dead end, water evaporation from the anode side does not occur. Furthermore, since the air humidity on the cathode side is 100% RH, the amount of water evaporation from the cathode side is also small. That is, under this condition, moisture movement outside the cell is suppressed, so flooding at the cathode tends to occur. Furthermore, since the current value sweep plate at the time of measurement is small, the power generation time at the time of measurement is increased and a lot of water is generated, so that the fuel cell is likely to be flooded at a high current density. By comparing the membrane electrode assemblies of each Example and Comparative Example under conditions where flooding is likely to occur in this way, the magnitude of material diffusibility in the cathode catalyst layer of each membrane electrode assembly can be evaluated. It becomes easier to judge the effect.

実施例15乃至17の燃料電池単セルの電圧―電流密度特性の結果を、実施例1及び比較例1の燃料電池単セルの結果とともに図24に示す。また実施例18及び19の燃料電池単セルの電圧―電流密度特性の結果を、図25に示す。   The results of the voltage-current density characteristics of the fuel cell single cells of Examples 15 to 17 are shown in FIG. 24 together with the results of the fuel cell single cells of Example 1 and Comparative Example 1. Moreover, the result of the voltage-current density characteristic of the fuel cell single cell of Examples 18 and 19 is shown in FIG.

図24及び25から判るように、0.4Vにおける出力電流密度が比較例1では約410mA/cmであったのに対し、実施例1及び実施例15〜17では約440mA/cm以上であり、20mA/cm以上も高かった。特に実施例17では490mA/cmと70mA/cmも高かった。 24 and as can be seen from 25, with respect to the output current density was Comparative Example 1 about 410mA / cm 2 at 0.4V, Example 1 and Examples 15 to 17 In about 440 mA / cm 2 or more Yes, 20 mA / cm 2 or more. Especially Example 17 In 490mA / cm 2 and 70 mA / cm 2 was high.

実施例19の電流密度は450mA/cmと、比較例1よりは大きかったものの、同じエッチング時間であったにも関わらず実施例1及び実施例18よりは小さかった。これは、実施例19では緻密層の厚さが薄かったため、8分間のエッチングでは貫通孔形成後にシート上に残ったPt酸化物が少なくなりすぎたからであると推測される。すなわち実施例19では貫通孔形成工程後のPt酸化物が50μg/cm未満となっていたため、その後の第2成膜工程で再度緻密層が形成され、実施例11及び12よりも貫通孔開口率が低下し、それにともなって出力電流密度が低下してしまったものと推測される。 The current density of Example 19 was 450 mA / cm 2, which was larger than that of Comparative Example 1, but smaller than those of Examples 1 and 18 despite the same etching time. This is presumably because, in Example 19, the dense layer was thin, and in the etching for 8 minutes, the Pt oxide remaining on the sheet after the formation of the through hole was too small. That is, in Example 19, the Pt oxide after the through hole forming step was less than 50 μg / cm 2 , so that a dense layer was formed again in the subsequent second film forming step, and the through hole opening was larger than in Examples 11 and 12. It is presumed that the output current density has decreased with the decrease in the rate.

図26に、実施例1及び比較例1、実施例15乃至19の膜電極接合体のカソード触媒層における貫通孔開口率と0.4Vにおける出力電流密度の相関図を示す。この図から、マクロクラックに囲まれた領域内の貫通孔の固体高分子電解質膜と反対側の表面における開口率が8%以上40%以下の範囲で出力電流密度が大きく向上することが判る。この図からは、出力電流密度は8%以下では急激に低下し、30%以上ではほぼ飽和することが判る。   FIG. 26 shows a correlation diagram between the through hole opening ratio in the cathode catalyst layer and the output current density at 0.4 V in the membrane electrode assemblies of Example 1, Comparative Example 1, and Examples 15 to 19. From this figure, it can be seen that the output current density is greatly improved when the aperture ratio in the surface opposite to the solid polymer electrolyte membrane of the through hole in the region surrounded by macro cracks is in the range of 8% to 40%. From this figure, it can be seen that the output current density rapidly decreases at 8% or less, and is almost saturated at 30% or more.

図27に実施例17の、図28に比較例1の、触媒層断面の走査電子顕微鏡写真を示す。ここで、FIB加工時のビーム入射角度は触媒層の主平面に対して28°とした。   FIG. 27 shows a scanning electron micrograph of the catalyst layer cross section of Example 17 and FIG. 28 of Comparative Example 1. Here, the beam incident angle during FIB processing was set to 28 ° with respect to the main plane of the catalyst layer.

図27及び図28における第一の層13内に、第一の層13の主平面に対して平行なライン(幅7nm)を引き、このライン上の黒い画素がライン上の全画素中に占める割合を、第一の層の空孔率として計算した。   A line (width 7 nm) parallel to the main plane of the first layer 13 is drawn in the first layer 13 in FIGS. 27 and 28, and black pixels on this line occupy all the pixels on the line. The percentage was calculated as the porosity of the first layer.

なおラインを引く際には、第一の層の膜厚方向中央付近を通るようにした。何故ならば、観察用試料においては、第一の層が完全な平板形状ではなく、第一の層とそれ以外との境界部分が直線とならないため、前記ラインを境界部付近に引いてしまうと、ラインが第一の層ではない箇所を経由してしまい正確な空孔率を計算できない恐れがあるからである。   In addition, when drawing a line, it was made to pass near the film thickness direction center of a 1st layer. This is because in the observation sample, the first layer is not a perfect flat plate shape, and the boundary between the first layer and the other is not a straight line. This is because there is a possibility that the line cannot pass through the portion that is not the first layer and the accurate porosity cannot be calculated.

実施例17(図27)の触媒層における第一の層の空孔率は43%であり、比較例1(図28)の第一の層の空孔率(33%)より10%も高かった。図26の結果と合わせて考えると、実施例17における第一の層は、比較例1の場合よりも、高い貫通孔開口率と空孔率を備えていることがわかる。この第一の層の構造により実施例17の触媒層は比較例1の触媒層に比べ高いガス拡散性と生成水散逸性を有し、その結果高い電流密度を出力できるものと推定される。   The porosity of the first layer in the catalyst layer of Example 17 (FIG. 27) is 43%, which is 10% higher than the porosity (33%) of the first layer in Comparative Example 1 (FIG. 28). It was. When considered together with the result of FIG. 26, it can be seen that the first layer in Example 17 has higher through-hole opening ratio and porosity than in Comparative Example 1. Due to the structure of this first layer, the catalyst layer of Example 17 is estimated to have higher gas diffusibility and generated water dissipation than the catalyst layer of Comparative Example 1, and as a result, it can output a high current density.

なお、図27及び28の第二の層14では、第一の層13よりも空孔率が低いかのように思われる領域も見られるが、この領域では試料調整時に添加したインクの充填が充分でない可能性があるため、正確な情報とは言えず、従ってここでは無視して差し支えない。   In the second layer 14 shown in FIGS. 27 and 28, there may be a region where the porosity seems to be lower than that of the first layer 13. In this region, the ink added during sample preparation is filled. It may not be sufficient, so it is not accurate information and can therefore be ignored here.

固体高分子型燃料電池の単セルの断面構成を表す模式図の一例である。It is an example of the schematic diagram showing the cross-sectional structure of the single cell of a polymer electrolyte fuel cell. 実施例1の触媒層表面を示す走査電子顕微鏡写真(倍率1000倍)である。2 is a scanning electron micrograph (magnification 1000 times) showing the catalyst layer surface of Example 1. FIG. 実施例1の触媒層表面を示す走査電子顕微鏡写真(倍率6万倍)である。2 is a scanning electron micrograph (magnification 60,000 times) showing the surface of the catalyst layer of Example 1. FIG. 比較例1の触媒層表面を示す走査電子顕微鏡写真(倍率1000倍)である。2 is a scanning electron micrograph (magnification 1000 times) showing the surface of a catalyst layer of Comparative Example 1. 比較例1の触媒層表面を示す走査電子顕微鏡写真(倍率6万倍)である。2 is a scanning electron micrograph (magnification 60,000 times) showing the surface of a catalyst layer of Comparative Example 1. 固体高分子型燃料電池の評価装置の模式図である。It is a schematic diagram of the evaluation apparatus of a polymer electrolyte fuel cell. 実施例1、2及び比較例1、2の固体高分子型燃料電池の出力電流密度400mA/cmにおける電圧の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the voltage in the output current density of 400 mA / cm < 2 > of the polymer electrolyte fuel cell of Example 1, 2 and Comparative Example 1,2. 実施例1及び比較例1の固体高分子型燃料電池の出力電流密度450mA/cmにおける電圧の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the voltage in the output current density of 450 mA / cm < 2 > of the polymer electrolyte fuel cell of Example 1 and Comparative Example 1. FIG. 実施例3の触媒層表面を示す走査電子顕微鏡写真(倍率1000倍)である。4 is a scanning electron micrograph (magnification 1000 times) showing the catalyst layer surface of Example 3. FIG. 実施例3の触媒層表面を示す走査電子顕微鏡写真(倍率3万倍)である。4 is a scanning electron micrograph (magnification of 30,000 times) showing the surface of a catalyst layer of Example 3. FIG. 比較例3の触媒層表面を示す走査電子顕微鏡写真(倍率1000倍)である。4 is a scanning electron micrograph (magnification 1000 times) showing the surface of a catalyst layer of Comparative Example 3. 実施例3及び比較例1、3の固体高分子型燃料電池の出力電流密度400mA/cmにおける電圧の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the voltage in the output current density of 400 mA / cm < 2 > of the polymer electrolyte fuel cell of Example 3 and Comparative Examples 1 and 3. FIG. 実施例5の触媒層表面を示す走査電子顕微鏡写真(倍率500倍)である。6 is a scanning electron micrograph (magnification 500 times) showing the surface of a catalyst layer of Example 5. FIG. 実施例6の触媒層表面を示す走査電子顕微鏡写真(倍率500倍)である。6 is a scanning electron micrograph (magnification 500 times) showing the surface of a catalyst layer of Example 6. FIG. 実施例5及び実施例6の固体高分子型燃料電池の出力電流密度400mA/cmにおける電圧の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the voltage in the output current density of 400 mA / cm < 2 > of the polymer electrolyte fuel cell of Example 5 and Example 6. FIG. 触媒グレインの円相当直径の加重平均値と燃料電池の最高出力電圧との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the weighted average value of the circle equivalent diameter of a catalyst grain, and the maximum output voltage of a fuel cell. 触媒グレインの円相当直径の加重平均値と標準偏差との比(σ/D)と、燃料電池の最高出力電圧との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the ratio ((sigma) / D) of the weighted average value of a circle equivalent diameter of a catalyst grain, and a standard deviation, and the highest output voltage of a fuel cell. 実施例7におけるSi基板上に付与した凹凸形状を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the uneven | corrugated shape provided on Si substrate in Example 7. FIG. 実施例7におけるSi基板上に付与した凹凸形状を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the uneven | corrugated shape provided on Si substrate in Example 7. FIG. 実施例7におけるSi基板上に付与した凹凸形状を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the uneven | corrugated shape provided on Si substrate in Example 7. FIG. 実施例7の膜電極接合体のカソード側触媒層表面を示す図である。(倍率1000倍)6 is a view showing the surface of a cathode side catalyst layer of a membrane electrode assembly of Example 7. FIG. (1000x magnification) 実施例8の膜電極接合体のカソード側触媒層表面を示す図である。(倍率1000倍)6 is a view showing the surface of a cathode side catalyst layer of a membrane electrode assembly in Example 8. FIG. (1000x magnification) 実施例8の触媒層の拡大像を示す図(倍率3万倍、チルト角15°)である。It is a figure (magnification 30,000 times, tilt angle 15 degrees) which shows the enlarged image of the catalyst layer of Example 8. 実施例1及び実施例15乃至17、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。6 is a graph showing voltage-current density characteristics of fuel cells of Example 1, Examples 15 to 17, and Comparative Example 1. FIG. 実施例18及び実施例19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 battery cell of Example 18 and Example 19. 実施例1及び比較例1、実施例15乃至19の膜電極接合体のカソード触媒層における貫通孔開口率と0.4Vにおける出力電流密度の相関を示す図である。It is a figure which shows the correlation of the through-hole opening rate in the cathode catalyst layer of the membrane electrode assembly of Example 1, Comparative Example 1, and Examples 15 thru | or 19, and the output current density in 0.4V. 実施例17の触媒層の断面を示す走査電子顕微鏡(倍率35000倍)である。10 is a scanning electron microscope (magnification: 35,000 times) showing a cross section of the catalyst layer of Example 17. 比較例1の触媒層の断面を示す走査電子顕微鏡(倍率35000倍)である。3 is a scanning electron microscope (magnification 35,000 times) showing a cross section of a catalyst layer of Comparative Example 1. FIG.

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 アノード側電極
7 カソード側電極
8 MEA(膜電極接合体)
9 MPL
10 ガス拡散基材
11 Oリングシール
12 発泡金属
13 第一の層
14 第二の層
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 electrode 7 Cathode side electrode 8 MEA (membrane electrode assembly)
9 MPL
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Gas diffusion base material 11 O ring seal 12 Foam metal 13 1st layer 14 2nd layer

Claims (8)

固体高分子電解質膜の両側に触媒層を有する膜電極接合体の製造方法において、
シートの表面に触媒又は触媒前駆体からなる第一の層を気相成膜法により成膜する第一成膜工程と、
前記第一の層に貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔を形成した第一の層の表面に触媒又は触媒前駆体からなる第二の層を気相成膜法により成膜する第二成膜工程と、
前記第二の層の表面に固体高分子電解質膜を接合する工程と、
前記シートを前記第一の層から剥離する工程と、
を少なくとも有することを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
In the method for producing a membrane electrode assembly having a catalyst layer on both sides of a solid polymer electrolyte membrane,
A first film forming step of forming a first layer comprising a catalyst or a catalyst precursor on the surface of the sheet by a vapor phase film forming method;
Forming a through hole in the first layer;
A second film forming step of forming a second layer made of a catalyst or a catalyst precursor on the surface of the first layer in which the through holes are formed by a vapor phase film forming method;
Bonding a solid polymer electrolyte membrane to the surface of the second layer;
Peeling the sheet from the first layer;
A method for producing a membrane electrode assembly, comprising:
前記第一の層に貫通孔を形成する工程が、該第一の層の前記シートに接する表面の開口率が8%以上40%以下となるように貫通孔を形成する工程であることを特徴とする請求項1に記載の膜電極接合体の製造方法。   The step of forming a through hole in the first layer is a step of forming a through hole so that an opening ratio of a surface of the first layer in contact with the sheet is 8% or more and 40% or less. The manufacturing method of the membrane electrode assembly of Claim 1. 前記第一の層に貫通孔を形成する工程が、貫通孔形成後に該第一の層中の触媒又は触媒前駆体が前記シートの表面積1cm2あたり50μg以上残存するように貫通孔を形成する工程であることを特徴とする請求項1又は2に記載の膜電極接合体の製造方法。   The step of forming a through hole in the first layer is a step of forming the through hole so that the catalyst or catalyst precursor in the first layer remains after 50 μg or more per 1 cm 2 of the surface area of the sheet after the through hole is formed. The method for producing a membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the membrane electrode assembly is provided. 前記第一成膜工程の前に、前記シートの表面に凹凸を設ける工程を有し、該凹凸を設けた表面に前記第一の層を成膜することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法。   The method according to claim 1, further comprising a step of providing unevenness on the surface of the sheet before the first film forming step, and forming the first layer on the surface provided with the unevenness. The manufacturing method of the membrane electrode assembly in any one. 前記シートの表面に凹凸を設ける工程が、該シートの表面に筋状の凹凸を設ける工程であることを特徴とする請求項4に記載の膜電極接合体の製造方法。   The method for producing a membrane electrode assembly according to claim 4, wherein the step of providing irregularities on the surface of the sheet is a step of providing streaky irregularities on the surface of the sheet. 前記シートの表面に筋状の凹凸を設ける工程がラビング処理又は研磨処理であることを特徴とする請求項5に記載の膜電極接合体の製造方法。 6. The method for producing a membrane / electrode assembly according to claim 5, wherein the step of providing streaky irregularities on the surface of the sheet is a rubbing treatment or a polishing treatment. 前記第二の層の表面に固体高分子電解質膜を接合する工程が、前記凹凸の凸部上に形成された第二の層と、該凹凸の凹部上に形成された第二の層の少なくとも一部と、の両方を、前記固体高分子電解質膜に接合する工程であることを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法。 The step of bonding a solid polymer electrolyte membrane to the surface of the second layer includes at least a second layer formed on the concave / convex convex portion and a second layer formed on the concave / convex concave portion. The method for producing a membrane electrode assembly according to any one of claims 4 to 6, wherein a part of the membrane electrode assembly is a step of joining both to the solid polymer electrolyte membrane. 前記貫通孔をドライエッチングにより形成することを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法。   The method of manufacturing a membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the through hole is formed by dry etching.
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