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JP2006164574A - Water-repellent electrode catalyst layer for solid polymer fuel cell - Google Patents

Water-repellent electrode catalyst layer for solid polymer fuel cell Download PDF

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JP2006164574A
JP2006164574A JP2004350447A JP2004350447A JP2006164574A JP 2006164574 A JP2006164574 A JP 2006164574A JP 2004350447 A JP2004350447 A JP 2004350447A JP 2004350447 A JP2004350447 A JP 2004350447A JP 2006164574 A JP2006164574 A JP 2006164574A
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water
repellent
catalyst layer
electrode catalyst
polymer electrolyte
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Rei Hiromitsu
礼 弘光
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Dai Nippon Printing Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a water-repellent electrode catalyst layer for a solid polymer fuel cell and a manufacturing method thereof, and a fuel cell having the water-repellent electrode catalyst layer. <P>SOLUTION: A water-repellent electrode catalyst layer for a solid polymer fuel cell is provided, wherein: (1) the electrode catalyst layer contains a solid polymer electrolyte, a catalyst material and a water-repellent carbon material; (2) the catalyst material is formed of a catalyst active component supported by the carbon material; and (3) the water-repellent carbon material is formed by adding a water-repellent material to a part of the surface of the carbon material by a vapor phase method. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池用の電極触媒層に関する。 The present invention relates to an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池は、従来から主として宇宙開発及び海洋開発の分野に利用されてきている。近年、地球環境保護の観点、水素を直接燃料として用いるとエネルギー変換効率が高いという観点等から、燃料電池に対する期待が急激に高まってきている。そして、自動車のエンジンの代わりに、また、家庭用発電装置へと展開され、広く使われる可能性が大きくなっている。   Conventionally, fuel cells have been mainly used in the fields of space development and marine development. In recent years, expectations for fuel cells have increased rapidly from the viewpoint of protecting the global environment and from the viewpoint of high energy conversion efficiency when hydrogen is used directly as a fuel. Then, instead of an automobile engine, it has been developed into a home power generator, and the possibility of being widely used is increasing.

燃料電池は、簡単には、外部より燃料(還元剤)と酸素又は空気(酸化剤)を連続的に供給し、電気化学的に反応させて電気エネルギーを取り出す装置をいう。   A fuel cell simply refers to a device that continuously supplies fuel (reducing agent) and oxygen or air (oxidant) from the outside and reacts them electrochemically to extract electrical energy.

その燃料電池の分類は、その作動温度、使用燃料の種類、用途等を基準に行われる一方、主として、使用される電解質の種類を基準に行われる。電解質の種類による分類は、具体的には、固体酸化物形燃料電池(SOFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、リン酸形燃料電池(PAFC)、固体高分子形燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cellとも言う)、アルカリ水溶液形燃料電池(AFC)の5種類である。これら5種類は、メタン等から生成された水素ガスを燃料とするものである。さらには、燃料としてメタノール水溶液をダイレクトに用いるダイレクトメタノール形燃料電池(DMFC)も知られている。   The classification of the fuel cell is performed on the basis of the operating temperature, the type of fuel used, the application, and the like, and is mainly performed on the basis of the type of electrolyte used. Specifically, the types of electrolytes are classified into solid oxide fuel cells (SOFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), and polymer electrolyte fuel cells (PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell) and alkaline aqueous fuel cell (AFC). These five types use hydrogen gas generated from methane or the like as fuel. Furthermore, a direct methanol fuel cell (DMFC) that directly uses an aqueous methanol solution as a fuel is also known.

このような燃料電池の中でも、特に、固体高分子膜を2種類の電極で挟み込み、更にこれらの部材をセパレータで挟んだ構成である固体高分子形燃料電池が注目されている。この固体高分子型燃料電池は、通常、固体高分子膜の両側に空気極(酸素極)、燃料極(水素極)等の電極を配置して単位セルを構成し、更に、この単位セルの両側を燃料電池用セパレータで挟んだ構成となっている。つまり、固体高分子膜の両側に触媒層からなる燃料極と空気極を形成して一体化し、触媒層外側に集電材として多孔質の支持層(カーボンペーパー)を付し、さらに水素、酸素等の反応ガスの供給路としての役割を兼ねているセパレータ(仕切り板)によって挟持されている。この固体高分子形燃料電池では燃料(水素)と酸化剤(空気)とが直接反応しないように、これらを隔離し、かつ燃料極で生成する水素イオン(プロトン)を空気極側まで運ぶ必要がある。   Among such fuel cells, in particular, a polymer electrolyte fuel cell having a structure in which a solid polymer membrane is sandwiched between two types of electrodes and these members are sandwiched between separators has attracted attention. In this polymer electrolyte fuel cell, an electrode such as an air electrode (oxygen electrode) and a fuel electrode (hydrogen electrode) is usually arranged on both sides of a solid polymer membrane to constitute a unit cell. Both sides are sandwiched between fuel cell separators. In other words, a fuel electrode and an air electrode made of a catalyst layer are formed on both sides of the solid polymer film and integrated, and a porous support layer (carbon paper) is attached to the outside of the catalyst layer as a current collector, and hydrogen, oxygen, etc. It is clamped by a separator (partition plate) that also serves as a reaction gas supply path. In this polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to isolate the fuel (hydrogen) and oxidant (air) from each other and to transport hydrogen ions (protons) generated at the fuel electrode to the air electrode side. is there.

電極触媒層の要求される機能の一つとして、発電過程において生成する生成水を触媒層中から速やかに排出して、上記燃料ガスや酸化剤ガスの流路を確保するという点がある。   One of the required functions of the electrode catalyst layer is that the generated water generated in the power generation process is quickly discharged from the catalyst layer to ensure the flow path of the fuel gas and oxidant gas.

運転条件により燃料ガスと酸化剤ガスは加湿されながら供給される。このため、加湿が多くなりすぎると電極触媒層中に水蒸気による結露が発生する。水滴の量が増加すると、水滴が電極触媒層中の空隙を閉塞してしまいガスの供給が低下するという問題が問題が生じる。   Fuel gas and oxidant gas are supplied while being humidified according to the operating conditions. For this reason, if humidification increases too much, dew condensation due to water vapor occurs in the electrode catalyst layer. When the amount of water droplets increases, there arises a problem that the water droplets block the voids in the electrode catalyst layer and the gas supply decreases.

生成水および結露水の速やかな排出は電極触媒層の水に対する濡れ性に依存し、燃料電池の性能(電池の最大出力密度、抵抗値等)に大きな影響を与える。このため、生成水や結露水を速やかに電極触媒層から排出させる特性を持たせるべくさまざまな取り組みがなされてきている。   The rapid discharge of generated water and condensed water depends on the wettability of the electrode catalyst layer with respect to water, and greatly affects the performance of the fuel cell (cell maximum output density, resistance value, etc.). For this reason, various efforts have been made to provide the characteristic of quickly discharging generated water and condensed water from the electrode catalyst layer.

例えば、電極としてカーボンペーパー又はカーボン繊維体からなる多孔質の材料を用い、カーボンブラック、黒鉛等の導電性材料とバインダー兼撥水材料であるフッ素樹脂とを混合した層を形成する方法がある。(特許文献1、特許文献2)
また、カーボンブラック、カーボンペーパー等の導電性材料を、エタノールの存在下でシランカップリング剤と混合する撥水処理方法、及び環状シリコーンオイルに分散しながらシランカップリング剤と混合する撥水処理方法が提供されている(特許文献3)。
For example, there is a method of using a porous material made of carbon paper or carbon fiber as an electrode and forming a layer in which a conductive material such as carbon black or graphite and a fluororesin that is a binder and water repellent material are mixed. (Patent Document 1, Patent Document 2)
Also, a water repellent treatment method of mixing a conductive material such as carbon black and carbon paper with a silane coupling agent in the presence of ethanol, and a water repellent treatment method of mixing with a silane coupling agent while being dispersed in a cyclic silicone oil Is provided (Patent Document 3).

しかしながら、前者の場合、撥水剤量が多いと電気的な抵抗値が上がるため充分な導電性を保てない。逆に撥水材料が少ないと充分な撥水性を得ることができずにガスの透過の妨げとなる。その結果、電池性能の低下を引き起こすという問題が生じる。   However, in the former case, if the amount of the water repellent is large, the electrical resistance value increases, so that sufficient conductivity cannot be maintained. Conversely, if the water repellent material is small, sufficient water repellency cannot be obtained and gas permeation is hindered. As a result, there arises a problem that the battery performance is lowered.

また、後者の場合、カーボンブラック等の炭素質材料をアルコール又は液状シリコーンに分散するため、炭素質材料全体に抵抗物が被覆する。また、撥水性の物質としては炭素質材料表面の官能基と反応しやすいシランカップリング剤のような特定の物質に限定される。
特開平10−261421 特開2001−43865 特開2000−239704
In the latter case, since the carbonaceous material such as carbon black is dispersed in alcohol or liquid silicone, the entire carbonaceous material is covered with a resistor. The water-repellent substance is limited to a specific substance such as a silane coupling agent that easily reacts with a functional group on the surface of the carbonaceous material.
JP-A-10-261421 JP 2001-43865 A JP 2000-239704 A

このように、電池特性を損なわずに生成水等を効率的に排出するための技術の開発が切望されているものの、未だ開発されるに至っていないのが現状である。   Thus, although development of a technique for efficiently discharging generated water and the like without impairing battery characteristics is desired, it has not yet been developed.

従って、本発明は、これら従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、特に、電池特性を損なうことなく優れた撥水性を有する固体高分子形燃料電池の電極触媒層を提供することを主な目的とする。   Accordingly, the present invention has been made in view of these problems of the prior art, and in particular, to provide an electrode catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell having excellent water repellency without impairing battery characteristics. With a purpose.

本発明者は、上記従来技術の問題点に鑑み、鋭意研究を重ねた結果、特定の構成を有する電極触媒層を用いることによって上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。   In light of the problems of the prior art described above, the present inventor has found that the object can be achieved by using an electrode catalyst layer having a specific configuration, and has completed the present invention.

すなわち、本発明は、下記に示す撥水性電極触媒層、その製造方法、及びその撥水性電極触媒層を具備する燃料電池に係る。
1.固体高分子形燃料電池用の電極触媒層であって、
1)前記電極触媒層は、固体高分子電解質、触媒材及び撥水性炭素材を含み、
2)前記触媒材は、炭素材に触媒活性成分を担持してなり、
3)前記撥水性炭素材は、気相法により炭素材の表面の一部に撥水材料を付与してなる、
ことを特徴とする撥水性電極触媒層。
2.固体高分子形燃料電池用の電極触媒層であって、
1)前記電極触媒層は、固体高分子電解質及び撥水性触媒材を含み、
2)前記撥水性触媒材は、炭素材に触媒活性成分を担持してなる触媒材の表面の一部に撥水材料を気相法により付与してなる、
ことを特徴とする撥水性電極触媒層。
3.固体高分子形燃料電池用の電極触媒層であって、
1)前記電極触媒層は、固体高分子電解質、撥水性炭素材及び撥水性触媒材を含み、
2)前記撥水性炭素材は、炭素材の表面の一部に撥水材料を付与してなり、
3)前記撥水性触媒材は、炭素材に触媒活性成分を担持してなる触媒材の表面の一部に撥水材料を付与してなり、
4)前記2)及び/又は3)における撥水材料の付与が気相法により行われる、
ことを特徴とする撥水性電極触媒層。
4.気相法が化学気相成長法である上記項1〜3のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用撥水性電極触媒層。
5.撥水材料が、1)炭素含有基を有する有機金属化合物、2)炭化水素化合物、及び3)フッ素含有化合物、の少なくとも1種である上記項1〜4のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用撥水性電極触媒層。
6.炭素含有基を有する有機金属化合物が、SixyzHα(ただし、1≦x≦10、0≦y≦10、1≦z≦50、1≦α≦122を示す。)で示される有機シリコン系材料及び/又はその重合体である上記項5に記載の固体高分子形燃料電池用撥水性電極触媒層。
7.フッ素含有化合物が、1)SixyzHαFβ(ただし、1≦x≦10、0≦y≦10、1≦z≦50、1≦α≦122、1≦β≦122を示す。)で示される有機フッ化シリコン材料及び/又はその重合体、2)SixyHαFβ(ただし、1≦x≦10、0≦y≦10、0≦α≦21、1≦β≦22を示す。)で示されるフッ化シリコン系材料及び/又はその重合体、及び3)CxyzFα(ただし、1≦x≦50、0≦y≦10、0≦z≦102、0≦α≦102、を示す。)で示されるフッ素含有炭化水素系材料及び/又はその重合体、の少なくとも1種である、上記項5に記載の固体高分子形燃料電池用撥水性電極触媒層。
8.撥水材料が自己組織化単分子膜からなる上記項1〜4のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用撥水性電極触媒層。
9.自己組織化単分子膜が、下記一般式(1);
1XR2 (1)
(ただし、R1は、アルキル基又はアリール基を示す。R2は、水素、ハロゲン、又は−OR3(R3は、アルキル基、アリル基、又はアリール基を示す。)で示される置換基である。Xは、Si、Ti、Al、C又はSを示す。)
で示される化合物により形成されている上記項8に記載の固体高分子型燃料電池用撥水性電極触媒層。
10.撥水材料は、水との接触角が70〜170°である上記項1〜9のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用撥水性電極触媒層。
11.上記項1〜10のいずれかに記載の撥水性電極触媒層が電解質膜と接合してなる、固体高分子形燃料電池用触媒層−電解質膜接合体。
12.上記項11に記載の触媒層−電解質膜接合体を具備する、固体高分子形燃料電池用単位セル。
13.上記項12に記載の単位セルを具備する、固体高分子形燃料電池。
14.固体高分子形燃料電池用の電極触媒層を製造する方法であって、炭素材表面の一部に気相法によりに撥水材料を付与する工程を含むことを特徴とする、
1)前記電極触媒層は、固体高分子電解質、触媒材及び撥水性炭素材を含み、
2)前記触媒材は、炭素材に触媒活性成分を担持してなり、
3)前記撥水性炭素材は、炭素材の表面の一部に撥水材料を有してなる、
撥水性電極触媒層の製造方法。
15.固体高分子形燃料電池用の電極触媒層を製造する方法であって、触媒材表面の一部に気相法により撥水材料を付与する工程を含むことを特徴とする、
1)前記電極触媒層は、固体高分子電解質及び撥水性触媒材を含み、
2)前記撥水性触媒材は、炭素材に触媒活性成分を担持してなる触媒材の表面の一部に撥水材料を有してなる、
撥水性電極触媒層の製造方法。
16.固体高分子形燃料電池用の電極触媒層を製造する方法であって、炭素材及び/又は触媒材表面の一部に気相法により撥水材料を付与する工程を含むことを特徴とする、
1)前記電極触媒層は、固体高分子電解質、撥水性炭素材及び撥水性触媒材を含み、
2)前記撥水性炭素材は、炭素材の表面の一部に撥水材料を有してなり、
3)前記撥水性触媒材は、炭素材に触媒活性成分を担持してなる触媒材の表面の一部に撥水材料を有してなる、
撥水性電極触媒層の製造方法。
17.気相法が化学気相成長法である上記項14〜16のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用撥水性電極触媒層の製造方法。
18.化学気相成長法がプラズマCVDである上記項17に記載の固体高分子形燃料電池用撥水性電極触媒層の製造方法。
19.化学気相成長法が熱CVDである上記項17に記載の固体高分子形燃料電池用撥水性電極触媒層の製造方法。
That is, the present invention relates to a water-repellent electrode catalyst layer, a production method thereof, and a fuel cell including the water-repellent electrode catalyst layer described below.
1. An electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell,
1) The electrode catalyst layer includes a solid polymer electrolyte, a catalyst material, and a water-repellent carbon material,
2) The catalyst material comprises a carbon material carrying a catalytically active component,
3) The water-repellent carbon material is formed by imparting a water-repellent material to a part of the surface of the carbon material by a vapor phase method.
A water-repellent electrode catalyst layer characterized by the above.
2. An electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell,
1) The electrode catalyst layer includes a solid polymer electrolyte and a water-repellent catalyst material,
2) The water-repellent catalyst material is formed by applying a water-repellent material to a part of the surface of a catalyst material obtained by supporting a catalytic active component on a carbon material by a gas phase method.
A water-repellent electrode catalyst layer characterized by the above.
3. An electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell,
1) The electrode catalyst layer includes a solid polymer electrolyte, a water repellent carbon material, and a water repellent catalyst material,
2) The water-repellent carbon material is formed by imparting a water-repellent material to a part of the surface of the carbon material,
3) The water-repellent catalyst material is formed by imparting a water-repellent material to a part of the surface of the catalyst material obtained by supporting a catalytically active component on a carbon material,
4) The application of the water-repellent material in 2) and / or 3) is performed by a vapor phase method.
A water-repellent electrode catalyst layer characterized by the above.
4). Item 4. The water-repellent electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to any one of Items 1 to 3, wherein the vapor phase method is a chemical vapor deposition method.
5. Item 5. The solid polymer form according to any one of Items 1 to 4, wherein the water-repellent material is at least one of 1) an organometallic compound having a carbon-containing group, 2) a hydrocarbon compound, and 3) a fluorine-containing compound. Water repellent electrode catalyst layer for fuel cells.
6). An organometallic compound having a carbon-containing group is represented by Si x O y C z Hα (where 1 ≦ x ≦ 10, 0 ≦ y ≦ 10, 1 ≦ z ≦ 50, 1 ≦ α ≦ 122). Item 6. The water repellent electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to Item 5, which is an organic silicon material and / or a polymer thereof.
7). The fluorine-containing compound is 1) Si x O y C z HαFβ (where 1 ≦ x ≦ 10, 0 ≦ y ≦ 10, 1 ≦ z ≦ 50, 1 ≦ α ≦ 122, 1 ≦ β ≦ 122) 2) Si x O y HαFβ (where 1 ≦ x ≦ 10, 0 ≦ y ≦ 10, 0 ≦ α ≦ 21, 1 ≦ β ≦ 22) 3) C x O y H z Fα (where 1 ≦ x ≦ 50, 0 ≦ y ≦ 10, 0 ≦ z ≦ 102, 0 ≦) 6. The water-repellent electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to Item 5, which is at least one of a fluorine-containing hydrocarbon-based material and / or a polymer thereof represented by α ≦ 102.
8). Item 5. The water-repellent electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to any one of Items 1 to 4, wherein the water-repellent material is a self-assembled monomolecular film.
9. The self-assembled monolayer has the following general formula (1):
R 1 XR 2 (1)
(Where R 1 represents an alkyl group or an aryl group. R 2 represents hydrogen, halogen, or —OR 3 (R 3 represents an alkyl group, an allyl group, or an aryl group). X represents Si, Ti, Al, C or S.)
Item 9. The water-repellent electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to Item 8, which is formed of the compound represented by
10. 10. The water repellent electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to any one of Items 1 to 9, wherein the water repellent material has a contact angle with water of 70 to 170 °.
11. 11. A polymer polymer fuel cell catalyst layer-electrolyte membrane assembly, wherein the water-repellent electrode catalyst layer according to any one of Items 1 to 10 is joined to an electrolyte membrane.
12 A unit cell for a polymer electrolyte fuel cell, comprising the catalyst layer-electrolyte membrane assembly according to Item 11.
13. 13. A polymer electrolyte fuel cell comprising the unit cell according to item 12.
14 A method for producing an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, comprising a step of applying a water repellent material to a part of a carbon material surface by a vapor phase method,
1) The electrode catalyst layer includes a solid polymer electrolyte, a catalyst material, and a water-repellent carbon material,
2) The catalyst material comprises a carbon material carrying a catalytically active component,
3) The water-repellent carbon material has a water-repellent material on a part of the surface of the carbon material.
A method for producing a water-repellent electrode catalyst layer.
15. A method for producing an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, comprising a step of applying a water-repellent material to a part of the catalyst material surface by a vapor phase method,
1) The electrode catalyst layer includes a solid polymer electrolyte and a water-repellent catalyst material,
2) The water-repellent catalyst material has a water-repellent material on a part of the surface of the catalyst material formed by supporting a catalytically active component on a carbon material.
A method for producing a water-repellent electrode catalyst layer.
16. A method for producing an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, comprising a step of imparting a water-repellent material to a part of a carbon material and / or catalyst material surface by a vapor phase method,
1) The electrode catalyst layer includes a solid polymer electrolyte, a water repellent carbon material, and a water repellent catalyst material,
2) The water-repellent carbon material has a water-repellent material on a part of the surface of the carbon material,
3) The water-repellent catalyst material has a water-repellent material on a part of the surface of the catalyst material in which a catalytically active component is supported on a carbon material.
A method for producing a water-repellent electrode catalyst layer.
17. Item 17. The method for producing a water-repellent electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to any one of Items 14 to 16, wherein the vapor phase method is a chemical vapor deposition method.
18. Item 18. The method for producing a water-repellent electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to Item 17, wherein the chemical vapor deposition method is plasma CVD.
19. Item 18. The method for producing a water-repellent electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to Item 17, wherein the chemical vapor deposition method is thermal CVD.

本発明によると、電極触媒層に特定の構造を形成させるため、すなわち触媒層が高い撥水性を有することとなるため、電池反応の際に生じる水分が拡散され残存を防ぐので、触媒層中の空隙の閉塞を防止できる。よって、燃料電池の反応によって生じた水をスムーズに排出できると同時に、燃料ガスのスムーズな供給が可能となる。   According to the present invention, in order to form a specific structure in the electrode catalyst layer, that is, the catalyst layer has high water repellency, moisture generated during the battery reaction is diffused to prevent residual, It is possible to prevent clogging of the gap. Therefore, water generated by the reaction of the fuel cell can be discharged smoothly, and at the same time, the fuel gas can be supplied smoothly.

さらに、触媒層中の炭素材の表面は、気相法により導電性を失わない程度に撥水材料が形成されるため、電子の通り道を阻害せず、本発明の電極触媒層は導電性を維持した状態で高い撥水性が得られることとなる。
これらにより、本発明の電極触媒層を具備する燃料電池は、長時間の運転によって生じる燃料ガスの供給低下を防ぎ、同時に高い導電性をも維持することとなる。そのため、電池の劣化を防ぎ、高い最大出力密度の供給、電池の抵抗値の低下が可能となる。
Furthermore, since the water repellent material is formed on the surface of the carbon material in the catalyst layer to such an extent that the conductivity is not lost by the vapor phase method, the passage of electrons is not obstructed, and the electrode catalyst layer of the present invention has conductivity. High water repellency can be obtained in the maintained state.
As a result, the fuel cell having the electrode catalyst layer of the present invention can prevent a decrease in the supply of fuel gas caused by long-time operation, and at the same time maintain high conductivity. Therefore, it is possible to prevent deterioration of the battery, supply a high maximum output density, and reduce the resistance value of the battery.

本願発明の撥水性電極触媒層は、
(1)固体高分子形燃料電池用の電極触媒層であって、
1)前記電極触媒層は、固体高分子電解質、触媒材及び撥水性炭素材を含み、
2)前記触媒材は、炭素材に触媒活性成分を担持してなり、
3)前記撥水性炭素材は、気相法により炭素材の表面の一部に撥水材料を付与してなる、
ことを特徴とする、
(2)固体高分子形燃料電池用の電極触媒層であって、
1)前記電極触媒層は、固体高分子電解質及び撥水性触媒材を含み、
2)前記撥水性触媒材は、炭素材に触媒活性成分を担持してなる触媒材の表面の一部に撥水材料を気相法により付与してなる、
ことを特徴とする、又は
(3)固体高分子形燃料電池用の電極触媒層であって、
1)前記電極触媒層は、固体高分子電解質、撥水性炭素材及び撥水性触媒材を含み、
2)前記撥水性炭素材は、炭素材の表面の一部に撥水材料を付与してなり、
3)前記撥水性触媒材は、炭素材に触媒活性成分を担持してなる触媒材の表面の一部に撥水材料を付与してなり、
4)前記2)及び/又は3)における撥水材料の付与が気相法により行われる、
ことを特徴とする。
(固体高分子電解質)
本発明の固体高分子電解質は、水素イオン伝導性のものであれば特に制限されず、公知のものが使用できる。例えばパーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂;リン酸基、スルホン酸基等を導入した炭化水素系樹脂などが挙げられる。これらの中でもパーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂が好ましい。
(炭素材)
本発明で用いられる炭素材は、特に制限されず、公知のものを用いることができる。例えば、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、ランプブラックなどのカーボンブラック、黒鉛、活性炭、カーボン繊維、カーボンナノチューブ等が単独又は二種以上で用いることができる。
The water-repellent electrode catalyst layer of the present invention is
(1) An electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell,
1) The electrode catalyst layer includes a solid polymer electrolyte, a catalyst material, and a water-repellent carbon material,
2) The catalyst material comprises a carbon material carrying a catalytically active component,
3) The water-repellent carbon material is formed by imparting a water-repellent material to a part of the surface of the carbon material by a vapor phase method.
It is characterized by
(2) An electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell,
1) The electrode catalyst layer includes a solid polymer electrolyte and a water-repellent catalyst material,
2) The water-repellent catalyst material is formed by applying a water-repellent material to a part of the surface of a catalyst material obtained by supporting a catalytic active component on a carbon material by a gas phase method.
Or (3) an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell,
1) The electrode catalyst layer includes a solid polymer electrolyte, a water repellent carbon material, and a water repellent catalyst material,
2) The water-repellent carbon material is formed by imparting a water-repellent material to a part of the surface of the carbon material,
3) The water-repellent catalyst material is formed by imparting a water-repellent material to a part of the surface of the catalyst material obtained by supporting a catalytically active component on a carbon material,
4) The application of the water-repellent material in 2) and / or 3) is performed by a vapor phase method.
It is characterized by that.
(Solid polymer electrolyte)
The solid polymer electrolyte of the present invention is not particularly limited as long as it has hydrogen ion conductivity, and a known one can be used. Examples thereof include perfluorosulfonic acid-based fluorine ion exchange resins; hydrocarbon resins into which phosphoric acid groups, sulfonic acid groups and the like are introduced. Among these, perfluorosulfonic acid-based fluorine ion exchange resins are preferable.
(Carbon material)
The carbon material used in the present invention is not particularly limited, and known materials can be used. For example, channel black, furnace black, ketjen black, acetylene black, lamp black and other carbon black, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotube, etc. can be used alone or in combination.

炭素材のストラクチャー、表面形状等も特に制限されず、目的に応じて適宜決定できる。   The structure, surface shape and the like of the carbon material are not particularly limited, and can be appropriately determined according to the purpose.

炭素質材料の形状も特に制限されず、例えばビーズ状、ペレット状、粉状、フレーク状等が挙げられ、特に粉状が好ましい。   The shape of the carbonaceous material is not particularly limited, and examples thereof include a bead shape, a pellet shape, a powder shape, and a flake shape, and a powder shape is particularly preferable.

炭素材の粒径としては一次粒子として1〜200nm程度、好ましくは10nm〜100nm、より好ましくは10nm〜50nm程度である。   The particle size of the carbon material is about 1 to 200 nm, preferably 10 nm to 100 nm, more preferably about 10 nm to 50 nm as primary particles.

炭素材の比表面積としては通常10m2/g〜2000m2/g、好ましくは200m2/g〜1500m2/gである。
(触媒材)
触媒材は、上記炭素材に下記の触媒活性成分が担持しているものである。
Usually 10m 2 / g~2000m 2 / g as a specific surface area of the carbon material, preferably 200m 2 / g~1500m 2 / g.
(Catalyst material)
The catalyst material is one in which the following catalytically active components are supported on the carbon material.

担持する触媒活性成分は、燃料電池の燃料極又は空気極における反応を起こすものであれば特に制限はされない。例えば、白金、白金化合物等が挙げられる。白金化合物としては、例えば、白金と、ルテニウム、パラジウム、ニッケル、モリブデン、イリジウム、鉄等からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属との合金等が挙げられる。   The catalyst active component to be supported is not particularly limited as long as it causes a reaction at the fuel electrode or air electrode of the fuel cell. For example, platinum, a platinum compound, etc. are mentioned. Examples of the platinum compound include an alloy of platinum and at least one metal selected from the group consisting of ruthenium, palladium, nickel, molybdenum, iridium, iron and the like.

触媒活性成分の粒子径としては通常1nm〜20nm程度であり、好ましくは1nm〜10nm程度、更に好ましくは1nm〜5nm程度である。   The particle size of the catalytically active component is usually about 1 nm to 20 nm, preferably about 1 nm to 10 nm, and more preferably about 1 nm to 5 nm.

触媒活性成分の比表面積としては通常50m2/g〜1000m2/g、好ましくは100m2/g〜500m2/gである。
(撥水材料)
撥水材料を構成する物質は、撥水性能を有する物質である限り、特に制限されない。例えば、炭素含有基を有する有機金属化合物;炭化水素化合物;フッ素含有化合物;窒素含有化合物等が挙げられる。これらの中でも、高撥水性を有する観点から、炭素含有基を有する有機金属化合物;炭化水素化合物;フッ素含有化合物が好ましい。
Usually 50m 2 / g~1000m 2 / g as specific surface area of the catalytically active component, preferably 100m 2 / g~500m 2 / g.
(Water repellent material)
The substance constituting the water repellent material is not particularly limited as long as it is a substance having water repellency. For example, organometallic compounds having a carbon-containing group; hydrocarbon compounds; fluorine-containing compounds; nitrogen-containing compounds. Among these, from the viewpoint of having high water repellency, an organometallic compound having a carbon-containing group; a hydrocarbon compound; and a fluorine-containing compound are preferable.

以下、炭素含有基を有する有機金属化合物、炭化水素化合物、及びフッ素含有化合物について、それぞれ説明する。
(1)炭素含有基を有する有機金属化合物
炭素含有基を有する有機金属化合物は、分子中に少なくとも一つ以上の金属−炭素結合を有するものであれば、特に制限はされない。
Hereinafter, the organometallic compound having a carbon-containing group, the hydrocarbon compound, and the fluorine-containing compound will be described.
(1) Organometallic compound having a carbon-containing group The organometallic compound having a carbon-containing group is not particularly limited as long as it has at least one metal-carbon bond in the molecule.

中心金属は特に制限されず、例えば、Si,Ti、Al、Zn、Cu、Ni、Co、Fe等及びこれらの組み合わせ等が挙げられる。これらの中でも、Si,Ti及びAlの少なくとも1種が好ましい。   The central metal is not particularly limited, and examples thereof include Si, Ti, Al, Zn, Cu, Ni, Co, Fe, and combinations thereof. Among these, at least one of Si, Ti, and Al is preferable.

炭素含有基の炭素数も特に制限はされない。本発明では、炭素数が1〜30の範囲内のものが好ましく、中でも炭素数1〜6がより好ましく、特に炭素数が1のメチル基又は炭素数2のエチル基が最も好ましい。   The number of carbon atoms in the carbon-containing group is not particularly limited. In the present invention, those having 1 to 30 carbon atoms are preferable, among which 1 to 6 carbon atoms are more preferable, and particularly, a methyl group having 1 carbon atom or an ethyl group having 2 carbon atoms is most preferable.

好ましい具体例としては、SixyzHα(1≦x≦10、0≦y≦10、1≦z≦50、1≦α≦122)で示される有機シリコン系材料又はこれらの重合体が挙げられる。 Preferable specific examples include an organic silicon-based material represented by Si x O y C z Hα (1 ≦ x ≦ 10, 0 ≦ y ≦ 10, 1 ≦ z ≦ 50, 1 ≦ α ≦ 122) or a polymer thereof. Is mentioned.

より具体的には、ヘキサメチルジシロキサン(HMDSO;(CH33SiOSi(CH33)、テトラメチルジシロキサン(TMDSO;(CH32HSiOSiH(CH32)、テトラメチルシラン(TMS;Si(CH34)等が挙げられる。
(2)炭化水素化合物
炭化水素化合物はC及びHからなる限り、特に制限されず、炭化水素系材料又はその重合体等が挙げられる。
More specifically, hexamethyldisiloxane (HMDSO; (CH 3 ) 3 SiOSi (CH 3 ) 3 ), tetramethyldisiloxane (TMDSO; (CH 3 ) 2 HSiOSiH (CH 3 ) 2 ), tetramethylsilane ( TMS; Si (CH 3 ) 4 ) and the like.
(2) Hydrocarbon compound The hydrocarbon compound is not particularly limited as long as it is composed of C and H, and examples thereof include a hydrocarbon-based material or a polymer thereof.

具体的には、ポリエチレン樹脂、環状ポリオレフィン樹脂等のポリオレフィン系材料及び/又はその重合体、C22、C24、CH4、C26等が挙げられる。
(3)フッ素含有化合物
フッ素含有化合物としては、フッ素を含んでいる限り、特に制限されない。例えば、SixyzHαFβ(ただし、1≦x≦10、0≦y≦10、1≦z≦50、1≦α≦122、1≦β≦122を示す。)で示される有機フッ化シリコン材料又はその重合体;SixyHαFβ(ただし、1≦x≦10、0≦y≦10、1≦α≦21、1≦β≦22を示す。)で示されるフッ化シリコン系材料又はその重合体;CxyzFα(ただし、1≦x≦50、0≦y≦10、0≦z≦102、0≦α≦102を示す。)で示されるフッ素含有炭化水素系材料又はその重合体等;Cxy(ただし、1≦x≦50、0≦y≦10)で示されるフッ素含有炭素水素系材料及びその重合体が挙げられる
これらの中でも、SixyzHαFβで示される有機フッ化シリコン材料又はその重合体;SixyHαFβで示されるフッ化シリコン系材料又はその重合体;CxyzFαで示されるフッ素含有炭化水素系材料又はその重合体が好ましい。
Specific examples include polyolefin materials such as polyethylene resins and cyclic polyolefin resins and / or polymers thereof, C 2 H 2 , C 2 H 4 , CH 4 , C 2 H 6 and the like.
(3) Fluorine-containing compound The fluorine-containing compound is not particularly limited as long as it contains fluorine. For example, an organic film represented by Si x O y C z HαFβ (where 1 ≦ x ≦ 10, 0 ≦ y ≦ 10, 1 ≦ z ≦ 50, 1 ≦ α ≦ 122, 1 ≦ β ≦ 122) is shown. Silicon fluoride material or polymer thereof; Si x O y HαFβ (where 1 ≦ x ≦ 10, 0 ≦ y ≦ 10, 1 ≦ α ≦ 21, 1 ≦ β ≦ 22) Fluorine-containing hydrocarbon represented by C x O y H z Fα (where 1 ≦ x ≦ 50, 0 ≦ y ≦ 10, 0 ≦ z ≦ 102, 0 ≦ α ≦ 102) Examples thereof include fluorine-containing carbon-hydrogen materials and polymers thereof represented by C x F y (where 1 ≦ x ≦ 50, 0 ≦ y ≦ 10). Among these, Si x O represented by Si x O y HαFβ; y C z organic fluoride represented by Harufaefubeta silicon material or a polymer Kka silicon material or a polymer thereof; C x O y H z fluorine-containing hydrocarbon represented by Fα material or a polymer thereof are preferable.

具体的な例としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PVDF(ポリビニリデンフルオロエチレン)、PVF(ポリビニルフルオリド)、ETFE(エチレン/テトラフルオロエチレン共重合体)、CF4、C22、C24、C26等が挙げられる。 Specific examples include PTFE (polytetrafluoroethylene), PVDF (polyvinylidene fluoroethylene), PVF (polyvinyl fluoride), ETFE (ethylene / tetrafluoroethylene copolymer), CF 4 , C 2 F 2 , C 2 F 4 , C 2 F 6 and the like can be mentioned.

ここで、上記撥水層が酸素原子及び珪素原子を含有する酸化珪素層である場合には、当該撥水層中の酸素原子の濃度は特に制限されないが、Si原子数100に対して上限が好ましくは50程度、より好ましくは25程度である。   Here, when the water repellent layer is a silicon oxide layer containing oxygen atoms and silicon atoms, the concentration of oxygen atoms in the water repellent layer is not particularly limited, but there is an upper limit for the number of Si atoms of 100. Preferably it is about 50, more preferably about 25.

酸素原子は、水分子との水素結合を容易に形成することから、撥水材料中に酸素原子を有すると、水分子を引き寄せる結果、撥水性が低下する原因となる。上記撥水材料において、酸素原子の濃度が上述した範囲内であることから、酸素原子による撥水性の低下を抑えることが可能となり、積層体を高撥水性なものとすることが可能となる。   Since oxygen atoms easily form hydrogen bonds with water molecules, having oxygen atoms in the water-repellent material causes the water molecules to be attracted, resulting in a decrease in water repellency. In the water repellent material, since the concentration of oxygen atoms is within the above-described range, it is possible to suppress a decrease in water repellency due to oxygen atoms and to make the laminate highly water repellent.

ここで、本発明の撥水材料の各部分における成分割合は、XPS(X−ray Photoelectron Spectroscopy)で測定された値である。XPSによる分析法を以下説明する。真空中で固体表面にX線を照射すると、X線によりエネルギ−を与えられた表面原子から電子が飛散する。この電子は、X線などの光照射によって発生するため光電子と呼ばれる。この光電子は、元素固有のエネルギ−を有するため、エネルギー分布を測定することにより元素の定性分析や定量分析が可能となる。また、表面から深いところで発生した光電子は、表面に出てくる前にそのエネルギーを失うため測定が困難であり、1000eVの運動エネルギーを有する電子の脱出深さは、数nm(数十原子層)であることから、最表面の情報を得ることが可能となる。   Here, the component ratio in each part of the water-repellent material of the present invention is a value measured by XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy). The analysis method by XPS will be described below. When a solid surface is irradiated with X-rays in a vacuum, electrons are scattered from the surface atoms given energy by the X-rays. These electrons are called photoelectrons because they are generated by irradiation with light such as X-rays. Since this photoelectron has energy specific to the element, qualitative analysis and quantitative analysis of the element can be performed by measuring the energy distribution. In addition, photoelectrons generated deep from the surface lose their energy before coming out to the surface and are difficult to measure. The escape depth of electrons having a kinetic energy of 1000 eV is several nm (tens of atomic layers). Therefore, it is possible to obtain information on the outermost surface.

さらに、深部を測定するためには、表面をアルゴン等のイオンによりスパッタリングすればよい。元素の種類により選択的なスパッタリングが生じるため、定量の際には公知の補正方法を行えばよい。   Furthermore, in order to measure the depth, the surface may be sputtered with ions such as argon. Since selective sputtering occurs depending on the type of element, a known correction method may be performed for quantification.

さらに、本発明における撥水材料は、上述した他、自己組織化単分子膜であってもよい。以下、この自己組織化単分子膜について説明する。   Further, the water repellent material in the present invention may be a self-assembled monomolecular film in addition to the above. Hereinafter, the self-assembled monolayer will be described.

自己組織化単分子膜とは、通常、固体/液体界面又は固体/気体界面で、有機分子同士が自発的に集合して、会合体を形成しながら、自発的に単分子膜を形作っていく有機薄膜をいう。例えば、ある特定の材料でできた基板を、その基板材料と化学的親和性の高い有機分子の溶液又は蒸気にさらすと、有機分子は基板表面で化学反応して吸着する。その有機分子が、化学的親和性の高い官能基と、基板との化学反応を全く起こさないアルキル基との2つのパートからなり、親和性の高い官能基がその末端にある場合、分子は反応性末端が基板側を向き、アルキル基が外側を向いて吸着する。アルキル基同士が集合すると、全体として安定になるため、化学吸着の過程で有機分子同士は自発的に集合する。分子の吸着には、基板と末端官能基との間で化学反応が起こることが必要であることから、いったん基板表面が有機分子で覆われて単分子膜ができあがると、それ以降は分子の吸着は起こらない。その結果、分子が密に集合し、配向性のそろった有機単分子膜ができる。このような膜を本発明においては、自己組織化単分子膜とする。ここで、上記の基板と結合する反応性末端基を吸着基、外側を向いて配向する基を配向基とする。   A self-assembled monolayer usually forms a monolayer spontaneously while organic molecules gather spontaneously at the solid / liquid interface or solid / gas interface to form an aggregate. An organic thin film. For example, when a substrate made of a specific material is exposed to a solution or vapor of an organic molecule having a high chemical affinity with the substrate material, the organic molecule is chemically reacted and adsorbed on the surface of the substrate. If the organic molecule consists of two parts, a functional group with high chemical affinity and an alkyl group that does not cause any chemical reaction with the substrate, the molecule reacts when the functional group with high affinity is at its end. The sex terminal is adsorbed with the substrate side facing and the alkyl group facing the outside. When alkyl groups gather together, the whole becomes stable, so organic molecules gather spontaneously during the process of chemisorption. Since molecular adsorption requires a chemical reaction between the substrate and the terminal functional group, once the surface of the substrate is covered with organic molecules to form a monolayer, molecular adsorption is performed thereafter. Does not happen. As a result, an organic monomolecular film in which molecules are densely gathered and aligned is formed. In the present invention, such a film is a self-assembled monolayer. Here, the reactive terminal group bonded to the substrate is an adsorbing group, and the group oriented to the outside is an aligning group.

ここで、上記自己組織化単分子膜は、下記の一般式(1)で示される化合物により形成されていることが好ましい。
1XR2 (1)
(ここで、R1は、アルキル基、アリール基等を示す。R2は、水素、ハロゲン、−OR3(R3は、アルキル基、アリル基、アリール基等を示す。)等で示される置換基である。Xは、Si、Ti、Al、C又はSを示す。
Here, the self-assembled monolayer is preferably formed of a compound represented by the following general formula (1).
R 1 XR 2 (1)
(Where R 1 represents an alkyl group, an aryl group, etc .; R 2 represents hydrogen, halogen, —OR 3 (R 3 represents an alkyl group, an allyl group, an aryl group, etc.), etc.) X is Si, Ti, Al, C or S.

1は、アルキル基、アリール基(ベンゼン環)等の配向基である。炭素数は特に制限されないが、好ましくは1〜50、より好ましくは1〜30である。また、部分的に分鎖基、多重結合等を含んでいてもよい。さらに、炭素に結合する基として、フッ素、塩素等のハロゲン、水素、窒素などを含んでいてもよい。R1が上記配向基であることにより、本願発明の自己組織化単分子膜は高い撥水性を有する。 R 1 is an orientation group such as an alkyl group or an aryl group (benzene ring). Although carbon number is not specifically limited, Preferably it is 1-50, More preferably, it is 1-30. Further, it may partially contain a branched chain, multiple bonds and the like. Further, the group bonded to carbon may contain halogen such as fluorine and chlorine, hydrogen, nitrogen and the like. When R 1 is the above-mentioned orientation group, the self-assembled monomolecular film of the present invention has high water repellency.

2は、水素、ハロゲン、−OR3等の吸着基である。ここで、炭素に結合する基として、フッ素、塩素等のハロゲン、水素、窒素などを含んでいてもよい。 R 2 is an adsorbing group such as hydrogen, halogen, or —OR 3 . Here, the group bonded to carbon may contain halogen such as fluorine and chlorine, hydrogen, nitrogen and the like.

上記に示した自己組織化単分子膜形成物質として、例えば、オクタデシルトリメトキシシラン、オクタデシルトリエトキシシラン、オクタデシルトリクロロシラン、オクタデシルメチルジエトキシシラン、オクタデシルジメチルメトキシシラン、オクタデシルメチルジメトキシシラン、オクタデシルメトキシジクロロシラン、オクタデシルメチルジクロロシラン、オクタデシルジメチル(ジメチルアミノ)シラン、オクタデシルジメチルクロロシラン、ノニルクロロシラン、オクテニルトリクロロシラン、オクテニルトリメトキシシラン、オクチルメチルジクロロシラン、オクチルメチルジエトキシシラン、オクチルトリクロロシラン、オクチルトリエトキシシラン、オクチルトリメトキシシラン、ペンタフルオロフェニルプロピルトリクロロシラン、ペンタフルオロフェニルプロピルトリメトキシシラン、ペンチルトリエトキシシラン、ペンチルトリクロロシラン、フェネチルトリクロロシラン、フェネチルトリメトキシシラン、フェニルジクロロシラン、フェニルジエトキシシラン、フェニルエチルジクロロシラン、フェニルメチルジメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリクロロシラン、フェニルトリエトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、プロピルトリクロロシラン、テトラデシルトリクロロシラン、(3,3,3−トリフルオロプロピル)ジメチルクロロシラン、(3,3,3−トリフルオロプロピル)トリクロロシラン、(3,3,3−トリフルオロプロピル)トリメトキシシラン、(3,3,3−トリフルオロプロピル)トリエトキシシラン、3,3,4,4,5,5,6,6,6−ノナフルオロヘキシルメチルジクロロシラン、3,3,4,4,5,5,6,6,6−ノナフルオロヘキシルトリクロロシラン、イソオクチルトリメトキシシラン、イソブチルメチルジクロロシラン、イソブチルトリエトキシシラン、イソブチルトリクロロシラン、ヘキシルトリクロロシラン、ヘキシルトリエトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、ヘキセニルトリクロロシラン、ヘキシルジクロロシラン、ヘキサデシルトリクロロシラン、ヘキサデシルトリメトキシシラン、ヘキサデシルトリエトキシシラン、ヘプチルトリクロロシラン、(ヘプタデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロデシル)トリエトキシシラン、(ヘプタデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロデシル)トリクロロシラン、(ヘプタデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロデシル)メチルジクロロシラン、(ヘプタデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロデシル)ジメチルクロロシラン、エイコシルトリクロロシラン、ドデシルトリメトキシシラン、ドデシルトリエトキシシラン、ドデシルトリクロロシラン、ドデシルメチルジクロロシラン、ドデシルジメチルクロロシラン、ジフェニルジエトキシシラン、ジフェニルジクロロシラン、ジフェニルジエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジメトキシメチル−3,3,3−トリフルオロプロピルシラン、デシルメチルジクロロシラン、デシルトリクロロシラン、デシルトリエトキシシラン、デシルトリメトキシシラン、デシルジメチルクロロシラン、シクロヘキシルメチルトリクロロシラン、シクロヘキシルトリクロロシラン、3−クロロプロピルメチルジメトキシシラン、3−クロロプロピルトリメトキシシラン、3−クロロプロピルトリエトキシシラン、3−クロロプロピルトリクロロシラン、クロロフェニルトリクロロシラン、ブチルトリメトキシシラン、ブチルトリクロロシランが挙げられる。   Examples of the self-assembled monolayer forming material shown above include octadecyltrimethoxysilane, octadecyltriethoxysilane, octadecyltrichlorosilane, octadecylmethyldiethoxysilane, octadecyldimethylmethoxysilane, octadecylmethyldimethoxysilane, octadecylmethoxydichlorosilane. , Octadecylmethyldichlorosilane, octadecyldimethyl (dimethylamino) silane, octadecyldimethylchlorosilane, nonylchlorosilane, octenyltrichlorosilane, octenyltrimethoxysilane, octylmethyldichlorosilane, octylmethyldiethoxysilane, octyltrichlorosilane, octyltriethoxy Silane, octyltrimethoxysilane, pentafluorophenylpropyl trichloro Silane, pentafluorophenylpropyltrimethoxysilane, pentyltriethoxysilane, pentyltrichlorosilane, phenethyltrichlorosilane, phenethyltrimethoxysilane, phenyldichlorosilane, phenyldiethoxysilane, phenylethyldichlorosilane, phenylmethyldimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane , Phenyltrichlorosilane, phenyltriethoxysilane, propyltriethoxysilane, propyltrimethoxysilane, propyltrichlorosilane, tetradecyltrichlorosilane, (3,3,3-trifluoropropyl) dimethylchlorosilane, (3,3,3- (Trifluoropropyl) trichlorosilane, (3,3,3-trifluoropropyl) trimethoxysilane, (3,3,3-trif Olopropyl) triethoxysilane, 3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluorohexylmethyldichlorosilane, 3,3,4,4,5,5,6,6,6-nona Fluorohexyltrichlorosilane, isooctyltrimethoxysilane, isobutylmethyldichlorosilane, isobutyltriethoxysilane, isobutyltrichlorosilane, hexyltrichlorosilane, hexyltriethoxysilane, hexyltrimethoxysilane, hexenyltrichlorosilane, hexyldichlorosilane, hexadecyltri Chlorosilane, hexadecyltrimethoxysilane, hexadecyltriethoxysilane, heptyltrichlorosilane, (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl) triethoxysilane, (heptadecafluoro-1, 1,2,2-tetrahydrodecyl) trichlorosilane, (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl) methyldichlorosilane, (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl) dimethylchlorosilane , Eicosyltrichlorosilane, dodecyltrimethoxysilane, dodecyltriethoxysilane, dodecyltrichlorosilane, dodecylmethyldichlorosilane, dodecyldimethylchlorosilane, diphenyldiethoxysilane, diphenyldichlorosilane, diphenyldiethoxysilane, diphenyldimethoxysilane, dimethoxymethyl- 3,3,3-trifluoropropylsilane, decylmethyldichlorosilane, decyltrichlorosilane, decyltriethoxysilane, decyltrimethoxysilane, decyldimethyl Lorosilane, cyclohexylmethyltrichlorosilane, cyclohexyltrichlorosilane, 3-chloropropylmethyldimethoxysilane, 3-chloropropyltrimethoxysilane, 3-chloropropyltriethoxysilane, 3-chloropropyltrichlorosilane, chlorophenyltrichlorosilane, butyltrimethoxysilane And butyltrichlorosilane.

本発明においては、中でもオクタデシルトリメトキシシラン、オクタデシルトリエトキシシラン、オクタデシルトリクロロシラン、ノニルクロロシラン、オクテニルトリクロロシラン、オクテニルトリメトキシシラン、オクチルトリクロロシラン、オクチルトリエトキシシラン、オクチルトリメトキシシラン、ペンタフルオロフェニルプロピルトリクロロシラン、ペンタフルオロフェニルプロピルトリメトキシシラン、ペンチルトリエトキシシラン、ペンチルトリクロロシラン、フェネチルトリクロロシラン、フェネチルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリクロロシラン、フェニルトリエトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、プロピルトリクロロシラン、テトラデシルトリクロロシラン、(3,3,3−トリフルオロプロピル)トリクロロシラン、(3,3,3−トリフルオロプロピル)トリメトキシシラン、(3,3,3−トリフルオロプロピル)トリエトキシシラン、3,3,4,4,5,5,6,6,6−ノナフルオロヘキシルトリクロロシラン、イソオクチルトリメトキシシラン、イソブチルトリエトキシシラン、イソブチルトリクロロシラン、ヘキシルトリクロロシラン、ヘキシルトリエトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、ヘキセニルトリクロロシラン、ヘキサデシルトリクロロシラン、ヘキサデシルトリメトキシシラン、ヘキサデシルトリエトキシシラン、ヘプチルトリクロロシラン、(ヘプタデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロデシル)トリエトキシシラン、(ヘプタデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロデシル)トリクロロシラン、エイコシルトリクロロシラン、ドデシルトリメトキシシラン、ドデシルトリエトキシシラン、ドデシルトリクロロシラン、ジメトキシメチル−3,3,3−トリフルオロプロピルシラン、デシルトリクロロシラン、デシルトリエトキシシラン、デシルトリメトキシシラン、デシルジメチルクロロシラン、シクロヘキシルメチルトリクロロシラン、シクロヘキシルトリクロロシラン、3−クロロプロピルトリメトキシシラン、3−クロロプロピルトリエトキシシラン、3−クロロプロピルトリクロロシラン、クロロフェニルトリクロロシラン、ブチルトリメトキシシラン、ブチルトリクロロシランが好ましい。   In the present invention, among them, octadecyltrimethoxysilane, octadecyltriethoxysilane, octadecyltrichlorosilane, nonylchlorosilane, octenyltrichlorosilane, octenyltrimethoxysilane, octyltrichlorosilane, octyltriethoxysilane, octyltrimethoxysilane, pentafluoro Phenylpropyltrichlorosilane, pentafluorophenylpropyltrimethoxysilane, pentyltriethoxysilane, pentyltrichlorosilane, phenethyltrichlorosilane, phenethyltrimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltrichlorosilane, phenyltriethoxysilane, propyltriethoxysilane, propyltri Methoxysilane, propyltrichlorosilane, tetradecylto Chlorosilane, (3,3,3-trifluoropropyl) trichlorosilane, (3,3,3-trifluoropropyl) trimethoxysilane, (3,3,3-trifluoropropyl) triethoxysilane, 3,3, 4,4,5,5,6,6,6-nonafluorohexyltrichlorosilane, isooctyltrimethoxysilane, isobutyltriethoxysilane, isobutyltrichlorosilane, hexyltrichlorosilane, hexyltriethoxysilane, hexyltrimethoxysilane, hexenyl Trichlorosilane, hexadecyltrichlorosilane, hexadecyltrimethoxysilane, hexadecyltriethoxysilane, heptyltrichlorosilane, (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl) triethoxysilane, (heptadeca (Luoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl) trichlorosilane, eicosyltrichlorosilane, dodecyltrimethoxysilane, dodecyltriethoxysilane, dodecyltrichlorosilane, dimethoxymethyl-3,3,3-trifluoropropylsilane, decyl Trichlorosilane, decyltriethoxysilane, decyltrimethoxysilane, decyldimethylchlorosilane, cyclohexylmethyltrichlorosilane, cyclohexyltrichlorosilane, 3-chloropropyltrimethoxysilane, 3-chloropropyltriethoxysilane, 3-chloropropyltrichlorosilane, chlorophenyl Trichlorosilane, butyltrimethoxysilane, and butyltrichlorosilane are preferred.

特にオクタデシルトリメトキシシラン、オクタデシルトリエトキシシラン、オクタデシルトリクロロシラン、オクチルトリエトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、(トリデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロオクチル)トリエトキシシラン、イソブチルトリメトキシシラン、(ヘプタデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロデシル)トリエトキシシラン、ドデシルトリエトキシシラン、3−クロロプロピルトリメトキシシランがより好ましい。   Especially octadecyltrimethoxysilane, octadecyltriethoxysilane, octadecyltrichlorosilane, octyltriethoxysilane, phenyltriethoxysilane, (tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl) triethoxysilane, isobutyltrimethoxysilane, (Heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl) triethoxysilane, dodecyltriethoxysilane, and 3-chloropropyltrimethoxysilane are more preferable.

上記撥水材料が単独で平面な層を形成する場合、水と当該平面な層との接触角を図1に示す。高撥水性の観点から、当該平面な層は、水との接触角が70〜120°であることが好ましく、中でも100〜120°であることがより好ましい。   When the water repellent material alone forms a flat layer, the contact angle between water and the flat layer is shown in FIG. From the viewpoint of high water repellency, the planar layer preferably has a contact angle with water of 70 to 120 °, more preferably 100 to 120 °.

上記接触角は、接触角測定装置(協和界面化学社製、型番CA−Z)を用いて測定するものである。具体的には、被測定対象物の当該平面な層表面上に、純水を一滴(一定量)滴下させ、一定時間(10秒間程度)経過後顕微鏡又はCCDカメラを用いて水滴形状を目視にて観察することにより、物理的に接触角を求める。
(撥水性炭素材)
本発明の撥水性炭素材は、炭素材の表面の一部に撥水材料を付与してなる。
The contact angle is measured using a contact angle measuring device (model number CA-Z, manufactured by Kyowa Interface Chemical Co., Ltd.). Specifically, one drop (a constant amount) of pure water is dropped on the flat layer surface of the object to be measured, and the shape of the water drop is visually observed using a microscope or a CCD camera after a predetermined time (about 10 seconds). The contact angle is physically obtained by observing.
(Water repellent carbon material)
The water repellent carbon material of the present invention is formed by imparting a water repellent material to a part of the surface of the carbon material.

付与方法は気相法であることが好ましい。気相法を用いることにより、通常は非導電性である撥水材料が少なくとも炭素材の表面全面を被覆することのないように形成できるので、電子が当該炭素材を介してセパレータに移動することができる。その結果、本発明の電極触媒層は導電性を有したまま、撥水性を得ることができる
撥水材料の平均付与量は限定的でなく、上記炭素材100重量部に対して、通常は0.1〜100重量部であり、1〜50重量部が好ましい。
The applying method is preferably a gas phase method. By using a vapor phase method, a water repellent material that is normally non-conductive can be formed so as not to cover at least the entire surface of the carbon material, so that electrons move to the separator via the carbon material. Can do. As a result, the electrode catalyst layer of the present invention can obtain water repellency while having conductivity. The average amount of the water repellent material is not limited, and is usually 0 with respect to 100 parts by weight of the carbon material. 0.1 to 100 parts by weight, preferably 1 to 50 parts by weight.

炭素材表面に占める撥水材料の割合(表面積)も、撥水性能が発揮される範囲内であれば限定的でなく、目的に応じて適宜決定される。   The ratio (surface area) of the water repellent material to the surface of the carbon material is not limited as long as it is within the range where the water repellent performance is exhibited, and is appropriately determined according to the purpose.

撥水材料の好適な平均厚さは、通常は1nm〜50nmの範囲内、中でも1nm〜20nm,特に1nm〜5nmの範囲内である
気相法は、気相を介する方法である限り特に制限されず、公知の方法を用いることができる。例えば、反応性スパッタリング法、反応性蒸着法、イオンプレーティング法等の物理気相成長法(PVD法)、プラズマCVD法、熱CVD法、レーザーCVD法等の化学気相成長法(CVD法)などが挙げられる。この中でも、三次元堆積、基材との密着性や生産性の観点から、CVD法が好ましい。さらにプラズマCVD法、熱CVD法がより好ましい。プラズマCVD法は、放電することによって反応装置内の反応ガスからプラズマを発生させる方法であればよい。熱CVD法は、高温にすることによって反応装置内の反応ガスを蒸発させる方法であればよい。
The preferred average thickness of the water repellent material is usually in the range of 1 nm to 50 nm, in particular in the range of 1 nm to 20 nm, especially 1 nm to 5 nm. The gas phase method is particularly limited as long as it is a method via the gas phase. Instead, a known method can be used. For example, chemical vapor deposition method (CVD method) such as reactive sputtering method, reactive vapor deposition method, physical vapor deposition method (PVD method) such as ion plating method, plasma CVD method, thermal CVD method, laser CVD method Etc. Among these, the CVD method is preferable from the viewpoints of three-dimensional deposition, adhesion to a substrate, and productivity. Furthermore, a plasma CVD method and a thermal CVD method are more preferable. The plasma CVD method may be any method that generates plasma from the reaction gas in the reaction apparatus by discharging. The thermal CVD method may be any method that evaporates the reaction gas in the reaction apparatus by increasing the temperature.

特に、上記炭素含有基を有する有機金属化合物、炭化水素化合物、フッ素含有化合物等を用いてプラズマCVD法によって形成された撥水性炭素材、又は上記自己組織化単分子膜を用いて熱CVD法によって形成された撥水性炭素材が好ましい。
(撥水性触媒材)
本発明の撥水性触媒材は、炭素材に触媒活性成分を担持してなる触媒材の表面の一部に撥水材料を付与してなる。
In particular, a water-repellent carbon material formed by a plasma CVD method using an organometallic compound having a carbon-containing group, a hydrocarbon compound, a fluorine-containing compound, or the like, or a thermal CVD method using the self-assembled monomolecular film. The formed water-repellent carbon material is preferable.
(Water repellent catalyst material)
The water repellent catalyst material of the present invention is formed by imparting a water repellent material to a part of the surface of a catalyst material in which a catalytically active component is supported on a carbon material.

付与方法は、気相法であることが好ましい。気相法を用いることにより、通常は非導電性である撥水材料が少なくとも触媒材の表面全面を被覆することのないように形成できるので、電子が当該触媒材を介してセパレータに移動することができる。その結果、本発明の電極触媒層は導電性を有したまま、撥水性を得ることができる
撥水材料の平均付与量は限定的でなく、触媒材100重量部に対して、通常は0.1〜100重量部であり、1〜50重量部が好ましい。
The application method is preferably a gas phase method. By using the vapor phase method, a water repellent material that is usually non-conductive can be formed so as not to cover at least the entire surface of the catalyst material, so that electrons move to the separator via the catalyst material. Can do. As a result, the electrode catalyst layer of the present invention can obtain water repellency while having electrical conductivity. The average amount of the water-repellent material is not limited and is usually 0. 1 to 100 parts by weight, preferably 1 to 50 parts by weight.

炭素材表面に占める撥水材料及び触媒活性成分の割合(表面積)も、撥水性能及び触媒効果が発揮される範囲内であれば限定的でなく、目的に応じて適宜決定される。   The ratio (surface area) of the water repellent material and the catalytically active component occupying the surface of the carbon material is not limited as long as it is within the range where the water repellent performance and the catalytic effect are exhibited, and is appropriately determined according to the purpose.

撥水材料の好適な平均厚さは、通常は1nm〜50nmの範囲内、中でも1nm〜20nm,特に1nm〜5nmの範囲内である
気相法は上述したものと同様である。
The preferred average thickness of the water repellent material is usually in the range of 1 nm to 50 nm, in particular in the range of 1 nm to 20 nm, especially 1 nm to 5 nm. The gas phase method is the same as described above.

また、上記炭素含有基を有する有機金属化合物、炭化水素化合物又はフッ素含有化合物等を用いてプラズマCVD法によって形成された撥水性触媒材、又は上記自己組織化単分子膜を用いて熱CVD法によって形成された撥水性触媒材が好ましい。
(撥水性電極触媒層)
本発明の撥水性電極触媒層は、1)上記固体高分子電解質、触媒材及び撥水性炭素材、2)上記固体高分子電解質及び撥水性触媒材、3)上記固体高分子電解質、撥水性炭素材及び撥水性触媒材、のいずれかを含んでいればよい。
In addition, a water-repellent catalyst material formed by a plasma CVD method using an organometallic compound having a carbon-containing group, a hydrocarbon compound or a fluorine-containing compound, or a thermal CVD method using the self-assembled monomolecular film. The formed water repellent catalyst material is preferred.
(Water repellent electrode catalyst layer)
The water-repellent electrode catalyst layer of the present invention comprises 1) the solid polymer electrolyte, catalyst material and water-repellent carbon material, 2) the solid polymer electrolyte and water-repellent catalyst material, and 3) the solid polymer electrolyte and water-repellent carbon. Any of the raw material and the water-repellent catalyst material may be included.

なお、本発明の撥水性電極触媒層は、撥水性を有しない炭素材、すなわち、撥水材料を表面に付与されていない炭素材を必要に応じて含んでいてもよい。また、上記2)又は3)の撥水性電極触媒層は、撥水性を有しない触媒材、すなわち、撥水材料を表面に付与されていない触媒材を必要に応じて含んでいてもよい。   The water-repellent electrode catalyst layer of the present invention may contain a carbon material that does not have water repellency, that is, a carbon material that is not provided with a water-repellent material on the surface, as necessary. Further, the water repellent electrode catalyst layer of 2) or 3) may contain a catalyst material that does not have water repellency, that is, a catalyst material that is not provided with a water repellent material on the surface, as necessary.

電極触媒層の厚さは通常1μm〜50μm、好ましくは5μm〜20μmである。   The thickness of the electrode catalyst layer is usually 1 μm to 50 μm, preferably 5 μm to 20 μm.

また本発明においては、上記撥水性電極触媒層表面上に水が存在する場合、当該電極触媒層は、水との接触角が70〜170°であることが好ましく、120°以上であることがより好ましい。なお、ここでいう水との接触角の測定方法は、上述した方法により測定されるものである。
(撥水性触媒層−電解質接合体)
撥水性触媒層−電解質接合体は、電解質膜の両側に、電極触媒層及びガス拡散層が順に挟持されてなる。
In the present invention, when water is present on the surface of the water-repellent electrode catalyst layer, the electrode catalyst layer preferably has a contact angle with water of 70 to 170 °, preferably 120 ° or more. More preferred. In addition, the measurement method of the contact angle with water here is measured by the method mentioned above.
(Water repellent catalyst layer-electrolyte assembly)
In the water-repellent catalyst layer-electrolyte assembly, an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer are sandwiched in order on both sides of the electrolyte membrane.

本発明の撥水性触媒層−電解質接合体は、挟持する2つの電極触媒層の少なくとも一方が上述した撥水性電極触媒層である。また、当該撥水性触媒層は、その撥水層が電解質膜に接するように狭持している。   In the water-repellent catalyst layer-electrolyte assembly of the present invention, at least one of the two electrode catalyst layers sandwiched is the above-described water-repellent electrode catalyst layer. The water repellent catalyst layer is sandwiched so that the water repellent layer is in contact with the electrolyte membrane.

電解質膜は、水素イオン導電性のものであれば特に制限されず、目的に応じて適宜採用できる。例えば、炭化水素系イオン交換膜のC-H結合をフッ素で置換したパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー(PFS系ポリマー)が挙げられる。上記PFS系ポリマーは電気陰性度の高いフッ素原子が導入されたことにより、化学的に非常に安定し、かつスルホン酸基の乖離度が高いため、高いイオン導電性が実現できる。これらの中でも具体的に、Nafion(登録商標、DuPont社製)、Flemion(登録商標、旭硝子社製)、Aciplex(登録商標、旭化成社製)が好ましい。   The electrolyte membrane is not particularly limited as long as it has hydrogen ion conductivity, and can be appropriately employed depending on the purpose. For example, a perfluorocarbon sulfonic acid polymer (PFS polymer) in which the C—H bond of a hydrocarbon ion exchange membrane is substituted with fluorine may be mentioned. The introduction of fluorine atoms having a high electronegativity into the PFS-based polymer makes it very chemically stable and has a high degree of sulfonic acid group dissociation, so that high ionic conductivity can be realized. Among these, specifically, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass), and Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei) are preferable.

電解質膜の膜の厚さは通常10μm〜250μm、好ましくは15μm〜175μmである。   The thickness of the electrolyte membrane is usually 10 μm to 250 μm, preferably 15 μm to 175 μm.

上記ガス拡散層は、ガス透過性及び導電性を有するものであれば、特に制限されず、例えば、導電性の繊維を用いた炭素紙からなるカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等が挙げられる。
(単位セル)
本発明の固体燃料電池用の単位セルは、上記膜−電極接合体を具備するものであれば良い。
The gas diffusion layer is not particularly limited as long as it has gas permeability and conductivity, and examples thereof include carbon paper made of carbon paper using conductive fibers, carbon cloth, carbon felt, and the like.
(Unit cell)
The unit cell for the solid fuel cell of the present invention may be any unit cell provided with the membrane-electrode assembly.

本発明の単位セルは、上記膜−電極接合体をセパレータで狭持したものである。   The unit cell of the present invention is obtained by sandwiching the membrane-electrode assembly with a separator.

セパレータは、特に制限されず、公知のものが使用できる。セパレータの材質として、例えば、ステンレス、銅、チタン、アルミニウム、ロジウム、タンタル、タングステン、金等の金属又はこれらの少なくとも1種を含む合金;グラファイト;樹脂にカーボンを練りこんだカーボンコンパウンドなどが挙げられる。これらの中でも、強度、燃料電池の薄型化等の観点から、上記金属又はこれらの少なくとも1種を含む合金が好ましく、ステンレス、チタンがより好ましい。   A separator in particular is not restrict | limited, A well-known thing can be used. Examples of the material of the separator include metals such as stainless steel, copper, titanium, aluminum, rhodium, tantalum, tungsten, and gold, or an alloy containing at least one of them; graphite; a carbon compound in which carbon is kneaded into a resin. . Among these, from the viewpoints of strength, thinning of the fuel cell, and the like, the above metals or alloys containing at least one of them are preferable, and stainless steel and titanium are more preferable.

また、セパレータには、めっき等の表面処理がなされていてもよい。これらの表面処理は、公知の方法に従って実施することができる。
(燃料電池)
固体高分子形燃料電池は、単位セルを積層したものであり、本発明の固体高分子形燃料電池は、上記単位セルを1又は2以上具備するものであればよい。
2.撥水性電極触媒層の製造方法
本発明の撥水性電極触媒層の製造方法は、
(1)固体高分子形燃料電池用の電極触媒層を製造する方法であって、炭素材表面の一部に気相法によりに撥水材料を付与する工程を含むことを特徴とする、
1)前記電極触媒層は、固体高分子電解質、触媒材及び撥水性炭素材を含み、
2)前記触媒材は、炭素材に触媒活性成分を担持してなり、
3)前記撥水性炭素材は、炭素材の表面の一部に撥水材料を有してなる、
撥水性電極触媒層の製造方法、
(2)固体高分子形燃料電池用の電極触媒層を製造する方法であって、触媒材表面の一部に気相法により撥水材料を付与する工程を含むことを特徴とする、
1)前記電極触媒層は、固体高分子電解質及び撥水性触媒材を含み、
2)前記撥水性触媒材は、炭素材に触媒活性成分を担持してなる触媒材の表面の一部に撥水材料を有してなる、
撥水性電極触媒層の製造方法、又は
(3)固体高分子形燃料電池用の電極触媒層を製造する方法であって、炭素材及び/又は触媒材表面の一部に気相法により撥水材料を付与する工程を含むことを特徴とする、
1)前記電極触媒層は、固体高分子電解質、撥水性炭素材及び撥水性触媒材を含み、
2)前記撥水性炭素材は、炭素材の表面の一部に撥水材料を有してなり、
3)前記撥水性触媒材は、炭素材に触媒活性成分を担持してなる触媒材の表面の一部に撥水材料を有してなる、
撥水性電極触媒層の製造方法である。
(撥水材料形成工程)
本発明における撥水材料の形成工程は、上述した炭素材及び/又は触媒材の表面の一部に気相法により触媒材料を形成する工程である。
The separator may be subjected to a surface treatment such as plating. These surface treatments can be performed according to a known method.
(Fuel cell)
The polymer electrolyte fuel cell is formed by stacking unit cells, and the polymer electrolyte fuel cell of the present invention only needs to have one or more unit cells.
2. Method for producing water-repellent electrode catalyst layer The method for producing the water-repellent electrode catalyst layer of the present invention comprises:
(1) A method for producing an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, comprising a step of applying a water repellent material to a part of a carbon material surface by a vapor phase method,
1) The electrode catalyst layer includes a solid polymer electrolyte, a catalyst material, and a water-repellent carbon material,
2) The catalyst material comprises a carbon material carrying a catalytically active component,
3) The water-repellent carbon material has a water-repellent material on a part of the surface of the carbon material.
Manufacturing method of water-repellent electrode catalyst layer,
(2) A method for producing an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, comprising a step of applying a water-repellent material to a part of the catalyst material surface by a vapor phase method,
1) The electrode catalyst layer includes a solid polymer electrolyte and a water-repellent catalyst material,
2) The water-repellent catalyst material has a water-repellent material on a part of the surface of the catalyst material obtained by supporting a catalytic active component on a carbon material.
A method for producing a water repellent electrode catalyst layer, or (3) a method for producing an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, wherein a water repellent property is applied to a part of the surface of a carbon material and / or catalyst material by a gas phase method. Including the step of applying a material,
1) The electrode catalyst layer includes a solid polymer electrolyte, a water repellent carbon material, and a water repellent catalyst material,
2) The water-repellent carbon material has a water-repellent material on a part of the surface of the carbon material,
3) The water-repellent catalyst material has a water-repellent material on a part of the surface of a catalyst material in which a catalytically active component is supported on a carbon material.
This is a method for producing a water-repellent electrode catalyst layer.
(Water repellent material forming process)
The formation step of the water repellent material in the present invention is a step of forming a catalyst material on a part of the surface of the carbon material and / or the catalyst material described above by a vapor phase method.

上記炭素材及び/又は触媒材表面の一部に撥水材料を形成させる気相法は、気相を介して行う限り特に制限されない。例えば、反応性スパッタリング法、反応性蒸着法、イオンプレーティング法等のPVD法、熱CVD法、プラズマCVD法、レーザーCVD法等のCVD法などの成膜法が挙げられる。本発明では、CVD法が好ましい。
(1)特に、炭素材又は触媒材に熱的ダメージが加わらない程度の低温(−20〜200℃程度の範囲)で所望の材料を炭素材表面に形成でき、さらに原料ガスの種類・流量、成膜圧力、投入電力等によって、得られる材料の種類や物性を制御できるという観点からは、プラズマCVD法が好ましい。
The gas phase method for forming a water repellent material on a part of the carbon material and / or catalyst material surface is not particularly limited as long as the method is performed via the gas phase. For example, film forming methods such as a reactive sputtering method, a reactive vapor deposition method, a PVD method such as an ion plating method, a CVD method such as a thermal CVD method, a plasma CVD method, and a laser CVD method can be given. In the present invention, the CVD method is preferable.
(1) In particular, a desired material can be formed on the surface of the carbon material at a low temperature (in the range of about -20 to 200 ° C.) that does not cause thermal damage to the carbon material or the catalyst material. From the viewpoint that the type and physical properties of the material obtained can be controlled by the film forming pressure, input power, and the like, the plasma CVD method is preferable.

本発明におけるプラズマCVD法の具体的な撥水材料の形成条件を説明する。   Specific conditions for forming the water repellent material in the plasma CVD method of the present invention will be described.

炭素材又は触媒材の温度は特に制限されないが、通常−20〜100℃の範囲内、好ましくは−10〜50℃の範囲内である。   Although the temperature in particular of a carbon material or a catalyst material is not restrict | limited, Usually, it exists in the range of -20-100 degreeC, Preferably it exists in the range of -10-50 degreeC.

原料ガスとしては、所望の撥水材料に含まれる成分を含むガスであれば、特に制限はされない。   The raw material gas is not particularly limited as long as it is a gas containing a component contained in a desired water repellent material.

プラズマCVD法のエネルギー帯も、特に限定的でなく、高周波、超高周波、マイクロ波等を使用するものであってもよい。   The energy band of the plasma CVD method is not particularly limited, and high frequency, super high frequency, microwave, or the like may be used.

ここで、プラズマCVD法により撥水材料を形成する場合、当該撥水材料は、(i)炭素含有基を有する有機金属化合物(ii)炭化水素化合物及び(iii)フッ素含有化合物の少なくとも1種であることが好ましい。これにより撥水性の高い撥水材料を炭素材の一部に形成できる。以下、これらに用いられる原料ガスについて説明する。
(i)炭素含有基を有する有機金属化合物
炭素含有基を有する有機金属化合物からなる撥水材料を形成するガスとしては、アルキル基及びSi,Ti,Al等の金属元素を含むものであれば、特に制限されない。
Here, when the water repellent material is formed by the plasma CVD method, the water repellent material is at least one of (i) an organometallic compound having a carbon-containing group (ii) a hydrocarbon compound and (iii) a fluorine-containing compound. Preferably there is. Thereby, a water-repellent material having high water repellency can be formed on a part of the carbon material. Hereinafter, the source gas used for these will be described.
(I) Organometallic compound having a carbon-containing group As a gas for forming a water-repellent material composed of an organometallic compound having a carbon-containing group, if it contains a metal element such as an alkyl group and Si, Ti, Al, There is no particular limitation.

その具体例である有機珪素化合物ガスとしては、ヘキサメチルジシロキサン(HMDSO)、1,1,3,3−テトラメチルジシロキサン(TMDSO)、テトラメチルシラン(TMS)、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリメチルシラン、テトラメトキシシラン(TMOS)、メチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、トリメチルメトキシシラン、テトラエトキシシラン(TEOS)、ジメチルジエトキシシラン、メチルジメトキシシラン、メチルジエトキシシラン、ヘキサメチルジシラザン等を好ましく用いることができる他、テトラメチルジシロキサン、ノルマルメチルトリメトキシシラン等の従来公知のものを、一種又は二種以上用いることができる。   Specific examples of the organosilicon compound gas include hexamethyldisiloxane (HMDSO), 1,1,3,3-tetramethyldisiloxane (TMDSO), tetramethylsilane (TMS), vinyltrimethoxysilane, and vinyltrimethyl. Silane, tetramethoxysilane (TMOS), methyltrimethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, trimethylmethoxysilane, tetraethoxysilane (TEOS), dimethyldiethoxysilane, methyldimethoxysilane, methyldiethoxysilane, hexamethyldisilazane, etc. are preferred In addition to these, one or more conventionally known ones such as tetramethyldisiloxane and normal methyltrimethoxysilane can be used.

これらの中でも、撥水性がより向上する観点から、特に分子内に炭素−珪素結合を多くもつ有機珪素化合物が好適に用いられる。具体的には、ヘキサメチルジシロキサン(HMDSO)、1,1,3,3−テトラメチルジシロキサン(TMDSO)、テトラメチルシラン(TMS)、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリメチルシラン、メチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、トリメチルメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、メチルジメトキシシラン、メチルジエトキシシラン、ヘキサメチルジシラザン等を挙げることができる。   Among these, from the viewpoint of further improving water repellency, an organosilicon compound having a large number of carbon-silicon bonds in the molecule is preferably used. Specifically, hexamethyldisiloxane (HMDSO), 1,1,3,3-tetramethyldisiloxane (TMDSO), tetramethylsilane (TMS), vinyltrimethoxysilane, vinyltrimethylsilane, methyltrimethoxysilane, Examples thereof include dimethyldimethoxysilane, trimethylmethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, methyldimethoxysilane, methyldiethoxysilane, and hexamethyldisilazane.

さらに分子内に炭素−珪素結合をより多く有する観点から、ヘキサメチルジシロキサン(HMDSO;(CH33SiOSi(CH33)、テトラメチルジシロキサン(TMDSO;(CH32HSiOSiH(CH32)、テトラメチルシラン(TMS;Si(CH34)がより好ましい。
(ii)炭化水素系材料
炭化水素系材料は、C及びHからなるものであれば特に制限はされない。好ましい材料として、CH4、C22、C24、C38又はこれらの混合ガス等を挙げることができ、より好ましくはC22又はC24を挙げることができる。
(iii)フッ素含有化合物材料
フッ素含有化合物材料は、フッ素を含有するものであれば特に制限はされないが、フッ素含有有機化合物が好ましく、例えば、CF4、C24、C26、C36,C38,C58又はこれらの混合ガス等を挙げることができ、これらの中でも、C24又はC38が特に好ましい。
Furthermore, from the viewpoint of having more carbon-silicon bonds in the molecule, hexamethyldisiloxane (HMDSO; (CH 3 ) 3 SiOSi (CH 3 ) 3 ), tetramethyldisiloxane (TMDSO; (CH 3 ) 2 HSiOSiH (CH 3 ) 2 ) and tetramethylsilane (TMS; Si (CH 3 ) 4 ) are more preferred.
(Ii) Hydrocarbon-based material The hydrocarbon-based material is not particularly limited as long as it is composed of C and H. Preferable materials include CH 4 , C 2 H 2 , C 2 H 4 , C 3 H 8 or a mixed gas thereof, more preferably C 2 H 2 or C 2 H 4. .
(Iii) Fluorine-containing compound material The fluorine-containing compound material is not particularly limited as long as it contains fluorine, but is preferably a fluorine-containing organic compound, for example, CF 4 , C 2 F 4 , C 2 F 6 , C 3 F 6 , C 3 F 8 , C 5 F 8 or a mixed gas thereof can be exemplified, and among these, C 2 F 4 or C 3 F 8 is particularly preferable.

原料ガスのうち有機珪素化合物ガスとして炭素−珪素結合を多く有する有機化合物を用い、かつ、上述したような開始時の基材の温度、プラズマ発生手段における投入電力、圧力等を前記範囲内とすることにより、より優れた撥水材料を形成できる。これは、上記(i)及び(iii)の化合物は、有機珪素化合物ガスの分解性が低く、膜中にアルキル基(通常は炭素数が1〜30の範囲内をいう)又はフッ素が取り込まれやすくなるという理由に基づくと考えられる。また、上記(ii)の化合物は、撥水材料がCH結合のみで構成される結果として撥水効果の高い材料が得られるという理由に基づくと考えられる。
(2)CVD法の中でも熱CVD法により、撥水材料を上記炭素材又は触媒材表面の一部に形成することも好ましい。
An organic compound having many carbon-silicon bonds is used as the organosilicon compound gas in the source gas, and the temperature of the base material at the start, the input power in the plasma generating means, the pressure, and the like are within the above ranges. Thus, a more excellent water repellent material can be formed. This is because the compounds (i) and (iii) have low decomposability of the organosilicon compound gas, and an alkyl group (usually in the range of 1 to 30 carbon atoms) or fluorine is taken into the film. This is based on the reason that it becomes easier. The compound (ii) is considered to be based on the reason that a material having a high water-repellent effect can be obtained as a result of the water-repellent material being composed of only CH bonds.
(2) It is also preferable to form the water repellent material on a part of the surface of the carbon material or the catalyst material by a thermal CVD method among the CVD methods.

これは、熱CVD法では、原料となる物質を気化し、炭素材上に均一になるように材料を送り込み、酸化、還元、置換等の反応を行うことから、上記炭素材又は触媒材の凹凸上にも均一に撥水材料を形成することが可能であるという理由に基づく。   This is because the thermal CVD method vaporizes the raw material, sends the material uniformly onto the carbon material, and performs reactions such as oxidation, reduction, substitution, etc. This is based on the reason that the water repellent material can be uniformly formed on the top.

本発明における熱CVD法の好ましい条件としては、上記炭素材又は触媒材の耐熱温度以下であれば、高ければ高いほどよいが、50℃〜200℃の範囲内であることが特に好ましい。これは、反応系中に水分、あるいは酸素が含まれることが、上記撥水材料物質のアルコキシ基の加水分解反応がより促進され、炭素材との反応性が高くなるという理由に基づく。   As preferable conditions for the thermal CVD method in the present invention, the higher the heat resistance temperature of the carbon material or the catalyst material, the better. However, it is particularly preferable to be within the range of 50 ° C to 200 ° C. This is based on the reason that the presence of moisture or oxygen in the reaction system further promotes the hydrolysis reaction of the alkoxy group of the water repellent material substance and increases the reactivity with the carbon material.

本発明における熱CVD法による撥水材料の材料としては、上述した炭素材あるいは触媒材の撥水材料の記載と同様であるので、ここでの説明は省略する。
(撥水性電極触媒層形成工程)
本発明の撥水性電極触媒層は上記物質すなわち(1)上記固体高分子電解質、触媒材、及び撥水性炭素材、2)上記固体高分子電解質及び撥水性触媒材、又は3)上記固体高分子電解質、撥水性炭素材及び撥水性触媒材、のいずれかを混合して製造される。
Since the material of the water repellent material by the thermal CVD method in the present invention is the same as the description of the water repellent material of the carbon material or the catalyst material described above, description thereof is omitted here.
(Water repellent electrode catalyst layer forming step)
The water-repellent electrode catalyst layer of the present invention comprises the above substances, that is, (1) the solid polymer electrolyte, catalyst material, and water-repellent carbon material, 2) the solid polymer electrolyte and water-repellent catalyst material, or 3) the solid polymer. It is manufactured by mixing any one of an electrolyte, a water repellent carbon material, and a water repellent catalyst material.

混合方法は、特に制限されず、公知の方法が用いられる。例えば、上記各原料を1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、3−ブタノール等の有機溶媒等中で混合すればよい。これにより、触媒ペーストを作製できる。   The mixing method is not particularly limited, and a known method is used. For example, the above raw materials may be mixed in an organic solvent such as 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, and 3-butanol. Thereby, a catalyst paste can be produced.

次いで、上記混合により作製された触媒ペーストを転写基材等に塗布し、固化すればよい。   Next, the catalyst paste prepared by the above mixing may be applied to a transfer substrate and solidified.

触媒ペーストの塗布方法については、触媒ペーストの粘度、固形分などに応じて適宜選択でき、特に限定されるものではない。例えば、ナイフコータ、バーコーター、スプレー、ディップコータ、スピンコーター、ロールコーター、ダイコーター、カーテンコーター、スクリーン印刷などの一般的な方法が挙げられる。   The method for applying the catalyst paste can be appropriately selected according to the viscosity, solid content, etc. of the catalyst paste, and is not particularly limited. For example, general methods such as knife coater, bar coater, spray, dip coater, spin coater, roll coater, die coater, curtain coater, and screen printing can be used.

以下に実施例および比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。なお,本発明は,下記実施形態に限定されるものではない。
実施例1
(熱CVD工程による撥水材料形成)
炭素材(ケッチェンブラックEC、ライオン社製)と、ガラス容器に入れたオクタデシルトリメトキシシラン(東京化成工業(株)社製 00256)約0.2mlとを、テフロン(登録商標)容器内に設置した。その後、100℃のオーブン中に5時間放置することにより、熱CVDによる撥水材料(以下、ODS−SAMと略称する。)形成を行った。これにより、撥水性炭素材を作製した。
The present invention will be described more specifically with reference to the following examples and comparative examples. The present invention is not limited to the following embodiment.
Example 1
(Water repellent material formation by thermal CVD process)
Carbon material (Ketjen Black EC, manufactured by Lion) and about 0.2 ml of octadecyltrimethoxysilane (00256 manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) placed in a glass container are placed in a Teflon (registered trademark) container. did. Thereafter, the film was left in an oven at 100 ° C. for 5 hours to form a water repellent material (hereinafter abbreviated as ODS-SAM) by thermal CVD. This produced the water-repellent carbon material.

撥水材料形成後,XPSにより撥水性炭素材の材料特性を評価したところ、撥水材料中からSiの存在が確認された。なお、XPSによる評価は、MgKα使用、15kV、20mA(300W)という条件下で、XPS220iXL(ESCALAB社製)を用いて実施した。   After the formation of the water repellent material, the material properties of the water repellent carbon material were evaluated by XPS, and the presence of Si was confirmed in the water repellent material. The evaluation by XPS was carried out using XPS220iXL (manufactured by ESCALAB) under the conditions of using MgKα, 15 kV, 20 mA (300 W).

電極触媒層(空気極)の作製においては、上記撥水性炭素材の粒子100mg、白金担持カーボン10g(商品名:TEC10E50E、田中貴金属工業製)、及び5wt%Nafion溶液(商品名:Nafion SE20042、DuPont社製)100gとを、1−プロパノールのアルコール溶媒100g中にて混合することにより、電極触媒層作製用ペースト(空気極用)を調整した。   In the preparation of the electrode catalyst layer (air electrode), 100 mg of the above water-repellent carbon material particles, 10 g of platinum-supporting carbon (trade name: TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo), and 5 wt% Nafion solution (trade names: Nafion SE20042, DuPont) A paste for electrode catalyst layer preparation (for air electrode) was prepared by mixing 100 g with 100 g of alcohol solvent of 1-propanol.

電極触媒層(燃料極)の作製においては、触媒活性成分として白金ルテニウム合金を炭素材に担持した触媒材10g(PtRu53.3wt%、田中貴金属工業製 TEC61E54)と、バインダーである5wt%Nafion溶液(Dupont社製、溶剤プロパノール)100gとを分散機にて攪拌混合することにより、電極触媒層作製用触媒ペースト(燃料極用)を調整した。   In the production of the electrode catalyst layer (fuel electrode), 10 g of a catalyst material (PtRu 53.3 wt%, TEC61E54 manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) on which a platinum ruthenium alloy is supported on a carbon material as a catalyst active component, and a 5 wt% Nafion solution (a binder) A catalyst paste for preparing an electrode catalyst layer (for a fuel electrode) was prepared by stirring and mixing with 100 g of DuPont solvent propanol) using a disperser.

次いで、PETフィルム(E3120、東洋紡績(株)製、厚さ12μm、)上に、上記で調整した電極触媒作製用ペーストそれぞれを、ドクターブレードにより乾燥後の厚さが10μmとなるように塗布した。これを大気雰囲気中90℃で30分乾燥させることにより、空気極用及び燃料極用の電極触媒層を作製した。   Next, each of the electrode catalyst preparation pastes prepared above was applied onto a PET film (E3120, manufactured by Toyobo Co., Ltd., thickness 12 μm) with a doctor blade so that the thickness after drying was 10 μm. . This was dried at 90 ° C. for 30 minutes in an air atmosphere to produce an electrode catalyst layer for the air electrode and the fuel electrode.

次いで、上記空気極用及び燃料極用の電極触媒層を水素イオン伝導性高分子電解質膜(Nafion112、デュポン社製)に150℃、3MPaの条件下で熱プレスすることにより、触媒層―電解質膜接合体を作成した。
実施例2
(熱CVD工程による撥水材料形成)
白金担持カーボン粉末(商品名:TEC10E50E、田中貴金属工業製)と、ガラス容器に入れたオクタデシルトリメトキシシラン(東京化成工業(株)社製 00256)約0.2mlとを、テフロン(登録商標)容器内に設置した。次いで、100℃のオーブン中に5時間放置することにより、熱CVDによる撥水材料形成を行った。
Next, the electrode catalyst layer for the air electrode and the fuel electrode is hot-pressed on a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane (Nafion 112, manufactured by DuPont) under the conditions of 1550 ° C. and 3 MPa, thereby obtaining a catalyst layer-electrolyte membrane. A joined body was prepared.
Example 2
(Water repellent material formation by thermal CVD process)
Platinum-supported carbon powder (trade name: TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) and about 0.2 ml of octadecyltrimethoxysilane (00256 manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) in a glass container Installed inside. Next, by leaving it in an oven at 100 ° C. for 5 hours, a water repellent material was formed by thermal CVD.

撥水材料形成後、XPS組成分析により,撥水材料が形成されていることが確認された。   After forming the water repellent material, it was confirmed by XPS composition analysis that the water repellent material was formed.

触媒層(空気極用)の作製においては、上記撥水性白金触媒材0.5g、未処理の白金触媒材9.5g、及び5wt%のNafion溶液(商品名:Nafion SE20042、DuPont社製)100gを、1−プロパノールであるアルコール溶媒中100gにて混合することにより、電極触媒層作製用ペーストを調整した。電極触媒層形成後、実施例1と同様に電極触媒層―電解質膜接合体を作製した。
比較例1
撥水処理を施さない炭素材を用いて、実施例1と同様にして電極触媒層を形成し、電極触媒層―電解質膜接合体を作成した。
試験評価
電極触媒層―電解質膜積層体の両側に、電極基材(炭素繊維からなるカーボンペーパー、TGP-H-090、東レ(株)製)を配置し、セパレータで挟み込むことにより、単電池を作製した。単電池を300mAの定電流で500時間の連続運転を行い、各触媒層転写シートを用いて作製した触媒層―電解質膜積層体の電池性能を評価した。
In preparation of the catalyst layer (for air electrode), 0.5 g of the above water-repellent platinum catalyst material, 9.5 g of untreated platinum catalyst material, and 5 g of Nafion solution (trade name: Nafion SE20042, manufactured by DuPont) 100 g Was mixed at 100 g in an alcohol solvent that was 1-propanol to prepare an electrode catalyst layer preparation paste. After the formation of the electrode catalyst layer, an electrode catalyst layer-electrolyte membrane assembly was produced in the same manner as in Example 1.
Comparative Example 1
An electrode catalyst layer was formed using a carbon material not subjected to water repellent treatment in the same manner as in Example 1 to prepare an electrode catalyst layer-electrolyte membrane assembly.
Test evaluation Electrode catalyst layer-Place the electrode substrate (carbon paper made of carbon fiber, TGP-H-090, manufactured by Toray Industries, Inc.) on both sides of the electrolyte membrane laminate, and sandwich the cell with separators. Produced. The unit cell was continuously operated for 500 hours at a constant current of 300 mA, and the battery performance of the catalyst layer-electrolyte membrane laminate produced using each catalyst layer transfer sheet was evaluated.

結果、実施例1及び2は500時間経過後も電池の電流低下が少ないのに対し、比較例1は電流低下が大きくなった。これは撥水材料により、電池反応で生成した水を系外に排出でき、性能が向上したためである。   As a result, Examples 1 and 2 showed a small decrease in battery current even after 500 hours, while Comparative Example 1 showed a large decrease in current. This is because the water-repellent material can discharge water generated by the battery reaction to the outside of the system, and the performance is improved.

図1は、層と水との接触角を示す。FIG. 1 shows the contact angle between the layer and water.

符号の説明Explanation of symbols

1 水
2 層


1 water 2 layers


Claims (19)

固体高分子形燃料電池用の電極触媒層であって、
1)前記電極触媒層は、固体高分子電解質、触媒材及び撥水性炭素材を含み、
2)前記触媒材は、炭素材に触媒活性成分を担持してなり、
3)前記撥水性炭素材は、気相法により炭素材の表面の一部に撥水材料を付与してなる、
ことを特徴とする撥水性電極触媒層。
An electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell,
1) The electrode catalyst layer includes a solid polymer electrolyte, a catalyst material, and a water-repellent carbon material,
2) The catalyst material comprises a carbon material carrying a catalytically active component,
3) The water-repellent carbon material is formed by imparting a water-repellent material to a part of the surface of the carbon material by a vapor phase method.
A water-repellent electrode catalyst layer characterized by the above.
固体高分子形燃料電池用の電極触媒層であって、
1)前記電極触媒層は、固体高分子電解質及び撥水性触媒材を含み、
2)前記撥水性触媒材は、炭素材に触媒活性成分を担持してなる触媒材の表面の一部に撥水材料を気相法により付与してなる、
ことを特徴とする撥水性電極触媒層。
An electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell,
1) The electrode catalyst layer includes a solid polymer electrolyte and a water-repellent catalyst material,
2) The water-repellent catalyst material is formed by applying a water-repellent material to a part of the surface of a catalyst material obtained by supporting a catalytic active component on a carbon material by a gas phase method.
A water-repellent electrode catalyst layer characterized by the above.
固体高分子形燃料電池用の電極触媒層であって、
1)前記電極触媒層は、固体高分子電解質、撥水性炭素材及び撥水性触媒材を含み、
2)前記撥水性炭素材は、炭素材の表面の一部に撥水材料を付与してなり、
3)前記撥水性触媒材は、炭素材に触媒活性成分を担持してなる触媒材の表面の一部に撥水材料を付与してなり、
4)前記2)及び/又は3)における撥水材料の付与が気相法により行われる、
ことを特徴とする撥水性電極触媒層。
An electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell,
1) The electrode catalyst layer includes a solid polymer electrolyte, a water repellent carbon material, and a water repellent catalyst material,
2) The water-repellent carbon material is formed by imparting a water-repellent material to a part of the surface of the carbon material,
3) The water-repellent catalyst material is formed by imparting a water-repellent material to a part of the surface of the catalyst material obtained by supporting a catalytically active component on a carbon material,
4) The application of the water-repellent material in 2) and / or 3) is performed by a vapor phase method.
A water-repellent electrode catalyst layer characterized by the above.
気相法が化学気相成長法である請求項1〜3のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用撥水性電極触媒層。 The water-repellent electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the vapor phase method is a chemical vapor deposition method. 撥水材料が、1)炭素含有基を有する有機金属化合物、2)炭化水素化合物、及び3)フッ素含有化合物、の少なくとも1種である請求項1〜4のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用撥水性電極触媒層。 The solid polymer form according to any one of claims 1 to 4, wherein the water repellent material is at least one of 1) an organometallic compound having a carbon-containing group, 2) a hydrocarbon compound, and 3) a fluorine-containing compound. Water repellent electrode catalyst layer for fuel cells. 炭素含有基を有する有機金属化合物が、SixyzHα(ただし、1≦x≦10、0≦y≦10、1≦z≦50、1≦α≦122を示す。)で示される有機シリコン系材料及び/又はその重合体である請求項5に記載の固体高分子形燃料電池用撥水性電極触媒層。 An organometallic compound having a carbon-containing group is represented by Si x O y C z Hα (where 1 ≦ x ≦ 10, 0 ≦ y ≦ 10, 1 ≦ z ≦ 50, 1 ≦ α ≦ 122). 6. The water-repellent electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 5, which is an organic silicon material and / or a polymer thereof. フッ素含有化合物が、1)SixyzHαFβ(ただし、1≦x≦10、0≦y≦10、1≦z≦50、1≦α≦122、1≦β≦122を示す。)で示される有機フッ化シリコン材料及び/又はその重合体、2)SixyHαFβ(ただし、1≦x≦10、0≦y≦10、0≦α≦21、1≦β≦22を示す。)で示されるフッ化シリコン系材料及び/又はその重合体、及び3)CxyzFα(ただし、1≦x≦50、0≦y≦10、0≦z≦102、0≦α≦102、を示す。)で示されるフッ素含有炭化水素系材料及び/又はその重合体、の少なくとも1種である、請求項5に記載の固体高分子形燃料電池用撥水性電極触媒層。 The fluorine-containing compound is 1) Si x O y C z HαFβ (where 1 ≦ x ≦ 10, 0 ≦ y ≦ 10, 1 ≦ z ≦ 50, 1 ≦ α ≦ 122, 1 ≦ β ≦ 122) 2) Si x O y HαFβ (where 1 ≦ x ≦ 10, 0 ≦ y ≦ 10, 0 ≦ α ≦ 21, 1 ≦ β ≦ 22) 3) C x O y H z Fα (where 1 ≦ x ≦ 50, 0 ≦ y ≦ 10, 0 ≦ z ≦ 102, 0 ≦) The water-repellent electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 5, which is at least one of a fluorine-containing hydrocarbon-based material and / or a polymer thereof represented by α ≦ 102. 撥水材料が自己組織化単分子膜からなる請求項1〜4のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用撥水性電極触媒層。 The water-repellent electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the water-repellent material comprises a self-assembled monolayer. 自己組織化単分子膜が、下記一般式(1);
1XR2 (1)
(ただし、R1は、アルキル基又はアリール基を示す。R2は、水素、ハロゲン、又は−OR3(R3は、アルキル基、アリル基、又はアリール基を示す。)で示される置換基である。Xは、Si、Ti、Al、C又はSを示す。)
で示される化合物により形成されている請求項8に記載の固体高分子型燃料電池用撥水性電極触媒層。
The self-assembled monolayer has the following general formula (1):
R 1 XR 2 (1)
(Where R 1 represents an alkyl group or an aryl group. R 2 represents hydrogen, halogen, or —OR 3 (R 3 represents an alkyl group, an allyl group, or an aryl group). X represents Si, Ti, Al, C or S.)
The water-repellent electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 8, which is formed of a compound represented by the formula:
撥水材料は、水との接触角が70〜170°である請求項1〜9のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用撥水性電極触媒層。 The water repellent material has a contact angle with water of 70 to 170 °, and the water repellent electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 9. 請求項1〜10のいずれかに記載の撥水性電極触媒層が電解質膜と接合してなる、固体高分子形燃料電池用触媒層−電解質膜接合体。 A catalyst layer-electrolyte membrane assembly for a polymer electrolyte fuel cell, wherein the water-repellent electrode catalyst layer according to any one of claims 1 to 10 is joined to an electrolyte membrane. 請求項11に記載の触媒層−電解質膜接合体を具備する、固体高分子形燃料電池用単位セル。 A unit cell for a polymer electrolyte fuel cell, comprising the catalyst layer-electrolyte membrane assembly according to claim 11. 請求項12に記載の単位セルを具備する、固体高分子形燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell comprising the unit cell according to claim 12. 固体高分子形燃料電池用の電極触媒層を製造する方法であって、炭素材表面の一部に気相法によりに撥水材料を付与する工程を含むことを特徴とする、
1)前記電極触媒層は、固体高分子電解質、触媒材及び撥水性炭素材を含み、
2)前記触媒材は、炭素材に触媒活性成分を担持してなり、
3)前記撥水性炭素材は、炭素材の表面の一部に撥水材料を有してなる、
撥水性電極触媒層の製造方法。
A method for producing an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, comprising a step of applying a water repellent material to a part of a carbon material surface by a vapor phase method,
1) The electrode catalyst layer includes a solid polymer electrolyte, a catalyst material, and a water-repellent carbon material,
2) The catalyst material comprises a carbon material carrying a catalytically active component,
3) The water-repellent carbon material has a water-repellent material on a part of the surface of the carbon material.
A method for producing a water-repellent electrode catalyst layer.
固体高分子形燃料電池用の電極触媒層を製造する方法であって、触媒材表面の一部に気相法により撥水材料を付与する工程を含むことを特徴とする、
1)前記電極触媒層は、固体高分子電解質及び撥水性触媒材を含み、
2)前記撥水性触媒材は、炭素材に触媒活性成分を担持してなる触媒材の表面の一部に撥水材料を有してなる、
撥水性電極触媒層の製造方法。
A method for producing an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, comprising a step of applying a water-repellent material to a part of the catalyst material surface by a vapor phase method,
1) The electrode catalyst layer includes a solid polymer electrolyte and a water-repellent catalyst material,
2) The water-repellent catalyst material has a water-repellent material on a part of the surface of the catalyst material obtained by supporting a catalytic active component on a carbon material.
A method for producing a water-repellent electrode catalyst layer.
固体高分子形燃料電池用の電極触媒層を製造する方法であって、炭素材及び/又は触媒材表面の一部に気相法により撥水材料を付与する工程を含むことを特徴とする、
1)前記電極触媒層は、固体高分子電解質、撥水性炭素材及び撥水性触媒材を含み、
2)前記撥水性炭素材は、炭素材の表面の一部に撥水材料を有してなり、
3)前記撥水性触媒材は、炭素材に触媒活性成分を担持してなる触媒材の表面の一部に撥水材料を有してなる、
撥水性電極触媒層の製造方法。
A method for producing an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, comprising a step of imparting a water repellent material to a part of a surface of a carbon material and / or a catalyst material by a gas phase method,
1) The electrode catalyst layer includes a solid polymer electrolyte, a water repellent carbon material, and a water repellent catalyst material,
2) The water-repellent carbon material has a water-repellent material on a part of the surface of the carbon material,
3) The water-repellent catalyst material has a water-repellent material on a part of the surface of a catalyst material in which a catalytically active component is supported on a carbon material.
A method for producing a water-repellent electrode catalyst layer.
気相法が化学気相成長法である請求項14〜16のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用撥水性電極触媒層の製造方法。 The method for producing a water-repellent electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 14 to 16, wherein the vapor phase method is a chemical vapor deposition method. 化学気相成長法がプラズマCVDである請求項17に記載の固体高分子形燃料電池用撥水性電極触媒層の製造方法。 The method for producing a water-repellent electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 17, wherein the chemical vapor deposition method is plasma CVD. 化学気相成長法が熱CVDである請求項17に記載の固体高分子形燃料電池用撥水性電極触媒層の製造方法。


The method for producing a water-repellent electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 17, wherein the chemical vapor deposition method is thermal CVD.


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