JP4882225B2 - Water-repellent electrode catalyst layer, catalyst layer transfer sheet and catalyst layer-electrolyte assembly for polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子形燃料電池用の電極触媒層、触媒層転写シート及び触媒層−電解質接合体に関する。 The present invention relates to an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, a catalyst layer transfer sheet, and a catalyst layer-electrolyte assembly.
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。この固体高分子形燃料電池は、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) are 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. (
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。
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、電極触媒層形成用の転写シート、及び触媒層−電解質膜接合体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, for forming an electrode catalyst layer and an electrode catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell having excellent water repellency without impairing battery characteristics. And a catalyst layer-electrolyte membrane assembly.
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、下記に示す触媒層−電解質膜接合体の製造方法に係る。
1.転写基材上に電極触媒層を形成した後、電極触媒層表面の一部又は全部に撥水層を熱CVD法により自己組織化単分子膜を用いて形成させて得られる転写シートを用いて、撥水層が固体高分子電解質膜表面に接触するように、当該転写シートを固体高分子電解質膜に転写する工程を含む、触媒層−電解質膜接合体の製造方法。
2.自己組織化単分子膜が、下記一般式(1);
R1XR2 (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1に記載の方法。
3.撥水層は、水との接触角が70〜170°である上記項1又は2に記載の方法。
That is, the present invention provides catalyst layer catalyst are shown in the following - according to the manufacturing method of the electrolyte membrane assembly.
1 . Using a transfer sheet obtained by forming an electrocatalyst layer on a transfer substrate and then forming a water-repellent layer on a part or all of the surface of the electrocatalyst layer by a thermal CVD method using a self-assembled monolayer A method for producing a catalyst layer-electrolyte membrane assembly, comprising a step of transferring the transfer sheet to a solid polymer electrolyte membrane so that the water-repellent layer contacts the surface of the solid polymer electrolyte membrane.
2 . The self-assembled monolayer has the following general formula (1):
R 1 XR 2 (1)
(Wherein, R 1 is, .R 2 represents an alkyl group or aryl group, hydrogen, halogen, or -OR 3 (R 3 is an alkyl group, an allyl group, or an aryl group.) With a substituent represented by X represents Si, Ti, Al, C or S.)
3 . Item 3. The method according to
本発明の電極触媒層によれば、炭素粉の導電性を損なわず、かつ触媒層の空隙を閉塞することなく、撥水層を形成することが可能となる。よって、ガス透過性及び導電性を維持したまま、高撥水性を有する電極触媒層を形成することが可能となる。 According to the electrode catalyst layer of the present invention, it is possible to form a water repellent layer without impairing the conductivity of the carbon powder and without closing the voids of the catalyst layer. Therefore, it is possible to form an electrode catalyst layer having high water repellency while maintaining gas permeability and conductivity.
さらに、本発明の撥水性触媒層−電解質接合体によれば、電解質膜の近傍に撥水層が存在するため、電解質膜と触媒層との間で生じる電池反応時の生成水を効率よく除去できる。 Furthermore, according to the water-repellent catalyst layer-electrolyte assembly of the present invention, since the water-repellent layer is present in the vicinity of the electrolyte membrane, water generated during the battery reaction generated between the electrolyte membrane and the catalyst layer is efficiently removed. it can.
これら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維持することとなる。その結果、電池の劣化を防ぎ、燃料電池性能の改善、すなわち、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。 The fuel cell comprising these prevents the supply of fuel gas from being lowered due to long-time operation, and at the same time maintains high conductivity. As a result, it is possible to prevent the deterioration of the battery and improve the fuel cell performance, that is, to supply a high maximum output density and to reduce the resistance value of the battery.
本願発明の撥水性電極触媒層は、
固体高分子形燃料電池用の電極触媒層であって、
1)電極触媒層は、固体高分子電解質及び触媒材を含み、
2)触媒材は、炭素材の表面の一部又は全部に触媒活性成分が担持されてなり、
3)前記電極触媒層は、その少なくとも一方の表面の一部又は全部に撥水層を形成してなる、
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膜、ガラス膜などが挙げられる。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。
(触媒材)
触媒材は、炭素材の表面の一部又は全部に触媒活性成分を担持してなる。
The water-repellent electrode catalyst layer of the present invention is
An electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell,
1) The electrode catalyst layer includes a solid polymer electrolyte and a catalyst material,
2) The catalyst material has a catalytically active component supported on part or all of the surface of the carbon material,
3) The electrode catalyst layer is formed by forming a water repellent layer on a part or all of at least one surface thereof.
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-based membranes and glass membranes into which phosphoric acid groups, sulfonic acid groups and the like are introduced. Among these, perfluorosulfonic acid-based fluorine ion exchange resins are preferable.
(Catalyst material)
The catalyst material is formed by supporting a catalytically active component on part or all of the surface of the carbon material.
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一種単独又は二種以上で用いることができる。 A carbon material in particular is not restrict | limited, A well-known thing can be used. For example, carbon black such as channel black, furnace black, ketjen black, acetylene black, and lamp black, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotube, and the like can be used alone or in combination of two or more.
炭素材のストラクチャー、表面形状等も特に制限されず、目的に応じて適宜選択できる。 The structure, surface shape, etc. of the carbon material are not particularly limited, and can be appropriately selected according to the purpose.
炭素材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 carbon 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.
炭素材の粒径は一次粒子として1nm〜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 nm 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。 Usually 10m 2 / g~2000m 2 / g as a specific surface area of the carbon material, preferably 200m 2 / g~1500m 2 / g.
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燃料電池反応を起こさせる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 catalytically active component to be supported is not particularly limited as long as it causes a fuel cell 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。
(電極触媒層)
本発明の電極触媒層は、上記触媒材及び上記電解質を含む。
Usually 50m 2 / g~1000m 2 / g as specific surface area of the catalytically active component, preferably 100m 2 / g~500m 2 / g.
(Electrode catalyst layer)
The electrode catalyst layer of the present invention includes the catalyst material and the electrolyte.
電極触媒層は、通常、上記炭素粒子と上記電解質とを、アルコール類、エーテル類、ジアルキルスルホキシド類及び水から選ばれる少なくとも一つの溶媒に混合して、分散した触媒ペーストから生成される。
電極触媒層の厚さは通常1μm〜50μm、好ましくは5μm〜20μmである。
(撥水層)
本発明の撥水層は上述した電極触媒層の少なくとも一方の表面の一部又は全部に形成されるものである。
The electrode catalyst layer is usually produced from a catalyst paste dispersed by mixing the carbon particles and the electrolyte in at least one solvent selected from alcohols, ethers, dialkyl sulfoxides and water.
The thickness of the electrode catalyst layer is usually 1 μm to 50 μm, preferably 5 μm to 20 μm.
(Water repellent layer)
The water repellent layer of the present invention is formed on a part or all of at least one surface of the electrode catalyst layer described above.
撥水層を構成する物質は、撥水性を有するものであれば、特に制限されない。例えば、炭素含有基を有する有機化合物;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、炭素含有基を有する有機化合物;炭化水素化合物;フッ素含有化合物が好ましい。 The substance constituting the water repellent layer is not particularly limited as long as it has water repellency. For example, organic mechanization compound having a carbon-containing group; include nitrogen-containing compounds, and the like; hydrocarbon compounds; fluorine-containing compounds. Among these, organic mechanization compound having a carbon-containing group; hydrocarbon compounds; fluorine-containing compounds are preferred.
以下、炭素含有基を有する有機化合物、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)炭素含有機を有する有機化合物
炭素含有基を有する有機化合物は、分子中に少なくとも一つ以上の中心元素−炭素結合を有するものであれば、特に制限はされない。
Hereinafter, organic mechanization compound having a carbon-containing group, a hydrocarbon compound, and the fluorine-containing compound, will be described respectively.
(1) Yes mechanization Gobutsu having a chromatic mechanization compound carbon-containing group which has a carbon-containing machine, at least one central element in the molecule - so long as it has a carbon bond is not particularly limited.
中心元素は特に制限されず、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 element 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、特に炭素数が1のメチル基、あるいは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 preferred, and among them, a methyl group having 1 to 6 carbon atoms, especially 1 carbon atom, or an ethyl group having 2 carbon atoms is most preferred.
具体的な例としては、SixOyCzHα(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。 Specific examples include organosilicon materials represented by Si x O y C z Hα (1 ≦ x ≦ 10, 0 ≦ y ≦ 10, 1 ≦ z ≦ 50, 1 ≦ α ≦ 122) or their weight. Coalescence is mentioned.
より具体的には、ヘキサメチルジシロキサン(HMDSO;(CH3)3SiOSi(CH3)3)、テトラメチルジシロキサン(TMDSO;(CH3)2HSiOSiH(CH3)2)、テトラメチルシラン(TMS;Si(CH3)4)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.
具体的な例として、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、C2H2、C2H4、CH4、C2H6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、SixOyCzHαFβ(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;SixOyHαFβ(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;CxOyHzFα(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;CxFy(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、SixOyCzHαFβで示される有機フッ化シリコン材料又はその重合体;SixOyHαFβで示されるフッ化シリコン系材料又はその重合体;CxOyHzFα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、C2F2、C2F4、C2F6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、撥水層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。上記撥水層において、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 layer causes water molecules to be attracted, resulting in a decrease in water repellency. In the water-repellent layer, 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、本発明の撥水層の各部分における成分割合は、XPS(X−ray Photoelectron Spectroscopy)で測定される値である。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−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 layer 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層は、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。 Furthermore, the water-repellent layer 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, and the functional group with high affinity is at its end, the molecule The reactive 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.
撥水層が前記自己組織化単分子膜であることにより、基材(本発明においては電極触媒層)の凹凸に沿って、単分子で膜を形成することが可能であり、電極触媒層の凹凸及び自己組織化単分子膜の配向基の撥水性により高撥水性積層体とすることが可能となる。 When the water repellent layer is the self-assembled monomolecular film, it is possible to form a film with monomolecules along the unevenness of the substrate (in the present invention, the electrode catalyst layer). Due to the water repellency of the unevenness and the orientation group of the self-assembled monomolecular film, a highly water-repellent laminate can be obtained.
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。
R1XR2 (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。)
R1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。
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.
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.
R2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, and 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。 In particular 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.
上記撥水層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 layer alone forms a planar layer, the contact angle between water and the planar 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。 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.
(転写基材)
本発明の転写基材は特に制限されず、公知のものが使用できる。例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリパルバン酸アラミド、ポリアミド(ナイロン)、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテル・エーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレート、またフッ素樹脂としてエチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン―ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の耐熱性樹脂などが挙げられる。これらの中でもポリエチレンテレフタレートが好ましい。
(Transfer substrate)
The transfer substrate of the present invention is not particularly limited, and known materials can be used. For example, polyimide, polyethylene terephthalate, polyparvanic acid aramid, polyamide (nylon), polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polyetherimide, polyarylate, polyethylene naphthalate, and ethylene tetrafluoro as a fluororesin Examples include heat-resistant resins such as ethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroperfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), and polytetrafluoroethylene (PTFE). It is done. Among these, polyethylene terephthalate is preferable.
転写基材の厚さは通常1μm〜100μm程度であり、好ましくは10μm〜50μm程度である。上記範囲より薄すぎると塗布時または転写時のフィルムの取り扱い性が悪くなるおそれがある。厚すぎる場合には、転写後廃棄するためコスト面で不利となる。
(撥水性電極触媒層)
本発明の撥水性電極触媒層は、上記電極触媒層の少なくとも一方の表面の一部又は全部に上記撥水層が形成されている。特に、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。
The thickness of the transfer substrate is usually about 1 μm to 100 μm, preferably about 10 μm to 50 μm. If it is thinner than the above range, the handleability of the film at the time of coating or transferring may be deteriorated. When it is too thick, it is disadvantageous in terms of cost because it is discarded after transfer.
(Water repellent electrode catalyst layer)
In the water-repellent electrode catalyst layer of the present invention, the water-repellent layer is formed on a part or all of at least one surface of the electrode catalyst layer. In particular, by using the vapor phase method, the water repellent material, which is usually non-conductive, can be formed so as not to cover at least the entire surface of the carbon material, so 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.
上記電極触媒層表面に対する撥水層を構成する撥水材料の平均付与量は、特に制限されず、所望の撥水層、電極触媒層の材料等に応じて適宜決定すればよい。通常は0.01mg/cm2〜3000mg/cm2であり、0.05mg/cm2〜500mg/cm2が好ましい。
The average amount of the water-repellent material constituting the water-repellent layer with respect to the surface of the electrode catalyst layer is not particularly limited, and may be determined as appropriate according to the desired material of the water-repellent layer and the electrode catalyst layer. Usually at 0.01mg / cm 2 ~3000mg / cm 2 , 0.05mg /
撥水層の平均厚さは、通常、1nm〜50nmの範囲内、中でも1nm〜20nmが好ましく,1nm〜5nmがより好ましい。撥水層の平均厚さが、上記範囲より薄い場合は、例えば撥水材料が形成されない部分が生じる等の撥水層としての機能を発揮できない可能性が生じる。また、上記範囲より平均厚さを厚くしても、撥水性能が飽和する。 The average thickness of the water repellent layer is usually within the range of 1 nm to 50 nm, preferably 1 nm to 20 nm, and more preferably 1 nm to 5 nm. When the average thickness of the water-repellent layer is smaller than the above range, there is a possibility that the function as the water-repellent layer cannot be exhibited, for example, a portion where the water-repellent material is not formed. Moreover, even if the average thickness is increased from the above range, the water repellency is saturated.
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、100°以上であることがより好ましく、さらに、150°以上であることが最も好ましい。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。 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 °, and is 100 ° or more. Is more preferable, and more preferably 150 ° or more. In addition, the measurement method of the contact angle with water here is measured by the method mentioned above.
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 gas phase method is not particularly limited as long as it is a method via a gas phase, and a known method can be used. For example, physical vapor deposition methods (PVD method) such as reactive sputtering method, reactive vapor deposition method, ion plating method, etc., chemical vapor deposition methods (CVD method) such as plasma CVD method, thermal CVD method, laser CVD method, etc. ) And the like. 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、上記アルキル基を有する有機化合物、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。
(撥水性電極触媒層転写シート)
本発明における撥水性電極触媒層転写シートは、上記撥水層が露出するように転写基材が積層されてなる。
(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 particular, organic mechanization compound having the alkyl group, a hydrocarbon compound, a fluorine-containing compound such as water-repellent carbon material formed by a plasma CVD method using, or thermal CVD method using the self-assembled monolayer The water-repellent carbon material formed by is preferable.
(Water repellent electrode catalyst layer transfer sheet)
The water repellent electrode catalyst layer transfer sheet in the present invention is formed by laminating a transfer substrate so that the water repellent layer is exposed.
(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つの電極触媒層のうち少なくとも一方が上述した撥水性触媒層であればよい。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 may be the above-described water-repellent 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よい。
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種の合金;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種の合金が好ましく、ステンレス、チタンがより好ましい。
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.撥水性触媒層の製造方法
(撥水性触媒層の製造方法)
本発明の撥水性触媒層の製造方法は、固体高分子型燃料電池用の電極触媒層を製造する方法であって、固体高分子電解質と、炭素材に触媒活性成分を担持させた触媒材とを含む電極触媒層表面の一部又は全部に、撥水層を気相法により形成させる工程を含むことを特徴とする。
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 at least one alloy thereof; graphite; a carbon compound in which carbon is kneaded into a resin. Among these, from the viewpoints of strength, thinning of the fuel cell, etc., the above metals or at least one of these alloys are preferable, and stainless steel and titanium are more preferable.
The separator may be subjected to a surface treatment such as plating. These surface treatments can be performed according to known methods.
(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 catalyst layer ( method for producing water repellent catalyst layer)
The method for producing a water-repellent catalyst layer of the present invention is a method for producing an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, comprising a solid polymer electrolyte, a catalyst material in which a catalytic material is supported on a carbon material, A step of forming a water-repellent layer by a vapor phase method on part or all of the surface of the electrode catalyst layer.
上記触媒層表面に撥水層を形成する気相法は、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、基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)で所望の材料の層を形成でき、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、得られる層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 the water repellent layer on the surface of the catalyst layer is not particularly limited as long as it 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 layer of a desired material can be formed at a low temperature (in the range of about -20 to 200 ° C.) that does not cause thermal damage to the base material. From the viewpoint that the type and physical properties of the obtained layer can be controlled by electric power or the like, the plasma CVD method is preferable.
本発明におけるプラズマCVD法の具体的な撥水層の形成条件を説明する。 Specific conditions for forming the water repellent layer in the plasma CVD method of the present invention will be described.
基板である触媒層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。 The temperature of the catalyst layer as a substrate is not particularly limited, but is usually in the range of -20 to 100 ° C, preferably in the range of -10 to 50 ° C.
原料ガスとしては、所望の撥水層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 source gas is not particularly limited as long as it is a gas containing a component contained in a desired water-repellent layer.
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法により撥水層を形成する場合、当該撥水層は、(i)炭素含有基を有する有機化合物(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層を触媒層表面の一部又は全部に形成できる。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化合物
炭素含有基を有する有機化合物からなる撥水層を形成するガスとしては、アルキル基及びSi,Ti,Al等の元素を含むものであれば、特に制限されない。
Here, when forming the water-repellent layer by the plasma CVD method, the water repellent layer, at least one organic mechanization compound (ii) a hydrocarbon compound and (iii) a fluorine-containing compound having (i) a carbon-containing group Preferably it is a seed. Thereby, a water-repellent layer having high water repellency can be formed on a part or all of the surface of the catalyst layer. Hereinafter, the source gas used for these will be described.
(I) As the gas for forming the water-repellent layer made of organic mechanization compound having a chromatic mechanization compound carbon-containing group which has a carbon-containing group, those containing alkyl groups and Si, Ti, the original elements of Al, If it is, it will not be restrict | limited in particular.
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;(CH3)3SiOSi(CH3)3)、テトラメチルジシロキサン(TMDSO;(CH3)2HSiOSiH(CH3)2)、テトラメチルシラン(TMS;Si(CH3)4)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、C2H2、C2H4、C3H8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、C2H2又はC2H4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、C2F4、C2F6、C3F6,C3F8,C5F8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、C2F4又はC3F8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. it can.
(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、成膜圧力等を前記範囲内とすることにより、より優れた撥水層が得られる。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、層がCH結合のみで構成される結果として撥水効果の高い膜が得られるという理由に基づく。
(2)CVD法の中でも熱CVD法により、撥水層を形成することも好ましい。
An organic compound having many carbon-silicon bonds is used as the organic silicon 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 film forming pressure, etc. are within the above range as described above. Thus, a more excellent water-repellent layer can be obtained. 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 based on the reason that a film having a high water repellent effect can be obtained as a result of the layer being composed of only CH bonds.
(2) It is also preferable to form the water repellent layer by the 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、基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、上記電極触媒層表面凹凸上にも均一に自己組織化単分子膜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, in the thermal CVD method, the material as a raw material is vaporized, the material is fed uniformly on the base material, and reactions such as oxidation, reduction, and substitution are performed. Is also based on the reason that it is possible to form a self-assembled monolayer uniformly.
本発明における熱CVD法の好ましい条件としては、用いる電極触媒層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、上記撥水層構成物質のアルコキシ基の加水分解反応がより促進され、基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 electrode catalyst layer to be used, the better. However, it is particularly preferable that the temperature is 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 layer-constituting substance and increases the reactivity with the substrate.
本発明における熱CVD法により形成される撥水層としては、自己組織化単分子膜が好ましい。自己組織化単分子膜の材料としては、上述した自己組織化単分子膜形成物質と同様である。
(触媒層―電解質膜接合体の製造方法)
本発明の触媒層−電解質膜接合体の製造方法は、転写基材上に電極触媒層を形成した後、電極触媒層表面の一部又は全部に撥水層を気相法により形成させて得られる転写シートを用いて、撥水層が固体高分子電解質膜表面に接触するように、当該転写シートを固体高分子電解質膜に転写する工程を含む、ことを特徴とする。
The water repellent layer formed by the thermal CVD method in the present invention is preferably a self-assembled monomolecular film. The material for the self-assembled monolayer is the same as the above-described self-assembled monolayer-forming substance.
(Catalyst layer-electrolyte membrane assembly production method)
The method for producing a catalyst layer-electrolyte membrane assembly of the present invention is obtained by forming an electrode catalyst layer on a transfer substrate and then forming a water-repellent layer on part or all of the surface of the electrode catalyst layer by a vapor phase method. And a step of transferring the transfer sheet to the solid polymer electrolyte membrane so that the water-repellent layer is in contact with the surface of the solid polymer electrolyte membrane.
転写基材上に電極触媒層を形成する方法は、例えば、上記触媒ペーストを転写基材法に塗布することによって形成できる。 The electrode catalyst layer can be formed on the transfer substrate by, for example, applying the catalyst paste to the transfer substrate method.
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、固形分等に応じた塗布方法が選択でき、特に限定されない。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が挙げられる。 About the application method of a catalyst paste, the application method according to the viscosity, solid content, etc. of a catalyst paste can be selected, and it is not specifically limited. Examples thereof include knife coaters, bar coaters, sprays, dip coaters, spin coaters, roll coaters, die coaters, curtain coaters, and screen printing.
撥水層を気相法により形成させる方法は、電極触媒層の製造方法で上述したのと同様である。 The method for forming the water repellent layer by the vapor phase method is the same as described above in the method for producing the electrode catalyst layer.
転写の方法は、特に限定的でなく、公知の方法を用いることができる。転写の具体的な一例として、ロールプレス機、平板プレス機等により、2枚の電極触媒層を形成した基材を電解質膜に対面するように配置した後、熱プレス法等により転写することが挙げられる。 The transfer method is not particularly limited, and a known method can be used. As a specific example of the transfer, a base material on which two electrode catalyst layers are formed is arranged so as to face the electrolyte membrane by a roll press machine, a flat plate press machine, etc., and then transferred by a hot press method or the like. Can be mentioned.
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
(電極触媒層及び電極触媒層転写シートの作製)
触媒層の作製においては、白金触媒担持カーボン10g(商品名:TEC10E50E、田中貴金属工業製)と、5wt%Nafion溶液(商品名:Nafion SE20042、DuPont社製)100gとを、1−プロパノールであるアルコール溶媒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を調整した。
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
(Production of electrode catalyst layer and electrode catalyst layer transfer sheet)
In the preparation of the catalyst layer, 10 g of platinum catalyst-supporting carbon (trade name: TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) and 100 g of 5 wt% Nafion solution (trade name: Nafion SE20042, manufactured by DuPont) are used as an alcohol that is 1-propanol. The electrode catalyst layer preparation paste was prepared by mixing in 100 g of solvent.
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。その後、これを大気雰囲気中90℃で30分乾燥させることにより、電極触媒層を形成させて、電極触媒層転写シートを製造した。
(熱CVD工程による撥水材料形成)
上記触媒層転写シートと、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。これを100℃のオーブン中に5時間放置することにより、熱CVDによる撥水層を電極触媒層の表面に形成した。
Next, the electrode catalyst preparation paste 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. Thereafter, this was dried at 90 ° C. for 30 minutes in an air atmosphere to form an electrode catalyst layer, thereby producing an electrode catalyst layer transfer sheet.
(Water repellent material formation by thermal CVD process)
The catalyst layer transfer sheet and about 0.2 ml of octadecyltrimethoxysilane (00256 manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) placed in a glass container were placed in a Teflon (registered trademark) container. This was left in an oven at 100 ° C. for 5 hours to form a water repellent layer by thermal CVD on the surface of the electrode catalyst layer.
撥水層形成後,XPSにより撥水層特性を評価したところ、撥水層中から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。
(触媒層−電解質膜接合体の作製)
電極触媒層(空気極)の作製においては、電極触媒層を形成したPETフィルムの転写を行った。すなわち、当該PETフィルムを水素イオン伝導性高分子電解質膜(Nafion112、デュポン社製)150℃、10Mpaの条件で狭持した後、PETフィルムから剥離することにより、当該PETと電解質膜を接合した。
After the formation of the water repellent layer, the water repellent layer characteristics were evaluated by XPS. As a result, the presence of Si was confirmed in the water repellent layer. The evaluation by XPS was performed using XPS220iXL (manufactured by ESCALAB) under the conditions of using MgKα, 15 kV, 20 mA (300 W).
(Production of catalyst layer-electrolyte membrane assembly)
In producing the electrode catalyst layer (air electrode), the PET film on which the electrode catalyst layer was formed was transferred. That is, the PET film and the electrolyte membrane were joined by peeling the PET film from the PET film after sandwiching the PET film at a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane (Nafion 112, manufactured by DuPont) at 150 ° C. and 10 Mpa.
電極触媒層(燃料極)の作製においては、触媒として白金ルテニウム合金を担持した触媒材粒子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。この触媒ペーストを熱プレスすることにより、電極触媒層―電解質膜接合体とした。
実施例2
電極触媒層及び電極触媒層転写シートの作製は実施例1と同様に行った。
(プラズマCVD工程による撥水層形成;シリカ系層形成)
作製した触媒層転写シートに撥水層であるシリカ系層(SiCxHy系薄膜:オクタデシルトリメトキシシラン)を容量結合型高周波プラズマCVDにより形成した。すなわち、チャンバー内に上記電極触媒層を設置して、チャンバー内部の真空度を1.0×10-4Pa以下にした。その後,原料ガスを反応チャンバー内に導入して、全圧を10Paとした。原料ガスとしては,有機珪素化合物としてテトラメチルシラン(チッソ(株)社製 T2050)を用いた。13.56MHzの高周波を用いて、プラズマ生成及び原料分解を行った。形成時間30秒間,200Wの電力で電極触媒層上に撥水層であるシリカ系層を形成した。形成中,金属板表面温度は50℃以下であった。シリカ系層形成後,水滴接触角測定およびXPS組成分析により,撥水層が形成されていることが確認された。
In the production of the electrode catalyst layer (fuel electrode), 10 g of catalyst material particles (PtRu 53.3 wt%, TEC61E54 manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) carrying a platinum ruthenium alloy as a catalyst, and a 5 wt% Nafion solution (manufactured by Dupont, A catalyst paste (for fuel electrode) for preparing an electrode catalyst layer was prepared by stirring and mixing 100 g of solvent propanol) with a disperser. This catalyst paste was hot pressed to obtain an electrode catalyst layer-electrolyte membrane assembly.
Example 2
The electrode catalyst layer and the electrode catalyst layer transfer sheet were produced in the same manner as in Example 1.
(Water-repellent layer formation by plasma CVD process; silica-based layer formation)
Prepared catalyst layer transfer sheet silica layer is water-repellent layer (SiC x H y based thin: octadecyl trimethoxysilane) was formed by capacitively coupled RF plasma CVD. That is, the electrode catalyst layer was installed in the chamber, and the degree of vacuum inside the chamber was set to 1.0 × 10 −4 Pa or less. Thereafter, a source gas was introduced into the reaction chamber, and the total pressure was 10 Pa. As a source gas, tetramethylsilane (T2050 manufactured by Chisso Corporation) was used as an organosilicon compound. Plasma generation and raw material decomposition were performed using a high frequency of 13.56 MHz. A silica-based layer as a water-repellent layer was formed on the electrode catalyst layer with a power of 200 W for a formation time of 30 seconds. During the formation, the metal plate surface temperature was 50 ° C. or lower. After the formation of the silica-based layer, it was confirmed that a water-repellent layer was formed by water droplet contact angle measurement and XPS composition analysis.
その後は、実施例1と同様に行い、電極触媒層−電解質膜接合体を作成した。
比較例1
撥水処理した電極触媒シートを用いない以外は、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)を配置した後、セパレータで挟み込み単電池を作製した。単電池を300mAの定電流で500時間の連続運転を行い行い、各触媒層転写シートを用いて作成した触媒層―電解質膜積層体の電池性能を評価した。
Then, it carried out similarly to Example 1 and created the electrode catalyst layer-electrolyte membrane assembly.
Comparative Example 1
An electrode catalyst layer was formed in the same manner as in Example 1 except that a water-repellent electrode catalyst sheet was not used, and an electrode catalyst layer-electrolyte membrane assembly was prepared.
(Test evaluation)
After placing an electrode base material (carbon paper made of carbon fiber, TGP-H-090, manufactured by Toray Industries, Inc.) on both sides of the electrode catalyst layer-electrolyte membrane laminate, a single cell was produced by sandwiching it with a separator. 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 prepared 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。これは撥水層により、電池反応で生成した水を系外に排出することができるようになったため、性能が向上した。 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 layer allows the water generated by the battery reaction to be discharged out of the system, thus improving the performance.
1 水
2 層
1
Claims (3)
R1XR2 (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1に記載の方法。 The self-assembled monolayer has the following general formula (1):
R 1 XR 2 (1)
(Wherein, R 1 is, .R 2 represents an alkyl group or aryl group, hydrogen, halogen, or -OR 3 (R 3 is an alkyl group, an allyl group, or an aryl group.) With a substituent represented by X represents Si, Ti, Al, C or S.)
The method of claim 1 which is formed by in a compound represented.
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