(57)【要約】【課題】本発明は、触媒層を均一に形成することができ、しかも触媒層を良好に転写できる転写フィルムを提供することを課題とする。【解決手段】本発明の転写フィルムは、基材フィルムの一方面上に触媒層が形成された触媒層転写フィルムであって、前記基材フィルムは、ＭＤ方向における８０℃の破断強度が９０〜４００ＭＰａのフィルムである。本発明転写フィルムの触媒層面が電解質膜の両面に対面するように転写フィルムを配置し、加圧した後、該転写フィルムの基材フィルムを剥離することにより、触媒層−電解質膜積層を製造できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材フィルムの一方面上に触媒層が形成された、燃料電池用の触媒層を転写するためのフィルムであって、
前記基材フィルムは、ＭＤ方向における８０℃の破断強度が９０〜４００ＭＰａのフィルムである、
転写フィルム。
【請求項２】
基材フィルムの厚みが２０〜１００μｍである請求項１に記載の転写フィルム。
【請求項３】
基材フィルムは、ＭＤ方向における１００℃の破断強度が８０〜３２０ＭＰａのフィルムである、請求項１又は２に記載の転写フィルム。
【請求項４】
基材フィルムがポリエステル系フィルムである、請求項１〜３のいずれかに記載の転写フィルム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の転写フィルムを用いて製造される触媒層−電解質膜積層体。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載の転写フィルムの触媒層面が電解質膜の両面に対面するように転写フィルムを配置し、加圧した後、該転写フィルムの基材フィルムを剥離することにより製造される触媒層−電解質膜積層体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用の触媒層転写フィルム及び触媒層−電解質膜積層体に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の触媒層を作成する方法として、今日まで様々の方法が提案されている。これらの中でも、一度別の基材フィルム上に作製した触媒層を電解質膜に転写する転写法は、触媒層を形成することが容易であり、電解質膜及びガス拡散層にも悪影響が少ないため、有利である。転写フィルムを用いて電解質膜上に触媒層を形成させる技術は、数多く報告されている（例えば、特許文献１、特許文献２等）。
【０００３】
しかしながら、触媒層を均一に形成でき、触媒層を良好に転写できる転写フィルムは、未だ開発されていない。
【特許文献１】特開２００６−２９４５４４号公報
【特許文献２】特開２００４−２１４１７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、触媒層を均一に形成することができ、しかも触媒層の転写性が良好な転写フィルムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねてきた。その結果、転写フィルムを構成する基材フィルムとして、特定の破断強度を有するフィルムを使用した場合に、所望の転写フィルムが得られ、上記課題を解決できることを見い出した。本発明は、このような知見に基づき完成されたものである。
【０００６】
本発明は、下記項１〜６に示す燃料電池用の触媒層転写フィルム及び触媒層−電解質膜積層体を提供する。
項１．基材フィルムの一方面上に触媒層が形成された、燃料電池用の触媒層を転写するためのフィルムであって、前記基材フィルムは、ＭＤ方向における８０℃の破断強度が９０〜４００ＭＰａのフィルムである、転写フィルム。
項２．基材フィルムの厚みが２０〜１００μｍである項１に記載の転写フィルム。
項３．基材フィルムは、ＭＤ方向における１００℃の破断強度が８０〜３２０ＭＰａのフィルムである、項１又は２に記載の転写フィルム。
項４．基材フィルムがポリエステル系フィルムである、項１〜３のいずれかに記載の転写フィルム。
項５．項１〜４のいずれかに記載の転写フィルムを用いて製造される触媒層−電解質膜積層体。
項６．項１〜４のいずれかに記載の転写フィルムの触媒層面が電解質膜の両面に対面するように転写フィルムを配置し、加圧した後、該転写フィルムの基材フィルムを剥離することにより製造される触媒層−電解質膜積層体。
【０００７】
触媒層転写フィルム
本発明の触媒層転写フィルムは、基材フィルムの一方面上に触媒層が形成された転写フィルムである。本発明の触媒層転写フィルムの断面図の一例を図１に示す。
【０００８】
基材フィルム
本発明において、基材フィルムは、ＭＤ方向における８０℃の破断強度が９０〜４００ＭＰａのフィルムである。ここで、破断強度は、基材フィルム（ＴＤ：２０ｍｍ、ＭＤ２００ｍｍ）を８０℃雰囲気下、引っ張り試験機試験機（島津製作所製、ＡＧ−ＩＳ）を用い、標線間距離５０ｍｍ、試験速度２０ｍｍ／分にて測定したものである。
【０００９】
破断強度が９０ＭＰａより小さいと、触媒層を塗工及び乾燥する際、フィルムにしわが発生するため、基材フィルム上に均一な厚みの触媒層を形成させることができなくなる。一方、破断強度が４００ＭＰａより大きくなると、触媒層の転写性が低下する。
【００１０】
基材フィルムは、ＭＤ方向における８０℃の破断強度が９０〜３００ＭＰａのフィルムであるのが好ましく、１００〜２００ＭＰａのフィルムであるのがより好ましい。
【００１１】
本発明で使用される基材フィルムとしては、ＭＤ方向における８０℃の破断強度が９０〜４００ＭＰａのフィルムである限り公知のフィルムを広く使用でき、例えばポリエステル系フィルム等を挙げることができる。
【００１２】
ポリエステル系フィルムとしては、具体的には、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、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（ＰＥＮ）等を挙げることができる。これらの中では、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が好ましい。
【００１３】
本発明で使用される基材フィルムとしては、ＭＤ方向における８０℃の破断強度が９０〜４００ＭＰａのフィルムであって、更にＭＤ方向における１００℃の破断強度が８０〜３２０ＭＰａ（好ましくは１００〜２００ＭＰａ）のフィルムであるのが、触媒層の転写性の観点から、好適である。
【００１４】
基材フィルムは、上記破断強度を有している限り、無軸延伸、一軸延伸及び二軸延伸のいずれであってもよい。
【００１５】
更に、基材フィルムは、厚みが２０〜１００μｍであることが望ましく、２５〜５０μｍであることがより望ましい。基材フィルムの厚さが上記範囲内であると、基材フィルム上への触媒層の形成が一層容易になり、触媒層の転写率が一段と向上する。
【００１６】
触媒層
触媒層は、公知のものであり、一般的には、触媒粒子を担持させた炭素粒子及び水素イオン伝導性高分子電解質を含有する。
【００１７】
ここで、触媒粒子としては、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、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種の金属と白金との合金等が挙げられる。
【００１８】
水素イオン伝導性高分子電解質としては、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等が挙げられる。
【００１９】
基材フィルム上に触媒層を形成させるに当っては、触媒粒子を担持させた炭素粒子及び水素イオン伝導性高分子電解質を適当な溶剤に混合、分散してペースト状にしておき、形成される触媒層が所望の層厚になるように、このペーストを公知の方法に従い基材フィルム上に塗布するのがよい。
【００２０】
使用される溶剤としては、例えば、各種アルコール類、各種エーテル類、各種ジアルキルスルホキシド類、水又はこれらの混合物等が挙げられる。
【００２１】
ペーストの塗布方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、ナイフコーター、バーコーター、スプレー、ディップコーター、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、スクリーン印刷等の一般的な方法を適用できる。
【００２２】
斯かるペーストを塗布した後、乾燥することにより、触媒層が形成される。乾燥温度は、通常４０〜１００℃程度、好ましくは６０〜８０℃程度である。乾燥時間は、乾燥温度にもよるが、通常５分〜２時間程度、好ましくは３０分〜１時間程度である。
【００２３】
触媒層の厚さは、通常１０〜５０μｍ程度、好ましくは１５〜３０μｍ程度がよい。
【００２４】
触媒層−電解質膜積層体
本発明の触媒層−電解質膜積層体は、電解質膜の両面の触媒層が形成されたものである。本発明の触媒層−電解質膜積層体の断面図の一例を図２に示す。
【００２５】
本発明の触媒層が積層された電解質膜（触媒層−電解質膜積層体）は、例えば、本発明転写フィルムの触媒層面が電解質膜面に対面するように転写フィルムを配置し、加圧した後、該転写フィルムの基材フィルムを剥離することにより製造される。この操作を２回繰り返すことにより、触媒層面が電解質膜の両面に積層された触媒層−電解質膜積層体が製造される。
【００２６】
作業性を考慮すると、触媒層面を電解質膜の両面に同時に積層するのがよい。この場合には、例えば、本発明転写フィルムの触媒層面が電解質膜の両面に対面するように転写フィルムを配置し、加圧した後、該転写フィルムの基材フィルムを剥離すればよい。
【００２７】
使用される電解質膜は、公知のものである。電解質膜の膜厚は、通常２０〜２５０μｍ程度、好ましくは２０〜８０μｍ程度である。電解質膜の具体例としては、デュポン社製の「Ｎａｆｉｏｎ」（登録商標）膜、旭硝子（株）製の「Ｆｌｅｍｉｏｎ」（登録商標）膜、旭化成（株）製の「Ａｃｉｐｌｅｘ」（登録商標）膜、ゴア（Ｇｏｒｅ）社製の「Ｇｏｒｅ  Ｓｅｌｅｃｔ」（登録商標）膜等が挙げられる。
【００２８】
加圧レベルは、転写不良を避けるために、通常０．５〜１０Ｍｐａ程度、好ましくは１〜１０Ｍｐａ程度がよい。また、この加圧操作の際に、転写不良を避けるために、加圧面を加熱するのが好ましい。加熱温度は、電解質膜の破損、変性等を避けるために、通常８０〜２００℃程度、好ましくは１３５〜１５０℃程度がよい。
【００２９】
電極−電解質膜接合体
本発明の電極−電解質膜接合体は、触媒層−電解質膜積層体の両面に電極基材を配置し、加圧することにより製造される。
【００３０】
電極基材は、公知であり、燃料極、空気極を構成する各種の電極基材を使用できる。
【００３１】
加圧レベルは、通常０．１〜１００Ｍｐａ程度、好ましくは５〜１５Ｍｐａ程度がよい。この加圧操作の際に加熱するのが好ましく、加熱温度は通常１２０〜１５０℃程度でよい。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の転写フィルムを製造する際に、基材フィルム上に均一な厚みの触媒層を形成させることができる。そのため、本発明の転写フィルムを使用することにより、電解質膜上に均一な厚みの触媒層を形成させることができる。
【００３３】
本発明の転写フィルムは、触媒層の転写性に優れており、それ故、触媒層を電解質膜に良好に転写することができる。
【００３４】
従って、本発明の触媒層−電解質膜積層体を使用すれば、優れた電池性能を備えた高品質の燃料電池を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下に実施例を掲げて、本発明をより一層明らかにする。
【００３６】
実施例１
白金ルテニウム担持カーボン（Ｐｔ：２７．２重量％、Ｒｕ：２８．７重量％）（田中貴金属（株）製、ＴＥＣ６２Ｅ５８）１０重量部及び５重量％電解質溶液（Ｄｕｐｏｎｔ社製、ＤＥ−５２０、溶剤：１−プロパノール／水＝１／１（重量比））１００重量部を、イソプロピルアルコール１００重量部及びプロピレングリコール２重量部に加え、混合及び分散を行い、触媒層形成用ペーストを調製した。
【００３７】
基材フィルム（ポリエチレンテレフタレート、東洋紡（株）製のエステルフィルムＥ５１００、膜厚２５μｍ、ＭＤ方向における８０℃の破断強度が１７４ＭＰａ、１００℃の破断強度が１４９．６ＭＰａ）の一方面上に触媒層形成用ペーストをブレードコーターにて乾燥後の厚さが２０μｍになるように塗布し、８０℃で乾燥させ、本発明の触媒層転写フィルムを製造した。
【００３８】
触媒層転写フィルムを製造するに当たり、基材フィルム上に均一な厚みの触媒層を形成させることができた。
【００３９】
比較例１
基材フィルムとして二軸延伸ポリプロピレン（東レ（株）製のトレファン、２５００、膜厚３０μｍ、ＭＤ方向における８０℃の破断強度が３３ＭＰａ）を使用する以外は、上記実施例１と同様にして、触媒層転写フィルムを製造した。
【００４０】
触媒層転写フィルムを製造するに当たり、触媒層形成用ペーストを基材フィルムに塗布し、乾燥する際、基材フィルムにしわが発生するため、基材フィルム上に均一な厚みの触媒層を形成させることができず、不均一な厚みの触媒層が形成されるに止まった。
【００４１】
転写性の評価試験
上記実施例１で製造した触媒層転写フィルムを２．５ｃｍ×２．５ｃｍに裁断し、３．０ｃｍ×３．０ｃｍに裁断した電解質膜（デュポン社製、ナフィオン１１２）の両側に、転写フィルムの触媒層面が電解質膜の両面に対面するように転写フィルムを配置し、温度１５０℃、圧力６．５ＭＰａで転写を行い、触媒層−電解質膜積層体を製造した。
【００４２】
実施例１で得られた転写フィルムの転写性は良好であり、触媒層を電解質膜に容易に転写することができた。
【００４３】
これに対して、比較例１で得られた転写フィルムは、基材フィルム上に形成された触媒層の厚さが不揃いであり、触媒層の厚みが大きい部分では触媒層の一部がぼろぼろと剥がれてくることが避けられず、転写フィルムとして実用できるものではなかった。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、本発明の転写フィルムの断面図である。
【図２】図２は、本発明の転写フィルムを用いて製造される触媒層−電解質膜積層体の断面図である。
【図１】
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【図２】
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