(57)【要約】【課題】本発明は、燃料電池を構成する電極−電解質膜接合体を製造するための触媒層−電解質膜積層体及び触媒層形成シートを提供することを課題とする。【解決手段】本発明の触媒層形成シートは、基材の一方面にカソード触媒層及びアノード触媒層が形成され、これら触媒層が電解質膜により覆われている。本発明の触媒層−電解質膜積層体は、前記触媒層形成シートから基材を剥離後、カソード触媒層とアノード触媒層との中間部で、電解質膜同士が接するように折り曲げ、カソード触媒層及びアノード触媒層を電解質膜を介して対面するように配置し、次いで加圧することにより製造される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状基材の一方面に、カソード触媒層とアノード触媒層とが形成されており、前記カソード触媒層及びアノード触媒層が電解質膜により覆われている燃料電池用触媒層形成シート。
【請求項２】
前記カソード触媒層及びアノード触媒層は、前記電解質膜の線状折部の両側にそれぞれ形成されている請求項１に記載の触媒層形成シート。
【請求項３】
前記カソード触媒層及びアノード触媒層が、前記電解質膜の線状折部の両側に、該折部に対して対称に、且つほぼ同形状で形成されている請求項２に記載の触媒層形成シート。
【請求項４】
前記カソード触媒層及びアノード触媒層は、前記折部に沿って延びる前記電解質膜の中央突部を介して隣接している請求項２又は請求項３に記載の触媒層形成シート。
【請求項５】
前記電解質膜と前記基材との間及び前記触媒層と前記基材との間に離型層が形成されている請求項１〜請求項４のいずれかに記載の触媒層形成シート。
【請求項６】
離型層が融点６０〜１００℃のワックスからなる請求項５に記載の触媒層形成シート。
【請求項７】
電解質膜の一方面に、線状折部に沿って延びる中央突部及び２つの側縁突部が形成され、前記中央突部と２つの側縁突部との間にそれぞれカソード触媒層及びアノード触媒層が挟持された燃料電池用触媒層形成シート。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池用触媒層形成シートを、線状折部で電解質膜の他方面同士が接合されるように二つ折りし、加圧して得られる触媒層形成シート。
【請求項９】
請求項１に記載の触媒層形成シートを、カソード触媒層とアノード触媒層との中間部において電解質膜面同士が接合されるように二つ折りし、加圧して得られる触媒層形成シート。
【請求項１０】
シート状基材の一方面に、カソード触媒層とアノード触媒層とを形成する工程、並びに前記カソード触媒層及びアノード触媒層を電解質膜により被覆する工程を備える、請求項１に記載の触媒層形成シートの製造方法。
【請求項１１】
触媒を担持し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カソード触媒層形成用ペースト及びアノード触媒層形成用ペーストを基材の一方面に塗布し、これらを乾燥することにより前記カソード触媒層及びアノード触媒層を前記基材上に形成する、請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記カソード触媒層及びアノード触媒層上並びにこれら触媒層が形成された基材面側に水素イオン伝導性高分子電解質含有溶液を塗布し、乾燥することにより、前記カソード触媒層及びアノード触媒層を電解質膜により被覆する、請求項１０又は請求項１１に記載の製造方法。
【請求項１３】
請求項１０〜請求項１２のいずれかに記載の方法で製造される触媒層形成シートからシート状基材を剥離する工程を備える、請求項７に記載の触媒層形成シートの製造方法。
【請求項１４】
電解質膜の一方面に、線状折部に沿って延びる中央突部及び２つの側縁突部が形成され、前記中央突部と２つの側縁突部との間にそれぞれカソード触媒層及びアノード触媒層が挟持された触媒層形成シートを製造する工程、前記触媒層形成シートを前記折部において前記電解質膜の他方面同士が接合されるように折り曲げ、カソード触媒層とアノード触媒層とを電解質膜を介して重なり合うように配置する工程、及び折り曲げられた触媒層形成シートを加圧する工程を備える、触媒層−電解質膜積層体の製造方法。
【請求項１５】
シート状基材の一方面に、カソード触媒層とアノード触媒層とが形成されており、前記カソード触媒層及びアノード触媒層が電解質膜により覆われている燃料電池用触媒層形成シートを製造する工程、カソード触媒層とアノード触媒層との中間部において前記電解質膜面同士が接合されるように折り曲げ、カソード触媒層とアノード触媒層とを電解質膜を介して重なり合うように配置する工程、折り曲げられた触媒層形成シートを加圧する工程、及び加圧して得られるシートからシート状基材を剥離する工程を備える、触媒層−電解質膜積層体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用触媒層形成シート、触媒層−電解質膜積層体及びこれらの製造方法に関する。
【従来の技術】
燃料電池は、電解質膜の両面に触媒層を配置し、水素と酸素の電気化学反応により発電する発電するシステムであり、発電時に発生するのは水のみである。燃料電池は、従来の内燃機関と異なり、二酸化炭素等の環境負荷ガスを発生しないために、次世代のクリーンエネルギーシステムとして注目されている。
固体高分子型燃料電池は、電解質膜層として水素イオン伝導性高分子電解質膜を用い、その両面に触媒層を配置し、次いでその両面に電極基材を配置し、更にこれをセパレータで挟んだ構造をしている。電解質膜層の両面に触媒層を配置し、次いでその両面に電極基材を配置したもの（即ち、電極基材／触媒層／電解質膜／触媒層／電極基材の層構成のもの）は、電極−電解質膜接合体と称されている。
従来、電極−電解質膜接合体の製造方法としては、例えば、（１）片面に印刷法又はスプレー法を適用して触媒層を形成した２個の電極基材を用い、該電極基材の触媒層面が電解質膜の両面に接するように配置し、熱プレスする方法（例えば、特公昭６２−６１１１８号公報（特許文献１）、特公昭６２−６１１１９号公報（特許文献２）等）、（２）電解質膜の両面に印刷法又はスプレー法を適用して触媒層を形成し、各々の触媒層面に電極基材が接するように配置し、熱プレスする方法（例えば、特公平２−４８６３２号公報（特許文献３）等）、（３）基材上に印刷法を適用して形成した触媒層を高温高圧下に電解質膜に転写し、基材を剥離し、次いで電解質膜の両面に転写された触媒層面に電極基材が接するように配置し、熱プレスする方法（例えば、特開平１０−６４５７４号公報（特許文献４）等）等が知られている。
しかしながら、これらの方法には種々の欠点がある。
（１）の方法は、印刷法又はスプレー法を適用して触媒層を電極基材上に形成する際に、触媒層が多孔質の電極基材の中に入り込むので、触媒層の膜厚調整が困難になったり、触媒層を電極基材上に均一に形成させることが困難になる。更に、（１）の方法は、電極基材表面乃至内部の孔を塞ぎ、ガスの通流性能を阻害する。その結果、（１）の方法で得られる電極−電解質膜接合体を使用した燃料電池は、その性能が低下するのが避けられない。
（２）の方法は、触媒層構成成分を有機溶剤に溶解又は分散した液を電解質膜の両面に印刷又はスプレーして触媒層を形成させるが、電解質膜が有機溶媒により膨潤し、変形して電解質膜の形状を維持することが困難になる。そのために、触媒層の膜厚調整が困難になったり、触媒層を電解質膜上に均一に形成させることが困難になる。その結果、（２）の方法で得られる電極−電解質膜接合体を使用した燃料電池は、その性能にバラツキが生じる。従って、（２）の方法で得られる電極−電解質膜接合体では、均一な性能を備えた燃料電池を製造できない。
（３）の方法は、触媒層の電解質膜への転写を高温高圧下に行う必要があるが、高圧下での転写の際に電解質膜が過剰に圧縮される部分が生じ、電解質膜が局所的に破壊される危険がある。また、高温下での転写の際、電解質膜が溶融し、膜自体が変成する危険がある。その結果、（３）の方法で得られる電極−電解質膜接合体を使用した燃料電池は、所望の性能を備えた燃料電池にはなり得ない。
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記欠点のない電極−電解質膜接合体を製造するための燃料電池用触媒層形成シートを提供することを課題とする。
本発明は、上記欠点のない電極−電解質膜接合体を製造するための触媒層−電解質膜積層体を提供することを課題とする。
【特許文献１】
特公昭６２−６１１１８号公報（第１〜２頁）
【特許文献２】
特公昭６２−６１１１９号公報（第１〜２頁）
【特許文献３】
特公平２−４８６３２号公報（特許請求の範囲）
【特許文献４】
特開平１０−６４５７４号公報（特許請求の範囲）
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねてきた。その結果、シート状基材の一方面にカソード触媒層及びアノード触媒層を形成させ、更にこれらの触媒層が電解質膜に覆われている燃料電池用触媒層形成シートを用い、該触媒層形成シートから基材を剥離し又は剥離することなく、該シートのカソード触媒層及びアノード触媒層が電解質膜を介して重なり合うように（即ち、触媒層形成シートのカソード触媒層とアノード触媒層の中間部（線状折部）で電解質膜の他方面同士が接するように）折り曲げ、次いで加圧し、必要に応じて前記基材を剥離することにより得られる触媒層−電解質膜積層体が所望の電極−電解質膜接合体の製造に好適に使用できることを見い出した。本発明は、斯かる知見に基づき完成されたものである。
１．本発明は、シート状基材の一方面に、カソード触媒層とアノード触媒層とが形成されており、前記カソード触媒層及びアノード触媒層が電解質膜により覆われている燃料電池用触媒層形成シートである。
２．本発明は、前記カソード触媒層及びアノード触媒層は、前記電解質膜の線状折部の両側にそれぞれ形成されている上記１に記載の触媒層形成シートである。
３．本発明は、前記カソード触媒層及びアノード触媒層が、前記電解質膜の線状折部の両側に、該折部に対して対称に、且つほぼ同形状で形成されている上記２に記載の触媒層形成シートである。
４．本発明は、前記カソード触媒層及びアノード触媒層は、前記折部に沿って延びる前記電解質膜の中央突部を介して隣接している上記２又は３に記載の触媒層形成シートである。
５．本発明は、前記電解質膜と前記基材との間及び前記触媒層と前記基材との間に離型層が形成されている上記１〜４のいずれかに記載の触媒層形成シートである。
６．本発明は、離型層が融点６０〜１００℃のワックスからなる上記５に記載の触媒層形成シートである。
７．本発明は、電解質膜の一方面に、線状折部に沿って延びる中央突部及び２つの側縁突部が形成され、前記中央突部と２つの側縁突部との間にそれぞれカソード触媒層及びアノード触媒層が挟持された燃料電池用触媒層形成シートである。
８．本発明は、上記７に記載の燃料電池用触媒層形成シートを、線状折部で電解質膜の他方面同士が接合されるように二つ折りし、加圧して得られる触媒層形成シートである。
９．本発明は、上記１に記載の触媒層形成シートを、カソード触媒層とアノード触媒層との中間部において電解質膜面同士が接合されるように二つ折りし、加圧して得られる触媒層形成シートである。
１０．本発明は、シート状基材の一方面に、カソード触媒層とアノード触媒層とを形成する工程、並びに前記カソード触媒層及びアノード触媒層を電解質膜により被覆する工程を備える、上記１に記載の触媒層形成シートの製造方法である。
１１．本発明は、触媒を担持し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カソード触媒層形成用ペースト及びアノード触媒層形成用ペーストを基材の一方面に塗布し、これらを乾燥することにより前記カソード触媒層及びアノード触媒層を前記基材上に形成する、上記１０に記載の製造方法である。
１２．本発明は、前記カソード触媒層及びアノード触媒層上並びにこれら触媒層が形成された基材面側に水素イオン伝導性高分子電解質含有溶液を塗布し、乾燥することにより、前記カソード触媒層及びアノード触媒層を電解質膜により被覆する、上記１０又は１１に記載の製造方法である。
１３．本発明は、上記１０〜１２のいずれかに記載の方法で製造される触媒層形成シートからシート状基材を剥離する工程を備える、上記７に記載の触媒層形成シートの製造方法である。
１４．本発明は、電解質膜の一方面に、線状折部に沿って延びる中央突部及び２つの側縁突部が形成され、前記中央突部と２つの側縁突部との間にそれぞれカソード触媒層及びアノード触媒層が挟持された触媒層形成シートを製造する工程、前記触媒層形成シートを前記折部において前記電解質膜の他方面同士が接合されるように折り曲げ、カソード触媒層とアノード触媒層とを電解質膜を介して重なり合うように配置する工程、及び折り曲げられた触媒層形成シートを加圧する工程を備える、触媒層−電解質膜積層体の製造方法である。
１５．本発明は、シート状基材の一方面に、カソード触媒層とアノード触媒層とが形成されており、前記カソード触媒層及びアノード触媒層が電解質膜により覆われている燃料電池用触媒層形成シートを製造する工程、カソード触媒層とアノード触媒層との中間部において前記電解質膜面同士が接合されるように折り曲げ、カソード触媒層とアノード触媒層とを電解質膜を介して重なり合うように配置する工程、折り曲げられた触媒層形成シートを加圧する工程、及び加圧して得られるシートからシート状基材を剥離する工程を備える、触媒層−電解質膜積層体の製造方法である。
【発明の実施の形態】
燃料電池用触媒層形成シート
本発明の燃料電池用触媒層形成シートは、シート状基材の一方面に、カソード触媒層とアノード触媒層とが形成されており、前記カソード触媒層及びアノード触媒層が電解質膜により覆われている。
本発明の燃料電池用触媒層形成シートの一実施態様を図１及び図２に示す。図１は本発明触媒層形成シートの断面図、図２は本発明触媒層形成シートを電解質膜側から見た平面図である。
本発明の燃料電池用触媒層形成シートの他の実施態様によれば、前記カソード触媒層及びアノード触媒層は、前記電解質膜の線状折部の両側にそれぞれ形成されている。線状折部はカソード触媒層及びアノード触媒層の中間部に位置し、触媒層−電解質膜積層体を製造する際に（より具体的には、電解質膜同士を接合する際に）、本発明シートを折り曲げる部位に相当する。
基材としては、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエチレン、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等の高分子フィルムを挙げることができる。
また、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）等の耐熱性フッ素樹脂を用いることもできる。
更に、基材は、高分子フィルム以外に、アート紙、コート紙、軽量コート紙等の塗工紙、ノート用紙、コピー用紙等の非塗工紙等の紙であってもよい。
基材の厚さは、取り扱い性及び経済性の観点から、通常６〜１００μｍ程度、好ましくは６〜３０μｍ程度、より好ましくは９〜１５μｍ程度とするのがよい。
従って、基材としては、安価で入手が容易な高分子フィルムが好ましい。高分子フィルムの中でも、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエチレン等が薄くて柔軟性があるため好ましく、ポリエチレンテレフタレート等が耐熱安定性の観点からより好ましい。
基材上に形成されるカソード触媒層及びアノード触媒層は、公知のものである。
触媒層は、触媒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。
触媒としては、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、ロジウム、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。
カソード触媒層に含まれる触媒は、通常、白金であり、アノード触媒層に含まれる触媒は、通常、前記金属と白金との合金である。
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、より具体的には、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）等が挙げられる。電気陰性度の高いフッ素原子を導入することで、化学的に非常に安定し、スルホン酸基の解離度が高く、高いイオン伝導性が実現できる。このような水素イオン伝導性高分子電解質の具体例としては、デュポン社製の「Ｎａｆｉｏｎ」、旭硝子（株）製の「Ｆｌｅｍｉｏｎ」、旭化成（株）製の「Ａｃｉｐｌｅｘ」、ゴア（Ｇｏｒｅ）社製の「Ｇｏｒｅ  Ｓｅｌｅｃｔ」等が挙げられる。
基材上に触媒層を形成させるに当たっては、触媒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上に塗布するのがよい。カソード触媒層形成用ペースト及びアノード触媒層形成用ペーストは、それらに含まれる炭素粒子に担持されている触媒の種類が異なるだけで、他の成分は同じでよい。
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。
これら溶剤の中でも、アルコール類が好ましい。アルコール類としては、例えば、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノール、ｔｅｒｔ−ブタノール等の炭素数１〜４の一価アルコール、各種の多価アルコール等が挙げられる。
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。
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。
触媒層の厚さは、通常１０〜２００μｍ程度、好ましくは１０〜１００μｍ程度、より好ましくは１５〜５０μｍ程度がよい。
カソード触媒層及びアノード触媒層の形成順序は、特に限定がなく、基材上にカソード触媒層を形成した後、残りの基材上にアノード触媒層を形成してもよいし、基材上にアノード触媒層を形成した後、残りの基材上にカソード触媒層を形成してもよい。また、基材上にカソード触媒層及びアノード触媒層を同時に形成させてもよい。
本発明の燃料電池用触媒層形成シートは、前記カソード触媒層及びアノード触媒層が前記電解質膜の線状折部の両側にそれぞれ形成されているのが好ましい。カソード触媒層及びアノード触媒層は、電解質膜の線状折部に対して対称になっており、該折部の両側にほぼ同形状で形成されているのがより好ましい。
本発明の燃料電池用触媒層形成シートは、前記カソード触媒層及びアノード触媒層は、前記折部に沿って延びる前記電解質膜の中央突部を介して隣接しているのが好ましい。
カソード触媒層とアノード触媒層の間隔（中央突部の幅）は、限定されるものではないが、通常１〜３０ｍｍ程度、好ましくは１０〜２０ｍｍ程度がよい。
前記触媒層を被覆する電解質膜は、公知のものである。触媒層を被覆している部分の電解質膜の膜厚は、通常２０〜２５０μｍ程度、好ましくは２０〜８０μｍ程度である。また、前記基材を被覆している部分の電解質膜の膜厚は、前記した膜厚に触媒層の厚さを加えて、通常３０〜４５０μｍ程度、好ましくは３５〜１１０μｍ程度である。
電解質膜は、例えば、前記触媒層上及び該触媒層が形成された基材面側に水素イオン伝導性高分子電解質を含有する溶液を塗布し、乾燥することにより形成される。
水素イオン伝導性高分子電解質は、前記触媒層を形成するのに使用されるペーストに含有される水素イオン伝導性高分子電解質と同じでよい。
水素イオン伝導性高分子電解質含有溶液中に含まれる水素イオン伝導性高分子電解質の濃度は、通常５〜６０重量％程度、好ましくは２０〜４０重量％程度である。
水素イオン伝導性高分子電解質含有溶液の塗布方法としては、該溶液の粘度、固形分濃度等に応じて公知の塗布方法を広く適用でき、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、スクリーン印刷等を挙げることができる。
水素イオン伝導性高分子電解質含有溶液を塗布した後、乾燥することにより、基材及び触媒層上に電解質膜が形成される。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。
更に、本発明の触媒層形成シートは、基材と触媒層との間及び基材と電解質膜との間に離型層が形成されているのが好ましい。
離型層は、通常、ワックスから構成される。ワックスとしては、例えば、石油系ワックス、植物系ワックス、動物系ワックス、鉱物系ワックス、合成系ワックス等を挙げることができる。本発明で用いられるワックスには、例えば、Ｃ１６〜Ｃ３２の脂肪酸とアルコールとのエステルが包含される。本発明において、これらワックスは、１種単独で又は２種以上混合して使用される。
本発明で用いられるワックスは、好ましくは融点が６０〜１４０℃、より好ましくは融点が６０〜１００℃の範囲にあるのがよい。
本発明において、好ましいワックスは植物系ワックスであり、より好ましいワックスはカルナウバワックス、カンデリラワックス等である。
離型層の厚さは、通常０．１〜３μｍ程度、好ましくは０．５〜１μｍ程度がよい。
離型層が形成された本発明触媒層形成シートは、例えば、基材の一方面に離型層を形成し、次いで該離型層上にカソード触媒層とアノード触媒層とを形成し、更に該触媒層を被覆するように電解質膜を前記触媒層上及び基材上に形成させることにより製造される。
基材上に離型層を形成させるに当たっては、所望の層厚になるように、前記ワックスを公知の方法に従い塗布するのがよい。また、塗布作業を容易にするために、ワックスを適当な溶剤に溶解又は分散して溶液又はエマルジョン液の形態で使用してもよい。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。
本発明の燃料電池用触媒層形成シートの他の一実施態様を図３及び図４に示す。図３は本発明触媒層形成シートの断面図、図４は本発明触媒層形成シートを触媒層側から見た平面図である。図３及び図４に示される本発明触媒層形成シートは、電解質膜の一方面に、線状折部（図示せず）に沿って延びる中央突部及び２つの側縁突部が形成され、前記中央突部と２つの側縁突部との間にそれぞれカソード触媒層及びアノード触媒層が挟持されている。
触媒層−電解質膜積層体
本発明の触媒層−電解質膜積層体の製造方法の一例を図５に示すフローチャートを用いて説明する。
第一工程では、本発明の触媒層形成シートから基材を剥離する。本発明の触媒層形成シートに離型層が含まれている場合、剥離の際に、予め触媒層形成シートを加熱（離型層を構成するワックスの融点以上に加熱）しておくと、触媒層形成シートからの基材の剥離が容易になる利点がある。また、この剥離の際に、離型層は、通常基材側に移行するが、離型層の一部が基材剥離後の触媒層形成シートに残存していたとしても、（ｉ）電極基材との接合をワックスの融点よりも高い温度で行うためにワックスが蒸発する、（ｉｉ）初期の電池反応時にワックスが電気分解を受けて分解される、等のために、問題は生じない。更に、離型層の一部が基材剥離後の触媒層形成シートに残存していると、電解質膜上の残存ワックスにより電解質膜同士を仮接着できる、等の利点がある。
前記第一工程により、電解質膜の一方面に、線状折部に沿って延びる中央突部及び２つの側縁突部が形成され、前記中央突部と２つの側縁突部との間にそれぞれカソード触媒層及びアノード触媒層が挟持された触媒層形成シートが製造される。
第二工程では、前記第一工程で製造された触媒層形成シートのカソード触媒層とアノード触媒層との中間部（線状折部）で、電解質膜同士が接するように折り曲げて、カソード触媒層及びアノード触媒層を電解質膜を介して対面するように配置する。この配置の際に、カソード触媒層及びアノード触媒層が電解質膜を介して重なり合うように配置することが好ましい。
第三工程では、電解質膜同士が接するように折り曲げられた触媒層形成シートを加圧する。
加圧レベルは、接合不良を避けるために、通常０．５〜２０Ｍｐａ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、接合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２００℃以下、好ましくは１５０℃以下がよい。
また、本発明の触媒層形成シートから基材を剥離することなく、前記第二工程及び第三工程を経た後に、基材を剥離することによっても、本発明の触媒層−電解質膜積層体を製造することができる。
即ち、斯かる触媒層−電解質膜積層体の製造方法は、
シート状基材の一方面に、カソード触媒層とアノード触媒層とが形成されており、前記カソード触媒層及びアノード触媒層が電解質膜により覆われている燃料電池用触媒層形成シートを製造する工程、
カソード触媒層とアノード触媒層との中間部において前記電解質膜面同士が接合されるように折り曲げ、カソード触媒層とアノード触媒層とを電解質膜を介して重なり合うように配置する工程、
折り曲げられた触媒層形成シートを加圧する工程、及び
加圧して得られるシートからシート状基材を剥離する工程を備えている。
上記方法のシート状基材を剥離する前の段階においては、カソード触媒層とアノード触媒層との中間部において電解質膜面同士が接合されるように二つ折りし、加圧して得られる触媒層形成シートであって、この二つ折りに接合された電解質膜及びカソード触媒層、アノード触媒層がシート状基材に積層されている触媒層形成シートが得られる。
シート状基材が剥離される前の上記触媒層形成シートは、使用直前までの保管が簡便であり、保管時は勿論のこと、輸送等の流通時におけるカソード触媒層及びアノード触媒層の破損、傷つき、汚れ等を未然に防止でき、不良品の発生を防止することができる。
本発明の触媒層−電解質膜積層体は、その両面に電極基材を配置し、加圧することにより容易に電極−電解質膜接合体とすることができ、またこの電極−電解質膜接合体を用いて燃料電池を容易に製造することができる。
例えば、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。
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。
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】
本発明の方法では、シート状基材への触媒層の形成を簡易に行うことができる。本発明の方法では、シート状基材に直接、触媒層を塗工するので、触媒層の膜厚制御が簡便であり、所望の触媒層形成シートを製造することができる。
本発明で製造される触媒層−電解質膜積層体を使用すれば、該積層体の両面に電極基材を配置し、加圧するだけで、所望する電極−電解質膜接合体を製造することができる。
この方法によれば、触媒層が多孔質の電極基材の中に入り込む虞れがないので、触媒層の膜厚調整が容易となり、また均一な触媒層を電極基材上に容易に形成させることができる。
また、この方法によれば、電極素材表面乃至内部の孔を塞ぐことはないので、ガスの通流性能を阻害する虞れがない。
更に、この方法によれば、従来のような高温高圧下での処理が不必要になるため、電解質膜が溶融することがなく、膜自体が変成する危険が少ない。
従って、本発明の触媒層形成シート及び触媒層−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。
本発明の方法では、触媒層の層厚、電解質膜の膜厚等を極めて簡易に制御することができ、その結果、所望の電池性能を備えた高品質の燃料電池を製造することが可能になる。
【実施例】
以下に実施例を掲げて、本発明をより一層明らかにする。
実施例１
カソード触媒層形成のためのインキ（ペースト）は、白金担持触媒（Ｐｔ：３０ｗｔ％、田中貴金属工業製のＴＥＣ１０Ｖ３０Ｅ）１０ｇ、５ｗｔ％ナフィオン溶液（デュポン社製、溶剤：プロパノール）４０ｇ及びイソプロパノール（和光純薬（株）製）４０ｇを分散機にて攪拌混合することにより調製した。
アノード触媒層形成のためのインキ（ペースト）は、白金−ルテニウム担持触媒（田中貴金属工業製のＴＥＣ６６Ｅ５０）１０ｇ、５ｗｔ％ナフィオン溶液（デュポン社製、溶剤：プロパノール）４０ｇ及びイソプロパノール（和光純薬（株）製）４０ｇを分散機にて攪拌混合することにより調製した。
ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム（Ｅ３１２０、東洋紡績（株）製、厚さ１３μｍ）上に、カソード触媒層とアノード触媒層とが隣り合うように、また、乾燥後の触媒層の厚さがそれぞれ５０μｍとなるようにダイコーターを用いて５０ｍｍ巾で、前記で調製した各インキを塗布した。このときカソード触媒層及びアノード触媒層の層間に巾２０ｍｍの未塗布部ができるようにダイスの位置を調整した。塗布後、大気雰囲気中５０℃で１２時間乾燥し、ＰＥＴフィルム上にカソード触媒層及びアノード触媒層を形成させた。
次に、ＰＥＴフィルム上に形成されたカソード触媒層及びアノード触媒層上並びに前記触媒層が形成されていないＰＥＴフィルム上に水素イオン伝導性高分子電解質膜含有溶液（２０重量％ナフィオン溶液、デュポン社製、溶剤：プロパノール）を、乾燥後の電解質膜（触媒層上の電解質膜）の膜厚が１５μｍとなるようにダイコーターを用いて塗布し、次にこれを大気雰囲気中５０℃で１２時間乾燥させ、前記触媒層及びＰＥＴフィルム上に水素イオン伝導性高分子電解質膜を形成して、本発明の触媒層形成シートを製造した。
次に、基材としたＰＥＴフィルムと触媒層及び電解質膜とを剥離することにより、電解質膜の凹部にカソード触媒層及びアノード触媒層が形成された触媒層形成シートを得た。
この触媒層形成シートを、未塗布部を境にして電解質膜を内側に折り曲げ、カソード触媒層とアノード触媒層とが電解質膜を介して重なり合うように配置した後、熱プレス（温度１５０℃、圧力１０Ｍｐａ）により、本発明の触媒層−電解質膜積層体を製造した。
実施例２
ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム（Ｅ３１２０、東洋紡績（株）製、厚さ１３μｍ）上に、カルナウバワックスのエマルジョン液（ＥＭＵＳＴＡＲ−０１９９、日本精蝋（株）製、カルナウバワックス含有量：２０重量％）を０．５〜１μｍ程度の厚さに片面塗布し、エマルジョン液を乾燥し、ＰＥＴフィルム上にカルナウバワックス層を形成した。
カソード触媒層形成のためのインキ（ペースト）及びアノード触媒層形成のためのインキ（ペースト）は、実施例１と同様にして調製した。
次に、カルナウバワックス層上に、カソード触媒層とアノード触媒層とが隣り合うように、また、乾燥後の触媒層の厚さがそれぞれ５０μｍとなるようにダイコーターを用いて５０ｍｍ巾で、前記で調製した各インキを塗布した。このときカソード触媒層及びアノード触媒層の層間に巾２０ｍｍの未塗布部ができるようにダイスの位置を調整した。塗布後、大気雰囲気中５０℃で１２時間乾燥し、ＰＥＴフィルム上にカソード触媒層及びアノード触媒層を形成させた。
次に、カルナウバワックス層上に形成されたカソード触媒層及びアノード触媒層上並びに前記触媒層が形成されていないカルナウバワックス層上に水素イオン伝導性高分子電解質膜含有溶液（２０重量％ナフィオン溶液、デュポン社製、溶剤：プロパノール）を、乾燥後の電解質膜（触媒層上の電解質膜）の膜厚が１５μｍとなるようにキャストコーターを用いて塗布し、次にこれを大気雰囲気中５０℃で１２時間乾燥させ、前記触媒層及びＰＥＴフィルム上に水素イオン伝導性高分子電解質膜を形成して、本発明の触媒層形成シートを製造した。
次に、上記で製造された触媒層形成シートを８０℃に加熱しながら基材としたＰＥＴフィルムと触媒層及び電解質膜とを剥離することにより、電解質膜の凹部にカソード触媒層及びアノード触媒層が形成された触媒層形成シートを得た。
この触媒層形成シートを、未塗布部を境にして電解質膜を内側に折り曲げ、カソード触媒層とアノード触媒層とが電解質膜を介して重なり合うように配置した後、熱プレス（温度１５０℃、圧力１０Ｍｐａ）により、本発明の触媒層−電解質膜積層体を製造した。
実施例３
ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム（Ｅ３１２０、東洋紡績（株）製、厚さ１３μｍ）上に、カルナウバワックスのエマルジョン液（ＥＭＵＳＴＡＲ−０１９９、日本精蝋（株）製、カルナウバワックス含有量：２０重量％）を０．５〜１μｍ程度の厚さに片面塗布し、エマルジョン液を乾燥し、ＰＥＴフィルム上にカルナウバワックス層を形成した。
カソード触媒層形成のためのインキ（ペースト）及びアノード触媒層形成のためのインキ（ペースト）は、実施例１と同様にして調製した。
次に、カルナウバワックス層上に、カソード触媒層とアノード触媒層とが隣り合うように、また、乾燥後の触媒層の厚さがそれぞれ５０μｍとなるようにダイコーターを用いて５０ｍｍ巾で、前記で調製した各インキを塗布した。このときカソード触媒層及びアノード触媒層の層間に巾２０ｍｍの未塗布部ができるようにダイスの位置を調整した。塗布後、大気雰囲気中５０℃で１２時間乾燥し、ＰＥＴフィルム上にカソード触媒層及びアノード触媒層を形成させた。
次に、カルナウバワックス層上に形成されたカソード触媒層及びアノード触媒層上並びに前記触媒層が形成されていないカルナウバワックス層上に水素イオン伝導性高分子電解質膜含有溶液（２０重量％ナフィオン溶液、デュポン社製、溶剤：プロパノール）を、乾燥後の電解質膜（触媒層上の電解質膜）の膜厚が１５μｍとなるようにキャストコーターを用いて塗布し、次にこれを大気雰囲気中５０℃で１２時間乾燥させ、前記触媒層及びＰＥＴフィルム上に水素イオン伝導性高分子電解質膜を形成して、本発明の触媒層形成シートを製造した。
次に、上記で製造された触媒層形成シートを、未塗布部を境にして電解質膜を内側に折り曲げ、カソード触媒層とアノード触媒層とが電解質膜を介して重なり合うように配置した後、熱プレス（温度１５０℃、圧力１０Ｍｐａ）により、外側にＰＥＴフィルム（シート状基材）が積層している本発明の触媒層−電解質膜積層体を製造した。
参考例
実施例１又は実施例２で得られた触媒層−電解質膜積層体の両側に電極基材（カーボンペーパー、ＴＧＰ−Ｈ−９０、東レ（株）製）を配置し、熱プレス（温度１５０℃、圧力５Ｍｐａ）を行うことにより、電極−電解質膜接合体を製造した。
尚、実施例３で得られた触媒層−電解質膜積層体を用いて電極−電解質膜接合体を製造する場合には、電極−電解質膜接合体の製造に先立ち、該触媒層−電解質膜積層体を８０℃程度に加熱することにより、基材としたＰＥＴフィルムと触媒層及び電解質膜とを剥離し、次に上記と同様に触媒層−電解質膜積層体の両側に電極基材を配置し、熱プレスを行えばよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の触媒層形成シートの断面図である。
【図２】図２は、本発明の触媒層形成シートの平面図である。
【図３】図３は、本発明の触媒層形成シートの断面図である。
【図４】図４は、本発明の触媒層形成シートの平面図である。
【図５】図５は、本発明の触媒層−電解質膜積層体の製造工程を示すフローチャート図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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