(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオノマー及び溶媒を含む液体結合層をキャリア膜を覆って堆積させる工程と、
前記液体結合層を覆ってデカルコマニア基板を配置する工程と、
前記液体結合層を乾燥させてイオノマーを含む固体結合層を提供する工程であって、該固体結合層は前記デカルコマニア基板及び前記キャリア膜を一緒に結合している、前記工程と、
を備える、プロセス。
【請求項２】
前記デカルコマニア基板は多孔性材料を含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
前記デカルコマニア基板は、多孔性であり、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、又は、ポリプロピレンのうちいずれか１つを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項４】
前記デカルコマニア基板は発泡ポリテトラフルオロエチレンを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項５】
前記デカルコマニア基板は１０×１０−６ｍ乃至２００×１０−６ｍの範囲の孔サイズを有する多孔性材料を含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項６】
前記キャリア膜は、非多孔性材料を含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項７】
前記キャリア膜は、多孔性材料を含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項８】
前記キャリア膜は、前記デカルコマニア基板よりも大きい機械的強度を有する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項９】
前記キャリア膜は、ＰＥＴを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１０】
前記キャリア膜は、ポリイミドを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１１】
前記イオノマーは、スルホン化ペルフルオロカーボンを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１２】
前記溶媒は水を含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１３】
前記溶媒は低沸点アルコールを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１４】
前記溶媒は水及び低沸点アルコールを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１５】
前記キャリア膜上の前記液体結合層は、５×１０−６ｍ乃至２００×１０−６ｍの範囲の厚さに堆積される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１６】
前記キャリア膜上の前記液体結合層は、５×１０−６ｍ乃至１００×１０−６ｍの範囲の厚さに堆積される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１７】
前記固体結合層は、０．０５×１０−６ｍ乃至１０×１０−６ｍの範囲の厚さを有する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１８】
前記固体結合層は、０．０５×１０−６ｍ乃至２×１０−６ｍの範囲の厚さを有する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１９】
前記固体結合層は、０．１×１０−６ｍ乃至１×１０−６ｍの範囲の厚さを有する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項２０】
前記液体結合層の乾燥工程は、室温から２００℃の範囲の温度で実行される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項２１】
前記液体結合層の乾燥工程は、６０℃乃至１２０℃の範囲の温度で実行される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項２２】
前記デカルコマニア基板を覆って触媒層を堆積させる工程を更に備える、請求項１に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００６年２月２７日に出願された米国仮出願番号６０／７７７，１９７号の利益を請求する。
開示された実施例は、概して、キャリア膜にデカルコマニア基板を積層する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池技術では、触媒が、ポリマー電極膜に被覆された。触媒層は、膜に直接体積されるか、又は、触媒をデカルコマニア基板上に最初に被覆することによって膜に間接的に塗布される。触媒は、圧延プロセスを使用してスラリーとしてデカルコマニア基板上に被覆された。触媒が被覆された膜は、触媒被覆膜（ＣＣＭ）として知られている。
【０００３】
触媒がデカルコマニア基板に被覆された後、触媒が膜に転写される前に、イオノマーが触媒を覆って噴霧されてもよい。たとえ触媒及び膜の両方がイオノマーを含んでいたとしても、イオノマーの噴霧層は、触媒と膜との間の良好な接触を提供する。これは、膜と触媒との間の陽子交換を増加させ、かくして燃料電池の性能を向上させる。
【０００４】
デカルコマニア基板は、例えば多孔性発泡ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）デカルコマニア基板等の多孔性材料から構成されてもよい。しかし、ｅＰＴＦＥ基板は、高価で、しかも再利用可能ではない。特に、触媒がｅＰＴＦＥ基板上の膜に転写されたとき、イオノマーの一定部分は、ｅＰＴＦＥ基板に残ったままとなる。更には、ｅＰＴＦＥ基板は、プロセスの間に、伸張され、変形され、溶媒を吸収し、よって、ｅＰＴＦＥ基板は、１回の使用後に廃棄される。
【０００５】
デカルコマニア基板は、例えば、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）デカルコマニア基板等の非多孔性材料であってもよい。ＥＴＦＥデカルコマニア基板は、該基板への触媒及びイオノマーの最小損失を提供する。コーティング及びイオノマーの事実上全てがデカルコマニアプロセスで転写されるからである。ＥＴＦＥデカルコマニア基板は、変形せず、再使用することができる。
【０００６】
別の制作技術では、膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）が、ＣＣＭの代わりに触媒被覆拡散媒体（ＣＣＤＭ）として準備される。拡散媒体は、ガス及び水を膜電極アッセンブリを通して輸送することができるように多孔性材料である。拡散媒体は、典型的にはミクロ細孔層で被覆されたカーボンペーパー基板であり、該ミクロ細孔層は、炭素とフルオロポリマー（ＦＥＰ、ＰＶＤＦ、ＨＦＰ，ＰＴＦＥ等）の混合物である。触媒インクは、典型的には、ミクロ細孔層の頂部に被覆され、例えば、イオノマー溶液で噴霧することによって、外側をコーティングすることができる。裸のフッ素置換膜の一部分は、触媒側が膜に面した状態でＣＣＤＭの２つの部分の間に挟まれ、次に、ＣＣＤＭを膜に結合するため加熱圧縮される。
【０００７】
ロバストな膜電極アッセンブリを製造するための一つのアプローチを、共有譲渡され、ソムパリらに付与された米国特許番号６，５２４，７３６号において見い出すことができる。このアプローチは、図１乃至図２ａに示されるように、イオノマー結合剤が均一に分配された電極を発生するため、多孔性発泡のＰＴＦＥ支持又はウェブ上に触媒インクを被覆することによって膜電極アッセンブリを製造するためのプロセスを備えている。触媒の膜への良好な転写を目的とするための上塗りのコンセプトも記載されている。ソムパリらによる米国特許番号６，５２４，７３６号は、次の事項を開示している。触媒が堆積されるところの非常に薄いミクロ細孔基板を取り扱うことが困難であり、多孔性キャリア膜は、強度及び支持の層を提供するため、薄いミクロ細孔基板に結合されてもよい。多孔性キャリア膜は、膜電極アッセンブリから基板を除去するプロセスの間にミクロ細孔基板に十分に結合することができる。当該結合は、ミクロ細孔基板と多孔性キャリア膜との間で、全プロセスを通して維持されなければならず、加熱圧縮工程の温度を通して維持されなければならない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施態様は、プロセスに関し、該プロセスは、イオノマー及び溶媒を含む液体結合層をキャリア膜を覆って堆積させ、デカルコマニア基板を前記液体結合層を覆って配置し、イオノマーを含む固体結合層を提供するため前記液体結合層を乾燥させ、前記固体結合層は前記デカルコマニア基板及び前記キャリア膜を一緒に結合する、各工程を備える。
【０００９】
本発明の他の実施態様は、以下に提供される詳細な説明から明らかとなろう。詳細な説明及び特定の例は、本発明の一例としての実施例を示しているが、説明の目的のみを意図しており、本発明の範囲を制限するものではない。
【実施例】
【００１０】
本発明の一例としての実施例は、次の詳細な説明及び添付図面からより完全に理解されるようになる。
次の実施例の説明は、その本質上単なる例示にしか過ぎず、本発明、その用途又は使用法を制限することを意図したものではない。
【００１１】
ここで図１を参照すると、本発明の一実施例は、キャリア膜１０に亘って液体結合層１２を堆積する方法を備えている。本発明の一実施例では、キャリア膜１０は、２５乃至１００マイクロメートルの範囲の厚さを有する。本発明の一実施例では、キャリア膜は、ＰＥＴ、ポリイミド（カプトン（Ｒ））、ＰＥＮ、ＰＶＤＦ、又は、１５０℃までの温度に耐えることができる任意のポリマー膜であってもよい。液体結合層１２は、イオノマー及び溶媒を備えている。本発明の代替実施例では、液体結合層１２は、５×１０−６ｍ乃至２００×１０−６ｍ、５×１０−６ｍ乃至１００×１０−６ｍの範囲の厚さ、又は、それらの中間の厚さにまで堆積することができる。
【００１２】
ここで図２を参照すると、本発明の一実施例では、液体結合層１２内の溶媒が蒸発する前に、デカルコマニア基板１４は、最小の圧縮力又は上昇した圧縮力の下で液体結合層１２上に配置されている。その後、液体結合層１２内の溶媒は、蒸発することを可能にされ、例えば、オーブン又は乾燥灯からの熱を使用して追い払われる。一実施例では、液体結合層１２は、室温から１２０℃の範囲の温度、好ましくは６０℃乃至１２０℃の温度で乾燥される。
【００１３】
デカルコマニア基板１４は、２×１０−６ｍより小さい孔サイズ、好ましくは０．５×１０−６ｍより小さい孔サイズ、最も好ましくは、０．２×１０−６ｍより小さい孔サイズを有する様々な材料のうち任意のものであってよい。多孔性材料の空洞体積は、５０乃至８０パーセントの範囲に及び得る。好ましくは、多孔性材料は、１３０℃乃至１５０℃の範囲の温度で約５分間に亘って温度適合性を有する。デカルコマニア基板１４に亘って形成された触媒の解放を援助するため、追加の表面コーティングをデカルコマニア基板１４に施してもよい。デカルコマニア基板１４は、例えば、多孔性ポリエチレン又は多孔性ポリプロピレンを含む様々な多孔性材料から構成されていてもよい。キャリア膜１０は、デカルコマニア基板１４よりも大きい機械的強度及び引き裂き耐性を有する。本発明の一実施例では、デカルコマニア基板１４は、ｅＰＴＦＥであり、キャリア膜１０はＰＥＴであってもよい。
【００１４】
図３に参照されるように、本発明の一実施例では、液体結合層１２の溶媒が蒸発された後、イオノマーを含む固体結合層１２’は、キャリア膜１０及びデカルコマニア基板１４を一緒に保持する。本発明の代替実施例では、固体結合層１２’は、０．０５〜１０×１０−６ｍ、０．０５〜２×１０−６ｍ、０．１〜１×１０−６ｍの範囲の厚さ、又は、それらの中間の厚さを持っていてもよい。触媒スラリー層１６は、デカルコマニア基板１４上に堆積され、デカルコマニアアッセンブリ１８を生成するため乾燥される。デカルコマニアアッセンブリ１８は、キャリア膜１０に結合されたデカルコマニア基板１４に取り付けられた乾燥触媒層１６を含んでいる。
【００１５】
触媒層は、例えば、プラチナ等のきめ細かく分割された触媒粒子を担持する細かく分割された炭素粒子、及び、該粒子と混ぜ合わされた陽子伝達性材料のグループを備えているのが好ましい。陽子伝達性材料は、過フッ化スルホン酸ポリマー等のイオノマーであってもよい。好ましい触媒材料は、プラチナ等の金属、プラチナ合金及び燃料電池技術の当業者に知られた他の触媒を含んでいる。
【００１６】
液体結合層１２は、イオノマー及び溶媒を含んでいる。溶媒は、水、低沸点アルコール又はそれらの組み合わせであってもよい。例えば、アルコールは、１２０℃より低い沸点を有し、有限の乾燥時間を有する。低沸点アルコールの例は、メタノール、エタノール、イソ及びｎ−プロパノールである。イオノマーを含む液体結合層１２を使用して、デカルコマニア基板１４及びキャリア膜１０を一緒に結合することは、ｅＰＴＦＥ等の多孔性デカルコマニア基板に損傷を及ぼし得る高温下でデカルコマニア基板１４及びキャリア膜１０を積層する必要性を無くす。
【００１７】
「覆う」、「重なり合う」、「重なる」、「下に」、「下の」、「下にある」という用語は、第１の構成要素又は層の第２の構成要素又は層に対する相対位置に関して使用さるとき、第１の構成要素又は層は第２の構成要素又は層と直接接触しているか、又は、追加の層又は構成要素が、第１の構成要素又は層及び第２の構成要素又は層の間に介在することができることを意味している。
【００１８】
本発明の説明は、その本質上単なる例示にしか過ぎず、よって、その変更は、本発明の精神及び範囲からの逸脱とはみなされるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、イオノマーを含む液体結合層をキャリア膜を覆って堆積させる方法を備える本発明の一実施例を示す。
【図２】図２は、液体結合層上にデカルコマニア基板を堆積させる工程を備える本発明の一実施例を示す。
【図３】図３は、液体結合層が固化することを可能にし、デカルコマニア基板上に触媒スラリー層を堆積させる方法を備える本発明の一実施例を示している。
【図１】
0005139695.tif 000002
【図２】
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【図３】
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