(57)【要約】      （修正有）【課題】触媒層転写時の転写膜剥離不良を減少させて歩留まりを向上させることのできる触媒層転写シート、並びにこれを用いた電解質膜−触媒層接合体の製造方法、電解質膜−電極接合体の製造方法、及び固体高分子形燃料電池の製造方法を提供する。【解決手段】シート状の基材本体２１、及び基材本体２１の外周縁の一部と連結するとともに基材本体２１の上面に積層されるよう折り畳まれているシート状の把持部２２を有する基材２と、基材本体２１の下面に形成された触媒層３とを備える転写シート１の触媒層３を電解質膜の両面に転写後把持部２２を掴んで基材２を剥離して電解質膜ー触媒接合体を製造する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状の基材本体、及び前記基材本体の外周縁の一部と連結するとともに前記基材本体の一方面上に積層されるよう折り畳まれているシート状の把持部を有する基材と、
前記基材本体の他方面に形成された触媒層と、
を備えた、触媒層転写シート。
【請求項２】
前記把持部は、前記基材本体と同一形状且つ同一面積であり、前記基材本体全体を覆うように形成されている、請求項１に記載の触媒層転写シート。
【請求項３】
前記基材本体は平面視矩形状であり、
前記把持部は、前記基材本体の角部において前記基材本体と連結している、請求項１または２に記載の触媒層転写シート。
【請求項４】
前記把持部は、折り畳まれた状態で前記基材本体の一方面と剥離可能に接着している、請求項１〜３のいずれかに記載の触媒層転写シート。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の触媒層転写シートを２つ準備する工程と、
電解質膜を準備する工程と、
前記各触媒層転写シートで前記電解質膜を挟持するように、触媒層を前記電解質膜側に向けて前記各触媒層転写シートを配置する工程と、
前記触媒層転写シートの触媒層を前記電解質膜の両面に転写する工程と、
前記把持部を掴んで前記基材を剥離する工程と、
を備えた、電解質膜−触媒層接合体の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の電解質膜−触媒層接合体の製造方法と、
前記各触媒層上にガス拡散層を形成する工程と、
を備えた、電解質膜−電極接合体の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の電解質膜−電極接合体の製造方法と、
前記電解質膜−電極接合体の周囲を囲むようにガスケットを設置する工程と、
前記電解質膜−電極接合体を挟持するようにセパレータを設置する工程と、
を備えた、固体高分子形燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒層を転写形成するための触媒層転写シート、並びにこれを用いた電解質膜−触媒層接合体の製造方法、電解質膜−電極接合体の製造方法、及び固体高分子形燃料電池の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質の両面に電極が配置され、水素と酸素の電気化学反応により発電する電気化学システムであり、発電時に発生するのは水のみである。このように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普及が見込まれている。その中でも特に固体高分子形燃料電池は、作動温度が低く、電解質の抵抗が少ないことに加え、活性の高い触媒を用いるので小型でも高出力を得ることができ、家庭用コージェネレーションシステム等として早期の実用化が見込まれている。
【０００３】
この固体高分子形燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用い、この電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散層を順に積層している。そして、この触媒層及びガス拡散層からなる電極の周囲を囲むようにガスケットを配置し、さらにこれをセパレータで挟んだ構造を有している。（例えば特許文献１の図１参照）。この触媒層を電解質膜上に形成する方法の一つとして、触媒層転写シートを用いる方法がある。この触媒層転写シートを用いた触媒層形成方法は、まず基材上に触媒層が形成された触媒層転写シートを２枚準備し、これら触媒層転写シートを触媒層が電解質膜側を向くように電解質膜の両面にそれぞれ配置する。そして、各触媒層転写シートの背面側から熱プレスなどを施すことによって、触媒層を電解質膜上に転写し、その後、基材のみを剥離することで電解質膜上に触媒層を形成する（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−２８６５６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述したような触媒層転写シートを用いた触媒層の形成方法においては、基材を剥離する際に触媒層が電解質膜上に転写されずに基材側に残ったまま基材と一緒に剥離されてしまうことがある。このように触媒層が電解質膜に転写されずに基材と一緒に剥離されてしまうと、いわゆる剥離不良という不良品として処理している。
【０００５】
そこで、本発明は、剥離不良を減少させて歩留まりを向上させることのできる触媒層転写シート、並びにこれを用いた電解質膜−触媒層接合体の製造方法、電解質膜−電極接合体の製造方法、及び固体高分子形燃料電池の製造方法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】
【０００６】
本発明に係る触媒層転写シートは、上記課題を解決するためになされたものであり、シート状の基材本体、及び前記基材本体の外周縁の一部と連結するとともに前記基材本体の一方面上に積層されるよう折り畳まれているシート状の把持部を有する基材と、前記基材本体の他方面に形成された触媒層と、を備えている。
【０００７】
一般的に、基材を剥離し始める部分において剥離不良が多く発生する。これは、基材を剥離する際に傷付けられた触媒層が剥離して基材と一緒に剥離されてしまうことによるものであると考えられる。これに対して、本願発明に係る触媒層転写シートの基材は、基材本体に把持部が形成されているので、この把持部を掴んで引っ張ることによって基材を剥離することができるため、触媒層を傷付けずに基材を剥離することができる。このように、本願発明は、触媒層の損傷を防止することが可能となるため、剥離不良の発生を抑制することができ、ひいては歩留まりを向上させることができる。また、上記把持部が上記基材本体部から外方に延びていると、熱プレスなどを施した際に把持部が電解質膜を傷付けてしまったり電解質膜にくっついてしまうおそれがある。これに対して、本発明に係る触媒層転写シートの把持部は、基材本体の一方面上に積層されるように折り畳まれているため、電解質膜を傷付けたり電解質膜にくっついてしまうことを防止することができる。なお、上記把持部は基材本体の外周縁の一部と連結しているとあるが、基材本体と把持部とが一つの部材から構成された一体的なものであってもよいし、別々の部材から構成された別体的なものであってもよい。
【０００８】
上記触媒層転写シートは種々の構成をとることができるが、例えば上記把持部は、基材本体と同一形状且つ同一面積であり、基材本体全体を覆うように形成されていることが好ましい。このように構成することによって、触媒層転写シートの触媒層を電解質膜に転写するためのプレス工程の際に、触媒層及び電解質膜の面内に作用する圧力を一定にすることができる。
【０００９】
また、上記基材本体は平面視矩形状であって、把持部が基材本体の角部において基材本体と連結していることが好ましい。このように構成することで、基材を剥離するとき基材は角部から剥離し始めるのでより剥離不良を抑制することができる。
【００１０】
また、上記把持部は、折り畳まれた状態で基材本体の一方面と剥離可能に接着していることが好ましい。このように構成することで、把持部は折り畳まれた状態を保持するため、取り扱いの面から好ましい。
【００１１】
また、本発明に係る電解質膜−触媒層接合体の製造方法は、上記課題を解決するためになされたものであり、上記記載のいずれかの触媒層転写シートを２つ準備する工程と、電解質膜を準備する工程と、前記各触媒層転写シートで前記電解質膜を挟持するように、触媒層を前記電解質膜側に向けて前記各触媒層転写シートを配置する工程と、前記触媒層転写シートの触媒層を前記電解質膜の両面に転写する工程と、前記把持部を掴んで前記基材を剥離する工程と、を備えている。
【００１２】
この製造方法によれば、電解質膜に触媒層を転写形成して基材を剥離する際に、把持部を掴んで引っ張ることで基材を剥離することができるため、触媒層を傷付けることを防止でき、ひいては剥離不良を抑制して歩留まりを向上させることができる。
【００１３】
また、本発明に係る電解質膜−電極接合体の製造方法は、上記課題を解決するためになされたものであり、上述した電解質膜−触媒層接合体の製造方法と、前記各触媒層上にガス拡散層を形成する工程と、を備えている。
【００１４】
この製造方法によれば、上述した電解質膜−触媒層接合体の製造方法を含んでいるため、基材を剥離する際に触媒層が傷付くことを防止でき、ひいては剥離不良を抑制して歩留まりを向上させることができる。
【００１５】
また、本発明に係る固体高分子形燃料電池の製造方法は、上記課題を解決するためになされたものであり、上述した電解質膜−電極接合体の製造方法と、前記電解質膜−電極接合体の周囲を囲むようにガスケットを設置する工程と、前記電解質膜−電極接合体を挟持するようにセパレータを設置する工程と、を備えている。
【００１６】
この製造方法によれば、上述した電解質膜−触媒層接合体の製造方法を含んでいるため、基材を剥離する際に触媒層が傷付くことを防止でき、ひいては剥離不良を抑制して歩留まりを向上させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、剥離不良を抑制して歩留まりを向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る触媒層転写シートの実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は触媒層転写シートの正面図、図２は触媒層転写シートの平面図である。
【００１９】
図１及び図２に示すように、触媒層転写シート１は、平面視矩形状且つシート状の基材２と、この基材２の下面に形成された触媒層３とを備えている。基材２は、平面視矩形状且つシート状の基材本体２１と、この基材本体２１と同一形状及び同一面積の把持部２２とを備えている。把持部２２は基材本体２１全体を覆うよう基材本体２１上に積層されており、基材本体２１と把持部２２とは右側辺において連結されている。触媒層３は基材本体２１の下面全体に形成されている。なお、上記基材本体２１と把持部２２とは、種々の方法を用いて連結させることができ、例えば、接着、融着、レーザー接合、超音波溶着などによって、基材本体２１と把持部２２とを連結することができる。
【００２０】
基材２を構成する基材本体２１の材質としては、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）等の耐熱性樹脂を用いることもできる。さらには、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、コピー用紙などの非塗工紙であっても良い。なお、基材本体２としては、安価で入手が容易な高分子フィルムが好ましく、ポリエチレンテレフタレート等がより好ましい。
【００２１】
また、基材２を構成する把持部２２の材質としては、上述した基材本体２１と同一のものを挙げることができるが、把持部２２には触媒層３が形成されないため触媒層の塗膜形成及び剥離性を考慮する必要がなく、上述した材質以外にも種々のものを使用することができ、熱プレスによって変形や収縮しないような耐熱性や寸法安定性を有しており、また、後述するように把持部２２を掴んで上方に持ち上げたときに破れないような機械強度を有する材質とすることが好ましい。なお、上記基材本体２１と把持部２２とを合わせた厚さは、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１０〜３０μｍ程度程度とするのがよい。
【００２２】
触媒層３の材質としては、公知の白金含有の触媒層（カソード触媒及びアノード触媒）である。詳しくは、触媒層３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。触媒粒子としては、例えば、白金や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、コバルト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。なお、通常は、カソード触媒層に含まれる触媒粒子は白金であり、アノード触媒層に含まれる触媒粒子は前記金属と白金との合金である。また、水素イオン伝導性高分子電解質としては、後述する電解質膜４に使用されるものと同じ材料を使用することができる。なお、触媒層３の膜厚は、５〜１００μｍであることが好ましく、１０〜５０μｍであることがさらに好ましい。
【００２３】
次に上記触媒層転写シート１の製造方法について説明すると、まず、上述した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、分散して触媒ペーストを作製する。そして、形成される触媒層３が所望の膜厚になるように触媒ペーストを公知の方法に従い、基材本体２１の元となるシート上に塗工する。触媒ペーストの塗工方法としては、スクリーン印刷や、スプレーコーティング、ダイコーティング、ナイフコーティングなどの公知の塗工方法を挙げることができる。そして、触媒ペーストを塗工した後、所定の温度及び時間で乾燥することによりシート上に触媒層３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１０分〜１時間程度である。このように形成された触媒層転写シートを型抜きすることで触媒層３が形成された基材本体２１が作製される。そして、上述した材質からなる把持部２２を準備し、接着、融着、レーザー接合、超音波溶着などによって、把持部２２の一辺を基材本体２１の右側辺に連結させて触媒層転写シート１を形成する。
【００２４】
上記触媒ペーストを作製する際に使用する溶剤としては、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、水またはこれらの混合物等が挙げられ、これら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。
【００２５】
次に、上記触媒層転写シート１を用いた、電解質膜−触媒層接合体、電解質膜−電極接合体、及び固体高分子形燃料電池の製造方法について、図３を参照しつつ説明する。
【００２６】
まず、平面視矩形状の電解質膜４を準備し、これを上下から挟むように、触媒層転写シート１を触媒層３が電解質膜４側を向くように電解質膜４の上方及び下方にそれぞれ配置する。（図３（ａ））。
【００２７】
次に、各触媒層転写シート１の背面側から加熱プレスを施して、触媒層３を電解質膜４の上面及び下面に転写させる。なお、作業性を考慮すると、触媒層３を電解質膜４に転写させる工程について、両面同時に触媒層３を転写させることが好ましいが、片面ずつ触媒層３を形成することもできる。加熱プレスの加圧レベルは、転写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、転写不良を極力少なくす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４の破損、変形等を避けるために、通常２００℃以下、好ましくは１５０℃以下がよい。
【００２８】
そして、各触媒層転写シート１の基材２の把持部２２を掴んで上方に持ち上げる（図３（ｂ））。なお、このときの基材本体２１と把持部２２とのなす角度θは０〜１０度くらいとするのが好ましい。続いて、持ち上げた把持部２２を図３の左側方向に引っ張ることによって、基材本体２１が触媒層３から剥離される（図３（ｃ））。このようにして基材２を全て剥離することで電解質膜−触媒層接合体１０が作製される（図３（ｄ））。
【００２９】
このようにして作製された電解質膜−触媒層接合体１０の各触媒層３上に、ガス拡散層５を熱圧着により積層形成して、電解質膜−電極接合体２０を作製する（図３（ｅ））。そして、この各触媒層３とガス拡散層５からなる各電極Ｅの周囲を囲むように枠状のガスケット６を設置し、最後にセパレータ７を、ガス流路７１がガス拡散層５と対向するように、ガス拡散層５及びガスケット６上に配置して、ガス拡散層５とセパレータ７とが電気的に接続するようにセパレータ７で電解質膜−電極接合体２０を挟持することによって、固体高分子形燃料電池３０が完成する（図３（ｆ））。
【００３０】
なお、上記電解質膜４の材質としては、例えば、基材上に水素イオン伝導性高分子電解質を含有する溶液を塗工し、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」（登録商標）、旭硝子（株）製の「Ｆｌｅｍｉｏｎ」（登録商標）、旭化成（株）製の「Ａｃｉｐｌｅｘ」（登録商標）、ゴア（Ｇｏｒｅ）社製の「Ｇｏｒｅ  Ｓｅｌｅｃｔ」（登録商標）等が挙げられる。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。なお、電解質膜４の膜厚は通常２０〜２５０μｍ程度、好ましくは２０〜８０μｍ程度である。
【００３１】
また、ガス拡散層５の材質としては、公知であり、燃料極、空気極を構成する各種のガス拡散層を使用でき、燃料である燃料ガス及び酸化剤ガスを効率よく触媒層３に供給するため、多孔質の導電性基材からなっている。多孔質の導電性基材としては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等が挙げられる。
【００３２】
ガスケット６の材質としては、熱プレスに耐えうる強度を保ち、かつ、外部に燃料及び酸化剤を漏出しない程度のガスバリア性を有しているものを使用することができ、例えば、ポリエチレンテレフタレートシートやテフロン（登録商標）シート、シリコンゴムシート等を例示することができる。
【００３３】
セパレータ７の材質としては、公知であり、燃料電池内の環境においても安定な導電性板であればよく、一般的には、カーボン板にガス流路７１を形成したものが用いられる。また、セパレータ７をステンレス等の金属により構成し、金属の表面にクロム、白金族金属又はその酸化物、導電性ポリマーなどの導電性材料からなる被膜を形成したものや、同様にセパレータを金属によって構成し、該金属の表面に銀、白金族の複合酸化物、窒化クロム等の材料によるメッキ処理を施したもの等も使用可能である。
【００３４】
以上、本実施形態によれば、基材２の把持部２２を掴んでこれを引っ張ることで基材２を剥離し基材２を剥離する際に触媒層３に接触することがないため、触媒層３へ損傷を与えることがない。このため、触媒層３が基材２と一緒に剥離されてしまうといった剥離不良の発生を抑制して歩留まりを向上させることができる。また、この把持部２２は、基材本体２１上に折り畳まれているため、熱プレスを施した際に把持部２２が電解質膜４を損傷させてしまったり、把持部２２が電解質膜４にくっついてしまうといった問題を解消することもできる。
【００３５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、基材２を構成する基材本体２１と把持部２２とは別々の部材を連結して構成しているが、この基材本体２１と把持部２２とを一体的に形成することができる。例えば、図４に示すように、上述した基材本体２１を構成する材料からなる一枚のシートを準備し、このシートを中心線で二つに折り曲げて、一方を基材本体２１とし他方を把持部２２とすることができる。
【００３６】
また、上記実施形態では、把持部２２は基材本体２１上に折り畳まれて積層されているだけであるため、把持部２２が折り畳まれた状態から広がってしまう可能性があり、このように把持部２２が勝手に広がってしまうと取り扱いの面から好ましくない。これを防ぐために、例えば、図５に示すように、基材本体２１と把持部２２との間に、例えばシリコンゴムやブチルゴム、フッ素ゴムなどの弱粘着性エラストマー材料からなる粘着剤を塗布して粘着層２３を介在させることができる。この粘着層２３は、基材本体２１と把持部２２との間の全面に形成されている必要はなく一部だけに形成されていてもよい。なお、この粘着層２３による粘着力が強すぎると把持部２２を基材本体２１から剥がすことが困難になり取り扱いの面から好ましくないため、粘着層２３が容易に剥離可能な程度の粘着力、例えば０．０５〜３．０Ｎ／２０ｍｍ程度の粘着力（ＪＩＳＺ  ０２３７（２０００）の規定の測定方法により測定する）で粘着させることが好ましい。また、粘着層２３を介在させること以外にも、例えば、把持部２２を、例えばシリコーンなどの弱粘着性の有する材料で構成することによっても、上記問題を解消することができる。
【００３７】
また、上記実施形態では把持部２２を基材本体２１と同一形状及び同一面積としているが、特にこれに限定されるものではなく、把持部２２を基材本体２１よりも小さく形成することもできる。なお、この場合は、局所的に圧力が大きくなったり、熱が加わりにくくなったりすることを避けるために、把持部２２の厚さは１〜１５μｍ以下とすることが好ましい。
【００３８】
また、上記実施形態では触媒層３が形成された基材本体２１に把持部２２を連結させているが、予め基材本体２１に把持部２２を連結させてから、その後触媒層３を形成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る触媒層転写シートの実施形態を示す正面図である。
【図２】本発明に係る触媒層転写シートの実施形態を示す平面図である。
【図３】本発明に係る固体高分子形燃料電池の製造方法を示す説明図である。
【図４】本発明に係る触媒層転写シートの基材の他の実施形態を示す正面図である。
【図５】本発明に係る触媒層転写シートの他の実施形態を示す正面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  触媒層転写シート
２  基材
２１  基材本体
２２  把持部
３  触媒層
４  電解質膜
５  ガス拡散層
６  ガスケット
７  セパレータ
１０  電解質膜−触媒層接合体
２０  電解質膜−電極接合体
３０  固体高分子形燃料電池
【図１】
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【図２】
2009230964.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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