JP2008204700A

JP2008204700A - 触媒層転写シート及び触媒層−電解質膜積層体

Info

Publication number: JP2008204700A
Application number: JP2007037847A
Authority: JP
Inventors: Rei Hiromitsu; 礼弘光; Yasuki Yoshida; 安希吉田
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2007-02-19
Filing date: 2007-02-19
Publication date: 2008-09-04

Abstract

【課題】本発明は、触媒層を電解質膜に良好に転写することができ、しかも燃料電池の性能に悪影響を与えない転写シートを提供することを課題とする。
【解決手段】本発明の触媒層転写シートは、基材シートの一方面上にアミド基含有化合物からなる薄膜が形成され、更に該薄膜上に触媒層が形成されている。本発明転写シート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

Description

本発明は、触媒層転写シート及び触媒層−電解質膜積層体に関する。

燃料電池等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、一度別の基材を用いて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。

上記転写法において、触媒層が形成される基材としては、ポリプロピレン、ポリエステル等が知られている。

しかしながら、基材としてポリプロピレンを用いた場合、ポリプロピレンは耐熱性に劣るために、触媒層を電解質膜上に形成させる際及び触媒層を電解質膜に転写する際に熱により変形（収縮）する致命的な欠点を有している。

一方、ポリエステルは耐熱性が良好であるために熱による変形は生じないが、触媒層の転写性に難があり、触媒層を電解質膜に良好に転写できない。

触媒層の転写性を向上させるために、ポリエステルフィルム等の基材フィルムと触媒層との間にフッ素系の離型成分を積層した転写フィルムが提案されている（特許文献１）。

特許文献１に記載されている転写フィルムを使用すると、触媒層を電解質膜に良好に転写することができる。しかしながら、特許文献１の転写フィルムでは、触媒層と共に、フッ素系の離型成分の一部が固体電解質膜に転写されるのが避けられず、燃料電池の性能に悪影響を及ぼす問題点を有している。
特開２００３−２８５３９６号公報

本発明は、触媒層を電解質膜に良好に転写することができ、しかも燃料電池の性能に悪影響を与えない転写シートを提供することを課題とする。

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来た。その結果、転写シートを構成する基材シートと触媒層との間にアミド基含有化合物からなる薄膜を介在させた場合に、所望の転写シートを得ることができ、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。

本発明は、下記項１〜３に示す触媒層転写シート及び触媒層−電解質膜積層体を提供する。
項１．基材シートの一方面上にアミド基含有化合物からなる薄膜が形成され、更に該薄膜上に触媒層が形成された、触媒層転写シート。
項２．前記アミド基含有化合物が脂肪酸アミドである項１に記載の触媒層転写シート。
項３．項１又は２に記載の触媒層転写シートを用いて製造される触媒層−電解質膜積層体。

触媒層転写フィルム
本発明の触媒層転写シートは、基材シートの一方面上にアミド基含有化合物からなる薄膜が形成され、更に該薄膜上に触媒層が形成されている。本発明の触媒層転写シートの一例を示す断面図を図１に示す。

基材シート
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。また、基材は、アルミニウム箔、銅箔、ニッケル箔等の金属箔であってもよい。

これらの基材の中でも、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。

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、好ましくは１５〜７０μｍ、より好ましくは２０〜５０μｍとするのがよい。

薄膜
基材シートの一方面上に形成される薄膜は、アミド基含有化合物からなっている。

アミド基含有化合物としては、アミド基を有する化合物である限り、特に限定されない。アミド基含有化合物は、脂肪酸アミドであるのが好ましい。脂肪酸アミドとしては、具体的にはエルカ酸アミド、オレイン酸アミド、ステアリン酸アミド等が挙げられる。

薄膜を構成する脂肪酸アミドは、１種単独であってもよいし、２種以上の混合物であってもよい。

基材シートの一方面上に、上記薄膜を形成させるに当たっては、形成される薄膜が所望の層厚になるように、アミド基含有化合物を含む塗工液を公知の方法に従い基材シート上に塗布するのがよい。

塗工液は、アミド基含有化合物を溶解することができる溶剤にアミド基含有化合物を溶解させることにより調製される。ここで溶剤としては、例えば、水、アルコール等を挙げることができる。アルコールとしては、具体的には、メタノール、エタノール、１-プロパノール、２-プロパノール等が挙げられ、これらの中でも２-プロパノールが溶解性の観点から好適である。塗工液の濃度は、通常０．１〜５ｗｔ％、好ましくは０．３〜３ｗｔ％、より好ましくは０．５〜１．５ｗｔ％である。

基材シート上に上記塗工液を塗布するに際しては、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。

斯かる塗工液を塗布した後、乾燥することにより、薄膜が形成される。乾燥温度は、通常６０〜１５０℃程度、好ましくは８０〜１２０℃程度である。乾燥時間は、乾燥温度にもよるが、通常１分〜１時間程度、好ましくは５〜３０分程度である。

薄膜の厚さは、通常１００ｎｍ〜１０μｍ程度、好ましくは５００ｎｍ〜３μｍ程度がよい。

触媒層
本発明において、触媒層は、薄膜上に形成されている。

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。

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。

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。

薄膜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薄膜上に塗布するのがよい。

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。

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１０〜５０μｍ程度、好ましくは１５〜３０μｍ程度がよい。

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。尚、薄膜は、触媒層上に形成されているが、図２においては薄膜を図示していない。

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、本発明転写シートの触媒層面が電解質膜面に対面するように転写シートを配置し、加圧した後、該転写シートの基材シート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。

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、本発明転写シートの触媒層面が電解質膜の両面に対面するように転写シートを配置し、加圧した後、該転写シートの基材シートを剥離すればよい。

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「ＧｏｒｅＳｅｌｅｃｔ」（登録商標）膜等が挙げられる。

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。

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。

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。

本発明の転写シートを使用することにより、均一な触媒層を電解質膜上に形成させることができる。

本発明の転写シートを使用することにより、触媒層を電解質膜に良好に転写することができる。

本発明の転写シートを使用して触媒層を転写する際に、薄膜は触媒層と共に電解質膜側に転写されるが、燃料電池の性能に悪影響を及ぼすことはない。

本発明によれば、触媒層を電解質膜に良好に転写することができ、しかも燃料電池の性能に悪影響を与えない触媒層−電解質膜積層体製造用転写フィルムを提供することができる。

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。

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
２−プロパノールにエルカ酸アミド（ライオン（株）製、アーモスリップＥ、融点８０〜８５℃）を溶解し、１．０ｗｔ％のエルカ酸アミドを含む２−プロパノール溶液を調製した。

ポリエチレンテレフタラート（東洋紡（株）製、Ｅ５１００、２５μｍ）上に、上記２−プロパノール溶液を、乾燥後の薄膜の厚さが１μｍになるように塗布し、９５℃で乾燥させた。ポリエチレンテレフタレート上に形成される薄膜は、エルカ酸アミドから構成されていた。その確認はＥＳＣＡ及びＩＲにて行った。

次に、白金担持カーボン（Ｐｔ：４５．７重量％）（田中貴金属（株）製、ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）１０重量部及び５重量％電解質溶液（デュポン社製、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重量部を加え、混合及び分散を行い、触媒層形成用ペーストを調製した。

基材シート上に形成された薄膜上に触媒層形成用ペーストをブレードコーターを用いて、乾燥後の厚さが２０μｍになるように塗布し、８５℃で乾燥させ、本発明の触媒層転写シートを製造した。

実施例２
２−プロパノールにオレイン酸アミド（ライオン（株）、アーモスリップＣＰ、融点７４〜７６℃）を溶解し、１．０ｗｔ％のオレイン酸アミドを含む２−プロパノール溶液を調製した。

ポリエチレンテレフタラート（東洋紡（株）製、Ｅ５１００、２５μｍ）上に、上記２−プロパノール溶液を、乾燥後の薄膜の厚さが１μｍになるように塗布し、９５℃で乾燥させた。ポリエチレンテレフタレート上に形成される薄膜は、オレイン酸アミドから構成されていた。その確認はＥＳＣＡ及びＩＲにて行った。

以下、実施例１と同様にして、基材シート上の薄膜上に触媒層を形成させることにより、本発明の触媒層転写シートを製造した。

比較例１
ポリエチレンテレフタラート（東洋紡（株）製、Ｅ５１００、２５μｍ）の一方面上に触媒層を形成させることにより、触媒層転写シートを製造した。触媒層の形成は、実施例１と同様に行った。

実施例３〜４及び比較例２
実施例１〜２及び比較例１で製造した各触媒層転写シートを５×５ｃｍに裁断し、８×８ｃｍに裁断した水素イオン伝導性電解質膜（デュポン社製、ナフィオン１１２、膜厚５０μｍ）の両側に、転写シートの触媒層面が電解質膜の両面に対面するように転写シートを配置し、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。

試験例（転写シートの性能評価）
電解質膜に触媒層を転写した際の転写率（％）を次式に従い、算出した。

ここで、転写前の触媒量は、転写前の触媒層転写シートの重量から、触媒層をふき取った後の基材シートの重量を差し引いた重量である。転写後の触媒量は、転写後の触媒層転写シートの重量から、触媒層をふき取った後の基材シートの重量を差し引いた重量である。

結果を表１に示す。

実施例３及び実施例４で作成した触媒層−電解質膜を用いて単セル評価を行った。ガス拡散層には、カーボンペーパ（東レ（株）製、ＴＧＰ−Ｈ−０９０、２７５μｍ）を使用し、空気利用率４０％、燃料利用率７０％の条件で、０ｍＡ／ｃｍ²から１０００ｍＡ／ｃｍ²の範囲で電流−電圧試験を行った。その結果、いずれの場合も優れた電池性能を発現した。

図１は、本発明の触媒層転写シートの断面図である。図２は、触媒層−電解質膜積層体の断面図である。

Claims

基材シートの一方面上にアミド基含有化合物からなる薄膜が形成され、更に該薄膜上に触媒層が形成された、触媒層転写シート。
前記アミド基含有化合物が脂肪酸アミドである請求項１に記載の触媒層転写シート。
請求項１又は２に記載の触媒層転写シートを用いて製造される触媒層−電解質膜積層体。