JP5843011B2 - 触媒層の転写方法および当該方法に用いる治具 - Google Patents

Description

本発明は、触媒層の転写方法および当該方法に用いる治具に関する。

近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への負荷が少ないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。

固体高分子形の燃料電池は、電解質膜、当該膜の両面に形成される触媒層、ガス拡散層（ＧＤＬ）等を有する膜−電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ 以下、ＭＥＡと称する）を含む。ＭＥＡがセパレーターを介して複数積層されて燃料電池が構成される。

ＭＥＡの製造に際して、電解質膜の両面に電極触媒層を形成する技術として、触媒転写フィルム上に形成された触媒層を、当該触媒転写フィルムから電解質膜に転写印刷する方法（デカール法）が知られている（たとえば、特許文献１参照）。触媒転写フィルムは、プラスチックフィルム等の基材上に、触媒を塗布し乾燥させて作成できる。

特許文献１記載の方法では、アノードおよびカソード用にそれぞれ作成された触媒転写フィルムを、触媒層が電解質膜に接触するように電解質膜の両面に重ねた後、プレス機によって加熱プレスすることで、触媒層を電解質膜に転写印刷する。

特開２０１０−２５１０１２号公報

しかしながら、特許文献１記載の方法では、触媒転写フィルムおよび電解質膜を正確に位置合わせしてプレス機にセットした場合でも、熱や熱による乾燥によって電解質膜が変形を起こすことある。これでは、電解質膜に対する触媒層の転写位置がずれてしまい、できたＭＥＡを含む燃料電池の電池性能を低下させてしまうという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、触媒層の転写位置ずれや転写不良を防止し、電解質膜上の所望の位置に触媒層を転写できる転写方法および当該方法に用いる治具を提供することを目的とする。

触媒層の転写方法は、次の工程を含む。基材上に形成された触媒層が電解質膜に接するように、基材および電解質膜を相互に積層し、積層物を形成する。積層物を積層方向から加圧する。積層物を第１の温度まで加熱する。加圧を開始して所定時間経過後に加熱を停止する。加熱の停止後、触媒層の温度が前記第１の温度よりも低い第２の温度以下になった時、加圧を停止する。

治具は、位置決め部材および保持部材を有する。位置決め部材は、積層物として積層される基材および電解質膜を、積層方向から見て同じ位置に配置するように、枠形状の内壁により位置決めする。保持部材は、積層物を積層方向から保持し、別体の加圧装置による加圧力を積層物に伝達する。

膜電極接合体（ＭＥＡ）の製造に用いる治具に、ＭＥＡを構成する素材を配置する様子を示す斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ方向に沿った治具および各素材の断面図である。 電解質膜に触媒層を転写するための各構成が治具内に収納された様子を示す図である。 加圧装置により治具内の積層物を加熱プレスする様子を示す図である。 加熱プレスによる触媒層の転写における圧力および温度の推移を示す図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

本実施形態では、燃料電池を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ）の製造工程において、特に、電解質膜の両面に触媒層を形成（転写）するための工程および構成について説明する。

図１は、膜電極接合体（ＭＥＡ）の製造に用いる治具に、ＭＥＡを構成する素材を配置する様子を示す斜視図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ方向に沿った治具および各素材の断面図である。

図１および図２に示すように、電解質膜１０と、触媒層２０、２２がそれぞれ表面に形成された基材３０、３２とが、治具４０に配置される。

触媒層２０および触媒層２２は、それぞれ異なる電極用の触媒により形成され、一方がアノード触媒層であり、他方がカソード用触媒層である。たとえば、触媒層２０がアノード触媒層であり、触媒層２２がカソード触媒層である。

触媒層２０は基材３０上に保持され、触媒層２２は基材３２上に保持されている。基材３０、３２は、テフロン（登録商標）シートなどの樹脂フィルムである。基材３０、３２上に、それぞれ、アノード触媒およびカソード触媒をスプレー塗布またはインク塗工することで、触媒層２０および触媒層２２を基材３０、３２上に形成できる。

電解質膜１０および基材３０、３２は、触媒層２０、２２が電解質膜１０に接するように、治具４０内に積層される。電解質膜１０および基材３０、３２は、積層方向から見て、所定の誤差内で同じ形状および大きさに形成されている。

治具４０は、位置決め部材４１と、保持部材４２とを有する。位置決め部材４１と、保持部材４２はそれぞれ、後述する加圧装置による加圧に耐えうる強度、硬度を有する材料、たとえば、鉄などの金属により形成される。

位置決め部材４１は、電解質膜１０および基材３０、３２を、積層方向から見て同じ位置に配置するように、平面方向の位置を決める枠形状の内壁４１２を有する。換言すると、内壁４１２は、電解質膜１０および基材３０、３２の外形と所定の誤差内で合致する形状を有し、電解質膜１０および基材３０、３２を積層する際のガイドの役割も果たす。内壁４１２は、底部４１４により積層方向の一端が閉鎖されている。なお、位置決め部材４１の内壁４１２と底部４１４とは、分離可能に形成されていてもよい。この場合、たとえば、内壁４１２と底部４１４とは係止部材により互いに位置が固定されてもよいし、固定されなくてもよい。

保持部材４２は、位置決め部材４１と合致する形状を有し、位置決め部材４１内に配置された電解質膜１０および基材３０、３２上に蓋体として載置できる。保持部材４２は、自身の重みにより、位置決め部材４１と共に電解質膜１０および基材３０、３２を積層方向から保持する。また、保持部材４２は、後述する別体の加圧装置からの加圧力を受け、電解質膜１０および基材３０、３２に伝達する。

本実施形態では、位置決め部材４１および保持部材４２により、電解質膜１０および基材３０、３２を挟持する際、位置決め部材４１内に、金属製底板４３および緩衝材４４も配置している。金属製底板４３は、位置決め部材４１に最初に配置され、位置決め部材４１の底部４１４を補強すると共に、均等な圧力を電解質膜１０等に伝える。金属製底板４３上には、緩衝材４４が配置される。緩衝材４４は、たとえば、ウレタンやゴムなどの弾性体により形成される。緩衝材４４は、加圧されると圧縮されながら、電解質膜１０に触媒層２０を押しつける。緩衝材４４は、基材３２と保持部材４２との間にも配置される。

以上のように、電解質膜１０に触媒層２０、２２を転写するために、治具４０内に各構成が順に投入され、位置決め部材４１の内壁４１２に従って位置決めされ収納される。

図３は、電解質膜に触媒層を転写するための各構成が治具内に収納された様子を示す図である。

図３に示すように、電解質膜１０および基材３０、３２等の各構成が治具４０内に収納された状態では、保持部材４２を除く構成による積層物５０は、位置決め部材４１の内壁の高さよりも低く収まる。したがって、積層物５０に含まれる各構成は、全て位置決め部材４１により適切に位置決めされた状態となっている。一方、保持部材４２の一部は、位置決め部材４１の内壁４１２よりも外部に突出している。つまり、位置決め部材４１の内壁の高さをＨ、保持部材４２を除く積層物５０の高さをＬ１、保持部材４２の厚みをＰとすると、Ｈ＜Ｌ１＋Ｐ、Ｈ＞Ｌ１の関係が成り立つ。

この状態で、積層物５０を保持した治具４０は、治具４０とは別体の加圧装置６０により加圧可能である。積層体を保持した治具４０は、図示しない搬送台やロボットアーム等によって加圧装置６０にセットできる。

図４は、加圧装置により治具内の積層物を加熱プレスする様子を示す図である。

図４に示すように、治具４０は、加圧装置６０にセットされた後、加熱プレスされる。加圧装置６０の上下の型６２、６４の少なくとも一方は、加熱可能に構成されており、加熱プレスの際には所定の温度に加熱される。型６２、６４を加熱する構成としては、たとえば、型内に配置された電熱線や、温風等の媒体の流通用に型内に形成された流通経路が考えられる。また、型６２、６４の少なくとも一方には、温度を測定する温度センサーが設けられている。温度センサーは、型の温度を測定することにより、治具４０内の積層物５０の温度を測定できる。

加圧装置６０により加圧が実行されると、図４の積層物５０’として示すように緩衝材４４が圧縮されて、電解質膜１０および基材３０、３２上の触媒層２０、２２に均等に圧力が伝達される。ここで、位置決め部材４１の内壁の高さをＨ、加圧された積層物５０の高さをＬ２、保持部材４２の厚みをＰとすると、Ｈ≦Ｌ２＋Ｐの関係が成り立つ。Ｈ＝Ｌ２＋Ｐとなった時点で、電解質膜１０への触媒層２０、２２の転写に必要な加圧力が得られるように、保持部材４２、緩衝材４４等の厚みを設計しておくことが好ましい。これにより、所望の圧力に到達した時点で位置決め部材４１に型６２が突き当たり、過圧縮を防止できる。

以上のように、治具４０内に必要な構成を配置し、加熱プレスすることで、触媒層２０、２２を電解質膜１０に転写印刷する。ここで、本実施形態では、上記の加熱プレスの際の圧力および温度および時間を管理する。以下に、圧力および温度管理について説明する。

図５は、加熱プレスによる触媒層の転写における圧力および温度の推移を示す図である。図５では、上段に触媒層の転写を工程順に示し、中段に積層物５０（５０’）にかかる圧力の推移、下段に積層物５０（５０’）の温度の推移を示している。

まず、組立工程として、治具４０に、電解質膜１０や、触媒層２０、２２が形成された基材３０、３２等の構成が配置される。この時点では、電解質膜１０等の積層物５０には圧力がかかっておらず、加熱もされていない。組立工程は、図示しないロボットや搬送装置により自動で実行されても、また、作業者により手動で実行されてもよい。

充填工程として、全ての構成について、治具４０内への配置が完了される。全ての構成は、位置決め部材４１により積層方向からみた位置が一定に位置決めされている。充填工程が完了した時点では、保持部材４２の重みによる圧力が、治具４０内の積層物５０にかかる。積層物５０は加熱されていない。

充填工程が完了すると、熱圧着工程として、治具４０が加圧装置６０にセットされ、型６２、６４により積層方向の両側から加熱プレスされる。この工程では、積層物５０は、触媒層２０、２２が基材３０、３２から電解質膜１０に転写されるのに十分な所定の圧力により所定時間加圧される。電解質膜１０および触媒層２０、２２が十分密接に接合できる条件であれば特に制限されないが、加圧力は、電極面に対して０．５〜５ＭＰａ、加圧時間は１〜１０分で行なうのが好ましい。これにより、電解質膜１０および触媒層２０、２２の接合性を高めることができる。また、型６２等から積層物５０に対する加熱温度は、基材３０、３２から電解質膜１０に転写されるのに十分な第１の温度である。第１の温度は、１００℃以上であり、電解質膜１０の軟化点以下の温度である。積層物５０は、加圧開始前に第１の温度まで加熱されてもよいし、加圧中に第１の温度まで達してもよい。

圧着工程が完了すると、放冷工程として、加圧装置６０による加圧力は維持したまま、積層物５０に対する加熱が停止される。加圧力は維持したままなので、治具４０は型６２、６４により積層方向両側から加圧された状態が続く。ここで、型６２、６４による加熱は停止されているものの余熱が残っているので、積層物５０は徐々に放熱される。加圧を維持している間、加熱していた型６２、６４の温度が温度センサーにより計測される。加圧は、型６２、６４の温度が第２の温度に下がるまで維持される。第２の温度は、室温（たとえば２８℃）以上であり、第１の温度未満の温度である。

第２の温度まで低下すると、取出工程として、加圧装置６０による加圧が停止され、積層物５０を含む治具４０が、加圧装置６０から取り出される。取り出された治具４０は、加圧装置６０とは別の保管場所に保管される。加圧装置６０による加圧から解放され、かつ型６２、６４の余熱の影響がなくなるので、積層物５０は、放冷工程よりも早く冷却される。積層物５０には、治具４０の保持部材４２の重量による加圧力は残っている。

取出工程後、解体工程として、積層物５０が治具４０から取り出される。積層物５０には圧力の負荷がなくなる。

続けて、剥離工程として、積層物５０から緩衝材４４が取り除かれ、さらに、基材３０、３２が剥がされる。触媒層２０、２２は、電解質膜１０に転写されており、基材３０、３２から剥がれて、電解質膜１０上に残る。

以上のように、転写印刷時の温度や、圧力の保持時間などのパラメーターも、所望の触媒層の転写印刷には重要である。本発明者らは、転写印刷時の温度および圧力の保持時間を管理すれば、触媒層の転写不良がなく適切に転写できることを見出し、上記のパラメーターにより温度や圧力を制御することとした。

説明した本実施の形態は、以下の効果を奏する。

本実施形態では、所定時間が経過するまでは第１の温度により加熱プレスを継続するので、確実に電解質膜１０上に触媒層２０、２２を転写印刷できる。第１の温度が電解質膜１０の軟化点以下に設定されているので、電解質膜１０が軟化しすぎて材料が溶け出すことがなく、ＭＥＡが不良品となってしまうことを防止できる。第１の温度が１００℃以上に設定されているので、電解質膜１０の相対湿度が高くなり過ぎて、電解質膜１０中の残留水分が多くなり過ぎることがない。残留水分の影響により、触媒層２０、２２の転写不良が発生することを防止できる。

また、本実施形態では、第１の温度により加熱プレスした後、加熱を停止しつつ、放冷により第２の温度に下がるまで加圧は継続する。したがって、冷却により電解質膜１０等が収縮する間も加圧は継続されるので、電解質膜１０や触媒層２０、２２が変形することなく、安定的な転写印刷を実現できる。第２の温度が第１の温度未満に設定されているので、電解質膜１０および触媒層２０、２２の形状が安定するまでは冷却され、電解質膜１０への触媒層２０の固着を確実にできる。また、第２の温度が室温以上に設定されているので、相対温度が高くなり過ぎて結露より電解質膜１０が膨潤することがなく、膨潤した電解質膜１０を加圧することもない。結果として、膨潤した触媒を加圧して、電解質膜１０と触媒層２０、２２との接合が不安定になることを防止できる。

放冷が完了すると、放冷時よりも緩やかに室温まで低下するまで、治具４０が加圧装置６０とは別の保管場所に保管される。取出工程では、加熱プレス済の治具４０は加圧装置６０を占拠しないので、次の加熱プレスのために別の積層物５０が収納された治具４０を加圧装置６０にセットして熱圧着工程および放冷工程を実行できる。工程を並行して実行できるので、生産効率を向上できる。

治具４０の位置決め部材４１は、積層物５０に含まれる電解質膜１０、基材３０、３２等の各構成に合致する内壁４１２を有している。したがって、内壁４１２にガイドされつつ、位置決め部材４１内に各構成が配置され、積層方向から見て同じ位置に各構成が正確に位置決めされる。正確に位置決めされた状態で、保持部材４２が内壁４１２にガイドされて加圧装置６０の加圧力を伝達するので、電解質膜１０上の正確な位置に触媒層２０、２２を確実に転写できる。

なお、上記実施形態では、加熱プレスの際および加熱プレス後の温度および圧力を制御している。ＭＥＡを構成する部材については、燃料電池の分野において従来公知の構成がそのまま、または適宜改良されて採用されうる。以下、参考までに電解質膜および触媒層の典型的な形態について説明するが、本発明の技術的範囲が下記の形態のみに限定されることはない。

［触媒層］
触媒層は、実際に反応が進行する層である。具体的には、アノード側触媒層では水素の酸化反応が進行し、カソード側触媒層では酸素の還元反応が進行する。触媒層は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性担体、およびプロトン伝導性の高分子電解質を含む。

アノード側触媒層に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、カソード側触媒層に用いられる触媒成分もまた、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、およびそれらの合金等などから選択される。ただし、その他の材料が用いられてもよいことは勿論である。これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金が３０〜９０原子％、合金化する金属が１０〜７０原子％とするのがよい。カソード側触媒として合金を使用する場合の合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり、当業者が適宜選択できるが、白金が３０〜９０原子％、合金化する他の金属が１０〜７０原子％とすることが好ましい。なお、合金とは、一般に金属元素に１種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、アノード触媒層に用いられる触媒成分およびカソード触媒層に用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択できる。本明細書の説明では、特記しない限り、アノード触媒層およびカソード触媒層用の触媒成分についての説明は、両者について同様の定義であり、一括して、「触媒成分」と称する。しかしながら、アノード触媒層およびカソード触媒層の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択される。

触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状および大きさが使用できるが、触媒成分は、粒状であることが好ましい。この際、触媒粒子の平均粒子径は、好ましくは１〜３０ｎｍ、より好ましくは１．５〜２０ｎｍ、さらに好ましくは２〜１０ｎｍ、特に好ましくは２〜５ｎｍである。触媒粒子の平均粒子径がかような範囲内の値であると、電気化学反応が進行する有効電極面積に関連する触媒利用率と担持の簡便さとのバランスが適切に制御されうる。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒子径」は、Ｘ線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値として測定されうる。

導電性担体は、上述した触媒成分を担持するための担体、および触媒成分との電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。

導電性担体としては、触媒成分を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、充分な電子伝導性を有しているものであればよく、主成分がカーボンである炭素系材料であることが好ましい。具体的には、カーボンブラック、黒鉛化処理したカーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンおよびカーボンフィブリル構造体などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、「実質的に炭素原子からなる」とは、２〜３質量％程度以下の不純物の混入が許容されうることを意味する。

導電性担体のＢＥＴ窒素比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに充分な比表面積であればよいが、好ましくは２０〜１６００ｍ^２／ｇ、より好ましくは８０〜１２００ｍ^２／ｇである。導電性担体の比表面積がかような範囲内の値であると、導電性担体上での触媒成分の分散性と触媒成分の有効利用率とのバランスが適切に制御されうる。

導電性担体のサイズについても特に限定されないが、担持の簡便さ、触媒利用率、電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、一次粒子の平均粒子径を５〜２００ｎｍ、好ましくは１０〜１００ｎｍ程度とするとよい。

電極触媒において、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは１０〜８０質量％、より好ましくは３０〜７０質量％である。触媒成分の担持量がかような範囲内の値であると、導電性担体上での触媒成分の分散度と触媒性能とのバランスが適切に制御されうる。なお、触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法（ＩＣＰ）によって測定されうる。

また、担体への触媒成分の担持は公知の方法で行うことができる。例えば、含浸法、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル（マイクロエマルジョン法）などの公知の方法が使用できる。

本発明において、電極触媒は市販品を使用してもよい。このような市販品としては、例えば、田中貴金属工業株式会社製、エヌ・イー・ケムキャット株式会社製、Ｅ−ＴＥＫ社製、ジョンソンマッセイ社製などの電極触媒が使用できる。これらの電極触媒は、カーボン担体に、白金や白金合金を担持（触媒種の担持濃度、２０〜７０質量％）したものである。上記において、カーボン担体としては、ケッチェンブラック、バルカン、アセチレンブラック、ブラックパール、予め高温で熱処理した黒鉛化処理カーボン担体（例えば、黒鉛化処理ケッチェンブラック）、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンファイバー、メソポーラスカーボンなどがある。

上述したように、電極触媒のＢＥＴ窒素比表面積は、親水性多孔質層に含まれる導電性材料のＢＥＴ比表面積よりも大きいことが好ましい。また、上述したように、触媒層の厚さは、隣接する親水性多孔質層の厚さよりも厚いことが好ましい。

触媒層には、電極触媒に加えて、イオン伝導性の高分子電解質が含まれる。当該高分子電解質は特に限定されず従来公知の知見が適宜参照されうるが、例えば、上述した高分子電解質膜を構成するイオン交換樹脂が前記高分子電解質として触媒層に添加されうる。触媒層が親水性多孔質層である場合には、イオン伝導性材料として、上記高分子電解質が用いられる。

触媒層の厚みは、水素の酸化反応（アノード側）及び酸素の還元反応（カソード側）の触媒作用が十分発揮できる厚みであれば特に制限されず、従来と同様の厚みが使用できる。具体的には、各触媒層の厚みは、１〜１０μｍが好ましい。また、基材上への触媒インクの塗布方法は、特に制限されず、スクリーン印刷法、沈積法、あるいはスプレー法などの公知の方法が同様にして適用できる。

基材としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）シート、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）シート等の、ポリエステルシートなどの公知のシートが使用できる。なお、基材は、使用する触媒インク（特にインク中のカーボン等の導電性担体）の種類に応じて適宜選択される。

［電解質膜］
電解質膜は、イオン交換樹脂から構成され、ＰＥＦＣの運転時にアノード側触媒層で生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード側触媒層へと選択的に透過させる機能を有する。また、電解質膜は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。

電解質膜の具体的な構成は特に制限されず、燃料電池の分野において従来公知の電解質膜が適宜採用されうる。電解質膜は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質膜と炭化水素系高分子電解質膜とに大別される。フッ素系高分子電解質膜を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−ｇ−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。耐熱性、化学的安定性などの発電性能上の観点からはこれらのフッ素系高分子電解質膜が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜が用いられる。

前記炭化水素系電解質として、具体的には、スルホン化ポリエーテルスルホン（Ｓ−ＰＥＳ）、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン（Ｓ−ＰＥＥＫ）、スルホン化ポリフェニレン（Ｓ−ＰＰＰ）などが挙げられる。原料が安価で製造工程が簡便であり、かつ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系高分子電解質膜が好ましく用いられる。なお、上述したイオン交換樹脂は、１種のみが単独で用いられてもよいし、２種以上が併用されてもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよいことは勿論である。

電解質膜の厚さは、得られるＭＥＡやＰＥＦＣの特性を考慮して適宜決定すればよく、特に制限されない。ただし、高分子電解質膜の厚さは、好ましくは５〜３００μｍであり、より好ましくは１０〜２００μｍであり、さらに好ましくは１５〜１５０μｍである。厚さがかような範囲内の値であると、製膜時の強度や使用時の耐久性、および使用時の出力特性のバランスが適切に制御されうる。

本出願は、２０１２年７月２日に出願された日本特許出願番号２０１２−１４８７９１号に基づいており、それらの開示内容は、参照され、全体として、組み入れられている。

１０ 電解質膜、
２０、２２ 触媒層、
３０、３２…基材、
４０…治具、
４１…位置決め部材、
４１２…内壁、
４１４…底部、
４２…保持部材、
４３…金属製底板、
４４…緩衝材、
５０…積層物、
６０…加圧装置、
６２、６４…型。

Claims (5)

1. 基材上に形成された触媒層が電解質膜に接するように、前記基材および前記電解質膜を相互に積層し、積層物を形成する工程と、
   前記積層物を加圧装置にセットし、積層方向から当該加圧装置により加圧する工程と、
   前記積層物を第１の温度まで加熱する工程と、
   加圧を開始して所定時間経過後に加熱を停止する工程と、
   加熱の停止後、前記触媒層の温度が前記第１の温度よりも低く、室温よりも高い第２の温度以下になった時、前記加圧装置による加圧を停止する工程と、
   前記積層物を前記加圧装置から取り外し、前記第２の温度以下の室温に設定された別の保管場所に保管する工程と、
   を含む触媒層の転写方法。
2. 前記第１の温度は、１００℃以上、前記電解質膜の軟化点温度以下に設定される請求項１に記載の転写方法。
3. 前記積層物として積層される同じ形状の前記基材および前記電解質膜を載置する底部と、当該底部から直立し、前記基材および前記電解質膜を積層方向から見て同じ位置に配置するように位置決めする枠形状の内壁と、を有する位置決め部材と、
   前記枠形状の内壁に合致する形状を有し、前記内壁内に収容される前記積層物を前記底部と共に積層方向から挟持し、別体の加圧装置による加圧力を前記積層物に伝達する保持部材と、
   を有する請求項１または請求項２に記載の転写方法に用いる治具。
4. 加圧前の前記積層体の厚みは前記内壁の高さよりも小さく、前記保持部材の厚みおよび加圧前の前記積層体の厚みの合計は前記内壁の高さよりも大きい請求項４に記載の治具。
5. 当該内壁の高さと、加圧後の前記積層体の厚みおよび前記保持部材の厚みの合計とが等しくなった時点で、前記電解質膜への前記触媒層の転写に必要な加圧力が得られるように、前記内壁の高さが設計されている請求項６に記載の治具。

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