催化劑轉(zhuǎn)印膜用基材膜和其制造方法、催化劑轉(zhuǎn)印膜的制造方法、帶催化劑層電解質(zhì)膜的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在固體高分子型燃料電池中使用的催化劑轉(zhuǎn)印膜用基材膜和其制造方法、在該催化劑轉(zhuǎn)印膜用基材膜上形成有電極(陽極或者陰極)用的催化劑層的催化劑轉(zhuǎn)印膜的制造方法、以及帶催化劑層電解質(zhì)膜的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池是通過使氫氣等燃料和空氣等氧化劑發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而將燃料的化學(xué)能變換成電能而取出的發(fā)電方式。該發(fā)電方式由于發(fā)電效率較高、靜音性優(yōu)越、成為大氣污染的原因的N0x、S0x和成為地球變暖的原因的C02的排出量較少等優(yōu)點，作為新能源而被期待。應(yīng)用該燃料電池的例子，包括便攜電氣設(shè)備的長時間電力供給、熱電聯(lián)供用固定型發(fā)電溫水供給機、以及燃料電池汽車等，用途和規(guī)模均多種多樣。
[0003]燃料電池的種類，根據(jù)所使用的電解質(zhì)不同而分類成固體高分子型、磷酸型、熔融碳酸鹽型、固體氧化物型、堿型等，各自的運轉(zhuǎn)溫度存在較大差異，與之相伴，發(fā)電規(guī)?；驊?yīng)用領(lǐng)域也不同。
[0004]將陽離子交換膜作為電解質(zhì)膜而使用的燃料電池，被稱為固體高分子型燃料電池，因為在燃料電池中也能夠以比較的低的溫度工作，另外，通過使電解質(zhì)膜薄膜化而能夠降低內(nèi)部電阻，因此能夠高輸出化且使結(jié)構(gòu)緊湊，有望在車輛搭載電源或家庭放置用電源等中使用。
[0005]固體高分子型燃料電池是下述的電池:以一對隔板夾持接合體，其中，該接合體是向被稱為帶催化劑層電解質(zhì)膜(Catalyst Coated Membrane ；CCM)的固體高分子的電解質(zhì)膜的兩面配置一對電極催化劑層而形成的，該一對隔板形成用于向所述電極的一方提供含有氫氣的燃料氣體、向所述電極的另一方提供含有氧氣的氧化劑氣體的氣體流路。將由該一對隔板夾持的電池稱為單體電池。
[0006]固體高分子型燃料電池以增大輸出密度和使燃料電池整體的結(jié)構(gòu)緊湊為目的，將單體電池層疊多層(堆疊)使用。堆疊的片數(shù)根據(jù)所需要的電力而不同，在一般的便攜電氣設(shè)備的便攜式電源中是幾片到10片左右，在熱電聯(lián)供用固定型電力和溫水供給機中是60?90片左右，在汽車用途中是250?400片左右。為了高輸出化而需要增加堆疊片數(shù)，單體電池的成本對燃料電池整體的成本造成較大影響。從工藝成本的觀點出發(fā)，優(yōu)選部件數(shù)量少且組裝容易的帶催化劑層電解質(zhì)膜結(jié)構(gòu)。
[0007]作為帶催化劑層電解質(zhì)膜的制造方法之一，被稱為轉(zhuǎn)印法的制造方法受到關(guān)注。
[0008]在該轉(zhuǎn)印法中，制作在基材膜上形成有催化劑層的催化劑轉(zhuǎn)印膜，以催化劑朝向?qū)χ玫姆绞綄⒃摯呋瘎┺D(zhuǎn)印膜配置于電解質(zhì)膜的兩面而實施熱壓。接著，通過僅剝離基材膜而在電解質(zhì)膜上形成催化劑層，從而制作帶催化劑層電解質(zhì)膜。
[0009]但是，帶催化劑層電解質(zhì)膜的催化劑層的形狀(圖案)根據(jù)使用用途而多樣，要求形成期望形狀(圖案)的催化劑層。
[0010]在專利文獻1、專利文獻2中，在從催化劑轉(zhuǎn)印膜向電解質(zhì)膜轉(zhuǎn)印催化劑層時，通過事先在形成有比期望形狀的催化劑層大一圈尺寸的催化劑層的催化劑轉(zhuǎn)印膜和電解質(zhì)膜之間隔著具有規(guī)定的開口部的掩模材料進行轉(zhuǎn)印，從而制作形成有期望形狀的催化劑層的帶催化劑層電解質(zhì)膜。
[0011]專利文獻1:日本特開2008-77984號公報
[0012]專利文獻2:日本特開2008-77986號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]但是，在專利文獻1、專利文獻2中，形成于催化劑轉(zhuǎn)印膜上的催化劑層最終比轉(zhuǎn)印于電解質(zhì)膜的催化劑層的尺寸大一圈，催化劑層的損耗較大。因為在催化劑層中含有鉑等貴金屬催化劑，因此存在由催化劑層的損耗而導(dǎo)致帶催化劑層電解質(zhì)膜的制作成本上升的問題。
[0014]另外，在專利文獻1、專利文獻2中，因為經(jīng)由掩模材料進行熱壓，因此掩模材料有可能因為熱壓而損傷，由此除了催化劑轉(zhuǎn)印膜的基材膜之外，還存在掩模材料也成為輔助材料的問題。
[0015]而且，在專利文獻1、專利文獻2中，存在當(dāng)熱壓時有可能向掩模材料和催化劑層重疊的區(qū)域施加過量的力，對電解質(zhì)膜造成損傷的問題。另外，在為了抑制向掩模材料和催化劑層重疊的區(qū)域施加過量的力而減弱加壓壓力的情況下，存在有可能產(chǎn)生轉(zhuǎn)印不良的問題。
[0016]本發(fā)明就是鑒于上述問題而完成的，其目的在于提供一種對催化劑的損耗、輔助材料進行抑制的催化劑轉(zhuǎn)印膜用基材膜和使用了該基材膜的催化劑轉(zhuǎn)印膜，并且提供當(dāng)熱壓時不會產(chǎn)生固體高分子電解質(zhì)膜的損傷、不會產(chǎn)生在減弱加壓壓力的情況下的轉(zhuǎn)印不良的帶催化劑層電解質(zhì)膜、以及它們的制造方法。
[0017]本發(fā)明為了解決所述課題而采用了以下結(jié)構(gòu)的催化劑轉(zhuǎn)印膜用基材。
[0018]本發(fā)明的第一方式是一種在催化劑轉(zhuǎn)印膜中使用的基材膜，該催化劑轉(zhuǎn)印膜具有基材膜和在該基材膜的一個面上由催化劑墨水形成的催化劑層，該催化劑轉(zhuǎn)印膜將所述催化劑層轉(zhuǎn)印到固體高分子電解質(zhì)膜上，其特征在于，在為了使所述催化劑層形成為目標(biāo)圖案而事先設(shè)定的目標(biāo)區(qū)域的周緣區(qū)域，設(shè)置由與所述催化劑墨水不具有親和性的表面處理材料形成的周緣層。
[0019]也可以是，本發(fā)明的第二方式使所述表面處理材料為疏水性的表面處理材料。
[0020]也可以是，本發(fā)明的第三方式使所述疏水性的表面處理材料為硅烷偶聯(lián)劑。
[0021]也可以是，本發(fā)明的第四方式使所述目標(biāo)區(qū)域的水接觸角小于或等于15度，并且使所述包覆區(qū)域的水接觸角大于或等于100度。
[0022]本發(fā)明的第五方式是一種催化劑轉(zhuǎn)印膜用的基材膜的制造方法，其制作在催化劑轉(zhuǎn)印膜中使用的基材膜，該催化劑轉(zhuǎn)印膜具有基材膜和在該基材膜的一個面上由催化劑墨水形成的催化劑層，該催化劑轉(zhuǎn)印膜將所述催化劑層轉(zhuǎn)印到固體高分子電解質(zhì)膜上，其特征在于，該方法具有目標(biāo)區(qū)域形成工序，該工序為，在所述基材膜的一個面的整個面上，涂膜與所述催化劑墨水不具有親和性的表面處理材料后，去除為了使所述催化劑層形成為目標(biāo)圖案而事先設(shè)定的目標(biāo)區(qū)域上的表面處理材料。
[0023]也可以是，本發(fā)明的第六方式的特征在于，在所述第五方式中的所述目標(biāo)區(qū)域形成工序中去除所述表面處理材料的方法，為經(jīng)由在其表面加工形成有與所述目標(biāo)圖案相同圖案的光掩模，向所述一個面照射真空紫外光的方法。
[0024]本發(fā)明的第七方式，是一種催化劑轉(zhuǎn)印膜的制造方法，該催化劑轉(zhuǎn)印膜具有:通過所述第五或者第六方式所述的基材膜的制造方法制作的基材膜、和由催化劑墨水形成的催化劑層，該制造方法具有向所述目標(biāo)區(qū)域滴落所述催化劑墨水的催化劑墨水滴落工序。
[0025]也可以是，本發(fā)明的第八方式在所述第七方式所述的基材膜的制造方法中還具有去除所述目標(biāo)區(qū)域的周緣區(qū)域上的表面處理材料的去除工序。
[0026]也可以是，本發(fā)明的第九方式在所述第八方式所述的基材膜的制造方法中的所述去除工序中使去除所述表面處理材料的方法為向所述周緣區(qū)域照射真空紫外光的方法。
[0027]本發(fā)明的第十方式是一種帶催化劑層電解質(zhì)膜，其中，該帶催化劑層電解質(zhì)膜通過以下方式制作:使用通過所述第七?第九方式中任一方式所述的催化劑轉(zhuǎn)印膜的制造方法制作的催化劑轉(zhuǎn)印膜，將電極用的催化劑層轉(zhuǎn)印到固體高分子電解質(zhì)膜上。
[0028]本發(fā)明的第十一方式是根據(jù)所述第十方式所述的帶催化劑層電解質(zhì)膜，其中，形成于所述固體高分子電解質(zhì)膜的至少一個面上的所述催化劑層的周緣部中的最外側(cè)位置和最內(nèi)側(cè)位置的間隔小于或等于2.0 μπι。
[0029]發(fā)明的效果
[0030]根據(jù)本發(fā)明的使用了催化劑轉(zhuǎn)印膜用基材膜的催化劑轉(zhuǎn)印膜，因為能夠不使用作為輔助材料的掩模材料轉(zhuǎn)印而形成期望形狀的催化劑層，所以能夠?qū)崿F(xiàn)所產(chǎn)生的輔助材料的降低。
[0031]另外，在催化劑轉(zhuǎn)印膜的制作中，當(dāng)形成催化劑層時，在與催化劑墨水具有親和性的區(qū)域，僅涂膜催化劑墨水就形成期望圖案的催化劑層，因為沒有廢棄的墨水，因此沒有催化劑墨水的損耗，能夠?qū)崿F(xiàn)制作成本的降低。
[0032]而且，根據(jù)使用了本發(fā)明的催化劑轉(zhuǎn)印膜的帶催化劑層電解質(zhì)膜的制造方法，因為不經(jīng)由掩模材料而進行催化劑層的轉(zhuǎn)印，因此當(dāng)熱壓時能夠抑制對特定部位的過量的力的施加，能夠不產(chǎn)生固體高分子電解質(zhì)膜的損傷，能夠不產(chǎn)生當(dāng)減弱加壓壓力情況下的轉(zhuǎn)印不良而形成催化劑層。
【附圖說明】
[0033]圖1是用于按照工序的順序說明本發(fā)明的實施方式涉及的催化劑轉(zhuǎn)印膜的制造方法的示意圖。
[0034]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式涉及的轉(zhuǎn)印方法的帶催化劑層電解質(zhì)膜的制造方法的概要的剖視圖。
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