JP2019046570A - Membrane electrode assembly, fuel cell and electrolyte membrane for membrane electrode assembly - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池の性能の低下やばらつきを抑制しつつ、薄型化が可能な膜電極接合体を提供する。
【解決手段】電解質膜20の一方の面にアノード電極10、他方の面にカソード電極30が接合された膜電極接合体100であって、アノード電極10およびカソード電極30は、電解質膜20との重ね面の少なくとも一部の領域に形成され、触媒が担持された多孔質触媒層12、32と、電解質膜20との重ね面の反対面と多孔質触媒層12、32を連通するガス流路14、34と、を有し、電解質膜20は、多孔質触媒層12、32が凹部16、36を有する場合には凹部16、36に適合する凸部22を有する膜電極接合体。
【選択図】図1BThe present invention provides a membrane electrode assembly which can be thinned while suppressing deterioration and variation of the performance of a fuel cell.
A membrane electrode assembly 100 in which an anode electrode 10 is joined to one surface of an electrolyte membrane 20 and a cathode electrode 30 is joined to the other surface, wherein the anode electrode 10 and the cathode electrode 30 are connected to the electrolyte membrane 20. A gas flow path formed in at least a partial region of the overlapping surface and connecting the porous catalyst layer 12, 32 to the opposite surface of the overlapping surface of the porous catalyst layers 12, 32 carrying the catalyst and the electrolyte membrane 20 14 and 34, wherein the electrolyte membrane 20 has a convex portion 22 that fits into the concave portions 16 and 36 when the porous catalyst layers 12 and 32 have concave portions 16 and 36.
[Selected figure] Figure 1B
Description
本発明は、膜電極接合体、燃料電池および膜電極接合体用電解質膜に関し、特に一体型の薄型構造を有する燃料電池に好適に用いられる膜電極接合体に関する。 The present invention relates to a membrane electrode assembly, a fuel cell, and an electrolyte membrane for a membrane electrode assembly, and more particularly to a membrane electrode assembly suitably used for a fuel cell having an integral thin structure.
近年、各種電気機器の携帯化、小型化及び高性能化に伴い、その電源となる小型電池の性能向上への要求が高まっている。また、これらの発展に伴って電池の更なる薄型化が要求されている。 In recent years, with the portability, miniaturization, and high performance of various electric devices, there is an increasing demand for improvement in performance of small batteries serving as the power source. Further, along with these developments, further thinning of the battery is required.
小型化に適した電池としては、例えば、高分子電解質型の燃料電池が用いられており、各種研究開発が進められている。従来の高分子型燃料電池は、一般的に、燃料流路(セパレータ)、拡散層、触媒層、高分子型電解質膜、触媒層、拡散層、燃料流路(セパレータ)の7層構造を有するものが多い。また、従来の高分子型燃料電池では、炭素粉表面に微細な白金粒子を担持させた粉状の触媒が触媒層として用いられている。 As a battery suitable for downsizing, for example, a polymer electrolyte fuel cell is used, and various research and development have been advanced. A conventional polymer fuel cell generally has a seven-layer structure of a fuel flow channel (separator), a diffusion layer, a catalyst layer, a polymer electrolyte membrane, a catalyst layer, a diffusion layer, and a fuel flow channel (separator) There are many things. Further, in a conventional polymer fuel cell, a powdery catalyst in which fine platinum particles are supported on the surface of carbon powder is used as a catalyst layer.
しかし、この種の従来構造の燃料電池では、別工程で製造した触媒粉−電解質膜等、構成要素間の電気的接触抵抗を低減するため等の理由により、一対のセパレータで挟持された燃料電池を強い力で締め付ける必要がある。このため、燃料流路の強度確保の観点から従来の高分子型電池の薄型化にはおのずと限界があるといわれている。 However, in a fuel cell of this type of conventional structure, a fuel cell held by a pair of separators for the purpose of reducing the electrical contact resistance between components such as a catalyst powder-electrolyte membrane manufactured in a separate step Need to be tightened with a strong force. For this reason, it is said that there is an inherent limit to thinning the conventional polymer type battery from the viewpoint of securing the strength of the fuel flow channel.
一方、薄型化が可能で、かつ、高出力化も可能な燃料電池に用いられる構造体として、金属担持多孔質シリコンを用いた燃料電池用電極構造体が提案されている(特許文献1を参照)。 On the other hand, a fuel cell electrode structure using metal-supporting porous silicon has been proposed as a structure used for a fuel cell that can be thinned and can also increase the output (see Patent Document 1). ).
上記特許文献1に記載の金属担持多孔質シリコンを用いた燃料電池用電極構造体は、一方の面に多孔質層を有するシリコン基体をめっき液に浸漬し、シリコン基体の多孔質層に金属を析出させて触媒層を形成するものである。この電極構造体によれば、当該電極構造体で高分子電解質膜(Polymer Electrolyte Membrane)を挟みこむことによって厚さ300μm以下の燃料電池を構成することが可能である。
The electrode structure for a fuel cell using the metal-supporting porous silicon described in
この金属担持多孔質シリコンの製造には、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いることができる。MEMS技術とは、半導体集積回路などに使用される半導体製造プロセスや微細加工プロセスを利用し、機械的な機能と電気的な機能を合わせ持つ微小構造を製造する技術をいう。 A MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology can be used to manufacture this metal-supported porous silicon. The MEMS technology refers to a technology for manufacturing a microstructure having both a mechanical function and an electrical function by using a semiconductor manufacturing process or a microfabrication process used for a semiconductor integrated circuit or the like.
一方、特許文献2に記載の膜電極接合体は、多孔質膜の細孔内に電解質ポリマーが充填された電解質膜を有し、その一方面にアノード電極、他方面にカソード電極が接合され、前記電極のうち少なくとも一方がMEMS技術を用いて形成されている。 On the other hand, the membrane electrode assembly described in Patent Document 2 has an electrolyte membrane in which an electrolyte polymer is filled in pores of a porous membrane, and an anode electrode is bonded on one side and a cathode electrode is bonded on the other side. At least one of the electrodes is formed using MEMS technology.
ここで、特許文献1や特許文献2に記載の電極構造体を用いて燃料電池を作製するためには、高分子電解質膜と電極構造体を貼り合わせて接合する必要があるが、上記高分子電解質膜と電極構造体からなる膜電極接合体においては、次のような新規な課題があることが判明した。
Here, in order to manufacture a fuel cell using the electrode structures described in
すなわち、多孔質層を有するシリコン基体をめっき液に浸漬して多孔質触媒層を形成するに際し、形成された多孔質触媒層部分の少なくとも一部がシリコン基板面より数μmほど窪んでしまうことが分かった。そして、多孔質触媒層部分が窪んでしまうことにより、高分子電解質膜と電極構造体との間に空隙が生じやすくなる結果、これら部材間の密着性が低下してプロトン伝導が阻害され、高出力を得るための大面積化を図る上で、燃料電池の性能の低下やばらつきが引き起こされていることを見出した。 That is, when forming a porous catalyst layer by immersing a silicon substrate having a porous layer in a plating solution, at least a part of the formed porous catalyst layer portion may be recessed by several μm from the surface of the silicon substrate I understood. And, as the porous catalyst layer portion is depressed, a void is easily generated between the polymer electrolyte membrane and the electrode structure, and as a result, the adhesion between these members is lowered to inhibit proton conduction, which is high. In order to increase the area for obtaining the output, it has been found that the deterioration and the variation of the performance of the fuel cell are caused.
一方、堆積技術等により触媒層を形成する場合においては、触媒層がシリコン基板面から隆起する場合もあり(例えば、非特許文献1〜3参照)、この場合には、触媒層の隆起部以外の部分において、高分子電解質膜との間に空隙が生じやすくなるため上記と同様、あるいは隆起部が損傷する課題があることも見出した。
On the other hand, when the catalyst layer is formed by the deposition technique etc., the catalyst layer may rise from the surface of the silicon substrate (see, for example, non-patent
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池の性能の低下やばらつきを抑制しつつ、薄型化が可能な膜電極接合体、燃料電池および膜電極接合体用電解質膜を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a membrane electrode assembly, a fuel cell, and a membrane electrode assembly which can be thinned while suppressing deterioration and variation of the performance of the fuel cell. An object of the present invention is to provide an electrolyte membrane.
本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、上記電極構造体における多孔質触媒層に存在する凹部または凸部に適合した、凸部または凹部を有する電解質膜を採用することにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies, the present inventors have adopted the above-described problem by employing an electrolyte membrane having a convex portion or a concave portion, which is fitted to the concave portion or the convex portion present in the porous catalyst layer in the electrode structure. It has been found that it can be solved, and the present invention has been completed.
すなわち、本発明に係る膜電極接合体は、電解質膜の一方の面にアノード電極、他方の面にカソード電極が接合された膜電極接合体であって、
前記アノード電極および前記カソード電極のうち少なくとも一方は、前記電解質膜との重ね面の少なくとも一部の領域に形成され、触媒が担持された多孔質触媒層と、前記電解質膜との重ね面の反対面と前記多孔質触媒層を連通するガス流路と、を有し、
前記電解質膜は、前記多孔質触媒層が凹部を有する場合には前記凹部に適合する凸部を有し、前記多孔質触媒層が凸部を有する場合には前記凸部に適合する凹部を有することを特徴とする。
That is, a membrane electrode assembly according to the present invention is a membrane electrode assembly in which an anode electrode is bonded to one surface of an electrolyte membrane and a cathode electrode is bonded to the other surface,
At least one of the anode electrode and the cathode electrode is formed in at least a partial region of the overlapping surface with the electrolyte membrane, and the opposite of the overlapping surface with the porous catalyst layer supporting the catalyst and the electrolyte membrane A gas flow path communicating the surface with the porous catalyst layer,
The electrolyte membrane has a convex portion that fits into the concave portion when the porous catalyst layer has a concave portion, and has a concave portion that fits into the convex portion when the porous catalyst layer has a convex portion. It is characterized by
上記膜電極接合体における好ましい実施形態において、前記電解質膜は、多孔質高分子膜の孔内部に電解質ポリマーが充填されたものであることを特徴とする。 In a preferred embodiment of the above-mentioned membrane electrode assembly, the electrolyte membrane is characterized in that the inside of the pores of the porous polymer membrane is filled with the electrolyte polymer.
本発明に係る燃料電池は、上記膜電極接合体を用いたことを特徴とする。 A fuel cell according to the present invention is characterized by using the above-mentioned membrane electrode assembly.
本発明に係る膜電極接合体用電解質膜は、上記の膜電極接合体に用いられる電解質膜であって、前記電解質膜は、前記多孔質触媒層が凹部を有する場合には前記凹部に適合する凸部を有し、前記多孔質触媒層が凸部を有する場合には前記凸部に適合する凹部を有することを特徴とする。 The electrolyte membrane for a membrane electrode assembly according to the present invention is an electrolyte membrane used for the above membrane electrode assembly, and the electrolyte membrane fits in the recess when the porous catalyst layer has a recess. It has a convex part, and when the said porous catalyst layer has a convex part, it is characterized by having a concave part which adapts to the said convex part.
上記膜電極接合体用電解質膜における好ましい実施形態において、前記電解質膜は、多孔質高分子膜の孔内部に電解質ポリマーが充填されたものであることを特徴とする。 In a preferred embodiment of the above electrolyte membrane for membrane electrode assembly, the electrolyte membrane is characterized in that the inside of the pores of the porous polymer membrane is filled with the electrolyte polymer.
本発明に係る膜電極接合体用電解質膜の製造方法は、上記の膜電極接合体用電解質膜の製造方法であって、プラズマエッチングにより前記多孔質高分子膜に前記凹部または前記凸部を形成する工程と、前記凹部または前記凸部が形成された前記多孔質高分子膜に電解質ポリマーを充填する工程と、を有することを特徴とする。 The method of producing an electrolyte membrane for a membrane electrode assembly according to the present invention is the method of producing an electrolyte membrane for a membrane electrode assembly as described above, wherein the concave portion or the convex portion is formed in the porous polymer membrane by plasma etching. And a step of filling the porous polymer membrane in which the concave portion or the convex portion is formed with an electrolyte polymer.
上記膜電極接合体用電解質膜の製造方法における好ましい実施形態において、前記プラズマエッチングを行う際の温度として、110℃未満の温度でエッチングを行うことを特徴とする。 In a preferred embodiment of the method of manufacturing an electrolyte membrane for a membrane electrode assembly, the etching is performed at a temperature of less than 110 ° C. as a temperature at which the plasma etching is performed.
本発明に係る膜電極接合体の製造方法は、上記の膜電極接合体用電解質膜の製造方法を用いて電解質膜を製造する工程と、得られた前記電解質膜を前記アノード電極および前記カソード電極で挟み込みホットプレスする工程と、を有することを特徴とする。 The method for producing a membrane electrode assembly according to the present invention comprises the steps of producing an electrolyte membrane using the above method for producing an electrolyte membrane for membrane electrode assembly, the obtained electrolyte membrane as the anode electrode and the cathode electrode. And a step of sandwiching and hot pressing.
本発明によれば、上記電極構造体における多孔質触媒層に存在する凹部または凸部に適合した、凸部または凹部を有する電解質膜を採用することにより、高出力を得るための大面積化を図る上で、燃料電池の性能の低下やばらつきを抑制しつつ、薄型化が可能な膜電極接合体、燃料電池および膜電極接合体用電解質膜を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to achieve a large area for obtaining high output by adopting an electrolyte membrane having a convex portion or a concave portion adapted to a concave portion or a convex portion present in the porous catalyst layer in the electrode structure. Accordingly, it is possible to provide a membrane electrode assembly, a fuel cell, and an electrolyte membrane for a membrane electrode assembly which can be thinned while suppressing deterioration and variation of the performance of the fuel cell.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<膜電極接合体の基本構成>
図1Aは、本発明の一実施形態に係る膜電極接合体の端面図であり、図1Bは、その斜視図である。本実施形態に係る膜電極接合体100は、電解質膜20の一方の面にアノード電極10、他方の面にカソード電極30が接合されて構成される。アノード電極10およびカソード電極30は、電解質膜20との重ね面の少なくとも一部の領域に触媒が担持された多孔質触媒層12、32を各々有している。また、アノード電極10およびカソード電極30は、燃料または酸化剤の流路となるための、電解質膜20との重ね面の反対面と多孔質触媒層12、32を連通する貫通孔であるガス流路14、34を各々有している。
<Basic configuration of membrane electrode assembly>
FIG. 1A is an end view of a membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a perspective view thereof. The
また、アノード電極10およびカソード電極30における、電解質膜20との重ね面の反対面側には、発電された電気を集電するためのアノード側集電層18およびカソード側集電層38を各々有している。更に、多孔質触媒層12、32とアノード電極10またはカソード電極30との導通をより確実にするため、アノード電極10およびカソード電極30の電解質膜20との重ね面側には、多孔質触媒層12、32と接触するように集電体層19、39が形成されている。
Further, on the opposite side of the
上記膜電極接合体を用いた燃料電池の動作について説明する。アノード電極10に設けられたガス流路14に水素含有燃料が供給されると、水素含有燃料は多孔質触媒層12へ移動する。多孔質触媒層12に担持された白金などの触媒作用により、水素含有燃料中の水素分子は、電子と水素イオン(H+)に分解される。この電子は、多孔質触媒層12から集電体層19、アノード電極10、アノード側集電層18を経由し、外部導線(図示せず)を介して、カソード側集電層38、カソード電極30、集電体層39、多孔質触媒層32を経由して、電流が流れる。
The operation of a fuel cell using the above membrane electrode assembly will be described. When the hydrogen-containing fuel is supplied to the
一方、多孔質触媒層12で生成した水素イオン(H+)は、電解質膜20を介して多孔質触媒層32まで移動する。多孔質触媒層12で生成した水素イオン(H+)は、カソード電極30に設けられたガス流路34より供給され、多孔質触媒層32へ移動した空気などの酸化剤中の酸素と、外部導線を介して移動してきた電子と結合して、水(H2O)が生成される。
On the other hand, hydrogen ions (H + ) generated in the
ところで、MEMS技術を適用した上記電極構造体(アノード電極10またはカソード電極30)は、従来の燃料電池では別々の部分として構成されるセパレータ、ガス拡散層、触媒層を1枚のシリコン基板に一体形成されるものである。これにより、各層間の電気的導通を確保するために締結する工程がなくなり、薄型化を実現している。また、シリコン基板上に燃料流路を形成しており、かつ、触媒層に用いる白金などは多孔質形状となっているので、ガス拡散層の役割も担っている。
By the way, the above-mentioned electrode structure (
詳細は後述するが、この一体化された電極構造体を製造するに当たり、シリコン基板に多孔質触媒層を形成する必要がある。この際、シリコン基板をフッ酸溶液中で陽極酸化処理を行うことで、多孔質シリコン層を形成する。その後、フッ酸を添加した白金めっき液に多孔質シリコン層を浸漬させ多孔質白金層に改質する。 Although details will be described later, in order to manufacture this integrated electrode structure, it is necessary to form a porous catalyst layer on a silicon substrate. At this time, the porous silicon layer is formed by anodizing the silicon substrate in a hydrofluoric acid solution. Thereafter, the porous silicon layer is immersed in a platinum plating solution to which hydrofluoric acid has been added to reform it into a porous platinum layer.
この多孔質触媒層の形成において、本発明者らは、シリコンが白金に置換されることにより多孔質形状が収縮してしまい、形成された多孔質触媒層の少なくとも一部がシリコン基板面よりも数μmほど窪んでしまうことを見出した。 In the formation of the porous catalyst layer, the inventors of the present invention shrink the porous shape by substituting silicon for platinum, and at least a part of the formed porous catalyst layer is larger than the silicon substrate surface. I found that it was depressed several micrometers.
また、一体化された電極構造体を用いた燃料電池の実用化に向け、反応領域を拡大して出力を増大させようとした場合に、反応領域の拡大に伴い出力密度が激しくばらつき、性能が低下傾向にあることが分かった。本発明者らは、この性能低下の一因として、窪みが生じた多孔質触媒層と高分子電解質膜との間に空隙が生じやすくなる結果、これら部材間の密着性が低下してプロトン伝導が阻害されているものと考えた。 In addition, when the reaction area is expanded to increase the output for practical use of the fuel cell using the integrated electrode structure, the output density is greatly dispersed as the reaction area is expanded, and the performance is It turned out that it is on the decline tendency. The inventors of the present invention tend to form voids between the porous catalyst layer in which the depressions are formed and the polymer electrolyte membrane as a cause of the reduction in performance, and as a result, the adhesion between these members is reduced to cause proton conduction. Was considered to be inhibited.
そこで本実施形態にかかる膜電極接合体100においては、電極構造体における多孔質触媒層12、32に存在する凹部16、36に適合する形の凸部22を有する電解質膜20を採用する。
So, in the
これにより、たとえ多孔質触媒層12,32の一部に窪みが生じていたとしても、多孔質触媒層12、32の凹部16、36に適合して電解質膜20の凸部22が密着するため、多孔質触媒層12、32と電解質膜20との間の空隙を極力減らすことが可能となる。結果としてプロトン伝導性が良好となり、燃料電池の性能低下やばらつきを改善することができる。
As a result, even if a recess is formed in a part of the porous catalyst layers 12 and 32, the
なお、上記「適合する」とは、多孔質触媒層12、32の凹部16、36と電解質膜20の凸部22とは出来る限り隙間のないように重ね合わせることができるよう、電解質膜20の凸部22の表面形状が、多孔質触媒層12、32の凹部16、36の表面形状に倣っていることを示す。一方、多孔質触媒層12、32が凸部を有する場合には、電解質膜20の凹部の表面形状が、多孔質触媒層12、32の凹部の表面形状に倣っているという意味である。
The above “conforming” means that the
<膜電極接合体の詳細>
次に、上記構成の膜電極接合体100における各構成要素につき詳細に説明する。
<Details of membrane electrode assembly>
Next, each component in the
(電極)
本実施形態に係る膜電極接合体100のアノード電極10、カソード電極30(本明細書において、まとめて「電極」または「電極構造体」と呼ぶことがある。)は、電解質膜20との重ね面の少なくとも一部の領域に形成され、触媒が担持された多孔質触媒層12、32と、燃料または酸化剤の流路となるための、電解質膜20との重ね面の反対面と多孔質触媒層12、32を連通する貫通孔であるガス流路14、34を各々有する。そして、アノード電極10、カソード電極30は、上記MEMS技術を用いて形成されている。
(electrode)
The
これまで電極といえば、触媒層と拡散層が積層された二層構造を有しており、燃料や酸化剤を供給する流路を有するセパレータや、発電された電気を集電する集電体などは、別部材とされることが主流であった。 So far, the electrode has a two-layer structure in which a catalyst layer and a diffusion layer are stacked, and has a separator that has a flow path for supplying fuel or an oxidant, a current collector that collects generated electricity, etc. It was mainstream to be considered as a separate member.
しかし、上記MEMS技術を用いることで、極めて微小な構造を作り込むことが可能である。このため、従来の電極、セパレータ、集電体などのような別部材として各部材を作製する必要性も小さくなってきている。すなわち、触媒機能および拡散機能のみならず、燃料や酸化剤の供給機能や集電機能をも取り込んだ形で、一体部材として電極を作製することが可能である。 However, by using the above-described MEMS technology, it is possible to make an extremely minute structure. For this reason, the necessity of producing each member as a separate member like a conventional electrode, a separator, a current collector, etc. is also becoming smaller. That is, it is possible to manufacture an electrode as an integral member in a form incorporating not only the catalyst function and the diffusion function but also the supply function of the fuel and the oxidant and the current collection function.
なお、上記電極における多孔質触媒層12、32は、多孔質構造を有することで従来のガス拡散層としての機能を果たすだけでなく、白金などの触媒から構成されることから従来の触媒層としても機能も果たす。すなわち、多孔質触媒層12、32は、ガス拡散層兼触媒層として機能する。 In addition, the porous catalyst layers 12 and 32 in the above electrode not only fulfill the function as a conventional gas diffusion layer by having a porous structure, but are composed of a catalyst such as platinum and so on as a conventional catalyst layer. Perform both functions and functions. That is, the porous catalyst layers 12 and 32 function as a gas diffusion layer / catalyst layer.
ここで、多孔質触媒層12、32は、ガス流路14、34と接する面から電解質膜20と接する面まで貫通する貫通孔を多数有している。この多孔質層においては、少なくとも一部が上記貫通部分を有していれば、非貫通孔が存在していても構わない。
Here, the porous catalyst layers 12 and 32 have many through holes penetrating from the surface in contact with the
この場合、上記貫通孔は、多孔質層の表面に対してほぼ垂直に貫通していても良く、膜面に対して90°未満の角度で傾斜して貫通していても良い。また、蛇行、ジグザク状など、ランダムに貫通していても良い。 In this case, the through holes may penetrate substantially perpendicularly to the surface of the porous layer, or may penetrate at an angle of less than 90 ° with respect to the membrane surface. Moreover, it may penetrate at random, such as meandering and a zigzag shape.
上記貫通孔の断面形状は、特に限定されるものではない。貫通孔の断面形状としては、円形、楕円形、多角形、これらが連接された形、これらの組み合わせなどを例示することができる。 The cross-sectional shape of the through hole is not particularly limited. As a cross-sectional shape of the through hole, a circular shape, an elliptical shape, a polygonal shape, a shape in which these are connected, a combination of these, and the like can be exemplified.
上記多孔質触媒層12、32の空孔率の上限としては、高い機械的強度を確保し、触媒層の電気抵抗を低く保つなどの観点から、90%以下が好ましく、80%以下がより好ましく、75%以下が更に好ましい。一方、上記多孔質触媒層12、32の空孔率の下限としては、燃料などの供給、触媒層形成プロセスなどの観点から、20%以上が好ましく、30%以上がより好ましく、50%以上が更に好ましい。 The upper limit of the porosity of the porous catalyst layers 12 and 32 is preferably 90% or less, more preferably 80% or less, from the viewpoint of securing high mechanical strength and keeping the electric resistance of the catalyst layer low. , 75% or less is more preferable. On the other hand, the lower limit of the porosity of the porous catalyst layers 12 and 32 is preferably 20% or more, more preferably 30% or more, and 50% or more from the viewpoint of supply of fuel etc., catalyst layer formation process, etc. More preferable.
なお、上記空孔率は、多孔質触媒層12、32の原材料(白金などによる改質する前の材料)が多孔質シリコンの場合、陽極酸化による多孔質化前後の重量測定、および、断面観察による多孔質層の体積計測から求めることができる。 In the case where the raw material of the porous catalyst layers 12 and 32 (the material before being reformed by platinum etc.) is porous silicon, the above-mentioned porosity is the weight measurement before and after the porosification by anodic oxidation, and the cross-sectional observation It can be determined from volumetric measurement of the porous layer by
多孔質触媒層12、32の孔部径の上限としては、燃料透過性などの観点から、100μm以下が好ましく、10μm以下がより好ましい。一方、多孔質触媒層12、32の孔部径の下限としては、触媒層形成プロセスなどの観点から、10nm以上が好ましく、50nm以上がより好ましい。 The upper limit of the pore diameter of the porous catalyst layers 12 and 32 is preferably 100 μm or less, more preferably 10 μm or less, from the viewpoint of fuel permeability and the like. On the other hand, the lower limit of the pore diameter of the porous catalyst layers 12 and 32 is preferably 10 nm or more, more preferably 50 nm or more, from the viewpoint of the catalyst layer forming process and the like.
なお、上記孔部径は、電子顕微鏡観察により求めることができる。 In addition, the said hole diameter can be calculated | required by electron microscope observation.
上記電極構成において、触媒は、多孔質触媒層12、32の孔部表面に担持されている。あるいは、触媒金属自体が多孔質触媒層12、32を形成している。 In the above electrode configuration, the catalyst is supported on the surface of the pores of the porous catalyst layers 12 and 32. Alternatively, the catalyst metal itself forms the porous catalyst layers 12, 32.
上記触媒は、比較的安価なめっき技術を用いることができる点、触媒が孔部から脱落し難い点などの観点から、めっきにより孔部表面に担持されていることが好ましい。 The catalyst is preferably supported on the surface of the pore by plating, from the viewpoint that a relatively inexpensive plating technique can be used, and the catalyst is less likely to come off the pore.
上記触媒は、多孔質触媒層12、32上の全域に分布していても良いし、多孔質触媒層12、32の電解質膜20側の表面からガス流路14、34側に向かって、多孔質触媒層12、32の厚さに満たない距離にわたって分布しているなどしていても構わない。
The catalyst may be distributed over the entire area of the porous catalyst layers 12 and 32, or the surface of the porous catalyst layers 12 and 32 on the
触媒含有量の上限としては、10mg/cm2以下が好ましく、5mg/cm2以下がより好ましい。触媒含有量が多すぎると、白金などの触媒の粒径が大きくなり、触媒の重量当たりの利用効率が低下しやすい。一方、粒径を小さいままにする場合は触媒層を厚くしなければならず、電解質膜から遠い場所における触媒利用率が低下してしまう傾向があるからである。一方、触媒含有量の下限としては、性能維持の観点から、0.001mg/cm2以上が好ましく、0.01mg/cm2がより好ましい。 As an upper limit of catalyst content, 10 mg / cm < 2 > or less is preferable and 5 mg / cm < 2 > or less is more preferable. When the catalyst content is too high, the particle size of the catalyst such as platinum becomes large, and the utilization efficiency per weight of the catalyst tends to decrease. On the other hand, when the particle size is kept small, the catalyst layer must be thickened, and the catalyst utilization rate at a location far from the electrolyte membrane tends to decrease. On the other hand, the lower limit of the catalyst content, in terms of maintaining performance, preferably 0.001 mg / cm 2 or more, more preferably 0.01 mg / cm 2.
上記電極構成において、集電体層19、39は、多孔質触媒層12、32を形成した面に形成される。電極に多孔質触媒層12、32を形成しただけでは、多孔質触媒層12、32とシリコン基板(アノード電極10、カソード電極30)との導通が不確実であるため、発電時に生じた電子を十分に取り出せない可能性がある。そこで、金などの導電性薄膜を成膜することにより導通を確実にすることが目的である。
In the above electrode configuration, the current collector layers 19 and 39 are formed on the surface on which the porous catalyst layers 12 and 32 are formed. Since the conduction between the porous catalyst layers 12 and 32 and the silicon substrate (
このとき、多孔質触媒層12、32をすべて金などの薄膜で被覆してしまうと、燃料供給時に水素イオン(H+)がアノードからカソードに移動する際に障害となってしまう可能性があるため、多孔質触媒層12、32の少なくとも一部の領域に薄膜を形成する。 At this time, if the porous catalyst layers 12 and 32 are all covered with a thin film such as gold, there is a possibility that hydrogen ions (H + ) may become an obstacle when moving from the anode to the cathode at the time of fuel supply. Therefore, a thin film is formed on at least a part of the porous catalyst layers 12 and 32.
本実施形態に係る電極の材料としては、例えば、チタン、ニッケル、それらの合金などの導体材料、シリコン、ゲルマニウム、セレンの単体にイオンをドープしたものやGaAs、GaP、InP、CdTe、ZnSe、SiCなどの化合物半導体にイオンドープしたものなどの半導体材料などを好適なものとして用いることができる。好ましくは、半導体材料を好適に用いることができる。 As a material of the electrode according to the present embodiment, for example, conductor materials such as titanium, nickel, alloys thereof, silicon, germanium, selenium single substance doped with ions, GaAs, GaP, InP, CdTe, ZnSe, SiC A semiconductor material such as one obtained by ion doping a compound semiconductor such as, etc. can be used as a suitable one. Preferably, a semiconductor material can be used suitably.
半導体材料の中では、半導体加工技術を応用できる点と、加工がしやすいなどの観点や化合物半導体は割れやすいなどの観点から、シリコンを最も好適なものとして用いることができる。 Among semiconductor materials, silicon can be most preferably used from the viewpoint that semiconductor processing technology can be applied, from the viewpoint of easy processing, and from the viewpoint of compound semiconductors that are easily broken.
上記シリコンとして、例えばエッチング速度が比較的速いn型シリコンを好適に用いることができる。電気エネルギーのロスを小さくするなどの観点から、その抵抗率が好ましくは0.01Ω以下、より好ましくは、0.005Ω以下であるハイドープn型シリコンを最も好適に用いることができる。 As the silicon, for example, n-type silicon having a relatively high etching rate can be suitably used. From the viewpoint of reducing the loss of electrical energy, etc., highly doped n-type silicon having a resistivity of preferably 0.01 Ω or less, more preferably 0.005 Ω or less can be most preferably used.
上記触媒材料としては、白金、白金−ルテニウム合金、パラジウム、白金−コバルト合金、白金−鉄合金などの貴金属、貴金属合金を例示することができる。これらは1種でも良く、2種以上含まれていても良い。 Examples of the catalyst material include noble metals such as platinum, platinum-ruthenium alloy, palladium, platinum-cobalt alloy and platinum-iron alloy, and noble metal alloys. These may be used alone or in combination of two or more.
なお、カソード電極用の触媒としては、白金などを好適に用いることができる。また、アノード電極用の触媒としては、一酸化炭素による触媒の被毒を軽減しやすい、白金−ルテニウム合金などを好適に用いることができる。 In addition, platinum etc. can be used suitably as a catalyst for cathode electrodes. Moreover, as a catalyst for an anode electrode, platinum-ruthenium alloy etc. which are easy to reduce poisoning of the catalyst by carbon monoxide can be used suitably.
上記集電体層19、39用材料としては、銅、銀、金、白金、パラジウム、これらの合金、ステンレスなどを例示することができる。これらは1種でも良く、2種以上含まれていても良い。 Examples of materials for the current collector layers 19 and 39 include copper, silver, gold, platinum, palladium, alloys thereof, stainless steel, and the like. These may be used alone or in combination of two or more.
電極の厚みは、特に限定されるものではなく、軽量化や電気抵抗などを考慮して適宜設定することができる。電極の厚みの上限としては、軽量化、小型化などに有利であるなどの観点から、1mm以下が好ましい。一方、電極の厚みの下限としては、過度に薄くなると、燃料などの流路を確保し難くなったり、MEMSプロセス時のハンドリングが悪くなるなどの観点から、0.05mm以上が好ましい。 The thickness of the electrode is not particularly limited, and can be appropriately set in consideration of weight reduction, electric resistance, and the like. The upper limit of the thickness of the electrode is preferably 1 mm or less from the viewpoint of being advantageous for weight reduction, size reduction, and the like. On the other hand, the lower limit of the thickness of the electrode is preferably 0.05 mm or more from the viewpoint of difficulty in securing a flow path for fuel or the like when it is excessively thin, and poor handling in the MEMS process.
多孔質触媒層12、32の厚みの上限としては、厚くなりすぎると、抵抗が大きく、電池性能が低下するなどの観点から、100μm以下が好ましく、50μm以下がより好ましく、20μm以下が更に好ましい。一方、多孔質触媒層12、32の厚みの下限としては、薄すぎると強度が保てず崩壊しやすくなるなどの観点から、1μm以上が好ましく、2μm以上がより好ましく、5μm以上が更に好ましい。 The upper limit of the thickness of the porous catalyst layers 12 and 32 is preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less, and still more preferably 20 μm or less from the viewpoint of large resistance and large battery performance if the layer is too thick. On the other hand, the lower limit of the thickness of the porous catalyst layers 12 and 32 is preferably 1 μm or more, more preferably 2 μm or more, and still more preferably 5 μm or more from the viewpoint that when it is too thin, the strength is not maintained and the catalyst is easily collapsed.
集電体層19、39の厚みの上限としては、厚すぎるとめっき応力で破損しやすくなるなどの観点から、10μm以下が好ましく、1μm以下がより好ましい。一方、集電体層の厚みの下限としては、薄すぎると抵抗が発生するなどの観点から、10nm以上が好ましく、100nm以上がより好ましい。 The upper limit of the thickness of the current collector layers 19 and 39 is preferably 10 μm or less, more preferably 1 μm or less, from the viewpoint of being easily damaged by plating stress if the layer is too thick. On the other hand, the lower limit of the thickness of the current collector layer is preferably 10 nm or more, more preferably 100 nm or more, from the viewpoint that resistance is generated when the thickness is too thin.
上記電極における燃料の流路となるガス流路14および酸化剤の流路となるガス流路34の流路形状は、燃料または酸化剤を供給することができるものであれば、特に限定されるものではない。図1Aおよび図1Bに示すような流路形状以外に、燃料電池セパレータに良く用いられるサーペンタイン形状(シングルサーペンタイン、マルチサーペンタイン形状など)や、渦巻形状に形成されたガス流路などであっても良い。
The shape of the flow path of the
(電解質膜)
本実施形態に係る電解質膜20は、電極における多孔質触媒層12、32に存在する凹部16、36に適合する形の凸部22を有している。図1Aおよび図1Bに示す通り、本実施形態においては、電解質膜20の面内方向の中央部に円形状の凸部22が、電解質膜20の上下面それぞれに形成されている。
(Electrolyte membrane)
The
この凸部形状は、単に電解質膜20の表面に凸部22が形成されていれば良いものではなく、重ね合わされて接合される電極の多孔質触媒層12、32に生じた凹部16、36に適合する形を有することが重要である。また、電解質膜20の表面に微小な凹凸を設けることで、対向する電極との接触面積を増加させるものとは技術的思想が異なる。本構成を有することにより、上述の通り、多孔質触媒層12、32と電解質膜20との間の空隙を極力減らすことが可能となり、結果としてプロトン伝導性が良好となり、燃料電池の性能低下やばらつきを改善することができる。
The shape of the convex portion is not limited as long as the
なお、本実施形態においては多孔質触媒層12、32に凹部16、36が存在し、電解質膜に凸部22を形成したものを用いる場合を説明しているが、多孔質触媒層12、32の一部が盛り上がってしまうことにより多孔質触媒層12、32に凸部が存在する場合には、電解質膜20にはそれに適合する凹部を設けるものとする。
In the present embodiment, although the porous catalyst layers 12 and 32 have the
電解質膜20は、上記の凸部22を有するものであれば、例えばナフィオン(登録商標:デュポン社製)などの電解質膜単体から構成されるものであっても構わない。しかし、ナフィオン膜やこれと同等のフッ素系電解質膜は、アルコールや水を吸収して膨潤し、その表面積が増加しやすいという性質を有している。このため、多孔質触媒層12、32の凹部16、36に適合した形の凸部22を電解質膜20に設けた場合において、燃料電池の発電と停止の繰り返しにより電解質膜20が膨潤状態と乾燥状態に交互に曝され、その度に電解質膜20の表面積変化が生じる影響により、燃料電池の長期運転時には多孔質触媒層12、32と電解質膜20との間に空隙が生じてしまうおそれがある。また、MEMS技術により形成された電極が破損(劣化)してしまうおそれもある。
The
そこで、本実施形態の膜電極接合体100に用いる電解質膜20としては、上記凸部22を有する多孔質高分子膜の孔内部に電解質ポリマーが充填されたものであることが好ましい。この耐熱性や化学的安定性を有する多孔質基材マトリックスに電解質ポリマーを充填した電解質膜20によれば、多孔質基材が電解質膜20の強度を保持し、内部に充填する電解質ポリマーによって水素イオン伝導性を発現することができる。そして、数十〜数百nm以下の細孔に電解質が充填されているため、含水時における電解質膜20の膨潤が大きく抑制される。このため、多孔質触媒層12、32の凹部に適合した形の凸部22を有する電解質膜20として、多孔質高分子膜の孔内部に電解質ポリマーが充填されたものを用いれば、電解質膜20の膨潤を抑制することができ、結果として多孔質触媒層12、32の凹部16、36と電解質膜20の凸部22との密着性を損なわない。結果として、燃料電池のより長期的な運転が可能となる。
Therefore, as the
[多孔質高分子膜]
上記多孔質高分子膜としては、その内部に多数の微細空間(空孔)を有し、その微細空間が厚み方向一方面および他方面に連通しているポリオレフィン系膜が好適に用いられる。なお、凸部22を有する多孔質高分子膜は、後述する電解質膜の製造方法において、例えばプラズマエッチングにより製造され得るものであるが、この凸部22は、電極の多孔質触媒層12、32に対向してプロトン伝導を行う必要があるため、凸部22の表面の少なくとも一部は、その微細空間が厚み方向一方面および他方面に連通している必要がある。
[Porous polymer membrane]
As the porous polymer membrane, a polyolefin-based membrane having a large number of microspaces (voids) inside thereof and in which the microspaces communicate with one surface and the other surface in the thickness direction is suitably used. The porous polymer membrane having the
ポリオレフィン系多孔質膜を構成するポリオレフィンとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン−ポリプロピレンコポリマー、および、これらの混合物が挙げられる。ポリオレフィン系多孔質膜としては、好ましくは、耐久性の観点から、ポリエチレンを主成分として含有するポリエチレン系多孔質膜が挙げられる。 As polyolefin which comprises a polyolefin type porous membrane, polyethylene, a polypropylene, polyethylene-polypropylene copolymer, and these mixtures are mentioned, for example. The polyolefin-based porous membrane preferably includes, from the viewpoint of durability, a polyethylene-based porous membrane containing polyethylene as a main component.
ポリオレフィン系多孔質膜は、ポリオレフィン系膜を延伸して多孔化された延伸多孔質膜であってもよく、ポリオレフィン系膜を未延伸の状態で多孔化された未延伸多孔質膜であってもよい。好ましくは、機械的強度の観点からは、延伸多孔質膜が挙げられる。延伸多孔質膜としては、一軸方向に延伸された一軸延伸多孔膜、互いに直交する二軸方向に延伸された二軸延伸多孔膜が挙げられる。好ましくは、強度のバランスから、二軸延伸多孔膜が挙げられる。 The polyolefin-based porous membrane may be a stretched porous membrane obtained by stretching a polyolefin-based membrane to make it porous, or it may be an unstretched porous membrane obtained by forming a polyolefin-based membrane in a non-stretched state. Good. Preferably, in terms of mechanical strength, an expanded porous membrane is mentioned. Examples of the stretched porous membrane include uniaxially stretched porous membranes stretched in uniaxial directions, and biaxially stretched porous membranes stretched in biaxial directions orthogonal to each other. Preferably, from the balance of strength, a biaxially stretched porous membrane can be mentioned.
ポリオレフィン系多孔質膜は、単層のポリオレフィン系多孔質膜から構成されていてもよい。あるいは、複数のポリオレフィン系多孔質膜を有する多層多孔質膜、または、少なくとも1つのポリオレフィン系多孔質膜および他の多孔質膜を有する多層多孔質膜であってもよい。また、複数のポリオレフィンをブレンドした多孔質膜や、ポリオレフィンに無機物や耐熱性樹脂をブレンドした多孔質膜などを用いるのでもよい。 The polyolefin-based porous membrane may be composed of a single layer polyolefin-based porous membrane. Alternatively, it may be a multilayer porous membrane having a plurality of polyolefin porous membranes, or a multilayer porous membrane having at least one polyolefin porous membrane and another porous membrane. Alternatively, a porous membrane obtained by blending a plurality of polyolefins, or a porous membrane obtained by blending an inorganic substance and a heat resistant resin with polyolefin may be used.
ポリオレフィン系多孔質膜の空孔率は、例えば、10%以上、好ましくは、20%以上であり、また、例えば、80%以下、好ましくは、70%以下である。空孔率は、10cm×10cmのポリオレフィン系多孔質膜からなる試料を用意し、その試料体積(cm3)および質量(g)を測定し、「空孔率(%)=(1−質量/(樹脂密度×試料体積))×100」の式を用いて算出することができる。 The porosity of the polyolefin-based porous membrane is, for example, 10% or more, preferably 20% or more, and for example, 80% or less, preferably 70% or less. Porosity, providing a sample of the polyolefin porous membrane of 10 cm × 10 cm, and measuring the sample volume (cm 3) and mass (g), "porosity (%) = (1- Weight / It can calculate using the formula of (resin density x sample volume) x 100 ".
ポリオレフィン系多孔質膜の透気度(ガーレー値)は、例えば、1000秒/100cc以下、好ましくは、500秒/100cc以下であり、また、例えば、10秒/100cc以上、好ましくは50秒/100cc以上である。透気度は、JIS−P8117に準拠した方法により測定することができる。 The air permeability (Gurley value) of the polyolefin-based porous membrane is, for example, 1000 seconds / 100 cc or less, preferably 500 seconds / 100 cc or less, and for example, 10 seconds / 100 cc or more, preferably 50 seconds / 100 cc. It is above. Air permeability can be measured by a method in accordance with JIS-P8117.
ポリオレフィン系多孔質膜の厚みは、例えば、1μm以上、好ましくは、5μm以上であり、また、例えば、100μm以下、好ましくは、50μm以下である。 The thickness of the polyolefin-based porous membrane is, for example, 1 μm or more, preferably 5 μm or more, and for example, 100 μm or less, preferably 50 μm or less.
[電解質ポリマー]
上記電解質ポリマーとしては、主鎖および/または側鎖に1種または2種以上の電解質基を有するポリマー、酸、常温溶融塩などの電解質を含ませたポリマーなどを好適なものとして例示される。これらポリマーは1種または2種以上含まれていても良い。また、これらポリマーは必要に応じて架橋された架橋体であっても構わない。
[Electrolyte polymer]
Preferred examples of the electrolyte polymer include polymers having one or more electrolyte groups in the main chain and / or side chains, polymers containing an electrolyte such as an acid or a normal temperature molten salt, and the like. One or more of these polymers may be contained. In addition, these polymers may be crosslinked as necessary.
また、電解質ポリマーは、孔部内に充填される前からポリマーとして存在するものであっても良いし、電解質ポリマーを生成可能なポリマー前駆体が孔部内に充填された後、重合、架橋などが行われて電解質ポリマーとされたものであっても良い。なお、電解質ポリマーの具体的な充填方法については、後記の電解質膜の製造方法にて説明する。 In addition, the electrolyte polymer may be present as a polymer before being filled into the pores, or after the polymer precursor capable of forming the electrolyte polymer is filled into the pores, polymerization, crosslinking, etc. may occur. It may be used as an electrolyte polymer. The specific filling method of the electrolyte polymer will be described in the manufacturing method of the electrolyte membrane described later.
電解質ポリマーに含まれる電解質基としては、スルホン酸基、スルホンイミド基、ホスホン酸基、亜ホスホン酸基、カルボン酸基などの酸性基が例示される。これらは1種または2種以上含まれていても良い。これらのうち、高プロトン伝導性が得られやすいなどの観点から、スルホン酸基を好適に用いることができる。 As an electrolyte group contained in an electrolyte polymer, acidic groups, such as a sulfonic acid group, a sulfone imide group, a phosphonic acid group, a phosphonous acid group, a carboxylic acid group, are illustrated. One or more of these may be contained. Among these, from the viewpoint of easily obtaining high proton conductivity, a sulfonic acid group can be suitably used.
電解質ポリマーとしては、ナフィオン(登録商標)など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など、ポリマー骨格の全部または一部がフッ素化されたフッ素系ポリマーであって電解質基を有するもの;ポリスルホンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸など、ポリマー骨格にフッ素を含まない炭化水素系ポリマーであって電解質基を有するもの;電解質基を有するモノマー、電解質基に変換し得る官能基を有するモノマー、および、重合前後に電解質基を導入可能な部位を有するモノマー、これらの組み合わせなどからなる電解質モノマーを単量体単位として有するポリマーなどが例示される。これらは1種または2種以上含まれていても構わない。 As the electrolyte polymer, a perfluorocarbon sulfonic acid based polymer such as Nafion (registered trademark), a perfluorocarbon phosphonic acid based polymer, a trifluorostyrene sulfonic acid based polymer, etc., a fluorine based polymer in which all or part of the polymer skeleton is fluorinated A polysulfone sulfonic acid, a polyaryl ether ketone sulfonic acid, a polybenzimidazole alkyl sulfonic acid, a polybenzimidazole alkyl phosphonic acid, and the like; A group having a group; a monomer having an electrolyte group, a monomer having a functional group that can be converted to an electrolyte group, a monomer having a site capable of introducing an electrolyte group before and after polymerization, an electrolyte comprising a combination thereof Such as a polymer having Nomar as monomer units are exemplified. One or more of these may be contained.
電解質基を有するモノマーとしては、2−(メタ)アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、2−(メタ)アクリルアミド−2−メチルプロパンホスホン酸、スチレンスルホン酸、(メタ)アリルスルホン酸、ビニルスルホン酸、イソプレンスルホン酸、(メタ)アクリル酸、マレイン酸、クロトン酸、ビニルホスホン酸、酸性リン酸基含有(メタ)アクリレートなどが例示される。なお、「(メタ)アクリル」は「アクリルおよび/またはメタクリル」を、「(メタ)アリル」は「アリルおよび/またはメタリル」を、「(メタ)アクリレート」は「アクリレートおよび/またはメタクリレート」を意味する。 As a monomer having an electrolyte group, 2- (meth) acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid, 2- (meth) acrylamido-2-methylpropanephosphonic acid, styrene sulfonic acid, (meth) allyl sulfonic acid, vinyl sulfonic acid And isoprene sulfonic acid, (meth) acrylic acid, maleic acid, crotonic acid, vinylphosphonic acid, acidic phosphoric acid group-containing (meth) acrylate and the like. In addition, "(meth) acrylic" means "acrylic and / or methacrylic", "(meth) allyl" means "allyl and / or methallyl", and "(meth) acrylate" means "acrylate and / or methacrylate" Do.
上記重合前後に電解質基に変換し得る官能基を有するモノマーとしては、上記化合物の塩、無水物、エステルなどが例示される。使用するモノマーの酸残基が塩、無水物、エステルなどの誘導体となっている場合には、重合後にプロトン酸型にすることでプロトン伝導性を付与することができる。 As a monomer which has a functional group which can be converted into an electrolyte group before and after the said superposition | polymerization, the salt of the said compound, an anhydride, ester, etc. are illustrated. When the acid residue of the monomer to be used is a derivative such as a salt, an anhydride, or an ester, proton conductivity can be imparted by converting it to a protonic acid type after polymerization.
上記重合前後に電解質基を導入可能な部位を有するモノマーとしては、スチレン、α―メチルスチレン、クロロメチルスチレン、t−ブチルスチレンなどのベンゼン環を有するモノマーが例示される。なお、これらに電解質基を導入する方法としては、クロロスルホン酸、濃硫酸、三酸化硫黄などのスルホン化剤でスルホン化する方法などが挙げられる。 As a monomer which has a site | part which can introduce | transduce an electrolyte group before and behind the said superposition | polymerization, the monomer which has benzene rings, such as styrene, (alpha)-methylstyrene, chloromethylstyrene, t- butylstyrene, is illustrated. In addition, as a method of introduce | transducing electrolyte group into these, the method of sulfonation with sulfonation agents, such as chlorosulfonic acid, concentrated sulfuric acid, sulfur trioxide, etc. are mentioned.
これら電解質モノマーとしては、プロトン伝導性に優れるなどの観点から、スルホン酸基を有するビニル化合物、リン酸基を有するビニル化合物などが好ましく、より好ましくは、高い重合性を有するなどの観点から、2−(メタ)アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸などである。 As these electrolyte monomers, vinyl compounds having a sulfonic acid group, vinyl compounds having a phosphoric acid group, and the like are preferable from the viewpoint of excellent proton conductivity and the like, and more preferably, from the viewpoint of having high polymerizability -(Meth) acrylamido -2- methyl propane sulfonic acid etc.
上記電解質ポリマーは、高イオン伝導性が得られるなどの観点から、実質的に、上記多孔質膜の孔部のほぼ全てに充填されていることが好ましい。ただし、多孔質膜が有する全ての孔部に電解質ポリマーが充填されていなければならないわけではなく、イオン伝導性、燃料の透過性などに悪影響を及ぼさない範囲内であれば、電解質ポリマーが充填されていない孔部が部分的に存在していても構わない。 From the viewpoint of obtaining high ion conductivity, it is preferable that substantially all of the pores of the porous membrane be filled with the electrolyte polymer. However, not all pores of the porous membrane must be filled with the electrolyte polymer, but if the ion conductivity, fuel permeability and the like are not adversely affected, the electrolyte polymer is filled. Uneven holes may be partially present.
<膜電極接合体の製造方法>
続いて、上記構成の膜電極接合体100の製造方法について詳細に説明する。
<Method of manufacturing membrane electrode assembly>
Then, the manufacturing method of the
(電極の製造方法)
上記電極を製造するに当たっては、上述のMEMS技術を利用して行う。具体的には、シリコンウェハなどの一定の厚みを有する基板の一方面を、貫通しない深さでエッチングをしてガス流路14、34を形成する工程と、ガス流路14、34の底部から基板の反対面に至るまでの間を多孔質化してシリコン多孔質層を形成する工程と、シリコン多孔質層の孔内部に白金などの触媒を担持させる工程と、を有する方法が挙げられる。
(Method of manufacturing electrode)
The above-described MEMS technology is used to manufacture the electrodes. Specifically, a process of forming the
上記電極形成方法におけるエッチングは、湿式エッチングであっても良いし、プラズマエッチングなどの乾式エッチングであっても良い。電極材料、流路形状などを考慮して適宜選択することができる。 The etching in the above electrode forming method may be wet etching or dry etching such as plasma etching. It can be selected appropriately in consideration of the electrode material, the flow path shape and the like.
基板の一部を多孔化する方法は、電極材料としてシリコンを用いた場合には、陽極酸化法などを挙げることができる。シリコン多孔質層の孔径や形状、層厚などは、使用するシリコン単結晶の抵抗率、陽極酸化時の電流密度、陽極酸化時間、陽極酸化液の液組成、濃度、液温などのパラメータを適宜調整することより、制御することが可能である。 When silicon is used as the electrode material, a method of making part of the substrate porous can include an anodic oxidation method and the like. The pore diameter, shape, layer thickness, etc. of the porous silicon layer may be appropriately determined according to the resistivity of the silicon single crystal used, the current density at anodic oxidation, the anodic oxidation time, the composition of the anodic oxidation solution, the concentration, the temperature, etc. It is possible to control by adjusting.
陽極酸化時の電流密度の上限としては、電解研磨を生じ難くし、多孔化を促進させやすいなどの観点から、10000A/m2以下が好ましく、5000A/m2以下がより好ましく、2000A/m2以下が更に好ましい。一方、陽極酸化時の電流密度の下限としては、空孔率が小さくなりすぎないなどの観点から、1A/m2以上が好ましく、10A/m2以上がより好ましい。 The upper limit of the current density during the anodization, and less likely to occur electropolishing, from the viewpoint of easy to promote pore formation, preferably 10000 A / m 2 or less, more preferably 5000A / m 2 or less, 2000A / m 2 The following is more preferable. On the other hand, the lower limit of the current density in anodic oxidation is preferably 1 A / m 2 or more, more preferably 10 A / m 2 or more, from the viewpoint that the porosity is not too small.
上記陽極酸化液としては、例えば、フッ酸、フッ化ナトリウム、フッ化アンモニウムなど、水、アルコールなどに溶解してフッ素イオンを生成する化合物を1種又は2種以上、水やアルコールなどの適当な溶媒に溶解した液を挙げることができる。なお、陽極酸化液におけるフッ素イオンの濃度は、通常、0.5mol/dm3〜25mol/dm3程度とすれば良い。 As the anodizing solution, for example, one or two or more compounds capable of forming a fluorine ion by dissolving in water, alcohol, etc., such as hydrofluoric acid, sodium fluoride, ammonium fluoride, etc., suitable as water, alcohol etc. A solution dissolved in a solvent can be mentioned. The concentration of fluorine ions in the anodizing liquid, typically may be a 0.5mol / dm 3 ~25mol / dm 3 approximately.
上記陽極酸化液の液温の上限としては、反応の均一性などの観点から、25℃以下が好ましく、20℃以下がより好ましい。一方、上記陽極酸化液の液温の下限としては、反応速度の観点から、0℃以上が好ましく、10℃以上がより好ましい。 The upper limit of the solution temperature of the anodized solution is preferably 25 ° C. or less, more preferably 20 ° C. or less, from the viewpoint of the uniformity of the reaction and the like. On the other hand, the lower limit of the solution temperature of the anodized solution is preferably 0 ° C. or more, more preferably 10 ° C. or more, from the viewpoint of the reaction rate.
続いて、多孔質層の孔部内に触媒を担持させる方法としては、無電解めっき、電解めっきなどのめっき法、スパッタ法、金属コロイドの吸着などを挙げることができる。これらの方法のうち、孔部内に触媒を保持しやすい、比較的制御が容易で、安価な方法である、触媒担持方法として確立されているなどの観点から、めっき法が好適に用いられる。 Subsequently, as a method of supporting the catalyst in the pores of the porous layer, plating methods such as electroless plating and electrolytic plating, sputtering method, adsorption of metal colloid and the like can be mentioned. Among these methods, the plating method is preferably used from the viewpoint of being easy to hold the catalyst in the pores, relatively easy to control, and inexpensive as the catalyst supporting method.
めっき法に用いるめっき液は、担持させる触媒金属を構成元素として含む可溶性塩を1種または2種以上、水などの適当な溶媒に溶解させるなどして調製することができる。この際、多孔質層材料としてシリコンを用いた場合、無電解めっきを行う際には、めっき液中に、フッ酸などを用いてフッ素イオンを含有させることが好ましい。 The plating solution used in the plating method can be prepared by dissolving, for example, one or two or more soluble salts containing a catalytic metal to be supported as a constituent element in a suitable solvent such as water. At this time, when silicon is used as the porous layer material, it is preferable to contain fluorine ions in the plating solution using hydrofluoric acid or the like when performing electroless plating.
シリコンよりもイオン化傾向が小さい白金などの触媒金属は、シリコンから出た電子を受け取り、還元されて自然析出し、めっきが進行する。しかし、めっき進行に伴い、孔部表面にめっき進行の障壁となる絶縁膜(酸化シリコン膜)が形成されることが考えられる。そのため、この絶縁膜の形成が、フッ素イオンの存在によって抑制され、めっきを進行させやすくなるためである。 A catalyst metal such as platinum having a smaller ionization tendency than silicon receives electrons emitted from silicon, is reduced and spontaneously precipitates, and plating proceeds. However, with the progress of plating, it is conceivable that an insulating film (silicon oxide film) serving as a barrier to the progress of plating is formed on the surface of the hole. Therefore, the formation of the insulating film is suppressed by the presence of the fluorine ions, which facilitates the progress of the plating.
上記めっき液の液温の上限としては、核成長などの観点から、25℃以下が好ましく、20℃以下がより好ましい。一方、上記めっき液の液温の下限としては、反応速度の観点から、0℃以上が好ましく、5℃以上がより好ましい。 The upper limit of the solution temperature of the plating solution is preferably 25 ° C. or less, more preferably 20 ° C. or less, from the viewpoint of nuclear growth and the like. On the other hand, the lower limit of the solution temperature of the plating solution is preferably 0 ° C. or more, more preferably 5 ° C. or more, from the viewpoint of the reaction rate.
次に、上記電極の製造方法における具体的な一例を説明する。 Next, a specific example of the method of manufacturing the electrode will be described.
本実施形態に係る電極の製造方法として、例えば、(1)燃料流路のパターニング、(2)多孔質シリコン層の形成、(3)多孔質白金層の形成、(4)集電体(集電膜)の形成、(5)燃料流路の形成、の流れで電極を製造することができる。 As a method of manufacturing an electrode according to the present embodiment, for example, (1) patterning of fuel flow channel, (2) formation of porous silicon layer, (3) formation of porous platinum layer, (4) current collector (collector An electrode can be manufactured by the flow of formation of (electrolytic film), (5) formation of a fuel flow path.
より具体的な一例としては以下の手順で電極を作製することができる。
1.酸化膜付きのシリコンウェハから、ダイシングにより所定形状のチップを切り出す。
2.切り出したシリコンチップをフッ酸に浸漬させ、表面の酸化膜を除去する。
3.シリコンチップの片側に対し、真空蒸着よりCu薄膜を成膜する。
4.成膜したCu薄膜上に、ポジ型フォトレジストをスピンコートし、その後に所定時間ベークする。
5.チップの上にフォトマスクを被せて、その上から紫外線照射し、フォトリソグラフィを行う。その後チップに現像液を滴下し、所定時間で現像を行う。
6.Fe2Cl3(II)によりパターニングされた部分のCuを除去する。
7.アセトンによってフォトレジストを除去する。
8.燃料流路をパターニングした面の裏面をフッ酸溶液(水、エタノール、HF混合溶液)で浸漬し、電流を印加することにより陽極酸化を行う。これにより多孔質シリコン層を形成する。
9.多孔質シリコン部分を、フッ酸を添加した白金めっき液に浸漬させ、多孔質白金に改質する。
10.触媒層側の面にI型マスクを被せ、スパッタリングによりAu(集電体層)を成膜する。
11.Cuをエッチングマスクとして、プラズマエッチングによって燃料流路を形成する。この際、多孔質白金層がエッチングストップ層としての役割を果たす。
As a more specific example, an electrode can be produced by the following procedure.
1. A chip having a predetermined shape is cut out from the silicon wafer with an oxide film by dicing.
2. The cut-out silicon chip is immersed in hydrofluoric acid to remove the oxide film on the surface.
3. A Cu thin film is formed on one side of the silicon chip by vacuum evaporation.
4. A positive photoresist is spin-coated on the deposited Cu thin film and then baked for a predetermined time.
5. A photo mask is placed on the chip, and ultraviolet light is applied from above to perform photolithography. Thereafter, a developer is dropped onto the chip and development is performed for a predetermined time.
6. The Cu in the portion patterned by Fe 2 Cl 3 (II) is removed.
7. Remove the photoresist with acetone.
8. The back surface of the surface on which the fuel flow path is patterned is immersed in a hydrofluoric acid solution (water, ethanol, HF mixed solution), and an anodic oxidation is performed by applying a current. Thereby, a porous silicon layer is formed.
9. The porous silicon portion is immersed in a hydrofluoric acid-added platinum plating solution to reform it into porous platinum.
10. An I-type mask is covered on the surface on the catalyst layer side, and Au (current collector layer) is deposited by sputtering.
11. A fuel flow path is formed by plasma etching using Cu as an etching mask. At this time, the porous platinum layer plays a role as an etching stop layer.
(電解質膜の製造方法)
本実施形態に係る電解質膜の製造方法として、多孔質高分子膜の孔内部に電解質ポリマーが充填されたものを製造する例について説明する。なお、本発明に係る電解質膜は、必ずしも多孔質高分子膜を有する必要はなく、例えば電解質ポリマー単体により形成される場合も含まれる。
(Manufacturing method of electrolyte membrane)
As a method of manufacturing an electrolyte membrane according to the present embodiment, an example of manufacturing a porous polymer membrane filled with an electrolyte polymer will be described. In addition, the electrolyte membrane which concerns on this invention does not necessarily need to have a porous polymer membrane, for example, the case where it forms with electrolyte polymer single-piece is also contained.
[多孔質高分子膜の準備]
多孔質膜を得るための方法としては、その材質により異なるが、延伸による方法、造孔材を分散させた膜材料の溶液または溶融物を膜状に塗工し、溶剤を揮発除去したり、溶融状態の膜材料を冷却するなどして膜状にし、造孔材を除去して孔部とする方法、膜状に形成された膜材料に対して、パンチング、ドリリング、レーザー、化学的・物理的エッチングなどの加工手段を用いて孔部を形成する方法、孔部を転写可能な鋳型に高分子などの膜材料の融液を流し込んだ後、これを剥離することにより、膜面に孔部を転写する方法などを挙げることができる。
[Preparation of porous polymer membrane]
As a method for obtaining a porous membrane, although it varies depending on the material, a method by drawing, a solution or a melt of a membrane material in which a pore forming material is dispersed is coated in a film form, and the solvent is removed by evaporation, A method of forming a film by cooling the film material in a molten state and removing the pore-forming material to form pores, punching, drilling, laser, chemical and physical processes on the film material formed into a film. Method of forming a hole using processing means such as selective etching, After pouring a melt of a film material such as a polymer into a mold capable of transferring the hole, the hole is removed by peeling it off And the like.
多孔質膜の材質が高分子である場合、最も一般的な方法は、延伸による方法である。すなわち、この方法では、高分子などの膜材料と液状または固体の造孔材とを溶融混合などの方法で混合し、造孔材を一旦微分散させておき、これをTダイなどから押し出しながら延伸し、洗浄などの方法によって造孔材を除去し、多孔質膜とする。 When the material of the porous membrane is a polymer, the most common method is a method by stretching. That is, in this method, a film material such as a polymer and a liquid or solid pore former are mixed by a method such as melt mixing, the pore former is once finely dispersed, and this is extruded from a T die or the like. The pore forming material is removed by a method such as stretching and washing to obtain a porous membrane.
延伸方法としては、1軸延伸や2軸延伸などの方法がある。なお、延伸の比率や、造孔材の比率や種類、配合量、膜材料の種類などによって孔部の形状などを決定することができる。 As a stretching method, there are methods such as uniaxial stretching and biaxial stretching. The shape and the like of the hole can be determined depending on the ratio of stretching, the ratio and type of the pore forming material, the blending amount, the type of the membrane material, and the like.
上記多孔質膜が、疎水性の高分子材料から形成されている場合、この多孔質膜の表面のうち、少なくとも一方面は、親水処理されていても良い。親水性の高い電解質材料を孔部内に含浸させる場合に、多孔質膜が予め親水化されていれば、孔部内への含浸性が向上し、膜電極接合体の製造性を向上させることができるからである。 When the porous membrane is formed of a hydrophobic polymer material, at least one surface of the surface of the porous membrane may be subjected to a hydrophilic treatment. In the case of impregnating the porous portion with a highly hydrophilic electrolyte material, if the porous film is rendered hydrophilic in advance, the impregnatability into the porous portion is improved, and the productivity of the membrane electrode assembly can be improved. It is from.
上記親水処理の方法としては、具体的には、例えば、界面活性剤処理、コロナ処理、スルホン化処理、親水性ポリマーのグラフト処理などを例示することができる。これら処理は、1または2以上併用しても良い。 Specifically as a method of the above-mentioned hydrophilic treatment, surfactant treatment, corona treatment, sulfonation treatment, graft treatment of hydrophilic polymer etc. can be illustrated, for example. One or more of these treatments may be used in combination.
[プラズマエッチングによる多孔質高分子膜の加工]
上記で準備された多孔質高分子膜に対し、電極に形成された多孔質触媒層の窪みに適合するよう、多孔質高分子膜の加工を行う。
[Processing of porous polymer membrane by plasma etching]
The porous polymer membrane is processed so that the porous polymer membrane prepared above is adapted to the recess of the porous catalyst layer formed on the electrode.
多孔質高分子膜の加工方法としては、例えば、凸部を形成する場所以外の部分を加熱プレスする方法や、プラズマエッチングを行う方法、ケミカルエッチング、サンドブラストなど種々のものが考えられる。 As a processing method of the porous polymer film, for example, various methods such as a method of heat-pressing a portion other than the place where the convex portion is to be formed, a method of performing plasma etching, chemical etching, and sand blast can be considered.
ここで、多孔質触媒層に存在する凹部または凸部に適合する、電解質膜の凸部または凹部は、上記の[多孔質高分子膜]で説明したように、電極の多孔質触媒層に対向してプロトン伝導を行う必要があるため、その微細空間が厚み方向一方面および多方面に連通していることが要求される。 Here, the projections or depressions of the electrolyte membrane that are compatible with the depressions or projections present in the porous catalyst layer face the porous catalyst layer of the electrode as described in the above [porous polymer membrane]. Since it is necessary to conduct proton conduction, it is required that the fine space be in communication with one surface in the thickness direction and in many directions.
このため、電解質膜において多孔質触媒層に対向する面に凸部を設ける場合には、凸部を形成する場所以外の部分を熱プレスしたとしても、凸部表面の空孔は維持されるため特に問題はない。一方、電解質膜において多孔質触媒層に対向する面に凹部を設ける場合には、凹部を設ける部分に高温・高圧で熱プレスを行うと、凹部表面の空孔がつぶれてしまう結果、プロトン伝導を阻害する恐れがあるので、適用可能な凹部形成に限界がある。この場合には、処理後においても表面の空孔が保持されやすいプラズマエッチングを行うことが好ましい。 For this reason, when the convex portion is provided on the surface facing the porous catalyst layer in the electrolyte membrane, the pores on the surface of the convex portion are maintained even if the portion other than the portion where the convex portion is formed is heat-pressed. There is no particular problem. On the other hand, in the case where the concave portion is provided on the surface facing the porous catalyst layer in the electrolyte membrane, when heat pressing is performed on the portion where the concave portion is provided at high temperature and high pressure, the pores on the concave surface are crushed, resulting in proton conduction. There is a limit to the recess formation that can be applied, as it may interfere. In this case, it is preferable to perform plasma etching in which the pores on the surface are easily retained even after the treatment.
なお、プラズマエッチングは、ドライエッチングに分類される。ドライエッチングでは化学反応に加え、高エネルギーを持つイオンが試料表面に向かって衝突し、被加工物を弾き飛ばすスパッタ効果などの物理的な力も作用する。プラズマエッチングは、反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching:RIE)とも呼ばれる。 Plasma etching is classified as dry etching. In dry etching, in addition to chemical reactions, ions having high energy collide toward the surface of the sample, and physical forces such as a sputtering effect to repel the workpiece also act. Plasma etching is also called reactive ion etching (RIE).
プラズマエッチングにより多孔質高分子膜に凸部または凹部を形成するに当たっては、凸部を形成する箇所にCuなどのマスクを施し、Cuなどのマスクで覆われていない部分のエッチングを行い、凹部を形成する。 When forming a convex part or a concave part in a porous polymer film by plasma etching, a mask of Cu or the like is provided on a part to form the convex part, a part not covered with a mask of Cu or the like is etched, Form.
上記プラズマエッチングを行う際の温度としては、110℃未満の温度でエッチングを行うことが好ましい。上記温度が110℃以上であると、多孔質高分子膜の温度上昇により、多孔質高分子膜が変形したり変色したりするおそれがある。 As a temperature at the time of performing the said plasma etching, it is preferable to etch at the temperature of less than 110 degreeC. When the temperature is 110 ° C. or more, the porous polymer membrane may be deformed or discolored due to the temperature rise of the porous polymer membrane.
また、110℃未満の温度でエッチングを行うに当たっては、装置にもよるが例えば、出力100Wにおけるプラズマエッチングを行う際の時間として、1回あたりのエッチング時間を4分未満とすることが好ましい。更に、多孔質電解質膜を設置する台の内部に冷却水を通すなどして、多孔質電解質膜を冷却しながら加工を行うことが好ましい。また更に、多孔質高分子膜と台との間の冷却効果を高めるために、多孔質高分子膜と台との間に粘着テープや低蒸気圧油などを介することも好ましい。 Further, when etching is performed at a temperature of less than 110 ° C., although it depends on the apparatus, for example, it is preferable to set the etching time per one time to less than 4 minutes as the time for performing plasma etching at 100 W output. Furthermore, it is preferable to carry out processing while cooling the porous electrolyte membrane, for example, by passing cooling water through the inside of a table on which the porous electrolyte membrane is to be installed. Furthermore, in order to enhance the cooling effect between the porous polymer membrane and the table, it is also preferable to interpose an adhesive tape, a low vapor pressure oil or the like between the porous polymer membrane and the table.
[電解質ポリマーの充填]
上記多孔質高分子膜の孔部内に電解質ポリマーを充填する方法は、特に限定されるものではない。電解質ポリマーの溶液もしくは分散液または溶融状態の電解質ポリマーを孔部内に含浸させる方法、電解質ポリマーのポリマー前駆体の溶液もしくは分散液または溶融状態のポリマー前駆体を孔部内に含浸させた後、孔部内に含浸されたポリマー前駆体を重合したり、重合後に、電解質基に変換し得る官能基を電解質基に変換したりするなどして、電解質ポリマーを生成させる方法などを挙げることができる。
[Packing of electrolyte polymer]
The method for filling the electrolyte polymer in the pores of the porous polymer membrane is not particularly limited. A method of impregnating a solution or dispersion of an electrolyte polymer or a molten electrolyte polymer in a pore, a solution or a dispersion of a polymer precursor of an electrolyte polymer, or a molten polymer precursor in a pore, and then And polymer functional groups that can be converted to electrolyte groups after polymerization, and the like, to form an electrolyte polymer.
上記含浸方法としては、上記溶液などに多孔質高分子膜を浸漬する方法、上記溶液や溶融物を多孔質高分子膜に各種の塗工方法(ダイコート法、コンマコート法、グラビアコート法、ロールコート法、バーコート法、リバースコート法など)を用いて塗工する方法などを挙げることができる。これらは1種または2種以上併用しても構わない。 As the impregnation method, a method of immersing the porous polymer membrane in the solution or the like, various coating methods (die coating method, comma coating method, gravure coating method, roll, etc.) to the porous polymer membrane Coating methods, such as a coating method, a bar coating method, a reverse coating method, etc. can be mentioned. These may be used alone or in combination of two or more.
なお、上記含浸時には、必要に応じて、架橋剤、重合開始剤(光重合開始剤、熱開始剤、レドックス系開始重合開始剤など)、硬化剤、界面活性剤などを1種または2種以上添加しても良い。 At the time of the above impregnation, if necessary, one or more of a crosslinking agent, a polymerization initiator (photopolymerization initiator, thermal initiator, redox initiator polymerization initiator, etc.), a curing agent, a surfactant, etc. You may add.
上記ポリマー前駆体を用いる場合、このポリマー前駆体には、上述した電解質モノマーが少なくとも1種以上含有される。さらに、必要に応じて架橋剤を含有させても良い。 When the polymer precursor is used, the polymer precursor contains at least one or more of the above-described electrolyte monomers. Furthermore, you may contain a crosslinking agent as needed.
この場合には、電解質ポリマーの生成時に架橋点を形成することができるので、電解質ポリマーの架橋体を形成しやすくなる。そのため、電解質膜の孔部内に充填された電解質ポリマーの不溶性および不融性が向上し、孔部から脱落し難くなる。 In this case, since a crosslinking point can be formed at the time of formation of the electrolyte polymer, it becomes easy to form a crosslinked body of the electrolyte polymer. Therefore, the insolubility and infusibility of the electrolyte polymer filled in the pores of the electrolyte membrane are improved, and it becomes difficult to drop out of the pores.
上記架橋剤としては、1分子中に重合可能な官能基を2個以上有する化合物、1分子中に重合性二重結合とその他の架橋反応が可能な官能基を合わせ持つ化合物などを挙げることができる。これらは1種または2種以上含まれていても良い。 Examples of the crosslinking agent include a compound having two or more polymerizable functional groups in one molecule, and a compound having a polymerizable double bond and another functional group capable of crosslinking reaction in one molecule. it can. One or more of these may be contained.
上記1分子中に重合可能な官能基を2個以上有する化合物としては、N,N’−メチレンビス(メタ)アクリルアミド、N,N’−エチレンビス(メタ)アクリルアミド、N,N’−プロピレンビス(メタ)アクリルアミド、N,N’−ブチレンビス(メタ)アクリルアミド、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンジアリルエーテル、ペンタエリスリトールトリアリルエーテル、ジビニルベンゼン、ビスフェノールジ(メタ)アクリレート、イソシアヌル酸ジ(メタ)アクリレート、テトラアリルオキシエタン、トリアリルアミン、ジアリルオキシ酢酸塩などの架橋性モノマーを挙げることができる。 Examples of the compound having two or more polymerizable functional groups in one molecule include N, N′-methylenebis (meth) acrylamide, N, N′-ethylenebis (meth) acrylamide, N, N′-propylenebis ( Meta) acrylamide, N, N'- butylene bis (meth) acrylamide, polyethylene glycol di (meth) acrylate, polypropylene glycol di (meth) acrylate, trimethylol propane diallyl ether, pentaerythritol triallyl ether, divinyl benzene, bisphenol di (meth) Crosslinkable monomers such as acrylates, isocyanuric acid di (meth) acrylate, tetraallyloxyethane, triallylamine, diallyloxyacetate and the like can be mentioned.
上記1分子中に重合性二重結合とその他の架橋反応が可能な官能基を合わせ持つ化合物としては、N−メチロールアクリルアミド、N−メトキシメチルアクリルアミド、N−ブトキシメチルアクリルアミドなどの架橋性モノマーを挙げることができる。これらは、重合性二重結合のラジカル重合を行った後で加熱して縮合反応などを起こさせて架橋するか、ラジカル重合と同時に加熱を行って同様の架橋反応を起こさせることができる。 Examples of the compound having a polymerizable double bond and another functional group capable of crosslinking reaction in one molecule include crosslinking monomers such as N-methylol acrylamide, N-methoxymethyl acrylamide, N-butoxymethyl acrylamide and the like. be able to. These can be crosslinked by radical polymerization of the polymerizable double bond followed by heating to cause a condensation reaction or the like, or heating can be performed simultaneously with radical polymerization to cause a similar crosslinking reaction.
なお、上記架橋剤は、炭素−炭素二重結合を有する化合物に限られず、重合反応速度はやや小さいものの、2官能以上のエポキシ化合物、ヒドロキシメチル基を有するフェニル基などを有する化合物なども使用することもできる。上記エポキシ化合物を用いる場合は、ポリマー中に含まれるカルボキシル基などの酸と反応することにより架橋点が形成される。 The crosslinking agent is not limited to a compound having a carbon-carbon double bond, and although the polymerization reaction rate is somewhat small, a compound having a bifunctional or higher epoxy compound, a phenyl group having a hydroxymethyl group, etc. is also used. It can also be done. When using the said epoxy compound, a crosslinking point is formed by reacting with acids, such as a carboxyl group contained in a polymer.
上記ポリマー前駆体には、必要に応じて、上記電解質モノマーおよび上記架橋剤と共重合可能なモノマーを単独または両方で含有させても良い。この種のモノマーとしては、(メタ)アクリル酸エステル類、(メタ)アクリルアミド類、マレイミド類、スチレン類、有機酸ビニル類、アリル化合物、メタリル化合物などを挙げることができる。これらは1種または2種以上含まれていても構わない。 The above-mentioned polymer precursor may contain the above-mentioned electrolyte monomer and the above-mentioned crosslinking agent and monomers copolymerized alone or in combination, if necessary. Examples of this type of monomer include (meth) acrylic esters, (meth) acrylamides, maleimides, styrenes, vinyl organic acids, allyl compounds and methallyl compounds. One or more of these may be contained.
上記ポリマー前駆体に含まれる電解質モノマーを重合させる方法は、特に限定されるものではなく、一般に知られる方法であれば、いずれの方法であっても使用することができる。このような重合方法としては、過酸化物、アゾ化合物などの熱開始剤、レドックス系重合開始剤を用いた熱重合、紫外線などの光の照射によりラジカルを発生する光重合開始剤を用いた光重合、電子線、放射線などによる重合などを挙げることができる。これらは1種または2種以上併用しても構わない。 The method of polymerizing the electrolyte monomer contained in the above-mentioned polymer precursor is not particularly limited, and any generally known method can be used. As such a polymerization method, thermal initiators such as peroxides and azo compounds, thermal polymerization using a redox type polymerization initiator, light using a photopolymerization initiator capable of generating radicals by irradiation of light such as ultraviolet rays Examples thereof include polymerization, polymerization by an electron beam, radiation and the like. These may be used alone or in combination of two or more.
上記電解質膜を作製する際、上記電解質ポリマーおよびポリマー前駆体は、そのもの自体が液体であって低粘度である場合には、そのまま多孔質高分子膜の孔部へ含浸させることができる。この場合、好ましい粘度としては、25℃において1〜10000mPa・s程度である。 When the electrolyte membrane is produced, the electrolyte polymer and the polymer precursor can be impregnated into the pores of the porous polymer membrane as they are when they themselves are liquid and have a low viscosity. In this case, the preferable viscosity is about 1 to 10000 mPa · s at 25 ° C.
これに対し、そのままでは多孔質高分子膜の孔部へ含浸させにくい場合には、電解質ポリマーおよびポリマー前駆体のうち少なくとも1種を、適当な溶媒に溶解させた溶液、または、適当な分散媒に分散させた分散液とするのが良い。この場合、好ましい粘度は、25℃において1〜10000mPa・s程度である。上記粘度は、B型粘度計にて測定される値である。 On the other hand, when it is difficult to impregnate the pores of the porous polymer membrane as it is, a solution in which at least one of an electrolyte polymer and a polymer precursor is dissolved in a suitable solvent, or a suitable dispersion medium It is preferable to use a dispersion dispersed in water. In this case, the preferable viscosity is about 1 to 10000 mPa · s at 25 ° C. The viscosity is a value measured by a B-type viscometer.
上記溶媒、分散媒としては、トルエン、キシレン、ベンゼンなどの芳香族系有機溶剤、ヘキサン、ヘプタンなどの脂肪族系有機溶剤、クロロホルム、ジクロロエタンなどの塩素系溶剤、ジエチルエーテルなどのエーテル類、メチルエチルケトン、シクロヘキサノンなどのケトン類、酢酸エチル、酢酸ブチルなどのエステル類、1,4−ジオキサン、テトラヒドロフランなどの環状エーテル類、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドンなどのアミド系溶剤、水、アルコール類などを挙げることができる。これらは1種または2種以上含まれていても良い。これらのうち、水を主に含んでいることが、取扱い性や経済性などに優れるため好ましい。 As the solvent and the dispersion medium, aromatic organic solvents such as toluene, xylene and benzene, aliphatic organic solvents such as hexane and heptane, chlorinated solvents such as chloroform and dichloroethane, ethers such as diethyl ether, methyl ethyl ketone, Ketones such as cyclohexanone, esters such as ethyl acetate and butyl acetate, cyclic ethers such as 1,4-dioxane and tetrahydrofuran, amide solvents such as dimethylformamide, dimethylacetamide and N-methyl-2-pyrrolidone, water, Alcohol etc. can be mentioned. One or more of these may be contained. Among these, it is preferable to mainly contain water because it is excellent in handleability, economic efficiency and the like.
上記溶液または分散液の濃度の上限としては、濃度が高いほど性能に優れるなどの観点から、100質量%以下が好ましく、90質量%以下がより好ましく、80質量%以下が更に好ましい。一方、上記溶液または分散液の濃度の下限としては、濃度が低すぎると充填が不十分となり、回数を重ねないと充填がしにくくなり生産性が悪くなるなどの観点から、5質量%以上が好ましく、10質量%以上がより好ましく、20質量%以上が更に好ましい。 The upper limit of the concentration of the solution or dispersion is preferably 100% by mass or less, more preferably 90% by mass or less, and still more preferably 80% by mass or less from the viewpoint that the higher the concentration, the better the performance. On the other hand, as the lower limit of the concentration of the above solution or dispersion, if the concentration is too low, filling will be insufficient, and if it is not repeated many times, filling will be difficult and productivity will deteriorate, etc. 10 mass% or more is preferable, 20 mass% or more is further more preferable.
上記電解質膜を製造する際に、多孔質高分子膜の表面に電解質ポリマー層が形成された場合において、これを取り除く方法としては、樹脂繊維などからなるたわし、ブラシなどにより擦る方法、スクレーパーなどで掻き取る方法などを挙げることができる。上記方法は、水などにより湿らせた後、または、洗浄しながら行っても構わない。これらの方法は1種または2種以上併用しても良い。 When the electrolyte polymer layer is formed on the surface of the porous polymer membrane when the electrolyte membrane is manufactured, as a method of removing the electrolyte polymer layer, it is made of resin fiber or the like, rubbed with a brush or the like, scraper or the like The method of scraping off etc. can be mentioned. The above method may be performed after being moistened with water or the like, or while washing. These methods may be used alone or in combination of two or more.
(電解質膜と電極の接合)
続いて、電解質膜と電極(アノード電極、カソード電極)とを接合して膜電極接合体を形成する方法について説明する。電解質膜に電極を接合する方法としては、必ずしも必須ではないがイソプロパノールなどの溶剤に溶解した電解質材料を、電解質膜の表面および電極の多孔質層の表面の少なくとも一方に塗布した後、電解質膜をアノード電極およびカソード電極で挟み込み、ホットプレスなどにより加熱加圧する方法などを挙げることができる。
(Junction of electrolyte membrane and electrode)
Subsequently, a method of forming a membrane electrode assembly by bonding an electrolyte membrane and an electrode (anode electrode, cathode electrode) will be described. As a method of joining the electrode to the electrolyte membrane, the electrolyte material is not necessarily essential, but is applied to at least one of the surface of the electrolyte membrane and the surface of the porous layer of the electrode, and then the electrolyte membrane A method of sandwiching by an anode electrode and a cathode electrode and heating and pressing by a hot press etc. can be mentioned.
上記電解質材料としては、ナフィオン(登録商標)などのフッ素系電解質ポリマー、ポリスチレンスルホン酸、スチレンスルホン酸エチレン共重合物、スルホン化ポリエーテルスルホンなどの炭化水素系ポリマーよりなるアイオノマーなどを挙げることができる。これらは1種または2種以上併用しても構わない。 Examples of the electrolyte material include fluorine-based electrolyte polymers such as Nafion (registered trademark), and ionomers comprising hydrocarbon-based polymers such as polystyrene sulfonic acid, ethylene styrene styrene sulfonate copolymer, and sulfonated polyether sulfone. . These may be used alone or in combination of two or more.
上記加熱加圧時における加熱温度や加圧力は、上記多孔質高分子膜の材質や、溶剤に溶解する電解質材料の種類などを考慮して、適宜選択すれば良い。 The heating temperature and pressurizing force at the time of the heating and pressurizing may be appropriately selected in consideration of the material of the porous polymer film, the type of the electrolyte material to be dissolved in the solvent, and the like.
一般的に、加熱温度や加圧力が過度に高くなると、多孔質高分子膜が変形したり、電極が破損しやすくなる傾向が見られる。一方、加熱温度や加圧力が過度に低くなると、接着性が低下する傾向が見られる。よって、電解質膜と電極との接合時には、これらに留意することが好ましい。 In general, when the heating temperature or the pressure is excessively high, the porous polymer membrane tends to be deformed or the electrode is likely to be broken. On the other hand, when the heating temperature or the pressing force is excessively low, the adhesiveness tends to be lowered. Therefore, it is preferable to keep these in mind when bonding the electrolyte membrane and the electrode.
<燃料電池>
本実施形態に係る燃料電池は、上記で説明した膜電極接合体を用いて製造される。本実施形態に係る燃料電池において、上記膜電極接合体は、一つまたは2つ以上積層されていても構わない。本実施形態に係る燃料電池に供給する燃料としては、水素、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなどのアルコールなどを適宜用いることができる。一方、本実施形態に係る燃料電池に供給する酸化剤としては、酸素、空気などを用いることができる。
<Fuel cell>
The fuel cell according to the present embodiment is manufactured using the membrane electrode assembly described above. In the fuel cell according to the present embodiment, one or two or more of the membrane electrode assemblies may be stacked. As a fuel supplied to the fuel cell according to the present embodiment, hydrogen, alcohols such as methanol, ethanol, propanol, butanol and the like can be appropriately used. On the other hand, oxygen, air or the like can be used as the oxidizing agent supplied to the fuel cell according to the present embodiment.
以下に、実施例および比較例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be more specifically described below with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these examples.
1.電解質膜の準備
(実施例:凸部を有する電解質膜)
多孔質高分子膜として、東レ(株)製ポリエチレン微多孔膜(SETELA(登録商標)F30CT1:膜厚30μm、ガーレー透気度300秒/100cc、空孔率47%、突刺強度540gf)を用いて凸部を有する電解質膜を作製した。まずは、上記多孔質高分子膜の一方の面に対し、直径7.5mmのCu円板をマスクとして所定位置に被せ、酸素をエッチングガス(流量:10sccm)とする容量結合型RIE装置(SAMCO(株)製:RIE−10N)により出力100W、1回あたりのエッチング時間を4分未満となるように、2回に分けて累積時間として6分40秒のプラズマエッチングを実施した。1回目のエッチング終了後、エッチングガスを止め5分間の冷却を実施後、2回目のエッチングを実施した。
1. Preparation of Electrolyte Membrane (Example: Electrolyte Membrane Having Convex Portions)
Using Toray Industries, Ltd. polyethylene microporous membrane (SETELA (registered trademark) F30CT1:
なお、事前の検討により、本実施例で使用する予定の電極として多孔質触媒層の窪み部分の最大深さが約4μmであることが分かっており、また、本実施例で使用する多孔質高分子膜をプラズマエッチングにより約4μm膜厚減少させるには、エッチングする累積時間として約6分40秒程度が適切であることが分かっていたため、上記の条件とした。 In addition, it is known that the maximum depth of the hollow portion of the porous catalyst layer is about 4 μm as an electrode to be used in the present embodiment by preliminary examination, and the porous height used in the present embodiment In order to reduce the thickness of the molecular film by about 4 μm by plasma etching, it has been found that about 6 minutes and 40 seconds is appropriate as the cumulative time for etching.
上記条件でプラズマエッチングされた多孔質高分子膜は、寸法変形や変質(不透明化)は特に観察されなかった。また、マイクロメーターにより、Cu円板でマスクされた直径7.5mmの外側が深さ4μmに膜厚減少していることを確認した。 In the porous polymer film plasma-etched under the above conditions, no dimensional deformation or deterioration (opaque) was observed. Further, it was confirmed by the micrometer that the film thickness of the outer side of the diameter 7.5 mm masked by the Cu disk was reduced to a depth of 4 μm.
続いて、上記多孔質高分子膜の他方の面に対しても同様にして、直径7.5mmの凸部を有し、その周囲の膜厚が4μmに減少するようにプラズマエッチングを実施した。上記により得られた凸部を有する多孔質高分子膜(異形多孔質高分子膜)の上面図を図2Aに、正面図を図2Bに示す。以上より、多孔質高分子膜の面内中央部に直径7,5mmの凸部を多孔質膜の両面に有し、その周囲が両面合わせて8μm膜厚減少した異形多孔質膜を作製した。 Subsequently, plasma etching was performed on the other surface of the porous polymer film in the same manner to have a convex portion with a diameter of 7.5 mm and to reduce the film thickness around it to 4 μm. The top view of the porous polymer membrane (the modified porous polymer membrane) having the convex portion obtained as described above is shown in FIG. 2A and the front view is shown in FIG. 2B. From the above, a convex porous membrane having a diameter of 7 and 5 mm was formed on both sides of the porous polymer membrane at the in-plane central portion of the porous polymer membrane, and a modified porous membrane was produced with the periphery reduced by 8 μm thickness on both sides.
続いて、作製された異形多孔質膜にSDS(Sodium Dodecyl benzenesulfonate)水溶液で親水化処理を施した後、AMPS(2−Acrylamido−2−methylpropan Sulfonic Acid)とSDSの水溶液に架橋剤(N,N−Methylene bis acrylamide)とAAAPH(2,2‘−Azobis(2−methylpropionamidine)dihydrochloride)の水溶液を添加した溶液に低温浸漬した後、60℃で16時間静置し、水洗後、1M硫酸水溶液に浸漬し、プロトン型の異形電解質膜とした。 Subsequently, the prepared modified porous membrane is subjected to a hydrophilization treatment with an aqueous solution of SDS (Sodium Dodecyl benzenesulfonate), and then a crosslinking agent (N, N) is used as an aqueous solution of AMPS (2-Acrylamido-2-methylpropan Sulfonic Acid) and SDS. -Low temperature immersion in a solution to which an aqueous solution of -Methylenebis acrylamide) and AAAPH (2,2'-Azobis (2-methylpropionamidine) dihydrochloride) is added, followed by standing at 60 ° C for 16 hours, washing with water and then immersion in 1 M sulfuric acid As a proton-type variant electrolyte membrane.
(比較例:凸部を有さない平坦な電解質膜)
上記の多孔質高分子膜に対しプラズマエッチングを行わなかった以外は、実施例と同様にして、プロトン型の平坦電解質膜を準備した。
Comparative Example: Flat Electrolyte Membrane Having No Convex Portions
A flat proton electrolyte membrane was prepared in the same manner as in the example except that the above-mentioned porous polymer membrane was not subjected to plasma etching.
2.電極の作製
試料として、厚さ110±10μm、抵抗率0.001〜0.003Ωcm、(100)面を両面鏡面研磨した、酸化膜付きのn型シリコンウェハを準備した。なお、シリコン電極は、集電体としての機能を持たせるために抵抗率の低いものを用いている。
2. Preparation of Electrode As a sample, an n-type silicon wafer with an oxide film was prepared which had a thickness of 110 ± 10 μm, a resistivity of 0.001 to 0.003 Ωcm, and a (100) surface mirror-polished on both sides. Note that a silicon electrode having a low resistivity is used to have a function as a current collector.
まず、酸化膜付きのシリコンウェハから、ダイシングにより15mm×15mmのチップを切り出した。切り出したシリコンチップを46%HFに90秒間浸漬させ、表面の酸化膜を除去した。 First, a 15 mm × 15 mm chip was cut out from a silicon wafer with an oxide film by dicing. The cut-out silicon chip was immersed in 46% HF for 90 seconds to remove the oxide film on the surface.
シリコンチップの片面に、真空蒸着法によりCu薄膜(厚さ:約100μm)を成膜した。次いで、そのCu薄膜の表面にフォトレジスト(東京応化工業(株)製、「OFPR−800LB」)を塗布し、レジスト膜(厚さ:50μm)を成膜した。 A Cu thin film (thickness: about 100 μm) was formed on one side of the silicon chip by vacuum evaporation. Next, a photoresist (“OFPR-800 LB” manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) was applied to the surface of the Cu thin film to form a resist film (thickness: 50 μm).
次いで、ウェハ中央部の1mm×4mmの領域に、マスク幅および開口幅がそれぞれ100μm、200μmピッチの直線形状の流路パターン(流路間隔は、凸部および凹部がそれぞれ100μm)を描いたフォトマスクを載置し、紫外線を照射して流路パターンを露光した後、現像することにより、レジストパターンを形成した。 Next, a photomask with a linear flow path pattern with 100 μm and 200 μm pitches for the mask width and the opening width (flow path spacing is 100 μm for the convex and concave portions, respectively) in a 1 mm × 4 mm area at the center of the wafer. The resist pattern was placed, exposed to ultraviolet light to expose the flow path pattern, and then developed to form a resist pattern.
更に、42度ボーメ(約48重量%)の塩化第二鉄溶液を用い、上記レジストパターンに沿ってCuを除去した後、アセトンを用いて、上記レジストパターンを除去した。これにより、上記シリコンウェハ表面にCuマスクパターンを形成した。 Furthermore, after removing Cu along the above resist pattern using a 42 ° Bome (about 48% by weight) ferric chloride solution, the above resist pattern was removed using acetone. Thus, a Cu mask pattern was formed on the surface of the silicon wafer.
続いて、表面にCuマスクパターンが形成されたシリコンウェハの裏面側を、超純水とフッ酸(純度46質量%)とエタノールとを質量比5:3:2で混合した混合溶液に接触させた。そして、シリコンウェハを陽極として、液温10℃、電流密度70mA/m2で390秒間、電流を印加して陽極酸化を行った。これにより、シリコンウェハの裏面から深さ約10μmの範囲に多孔質層を形成した。 Subsequently, the back side of the silicon wafer having a Cu mask pattern formed on the surface is brought into contact with a mixed solution of ultrapure water, hydrofluoric acid (purity 46 mass%) and ethanol mixed at a mass ratio of 5: 3: 2. The Then, anodization was performed by applying a current at a liquid temperature of 10 ° C. and a current density of 70 mA / m 2 for 390 seconds with the silicon wafer as an anode. Thereby, a porous layer was formed in a range of about 10 μm in depth from the back surface of the silicon wafer.
次いで、上記多孔質層を、液温20℃のめっき液(1.0M H2SO4+20mM
H2PtCl4+300mM HF)に浸漬し、めっき液をゆっくりと撹拌して、15分
間無電解めっきを行った。これにより、多孔質層の孔部内に白金触媒を担持させた。なお
、白金触媒形成後のシリコンウェハの断面をSEMにより観察したところ、白金触媒は、
多孔質層全体に亘って層状に堆積していた。また、白金触媒は、シリコンウェハの裏面か
ら深さ約7μmの範囲に主に堆積していた。
Next, the porous layer was treated with a plating solution (1.0 MH 2 SO 4 + 20 mM) at a solution temperature of 20 ° C.
The substrate was immersed in H 2 PtCl 4 +300 mM HF), the plating solution was slowly stirred, and electroless plating was performed for 15 minutes. Thus, the platinum catalyst was supported in the pores of the porous layer. The cross section of the silicon wafer after formation of the platinum catalyst was observed by SEM.
It was deposited in layers throughout the porous layer. Also, the platinum catalyst was mainly deposited in the range of about 7 μm in depth from the back surface of the silicon wafer.
そして、形成された多孔質触媒層の表面にI型マスクを被せ、スパッタリングによりAuを成膜し、集電体層を形成した。 Then, an I-type mask was covered on the surface of the formed porous catalyst layer, and Au was deposited by sputtering to form a current collector layer.
最後に、上記Cuマスクパターンを利用し、このパターンに沿ってシリコンをプラズマエッチングして反応領域(多孔質白金層と集電体層を形成した面の背面から、触媒層の多孔質白金層に到達するまでのガス流路)を形成した。なお、エッチング条件は、エッチング時間:約100分間、ガス流量:SF6:12sccm、O2:5sccm、RF出力:50W、真空値:2.2〜2.8Paとした。これにより、各流路底部が多孔質層に接したガス流路を形成した。 Finally, using the above-mentioned Cu mask pattern, plasma etching silicon along this pattern to form a reaction area (a porous platinum layer and a current collector layer on the back of the surface on which the porous platinum layer of the catalyst layer is formed). The gas flow path to reach it was formed. The etching conditions were: etching time: about 100 minutes, gas flow rate: SF6: 12 sccm, O 2 : 5 sccm, RF power: 50 W, vacuum value: 2.2 to 2.8 Pa. Thereby, the gas flow path in which each flow path bottom part was in contact with the porous layer was formed.
以上により、白金触媒が担持された多孔質触媒層と、多孔質触媒層の一部に重なるように形成された集電体層と、多孔質触媒層表面側の反対面と多孔質触媒層を連通するガス流路を有する板状のシリコン電極を得た。 Thus, the porous catalyst layer on which the platinum catalyst is supported, the current collector layer formed so as to overlap a portion of the porous catalyst layer, the opposite surface of the porous catalyst layer surface side and the porous catalyst layer A plate-like silicon electrode having a communicating gas flow path was obtained.
3.膜電極接合体の作製
上記で作製した凸部を有する異形電解質膜の両面に、それぞれ上記で作製した電極を接合した。まず、上記で作製した電極の多孔質触媒層面をイソプロパノールに浸漬した後、多孔質触媒層表面にナフィオン溶液(5%のNafion溶液:イソプロパノール=1:6)を塗布した。続いて、上記で作製した異形電解質膜を上記ナフィオン溶液に浸漬させた後、この電解質膜を2枚の電極で挟み、圧力0.24MPa、100℃で30分間ホットプレスした。これにより、その厚さが230μmである実施例に係る膜電極接合体を作製した。
3. Production of Membrane-Electrode Assembly The electrodes produced above were joined to both sides of the variant electrolyte membrane having the convex portion produced above. First, the porous catalyst layer surface of the electrode prepared above was immersed in isopropanol, and Nafion solution (5% Nafion solution: isopropanol = 1: 6) was applied to the surface of the porous catalyst layer. Subsequently, the modified electrolyte membrane prepared above was dipped in the above-mentioned Nafion solution, and then this electrolyte membrane was sandwiched between two electrodes and hot pressed at 100 ° C. for 30 minutes under a pressure of 0.24 MPa. Thus, a membrane electrode assembly according to the example having a thickness of 230 μm was produced.
また、上記で作製した平坦電解質膜についても同様にして、比較例に係る膜電極接合体を作製した。 Further, a membrane electrode assembly according to a comparative example was produced in the same manner for the flat electrolyte membrane produced above.
4.発電試験
実施例に係る膜電極接合体および比較例に係る膜電極接合体の各々を用いた各燃料電池を、燃料となる水素および酸素を供給する流路が掘られたアルミニウム製治具の中にセットし、ばね圧をかけて電気的導通を確保した。また、上記燃料電池は、アノード側とカソード側を絶縁する必要があるため、マスキングテープを用いて金属の接触部を絶縁した。この燃料電池を恒温槽にセットした後、カソード電極の流路層に空気を、アノード電極の流路層に水素を流して、発電試験を行った。なお、運転条件は、水素流量10.0sccm、空気流量5.0sccm、恒温槽内温度40℃とした。
4. Power generation test Each fuel cell using each of the membrane electrode assembly according to the example and the membrane electrode assembly according to the comparative example, in an aluminum jig in which a channel for supplying hydrogen and oxygen serving as fuel is dug The spring pressure was applied to ensure electrical continuity. In addition, since the fuel cell needs to insulate the anode side from the cathode side, the metal contact portion is insulated using a masking tape. After this fuel cell was set in a constant temperature bath, air was flowed through the flow path layer of the cathode electrode and hydrogen was flowed through the flow path layer of the anode electrode to conduct a power generation test. The operating conditions were a hydrogen flow rate of 10.0 sccm, an air flow rate of 5.0 sccm, and a temperature in the thermostatic chamber of 40 ° C.
図3に、実施例に係る燃料電池における、セル電圧、電流密度および出力密度特性を示すグラフを、図4に、比較例に係る燃料電池における、セル電圧、電流密度および出力密度特性を示すグラフを示す。実施例に係る燃料電池においては、図3の結果に示す通り、最高出力密度1050mW/cm2を得ることができた。一方、比較例に係る燃料電池においては、図4の結果に示す通り、最高出力密度180mW/cm2であった。 FIG. 3 is a graph showing cell voltage, current density and power density characteristics in the fuel cell according to the example, and FIG. 4 is a graph showing cell voltage, current density and power density characteristics in the fuel cell according to the comparative example Indicates In the fuel cell according to the example, as shown in the result of FIG. 3, the maximum power density of 1050 mW / cm 2 could be obtained. On the other hand, in the fuel cell according to the comparative example, as shown in the result of FIG. 4, the maximum power density was 180 mW / cm 2 .
10 アノード電極
12、32 多孔質触媒層
14、34 ガス流路
16、36 凹部
18 アノード側集電層
19、39 集電体層
20 電解質膜
22 凸部
30 カソード電極
38 カソード側集電層
100 膜電極接合体
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記アノード電極および前記カソード電極のうち少なくとも一方は、前記電解質膜との重ね面の少なくとも一部の領域に形成され、触媒が担持された多孔質触媒層と、前記電解質膜との重ね面の反対面と前記多孔質触媒層を連通するガス流路と、を有し、
前記電解質膜は、前記多孔質触媒層が凹部を有する場合には前記凹部に適合する凸部を有し、前記多孔質触媒層が凸部を有する場合には前記凸部に適合する凹部を有することを特徴とする膜電極接合体。 A membrane electrode assembly in which an anode electrode is bonded to one surface of an electrolyte membrane and a cathode electrode is bonded to the other surface,
At least one of the anode electrode and the cathode electrode is formed in at least a partial region of the overlapping surface with the electrolyte membrane, and the opposite of the overlapping surface with the porous catalyst layer supporting the catalyst and the electrolyte membrane A gas flow path communicating the surface with the porous catalyst layer,
The electrolyte membrane has a convex portion that fits into the concave portion when the porous catalyst layer has a concave portion, and has a concave portion that fits into the convex portion when the porous catalyst layer has a convex portion. A membrane electrode assembly characterized in that.
前記電解質膜は、前記多孔質触媒層が凹部を有する場合には前記凹部に適合する凸部を有し、前記多孔質触媒層が凸部を有する場合には前記凸部に適合する凹部を有することを特徴とする膜電極接合体用電解質膜。 It is an electrolyte membrane used for the membrane electrode assembly of Claim 1 or 2, Comprising:
The electrolyte membrane has a convex portion that fits into the concave portion when the porous catalyst layer has a concave portion, and has a concave portion that fits into the convex portion when the porous catalyst layer has a convex portion. An electrolyte membrane for membrane electrode assembly characterized by the above.
プラズマエッチングにより前記多孔質高分子膜に前記凹部または前記凸部を形成する工程と、
前記凹部または前記凸部が形成された前記多孔質高分子膜に電解質ポリマーを充填する工程と、を有することを特徴とする膜電極接合体用電解質膜の製造方法。 It is a manufacturing method of the electrolyte membrane for membrane electrode assemblies according to claim 5,
Forming the recess or the protrusion in the porous polymer film by plasma etching;
Filling the electrolyte polymer in the porous polymer membrane in which the concave portion or the convex portion is formed, and a method of manufacturing an electrolyte membrane for a membrane electrode assembly.
得られた前記電解質膜を前記アノード電極および前記カソード電極で挟み込みホットプレスする工程と、を有することを特徴とする膜電極接合体の製造方法。 A process of producing an electrolyte membrane using the method of producing an electrolyte membrane for membrane electrode assembly according to claim 6 or 7;
And D. sandwiching the obtained electrolyte membrane between the anode electrode and the cathode electrode and hot-pressing the obtained electrolyte membrane.
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