JP4950882B2 - 膜電極接合体の形成方法 - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池の膜電極接合体に関する。
燃料電池は電気化学反応によって発生する電力を供給する。反応物質は一般的には、燃料（例えば、水素）と酸化剤（例えば、酸素原子又は酸素分子）である。燃料電池反応は電解質の内部又は近傍で発生し、そして電極（例えば、アノードおよびカソード）が燃料電池出力としての電流を集めるために電解質に接触している。電解質はイオンを伝導するが電子は伝導しない。以下の記載は固体酸化電解質を有する固体酸化燃料電池に関する。触媒は通常、燃料電池反応を促進するために電極の少なくとも一方の表面又は近傍に存在する。燃料電池は長年に亘って広範囲に発展してきた。それに伴って、電解質及び電極に関して構造及び又は細部の形状が互いに異なる様々な燃料電池の形態が技術的に考案されてきた。
例えば、一般的に用いられる燃料電池の形態は積層膜電極接合体（ＭＥＡ）を含む。ＭＥＡは電極によって挟まれた電解質を有する３層構造である。電極は、電極層を通過して電解質に燃料及び酸化剤が流れるように一般的には多孔質（例えば、US 6,645,656）である。多孔質電極の基本概念については詳細に研究されている。例えばUS 6,361,892では、制御可能に反応物質の流れを変更するべく、横断面に通過チャンネルを有する電極が検討されている。
利用反応面積を増加させることがＭＥＡ形態に対する重要な動機となる。特に、ＭＥＡにおける電極及び電解質間の大きな界面は、点電極又はワイヤ電極接触を有する構造より広い反応面積を提供する。この好ましいＭＥＡの特徴はUS 6,835,488において更に発展され、ＭＥＡは反応面積を増加させるためにメゾスコピックの３Ｄパターンが形成されている。他のパターン化されたＭＥＡの例がUS 5,518,829において検討されている。
パターン化されたＭＥＡの使用に替えて、燃料電池の反応面積を増加させるための代替方法はＭＥＡにナノチューブ（例えば多孔質カーボンナノチューブ）を含む。このような方法は、US 2004/0170884及びUS 2004/0224217において検討されている。ナノチューブは、US 6,589,682に示されるように、ＭＥＡに接触する支持構造／フロープレートの一部としても使用される。反応面積（又は出力密度）を増加させるための他の方法として、積層手順に従って互いの表面の上に多層ＭＥＡを形成するために膜積層技術を用いることがUS 6,495,279において検討されている。
燃料電池技術の発展における注目すべき傾向は、ＭＥＡをより小さくすることである（例えば、電極及び電解質層の厚さを減少させることによって）。この縮小化に対する重要な動機は燃料電池の内部損失を低減することにある（例えば、電解質内のオーム及びイオンによる損失）。このような縮小化は大きな構造においては発生しなかった問題を引き起こす。特に、機械的な脆弱性はＭＥＡ層の厚さが減少するにつれて顕著な問題となる。ＭＥＡのアノード及びカソード電極に用いられる一般的な多孔質層は、それらの層の孔隙によってその機械的強度が大きく減少し、特に問題が多い。更に、電解質は薄いことが望ましいため（そのオーム損失を低減させるため）、電極に対して機械的な支持を与えるために用いることはできない。
従って、機械的な強度が改善され、それによって公知のＭＥＡより薄い層に縮小化されたＭＥＡ燃料電池を提供することは技術的な進歩であるといえる。更なる技術的な進歩は反応面積及び触媒活性が増強されたＭＥＡを提供することである。
パターン化されたナノチューブ構造と、固体（多孔質の替わりに）電極層とを有する膜電極接合体を供給する。機械的強度の増加は固体電極層の使用によって達成される。電極層は反応物質が電解質に流れ込めるほどに十分薄い。パターン化されたナノチューブは複数の端が閉じられたチューブ（クローズエンドチューブ：closed end tube）を含み、ＭＥＡの体積当たりの反応面積を増加させる。触媒は好ましくはＭＥＡのアノード及びカソード表面に配置され、反応面積を増加させるために好ましくは分離されたアイランド状の触媒の形体をとる。本発明のＭＥＡはパターンが形成されたテンプレートの上に層成長させることによって形成される。原子層成長法が適した堆積技術である。
図１ａ及び図１ｂは、本発明の好適な実施形態を形成するために適したテンプレート１０２の透視図及び断面図を示す。図１ｂは図１ａのライン１０４に沿ったテンプレート１０２の断面図である。本発明の実施形態を形成するために適したテンプレートの重要な特徴は少なくとも２以上のクローズドエンドチューブを含むことである。以下の記載にて示すように、このようなテンプレート上でＭＥＡを形成することによって、隣接したクローズエンドドチューブの複製がＭＥＡ内に導入される。例えば図１ａ及び図１ｂのように、チューブは六方格子に配列され、それぞれが六角形の断面を有する。より一般的には、チューブは周期的な格子（例えば、正方形又は長方形格子）や、擬似周期的な配列や、非周期的配列に配列され得る。チューブの断面は様々な形状である（例えば、正方形、長方形、円、楕円形等）。本発明のチューブはミクロン又はサブミクロンである。特に、チューブの深さは好ましくは約２０ｎｍから約１０μｍであり、チューブの水平方向の幅は好ましくは１０μｍ以下であり、更に好ましくは約２０ｎｍから約２μｍである。
テンプレート１０２は、図２ａ−ｅのＭＥＡ形成ステップに適合するいくつかの物質から形成される。適した物質はシリコン、シリコン酸化物、金属酸化物（例えば、陽極酸化アルミナ）、高分子化合物を含む。クローズドエンドチューブは周知のマイクロ加工及び又はナノ加工技術（例えば、リソグラフィ、陽極酸化、自己組織化）によってテンプレート１０２に形成され得る。
図２ａ−ｆは本発明の好適な実施形態を形成するために適した一連の処理ステップを示す。要約すれば、第１電極層、電解質層、第２電極層は連続して適したパターン化されたテンプレート（例えば、図１ａの１０２）上に積層される。これらの３層が一体となって望まれる特徴（すなわちクローズドエンドチューブ）を有するＭＥＡが形成される。第１電極層はアノードであり得、第２電極層はカソードであり得る。替わりに、第１電極層はカソードであり得、第２電極層はアノードであり得る。付加的に触媒が第１及び又は第２電極層上に配置される。
図２ａはテンプレート１０２上の第１電極層２０２の堆積を示す。この例では、第１電極層２０２は燃料透過性かつ無孔材のアノード２０２である。アノード２０２の厚さは好ましくは約２ｎｍから約５００ｎｍの範囲にある。アノード２０２は孔が無い（すなわち、アノードの厚さ方向に亘って空隙を含まない）ため、固体アノードを通過しての燃料（原子、分子、イオンの形で）の拡散が、電解質に到達するために必要となる。このような拡散は、アノードの厚さが減少するにつれて、より効率が高くなる。しかし、アノードの厚さが減少するにつれて、アノードの機械的強度は減少する。従って、本発明に係るＭＥＡ構造は、これらの競合する要素が適当な平衡をとれるようにすることが必要である。このような平衡をとることは技術者の技術の範疇である。
アノード２０２に適した物質は、白金、ニッケル、パラジウム、銀、ドープペロブスカイト（例えば、亜マンガン酸塩、輝コバルト鉱、及びフェライト）及びこれらの混合物を含む。ペロブスカイトに対する適したドーパントはランタン、ストロンチウム、バリウム、コバルト及びこれらの混合物を含む。より一般的には、アノードは好ましくはイオン及び電子の両方に対して高い導電性を有する混合イオン伝導体である。アノード２０２の堆積のための適した技術はスパッタリング、化学蒸着、パルスレーザ堆積、分子ビームエピタキシャル、蒸着、原子層成長法を含む。原子層成長法（ＡＬＤ）は、高アスペクト比の形態（すなわちチューブ）を有するパターン化されたテンプレート上に成長が行われる時でさえ、精密な膜厚制御を行うことができるため好適な堆積技術である。
図２ｂはアノード２０２上の固体酸化物電解質層２０４の堆積を示す図である。電解質２０４に適した物質は、ホタル石構造を有する金属酸化物（例えば、安定化ジルコニア、ドープ酸化セリウム、及びドープ酸化ビスマス）及びペロブスカイトを含む。ホタル石型構造を有する酸化物はイットリウム、スカンジウム、ガドリニウム、イッテルビウム、及び又はサマリウムにドープされ得る。上記の電解質ペロブスカイトはＡＢＯ３の組成を有し、ここでＡはランタン、カルシウム、ストロンチウム、サマリウム、プラセオジム、又はネオジムであり、Ｂはアルミニウム、ガリウム、チタニウム、又はジルコニウムである。電解質ペロブスカイトに適したドーパントは、ランタン、ストロンチウム、バリウム、コバルト、マグネシウム、アルミニウム、カルシウム及びそれらの混合物を含む。電解質２０４の厚さは好ましくは約５ｎｍから約５００ｎｍの範囲にある。アノード２０２を堆積させるための上記した技術もまた電解質２０４の堆積に適用される。ＡＬＤは電解質の堆積のために適した技術である。
図２ｃは電解質２０４上の第２電極層２０６の堆積を示す。この例では、第２電極層２０６は酸化物透過性かつ無孔材のカソード２０６である。カソード２０６の厚さは好ましくは約２ｎｍから約５００ｎｍの範囲にある。カソード２０６は孔が無い（すなわち、アノードの厚さ方向に亘って空隙を含まない）ため、固体アノードを通過しての酸化物（原子、分子、イオンの形で）の拡散が、電解質に到達するために必要となる。このような拡散は、カソードの厚さが減少するにつれて、より効率が高くなる。しかし、カソードの厚さが減少するにつれて、カソードの機械的強度は減少する。従って、これらの競合する要素が適当な平衡をとれるようにすることが必要である。このような平衡をとることは技術者の技術の範疇である。
カソード２０６に適した物質は、白金、ニッケル、パラジウム、銀、ドープペロブスカイト（例えば、亜マンガン酸塩、輝コバルト鉱、及びフェライト）及びこれらの混合物を含む。ペロブスカイトに対する適したドーパントはランタン、ストロンチウム、バリウム、コバルト及びこれらの混合物を含む。より一般的には、カソードは好ましくは混合イオン伝導体である。アノード２０２を堆積させるための上記した技術もまたカソード２０６の堆積に適用される。ＡＬＤはカソード２０６の堆積のために適した技術である。図２ａ−ｆの形成順序は例として、アノードの上の電解質上にカソードが堆積させることを示している。替わりに、本発明の実施形態を構成するためにカソードの上の電解質上にアノードを堆積させたものを使用することができる。
図２ｄはカソード２０６上にカソード触媒２０８を付加的に堆積させたものを示す。触媒２０８は、好ましくは触媒の有効反応面積を増加させるために、複数の互いに分離したサブミクロンのアイランド状の触媒を含む（図２ｄ参照）。それらのアイランド状の触媒のいくつかは、チューブ形状によって増加した表面積を有効に使うためにクローズドエンドチューブの内部に配置することが好ましい。適した触媒物質は、白金、ニッケル、パラジウム、銀、及びそれらの混合物又は合金である。好ましくは、触媒２０８は、本質的にアイランド成長を発生させる成長パラメータ型を使用してのＡＬＤによって堆積させる（例えば、US 2003/0194598において考案されているように）。この方法では、触媒を分離するためのパターニングのステップを必要とせずに、アイランド状の触媒をパターン化されたカソード上に堆積させることができる。触媒２０８は、酸化剤がカソードを通って拡散できるように酸化剤のカソード２０６への取り込みを促進することが望ましい。
図２ｅはアノード２０２と、電解質２０４と、カソード２０６とを含む膜電極接合体からのテンプレート１０２の除去を示す。このような除去はＭＥＡを分解することなくテンプレート１０２を選択的に除去するいくつかの処理（例えばエッチング）によって実行され得る。
図２ｆはアノード２０２の上へのアノード触媒２１０の付加的な堆積を示す。図２ｄに関連するカソード触媒２０８の記載はまたアノード触媒２１０に適用される。触媒２１０は、燃料がアノードを通って拡散できるように燃料のアノード２０２への取り込みを促進することが望ましい。図２ｆに示された完成したＭＥＡ構造２５０はいくつかの重要な構造上の特徴を有する。特に、ＭＥＡ２５０はテンプレート１０２のクローズドエンドチューブの複製（又はおおよそ複製）であるクローズドエンドチューブを含む。ＭＥＡ２５０は従ってパターン化されるが、その厚みはおおよそ均一である。特に、アノード表面２３０とカソード表面２２０の離間間隔はＭＥＡ内でおおよそ均一である。その他の平面ＭＥＡの折り畳みは有利にＭＥＡの体積に対する面積割合を増加させる。
ＭＥＡ２５０の機械的強度は２つの重要な構造的特長により有利に増加される。第１に、アノード及びカソードは従来の多孔質電極層に対して固体層である。このような固体層は機械的強度を増加させる。第２に、ＭＥＡ２５０のチューブ状のパターン、特に表面形状がハニカムのそれに似た図１ａに示された形態は機械的強度を増加させるために作用する。ハニカム型の表面形状は機械的強度を増加させるために効果的である。この方法により機械的強度を増加させることによって、本発明は更に電極及び電解質層の厚みの減少を促進させ、続いて燃料電池の損失を有利に減少させる。
本発明に係る膜電極接合体は機械的な支持構造によって支持されることが望ましい。適した支持構造は燃料電池技術において公知である。図３ａ及び図３ｂに本発明の使用に適したＭＥＡ支持構造の２つの例を示す。図３ａは支持構造３０２の上に位置する本発明のＭＥＡ２５０を示す。支持構造３０２は、反応物質がＭＥＡ２５０に流れ、ＭＥＡ２５０に電気的な接触を与えることを促進するために、多孔質及び電気伝導性であることが望ましい。図３ｂに代替の配置を示す。ここではフロープレート３０４はＭＥＡ２５０への反応物質の流れのためのチャンネルを含む。フロープレート３０４は、チャンネルが反応物質の流路となるため多孔質である必要はない。しかしながら、フロープレート３０４はＭＥＡ２５０に電気的な接触を与えるため電気伝導性であることが望ましい。図３ａ及び３ｂではＭＥＡの一方の側のみの支持を示しているが、ＭＥＡの両方の側を適した支持構造に接触させることが望ましい。
上記の記載は、限定とは対照的に例示目的である。上記の例の様々な変更が本発明の範囲内に含まれる。例えば、ＭＥＡアノード及びカソード部位は多孔質及び無孔質の層を含み得る。図４は、本発明に係るＭＥＡの拡大断面図（すなわち、チューブのパターンよりも小さな大きさで）及びその構造を示す。この例では、電解質４０６は無孔質のアノード及びカソード層４０４及び４０８それぞれに挟まれている。多孔質のアノード層４０２が無孔質のアノード層４０４に隣接する。多孔質のカソード層４１０が無孔質のカソード層４０８に隣接する。多孔質及び無孔質の電極層の両方の使用は、機械的強度及び燃料電池性能の両方の最適化のために付加的な設計パラメータを提供する。多孔質電極層４０２及び４１０は無孔質電極層に対して最適であるとして上記したものと同じ物質により形成される。
他の変更は表面形状を変更することで、表面の一方からのみ内側へと広がるもの（図１ａ参照）とは対照的にクローズドエンドチューブがアノード表面及びカソード表面の両方から内側へと広がるようにすることができる。本発明の更なる変更ではアノード又はカソードの組成に電解質物質を含む。特に、電解質２０４に関して上記した物質はアノード２０２及び又はカソード２０６に含まれ得る。電解質物質の電極への追加はアノード及び又はカソードのイオン伝導性を増加させ、電解質アノード界面及び又は電解質カソード界面での界面抵抗を減少させる。
本発明の実施形態を組み立てるために適したテンプレートの透視図である。 本発明の実施形態を組み立てるために適したテンプレートの断面図である。 本発明の最適な実施形態を形成するために適した一連の加工ステップの一ステップを示す図である。 本発明の最適な実施形態を形成するために適した一連の加工ステップの一ステップを示す図である。 本発明の最適な実施形態を形成するために適した一連の加工ステップの一ステップを示す図である。 本発明の最適な実施形態を形成するために適した一連の加工ステップの一ステップを示す図である。 本発明の最適な実施形態を形成するために適した一連の加工ステップの一ステップを示す図である。 本発明の最適な実施形態を形成するために適した一連の加工ステップの一ステップを示す図である。 本発明での使用に適したＭＥＡ支持構造の例を示す図である。 本発明での使用に適したＭＥＡ支持構造の例を示す図である。 本発明の代替の実施形態によるＭＥＡの拡大断面図である。

Claims (6)

  1. 燃料電池のための膜電極接合体の形成方法であって、
    複数の有底孔であるクローズドエンドチューブを表面に有するテンプレートを準備し、
    前記クローズドエンドチューブを含む前記テンプレートの表面上に、無孔質、固体、かつ薄膜である第１電極層の第１堆積を行い、前記第１電極層上への薄膜状の固体酸化物電解質層の電解質堆積を行い、前記電解質層上への無孔質、固体、かつ薄膜である第２電極層の第２堆積を行い、前記第１電極層、前記固体酸化物電解質層及び前記第２電極層を含む厚みがおおよそ均一な膜電極接合体を前記テンプレート上に形成し、
    前記膜電極接合体から前記テンプレートを除去することによって、
    前記第２電極層の前記固体酸化物電解質層側と異なる面から内側へと延在する複数の分離したクローズドエンドチューブを前記膜電極接合体に形成したことを特徴とする燃料電池のための膜電極接合体の形成方法。
  2. 前記第１電極層及び前記第２電極層の一方はアノード−電解質界面から離れて対向するアノード表面を有するアノードであり、前記第１電極層及び前記第２電極層の他方はカソード−電解質界面から離れて対向するカソード表面を有するカソードであり、
    前記アノードは燃料透過性であり、かつ前記カソードは酸化剤透過性であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のための膜電極接合体の形成方法。
  3. 前記電解質堆積及び前記第２堆積のそれぞれが、スパッタリング、化学蒸着、パルスレーザ堆積、分子ビームエピタキシャル、蒸着、原子層成長からなる群から選択される堆積方法を含むことを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体の形成方法。
  4. 前記第１堆積は、リソグラフィ処理によって前記クローズドエンドチューブの輪郭が決定されたテンプレート上に前記第１電極層を堆積させることを含む請求項１に記載の膜電極接合体の形成方法。
  5. 前記アノード表面及び前記カソード表面の少なくとも一方の上に触媒を堆積させる触媒堆積を更に含むことを特徴とする請求項２に記載の膜電極接合体の形成方法。
  6. 前記触媒堆積は、アイランド成長をもたらす成長方法を実行する原子層成長を含み、前記触媒は分離されたアイランド状に配置されることを特徴とする請求項５に記載の膜電極接合体の形成方法。
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