JP5234878B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は概して燃料電池とその膜電極アセンブリに関する。   The present invention generally relates to fuel cells and membrane electrode assemblies thereof.

燃料電池は、従来のエネルギー源に代わるものとして世界中で強い販売潜在力を見せ続けている。燃料電池には様々なタイプがあるが、いずれも化学反応によって電力を発生させる。重要性を増して来ている燃料電池の一つには、比較的低温(概して室温から120℃)で動作可能な、プロトン交換膜燃料電池(PEMFC)がある。   Fuel cells continue to show strong sales potential around the world as an alternative to traditional energy sources. There are various types of fuel cells, all of which generate electric power through a chemical reaction. One fuel cell of increasing importance is the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), which can operate at relatively low temperatures (typically from room temperature to 120 ° C.).

図1はPEMFCの一般的な従来型を表したもので、概して参照番号10で示される。PEMFC(10)は中心に電極膜アセンブリ(MEA)(15)を備えている。MEA(15)は表面に配設されたアノード触媒層(32)と、その対面に置かれたカソード触媒層(42)を有するプロトン交換膜(20)を備えている。アノード側の補助層(34)はアノード触媒層(32)に配設され、カソード側の補助層(44)はカソード触媒層(42)に配設される。実際の構造としては、補助層(34)(44)は通常、カーボン紙や布のような、表面積対体積の割合が高い微小孔性の物質から作られている。この微小孔性層は、配設された触媒層を物理的に補助する役割をする。最後に、プロトン交換膜(20)、触媒層(32)、(42)、および補助層(34)、(44)間の適切な密接を確保するため、膜(20)とそれぞれの層は120℃から150℃で加熱プレス器により圧迫され、MEA(15)を形成する。燃料電池(10)は、その後一対の流体フロープレート(36)、(46)間にMEA(15)を取り付けることで完成する。アノード側流体フロープレート(36)は注入口(37)、排出口(38)および分配管で構成される。カソード側の流体フロープレート(46)は注入口(47)、排出口(48)および分配管(49)で構成される。実践では、燃料電池(10)はスタックされる多くの燃料電池のうちの一つとして配置される。スタックでは、双極板は両側に管/導管を有し、これらフローフィールドプレートは双極板と呼ばれる。 FIG. 1 represents a general conventional type of PEMFC, generally indicated by reference numeral 10. The PEMFC (10) has an electrode membrane assembly (MEA) (15) in the center. The MEA (15) includes a proton exchange membrane (20) having an anode catalyst layer (32) disposed on the surface and a cathode catalyst layer (42) placed on the opposite side. The auxiliary layer (34) on the anode side is disposed on the anode catalyst layer (32), and the auxiliary layer (44) on the cathode side is disposed on the cathode catalyst layer (42). In practice, the auxiliary layers (34), (44) are typically made from a microporous material with a high surface area to volume ratio, such as carbon paper or cloth. This microporous layer serves to physically assist the disposed catalyst layer. Finally, in order to ensure proper intimate contact between the proton exchange membrane (20), the catalyst layers (32), (42), and the auxiliary layers (34), (44), the membrane (20) and each layer are 120 The MEA (15) is formed by being pressed by a hot press at a temperature of from 150 to 150 ° C. The fuel cell (10) is then completed by attaching the MEA (15) between the pair of fluid flow plates (36), (46). The anode-side fluid flow plate (36) includes an inlet (37), an outlet (38), and a distribution pipe. The cathode-side fluid flow plate (46) includes an inlet (47), an outlet (48), and a distribution pipe (49). In practice, the fuel cell (10) is arranged as one of many fuel cells stacked. In a stack, the bipolar plates have tubes / conduit on both sides and these flow field plates are called bipolar plates.

この従来の構造の性能や構成を考えると、いくつかの欠点が明らかになる。まず、MEA(15)の製造は実際上非常に繊細なプロセスを要し、そのプロセスは燃料電池が正確に機能するためには非常に厳密に行われなければならない。次に、理論的モデルが提示するものと比べ、十分な性能に達する為に必要な触媒担持量が極めて大きい。   Considering the performance and configuration of this conventional structure, several drawbacks become apparent. First, the manufacture of MEA (15) requires a very delicate process in practice, which must be performed very strictly for the fuel cell to function correctly. Next, compared to what the theoretical model presents, the amount of catalyst supported to reach sufficient performance is extremely large.

前述の欠点の少なくとも一部に取り組むことが本発明の目的である。   It is an object of the present invention to address at least some of the aforementioned drawbacks.

第一の側面によると、本発明は、アノード触媒層とカソード触媒層の間に、膜の面および前記触媒層の面が界面領域で互いに係合するように配設されたプロトン交換膜を備え、前記界面領域における前記面はナノインプリンティングプロセスから形成された表面構造を有する燃料電池のための電極膜アセンブリを提供しうる。   According to a first aspect, the present invention comprises a proton exchange membrane disposed between an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer such that the membrane surface and the catalyst layer surface engage with each other in an interface region. The surface in the interface region may provide an electrode membrane assembly for a fuel cell having a surface structure formed from a nanoimprinting process.

界面領域において形成されたナノ規模の表面構造を利用することで、効果的な反応区域(触媒層と膜の間)は増加し、その結果、発電の向上や触媒層への触媒担持量の削減も達成しうる。表面構造を形成するためにナノインプリンティング技術を利用することは、正確に表面構造の配置を管理できると言う点で特に有利である。この点から、ナノインプリンティング技術は、形成された表面構造の管理や汚染防止が難しく、実際に利用する際に困難が見られる機械摩耗やプラズマ・エッチングのような他の表面構造を形成するための技術に比べ、有利である。   By utilizing the nano-scale surface structure formed in the interface region, the effective reaction zone (between the catalyst layer and the membrane) increases, resulting in improved power generation and reduced catalyst loading on the catalyst layer. Can also be achieved. The use of nanoimprinting technology to form the surface structure is particularly advantageous in that the arrangement of the surface structure can be accurately managed. In this respect, nanoimprinting technology is difficult to control the formed surface structure and prevent contamination, and forms other surface structures such as mechanical wear and plasma etching that are difficult to use in practice. This is an advantage over the previous technology.

表面構造は膜上にあることが好ましい。   The surface structure is preferably on the membrane.

いくつかの実施例において、表面構造は一方の界面領域だけに形成されてよいが、アノード側およびカソード側両側の界面領域に形成されるのが好ましい。   In some embodiments, the surface structure may be formed in only one interface region, but is preferably formed in the interface regions on both the anode side and the cathode side.

第二の側面によると、本発明は、
アノード触媒層およびカソード触媒層の間に配設されたプロトン交換膜を備える電極膜アセンブリ、
アノード触媒層に接合される接触面があるアノード側双極板
カソード触媒層に接合される接触面があるカソード側双極板を備え、
前記接触面はナノインプリンティングプロセスから形成された表面構造がある燃料電池を提供しうる。
According to a second aspect, the present invention provides:
An electrode membrane assembly comprising a proton exchange membrane disposed between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer;
An anode-side bipolar plate with a contact surface joined to the anode catalyst layer,
A cathode-side bipolar plate having a contact surface joined to the cathode catalyst layer;
The contact surface may provide a fuel cell having a surface structure formed from a nanoimprinting process.

双極板上において形成されたナノ規模の表面構造を利用することで、従来の拡散浸透層での分配が可能である。これは、より小さい燃料電池の構築を可能にするので有利である。さらに双極板がポリマー製であれば、全ポリマーの燃料電池の構築が可能となり、医学的用途にも魅力的である。 By using a nanoscale surface structure formed on a bipolar plate , distribution in a conventional diffusion permeation layer is possible. This is advantageous as it allows the construction of smaller fuel cells. Furthermore, if the bipolar plate is made of a polymer, it is possible to construct an all-polymer fuel cell, which is attractive for medical use.

本発明においては、「ナノインプリンティングプロセスから」という表現は、直接的または間接的に関わらず、ナノインプリンティングプロセスの結果として起こる表面構造も含めるものと理解される。   In the present invention, the expression “from the nanoimprinting process” is understood to include surface structures that occur as a result of the nanoimprinting process, whether directly or indirectly.

このため、本発明の第三の側面によると、本発明は、燃料電池のコンポーネントのナノインプリンティングによる製造方法であって、ナノインプリンティングのためのパターンを有する型を提供するステップと、燃料電池コンポーネントを提供するステップと、前記コンポーネントに前記パターンを直接ナノインプリンティングするステップと、を含む製造方法を提供しうる。第四の側面によると、燃料電池のコンポーネントのナノインプリンティングによる製造方法であって、ナノインプリンティングのためのパターンを有する型を提供するステップと、パターン支持テンプレートを提供するステップと、前記パターン支持テンプレートに前記パターンをナノインプリンティングするステップと、前記パターン支持テンプレート内で前記コンポーネントをその構成材料から形成するステップと、を含む製造方法を提供しうる。   Thus, according to a third aspect of the present invention, the present invention provides a method for producing a fuel cell component by nanoimprinting, the method comprising providing a mold having a pattern for nanoimprinting, and a fuel cell. A manufacturing method may be provided that includes providing a component and nanoimprinting the pattern directly on the component. According to a fourth aspect, there is provided a method for producing a fuel cell component by nanoimprinting, the method comprising: providing a mold having a pattern for nanoimprinting; providing a pattern support template; and said pattern support A manufacturing method may be provided that includes nanoimprinting the pattern on a template and forming the component from its constituent material in the pattern support template.

本発明の典型的実施例を、以下に添付図面を参照しながら説明する。   Exemplary embodiments of the invention will now be described with reference to the accompanying drawings.

図2は、発明の第一実施例を示している。この実施例および後続の各実施例は、それぞれ図1の従来型に共通する性質を持っている。以下、同様部分を言及する場合は同じ参照番号を使用するものとする。図2を参照すると、PEMFC10は中心に電極膜アセンブリ(MEA)(15)を備えている。MEA(15)は、一般的にアイオノマーから出来ている半透膜タイプのプロトン交換膜を備えている。膜(20)はプロトン(ヒドロニウム・イオン)が通過できるよう設計されているが、酸素や水素のような気体は通過できないようになっている。膜に適した素材はデュポン社製のナフロン(登録商標)である。MEA(15)はまた、膜(20)に配設されたアノード触媒層(32)および前記膜の逆側に配設されたカソード触媒層(42)を備えている。両層(32)、(42)に適切な触媒は貴金属プラチナである。拡散層(34)、(44)は図1の従来型の関連で説明された通りである。MEA(15)を構成する方法もまた基本的に加熱プレス方法と同様である。しかしながら、本発明の第一実施例の構築において、また本発明によると、MEA(15)の部品を加熱プレスする前に、膜(20)の両面は表面構造のパターンでナノインプリンティングされる。表面構造には複数のパターンが可能であり、図7(a−d)にいくつか基本図形が挙げられている。図7(a)は円筒型構造、図7(b)は長方形構造、図7(c)は円錐台構造、図7(d)は角錐形構造を提示する。構造の高さは通常約100nmである。構造間の間隔は通常約10nmである。円筒型および円錐台構造底面の直径は通常約10nmである。長方形構造および角錐形構造の底面面積は円筒形および円錐台構造の底面と同じになるように設定されている。   FIG. 2 shows a first embodiment of the invention. This embodiment and each of the subsequent embodiments have properties common to the conventional type of FIG. Hereinafter, the same reference numerals will be used to refer to similar parts. Referring to FIG. 2, the PEMFC 10 has an electrode membrane assembly (MEA) (15) in the center. The MEA (15) includes a semipermeable membrane type proton exchange membrane generally made of an ionomer. The membrane (20) is designed so that protons (hydronium ions) can pass through it, but gas such as oxygen and hydrogen cannot pass through it. A suitable material for the membrane is Naflon (registered trademark) manufactured by DuPont. The MEA (15) also includes an anode catalyst layer (32) disposed on the membrane (20) and a cathode catalyst layer (42) disposed on the opposite side of the membrane. A suitable catalyst for both layers (32), (42) is noble metal platinum. The diffusion layers (34) and (44) are as described in the context of the conventional type of FIG. The method of constructing the MEA (15) is also basically the same as the hot press method. However, in the construction of the first embodiment of the present invention, and according to the present invention, prior to hot pressing the parts of the MEA (15), both sides of the membrane (20) are nanoimprinted in a pattern of surface structure. A plurality of patterns are possible for the surface structure, and some basic figures are listed in FIGS. 7A shows a cylindrical structure, FIG. 7B shows a rectangular structure, FIG. 7C shows a truncated cone structure, and FIG. 7D shows a pyramidal structure. The height of the structure is usually about 100 nm. The spacing between structures is usually about 10 nm. The diameter of the cylindrical and frustoconical bottom is usually about 10 nm. The bottom surface area of the rectangular structure and the pyramid structure is set to be the same as the bottom surface of the cylindrical shape and the truncated cone structure.

MEA(15)が加熱プレスされる際、膜(20)のナノインプリンティング面とアノード触媒層(32)の一面、および膜(20)のもう一方のナノインプリンティング面とカソード触媒層(42)の一面が、それぞれ界面領域(50)、(60)にてお互いに接合する。図1に表された従来型MEAと比べると、触媒層(34)、(42)と膜(20)の間の効果的な接触領域が飛躍的に高められてることが認識されるであろう。燃料電池(10)は、その後流体フロープレート(36)、(46)の間にMEA(15)を取り付けることで完成する。本発明によると、流体フロープレートは、表面構造(36a)、(46a)がその内面にナノインプリンティングされている。アノード側流体フロープレート(36)は注入口(37)、排出口(38)を含む。カソード側の流体フロープレート(46)は注入口(47)、排出口(48)を含む。   When the MEA (15) is hot-pressed, the nanoimprinting surface of the membrane (20) and one surface of the anode catalyst layer (32), and the other nanoimprinting surface of the membrane (20) and the cathode catalyst layer (42). Are joined together at the interface regions (50) and (60), respectively. It will be appreciated that the effective contact area between the catalyst layers (34), (42) and the membrane (20) is dramatically increased compared to the conventional MEA represented in FIG. . The fuel cell (10) is then completed by mounting the MEA (15) between the fluid flow plates (36), (46). According to the invention, the fluid flow plate has surface structures (36a), (46a) nanoimprinted on its inner surface. The anode fluid flow plate (36) includes an inlet (37) and an outlet (38). The cathode-side fluid flow plate (46) includes an inlet (47) and an outlet (48).

実際の運用では、燃料(基本的にはヒドロニウム・イオン源)は、アノード側双極板(36)に設置された注入口(37)から供給される。本発明のこの実施例では、燃料はメタノールであり、燃料電池に直接供給される。燃料が注入口(37)に入ると、アノード側双極板(36)に刻まれた表面構造(36a)によって形成される導管ネットワークに溜められる。この導管ネットワークは、燃料が双極板(36)の表面上を、燃料が流れ出すところから燃料がさらに拡散分配される拡散層(34)にまで、広く拡散、分配するのを助長する。アノード触媒層(32)に達した時、燃料は酸化され、それによりプロトンおよび電子を放出する。プロトンおよび電子は、カソード触媒層(42)まで別々の道筋を通る。プロトンはプロトン交換膜(20)を通過し、電子は電流を生み出す外部回路(70)を通過する。カソード触媒層(42)に戻ると、電子はプロトンと再結合すると同時に、カソード側フィールドフロー(46)の注入口(47)を通して与えられた酸素と結合することで水を生成する。アノード側排出口(38)は未使用の燃料を排出すると同時に、アノード側で起こった半反応による副産物、すなわち二酸化炭素も排出する。カソード側排出口は、カソード側で起こった半反応による副産物、すなわち水を排出する。 In actual operation, fuel (basically a hydronium ion source) is supplied from an inlet (37) installed in the anode bipolar plate (36). In this embodiment of the invention, the fuel is methanol and is supplied directly to the fuel cell. As fuel enters the inlet (37), it is pooled in a conduit network formed by a surface structure (36a) carved in the anode bipolar plate (36). This conduit network facilitates the wide diffusion and distribution of fuel over the surface of the bipolar plate (36) from where it flows to the diffusion layer (34) where the fuel is further diffused and distributed. When the anode catalyst layer (32) is reached, the fuel is oxidized, thereby releasing protons and electrons. Protons and electrons follow separate paths to the cathode catalyst layer (42). Protons pass through the proton exchange membrane (20), and electrons pass through an external circuit (70) that produces an electric current. When returning to the cathode catalyst layer (42), the electrons recombine with protons, and at the same time, combine with oxygen supplied through the inlet (47) of the cathode field flow (46) to generate water. The anode side discharge port (38) discharges unused fuel and at the same time discharges a by-product, ie, carbon dioxide, due to a half reaction occurring on the anode side. The cathode side discharge port discharges by-product, that is, water due to a half reaction occurring on the cathode side.

アノード反応は、燃料、膜、および触媒の三段階の境界に限局すると見られている。ゆえに、膜上にナノインプリンティングされた表面構造のパターンによって増加した反応表面区域は、有効な触媒利用を改善すると思われる。同様の三段階の境界を持った限局的反応がカソードでも起こると考えられ、また同様の利点がカソード側の膜におけるナノインプリンティング表面構造により生じると考えられる。   The anodic reaction is seen to be confined to the three-stage boundary of fuel, membrane, and catalyst. Thus, the reactive surface area increased by the pattern of surface structures nanoimprinted on the membrane appears to improve effective catalyst utilization. A similar localized reaction with a three-step boundary is considered to occur at the cathode, and a similar advantage is thought to be caused by the nanoimprinted surface structure in the cathode side membrane.

三段階反応の効果改善の結果、より薄い触媒層が可能となる。図1の従来型では、触媒担持量の範囲は0.3mg/cmから数mg/cmであったが、図2の実施例では触媒担持量を大幅に削減することが可能である。 As a result of improving the effect of the three-stage reaction, a thinner catalyst layer becomes possible. In the conventional type of FIG. 1, the range of the catalyst loading amount was 0.3 mg / cm 2 to several mg / cm 2 , but in the embodiment of FIG. 2, the catalyst loading amount can be greatly reduced.

図3は本発明の第二実施例を示している。この実施例は、拡散層(34)、(44)が取り外された点で第一実施例と異なる。実際の運用では、本燃料電池は図2の第一実施例と同様の働きをする。拡散層(34)、(44)は、特に低温燃料電池によく見られる特徴である。ゆえに、ナノインプリンティング表面構造のみの使用で、必要な反応物質を触媒層に届け、また触媒層から物質を取り除くことを可能にしたことは、第二実施例における注目に値する優位点である。この実施例は、拡散補助層が不要であることから、製造の容易さにおいても利点がある。また、全体的な規模においては、拡散補助層による分配、および双極板が分配導管(39)、(49)のネットワークを必要としないことが、小型燃料電池に適したよりコンパクトな構造を可能にする。さらに、双極板をポリマーから生成することが可能であるため、本発明の本実施例は、医学的用途に非常に良く適した全ポリマー構造として実行することが可能である。 FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention. This embodiment differs from the first embodiment in that the diffusion layers (34), (44) are removed. In actual operation, the fuel cell functions in the same manner as the first embodiment of FIG. Diffusion layers (34) and (44) are particularly common features in low temperature fuel cells. Therefore, it is a remarkable advantage in the second embodiment that only the nano-imprinting surface structure can be used to deliver a necessary reactant to the catalyst layer and to remove the substance from the catalyst layer. Since this embodiment does not require a diffusion auxiliary layer, there is an advantage in the ease of manufacturing. Also, on the whole scale, the distribution by diffusion auxiliary layer and the fact that the bipolar plate does not require a network of distribution conduits (39), (49) allows a more compact structure suitable for small fuel cells. . Furthermore, because bipolar plates can be made from polymers, this embodiment of the present invention can be implemented as an all-polymer structure that is very well suited for medical applications.

図4は、本発明の第三実施例であり、申請者は本発明の利点を多く明示するためにこの実施例を利用した。この実施例では、183ミクロンの厚さのナフロン(登録商標)(117)膜(20)に、130℃のナノインプリンティング技術を使ってパターンを付けた。高さ1ミクロン、直径5ミクロンの柱が5ミクロン間隔でおかれたパターンを膜(20)の両側に形成した。パターンが付けられた後、膜に、蒸留水、過酸化水素、蒸留水、硫酸、そして最後に蒸留水にて、時間調節した浸水を連続的に施した。最初の蒸留水での洗浄以外の浸水は、80℃の温度で2時間行った。その後、厚さ20nmのプラチナ層をスパッタリングの方法でナノインプリンティング膜(20)にアノード触媒層(32)を形成するため配設し、同様の厚さ20nmのプラチナ層をスパッタリングの方法で膜(20)のもう一方にカソード触媒層(42)を形成するために配設した。その後、膜(20)をカーボン紙製の市販の拡散補助(34)、(44)の間に挟み、従来の双極板の間に置いた。全体的な電極領域は、5cmであった。乾燥水素および空気ガスを1気圧で燃料電池に供給し、80℃まで加熱した。触媒担持量は約0.04mg/cm同等で、最大出力密度は約50mW/cmであった。図5はまた、膜(20)がナノインプリンティングされていない燃料電池の同様のI−V性質を示している。出力密度の改善が顕著であった。 FIG. 4 shows a third embodiment of the present invention, and the applicant used this embodiment to clearly show many advantages of the present invention. In this example, a 183 micron thick Naflon® (117) film (20) was patterned using a 130 ° C. nanoimprinting technique. A pattern of 1 micron high and 5 micron diameter pillars spaced at 5 micron intervals was formed on both sides of the membrane (20). After the pattern was applied, the membrane was continuously subjected to timed immersion in distilled water, hydrogen peroxide, distilled water, sulfuric acid and finally distilled water. Submersion other than the first washing with distilled water was performed at a temperature of 80 ° C. for 2 hours. Thereafter, a platinum layer having a thickness of 20 nm is disposed on the nano-imprinting film 20 by sputtering to form the anode catalyst layer 32, and a platinum layer having a thickness of 20 nm is formed by sputtering. 20) was provided to form a cathode catalyst layer (42) on the other side. Thereafter, the film (20) A commercially available diffusion auxiliary made of carbon paper (34), sandwiched between (44), was placed between the conventional bipolar plate. The overall electrode area was 5 cm 2. Dry hydrogen and air gas were supplied to the fuel cell at 1 atmosphere and heated to 80 ° C. The amount of catalyst supported was about 0.04 mg / cm 2 and the maximum power density was about 50 mW / cm 2 . FIG. 5 also shows similar IV properties of a fuel cell in which the membrane (20) is not nanoimprinted. The improvement of output density was remarkable.

図6は、本発明の第四実施例の構造である。小型燃料電池ユニット(10)を、厚さ51ミクロンのナフロン(登録商標)(112)膜(20)の周りに構築し、膜(20)に第三実施と同じようにパターンを付けた。パターンが付けられた後、膜に、蒸留水、過酸化水素、蒸留水、硫酸、そして蒸留水の順にて時間調節した浸水を連続的に施した。最初の蒸留水での洗浄以外の浸水は、80℃の温度で1時間行った。   FIG. 6 shows the structure of the fourth embodiment of the present invention. A small fuel cell unit (10) was built around a 51 micron thick Naflon (112) membrane (20), and the membrane (20) was patterned as in the third embodiment. After patterning, the membrane was continuously subjected to timed immersion in the order of distilled water, hydrogen peroxide, distilled water, sulfuric acid, and distilled water. Water immersion other than the first washing with distilled water was performed at a temperature of 80 ° C. for 1 hour.

この実施例の双極板(36)、(46)は、厚さ2ミクロンのSiO層での裏コーティング(51)を備えたシリコン・ウエハーから出来ている。カソード側ウェハーの燃料注入口(37)と燃料排出口(38)を接続し、空気注入口(47)と排出口(48)を接続するのは、乾燥エッチングにより形成される導管パターン(36b)および(46b)である。導管パターンの目的は、反応物質を触媒層に届け、触媒層から物質を取り除くことである。全体的な導管パターンの領域は10.5×11mmである。 The bipolar plates (36), (46) of this example are made of a silicon wafer with a back coating (51) with a 2 micron thick SiO 2 layer. The fuel inlet (37) and the fuel outlet (38) of the cathode side wafer are connected, and the air inlet (47) and the outlet (48) are connected by a conduit pattern (36b) formed by dry etching. And (46b). The purpose of the conduit pattern is to deliver the reactants to the catalyst layer and to remove the material from the catalyst layer. The area of the overall conduit pattern is 10.5 × 11 mm.

この実施例では、厚さ20nmのプラチナ層を備えた触媒層(32)、(42)をナノインプリンティング膜に形成した。また、カレント・コレクタの役割として、厚さ10nmのTi種子層および厚さ100nmのプラチナ層を双極板に配設する。より良い接合のためにTi層をまず配設する。 In this example, catalyst layers (32) and (42) each having a platinum layer having a thickness of 20 nm were formed on a nanoimprinting film. Further, as a current collector, a Ti seed layer having a thickness of 10 nm and a platinum layer having a thickness of 100 nm are disposed on the bipolar plate . A Ti layer is first disposed for better bonding.

カソードにおいて1Mのメタノール溶液と、酸化剤としての空気を受動的に利用することで、0.7Vの開路電圧を得ることができた。これは、0.2Vの電圧しか得られなかった、膜がナノインプリンティングされていなかった同様の配設と比べて大変有利である。この開路電圧は発電容量を大きく改善することを提示している。   By using passively 1M methanol solution and air as an oxidant at the cathode, an open circuit voltage of 0.7 V could be obtained. This is a great advantage over similar arrangements where only a voltage of 0.2V was obtained and the membrane was not nanoimprinted. This open circuit voltage has been shown to greatly improve the power generation capacity.

プロトン交換膜および液体フロープレートにナノインプリンティングを施すためには、少なくとも二つの基礎的なプロセスがある。図8にAとして示された方法は、インプリントすることが望まれているパターン(102)を持った型(100)が、室温またはそれより高い温度でプロトン交換膜(20)または双極板(36)、(46)に直接押されるために使用される、標準的な直接ナノインプリンティングプロセスである。完成品は(110)で示される。 There are at least two basic processes for nanoimprinting proton exchange membranes and liquid flow plates. In the method shown as A in FIG. 8, the mold (100) having the pattern (102) that is desired to be imprinted is transformed into a proton exchange membrane (20) or a bipolar plate (20) at room temperature or higher. 36), a standard direct nanoimprinting process used to be pushed directly to (46). The finished product is indicated by (110).

代替の方法は、図8にBで示されており、インプリントすることが望まれているパターンを持った型を使用し、その型を中間のポリマーまたはガラス素材サポート製のパターンテンプレート(105)にナノインプリントする。中間(105)はその後、膜(20)または双極板(36)(46)構成材料が配設される表面として利用され、その後凝固され完成品110を形成する。 An alternative method is shown at B in FIG. 8 and uses a mold with a pattern that is desired to be imprinted, and the mold is a pattern template (105) made of an intermediate polymer or glass material support. To nanoimprint. The intermediate (105) is then utilized as the surface on which the membrane (20) or bipolar plate (36) (46) component material is disposed and then solidified to form the finished product 110.

本明細書においてプロトン交換膜燃料電池またはPEMFCと言及されているものは、技術的にはポリマー電解質膜燃料電池としても知られていることは認識されるであろう。   It will be appreciated that what is referred to herein as a proton exchange membrane fuel cell or PEMFC is also known in the art as a polymer electrolyte membrane fuel cell.

本明細書を通して使用されている「ナノインプリンティング」という用語は、様々な大きさの表面構造のインプリンティングを言及している。大きさの範囲は、一桁の数字のnm規模や同様のサイズピッチを有する構成を含む。また、当用語は時として最大約100ミクロンの規模を有する構成を言及することもある。   As used throughout this specification, the term “nanoimprinting” refers to the imprinting of surface structures of various sizes. The size range includes configurations having a single-digit number nm scale or similar size pitch. The term also sometimes refers to a configuration having a scale of up to about 100 microns.

一般的なPEMFCの従来型の概略図である。1 is a schematic diagram of a conventional PEMFC conventional type. 本発明の第一実施例の概略図である。It is the schematic of the 1st Example of this invention. 本発明の第二実施例の概略図である。It is the schematic of the 2nd Example of this invention. 本発明の第三実施例の概略図である。It is the schematic of the 3rd Example of this invention. 第三実施例と従来型のPEMFCとの性能の特徴を比較したものである。The performance characteristics of the third embodiment and the conventional PEMFC are compared. 本発明の第四実施例の概略図である。It is the schematic of 4th Example of this invention. 本発明の、ナノインプリンティングされた表面構造で可能な様々のパターンである。Fig. 3 is a variety of patterns possible with the nano-imprinted surface structure of the present invention. PEMFC構造過程にナノインプリンティングを統合するための方法である。A method for integrating nanoimprinting into PEMFC structural processes.

10 プロトン交換膜燃料電池
15 電極膜アセンブリ
20 プロトン交換膜
32 アノード触媒層
34 アノード側の補助層
36 双極板又は流体フロープレート
36a 表面構造
42 カソード触媒層
44 カソード側の補助層
46 双極板又は流体フロープレート
46a 表面構造
47 注入口
48 排出口
49 分配管
10 proton exchange membrane fuel cell 15 electrode membrane assembly 20 proton exchange membrane 32 anode catalyst layer 34 anode side auxiliary layer 36 bipolar plate or fluid flow plate 36a surface structure 42 cathode catalyst layer 44 cathode side auxiliary layer 46 bipolar plate or fluid flow Plate 46a Surface structure 47 Inlet 48 Outlet 49 Distribution pipe

Claims (6)

アノード触媒層(32)およびカソード触媒層(42)と、
前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に配されるプロトン交換膜(15)と、
前記アノード触媒層の前記プロトン交換膜に接する面と反対側の面において該アノード触媒層に接し、該アノード触媒層に供給される燃料を拡散・分配するアノード側拡散層(34)と、
前記アノード側拡散層の前記アノード触媒層に接する面と反対側の面において前記アノード側拡散層に接し、該アノード側拡散層に燃料を供給するアノード側双極板(36)であって、前記アノード側拡散層に接する面に、該アノード側拡散層の表面上にナノインプリンティングプロセスから形成された微細表面構造であって前記燃料を拡散・分配するための微細表面構造(36a)を有するアノード側双極板と、
を有する、燃料電池アセンブリ。
An anode catalyst layer (32) and a cathode catalyst layer (42);
A proton exchange membrane (15) disposed between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer;
An anode side diffusion layer (34) that contacts the anode catalyst layer on a surface opposite to the surface that contacts the proton exchange membrane of the anode catalyst layer, and diffuses and distributes fuel supplied to the anode catalyst layer;
An anode-side bipolar plate (36) that is in contact with the anode-side diffusion layer on the surface opposite to the surface in contact with the anode catalyst layer of the anode-side diffusion layer and supplies fuel to the anode-side diffusion layer, The anode side having a fine surface structure (36a) for diffusing and distributing the fuel on the surface in contact with the side diffusion layer, which is a fine surface structure formed from a nanoimprinting process on the surface of the anode side diffusion layer Bipolar plates,
A fuel cell assembly.
前記カソード触媒層の前記プロトン交換膜に対向する面と反対側の面において該カソード触媒層に接するカソード側拡散層(44)と、
前記カソード側拡散層の前記カソード触媒層に接する面と反対側の面において前記カソード側拡散層に接すると共に、前記カソード側拡散層に接する面に、ナノインプリンティングプロセスから形成された微細表面構造であって空気および水の通り道となる微細表面構造を有するカソード側双極板(46)と、
を有する、請求項1に記載の燃料電池アセンブリ。
A cathode side diffusion layer (44) in contact with the cathode catalyst layer on a surface opposite to the surface facing the proton exchange membrane of the cathode catalyst layer;
The surface of the cathode side diffusion layer opposite to the surface in contact with the cathode catalyst layer is in contact with the cathode side diffusion layer, and the surface in contact with the cathode side diffusion layer has a fine surface structure formed from a nanoimprinting process. cathode side bipolar plate having a fine surface structure comprising a passage of air and water there (46),
The fuel cell assembly of claim 1, comprising:
前記アノード触媒層および/またはカソード触媒層と、前記プロトン交換膜との間の面に、ナノインプリンティングプロセスから形成された微細表面構造であって反応領域を増加させるための微細表面構造を有する、請求項1または2に記載の燃料電池アセンブリ。 A surface between the anode catalyst layer and / or cathode catalyst layer and the proton exchange membrane has a fine surface structure formed from a nanoimprinting process for increasing a reaction region, The fuel cell assembly according to claim 1 or 2. アノード触媒層(32)およびカソード触媒層(42)と、
前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に配されるプロトン交換膜(15)と、
前記アノード触媒層の前記プロトン交換膜に接する面と反対側の面において前記アノード触媒層に接し、該アノード触媒層に燃料を供給するアノード側双極板(36)であって、前記アノード触媒層に接する面に、ナノインプリンティングプロセスから形成された微細表面構造であって該アノード触媒層の表面上に前記燃料を拡散・分配するための微細表面構造(36a)を有するアノード側双極板と、
を有する、燃料電池アセンブリ。
An anode catalyst layer (32) and a cathode catalyst layer (42);
A proton exchange membrane (15) disposed between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer;
An anode-side bipolar plate (36) that contacts the anode catalyst layer on a surface opposite to the surface that contacts the proton exchange membrane of the anode catalyst layer and supplies fuel to the anode catalyst layer, An anode-side bipolar plate having a fine surface structure (36a) for diffusing and distributing the fuel on the surface of the anode catalyst layer formed on a surface in contact with the fine surface structure formed by a nano-imprinting process ;
A fuel cell assembly.
前記カソード触媒層の前記プロトン交換膜に接する面と反対側の面において前記カソード触媒層に接すると共に、前記カソード側触媒層に接する面にナノインプリンティングプロセスから形成された微細表面構造(46a)を有するカソード側双極板(46)を有する、請求項4に記載の燃料電池アセンブリ。 The surface of the cathode catalyst layer that is in contact with the cathode catalyst layer on the surface opposite to the surface that is in contact with the proton exchange membrane, and the surface that is in contact with the cathode side catalyst layer has a fine surface structure (46a) formed by a nanoimprinting process. The fuel cell assembly according to claim 4, comprising a cathode side bipolar plate (46). 前記アノード触媒層および/またはカソード触媒層と、前記プロトン交換膜との間の面に、ナノインプリンティングプロセスから形成された微細表面構造を有する、請求項4または5に記載の燃料電池アセンブリ。 6. The fuel cell assembly according to claim 4, wherein the fuel cell assembly has a fine surface structure formed from a nano-imprinting process on a surface between the anode catalyst layer and / or the cathode catalyst layer and the proton exchange membrane.
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