JP5713343B2 - Fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池及びその製造方法に関し、特に一体型の薄型構造を有する燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell and a method for manufacturing the same, and more particularly to a fuel cell having an integrated 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。一方、小型化に適した電池としては、特に、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)という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に用いられている。しかし、更なる薄型化という要求に対し、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って、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、燃料流路の強度等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。   In recent years, along with the portability, miniaturization, and high performance of various electric devices, there is an increasing demand for improving the performance of small batteries that serve as power sources. In addition, with these developments, further thinning of the battery is required. On the other hand, as a battery suitable for miniaturization, in particular, a polymer electrolyte fuel cell is used, and various research and development are underway. Conventional polymer fuel cells generally have a seven-layer structure of a fuel channel (separator), a diffusion layer, a catalyst layer, a polymer electrolyte membrane, a catalyst layer, a diffusion layer, and a fuel channel (separator). Many. Further, in a conventional polymer fuel cell, a powdered catalyst in which fine platinum particles are supported on the surface of carbon powder is used for the catalyst layer. However, in order to reduce the electrical contact resistance between components, such as a catalyst powder-electrolyte membrane manufactured in a separate process, in this type of conventional fuel cell in response to the demand for further thinning, It is necessary to tighten the fuel cell sandwiched between the pair of separators with a strong force. For this reason, it is said that there is a limit in reducing the thickness of a conventional polymer battery from the viewpoint of the strength of the fuel flow path.

一方、小型化が可能で高出力が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(下記特許文献1参照)。また、従来に比較して、その製造時や電池運転時に破損し難い膜電極接合体が提案されている。   On the other hand, an electrode structure for a fuel cell using metal-supported porous silicon has been proposed as a structure used for a fuel cell capable of being miniaturized and capable of high output (see Patent Document 1 below). In addition, a membrane electrode assembly has been proposed that is less likely to be damaged during production or battery operation as compared with the prior art.

特開2007−119897号公報JP 2007-119897 A 特開2008−98070号公報JP 2008-98070 A S.Moghaddam,E.Pengwang,Y.B.Jiang,A.R.Garcia,D.J.Burnett,C.J.Brinker,R.I.Masel,M.A.Shannonら著、Nature Nanotechnology,5,210(2010).S. Mohghdam, E .; Pengwang, Y. et al. B. Jiang, A .; R. Garcia, D .; J. et al. Burnett, C.I. J. et al. Brinker, R.A. I. Masel, M .; A. Shannon et al., Nature Nanotechnology, 5, 210 (2010).

前記特許文献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、前記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。かかる電極構造体によると、当該電極構造体で高分子電解質膜(Polymer Electrolyte Membrane)を当該電極構造体で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。   In the electrode structure for a fuel cell using metal-supporting porous silicon described in Patent Document 1, a silicon substrate having a porous layer on one surface is immersed in a plating solution, and a metal is applied to the porous layer of the silicon substrate. Is deposited to form a catalyst layer. According to such an electrode structure, a fuel cell having a thickness of 300 μm or less can be formed by sandwiching a polymer electrolyte membrane (Polymer Electrolyte Membrane) between the electrode structures.

一方、前記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。ここで、前記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とを合わせ持った微小構造を製造する技術をいう。
しかし、前記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とを貼り合わせる工程が必要となる。このような貼り合わせ工程は、MEMS技術による工程とは独立した工程であり、更には、貼り合わせの際の接着状態管理が難しい。
On the other hand, for manufacturing the metal-supporting porous silicon, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology can be used. Here, the MEMS technology refers to a technology for manufacturing a microstructure having a mechanical function and an electrical function by using a semiconductor manufacturing process or a microfabrication process used in a semiconductor integrated circuit or the like. .
However, in order to produce a fuel cell using the electrode structure, a process of bonding the polymer electrolyte membrane and the electrode structure is required. Such a bonding process is an independent process from the process by the MEMS technique, and furthermore, it is difficult to manage the adhesion state at the time of bonding.

また、前記特許文献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。   In addition, the membrane electrode assembly described in Patent Document 2 has an electrolyte membrane in which pores of a porous membrane are filled with an electrolyte polymer, and an anode electrode is joined to one surface and a cathode electrode is joined to the other surface. At least one of the electrodes is formed using MEMS technology.

しかし、上記の電解質膜を用いた場合であっても、電解質膜と電極とを貼り合わせる必要があり、前記電極構造体を用いた燃料電池と同様の課題が生じる。   However, even when the above electrolyte membrane is used, it is necessary to bond the electrolyte membrane and the electrode, and the same problems as in the fuel cell using the electrode structure occur.

また、前記非特許文献1には、多孔質シリコンからなるプロトン交換膜を、燃料電池の電解質層として使用する例が報告されている。しかし、非特許文献1において触媒層は、白金等の触媒をシリコン表面に塗布することで形成されている。このように触媒層を塗布等の手段で設けた場合には、電解質層と触媒層との界面管理や電気的導通の確保が難しく、また、触媒間の電気抵抗の観点からも改善の余地がある。   Non-Patent Document 1 reports an example in which a proton exchange membrane made of porous silicon is used as an electrolyte layer of a fuel cell. However, in Non-Patent Document 1, the catalyst layer is formed by applying a catalyst such as platinum on the silicon surface. When the catalyst layer is provided by means such as coating, it is difficult to manage the interface between the electrolyte layer and the catalyst layer and to ensure electrical conduction, and there is room for improvement from the viewpoint of electrical resistance between the catalysts. is there.

本発明は、前記事実を考慮し、生産性及び歩留率が高く、且つ、薄型化が可能な燃料電池及びその製造方法を提供することを目的とする。   In view of the above-described facts, an object of the present invention is to provide a fuel cell that is high in productivity and yield, and that can be thinned, and a method for manufacturing the fuel cell.

<1> 多孔質領域と、前記多孔質領域の周囲に設けられるシリコン領域と、を有し、且つ、前記多孔質領域に、触媒金属が担持された第1の多孔質金属領域と、多孔質プロトン伝導領域と、触媒金属が担持された第2の多孔質金属領域と、をこの順で備えたシリコン基体と、
前記シリコン基体の一方の面上に前記第1の多孔質金属領域と接合する第1の集電層と、前記シリコン基体の他方の面上に前記第2の多孔質金属領域と接合する第2の集電層と、前記シリコン基体の一方の面に設けられる絶縁層と、
を備え
前記第1の多孔質金属領域及び前記第1の集電層からなる部分、並びに、前記第2の多孔質金属領域及び前記第2の集電層からなる部分、の少なくとも一方と、前記シリコン基体の前記シリコン領域とが電気的に隔離され、
前記第1の多孔質金属領域及び前記第1の集電層からなる部分、並びに、前記第2の多孔質金属領域及び前記第2の集電層からなる部分が前記絶縁層を介して絶縁される燃料電池である。
<1> has a porous region, and a silicon region provided around the porous region, and, on the porous region, a first porous metal area catalytic metal is supported, porous A silicon substrate comprising in this order a proton conducting region and a second porous metal region on which a catalytic metal is supported;
A first current collecting layer joined to the first porous metal region on one surface of the silicon substrate, and a second current joined to the second porous metal region on the other surface of the silicon substrate. A current collecting layer, an insulating layer provided on one surface of the silicon substrate,
Equipped with a,
At least one of the first porous metal region and the first current collecting layer, the second porous metal region and the second current collecting layer, and the silicon substrate. Electrically isolated from the silicon region,
The portion composed of the first porous metal region and the first current collecting layer and the portion composed of the second porous metal region and the second current collecting layer are insulated via the insulating layer. This is a fuel cell.

本発明の燃料電池は、第1及び第2の多孔質金属領域と多孔質プロトン伝導領域とを備え、触媒層と電解質層とが一体的に形成されたシリコン基体を用いる。このため、高分子電解質膜等に触媒層等の貼り合わせ工程等が不要であることから、製品の信頼性が高く、また、製造プロセスを単純化することができる。また、本発明の燃料電池においては、シリコン基体の多孔質領域に形成された多孔質金属領域によって触媒層が形成されているため、粉体の触媒を用いた高分子電解質型燃料電池に比して、容易に燃料電池自体を薄型化することができる。   The fuel cell of the present invention uses a silicon substrate that includes first and second porous metal regions and a porous proton conducting region, and in which a catalyst layer and an electrolyte layer are integrally formed. This eliminates the need for a step of attaching a catalyst layer or the like to the polymer electrolyte membrane or the like, so that the reliability of the product is high and the manufacturing process can be simplified. Further, in the fuel cell of the present invention, since the catalyst layer is formed by the porous metal region formed in the porous region of the silicon substrate, it is compared with the polymer electrolyte fuel cell using a powder catalyst. Thus, the fuel cell itself can be easily thinned.

<2> 多孔質領域と、前記多孔質領域の周囲に設けられるシリコン領域と、を有するシリコン基体の一方の面に絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
前記多孔質領域に多孔質プロトン伝導領域を有するシリコン基体をめっき液に浸漬し、前記多孔質領域中に触媒金属を析出させて、前記多孔質プロトン伝導領域の両側にそれぞれ第1の多孔質金属領域及び第2の多孔質金属領域を形成する多孔質金属領域形成工程と、
前記第1の多孔質金属領域と接合する第1の集電層と、前記第2の多孔質金属領域と接合する第2の集電層と、を形成する集電層形成工程であって、前記第1の集電層及び前記第2の集電層が、前記絶縁層を介して絶縁されるように前記第1の集電層及び前記第2の集電層を形成する集電層形成工程と、
を含む前記<1>の燃料電池の製造方法である。
<2> and the porous region, and the silicon region provided around the porous region, and the insulating layer forming step of forming an insulating layer on one surface of the silicon substrate to have a,
A silicon substrate having a porous proton conductive region in the porous region is immersed in a plating solution, and a catalytic metal is deposited in the porous region, and a first porous metal is formed on each side of the porous proton conductive region. A porous metal region forming step of forming the region and the second porous metal region ;
A current collecting layer forming step of forming a first current collecting layer joined to the first porous metal region and a second current collecting layer joined to the second porous metal region, Current collection layer formation for forming the first current collection layer and the second current collection layer so that the first current collection layer and the second current collection layer are insulated via the insulating layer Process,
The method for producing a fuel cell according to <1> , including:

本発明の燃料電池の製造方法(以下、単に「本発明の製造方法」と称する場合がある。)は、多孔質プロトン伝導領域を有するシリコン基体に多孔質金属領域を形成する多孔質金属領域工程を含むことで、触媒領域(多孔質金属領域)とプロトン伝導領域とをシリコン基体の多孔質領域に一体的に形成することができる。   The method for producing a fuel cell of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as “the production method of the present invention”) includes a porous metal region step of forming a porous metal region on a silicon substrate having a porous proton conducting region. By including the catalyst region (porous metal region) and the proton conducting region can be integrally formed in the porous region of the silicon substrate.

<3> 前記絶縁層形成工程は、前記シリコン基体の一方の面に、前記多孔質領域と一部重複するように前記絶縁層を形成する工程であり、前記多孔質金属領域形成工程は、前記絶縁層が形成された前記シリコン基体に前記第1及び第2の多孔質金属領域を形成する工程である前記<2>の燃料電池の製造方法である。 <3> the insulating layer forming step, the one surface of the silicon substrate, a step of forming the insulating layer so as to overlap the porous region and partially the porous metal region forming step, the a method for manufacturing a fuel cell of the <2> is a step of forming the first and second porous metal region in the silicon substrate in which an insulating layer is formed.

本発明の製造方法によれば、前記多孔質金属領域を形成する前に、多孔質領域と一部が重複(被覆)するように絶縁層を形成することで、多孔質金属領域形成工程において多孔質金属領域を形成する際に、第1又は第2の多孔質金属領域を、シリコン基体のシリコン領域から隔離するように形成することができる。   According to the manufacturing method of the present invention, before forming the porous metal region, the insulating layer is formed so as to partially overlap (cover) the porous region, so that the porous metal region is formed in the porous metal region forming step. In forming the porous metal region, the first or second porous metal region can be formed so as to be isolated from the silicon region of the silicon substrate.

以上説明したように、本発明によれば、生産性及び歩留率が高く、且つ、薄型化が可能な燃料電池及びその製造方法を提供することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a fuel cell that has high productivity and a high yield and can be thinned, and a method for manufacturing the fuel cell.

本発明の燃料電池の一実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one Embodiment of the fuel cell of this invention. シリコン基体の多孔質領域を示す概略図である。It is the schematic which shows the porous area | region of a silicon substrate. 本発明の燃料電池を積層した構成の一実施形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows one Embodiment of the structure which laminated | stacked the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池の製造工程の一実施形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows one Embodiment of the manufacturing process of the fuel cell of this invention. 実施例に係るセルの電圧、電流密度及び出力密度特性を示すグラフである。It is a graph which shows the voltage of the cell which concerns on an Example, a current density, and an output density characteristic.

《燃料電池》
本発明の燃料電池は、多孔質領域及びシリコン領域を有し、且つ、前記多孔質領域に、触媒金属が担持された第1の多孔質金属領域と、多孔質プロトン伝導領域と、触媒金属が担持された第2の多孔質金属領域と、をこの順で備えたシリコン基体と、前記シリコン基体の一方の面上に前記第1の多孔質金属領域と接合する第1の集電層と、前記シリコン基体の他方の面上に前記第2の多孔質金属領域と接合する第2の集電層と、を備える。ここで、シリコン基体の「多孔質領域」とは、シリコン基体において複数の細孔が形成されている領域を意味する。これに対し、シリコン基体の「シリコン領域」とは、シリコン基体において、細孔が設けられていない部位、即ち、非多孔質領域を意味する。但し、以下の実施形態に係る燃料電池は、多孔質領域と、前記多孔質領域の周囲に設けられるシリコン領域と、を有し、且つ、前記多孔質領域に、触媒金属が担持された第1の多孔質金属領域と、多孔質プロトン伝導領域と、触媒金属が担持された第2の多孔質金属領域と、をこの順で備えたシリコン基体と、前記シリコン基体の一方の面上に前記第1の多孔質金属領域と接合する第1の集電層と、前記シリコン基体の他方の面上に前記第2の多孔質金属領域と接合する第2の集電層と、前記シリコン基体の一方の面に設けられる絶縁層と、を備えるものとする。さらに、前記第1の多孔質金属領域及び前記第1の集電層からなる部分、並びに、前記第2の多孔質金属領域及び前記第2の集電層からなる部分、の少なくとも一方と、前記シリコン基体の前記シリコン領域とが電気的に隔離され、前記第1の多孔質金属領域及び前記第1の集電層からなる部分、並びに、前記第2の多孔質金属領域及び前記第2の集電層からなる部分が前記絶縁層を介して絶縁されるものとする。
"Fuel cell"
The fuel cell of the present invention has a porous region and a silicon region, and the porous region includes a first porous metal region in which a catalytic metal is supported, a porous proton conducting region, and a catalytic metal. A silicon substrate provided with a supported second porous metal region in this order; a first current collecting layer bonded to the first porous metal region on one surface of the silicon substrate; And a second current collecting layer bonded to the second porous metal region on the other surface of the silicon substrate. Here, the “porous region” of the silicon substrate means a region where a plurality of pores are formed in the silicon substrate. On the other hand, the “silicon region” of the silicon substrate means a portion where no pore is provided in the silicon substrate, that is, a non-porous region. However, the fuel cell according to the following embodiment has a porous region and a silicon region provided around the porous region, and the porous region has a first catalyst metal supported thereon. A porous silicon region, a porous proton conducting region, and a second porous metal region on which a catalytic metal is supported in this order, and a silicon substrate on one surface of the silicon substrate. A first current collecting layer bonded to one porous metal region; a second current collecting layer bonded to the second porous metal region on the other surface of the silicon substrate; and one of the silicon substrates. And an insulating layer provided on the surface. Further, at least one of the first porous metal region and the portion comprising the first current collecting layer, and the portion comprising the second porous metal region and the second current collecting layer, and The silicon region of the silicon substrate is electrically isolated from the first porous metal region and the first current collecting layer, and the second porous metal region and the second current collecting layer. It is assumed that a portion made of an electric layer is insulated through the insulating layer.

以下に、本発明の燃料電池の一実施形態について図1を用いて説明する。図1は、本発明の燃料電池の一実施形態を示す断面図である。図1において、燃料電池100は、シリコン基体2と、絶縁層10と、集電層12と、集電層14と、から構成されている。   Hereinafter, an embodiment of a fuel cell of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a fuel cell of the present invention. In FIG. 1, the fuel cell 100 is composed of a silicon substrate 2, an insulating layer 10, a current collecting layer 12, and a current collecting layer 14.

(シリコン基体)
図1に示すようにシリコン基体2には、シリコン領域(非多孔質領域)3と、多孔質領域4と、が形成されている。シリコン基体2としては、n型及びp型に関わらず市販のシリコンウエハを特に制限なく用いることができるが、例えば、エッチング速度が比較的速いという観点からは、n型シリコンを好適に用いることができる。また、多孔質領域の孔径制御の観点から、抵抗率が低いハイドープn型シリコンを用いることができる。また、前記抵抗率としては、0.1Ω以下が好ましく、0.02Ω以下が更に好ましい。
(Silicon base)
As shown in FIG. 1, a silicon region (non-porous region) 3 and a porous region 4 are formed in the silicon substrate 2. As the silicon substrate 2, a commercially available silicon wafer can be used without any limitation regardless of n-type and p-type. For example, n-type silicon is preferably used from the viewpoint of relatively high etching rate. it can. Further, from the viewpoint of controlling the pore diameter of the porous region, highly doped n-type silicon having a low resistivity can be used. The resistivity is preferably 0.1Ω or less, and more preferably 0.02Ω or less.

シリコン基体2の厚みは特に制限はないが、多孔質領域形成の観点からは、200μm以下が好ましく、150μm以下が更に好ましく、100μm以下が特に好ましい。
一方、基体の強度および燃料の透過性などの観点からは、10μm以上が好ましく、20μm以上が更に好ましく、50μm以上が特に好ましい。
The thickness of the silicon substrate 2 is not particularly limited, but is preferably 200 μm or less, more preferably 150 μm or less, and particularly preferably 100 μm or less from the viewpoint of forming a porous region.
On the other hand, from the viewpoint of the strength of the substrate and the fuel permeability, it is preferably 10 μm or more, more preferably 20 μm or more, and particularly preferably 50 μm or more.

(多孔質領域)
シリコン基体2の多孔質領域4には、複数の細孔が設けられている。また、多孔質領域4の細孔の形状についても特に制限はないが、例えば、後述するようにシリコン基体2に陽極酸化処理を施して多孔質領域を形成した場合には、シリコン基体2の一方の面から他方の面まで貫通する複数の貫通孔を形成することができる。図2を用いて、多孔質領域4に設けられた貫通孔について説明する。図2は、シリコン基体の多孔質領域を示す概略図である。図2に示すように、多孔質領域4には、シリコン基体2の一方の面から他方の面まで関する複数の貫通孔16が設けられている。貫通孔16は、図2に示すようにシリコン基体2の厚み方向(図1及び2における矢印A)と略平行に設けられている。貫通孔16は、例えば、膜面に対してほぼ垂直に貫通していてもよいし、膜面に対して90°未満の角度で傾斜して貫通していてもよいし、蛇行、ジグザク状など、ランダムに貫通していてもよい。また、多孔質領域4に設けられている細孔としては、前記貫通孔16以外に、非貫通孔が存在していてもよい。具体的な、多孔質領域の形成方法については後述する。
(Porous region)
The porous region 4 of the silicon substrate 2 is provided with a plurality of pores. The shape of the pores of the porous region 4 is not particularly limited. For example, when the porous region is formed by anodizing the silicon substrate 2 as described later, one of the silicon substrates 2 is formed. A plurality of through holes penetrating from one surface to the other surface can be formed. The through holes provided in the porous region 4 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic view showing the porous region of the silicon substrate. As shown in FIG. 2, the porous region 4 is provided with a plurality of through holes 16 relating to one surface of the silicon substrate 2 to the other surface. As shown in FIG. 2, the through-hole 16 is provided substantially in parallel with the thickness direction of the silicon substrate 2 (arrow A in FIGS. 1 and 2). The through-hole 16 may penetrate, for example, substantially perpendicular to the film surface, may penetrate through the film surface at an angle of less than 90 °, meander, zigzag, etc. , May penetrate at random. In addition to the through holes 16, non-through holes may exist as the pores provided in the porous region 4. A specific method for forming the porous region will be described later.

多孔質領域4に設けられた細孔の数、断面形状、平均細孔径等については特に制限はなく、後述の多孔質プロトン伝導領域の形成に併せて適宜選定することができる。例えば、細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挙げることができる。また、前記細孔の平均細孔径は、電解質を充填する場合には11nm〜10μmが好ましく、100nm〜1μmが更に好ましい。酸性基を末端にもつ分子による化学修飾を施す場合には、0.5nm〜1μmが好ましく、5nm〜50nmが更に好ましい。また、多孔質領域内に置いて細孔径を変化させることが出来る。   The number of pores provided in the porous region 4, the cross-sectional shape, the average pore diameter, and the like are not particularly limited, and can be appropriately selected in accordance with the formation of the porous proton conductive region described later. For example, examples of the cross-sectional shape of the pore include a circle, an ellipse, a polygon, a shape in which these are connected, and a combination thereof. The average pore diameter of the pores is preferably 11 nm to 10 μm, and more preferably 100 nm to 1 μm, when the electrolyte is filled. In the case of chemical modification with a molecule having an acidic group at the end, 0.5 nm to 1 μm is preferable, and 5 nm to 50 nm is more preferable. In addition, the pore diameter can be changed by placing in the porous region.

シリコン基体2(シリコン領域3と多孔質領域4との合計)に対する多孔質領域4の細孔の占める割合(空孔率)としては、単位面積当たりの電解質基量と膜強度とのバランスの観点から、上限としては、95%以下が好ましく、90%以下が更に好ましく、85%以下が特に好ましく、80%以下が最も好ましい。また、下限としては、5%以上が好ましく、10%以上が更に好ましく、15%以上が特に好ましく、20%以上が更に好ましい。   As the ratio (porosity) of the pores of the porous region 4 to the silicon substrate 2 (the total of the silicon region 3 and the porous region 4), the viewpoint of the balance between the electrolyte group amount per unit area and the film strength Therefore, the upper limit is preferably 95% or less, more preferably 90% or less, particularly preferably 85% or less, and most preferably 80% or less. Further, the lower limit is preferably 5% or more, more preferably 10% or more, particularly preferably 15% or more, and further preferably 20% or more.

尚、前記空孔率は、シリコン基体2の体積と重量とを測定し、構成する材料の比重とから、全体積中に占める空気の割合を計算することにより求めることができる。
具体的には、下記の式により求めることができる。
空孔率%=(シリコン基体2の体積−シリコン基体2の重量/シリコン基体2を構成するシリコンの比重)/(シリコン基体2の体積)×100
The porosity can be obtained by measuring the volume and weight of the silicon substrate 2 and calculating the proportion of air in the total volume from the specific gravity of the constituent material.
Specifically, it can be obtained by the following equation.
Porosity% = (volume of silicon substrate 2−weight of silicon substrate 2 / specific gravity of silicon constituting silicon substrate 2) / (volume of silicon substrate 2) × 100

図1に示すように多孔質領域4には、多孔質プロトン伝導領域6と多孔質金属領域8A及び8Bとが形成されており、これらが電解質層及び触媒層を形成している。このように、シリコン基体2には、多孔質プロトン伝導領域6とこれに隣接する多孔質金属領域8A及び8Bとが一体的に形成されている。このため、本実施形態の燃料電池100の製造においては、位置精度等が重要となる高分子電解質膜の貼り付け等を行う必要がなく、信頼度の高い薄型の燃料電池を簡易な工程で製造することができる。   As shown in FIG. 1, a porous proton conducting region 6 and porous metal regions 8A and 8B are formed in the porous region 4, and these form an electrolyte layer and a catalyst layer. As described above, the porous proton conductive region 6 and the porous metal regions 8A and 8B adjacent to the porous proton conductive region 6 are integrally formed on the silicon substrate 2. For this reason, in the manufacture of the fuel cell 100 of the present embodiment, it is not necessary to attach a polymer electrolyte membrane or the like where positional accuracy is important, and a highly reliable thin fuel cell is manufactured in a simple process. can do.

(多孔質プロトン伝導領域)
多孔質プロトン伝導領域6は、多孔質領域4において、電解質体が充填又はスルホン酸基を末端に有する分子で修飾され電解質層(プロトン導電層)の役割を果たす領域であり、その厚さ方向両側には多孔質金属領域8A及び8Bが設けられている。また、多孔質プロトン伝導領域6は、例えば、多孔質領域4内の複数の細孔内に電解質体を充填させたり、細孔内にスルホン酸基を末端に有する分子で修飾することで形成することができる。
(Porous proton conduction region)
The porous proton conductive region 6 is a region in the porous region 4 in which the electrolyte body is filled or modified with a molecule having a sulfonic acid group at its terminal and serves as an electrolyte layer (proton conductive layer). Are provided with porous metal regions 8A and 8B. The porous proton conductive region 6 is formed by, for example, filling an electrolyte body into a plurality of pores in the porous region 4 or modifying the pores with molecules having a sulfonic acid group at the terminal. be able to.

前記多孔質プロトン伝導領域6が、細孔内に電解質体を充填させて形成されている場合、前記電解質体としては、プロトン伝導性を有する電解質ポリマー等を用いることができる。前記電解質ポリマーとしては、具体的には、例えば、主鎖及び/又は側鎖に1種又は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挙げることができる。また、これらのポリマーは、1種又は2種以上含まれていてもよい。更に、これらのポリマーは必要に応じ架橋体であってもよい。   When the porous proton conductive region 6 is formed by filling the pores with an electrolyte, an electrolyte polymer having proton conductivity can be used as the electrolyte. Specific examples of the electrolyte polymer include a polymer having one or more electrolyte groups in the main chain and / or side chain, a polymer containing an electrolyte such as an acid and a room temperature molten salt, and the like. be able to. Moreover, these polymers may be contained in one kind or two or more kinds. Furthermore, these polymers may be cross-linked as necessary.

また、前記電解質ポリマーは、細孔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よいし、電解質ポリマーを生成可能なポリマー前駆体が細孔内に充填された後、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よい。   In addition, the electrolyte polymer may exist as a polymer before being filled in the pores, or after the polymer precursor capable of generating the electrolyte polymer is filled in the pores, the polymer is polymerized and crosslinked. Etc. may be used to form an electrolyte polymer.

前記電解質ポリマーに含まれる電解質基としては、例えば、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挙げられ、高プロトン伝導性が得られやすいなどの観点からは、スルホン酸基が好ましい。また、これら電解質基は1種又は2種以上含まれていてもよい。   Examples of the electrolyte group contained in the electrolyte polymer include acidic groups such as a sulfonic acid group, a sulfonimide group, a phosphonic acid group, a phosphonous acid group, and a carboxylic acid group, and high proton conductivity is easily obtained. From this viewpoint, a sulfonic acid group is preferable. Moreover, 1 type, or 2 or more types of these electrolyte groups may be contained.

前記電解質ポリマーとしては、例えば、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又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ポリマー;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ポリマー;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、及び、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を挙げることができる。また、これら電解質ポリマーは、1種又は2種以上含まれていてもよい。   Examples of the electrolyte polymer include fluorinated all or part of the polymer skeleton, such as perfluorocarbon sulfonic acid polymers such as Nafion (registered trademark), perfluorocarbon phosphonic acid polymers, and trifluorostyrene sulfonic acid polymers. Fluoropolymers that have electrolyte groups; such as polysulfone sulfonic acid, polyaryl ether ketone sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl phosphonic acid, etc. A polymer having an electrolyte group; a monomer having an electrolyte group; a monomer having a functional group that can be converted into an electrolyte group; and a monomer having a site capable of introducing an electrolyte group before and after polymerization. An electrolyte monomer consisting etc. may be mentioned polymers having a monomer unit. Moreover, 1 type, or 2 or more types may be contained for these electrolyte polymers.

前記電解質基を有するモノマーとしては、例えば、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)アクリレートなどを挙げることができる。前記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、更に好ましくは、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。
尚、「(メタ)アクリル」は「アクリル及び/又はメタクリル」を意味し、「(メタ)アリル」は「アリル及び/又はメタリル」を、「(メタ)アクリレート」は「アクリレート及び/又はメタクリレート」を意味する。
Examples of the monomer having an electrolyte group include 2- (meth) acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid, 2- (meth) acrylamide-2-methylpropanephosphonic acid, styrenesulfonic acid, (meth) allylsulfonic acid, Examples thereof include vinyl sulfonic acid, isoprene sulfonic acid, (meth) acrylic acid, maleic acid, crotonic acid, vinyl phosphonic acid, acidic phosphoric acid group-containing (meth) acrylate and the like. The electrolyte monomer is preferably a vinyl compound having a sulfonic acid group or a vinyl compound having a phosphoric acid group from the viewpoint of excellent proton conductivity, and more preferably 2 from the viewpoint of having high polymerizability. -(Meth) acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid and the like.
“(Meth) acryl” means “acryl and / or methacryl”, “(meth) allyl” means “allyl and / or methallyl”, and “(meth) acrylate” means “acrylate and / or methacrylate”. Means.

前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、例えば前記化合物の塩、無水物、エステルなどを挙げることができる。また、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。   Examples of the monomer having a functional group that can be converted into an electrolyte group before and after the polymerization include salts, anhydrides, esters, and the like of the compound. In addition, when the acid residue of the monomer used is a derivative such as a salt, an anhydride, or an ester, proton conductivity can be imparted by forming a protonic acid type after polymerization.

前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、例えば、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を挙げることができる。尚、これらのモノマーに電解質基を導入する方法としては、具体的には、例えば、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。   Examples of the monomer having a site capable of introducing an electrolyte group before and after the polymerization include monomers having a benzene ring such as styrene, α-methylstyrene, chloromethylstyrene, and t-butylstyrene. Specific examples of the method of introducing an electrolyte group into these monomers include a method of sulfonation with a sulfonating agent such as chlorosulfonic acid, concentrated sulfuric acid, and sulfur trioxide.

前記電解質ポリマーは、高プロトン伝導性が得られるなどの観点から、実質的に、多孔質プロトン伝導領域6の細孔のほぼ全てに充填されていることが好ましい。但し、前記全ての細孔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細孔が部分的に存在していてもよい。   It is preferable that substantially all of the pores of the porous proton conductive region 6 are filled in the electrolyte polymer from the viewpoint of obtaining high proton conductivity. However, not all the pores need to be filled with an electrolyte polymer, and pores not filled with an electrolyte polymer may be used as long as they do not adversely affect ion conductivity, fuel permeability, and the like. May be partially present.

また、多孔質プロトン伝導領域6は、細孔内を、スルホン酸基を末端に有する分子で修飾することで、形成することもできる。細孔内を、スルホン酸基を末端に有する分子で修飾する方法については後述する。   The porous proton conductive region 6 can also be formed by modifying the inside of the pore with a molecule having a sulfonic acid group at the terminal. A method of modifying the inside of the pores with a molecule having a sulfonic acid group at the end will be described later.

(多孔質金属領域)
多孔質金属領域8A及び8Bは、多孔質領域4において、触媒金属が担持された領域であって、触媒層の役割を果たす。多孔質金属領域8A及び8Bにおいては、触媒金属が細孔表面に担持されていてもよいし、触媒金属自体が多孔質構造を形成していてもよい。
(Porous metal region)
The porous metal regions 8A and 8B are regions in which the catalyst metal is supported in the porous region 4, and serve as a catalyst layer. In the porous metal regions 8A and 8B, the catalyst metal may be supported on the pore surface, or the catalyst metal itself may form a porous structure.

前記触媒金属の担持方法は、特に限定されないが、触媒金属がめっきにより細孔表面に担持されている構成が好ましい。例えば、多孔質金属領域8A及び8Bは、後述するように、多孔質領域4が形成されたシリコン基体2を、白金等の触媒金属を含む水溶性塩を水に溶解しためっき液に浸漬することで形成することができる。   The method for supporting the catalyst metal is not particularly limited, but a configuration in which the catalyst metal is supported on the pore surface by plating is preferable. For example, in the porous metal regions 8A and 8B, as described later, the silicon substrate 2 on which the porous region 4 is formed is immersed in a plating solution in which a water-soluble salt containing a catalyst metal such as platinum is dissolved in water. Can be formed.

前記触媒金属は、多孔質金属領域8A及び8Bの全域に分布していてもよい。また、多孔質金属領域8Aおよび8Bと多孔質プロトン伝導領域6との境界は明確に分かれている必要はなく、多孔質プロトン伝導領域6側からシリコン基体2の表面に向かって、金属量が増加するような連続的な分布をしていても良い。   The catalyst metal may be distributed throughout the porous metal regions 8A and 8B. Further, the boundary between the porous metal regions 8A and 8B and the porous proton conducting region 6 does not need to be clearly separated, and the amount of metal increases from the porous proton conducting region 6 side toward the surface of the silicon substrate 2. Such a continuous distribution may be used.

多孔質金属領域8A又は8Bにおける触媒金属の含有量の上限としては、10mg/cm以下が好ましく、5mg/cm以下がさらに好ましい。これは、触媒金属の含有量が多すぎると、白金などの触媒金属の粒径が大きくなり触媒金属の重量当たりの利用効率が低下しやすいためである。一方、触媒含有量の下限としては、性能維持の観点から、0.01mg/cm以上が好ましく、0.1mg/cmが更に好ましい。 The upper limit of the content of the catalyst metal in the porous metal area 8A or 8B, preferably 10 mg / cm 2 or less, 5 mg / cm 2 or less is more preferred. This is because if the content of the catalyst metal is too large, the particle size of the catalyst metal such as platinum becomes large and the utilization efficiency per weight of the catalyst metal tends to decrease. On the other hand, the lower limit of the catalyst content, in terms of maintaining performance, preferably 0.01 mg / cm 2 or more, 0.1 mg / cm 2 is more preferable.

前記触媒金属としては、具体的には、例えば、白金、白金−ルテニウム合金、パラジウム、白金−パラジウム合金、白金−コバルト合金、白金−鉄合金などの貴金属、貴金属合金などを挙げることができる。前記触媒金属は、1種又は2種以上用いられてもよい、   Specific examples of the catalyst metal include noble metals such as platinum, platinum-ruthenium alloy, palladium, platinum-palladium alloy, platinum-cobalt alloy, and platinum-iron alloy, and noble metal alloys. The catalyst metal may be used alone or in combination of two or more.

また、カソード側に設けられる多孔質金属領域の触媒金属としては、例えば、白金などを好適に用いることができる。一方、アノード側に設けられる多孔質金属領域の触媒金属としては、例えば、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。   Moreover, as a catalyst metal of the porous metal area | region provided in the cathode side, platinum etc. can be used suitably, for example. On the other hand, as the catalyst metal in the porous metal region provided on the anode side, for example, a platinum-ruthenium alloy that can easily reduce the poisoning of the catalyst by carbon monoxide can be preferably used.

さらに、図1に示すように燃料電池100では、第1の多孔質金属領域8Aは、シリコン領域3と接触しないように構成されている。このように、第1の多孔質金属領域8Aとシリコン領域3とを隔離して構成することで、第1の多孔質金属領域8Aと第2の多孔質金属領域8Bとがシリコン領域3を介して電気的に絶縁させることができる。これにより、多孔質金属領域同士がシリコン領域を介して電気的に接触するのを防止でき、燃料電池100の発電量の低下等を防止することができる。尚、本実施の形態においては第1の多孔質金属領域8Aがシリコン領域3と接触しない(隔離された)構成としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、少なくとも前記第1の多孔質金属領域8A及び前記第2の多孔質金属領域8Bのいずれか一方と、前記シリコン基体の前記シリコン領域3(非多孔質領域)とを隔離することで、多孔質金属領域同士を電気的に絶縁させることができる。   Further, as shown in FIG. 1, in the fuel cell 100, the first porous metal region 8 </ b> A is configured not to contact the silicon region 3. As described above, the first porous metal region 8A and the silicon region 3 are separated from each other, so that the first porous metal region 8A and the second porous metal region 8B are interposed via the silicon region 3. Can be electrically insulated. Thereby, it can prevent that porous metal area | regions contact electrically via a silicon | silicone area | region, and can prevent the fall of the electric power generation amount of the fuel cell 100, etc. In the present embodiment, the first porous metal region 8A is configured not to contact (isolate) the silicon region 3, but the present invention is not limited to this, and at least the first porous metal region 8A is not limited to this. By isolating either one of the porous metal region 8A and the second porous metal region 8B from the silicon region 3 (non-porous region) of the silicon base, the porous metal regions are electrically connected to each other. Can be insulated.

(絶縁層)
図1においてはシリコン基体2の第1の多孔質金属領域8Aが形成される側に絶縁層10が設けられている。燃料電池100においては、絶縁層10はシリコン基体2の表面に設けられており、シリコン基体2の第1の多孔質金属領域8Aが設けられた側の第1の多孔質金属領域8Aが設けられていない領域に層状に形成されている。また、絶縁層10は上には集電層12が設けられている。絶縁層10は、多孔質金属領域8A及び8Bや、集電層12及び集電層14がシリコン領域3を介して電気的に接合されるのを抑制するための役割を果たす。前記絶縁層の材料は薄膜化が可能な公知の有機又は無機の絶縁材料を適宜用いることができる。前記有機絶縁材料としては、例えば、パリレン(登録商標)等のパラキシリレン系ポリマーを用いることができる。パラキシリレン系ポリマーは、ベンゼン環がCHを介して繋がって構成を有し、重合したパラキシリレンの分子量は50万にも及ぶ安定性の高いポリマーである。パラキシリレン系ポリマーは、この高い安定性から絶縁特性・バリア特性・耐薬品性に優れ,さらに化学気相蒸着法(Chemical Vapor Deposition :CVD)による室温での成膜が可能なことから医療・航空宇宙・自動車・エレクトロニクス・文化財の保護等様々な分野で利用されている。前記パラキシリレン系ポリマーとしては、例えば、市販品のdix−C(ジクロロパラシクロファン)大三化成(株)製)を使用することができる。図1における燃料電池100は、パラキシリレン系ポリマー膜からなる絶縁層10をシリコン基体2上の任意の部分に成膜することで、基体両面に形成された多孔質金属領域8A及び8B等の絶縁をおこなうことができる。また、前記無機絶縁材料としては、シリコン窒化膜を用いることも出来る。
(Insulating layer)
In FIG. 1, an insulating layer 10 is provided on the side of the silicon substrate 2 where the first porous metal region 8A is formed. In the fuel cell 100, the insulating layer 10 is provided on the surface of the silicon substrate 2, and the first porous metal region 8A on the side where the first porous metal region 8A of the silicon substrate 2 is provided is provided. It is formed in a layered form in the area that is not. In addition, a current collecting layer 12 is provided on the insulating layer 10. The insulating layer 10 serves to suppress the porous metal regions 8 </ b> A and 8 </ b> B and the current collecting layer 12 and the current collecting layer 14 from being electrically joined via the silicon region 3. As the material of the insulating layer, a known organic or inorganic insulating material that can be thinned can be appropriately used. As the organic insulating material, for example, a paraxylylene-based polymer such as Parylene (registered trademark) can be used. The paraxylylene-based polymer has a structure in which benzene rings are connected via CH 2 , and the polymerized paraxylylene is a highly stable polymer having a molecular weight of 500,000. Paraxylylene-based polymers are superior in insulation properties, barrier properties, and chemical resistance due to their high stability, and can be deposited at room temperature by chemical vapor deposition (CVD).・ Used in various fields such as protection of automobiles, electronics and cultural properties. As the paraxylylene-based polymer, for example, commercially available dix-C (dichloroparacyclophane) manufactured by Daisan Kasei Co., Ltd.) can be used. The fuel cell 100 in FIG. 1 forms an insulating layer 10 made of a paraxylylene-based polymer film on an arbitrary portion on the silicon substrate 2 to insulate the porous metal regions 8A and 8B formed on both surfaces of the substrate. Can be done. In addition, a silicon nitride film can be used as the inorganic insulating material.

絶縁層10の厚みは特に制限はないが、膜強度や製造効率の観点からは、5nm〜10μmが好ましく、10nm〜1μmが更に好ましい。   The thickness of the insulating layer 10 is not particularly limited, but is preferably 5 nm to 10 μm, more preferably 10 nm to 1 μm, from the viewpoint of film strength and manufacturing efficiency.

(集電層)
集電層12及び14は、多孔質金属領域8A又は8Bで生成した電子を他方の多孔質金属領域に移動させる役割を有し、燃料電池100で生成された電流を電池外部に供給する役割を果たす。第1の集電層12は、シリコン基体2の一方の面(図1における紙面上側)に、第1の多孔質金属領域8Aと接合するように形成されている。また、第2の集電層14は、シリコン基体2の他方の面に第2の多孔質金属領域8Bと接合するように形成されている。更に、特に限定されるものではないが、図1に示す集電層12や集電層14の紙面中央側の端部と多孔質金属領域8A又は8Bとの接触面積が多くなると集電性の面で有利となる。
(Collector layer)
The current collecting layers 12 and 14 have a role of moving electrons generated in the porous metal region 8A or 8B to the other porous metal region and supply a current generated by the fuel cell 100 to the outside of the cell. Fulfill. The first current collecting layer 12 is formed on one surface of the silicon substrate 2 (upper side in the drawing in FIG. 1) so as to be bonded to the first porous metal region 8A. The second current collecting layer 14 is formed on the other surface of the silicon substrate 2 so as to be joined to the second porous metal region 8B. Further, although not particularly limited, if the contact area between the end of the current collecting layer 12 or the current collecting layer 14 shown in FIG. This is advantageous.

集電層12及び14を形成する材料としては、具体的には、例えば、銅、銀、金、白金、パラジウム、これらの合金、ステンレスなどを挙げることができる。これらは1種又は2種以上含まれていてもよい。また、集電層12及び14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。集電層12及び14の厚みは、強度や電気抵抗の観点からは厚い方が好ましいが、費用および生産性を考慮すると、1μm以下が好ましい。   Specific examples of the material forming the current collecting layers 12 and 14 include copper, silver, gold, platinum, palladium, alloys thereof, and stainless steel. These may be contained alone or in combination of two or more. Moreover, the thickness of the current collection layers 12 and 14 is not specifically limited, It can set suitably in consideration of weight reduction or an electrical resistance. The thickness of the current collecting layers 12 and 14 is preferably thick from the viewpoint of strength and electrical resistance, but is preferably 1 μm or less in consideration of cost and productivity.

(条溝)
図1においてシリコン基体2は、第1の多孔質金属領域8A側に凹部を有し、条溝15を形成している。条溝15は、酸素等の酸化剤や水素等の燃料ガス及びメタノール等の液体の流路となり燃料供給路の役割を果たす。燃料電池100は、一方の側のみに条溝15が設けられている形状を有しているが、本発明はこれに限定されず、シリコン基体2の両面に条溝が設けられた形状をしていてもよい。このように、燃料電池100は、シリコン基体2の、少なくとも一方の面にガス又は流体の流路となる条溝を設けることで、燃料流路までをも一体的形成することができる。また、条溝15の流路形状は、燃料又は酸化剤を供給することができれば、特に限定されるものではなく、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、渦巻形状などであってもよい。また、凹部の幅、凹部の溝深さなども、特に限定されることはなく、発電部分の形状、大きさや必要とされる電池の性能に伴って、空気などの酸化剤や燃料の流量、流速などを考慮して設計すればよい。
(Slave)
In FIG. 1, the silicon substrate 2 has a recess on the first porous metal region 8 </ b> A side, and forms a groove 15. The groove 15 serves as a fuel supply path as a flow path for an oxidant such as oxygen, a fuel gas such as hydrogen, and a liquid such as methanol. The fuel cell 100 has a shape in which the groove 15 is provided only on one side, but the present invention is not limited to this, and has a shape in which the groove is provided on both surfaces of the silicon substrate 2. It may be. As described above, the fuel cell 100 can be integrally formed up to the fuel flow path by providing the groove serving as the gas or fluid flow path on at least one surface of the silicon substrate 2. Further, the shape of the flow path of the groove 15 is not particularly limited as long as fuel or an oxidant can be supplied, and a serpentine shape (single serpentine, multi serpentine shape, etc.) often used for a fuel cell separator, It may be a spiral shape. Further, the width of the recess, the groove depth of the recess, etc. are not particularly limited, and the flow rate of the oxidizing agent such as air and fuel, according to the shape, size and required battery performance of the power generation part, What is necessary is just to design in consideration of the flow velocity.

(発電機構)
次に、燃料電池100の発電機構について、第1の多孔質金属領域8A側から水素含有燃料を供給し、第2の多孔質金属領域8B側から空気(酸素)を供給する場合について説明する。条溝15に水素含有燃料が供給されると、第1の多孔質金属領域8Aに水素含有燃料が侵入し、多孔質領域4に担持された白金等の触媒の作用により、水素分子は、電子と水素イオン(H)とに分解される。この電子は、集電層12に接合された図示を省略する外部導線を介して集電層14に移動し、電流が生成される。一方、第1の多孔質金属領域8Aで生成した水素イオン(H)は、多孔質プロトン伝導領域6を介して第2の多孔質金属領域8Bにまで移動する。次いで、第1の多孔質金属領域8Aから移動してきた水素イオン(H)は、第2の多孔質金属領域8Bに侵入した酸素と前記外部導線を介して移動してきた電子と結合して水(HO)になる。
(Power generation mechanism)
Next, the case where hydrogen-containing fuel is supplied from the first porous metal region 8A side and air (oxygen) is supplied from the second porous metal region 8B side will be described for the power generation mechanism of the fuel cell 100. When the hydrogen-containing fuel is supplied to the groove 15, the hydrogen-containing fuel enters the first porous metal region 8 A, and the hydrogen molecules are converted into electrons by the action of a catalyst such as platinum supported on the porous region 4. And hydrogen ions (H + ). The electrons move to the current collecting layer 14 via an external conductor (not shown) joined to the current collecting layer 12, and a current is generated. On the other hand, hydrogen ions (H + ) generated in the first porous metal region 8A move to the second porous metal region 8B through the porous proton conductive region 6. Next, the hydrogen ions (H + ) that have moved from the first porous metal region 8A combine with oxygen that has entered the second porous metal region 8B and the electrons that have moved through the external conductor to form water. (H 2 O).

(他の実施形態)
本発明の燃料電池は、単独で用いてもよいし、図3に示すように複数の燃料電池をスタック(積層)して用いてもよい。図3は、本発明の燃料電池を積層した構成の一実施形態を示す説明図である。図3においては、複数の燃料電池セル(燃料電池100A〜100F)が積み重ねられたスタック構造18が示されている。各燃料電池100A〜100Fのアノード側(水素が供給される側)には導線20が接合されており、−極(負極)と接合されている。また、各燃料電池100A〜Fはアノード側に接合された導線20を介して接続されている。一方、各燃料電池100A〜100Fのカソード側(酸素が供給される側)には導線22が接合されており、+極(正極)と接合されている。また、各燃料電池100A〜Fはカソード側に接合された導線22を介して接続されている。このようなスタック構造18は、各燃料電池セル100A〜100Fのアノード側の条溝に水素含有燃料を供給し、燃料電池セル100A〜100Fのカソード側の条溝に酸素含有ガスを供給することにより、前述した燃料電池セル100と同様の作用により、電流が生成されることとなる。
(Other embodiments)
The fuel cell of the present invention may be used alone, or a plurality of fuel cells may be stacked and used as shown in FIG. FIG. 3 is an explanatory view showing an embodiment of a configuration in which the fuel cells of the present invention are stacked. FIG. 3 shows a stack structure 18 in which a plurality of fuel cells (fuel cells 100A to 100F) are stacked. Conductive wire 20 is joined to the anode side (side to which hydrogen is supplied) of each of fuel cells 100A to 100F, and is joined to the negative electrode (negative electrode). The fuel cells 100A to 100F are connected to each other through a conductive wire 20 joined to the anode side. On the other hand, the conducting wire 22 is joined to the cathode side (side to which oxygen is supplied) of each of the fuel cells 100A to 100F, and joined to the + electrode (positive electrode). Moreover, each fuel cell 100A-F is connected via the conducting wire 22 joined to the cathode side. Such a stack structure 18 supplies hydrogen-containing fuel to the anode-side grooves of the fuel cells 100A to 100F, and supplies oxygen-containing gas to the cathode-side grooves of the fuel cells 100A to 100F. A current is generated by the same operation as that of the fuel battery cell 100 described above.

尚、図3においては単純に燃料電池100A〜100Fを積み重ねて各層交互に水素又は酸素を供給する並立結合のスタック構造を示したが本発明はこれに限定されず、例えば、各燃料電池の間に絶縁層を介在させることで直列結合のスタック構造を構成することもできる。   Although FIG. 3 shows a stack structure in which fuel cells 100A to 100F are simply stacked and hydrogen or oxygen is alternately supplied to each layer, the present invention is not limited to this structure. A serially coupled stack structure can also be configured by interposing an insulating layer in the substrate.

《本発明の燃料電池の製造方法》
本発明の製造方法は、多孔質領域及びシリコン領域を有し、且つ、前記多孔質領域に多孔質プロトン伝導領域を有するシリコン基体をめっき液に浸漬し、前記多孔質領域中に触媒金属を析出させて、前記多孔質プロトン伝導領域の両側にそれぞれ第1の多孔質金属領域及び第2の多孔質金属領域を形成する多孔質金属領域形成工程を含む。また、本発明の製造方法は、必要に応じて、条溝形成工程、絶縁層形成工程、集電層形成工程等を設けてもよい。但し、以下の実施形態に係る燃料電池の製造方法は、多孔質領域と、前記多孔質領域の周囲に設けられるシリコン領域と、を有するシリコン基体の一方の面に絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、前記多孔質領域に多孔質プロトン伝導領域を有するシリコン基体をめっき液に浸漬し、前記多孔質領域中に触媒金属を析出させて、前記多孔質プロトン伝導領域の両側にそれぞれ第1の多孔質金属領域及び第2の多孔質金属領域を形成する多孔質金属領域形成工程と、前記第1の多孔質金属領域と接合する第1の集電層と、前記第2の多孔質金属領域と接合する第2の集電層と、を形成する集電層形成工程であって、前記第1の集電層及び前記第2の集電層が、前記絶縁層を介して絶縁されるように前記第1の集電層及び前記第2の集電層を形成する集電層形成工程と、を含むものとする。
更に、本発明の製造方法においては、予め用意された、多孔質領域及び多孔質プロトン伝導領域、並びに、シリコン領域を有するシリコン基体を用いることができる。更に、これらシリコン基体は、例えば、後述する多孔質形成工程やプロトン伝導領域形成工程を有するシリコン基体の製造方法によっても製造可能である。また、後述のシリコン基体の製造方法と本発明の燃料電池の製造方法は、別に実施されてもよいし継続的に実施されてもよい。このため、本発明の燃料電池の製造方法において後述する多孔質形成工程やプロトン伝導領域形成工程を設け多孔質領域等を有するシリコン基体を形成し、更に多孔質金属領域形成工程を施す態様であってもよい。
<< Method for Manufacturing Fuel Cell of the Present Invention >>
In the production method of the present invention, a silicon substrate having a porous region and a silicon region, and having a porous proton conductive region in the porous region is immersed in a plating solution, and a catalytic metal is deposited in the porous region. And a porous metal region forming step of forming a first porous metal region and a second porous metal region on both sides of the porous proton conducting region, respectively. Moreover, the manufacturing method of this invention may provide a groove formation process, an insulating layer formation process, a current collection layer formation process, etc. as needed. However, the method for manufacturing a fuel cell according to the following embodiment is an insulating layer formation in which an insulating layer is formed on one surface of a silicon substrate having a porous region and a silicon region provided around the porous region. And a step of immersing a silicon substrate having a porous proton conductive region in the porous region in a plating solution, depositing a catalytic metal in the porous region, and forming a first on each side of the porous proton conductive region. A porous metal region forming step for forming a porous metal region and a second porous metal region, a first current collecting layer joined to the first porous metal region, and the second porous metal region A current collecting layer forming step of forming a second current collecting layer to be bonded to the first current collecting layer, wherein the first current collecting layer and the second current collecting layer are insulated via the insulating layer Forming the first current collecting layer and the second current collecting layer And that collector layer forming step, is intended to include.
Furthermore, in the production method of the present invention, a silicon substrate having a porous region and a porous proton conducting region and a silicon region prepared in advance can be used. Furthermore, these silicon substrates can be manufactured, for example, by a method for manufacturing a silicon substrate having a porous forming step and a proton conductive region forming step described later. Moreover, the silicon substrate manufacturing method and the fuel cell manufacturing method of the present invention described later may be performed separately or continuously. For this reason, in the method for producing a fuel cell of the present invention, a porous base region and a proton conductive region forming step, which will be described later, are provided to form a silicon substrate having a porous region and the like, and further a porous metal region forming step is performed. May be.

〈シリコン基体の製造方法〉
(多孔質形成工程)
前記多孔質形成工程は、シリコン基体に多孔質領域を形成する工程である。具体的には、前記多孔質工程において、シリコン基体の対象領域について例えばシリコン基体の厚み方向に向かって、基体の位置の面から他方面に至るまでの間を多孔化して多孔質領域を形成する。シリコン基体の一部を多孔化する方法は特に限定はないが、例えば、エッチングによってシリコン基体に多孔質領域を形成する方法が挙げられる。当該エッチングは、湿式又は乾式エッチングのいずれでも制限はないが、例えば、陽極酸化液を用いた陽極酸化処理などを挙げることができる。前記多孔質領域の孔径や形状、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調整することで制御することが可能である。
<Manufacturing method of silicon substrate>
(Porous forming process)
The porous forming step is a step of forming a porous region in the silicon substrate. Specifically, in the porous step, the porous region is formed by making the target region of the silicon substrate porous, for example, from the surface of the substrate to the other surface in the thickness direction of the silicon substrate. . The method for making a part of the silicon substrate porous is not particularly limited, and examples thereof include a method of forming a porous region in the silicon substrate by etching. The etching is not limited by either wet or dry etching, and examples thereof include an anodizing treatment using an anodizing solution. The pore size and shape of the porous region, layer thickness, etc., adjust the parameters such as resistivity of silicon single crystal to be used, current density during anodic oxidation, anodic oxidation time, liquid composition of anodic oxidation liquid, concentration, liquid temperature, etc. It is possible to control by doing.

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/m以下が好ましく、5000A/m以下が更に好ましく、2000A/m以下が特に好ましい。また、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/m以上が好ましく、100A/m以上が更に好ましく、500A/m以上が特に好ましい。 The upper limit of the current density at the time of anodization is preferably 10,000 A / m 2 or less, more preferably 5000 A / m 2 or less, and more preferably 2000 A / m 2 from the viewpoints that electropolishing is less likely to be promoted and porosity is easily promoted. The following are particularly preferred: The lower limit of the current density during the anodization, in view of too porosity decreases, 1A / m 2 or more is preferable, 100A / m 2 or more is more preferable, 500A / m 2 or more and particularly preferable.

前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。尚、前記陽極酸化液におけるフッ素イオンの濃度は、通常、0.5mol/dm〜25mol/dm程度である。 Examples of the anodic oxidation solution include one or more compounds that can be dissolved in water, alcohol, or the like, such as hydrofluoric acid, sodium fluoride, or ammonium fluoride, to generate fluorine ions. A liquid dissolved in a solvent can be mentioned. The concentration of fluoride ions in the anodizing liquid is usually, 0.5mol / dm 3 ~25mol / dm 3 approximately.

また、前記陽極酸化液の液温は、特に限定されないが、反応の均一性等の観点から、その上限が25℃以下であることが好ましく、20℃以下であることが更に好ましい。一方、前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℃以上が更に好ましい。   The liquid temperature of the anodizing solution is not particularly limited, but the upper limit is preferably 25 ° C. or less, and more preferably 20 ° C. or less, from the viewpoint of reaction uniformity. On the other hand, the lower limit of the temperature of the anodic oxidation solution is preferably 0 ° C. or higher, more preferably 10 ° C. or higher, from the viewpoint of reaction rate.

前記多孔質形成工程において、陽極酸化処理にてシリコン基体に複数貫通孔を形成する場合、陽極酸化処理にシリコン基体の一方の面から他方の面まで貫通する貫通孔を形成してもよいが、完全に貫通させることなく、シリコン基体の背面(陽極酸化処理液が供給される側とは逆の面)のシリコン部分を僅かに残して、それを後にプラズマエッチング等で除去することで貫通孔を形成してもよい。また、陽極酸化処理後にプラズマエッチング等の表面処理を施すことによって、シリコン基体表面のマイクロポーラス層等も除去することができる。   In the porous formation step, when forming a plurality of through holes in the silicon substrate by anodizing treatment, through holes penetrating from one surface of the silicon substrate to the other surface may be formed in the anodizing treatment, Without completely penetrating, the silicon portion on the back surface of the silicon substrate (the surface opposite to the side where the anodizing solution is supplied) is left slightly, and the through-hole is removed by removing it later by plasma etching or the like. It may be formed. Further, by performing a surface treatment such as plasma etching after the anodizing treatment, the microporous layer on the surface of the silicon substrate can also be removed.

(プロトン伝導領域形成工程)
前記プロトン伝導領域形成工程は、多孔質形成工程において複数の細孔が設けられたシリコン基体の多孔質領域にプロトン伝導領域を形成する工程である。多孔質領域にプロトン伝導領域を形成する方法としては、多孔質領域の細孔内に上述のプロトン伝導性を有する電解質ポリマー等の電解質体を充填させたり、細孔壁にスルホン酸基を末端に有する分子で修飾することで形成することができる。
(Proton conduction region formation process)
The proton conducting region forming step is a step of forming a proton conducting region in the porous region of the silicon substrate provided with a plurality of pores in the porous forming step. As a method of forming a proton conductive region in the porous region, the pores in the porous region are filled with the electrolyte body such as the above-described electrolyte polymer having proton conductivity, or the pore wall is terminated with a sulfonic acid group. It can be formed by modifying with the molecule it has.

−電解質体の充填−
多孔質領域の細孔内に電解質ポリマー等の電解質体を充填する方法は、特に限定されるものではない。具体的には、例えば、電解質ポリマーの溶液もしくは分散液又は溶融状態の電解質ポリマーを細孔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又は溶融状態のポリマー前駆体を細孔内に含浸させた後、細孔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。
-Filling the electrolyte body-
A method for filling an electrolyte body such as an electrolyte polymer in the pores of the porous region is not particularly limited. Specifically, for example, a method of impregnating pores with a solution or dispersion of an electrolyte polymer or a molten electrolyte polymer; a solution or dispersion of a polymer precursor of an electrolyte polymer or a molten polymer precursor with pores After the polymer is impregnated, the polymer precursor is impregnated, or after the polymerization, a functional group that can be converted into an electrolyte group is converted into an electrolyte group. The method etc. can be mentioned.

前記含浸方法としては、具体的には、例えば、前記電解質ポリマーの溶液を多孔質領域の対象部位に滴下したり、前記溶液などに多孔質膜を浸漬する方法、前記溶液や溶融物を多孔質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種又は2種以上併用してもよい。尚、前記含浸時には、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種又は2種以上添加してもよい。   Specific examples of the impregnation method include, for example, a method in which a solution of the electrolyte polymer is dropped on a target region of a porous region, or a porous film is immersed in the solution, or the solution or melt is made porous. Examples of the coating method include various coating methods (die coating method, comma coating method, gravure coating method, roll coating method, bar coating method, reverse coating method, etc.). These may be used alone or in combination of two or more. In addition, at the time of the impregnation, one or more kinds of a crosslinking agent, a polymerization initiator (such as a photopolymerization initiator, a thermal initiator, a redox-based initiation polymerization initiator), a curing agent, a surfactant, and the like are included as necessary. It may be added.

上述のように、電解質ポリマーの溶液を多孔質領域滴下してプロトン伝導領域形成を形成する場合には、例えば、電解質ポリマー溶液であるナフィオン(登録商標)を対象部位に滴下して多孔質領域に染みこませることで、プロトン伝導領域形成を形成することができる。また、滴下後、シリコン基体表面等に残留したナフィオン溶液はイソプロピルアルコール等で洗浄することができる。   As described above, when forming a proton conduction region by dropping an electrolyte polymer solution into a porous region, for example, Nafion (registered trademark), which is an electrolyte polymer solution, is dropped into a target region to form a porous region. Proton conduction region formation can be formed by soaking. Further, after the dropping, the Nafion solution remaining on the silicon substrate surface or the like can be washed with isopropyl alcohol or the like.

一方、上述のように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よい。このようにポリマー前駆体と架橋剤とを併用した場合、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り、電解質膜の細孔内に充填された電解質ポリマーの不溶性、不融性が向上し、細孔から脱落し難くなる。   On the other hand, when a polymer precursor is used as described above, the polymer precursor contains at least one or more electrolyte monomers described above. Furthermore, you may contain a crosslinking agent as needed. Thus, when the polymer precursor and the crosslinking agent are used in combination, a crosslinking point can be formed during the production of the electrolyte polymer, so that it becomes easier to form a crosslinked body of the electrolyte polymer and is filled in the pores of the electrolyte membrane. Further, the insolubility and infusibility of the electrolyte polymer are improved, and it becomes difficult to drop off from the pores.

前記架橋剤としては、具体的には、例えば、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。これら架橋剤は1種又は2種以上含まれていてもよい。   Specific examples of the crosslinking agent include, for example, a compound having two or more polymerizable functional groups in one molecule, and a polymerizable double bond and other functional groups capable of crosslinking reaction in one molecule. And the like. These crosslinking agents may be contained in one kind or two or more kinds.

1分子中に重合可能な官能基を2個以上有する架橋剤としては、具体的には、例えば、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。   Specific examples of the crosslinking agent having two or more polymerizable functional groups in one molecule include N, N′-methylenebis (meth) acrylamide, N, N′-ethylenebis (meth) acrylamide, N , N′-propylene bis (meth) acrylamide, N, N′-butylene bis (meth) acrylamide, polyethylene glycol di (meth) acrylate, polypropylene glycol di (meth) acrylate, trimethylolpropane diallyl ether, pentaerythritol triallyl ether, Examples thereof include crosslinkable monomers such as divinylbenzene, bisphenol di (meth) acrylate, isocyanuric acid di (meth) acrylate, tetraallyloxyethane, triallylamine, diallyloxyacetate.

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架橋剤としては、具体的には、例えば、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。   Specific examples of the crosslinking agent having a polymerizable double bond and other functional group capable of crosslinking reaction in one molecule include N-methylolacrylamide, N-methoxymethylacrylamide, and N-butoxymethylacrylamide. And the like. These can be crosslinked after radical polymerization of a polymerizable double bond and heated to cause a condensation reaction or the like, or can be heated simultaneously with radical polymerization to cause a similar crosslinking reaction.

尚、上述の架橋剤は、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。また、前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 above-mentioned cross-linking agent is not limited to a compound having a carbon-carbon double bond, and although a polymerization reaction rate is slightly low, a bifunctional or higher epoxy compound, a compound having a phenyl group having a hydroxymethyl group, or the like is also used. You can also Moreover, when using the said epoxy compound, a crosslinking point is formed by reacting with acids, such as a carboxyl group contained in a polymer.

前記ポリマー前駆体には、さらに、必要に応じて、前記電解質モノマー及び/又は前記架橋剤と共重合可能なモノマーを含有させてもよい。この種のモノマーとしては、具体的には、例えば、(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種又は2種以上含まれていてもよい。   The polymer precursor may further contain a monomer copolymerizable with the electrolyte monomer and / or the crosslinking agent, if necessary. Specific examples of this type of monomer include (meth) acrylic acid esters, (meth) acrylamides, maleimides, styrenes, organic acid vinyls, allyl compounds, and methallyl compounds. . These may be contained alone or in combination of two or more.

前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、何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、例えば、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種又は2種以上併用してもよい。   The method for polymerizing the electrolyte monomer contained in the polymer precursor is not particularly limited, and any method that is generally known can be used. As such a polymerization method, for example, a thermal initiator such as a peroxide or an azo compound, a thermal polymerization using a redox polymerization initiator, or a photopolymerization initiator that generates radicals by irradiation with light such as ultraviolet rays was used. Examples thereof include photopolymerization, polymerization by electron beam and radiation. These may be used alone or in combination of two or more.

前記電解質ポリマー及び/又はポリマー前駆体は、適当な溶媒に溶解させた溶液、又は、適当な分散媒に分散させた分散液として用いるのが好ましい。この場合、好ましい分散液の粘度は、25℃において1〜10000mPa・s程度である。尚、前記粘度は、B型粘度計にて測定される値である。   The electrolyte polymer and / or polymer precursor is preferably used as a solution dissolved in an appropriate solvent or a dispersion liquid dispersed in an appropriate dispersion medium. In this case, the viscosity of the preferable dispersion is about 1 to 10000 mPa · s at 25 ° C. The viscosity is a value measured with a B-type viscometer.

前記溶媒、分散媒としては、具体的には、例えば、例えばトルエン、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種又は2種以上含まれていてもよい。また上記分散液は、取扱い性及び経済性などの観点から、主に水を用いることが好ましい。   Specific examples of the solvent and dispersion medium include, for example, aromatic organic solvents such as toluene, xylene, and benzene, aliphatic organic solvents such as hexane and heptane, chlorinated solvents such as chloroform and dichloroethane, diethyl Ethers such as ether, ketones such as methyl ethyl ketone and cyclohexanone, esters such as ethyl acetate and butyl acetate, cyclic ethers such as 1,4-dioxane and tetrahydrofuran, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone And amide solvents, water, alcohols and the like. These may be contained alone or in combination of two or more. Moreover, it is preferable to mainly use water from the viewpoints of handleability and economy.

前記溶液又は分散液の濃度の上限としては、濃度が高い方が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%以下が更に好ましく、80質量%以下が特に好ましい。一方、前記溶液又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ったり、回数を重ねないと充填がし難くなり生産性が悪くなったりするなどの観点から、5質量%以上が好ましく、10質量%以上が更に好ましく、20質量%以上が特に好ましい。   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 particularly preferably 80% by mass or less from the viewpoint of higher performance when the concentration is higher. On the other hand, the lower limit of the concentration of the solution or dispersion is 5 from the viewpoint that if the concentration is too low, the filling becomes insufficient, or if the number of times is not repeated, the filling becomes difficult and the productivity deteriorates. It is preferably at least 10 mass%, more preferably at least 10 mass%, particularly preferably at least 20 mass%.

−スルホン酸基を末端に有する分子の修飾−
上述のように前記プロトン伝導領域形成は、多孔質領域の孔壁を、スルホン酸基を末端に有する分子で修飾することで形成することもできる。尚、孔壁がシリコン表面のままでは、自然酸化により継時変化が生じてしまう。このため、前記孔壁を化学修飾する際には、わずかに熱酸化した表面に、シランカップリング剤を吸着させた後、スルホン酸基をもった分子に置換する方法などが考えられる。また、300℃程度の低温で部分熱酸化した孔壁に,モノフェニルトリメトキシシランを結合させスルホン酸基を修飾する方法については、S. Moghaddam, E. Pengwang, R. I. Masel, M. A. Shannon, Nanostructured Silicon-based Proton Exchange Membrane for Micro Fuel Cells, Digest of PowerMEMS 2009, 116 (2009)を参照することができる。
-Modification of molecule having sulfonic acid group at its terminal-
As described above, the proton conductive region can be formed by modifying the pore wall of the porous region with a molecule having a sulfonic acid group at the terminal. If the hole wall remains on the silicon surface, the change over time occurs due to natural oxidation. For this reason, when chemically modifying the pore wall, a method in which a silane coupling agent is adsorbed on a slightly thermally oxidized surface and then substituted with a molecule having a sulfonic acid group can be considered. For the method of modifying the sulfonic acid group by bonding monophenyltrimethoxysilane to the partially thermally oxidized pore wall at a low temperature of about 300 ° C., see S. Moghaddam, E. Pengwang, RI Masel, MA Shannon, Nanostructured Silicon. -based Proton Exchange Membrane for Micro Fuel Cells, Digest of PowerMEMS 2009, 116 (2009).

〈燃料電池の製造方法〉
(多孔質金属領域形成工程)
本発明の製造方法は、多孔質金属領域形成工程を含む。前記多孔質金属領域形成工程は、多孔質プロトン伝導領域が形成されたシリコン基体をめっき液に浸漬し、前記多孔質領域中に触媒金属を析出させて、前記多孔質プロトン伝導領域の両側にそれぞれ第1の多孔質金属領域及び第2の多孔質金属領域を形成する工程である。触媒金属を析出するためのめっき法については特に限定はなく、無電解めっき、電解めっきなどの公知のめっき法を用いることができる。尚、多孔質金属領域形成工程において、多孔質領域に白金等の貴金属からなる触媒金属を含むめっき液によってシリコン基体の多孔質領域にめっき処理を施すと、イオン化傾向の違いによって、多孔質領域中のシリコンと白金等の触媒金属とが置換し、細孔内に触媒金属を析出させることができる。本発明の製造方法においては、多孔質領域を有するシリコン基体に必要に応じてマスク施してめっき液に浸漬させることで多孔質領域の所望の表層のみを多孔質白金に改質することができる。
<Manufacturing method of fuel cell>
(Porous metal region forming process)
The production method of the present invention includes a porous metal region forming step. In the porous metal region forming step, the silicon substrate on which the porous proton conductive region is formed is dipped in a plating solution, and a catalytic metal is deposited in the porous region, respectively, on both sides of the porous proton conductive region. It is a step of forming a first porous metal region and a second porous metal region. The plating method for depositing the catalytic metal is not particularly limited, and a known plating method such as electroless plating or electrolytic plating can be used. In the porous metal region forming step, if the porous region of the silicon substrate is plated with a plating solution containing a catalytic metal made of a noble metal such as platinum in the porous region, the porous region may be affected by the difference in ionization tendency. The silicon and the catalytic metal such as platinum are substituted, and the catalytic metal can be deposited in the pores. In the production method of the present invention, only a desired surface layer of the porous region can be modified to porous platinum by applying a mask to a silicon substrate having a porous region as necessary and immersing it in a plating solution.

めっき法に用いるめっき液は、例えば、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種又は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。無電解めっきを行う場合、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とよい。通常、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てめっきが進行する。しかし、めっきの進行に伴い、細孔表面にめっきの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ある。この場合、上述のようにフッ酸等を用いてフッ素イオンをメッキ液中に含有させておくと、フッ素イオンの存在によって絶縁膜の形成が抑制され、めっきを進行させやすくなる。   The plating solution used in the plating method can be prepared, for example, by dissolving one or more soluble salts containing a supported catalytic metal as a constituent element in an appropriate solvent such as water. When electroless plating is performed, fluorine ions may be contained in the plating solution using hydrofluoric acid or the like. Usually, a catalytic metal such as platinum, which has a lower ionization tendency than silicon, receives electrons from silicon and is reduced and spontaneously precipitates, so that plating proceeds. However, with the progress of plating, an insulating film (silicon oxide film) that becomes a barrier to the progress of plating may be formed on the pore surface. In this case, if fluorine ions are contained in the plating solution using hydrofluoric acid or the like as described above, the formation of the insulating film is suppressed by the presence of the fluorine ions, and the plating is facilitated.

前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℃以下が更に好ましい。一方、前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℃以上が更に好ましい。   The upper limit of the temperature of the plating solution is preferably 25 ° C. or less, and more preferably 20 ° C. or less from the viewpoint of nucleus growth and the like. On the other hand, the lower limit of the temperature of the plating solution is preferably 0 ° C. or higher, and more preferably 5 ° C. or higher, from the viewpoint of reaction rate.

(条溝形成工程)
本発明の製造方法においては、シリコン基体に条溝を形成する条溝形成工程を含んでいてもよい。条溝の形成方法は特に限定はないが、例えば、水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液(TMAH)によるウェットエッチング等の手段を用いることができる。この場合、例えば、シリコン基体上の多孔質領域となる領域と、シリコン領域となる領域とをパターニングしておき、TMAHによるウェットエッチングによって多孔質領域となる領域の厚みが所望の範囲(例えば、50μm程度)になるまでエッチングを行うことで、シリコン基体の表面に燃料流路となる条溝を形成することができる。
(Slot formation process)
The manufacturing method of the present invention may include a groove forming step of forming a groove on the silicon substrate. The method for forming the grooves is not particularly limited, and for example, means such as wet etching with a tetramethylammonium hydroxide aqueous solution (TMAH) can be used. In this case, for example, the region to be the porous region on the silicon substrate and the region to be the silicon region are patterned, and the thickness of the region to be the porous region by wet etching with TMAH is in a desired range (for example, 50 μm Etching is performed until the level of the groove becomes a fuel channel on the surface of the silicon substrate.

前記条溝形成工程はいずれの段階で行っても特に制限はないが、本発明においては、特に多孔質形成工程よりも前に条溝形成工程によって条溝を形成し、その後、多孔質領域を形成することが好ましい。   The groove forming process is not particularly limited in any stage, but in the present invention, the groove is formed by the groove forming process before the porous forming process, and then the porous region is formed. It is preferable to form.

(絶縁層形成工程)
本発明の製造方法においては、多孔質金属領域同士や、集電層同士がシリコン領域を介して電気的に接合されるのを防止するための絶縁層を形成することができる。前記絶縁層の形成方法は特に限定されないが、例えば、シリコン領域から隔離して多孔質金属領域を形成する観点からは、前記プロトン伝導領域形成工程によって前記多孔質プロトン伝導領域が形成されたシリコン基体の一方の面に、絶縁層形成工程によって前記多孔質領域と一部重複するようにして絶縁層を形成し、その後、多孔質金属領域形成工程によって、多孔質領域を白金等の触媒金属で改質する態様が好ましい。このように、多孔質金属領域形成工程の前に絶縁層形成工程によって前記多孔質領域と一部重複するようにして絶縁層を形成すると、多孔質金属領域形成工程におけるめっき処理の際に絶縁層がマスクとして機能し、多孔質領域と絶縁層とが重複した箇所においては多孔質構造が触媒金属に改質せずに多孔質領域が未改質のまま維持される。これにより、図1に示すように、多孔質金属領域(第1の多孔質金属領域8A)を、シリコン領域と接触しないように隔離して形成することができる。
(Insulating layer forming process)
In the production method of the present invention, it is possible to form an insulating layer for preventing the porous metal regions and the current collecting layers from being electrically joined via the silicon region. The method for forming the insulating layer is not particularly limited. For example, from the viewpoint of forming the porous metal region isolated from the silicon region, the silicon substrate on which the porous proton conductive region is formed by the proton conductive region forming step. An insulating layer is formed on one surface of the insulating layer so as to partially overlap the porous region by an insulating layer forming step, and then the porous region is modified with a catalyst metal such as platinum by the porous metal region forming step. The embodiment to be textured is preferred. As described above, when the insulating layer is formed so as to partially overlap the porous region by the insulating layer forming step before the porous metal region forming step, the insulating layer is formed during the plating process in the porous metal region forming step. Functions as a mask, and in a portion where the porous region and the insulating layer overlap with each other, the porous structure is not modified to the catalytic metal, and the porous region is maintained unmodified. Thereby, as shown in FIG. 1, a porous metal area | region (1st porous metal area | region 8A) can be isolated and formed so that it may not contact a silicon area | region.

また、上述のように前記絶縁層の材料としてはパラキシリレン系ポリマーを用いることができる。パラキシリレン系ポリマーを用いて絶縁層をシリコン基体表面に形成する場合、ガラスマスク等をシリコン基体上の多孔質金属領域となる部位に被せ、その後CVD等によってパラキシリレン系ポリマーを成膜することで絶縁膜を形成することができる。   In addition, as described above, a paraxylylene polymer can be used as the material of the insulating layer. In the case where an insulating layer is formed on the surface of a silicon substrate using a paraxylylene polymer, the insulating film is formed by placing a glass mask or the like on a portion that becomes a porous metal region on the silicon substrate, and then depositing the paraxylylene polymer by CVD or the like. Can be formed.

一方、シリコン窒化膜を絶縁層として使用する場合には、多孔質領域を形成する前にシリコン基体上に絶縁膜を形成することができる。この場合、CVD等によってシリコン窒化膜をシリコン基体上に形成し、通常のフォトリソグラフィーおよびCF等のガスを用いたドライエッチングによってシリコン窒化膜のパターニングを施す。この場合、シリコン窒化膜をマスクとして陽極酸化により多孔質領域を形成すると、シリコン窒化膜開口部周辺ではシリコン窒化膜下も多孔質化される。その後、多孔質金属領域を形成すると、シリコン領域3と多孔質金属領域8Aとの間に金属化されていない多孔質領域が残るため、両者間の絶縁を保つことが出来る。 On the other hand, when a silicon nitride film is used as the insulating layer, the insulating film can be formed on the silicon substrate before forming the porous region. In this case, a silicon nitride film is formed on the silicon substrate by CVD or the like, and the silicon nitride film is patterned by normal photolithography and dry etching using a gas such as CF 4 . In this case, when the porous region is formed by anodic oxidation using the silicon nitride film as a mask, the region below the silicon nitride film opening is also made porous under the silicon nitride film. Thereafter, when a porous metal region is formed, a porous region that is not metallized remains between the silicon region 3 and the porous metal region 8A, so that insulation between the two can be maintained.

(集電層形成工程)
本発明の製造方法においては、シリコン基体の一方の面上に第1の多孔質金属領域と接合する第1の集電層と、シリコン基体の他方の面上に第2の多孔質金属領域と接合する第2の集電層と、を形成する集電層形成工程を含めることができる。集電層は、マスク等によって集電層を形成する箇所のみを露出させ、上述に挙げたように集電層の材料として用いられる金や銅等をスパッタリングすることで所望の集電層を形成することができる。
(Current collection layer formation process)
In the manufacturing method of the present invention, the first current collecting layer joined to the first porous metal region on one surface of the silicon substrate, and the second porous metal region on the other surface of the silicon substrate. A current collecting layer forming step of forming a second current collecting layer to be bonded can be included. The current collecting layer exposes only the portion where the current collecting layer is formed with a mask or the like, and forms the desired current collecting layer by sputtering gold or copper used as the material of the current collecting layer as described above. can do.

(本発明の製造方法の流れ)
以下、本発明の製造方法の流れの一例について、図4を用いて説明する。図4は、本発明の燃料電池の製造工程の一実施形態を示す説明図である。
(Flow of manufacturing method of the present invention)
Hereinafter, an example of the flow of the manufacturing method of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is an explanatory view showing an embodiment of the manufacturing process of the fuel cell of the present invention.

図4(A)に示すように、SiO膜24付きのシリコンウエハ(シリコン基体2)を用意する。次いで、SiO膜24の表面にポジ型のフォトレジスト膜26を塗布により形成する。塗布膜を形成した後、マスクを介してフォトレジスト膜26をパターン露光して露光部を現像液によって除去する。これにより、図4(B)に示すように、シリコン基体上において燃料流路となる条溝が形成される箇所のSiO膜24が露出されたレジストパターンを形成する。また、前記レジスト膜及び現像液を用いたフォトリソグラフィーによるパターン形成は公知の方法を適宜用いることができる。 As shown in FIG. 4A, a silicon wafer (silicon substrate 2) with an SiO 2 film 24 is prepared. Next, a positive photoresist film 26 is formed on the surface of the SiO 2 film 24 by coating. After forming the coating film, the photoresist film 26 is subjected to pattern exposure through a mask, and the exposed portion is removed with a developer. As a result, as shown in FIG. 4B, a resist pattern is formed in which the SiO 2 film 24 is exposed on the silicon substrate where the grooves serving as fuel flow paths are formed. A known method can be appropriately used for pattern formation by photolithography using the resist film and the developer.

次いで、シリコン基体2に対し、フッ酸を薄めたフッ酸緩衝溶液によって、レジスト膜26のパターンから露出したSiO膜24を除去する(図4(C))。残存したSiO膜上のレジスト膜26は、シリコンのエッチングの際に溶液を汚す原因となるため、SiO膜24の除去後、残存したレジスト膜26はアセトン等の溶媒で除去される Next, the SiO 2 film 24 exposed from the pattern of the resist film 26 is removed from the silicon substrate 2 with a hydrofluoric acid buffer solution in which hydrofluoric acid is diluted (FIG. 4C). Since the resist film 26 on the remaining SiO 2 film causes the solution to be contaminated during the etching of silicon, after the SiO 2 film 24 is removed, the remaining resist film 26 is removed with a solvent such as acetone.

次いで、レジスト膜26が除去されたSiO膜24のパターンが形成されたシリコン基体2は、上述のようにTMAHを用いたウェットエッチングが施される。ウェットエッチングにおいては、SiO膜24が除去されシリコンが露出した領域が徐々に除去され、図4(D)に示すように、シリコン基体2表面に凹部を形成する。この際、エッチング処理は、前記凹部が所望の深さになるまで施され、前記凹部が後に条溝15としての機能を果たす(条溝形成工程)。 Next, the silicon substrate 2 on which the pattern of the SiO 2 film 24 from which the resist film 26 has been removed is formed by wet etching using TMAH as described above. In the wet etching, the SiO 2 film 24 is removed and the region where the silicon is exposed is gradually removed, and a recess is formed on the surface of the silicon substrate 2 as shown in FIG. At this time, the etching process is performed until the concave portion has a desired depth, and the concave portion later functions as the groove 15 (a groove forming step).

シリコン基体2の表面に凹部を形成した後、シリコン基体2上の残存したSiO膜24はフッ酸緩衝溶液等によって除去される(図4(E))。SiO膜24を除去した後、図4(E)に示すシリコン基体2に対し、凹部の方向(エッチング面)から水、フッ酸、エタノール等を含む溶液などを用いて陽極酸化処理を行い、多孔質領域を形成する。この際、シリコン領域となる領域についてはOリングによってマスキングが施されている。陽極酸化処理により、シリコン基体2の紙面上方から紙面下方に向かって略垂直方向に複数の貫通孔が形成され、多孔質領域4が形成される(図4(F))。陽極酸化処理を進めていくと、上述のようにシリコン基体2の紙面上方から下方に向かった貫通孔が形成されるが、図4(F)に示すように、シリコン基体2の底面側(紙面下方)には、シリコンの層が薄皮のように僅かに残存する。 After the recess is formed on the surface of the silicon substrate 2, the remaining SiO 2 film 24 on the silicon substrate 2 is removed with a hydrofluoric acid buffer solution or the like (FIG. 4E). After removing the SiO 2 film 24, the silicon substrate 2 shown in FIG. 4E is anodized using a solution containing water, hydrofluoric acid, ethanol, etc. from the direction of the recess (etching surface). Form a porous region. At this time, a region to be a silicon region is masked by an O-ring. By the anodization treatment, a plurality of through holes are formed in a substantially vertical direction from the upper side of the paper surface of the silicon substrate 2 to the lower side of the paper surface, and the porous region 4 is formed (FIG. 4F). As the anodic oxidation process proceeds, through holes are formed from the upper side to the lower side of the paper surface of the silicon substrate 2 as described above. As shown in FIG. In the lower part, a silicon layer remains slightly like a thin skin.

次いで、複数の貫通孔が形成されたシリコン基体2にプラズマエッチング処理を施し、シリコン基体の底面に残ったシリコン層やシリコン基体2の表面にあるマイクロポーラス層を除去する。(図4(G))。これにより、シリコン基体2の一方の表面から他方の表面に向かって貫通した貫通孔を複数有する多孔質領域4が形成される(多孔質形成工程)。   Next, plasma etching is performed on the silicon substrate 2 in which a plurality of through holes are formed, and the silicon layer remaining on the bottom surface of the silicon substrate and the microporous layer on the surface of the silicon substrate 2 are removed. (FIG. 4G). Thereby, the porous region 4 having a plurality of through holes penetrating from one surface of the silicon substrate 2 toward the other surface is formed (porous forming step).

多孔質領域4が形成されたシリコン基体2に対し、凹部が形成されている面からNafion(登録商標)溶液を添加し、多孔質領域の貫通孔部分にNafion溶液を染みこませる。その後、表面等の付着したNafionをイソプロピルアルコロールで洗浄し、図4(H)に示すように、多孔質領域4に多孔質プロトン伝導領域6を形成する(プロトン伝導領域形成工程)。   A Nafion (registered trademark) solution is added to the silicon substrate 2 on which the porous region 4 is formed from the surface where the concave portion is formed, and the Nafion solution is soaked into the through-hole portion of the porous region. Thereafter, the Nafion adhered to the surface or the like is washed with isopropyl alcohol, and a porous proton conductive region 6 is formed in the porous region 4 as shown in FIG. 4 (H) (proton conductive region forming step).

次いで、多孔質金属領域を形成する多孔質領域4の一部にガラスマスクを被せ、それ以外の部分にパラキシリレン系ポリマーを成膜し、絶縁層10を形成する(絶縁層形成工程)。この際、パラキシリレン系ポリマーによって形成された絶縁層10は、図4(I)に示すように、一部が多孔質領域に重複(被覆)するように形成される。   Next, a glass mask is put on a part of the porous region 4 forming the porous metal region, and a paraxylylene polymer is formed on the other part to form the insulating layer 10 (insulating layer forming step). At this time, as shown in FIG. 4I, the insulating layer 10 formed of the paraxylylene-based polymer is formed so as to partially overlap (cover) the porous region.

絶縁層10を形成した後、シリコン基体2をスターラーで攪拌した白金めっき液に浸漬する。すると、シリコン基体2表面に露出した多孔質領域4(多孔質プロトン伝導領域6を含む)の表層においては、イオン化傾向の違いによって、多孔質領域4中のシリコンと白金とが置換して改質され、多孔質領域4の細孔内に白金が析出し、図4(J)に示すように多孔質金属領域8A及び8Bが形成される(多孔質金属領域形成工程)。尚、図4においては、前記絶縁膜形成工程において絶縁層10が一部多孔質領域4に被覆して形成されているため、これがマスクとなり、図4(J)に示すように第1の多孔質金属領域8Aが、シリコン領域3と隔離して形成される。   After the insulating layer 10 is formed, the silicon substrate 2 is immersed in a platinum plating solution stirred with a stirrer. Then, in the surface layer of the porous region 4 (including the porous proton conducting region 6) exposed on the surface of the silicon substrate 2, silicon and platinum in the porous region 4 are replaced and modified due to the difference in ionization tendency. Then, platinum is deposited in the pores of the porous region 4, and porous metal regions 8A and 8B are formed as shown in FIG. 4 (J) (porous metal region forming step). In FIG. 4, since the insulating layer 10 is partially covered and formed in the porous region 4 in the insulating film forming step, this serves as a mask and the first porous layer as shown in FIG. 4 (J). A solid metal region 8 A is formed separately from the silicon region 3.

ついで、多孔質金属領域が形成されたシリコン基体2に対してスパッタリングを施し、Cr/Au等で形成された集電層12及び14が製膜され、図4(K)に示すように、本発明の燃料電池100が完成される。   Subsequently, sputtering is performed on the silicon substrate 2 on which the porous metal region is formed, and current collecting layers 12 and 14 formed of Cr / Au or the like are formed, and as shown in FIG. The fuel cell 100 of the invention is completed.

以上、本発明の燃料電池及びその製造方法について実施形態を用いて説明したが、本発明は上述の実施態様のみに限定されるものではない。   As mentioned above, although the fuel cell of this invention and its manufacturing method were demonstrated using embodiment, this invention is not limited only to the above-mentioned embodiment.

以下、実施例において具体的に本発明について説明する。   Hereinafter, the present invention will be specifically described in Examples.

1.セルの製作
試料として、n型,抵抗率0.008〜0.02Ωcm,厚さ110±10μm,酸化膜付き両面鏡面仕上げのシリコンウエハを準備し、フォトリソグラフィーによって燃料流路となる条溝箇所にレジスト膜(東京応化社製 OFPF−800)をパターニングした。次いで、TMAHを用いたウェットエッチングにより厚みが残り50μm程度になるまでシリコンウエハをウェットエッチングし、シリコンウエハの表面に凹部を形成した。更に、エッチング面から陽極酸化を行い、シリコンウエハに多孔質領域を形成した。陽極酸化処理は下記表1に示す条件でおこなった。次いで、シリコンウエハの背面に僅かに残ったシリコン部分や、マイクロポーラス層をプラズマエッチングによって除去した。
1. Cell fabrication As a sample, a silicon wafer with n-type, resistivity 0.008 to 0.02 Ωcm, thickness 110 ± 10 μm, double-sided mirror finish with oxide film is prepared, and photolithography is applied to the groove portion that becomes the fuel flow path A resist film (OFPF-800 manufactured by Tokyo Ohka Co., Ltd.) was patterned. Next, the silicon wafer was wet etched by wet etching using TMAH until the remaining thickness was about 50 μm, thereby forming a recess on the surface of the silicon wafer. Further, anodization was performed from the etched surface to form a porous region on the silicon wafer. The anodizing treatment was performed under the conditions shown in Table 1 below. Next, the silicon portion slightly remaining on the back surface of the silicon wafer and the microporous layer were removed by plasma etching.

次いで、下記表1に記載の組成を有するNafion溶液をシリコンウエハの陽極酸化した面から滴下し、多孔質領域に染み込ませた。この際、表面に残留したNafion溶液は、イソプロピルアルコールによって洗浄した。次に、ガラスマスクを多孔質白金層に改質する部分に被せ、それ以外の面にdix−C(ジクロロパラシクロファン)(大三化成(株)製)を成膜し、絶縁層を形成した。次に、絶縁層が形成されたシリコンウエハを、スターラーで攪拌した白金めっき液に浸漬し湿式めっき処理を施した。これにより、多孔質領域両面の表層が多孔質白金に改質され、多孔質金属領域が形成された。尚、湿式めっき処理は表1に記載の条件に従っておこなった。   Next, a Nafion solution having the composition described in Table 1 below was dropped from the anodized surface of the silicon wafer and soaked into the porous region. At this time, the Nafion solution remaining on the surface was washed with isopropyl alcohol. Next, a glass mask is placed on the portion to be modified into the porous platinum layer, and dic-C (dichloroparacyclophane) (manufactured by Daisan Kasei Co., Ltd.) is formed on the other surface to form an insulating layer. did. Next, the silicon wafer on which the insulating layer was formed was immersed in a platinum plating solution stirred with a stirrer and subjected to a wet plating process. Thereby, the surface layer of both surfaces of the porous region was modified to porous platinum, and a porous metal region was formed. In addition, the wet plating process was performed according to the conditions described in Table 1.

最後にスパッタによって、シリコンウエハの両面にCr/Auコンタクト層(集電層)を成膜し、セルを完成させた。   Finally, Cr / Au contact layers (current collection layers) were formed on both sides of the silicon wafer by sputtering to complete the cell.

2.発電実験
上記から得られたセルについて発電実験は、恒温槽内で行った。発電実験時の環境温度は313K、燃料は加湿した水素と加湿していない酸素とを使用した。水素の流量は3sccm、酸素の流量は1sccmで行った。発電実験を行った結果、最高出力密度17mW/cmを記録した(図5)。これにより、本構造が燃料電池として機能することを実証することが出来た。図5は、実施例に係るセルの電圧、電流密度及び出力密度特性を示すグラフである。図5において線Aはセル電圧と電流密度との関係を示し、線Bは出力密度と電流密度との関係を示す。図5によれば、実施例に係る燃料電池は、電池として作動可能であり、しかも、耐久性、信頼性に優れていることが確認できた。
2. Power generation experiment A power generation experiment was performed in a thermostatic chamber for the cell obtained above. The environmental temperature during the power generation experiment was 313 K, and the fuel was humidified hydrogen and non-humidified oxygen. The flow rate of hydrogen was 3 sccm, and the flow rate of oxygen was 1 sccm. As a result of the power generation experiment, a maximum power density of 17 mW / cm 2 was recorded (FIG. 5). This proved that the structure functions as a fuel cell. FIG. 5 is a graph showing the voltage, current density, and output density characteristics of the cell according to the example. In FIG. 5, line A shows the relationship between cell voltage and current density, and line B shows the relationship between output density and current density. According to FIG. 5, it was confirmed that the fuel cell according to the example was operable as a battery and was excellent in durability and reliability.

2 シリコン基体
3 シリコン領域
4 多孔質領域
6 多孔質プロトン伝導領域
8A 多孔質金属領域
8B 多孔質金属領域
10 絶縁層
12 集電層
14 集電層
15 条溝
16 貫通孔
18 スタック構造
20 導線
22 導線
24 SiO
26 レジスト膜
100 燃料電池
2 Silicon substrate 3 Silicon region 4 Porous region 6 Porous proton conducting region 8A Porous metal region 8B Porous metal region 10 Insulating layer 12 Current collecting layer 14 Current collecting layer 15 Strip groove 16 Through hole 18 Stack structure 20 Conducting wire 22 Conducting wire 24 SiO 2 film 26 Resist film 100 Fuel cell

Claims (3)

多孔質領域と、前記多孔質領域の周囲に設けられるシリコン領域と、を有し、且つ、前記多孔質領域に、触媒金属が担持された第1の多孔質金属領域と、多孔質プロトン伝導領域と、触媒金属が担持された第2の多孔質金属領域と、をこの順で備えたシリコン基体と、
前記シリコン基体の一方の面上に前記第1の多孔質金属領域と接合する第1の集電層と、前記シリコン基体の他方の面上に前記第2の多孔質金属領域と接合する第2の集電層と、前記シリコン基体の一方の面に設けられる絶縁層と、
を備え
前記第1の多孔質金属領域及び前記第1の集電層からなる部分、並びに、前記第2の多孔質金属領域及び前記第2の集電層からなる部分、の少なくとも一方と、前記シリコン基体の前記シリコン領域とが電気的に隔離され、
前記第1の多孔質金属領域及び前記第1の集電層からなる部分、並びに、前記第2の多孔質金属領域及び前記第2の集電層からなる部分が前記絶縁層を介して絶縁される燃料電池。
A porous region, wherein a silicon region provided around the porous region, a, and, on the porous region, a first porous metal area catalytic metal is supported, a porous proton conduction region And a silicon substrate comprising, in this order, a second porous metal region on which a catalytic metal is supported,
A first current collecting layer joined to the first porous metal region on one surface of the silicon substrate, and a second current joined to the second porous metal region on the other surface of the silicon substrate. A current collecting layer, an insulating layer provided on one surface of the silicon substrate,
Equipped with a,
At least one of the first porous metal region and the first current collecting layer, the second porous metal region and the second current collecting layer, and the silicon substrate. Electrically isolated from the silicon region,
The portion composed of the first porous metal region and the first current collecting layer and the portion composed of the second porous metal region and the second current collecting layer are insulated via the insulating layer. a fuel cell that.
多孔質領域と、前記多孔質領域の周囲に設けられるシリコン領域と、を有するシリコン基体の一方の面に絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
前記多孔質領域に多孔質プロトン伝導領域を有するシリコン基体をめっき液に浸漬し、前記多孔質領域中に触媒金属を析出させて、前記多孔質プロトン伝導領域の両側にそれぞれ第1の多孔質金属領域及び第2の多孔質金属領域を形成する多孔質金属領域形成工程と、
前記第1の多孔質金属領域と接合する第1の集電層と、前記第2の多孔質金属領域と接合する第2の集電層と、を形成する集電層形成工程であって、前記第1の集電層及び前記第2の集電層が、前記絶縁層を介して絶縁されるように前記第1の集電層及び前記第2の集電層を形成する集電層形成工程と、
を含む請求項1に記載の燃料電池の製造方法。
A porous region, and the silicon region provided around the porous region, and the insulating layer forming step of forming an insulating layer on one surface of the silicon substrate to have a,
A silicon substrate having a porous proton conductive region in the porous region is immersed in a plating solution, and a catalytic metal is deposited in the porous region, and a first porous metal is formed on each side of the porous proton conductive region. A porous metal region forming step of forming the region and the second porous metal region ;
A current collecting layer forming step of forming a first current collecting layer joined to the first porous metal region and a second current collecting layer joined to the second porous metal region, Current collection layer formation for forming the first current collection layer and the second current collection layer so that the first current collection layer and the second current collection layer are insulated via the insulating layer Process,
The method for producing a fuel cell according to claim 1, comprising:
前記絶縁層形成工程は、前記シリコン基体の一方の面に、前記多孔質領域と一部重複するように前記絶縁層を形成する工程であり、前記多孔質金属領域形成工程は、前記絶縁層が形成された前記シリコン基体に前記第1及び第2の多孔質金属領域を形成する工程である請求項2に記載の燃料電池の製造方法。 The insulating layer forming step, the one surface of the silicon substrate, a step of forming the insulating layer so as to partially overlap with the porous region, the porous metal region forming step, the insulating layer forming process for the preparation of a fuel cell according to claim 2, wherein the step of forming the first and second porous metal region in the silicon substrate.
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