JP2008098070A - Membrane electrode assembly and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、膜電極接合体および燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a membrane electrode assembly and a fuel cell.
従来、例えば、自動車、コジェネレーションシステム、モバイル機器などの電源に用いることが可能な燃料電池として、固体高分子形燃料電池(PEFC)、直接メタノール形燃料電池(DMFC)などが知られている。 Conventionally, for example, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) and a direct methanol fuel cell (DMFC) are known as fuel cells that can be used as a power source for automobiles, cogeneration systems, mobile devices, and the like.
このうち、DMFCは、燃料にメタノールを使用することから、純水素や改質水素を燃料として使用するPEFCに比較して、水素タンクや改質器などが不要である。そのため、小型化、軽量化が要求される携帯電話などのモバイル機器の電源に適用しやすいなどの利点を有している。 Among these, since DMFC uses methanol as a fuel, a hydrogen tank, a reformer, and the like are unnecessary as compared with PEFC using pure hydrogen or reformed hydrogen as fuel. Therefore, it has an advantage that it can be easily applied to a power source of a mobile device such as a mobile phone that is required to be reduced in size and weight.
上記燃料電池の構造としては、例えば、電解質膜の一方面にアノード電極を、他方面にカソード電極を接合した膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を、セパレータで挟持した構造などが広く知られている。また、両電極の構造としては、拡散層と触媒層とが積層された二層構造を採用することが多い。 As a structure of the fuel cell, for example, a structure in which a membrane electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly) in which an anode electrode is bonded to one surface and a cathode electrode is bonded to the other surface is sandwiched between separators is widely known. It has been. Moreover, as a structure of both electrodes, a two-layer structure in which a diffusion layer and a catalyst layer are laminated is often adopted.
通常、上記電解質材料としては、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)などのパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーが、上記触媒層材料としては、白金担持カーボンとナフィオン溶液との混合物が、上記拡散層材料としては、カーボンペーパーが、上記セパレータ材料としては、カーボンがそれぞれ代表的な材料として知られている。 Usually, the electrolyte material is a perfluorocarbon sulfonic acid polymer such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), and the catalyst layer material is a mixture of platinum-supported carbon and a Nafion solution. Carbon is known as a typical material for the carbon paper and the separator material.
この種の従来構造の燃料電池を用いて発電を行う場合、一対のセパレータで挟持した膜電極接合体を、強い力で締め付ける必要がある。そのため、セパレータには機械的強度が要求され、電池全体の厚みは比較的厚くなる傾向がある。 When power generation is performed using this type of conventional fuel cell, it is necessary to tighten the membrane electrode assembly sandwiched between the pair of separators with a strong force. Therefore, the separator is required to have mechanical strength, and the thickness of the entire battery tends to be relatively thick.
したがって、従来構造のまま更なる小型化を図るには、自ずと限界があった。 Therefore, there has been a limit to further miniaturization with the conventional structure.
ところで、近年、MEMS(Micro Electro Mechanical System:微小電気機械システム)技術が注目を浴びている。このMEMS技術は、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であり、極めて小型の部品を製造するのに適している。 Incidentally, in recent years, MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology has attracted attention. This MEMS technology is a technology that uses a semiconductor manufacturing process and a microfabrication process to manufacture a microstructure having both mechanical and electrical functions, and is suitable for manufacturing extremely small parts. Yes.
最近では、上記MEMS技術を用いた新しい構造の燃料電池が提案されている。 Recently, a fuel cell having a new structure using the MEMS technology has been proposed.
例えば、特許文献1には、上記MEMS技術を利用して、シリコンウェハの片面側に条溝を形成し、その条溝の底部から他面側に多孔質シリコン層を形成し、その多孔質シリコン層に触媒金属を担持させて電極とし、この電極によって固体電解質膜を挟持した膜電極接合体を有する超小型燃料電池が開示されている。 For example, in Patent Document 1, using the MEMS technology, a groove is formed on one side of a silicon wafer, a porous silicon layer is formed on the other side from the bottom of the groove, and the porous silicon is formed. A micro fuel cell having a membrane electrode assembly in which a catalyst metal is supported on a layer to form an electrode and a solid electrolyte membrane is sandwiched between the electrodes is disclosed.
しかしながら、従来の膜電極接合体は、以下の点で未だ改良の余地があった。 However, the conventional membrane electrode assembly still has room for improvement in the following points.
すなわち、MEMS技術で製造された電極は、基本的に、極めて微小な構造体であるので、無理な外力が作用すると破壊しやすい。 That is, an electrode manufactured by the MEMS technology is basically a very small structure, and is easily broken when an excessive external force is applied.
一般に、電解質膜に電極を接合する場合、イソプロパノールなどの溶剤に溶解した電解質材料を電解質膜の表面に塗布した後、電極を熱圧着することが良く行われている。 In general, when joining an electrode to an electrolyte membrane, it is often performed to apply an electrolyte material dissolved in a solvent such as isopropanol to the surface of the electrolyte membrane and then thermocompression-bond the electrode.
ところが、ナフィオン膜やこれと同等の電解質膜は、アルコールや水を吸収して膨潤し、その表面積が増加しやすいといった性質を有している。それ故、MEMS技術で製造された電極にて上記のような接合を行うと、電解質膜の表面積変化により電極が破損してしまうといった問題が発生する。 However, Nafion membranes and equivalent electrolyte membranes have the property that they absorb alcohol and water and swell to increase their surface area. Therefore, when bonding as described above is performed with an electrode manufactured by the MEMS technology, there arises a problem that the electrode is damaged due to a change in the surface area of the electrolyte membrane.
また、接合がうまくいったとしても、その後の溶剤の揮発に伴う膜の収縮によって電極が破損してしまう場合がある。さらに、燃料電池では、発電と停止とが繰り返し行われる。そのため、電解質膜は、膨潤状態、乾燥状態に繰り返し曝され、その度に上記面積変化が生じる。それ故、やはり、ナフィオン膜等の電解質膜では、短期間のうちに電極が破損してしまうといった問題が発生する。 Even if the bonding is successful, the electrode may be damaged due to the shrinkage of the film accompanying the subsequent volatilization of the solvent. Further, in the fuel cell, power generation and stop are repeatedly performed. Therefore, the electrolyte membrane is repeatedly exposed to a swollen state and a dry state, and the area change occurs each time. Therefore, an electrolyte membrane such as a Nafion membrane still has a problem that the electrode is damaged within a short period of time.
本発明は上記事情を鑑みてなされたもので、本発明が解決しようとする課題は、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を提供することにある。 This invention is made | formed in view of the said situation, The subject which this invention tends to solve is providing the membrane electrode assembly which is hard to be damaged at the time of the manufacture or battery operation compared with the former.
上記課題を解決するため、本発明に係る膜電極接合体は、電解質膜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たものであって、上記電極のうち、少なくとも一方は、MEMS技術を用いて形成されており、上記電解質膜は、多孔質膜の孔部内に電解質ポリマーが充填されたものであることを要旨とする。 In order to solve the above problems, a membrane / electrode assembly according to the present invention comprises an electrolyte membrane having an anode electrode joined to one surface and a cathode electrode joined to the other surface, and at least one of the electrodes is a MEMS. The gist of the electrolyte membrane is that the electrolyte polymer is filled in the pores of the porous membrane.
この際、上記電極のうち、少なくとも一方は、半導体材料または導体材料よりなり、燃料または酸化剤の流路が形成された流路層と、上記流路層の流路底部に接し、その孔部内に触媒が担持された多孔質層とを有していると良い。 At this time, at least one of the electrodes is made of a semiconductor material or a conductor material, and is in contact with the flow path layer in which the flow path of the fuel or the oxidant is formed, and the flow path bottom of the flow path layer. And a porous layer on which a catalyst is supported.
また、上記流路層の表面に、さらに、集電体層を有していても良い。 Further, a current collector layer may be further provided on the surface of the flow path layer.
また、上記半導体材料としてはシリコンが好ましい。 The semiconductor material is preferably silicon.
また、上記電解質膜は、液温25℃のイソプロパノールまたはその水溶液に1時間浸漬した場合に、浸漬前後における面積変化率が20%以下であると良い。 Further, when the electrolyte membrane is immersed in isopropanol having a liquid temperature of 25 ° C. or an aqueous solution thereof for 1 hour, the area change rate before and after the immersion is preferably 20% or less.
また、上記電解質膜は、液温25℃のメタノールまたはその水溶液に1時間浸漬した場合に、浸漬前後における面積変化率が20%以下であると良い。 Moreover, when the said electrolyte membrane is immersed in methanol with a liquid temperature of 25 degreeC or its aqueous solution for 1 hour, it is good in the area change rate before and behind immersion being 20% or less.
一方、本発明に係る燃料電池は、上記膜電極接合体を備えていることを要旨とする。 On the other hand, the gist of the fuel cell according to the present invention includes the membrane electrode assembly.
また、当該燃料電池の厚さは、2mm以下が好ましい。 The thickness of the fuel cell is preferably 2 mm or less.
本発明に係る膜電極接合体は、MEMS技術で製造された電極と、多孔質膜の孔部内に電解質ポリマーが充填された電解質膜とを組み合わせて用いている。 The membrane electrode assembly according to the present invention uses a combination of an electrode manufactured by MEMS technology and an electrolyte membrane in which an electrolyte polymer is filled in the pores of the porous membrane.
この電解質膜は、その構造により、ナフィオン膜等のフッ素系電解質膜に比較して、アルコールや水を吸収し難く、膨潤し難い。そのため、膜表面積の変化が少なく、当該膜電極接合体の製造時や電池運転時に、電解質膜の膨潤・収縮に起因する負荷を抑制することができる。 Due to its structure, this electrolyte membrane is less likely to absorb alcohol and water and less likely to swell compared to fluorine electrolyte membranes such as Nafion membranes. Therefore, there is little change in the surface area of the membrane, and it is possible to suppress the load caused by the swelling / shrinkage of the electrolyte membrane during the production of the membrane electrode assembly and the battery operation.
したがって、本発明に係る膜電極接合体は、その製造時や電池運転時に破損し難い。 Therefore, the membrane electrode assembly according to the present invention is not easily damaged during production or battery operation.
ここで、上記電極が、流路層と、拡散層(多孔質層)と、触媒層(孔部内に担持されている触媒)とが一体に形成された電極構造を有する場合には、別部材のセパレータで挟持した膜電極接合体に比較して、その厚さを極めて薄くすることができる。そのため、積層に有利である。 Here, when the electrode has an electrode structure in which a flow path layer, a diffusion layer (porous layer), and a catalyst layer (catalyst supported in the hole) are integrally formed, separate members are used. Compared to the membrane electrode assembly sandwiched between the separators, the thickness can be extremely reduced. Therefore, it is advantageous for lamination.
また、流路層の表面に集電体層を有する場合には、電気抵抗が半導体よりも小さい集電体層を形成することによって、半導体部品の端部から直接電気を取り出すときに比較して、抵抗が小さくなることや、シリコンウエハなどのように割れやすい材質を補強することができるなどの利点がある。 In addition, when a current collector layer is provided on the surface of the flow path layer, by forming a current collector layer whose electric resistance is smaller than that of a semiconductor, compared to when electricity is taken directly from an end of a semiconductor component There are advantages that the resistance is reduced and a fragile material such as a silicon wafer can be reinforced.
また、上記イソプロパノールまたはその水溶液への浸漬前後における面積変化率が20%以下である電解質膜を用いた場合には、とりわけ、製造時に当該膜電極接合体が破損し難い。 In addition, when an electrolyte membrane having an area change rate of 20% or less before and after immersion in isopropanol or an aqueous solution thereof is used, the membrane electrode assembly is particularly difficult to break during manufacture.
また、上記メタノールまたはその水溶液への浸漬前後における面積変化率が20%以下である電解質膜を用いた場合には、とりわけ、電池運転時において当該膜電極接合体が破損し難い。 In addition, when an electrolyte membrane having an area change rate of 20% or less before and after immersion in methanol or an aqueous solution thereof is used, the membrane electrode assembly is particularly difficult to break during battery operation.
一方、本発明に係る燃料電池は、上記膜電極接合体を備えている。そのため、従来に比較して、耐久性、信頼性などに優れる。 On the other hand, the fuel cell according to the present invention includes the membrane electrode assembly. Therefore, it is excellent in durability, reliability and the like as compared with the conventional case.
また、当該燃料電池の厚さが2mm以下であれば、モバイル機器用電源などに好適な小型、薄型の燃料電池を得ることができる。 Moreover, if the thickness of the fuel cell is 2 mm or less, a small and thin fuel cell suitable for a mobile device power source or the like can be obtained.
以下、本実施形態に係る膜電極接合体(以下、「本MEA」ということがある。)およびその製造方法(以下、「本製造方法」ということがある。)ならびに、本MEAを適用した燃料電池(以下、「本燃料電池」ということがある。)について詳細に説明する。 Hereinafter, the membrane electrode assembly according to the present embodiment (hereinafter sometimes referred to as “the present MEA”), the manufacturing method thereof (hereinafter also referred to as “the present manufacturing method”), and the fuel to which the present MEA is applied. The battery (hereinafter sometimes referred to as “the present fuel cell”) will be described in detail.
1.本MEA
図1に例示するように、本MEA10は、電解質膜12の一方面にアノード電極14a、他方面にカソード電極14cが接合されている。
1. This MEA
As illustrated in FIG. 1, in the
1.1 電解質膜
本MEAにおいて、電解質膜は、多孔質膜の孔部内に電解質ポリマーが充填された膜である。
1.1 Electrolyte Membrane In the present MEA, the electrolyte membrane is a membrane in which an electrolyte polymer is filled in the pores of the porous membrane.
(多孔質膜)
上記多孔質膜は、主に、電解質膜の骨格をなすもので、膜の一方面から他方面に貫通する貫通孔を多数有している。なお、貫通孔以外にも、非貫通孔が存在していても構わない。
(Porous membrane)
The porous membrane mainly forms a skeleton of the electrolyte membrane, and has a large number of through holes penetrating from one surface of the membrane to the other surface. In addition to the through holes, non-through holes may exist.
上記貫通孔は、例えば、膜面に対してほぼ垂直に貫通していても良いし、膜面に対して90°未満の角度で傾斜して貫通していても良い。また、蛇行、ジグザク状など、ランダムに貫通していても良い。 For example, the through hole may penetrate substantially perpendicularly to the film surface, or may penetrate through the film surface at an angle of less than 90 °. Moreover, you may penetrate at random, such as meandering or zigzag.
上記貫通孔の断面形状は、電解質ポリマーを充填することができれば何れの形状であっても良く、その断面形状は、特に限定されるものではない。貫通孔の断面形状としては、具体的には、例えば、円形、楕円形、多角形、これらが連接された形、これらの組み合わせなどを例示することができる。 The cross-sectional shape of the through hole may be any shape as long as it can be filled with the electrolyte polymer, and the cross-sectional shape is not particularly limited. Specific examples of the cross-sectional shape of the through-hole include, for example, a circle, an ellipse, a polygon, a shape in which these are connected, a combination thereof, and the like.
上記多孔質膜の空孔率の上限としては、95%以下が好ましく、90%以下がより好ましく、85%以下がさらにより好ましく、80%以下が最も好ましい。一方、上記多孔質膜の空孔率の下限としては、5%以上が好ましく、10%以上がより好ましく、15%以上がさらにより好ましく、20%以上が最も好ましい。多孔質膜の空孔率が上記範囲内にあれば、単位面積当たりの電解質基量と膜強度とのバランスが良いからである。 The upper limit of the porosity of the porous membrane is preferably 95% or less, more preferably 90% or less, still more preferably 85% or less, and most preferably 80% or less. On the other hand, the lower limit of the porosity of the porous film is preferably 5% or more, more preferably 10% or more, still more preferably 15% or more, and most preferably 20% or more. This is because if the porosity of the porous membrane is within the above range, the balance between the electrolyte group amount per unit area and the membrane strength is good.
なお、上記空孔率は、多孔質膜の厚さと面積から体積を求め、その重量を測定し、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%=(多孔質膜の厚さ×多孔質膜の面積−多孔質膜の重量/構成材料の
比重)/(多孔質膜の厚さ×多孔質膜の面積)×100
The porosity can be obtained by determining the volume from the thickness and area of the porous membrane, measuring its weight, and calculating the proportion of air in the total volume from the specific gravity of the constituent material. it can. Specifically, it can be obtained by the following equation.
Porosity% = (thickness of porous membrane × area of porous membrane−weight of porous membrane / of constituent material
Specific gravity) / (Porous membrane thickness × Porous membrane area) × 100
上記多孔質膜の孔部径の上限としては、孔部内に充填された電解質ポリマーを保持しやすいなどの観点から、50μm以下が好ましく、10μm以下がより好ましく、1μm以下が最も好ましい。一方、上記多孔質膜の孔部径の下限としては、孔部内へ電解質ポリマーを充填しやすいなどの観点から、0.001μm以上が好ましく、0.01μm以上がより好ましい。 The upper limit of the pore diameter of the porous membrane is preferably 50 μm or less, more preferably 10 μm or less, and most preferably 1 μm or less from the viewpoint of easily holding the electrolyte polymer filled in the pores. On the other hand, the lower limit of the pore diameter of the porous membrane is preferably 0.001 μm or more, and more preferably 0.01 μm or more from the viewpoint of easy filling of the electrolyte polymer into the pores.
多孔質膜の孔部径が上記範囲内にあれば、孔部内に電解質ポリマーを比較的充填しやすく、また、充填された電解質ポリマーの保持性が良好で、膜変形時などに脱落し難いからである。なお、上記孔部径は、水銀圧入法により測定される値である。 If the pore diameter of the porous membrane is within the above range, it is relatively easy to fill the electrolyte polymer in the pore, and the retention of the filled electrolyte polymer is good, and it is difficult to drop off when the membrane is deformed. It is. In addition, the said hole diameter is a value measured by the mercury intrusion method.
上記多孔質膜の材質は、上述したような貫通孔を形成することができれば、特に限定されるものではない。例えば、高分子などの有機材料、セラミックス(アルミナ、ムライトなど)、金属(合金含む)などの無機材料、これらを複合した複合材料などを例示することができる。これらのうち、孔部を比較的容易に形成しやすい、軽量であるなどの観点から、高分子を好適に用いることができる。 The material of the porous film is not particularly limited as long as the through hole as described above can be formed. Examples thereof include organic materials such as polymers, inorganic materials such as ceramics (alumina, mullite, etc.), metals (including alloys), and composite materials obtained by combining these materials. Of these, a polymer can be suitably used from the viewpoints of easily forming the hole portion relatively easily and being lightweight.
上記高分子としては、具体的には、例えば、エチレン系樹脂(ポリエチレンなどのエチレン単量体を主成分とする樹脂)、ポリプロピレン、ポリメチルペンテンなどのオレフィン系樹脂、ポリ塩化ビニルなどの塩化ビニル樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、ポリトリフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリ(テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン)、ポリ(テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルエーテル)などのフッ素系樹脂、ナイロン6、ナイロン66などのポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、芳香族ポリイミド、アラミド、ポリスルホン、ポリフェニレンオキサイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリカーボネート、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステルなどを例示することができる。これらは1種または2種以上含まれていても良い。また、2種以上の高分子を積層するなどしても良い。また、上記高分子は、必要に応じて架橋されていても良い。 Specific examples of the polymer include, for example, ethylene resins (resins mainly composed of ethylene monomers such as polyethylene), olefin resins such as polypropylene and polymethylpentene, and vinyl chlorides such as polyvinyl chloride. Resin, fluorinated resins such as polytetrafluoroethylene, polytrifluoroethylene, polychlorotrifluoroethylene, poly (tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene), poly (tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl ether), nylon 6, nylon Examples include polyamide resin such as 66, polyester resin, aromatic polyimide, aramid, polysulfone, polyphenylene oxide, polyether ether ketone, polycarbonate, phenol resin, epoxy resin, unsaturated polyester, etc. It can be. These may be contained alone or in combination of two or more. Two or more kinds of polymers may be laminated. The polymer may be cross-linked as necessary.
上記高分子のうち、好ましくは、ポリエチレンなどのオレフィン系樹脂、ポリスルホン、ポリフェニレンオキサイド、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂などといった熱可塑性高分子を好適に用いることができる。 Of the above polymers, thermoplastic polymers such as olefin resins such as polyethylene, polysulfone, polyphenylene oxide, polyamide resins, and polyester resins can be preferably used.
これら熱可塑性高分子は、加熱により軟化または溶融させることができるので、電極を熱圧着した場合に、多孔質膜表面が軟化または溶融し、電解質膜と電極とを融着させやすくなるなどの利点があるからである。なお、上記熱可塑性高分子は、本MEAを適用する燃料電池の作動温度などを考慮して、その作動温度よりも軟化温度または溶融温度が高い材料を選択すれば良い。 Since these thermoplastic polymers can be softened or melted by heating, when the electrode is thermocompression bonded, the porous membrane surface softens or melts, making it easier to fuse the electrolyte membrane and the electrode. Because there is. For the thermoplastic polymer, a material having a softening temperature or a melting temperature higher than the operating temperature may be selected in consideration of the operating temperature of the fuel cell to which the present MEA is applied.
上記熱可塑性高分子のうち、より好ましくは、イソプロパノール、メタノールなどのアルコールや水により膨潤し難いなどの観点から、ポリエチレンなどのオレフィン系樹脂である。 Of the thermoplastic polymers, an olefin resin such as polyethylene is more preferable from the viewpoint of being less likely to swell with alcohol such as isopropanol or methanol or water.
上記多孔質膜の厚みの上限としては、電池の内部抵抗の観点から、200μm以下が好ましく、150μm以下がより好ましく、100μm以下が最も好ましい。一方、上記多孔質膜の厚みの下限としては、膜強度を維持し、電極の接合や燃料電池への組み込みの際に、破れなどの欠損を防止するなどの観点から、1μm以上が好ましく、5μm以上がより好ましく、10μm以上が最も好ましい。 The upper limit of the thickness of the porous membrane is preferably 200 μm or less, more preferably 150 μm or less, and most preferably 100 μm or less from the viewpoint of the internal resistance of the battery. On the other hand, the lower limit of the thickness of the porous membrane is preferably 1 μm or more from the viewpoint of maintaining the strength of the membrane and preventing defects such as tearing when joining the electrode or incorporating it into the fuel cell. The above is more preferable, and 10 μm or more is most preferable.
上記多孔質膜の厚みが上記範囲内にあれば、膜強度と膜抵抗とのバランスが良いからである。また、メタノールなどの燃料が用いられる場合に、その透過も抑制しやすいからである。 This is because if the thickness of the porous membrane is within the above range, the balance between membrane strength and membrane resistance is good. Further, when a fuel such as methanol is used, permeation thereof is easily suppressed.
(電解質ポリマー)
上記多孔質膜の孔部内に充填される電解質ポリマーは、膜にイオン伝導性を付与する役割を有する。
(Electrolyte polymer)
The electrolyte polymer filled in the pores of the porous membrane has a role of imparting ion conductivity to the membrane.
上記電解質ポリマーとしては、具体的には、例えば、主鎖および/または側鎖に1種または2種以上の電解質基を有するポリマー、酸、常温溶融塩などの電解質を含ませたポリマーなどを好適なものとして例示することができる。これらポリマーは1種または2種以上含まれていても良い。また、これらポリマーは必要に応じて架橋された架橋体であっても良い。 Specific examples of the electrolyte polymer include a polymer having one or more electrolyte groups in the main chain and / or side chain, and a polymer containing an electrolyte such as an acid or a room temperature molten salt. Can be exemplified. One or two or more of these polymers may be contained. Further, these polymers may be cross-linked products cross-linked as necessary.
上記電解質ポリマーは、孔部内に充填される前からポリマーとして存在するものであっても良いし、電解質ポリマーを生成可能なポリマー前駆体が孔部内に充填された後、重合、架橋などが行われて電解質ポリマーとされたものであっても良い。なお、電解質ポリマーの具体的な充填方法については、「2.本製造方法」にて後述する。 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, polymerization, crosslinking, etc. are performed. The electrolyte polymer may be used. A specific filling method of the electrolyte polymer will be described later in “2. Production method”.
上記電解質ポリマーに含まれる電解質基としては、具体的には、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を例示することができる。これらは1種または2種以上含まれていても良い。これらのうち、高プロトン伝導性が得られやすいなどの観点から、スルホン酸基を好適に用いることができる。 Specific 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. These may be contained alone or in combination of two or more. Among these, a sulfonic acid group can be preferably used from the viewpoint of easily obtaining high proton conductivity.
上記電解質ポリマーとしては、具体的には、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または一部がフッ素化されたフッ素系ポリマーであって電解質基を有するもの;ポリスルホンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸など、ポリマー骨格にフッ素を含まない炭化水素系ポリマーであって電解質基を有するもの;電解質基を有するモノマー、電解質基に変換し得る官能基を有するモノマー、および、重合前後に電解質基を導入可能な部位を有するモノマー、これらの組み合わせなどからなる電解質モノマーを単量体単位として有するポリマーなどを例示することができる。これらは1種または2種以上含まれていても良い。 Specific examples of the electrolyte polymer include all or part of a polymer skeleton such as a perfluorocarbon sulfonic acid polymer such as Nafion (registered trademark), a perfluorocarbon phosphonic acid polymer, and a trifluorostyrene sulfonic acid polymer. Is a fluorinated fluorine-based polymer having an electrolyte group; polysulfone sulfonic acid, polyaryl ether ketone sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl phosphonic acid, etc. does not contain fluorine Hydrocarbon polymer having an electrolyte group; monomer having an electrolyte group, monomer having a functional group that can be converted to an electrolyte group, and monomer having a site capable of introducing an electrolyte group before and after polymerization An electrolyte monomer and the like Align the like can be exemplified a polymer having as monomer unit. These may be contained alone or in combination of two or more.
上記電解質基を有するモノマーとしては、具体的には、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例示することができる。
なお、「(メタ)アクリル」は「アクリルおよび/またはメタクリル」を、「(メタ)アリル」は「アリルおよび/またはメタリル」を、「(メタ)アクリレート」は「アクリレートおよび/またはメタクリレート」を意味する(以下同様である)。
Specific examples of the monomer having an electrolyte group include 2- (meth) acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid, 2- (meth) acrylamide-2-methylpropanephosphonic acid, styrenesulfonic acid, (meth ) Allyl sulfonic acid, 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 can be exemplified.
“(Meth) acryl” means “acryl and / or methacryl”, “(meth) allyl” means “allyl and / or methallyl”, and “(meth) acrylate” means “acrylate and / or methacrylate”. (The same shall apply hereinafter).
上記重合前後に電解質基に変換し得る官能基を有するモノマーとしては、具体的には、例えば上記化合物の塩、無水物、エステルなどを例示することができる。使用するモノマーの酸残基が塩、無水物、エステルなどの誘導体となっている場合には、重合後にプロトン酸型にすることでプロトン伝導性を付与することができる。 Specific 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 above compounds. 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 making it into a protonic acid type after polymerization.
上記重合前後に電解質基を導入可能な部位を有するモノマーとしては、具体的には、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例示することができる。なお、これら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。 Specific examples of the monomer having a site capable of introducing an electrolyte group before and after the polymerization include, for example, monomers having a benzene ring such as styrene, α-methylstyrene, chloromethylstyrene, and t-butylstyrene. Can do. Specific examples of the method for introducing an electrolyte group into these include a method of sulfonation with a sulfonating agent such as chlorosulfonic acid, concentrated sulfuric acid, and sulfur trioxide.
これら電解質モノマーとしては、プロトン伝導性に優れるなどの観点から、スルホン酸基を有するビニル化合物、リン酸基を有するビニル化合物などが好ましく、より好ましくは、高い重合性を有するなどの観点から、2−(メタ)アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸などである。 As these electrolyte monomers, a vinyl compound having a sulfonic acid group, a vinyl compound having a phosphoric acid group, and the like are preferable from the viewpoint of excellent proton conductivity, and more preferably, from the viewpoint of having high polymerizability. -(Meth) acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid and the like.
上記電解質ポリマーは、高イオン伝導性が得られるなどの観点から、実質的に、上記多孔質膜の孔部のほぼ全てに充填されていることが好ましい。もっとも、多孔質膜が有する全ての孔部に電解質ポリマーが充填されていなければならないわけではなく、イオン伝導性、燃料の透過性などに悪影響を及ぼさない範囲内であれば、電解質ポリマーが充填されていない孔部が部分的に存在していても構わない。 It is preferable that substantially all of the pores of the porous membrane are filled in the electrolyte polymer from the viewpoint of obtaining high ion conductivity. Of course, not all pores of the porous membrane need to be filled with electrolyte polymer, but within the range that does not adversely affect ion conductivity, fuel permeability, etc., electrolyte polymer is filled. There may be a portion of the hole that is not present.
以上、本MEAが有する電解質膜の各構成について説明した。ここで、上記電解質膜は、乾燥状態にある当該膜を、液温25℃のイソプロパノールまたはその水溶液に1時間浸漬した場合に、何れの濃度範囲においても、浸漬前後における面積変化率が20%以下であることが好ましい。 In the above, each structure of the electrolyte membrane which this MEA has was demonstrated. Here, when the membrane in the dry state is immersed in isopropanol having a liquid temperature of 25 ° C. or an aqueous solution thereof for 1 hour, the area change rate before and after immersion is 20% or less in any concentration range. It is preferable that
上記面積変化率が20%以下の範囲にあれば、例えば、イソプロパノールなどの溶剤に溶解した電解質材料を電解質膜の表面に塗布した後、電極を接合してMEAとする際に、溶剤吸収による膜の膨潤や、溶剤揮発による膜の収縮などによる表面積変化によって生じる電極の破損を抑制しやすくなるからである。 If the area change rate is in the range of 20% or less, for example, when an electrolyte material dissolved in a solvent such as isopropanol is applied to the surface of the electrolyte membrane, the membrane is formed by solvent absorption when the electrode is joined to form MEA. This is because it is easy to suppress damage to the electrode caused by surface area change due to swelling of the film and shrinkage of the film due to solvent volatilization.
上記面積変化率の上限としては、好ましくは20%以下、より好ましくは15%以下、最も好ましくは10%以下であると良い。 The upper limit of the area change rate is preferably 20% or less, more preferably 15% or less, and most preferably 10% or less.
また、上記電解質膜は、乾燥状態にある当該膜を、液温25℃のメタノールまたはその水溶液に1時間浸漬した場合に、何れの濃度範囲においても、浸漬前後における面積変化率が20%以下であることが好ましい。 In addition, when the membrane in a dry state is immersed in methanol or an aqueous solution thereof at a liquid temperature of 25 ° C. for 1 hour, the area change rate before and after the immersion is 20% or less in any concentration range. Preferably there is.
上記面積変化率が20%以下の範囲にあれば、メタノールなどのアルコールを燃料に用いる燃料電池のMEAとして本MEAを用いた場合に、発電と停止とが繰り返し行われても、膜の膨潤や、乾燥による膜の収縮などによる表面積変化によって生じる電極の破損を抑制しやすくなるからである。 If the area change rate is in the range of 20% or less, even when the present MEA is used as the MEA of a fuel cell using alcohol such as methanol as a fuel, the membrane swells or This is because it becomes easy to suppress damage to the electrode caused by a change in surface area due to shrinkage of the film due to drying.
上記面積変化率の上限としては、好ましくは20%以下、より好ましくは15%以下、最も好ましくは10%以下であると良い。 The upper limit of the area change rate is preferably 20% or less, more preferably 15% or less, and most preferably 10% or less.
なお、上記両面積変化率とは、温度70℃で1時間乾燥させた電解質膜の表面積S1と、当該イソプロパノールもしくはメタノールまたはこれらの水溶液に浸漬した後の表面積S2とを測定し、下記式により算出した値である。
面積変化率=(S2−S1)/S1×100
The above-mentioned area change rate is calculated by the following formula by measuring the surface area S1 of the electrolyte membrane dried for 1 hour at a temperature of 70 ° C. and the surface area S2 after being immersed in the isopropanol or methanol or an aqueous solution thereof. It is the value.
Area change rate = (S2-S1) / S1 × 100
また、上記電解質膜は、多孔質膜の孔部内に電解質ポリマーが充填されておれば、膜表面(つまり、孔部外)に電解質ポリマー層が被覆されていても良いし、膜表面に多孔質膜が露出されていても良い。電解質膜の骨格をなす多孔質膜と電極との接着性に優れるなどの観点から、好ましくは後者であると良い。 The electrolyte membrane may be coated with an electrolyte polymer layer on the membrane surface (that is, outside the pores) as long as the electrolyte polymer is filled in the pores of the porous membrane, or the membrane surface may be porous. The film may be exposed. From the standpoint of excellent adhesion between the porous membrane forming the skeleton of the electrolyte membrane and the electrode, the latter is preferred.
1.2 電極
本MEAにおいて、アノード電極、カソード電極(以下、まとめて単に「電極」ということがある。)のうちの何れか一方または両方は、少なくともMEMS技術を用いて形成されている。
1.2 Electrode In this MEA, either one or both of an anode electrode and a cathode electrode (hereinafter sometimes simply referred to as “electrode”) are formed using at least a MEMS technique.
ここで、上記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。 Here, the MEMS technology refers to a technology for manufacturing a micro structure having both 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. .
これまで電極といえば、触媒層と拡散層とが積層された二層構造のものが主流であった。そして、燃料や酸化剤を供給する流路を有するセパレータや、発電された電気を集電する集電体などは、別部材とされることが通常であった。 Until now, the mainstream was an electrode having a two-layer structure in which a catalyst layer and a diffusion layer were laminated. In general, a separator having a flow path for supplying fuel and an oxidant, a current collector for collecting generated electricity, and the like are usually separate members.
ところが、MEMS技術を利用することで、極めて微小な構造を作り込むことが可能である。そのため、従来の電極、セパレータ、集電体などのように、あえて別部材として各電池部材を作製する必要性も小さくなってきている。 However, by using MEMS technology, it is possible to build an extremely small structure. Therefore, the necessity of preparing each battery member as a separate member, such as conventional electrodes, separators, and current collectors, has been reduced.
つまり、触媒機能および拡散機能のみならず、燃料や酸化剤の供給機能(流路機能)や集電機能をも取り込んだ形で、一体部材として電極を作製することが可能である。 That is, it is possible to produce an electrode as an integral member in a form that incorporates not only a catalyst function and a diffusion function but also a fuel and oxidant supply function (flow path function) and a current collection function.
本発明では、「電極」とは、このような広義の意味で使用している。したがって、「MEMS技術を用いて電極を形成する」とは、触媒機能、拡散機能、燃料や酸化剤の供給機能(流路機能)、および、集電機能から選択される少なくとも1種以上の機能を発揮できる構造をMEMS技術を用いて形作ることを意味している。 In the present invention, “electrode” is used in such a broad sense. Therefore, “forming an electrode using MEMS technology” means at least one or more functions selected from a catalyst function, a diffusion function, a fuel and oxidant supply function (flow path function), and a current collection function This means that a structure capable of exhibiting this is formed using MEMS technology.
本電極の具体的な構成としては、例えば、図1に例示するように、燃料(アノード電極14aの場合)または酸化剤(カソード電極14cの場合)の流路16が形成された流路層18と、この流路層18の流路底部に接し、その孔部内に触媒が担持された多孔質層20とを有する電極14a(14c)、図3(h)に例示するように、流路層18の表面に、さらに、集電体層22を有する電極などを例示することができる。
As a specific configuration of this electrode, for example, as illustrated in FIG. 1, a
なお、上記構成では、多孔質層が拡散層に該当し、多孔質層の孔部に担持された触媒の層が触媒層に該当する。つまり、上記構成では、拡散層兼触媒層を有していることになる。 In the above configuration, the porous layer corresponds to the diffusion layer, and the catalyst layer supported in the pores of the porous layer corresponds to the catalyst layer. That is, in the above configuration, the diffusion layer / catalyst layer is provided.
上記電極構成において、流路層の流路形状は、燃料また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い。 In the above electrode configuration, the channel shape of the channel layer is not particularly limited as long as fuel or an oxidant can be supplied.
図1は、実際の流路16となる凹部と凸部23とが交互に直線状に配列された断面凹凸状の流路層を例示したものであるが、それ以外にも、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など、マルチサーペンタイン形状など)や、渦巻形状などに形成された流路層などであっても良い。
FIG. 1 exemplifies a flow path layer having an uneven cross-section in which concave portions and
なお、凹凸部のピッチ、凸部の幅、凹部の幅、凹部の溝深さなども、特に限定されることはない。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、発生する水素や炭酸ガスの排出の量が変わるため、これらにより流路が詰まったり、逆に排出し過ぎて膜が乾燥したりしないように、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良い。 The pitch of the concavo-convex portions, the width of the convex portions, the width of the concave portions, the groove depth of the concave portions, etc. are not particularly limited. Depending on the shape and size of the power generation part and the required battery performance, the amount of generated hydrogen and carbon dioxide emissions changes, which causes clogging of the flow path, and conversely, excessive drainage causes the membrane to dry. The design should be made in consideration of the oxidant such as air, the flow rate of the fuel, the flow velocity, and the like.
上記電極構成において、流路層の流路底部(凹部の底面)と多孔質層の表面とは接している。より具体的には、流路層に隣接して積層されている多孔質層の表面の一部が、流路層の流路底部として使用されている(流路底部に多孔質層の表面が露出している)。 In the above electrode configuration, the channel bottom (bottom surface of the recess) of the channel layer is in contact with the surface of the porous layer. More specifically, a part of the surface of the porous layer laminated adjacent to the channel layer is used as the channel bottom of the channel layer (the surface of the porous layer is at the channel bottom). Exposed).
ここで、多孔質層は、流路層の流路底部から多孔質層の電解質膜側の表面まで貫通する貫通孔を多数有している。なお、多孔質層には、上記貫通孔以外にも、非貫通孔が存在していても構わない。 Here, the porous layer has a large number of through-holes penetrating from the channel bottom of the channel layer to the surface of the porous layer on the electrolyte membrane side. The porous layer may have non-through holes other than the through holes.
この場合、上記貫通孔は、例えば、多孔質層の表面に対してほぼ垂直に貫通していても良いし、膜面に対して90°未満の角度で傾斜して貫通していても良い。また、蛇行、ジグザク状など、ランダムに貫通していても良い。 In this case, for example, the through hole may penetrate substantially perpendicularly to the surface of the porous layer, or may penetrate through the film surface at an angle of less than 90 °. Moreover, you may penetrate at random, such as meandering or zigzag.
上記貫通孔の断面形状は、特に限定されるものではない。貫通孔の断面形状としては、具体的には、例えば、円形、楕円形、多角形、これらが連接された形、これらの組み合わせなどを例示することができる。 The cross-sectional shape of the through hole is not particularly limited. Specific examples of the cross-sectional shape of the through-hole include, for example, a circle, an ellipse, a polygon, a shape in which these are connected, a combination thereof, and the like.
上記多孔質層の空孔率の上限としては、機械的強度、触媒層の電気抵抗などの観点から、90%以下が好ましく、80%以下がより好ましく、75%以下がさらにより好ましい。一方、上記多孔質層の空孔率の下限としては、燃料などの供給、触媒層形成プロセスなどの観点から、20%以上が好ましく、30%以上がより好ましく、50%以上がさらにより好ましい。 The upper limit of the porosity of the porous layer is preferably 90% or less, more preferably 80% or less, and even more preferably 75% or less from the viewpoints of mechanical strength, electric resistance of the catalyst layer, and the like. On the other hand, the lower limit of the porosity of the porous layer is preferably 20% or more, more preferably 30% or more, and even more preferably 50% or more, from the viewpoints of supply of fuel and the like, catalyst layer formation process and the like.
なお、上記空孔率は、多孔質シリコンの場合、陽極酸化による多孔質化前後の重量測定、および、断面観察による多孔質層の体積計測から求めることができる。 In the case of porous silicon, the porosity can be obtained from the weight measurement before and after the porous formation by anodic oxidation and the volume measurement of the porous layer by cross-sectional observation.
上記多孔質層の孔部径の上限としては、燃料透過性などの観点から、100μm以下が好ましく、10μm以下がより好ましい。一方、上記多孔質層の孔部径の下限としては、触媒層形成プロセスなどの観点から、10nm以上が好ましく、50nm以上がより好ましい。 The upper limit of the pore diameter of the porous layer is preferably 100 μm or less and more preferably 10 μm or less from the viewpoint of fuel permeability. On the other hand, the lower limit of the pore diameter of the porous layer is preferably 10 nm or more, and more preferably 50 nm or more from the viewpoint of the catalyst layer forming process.
なお、上記孔部径は、電子顕微鏡観察により求めることができる。 In addition, the said hole part diameter can be calculated | required by electron microscope observation.
上記電極構成において、触媒は、上記多孔質層の孔部表面に担持されている、あるいは、触媒金属自体が多孔質層を形成している。 In the above electrode configuration, the catalyst is supported on the pore surface of the porous layer, or the catalyst metal itself forms the porous layer.
上記触媒の担持方法は、特に限定されるものではない。例えば、孔部表面に粒子状の触媒が化学的、物理的に付着していても良いし、孔部表面に触媒がめっきされるなどしていても良い。 The method for supporting the catalyst is not particularly limited. For example, a particulate catalyst may be chemically and physically attached to the hole surface, or the catalyst may be plated on the hole surface.
上記触媒は、比較的安価なめっき技術を用いることができる点、触媒が孔部から脱落し難いなどの観点から、好ましくは、めっきにより孔部表面に担持されていると良い。 The catalyst is preferably supported on the surface of the hole by plating from the viewpoint that a relatively inexpensive plating technique can be used and the catalyst is difficult to drop from the hole.
上記触媒は、上記多孔質層の全域に分布していても良いし、上記多孔質層の電解質膜側の表面から流路層側に向かって、多孔質層の厚さに満たない距離に亘って分布しているなどしていても良い。 The catalyst may be distributed over the entire area of the porous layer, or from a surface on the electrolyte membrane side of the porous layer toward the flow path layer side over a distance less than the thickness of the porous layer. May be distributed.
触媒含有量の上限としては、10mg/cm2以下が好ましく、5mg/cm2以下がより好ましい。多すぎると、白金などの触媒の粒径が大きくなって触媒重量当たりの利用効率が低下しやすく、粒径を小さいままにする場合は触媒層を厚くしなければならず、その際には、電解質膜から遠い場所における触媒利用率が低下してしまう傾向があるからである。一方、触媒含有量の下限としては、性能維持の観点から、0.01mg/cm2以上が好ましく、0.1mg/cm2がより好ましい。 The upper limit of the catalyst content, preferably 10 mg / cm 2 or less, 5 mg / cm 2 or less being more preferred. If the amount is too large, the particle size of a catalyst such as platinum tends to be large, and the utilization efficiency per catalyst weight tends to decrease, and in order to keep the particle size small, the catalyst layer must be thickened. This is because the catalyst utilization rate in a place far from the electrolyte membrane tends to decrease. On the other hand, the lower limit of the catalyst content, in terms of maintaining performance, preferably 0.01 mg / cm 2 or more, 0.1 mg / cm 2 is more preferable.
上記電極構成において、集電体層は、流路層の凸部の表面に形成される。集電体層は、必要な集電を行うことができれば、流路層が有する凸部表面の全てに形成されていても良いし、凸部表面に部分的に形成されていても構わない。 In the above electrode configuration, the current collector layer is formed on the surface of the convex portion of the flow path layer. The current collector layer may be formed on the entire convex surface of the flow path layer or may be partially formed on the convex surface as long as necessary current collection can be performed.
上記流路層材料としては、具体的には、例えば、チタン、ニッケル、それらの合金などの導体材料、シリコン、ゲルマニウム、セレンの単体にイオンをドープしたものやGaAs、GaP、InP、CdTe、ZnSe、SiCなどの化合物半導体にイオンドープしたものなどの半導体材料などを好適なものとして用いることができる。好ましくは、半導体材料を好適に用いることができる。 Specific examples of the flow path layer material include conductive materials such as titanium, nickel, and alloys thereof, silicon, germanium, selenium doped with ions, GaAs, GaP, InP, CdTe, ZnSe. Semiconductor materials such as those obtained by ion doping a compound semiconductor such as SiC can be preferably used. Preferably, a semiconductor material can be suitably used.
半導体材料のうちでは、半導体加工技術を応用でき、加工がしやすいなどの観点や、化合物半導体は割れやすいなどの観点から、シリコンを最も好適なものとして用いることができる。 Of the semiconductor materials, silicon can be used as the most suitable material from the viewpoint that semiconductor processing technology can be applied and processing is easy, and the compound semiconductor is easy to break.
上記シリコンとしては、より具体的には、例えば、エッチング速度が比較的速いn型シリコンを好適に用いることができ、電気エネルギーのロスを小さくするなどの観点から、その抵抗率が好ましくは0.01Ω以下、より好ましくは、0.005Ω以下であるハイドープn型シリコンなどを最も好適に用いることができる。 More specifically, as the silicon, for example, n-type silicon having a relatively high etching rate can be suitably used, and the resistivity is preferably set to be from the viewpoint of reducing the loss of electric energy. Highly doped n-type silicon having a resistance of 01Ω or less, more preferably 0.005Ω or less, can be most suitably used.
上記多孔質層材料としては、具体的には、例えば、上記流路層材料を多孔化した材料を好適に用いることができる。 As the porous layer material, specifically, for example, a material obtained by making the flow path layer material porous can be suitably used.
上記触媒材料としては、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−コバルト合金、白金−鉄合金などの貴金属、貴金属合金などを例示することができる。これらは1種または2種以上含まれていても良い。 Specific examples of the catalyst material include noble metals such as platinum, platinum-ruthenium alloy, palladium, platinum-cobalt alloy, and platinum-iron alloy, and noble metal alloys. These may be contained alone or in combination of two or more.
より具体的には、カソード電極側の触媒としては、例えば、白金などを好適に用いることができる。一方、アノード電極側の触媒としては、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。 More specifically, as the catalyst on the cathode electrode side, for example, platinum or the like can be suitably used. On the other hand, as the catalyst on the anode electrode side, for example, a platinum-ruthenium alloy that can easily reduce the poisoning of the catalyst by carbon monoxide can be preferably used.
上記集電体層材料としては、具体的には、例えば、銅、銀、金、白金、パラジウム、これらの合金、ステンレスなどを例示することができる。これらは1種または2種以上含まれていても良い。 Specific examples of the current collector layer material include copper, silver, gold, platinum, palladium, alloys thereof, and stainless steel. These may be contained alone or in combination of two or more.
上記電極の厚みは、特に限定されるものではなく、軽量化や電気抵抗などを考慮して適宜設定することができる。 The thickness of the electrode is not particularly limited, and can be set as appropriate in consideration of weight reduction and electrical resistance.
上記電極の厚みの上限としては、軽量化、小型化などに有利であるなどの観点から、1mm以下が好ましい。一方、上記電極の厚みの下限としては、過度に薄くなると、燃料などの流路を確保し難くなる、MEMSプロセス時のハンドリングが悪くなるなどの観点から、0.05mm以上が好ましい。 The upper limit of the thickness of the electrode is preferably 1 mm or less from the viewpoint of being advantageous for weight reduction and size reduction. On the other hand, the lower limit of the thickness of the electrode is preferably 0.05 mm or more from the viewpoint that, when the thickness is excessively thin, it becomes difficult to secure a flow path for fuel or the like, and handling during the MEMS process is deteriorated.
この際、上記流路層の厚みの上限としては、1mm以下が好ましく、0.5mm以下がより好ましい。一方、上記流路層の厚みの下限としては、0.01mm以上が好ましく、0.05mm以上がより好ましい。 Under the present circumstances, as an upper limit of the thickness of the said flow-path layer, 1 mm or less is preferable and 0.5 mm or less is more preferable. On the other hand, the lower limit of the thickness of the flow path layer is preferably 0.01 mm or more, and more preferably 0.05 mm or more.
上記多孔質層の厚みの上限としては、厚くなりすぎると、抵抗が大きく、電池性能が低下するなどの観点から、100μm以下が好ましく、50μm以下がより好ましく、20μm以下が最も好ましい。一方、上記多孔質層の厚みの下限としては、薄すぎると強度が保てず崩壊しやすくなるなどの観点から、1μm以上が好ましく、2μm以上がより好ましく、5μm以上が最も好ましい。 The upper limit of the thickness of the porous layer is preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less, and most preferably 20 μm or less from the viewpoints that, if the thickness is too large, the resistance is increased and the battery performance is lowered. On the other hand, the lower limit of the thickness of the porous layer is preferably 1 μm or more, more preferably 2 μm or more, and most preferably 5 μm or more from the viewpoint that if the thickness is too thin, the strength cannot be maintained and the material tends to collapse.
上記集電体層の厚みの上限としては、厚すぎるとめっき応力で破損しやすくなるなどの観点から、500μm以下が好ましく、100μm以下がより好ましい。一方、上記集電体層の厚みの下限としては、薄すぎると抵抗が発生するなどの観点から、1μm以上が好ましく、5μm以上がより好ましい。 The upper limit of the thickness of the current collector layer is preferably 500 μm or less, and more preferably 100 μm or less from the viewpoint that if it is too thick, the current collector layer is easily damaged by plating stress. On the other hand, the lower limit of the thickness of the current collector layer is preferably 1 μm or more and more preferably 5 μm or more from the viewpoint that resistance is generated when the current collector layer is too thin.
2.本製造方法
本製造方法は、本MEAを製造することが可能な方法である。この本製造方法では、電極の形成に、少なくともMEMS技術を利用する。
2. This manufacturing method This manufacturing method is a method which can manufacture this MEA. In this manufacturing method, at least MEMS technology is used for forming the electrode.
2.1 電解質膜の準備
本製造方法では、多孔質膜の孔部内に電解質ポリマーが充填された電解質膜を使用する。この電解質膜の詳細な構成については、「1.本MEA」にて説明した通りである。
2.1 Preparation of Electrolyte Membrane In this manufacturing method, an electrolyte membrane in which an electrolyte polymer is filled in the pores of the porous membrane is used. The detailed configuration of the electrolyte membrane is as described in “1. MEA”.
ここで、上記多孔質膜を得る方法は、その材質によっても異なるが、例えば、延伸による方法、造孔材を分散させた膜材料の溶液または溶融物を膜状に塗工し、溶剤を揮発除去したり、溶融状態の膜材料を冷却するなどして膜状にし、造孔材を除去して孔部とする方法、膜状に形成された膜材料に対して、パンチング、ドリリング、レーザ、化学的・物理的エッチングなどの加工手段を用いて孔部を形成する方法、孔部を転写可能な鋳型に高分子などの膜材料の融液を流し込んだ後、これを剥離することにより、膜面に孔部を転写する方法などを例示することができる。 Here, the method for obtaining the porous film differs depending on the material, but for example, a stretching method, a solution of a film material in which a pore former is dispersed or a melt is applied in a film shape, and the solvent is volatilized. Removing or cooling the film material in a molten state to form a film and removing the pore former to form holes, punching, drilling, laser, A method of forming a hole using a processing means such as chemical / physical etching, and after pouring a melt of a film material such as a polymer into a mold capable of transferring the hole, the film is peeled off. Examples thereof include a method of transferring a hole to a surface.
多孔性膜の材質が高分子である場合、最も一般的な方法は、延伸による方法である。すなわち、この方法では、高分子などの膜材料と液状または固体の造孔材とを溶融混合などの方法で混合し、造孔材を一旦微分散させておき、これをTダイなどから押し出しながら延伸し、洗浄などの方法によって造孔材を除去し、多孔質膜とする。 When the material of the porous membrane is a polymer, the most common method is a method by stretching. That is, in this method, a film material such as a polymer and a liquid or solid pore former are mixed by a method such as melt mixing, and the pore former is once finely dispersed and extruded from a T die or the like. Stretching and removing the pore former by a method such as washing to form a porous membrane.
また、延伸方法としては1軸延伸、2軸延伸などの方法がある。なお、延伸の比率や、造孔材の比率や種類、配合量、膜材料の種類などによって孔部の形状などを決定することができる。 Examples of the stretching method include uniaxial stretching and biaxial stretching. It should be noted that the shape of the hole can be determined by the ratio of stretching, the ratio and type of pore former, the blending amount, the type of membrane material, and the like.
上記多孔性膜が、疎水性の高分子材料から形成されている場合、この多孔質膜の表面のうち、少なくとも一方面は、親水処理されていても良い。親水性の高い電解質材料を孔部内に含浸させる場合に、多孔性膜が予め親水化されておれば、孔部内への含浸性が向上し、膜電極接合体の製造性を向上させることができるからである。 When the porous membrane is formed of a hydrophobic polymer material, at least one surface of the surface of the porous membrane may be subjected to a hydrophilic treatment. When the porous part is impregnated with a highly hydrophilic electrolyte material, if the porous film is previously hydrophilized, the impregnating ability into the pores can be improved and the productivity of the membrane electrode assembly can be improved. Because.
上記親水処理の方法としては、具体的には、例えば、界面活性剤処理、コロナ処理、スルホン化処理、親水性ポリマーのグラフト処理などを例示することができる。これら処理は、1または2以上併用しても良い。 Specific examples of the hydrophilic treatment method include surfactant treatment, corona treatment, sulfonation treatment, hydrophilic polymer graft treatment, and the like. One or more of these treatments may be used in combination.
また、上記多孔質膜の孔部内に電解質ポリマーを充填する方法は、特に限定されるものではない。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または溶融状態の電解質ポリマーを孔部内に含浸させる方法、電解質ポリマーのポリマー前駆体の溶液もしくは分散液または溶融状態のポリマー前駆体を孔部内に含浸させた後、孔部内に含浸されたポリマー前駆体を重合したり、重合後に、電解質基に変換し得る官能基を電解質基に変換したりするなどして、電解質ポリマーを生成させる方法などを例示することができる。 Moreover, the method of filling the electrolyte polymer in the pores of the porous membrane is not particularly limited. Specifically, for example, a method of impregnating a solution or dispersion of an electrolyte polymer or a molten electrolyte polymer in the pores, a solution or dispersion of a polymer precursor of an electrolyte polymer or a polymer precursor in a molten state in the pores After the impregnation, a method of generating an electrolyte polymer by polymerizing a polymer precursor impregnated in the pores, or converting a functional group that can be converted into an electrolyte group after polymerization into an electrolyte group, etc. It can be illustrated.
上記含浸方法としては、具体的には、例えば、上記溶液などに多孔質膜を浸漬する方法、上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例示することができる。これらは1種または2種以上併用しても良い。 Specific examples of the impregnation method include, for example, a method of immersing a porous film in the above solution and the like, and various coating methods (die coating method, comma coating method, gravure coating) on the porous film. Examples thereof include a coating method using a method, a roll coating method, a bar coating method, a reverse coating method and the like. These may be used alone or in combination of two or more.
なお、上記含浸時には、必要に応じて、架橋剤、重合開始剤(光重合開始剤、熱開始剤、レドックス系開始重合開始剤など)、硬化剤、界面活性剤などを1種または2種以上添加しても良い。 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, and a redox-based initiation polymerization initiator), a curing agent, and a surfactant are used as necessary. It may be added.
上記ポリマー前駆体を用いる場合、このポリマー前駆体には、上述した電解質モノマーが少なくとも1種以上含有される。さらに、必要に応じて架橋剤を含有させても良い。 When using the polymer precursor, the polymer precursor contains at least one or more electrolyte monomers described above. Furthermore, you may contain a crosslinking agent as needed.
この場合には、電解質ポリマーの生成時に架橋点を形成することができるので、電解質ポリマーの架橋体を形成しやすくなる。そのため、電解質膜の孔部内に充填された電解質ポリマーの不溶性、不融性が向上し、孔部から脱落し難くなる。 In this case, since a crosslinking point can be formed at the time of production of the electrolyte polymer, it becomes easy to form a crosslinked body of the electrolyte polymer. Therefore, the insolubility and infusibility of the electrolyte polymer filled in the pores of the electrolyte membrane are improved, and it is difficult for the electrolyte polymer to fall off the pores.
上記架橋剤としては、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例示することができる。これらは1種または2種以上含まれていても良い。 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. Examples of such compounds are as follows. These may be contained alone or in combination of two or more.
前者の架橋剤としては、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例示することができる。 Specifically, as the former crosslinking agent, for example, N, N′-methylenebis (meth) acrylamide, N, N′-ethylenebis (meth) acrylamide, N, N′-propylenebis (meth) acrylamide, N , N'-butylene bis (meth) acrylamide, polyethylene glycol di (meth) acrylate, polypropylene glycol di (meth) acrylate, trimethylolpropane diallyl ether, pentaerythritol triallyl ether, divinylbenzene, bisphenol di (meth) acrylate, isocyanuric acid Examples thereof include crosslinkable monomers such as di (meth) acrylate, tetraallyloxyethane, triallylamine, and diallyloxyacetate.
後者の架橋剤としては、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例示することができる。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 latter crosslinking agent include crosslinking monomers such as N-methylolacrylamide, N-methoxymethylacrylamide, and N-butoxymethylacrylamide. 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.
なお、上記架橋剤は、炭素−炭素二重結合を有する化合物に限られず、重合反応速度はやや小さいものの、2官能以上のエポキシ化合物、ヒドロキシメチル基を有するフェニル基などを有する化合物なども使用することもできる。上記エポキシ化合物を用いる場合は、ポリマー中に含まれるカルボキシル基などの酸と反応することにより架橋点が形成される。 In addition, the said crosslinking agent is not restricted to the compound which has a carbon-carbon double bond, Although the polymerization reaction rate is a little small, the compound etc. which have the bifunctional or more epoxy compound, the phenyl group which has a hydroxymethyl group, etc. are used. You can also. When using the said epoxy compound, a crosslinking point is formed by reacting with acids, such as a carboxyl group contained in a polymer.
上記ポリマー前駆体には、さらに、必要に応じて、上記電解質モノマーおよび/または上記架橋剤と共重合可能なモノマーを含有させても良い。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例示することができる。これらは1種または2種以上含まれていても良い。 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, methallyl compounds, and the like. it can. These may be contained alone or in combination of two or more.
上記ポリマー前駆体に含まれる電解質モノマーを重合させる方法は、特に限定されるものではなく、一般に知られる方法であれば、何れの方法であっても使用することができる。具体的には、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例示することができる。これらは1種または2種以上併用しても良い。 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. Specifically, for example, thermal initiators such as peroxides and azo compounds, thermal polymerization using a redox polymerization initiator, and photopolymerization using a photopolymerization initiator that generates radicals upon irradiation with light such as ultraviolet rays. Polymerization by electron beam, radiation, etc. can be exemplified. These may be used alone or in combination of two or more.
上記電解質膜を作製する際、上記電解質ポリマー、ポリマー前駆体は、そのもの自体が液体であり、低粘度である場合には、そのまま多孔質膜の孔部へ含浸させることができる。この場合、好ましい粘度としては、25℃において1〜10000mPa・s程度である。 When producing the electrolyte membrane, the electrolyte polymer and polymer precursor can be impregnated into the pores of the porous membrane as they are when the electrolyte polymer and polymer precursor itself are liquid and have low viscosity. In this case, a preferable viscosity is about 1 to 10,000 mPa · s at 25 ° C.
これに対して、そのままでは多孔質膜の孔部へ含浸させ難い場合には、電解質ポリマーおよび/またはポリマー前駆体を、適当な溶媒に溶解させた溶液、または、適当な分散媒に分散させた分散液とすると良い。この場合、好ましい粘度は、25℃において1〜10000mPa・s程度である。なお、上記粘度は、B型粘度計にて測定される値である。 On the other hand, when it is difficult to impregnate the pores of the porous membrane as it is, the electrolyte polymer and / or polymer precursor is dispersed in a solution dissolved in a suitable solvent or a suitable dispersion medium. A dispersion is preferred. In this case, the preferred viscosity is about 1 to 10000 mPa · s at 25 ° C. The viscosity is a value measured with a B-type viscometer.
上記溶媒、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例示することができる。これらは1種または2種以上含まれていても良い。これらのうち、好ましくは、水を主に含んでいると良い。取扱い性、経済性などに優れるからである。 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, chlorine 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 Examples thereof include amide solvents such as water, alcohols, and the like. These may be contained alone or in combination of two or more. Of these, water is preferably mainly contained. It is because it is excellent in handleability and economy.
上記溶液または分散液の濃度の上限としては、濃度が高い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%以下がより好ましく、80質量%以下が最も好ましい。一方、上記溶液または分散液の濃度の下限としては、濃度が低すぎると充填が不十分となったり、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%以上がより好ましく、20質量%以上が最も好ましい。 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 most 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 above solution or dispersion is 5 from the viewpoint of insufficient filling when the concentration is too low, or difficulty in filling unless the number of times is repeated, resulting in poor productivity. % By mass or more is preferable, 10% by mass or more is more preferable, and 20% by mass or more is most preferable.
上記電解質膜の製造した際、多孔質膜の表面に電解質ポリマー層が形成された場合、これを取り除く方法としては、具体的には、例えば、樹脂繊維などからなるたわし、ブラシなどにより擦る方法、スクレーパーなどで掻き取る方法などを例示することができる。この際、上記方法は、水などにより湿らせた後、または、洗浄しながら行っても良い。これら方法は1種または2種以上併用しても良い。 When an electrolyte polymer layer is formed on the surface of the porous membrane when the electrolyte membrane is produced, as a method of removing the layer, specifically, for example, a method of rubbing with a resin fiber or the like, rubbing with a brush, The method of scraping with a scraper etc. can be illustrated. At this time, the above method may be carried out after moistening with water or the like or while washing. These methods may be used alone or in combination of two or more.
2.2 電極の形成
本製造方法では、少なくとも一方の電極を形成するにあたり、MEMS技術を利用する。
2.2 Formation of Electrode In this manufacturing method, MEMS technology is used to form at least one of the electrodes.
上述した電極構成を形成する場合には、具体的には、例えば、シリコンウエハなどの一定の厚みを有する基板の一方面を、貫通しない深さでエッチングして流路層を形成する工程と、流路底部から基板の他方面に至るまでの間を多孔化して多孔質層を形成する工程と、多孔質層の孔部内に触媒を担持させる工程とを少なくとも経る方法(以下、これを「第1の電極形成方法」という。)などを例示することができる。 In the case of forming the electrode configuration described above, specifically, for example, a step of forming a flow path layer by etching one surface of a substrate having a certain thickness such as a silicon wafer to a depth that does not penetrate, A method of forming a porous layer by forming a porous layer from the bottom of the flow path to the other surface of the substrate and a method of supporting a catalyst in the pores of the porous layer (hereinafter referred to as “first”). 1 electrode forming method ”)) and the like.
また、上記第1の方法以外にも、例えば、一定の厚みを有する基板の一方面を、その厚みに達しない深さだけ多孔化して多孔質層を形成する工程と、多孔質層の孔部内に触媒を担持させる工程と、基板の他方面を、多孔質層に達する深さまでエッチングして流路層を形成する工程とを少なくとも経る方法(以下、これを「第2の電極形成方法」という。)、一定の厚みを有する基板の一方面を、その厚みに達しない深さだけ多孔化して多孔質層を形成する工程と、基板の他方面を、多孔質層に達する深さまでエッチングして流路層を形成する工程と、多孔質層の孔部内に触媒を担持させる工程とを少なくとも経る方法などを例示することができる。なお、製造上効率的ではないものの、多孔質層を有する基板と流路層を有する基板とを接合して電極構造とすることも可能である。 In addition to the first method, for example, a step of forming a porous layer by making one surface of a substrate having a certain thickness porous to a depth that does not reach the thickness, and in the pores of the porous layer, And a step of forming a flow path layer by etching the other side of the substrate to a depth reaching the porous layer (hereinafter referred to as “second electrode formation method”). .), Forming a porous layer by making one surface of a substrate having a certain thickness porous to a depth not reaching the thickness, and etching the other surface of the substrate to a depth reaching the porous layer. Examples of the method include at least a step of forming a flow path layer and a step of supporting a catalyst in the pores of the porous layer. Although not efficient in production, an electrode structure can be formed by joining a substrate having a porous layer and a substrate having a flow path layer.
上記電極形成方法において、エッチングは、ウェットエッチングであっても良いし、プラズマエッチングなどのドライエッチングであっても良い。電極材料、流路形状などを考慮して選択することができる。 In the electrode forming method, the etching may be wet etching or dry etching such as plasma etching. The selection can be made in consideration of the electrode material, the flow path shape, and the like.
また、基板の一部を多孔化する方法は、例えば、電極材料がシリコンである場合には、陽極酸化法などを例示することができる。シリコン多孔質層の孔径や形状、層厚などは、使用するシリコン単結晶の抵抗率、陽極酸化時の電流密度、陽極酸化時間、陽極酸化液の液組成、濃度、液温などをのパラメータを調製することで制御することが可能である。 Moreover, as a method for making a part of the substrate porous, for example, when the electrode material is silicon, an anodic oxidation method can be exemplified. The pore size, shape, layer thickness, etc. of the silicon porous layer include parameters such as resistivity of the silicon single crystal to be used, current density during anodization, anodizing time, liquid composition of the anodizing solution, concentration, and liquid temperature. It is possible to control by preparing.
陽極酸化時の電流密度の上限としては、電解研磨を生じ難くし、多孔化を促進させやすいなどの観点から、10000A/m2以下が好ましく、5000A/m2以下がより好ましく、2000A/m2以下が最も好ましい。一方、陽極酸化時の電流密度の下限としては、空孔率が小さくなりすぎないなどの観点から、1A/m2以上が好ましく、100A/m2以上がより好ましく、500A/m2以上が最も好ましい。 The upper limit of the current density during the anodization, and less likely to occur electropolishing, from the viewpoint of easy to promote pore formation, preferably 10000 A / m 2 or less, more preferably 5000A / m 2 or less, 2000A / m 2 The following are most preferred. On the other hand, 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 preferably, 500A / m 2 or more and most preferable.
上記陽極酸化液としては、例えば、フッ酸、フッ化ナトリウム、フッ化アンモニウムなど、水、アルコールなどに溶解してフッ素イオンを生成する化合物を1種または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例示することができる。なお、陽極酸化液におけるフッ素イオンの濃度は、通常、0.5mol/dm3〜25mol/dm3程度とすれば良い。 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, and may be appropriate such as water or alcohol. A liquid dissolved in a solvent can be exemplified. The concentration of fluorine ions in the anodizing liquid, typically may be a 0.5mol / dm 3 ~25mol / dm 3 approximately.
上記陽極酸化液の液温の上限としては、反応の均一性などの観点から、25℃以下が好ましく、20℃以下がより好ましい。一方、上記陽極酸化液の液温の下限としては、反応速度の観点から、0℃以上が好ましく、10℃以上がより好ましい。 The upper limit of the temperature of the anodic oxidation solution is preferably 25 ° C. or less, 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 and more preferably 10 ° C. or higher from the viewpoint of reaction rate.
また、多孔質層の孔部内に触媒を担持させる方法としては、具体的には、例えば、無電解めっき、電解めっきなどのめっき法、スパッタ法、金属コロイドの吸着などを例示することができる。これらのうち、孔部内に触媒を保持しやすい、比較的制御が容易で、安価な方法である、触媒担持方法として確立されているなどの観点から、めっき法が好適である。 Specific examples of the method for supporting the catalyst in the pores of the porous layer include plating methods such as electroless plating and electrolytic plating, sputtering methods, adsorption of metal colloids, and the like. Among these, the plating method is preferable from the viewpoints of easily retaining the catalyst in the hole, being relatively easy to control, and being an inexpensive method, and being established as a catalyst loading method.
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種または2種以上、水などの適当な溶媒に溶解させるなどして調製することができる。この際、多孔質層材料がシリコンである場合、無電解めっきを行うときには、めっき液中に、フッ酸などを用いてフッ素イオンを含有させると良い。 The plating solution used for 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. In this case, when the porous layer material is silicon, when performing electroless plating, fluorine ions may be contained in the plating solution using hydrofluoric acid or the like.
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。しかしながら、めっき進行に伴い、孔部表面にめっき進行の障壁となる絶縁膜(酸化シリコン膜)が形成されることが考えられる。そのため、この絶縁膜の形成が、フッ素イオンの存在によって抑制され、めっきを進行させやすくなるからである。 A catalytic metal such as platinum, which has a lower ionization tendency than silicon, receives electrons from silicon, is reduced and spontaneously precipitates, and plating proceeds. However, with the progress of plating, it is conceivable that an insulating film (silicon oxide film) serving as a barrier to the progress of plating is formed on the surface of the hole. For this reason, the formation of this insulating film is suppressed by the presence of fluorine ions, and the plating is facilitated to proceed.
めっき時の電流密度の上限としては、多孔質層内部への金属イオン供給などの観点から、100A/m2以下が好ましく、10A/m2以下がより好ましい。一方、めっき時の電流密度の下限としては、析出過電圧、析出核の成長などの観点から、0.1A/m2以上が好ましく、1A/m2以上がより好ましい。 The upper limit of the current density during plating, in view of the metal ions supplied to the internal porous layer is preferably from 100A / m 2 or less, 10A / m 2 or less is more preferable. On the other hand, the lower limit of the current density during plating, deposition overvoltage, in view of the growth of precipitate nuclei, 0.1 A / m 2 or more is preferable, 1A / m 2 or more is more preferable.
上記めっき液の液温の上限としては、核成長などの観点から、25℃以下が好ましく、20℃以下がより好ましい。一方、上記めっき液の液温の下限としては、反応速度の観点から、0℃以上が好ましく、5℃以上がより好ましい。 The upper limit of the 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, more preferably 5 ° C. or higher, from the viewpoint of reaction rate.
以下、上記第1および第2の電極形成方法について、図面を用いてより詳細に説明する。 Hereinafter, the first and second electrode forming methods will be described in more detail with reference to the drawings.
図2は、第1の電極形成方法の一例を模式的に示した断面図である。 FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an example of the first electrode forming method.
初めに、一定の厚みを有するシリコンウエハなどの基板W表面を、ウェットエッチングして、凹凸部よりなる流路層18を形成する(図2(a))。
First, the surface of the substrate W such as a silicon wafer having a certain thickness is wet-etched to form the
次に、電気的な導通を確保するため、銅膜などの導電性膜24をスパッタなどにより成膜する(図2(b))。次いで、上記導電性膜24の表面にレジスト膜などの、保護膜26を成膜する(図2(c))。次いで、基板Wの裏面を陽極酸化液に接触させて陽極酸化を行うなどして、基板Wの裏面から流路層18の流路底部に至るまでの間を多孔化し、多孔質層20’を形成する(図2(d))。
Next, in order to ensure electrical conduction, a
次に、多孔質層20’をめっき液に浸漬し、めっきを行うなどして、孔部内に触媒を担持させた多孔質層20を形成する(図2(e))。なお、これにより、多孔質層(拡散層)と触媒層とが重複して形成される。
Next, the
次いで、アセトンなどの溶剤を用いてレジスト膜を溶解するなどして、保護膜26を除去する(図2(f))。次いで、塩化第二鉄などを用いて銅膜を溶解するなどして、導電性膜24を除去する(図2(g))。これにより、流路16が形成された流路層18と、流路層18の流路底部に接し、その孔部内に触媒が担持された多孔質層20とを有する電極14a(14c)が得られる。
Next, the
一方、図3は、第2の電極形成方法の一例を模式的に示した断面図である。 On the other hand, FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing an example of the second electrode forming method.
初めに、一定の厚みを有するシリコンウエハなどの基板W表面に、電気的な導通を確保する、プラズマエッチングなどのエッチングのマスクに利用するなどのため、銅膜などの導電性膜24をスパッタなどにより成膜する(図3(a))。
First, a
次いで、上記導電性膜24の表面に、流路パターンのパターニングのため、フォトレジスト膜26を成膜する(図3(b))。
Next, a
次いで、上記レジスト膜26の表面に、流路パターンを描いたフォトマスクを載置して露光し、レジスト膜26に流路パターンを転写してベークした後、レジストを除去する(図3(c))。
Next, a photomask depicting a flow path pattern is placed on the surface of the resist
次いで、塩化第二鉄などのエッチング液を用いて露出した銅膜などの導電性膜24を溶解し、パターンに沿って導電性膜24を除去する(図3(d))。
Next, the exposed
次いで、アセトンなどの溶剤を用いてレジスト膜26を除去する(図3(e))。
Next, the resist
次に、基板Wの裏面を陽極酸化液に接触させて陽極酸化を行うなどして、基板Wの裏面から基板Wの厚みに満たない一定距離の間を多孔化し、多孔質層20’を形成する(図3(f))。
Next, anodization is performed by bringing the back surface of the substrate W into contact with the anodic oxidation solution, and the
次に、多孔質層20’をめっき液に浸漬し、めっきを行うなどして、孔部内に触媒を担持させた多孔質層20を形成する(図3(g))。なお、これにより、多孔質層(拡散層)と触媒層とが重複して形成される。
Next, the
次に、上記銅膜24をマスクとして用い、多孔質層20に至るまで基板Wの表面側からプラズマエッチングなどのエッチングを行い、流路層18を形成する(図3(h))。なお、流路層18の表面についている銅膜などの導電性膜は、集電体層22として利用できるが、不要である場合には、さらにエッチングなどを行って除去しても構わない。
Next, using the
これにより、流路が形成された流路層18と、流路層18の流路底部に接し、その孔部内に触媒が担持された多孔質層20と、任意で流路層18の表面に集電体層22とを有する電極14a(14c)が得られる。
Thereby, the
2.3 電解質膜と電極との接合
電解質膜に電極を接合する方法としては、具体的には、例えば、イソプロパノールなどの溶剤に溶解した電解質材料を電解質膜の表面および/または電極の多孔質層の表面に塗布した後、電解質膜と電極とを重ね、ホットプレスなどにより加熱加圧する方法などを例示することができる。
2.3 Joining of Electrolyte Membrane and Electrode As a method of joining the electrode to the electrolyte membrane, specifically, for example, an electrolyte material dissolved in a solvent such as isopropanol is used as the surface of the electrolyte membrane and / or the porous layer of the electrode. Examples of the method include a method in which an electrolyte membrane and an electrode are stacked after being applied to the surface of the film and heated and pressed by a hot press or the like.
上記電解質材料としては、具体的には、例えば、ナフィオンなどのフッ素系電解質ポリマー、ポリスチレンスルホン酸、スチレンスルホン酸エチレン共重合物、スルホン化ポリエーテルスルホンなどの炭化水素系ポリマーよりなるアイオノマーなどを例示することができる。これらは1種または2種以上併用しても良い。 Specific examples of the electrolyte material include fluorine electrolyte polymers such as Nafion, ionomers made of hydrocarbon polymers such as polystyrene sulfonic acid, styrene sulfonate ethylene copolymer, and sulfonated polyether sulfone. can do. These may be used alone or in combination of two or more.
また、上記加熱加圧時の加熱温度、加圧力は、上記多孔質膜の材質や、溶剤に溶解する電解質材料の種類などを考慮して、適宜選択すれば良い。 Further, the heating temperature and pressure during the heating and pressurization may be appropriately selected in consideration of the material of the porous film, the type of electrolyte material dissolved in the solvent, and the like.
一般に、加熱温度、加圧力が過度に高くなると、多孔質膜が変形したり、電極が破損しやすくなる傾向が見られる。一方、加熱温度、加圧力が過度に低くなると、接着性が低下する傾向が見られる。したがって、電解質膜と電極との接合時には、これらに留意すると良い。 In general, when the heating temperature and the applied pressure are excessively high, there is a tendency that the porous membrane is deformed or the electrode is easily damaged. On the other hand, when the heating temperature and the applied pressure are excessively lowered, the adhesiveness tends to be lowered. Therefore, it is preferable to pay attention to these when joining the electrolyte membrane and the electrode.
3.燃料電池
本燃料電池は、本MEAを備えている。本燃料電池において、本MEAは、一つまたは2つ以上積層されていても良い。本燃料電池に供給する燃料としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなどのアルコール、水素などを用いることができる。好ましくは、メタノールである。一方、本燃料電池に供給する酸化剤としては、酸素、空気などを用いることができる。
3. Fuel Cell The fuel cell includes the MEA. In this fuel cell, one or more MEAs may be stacked. As fuel to be supplied to the fuel cell, alcohol such as methanol, ethanol, propanol and butanol, hydrogen and the like can be used. Preferably, it is methanol. On the other hand, oxygen, air, or the like can be used as the oxidant supplied to the fuel cell.
以下、本発明を実施例を用いてより具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
1.電解質膜の準備
1.1 電解質膜(1)
2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(東亞合成(株)製、「ATBS」)45g、N,N’−エチレンビスアクリルアミド5g、ノニオン性界面活性剤0.005g、紫外線ラジカル発生剤0.005g、水50gを均一な溶液になるまで攪拌混合し、電解質ポリマーのポリマー前駆体溶液を調製した。
1. Preparation of electrolyte membrane 1.1 Electrolyte membrane (1)
45 g of 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid (manufactured by Toagosei Co., Ltd., “ATBS”), 5 g of N, N′-ethylenebisacrylamide, 0.005 g of nonionic surfactant, 0.005 g of ultraviolet radical generator Then, 50 g of water was stirred and mixed until a uniform solution was obtained to prepare a polymer precursor solution of an electrolyte polymer.
次いで、このポリマー前駆体溶液に、架橋ポリエチレン製の多孔質膜(厚さ16μm、空孔率37%、平均孔部径約0.1μm)を浸漬し、孔部内に当該溶液を含浸させた。 Next, a porous film made of crosslinked polyethylene (thickness: 16 μm, porosity: 37%, average pore diameter: about 0.1 μm) was immersed in the polymer precursor solution, and the pores were impregnated with the solution.
次いで、この多孔質膜を、上記溶液から引き上げた後、気泡ができないようにPETフィルム(厚さ50μm、東レ(株)製、「ルミラーT50」)で挟持し、積層体とした。
Next, after the porous membrane was pulled up from the solution, it was sandwiched between PET films (
次いで、高圧水銀ランプを用いて、上記積層体の両面に紫外線をそれぞれ1000mJ/cm2照射し、孔部内のポリマー前駆体を重合させた。 Next, using a high-pressure mercury lamp, both surfaces of the laminate were irradiated with ultraviolet rays of 1000 mJ / cm 2 to polymerize the polymer precursor in the pores.
次いで、この積層体からPETフィルムを剥離除去し、さらに膜表面を純水で濡らしながら樹脂繊維不織布よりなるたわしで擦り、膜表面に付着した電解質ポリマーを取り除き、膜を自然乾燥させた。 Next, the PET film was peeled and removed from the laminate, and further rubbed with a scrubbing made of a resin fiber nonwoven fabric while the membrane surface was wetted with pure water to remove the electrolyte polymer adhering to the membrane surface, and the membrane was naturally dried.
これにより、架橋ポリエチレン製の多孔質膜の孔部内に、電解質ポリマーとして、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸単量体単位を有するポリマーの架橋体が充填された電解質膜(1)を得た。 As a result, an electrolyte membrane (1) is obtained in which a crosslinked body of a polymer having a 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid monomer unit is filled as an electrolyte polymer in the pores of the porous membrane made of crosslinked polyethylene. It was.
なお、得られた電解質膜(1)表面に水滴を垂らしたところ、水を弾いた。そのため、電解質膜(1)の表面には、架橋ポリエチレン製の多孔質膜が露出していることが確認された。 In addition, when a water droplet was dripped on the surface of the obtained electrolyte membrane (1), water was repelled. Therefore, it was confirmed that a porous film made of crosslinked polyethylene was exposed on the surface of the electrolyte membrane (1).
1.2 電解質膜(2)
比較用電解質膜として、市販のフッ素系電解質膜(デュポン社製、「ナフィオン112」)を用い、これを電解質膜(2)とした。
1.2 Electrolyte membrane (2)
As a comparative electrolyte membrane, a commercially available fluorine-based electrolyte membrane (manufactured by DuPont, “Nafion 112”) was used as an electrolyte membrane (2).
2.電極の作製
厚さ110μmのハイドープn型シリコンウエハを15mm角に切り出し、その片側表面に、スパッタにより銅薄膜(厚さ約100nm)を成膜した。
なお、上記シリコンウエハは、(100)面が両面研磨加工されている。また、その抵抗率は、0.001〜0.003Ωcmであった。
2. Production of Electrode A highly doped n-type silicon wafer having a thickness of 110 μm was cut into a 15 mm square, and a copper thin film (having a thickness of about 100 nm) was formed on one surface thereof by sputtering.
The silicon wafer has a (100) surface polished on both sides. Moreover, the resistivity was 0.001-0.003 ohm-cm.
次いで、その銅薄膜の表面に、フォトレジスト(東京応化工業(株)製、「OFPR−800」)を塗布し、レジスト膜(厚さ50μm)を成膜した。
Next, a photoresist (manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd., “OFPR-800”) was applied to the surface of the copper thin film to form a resist film (
次いで、ウエハ中央部の一辺5mm角の領域に、マスク幅および開口幅がそれぞれ100μm、200μmピッチの直線形状の流路パターン(流路間隔は、凸部および凹部がそれぞれ100μm)を描いたフォトマスクを載置し、紫外線を照射して流路パターンを露光した後、現像することにより、レジストパターンを形成した。 Next, a photomask in which a linear flow path pattern having a mask width and an opening width of 100 μm and a pitch of 200 μm, respectively (with a flow path interval of 100 μm for each of the convex portion and the concave portion) is formed in a 5 mm square region on one side of the wafer center The resist pattern was formed by developing after exposing the flow path pattern by irradiating with ultraviolet rays.
次いで、42度ボーメ(約48重量%)の塩化第二鉄溶液を用い、上記レジストパターンに沿って銅を除去した後、アセトンを用いて、上記レジストパターンを除去した。さらに、これを400℃で15分間アニーリングした。これにより、上記シリコンウェハ表面に銅マスクパターンを形成した。 Next, after removing copper along the resist pattern using a 42 degree Baume (about 48 wt%) ferric chloride solution, the resist pattern was removed using acetone. Furthermore, this was annealed at 400 ° C. for 15 minutes. As a result, a copper mask pattern was formed on the surface of the silicon wafer.
次いで、表面に銅マスクパターンが形成されたシリコンウェハの裏面側を、フッ酸(純度46質量%)とエタノールとを体積比1:1で混合した混合溶液に接触させた。そして、シリコンウエハを陽極として、液温10℃、電流密度70mA/m2で390秒間、電流を印加して陽極酸化を行った。これにより、シリコンウエハの裏面から深さ約10μmの範囲に多孔質層を形成した。 Next, the back side of the silicon wafer having a copper mask pattern formed on the surface was brought into contact with a mixed solution in which hydrofluoric acid (purity 46 mass%) and ethanol were mixed at a volume ratio of 1: 1. Then, using a silicon wafer as an anode, anodic oxidation was performed by applying a current for 390 seconds at a liquid temperature of 10 ° C. and a current density of 70 mA / m 2 . As a result, a porous layer was formed in a depth range of about 10 μm from the back surface of the silicon wafer.
次いで、上記多孔質層を、液温20℃のめっき液(1.0M H2SO4+20mM H2PtCl4+300mM HF)に浸漬し、めっき液をゆっくりと撹拌して、15分間無電解めっきを行った。これにより、多孔質層の孔部内に白金触媒を担持させた。なお、白金触媒形成後のシリコンウエハの断面をSEMにより観察したところ、白金触媒は、多孔質層全体に亘って層状に堆積していた。また、白金触媒は、シリコンウエハの裏面から深さ約7μmの範囲に主に堆積していた。 Next, the porous layer is immersed in a plating solution (1.0 MH 2 SO 4 +20 mM H 2 PtCl 4 +300 mM HF) having a liquid temperature of 20 ° C., the plating solution is slowly stirred, and electroless plating is performed for 15 minutes. went. As a result, the platinum catalyst was supported in the pores of the porous layer. In addition, when the cross section of the silicon wafer after platinum catalyst formation was observed by SEM, the platinum catalyst was deposited in layer form over the whole porous layer. Further, the platinum catalyst was mainly deposited in a range of about 7 μm in depth from the back surface of the silicon wafer.
次いで、上記銅マスクパターンを利用し、このパターンに沿ってシリコンをプラズマエッチングした。なお、エッチング条件は、エッチング時間:約100分間、ガス流量:SF6 12sccm、O2 5sccm、RF出力:50W、真空値:2.2〜2.8Paとした。これにより、各流路底部が多孔質層に接した流路層を形成した。
Next, using the copper mask pattern, silicon was plasma etched along this pattern. The etching conditions were as follows: etching time: about 100 minutes, gas flow rate:
以上により、流路が形成された流路層と、この流路層の流路底部(凹部)に接し、その孔部内に白金触媒が担持された多孔質層と、流路層の表面(凸部表面)に、集電体層として銅層を有する板状の電極を得た。 As described above, the flow path layer in which the flow path is formed, the porous layer that is in contact with the flow path bottom (recessed portion) of the flow path layer, and in which the platinum catalyst is supported, and the surface (convex surface) of the flow path layer. A plate-like electrode having a copper layer as a current collector layer was obtained on the part surface.
3.膜電極接合体の作製
上記作製した電解質膜と電極とを用いて膜電極接合体を作製した。
3. Production of Membrane / Electrode Assembly A membrane / electrode assembly was produced using the produced electrolyte membrane and electrode.
(実施例1に係る膜電極接合体)
上記作製した電解質膜(1)の両面に、それぞれ、上記作製した電極を接合した。
(Membrane electrode assembly according to Example 1)
The prepared electrodes were bonded to both surfaces of the prepared electrolyte membrane (1).
すなわち、先ず、上記作製した電極の多孔質層面をイソプロパノールに浸漬した後、多孔質層表面にナフィオン溶液(5%のNafion溶液:イソプロパノール=1:6)を塗布した。 That is, first, the porous layer surface of the produced electrode was immersed in isopropanol, and then a Nafion solution (5% Nafion solution: isopropanol = 1: 6) was applied to the surface of the porous layer.
次いで、上記作製した電解質膜(1)を上記ナフィオン溶液に浸漬させた後、この電解質膜(1)を、2枚の電極で挟み、圧力0.24MPa、100℃で30分間ホットプレスした。 Next, after the produced electrolyte membrane (1) was immersed in the Nafion solution, the electrolyte membrane (1) was sandwiched between two electrodes and hot-pressed at a pressure of 0.24 MPa and 100 ° C. for 30 minutes.
これにより、その厚さが230μmである実施例に係る膜電極接合体を作製した。 Thereby, the membrane electrode assembly which concerns on the Example whose thickness is 230 micrometers was produced.
(比較例に係る膜電極接合体)
実施例に係る膜電極接合体の作製において、電解質膜(1)に代えて電解質膜(2)を用いた点以外は同様にして、比較例に係る膜電極接合体の作製を試みた。しかしながら、流路部分と多孔質層とがNafion膜の膨潤変形により破損してしまった。
(Membrane electrode assembly according to comparative example)
In the production of the membrane electrode assembly according to the example, the production of the membrane electrode assembly according to the comparative example was tried in the same manner except that the electrolyte membrane (2) was used instead of the electrolyte membrane (1). However, the flow path portion and the porous layer were damaged by the swelling deformation of the Nafion film.
4.評価
4.1 電解質膜のプロトン伝導性
25℃の純水に1時間浸して膨潤させた電解質膜を、2枚の白金板で挟持した試料を用い、25℃で100Hzから40MHzまでの交流インピーダンス測定を実施し、プロトン伝導度を測定した。
4). Evaluation 4.1 Proton conductivity of electrolyte membrane AC impedance measurement from 100 Hz to 40 MHz at 25 ° C using a sample sandwiched between two platinum plates immersed in pure water at 25 ° C for 1 hour. And proton conductivity was measured.
その結果、電解質膜(1)のプロトン伝導度は28S/cm2であった。一方、電解質膜(2)のプロトン伝導度は3.6S/cm2であった。 As a result, the proton conductivity of the electrolyte membrane (1) was 28 S / cm 2 . On the other hand, the proton conductivity of the electrolyte membrane (2) was 3.6 S / cm 2 .
4.2 電解質膜のメタノール透過性
電解質膜のメタノール透過性を、25℃における浸透実験により確認した。
4.2 Methanol permeability of electrolyte membrane Methanol permeability of the electrolyte membrane was confirmed by an infiltration experiment at 25 ° C.
すなわち、電解質膜をガラス製セルに挟み、一方のセルに10質量%メタノール水溶液を入れ、もう一方のセルに純水を入れた。そして、純水側に浸透するメタノール量をガスクロマトグラフ分析により経時的に測定し、定常状態になったときのメタノールの透過係数および透過流束を測定した。 That is, the electrolyte membrane was sandwiched between glass cells, 10% by mass aqueous methanol solution was placed in one cell, and pure water was placed in the other cell. Then, the amount of methanol penetrating into the pure water side was measured over time by gas chromatographic analysis, and the methanol permeability coefficient and permeation flux at the steady state were measured.
その結果、電解質膜(1)のメタノール透過流束(電解質膜をメタノールが透過する量を表す)は0.53kg/(m2・h)であった。一方、電解質膜(2)のメタノール透過流束は0.31kg/(m2・h)であった。 As a result, the methanol permeation flux (representing the amount of methanol permeating through the electrolyte membrane) of the electrolyte membrane (1) was 0.53 kg / (m 2 · h). On the other hand, the methanol permeation flux of the electrolyte membrane (2) was 0.31 kg / (m 2 · h).
4.3 電解質膜の膨潤による面積変化
電解質膜を70℃で5時間減圧乾燥し、乾燥面積を測定した。次いで、この乾燥状態にある電解質膜を、濃度の異なるイソプロパノール水溶液またはメタノール水溶液に、25℃で1時間浸漬し、浸漬前後における面積変化率を測定した。
4.3 Area change due to swelling of electrolyte membrane The electrolyte membrane was dried under reduced pressure at 70 ° C for 5 hours, and the dry area was measured. Next, the electrolyte membrane in a dry state was immersed in an aqueous solution of isopropanol or methanol having a different concentration at 25 ° C. for 1 hour, and the area change rate before and after the immersion was measured.
図4に、イソプロパノール水溶液のイソプロパノール濃度(重量%)と膜の面積変化率(%)との関係を示す。図5に、メタノール水溶液のメタノール濃度(重量%)と膜の面積変化率(%)との関係を示す。 FIG. 4 shows the relationship between the isopropanol concentration (% by weight) of the aqueous isopropanol solution and the area change rate (%) of the film. FIG. 5 shows the relationship between the methanol concentration (% by weight) of the aqueous methanol solution and the area change rate (%) of the membrane.
これらより、イソプロパノール水溶液およびメタノール水溶液の何れに浸漬した場合も、電解質膜(1)は、その面積変化率が、どの濃度範囲でも20%以下であった。これに対し、電解質膜(2)は、イソプロパノール水溶液およびメタノール水溶液の何れに浸漬した場合も、濃度が高くなるにつれて、面積変化率が急激に大きくなることが確認された。 From these results, when immersed in either an isopropanol aqueous solution or a methanol aqueous solution, the area change rate of the electrolyte membrane (1) was 20% or less in any concentration range. On the other hand, when the electrolyte membrane (2) was immersed in either an isopropanol aqueous solution or a methanol aqueous solution, it was confirmed that the area change rate rapidly increased as the concentration increased.
4.4 発電試験
実施例に係る膜電極接合体を用いた燃料電池を、一対のクランプで挟持し、これを恒温槽内にセットした後、カソード電極の流路層に空気、アノード電極の流路層に水素を流して、発電試験を行った。この際、電池の運転条件は、空気流量10sccm/min、水素流量10sccm/min、恒温槽内温度は、303K、313K、323K、333Kとした。
4.4 Power Generation Test A fuel cell using the membrane electrode assembly according to the example is sandwiched between a pair of clamps and set in a thermostatic chamber, and then air and anode electrodes are flown in the channel layer of the cathode electrode. A power generation test was conducted by flowing hydrogen through the road layer. At this time, the operating conditions of the battery were an air flow rate of 10 sccm / min, a hydrogen flow rate of 10 sccm / min, and the temperature in the thermostatic bath were 303K, 313K, 323K, and 333K.
図6に、実施例に係る燃料電池の電流−電圧、電流−電力特性を示す。図6によれば、実施例に係る燃料電池は、本実施例に係る膜電極接合体を用いているので、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。 FIG. 6 shows current-voltage and current-power characteristics of the fuel cell according to the example. According to FIG. 6, since the fuel cell according to the example uses the membrane electrode assembly according to the present example, it is confirmed that the fuel cell can operate as a battery and is excellent in durability and reliability. did it.
以上、本発明の一実施形態、一実施例について説明したが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although one embodiment and one example of the present invention have been described above, the present invention can be variously modified without departing from the spirit of the present invention.
10 膜電極接合体
12 電解質膜
14a アノード電極
14c カソード電極
16 流路
18 流路層
20 多孔質層
22 集電体層
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記電極のうち、少なくとも一方は、MEMS技術を用いて形成されており、
前記電解質膜は、多孔質膜の孔部内に電解質ポリマーが充填されたものであることを特徴とする膜電極接合体。 A membrane electrode assembly in which an anode electrode is joined to one surface of an electrolyte membrane and a cathode electrode is joined to the other surface,
At least one of the electrodes is formed using MEMS technology,
The membrane electrode assembly, wherein the electrolyte membrane is a porous membrane filled with an electrolyte polymer.
燃料または酸化剤の流路が形成された流路層と、
前記流路層の流路底部に接し、その孔部内に触媒が担持された多孔質層とを有することを特徴とする請求項1に記載の膜電極接合体。 At least one of the electrodes is made of a semiconductor material or a conductor material,
A flow path layer in which fuel or oxidant flow paths are formed;
The membrane electrode assembly according to claim 1, further comprising a porous layer in contact with a flow path bottom of the flow path layer and having a catalyst supported therein.
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