(57)【要約】【課題】高温でＰｔ薄膜微細構造を安定化させ、かつ電解質上へのＰｔ膜の接着性を向上させる方法を提供する。【解決手段】燃料電池の電極／電解質界面において層状構造触媒を作製する方法が提供される。この方法は、基板を提供するステップと、基板上に電解質層を堆積するステップと、電解質層に触媒接合層を堆積するステップと、触媒接合層に触媒層を堆積するステップと、触媒層に微細構造安定化層を堆積するステップとを含み、触媒接合層は、電解質層上への触媒層の接着性を向上させるものである。触媒及び集電体は、多孔質触媒及び十分に緻密な集電体であるか、あるいは十分に緻密な触媒及び十分に緻密な集電体構造層である。ナノ島触媒及び集電体構造層は、触媒及び集電体上かまたは接合層上に堆積され、触媒及び集電体または接合層は、電解質層上に堆積される。
2011513888.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の電極／電解質界面において層状構造触媒を作製する方法であって、
ａ．基板を提供するステップと、
ｂ．前記基板上に電解質層を堆積するステップと、
ｃ．前記電解質層に触媒接合層を堆積するステップと、
ｄ．前記触媒接合層に触媒層を堆積するステップと、
ｅ．前記触媒層に微細構造安定化層を堆積するステップとを含み、
前記触媒接合層が、前記電解質層上への前記触媒層の接着性を向上させることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記基板が、シリコンウェーハ、ガラス、プラスチック、金属箔、陽極酸化アルミニウム、及びエアロゲルからなる群から選択され、前記基板が、前記燃料電池の構造のための支持材として用いられることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項３】
前記電解質層が、プロトンまたは酸素イオン導電材料であり、
前記材料が、ナフィオン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、Ｈ３ＰＯ４ドープされたポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ＹドープされたＢａＣｅＯ３、ＹドープされたＢａＺｒＯ３、ＹｂドープされたＳｒＣｅＯ３、ＹドープされたＺｒＯ２（ＹＳＺ）、Ｙドープされた酸化ビスマス（ＹＤＢ）、Ｙドープされたセリア（ＹＤＣ）、Ｇｄドープされたセリア（ＧＤＣ）、及びＳｍドープされたセリア（ＳＤＣ）からなる群から選択され、
前記電解質層が、ＤＣ／ＲＦスパッタリング法、化学蒸着法、電気化学的析出法、パルスレーザー堆積法、分子線エピタキシー法、蒸発法、及び原子層堆積法からなる群から選択される薄膜堆積工程を用いて形成されることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項４】
前記触媒接合層が、ＲｕＯ２、Ｉｒ、及びＨｘＷＯ３からなる群から選択されることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項５】
前記触媒層が、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｈ、ＷＯ３、及びＺｒからなる群から選択されることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項６】
前記触媒層が、原子層堆積法によって堆積されることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項７】
前記微細構造安定化層が、Ｎｉ、ＰｔＲｕＣｏ、ＰｔＲｕＯｓ、ＰｔＲｕＩｒＯｓ、ＰｔＲｕＮｉＺｒ、及びＰｔＲｕＲｈからなる群から選択されることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項８】
触媒活性が最適化されるように、前記触媒層及び前記微細構造安定化層を堆積する前記ステップが繰り返し行われることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項９】
前記触媒接合層が、ＤＣ／ＲＦスパッタリング法、化学蒸着法、電気化学的析出法、パルスレーザー堆積法、分子線エピタキシー法、蒸発法、及び原子層堆積法からなる群から選択される薄膜堆積工程を用いて形成されることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項１０】
前記微細構造安定化層が、ＤＣ／ＲＦスパッタリング法、化学蒸着法、電気化学的析出法、パルスレーザー堆積法、分子線エピタキシー法、蒸発法、及び原子層堆積法からなる群から選択される薄膜堆積工程を用いて形成されることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項１１】
前記触媒及び集電体によって形成される構造体が２次元形状であり、該形状が多様であり得るであることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項１２】
前記触媒層及び集電体層によって形成される構造体が、多孔質触媒層及び十分に緻密な集電体層構造体であるか、あるいは十分に緻密な触媒層及び十分に緻密な集電体層構造体であることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項１３】
ナノ島触媒層及び集電体層が、前記十分に緻密な触媒及び集電体層上かまたは前記触媒接合層上に堆積され、前記集電体層が、前記十分に緻密な電解質層上に堆積されることを特徴とする請求項１２の方法。
【請求項１４】
レジストを用いて領域選択堆積を提供するステップをさらに含み、ソフトリソグラフィーを用いてパターン化高分子または自己組織化単分子膜が前記電解質層上に形成されることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項１５】
前記高分子が、ポリメチルアクリルアミド、ポリ（メチルメタクリレート）及びポリイミドアミンからなる群から選択されることを特徴とする請求項１４の方法。
【請求項１６】
前記自己組織化単分子膜が、アルキルハロシラン、フルオロアルキルハロシラン、アルキル−及びフルオロアルキルアルコキシシラン、並びにジシラザンからなる群から選択されることを特徴とする請求項１４の方法。
【請求項１７】
前記ソフトリソグラフィーが、マイクロコンタクトプリント法、レプリカモールド法、マイクロトランスファーモールド法、毛細管マイクロモールド法、及び溶剤の補助によるマイクロモールド法からなる群から選択されることを特徴とする請求項１４の方法。
【請求項１８】
前記領域選択堆積が、原子層堆積法及び化学蒸着法からなる群から選択される薄膜堆積工程を用いて行われ、パターン化高分子または単分子層が、前記堆積を空間的に司っていることを特徴とする請求項１４の方法。
【請求項１９】
前記パターン化長鎖高分子または単分子層が、熱処理、酸素プラズマ、ＵＶオゾン、または湿式化学エッチングによって除去されることを特徴とする請求項１４の方法。
【請求項２０】
集電層を選択的に堆積するように、前記レジスト工程を用いて領域選択堆積を提供する前記ステップが繰り返し行われることを特徴とする請求項１４の方法。
【請求項２１】
前記触媒層の上または下に集電層があることを特徴とする請求項１４の方法。
【請求項２２】
前記燃料電池が、少なくとも、
ａ．薄くて緻密な電解質層と、
ｂ．薄くて緻密な層または薄くて多孔質の層のいずれかであるような電極層と、
ｃ．多孔質でパターン化された触媒層と、
ｄ．集電体層とを含み、
前記集電体層が前記多孔質でパターン化された触媒層上に配置され、前記多孔質でパターン化された触媒層が前記電極層上に配置され、前記電極層が前記電解質層上に配置されていることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項２３】
前記燃料電池が、水素燃料固形酸化物形燃料電池、炭化水素を用いる固形酸化物形燃料電池、固体センサ、固体酸燃料電池、高分子電解質型燃料電池、及び直接メタノール形燃料電池からなる群から選択されることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項２４】
前記微細構造安定化層及び前記触媒層が結合層であり、該結合層が１つの堆積ステップで堆積されることを特徴とする請求項１の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。より詳細には、本発明は、燃料電池効率を上げるように設計された層状構造触媒及び集電グリッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
固形酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電気化学的プロセスを通じて、水素及び単炭化水素などのガス燃料の化学エネルギーを電気に変換する全固体装置である。代替エネルギー源の将来的な利用可能性に対する関心は高まる一方であり、ＳＯＦＣには伝統的な発電技術に優る独自の利点があるので、ＳＯＦＣの研究開発にかなりの関心が寄せられている。ＳＯＦＣの効率は、熱機関のカルノー効率によって制限されないので、本質的に高い。ＳＯＦＣでは、水素及び単炭化水素は、アノードにおいて電気化学的に酸化され得る。ＳＯＦＣの作動温度範囲のために、燃料電池スタックに燃料処理機構を組み入れることができ、それによって、革新的な熱の統合／管理設計機能を可能にして優れたシステム効率を提供する。ＳＯＦＣは、蒸気または温水のコジェネレーションにも使用可能であり、電力を発生させるためのガスタービンと併用すれば、総合システム効率を高めかつ適用範囲を広げることができる。それに加えて、ＳＯＦＣからの温室効果ガス排出は、従来の発電所から排出されるものよりもずっと低い。
【０００３】
ＳＯＦＣの開発における現在の研究活動は、ＳＯＦＣの作動温度を従来の１０００℃近い値からそれより低い５００〜８００℃の温度まで低減する低温化にだんだんと目が向けられている。そのような作動温度の低温化は、密閉の問題を減少させ、性能低下を少なくし、セラミック製の配線からより安価な金属材料への置き換えを可能にする。しかし、作動温度の低温化は、電気化学的観点から好ましくない影響を及ぼす。一般に、燃料電池は、（ａ）電極における電気化学的電荷移動反応の遅い動態から起こる活性化損失、（ｂ）主として電解質中での遅いイオン伝導に起因する抵抗損、（ｃ）高電流密度での限られた物質移動から生じる濃度の損失（低下）を含む三大損失の問題に直面する。作動温度が低減すると、電解質中での熱活性化電極反応及びイオン輸送が遅くなり、結果的に燃料電池性能が落ちる。低温作動時の抵抗損を減らすためには、より高いイオン伝導率またはより薄い電解質構造を有する電解質が必要である。電解質抵抗が減少するにつれて、総合セル損失は、アノード及びカソードでの電気化学反応の分極に支配されるようになる。従って、電極材料は、低温作動ＳＯＦＣの開発及び最適化に特に目を向ける必要がある。
【０００４】
Ｐｔは、高温での化学的安定性及び優れた電気特性がよく知られており、触媒作用及びマイクロエレクトロニクスにおける計り知れない応用展望をもたらす。Ｐｔは、たとえ作動温度が低くてもＳＯＦＣの電極／電解質界面でＯ２還元反応及びＨ２酸化反応のための優れた触媒活性を有することが報告されている。Ｐｔが触媒物質／電極として用いられるとき、酸素還元反応は電極表面経路によって支配され、酸素のバルク拡散は無視できる。それゆえ、Ｐｔバルクを最小にしつつ表面積（三重相境界）を最大にすることが有益である。その一方で、十分な電気的接続性が要求され、伝統的な堆積法によるＰｔ膜厚に厳格な制限を加えている。
【０００５】
Ｐｔは、低い作動温度においてＳＯＦＣの電極／電解質界面でＯ２還元反応及びＨ２酸化反応のための優れた触媒活性を提供するが、純粋なＰｔ触媒は、高温での微細構造の変化から生じる燃料電池作動中の粒径の増加及び多孔度の減少という問題に直面する。このもたらされる結果は、Ｐｔ膜厚の減少によりさらに悪くなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
必要なのは、高温でＰｔ薄膜微細構造を安定化させ、かつ電解質上へのＰｔ膜の接着性を向上させる方法である。さらに必要なのは、燃料電池のコストを削減するために燃料電池への貴金属ローディングを減らす方法である。加えて必要なのは、ＳＯＦＣ上にＰｔ電極／触媒及びＰｔ集電体グリッドをもたらすパターニングのための基板表面の化学特性を、燃料電池の電力効率を向上させるように変更する方法である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
現在の当分野でのニーズに応えるために、燃料電池の電極／電解質界面において層状構造触媒を作製する方法が提供される。この方法は、基板を提供するステップと、基板上に電解質層を堆積するステップと、電解質層に触媒接合層を堆積するステップと、触媒接合層に触媒層を堆積するステップと、触媒層に微細構造安定化層を堆積するステップとを含み、触媒接合層は電解質層上への触媒層の接着性を向上させるものである。
【０００８】
本発明の一態様では、基板は、シリコンウェーハ、ガラス、プラスチック、金属箔、陽極酸化アルミニウム、カーボンエアロゲル、アルミナエアロゲル、及びシリカエアロゲルを含むことができ、基板は、燃料電池の構造のための支持材として用いられる。
【０００９】
本発明の別の態様によれば、電解質層は、ナフィオン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、Ｈ３ＰＯ４ドープされたポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ＹドープされたＢａＣｅＯ３、ＹドープされたＢａＺｒＯ３、ＹｂドープされたＳｒＣｅＯ３、ＹドープされたＺｒＯ２（ＹＳＺ）、Ｙドープされた酸化ビスマス（ＹＤＢ）、Ｙドープされたセリア（ＹＤＣ）、Ｇｄドープされたセリア（ＧＤＣ）、またはＳｍドープされたセリア（ＳＤＣ）などの、プロトンまたは酸素イオン導電材料である。電解質層は、ＤＣ／ＲＦスパッタリング法、化学蒸着法、電気化学的析出法、パルスレーザー堆積法、分子線エピタキシー法、蒸発法、または原子層堆積法を含み得る薄膜堆積工程を用いて形成される。
【００１０】
別の態様では、触媒接合層は、ＲｕＯ２、Ｉｒ、またはＨｘＷＯ３であり得る。
【００１１】
さらなる態様では、触媒層は、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｈ、ＷＯ３、またはＺｒを含み得る。
【００１２】
本発明の一態様では、触媒層は原子層堆積法によって堆積される。
【００１３】
さらに別の態様では、微細構造安定化層は、多孔質Ｎｉ、ＰｔＲｕＣｏ、ＰｔＲｕＯｓ、ＰｔＲｕＩｒＯｓ、ＰｔＲｕＮｉＺｒ、またはＰｔＲｕＲｈであり得る。
【００１４】
本発明の一態様によれば、触媒層及び微細構造安定化層を堆積するステップを繰り返し行うことによって、触媒活性が最適化される。
【００１５】
別の態様では、触媒接合層は、ＤＣ／ＲＦスパッタリング法、化学蒸着法、電気化学的析出法、パルスレーザー堆積法、分子線エピタキシー法、蒸発法、または原子層堆積法などの薄膜堆積工程を用いて形成される。
【００１６】
本発明の別の態様では、微細構造安定化層は、ＤＣ／ＲＦスパッタリング法、化学蒸着法、電気化学的析出法、パルスレーザー堆積法、分子線エピタキシー法、蒸発法、または原子層堆積法などの薄膜堆積工程を用いて形成される。
【００１７】
本発明の一態様では、触媒及び集電体によって形成される構造は２次元形状であり、この形状は多様であり得る。
【００１８】
一態様によれば、触媒層及び集電体によって形成される構造体は、多孔質触媒層及び十分に緻密な集電体層構造体であるか、あるいは十分に緻密な触媒層及び十分に緻密な集電体層構造体である。ここで、ナノ島触媒層及び集電体層は、十分に緻密な触媒及び集電体層上かまたは触媒接合層上に堆積され、集電体層は、十分に緻密な電解質層上に堆積されている。
【００１９】
本発明の別の態様では、本発明の方法は、レジストを用いて領域選択堆積（area selective deposition）を提供するステップをさらに含み、ソフトリソグラフィーを用いてパターン化高分子または自己組織化単分子膜（self-assembled monolayer：ＳＡＭ）が電解質層上に形成される。ここで、高分子は、ポリメチルアクリルアミド、ポリメチルメタクリレートまたはポリイミドアミン（polyimidoamine）を含み得る。さらに、自己組織化単分子膜は、アルキルハロシラン、フルオロアルキルハロシラン、アルキル−及びフルオロアルキルアルコキシシラン、またはジシラザンを含み得る。加えて、ソフトリソグラフィーは、マイクロコンタクトプリント（μＣＰ）法、レプリカモールド法、マイクロトランスファーモールド（μＴＭ）法、毛細管マイクロモールド（ＭＩＭＩＣ）法、または溶剤の補助によるマイクロモールド（ＳＡＭＩＭ）法を含み得る。さらには、領域選択堆積は、原子層堆積法や化学蒸着法などの薄膜堆積工程を用いて行われ、パターン化高分子または単分子層がこの堆積を空間的に司っている。それに加えて、パターン化長鎖高分子または単分子層は、熱処理、酸素プラズマ、ＵＶオゾン、または湿式化学エッチングによって除去される。また、レジスト工程を用いた領域選択堆積を繰り返し行うことによって、集電層が選択的に堆積される。さらに、触媒層の上または下に集電層がある場合がある。
【００２０】
本発明の別の態様では、燃料電池は、少なくとも、薄くて緻密な電解質層と、薄くて緻密な層または薄くて多孔質の層のいずれかであるような電極層と、多孔質でパターン化された触媒層と、集電体層とを含み、集電体層は多孔質でパターン化された触媒層上に配置され、多孔質でパターン化された触媒層は電極層上に配置され、電極層は電解質層上に配置されている。
【００２１】
本発明のさらに別の態様では、燃料電池は、水素燃料固形酸化物形燃料電池、炭化水素を用いる固形酸化物形燃料電池、固体センサ、固体酸燃料電池、高分子電解質型燃料電池、または直接メタノール形燃料電池であり得る。
【００２２】
本発明のさらなる態様では、微細構造安定化層及び触媒層は結合層であり、結合層は１つの堆積ステップで堆積される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に従って、電極／電解質界面において層状構造触媒を作製する一連のステップの流れ図を示す。
【図２（ａ）】本発明に従って、マイクロコンタクトプリント法を用いてパターン化Ｐｔ薄膜を作製する一連のステップのうちの１つの概略図を示す。
【図２（ｂ）】本発明に従って、マイクロコンタクトプリント法を用いてパターン化Ｐｔ薄膜を作製する一連のステップのうちの１つの概略図を示す。
【図２（ｃ）】本発明に従って、マイクロコンタクトプリント法を用いてパターン化Ｐｔ薄膜を作製する一連のステップのうちの１つの概略図を示す。
【図２（ｄ）】本発明に従って、マイクロコンタクトプリント法を用いてパターン化Ｐｔ薄膜を作製する一連のステップのうちの１つの概略図を示す。
【図２（ｅ）】本発明に従って、マイクロコンタクトプリント法を用いてパターン化Ｐｔ薄膜を作製する一連のステップのうちの１つの概略図を示す。
【図２（ｆ）】本発明に従って、マイクロコンタクトプリント法を用いてパターン化Ｐｔ薄膜を作製する一連のステップのうちの１つの概略図を示す。
【図２（ｇ）】本発明に従って、マイクロコンタクトプリント法を用いてパターン化Ｐｔ薄膜を作製する一連のステップのうちの１つの概略図を示す。
【図２（ｈ）】本発明に従って、マイクロコンタクトプリント法を用いてパターン化Ｐｔ薄膜を作製する一連のステップのうちの１つの概略図を示す。
【図３（ａ）】本発明による領域選択堆積の一連のステップの流れ図の一部を示す。
【図３（ｂ）】本発明による領域選択堆積の一連のステップの流れ図の一部を示す。
【図３（ｃ）】本発明による領域選択堆積の一連のステップの流れ図の一部を示す。
【図４】本発明による燃料電池の切り取り平面図を示す。
【図５】本発明による水素燃料電池の切り取り平面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下の詳細な説明には説明のために多くの具体例が含まれるが、当業者であれば、以下の例示的な詳細に対する数多くの変形形態及び変更形態は、本発明の範囲内にあることがすぐに分かるであろう。それゆえ、以下の本発明の好適実施形態の説明は、請求項に記載されている発明に対して一般性を喪失することも制約を課すこともない。
【００２５】
本発明は、２次元形状及び厚さに対する正確な制御を行って層状構造触媒からなる熱的に安定な多孔質触媒を作製する方法、並びに同様の制御を行って集電体を作製する方法について述べる。一実施形態では、作製工程は、堆積を選択的に抑制するために高分子の自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）のパターニングとともに原子層堆積法（ＡＬＤ）を用いる。本発明は、ナノスケール薄膜堆積方法を用いて貴金属Ｐｔのローディングを最小にしつつ触媒活性を維持する。堆積工程、例えばＡＬＤ工程の自己制限吸着反応は、広範囲にわたる膜厚、共形性及び一様性の正確な制御を保証する。電極／触媒層へのＡＬＤの適用に加えて、ＡＬＤによって堆積されるＳＯＦＣ集電体は、燃料電池の電力効率を向上させる。領域選択ＡＬＤの技術は、表面において適切に制御されたパターンで材料を堆積することによってグリッドパターンでＰｔなどの集電体を提供する。
【００２６】
ここで図面を参照すると、図１は、本発明に従って、燃料電池の電極／電解質界面で使用するための層状構造触媒１００を作製する一連のステップの流れ図を示している。層状構造触媒１００の作製は、基板１０２を提供するステップと、基板１０２上に電解質層１０４を堆積するステップと、電解質層１０４に触媒接合層１０６を堆積するステップと、触媒接合層１０６に触媒層１０８を堆積するステップと、触媒層１０８に微細構造安定化層１１０を堆積するステップとを含み、触媒接合層１０６は、電解質層１０４上への触媒層１０８の接着性を向上させるものである。ここで、基板１０２は、シリコンウェーハ、ガラス、プラスチック、金属箔、陽極酸化アルミニウム、カーボンエアロゲル、アルミナエアロゲル、及びシリカエアロゲルを含むことができ、基板は、燃料電池の構造のための支持材として用いられる。これは、例示的なエアロゲルの可能なリストでしかなく、限定的なものと見なされるべきではないことを理解されたい。加えて、電解質層１０４は、ナフィオン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、Ｈ３ＰＯ４ドープされたポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ＹドープされたＢａＣｅＯ３、ＹドープされたＢａＺｒＯ３、ＹｂドープされたＳｒＣｅＯ３、ＹドープされたＺｒＯ２（ＹＳＺ）、Ｙドープされた酸化ビスマス（ＹＤＢ）、Ｙドープされたセリア（ＹＤＣ）、Ｇｄドープされたセリア（ＧＤＣ）、またはＳｍドープされたセリア（ＳＤＣ）などの、プロトンまたは酸素イオン導電材料である。電解質層は、ＤＣ／ＲＦスパッタリング法、化学蒸着法、電気化学的析出法、パルスレーザー堆積法、分子線エピタキシー法、蒸発法、または原子層堆積法を含み得る薄膜堆積工程を用いて形成される。さらに、触媒接合層１０６は、ＲｕＯ２、Ｉｒ、またはＨｘＷＯ３であり得、触媒層１０８は、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｈ、ＷＯ３、またはＺｒを含み得る。本発明によれば、触媒層１０８は、原子層堆積法によって堆積される。微細構造安定化層１１０の最終層は、多孔質Ｎｉ、ＰｔＲｕＣｏ、ＰｔＲｕＯｓ、ＰｔＲｕＩｒＯｓ、ＰｔＲｕＮｉＺｒ、またはＰｔＲｕＲｈであり得る。触媒層１０８及び微細構造安定化層１１０を堆積するステップを繰り返し行うことによって、触媒活性が最適化され得ることを理解されたい。
【００２７】
この論考において、層状構造触媒は、触媒接合層１０６、触媒層１０８及び微細構造安定化層１１０を含み得ることを理解されたい。
【００２８】
本発明によれば、触媒接合層１０６を形成する方法は多数あり、例えば触媒接合層１０６は、ＤＣ／ＲＦスパッタリング法、化学蒸着法、電気化学的析出法、パルスレーザー堆積法、分子線エピタキシー法、蒸発法、または原子層堆積法などの薄膜堆積工程を用いて形成されることができる。同様に、微細構造安定化層１１０は、例えばＤＣ／ＲＦスパッタリング法、化学蒸着法、電気化学的析出法、パルスレーザー堆積法、分子線エピタキシー法、蒸発法、または原子層堆積法などの薄膜堆積工程を用いて形成されることができる。
【００２９】
本発明のさらなる態様では、微細構造安定化層１１０及び触媒層１０８は結合層（図示せず）であり、結合層は１つの堆積ステップで堆積される。
【００３０】
図２（ａ）〜図２（ｈ）及び図３（ａ）〜図３（ｃ）を参照すると、層状構造触媒１００を作製する方法は、領域選択堆積を提供するステップをさらに含む。領域選択堆積は、レジストの使用を含み、ソフトリソグラフィーを用いてパターン化高分子２１４（図２（ｈ）を参照）または自己組織化単分子膜２１４（図２（ｅ）〜図２（ｈ）を参照）が電解質層１０４上に形成される。ここで、高分子は、ポリメチルアクリルアミド、ポリ（メチルメタクリレート）またはポリイミドアミンを含み得る。さらに、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）は、アルキルトリクロロシラン、フルオロアルキルトリクロロシラン、アルキル−及びフルオロアルキルトリアルコキシシラン、またはアルキル−及びフルオロアルキルハロシランを含み得る。加えて、ソフトリソグラフィーは、マイクロコンタクトプリント法、レプリカモールド法、マイクロトランスファーモールド法、毛細管マイクロモールド法、または溶剤の補助によるマイクロモールド法を含み得る。さらには、領域選択堆積は、原子層堆積法や化学蒸着法などの薄膜堆積工程を用いて行われ、パターン化高分子または単分子層がこの堆積を空間的に司っている。それに加えて、パターン化長鎖高分子または単分子層は、熱処理、酸素プラズマ、ＵＶオゾン、または湿式化学エッチングによって除去される。また、レジスト工程を用いた領域選択堆積を繰り返し行うことによって、集電層が選択的に堆積される。さらに、触媒層の上または下に集電層がある場合がある。
【００３１】
触媒及び集電体によって形成される構造は、多孔質触媒及び十分に緻密な集電体であるか、あるいは十分に緻密な触媒及び十分に緻密な集電体構造層であることを理解されたい。ここで、ナノ島触媒及び集電体構造層が、十分に緻密な触媒及び集電体構造層上または接合層上に堆積され、十分に緻密な触媒及び集電体構造層または接合層は、十分に緻密な電解質層上に堆積されている。
【００３２】
領域選択ＡＬＤ法の例には、図２（ａ）〜図２（ｈ）に示すようなマイクロコンタクトプリント法法２００の使用が含まれる。図２（ａ）〜図２（ｃ）は、ポリ（ジメチルシロキサン）（ＰＤＭＳ）スタンプ２０８（図２（ｄ）を参照）を作製する一連の基本的なリソグラフィステップを示し、図２（ａ）は、所望のスタンプ構造のメッシュ構造２０４のネガパターンを有するマスター基板２０２の切り取り斜視図を示している。図２（ｂ）は、マスター基板２０２の所望のメッシュ構造パターン２０５に適合するマスター基板２０２の特徴的な表面２０４に堆積されたＰＤＭＳ層２０６の切り取り斜視図を示している。図２（ｃ）は、マスター基板２０２を除去したＰＤＭＳスタンプ２０８の切り取り斜視図を示しており、ここでは線部分２１０及び目開き部分２１２が示されている。図２（ｄ）は、上記の標準的なリソグラフィ方法によって作製された例示的なＰＤＭＳスタンプ２０８の下面の斜視図を示している。この例では、成型されたＰＤＭＳスタンプ２０８は、それぞれ２μｍ、４μｍの線部分２１０及び目開き部分２１２を含むメッシュ構造パターン２０５を有する。
【００３３】
図２（ｅ）〜図２（ｈ）を参照すると、ＰＤＭＳスタンプ２０８でコード化されるメッシュ構造パターン２０５は、ＰＤＭＳスタンプ２０８のメッシュ構造パターン２０５にＳＡＭ層２１４を適用することによって転写されることができ、この例では、ＳＡＭ溶液は、無水トルエンに溶かした１０ｍＭのＯＤＴＳ溶液から作られ、マイクロコンタクトプリント法（図１（ｆ）〜図１（ｈ）を参照）によって所望の表面２１６上へ転写される。
【００３４】
図３（ａ）〜図３（ｃ）を参照すると、薄膜は、ＯＤＴＳ２１４によって非活性化されていない領域上へ、例えばＡＬＤによって、選択的に堆積されることができる。図３（ａ）は、例えば図１（ｈ）から得た、ＯＤＴＳのメッシュ構造層２１４を堆積させた電極表面３０２の斜視図を示しており、メッシュ構造層２１４は、線部分２１０及び目開き部分２１２を含む。図３（ｂ）は、電極層の表面３０２上へ、かつメッシュ構造層２１４の線部分２１０上ではなく目開き部分２１２内へ堆積させた層状構造触媒１００を示している。図３（ｃ）は、メッシュ構造層２１４が除去され、層状構造触媒１００のナノ島が残っている状態を示している。必要に応じて、ＯＤＴＳレジストメッシュ構造２１４をオゾンによって除去することができる。領域選択ＡＬＤ法の数多くの可能な形態が存在することを理解されたい。例えば、１平方センチメートルの領域には、燃料電池構造に合うように、複数の分離されたメッシュ構造２１４、例えば１６個のメッシュ構造２１４が存在し得る。
【００３５】
図４を参照すると、本発明の別の態様では、燃料電池４００は、少なくとも、薄くて緻密な層または薄くて多孔質の層である電解質層４０２と、電極層４０４と、多孔質でパターン化された触媒層４０６と、集電体層４０８とを含み、集電体層４０８は多孔質でパターン化された触媒層４０６上に配置され、多孔質でパターン化された触媒層４０６は電極層４０４上に配置され、電極層４０４は電解質層４０２上に配置される。触媒及び集電体によって形成される構造体は２次元形状であり、この形状は多様であり得ることを理解されたい。
【００３６】
図５は、アノード５０４における水素燃料チャネル５０２及びカソード５０８における酸素チャネル５０６に加えて、図４に示す燃料電池４００の態様が鏡に映った姿のように２つある構造を有する水素燃料電池５００の例の平面断面図を示している。薄くて緻密な電解質層４０２には、互いに対向する電極層４０４と、集電体層４０８の下にある互いに対向する１対の多孔質でパターン化された触媒層４０６とが設けられており、集電体層４０８は。アノード５０４での水素酸化反応から生じる電子は、外部回路５１０を通して電気エネルギーを運ぶ。陽イオン移動電解質４０２からなる燃料電池の場合、酸化工程において生じるプロトンは、電解質４０２を横切って進み、電解質４０２とカソード５０８の界面で酸素を還元する。酸素イオン導電性電解質４０２からなる燃料電池の場合、還元工程において生じる酸素イオンは、電解質４０２を横切って進み、電解質４０２とアノード５０４の界面で燃料を酸化する。酸化工程において生じるプロトンは、電解質４０２を横切って進み、カソード５０８で酸素チャネル５０６内で酸素を還元する。図４及び図５によれば、燃料電池は、水素燃料固形酸化物形燃料電池、炭化水素を用いる固形酸化物形燃料電池、固体センサ、固体酸燃料電池、高分子電解質型燃料電池、または直接メタノール形燃料電池であり得る。
【００３７】
さて、本発明について、いくつかの例示的な実施形態に従って説明してきたが、それらは制限的なものではなく、あらゆる面で例証を意図するものでしかない。それゆえ、本発明は、詳細にわたる実現において数多くの変形形態が可能であり、それらは本明細書に含まれる説明から当業者によって導かれ得るものである。そのような変形形態は全て、以下の請求項及びそれらと法的に等価なものによって画定されるような本発明の範囲及び趣旨内にあると考えられる。
【図１】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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【図２（ｃ）】
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【図２（ｄ）】
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【図２（ｅ）】
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【図２（ｆ）】
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【図２（ｇ）】
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【図２（ｈ）】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図３（ｃ）】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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