(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード触媒層（３２）およびカソード触媒層（４２）と、
前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に配されるプロトン交換膜（１５）と、
前記アノード触媒層の前記プロトン交換膜に接する面と反対側の面において該アノード触媒層に接し、該アノード触媒層に供給される燃料を拡散・分配するアノード側拡散層（３４）と、
前記アノード側拡散層の前記アノード触媒層に接する面と反対側の面において前記アノード側拡散層に接し、該アノード側拡散層に燃料を供給するアノード側双極板（３６）であって、前記アノード側拡散層に接する面に、該アノード側拡散層の表面上にナノインプリンティングプロセスから形成された微細表面構造であって前記燃料を拡散・分配するための微細表面構造（３６ａ）を有するアノード側双極板と、
を有する、燃料電池アセンブリ。
【請求項２】
前記カソード触媒層の前記プロトン交換膜に対向する面と反対側の面において該カソード触媒層に接するカソード側拡散層（４４）と、
前記カソード側拡散層の前記カソード触媒層に接する面と反対側の面において前記カソード側拡散層に接すると共に、前記カソード側拡散層に接する面に、ナノインプリンティングプロセスから形成された微細表面構造であって空気および水の通り道となる微細表面構造を有するカソード側双極板（４６）と、
を有する、請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項３】
前記アノード触媒層および／またはカソード触媒層と、前記プロトン交換膜との間の面に、ナノインプリンティングプロセスから形成された微細表面構造であって反応領域を増加させるための微細表面構造を有する、請求項１または２に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項４】
アノード触媒層（３２）およびカソード触媒層（４２）と、
前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に配されるプロトン交換膜（１５）と、
前記アノード触媒層の前記プロトン交換膜に接する面と反対側の面において前記アノード触媒層に接し、該アノード触媒層に燃料を供給するアノード側双極板（３６）であって、前記アノード触媒層に接する面に、ナノインプリンティングプロセスから形成された微細表面構造であって該アノード触媒層の表面上に前記燃料を拡散・分配するための微細表面構造（３６ａ）を有するアノード側双極板と、
を有する、燃料電池アセンブリ。
【請求項５】
前記カソード触媒層の前記プロトン交換膜に接する面と反対側の面において前記カソード触媒層に接すると共に、前記カソード側触媒層に接する面にナノインプリンティングプロセスから形成された微細表面構造（４６ａ）を有するカソード側双極板（４６）を有する、請求項４に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項６】
前記アノード触媒層および／またはカソード触媒層と、前記プロトン交換膜との間の面に、ナノインプリンティングプロセスから形成された微細表面構造を有する、請求項４または５に記載の燃料電池アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して燃料電池とその膜電極アセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、従来のエネルギー源に代わるものとして世界中で強い販売潜在力を見せ続けている。燃料電池には様々なタイプがあるが、いずれも化学反応によって電力を発生させる。重要性を増して来ている燃料電池の一つには、比較的低温（概して室温から１２０℃）で動作可能な、プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）がある。
【０００３】
図１はＰＥＭＦＣの一般的な従来型を表したもので、概して参照番号１０で示される。ＰＥＭＦＣ（１０）は中心に電極膜アセンブリ（ＭＥＡ）（１５）を備えている。ＭＥＡ（１５）は表面に配設されたアノード触媒層（３２）と、その対面に置かれたカソード触媒層（４２）を有するプロトン交換膜（２０）を備えている。アノード側の補助層（３４）はアノード触媒層（３２）に配設され、カソード側の補助層（４４）はカソード触媒層（４２）に配設される。実際の構造としては、補助層（３４）（４４）は通常、カーボン紙や布のような、表面積対体積の割合が高い微小孔性の物質から作られている。この微小孔性層は、配設された触媒層を物理的に補助する役割をする。最後に、プロトン交換膜（２０）、触媒層（３２）、（４２）、および補助層（３４）、（４４）間の適切な密接を確保するため、膜（２０）とそれぞれの層は１２０℃から１５０℃で加熱プレス器により圧迫され、ＭＥＡ（１５）を形成する。燃料電池（１０）は、その後一対の流体フロープレート（３６）、（４６）間にＭＥＡ（１５）を取り付けることで完成する。アノード側流体フロープレート（３６）は注入口（３７）、排出口（３８）および分配管で構成される。カソード側の流体フロープレート（４６）は注入口（４７）、排出口（４８）および分配管（４９）で構成される。実践では、燃料電池（１０）はスタックされる多くの燃料電池のうちの一つとして配置される。スタックでは、双極板は両側に管／導管を有し、これらフローフィールドプレートは双極板と呼ばれる。
【０００４】
この従来の構造の性能や構成を考えると、いくつかの欠点が明らかになる。まず、ＭＥＡ（１５）の製造は実際上非常に繊細なプロセスを要し、そのプロセスは燃料電池が正確に機能するためには非常に厳密に行われなければならない。次に、理論的モデルが提示するものと比べ、十分な性能に達する為に必要な触媒担持量が極めて大きい。
【発明の開示】
【０００５】
前述の欠点の少なくとも一部に取り組むことが本発明の目的である。
【０００６】
第一の側面によると、本発明は、アノード触媒層とカソード触媒層の間に、膜の面および前記触媒層の面が界面領域で互いに係合するように配設されたプロトン交換膜を備え、前記界面領域における前記面はナノインプリンティングプロセスから形成された表面構造を有する燃料電池のための電極膜アセンブリを提供しうる。
【０００７】
界面領域において形成されたナノ規模の表面構造を利用することで、効果的な反応区域（触媒層と膜の間）は増加し、その結果、発電の向上や触媒層への触媒担持量の削減も達成しうる。表面構造を形成するためにナノインプリンティング技術を利用することは、正確に表面構造の配置を管理できると言う点で特に有利である。この点から、ナノインプリンティング技術は、形成された表面構造の管理や汚染防止が難しく、実際に利用する際に困難が見られる機械摩耗やプラズマ・エッチングのような他の表面構造を形成するための技術に比べ、有利である。
【０００８】
表面構造は膜上にあることが好ましい。
【０００９】
いくつかの実施例において、表面構造は一方の界面領域だけに形成されてよいが、アノード側およびカソード側両側の界面領域に形成されるのが好ましい。
【００１０】
第二の側面によると、本発明は、
アノード触媒層およびカソード触媒層の間に配設されたプロトン交換膜を備える電極膜アセンブリ、
アノード触媒層に接合される接触面があるアノード側双極板、
カソード触媒層に接合される接触面があるカソード側双極板を備え、
前記接触面はナノインプリンティングプロセスから形成された表面構造がある燃料電池を提供しうる。
【００１１】
双極板上において形成されたナノ規模の表面構造を利用することで、従来の拡散浸透層での分配が可能である。これは、より小さい燃料電池の構築を可能にするので有利である。さらに双極板がポリマー製であれば、全ポリマーの燃料電池の構築が可能となり、医学的用途にも魅力的である。
【００１２】
本発明においては、「ナノインプリンティングプロセスから」という表現は、直接的または間接的に関わらず、ナノインプリンティングプロセスの結果として起こる表面構造も含めるものと理解される。
【００１３】
このため、本発明の第三の側面によると、本発明は、燃料電池のコンポーネントのナノインプリンティングによる製造方法であって、ナノインプリンティングのためのパターンを有する型を提供するステップと、燃料電池コンポーネントを提供するステップと、前記コンポーネントに前記パターンを直接ナノインプリンティングするステップと、を含む製造方法を提供しうる。第四の側面によると、燃料電池のコンポーネントのナノインプリンティングによる製造方法であって、ナノインプリンティングのためのパターンを有する型を提供するステップと、パターン支持テンプレートを提供するステップと、前記パターン支持テンプレートに前記パターンをナノインプリンティングするステップと、前記パターン支持テンプレート内で前記コンポーネントをその構成材料から形成するステップと、を含む製造方法を提供しうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の典型的実施例を、以下に添付図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図２は、発明の第一実施例を示している。この実施例および後続の各実施例は、それぞれ図１の従来型に共通する性質を持っている。以下、同様部分を言及する場合は同じ参照番号を使用するものとする。図２を参照すると、ＰＥＭＦＣ１０は中心に電極膜アセンブリ（ＭＥＡ）（１５）を備えている。ＭＥＡ（１５）は、一般的にアイオノマーから出来ている半透膜タイプのプロトン交換膜を備えている。膜（２０）はプロトン（ヒドロニウム・イオン）が通過できるよう設計されているが、酸素や水素のような気体は通過できないようになっている。膜に適した素材はデュポン社製のナフロン（登録商標）である。ＭＥＡ（１５）はまた、膜（２０）に配設されたアノード触媒層（３２）および前記膜の逆側に配設されたカソード触媒層（４２）を備えている。両層（３２）、（４２）に適切な触媒は貴金属プラチナである。拡散層（３４）、（４４）は図１の従来型の関連で説明された通りである。ＭＥＡ（１５）を構成する方法もまた基本的に加熱プレス方法と同様である。しかしながら、本発明の第一実施例の構築において、また本発明によると、ＭＥＡ（１５）の部品を加熱プレスする前に、膜（２０）の両面は表面構造のパターンでナノインプリンティングされる。表面構造には複数のパターンが可能であり、図７（ａ−ｄ）にいくつか基本図形が挙げられている。図７（ａ）は円筒型構造、図７（ｂ）は長方形構造、図７（ｃ）は円錐台構造、図７（ｄ）は角錐形構造を提示する。構造の高さは通常約１００ｎｍである。構造間の間隔は通常約１０ｎｍである。円筒型および円錐台構造底面の直径は通常約１０ｎｍである。長方形構造および角錐形構造の底面面積は円筒形および円錐台構造の底面と同じになるように設定されている。
【００１６】
ＭＥＡ（１５）が加熱プレスされる際、膜（２０）のナノインプリンティング面とアノード触媒層（３２）の一面、および膜（２０）のもう一方のナノインプリンティング面とカソード触媒層（４２）の一面が、それぞれ界面領域（５０）、（６０）にてお互いに接合する。図１に表された従来型ＭＥＡと比べると、触媒層（３４）、（４２）と膜（２０）の間の効果的な接触領域が飛躍的に高められてることが認識されるであろう。燃料電池（１０）は、その後流体フロープレート（３６）、（４６）の間にＭＥＡ（１５）を取り付けることで完成する。本発明によると、流体フロープレートは、表面構造（３６ａ）、（４６ａ）がその内面にナノインプリンティングされている。アノード側流体フロープレート（３６）は注入口（３７）、排出口（３８）を含む。カソード側の流体フロープレート（４６）は注入口（４７）、排出口（４８）を含む。
【００１７】
実際の運用では、燃料（基本的にはヒドロニウム・イオン源）は、アノード側双極板（３６）に設置された注入口（３７）から供給される。本発明のこの実施例では、燃料はメタノールであり、燃料電池に直接供給される。燃料が注入口（３７）に入ると、アノード側双極板（３６）に刻まれた表面構造（３６ａ）によって形成される導管ネットワークに溜められる。この導管ネットワークは、燃料が双極板（３６）の表面上を、燃料が流れ出すところから燃料がさらに拡散分配される拡散層（３４）にまで、広く拡散、分配するのを助長する。アノード触媒層（３２）に達した時、燃料は酸化され、それによりプロトンおよび電子を放出する。プロトンおよび電子は、カソード触媒層（４２）まで別々の道筋を通る。プロトンはプロトン交換膜（２０）を通過し、電子は電流を生み出す外部回路（７０）を通過する。カソード触媒層（４２）に戻ると、電子はプロトンと再結合すると同時に、カソード側フィールドフロー（４６）の注入口（４７）を通して与えられた酸素と結合することで水を生成する。アノード側排出口（３８）は未使用の燃料を排出すると同時に、アノード側で起こった半反応による副産物、すなわち二酸化炭素も排出する。カソード側排出口は、カソード側で起こった半反応による副産物、すなわち水を排出する。
【００１８】
アノード反応は、燃料、膜、および触媒の三段階の境界に限局すると見られている。ゆえに、膜上にナノインプリンティングされた表面構造のパターンによって増加した反応表面区域は、有効な触媒利用を改善すると思われる。同様の三段階の境界を持った限局的反応がカソードでも起こると考えられ、また同様の利点がカソード側の膜におけるナノインプリンティング表面構造により生じると考えられる。
【００１９】
三段階反応の効果改善の結果、より薄い触媒層が可能となる。図１の従来型では、触媒担持量の範囲は０．３ｍｇ／ｃｍ２から数ｍｇ／ｃｍ２であったが、図２の実施例では触媒担持量を大幅に削減することが可能である。
【００２０】
図３は本発明の第二実施例を示している。この実施例は、拡散層（３４）、（４４）が取り外された点で第一実施例と異なる。実際の運用では、本燃料電池は図２の第一実施例と同様の働きをする。拡散層（３４）、（４４）は、特に低温燃料電池によく見られる特徴である。ゆえに、ナノインプリンティング表面構造のみの使用で、必要な反応物質を触媒層に届け、また触媒層から物質を取り除くことを可能にしたことは、第二実施例における注目に値する優位点である。この実施例は、拡散補助層が不要であることから、製造の容易さにおいても利点がある。また、全体的な規模においては、拡散補助層による分配、および双極板が分配導管（３９）、（４９）のネットワークを必要としないことが、小型燃料電池に適したよりコンパクトな構造を可能にする。さらに、双極板をポリマーから生成することが可能であるため、本発明の本実施例は、医学的用途に非常に良く適した全ポリマー構造として実行することが可能である。
【００２１】
図４は、本発明の第三実施例であり、申請者は本発明の利点を多く明示するためにこの実施例を利用した。この実施例では、１８３ミクロンの厚さのナフロン（登録商標）（１１７）膜（２０）に、１３０℃のナノインプリンティング技術を使ってパターンを付けた。高さ１ミクロン、直径５ミクロンの柱が５ミクロン間隔でおかれたパターンを膜（２０）の両側に形成した。パターンが付けられた後、膜に、蒸留水、過酸化水素、蒸留水、硫酸、そして最後に蒸留水にて、時間調節した浸水を連続的に施した。最初の蒸留水での洗浄以外の浸水は、８０℃の温度で２時間行った。その後、厚さ２０ｎｍのプラチナ層をスパッタリングの方法でナノインプリンティング膜（２０）にアノード触媒層（３２）を形成するため配設し、同様の厚さ２０ｎｍのプラチナ層をスパッタリングの方法で膜（２０）のもう一方にカソード触媒層（４２）を形成するために配設した。その後、膜（２０）をカーボン紙製の市販の拡散補助（３４）、（４４）の間に挟み、従来の双極板の間に置いた。全体的な電極領域は、５ｃｍ２であった。乾燥水素および空気ガスを１気圧で燃料電池に供給し、８０℃まで加熱した。触媒担持量は約０．０４ｍｇ／ｃｍ２同等で、最大出力密度は約５０ｍＷ／ｃｍ２であった。図５はまた、膜（２０）がナノインプリンティングされていない燃料電池の同様のＩ−Ｖ性質を示している。出力密度の改善が顕著であった。
【００２２】
図６は、本発明の第四実施例の構造である。小型燃料電池ユニット（１０）を、厚さ５１ミクロンのナフロン（登録商標）（１１２）膜（２０）の周りに構築し、膜（２０）に第三実施と同じようにパターンを付けた。パターンが付けられた後、膜に、蒸留水、過酸化水素、蒸留水、硫酸、そして蒸留水の順にて時間調節した浸水を連続的に施した。最初の蒸留水での洗浄以外の浸水は、８０℃の温度で１時間行った。
【００２３】
この実施例の双極板（３６）、（４６）は、厚さ２ミクロンのＳｉＯ２層での裏コーティング（５１）を備えたシリコン・ウエハーから出来ている。カソード側ウェハーの燃料注入口（３７）と燃料排出口（３８）を接続し、空気注入口（４７）と排出口（４８）を接続するのは、乾燥エッチングにより形成される導管パターン（３６ｂ）および（４６ｂ）である。導管パターンの目的は、反応物質を触媒層に届け、触媒層から物質を取り除くことである。全体的な導管パターンの領域は１０．５×１１ｍｍである。
【００２４】
この実施例では、厚さ２０ｎｍのプラチナ層を備えた触媒層（３２）、（４２）をナノインプリンティング膜に形成した。また、カレント・コレクタの役割として、厚さ１０ｎｍのＴｉ種子層および厚さ１００ｎｍのプラチナ層を双極板に配設する。より良い接合のためにＴｉ層をまず配設する。
【００２５】
カソードにおいて１Ｍのメタノール溶液と、酸化剤としての空気を受動的に利用することで、０．７Ｖの開路電圧を得ることができた。これは、０．２Ｖの電圧しか得られなかった、膜がナノインプリンティングされていなかった同様の配設と比べて大変有利である。この開路電圧は発電容量を大きく改善することを提示している。
【００２６】
プロトン交換膜および液体フロープレートにナノインプリンティングを施すためには、少なくとも二つの基礎的なプロセスがある。図８にＡとして示された方法は、インプリントすることが望まれているパターン（１０２）を持った型（１００）が、室温またはそれより高い温度でプロトン交換膜（２０）または双極板（３６）、（４６）に直接押されるために使用される、標準的な直接ナノインプリンティングプロセスである。完成品は（１１０）で示される。
【００２７】
代替の方法は、図８にＢで示されており、インプリントすることが望まれているパターンを持った型を使用し、その型を中間のポリマーまたはガラス素材サポート製のパターンテンプレート（１０５）にナノインプリントする。中間（１０５）はその後、膜（２０）または双極板（３６）（４６）構成材料が配設される表面として利用され、その後凝固され完成品１１０を形成する。
【００２８】
本明細書においてプロトン交換膜燃料電池またはＰＥＭＦＣと言及されているものは、技術的にはポリマー電解質膜燃料電池としても知られていることは認識されるであろう。
【００２９】
本明細書を通して使用されている「ナノインプリンティング」という用語は、様々な大きさの表面構造のインプリンティングを言及している。大きさの範囲は、一桁の数字のｎｍ規模や同様のサイズピッチを有する構成を含む。また、当用語は時として最大約１００ミクロンの規模を有する構成を言及することもある。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】一般的なＰＥＭＦＣの従来型の概略図である。
【図２】本発明の第一実施例の概略図である。
【図３】本発明の第二実施例の概略図である。
【図４】本発明の第三実施例の概略図である。
【図５】第三実施例と従来型のＰＥＭＦＣとの性能の特徴を比較したものである。
【図６】本発明の第四実施例の概略図である。
【図７】本発明の、ナノインプリンティングされた表面構造で可能な様々のパターンである。
【図８】ＰＥＭＦＣ構造過程にナノインプリンティングを統合するための方法である。
【符号の説明】
【００３１】
１０        プロトン交換膜燃料電池
１５        電極膜アセンブリ
２０        プロトン交換膜
３２        アノード触媒層
３４        アノード側の補助層
３６        双極板又は流体フロープレート
３６ａ      表面構造
４２        カソード触媒層
４４        カソード側の補助層
４６        双極板又は流体フロープレート
４６ａ      表面構造
４７        注入口
４８        排出口
４９        分配管
【図１】
0005234878.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005234878.tif 000008
【図８】
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