JP2008303464A - イオン導電性膜からなる金属化された膜、その膜を使用した燃料電池、その燃料電池を使用する方法、その膜を使用する電極、及びその電極を被覆する方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 薄い金属または金属酸化物のフィルムを備えたイオン導電性の膜を製造するための方法であって、減圧下、イオン導電性膜を低エネルギーの電子ビームに賦して、その膜表面を清浄とし、この清浄とした膜を、減圧下、析出されるその金属のイオンを含有する高エネルギービームに賦して、金属フィルムを形成することを含む方法。この方法によって得られる金属化された膜構造物およびそれを内蔵する燃料電池も、また、本発明の範囲に含まれる。
【選択図】 図1
Description
・多孔質または非多孔質構造を有する緻密な低応力の金属フィルムを形成することができる。
・フィルムの微細構造および化学的な組成にわたる優れた制御。
・縮尺可能で経済的なプロセス。
ELAT/Nafion(溶液より)/IBAD金属/Nafion(膜)/IBAD金属/Nafion(溶液より)/ELAT
“IBAD金属”とは、金属、合金または金属酸化物の層のイオン・ビーム・アシステッド・デポジション(ion beam assisted deposition)を称す。
以下の実施例は、水素/空気(O2)燃料電池におけるIBAD製造されたガス拡散電極の使用を示す。Nafion 115(8“×8”)の試料をドラム上に置く前に、柔らかいティッシュでその表面を清浄に拭く以外は、前記試料を一般に受け入れられているように使用する。ドラムは、プロセス全体を通して、2.5rpmで回転させ、システムは、10―6torr(0.0013595057×10−6kg/cm2)に排気した。金属源標的は、白金であり、アルゴンを両エネルギービームでイオン化した。ビームのエネルギーは、200〜1,000eVの間であった。白金源は、14KW供給電力の蒸発電ビームに対する標的であった。初期白金フィルムの進展を石英のクリスタロメーターによってモニターした。試料温度をモニターし、35〜65℃の範囲とした。このトライアルに対して、Nafionの一方の側は、白金で被覆された。4つの試料を製造したが、その際、平均フィルム厚さは、3,000、1,000、574および241オングストロームであった。574オングストロームおよび241オングストロームの白金フィルムを有するアセンブリは、ガス拡散電極として作動するのに十分な程多孔質であると判定された。
本比較実施例は、イオン交換膜、例えば、Nafionを被覆するために典型的なスパッタリング法を使用する時に形成される構造物間の差を示す。Nafion 115(8“×8”)の試料をドラム上に置く前に、柔らかいティッシュでその表面を清浄に拭く以外は、前記試料を一般に受け入れられているように使用した。スパッタリングチャンバ適用した減圧に試料を賦し、白金の標的を高エネルギーで蒸発させ、気化した白金をNafion上に凝縮させた。スパッタリングを一度中止して、ほぼ200オングストロームのフィルムを形成した。かくして製造したNafionの試料を、実施例1に前述した構成の燃料電池のアノードおよびカソードとして試験した。
図1:4つの燃料電池トライアルについての電流−電位プロット。
本実施例は、高度に選択的なエパレータとしてのIBAD改良イオン導電性膜の使用を示す。直接メタノール燃料電池(DMFC)のメタノールクロスオーバーの問題は、薄くて、緻密で、不透過性のフィルムがイオン交換膜上に生ずる場合に軽減され、それによって、プロトンが構造物を通って選択的に輸送される。かくして、このようなアセンブリは、アノードでメタノール酸化、得られたプロトンの構造物を介する移動およびカソードでの酸素の還元を許し、それによって、プロトンは、水を形成するために、酸素還元生産と再度組合わされる。
Claims (16)
- 少なくとも1つの金属、金属合金、金属酸化物又は混合金属酸化物の薄いフィルムを備えたイオン導電性膜からなる金属化された膜であって、
減圧下、イオン導電性膜を100〜500eVの低エネルギーの電子ビームに賦して、その膜表面を清浄とし、この清浄とした膜を、減圧下、析出されるその金属のイオンを含有する500〜2,000eVの高エネルギービームに賦して、前記フィルムを形成することにより得られた、金属化された前記膜。 - 前記フィルムが高度に多孔質である、請求項1に記載の金属化された膜。
- 前記フィルムが高度に緻密で、かつ、不透過性である、請求項1に記載の金属化された膜。
- 金属又は金属酸化物が白金族金属である、請求項1に記載の金属化された膜。
- 金属が白金である、請求項3に記載の膜。
- 金属酸化物がタングステンオキシドである、請求項3に記載の膜。
- 白金又はタングステンオキシドフィルムの薄いフィルムを備えたイオン電導性膜からなる金属化された膜であって、
減圧下、イオン導電性膜を100〜500eVの低エネルギーの電子ビームに賦して、その膜表面を清浄とし、この清浄とした膜を、減圧下、析出されるその金属のイオンを含有する500〜2,000eVの高エネルギービームに賦して、前記フィルムを形成することにより得られた、前記膜。 - 白金又はタングステンオキシドフィルムが高度に多孔質である、請求項7に記載の金属化された膜。
- 白金又はタングステンオキシドフィルムが高度に緻密で、かつ、不透過性である、請求項7に記載の金属化された膜。
- イオン導電性膜によって仕切られたアノード及びカソードを有する燃料電池において、請求項1〜6のいずれかに記載の膜が使用されることを特徴とする、前記電池。
- 膜が白金金属のフィルムを備えている、請求項10に記載の燃料電池。
- 膜がタングステンオキシドのフィルムを備えている、請求項10に記載の燃料電池。
- 少なくとも1つの金属、金属合金、金属酸化物又は混合金属酸化物の薄いフィルムを備えた請求項1の膜によって仕切られたアノード及びカソードを有する燃料電池を使用することにより、そのアノードでメタノールを酸化し、そのカソードで酸素を還元する方法において、前記フィルムがメタノール輸送に対して不透過性である前記方法。
- 前記フィルムがタングステンオキシドフィルムである、請求項13に記載の方法。
- 少なくとも1つの金属、金属合金、金属酸化物又は混合金属酸化物の薄いフィルムをイオン導電性膜上に設けることにより製造される、金属化された膜を有する燃料電池用電極であって、減圧下、前記イオン導電性膜を100〜500eVの低エネルギーの電子ビームに賦して、その膜表面を清浄とし、この清浄とした膜を、減圧下、析出されるその金属のイオンを含有する500〜2,000eVの高エネルギービームに賦して、前記フィルムを形成することを特徴とする、前記電極。
- 少なくとも1つの金属、金属合金、金属酸化物又は混合金属酸化物の薄いフィルとともに、電極表面上に設けられたイオノマー層を有する、ガス拡散電極を被覆する方法において、
前記方法が、減圧下、そのイオノマー被覆電極を100〜500eVの低エネルギーの電子ビームに賦して、そのイオノマー被覆表面を清浄とし、この清浄としたイオノマー被覆表面を、減圧下、析出されるその金属のイオンを含有する500〜2,000eVの高エネルギービームに賦して、前記フィルムを形成することを特徴とする、前記方法。
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