JP2009517825A - 薄膜で作製される燃料電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、薄膜で作製される燃料電池を製造する方法に関し、この方法は、次の
第1多孔質炭素電極が真空チャンバ内でガス拡散基板上にプラズマ溶射によって堆積されて、この電極がやはり触媒を含み、この触媒は燃料電池に起きる化学反応の少なくとも1つを加速するのに用いられるステップと、
陽子伝導体材料で作製される膜がこの第1電極上に堆積されて、この膜が、好ましくは20マイクロメートル未満の厚さを有するステップと、
第2多孔質炭素電極が真空チャンバ内でこの膜上にプラズマ溶射によって堆積されて、この第2電極がやはり触媒を有するステップとを含む。
図1
第1多孔質炭素電極が真空チャンバ内でガス拡散基板上にプラズマ溶射によって堆積されて、この電極がやはり触媒を含み、この触媒は燃料電池に起きる化学反応の少なくとも1つを加速するのに用いられるステップと、
陽子伝導体材料で作製される膜がこの第1電極上に堆積されて、この膜が、好ましくは20マイクロメートル未満の厚さを有するステップと、
第2多孔質炭素電極が真空チャンバ内でこの膜上にプラズマ溶射によって堆積されて、この第2電極がやはり触媒を有するステップとを含む。
図1
Description
本発明は、薄膜で作製された燃料電池を製造する方法に関係する。
燃料電池は多くの用途で使用され、特に化石燃料の使用に代わり得るものであると考えられている。本質的に、これらの電池は化学エネルギー源、例えば水素、エタノールを電気エネルギーに直接変換することを可能にする。
薄膜で作製される燃料電池は、イオン伝導膜(または電解質)からなり、その上にアノードとカソードを反対側に堆積する。
このような電池の動作原理は次のようなものである。すなわち燃料が電池のアノードのレベルに注入される。したがって、このアノードが、陽イオン、特に陽子、および電子を生成する化学反応の場所であることになる。陽子は膜を介してカソードに送られる。電極は回路を介して伝達され、したがってそれらの移動が電気エネルギーを生成する。さらに、陽子と反応することになる酸化剤がカソード中に注入される。
燃料電池の電極は一般に、例えば白金を伴う触媒が設けられている炭素からなる。
触媒を設けた電極を製造する最も一般的技法は、炭素インクまたはクロスを用いることからなり、これを基板上に堆積し、次いで例えば白金インクなどの触媒インクで覆う。
触媒を設けた電極を製造する最も一般的技法は、炭素インクまたはクロスを用いることからなり、これを基板上に堆積し、次いで例えば白金インクなどの触媒インクで覆う。
より均質の電極を得るために、いくつかの層の炭素および触媒を連続的に堆積させることも可能である。
既知のインク堆積技法は、厚さ約10マイクロメートル未満である層を生成することが不可能であることから、これらの技法の欠点は層が比較的厚いということである。
一般に、燃料電池は、最初に電極が形成されてから後、いくつかの別個の段階で製造され、その後、それらが使用できる膜、例えばNafion膜に取り付けられる。これらの別個の段階は、それぞれの異なる段階が様々な操作を必要とすることから燃料電池の製造時間と、そのコストも増大させる。
さらにNafion膜は、20マイクロメートルを上回る厚さを有することから、比較的厚いという不都合な点を持っており、その上、それらの膜から形成された燃料電池は、特に膜の低い密度のために90℃より高い温度で動作できない。基本的に、低密度の膜では水は十分に閉じ込められず、その温度のために急速に蒸発する。しかも、もちろん水は燃料電池の動作に不可欠の要素である。
その上、Nafion膜は、90℃より上でこの材料の不安定さのために高い温度では使用できない。
本発明の目的は、この電池が完全に装置の1台または連結されている装置の類似の2台中で製造可能であるような製造プロセスを特に提供することによって、上で言及した欠点の少なくとも1つを除くことにある。
より具体的には、本発明は薄膜で作製される燃料電池を製造する方法に関係する。この方法は、次の
第1多孔質炭素電極が真空チャンバ内でガス拡散基板上にプラズマ溶射によって堆積されて、この電極がやはり触媒を含み、この触媒は燃料電池に起きる化学反応の少なくとも1つを加速するのに用いられるステップと、
イオン伝導体材料で作製される膜がこの第1電極上に堆積されて、この膜が、好ましくは20マイクロメートル未満の厚さを有するステップと、
第2多孔質炭素電極が真空チャンバ内でこの膜上にプラズマ溶射によって堆積されて、この第2電極がやはり触媒を有するステップとを含む。
炭素電極を堆積するために真空チャンバ内でプラズマ溶射を用いることにより堆積される炭素量を完全に制御可能にし、したがってウェーハ薄膜を堆積可能にする。
さらに、このプラズマ溶射を実行するために、膜の安定温度を超えない堆積温度、すなわち高くても150℃を選択することが可能である。
第1多孔質炭素電極が真空チャンバ内でガス拡散基板上にプラズマ溶射によって堆積されて、この電極がやはり触媒を含み、この触媒は燃料電池に起きる化学反応の少なくとも1つを加速するのに用いられるステップと、
イオン伝導体材料で作製される膜がこの第1電極上に堆積されて、この膜が、好ましくは20マイクロメートル未満の厚さを有するステップと、
第2多孔質炭素電極が真空チャンバ内でこの膜上にプラズマ溶射によって堆積されて、この第2電極がやはり触媒を有するステップとを含む。
炭素電極を堆積するために真空チャンバ内でプラズマ溶射を用いることにより堆積される炭素量を完全に制御可能にし、したがってウェーハ薄膜を堆積可能にする。
さらに、このプラズマ溶射を実行するために、膜の安定温度を超えない堆積温度、すなわち高くても150℃を選択することが可能である。
さらに、溶射は、堆積の間に膜が変わらず、その陽子伝導特性を失わないようなものである。
製造される電池の種類に依存して、様々な種類の材料が使用可能であり、例えば膜は陽子伝導体材料からなることができる。
製造される電池の種類に依存して、様々な種類の材料が使用可能であり、例えば膜は陽子伝導体材料からなることができる。
好ましくは、使用されるプラズマは、圧力が1から500ミリトル(mT)の間で変わる減圧アルゴンプラズマであって、例えば13.56メガヘルツ(MHz)に等しい周波数の高周波によって励起され、誘導プラズマ発生器によって発生される。
プラズマ溶射は薄膜を製造することを可能にし、触媒は、厚さが1マイクロメートルより厚いことがある炭素層中に拡散される。
同様に、膜に20マイクロメートル未満の厚さを持たせるために、一実施形態ではPECVD(プラズマ励起化学気相堆積)として既知の方法を用いて膜が堆積される。
同様に、膜に20マイクロメートル未満の厚さを持たせるために、一実施形態ではPECVD(プラズマ励起化学気相堆積)として既知の方法を用いて膜が堆積される。
プラズマ励起化学気相堆積の原理は、以下のように
堆積を実施すべき表面、すなわち第1電極を堆積すべき表面が加熱され、
低周波励起を用いて、前駆体ガスとして既知のガスからプラズマが生成されて、これがガス相中で反応して、表面上に堆積を生成する。
堆積を実施すべき表面、すなわち第1電極を堆積すべき表面が加熱され、
低周波励起を用いて、前駆体ガスとして既知のガスからプラズマが生成されて、これがガス相中で反応して、表面上に堆積を生成する。
他の実施形態では、膜堆積は、真空チャンバ内でプラズマ溶射によって成される。
一実施形態では、膜はスルホン酸末端基を有し、かつフッ素を有することもある炭素ネットワーク材料を含む。この理由で、化学堆積のために使用される前駆体ガスは、例えばスチレンまたは1,3−ブタジエンなどの炭素前駆体ガスおよびトリフルオロメタンスルホン酸などのスルホン酸前駆体ガスである。
一実施形態では、膜はスルホン酸末端基を有し、かつフッ素を有することもある炭素ネットワーク材料を含む。この理由で、化学堆積のために使用される前駆体ガスは、例えばスチレンまたは1,3−ブタジエンなどの炭素前駆体ガスおよびトリフルオロメタンスルホン酸などのスルホン酸前駆体ガスである。
この種類の膜は比較的緻密であって、したがって膜に対してどんな損傷もなしに燃料電池を150℃迄の温度で動作可能とする利点を有する。
その上、PECVDによる製造方法は多数のスルホン酸基を有する膜を製造することを可能にする。陽子が膜を通過する間中、1つのスルホン酸基から他のスルホン酸基へ通過することによって陽子が伝達されるので、これは、1つの電極から他の電極への陽子の伝達を容易にすることを可能にする。
さらに、スルホン酸末端基およびフッ素を有する炭素ネットワーク材料の膜は従来の膜より低いメタノール透過率を提供し、したがって、それは、メタノール「クロスオーバー」現象、すなわちメタノールが膜を介してカソードへ通過する結果、メタノールが酸化される現象を低減することを可能にする。これは、メタノール燃料電池の場合に、より良い効率を得ることを可能にする。
さらに、例えば第1および第2電極の堆積のために使用されるプラズマ溶射は異なるモルフォロジーを有する炭素層、つまり炭素微粒子の寸法、形状が異なる層を製造することを可能にする。例えば炭素微粒子は、球形であるか、またはちょうど「豆」の形をしていることもある。これらの異なるモルフォロジーのため、一実施形態では炭素の多孔度が20%から50%の間であるような、多かれ少なかれ多孔質である炭素層を製造することが可能である。
上で説明した方法は、PEMFC(プロトン交換膜燃料電池)のような水素燃料電池またはDMFC(ダイレクトメタノール燃料電池)のようなメタノール燃料電池などの任意の種類に対する電極を製造するのに用いることができる。種々の構成要素、特に触媒はかなり多岐にわたることがある。したがって、一実施形態では、溶射される触媒は、
白金と、
白金ルテニウム、白金モリブテン、白金スズなどの白金合金と、
鉄、ニッケル、コバルトなどの非白金族金属と、
これらの金属の任意の合金とを含む群に属する。
白金と、
白金ルテニウム、白金モリブテン、白金スズなどの白金合金と、
鉄、ニッケル、コバルトなどの非白金族金属と、
これらの金属の任意の合金とを含む群に属する。
最も一般的に使用される合金の中には白金ロジウム合金があり、さらに白金ロジウムモリブデン合金もある。
電極を堆積する第1ステップは、カソードとちょうど同じように容易にアノードの堆積に適応するので、上で説明した方法は、任意の所望の順序で燃料電池を製造することを可能にする。
電極を堆積する第1ステップは、カソードとちょうど同じように容易にアノードの堆積に適応するので、上で説明した方法は、任意の所望の順序で燃料電池を製造することを可能にする。
したがって一実施形態では、堆積される第1電極は燃料電池のアノードを構成し、他の実施形態では、堆積される第1電極はカソードを構成する。
この製造方法は、全燃料電池を装置の一台または連結されてもよい装置の類似の2台で製造することを可能にする利点も有する。したがって一実施形態では、堆積の3ステップ、すなわち2つの電極の堆積および膜の堆積が単一真空チャンバ内で実施される。この構成は、比較的少ない製造時間とコストで燃料電池を製造することを可能にするので多くの利点を有する。
しかし、電極がプラズマ溶射によって堆積され、膜がプラズマ励起気相堆積によって堆積される場合には、製造される燃料電池の品質を劣化させないために時に一定の予防措置を講ずる必要があることもある。
したがって一実施形態では、膜堆積相の間中、炭素および触媒ターゲットを覆ってターゲットマスクを配置することが有用であり、その結果、これらのターゲットは膜を構成する材料で覆われない。
同様に、2つの堆積相の間に、堆積のために使用された種々のガスを混合しないように真空チャンバを完全に空にすることが有用である。
一実施形態では、種々の材料の間の干渉のこれらの問題を回避する一解決策は、第1真空チャンバ内で電極を堆積するステップと、真空エアロックによって第1チャンバに連結される第2真空チャンバ内で膜を堆積するステップとを実施することからなる。
一実施形態では、種々の材料の間の干渉のこれらの問題を回避する一解決策は、第1真空チャンバ内で電極を堆積するステップと、真空エアロックによって第1チャンバに連結される第2真空チャンバ内で膜を堆積するステップとを実施することからなる。
この場合には、電池用基板として供給されるガス拡散基板は、製造の間に1つのチャンバから他のチャンバに電池を移動可能にする可動基板ホルダ上に置くことが好ましい。
発明者は、燃料電池動作の間に実際に使用できる触媒量が、数マイクロメートルを超えない厚さに対応するということを実測した。さらにこの使用できる触媒量は、電池によって供給される電流密度に依存する。
したがって、経済および環境上の両方の理由から、必要量だけを堆積させるために触媒量を電池の動作モードに適応させることができることは有利であろう。
この理由で、一実施形態では、第1および/または第2多孔質炭素電極を堆積するステップは、基板上に多孔質炭素と触媒とを交互および/または同時に堆積するステップを含み、各多孔質炭素層の厚さが選択されて、その結果、この炭素層上に堆積される触媒は事実上、この層全体にわたって分散されて、したがって触媒を設けた炭素層を生成し、電極中の触媒を設けた炭素の全厚さは2マイクロメートル未満であり、好ましくは1マイクロメートル以下である。
多孔質炭素と触媒を交互および/または同時の方法で堆積できることにより、層の厚さの中で均質であるか、それとも事前設定された濃度勾配に従う触媒が設けられている炭素層を得ることを可能にする。したがって本発明によるプロセスでは、一ステップにおいて同時に、いくらかの炭素と、いくらかの触媒とを堆積し、その前または後のステップにおいて、ただ1つまたは他の成分、つまり触媒または炭素を堆積することが可能となる。
ある実施形態では、プロセスが、同時に堆積するステップがないようなものであってもよい。
炭素層は、電子の自由な巡回を可能にするように互いに連結されたコンパクトでない炭素ボールのスタックからなる。
炭素層は、電子の自由な巡回を可能にするように互いに連結されたコンパクトでない炭素ボールのスタックからなる。
したがって、上で説明したように燃料電池においてアノード中で起きる化学反応はイオンを生成する反応である。燃料電池を正常に動作させるためには、これらのイオンが、アノードへ伝達されなければならず、これは一般に膜(電解質)を介して生じ、この膜はイオン伝導材料で作られる。
アノードの活性触媒相がかなりの厚さである場合、一定のイオンが膜から離れた所に生成され、その結果、炭素と触媒はイオン伝導材料でないことから、イオンを適切に伝達することができない。
同様に、製造される燃料電池が、カソード中の化学反応が負イオンを生じるようなものである場合には、カソードの活性触媒相が厚過ぎると、これらのイオンの一部は膜を介して適切に伝達できない。
したがって一実施形態では、第1および/または第2炭素電極を堆積するステップが、少なくとも1つの触媒堆積の後に、「Nafion」などのイオン伝導体を堆積するステップも含むことが有利である。したがって、膜から離れた電極中に生成されるイオンが、この堆積されたイオン伝導体を介して伝達されることになる。
堆積される量を最適に制御するために、一実施形態ではイオン伝導体はプラズマ溶射によって堆積される。この溶射は、好ましくは炭素および触媒の溶射と同じ真空チャンバ内で実施される。
上で説明したように燃料電池において、触媒の活性量は、出力される電流密度の関数として、したがって電池の動作電力の関数としても変わる。この変化は、特に、反応物供給の現象と電極のイオン抵抗の間の競合が原因である。所望の動作モードに依存して、膜からの距離に基づいてより多い触媒量か、より少ない触媒量を有することが有利である。
これらの変化を明らかにするために、一実施形態では、触媒を設けた炭素の連続層の中にある触媒原子の数と炭素原子の数の間の比が、所与のプロファイルに従って変化する。
例えば、相対的に高い電流、例えば800mW/cm2より高い電流を出力する燃料電池、つまり500mW/cm2で始まると考えられている高電力で動作する電池の製造に対応するプロファイルを確定することが可能である。
この場合、高電流密度を生成するために電極に大量の燃料を供給する必要がある。この燃料の大きな流れが適切に反応できるためには、膜の近傍に大量の触媒を有する必要がある。
こういう理由で、一実施形態において、動作電力が所与の値、例えば500mW/cm2より高い燃料電池を製造するために、燃料電池の膜に最も近い炭素層上に堆積される触媒量は、このように形成される触媒を設けた炭素層中にある触媒原子の数と炭素原子の数の間の比が100nm未満の厚さの中で20%より大きいほどのもので、これは、0.1mg/cm2以下である白金の全量になる。
同様に、低電力、つまり500mW/cm2未満の電力で動作する燃料電池に対するプロファイルを確定することが可能である。この電池は相対的に低電流を出力するように設計されるので、膜の近傍で大量の触媒を有する必要はない。この場合は、主要な目的はコスト削減のためにできる限り電極複合体に使用される触媒量を減らすことである。
こういう理由で、一実施形態において、動作電力が所与の値、例えば500mW/cm2未満である燃料電池を製造するために、燃料電池の膜に最も近い炭素層上に堆積される触媒量は、このように形成される触媒を設けた炭素層中にある触媒原子の数と炭素原子の数の間の比が20%未満であるほどのものである。
他の実施形態では、電力が所与の値、例えば500mW/cm2未満である燃料電池を得るために、堆積される触媒量は、燃料電池の膜に最も近い触媒を設けた炭素層中にある触媒原子の数と炭素原子の数の比が、この膜から最も離れた触媒を設けた炭素層中にある触媒原子の数と炭素原子の数の比の10倍より大きいほどのものである。
別の実施形態では、この方法は、堆積される多孔質炭素層が全て同じ厚さを有するようなものである。
本発明は上で説明された製造方法に従って製造された薄膜で作製される燃料電池にも関係する。
本発明は上で説明された製造方法に従って製造された薄膜で作製される燃料電池にも関係する。
本発明の他の特徴および利点が、本発明の実施形態の一部についての限定的でない説明から明らかになり、この説明は次の図面に関連して提供される。
図1は、エアロック12によって連結される2つの真空チャンバ10および11の断面図を表し、このエアロックも真空の下にある。これら2つのチャンバは、ガス拡散基板上に燃料電池の種々の構成要素を堆積することを可能にする。基板は、様々な物質を均一に堆積するために、基板の主面に対する垂直線の回りでこの基板を回転可能とする基板ホルダ14上に装着される。基板ホルダは移動可能でもあり、その結果、基板を種々の製造ステップを実施可能とするために位置13aから位置13bへ移動することができる。
チャンバ10内部には3つのターゲットがあり、その中の2つだけが図1の17、18で示されているが、これらは、それぞれ多孔質炭素、白金などの触媒およびNafionなどのイオン伝導体のターゲットである。これらのターゲットをそれぞれ可変電圧V17、V18で偏極させる。
一実施例では、この図に示されたのとは異なり、第1ターゲットは基板に面して配置され、他の2つは、この第1ターゲットのいずれかの側に配置されて、それらの主面に対する垂直線は、基板に対する垂直線とそれぞれ45°未満の角度を形成する。
ガス拡散基板上に第1電極を堆積することからなる第1ステップでは、基板は位置13aにあり、アルゴンイオン15が高周波アンテナ16によって励起される減圧プラズマ溶射を用いて、炭素、白金およびNafionが連続的に溶射される。
この種類の溶射の原理が図2に図示されている。アルゴンプラズマによって放出されたアルゴンイオン30を、基板34上に溶射すべき材料のターゲット32に向って飛ばす。プラズマ状態はアルゴンガスを介する高電力の電気放電によって発生させる。ターゲットは可変電圧V32で偏極されている。これらのイオン30がターゲットに衝突する結果、ターゲットの原子が、一連の衝突を介して放出される。次いで、これらの原子が基板34上に射出される(36)。
チャンバ10内部でアルゴンイオン15は、3つのターゲット上に連続的に打ち込まれる。したがって3つのターゲットは、基板の上に多孔質炭素層、次いで触媒、最後にイオン伝導体を堆積するために連続的に提供される。これら3つの連続的溶射は、基板上にイオン伝導体原子も含む触媒を設けた炭素層を形成することを可能にする。
この種の層が、図3に示されている。第1溶射の間に、一般に30nmと100nmの間の直径を有する多孔質炭素ボールが、基板42上に堆積される。第2溶射の間に一般に3nm未満の直径を有する白金ボール44が炭素層中に拡散され、それによって先に堆積された炭素ボール40の間に分配される。このプロセスを完了するために、第3溶射の間にNafionなどのイオン伝導体(46)が、触媒を設けた炭素層上に溶射される。
次いで、これら3つの溶射からなる操作が、所望の厚さを有する電極を形成するために数回繰り返される。
それぞれの多孔質炭素層の厚さは、その後、堆積された触媒を事実上、この炭素層の厚さ全体にわたって拡散可能とするように選択される。それぞれの炭素層の厚さは、実質的に1マイクロメートル未満であることが好ましい。
製造プロセスを容易にするために、個々の炭素層は同じ厚さを有することが好ましい。しかし異なる厚さの炭素層を製造することも可能である。
偏極電圧V17およびV18(図1)が可変であることにより、それぞれの溶射において射出される原子の数を制御することが可能である。これは、厚さにわたって、燃料電池の所望の用途に適応させた、触媒分布のプロファイルを有する電極を形成することを可能にする。
前述した理由のために、やはりイオン伝導体を堆積することが必要な場合は、この伝導体が、膜を介して確実に陽子を伝達させるために触媒と同様に分配されなければならない。
これらのプロファイルの2つの実施例が図4aおよび図4bに図示されている。これら2つの曲線では、横座標軸は電極の厚さを表して、横座標0は膜に最も近い点に対応し、縦座標軸は電極中にある白金原子の数と炭素原子の数の間の比を表す。
図4aは、特に高電力の動作、つまり500mW/cm2より高い電力用に適応する電極プロファイルを表す。
点50の所で、白金原子の数と炭素原子の数の間の比は50%であり、白金量は立方センチメートル当たり10グラムである。この量は、停止点52に達するまで、約0.33マイクロメートルの厚さの間で一定のままである。停止点から白金量はかなり急速に減少して、1マイクロメートル(54)に等しい電極厚さに対しほぼゼロの値に達する。
図4bは、特に低電力動作、つまり500mW/cm2未満の電力に対し適応する電極プロファイルを表す。
点56の所で、白金原子の数と炭素原子の数の間の比は20%であり、白金量は立方センチメートル当たり6グラムである。この量は、1マイクロメートル未満の厚さに対し立方センチメートル当たり0.6グラムの値に達する(58)まで段階的に漸減し、次いで2マイクロメートルの最大厚さ迄は一定のままである。
これらのプロファイルを得る一方法は、それぞれの溶射において同じ炭素量を溶射し、溶射される白金量を変えることである。この種のシーケンスが、図5のタイミング図によって図示されている。
このタイミング図では、横座標軸は時間を表し、縦座標軸は溶射される原子の数を表す。
このタイミング図では溶射される多孔質炭素の中の原子の数は毎回同じ(60)であることが分かる。
このタイミング図では溶射される多孔質炭素の中の原子の数は毎回同じ(60)であることが分かる。
他方、白金原子の数は変化する。この実施例では、最初の3つのパス62a、62bおよび62cの間に溶射される白金原子の数は、各パスに対して等しい。しかし、この数はパス62dと62eの間、急に減少する。このタイミング図は、堆積の中の初期の溶射のみを示す。その後、例えば炭素溶射は同じままであり、白金溶射が減少し続ける。
全体のパス数は、一般に2から20の間であり、電極を堆積するのに要する時間は10分未満である。一実施例では、全てのパスが、30秒に等しい同じ所要時間を有し、10炭素堆積相と10触媒堆積相がある。
この種のタイミング図に従って堆積される電極は、図4aのものと類似のプロファイルを有する。基本的に、最初の3つの白金溶射(62a〜62c)は、点50と点52(図4a)の間に示されるプロファイルの部分に対応し、他方、溶射62dその他は、点52と点54(図4a)の間に示される部分に対応する。
変形では、白金の1つ(または複数)の溶射は、イオン伝導体の溶射によって引き継がれることがある。
選択されたタイミング図に基づいて電極の堆積を実施するために、メモリ内にファイルを含み、所望のプロファイルを得るために可変の電圧V17およびV18を制御するのに用いられる、例えば、コンピュータを使用することも可能である。
第1電極の堆積の後、この第1電極を保持している基板を位置13bへ移動可能とするためにエアロック12が開かれる。
次にチャンバ11が、プラズマ励起化学気相堆積によって膜を堆積する場所である。
次にチャンバ11が、プラズマ励起化学気相堆積によって膜を堆積する場所である。
図1に図示された実施例において、その目的は、フッ素化炭素ネットワークと、スルホン酸末端基とを含む膜を堆積することにある。これを実施するために、チャンバ内に前駆体ガス(19)、すなわち炭素前駆体ガスであるスチレンと、スルホン酸前駆体およびフッ素化基を含むトリフルオロメタンスルホン酸が、チャンバ内に導入される。次いで、これらのガスは、プラズマ相になるまで低周波発生器20によって提供される電源21によって励起される。この相の中で、前駆体ガスが、ガスの容積内部で反応して、最終前駆体を形成し、この前駆体が表面上で吸収され、互いに反応して膜を形成する。
膜を堆積するこのステップの後、目下、第1電極と膜を備える基板は、その最初の位置13aに戻される。
次のステップは、第2電極を堆積するステップからなって、第1電極の堆積に対して使用されたものと同種の方法を用いる。
次のステップは、第2電極を堆積するステップからなって、第1電極の堆積に対して使用されたものと同種の方法を用いる。
製造されるべき電池の種類に依存して、2つの電極が互いに全く異なっても、あるいは膜に関して対称的であってもよい。
2つの対称的電極を堆積すべき場合には、第2電極の堆積に対するタイミング図は第1電極の堆積に対するタイミング図に一致し、そこで触媒の連続的堆積は、時間経過の観点からは逆の順序で実施される。
Claims (18)
- 薄膜で作製される燃料電池を製造する方法において、
第1多孔質炭素電極が真空チャンバ内でガス拡散基板上にプラズマ溶射によって堆積されて、前記電極がやはり触媒を含み、前記触媒は前記燃料電池に起きる化学反応の少なくとも1つを加速するのに用いられるステップと、
イオン伝導体材料で作製される膜が前記第1電極上に堆積されて、前記膜が、好ましくは20マイクロメートル未満の厚さを有するステップと、
第2多孔質炭素電極が真空チャンバ内で前記膜上にプラズマ溶射によって堆積されて、前記第2電極がやはり触媒を有するステップとを含む方法。 - 前記膜がプラズマ励起化学気相堆積法を用いて堆積される請求項1に記載の方法。
- 前記膜の材料が、スルホン酸末端基を有する炭素ネットワークを含み、かつフッ素を含むこともある前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
- 前記堆積される炭素の多孔度が20%から50%の間である前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
- 前記触媒が、
白金と、
白金ルテニウム、白金モリブテン、白金スズなどの白金合金と、
鉄、ニッケル、コバルトなどの非白金族金属と、
前記金属の任意の合金とを含む群に属する前記請求項のいずれか一項に記載の方法。 - 堆積される前記第1電極が前記燃料電池のアノードを構成する前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
- 堆積される前記第1電極が前記燃料電池のカソードを構成する請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記堆積ステップの全てが単一の真空チャンバ内で実施される前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
- 前記電極を堆積する前記ステップが第1真空チャンバ内で実施され、前記膜を堆積する前記ステップが、真空エアロックによって前記第1チャンバに連結される第2真空チャンバ内で実施される請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1および/または第2多孔質炭素電極を堆積する前記ステップが、前記基板および/または前記膜上に多孔質炭素と触媒とを交互および/または同時に堆積するステップを含み、前記各多孔質炭素層の厚さが選択されて、その結果、前記炭素層上に堆積される前記触媒は事実上、前記炭素層全体にわたって分散されて、したがって触媒を設けた炭素層を生成し、前記電極中の前記触媒を設けた炭素の全厚さは2マイクロメートル未満であり、好ましくは1マイクロメートル以下である前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1および/または第2炭素電極を堆積する前記ステップが、少なくとも1つの触媒堆積の後に、「Nafion」などのイオン伝導体を堆積するステップも含む請求項10に記載の方法。
- 前記陽子伝導体がプラズマ溶射によって堆積される請求項10または11に記載の方法。
- 前記触媒を設けた炭素の連続層の中にある前記触媒原子の数と前記炭素原子の数の間の比が、前記電極の前記厚さの中で所与のプロファイルに従って変化する請求項10から12のいずれか一項に記載の方法。
- 動作電力が所与の値、例えば500mW/cm2より高い燃料電池を製造するために前記燃料電池の前記膜に最も近い前記炭素層上に堆積される前記触媒量は、このように形成される前記触媒を設けた炭素層中にある前記触媒原子の数と前記炭素原子の数の間の前記比が50%より小さいほどのものである請求項10から13のいずれか一項に記載の方法。
- 動作電力が所与の値、例えば500mW/cm2未満である燃料電池を製造するために前記燃料電池の前記膜に最も近い前記炭素層上に堆積される前記触媒量は、このように形成される前記触媒を設けた前記炭素層中にある前記触媒原子の数と前記炭素原子の数の間の前記比が20%未満であるほどのものである請求項10から14のいずれか一項に記載の方法。
- 電力が500mW/cm2未満である燃料電池を製造するために、前記堆積される触媒量は、前記燃料電池の前記膜に最も近い前記触媒を設けた炭素層中にある前記触媒原子の数と前記炭素原子の数の前記比が、前記膜から最も離れた前記触媒を設けた炭素層中にある前記触媒原子の数と前記炭素原子の数の前記比の10倍より大きいほどのものである請求項10から15のいずれか一項に記載の方法。
- 前記堆積される多孔質炭素層が全て同じ厚さを有する請求項10から16のいずれか一項に記載の方法。
- 前記請求項のいずれか一項に記載の方法を使用して得られる薄膜の特性を有する前記薄膜で作製される燃料電池。
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