JP5379147B2 - 層状構造の燃料電池触媒及び集電体 - Google Patents
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- 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.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、前記燃料電池の構造のための支持材として用いられる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.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を前記電解質層上に形成するステップと、
d.前記電解質層上に触媒接合層を堆積するステップと、
e.前記触媒接合層上に触媒層を堆積するステップと、
f.前記触媒層上に微細構造安定化層を堆積するステップと、
g.前記パターン化高分子または自己組織化単分子膜を除去するステップとを含み、
前記触媒接合層、前記触媒層及び前記微細構造安定化層を含む層状構造触媒は、前記パターン化高分子または自己組織化単分子膜によって堆積領域が選択され、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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 前記層状構造触媒の上または下に集電体層があることを特徴とする請求項1の方法。
- 前記層状構造触媒と前記集電体層との境界面は、凹凸のある形状であり、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10の方法。
- 前記層状構造触媒及び前記集電体層によって形成される構造体が、多孔質な該層状構造触媒及び緻密な該集電体層によって形成された構造体であるか、あるいは緻密な該層状構造触媒及び緻密な該集電体層によって形成された構造体であることを特徴とする請求項10の方法。
- 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1の方法。
- 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1の方法。
- 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1の方法。
- 前記層状構造触媒の選択的な堆積が、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、前記パターン化高分子または自己組織化単分子膜が、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1の方法。
- 前記パターン化高分子または自己組織化単分子膜を除去するステップが、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行われることを特徴とする請求項1の方法。
- 前記燃料電池が、少なくとも、
a.緻密な前記電解質層と、
b.緻密な層または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前記層状構造触媒と、
d.集電体層とを含み、
前記集電体層が前記層状構造触媒上に配置され、前記層状構造触媒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。 - 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。
- 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。
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