DE112007000670B4

DE112007000670B4 - Brennstoffzelle und Herstellungsverfahren für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112007000670B4
Application number: DE112007000670.6T
Authority: DE
Inventors: Haruyuki Nakanishi; Chikashi Inazumi; Yuki Sairyo; Momoyo Sawai; Kenji Yoshikawa; Tomoya Yamashita
Original assignee: Hitachi Zosen Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2007-03-15
Publication date: 2018-02-08
Anticipated expiration: 2027-03-16
Also published as: US20100075201A1; CN101405908A; WO2007107832A1; JP5108240B2; JP2007257886A; US8486583B2; DE112007000670T5; CN101405908B

Abstract

In einer eine Elektrolytmembran (1) und ein Paar von auf beiden Seiten der Elektrolytmembran angeordneten Elektroden (2, 3) enthaltenden Brennstoffzelle (100) weist zumindest eine der Elektroden elektrisch leitfähige Nanosäulen (4), die mit einer Neigung von 60° oder weniger bezüglich einer ebenen Richtung der Elektrolytmembran orientiert sind, einen auf den elektrisch leitfähigen Nanosäulen getragenen Katalysator (5), und ein die elektrisch leitfähigen Nanosäulen überziehendes Elektrolytharz (6) auf.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle und ein Herstellungsverfahren für eine Brennstoffzelle.
Hintergrund der Erfindung
Brennstoffzellen konvertieren chemische Energie direkt in elektrische Energie durch Zuführen eines Brennstoffs und eines Oxidationsmittels zu zwei elektrisch verbundenen Elektroden und elektrochemisches Verursachen einer Oxidation des Brennstoffs. Daher sind die Brennstoffzellen, anders als Wärmekraftmaschinen von Verbrennungskraftwerken oder dergleichen, frei von den Restriktionen des Carnotschen Kreisprozesses und weisen eine hohe Energieumwandlungseffizienz auf. Gewöhnlich sind die Brennstoffzellen durch Übereinanderlagern einer Vielzahl von Einheitszellen aufgebaut, die, als eine Grundstruktur, eine durch Einlegen einer Elektrolytenmembran zwischen ein Elektrodenpaar gebildete Membran-Elektroden-Baueinheit aufweisen. Im Besonderen zieht eine Festpolymerelektrolytbrennstoffzelle, die eine Festpolymerelektrolytmembran als eine Elektrolytmembran einbaut, insbesondere als eine Energiequelle für tragbare oder mobile Vorrichtungen aufgrund ihrer Vorteile leicht miniaturisierbar zu sein, bei geringen Temperaturen betriebsfähig zu sein, etc., Aufmerksamkeit auf sich.
Auf der Anode (Brennstoffelektrode) in der Festpolymerelektrolytbrennstoffzelle läuft die Reaktion der Formel (1) ab. H₂ → 2H⁺ + 2e^– (1)
Die in der Reaktion der Formel (1) erzeugten Elektronen wandern durch einen externen Stromkreislauf und erreichen die Kathode (Oxidationsmittelelektrode) nachdem sie bei einer außerhalb bereitgestellten Belastung Arbeit verrichtet haben. Die in der Reaktion der Formel (1) erzeugten Protonen wandern in einer hydratisierten Form innerhalb der Festpolymerelektrolytmembran aufgrund von Elektroosmose von der Anodenseite zu der Kathodenseite. Dann läuft auf der Kathode die Reaktion der Formel (2) ab. 4H⁺ + O₂ + 4e^– → 2H₂O (2)
Generell hat eine Festpolymerelektrolytbrennstoffzelle eine Struktur, in welcher Elektroden mit jeweils einer Katalysatorschicht, die mit einem Katalysator, wie etwa Platin oder desgleichen, beladene kohlenstoffbasierte Teilchen aus Ruß oder desgleichen enthält, und die ebenso ein Elektrolytharz enthält, und einer aus einem elektrisch leitfähigen porösen Körper, wie etwa Kohlenstoffgewebe oder desgleichen, gemachten Gasdiffusionsschicht, auf beiden Seiten einer Elektrolytmembran (siehe 3) angeordnet sind. Wenn die Reaktion der Formel (1) auf den Katalysator in der Anode der Festpolymerelektrolytbrennstoffzelle abläuft, wandern die aus Wasserstoff erzeugten Protonen durch das Elektrolytharz zu der Elektrolytmembran, und erreichen dann die Kathode. Dann wandern die Protonen, die die Kathode erreicht haben, durch das Elektrolytharz zu dem Katalysator in der Kathode. Demgegenüber wandern die aus Wasserstoff an der Anode erzeugten Elektronen durch die kohlenstoffbasierten Teilchen zu dem Ladungskollektor, und durchlaufen den externen Stromkreis und erreichen die Kathode, und wandern dann entlang kohlenstoffbasierter Teilchen zu dem Katalysator in der Kathode.
Jede dieser elektrochemischen Reaktionen in der Anode und der Kathode läuft aktiv an einer Schnittstelle ab, wo drei Phasen koexistieren: der Katalysator, der die Reaktion beschleunigt, die kohlenstoffbasierten Teilchen, die Elektronen leiten, und das Elektrolytharz, das Protonen leitet. Die Reaktionen in den anodenseitigen und kathodenseitigen Katalysatorschichten werden aktiver und daher wird die Stromerzeugungsleistungsfähigkeit der Zelle höher, je größer die Menge des Katalysators, der auf den Kohlenstoffteilchen getragen ist. Allerdings gibt es, da der in der Brennstoffzelle verwendetet Katalysator ein Edelmetall wie etwa Platin oder desgleichen ist, ein Problem der steigenden Herstellungskosten der Brennstoffzelle, wenn die Menge an getragenem Katalysator erhöht wird.
In den Reaktionselektroden, in welchen der Katalysator auf Kohlenstoffteilchen getragen ist, findet ein Verlust bei der elektrischen Leitfähigkeit zwischen Kohlenstoffteilchen, und zwischen einem Kohlenstoffteilchen und einem Separator, der ein Ladungskollektor ist, statt. Dieser Elektronenverlust wird als ein Grund einer Leistungsobergrenze bei der elektrischen Stromerzeugung erachtet. Daher haben drei der Erfinder, und andere eine wie in 4 gezeigte Brennstoffzelle entwickelt, deren Elektrode eine Struktur aufweist, in welcher Kohlenstoffnanoröhren im Wesentlichen vertikal zu einer Elektrolytmembran orientiert sind, und Oberflächen der Kohlenstoffnanoröhren mit einem Katalysator beladen sind, und mit einem Elektrolytharz überzogen sind (japanische Schrift JP 2005-4967 A ). Die Elektrode mit der Struktur in welcher Kohlenstoffnanoröhren vertikal orientiert sind ist exzellent bei der Elektronenleitfähigkeit, und unterdrückt den Elektronenverlust im Vergleich zu dem Fall, wo der Katalysator auf Kohlenstoffteilchen getragen ist. Daher verbessert sich die Stromerzeugungseffizienz pro Katalysatorgewicht.
Allerdings wurde berichtet, dass das an den Katalysator angrenzende Elektrolytharz eine bestimmte Membrandicke haben muss, damit die auf dem Katalysator erzeugten Protonen wandern (siehe z. B. ”Membrane Thickness Dependency of the Cast Nafion Thin Membrane Ion Conductivity” Shiroma et al, the Cell Symposium 3C10 (2003)). Daher gibt es, wenn die Dicke des auf eine Kohlenstoffnanoröhrenoberfläche aufgebrachten Elektrolytharzes dünn ist, einen größeren Widerstand gegen eine Wanderung der Protonen, welche auf dem relativ nah an einem Endabschnitt der Kohlenstoffnanoröhren entgegengesetzt der Seite, die in Kontakt mit der Elektrolytmembran steht, getragenen Katalysator erzeugt werden, und welche durch die dünn auf die Kohlenstoffnanoröhrenoberfläche aufgebrachte Elektrolytmembran wandern, um die Elektrolytmembran zu erreichen. Gleichermaßen gibt es, wenn die Dicke des auf die Kohlenstoffnanorohrenoberflächen aufgebrachten Elektrolytharzes dünn ist, einen größeren Widerstand gegen die Protonen, die von der Elektrolytmembran durch das dünn auf der Kohlenstoffnanoröhrenoberfläche aufgebrachte Elektrolytharz wandern, um den relativ nah an einem Endabschnitt der Kohlenstoffnanoröhre, gegenüber der Seite davon, die in Kontakt mir der Elektrolytenmembran steht, getragenen Katalysator zu erreichen.
Wenn die Leitfähigkeit von Protonen von dem an einer von der Elektrolytmembran entfernten Stelle vorhandenen Katalysator oder zu dem Katalysator gering ist, ist der auf den Kohlenstoffnanoröhren getragene Katalysator, welcher effektiv zu den Elektrodenreaktionen beiträgt, begrenzt auf den auf einem Seitenabschnitt jeder Kohlenstoffnanoröhre, die in Kontakt mit der Elektrolytenmembran steht, getragenen Katalysator, und somit nimmt die Katalysatorverwendungseffizienz ab. Als ein Verfahren zum Begrenzen der Abnahme der Katalysatorverwendungsrate, beschreibt die japanische Schrift JP 2005-4967 A eine Anordnung, in welcher der Katalysator auf einer Seite einer Kohlenstoffnanoröhre, die in Kontakt mit der Elektrolytenmembran steht, getragen ist. Allerdings ist bei diesem Verfahren, während die Katalysatorverwendungsrate sich verbessert, die Stromerzeugungseffizienz pro Einheitszelle der Brennstoffzelle eingeschränkt. Weitere Schriften mit Brennstoffzellen, die Nanoröhren enthalten, sind die Schriften US 5 879 828 A , US 2004/0170884 A1 und JP 2005-302305 A .
Des Weiteren begegnet ein Versuch, die Protonenleitfähigkeit durch Auffüllen der Freiräume der vertikal orientierten Kohlenstoffnanoröhren mit einem Elektrolytharz zu verbessern, einem Problem der abnehmenden Gasdiffusionsfähigkeit, so dass das Reaktionsgas den Katalysator nicht erreicht.
Offenbarung der Erfindung
Es ist ein Ziel der Erfindung eine Brennstoffzelle, in welcher die Stromerzeugungseffizienz pro Einheitsgewicht des Katalysators und die Stromerzeugungseffizienz pro Einheitsvolumen der Brennstoffzelle verbessert sind, durch Anfertigen solch einer Anordnung, dass der an einer von der Elektrolytmembran entfernten Stelle vorhandene Katalysator ebenfalls zu den Elektrodenreaktionen beiträgt, und ein Herstellungsverfahren für die Brennstoffzelle bereitzustellen.
Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle. Diese Brennstoffzelle beinhaltet eine Elektrolytmembran und ein Paar von auf beiden Seiten der Elektrolytmembran angeordneten Elektroden. Zumindest eine der Elektroden weist eine Vielzahl elektrisch leitfähiger Nanosäulen, die mit einer Neigung von größer als 0° und kleiner oder gleich 60° bezüglich einer ebenen Richtung der Elektrolytmembran orientiert sind, einen auf den elektrisch leitfähigen Nanosäulen getragenen Katalysator, und ein die elektrische leitfähigen Nanosäulen überziehendes Elektrolytharz auf.
Da die den Katalysator tragende und mit dem Elektrolytharz überzogene elektrisch leitfähige Nanosäule(n) mit einer Neigung von größer als 0° und kleiner oder gleich 60° bezüglich der ebenen Richtung der Elektrolytmembran orientiert ist (sind), werden die Zwischenräume zwischen benachbarten elektrisch leitfähigen Nanosäulen schmal, so dass die Elektrolytharzschichten auf den einzelnen elektrisch leitfähigen Nanosäulen einander kontaktieren. In Folge tritt die Wanderung von Protonen von dem auf einer elektrisch leitfähigen Nanosäule getragenen Katalysator zu der Elektrolytmembran, und die Wanderung von Protonen von der Elektrolytmembran zu dem auf der elektrisch leitfähigen Nanosäule getragenen Katalysator nicht nur über das Elektrolytharz auf der den entsprechenden Katalysator tragenden elektrisch leitfähigen Nanosäule, sondern auch über das Elektrolytharz auf einer zu der betreffenden elektrisch leitfähigen Nanosäule benachbarten elektrisch leitfähigen Nanosäule auf. Daher verbessert sich die Protonenleitfähigkeit. Außerdem sinkt, da der Abstand zwischen der Elektrolytmembran und einem entfernten Ende der elektrisch leitfähigen Nanosäule gegenüber der Elektrolytmembran sich verkürzt, der Widerstand gegen die Leitung von Protonen. Gemäß der Brennstoffzelle dieses Aspekts, da der nahe des andersseitigen entfernten Endes der elektrisch leitfähigen Nanosäule entfernt von der Elektrolytmembran getragene Katalysator auch effektiv bei den Elektrodenreaktionen arbeitet, ist folglich die Stromerzeugungseffizienz pro Einheitsgewicht des Katalysators erhöht, und des Weiteren ist die Stromerzeugungseffizienz pro Einheitsvolumen der gesamten Brennstoffzelle ebenfalls erhöht.
Ein Ende der elektrisch leitfähigen Nanosäule kann in der Elektrolytmembran vom Gesichtspunkt einer Charakteristik für den Verbindungspunkt zwischen der Elektrolytmembran und der elektrisch leitfähigen Nanosäule eingebettet sein. Des Weiteren weist die elektrisch leitfähige Nanosäule, auf einer äußeren Oberfläche davon, eine amorphe Schicht auf, weil die amorphe Schicht eine erhöhte Menge an Katalysator tragen kann und den Katalysator einheitlich tragen kann. Beispiele der elektrisch leitfähigen Nanosäule beinhalten eine Kohlenstoffnanoröhre.
Eine Dicke der amorphen Schicht kann größer oder gleich 0,5 nm und kleiner oder gleich 10 nm sein. Des Weiteren kann eine Dicke der amorphen Schicht größer oder gleich 1 nm und kleiner oder gleich 3 nm sein.
Die elektrisch leitfähige Nanosäule kann ein elektrisch leitfähiges Material sein, dessen Säulendurchmesser größer oder gleich 5 nm und kleiner oder gleich 50 nm ist, und dessen Länge größer oder gleich 10 μm und kleiner oder gleich 80 μm ist, und dessen Seitenverhältnis größer oder gleich 500 und kleiner oder gleich 10.000 ist.
Zumindest eine der Elektroden kann eine Vielzahl elektrisch leitfähiger Nanosäulen aufweisen, die mit einer Neigung, die größer oder gleich 1° und kleiner oder gleich 35° bezüglich der ebenen Richtung der Elektrolytmembran orientiert sind. Des Weiteren kann die Neigung größer oder gleich 10° und kleiner oder gleich 30° sein.
Das Elektrolytharz kann ein fluor-basiertes Elektrolytharz sein. Dieses fluor-basierte Elektrolytharz kann ein Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharz sein.
Das Elektrolytharz kann ein Kohlenwasserstoffpolymer sein, das eine protonenleitende Gruppe in einer Seitenkette aufweist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren für eine Brennstoffzelle. Dieses Herstellungsverfahren für eine Brennstoffzelle beinhaltet: einen elektrisch-leitfähige-Nanosäule-Züchtschritt des Züchtens auf einem Substrat einer elektrisch leitfähigen Nanosäule, die im Wesentlichen vertikal zu einer ebenen Richtung des Substrats orientiert ist; einen Katalystatorauftrag-Schritt des Auftragens eines Katalysators auf die elektrisch leitfähige Nanosäule; einen Elektrolytharz-Aufbringschritt des Aufbringens eines Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharzes auf die den Katalysator tragende elektrisch leitfähige Nanosäule; und einen thermischen Transferschritt des thermischen Transferierens der den Katalysator auf dem Substrat tragenden elektrisch leitfähigen Nanosäule zu der Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharz-Membran unter Bedingungen, die eine Heiztemperatur von 140°C bis 160°C, einen angelegten Druck von 1 MPa bis 5 MPa, und eine Transferzeit von 10 Minuten bis 30 Minuten beinhalten.
Ein dritter Aspekt bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren für eine Brennstoffzelle. Dieses Herstellungsverfahren für eine Brennstoffzelle beinhaltet: Züchten auf einem Substrat elektrisch leitfähiger Nanosäulen, die im Wesentlichen vertikal zu einer ebenen Richtung des Substrats orientiert sind; Auftragen eines Katalysators auf die elektrisch leitfähigen Nanosäulen; und thermischen Transferieren der den Katalysator auf dem Substrat tragenden elektrisch leitfähigen Nanosäulen zu der Elektrolytmembran, so dass die elektrisch leitfähigen Nanosäulen mit einer Neigung von größer als 0° und kleiner oder gleich 60° bezüglich einer ebenen Richtung der Elektrolytmembran orientiert sind.
Bei dem thermischen Transfer kann eine Heiztemperatur größer oder gleich 120°C und kleiner oder gleich 170°C sein, und ein angelegter Druck kann größer oder gleich 1 MPa oder kleiner oder gleich 10 MPa sein, und eine Zeit, während welcher die Heiztemperatur und der angelegte Druck aufrechterhalten werden, kann größer oder gleich 1 Minute und kleiner oder gleich 30 Minuten sein.
Die Elektrolytmembran kann aus Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharz hergestellt sein, und die Heiztemperatur kann größer oder gleich 140°C oder kleiner oder gleich 160°C sein, und der angelegte Druck kann größer oder gleich 1 MPa und kleiner oder gleich 5 MPa sein, und die Zeit, während welcher die Heiztemperatur und der angelegte Druck aufrechterhalten werden, kann größer oder gleich 10 Minuten und kleiner oder gleich 30 Minuten sein.
Dieses Herstellungsverfahren für die Brennstoffzelle kann ferner das Aufbringen eines Elektrolytharzes auf die den Katalysator tragende elektrisch leitfähige Nanosäule beinhalten.
Bei der Brennstoffzelle des ersten Aspekts der Erfindung arbeitetet nicht nur der nahe dem Ende der elektrisch leitfähigen Nanosäule, das relativ nahe zu der Elektrolytmembran ist, getragene Katalysator, sondern auch der nahe dem Ende, das relativ entfernt von der Elektrolytmembran ist, getragene Katalysator effektiv bei den Elektrodenreaktionen. In dieser Brennstoffzelle ist daher die Verwendungseffizienz des Katalysators hoch, und die Menge an Katalysator, der effektiv arbeitet, ist groß. Demzufolge ist diese Brennstoffzelle exzellent bei der Stromerzeugungseffizienz der gesamten Brennstoffzelle. Gemäß der Brennstoffzelle der Erfindung kann daher die Stromerzeugungseffizienz verbessert werden, und die durch die Verwendung von Katalysator benötigten Kosten zur Herstellung der Brennstoffzelle können gekürzt werden.
Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle. Diese Brennstoffzelle ist eine Brennstoffzelle, die eine Elektrolytmembran und ein Paar von auf beiden Seiten der Elektrolytmembran angeordneten Elektroden enthält, in welcher zumindest eine der Elektroden eine elektrisch leitfähige Nanosäule, die mit einer Neigung von 60° oder weniger bezüglich einer ebenen Richtung der Elektrolytmembran orientiert ist, einen auf der elektrisch leitfähigen Nanosäule getragenen Katalysator, und ein die elektrisch leitfähige Nanosäule überziehendes Elektrolytharz aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das Vorangehende und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich werden, wobei gleiche Zahlzeichen zum Darstellen gleicher Elemente verwendet werden, und wobei:
1 eine schematische Schnittansicht einer Brennstoffzelle einer ersten Ausführungsform der Erfindung entlang einer sich in der Schichtrichtung der Einheitszellen ausdehnenden Ebene ist;
2 eine vergrößerte partielle Ansicht der Brennstoffzelle der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform ist;
3 ein Diagramm ist, das eine Beispielform der Brennstoffzelle zeigt, in welcher ein Katalysator auf Kohlenstoff-basierten Teilchen aufgetragen ist; und
4 ein Diagramm ist, das eine Beispielform der Brennstoffzelle zeigt, in welcher den Katalysator tragende Kohlenstoffnanoröhren vertikal orientiert sind.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Eine Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezug auf 1 und 2 beschrieben werden. 1 ist eine Schnittansicht einer Einheitszelle, die eine Brennstoffzelle gemäß dieser Ausführungsform darstellt, entlang einer Ebene, die sich in der Stapelungsrichtung von Einheitszellen ausdehnt. 2 ist eine vergrößerte partielle Ansicht einer Elektrode und einer Elektrolytmembran der Brennstoffzelle dieser Ausführungsform. Die Brennstoffzelle dieser Erfindung ist übrigens nicht auf diese Ausführungsform begrenzt.
In 1 ist eine Membran-Elektroden-Baueinheit 7 aus einer Festpolymerelektrolytmembran (nachfolgend gelegentlich einfach als „Elektrolytmembran” bezeichnet) 1, einer auf einer oder zwei Oberflächen der Elektrolytmembran 1 angeordneten Anode 2, und einer auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran angeordneten Kathode 3 aufgebaut. Des Weiteren ist die Membran-Elektroden-Baueinheit 7 sandwichartig von einem anodenseitigen Separator 8a und einem kathodenseitigen Separator 8b umgeben, somit die Einheitszelle 100 aufbauend.
Eine Seitenoberfläche von einem aus dem anodenseitigen Separator 8a und dem kathodenseitigen Separator 8b hat Vertiefungen, die Reaktionsgas-(Brennstoffgas, Oxidationsmittelgas)Kanäle 9a, 9b bilden. Diese Vertiefungen, eine äußere Oberfläche der Anode 2 und eine äußere Oberfläche der Kathode 3, definieren den Brennstoffgaskanal 9a und den Oxidationsmittelgaskanal 9b. Der Brennstoffgaskanal 9a ist ein Kanal zum Zuführen eines Brennstoffgases (ein Gas, das Wasserstoff enthält oder erzeugt) zu der Anode 2. Der Oxidationsmittelgaskanal 9b ist ein Kanal zum Zuführen eines Oxidationsmittelgases (ein Gas, das Sauerstoff enthält oder erzeugt) zu der Kathode 3. Der anodenseitige Separator 8a und/oder der kathodenseitige Separator 8b können eine Vertiefung (nicht gezeigt), die einen Kühlwasserkanal bildet, auf einer Oberflache gegenüber der Oberfläche, wo die Vertiefung für den Reaktionsgaskanal gebildet ist, aufweisen.
Bei der Brennstoffzelle der Ausführungsform weist, wie in 2 gezeigt, zumindest eine aus der Anode 2 und der Kathode 3 Kohlenstoffnanoröhren 4, die mit einer Neigung von 60° oder weniger bezüglich einer ebenen Richtung der Elektrolytmembran 1 orientiert sind, und einen Katalysator 5 und ein Elektrolytharz 6, die auf den Kohlenstoffnanoröhren 4 getragen sind, auf. Die Kohlenstoffnanoröhren 4 sind ein repräsentatives Material elektrisch leitfähiger Nanosäulen.
Die ebene Richtung der Elektrolytmembran 1 ist eine Richtung, in welcher sich eine Kontaktoberfläche der Elektrolytmembran 1 mit der Elektrode 2, 3 ausdehnt. Des Weiteren beziehen sich die mit einer Neigung von 60° oder weniger bezüglich der ebenen Richtung der Elektrolytmembran 1 orientierten Kohlenstoffnanoröhren 4 auf einen Zustand, wo der zwischen den Kohlenstoffnanoröhren 4 und der ebenen Richtung der Elektrolytmembran 1 gebildete Winkel 60° oder weniger ist, bezieht aber nicht einen Fall ein, wo der Winkel zwischen den Kohlenstoffnanoröhren 4 und der ebenen Richtung der Elektrolytmembran 10° ist. Es gibt übrigens viele Fälle, wo die Längsform von Kohlenstoffnanoröhren nicht linear ist. In solch einem Fall ist der Winkel zwischen einer Kohlenstoffnanoröhre und der ebenen Richtung der Elektrolytmembran als der zwischen einer geraden Linie, die die mittigen Abschnitte zweier entgegengesetzter Endoberflächen der Kohlenstoffnanoröhre verbindet, und der ebenen Richtung der Elektrolytmembran gebildete Winkel definiert.
Wie in 2 gezeigt, sind die Kohlenstoffnanoröhren 4 so orientiert, dass deren Neigungswinkel bezüglich der ebenen Richtung der Elektrolytmembran 1 60° oder weniger wird. Bei dieser Anordnung wird der Abstand zwischen benachbarten Kohlenstoffnanoröhren 4 kleiner, während der Abstand zwischen den Kohlenstoffnanoröhren entlang der Elektrolytmembran im Wesentlichen der gleiche bleibt, im Vergleich zu dem Fall, wo Kohlenstoffnanoröhren vertikal zu der ebenen Richtung der Elektrolytmembran orientiert sind.
In Folge, obgleich die Kohlenstoffnanoröhren auf der Elektrolytmembran in solchen Abständen (z. B. von etwa 70 bis 100 nm) angeordnet sind, dass die Elektrolytharzschichten auf benachbarten Kohlenstoffnanoröhren einander nicht kontaktieren würden, wenn die Kohlenstoffnanoröhren vertikal zu der ebenen Richtung der Elektrolytmembran orientiert wären, bringt die geneigte Orientierung der Kohlenstoffnanoröhren den Kontakt zwischen den Schichten des die Oberflächen benachbarter Kohlenstoffnanoröhren überziehenden Elektrolytharzes 6 mit sich, und erzielt eine scheinbar erhöhte Dicke des die Oberflächen der Kohlenstoffnanoröhren 4 überziehenden Elektrolytharzes. Das heißt, die Wanderung von Protonen zwischen dem Katalysator und der Elektrolytenbahn vollzieht sich nicht nur in dem die Kohlenstoffnanoröhrenoberfläche, auf welcher der betreffende Katalysator getragen ist, überziehenden Elektrolytharz, sondern auch in dem die benachbarte Kohlenstoffnanoröhrenoberfläche überziehenden Elektrolytharz. Außerdem verkürzt die Neigung der Kohlenstoffnanoröhren den linearen Abstand von der Elektrolytmembranoberfläche zu dem entfernten Ende der Kohlenstoffnanoröhren (das der Elektrolytmembran entgegengesetzte Ende).
Daher verbessert die scheinbare Erhöhung der Membrandicke des die Oberflächen der Kohlenstoffnanorohren 4 überziehenden Elektrolytharzes die Protonenleitfahigkeit zwischen dem auf den Kohlenstoffnanorohren getragenen Katalysator und der Elektrolytmembran. Zudem bedeutet der verkürzte lineare Abstand von der Elektrolytmembranoberfläche zu dem entfernten Ende der Kohlenstoffnanoröhren einen verkürzten Wanderungsabstand von Protonen zwischen dem auf dem entfernten Ende der Kohlenstoffnanoröhren getragenen Katalysator und der Elektrolytmembran. In Folge können, in der Anode 2, die auf dem an einer von der Elektrolytmembran 1 entfernten Stelle getragenen Katalysator 5 erzeugten Protonen auch problemlos zu der Elektrolytmembran wandern. In der Kathode 3 können Protonen ebenfalls problemlos zu dem an einer von der Elektrolytmembran 1 entfernten Stelle getragenen Katalysator 5 wandern.
Daher verbessert sich, da die den Katalysator 5 und das Elektrolytharz 6 tragenden Kohlenstoffnanoröhren 4 mit einer Neigung von 60° oder weniger bezüglich der ebenen Richtung der Elektrolytmembran 1 orientiert sind, die Protonenleitfähigkeit in der Anode 2 und in der Kathode 3. In Folge kann in der Brennstoffzelle der Ausführungsform der an einer von der Elektrolytmembran entfernten Stelle vorhandene Katalysator zu den Elektrodenreaktionen beitragen, wohingegen solch ein Katalysator bei den Elektrodenreaktionen in den Brennstoffzellen mit einer Struktur, in welcher Kohlenstoffnanoröhren vertikal zu einer ebenen Richtung der Elektrolytmembran orientiert sind, nicht effektiv arbeitet. Gemäß dieser Ausführungsform ist es demzufolge möglich eine Brennstoffzelle zu erhalten, in welcher sich die Verwendungseffizienz des Katalysators pro Einheitsgewicht verbessert und, als die gesamte Brennstoffzelle, die Stromerzeugungseffizienz pro Einheitsvolumen exzellent ist.
Bei dieser Ausführungsform kann es nur eine der Anode oder der Kathode sein, die eine wie oben beschriebene Elektrodenstruktur aufweist. Um die Effekte dieser Ausführungsform weiter zu verbessern, ist es vorzuziehen, dass sowohl die Anode als auch die Kathode eine wie oben beschriebene Struktur aufweisen.
Der Neigungswinkel der Kohlenstoffnanoröhren 4 bezüglich der ebenen Richtung der Elektrolytmembran 1 ist nicht besonders begrenzt, solang er größer als 0° und kleiner oder gleich 60° ist. Der Neigungswinkel kann unter Beachtung der Röhrenlänge der Kohlenstoffnanoröhren, des Tragezustandes des Katalysators, etc. geeignet bestimmt werden. Gewöhnlich ist der Neigungswinkel vom Standpunkt der Gasdiffusionsfähigkeit vorzugsweise etwa 1° bis 35° und insbesondere etwa 10° bis 30°. Wenn der Neigungswinkel der Kohlenstoffnanoröhren klein ist, kann die Gasdiffusionsfähigkeit manchmal abnehmen.
Die Gestaltung der Kohlenstoffnanoröhren 4, wie etwa der Röhrendurchmesser, die Röhrenlänge, etc., ist nicht besonders begrenzt. Allerdings ist, angesichts der Menge an Katalysator, die getragen werden kann, die Röhrenlänge davon vorzugsweise 10 bis 80 μm. Wenn die Röhrenlänge weniger als 10 μm ist, wird die Menge an Katalysator, der getragen werden kann, klein. Andererseits besteht, wenn die Röhrenlänge größer als 80 μm ist, ein Risiko die Gasdiffusion zu behindern.
Die Struktur der Kohlenstoffnanoröhren kann eine aus einer Monoschicht-Kohlenstoffnanoröhre, hergestellt durch Rollen eines Grafitblatts, oder kann auch aus einer Multischicht-Kohlenstoffnanoröhre, hergestellt durch koaxiales Verschachteln einer Vielzahl von Grafitblättern, sein. Hinsichtlich anderer elektrisch leitfähiger Nanosäulen als die Kohlenstoffnanoröhre gibt es keine besondere Begrenzung, solange die Nanosäule ein schmales und langes elektrisch leitfähiges Material mit einem Säulendurchmesser von etwa 5 bis 50 nm, einer Länge von etwa 10 bis 80 μm, und einem Seitenverhältnis von etwa 500 bis 10.000 ist. Beispiele der elektrisch leitfähigen Nanosäule beinhalten ein Kohlenstoffnanohorn.
Die Kohlenstoffnanoröhren weisen eine amorphe Schicht auf der äußeren Oberfläche auf. Da die amorphe Schicht eine größere Oberflächenfläche aufweist, kann eine größere Menge an Katalysator getragen werden. Des Weiteren kann die Kohlenstoffnanoröhre mit einer amorphen Schicht auf der Oberfläche eine Aggregation von Katalysatoren auf der Kohlenstoffnanoröhrenoberfläche und eine Konzentration von Katalysator in einer Lücke zwischen Kohlenstoffnanoröhren beschränken, und kann daher den Katalysator in einem einheitlich dispergierten Zustand auf der Kohlenstoffnanoröhrenoberfläche tragen. Da die amorphe Schicht eine starke Katalysator-unterstützende Eigenschaft aufgrund einer Störung der Elektronenwolke aufweist, weist die Kohlenstoffnanoröhre mit einer amorphen Schicht auf der äußeren Oberfläche ferner eine hohe Befähigung einen Katalysator auf der äußeren Oberfläche zu halten auf.
Die Dicke der amorphen Schicht ist nicht besonders begrenzt, ist aber bevorzugt etwa 0,5 bis 10 nm und insbesondere 1 bis 3 nm. Wenn die amorphe Schicht dünner als 0,5 nm ist, besteht ein Risiko es weniger leicht zu machen den Katalysator zu tragen. Wenn die amorphe Schicht dicker als 10 nm ist, besteht eine Möglichkeit die elektrische Leitfähigkeit zu verringern.
Was den auf den Kohlenstoffnanoröhren getragenen Katalysator 5 betrifft, ist es dienlich, wenn der Katalysator 5 eine katalytische Aktivität bei der oxidativen Reaktion von Wasserstoff in der Anode 2 oder der reduktiven Reaktion von Sauerstoff in der Kathode 3 aufweist. Beispiele solcher Katalysatoren beinhalten Metalle, wie etwa Platin, Ruthenium, Iridium, Rhodium, Palladium, Osmium, Wolfram, Blei, Eisen, Chrom, Kobalt, Nickel, Mangan, Vanadium, Molybdän, Gallium, Aluminium, etc., und Legierungen davon, etc. Vorzugsweise ist der Katalysator 5 Platin, oder eine Legierung aus Platin und einem anderen Metall, beispielsweise Ruthenium oder desgleichen.
Es ist vorzuziehen, dass der Katalysator in der Form von Teilchen mit einem Teilchendurchmesser, der kleiner als der Röhrenaußendurchmesser der Kohlenstoffnanoröhren ist, und konkret Teilchen mit einem Teilchendurchmesser von 1 bis 10 nm und insbesondere 1 bis 5 nm sei.
Das Elektrolytharz 6, das die Oberflächen der Kohlenstoffnanoröhren 4 überzieht, kann ein Harz sein, das in üblichen Brennstoffzellen verwendet wird. Beispiele des Elektrolytharzes beinhalten Fluor-basierte Elektrolytharze, vertreten durch Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharze, wie etwa Nafion (Handelsname) und desgleichen, Elektrolytharze, wie etwa Kohlenwasserstoffpolymere, die, in ihren Seitenketten, Protonen leitende Gruppen, wie etwa eine Sulfonsäuregruppe, eine Karbonsäuregruppe, eine Soronsäuregruppe, etc., usw., aufweisen. Bevorzugte Beispiele des Elektrolytharzes beinhalten Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharze und dergleichen.
Die Überzugsmenge des Elektrolytharzes auf den Kohlenstoffnanoröhren ist nicht besonders begrenzt, und es ist dienlich, dass die Uberzugsmenge unter Beachtung der Protonenleitfahigkeit der Elektroden, der Gasdiffusionsfähigkeit, etc. geeignet bestimmt wird. Gewöhnlich ist es vorzuziehen, dass das Gewichtsverhältnis zwischen den Kohlenstoffnanoröhren und dem Elektrolytharz (das Gewicht des Elektrolytharzes/das Gewicht der Kohlenstoffnanoröhren) etwa 1 bis 6 und insbesondere innerhalb des Bereichs von 2 bis 5 sei. Wenn das Gewichtsverhältnis zwischen den Kohlenstoffnanoröhren und dem Elektrolytharz groß wird, nimmt die Gasdiffusionsfähigkeit wahrscheinlich ab, während die Protonenleitfähigkeit groß wird. Wenn andererseits das Gewichtsverhaltnis zwischen den Kohlenstoffnanoröhren und dem Elektrolytharz klein wird, nimmt die Protonenleitfähigkeit wahrscheinlich ab, während die Gasdiffusionsfähigkeit groß wird. Zu diesem Zeitpunkt ist es vorzuziehen, dass die Dicke der Elektrolytharzschicht auf der Kohlenstoffnanoröhrenoberfläche etwa 5 bis 30 nm sei.
Bei der Brennstoffzelle dieser Ausführungsform können die Elektroden 2, 3 eine andere Komponente als die Kohlenstoffnanoröhren 4, den Katalysator 5 und das Elektrolytharz 6 enthalten. Des Weiteren kann eine Gasdiffusionsschicht, die einen porösen elektrischen Leiter, wie etwa ein Kohlepapier, ein Kohlenstoffgewebe, etc., mit einbezieht, zwischen dem Separator und der Schicht, die aus den Kohlenstoffnanoröhren 4, die den Katalysator 5 tragen und die mit dem Elektrolytharz 6 überzogen sind, aufgebaut ist, bereitgestellt sein.
Die Elektrolytmembran 1 kann eine Elektrolytmembran sein, die in ublichen Brennstoffzellen verwendet wird. Beispiele der Elektrolytmembran beinhalten die Membranen aus Fluor-basierten Elektrolytharzen, vertreten durch Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharze, wie etwa Nafion (Handelsname) und desgleichen, die Membranen aus Elektrolytharzen, wie etwa Kohlenwasserstoffpolymere, die in ihren Seitenketten Protonen leitende Gruppen, wie etwa eine Sulfonsäuregruppe, eine Karbonsäuregruppe, eine Borsauregruppe, etc., aufweisen, die Membranen aus Kompositelektrolyten, die eine starke Säure und ein basisches Makromolekül, erhalten durch Einfügen einer starken Säure in ein basisches Makromolekül, wie etwa Polybenzimidazol, Polypyrimidin, Polybenzoxazol, etc., enthalten. Bevorzugte Beispiele der Elektrolytmembran beinhalten Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharz-Membranen. Die Membrandicke der Elektrolytmembran 1 ist nicht besonders begrenzt, aber gewöhnlich reicht die Membrandicke von etwa 30–70 μm aus.
Es ist vorzuziehen, dass ein Ende der Kohlenstoffnanoröhren 4 in der Elektrolytmembran 1 eingebettet sei. Das „eingebettet” bedeutet hierbei einen Zustand, wo das Ende der Kohlenstoffnanoröhren 4 zu einem gewissen Grad von der Oberfläche der Elektrolytmembran in das Innere eingesunken ist. Da das Ende der Kohlenstoffnanoröhren 4 in der Elektrolytmembran eingebettet ist, ist der Zustand der Verbindung zwischen der Elektrolytmembran 1 und den Kohlenstoffnanoröhren 4 gefestigt, und das Ablösen der Kohlenstoffnanoröhren von der Elektrolytmembran kann verhindert werden. Es ist dienlich, dass die Länge der in die Elektrolytmembran eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren unter Berücksichtigung des Gleichgewichts zwischen der Lange der eingebetteten Abschnitte der Kohlenstoffnanoröhren und der Länge von Abschnitten der Kohlenstoffnanoröhren, die nicht eingebettet sind, der Zufuhr des Gases zu dem auf den eingebetteten Abschnitten getragenen Katalysator, etc., bestimmt sei. Gewöhnlich ist deren Länge 1 bis 5 μm.
Wenn ein Ende der Kohlenstoffnanoröhren 4 nicht in der Elektrolytmembran 1 eingebettet ist, ist es vorzuziehen, dass ein Ende der Kohlenstoffnanoröhren in Kontakt mit der Elektrolytmembran platziert sei oder, wenn solch ein Kontakt nicht bereitgestellt ist, der Zwischenraum zwischen dem Ende der Kohlenstoffnanoröhren und der Elektrolytmembran kleiner oder gleich 20 nm sei und das Ende der Kohlenstoffnanoröhren und die Elektrolytmembran durch ein Elektrolytharz verbunden seien, um eine Protonenleitfähigkeit des Verbindungsabschnitts zwischen den Kohlenstoffnanoröhren und der Elektrolytmembran sicherzustellen.
Ein Herstellungsverfahren für eine Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend beschrieben. Das Verfahren des Herstellens der Brennstoffzelle bei der Ausführungsform ist übrigens nicht auf das nachfolgend beschriebene Verfahren begrenzt. Zunächst wird ein Substrat, das Metallfeinteilchen trägt (hiernach manchmal als ”Metallfeinteilchen-tragendes Substrat” bezeichnet), hergestellt. Das Substrat kann ein Siliziumsubstrat, ein Glassubstrat, ein Quarzsubstrat, etc. sein. Die Oberflächen des Substrats werden nach Bedarf gewaschen. Beispiele des Verfahrens des Waschens des Substrats beinhalten einen Prozess, in welchem Erhitzung in einem Vakuum durchgeführt wird, und desgleichen.
Die Metallfeinteilchen dienen als Kerne für das Wachstum von Kohlenstoffnanoröhren, und können Eisen, Nickel, Kobalt, Mangan, Molybdän, Palladium, etc. sein. Eine ein solches Metall und einen Komplex eines solchen Metalls enthaltende Losung wird durch ein Beschichtungsverfahren, ein Elektronenstrahl-Gasabscheidungsverfahren, etc. auf das Substrat aufgebracht, um eine Metall-Dünnmembran auf dem Substrat zu bilden. Durch Erhitzen der Metall-Dünnmembran auf etwa 700 bis 750°C in einer inerten Atmosphäre oder einem vermindertem Druck, wandelt sich die Metall-Dünnmembran in Teilchen um, so dass die Metallfeinteilchen auf dem Substrat getragen werden. Gewöhnlich ist es vorzuziehen, dass die Metallfeinteilchen einen Teilchendurchmesser von etwa 5 bis 20 nm haben. Um Metallfeinteilchen mit solch einem Teilchendurchmesser zu tragen, ist es vorzuziehen, dass die Membrandicke der Metall-Dunnmembran etwa 3 bis 10 nm sei.
Als Nächstes werden Kohlenstoffnanoröhren auf dem Substrat gezüchtet. Bei diesem Kohlenstoffnanoröhren-Zuchtschritt wird den Metallfeinteilchen auf dem Metallfeinteilchen-tragenden Substrat ein Materialgas zugefuhrt, während das Substrat in einem Raum einer inerten Atmosphäre bei einer vorbestimmten Temperatur, die geeignet für das Züchten von Kohlenstoffnanoröhren ist (gewöhnlich etwa 700 bis 750°C), angeordnet ist. Das Materialgas kann beispielsweise ein Kohlenwasserstoff-basiertes Gas, wie etwa Acetylen, Methan, Ethylen, etc., usw. sein.
Die Flussmenge des Materialgases, die Zeit der Zufuhr davon, die Gesamtmenge an Zufuhr, etc., sind nicht besonders begrenzt, und es ist dienlich, dass diese Faktoren unter Beachtung der Röhrenlänge und des Röhrendurchmessers der Kohlenstoffnanoröhren, der Dicke der amorphen Schicht, etc. geeignet bestimmt werden. Zum Beispiel die Länge der gezüchteten Kohlenstoffnanoröhren, die Dicke der amorphen Schicht, etc., unterscheiden sich abhängig von der Konzentration des zugeführten Materialgases [die Materialgas-Flussmenge/(die Materialgas-Flussmenge + die Inertgasflussmenge)]. Je höher insbesondere die Konzentration des zugeführten Materialgases, desto größer wird die Dicke der amorphen Schicht, und desto kurzer wird die Lange der Kohlenstoffnanoröhren. Des Weiteren wird während des Züchtens der Kohlenstoffnanoröhren Ruß erzeugt und Ablagerungen um die Metallfeinteilchen, so dass manchmal die Zufuhr des Materialgases zu den Metallfeinteilchen gefährdet sein kann. Das Wachstum von Kohlenstoffnanoröhren läuft mit als Kerne dienenden Metallfeinteilchen auf dem Substrat ab. Wenn die Zufuhr des Materialgases zu den Metallfeinteilchen gefährdet ist, ist es daher erachtet, dass das Wachstum der Kohlenstoffnanoröhren in einer Richtung der Röhrenlänge aufhören wird, und das Wachstum davon in Richtungen des Röhrendurchmessers und die Bildung einer amorphen Schicht hauptsächlich stattfinden.
Auf die oben beschriebene Weise werden im Wesentlichen vertikal zu der ebenen Richtung des Substrats orientierte Kohlenstoffnanoröhren auf dem Substrat erhalten. Die „im Wesentlichen vertikal zu der ebenen Richtung des Substrats orientierten Kohlenstoffnanoröhren” enthalten hierbei Kohlenstoffnanoröhren, deren Form in der Röhrenlängen-Richtung linear und/oder nicht-linear ist. Im Fall von Kohlenstoffnanoröhren, deren Form in der Röhrenlängen-Richtung linear ist, ist der Winkel zwischen der geraden Linie der linearen Form und der ebenen Richtung des Substrats im Wesentlichen ein rechter Winkel. Im Fall von Kohlenstoffnanoröhren, bei welchen die Form in der Röhrenlängen-Richtung nicht linear ist, ist der Winkel zwischen einer zwei zentrale Abschnitte der beiden entgegengesetzten Endoberflächen der Kohlenstoffnanoröhren verbindenden geraden Linie und der ebenen Richtung des Substrats im Wesentlichen ein rechter Winkel.
Der oben beschriebene Kohlenstoffnanoröhren-Züchtschritt setzt ein CVD-Verfahren (chemical vapor deposition method, chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren) ein, in welchem Kohlenstoffnanoröhren durch herbeifuhren der Koexistenz von Metallfeinteilchen (Katalysatormetall) und dem Materialgas unter einer Hochtemperatur-Bedingung gebildet werden. Allerdings ist das Verfahren des Bildens von Kohlenstoffnanoröhren nicht auf das CVD-Verfahren begrenzt. Zum Beispiel können die Kohlenstoffnanoröhren ebenso unter Verwendung eines Dampfphasen-Züchtverfahrens, wie etwa ein Lichtbogenentladeverfahren, ein Laserverdampfungsverfahren, etc., oder eines anderen bekannten synthetischen Verfahrens gebildet werden.
Als Nächstes wird der Katalysator auf den auf dem Substrat gezüchteten Kohlenstoffnanoröhren aufgetragen. Das Katalysatorauftragungsverfahren in dem Katalysatorauftragungsschritt ist nicht besonders begrenzt, und kann entweder als ein Nassverfahren oder ein Trockenverfahren durchgeführt werden. Beispiele des Nassverfahrens beinhalten ein Verfahren, in welchem, nachdem eine ein Metallsalz enthaltende Lösung auf die Kohlenstoffnanoröhrenoberfläche aufgetragen wird, und die aufgetragene Lösung einem reduktiven Prozess unterzogen wird, indem sie auf 200°C oder höher in einer Wasserstoffatmosphäre erhitzt wird. Beispiele des Metallsalzes beinhalten Halogenide des oben beispielhaft als Katalysatoren erläuterten Metalls, Metallsäurehalogenide, anorganische Salze von Metallen, organische Säuresalze von Metallen, Metallkomplexsalze, etc. Die irgendeines dieser Metallsalze enthaltende Lösung kann eine wässrige Lösung oder eine Lösung eines organischen Lösungsmittels sein. Die Metallsalzlösung kann beispielsweise durch ein Verfahren, in welchem Kohlenstoffnanoröhren in die Metallsalzlösung getaucht werden, oder ein Verfahren, in welchem die Metallsalzlösung auf die Kohlenstoffnanoröhrenoberfläche getropft oder gesprüht wird, oder dergleichen auf die Kohlenstoffnanoröhrenoberfläche aufgebracht werden.
Wenn Platin als Katalysator verwendet wird, ist es beispielsweise möglich, in einem Nassverfahren, eine durch Lösen einer adäquaten Menge von Chlorplatinsäure erhaltene Platinsalzlösung, oder eine Platinnitratlösung (z. B. eine Dinitrodiaminplatinnitratlösung oder desgleichen), oder dergleichen in einem Alkohol, wie etwa Ethanol, Isopropanol, etc. zu verwenden. Unter dem Gesichtspunkt, dass Platin einheitlich auf die Kohlenstoffnanorohrenoberfläche aufgebracht werden kann, ist es insbesondere bevorzugt eine durch Lösen einer Dinitrodiaminplatinnitratlösung in einem Alkohol erhaltene Platinsalzlösung zu verwenden. Beispiele des Trockenverfahrens beinhalten ein Elektronenstrahlverdampfungsverfahren, ein Sputterverfahren, ein elektrostatisches Aufbringverfahren, etc.
Als Nächstes wird ein Elektrolytharz-Aufbringschritt des Aufbringens eines Elektrolytharzes auf die Oberflächen der den Katalysator tragenden Kohlenstoffnanoröhren durchgeführt. Das Aufbringverfahren für das Elektrolytharz ist nicht besonders begrenzt, und Beispiele davon beinhalten ein Verfahren, in welchem eine Elektrolytharzlösung, in welcher ein Elektrolytharz gelöst oder dispergiert ist, durch ein übliches Verfahren auf die Kohlenstoffnanoröhrenoberfläche aufgebracht wird, und ein Verfahren, in welchem die Kohlenstoffnanoröhren in eine Elektrolytharzlösung eingetaucht werden und dann getrocknet werden, etc. Das Elektrolytharz kann auf die Kohlenstoffnanoröhrenoberflache beispielsweise durch Aufbringen des Elektrolytharzes, welches wie oben erwähnt bereits ein Polymer ist, aufgetragen werden, oder kann auf die Kohlenstoffnanoröhrenoberfläche beispielsweise auch durch Aufbringen einer eine Elektrolytharz-Vorstufe und ein Additiv, wie etwa irgendeines von verschiedenen Polymerisationsinitiatoren oder dergleichen, nach Bedarf, enthaltenden Polymerisationszusammensetzung auf die Oberflächen der Kohlenstoffnanoröhren, und dann durch Bestrahlung mit Strahlungsstrahlen, wie etwa ultravioletten Strahlen oder dergleichen, oder durch Erhitzung polymerisiert wird, nachdem es nach Bedarf getrocknet wurde, aufgetragen werden.
Als Nächstes werden die vertikal auf dem Substrat orientierten Kohlenstoffnanoröhren (den Katalysator tragend und mit dem Elektrolytharz überzogen) thermisch zu einer Elektrolytmembran transferiert, so dass die Kohlenstoffnanoröhren mit einer Neigung von 60° oder weniger bezüglich der ebenen Richtung der Elektrolytmembran orientiert sind. Durch Einstellen der Heiztemperatur, des angelegten Drucks und der Zeit, während welcher die Erhitzung und die Druckbeaufschlagung in dem thermischen Transferschritt aufrecht erhalten werden (Transferzeit), kann der Neigungswinkel der Kohlenstoffnanoröhren bezüglich der ebenen Richtung der Elektrolytmembran eingestellt werden. Konkret kann durch Erhöhung der Heiztemperatur oder Erhöhung des angelegten Drucks oder Verlängerung der Transferzeit der Winkel der Kohlenstoffnanoröhren bezüglich der ebenen Richtung der Elektrolytmembran verringert werden.
Die Heiztemperatur wird höher oder gleich der Erweichungstemperatur des auf der Elektrolytmembran und den Kohlenstoffnanoröhren getragenen Elektrolytharzes eingestellt, damit die Kohlenstoffnanoröhren mit einem erwünschten Neigungswinkel bereitgestellt werden können. Allerdings wird exzessive Erhitzung vermieden, so dass die Elektrolytmembran und das Elektrolytharz sich nicht zersetzen werden und die Protonenleitfähigkeit nicht abfallen wird. Daher variiert die ordnungsgemäße Heiztemperatur bei dem thermischen Transferschritt abhängig von der Elektrolytmembran und dem Elektrolytharz, die verwendet werden, aber gewöhnlich ist es angemessen, dass die Heiztemperatur etwa 120 bis 170°C und vorzugsweise etwa 130 bis 160°C sei. Wenn ein Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharz als die Elektrolytmembran und das Elektrolytharz verwendet wird, ist es vorzuziehen, dass die Heiztemperatur 140 bis 160°C sei.
Der angelegte Druck ist gewöhnlich etwa 1 bis 10 MPa, und vorzugsweise etwa 2 bis 5 MPa. Wenn ein Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharz als die Elektrolytmembran und das Elektrolytharz verwendet wird, ist es vorzuziehen, dass der angelegte Druck 1 bis 5 MPa sei. Die Zeit, während welcher die Heiztemperatur und der angelegte Druck aufrecht erhalten werden (Transferzeit) ist gewöhnlich etwa 1 bis 30 Minuten, und vorzugsweise etwa 5 bis 30 Minuten. Wenn ein Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharz als die Elektrolytmembran und das Elektrolytharz verwendet wird, ist es vorzuziehen, dass die Transferzeit 10 bis 30 Minuten sei.
Während ein Herstellungsverfahren, in welchem der Katalysatorauftragungsschritt von dem Elektrolytharzaufbringschritt und dem thermischen Transferschritt in dieser Reihenfolge gefolgt wird, beschrieben wurde, kann die Reihenfolge des Elektrolytharzaufbringschritts und des thermischen Transferschritts geändert werden. Speziell kann der Katalysatorauftragschritt vor dem Elektrolytharzaufbringschritt von dem thermischen Transferschritt gefolgt werden, in welchem die Kohlenstoffnanoröhren (bereits den Katalysator tragend) zu der Elektrolytmembran transferiert wird. In dem Fall, wo das Verfahren des Aufbringens eines Harzes in dem Elektrolytharzaufbringschritt ein Nassverfahren ist, kann das Durchführen des Elektrolytharzaufbringschritts nach dem thermischen Transferschritt das Risiko mit sich bringen, dass das zum Lösen oder Dispergieren des Elektrolytharzes oder einer Elektrolytharzvorstufe verwendete Lösungsmittel die Elektrolytmembran quellen lässt, so dass die Elektrolytmembran und die thermisch transferierten Kohlenstoffnanoröhren voneinander gelöst werden. Daher ist es in dem Fall, wo nach dem Katalysatorauftragschritt der thermische Transferschritt durchgeführt wird und von dem Elektrolytharzaufbringschritt gefolgt wird, vorzuziehen, dass das Aufbringen des Elektrolytharzes in dem Elektrolytharzaufbringschritt mit einem Trockenverfahren durchgefuhrt wird.
Des Weiteren ist der Elektrolytharzaufbringschritt kein essenzieller Schritt, sondern kann weggelassen werden. In dem Fall, wo bei dem thermischen Transferschritt die Kohlenstoffnanoröhren so thermisch transferiert werden, dass etwa ein Fünftel der gesamten Länge von einem Ende in der Elektrolytmembran eingebettet ist, durchdringt beispielsweise ein Teil der gesinterten Elektrolytmembran Oberflächen der Kohlenstoffnanoröhren, so dass die Oberflächen der Berührungsteilabschnitte zwischen den Kohlenstoffnanoröhren und der Elektrolytmembran mit dem Elektrolytharz überzogen werden. Während dann das Substrat abgelöst wird, werden die Kohlenstoffnanoröhren in eine Richtung fort von der Elektrolytmembran gezogen, was in einem Zustand resultiert, in welchem nur das Ende der Kohlenstoffnanoröhren in der Elektrolytmembran eingebettet ist, und der Rest davon ragt aus der Oberfläche der Elektrolytmembran hervor. Zu diesem Zeitpunkt, selbst wenn das der Elektrolytmembran entgegengesetzte Ende der Kohlenstoffnanoröhren nicht mit dem Elektrolytharz überzogen ist, kann eine gute Protonenleitfahigkeit zwischen einem Abschnitt der Kohlenstoffnanoröhren, der das entgegengesetzte Ende beinhaltet, und der Elektrolytmembran erhalten werden, da die Kohlenstoffnanoröhren mit einer Neigung zu der ebenen Richtung der Elektrolytmembran orientiert sind, so dass das entgegengesetzte Ende der Kohlenstoffnanoröhren der Elektrolytmembranoberfläche näher kommt. Daher ist es in dem Fall, wo der Elektrolytharzaufbringschritt nicht vorgesehen ist, zur Sicherung einer Protonenleitfähigkeit vorzuziehen, dass der Neigungswinkel der Kohlenstoffnanoröhren bezüglich der ebenen Richtung der Elektrolytmembran 10° oder weniger sei. Insbesondere ist es vorzuziehen, dass die Kohlenstoffnanoröhren so geneigt seien, dass ein Abstand von 1 μm oder weniger zwischen der Oberfläche der Elektrolytmembran und dem Ende der Kohlenstoffnanoröhren, das entgegengesetzt dem in der Elektrolytmembran eingebetteten Ende davon erzielt wird.
Gewöhnlich ist die wie beschrieben erhaltene Membran-Elektroden-Baueinheit zwischen Separatoren eingelegt, die aus einem üblicherweise verwendeten elektrisch leitfähigen Material wie etwa einem Kohlenstoffmaterial, einem Metallmaterial, etc. gemacht sind, um eine Brennstoffzelle 100 (siehe 1) zu bilden.
[Kreierung einer Membran-Elektroden-Baueinheit]
(Beispiel 1)
<Schritt 1>
Zunächst wurde eine dünne Eisenmembran mit einer Dicke von 5 nm auf einem Siliziumsubstrat von 50 mm × 50 mm durch das Elektrodenstrahlverdampfungsverfahren gebildet, und dann wurde das Siliziumsubstrat in eine Quarzreaktionshülse mit einem Innendurchmesser von 50 mm gegeben. Als Nächstes wurde ein Heliumgas in die Quarzreaktionshülse mit einer Geschwindigkeit von 200 ml/Min geströmt, und die Temperatur wurde auf 730°C erhöht.
<Schritt 2>
Nachdem die Temperatur der Quarzreaktionshülse 730° erreichte, wurde ein Acetylengas mit einer Geschwindigkeit von 30 ml/Min für 10 Minuten zusammen mit dem Heliumgas (200 ml/Min) geströmt. Anschließend wurde der Zustrom des Acetylengases gestoppt, und die Quarzreaktionshülse wurde auf normale Temperatur abgekühlt. Dieses Vorgehen erzeugte Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), die im Wesentlichen vertikal auf dem Siliziumsubstrat orientiert waren. Die erhaltenen Kohlenstoffnanoröhren hatten ein Gewicht pro Einheitsfläche des Siliziumsubstrats von 0,2 mg/cm², und eine Länge von 40 μm. Beobachtung durch ein Transmissionselektronenmikroskop (von Hitachi Seisakusho) zeigte, dass eine amorphe Schicht von etwa 2 nm auf den Oberflächen der Kohlenstoffnanoröhren gebildet wurde.
<Schritt 3>
Eine Platinsalzlösung mit einer Platinkonzentration von 10 g/l wurde durch Lösen einer Dinitrodiaminplatinnitratlösung mit Ethanol angefertigt. Während das Substrat so platziert wurde, dass die Oberfläche mit den Kohlenstoffnanoröhren aufwärts zeigte wurden 200 μl der Platinsalzlösung so aufgetropft, dass die Menge der Platinsalzlösung pro Einheitsfläche des Siliziumsubstrats einheitlich wurde (etwa 8 μm/cm²). Anschließend wurde eine Wärmebehandlung bei 320°C für 2 Stunden in einer 4% Wasserstoff(verdünnt mit einem Argongas)-Atmosphäre durchgeführt. Durch dreimaliges Durchführen des Tropfens der Platinsalzlosung und der Wärmebehandlung wurde eine Elektrodenvorstufe erhalten, bei welcher 0,24 mg/cm² eines Platinkatalysators auf den vertikal auf dem Siliziumsubstrat orientierten Kohlenstoffnanoröhren aufgetragen waren.
<Schritt 4>
Eine Ethanollösung von 10 g/l eines Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharzes (eine Nafion-Losung, EW: 1100, von DuPont) wurde so zu der erhaltenen Elektrodenvorstufe getropft, dass die Menge des Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharzes (Elektrolytharz) pro Einheitsflache des Siliziumsubstrats 0,6 mg/cm² wurde (d. h. so, dass das Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharz/die Kohlenstoffnanoröhren = 3 (Gewichtsverhältnis) erreicht wurde). Danach wurde die Elektrodenvorstufe im Vakuum bei 140°C getrocknet.
<Schritt 5>
Eine Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharz-Membran von 100 mm × 100 mm (Handelsname: Nafion 112, Membrandicke: 50 μm, von DuPont) wurde zwischen zwei Siliziumsubstraten mit den vertikal orientierten Kohlenstoffnanoröhren (Platin und das Elektrolytharz tragend), welche in den Schritten 1 bis 4 erzeugt wurden, eingelegt. Zu diesem Zeitpunkt wurden die zwei Siliziumsubstrate und die Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharz-Membran so übereinandergelagert, dass die Kohlenstoffnanoröhren-gebildeten Oberflächen zu der Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharz-Membran (hiernach manchmal einfach als „Elektrolytmembran” bezeichnet) zeigten.
Als Nächstes wurden die übereinandergelagerten zwei Siliziumsubstrate und die Elektrolytmembran auf eine heiße Platte verbracht, deren Temperatur auf 150°C erhöht und für 20 Minuten gehalten wurde, während Druckbeaufschlagung bei 2 MPa durchgeführt wurde. Danach wurde Abkühlung auf normale Temperatur durchgefuhrt, und die Belastung wurde weggenommen. Anschließend wurden die Siliziumsubstrate von den Kohlenstoffnanoröhren abgelöst, so dass eine Membran-Elektroden-Baueinheit erhalten wurde, in welcher, auf beiden Seiten der Elektrolytmembran, die Kohlenstoffnanoröhren mit einer Neigung von 20° bezüglich der ebenen Richtung der Elektrolytmembran orientiert waren. Die Bedingungen der Erzeugung der Membran-Elektroden-Baueinheit, das Gewicht der Kohlenstoffnanoröhren, deren Neigungswinkel, die aufgebrachte Menge an Perfluorkohlenstoff-Sulfonsaureharz, etc. sind gemeinsam in Tabelle 1 gezeigt.
(Beispiel 2)
<Schritte 1, 2>
Diese Schritte sind dieselben, wie in Beispiel 1.
<Schritt 3>
Eine Platinsalzlösung mit einer Platinkonzentration von 30 g/l wurde durch Lösen einer Chlorplatinsäure in Isopropanol angefertigt. Während das Substrat so platziert wurde, dass die Oberfläche mit den Kohlenstoffnanoröhren aufwärts zeigte, wurden 200 μl der Platinsalzlösung so aufgetropft, dass die Menge der Platinsalzlösung pro Einheitsfläche des Siliziumsubstrats einheitlich wurde (etwa 8 μl/cm²). Anschließend wurde eine Wärmebehandlung bei 320°C für 2 Stunden in einer 4 Wasserstoff(verdünnt mit einem Argongas)-Atmosphäre durchgeführt. Eine Elektrodenvorstufe, in welcher 0,24 mg/cm² eines Platinkatalysators auf den vertikal auf dem Siliziumsubstrat orientierten Kohlenstoffnanoröhren aufgetragen war, wurde erhalten.
<Schritte 4, 5>
Unter Verwendung der in Schritt 3 erhaltenen Elektrodenvorstufe wurde eine Membran-Elektroden-Baueinheit im Wesentlichen auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten. Die Bedingungen der Erzeugung der Membran-Elektroden-Baueinheit, das Gewicht der Kohlenstoffnanoröhren, deren Neigungswinkel, die aufgebrachte Menge an Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharz, etc. sind gemeinsam in Tabelle 1 gezeigt.
(Beispiele 3 bis 7)
<Schritte 1 bis 4>
Diese Schritte sind dieselben, wie in Beispiel 1.
<Schritt 5>
Eine Membran-Elektroden-Baueinheit wurde im Wesentlichen auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten, außer dass die thermische Transferbedingung wie in Tabelle 1 gezeigt geändert wurde.
Der Neigungswinkel der Kohlenstoffnanoröhren jeder Membran-Elektroden-Baueinheit ist in Tabelle 1 gezeigt. Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass im Zusammenhang mit dem thermischen Transfer der Kohlenstoffnanoröhren von dem Siliziumsubstrat, wo die Kohlenstoffnanoröhren vertikal zu der Elektrolytmembran orientiert sind, der Neigungswinkel der Kohlenstoffnanoröhren kleiner wird, wenn die Heiztemperatur erhöht wird oder der angelegte Druck erhöht wird oder die Transferzeit verlängert wird. Es ist ebenso ersichtlich, dass in dem Fall, wo das Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharz als die Elektrolytmembran und das Elektrolytharz verwendet wird, der Neigungswinkel der Kohlenstoffnanoröhre bezüglich der ebenen Richtung der Elektrolytmembran durch Einstellen der Heiztemperatur bei 140 bis 160°C, des angelegten Drucks bei 1 bis 3 MPa, und der Transferzeit innerhalb des Bereichs von 10 bis 30 Minuten kleiner oder gleich 60° gemacht werden kann. Die Bedingungen der Erzeugung der Membran-Elektroden-Baueinheit, das Gewicht der Kohlenstoffnanoröhren, deren Neigungswinkel, die aufgebrachte Menge an Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharz, etc. sind gemeinsam in Tabelle 1 gezeigt.
(Beispiele 8 bis 14 und 16; Referenzbeispiel 15)
<Schritt 1>
Dieser Schritt ist derselbe, wie in Beispiel 1.
<Schritt 2>
Kohlenstoffnanoröhren wurden auf dem Siliziumsubstrat im Wesentlichen auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer dass die Menge an Zustrom des Acetylengases und die Einströmzeit wie in Tabelle 1 gezeigt geändert wurden. Das Gewicht pro Einheitsfläche des Siliziumsubstrats (mg/cm²) und die Länge (μm) der erhaltenen Kohlenstoffnanoröhren, und die Dicke der amorphen Schicht (nm) sind in Tabelle 1 gezeigt.
<Schritte 3 bis 5>
Diese Schritte sind dieselben, wie in Beispiel 1.
(Beispiele 17 bis 19)
<Schritte 1 bis 3>
Diese Schritte sind dieselben, wie in Beispiel 1.
<Schritt 4>
Dieser Schritt wurde im Wesentlichen auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt, außer dass eine Ethanollösung mit einer Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharz-Konzentration von 10 g/l (eine Nafionlosung, EW: 1100, von DuPont) so zu einer Elektrodenvorstufe getropft wurde, dass die Menge des Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharzes pro Einheitsfläche des Siliziumsubstrats (mg/cm²) einem in Tabelle 1 gezeigten Wert gleich wurde. Das Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharz/Kohlenstoffnanoröhre (Gewichtsverhältnis) jedes der Beispiele ist in Tabelle 1 gezeigt.
<Schritt 5>
Dieser Schritt ist derselbe, wie in Beispiel 1.
(Vergleichsbeispiel)
<Schritte 1 bis 4>
Diese Schritte sind dieselben, wie in Beispiel 1.
<Schritt 5>
Eine Membran-Elektroden-Baueinheit wurde im Wesentlichen auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten, außer dass die thermische Transferbedingung wie in Tabelle 1 gezeigt geändert wurde, so dass die Kohlenstoffnanoröhren in einem rechten Winkel (90°) bezüglich der ebenen Richtung der Elektrolytmembran orientiert waren.
[Evaluierung der Stromerzeugungsleistung der Membran-Elektroden-Baueinheit]
Hinsichtlich der wie oben beschrieben erhaltenen Membran-Elektroden-Baueinheiten der Beispiele 1 bis 19 und des Vergleichsbeispiels, wurden die Stromdichten bei 0,8 V und 0,6 V unter den folgenden Bedingungen gemessen. Ergebnisse der Messungen sind in Tabelle 2 gezeigt.
<Stromerzeugungs-Leistungsprüfungsbedingungen>

Brennstoffgas: reiner Wasserstoff (273 ml/Min)
Oxidationsmittelgas: Luft (866 ml/Min)
Druck: 0,2 MPa
Temperatur: 80°C
Feuchtigkeit: 100%RH

Tabelle 2

	Stromerzeugungs-Leistungsbewertung
	Stromdichte bei 0,8 V (A/cm²)	Stromdichte bei 0,6 V (A/cm²)
Beispiel 1	0,14	1,3
Beispiel 2	0,08	1,05
Beispiel 3	0,12	1,22
Beispiel 4	0,14	1,25
Beispiel 5	0,14	1,24
Beispiel 6	0,14	1,27
Beispiel 7	0,14	1,28
Beispiel 8	0,08	1,12
Beispiel 9	0,14	1,3
Beispiel 10	0,14	1,3
Beispiel 11	0,16	1,31
Beispiel 12	0,16	1,32
Beispiel 13	0,13	1,29
Beispiel 14	0,12	1,23
Beispiel 15*	0,13	1,25
Beispiel 16	0,12	1,24
Beispiel 17	0,12	1,18
Beispiel 18	0,12	1,25
Beispiel 19	0,12	1,24
Vergleichsbeispiel	0,11	1,13

*Referenzbeispiel

Beispiel 1, Beispiele 3 bis 7 und Vergleichsbeispiel wurden im Wesentlichen unter denselben Bedingungen hergestellt, außer dass der Neigungswinkel der Kohlenstoffnanoröhren variiert wurde. Wie in Tabelle 2 gezeigt, waren Beispiel 1 und Beispiele 3 bis 7, in welchen die Kohlenstoffnanoröhren in einem Neigungswinkel von 60° oder weniger bezüglich der ebenen Richtung der Elektrolytmembran orientiert waren, exzellenter bei der Stromerzeugungs-Leistungsfähigkeit als Vergleichsbeispiel, in welchem die Kohlenstoffnanoröhren vertikal bezüglich der ebenen Richtung der Elektrolytmembran orientiert waren. Bei Beispiel 2 und bei Beispiel 8 bis Beispiel 19 wurden, während der Neigungswinkel der Kohlenstoffnanoröhren bezüglich der ebenen Richtung der Elektrolytmembran kleiner oder gleich 60° war, die Herstellungsbedingungen für die Kohlenstoffnanoröhren von denen in Beispiel 1 abgeändert, so dass die Länge der Kohlenstoffnanoröhren oder die Dicke der amorphen Schicht geändert wurde, oder die aufgebrachte Menge des Elektrolytharzes geändert wurde, oder die Art des in dem Katalysatorauftragungsschritt verwendeten Platinsalzes geändert wurde, etc. All diese Beispiele wiesen eine gute Stromerzeugungs-Leistungsfähigkeit auf. Eine Betrachtung der Kohlenstoffnanoröhren von Beispiel 1 und Beispiel 2 durch ein Transmissionselektronenmikroskop (von Hitachi Seisakusho) zeigte, dass die Kohlenstoffnanoröhren von Beispiel 1 Platin einheitlicher auf ihren Oberflächen trugen, als die Kohlenstoffnanoröhren von Beispiel 2. Als ein Grund dafür wird angenommen, dass die in dem Platinauftragungsschritt von Beispiel 1 verwendete Dinitrodiaminplatinnitratlösung eine höhere Affinität zu den CNTs hatte, als die in dem Platinauftragungsschritt von Beispiel 2 verwendete Chlorplatinatlösung, und daher besser auf den Oberflächen der CNTS verteilt wurde. Es wird spekuliert, dass dies den Unterschied bei der Stromerzeugungs-Leistungsfähigkeit zwischen Beispiel 1 und Beispiel 2 verursachte.

Claims

Brennstoffzelle, die eine Elektrolytmembran (1) und ein Paar von auf beiden Seiten der Elektrolytmembran (1) angeordneten Elektroden (2, 3) beinhaltet, wobei zumindest eine der Elektroden eine Vielzahl elektrisch leitfähiger Nanosäulen (4), die mit einer Neigung von größer als 0° und kleiner oder gleich 60° bezüglich einer ebenen Richtung der Elektrolytmembran (1) orientiert sind, einen auf den elektrisch leitfähigen Nanosäulen (4) getragenen Katalysator (5) und ein die elektrisch leitfähigen Nanosäulen (4) überziehendes Elektrolytharz (6) aufweist, wobei die elektrisch leitfähigen Nanosäulen (4), auf einer äußeren Oberfläche davon, eine amorphe Schicht aufweisen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei ein Ende der elektrisch leitfähigen Nanosäule (4) in der Elektrolytmembran (1) eingebettet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Dicke der amorphen Schicht größer oder gleich 0,5 nm und kleiner oder gleich 10 nm ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Dicke der amorphen Schicht größer oder gleich 1 nm und kleiner oder gleich 3 nm ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die elektrisch leitfähige Nanosäule (4) ein elektrisch leitfähiges Material ist, dessen Säulendurchmesser größer oder gleich 5 nm und kleiner oder gleich 50 nm ist, und dessen Länge größer oder gleich 10 μm und kleiner oder gleich 80 μm ist, und dessen Seitenverhältnis größer oder gleich 500 und kleiner oder gleich 10.000 ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die elektrisch leitfähige Nanosäule (4) eine Kohlenstoffnanoröhre ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zumindest eine der Elektroden (2, 3) eine Vielzahl elektrisch leitfähiger Nanosäulen (4) aufweist, die mit einer Neigung orientiert sind, die größer oder gleich 1° und kleiner oder gleich 35° bezüglich der ebenen Richtung der Elektrolytmembran (1) ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 7, wobei die Vielzahl elektrisch leitfähiger Nanosäulen (4) mit einer Neigung orientiert ist, die größer oder gleich 10° und kleiner oder gleich 30° bezüglich der ebenen Richtung der Elektrolytmembran (1) ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Elektrolytharz ein Fluor-basiertes Elektrolytharz ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei das Fluor-basierte Elektrolytharz ein Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharz ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Elektrolytharz ein Kohlenwasserstoffpolymer, das eine protonenleitende Gruppe in einer Seitenkette aufweist, ist.
Herstellungsverfahren für eine Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend: Züchten auf einem Substrat elektrisch leitfähige Nanosäulen (4), die vertikal zu einer ebenen Richtung des Substrats orientiert sind; Auftragen eines Katalysators (5) auf die elektrisch leitfähigen Nanosäulen (4); und thermisches Transferieren der den Katalysator (5) auf dem Substrat tragenden elektrisch leitfähigen Nanosäule (4) zu der Elektrolytmembran (1), so dass die elektrisch leitfähigen Nanosäulen mit einer Neigung von größer als 0° und kleiner oder gleich 60° bezüglich einer ebenen Richtung der Elektrolytmembran orientiert sind.
Herstellungsverfahren für die Brennstoffzelle nach Anspruch 12, wobei bei dem thermischen Transfer, eine Heiztemperatur größer oder gleich 120°C und kleiner oder gleich 170°C ist, und ein angelegter Druck größer oder gleich 1 MPa und kleiner oder gleich 10 MPa ist, und eine Zeit, während welcher die Heiztemperatur und der angelegte Druck aufrecht erhalten werden, größer oder gleich 1 Minute und kleiner oder gleich 30 Minuten ist.
Herstellungsverfahren für die Brennstoffzelle nach Anspruch 12 oder 13, wobei: die Elektrolytmembran (1) aus einem Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäureharz gemacht ist; und die Heiztemperatur größer oder gleich 140°C und kleiner oder gleich 160°C ist, und der angelegte Druck größer oder gleich 1 MPa und kleiner oder gleich 5 MPa ist, und eine Zeit, während welcher die Heiztemperatur und der angelegte Druck aufrecht erhalten werden, größer oder gleich 10 Minuten und kleiner oder gleich 30 Minuten ist.
Herstellungsverfahren für die Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 12 bis 14, das ferner das Aufbringen eines Elektrolytharzes auf die den Katalysator (5) tragenden elektrisch leitfähigen Nanosäulen (4) umfasst.