JP2009117364A

JP2009117364A - 燃料電池の膜−電極接合体及びその製造方法

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Publication number: JP2009117364A
Application number: JP2008279958A
Authority: JP
Inventors: Choko Ryu; 長洪劉; 守善 ▲ハン▼; Feng-Yan Fan
Original assignee: Qinghua University; Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Current assignee: Qinghua University; Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Priority date: 2007-11-02
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2028-10-30
Also published as: JP5032439B2; US20140113219A1; CN101425583A; US20090117437A1; US9698442B2; CN101425583B

Abstract

【課題】本発明は、燃料電池用膜‐電極接合体及びその製造方法に関する。
【解決手段】本発明の燃料電池の膜‐電極接合体は、固体高分子膜と、該固体高分子膜の両表面にそれぞれ設置された電極とを含む膜‐電極接合体において、前記電極がガス拡散層と触媒層を含み、前記触媒層が前記固体高分子膜と前記ガス拡散層の間に設置され、前記ガス拡散層がカーボンナノチューブ構造体を含み、該カーボンナノチューブ構造体には、互いに絡み合ったカーボンナノチューブが含まれる。また、本発明は、燃料電池用膜‐電極接合体の製造方法も提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の膜‐電極接合体及びその製造方法に関し、特にカーボンナノチューブを使用した燃料電池の膜‐電極接合体及びその製造方法に関するものである。

燃料電池は、燃料と酸化剤中に蓄えられる化学エネルギーを、電極反応を通して直接電気エネルギーに変換する発電装置である。燃料電池は、エネルギーの変換率が高く、環境汚染が少なく、応用範囲が広く、騒音がなく、連続運転が可能であるという長所があるので、軍事、国防、電力、自動車及び通信などの領域に広く、応用されている。

燃料電池は、アルカリ蓄電池、固体電解質型燃料電池、固体高分子型燃料電池の三種を有する（非特許文献１を参照する）。固体高分子型燃料電池は、近頃、発展が目覚しく、益々注目されている。

固体高分子形燃料電池の基本構造は、カソード、固体高分子膜（電解質）、アノードを貼り合わせて一体化した膜‐電極接合体（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ，ＭＥＡ）と呼ばれる基本部品を、反応ガスの供給流路が彫り込まれたバイポーラプレート（ｂｉｐｏｌａｒｐｌａｔｅ）と呼ばれる導電板で挟みこんで１つの基本単位を構成し、これを特に単セル（ｓｉｎｇｌｅｃｅｌｌ）と呼ぶ。単セルでは運転時に約０．７Ｖの電圧を発生する。この単セルを積層して直列接続し高電圧を得られるようにした物をセルスタック（ｆｕｅｌｃｅｌｌｓｔａｃｅｋ）と呼ぶ。

該カソード及びアノードは、それぞれ触媒層（ＣａｔａｌｙｓｔＬａｙｅｒ）とガス拡散層（ＧａｓＤｉｆｆｕｓｉｏｎＬａｙｅｒ、ＧＤＬと略称する）を含み、該触媒層は、前記ガス拡散層と前記固体高分子膜の間に設置される。該固体高分子膜の材料は、ペルフルオロスルホン酸（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｓｕｌｆｏｎｉｃａｃｉｄ）、ポリスチレンスルホン酸（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅｓｕｌｆｏｎｉｃａｃｉｄ）、ポリスチレントリフルオロ酢酸（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅｔｒｉｆｌｕｏｒｏａｃｅｔｉｃａｃｉｄ）、フェノール樹脂酸（ｐｈｅｎｏｌ−ｆｏｒｍａｌｄｅｈｙｄｅｒｅｓｉｎａｃｉｄ）及び炭化水素（ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ）のいずれか一種である。前記触媒層は、触媒材料と担体を含む。該触媒材料は、例えば、白金、金またはルテニウムなどの金属粒子である。前記担体は、例えば、グラファイト、カーボンブラック、炭素繊維またはカーボンナノチューブなどの炭素粒子である。前記ガス拡散層は、処理されたカーボン布またはカーボン紙からなる。

前記膜‐電極接合体を有する燃料電池を使用する時には、関連する部品を利用して、フローフィールドプレートを通して、膜‐電極接合体の固体高分子膜の両表面に設置された電極に燃料ガス及び酸化剤とするガスを注入する。前記燃料ガスは水素ガスであり、前記酸化剤とするガスは酸素ガスまたは酸素ガスを含む空気である。該燃料ガスを注入する電極はアノードであり、該酸化剤とするガスを注入する電極はカソードである。前記燃料電池の一端に該水素ガスが該燃料電池のアノードに入った後で、触媒の作用で、水素分子は下記のように反応する。

Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻

前記反応から生成された水素イオンは、前記固体高分子膜を通して、カソードに到達する。同時に、前記反応から生成された電子は、外部回路（図示せず）により前記カソードに到達する。

前記燃料電池の他端に、前記酸素ガスがカソードに注入された後、前記酸素ガスと、前記水素イオン及び電子とは、次のように反応する。

１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ

前記電気化学反応の過程において、外部回路が接続される場合には、電子が電流を形成し、適切な接続を通して負荷に電気エネルギーを出力することができる。前記反応から生成された水が前記ガス拡散層と前記フローフィールドプレートを通して、排出される。前記燃料ガスと前記酸化剤とするガスが前記ガス拡散層を通して、前記触媒層に拡散する。反応に必要な電子及び反応から生成された電子は、前記ガス拡散層と外部回路が接続されることにより伝達される。従って、前記ガス拡散層の材料の選択及び製造方法は、固体高分子膜燃料電池の性能に重要な影響を及ぼす。
Ｒｅｃｅｎｔａｄｖａｎｃｅｓｉｎｆｕｅｌｃｅｌｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ、ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｏｗｅｒＳｏｕｒｃｅｓ、２００１年、第１００巻、ｐ．６０−６６ＫａｉｌｉＪｉａｎｇ、ＱｕｎｑｉｎｇＬｉ、ＳｈｏｕｓｈａｎＦａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｙａｒｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１

しかし、現在、燃料電池の膜‐電極接合体に用いられるガス拡散層としては、炭素繊維紙が利用されている。従来の炭素繊維紙の製造方法は、炭素繊維、木材パルプ及びセルロース繊維を混合して、紙パルプを製作してから炭素繊維紙を製造することである。該炭素繊維紙において炭素繊維の分布が不均一であるので、前記構造を有する炭素繊維紙を利用したガス拡散層は、均一に反応ガスを拡散することができないという欠点がある。また、従来の炭素繊維紙の抵抗率は大きいので、前記ガス拡散層を機能させるための電子、及び前記ガス拡散層から生成された電子を良好に伝導することができない。上述の欠点が原因で、燃料電池の膜‐電極接合体の反応活性などの電気化学的性能が悪くなる。また、従来の炭素繊維紙は、靭性が良くないので、加工に不便である。

従って、本発明は、さらに良い反応活性を有し、加工に便利する燃料電池の膜‐電極接合体及びその製造方法を提供する。

固体高分子膜と、該固体高分子膜の両表面にそれぞれ設置された電極とを含む膜‐電極接合体において、前記電極がガス拡散層と触媒層を含み、前記触媒層が前記固体高分子膜と前記ガス拡散層の間に設置され、前記ガス拡散層が、カーボンナノチューブ構造体を含み、該カーボンナノチューブ構造体には、互いに絡み合ったカーボンナノチューブを含む。

前記カーボンナノチューブ構造体において、カーボンナノチューブが等方性に、均一的に不規則に配列される。

前記カーボンナノチューブ構造体において、単一の前記カーボンナノチューブの長さが１０マイクロメートル以上である。

前記カーボンナノチューブ構造体において、前記カーボンナノチューブが分子間力で絡み合って、ネットワーク構造が形成される。

前記カーボンナノチューブ構造体において、複数の微孔構造を有し、単一の前記微孔構造の孔径が１００マイクロメートル以下である。

前記カーボンナノチューブ構造体において、前記ガス拡散層の厚さが１マイクロメートル〜２ミリメートルである。

燃料電池の膜‐電極接合体の製造方法は、ガス拡散層とするカーボンナノチューブ構造体を製造する第一ステップと、前記ガス拡散層の表面に触媒層を形成し、電極を形成する第二ステップと、固体高分子膜を提供し、該固体高分子膜の両表面にそれぞれ前記電極を設置し、燃料電池の膜‐電極接合体を形成する第三ステップと、を含む。

前記ガス拡散層とするカーボンナノチューブ構造体を製造第一ステップは、カーボンナノチューブの原料を提供する第一サブステップと、前記カーボンナノチューブの原料を溶剤に浸漬し、該カーボンナノチューブの原料を処理して、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を形成する第二サブステップと、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造をろ過して、カーボンナノチューブ構造体を形成する第三サブステップと、を含む。

従来の燃料電池の膜‐電極接合体と比べると、本発明の燃料電池の膜‐電極接合体には、ガス拡散層がカーボンナノチューブ構造体を含む。該カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが等方性に、均一的に、不規則に配列されるので、前記カーボンナノチューブ構造体には、多く、均一に分布された微孔構造が含み、該カーボンナノチューブが大きい比表面積を有する。この構造は、有効に均一的に水素ガスと酸化剤とするガスを拡散できる。

該カーボンナノチューブの抵抗率が炭素繊維の抵抗率より小さいから、前記カーボンナノチューブ構造体の抵抗率が従来の炭素繊維紙の抵抗率より小さく、反応に必要な電子、及び反応から生成された電子を有効に伝達できる。従って、該燃料電池の膜‐電極接合体のガス拡散層は、該膜‐電極接合体の反応活性を高める。

該カーボンナノチューブ構造体において、複数のカーボンナノチューブが分子間力で互いに吸引し、絡み合って、ネットワーク構造が形成され、該カーボンナノチューブ構造体が良い靭性を有するようになり、異なる形状を有する燃料電池の膜電極を製造することに用いられる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（実施形態１）
本実施形態は、燃料電池の膜‐電極接合体１０を提供する。該燃料電池の膜‐電極接合体１０は、固体高分子膜１２と二つの電極１４を含む。該電極１４は、ガス拡散層１６と触媒層１８を含む。前記電極１４がそれぞれ前記固体高分子膜１２の両表面に設置され、前記触媒層１８が前記固体高分子膜１２と前記ガス拡散層１６の間に設置される。

前記ガス拡散層１６は、カーボンナノチューブ構造体を含む。該カーボンナノチューブ構造体は複数のカーボンナノチューブからなる自立構造である。該複数のカーボンナノチューブは互いに絡み合っている。該カーボンナノチューブ構造体の厚さは１マイクロメートル〜２ミリメートルである。前記カーボンナノチューブ構造体において、カーボンチューブは等方的に均一的に不規則に配列され、多くの微孔構造が形成され、該微孔構造の直径は１００マイクロメートル以下である。該カーボンナノチューブの抵抗率が炭素繊維の抵抗率より小さいから、前記カーボンナノチューブ構造体の抵抗率は従来の炭素繊維紙の抵抗率より小さい。前記カーボンナノチューブ構造体において、複数のカーボンナノチューブが分子間力（ファンデルワールス力）で互いに絡み合って、ネットワーク構造が形成され、該カーボンナノチューブ構造体が良い靭性を有するようになる。

前記触媒層１８は、金属粒子と炭素粒子を含む。該金属粒子は、白金、金またはルテニウムなどであり、白金が好ましい。前記炭素粒子は、グラファイト、カーボンブラック、炭素繊維またはカーボンナノチューブなどであり、カーボンナノチューブが好ましい。前記金属粒子が前記炭素粒子に分散し、触媒層１８が形成される。触媒材料とする金属粒子は、担持量が０．５ｍｇ／ｃｍ^２より、小さい。前記固体高分子膜１２の材料は、ペルフルオロスルホン酸（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｓｕｌｆｏｎｉｃａｃｉｄ）、ポリスチレンスルホン酸（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅｓｕｌｆｏｎｉｃａｃｉｄ）、ポリスチレントリフルオロ酢酸（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅｔｒｉｆｌｕｏｒｏａｃｅｔｉｃａｃｉｄ）、フェノール樹脂酸（ｐｈｅｎｏｌ−ｆｏｒｍａｌｄｅｈｙｄｅｒｅｓｉｎａｃｉｄ）及び炭化水素（ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ）のいずれか一種である。

（実施形態２）
図２を参照すると、本実施形態は、燃料電池の膜‐電極接合体１０の製造方法を提供する。該製造方法は、下記のようなステップを含む。

第一ステップでは、カーボンナノチューブ構造体を製造し、該カーボンナノチューブ構造体をガス拡散層１６として利用する。

前記カーボンナノチューブ構造体の製造方法は、下記のようなサブステップを含む。

第一サブステップでは、カーボンナノチューブアレイが形成された基材を提供し、ナイフのような工具で前記カーボンナノチューブを前記基材から剥離し、カーボンナノチューブの原料が形成される。前記カーボンナノチューブは、ある程度互いに絡み合っている。前記カーボンナノチューブの原料においては、単一のカーボンナノチューブの長さは１０マイクロメートル以上である。本実施形態から提供されたカーボンナノチューブアレイは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、又は多層カーボンナノチューブを含むことができる。

本実施形態において、前記カーボンナノチューブアレイの製造方法は、化学気相堆積（ＣＶＤ）法を採用する。該製造方法は、次のステップを含む。ステップ（ａ）では、平らな基材を提供し、該基材はＰ型のシリコン基材、Ｎ型のシリコン基材及び酸化層が形成されたシリコン基材のいずれか一種である。本実施形態において、４インチのシリコン基材を選択することが好ましい。ステップ（ｂ）では、前記基材の表面に、均一的に触媒層を形成する。該触媒層の材料は鉄、コバルト、ニッケル及びその両種以上の合金のいずれか一種である。ステップ（ｃ）では、前記触媒層が形成された基材を７００℃〜９００℃の空気で３０分〜９０分間アニーリングする。ステップ（ｄ）では、アニーリングされた基材を反応炉に置き、保護ガスで５００℃〜７４０℃の温度で加熱した後で、カーボンを含むガスを導入して、５分〜３０分間反応を行って、超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄａｒｒａｙｏｆｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献２）を成長させることができる。該カーボンナノチューブアレイの高さは１００マイクロメートル以上である。該カーボンナノチューブアレイは、互いに平行し、基材に垂直するように生長する複数のカーボンナノチューブからなる。該カーボンナノチューブは、長さが長いから、部分のカーボンナノチューブが互いに絡み合っている。生長の条件を制御することによって、前記カーボンナノチューブアレイは、例えば、アモルファスカーボン及び残りの触媒となる金属粒子などの不純物を含まなくなる。

本実施形態において、前記カーボンを含むガスとしては例えば、アセチレン、エチレン、メタンなどの活性な炭化水素が選択され、エチレンを選択することが好ましい。保護ガスは窒素ガスまたは不活性ガスであり、アルゴンガスが好ましい。

本実施形態から提供されたカーボンナノチューブアレイは、前記の製造方法により製造されることに制限されず、アーク放電法またはレーザー蒸発法で製造してもいい。該カーボンナノチューブアレイを原料にする。

第二サブステップでは、前記カーボンナノチューブの原料を溶剤に浸漬し、該カーボンナノチューブの原料を処理して、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を形成する。

前記カーボンナノチューブ原料を前記溶媒に浸漬した後、超音波式分散又は高強度攪拌又は振動などの方法により、前記カーボンナノチューブを綿毛構造に形成させる。本実施形態において、前記溶剤は水または揮発性有機溶剤である。超音波式分散方法により、カーボンナノチューブを含む溶剤に対して１０〜３０分間処理する。カーボンナノチューブは大きい比表面積を持ち、カーボンナノチューブの間に大きい分子間力があるので、前記カーボンナノチューブはそれぞれもつれて、綿毛構造に形成されている。

第三サブステップでは、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造をろ過して、カーボンナノチューブ構造体を形成する。該カーボンナノチューブ構造体を燃料電池の膜‐電極接合体１０のガス拡散層１６にする。

本実施形態において、まず、濾紙が置かれたファネルを提供する。前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を含む溶剤を濾紙が置かれたファネルにつぎ、しばらく放置して、乾燥させると、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造が分離される。図３は、前記濾紙に置かれた綿毛構造のカーボンナノチューブ構造である。図３から、カーボンナノチューブが互いに絡み合って、不規則的な綿毛構造であることが分かる。

分離された前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を容器に置き、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を所定の形状に展開し、展開された前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造に所定の圧力を加え、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造に残留した溶剤を焙り、或いは、該溶剤が自然に揮発すると、カーボンナノチューブ構造体が形成される。

本実施形態において、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造が展開される面積によって、カーボンナノチューブ構造体の厚さと面密度を制御できる。即ち、一定の体積を有する前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造は、展開される面積が大きくなるほど、カーボンナノチューブ構造体の厚さと面密度が小さくなる。該カーボンナノチューブ構造体の厚さは１マイクロメートル〜２ミリメートルであり、幅は１センチメートル〜１０センチメートルである。図４は、本実施形態において形成されたカーボンナノチューブ構造体である。

また、微多孔膜とエアーポンプファネル（Ａｉｒ−ｐｕｍｐｉｎｇＦｕｎｎｅｌ）を利用してカーボンナノチューブ構造体が形成される。具体的には、微多孔膜とエアーポンプファネルを提供し、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を含む溶剤を前記微多孔膜を通して前記エアーポンプファネルにつぎ、該エアーポンプファネルに抽気し、乾燥させると、カーボンナノチューブ構造体が形成される。前記微多孔膜は、平滑な表面を有する。該微多孔膜において、単一の微小孔の直径は、０．２２μｍにされている。前記微多孔膜は平滑な表面を有するので、前記カーボンナノチューブ構造は容易に前記微多孔膜から剥落することができる。さらに、前記エアーポンプを利用することにより、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造に空気圧をかけるので、均一なカーボンナノチューブ構造体を形成させることができる。

本実施形態から製造されたカーボンナノチューブ構造体では、互いに絡み合ったカーボンナノチューブが分子間力で互いに吸引し、ネットワーク構造が形成されるので、該カーボンナノチューブ構造体が良い靭性を有するようになる。前記カーボンナノチューブ構造体は柔軟性を有するので、該カーボンナノチューブ構造体は任意の形状に折り畳まれることができ、加工に便利である。図５は、本実施形態から製造されたカーボンナノチューブ構造体が折り畳まれた写真である。

本実施形態において、前記カーボンナノチューブ構造体は、実際の応用に応じて、任意の形状とサイズで切断でき、小型の燃料電池のガス拡散層１６に応用され、応用範囲を拡大することに利益がある。

第二ステップでは、前記ガス拡散層１６の一つの表面に触媒層１８を製造し、電極１４を形成するようになる。

前記触媒層１８を製造する方法は、下記のような工程を含む。

まず、金属粒子及び炭素粒子からなる混合物を溶液に置いて、前記溶液に水及び表面活性剤を添加して前記混合物を分散させ、触媒剤パルプを形成する。

前記触媒材料である金属粒子は、白金、金及びルテニウムのいずれか一種である。前記担体である炭素粒子は、グラファイト、カーボンブラック、炭素繊維及びカーボンナノチューブのいずれか一種である。前記金属粒子は、前記担体である炭素粒子の表面に担持され、分散した粒子が形成されている。前記金属粒子の担持量が０．５ｍｇ／ｃｍ^２以下であるように設定されている。前記炭素粒子は、高い導電性、高い比表面積、耐腐蝕性を有する。前記溶液は、ＣＨＦ１０００樹脂をジメチルアセトアミドに溶解して形成したものである。該溶液に含まれた樹脂の濃度は５ｗｔ％である。前記表面活性剤は、炭素粒子の凝集を抑えるものであり、例えば、イソプロピルアルコールなどを利用することができる。前記炭素粒子を前記触媒剤パルプに均一に分散させるために、前記触媒剤パルプを製造する前に、ボールミルで炭素粒子を研磨し、該炭素粒子の直径を減少させることができる。前記炭素粒子の分散方法としては、超音波または高強度で攪拌する方法を利用することができる。

次に、前記触媒剤パルプを前記ガス拡散層１６の一つの表面に塗布して乾燥させ、触媒層１８を形成する。

前記触媒剤パルプを塗布する方法は、スパッタ法、浸漬法またはスクリーン印刷法のいずれか一種である。前記触媒剤パルプを乾燥する方法としては、低温の条件で乾かすか、または焼付けの方法が利用されることができる。これにより、触媒層１８が罅又は隙間に浸透することを防止することができる。

第三ステップでは、固体高分子膜１２を提供し、前記電極１４をそれぞれ前記固体高分子膜１２の両表面に設置し、燃料電池の膜‐電極接合体１０を形成する。

熱圧方法で前記電極１４をそれぞれ固体高分子膜１２の両表面に結合させることができる。前記電極１４の触媒層１８は前記固体高分子膜１２の表面に隣接し、前記ガス交換層１６及び前記固体高分子膜１２の間に設置される。該固体高分子膜１２の材料は、ペルフルオロスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリスチレントリフルオロ酢酸、フェノール樹脂酸及び炭化水素のいずれか一種である。

本実施形態において、前記ガス拡散層１６の製造方法には、下記のような長所がある。カーボンナノチューブの原料に処理を行うことによって、前記カーボンナノチューブを互いに絡み合わせ、製造されたカーボンナノチューブ構造体が良い靭性を有するようになる。該製造方法は、製造する過程において、カーボンナノチューブ構造体の厚さと面密度を制御でき、工程が簡単で、実際の応用に便利である。

（実施形態３）
図６を参照すると、本発明は、燃料電池６００を提供する。該燃料電池６００は、膜‐電極接合体６１８、二つのフローフィールドプレート６１０、二つの集電体６１２及び関連部品６１４を含む。

膜‐電極接合体６１８は、固体高分子膜６０２及び二つの電極６０４を含む。単一の前記電極６０４は、ガス拡散層６０６及び触媒層６０８を含む。前記電極６０４はそれぞれ前記固体高分子膜６０２の両表面に設置され、前記触媒層６０８は前記固体高分子膜６０２及び前記ガス拡散層６０６の間に設置される。該ガス拡散層６０６は、カーボンナノチューブ構造体である。前記触媒層６０８は、金属粒子と炭素粒子を含む。該金属粒子は白金、金またはルテニウムなどであり、白金が好ましい。前記炭素粒子はグラファイト、カーボンブラック、炭素繊維またはカーボンナノチューブなどであり、カーボンナノチューブが好ましい。前記固体高分子膜６０２の材料は、ペルフルオロスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリスチレントリフルオロ酢酸、フェノール樹脂酸または炭化水素である。該固体高分子膜６０２は、プロトンを伝導し、燃料ガス及び酸化剤とするガスを分離するのに用いられる。

前記フローフィールドプレート６１０は、前記電極６０４の前記ガス拡散層６０６の表面に設置され、燃料ガス、酸化剤であるガス及び反応物である水を伝導するために用いられる。前記フローフィールドプレート６１０は金属または導電性の炭素材料からなる。該フローフィールドプレート６１０の一つの表面に一つまたは複数のフローフィールド槽６１６を設置している。該フローフィールド槽６１６は、前記ガス拡散層６０６に隣接して設置され、燃料ガス、酸化剤であるガス及び反応物である水を案内して伝導するために用いられる。前記集電体６１２は、導電性材料からなり、前記フローフィールドプレート６１０の前記電極６０４が設置された表面に対向する表面に設置される。前記集電体６１２は、前記燃料電池６００が作動する場合に生成した電子を収集して伝達することに用いられる。

前記関連部品６１４は、送風機、チューブ及びバルブなどを含む。該送風機は、チューブにより前記フローフィールドプレート６１０に接続され、前記燃料電池６００に燃料ガス及び酸化剤とするガスを提供するために用いられる。

前記燃料電池６００を使用する場合、前記関連部品６１４で燃料ガス及び酸化剤ガスを前記フローフィールドプレート６１０から通過させて、膜‐電極接合体６１８の固体高分子膜６０２の両表面に設置された電極６０４に注入させる。前記燃料ガスは水素ガスであり、前記酸化剤ガスは酸素ガスまたは酸素ガスを含む空気である。前記水素ガスは前記フローフィールド槽６１６を通してアノード（図示せず）に注入され、前記酸化剤ガスは前記フローフィールド槽６１６を通してカソード（図示せず）に注入される。

前記燃料電池６００の一端に、前記水素ガスがアノードに注入された後、次の反応が起きる。

Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻

前記反応から生成された水素イオンは、前記固体高分子膜６０２を通して、カソードに到達する。同時に、前記反応から生成された電子は、外部回路（図示せず）で前記カソードに到達する。

前記燃料電池６００の他端に、前記酸素ガスがカソードに注入された後、前記酸素ガスと、前記水素イオン及び電子とは、次のように反応する。

１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ→Ｈ_２Ｏ

前記電気化学反応において、前記電子が電流を形成し、電気エネルギーが放出される。

前記反応工程において生じた水は、前記ガス拡散層６０６及び前記フローフィールドプレート６１０を通して前記膜‐電極接合体６１８の外部へ排出されることができる。前記反応工程において、前記フローフィールドプレート６１０はチャネルとして利用され、燃料ガス、酸化ガス及び電子を伝達することができる。前記フローフィールドプレート６１０を利用して、前記燃料ガス及び酸化ガスを前記触媒層に伝達させ、電子を前記フローフィールドプレート６１０に接続された外部回路に伝達させることができる。

本実施形態において、前記ガス拡散層６０６はカーボンナノチューブ構造体を含む。該カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが互いに巻き付き、等方的に、均一的に不規則に配列される。前記カーボンナノチューブ構造体は、均一的に分布された複数の微孔構造を有する。該カーボンナノチューブ構造体は非常に大きい比表面積を有する。

従って、燃料電池６００の一端において、有効に均一に水素ガスが前記カーボンナノチューブ構造体に拡散できる。前記水素ガスは前記触媒層６０８の金属粒子に均一に接触するので、前記金属粒子及び前記水素ガスの間で生じる反応が非常に活性化される。前記燃料電池６００の他端において、前記酸素ガスが前記カーボンナノチューブ構造体で均一に前記触媒層６０８に拡散されるので、前記酸素ガスは十分に前記触媒層６０８の金属に接触することができる。従って、前記金属粒子と前記水素イオン及び電子との間で生じる反応が非常に活性化される。前記カーボンナノチューブ構造体は良好な導電性を有するので、前記電子は前記カーボンナノチューブ構造体により速く伝達されることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池の膜‐電極接合体の構造を示す図である。本発明の実施形態に係る燃料電池の膜‐電極接合体の製造方法のフローチャートである。本発明の実施形態から製造された綿毛構造のカーボンナノチューブ構造の写真である。本発明の実施形態から製造された、所定の形状を有するカーボンナノチューブ構造体の写真である。本発明の実施形態から製造された、カーボンナノチューブ構造体が折り畳まれた写真である。本発明の実施形態に係る燃料電池の構造を示す図である。

符号の説明

１０膜‐電極接合体
１２固体高分子膜
１４電極
１６ガス拡散層
１８触媒層
６００燃料電池
６０２固体高分子膜
６０４電極
６０６ガス拡散層
６０８触媒層
６１０フローフィールドプレート
６１２集電体
６１４関連部品
６１６フローフィールド槽

Claims

固体高分子膜と、該固体高分子膜の両表面にそれぞれ設置された電極とを含む膜‐電極接合体において、
前記電極がガス拡散層と触媒層を含み、
前記触媒層が前記固体高分子膜と前記ガス拡散層の間に設置され、
前記ガス拡散層が、カーボンナノチューブ構造体を含み、
該カーボンナノチューブ構造体が、互いに絡み合ったカーボンナノチューブを含むことを特徴とする燃料電池の膜‐電極接合体。
前記カーボンナノチューブ構造体において、カーボンナノチューブが等方的に、均一的に不規則に配列されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池の膜‐電極接合体。
前記カーボンナノチューブ構造体において、単一の前記カーボンナノチューブの長さが１０マイクロメートル以上であることを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載の燃料電池の膜‐電極接合体。
前記カーボンナノチューブ構造体において、前記カーボンナノチューブが分子間力で絡み合って、ネットワーク構造が形成されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池の膜‐電極接合体。
前記カーボンナノチューブ構造体が、複数の微孔構造を有し、
単一の前記微孔構造の孔径が１００マイクロメートル以下であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池の膜‐電極接合体。
前記カーボンナノチューブ構造体において、前記ガス拡散層の厚さが１マイクロメートル〜２ミリメートルであることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池の膜‐電極接合体。
ガス拡散層とするカーボンナノチューブ構造体を製造する第一ステップと、
前記ガス拡散層の表面に触媒層を形成し、電極を形成する第二ステップと、
固体高分子膜を提供し、該固体高分子膜の両表面にそれぞれ前記電極を設置し、燃料電池の膜‐電極接合体を形成する第三ステップと、
を含むことを特徴とする燃料電池の膜‐電極接合体の製造方法。
前記ガス拡散層とするカーボンナノチューブ構造体を製造する第一ステップが、
カーボンナノチューブの原料を提供する第一サブステップと、
前記カーボンナノチューブの原料を溶剤に浸漬し、該カーボンナノチューブの原料を処理して、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を形成する第二サブステップと、
前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造をろ過して、カーボンナノチューブ構造体を形成する第三サブステップと、
を含むことを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池の膜‐電極接合体の製造方法。