(57)【要約】【課題】クロスオーバを低減させることができると共に燃料と酸素との反応熱によって高分子固体電解質が劣化することを防止できる高分子固体電解質組成物。【解決手段】少なくとも一部が開口したカーボンナノチューブ１１２１とその内部に担持された触媒金属１１２２とをもつ触媒部材と、該触媒部材が分散されたプロトン伝導性をもつ高分子固体電解質からなるマトリクス１１１と、を有する。高分子固体電解質の劣化の一因が触媒金属１１２２と高分子固体電解質１１１とが直接接触していることにあり、触媒金属１１２２と高分子固体電解質１１１とを直接接触しないようにするために触媒金属をカーボンナノチューブ１１２１の内部に担持させることで劣化を防止する。カーボンナノチューブは、熱伝導性に優れ発生した反応熱を速やかに拡散できるので反応熱による局所的な温度上昇を防止できると共に、熱的安定性の高さから熱分解し難い性質をもつ。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部が開口したカーボンナノチューブと該カーボンナノチューブの内部に担持された触媒金属とをもつ触媒部材と、
該触媒部材が分散されたプロトン伝導性をもつ固体高分子電解質からなるマトリクスと、を有することを特徴とする固体高分子電解質組成物。
【請求項２】
前記カーボンナノチューブの電気的特性は半導体的である請求項１に記載の固体高分子電解質組成物。
【請求項３】
前記触媒金属は前記マトリクスに対して質量基準で０．１％〜１０％含有する請求項１又は２に記載の固体高分子電解質組成物。
【請求項４】
前記カーボンナノチューブは前記マトリクスに対して質量基準で５％〜５０％含有する請求項１〜３のいずれかに記載の固体高分子電解質組成物。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の固体高分子電解質組成物からなる薄膜であることを特徴とする固体高分子電解質膜。
【請求項６】
プロトン伝導性をもつ固体高分子電解質からなる薄膜からなる膜部材と、該膜部材に積層された請求項５に記載の固体高分子電解質膜とを有することを特徴とする固体高分子電解質膜。
【請求項７】
プロトン伝導性をもつ固体高分子電解質からなる薄膜からなる２つの膜部材と、該２つの膜部材に狭持された請求項５に記載の固体高分子電解質膜とを有することを特徴とする固体高分子電解質膜。
【請求項８】
燃料極に接する一方の前記膜部材は、酸素極に接する他方の該膜部材よりも膜厚が大きい請求項７に記載の固体高分子電解質膜。
【請求項９】
請求項５〜８のいずれかに記載の固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜を両面から狭持する触媒層とを有することを特徴とする膜−電極接合体。
【請求項１０】
請求項９に記載の膜−電極接合体を有することを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質組成物、固体高分子電解質膜、膜−電極接合体及び固体高分子電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、出力密度が高く、低温で作動し、有害物質を含む排気ガスをほとんど出さないので、従来の内燃機関に代わる輸送手段等のエネルギー源として注目されている。
【０００３】
ＰＥＦＣは、固体高分子電解質膜の一方の面にアノードを、もう一方の面にカソードを接合して構成され、たとえば、アノードには燃料としての水素、カソードには酸化剤としての酸素を供給し、アノードで水素をプロトンに酸化し、カソードで酸素を水に還元して発電する。アノード、カソード共にカーボン等の担体上にＰｔ等の貴金属を担持した微粉末からなる燃料電池用の触媒層が用いられている。
【０００４】
アノードでは水素からプロトンと電子が発生する。発生したプロトンは固体高分子電解質膜を通過してカソードに至り、発生した電子は電極間を結んだ外部回路を通ってカソードに至る。カソードではプロトンと電子と酸素とが反応して水を発生する。従って、水素と酸素とが固体高分子電解質膜を拡散・透過して直接反応すると、外部回路に電子を取り出すことができなくなり、ＰＥＦＣの電圧低下が生起する。
【０００５】
そこで、固体高分子電解質型燃料電池の固体高分子電解質膜に電極とは絶縁された触媒金属（白金等）を配置することで、固体高分子電解質膜中を拡散する水素、酸素を反応させることにより、燃料電池の両極間のクロスオーバを低減させて性能低下を防止する従来技術がある（特許文献１、２）
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−１０３９９２号公報
【特許文献２】
特開平７−９０１１１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術は、固体高分子電解質膜中において拡散してきた水素と酸素とを反応させているので、反応熱により固体高分子電解質膜を構成する固体高分子電解質が劣化するおそれがあった。
【０００８】
そこで、本発明の固体高分子電解質組成物は固体高分子電解質型燃料電池に適用したときに、クロスオーバを低減させることができると共に燃料と酸素との反応熱によって固体高分子電解質が劣化することを防止することを解決すべき課題とする。そして、固体高分子電解質型燃料電池に適用したときに、クロスオーバを低減させることができると共に燃料と酸素との反応熱によって固体高分子電解質が劣化することを防止することができる固体高分子電解質膜及び膜−電極接合体を提供することを解決すべき課題とする。また、クロスオーバを低減させることができると共に燃料と酸素との反応熱によって固体高分子電解質が劣化することを防止することができる固体高分子電解質型燃料電池を提供することを解決すべき課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する目的で本発明者は鋭意研究を行った結果、固体高分子電解質の劣化の一因が触媒金属と固体高分子電解質とが直接接触していることにあることを見出した。そして、触媒金属と固体高分子電解質とを直接接触しないようにするために触媒金属をカーボンナノチューブの内部に担持させることに想到し以下の発明を行った。カーボンナノチューブは、熱伝導性に優れ発生した反応熱を速やかに拡散できるので反応熱による局所的な温度上昇を防止できると共に、熱的安定性の高さから熱分解し難い性質をもつ。
【００１０】
本発明の固体高分子電解質組成物は、少なくとも一部が開口したカーボンナノチューブと該カーボンナノチューブの内部に担持された触媒金属とをもつ触媒部材と、該触媒部材が分散されたプロトン伝導性をもつ固体高分子電解質からなるマトリクスと、を有することを特徴とする（請求項１）。
【００１１】
ここで、前記カーボンナノチューブの電気的特性は半導体的であることが好ましい（請求項２）。カーボンナノチューブは２次元グラファイトを円筒状に丸めた構造をもち、２次元グラファイトを丸める際のグラファイトの蜂の巣格子の並び方によって電気伝導特性は金属的なものから半導体的なものまで大きく変化する。固体高分子電解質組成物は、本来的に、導電性を有しないことが好ましいので高い導電性をもつ金属的なカーボンナノチューブを分散させることは好ましくないからである。
【００１２】
ここで、前記触媒金属は前記マトリクスに対して質量基準で０．１％〜１０％含有することが好ましい（請求項３）。また、前記カーボンナノチューブは前記マトリクスに対して質量基準で５％〜５０％含有することが好ましい（請求項４）。
【００１３】
上記課題を解決する本発明の固体高分子電解質膜は、上述した固体高分子電解質組成物からなる薄膜であることを特徴とする（請求項５）。上述した固体高分子電解質組成物はその内部において拡散する水素等の燃料と酸素との反応触媒がカーボンナノチューブの内部に隔離されているので、発生する反応熱が直接マトリクスである固体高分子電解質に伝わらないと共にカーボンナノチューブにより熱が速やかに拡散するできることにより高い安定性をもつ。
【００１４】
そして、プロトン伝導性をもつ固体高分子電解質からなる薄膜からなる膜部材と、該膜部材に積層された上記の固体高分子電解質膜とを有することを特徴とする固体高分子電解質膜とすることで（請求項６）、含有するカーボンナノチューブ等からなる触媒部材が固体高分子電解質膜に悪影響を与えるおそれを低減できる。つまり、触媒部材は固体高分子電解質よりも導電性が高いので、触媒部材を含有しない固体高分子電解質からなる膜部材と積層することにより、固体高分子電解質膜の膜厚方向での導電性を低減できる。ここで、固体高分子電解質膜内では全ての部位において触媒部材を含有させる必要は少ない。つまり、触媒部材は水素と酸素とが拡散により接する部位に存在すれば足りる。
【００１５】
また、プロトン伝導性をもつ固体高分子電解質からなる薄膜からなる２つの膜部材と、該２つの膜部材に狭持された上述（請求項５）の固体高分子電解質膜とを有することを特徴とする固体高分子電解質膜とすることで（請求項７）、より少ない量の触媒部材の混入でも充分な効果が発揮できる。燃料電池での固体高分子電解質膜内において、拡散する水素等の燃料と酸素とが接する部位は燃料及び酸素の固体高分子電解質膜内での拡散性によりほぼ予測できる。従ってその部位に対して特異的に触媒部材を配設することで効果的な効果が発揮できる。例えば、触媒部材を含有する部位を適正な位置に配設するためには、燃料極に接する一方の前記膜部材は、酸素極に接する他方の該膜部材よりも膜厚が大きくなる（請求項８）。
【００１６】
更に上記課題を解決する本発明の膜−電極接合体は、上述の固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜を両面から狭持する触媒層とを有することを特徴とする（請求項９）。
【００１７】
そして、上記課題を解決する本発明の固体高分子電解質型燃料電池は、上述の膜−電極接合体を有することを特徴とする（請求項１０）。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（固体高分子電解質組成物）
本実施形態の固体高分子電解質組成物は触媒部材と、その触媒部材が分散されたマトリクスとを有する。本固体高分子電解質組成物は燃料電池に適用することが好ましい材料である。
【００１９】
触媒部材はカーボンナノチューブとそのカーボンナノチューブの内部に担持された触媒金属とをもつ。カーボンナノチューブは少なくとも一部が開口している。カーボンナノチューブは、熱分解特性に優れ且つ発生した熱を速やかに拡散させると共に、燃料に汎用される水素との親和性が高くマトリクス中を拡散してきた燃料等を速やかに内部に拡散・反応させることができる。触媒金属はカーボンナノチューブの内部で拡散してきた燃料及び酸化剤を反応させてクロスオーバを防止する。
【００２０】
カーボンナノチューブの一部を開口する方法としては特に限定しない。例えば、硝酸等の適正な酸化剤により処理する方法、適正条件下で加熱する方法、電気化学的方法等がある。一般的にカーボンナノチューブ両端のキャップ部分は分解され易いために容易に開口できる。カーボンナノチューブの開口の大きさは、拡散する水素等の燃料及び酸素等の酸化剤が侵入できる程度で足りる。カーボンナノチューブは内部に触媒金属を担持できる限り単層、多層を問わない。
【００２１】
また、カーボンナノチューブの構造としては特に限定しないが電気的特性が半導体的であるものが望ましい。カーボンナノチューブには金属的なものと半導体的なものとがあるが金属的なカーボンナノチューブはネットワーク構造を形成することで短絡の原因となりうるからである。カーボンナノチューブはグラファイト面の巻き方の違いにより電気的特性が大きく変化する。カーボンナノチューブは、円周方向への電子移動について大きなエネルギーギャップを有し、カーボンナノチューブの軸方向にのみに電子移動が制限されている。従って、軸方向のカーボン原子の配置、すなわちグラファイト面の巻き方によって電気的特性が大きく影響される。
【００２２】
グラファイト面の巻き方はカイラルベクトルで定義できる。カーボンナノチューブは単層グラファイトを任意の方向に丸めた構造をもっている。カイラルベクトルの定義を図１に示すカーボンナノチューブを例として説明する。図１のカーボンナノチューブはＯ及びＡ、Ｂ及びＢ’がそれぞれ重なるように単層グラファイトが巻かれており、カーボンナノチューブはＯＢ、ＡＢ’の方向に延びる構造をもつ。カイラルベクトルは、図１において、単層グラファイトを丸めた場合に重なる格子点を結ぶベクトルＯＡであり、基本格子ベクトルａ1、ａ2の線形結合で表される。つまり、カイラルベクトルＣhはＣh＝ｎａ1＋ｍａ2：（ｎ、ｍは整数）で表すことができ、（ｎ、ｍ）で表されるカイラル指数として特定できる。カイラル指数を特定することですべてのカーボンナノチューブの立体構造を規定できる。
【００２３】
カーボンナノチューブの電気的性質はカイラル指数に大きく影響される。カーボンナノチューブの電気的性質としては半導体的性質をもつことが好ましい。カーボンナノチューブは、カイラル指数におけるｎ、ｍが一定の関係（ｎ−ｍが０を含む３の倍数）の場合に金属的性質をもち、それ以外の場合に半導体的性質をもつ。半導体的性質をもつカーボンナノチューブのうちでもｎ−ｍが４、５、８、１１、１３、１４、１６、１７、１９、２０、２２、２３、２５、２６、２８、２９、３１、３２であることが好ましい。
【００２４】
チューブ断面の切り口がジグザク構造をもつカーボンナノチューブはｍ＝０であり、半導体的性質をもつものはｎが３の倍数でない場合である。また、チューブ断面の切り口が肘掛椅子構造をもつカーボンナノチューブはｍ＝ｎであり、すべて電気的特性は金属的である。グラファイト面が螺旋型であるカーボンナノチューブはｍ≠０且つｍ≠ｎであり、このうちのｎ−ｍが３の倍数でない構造をもつ半導体的性質をもつカーボンナノチューブが好ましい。
【００２５】
カーボンナノチューブ内に担持される触媒金属は燃料と酸化剤との反応を触媒できるものであれば特に限定しない。例えば、燃料として水素、酸化剤として酸素を用いた場合には、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｒｈ、ＡｇやＡｕ等の貴金属、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ等の卑金属を含むこともできる。
【００２６】
触媒金属はカーボンナノチューブの内部にのみ担持され、カーボンナノチューブの外には存在しないことが好ましい。触媒金属をカーボンナノチューブの内部にのみ担持させる方法としては特に限定しない。例えば、陽極酸化アルミナ膜を鋳型としてカーボンナノチューブを形成し、その内部に触媒金属を担持した後に、アルミナをフッ酸等により除去することで製造できる。陽極酸化アルミナ膜は細孔を有し、その細孔内部にカーボンナノチューブを形成できる。カーボンナノチューブを細孔内部に形成する方法としてはプロピレン等を用いたＣＶＤ、細孔内部でのアクリロニトリル、アセチレンの重合・熱分解等により達成できる。陽極酸化アルミナ以外にも適正な大きさの細孔をもつ材料があればその材料を鋳型としてカーボンナノチューブを形成できる。
【００２７】
陽極酸化アルミナ膜は陽極酸化時の条件設定により、膜厚及び細孔径を制御できるので、所望の長さ、直径のカーボンナノチューブを得ることができる。更に、カーボンナノチューブの外部がアルミナにより塞がれているので、形成されたカーボンナノチューブの内部にのみ触媒金属を担持することが極めて容易である。カーボンナノチューブの内部への触媒金属の担持は担持する触媒金属イオンを含む溶液にカーボンナノチューブを浸漬し、酸化・還元により触媒金属を析出させることで達成できる。例えば、触媒金属としての白金を担持される場合には塩化白金酸のアルコール溶液を用いることができる。アルコール溶液とするのはアルコールの表面張力が小さく、容易にカーボンナノチューブの内部に導入できるからである。
【００２８】
カーボンナノチューブはマトリクスに対して質量基準で５％〜５０％含有することが好ましい。触媒金属はマトリクスに対して質量基準で０．１％〜１０％含有することが好ましい。そして触媒部材としてはマトリクスに対して質量基準で５．１％〜６０％含有することが好ましい。
【００２９】
マトリクスは固体高分子電解質を有する。固体高分子電解質としては特に限定しない。例えば、ナフィオン（商標）等のようなパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子がある。安定なパーフルオロカーボン高分子骨格にプロトン伝導を担保するスルホン酸が結合されている。その他にもハイドロカーボン及び／又はパーフルオロカーボンからなる高分子骨格に強酸を導入した材料が例示できる。
【００３０】
本実施形態の固体高分子電解質組成物は、プロトン伝導性に優れると共に、電気絶縁性及び反応ガス透過性が低いことが望まれている。本固体高分子電解質組成物内を反応ガスは通常の固体高分子電解質組成物と同程度拡散するが、拡散した反応ガスは分散された触媒部材中のカーボンナノチューブ内に入り、内部に担持された触媒金属により反応する。その結果、反応ガスは固体高分子電解質組成物内で消費され、燃料電池の電池反応を阻害しない。更に、触媒金属はマトリクスと直接接触せず、カーボンナノチューブを介してマトリクスと接しているので、生成する反応熱は熱伝導性に優れたカーボンナノチューブにより拡散されてマトリクスに対する熱的影響を最小限に抑えることができる。
【００３１】
（固体高分子電解質膜）
〔第１形態〕
本実施形態の固体高分子電解質膜は、前述の固体高分子電解質組成物を薄膜に製膜したものである。膜厚としては強度及び電子絶縁性が確保できる限度に薄いことがプロトン伝導性の観点から望ましい。例えば、１０〜２００μｍ程度である。そして前述の固体高分子電解質組成物を製膜する方法としては特に限定しない。例えば、前述の固体高分子電解質組成物を適正な溶媒に溶解させた後に、キャスティング等行う方法や、熱融解物を製膜する方法で達成できる。
【００３２】
本実施形態の固体高分子電解質膜は、プロトン伝導性に優れると共に、電気絶縁性及び反応ガス透過性が低いことが望まれている。本固体高分子電解質膜内を反応ガスは通常の固体高分子電解質膜と同程度拡散するが、拡散した反応ガスは分散された触媒部材中のカーボンナノチューブ内に入り、内部に担持された触媒金属により反応する。その結果、反応ガスは固体高分子電解質膜内で消費され、燃料電池の電池反応を阻害しない。更に、触媒金属はマトリクスと直接接触せず、カーボンナノチューブを介してマトリクスと接しているので、生成する反応熱は熱伝導性に優れたカーボンナノチューブにより拡散されて固体高分子電解質膜を構成するマトリクスに対する熱的影響を最小限に抑えることができる。
【００３３】
〔第２形態〕
本実施形態の固体高分子電解質膜は、第１形態の固体高分子電解質膜にプロトン伝導性をもつ固体高分子電解質からなる膜部材を積層する。ここで、「第１形態の固体高分子電解質膜と膜部材とを積層」したものは両者が一体的となって分離できない場合も含む。膜部材を形成する固体高分子電解質としては固体高分子電解質組成物で説明したマトリクスを形成する材料がそのまま適用できる。膜部材を積層する方法としては独立して膜部材を形成して重ね合わせる方法のほか、膜部材又は第１形態の固体高分子電解質膜を製造した後に他方を一体的に形成する方法がある。一体的に形成する方法としては適正な溶媒に溶解したり、熱融解したりすることでできる。
【００３４】
本実施形態における触媒部材を有する固体高分子電解質膜の厚みは薄いことが好ましい。全体としては前述の第１形態で説明した厚みとなることが好ましい。触媒部材を有する部分は酸素極に接する側とすることが好ましい。酸素の方が水素よりも拡散速度が遅いので、酸素極近傍で水素と酸素とが接触する。従って、水素と酸素とが接する付近である酸素極近傍に触媒部材を配設することが好ましい。
【００３５】
従って、固体高分子電解質膜内において、触媒部材が分散された部分が少ないので同じ量の触媒部材を分散させることとすると、より高濃度に分散でき、同濃度で分散させることとすると分散させる量を少なくできる。
【００３６】
〔第３形態〕
本実施形態の固体高分子電解質膜は、第２形態の固体高分子電解質膜の膜部材が積層されていない側にも膜部材を積層したものである。ここで、「第２形態の固体高分子電解質膜と膜部材とを積層」したものは両者が一体的となって分離できない場合も含む。
【００３７】
触媒部材は酸素と水素とが接する付近に配設すれば充分である。第２形態において説明したように、固体高分子電解質膜中を拡散する水素と酸素とは酸素極近傍で接するので、水素と酸素とが接する付近に合わせて触媒部材が配設することが好ましい。従って、触媒部材を含有する膜の両側を触媒部材を含有せず膜厚が調節された膜部材で狭持し、触媒部材の配設された位置を調節している。触媒部材を含有する膜の位置は、膜全体の厚みに対して、１：２〜１：５程度の位置とすることが水素と酸素との拡散速度の比から好ましい。なお、燃料電池に適用する場合に触媒部材が偏って配設された側が酸素極の側である。
【００３８】
ここで、本実施形態の固体高分子電解質膜の厚みは全体として第１形態の固体高分子電解質膜と同様である。
【００３９】
例えば、図２に示すように、触媒金属１１２２とその触媒金属１１２２が内部に担持されたカーボンナノチューブ１１２１とからなる触媒部材１１２１、１１２２は、固体高分子電解質膜１のうち酸素極２に近い側の一部１１にのみ含有されている。酸素極２から拡散される酸素と水素極３から拡散される水素とは固体高分子電解質膜の一部１１付近で接するのでその近傍にのみ触媒部材１１２１、１１２２を含有させている。
【００４０】
（膜−電極接合体）
本実施形態の膜−電極接合体は、前述の固体高分子電解質膜と、その固体高分子電解質膜を両面から狭持する触媒層とを有する。触媒層は特に限定しないが、触媒金属とその触媒金属を分散する適正な分散媒とからなる層である。触媒金属としては固体高分子電解質組成物で説明した触媒金属の種類がほぼそのまま適用できる。触媒金属はそのまま分散されているほかにカーボン粉末等の表面に担持されていることもできる。
【００４１】
触媒金属を分散する分散媒としては前述したマトリクスを構成する固体高分子電解質がほぼそのまま適用できる。但し、触媒層における固体高分子電解質はプロトン伝導性の他、水素や酸素等の反応ガスの拡散性に優れることが好ましい。触媒層は触媒金属とその触媒金属を分散した分散媒とを適正条件で溶液か又は熱融解したものを前述した固体高分子電解質膜の表面に塗布することで製造できる。触媒層として触媒金属を直接ＰＶＤ等により付着することもできる。
【００４２】
本実施形態の膜−電極接合体における固体高分子電解質膜は、プロトン伝導性に優れると共に、電気絶縁性及び反応ガス透過性が低いことが望まれている。本固体高分子電解質膜内を反応ガスは通常の固体高分子電解質膜と同程度拡散するが、拡散した反応ガスは分散された触媒部材中のカーボンナノチューブ内に入り、内部に担持された触媒金属により反応する。その結果、反応ガスは固体高分子電解質膜内で消費され、燃料電池の電池反応を阻害しない。更に、触媒金属はマトリクスと直接接触せず、カーボンナノチューブを介してマトリクスと接しているので、生成する反応熱は熱伝導性に優れたカーボンナノチューブにより拡散されて固体高分子電解質膜を構成するマトリクスに対する熱的影響を最小限に抑えることができる。
【００４３】
（固体高分子電解質型燃料電池）
本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池は燃料電池セルを単独で又は複数積層したスタックを形成している。燃料電池セルは前述の膜−電極接合体を有し、更にセパレータで狭持している。膜−電極接合体とセパレータとの間に反応ガス及び発生する生成水等を均等に拡散する拡散層を形成しても良い。
【００４４】
拡散層としては一般的なカーボン粉末と撥水性高分子粉末との混合物を用いることができる。固体高分子電解質を含有させることもできる。
【００４５】
膜−電極接合体の両側の触媒層にそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスとを供給するガス供給装置がそれぞれ対応する側のセパレータから接続される。そして燃料ガスとしては水素ガスを酸化剤ガスとして空気がある。
【００４６】
セパレータも一般的に使用されている材質、形態のものが使用できる。セパレータには流路が形成され、その流路には反応ガスを供給するためのガス供給装置が接続されると同時に、反応しなかった反応ガス及び発生した水を除去する手段とが接続される。
【００４７】
本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池における固体高分子電解質膜は、プロトン伝導性に優れると共に、電気絶縁性及び反応ガス透過性が低いことが望まれている。本固体高分子電解質膜内を反応ガスは通常の固体高分子電解質膜と同程度拡散するが、拡散した反応ガスは分散された触媒部材中のカーボンナノチューブ内に入り、内部に担持された触媒金属により反応する。その結果、反応ガスは固体高分子電解質膜内で消費され、燃料電池の電池反応を阻害しない。更に、触媒金属はマトリクスと直接接触せず、カーボンナノチューブを介してマトリクスと接しているので、生成する反応熱は熱伝導性に優れたカーボンナノチューブにより拡散されて固体高分子電解質膜を構成するマトリクスに対する熱的影響を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】カイラル指数を説明するためにカーボンナノチューブの構造を表した図である。
【図２】本実施形態の膜−電極接合体の部分拡大模式図である。
【符号の説明】
Ｃh…カイラルベクトル    ａ1、ａ2…基本格子ベクトル
１…固体高分子電解質膜
１１…固体高分子電解質膜（触媒部材含有）
１１１…マトリクス    １１２１、１１２２…触媒部材（１１２１…カーボンナノチューブ、１１２２…触媒金属）
１２、１３…膜部材
２…触媒層（酸素極）
３…触媒層（水素極）
４、５…拡散層
【図１】
2004199943.tif 000003
【図２】
2004199943.tif 000004