(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の基材を収納するための反応室と、
前記基材を円筒状に曲げるための選択的な曲げ部材と、を備え、
前記曲げ部材が前記反応室に隣接して設置されることを特徴とするカーボンナノチューブの成長に用いる装置。
【請求項２】
前記基材は、可撓性基材の材料を使用して製作されることを特徴とする請求項１記載のカーボンナノチューブの成長に用いる装置。
【請求項３】
前記可撓性基材の材料は、カーボン紙、カーボンクロス、非金属または金属材料であることを特徴とする請求項２記載のカーボンナノチューブの成長に用いる装置。
【請求項４】
前記曲げ部材は、開口型の筒体、ローラー、リングまたは前記基材の両反対側を接着可能とする接着剤であることを特徴とする請求項１記載のカーボンナノチューブの成長に用いる装置。
【請求項５】
さらに、前記反応室内に炭素含有気体を提供するために用いる気体供給器を備えることを特徴とする請求項１記載のカーボンナノチューブの成長に用いる装置。
【請求項６】
さらに、前記反応室の周りに周設された加熱素子を備えることを特徴とする請求項１記載のカーボンナノチューブの成長に用いる装置。
【請求項７】
前記炭素含有気体の気体供給器は、反応室を通過するチューブ体であることを特徴とする請求項５記載のカーボンナノチューブの成長に用いる装置。
【請求項８】
前記チューブ体は、前記炭素含有気体を前記反応室内に分布させる複数の孔隙を有することを特徴とする請求項７記載のカーボンナノチューブの成長に用いる装置。
【請求項９】
さらに、前記反応室および前記チューブ体を回転させるための回転部材を備えることを特徴とする請求項７記載のカーボンナノチューブの成長に用いる装置。
【請求項１０】
前記円筒状の基材の直径は、前記反応室の直径よりやや小さく形成されることを特徴とする請求項１記載のカーボンナノチューブの成長に用いる装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブの成長に関し、特にカーボンナノチューブの成長に用いる装置及び基材構造に関する。その内、カーボンナノチューブは大きい反応面積に応用できる燃料電池の発展に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一種電力発生装置に属し、燃料と酸化気体の電化学反応を介して発生されたエネルギーを電気エネルギーに直接転換できる。環境に対する関心が日々増加されつつあり、さらに、エネルギーの枯渇につれて、より信頼的、高効率で、かつ高いエネルギー効率のある燃料電池を発展する必要性が益々高くなりつつある。
【０００３】
燃料電池の出回るにより、石化燃料の第２代無公害エネルギー源を取り代わることができる。高い効率密度及び高いエネルギー転換効率などを備えている。水素を使用する燃料源の固体高分子質膜型燃料電池（PEMFC）は、一種良く見られる燃料電池の類型である。
【０００４】
図１は、PEMFCを電力発生装置として水素、酸素の電気化学の反応により直流電を発生
させる時の基本構造を示す。図１を参照するように、PEMFCは固体高分子質膜（PEM）を含み、陽極と陰極（二電極層１２）の間に挟設される。各電極層１２は、気体拡散層（GDL
）12a及び触媒層（CL）12bからなっている。その内、気体拡散層１２ａは、反応気体と接触し、触媒層１２ｂは、気体拡散層１２ａと固体高分子質膜１１との間に設置される。気体１２ａは、カーボンクロスまたはカーボン紙で製作され、その上にカーボンブラック及び接着剤からなる細孔層を備える。気体拡散層１２ａは、触媒層内に通路を提供し、かつ触媒層と電流とを貯積する構造的な支持とすることによって、燃料電池の効率は、気体拡散層１２ａ中のカーボンブラックの厚さ、含有量または類型に影響される。今までのカーボンブラックはアセチレンブラックであるが、高効能の燃料電池の発展では、カーボンナノ材の利用、例えばカーボンナノチューブ（Carbon Nanotubes, CNTs）が益々注目されつつある。
【０００５】
一種の熱化学蒸着（ＣＶＤ）が開示され、炭化水素（アルキル）の熱分解を利用して基材上にナノチューブを合成させる。現有の熱化学蒸着の技術は、図２を参照するように、高純度な優点を有する。特許文献１において熱化学蒸着法を使用して反応チューブ２２にカーボンナノチューブが形成される。基材上に形成された導電層と触媒層とのキャリヤは、組合せ部材２３の形式を成しており、石英台２４上に固着され、さらに炭化水素の気体、またはその他の反応気体が存在する場合、ヒーター２６を使用して加熱する。
【０００６】
他に、特許文献２は、合成カーボンナノチューブの低温熱化学蒸着の装置及び方法が開示され、図３に示すように、当該装置は反応チューブ３０を備え、第１及び第２の領域(T1、T2)が区分され、それぞれ異なった温度に維持される。その内、第１の領域T1は、反応チューブ３０の高い温度領域で、第２の領域T2の温度は、第１の領域T1の温度より低く、炭素源気体が第１の領域T1に分解される。そして、第２の領域T2内に基材３５の表面上に分解された炭素源気体を使用してカーボンナノチューブを合成する。
【０００７】
いろいろな科学技術について既に多くの研究に注ぎ込んでカーボンナノチューブの合成を行っているが、基材の大きい寸法においてカーボンナノチューブを形成することは未だに大きな挑戦である。従って、今では、大きい基材にカーボンナノチューブを生成することなお必要としている。
【特許文献１】国際公開WO/2004/000728号パンフレット
【特許文献２】欧州特許１０６１０４１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、カーボンナノチューブを成長するために用いる装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
円筒状の基材を収納するための反応室が含まれ、反応室に隣接して反応室の近傍に設置される曲げ部材を選択的に備え、基材を円筒状に曲げるために用いられる。
【００１０】
本発明は、反応室内に基材構造を提供してカーボンナノチューブの成長に用いる。この基材構造は円筒状の基材を備える。その内、前記基材は、カーボンナノチューブを成長するための反応室内に収納される。
【００１１】
前記発明の内容及び以下の実施方式の詳しい説明は、図面を参照することにより理解され得る。また図示で本発明を説明するために、図面は本発明の今までのより好ましい実施例を示す。しかし、本発明は、図面に示す装置または手段に限られるものはない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図面を参照して本発明の各実施例を詳しく説明する。全ての図示において、如何なる場合のいずれも同一の参考番号を使用して同一または類似部材を示している。
【００１３】
本発明は、カーボンナノチューブの成長に用いる装置を提供する。この装置は、基材を収納するための反応室と、基材が円筒状の基材に曲げられる曲げ部材とを備える。曲げ部材は、反応室に隣接して設置される。
【００１４】
本発明によると、この基材は、可撓性基材の材料、例えばカーボン紙、カーボンクロス、非金属または金属材料で製作可能である。
【００１５】
この装置は、気体供給器を備え、この反応室内により炭素含有気体を供給する。この炭素含有気体は、例えば一酸化炭素（ＣＯ）または気態炭化水素化合物（炭化水素化合物の気体または蒸気を含む）である。この炭素含有気体は、さらにその他の気体、例えば水素（Ｈ２）、窒素ガス（Ｎ２）、アルゴンガス（Ａｒ）または二酸化炭素（ＣＯ２）とを混合して前記反応室内の基材にカーボンナノチューブを成長させるために用いられる。
【００１６】
本発明の一実施例によると、前記のように、カーボンナノチューブを成長させるための装置４０を提供する。この装置４０は、基材４３を収納するための反応室４１と、この基材４３を円筒状に曲げるための曲げ部材４２とを含み、さらに、反応室４１の近傍に加熱素子４４を隣接して設置する。その内、図４に示すように、前記曲げ部材４２は反応室４１の外部に配置することができる。
【００１７】
本発明の他の実施例によると、図５に示すように、その内に含まれた曲げ部材４２ａは、反応室４１内に設置し、または合併することもできる。
【００１８】
前記の曲げ部材は、前記のように、必ずしも反応室に対して、ある特定位置に設置されることを限らず、反応室内にカーボンナノ材料の成長を発生する前、基材を円筒状に曲げることができれば良い。また、図面を簡略化するため、後続きの図面に曲げ部材を表示しない。
【００１９】
その後、基材４３が反応室４１の入口に設置された曲げ部材４２により円筒状に曲げられる。
【００２０】
本発明の他の実施例によると、前記の曲げ部材４２は、開口型の筒体であることも可能である。基材４３は、この筒体に通された際に、筒体内において円筒状に曲げられ、かつ筒体の内壁の形状を有する。その後、基材４３が反応室４１内に挿入され、反応室４１は、反応気体が存在する状態において加熱素子４４により加熱され、基材４３上にカーボンナノ材料を成長することになる。
【００２１】
さらに、もう一つの実施例によると、前記曲げ部材４２は、ローラーとすることもできる。基材４３がローラーの近傍まで移動された時、曲げられローラーの周りを包んで円筒状に形成される。
【００２２】
他の一つの実施例によると、前記曲げ部材４２はリングであっても良い。基材４３がリングを通して、このリングに円筒状に曲げられる。また、リングは、リング体、チューブ状籠または直列に形成されたソレノイドコイル状のリングを含むことも可能であるが、それに限るものはない。
【００２３】
他の実施例において、前記曲げ部材４２は、接着材であることも可能で、基材４３の両反対端を接着して円筒状になる。例えば、この基材４３の両反対端を半田、またはその他の接着剤により円筒状に強く接着することができる。
【００２４】
前記の加熱素子４４は、電気抵抗または赤外線の照射により加熱するヒーターを利用することも可能である。それと同時に、加熱素子４４は、反応室４１内、または反応室４１の周りに設置することもできる。従って、反応室４１は、通常高温に耐えられ、かつ公害の最も低い材料で製作することができる。当該反応室４１は、好ましく石英チューブからなるものである。
【００２５】
本発明の実施例によると、前記加熱素子４４は、図４、図５に示すように配置される。加熱素子４４は、反応室の周りに設置され、反応室４１内の基材４３が反応室４１の壁面を通過して基材４３までの熱量に直接に加熱される。反応室４１を通過した反応気体も同時に加熱され、熱化学蒸着が始め、基材４３上にカーボンナノチューブを成長させることができる。
【００２６】
本発明の他の実施例によると、基材４３ａを曲げてなる円筒形は、その直径（ｒ）が反応室４１の直径（Ｒ）よりやや小さく形成される。図６を参照するように、基材４３ａが反応室４１内に収納された時、反応室４１の内壁と基材４３ａとの間にも間隙または中空空間を形成する。従って、反応気体がこの間隙または中空空間の間に自由に通過することで、基材４３ａの内、外表面上の何れもカーボンナノチューブの成長が確保され、総成長面積を増加させることができる。
【００２７】
他の実施例における加熱素子４４ａは、反応室４１内に設置される。図７を参照するように、加熱素子４４ａは、熱チューブとすることもでき、かつ反応室４１の軸方向に沿って設置することで、基材４３は、加熱素子４４ａにより直接に加熱することが確保される。そのため、反応気体が有効に分解され熱化学蒸着に必要な物質を提供することができる。
【００２８】
さらに、実施例によると、その内の反応室４１は、さらにチューブ体４５を備え、反応室４１を介して反応室４１中に炭素含有気体を供給することができる。図８に参照するように、前記チューブ体４５上は、複数の孔隙（図にチューブ体４５から外方向へ指向する
矢印方向に示すように）を有し、反応気体を反応室４１に均一に分布させる。炭素含有気体は、チューブ体４５の両端から孔隙に供給することができる。好ましくは、各孔隙の直径は略０．１ｍｍないし５ｍｍであるため、炭素含有気体が基材４３の表面に直接に流れることができ、炭素含有気体が反応しない部分は、その後、反応室４１の両開口端を介して排出される。これにより、従来の炭素含有気体が基板４３の表面に平行して流れた時に生じた層流（laminar flow）の問題を改善することができる。
【００２９】
さらに、他の実施例によると、回転部材４６を使用してチューブ体４５及び反応室４１を回転させ、基材４３上に成長するカーボンナノチューブの分布をさらに改善できる。図９を参照するように、チューブ体４５と反応室４１とは、それぞれ両反対方向に回転することができる。より好まれるのは、チューブ体４５と反応室４１は、略１分間で０ないし１００回転（０−１００ｒｐｍ）の回転速度で回転する。しかし、本発明は、前記の各実施例に限定するものはなく、チューブ体４５と反応室４１の何れも同じ方向で回転することにより基材４３上にカーボンナノチューブを均一に分布させる目的を達成できることも当然、当該分野における専業技術者が理解すべきである。
【００３０】
前記の装置によると、本発明は、一種反応室内に位置し、カーボンナノチューブを成長させるための基材構造を提供することもできる。このような基材構造は、円筒状の基材を含み、その内、円筒状の基材は、反応室内に収納され、カーボンチューブを成長するために用いられる。
【００３１】
本発明の一実施例によると、当該基材は、可撓性基材を用いて製作され、カーボン紙、カーボンクロス、非金属または金属材料が含まれているが、これに限るものはない。
【００３２】
当該基材は、曲げ部材を使用して円筒状に曲げられる。本発明の一実施例によると、この曲げ部材は、開口型の筒体、ローラー、リングまたは基材の接着可能な両反対側の接着剤である。
【００３３】
さらに、もう一つの実施例によると、図６に示すように、基材４３ａは、円筒状に曲げられ、その直径（ｒ）は、反応室４１の直径（Ｒ）よりやや小さい。そのため、反応気体が反応室４１の内壁と基材４３ａとの間の間隙または中空空間を自由に通過して、基材４３ａの内、外の表面上のいずれもカーボンナノチューブを成長させることができ、総成長面積を増加することができる。
【００３４】
基材は、その他の類似の輪郭、例えば円弧状、扇状、円錐状に曲げてカーボンナノチューブの成長に利用できる面積を増加することができれば、これらの輪郭のいずれも本発明の範疇に属するものである。
【００３５】
以上の概述によると、本発明は一種装置及び基材構造を提供することにより、この基材の領域上にカーボンナノチューブを成長させることができる。当該基材が円筒状に曲げられた時、当該成長カーボンナノチューブの領域はπ倍（約３．１４倍）に拡大することができる。従って、反応室内においてカーボンナノチューブを基材上に大面積に成長することができ、それにより燃料電池の製造効率を増進することができる。他に、前記成長されたカーボンナノチューブは、ろ過または電気化学蓄電池（例えば、燃料電池、リチウム電池及び空気電池）の電極に必要なカーボンナノチューブの製造に応用することもできる。
【００３６】
当該業者の専門技術の者は、ここに掲げられた本発明の明細書及び実施手段から本発明のその他の実施例を理解することができる。本願の明細書および挙げられた実例は、単なる一種の範例で、本願の実際的範囲または精神など下記の特許請求の範囲に指示されるものを準ずべきである。
【００３７】
当業者の専業技術の者は、本発明の広義的概念を離脱する前提において前記の各実施例を変化することができる。従って、本発明は前掲に特定された実施例に限定するものなく、特許請求の範囲の定義を含む発明の精神および範囲内の各修飾または変化にすべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】固体高分子質膜型燃料電池（PEMFC）構造の見取図。
【図２】カーボンナノチューブの成長に用いる従来装置の断面図。
【図３】カーボンナノチューブの成長に用いる他の従来装置の断面図。
【図４】本発明の第１実施例に基づいてカーボンナノチューブの成長に用いる装置の断面図。
【図５】本発明の第２実施例に基づいてカーボンナノチューブの成長に用いる装置の断面図。
【図６】本発明の第３実施例に基づいてカーボンナノチューブの成長に用いる装置の断面図。
【図７】本発明の第４実施例に基づいてカーボンナノチューブの成長に用いる装置の断面図。
【図８】本発明の第５実施例に基づいてカーボンナノチューブの成長に用いる装置の断面図。
【図９】本発明の第６実施例に基づいてカーボンナノチューブの成長に用いる装置の断面図。
【符号の説明】
【００３９】
１１…固体高分子質膜、１２…電極層、１２ａ…気体拡散層、１２ｂ…触媒層、２２…反応チューブ、２３…組合せ部材（導電層および触媒層キャリヤ）、２４…石英台、２６…ヒーター、３０…反応チューブ、３５…基材、４０…カーボンナノチューブに用いる装置、４１…反応室、４２…曲げ部材、４２ａ…曲げ部材、４３…基材、４３ａ…基材、４４…加熱素子、４４ａ…加熱素子、４５…チューブ体。
【図１】
0004486079.tif 000002
【図２】
0004486079.tif 000003
【図３】
0004486079.tif 000004
【図４】
0004486079.tif 000005
【図５】
0004486079.tif 000006
【図６】
0004486079.tif 000007
【図７】
0004486079.tif 000008
【図８】
0004486079.tif 000009
【図９】
0004486079.tif 000010