(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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及び触媒層を含み、
前記触媒層が前記固体高分子膜及び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フィルムであり、該カーボンナノチューブフィルムが複数のカーボンナノチューブからなり、
前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが、該カーボンナノチューブフィルムの表面に平行であることを特徴とする燃料電池の膜‐電極接合体。
【請求項２】
前記カーボンナノチューブフィルムが自立構造を有し、
前記複数のカーボンナノチューブがそれぞれ接続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。
【請求項３】
前記カーボンナノチューブフィルムが複数の微孔構造を有し、
単一の微孔構造の直径が１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または２に記載の燃料電池の膜‐電極接合体。
【請求項４】
前記カーボンナノチューブフィルムの厚さが１マイクロメートル〜１ミリメートルであ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。
【請求項５】
ガス拡散層とする複数のカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブフィルム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ようになる第三ステップと、
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。
【請求項６】
前記ガス拡散層とするカーボンナノチューブフィルムを製造する第一ステップが、
カーボンナノチューブアレイが形成された基板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アレイに圧力をかけて、カーボンナノチューブフィルムを形成する第二サブステップと、
を含むことを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池の膜‐電極接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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  （Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ，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（ｂｉｐｏｌａｒ  ｐｌａｔｅ）  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（ｓｉｎｇｌｅ  ｃｅｌｌ）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（ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ  ｓｔａｃｋ）と呼ぶ。
【０００５】
該カソード及びアノードは、それぞれ触媒層（Ｃａｔａｌｙｓｔ  Ｌａｙｅｒ）とガス拡散層（Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ、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（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｓｕｌｆｏｎｉｃ  ａｃｉｄ）、ポリスチレンスルホン酸（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ  ｓｕｌｆｏｎｉｃ  ａｃｉｄ）、ポリスチレントリフルオロ酢酸（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏａｃｅｔｉｃ  ａｃｉｄ）、フェノール樹脂酸（ｐｈｅｎｏｌ−ｆｏｒｍａｌｄｅｈｙｄｅ  ｒｅｓｉｎ  ａｃｉｄ）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。
【０００６】
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。
【０００７】
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
【００１１】
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。
【非特許文献１】“Ｒｅｃｅｎｔ  ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ａｎｄ  ｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ”、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ、２００１年、第１００巻、ｐ．６０−６６
【非特許文献２】Ｋａｉｌｉ  Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ  Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ  Ｆａｎ、“Ｓｐｉｎｎｉｎｇ  ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ  ｙａｒｎｓ”、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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。
【００１３】
従って、本発明は、さらに良い反応活性を有し、加工に便利な燃料電池の膜‐電極接合体及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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燃料電池の膜‐電極接合体において、前記電極はガス拡散層及び触媒層を含み、前記触媒層は前記固体高分子膜及び前記ガス拡散層の間に設置される。前記ガス拡散層は、カーボンナノチューブフィルムを含み、前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは該カーボンナノチューブフィルムの表面に平行する。
【００１５】
前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、カーボンナノチューブは等方性に配列され、又は、所定の方向または異なる方向に沿って選択的な方向に配列される。
【００１６】
前記カーボンナノチューブフィルムは自立構造を有し、前記複数のカーボンナノチューブは接続されている。
【００１７】
前記カーボンナノチューブフィルムは複数の微孔構造を有し、単一の微孔構造の直径は１マイクロメートル以下である。
【００１８】
前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは１マイクロメートル〜１ミリメートルである。
【００１９】
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フィルム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。
【００２０】
前記ガス拡散層とするカーボンナノチューブフィルムを製造する第一ステップは、カーボンナノチューブアレイが形成された基板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アレイに圧力をかけて、カーボンナノチューブフィルムを形成する第二サブステップとを含む。
【発明の効果】
【００２１】
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‐電極接合体のガス拡散層はカーボンナノチューブフィルムを含む。該カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは該カーボンナノチューブフィルムの表面に平行し、前記カーボンナノチューブフィルムに、均一に複数の微孔構造が形成されるので、前記ガス拡散層は有効に均一に水素ガス及び酸化剤とするガスを拡散することができる。
【００２２】
また、前記カーボンナノチューブフィルムの抵抗率は従来の炭素繊維紙の抵抗率より小さいので、反応工程に対する必要の電子、及び反応工程を行って生成し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。
【００２３】
さらに、本発明の製造方法において、カーボンナノチューブが均一に生長されたカーボンナノチューブアレイであるので、カーボンナノチューブが均一に分散したカーボンナノチューブフィルムを製造することができる。従って、該カーボンナノチューブフィルムは、良い機械強度と靭性を有し、加工に便利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
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。
【００２５】
（実施形態１）
本実施形態は、図１を参照すると、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及び触媒層１８を備える。前記電極１４は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は前記固体高分子膜１２及び前記ガス拡散層１６の間に設置される。
【００２６】
前記ガス拡散層１６は、カーボンナノチューブフィルムを含む。前記カーボンナノチューブフィルムにおける複数のカーボンナノチューブは、それぞれ前記カーボンナノチューブフィルムの表面に平行して配列されている。該カーボンナノチューブフィルムの厚さは１マイクロメートル〜１ミリメートルである。前記カーボンナノチューブフィルムには、カーボンナノチューブが等方性に配列され、或いは、所定の方向または異なる方向に沿って選択的な方向に配列される。前記カーボンナノチューブフィルムは均一に分布した複数の微孔構造を含む。さらに、単一の前記微孔構造の直径は１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フィルムには、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）で相互に吸引し接続されるので、複数のカーボンナノチューブからなった前記カーボンナノチューブフィルムは自立構造を有し、さらに、良い靭性を有するという優れた点がある。
【００２７】
前記触媒層１８は、金属粒子及び炭素粒子を含む。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。前記金属粒子を前記炭素粒子に分散させて、触媒層１８を形成することができる。前記金属粒子の担持量は０．５ｍｇ／ｃｍ２以下である。前記固体高分子膜１２の材料は、ペルフルオロスルホン酸（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｓｕｌｆｏｎｉｃ  ａｃｉｄ）、ポリスチレンスルホン酸（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ  ｓｕｌｆｏｎｉｃ  ａｃｉｄ）、ポリスチレントリフルオロ酢酸（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏａｃｅｔｉｃ  ａｃｉｄ）、フェノール樹脂酸（ｐｈｅｎｏｌ−ｆｏｒｍａｌｄｅｈｙｄｅ  ｒｅｓｉｎ  ａｃｉｄ）または炭化水素（ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ）などである。
【００２８】
（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。
【００２９】
第一ステップでは、カーボンナノチューブフィルムを製造し、該カーボンナノチューブフィルムをガス拡散層１６として利用する。
【００３０】
前記カーボンナノチューブフィルムの製造方法は、下記のような工程を含む。
【００３１】
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板を提供する。該カーボンナノチューブアレイは超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ  ａｒｒａｙ  ｏｆ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献２）である。
【００３２】
本実施形態の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。
【００３３】
本実施形態において、前記カーボンナノチューブアレイは、化学気相堆積法により成長された。該製造方法は次のステップを含む。ステップ（ａ）では、平らな基板を提供する。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板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に触媒層を形成する。該触媒層は、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板を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前記基板を反応炉に置き、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を成長させたことができる。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。該超配列カーボンナノチューブアレイは、相互に平行し、前記基板に垂直しに生長された複数のカーボンナノチューブからなる。前記カーボンナノチューブアレイの面積は、前記基板の面積と同じである。生長の条件を制御することによって、前記超配列カーボンナノチューブアレイにおいて、例えば、無定形炭素及び残りの触媒とする金属粒子などの不純物を含まなくなる。
【００３４】
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。
【００３５】
第二サブステップでは、前記カーボンナノチューブアレイに所定の圧力をかけて該カーボンナノチューブアレイを押し、カーボンナノチューブフィルムを形成する。
【００３６】
前記カーボンナノチューブアレイに圧力をかけるために、押し器具を利用する。押し器具を利用することにより、所定の圧力をかけて前記カーボンナノチューブアレイを押し、該カーボンナノチューブアレイが圧力で倒れ、自立構造を有するカーボンナノチューブフィルムが形成された。
【００３７】
図３は、本発明の実施形態のカーボンナノチューブフィルムの拡大写真である。該カーボンナノチューブフィルムは、直径が１０センチメートルである。前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの配列方向は、前記押し器具の形状及び前記カーボンナノチューブアレイを押す方向により決められている。
【００３８】
例えば、図４は、本発明の実施形態の等方性のカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。平面を有する押し器具を利用して、前記カーボンナノチューブアレイが成長された基板に垂直な方向に沿って前記カーボンナノチューブアレイを押す場合、平面等方性に配列されたカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブフィルムが形成されている。
【００３９】
図５は、本発明の実施形態の選択的な方向に配列されたカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。ローラー形状を有する押し器具を利用して、所定の方向に沿って前記カーボンナノチューブアレイを同時に押す場合、選択的な方向に配列されるカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブフィルムが形成されている。ローラー形状を有する押し器具を利用して、異なる方向に沿って、前記カーボンナノチューブアレイを同時に押す場合、前記異なる方向に沿って、選択的な方向に配列されるカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブフィルムが形成されている。
【００４０】
前記異なる方式で前記カーボンナノチューブアレイを押す場合、該カーボンナノチューブが倒れて、隣接するカーボンナノチューブが分子間力で相互に吸引し、接続し、カーボンナノチューブフィルムが形成された。該カーボンナノチューブフィルムは、選択的な方向に配列されたカーボンナノチューブまたは等方性に配列されたカーボンナノチューブからなって、自立構造を有する。前記カーボンナノチューブは、圧力の作用で前記カーボンナノチューブが形成された基材から脱離するので、製造された前記カーボンナノチューブフィルムも該基材から脱離しやすい。
【００４１】
前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの傾斜の程度は、前記カーボンナノチューブアレイにかけた圧力に関係する。即ち、該圧力が大きくなるほど、前記傾斜の程度が大きくなる。前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは、前記カーボンナノチューブアレイの高さ及び該カーボンナノチューブアレイにかけた圧力に関係する。即ち、前記カーボンナノチューブアレイの高さが大きくなるほど、また、該カーボンナノチューブにかけた圧力が小さくなるほど、前記カーボンナノチューブフィルムの厚さが大きくなる。これとは逆に、カーボンナノチューブアレイの高さが小さくなるほど、また、該カーボンナノチューブにかけた圧力が大きくなるほど、前記カーボンナノチューブフィルムの厚さが小さくなる。本実施形態において、製造されたカーボンナノチューブフィルムの厚さは、１ミリメートル〜１マイクロメートルである。
【００４２】
本実施形態において、実際の応用に応じて、前記カーボンナノチューブフィルムを任意の形状及びサイズによって切断でき、小型の燃料電池のガス拡散層１６に応用することができる。
【００４３】
本実施形態において、前記カーボンナノチューブアレイにおいて、カーボンナノチューブが均一的に生長されたから、押し器具で直接的に前記カーボンナノチューブアレイに圧力をかけることを利用して、カーボンナノチューブが均一に分散したカーボンナノチューブフィルムを製造することができる。従って、該カーボンナノチューブフィルムは、良い機械強度と靭性を有し、加工に便利である。
【００４４】
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を堆積し、電極１４を形成する。
【００４５】
前記触媒層１８を製造する方法は、下記の工程を含む。
【００４６】
まず、金属粒子及び炭素粒子からなる混合物を溶液中に置いて、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。
【００４７】
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／ｃｍ２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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
第三ステップには、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。
【００５１】
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。
【００５２】
（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。
【００５３】
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フィルムである。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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ→Ｈ２Ｏ
【００６２】
前記電気化学反応において、前記電子が電流を形成して、電気エネルギーが放出される。
【００６３】
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。
【００６４】
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フィルムを含む。該カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは該カーボンナノチューブフィルムの表面に平行に配列されている。ここで、前記カーボンナノチューブは、等方性に配列され、或いは、所定の方向または異なる方向に沿って選択的な方向に配列される。前記カーボンナノチューブフィルムは、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フィルムは非常に大きい比表面積を有する。
【００６５】
従って、燃料電池６００の一端に、有効に均一に水素ガスが前記カーボンナノチューブフィルムに拡散できる。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。前記膜‐電極接合体６１８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フィルム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フィルム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フィルムにより速く伝達されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施形態１に係る燃料電池の膜‐電極接合体の構造を示す図である。
【図２】本発明の実施形態２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。
【図３】本発明の実施形態２から製造したカーボンナノチューブフィルムの写真である。
【図４】本発明の実施形態２から製造した等方性のカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。
【図５】本発明の実施形態２から製造した選択的な方向に配列されたカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。
【図６】本発明の実施形態３に係る燃料電池の構造を示す図である。
【符号の説明】
【００６７】
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
【図１】
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【図２】
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【図６】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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