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JP4611080B2 - Fuel cell - Google Patents
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JP4611080B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池に関するものであり、特に、カーボンナノチューブを電極及び燃料・気体流路として用いて集積度を高めて小型で高出力な燃料電池を安価に実現するための構成に特徴のある燃料電池に関するものである。   TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell, and in particular, a fuel characterized by a structure for realizing a small and high-power fuel cell at a low cost by using carbon nanotubes as an electrode and a fuel / gas flow path to increase the degree of integration. It relates to batteries.

近年、環境問題や省エネルギーに対する問題意識の高まりにより、クリーンでエネルギー変換効率の高いエネルギー源として、燃料電池が注目を集めているが、この様な燃料電池においては、H2 或いはメタノール等の燃料を空気(O2 )と反応させて直接起電力を発生させている。 In recent years, fuel cells have been attracting attention as an energy source that is clean and has high energy conversion efficiency due to increasing awareness of environmental issues and energy conservation. In such fuel cells, fuel such as H 2 or methanol is used. Direct electromotive force is generated by reacting with air (O 2 ).

従来技術の代表的なものとしては、対向電極型燃料電池とプレーナ型燃料電池が知られているので、ここで、図25及び図26を参照してこれらの燃料電池を説明する。
図25参照
図25は、従来の対向電極型燃料電池の概念的構成図であり、高分子電解膜81を挟んで、 両側に1対の電極と燃料流路が配置された構造を持っている。
As a representative prior art, a counter electrode type fuel cell and a planar type fuel cell are known. Here, these fuel cells will be described with reference to FIG. 25 and FIG.
See FIG.
FIG. 25 is a conceptual configuration diagram of a conventional counter electrode type fuel cell, which has a structure in which a pair of electrodes and a fuel flow path are arranged on both sides with a polymer electrolyte membrane 81 interposed therebetween.

図においては、左側を水素燃料側としており、水素燃料流路83が多孔質Ptからなる燃料極82を介して高分子電解膜81に接しており、一方、右側の酸素燃料側においては、酸素燃料流路85が多孔質Ptからなる空気極84を介して高分子電解膜81に接している。
なお、図における符号86,87は本電極である。
In the figure, the left side is the hydrogen fuel side, and the hydrogen fuel flow path 83 is in contact with the polymer electrolyte membrane 81 via the fuel electrode 82 made of porous Pt, while the oxygen fuel side on the right side is oxygen The fuel flow path 85 is in contact with the polymer electrolyte membrane 81 through the air electrode 84 made of porous Pt.
In the figure, reference numerals 86 and 87 denote main electrodes.

この場合、水素燃料側にある燃料極82に浸透してきたH2 ガスが燃料極82を構成するPtの触媒作用によってプロトン(H+ )となり、高分子電解膜81を抜け、酸素燃料側の空気極84に至り、酸素と結合して水(H2 O)が生成されることで起電力が生み出され、燃料電池として機能するものであり、対向する電極を大きくすれば、表面積を容易に大きくできるという特長がある。 In this case, the H 2 gas that has permeated the fuel electrode 82 on the hydrogen fuel side becomes protons (H + ) by the catalytic action of Pt constituting the fuel electrode 82, passes through the polymer electrolyte membrane 81, and flows into the oxygen fuel side air. An electromotive force is generated by reaching the electrode 84 and combining with oxygen to generate water (H 2 O), thereby functioning as a fuel cell. By increasing the opposing electrodes, the surface area can be easily increased. There is a feature that you can.

なお、各々の電極側での反応式は以下のようになる。
水素電極側の反応: H2 →2H+ +2e-
酸素電極側の反応: 1/2O2 +2H+ +2e- →H2
The reaction formula on each electrode side is as follows.
Reaction on the hydrogen electrode side: H 2 → 2H + + 2e
Reaction on the oxygen electrode side: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O

図26参照
図26は、従来のプレーナ型燃料電池の概念的構成図であり、シリコン基板91に形成された一対の燃料流路内に電極及び触媒を設け、この一対の燃料流路を高分子電解膜98で覆ったものである。
See FIG.
FIG. 26 is a conceptual configuration diagram of a conventional planar fuel cell, in which an electrode and a catalyst are provided in a pair of fuel channels formed on a silicon substrate 91, and the pair of fuel channels are connected to a polymer electrolyte membrane 98. It is covered with.

図においては、左側を水素燃料側としており、水素燃料流路92の内壁及びシリコン基板91の左表面を覆うように燃料極93を設けるとともに水素燃料流路92内の燃料極93の表面をPt触媒94で覆う。   In the figure, the left side is the hydrogen fuel side, and a fuel electrode 93 is provided so as to cover the inner wall of the hydrogen fuel channel 92 and the left surface of the silicon substrate 91, and the surface of the fuel electrode 93 in the hydrogen fuel channel 92 is made Pt. Cover with catalyst 94.

一方、右側の酸素燃料側においては酸素燃料流路95の内壁及びシリコン基板91の右表面を覆うように空気極96を設けるとともに酸素燃料流路95内の空気極96の表面をPt触媒97で覆った構造となっている。   On the other hand, on the right oxygen fuel side, an air electrode 96 is provided so as to cover the inner wall of the oxygen fuel channel 95 and the right surface of the silicon substrate 91, and the surface of the air electrode 96 in the oxygen fuel channel 95 is covered with a Pt catalyst 97. It has a covered structure.

この場合、水素燃料流路92の燃料極93の付近で形成されたプロトン(H+ )が、高分子電解膜98を抜け、弧を描くように対岸の酸素燃料流路95の近傍の空気極96に至り、酸素と結合し、水が形成されることで燃料電池として機能する。 In this case, protons (H + ) formed in the vicinity of the fuel electrode 93 in the hydrogen fuel channel 92 pass through the polymer electrolyte membrane 98 and form an air electrode in the vicinity of the oxygen fuel channel 95 on the opposite bank so as to draw an arc. It reaches 96 and functions as a fuel cell by being combined with oxygen and forming water.

この構造は、流路や電極が基板表面上に平面的に形成されるので、半導体製造技術において、集積回路(LSI)製造用に長きに渡り積み重ねて来たプレーナ型製造技術を適用することができるため、はじめから技術から開発を進めなくても良く、急速な進化を期待できる。   In this structure, since the flow paths and electrodes are planarly formed on the surface of the substrate, it is possible to apply a planar manufacturing technique that has been stacked for a long time for integrated circuit (LSI) manufacturing in semiconductor manufacturing technology. Therefore, it is not necessary to proceed with development from the beginning from the beginning, and rapid evolution can be expected.

また、 半導体用の既存設備を用いることができ、 場合によっては時代遅れとなった半導体の製造工場を活用することもできるとともに、進んだ微細加工技術を用いることで、装置の小型化、流路の複雑化による表面積の増大等が可能になる。   In addition, it is possible to use existing equipment for semiconductors, and in some cases, it is possible to utilize semiconductor manufacturing plants that have become obsolete. An increase in surface area due to complication becomes possible.

この結果、 早期に携帯型のPC携帯電話に搭載されるような小型で高出力な燃料電池につなげられると期待されている。
また、半導体の製造方法と同様な方法で燃料電池が形成できるようになると、 将来、燃料電池と半導体デバイスを一緒に混載できる可能性もあり、 燃料電池と電子回路を一体化した超小型の装置や、 燃料電池の制御回路や燃料の状況をモニターする回路も一緒に作りこまれたインテリジェント燃料電池等ができる可能性がある。
As a result, it is expected to be connected to a small and high-power fuel cell that can be mounted on a portable PC mobile phone at an early stage.
In addition, if a fuel cell can be formed in the same way as a semiconductor manufacturing method, there is a possibility that a fuel cell and a semiconductor device can be mixed together in the future. An ultra-compact device that integrates a fuel cell and an electronic circuit. There is also a possibility that an intelligent fuel cell with a fuel cell control circuit and a fuel status monitoring circuit built in together.

一方、燃料電池の高効率化のために、電極として配向したカーボンナノチューブを用いることも提案されている(例えば、特許文献1或いは特許文献2参照)。
特開2004−103403号公報 特開2004−063200号公報
On the other hand, it has also been proposed to use oriented carbon nanotubes as electrodes in order to increase the efficiency of fuel cells (see, for example, Patent Document 1 or Patent Document 2).
JP 2004-103403 A JP 2004-063200 A

しかし、 将来の電子機器を考えると、 さらに軽薄短小化が進み、 性能向上、高機能化、多機能化により消費電力も著しく増えると考えられるため、将来的にはさらに小型で、より高出力の燃料電池が必要になると予想される。   However, considering future electronic devices, it is expected that power consumption will increase significantly due to performance improvements, higher functionality, and multi-functionality. A fuel cell is expected to be required.

例えば、高速で高機能で多機能、さらに軽薄短小で常に身に着けて( 纏って) 歩けるウエアラブル・コンピュータ、立体TV電話や財布機能等、機能が盛り沢山な携帯電話、米粒程の大きさであらゆる環境情報を検知し知らせるセンサータグ、長時間人間に代わって働く人間型ロボット等の装置ではハイパワーが要求される上、限られたスペースに燃料電池を納めなければならないので、非常に小型でなくてはならない。   For example, wearable computers that are fast, high-functional and multi-functional, and are light and thin, always wearable (and collectively), 3D TV phones, wallet functions, etc. Sensor tags that detect and notify environmental information, and humanoid robots that work on behalf of humans for long periods of time require high power and require a fuel cell in a limited space. must not.

このように、将来にはさらに小型で、高出力な燃料電池が必要となり、また、価格も安くなくては市場に普及せず、また製造会社も利益を出せないので、製造コストの低減も強く望まれると考えられるが、現状の技術ではこの様な課題を解決することは困難である。   In this way, in the future, a smaller, higher-power fuel cell will be required, and the price will not be cheap, so it will not spread to the market, and manufacturing companies will not be able to make profits. Although it is considered desirable, it is difficult to solve such problems with the current technology.

例えば、上述の対向電極型燃料電池の場合には、対向する電極を大きくすれば、表面積を容易に大きくでき、大出力に対応できるようなるが、装置自身も大きくなり小型化には不向きであるという問題がある。   For example, in the case of the above-mentioned counter electrode type fuel cell, if the opposing electrode is enlarged, the surface area can be easily increased and it can cope with a large output, but the device itself is also large and is not suitable for miniaturization. There is a problem.

また、対向する電極を大きくすれば、電子を消費してHイオンとO2 が反応した位置と本電極87との距離が遠くなるため、電子が流れる時に寄生抵抗が大きくなり、大出力化の妨げになるという問題がある。 Also, if the opposing electrode is made larger, the distance between the main electrode 87 and the position where the H ions and O 2 have reacted by consuming electrons becomes longer, so that the parasitic resistance increases when electrons flow and the output increases. There is a problem of hindering.

また、上述のプレーナ型燃料電池の場合には、流路の上端部が燃料電池として機能するだけなので、出力的には見劣りし、ハイパワー化が困難であるという問題がある。   Further, in the case of the planar type fuel cell described above, the upper end of the flow path functions only as a fuel cell, so that there is a problem that the output is inferior and it is difficult to achieve high power.

さらに、上述のカーボンナノチューブを用いた燃料電池の場合には、電極性能の改善だけであるので、小型且つ高出力の要請に応えられるものではないという問題がある。   Furthermore, in the case of the fuel cell using the above-mentioned carbon nanotube, there is a problem that it cannot satisfy the demand for small size and high output because it only improves the electrode performance.

したがって、本発明は、小型化と高出力化を両立することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to achieve both miniaturization and high output.

図1は本発明の原理的構成図であり、ここで図1を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
なお、図における符号6は、燃料電池として機能するための触媒反応を行うPt等の触媒微粒子である。
図1参照
上記課題を解決するために、本発明は、燃料電池において、基板1の主面に対して垂直方向に互いに微小間隙を持って並ぶ多数のカーボンナノチューブからなる燃料電極を兼ねる燃料流路兼電極3と酸化剤電極を兼ねる酸化剤流路兼電極4を対向させて設けるとともに、少なくとも燃料流路兼電極3と酸化剤流路兼電極4との対向間隙を充填する電解膜5を設けたことを特徴とする。
FIG. 1 is a diagram illustrating the basic configuration of the present invention. Means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
Reference numeral 6 in the figure denotes catalyst fine particles such as Pt that perform a catalytic reaction for functioning as a fuel cell.
In order to solve the above-described problem, the present invention provides a fuel flow path that also serves as a fuel electrode composed of a large number of carbon nanotubes arranged in a direction perpendicular to the main surface of the substrate 1 with a minute gap in the fuel cell. The counter electrode 3 and the oxidant channel / electrode 4 also serving as the oxidant electrode are provided to face each other, and the electrolytic membrane 5 is provided to fill at least the facing gap between the fuel channel / electrode 3 and the oxidant channel / electrode 4. It is characterized by that.

このように、本発明はプレーナ構造と対向電極構造を融合した独自の燃料電池構造であるが、基本的にはプレーナ構造なので、従来の半導体技術を応用でき、また対向電極の側面を利用するので、従来のプレーナ型と比べて、表面積を著しく増大させることが可能になり、それによって、小型で高出力な燃料電池の実現が可能になる。   As described above, the present invention is a unique fuel cell structure in which the planar structure and the counter electrode structure are integrated. However, since it is basically a planar structure, conventional semiconductor technology can be applied and the side surface of the counter electrode is used. Compared with the conventional planar type, the surface area can be remarkably increased, thereby realizing a small and high-power fuel cell.

この場合、カーボンナノチューブの配向膜自身が流路兼電極となるので、工程短縮が可能になるばかりか、流路でも電極でもない無駄なスペースを作らなくて済むので、限られた面積を有効に活かした効率の良い燃料電池が可能になる。   In this case, since the carbon nanotube alignment film itself becomes the flow path and electrode, not only can the process be shortened, but it is not necessary to create a useless space that is neither the flow path nor the electrode. An efficient fuel cell can be utilized.

さらに、カーボンナノチューブ配向膜表面と高分子膜の界面に形成される凹凸面を利用して、燃料電池の表面積を増やすだけでなく、さらに、カーボンナノチューブが基板1から自己整合的に垂直に配向成長し、高アスペクトで急峻な立体構造ができるので、この立体構造体の側壁を用いることで、表面積を著しく増大させることができる。   In addition to increasing the surface area of the fuel cell by utilizing the uneven surface formed at the interface between the carbon nanotube alignment film surface and the polymer film, the carbon nanotubes are aligned and grown vertically from the substrate 1 in a self-aligned manner. However, since a high-aspect and steep three-dimensional structure can be formed, the surface area can be remarkably increased by using the side wall of this three-dimensional structure.

また、HイオンとO2 と反応箇所と取り出し電極となる下地電極との距離が必然的に短くなるので寄生抵抗を低減でき、それによって、内部抵抗が小さくなるので、この点でも高出力化が可能になる。 In addition, since the distance between the H ion, O 2 , the reaction site, and the base electrode serving as the extraction electrode is inevitably shortened, the parasitic resistance can be reduced, thereby reducing the internal resistance. It becomes possible.

なお、従来の技術でこのような急峻で高アスペクトの立体電極構造を形成しようとすると、 レジストパターンだけではレジストは減耗してエッチング時に耐えられないので、 ハードマスク材を表面に形成、レジスとパターンをマスクにエッチングをおこない、一旦、レジストパターンをハードマスク材に転写してハードマスクを形成した後、さらにこのハードマスクをマスクに下地電極をエッチングすることが必要となる。   In addition, when trying to form such a steep, high-aspect three-dimensional electrode structure with the conventional technology, the resist will be worn out only by the resist pattern and cannot withstand etching, so a hard mask material is formed on the surface, and the resist and pattern It is necessary to perform etching using the mask, once the resist pattern is transferred to a hard mask material to form a hard mask, and then to further etch the base electrode using the hard mask as a mask.

しかも、数100μmにも及ぶ深い急峻なエッチングとなると、従来の半導体技術では実質上不可能で、特殊なエッチング装置の開発することから始めなくてはならず、仮に、将来、この点が技術的に克服できたとしても、深い構造を形成するためには長時間のエッチングが必要で、低価格化が期待できない。   Moreover, deep and steep etching of several hundred μm is practically impossible with conventional semiconductor technology, and we must start by developing special etching equipment. Even if it can be overcome, it takes a long time to form a deep structure, and it cannot be expected to reduce the price.

また、この場合のカーボンナノチューブからなる燃料流路兼電極3と酸化剤流路兼電極4は、全体の密度を均一にしても良いが、内部のカーボンナノチューブの密度が外側のカーボンナノチューブの密度より低いようにしても良く、それによって、コンダクタンスを大きくすることができる。   Further, in this case, the fuel channel / electrode 3 and the oxidant channel / electrode 4 made of carbon nanotubes may have the same overall density, but the density of the inner carbon nanotubes is higher than the density of the outer carbon nanotubes. It may be made low, thereby increasing the conductance.

さらには、カーボンナノチューブからなる燃料流路兼電極3と酸化剤流路兼電極4の内部をカーボンナノチューブの存在しない空洞としても良く、それによって、コンダクタンスをさらに大きくすることができる。   Furthermore, the inside of the fuel flow channel electrode 3 and the oxidant flow channel electrode 4 made of carbon nanotubes may be formed as cavities in which no carbon nanotubes exist, thereby further increasing the conductance.

上述の構成において、カーボンナノチューブからなる燃料流路兼電極3と酸化剤流路兼電極4の頂部を、燃料流路兼電極3と酸化剤流路兼電極4との対向間隙を充填する電解膜5と一体の電解膜5で覆っても良いし、燃料流路兼電極3と酸化剤流路兼電極4を構成するカーボンナノチューブ自体で閉じても良く、さらには、燃料流路兼電極3と酸化剤流路兼電極4の頂部との接触面が少なくとも絶縁されている基板で閉じても良いものであり、カーボンナノチューブ配向膜の粗密或いは電解膜5の粘性等の応じてき適宜選択すれば良い。   In the above-described configuration, an electrolytic membrane that fills the tops of the fuel flow channel electrode 3 and the oxidant flow channel electrode 4 made of carbon nanotubes with the gap between the fuel flow channel electrode 3 and the oxidant flow channel electrode 4. 5 may be covered with the electrolytic membrane 5 integrated with the carbon nanotube 5, or may be closed with the carbon nanotubes themselves constituting the fuel flow path / electrode 3 and the oxidant flow path / electrode 4. The contact surface with the top portion of the oxidant channel / electrode 4 may be closed by a substrate that is at least insulated, and may be appropriately selected depending on the density of the carbon nanotube alignment film or the viscosity of the electrolytic film 5. .

また、カーボンナノチューブを成長させる場合には、成長下地としてCo等の触媒が必要になるので、燃料流路兼電極3と酸化剤流路兼電極4の下地2として触媒金属層を設けるか、或いは、非触媒金属層とその上に設けた触媒電極薄膜を下地2として用いるか、さらには、非触媒金属層とその上に付着させた導電性触媒微粒子を下地2として用いる必要がある。   Further, when carbon nanotubes are grown, a catalyst such as Co is required as a growth base, so that a catalyst metal layer is provided as the base 2 of the fuel flow path / electrode 3 and the oxidant flow path / electrode 4, or It is necessary to use the non-catalytic metal layer and the catalyst electrode thin film provided thereon as the base 2, or further, use the non-catalytic metal layer and the conductive catalyst fine particles deposited thereon as the base 2.

また、燃料流路兼電極3と酸化剤流路兼電極4の少なくとも一方を平面形状において蛇行させるともに、燃料流路兼電極3と酸化剤流路兼電極4の他方を蛇行させた流路兼電極の間に挿入するように配置することが望ましく、それによって、燃料流路兼電極3と酸化剤流路兼電極4との延べ対向面積を大幅に増大することができる。   Further, at least one of the fuel flow channel electrode 3 and the oxidant flow channel electrode 4 meanders in a planar shape, and the other of the fuel flow channel electrode 3 and the oxidant flow rate electrode 4 meanders. It is desirable to arrange so as to be inserted between the electrodes, whereby the total facing area between the fuel flow channel electrode 3 and the oxidant flow channel electrode 4 can be greatly increased.

また、燃料と酸化剤の供給は、燃料流路兼電極3内においてカーボンナノチューブの配向方向と直交する方向に燃料を流すとともに、酸化剤流路兼電極4内においてカーボンナノチューブの配向方向と直交する方向に酸化剤を流すようにしても良く、林立する一本一本の間隙を流路として用いることにより、電極構成が簡素化される。   The supply of fuel and oxidant causes the fuel to flow in the direction perpendicular to the orientation direction of the carbon nanotubes in the fuel flow channel / electrode 3 and is orthogonal to the orientation direction of the carbon nanotubes in the oxidant flow channel / electrode 4. An oxidant may be allowed to flow in the direction, and the configuration of the electrodes is simplified by using the gaps that stand in the forest as the flow paths.

或いは、燃料流路兼電極3及び酸化剤流路兼電極4の一方に対して、カーボンナノチューブの配向方向の先端部から燃料或いは酸化剤を供給し、他方はカーボンナノチューブの配向方向と直交する方向から燃料或いは酸化剤を供給ようにしても良く、特に、燃料としてアルコール等の液体燃料を使用した場合に有効となる。   Alternatively, fuel or oxidant is supplied from one end of the orientation direction of the carbon nanotube to one of the fuel passage / electrode 3 and the oxidant passage / electrode 4, and the other is a direction orthogonal to the orientation direction of the carbon nanotube. The fuel or the oxidant may be supplied from the fuel, which is particularly effective when a liquid fuel such as alcohol is used as the fuel.

本発明によれば、基本的にプレーナ構造なので、高度に発展している半導体集積技術の適用が可能となり、急速な発展を期待できるとともに、装置の小型化、さらには電子回路との一体化が可能になるとともに、カーボンナノチューブ配向膜を流路兼電極として使用しているので、高分子電解膜との界面に形成される凹凸形状により表面積の増大とカーボンナノチューブならではの高アスペクトで急峻な立体構造の側壁の利用による表面積の増大の二重の効果が期待でき、小型で高出力の燃料電池が可能になる。   According to the present invention, since it is basically a planar structure, it is possible to apply a highly developed semiconductor integrated technology, and rapid development can be expected, as well as downsizing of the device and integration with an electronic circuit. In addition, the carbon nanotube alignment film is used as a channel and electrode, so the surface area is increased by the uneven shape formed at the interface with the polymer electrolyte membrane, and the high aspect and steep 3D structure unique to carbon nanotubes. A double effect of increasing the surface area due to the use of the side wall of the fuel cell can be expected, and a small and high-power fuel cell becomes possible.

本発明は、燃料電池の電極を、基板に対しカーボンナノチューブが垂直に並んだ配向膜からなる立体構造で形成するとともに、流路としても兼用し、また高分子電解膜の厚さを規定する機構としても利用するものである。   The present invention provides a fuel cell electrode having a three-dimensional structure composed of an alignment film in which carbon nanotubes are arranged vertically with respect to a substrate, and also serves as a flow path, and also defines the thickness of a polymer electrolyte membrane It is also used.

ここで、図2乃至図4を参照して、本発明の実施例1の燃料電池の製造工程を説明する。
図2参照
まず、SiO2 からなる基板11上に触媒となるCo層を堆積させたのち、レジストパターンを利用してエッチングすることによって、例えば、幅が200μmの触媒金属層12,13を形成する。
この場合、中段図に平面図として示すように触媒金属層12は、蛇行するパターンとし、一方、触媒金属層13は、蛇行する触媒金属層12の間に挿入する複数本のパターンとする。
Here, with reference to FIG. 2 thru | or FIG. 4, the manufacturing process of the fuel cell of Example 1 of this invention is demonstrated.
See Figure 2
First, a Co layer serving as a catalyst is deposited on the substrate 11 made of SiO 2 and then etched using a resist pattern to form, for example, catalytic metal layers 12 and 13 having a width of 200 μm.
In this case, as shown in the plan view of the middle stage, the catalyst metal layer 12 has a meandering pattern, while the catalyst metal layer 13 has a plurality of patterns inserted between the meandering catalyst metal layers 12.

なお、この場合の触媒金属層12と触媒金属層13との間隔は、後述するように、高分子電解膜17の厚さが燃料電池の燃料極と空気極との隙間で規定されることになるので、必要な高分子電解膜の厚さに合わせて、間隔を決めれば良く、現状では例えば、200μm程度とする。   In this case, the distance between the catalyst metal layer 12 and the catalyst metal layer 13 is that the thickness of the polymer electrolyte membrane 17 is defined by the gap between the fuel electrode and the air electrode of the fuel cell, as will be described later. Therefore, the interval may be determined in accordance with the required thickness of the polymer electrolyte membrane, and is currently about 200 μm, for example.

次いで、CVD法を用いて、例えば、アセチレンガスを原料ガスとして450℃においてカーボンナノチューブ立体構造14,15を成長させる。
この場合、カーボンナノチューブは触媒金属のあるところにのみ選択的に成長し、他の領域には生えないので、触媒金属層12,13上にそれぞれカーボンナノチューブ立体構造14,15が成長することになる。
Next, the carbon nanotube three-dimensional structures 14 and 15 are grown at 450 ° C. by using, for example, acetylene gas as a source gas by using the CVD method.
In this case, since the carbon nanotubes grow selectively only in the presence of the catalyst metal and do not grow in other regions, the carbon nanotube three-dimensional structures 14 and 15 grow on the catalyst metal layers 12 and 13, respectively. .

また、カーボンナノチューブ立体構造14,15は、触媒金属層12,13上に基板11に対して垂直に並んで生え、成長レートも非常には速いので、数100μm〜数mm程度と、半導体の常識からすれば非常に厚く成長することができる。
この間、カーボンナノチューブは殆ど横方向にははみ出さないので、非常に急峻で、高アスペクトな立体構造からなるカーボンナノチューブ立体構造14,15となる。
Further, the three-dimensional structure of carbon nanotubes 14 and 15 grows vertically on the catalyst metal layers 12 and 13 with respect to the substrate 11, and the growth rate is very fast. Therefore, it can grow very thick.
During this time, since the carbon nanotubes hardly protrude in the lateral direction, the carbon nanotube three-dimensional structures 14 and 15 having a very steep and high-aspect three-dimensional structure are obtained.

図3参照
次いで、燃料電池触媒となる例えば、直径が数nm〜数10nm程度のPt微粒子16を全面に散布する。
この時、Pt微粒子16はファンデルワールス力でカーボンナノチューブ立体構造14,15の表面に付着し、カーボンナノチューブ立体構造14,15の内部にまでは進入しない。
See Figure 3
Next, for example, Pt fine particles 16 having a diameter of about several nanometers to several tens of nanometers that serve as a fuel cell catalyst are dispersed over the entire surface.
At this time, the Pt fine particles 16 adhere to the surfaces of the carbon nanotube three-dimensional structures 14 and 15 by van der Waals force and do not enter the carbon nanotube three-dimensional structures 14 and 15.

なお、Pt微粒子16はファンデルワールス力でカーボンナノチューブ立体構造14,15の表面に吸着し、 その後は移動することがない。
この場合のPt微粒子16はその触媒作用によって燃料となる水素から電子を剥ぎ取り、水素イオン( プロトン) を形成させることを加速させるために設ける。
The Pt fine particles 16 are adsorbed on the surfaces of the carbon nanotube three-dimensional structures 14 and 15 by van der Waals force and do not move thereafter.
The Pt fine particles 16 in this case are provided in order to accelerate the formation of hydrogen ions (protons) by stripping electrons from hydrogen as a fuel by the catalytic action.

次いで、基板11全体を希釈弗酸中に浸漬することによって、基板11の表面に形成されている酸化膜(図示を省略)除去することによって、基板11上に付着したPt微粒子16をリフトオフにより除去する。
このように、基板11上に付着したPt微粒子16を除去することにより、燃料電池の燃料極と空気極となるカーボンナノチューブ立体構造14とカーボンナノチューブ立体構造15がPt微粒子16を介して短絡することがない。
Next, the entire substrate 11 is immersed in dilute hydrofluoric acid to remove the oxide film (not shown) formed on the surface of the substrate 11, thereby removing the Pt fine particles 16 adhering to the substrate 11 by lift-off. To do.
Thus, by removing the Pt fine particles 16 adhering to the substrate 11, the carbon nanotube three-dimensional structure 14 and the carbon nanotube three-dimensional structure 15 that become the fuel electrode and the air electrode of the fuel cell are short-circuited via the Pt fine particles 16. There is no.

なお、カーボンナノチューブやPtは希釈弗酸ではエッチングされないので、カーボンナノチューブ立体構造14,15の表面に付着したPt微粒子16はそのまま残る。
また成長後のカーボンナノチューブは、非常に強力な撥水性なので、水をはじき、バンドル化(ぬれて束になってしまうこと)してしまうことはない。
Since carbon nanotubes and Pt are not etched with diluted hydrofluoric acid, the Pt fine particles 16 attached to the surfaces of the carbon nanotube three-dimensional structures 14 and 15 remain as they are.
In addition, the carbon nanotubes after growth are extremely strong in water repellency, so they will not repel water and be bundled (become bundled).

図4参照
次いで、例えば、DMAC(Dimethyl Acetamide)+H2 Oからなる高分子電解膜の溶剤を全面に塗布し、窒素ガス雰囲気中で、150℃〜200℃において30分間の熱処理を行うことによって硬化させて高分子電解膜17とする。
See Figure 4
Next, for example, a solvent of a polymer electrolyte membrane made of DMAC (dimethyl acetate) + H 2 O is applied on the entire surface, and cured by performing a heat treatment at 150 ° C. to 200 ° C. for 30 minutes in a nitrogen gas atmosphere. The molecular electrolyte membrane 17 is used.

この場合、高分子電解膜17の溶剤は粘性を有するので、カーボンナノチューブの1本、1本の隙間には入ることができず、 カーボンナノチューブ立体構造14,15を取り囲むような形に形成される。   In this case, since the solvent of the polymer electrolyte membrane 17 has viscosity, it cannot enter one or one gap between the carbon nanotubes, and is formed in a shape surrounding the carbon nanotube three-dimensional structures 14 and 15. .

次いで、カーボンナノチューブ立体構造14,15からなる流路の端になる部分の上部における高分子電解膜17を選択的に除去して、カーボンナノチューブ立体構造14,15の上端部を露出する開口部を設け、燃料及び酸化剤の導入口18,19及び排出口20,21とすることによって燃料電池の基本構造が完成する。   Next, the polymer electrolyte membrane 17 in the upper part of the portion that becomes the end of the flow path composed of the carbon nanotube three-dimensional structures 14 and 15 is selectively removed, and an opening that exposes the upper ends of the carbon nanotube three-dimensional structures 14 and 15 is formed. By providing the fuel and oxidant inlets 18 and 19 and the outlets 20 and 21, the basic structure of the fuel cell is completed.

この燃料電池の導入口18からH2 ガスを導入し、導入口19から酸化剤としても空気を導入することで、H2 ガス及び空気はそれぞれカーボンナノチューブ立体構造14,15を構成するカーボンナノチューブの間隙を流れするうちに、H2 ガスはPt微粒子16の触媒作用によって電子がはぎ取られて水素イオンH+ となり、高分子電解膜17の中を伝って空気極となるカーボンナノチューブ立体構造15に達してO2 と反応して起電力を発生させる。 By introducing H 2 gas from the introduction port 18 of this fuel cell and introducing air as an oxidant from the introduction port 19, the H 2 gas and air become the carbon nanotube three-dimensional structures 14 and 15, respectively. While flowing through the gap, the H 2 gas is stripped of electrons by the catalytic action of the Pt fine particles 16 to become hydrogen ions H + , which travels through the polymer electrolyte membrane 17 to the carbon nanotube three-dimensional structure 15 that becomes the air electrode. And reacts with O 2 to generate an electromotive force.

このように、本発明の実施例1においては、カーボンナノチューブからなる電極、即ち、空気極及び燃料極自体を燃料流路及び酸化剤流路として用いているので、流路の表面積全体を有効に使うことができるので、小型であるにも拘わらず、高出力を得ることが可能になり、このカーボンナノチューブ立体構造14,15が高アスペクト比であるほど高出力化が可能になる。   As described above, in Example 1 of the present invention, since the electrodes made of carbon nanotubes, that is, the air electrode and the fuel electrode themselves are used as the fuel flow path and the oxidant flow path, the entire surface area of the flow path is effectively used. Since it can be used, it is possible to obtain a high output in spite of its small size, and the higher the aspect ratio of the carbon nanotube three-dimensional structures 14 and 15, the higher the output can be achieved.

また、本発明の実施例1においては、カーボンナノチューブならでは成長特性を用いることで、従来のエッチング加工では困難であった急峻で高アスペクト比の構造を非常に短い工程で簡単に形成することができる。   In Example 1 of the present invention, by using the growth characteristics unique to carbon nanotubes, it is possible to easily form a steep and high aspect ratio structure, which was difficult with conventional etching, in a very short process. .

また、本発明の実施例1においては、燃料極を蛇行させるとともに、空気極をその間に配置しているので、電極の総延長が長くすることができ、それによっても燃料電池として作用するトータル面積を稼ぐことができるので、高出力化に寄与することができる。   Further, in the first embodiment of the present invention, the fuel electrode is meandered and the air electrode is disposed therebetween, so that the total extension of the electrode can be lengthened, and thereby the total area that acts as a fuel cell. Can contribute to higher output.

さらに、本発明の実施例1においては、カーボンナノチューブ立体構造を燃料極及び空気極として用いることによる特有の効果もあるので、図5及び図6を参照して説明する。 図5参照
図5は、基板に平行な要部断面図であり、林立するカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブ立体構造15(14)の表面近傍においては、高分子電解膜17がカーボンナノチューブの中に入り込んでカーボンナノチューブ立体構造15(14)と平坦面ではなく凹凸面で接することになるので、燃料電池の表面積を増やす効果がある。
Furthermore, in Example 1 of the present invention, since there is a specific effect by using the carbon nanotube three-dimensional structure as the fuel electrode and the air electrode, description will be given with reference to FIGS. See Figure 5
FIG. 5 is a cross-sectional view of a main part parallel to the substrate. In the vicinity of the surface of the carbon nanotube three-dimensional structure 15 (14) made of forested carbon nanotubes, the polymer electrolyte membrane 17 enters the carbon nanotubes and carbon nanotubes. Since the three-dimensional structure 15 (14) is in contact with the uneven surface instead of the flat surface, there is an effect of increasing the surface area of the fuel cell.

図6参照
図6は、基板に垂直な要部断面図であり、林立するカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブ立体構造15(14)の頂部表面近傍においても、高分子電解膜17がカーボンナノチューブの中に入り込んでカーボンナノチューブ立体構造15(14)と平坦面ではなく凹凸面で接することになるので、燃料電池の表面積を増やす効果がある。
See FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view of the main part perpendicular to the substrate. Even in the vicinity of the top surface of the carbon nanotube three-dimensional structure 15 (14) made of forested carbon nanotubes, the polymer electrolyte membrane 17 enters the carbon nanotubes and carbon Since the three-dimensional structure 15 (14) is in contact with the uneven surface instead of the flat surface, there is an effect of increasing the surface area of the fuel cell.

したがって、カーボンナノチューブ立体構造14,15を燃料極及び空気極として用いることによって、高分子電解膜17が凹凸面で接することによる表面積の増大効果と、高いアスペクト比のカーボンナノチューブ立体構造14,15による側面積の増大効果との二重の表面積増大効果が得られる。   Therefore, by using the carbon nanotube three-dimensional structures 14 and 15 as the fuel electrode and the air electrode, the effect of increasing the surface area due to the contact of the polymer electrolyte membrane 17 with the uneven surface and the high aspect ratio carbon nanotube three-dimensional structures 14 and 15 are achieved. A double surface area increasing effect with a side area increasing effect is obtained.

次に、図7及び図8を参照して、本発明の実施例2の燃料電池の製造工程を説明する。 図7参照
まず、SiO2 からなる基板31上に触媒となるCo層を堆積させたのち、レジストパターンを利用してエッチングすることによって上記の実施例1と同様のパターンからなる触媒金属層32,33を形成する。
Next, with reference to FIG.7 and FIG.8, the manufacturing process of the fuel cell of Example 2 of this invention is demonstrated. See FIG.
First, a Co layer serving as a catalyst is deposited on a substrate 31 made of SiO 2 and then etched using a resist pattern to form catalyst metal layers 32 and 33 having the same pattern as in the first embodiment. To do.

次いで、パターンニングされた触媒金属層32,33の両端が露出するように開口部が設けられたレジストパターン34を形成し、触媒となる直径が数nmのTiを約20%含有するTiCo微粒子35を吹きつけることによって、触媒金属層32,33の露出部にTiCo微粒子35を選択的に付着させる。
なお、この場合のTiCo微粒子35の付着領域の幅は、10〜50μmとする。
Next, a resist pattern 34 having openings provided so that both ends of the patterned catalyst metal layers 32 and 33 are exposed is formed, and TiCo fine particles 35 containing about 20% of Ti having a diameter of several nm serving as a catalyst. To selectively adhere the TiCo fine particles 35 to the exposed portions of the catalytic metal layers 32 and 33.
In this case, the width of the adhesion region of the TiCo fine particles 35 is 10 to 50 μm.

次いで、レジストパターン34を有機溶剤で除去することによって、レジストパターン34上のTiCo微粒子35をレジストパターン34と共にリフトオフしたのち、上記の実施例1と同様の成長条件でカーボンナノチューブを成長させてカーボンナノチューブ立体構造36,37を成長させる。   Next, by removing the resist pattern 34 with an organic solvent, the TiCo fine particles 35 on the resist pattern 34 are lifted off together with the resist pattern 34, and then the carbon nanotubes are grown under the same growth conditions as in the first embodiment. The three-dimensional structures 36 and 37 are grown.

この時、CoとTiCoの触媒作用の差によって、Coからなる触媒金属層32,33に成長するカーボンナノチューブの密度は、TiCo微粒子35を付着させた領域に成長したカーボンナノチューブの密度より低くなるので、内部に燃料や酸化剤が流れやすい状態となる。   At this time, the density of the carbon nanotubes grown on the catalytic metal layers 32 and 33 made of Co is lower than the density of the carbon nanotubes grown in the region where the TiCo fine particles 35 are adhered due to the difference in the catalytic action of Co and TiCo. The fuel and oxidant easily flow inside.

図8参照
以降は、実施例1と同様に、カーボンナノチューブ立体構造36,37の表面にPt微粒子38を付着させたのち、高分子電解膜39の溶剤を全面に塗布し、窒素ガス雰囲気中で、150℃〜200℃において30分間の熱処理を行うことによって硬化させて高分子電解膜39とする。
Refer to FIG. 8. Thereafter, as in Example 1, after attaching Pt fine particles 38 to the surfaces of the three-dimensional structures 36 and 37 of the carbon nanotubes, a solvent for the polymer electrolyte membrane 39 was applied over the entire surface, and in a nitrogen gas atmosphere The polymer electrolyte membrane 39 is cured by heat treatment at 150 ° C. to 200 ° C. for 30 minutes.

この場合、低密度とは言え、カーボンナノチューブ立体構造36,37の内部にもカーボンナノチューブが生えているので、実施例1と同様にして、上端部に高分子電解膜39の粘性を利用してフタを閉じることが可能になる。
なお、この場合、内部の密度が低いことを補うために、予め、高分子電解膜39の粘性を上げたり、硬化時期をさらに早める等の工夫をすることが望ましい。
In this case, although the density is low, carbon nanotubes also grow inside the three-dimensional structures 36 and 37 of the carbon nanotubes, so that the viscosity of the polymer electrolyte membrane 39 is utilized at the upper end as in the first embodiment. The lid can be closed.
In this case, in order to compensate for the low internal density, it is desirable to devise in advance such as increasing the viscosity of the polymer electrolyte membrane 39 or further increasing the curing time.

次いで、図示は省略するものの、カーボンナノチューブ立体構造36,37からなる流路の端になる部分の上部における高分子電解膜39を選択的に除去して、カーボンナノチューブ立体構造36,37の上端部を露出する開口部を設け、燃料及び酸化剤の導入口及び排出口とすることによって燃料電池の基本構造が完成する。   Next, although not shown in the drawing, the polymer electrolyte membrane 39 is selectively removed from the upper part of the portion that becomes the end of the flow path composed of the carbon nanotube three-dimensional structures 36, 37, and the upper ends of the carbon nanotube three-dimensional structures 36, 37 are removed. The basic structure of the fuel cell is completed by providing an opening that exposes the gas and providing an inlet and outlet for fuel and oxidant.

このように、本発明の実施例2においては、成長過程における下地の触媒作用の差を利用して内部と外部にカーボンナノチューブ密度に粗密を設けているのでコンダクタンス( 粘性抵抗) が高くなり、上記の実施例1と比べて燃料及び酸化剤が流れやすなり、燃料としてメタノール等の液体燃料を用いた場合にもスムーズに燃料を流すことができる。   Thus, in Example 2 of the present invention, the conductance (viscous resistance) is increased because the density of carbon nanotubes is provided inside and outside by utilizing the difference in the catalytic action of the base during the growth process, Compared with the first embodiment, the fuel and the oxidant easily flow, and even when a liquid fuel such as methanol is used as the fuel, the fuel can flow smoothly.

次に、図9及び図10を参照して、本発明の実施例3の燃料電池の製造工程を説明する。
図9参照
まず、SiO2 からなる基板41上に触媒となるCo層を堆積させたのち、レジストパターンを利用してエッチングすることによって、上図に平面図として示すように蛇行したパターンと蛇行したパターンの間に挿入したライン状パターンからなる触媒金属層42,43を形成する。
なお、この場合の一対の触媒金属層42及び一対の触媒金属層43の幅は、例えば、200μmであり、各触媒金属層42,43の幅を80μmとすることによって、中央の下地の露出部の幅を40μmとする。
Next, with reference to FIG.9 and FIG.10, the manufacturing process of the fuel cell of Example 3 of this invention is demonstrated.
See FIG.
First, after depositing a Co layer serving as a catalyst on a substrate 41 made of SiO 2 , etching is performed using a resist pattern, so that a meandering pattern between the meandering pattern and the meandering pattern as shown in the plan view in the above figure is obtained. The catalyst metal layers 42 and 43 having the line pattern inserted in are formed.
In this case, the width of the pair of catalyst metal layers 42 and the pair of catalyst metal layers 43 is, for example, 200 μm, and the width of each of the catalyst metal layers 42 and 43 is set to 80 μm. The width is set to 40 μm.

次いで、上記の実施例1と同様の成長条件でカーボンナノチューブを成長させてカーボンナノチューブ立体構造44,45を成長させる。
この時、触媒金属層42,43上にのみカーボンナノチューブ立体構造44,45が成長し、一対の触媒金属層42の間及び一対の触媒金属層43の間はカーボンナノチューブが成長しない空間となる。
Next, carbon nanotubes are grown under the same growth conditions as in Example 1 to grow the carbon nanotube three-dimensional structures 44 and 45.
At this time, the three-dimensional structure of the carbon nanotubes 44 and 45 grows only on the catalyst metal layers 42 and 43, and a space where the carbon nanotubes do not grow is formed between the pair of catalyst metal layers 42 and between the pair of catalyst metal layers 43.

図10参照
次いで、カーボンナノチューブ立体構造44,45の頂面をステンシルマスク46で覆ったのち、Pt微粒子47を散布することによって、カーボンナノチューブ立体構造44,45の外壁にのみPt微粒子47を付着させる。
Next, after the top surfaces of the carbon nanotube three-dimensional structures 44 and 45 are covered with a stencil mask 46, the Pt fine particles 47 are sprayed to attach the Pt fine particles 47 only to the outer walls of the carbon nanotube three-dimensional structures 44 and 45. .

次いで、高分子電解膜の溶剤を全面に塗布し、窒素ガス雰囲気中で、150℃〜200℃において30分間の熱処理を行うことによって硬化させて高分子電解膜48とする。
この時、表面に一挙に高分子電解膜48の溶剤を塗布すると、 カーボンナノチューブの間に、空気の気泡が残るので、 高分子電解膜48が流路の奥深くまで進入することなく、高分子電解膜48の形成が可能になる。
Next, a solvent for the polymer electrolyte membrane is applied to the entire surface, and cured by performing a heat treatment at 150 ° C. to 200 ° C. for 30 minutes in a nitrogen gas atmosphere to obtain a polymer electrolyte membrane 48.
At this time, if the solvent of the polymer electrolyte membrane 48 is applied to the surface all at once, air bubbles remain between the carbon nanotubes, so that the polymer electrolyte membrane 48 does not penetrate deep into the flow path, and polymer electrolyte The film 48 can be formed.

次いで、図示は省略するものの、カーボンナノチューブ立体構造44,45からなる流路の端になる部分の上部における高分子電解膜48を選択的に除去して、カーボンナノチューブ立体構造44,45の上端部を露出する開口部を設け、燃料及び酸化剤の導入口及び排出口とすることによって燃料電池の基本構造が完成する。   Next, although not shown in the drawing, the polymer electrolyte membrane 48 at the upper part of the portion that becomes the end of the channel composed of the carbon nanotube three-dimensional structures 44, 45 is selectively removed, and the upper ends of the carbon nanotube three-dimensional structures 44, 45 are removed. The basic structure of the fuel cell is completed by providing an opening that exposes the gas and providing an inlet and outlet for fuel and oxidant.

このように、本発明の実施例3においては、触媒金属層42,43を中抜きのパターンにすることによって、カーボンナノチューブ立体構造44,45の内部を完全な空洞としているので、上記の実施例2よりもさらにコンダクタンスが高くなり、燃料及び酸化剤が流れやすなるので、燃料としてメタノール等の液体燃料を用いた場合にもスムーズに燃料を流すことができる。   In this way, in Example 3 of the present invention, the inside of the carbon nanotube three-dimensional structures 44 and 45 is made into a complete cavity by making the catalytic metal layers 42 and 43 into hollow patterns. Since the conductance is higher than 2 and the fuel and the oxidant easily flow, the fuel can flow smoothly even when a liquid fuel such as methanol is used as the fuel.

次に、図11を参照して、本発明の実施例4の燃料電池を説明するが、この実施例4は上述の実施例3の変形例であるので電極パターンの断面構造のみ説明する。
図11参照
図11は、本発明の実施例4の電極パターンの断面図であり、SiO2 からなる基板41上にAlからなる非触媒金属層49,50を上記の実施例1と同様なパターンに形成したのち、その周辺部にそれぞれ幅が80μmのCo薄膜からなる触媒金属層51,52を設けたものであり、以降の工程は上記の実施例3と全く同様に行う。
Next, a fuel cell of Example 4 of the present invention will be described with reference to FIG. 11. Since Example 4 is a modification of Example 3 described above, only the cross-sectional structure of the electrode pattern will be described.
See FIG.
FIG. 11 is a cross-sectional view of an electrode pattern of Example 4 of the present invention, in which non-catalytic metal layers 49 and 50 made of Al are formed in the same pattern as in Example 1 above on a substrate 41 made of SiO 2 . Thereafter, catalytic metal layers 51 and 52 made of Co thin film each having a width of 80 μm are provided on the periphery thereof, and the subsequent steps are performed in exactly the same manner as in the third embodiment.

この実施例4においては、触媒金属層51,52の下地として比抵抗の小さな非触媒金属層49,50を用いているので、燃料極及び空気極自体の寄生抵抗を小さくすることができ、この点で実施例3に比べて高出力化が可能になる。   In the fourth embodiment, since the non-catalytic metal layers 49 and 50 having a small specific resistance are used as the base of the catalytic metal layers 51 and 52, the parasitic resistance of the fuel electrode and the air electrode itself can be reduced. In this respect, the output can be increased as compared with the third embodiment.

次に、図12を参照して、本発明の実施例5の燃料電池を説明するが、この実施例5も上述の実施例3の変形例であるので電極パターンの断面構造のみ説明する。
図12参照
図12は、本発明の実施例5の電極パターンの断面図であり、SiO2 からなる基板41上にAlからなる非触媒金属層49,50を上記の実施例1と同様なパターンに形成したのち、その周辺部に上記実施例2と同様にリフトオフ法を用いてそれぞれ幅が80μmの領域に触媒となるCo微粒子53を付着させたものであり、以降の工程は上記の実施例3と全く同様に行う。
Next, a fuel cell of Example 5 of the present invention will be described with reference to FIG. 12. Since Example 5 is also a modification of Example 3 described above, only the cross-sectional structure of the electrode pattern will be described.
See FIG.
FIG. 12 is a cross-sectional view of an electrode pattern of Example 5 of the present invention, in which non-catalytic metal layers 49 and 50 made of Al are formed in the same pattern as in Example 1 above on a substrate 41 made of SiO 2 . Thereafter, Co fine particles 53 serving as a catalyst are attached to the periphery of each region in a region having a width of 80 μm by using the lift-off method in the same manner as in Example 2 above, and the subsequent steps are completely the same as in Example 3 above. Do the same.

この実施例5においても、実施例4と同様に燃料極及び空気極自体の寄生抵抗を小さくすることができ、この点で実施例3に比べて高出力化が可能になる。
なお、この場合のCo微粒子53の直径は数nm程度であり、80μmの幅に対して数1000分の1のサイズである。
Also in the fifth embodiment, the parasitic resistance of the fuel electrode and the air electrode itself can be reduced as in the fourth embodiment, and in this respect, higher output can be achieved than in the third embodiment.
In this case, the diameter of the Co fine particles 53 is about several nanometers, which is a size of several thousandths of the width of 80 μm.

次に、図13乃至図15を参照して、本発明の実施例6の燃料電池の製造工程を説明する。
図13参照
まず、SiO2 からなる基板61上に触媒となるCo層を堆積させたのち、レジストパターンを利用してエッチングすることによって、上図に平面図として示すように蛇行したパターンと蛇行したパターンの間に挿入したライン状パターンからなる触媒金属層62,63を形成する。
なお、この場合の一対の触媒金属層62の外側の間隔及び一対の触媒金属層63の外側の間隔は、例えば、200μmであり、各触媒金属層62,63の幅を5μmとすることによって、中央の露出部の幅を190μmとする。
Next, with reference to FIGS. 13 to 15, the manufacturing process of the fuel cell of Example 6 of the present invention will be described.
See FIG.
First, after depositing a Co layer serving as a catalyst on a substrate 61 made of SiO 2 , etching is performed using a resist pattern, so that a meandering pattern between the meandering pattern and the meandering pattern is shown as a plan view in the above figure. Catalyst metal layers 62 and 63 each having a line pattern inserted in are formed.
In this case, the outer space between the pair of catalyst metal layers 62 and the outer space between the pair of catalyst metal layers 63 are, for example, 200 μm, and the width of each of the catalyst metal layers 62 and 63 is 5 μm. The width of the central exposed part is 190 μm.

次いで、上記の実施例1と同様の成長条件でカーボンナノチューブを成長させてカーボンナノチューブ立体構造64,65を成長させる。
この時、触媒金属層62,63上にのみカーボンナノチューブ立体構造64,65が成長し、一対の触媒金属層62の間及び一対の触媒金属層63の間はカーボンナノチューブが成長しない広い空間となる。
Next, carbon nanotubes are grown under the same growth conditions as in Example 1 to grow the carbon nanotube three-dimensional structures 64 and 65.
At this time, the three-dimensional structure of the carbon nanotubes 64 and 65 grows only on the catalyst metal layers 62 and 63, and a wide space where the carbon nanotubes do not grow is formed between the pair of catalyst metal layers 62 and between the pair of catalyst metal layers 63. .

図14参照
次いで、上記実施例3と同様に、カーボンナノチューブ立体構造64,65の頂面をステンシルマスク66で覆ったのち、Pt微粒子67を散布することによって、カーボンナノチューブ立体構造64,65の外壁にのみPt微粒子67を付着させる。
Next, as in Example 3, the top surfaces of the carbon nanotube three-dimensional structures 64 and 65 are covered with a stencil mask 66, and then the Pt fine particles 67 are dispersed, whereby the outer walls of the carbon nanotube three-dimensional structures 64 and 65 are dispersed. Pt fine particles 67 are attached only to the surface.

次いで、ステンシルマスク68を用いて、高分子電解質69の溶剤をカーボンナノチューブ立体構造64,65の間の流路以外の箇所に流し込む。   Next, using the stencil mask 68, the solvent of the polymer electrolyte 69 is poured into a portion other than the flow path between the carbon nanotube three-dimensional structures 64 and 65.

図15参照
引き続いて、高分子電解膜69が、カーボンナノチューブ立体構造64,65の外壁間に注ぎ込まれ、高分子電解膜69の液面が高くなって来ると、高分子電解膜69の自重によりカーボンナノチューブ立体構造64,65の外壁が曲り始め、やがてカーボンナノチューブ立体構造64,65の外壁が接して、アーチ型のトンネルが形成される。
一旦アーチが形成されると、このアーチ型の構造は耐久性が強いので、それ以上は潰れにくくなる。
See FIG.
Subsequently, when the polymer electrolyte membrane 69 is poured between the outer walls of the three-dimensional structure of the carbon nanotubes 64 and 65 and the liquid level of the polymer electrolyte membrane 69 becomes higher, the three-dimensional structure of the carbon nanotube is formed by the weight of the polymer electrolyte membrane 69. The outer walls of the structures 64 and 65 begin to bend, and the outer walls of the carbon nanotube three-dimensional structures 64 and 65 come into contact with each other to form an arched tunnel.
Once the arch is formed, this arched structure is highly durable and is less likely to collapse.

さらに高分子電解膜69を注ぎ続けると、アーチ状の空洞が完全に高分子電解膜69で埋め込まれる形になり、その後、窒素ガス雰囲気中で、150℃〜200℃において30分間の熱処理を行うことによって硬化させて高分子電解膜69とする。   If the polymer electrolyte membrane 69 is continuously poured, the arched cavity is completely filled with the polymer electrolyte membrane 69, and then heat treatment is performed at 150 ° C. to 200 ° C. for 30 minutes in a nitrogen gas atmosphere. The polymer electrolyte membrane 69 is thus cured.

この時、説明は省略したものの、各触媒金属層62,63の幅を燃料及び空気の導入口及び導出口において実施例3と同様に80μmとしておくことにより、この近傍においてはアーチは形成されず、高分子電解膜69で蓋をされた状態となっているので、この部分の高分子電解膜69を選択的に除去して、カーボンナノチューブ立体構造64,65の上端部を露出する開口部を設け、燃料及び酸化剤の導入口及び排出口とすることによって燃料電池の基本構造が完成する。   At this time, although explanation is omitted, by setting the width of each of the catalytic metal layers 62 and 63 to 80 μm at the fuel and air inlet and outlet as in the third embodiment, no arch is formed in the vicinity thereof. Since the polymer electrolyte membrane 69 is covered, the polymer electrolyte membrane 69 in this portion is selectively removed, and an opening that exposes the upper end portions of the carbon nanotube three-dimensional structures 64 and 65 is formed. The basic structure of the fuel cell is completed by providing the fuel and the oxidant inlet and outlet.

このように、本発明の実施例6においては、カーボンナノチューブ立体構造64,65の空洞を広くしているので、上記の実施例3よりもさらにコンダクタンスが高くなるとともに、カーボンナノチューブ立体構造64,65の頂部がアーチ状に閉じているので高分子電解膜69が内部に進入することがない。   As described above, in Example 6 of the present invention, since the cavities of the carbon nanotube three-dimensional structures 64 and 65 are widened, the conductance becomes higher than that in Example 3 and the three-dimensional structure of carbon nanotubes 64 and 65 is obtained. The polymer electrolyte membrane 69 does not enter the inside because the top portion is closed in an arch shape.

次に、図16乃至図17を参照して、本発明の実施例7の燃料電池の製造工程を説明する。
図16参照
まず、実施例3と全く同様に、SiO2 からなる基板41上に触媒となるCo層を堆積させたのち、レジストパターンを利用してエッチングすることによって、触媒金属層42,43を形成する。
Next, with reference to FIG. 16 thru | or FIG. 17, the manufacturing process of the fuel cell of Example 7 of this invention is demonstrated.
See FIG.
First, in exactly the same manner as in Example 3, after depositing a Co layer serving as a catalyst on a substrate 41 made of SiO 2 , catalytic metal layers 42 and 43 are formed by etching using a resist pattern.

次いで、上記の実施例1と同様の成長条件でカーボンナノチューブを成長させてカーボンナノチューブ立体構造44,45を成長させたのち、カーボンナノチューブ立体構造44,45の頂面をステンシルマスク46で覆ったのち、Pt微粒子47を散布することによって、カーボンナノチューブ立体構造44,45の外壁にのみPt微粒子47を付着させる。   Next, carbon nanotubes are grown under the same growth conditions as in Example 1 to grow the carbon nanotube three-dimensional structures 44 and 45, and then the top surfaces of the carbon nanotube three-dimensional structures 44 and 45 are covered with a stencil mask 46. By spraying the Pt fine particles 47, the Pt fine particles 47 are attached only to the outer walls of the carbon nanotube three-dimensional structures 44 and 45.

図17参照
次いで、上記実施例6と同様に、ステンシルマスク54を用いて、高分子電解質48の溶剤をカーボンナノチューブ立体構造44,45の間の流路以外の箇所に流し込んだのち、窒素ガス雰囲気中で、150℃〜200℃において30分間の熱処理を行うことによって硬化させて高分子電解膜48とする。
See FIG.
Next, as in Example 6 above, using the stencil mask 54, the solvent of the polymer electrolyte 48 was poured into a portion other than the flow path between the carbon nanotube three-dimensional structures 44, 45, and then in a nitrogen gas atmosphere. The polymer electrolyte membrane 48 is cured by performing a heat treatment at 150 ° C. to 200 ° C. for 30 minutes.

次いで、真空チャンバー(図示を省略)に低融点ガラスからなる絶縁基板55と流路構造を形成した基板41を重ねて挿入したのち、 10-2Torr程度まで軽く真空引きして両基板を密着させる。 Next, the insulating substrate 55 made of low-melting glass and the substrate 41 with the flow channel structure are inserted in a vacuum chamber (not shown), and then lightly evacuated to about 10 −2 Torr to bring the two substrates into close contact with each other. .

次いで、両基板を200℃〜400℃で加熱することによって絶縁基板55を構成する低融点ガラスを軟化させて、カーボンナノチューブ立体構造44,45の頂部及び高分子電解膜48の上面に絶縁基板55を密着させることによってカーボンナノチューブで周辺を取り囲まれた流路が完成する。   Next, both substrates are heated at 200 ° C. to 400 ° C. to soften the low-melting glass constituting the insulating substrate 55, so that the insulating substrate 55 is formed on the tops of the carbon nanotube three-dimensional structures 44 and 45 and the upper surface of the polymer electrolyte membrane 48. By adhering to each other, a flow path surrounded by carbon nanotubes is completed.

次いで、図示は省略するものの、カーボンナノチューブ立体構造44,45からなる流路の端になる部分の上部における絶縁基板55を選択的に除去して、カーボンナノチューブ立体構造44,45の上端部を露出する開口部を設け、燃料及び酸化剤の導入口及び排出口とすることによって燃料電池の基本構造が完成する。   Next, although not shown in the figure, the insulating substrate 55 is selectively removed at the upper part of the portion that becomes the end of the flow path composed of the carbon nanotube three-dimensional structures 44, 45, and the upper ends of the carbon nanotube three-dimensional structures 44, 45 are exposed. The basic structure of the fuel cell is completed by providing an opening to be used as an inlet and an outlet for the fuel and oxidant.

このように、本発明の実施例7においては、流路を閉鎖する「蓋」として低融点ガラスからなる絶縁基板55を用いているので、高分子電解膜がカーボンナノチューブ立体構造44,45の内部に進入して流路断面積を減少させる虞がなくなる。   Thus, in Example 7 of the present invention, the insulating substrate 55 made of low-melting glass is used as a “lid” for closing the flow path, so that the polymer electrolyte membrane is inside the carbon nanotube three-dimensional structures 44, 45. There is no risk of entering the channel and reducing the cross-sectional area of the flow path.

次に、図18を参照して、本発明の実施例8の燃料電池の製造工程を説明する。
図18参照
まず、実施例7と全く同様に、SiO2 からなる基板41上に触媒となるCo層を堆積させたのち、レジストパターンを利用してエッチングすることによって、触媒金属層42,43を形成する。
Next, with reference to FIG. 18, the manufacturing process of the fuel cell of Example 8 of the present invention will be described.
See FIG.
First, in exactly the same manner as in Example 7, after depositing a Co layer serving as a catalyst on a substrate 41 made of SiO 2 , catalytic metal layers 42 and 43 are formed by etching using a resist pattern.

次いで、上記の実施例1と同様の成長条件でカーボンナノチューブを成長させてカーボンナノチューブ立体構造44,45を成長させたのち、カーボンナノチューブ立体構造44,45の頂面をステンシルマスク46で覆ったのち、Pt微粒子47を散布することによって、カーボンナノチューブ立体構造44,45の外壁にのみPt微粒子47を付着させる。   Next, carbon nanotubes are grown under the same growth conditions as in Example 1 to grow the carbon nanotube three-dimensional structures 44 and 45, and then the top surfaces of the carbon nanotube three-dimensional structures 44 and 45 are covered with a stencil mask 46. By spraying the Pt fine particles 47, the Pt fine particles 47 are attached only to the outer walls of the carbon nanotube three-dimensional structures 44 and 45.

次いで、真空チャンバー(図示を省略)に低融点ガラスからなる絶縁基板55とカーボンナノチューブ立体構造44,45を形成した基板41を重ねて挿入したのち、 10-2Torr程度まで軽く真空引きして両基板を密着させる。 Next, the insulating substrate 55 made of low-melting glass and the substrate 41 on which the carbon nanotube three-dimensional structures 44 and 45 are formed are inserted into a vacuum chamber (not shown), and then lightly evacuated to about 10 −2 Torr. Adhere the substrate.

次いで、両基板を200℃〜400℃で加熱することによって絶縁基板55を構成する低融点ガラスを軟化させて、カーボンナノチューブ立体構造44,45の頂部に絶縁基板55を密着させることによってカーボンナノチューブで周辺を取り囲まれた流路が完成する。   Next, both substrates are heated at 200 ° C. to 400 ° C. to soften the low-melting glass constituting the insulating substrate 55, and the insulating substrate 55 is adhered to the tops of the three-dimensional structures 44 and 45 of the carbon nanotubes. The flow path surrounded by the periphery is completed.

次いで、高分子電解質48の溶剤をカーボンナノチューブ立体構造44,45の間の流路以外の箇所に流し込んだのち、窒素ガス雰囲気中で、150℃〜200℃において30分間の熱処理を行うことによって硬化させて高分子電解膜48とする。   Next, after the solvent of the polymer electrolyte 48 is poured into a portion other than the flow path between the carbon nanotube three-dimensional structures 44 and 45, curing is performed by performing a heat treatment at 150 ° C. to 200 ° C. for 30 minutes in a nitrogen gas atmosphere. Thus, the polymer electrolyte membrane 48 is obtained.

次いで、図示は省略するものの、カーボンナノチューブ立体構造44,45からなる流路の端になる部分の上部における絶縁基板55を選択的に除去して、カーボンナノチューブ立体構造44,45の上端部を露出する開口部を設け、燃料及び酸化剤の導入口及び排出口とすることによって燃料電池の基本構造が完成する。   Next, although not shown in the figure, the insulating substrate 55 is selectively removed at the upper part of the portion that becomes the end of the flow path composed of the carbon nanotube three-dimensional structures 44, 45, and the upper ends of the carbon nanotube three-dimensional structures 44, 45 are exposed. The basic structure of the fuel cell is completed by providing an opening to be used as an inlet and an outlet for the fuel and oxidant.

このように、本発明の実施例8においては、高分子電解膜を流し込む前にカーボンナノチューブ立体構造44,45の頂部を絶縁基板55で蓋をしているので、ステンシルマスクを用いることなく高分子電解膜の注入が可能になるので製造工程が簡素化される。   As described above, in Example 8 of the present invention, the tops of the carbon nanotube three-dimensional structures 44 and 45 are covered with the insulating substrate 55 before pouring the polymer electrolyte membrane, so that the polymer can be used without using a stencil mask. Since the electrolytic membrane can be injected, the manufacturing process is simplified.

次に、図19を参照して、本発明の実施例9の燃料電池を説明するが、基本的製造工程は上記の実施例1と全く同様であり、燃料の導入口を上部全面開口にしただけであるので、最終構造のみを説明する。
図19参照
上記の実施例1の図4の下図に示す構造を製造したのち、カーボンナノチューブ立体構造14からなる燃料流路の全上部の高分子電解膜17を除去して燃料導入口22を形成すると同時に、カーボンナノチューブ立体構造15からなる酸化剤流路の端部の上部における高分子電解膜17を除去して酸化剤の導入口19及び排出口21としたものである。
Next, the fuel cell of Example 9 of the present invention will be described with reference to FIG. 19, but the basic manufacturing process is exactly the same as that of Example 1 described above, and the fuel introduction port is opened at the entire upper surface. Only the final structure will be described.
See FIG.
After manufacturing the structure shown in the lower diagram of FIG. 4 of Example 1 above, the polymer electrolyte membrane 17 on the entire upper part of the fuel flow path made of the carbon nanotube three-dimensional structure 14 is removed to form the fuel inlet 22 simultaneously. The polymer electrolyte membrane 17 in the upper part of the end portion of the oxidant flow path composed of the carbon nanotube three-dimensional structure 15 is removed to form an oxidant introduction port 19 and a discharge port 21.

特に、アルコールと酸素を燃料とする場合、アルコールは液体で、細い流路の中は流れ難いので、空気の方を細い管の中を流し、 燃料電池を燃料となるアルコールの液体の中に浸すようにすると効果的である。   In particular, when alcohol and oxygen are used as fuel, the alcohol is liquid and difficult to flow in the narrow flow path, so air flows through a narrow tube, and the fuel cell is immersed in the alcohol liquid used as fuel. This is effective.

このように、本発明の実施例9においては、燃料を上から全面に供給しているので、燃料を容易に近距離で燃料電池部に導くことができるようになり、効率が向上する。   Thus, in Embodiment 9 of the present invention, the fuel is supplied to the entire surface from above, so that the fuel can be easily guided to the fuel cell portion at a short distance, and the efficiency is improved.

次に、図20を参照して、本発明の実施例10の燃料電池を説明するが、基本的製造工程は上記の実施例2と全く同様であり、燃料の導入口を上部全面開口にしただけであるので、最終構造のみを説明する。
図20参照
上記の実施例2の図8の下図に示す構造を製造したのち、カーボンナノチューブ立体構造36からなる燃料流路の全上部の高分子電解膜39を除去して燃料導入口40を形成すると同時に、カーボンナノチューブ立体構造37からなる酸化剤流路の端部の上部における高分子電解膜39を除去して酸化剤の導入口及び排出口としたものである。
Next, the fuel cell of Example 10 of the present invention will be described with reference to FIG. 20, but the basic manufacturing process is exactly the same as that of Example 2 described above, and the fuel introduction port is opened at the entire upper surface. Only the final structure will be described.
See FIG.
After manufacturing the structure shown in the lower diagram of FIG. 8 of Example 2 above, the polymer electrolyte membrane 39 in the entire upper part of the fuel flow path composed of the carbon nanotube three-dimensional structure 36 is removed to form the fuel inlet 40, The polymer electrolyte membrane 39 in the upper part of the end portion of the oxidant flow path made of the carbon nanotube three-dimensional structure 37 is removed to form an oxidant inlet and outlet.

このように、本発明の実施例10においても実施例9と同様に、燃料を上から全面に供給しているので、燃料を容易に近距離で燃料電池部に導くことができるようになり、効率が向上する。   As described above, in the tenth embodiment of the present invention, as in the ninth embodiment, since the fuel is supplied to the entire surface from above, the fuel can be easily guided to the fuel cell unit at a short distance, Efficiency is improved.

次に、図21を参照して、本発明の実施例11の燃料電池を説明するが、基本的製造工程は上記の実施例3と全く同様であり、燃料の導入口を上部全面開口にしただけであるので、最終構造のみを説明する。
図21参照
上記の実施例3の図10の下図に示す構造を製造したのち、カーボンナノチューブ立体構造44からなる燃料流路の全上部における高分子電解膜48を除去して燃料導入口56を形成すると同時に、カーボンナノチューブ立体構造45からなる酸化剤流路の端部の上部における高分子電解膜48を除去して酸化剤の導入口及び排出口としたものである。
Next, the fuel cell of Example 11 of the present invention will be described with reference to FIG. 21, but the basic manufacturing process is exactly the same as that of Example 3 described above, and the fuel introduction port is opened at the entire upper surface. Only the final structure will be described.
See FIG.
After manufacturing the structure shown in the lower diagram of FIG. 10 of Example 3 above, the polymer electrolyte membrane 48 is removed from the entire upper part of the fuel flow path composed of the carbon nanotube three-dimensional structure 44 to form the fuel inlet 56 simultaneously. The polymer electrolyte membrane 48 in the upper part of the end portion of the oxidant flow path composed of the carbon nanotube three-dimensional structure 45 is removed to form an oxidant inlet and outlet.

このように、本発明の実施例11においても実施例9と同様に、燃料を上から全面に供給しているので、空気を容易に近距離で燃料電池部に導くことができるようになり、効率が向上する。   As described above, in the eleventh embodiment of the present invention, as in the ninth embodiment, since the fuel is supplied to the entire surface from above, the air can be easily led to the fuel cell portion at a short distance, Efficiency is improved.

次に、図22を参照して、本発明の実施例12の燃料電池を説明するが、基本的製造工程は上記の実施例6と全く同様であり、燃料の導入口を上部全面開口にしただけであるので、最終構造のみを説明する。
図22参照
上記の実施例6の図15の下図に示す構造を製造したのち、カーボンナノチューブ立体構造64からなる燃料流路の全上部の高分子電解膜69を除去して燃料導入口70を形成すると同時に、カーボンナノチューブ立体構造65からなる酸化剤流路の端部の上部における高分子電解膜69を除去して酸化剤の導入口及び排出口としたものである。
Next, the fuel cell of Example 12 of the present invention will be described with reference to FIG. 22, but the basic manufacturing process is exactly the same as that of Example 6 described above, and the fuel introduction port is opened at the entire upper surface. Only the final structure will be described.
See FIG.
After manufacturing the structure shown in the lower diagram of FIG. 15 in Example 6 above, the polymer electrolyte membrane 69 on the entire upper part of the fuel flow path composed of the carbon nanotube three-dimensional structure 64 is removed to form the fuel inlet 70 simultaneously. The polymer electrolyte membrane 69 in the upper part of the end portion of the oxidant flow path made of the carbon nanotube three-dimensional structure 65 is removed to form an oxidant inlet and outlet.

このように、本発明の実施例12においても実施例9と同様に、燃料を上から全面に供給しているので、空気を容易に近距離で燃料電池部に導くことができるようになり、効率が向上する。   As described above, in the twelfth embodiment of the present invention, as in the ninth embodiment, since the fuel is supplied to the entire surface from above, the air can be easily guided to the fuel cell portion at a short distance, Efficiency is improved.

次に、図23を参照して、本発明の実施例13の燃料電池を説明するが、基本的製造工程は上記の実施例7と全く同様であり、燃料の導入口を上部全面開口にしただけであるので、最終構造のみを説明する。
図23参照
上記の実施例7の図17の下図に示す構造を製造したのち、カーボンナノチューブ立体構造44からなる燃料流路の全上部の絶縁基板55を除去して燃料導入口57を形成すると同時に、カーボンナノチューブ立体構造45からなる酸化剤流路の端部の上部における絶縁基板55を除去して酸化剤の導入口及び排出口としたものである。
Next, the fuel cell of Example 13 of the present invention will be described with reference to FIG. 23, but the basic manufacturing process is exactly the same as that of Example 7 described above, and the fuel inlet is the upper entire surface opening. Only the final structure will be described.
See FIG.
After the structure shown in the lower diagram of FIG. 17 of Example 7 is manufactured, the insulating substrate 55 in the entire upper part of the fuel flow path composed of the carbon nanotube three-dimensional structure 44 is removed to form the fuel introduction port 57 and at the same time, the carbon nanotube The insulating substrate 55 in the upper part of the end portion of the oxidant flow path composed of the three-dimensional structure 45 is removed to form an oxidant introduction port and a discharge port.

このように、本発明の実施例13においても実施例9と同様に、燃料を上から全面に供給しているので、空気を容易に近距離で燃料電池部に導くことができるようになり、効率が向上する。   As described above, in the thirteenth embodiment of the present invention, as in the ninth embodiment, since the fuel is supplied to the entire surface from above, the air can be easily guided to the fuel cell portion at a short distance, Efficiency is improved.

次に、図24を参照して、本発明の実施例14の燃料電池を説明するが、基本的製造工程は上記の実施例1と全く同様であり、空気の導入口を上部全面開口にしただけであるので、最終構造のみを説明する。
図24参照
上記の実施例1の図4の上図に示す構造を製造したのち、カーボンナノチューブ立体構造14からなる燃料流路の端部の上部における高分子電解膜17を除去して燃料導入口18及び排出口20を形成すると同時に、カーボンナノチューブ立体構造15からなる酸化剤流路の全上部における高分子電解膜17を除去して酸化剤導入口23としたものである。
Next, the fuel cell of Example 14 of the present invention will be described with reference to FIG. 24, but the basic manufacturing process is exactly the same as that of Example 1 described above, and the air inlet is the entire upper surface opening. Only the final structure will be described.
See FIG.
After the structure shown in the upper diagram of FIG. 4 of Example 1 is manufactured, the polymer electrolyte membrane 17 at the upper part of the end of the fuel flow path composed of the carbon nanotube three-dimensional structure 14 is removed to remove the fuel inlet 18 and the exhaust. At the same time when the outlet 20 is formed, the polymer electrolyte membrane 17 in the entire upper part of the oxidant flow path made of the carbon nanotube three-dimensional structure 15 is removed to form an oxidant inlet 23.

このように、本発明の実施例14においては、空気を上から全面に供給しているので、空気中に豊富に存在する酸素を有効に利用することができる。   Thus, in Example 14 of the present invention, since air is supplied to the entire surface from above, oxygen that is abundant in the air can be used effectively.

以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は各実施例に記載した条件・構成に限られるものではなく、各種の変更が可能であり、例えば、上記の各実施例においては、カーボンナノチューブの成長用の触媒金属としてCo或いはTiCoを用いているが、Co或いはTiCoに限られるものではなく、Co,Ni,Fe等の遷移金属、或いは、これらの混合合金、さらには、これらの遷移金属を一部含有する合金を用いても良いものである。   The embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the conditions and configurations described in the embodiments, and various modifications are possible. For example, in the above embodiments, Co or TiCo is used as a catalyst metal for carbon nanotube growth, but is not limited to Co or TiCo, transition metals such as Co, Ni, Fe, etc., or a mixed alloy thereof, and further An alloy containing a part of these transition metals may be used.

また、上記の各実施例においては、カーボンナノチューブを成長させるために、成長基板となる下地電極パターンを触媒作用のある金属で形成しているが、要は下地電極パターンの表面層に触媒となる物質が存在していれば良いので、一般的に高抵抗な触媒金属を用いず、Al、Cu、Ag等の低抵抗な非触媒金属で下地電極パターンを形成し、 この下地電極パターンの表面に薄く触媒金属膜を形成しても良く、或いは、予め形成された触媒微粒子をレジスト等のマスクを用い、非触媒金属上の必要な部分に散布しても良いものである。   In each of the above embodiments, in order to grow carbon nanotubes, the base electrode pattern serving as the growth substrate is formed of a metal having a catalytic action, but in essence, the surface layer of the base electrode pattern serves as a catalyst. As long as the substance is present, a base electrode pattern is generally formed of a low-resistance non-catalytic metal such as Al, Cu, or Ag without using a high-resistance catalyst metal. The catalyst metal film may be thinly formed, or the catalyst fine particles formed in advance may be sprayed on necessary portions on the non-catalyst metal using a mask such as a resist.

また、上記の各実施例においては、基板としてSiO2 基板、即ち、石英基板等を用いているが、SiO2 基板に限られるものではなく、Si3 4 基板、絶縁性セラミックス基板、或いは、耐熱性プラスチック基板等の他の絶縁性基板を用いても良いものである。 Further, in each of the above embodiments, a SiO 2 substrate, that is, a quartz substrate or the like is used as the substrate, but the substrate is not limited to the SiO 2 substrate, and an Si 3 N 4 substrate, an insulating ceramic substrate, or Other insulating substrates such as a heat resistant plastic substrate may be used.

また、上記の実施例4等においては、非触媒金属層としてAlを用いているが、Alに限られるものではなく、Cu或いはAg等の他の非触媒金属を用いても良いものである。   In Example 4 and the like described above, Al is used as the non-catalytic metal layer, but is not limited to Al, and other non-catalytic metals such as Cu or Ag may be used.

また、上記の各実施例においては、燃料極を蛇行させるとともに、空気極をその間に配置しているが、逆に、空気極を蛇行させるとともに、燃料極をその間に配置しても良いものであり、この場合も燃料電池として作用するトータル面積を稼ぐことができるので、高出力化に寄与することができる。   Further, in each of the above embodiments, the fuel electrode is meandered and the air electrode is disposed between them, but conversely, the air electrode may be meandered and the fuel electrode may be disposed between them. In this case, the total area acting as a fuel cell can be gained, which can contribute to higher output.

さらには、燃料極と空気極の両方を蛇行させて一方を他方に入り込むようにしても良いし、或いは、燃料極と空気極の両方を櫛歯状にして互いに歯の部分を組み合わせるようにしても良いものである。   Furthermore, both the fuel electrode and the air electrode may be meandered so that one of them enters the other, or both the fuel electrode and the air electrode may be comb-like to combine the tooth portions. Is also good.

また、上記の各実施例においては、空気極と燃料極との間の基板上に付着したPt微粒子を除去しているが、空気極と燃料極との間隔は200μmもあるのに対して、Pt微粒子のサイズは非常に小さいので、Pt微粒子の密度がそれほど高くない場合には、Pt微粒子が電極間に完全に連なって電流経路を形成することはないので、Pt微粒子を除去する必要は必ずしもない。   Further, in each of the above embodiments, the Pt fine particles adhering to the substrate between the air electrode and the fuel electrode are removed, whereas the distance between the air electrode and the fuel electrode is 200 μm, Since the size of the Pt fine particles is very small, if the density of the Pt fine particles is not so high, the Pt fine particles are not completely connected between the electrodes to form a current path. Therefore, it is not always necessary to remove the Pt fine particles. Absent.

また、上記の各実施例においては、燃料電池の触媒としてPtを用いているが、Ptは非常に高価であるので、これに代わる媒金属が色々の研究開発されており、今後も色々登場してくることが考えられるが、同様な働きをするものなら、何でも使用することができることは言うまでもない。   In each of the above embodiments, Pt is used as a catalyst for the fuel cell. However, since Pt is very expensive, various types of medium metals have been researched and developed, and will continue to appear in the future. Of course, you can use anything that works the same way.

また、上記の各実施例においては、燃料として気体のH2 を用いているが、H2 に限られるものではなく、例えば、メタノールやエタノール等の液体燃料を用いても良いものである。
なお、液体燃料の場合には、液体の流れがカーボンナノチューブで阻害され易いが、発電量が少なく、そのため燃料の流量が少なくてよい場合や、 流路が沢山設けられていて1本当たりに流れる流量が僅かとなる場合には問題はなく、特に、上記の実施例9乃至実施例13の場合には全く問題がない。
In each of the above embodiments, gaseous H 2 is used as the fuel. However, the fuel is not limited to H 2 , and liquid fuel such as methanol or ethanol may be used.
In the case of liquid fuel, the flow of the liquid is likely to be obstructed by the carbon nanotubes, but the amount of power generation is small, so that the flow rate of the fuel may be small, or there are many flow paths and the flow per one There is no problem when the flow rate is small, and in particular, there is no problem at all in the case of the ninth to thirteenth embodiments.

また、上記の各実施例においては、空気を供給して空気中の酸素を酸化剤としているが、空気に限られるものではなく、直接酸素ガスを供給するようにしても良いものである。   In each of the above embodiments, air is supplied and oxygen in the air is used as an oxidizing agent. However, the present invention is not limited to air, and oxygen gas may be supplied directly.

また、上記の各実施例においては、高分子電解膜の厚さを燃料及び酸化剤がお互いに他方の領域に拡散するのを防ぐクロストーク防止と、 燃料電池で生じた電圧を絶縁破壊を生ぜずに保持するために200μm程度としているが、200μm以上に限られるものではなく、技術の発展とともに将来薄くなる可能性はある。   In each of the above embodiments, the thickness of the polymer electrolyte membrane prevents crosstalk from preventing the fuel and oxidant from diffusing into the other region, and causes breakdown of the voltage generated in the fuel cell. However, it is not limited to 200 μm or more, and it may become thinner in the future with the development of technology.

また、上記の実施例2においては、カーボンナノチューブを成長させるための触媒微粒子としてCoを用いているが、Coに限られるものではなく、Ni,Fe等の遷移金属、或いは、Co,Ni,Fe等の遷移金属の混合合金、さらには、これらの遷移金属を一部含有するTiCo等の合金を用いても良いものである。   In Example 2 described above, Co is used as catalyst fine particles for growing carbon nanotubes, but is not limited to Co, and is not limited to Co, Ni, Fe or other transition metals, or Co, Ni, Fe. Alternatively, a mixed alloy of transition metals such as TiCo or an alloy such as TiCo partially containing these transition metals may be used.

さらには、触媒微粒子の代わりに、厚さ数nmのCo,Ni,Fe等の遷移金属、或いは、これらの混合合金、さらには、これらの遷移金属を一部含有する合金のスパッタ薄膜やCVD薄膜を用いても良いものである。   Further, instead of the catalyst fine particles, a transition metal such as Co, Ni, Fe or the like having a thickness of several nm, or a mixed alloy thereof, or a sputtered thin film or a CVD thin film of an alloy partially containing these transition metals. May be used.

また、上記の実施例3においては、高分子電解膜48の溶剤を一挙に塗布しているが、カーボンナノチューブ立体構造の内部に形成される開口部を狭く作ったり、粘性を適度に調整したり、温度を高めるなどして、 塗布後早く硬化させるようにしたり等の調整を行うことによって、通常の速度で塗布することができる。   Further, in Example 3 above, the solvent of the polymer electrolyte membrane 48 is applied all at once, but the opening formed inside the three-dimensional structure of the carbon nanotube is made narrow, or the viscosity is adjusted appropriately. It can be applied at a normal speed by adjusting the temperature so as to be cured quickly after application.

また、上記の各実施例においては、高分子電解膜の溶剤をMDAC+H2 Oで構成しているが、MDAC+H2 Oに限られるものではなく、DMSO(DimethylSolfoside)+H2 O、或いは、DMF(DimethylFormamide)+H2 O等の他の高分子電解膜の溶剤を用いても良いものである。 In each of the above embodiments, the solvent of the polymer electrolyte membrane is composed of MDAC + H 2 O. However, the solvent is not limited to MDAC + H 2 O, but is not limited to MDAC + H 2 O, but is DMSO (dimethylsulfide) + H 2 O, or DMF (dimethylformamide). ) Solvents of other polymer electrolyte membranes such as + H 2 O may be used.

また、実施例3或いは実施例6等においては、Ptが高価であるため触媒微粒子をカーボンナノチューブ立体構造の外表面のみにステンシルマスクを用いて選択的に付着させているが、この触媒微粒子は非常に小さいので燃料気体や液体の流れを阻害するものでもなく、 またPt微粒子が流路の内部の形成されていることによって特に電気的な不都合も引き起こさないので、流路となるべき領域の内壁に付着されていても良い。   In Example 3 or Example 6 or the like, since Pt is expensive, catalyst fine particles are selectively attached only to the outer surface of the carbon nanotube three-dimensional structure using a stencil mask. Therefore, the flow of fuel gas or liquid is not hindered, and since the Pt fine particles are formed inside the flow path, no electrical inconvenience is caused. It may be attached.

また、上記の実施例6においては、カーボンナノチューブを左右に曲り易くするため、カーボンナノチューブの生える領域を5μm程度としたが、これはカーボンナノチューブの強度( 太さ、層数)、カーボンナノチューブの長さ等により変るので、適宜適切な曲がりとなるようにカーボンナノチューブの生える領域を調整することが好ましい。   In Example 6 described above, in order to make the carbon nanotube easily bend left and right, the region where the carbon nanotube grows is set to about 5 μm. This is because the strength (thickness, number of layers) of the carbon nanotube, the length of the carbon nanotube Therefore, it is preferable to adjust the region where the carbon nanotubes grow so as to obtain an appropriate bend appropriately.

また、上記の実施例3等においては、ステンシルマスクを用いて必要箇所のみに高分子電解膜を流し込んでいるが、先端部が非常に細いピペットを用いて必要な箇所に滴下しても良いし、或いは、インクジェットノズルを用いて高分子電解質の液滴を注入しても良いものである。   In Example 3 and the like described above, the polymer electrolyte membrane is poured into only a necessary portion using a stencil mask, but it may be dropped at a necessary portion using a pipette having a very thin tip. Alternatively, polymer electrolyte droplets may be injected using an ink jet nozzle.

また、上記の実施例14においては、実施例1に対応する形状を代表として説明しているが、このような構成は上記の実施例2乃至実施例8に対しても同様に適用されるものである。   In the above-described embodiment 14, the shape corresponding to the embodiment 1 is described as a representative, but such a configuration is similarly applied to the above-described embodiments 2 to 8. It is.

また、上記の実施例1等においては、成長下地として触媒金属層を用いているが、このような構成に限られるものではなく、非触媒金属層に触媒電極薄膜を設けたものを下地として用いても良いし、或いは、非触媒金属層に導電性触媒微粒子を付着させたものを下地として用いても良いものである。   In Example 1 and the like described above, the catalyst metal layer is used as the growth base. However, the present invention is not limited to such a configuration, and a non-catalytic metal layer provided with a catalyst electrode thin film is used as the base. Alternatively, a non-catalytic metal layer having conductive catalyst fine particles attached thereto may be used as a base.

また、上記の実施例6においてのみカーボンナノチューブによってアーチを形成しているが、実施例1或いは実施例2等においてもカーボンナノチューブによりアーチを形成しても良いものであり、例えば、実施例1においては、カーボンナノチューブの密度は均一であっても密度自体を低くすることによってアーチ化が可能になる。
なお、これらの場合にも、燃料及び空気の供給は端部から行っても良いし、或いは、上部全面開口部から行っても良いものである。
Further, the arch is formed by the carbon nanotube only in the above-described Example 6, but the arch may be formed by the carbon nanotube also in Example 1 or Example 2 or the like. Even if the density of the carbon nanotubes is uniform, arching is possible by reducing the density itself.
In these cases as well, the fuel and air may be supplied from the end portion or from the upper entire opening.

また、上記の実施例7及び実施例8においてのみカーボンナノチューブの頂部を絶縁基板で覆っているが、実施例1乃至実施例6においてもカーボンナノチューブの頂部を高分子電解膜の代わりに絶縁基板で覆っても良いものである。
なお、これらの場合にも、燃料及び空気の供給は端部から行っても良いし、或いは、上部全面開口部から行っても良いものである。
In addition, the top part of the carbon nanotube is covered with the insulating substrate only in the above-described Example 7 and Example 8, but also in Example 1 to Example 6, the top part of the carbon nanotube is covered with the insulating substrate instead of the polymer electrolyte membrane. It can be covered.
In these cases as well, the fuel and air may be supplied from the end portion or from the upper entire opening.

また、上記の各実施例の説明においては、単層の燃料電池として説明しているが、これまで説明して来た基板を何枚も重ねて多層化して良いものであり、それによって、さらなる高電圧化・高出力化が可能になる。   Further, in the description of each of the above embodiments, a single-layer fuel cell is described. However, the above-described substrates may be stacked to form a multilayer, thereby further increasing the number of substrates. High voltage and high output are possible.

ここで再び図1を参照して、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
再び、図1参照
(付記1) 基板1の主面に対して垂直方向に互いに微小間隙を持って並ぶ多数のカーボンナノチューブからなる燃料電極を兼ねる燃料流路兼電極3と酸化剤電極を兼ねる酸化剤流路兼電極4を対向させて設けるとともに、少なくとも前記燃料流路兼電極3と酸化剤流路兼電極4との対向間隙を充填する電解膜5を設けたことを特徴とする燃料電池。
(付記2) カーボンナノチューブからなる燃料流路兼電極3と酸化剤流路兼電極4において、内部のカーボンナノチューブの密度が外側のカーボンナノチューブの密度より低いことを特徴とする付記1記載の燃料電池。
(付記3) カーボンナノチューブからなる燃料流路兼電極3と酸化剤流路兼電極4の内部が、カーボンナノチューブの存在しない空洞であることを特徴とする付記1記載の燃料電池。
(付記4) 上記カーボンナノチューブからなる燃料流路兼電極3と酸化剤流路兼電極4の頂部が、前記燃料流路兼電極3と酸化剤流路兼電極4との対向間隙を充填する電解膜5と一体の電解膜5で覆ったことを特徴とする付記1乃至3のいずれか1に記載の燃料電池。
(付記5) 上記カーボンナノチューブからなる燃料流路兼電極3と酸化剤流路兼電極4の頂部が、前記燃料流路兼電極3と酸化剤流路兼電極4を構成するカーボンナノチューブ自体で閉じられていることを特徴とする付記1乃至3のいずれか1に記載の燃料電池。 (付記6) 上記カーボンナノチューブからなる燃料流路兼電極3と酸化剤流路兼電極4の頂部が、少なくとも前記燃料流路兼電極3と酸化剤流路兼電極4の頂部との接触面が絶縁されている基板で閉じられていることを特徴とする付記1乃至3のいずれか1に記載の燃料電池。
(付記7) 上記燃料流路兼電極3と酸化剤流路兼電極4の下地2として触媒金属層を設けたことを特徴とする付記1乃至付記6のいずれか1に記載の燃料電池。
(付記8) 上記燃料流路兼電極3と酸化剤流路兼電極4の下地2として、非触媒金属層とその上に設けた触媒電極薄膜を用いたことを特徴とする付記1乃至付記6のいずれか1に記載の燃料電池。
(付記9) 上記燃料流路兼電極3と酸化剤流路兼電極4の下地2として、非触媒金属層とその上に付着させた導電性触媒微粒子を用いたことを特徴とする付記1乃至付記6のいずれか1に記載の燃料電池。
(付記10) 上記燃料流路兼電極3と酸化剤流路兼電極4の一方を平面形状において蛇行させるともに、前記燃料流路兼電極3と酸化剤流路兼電極4の他方を前記蛇行させた流路兼電極の間に挿入するように配置したことを特徴とする付記1乃至付記9のいずれか1に記載の燃料電池。
(付記11) 上記燃料流路兼電極3内においてカーボンナノチューブの配向方向と直交する方向に燃料を流すとともに、上記酸化剤流路兼電極4内においてカーボンナノチューブの配向方向と直交する方向に酸化剤を流すことを特徴とする付記1乃至10のいずれか1に記載の燃料電池。
(付記12) 上記燃料流路兼電極3及び酸化剤流路兼電極4の一方に対して、カーボンナノチューブの配向方向の先端部から燃料或いは酸化剤を供給し、他方はカーボンナノチューブの配向方向と直交する方向から燃料或いは酸化剤を供給することを特徴とする付記1乃至10のいずれか1に記載の記載の燃料電池。
The detailed features of the present invention will be described again with reference to FIG. 1 again.
Again see Figure 1
(Additional remark 1) The fuel flow path and electrode 3 which also serves as the fuel electrode which consists of many carbon nanotubes arranged in a perpendicular direction with respect to the main surface of the substrate 1 and the oxidant flow path and electrode which also serves as the oxidant electrode 4 is provided so as to face each other, and at least an electrolytic membrane 5 that fills a gap between the fuel flow path and electrode 3 and the oxidant flow path and electrode 4 is provided.
(Supplementary note 2) The fuel cell according to Supplementary note 1, wherein in the fuel flow channel electrode 3 and the oxidant flow channel electrode 4 made of carbon nanotubes, the density of the inner carbon nanotubes is lower than the density of the outer carbon nanotubes. .
(Supplementary note 3) The fuel cell according to supplementary note 1, wherein the inside of the fuel flow channel electrode 3 and the oxidant flow channel electrode 4 made of carbon nanotubes is a cavity free of carbon nanotubes.
(Additional remark 4) The top part of the fuel flow path electrode 3 and the oxidant flow path electrode 4 made of the carbon nanotube fills the facing gap between the fuel flow path electrode 3 and the oxidant flow path electrode 4. 4. The fuel cell according to any one of appendices 1 to 3, wherein the fuel cell is covered with an electrolytic membrane 5 integral with the membrane 5.
(Supplementary Note 5) The tops of the fuel flow channel / electrode 3 and the oxidant flow channel / electrode 4 made of the carbon nanotubes are closed by the carbon nanotubes themselves constituting the fuel flow channel / electrode 3 and the oxidant flow passage / electrode 4. 4. The fuel cell according to any one of supplementary notes 1 to 3, wherein the fuel cell is provided. (Supplementary Note 6) The tops of the fuel channel / electrode 3 and the oxidant channel / electrode 4 made of the carbon nanotubes are at least the contact surfaces of the fuel channel / electrode 3 and the top of the oxidant channel / electrode 4. 4. The fuel cell according to any one of appendices 1 to 3, wherein the fuel cell is closed by an insulated substrate.
(Supplementary note 7) The fuel cell according to any one of supplementary notes 1 to 6, wherein a catalyst metal layer is provided as a base 2 of the fuel flow channel electrode 3 and the oxidant flow channel electrode 4.
(Additional remark 8) The non-catalytic metal layer and the catalyst electrode thin film provided on it are used as the foundation | substrate 2 of the said fuel flow path electrode 3 and the oxidizing agent flow path electrode 4, The additional remark 1 thru | or 6 characterized by the above-mentioned The fuel cell according to any one of the above.
(Additional remark 9) The non-catalytic metal layer and the electroconductive catalyst fine particles adhering on it are used as the foundation | substrate 2 of the said fuel flow path electrode 3 and the oxidizing agent flow path electrode 4 The fuel cell according to any one of appendix 6.
(Appendix 10) One of the fuel flow path electrode 3 and the oxidant flow path electrode 4 is meandered in a planar shape, and the other of the fuel flow path electrode 3 and the oxidant flow path electrode 4 is meandered. 10. The fuel cell according to any one of appendices 1 to 9, wherein the fuel cell is disposed so as to be inserted between the flow path and electrode.
(Additional remark 11) While flowing a fuel in the direction orthogonal to the orientation direction of a carbon nanotube in the said fuel flow path and electrode 3, an oxidant in the direction orthogonal to the orientation direction of a carbon nanotube in the said oxidant flow path and electrode 4 11. The fuel cell according to any one of appendices 1 to 10, wherein
(Supplementary Note 12) Fuel or oxidant is supplied from one end of the orientation direction of the carbon nanotubes to one of the fuel passage / electrode 3 and the oxidant passage / electrode 4 and the other is oriented to the carbon nanotubes. 11. The fuel cell according to any one of appendices 1 to 10, wherein fuel or an oxidant is supplied from a direction orthogonal to each other.

本発明の活用例としては、高速で高機能で多機能、さらに軽薄短小で常に身に着けて( 纏って) 歩けるウエアラブル・コンピュータ、立体TV電話や財布機能等、機能が盛り沢山な携帯電話、米粒程の大きさであらゆる環境情報を検知し知らせるセンサータグ等の小型機器の電源が典型的であるが、多層化することによって、長時間人間に代わって働く人間型ロボット等の装置の電源にも適用されるものである。   Examples of the use of the present invention include a wearable computer that can be always worn (bundled) with high speed and high functionality and multifunction, a mobile phone with a lot of functions such as a stereoscopic TV phone and a wallet function, rice grain, etc. The power supply of small devices such as sensor tags that detect and notify all environmental information with a size of a typical size is typical, but by multilayering, it can also be used as a power supply for devices such as humanoid robots that work on behalf of humans for a long time. Applicable.

本発明の原理的構成の説明図である。It is explanatory drawing of the fundamental structure of this invention. 本発明の実施例1の燃料電池の途中までの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process to the middle of the fuel cell of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の燃料電池の図2以降の途中までの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process to the middle of FIG. 2 after the fuel cell of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の燃料電池の図3以降の製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process after FIG. 3 of the fuel cell of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の燃料電池の基板に平行な要部断面図である。It is principal part sectional drawing parallel to the board | substrate of the fuel cell of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の燃料電池の基板に垂直な要部断面図である。It is principal part sectional drawing perpendicular | vertical to the board | substrate of the fuel cell of Example 1 of this invention. 本発明の実施例2の燃料電池の途中までの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process to the middle of the fuel cell of Example 2 of this invention. 本発明の実施例2の燃料電池の図7以降の製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process after FIG. 7 of the fuel cell of Example 2 of this invention. 本発明の実施例3の燃料電池の途中までの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process to the middle of the fuel cell of Example 3 of this invention. 本発明の実施例3の燃料電池の図9以降の製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process after FIG. 9 of the fuel cell of Example 3 of this invention. 本発明の実施例4の電極パターンの断面図である。It is sectional drawing of the electrode pattern of Example 4 of this invention. 本発明の実施例5の電極パターンの断面図である。It is sectional drawing of the electrode pattern of Example 5 of this invention. 本発明の実施例6の燃料電池の途中までの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process to the middle of the fuel cell of Example 6 of this invention. 本発明の実施例6の燃料電池の図13以降の途中までの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process to the middle after FIG. 13 of the fuel cell of Example 6 of this invention. 本発明の実施例6の燃料電池の図14以降の製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process after FIG. 14 of the fuel cell of Example 6 of this invention. 本発明の実施例7の燃料電池の途中までの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process to the middle of the fuel cell of Example 7 of this invention. 本発明の実施例7の燃料電池の図16以降の製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process after FIG. 16 of the fuel cell of Example 7 of this invention. 本発明の実施例8の燃料電池の製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process of the fuel cell of Example 8 of this invention. 本発明の実施例9の燃料電池の説明図である。It is explanatory drawing of the fuel cell of Example 9 of this invention. 本発明の実施例10の燃料電池の説明図である。It is explanatory drawing of the fuel cell of Example 10 of this invention. 本発明の実施例11の燃料電池の説明図である。It is explanatory drawing of the fuel cell of Example 11 of this invention. 本発明の実施例12の燃料電池の説明図である。It is explanatory drawing of the fuel cell of Example 12 of this invention. 本発明の実施例13の燃料電池の説明図である。It is explanatory drawing of the fuel cell of Example 13 of this invention. 本発明の実施例14の燃料電池の説明図である。It is explanatory drawing of the fuel cell of Example 14 of this invention. 従来の対向電極型燃料電池の概念的構成図である。It is a notional block diagram of the conventional counter electrode type fuel cell. 従来のプレーナ型燃料電池の概念的構成図である。It is a conceptual block diagram of the conventional planar fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 下地
3 燃料流路兼電極
4 酸化剤流路兼電極
5 電解膜
6 触媒微粒子
11 基板
12 触媒金属層
13 触媒金属層
14 カーボンナノチューブ立体構造
15 カーボンナノチューブ立体構造
16 Pt微粒子
17 高分子電解膜
18 導入口
19 導入口
20 排出口
21 排出口
22 燃料導入口
23 酸化剤導入口
31 基板
32 触媒金属層
33 触媒金属層
34 レジストパターン
35 TiCo微粒子
36 カーボンナノチューブ立体構造
37 カーボンナノチューブ立体構造
38 Pt微粒子
39 高分子電解膜
40 燃料導入口
41 基板
42 触媒金属層
43 触媒金属層
44 カーボンナノチューブ立体構造
45 カーボンナノチューブ立体構造
46 ステンシルマスク
47 Pt微粒子
48 高分子電解膜
49 非触媒金属層
50 非触媒金属層
51 触媒金属層
52 触媒金属層
53 Co微粒子
54 ステンシルマスク
55 絶縁基板
56 燃料導入口
57 燃料導入口
61 基板
62 触媒金属層
63 触媒金属層
64 カーボンナノチューブ立体構造
65 カーボンナノチューブ立体構造
66 ステンシルマスク
67 Pt微粒子
68 ステンシルマスク
69 高分子電解膜
70 燃料導入口
81 高分子電解膜
82 燃料極
83 水素燃料流路
84 空気極
85 酸素燃料流路
86 本電極
87 本電極
91 シリコン基板
92 水素燃料流路
93 燃料極
94 Pt触媒
95 酸素燃料流路
96 空気極
97 Pt触媒
98 高分子電解膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Base 3 Fuel flow path / electrode 4 Oxidant flow path / electrode 5 Electrolytic membrane 6 Catalyst particulate 11 Substrate 12 Catalyst metal layer 13 Catalyst metal layer 14 Carbon nanotube three-dimensional structure 15 Carbon nanotube three-dimensional structure 16 Pt fine particle 17 Polymer electrolysis Membrane 18 Inlet 19 Inlet 20 Outlet 21 Outlet 22 Fuel Inlet 23 Oxidant Inlet 31 Substrate 32 Catalytic Metal Layer 33 Catalytic Metal Layer 34 Resist Pattern 35 TiCo Fine Particles 36 Carbon Nanotube Structure 37 Carbon Nanotube Structure 38 Pt Fine particles 39 Polymer electrolyte membrane 40 Fuel inlet 41 Substrate 42 Catalyst metal layer 43 Catalyst metal layer 44 Carbon nanotube three-dimensional structure 45 Carbon nanotube three-dimensional structure 46 Stencil mask 47 Pt fine particle 48 Polymer electrolyte membrane 49 Non-catalytic metal layer 50 Non-catalytic metal Layer 51 Catalyst gold Metal layer 52 Catalyst metal layer 53 Co fine particle 54 Stencil mask 55 Insulating substrate 56 Fuel inlet 57 Fuel inlet 61 Substrate 62 Catalyst metal layer 63 Catalyst metal layer 64 Carbon nanotube three-dimensional structure 65 Carbon nanotube three-dimensional structure 66 Stencil mask 67 Pt fine particle 68 Stencil mask 69 Polymer electrolyte membrane 70 Fuel inlet 81 Polymer electrolyte membrane 82 Fuel electrode 83 Hydrogen fuel channel 84 Air electrode 85 Oxygen fuel channel 86 Main electrode 87 Main electrode 91 Silicon substrate 92 Hydrogen fuel channel 93 Fuel electrode 94 Pt catalyst 95 Oxygen fuel flow path 96 Air electrode 97 Pt catalyst 98 Polymer electrolyte membrane

Claims (5)

基板の主面に対して垂直方向に互いに微小間隙を持って並ぶ多数のカーボンナノチューブからなる燃料電極を兼ねる燃料流路兼電極と酸化剤電極を兼ねる酸化剤流路兼電極を対向させて設けるとともに、少なくとも前記燃料流路兼電極と酸化剤流路兼電極との対向間隙を充填する電解膜を設けたことを特徴とする燃料電池。 A fuel flow path / electrode also serving as a fuel electrode composed of a large number of carbon nanotubes arranged in a direction perpendicular to the principal surface of the substrate and a oxidant flow path / electrode also serving as an oxidizer electrode are provided opposite to each other. A fuel cell comprising an electrolyte membrane that fills at least a gap between the fuel flow path electrode and the oxidant flow path electrode. 上記燃料流路兼電極内においてカーボンナノチューブの配向方向と直交する方向に燃料を流すとともに、上記酸化剤流路兼電極内においてカーボンナノチューブの配向方向と直交する方向に酸化剤を流すことを特徴とする請求項1記載の燃料電池。 The fuel is flowed in a direction perpendicular to the orientation direction of the carbon nanotubes in the fuel flow channel / electrode, and the oxidant is caused to flow in the direction perpendicular to the orientation direction of the carbon nanotubes in the oxidant flow passage / electrode. The fuel cell according to claim 1. カーボンナノチューブからなる燃料流路兼電極と酸化剤流路兼電極において、内部のカーボンナノチューブの密度が外側のカーボンナノチューブの密度より低いことを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池。 3. The fuel cell according to claim 1, wherein the density of the inner carbon nanotubes is lower than the density of the outer carbon nanotubes in the fuel channel electrode and the oxidant channel electrode made of carbon nanotubes. カーボンナノチューブからなる燃料流路兼電極と酸化剤流路兼電極の内部が、カーボンナノチューブの存在しない空洞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。 3. The fuel cell according to claim 1, wherein the inside of the fuel flow channel electrode and the oxidant flow channel electrode made of carbon nanotubes is a cavity in which no carbon nanotubes exist. 上記カーボンナノチューブからなる燃料流路兼電極と酸化剤流路兼電極の頂部が、前記燃料流路兼電極と酸化剤流路兼電極との対向間隙を充填する電解膜と一体の電解膜で覆ったことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の燃料電池。 The tops of the fuel channel / electrode and oxidant channel / electrode made of carbon nanotubes are covered with an electrolyte membrane integral with the electrolyte membrane that fills the facing gap between the fuel channel / electrode and the oxidant channel / electrode. The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein:
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