JP2002110194A

JP2002110194A - 燃料電池及び燃料電池の製造方法

Info

Publication number: JP2002110194A
Application number: JP2000302973A
Authority: JP
Inventors: Kenji Katori; 健二香取
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2000-10-02
Filing date: 2000-10-02
Publication date: 2002-04-12

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料無加湿状態や１００℃を超える高温下、
又は氷点下の環境下で使用可能な燃料電池及び燃料電池
の製造方法の提供。【解決手段】燃料電池１は、燃料電極１１とイオン交
換膜１２と酸素電極１３とから構成されている。燃料電
極１１と酸素電極１３とを構成する電極材は多孔質カー
ボンからなる。燃料電極１１の多孔質中には炭素を主成
分とする炭素質材料を母体とし、プロトン解離性の基が
導入されたプロトン伝導体が含浸されている。酸素電極
１３の多孔質中には有機物系プロトン伝導体が含浸され
ている。燃料電極１１の多孔質中にフラーレン誘導体系
プロトン伝導体が含浸されているため、燃料無加湿状態
下や氷点下、１００度以上の高温下でも、燃料電極１１
で発生した水素イオンを酸素電極１３へと伝導すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料電池及び燃料電池の
製造方法に関し、特に燃料無加湿状態や１００℃を超え
る高温下又は氷点下の環境下で使用される燃料電池及び
燃料電池の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車駆動用として用いられている燃料
電池としては、いわゆる燃料電極と酸素電極とを有し、
燃料電極、酸素電極はそれぞれイオン交換膜を介して互
いに接続された構成のものが、従来より知られている。
２つの電極及びイオン交換膜は、固体高分子電解質膜を
有しており、このタイプの燃料電池は、固体高分子型燃
料電池（ＰＥＦＣ）と呼ばれている。固体高分子として
は、パーフルオロスルホン酸樹脂（ＤｕＰｏｎｔ社製
のＮａｆｉｏｎ等）のような、プロトン伝導性を有する
有機物系材料が知られている。この種の材料は、室温付
近で且つ湿潤状態の下で、高いプロトン伝導性を示す。

【０００３】特開平５−３６４１８号公報には、白金等
触媒を担持したカーボンを用いた多孔質の電極を有する
燃料電池が記載されている。燃料電池には電極が２つ設
けられており、これらはパーフルオロスルホン酸樹脂等
の有機物系材料により構成されるイオン交換膜を介して
接続されている。多孔質な電極中には、イオン交換膜に
使用されるプロトン伝導性を有するイオン伝導体と同質
の材料、即ち、パーフルオロスルホン酸樹脂等の有機物
系材料により構成されるイオン伝導体材料が含浸させら
れており、白金触媒により発生した水素イオンたるプロ
トンを、効率よくイオン交換膜に導くことができるよう
に設計されている。

【０００４】また、本出願と同一の出願人による特願平
１１−２０４０３８号明細書中には、固体高分子を用い
ずに、フラーレン誘導体系プロトン伝導体を多孔質基体
中に塗布し含浸させてイオン交換膜を構成した燃料電池
が記載されている。イオン交換膜中のイオン伝導体とし
てフラーレン誘導体系プロトン伝導体を用いた場合に
は、前述のパーフルオロスルホン酸樹脂等の有機物系材
料を用いた場合とは異なり、湿潤状態下でなくともプロ
トンの伝導が可能となる。このため、燃料電池を用いる
際に加湿器は不要となり、システムの小型化、簡略化を
実現している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の燃料電池に使用されているパーフルオロスルホン酸樹
脂等の有機物系材料は、室温付近で且つ湿潤状態の下で
は高いプロトン伝導性を示す性質を有していたが、乾燥
した状態の下では十分なプロトン伝導性を得ることはで
きなかった。このため、特開平５−３６４１８号公報に
記載されている燃料電池を乾燥した状態下で用いること
はできず、１００℃以上の高温や、氷点下以下の低温で
は十分な性能を発揮することはできなかった。

【０００６】そこで本発明は、燃料無加湿状態や１００
℃を超える高温下、又は氷点下の環境下で使用可能な燃
料電池及び燃料電池の製造方法を提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、水素イオンの発生に伴い負極となる燃料
電極と、酸素に接触可能に設けられ、酸素分子と該水素
イオンと電子とから水を生成し正極となる酸素電極と、
該燃料電極と該酸素電極との間に設けられ、該水素イオ
ンを伝導可能とするイオン交換膜とを有する燃料電池に
おいて、該燃料電極には、炭素を主成分とする炭素質材
料を母体とし、プロトン解離性の基が導入されて構成さ
れたプロトン伝導体が含浸しており、該酸素電極は有機
物系プロトン伝導体を有する燃料電池を提供している。

【０００８】ここで、「プロトンの解離」とは、電離に
よってプロトン（Ｈ^＋）が離脱することを意味し、「プ
ロトン解離性の基」とは、電離によってプロトンが離れ
得る官能基を意味する。

【０００９】燃料電極には炭素を主成分とする炭素質材
料にプロトン解離性の基が導入されたプロトン伝導体が
含浸しているため、燃料無加湿下等においても、燃料電
極で発生した水素イオンをイオン交換膜へと伝導するこ
とができる。

【００１０】該イオン交換膜は、炭素を主成分とする炭
素質材料を母体とし、プロトン解離性の基が導入されて
構成されたプロトン伝導体を有していることが好まし
い。

【００１１】該イオン交換膜には炭素を主成分とする炭
素質材料にプロトン解離性の基が導入されたプロトン伝
導体が含浸しているため、燃料無加湿下等においても、
燃料電極で発生した水素イオンを酸素電極へと伝導する
ことができる。

【００１２】また、該イオン交換膜は多孔質基体を有す
ることが好ましい。

【００１３】また、該多孔質基体はポリエチレン又はポ
リプロピレン又はポリテトラフルオロエチレンからなる
ことが好ましい。

【００１４】また、本発明は、水素イオンの発生に伴い
負極となる燃料電極と、酸素に接触可能に設けられ酸素
分子と該水素イオンと電子とから水を生成し正極となる
酸素電極と、該燃料電極と該酸素電極との間に設けられ
該水素イオンを伝導可能とするイオン交換膜とを接続さ
せて燃料電池を製造する燃料電池の製造方法において、
該燃料電極に、炭素を主成分とする炭素質材料を母体と
し、プロトン解離性の基が導入されて構成されたプロト
ン伝導体を塗布する燃料極側プロトン伝導体塗布工程
と、該酸素電極に有機物系プロトン伝導体を塗布する酸
素極側プロトン伝導体塗布工程と、該燃料極側プロトン
伝導体塗布工程及び該酸素極側プロトン伝導体塗布工程
の後に、該燃料電極と該酸素電極との間に該イオン交換
膜を配置し、該燃料電極と該イオン交換膜と該酸素電極
とを接続する接続工程とを行う燃料電池の製造方法を提
供している。

【００１５】ここで、該接続工程の前に、該イオン交換
膜に炭素を主成分とする炭素質材料を母体とし、プロト
ン解離性の基が導入されたプロトン伝導体を塗布し含浸
させるイオン交換膜塗布工程を行うことが好ましい。

【００１６】また、該イオン交換膜は多孔質基体を有す
ることが好ましい。

【００１７】また、該多孔質基体はポリエチレン又はポ
リプロピレン又はポリテトラフルオロエチレンからなる
ことが好ましい。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態による燃料電
池及び燃料電池の製造方法について図１に基づき説明す
る。先ず、本実施の形態による燃料電池の構成について
説明する。図１に示すように燃料電池１は、各々が板状
をした燃料電極１１、イオン交換膜１２、酸素電極１３
から構成されている。イオン交換膜１２の両面に燃料電
極１１と酸素電極１３とがそれぞれ圧着され、これら３
つが接続された状態となっている。燃料電極１１と酸素
電極１３とは、燃料電池１によって発生した電力によっ
て動作等を行う図示せぬ電気的な負荷、即ち、外部回路
を介して接続されており、燃料電池１と電気的な負荷と
からなる回路を構成している。

【００１９】燃料電極１１、酸素電極１３は、それぞれ
白金等の触媒を担持した多数のカーボン粒子を、ポリテ
トラフロロエチレン等の撥水性樹脂で接合することによ
り構成したものであり、燃料である水素ガスや酸素ガス
との接触面積を増大させるため、間隙の形成された状態
で接合されている。更に、触媒により生じたイオンをイ
オン交換膜１２に導くべく、間隙の形成されたカーボン
粒子間にはプロトン伝導体たるイオン伝導体が入り込
み、電極にプロトン伝導体を含浸させた状態となってい
る。

【００２０】燃料電極１１には、炭素を主成分とする炭
素質材料にプロトン解離性の基が導入されたプロトン伝
導体としてフラーレン誘導体系のプロトン伝導体が含浸
させられている。この燃料電極１１には、図示せぬ導入
口から燃料である水素が供給され、供給された水素は燃
料電極１１中の図示せぬ白金触媒に接触し、水素イオン
と電子とに分けられるように構成されている。フラーレ
ン誘導体系プロトン伝導体がイオン伝導体として用いら
れ燃料電極１１に含浸させられるため、燃料無加湿状態
においても電極内のイオン伝導を良好に保つことができ
る。

【００２１】ここで用いられるフラーレン誘導体系プロ
トン伝導体は、球状クラスター分子をなすフラーレン分
子を母体とする。通常は、Ｃ_３６、Ｃ_６０、Ｃ_７０、Ｃ
_７６、Ｃ_７８、Ｃ_８０、Ｃ_８２、Ｃ_８４等から選ばれる
が、本実施の形態においてはＣ_６０及びＣ_７０が選ばれ
る。フラーレンの構成炭素原子にプロトン解離性の基が
導入されて、フラーレン誘導体系プロトン伝導体が構成
される。更に、電子吸引基が導入されることによって、
前記基のプロトン解離性がいっそう助長される。プロト
ン解離性の基とは、電離により水素イオン（プロトン
（Ｈ^＋））が離脱し得る官能基を意味し、−ＯＨ、−Ｏ
ＳＯ_３Ｈ、−ＣＯＯＨ、−ＳＯ_３Ｈ、−ＯＰＯ（ＯＨ）
_２が好まれるが、本実施の形態においては、−ＯＨ、又
は−ＯＳＯ _３Ｈが好適に用いられる。特に、プロトン解
離性の基として−ＯＨを有するポリ水酸化フラーレン
（通称、フラレノール）により形成した膜は、従来用い
られていたパーフルオロスルホン酸樹脂により形成され
たものに比べて成膜性等に優れており、またプロトンの
伝導に水分子の介在を必要としないため、加湿器等が不
要であり、更に、動作温度領域が−４０°Ｃ〜１６０°
Ｃと広い等の利点がある。又、電子吸引基としては、ニ
トロ基、カルボニル基、カルボキシル基、ニトリル基、
ハロゲン化アルキル基、ハロゲン原子（フッ素、塩素
等）の内の、いずれか一つ又は複数が選択されて構成さ
れている。

【００２２】酸素電極１３のプロトン伝導体としては、
従来と同様の、パーフルオロスルホン酸樹脂等の有機物
系のイオン伝導体が用いられる。具体的には、酸素電極
１３は、多孔質な電極中にパーフルオロスルホン酸樹脂
等を含浸させることにより構成されている。この酸素電
極１３には、図示せぬ導入口からの酸素が接触可能に構
成されており、酸素は酸素電極１３中の図示せぬ触媒に
接触し、燃料電極１１で発生した水素イオンと、酸素
と、図示せぬ外部回路から供給される電子との反応によ
り水が発生する。この発生した水を利用して酸素電極１
３を湿潤状態にすることができるため、湿潤状態下で高
いプロトン伝導性を有する有機物系のイオン伝導体を用
いることができる。

【００２３】イオン交換膜１２自体にもフラーレン誘導
体系のプロトン伝導体が用いられる。具体的には、イオ
ン交換膜１２は、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレ
ン（ＰＰ）、又はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦ
Ｅ）により構成される多孔質基体に、フラーレン誘導体
系のプロトン伝導体が含浸させられることにより構成さ
れている。

【００２４】次に、本実施の形態による燃料電池１の製
造方法について説明する。燃料電池１の製造を行う前
に、燃料電池１の製造に用いられ燃料電極１１と酸素電
極１３とを構成する２つの電極材を用意する。２つの電
極材は、それぞれ白金を担持した複数のカーボン粒子が
撥水性樹脂により結合、固定されることにより構成され
た公知のものを用意する。電極材内部は間隙が形成され
た状態となっているため、電極自体は多孔質となってい
る。また、イオン交換膜を構成する多孔質基体を用意す
る。多孔質基体は、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピ
レン（ＰＰ）、又はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴ
ＦＥ）により構成されている。

【００２５】本実施の形態による燃料電池の製造方法で
は、先ず、粉末状のフラーレン誘導体系プロトン伝導体
を有機溶媒であるテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）と混合
してスラリーとし、これを一の電極材に塗布し含浸させ
る燃料極側プロトン伝導体塗布工程を行い、乾燥させる
ことにより燃料電極１１を製造する。

【００２６】ここでフラーレン誘導体系プロトン伝導体
としては、ポリ水酸化フラーレン、硫酸水素エステル化
ポリ水酸化フラーレンの全エステル化したもの、硫酸水
素エステル化ポリ水酸化フラーレンの部分エステル化し
たものの内のいずれか一つ又は２つ以上が混合されて用
いられる。ポリ水酸化フラーレンの合成は次のようにし
て行われる。Ｃ_７０を約１５％含むＣ_６０／Ｃ_７０の混
合物の粉末２ｇを、発煙硫酸３０ｍｌ中に投じ、窒素雰
囲気中で６０℃に保ちながら３日間攪拌する。得られた
反応物を、氷浴内で冷やした無水ジエチルエーテル中に
少しずつ投下する。得られた沈殿物を遠心分離で分別
し、さらにジエチルエーテルで３回、及びジエチルエー
テルとアセトニトリルとを２：１で混合した混合液で２
回洗浄した後で、４０℃の温度にて減圧中で乾燥させ
る。さらに、この乾燥物を６０ｍｌのイオン交換水中に
入れ、８５℃で窒素によるバブリングを行いながら１０
時間攪拌する。そして反応生成物を遠心分離によって沈
殿物を分離し、さらに純水で数回洗浄し、遠心分離を繰
返した後に、４０℃の温度下で減圧乾燥する。以上の工
程を経て、ポリ水酸化フラーレンの合成が行われる。

【００２７】硫酸水素エステル化ポリ水酸化フラーレン
の全エステル化したものの合成は次のようにして行われ
る。ポリ水酸化フラーレンの粉末１ｇを６０ｍｌの発煙
硫酸中に投下し、室温にて窒素雰囲気下で３日間攪拌す
る。得られた反応物を、氷浴内で冷やした無水ジエチル
エーテル中に少しずつ投下する。得られた沈殿物を遠心
分離で分別し、さらにジエチルエーテルで３回、及びジ
エチルエーテルとアセトニトリルとを２：１に混合した
混合液で２回洗浄した後、４０℃の温度にて減圧下で乾
燥させる。以上の工程を経て、硫酸水素エステル化ポリ
水酸化フラーレンの全エステル化したものの合成が行わ
れる。

【００２８】硫酸水素エステル化ポリ水酸化フラーレン
の部分エステル化したものの合成は次のようにして行わ
れる。フラーレンの粉末（Ｃ６０及びＣ７０の混合体）
２ｇを、発煙硫酸３０ｍｌ中に投じ、窒素雰囲気中で６
０℃に保ちながら３日間攪拌する。得られた反応物を、
氷浴内で冷やした無水ジエチルエーテル中に少しずつ投
下する。但し、この場合のジエチルエーテルとしては、
脱水処理が行われていないものを用いる。得られた沈殿
物を遠心分離で分別し、さらにジエチルエーテルで３
回、及びジエチルエーテルとアセトニトリルとを２：１
に混合した混合液で２回洗浄した後で、４０℃の温度に
て減圧下で乾燥させる。以上の工程を経て、硫酸水素エ
ステル化ポリ水酸化フラーレンの部分エステル化したも
のの合成が行われる。

【００２９】上述の手法によれば、フラーレン誘導体系
プロトン伝導体は粉体の状態で生成されるため、上述の
ように、フラーレン誘導体系プロトン伝導体を有機溶媒
と混合してスラリーとするのである。製造された燃料電
極１１においては、多孔質中に入込んだフラーレン誘導
体系プロトン伝導体の部分でイオンが伝導する。

【００３０】一方、パーフルオロスルホン酸樹脂溶液を
他の電極材に塗布する酸素極側プロトン伝導体塗布工程
を行うことにより、酸素電極１３を製造する。また、フ
ラーレン誘導体系プロトン伝導体を有機溶媒であるテト
ラヒドロフラン（ＴＨＦ）と混合しスラリーとし、これ
を用意した多孔質基体に塗布し、乾燥させることにより
イオン交換膜１２を製造するイオン交換膜塗布工程を行
う。イオン交換膜１２においては、燃料電極１１と同様
に、多孔質基体の孔の部分に入込んだフラーレン誘導体
系プロトン伝導体の部分でイオンが伝導する。

【００３１】最後に、イオン交換膜１２の両面にそれぞ
れ燃料電極１１、酸素電極１３を接続する接続工程を行
い、燃料電池１を製造する。

【００３２】次に、本実施の形態による燃料電池の性能
試験を行った。性能試験では、本実施の形態による燃料
電池を用意した。また、比較例１として、イオン交換膜
を介して燃料電極と酸素電極とを接続した燃料電池を用
意した。比較例１のイオン交換膜、酸素電極は、本実施
の形態による燃料電池を構成するイオン交換膜、酸素電
極と同一である。燃料電極は、プロトン伝導体を塗布、
含浸させていない本実施の形態による燃料電池で用意し
た電極材そのものである。

【００３３】更に、比較例２として、イオン交換膜を介
して燃料電極と酸素電極とを接続した燃料電池を用意し
た。比較例２のイオン交換膜、酸素電極は本実施の形態
による燃料電池を構成するイオン交換膜、酸素電極と同
一である。燃料電極は、酸素側電極に塗布したのと同様
のパーフルオロスルホン酸樹脂溶液を、本実施の形態に
よる燃料電池の製造方法で用意した電極材に塗布、含浸
させることにより構成した。

【００３４】これら３つの燃料電池を、温度２５℃、湿
度６０％の条件下で動作させることにより実験を行っ
た。実験では、燃料として水素を用い、酸素極側には酸
素を導入可能な状態とした。この際、加湿機等による強
制的な加湿は行わない。

【００３５】比較例１の燃料電池を動作させた場合の出
力に対して、同一出力電圧で、比較例２の燃料電池を動
作させた場合は、単位面積当たり約１．２倍の出力を得
ることができ、燃料電極にパーフルオロスルホン酸樹脂
からなる有機物系プロトン伝導体を有する優位性を確認
することができた。

【００３６】本実施の形態による燃料電池を動作させる
と、比較例１の燃料電池に対し、同一出力電圧で単位面
積当たり約１．５倍の出力を得ることができ、パーフル
オロスルホン酸樹脂からなる有機物系プロトン伝導体に
代えて、フラーレン誘導体系プロトン伝導体を燃料電極
に含浸させたことによるイオン伝導性の向上を確認する
ことができた。

【００３７】本発明による燃料電池及び燃料電池の製造
方法は上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範
囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。例
えば、本実施の形態による燃料電池では、フラーレン誘
導体系プロトン伝導体を多孔質基体に含浸させてイオン
交換膜を構成したが、フラーレン誘導体系プロトン伝導
体に代えて従来の有機物系プロトン伝導体を多孔質基体
に含浸させるようにしてもよい。この場合には、加湿器
等によって燃料に水分を含ませる必要がある。

【００３８】また、上述した実施の形態においては、燃
料として水素ガスを供給したが、メタノールなどのアル
コールや他の化石燃料等を液体若しくは気体の状態で供
給するダイレクト型も採用できる。その場合には、燃料
電極において、触媒により燃料材料からプロトンを得
る。

【００３９】また、本実施の形態では、無加湿状態でプ
ロトン伝導可能なイオン交換膜を構成するプロトン伝導
体に、ポリ水酸化フラーレン（通称、フラレノール）を
用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。ポ
リ水酸化フラーレンは、図３に示したようなフラーレン
分子を母体とし、その構成炭素原子に水酸基を導入した
ものであるが、母体としてはフラーレン分子に限らず炭
素を主成分とする炭素質材料であればよい。この炭素質
材料には、炭素原子が、炭素−炭素間結合の種類を問わ
ず、数個から数百個結合して形成されている集合体であ
る炭素クラスターや、チューブ状炭素質（通称カーボン
ナノチューブ）が含まれていてよい。前者の炭素クラス
ターには、炭素原子が多数個集合してなる、球体又は長
球、又はこれらに類似する閉じた面構造を有する種々の
炭素クラスター（図４）や、それらの球構造の一部が欠
損し、構造中に開放端を有する炭素クラスター（図
５）、大部分の炭素原子がｓｐ^３結合したダイヤモンド
構造を持つ炭素クラスター（図６）、さらにはこれらの
クラスターどうしが種々に結合した炭素クラスター（図
７）が含まれていてよい。

【００４０】またこの種の母体に導入する基としては水
酸基に限らず、−ＸＨ、より好ましくは−ＹＯＨで表さ
れるプロトン解離性の基であればよい。ここで、Ｘ及び
Ｙは２価の結合手を有する任意の原子若しくは原子団で
あり、Ｈは水素原子、Ｏは酸素原子である。具体的に
は、前記−ＯＨ以外に、硫酸水素エステル基−ＯＳＯ_３
Ｈ、カルボキシル基−ＣＯＯＨ、他にスルホン基−ＳＯ
_３Ｈ、リン酸基−ＯＰＯ（ＯＨ）_２のいずれかであるこ
とが好ましい。

【００４１】上記のいずれの変形例によっても、プロト
ンの伝導に加湿が不要であり、本発明における効果には
変わりはない。

【００４２】

【発明の効果】請求項１記載の燃料電池によれば、燃料
電極には炭素を主成分とする炭素質材料を母体とし、プ
ロトン解離性の基が導入されたプロトン伝導体が含浸し
ているため、燃料無加湿の状態で燃料電池の運転を行っ
た場合でも、また、１００℃以上の高温や氷点下の環境
下で燃料電池の運転を行った場合でも、電極内でイオン
伝導が良好に行われる状態を保つことができる。酸素電
極においては、水素イオンと、酸素と、外部回路から供
給される電子との反応により水が生成されるので、従来
より用いられている有機物系プロトン伝導体をイオン伝
導体として使用することができる。

【００４３】請求項２記載の燃料電池又は請求項６記載
の燃料電池の製造方法によれば、イオン交換膜に炭素を
主成分とする炭素質材料を母体とし、プロトン解離性の
基が導入されたプロトン伝導体が塗布され含浸している
ため、燃料無加湿状態でもイオン交換膜内で良好なプロ
トンの伝導を行う燃料電池とすることができる。

【００４４】請求項３、４記載の燃料電池又は請求項
７、８記載の燃料電池の製造方法によれば、イオン交換
膜は多孔質基体を有するため、成膜性の悪いプロトン伝
導体をイオン交換膜のプロトン伝導体として用いる場合
にも、容易に製造可能なイオン交換膜とすることができ
る。

【００４５】請求項５記載の燃料電池の製造方法によれ
ば、燃料電極には炭素を主成分とする炭素質材料を母体
とし、プロトン解離性の基が導入されたプロトン伝導体
が塗布されているため、燃料無加湿の状態で燃料電池の
運転を行った場合でも、また、１００℃以上の高温や氷
点下の環境下で燃料電池の運転を行った場合でも、電極
内でイオン伝導が良好に行われる状態を保つ燃料電池と
することができる。酸素電極においては、水素イオン
と、酸素と、外部回路から供給される電子との反応によ
り水が生成されるので、従来より用いられている有機物
系プロトン伝導体をイオン伝導体として使用することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による燃料電池の要部を示
す側面図。

【図２】本発明の実施の形態による燃料電池に用いられ
るプロトン伝導体を構成する、フラーレンを示す分子構
造図。

【図３】本発明の実施の形態による燃料電池の変形例に
用いられるプロトン伝導体を構成する、球体又は長球、
又はこれらに類似する閉じた面構造を有する種々の炭素
クラスターを示す分子構造図。

【図４】本発明の実施の形態による燃料電池の変形例に
用いられるプロトン伝導体を構成する、球構造の一部が
欠損し、構造中に開放端を有する炭素クラスターを示す
分子構造図。

【図５】本発明の実施の形態による燃料電池の変形例に
用いられるプロトン伝導体を構成する、大部分の炭素原
子がｓｐ^３結合したダイヤモンド構造を持つ炭素クラス
ターを示す分子構造図。

【図６】本発明の実施の形態による燃料電池の変形例に
用いられるプロトン伝導体を構成する、複数のクラスタ
ーどうしが種々に結合した炭素クラスターを示す分子構
造図。

【符号の説明】

１燃料電池１１燃料電極１２イオン交換膜１３酸素電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素イオンの発生に伴い負極となる燃料
電極と、酸素に接触可能に設けられ、酸素分子と該水素イオンと
電子とから水を生成し正極となる酸素電極と、該燃料電極と該酸素電極との間に設けられ、該水素イオ
ンを伝導可能とするイオン交換膜とを有する燃料電池に
おいて、該燃料電極には、炭素を主成分とする炭素質材料を母体
とし、プロトン解離性の基が導入されて構成されたプロ
トン伝導体が含浸しており、該酸素電極は有機物系プロトン伝導体を有することを特
徴とする燃料電池。
【請求項２】該イオン交換膜は、炭素を主成分とする
炭素質材料を母体とし、プロトン解離性の基が導入され
て構成されたプロトン伝導体を有していることを特徴と
する請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】該イオン交換膜は多孔質基体を有するこ
とを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】該多孔質基体はポリエチレン又はポリプ
ロピレン又はポリテトラフルオロエチレンからなること
を特徴とする請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】水素イオンの発生に伴い負極となる燃料
電極と、酸素に接触可能に設けられ酸素分子と該水素イ
オンと電子とから水を生成し正極となる酸素電極と、該
燃料電極と該酸素電極との間に設けられ該水素イオンを
伝導可能とするイオン交換膜とを接続させて燃料電池を
製造する燃料電池の製造方法において、該燃料電極に、炭素を主成分とする炭素質材料を母体と
し、プロトン解離性の基が導入されて構成されたプロト
ン伝導体を塗布する燃料極側プロトン伝導体塗布工程
と、該酸素電極に有機物系プロトン伝導体を塗布する酸素極
側プロトン伝導体塗布工程と、該燃料極側プロトン伝導体塗布工程及び該酸素極側プロ
トン伝導体塗布工程の後に、該燃料電極と該酸素電極と
の間に該イオン交換膜を配置し、該燃料電極と該イオン
交換膜と該酸素電極とを接続する接続工程とを行うこと
を特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項６】該接続工程の前に、該イオン交換膜に炭
素を主成分とする炭素質材料を母体とし、プロトン解離
性の基が導入されたプロトン伝導体を塗布し含浸させる
イオン交換膜塗布工程を行うことを特徴とする請求項５
記載の燃料電池の製造方法。
【請求項７】該イオン交換膜は多孔質基体を有するこ
とを特徴とする請求項５記載の燃料電池の製造方法。
【請求項８】該多孔質基体はポリエチレン又はポリプ
ロピレン又はポリテトラフルオロエチレンからなること
を特徴とする請求項７記載の燃料電池の製造方法。