JP2002151094A - 燃料電池及び燃料電池システム - Google Patents

燃料電池及び燃料電池システム

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ボタン型電池程度の小型の二次電池として使
用できる燃料電池及び燃料電池システムの提供。 【解決手段】 燃料電池１は、第１電極１２と電解質膜
１３と第２電極１４と水素吸蔵体１６とを有する。電解
質膜１３はポリ水酸化フラーレンをプロトン伝導体とし
て有する。第１電極１２には負の電圧が、第２電極１４
には正の電圧が印加され、第２電極１４では水からプロ
トンと電子と酸素とが発生する。第１電極１２では電子
とプロトンとから水素が発生する。水素は水素吸蔵体１
６内に蓄えられ、いわゆる充電が行われる。発電の際に
は、第１電極１２では水素吸蔵体１６から供給された水
素からプロトンと電子とが発生し、電解質膜１３は発生
したプロトンを第２の電極へ伝導し、第２電極１４では
水が発生する。

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シ
ステムに関し、特に、小型の二次電池としての機能を有
する燃料電池及び燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、燃料電極と酸素電極とがイオ
ン交換膜を介して接続されている燃料電池が知られてい
る。イオン交換膜は、燃料電極で発生した水素イオンた
るプロトンを酸素電極へ伝導可能とするため、プロトン
伝導体を有している。プロトン伝導体としては、パーフ
ルオロスルホン酸樹脂（Ｄｕ Ｐｏｎｔ社製のＮａｆｉ
ｏｎ等）のような、プロトン伝導性を有する有機物系材
料からなる固体高分子が用いられている。この有機物系
材料により構成される固体高分子は、湿潤下でプロトン
伝導可能である。
【０００３】燃料電極には、燃料電極内でプロトンたる
水素イオンを発生するために、水素ガス等の燃料が供給
される。水素ガス等の燃料は、燃料電池外部に設けられ
た燃料供給装置によって供給される。イオン交換膜は、
加湿器により水分が供給され、プロトン伝導可能な状態
とされる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の燃料電
池では、上述のように、燃料供給装置によって水素ガス
等の燃料を燃料電極に供給することにより、電力を発生
させていたため、携帯電子機器等に使用される充電可能
な小型の二次電池とすることは困難であった。
【０００５】燃料電池を二次電池的なものとして構成す
るためには、燃料電池の燃料電極に負の電圧を印加し、
酸素電極に正の電圧を印加して、酸素電極に水を接触さ
せることによって酸素電極からプロトンと電子と酸素と
を発生させ、燃料電極からはプロトンと電子とから水素
を発生させ、この水素を蓄え、蓄えた水素を用いて発電
する二次電池的なものを考えることはできる。しかし、
仮に水素を蓄えることができたとしても、イオン交換膜
を湿潤状態にするための加湿器がなお必要であり、ボタ
ン型電池のような小型の二次電池とすることは不可能で
あった。
【０００６】そこで本発明は、ボタン型電池程度の小型
の二次電池として使用できる燃料電池及び燃料電池シス
テム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、水素を発生させるための触媒を有する第
１の電極と、水に接触可能に設けられ、酸素を発生させ
るための触媒を有する第２の電極と、該第１の電極と該
第２の電極との間に設けられ、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なる
プロトン伝導体を有し、プロトン伝導可能に構成された
電解質膜とを備え、該第１の電極には負の電圧が印加さ
れ、該第２の電極には正の電圧が印加されることによ
り、該第２の電極においては該触媒の存在下で該水から
酸素とプロトンと電子とが発生し、該第１の電極におい
ては該触媒の存在下で該プロトンと該電子とから水素が
発生する燃料電池を提供している。「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。
【０００８】ここで、発生した水素を取込み蓄えるため
の吸蔵体を有することが好ましい。
【０００９】又、該第１の電極は電圧が印加されない状
態で燃料電極をなし、該吸蔵体に蓄えられた該水素と接
触して該第１の電極の該触媒の存在下で該水素からプロ
トンと電子とが発生し、該電解質膜は、該第１の電極と
該第２の電極とに電圧が印加されない状態でイオン交換
膜をなし、該第１の電極で発生した該プロトンを該第２
の電極へと伝導し、該第２の電極は電圧が印加されない
状態で酸素電極をなし、酸素と接触して該第２の電極の
該触媒の存在下で該酸素と該電子と該プロトンとから水
が発生し、全体として燃料電池をなして電力を放出する
発電を行うことが好ましい。
【００１０】又、該吸蔵体はフラーレン若しくはナノチ
ューブ若しくはナノファイバーからなることが好まし
い。
【００１１】又、該吸蔵体は水素吸蔵合金からなること
が好ましい。
【００１２】又、該吸蔵体と該第１の電極との間には、
該吸蔵体を腐食から保護するための分離膜が設けられて
いることが好ましい。
【００１３】又、該分離膜は水素選択透過膜であること
が好ましい。
【００１４】又、該分離膜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。
【００１５】又、該吸蔵体は粉体からなり該粉体は集合
して吸蔵体部位をなし、該吸蔵体部位は、該第１の電極
に近接配置又は直接に接続されていることが好ましい。
【００１６】又、該吸蔵体と該第１の電極との間には、
該吸蔵体をなす該粉体の該第１の電極への飛散を防止す
るための分離膜が設けられていることが好ましい。
【００１７】又、該分離膜は水素選択透過膜であること
が好ましい。
【００１８】又、該分離膜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。
【００１９】又、本発明は、水素を発生させるための触
媒を有する第１の電極と、水に接触可能に設けられ、酸
素を発生させるための触媒を有する第２の電極と、該第
１の電極と該第２の電極との間に設けられ、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
入されてなるプロトン伝導体を有し、プロトン伝導可能
に構成された電解質膜とを備え、該第１の電極には負の
電圧が印加され、該第２の電極には正の電圧が印加され
ることにより、該第２の電極においては該触媒の存在下
で該水から酸素とプロトンと電子とが発生し、該第１の
電極においては該触媒の存在下で該プロトンと該電子と
から水素が発生し、該第１の電極は電圧が印加されない
状態で燃料電極をなし、該水素と接触して該第１の電極
の該触媒の存在下で該水素からプロトンと電子とが発生
し、該電解質膜は、該第１の電極と該第２の電極とに電
圧が印加されない状態でイオン交換膜をなし、該第１の
電極で発生した該プロトンを該第２の電極へと伝導し、
該第２の電極は電圧が印加されない状態で酸素電極をな
し、酸素と接触して該第２の電極の該触媒の存在下で該
酸素と該電子と該プロトンとから水が発生し、全体とし
て燃料電池をなして電力を放出する発電を行う膜電極一
体構造を複数有する燃料電池システムを提供している。
【００２０】ここで、発生した水素を取込み蓄え該水素
を該燃料電極に供給するための吸蔵体を有することが好
ましい。
【００２１】又、少なくとも１の該膜電極一体構造は水
素を発生するためのガス供給源として作用し、残りの該
膜電極一体構造の内の少なくとも１つは、該ガス供給源
に連通して接続されて発電体として作用することが好ま
しい。
【００２２】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態による燃料電
池１について、図１乃至図４に基づき説明する。図１に
示されるように、燃料電池１は、それぞれ板状の円形を
した第１集電体１１、第１電極１２、電解質膜１３、第
２電極１４、第２集電体１５を有しており、この順にそ
れぞれの平面が互いに接続されている。第１電極１２と
第２電極１４との間では、電解質膜１３を介して水素イ
オンたるプロトンが伝導可能に構成されている。第１集
電体１１、第２集電体１５は、金メッキの施された導電
性の良好な金属によって構成されており、第１集電体１
１と第１電極１２との間、第２電極１４と第２集電体１
５との間は、それぞれ電気的に接続された状態となって
いる。第１電極１２、電解質膜１３、第２電極１４の３
つからなる部分は、膜電極一体構造（以下「ＭＥＡ」と
する）をなす。
【００２３】又、燃料電池１は水素吸蔵体１６と分離膜
１７とを有している。第１電極１２の、第１集電体１１
に接続されている側には、水素吸蔵体１６が配置されて
おり、第１集電体１１と水素吸蔵体１６とは、非常に薄
い分離膜１７を間に介して、間接的に接続されている。
第１集電体１１と水素吸蔵体１６との間には、分離膜１
７以外のもの、例えば、加湿器等は設けられていない。
このため、結果的に第１電極１２と水素吸蔵体１６とは
近接配置された状態となっている。
【００２４】第１集電体１１、第１電極１２、電解質膜
１３、第２電極１４、第２集電体１５、水素吸蔵体１６
及び分離膜１７は、導電性の良好な金属により構成され
る上ふた１８と下ふた１９からなる筐体によって収容さ
れている。上ふた１８は水素吸蔵体１６に対向する位置
に設けられており、下ふた１９は第２集電体１５に対向
する位置に設けられている。上ふた１８は第１集電体１
１に電気的に接続されており、下ふた１９は第２集電体
１５に電気的に接続されている。上ふた１８と下ふた１
９とは互いに絶縁されている。下ふた１９には、多数の
空孔が形成されており、空気中の酸素が通過可能に構成
されている。又、第１集電体１１、第２集電体１５に
も、それぞれ多数の空孔が形成されており、第１集電体
１１においては水素分子が通過可能に構成され、第２集
電体１５においては空気中の酸素が通過可能に構成され
ている。上ふた１８と下ふた１９とからなる燃料電池１
の外形は、ボタン型電池形状をなしている。
【００２５】水素吸蔵体１６は粉体の水素吸蔵合金から
なり、上ふた１８に設けられた吸蔵体保持体２０に形成
された凹部２０ａに収容保持されている。吸蔵体保持体
２０の凹部２０ａに収容保持された水素吸蔵合金の粉体
は、集合して吸蔵体部位をなす。水素吸蔵体１６は、第
１電極１２において発生した水素を取込みその内部に蓄
え、又、蓄えた水素を第１電極１２へ供給可能に構成さ
れている。ここで、水素を内部に取込み蓄えるとは、必
ずしも水素分子をそのままの状態で取込み蓄えるとは限
らず、第１電極１２からの水素を、水素吸蔵体１６を構
成する物質に応じて、所定の状態として取込み蓄えるこ
とを意味する。又、水素を供給するとは、必ずしも水素
分子をそのままの状態で第１電極１２に供給するとは限
らず、水素吸蔵体１６の内部に取込み蓄えている所定の
状態の水素を、第１電極１２が水素イオンたるプロトン
を発生できるような所定の状態で、第１電極１２に供給
することを意味する。
【００２６】第１電極１２は、白金触媒が担持された多
孔質カーボンからなり、フラーレン誘導体系のプロトン
伝導体たるポリ水酸化フラーレンが、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
てなるプロトン伝導体として含浸させられている。多孔
質カーボンからなるため、第１電極１２中に水素が侵入
可能となっている。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、第１電極１２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。又、白金触媒にフラ
ーレン誘導体系プロトン伝導体をなじませることができ
る。
【００２７】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、Ｃ３６、Ｃ６０、Ｃ７０、Ｃ
７６、Ｃ７８、Ｃ８０、Ｃ８２、Ｃ８４等から選ばれる
が、本実施の形態においてはＣ６０及びＣ７０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
ＳＯ３Ｈ、−ＣＯＯＨ、−ＳＯ３Ｈ、−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、従来より
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
が不要である。更に、動作温度領域が−４０°Ｃ〜１６
０°Ｃと広い等の利点があり、本発明の電気化学デバイ
ス（燃料電池）には好適である。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。
【００２８】第２電極１４も第１電極１２の多孔質カー
ボンと同一の、白金触媒が担持された多孔質カーボンか
らなり、第１電極１２のものと同一のフラーレン誘導体
系プロトン伝導体が含浸させられている。多孔質カーボ
ンからなるため、この第２電極１４は、下ふた１９及び
第２集電体１５に形成されている空孔を介して侵入して
きた空気中の酸素が、第２電極１４内部に侵入可能に構
成されている。
【００２９】電解質膜１３自体にも、第１電極１２のも
のと同一の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、電解質膜１３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（ＰＴＦＥ）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充填させ
られることにより構成されている。
【００３０】分離膜１７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
（ＰＴＦＥ）により構成される多孔質基体によって構成
されている。第１電極１２に含浸されているフラーレン
誘導体系プロトン伝導体は酸性であり、水素吸蔵体１６
に第１電極１２が直接接触すると、水素吸蔵体１６をな
す水素吸蔵合金が腐食してしまう。この腐食を防ぐため
に、分離膜１７は、第１電極１２と水素吸蔵体１６との
間に設けられ、水素吸蔵体１６と第１電極１２とが直接
接触しないように構成されている。又、前述のように、
水素吸蔵体１６は粉体からなるため、吸蔵体保持体２０
によって包囲され収容保持されているが、凹部２０ａの
開口部２０ｂの部分は、水素吸蔵体１６から第１電極１
２へと水素を供給可能な構成とするため、吸蔵体保持体
２０ではなく分離膜１７によって包囲されている。この
開口部２０ｂから、粉末状の水素吸蔵体１６が第１集電
体１１や第１電極１２へと飛散してしまうことを、分離
膜１７は防止することができるように構成されている。
分離膜１７内は水素分子が通過可能である。
【００３１】次に、燃料電池１の動作について説明す
る。燃料電池１によって水素を発生する場合には、図２
又は図４に示されるように、燃料電池１外部に設けられ
た電源２に燃料電池１が接続され、第１電極１２には負
の電圧が印加され、第２電極１４には正の電圧が印加さ
れる。又、燃料電池１の第２電極１４には空気中の水分
が接触している。水分は、第２電極１４内の白金触媒の
存在下で、酸素と電子と水素イオンたるプロトンとにな
る。電子は、燃料電池１外部に接続された電源２を介し
て、第１電極１２へと移動する。プロトンは、電解質膜
１３中を伝導し第１電極１２へと移動する。酸素は、第
２電極１４から空気中へと放出される。第２電極１４か
ら第１電極１２へと移動してきたプロトンと電子とは、
第１電極１２内の白金触媒の存在下で反応し水素とな
る。この水素は、図４に示されるように、水素吸蔵体１
６内に取込まれ蓄えられる。なお、燃料電池１に接続さ
れた状態として図４中に模式的に示されている電球は、
燃料電池１が水素を発生させるときには、非接続状態と
されている。又、図２には、水素吸蔵体１６は図示され
ていない。水素の発生の動作を分かり易く説明するため
に、水素吸蔵体１６を省略している。
【００３２】燃料電池１が発電に用いられる場合には、
第１電極１２は燃料電極をなし、電解質膜１３はイオン
交換膜をなし、第２電極は酸素電極をなす。燃料電池１
の外部には、図３又は図４に示されるように、電気的な
負荷を有する外部回路が接続される。図中においては、
電気的な負荷として電球３が模式的に図示されている。
【００３３】燃料電池１の第１電極１２には、水素吸蔵
体１６に蓄えられている水素が供給され、第２電極１４
には空気中の酸素が接触している。供給された水素は、
第１電極１２中の白金触媒の存在下でプロトンと電子と
になる。電子は、燃料電池１の第１電極１２と第２電極
１４とに接続された電気的負荷たる電球３を介して、第
２電極１４へと移動する。プロトンは、電解質膜１３中
を伝導し第２電極１４へと移動する。第２電極１４に接
触している酸素と、第１電極１２から移動してきたプロ
トン及び電子とは、第２電極１４内の白金触媒の存在下
で反応し水となる。なお、図４に示されている、燃料電
池１に接続されている電源は、燃料電池１が発電すると
きには、非接続状態とされる。又、図３には、Ｈ２ガス
が供給される旨が図示されている。発電の動作をわかり
やすく説明するために吸蔵体１６に水素が供給される様
子を模式的に示しており、実際には、この水素ガスの供
給源は第１電極１２である。
【００３４】次に、本実施の形態による燃料電池システ
ム４について、図５に基づき説明する。燃料電池システ
ム４には、第１の実施の形態による燃料電池１に設けら
れたＭＥＡが２つ設けられている。一のＭＥＡ４１は、
水素を発生させるためのガス供給源として作用するよう
に構成されており、一方、他のＭＥＡ４２は、発電する
ための発電体として作用するように構成されている。従
って、一のＭＥＡ４１と他のＭＥＡ４２とは、寸法や、
触媒、撥水剤の配合比等の仕様が異なっている。
【００３５】一のＭＥＡ４１と他のＭＥＡ４２との間に
は、水素吸蔵体１６のものと同一の水素吸蔵合金からな
る水素吸蔵体４３が設けられており、一のＭＥＡ４１で
発生した水素を取込み蓄えることができるように構成さ
れている。又、水素吸蔵体４３は、他のＭＥＡ４２へ水
素を供給可能に構成されている。従って、一のＭＥＡ４
１と他のＭＥＡ４２との間は、水素吸蔵体４３を介して
水素が移動可能に連通している。
【００３６】充電を行うとき、即ち、水素を発生すると
きには、一のＭＥＡ４１のみが用いられる。一のＭＥＡ
４１に電源２が接続され、第１電極４１Ａに負の電圧が
印加され、第２電極４１Ｂに正の電圧が印加される。充
電が完了すると一のＭＥＡ４１に接続されていた電源２
が外される。燃料電池として機能する発電を行うときに
は、他のＭＥＡ４２に電気的負荷たる電球３を有する外
部回路が接続され、他のＭＥＡ４２のみが用いられる。
なお、図５では、一のＭＥＡ４１に電源２が接続され、
他のＭＥＡ４２に電球３が接続されているが、これは模
式的に図示したものであり、上述のように、充電すると
き、即ち、水素を発生するときには、電源２を接続し電
球３を非接続とし、発電するときには、電球３を接続し
電源２を非接続とする必要がある。
【００３７】水素を発生させるためのガス供給源として
作用する一のＭＥＡ４１と、発電するための発電体とし
て作用する他のＭＥＡ４２とを別個に設け、それぞれ異
なる仕様としたため、水素発生、発電の機能をより高め
ることができる。
【００３８】本発明による電気化学素子及び電気化学素
子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１では、空
気中の水分を用いて水素の発生を行ったが、空気中の水
分ではなく水を第２電極１４に供給するように構成して
もよい。
【００３９】又、本実施の形態による燃料電池１では、
第１電極１２と水素吸蔵体１６とは近接配置されていた
が、水素吸蔵体１６において腐食等の問題が生じない場
合には、第１電極１２と水素吸蔵体１６とを直接に接続
するようにしてもよい。
【００４０】又、水素吸蔵体１６は、粉体の水素吸蔵合
金により構成されたが、バルク状の水素吸蔵合金塊によ
り構成してもよい。この場合においても、本実施例同様
に、水素吸蔵体が第１電極に近接配置又は直接に接続さ
れて燃料電池が構成されるようにすれば、燃料電池をボ
タン型電池と同様のサイズの小型二次電池とすることが
できる。
【００４１】又、本実施の形態による燃料電池１では、
水素吸蔵体１６として水素吸蔵合金を用いたが、水素吸
蔵体１６はフラーレン又はナノチューブ又はナノファイ
バー等により構成されていてもよい。
【００４２】又、水素吸蔵体１６が、第１電極１２に含
浸されたプロトン伝導体によって腐食しない材料によっ
て構成されている場合には、分離膜１７を設けなくても
よい。又、分離膜１７は、本実施の形態による燃料電池
で用いられていたポリエチレン等に代えて、パラジウム
合金やＺｒ−Ｎｉ合金等により構成される水素選択透過
膜によって構成されてもよい。
【００４３】又、本実施の形態による燃料電池１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
させて電解質膜１３を構成したが、この電解質膜１３に
代えて、電解質膜１３内部に極微量の白金超微粒子触媒
とＴｉＯ２、ＳｉＯ２等の酸化物超微粒子とを高分散さ
せた、いわゆる内部加湿型固体高分子膜や、リン酸−ケ
イ酸塩（Ｐ２Ｏ５−ＳｉＯ２）系ガラス等のプロトン伝
導性無機化合物を添加したポリマー膜を用いてもよい。
これらを用いることにより、本実施の形態による燃料電
池１の場合と同様に、加湿器等によって燃料に水分を含
ませることを不要とすることができる。
【００４４】又、本実施の形態による燃料電池システム
４には水素吸蔵体４３を設けたが、図６に示される燃料
電池システム５のように水素吸蔵体４３を設けずに、一
のＭＥＡ５１で発生した水素をすぐに他のＭＥＡ５２で
用いて発電するように、一のＭＥＡ５１と他のＭＥＡ５
２とを直接連通させる構成としてもよい。なお、図６で
は、一のＭＥＡ５１で発生した水素を他のＭＥＡ５２で
すぐに使用して発電を行うために、一のＭＥＡ４１に電
源２が接続されると共に他のＭＥＡ４２には電球３が接
続されている。図５のように、電源２と電球３とを選択
的に接続するのとは異なる。
【００４５】又、本実施の形態による燃料電池システム
４では、一のＭＥＡ４１を水素発生のために用い、他の
ＭＥＡ４２を発電のために用いたが、必要に応じて両方
のＭＥＡで水素発生を行ったり、発電を行なうようにし
てもよい。
【００４６】又、本実施の形態による燃料電池システム
４では、仕様の異なるＭＥＡを複数設けたが、図７及び
図８に示されるように、仕様が同一のＭＥＡ６１を複数
設けるようにして、各ＭＥＡが水素発生と発電との両方
を行うようにしてもよい。このようにすることによっ
て、短時間で大量の水素が必要なときや、大電力を必要
とするときに、同時に複数のＭＥＡ６１を用いて、集中
的に水素発生、発電を行うことができる。
【００４７】又、本実施の形態による燃料電池システム
４では、ＭＥＡを２つ設けるようにしたが、ＭＥＡの数
はこれらに限定されるものではない。
【００４８】又、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９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１０）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１
１）、大部分の炭素原子がｓｐ３結合したダイヤモンド
構造を持つ炭素クラスター（図１２）、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１３）が含まれていてよい。
【００４９】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−ＯＳＯ３
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。
【００５０】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。
【００５１】
【発明の効果】請求項１記載の燃料電池によれば、第１
の電極には負の電圧が印加され、第２の電極には正の電
圧が印加されることにより、第２の電極においては触媒
の存在下で水から酸素とプロトンと電子とが発生し、第
１の電極においては触媒の存在下でプロトンと電子とか
ら水素が発生するようにしたため、水の存在下で水素を
発生させることができる。
【００５２】請求項２記載の燃料電池によれば、吸蔵体
を有しているため、水の存在下で発生させた水素を吸蔵
体に蓄えることができ、いわゆる充電を行うことができ
る。
【００５３】請求項３記載の燃料電池によれば、第１の
電極は電圧が印加されない状態で燃料電極をなし、吸蔵
体に蓄えられた水素と接触して第１の電極の触媒の存在
下で水素からプロトンと電子とが発生し、電解質膜は、
第１の電極と第２の電極とに電圧が印加されない状態で
イオン交換膜をなし、第１の電極で発生したプロトンを
第２の電極へと伝導し、第２の電極は電圧が印加されな
い状態で酸素電極をなし、酸素と接触して第２の電極の
触媒の存在下で酸素と電子とプロトンとから水が発生
し、全体として燃料電池をなして電力を放出する発電を
行うようにしたため、発電する必要のないときには、水
の存在下で水素を発生して、いわゆる充電をし、発電す
る必要があるときには、発生した水素を用いて発電する
ことができ、燃料電池を従来の二次電池と同様にして用
いることがてきる。
【００５４】請求項４記載の燃料電池によれば、吸蔵体
はフラーレン若しくはナノチューブ若しくはナノファイ
バーからなるため、いわゆる充電を容易且つ高密度に行
うことができる。
【００５５】請求項５記載の燃料電池によれば、吸蔵体
は水素吸蔵合金からなるため、いわゆる充電を容易且つ
高密度に行うことができる。
【００５６】請求項６記載の燃料電池によれば、分離膜
が設けられているため、第１電極が吸蔵体を腐食させて
しまうような物質である場合であっても、吸蔵体の腐食
を防止することができる。
【００５７】請求項７、１１記載の燃料電池によれば、
分離膜が水素選択透過膜によって構成されているため、
水素のみを選択的に通過させることができる。
【００５８】請求項８、１２記載の燃料電池によれば、
分離膜が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によって構成されているため、水素
の分離膜中の通過性を高めることができる。
【００５９】請求項９記載の燃料電池によれば、吸蔵体
は粉体からなるため、吸蔵体内に発生した水素を取込み
蓄える部分の面積を広くすることができる。又、吸蔵体
部位が第１の電極に近接配置又は直接に接続されている
ため、燃料電池を、ボタン型電池と同様のサイズの小型
二次電池とすることができる。
【００６０】請求項１０記載の燃料電池によれば、吸蔵
体と第１の電極との間には、分離膜が設けられているた
め、吸蔵体をなす粉体の第１の電極への飛散を防止する
ことができる。
【００６１】請求項１３記載の燃料電池システムによれ
ば、第１の電極と、第２の電極と、電解質膜とを有する
膜電極一体構造を複数有するため、水の存在下で水素を
発生するいわゆる充電と、電力を放出する発電とを、個
々の膜電極一体構造において別個独立に行うことができ
る。
【００６２】請求項１４記載の燃料電池システムによれ
ば、吸蔵体を有しているため、発電が要求されないとき
には、水の存在下で水素を発生するいわゆる充電を行
い、水素を吸蔵体に蓄えておき、発電が要求されるとき
には、蓄えた水素を用いて発電を行うことができる。
又、同時に複数の膜電極一体構造を用いて水素を大量に
発生したり、大電力の発電をしたりすることができるた
め、短時間で充電を行うために短時間で大量の水素が必
要なときや、発電時に大電力を必要とするときに有用で
ある。
【００６３】請求項１５記載の燃料電池システムによれ
ば、一の膜電極一体構造で発生した水素を、他の膜電極
一体構造において発電するために用いることができる。
このため、一の膜電極一体構造を水素を発生するのに最
適な仕様とし、他の膜電極一体構造を発電に最適な仕様
として、それぞれ仕様の異なる構成とし、効率のよい水
素発生、発電を行うことができる。
【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を示す断面
図。
【図２】本発明の実施の形態による燃料電池の、水素発
生の動作を行う様子のみを示す模式図。
【図３】本発明の実施の形態による燃料電池の、発電の
動作を行う様子のみを示す模式図。
【図４】本発明の実施の形態による燃料電池が、充電の
動作及び発電の動作を行う様子を示す模式図。
【図５】本発明の実施の形態による燃料電池システム
が、充電の動作又は発電の動作を行う様子を示す模式
図。
【図６】本発明の実施の形態による燃料電池システムの
変形例を示す模式図。
【図７】本発明の実施の形態の変形例による燃料電池シ
ステムが、水素を発生行う様子を示す模式図。
【図８】本発明の実施の形態の変形例による燃料電池シ
ステムが、発電を行う様子を示す模式図。
【図９】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１０】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１１】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１２】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ｓｐ３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１３】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 ４ 燃料電池システム ５ 燃料電池システム １２ 第１電極 １３ 電解質膜 １４ 第２電極 １６ 水素吸蔵体 １７ 分離膜 ４１ 一のＭＥＡ ４１Ａ 第１電極 ４１Ｂ 第２電極 ４２ 他のＭＥＡ ４３ 水素吸蔵体 ５１ 一のＭＥＡ ５２ 他のＭＥＡ ６１ ＭＥＡ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｊ

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 水素を発生させるための触媒を有する第
    １の電極と、 水に接触可能に設けられ、酸素を発生させるための触媒
    を有する第２の電極と、 該第１の電極と該第２の電極との間に設けられ、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
    が導入されてなるプロトン伝導体を有し、プロトン伝導
    可能に構成された電解質膜とを備え、 該第１の電極には負の電圧が印加され、該第２の電極に
    は正の電圧が印加されることにより、該第２の電極にお
    いては該触媒の存在下で該水から酸素とプロトンと電子
    とが発生し、該第１の電極においては該触媒の存在下で
    該プロトンと該電子とから水素が発生することを特徴と
    する燃料電池。
  2. 【請求項２】 発生した水素を取込み蓄えるための吸蔵
    体を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
  3. 【請求項３】 該第１の電極は電圧が印加されない状態
    で燃料電極をなし、該吸蔵体に蓄えられた該水素と接触
    して該第１の電極の該触媒の存在下で該水素からプロト
    ンと電子とが発生し、 該電解質膜は、該第１の電極と該第２の電極とに電圧が
    印加されない状態でイオン交換膜をなし、該第１の電極
    で発生した該プロトンを該第２の電極へと伝導し、 該第２の電極は電圧が印加されない状態で酸素電極をな
    し、酸素と接触して該第２の電極の該触媒の存在下で該
    酸素と該電子と該プロトンとから水が発生し、 全体として燃料電池をなして電力を放出する発電を行う
    ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
  4. 【請求項４】 該吸蔵体はフラーレン若しくはナノチュ
    ーブ若しくはナノファイバーからなることを特徴とする
    請求項２記載の燃料電池。
  5. 【請求項５】 該吸蔵体は水素吸蔵合金からなることを
    特徴とする請求項２記載の燃料電池。
  6. 【請求項６】 該吸蔵体と該第１の電極との間には、該
    吸蔵体を腐食から保護するための分離膜が設けられてい
    ること特徴とする請求項５記載の燃料電池。
  7. 【請求項７】 該分離膜は水素選択透過膜であることを
    特徴とする請求項６記載の燃料電池。
  8. 【請求項８】 該分離膜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６記載の燃料電池。
  9. 【請求項９】 該吸蔵体は粉体からなり該粉体は集合し
    て吸蔵体部位をなし、 該吸蔵体部位は、該第１の電極に近接配置又は直接に接
    続されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電
    池。
  10. 【請求項１０】 該吸蔵体と該第１の電極との間には、
    該吸蔵体をなす該粉体の該第１の電極への飛散を防止す
    るための分離膜が設けられていること特徴とする請求項
    ９記載の燃料電池。
  11. 【請求項１１】 該分離膜は水素選択透過膜であること
    を特徴とする請求項１０記載の燃料電池。
  12. 【請求項１２】 該分離膜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１０記載の燃料電池。
  13. 【請求項１３】 水素を発生させるための触媒を有する
    第１の電極と、 水に接触可能に設けられ、酸素を発生させるための触媒
    を有する第２の電極と、 該第１の電極と該第２の電極との間に設けられ、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
    が導入されてなるプロトン伝導体を有し、プロトン伝導
    可能に構成された電解質膜とを備え、 該第１の電極には負の電圧が印加され、該第２の電極に
    は正の電圧が印加されることにより、該第２の電極にお
    いては該触媒の存在下で該水から酸素とプロトンと電子
    とが発生し、該第１の電極においては該触媒の存在下で
    該プロトンと該電子とから水素が発生し、 該第１の電極は電圧が印加されない状態で燃料電極をな
    し、該水素と接触して該第１の電極の該触媒の存在下で
    該水素からプロトンと電子とが発生し、 該電解質膜は、該第１の電極と該第２の電極とに電圧が
    印加されない状態でイオン交換膜をなし、該第１の電極
    で発生した該プロトンを該第２の電極へと伝導し、 該第２の電極は電圧が印加されない状態で酸素電極をな
    し、酸素と接触して該第２の電極の該触媒の存在下で該
    酸素と該電子と該プロトンとから水が発生し、 全体として燃料電池をなして電力を放出する発電を行う
    膜電極一体構造を複数有することを特徴とする燃料電池
    システム。
  14. 【請求項１４】 発生した水素を取込み蓄え該水素を該
    燃料電極に供給するための吸蔵体を有することを特徴と
    する請求項１３記載の燃料電池システム。
  15. 【請求項１５】 少なくとも１の該膜電極一体構造は水
    素を発生するためのガス供給源として作用し、残りの該
    膜電極一体構造の内の少なくとも１つは、該ガス供給源
    に連通して接続されて発電体として作用することを特徴
    とする請求項１３記載の燃料電池システム。
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