JPWO2002056405A1

JPWO2002056405A1 - 発電装置

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Publication number: JPWO2002056405A1
Application number: JP2002556965A
Authority: JP
Inventors: 山田　淳夫; 梶浦　尚志; 白石　誠司; 丸山　竜一郎; 渡辺　康博; 中村　享弘; 宮沢　弘
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-01-15
Filing date: 2002-01-09
Publication date: 2004-05-20
Also published as: TW541751B; US7045240B2; KR20040004485A; CN1496590A; US20040058213A1; WO2002056405A1

Abstract

本発明は、発電装置であり、フラーレン誘導体を含むプロトン伝導体部（６）と、プロトン伝導体部（６）の一方の面に貼設された水素電極（４）と、プロトン伝導体部（６）の他方の面に貼設された酸素電極（５）と、水素電極（４）に圧力が約０．２〜約３．５気圧の水素ガスを供給する水素ガス供給部（２）とを備えることにより、水素ガス及び酸素ガスの透過が効果的に抑制され、透過によって水素ガスが大気中に放出されたり、透過によって酸素ガスが水素電極に達し、発電に寄与することなく水素が消費されることが防止される。

Description

技術分野
本発明は、発電装置に関し、さらに詳細には、水素ガス及び酸素ガスの透過が効果的に抑制され、これによって発電効率が高められた発電装置に関する。
背景技術
従来、自動車などのエネルギー源としてはもちろん、電力製造などのエネルギー源として、ガソリン、軽油などの化石燃料が広く用いられてきた。この化石燃料の利用によって、人類は飛躍的な生活水準の向上や産業の発展などの利益を享受することができたが、その反面、地球は深刻な環境破壊の脅威にさらされ、さらに、化石燃料の枯渇の虞が生じてその長期的な安定供給に疑問が投げかけられる事態となりつつある。
そこで、水素は、水に含まれ、地球上に無尽蔵に存在している上、物質量あたりに含まれる化学エネルギー量が大きく、また、エネルギー源として使用するときに、有害物質や地球温暖化ガスなどを放出しないなどの理由から、化石燃料に代わるクリーンで、かつ、無尽蔵なエネルギー源として、大きな注目を集めるようになっている。
ことに、近年は、水素エネルギーから電気エネルギーを取り出すことができる電気エネルギー発生装置の研究開発が盛んに行われており、大規模発電から、オンサイトな自家発電、さらには、自動車用電源としての応用が期待されている。
水素エネルギーから、電気エネルギーを取り出すための電気エネルギー発生装置、すなわち、燃料電池は、水素が供給される水素電極と、酸素が供給される酸素電極とを有している。水素電極に供給された水素は、触媒の作用によって、プロトン（陽子）と電子に解離され、電子は水素電極の集電体で集められ、他方、プロトンは酸素電極に運ばれる。水素電極において集められた電子は、負荷を経由して、酸素電極に運ばれる。一方、酸素電極に供給された酸素は、触媒の作用により、プロトン伝導体膜を介して水素電極から運ばれたプロトン及び電子と結合して、水を生成する。このようにして、水素電極と酸素電極との間に起電力が生じ、負荷に電流が流れる。
この場合、水素電極側に供給された水素がそのまま酸素極側に到達して酸素と反応したり、逆に、酸素電極側に供給された酸素ガスがそのまま水素極側に到達して水素と反応すると、かかる反応により生成される電力は負荷を経由しないことから、発電効率が低下してしまう。このため、発電効率を高めるためには、水素電極と酸素電極との間に、プロトンを効率的に伝導させる一方、水素ガス及び酸素ガスの透過を効果的に抑制するプロトン伝導体膜を設ける必要がある。
このようなプロトン伝導体膜としては、従来より、パーフルオロスルホン酸樹脂が知られている。
パーフルオロスルホン酸樹脂は、水素ガス及び酸素ガスの透過を抑制する能力が十分でなく、このため、プロトン伝導体膜としてパーフルオロスルホン酸樹脂を用いた場合、発電効率を十分に高めることは困難であった。
発明の開示
本発明は、上述したような技術的な背景に基づき提案されたものであり、本発明の目的は、水素ガス及び酸素ガスの透過が効果的に抑制され、これによって発電効率が高められた発電装置を提供することである。
上述したような目的を達成するために提案される本発明に係る発電装置は、炭素を主成分とする炭素質材料を母体とし、これにプロトン解離性の基が導入されてなるプロトン伝導体部と、プロトン伝導体部の一方の面に貼設された水素電極と、プロトン伝導体部の他方の面に貼設された酸素電極と、水素電極に圧力が約０．２〜約３．５気圧の水素ガスを供給する手段とを備える。
本発明に係る発電装置は、プロトン伝導体部として炭素を主成分とする炭素質材料を母体とし、これにプロトン解離性の基が導入されてなる材料を用い、さらに、水素電極に対して、約０．２〜約３．５気圧の水素ガスを供給していることから、水素ガス及び酸素ガスの透過が効果的に抑制される。これにより、透過によって水素ガスが大気中に放出されたり、透過によって酸素ガスが水素電極に達し、発電に寄与することなく水素が消費されることがほとんどなく、発電効率が飛躍的に高められる。
本発明においては、プロトン伝導体部がフラーレン誘導体を含んでいることが望ましい。
本発明に係る発電装置は、水素吸蔵材料と、水素吸蔵材料が封入された密閉容器とを備える。
本発明において、水素吸蔵材料の水素放出平衡圧を、約０．２〜約３．５気圧とすることにより、レギュレータによって水素ガスの圧力を調整しなくとも水素ガス及び酸素ガスの透過が効果的に抑制される。
本発明に係る発電装置は、更に、水素電極に供給する水素ガスの圧力を約０．２〜約３．５気圧に調整するレギュレータを備えることにより、水素吸蔵材料の水素放出平衡圧が約０．２〜約３．５気圧でなくとも水素ガス及び酸素ガスの透過が効果的に抑制される。
本発明に係る発電装置は、更にまた、プロトン伝導体部、水素電極及び酸素電極からなる部分と、密閉容器とが着脱可能に構成されている。この発電装置は、ポータブル機器用の電源に特に好適である。
本発明に係る発電装置において、水素吸蔵材料には水素吸蔵合金が用いられ、水素吸蔵合金はＬａＮｉ_５を含む。
また、水素吸蔵材料には、炭素質水素吸蔵材料が用いられる。炭素質水素吸蔵材料は、フラーレン、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、炭素スス、ナノカプセル、バッキーオニオン、カーボンファイバーからなる群より選ばれた少なくとも一の材料からなる。
更にまた、水素吸蔵材料には、アルカリメタルハイドライド又はその水溶液あるいはそのゲルが用いられる。
本発明において、プロトン伝導体部は、
Ｃ_６０−（ＯＳＯ_３Ｈ）_ｘ（ＯＨ）_ｙ：２≦ｘ，ｙ≦１２
を含む。
本発明に係る発電装置は、更にまた、水素ボンベと、水素ボンベより供給される水素ガスの圧力を約０．２〜約３．５気圧に調整可能なレギュレータとを備える。
本発明の更に他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施例の説明から一層明らかにされるであろう。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明に係る発電装置を図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明に係る発電装置は、図１に示すように、実際に発電が行われる発電部本体１と、発電部本体１に水素ガスを供給する水素ガス供給部２と、発電部本体１と水素ガス供給部２との間に設けられたバルブ３とを備えている。
発電部本体１は、燃料電極である水素電極４と、酸素電極５と、水素電極４及び酸素電極５に挟持されたフラーレン誘導体からなるプロトン伝導体部６と、水素電極４を覆う密閉容器７と、バルブ８とを備えている。尚、本明細書においては、水素電極４、酸素電極５及びプロトン伝導体部６からなる複合体を、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ぶことがある。
水素電極４は、カーボンを含む電極基体９とその表面に形成された触媒層１０によって構成され、同様に、酸素電極５は、カーボンを含む電極基体１１とその表面に形成された触媒層１２によって構成されている。触媒の種類としては、白金、白金合金、パラジウム、マグネシウム、チタン、マンガン、ランタン、バナジウム、ジルコニウム、ニッケル−ランタン合金、チタン−鉄合金、イリジウム、ロジウム、金などがあるが、好ましいのは、白金及び白金合金である。また、図１に示されるように、酸素電極５の電極基体１１からは正極リード１３が導出され、水素電極４の電極基体９からは負極リード１４が導出されており、これら正極リード１３及び負極リード１４は、図示しない負荷に接続される。
プロトン伝導体部６は、水素ガスの透過を防止するとともにプロトンを透過させる膜であり、その材料は特に限定されないが、炭素を主成分とする炭素質材料を母体とし、これにプロトン解離性の基が導入されてなる材料を用いることが好ましい。ここで、「プロトン解離性の基」とは、「プロトンが電離により離脱し得る官能基」であることを意味する。
プロトン伝導体部６の母体となる炭素質材料には、炭素を主成分とするものであれば、任意の材料を使用することができるが、プロトン解離性の基を導入した後に、イオン導電性が電子伝導性よりも大であることが必要である。ここで、母体となる炭素質材料としては、具体的には、炭素原子の集合体である炭素クラスターや、カーボンチューブを含む炭素質材料を挙げることができる。
炭素クラスターには種々のものがあり、フラーレンや、フラーレン構造の少なくとも一部に開放端を持つもの、ダイヤモンド構造を持つもの等が好適である。もちろんこれらに限らず、プロトン解離性の基を導入した後にイオン導電性が電子伝導性よりも大であるものであれば、いかなるものであっても良い。
プロトン伝導体部６の母体となる炭素質材料としては、フラーレンを選択することが好ましく、これにプロトン解離性の基、例えば−ＯＨ基、−ＯＳＯ_３Ｈ基、−ＣＯＯＨ基、−ＳＯ_３Ｈ基、−ＯＰＯ（ＯＨ）_２基が導入された材料をプロトン伝導体部６の材料として用いることが好ましい。
また、密閉容器７は、バルブ３及びバルブ８を閉じることによって完全に密閉されるとともに、バルブ３を開放することによって水素ガス供給部２から水素ガスの供給を受けることができ、バルブ８を開放することによって大気中に開放される。
尚、図１に示されるように、酸素電極５は大気中に開放されている。
水素ガス供給部２は、密閉容器１５と、密閉容器１５内に設けられた水素吸蔵材料１６と、バルブ１７とを備える。水素吸蔵材料１６の種類としては、水素吸蔵合金若しくは炭素質水素吸蔵材科を用いることができる。このような水素吸蔵材料１６は、用いられる材料の種類によって異なる所定の圧力以上の圧力を有する水素ガスを供給することによってこれを吸蔵することが可能であり、吸蔵された水素ガスは、用いられる材料の種類によって異なる所定の圧力（水素放出平衡圧）以下になると放出される。また、水素吸蔵材料１６として、アルカリメタルハイドライド又はその水溶液あるいはそのゲルを用い、ルテニウム触媒やニッケル触媒等によって水素ガスを放出させてもよい。
密閉容器１５は、バルブ３及びバルブ１７を閉じることによって完全に密閉されるとともに、バルブ３を開放することによって発電部本体１へ水素ガスを供給することができ、バルブ１７を開放することによって、水素ボンベ１８からレギュレータ１９を介して水素ガスの供給を受けることができる。
このような構成からなる発電装置において、まず、水素ガス供給部２内の水素吸蔵材料１６に水素を吸蔵させる方法について説明する。
水素吸蔵材料１６に水素を吸蔵させる場合には、バルブ３を閉じる一方バルブ１７を開放するとともに、レギュレータ１９によって、水素ボンベ１８より供給される水素ガスの圧力を、水素吸蔵材料１６の水素放出平衡圧よりも十分に高い圧力に調整する。これにより、水素ガス供給部２の密閉容器１５内は、水素吸蔵材料１６の水素放出平衡圧よりも十分に高い圧力の水素ガスで満たされるので、水素吸蔵材料１６にはかかる水素ガスが吸蔵されることになる。このようにして水素吸蔵材料１６に水素を十分に吸蔵させた後、バルブ１７を閉じることによって一連の操作が完了する。
次に、水素吸蔵材料１６に吸蔵された水素を用いて、発電部本体１に発電させる方法について説明する。
発電部本体１に発電させる場合には、バルブ８を閉じる一方バルブ３を開放することによって、密閉容器７内に水素ガスを充満させる。この場合、密閉容器７内の水素ガスの圧力は、水素吸蔵材料１６の水素放出平衡圧と実質的に等しい圧力となる。尚、密閉容器７内の水素ガスの純度を高めるためには、バルブ３を開放した直後の所定期間において一時的にバルブ８を開放すればよい。
このようにして密閉容器７内に供給された水素ガスは、カーボンを含む電極基体９を介してその表面に形成された触媒層１０に達し、触媒作用によってプロトンと電子に解離される。このうち電子は、電極基体９を経由して負極リード１４へ移動して図示しない負荷へ供給され、プロトンは、プロトン伝導体部６を経由して酸素電極５側へ移動する。一方、酸素電極５は大気中に開放されているので、空気に含まれる酸素ガスがカーボンを含む電極基体１１を介してその表面に形成された触媒層１２に達し、触媒作用によって、プロトン伝導体部６より供給されるプロトン及び正極リード１３を介して負荷より供給される電子と結合して水となる。このようにして、所望の起電力が取り出される。
この場合、酸素電極５は大気中に開放されている一方、水素電極４は密閉容器７によって水素放出平衡圧と実質的に等しい圧力となっているので、プロトン伝導体部６にはかかる圧力差が加わることになる。プロトン伝導体部６は、かかる圧力差が所定の範囲内であれば、水素ガス及び酸素ガスの透過を防止できるものの、これが所定の範囲を超えれば、水素ガス及び／又は酸素ガスを透過させてしまう。
図２Ａは、密閉容器７の圧力とプロトン伝導体部６の透過水素量との関係を示すグラフであり、図２Ｂは、密閉容器７の圧力とプロトン伝導体部６の透過酸素量との関係を示すグラフである。
図２Ａ及び図２Ｂにおいては、プロトン伝導体部６として、フラーレン誘導体である
Ｃ_６０−（ＯＳＯ_３Ｈ）_ｘ（ＯＨ）_ｙ：２≦ｘ，ｙ≦１２
を用い、これと塩化ビニルをＴＨＦを溶媒として５：１の比率で混合したのち、ドクターブレード法によってガラス基板上に塗布し、乾燥後プレスを加えることによって厚さ２５μｍに薄膜化したものを用いた。プレスは、０．０５〜１０ｔ／ｃｍ^２で行うことが好ましい。
図２Ａに示すように、密閉容器７の圧力が約３．５気圧以下であれば、水素ガスがプロトン伝導体部６を透過することはないものの、密閉容器７の圧力が約３．５気圧を越えると水素ガスがプロトン伝導体部６を透過しはじめ、これよりも密閉容器７の圧力が高くなるほどその透過量が増大することが分かる。このため、水素ガスの酸素電極５側への透過を防止することによって発電効率を高めるためには、密閉容器７の圧力を約３．５気圧以下に保つ必要がある。
一方、図２Ｂに示すように、密閉容器７の圧力が約０．２気圧以上であれば、酸素ガスがプロトン伝導体部６を透過することはないものの、密閉容器７の圧力が約０．２気圧を下回ると酸素ガスがプロトン伝導体部６を透過しはじめ、密閉容器７の圧力がこれよりも低くなるほどその透過量が増大することが分かる。このため、酸素ガスの水素電極４側への透過を防止することによって発電効率を高めるためには、密閉容器７の圧力を約０．２気圧以上に保つ必要がある。
以上より、密閉容器７の圧力が、約０．２気圧〜約３．５気圧であれば、水素電極４から酸素電極５へ水素ガスが透過したり、酸素電極５から水素電極４へ酸素ガスが透過したりすることが実質的になくなり、発電効率が高められることが分かる。
このように、本実施態様において、密閉容器７の圧力を約０．２気圧〜約３．５気圧に保つためには、水素吸蔵材料１６の水素放出平衡圧が約０．２気圧〜約３．５気圧である材料を選択すればよい。このような水素吸蔵材料１６としては、水素吸蔵合金としてＬａＮｉ_５が挙げられ、炭素質水素吸蔵材料としてフラーレン、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、炭素スス、ナノカプセル、バッキーオニオン、カーボンファイバーが挙げられる。さらに、水素吸蔵材料１６として、アルカリメタルハイドライド又はその水溶液あるいはそのゲルを用い、ルテニウム触媒やニッケル触媒によって水素ガスを放出させてもよい。
また、本実施態様においては、密閉容器７の圧力を約０．２気圧〜約３．５気圧に保つために、発電部本体１と水素ガス供給部２との間にレギュレータを介在させてもよい
図３は、発電部本体１と水素ガス供給部２との間にレギュレータ２０を介在させた例を示す図である。
本例においては、水素ガス供給部２から発電部本体１へ供給される水素の供給圧力は、レギュレータ２０によって約０．２気圧〜約３．５気圧に調整され、これによって密閉容器７の圧力が約０．２気圧〜約３．５気圧に保たれる。
また、本発明においては、水素ガス供給部２を省略し、レギュレータ１９によって密閉容器７の圧力を約０．２気圧〜約３．５気圧に保ってもよい。
図４は、水素ガス供給部２を省略した例を示す図である。
本例においては、水素ボンベ１８から水素ガスが直接、発電部本体１へ供給され、その供給圧力は、レギュレータ１９によって約０．２気圧〜約３．５気圧に調整される。これによって密閉容器７の圧力は約０．２気圧〜約３．５気圧に保たれる。
また、本実施態様においては、発電部本体１を水素ガス供給部２に対して着脱可能に構成しても構わない。
図５は、発電部本体１を水素ガス供給部２に対して着脱可能に構成した例を示す図である。
本例においては、発電部本体１と水素ガス供給部２の間には、２つのバルブ３−１、３−２が設けられ、これらバルブ３−１とバルブ３−２との間に着脱機構２１が設けられている。これにより、バルブ３−１及びバルブ３−２を閉じたのち、着脱機構２１より発電部本体１を水素ガス供給部２から分離することができる。
このように、発電部本体１を水素ガス供給部２に対して着脱可能とすれば、ポータブル機器用の電源として用いる場合に特に好適である。
すなわち、現在、ポータブル機器用の電源として、一般的に用いられているのは、アルカリ電池、マンガン電池に代表される１次電池や、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池に代表される２次電池であり、これらはいずれも、閉じた空間内で化学反応が完結する化学電池であることから、これを構成する種々の要素、たとえば、正極材料、負極材料、セパレータ、電解液、安全装置及びこれらを密閉する密閉容器などは、一体不可分的に構成されている。
したがって、ポータブル機器の電源として化学電池を用いた場合、電池残量がなくなると、電池自体を交換する必要があり、その一部のみを補充することはできないため、電池切れを防止するためには、ユーザは多くの電池を携帯する必要がある。
これに対して、ポータブル機器の電源に燃料電池を用いた場合には、燃料となる水素及び酸素を、外部から供給するだけで、発電をすることが可能であるから、発電部本体１をポータブル機器側に設け、ユーザが水素を随時補給することによって、ユーザは、燃料電池の全てを複数個持ち運ぶ必要はなく、発電部本体１を一つだけを持ち運べば良い。したがって、ユーザの利便性は非常に高くなる。
次に本発明の実施例及び比較例について説明する。
実施例１
まず、フラーレン誘導体である
Ｃ_６０−（ＯＳＯ_３Ｈ）_ｘ（ＯＨ）_ｙ：２≦ｘ，ｙ≦１２
と塩化ビニルとをＴＨＦを溶媒として５：１の比率で混合したのち、ドクターブレード法によってガラス基板上に塗布し、乾燥後プレスを加えることによって厚さ２５μｍに薄膜化し、プロトン伝導体部６を作製した。プレスは、６ｔ／ｃｍ^２で行った。
次に、白金を担持させたカーボンブラックとパーフルオロスルホン酸樹脂の混合粉末とをカーボンシートに撒布し、水素電極４及び酸素電極５を作製した。
次に、プロトン伝導体部６を水素電極４及び酸素電極５によって挟持し、ＭＥＡとした。ＭＥＡの平面形状は、７ｃｍ^２の円形とした。このようなＭＥＡを、図１に示される発電部本体１として用いた。
次に、活性化された３．５ｇのＬａＮｉ_５を用意し、これを図１に示される水素吸蔵材料１６として用いることによって水素ガス供給部２とした。室温におけるＬａＮｉ_５の水素放出平衡圧は、約２．５気圧である。
次に、バルブ１７を開いて、水素ボンベ１８より密閉容器１５内に水素ガスを導入し、水素吸蔵材料１６であるＬａＮｉ_５に水素を吸蔵させた。このとき、水素ガスの供給圧力は、レギュレータ１９によって室温で約３．０気圧に設定した。
次に、バルブ１７を閉じ、バルブ３及びバルブ８を開くことによって密閉容器７を水素パージし、次いでバルブ８を閉じた。これにより、正極リード１３と負極リード１４との間には０．６Ｖの電圧が発生し、正極リード１３及び負極リード１４に接続された負荷には、２００ｍＡの電流が流れた。正極リード１３と負極リード１４との間の電圧及び負荷に流れる電流は、発電開始から５．２時間まで上記の値を維持したが、発電開始から５．２時間後には、水素ガスの欠乏により、正極リード１３と負極リード１４との間の電圧が急速に低下した。
仮に、ＬａＮｉ_５に吸蔵された水素が全て発電によって消費された場合、発電持続時間は５．４時間であるから、上述のように発電が５．２時間持続したということは、ＬａＮｉ_５に吸蔵された水素のうち９６％の水素が発電に使用された計算となる。
以上より、ＬａＮｉ_５に吸蔵された水素のほとんどが発電に消費されたことが分かる。したがって、透過によって大気中に放出された水素ガスや、酸素ガスの透過によって発電に寄与することなく消費された水素ガスはほとんどないことが分かった。
実施例２
実施例１にて用いた発電部本体１に、レギュレータ１９を介して水素ボンベ１８を直接繋ぎ、図４に示される発電装置を作製した。
次に、バルブ３を開いて、水素ボンベ１８より密閉容器７内に水素ガスを導入した。このとき、水素ガスの供給圧力は、レギュレータ１９によって室温で約１．８気圧に設定した。また、バルブ３の近傍には、密閉容器７に導入された水素ガスの流量を測定する積算流量計を設置した（図示せず）。
次に、バルブ８を開くことによって密閉容器７を水素パージし、次いでバルブ８を閉じた。これにより、正極リード１３と負極リード１４との間には０．６Ｖの電圧が発生し、正極リード１３及び負極リード１４に接続された負荷には、２００ｍＡの電流が流れた。正極リード１３と負極リード１４との間の電圧及び負荷に流れる電流は、発電開始から５．３時間まで上記の値を維持したが、発電開始から５．３時間後には、水素ガスの欠乏により、正極リード１３と負極リード１４との間の電圧が急速に低下した。
積算流量計が示す量の水素が全て発電によって消費された場合、発電持続時間は５．４時間である。したがって、上述のように発電が５．３時間持続したということは、水素ボンベ１８より供給された水素のうち９８％の水素が発電に使用された計算となる。
以上より、水素ボンベ１８より供給された水素のほとんどが発電に消費されたことが分かる。したがって、透過によって大気中に放出された水素ガスや、酸素ガスの透過によって発電に寄与することなく消費された水素ガスはほとんどないことが分かった。
実施例３
水素吸蔵材料１６を、ＬｍＮｉ_５に変更した以外は、実施例１と同じ条件で測定を行った。
ここで、Ｌｍは、Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ａｌであり、その組成比は、それぞれ１２．９４ｗｔ％，５．０２ｗｔ％，３．１４ｗｔ％，１１．９１ｗｔ％，６０．２２ｗｔ％，２．８１ｗｔ％，３．２６ｗｔ％，０．７０ｗｔ％である。また、室温におけるＬｍＮｉ_５の水素放出平衡圧は、約１〜２気圧である。
本実施例においても、正極リード１３と負極リード１４との間には０．６Ｖの電圧が発生し、正極リード１３及び負極リード１４に接続された負荷には、２００ｍＡの電流が流れた。正極リード１３と負極リード１４との間の電圧及び負荷に流れる電流は、発電開始から４．９時間まで上記の値を維持したが、発電開始から４．９時間後には、水素ガスの欠乏により、正極リード１３と負極リード１４との間の電圧が急速に低下した。
仮に、ＬｍＮｉ_５に吸蔵された水素が全て発電によって消費された場合、発電持続時間は５．１時間であるから、上述のように発電が４．９時間持続したということは、ＬｍＮｉ_５に吸蔵された水素のうち９６％の水素が発電に使用された計算となる。
以上より、ＬｍＮｉ_５に吸蔵された水素のほとんどが発電に消費されたことが分かる。したがって、透過によって大気中に放出された水素ガスや、酸素ガスの透過によって発電に寄与することなく消費された水素ガスはほとんどないことが分かった。
比較例
レギュレータ１９によって調節された水素ガスの供給圧力を、５．０気圧に変更した以外は、実施例２と同じ条件で測定を行った。
本比較例においては、正極リード１３と負極リード１４との間には０．４Ｖの電圧が発生し、正極リード１３及び負極リード１４に接続された負荷には、２００ｍＡの電流が流れた。正極リード１３と負極リード１４との間の電圧及び負荷に流れる電流は、発電開始から４．９時間まで上記の値を維持したが、発電開始から２．２時間後には、水素ガスの欠乏により、正極リード１３と負極リード１４との間の電圧が急速に低下した。
積算流量計が示す量の水素が全て発電によって消費された場合、発電持続時間は５．５時間である。したがって、上述のように発電が２．２時間持続したということは、水素ボンベ１８より供給された水素のうち４０％の水素が発電に使用された計算となる。
以上より、水素ボンベ１８より供給された水素のうち、多くの部分が透過によって大気中に放出されたことが分かった。
以上説明したように、本実施態様にかかる発電装置では、プロトン伝導体部６としてフラーレン誘導体を用いた発電部本体１に対して、約０．２〜約３．５気圧の水素ガスを供給していることから、水素ガス及び酸素ガスの透過が効果的に抑制される。これにより、透過によって水素ガスが大気中に放出されたり、透過によって酸素ガスが水素電極４に達し、発電に寄与することなく水素が消費されることがほとんどなく、発電効率が飛躍的に高められる。
本発明は、以上の実施態様に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
例えば、上記実施態様においては、プロトン伝導体膜としてセパレータを使用しない、いわゆる自立膜を用いているが、プロトン伝導体膜としてセパレータを使用したものを用いても構わない。具体的には、ポリプロピレン等からなり、多数の貫通孔が形成されたシート上に、フラレノール及びテトラハイドロフラン液からなる混合液を塗布し、乾燥させることによって作製されたプロトン伝導体膜を用いることができる。このようなプロトン伝導体膜を用いた場合であっても、上記実施態様による効果を得ることが可能である。
産業上の利用可能性
以上説明したように、本発明に係る発電装置は、水素ガス及び酸素ガスの透過が効果的に抑制され、これによって発電効率が高められる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係る発電装置の概略的構成を示す図である。
図２Ａは、密閉容器の圧力とプロトン伝導体部の透過水素量との関係を示すグラフであり、図２Ｂは、密閉容器の圧力とプロトン伝導体部の透過酸素量との関係を示すグラフである。
図３は、発電部本体と水素ガス供給部との間にレギュレータを介在させた例を示す図である。
図４は、水素ガス供給部を省略した例を示す図である。
図５は、発電部本体を水素ガス供給部に対して着脱可能に構成した例を示す図である。

Claims

炭素を主成分とする炭素質材料を母体とし、これにプロトン解離性の基が導入されてなるプロトン伝導体部と、前記プロトン伝導体部の一方の面に貼設された水素電極と、前記プロトン伝導体部の他方の面に貼設された酸素電極と、前記水素電極に圧力が約０．２〜約３．５気圧の水素ガスを供給する手段とを備える発電装置。
前記プロトン伝導体部が、フラーレン誘導体を含むことを特徴とする請求の範囲第１項記載の発電装置。
前記手段が、水素吸蔵材料と、前記水素吸蔵材料が封入された密閉容器とを備えることを特徴とする請求の範囲第１項記載の発電装置。
前記水素吸蔵材料の水素放出平衡圧が、約０．２〜約３．５気圧であることを特徴とする請求の範囲第３項記載の発電装置。
前記手段が、前記水素電極に供給する水素ガスの圧力を約０．２〜約３．５気圧に調整するレギュレータをさらに備えることを特徴とする請求の範囲第３項記載記載の発電装置。
前記プロトン伝導体部、前記水素電極及び前記酸素電極からなる部分と、前記密閉容器とが着脱可能に構成されていることを特徴とする請求の範囲第３項記載の発電装置。
前記水素吸蔵材料が、水素吸蔵合金であることを特徴とする請求の範囲第３項記載の発電装置。
前記水素吸蔵合金が、ＬａＮｉ_５を含むことを特徴とする請求の範囲第７項記載の発電装置。
前記水素吸蔵材料が、炭素質水素吸蔵材料であることを特徴とする請求の範囲第３項記載の発電装置。
前記炭素質水素吸蔵材料が、フラーレン、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、炭素スス、ナノカプセル、バッキーオニオン、カーボンファイバーからなる群より選ばれた少なくとも一の材料からなることを特徴とする請求の範囲第９項記載の発電装置。
前記水素吸蔵材料が、アルカリメタルハイドライド又はその水溶液あるいはそのゲルであることを特徴とする請求の範囲第３項記載の発電装置。
前記プロトン伝導体部が、
Ｃ_６０−（ＯＳＯ_３Ｈ）_ｘ（ＯＨ）_ｙ：２≦ｘ，ｙ≦１２
を含むことを特徴とする請求の範囲第２項記載の発電装置。
前記手段が、水素ボンベと、前記水素ボンベより供給される水素ガスの圧力を約０．２〜約３．５気圧に調整可能なレギュレータとを備えることを特徴とする請求の範囲第１項記載の発電装置。