WO2002056405A1 - Dispositif de production de puissance - Google Patents

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Masashi Shiraishi
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Description

明細書
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、 これによつ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 一源として、 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、 化石燃料の枯渴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 うになつている。
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、 ォ 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 口 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、 パーフルォロスルホン酸樹 脂が知られている。
パーフルォロスルホン酸榭脂は、 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ォロスルホン酸樹脂 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、 これによつて発 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ユ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、 ポータプ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 L a N i 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、 ナノ力プセル、 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 e o - ( O S O s H ) , ( O H ) y ： 2≤ x , y≤ 1 2 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。 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 2 A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 2 B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。 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パルプ 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、 M E A (Membrane Electrode Assembly) と呼ぶこと力 S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 1 0 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 1 1 とその 表面に形成された触媒層 1 2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 ジゥム、 ジルコニウム、 ニッケル一ランタン合金、 チタン一鉄合金、 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 1 1からは正極リード 1 3が導出さ れ、 水素電極 4の電極基体 9からは負極リード 1 4が導出されており、 これら正 極リード 1 3及び負極リード 1 4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、 例えば一 OH基、 一 O S 03H基、 — COOH基、 一 SOsH基、 一 O PO (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 1 5 と、 密閉容器 1 5内に設けられた水素吸蔵 材料 1 6と、 バルブ 1 7とを備える。 水素吸蔵材料 1 6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料を用いることができる。 このような水素吸蔵 材料 1 6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 1 6 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 1 5は、 バルブ 3及びバルブ 1 7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 1 7を開放することによって、 水素ボンべ 1 8からレギ ユレータ 1 9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 1 6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 1 6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 1 7を開放するとともに、 レギュレータ 1 9によって、 水素ボンべ 1 8 より供給 される水素ガスの圧力を、 水素吸蔵材料 1 6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 1 5内は、 水素吸蔵 材料 1 6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 1 6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 1 6に水素を十分に吸蔵させた後、 パルプ 1 7を閉じることによつ て一連の操作が完了する。
次に、 水素吸蔵材料 1 6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 1 6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 1 0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 1 4 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墓体 1 1を介してその表面に形成 された触媒層 1 2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 1 3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 Z又は酸素ガスを透過させてし まう。
図 2 A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 2 B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 2 A及び図 2 B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 e o - ( O S O s H ) ( O H ) 2≤ x , y≤ 1 2
を用い、 これと塩化ビュルを T H F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 2 5 μ mに薄膜化したものを用いた。 プレスは、 0 . 0 5 〜 1 0 t c m 2で行うことが好ましい。
図 2 A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 2 B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の圧力がご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気圧に保っためには、 水素吸蔵材料 1 6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 1 6 としては、 水素吸蔵合金と して L a N i 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 ツキ一オニオン、 カーボンファイバーが挙げられる。 さらに、 水素吸蔵材料 1 6 と して、 アル力リメタルハイ ドライ ド又はその水溶液あるいはそのゲルを用い、 ルテニウム触媒や二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 圧に保っために、 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 2 0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、 レギユレータ 2 0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、 レギユレータ 1 9によ つて密閉容器 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、 水素ボンべ 1 8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、 レギユレータ 1 9によって約 0 . 2気圧〜約 3 . 5気圧に 調整される。 これによつて密閉容器 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 ー 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 2 1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 2 1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、 その一部のみを捕充することはで 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捕給することによ つて、 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
Cs。一 （O S 03H) (OH) 2≤ x , y≤ 1 2
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 2 5 μ ηιに薄膜化し、 プロ トン伝導体部 6を作製した。 プレスは、 6 t/c m 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ォ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、 ME Aと した。 MEAの平面形状は、 7 c m2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. 5 gの L a N i 5を用意し、 これを図 1に示される水素 吸蔵材料 1 6 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 L a N i 5の水素放出平衡圧は、 約 2. 5気圧である。
次に、 バルブ 1 7を開いて、 水素ボンべ 1 8より密閉容器 1 5内に水素ガスを 導入し、 水素吸蔵材料 1 6である L a N i 5に水素を吸蔵させた。 このとき、 水素 ガスの供給圧力は、 レギユレータ 1 9によって室温で約 3 · 0気圧に設定した。 次に、 バルブ 1 7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 1 3と負 極リード 1 4 との間には 0 . 6 Vの電圧が発生し、 正極リード 1 3及び負極リー ド 1 4に接続された負荷には、 2 0 0 m Aの電流が流れた。 正極リード 1 3と負 極リード 1 4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 1 3と負極リード 1 4との間の電圧が急速に低下した。
仮に、 L a N i 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、 L a N i に吸蔵された水素のうち 9 6 %の水素が発電に使用された計算 となる。
以上より、 L a N i 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 過によつて発電に寄与することなく消费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、 レギユレータ 1 9を介して水素ボンべ 1 8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、 水素ボンべ 1 8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、 レギユレータ 1 9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、 正極リ一ド 1 3と負極リード 1 4との間には 0 . 6 V の電圧が発生し、 正極リード 1 3及び負極リード 1 4に接続された負荷には、 2 0 0 Hi Aの電流が流れた。 正極リード 1 3と負極リード 1 4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 1 3と負極リード 1 4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、 水素ボンべ 1 8より供給された水素のうち 9 8 %の水素が発電に使用 された計算となる。
以上より、 水素ボンべ 1 8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 '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 1 6を、 LmN i 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、 L a , C e , P r， N d , N i , C o , Mn, A l であり、 その組成比は、 それぞれ 1 2. 94 w t % , 5. 0 2 w t %, 3. 1 4 w t % , 1 1. 9 1 w t %, 6 0. 2 2 w t % , 2. 8 1 w t % , 3. 2 6 w t %, 0. 70 w t %である。 また、 室温における LmN i 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 1 3と負極リード 1 4との間には 0. 6 Vの 電圧が発生し、 正極リード 1 3及び負極リード 1 4に接続された負荷には、 2 0 0 m Aの電流が流れた。 正極リード 1 3と負極リード 1 4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 1 3と負極リード 1 4との間の電圧が急速に低下した。
仮に、 LmN i 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、 LmN i に吸蔵された水素のうち 9 6 %の水素が発電に使用された計算 となる。
以上より、 LmN i 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
レギユレータ 1 9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 1 3 と負極リード 1 4との間には 0 . 4 Vの 電圧が発生し、 正極リード 1 3及び負極リード 1 4に接続された負荷には、 2 0 O m Aの電流が流れた。 正極リード 1 3 と負極リード 1 4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 1 3 と負極リード 1 4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、 水素ボンべ 1 8より供給された水素のうち 4 0 %の水素が発電に使用 された計算となる。
以上より、 水素ボンべ 1 8より供給された水素のうち、 多くの部分が透過によ つ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、 これによつて発電効率が高められる。

Claims

請求の範囲
1 . 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
2 . 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。
3 . 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。
4 . 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。
5 . 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ユレ一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。
6 . 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。
7 . 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。
8 . 前記水素吸蔵合金が、 L a N i 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。
9 . 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。
1 0 . 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、 カーポンファ ィバーからなる群よ 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。
1 1. 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。
1 2. 前記プロ トン伝導体部が、
Cs。一 （O S03H) (OH) y ： 2≤ x , y≤ 1 2
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。
1 3. 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ユレ一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。
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