(57)【要約】【課題】  りん酸型燃料電池においては、りん酸が213℃と沸点が高いことや、りん酸イオンPO43-などの触媒を含み、腐食性が高いことから、耐熱温度や耐食性の高い材料を使用する必要があるという問題があった。また燃料電池を廃棄する場合や、りん酸が飛散する事故が起きた場合には、りん酸をアルカリ剤で中和し、中和塩を回収し、処理する必要があるという問題があった。  その一方で、100℃以下で動作し、中和塩の問題もない固体高分子型燃料電池においては、高分子膜の価格が高いという問題があった。【解決手段】  電解質として陽子水(Proton Water)を用いて燃料電池(PWFC)を構成する。  陽子水は沸点が約100℃であり、りん酸イオンPO43-などの触媒を含んでいないことから、腐食性も低いので、マトリクス（電解質の陽子水を含浸させる基材）として綿１００％の布を使用し、構造材としてポリプロピレンを使用することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸性水型燃料電池において、電解質として陽子水を使用することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
電解質を含浸させるための隔膜としてセルロース又は綿１００％の布を用い、かつ燃料電池の陽子水に接触する部分の構造材としてポリプロピレンを使用することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
電解質として陽子水(Proton Water)を使用することを特徴とする陽子水型燃料電池(Proton Water Fuel Cell;PWFC)に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は基本的にアノード（燃料、水素）極、電解質、カソード（空気、酸素）極の３つの要素からなっている。電解質の種類に基づいて燃料電池を分類すると、アルカリ型燃料電池、りん酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、固体高分子形燃料電池などがある。（たとえば非特許文献１、２、３参照。）。
一般に、硫酸やりん酸などの酸性を示す水溶液を電解質として使用する燃料電池のことを酸性水型燃料電池と呼んでいる。
【０００３】
この中で、りん酸型燃料電池(PAFC;Phosphoric Acid Fuel Cell)は、Pt(・C)、りん酸水溶液、Pt(・C)の構成で、動作温度は１８０から２１０℃である。多孔質の炭素板の片面に白金系触媒を塗布した２枚の電極間に、りん酸を含浸させた炭化ケイ素のマトリクス（りん酸を含浸させる基材）を挟んだ構造となっている。酸性電解質を用いるので、活物質であるH2やO2の中にCO2が含まれていてもよい。現在最も開発が進んでいる燃料電池であり、電解質の抵抗が小さく、優れた電池性能を示す。しかし、電極触媒は白金に制限され、COは触媒毒となる問題がある。また装置材料が腐食する問題やりん酸が流出する問題がある。
【０００４】
固体高分子型燃料電池(PEFC;Polymer Electrolyte Fuel Cell)は、Pt(・C)、弗素樹脂系プロトン交換膜、Pt(・C) の構成で、電解質に固体のプロトン交換膜(Proton Exchange Membrane)（固体高分子電解質膜;Solid Polymer Electrolyte Membrane）を用いており、動作温度は常温から８０℃である。PEFCでは強酸性イオン交換膜を用いるので、活物質であるH2やO2にCO2が含まれていてもよい。しかし、電解質の腐食性が強く、電極触媒が白金に制限され、COは触媒毒となる問題がある。またプロトン交換膜は高価（商品名ナフィオンNafion膜は25ｃｍｘ25ｃｍで5万円程度）であり、水分を含有しないとイオン導電性が著しく低下するため、電池の作動時に水分の蒸発を避けねばならないという問題がある。
【０００５】
固体高分子型燃料電池においてアノード（燃料、水素）極表面及びカソード（空気、酸素）極表面において以下の現象が起きていると考えられる。
【０００６】
アノード（燃料）極の白金表面に水素分子が近付くと、水素分子の最外殻分子軌道と白金原子の最外殻電子軌道とが重なりあって、水素分子は白金原子と活性錯体を形成する。活性錯体を形成した水素分子は白金表面に吸着される。吸着された水素分子は２つの原子状水素となる。原子状水素の最外殻電子軌道にある電子は、白金原子の最外殻電子軌道に遷移する。遷移した電子は外部回路へ進み空気極に到達する。電子を放出した原子状水素は水素イオンになる。水素イオンは電気的クーロン力により、空気極の酸素イオンに引き付けられ、近付いて、水素イオンは酸素イオンと結合して水になる。
【０００７】
カソード（空気）極の白金表面に酸素分子が近付くと、酸素分子の最外殻分子軌道と白金原子の最外殻電子軌道とが重なりあって、酸素分子は白金原子と活性錯体を形成する。活性錯体を形成した酸素分子は白金表面に吸着される。吸着された酸素分子は２つの原子状酸素となる。燃料極から外部回路を通って来た電子は、カソード（空気）極表面の白金原子の最外殻電子軌道に到達する。白金原子の最外殻電子軌道にある電子は、原子状酸素の最外殻電子軌道に遷移する。この遷移する電子を原子状酸素が受け取ると、原子状酸素は酸素イオンになる。酸素イオンは電気的クーロン力により、燃料極の水素イオンに引き付けられ、近付いて、酸素イオンは水素イオンと結合して水になる。
【０００８】
電子は水素極から空気極へ向かって流れる。しかし、電流の方向と電子の流れる方向とは反対であるから、電流は空気極から水素極へと流れる。従って、起電力はカソード（空気、酸素）極が正電位となり、アノード（燃料、水素）極が負電位となる。
【０００９】
燃料電池全体での反応は式  H2 + (1/2)O2 -> H2O(液) + 68.3kcal  で与えられる。一方、水の気化熱は9.72kcal/molであり、室温20℃から100℃まで水を加熱するのに必要な熱は18ｃｃ×80℃＝1.44kcal/molであることから、室温20℃の水を蒸発させるのに必要な熱量は11.16kcal/molである。
【００１０】
1molの水素ガスを供給すると1molの水と68.3kcalの熱が生じるが、1molの水が蒸発するときに11.16kcalの熱を吸収するに過ぎないので、燃料電池を80℃程度の動作温度に保持するためには、57.14kcalの熱を取り除く必要がある。この57.14kcal/molの熱を取り除く一つの方法として、57.14kcal/11.6kcal/mol＝5.12molの室温（20℃）の水を供給してもよい。または放熱板やヒートパイプを通じて空冷や水冷してもよい。
【００１１】
木屑や綿の主成分であるセルロースは、４０％以上の濃度の塩酸で溶解することが知られており、硫酸では７５％以上の濃度で溶解する。（非特許文献４参照。）。
【００１２】
濃度75％の硫酸は、比重が1.62ｇ／ｃｃであり、強電解質であり、そのｐＨは−1.09ｐＨである。また、40％塩酸は密度が1.198ｇ／ｃｃであり、−1.12ｐＨである。従って、−1ｐＨ近傍にセルロースが溶けるような水素イオン濃度の臨界値が存在すると考えられる。  
【００１３】
電解質の導電率σはσ=Qnμで与えられる。ここでQはキャリアの電荷、nはキャリアの密度、μはキャリアの移動度である。陽子水を電解質とする燃料電池において電気のキャリアは水素イオンH+（陽子、プロトン）である。電解質の抵抗率ρはρ=1/σで与えられる。電解質の電気抵抗ＲはＲ=ρｌ/Aで与えられる。ここでｌは電極間の距離、Aは電極の有効断面積である。
【００１４】
ボイラーなどの排ガス中の亜硫酸ガスを除去する排煙脱硫法において、特に石灰石-石膏法で用いられている耐食合金として、Ni基合金にはｃ-276合金、６２５合金、ｃ-22合金、Ｇ合金、825合金、２０合金、９０４Ｌ合金、ステンレス鋼としては、６Moステンレス鋼、255二相ステンレス鋼、2205二相ステンレス鋼、317ＬＭＮステンレス鋼などがある。（非特許文献５参照。）。
【００１５】
従来、半導体基板の洗浄水を作るために、高純度の白金Pt、イリジウムIr、オスミウムOsなどの白金族元素、又は炭素電極、又はグラファイト電極又はグラッシーカーボン電極などのような溶出の少ない電極材が用いられている。（たとえば、特許文献１参照。）。
【００１６】
触媒燃焼は高温炎の代わりに触媒を用いて、燃料と酸素とをその表面上で反応させる燃焼方式である。メタン、プロパンなどの炭化水素系燃料ではパラジウム、白金触媒を用いても、300℃以上の温度でないと触媒燃焼が起こらないが、水素では室温でも起こる。この点に注目したのが水素の触媒燃焼で、次のような利点がある。（１）室温から４００℃付近までの温度が出力調整で自在に得られる。（２）無炎燃焼なので、火災の危険が少なく、NOxを発生しない。（３）炎燃焼限界以下の希薄水素も使用できる。（４）水素炎は透明で熱放射が少ないのに対し、触媒が熱放射体となり輻射熱が得安い。（例えば、非特許文献６参照。）。
【００１７】
水素を燃料とした場合、燃えにくい炭化水素系燃料と異なり、多くの物質が低温で有効な燃焼触媒となる。白金Pt、パラジウムPdなどの高活性触媒を用いると、室温で水素を流すだけで燃焼が開始し、完全燃焼させながら50℃位から炎着火温度（５００〜６００℃）まで、水素流量を変えるだけで温度が調節できる。高活性触媒としては、Ptのほかに、Pd、Ir、Ru、PdO、PtO2、RuO2が知られている。
【００１８】
水素の極低温触媒燃焼は、ロケットの液体水素燃料の自動着火の手段として注目されている。種々の貴金属およびそれらの合金のうち、極低温ではIrが最も触媒活性が高い。Ptの場合は担持量を増やしても燃焼開始温度は-120℃程度であり、活性はほとんど変化しないが、Irの場合は10wt%以上担持すると急激に活性が高くなり、３０wt%担持すれば液体窒素温度（−196℃）でも水素の触媒燃焼が可能である。
【００１９】
白金存在下での水素の触媒燃焼において、白金の表面では次のような現象が起きていると考えられる。
水素分子が白金表面に近付くと、水素分子は白金原子と活性錯体を形成する。活性錯体を形成した水素分子は白金表面に吸着される。吸着された水素分子は２つの原子状水素となる。原子状水素の最外殻電子軌道にある電子は白金原子の最外殻電子軌道に遷移する。電子を放出した原子状水素は水素イオンになる。
【００２０】
同時に、酸素分子が白金表面に近付くと、酸素分子は白金原子と活性錯体を形成する。活性錯体を形成した酸素分子は白金表面に吸着される。吸着された酸素分子は２つの原子状酸素となる。白金原子の最外殻電子軌道にある電子は、原子状酸素の最外殻電子軌道に遷移して、原子状酸素は酸素イオンになる。酸素イオンは電気的クーロン力により、水素イオンに引き付けられ、近付いて、酸素イオンは水素イオンと結合して水になる。
【００２１】
従って、酸素イオンが水素イオンと結合する化学反応の面から見ると、水素の触媒燃焼と燃料電池は等価であることがわかる。すなわち水素の触媒燃焼の状況は、燃料電池における燃料極と空気極とを極度に近付けた場合に相当している。よって、水素の触媒燃焼における高活性触媒は燃料電池の燃料極として使用できる。
【００２２】
白金が水素を吸着する性質は電気力、磁気力、核力、重力のいづれかに基づくものと考えられる。しかし、水素原子は水素イオンと電子の結合からなり、すでに電気的に中和しているので、電気力が原因ではないと考えられる。また、水素分子は水素原子同士が磁気的に結合しているので、磁気力が原因ではないと考えられる。核力であれば、核融合が起きることになるが、白金と水素の原子核は融合していないから、核力が原因ではないと考えられる。従って、白金が水素を吸着する性質は重力が原因であることが導かれる。
【００２３】
ここで、白金が水素を吸着する性質は重力が原因であるとすると、密度の大きな物質であるほど吸着する力は大きくなることが予想される。白金は原子核が重く、密度も大きい物質であるのでこの予想に一致している。また、密度の大きな物質ほど低い温度で触媒燃焼が起きることが予想される。白金PtよりもイリジウムIrのほうが密度が大きい（白金の密度は21.45ｇ/ｃｃであり、イリジウムの密度は22.61ｇ/ｃｃである。）ので、白金PtよりもイリジウムIrのほうが低い温度で触媒燃焼する事実と一致している。
【特許文献１】特許公開2001-96273
【非特許文献１】燃料電池に関する技術動向調査、特許庁技術調査課、平成１３年５月３１日、２Ｐ
【非特許文献２】水素エネルギー最先端技術、太田時男  監修、（株）ＮＴＳ、1995年1月３１日第１刷発行、263Ｐ
【非特許文献３】腐食防食ハンドブック、（社）腐食防食協会、丸善株式会社平成１２年２月２９日発行、749ｐ。
【非特許文献４】ウッドケミカルスの最新技術、飯塚尭介  監修、（株）シーエムシー、2000年発行、39ｐ。
【非特許文献５】腐食防食ハンドブック、（社）腐食防食協会、丸善株式会社平成１２年２月２９日発行、768ｐ。
【非特許文献６】水素エネルギー最先端技術、株式会社エヌティーエス、1995年1月３１日第１刷発行、ｐ.570
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
りん酸型燃料電池においては、りん酸の沸点が213℃と高いことや、りん酸イオンPO43-などの触媒を含み、腐食性が高いことから、耐熱温度や耐食性の高い材料を使用する必要があるという問題があった。また燃料電池を廃棄する場合や、りん酸が飛散する事故が起きた場合には、りん酸をアルカリ剤で中和した後、中和塩を処理する必要があるという問題があった。
その一方で、100℃以下で動作し、中和塩の問題もない固体高分子型燃料電池においては、高分子膜の価格が高いという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明はこの問題を解決するものでありその特徴とするところは、酸性水型燃料電池において、電解質として陽子水を使用することを特徴とする燃料電池である。
また前記電解質を含浸させるための隔膜としてセルロース又は綿１００％の布を用い、かつ燃料電池の陽子水に接触する部分の構造材としてポリプロピレンを使用することを特徴とする前記燃料電池である。
すなわち酸性水型燃料電池の電解質として陽子水(Proton Water)を用いることにより、陽子水の沸点は約100℃であり、硫酸イオンSO42-やりん酸イオンPO43-などの触媒を含んでいないことから、腐食性も低いので、マトリクス（電解質の陽子水を含浸させる基材）として綿１００％の布を使用し、陽子水に接触する部分の構造材としてポリプロピレンを使用することができる。
【００２６】
図１に陽子水型燃料電池の模式図を示す。水素ガスは燃料極気体拡散層１を通り、燃料極触媒層２において、水素イオンＨ+（陽子）になり、電解質溶液保持層（セルロースまたは布）３に入る。酸素ガスは、空気極気体拡散層を通り、空気極触媒層で酸素イオンＯ2-になり、電解質溶液保持層（セルロースまたは布）３に入る。陽子水に触れる部分の構造材６はポリプロピレンである。電解質溶液は電解質溶液導入口７から入れて、電解質溶液排出口８から取り出すことができる。
【００２７】
水素原子Hは電子e-と陽子H+（=水素イオン）からなる。
陽子水とは、純水または水を電気分解しているときに陽極近傍に生成する水のことであり、陽子(=水素イオン)を多く含み、酸性を示す水のことをいう。
水素イオン水と陽子水とは同じものを意味している。
水酸化物イオン水とは水の電気分解における陰極近傍の水のことであり、水酸化物イオンOH-を多く含む水のことをいう。
【００２８】
陽子粉末とは陽子水から水分を除去し、乾燥した粉末のことをいう。
水素イオン粉末とは水素イオン水から水分を除去し、乾燥した粉末のことをいう。
水酸化物イオン粉末とは水酸化物イオン水から水分を除去し、乾燥させた粉末のことをいう。
電解質として用いる1ｐＨの陽子水のｐＨ調整に陽子粉末を使うことが望ましい。
【００２９】
さらに電解質として0ｐＨや-1ｐＨの陽子水を用いれば、電気抵抗が低くなり、効率良く大きな電流を取り出せるが、その反面、陽子水の腐食性も高くなるために、装置を低コストな材料で作ることができなくなるという欠点が生じる。従って、陽子水のｐＨ値は1ｐＨ程度が望ましい。
【００３０】
電解質を含浸させる綿１００％の布の厚みは厚いほど、機械的強度は高くなるが、電気抵抗も高くなり、効率低下を招く。反対に布の厚みを薄くすれば電気抵抗は低くなり、効率は高くなるが、0.1ｍｍ未満の厚みでは、薄すぎて短絡事故が起こり安くなる。従って、電解質を含浸させる綿１００％の布の厚みは0.2ｍｍから0.3ｍｍが望ましい。
【００３１】
純水が供給されている間は燃料電池の電解質の抵抗が低く保持されるので、式  H2 + (1/2)O2 -> H2O(液) + 68.3kcal  の化学反応が進み、発熱するが、純水の供給が不十分であると、電解質部分での電気抵抗が高くなるので、電流が流れにくくなり、陽子（：水素イオン）の移動量が減少し、発熱も減少する。従って、水の沸点である100℃が燃料電池としての動作温度の上限となる。
【００３２】
しかし、電解質部分に水分がまったくなくなり、乾燥してしまうと、多孔質電極を通り抜けた水素ガスと酸素ガスが、高活性触媒の表面で出会い、水素の触媒燃焼が起きて、発熱し続けて、100℃をはるかに超えて、焼損事故が起こる可能性があるので、電解質部分に水分センサを導入して、水素ガスの供給時には、水分がなくならないように調節する必要がある。  
【００３３】
水素の触媒燃焼は、室温における水素と酸素の化合反応であり、その熱化学反応式は、燃料電池における熱化学反応式と等しいことがわかる。これは、水素の触媒燃焼における高活性触媒の表面での水素の反応が、燃料電池における燃料極表面での水素の反応と等しいことを示している。従って、水素の触媒燃焼における高活性触媒は、燃料電池における燃料極として使用できる可能性がある。
【００３４】
水素の触媒燃焼における高活性触媒としては、Ptのほかに、Pd、Ir、Ru、PdO、PtO2、RuO2が知られている。さらに今日知られていない材料であっても、水素の触媒燃焼における高活性触媒であり、かつ耐食性の高いものは、燃料電池の燃料極の材料として使用できる。
【００３５】
燃料極の材料は、水素の触媒燃焼の高活性触媒であり、かつ耐食性が高く、溶出しにくい材料であることが望ましい。具体的には白金PtやイリジウムIrなどがある。
【００３６】
空気極は燃料電池の運転中または停止後に、１Ｖ程度の高電位状態に耐える必要があることから、空気極の材料は耐食性が高く、溶出しにくい材料であることが望ましい。具体的にはPtやIrなどがある。
【００３７】
燃料電池の廃棄の際に、陽子水（水素イオン水）を水酸化物イオン粉末や水酸化物イオン水で中和し、水にしてから、環境に影響がないように廃棄することが望ましい。
燃料電池が大量生産されると環境に与える影響は大きくなるので、部品1個に至るまでその製造工程を、環境にやさしいグリーンプロセスに変更していくことが望ましい。
さらに製造、運転、定期点検、事故、故障修理、廃棄という燃料電池のライフタイム全体に渡って関連する部品の一つ一つについて環境負荷を評価することが望ましい。
【００３８】
燃料電池全体での反応は式  H2 + (1/2)O2 -> H2O(液) + 68.3kcal  で与えられる。一方、水の気化熱は9.72kcal/molであり、室温20℃から100℃まで水を加熱するのに必要な熱量は18ｃｃ×80℃＝1.44kcal/molであることから、室温20℃の水を蒸発させるのに必要な熱量は11.16kcal/molである。
【００３９】
1molの水素ガスを供給すると1molの水と68.3kcalの熱が生じるが、1molの水が蒸発するときに11.16kcalの熱を吸収するに過ぎないので、燃料電池を80℃程度の動作温度に保持するためには、57.14kcalの熱を取り除く必要がある。この57.14kcal/molの熱を取り除く一つの方法として、57.14kcal/11.6kcal/mol＝5.12molの室温（20℃）の水を供給してもよい。または放熱板やヒートパイプを通じて空冷や水冷してもよい。
【００４０】
運転条件として、室温（20℃）程度で動作させる場合には、流入する水素１molに対して68.3kcalの発熱を冷却するための冷却装置が必要である。
同時に、流入する水素１モル当たり、１モルの水が電解質溶液中に生成する。従って、電解質溶液中の水素イオン濃度は低下し、陽子水のｐＨ値は１ｐＨよりも大きくなる。このため、電解質溶液を一旦外側に取り出してから、電解質溶液中の水分を取り除くなどして、ｐＨを調節し、再び、電解質部分に戻すためのｐＨ調節装置が必要である。
【００４１】
運転条件として、温度を１００℃程度に保持すれば、水分は水蒸気になって、蒸散するので、電解質溶液の水素イオン濃度は高くなる。このため、電解質溶液中に純水を補充する必要があり、ｐＨ調節装置または純水の補充装置を必要とする。さらに運転開始前に加熱装置で燃料電池を100℃まで加熱する必要がある。
【００４２】
１００℃と室温の中間に、生成する水分量と蒸発する水分量がちょうど釣り合うような温度が存在する。この温度のことをここでは、臨界温度Tcと呼ぶことにする。Ｔｃは燃料電池の熱容量と構造や動作状態に依存し、その燃料電池の固有な値である。
【００４３】
運転条件として、温度Ｔ＝Ｔｃに制御することにより、電解質の水分量を一定値に保持することができ、水分の補充や、ｐＨの調節をしなくて済む。しかし、温度をＴｃで一定に保持するために加熱装置と冷却装置が必要となる。加熱装置としては電気ヒーターあるいはガスのヒーターなどがある。
【発明の効果】
【００４４】
発電に利用できる。陽子水は沸点が100℃程度で腐食性が低いので、マトリクス（電解質の陽子水を含浸させる基材）に綿１００％の布を用いたり、ポリプロピレンなどの安価な材料を構造材として用いることができる。また燃料電池の廃棄のときも、陽子水は水酸化物イオン水で中和して水にすることができるので、中和塩の問題を生じないし、排水もきれいにできて、環境に良い。25ｃｍ角で5万円程度の高価なプロトン交換膜に比べて、綿の布は価格が安い。さらに製造工程で有害物質のフッ酸を使用するプロトン交換膜に比べて、綿100％の布は、製造工程で有害物質を使用しないので環境によい。陽子水もその製造工程に有害物質を含まないので環境によい。各要素部品を含めた燃料電池の製造工程全体がグリーンプロセスに近付くので環境によい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
電解質を陽子水に限定することにより、構造材として綿やポリプロピレンなどの安価な材料を使用する燃料電池を実現することができた。
【実施例１】
【００４６】
カソードとアノードに白金を使用し、電解液として陽子水を使用し、マトリクス（電解質の陽子水を含浸させる基材）に綿１００％の布を用いた。以下のように燃料電池を製作した。
【００４７】
厚さ0.2ｍｍで１００％綿の布を広げて位置を固定し、この布の上に厚さ0.2ｍｍ、直径9ｃｍのポリプロピレン(A)を乗せてセロハンテープで固定した。直径9ｃｍのポリプロピレン(A)の中心位置に、ハンダゴテで、直径4ｃｍの穴を開けた。直径4ｃｍの穴の円周に沿ってポリプロピレンを熔かして布に熔着させた後、直径4ｃｍの穴の外側にある余分の布を切りとった。
【００４８】
直径4ｃｍの穴の布の上に、直径0.3ｍｍ、長さ30ｃｍの白金線（１）を渦巻状に巻いて乗せた。最外周の白金線3ｃｍを引き出して端子とした。白金線の上に等間隔に置いた３本の1ｍｍ×1ｍｍ×10ｃｍのポリプロピレンの細い棒を熔着して布の上に固定した。
【００４９】
直径9ｃｍのポリプロピレン(A)を裏返して、セロハンテープで固定し、直径4ｃｍの穴の布の上に、直径0.3ｍｍ、長さ22ｃｍの白金線（２）を渦巻状に巻いて乗せた。最外周の白金線3ｃｍを引き出して端子とした。白金線の上に等間隔に置いた３本の1ｍｍ×1ｍｍ×10ｃｍのポリプロピレンの細い棒を熔着して布の上に固定した。
【００５０】
下側に長さ30ｃｍの白金線（１）が、上側に長さ22ｃｍの白金線（２）が来るように、直径9ｃｍのポリプロピレン(A)を水平に置いて固定した。水素ガスのノズルの位置を白金線（１）の渦巻きの中心軸にあわせて、1ｃｍ下の高さに固定した。水素ガスは下から上に向かって吹き出す配置にした。
【００５１】
白金線の端子をクリップで挟んで、テスターのマイナス端子を下側の白金線（１）に接続し、プラス端子を上側の白金線（２）の端子に接続した。テスターで白金線間の電気抵抗を測定すると20ＭΩ以上で測定不能であった。水道水を布の上から数滴落して布と白金線を濡らすと、電気抵抗は2ＭΩとなった。
【００５２】
直径9ｃｍのポリプロピレン(A)の下側の白金線（１）に、水素ガスを吹き付けると、開放電圧は0.6Ｖから0.7Ｖであった。但し、開放電圧を測定した電圧計の内部抵抗は10ＭΩである。布を濡らしていた水分が少なくなると電圧は低下し、水分を加えると上昇した。水素ガスを止めると電圧は0Ｖに近付いた。
【００５３】
水素の流量を約10ｍｌ/minから約200ml/minまで変化させても燃料電池の開放電圧は0.7Ｖ程度でほとんど変化しなかった。これは、水素ガスと接触する白金の有効断面積が0.03cm×20cm=0.6cm2程度と小さいためであると考えられる。
【００５４】
燃料電池に1Ωの負荷抵抗を接続し、水素ガスを流すと、負荷抵抗の両端の電圧は0.12mVであった。オームの法則より、1Ωの負荷抵抗に流れている電流値は0.12mV/1Ω=0.12mAである。
【００５５】
電解質の導電率σはσ=Qnμで与えられる。また抵抗率はρ＝1/σである。7ｐＨの純水の水素イオン濃度は1e-7mol/lであり、1pHの陽子水の水素イオン濃度は1e-1 mol/lである。
電解質の導電率σは水素イオン濃度に比例するから、本発明の構成の燃料電池において、7ｐＨの純水の場合の電解質の電気抵抗が1ＭΩであるとすれば、1pHの陽子水の場合の電解質の電気抵抗は1Ωとなる。
【００５６】
燃料電池の起電力を0.6Ｖとし、白金の有効断面積を0.6cm2と仮定するとオームの法則より、電解質の抵抗が1ＭΩのときは、0.6Ｖ/1ＭΩ=0.6μAの電流（電流密度0.6μA/0.6cm2=1μA/cm2）が得られ、電解質の抵抗が1Ωのときは0.6Ｖ/1Ω=0.6A程度の電流（電流密度0.6A/0.6cm2=1A/cm2）が得られる。1pHの陽子水の場合の電流密度1A/cm2は、従来の高分子電解質形燃料電池の性能と同程度である。
【００５７】
燃料電池動作の必要条件を知るために、白金をいくつかの他の金属で置き換えてみたところ、燃料極は常に白金でなければならないことを確認し、さらに空気極は白金でなくてもよいことを発見した。
【００５８】
水平においた布の有効直径が６ｃｍであり、上側に直径0.3ｍｍで長さが1ｍのステンレス線を渦巻き状に巻いて布の上において、等間隔に置いた3本の2ｍｍ×1ｍｍ×6ｃｍのポリプロピレンの棒で押えながら熔着して固定した。布の下側に直径0.1ｍｍで長さが1ｍの白金線を渦巻状に巻いて布の6ｃｍの円の上に置いた。等間隔に置いた3本の2ｍｍ×1ｍｍ×6ｃｍのポリプロピレンの棒で押えながら熔着して固定した。
【００５９】
水道水を滴下して白金線と布を濡らした。
下から白金線に対して水素を吹き付けると0.6Ｖ程度の開放電圧が出た。但し、開放電圧を測定した電圧計の内部抵抗は10ＭΩである。
布の上下を逆さまにして、白金線が上側にして、ステンレス線が布の下側になるように固定して下から水素をステンレス線に吹き付けると電圧は数十ｍＶ程度と僅かに変化しただけで、0.6Ｖに比べると無視できる程度の変化であった。
【００６０】
空気極と燃料極の組み合わせとして、白金と白金、金と金、ステンレスとステンレス、銅と銅、あるいは別々の金属の組み合わせを試したところ、水素を吹き付ける燃料極が白金であった時は常に0.5Ｖ〜0.6Ｖの開放電圧が得られることがわかった。逆に、燃料極がステンレス、銅、金の場合は開放電圧がほぼ0Ｖであった。すなわち、燃料極が白金のときには、空気極がステンレス、銅、金のどの金属であっても発電できた。
【００６１】
しかし、電解質が陽子水であっても、実用化した際には、空気極では1ｐＨ、１００℃の腐食環境になるので、溶出の十分に少ない材料で作ることが望ましい。
【００６２】
陽子水型燃料電池PWFCの単電池（単セル）は陽子水を保持したマトリクスを、ガス拡散電極（空気極及び燃料極）で挟んだ板状の構造をとることが望ましい。この電池の空気極側に酸素（を含む空気）、燃料極側に水素（を含む改質ガス等）を流通し発電させる。作動温度は室温から１００℃である。単セルの電圧は0.6〜0.7Ｖなので通常は複数のセルを電気的に直列になるように積層したセルスタックとして使用するが、その際には空気極と燃料極のガスの混合を防ぐためのセパレータがセルの間に挟まれる。
【００６３】
さらに微量ながらガス中に飛散していく陽子水を補充するための陽子水保持板（リザーバ）をセパレータとセルの間に挟むことが望ましい構成である。陽子水保持板のセル側の面には反応ガス流路となる溝を形成する事が望ましい。
【００６４】
セルスタック内には、5〜8セルごとに発電時の排熱を除去するための冷却板を設けることが望ましい。冷却板は冷却水管をカーボン板に埋め込んだ構造として、冷却水はセル間の絶縁を確保するために超純水クラスの低電気伝導率に管理することが望ましい。
【００６５】
陽子水型燃料電池PWFCでは電気及び熱の伝導率が高く、1ｐＨの陽子水に比較的耐食性のあるカーボンなどを主要な構成材料（触媒担体、電極基材、セパレータ、リザーバ、冷却板）として使用することが望ましい。しかし、カーボンも電気化学的な腐食を受けることがあるので注意が必要である。たとえば、触媒担体の腐食は触媒粒子の孤立等による特性低下につながり、セパレータの腐食はセパレータを介しての電気化学的な陽子の移動に伴う陽子欠乏や陽子過多による特性低下等につながる。
【００６６】
この腐食反応を抑えるために、２０００℃〜３０００℃の高温処理によりグラファイト化し、耐食性を高めたカーボン材料を陽子に触れる部分に用いることが望ましい。ただ、高温処理されていても電気化学的な電位が上昇すると腐食速度は増大する。従って、通常運転状態、起動や停止、出力変化等の過渡的状態を問わず、セルスタック各部において高電位状態を防ぐことが重要である。
【００６７】
カーボン腐食以外に、運転温度下での高電位状態では触媒金属のＰｔの陽子水中への溶解、再析出による触媒表面積の減少が問題となる。特に運転温度での無負荷状態（電位1Ｖ前後）におけるダメージは大きく、短時間で電池性能を低下させる。発電停止直後にこのような状態になる可能性が最も大きいが、窒素パージによる速やかな酸素濃度低減や抵抗投入による電位制御等の対策をとることが望ましい。
【００６８】
セルからの排ガス中の陽子水による配管材料の腐食は、ガスリークや腐食生成物による閉塞などにつながる場合もある。特に問題となるのは陽子凝縮量の多いセルスタックのガスマニホールドで、耐食性樹脂で被覆する等の対策をとることが望ましい。このほか、熱回収用の冷却水関係の熱交換器の腐食についても注意する必要がある。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
布の隔膜の厚みを0.2ｍｍとすると、布が濡れるように陽子水を満たすので、ひとつの隔膜部の大きさを100ｃｍｘ100ｃｍｘ0.02ｃｍ＝200ｃｃと仮定すると、0.6Ｖのセルが10個で6Ｖのスタックにして、全部で2リットルの陽子水が必要である。
【００７０】
1ｐＨの陽子水は1リットル当り1モル（１ｇ）の陽子を含んでいる。2ｐＨの陽子水10リットルを煮沸して、1ｐＨの陽子水1リットルを作ることができる。３ｐＨの陽子水100リットルを煮沸して、1ｐＨの陽子水1リットルを作ることができる。４ｐＨの陽子水1000リットルを煮沸して、1ｐＨの陽子水1リットルを作ることができる。
純水（精製水）は20リットルで3000円であったので、1000リットルで150000円である。
【００７１】
これまでに発明者は、最高で4ｐＨの陽子水1リットルを100Ｖで1mAで1Ｈで製造したので、1ｋＷＨを３０円とすると電気料金は3円となる。
よって４ｐＨの陽子水1000リットルの原価は150003円である。
【００７２】
さらに４ｐＨの陽子水1000リットルを煮沸して、1ｐＨの陽子水1リットルを作るには水の温度を20℃から100℃まで上げて、さらに蒸発させるために、気化熱9.7kcal/molが必要である。999リットルの水を蒸発させるためには  （100-20℃）×999リットル×1000ｃｃ=79920kcal と999000/18×9.7kcal=538350kcalが必要である。1ｋｗＨ=861ｋcalより、21536円かかる。従って、1ｐＨの陽子水2リットルは（21536円+150003円）×2=343078円かかる。
【００７３】
25ｃｍ×25ｃｍの高分子電解質膜の価格が5万円程度であったので、100ｃｍ×100ｃｍで、20万円として、６スタックで120万円となる。従って、電解質と隔膜をあわせたコストについてみると、従来のものよりも4倍程度安くなる。
【００７４】
常温から100℃以下で動作する燃料電池としては、高分子電解質燃料電池PEFCが主流であるが高分子電解質膜のコストが高いという問題がある。電解質として陽子水を使用すれば、腐食性が低下し、高分子電解質膜のかわりに、１００％綿の布をマトリクス（電解質の陽子水を含浸させる基材）として使用したり、ポリプロピレンを構造材として使用できるので、低コストな燃料電池をつくることができ、産業として利用できる可能性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の陽子水型燃料電池の模式図を示す。
【符号の説明】
【００７６】
１  燃料極気体拡散層
２  燃料極触媒層
３  電解質溶液保持層（セルロースまたは布）
４  空気極触媒層
５  空気極気体拡散層
６  構造材（ポリプロピレン）
７  電解質溶液導入口
８  電解質溶液排出口
【図１】
2006140012.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】平成17年4月28日(2005.4.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
ここで、白金が水素を吸着する性質は重力が原因であるとすると、密度の大きな物質であるほど吸着する力は大きくなることが予想される。白金は原子核が重く、密度も大きい物質であるのでこの予想に一致している。また、密度の大きな物質ほど低い温度で触媒燃焼が起きることが予想される。白金PtよりもイリジウムIrのほうが密度が大きい（白金の密度は21.45ｇ/ｃｃであり、イリジウムの密度は22.61ｇ/ｃｃである。）ので、白金PtよりもイリジウムIrのほうが低い温度で触媒燃焼する事実と一致している。
発明者らが陽子水型燃料電池の発明に到達した技術的背景として、中和塩、純水の電気分解、イオン粉末の３つ問題及びそのブレークスルーがあると思われるので、これらを時系列順に、以下に説明する。
始めに、発明者らは木屑が産業廃棄物として処理されている問題に取り組んでいた。木屑はセルロース、リグニン、ヘミセルロースの主として３つの成分からなることが知られており、また従来の成分分離方法は、木屑にアルカリを混合してリグニンとヘミセルロースを溶かし、セルロースをろ別し、ろ液に酸を混合して中和し、沈澱するリグニンを回収するものであった。しかし、この方法ではアルカリを酸で中和する際に、中和塩が生じる問題があった。
従来この分野では、アルカリを酸で中和する際に、中和塩は必ず生じるものであるとの技術常識があった。中和塩が生じることは、あまりにも当然のことであるから、中和塩の存在自体を敢えて問題とする者はいなかった。すなわち、どのような中和処理を行っても、中和塩をなくすことは不可能であるという技術常識が存在していた。
しかし、中和塩の存在は、生態系に影響を与えるので環境によくないことや、食物連鎖により人体に取り込まれる恐れがあることから、発明者らは真に中和塩をなくすための方策を検討した。
その結果、発明者らは水を電気分解して得られるアルカリ水と酸性水を用いるとよいことを見出した。（特願2004-53534参照。）。アルカリ水と酸性水は中和すると水になるので、中和塩の問題がなくなるのである。
中和して水になる性質は、アルカリ水と酸性水の組み合わせだけに固有の性質であり、アルカリ水と酸性水を除いて、他のどの薬剤をもってしても真似することのできない特質である。
このただひとつの組み合わせを、はじめて発明者らが木屑の処理に用いたものと考える。
このため処理を終えた排水に含まれる中和塩もなくなり、この方法で得られるリグニンは中和塩を含まないので純度が高くなることがわかった。
結果として、アルカリと酸の中和において、中和塩の生じない処理は不可能であるとする技術常識を発明者らは越えたのである。
水分子はそれ自身が極性を持っているので、イオンのまわりに集まってクラスターを形成することが知られている。すなわち、静電的クーロンの法則に従って、Ｈ+イオンと水分子の酸素原子が引き合って近付き、H+イオンの周りを水分子が取り囲み、クラスターが形成される。
従って、ｐＨセンサーによるｐＨの測定では、ｐＨセンサーは水分子のクラスター部分に接触して、水素イオンに触れない場合が多くなり、７ｐＨに近い値になってしまうものと考えられる。また、酸性水を煮沸するとクラスターの外側にある水分子は、はがれて蒸発して取り除かれて、最後に水素イオンが残ると考えられる。
酸性水やアルカリ水のｐＨが時間とともに変化して、7ｐＨに近づいてゆくという現象は、水分子のクラスター化によって説明できる。
このため、アルカリ水と酸性水との中和が厳密に７ｐＨに調節されなくても水分子がクラスターを形成する作用により、自動的にまたは自然に７ｐＨへと近づいていく。このような電解水の性質は、人体に安全でかつ環境にやさしいものと考えられる。
しかし、その後、さらにリグニンの純度を高めるには電気分解する水の純度そのものを高めることが必要であることに発明者らは気付き、純水を電気分解する問題を検討した。
従来、純水は電気抵抗が大きく、支持電解質と呼ばれる薬剤を入れて、電気抵抗を低下させて純水を電気分解していた。すなわち、純水は電気抵抗が大きいから、支持電解質を添加しなければ、電気分解は不可能であるという技術常識があった。しかし、支持電解質を添加して電気分解すると、中和したときに、支持電解質成分が不純物としてリグニンに含まれる問題が生じる。このため、支持電解質などの薬液を注入することなく、純水だけをじかに電気分解することを検討した。
電気抵抗の式はＲ＝ρｌ/Ａで与えられる。ここでρは電気抵抗率、ｌは電極間の距離、Ａは断面積である。支持電解質を入れないからρは純水の電気抵抗率そのままにして、電気抵抗Ｒを小さくすることを発明者らは検討した。
その結果、発明者らは、電極間距離を小さくして電圧を高くすることにより、純水を電気分解できた。（特願2004-49052参照。）。
結果として、薬液を添加しないで純水を電気分解することは不可能であるとする技術常識を、発明者らは超えたのである。
すでに予備実験として行っていた水道水を電気分解する際に、ワイシャツの生地を隔膜にして、２つのペットボトルを接着剤ではりあわせて作った電解槽では、11ｐＨ、80℃の条件で、ペットボトルが溶けて変形する事故が起きた。このことから加工性がよく安価で手に入り安く、耐熱、耐酸、耐アルカリ性能のよいポリプロピレンで電解槽全体を作ることを考えた。テフロンやガラスは高価であり、加工も難しかった。
また、ワイシャツ生地を隔膜に用いて、電極として10ｃｍｘ10ｃｍｘ0.1ｍｍの白金板2枚を５ｃｍの距離に平行に対向させて配置し、電圧200V、電流2Aで、容積3リットルの水道水を電気分解した実験の際に、電極近くの水面の泡にｐＨ試験紙を乗せると、ｐＨ試験紙は変色して１1ｐＨ以上や2ｐＨ以下の色を示した。（ここで、ｐH試験紙はADVANTEC東洋（株）WHOLE RANGE試験紙であり、0から14ｐHまで測定できる。）しかし、スポイトで容器中央の水を採取してpHを測定してみると、10ｐＨの弱いアルカリや4ｐＨの弱い酸を示した。ｐHセンサーはEutech  Instruments、pHScan2（測定範囲＝−１.０〜１５.０ｐＨ、 分解能＝０.１ｐＨ、測定精度＝±０.１ｐＨ、使用温度＝０〜５０℃）を用いた。これらのことからイオンが泡に連行されて水面に到達することがわかった。
引き続き水道水を補充して、水道水の電気分解を続けながら、水面近くの泡を含む酸性水をスポイトで採取し、容積２リットルのペットボトルに集めた。実験終了時には、全部で4リットルの酸性水を得た。この酸性水のｐHは3.0ｐHであった。この酸性水から100ｃｃをとり、200ｃｃのフラスコにいれてから、バーナーで加熱し、煮沸した。フラスコ内の酸性水の量が50ｃｃまで減少したら、50ｃｃを継ぎ足して、もとの100ｃｃになるように補充してから、煮沸した。最後に４リットルの酸性水のすべてを煮沸して、50ｃｃにした。ｐHを測定すると1.2ｐHであった。
これらの予備実験の体験を踏まえて、純水の電解槽は、下部に給水口を置き、上部に取水口を置いて、隔膜も綿１００％の布で作るとよいと考えた。電極は2本の白金線を綿の布を隔てて張り合わせることにした。白金線の固定にはポリプロピレンを細く切った棒をハンダごてで溶かして溶着した。電解槽内で、アルカリ水と酸性水に触れる部分をすべてポリプロピレンで構成した。（特願2004-49052参照。）。
この電解槽を用いて純水を電気分解して得られたアルカリ水と酸性水の不純物は、給水口から供給される純水の不純物に等しいと考えられる。
この電解槽を用いて純水を電気分解して得られたアルカリ水と酸性水の純度が高いことを確認するために、水１リットルを煮沸して、蒸発残留物の重量を測定した。重量の測定器にはMETTLER、PJ300（最小表示1ｍｇ）を用いた。純水にはアズワン（株）、電気抵抗率＝5MΩｃｍ、20リットル、3000円の精製水を用いた。その結果、アルカリ水と酸性水とも、5〜７ｍｇ／Ｌであり、水道水の水質基準に決められた蒸発残留物の重量である２００ｍｇ／Ｌに比べて十分小さな値であり、不純物が少ないことを確かめた。ちなみに純水の場合はほぼ０ｍｇ/Ｌであった。（特願2004-49052参照。）。
その後、はっきりと目的を意識した行為では無かったが、発明者の一人がアルカリ水のビーカーの底に残っている蒸発残留物に一滴の純水を落して、その上にｐＨ試験紙を置いたところ、11ｐＨ以上の強いアルカリを示す青い色に変化した。同様にして、酸性水のビーカーでは2ｐＨ以下の強い酸を示す赤い色に変化した。追試しても同様な結果が起きた。（特願2004-270751及び特願2004-270771参照。）。
しかし、従来の技術常識では酸性水は純水と同じ状態であり、酸性水も純水と同様に蒸発するために、煮沸しても４ｐＨの酸性水を３ｐＨの酸性水にすることはできないと認められていた。しかし、この技術常識では説明することのできない実験結果に発明者らは出会ったのである。
ここでもしも、酸性水が蒸発すると仮定すれば、煮沸の途中で、水蒸気をｐＨ試験紙にあてて濡らせば、酸性を示すはずであるが、実験の結果、色は変わらずに、ｐＨ試験紙は７ｐＨを示した。同様にアルカリ水を煮沸したときの水蒸気にｐＨ試験紙を晒しても、ｐＨ試験紙は７ｐＨを示した。この事実は水分だけが蒸発するのであり、イオンは蒸発しないで、残留することを示している。
もう一つの論拠は、もしも、技術常識に従って、酸性水が煮沸によって蒸発すると仮定すれば、酸性水を煮沸し、得られた酸性水の蒸気を冷却して回収すると酸性水にならなければならないことになる。しかし、蒸留によって得られるのは純水であることは良く知られている事実である。このことからも煮沸により酸性水の中の水分だけが蒸発し、イオンは残留することがわかる。従って、技術常識であったところの、酸性水は純水と同じ状態であり煮沸しても蒸発するだけであり、イオンの濃縮はできないとする考え方は、実験事実とは異なった認識であることがわかる。
これらをまとめると、支持電解質を添加しないで、純水を電気分解して得られたアルカリ水はほとんどOH-イオンと水分子H2Oしか含んでいないのであり、煮沸により水分は蒸発することから、残ったのはOH-イオンの粉であることがわかる。酸性水はH+とH2Oがほとんどであり、煮沸により水分が蒸発することは明らかであるから、H+イオンの粉が残ったことがわかる。（特願2004-270751及び特願2004-270771参照。）。
しかし、発明者らの調べた範囲では、イオンの粉については従来のどの文献にも記載がないと思われたので、特許に出願した。
これまでに発明者らが見いだした実験事実から、酸性水は濃縮できること、イオンの粉末が得られること、煮沸により水分は蒸発するが、イオンは蒸発しないことなどがわかった。
ここで発明者らは、先行技術調査の中で［純水の電気分解］という１つの言葉が２つの意味をあらわしていることに気づいた。（１）支持電解質を添加して純水を電気分解することと（２）支持電解質を添加しないで純水だけを電気分解することである。もともと純水は絶縁物に匹敵するような大きな電気抵抗率を持っているために、従来の電気分解では支持電解質を添加することが一般的に行われて来たので、支持電解質を添加することは常識となり、支持電解質を添加するという記述は省略されるようになったものと思われる。しかし、発明者らのいう純水の電気分解は（２）で示すように真に正しく純水のみを電気分解することであるので、支持電解質を添加しないことを強調し、用語の混乱を避けるために用語を新しく作ることにした。すなわち支持電解質を添加しないで純水を電気分解したときに陽極近傍に得られる水素イオンH+と水分子H2Oからなる水のことを陽子水と定義し、同時に陰極近傍に得られる水酸化物イオンOH-と水分子H2Oからなる水のことを水酸化物イオン水と定義した。（特願2004-270751及び特願2004-270771参照。）。
さらに、陽子水を煮沸して得た粉末を陽子粉末と定義し、水酸化物イオン水を煮沸、乾燥させた粉を水酸化物イオン粉末と定義した。
陽子粉末は水分がほとんどないことから、ｐＨ＝-log[H+]で与えられるｐＨ値は0ｐＨよりさらに低いマイナスの値をとることが予想される。
水酸化物イオン粉末も水分がほとんどないことから、式ｐＨ＝-log[H+]で与えられるｐＨ値は14ｐＨよりさらに高い値であると予想され、今回用いたｐＨ試験紙の測定範囲0〜14ｐＨを超えていると考えられる。
水の電気分解の理論限界について考えると、水分子Ｈ２ＯがＨ+イオンとOH-水酸化物イオンにすべて分離したと仮定すれば、水分子は1モルで18ｇ＝18ｃｃであるから、1リットル中に55.55モルのＨ+イオンがあれば、ｐＨ＝-log[H+]より、-1.74ｐＨに到達しているものと推定される。同時に、イオン積が一定という条件が成立するならば、1リットル中に55.55モルのOH+イオンがあれば、15.74ｐＨに到達しているものと推定される。推定しかできないのは、一つには現在15.74ｐＨや-1.74ｐＨを確認できる測定器を発明者らが持っていないためである。
また、公知の純水の電気分解法の一つに、固体高分子膜型燃料電池の逆反応を用いる方法がある。この方法では支持電解質を添加しないで純水だけを供給して効率良く水素と酸素を取り出すことができる。しかし、アルカリ水と酸性水はともに７ｐＨ近くの水しか取り出せない問題がある。この原因は、イオンが隔膜付近に生じても、ガスはガス拡散電極から出るために水面へ向かう泡の流れが存在せず、イオンは隔膜付近に留まり、その電気的クーロン力により、殆どのイオンが再結合して水になるためであると考えられる。
従って、強いアルカリ水や強い酸性水を取り出すためには、できればイオンの再結合を防ぐために泡と水が流れやすいように、なるべく細い白金線を泡のサイズよりも大きな約1ｍｍ以上の間隔で配置するのがよいと思われる。
このようにイオンの再結合をいかに減少させるかを検討しているときに、発明者らは水の電気分解に用いたセルの構造と動作が、固体高分子膜型燃料電池の構造と動作にそっくりであることに気づいた。そして、燃料電池の逆反応は水の電気分解であるので、発明者らの電気分解セルの逆反応として燃料電池ができるかもしれないと予想した。その結果、実験してみると発電できたのであり、本陽子水型燃料電池の発明に至ったのである。
ここで、イオン交換膜表面における水素イオン濃度を推定すると、公知例として、イオン交換膜を用いる固体高分子型燃料電池ＰＥＦＣにおいて、動作温度100（℃）、圧力１（気圧）、セル電圧0.６（V）のとき、電流密度1（A/ｃｍ2）が得られている。（たとえば、非特許文献７参照。）。
一般に、膜抵抗Ｒは、セル電圧Ｖとセル電流Ｉより、Ｒ＝Ｖ/Ｉで与えられる。また導電率σ、膜厚L、膜の断面積A、電流密度JはJ=I/Aであるから、σ＝LJ/Vが得られる。典型的な値として、L=0.02（ｃｍ）、J=1（A/cm2）、V=0.６（V）を選ぶと、σ＝0.02/0.６＝0.0333（Ｓ/ｃｍ）を得る。同時に、σ＝enμの関係より、n=σ/eμが与えられる。ここで、eは水素イオンの電荷量＝1.6x10-19（C）である。nは水素イオンの濃度（個／ｃｍ3）であり、μは移動度である。ただし、移動度μは、水素イオン濃度に依存して、変化することが知られているが、ここでは簡単のために、水素イオンの移動度を、無限希釈のときの水素イオンの移動度32.6ｘ10-4(ｃｍ2/Vs)で近似する。（たとえば、非特許文献８参照。）。
これよりn=0.0333(S/cm)/1.6x10-19（C）x32.6x10-4(cm2/Vs)  =0.000639（個/ｃｃ）を得る。n(個/ｃｃ)をn(mol/l)に変換すると、1リットルは1000ｃｃであり、6.02ｘ10+23（個）で1モルであるから、n=0.639x10+23/6.02x10+23=0.106（mol/l）を得る。定義より、水素イオンの濃度n=[H+]であるから、イオン交換膜内部でのｐＨとしてｐH=-log[H+]より0.974(pＨ)を得る。ここで、このイオン交換膜内部でのＨ+イオンの移動度をμ(A)と置き、0.974(ｐＨ)の陽子水中でのＨ+イオンの移動度をμ(B)と置くと、そのｐＨ値は何れも0.974ｐＨと等しいから、移動度μ(A)とμ(B)の差は十分小さく無視できるものと考えられる。
一般にＨ+水素イオン濃度nが大きいほど、電気抵抗Ｒは小さくなり、電流密度Ｊは大きくなる関係がある。
従って、陽子水型燃料電池において0.974ｐＨ以下の陽子水を電解質として用いれば、イオン交換膜を用いた固体高分子膜型燃料電池の場合と同程度以上の性能が得られることがわかる。
【特許文献１】特許公開2001-96273
【非特許文献１】燃料電池に関する技術動向調査、特許庁技術調査課、平成１３年５月３１日、２Ｐ
【非特許文献２】水素エネルギー最先端技術、太田時男  監修、（株）ＮＴＳ、1995年1月３１日第１刷発行、263Ｐ
【非特許文献３】腐食防食ハンドブック、（社）腐食防食協会、丸善株式会社平成１２年２月２９日発行、749ｐ。
【非特許文献４】ウッドケミカルスの最新技術、飯塚尭介  監修、（株）シーエムシー、2000年発行、39ｐ。
【非特許文献５】腐食防食ハンドブック、（社）腐食防食協会、丸善株式会社、平成１２年２月２９日発行、768ｐ。
【非特許文献６】水素エネルギー最先端技術、太田時男  監修、株式会社エヌティーエス、1995年1月３１日第１刷発行、570ｐ
【非特許文献７】水素エネルギー最先端技術、太田時男  監修、（株）エヌティーエス、1995年1月３１日第１刷発行、323ｐ
【非特許文献８】電気化学の基礎、喜多英明と魚崎浩平、技報堂出版株式会社、1983年４月２０日、１版２刷発行、22ｐ
【手続補正書】
【提出日】平成17年12月26日(2005.12.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸性水型燃料電池において、電解質として触媒を含まない陽子水（Proton Water)を使用することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
電解質を含浸させるための隔膜としてセルロース又は綿１００％の布を用い、かつ燃料電池の陽子水に接触する部分の構造材としてポリプロピレンを使用することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
ここで、白金が水素を吸着する性質は重力が原因であるとすると、密度の大きな物質であるほど吸着する力は大きくなることが予想される。白金は原子核が重く、密度も大きい物質であるのでこの予想に一致している。また、密度の大きな物質ほど低い温度で触媒燃焼が起きることが予想される。白金PtよりもイリジウムIrのほうが密度が大きい（白金の密度は21.45ｇ/ｃｃであり、イリジウムの密度は22.61ｇ/ｃｃである。）ので、白金PtよりもイリジウムIrのほうが低い温度で触媒燃焼する事実と一致している。
【特許文献１】特許公開2001-96273
【非特許文献１】燃料電池に関する技術動向調査、特許庁技術調査課、平成１３年５月３１日、２Ｐ
【非特許文献２】水素エネルギー最先端技術、太田時男  監修、（株）ＮＴＳ、1995年1月３１日第１刷発行、263Ｐ
【非特許文献３】腐食防食ハンドブック、（社）腐食防食協会、丸善株式会社平成１２年２月２９日発行、749ｐ。
【非特許文献４】ウッドケミカルスの最新技術、飯塚尭介  監修、（株）シーエムシー、2000年発行、39ｐ。
【非特許文献５】腐食防食ハンドブック、（社）腐食防食協会、丸善株式会社、平成１２年２月２９日発行、768ｐ。
【非特許文献６】水素エネルギー最先端技術、太田時男  監修、株式会社エヌティーエス、1995年1月３１日第１刷発行、ｐ.570