(57)【要約】 【課題】   アルカリ型燃料電池においては、二酸化炭素CO2によって電解質が変質し、電気抵抗が増大するので、燃料として供給される水素H2や酸素O2の中に不純物として含まれる二酸化炭素CO2は、これを完全に除去してからでないと供給できないという問題があった。また燃料電池を廃棄する場合や、アルカリ溶液が飛散する事故が起きた場合には、アルカリ溶液を酸剤で中和した後、中和塩を除去して排水する必要があるという問題があった。【解決手段】  電解質として水酸化物イオン水(Hydroxide Ion Water)を用いて燃料電池(HIWFC)を構成する。水酸化物イオン水は沸点が約100℃であり、腐食性も低いので、マトリクス（電解質の水酸化物イオン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
2006236776.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ型燃料電池において、電解質として水酸化物イオン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、かつ燃料電池の水酸化物イオン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】
電解質として水酸化物イオン水(Hydroxide Ion Water)を使用することを特徴とする水酸化物イオン水型燃料電池(Hydroxide Ion Water Fuel Cell;HIWFC)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、固体高分子型燃料電池等がある。（たとえば非特許文献１、２、３参照。）。
【０００３】
アルカリ型燃料電池(AFC;Alkaline Fuel Cell)は、Pt(・Ag)、水酸化カリウム水溶液、Pt(・Au) の構成で、常温から80℃程度で動作する。アルカリ性電解質を用いるので電極触媒、電池構成材料の選択が容易で、コスト的にも安く作ることができ、且つ優れた電池性能を示す。しかし、二酸化炭素CO2によって電解質が変質し、電気抵抗が増大するので、燃料として供給される水素H2や酸素O2の中に不純物として含まれる二酸化炭素CO2は、これを完全に除去してからでないと供給できないという問題がある。
【０００４】
二酸化炭素の影響は次のように説明できる。（１）理科年表によれば、水H2Oの1ｃｃ当り２０℃で0.8ｃｃの二酸化炭素CO2が溶ける。（２）溶けた二酸化炭素は CO2 + H2O -> H2CO3 の反応により、炭酸となる。（３）炭酸は水酸化カリウムKOHと反応し、水と炭酸カリウムになる。すなわち  H2CO3 + 2KOH -> K2CO3 + 2H2O  である。（４）炭酸カリウムK2CO3は不溶塩であり沈澱するので、炭酸イオンは水中から無くなる。（５）炭酸イオンが無くなれば、空気中の二酸化炭素ＣＯ2は再び、水に溶け込んでくる。
このプロセスが繰り返し生じて、ついにカリウムイオンＫ+が無くなるまで二酸化炭素は溶け込み続ける。カリウムイオンが無くなると、炭酸の濃度が高くなり、二酸化炭素は溶解平衡に到達し、水中に溶け込まなくなる。
【０００５】
カリウムイオンK+が存在しているかぎり、炭酸が反応する。従って、カリウムイオンＫ+を無くす事ができれば、二酸化炭素はアルカリ溶液に影響を及ぼさないことがわかる。
【０００６】
燃料電池の廃棄の際にアルカリ剤を酸で中和して水質基準以下にして、排水したとしても、川や海に中和塩は蓄積され続ける。中和塩は水中でイオン化し、各々のイオンを水分子が取り囲む。一般に１個のイオンには水分子４個〜5個が配位するので、中和塩の増加に伴い、自由な水分子は減少する。それは、淡水でなく海水のように微生物に作用し、水環境における生態系に大きな影響を及ぼす問題がある。また水質基準を満たす排水中の中和塩は、生態の食物連鎖により濃縮されて生態系に影響を与える問題がある。
一般的に、隔膜材料として広く使用されてきたアスベストは、最近になって、発ガン性の問題があることが報告されている。
【０００７】
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。また、プロトン交換膜は、製造時に有毒物質を用いるので、人体に害があり、環境に優しくないという問題があった。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
電子は燃料（水素）極から外部回路を通り、空気極へ流れる。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。
【００１２】
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。
【００１３】
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℃程度の一定値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。
【００１４】
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。）。
【００１５】
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。  
【００１６】
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。水酸化物イオン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酸化物イオンＯＨ-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。
【００１７】
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。）。
【００１８】
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。）。
【００１９】
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易い。（例えば、非特許文献６参照。）。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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可能性がある。
【００２５】
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。
【００２６】
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】
【００２７】
アルカリ型燃料電池においては、二酸化炭素CO2によって電解質が変質し、電気抵抗が増大するので、燃料として供給される水素H2や酸素O2の中に不純物として含まれる二酸化炭素CO2は、これを完全に除去してからでないと供給できないという問題があった。また燃料電池を廃棄する場合や、アルカリ溶液が飛散する事故が起きた場合には、アルカリ溶液を酸剤で中和した後、中和塩を除去して排水する必要があるという問題があった。しかし、水質基準以下に中和塩を除去しても河川では、食物連鎖による濃縮作用により、中和塩が蓄積し、生態系に影響を及ぼすという問題があった。また隔膜として広く使用されてきたアスベストは、最近になって発ガン性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。又、高分子膜は製造時に危険物質を使用するので人体に害があり、環境に優しくないという問題があった。その一方で、環境に優しくコストの安いセルロースをマトリクス（電解質を保持するための隔膜）として使用する場合で、且つ、強い酸性の電解質溶液を用いた場合には、電解質溶液のｐＨが -１ｐＨ以下に低下し過ぎて、セルロースが溶けてしまう可能性があるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明はこの問題を解決するものであり、アルカリ型燃料電池において、電解質として水酸化物イオン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、かつ燃料電池の水酸化物イオン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。
すなわちアルカリ型燃料電池の電解質として水酸化物イオン水(Hydroxide Ion Water)を用いることにより、カリウムイオンＫ+やナトリウムイオンＮａ+等を含まないので、炭酸が中和されないことから、二酸化炭素の影響が抑えられる。
また、水酸化物イオン水の沸点は約100℃であり、カリウムイオンＫ+やナトリウムイオンＮａ+等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（電解質の水酸化物イオン水を含浸させる基材）としてセルロースまたは綿１００％の布を使用し、水酸化物イオン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。
【００２９】
図１に水酸化物イオン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。水酸化物イオン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。
【００３０】
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Ｈ＋(=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、純水また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。
【００３１】
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。
電解質溶液として用いる13ｐＨの水酸化物イオン水のｐＨ調整に水酸化物イオン粉末を使うことが望ましい。
【００３２】
さらに電解質溶液として14ｐＨや15ｐＨの水酸化物イオン水を用いれば、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、水酸化物イオン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、水酸化物イオン水のｐＨ値は13ｐＨ程度が望ましい。
【００３３】
電解質を含浸させ、隔膜として用いるセルロース又は綿１００％の布の厚みは厚いほど、機械的強度は高くなるが、３ｍｍ以上であれば、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、１０μｍ未満では機械的強度を保持することが難しくなり、薄すぎて短絡事故が起こり易くなる。従って、電解質を含浸させる綿１００％の布の厚みは、２０μｍから３ｍｍであればよく、５０μｍから２ｍｍが望ましく、0.１ｍｍから１ｍｍがさらに望ましい。
【００３４】
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Ｈ+（：水素イオン）または水酸化物イオンOH-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。
【００３５】
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、気体拡散電極（多孔質電極）を通り抜けた水素ガスと酸素ガスが、白金等の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。  
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。具体的には白金PtやイリジウムIrなどがある。
【００４０】
水酸化物イオン水型燃料電池の廃棄の際に、電解質溶液である水酸化物イオン水を陽子粉末（水素イオン粉末）や陽子水（水素イオン水）で中和し、ｐＨ７の水にしてから、環境に影響がないように廃棄することが望ましい。
水酸化物イオン水型燃料電池の故障事故時に水酸化物イオン水の漏れる事故が起きた場合には直ちに、水素イオン粉末で中和処理が行えるように、燃料電池の外側に水素イオン粉末を配置しておくことが望ましい。さらに、事故時には自動的に中和反応が進むように、フェールセーフを基本方針にした設計を行うことが望ましい。
【００４１】
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。
【００４２】
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上昇し、水酸化物イオン水のｐＨ値は13ｐＨよりも小さくなる。このため、電解質溶液を一旦外側に取り出してから、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。
【００４３】
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ｐＨ値が上昇する。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。
【００４４】
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。
【００４５】
運転条件として、温度を臨界温度Ｔｃで一定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或いはガスのヒーター等がある。
【００４６】
電解質溶液のｐＨを調整するために、燃料電池は電解質溶液導入口と電解質溶液排出口を備えることが望ましい。燃料電池から取り出された電解質溶液のｐＨ値を設定値に調節するために、電解質溶液のｐＨ値を測定するｐＨ測定手段を備え、電解質溶液に強い水酸化物イオン水又は、水酸化物イオン粉末を加えるための添加手段を備えたｐＨ調節手段を備えることが望ましい。
【００４７】
燃料電池は、電解質溶液の温度を調節するために、電解質溶液の温度を測定する温度測定手段と、電解質溶液の温度を調節する温度調節手段を備えることが望ましい。燃料電池の発電出力を調整するために、空気極に空気、又は酸素を供給する供給手段、又は燃料極に燃料、又は水素を供給する供給手段には、圧力、又は流量を調節する調節手段を備えることが望ましい。燃料電池の電解質溶液と気体との分離を行うために、燃料極と空気極には気体拡散電極を用いることが望ましい。
【発明の効果】
【００４８】
発電に利用できる。水酸化物イオン水は沸点が100℃程度で腐食性が低いので、マトリクス（電解質の水酸化物イオン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。隔膜としてアスベスト等の発ガン性物質を用いないので人体に安全になる。また燃料電池の廃棄のときも、水酸化物イオン水は陽子水で中和してｐＨ７の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。水酸化物イオン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。電解質溶液のｐＨは１３ｐＨ近くなので、セルロースが溶ける可能性は無くなり、従って、セルロース隔膜の耐久性は高まり、寿命が長くなる利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
燃料電池の電解質溶液を水酸化物イオン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等の安全で安価な材料を使用することが可能となり、しかも従来型と同程度の性能を持つ燃料電池を実現することができた。
【実施例１】
【００５０】
カソードとアノードに白金を使用し、電解液として水酸化物イオン水を使用し、マトリクス（電解質の水酸化物イオン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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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20Ｍオーム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2Ｍオームとなった。
【００５６】
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10Ｍオームである。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。
【００５７】
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。
【００５８】
燃料電池に1オーム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、1オームの負荷抵抗に流れている電流値は0.12mV/1オーム=0.12mAである。
【００５９】
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、13pHの水酸化物イオン水の水素イオン濃度は1e-13 mol/lである。
電解質の導電率σは水酸化物イオンの濃度に比例し、水素イオン濃度に反比例するから、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1Ｍオームであるとすれば、13pHの水酸化物イオン水の場合の電解質の電気抵抗は1オームとなる。
【００６０】
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1Ｍオームのときは、0.6Ｖ/1Ｍオーム=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1オームのときは0.6Ｖ/1オーム=0.6A程度の電流固（電流密度0.6A/0.6cm2=1A/cm2）が得られる。13pHの水酸化物イオン水の場合の電流密度1A/cm2は、従来の高分子電解質型燃料電池の性能と同程度である。
【００６１】
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た。さらに空気極は白金でなくてもよいことを発見した。
【００６２】
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。
【００６３】
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10Ｍオームである。
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。
【００６４】
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。
【実施例２】
【００６５】
水酸化物イオン水型燃料電池HIWFCの単電池（単セル）は水酸化物イオン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。単セルの電圧は約1Ｖ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。
【００６６】
さらに微量ながらガス中に飛散していく水酸化物イオン水を補充するための水酸化物イオン水保持板（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。水酸化物イオン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。
【００６７】
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。
【００６８】
水酸化物イオン水型燃料電池HIWFCでは電気及び熱の伝導率が高く、13ｐＨの水酸化物イオン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水酸化物イオンの移動に伴う水酸化物イオン欠乏や水酸化物イオン過多による特性低下等につながる。
【００６９】
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水酸化物イオン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。
【００７０】
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の水酸化物イオン水中への溶解、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。
【００７１】
セルからの排ガス中の水酸化物イオン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水酸化物イオン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】
【００７２】
布の隔膜の厚みを0.2ｍｍとすると、布が濡れるように水酸化物イオン水を満たすので、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リットルの水酸化物イオン水が必要である。
【００７３】
13ｐＨの水酸化物イオン水は1リットル当り1モル（17ｇ）の水酸化物イオンを含んでいる。12ｐＨの水酸化物イオン水10リットルを煮沸して、13ｐＨの水酸化物イオン水1リットルを作ることができる。11ｐＨの水酸化物イオン水100リットルを煮沸して、13ｐＨの水酸化物イオン水1リットルを作ることができる。10ｐＨの水酸化物イオン水1000リットルを煮沸して、13ｐＨの水酸化物イオン水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。
【００７４】
これまでに発明者は、最高で10ｐＨの水酸化物イオン水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10ｐＨの水酸化物イオン水1000リットルの原価は150003円である。
【００７５】
さらに10ｐＨの水酸化物イオン水1000リットルを煮沸して、13ｐＨの水酸化物イオン水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、13ｐＨの水酸化物イオン水2リットルは（21536円+150003円）×2=343078円かかる。
【００７６】
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。
【００７７】
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。電解質として水酸化物イオン水を使用すれば、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（電解質の水酸化物イオン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】
【００７８】
【図１】本発明の水酸化物イオン水型燃料電池の模式図を示す。
【符号の説明】
【００７９】
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】
2006236776.tif 000003