(57)【要約】【課題】安価な原材料から得られる触媒に工夫を加えることで、コストパフォーマンスに優れ効率の高いプロトン生成方法を提供し、さらに、このプロトン生成方法を用いたコストパフォーマンスに優れ効率の高い燃料電池を供給する。【解決手段】水素ガスを強誘電体に接触させて解離することで、水素分子からプロトンを得るプロトン生成方法において、前記強誘電体が劈開面を有する微結晶粉末であることを特徴とするプロトン生成方法。また、燃料電池の燃料極が本方法を用いる燃料極である燃料電池。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスを強誘電体に接触させて解離することで、水素分子からプロトンを得るプロトン生成方法において、
前記強誘電体が劈開面を有する微結晶粉末であることを特徴とするプロトン生成方法。
【請求項２】
前記微結晶粉末は、その粒径が所定の範囲になるように選択されたものであることを特徴とする請求項１に記載のプロトン生成方法。
【請求項３】
前記微結晶粉末の中に前記解離によって発生する電子を集電するように集電用電極を挿入したことを特徴とする請求項1又は請求項２に記載のプロトン生成方法。
【請求項４】
前記集電用電極を前記微結晶粉末に対して振動させることを特徴とする請求項1乃至請求項３の何れか1項に記載のプロトン生成方法。
【請求項５】
前記微結晶粉末を収容して保持する保持体を振動させることを特徴とする請求項1乃至請求項４の何れか1項に記載のプロトン生成方法。
【請求項６】
前記水素ガスを前記微結晶粉末に接触させるに際して、水素ガスを間欠的に供給することを特徴とする請求項1乃至請求項５の何れか1項に記載のプロトン生成方法。
【請求項７】
前記微結晶粉末が、板状に形成された高誘電率結晶の平面に対して略直角方向から衝撃力を与えて得られたものであることを特徴とする請求項1乃至請求項６の何れか1項に記載のプロトン生成方法。
【請求項８】
水素分子をプロトン化する燃料極と空気極と前記燃料極および前記空気極の間に電解質とを備える燃料電池において、前記燃料極は、前記請求項1乃至７の何れか1項に記載のプロトン生成方法によって水素分子をプロトン化する燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプロトンの生成方法及び該方法を用いる燃料電池に係り、より詳細には、白金などの貴金属を含まない強誘電体により水素を解離してプロトンを生成するプロトン生成方法及びその方法を用いる燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料内に貯蔵された化学エネルギーを、従来の熱機関より高効率で、電気
エネルギーに変換し得る。従来の熱機関は、最初に、化学エネルギーを、燃焼プロセス（
例えば、天然ガスと酸素とを反応させて、二酸化炭素と水とを形成する）を介して、熱エ
ネルギーに変換し、そしてこの熱エネルギーのうちのいくらかを、機械的作業（例えば、
ピストンを圧縮すること、タービンブレードを回転させること）のために動力化し、これ
が次に、電気エネルギーに変換される。理想的な条件下においてさえも、代表的に、熱機
関において放出される化学エネルギーのうちの半分より多くが、廃熱として失われる。
【０００３】
燃料電池は、燃料反応物（例えば、天然ガスおよび酸素）を生成物（例えば、二酸化炭素および水）に変換する場合の、燃焼工程を排除することによって、より高い変換効率を
実現する。その代わりに、酸化還元反応によって発生したエネルギーのほとんど全ては、この燃料電池において反応物が酸化される部位から、他の反応物が還元される部位へと外部回路を通じて移動する電子の駆動に使われる（すなわち、電流を発生させる）。このように従来の熱機関の燃焼工程（および機械的作業工程）を排除することによって、燃料電池の燃焼効率を、熱機関を用いて可能なレベルより５０％高く増加させ得る。
【０００４】
図１０に示す燃料電池の燃料極には水素が供給され、水素（Ｈ2）は解離して電子を放出しプロトン（Ｈ+）になる。プロトンは、固体電解質を移動して空気極に到達する。そしてプロトンは空気極で燃料極からリード線を通して運ばれた電子ならびに空気極で供給された酸素と反応して水を生じる。
【０００５】
具体的には、燃料極（アノード）のガス拡散層を介して電極触媒層に到達した燃料ガス中の水素は、下記の式（１）に示される酸化反応によって電離（解離）する。
２Ｈ2→４Ｈ+＋４ｅ-  …（１）
式（１）中のＨ+はプロトンであり、ｅ-は電子である。
【０００６】
生成されたプロトンは、電解質内を伝導して空気極（カソード）側電極の電極触媒層に到達する。そして、外部負荷を付勢してからカソード側電極に到達した電子とともに、該カソード側電極のガス拡散層を介して電極触媒層に到達した酸化剤ガス中の酸素を還元する。すなわち、カソード側電極の電極触媒層では、下記の式（２）に示される還元反応が起こる。
Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ  …（２）
【０００７】
電極の触媒は、式（１）、（２）の酸化反応・還元反応を促進する。すなわち、この触媒が存在することにより、プロトンが効率よく生成され、燃料の水素からプロトンを効率的に得ることが重要である。
【０００８】
水素のプロトン化のための触媒としては、白金（Ｐｔ）が広汎に採用されている。しかしながら、周知のように白金は高価であり、埋蔵量そのものにも大きな制限がある。白金の大量使用は燃料電池の価格ないし発電コストを高騰させる一因となる。そこで、白金の使用量を減らすために、遷移金属又はその合金からなる下地層上に厚みが０．４ｎｍ以上１ｎｍ未満の非常に薄い白金層を形成した触媒が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００９】
さらに、燃料電池のコストを下げるために、燃料電池用電極触媒として白金などの貴金属を使わない非金属系の電極触媒材料として具体的には、炭素、窒素、ホウ素から成るＢ−Ｃ−Ｎヘテロダイヤモンドを触媒活性種とする燃料電池用電極触媒が開示されている（例えば、特許文献２を参照）。
【００１０】
しかしながら、特許文献２に開示された材料は、原材料は安価であるが、その生成には爆薬による衝撃波を用いるものなのでその生成は必ずしも容易ではない。
【００１１】
そこで、比較的容易に入手可能な材料で水素分子を解離するコストパフォーマンスに優れた方法として、強誘電体に水素ガスを接触させて水素分子を解離する方法を本願発明の発明者が既に提案している（特許文献３を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００９−４５５８３号公報
【特許文献２】特開２００６−３３１８４６号公報
【特許文献３】特開２００８−２２２４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献３で開示された強誘電体に水素ガスを接触させることで水素分子を解離してプロトンを生成する方法では、強誘電体として、焼結した強誘電体を粉末（粒径約５μｍ）にしたものを用いて実験を行なった。比電率３５００と比誘電率１００００の原材料から得られた粉末を使い、比誘電率１００００の原材料から得られた粉末による解離電流が、比誘電率３５００の原材料から得られた粉末による解離電流よりも大きいことを確認した。
【００１４】
しかしながら、比較のために用いたプラチナ電極を使用したものに比べその解離電流は1/２程度であり、さらなる改良が望まれていた。
【００１５】
よって本発明は、上述した従来の状況に鑑み、安価な原材料から得られる触媒に工夫を加えることで、コストパフォーマンスに優れ効率の高いプロトン生成方法を提供し、さらに、このプロトン生成方法を用いたコストパフォーマンスに優れ、効率の高い燃料電池を供給することを課題としている。
【００１６】
ＢａＴｉＯ3に代表される強誘電体は一般にペロフスカイト構造をとり、立法晶系の体心位置にはＢａ原子、また面心位置に酸素、そしてコーナーにはＴｉ原子が存在する。しかし、精密な構造解析の結果、Ｂａ原子は体心位置から僅かにズレていることが分かり、晶系は立方晶系ではなく正方晶系であることが明らかになっている（固体物理入門  Ｃ Ｋｉｔｔｅｌ 強誘電体の項を参照）。つまり、正方晶系の構造をとることにより、強誘電性の指標である“自発分極”が発現する。本願の発明者は、大きな誘電率を発現させるには強誘電体の結晶性が決定因子であると考えるに至った。具体的には本発明で使用する粉末状の強誘電体を調製するには結晶構造を損なわない方法で行うことが必須であると確信した。
【００１７】
以下、主としてＢａＴｉＯ3の強誘電体について述べるが、この化合物に限定されるものではなく、同じペロフスカイト構造を持つＳｒＴｉＯ3，  ＫＮｂＯ3，  ＰｂＴｉＯ3，  ＬｉＴａＯ3，  ＬｉＮｂＯ3等の強誘電体にも適用される。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するためなされた本発明のプロトン生成方法は、水素ガスを強誘電体に接触させて解離することで、水素分子からプロトンを得るプロトン生成方法において、前記強誘電体が劈開面を有する微結晶粉末であることを特徴とする。
【００１９】
特許文献３で開示した実験に用いた、粒径が５μｍ程度の強誘電体を得るには、硬物質の少量擂り潰しを主な目的として、乳鉢で擂り潰す工程を機械化した擂潰機を使う工程を経るので、原材料が高誘電率であっても、その結晶性が損なわれ、実質的な誘電率はかなり低下していると思われる。それに対して、本発明では、強誘電体として高誘電率を維持するように劈開面を有する微結晶粉末を用いることにより、水素ガスは高効率で解離される。
【００２０】
さらに、上記課題を解決するためなされたプロトン生成方法は、請求項１に記載のプロトン生成方法において、前記微結晶粉末の粒径が所定の範囲になるように選択されたものであることを特徴とする。
【００２１】
微結晶粉末の粒径が小さすぎると水素ガスが通り難くなり、粉末中の結晶性の劣る粒子の割合が増えてくる。また、水素ガスを解離させる容器の大きさにもよるが、微結晶粉末の粒径が大きすぎると水素ガスとの接触機会が減少するので、水素ガスの解離に適切な微結晶粉末の粒径が存在する。
【００２２】
さらに、上記課題を解決するためなされたプロトン生成方法は、請求項1又は請求項２に記載のプロトン生成方法において、前記微結晶粉末の中に前記解離によって発生する電子を集電するように集電用電極を挿入したことを特徴とする。
【００２３】
水素ガスが解離された直後は、正電荷を有するプロトンと負電荷を有する電子が近接して存在しているので、プロトンと電子が再結合する前に速やかに両者を分離して外部へ導くことが重要である。微結晶粉末中に挿入された金属電極は水素から解離した電子を速やかに捕集する。
【００２４】
さらに、上記課題を解決するためなされたプロトン生成方法は請求項1乃至請求項３の何れか1項に記載のプロトン生成方法において、前記集電用電極を前記微結晶粉末に対して振動させることを特徴とする。
【００２５】
微結晶粉末中に導入された水素ガスは満遍なく微結晶粉末に触れることが望ましいので、固定的な水素ガスの通路（パス）が形成されると、通過容易なその路（パス）を水素ガスが通り触媒である微結晶粉末に触れる機会が減少する。そこで、集電用電極を前記微結晶粉末に対して振動させることで、電極と微結晶粉末との相対的な位置が絶えず変動して水素ガスの通り道が固定されることを防止する。
【００２６】
さらに、上記課題を解決するためなされたプロトン生成方法は請求項1乃至請求項４の何れか1項に記載のプロトン生成方法において、前記微結晶粉末を収容して保持する保持体を振動させることを特徴とする。
【００２７】
水素ガスの通路の固定化を防止するために、微結晶粉末を保持する保持体に振動を与えて微結晶粉末の相互位置を変動させることが有効である。
【００２８】
さらに、上記課題を解決するためなされたプロトン生成方法は請求項1乃至請求項５の何れか1項に記載のプロトン生成法において、前記水素ガスを前記微結晶粉末に接触させるに際して、水素ガスを間欠的に供給することを特徴とする。
【００２９】
水素ガスの供給が中止されると、水素ガスの通路が微結晶粉末で埋められ、水素ガスの導入が再開すると先ほどとは異なる経路を通りながら水素ガスが微結晶粉末に触れることとなるので、水素ガス経路の固定が防止される。
【００３０】
さらに、上記課題を解決するためなされたプロトン生成方法は、請求項1乃至請求項６の何れか1項に記載のプロトン生成方法において、前記微結晶粉末が、板状に形成された強誘電体結晶の平面に対して略直角方向から衝撃力を与えて得られたものであることを特徴とする。
【００３１】
平面に対して略直角方向から衝撃力を与えて、一軸方向からの衝撃で破壊されることで、破壊後の粉末として劈開面を有する微結晶が多く得られる。この一軸粉砕による方法で得られる粉末は高い結晶性を維持しており、誘電率も高くなるので、水素分子プロトン化において高効率の解離が行なわれる。これに対し、従来の乳鉢ないしは擂潰機による方法は主としてせん断応力を使って微粉末を調製するもので、結晶性が損なわれることが多い。
【００３２】
本発明の燃料電池は、水素分子をプロトン化する燃料極と空気極と前記燃料極および前記空気極の間に電解質とを備える燃料電池において、前記燃料極が、前記請求項1乃至７の何れか1項に記載のプロトン生成方法によって水素分子をプロトン化することを特徴とする。
【００３３】
本発明のプロトン生成方法を水素分子をプロトン化する燃料電池の燃料極に適用することで白金などの貴金属を使うことなくコストパフォーマンスに優れた燃料電池を実現する。
【発明の効果】
【００３４】
本発明のプロトン生成方法によれば、水素ガスを強誘電体に接触させて解離することで、水素分子からプロトンを得るプロトン生成方法において、前記強誘電体が劈開面を有する微結晶粉末を使用するので、白金などの高価な貴金属を使わない安価な原材料を使え、その加工費も安価な触媒として、コストパフォーマンスに優れたプロトン生成方法を提供することができる。
【００３５】
また、水素分子をプロトン化する燃料極と空気極と前記燃料極および前記空気極の間に電解質とを備える燃料電池において、燃料極に本発明のプロトン生成方法を用いるので、白金などの高価な貴金属を使わないで安価な触媒作製の原材料を使いその加工費も安価なことから、コストパフォーマンスに優れた燃料電池を提供することができる
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の原理を説明する解離反応装置を示す図である。
【図２】解離電流の流れを説明する図である。
【図３】一軸破砕治具の斜め断面図である。
【図４】（ａ）は比誘電率３５００の原材料から得た粉末のＸ線回折パターン図であり、（ｂ）は比誘電率１００００の原材料から得た粉末のＸ線回折パターン図である。
【図５】（ａ）は比誘電率３５００の原材料から得た粉末材料の調製方法の違いによる解離電流の時間変化の違いを説明する図であり、（ｂ）は比誘電率１００００の原材料から得た粉末材料の調製方法の違いによる解離電流の時間変化の相違を説明する図である。
【図６】解離反応装置にワイヤ電極を設けた状態を示す図である。
【図７】解離反応装置に振動する網状電極を設けた状態を示す図である。
【図８】集電電極の有無による解離電流の変化を示す図である。
【図９】燃料電池の原理を説明する構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明の水素分子解離工程の実施形態について、図面を参照して説明する。図１に実施形態の原理を示すステレンレス筒の解離反応装置を示す。ステレンレス筒の直径は６．３５ｍｍで、その底を比誘電率１０００のチタン酸バリウムの多孔質焼結板（厚み１ｍｍ）で塞ぎ、筒の中に強誘電体の粉を入れて、上部から水素ガスを導入する。空孔を有するチタン酸バリウムの焼結体には僅かに水が浸透できる。
【００３８】
図２は、水素ガスの解離により発生する電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）を分離して取り出す様子を示す説明図である。解離反応装置へ導入された水素ガスは強誘電体に接触することで、解離されて電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）になる。しかし、生成された電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）は、そのままにしておくとクーロン力で引き合い、再結合して元の水素原子や水素分子に戻る。
【００３９】
そこで、解離反応装置をイオン交換水中に漬けると、筒の底を塞ぐ焼結した透水性のチタン酸バリウムを通って筒の中にイオン交換水が浸み込む。そうすると発生したプロトンが水中へ取り込まれると共に、発生した電子は導電性のステンレス筒へと流れ込む。この構成で、解離反応装置のステンレス筒に入れる強誘電体（物質）を選ぶことで水素の解離効率が大きく異なることを以下に説明する。
【００４０】
特許文献３に開示した実験では、強誘電体としてチタン酸バリウムを焼結した材料を擂潰機により粉末状にしたものを用いた。ここで擂潰機は乳鉢乳棒を複数設けてモータで駆動して固形物を粉末化するもので、得られた粉末の径は５μｍ以下であった。
【００４１】
水素ガスがなるべく多くの表面積を有する強誘電体に触れるためには、強誘電体の粒径は小さい方が有利であり、特許文献３に開示した水素の解離方法では、水素ガスとの接触面積を大きくすることで解離効率を上げるという観点から、強誘電体の粒径として５μｍ以下のものを選んだ。
【００４２】
一方、強誘電体が高誘電率であるためには、その結晶性が高い方が有利であるという観点からの検討も必要である。そこで、従来の粉末化の方法である擂り潰す粉砕方法ではなく、結晶性を維持しながら粉末化する方法を考案した。
【００４３】
図３にその一手法を実現した一軸破砕治具の斜め断面図を示す。図中の上下移動部は鉄製で重さが約１．１ｋｇあり、筒形状の固定部の内径よりも僅かに小さな外径を有し上下動が自在である。そして固定部の筒の下部へ板状に焼結した強誘電体、例えばチタン酸バリウムの板を数枚置き２０ｃｍの高さから上下移動部を落下させる。そうすると、その衝撃でチタン酸バリウムの結晶は割れやすい結晶面で劈開して、劈開面を有する微結晶粉末を得ることができる。
【００４４】
この一軸方向からの結晶破壊で得られた微結晶粉末をふるいで分級して結晶性を調べるためにＸ線回折パターンを測定した結果を図４に示す。図４（ａ）は比誘電率３５００の原材料から得られた粉末、図４（ｂ）は比誘電率１００００の原材料から得られたのＸ線回折パターンを示す図である。使用したＸ線はモリブデンから出る特性Ｘ線のＫα線である。
【００４５】
ここで、図４（ａ）、（ｂ）を比較して見ると、比誘電率の違いによる回折パターンの形状変化に大きな差異は無いが、粒径が大きくなるに従い強い回折パターンの得られることが分かる。特定の回折角に出る回折強度が大きいほど、試料の結晶性が高い。また、回折ピークの半値幅は通常結晶性の目安となり、狭いほど結晶性が良いとされる。図４（ａ）、４（ｂ）では顕著な半値幅の差は認められないので、ここでは主に、回折強度に着目する。図４には、特許文献３で開示された擂潰機で生成した粒径５μｍ以下の粉末の回折パターンを図４（ａ）、図４（ｂ）の一番上に示してある。図４の回折パターンから見ると、特許文献３で開示された擂潰機で調製した粒径５μｍ以下の粉末の場合は殆ど回折パターンが見られないことが分かる。
【００４６】
水素ガスを解離するためには、強誘電体に水素ガスを接触させる必要があり、接触面積を増やすには強誘電体の粒径が小さい方が好ましい。しかし、結晶性を高く保って高い誘電率を維持するには粒径が大きい方が好ましい。水素ガスが通過する強誘電体の隙間は粒径と充填密度に依存しているので、もし、粒径が１μｍ以下の非常に小さい場合は、粒子間の隙間が殆ど無くなり水素ガスを充填された粒子の間を通過させることが難しくなる。一方、粒子径が５００μｍを超える場合は水素ガスは自由に粒子の間を通過して粒子との接触が少なくなる。
【００４７】
望ましい粒径は、水素ガスの流量や解離反応させる容器の大きさにも依存するが、図１に示す解離反応装置では、回折パターンから得られる結晶性の知見および水素ガスと強誘電体との接触機会の確保の観点から、強誘電体の粒径は５μｍ〜５００μｍが望ましいことが分かった。そこで、図１に示す比誘電率１０００の厚さ１ｍｍの焼結したチタン酸バリウムで底を塞いだ解離反応装置のステンレス筒の中に、図３に示す一軸破砕治具により比誘電率３５００と１００００のチタン酸バリウムの板から生成した粒径１００μｍ〜３００μｍの試料を高さ５０ｍｍまで充填したものを用意した。
【００４８】
この試料を、図２に示すように対向電極としてアルミ板を浸したイオン交換水の中に漬けて、ステンレス筒とアルミ板間に電流形を挿入して解離電流を測定した。解離反応装置のステンレス筒の中に２ｍｌ／ｍｉｎに流量を制御した水素ガスを流して、解離の様子を調べた。
【００４９】
水素ガスが流れて強誘電体に触れると、高誘電率物質の存在下での解離電圧の低下が起こり、室温で水素の解離が起こる。この高誘電率の雰囲気下での解離電圧の低下は、不純物をドープされた半導体のイオン化エネルギーが半導体材料の誘電率の自乗に反比例することにヒントを得たものである（固体物理学入門  Ｋｉｔｔｅｌ  不純物準位の項参照）。
【００５０】
水素ガスが解離されて生成されたプロトンは濃度勾配により対極に泳動する。対極でプロトンは外部回路を通ってきた電子と反応して水素分子（Ｈ+＋ｅ-(  １／２  Ｈ2）に戻ることとなる。
【００５１】
図５に、図２に示す実験装置で水素ガスを導入した時の時間経過に伴う解離電流の変化の様子を示す。図５（ａ）が、誘電体原材料の比誘電率が３５００の場合、図５（ｂ）が誘電体原材料の比誘電率が１００００の場合である。また、図５には、比較のために、強誘電体結晶を擂潰機で擂り潰して調製された粒子径５μｍ以下の試料による解離電流の変化の様子を示してある。
【００５２】
図５（ａ）では、経過時間０分から水素の導入を開始すると反応が始まり劈開面を保持した一軸粉砕試料については、解離電流が大きく−３０ｎＡ／ｃｍ2を超えて下に振れ、２分を経過すると次第に解離電流が０に戻ることが分かる。また、擂潰機粉砕試料の場合は、−１０ｎＡ／ｃｍ2弱の解離電流が振れてしばらく持続する。
【００５３】
図５（ｂ）では、経過時間０分から水素の導入を開始すると反応が始まり一軸粉砕試料については、解離電流が大きく−４０ｎＡ／ｃｍ2を超えて下に振れ、２分を経過すると次第に解離電流が０に戻ることが分かる。また、擂潰機粉砕試料の場合は、−数ｎＡ／ｃｍ2弱の解離電流が振れてしばらく持続する。
【００５４】
図５（ａ）及び図５（ｂ）において、擂潰機粉砕試料と一軸粉砕試料による解離電流の大きさの違いは顕著であり、劈開面を有する粉末状微結晶を使い、さらにその粒径を水素ガスと反応し易い値に選択したことにより従来の粒径が５μｍ以下の擂潰機粉砕試料に比べて高効率で水素の解離をすることができることが分かる。
【００５５】
今回の実験で、経過時間６分付近になると、図２の解離反応装置の燃料極の底から水素ガスの気泡がイオン交換水中に現れる。そして、水素ガスの発泡が始まると、解離電流は水素ガスの導入にも拘らず観測されず、解離が殆ど停止した。これは、水素ガスが粉状の強誘電体の中にガスの通路を形成して、通過が容易なこの通路を殆どの水素ガスが通ることとなり、強誘電体と十分に接触をすることなく、解離反応装置の底へ到達するためである。
【００５６】
次に、解離により発生した電子を集めて外部へ取り出すことで、さらに解離の効率を高めることが出来る。図６に強誘電体の粉の中に金属製の線状電極を挿入してステンレス筒へ接続した構成を示す。解離して発生した電子は、近くに自由電子が移動可能な金属などの集電用の導電体があるとそこへ流れ込むので、解離したプロトンとの再結合を防止して解離の効率を高めることができる。
【００５７】
図８に集電電極であるワイヤ電極の有無による解離電流の変化の様子を示す。ワイヤ電極なしの場合に、最大−３０ｎＡ／ｃｍ2程度であった解離電流が、集電電極としてのワイヤ電極を挿入することで−８０ｎＡ／ｃｍ2弱まで増大する。この集電電極の形状は任意であり、綿状の金属を集電電極として強誘電体の粉末中に満遍なく存在させることでさらに解離効率を上げることができる。
【００５８】
集電電極を用いた図８に示す解離電流のデータにおいても経過時間６分付近からやはり水素ガスの発泡が始まり、水素ガスの発泡開始以降は水素ガスの導入にも拘らず解離の効率が著しく低下する。この解離効率の低下は、強誘電体の粉末中に水素ガスの通路が形成されたことによるものである。
【００５９】
形成された水素ガスの通路は、粉末を保持している解離装置のステンレス筒に外部から振動を与えることで破壊することが可能であり、粉末の保持体であるスレンレス筒に外部から間欠的に衝撃を与えたり、図７に示すように、電極を外部から機械的に駆動することで粉末に外力を加えると、水素ガスの発泡が起きなくなり、定常的に水素ガスの解離を進めることができる。また、定常的なガスの通路の形成を防止するために、水素ボンベとの間に入れた電動弁の駆動電源をタイマーでオン・オフして水素ガスの供給を間欠的にすることも有効である。
【００６０】
以上説明した、水素ガスのプロトン化方法において使われる強誘電体（物質）として無機材料であるチタン酸バリウムの代わりに、有機材料として注目される強誘電体結晶フェナジン−クロラニル酸及びフェナジン−ブロマニル酸などにおいても同様に適用ができる。また、結晶性の高い材料として、ＲＦスパッタ法により生成したチタン酸バリウムでもよい。
【００６１】
次に、以上説明した、水素ガスのプロトン化方法を燃料電池の燃料極へ用いた例を説明する。強誘電体としてチタン酸バリウムを使う場合に、そのキューリー点が１００度Ｃから２００度Ｃの間にあるので、燃料電池の動作温度の低い固体高分子型の燃料電池での上記の水素のプロトン化方法の適用を説明する。
【００６２】
電解質膜としてパーフルオロスルホン酸イオン交換膜を使う。周知のように、パーフルオロスルホン酸イオン交換膜はフッ素樹脂の主鎖が集まって骨格領域を形成しており、そこからスルホン酸基を持つ副鎖が枝分かれしてクラスタ領域を形成している。このクラスタ領域には水が取り込まれプロトンは水を随伴しながらスルホン酸基を伝ってアノードからカソードへ移動する。
【００６３】
酸素極の触媒層はカーボン担持白金触媒を使い、燃料極の触媒層には内部に綿状の集電用の金属線を含んだ強誘電体を有し、一つの片面にガス拡散層を設け、電解質に接する他の片面をチタン酸バリウム板で覆ったものを用意した。チタン酸バリウムはプロトン伝導性があり電解質に接することで、プロトンが電解質中へ移動する。
【００６４】
この構成で、燃料極にカーボン担持白金触媒を用いた場合と比較して、燃料極の強誘電体の比誘電率が３５００のときに数分の１、燃料極の強誘電体の比誘電率が１００００のときに約半分の出力電流を得ることができた。
【００６５】
以上説明した内容は、発明の実施形態の一部であり、本発明の技術思想は実施例に限られるものでない。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
水素を解離してプロトンを安価な構成で得ることは燃料電池の実用化において緊急課題であり、本発明に係るプロトン生成方法は産業界で重要な安価な燃料電池の供給に資するものである。
【図１】
2011126763.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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