(57)【要約】【課題】高分子材料の相対湿度が低いときのプロトン伝導性を向上させる。【解決手段】様々な高分子材料の相対湿度が低いときのプロトン伝導性を向上させるために、高分子材料にプロトン伝導性フラーレン物質を少量添加する。このようにして作成したプロトン伝導体は、幅広い相対湿度及び室温から水の沸点までの幅広い温度で作動する、燃料電池用の高分子電解質膜として使用することができる。【選択図】図１【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の高分子電解質膜として使用される高分子材料の相対湿度が低いときのプロトン伝導性を向上させる方法であって、
前記高分子材料に、プロトン伝導性を向上させる量のプロトン伝導性フラーレン物質を添加するステップを含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記フラーレン物質は、前記高分子材料に少量添加されることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、
前記添加される量は約３０重量％以下であることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、
前記添加される量は約１〜１０重量％の範囲であることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、
前記フラーレン物質は、結合水、孤立電子対を有する複数の官能基又はそれらの組み合わせを含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法であって、
前記フラーレン物質は、Ｃ６０を含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項５に記載の方法であって、
前記フラーレン物質は、ポリ水酸化フラーレン、ポリスルホン酸化フラーレン又はポリ水酸化ポリスルホン酸化フラーレンを含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法であって、
前記高分子材料は、スルホン酸化ペルフルオロ・ポリマー、ポリエチレン・オキシド、ポリスチレン又はスルホン化ポリスチレンであることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、
前記高分子材料は、酸性又はイオノマーの形態の、テトラフルオロエチレンとペルフルオロ−３，６−ジオキサ−４−メチル−７−オクテンスルホニル フルオリドとのコポリマーであることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法であって、
前記フラーレン物質は、前記高分子材料にドーピングされることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法であって、
前記フラーレン物質は、化学反応によって前記高分子材料に共有結合されることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法であって、
前記フラーレン物質は、臨界超過ＣＯ２を使用して前記高分子材料に添加されることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の方法であって、
前記フラーレン物質を前記高分子材料の脆性を抑制する量の可塑剤と共に前記高分子材料に添加することを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１に記載の方法であって、
前記高分子材料への前記フラーレン物質の必要量の添加は、シリカ、アルミナ及びチタニアから成る群より選択されるフラーレン吸収助剤を添加することによって助成されることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、
前記フラーレン吸収助剤はシリカであることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、
前記シリカは、最大で約１０重量％添加されることを特徴とする方法。
【請求項１７】
高分子材料と、前記高分子材料に少量添加されるプロトン伝導性フラーレン物質とから成るプロトン伝導体であって、
前記添加される量は、前記高分子材料における相対湿度が低いときのプロトン伝導性を向上させるのに有効な量であること特徴とするプロトン伝導体。
【請求項１８】
請求項１７に記載のプロトン伝導体であって、
前記添加される量は約３０重量％以下であることを特徴とするプロトン伝導体。
【請求項１９】
請求項１８に記載のプロトン伝導体であって、
前記添加される量は約１〜１０重量％の範囲であることを特徴とするプロトン伝導体。
【請求項２０】
請求項１７に記載のプロトン伝導体であって、
前記フラーレン物質は、結合水、孤立電子対を有する複数の官能基又はそれらの組み合わせを含むことを特徴とするプロトン伝導体。
【請求項２１】
請求項２０に記載のプロトン伝導体であって、
前記フラーレン物質は、Ｃ６０を含むことを特徴とするプロトン伝導体。
【請求項２２】
請求項２０に記載のプロトン伝導体であって、
前記フラーレン物質は、ポリ水酸化フラーレン、ポリスルホン酸化フラーレン又はポリ水酸化ポリスルホン酸化フラーレンを含むことを特徴とするプロトン伝導体。
【請求項２３】
請求項１７に記載のプロトン伝導体であって、
前記高分子材料は、スルホン酸化ペルフルオロ・ポリマー、ポリエチレン・オキシド、ポリスチレン又はスルホン化ポリスチレンであることを特徴とするプロトン伝導体。
【請求項２４】
請求項２３に記載のプロトン伝導体であって、
前記高分子材料は、酸性又はイオノマーの形態の、テトラフルオロエチレンとペルフルオロ−３，６−ジオキサ−４−メチル−７−オクテンスルホニル フルオリドとのコポリマーであることを特徴とするプロトン伝導体。
【請求項２５】
請求項１７に記載のプロトン伝導体であって、
前記フラーレン物質は、前記高分子材料にドーピングされることを特徴とするプロトン伝導体。
【請求項２６】
請求項１７に記載のプロトン伝導体であって、
前記フラーレン物質は、化学反応によって前記高分子材料に共有結合されることを特徴とするプロトン伝導体。
【請求項２７】
請求項１７に記載のプロトン伝導体であって、
前記高分子材料の脆性を抑制する量の可塑剤をさらに含んでいることを特徴とするプロトン伝導体。
【請求項２８】
請求項１７に記載のプロトン伝導体であって、
シリカ、アルミナ及びチタニアから成る群より選択されるフラーレン吸収助剤をさらに含んでいることを特徴とするプロトン伝導体。
【請求項２９】
請求項２８に記載のプロトン伝導体であって、
前記フラーレン吸収助剤はシリカであることを特徴とするプロトン伝導体。
【請求項３０】
請求項２９に記載のプロトン伝導体であって、
前記シリカは、最大で約１０重量％含まれることを特徴とするプロトン伝導体。
【請求項３１】
第１の電極と、第２の電極と、前記第１及び第２の電極の間に位置するプロトン伝導体とから成る燃料電池であって、
前記プロトン伝導体は、高分子材料と、前記高分子材料に少量添加されるプロトン伝導性フラーレン物質とを含んでおり、
前記添加される量は、前記高分子材料における相対湿度が低いときのプロトン伝導性を向上させるのに有効な量であること特徴とする燃料電池。
【請求項３２】
請求項３１に記載の燃料電池であって、
前記添加される量は約３０重量％以下であることを特徴とする燃料電池。
【請求項３３】
請求項３２に記載の燃料電池であって、
前記添加される量は約１〜１０重量％の範囲であることを特徴とする燃料電池。
【請求項３４】
請求項３１に記載の燃料電池であって、
前記フラーレン物質は、結合水、孤立電子対を有する複数の官能基又はそれらの組み合わせを含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項３５】
請求項３４に記載の燃料電池であって、
前記フラーレン物質は、Ｃ６０を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項３６】
請求項３４に記載の燃料電池であって、
前記フラーレン物質は、ポリ水酸化フラーレン、ポリスルホン酸化フラーレン又はポリ水酸化ポリスルホン酸化フラーレンを含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項３７】
請求項３１に記載の燃料電池であって、
前記高分子材料は、スルホン酸化ペルフルオロ・ポリマー、ポリエチレン・オキシド、ポリスチレン又はスルホン化ポリスチレンであることを特徴とする燃料電池。
【請求項３８】
請求項３７に記載の燃料電池であって、
前記高分子材料は、酸性又はイオノマーの形態の、テトラフルオロエチレンとペルフルオロ−３，６−ジオキサ−４−メチル−７−オクテンスルホニル フルオリドとのコポリマーであることを特徴とする燃料電池。
【請求項３９】
請求項３１に記載の燃料電池であって、
前記フラーレン物質は、前記高分子材料にドーピングされることを特徴とする燃料電池。
【請求項４０】
請求項３１に記載の燃料電池であって、
前記フラーレン物質は、化学反応によって前記高分子材料に共有結合されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４１】
請求項３１に記載の燃料電池であって、
前記高分子材料の脆性を抑制する量の可塑剤をさらに含んでいることを特徴とする燃料電池。
【請求項４２】
請求項３１に記載の燃料電池であって、
前記プロトン伝導体は、シリカ、アルミナ及びチタニアから成る群より選択されるフラーレン吸収助剤をさらに含んでいることを特徴とする燃料電池。
【請求項４３】
請求項４２に記載の燃料電池であって、
前記フラーレン吸収助剤はシリカであることを特徴とする燃料電池。
【請求項４４】
請求項４３に記載の燃料電池であって、
前記シリカは、最大で約１０重量％含まれることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に用いる高分子電解質膜に関し、より詳しくは、前記高分子材料の相対湿度が低いときのプロトン伝導性を向上させるためにフラーレン物質を利用することに関する。
【０００２】
本願は、２００３年６月１２日提出の出願番号第６０／４７７，９７１号仮出願、及び、２００３年１１月５日提出の出願番号第６０／５００，６０３号仮出願の利益を主張するものである。
【０００３】
また、この発明は、米国の国防総省と契約した政府契約第ＤＡＡＤ１９−０３−Ｃ−００２４号に基づいて、米国政府の支援の下でなされたものである。米国政府はこの特許に関する一定の権利を有している。
【背景技術】
【０００４】
携帯用電源に対する需要は着実に増加しており、より効率的でより強力な燃料電池装置の進歩への関心が高まっている。高分子電解質膜型（polymer electrolyte membrane：PEM）燃料電池は軽量で出力密度が高いので、市販用途の携帯用電源として有力な候補である。
【０００５】
ＰＥＭ型燃料電池の動作は、その燃料電池の２つの電極間に位置し、燃料電池内でプロトンを一方の電極から他方に移動させる高分子膜のプロトン伝導性に依存している。また、高分子膜は、電子伝導性を有さず、化学的・機械的安定性が良好でって、しかも、燃料のクロスオーバーを防ぐための十分な気体不浸透性を有することが必須である。長年に渡って、高分子膜としては、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ；ＴＭ）として知られているデュポン（ＤｕＰｏｎｔ）社から市販されているスルホン酸化ペルフルオロ・ポリマーが使用されてきた。ナフィオンは、酸性又はイオノマーの形態で使用可能である、テトラフルオロエチレン（tetrafluoroethylene）と、ペルフルオロ−３，６−ジオキサ−４−メチル−７−オクテンスルホニル フルオリド（perfluoro-3,6-dioxa-4-methyl-7-octenesulfonyl fluoride）とのコポリマーである。
【０００６】
ナフィオンの燃料電池の理想的な高分子電解質膜としての主な欠点は、プロトンの伝導はヒドロニウム・イオン（Ｈ３Ｏ＋）の拡散に基づいているため、プロトン伝導性が膜内に含まれる水に依存するということである。高いプロトン伝導性を保つために、ナフィオン膜は、８０度以下の作動温度で、予め湿らせた気体の使用を必要とする。そのような必要条件は、ナフィオンを使用する燃料電池のコスト、サイズ及び複雑さを著しく増加させる。ナフィオン膜は、高温時には化学反応が早く出力が高いと思われるが、乾燥した又は相対湿度が低い状態で、或いは、水の沸点以上では作動できない。さらに、ナフィオン膜が必要とする低温で作動させると、燃料電池触媒に一酸化炭素が混入する危険性が増加する。
【０００７】
ＰＥＭ型燃料電池用の無水プロトン伝導膜を開発するために様々な試みが行われてきたが、それらはナフィオンが低温で相対湿度が高い作動環境が必要であるという要件を満たしていなかった。そのような試みの１つとして、例えば、Hinokumaらによる米国特許第6,495,290号（取得日：２００２年１２月１７日）がある（この参照により本発明に含まれるものとする）。Hinokumaらが使用しているプロトン伝導体は、例えばＯＨ、−ＳＯ３Ｈなどの酸性官能基を含んでいるフラーレン誘導体（fullerene derivative）に基づいており、幅広い温度及び乾燥状態で作動するように設計されている。このプロトン伝導体は、フラーレン誘導体を圧縮して粉末状にしたものや、フラーレン誘導体を少量（一般的に、２０重量パーセント以下）の被膜高分子と混合させたものが開示されている。なお、前記被膜高分子としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化ビニリデン樹脂又はポリビニル・アルコールなどがある。この特許では、高分子を２０重量％以上混合させると、フラーレン誘導体のプロトン伝導性が低下することを警告している。さらに、Hinokumaらの特許では、フラーレン誘導体をナフィオンと組み合わせて使用することについては示唆していない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、様々な高分子材料（ナフィオンを含んでいても）の相対湿度が低いときのプロトン伝導性を向上させるために、少量でも（約１重量％の少量でも）使用可能なプロトン伝導性フラーレン物質の発見に属するものである。前記フラーレン物質としては、Hinokumaらによる米国特許第6,495,290号に開示されたフラーレン誘導体を含む（ただし、これに限定されるものではない）。本発明で使用されるプロトン伝導性フラーレン物質としては、結合水、孤立電子対を有する複数の官能基、又は、それらの組み合わせを含む。そして、このプロトン伝導性フラーレン物質は、ドーピング、機械的混合、又は、化学反応により共有結合を形成することによって、高分子材料に添加される。そのようにして作成されたプロトン伝導体は、幅広い相対湿度、及び、水の沸点以上の幅広い温度で作動する燃料電池の高分子電解質膜として使用可能である。
【０００９】
本発明は、プロトン伝導性フラーレン物質を使用して、高分子材料の相対湿度が低いときのプロトン伝導性を向上させる方法を含む。また、本発明は、前記方法のために使用されるプロトン伝導体と、該プロトン伝導体を使用した燃料電池とをさらに含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明では、プロトン伝導性フラーレン物質を使用して、燃料電池の高分子電解質膜として使用される高分子材料の相対湿度が低いときのプロトン伝導性を向上させる。「相対湿度が低いとき」とは、相対湿度が約５０％以下のときである。
【００１１】
本発明で使用されるプロトン伝導性フラーレン物質は、結合水、孤立電子対を有する複数の官能基、又は、それらの組み合わせを含む。孤立電子対を有する官能基を複数含んでいるフラーレン物質としては、これらに限定されるものではないが、Hinokumaらによる米国特許第6,495,290号に記載されている様々なフラーレン誘導体がある。前記フラーレン誘導体は、化学式−ＸＨ（Ｘは任意の原子又は２価結合を有する原子団である）で表される官能基、さらに具体的には化学式−ＯＨ又は−ＹＯＨ（Ｙは任意の原子又は２価結合を有する原子団である）で表され、好ましくはＯＨ、−ＯＳＯ３Ｈ、−ＣＯＯＨ、−ＳＯ３Ｈ又は−ＯＰＯ（ＯＨ）３で表される官能基がある。他の、孤立電子対を有する官能基としては、例えば、−ＮＨ２、＝ＮＨ及び≡Ｎなどの塩基性官能基がある。
【００１２】
結合水を含んでいるフラーレン物質は、官能基の有無に関わらず、ほとんど全てのフラーレン物質を含み、Ｃ６０をも含む。これは、フラーレンは元々その分子内に一定量の結合水を含んでおり、それを完全に排出することは非常に難しいからである。この点において、全てのフラーレン及びフラーレン誘導体は、本来、ヒドロニウム・イオンの拡散によって移動するプロトンをある程度支持可能な水のキャリアである。これは、フラーレン誘導体によって生じる、官能基間を移動するプロトンのプロトンホッピング機構とは無関係である。このため、Ｃ６０は、それ自体が機能化しなくても、プロトン伝導性フラーレン物質として含まれ、意外なことに、本発明に使用するのに好ましいプロトン伝導性フラーレン物質の１つであることが見いだされた。
【００１３】
他の本発明に使用するのに好ましいプロトン伝導性フラーレン物質としては、ポリ水酸化フラーレン、ポリスルホン酸化フラーレン、又は、ポリ水酸化ポリスルホン酸化フラーレンがある。
【００１４】
本発明は、プロトン伝導性フラーレン物質を添加することによりプロトン伝導性が高められた塩基性高分子材料を選択することによって、柔軟性を大きくすることができる。この選択は、一般的に、電子伝導性を有さず、化学的・機械的安定性が良好であって、しかも、燃料のクロスオーバーを防ぐための十分な気体不浸透性を有するなどの、燃料電池用の高分子電解質膜として必要な他の性質に基づいて行われる。ナフィオンはこれらの性質を示すことが周知であり、長い間燃料ＰＥＭ型電池の用途に選択されてきたので、論理上、本発明に使用するのに好適な高分子材料である。他の好ましい高分子材料としては、一般に、ポリエチレン・オキシド、ポリスチレン及びスルホン化ポリスチレンなどのスルホン酸化ペルフルオロ・ポリマーがある。
【００１５】
高分子材料の相対湿度が低いときのプロトン伝導性を向上させるために、高分子材料に添加するプロトン伝導性フラーレン物質の必要量は、とりわけHinokumaらによる米国特許第6,495,290号におけるフラーレン誘導体に２０重量％以上の高分子を添加するとフラーレン誘導体のプロトン伝導性が低下するという警告を考慮すると、驚くほどに少なかった。本発明は、前記特許での手法とは反対に、高分子に少量（高分子に対して少量）のフラーレン物質を添加した。添加する量は、一般的に、約３０重量％以下であり、ほとんどの場合は、約１〜１０重量％の範囲である。
【００１６】
実際の塩基性高分子材料へのフラーレン物質の添加は、出発物質の形態に基づいた様々な方法によって行われる。例えば、塩基性高分子が市販のナフィオン膜などのすでに膜の形態であれば、フラーレン物質は、膜をフラーレン物質のドーピング溶液に浸すことによって高分子材料にドーピングされる。また、例えば臨界超過ＣＯ２を使用してフラーレン物質を溶液に混合させた後、コンポジット膜をキャストする又は前記溶剤を蒸発させることによって粉末を形成し、その粉末をペレタイジングしてペレット化した膜を作成することもできる。場合によっては、フラーレン物質と高分子材料との間の化学反応によって、フラーレン物質を高分子材料に添加させることが望ましい。
【００１７】
他の添加物は、高分子材料にフラーレン物質と共に添加されることが望ましい。例えば、フラーレンを比較的高い割合で添加すると、最終的には膜がもろくなるので、高分子材料の脆性を抑制する量の可塑剤を添加することが望ましい。前記可塑剤としては、低分子量のポリエチレン・オキシド、ポリエチレン・イミン、又は、二硫化炭素などがある。また、高分子材料へのフラーレン物質の必要量の添加は、フラーレン吸収助剤を添加することによって助成することが望ましい。前記フラーレン吸収助剤としては、シリカ、アルミナ及びチタニアなどがある。シルカを最大１０重量％添加することが、この目的に特に適していることが分かった。以下の次の実施例によって、本発明をさらに詳しく説明する。
【実施例】
【００１８】
《実施例１》
まず、デュポン社製のナフィオン１１７膜を、３％過酸化水素水に入れて３０分間煮沸した。その後、前記膜を脱イオン水によって数回洗浄した。その後、無機鉱物を取り除くために、前記膜を１Ｍ硫酸によって１時間煮沸した。そして、前記膜を脱イオン水によって再度洗浄し、使用するまでイソプロピル・アルコールに浸した。１ｗｔ％の乾燥Ｃ６０（ＯＨ）１２を０．８ｇのデュポン社製のナフィオンイオノマー溶液と混ぜ合わせた。湿った膜を、Ｃ６０（ＯＨ）１２とナフィオンイオノマーとの混合液が入っている密閉されたビンの中に２４時間浸した。その後ビンから膜を取り出し、真空オーブン内で乾燥させた。その結果、１ｗｔ％のＣ６０（ＯＨ）１２がドーピングされたナフィオン膜が得られた。
【００１９】
《実施例２》
Ｃ６０（ＯＨ）１２の代わりにＣ６０（ＯＳＯ３Ｈ）４（ＯＨ）8を使用して実施例１を繰り返し、１ｗｔ％のＣ６０（ＯＳＯ３Ｈ）４（ＯＨ）8がドーピングされたナフィオン膜を作成した。
【００２０】
《実施例３》
Ｃ６０（ＯＨ）１２の代わりにＣ６０を使用して実施例１を繰り返し、１ｗｔ％のＣ６０がドーピングナフィオン膜を作成した。
【００２１】
《実施例４》
溶液中で２つの成分を混ぜ合わせることにより、ポリエチレン・オキシドと１ｗｔ％のＣ６０（ＯＳＯ３Ｈ）４（ＯＨ）8とから成る複合膜を作成した。その後、前記溶液をテフロンシート上の膜にキャステングした。
【００２２】
《実施例５》
Ｃ６０（ＯＳＯ３Ｈ）４（ＯＨ）8の量を２０ｗｔ％に増やして、実施例４を繰り返した。
【００２３】
《実施例６》
溶液中で２つの成分を混ぜ合わせることにより、スルホン化ポリスチレンと１０ｗｔ％のＣ６０（ＯＳＯ３Ｈ）４（ＯＨ）8から成る複合膜を作成した。その後、前記溶液をテフロンシート上の膜にキャステングした。
【００２４】
実施例１〜５で作成した膜と何もしていないナフィオン膜のプロトン伝導性を、３０℃（すなわち低温）で、相対湿度が２０％から１００％の範囲で測定した。図１は、相対湿度（relative humidity ：R.H.）に対するプロトン伝導性を表したグラフである。
図１では、プロットａは何もしていないナフィオン膜、プロットｂは１ｗｔ％のＣ６０がドープされたナフィオン膜（実施例３）、プロットｃは１ｗｔ％のＣ６０（ＯＨ）１２がドープされたナフィオン膜（実施例１）、プロットｄは１ｗｔ％のＣ６０（ＯＳＯ３Ｈ）４（ＯＨ）8がドープされたナフィオン膜（実施例２）、プロットｅはポリエチレン・オキシドと２０ｗｔ％のＣ６０（ＯＳＯ３Ｈ）４（ＯＨ）8とから成る複合膜（実施例５）、プロットｆはポリエチレン・オキシドと１ｗｔ％のＣ６０（ＯＳＯ３Ｈ）４（ＯＨ）8とから成る複合膜（実施例４）を示す。図１のプロットｂ・ｃ・ｄとプロットａとを比較すると容易に分かるように、ナフィオン膜にフラーレン物質をドーピングすると、たとえそれがわずか１ｗｔ％などの少量であったとしても、膜の相対湿度が低いときのプロトン伝導性が著しく向上する。さらに、図１のプロットｅとｆとを比較すると、ポリエチレン・オキシド膜の場合は、フラーレンの添加を１ｗｔ％から２０ｗｔ％に増やすと、相対湿度の全範囲で、膜のプロトン伝導性が著しく増加する。
【００２５】
実施例２及び３で作成した膜及び何もしていないナフィオン膜をＰＥＭ型燃料電池に適用した際の性能を、１２０℃（すなわち高温）及び相対湿度２５％（すなわち相対湿度は低い）で測定した。なお、燃料は水素と空気であり、圧力は大気圧で、プラチナの添加量は０．２ｍｇ／ｃｍ−２であった。図２は、分極曲線を示すグラフである。図２では、プロットａは何もしていないナフィオン膜、プロットｂは１ｗｔ％のＣ６０がドープされたナフィオン膜（実施例３）、プロットｃは１ｗｔ％のＣ６０（ＯＳＯ３Ｈ）４（ＯＨ）8がドープされたナフィオン膜（実施例２）を示す。図２から容易に分かるように、ナフィオン膜にフラーレン物質をドーピングすると、たとえそれがわずか１ｗｔ％などの少量であったとしても、高温で相対湿度が低い場合のＰＥＭ型燃料電池の性能が著しく向上する。
【００２６】
また、実施例１、３及び６で作成した膜と、何もしていないナフィオン膜とのプロトン伝導性を、１２０℃（すなわち高温）及び相対湿度２５％（すなわち相対湿度は低い）で測定した。結果を表１に示す。
【表１】
2007503707.tif 000002
【００２７】
図１に示したプロトン伝導性のデータから、膜へのフラーレン物質の添加は、ナフィオン膜及びスルホン化ポリスチレン膜の両方の場合で、高温で相対湿度が低い場合のＰＥＭ型燃料電池の伝導性を一桁向上させる。
【００２８】
上述した試験結果から明らかなように、本発明に係るプロトン伝導体は相対湿度が低いときのプロトン伝導性を向上させるので、燃料電池用の高分子電解質膜に使用するのに好適である。このプロトン伝導体を使用した燃料電池の例を図３に示す。図３を参照して、燃料電池１は、端子３を有する水素電極２と、端子５を有する酸素電極４とを備えている。水素電極２の内面には触媒６が設置されており、酸素電極４の内面には触媒７が設置されている。本発明に係るプロトン伝導体８は、２つの電極の間に、触媒６，７に近接して配置されている。燃料電池の使用時は、水素が水素電極２の側部にある入口９から供給され、流路１０を通って出口１１から排出される。水素が流路１０を流れるとプロトンが生成され、プロトン伝導体８で生成されたプロトンと共に酸素電極４の側部へ移動する。そして、酸素電極４の側部へ移動したプロトンは、入口１３から供給され流路１２を通って出口１４から排出される酸素（空気）と反応して、所望の起電力を生成する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】相対湿度（relative humidity ：R.H.）に対してのプロトン伝導性の測定結果を表すグラフであり、プロットａは何もしていないナフィオン膜、プロットｂ・ｃ・ｄは様々なフラーレン物質が１重量％ドープされたナフィオン膜、プロットｅ・ｆはポリエチレン・オキシド複合材料である。
【図２】１２０℃、相対湿度２５％以下で測定されたＰＥＭ型燃料電池の分極曲線を表すグラフであり、プロットａは何もしていないナフィオン膜、プロットｂ・ｃはフラーレン物質が１重量％ドープされたナフィオン膜である。
【図３】本発明に係るプロトン伝導体を使用した燃料電池の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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