(57)【要約】【課題】水素イオンの伝導に水分を必要としない燃料電池用電解質材料を、ひいては電解質層の水分管理を必要としない簡便な燃料電池を提供することである。また、常温だけでなく広い温度帯で作動可能な燃料電池を提供することである。【解決手段】半導電性のカーボンナノチューブＣを、フッ素系樹脂からなる膜状の支持体２１中に分散させて得た燃料電池用電解質材料。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用の電解質材料であって、
半導電性のカーボンナノチューブを、フッ素系樹脂からなる膜状の支持体中に分散させて得たことを特徴とする燃料電池用電解質材料。
【請求項２】
燃料電池用の電解質材料であって、
フッ素系樹脂からなる膜状の支持体と、
この支持体内部に担持された半導電性のカーボンナノチューブと
を具備してなることを特徴とする燃料電池用電解質材料。
【請求項３】
燃料電池用の電解質材料であって、
半導電性のカーボンナノチューブを、フッ素系樹脂からなる膜状の支持体中に分散させ、さらに前記支持体の両面に、水素イオンのみを透過させる金属薄膜を形成して得たことを特徴とする燃料電池用電解質材料。
【請求項４】
燃料電池用の電解質材料であって、
フッ素系樹脂からなる膜状の支持体と、
この支持体内部に担持された半導電性のカーボンナノチューブと、
前記支持体の両面に形成された、水素イオンのみを透過させる金属薄膜と
を具備してなることを特徴とする燃料電池用電解質材料。
【請求項５】
カーボンナノチューブは、急速冷却によって得られた非結晶質構造のものであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の燃料電池用電解質材料。
【請求項６】
金属薄膜は、ランタンおよびニッケルの合金から構成されたものであることを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれかに記載の燃料電池用電解質材料。
【請求項７】
上記請求項１または請求項２に記載の燃料電池用電解質材料の製造方法であって、
フッ素系樹脂溶液にカーボンナノチューブを添加し、均一に分散させる第１の工程と、
この第１の工程によって得られた混合液を型枠内に流し込み、乾燥させて膜状体とする第２の工程と、
この第２の工程によって得られた膜状体の上方に加圧板を載置し、この加圧板を超音波振動させながら前記膜状体を加圧することで、所定の温度まで前記膜状体を昇温させる第３の工程と
を具備することを特徴とする燃料電池用電解質材料の製造方法。
【請求項８】
上記請求項１または請求項２に記載の燃料電池用電解質材料の製造方法であって、
フッ素系樹脂溶液にカーボンナノチューブを添加し、均一に分散させる第１の工程と、
この第１の工程によって得られた混合液を型枠内に流し込み、乾燥させて膜状体とする第２の工程と、
この第２の工程によって得られた膜状体の上方に加圧板を載置し、前記膜状体に高周波電力を印加しながら、前記加圧板を用いて前記膜状体を加圧することで、所定の温度まで前記膜状体を昇温させる第３の工程と
を具備することを特徴とする燃料電池用電解質材料の製造方法。
【請求項９】
上記請求項３または請求項４に記載の燃料電池用電解質材料の製造方法であって、
フッ素系樹脂溶液にカーボンナノチューブを添加し、均一に分散させる第１の工程と、
この第１の工程によって得られた混合液を型枠内に流し込み、乾燥させて膜状体とする第２の工程と、
この第２の工程によって得られた膜状体の上方に加圧板を載置し、この加圧板を超音波振動させながら前記膜状体を加圧することで、所定の温度まで前記膜状体を昇温させる第３の工程と、
この第３の工程の後、前記膜状体の両面に、水素イオンのみを透過させる金属薄膜を形成する第４の工程と
を具備することを特徴とする燃料電池用電解質材料の製造方法。
【請求項１０】
上記請求項３または請求項４に記載の燃料電池用電解質材料の製造方法であって、
フッ素系樹脂溶液にカーボンナノチューブを添加し、均一に分散させる第１の工程と、
この第１の工程によって得られた混合液を型枠内に流し込み、乾燥させて膜状体とする第２の工程と、
この第２の工程によって得られた膜状体の上方に加圧板を載置し、前記膜状体に高周波電力を印加しながら、前記加圧板を用いて前記膜状体を加圧することで、所定の温度まで前記膜状体を昇温させる第３の工程と、
この第３の工程の後、前記膜状体の両面に、水素イオンのみを透過させる金属薄膜を形成する第４の工程と
を具備することを特徴とする燃料電池用電解質材料の製造方法。
【請求項１１】
上記請求項３〜請求項６のいずれかに記載の燃料電池用電解質材料を用いて構成された燃料電池であって、
前記燃料電池用電解質材料を所定の形状寸法に裁断して得た電解質層と、
この電解質層の一面側に設けられた、水素をイオン化する触媒機能を備えた第１の電極層と、
前記電解質層の他面側に設けられた触媒機能を有する第２の電極層と
を具備してなることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は燃料電池、すなわち外部から連続的に供給される活物質の化学エネルギーを電気エネルギーに変換するのに用いられる電気化学的発電装置に関するものである。特に本発明は、この燃料電池の主要構成要素である電解質材料に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
固体高分子型の燃料電池は、コンパクトで発電効率に優れるうえ、低温で作動することから応用範囲が広く、本格的な実用化に向けて研究が進められている。なかでも、メタノールを燃料極に直接供給するダイレクトメタノール型の燃料電池は、改質器が不要であることから、システムの大幅な小型化や簡素化が図れる。このため、たとえば携帯用電子機器の電源として、その早急な実用化が待たれている。
【０００３】
さて、固体高分子型燃料電池の単セル（以下、単に燃料電池と言う）は、特殊なプラスチックからなる電解質層を二つの板状電極で挟んだ構造となっている。一方の電極すなわち燃料極に、燃料となるメタノール水溶液が供給されると、電極が有する触媒作用によってメタノールは水と反応し、二酸化炭素と水素イオンが生じる。このうち水素イオンは、電解質層を経て、もう一方の電極すなわち酸素極に達するが、この酸素極には酸素が供給されている。また、メタノールと水が反応する際に放出された電子も酸素極に供給される。したがって、水素イオンは酸素極において酸素と反応して水を生じる。この反応の際、電子が燃料極から酸素極に絶えず移動するため外部回路には電流が流れ、この結果、燃料電池には電力が発生する。
【０００４】
しかしながら、こうした従来型の燃料電池には、次のような問題があった。すなわち、固体高分子型の燃料電池は、それがダイレクトメタノール型のものであるか否かを問わず、電解質層を適度な湿潤状態に保つことが不可欠である。このため、常に細心の注意を払って電解質層の水分管理を行わねばならない。また、従来型の燃料電池は、常温で作動可能なことを一つの特長とするのであるが、それはときに欠点にもなる。すなわち、常温よりも高い温度、たとえば２００〜３００℃程度の温度で燃料電池を働かせようとすると、電解質層に含まれる水分が蒸散してしまい、その結果、使用不能となる。
【０００５】
したがって本発明が解決しようとする課題は、水素イオンの伝導に水分を必要としない燃料電池用電解質材料を、ひいては電解質層の水分管理を必要としない簡便な燃料電池を提供することである。また、常温だけでなく広い温度帯で作動可能な燃料電池を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するべく鋭意研究を推し進めた本発明者は、電解質層を、水分が存在しなくとも水素イオンを伝導できるカーボン材料から構成することを考えた。本発明者は、こうした技術的思想に基づいて更に研究を進め、その結果、半導電性のカーボンナノチューブを、フッ素系樹脂からなる膜状の支持体中に分散させて得た、言い換えれば、フッ素系樹脂からなる膜状の支持体と、この支持体内部に担持された半導電性のカーボンナノチューブとを備えた電解質材料を採用すれば、上記課題を解決できることを突き止めた。さらに詳しく言うと、従来型燃料電池において電解質層に相当する部位を、こうしたカーボンナノチューブを主成分とする膜状の部材と、その両面を覆う、水素イオンのみを透過させる金属薄膜とを備えた構造とすればよいことを見出した。
【０００７】
燃料電池をこのように構成した場合、燃料極に生じた水素イオンは、半導電性のカーボンナノチューブ（燃料電池の作動温度域では絶縁性を示すので電子は伝導しない）によって中継されて、燃料極から酸素極側へと動いていく。ところで、このように水素イオンを伝導する際、上記電解質材料（電解質層）は水分を全く必要としない。それゆえ、電解質層の水分管理を必要としない簡便な燃料電池を提供できる。そのうえ、常温よりも高い温度、たとえば２００〜３００℃程度の温度で燃料電池を働かせる場合でも、従来のように電解質層に含まれる水分の蒸散により使用不能に陥ることはないから、上記電解質材料を用いて構成された燃料電池は、常温だけでなく広い温度帯で作動可能である。
【０００８】
なお、燃料電池用電解質材料の両面は、水素イオンのみを透過させる金属薄膜によって被覆されているので、水素イオンよりも大きなイオンや原子、分子などは、それを通り抜けることができない。したがって、ダイレクトメタノール方式を採用した場合でも、メタノールは電解質層を透過することはもちろん、そこに浸入することさえも不可能となっており、この結果、本発明に係る燃料電池は常時安定的に機能する。
【０００９】
ところで、燃料電池用電解質材料の製造に使用されるカーボンナノチューブ（原料）は、全量が半導電性を示すものであることが好ましい。ところが、導電性を示すものが一部含まれていることがあり、この場合には電解質層を電子が伝導できるようになるため、燃料電池は本来の性能を発揮しない。したがって、燃料電池用電解質材料を製作する際、導電性のカーボンナノチューブの物性を変化させ、それを半導電性を示すカーボンナノチューブに変換することができれば好都合である。
【００１０】
本発明者は、こうした技術的思想に基づき研究を推し進めた結果、カーボンナノチューブを含む混合液を型枠内に流し込み、乾燥させて膜状体とした後、その上方に加圧板を載置し、この加圧板を超音波振動させながら膜状体を加圧することで、所定の温度まで膜状体を昇温させることを思いついた。この処理によって膜状体は表面の凹凸が除去されて完全に平滑なものとなるが、同時に導電性のカーボンナノチューブが半導体に変化する。これは、完全な側壁構造のカーボンナノチューブ（導電体）の少なくとも一部分に欠陥が発生し、側壁構造が不完全なものになるからであると考えられる。さらに本発明者は、超音波振動に替えて、膜状体に高周波電力を印加しながら、加圧板を用いて膜状体を加圧することで、所定の温度まで膜状体を昇温させる方法でも、同様の結果が得られることを見出した。
【００１１】
本発明は、こうした新知見に基づいてなされたものであり、上記の課題は、燃料電池用の電解質材料であって、半導電性のカーボンナノチューブを、フッ素系樹脂からなる膜状の支持体中に分散させて得たことを特徴とする燃料電池用電解質材料によって解決される。また、上記の課題は、燃料電池用の電解質材料であって、フッ素系樹脂からなる膜状の支持体と、この支持体内部に担持された半導電性のカーボンナノチューブとを具備してなることを特徴とする燃料電池用電解質材料によって解決される。
【００１２】
特に、上記の課題は、燃料電池用の電解質材料であって、半導電性のカーボンナノチューブを、フッ素系樹脂からなる膜状の支持体中に分散させ、さらに前記支持体の両面に、水素イオンのみを透過させる金属薄膜を形成して得たことを特徴とする燃料電池用電解質材料によって解決される。また、上記の課題は、燃料電池用の電解質材料であって、フッ素系樹脂からなる膜状の支持体と、この支持体内部に担持された半導電性のカーボンナノチューブと、前記支持体の両面に形成された、水素イオンのみを透過させる金属薄膜とを具備してなることを特徴とする燃料電池用電解質材料によって解決される。
【００１３】
なお、本発明の燃料電池用電解質材料を構成するカーボンナノチューブとしては、急速冷却によって得られた非結晶質構造のもの（すなわち側壁がアモルファス構造のもの）を用いるのが好ましい。また、上記金属薄膜としては、ランタンおよびニッケルの合金から構成されたものを用いるのが好ましい。
【００１４】
先の課題は、上記燃料電池用電解質材料の製造方法であって、フッ素系樹脂溶液にカーボンナノチューブを添加し、均一に分散させる第１の工程と、この第１の工程によって得られた混合液を型枠内に流し込み、乾燥させて膜状体とする第２の工程と、この第２の工程によって得られた膜状体の上方に加圧板を載置し、この加圧板を超音波振動させながら前記膜状体を加圧することで、所定の温度まで前記膜状体を昇温させる第３の工程とを具備することを特徴とする燃料電池用電解質材料の製造方法によって解決される。
【００１５】
同じく先の課題は、上記燃料電池用電解質材料の製造方法であって、フッ素系樹脂溶液にカーボンナノチューブを添加し、均一に分散させる第１の工程と、この第１の工程によって得られた混合液を型枠内に流し込み、乾燥させて膜状体とする第２の工程と、この第２の工程によって得られた膜状体の上方に加圧板を載置し、前記膜状体に高周波電力を印加しながら、前記加圧板を用いて前記膜状体を加圧することで、所定の温度まで前記膜状体を昇温させる第３の工程とを具備することを特徴とする燃料電池用電解質材料の製造方法によって解決される。
【００１６】
特に、先の課題は、上記燃料電池用電解質材料の製造方法であって、フッ素系樹脂溶液にカーボンナノチューブを添加し、均一に分散させる第１の工程と、この第１の工程によって得られた混合液を型枠内に流し込み、乾燥させて膜状体とする第２の工程と、この第２の工程によって得られた膜状体の上方に加圧板を載置し、この加圧板を超音波振動させながら前記膜状体を加圧することで、所定の温度まで前記膜状体を昇温させる第３の工程と、この第３の工程の後、前記膜状体の両面に、水素イオンのみを透過させる金属薄膜を形成する第４の工程とを具備することを特徴とする燃料電池用電解質材料の製造方法によって解決される。
【００１７】
また、先の課題は、上記燃料電池用電解質材料の製造方法であって、フッ素系樹脂溶液にカーボンナノチューブを添加し、均一に分散させる第１の工程と、この第１の工程によって得られた混合液を型枠内に流し込み、乾燥させて膜状体とする第２の工程と、この第２の工程によって得られた膜状体の上方に加圧板を載置し、前記膜状体に高周波電力を印加しながら、前記加圧板を用いて前記膜状体を加圧することで、所定の温度まで前記膜状体を昇温させる第３の工程と、この第３の工程の後、前記膜状体の両面に、水素イオンのみを透過させる金属薄膜を形成する第４の工程とを具備することを特徴とする燃料電池用電解質材料の製造方法によって解決される。
【００１８】
さらに、先の課題は、上記燃料電池用電解質材料を用いて構成された燃料電池であって、前記燃料電池用電解質材料を所定の形状寸法に裁断して得た電解質層と、この電解質層の一面側に設けられた、水素をイオン化する触媒機能を備えた第１の電極層と、前記電解質層の他面側に設けられた触媒機能を有する第２の電極層とを具備してなることを特徴とする燃料電池によって解決される。
【００１９】
なお、上記第１の電極層および第２の電極層としては、カーボン粒子と白金粒子との混成物から構成されたもの（多孔質板）が挙げられる。また、本発明に係る燃料電池は、第１の電極層との間に、水素やメタノール水溶液などを流入させるための空隙が形成されるよう、この第１の電極層を挟んで電解質層と対向する状態で設けられた第１の支持体と、第２の電極層との間に、酸素（空気）を流入させるための空隙が形成されるよう、この第２の電極層を挟んで電解質層と対向する状態で設けられた第２の支持体とをさらに具備してなることが好ましい。そしてこの場合、ある燃料電池の第１の支持体と、別の燃料電池の第２の支持体とが隣接するよう複数の燃料電池が一列に積層されることになる。これによって、規定の発電能力を持ったスタックが形成される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図３を用いて、本発明の一実施形態を具体的に説明する。なお、図１は本実施形態に係る燃料電池の構造を示す概略断面図、図２は一部を拡大して示す、本実施形態に係る燃料電池用電解質材料の概略構造図、図３は燃料電池用電解質材料の製造工程を示す概念図である。
【００２１】
本実施形態に係る燃料電池（以下、本燃料電池と言う）は、一次電池や二次電池（蓄電池）に替わって、各種電子機器、特に携帯用電子機器の電源として用いられるものである。正確に言うと、本燃料電池の単セルが所定の数だけ一列に積層されてできる燃料電池スタックが、所要の発電能力を発揮することになる。
【００２２】
以下で説明する本燃料電池はダイレクトメタノール型のものであり、燃料となるメタノール（ＣＨ３ＯＨ）を水溶液の形で燃料極に直接供給し、一方、酸素極には空気（酸素）を供給してやることで機能するよう構成されている。本燃料電池は主要構成要素として、後に詳述する電解質層１、この電解質層１の一面側に設けられた第１の電極層２、そして電解質層１の他面側に設けられた第２の電極層３を具備する。
【００２３】
電解質層１は、本体部１０と、その両面に形成された二つの金属薄膜１１，１２からできている。つまり、電解質層１の本体部１０と第１の電極層２との間には第１の金属薄膜１１が、また、電解質層１の本体部１０と第２の電極層３との間には第２の金属薄膜１２がそれぞれ設けられている。なお、これら金属薄膜１１，１２の厚みは数μｍ程度である。本燃料電池では、本体部１０および第１、第２の金属薄膜１１，１２からなる積層体が、従来型燃料電池における電解質層としての役割を果たすことになる。
【００２４】
本燃料電池は、上記構成要素に加えてさらに、第１の支持体４および第２の支持体５を具備する。このうち第１の支持体４については、第１の電極層２との間にメタノール水溶液を流入させるための空隙（実際には溝）４ａが形成されるよう、第１の電極層２を挟んで、電解質層１と対向する状態で設けられている。一方、第２の支持体５については、第２の電極層３との間に酸素を流入させるための空隙（実際には溝）５ａが形成されるよう、第２の電極層３を挟んで、電解質層１と対向する状態で設けられている。本実施形態では、これら第１の支持体４および第２の支持体５として、セラミックスなどの絶縁材料から構成されたものを用いた。
【００２５】
電解質層１の一面側に設けられた第１の電極層２は、水素をイオン化する触媒機能を備える。具体的に言うと、第１の電極層２は、カーボン粒子と、イオン化触媒機能を持つ白金粒子との混成物から構成された多孔質状の薄板である。電解質層１の他面側に設けられた第２の電極層３についても同じく触媒機能を有する。すなわち、これもカーボン粒子と、イオン化触媒機能を持つ白金粒子との混成物から構成された多孔質状の薄板である。第１の電極層２には、電池内部での化学反応により生じた電気エネルギーを取り出すためのリード線１３ａが接続されており、第１の電極層２は負極として機能する。一方、第２の電極層３にも、化学反応により生じた電気エネルギーを取り出すためのリード線１３ｂが接続されており、第２の電極層３は正極として機能する。
【００２６】
上記第１の金属薄膜１１は、水素イオンのみを透過させる。さらに具体的に言うと、この第１の金属薄膜１１は、こうした選択透過性を持つ、ランタンおよびニッケルの合金（ＬａＮｉ５）から構成された薄膜である。この点は、第２の金属薄膜１２についても同じである。すなわち第２の金属薄膜１２も、ランタンおよびニッケルの合金から構成されており、水素イオンのみを選択的に透過させる。したがって、第１の電極層２で生じた水素イオンだけが、図１中、左から右へと移動していき、最終的に第２の電極層３に到達することになる。
【００２７】
本燃料電池は、実際には、複数個が一列に積層された状態で使用されるので、第１の支持体４は、図１中、一点鎖線にて示す他の燃料電池が備える支持体（第２の支持体）５と接した状態となる。これに対して第２の支持体５も、図１中、一点鎖線にて示す他の燃料電池が備える支持体（第１の支持体）４に接した状態となる。
【００２８】
続いて、上記電解質層１を構成する、本実施形態に係る燃料電池用電解質材料（以下、本電解質材料と言う）について説明する。電解質層１は、本電解質材料を所定の形状寸法に裁断して得たものである。電解質層１、したがって本電解質材料は、上述したように本体部１０と、第１、第２の金属薄膜１１，１２から構成されている。さらに、図２に一部を拡大誇張して示すように、本体部１０は、半導電性のカーボンナノチューブＣを、フッ素系樹脂からなる膜状の支持体２１中に分散させて得たものである。言い換えれば、本体部１０は、フッ素系樹脂からなる膜状の支持体２１と、この支持体２１の内部に担持された半導電性のカーボンナノチューブＣとを備えた構造となっている。そして本体部１０、したがって支持体２１の両面に、水素イオンのみを透過させる金属薄膜１１，１２を形成することで、本電解質材料ができ上がっている。
【００２９】
なお、ここで用いたカーボンナノチューブＣは、急速冷却によって得られた非結晶質構造のものである。また、上でも触れたが、金属薄膜１１，１２は、ランタンおよびニッケルの合金から構成されたものである。さらに言えば、支持体２１は、たとえば米国デュポン社製のナフィオン（商品名）などと同じ組成の物質である。
【００３０】
次に、図３を用いて本電解質材料の製造方法（本実施形態に係る燃料電池用電解質材料の製造方法）について説明する。本製造方法を用いて上記電解質材料を得るには、まず、図３（ａ）に示すごとく、フッ素系樹脂溶液２２に適量、たとえば９０体積％程度のカーボンナノチューブＣを添加し、均一に分散させる（第１の工程）。続いては、図３（ｂ）に示すごとく、第１の工程によって得られた混合液を、たとえば窒化ホウ素製の型枠２３内に流し込み、乾燥させて膜状体とする（第２の工程）。
【００３１】
こうして膜状体２４を得たならば、図３（ｃ）に示すごとく、その上方に加圧板２５を載置し、この加圧板２５を超音波振動させながら膜状体２４を加圧する。そしてこれによって、所定の温度、たとえば数百℃程度まで膜状体２４を昇温させる（第３の工程）。この過程で、膜状体２４に含まれた、完全な構造を有するカーボンナノチューブＣに欠陥が生じ、この結果、カーボンナノチューブＣは半導電性（燃料電池の作動温度では絶縁性）を示すようになる。なお、超音波振動に替えて、膜状体２４に高周波電力（たとえば工業周波数１３．５６ＭＨｚ）を印加しながら、加圧板２５を用いて膜状体２４を加圧することで、所定の温度まで膜状体２４を昇温させてもよい。
【００３２】
上記第３の工程の後は、図３（ｄ）に示すごとく、膜状体２４（本体部１０）を基板に配置し、その両面に、片面ずつ水素イオンのみを透過させる金属薄膜を、るつぼを用いた真空蒸着法（あるいはスパッタ法）などを利用して形成する（第４の工程）。これによって上述した燃料電池用電解質材料ができ上がる。なお、図４では、燃料電池用電解質材料を１枚ずつ製造する場合の手順を示したが、実際には流れ作業で連続的に処理が行われることになる。すなわち、燃料電池用電解質材料は、長尺な連続体として得られる。
【００３３】
こうして得た電解質材料を用いて構成された本燃料電池は、次のように機能する。まず、メタノール水溶液および酸素を本燃料電池に供給すると、第１の電極層２が有する触媒作用によって、メタノールと水が化学反応して二酸化炭素と水素イオンが生じる。ここで生じた水素イオンは、第１の電極層（以下、燃料極とも言う）２と第２の電極層（以下、酸素極とも言う）３との間の水素濃淡差圧により、電解質層１を経て、燃料極２から酸素極３側へと動いていく。すなわち水素イオンは、第１の金属薄膜１１、電解質層１の本体部１０、そして第２の金属薄膜１２を次々に透過して、酸素極３に達する。酸素極３には酸素が供給されており、また、メタノールと水の化学反応の際に生じた電子も供給されているので、水素イオンはそこで酸素と結合して水を生じる。
【００３４】
ところで、メタノールと水との化学反応の際に生じた電子は、リード線１３ａ，１３ｂを用いて構成される外部導通路（外部回路）に流れ込むが、これは言うまでもなく、外部導通路に電流が流れることを意味する。したがって本燃料電池（正確にはその集合体である燃料電池スタック）は、それに接続された電子機器１４を作動させることが可能となる。
【００３５】
さて、燃料電池を上記のとおり構成した場合、燃料極２に生じた水素イオンは、半導電性のカーボンナノチューブ（燃料電池の作動温度域では絶縁性を示すので電子は伝導しない）Ｃによって中継されて燃料極２から酸素極３側へと動いていく。ところで、こうして水素イオンを伝導する際、本電解質材料は、したがって電解質層１は水分を全く必要としない。それゆえ本燃料電池は、電解質層１の水分管理を必要としない極めて簡便なものとなっている。そのうえ、常温よりも高い温度、たとえば２００〜３００℃程度の温度で燃料電池を働かせる場合でも、従来のように電解質層に含まれる水分の蒸散により使用不能に陥ることはないから、本電解質材料を用いてなる燃料電池は、常温だけでなく広い温度帯で作動可能である。
【００３６】
また、燃料電池用電解質材料の両面は、水素イオンのみを透過させる金属薄膜１１，１２によって被覆されているので、水素イオンよりも大きなイオンや原子、分子などは、それを通り抜けることができない。したがって、ダイレクトメタノール方式を採用しているにも関わらず、メタノールは電解質層１を透過することはもちろん、そこに浸入することさえも不可能となっており、この結果、本燃料電池は常時安定的に機能する。
【００３７】
さらに言えば、燃料電池用電解質材料の製造に使用するカーボンナノチューブ（原料）は、その全量が半導電性を示すものであることが好ましいが、導電性を示すものが一部含まれていることがある。しかしながら、本製造方法を用いて燃料電池用電解質材料を得た場合には、その処理過程で、導電性のカーボンナノチューブの物性が変化し、半導電性を示すカーボンナノチューブに変換される。このため、原料に導電性を示すカーボンナノチューブが混じっていても、あるいは全量が導電性を示すカーボンナノチューブであっても、所要の特性を有する燃料電池用電解質材料を効率よく得ることができる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、水素イオンの伝導に水分を必要としない燃料電池用電解質材料が得られ、電解質層の水分管理を必要としない簡便な燃料電池を実現できる。また、本発明の燃料電池は、常温だけでなく広い温度帯で作動可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の構造を示す概略断面図
【図２】一部を拡大して示す、本発明の実施形態に係る燃料電池用電解質材料の概略構造図
【図３】（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施形態に係る燃料電池用電解質材料の製造工程を示す概念図
【符号の説明】
Ｃ                カーボンナノチューブ
１                電解質層
２                第１の電極層（燃料極）
３                第２の電極層（酸素極）
４                第１の支持体
５                第２の支持体
４ａ，５ａ        空隙（溝）
１０                電解質層の本体部
１１                第１の金属薄膜
１２                第２の金属薄膜
１３ａ，１３ｂ      リード線
１４                電子機器
２１                支持体
２２                フッ素系樹脂溶液
２３                型枠
２４                膜状体
２５                加圧板
【図１】
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【図２】
2004349148.tif 000004
【図３】
2004349148.tif 000005