(57)【要約】【課題】電解質層の水分管理を必要としない極めて簡便なダイレクトメタノール型の燃料電池セルを提供することである。また、メタノールが電解質層を透過することがなく、常時安定的に機能するダイレクトメタノール型の燃料電池セルを提供することである。【解決手段】燃料となるメタノールを直接供給するダイレクトメタノール型の燃料電池セルであって、水素化フラーレンからなる水素イオン伝導層１と、この水素イオン伝導層１の一面側に設けられた、水素をイオン化する機能を備えた第１の電極層２と、この第１の電極層２と水素イオン伝導層１との間に設けられた、水素イオンのみを透過させる第１の金属膜４と、この第１の金属膜４と水素イオン伝導層１との間に設けられた、第１の水素脱着触媒層５と、水素イオン伝導層１の他面側に設けられた第２の電極層３と、この第２の電極層３と水素イオン伝導層１との間に設けられた、水素イオンのみを透過させる第２の金属膜６と、この第２の金属膜６と水素イオン伝導層１との間に設けられた、第２の水素脱着触媒層７と、を具備してなる燃料電池セル。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料となるメタノールを直接供給するダイレクトメタノール型の燃料電池セルであって、
水素化フラーレンからなる水素イオン伝導層と、
この水素イオン伝導層の一面側に設けられた、水素をイオン化する機能を備えた第１の電極層と、
この第１の電極層と前記水素イオン伝導層との間に設けられた、水素イオンのみを透過させる第１の金属膜と、
この第１の金属膜と前記水素イオン伝導層との間に設けられた、第１の水素脱着触媒層と、
前記水素イオン伝導層の他面側に設けられた第２の電極層と、
この第２の電極層と前記水素イオン伝導層との間に設けられた、水素イオンのみを透過させる第２の金属膜と、
この第２の金属膜と前記水素イオン伝導層との間に設けられた、第２の水素脱着触媒層と
を具備してなることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
水素イオン伝導層は、水素化フラーレンと環状の枠体とを具備してなり、この枠体の二つの開口面を第１の水素脱着触媒層および第２の水素脱着触媒層によって閉塞してできる閉空間内に、前記水素化フラーレンを緊密充填して構成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
第１の水素脱着触媒層および第２の水素脱着触媒層は、ニッケルを活性アルミナに含浸担持させてなる材料から構成されたものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
第１の金属膜および第２の金属膜は、パラジウムと、マグネシウムおよびニッケルの合金とから構成されたものであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項５】
第１の電極層および第２の電極層は、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セル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は燃料電池セル、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。ことに本発明は、燃料となるメタノールを改質せず、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セルに関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
固体高分子型燃料電池は、数種類ある燃料電池のなかでも、コンパクトで発電効率に優れるうえ比較的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の研究が精力的に推し進められている。とくに、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ものは、システムの大幅な小型化や構造の簡素化が図れることから、たとえば携帯機器用の電力源として、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、燃料電池セルと言う）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分解されて水素イオンを生じる。この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。したがって、水素イオンは酸素極において酸素と反応し水を生じる。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、燃料電池セル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セルには、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セルは、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、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、従来型の燃料電池セルでは、燃料極に供給したメタノールが電解質層を透過して酸素極側に到達してしまうことがあり、これが発電機能の低下を招く原因となっている。
【０００５】
したがって、本発明が解決しようとする課題は、電解質層の水分管理を必要としない極めて簡便なダイレクトメタノール型の燃料電池セルを提供することである。また、メタノールが電解質層を透過することがなく、常時安定的に機能するダイレクトメタノール型の燃料電池セルを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の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、これまでとは全く異なる材料から構成されたもので置き換えることを考えた。すなわち、水分が出入りしないよう密閉された状態で有効に機能する電解質層を採用することが必須であるとの結論に到達した。本発明者は、こうした技術的思想に基づいて更に研究を推し進め、その結果、従来型燃料電池セルにおいて電解質層に相当する部位を、▲１▼水素化フラーレン（たとえばＣ６０Ｈ３６）からなる水素イオン伝導層、▲２▼この水素イオン伝導層を左右から挟む水素脱着触媒層、▲３▼この水素脱着触媒層の外側に位置し、水素イオンのみを透過させる金属膜、を備えた構造とすればよいことを見出した。
【０００７】
燃料電池セルをこのように構成した場合、メタノールから生じた水素イオンは、燃料極と酸素極との間の水素濃淡差圧により、水素イオン伝導層を介して、燃料極から酸素極側へと動いていく。ところで、この水素イオン伝導層を形成する水素化フラーレンは、水素脱着触媒層および金属膜によって密封されており、したがって水素イオン伝導層に水分が出入りすることはない。それゆえ、手間のかかる水分管理は一切不要となる。つまり、こうした構造を採用することで、電解質層の水分管理を必要としない極めて簡便な燃料電池セルを提供できる。
【０００８】
そのうえ、水素イオン伝導層は、水素イオンのみを透過させる二つの金属膜によって挟み込まれているので、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、メタノールは水素イオン伝導層を透過することはもちろん、そこに浸入することすら不可能となっており、この結果、本発明に係る燃料電池セルは常時安定的に機能する。
【０００９】
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、
燃料となるメタノールを直接供給するダイレクトメタノール型の燃料電池セルであって、
水素化フラーレンからなる水素イオン伝導層と、
この水素イオン伝導層の一面側に設けられた、水素をイオン化する機能を備えた第１の電極層と、
この第１の電極層と前記水素イオン伝導層との間に設けられた、水素イオンのみを透過させる第１の金属膜と、
この第１の金属膜と前記水素イオン伝導層との間に設けられた、第１の水素脱着触媒層と、
前記水素イオン伝導層の他面側に設けられた第２の電極層と、
この第２の電極層と前記水素イオン伝導層との間に設けられた、水素イオンのみを透過させる第２の金属膜と、
この第２の金属膜と前記水素イオン伝導層との間に設けられた、第２の水素脱着触媒層と
を具備してなることを特徴とする燃料電池セルによって解決される。
【００１０】
特に、上記水素イオン伝導層としては、水素化フラーレンと環状の枠体とを具備し、この枠体の二つの開口面を第１の水素脱着触媒層および第２の水素脱着触媒層によって閉塞してできる閉空間内に、水素化フラーレンを緊密充填して構成されたものを用いるのが好ましい。こうすることで、セル構造の簡素化が図れ、そのうえ製造作業が容易なものとなる。
【００１１】
上記第１および第２の水素脱着触媒層としては、ニッケルを活性アルミナに含浸担持させてなる材料（Ｎｉ−Ａｌ２Ｏ３）から構成されたものが、また、上記第１および第２の金属膜としては、パラジウムと、マグネシウムおよびニッケルの合金（Ｍｇ２Ｎｉ）とから構成されたものが挙げられる。そしてさらに上記第１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。
【００１２】
本発明に係る燃料電池セルは、第１の電極層との間にメタノールを流入させるための空隙が形成されるよう、この第１の電極層を挟んで水素イオン伝導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の電極層を挟んで水素イオン伝導層と対向する状態で設けられた第２の支持体と、を更に具備してなることが好ましい。この場合、ある燃料電池セルの第１の支持体と別の燃料電池セルの第２の支持体とが隣接するよう複数の燃料電池セルが一列に積層され、規定の発電能力を持ったスタックが形成されることになる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図１を用いて、本発明の一実施形態を具体的に説明する。なお、同図は本実施形態に係る燃料電池セルの構造を示す概略断面図である。本実施形態に係る燃料電池セル（以下、本燃料電池セルと言う）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。
【００１４】
本燃料電池セル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）を燃料極に直接供給し、酸素極には酸素（空気）を供給してやることで機能するよう構成されている。本燃料電池セルは主要構成要素として、水素イオン伝導層１、この水素イオン伝導層１の一面側に設けられた第１の電極層２、そして水素イオン伝導層１の他面側に設けられた第２の電極層３を具備する。
【００１５】
水素イオン伝導層１と第１の電極層２との間には、厚さ数μｍ程度の第１の金属膜４が設けられている。さらに、この第１の金属膜４と水素イオン伝導層１との間には、第１の水素脱着触媒層５が設けられている。つまり、水素イオン伝導層１の一面側には、第１の水素脱着触媒層５、第１の金属膜４、そして第１の電極層２が順に積層されている。こうした点については、水素イオン伝導層１の他面側についても同じである。すなわち、水素イオン伝導層１と第２の電極層３との間にも、厚さ数μｍ程度の第２の金属膜６が設けられている。さらに、この第２の金属膜６と水素イオン伝導層１との間には、第２の水素脱着触媒層７が設けられている。つまり、水素イオン伝導層１の他面側には、第２の水素脱着触媒層７、第２の金属膜６、そして第２の電極層３が順に積層されている。
【００１６】
上記構造を採用した結果、本燃料電池セルにおいては、事実上、水素イオン伝導層１、第１および第２の水素脱着触媒層５，７、そして第１および第２の金属膜４，６からなる積層体が、従来型燃料電池セルにおける電解質層としての役割を果たすことになる。
【００１７】
本燃料電池セルは、上記構成要素に加えてさらに、第１の支持体８および第２の支持体９を具備する。このうち第１の支持体８については、第１の電極層２との間にメタノールを流入させるための空隙（実際には溝）８ａが形成されるよう、第１の電極層２を挟んで、水素イオン伝導層１と対向する状態で設けられている。一方、第２の支持体９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）９ａが形成されるよう、第２の電極層３を挟んで、水素イオン伝導層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８および第２の支持体９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。
【００１８】
水素イオン伝導層１の主要部は、第１の水素脱着触媒層５および第２の水素脱着触媒層７とのみ接触するよう配された水素化フラーレンから構成されている。更に詳しく言うと、水素イオン伝導層１は、水素化フラーレン（図中、１０で示すのが水素化フラーレンの層）と、アルミナなどの絶縁材料からなる口の字形（環状であればいかなる形状でもよい）の枠体１１とを具備する。そして、この枠体１１の左右二つの開口面を、第１および第２の水素脱着触媒層５，７や第１および第２の金属膜４，６によって閉塞してできる閉空間内に、水素化フラーレンを緊密充填することで、水素イオン伝導層１（したがって電解質層）が出来上がっている。
【００１９】
水素イオン伝導層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。第２の電極層３についても同じく、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、セル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Ｌ１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Ｌ２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。
【００２０】
第１の電極層２と水素イオン伝導層１との間に設けられた第１の金属膜４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の金属膜４は、こうした選択透過性を持つ、パラジウムと、マグネシウムおよびニッケルの合金（Ｍｇ２Ｎｉ）とから構成された薄膜である。この点は、第２の金属膜６についても同じである。すなわち第２の金属膜５も、パラジウムと、マグネシウムおよびニッケルの合金と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。
【００２１】
第１の金属膜４と水素イオン伝導層１との間に設けられた第１の水素脱着触媒層５は、ニッケルを活性アルミナに含浸担持させてなる材料（Ｎｉ−Ａｌ２Ｏ３）から構成されている。また、第２の金属膜６と水素イオン伝導層１との間に設けられた第２の水素脱着触媒層７についても、ニッケルを活性アルミナに含浸担持させてなる材料から構成されている。なお、こうした材料の製法や特性については既に公知（たとえば特許第３０６６４９５号公報参照）であるから、詳細な説明は省略する。
【００２２】
本燃料電池セルは、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８は、図中、一点鎖線にて示す他の燃料電池セルが備える支持体（第２の支持体）９’と接した状態となる。これに対して第２の支持体９も、図中、一点鎖線にて示す他の燃料電池セルが備える支持体（第１の支持体）８’に接した状態となる。
【００２３】
上記のごとく構成された本燃料電池セルは、次のように機能する。まず、メタノールおよび酸素を本燃料電池セルに供給すると、第１の電極層２が有する触媒作用によって、メタノールは分解されて水素イオンを生じる。このメタノールから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、水素イオン伝導層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の金属膜４、第１の水素脱着触媒層５、水素イオン伝導層１、第２の水素脱着触媒層７、そして第２の金属膜６を次々に透過して、言い換えれば本燃料電池セルにおける電解質層を透過して酸素極３に達する。酸素極３には酸素が供給されているので、水素イオンはそこで酸素と反応して水を生じる。
【００２４】
ところで、水素がイオン化される際に放出した電子は、リード線Ｌ１，Ｌ２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セル（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Ｍを作動させることができる。
【００２５】
さて、上記構成の本燃料電池セルにあっては、水素イオンを伝達する水素化フラーレンは水素脱着触媒層５，７および金属膜４，６によって密封されており、したがって水素イオン伝導層１には水分が出入りすることはない。よって、手間のかかる水分管理は一切不要であり、本燃料電池セルは、電解質層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。しかも、水素イオン伝導層１は、水素イオンのみを透過させる二つの金属膜４，６によって挟み込まれているので、水素イオンよりも大きなイオンや原子、分子はそれを通り抜けることができない。すなわち、メタノールや被毒物質は水素イオン伝導層１を透過することはもちろん、そこに浸入することすら不可能となっており、したがって本燃料電池セルは、常時安定的に機能する。さらにいえば、本燃料電池セルは、中温域（２５０〜２８０℃）で作動するので、高価な貴金属に替えて安価なニッケル系の材料を多用でき、この結果、コスト削減が図れる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、電解質層の水分管理を必要とせず極めて簡便であり、かつ、メタノールが電解質層を透過することがなく、常時安定的に機能するダイレクトメタノール型の燃料電池セルが得られる。
【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セルの構造を示す概略断面図
【符号の説明】
１              水素イオン伝導層
２              第１の電極層（燃料極）
３              第２の電極層（酸素極）
４              第１の金属膜
５              第１の水素脱着触媒層
６              第２の金属膜
７              第２の水素脱着触媒層
８，８’        第１の支持体
９，９’        第２の支持体
８ａ，９ａ      空隙（溝）
１０              水素化フラーレンの層
１１              枠体
Ｌ１，Ｌ２      リード線
Ｍ              電子機器
【図１】
2004311181.tif 000003