(57)【要約】【課題】手間の掛かる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することである。特に、こうした特長に加えて、ダイレクトメタノール方式を採用した場合でも、メタノールの漏れ出しが起きず、安定的に本来の能力を発揮できる燃料電池セルを提供することである。【解決手段】水素イオン伝導層１と、そ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、これ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、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、これ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５とを具備し、水素イオン伝導層１の主要部が、第１の金属膜４および第２の金属膜５とのみ接触するよう配された水素化フラーレンからなる燃料電池セル。【選択図】　　図１
2004071311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
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
を具備し、
前記水素イオン伝導層の主要部は、前記第１の金属膜および前記第２の金属膜とのみ接触するよう配された水素化フラーレンから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が、第１の金属膜および第２の金属膜によって閉塞され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の金属膜および第２の金属膜は、ランタンと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の電極層は、カーボン粒子と、白金−ルテニウム合金の微粒子との混成物から構成されたものであり、かつ、第２の電極層は、カーボン粒子と、白金微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の電極層との間に水素を流入させるための空隙が形成されるよう、前記第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を流入させるための空隙が形成されるよう、前記第２の電極層を挟んで前記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。
【請求項６】
陽イオン伝導層と、
この陽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の電極層と前記陽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、
前記陽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の電極層と前記陽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
を具備し、
前記陽イオン伝導層の主要部は、前記第１の金属膜および前記第２の金属膜とのみ接触するよう配された、純水と水素化フラーレンとの混合物からなることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項７】
陽イオン伝導層は、純水および水素化フラーレンの混合物と、環状の枠体とを具備してなり、この枠体の二つの開口面が、第１の金属膜および第２の金属膜によって閉塞されてできる閉空間内に、前記純水および水素化フラーレンの混合物を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６に記載の燃料電池セル。
【請求項８】
第１の金属膜および第２の金属膜は、ランタンと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６または請求項７に記載の燃料電池セル。
【請求項９】
第１の電極層は、カーボン粒子と、白金−ルテニウム合金の微粒子との混成物から構成されたものであり、かつ、第２の電極層は、カーボン粒子と、白金微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６〜請求項８のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項１０】
第１の電極層との間に水素を流入させるための空隙が形成されるよう、前記第１の電極層を挟んで陽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を流入させるための空隙が形成されるよう、前記第２の電極層を挟んで前記陽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を特徴とする請求項６〜請求項９のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項１１】
上記請求項２〜請求項５のいずれかに記載の燃料電池セルの製造方法であって、
枠体として、その外周面と内周面とをつなぐ貫通孔が形成されたものを用いるとともに、
前記枠体の二つの開口面が、第１の金属膜および第２の金属膜によって閉塞されるよう、前記枠体に、前記第１の金属膜が形成された第１の電極層および前記第２の金属膜が形成された第２の電極層を張り付ける第１工程と、
この第１工程にて得た積層体における、前記枠体の二つの開口面が前記第１の金属膜および前記第２の金属膜によって閉塞されてできる閉空間内に、前記枠体の貫通孔を経て、前記積層体に振動を加えながら水素化フラーレンを緊密充填する第２工程と、
この第２工程完了後に、前記積層体を構成する枠体の貫通孔を閉塞して、前記水素化フラーレンを密封する第３工程と
を具備することを特徴とする燃料電池セルの製造方法。
【請求項１２】
上記請求項７〜請求項１０のいずれかに記載の燃料電池セルの製造方法であって、
枠体として、その外周面と内周面とをつなぐ貫通孔が形成されたものを用いるとともに、
前記枠体の二つの開口面が、第１の金属膜および第２の金属膜によって閉塞されるよう、前記枠体に、前記第１の金属膜が形成された第１の電極層および前記第２の金属膜が形成された第２の電極層を張り付ける第１工程と、
この第１工程にて得た積層体における、前記枠体の二つの開口面が前記第１の金属膜および前記第２の金属膜によって閉塞されてできる閉空間内に、前記枠体の貫通孔を経て、前記積層体に振動を加えながら純水と水素化フラーレンを充填する第２工程と、
この第２工程完了後に、前記積層体を構成する枠体の貫通孔を閉塞して、前記純水および水素化フラーレンの混合物を密封する第３工程と
を具備することを特徴とする燃料電池セルの製造方法。
【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。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池は、概して、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、そして固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の五つに分けられる。このうち最後のものは、コンパクトで発電効率に優れる上、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鋭意推し進められている。
【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、左右から二つの電極で挟んだ構造となっている。一方の電極、すなわち燃料極側に燃料である水素が供給されると、電極が有する触媒作用によって水素はイオン化され、この水素イオンが電解質層を経てもう一方の電極、すなわち酸素極に至る。ところが、この酸素極側には酸化剤である酸素が供給されているので、水素イオンは、そこで酸素と出会って反応し水を生じる。この反応の際、電子が燃料極側から酸素極側に絶えず移動するため、回路には電流が流れることになる。こうして燃料電池セルは電力を発生させる。
【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、高い発電効率を維持するためには、プラスチック製の電解質層を常時適度な湿潤状態に保つことが不可欠である。だが、この電解質層の水分管理は、細心の注意を要する、非常に手間の掛かるものであって、これが従来型燃料電池セルの取り扱いを著しく困難にしている。
【０００５】
また、これとは別に、次のような問題もある。すなわち燃料電池の使途によっては、燃料極に水素ガスではなく液状のメタノールを直接供給する、ダイレクトメタノール方式の方が好ましい場合がある。このため、現在、ダイレクトメタノール方式の研究も盛んに行われている。だが、従来型の燃料電池セルでは、メタノールを燃料極に直接供給すると、それが電解質層を簡単に透過して、酸素極側に到達してしまうことがある。つまり、液体燃料であるメタノールの漏出によって、燃料電池セルが有効に機能しなくなるといった問題が生じる。
【０００６】
したがって、本発明が解決しようとする課題は、手間の掛かる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することである。特に、こうした特長に加えて、ダイレクトメタノール方式を採用した場合でも、メタノールの漏れ出しが起きず、安定的に本来の能力を発揮できる燃料電池セルを提供することである。
【０００７】
【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、そのためには、電解質層として、これまでとはまったく異なる材料から構成されたものを採用することが絶対不可欠であるとの結論に達した。すなわち電解質層を、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ものによって置き換えることが必須であると考えた。
【０００８】
本発明者は、こうした技術思想に基づいて更に研究を推し進め、その結果、電解質層に相当する部位を、水素イオン伝導層と、これを左右から挟む、水素イオンのみを透過させる二つの金属膜とを備えた構造とし、そして更に、水素イオン伝導層の主要部を、これら二つの金属膜とのみ接触するよう配された水素化フラーレン（Ｃ６０Ｈ３６）の層から構成すればよいことを見出した。
【０００９】
また、同じ技術思想に基づいた研究の所産として、上記電解質層に相当する部位を、陽イオン伝導層と、これを左右から挟む、水素イオンのみを透過させる二つの金属膜とを備えた構造とし、そして更に、陽イオン伝導層の主要部を、これら二つの金属膜とのみ接触するよう配された、純水と水素化フラーレンとの混合物の層から構成すればよいことを見出した。
【００１０】
こうした構造を採用した場合、前者（いわば乾式燃料電池セル）では、水素イオンが、燃料極と酸素極との間に生じる水素濃淡差圧が原動力となって、水素化フラーレン（正確には水素化フラーレンを構成する水素原子）を介して、燃料極側から酸素極側へとスムーズに運ばれていく。ところで、この水素化フラーレンは金属膜とのみ接するよう密封され、したがって水素化フラーレンの層に水分が出入りすることはないから、手間の掛かる電解質層の水分管理は一切不要である。つまり、こうした構造の電解質層を採用することで、極めて簡便な燃料電池セルを提供できるようになる。
【００１１】
しかも、水素化フラーレンの層は、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、それよりも径の大きなイオンや原子、分子が水素化フラーレンの層（水素イオン伝導層）を通り抜けることはできない。したがって、当然ながら、メタノールは水素イオン伝導層に侵入不可能であり、よって本構造の乾式燃料電池セルは、ダイレクトメタノール方式を採用した場合でも、メタノールの漏出が起きず、安定的に本来の能力を発揮することができる。
【００１２】
一方、後者（いわば湿式燃料電池セル）では、水素イオンではなく、陽イオン＜Ｈ３Ｏ＋＞が、燃料極と酸素極との間に生じる水素濃淡差圧が原動力となって、純水と水素化フラーレンとの混合物を介して、燃料極側から酸素極側へとスムーズに運ばれていく。さて、この純水と水素化フラーレンとの混合物も金属膜とのみ接するよう密封され、したがってこの混合物の層に水分が出入りすることはないから、手間の掛かる電解質層の水分管理は一切不要である。要するに、こうした構造の電解質層を採用することでも、極めて簡便な燃料電池セルを提供できるようになる。
【００１３】
その上、純水と水素化フラーレンとの混合物からなる層は、やはり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、それよりも径の大きなイオンや原子、分子が、純水と水素化フラーレンとの混合物の層（陽イオン伝導層）を通り抜けることはできない。したがって、言うまでもなく、メタノールは陽イオン伝導層に侵入不可能であり、よって本構造の湿式燃料電池セルは、ダイレクトメタノール方式を採用した場合でも、メタノールの漏出が起きず、安定的に本来の能力を発揮することができる。なお、この湿式燃料電池セルでは、上述したように水素イオンではなく、Ｈ３Ｏ＋が電解質層中を移動することになるが、酸素極に達すると、このＨ３Ｏ＋は水素イオンと水分子に直ちに分離し、このうち前者が酸素と結合して水になる。よって、見かけ上の機能は、乾式のものと大差はない。
【００１４】
本発明はこうした知見に基づいてなされたものであり、上記の課題は、
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、
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
を具備し、
前記水素イオン伝導層の主要部は、前記第１の金属膜および前記第２の金属膜とのみ接触するよう配された水素化フラーレンから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。
【００１５】
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が、第１の金属膜および第２の金属膜によって閉塞され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、その上、製造作業が容易なものとなる。
【００１６】
第１の金属膜および第２の金属膜としては、ランタンとニッケルの合金（たとえばＬａＮｉ５）から構成された薄膜が挙げられる。一方、第１の電極層としては、カーボン粒子と、白金−ルテニウム合金の微粒子との混成物から構成されたもの（多孔質板）が、また第２の電極層としては、カーボン粒子と、白金微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。
【００１７】
本発明に係る燃料電池セルは、第１の電極層との間に水素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、第１の支持体と第２の支持体とが隣接するよう複数のセルが一列に積層され、この結果、規定の発電能力を持ったスタックが出来上がる。
【００１８】
ひるがえって、上記の課題は、
陽イオン伝導層と、
この陽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の電極層と前記陽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、
前記陽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の電極層と前記陽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
を具備し、
前記陽イオン伝導層の主要部は、前記第１の金属膜および前記第２の金属膜とのみ接触するよう配された、純水と水素化フラーレンとの混合物から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。
【００１９】
なお、先と同じ理由から、上記陽イオン伝導層としては、純水および水素化フラーレンの混合物と、環状の枠体とを具備し、この枠体の二つの開口面が、第１の金属膜および第２の金属膜によって閉塞されてできる閉空間内に、純水および水素化フラーレンの混合物を充填して構成されたものを用いるのが好ましい。
【００２０】
また、本発明においても、第１の金属膜および第２の金属膜としては、ランタンとニッケルの合金（たとえばＬａＮｉ５）から構成された薄膜が挙げられる。一方、第１の電極層としては、カーボン粒子と、白金−ルテニウム合金の微粒子との混成物から構成されたもの（多孔質板）が、また第２の電極層としては、カーボン粒子と、白金微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。
【００２１】
加えて、本発明に係る燃料電池セルでも、第１の電極層との間に水素を流入させるための空隙が形成されるよう、この第１の電極層を挟んで陽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の電極層を挟んで陽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。
【００２２】
先の課題は、水素イオン伝導層が水素化フラーレンの層から構成された上記燃料電池セルの製造方法であって、
枠体として、その外周面と内周面とをつなぐ貫通孔が形成されたものを用いるとともに、
前記枠体の二つの開口面が、第１の金属膜および第２の金属膜によって閉塞されるよう、前記枠体に、前記第１の金属膜が形成された第１の電極層および前記第２の金属膜が形成された第２の電極層を張り付ける第１工程と、
この第１工程にて得た積層体における、前記枠体の二つの開口面が前記第１の金属膜および前記第２の金属膜によって閉塞されてできる閉空間内に、前記枠体の貫通孔を経て、前記積層体に振動を加えながら水素化フラーレンを緊密充填する第２工程と、
この第２工程完了後に、前記積層体を構成する枠体の貫通孔を閉塞して、前記水素化フラーレンを密封する第３工程と
を具備することを特徴とする燃料電池セルの製造方法によって解決される。
【００２３】
また、先の課題は、陽イオン伝導層が、純水と水素化フラーレンとの混合物の層から構成された上記燃料電池セルの製造方法であって、
枠体として、その外周面と内周面とをつなぐ貫通孔が形成されたものを用いるとともに、
前記枠体の二つの開口面が、第１の金属膜および第２の金属膜によって閉塞されるよう、前記枠体に、前記第１の金属膜が形成された第１の電極層および前記第２の金属膜が形成された第２の電極層を張り付ける第１工程と、
この第１工程にて得た積層体における、前記枠体の二つの開口面が前記第１の金属膜および前記第２の金属膜によって閉塞されてできる閉空間内に、前記枠体の貫通孔を経て、前記積層体に振動を加えながら純水と水素化フラーレンを充填する第２工程と、
この第２工程完了後に、前記積層体を構成する枠体の貫通孔を閉塞して、前記純水および水素化フラーレンの混合物を密封する第３工程と
を具備することを特徴とする燃料電池セルの製造方法によって解決される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図４を用いて、本発明の第１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セルの構造を示す概略断面図、図２〜図４は同燃料電池セルの製造手順を示す概略図である。
【００２５】
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、たとえば一般的な一次電池や二次電池（蓄電池）に替わって、各種電子機器の電源として用いられるものである。更に正確に言うと、本燃料電池セルが所定の数だけ一列に積層され、こうして得た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。
【００２６】
本燃料電池セルは、活物質である水素および酸素を、外部から連続的に供給してやることで電力を発生する電気化学的発電装置である。本燃料電池セルに供給される水素としては、メタノールやガソリン、ＬＮＧ（液化天然ガス）、ＬＰＧ（液化石油ガス）などの炭化水素系燃料を改質して得たものが挙げられる。むろん、液化状態あるいは圧搾状態で容器に充填された純粋な水素を使用してもよい。
【００２７】
もう一方の活物質である酸素は、通常、空気中のものを利用することになる。したがって正確に言うと、本燃料電池セルには、燃料である水素とともに空気が供給され、空気中の酸素が水素と反応する。もちろん酸素についても、必要とあれば容器に充填された純粋なものを使用してもよい。更に言えば、本燃料電池セルには、燃料として液状のメタノールを直接供給することもある（ダイレクトメタノール方式が採用された場合）。
【００２８】
さて、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。このうち水素イオン伝導層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。また、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５が設けられている。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の金属膜４、そして第２の金属膜５からなる積層体（通常厚さ数百μｍ程度）が、電解質層としての役割を果たすことになる。
【００２９】
本燃料電池セルは、更に、第１の支持体６と第２の支持体７を具備する。このうち第１の支持体６については、第１の電極層２との間に水素を流入させるための空隙６ａ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７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７ａ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。つまり、第１の支持体６および第２の支持体７はいずれも、一面側にガスを全体に拡散させるための溝が形成されている。なお本実施形態では、これら第１の支持体６および第２の支持体７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ている。
【００３０】
さて、上記構成要素のうち、水素イオン伝導層１の主要部は、第１の金属膜４および第２の金属膜５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１中、１０で示すのが水素化フラーレンの層）と、アルミナなど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。この枠体１１の左右二つの開口面が、第１の金属膜４および第２の金属膜５によって閉塞され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。
【００３１】
なお、後に再び説明するが、枠体１１には、その外周面と内周面とをつなぐ貫通孔１１ａが形成されている。この貫通孔１１ａは、言うまでもなく、水素化フラーレンの微粉末を上記閉空間内に充填するのに用いられるもので、図１の完成状態では完全に閉塞されている。
【００３２】
次に、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、この第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−ルテニウム合金の微粒子との混成物から構成された多孔質状の薄板である。一方、第２の電極層３についても、カーボン粒子と、イオン化触媒機能を持つ白金微粒子との混成物から構成された多孔質状の薄板である。
【００３３】
第１の電極層２には、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が接続されている。ここで第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、第２の電極３は正極として機能する。
【００３４】
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。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ランタンとニッケルの合金、ＬａＮｉ５から構成された薄膜である。これは、第２の金属膜５についても同じである。すなわち、この第２の金属膜５もＬａＮｉ５から出来ており、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、左側から右側へと移動していき、最終的に第２の電極層３に到達することになる。
【００３５】
なお、実際には、上述したように複数の燃料電池セルが一列に積層されるので、第１の支持体６は、図１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）７’と接した状態となる。これに対して第２の支持体７も、図１中、同じく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）６’に接した状態となる。
【００３６】
続いて、図２〜図４を用い、上記構造の燃料電池セルを製造する手順（本燃料電池セルの製造方法）について説明する。
【００３７】
本燃料電池セルの製造に際しては、まず、口の字形の枠体１１と、片面にＬａＮｉ５の薄膜（第１の金属膜４）が形成された第１の電極層２と、同じく片面にＬａＮｉ５の薄膜（第２の金属膜５）が形成された第２の電極層３とを準備する。なお、上述したとおり枠体１１としては、その外周面と内周面とをつなぐ貫通孔１１ａが形成されたものを用いる。
【００３８】
さて、部材が揃ったならば、図２に示すごとく、枠体１１の左右二つの開口面が、第１の金属膜４および第２の金属膜５によって閉塞されるよう、この枠体１１に第１の電極層２および第２の電極層３を張り付ける（第１工程）。更に具体的に言うと、枠体１１の、口の字形の側面にシリコーン１２を塗布し、第１の金属膜４を、したがって第１の電極層２を枠体１１の側面に接着する。また第２の金属膜５、したがって第２の電極層３についても同様にして、枠体１１のもう一方の側面に接着する。これによって、第１の金属膜４と第２の金属膜５とは、枠体１１を介して対向することになる。
【００３９】
この第１工程にて得た積層体には、枠体１１の二つの開口面が第１の金属膜４および第２の金属膜５によって閉塞されることで、閉空間１３が出来るわけであるが、続いては、図３に示すごとく、この閉空間１３内に水素化フラーレンを充填する（第２工程）。詳しくは、積層体に振動を加えながら、枠体１１の貫通孔１１ａを経て、水素化フラーレンを閉空間１３内に注入し、緊密充填する。
【００４０】
更に、この第２工程完了後に、図４に示すごとく、積層体を構成する枠体１１の貫通孔１１ａを、たとえばシリコーン滴を充填するなどして閉塞し、閉空間１３内の水素化フラーレン、すなわち水素化フラーレンの層１０を密封する（第３工程）。以後、支持体など他の必要な部材を取り付けて、図１に示す本燃料電池セルが完成となる。
【００４１】
さて、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。まず活物質である水素および酸素（実際には空気）が本燃料電池セルに供給されると、水素は、第１の電極層２の有する触媒機能によってイオン化され、第１の金属膜４、水素イオン伝導層１、そして第２の金属膜５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、第２の電極層３に至る。そして、水素がイオン化される際に放出した電子は、第１の電極層２に接続されたリード線Ｌ１を用いて構成される外部導通路（外部回路）に流れ込む。
【００４２】
さて、こうして第２の電極層３に到達した水素イオンは、そこで酸素と出会い、更に、第２の電極層３に続されたリード線Ｌ２、すなわち上記外部導通路を経由して供給される電子が、それと結び付き、この結果、かなりの発熱を伴って水（水蒸気）が生じる。こうした一連の反応して付随して、第１の電極層２から第２の電極層３に向かって、外部導通路を電子が連続的に移動するが、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を高いエネルギー効率で作動させる。
【００４３】
このように本実施形態では、電解質層に相当する部位を、水素イオン伝導層１と、これを左右から挟む、水素イオンのみを透過させる二つの金属膜４，５とを備えた構造とし、そして更に、水素イオン伝導層１の主要部を、これら二つの金属膜４，５とのみ接触するよう配された水素化フラーレンの層１０から構成した。この場合、第１の電極層２で発生した水素イオンは、燃料極である第１の電極層２と酸素極である第２の電極層３との間に生じる水素濃淡差圧が原動力となって、水素化フラーレン、正確には水素化フラーレンを構成する水素原子を介して、第１の電極層２側から第２の電極層３側へとスムーズに運ばれていく。
【００４４】
ところで、この水素化フラーレンは金属膜４，５とのみ接するよう密封され、したがって水素化フラーレンの層１０に水分が出入りすることはないから、手間の掛かる電解質層の水分管理が一切不要である。つまり、こうした構造の電解質層を採用したことで、本燃料電池セルは極めて簡便なものとなっている。しかも水素化フラーレンの層１０は、水素イオンのみを透過させる二つの金属膜４，５によって挟み込まれているので、それよりも径の大きなイオンや原子、分子が、この水素化フラーレンの層１０を通り抜けることはできない。したがって、当然ながら、メタノールやその他の被毒物質は、水素イオン伝導層１に侵入不可能であり、よって本燃料電池セルは、ダイレクトメタノール方式を採用した場合でも、メタノールの漏出が起きず、安定的に本来の能力を発揮することができる。
【００４５】
続いて、図５を用い、本発明の第２実施形態について説明する。なお、同図は、本実施形態に係る燃料電池セル（以下、再び本燃料電池セルと言う）の構造を示す概略断面図である。ところで本実施形態に関しても、要部以外の構造は、上記第１実施形態のそれと基本的に同じである。よって以下では、第１実施形態との相違点を中心に解説する。
【００４６】
さて、本燃料電池セルは、主要構成要素として、陽イオン伝導層２１、この陽イオン伝導層２１の一面側に設けられた第１の電極層２２、そして陽イオン伝導層２１の他面側に設けられた第２の電極層２３を具備する。更に陽イオン伝導層２１と第１の電極層２２との間には第１の金属膜２４が、また、陽イオン伝導層２１と第２の電極層２３との間には第２の金属膜２５が設けられている。本燃料電池セルにおいては、事実上、陽イオン伝導層２１、第１の金属膜２４、そして第２の金属膜２５からなる積層体が、電解質層としての役割を果たすことになる。
【００４７】
本燃料電池セルは、更に、第１の支持体２６と第２の支持体２７を具備する。このうち第１の支持体２６については、第１の電極層２２との間に水素を流入させるための空隙２６ａが形成されるよう、第１の電極層２２を挟んで、陽イオン伝導層２１と対向する状態で設けられている。一方、第２の支持体２７については、第２の電極層２３との間に酸素を流入させるための空隙２７ａが形成されるよう、第２の電極層２３を挟んで、陽イオン伝導層２１と対向する状態で設けられている。本実施形態でも、これら第１の支持体２６および第２の支持体２７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ている。
【００４８】
さて、上記構成要素のうち、陽イオン伝導層２１の主要部は、第１の金属膜２４および第２の金属膜２５とのみ接触するよう配された、微量の純水と水素化フラーレンとの混合物から構成されている。更に詳しく言うと、陽イオン伝導層２１は、純水と水素化フラーレンとの混合物（図５中、３０で示すのが純水と水素化フラーレンとの混合物の層）と、アルミナなど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３１とを具備する。この枠体３１の左右二つの開口面が、第１の金属膜２４および第２の金属膜２５によって閉塞されてできる閉空間内に、純水と水素化フラーレンとの混合物を充填することで、陽イオン伝導層２１（したがって電解質層）が出来上がっている。
【００４９】
なお、枠体３１には、その外周面と内周面とをつなぐ貫通孔３１ａが形成されている。この貫通孔３１ａも、純水および水素化フラーレンを上記閉空間内に充填するのに用いられるもので、図５の完成状態では完全に閉塞されている。
【００５０】
次に、陽イオン伝導層２１の一面側に設けられた第１の電極層２２は、水素をイオン化する触媒機能を備え、具体的には、カーボン粒子と、イオン化触媒機能を持つ白金−ルテニウム合金の微粒子との混成物から構成された多孔質状の薄板である。一方、第２の電極層２３についても、カーボン粒子と、イオン化触媒機能を持つ白金微粒子との混成物から構成された多孔質状の薄板である。
【００５１】
第１の電極層２２には、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が接続されている。ここで第１の電極層２２は、負極として機能する。一方、第２の電極層２３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、第２の電極２３は正極として機能する。
【００５２】
第１の電極層２２と陽イオン伝導層２１との間に設けられた第１の金属膜２４は、水素イオンのみを透過させる。具体的に言うと、この第１の金属膜２４は、こうした選択透過性を持つランタンとニッケルの合金、ＬａＮｉ５から構成された薄膜である。また、第２の金属膜２５についてもＬａＮｉ５から出来ており、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２２で生じた水素イオンだけが、図５中、左側から右側へと移動していき、最終的に第２の電極層２３に到達することになる。
【００５３】
なお実際には、複数の燃料電池セルが一列に積層されるので、第１の支持体２６は、図５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）２７’と接した状態となる。これに対して第２の支持体２７も、図５中、同じく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）２６’に接した状態となる。
【００５４】
続いて、上記構造の燃料電池セルを製造する手順（本燃料電池セルの製造方法）について説明する（基本的な作業は上記第１実施形態と同じ）。
【００５５】
本燃料電池セルの製造に際しては、まず、口の字形の枠体３１と、片面にＬａＮｉ５の薄膜（第１の金属膜２４）が形成された第１の電極層２２と、同じく片面にＬａＮｉ５の薄膜（第２の金属膜２５）が形成された第２の電極層２３とを準備する。ただし枠体３１は、その外周面と内周面とをつなぐ貫通孔３１ａが形成されたものである。
【００５６】
さて、部材が揃ったならば、枠体３１の左右二つの開口面が、第１の金属膜２４および第２の金属膜２５によって閉塞されるよう、この枠体３１に第１の電極層２２および第２の電極層２３を張り付ける（第１工程）。更に詳しく言うと、枠体３１の、口の字形の側面にシリコーンを塗布し、第１の金属膜２４を、したがって第１の電極層２２を枠体３１の側面に接着する。また第２の金属膜２５、したがって第２の電極層２３についても同様にして、枠体３１のもう一方の側面に接着する。これによって、第１の金属膜２４と第２の金属膜２５とは、枠体３１を介して対向することになる。
【００５７】
この第１工程にて得た積層体には、枠体３１の二つの開口面が第１の金属膜２４および第２の金属膜２５によって閉塞されて閉空間ができるわけであるが、続いては、この閉空間内に、微量の純水と水素化フラーレンを充填する（第２工程）。詳しくは、積層体に振動を加えながら、枠体３１の貫通孔３１ａを経て、純水と水素化フラーレンを上記閉空間内に注入し、完全にこの閉空間内を満たす。
【００５８】
更に、この第２工程完了後に、積層体を構成する枠体３１の貫通孔３１ａを、たとえばシリコーン滴を充填するなどして閉塞し、閉空間内の、純水と水素化フラーレンとの混合物の層３０を密封する（第３工程）。以後、支持体など他の必要な部材を取り付けて、図５に示す燃料電池セルが完成となる。
【００５９】
さて、上記のごとく構成された本燃料電池セルでも、活物質である水素および酸素（実際には空気）が供給されると、水素は、第１の電極層２２の有する触媒機能によってイオン化され、第１の金属膜２４、陽イオン伝導層２１、そして第２の金属膜２５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、第２の電極層２３に至る。そして、水素がイオン化される際に放出した電子は、第１の電極層２２に接続されたリード線Ｌ１を用いて構成される外部導通路（外部回路）に流れ込む。
【００６０】
さて、こうして第２の電極層２３に到達した水素イオンは、そこで酸素と出会い、更に、第２の電極層２３に続されたリード線Ｌ２、すなわち上記外部導通路を経由して供給される電子が、それと結び付き、この結果、水（水蒸気）が生じる。こうした一連の反応して付随して、第１の電極層２２から第２の電極層２３に向かって、外部導通路を電子が連続的に移動するが、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を高いエネルギー効率で作動させる。
【００６１】
このように本実施形態では、電解質層に相当する部位を、陽イオン伝導層２１と、これを左右から挟む、水素イオンのみを透過させる二つの金属膜２４，２５とを備えた構造とし、そして更に、陽イオン伝導層２１の主要部を、これら二つの金属膜２４，２５とのみ接触するよう配された、純水および水素化フラーレンの混合物の層３０から構成した。この場合、第１の電極層（燃料極）２２で発生した水素イオンは、陽イオン＜Ｈ３Ｏ＋＞の形で、燃料極と酸素極との間に生じる水素濃淡差圧が原動力となって、純水と水素化フラーレンとの混合物を介して、燃料極側から酸素極側へとスムーズに運ばれていく。なお、このＨ３Ｏ＋は、第２の電極層（酸素極）２３に達すると、水素イオンと水分子に直ちに分離し、このうち前者が酸素と結合して水になる。
【００６２】
さて、この純水と水素化フラーレンとの混合物も金属膜２４，２５とのみ接するよう密封され、したがってこの混合物の層３０に水分が出入りすることはないから、手間の掛かる電解質層の水分管理が一切不要である。つまり、こうした構造の電解質層を採用することでも、極めて簡便な燃料電池セルを提供できる。その上、純水と水素化フラーレンとの混合物の層３０は、やはり水素イオンのみを透過させる二つの金属膜２４，２５によって挟み込まれているので、それよりも径の大きなイオンや原子、分子が、純水と水素化フラーレンとの混合物の層３０（陽イオン伝導層２１）を通り抜けることはできない。したがって、言うまでもなく、メタノールやその他の被毒物質は、陽イオン伝導層２１に侵入不可能であり、よって本燃料電池セルは、ダイレクトメタノール方式を採用した場合でも、メタノールの漏出が起きず、安定的に本来の能力を発揮することができる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、手間の掛かる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実現できる。特に、こうした特長に加えて、ダイレクトメタノール方式を採用した場合でも、メタノールの漏れ出しが起きず、安定的に本来の能力を発揮できる燃料電池セルを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池セルの構造を示す概略断面図
【図２】本発明の第１実施形態に係る燃料電池セルの製造手順を示す概略図
【図３】本発明の第１実施形態に係る燃料電池セルの製造手順を示す概略図
【図４】本発明の第１実施形態に係る燃料電池セルの製造手順を示す概略図
【図５】本発明の第２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
２，２２　　　　　第１の電極層（燃料極）
３，２３　　　　　第２の電極層（酸素極）
４，２４　　　　　第１の金属膜
５，２５　　　　　第２の金属膜
６，２６　　　　　第１の支持体
６ａ，２６ａ　　　空隙
７，２７　　　　　第２の支持体
７ａ，２７ａ　　　空隙
１０　　　　　　　　水素化フラーレンの層
１１，３１　　　　　枠体
１１ａ，３１ａ　　　枠体の貫通孔
１２　　　　　　　　シリコーン
１３　　　　　　　　閉空間
２１　　　　　　　　陽イオン伝導層
３０　　　　　　　　純水と水素化フラーレンとの混合物の層
Ｌ１，Ｌ２　　　　　リード線
Ｍ　　　　　　　　　電子機器
【図１】
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【図２】
2004071311.tif 000004
【図３】
2004071311.tif 000005
【図４】
2004071311.tif 000006
【図５】
2004071311.tif 000007