(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無加湿の条件下でプロトン伝導するプロトン伝導体を含む電解質膜が枠体で支持され、
前記プロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料のフラーレン分子を母体としてプロトン解離性の基を導入してなるものである電極モジュール。
【請求項２】
前記電解質膜は結合剤を含んでいる請求項１記載の電極モジュール。
【請求項３】
前記枠体には前記電極膜とのコンタクト部が形成されている請求項１記載の電極モジュール。
【請求項４】
前記枠体が導電体から構成されている請求項１記載の電極モジュール。
【請求項５】
前記枠体と他の電気接続部材とが電気的に接続されてなる請求項４記載の電極モジュール。
【請求項６】
前記枠体が絶縁体から構成されている請求項１記載の電極モジュール。
【請求項７】
前記枠体が外部部材との電気的接触をとるための部分を電極用金属層の一部として設けた請求項６記載の電極モジュール。
【請求項８】
前記枠体は複合材料から形成された請求項１記載の電極モジュール。
【請求項９】
前記複合材料は、少なくともガラス材とエポキシ樹脂とを含んでなる請求項８記載の電極モジュール。
【請求項１０】
無加湿の条件下でプロトン伝導するプロトン伝導体を含む電解質膜を支持する枠体と、
触媒を担持させたポーラスな燃料透過材料膜と、
触媒層と疎水性物質粒を担持させたポーラスな酸素透過材料膜とを備え、
前記プロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料のフラーレン分子を母体としてプロトン解離性の基を導入してなるものであり、
前記燃料透過材料膜と酸素透過材料膜の少なくとも一方の膜が、前記枠体の枠内寸法に対し膜の張られる側は大きく反対側は小さくしてなる電極モジュール。
【請求項１１】
無加湿の条件下でプロトン伝導するプロトン伝導体を含む電解質膜を支持する枠体と、
電解質膜の両側に設けられた電極用の金属層と触媒層と、
触媒を担持させたポーラスな燃料透過材料膜と、
触媒層と疎水性物質粒を担持させたポーラスな酸素透過材料膜とを備え、
前記プロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料のフラーレン分子を母体としてプロトン解離性の基を導入してなるものであり、
前記燃料透過材料膜と酸素透過材料膜の少なくとも一方の膜が、前記枠体の枠内寸法に対し膜の張られる側は大きく反対側は小さくしてなる電極モジュール。
【請求項１２】
無加湿の条件下でプロトン伝導するプロトン伝導体を含む電解質膜を支持する枠体と、触媒を担持させたポーラスな燃料透過材料膜と、触媒層と疎水性物質粒を担持させたポーラスな酸素透過材料膜とを備えた電極モジュールと、
前記電極モジュールの少なくとも片側に冷却水の通路とを備え、
前記電解質膜の前記プロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料のフラーレン分子を母体としてプロトン解離性の基を導入してなるものである燃料電池。
【請求項１３】
無加湿の条件下でプロトン伝導するプロトン伝導体を含む電解質膜を支持する枠体と、電解質膜の両側に設けられた電極用の金属層と触媒層と、触媒を担持させたポーラスな燃料透過材料膜と、触媒層と疎水性物質粒を担持させたポーラスな酸素透過材料膜とを備えた燃料電池の電極モジュールと、
前記電極モジュールの少なくとも片側に形成された冷却用の通路とを備え、
前記電解質膜の前記プロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料のフラーレン分子を母体としてプロトン解離性の基を導入してなるものである燃料電池。
【請求項１４】
前記電極モジュールは、燃料透過材料膜と酸素透過材料膜の少なくとも一方の膜が、前記枠体の枠内寸法に対し膜の張られる側は大きく反対側は小さくしてなる請求項１２又は請求項１３記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記請求項１２又は請求項１３記載の燃料電池を複数層重ね合わせ、筐体内に配置して、与圧プレートを介して前記電解質膜を支持する枠体の部分で圧力をかけて固定してなる電池スタック。
【請求項１６】
前記請求項１２又は請求項１３記載の燃料電池を複数層重ね合わせ、各燃料電池の間に冷却水の通路を形成して筐体内に配置し、与圧プレートを介して前記電解質膜を支持する枠体の部分で圧力をかけて固定してなる電池スタック。
【請求項１７】
空気供給可能な空気側プレートと、
前記空気側プレートに気密性を有して取り付けられ酸素と接触する面を備えた少なくとも一つの電極モジュールと、
前記電極モジュールの前記酸素と接触する面と反対側の面に設けられた燃料側と接触する面を密閉する密閉プレートと、
前記密閉プレートと前記電極モジュールの燃料側と接触する面との間に燃料ガスを注入する注入口を設けてなるセルを備え、
前記電極モジュールは、無加湿の条件下でプロトン伝導するプロトン伝導体を含む電解質膜が枠体で支持されたものであり、
前記プロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料のフラーレン分子を母体としてプロトン解離性の基を導入してなるものである燃料電池。
【請求項１８】
空気供給可能な空気側プレートと、該空気側プレートに気密性を有して取り付けられ酸素と接触する面を備えた少なくとも一つの電極モジュールと、
前記酸素と接触する面と反対側の面に設けられた燃料側と接触する面とからなる構成部材を備え、
前記構成部材の燃料側と接触する面を互いにスペーサを介して対向させ、これら対向面に燃料ガスを供給してなるセルを備え、
前記電極モジュールは、無加湿の条件下でプロトン伝導するプロトン伝導体を含む電解質膜が枠体で支持されたものであり、
前記プロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料のフラーレン分子を母体としてプロトン解離性の基を導入してなるものである燃料電池。
【請求項１９】
空気供給可能な空気側プレートと、該空気側プレートに気密性を有して取り付けられ酸素と接触する面を備えた少なくとも一つの電極モジュールと、
前記酸素と接触する面と反対側の面に設けられた燃料側と接触する面とからなる複数の構成部材を備え、
前記複数の構成部材の燃料側と接触する面を互いに所定間隔で配設されたスペーサを介して対向させて複数列形成し、これら対向面に燃料ガスを供給してなるセルを備え、
前記電極モジュールは、無加湿の条件下でプロトン伝導するプロトン伝導体を含む電解質膜が枠体で支持されたものであり、
前記プロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料のフラーレン分子を母体としてプロトン解離性の基を導入してなるものである燃料電池。
【請求項２０】
前記空気側プレートと、前記電極モジュールと、前記密閉プレートとは、それぞれ所望形状をしており、少なくとも空気側プレート、電極モジュール、密閉プレートが外形形状を概略同じとする請求項１７記載の燃料電池。
【請求項２１】
前記電極モジュールが複数ある場合の複数電極モジュール間の電気的接続は、電極モジュールが張りつけられる空気側プレートの面に設けられた接続用パターンにより成され、電極モジュールを構成する電極膜の一部を前記接続用パターンに接触させ、前記フレームとは反対面に接触するコンタクト機能を備えた支持体を介し、別の電極モジュールの接続用パターンに接触させることによって接続を確保する請求項１７乃至請求項１９のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項２２】
前記電極モジュールの両側位置には、燃料ガス及び空気の通路を備えたセパレータが配設されている請求項１７乃至請求項１９のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項２３】
前記各プレートのうち少なくとも一つはフレキシブルシートである請求項１７乃至請求項１９のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項２４】
前記電解質膜は結合剤を含んでいる請求項１７乃至請求項１９のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項２５】
前記枠体には前記電極膜とのコンタクト部が形成されている請求項１７乃至請求項１９のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項２６】
空気供給可能な空気側プレートと、該空気側プレートに気密性を有して取り付けられ酸素と接触する面を備えた少なくとも一つの電極モジュールと、
前記酸素と接触する面と反対側の面に設けられた燃料側と接触する面とからなる複数の構成部材を備え、
前記複数の構成部材の燃料側と接触する面を互いに所定間隔で配設されたスペーサを介して対向させて複数列を形成し、これら対向面に燃料ガスを加圧して供給し、空気側との気圧差が生じるように構成してなるセルを備え、
前記電極モジュールは、無加湿の条件下でプロトン伝導するプロトン伝導体を含む電解質膜が枠体で支持されたものであり、
前記プロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料のフラーレン分子を母体としてプロトン解離性の基を導入してなるものである燃料電池。
【請求項２７】
前記空気側プレートと、前記電極モジュールとは、それぞれ所望形状をしており、少なくとも空気側プレート、電極モジュールが外形形状を概略同じである請求項２６記載の燃料電池。
【請求項２８】
前記加圧された燃料ガスの供給は、圧力を一定に調節し、燃料ガスの消費による減圧を補うように供給量を制御されてなる請求項２６記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、電極モジュール及び燃料電池並びに電池スタックに係り、特に小さな容量の電池から大容量のものまで、スケーラブルな電池を実現可能な電極モジュール及び燃料電池並びに電池スタックに関する。
【０００２】
【背景技術】
一般に、燃料電池は、セルを複数接続してスタックとし、これに加湿手段を設けて構成している。セルを構成する電極アセンブリ（ＭＥＡ）と称される電極モジュール１０１は、図１で示すように、電解質膜１０２の燃料側につけられたＰｔ等の触媒層１０３、Ｐｔ等の触媒粒を接合面に担持させたポーラスな炭素繊維シート等の燃料１０４及び電解質膜１０２の酸素側（空気側）につけられたＰｔ等の触媒層１０５とポリテトラフルオロエチレン等の疎水性物質粒を接合面に担持させたポーラスで疎水効果を有する炭素繊維シート等の酸素透過材料膜１０６より構成される。
【０００３】
そして、電解質膜１０２には、パーフルオロスルホン酸樹脂｛例えばナフィオン（商標：デュポン社）｝等のイオン交換膜を用いて、水分子の搬送作用でカソード側にプロトンを移送していた。
【０００４】
しかし、電解質膜１０２にパーフルオロスルホン酸樹脂を用いた場合には、パーフルオロスルホン酸樹脂の動作温度の限界が上限８０度程度であること、水を介在する必要があること等の制約があった。このため、燃料ガス及び酸素（空気）は、加湿する必要があり、また燃料電池の運転時には、化学反応により生成水が生じるため、電池として機能させるためには膜の水分管理、燃料ガスの流量の最適化や水のコントロール等の煩雑な管理が必要であった。
【０００５】
燃料電池を用いて発電するためには、燃料電池本体に安定的に燃料ガスを供給するための補助器が必要となっている。例えば、図示しないが、水蒸気を発生させるための水蒸気発生器や、燃料ガスを加湿するための加湿器等が必要である。また、平板型セル構造を有する燃料電池であれば、電池本体に燃料ガスの流れをコントロールし、生成水やガスからの析出水を排除するための圧力差を生じさせる溝形状を有するセパレータ１１０，１１１，１１２が必要であり、燃料電池のコストの低減という点において問題があった。なお、セパレータ１１０とセパレータ１１２との間には、水透過膜１１３が介在される。
【０００６】
【発明の開示】
本発明の目的は、同一モジュールで、小さな容量から大容量の電池までスケーラブルな電池を実現できる電極モジュール及び燃料電池並びに電池スタックを提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、燃料ガスを加湿することなく、ドライな環境や広い動作温度条件で運転可能な電極モジュール及び燃料電池並びに電池スタックを提供することにある。
【０００８】
本発明のさらに他の目的は、大量生産プロセスに好適で、大幅なコスト低減を図ることのできる電極モジュール及び燃料電池並びに電池スタックを提供することにある。
【０００９】
本発明のさらに他の目的は、電極モジュールに無加湿の条件下でプロトン伝導するプロトン伝導体を含む電解質膜を用いて、特性や性能が最適化され、水分（水）やガスの精密なコントロールを不要とする燃料電池を提供することにある。
【００１０】
上述したような目的を達成するために提案される本発明に係る電極モジュールによれば、無加湿の条件下でプロトン伝導するプロトン伝導体を含む電解質膜を枠体で支持した。このように、枠体で電解質膜を保持しているので、薄い膜の取り扱いが容易となる。薄い膜に対し他の膜を積層するときに、膜の取り扱いが容易となる。枠体を他の部材への取付接着面とすることにより、燃料側と酸素側の分離及びシールが確実となる。
【００１１】
このとき、プロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料を母体としてプロトン解離性の基を導入して構成するものである。ここで「プロトン（Ｈ＋）の解離」とは、「電離によりプロトンが（官能基から）離れること」を意味し、「プロトン解離性の基」とは、「プロトンが電離により離脱し得る官能基」を意味する。この炭素を主成分とする炭素質材料を母体としてプロトン解離性の基を導入して構成するために、従来公知のパーフルオロスルホン酸樹脂等のイオン交換膜と異なり、外部からの水分の補給をする必要はなくシステムを簡略にできる。プロトンの伝送に水を介在させないで済むため、ドライな環境で、幅広い温度範囲で使用が可能であり、上記のような所望形状の枠体を利用することにより、各種形状の電気機器の形状に十分対応可能となる。前記炭素質材料は、フラーレン分子であると好適である。また、電解質膜は結合剤を含んで形成するようにしてもよい。
【００１２】
枠体には電極膜とのコンタクト部を形成するとよい。このようにコンタクト部を形成することにより、所定位置での導通を確保することが可能となる。枠体が導電体から構成され、枠体と他の電気接続部材とが電気的に接続されるように構成するとよい。このように構成すると、枠体自体が導通可能となるために、枠体の所望位置で導通を確保することが可能となる。
【００１３】
枠体が絶縁体から構成されている場合、枠体が外部部材との電気的接触をとるための部分を電極用金属層の一部として設けるように構成すると好適である。このように構成すると、枠体自体が絶縁体であるため、電解質膜と枠体との間の絶縁を図る必要がなくなる。
【００１４】
さらに、枠体は、複合材料から形成することが可能であり、この複合材料は、少なくともガラス材とエポキシ樹脂とを含んで構成されると好適である。このように複合材料で構成すると、枠体の軽量化と強度維持を十分に図ることが可能となる。複合材料に使用する材料を選択することにより、枠体に対して他部品との接着、シール機能などを持たせることが可能となる。
【００１５】
電解質膜には電極膜と触媒層がスパッタリング、メッキ、ペースト塗布のいずれかを少なくとも含む膜成形プロセスにより形成すると好適である。電解質膜が枠体により保持されており、且つプロトン伝導体は、フラーレン分子を母体としてプロトン解離性の基を備えて構成しているので、直接電解質膜に対して、スパッタリング、メッキ、ペースト塗布等の膜成形技術を用いることが可能となり、複数層の成膜が容易となる。
【００１６】
さらに、電極膜と触媒層は、交互に積み重ねて少なくとも二層以上の多層膜として構成することもできる。
【００１７】
上述したような目的を達成するために提案される本発明に係る電極モジュールは、無加湿の条件下でプロトン伝導するプロトン伝導体を含む電解質膜を支持する枠体と、触媒を担持させたポーラスな燃料透過材料膜と、触媒層と疎水性物質粒を担持させたポーラスな酸素透過材料膜とを備え、プロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料のフラーレン分子を母体としてプロトン解離性の基を導入してなるものであり、燃料透過材料膜と酸素透過材料膜の少なくとも一方の膜が、枠体の枠内寸法に対し膜の張られる側は大きく反対側は小さくした。
【００１８】
また、上述したような目的を達成するために提案される本発明に係る電極モジュールは、無加湿の条件下でプロトン伝導するプロトン伝導体を含む電解質膜を支持する枠体と、電解質膜の両側に設けられた電極用の金属層と触媒層と、触媒を担持させたポーラスな燃料透過材料膜と、触媒層と疎水性物質粒を担持させたポーラスな酸素透過材料膜とを備え、プロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料のフラーレン分子を母体としてプロトン解離性の基を導入してなるものであり、燃料透過材料膜と酸素透過材料膜の少なくとも一方の膜が、前記枠体の枠内寸法に対し膜の張られる側は大きく反対側は小さくした。
【００１９】
このように電極モジュールを形成すると、枠内に一方の膜が位置することになり、枠内に位置する膜には、直接接触しないように形成することが可能となる。
【００２０】
また、本発明に係る燃料電池は、電解質膜を支持する枠体と、触媒を担持させたポーラスな燃料透過材料膜と、触媒層と疎水性物質粒を担持させたポーラスな酸素透過材料膜と、を備えた電極モジュールと、該電極モジュールの少なくとも片側に冷却水の通路を備えてなる。
【００２１】
より詳しくは、本発明に係る燃料電池は、無加湿の条件下でプロトン伝導するプロトン伝導体を含む電解質膜を支持する枠体と、電解質膜の両側に設けられた電極用の金属層と触媒層と、触媒を担持させたポーラスな燃料透過材料膜と、触媒層と疎水性物質粒を担持させたポーラスな酸素透過材料膜とを備えた電極モジュールと、電極モジュールの少なくとも片側に形成された冷却水の通路とを備え、電解質膜の前記プロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料のフラーレン分子を母体としてプロトン解離性の基を導入してなるものである。
【００２２】
また、本発明に係る燃料電池は、無加湿の条件下でプロトン伝導するプロトン伝導体を含む電解質膜を支持する枠体と、電解質膜の両側に設けられた電極用の金属層と触媒層と、触媒を担持させたポーラスな燃料透過材料膜と、触媒層と疎水性物質粒を担持させたポーラスな酸素透過材料膜とを備えた燃料電池の電極モジュールと、電極モジュールの少なくとも片側に形成された冷却用の通路とを備え、電解質膜のプロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料のフラーレン分子を母体としてプロトン解離性の基を導入してなるものである。
【００２３】
このように燃料電池を形成すると、電極モジュールの外側から冷却することが可能となり、電極モジュールの過熱を防止することが可能となる。
【００２４】
この燃料電池において、電極モジュールは、燃料透過材料膜と酸素透過材料膜の少なくとも一方の膜が、枠体の枠内寸法に対し膜の張られる側は大きく反対側は小さくすると好適である。このように燃料電池を形成すると、枠体内に一方の膜が位置することになり、この枠体内に位置することになる膜とは直接接触しないように形成することが可能となる。
【００２５】
さらに、本発明に係る電池スタックは、本発明に係るいずれかの燃料電池を複数層重ね合わせ、筐体内に配置して、与圧プレートを介して前記電解質膜を支持する枠体の部分で圧力をかけて固定されたものである。
【００２６】
このように電池スタックを形成すると、スタックを圧着するときに、枠体の部分で圧力を受けることが可能となるため、膜自体に圧力が加わるのを防止することが可能となる。
【００２７】
さらにまた、本発明に係る電池スタックは、本発明に係るいずれかの燃料電池を複数層重ね合わせ、各燃料電池の間に冷却水の通路を形成して筐体内に配置し、与圧プレートを介して前記電解質膜を支持する枠体の部分で圧力をかけて固定したものである。
【００２８】
このように電池スタックを形成することにより、前記した燃料電池内の冷却に加えて、１００℃前後になる反応温度による過熱を燃料電池間の冷却を加えることにより、燃料電池の外周側から水冷することができる。
【００２９】
以上のように構成された本発明に係る電極モジュール、燃料電池、電池スタックによれば、同一モジュールを使って小さな容量の電池から、大容量のものまでスケーラブルな電池を実現することが可能となる。この電極モジュールは、生成水や熱の分散、電気的接続や冷却などを最適化する寸法構造とすることが可能であり、大量生産プロセスに向いており、大幅なコスト低減が期待できる。
【００３０】
すなわち、本発明に係る電極モジュール、燃料電池、電池スタックによれば、水分コントロールが簡単であり、電解質膜の強度を維持できるものであり、また１００度で運転するように構成すれば、水分を蒸発させることができる。さらに、形状が安定しているため、加工が容易である。その上、メッキ、塗布、膜としてフィルムで扱えるように構成できる。また電解質膜の表面自体に表面処理加工ができる。そこでは、スパッタリング、微細加工、半導体、エッチング加工等が可能である。
【００３１】
さらにまた、上述したような目的を達成するために提案される本発明に係る燃料電池は、空気供給可能な空気側プレートと、空気側プレートに気密性を有して取り付けられ酸素と接触する面を備えた少なくとも一つの電極モジュールと、電極モジュールの酸素と接触する面と反対側の面に設けられた燃料側と接触する面を密閉する密閉プレートと、密閉プレートと電極モジュールの燃料側と接触する面との間に燃料ガスを注入する注入口を設けてなるセルを備え、電極モジュールは、無加湿の条件下でプロトン伝導するプロトン伝導体を含む電解質膜が枠体で支持されたものであり、プロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料のフラーレン分子を母体としてプロトン解離性の基を導入してなるものである。
【００３２】
また、本発明に係る燃料電池は、空気供給可能な空気側プレートと、空気側プレートに気密性を有して取り付けられ酸素と接触する面を備えた少なくとも一つの電極モジュールと、酸素と接触する面と反対側の面に設けられた燃料側と接触する面とからなる構成部材を備え、構成部材の燃料側と接触する面を互いにスペーサを介して対向させ、これら対向面に燃料ガスを供給してなるセルを備え、電極モジュールは、無加湿の条件下でプロトン伝導するプロトン伝導体を含む電解質膜が枠体で支持されたものであり、プロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料のフラーレン分子を母体としてプロトン解離性の基を導入してなるものである。
【００３３】
さらにまた、本発明に係る燃料電池は、空気供給可能な空気側プレートと、空気側プレートに気密性を有して取り付けられ酸素と接触する面を備えた少なくとも一つの電極モジュールと、酸素と接触する面と反対側の面に設けられた燃料側と接触する面とからなる複数の構成部材を備え、複数の構成部材の燃料側と接触する面を互いに所定間隔で配設されたスペーサを介して対向させて複数列形成し、これら対向面に燃料ガスを供給してなるセルを備えた、電極モジュールは、無加湿の条件下でプロトン伝導するプロトン伝導体を含む電解質膜が枠体で支持されたものであり、プロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料のフラーレン分子を母体としてプロトン解離性の基を導入してなるものである。
【００３４】
このような構成を備える本発明に係る燃料電池は、量産性の高い同一モジュールで種々な容量の電池を構造でき、電池コストの低減を図ることができる。
【００３５】
また、空気側プレートと、電極モジュールと、密閉プレートとは、それぞれ所望形状をしており、少なくとも空気側プレート、電極モジュール、密閉プレートが外形形状を概略同じとすることもできる。
【００３６】
このように構成すると、所定の電気機器、例えばテレビジョン受像機、ビデオテープレコーダ、携帯カメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルカメラ、携帯型や据置型を含むパーソナルコンピュータ、ファクシミリ、携帯電話を含む情報端末、プリンタ、ナビゲーションシステム、その他のＯＡ機器、照明装置、家庭用電気機器等の形状に合わせて、最適な形状の燃料電池を提供することが可能となる。
【００３７】
電極モジュールが複数ある場合の複数電極モジュール間の電気的接続は、電極モジュールが張りつけられる空気側プレートの面に設けられた接続用パターンにより成され、電極モジュールを構成する電極膜の一部を前記接続用パターンに接触させ、フレームとは反対面に接触するコンタクト機能を備えた支持体を介し、別の電極モジュールの接続用パターンに接触させることによって接続を確保すると好適である。これにより、セルをできるだけ薄くし接続の確保することが可能となる。
【００３８】
また、電極モジュールの両側位置には、燃料ガス及び空気の通路を備えたセパレータが配設するようにすると、好適である。これにより、電極モジュール側へ効率よく燃料ガスや空気を供給することが可能となる。
【００３９】
各プレートのうち少なくとも一つはフレキシブルシートで構成してもよい。フレキシブルシートで形成することにより、ある程度の変形荷重に対して耐えうるものとなり、フレキシブルシート側で位置合わせや、組み付け誤差等を吸収することが可能となる。
【００４０】
また、電極モジュールは、無加湿の条件下でプロトン伝導するプロトン伝導体を含む電解質膜を枠体で支持して構成するとよい。このプロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料を母体としてプロトン解離性の基を導入して構成される。ここで「プロトン（Ｈ＋）の解離」とは、「電離によりプロトンが（官能基から）離れること」を意味し、「プロトン解離性の基」とは、「プロトンが電離により離脱し得る官能基」を意味する。なお、炭素質材料は、フラーレン分子であるとよく、電解質膜は結合剤を含んだものでもよい。そして結合剤を用いると、結合剤によって結着され、強度の十分なプロトン伝導体を形成できる。
【００４１】
このように、この炭素を主成分とする炭素質材料を母体としてプロトン解離性の基を導入して構成するために、従来公知のパーフルオロスルホン酸樹脂等のイオン交換膜と異なり、外部からの水分の補給をする必要はなくシステムを簡略にできる。プロトンの伝送に水を介在させないで済むため、ドライな環境で、幅広い温度範囲で使用が可能であり、セパレータを簡素化させることが可能となる。また、枠体には前記電極膜とのコンタクト部が形成されているとよい。このように構成することにより、電気的接続が容易となる。
【００４２】
また、上述したような目的を達成するために提案される本発明に係る燃料電池は、空気供給可能な空気側プレートと、空気側プレートに気密性を有して取り付けられ酸素と接触する面を備えた少なくとも一つの電極モジュールと、酸素と接触する面と反対側の面に設けられた燃料側と接触する面とからなる複数の構成部材を備え、複数の構成部材の燃料側と接触する面を互いに所定間隔で配設されたスペーサを介して対向させて複数列を形成し、これら対向面に燃料ガスを加圧して供給し、空気側との気圧差が生じるように構成してなるセルを備え、電極モジュールは、無加湿の条件下でプロトン伝導するプロトン伝導体を含む電解質膜が枠体で支持されたものであり、プロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料のフラーレン分子を母体としてプロトン解離性の基を導入してなるものである。
【００４３】
このように構成することにより、複層で連続したセルの配設が容易となり、小さな容量から大きな容量まで、スケールの異なる燃料電池を提供することが可能となる。しかも、空気側プレートと、電極モジュールとは、それぞれ所望形状をしており、少なくとも空気側プレート、電極モジュールが外形形状を概略同じとすることにより、電気機器に合わせた燃料電池を提供することが可能となる。
【００４４】
さらに、加圧された燃料ガスの供給は、圧力を一定に調節し、燃料ガスの消費による減圧を補うように供給量を制御するように構成することにより、燃料ガスの使用が進むに連れて、ガス圧が変化しないように構成することが可能となり、出力を一定に保持することが可能となる。
【００４５】
本発明のさらに他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施例の説明から一層明らかにされるであろう。
【００４６】
【発明を実施するための最良の形態】
以下、本発明の一実施の態様を図面に基づいて説明する。
【００４７】
まず。本発明が適用された燃料電池の電極モジュールＥＭを説明する。
【００４８】
電極モジュールＥＭは、図２に示すように、無加湿の条件下でプロトン伝導し得るプロトン伝導体を含む電解質膜１１を所定形状の枠体２０で支持したものである。
【００４９】
本例のプロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料を母体としてプロトン解離性の基を導入して構成される。例えば炭素質材料は、フラーレン分子が好適である。また電解質膜は結合剤を含むように構成することもできる。
【００５０】
次に、枠体２０について、さらに説明する。枠体２０は、図２に示すように、導電体により形成され、上下の両面に金属層１３，１４とのコンタクト部が形成されている。枠体２０は、他の電気接続部材と電気的に接続されている。
【００５１】
枠体２０は、絶縁体により形成するようにしてもよい。この場合、枠体２０は、電解質膜１１の一方の面側に設けられる電極用金属層１４の一部を外部部材との電気的な接触を図るための部分として構成する。
【００５２】
枠体２０は、複合材料から形成することができる。この複合材料は、少なくともガラス材とエポキシ樹脂とを含んで構成すると好適である。
【００５３】
電解質膜１１の両面には、金属層１３，１４と触媒層１５，１６がスパッタリング、メッキ、ペースト塗布のいずれかを少なくとも含む膜成形プロセスにより形成することが可能である。
【００５４】
金属層１３，１４と触媒層１５，１６は、交互に積み重ねて少なくとも二層以上の多層膜として構成することができる。
【００５５】
本発明に係る電極モジュールＥＭは、図２に示すように、電解質膜１１を支持する枠体２０と、触媒を担持させたポーラスな燃料透過材料膜１７と、触媒層と疎水性物質粒を担持させたポーラスな酸素透過材料膜１８とを備える。燃料透過材料膜１７と酸素透過材料膜１８の少なくとも一方の膜は、枠体２０の枠内寸法Ｘに対し膜の張られる側を大きく、反対側を小さく形成されている。このとき電解質膜１１の両側に、電極用の金属層１３，１４と、水素ガスをプロトンに解離させ、そのプロトンの透過をより確実に確保するこが可能となると考えられる触媒層１５，１６を付加させてもよい。
【００５６】
本発明の燃料電池３０は、後述する図１８及び図１９に示すように、電極モジュールＥＭと、この電極モジュールＥＭの少なくとも片側に冷却用の通路を備えて構成される。電極モジュールＥＭは、電解質膜１１を支持する枠体２０と、触媒を担持させたポーラスな燃料透過材料膜１７と、触媒層と疎水性物質粒を担持させたポーラスな酸素透過材料膜１８とから構成される。そして、冷却用セパレータ６３とスペーサ６２により冷却用の通路６４が形成される。
【００５７】
このとき、電極モジュールＥＭは、燃料透過材料膜１７と酸素透過材料膜１８の少なくとも一方の膜が、前記枠体２０の枠内寸法Ｘに対し膜の張られる側は大きく反対側は小さくしている。
【００５８】
また、電池スタック５０は、上記各燃料電池３０を複数層重ね合わせ、筐体５１内に配置して、与圧プレート５４を介して、電解質膜１１を支持する枠体２０の部分で圧力をかけて固定して形成する。
【００５９】
さらに、電池スタック５０は上記各燃料電池３０を複数層重ね合わせ、各燃料電池３０の間に冷却水の通路を形成して筐体５１内に配置し、与圧プレート５４を介して前記電解質膜１１を支持する枠体２０の部分で圧力をかけて固定して構成する。
【００６０】
【実施例】
以下、本発明のさらに具体的な実施例を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する部材，配置等は本発明を限定するものでなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
【００６１】
前述したように、本例の燃料電池の電極モジュールＥＭは、図２及び図３に示すように、無加湿の条件下でプロトン伝導し得るプロトン伝導体を含む電解質膜１１を所定形状の枠体２０で支持したものである。本例のプロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料を母体としてプロトン解離性の基を導入して構成される。例えば炭素質材料は、フラーレン分子であるとよく、また電解質膜は結合剤を含んだものでもよい。
【００６２】
プロトン伝導体として、ポリ水酸化フラーレンＣ６０（ＯＨ）１２は、図４Ａ、図４Ｂに示すように、フラーレンに複数の水酸基を付加した構造を持ったものの総称であり、通称「フラレノール（Ｆｕｌｌｅｒｅｎｏｌ）」と呼ばれている。当然のことながら、フラレノールは１９９２年にＣｈｉａｎｇらによって最初に合成例が報告された（Ｃｈｉａｎｇ，Ｌ．Ｙ．；  Ｓｗｉｒｃｚｅｗｓｋｉ，Ｊ．Ｗ．；Ｈｓｕ，Ｃ．Ｓ．；Ｃｈｏｗｄｈｕｒｙ，Ｓ．Ｋ．；Ｃａｍｅｒｏｎ，Ｓ．；Ｃｒｅｅｇａｎ，Ｋ．Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ，Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍｕｎ．１９９２，１７９１）。以来、一定量以上の水酸基を導入したフラレノールは、特に水溶性である特徴が注目され、主にバイオ関連の技術分野で研究されてきた。
【００６３】
フラレノールは、図５Ａで概略図示するように凝集体とし、近接し合ったフラレノール分子（図中、○はフラーレン分子を示す。）の水酸基同士に相互作用が生じるようにする。この凝集体はマクロな集合体として高いプロトン伝導特性（換言すれば、フラレノール分子のフェノール性水酸基からのＨ＋の解離性）を発揮する。
【００６４】
プロトン伝導体は、上記フラレノール以外に、たとえば複数の−ＯＳＯ３Ｈ基をもつフラーレンの凝集体をプロトン伝導体として用いるものでもよい。ＯＨ基がＯＳＯ３Ｈ基と置き換わった図５Ｂに示すようなポリ水酸化フラーレン、すなわち硫酸水素エステル化フラレノールは、やはりＣｈｉａｎｇらによって１９９４年に報告されている（Ｃｈｉａｎｇ，Ｌ．Ｙ．；Ｗａｎｇ，Ｌ．Ｙ．；Ｓｗｉｒｃｚｅｗｓｋｉ，Ｊ．Ｗ．；Ｓｏｌｅｄ，Ｓ．；Ｃａｍｅｒｏｎ，Ｓ．Ｊ．Ｏｒｇ．Ｃｈｅｍ．１９９４，５９，３９６０）。硫酸水素エステル化されたフラーレンには、一つの分子内にＯＳＯ３Ｈ基のみを含むものもあるし、あるいはこの基と水酸基をそれぞれ複数、もたせたものでもよい。
【００６５】
上述したフラーレン誘導体を多数凝集させた時、それがバルクとして示すプロトン伝導性は、分子内に元々含まれる大量の水酸基やＯＳＯ３Ｈ基に由来するプロトンが移動に直接関わるため、雰囲気から水蒸気分子などを起源とする水素、プロトンを取り込む必要はなく、また、外部からの水分の補給、とりわけ外気より水分等を吸収する必要もなく、雰囲気に対する制約はない。また、これらの誘導体分子の基体となっているフラーレンは、特に求電子性の性質を持ち、このことが酸性度の高いＯＳＯ３Ｈ基のみならず、水酸基等においても水素イオンの電離の促進に大きく寄与していると考えられる。
【００６６】
また、一つのフラーレン分子中にかなり多くの水酸基およびＯＳＯ３Ｈ基等を導入することができるため、伝導の関与するプロトンの伝導体体積あたりの数密度が非常に多くなる。
【００６７】
本例のプロトン伝導体は、その殆どが、フラーレンの炭素原子で構成されているため、重量が軽く、変質もし難く、また汚染物質も含まれていない。フラーレンの製造コストも急激に低下しつつある。資源的、環境的、経済的にみてフラーレンは他のどの材料にもまして、理想に近い炭素系材料であると考えられる。
【００６８】
さらに、プロトン解離性の基は、前述した水酸基やＯＳＯ３Ｈ基に限定する必要はない。即ち、この解離性の基は、式−ＸＨで表され、Ｘは２価の結合手段を有する任意の原子もしくは原子団であればよい。さらには、この基は、式−ＯＨ又は−ＹＯＨで表わされ、Ｙは２価の結合手を有する任意の原子もしくは原子団であればよい。
【００６９】
具体的には、プロトン解離性の基としては、前記−ＯＨ、−ＯＳＯ３Ｈ以外に−ＣＯＯＨ、−ＳＯ３Ｈ、−ＯＰＯ（ＯＨ）２のいずれかが好ましい。
【００７０】
さらに、本例では、フラーレン分子を構成する炭素原子に、プロトン解離性の基とともに、電子吸引基、たとえば、ニトロ基、カルボニル基、カルボキシル基、ニトリル基、ハロゲン化アルキル基、ハロゲン原子（フッ素、塩素など）などが導入されていることが好ましい。図５Ｃに、−ＯＨの外にＺを導入したフラーレン分子を示す。このＺは、具体的には、−ＮＯ２、−ＣＮ、−Ｆ、−Ｃｌ、−ＣＯＯＲ、−ＣＨＯ、−ＣＯＲ、−ＣＦ３、−ＳＯ３ＣＦ３などである。ここで、Ｒはアルキル基を表わす。このように電子吸引基が併存していると、その電子吸引効果のために、上記プロトン解離性の基からプロトンが解離し易くなる。
【００７１】
但し、フラーレン分子に導入するプロトンを解離し得る基の数は、フラーレン分子を構成する炭素数の範囲内で任意でよいが、望ましくは５個以上とするのがよい。なお、フラーレンのπ電子性を残し、有効な電子吸引性を出すためには、上記基の数は、フラーレンを構成する炭素数の半分以下が好ましい。
【００７２】
プロトン伝導体に用いるフラーレン誘導体を合成するには、フラーレン分子の粉末に対し、たとえば酸処理や加水分解等の公知の処理を適宜組み合わせて施すことにより、フラーレン分子の構成炭素原子に所望のプロトン解離性の基を導入すればよい。
【００７３】
より具体的に述べるならば、ポリ水酸化フラーレンの合成は、文献（Ｃｈｉａｎｇ，Ｌ．Ｙ．；Ｗａｎｇ，Ｌ．Ｙ．；Ｓｗｉｒｃｚｅｗｓｋｉ，Ｊ．Ｗ．；Ｓｏｌｅｄ，Ｓ．；Ｃａｍｅｒｏｎ，Ｓ．Ｊ．Ｏｒｇ．Ｃｈｅｍ．１９９４，５９，３９６０）を参考にしておこなった。Ｃ７０を約１５％含むＣ６０／Ｃ７０フラーレン混合物の粉末２ｇを発煙硫酸３０ｍｌ中に投じ、窒素雰囲気中で６０℃に保ちながら３日間攪拌した。得られた反応物を、氷浴内で冷やした無水ジエチルエーテル中に少しずつ投下し、その沈澱物を遠心分離で分別し、さらにジエチルエーテルで３回、およびジエチルエーテルとアセトニトリルの２：１混合液で２回洗浄したあと、４０℃にて減圧中で乾燥させた。さらに、この乾燥物を６０ｍｌのイオン交換水中に入れ、８５℃で窒素によるバブリングを行いながら１０時間攪拌した。反応生成物は遠心分離によって沈澱物を分離し、この沈澱物をさらに純水で数回洗浄し、遠心分離を繰り返した後に、４０℃で減圧乾燥した。このようにして得られた茶色の粉末のＦＴ−ＩＲ測定を行ったところ、上記文献に示されているＣ６０（ＯＨ）１２のＩＲスペクトルとほぼ一致し、この粉末が目的物質であるポリ水酸化フラーレンと確認された。
【００７４】
またポリ水酸化フラーレン凝集ペレットの製造は、次に、このポリ水酸化フラーレンの粉末９０ｍｇをとり、直径１５ｍｍの円形ペレット状になるように一方方向へのプレスを行った。この時のプレス圧は約７トン／ｃｍ２であった。その結果、このポリ水酸化フラーレンの粉末は、バインダー樹脂等を一切含まないにも関わらず成形性に優れており、容易にペレット化することができた。そのペレットは厚みが約３００ミクロンである。
【００７５】
ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル（全エステル化）の合成も、同様に前記の文献を参考にしておこなった。ポリ水酸化フラーレンの粉末１ｍｇを６０ｍｌの発煙硫酸中に投下し、室温にて窒素雰囲気下で３日間攪拌した。得られた反応物を、氷浴内で冷やした無水ジエチルエーテル中に少しずつ投下し、その沈澱物を遠心分離で分別し、さらにジエチルエーテルで３回、およびジエチルエーテルとアセトニトリルの２：１混合液で２回洗浄した後、４０℃にて減圧下で乾燥させた。このようにして得られた粉末のＦＴ−ＩＲ測定を行ったところ、前記文献中に示されている、全ての水酸基が硫酸水素エステル化されたもののＩＲスペクトルとほぼ一致し、この粉末が目的物質であると確認できた。
【００７６】
また、ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル凝集ペレットの製造は、ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステルの粉末７０ｍｇをとり、直径１５ｍｍの円形ペレット状になるように一方方向へのプレスを行った。この時のプレス圧は約７トン／ｃｍ２であった。その結果、この粉末はバインダー樹脂等を一切含まないにも関わらず、成形性に優れており、容易にペレット化することができた。このペレットは厚みが約３００ミクロンである。
【００７７】
さらに、ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル（部分エステル化）の合成は、Ｃ７０を約１５％含むＣ６０／Ｃ７０フラーレン混合物の粉末２ｇを発煙硫酸３０ｍｌ中に投じ、窒素の雰囲気中にて、６０℃に保ちながら３日間攪拌した。得られた反応物を、氷浴内で冷やしたジエチルエーテル中に少しずつ投下した。ただし、この場合のジエチルエーテルは脱水処理を行っていないものを用いた。得られた沈澱物を遠心分離で分別し、さらにジエチルエーテルで３回、およびジエチルエーテルとアセトニトリルの２：１混合液で２回洗浄した後、４０℃にて減圧下で乾燥させた。このようにして得られた粉末のＦＴ−ＩＲ測定を行ったところ、前記文献に示されている、部分的に水酸基とＯＳＯ３Ｈ基を含むフラーレン誘導体のＩＲスペクトルとほぼ一致し、この粉末が目的物質であると、確認できた。
【００７８】
さらにまた、ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル凝集ペレットの製造は、一部が硫酸水素エステル化されたポリ水酸化フラーレンの粉末８０ｍｇをとり、直径１５ｍｍの円形ペレット状になるように一方方向へのプレスを行った。この時のプレス圧は約７トン／ｃｍ２であった。その結果、この粉末はバインダー樹脂等を一切含まないにも関わらず成形性に優れており、容易にペレット化することができた。このペレットは厚みが約３００ミクロンであった。
【００７９】
なお、上記の例では、プロトン伝導体の膜としては、ポリ水酸化フラーレンでできた膜を用いたが、プロトン伝導体の膜はこれに限定されるものではない。ポリ水酸化フラーレンは、フラーレン分子を母体とし、その構成炭素原子に水酸基を導入したものであるが、母体としてはフラーレン分子に限らず炭素を主成分とする炭素質材料であればよい。
【００８０】
この炭素質材料には、炭素原子が、炭素−炭素間結合の種類を問わず、数個から数百個結合して形成されている集合体である炭素クラスターや、チューブ状炭素質（通称カーボンナノチューブ）が含まれてよい。
【００８１】
前者の炭素クラスターには、図６で示されるような、炭素原子が多数個集合してなる、球体又は長球、又はこれらに類似する閉じた面構造を有する種々の炭素クラスターがある。また、図７で示されるような、それらの炭素クラスターの球構造の一部が欠損し、構造中に開放端を有する炭素クラスター、図８で示すような、大部分の炭素原子がＳＰ３結合したダイヤモンド構造を持つ炭素クラスター、さらには図９で示すような、これらのクラスターどうしが種々に結合した炭素クラスターが含まれていてよい。
【００８２】
この種の母体に導入する基としては、水酸基に限らず、−ＸＨ、より好ましくは−ＹＯＨで表されるプロトン解離性の基であればよい。ここでＸ及びＹは２価の結合手を有する任意の原子若しくは原子団であり、Ｈは水素原子、Ｏは酸素原子である。具体的には、前記−ＯＨ以外に、硫酸水素エステル基−ＯＳＯ３Ｈ、カルボキシル基−ＣＯＯＨ、他に−ＳＯ３Ｈ、−ＯＰＯ（ＯＨ）２のいずれかであることが好ましい。
【００８３】
ここで、前記プロトン伝導体として、前記フラーレン誘導体を用いた場合、このプロトン伝導体が実質的にフラーレン誘導体のみからなるか、或いは結合剤によって結着されていることが好ましい。そしてフラーレン誘導体を加圧成形して得られる膜状の前記フラーレン誘導体のみから電解質膜を形成したり、結合剤によって結着されているフラーレン誘導体をプロトン伝導体として用いてもよい。このように結合剤を用いると、結合剤によって結着され、強度の十分なプロトン伝導体を形成できる。
【００８４】
ここで、結合剤として使用可能な高分子材料としては、公知の成膜性を有するポリマーの１種又は２種以上が用いられ、そのプロトン伝導体中の配合量は、通常、４０重量％以下に抑える。４０重量％を越えると、水素イオンの伝導性を低下させるおそれがあるからである。
【００８５】
このような構成のプロトン伝導体も、前記フラーレン誘導体をプロトン伝導体として含有するので、前記した実質的にフラーレン誘導体のみからなるプロトン伝導体と同様の水素イオン伝導性を発揮することができる。
【００８６】
しかも、フラーレン誘導体単独の場合と違って高分子材料に由来する成膜性が付与されており、フラーレン誘導体の粉末圧縮成形品に比べ、強度が大きく、かつガス透過防止能を有する柔軟なイオン伝導性薄膜（厚みは通常３００μｍ以下）として用いることができる。
【００８７】
なお、前記高分子材料としては、水素イオンの伝導性をできるだけ阻害（フラーレン誘導体との反応による）せず、成膜性を有するものなら、特に限定はしない。通常は電子伝導性をもたず、良好な安定性を有するものが用いられる。その具体例を挙げると、ポリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコールなどがあり、これらは次に述べる理由からも、好ましい高分子材料である。
【００８８】
まず、ポリフルオロエチレンが好ましいのは、他の高分子材料に比べ、少量の配合量で強度のより大きな薄膜を容易に成膜できるからである。この場合の配合量は、３重量％以下、好ましくは０．５〜１．５重量％と少量ですみ、薄膜の厚みは通常、１００μｍから１μｍまでと薄くできる。
【００８９】
また、ポリフッ化ビニリデンやポリビニルアルコールが好ましいのは、より優れたガス透過防止能を有するイオン伝導性薄膜が得られるからである。この場合の配合量は５〜４０重量％の範囲とするのがよい。
【００９０】
ポリフルオロエチレンにせよ、ポリフッ化ビニリデンやポリビニルアルコールにせよ、それらの配合量が上述したそれぞれの範囲の下限値を下回ると、成膜に悪影響を及ぼすことがある。
【００９１】
本発明に用いる各フラーレン誘導体が結合剤によって結着されてなるプロトン伝導体の薄膜を得るには、加圧形成や押出し成形を始め、公知の成膜法を用いればよい。
【００９２】
さらに、プロトン伝導体は、ポリ塩化ビニル、塩化ビニル系共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエチレンオキサイド、ポリフェニレンオキサイド、パーフルオロスルホン酸系樹脂及びこれらの誘導体からなる群より選ばれる少なくとも１種の樹脂と、フラーレン誘導体とを含有して形成することも可能である。
【００９３】
この場合、前記樹脂の含有量は、５０重量％以下が好ましく、この含有量が５０重量％を越えると、プロトンの伝導性を低下させる恐れがあるからである。
【００９４】
上述のようにプロトン伝導体が、前記樹脂を含有するように構成すると、成形性を有し、より強度の高い薄膜化を実現することが可能となる。従って、膜強度及びガス透過防止能に優れ、かつ耐酸性及び耐熱性等の良好な薄膜として用いることができる。
【００９５】
ポリ塩化ビニル及びポリ塩化ビニル系共重合体は、耐酸性に優れており、また耐熱性も良好であり、望ましい樹脂である。ここで、塩化ビニル系共重合体は、塩化ビニル−塩化ビニリデン共重合体及び塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体など、塩化ビニルと共重合性モノマーとの共重合体である。
【００９６】
ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンオキサイド及びポリフェニレンオキサイドは、耐酸性の良好な樹脂である。
【００９７】
ポリカーボネートは透明性の非結晶樹脂であり、耐熱性及び低温特性に優れており、広い温度範囲における使用に耐えられる。また、耐衝撃性にも優れている。
【００９８】
パーフルオロスルホン酸系樹脂は、耐酸性及び耐熱性に優れ、また耐候性の良好な樹脂なので、過酷な温度や長期にわたる光線曝露下でも、その特性に大きな変化はもたらさない。
【００９９】
このようにプロトン伝導体に前記樹脂を含有させると、プロトン（Ｈ＋）の解離によって、プロトン伝導体の酸性度が著しく大きくなった場合においても、酸化劣化し難く、耐久性に優れており、プロトン伝導性薄膜として好適に用いることができ、さらには常温を含む広い温度域にわたって高伝導性を発揮することが可能である。
【０１００】
また、プロトン伝導体は、ゾルゲル法により作成したプロトン（水素イオン）の高伝導性ガラスであってもよい。この高伝導性ガラスは、例えば、リン酸−ケイ酸塩（Ｐ２Ｏ５−ＳｉＯ２）系ガラスであり、金属アルコキシド原料を加水分解しゲルを作製、５００−８００度で加熱しガラスとして作成できる。このガラスには２ナノメートル程度の微細孔があり、そこに水分が吸着され、プロトンの移動が促進されるものである。
【０１０１】
さらに、プロトン伝導体は、有機無機ハイブリッドイオン交換膜であってもよい。これは、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）やポリプロピレンオキサイド（ＰＰＯ）、ポリテトラメチレンオキサイド（ＰＴＭＯ）などとシリカが分子レベルで結合した複合膜であり、モノドテシルフォスフェート（ＭＤＰ）や１、２−タングストリン酸（ＰＷＡ）などをプロトン伝導性供与剤としてドープしたものである。
【０１０２】
また、プロトン伝導体は、自己加湿型電解質膜であってもよい。この膜は、例えば図１０で示すように、膜中に極微量の白金超微粒子触媒と酸化物、例えばＴｉＯ２やＳｉＯ２等の超微粒端子を高分散させている。クロスオーバーしてくる水素と酸素を逆用して白金触媒上で水を生成させ、その生成水を酸化物超微粒子に吸着保水させることにより、膜を内部から加湿して含水率を高く保つものである。そして、粒径１〜２ｎｍ極微量の白金超微粒子（０．０９ｍｇ／ｃｍ２）と粒径５ｎｍのＴｉＯ２超微粒子（乾燥Ｎａｆｉｏｎ重量の３％）を高分散したＰｔ−ＴｉＯ２分散膜を電解質に用いると、完全に外部無加湿の状態でも、きわめて安定で高性能（０．４〜０．６Ｖで約０．６Ｗ／ｃｍ２）な電池運転が可能になる。
【０１０３】
上述のいずれの変形例によっても、プロトンの伝導に加湿が不要であり、本発明における効果には変わりはない。
【０１０４】
以上のように、電解質膜として、無加湿の条件下でプロトン伝導し得るプロトン伝導体を含む電解質膜１１を使用すると、水素ガスの加湿が不要であり、加湿器を設ける必要がなく、加湿器のための設置スペースを設けることがないため、セパレータを複雑な形状とする必要がなく、燃料電池をコンパクトな構成とすることが可能である。
【０１０５】
上述したプロトン伝導体を含む電解質膜を用いた燃料電池の電極モジュールＥＭについて、より具体的に説明する。
【０１０６】
本例の燃料電池の電極モジュールＥＭは、図２に示すように、電解質膜１１と、この電解質膜１１を支持する枠体２０とを備えている。本例では、説明の便宜上、上方側を燃料側とし、下側を酸素側とするが、酸素側と燃料側とは構成を逆にすることも可能である。
【０１０７】
枠体２０は、図３に示すようなドーナツ状の枠体、又は図１１に示すような矩形状の枠体、その他の形状の枠体、例えば多角形状や、自由外形形状で構成することができる。このように枠体２０の形状については、燃料電池の電極モジュールＥＭを適用する電気機器（不図示）に合わせた形状を適宜選択できるようにすることによって、所定の電気機器、例えば、テレビジョン受像機、ビデオテープレコーダ、携帯型ビデオカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルカメラ、携帯型や据置型を含むパーソナルコンピュータ、ファクシミリ、携帯電話を含む情報端末、プリンタ、ナビゲーションシステム、その他のＯＡ機器、照明装置、家庭用電気機器等の形状により適合したものとすることができる。枠体２０の厚さは、本例では０．２〜０．３ｍｍのものを用いているが、これに限らず、より薄い方が好ましい。
【０１０８】
枠体２０の材質は、金属材料、複合材料、積層材料等を用いることができる。金属材料としては非鉄金属であるアルミニウム、鉄系金属、各種合金材料からなるものを用いることができる。
【０１０９】
複合材料としては、ガラス材料とエポキシ樹脂とからなるもの、合成樹脂と各種金属粉末とからなるもの、強化プラスチック、エンジニアリングプラスチック等各種の複合材料を用いることが出来る。
【０１１０】
積層構造としては、導電性材料の層、非導電性材料の層、半導体の層等を複数層にしたもの等の構造とすることが出来る。
【０１１１】
上述したいずれの材料等においても、枠体２０そのものが導電性を有するように形成したり、非導電性或いは絶縁性としたりすることが可能である。
【０１１２】
この枠体２０には、図２に示すように、電解質膜１１が貼着される。本例では、電解質膜１１を枠体２０の形状に形成して一定のテンションを持たせて、枠体２０の片側に接着剤を塗布し、貼着している。枠体２０と電解質膜１１との接合は、枠体２０に電解質膜１１を貼着した後で、枠体２０の外形形状に合わせて、電解質膜１１を切断してもよい。さらに、電解質膜１１を湿式等により離型シート上に塗布し、成型後に枠体２０上に移すプロセスをとってもよい。このように、枠体２０という構造体に電解質膜１１を張ることにより薄い膜の取り扱いが容易になる。
【０１１３】
枠体２０に電解質膜１１を貼着するとき、接着剤１２として絶縁性のものを用いることにより、枠体２０と電解質膜１１との間の絶縁を図ることができる。また同時に、接着剤１２によりシール性を確保することができる。
【０１１４】
電解質膜１１の上下の両面には、図２に示すように、電極用の金属層１３，１４と触媒層１５，１６が付けられる。触媒層１５，１６は、水素ガスをプロトンに解離させ、そのプロトンを透過させると考えられている。なお。詳細なメカニズムは、確定していない。本例における金属層１３，１４と触媒層１５，１６の形成は、主としてスパッタリングにより行われる。
【０１１５】
しかし、金属層１３，１４と触媒層１５，１６の形成は、スパッタリングだけでなく、各種の成膜手段を利用することが可能である。例えば、電極用の金属層１３，１４は、導電性を高めるためメッキやペースト塗布の膜成形プロセスを用いることもできる。
【０１１６】
本例の電極用の金属層１３，１４は、例えば、およそ１００ｎｍの厚さで成膜され、触媒層１５，１６は、およそ２０ｎｍの厚さで成膜される。そして、これらの電極用の金属層１３，１４と触媒層１５，１６を交互に積み重ねて多層膜とすることもできる。
【０１１７】
また、電極用の金属層１３，１４を格子パターン状に積み重ね、部分的に厚みを増やすように構成する。このように、金属層１３，１４は水素の透過を妨げないようにパターン形成する。上述のように部分的に厚みを増やすと、導電性を上げることが可能となるだけでなく、水素ガスをプロトンに解離させ、そのプロトンの透過をより確実に確保することが可能となると考えられる。
【０１１８】
電極用の金属層１３，１４としては、各種伝導性の金属を用いることが可能であるが、望ましくは金（Ａｕ）がよい。また触媒層１５，１６としてはプラチナ（Ｐｔ）が好ましい。
【０１１９】
電極用の金属層１３，１４と触媒層１５，１６の付けられた電解質膜１１には、図２に示すように、ポーラスな構造を持つ機能シート層（炭素繊維シート等、以下「シート層」という。）１７，１８が両側（燃料側と酸素側）に付けられる。このシート層１７，１８は、電極用の金属層１３，１４の保持、強度向上のための機能と、それぞれのガス（水素、酸素）を分散的に、より良く触媒に送り電気化学反応を起こしやすく、且つ生成物（水）を除去する機能を有する。
【０１２０】
酸素側のシート層１８の電解質膜１１側における接着面側には、酸素用触媒を担持しておくことにより、効率よく酸素イオンと送られてきたプロトンとを反応させることが可能である。さらに、この面にはポリテトラフルオロエチレン等の疎水性コーティングがなされ、生成された水を接合面付近より汲み出し、シート層中に分散させ、シート層の表面より逃がす働きをする。
【０１２１】
電極モジュールＥＭは、前述した２つのシート層１７，１８と、電極用の金属層１３，１４と触媒層１５，１６の付けられた電解質膜１１を圧接して一体として形成される。これらの圧接は、５０−１００ｋｇ／ｃｍ２程度で行われる。このとき、各膜自体に直接力が掛からないように、枠体２０の内側の寸法に対し片側は大きく片側は小さく寸法をとっている。
【０１２２】
すなわち、燃料透過材料膜（シート層１７等）と酸素透過材料膜（シート層１８等）の少なくとも一方の層が、電極モジュールＥＭを構成する枠体２０の枠内寸法に対し電解質膜１１の張られる側は大きく反対側は小さくして形成されている。本例では、図２で示すように、一方の膜として、酸素側である金属層１４、触媒層１６、シート層１８が、枠体２０内の空間に位置するように、寸法Ｘ内に入るように形成し、他方の膜として、燃料側の膜である金属層１３、触媒層１５、シート層１７が電解質膜１１の張られる側に位置するように形成している。従って、本例では、燃料側の膜である金属層１３、触媒層１５、シート層１７が酸素側である金属層１４、触媒層１６、シート層１８より大きく形成されている。
【０１２３】
このように電極モジュールＥＭに各種膜を積層形成し、さらに燃料側のシート層１７の電解質膜１１との接着面側に、水素用触媒粒（Ｐｔなど）を担持させることにより、燃料ガス（水素）をより広い面積で接触可能とすることができ、プロトンをより多く生成し電解質膜１１に送ることが可能となる。なお、上記シート層１７，１８は、反応ガスが充分に供給される場合には、必ずしも設ける必要はなく、無くても支障はないものである。
【０１２４】
また、枠体２０が導電性の場合、電解質膜１１は絶縁体（本例の場合は接着剤１２）をはさむ形で接着され、内側（本例では酸素電極側）の金属層１４と、燃料電極側（外側）の金属層１３との間で電池極を形成することができる。このとき、枠体２０と金属層１４は接触するように電解質膜１１上に金属層１４を成膜する。なお、絶縁は、上記例に限定されず、接着用の両面テープの接着剤を保持する基材を絶縁体で形成することで、絶縁性を確保するように構成することもできる。
【０１２５】
一方、図２で示す枠体が導電体の例と異なり、枠体２０が絶縁体の場合、図１２或いは図１３で一例として示すように、金属層１４を延長し、枠体２０に露見させて、この延長された金属層１４の一部分を用いて、外部部材との電気的接触を確保するように構成する。なお、図１２及び図１３の例は一例であるので、金属層１４の延長形状等は、適宜選択して形成することができる。
【０１２６】
また、図１４で示すように、枠体２０が絶縁体の場合、シート層１７，１８の外側にそれぞれ穴１３ａ，１４ａが形成された金属層１３と金属層１４を設け、これら酸素電極側の金属層１４と燃料電極側の金属層１３との間で電池極を形成するように構成してもよい。
【０１２７】
また、図１５で示すように、空気Ａ側と燃料Ｅ側の分離のために、枠体２０と他部材とを接着剤１２などを用いて接合することもできる。この場合には、他部材は空気側と連通させている。
【０１２８】
図１６及び図１７は、燃料電池３０を示すものであり、本例の燃料電池３０は、前記した電極モジュールＥＭの両側に燃料ガス及び空気の流路３２を備えたセパレータ３１を配設し、その両側にスペーサ３３を配設している。なお本例では、図９中の上側を空気（酸素）側としている。
【０１２９】
スペーサ３３には、図１６で示すように、燃料ガスである水素の入り口３３ａと出口３３ｂが形成され、同時に空気（酸素）の入り口３３ｃと出口３３ｄが形成されている。
【０１３０】
図１８及び図１９は、前述した燃料電池を利用した電池スタック５０の一例を示すものであり、この例では矩形形状をしたものを示しているが、前述したように枠体２０は所望形状のものを適宜用いることができるものであり、それ故、電池スタック５０の形状についても、適用する電気機器の形状等に合わせて各種変更することが可能である。
【０１３１】
本例の電池スタック５０は、上述した燃料電池３０を複数層重ね合わせたものであり、複数層重ね合わせた燃料電池３０（本例では、３つの燃料電池３０を用いた例を示している）を筐体５１で保持したものである。本例の筐体５１は、胴部５２と、胴部５２の開口両側を覆う蓋部５３と、与圧プレート５４と、燃料ガス（水素）の導入口５５と、燃料ガス（水素）の排出口５６と、空気（酸素）の導入口５７と、空気（酸素）の排出口５８と、圧着手段５９と、冷却水の入り口６０と、出口６１と、を備えている。
【０１３２】
本例の電池スタック５０を構成する各燃料電池３０の間には、蓋部５３に設けられた冷却水の入り口６０から導入される冷却水が流通する冷却用の通路６４が形成されている。本例では、冷却用セパレータ６３とスペーサ６２により冷却用通路６４が形成される。この冷却用の通路６４を流通する冷却水で熱交換をして、燃料電池３０の温度を調節している。そして、熱交換した冷却水は出口６１から排出するように構成される（図１８参照）。
【０１３３】
そして、胴部５２の開口端部には、フランジ部５２ａが形成されており、このフランジ部５２ａと蓋部５３をビス等の固定具、溶接、接合等を用いた圧着手段５９により連結して密封し、筐体５１を形成する構成としている。このとき、筐体５１内の各燃料電池３０を十分密着させるために、蓋部５３と胴部を連結するときに、与圧プレート５４を介して圧接するようにしている。なお、前記電解質膜１１を支持する枠体２０の部分で圧力を受けるように構成しているので、燃料電池３０内の各層（膜）に、不要な圧力が直接かからないように構成できる。
【０１３４】
不図示の燃料ガス貯留部或いは水素含有金属、燃料ガスボンベ、燃料ガス発生装置等から供給される燃料ガス（水素）は、電池スタック５０の導入口５５から導入され、各燃料電池（セル）３０のガス導入側へ導かれ、各燃料電池３０で使用されると共に、各燃料電池３０を通った燃料ガス（水素）は、電池スタック５０の排出口５６から排出される。この排出された燃料ガスは、図示しない循環経路により所定濃度の燃料ガスに調整されて、再度電池スタック５０の導入口５５に導入されるように構成されている。
【０１３５】
同様に、空気（酸素側）は空気（酸素）の導入口５７から導入され、各燃料電池３０の酸素電極側へ導かれ、各燃料電池３０を通過した後、電池スタック５０の空気（酸素）の排出口５８から排出される。
【０１３６】
このとき、本例の電池スタックでは、電解質膜１１が室温を挟んで、低温から高温で稼働可能であるため、反応によって生じる水は、燃料電池３０の温度がある程度高く（例えば１００℃程度）、生成される水分が蒸気として空気と共に排出させることが可能である。
【０１３７】
以上のように構成することにより、燃料電池内での冷却の他に、燃料電池の外周側からの冷却を行うことが可能となり、多数の燃料電池を積層することにより、大容量の燃料電池を提供することが可能となる。また、生成する水分は、燃料電池の発熱によって気化されて、導入される空気と共に排出することが可能である。
【０１３８】
次に、上述したように構成された電極モジュールＥＭ及び各種膜を用いて構成されるセルＣを説明する。このセルＣは、本発明に係る燃料電池を構成するものであって、図２０に示すように、空気側プレート４０と密閉プレート５０とにより密閉して狭持されている。図２０で示す例では、二つの電極モジュールＥＭ及び各種膜を用いており、空気側プレート４０は、空気供給可能なように、空気側電極に空気を供給する開口部または孔部４１が設けられていている。また空気側プレート４０の片側面には、電気的接触をとるための回路パターン（図示せず）が設けられている。
【０１３９】
この空気側プレート４０に複数の電極モジュールＥＭ及び各種膜を、気密性を保って取り付け、各空気側電極は空気側プレート４０に設けられた開口部又は孔部４１を通してのみ空気が供給される。一方、密閉プレート５０は、電極モジュールＥＭ及び各種膜の燃料側と接触する面を密閉するものである。
【０１４０】
本例では、空気側プレート４０と密閉プレート５０の他に、シールフレーム６０を用いている。このシールフレーム６０の前後（図２０では上下）から電極モジュールＥＭ及び各種膜を挟むように空気側プレート４０と密閉プレート５０で密閉している。本例のシールフレームの幅Ｙは、空気側プレート４０と電極モジュールＥＭ及び各種膜と密閉プレート５０を重ね合わせた幅と、ほぼ同じ幅としている。
【０１４１】
シールフレーム６０には、密閉プレート５０と電極モジュールＥＭ及び各種膜の燃料側と接触する面との間に連通する開口（図示しないが、本例では燃料側に偏って形成されている）を設け、この開口と連通する注入口６１を設け、この注入口６１から燃料ガスが注入されるように形成されている。燃料ガス、例えば水素が注入されると、各電極モジュールＥＭの燃料側電極は燃料ガスの雰囲気に晒され、電解質膜にてプロトン交換の反応が起こる。
【０１４２】
図２０で示す実施例で、空気側プレート４０と密閉プレート５０とシールフレーム６０を用いているが、これらは、一部或いは全部がフレキシブルシートで形成することが可能である。フレキシブルシートは、塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、耐熱性樹脂、例えばポリイミド樹脂等のシートやフィルムなど、燃料電池の使用環境・動作条件に合わせて、適宜選択することが可能である。なお以下の例においても、同様にフレキシブルシートを用いることが可能であることは、勿論である。
【０１４３】
図２１は、図２０で示す例の変形例を示す空気側プレートの裏側をシールフレームから見た概略説明図であり、図２１の例では、電極モジュールＥＭ及び各種膜を４つ設けた例に使用されるものであって、このような電極モジュールＥＭに配置位置に合わせて空気側プレート４０の開口部又は孔部４１を形成したものである。また、図２１の例では、前記電極モジュールＥＭが複数ある場合の複数電極モジュールＥＭ間の電気的接続を示しており、電極モジュールＥＭが張りつけられる空気側プレート４０の裏側面に電気接続用の接続用パターンが形成され、この接続用パターンの端部４１ａで導通が図られた例を示すものである。
【０１４４】
図２２は、他の燃料電池の側面図であり、この図２２の例は、二枚のフレキシブルシート７１，７２で電極モジュールＥＭ及び各種膜を密封した例を示すものである。本例におけるセルＣの内部構成は、前記した図２０や、図２１で示す構成例の他に、後述する図２３〜図２６の例であってもよいことは勿論である。
【０１４５】
図２３は、電極モジュールＥＭ間の電気的接続を説明するものであり、本例では、空気側プレート４０と密閉プレート５０により電極モジュールＥＭ及び各種膜を保持するが、これら空気側プレート４０と密閉プレート５０の間に、酸素と接触する面と反対側の面に設けられた燃料側と接触する面とからなる支持部材７０を介在させた例を示すものである。
【０１４６】
本例の支持部材７０は、断面概略Ｌ字状をしているが、これは、電極モジュールＥＭ及び各種膜を面７１ａで支持するためのものであり、形状等については、支持機能があれば問わない。また支持部材７０はコンタクト機能を有しており、電極モジュールＥＭの接合面に設けられた接続用パターン８１が形成されている。本例では、構成が明確になるように空気側プレート４０と電極モジュールＥＭとを離間させて図示している。そして、電極モジュールＥＭの電解質膜１１の一部を上記接続用パターン８１に、導電性を有する接着剤１２及び導電体からなる枠体２０を介して接触させ、支持部材７０を介して、別の接続用パターン８１に接触するように構成している。なお、支持部材７０はコンタクト機能を有するように構成しているが、他の手段によって接続をするように構成することもできる。
【０１４７】
図２４は、セルの構成例を示す説明断面図であり、枠体２０が燃料側の膜を枠体寸法より小さくした電極モジュールＥＭの例を示しているものであり、電極モジュールＥＭを取り付けた空気側（酸素側）プレート４０、或いはフレキシブルシートを二つ、燃料側を対向させ、即ち二枚を背中あわせにして構成し、各端部をシール部材９０でシールし密閉構造とした構成を示すものである。また、図２４中の９１はスペーサであり、９２はスペーサ兼燃料ガスのノズル連通管である。
【０１４８】
つまり、空気側を外側にし、燃料側を内側にして、燃料ガスを内側から注入する。これにより、燃料ガスをセルＣの中央から注入するだけで、両側の電極モジュールＥＭ及び各種膜側へ燃料供給が可能となり、コンパクトなセルＣとすることが可能となる。このように、電極モジュールＥＭ及び各種膜の燃料側と接触する面を枠体２０及びスペーサ９１を介して互いに対向させ、これら対向面に燃料ガスを供給するように構成している。
【０１４９】
図２５は、セルの構成例を示す説明断面図であり、上述した図２４とは逆に、前述した図２と同様の構成の電極モジュールＥＭ及び各種膜を用いた例を示すものである。本例では、スペーサ９４及びスペーサ兼燃料ガスのノズル連通管９５を用いて電極モジュールＥＭ及び各種膜間に燃料ガスのための空間を形成している。また、本例では、注入口６１の内側に導通可能な管体６３を用いており、この管体６３の一部６３ａはそれぞれ電極用の金属層１３と接触している。また、金属層１３は、導通性のあるシール部材９０と接触させたり（枠体が絶縁性のある場合）、枠体２０が導電体である場合には、枠体２０と導通性のあるシール部材９０との接触により導通を図っている。
【０１５０】
本例の金属層１３（図２４では図示せず）は、図２と同様に電解質膜１１とシート層１８との間に形成されているが、接続部分は電解質膜１１の一部に穴等を形成し、ノズル管側で接続するように構成することも可能である。
【０１５１】
本例では、管体６３と、導通性のあるシール部材９０との間で接続している。
【０１５２】
図２６は、セルの構成例を示す模式的に示す断面図であり、この例では、二重化され、同時に連続した構成のセルＣを示すものである。つまり、本例では、図２５で示した例と同様なセル構造を連続させたものである。
【０１５３】
本例の電極モジュールＥＭ及び各種膜は、前述した図２５と同様の構成を有している。隣接する電極モジュールＥＭ及び各種膜の間にスペーサ９６を介して複数列を形成し、これら電極モジュールＥＭ及び各種膜の燃料側の対向面に、燃料ガスを供給して燃料電池を形成したものである。本例では、スペーサ９６が前述した図２３で示したように、電極モジュールＥＭを面９７で支持し、同時に空気側（酸素側）プレート４０間に位置して二重化した各電極モジュールＥＭ及び各種膜の間に介在している。なお、電気的接触や燃料ガスの供給、ノズル等については、前記各実施例に記載した手段がそのまま適用することができる。
【０１５４】
また、燃料ガスを加圧し空気側との気圧差が生じる運転条件とすることも可能であり、このような条件の場合、ガス圧を電極モジュールＥＭの枠体２０と燃料側シート層１７で受け、また空気側プレート４０と電極の隙間を最小とすることで、たわみを制限し、電解質膜１１への力の分散を図る方向で各電極モジュールを配置する。
【０１５５】
そして、燃料側の密閉された空間に加圧された燃料ガスを送り込み、圧力を一定に調節し、ガスの消費による減圧を補うように供給量を制御する方式を採っている。
【０１５６】
また、空気側プレート４０と、電極モジュールＥＭと、密閉プレート５０とは、それぞれ所望形状をしており、少なくとも空気側プレート４０、電極モジュールＥＭ、密閉プレート５０が外形形状を概略同じとすることもできる。
【０１５７】
このように構成すると、所定の電気機器、例えばテレビジョン受像機、ビデオテープレコーダ、携帯型カメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルカメラ、携帯型や据置型を含むパーソナルコンピュータ、ファクシミリ、携帯電話を含む情報端末、プリンタ、ナビゲーションシステム、その他のＯＡ機器、照明装置、家庭用電気機器等の形状に合わせて、最適な形状の燃料電池を提供することが可能となる。
【０１５８】
図２７は、セパレータを配した燃料電池の概略断面を示すものであり、本例の燃料電池は、前述した電極モジュールＥＭの両側の位置に燃料ガス及び空気の通路３２を備えたセパレータ３１を配設し、その両側にスペーサ３３を配設した構成例を示すものである。なお、図２７中、３４はフレーム等であり、セパレータ３１及びフレーム３４で電極モジュールＥＭ及び各種膜を囲んで形成している。
【０１５９】
【産業上の利用可能性】
上述したように、本発明は、無加湿の条件下でプロトン伝導し得るプロトン伝導体を含む電解質膜を用いているので、ドミノ効果によるプロトン移送を可能とすることができ、パーフルオロスルホン酸樹脂と異なり、水の加湿が不要となり、ガスの加湿や膜の水分管理、精密なガス流量や加湿用の水のコントロールが不要で、システムが簡略化でき電池コストが低減できる。
【０１６０】
しかも、無加湿の条件下でプロトン伝導し得るプロトン伝導体を含む電解質膜は表面加工が容易であり、温度範囲が広いという特性を有しているため、電極モジュールがシンプルな構成なため量産性に富みコスト低減が図れる。
【０１６１】
さらに、本発明は、電解質膜を枠体で保持しているので、電解質膜がアセンブリとして扱いやすくなり複数個を実装することにより容易に電池容量が変えられ、小さな容量から大容量の電池までスケーラブルな電池を実現できる。このように、本発明によれば、大量生産プロセスに好適で、大幅なコスト低減を図ることのできる電極モジュール及び燃料電池並びに電池スタックが実現できる。
【０１６２】
さらにまた、本発明に係る電極モジュールは、無加湿の条件下でプロトン伝導し得るプロトン伝導体を含む電解質膜を枠体で支持し、特にプロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料を母体としてプロトン解離性の基を導入し、炭素質材料が、フラーレン分子としたり、結合剤を含むものとすることにより、燃料ガスに関する水分を精密に制御する必要がなく、結合剤を用いた場合には結合剤によって結着され、強度の十分なプロトン伝導体となり、よりセパレータを簡素化させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、従来の固体高分子型燃料電池の構造を模式的に示す図である。
【図２】  図２は、本発明の一実施例を示す燃料電池の断面図である。
【図３】  図３は、電極モジュールの外観を示す斜視図である。
【図４】  図４Ａ及び図４Ｂは、フラーレン分子を母体としてプロトン解離性の基を備えた一例としてのポリ水酸化フラーレンの構造図である。
【図５】  図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃは、フラーレン分子を母体としてプロトン解離性の基を備えた一例を示す模式図である。
【図６】  図６は、炭素クラスターの例を示す説明図である。
【図７】  図７は、開放端を有する炭素クラスターの例を示す説明図である。
【図８】  図８は、ダイヤモンド構造を持つ炭素クラスターの例を示す説明図である。
【図９】  図９は、各種のクラスターが結合した炭素クラスターの例を示す説明図である。
【図１０】  図１０は、自己加湿型電解質膜の構成を説明する図である。
【図１１】  図１１は、本発明に係る電極モジュールの他の例の外観を示す斜視図である。
【図１２】  図１２は、図３に示した電極モジュールの底面図である。
【図１３】  図１３は、図１１に示した電極モジュールの底面図である。
【図１４】  図１４は、本発明に係る燃料電池の他の例を示す断面図である。
【図１５】  図１５は、本発明に係る燃料電池のさらに他の例を示す断面図である。
【図１６】  図１６は、本発明に係る燃料電池の一例を示す平面図である。
【図１７】  図１７は、本発明に係る燃料電池の概略断面図である。
【図１８】  図１８は、本発明に係るスタックの平面図である。
【図１９】  図１９は、本発明に係るスタックの一例を示す概略断面図である。
【図２０】  図２０は、本発明に係る燃料電池の他の例を示す分解斜視図である。
【図２１】  図２１は、図２０に示す燃料電池の変形例を示す空気側プレートの裏側をシールフレームから見た底面図である。
【図２２】  図２２は、本発明に係る燃料電池のさらに他の例を示す側面図である。
【図２３】  図２３は、電極モジュール間の電気的接続の状態を示す断面図である。
【図２４】  図２４は、セルの構成例を示す断面図である。
【図２５】  図２５は、セルの他の構成例を示す断面図である。
【図２６】  図２６は、セルのさらに他の構成例を示す断面図である。
【図２７】  図２７は、セパレータを配した燃料電池のさらに他の例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１１  電解質膜、１２  接着剤、１３、１４  金属層、１５、１６  触媒層、１７  燃料透過材料膜、１８  酸素透過材料膜、２０  枠体、３０  燃料電池、３１  セパレータ、３２  空気の通路、３３  スペーサ、３４  フレーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
0004576792.tif 000005
【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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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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【図１０】
0004576792.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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