(57)【要約】燃料電池用のプロトン伝導性膜（１６）は、この膜内に光透過性プロトン伝導材（１０２、１０４）と、及び膜内で光を散乱させる光散乱材（１０６）とを備え、膜は、さらに光が膜に進入できるようにする導光体を有する。さらに、そのプロトン伝導性膜を備える燃料電池も開示する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用のプロトン伝導性膜であって、前記膜は、光透過性のプロトン伝導材と、及び光を前記膜内に散乱する光散乱材とを備え、前記膜は、さらに光が膜に進入できるようにする導光体を有する、プロトン伝導性膜。
【請求項２】
請求項１に記載のプロトン伝導性膜において、前記光透過性のプロトン伝導材は、テトラフルオロエチレン及びスルホン酸ペルフルオロポリエーテルの共重合体から成る、プロトン伝導性膜。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のプロトン伝導性膜において、前記光散乱材は、プロトン伝導性膜内に分散させる光散乱粒子を有する、プロトン伝導性膜。
【請求項４】
請求項３記載のプロトン伝導性膜において、前記光散乱粒子はシリカ、アルミナ、チタニア、及び金属から選択した材料から形成する、プロトン伝導性膜。
【請求項５】
請求項４に記載のプロトン伝導性膜において、前記光散乱粒子はシリカから形成する、プロトン伝導性膜。
【請求項６】
請求項３〜５のいずれか一項に記載のプロトン伝導性膜において、前記光散乱粒子は１０〜５０ｎｍの粒径を有する、プロトン伝導性膜。
【請求項７】
請求項６に記載のプロトン伝導性膜において、前記光散乱粒子は１０〜２０ｎmの粒径を有する、プロトン伝導性膜。
【請求項８】
請求項７に記載のプロトン伝導性膜において、前記光散乱粒子は１５〜２０ｎmの粒径を有する、プロトン伝導性膜。
【請求項９】
請求項３〜９のいずれか一項に記載のプロトン伝導性膜において、プロトン伝導材のシートであって、前記プロトン伝導材内に分散させた光散乱粒子を含有する、該シートを備える、プロトン伝導性膜。
【請求項１０】
請求項３〜９のいずれか一項に記載のプロトン伝導性膜において、前記プロトン伝導材の複数のシートであって、光散乱粒子含有シートをプロトン伝導材のシート間に挟み込むようにした、該複数のシートを備える、プロトン伝導性膜。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載のプロトン伝導性膜において、前記導光体は光透過性のポリマー材料のシートを有する、プロトン伝導性膜。
【請求項１２】
請求項１１に記載のプロトン伝導性膜において、前記光透過性のポリマー材料は、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリメチルペンタン、並びにそれらの混合物及び共重合体から選択する、プロトン伝導性膜。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載のプロトン伝導性膜において、前記導光体は、前記プロトン伝導材上に、プロトン伝導材の燃料電池内におけるプロトン伝導に関して機能する領域の外側であって、前記プロトン伝導材の１つ又はそれ以上の側辺部に備え付ける、プロトン伝導性膜。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載のプロトン伝導性膜において、前記導光体は、１つ又はそれ以上の片側若しくは両側の側面を銀色めっきしたシートを有する、プロトン伝導性膜。
【請求項１５】
請求項１４に記載のプロトン伝導性膜において、前記１つ又はそれ以上のシートはアルミニウムで銀色めっきする、プロトン伝導性膜。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載のプロトン伝導性膜において、さらに、前記膜の外側に１つ又はそれ以上のガスケットを備える、プロトン伝導性膜。
【請求項１７】
請求項１６に記載のプロトン伝導性膜において、前記プロトン伝導性膜は層構造を有し、前記層構造において、前記光散乱材料を含有するプロトン伝導材の単一シート、又は多層プロトン伝導材であって、光散乱粒子を含有するプロトン伝導材のシートを、他の２つのプロトン伝導材シート間に挟み込むようにした該多層プロトン伝導材のいずれか一方を、両側の側面をガスケット間で保持したプロトン伝導材の１つ又はそれ以上の側辺部で、銀色めっきした光透過性ポリマーシートに光結合する、プロトン伝導性膜。
【請求項１８】
請求項１７に記載のプロトン伝導性膜において、前記ガスケット相互は、前記導光における隙間を通して結合する、プロトン伝導性膜。
【請求項１９】
燃料を酸化してプロトンを生成する負極と、プロトンを酸素で酸化する正極と、負極から正極へプロトンを伝導するプロトン伝導性膜と、前記燃料及び／又は酸素をそれぞれ前記負極及び／又は正極における反応前に拡散させる、少なくとも１つのガス拡散層と、を備える、燃料電池であって、前記負極は、燃料触媒と、及び汚染物質である一酸化炭素の酸化を入射光による照射時に促進するように設けた光触媒とを含む触媒コンポーネントを有し、前記負極は、さらに、電流を導通させる集電コンポーネントを有し、前記プロトン伝導性膜は、光透過性とし、光源からの光をプロトン伝導性膜に透過させて光触媒を照射するものとする、燃料電池。
【請求項２０】
請求項１９に記載の燃料電池において、前記プロトン伝導性膜は請求項１〜１８のいずれか一項に記載のものとする、燃料電池。
【請求項２１】
請求項１９又は２０に記載の燃料電池において、前記負極の燃料触媒は貴金属触媒とし、例えば白金含有触媒とする、燃料電池。
【請求項２２】
請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記負極の光触媒は、光触媒で活性化する金属酸化物、又は光触媒で活性化する金属酸化物由来の材料を含む、燃料電池。
【請求項２３】
請求項２２に記載の燃料電池において、前記金属酸化物は酸化タングステンとする、燃料電池。
【請求項２４】
請求項１９〜２３のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記負極は、光触媒ナノ粒子及びナノサイズの白金触媒よりなる複合材を適切な担体上に含む触媒層を有する、燃料電池。
【請求項２５】
請求項１９〜２４のいずれか一項に記載の燃料電池において、酸化タングステンによる負極光触媒及び白金による負極触媒を、質量比が１：９９〜９９：１の範囲、好ましくは８０：２０〜９５：５の範囲、より好ましくは７０：３０〜９０：１０の範囲となるように有する、燃料電池。
【請求項２６】
請求項１９〜２５のいずれか一項に記載の燃料電池において、付加的な電流コレクタを持たない燃料電池。
【請求項２７】
プロトン伝導性膜であって、添付図面につき説明したプロトン伝導性膜。
【請求項２８】
燃料電池であって、添付図面につき説明した燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロトン伝導性膜及びそれを備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気化学電池であり、燃料酸化反応の結果として生ずるエネルギー変化が電気エネルギーに変換する。この点において、燃料電池は３つの主コンポーネント、すなわち、負極（アノード）、プロトン伝導性膜、及び正極（カソード）から成る。例えば、水素又は有機材料の形態である燃料は、燃料電池の負極に供給し、この負極で酸化される。水素は、燃料として直接使用する、又は有機材料の分解から抽出し、その後、燃料電池の負極でプロトン及び電子に解離する。プロトンはプロトン伝導性膜を通って正極まで伝導されるとともに、電子は外部負荷回路の周りを正極まで移動し、それによって電池としての電流出力を生ずる。空気、酸素富化空気、又は酸素自体の形態としての酸化剤は、正極に供給し、この正極においてプロトン及び電子と化学反応することによって還元して水を生成する。
【０００３】
いくつかの燃料電池は、高温（例えば６００〜１０００℃）での動作を必要とし、必要な方法で燃料まで分解する。しかし、このような高温になるまでの加熱は、敏速な開始時間が必要となる特定の用途では適切でなく、例えば、燃料電池を自動車に電力を供給するのに使用するとき等で適切ではない。加えて、高温での動作は、燃料電池コンポーネント及びガス封止を急速に磨耗させ、したがって、高温型燃料電池はとくに耐久性がない傾向にある。
【０００４】
低温型燃料電池、例えば、プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣｓ）、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣｓ）、及び直接エタノール燃料電池（ＤＥＦＣｓ）は、概して室温から８０℃までの範囲の温度で動作するが、いくつかのものは２００℃に至る温度でも動作できる。このような低温型燃料電池は、短い起動時間及び長い耐久性の利点を有する。加えて、ＰＥＭＦＣｓは、概して高温型燃料電池よりも小型かつ軽量であるという利点を有する。
【０００５】
低温型ＰＥＭＦＣの負極での水素又は炭化水素の酸化は、負極に設けた貴金属触媒（一般的には白金）によって支援助長される。しかし、ＰＥＭＦＣｓに関連する問題は、触媒負極表面における汚染物質である一酸化炭素の強い吸着である。一酸化炭素は、負極チャンバにおける有機燃料、例えばメタノール若しくはエタノールの分解によって派生する、又は改質炭化水素由来の水素が１００ｐｐｍより多く一酸化炭素を含む場合があり得るとき、一酸化炭素で汚染された水素から派生する。高温型燃料電池においては、このような一酸化炭素は通常直ちに酸化して二酸化炭素となり、電極表面から容易に脱着（脱離）する。しかし、一酸化炭素から二酸化炭素への酸化は、低温では効率が低いため、一酸化炭素は低温型燃料電池の触媒負極表面で吸着され、それによって負極での水素酸化反応に対する活性部位を阻害する。白金のような貴金属触媒は、水素の解離に対して効果的に触媒作用を及ぼすが、一酸化炭素の酸化に関するその機能性は制限される。水素酸化に対する活性部位の阻害は、時間とともに電池性能の顕著な低下を招く。
【０００６】
低温型ＰＥＭＦＣｓの負極から一酸化炭素を除去する様々な方法が開発されてきた。
【０００７】
このような方法の一つには、動作中電池電圧をパルス状にするものがあった。しかし、この方法は、電池からのエネルギー出力を中断することが分かっており、これは一定のエネルギー出力が必要な場合には望ましくない。
【０００８】
他の方法は、負極へ空気を流すステップを有するものがあった。しかし、これは、オープンセル構造電池の電位を顕著に低くし、したがって電池性能を低下させる。
【０００９】
更に他の方法は、白金及びルテニウム合金のような貴金属及び非貴金属から成る、２元金属触媒を使用するものがあった。しかし、これは、２５ｐｐｍより大きい一酸化炭素濃度では電極被毒を阻止しないことが分かった。Ｐｔ／Ｎｉ、Ｐｔ／Ｃｏ、Ｐｔ／Ｒｕ／Ｎｉ、及びＰｔ／Ｎｉ／Ｃｏのような他の２元金属又は３元金属の触媒も開発されている。しかし、このシステムにおいて、非貴金属合金は、多くの特性を示さなければならない、例えば、ナフィオン（ＲＴＭ）（テトラフルオロエチレン及びスルホン酸ペルフルオロポリエーテルの共重合体）をプロトン伝導性膜に使用することがよくあり、それによって、強いペルフルオロスルホン酸環境を生ずるとき、非貴金属はこの環境で安定していなければならず、さらに、非貴金属は、水の解離反応、並びに吸着ＣＯ及び吸着ＯＨからのＣＯＯＨの形成に対して低い活性化エネルギーを持たなければならない。
【００１０】
一酸化炭素による負極の汚染に対する耐性レベルを高くすることによって燃料電池の効率を高める既知の方法は、入射光による照射の際に汚染物質である一酸化炭素の酸化を促進する光触媒を設けるステップを有する。
【００１１】
例えば、特許文献１（国際公開第２００４／０７９８４７号）は、負極が光触媒で支援されて受光能力を有する燃料電池を開示し、この場合、プロトン伝導性膜は光透過性であり、これにより光は光触媒への光路における最終段階で膜を通過する。プロトン伝導性膜は、導波路として使用することができ、また膜の構造に対する適切な変更、又は膜内における補助的な光パイプの使用による光路としてこの機能を得る。例えば、膜の屈折率特性をこの目的のために特異的に選択して、又は異なる屈折率を有するガラス片若しくはファイバの光パイプを使用して、又は膜中に分布させた光散乱粒子を使用して、負極表面上における最適光束を達成できる。この特許文献１は、適切な光パイプを膜内に又は膜に接触する負極表面上に組み込んで、十分な光を光触媒表面に送給できるようにすることを開示している。
【００１２】
特許文献２（国際公開第２０１１／０４８４２９号）は、入射放射線による照射時に汚染物質である一酸化炭素の酸化を促進する光触媒を有する負極触媒コンポーネントを含む燃料電池用の負極アセンブリを開示し、この負極アセンブリは、さらに入射放射線を生ずる光源を組み込んだフロー板を持ち、このフロー板の少なくとも一区域は、光放射を透過させる多孔質にしてフロー板を介する光触媒の照射を可能にし、このフロー板は、さらに、負極チャンバ内に燃料を指向させる複数のチャネルを形成する形状のフロー案内面を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】国際公開第２００４／０７９８４７号パンフレット
【特許文献２】国際公開第２０１１／０４８４２９号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、改善したプロトン伝導性膜及びそれを備える燃料電池を提供して、負極における一酸化炭素汚染を減少し、それによって燃料電池の効率を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１態様によれば、燃料電池用のプロトン伝導性膜を提供し、この膜は、光透過性プロトン伝導材と、及び膜内で光を散乱させる光散乱材とを備え、この膜は、さらに、光が膜内に進入できるようにする導光体を備える。
【００１６】
本発明のプロトン伝導性膜は、光触媒を備える燃料電池に使用して、光触媒の改善した照射をもたらす。プロトン伝導性膜は、光源に接続でき、光源としては、光コレクタ又は光生成器（例えば、フレネルレンズ等のレンズ、反射面、ＬＥＤ又は他の光源）があり、光を膜内に導光体を経て進入させることができる。光散乱材は、膜を通過する光をより均一に散乱させることを確実にする。プロトン伝導性膜は、光透過性を有し、均一に散乱した光が燃料電池の負極で触媒を照射するのに使用することができ、内部光源を必要とせずに光触媒の改善した照射を生ずることができる。
【００１７】
従って、本発明のプロトン伝導性膜は、光透過性のプロトン伝導材を備える。このプロトン伝導性膜は、燃料電池の負極から正極までプロトンを伝導するのに使用し、それを形成する材料は、プロトンを伝導する技術において使用される任意の適切な材料とすることができる。例えば、好ましいプロトン伝導材はナフィオン（商標登録）であり、ナフィオン（商標登録）は、テトラフルオロエチレン及びスルホン酸ペルフルオロポリエーテルの共重合体であるが、他の適切な材料も使用でき、例えば、プロトン伝導性ガラス（例えば、５％Ｐ２Ｏ５：９５％ＳｉＯ２の組成を有する高伝導性ガラス）を使用することができる。
【００１８】
本発明のプロトン伝導性膜はさらに、膜内で光を散乱させる光散乱材を含む。光散乱材は、この目的に適切な任意の材料、例えば、プロトン伝導材の屈折率を変える材料とすることができ、好ましくは、プロトン伝導性膜全体に分布させる光散乱粒子とする。
【００１９】
光散乱粒子は、シリカ、アルミナ及びチタニアのような酸化物を含む、任意の適切な材料から形成することができ、シリカが好ましい材料である。当業者には、光散乱粒子の光散乱特性は、粒径及びプロトン伝導性膜における粒子の密度に依存すること明らかであろう。光散乱粒子の好ましい粒径は、１０〜５０ｎｍ、より好ましくは１０〜２０ｎｍ（例えば１５〜２０ｎｍ）である。このサイズの粒子は、時にナノ粒子と称され、また可視光の最短波長よりも小さい粒径を有する。
【００２０】
プロトン伝導性膜における光散乱粒子の濃度は、膜内に入る光源からの光が最適に散乱できるように選択することができる。この目的に対して、散乱媒体濃度は変化させることができること、当業者には明らかであろう。
【００２１】
光散乱粒子は、プロトン伝導性膜を形成するプロセス中にプロトン伝導材内に組み込むことができる。例えば、好ましいプロトン伝導材であるナフィオン（商標登録）とともに、ナノシリカ粒子のような光散乱粒子は、液状のナフィオン（商標登録）ペースト（例えばコロイド分散）内に混合することができ、単一シートのナフィオン（商標登録）プロトン伝導性膜を形成することができ、そのシート内に光散乱粒子を分散させて組み込む。代案として、プロトン伝導材の複数のシートをプロトン伝導性膜において使用することができる。従って、光散乱粒子をナフィオン（商標登録）ペースト内に混合し、そのペーストは、２枚のナフィオン（商標登録）シート間の結合材として機能でき、すなわち、光散乱粒子を含むナフィオン（商標登録）シートは２枚の標準的なナフィオン（商標登録）シート間に挟み込まれる。燃料電池におけるプロトン伝導性膜として使用する標準的なナフィオン（商標登録）シートは、概して１０〜１００μｍ、例えば５０〜７５μｍ（例えば約６５μｍ）の厚さを有する。
【００２２】
本発明のプロトン伝導性膜は、さらに、光が膜に進入できるようにする導光体を有する。導光体は、光透過性のポリマー材料のシートとすることができ、例えばシートは、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリメチルペンタン（ＴＰＸ（商標登録）のようなＰＭＰ）、並びにそれらの混合物及び共重合体から選択したポリマーから形成したシートとする。導光体は、光散乱材を含むプロトン伝導性膜に光結合し、外部光源からの光は、導光体を経てプロトン伝導性膜内に進入できる。例えば、導光体は、プロトン伝導材上に、プロトン伝導材の燃料電池内におけるプロトン伝導に関して機能する領域の外側であって、前記プロトン伝導材の１つ又は複数の側辺部に備え付けることができる。
【００２３】
好ましい実施形態において、導光体を形成する光透過性のポリマーシートは、好ましくは片側の側面を銀色めっきし、より好ましくは両側の側面を銀色めっきし、光の漏れを最小化する。ポリマーシートの銀色めっきは、当業者に既知の加工プロセス及び材料を使用して、例えば、アルミニウム蒸着によって実施することができる。
【００２４】
本発明のプロトン伝導性膜を形成するコンポーネント、すなわち、プロトン伝導材、光散乱材及び導光体は、１つ又はそれ以上のガスケットによって一緒に位置決め作用状態に保持することができる。従って、好ましい実施形態において、プロトン伝導性膜は層構造を有し、この層構造において、光散乱材料を含有するプロトン伝導材の単一シート、又は多層プロトン伝導材であって、例えば、光散乱粒子を含有するプロトン伝導材のシートを、他の２つの標準プロトン伝導材シート間に挟み込むようにした該多層プロトン伝導材のいずれか一方を、両側の側面をガスケット間で保持したプロトン伝導材の１つ又はそれ以上の側辺部で、銀色めっきした光透過性ポリマーシートに光結合する。ガスケット相互は、必要があれば導光体における穿孔部のような隙間を通して結合することができる。
【００２５】
プロトン伝導性膜は、光コレクタ又は光生成器（例えばフレネルレンズのようなレンズ、反射面、ＬＥＤ又は他の光源）のような光源に接続し、光が導光体を経て膜に進入できるようにする。その後、光は光散乱材によって散乱し、燃料電池の光触媒を照射するのに使用する。
【００２６】
本発明の第２態様によれば、燃料を酸化してプロトンを生成する負極と、酸素でプロトンを酸化する正極と、負極から正極へプロトンを伝導するプロトン伝導性膜と、燃料及び／又は酸素をそれぞれ負極及び／又は正極における反応前に拡散させる少なくとも１つのガス拡散層と、を備える燃料電池を提供し、負極は燃料触媒と、及び汚染物質である一酸化炭素の酸化を入射光による照射時に促進するように設けた光触媒とを含む触媒コンポーネントを有し、負極は、さらに、電流を導通させる集電コンポーネントを有し、プロトン伝導性膜は、光透過性とし、光源からの光をプロトン伝導性膜に透過させて光触媒を照射するものとする。
【００２７】
本発明の第２態様の燃料電池に使用するプロトン伝導性膜は、好ましくは本発明の第１態様による膜とする。
【００２８】
現行の低温型燃料電池は、極めて純粋な水素、又は予め精製した燃料を燃料源として使用することに依存する。汚染物質である一酸化炭素の酸化を促進する光触媒を設けることにより、一酸化炭素耐性のある負極アセンブリを有する低温型燃料電池を創製することができる。従って、このような電池は、メタノール若しくはエタノールのような炭化水素ガス又は液体を燃料源として利用することができ、精製装置及び／又は改質装置は必要ない。このことにより、低温型燃料電池の嵩（体積）及び運用コストを削減する。貴金属触媒装填量も同様に減少し、これは燃料電池のコストを大きく下げる。加えて、本発明の構成によれば、直接エタノール燃料電池に使用するとき電池効率が高くなる。
【００２９】
本発明による燃料電池は、現在炭素汚染された水素又は炭化水素の燃料をエネルギー生成用燃料として使用する多くの装置に適用できる。本発明の可能な用途としては、バッテリ、小型可搬式装置におけるディーゼル発電機若しくは燃焼機関、小型軽量車両及び大型重量車両、並びにバックアップ若しくは遠隔の固定電源装置を相補又は置換する用途があり、従って、可搬式電子機器、輸送機関及び小型固定発電のような市場において本発明電池を使用できる。
【００３０】
本発明の第２態様の燃料電池は、当業者に既知でなじみのあるコンポーネントを備えることができる。
【００３１】
従って、負極の燃料触媒は、好ましくは貴金属触媒、例えば白金含有触媒である。
【００３２】
負極の光触媒は、光触媒で活性化する金属酸化物、又は光触媒で活性化する金属酸化物由来の材料を含むことができる。金属酸化物は、例えば酸化タングステン、酸化チタン、酸化モリブデン、または酸化鉄とすることができる。好ましい材料は酸化タングステンである。
【００３３】
従って、負極は、酸化タングステンのような光触媒ナノ粒子及びナノサイズの白金触媒から成る複合材を、適切な担体、例えば、炭素支持体上に含む触媒層を有し、酸化タングステンと白金の質量比は好ましくは１：９９〜９９：１、より好ましくは８０：２０〜９５：５、及び最も好ましくは７０：３０〜９０：１０とすることができる。
【００３４】
本発明の第２態様の燃料電池において使用する適切な正極としては、当業者には既知のもの、例えば、メッシュ、多孔質素子、又は有孔細条（ストリップ）があり、また当業者に既知の貴金属（例えば白金若しくは銀）、又は触媒金属若しくは合金から形成することができる。
【００３５】
本発明の第２態様の燃料電池は、燃料及び／又は酸素をそれぞれ負極及び／又は正極における反応前に拡散させる少なくとも１つのガス拡散層を備える。ガス拡散層は、代表的には多孔質材料であり、炭素布及びカーボン紙のような炭素繊維の緻密アレイから成るものとし、また燃料及び／又は酸素をそれぞれ負極及び／又は正極に供給する経路を付与するよう支援し、水を除去し、電子を伝導し、熱を転移させ、また機械的強度を追加するよう補助できる。
【００３６】
本発明の第２態様の燃料電池は、燃料及び／又は酸素それぞれの負極及び／又は正極への流動を支援するフロー板を有することができる。
【００３７】
本発明の第２態様の燃料電池は、１つ又はそれ以上のバイポーラ板を有することができる。これらバイポーラ板は燃料電池内における多機能コンポーネントである。例えば、スタック（以下参照）として使用するとき個別の燃料電池を接続及び分離することができ、燃料ガス及び酸素を触媒及びプロトン伝導性膜の作用面上に配給するのを支援することができ、また負極と正極との間（個別電池内、又はスタックにおける電池相互間）で電流を導通させることができる。バイポーラ板は、代表的にはグラアフィトから形成するが、ステンレス鋼及び金属合金のような金属、又はポリマー複合材から形成することができる。
【００３８】
負極で生成した電子を負極から正極に伝導できることが重要である。好ましい実施形態において、標準的な燃料電池アーキテクチャを使用するときのような付加的伝導素子に対する必要性を、貴金属触媒及び光触媒を有することによって回避することができ、この場合、貴金属触媒及び光触媒は、伝導性支持体（例えば炭素）上に支持し、プロトン伝導性膜のいずれかの側面上に分布され、また１つ又はそれ以上のガス拡散層（以下により詳細に説明する）、及び次に、伝導性グラファイトバイポーラ板と緊密接触させる。このようにして、照明窓、及びひいては、追加の伝導素子の必要性がなくなる。しかし、付加的電流コレクタは必要であれば設けることができる。例えば、付加的電流コレクタは金属メッシュとすることができる。代案として、電流コレクタは、複数のほぼ平行な金属ワイヤまたはストランドを有することができ、例えば、金被覆材料、チタン、ニッケル若しくはクロム、又は白金被覆材料製とする。代案として、電流コレクタは、ニッケル発泡体のような金属発泡体を有することができる。他の代案として、電流コレクタは、金属被覆した、又は炭素被覆したポリマー生地を有することができる。
【００３９】
本発明の第２態様の燃料電池から、例えば燃料電池のスタックにおける直列接続した複数の燃料電池を使用することによって、高出力を達成できる。
【００４０】
本発明を、以下に単なる例として添付図面につき詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態に従った燃料電池の全体的な構造を示す。
【図２】本発明に従ったプロトン伝導性膜の実施形態の側面図を示す。
【図３】図２において示した実施形態の平面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本発明による燃料電池１０の全体的な構造は図１において見ることができ、プロトン伝導性膜１６のより詳細な構造は図２及び図３に示す。図１はプロトン伝導性膜１６の詳細を示さず、単に燃料電池１０内のプロトン伝導性膜１６の概略的な位置を示すことを意図するものと理解されたい。
【００４３】
図１をにつき説明すると、燃料電池１０は負極（アノード）２０及び正極（カソード）１４を有し、プロトン伝導性膜１６は負極２０及び正極１４の間で両方に接触させて配置する。プロトン伝導性膜１６は、図２及び図３につき以下で詳述する。
【００４４】
燃料電池１０は、さらに、負極２０に隣接し、燃料を負極２０での反応前に拡散させるガス拡散層１２と、及び正極１４に隣接し、酸素を正極１４での反応前に拡散させる他のガス拡散層１８と、を備える。ガス拡散層は、代表的には多孔質材料であり、炭素布及びカーボン紙のような炭素繊維の緻密アレイから成るものとし、また燃料及び／又は酸素をそれぞれ負極及び／又は正極に供給する経路を付与するよう支援し、水を除去し、電子を伝導し、熱を転移させ、また機械的強度を追加するよう補助できる。
【００４５】
燃料電池１０は、さらに、導電性グラファイトバイポーラ板３０及び３８を備え、燃料及び酸素をそれぞれ負極２０及び正極１４に流入させるよう支援し、また、電流を負極２０と正極１４との間（又は、スタックに使用される異なる燃料電池の負極と正極との間）で導通させる。
【００４６】
負極２０は、プロトン伝導性膜１６と流体連通するガス透過性触媒層を有する。好ましい実施形態において、負極２０は、白金触媒と、及び可視光に応答する酸化タングステン光触媒と、を有する。負極２０は、酸化タングステン光触媒ナノ粒子及びナノサイズの白金触媒よりなる複合材を炭素支持体上に有することができ、酸化タングステンと白金の質量比は、１：９９〜９９：１の範囲、好ましくは８０：２０〜９５：５の範囲、また最も好ましくは７０：３０〜９０：１０の範囲とする。
【００４７】
使用にあたり、燃料ガスは負極２０までガス拡散層１２を介して送給し、燃料の流れはバイポーラ板３０によって移動する。燃料は、純粋な水素、又はメタノールのような炭化水素燃料の形態とすることができる。燃料に含まれる水素は、その後、白金触媒の存在下において触媒によってプロトン及び電子に、以下の化学反応式１に従って分離する。すなわち、
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ-          （１）
【００４８】
分離後、プロトンは、負極の触媒層２０及びプロトン伝導性膜１６を透過して正極１４に集合する。
【００４９】
燃料電池１０の正極側では、空気のような酸化剤、酸素富化空気、又は純粋な酸素を正極１４に送給し、酸化剤の流れはバイポーラ板３８によって移動する。この酸化剤は、プロトン伝導性膜１６を透過して正極１４に集合したプロトンと反応して、以下の化学反応式２に従って水を生成する。すなわち、
４Ｈ＋＋４ｅ-＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ          （２）
【００５０】
一方、電子を収集して外部負荷回路３６に送給する。この電子の流れは、燃料電池１０のエネルギー出力を形成する電流を生ずる。バイポーラ板３０及び３８は、負極２０から正極１４まで電流を搬送するが、付加的電流コレクタを必要であれば設けることができる。例えば、付加的電流コレクタは金属メッシュを有することができる。
【００５１】
上述したように、汚染物質である一酸化炭素は負極２０に存在し得るが、これは燃料の分解の結果、又は、一酸化炭素汚染された水素を燃料として使用した結果である。この一酸化炭素が負極触媒層２０に吸着され、化学反応式１の水素酸化反応に対する活性部位の阻害を招くのを防ぐため、負極２０を外部光源からの光によって照射し、この光は、光透過性であり、図２及び図３につき以下により詳細に説明するプロトン伝導性膜１６を通過する。汚染物質である一酸化炭素を酸化して二酸化炭素を生成し、この二酸化炭素は、照射している負極触媒層２０における酸化タングステンによって保持する。結果として生じた二酸化炭素は、その後、負極２０表面から容易に脱着でき、また、燃料電池１０から排出することができる。
【００５２】
負極２０の照射は、プロトン伝導性膜１６を介して実施でき、図２及び図３においてより詳細に示す。
【００５３】
従って、図２及び図３は、本発明によるプロトン伝導性膜１６の実施形態を示す。プロトン伝導性膜１６は、光透過性プロトン伝導材と、及び膜１６内で光を散乱させる光散乱材とを有する。好ましい実施形態において、光透過性プロトン伝導性材料は、ナフィオン（商標登録）であり、ナフィオン（商標登録）はテトラフルオロエチレン及びスルホン酸ペルフルオロポリエーテルの共重合体である。図２において示す実施形態において、プロトン伝導性膜１６は、ナフィオン（商標登録）製の２つのシート１０２及び１０４を有する。ナフィオン（商標登録）製の各シート１０２、１０４は、好ましくは５０〜７５μｍの間の厚さ、より好ましくは約６５μｍの厚さを有するものとする。負極２０及び正極１４を図２において誇張して示す。
【００５４】
ナフィオン（商標登録）製の２つのシート１０２及び１０４相互間に光散乱層１０６を配置し、この光散乱層１０６は、膜内で光を散乱させる光散乱材料を含む。好ましい光散乱粒子はシリカから形成し、また１５〜２０ｎｍの粒径を有する。しかし、他の材料も使用することができ、例えば、アルミナ及びチタニアのような酸化物、並びに金属を使用でき、それらは適宜異なる粒径を有することができる。
【００５５】
光散乱層１０６において、光散乱粒子をナフィオン（商標登録）ペースト内に分散させ、ナフィオン（商標登録）ペーストは、２つのナフィオン（商標登録）シート１０２及び１０４相互間の結合材として機能することができる。図３において、光散乱層１０６はメッシュとして誇張的に示す
【００５６】
プロトン伝導性膜１６は、さらに、導光体１０８を有し、この導光体を経て光は外部光源（ボックス１１０によって示す）から膜に進入することができる。
【００５７】
導光体１０８は、光透過性ポリマー材料のシートを有し、例えば、このシートは、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリメチルペンタン（ＴＰＸ（商標登録）のようなＰＭＰ）、並びにそれらの混合物及び共重合体から選択したポリマーで形成する。導光体１０８は、ナフィオン（商標登録）シート１０２に光学的に結合し、これにより外部光源１１０からの光が導光体１０８を経てプロトン伝導性膜１６に進入できる（図２における矢印によって示す）。導光体１０８は、ナフィオン（商標登録）シート１０２上で、プロトン伝導材の燃料電池１０内におけるプロトン伝導に関して機能する領域の外側、すなわち、負極２０及び正極１４の外側に備え付ける。代案として、ナフィオン（商標登録）シート１０２、１０４及び１０６に対する導光体１０８の端部突合せ接合を使用でき、これにより光を光散乱層１０６における光散乱媒体に向けてコリメート（平行化）することができる。
【００５８】
導光体１０８を形成する光透過性ポリマーシートは、好ましくは両側の側面を銀色めっきし、光の漏れを最小限にする。ポリマーシートの銀色めっきは、当業者に既知の処理及び材料によって実施し、例えばアルミニウム蒸着によって実施することができる。
【００５９】
本発明のプロトン伝導性膜１６を形成するコンポーネント、すなわち、ナフィオン（商標登録）シート１０２及び１０４、光散乱層１０６、並びに導光体１０８は、ガスケット１１２及び１１４によって一緒に位置決め作用状態に保持する。ガスケット１１２及び１１４は、隙間、例えば、導光体１０８における穿孔部１１６を通して互いに結合することができる。図３において、導光体１０８は、プロトン伝導性膜１６の１つの側辺部（すなわち図示のように頂部側辺）からのみ突出することがわかるが、任意の又は複数の側辺部からも突出できる。
【００６０】
使用にあたり、プロトン伝導性膜１６を光源１１０に結合し、光源１１０としては、光コレクタ又は光生成器（例えば、フレネルレンズ等のレンズ、反射面、ＬＥＤ又は他の光源）等があり、光が導光体１０８を経て膜１６に進入できるようにする。光は、その後、光散乱層１０６における光散乱材料によって散乱して、燃料電池１０における負極２０の光触媒を照射する。
【００６１】
本明細書で説明した実施形態は、説明目的としてのみの一形態における本発明用途を示すものであることを理解されたい。実際には、本発明は多くの異なる形態に適応できる。
【００６２】
例えば、負極燃料白金触媒は、任意な他の貴金属を含むことができ、また、１つ若しくはそれ以上の非貴金属、例えば、Ｐｔ／Ｒｕ、Ｐｔ／Ｎｉ、Ｐｔ／Ｃｏ、Ｐｔ／Ｒｕ／Ｎｉ、若しくはＰｔ／Ｎｉ／Ｃｏのような２元金属又は３元金属の触媒と組み合わせることができる。さらに、光触媒は、任意な他の光触媒で活性化する金属酸化物を含むことができ、その金属酸化物としては、酸化タングステン、酸化チタン若しくは酸化鉄、又は、酸化タングステン、酸化チタン若しくは酸化鉄由来の化合物等がある。
【００６３】
負極の多孔性は、好ましくは５０％〜８０％の範囲、より好ましくは６０％〜７０％の範囲の多孔性とする。最も好ましくは、負極の多孔性は約６５％である。
【００６４】
光触媒粒子の平均粒径は、通常１００ｎｍ未満である。この点に関して、平均粒径は概して５〜５０ｎｍの間、より好ましくは１０〜２０ｎｍの範囲内である。触媒層は、炭素、貴金属触媒、及び酸化物光触媒から成る積層配置から形成できる。
【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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