(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を燃料側の電極膜と空気側の電極膜とで挟持した発電素子と、
前記発電素子を両側から挟持するセパレータとを備え、
前記電解質膜は、プロトン解離性の基を有するフラーレン誘導体からなり、
前記セパレータは、樹脂材料からなる本体の少なくとも厚さ方向に、電気的導通を確保可能な導電性材料が埋設された
燃料電池。
【請求項２】
前記プロトン解離性の基は、−ＯＨ，−ＯＳＯ3Ｈ，−ＣＯＯＨ，−ＳＯ3Ｈまたは−ＯＰＯ（ＯＨ）2のいずれかである
請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記樹脂材料は実質的に水素ガスを透過しない材料からなる
請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記導電性材料はカーボンまたは金属からなる
請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
前記金属は耐酸性の材料からなる
請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
前記導電性材料は、セパレータ本体を成形加工した後に埋設されてなる
請求項１記載の燃料電池。
【請求項７】
前記導電性材料は、セパレータ本体の成形加工と同時に一体成形により埋設されてなる
請求項１記載の燃料電池。
【請求項８】
前記導電性材料は、ロッド状、ワイヤ状、リボン状のいずれかとして形成されてなる
請求項１記載の燃料電池。
【請求項９】
電解質膜を燃料側の電極膜と空気側の電極膜とで挟持した発電素子と、
前記発電素子を両側から挟持するセパレータとを備え、
前記電解質膜は、プロトン解離性の基を有するフラーレン誘導体からなり、
前記セパレータは、樹脂材料からなる本体の一部に、電気的導通を確保可能な導電性材料が設けられ、少なくとも前記電極膜と接触する面の一部または全面に、電気的導通を確保可能な導電性の皮膜が形成されてなる
燃料電池。
【請求項１０】
前記プロトン解離性の基は、−ＯＨ，−ＯＳＯ3Ｈ，−ＣＯＯＨ，−ＳＯ3Ｈまたは−ＯＰＯ（ＯＨ）2のいずれかである
請求項９記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記導電性の皮膜はカーボンまたは金属からなる
請求項９記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記金属は耐酸性の材料からなる
請求項１１記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は燃料電池に係り、特に、低コストで供給可能な燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、一般的に、発電素子とセパレータとからなるセルをを構成要素としている。発電素子は、真ん中にプロトンを水素極から空気極へ移動させるための電解質膜と、この電解質膜の両側に付された電極膜とから構成され、一番外側にセパレータが配置される。
【０００３】
一般的なセパレータの形状を図１０に示す。図示されているように、セパレータ１０１の表面には、凹凸が形成されている。凹部１０２は、燃料ガスまたは酸化剤ガスの通路とされるものであり、凸部１０３は、触媒電極表面に密着して集電部となるように構成されている。
【０００４】
上記セルは、単一の構成では、工業的用途に活用できるような十分な電流電圧を発生しないので、通常は、このセルを１つの構成単位として多段に積層することによりスタックを形成し、所望の電流電圧が確保される。
【０００５】
上記のように、セルを積層してスタックを形成するとき、各セルで発生した電力が、セルの積層方向に流れるようにすれば、最終的にスタックの一端側に設けられた出力端子から電力を取り出すことが可能となる。そして、各セルの外側に位置するセパレータが導電性を有していれば、各セル間は電気的に接続され、各セルで発生した電力がセルの積層方向に流れ、スタックの一端側で電力を取り出すことが可能となる。
【０００６】
このため、一般に、セパレータは導電性を有する素材から形成されている。そして、導電性を有するセパレータとしては、カーボンを圧縮してガス不透過としたガス不透過カーボンや、炭素繊維強化プラスチックス（ＣＦＲＰ）或いはアモルファスカーボンなどが素材として使用されていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記したカーボンを圧縮してガス不透過としたガス不透過カーボンや、炭素繊維強化プラスチックス（ＣＦＲＰ）或いはアモルファスカーボンなどが素材は高価であり、セルのコストが上昇し、結果的に燃料電池のコストが高くなるという問題があった。そこで、コストを低減させるために、金属板の全体に電気伝導性の良好な緻密性カーボングラファイトをコーティングして、導電性を有する素材の使用量を少なくした技術が知られている。
【０００８】
しかし、上記した金属板の全体に電気伝導性の良好な緻密性カーボングラファイトをコーティングする技術では、カーボングラファイトのコーティングをセパレータの全体に施す必要があり、生産性や成形性が悪く、結果としてコスト低減を図れなくなるという不都合があった。
【０００９】
本発明の目的は、成形性に優れ、生産性の良く、コストの低減が可能な燃料電池セパレータを備えた燃料電池を提供することにある。
【００１０】
上記課題は、本発明に係る燃料電池によれば、電解質膜を燃料側の電極膜と空気側の電極膜とで挟持した発電素子と、発電素子を両側から挟持するセパレータとを備え、電解質膜は、プロトン解離性の基を有するフラーレン誘導体からなり、セパレータは、樹脂材料からなる本体の少なくとも厚さ方向に、電気的導通を確保可能な導電性材料が埋設した構成とする、ことにより解決される。
【００１１】
このように、本発明の燃料電池は、セパレータが主に導電性を持たない樹脂から形成されているので、成形性の良好な樹脂を選択が可能であり、成形に特別な技術を要求せずに成形できるなど、成形が簡単である。また、安価な樹脂材料により、所望形状の成形が可能であり、低価格で高い生産性で製造することが可能である。また、樹脂に埋め込まれた導電性部材により、セル間の導電性を確保することが可能となる。
【００１２】
なお、より具体的には、前記樹脂材料は、供給された燃料としての水素ガスが漏れないように、実質的に水素ガスを透過しない材料から形成される。また、前記導電性材料は、電気的導通を確保するために、カーボンまたは金属から形成される。このとき、耐酸性の金属を用いると好適である。
【００１３】
導電性材料は、セパレータ本体を成形加工した後に埋設される。或いは、セパレータ本体の成形加工と同時に一体成形により埋設される。
【００１４】
導電性材料は、電極膜と導通する構成であればどのような形状に形成されていても良いが、ロッド状に形成すると、セパレータ本体への取付が容易となり好適である。或いは、ワイヤ状またはリボン状とすると、セパレータ本体と一体成形する場合、セパレータ本体への取付強度を確保することが可能であり、好適である。
【００１５】
上記課題は、本発明の請求項９に係る燃料電池によれば、電解質膜を燃料側の電極膜と空気側の電極膜とで挟持した発電素子と、発電素子を両側から挟持するセパレータとを備え、電解質膜は、プロトン解離性の基を有するフラーレン誘導体からなり、セパレータは、樹脂材料からなる本体の一部に、電気的導通を確保可能な導電性材料が設けられ、少なくとも前記電極膜と接触する面の一部または全面に、電気的導通を確保可能な導電性の皮膜が形成されてなる、ことにより解決される。
【００１６】
このように、導電性の皮膜は、電極膜表面に密着する部分にのみ形成された構成としても、導電性の皮膜と発電素子を介して効率よく且つ連続的に集電可能となり、さらに各セルで発生した電力は導電性材料により接続される。
【００１７】
より具体的には、導電性の皮膜はカーボンまたは金属から形成される。このとき、耐酸性の材料からなる金属を用いると好適である。
【００１９】
本発明の燃料電池では、プロトン解離性の基を有するフラーレン誘導体からなる電解質膜を使用することにより、セパレータに、水素ガスを加湿するための加湿手段との連携を図るための加工や工夫をする必要なくなり、シンプルでコンパクトな構成とすることが可能となる。また、水素を加湿しない構成とすることが可能であるため、従来の燃料電池のように多量の水が発生しないので、大容量の保水手段や水の排出を考慮したセパレータとすることも不要となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態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。
【００２１】
図１乃至図９は本実施の形態を示すものであり、図１は本発明の燃料電池用セパレータを示す説明図、図２は本発明の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池の一部を示す説明図、図３はフラーレン分子を主要構成要素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、図４はフラーレン分子を主要構成要素としてプロトン解離性の基を備えた一例を示す模式図、図５は炭素クラスターの例を示す説明図、図６は開放端を有する炭素クラスターの例を示す説明図、図７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、図８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、図９は自己加湿型電解質膜の説明図である。
なお、本明細書において、「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。
【００２２】
燃料電池１０は、図２に示すように、所定の出力を得るためにセルＣを連続させたスタックとして形成されている。セルＣは、図２に示すように、電解質膜１１を、燃料側の電極膜１２と空気側の電極膜１３とで挟持した発電素子と、この発電素子を両側から挟持するセパレータ１５，１６とから構成されている。このセルＣを積層させてスタックＳが形成されている。なおスタックＳは、図示しない板体により積層された複数のセルＣを加圧狭持している。
【００２３】
本例において、空気側の電極膜１２側に配設されるセパレータを、空気側のセパレータ１５、燃料側の電極膜１３側に配設されるセパレータを、燃料側のセパレータ１６として説明する。
【００２４】
空気側のセパレータ１５及び燃料側のセパレータ１６は、発電素子１４へのガスの供給路となるものである。また、空気側の電極膜１２と、燃料側の電極膜１３に対して電気導電性を持ち、集電機能を有するとともに、酸化剤ガスとしての空気と、燃料ガスとしての水素ガスとの混合を防止する仕切機能を有している。
【００２５】
空気側のセパレータ１５は、図１に示すように、本体１５ａに通路１５ｂが形成され、通路１５ｂの両側に導電性材料１５ｃが埋設して形成されている。燃料側のセパレータ１６も、前記空気側のセパレータ１５と同様の構成であり、本体１６ａに通路１６が形成され、通路１６ｂの両側に導電性材料１６ｃが埋設して形成されている。
【００２６】
空気側のセパレータ１５の通路１５ｂには、空気側の電極膜１２に供給される酸化剤ガスとしての空気が通過するように構成されている。また、燃料側のセパレータ１６の通路１６ｂには、燃料電池に供給される燃料ガスとしての水素ガスが通過するように構成されている。
【００２７】
次に、本例のセパレータを形成する材料について説明する。空気側のセパレータ１５の本体１５ａ及び燃料側のセパレータ１６の本体１６ａを構成する樹脂材料は、実質的に、水素ガスを透過しない材料から構成されている。
【００２８】
上記樹脂材料としては、絶縁性のある材料、耐熱性のある材料、成形加工が容易な材料などが好ましく、具体的には、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）などを挙げることができるが、これらの材料に限定されるものでないことは勿論である。
【００２９】
導電性材料１５ｃ，１６ｃは、それぞれ、電極膜表面に密着状態になるように配設され、集電部を構成する。導電性材料１５ｃ，１６ｃは、発電素子１４を介して連続的に接続されるように構成されている。
【００３０】
導電性材料１５ｃ，１６ｃは、カーボンまたは金属から形成されている。導電性材料は、本体成形時に、本体と一体に成形しても良く、或いは、本体を成形するときに、導電性材料を配置する配置部を設けて成形し、本体成形後に導電性材料を取り付ける構成としても良い。
【００３１】
なお、本体成形後に導電性材料を取り付けるときには、本体と導電性材料との間の気密性が保たれるようにする。このため、本体または導電性材料に接着剤を塗布して、導電性材料を配設する構成としても良い。
【００３２】
なお、導電性材料として、金属を用いる場合は、耐酸性の材料を使用する。耐酸性の金属材料として、具体的には、金、白金、パラジウム等があるが、加工性を考慮すると金等が好ましい。また、導電性材料は、厚み方向に使用するだけであるので、従来に比して少量の使用で済み、全体のコストは著しく低減する。
【００３３】
導電性材料は、電極膜と導通する構成であればどのような形状に形成されていても良いが、例えば、ロッド、ワイヤまたはリボン状に形成される。ロッド状に形成すると、本体に後付で導電性材料を取り付けるときに、本体に形成された導電性材料配置部に取り付けやすくなり好適である。
【００３４】
また、導電性材料をワイヤ状またはリボン状に形成する場合は、所定の導電性が得られるように、複数の導電性材料を束ねるようにして使用する。このように、ワイヤ状またはリボン状の導電性材料を用いることにより、本体と導電性材料を一体成形するときに、導電性材料と本体との高い密着性が得られ好適である。またロッド状、ワイヤ状、リボン状は、全て同じものを用いる必要はなく、複合的に用いることも可能である。これにより、最適な形状を適宜選択することが可能となる。
【００３５】
なお、上記のように、本体の通路両側に導電性材料を配設する構成の他、通路両側の凸部に、導電性の皮膜を形成した構成としても良い。すなわち、通路両側の凸部頂部は電極膜と接触する面であり、この面の少なくとも一部に、導電性の皮膜を形成する。
【００３６】
なお、前記皮膜を凸部の頂部だけでなく、空気側のセパレータ１５と燃料側のセパレータ１６との接触面に設けても良い。これにより、より高い電気伝導性を確保することが可能となる。
【００３７】
導電性の皮膜は、カーボングラファイト，クロム，白金族金属またはその酸化物，導電性ポリマー等を用い、スパッタリングにより、通路両側の凸部に皮膜が形成される。
【００３８】
なお、導電性の皮膜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り、例えば、蒸着、メッキやペースト塗布の厚膜成形プロセスを用いることもできる。
【００３９】
以上の構成において、反応ガスが燃料電池スタック構造の各セルＣに導入されると、電解質膜１１において酸素と水素が反応し、電解質膜中に水素イオンが流れ電力が発生する。
【００４０】
そして、電気化学反応で発生した電力は、セパレータを介して、セルＣの積層方向に流れる。このようにして、最終的に、スタックの一旦側に設けられた一対の出力端子（図示せず）から電力を取り出すことができる。
【００４１】
なお、本実施例の燃料電池１０において、電解質膜として、プロトン伝導体からなる電解質膜１１を使用すると好適である。プロトン伝導体としては、パーフルオロスルホン酸樹脂（ナフィオン（Nafion(R)）：Du pont社製）や、フラーレン誘導体等がある。以下、ここでは、通称「フラレノール（Fullerenol）」と称される水分を介在させないプロトン伝導体からなる電解質膜１１について説明する。
【００４２】
プロトン伝導体からなる電解質膜１１として、ポリ水酸化フラーレンは、図３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。
【００４３】
フラレノールは、図４（Ａ）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。
【００４４】
プロトン伝導体からなる電解質膜は、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４（Ｂ）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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
更に、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。更には、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。
【００４９】
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。
【００５０】
更に、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４（Ｃ）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、−Ｃ１、−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。
【００５１】
但し、フラーレン分子に導入するプロトン解離性の基の数は、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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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ＴＦ−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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
なお、上記の実施の形態では、プロトン伝導膜としては、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、その構成炭素分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。
【００６０】
この炭素性材料には、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。
【００６１】
前者の炭素クラスターには、図９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１０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１１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、更には図１２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。
【００６２】
また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。
【００６３】
また、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Ｃで加熱しガラスとして作成でいる。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。
【００６４】
さらに、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。
【００６５】
また、自己加湿型電解質膜であってもよい。この膜は、例えば図１３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（ＴｉＯ２・ＳｉＯ２）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りる。
上記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。
【００６６】
以上のように、電解質膜として、水分を介在させないプロトン伝導体からなる電解質膜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。
【００６７】
以上のように、本発明の燃料電池は、セパレータが主に導電性を持たない樹脂から形成されているので、成形性の良好な樹脂を選択が可能であり、成形に特別な技術を要求せずに成形できるなど、成形が簡単である。また、安価な樹脂材料により、所望形状の成形が可能であり、低価格で高い生産性で製造することが可能である。また、樹脂に埋め込まれた導電性部材により、セル間の導電性を確保することが可能となる。この導電性材料は、使用量が少ないため、従来に比して、セパレータのコストは著しく低下する。導電性材料は、電極膜と導通する構成であればどのような形状に形成されていても良いが、ロッド状に形成すると、セパレータ本体への取付が容易となり好適である。或いは、ワイヤ状またはリボン状とすると、セパレータ本体と一体成形する場合、セパレータ本体への取付強度を確保することが可能であり、好適である。
【００６８】
また、本発明の燃料電池は、セパレータを樹脂材料からなる本体で形成し、この一部に、電気的導通を確保可能な導電性材料が設け、少なくとも電極膜と接触する面の一部または全面に、電気的導通を確保可能な導電性の皮膜を形成することにより、導電性の皮膜と発電素子を介して効率よく且つ連続的に集電可能となり、さらに各セルで発生した電力は導電性材料により接続される。このように、導電性の皮膜は、電極膜表面に密着する部分にのみ形成された構成としても、導電性の皮膜と発電素子を介して効率よく且つ連続的に集電可能となり、さらに各セルで発生した電力は導電性材料により接続される。
【００６９】
また、プロトン解離性の基を有するフラーレン誘導体からなる電解質膜を使用することにより、セパレータに、水素ガスを加湿するための加湿手段との連携を図るための加工や工夫をする必要なくなり、シンプルでコンパクトな構成とすることが可能となる。また、水素を加湿しない構成とすることが可能であるため、従来の燃料電池のように多量の水が発生しないので、大容量の保水手段や水の排出を考慮したセパレータとすることも不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池用セパレータを示す説明図である。
【図２】本発明の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池の一部を示す説明図である。
【図３】フラーレン分子を主要構成要素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４】フラーレン分子を主要構成要素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５】炭素クラスターの例を示す説明図である。
【図６】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７】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８】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９】自己加湿型電解質膜の説明図である。
【図１０】従来例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０  燃料電池
１１  電解質膜
１２  燃料側の電極膜
１３  空気側の電極膜
１４  発電素子
１５  燃料側のセパレータ
１５ａ  本体
１５ｂ  通路
１５ｃ  導電性材料
１６  空気側のセパレータ
１６ａ  本体
１６ｂ  通路
１６ｃ  導電性材料
Ｃ  セル
Ｓ  スタック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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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】
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