(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
貴金属に代えて用いる室温での比誘電率が１０００から１００００程度であるチタン酸バリウム系材料の粉末の表面に水素ガスを接触させて水素原子間の結合エネルギーおよびプロトンと電子の結合エネルギー又は前記エネルギーの何れか一方を弱めることを特徴とする水素分子のプロトン化方法。
【請求項２】
貴金属に代えて用いる室温での比誘電率が１０００から１００００程度であるチタン酸バリウム系材料の粉末であってその表面に水素ガスを接触させて水素原子間の結合エネルギーおよびプロトンと電子の結合エネルギー又は前記エネルギーの何れか一方を弱めることを特徴とする水素分子のプロトン化触媒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素分子のプロトン化方法と水素分子プロトン化触媒に関する。
【背景技術】
【０００２】
リン酸型燃料電池や固体高分子型燃料電池は、比較的低温で作動するクリーンな発電シ
ステムとして期待されている。特に固体高分子型燃料電池は、自動車等の移動体用動力源
としての開発が進められている。これらの燃料電池のアノードには水素ガスが供給される
。水素分子はアノード中の触媒によって酸化され、プロトンと電子を生成する。この触媒
はこれらの燃料電池に必須であり、通常白金やパラジウムなどの貴金属が用いられる。
【０００３】
特許文献１には貴金属粒子が中空繊維状カーボンおよび水素イオン伝導性高分子電解質に担持された固体高分子型燃料電池が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１５８２９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１などに記載されている燃料電池において、水素分子のプロトン化には白
金などの貴金属が触媒として用いられている。しかし白金などの貴金属は高価であり、ま
た埋蔵量が少ないため、燃料電池を広く普及させるにあたって、障害となっている。よっ
て、貴金属に代わる水素分子プロトン化触媒が求められていた。
【０００５】
よって本発明は、白金などの貴金属に代わる新規な水素分子プロトン化触媒を提供する
ことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題点を解決するために本発明に係る水素分子のプロトン化方法は、貴金属に代えて用いる室温での比誘電率が１０００から１００００程度であるチタン酸バリウム系材料の粉末の表面に水素ガスを接触させて水素原子間の結合エネルギーおよびプロトンと電子の結合エネルギー又は前記エネルギーの何れか一方を弱めることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係る水素分子プロトン化触媒は、貴金属に代えて用いる室温での比誘電率が１０００から１００００程度であるチタン酸バリウム系材料の粉末であってその表面に水素ガスを接触させて水素原子間の結合エネルギーおよびプロトンと電子の結合エネルギー又は前記エネルギーの何れか一方を弱めることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
従来から電子を正電荷に束縛するエネルギー（結合エネルギー）は媒体の誘電率の２乗
に反比例することが知られている。例えば、Ｓｉ（４価）半導体中にＰ（５価）を不純物
としてドープした系（ｎ型半導体）において、電子は、真空中より小さいエネルギーでＰ
+の束縛を離れ解離する。具体的にはＳｉの比誘電率が約１２なので、結合エネルギーは
真空中の約1／１４４となる。
【０００９】
同様の作用により、本発明の効果も奏されるものと考えられる。すなわち、水素ガスが
貴金属に代えて用いる室温での比誘電率が１０００から１００００程度であるチタン酸バリウムの粉末の表面に接触すると、水素原子間の結合エネルギーおよびプロトンと電子の結合エネルギーまたは何れか一方のエネルギーが弱まり、容易にプロトンを生成するものと考えられる。
【００１０】
本発明に係る水素分子のプロトン化方法によれば、水素原子間の結合エネルギーおよび
プロトンと電子の結合エネルギーまたは何れか一方のエネルギーが弱まるので、高価で埋蔵量の少ない貴金属を用いることなく水素分子をプロトン化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
貴金属に代えて用いる室温での比誘電率が１０００から１００００程度であるチタン酸バリウム系材料としては種々の材料が選択可能であるが、例えば特公平１−１８５２１号公報に示された、不純物としてのアルカリ金属酸化物の含有量が０．０４重量％以下のチタン酸バリウム１００重量部に対し、Ｎｂ2Ｏ5を１．０〜２．５重量部、Ｃｏ2Ｏ3を０．１〜０．８重量部、ＳｉＯ2を０．１〜１．２重量部およびＮｄ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3、Ｐｒ6Ｏ11の内、１種または２種以上からなる希土類酸化物を０．３〜１．０重量部それぞれ含有する高誘電率磁器組成物が採用可能である。この他、チタン酸バリウムの一部をジルコン酸バリウムに置換したものや、Ｂｉ2Ｏ3、ＳｎＯ2、ＺｒＯ2、ＭｇＯ、ＦｅＯを副成分として含むものも採用可能である。組成を適宜選択することによって室温での比誘電率が１０００から１００００程度のものを容易に得ることができる。
【００１２】
本発明に係る水素分子のプロトン化方法では、前記のように、貴金属に代えて用いる室温での比誘電率が１０００から１００００程度であるチタン酸バリウム系材料の粉末の表面に水素ガスを接触させる。この方法は燃料電池に適用することができる。例えば、貴金属触媒に代えて用いる室温での比誘電率が１０００から１００００程度であるチタン酸バリウム系材料からなる粉末をアセチレンブラックなどに担持することができる。その際、比誘電率が１０００から１００００程度である材料として、通常の燃料電池の作動温度を大きく超える温度、例えば１０００℃以上の高温で熱処理されたセラミック粉末を用いれば、プロトン化が促進されることに加えて、使用中に凝集することはなく、燃料電池の長寿命化にも寄与する。
【実施例】
【００１３】
本発明の実施例について説明する。この実施例は、室温での比誘電率が１０００から１００００程度であるチタン酸バリウム系材料の粉末に水素ガスを接触させることにより水素分子のプロトン化が可能であることを示すものである。
【００１４】
まず、触媒として用いる誘電体材料粉末を用意した。組成は、不純物としてのアルカリ
金属酸化物の含有量が０．０４重量％以下のＢａＴｉＯ3を１００重量部に対して、Ｎｂ2
Ｏ5を０．９重量部、Ｃｏ2Ｏ3を０．２重量部、ＳｉＯ2を０．６重量部、Ｎｄ2Ｏ3を０．
６重量部を含有するものである。
【００１５】
この誘電体材料粉末は、素原料であるＢａＣＯ3とＴｉＯ2を混合・熱処理してチタン酸
バリウムを合成した後、これにＮｂ2Ｏ5、Ｃｏ2Ｏ3、ＳｉＯ2、Ｌａ2Ｏ3を所定の比率になるよう加え、再度混合し、成形・熱処理・粉砕して製造した。チタン酸バリウム合成のための熱処理温度としては１１５０℃とし、副成分を加えた後の熱処理は１２３０℃とした。この粉末の平均粒径は約５μｍであった。
【００１６】
最後の粉砕工程前の焼結体（円板状）にＡｇ電極を付与してコンデンサを形成して、比
誘電率を測定したところ室温で３５００であった。
【００１７】
実験に用いた装置の配置を図１を用いて説明する。
長さ５０ｍｍ、直径８ｍｍのガラス管１１の底部に気孔率約５０％の多孔質円板１２（
厚さ１ｍｍ）をエポキシ樹脂を主剤とする接着剤で取り付けた。そして、多孔質円板の表
面ならびにガラス管の側面にＡｌを真空蒸着して、電気伝導性を付与した。ガラス管の内部に
は前記誘電体材料粉末１３を高さ３０ｍｍまで充填した。
【００１８】
このガラス管の先端をイオン交換水１４に浸し、対極１５をＡｌとした。ガラス管のＡ
ｌが蒸着された部分と、対極１５は電流計１６を間に挟んで導線で接続した。
【００１９】
実験では、ガラス管に毎分２ｍＬの流量で水素ガスを導入した場合と何も導入しなかっ
た場合との電流値を計測した。水素ガスを導入した場合、水素ガスは比誘電率３５００の
誘電体材料粉末１３の表面に接触することになる。また、比較のために前記誘電体粉末を
充填しない状態でも実験した。この比較のための実験では、水素ガスの周囲の媒体は水（
比誘電率７８）である。
【００２０】
表１に実験結果を示す。表中の電流値はガラス管１１から電流計１６を経て対極１５へ
流れる方向を正、その逆方向を負の符号で示した。
【００２１】
【表１】
0005023333.tif 000002
【００２２】
表1から、ガラス管１１に何も充填していない場合では、水素ガスを導入してもしなく
ても電流値が同じであることがわかる。一方、ガラス管１１に比誘電率３５００の誘電体
材料粉末１３を充填した場合では、水素ガスの導入によって電流の向きが逆転した。導入
された水素ガスが誘電体粉末１３の表面に接触することにより、その結合エネルギーが弱
められ、プロトンと電子に解離したものと考えられる。
１／２Ｈ2  →  Ｈ+  ＋  ｅ-
観測した電流はプロトンと同時に生じた電子が外部回路を通じて対極に流れたものであ
ると考えられる。
【００２３】
水素ガスを比誘電率７８の媒体（水）を通過させる方法に比べて、水素ガスを比誘電率
３５００の固体（誘電体粉末）の表面に接触させる方法の方が水素分子をプロトン化する
のに優れた方法であると言える。この効果は比誘電率が３５００である場合に限らず、程
度の差こそあれ、室温での比誘電率が１０００から１００００程度であるチタン酸バリウム系材料の粉末の表面に水素ガスを接触させれば生じるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例の実験を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１１  ガラス管
１２  多孔質円板
１３  誘電体材料粉末
１４  イオン交換水
１５  対極
１６  電流計
【図１】
0005023333.tif 000003