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JP2002158015A - 電気化学素子、発電体及び発電装置 - Google Patents

電気化学素子、発電体及び発電装置

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Publication number
JP2002158015A
JP2002158015A JP2000354061A JP2000354061A JP2002158015A JP 2002158015 A JP2002158015 A JP 2002158015A JP 2000354061 A JP2000354061 A JP 2000354061A JP 2000354061 A JP2000354061 A JP 2000354061A JP 2002158015 A JP2002158015 A JP 2002158015A
Authority
JP
Japan
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fuel
electrode
oxygen
exchange membrane
electrochemical
Prior art date
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Pending
Application number
JP2000354061A
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English (en)
Inventor
Koichi Tanaka
浩一 田中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
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Priority to US09/992,971 priority patent/US20020076586A1/en
Publication of JP2002158015A publication Critical patent/JP2002158015A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ポータブル機器における使用に適し、且つ燃
料電池のレイアウトの自由度を高め、製品を製造する際
のパッケージングを有利とする電気化学素子、発電体及
び発電装置の提供。 【解決手段】 電気化学素子は１は、水素吸蔵体１１と
燃料電極１２とイオン交換膜１３と酸素電極１４とから
構成されている。水素吸蔵体１１と燃料電極１２は互い
に当接した状態で燃料極構成体をなしている。燃料極構
成体は、イオン交換膜１３に当接した状態で取囲まれて
おり、イオン交換膜１３は、酸素電極１４に当接した状
態で取囲まれている。水素吸蔵体１１に吸蔵された水素
が、燃料として燃料電極１２に供給されることによっ
て、電気化学素子１は電力を出力することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は電気化学素子、この電気
化学素子を用いた発電体及び発電装置に関し、特に、携
帯型の燃料電池の機能を有する電気化学素子、発電体及
び発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、燃料電極と酸素電極とがイオ
ン交換膜を介して接続されている燃料電池が知られてい
る。燃料電極には、燃料電極内でプロトンたる水素イオ
ンを発生するために、水素ガス等の燃料が供給される。
水素ガス等の燃料は、燃料電池外部に設けられた燃料供
給装置によって供給される。
【０００３】米国特許第６，０６０，１８８号公報に
は、燃料電極と酸素電極とイオン交換膜が円筒状をした
燃料電池が記載されている。この電池では、円柱状をし
た多孔質基体が、燃料電極に当接した状態で燃料電極に
取囲まれて配置されており、燃料電極は、イオン交換膜
に当接した状態でイオン交換膜に取囲まれて配置されて
おり、イオン交換膜は酸素電極に当接した状態で酸素電
極に取囲まれて配置されている。多孔質基体と燃料電極
と酸素電極とイオン交換膜とは同軸的な位置関係となっ
ている。
【０００４】この燃料電池では、燃料電池の外部に燃料
供給装置を別途設ける必要があり、燃料供給装置によっ
て燃料電池内に燃料を供給してやらなければならなかっ
た。このため、燃料電池と燃料供給装置とからなる装置
全体のサイズが大きくなってしまい、ポータブル機器等
に使用する電池として、この種の燃料電池を用いること
は困難であった。
【０００５】燃料電池の外部に燃料供給装置を設ける必
要のない燃料電池としては、燃料電池内部に燃料源を有
するタイプが知られている。米国特許第６，０８０，５
０１号公報には、略立方体形状をした燃料電池の筐体内
部に、燃料源たる水素吸蔵体が充填された燃料電池が記
載されている。この電池では、円柱状をした多孔質基体
が酸素電極に当接した状態で酸素電極に取囲まれて配置
されており、酸素電極はイオン交換膜に当接した状態で
イオン交換膜に取囲まれて配置されており、イオン交換
膜は燃料電極に当接した状態で燃料電極に取囲まれて配
置されている。更に、燃料電極は水素吸蔵体に当接した
状態で水素吸蔵体に取囲まれて配置されている。多孔質
基体と燃料電極と酸素電極とイオン交換膜とからなる円
柱状部材は、同軸的な位置関係となっており、水素吸蔵
体の充填された燃料電池の筐体を貫通する状態で複数設
けられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、米国特許第
６，０８０，５０１号公報に記載された燃料電池では、
略立方体形状をした筐体に燃料源をたる水素吸蔵体を充
填した構成となっているため、燃料電池を複数組合せて
使用する際に、燃料電池のレイアウトに制限があり、製
品を製造する際のパッケージングが容易ではなかった。
又、モジュールとしての自由度も低かった。
【０００７】そこで本発明は、ポータブル機器における
使用に適し、且つ燃料電池のレイアウトの自由度を高
め、製品を製造する際のパッケージングを有利とする電
気化学素子、発電体及び発電装置を提供することを目的
とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、水素イオンの発生に伴い負極となる燃料
電極と、酸素に接触可能に設けられ、酸素分子と該水素
イオンと電子とから水を生成し正極となる酸素電極と、
プロトン伝導体を有し該燃料電極内の該水素イオンを該
酸素電極内へ伝導するイオン交換膜と、該燃料電極にお
いて該水素イオンを発生させるための燃料を供給する燃
料源とからなる電気化学素子において、該燃料電極と該
燃料源とは互いに当接した状態で燃料極構成体をなし、
該燃料極構成体は、該イオン交換膜に当接した状態で取
囲まれて配置され、該イオン交換膜は、該酸素電極に当
接した状態で取囲まれて配置されている電気化学素子を
提供している。
【０００９】ここで、該燃料源は燃料液体又は水素ガス
を吸蔵可能に構成されていることが好ましい。
【００１０】又、該燃料源は、カーボン系のフラーレン
若しくはナノチューブ若しくはナノファイバー、又は金
属水素化物からなる水素吸蔵体により構成されているこ
とが好ましい。ここで、金属水酸化物は、具体的には水
素吸蔵合金等により構成される。
【００１１】又、該燃料極構成体は円柱状をなし、該イ
オン交換膜と該酸素電極とは円筒状をなしていることが
好ましい。
【００１２】又、該燃料源は円柱状をなし該燃料電極は
円筒状をなして、該燃料源は該燃料電極に当接した状態
で取囲まれて配置されていることが好ましい。
【００１３】又、該イオン交換膜は多孔質のマトリクス
を有し該プロトン伝導体が多孔質のマトリクスに充填さ
れていることが好ましい。
【００１４】又、該イオン交換膜は、プロトン伝導体と
バインダーとが混合されフィルム状に成形されることに
よって構成されることが好ましい。
【００１５】又、該プロトン伝導体は、炭素を主成分と
する炭素質材料を母体としプロトン解離性の基が導入さ
れてなることが好ましい。ここで、「プロトンの解離」
とは、電離によってプロトン（Ｈ＋）が離脱することを
意味し、「プロトン解離性の基」とは、電離によってプ
ロトンが離れ得る官能基を意味する。
【００１６】又、該プロトン伝導体は水管理を必要とし
ない電解質膜により構成されていることが好ましい。
【００１７】又、該電解質膜は内部加湿型固体高分子膜
により構成されていることが好ましい。
【００１８】又、該電解質膜はプロトン伝導性無機化合
物により構成されていることが好ましい。
【００１９】又、本発明は、水素イオンの発生に伴い負
極となる燃料電極と、酸素に接触可能に設けられ、酸素
分子と該水素イオンと電子とから水を生成し正極となる
酸素電極と、プロトン伝導体を有し該燃料電極内の該水
素イオンを該酸素電極内へ伝導するイオン交換膜と、該
燃料電極において該水素イオンを発生させるための燃料
を供給する燃料源とからなる電気化学素子を複数有し、
該複数の電気化学素子は導電性接続パターンにより電気
的に接続されている発電体において、少なくとも一の該
電気化学素子の該燃料電極と該燃料源とは互いに当接し
た状態で燃料極構成体をなし、該少なくとも一の電気化
学素子の該燃料極構成体は、該イオン交換膜に当接した
状態で取囲まれて配置され、該少なくとも一の電気化学
素子の該イオン交換膜は、該酸素電極に当接した状態で
取囲まれて配置されている発電体を提供している。
【００２０】又、本発明は、水素イオンの発生に伴い負
極となる燃料電極と、酸素に接触可能に設けられ、酸素
分子と該水素イオンと電子とから水を生成し正極となる
酸素電極と、プロトン伝導体を有し該燃料電極内の該水
素イオンを該酸素電極内へ伝導するイオン交換膜と、該
燃料電極において該水素イオンを発生させるための燃料
を供給する燃料源とからなる電気化学素子を複数有し、
該複数の電気化学素子は導電性接続パターンにより電気
的に接続されている発電装置において、該複数の電気化
学素子と導電性接続パターンとが筐体に配置され、少な
くとも一の該電気化学素子の該燃料電極と該燃料源とは
互いに当接した状態で燃料極構成体をなし、該少なくと
も一の電気化学素子の該燃料極構成体は、該イオン交換
膜に当接した状態で取囲まれて配置され、該少なくとも
一の電気化学素子の該イオン交換膜は、該酸素電極に当
接した状態で取囲まれて配置されている発電装置を提供
している。
【００２１】ここで、該筐体には、酸素若しくは空気を
電気化学素子へ供給するための酸素供給路若しくは空気
供給路、又は燃料を燃料源に供給するための燃料充填口
が形成されていることが好ましい。燃料充填口は、水素
を供給するための水素供給機構とともに、水素充填機構
をなす。
【００２２】又、本発明は、水素イオンの発生に伴い負
極となる燃料電極と、酸素に接触可能に設けられ、酸素
分子と該水素イオンと電子とから水を生成し正極となる
酸素電極と、プロトン伝導体を有し該燃料電極内の該水
素イオンを該酸素電極内へ伝導するイオン交換膜と、該
燃料電極において該水素イオンを発生させるための燃料
を供給する燃料源とを有し、該酸素電極は、該イオン交
換膜に当接した状態で取囲まれて配置され、該イオン交
換膜は、該燃料電極に当接した状態で取囲まれて配置さ
れている電気化学素子において、該燃料電極と該燃料源
とは互いに当接した状態で燃料極構成体をなし、一の該
酸素電極を取囲む該燃料極構成体は該一の酸素電極に対
してのみ作用する電気化学素子を提供している。
【００２３】ここで、該燃料源は燃料液体又は水素ガス
を吸蔵可能に構成されていることが好ましい。
【００２４】又、該燃料源は、カーボン系のフラーレン
若しくはナノチューブ若しくはナノファイバー、又は金
属水素化物からなる水素吸蔵体により構成されているこ
とが好ましい。ここで、金属水酸化物は、具体的には水
素吸蔵合金等により構成される。
【００２５】該燃料極構成体と該イオン交換膜と該酸素
電極は円筒状をなしていることが好ましい。
【００２６】又、該燃料源と該燃料電極は円筒状をなし
て、該燃料電極は、該燃料源に当接した状態で取囲まれ
て配置されていることが好ましい。
【００２７】又、該イオン交換膜は多孔質のマトリクス
を有し該プロトン伝導体が多孔質のマトリクスに充填さ
れていることが好ましい。
【００２８】又、該イオン交換膜は、プロトン伝導体と
バインダーとが混合されフィルム状に成形されることに
よって構成されることが好ましい。
【００２９】又、該プロトン伝導体は、炭素を主成分と
する炭素質材料を母体としプロトン解離性の基が導入さ
れてなることが好ましい。
【００３０】又、該プロトン伝導体は水管理を必要とし
ない電解質膜により構成されていることが好ましい。
【００３１】又、該電解質膜は内部加湿型固体高分子膜
により構成されていることが好ましい。
【００３２】又、該電解質膜はプロトン伝導性無機化合
物により構成されていることが好ましい。
【００３３】又、本発明は、水素イオンの発生に伴い負
極となる燃料電極と、酸素に接触可能に設けられ、酸素
分子と該水素イオンと電子とから水を生成し正極となる
酸素電極と、プロトン伝導体を有し該燃料電極内の該水
素イオンを該酸素電極内へ伝導するイオン交換膜と、該
燃料電極において該水素イオンを発生させるための燃料
を供給する燃料源とからなる電気化学素子を複数を有
し、少なくとも一の該電気化学素子の該酸素電極は、該
イオン交換膜に当接した状態で取囲まれて配置され、該
少なくとも一の電気化学素子の該イオン交換膜は、該燃
料電極に当接した状態で取囲まれて配置されている発電
体において、該少なくとも一の該電気化学素子の該燃料
電極と該燃料源とは互いに当接した状態で燃料極構成体
をなし、該複数の電気化学素子は導電性接続パターンに
より電気的に接続され、一の該酸素電極を取囲む該燃料
極構成体は該一の酸素電極に対してのみ作用する発電体
を提供している。
【００３４】又、本発明は、水素イオンの発生に伴い負
極となる燃料電極と、酸素に接触可能に設けられ、酸素
分子と該水素イオンと電子とから水を生成し正極となる
酸素電極と、プロトン伝導体を有し該燃料電極内の該水
素イオンを該酸素電極内へ伝導するイオン交換膜と、該
燃料電極において該水素イオンを発生させるための燃料
を供給する燃料源とからなる電気化学素子を複数を有
し、少なくとも一の該電気化学素子の該酸素電極は、該
イオン交換膜に当接した状態で取囲まれて配置され、該
少なくとも一の電気化学素子の該イオン交換膜は、該燃
料電極に当接した状態で取囲まれて配置されている発電
装置において、該少なくとも一の電気化学素子の該燃料
電極と該燃料源とは互いに当接した状態で燃料極構成体
をなし、該複数の電気化学素子は導電性接続パターンに
より電気的に接続され、一の該酸素電極を取囲む該燃料
極構成体は該一の酸素電極に対してのみ作用し、該複数
の電気化学素子と導電性接続パターンとが筐体に配置さ
れている発電装置を提供している。
【００３５】ここで、該筐体には、酸素若しくは空気を
電気化学素子へ供給するための酸素供給路若しくは空気
供給路、又は燃料を燃料源に供給するための燃料充填口
が形成されていることが好ましい。燃料充填口は、水素
を供給するための水素供給機構とともに、水素充填機構
をなす。
【００３６】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態による電気化
学素子１について図１に基づき説明する。電気化学素子
１は、円柱状をした水素吸蔵体１１を有し、それぞれ円
筒状をした燃料電極１２、イオン交換膜１３、酸素電極
１４を有している。水素吸蔵体１１の外周は燃料電極１
２の内周に当接した状態で燃料電極１２に取囲まれて配
置されている。燃料電極１２の外周はイオン交換膜１３
の内周に当接した状態でイオン交換膜１３に取囲まれて
配置されている。イオン交換膜１３の外周は酸素電極１
４の内周に当接した状態で酸素電極１４に取囲まれて配
置されている。水素吸蔵体１１と燃料電極１２と酸素電
極１４とイオン交換膜１３とは同軸的な位置関係となっ
ており、これらは燃料電池の機能を有する円柱状の電気
化学素子１をなしている。
【００３７】水素吸蔵体１１は、カーボン系のフラーレ
ン又はナノチューブ又はナノファイバーからなる。外部
から供給された水素をその内部に坦持し、燃料電極１２
へ水素を供給する燃料源として作用する。ここで、水素
を内部に吸蔵するとは、必ずしも水素分子をそのままの
状態で吸蔵するとは限らず、外部から供給された水素
を、水素吸蔵体１１を構成する物質に応じて、所定の状
態で吸蔵することを意味する。又、水素を供給すると
は、必ずしも水素分子をそのままの状態で燃料電極に供
給するとは限らず、水素吸蔵体１１の内部に吸蔵してい
る所定の状態の水素を、燃料電極１２が水素イオンたる
プロトンを発生できるような所定の状態で燃料電極に供
給することを意味する。
【００３８】燃料電極１２は、Ｐｔ触媒を担持したカー
ボン粒子層により構成され、更に、フラーレン誘導体系
のプロトン伝導体、より具体的には、ポリ水酸化フラー
レンが、炭素を主成分とする炭素質材料を母体としプロ
トン解離性の基が導入されてなるプロトン伝導体とし
て、このカーボン粒子層に含浸させられることにより構
成される。フラーレン誘導体系プロトン伝導体がイオン
伝導体として用いられ燃料電極１２に含浸させられるた
め、燃料無加湿状態においても電極内のイオン伝導を良
好に保つことができる。又、白金触媒にフラーレン誘導
体系プロトン伝導体をなじませることができる。この燃
料電極１２は水素吸蔵体１１を内部に取囲んで、全体と
して燃料極構成体として作用する。
【００３９】ここで用いられるフラーレン誘導体系プロ
トン伝導体は、球状クラスター分子をなすフラーレン分
子を母体とする。通常は、Ｃ３６、Ｃ６０、Ｃ７０、Ｃ
７６、Ｃ７８、Ｃ８０、Ｃ８２、Ｃ８４等から選ばれる
が、本実施の形態においてはＣ６０及びＣ７０が選ばれ
る。フラーレンの構成炭素原子にプロトン解離性の基が
導入され、更に、電子吸引基が導入されることによっ
て、フラーレン誘導体系プロトン伝導体が構成される。
プロトン解離性の基とは、電離により水素イオン（プロ
トン（Ｈ＋））が離脱し得る官能基を意味し、−ＯＨ、
−ＯＳＯ３Ｈ、−ＣＯＯＨ、−ＳＯ３Ｈ、−ＯＰＯ（Ｏ
Ｈ）２が好まれるが、本実施の形態においては、−Ｏ
Ｈ、又は−ＯＳＯ３Ｈが好適に用いられる。特に、プロ
トン解離性の基として−ＯＨを有するポリ水酸化フラー
レン（通称、フラレノール）により形成した膜は、従来
より用いられていたパーフルオロスルホン酸樹脂により
形成されたものに比べて成膜性等に優れており、またプ
ロトンの伝導に水分子の介在を必要としないため、加湿
器等が不要である。更に、動作温度領域が−４０°Ｃ〜
１６０°Ｃと広い等の利点があり、本発明の電気化学デ
バイス（燃料電池）には好適である。又、電子吸引基と
しては、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、塩素等）の内の、いずれか一つ又は複数が選択され
て構成されている。
【００４０】酸素電極１４も、Ｐｔを担持したカーボン
粒子層により構成され、燃料電極層１２と同様に、更に
フラーレン誘導体系プロトン伝導体が、このカーボン粒
子層に含浸させられることにより構成される。この酸素
電極１４は、円柱状をした電気化学素子１の最外部に位
置しているため、電気化学素子１外部の空気中の酸素
が、酸素電極１４内部に侵入可能に構成されている。空
気中の酸素は酸素電極１４中の触媒に接触し、燃料電極
１２で発生しイオン交換膜１３を介して酸素電極１４に
伝導してきた水素イオンと、酸素分子と、外部回路（図
示せず）から供給される電子とから水が生成される。フ
ラーレン誘導体系プロトン伝導体がイオン伝導体として
用いられ含浸させられるため、燃料無加湿状態において
も電極内のイオン伝導を良好に保つことができる。又、
白金触媒にフラーレン誘導体系プロトン伝導体をなじま
せることができる。
【００４１】イオン交換膜１３自体にもフラーレン誘導
体系のプロトン伝導体が用いられる。具体的には、イオ
ン交換膜１３は、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレ
ン（ＰＰ）、又はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦ
Ｅ）により構成される多孔質のマトリクスに、フラーレ
ン誘導体系のプロトン伝導体が充填させられることによ
り構成されており、固体膜をなす。イオン交換膜１３が
固体膜であるため、円筒状のイオン交換膜１３で水素吸
蔵体１１及び燃料電極１２の周囲を取囲むことによっ
て、粉末状の水素吸蔵体１１を円柱状に保つことがで
き、ポータブルな燃料電池の機能を発揮する電気化学素
子１とすることができる。又、多孔質のマトリクスにプ
ロトン伝導体を充填することによってイオン交換膜１３
を構成するようにしたため、膜を生成することが困難な
プロトン伝導体の場合にも、容易に固体膜とすることが
できる。
【００４２】水素吸蔵体１１は燃料電極１２に当接した
状態で燃料電極１２に取囲まれて配置され、燃料電極１
２はイオン交換膜１３に当接した状態でイオン交換膜１
３に取囲まれて配置され、イオン交換膜１３は酸素電極
１４に当接した状態で酸素電極１４に取囲まれて配置さ
れることにより、燃料電池として機能する電気化学素子
１を構成しているため、電気化学素子１を、従来の燃料
電池の形状である平板型以外の様々な形状とすることが
できる。
【００４３】次に本実施の形態による発電体２につい
て、図２に基づき説明する。発電体２は、５本の本実施
の形態による電気化学素子１と、２つのエンドプレート
２１、２２を有している。エンドプレート２１、２２
は、それぞれ内部に導電性接続パターン２１Ａ、２２Ａ
が設けられており、５本の電気化学素子１は、導電性接
続パターン２１Ａ、２２Ａを介して電気的に接続されて
いる。
【００４４】より詳細には、５本の電気化学素子１は、
それぞれ同一直径でかつ長手方向に同一の長さを有して
おり、長手方向が互いに平行となる位置関係で配置され
ている。５本の電気化学素子１は、一端を一のエンドプ
レート２１によって、又他端を他のエンドプレート２２
によって支持されており、エンドプレート２１、２２内
に設けられた導電性接続パターン２１Ａ、２２Ａによっ
て電気的に直列接続されている。即ち、一のエンドプレ
ート２１内では、図２の左端の電気化学素子１の一端に
おいては、酸素電極１４（図１）のみが一のエンドプレ
ート２１内の導電性接続パターン２１Ａに接続され、発
電体２外部へ延出しプラス電極をなしている。図２の左
端の電気化学素子１の他端においては、燃料電極１２
（図１）が、他のエンドプレート２２内の導電性接続パ
ターン２２Ａを介して、図２において右隣りの電気化学
素子１の酸素電極１４（図１）に接続されている。以
下、同様に５本の電気化学素子１が電気的に直列接続さ
れている。
【００４５】複数本の電気化学素子１を導電性接続パタ
ーン２１Ａ、２２Ａによって接続し発電体２としたた
め、複数の電気化学素子１による高出力な発電体２とす
ることができ、又、発電体２を製造する際の電気化学素
子１のレイアウトの自由度を高めることができる。
【００４６】次に、本実施の形態による発電装置３につ
いて、図３に基づき説明する。本実施の形態による発電
装置３は、本実施の形態による発電体２を有している。
発電装置３にはハウジング３１が設けられており、略直
方体形状をしている。即ち、発電装置３の、電気化学素
子１の軸方向に平行な４つの面はハウジング３１によっ
て構成され、他の２つの面はエンドプレート２１、２２
によって構成された直方体形状となっている。四角形を
なすハウジング３１上面の一の角部近傍には、空気をハ
ウジング３１内に取込むための図示せぬ貫通口が形成さ
れている。貫通口には、円筒状の空気供給路部３２が設
けられており、この空気供給路部３２を介して、空気中
の酸素がハウジング３１の内部へ侵入可能な構成となっ
ている。
【００４７】一方、四角形をなすハウジング３１上面
の、空気供給路部３２が設けられている位置に対する対
角の位置の近傍にも、図示せぬ貫通口が形成されてお
り、貫通口には、上述の空気供給路部３２と同一構成の
空気排出路部３３が設けられている。空気排出路部３３
を介して、ハウジング３１内部の空気を外部へ排出可能
に構成されている。
【００４８】一のエンドプレート２１の一部であって各
電気化学素子一の端部が当接している部分には、水素を
電気化学素子１の水素吸蔵体１１に充填するための図示
せぬ貫通口が形成されており、貫通口には、円筒状の水
素充填口部３４が設けられている。図示せぬ水素供給機
構に設けられた図示せぬ管状の部材を水素充填口部３４
に接続し、水素を供給することによって、水素充填口部
３４を介して水素を水素吸蔵体１１の内部へ充填可能な
構成となっている。
【００４９】ハウジング３１を設けて発電体２をユニッ
ト化したことにより発電装置３を構成したため、持運び
の容易な発電装置３とすることができ、又、ユニットと
して、商品化を図ることができる。又、水素充填口部３
４を設け、水素を水素吸蔵体１１内部へ充填可能に構成
したため、燃料電池としての機能を有するユニット化し
た発電装置３を、いわゆる充電可能とすることができ
る。
【００５０】本発明による電気化学素子及び電気化学素
子の製造方法は上述した実施の形態に限定されず、特許
請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能で
ある。例えば、本実施の形態による電気化学素子では形
状を円柱状をしたが、円柱状に限定されるものではな
い。たとえば、四角柱状でもよく、又、三角柱状でもよ
い。或いは、全体を球形状として、中心から水素吸蔵
体、燃料電極、イオン交換膜、酸素電極の順の層構造と
してもよい。
【００５１】又、燃料電極１２、酸素電極１４は、Ｐｔ
触媒を担持したカーボン粒子層により構成され、更に、
カーボン粒子層にフラーレン誘導体系のプロトン伝導体
が含浸させられることにより構成されたが、カーボン粒
子層にはプロトン伝導体が含浸させられなくてもよい。
又、これらに代えて、円筒形を保持する構造体として多
孔質カーボン（カーボンシート、カーボンクロス等）か
らなる筒状体を用い、この多孔質カーボンに電極材を接
合してこれらの電極を構成するようにしてもよい。
【００５２】又、燃料電極を円筒状とし、燃料源たる水
素吸蔵体を円柱状として、これらが互いに当接した状態
の燃料極構成体を構成するようにしたが、このような形
状とせず、燃料電極と燃料源とを互いに当接した状態で
ひとまとまりとして、燃料極成形体としてもよい。即
ち、燃料電極が燃料源とイオン交換膜とに当接した状態
となっていれば、どのような形状になっていてもよく、
例えば、燃料電極が燃料源中に入込んで、これら２つが
外観上一体になっていてもよい。
【００５３】又、酸素電極がイオン交換膜に当接した状
態でイオン交換膜に取囲まれて配置され、イオン交換膜
が燃料電極に当接した状態で燃料電極に取囲まれて配置
され、燃料電極が水素吸蔵体に当接した状態で水素吸蔵
体に取囲まれて配置されるようにしてもよい。更に、酸
素電極、イオン交換膜、燃料電極をそれぞれ円筒形状に
してもよい。これら場合には、燃料電極及びイオン交換
膜を介して一の酸素電極を取囲む水素吸蔵体は、この酸
素電極のみに作用するように構成する。このように構成
することによって、小型の電気化学素子を１つの燃料電
池単体とすることができ、パッケージングの自由度を高
めることができる。又、この場合に、燃料電極と水素吸
蔵体とをこのような形状とせず、上述の燃料極成形体と
してもよい。
【００５４】又、本実施の形態による電気化学素子で
は、フラーレン誘導体系プロトン伝導体を多孔質基体に
含浸させてイオン交換膜を構成したが、このイオン交換
膜に代えて、イオン交換膜内部に極微量の白金超微粒子
触媒とＴｉＯ２、ＳｉＯ２等の酸化物超微粒子とを高分
散させた、いわゆる内部加湿型固体高分子膜や、リン酸
−ケイ酸塩（Ｐ２Ｏ５−ＳｉＯ２）系ガラス等のプロト
ン伝導性無機化合物を添加したポリマー膜を用いてもよ
い。これらを用いることにより、本実施の形態による電
気化学素子の場合と同様に、加湿器等によって燃料に水
分を含ませることを不要とすることができる。
【００５５】又、プロトン伝導体と樹脂系バインダー等
とを混合し、フィルム状に成形することによって、イオ
ン交換膜を構成してもよく、又、他の公知の製造方法に
より製造したものを用いてもよい。
【００５６】又、イオン交換膜として、多孔質のマトリ
クスにプロトン伝導体を充填させたものを用いたが、こ
れに限定されず、プロトン伝導性があり、且つ粉状等を
した燃料源を所望の位置に収容できる固体膜であればよ
い。
【００５７】又、上述した実施の形態においては、燃料
として水素ガスを供給したが、メタノールなどのアルコ
ールや他の化石燃料を液体若しくは気体の状態で供給す
るダイレクト型を採用し、燃料電極において触媒により
燃料材料からプロトンを得るようにすることもできる。
この場合には、本実施の形態による電気化学素子に設け
られていた水素吸蔵体に代えて、アルコールや化石燃料
等を吸蔵可能な燃料源を用いればよい。
【００５８】又、本実施の形態では、無加湿状態でプロ
トン伝導可能なイオン交換膜を構成するプロトン伝導体
に、ポリ水酸化フラーレン（通称、フラレノール）を用
いたが、本発明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、図４に示したようなフラーレン分
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。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）が含まれていてよい。前者の炭素クラス
ターには、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（図５）や、それら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
６）、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（図７）、さらにはこれらの
クラスターどうしが種々に結合した炭素クラスター（図
８）が含まれていてよい。
【００５９】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−ＯＳＯ３
Ｈ、カルボキシル基−ＣＯＯＨ、他にスルホン基−ＳＯ
３Ｈ、リン酸基−ＯＰＯ（ＯＨ）２のいずれかであるこ
とが好ましい。
【００６０】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。
【００６１】
【発明の効果】請求項１記載の電気化学素子によれば、
燃料電極と燃料源とは互いに当接した状態で燃料極構成
体をなし、燃料極構成体はイオン交換膜に当接した状態
で取囲まれて配置され、イオン交換膜は酸素電極に当接
した状態で取囲まれて配置されているため、従来の平板
型の燃料電池と同様の発電機能を有し、且つ従来の燃料
電池よりも形状の自由度の高い燃料電池とすることがで
き、燃料電極と燃料源とを電気化学素子に設ける際のパ
ッケージングを、より高めることができる。
【００６２】請求項２、３記載の電気化学素子によれ
ば、燃料源は燃料液体又は水素ガスを吸蔵可能に構成さ
れているため、水素等の燃料を供給するための装置等を
設けずに燃料電極に燃料を供給することができ、ポータ
ブル機器等に使用できる燃料電池としての機能を有する
電気化学素子とすることができる。
【００６３】請求項４、５記載の電気化学素子によれ
ば、燃料極構成体は円柱状をなし、イオン交換膜と酸素
電極とは円筒状をなしているため、電気化学素子を従来
の乾電池の形状に近い円柱形状とすることができ、従来
の乾電池同様に扱うことができる。又、円柱形状とした
ため、複数の電気化学素子を接続する際のレイアウトの
自由度を高めることができる。
【００６４】請求項６記載の電気化学素子によれば、イ
オン交換膜は多孔質のマトリクスを有しているため、膜
を生成しにくいプロトン伝導体をイオン交換膜のプロト
ン伝導体として用いる場合にも、容易にプロトン伝導体
を有する固体膜とすることができる。
【００６５】請求項７記載の電気化学素子によれば、プ
ロトン伝導体とバインダーとが混合されフィルム状に成
形されることによって、イオン交換膜が構成されている
ため、プロトン伝導体自体が膜を生成しにくい場合であ
っても、容易にプロトン伝導体を有する固体膜をなすこ
とができる。
【００６６】請求項８乃至１１記載の電気化学素子によ
れば、加湿器等を別個に設けなくとも、プロトンの伝導
を可能とすることができる。請求項１２記載の発電体に
よれば、複数の電気化学素子を導電性接続パターンによ
り電気的に接続して発電体を構成したため、複数の電気
化学素子を有する高出力な発電体とすることができ、
又、発電体を製造する際の電気化学素子のレイアウトの
自由度を高めることができる。
【００６７】請求項１３記載の発電装置によれば、複数
の電気化学素子を導電性接続パターンにより電気的に接
続し、複数の電気化学素子又は導電性接続パターンを筐
体に収容するようにしたため、複数の電気化学素子を有
するコンパクトな発電装置とすることができ、容易に持
運び可能とすることができる。
【００６８】請求項１４記載の発電装置によれば、筐体
には、酸素若しくは空気を電気化学素子へ供給するため
の酸素供給路若しくは空気供給路、又は燃料を燃料源に
供給するための燃料充填口が形成されているため、空気
中の酸素を発電装置内に容易に取込むことができ、又、
リチャージャブルな発電装置とすることができる。
【００６９】請求項１５記載の電気化学素子によれば、
燃料電極と燃料源とは互いに当接した状態で燃料極構成
体をなし、酸素電極はイオン交換膜に当接した状態で取
囲まれて配置され、イオン交換膜は燃料極形成体に当接
した状態で取囲まれて配置され、一の酸素電極を取囲む
燃料極構成体は一の酸素電極に対してのみ作用するよう
にしたため、従来の平板型の燃料電池と同様の発電機能
を有し、且つ従来の燃料電池よりも形状の自由度のより
高いコンパクトな燃料電池とすることができ、燃料電極
と燃料源とを電気化学素子に設ける際のパッケージング
を、より高めることができる。
【００７０】請求項１６、１７記載の電気化学素子によ
れば、燃料源は燃料液体又は水素ガスを吸蔵可能に構成
されているため、水素等の燃料を供給するための装置等
を設けずに燃料電極に燃料を供給することができ、ポー
タブル機器等に使用できる燃料電池としての機能を有す
る電気化学素子とすることができる。
【００７１】請求項１８、１９記載の電気化学素子によ
れば、燃料極構成体とイオン交換膜と酸素電極は円筒状
をなしているため、電気化学素子を従来の乾電池の形状
に近い円柱形状とすることができ、従来の乾電池同様に
扱うことができる。又、円柱形状としたため、複数の電
気化学素子を接続する際のレイアウトの自由度を高める
ことができる。
【００７２】請求項２０記載の電気化学素子によれば、
イオン交換膜は多孔質のマトリクスを有しているため、
膜を生成しにくいプロトン伝導体をイオン交換膜のプロ
トン伝導体として用いる場合にも、容易にプロトン伝導
体を有する固体膜とすることができる。
【００７３】請求項２１記載の電気化学素子によれば、
プロトン伝導体とバインダーとが混合されフィルム状に
成形されることによって、イオン交換膜が構成されてい
るため、プロトン伝導体自体が膜を生成しにくい場合で
あっても、容易にプロトン伝導体を有する固体膜をなす
ことができる。
【００７４】請求項２２乃至２５記載の電気化学素子に
よれば、加湿器等を別個に設けなくとも、プロトンの伝
導を可能とすることができる。
【００７５】請求項２６記載の発電体によれば、複数の
電気化学素子を導電性接続パターンにより電気的に接続
して発電体を構成したため、複数の電気化学素子を有す
る高出力な発電体とすることができ、又、発電体を製造
する際の電気化学素子のレイアウトの自由度を高めるこ
とができる。
【００７６】請求項２７記載の発電装置によれば、複数
の電気化学素子を導電性接続パターンにより電気的に接
続し、複数の電気化学素子又は導電性接続パターンを筐
体に収容するようにしたため、複数の電気化学素子を有
するコンパクトな発電装置とすることができ、容易に持
運び可能とすることができる。
【００７７】請求項２８記載の発電装置によれば、筐体
には、酸素若しくは空気を電気化学素子へ供給するため
の酸素供給路若しくは空気供給路、又は燃料を燃料源に
供給するための燃料充填口が形成されているため、空気
中の酸素を発電装置内に容易に取込むことができ、又、
リチャージャブルな発電装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による電気化学素子を示す
断面図。
【図２】本発明の実施の形態による発電体を示す断面
図。
【図３】本発明の実施の形態による発電装置を示す断面
図。
【図４】本発明の実施の形態による電気化学素子に用い
られるプロトン伝導体を構成する、フラーレンを示す分
子構造図。
【図５】本発明の実施の形態による電気化学素子の変形
例に用いられるプロトン伝導体を構成する、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
炭素クラスターを示す分子構造図。
【図６】本発明の実施の形態による電気化学素子の変形
例に用いられるプロトン伝導体を構成する、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を
示す分子構造図。
【図７】本発明の実施の形態による電気化学素子の変形
例に用いられるプロトン伝導体を構成する、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
ラスターを示す分子構造図。
【図８】本発明の実施の形態による電気化学素子の変形
例に用いられるプロトン伝導体を構成する、複数のクラ
スターどうしが種々に結合した炭素クラスターを示す分
子構造図。
【符号の説明】
１ 電気化学素子 ２ 発電体 ３ 発電装置 １１ 水素吸蔵体 １２ 燃料電極 １３ イオン交換膜 １４ 酸素電極 ２１Ａ 導電性接続パターン ２２Ａ 導電性接続パターン ３１ ハウジング ３２ 空気供給路部 ３４ 水素充填口部
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｊ 8/24 8/24 Ｅ Ｒ

Claims (28)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 水素イオンの発生に伴い負極となる燃料
    電極と、 酸素に接触可能に設けられ、酸素分子と該水素イオンと
    電子とから水を生成し正極となる酸素電極と、 プロトン伝導体を有し該燃料電極内の該水素イオンを該
    酸素電極内へ伝導するイオン交換膜と、 該燃料電極において該水素イオンを発生させるための燃
    料を供給する燃料源とからなる電気化学素子において、 該燃料電極と該燃料源とは互いに当接した状態で燃料極
    構成体をなし、 該燃料極構成体は、該イオン交換膜に当接した状態で取
    囲まれて配置され、 該イオン交換膜は、該酸素電極に当接した状態で取囲ま
    れて配置されていることを特徴とする電気化学素子。
  2. 【請求項２】 該燃料源は燃料液体又は水素ガスを吸蔵
    可能に構成されていることを特徴とする請求項１記載の
    電気化学素子。
  3. 【請求項３】 該燃料源は、カーボン系のフラーレン若
    しくはナノチューブ若しくはナノファイバー、又は金属
    水素化物からなる水素吸蔵体により構成されていること
    を特徴とする請求項２記載の電気化学素子。
  4. 【請求項４】 該燃料極構成体は円柱状をなし、 該イオン交換膜と該酸素電極とは円筒状をなしているこ
    とを特徴とする請求項１記載の電気化学素子。
  5. 【請求項５】 該燃料源は円柱状をなし該燃料電極は円
    筒状をなして、該燃料源は該燃料電極に当接した状態で
    取囲まれて配置されていることを特徴とする請求項４記
    載の電気化学素子。
  6. 【請求項６】 該イオン交換膜は多孔質のマトリクスを
    有し該プロトン伝導体が該多孔質のマトリクス中に充填
    されていること特徴とする請求項１記載の電気化学素
    子。
  7. 【請求項７】 該イオン交換膜は、プロトン伝導体とバ
    インダーとが混合されフィルム状に成形されることによ
    って構成されること特徴とする請求項１記載の電気化学
    素子。
  8. 【請求項８】 該プロトン伝導体は、炭素を主成分とす
    る炭素質材料を母体としプロトン解離性の基が導入され
    てなることを特徴とする請求項１記載の電気化学素子。
  9. 【請求項９】 該プロトン伝導体は水管理を必要としな
    い電解質膜により構成されていることを特徴とする請求
    項１記載の電気化学素子。
  10. 【請求項１０】 該電解質膜は内部加湿型固体高分子膜
    により構成されていることを特徴とする請求項９記載の
    電気化学素子。
  11. 【請求項１１】 該電解質膜はプロトン伝導性無機化合
    物により構成されていることを特徴とする請求項９記載
    の電気化学素子。
  12. 【請求項１２】 水素イオンの発生に伴い負極となる燃
    料電極と、 酸素に接触可能に設けられ、酸素分子と該水素イオンと
    電子とから水を生成し正極となる酸素電極と、 プロトン伝導体を有し該燃料電極内の該水素イオンを該
    酸素電極内へ伝導するイオン交換膜と、 該燃料電極において該水素イオンを発生させるための燃
    料を供給する燃料源とからなる電気化学素子を複数有
    し、 該複数の電気化学素子は導電性接続パターンにより電気
    的に接続されている発電体において、 少なくとも一の該電気化学素子の該燃料電極と該燃料源
    とは互いに当接した状態で燃料極構成体をなし、 該少なくとも一の電気化学素子の該燃料極構成体は、該
    イオン交換膜に当接した状態で取囲まれて配置され、 該少なくとも一の電気化学素子の該イオン交換膜は、該
    酸素電極に当接した状態で取囲まれて配置されているこ
    とを特徴とする発電体。
  13. 【請求項１３】 水素イオンの発生に伴い負極となる燃
    料電極と、 酸素に接触可能に設けられ、酸素分子と該水素イオンと
    電子とから水を生成し正極となる酸素電極と、 プロトン伝導体を有し該燃料電極内の該水素イオンを該
    酸素電極内へ伝導するイオン交換膜と、 該燃料電極において該水素イオンを発生させるための燃
    料を供給する燃料源とからなる電気化学素子を複数有
    し、 該複数の電気化学素子は導電性接続パターンにより電気
    的に接続されている発電装置において、 該複数の電気化学素子と導電性接続パターンとが筐体に
    配置され、 少なくとも一の該電気化学素子の該燃料電極と該燃料源
    とは互いに当接した状態で燃料極構成体をなし、 該少なくとも一の電気化学素子の該燃料極構成体は、該
    イオン交換膜に当接した状態で取囲まれて配置され、 該少なくとも一の電気化学素子の該イオン交換膜は、該
    酸素電極に当接した状態で取囲まれて配置されているこ
    とを特徴とする発電装置。
  14. 【請求項１４】 該筐体には、酸素若しくは空気を電気
    化学素子へ供給するための酸素供給路若しくは空気供給
    路、又は燃料を燃料源に供給するための燃料充填口が形
    成されていることを特徴とする請求項１３記載の発電装
    置。
  15. 【請求項１５】 水素イオンの発生に伴い負極となる燃
    料電極と、 酸素に接触可能に設けられ、酸素分子と該水素イオンと
    電子とから水を生成し正極となる酸素電極と、 プロトン伝導体を有し該燃料電極内の該水素イオンを該
    酸素電極内へ伝導するイオン交換膜と、 該燃料電極において該水素イオンを発生させるための燃
    料を供給する燃料源とを有し、 該酸素電極は、該イオン交換膜に当接した状態で取囲ま
    れて配置され、 該イオン交換膜は、該燃料電極に当接した状態で取囲ま
    れて配置されている電気化学素子において、 該燃料電極と該燃料源とは互いに当接した状態で燃料極
    構成体をなし、 一の該酸素電極を取囲む該燃料極構成体は該一の酸素電
    極に対してのみ作用することを特徴する電気化学素子。
  16. 【請求項１６】 該燃料源は燃料液体又は水素ガスを吸
    蔵可能に構成されていることを特徴とする請求項１５記
    載の電気化学素子。
  17. 【請求項１７】 該燃料源は、カーボン系のフラーレン
    若しくはナノチューブ若しくはナノファイバー、又は金
    属水素化物からなる水素吸蔵体により構成されているこ
    とを特徴とする請求項１６記載の電気化学素子。
  18. 【請求項１８】 該燃料極構成体と該イオン交換膜と該
    酸素電極は円筒状をなしていることを特徴とする請求項
    １５記載の電気化学素子。
  19. 【請求項１９】 該燃料源と該燃料電極は円筒状をなし
    て、該燃料電極は、該燃料源に当接した状態で取囲まれ
    て配置されていることを特徴とする請求項１８記載の電
    気化学素子。
  20. 【請求項２０】 該イオン交換膜は多孔質のマトリクス
    を有し該プロトン伝導体が該多孔質のマトリクス中に充
    填されていること特徴とする請求項１５記載の電気化学
    素子。
  21. 【請求項２１】 該イオン交換膜は、プロトン伝導体と
    バインダーとが混合されフィルム状に成形されることに
    よって構成されること特徴とする請求項１５記載の電気
    化学素子。
  22. 【請求項２２】 該プロトン伝導体は、炭素を主成分と
    する炭素質材料を母体としプロトン解離性の基が導入さ
    れてなることを特徴とする請求項１５記載の電気化学素
    子。
  23. 【請求項２３】 該プロトン伝導体は水管理を必要とし
    ない電解質膜により構成されていることを特徴とする請
    求項１５記載の電気化学素子。
  24. 【請求項２４】 該電解質膜は内部加湿型固体高分子膜
    により構成されていることを特徴とする請求項２３記載
    の電気化学素子。
  25. 【請求項２５】 該電解質膜はプロトン伝導性無機化合
    物により構成されていることを特徴とする請求項２３記
    載の電気化学素子。
  26. 【請求項２６】 水素イオンの発生に伴い負極となる燃
    料電極と、 酸素に接触可能に設けられ、酸素分子と該水素イオンと
    電子とから水を生成し正極となる酸素電極と、 プロトン伝導体を有し該燃料電極内の該水素イオンを該
    酸素電極内へ伝導するイオン交換膜と、 該燃料電極において該水素イオンを発生させるための燃
    料を供給する燃料源とからなる電気化学素子を複数を有
    し、 少なくとも一の該電気化学素子の該酸素電極は、該イオ
    ン交換膜に当接した状態で取囲まれて配置され、 該少なくとも一の電気化学素子の該イオン交換膜は、該
    燃料電極に当接した状態で取囲まれて配置されている発
    電体において、 該少なくとも一の該電気化学素子の該燃料電極と該燃料
    源とは互いに当接した状態で燃料極構成体をなし、 該複数の電気化学素子は導電性接続パターンにより電気
    的に接続され、 一の該酸素電極を取囲む該燃料極構成体は該一の酸素電
    極に対してのみ作用することを特徴する発電体。
  27. 【請求項２７】 水素イオンの発生に伴い負極となる燃
    料電極と、 酸素に接触可能に設けられ、酸素分子と該水素イオンと
    電子とから水を生成し正極となる酸素電極と、 プロトン伝導体を有し該燃料電極内の該水素イオンを該
    酸素電極内へ伝導するイオン交換膜と、 該燃料電極において該水素イオンを発生させるための燃
    料を供給する燃料源とからなる電気化学素子を複数を有
    し、 少なくとも一の該電気化学素子の該酸素電極は、該イオ
    ン交換膜に当接した状態で取囲まれて配置され、 該少なくとも一の電気化学素子の該イオン交換膜は、該
    燃料電極に当接した状態で取囲まれて配置されている発
    電装置において、 該少なくとも一の電気化学素子の該燃料電極と該燃料源
    とは互いに当接した状態で燃料極構成体をなし、 該複数の電気化学素子は導電性接続パターンにより電気
    的に接続され、 一の該酸素電極を取囲む該燃料極構成体は該一の酸素電
    極に対してのみ作用し、 該複数の電気化学素子と導電性接続パターンとが筐体に
    配置されていることを特徴する発電装置。
  28. 【請求項２８】 該筐体には、酸素若しくは空気を電気
    化学素子へ供給するための酸素供給路若しくは空気供給
    路、又は燃料を燃料源に供給するための燃料充填口が形
    成されていることを特徴とする請求項２７記載の発電装
    置。
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