JP2002252002A - 燃料電池 - Google Patents
燃料電池Info
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- JP2002252002A JP2002252002A JP2001007905A JP2001007905A JP2002252002A JP 2002252002 A JP2002252002 A JP 2002252002A JP 2001007905 A JP2001007905 A JP 2001007905A JP 2001007905 A JP2001007905 A JP 2001007905A JP 2002252002 A JP2002252002 A JP 2002252002A
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- catalyst
- electrode
- hydrogen
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
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- Materials Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 白金を用いず、或いは極少量担持したフラー
レン類を触媒とする燃料電池を提供する。 【解決手段】 燃料電池の触媒に、白金を用いず、或い
は極少量担持したフラーレン類（フラーレン、金属内包
フラーレン、多層カーボンナノチューブ、ナノグラファ
イバー、カーボンナノボーン、カーボンナノカプセルな
ど）を用いる。セパレータ内部の触媒膜に通電するか、
光源を設けて触媒膜に光を照射することにより、水素の
分解、水の合成において、優れた触媒機能を発生する。
触媒膜に通電又は光照射する際のエネルギー源は、燃料
電池において発生した電力の一部を利用する。
レン類を触媒とする燃料電池を提供する。 【解決手段】 燃料電池の触媒に、白金を用いず、或い
は極少量担持したフラーレン類（フラーレン、金属内包
フラーレン、多層カーボンナノチューブ、ナノグラファ
イバー、カーボンナノボーン、カーボンナノカプセルな
ど）を用いる。セパレータ内部の触媒膜に通電するか、
光源を設けて触媒膜に光を照射することにより、水素の
分解、水の合成において、優れた触媒機能を発生する。
触媒膜に通電又は光照射する際のエネルギー源は、燃料
電池において発生した電力の一部を利用する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、カーボンナノチュー
ブ、カーボンナノファイバー、フラーレン等のフラーレ
ン類を触媒膜とし、環境を整えて触媒機能を発揮できる
ようにした燃料電池に関するものである。
ブ、カーボンナノファイバー、フラーレン等のフラーレ
ン類を触媒膜とし、環境を整えて触媒機能を発揮できる
ようにした燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、カーボンナノチューブ、カーボン
ナノファイバー、フラーレン等の炭素系材料が、軽量で
水素を多量に吸蔵することから次世代のエネルギー貯蔵
手法として注目されているが、一定の容器に高密度に充
填することが困難であった。例えば、カーボンナノチュ
ーブ、カーボンナノファイバーは材料自体の体積当たり
の水素吸蔵量が１０ｋｇ／ｍ３で充填率が５０％とした
とき、実際の吸蔵量は５ｋｇ／ｍ３になってしまう。従
来、燃料電池の触媒には白金担持炭素が用いられてい
る。すなわち、触媒機能を有する白金を微細化し、導電
性を持つ炭素に担持させている。白金は高価な上、その
資源に限りがあるため、燃料電池が普及し需要が高まれ
ば価格が高騰するなどの克服すべき課題は多い。
ナノファイバー、フラーレン等の炭素系材料が、軽量で
水素を多量に吸蔵することから次世代のエネルギー貯蔵
手法として注目されているが、一定の容器に高密度に充
填することが困難であった。例えば、カーボンナノチュ
ーブ、カーボンナノファイバーは材料自体の体積当たり
の水素吸蔵量が１０ｋｇ／ｍ３で充填率が５０％とした
とき、実際の吸蔵量は５ｋｇ／ｍ３になってしまう。従
来、燃料電池の触媒には白金担持炭素が用いられてい
る。すなわち、触媒機能を有する白金を微細化し、導電
性を持つ炭素に担持させている。白金は高価な上、その
資源に限りがあるため、燃料電池が普及し需要が高まれ
ば価格が高騰するなどの克服すべき課題は多い。
【０００３】燃料電池は、触媒膜の一方に酸素極、他方
に陰極（水素極）を配置し、酸素極側に空気を送り、陰
極側に水素を送り込むと、水素は触媒の作用で水素イオ
ン（Ｈ＋）に変わり、電子（ｅ−）を放出する。この電
子ｅ−が陽極（空気極）に向って外部の回路に流れる際
に直流電流が発生する。広く知られている燃料電池にお
いては、カチオン交換膜の片面に正極としての多孔性電
極、他面に負極としての多孔性電極が、それぞれ一体に
接合され、純酸素もしくは空気が電池外部から正極に供
給され、水素が電池外部から負極に供給されて、次の反
応により発電される。 正極：Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ （１） 負極：２Ｈ２ → ４Ｈ＋＋４ｅ− （２） 水電解セルにおいては、カチオン交換膜の両面に、主と
して白金電極が一体に接合され、その片方の電極が陰極
となり、他方の電極が陽極となり、次の反応により、水
の電解が起こる。 陽極：２Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ− （３） 陰極：４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２ （４）
に陰極（水素極）を配置し、酸素極側に空気を送り、陰
極側に水素を送り込むと、水素は触媒の作用で水素イオ
ン（Ｈ＋）に変わり、電子（ｅ−）を放出する。この電
子ｅ−が陽極（空気極）に向って外部の回路に流れる際
に直流電流が発生する。広く知られている燃料電池にお
いては、カチオン交換膜の片面に正極としての多孔性電
極、他面に負極としての多孔性電極が、それぞれ一体に
接合され、純酸素もしくは空気が電池外部から正極に供
給され、水素が電池外部から負極に供給されて、次の反
応により発電される。 正極：Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ （１） 負極：２Ｈ２ → ４Ｈ＋＋４ｅ− （２） 水電解セルにおいては、カチオン交換膜の両面に、主と
して白金電極が一体に接合され、その片方の電極が陰極
となり、他方の電極が陽極となり、次の反応により、水
の電解が起こる。 陽極：２Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ− （３） 陰極：４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２ （４）
【０００４】燃料電池は、水素の供給及び循環系が必須
であるため、電池系が一般に複雑かつ大がかりになる。
この点を解決するためのひとつの手段は、負極材料に水
素貯蔵合金を用いることである。水電解セルは、その反
応によって水素及び酸素が発生するが、その用途によっ
ては、酸素のみが利用され、水素が不要なことがある。
この場合にも、上述の水電解セルの陰極を、水素貯蔵合
金を主体にした電極で構成すれは、陽極では（１）式の
反応が起こり、陰極では次の反応により水素が発生しな
いことになる。 陰極：ＸＨ＋＋Ｍ＋Ｘｅ−→ＭＨｘ（Ｍ：水素貯蔵合金） （５）
であるため、電池系が一般に複雑かつ大がかりになる。
この点を解決するためのひとつの手段は、負極材料に水
素貯蔵合金を用いることである。水電解セルは、その反
応によって水素及び酸素が発生するが、その用途によっ
ては、酸素のみが利用され、水素が不要なことがある。
この場合にも、上述の水電解セルの陰極を、水素貯蔵合
金を主体にした電極で構成すれは、陽極では（１）式の
反応が起こり、陰極では次の反応により水素が発生しな
いことになる。 陰極：ＸＨ＋＋Ｍ＋Ｘｅ−→ＭＨｘ（Ｍ：水素貯蔵合金） （５）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】水素吸蔵合金として
は、ＬａＮｉ５、ＭｍＮｉｘＡｌｙＭｎｚ（Ｍｍ：ミッ
シュメタル）、ＴｉＮｉ系等が知られているが、これら
の水素貯蔵合金を上述の目的に使用した場合、すなわち
強酸性を示すカチオン交換膜に一体に接合した際、一般
にその腐食がおこり、現実には使用不能である。しか
し、白金は高価で資源に限りがある。本発明は、燃料電
池の触媒である担持炭素材料としてフラーレン類を用
い、環境を整える（触媒膜に電流を流す、光照射等）こ
とにより、白金を用いなくとも触媒機能を発揮するよう
にした燃料電池を提供することを目的とする。
は、ＬａＮｉ５、ＭｍＮｉｘＡｌｙＭｎｚ（Ｍｍ：ミッ
シュメタル）、ＴｉＮｉ系等が知られているが、これら
の水素貯蔵合金を上述の目的に使用した場合、すなわち
強酸性を示すカチオン交換膜に一体に接合した際、一般
にその腐食がおこり、現実には使用不能である。しか
し、白金は高価で資源に限りがある。本発明は、燃料電
池の触媒である担持炭素材料としてフラーレン類を用
い、環境を整える（触媒膜に電流を流す、光照射等）こ
とにより、白金を用いなくとも触媒機能を発揮するよう
にした燃料電池を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、触媒膜の一方に酸素極、他方に水素極を
配置し、触媒の作用で水素極と酸素極との間に直流電流
を発生させる燃料電池において、フラーレン類を触媒膜
とし、環境を整えて触媒機能を発揮できるようにしたも
のである。また、環境を整えるものとして、触媒膜に光
を照射し、または通電することにより、そのエネルギー
を利用して触媒能力を高めるようにす。環境を整える電
力は発生した電力の一部を用いることを特徴とするもの
である。このように、燃料電池の触媒に、白金を用い
ず、或いは極少量担持したフラーレン類（フラーレン、
金属内包フラーレン、多層カーボンナノチューブ、ナノ
グラファイバー、カーボンナノボーン、カーボンナノカ
プセルなど）を用いる。この燃料電池は、触媒膜の一方
に酸素極、他方に陰極（水素極）を配置し、酸素極側に
空気を送り、陰極側に水素を送り込むと、水素は触媒の
作用で水素イオン（Ｈ＋）に変わり、電子（ｅ−）を放
出する。この電子ｅ−が陽極（空気極）に向って外部の
回路に流れる際に直流電流が発生する。
め、本発明は、触媒膜の一方に酸素極、他方に水素極を
配置し、触媒の作用で水素極と酸素極との間に直流電流
を発生させる燃料電池において、フラーレン類を触媒膜
とし、環境を整えて触媒機能を発揮できるようにしたも
のである。また、環境を整えるものとして、触媒膜に光
を照射し、または通電することにより、そのエネルギー
を利用して触媒能力を高めるようにす。環境を整える電
力は発生した電力の一部を用いることを特徴とするもの
である。このように、燃料電池の触媒に、白金を用い
ず、或いは極少量担持したフラーレン類（フラーレン、
金属内包フラーレン、多層カーボンナノチューブ、ナノ
グラファイバー、カーボンナノボーン、カーボンナノカ
プセルなど）を用いる。この燃料電池は、触媒膜の一方
に酸素極、他方に陰極（水素極）を配置し、酸素極側に
空気を送り、陰極側に水素を送り込むと、水素は触媒の
作用で水素イオン（Ｈ＋）に変わり、電子（ｅ−）を放
出する。この電子ｅ−が陽極（空気極）に向って外部の
回路に流れる際に直流電流が発生する。
【０００７】燃料電池の場合には、正極に従来公知の酸
素電極もしくは空気電極を用い、負極にフラーレン類の
電極を用いると、酸素（空気）−フラーレン電池が構成
される。フラーレン電極への水素の吸蔵は、電極を構成
する前でも後でもよい。電池系は密閉系にし、放電によ
ってフラーレン中の水素が消費されたら廃棄するような
一次電池タイプにすることも、電池に水素供給口を設
け、水素を電池外部から間欠的に供給して、繰り返し放
電することもできる。このようにすれは、複雑で大がが
りな循環系を常時電池に付設しておかなくてもすむとい
う点で、実用上、極めて便利である。また、フラ−レン
電極への水素の補給は、酸素電極（正極）として、例え
ば、白金触媒を担持したカーボンナノチュ−ブを主体と
する材料で構成し、いわゆる水素電極としても機能する
ような電極を用い、この正極に酸素もしくは空気を供給
する代わりに、電池外部から水素を供給し、この正極と
カーボンナノチュ−ブ電極（負極）との間に通電すれ
ば、負電極に水素がに吸蔵される。
素電極もしくは空気電極を用い、負極にフラーレン類の
電極を用いると、酸素（空気）−フラーレン電池が構成
される。フラーレン電極への水素の吸蔵は、電極を構成
する前でも後でもよい。電池系は密閉系にし、放電によ
ってフラーレン中の水素が消費されたら廃棄するような
一次電池タイプにすることも、電池に水素供給口を設
け、水素を電池外部から間欠的に供給して、繰り返し放
電することもできる。このようにすれは、複雑で大がが
りな循環系を常時電池に付設しておかなくてもすむとい
う点で、実用上、極めて便利である。また、フラ−レン
電極への水素の補給は、酸素電極（正極）として、例え
ば、白金触媒を担持したカーボンナノチュ−ブを主体と
する材料で構成し、いわゆる水素電極としても機能する
ような電極を用い、この正極に酸素もしくは空気を供給
する代わりに、電池外部から水素を供給し、この正極と
カーボンナノチュ−ブ電極（負極）との間に通電すれ
ば、負電極に水素がに吸蔵される。
【０００８】
【実施例】［実施例１］ 燃料電池の触媒に、白金を用
いず、或いは極少量担持したフラーレン類（フラーレ
ン、金属内包フラーレン、多層カーボンナノチューブ、
ナノグラファイバー、カーボンナノボーン、カーボンナ
ノカプセルなど）を用いる。触媒膜の一方に酸素極、他
方に水素極を配置し、触媒の作用で水素極と酸素極との
間に直流電流を発生させるが、フラーレン類の触媒機能
を発揮させる。その際、セパレータ内部に光源を設け、
環境を整えるため触媒に光、特に青色発光ダイオードに
より照射すると、フラーレンは、活性酸素を発生しやす
い等の性質をもつため、水素の分解、水の合成におい
て、優れた触媒機能を発生する。
いず、或いは極少量担持したフラーレン類（フラーレ
ン、金属内包フラーレン、多層カーボンナノチューブ、
ナノグラファイバー、カーボンナノボーン、カーボンナ
ノカプセルなど）を用いる。触媒膜の一方に酸素極、他
方に水素極を配置し、触媒の作用で水素極と酸素極との
間に直流電流を発生させるが、フラーレン類の触媒機能
を発揮させる。その際、セパレータ内部に光源を設け、
環境を整えるため触媒に光、特に青色発光ダイオードに
より照射すると、フラーレンは、活性酸素を発生しやす
い等の性質をもつため、水素の分解、水の合成におい
て、優れた触媒機能を発生する。
【０００９】［実施例２］ 実施例１において、触媒膜
に通電する。フラーレンは通電により、白色発光するこ
とが知られており、通電するだけで環境が整えられ、そ
のエネルギーを利用して触媒能力を高める。また、環境
を整える電力は発生した電力の一部を用いる。このよう
にすると、白金を全く用いなくとも触媒機能が得られ、
白金の一酸化炭素被毒による特性劣化も起こらず、長く
使用できる。
に通電する。フラーレンは通電により、白色発光するこ
とが知られており、通電するだけで環境が整えられ、そ
のエネルギーを利用して触媒能力を高める。また、環境
を整える電力は発生した電力の一部を用いる。このよう
にすると、白金を全く用いなくとも触媒機能が得られ、
白金の一酸化炭素被毒による特性劣化も起こらず、長く
使用できる。
【００１０】［実施例３］ カチオン交換膜の片面に、
正極としての白金を担持した多孔性カナボン電極を接合
し、他面に負極としての白金触媒を担持したフラーレン
を含む電極を接合して構成した、燃料電池を作製した。
電解質としてはたらくカチオン交換膜で、ここでは直径
５０ｍｍ、厚み約０．２ｍｍのパーフルオロカーボンス
ルフォン酸（商品名：ナフイオン１１７）を使用した。
金属触媒としての白金を２％担持した活性炭に、ディス
バージョンポリ４フッ化エチレンと、ナフイオン１１７
のアルコールと水との混合溶液を加えて結着して、ナフ
イオン１１７膜に接合したものである。負極には１０％
の白金触媒を担持したフラーレンＣ６０と、ディスバー
ジョンポリ４フッ化エチレンと、ナフイオン１１７のア
ルコールと水との混合溶液を加えて結着して、ナフイオ
ン１１７膜に接合したものである。正極・負極ともに直
径３０ｍｍとした。なお、電池を組み立てる場合には、
フラーレンＣ６０中に水素ははとんど存在しない。この
燃料電池を使用するにあたっては、まず負極のフラーレ
ン中に水素を吸蔵させる必要がある。
正極としての白金を担持した多孔性カナボン電極を接合
し、他面に負極としての白金触媒を担持したフラーレン
を含む電極を接合して構成した、燃料電池を作製した。
電解質としてはたらくカチオン交換膜で、ここでは直径
５０ｍｍ、厚み約０．２ｍｍのパーフルオロカーボンス
ルフォン酸（商品名：ナフイオン１１７）を使用した。
金属触媒としての白金を２％担持した活性炭に、ディス
バージョンポリ４フッ化エチレンと、ナフイオン１１７
のアルコールと水との混合溶液を加えて結着して、ナフ
イオン１１７膜に接合したものである。負極には１０％
の白金触媒を担持したフラーレンＣ６０と、ディスバー
ジョンポリ４フッ化エチレンと、ナフイオン１１７のア
ルコールと水との混合溶液を加えて結着して、ナフイオ
ン１１７膜に接合したものである。正極・負極ともに直
径３０ｍｍとした。なお、電池を組み立てる場合には、
フラーレンＣ６０中に水素ははとんど存在しない。この
燃料電池を使用するにあたっては、まず負極のフラーレ
ン中に水素を吸蔵させる必要がある。
【００１１】フラーレンを利用する燃料電池の高性能化
に際し、電極触媒は欠かすことはできない。特に、燃料
電池自動車の実現のためには、純水素を燃料に考える場
合でも、触媒膜の性能向上とには必須である。
に際し、電極触媒は欠かすことはできない。特に、燃料
電池自動車の実現のためには、純水素を燃料に考える場
合でも、触媒膜の性能向上とには必須である。
【００１２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の燃料電池
は、燃料電池の触媒膜に、白金を用いず、或いは極少量
担持したフラーレン類を用いる。セパレータ内部の触媒
膜に通電するか、光源を設けて触媒膜に光を照射するこ
とにより、水素の分解、水の合成において、優れた触媒
機能を発生する。触媒膜に通電又は光照射する際のエネ
ルギー源は、燃料電池において発生した電力の一部を利
用する。このように、フラーレン類を触媒膜としたた
め、高分子膜の触媒を使用した場合のごとき強酸性の固
体高分子イオン導電体による腐食を受けないので、サイ
クル寿命のきわめて長い燃料電池が得られる。
は、燃料電池の触媒膜に、白金を用いず、或いは極少量
担持したフラーレン類を用いる。セパレータ内部の触媒
膜に通電するか、光源を設けて触媒膜に光を照射するこ
とにより、水素の分解、水の合成において、優れた触媒
機能を発生する。触媒膜に通電又は光照射する際のエネ
ルギー源は、燃料電池において発生した電力の一部を利
用する。このように、フラーレン類を触媒膜としたた
め、高分子膜の触媒を使用した場合のごとき強酸性の固
体高分子イオン導電体による腐食を受けないので、サイ
クル寿命のきわめて長い燃料電池が得られる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G069 AA11 BA08A BA08B CC32 DA05 EA08 EC27 5H018 AA02 AS02 AS03 CC06 DD08 EE05
Claims (3)
- 【請求項１】 触媒膜の一方に酸素極、他方に水素極を
配置し、触媒の作用で水素極と酸素極との間に直流電流
を発生させる燃料電池において、フラーレン類を触媒膜
とし、環境を整えて触媒機能を発揮できるようにした燃
料電池。 - 【請求項２】 環境を整えるものとして、触媒膜に光を
照射し、または通電することにより、そのエネルギーを
利用して触媒能力を高めるようにした請求項１記載の燃
料電池。 - 【請求項３】 環境を整える電力は発生した電力の一部
を用いることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電
池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001007905A JP2002252002A (ja) | 2000-12-18 | 2001-01-16 | 燃料電池 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000-384120 | 2000-12-18 | ||
| JP2000384120 | 2000-12-18 | ||
| JP2001007905A JP2002252002A (ja) | 2000-12-18 | 2001-01-16 | 燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002252002A true JP2002252002A (ja) | 2002-09-06 |
Family
ID=26606030
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001007905A Pending JP2002252002A (ja) | 2000-12-18 | 2001-01-16 | 燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002252002A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004109840A1 (ja) * | 2003-03-26 | 2004-12-16 | Sony Corporation | 電極およびその形成方法ならびに光電変換素子およびその製造方法ならびに電子装置およびその製造方法 |
| JP2005038818A (ja) * | 2003-06-30 | 2005-02-10 | Junji Nakamura | 炭化モリブデン触媒およびその製造方法、並びに、該触媒を利用した燃料電池用電極および燃料電池 |
| JP2006228686A (ja) * | 2005-02-21 | 2006-08-31 | Kaken:Kk | 燃料電池用電極材料とその製造方法 |
| JP2010528403A (ja) * | 2006-03-30 | 2010-08-19 | フォーダム ユニバーシティー | 光触媒電極および燃料電池 |
| CN110661005A (zh) * | 2019-10-31 | 2020-01-07 | 宇石能源(南通)有限公司 | 一种质子交换膜燃料电池催化层及其制备方法 |
-
2001
- 2001-01-16 JP JP2001007905A patent/JP2002252002A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004109840A1 (ja) * | 2003-03-26 | 2004-12-16 | Sony Corporation | 電極およびその形成方法ならびに光電変換素子およびその製造方法ならびに電子装置およびその製造方法 |
| US8035185B2 (en) | 2003-03-26 | 2011-10-11 | Sony Corporation | Electrode, method of making same, photoelectric transfer element, method of manufacturing same, electronic device and method of manufacturing same |
| JP2005038818A (ja) * | 2003-06-30 | 2005-02-10 | Junji Nakamura | 炭化モリブデン触媒およびその製造方法、並びに、該触媒を利用した燃料電池用電極および燃料電池 |
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| CN110661005A (zh) * | 2019-10-31 | 2020-01-07 | 宇石能源(南通)有限公司 | 一种质子交换膜燃料电池催化层及其制备方法 |
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