(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体電解質の添加を伴わずに、化学反応によって電気を生産するためのデバイスであって、
アノード電極と、
水酸基（ＯＨ-）イオンを伝導するように構成されるポリマー膜電解質であって、該膜
は、該膜の第１の側の該アノード電極と物理的に接触しており、ここで、該アノード電極が水を生成する、ポリマー膜電解質と、
該膜の第２の反対側と物理的に接触しているカソード電極と、
を含み、
該アノード電極およびカソード電極は触媒を含有し、該触媒は、全体として、非貴金属触媒から構築され、
該デバイスは、閉端アノードチャンバによって構成および配置され、ここで、該アノード電極からの水が、該膜を通して該カソード電極まで、該アノード電極における水生成の速度と等しい速度で、拡散される、デバイス。
【請求項２】
前記膜厚は、３０マイクロメートルを下回る、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記アノード電極およびカソード電極は、前記膜が作製されるものと同一ポリマーの溶液を使用して調製される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記電極内の前記ポリマー中のアルカリ水酸基（ＯＨ-）イオンの体積濃度は、前記膜
内のＯＨ-イオン体積濃度より少なくとも５％高い、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記アノード電極およびカソード電極は、前記膜が作製されるものと異なる化学組成の水酸基（ＯＨ-）イオン伝導性ポリマーから調製される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
織布炭素、不織布炭素、金属メッシュ、および金属発泡体からなる群から選択される、担体上に非貴金属触媒とポリマー溶液の混合物とともに構成される、前記膜に隣接する少なくとも１つの触媒層をさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
非貴金属触媒とポリマー溶液との混合物によって構成され、前記膜上に直接配置されて、触媒被覆膜（「ＣＣＭ」）を形成する、少なくとも１つの触媒層をさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記ＣＣＭは、（ａ）加熱された真空テーブル上に定置される前記ＯＨ-イオン伝導性
膜の１つの側に、触媒インクを直接空気噴霧し、（ｂ）該膜の反対の側に、該触媒インクを直接空気噴霧することによって調製される、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記触媒層の全体厚は、５マイクロメートル未満である、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記触媒インクは、水／アルコール混合物中で、金属または炭素担持非貴金属触媒をイオノマーの溶液と激しく混合することによって作製される、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記触媒層をポリマー溶液で含浸することによって構成される、少なくとも１つの非貴金属触媒層をさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
少なくとも１つの電極は、前記膜の片側と物理的に接触している非貴金属触媒の前面層をさらに含み、スパッタリング、電子ビーム、および直接無電解蒸着からなる群から選択される技術によって構成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記膜は、該膜の少なくとも１つの側の非貴金属触媒の凝縮された前面層をさらに含み、電極と物理的に接触し、スパッタリング、電子ビーム、および直接無電解蒸着からなる群から選択される技術によって構成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
少なくとも１つの電極は、前記膜に埋入される、触媒被覆マイクロ樹枝状結晶のアレイの層をさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
液体電解質の添加を伴わずに、化学反応によって電気を生産するためのアルカリ性膜燃料電池であって、
アノード電極と、
水酸基（ＯＨ-）イオンを伝導するように構成されるポリマー膜電解質であって、該膜
は、該膜の第１の側の該アノード電極と物理的に接触しており、ここで、該アノード電極が水を生成する、ポリマー膜電解質と、
該膜の第２の反対の側と物理的に接触しているカソード電極と
を含み、
該アノード電極およびカソード電極は触媒を含有し、該触媒は、全体として、非貴金属触媒から構築され、
該燃料電池は、閉端アノードチャンバによって構成および配置され、ここで、該アノード電極からの水が、該膜を通して該カソード電極まで、該アノード電極における水生成の速度と等しい速度で、拡散される、燃料電池。
【請求項１６】
前記膜を横断する水輸送は、前記アノードおよびカソードの両側における活性領域周辺のフレームとして成形および定置される親水性の膜またはメッシュによって促進される、請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記アノード電極に近接する混合された親水性／疎水性層をさらに含む、請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項１８】
前記カソード電極に近接する疎水性層をさらに含む、請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項１９】
空気極へ供給される方式で動作し、前記疎水性層に近接するガス拡散層と、該ガス拡散層に近接する調節可能シャッタとをさらに含む、請求項１８に記載の燃料電池。
【請求項２０】
空気極へ供給される方式で動作し、カソードＧＤＬ厚および気孔率は、式：Ｐ＊Ｈ２Ｏ，Ｔｃｅｌｌ＝０．４［Ｊｃｅｌｌ／Ｊｌｉｍ，ｃａｔｈ］ａｔｍ（式中、Ｐ＊Ｈ２Ｏ，Ｔｃｅｌｌは、内部電池温度における水蒸気圧であって、Ｊｌｉｍ，ｃａｔｈは、該ＧＤＬを通る空気からの酸素の最大輸送量によって設定される限界電流である）に従って選択される電池電流および内側温度と整合する水蒸気放出量に対して設計される、請求項１８に記載の燃料電池。
【請求項２１】
前記電池の初期活性化は、該電池の電圧を５０ｍＶに設定し、該電池の電流が安定水準に達する一方、該電池の温度が設計動作点に達するまで、この電圧に維持することによって達成される、請求項１５に記載の電池。
【請求項２２】
前記電流は、１Ａ／ｃｍ２の安定水準に達し、前記電池温度設計点は、６０乃至７０℃である、請求項２１に記載の電池活性化。
【請求項２３】
前記閉端アノードは、一方向弁をさらに含み、該一方向弁は、正常圧によって周期的に環境に開放して、周期的に水蓄積を放出する、請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項２４】
液体電解質の添加を伴わずに、化学反応によって電気を生産するためのアルカリ性膜燃料電池であって、
アノード電極と、
水酸基（ＯＨ-）イオンを伝導するように構成されるポリマー膜電解質であって、該膜
は、該膜の第１の側の該アノード電極と物理的に接触している、ポリマー膜電解質と、
該膜の第２の反対の側と物理的に接触しているカソード電極と
を含み、
ここで、該アノード電極は水を生成し、
該アノード電極およびカソード電極は触媒を含有し、該触媒は、全体として、非貴金属触媒から構築され、
該燃料電池は、閉端アノードチャンバによって構成および配置され、ここで、該アノード電極からの水が、該膜を通して該カソード電極まで、該アノード電極における水生成の速度と等しい速度で、拡散され、
該燃料電池と動作可能に接続され、カソード電極排出流からカソード電極吸入流まで水を交換するように配置される水交換器をさらに含む、燃料電池。
【請求項２５】
前記水交換器は、膜を含み、該膜は、水透過性かつガス非透過性であることにより、前記加湿カソード電極排出流から乾燥空気の吸入流までの水の輸送を可能にする、請求項２４に記載のアルカリ性膜燃料電池。
【請求項２６】
液体電解質の添加を伴わずに、化学反応によって電気を生産するためのアルカリ性膜燃料電池であって、
アノード電極と、
水酸基（ＯＨ-）イオンを伝導するように構成されるポリマー膜電解質であって、該膜
は、該膜の第１の側の該アノード電極と物理的に接触している、ポリマー膜電解質と、
該膜の第２の反対の側と物理的に接触しているカソード電極と
を含み、
ここで、該アノード電極は水を生成し、
該アノード電極およびカソード電極は触媒を含有し、該触媒は、全体として、非貴金属触媒から構築され、
該燃料電池は、閉端アノードチャンバによって構成および配置され、ここで、該アノード電極からの水が、該膜を通して該カソード電極まで、該アノード電極における水生成の速度と等しい速度で、拡散され、
該燃料電池と動作可能に接続され、カソード電極排出流から乾燥空気の吸入流まで水を交換するように配置される水交換器をさらに含む、燃料電池。
【請求項２７】
前記水交換器は、膜を含み、該膜は、水透過性かつガス非透過性であることにより、前記加湿カソード電極排出流から乾燥空気の吸入流までの水の輸送を可能にする、請求項２６に記載のアルカリ性膜燃料電池。
【請求項２８】
請求項１に記載のデバイスに列挙される種類の複数の電池を積層することによって構築される燃料電池積層体であって、隣接する電池を分離する双極プレートは、無電解めっきによって適用されるニッケルの薄膜によって被覆される、機械加工されたアルミニウムから構築される、積層体。
【請求項２９】
前記アルミニウムプレート金属は、６０６１系材料である、請求項２８に記載の燃料電池積層体。
【請求項３０】
前記ニッケル被覆厚は、１マイクロメートルを上回り、好ましくは、２５マイクロメートルである、請求項２８に記載の燃料電池積層体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、米国仮特許出願第６１／２０４，０６７号（名称「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓｅｓ  ｆｏｒ  Ｓｕｐｐｌｙｉｎｇ  Ｗａｔｅｒ  ｔｏ  ａｎ  Ａｌｋａｌｉｎｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ（ＡＭＦＣ）」、２００８年１２月３１日出願）および米国仮特許出願第６１／０５８，６０７号（名称「Ａｌｋａｌｉｎｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ」、２００８年６月４日出願）の優先権の利益を主張し、これらの各々は、その全体が本明細書に参考として援用される。
【０００２】
（技術分野）
アルカリ性膜燃料電池（「ＡＭＦＣ」）は、高価な貴金属の使用に依存する陽子交換膜（「ＰＥＭ」）燃料電池に対して、より安価な代替案である。ＡＭＦＣは、そのような貴金属の使用を排除し、それによって製造コストを削減する。ＡＭＦＣは、燃料電池のカソード側への効果的な水の供給によって、電池の電流状態と関係なく、水和状態を確保するように設計されるべきであるが、液体電解質の添加を伴わずに商業レベルの性能を達成するために、非常に効果的な膜／電極アセンブリを要求する。燃料電池の事前調整または事前処理方法によって、イオノマー成分を水和させて、要求または所望の程度のイオンの伝導性を達成する。また、液体水は、外部水源から膜のカソード側まで移送され得る。
【背景技術】
【０００３】
燃料電池は、近年、効率的かつクリーンな電気生成の高まる需要によって、高い関心を集めている。燃料電池の大量生産の主な阻害因子は、コストである。ＡＭＦＣは、効果的な燃料電池のコストを削減するための有望な解決策をもたらす。アルカリ性膜燃料電池は、ＰＥＭ燃料電池に類似するが、膜は、陽子の代わりに、水酸化物イオンを輸送するように設計される。ＰＥＭ燃料電池の最大のコスト要因の１つは、空気カソードおよび水素アノード触媒の両方として使用される、白金等の貴金属への依存性である。白金は、非常に希少な金属であって、地殻中僅か０．００３ｐｐｂしか存在せず、金の３０倍も希少である。必要とされる白金の量（したがって、コストも）を削減することが、ＰＥＭ燃料電池の研究における主な焦点となっている。アルカリ性膜燃料電池は、非貴金属触媒の使用に依存し、燃料電池触媒から完全にＰｔを排除することを可能にして、燃料電池のコストを大幅に削減し得る。また、アルカリ性膜のより刺激性の少ない電気化学環境は、貴金属触媒を非常に安価な金属触媒と代替し、遥かに低コストかつ優れた特性の積層体ハードウェアの使用を可能にする。
【０００４】
実験室規模におけるＡＭＦＣの構築および試験に関するいくつかの報告では、電池試験において、燃料供給流の一部として、水性電解質、一般的には、水性ＫＯＨが継続的に添加されることが、十分な性能を達成するために必要であることが分かったことを述べている。水性電解質の添加を全く伴わないＡＭＦＣ性能は、原則として、電解質の添加を利用しない陽子伝導性膜燃料電池によって得られるものより、少なくとも一桁分も劣ることが分かっている。液体アルカリ性電解質が添加されると、ポリマー電解質燃料電池は、電解質管理問題の回避、および水素燃料の場合、水蒸気のみを含む安全な排出流の維持を含む、この種の電池のいくつかの重要な利点を失う。それが許容可能なＡＭＦＣ性能を得るための前提である限り、連続的な液体アルカリ性電解質の添加は、ＡＭＦＣの実際的価値を著しく低下させる。
【０００５】
しかしながら、液体電解質の添加を利用しない、ＡＭＦＣ専用に設計された最適な電極および膜電極アセンブリ（「ＭＥＡ」）の開発には、重大な課題がある。課題は、主に、現在までに実証されているＯＨ-イオン伝導性ポリマーの限られた伝導性に関係しており、最高需要電流における最小輸送制限のために最適化された触媒「インク」のリキャストイオノマー材料および触媒層厚と構造の吟味が要求される。
【０００６】
可能な情報源として、ＰＥＭ燃料電池のより多くの開発技術を検証する場合、アルカリ性膜に基づく技術と、酸性膜に基づく技術との間のいくつかの実質的差異を認識することが非常に重要である。アルカリ性イオノマーのイオンの伝導性が実質的により低いことだけではなく、水が生成され、消耗される電池側も、反転される。ＡＭＦＣでは、水は、燃料側で生成され、酸素または空気側で消耗される。これは、ＰＥＭ対照物と共有されない、特別な性質のＡＭＦＣの技術的課題をもたらす。燃料の損失を伴うことのない生産水の除去は、燃料電極における水生成の結果として、非常に重要な問題となる。さらに、ＰＥＭ電池の場合のように水がカソードで生成されるのではなく、消耗されるので、カソード性能の著しい損失をもたらすカソードの乾燥は、ＡＭＦＣにおいて明らかな危険をもたらし、カソードによる空気の活性流は、それとともにいかなるカソード水もカソード排出口から搬出する傾向となるであろう。したがって、水管理は、ＡＭＦＣにおいて、異なる問題の集合およびより高い深刻度を有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃料電池は、多くの場合、燃料として、純水素ガスで動作する。燃料として、純水素を使用する場合、ＰＥＭ燃料電池は、アノード区画が流入口を有するが、流出口を有しないことを意味する「閉端」アノード構成として知られる構成で動作可能である。閉端アノードに基づく燃料電池の設計は、システムの簡素化、ゼロ燃料排出、および高い燃料利用を含む、有益な利点を有するものとして認識されている。しかしながら、ＡＭＦＣでは、水が、生成物として電池のアノード側で生成される。その結果、ＡＭＦＣ内の閉端アノードは、アノードからの過剰な生成物水を継続的に除去する方法を必要とする。開口アノードを通した動作状態のＡＭＦＣからの生成物水の除去は、水が空気カソードで生成され、開口カソードの排出口を通して流出し得るという、陽子伝導性膜に基づく確立された形態の燃料電池からの水生成物の除去を模倣し得る。しかしながら、そのような過剰な水の除去のための直接的な解決策は、ＡＭＦＣの場合、高い水素流量での相当な燃料損失、または燃料供給量が燃料損失を回避するように十分に下げられる場合、活性電極面積の不適切な利用をもたらすであろう。要するに、非Ｐｔ触媒を使用し、かつ液体電解質の添加を回避しながら、１００ｍＷ／ｃｍ２を有意に超えるＡＭＦＣ面積電力密度については、現在までに報告されていない。また、一般に、効果的ＡＭＦＣの水管理、特に、閉端アノードとともに構成されるＡＭＦＣの場合、燃料損失を伴わない水管理についても、現在まで報告されていない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の種々の側面は、以下の能力のうちの１つ以上を提供し得る。液体電解質の使用を必要としないＡＭＦＣは、商業的に許容可能な電力密度および変換効率を備え得る。高電力密度および高変換効率を達成するために必要とされる、無液体電解質ＡＭＦＣの効果的水和は、適切に選択された膜および電極と、最大約１Ａ／ｃｍ２までの電池電流の漸増に基づく電池の事前処理とによって確立することが可能である。電解質の添加を伴わず、商業的に許容可能なＡＭＦＣ性能を可能にする膜電極アセンブリは、リキャストＯＨ-伝導性イオノマーと非貴金属触媒との適切な組み合わせに基づく、設計および加工を通して提供され得る。ＡＭＦＣは、燃料アノード側で生成された水をカソード側に通過させ、カソードを通した電池水の放出を確保する水管理による閉端アノードを使用して、水素燃料において動作するように提供され得る。この構成によって、ＡＭＦＣは、単純なシステム構成とともに、高い燃料利用を達成することが可能となる。代替として、水は、外部水源から燃料電池膜のカソード側まで移送されてもよい。
【０００９】
本発明自体とともに、本発明のこれらのおよび他の能力は、以下の図面、発明を実施するための形態、ならびに請求項の検討後、より完全に理解されるであろう。
【００１０】
本発明の一側面によると、アノード電極と、水酸基（ＯＨ-）イオンを伝導するように構成されるポリマー膜電解質であって、膜の第１の側のアノード電極と物理的に接触する膜とを有する、燃料電池アセンブリが提供される。また、電池は、膜の第２の反対側と接触するカソード電極を有する。両電極は、触媒を含有し、これらの触媒は、非貴金属材料から実質的に構築される。
【００１１】
本発明のさらなる側面によると、アノードおよびカソード電極と、その各側のアノードおよびカソード電極と物理的に接触する、水酸基イオン（ＯＨ-）を伝導するポリマー膜電解質と、を有する、ＡＭＦＣアセンブリが提供される。さらに、外部水源は、ポリマー膜のカソード側に水を移送する。アノードおよびカソード電極はそれぞれ、非貴金属から実質的に形成される触媒を含有する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
後述される付随の図面では、同参照番号は、異なる図を通して、同一または類似部分を指す。図面は、必ずしも正確な縮尺ではなく、代わりに、発明を実施するための形態で特性化される方法および装置の特定の原理を例示する際に、強調が置かれる。
【図１】図１は、水素燃料および空気側の両方に開口流を伴う、アルカリ性膜燃料電池装置の略図である。
【図２】図２は、閉端アノード動作のために構成される、アルカリ性膜燃料電池装置の略図である。
【図３】図３は、閉端アノードを伴う、アルカリ性膜燃料電池のアノード電極の構成要素のうちのいくつかの略図である。
【図４】図４は、閉端アノードを伴う、アルカリ性膜燃料電池のカソード電極の構成要素のうちのいくつかの略図である。
【図５】図５は、カソード空気排出口に水交換器装置を伴う、アルカリ性膜燃料電池の略図である。
【図６】図６は、アノードからカソードへの標的水蒸気圧変動の略図である。
【図７】図７は、非強制空気カソード構成における、本発明による、アルカリ性膜燃料電池装置の略図である。
【図８】図８は、本発明の一側面による、マイクロ繊維メッシュを含む、アルカリ性ポリマー膜を有する、燃料電池の区分された側面図を例示する概略図である。
【図９】図９は、図８に示される燃料電池内で使用される、親水性マイクロ繊維メッシュの概略図である。
【図１０】図１０は、本発明の別の側面による、アノード芯と、カソード芯と、膜の周囲の水透過性薄膜と、を含む、アルカリ性ポリマー膜を有する、燃料電池の区分された側面図を例示する概略図である。
【図１１】図１１は、本発明の別の側面による、電流収集およびガス供給プレートを含む、燃料電池の区分された側面図を例示する概略図である。
【図１２】図１２は、図１１に示されるプレートの概略上面図である。
【図１３】図１３Ａおよび１３Ｂは、電池のカソード側への水の供給の有無による、燃料電池の性能結果を表示するグラフである。
【図１４】図１４は、本発明の別の側面による、燃料電池の事前処理および連続的活性水和の方法のブロックフロー図である。
【図１５】図１５は、本明細書の実施例１の開示による、燃料電池の性能を表示するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態を説明する際に、明確性を目的として、特定の用語が使用される。説明の目的として、各特定の用語は、少なくとも、類似目的を遂行するように同様の態様で動作するあらゆる技術的および機能的同等物を含むことが意図される。加えて、本発明の特定の実施形態が、複数のシステム要素または方法ステップを含む、いくつかの事例では、それらの要素またはステップは、単一要素あるいはステップと置換されてもよく、同様に、単一要素またはステップは、同一目的を果たす、複数の要素あるいはステップと置換されてもよい。さらに、本発明は、その特定の実施形態を参照して、図示および説明されるが、当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、形態および詳細において、種々の他の変更が成されてもよいことを理解するであろう。以下の説明に記載される実装は、本明細書に説明される主題と一致する、あらゆる実装を表すわけではない。代わりに、それらは、説明される主題に関連するある側面と一致する、いくつかの実施例にすぎない。
【００１４】
いくつかの実装では、アルカリ性膜燃料電池は、閉端アノード動作を可能にするように提供される。閉端アノード動作は、高燃料利用とともに、燃料電池にとって、単純な方法の燃料制御を可能にする。いくつかの実施形態は、アルカリ性膜燃料電池電極調製のために専用に開発されたイオノマー溶液を伴う、改良されたＭＥＡ調製方法の使用を通して、電力密度の向上を提供する、アルカリ性膜燃料電池を含んでもよい。いくつかの実施形態は、貴金属触媒を利用しない、ＡＭＦＣを含む。いくつかの実施形態は、液体電解質を添加しない、ＡＭＦＣを含む。
【００１５】
イオノマーは、ポリヒドロカーボン（芳香族および非芳香族ヒドロカーボン）またはポリペルフルオロカーボン骨格と、ある割合のイオン搬送ユニット（通常、１５％以下）と、を含む、ポリマー電解質である。イオン伝導性ポリマーを燃料電池電極の構造に組み込むために、対応するイオノマーの溶液が、電極の活性層が調製される際、触媒に添加される。加えて、触媒懸濁液の安定性および／または粘度調節のために、添加剤を添加可能である。硬化あるいは架橋結合、または／およびイオンの伝導性を増加させるためのさらなる化学処理後、電極内のイオノマーは、膜ポリマーに類似するポリマーに変換する。
【００１６】
図１を参照すると、一般的アルカリ性膜燃料電池１００は、燃料アノード１１０と、空気カソード１１２と、アノード双極プレート１１４と、カソード双極プレート１１６と、アノードガス拡散層ＧＤＬ１１８と、カソードガス拡散層ＧＤＬ１２０と、アノード触媒層電極１２２と、カソード触媒層電極１２４と、アルカリ性膜１２６と、を含む。単一の電池１００が、図１に示されるが、複数の電池が、ともに燃料電池積層体を形成するように、構成されてもよい。ＡＭＦＣの場合、ステンレス鋼またはニッケル被覆アルミニウムから作製される、金属双極プレートは、腐食に対する脆弱性が低い、コンパクトかつ強固な積層体ハードウェアを提供可能である。燃料電池は、燃料として、水素を消耗し、水および電気エネルギーを生産する。アルカリ性膜燃料電池１００では、水酸基（ＯＨ-）イオンが、膜１２６を通して、アノードに輸送され、水素と反応し、アノード内で水を生産する。カソードでは、酸素が、アノードをカソードと接続する外部電気回路を通過する電子と、水と反応し、「新しい」ＯＨ-イオンを形成する。
【００１７】
アノード双極プレート１１４は、電池のアノードのための電流収集器としての役割を果たすとともに、水素燃料流チャネルを画定する。カソード双極プレート１１６は、電池のカソードのための電流収集器としての役割を果たすとともに、酸素または空気流チャネルを画定する。アルカリ性膜の良性の化学性質と、電池内の水のｐＨがｐＨ＝５．８を下回る可能性が非常に低いことによって、ＰＥＭ燃料電池積層体には使用不可能である、ＡＭＦＣ双極プレート特定の金属ハードウェアの使用を可能にする。アルミニウムから作製される積層体ハードウェアは、軽量かつ高熱伝導性という強い利点を有し、積層体からの効果的な熱の除去を可能にする。しかしながら、表面を高電気伝導性にし、それによって、機械的圧力のみによりアルミニウムプレートを別の電気的伝導性プレートに接触させる際に生じる高接触抵抗を大幅に減少させるために、適切な表面処理を必要とする。本明細書では、効果的解決策は、市販かつ容易に形成されるアルミニウムプレート材料、例えば、６０６１系を採用して、機械加工されたアルミニウム双極プレート上に、２５マイクロメートル厚薄膜のニッケル金属を無電解被覆することによってもたらされた。そのような被覆は、電池膜抵抗より５−１０倍も下回る接触抵抗を有する際に、非常に効率的であることが証明され、かつアノードおよびカソード側の両方において、ＡＭＦＣ動作状態下、安定していることが証明された。アノードおよびカソードガス拡散層１１８、１２０は、触媒層１２２、１２４面全体にわたって、流動チャネルからのそれぞれのガスを均一に拡散させ、触媒層１２２、１２４とそれぞれの双極プレート１１４、１１６との間の電気接続を形成する。アルカリ性膜１２６は、アルカリ性膜燃料電池１００専用に設計され、ＯＨ-イオン伝導性および適切な水管理のために構成される。組み立てられたユニットとして見ると、アノード触媒層１２２とアノードＧＤＬ１１８、アルカリ性膜１２６、およびカソード触媒層電極１２４とカソードＧＤＬ１２０は、多くの場合、５層膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と称される。本明細書に説明される、アルカリ性膜燃料電池の実施形態のうちのいくつかは、電極触媒層１２２、１２４に対して、非貴金属触媒を利用する。金属触媒のうちのいくつかの実施例は、銀を含み得、非貴金属触媒のうちのいくつかの実施例は、カソードにコバルト、アノードにニッケルを含み得る。これらの実施例は、参照として提供されるものにすぎず、本明細書に説明されるシステムおよび方法と併用可能な潜在的非貴金属触媒の唯一の種類として解釈されるべきではない。
【００１８】
アルカリ性膜燃料電池膜／電極アセンブリ（ＭＥＡ）加工は、いくつかの方法を使用して追求されてもよい。金属触媒と可溶化ＯＨ-イオン伝導性ポリマー（触媒「インク」）の混合物の使用に基づく第１の方法、および／またはリキャストポリマーによる事後含浸を伴う、もしくは伴わない、膜表面上に蒸着された触媒の層に基づく第２の方法、ならびに／あるいは別の非伝導性結合剤を使用して事前加工された触媒層を伴う電極が、イオノマーによって事後含浸される第３の方法が、挙げられる。
【００１９】
触媒インクの適用に基づくＡＭＦＣのためのＭＥＡ加工は、添加剤、例えば、グリセロールと、任意の懸濁液安定化添加剤、例えば、エチレングリコールとによって調節される、任意の粘度の適切な溶媒中に溶解アニオン伝導性イオノマーを含有する溶液中に、触媒粒子の拡散を伴って実装される。ある場合には、アニオン交換イオノマーの混合物を使用して、インクの粘度およびイオンの特性を最適化する。本アニオン伝導性インクのための触媒として、単独または高表面炭素構造上に蒸着される、コバルト系金属粒子、銀系金属粒子、および他の非貴金属触媒を含む。
【００２０】
激しく撹拌後、結果として生じる触媒インクは、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）から作製される転写シート上に噴霧され、乾燥後、塩化物または臭化物形態の膜上に、約１乃至３分間、約１００℃の温度で、加熱圧搾されてもよい。代替として、インクの噴霧または擦過は、直接ＧＤＬまたは膜上で行われてもよい。また、スクリーン印刷および／またはテープキャスト法を使用して、Ｔｅｆｌｏｎ(登録商標)シート、ＧＤＬ、または膜上にインクを蒸着することも可能である。５層ＭＥＡは、触媒化された膜の両側に炭素布ＧＤＬ層を添加し、上述の類似条件下、加熱圧搾することによって、形成されてもよい。次に、ＭＥＡは、１Ｍ（モル）ＮａＯＨまたはＫＯＨ溶液中でイオン交換され、イオノマーをＯＨ-形態にし、次いで、水で洗浄され、電池または積層体内に挿入されてもよい。代替として、膜は、電極がその上に加熱圧搾される前に、ＯＨ-形態に変換されてもよい。
【００２１】
ガス拡散電極（ＧＤＥ）のイオノマー含浸に基づく、ＡＭＦＣ  ＭＥＡの加工の場合、市販のリン酸燃料電池式ＧＤＥ（Ｅ-Ｔｅｋ  ｄｉｖｉｓｉｏｎ  ｏｆ  ＢＡＳＦ）が、利用されてもよい。これらのＧＤＥは、ＧＤＬの前面に触媒層を有し、触媒粒子が、ＰＴＦＥによって結合される。ＯＨ-伝導性イオノマーによって、そのような触媒層を含浸させるため、適切な溶媒中のイオノマーの溶液が、例えば、多孔性層に浸潤するように噴霧されてもよい。溶媒蒸発後、イオノマー網が、触媒層内に生成され、触媒粒子への効果的イオンの接近を提供する。
【００２２】
電極内のイオノマーの伝導性および安定性を最適化するための別の好ましい態様は、インクの調製の際、その前駆体クロロメチル形態のポリマーを使用して、ＧＤＬ上にインクを適用し、次に、前駆体ポリマーで構築された電極をモノアミン、またはポリアミン、あるいはモノアミンとポリアミンの混合物の凝縮溶液中に浸漬することである。このように、電極内のイオノマーの伝導性／安定性特性は、イオン伝導性群の添加および架橋結合の導入を通して、リキャストステップ後、最適化される。燃料電池の環境において、リキャストポリマーの架橋結合による安定性を増加させるために、より大きなアミンが好ましい。アミノ化後、電極内のイオノマーは、上述のように、ＮａＯＨ-またはＫＯＨ-溶液によってイオン交換され、水で洗浄され、膜上に圧延される必要がある。
【００２３】
また、最後の手順は、前駆体クロロメチル形態におけるイオノマーを事前加工された電極中に浸潤する際にも使用可能であって、その後、上述のアミン処理が続く。
【００２４】
比較的に低イオンの伝導性という課題を抱える、ポリマー電解質燃料電池のためのＭＥＡの設計は、陽子伝導性膜燃料電池に関する広範な研究によって提供されるものとは異なる、新しい解決策を必要とする。そのような過去の研究では、触媒層は、一般的には、それぞれ２０％の体積の割合の炭素担持Ｐｔ触媒およびリキャストイオノマーから構築され、６０％の空隙体積が維持され、ガス状反応物および生成物の十分な拡散性を可能にする。陽子伝導性膜燃料電池内の触媒層の全体厚は、一般的には、５−２０μｍである。ＡＭＦＣの場合、触媒層内のＯＨ-イオン伝導性イオノマーの伝導性が、陽子伝導性対照物の３０％−５０％にすぎない限り、良好なイオンの接近を享受する触媒層の効果的厚さは、せいぜい５μｍ、可能性として、それ未満となり得るであろう。水素／空気ＡＭＦＣでは、触媒部位へ／からのそのような限られたイオンの接近は、空気電極の性能に重要となる影響を及ぼす。本質的にゆっくりである酸素還元カソードプロセスによって、単位膜面積あたりのより多数の活性触媒部位が、より高い空気カソード性能、その結果、より高い電池性能を達成するために不可欠である。ＡＭＦＣイオノマー伝導性の所与の制限下において触媒層性能を最大限にするための方法として、いくつかの可能性がある。そのようなアプローチの１つによると、ＡＭＦＣ触媒層加工のために使用されるイオノマーは、膜加工のために使用されるイオノマーよりも遥かに高いイオンの濃度を有するように選択されてもよい。イオンの体積濃度を増加させることによって、膜自体の伝導性を向上させることは、機械的完全性要件により制限される。イオンの濃度が高すぎる場合、膜は、完全に水和されると、著しく膨張し、その結果、膜材料は、特に、膜水和／脱水サイクルが繰り返された後、機械的完全性を失う傾向にある。対照的に、触媒層構造内のイオノマーは、固体触媒上に担持され、幾分、機械的完全性要件が低くなる。したがって、より高いＯＨ−イオン濃度で調製し、それによって、陽子とＯＨ−イオン伝導性イオノマーとの間の特定の伝導性空隙のうちのいくつかを閉鎖可能となる。さらに、ＡＭＦＣ中のカソードは、水を消耗する（水を生成するのではなく）ため、カソード触媒構造内のより高いイオン濃度リキャストのイオノマーは、より低い水活性において、許容可能な伝導性レベルを保持する際に有益である。また、イオノマーの過剰膨張の危険性は、比較的に乾性のＡＭＦＣカソード内では、それほど問題ではない。
【００２５】
イオノマー伝導性が低い場合に、ＭＥＡ性能を向上させる第２のアプローチは、最適化された触媒の定置によるものである。触媒部位へのイオンの接近が膜表面から数マイクロメートルに限定されていると仮定すると、膜表面に最も近づけて、活性触媒部位を最大限に密集させて定置することが、触媒層設計における主要原理となるはずである。触媒の定置／分布を最適化する方法の１つは、識別可能なように、膜表面に直接隣接して、１−２μｍの触媒層を構築することによるものである。そのような触媒層「前面」は、活性金属表面積において、可能な限り重く、すなわち、陽子伝導性ポリマー電解質電池内の正規集合より重くなる。加えて、触媒層のそのような「前面」のための触媒適用の態様は、ＰＥＭ電池において一般的に使用される触媒インク適用ルーチンと非常に異なり得る。そのような態様の可能性の１つは、これまでＰｔ触媒および陽子伝導性膜のために開発されている一連の技術に沿って、マイクロ樹枝状結晶のアレイを使用して、選択された金属触媒でスパッタリング被覆し、膜表面に注入することである。他の選択肢は、注入される触媒被覆樹枝状結晶アレイの代わりに、またはそれに加えて、膜表面上に、ナノメートルサイズの金属触媒のナノパッチまたはナノ粒子をスパッタリングすることである。そのようなアプローチは、膜表面から約１μｍ以内において、最大限の触媒の定置を達成する（限定されたイオノマー伝導性状況下、最大限の触媒利用を達成するための鍵である）。
【００２６】
ＡＭＦＣからの適切な水の放出という独特の課題に関しては、水素／空気ＡＭＦＣの場合、電池のアノード側から生成物水を除去する必要性と明らかに矛盾するにもかかわらず、実際には、閉端アノードによる動作の選択肢が存続する。本選択肢を実現するために必要とされる見識は、未希釈（１００％）水素供給量およびアノードのみが生産する水を使用する場合、閉端アノード動作が、過剰な圧力の蓄積を伴わずに持続可能なことである。そのような条件下、上流弁によって制御される、水素ガスの圧力蓄積を超える閉端アノード内の圧力蓄積は、電池温度における限定圧力の飽和水蒸気圧である。完全閉端アノードによる動作の際のＡＭＦＣ水生成物の除去は、教示される新規ＡＭＦＣ基盤の一部として、本明細書に説明される。
【００２７】
水が生成される電池の閉端側から、水が排出される電池の他方の側への膜を横断する効果的水輸送は、アルカリ性膜燃料電池専用に適用可能な新規の発想である。アルカリ性膜を通した水輸送量は、そのような目的のために十分であって、本明細書に説明される初期電池事前処理ステップ後、１Ａ／ｃｍ２に対応する水の流動を通過させる能力に基づく。
【００２８】
図２は、閉端アノードを伴うＡＭＦＣの略図を提供し、水の流動のパターンと、閉端アノードチャンバ内への水素の流入の態様を示す。図２を参照すると、閉端アノード動作のために構成されるＡＭＦＣ２００は、カソードチャンバ２１０と、カソード電極２１２と、ＯＨ-伝導性膜２１４と、アノード電極２１６と、閉端アノードチャンバ２１８と、逆止弁２２０と、を含む。アノードおよびカソード電極２１６、２１２とともに、膜２１４は、アノードチャンバ２１８から、膜２１４を通して、カソードチャンバ２１０への十分な水輸送量を達成し、閉端アノードから過剰な水の除去を促進し、ＡＭＦＣの水を消耗するカソードに効果的水供給を提供するように構成される。アノードチャンバからの過剰な水を周期的に短時間流出させることが必要とされ得、この場合、一方向弁が追加され、アノード過圧の短時間の印加によって、大気に２１８を開放してもよい。
【００２９】
ＡＭＦＣ膜を通して、アノードからカソード区画への水輸送をさらに促進するために、裏地ガス拡散層の特性が調整され、アノード側での膜内への水収集と、カソード側での制御量の水除去を達成可能である。イオノマーの膜の表皮を通した水の浸透は、水が液体形態で表面に存在し、その結果、表面が良好に水和され、膨張すると、促進される。水生成物が集まる閉端アノードチャンバに面する膜の表面上の水の凝縮を向上させるために、アノード裏地層（ＧＤＬ）は、部分的に親水性にすることが可能である。これは、例えば、親水性繊維を防水炭素繊維と織り混ぜ、アノード裏地層を形成し、それによって、その一部において、親水性繊維に沿った水の凝縮と、残りにおいて、防水炭素繊維によって画定される疎水性壁による孔を通しての水素の拡散を可能にする、膜表面と接触する裏地層断面積を形成することによって成されることが可能である。
【００３０】
図３は、閉端アノードと、外部源からのゼロまたは最小限の水の供給とによって動作する、ＡＭＦＣのためのアノード電極の構成要素を図式的に説明する。図２のさらなる参照とともに、図３を参照すると、アノード電極２１６は、拡大図３００に示されるように、触媒層前面３１０と、触媒層３１２の残部と、アノードガス拡散裏地層３１４とを含む。上述のように、触媒層前面３１０は、膜表面２１４に直接隣接する。触媒層前面３１０の含有は、膜表面２１４に最近接させて、高濃度の活性触媒部位を定置することを通して、ＭＥＡ性能を向上および最適化する。種々の実施形態では、触媒層前面３１０は、スパッタリング、電子ビーム、または無電解蒸着によって、適用されてもよい。触媒層３１２の残部は、触媒層前面３１０の背後にあって、アノードガス拡散裏地層３１４に隣接する。いくつかの実施形態では、アノードガス拡散裏地層３１４は、上述のように、親水性繊維と織り混ぜされてもよく、スポンジとして作用し、２１８内に収集された水がすべて、ほとんど水蒸気の形態であっても、アノード２１８内に生産された液体形態の水を伴う膜表面を存在させることによって、アノード２１８から、膜２１４を通して、カソード２１０への水輸送を促進する。
【００３１】
望ましい量で水の放出を確保するための最適化を必要とする、ＡＭＦＣカソードパラメータは、電池動作が、カソードへの活性／強制空気供給を伴う、または自然な還流である「空気極へ供給される方式」単独によるかどうかに依存する。活性空気流の場合、重要となる問題の１つは、流入後、水分を収集し、積層体から流出する間、水分を掃引する、乾燥空気の流入によるカソードの乾燥を回避することである。本問題は、陽子伝導性ポリマー電解質燃料電池の場合、電池に流入する乾燥空気が排出空気流から水分を抽出可能となる、種々の種類の水交換器をカソード流入口の上流で使用することによって解決される。種々の設計の水交換器が、ＡＭＦＣの水管理システム全体に組み込まれ、電池が「水に対して中性」の状態で動作するようにしてもよい。「水に対して中性」とは、電池または電池の積層体が、水の外部供給を必要とせずに、その必要とされる水のすべてを内部で生成することを意味する。ＡＭＦＣの特定の場合では、開口アノードで動作する際、ＡＭＦＣの「態様２」式加湿の後述のように、水交換器を使用して、カソード排出口からだけではなく、アノード排出口からも、水を流入空気流に送ることが可能である。
【００３２】
空気流とともに電池から掃引される水蒸気の量を制御するための別のツールは、カソード触媒層とカソード裏地層（カソードＧＤＬ）との間に定置されるＰＴＦＥ結合炭素粉末から作製される、非常に疎水性の細孔層である。そのような細孔層は、ここでは、空気流への水の放出量を低下させるというタスクが課せられる。膜のアノード側への生成物水の注入の促進と併せて、電池動作の際、ＭＥＡ内に十分な水を閉じ込めるのに有用となる。
【００３３】
図４は、外部源からのゼロまたは最小限の水の供給で動作する、ＡＭＦＣのためのカソード電極の構成要素を図式的に説明する。図２をさらに参照するとともに、図４を参照すると、カソード電極２１２は、拡大図４００に示されるように、触媒層前面４１０と、触媒層４１２の残部と、疎水性細孔層４１４と、カソードガス拡散裏地層４１６と、を含む。上述のように、触媒層前面４１０は、膜表面２１４に直接隣接する。触媒層前面４１０の含有は、膜表面２１４に最近接して高濃度の活性触媒部位を定置することを通して、ＭＥＡ性能を向上および最適化する。触媒層４１２の残部は、触媒層前面４１０の背後にあって、疎水性細孔層４１４に隣接する。疎水性細孔層４１４は、液体水を撥水し、拡散裏地層４１６と通過させない。したがって、疎水性層は、「水の堰堤」として作用し、カソード触媒層からの水の放出量と、カソード空気流中へのその後の損失とを低下させる。本明細書に説明されるアルカリ性膜燃料電池の実施形態のうちのいくつかは、電極触媒層３１０、３１２、４１０、および４１２のために、非貴金属触媒を利用する。非貴金属触媒のいくつかの実施例として、カソードに銀またはコバルトと、アノードにニッケルを含み得る。これらの実施例は、参照のみとして提供され、本明細書に説明されるシステムおよび方法と併用可能な潜在的非貴金属触媒の唯一の種類として解釈されるべきではない。
【００３４】
図５は、流入カソード空気をカソード空気排出流から水分を収集可能にする、水交換器装置を追加する選択肢を説明する。図５を参照すると、ＡＭＦＣ５００の実施形態は、カソード排出流からカソード吸入流へと水を交換するように構成および配置される、水交換器５１０を含む。本交換器デバイス５１０は、燃料電池によって生成され、そうでなければ、カソード排出口５１６で損失されるであろう水分によって、流入口カソード空気５１４を加湿するように使用されてもよい。５１２は、加湿排出流から乾燥空気５１８の吸入流５１６への水の効果的な輸送を可能にする一方、流入口および排出口空気の少量の混合も防止する、高水透過性かつ低ガス透過性の膜である。
【００３５】
図６は、ゼロまたは非常に少量の外部水供給を使用して、ＭＦＣを動作させるアノードからカソードの厚さ寸法に沿って標的となる、水のプロファイルの性質を説明する。基礎的要件の１つは、電池を動作させる際、閉端アノードからカソードへと過剰な水生成物を輸送するために、電池厚に沿って、水の勾配（アノードでは、より高い相対的湿度、カソードでは、より低い湿度または水含有量）を維持することである。過剰な水がカソードに輸送されると、液体および／または水蒸気形態のカソード空気排出流とともに、電池から除去されてもよい。しかしながら、同時に、第２の基礎的要件は、そのような水の勾配が、電池動作条件下で存在する一方、常時、アノード触媒層とカソード触媒層との間で比較的に高い水含有量を維持することである。これは、許容可能な電池性能を達成するために必要とされるように、適切な膜水和と、その結果、膜中および両電極内の高イオン伝導性の維持とを確保する。図６は、アノード触媒層内の水活性レベルが、「Ｐ＊Ｈ２０，ＴＣＥＬＬ」（Ｔｃｅｌｌ（電池の温度）時の飽和水圧）に対応することを示す。ＭＥＡから空気流中への水の損失は、図５に上述のように、水交換器による流入カソード空気流の事前加湿と組み合わせて、十分な厚さ寸法および十分な防水レベルのカソード裏地層（ＧＤＬ）の使用を通して、十分に適度なレベルに維持されてもよい。カソードガス拡散層４１６の外側縁（カソード流動場２１０に隣接する）における水活性は、これらの組み合わせられた電池およびシステム要素によって、Ｐ＊Ｈ２０，ＴＣＥＬＬの相当な割合（＞５０％）で維持可能であって、それによって、同時に、ＭＥＡ全体を通した高水レベルと、過剰な水を放出するためのアノードとカソードとの間の十分な勾配とを確保する。
【００３６】
「水活性」の概念は、物理化学に由来する。異なる状態の水の「流出傾向」または（Ｇｉｂｂｓ）自由エネルギーを意味する用語であって、その水蒸気圧が自由エネルギーの明白な測定値である、水蒸気と、ポリマー膜内に注入された水の両方を含む。膜内の水の水活性は、特有量の水を含有する膜と平衡状態にある水蒸気圧によって測定可能な、あるエネルギー状態または流出傾向（「活性」）を有する。
【００３７】
閉端アノード構成で動作するＡＭＦＣ内の効果的水管理は、非常に高い燃料利用条件下、商業的に重大な性能を得ることを可能にする。図６の水輸送機構は、アノード２１８内の生成から水の経路を辿って、電池カソード２１０から除去または排出させるように示される。最初に、水は、アノード触媒２１６に隣接する膜２１４の前面において、水素分子と水酸基（ＯＨ−）イオンとを組み合わせる化学反応を介して生成される。水の一部は、水蒸気の部分圧が、電池温度において、飽和水蒸気圧と等しくなるまで蒸発する。例示的実施形態におけるように、アノードが、閉端アノード構成による密封体積であって、水生成量が、一定でる場合、水が、膜２１４を通して、水生成量と等しい量で拡散可能でない限り、液体水は、蓄積し始めるであろう。水は、カソードとアノードとの間の水活性差の関数として、膜２１４を通して、アノード２１８からカソード２１０に拡散する。カソード触媒／膜界面に達すると、水は、反応物として、部分的に消耗される。ＧＤＬ４１６に隣接するカソード触媒層２１２の表面における液体水は、カソード触媒層内の水活性と、カソードＧＤＬによって流動するカソード空気流内の水蒸気の部分圧との間の差異に比例し、カソード裏地厚に反比例する量で、ＧＤＬ（４１６）を通して蒸発する。カソードＧＤＬ４１６の外側縁の水蒸気圧は、流入空気流の空気温度、空気流量、および相対的湿度によって判定される。したがって、強制送風機からの非常に暖かい乾燥空気は、カソードＧＤＬ４１６の外側面からの水の蒸発量を劇的に増加させるであろう。
【００３８】
代替実施形態では、図７に示されるように、ＡＭＦＣ７００は、閉端アノードチャンバ２１８と、外部源からのゼロまたは最小限の水の供給を使用する、自然還流「空気極へ供給される方式」のカソード構成とによって動作してもよい。空気極へ供給される方式の電池の場合、水蒸気は、自然還流によって、カソードの開放面を通して放出され、水蒸気損失量は、外部環境からカソード触媒層を遮蔽する構成要素の厚さおよび開放性（気孔率）によって判定されるであろう。この場合、最適化は、ＡＭＦＣカソード面７１２を遮蔽し、過剰な水の損失を防止することと、カソード触媒への酸素接近の過剰な阻止を回避することとの間の的確な代償に基づき得る。そのような最適化された代償を達成するために利用可能な制御構造および動作パラメータは、動作電池の設計温度と、カソード触媒層２１２を外部環境から分離する層７１０、７１２の気孔率および湿潤特性である。一般的寸法および気孔率のカソードガス拡散層７１２、７１０は、ＧＤＬを通しての拡散による最大量の酸素輸送に対応する「カソード限界電流」を画定する（層内では、還流が生じない）。燃料電池空気電極内で使用される一般的ＧＤＬの場合、本酸素限界電流は、相当な割合のアンペア／ｃｍ２である。カソード内の水のより優れた閉じ込め（より低い損失）のために、カソード限界電流を代償することが可能であって、ガス拡散層７１２、７１０の厚さを増加させることによって、またはその開放性の程度を減少させることによって達成され得る。カソードガス拡散層の設計上の考慮点は、ある電池電流における酸素と水蒸気輸送量とを記述するいくつかの式を参照することによって、より理解され得る。
【００３９】
設計電流密度をＪと仮定すると、流入酸素流量は、４ＦｘｆｌｕｘＯ２＝Ｊ’となり、式中、流量の単位は、モル／ｃｍ２秒であって、カソードの外側の空気とカソード触媒２１２との間の最大０．２ａｔｍの部分酸素圧差によって決定される。必要とされるｆｌｕｘＯ２は、＝Ｊ／４Ｆとなり、それによって、電流Ｊにおける動作のためのカソードＧＤＬの設計上のガス透過性を判定し、そのような透過性は、カソードＧＤＬ厚と気孔率のいくつかの組み合わせによって実装される。
【００４０】
同一カソードＧＤＬを通して流出する水蒸気は、内側表面と外側表面との間の水蒸気圧差と、カソードＧＤＬの（同一）厚／気孔率特性とによって決定される。したがって、ある内部電池温度では、水蒸気放出量は、２ＦｘｆｌｕｘＨ２Ｏ＝Ｊ’という条件が満たされ、カソードＧＤＬを通しての水蒸気流量を判定する圧力勾配は、Ｐ＊Ｈ２Ｏ，Ｔｃｅｌｌ−ＰＨ２Ｏ，ａｍｂとなり、式中、ＰＨ２Ｏ，ｃｅｌｌは、カソード２１０内の水蒸気圧であって、ＰＨ２Ｏ，ａｍｂは、大気水蒸気圧である。
【００４１】
上述から分かるように、ある電池温度Ｔｃｅｌｌ＊および電池電流Ｊでは、外側に向かってのカソードからの水蒸気の流動と、内側に向かっての空気からの酸素の流動（両方とも、同一カソードＧＤＬを通して生じる）との必要とされる整合性は、以下から求められ得る。
【００４２】
Ｊｃｅｌｌ＝２ＦｘｆｌｕｘＨ２Ｏ＝２Ｆ（１／δ）Ｄｅｆｆ［Ｐ＊Ｈ２Ｏ，Ｔ＊ｃｅｌｌ−ＰＨ２Ｏ，ａｍｂ．］＝
＝４ＦｘｆｌｕｘＯ２＝ｋ［４Ｆ（１／δ）Ｄｅｆｆ］０．２ａｔｍ
式中、δは、カソードＧＤＬの厚さであって、Ｄｅｆｆは、それを通したガスの効果的拡散係数であって、ｋは、電池が動作する最大カソード電流（カソード限界電流）の割合である（ｋ＝Ｊｃｅｌｌ／Ｊｌｉｍ，ｃａｔｈ）。０．２ａｔｍは、限界電流条件下、カソードが動作する場合におけるように、大気空気とゼロ酸素圧のカソード触媒層との間の達成可能な最大酸素部分圧差である。したがって、最適電池温度は、以下によって判定される。
【００４３】
［Ｐ＊Ｈ２Ｏ，Ｔ＊ｃｅｌｌ−ＰＨ２Ｏ，ａｍｂ］＝ｋ０．４ａｔｍ
後者の式は、略カソード限界電流の動作に対応する略ｋ＝１では、Ｐ＊Ｈ２Ｏ，Ｔ＊ｃｅｌｌは、略０．４ａｔｍであって、これは、最適化された受動的水管理の基礎として、略７０℃の電池温度を画定することを示す。同一気孔率および半分の厚さのＧＤＬで動作する場合、同一電池電流は、カソード限界電流（ｋ＝１／２）の５０％に対応することになり、その結果、Ｐ＊Ｈ２Ｏ，Ｔ＊ｃｅｌｌは、略０．２ａｔｍとなり、正確な量の水を損失させ、設計電池温度は、その結果、略５０℃となるはずである。これらの計算は、ＡＭＦＣ電流設計および温度設計を適切な厚さおよび気孔率の最適化されたＧＤＬと結合することによって、十分な酸素供給量および制限されられた水損失量の両方を伴って、空気極へ供給される方式における動作を可能にすることを実証する。
【００４４】
空気極へ供給される方式のＡＭＦＣ７００は、調節可能シャッタ７１４を含む。調節可能シャッタ７１４は、特定の動作条件に従って、電池の水損失を微調節するために、手動またはプロセッサ制御によって、カソード裏地層７１２面上の面積を遮断または開放するように動いてもよい。例えば、始動等のある電池動作条件では、カソード反応を促進するために触媒部位に可能な限り多くの酸素を提供するという所望と相まって、水の損失は少ないであろう。本始動態様は、開放状態の調節可能シャッタ７１４によって達成されてもよい。非効率的電気損失による電池の継続動作および電池の付随加熱に伴って、電池温度が上昇するにつれて、水温度も上昇し、水蒸発量と電池からの水損失も増加する。そのような稼働態様の間、調節可能シャッタ７１４は、部分的に閉鎖され、カソード裏地層７１２面上の効果的開放面積を縮小してもよい。本調節可能シャッタ７１４は、電池温度、電池電圧（電池の液漏れの指標となり得る）、および電池（または、積層体）の電流引き込み等のパラメータである制御変数のうちの１つ以上とともに、プロセッサ実装制御ループ内で自動化されてもよい。調節可能シャッタ７１４は、送風機からの可変強制空気供給量の制御に類似する自由度をＡＭＦＣオペレータに提供してもよい。
【００４５】
ＡＭＦＣの動作の際の効果的水管理は、あらゆる範囲の標的動作条件に対して、触媒被覆膜（ＣＣＭ）の厚さ寸法にわたって、高水和レベルを達成するために必要とされる。ＡＭＦＣは、以下のプロセスによって、燃料／アノード側で水を生成し、
Ｈ２＋２ＯＨ-＝２Ｈ２０＋２ｅ
以下のカソードプロセスによって、電池の酸素または空気カソード側で水を消耗する。
【００４６】
２ｅ＋（１／２）Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＝２ＯＨ-
後者のプロセスによると、ＡＭＦＣ電流需要に比例する水の流量が、ＡＭＦＣカソードに継続的に供給されなければならない。例えば、１０００ｍＡ／ｃｍ２の電池電流を生成するＡＭＦＣでは、カソードプロセスによって需要される水流量は、１分につき活性領域ｃｍ２当たり６ｍｇの水である。ＡＭＦＣカソードへの水供給量が、少量でも低い場合、電流は、低下し、利用可能な水のより制限された流量に適応する。水消耗電極プロセスは、ＡＭＦＣの独特な特性であって、その結果、ＡＭＦＣカソードへの効果的水供給は、より高いＡＭＦＣ性能を維持するための鍵となる。
【００４７】
我々は、本明細書において、ＡＭＦＣにおける水管理に対して、水消耗カソードによって課される重要な課題を解決することを意図する、３つの相補的アプローチを開示する。第１のアプローチは、ＣＣＭの活性領域に沿って、電池膜を通して、アノード側からカソード側に、内部生成された十分な水の輸送に依存する。上述の電極形成から分かるように、電池アノードで生成された水の５０％は、カソードプロセスに必要とされる。ＡＭＦＣの活性領域に沿って膜を横断する水の流量が、アノード水生成量の５０％を優に超える場合、カソードへの水移送のそのような態様（「態様１」）は、カソードプロセスの持続と、カソードを通した十分な水和レベルの両方にとって、十分となるはずである。「態様１」単独による効果的水和を達成する方法は、原則として、高水遮断性細孔層（「ＭＰＬ」）を有するＧＤＬと併せて、好ましくは、５０マイクロメートル厚未満、かつ機械的に強靭である薄膜の使用を伴う。そのような組み合わせは、ある所与の電池電流において、所与のポリマー材料から作製される膜にわたって、最高水流量を保証する。
【００４８】
専ら「態様１」の水和状態でＡＭＦＣを動作させることは、電池構造および動作上の単純性の観点から好ましい。しかしながら、その使用は、動作設計点における電池電流の規模によって制限される。安定状態では、電池水含有量の変化量は、以下によって求められる。
【００４９】
（１ａ）ｄｍｗａｔｅｒ，ｓｓ／ｄｔ＝ｋ１Ｊｃｅｌｌ−ｋ２｛Ｔｃｅｌｌ，ｇａｓ  ｆｌｏｗ｝ｍｗａｔｅｒ，ｓｓ＝０；
すなわち、いかなる外部水供給も伴わない、動作電池内の安定状態の水含有量ｍｗａｔｅｒ，ｓｓは、ｋ１Ｊｃｅｌｌとして求められる、電池電流による水生成量が、ｋ２｛Ｔｃｅｌｌ，ｇａｓ  ｆｌｏｗ｝ｍｗａｔｅｒとして求められる、水損失量と等しくなる時に到達される。本式から、電池内の水の安定状態ｍｗａｔｅｒ，ｓｓは、以下によって求められる。
【００５０】
（１ｂ）ｍｗａｔｅｒ，ｓｓ＝ｋ１Ｊｃｅｌｌ／ｋ２｛Ｔｃｅｌｌ，ｇａｓ  ｆｌｏｗ｝
式（１ｂ）は、安定状態の水含有量が、ある電池温度およびガス流量において、電池電流に伴って増加することを教示する。その結果、新しく調製されたＣＣＭによる動作開始時に、ＡＭＦＣ内で最大可能水含有量を達成するためには、電池電流を最大可能値、一般的には、略１Ａ／ｃｍ２まで徐々に増加させるというルーチンが、高初期電池水和レベルに設定するために、非常に効果的であることが分かった。そのようなルーチンは、イオノマー膜および電極のイオノマー成分を著しく膨張させるのに役立つことが明白である。本電池事前処理ルーチンは、いかなる液体電解質の添加も伴わないＡＭＦＣ動作において、高電力密度の達成を促進する。
【００５１】
一方、式（１ｂ）は、低電池電流レベル下、安定状態の水含有量が、比例的に低下することを教示する。その結果、水レベルは、膜を横断する必要とされる水流量を確保するためには不十分となり、さらなる電池電流低下およびさらなる水損失を生じさせ得る。そのような状況を解決するために、「態様１」に勝るＡＭＦＣカソード水和のさらなる態様が、設計に実装され得る。我々は、本明細書において、ＧＤＬの背面から流出する水のカソードへの再指向を伴う、「態様２」の水和と、外部源からの液体水の供給にも基づく、「態様３」の水和とを含む解決策について説明する。
【００５２】
膜を横断する水流量を超える水をＡＭＦＣカソードに補間する第１の選択肢は、ＧＤＬの背面を通して流出する電池生成水の一部を捕捉し、カソードに再指向することに基づく。アノード側では、膜を通して移送されないアノード生成水の一部が、ＧＤＬを通して、アノード流動場内へと透過する。開口態様におけるアノードの動作では、本水は、アノード排出口から流出する一方、閉端態様における動作では、そのような水は、ＧＤＬ背後のアノード区画内に過剰に蓄積し得る。我々は、本明細書において、アノードＧＤＬを通して流出する水を再指向するための効果的方法を教示する。開口アノードの場合、アノード排出口から流出する水は、水交換ユニットに再流入し、そこで、アノード排出口の水含有量は、流入口空気流へと大部分が移送される。閉端アノード構成の場合、我々は、ＧＤＬの周囲の膜表面に隣接して定置される、親水性材料から作製された対称的フレームによる、膜のアノード側からカソード側への過剰な液体水の高度移送について教示する。アノード側のフレームは、膜を透過しなかったアノード水のためのトラップを提供し、膜のカソード側でそれに面するフレームへのそのような水の通過を促進する。また、カソード排出流を通して流出する水も、第２の水交換ユニットによって、流入空気流に移送可能である。
【００５３】
膜電解質燃料電池外部の水源を利用する水管理（「態様３」の水和）は、一般的には、加湿ガス供給流によるＣＣＭの水和を伴う。同一カソード裏地層（ガス拡散層）を通してのガスと水の効果的供給との間に矛盾が存在するため、本従来技術の水供給の効果は、制限される。特に、水蒸気による加湿は、流入ガス流内の水蒸気含有量のレベルと、ガス拡散層を通しての水蒸気の限定流量とによって制限される。したがって、外部源からの効果的水の供給は、好ましくは、ＡＭＦＣのカソード側への液体水の直接供給の形態となるべきである。これは、実施例として、カソード側のガス流動チャネルの周囲に機械加工される追加水チャネルによって成され、カソード側の膜表面との液体水の直接接触を可能にし得る。カソード側の膜の表面積に沿って導入される水吸水メッシュと併用される、そのような水供給は、ＡＭＦＣカソードへの直接液体水供給のための選択肢の１つである。別の選択肢は、積層体構造の一体部分として作製されるリザーバ内に、余剰液体水を含有させ、カソード水和レベルによって自己制御される量で、このリザーバから膜表面のカソード側に直接液体水を吸水することである。
【００５４】
「態様３」加湿に属する、本発明のさらなる側面では、ＡＭＦＣのカソード側への水の輸送は、電池のカソード側からの酸素／空気と液体水の並列または平行流路を確立することによって達成されてもよい。ＡＭＦＣのカソード側に付着するように構築および配列される、電流収集およびガス供給プレートは、電池膜への水輸送専用のガス流動場および水チャネルとともに構成されてもよい。水チャネルは、膜の活性領域の周縁外側に配置される膜の面積に水を輸送し、膜の断面積に沿って、側方に水を輸送または拡散するように構成されてもよい。プレートは、カソードガス拡散層の断面積に沿った分割を回避するのに役立ち得る、別個の輸送領域を生成するのに有用であってもよい。水は、ＡＭＦＣの外部の、あるいはＡＭＦＣまたはＡＭＦＣ積層体とともに内部に組み込まれる、源、例えば、固定リザーバから、チャネルに供給されてもよい。水は、ポンプを介して、外部源から供給されてもよい。さらに、水は、ＡＭＦＣのアノード側が閉端である場合、膜の活性領域の周囲に集中する水から、チャネルに供給されてもよい。
【００５５】
「態様３」の電池加湿を再び参照すると、本発明の一側面では、水は、外部水供給源から、ＡＭＦＣのカソード側に直接供給され、燃料電池電流のみへの水供給の依存を軽減するのに役立ててもよい。吸水作用を介して水を輸送するように構成される、１つ以上の親水性芯とともに設計されるＡＭＦＣは、アルカリ性膜の水和を向上させるのに役立ててもよく、および／または電池のアノードからカソード側への水輸送の量を増加させるのに役立ててもよい。メッシュの形態の芯のＡＭＦＣ膜のカソード側への直接適用は、メッシュが水リザーバから水を輸送する吸水作用を介して、膜のカソード表面に沿った水の水和および量を向上させるのに役立ててもよい。水リザーバは、燃料電池積層体に対して、外部構成要素として設計されてもよく、または、積層体の設計と一体化されてもよい。メッシュは、膜を通した触媒層へのイオン路の連続性を確保するために、リキャストイオノマーとともに膜に添着される多孔性構造として構成される、ＡＭＦＣ膜とカソード触媒層との間の薄いリキャストイオノマーで充填された分離体の形態であってもよい。
【００５６】
次に、図８を参照すると、本発明の別の側面では、燃料電池１０００は、アノード側１０１０およびカソード側１０２０とともに、アノードとカソード側との間に配置され、アルカリ性膜電極アセンブリを形成する、アルカリ性アニオン交換ポリマー膜１１１０を含む。膜１１１０は、１つ以上のポリヒドロカーボン材料を含み、アノードとカソード側１０１０、１０２０を電子的に分離し、水酸化物イオンの伝導性イオンを提供する。燃料電池１０００のアノード側１０１０は、膜１１１０に隣接して位置付けられるアノード触媒層１０３０と、アノードガス拡散層１０５０と、アノード開口電子伝導性スペーサ１０７０と、アノード双極プレート１０９０と、を含む。カソード側１０２０は、カソード触媒層１０４０と、カソードガス拡散層１０６０と、カソード開口電子伝導性スペーサ１０８０と、カソード双極プレート１１００と、ガス流入口１２００と、膜１１１０に隣接して位置付けられる親水性マイクロ繊維メッシュ１１２０と、を含む。カソード側１０２０は、水リザーバ１２２０をさらに含む。
【００５７】
燃料電池１０００のカソード側１０２０は、燃料電池電流から独立した量として、燃料電池１０００のアルカリ性膜１１１０とカソード側１０２０との界面に水を直接供給し、膜１１１０内およびカソード側１０２０における十分な水のレベルを確保するのに役立つように構成される。図８に示されるように、カソード側１０２０は、膜１１１０とカソード触媒層１０４０との間に配置され、膜１１１０に隣接するカソード触媒表面へのそのような水の導管としての役割を果たす、多孔性親水性マイクロ繊維メッシュ１１２０を含む。
【００５８】
図８をさらに参照するとともに、図９を参照すると、メッシュ１１２０は、無作為に配列され、複数の孔１１５０を有するメッシュを形成する、親水性繊維１１３０のアレイを含む。親水性孔のメッシュは、カソードに隣接する膜の表面に沿って、液体水を効果的に分配するのに役立つ。孔１１５０は、少なくとも１つのリキャストイオノマー１１７０で「充填される」、またはそれを含み、水酸化物イオンのためのイオン路を確保するのに役立つ。本発明の一実施形態では、メッシュ１１２０は、例えば、リキャストイオノマー１１７０の溶液を適用、噴霧、または擦過し、孔１１５０を充填し、事前充填されたメッシュ１１２０を形成することによって形成されてもよい。事前充填されたメッシュ１１２０は、膜１１１０とカソード触媒層１０４０との間の燃料電池１０００の活性領域に横架する。本発明の別の実施形態では、メッシュ１１２０は、膜１１１０のカソード表面上に定置され、リキャストイオノマー１１７０の溶液が、メッシュ１１２０に適用され、その孔１１５０を充填する。リキャストイオノマー１１７０の適用は、メッシュ１１２０を膜１１１０に付着させることに役立つ。また、リキャストイオノマー１１５０は、２つの界面（膜１１１０とイオノマー充填メッシュ１１２０およびメッシュ１１２０とカソード触媒層１０４０）において、良好なイオン接触を確保することに役立つ。一実施形態では、メッシュ１１２０は、約１０ミクロン乃至約２５ミクロンの範囲、好ましくは、１５ミクロンの厚さを画定する。一実施形態では、メッシュ１１２０は、繊維の表面を親水性にするように処理されたポリ（テトラフルオロエチレン）（「ＰＴＦＥ」）の繊維に基づく、薄いバッテリ分離体材料を含む。
【００５９】
親水性メッシュ１１２０を含む繊維は、セルロース、綿、または、例えば、Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ  ｏｆ  Ｅｌｋｔｏｎ（Ｍａｒｙｌａｎｄ）から市販の繊維メッシュ等の表面修飾ＰＴＦＥを含むが、それらに限定されない、１つ以上の親水性材料から構築される。
【００６０】
膜１１１０に沿ったメッシュ１１２０の位置付けは、吸水作用を介して、膜１１１０のカソード表面に水を直接適用可能にする一方、膜１１１０から触媒層へのイオン路の連続性を維持する。一実施形態では、メッシュ１１２０は、メッシュ１１２０が、膜１１１０とカソード触媒層１０４０との間の界面の実質的面積に水を供給するのに役立つように、膜１１１０とカソード触媒層１０４０との間に構成および位置付けられる。
【００６１】
メッシュ１１２０の縁の１つは、膜１１１０のカソード側１０２０に水を供給するために、水供給源と接触する、例えば、連続接触する。図８に示されるように、一実施形態では、メッシュ１１２０の下縁は、膜電極アセンブリから、メッシュ１１２０への水供給提供専用に略定寸された閉鎖区画である、水リザーバ１２２０内へと延在する。メッシュ１１２０は、吸水作用を通して、膜１１１０に水を供給し、メッシュ１１２０は、水リザーバ１２２０内に含有される水を接触したままである。メッシュ１１２０は、膜１１１０の活性領域および／または膜１１１０の活性領域の実質的部分にわたって位置付けられるため、メッシュ１１２０は、吸水作用を介して、膜１１１０とカソード触媒層１０４０との間の界面の実質的面積に、それによって、膜１１１０の実質的面積に、水を送達するのに役立つ。
【００６２】
リザーバ１２２０は、脱イオン化水を含有してもよく、かつ燃料電池積層体の外部に動作可能に位置付けられてもよく、または積層体設計全体の中に構築されてもよい。図８に示されるように、メッシュ１１２０は、ガスケットＧ１およびＧ２を通して、カソード側１０２０に沿って、リザーバ１２２０内へと延在してもよい。反対に、メッシュ１１２０は、電池１０００構造内に構築される、水リザーバ（図示せず）内に延在してもよい。一実施形態では、固定水リザーバは、例えば、積層体の厚さ寸法に隣接して定置され、受動的補水のための脱イオン化液体水流入口を備える。積層体内の各電池は、水リザーバからその中に延在する芯を有し、それによって、単一電池に対して図８に説明される概略図の多電池拡張を達成する。
【００６３】
図８および９をさらに参照すると、燃料電池１０００のアセンブリは、一実施形態では、親水性繊維メッシュ１１２０を膜１１１０のカソード側１０２０に適用し、十分な量の１つ以上のリキャストイオノマーによって、メッシュ１１２０を擦過または噴霧し、メッシュ１１２０の孔１１５０を実質的に充填するステップを含む。次いで、カソード触媒層１０４０は、メッシュ１１２０および膜１１１０にわたって触媒インクを噴霧または擦過することによって適用される（上述のように、触媒インクは、固体触媒と溶解イオノマーの混合物を含む）。イオノマー充填メッシュ１１２０上への触媒層１０４０の蒸着は、膜１１１０からカソード触媒層１０４０への連続的イオン路を形成するのに役立つ。次いで、ガス拡散層１０６０は、触媒層１０４０にわたって適用され、カソード双極プレート１１００は、ガス拡散層１０６０に当接するように位置付けられる。一実施形態では、カソード開口伝導性スペーサ１０８０は、ガス拡散層１０６０と双極プレート１１００との間に位置付けられる。同様に、燃料電池１０００のアノード側１０１０が組み立てられるが、メッシュ１１２０は、アノード側１０１０に沿って含まれない。
【００６４】
燃料電池１０００の縁は、一対のガスケットＧ１およびＧ２にわたって、各双極プレート１０９０および１１００の平面縁を圧嵌することによって封着される。第１のガスケットＧ１は、膜１１１０に直接隣接して位置付けられる。第２のガスケットＧ２は、ガス拡散層１０５０および１０６０の縁にわたって被覆および延在し、かつ第１のガスケットＧ１にわたって被覆および延在する。メッシュ１１２０の一部は、一対のガスケットＧ１およびＧ２を通して、燃料電池１０００の外部の面積へと滑動し、リザーバ１２２０内に受容される。それによって、燃料電池１０００は、メッシュ１１２０のリザーバ１２２０内に含有される水との連続的接触を維持するのに役立つ。
【００６５】
図１０を参照すると、別の側面では、本発明は、閉端アノード態様における動作時に特に重要となる、電池２０００のアノード側１０１０で生成される水のカソード側１０２０への輸送を促進するのに役立つように構成される、燃料電池２０００を提供する。燃料電池２０００の設計は、アノードおよびカソード芯２０４０、２０６０を採用し、カソード反応に対する水輸送量を向上させるのに役立つように、膜１１１０Ａのカソード側１０２０にアノード生成水を移送する。加えて、燃料電池２０００の断面積は、膜１１１０Ａの周囲にフレーム２０２０として構成される非常に水透過性のポリマー薄膜を画定する、膜１１１０Ａの拡張面積を収容するように構成される。芯２０４０および２０６０は、膜１１１０Ａの周縁に沿って、電池２０００のアノード１０１０からカソード側１０２０への水の輸送を可能にする。加えて、芯２０２０、２０６０およびフレーム２０２０は、燃料電池２０００のアノード１０１０からカソード側１０２０への水輸送量を大幅に向上させる。
【００６６】
図１０に例示される燃料電池２０００は、図８に例示される燃料電池１０００に含まれるものと類似構成要素によって構築され、同参照番号が、類似構成要素を示すために使用される。電池２０００のアノード側１０１０は、アノード芯２０４０と、アノード触媒層１０３０と、アノードガス拡散層１０５０と、ガス流入口１１６０を含む、アノード双極プレート１０９０と、を含む。電池２０００のカソード側１０２０は、カソード芯２０６０と、カソード触媒層１０４０と、カソードガス拡散層１０６０と、ガス流入口１２００を含む、カソード双極プレート１１００と、を含む。アルカリ性膜１１１０Ａは、電池２０００のアノードとカソード側１０１０、１０２０の間に配置される。
【００６７】
図１０に示されるように、水透過性薄膜フレーム２０２０は、膜１１１０Ａの活性イオン伝導性面積の周囲のフレームを含む。一実施形態では、膜１１１０Ａは、膜１１１０Ａおよびフレーム２０２０が、一体型構成要素を形成するように、フレーム２０２０を統合して構築される。別の実施形態では、フレーム２０２０は、別個の構成要素であって、電池２０００が組み立てられると、膜１１１０Ａの周縁に隣接して位置付けられる。フレーム２０２０は、１つ以上のポリマー薄膜および／またはメッシュから構築され、膜１１１０Ａの水透過性と比較して、著しい高い水透過性を有する。フレーム２０２０を構築するために好適なポリマー薄膜またはメッシュは、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等のポリアルコールポリマーを含むが、それに限定されない、高水吸収性および高水透過性を呈するポリマーを含む。フレーム２０２０内に含有されるポリマー薄膜は、高ガス分離特性を必要としない。
【００６８】
上述のように、芯２０４０および２０６０は、燃料電池２０００のアノード側１０１０とカソード側１０２０とに沿って位置付けられる。各芯２０４０および２０６０は、例えば、膜１１１０Ａに対して対向関係にある、電池２０００の高さＨ１に沿って、電池２０００の縁の１つから電池２０００の反対縁に延在するように構成される。図１０に示されるように、芯２０４０および２０６０は、膜１１１０Ａとそれぞれの触媒層１０３０および１０４０との間に配置され、膜１１１０Ａの活性イオン伝導性面積を越えて延在する。芯２０４０および２０６０の延在部分は、フレーム２０２０が、電池２０００の両側に沿って、例えば、電池２０００の上縁および底縁に沿って、アノード芯２０４０とカソード芯２０６０との間に挟着されるように、フレーム２０２０に隣接して配置され、接触する。芯２０４０および２０６０は、芯２０４０および２０６０の少なくとも一部が、膜１１１０Ａの表面の少なくとも一部に接触するように、さらに位置付けられる。膜電極アセンブリの周縁の周囲に配置される一対のガスケットＧ３およびＧ４は、芯２０４０、２０６０およびフレーム２０２０を封着するのに役立つ。一実施形態では、ガスケットＧ３およびＧ４が生成する封着は、燃料電池２０００に供給されるガス流からフレーム２０２０を実質的に密閉する。
【００６９】
芯２０４０および２０６０は、親水性材料、例えば、親水性繊維および／または親水性材料のアレイから構築され、吸水作用を介して、膜１１１０Ａに水を輸送するように構成される。加えて、芯２０４０は、その表面に沿って、水透過性フレーム２０２０に水を輸送するように構成される。図１０に示されるように、アノード芯２０４０は、アノード生成水を受容し、その表面に沿って、フレーム２０２０に輸送する。水透過性フレーム２０２０は、アノード生成水を受容し、それを通して、カソード芯２０６０へと水を伝達する。カソード芯２０６０は、水を受容し、その表面に沿って、膜１１１０Ａとカソード触媒層１０４０との間の界面に輸送し、それによって、膜１１１０Ａの触媒側への水輸送量を向上させる。カソード芯２０６０が達成する吸水作用は、カソード側に沿って、膜１１１０Ａおよび触媒層１０４０の実質的面積への水輸送を向上させるのに役立つ。
【００７０】
図１１および１２を参照すると、別の側面では、本発明は、膜電極アセンブリの膜構成要素の表面と、膜の活性領域の周縁のすぐ外側とに、液体水を直接供給するのに役立つように構築および配列される、燃料電池３０００を提供する。再び、図１０と同様に、燃料電池１０００と同参照番号が、類似構成要素を指すために使用される。燃料電池３０００の設計は、活性領域の周縁のすぐ外側、例えば、数ミリメートルの膜表面に液体水を直接供給することによって、ガス拡散層を通して、膜の活性領域に水を適用することを回避する。このように、燃料電池３０００の設計は、膜の水を消耗するカソード側への水の送達に役立つ。後述のように、試験結果は、水が膜の側方寸法に沿って伝搬し、燃料電池３０００の性能を向上させる、特に、カソード側では、それによって、電池３０００が生産する電流を増加させるのに役立つことを示唆する。
【００７１】
図１１に例示される燃料電池３０００は、図８および１０に例示される燃料電池１０００、２０００に含まれるのと類似構成要素で構築され、同参照番号は、構成要素を示すために使用され、その差異は、後述される。電池３０００のアノード側１０１０は、アノード触媒層１０３０と、アノードガス拡散層１０５０と、ガス流入口１１６０を含む、アノード双極プレート１０９０とを含む。電池３０００のカソード側１０２０は、カソード触媒層１０４０と、カソードガス拡散層１０６０と、ガス流入口１２００を含む、電流収集およびガス供給プレート３０２０と、を含む。電流収集およびガス供給プレート３０２０は、ガス拡散層１０６０に当接する。アルカリ性膜１１１０Ｂは、電池３０００のアノードとカソード側１０１０、１０２０の間に配置される。
【００７２】
図１２は、電池のカソード側３０００に沿って位置付けられる、電流収集およびガス供給プレート３０２０の概略端面図を例示する。プレート３０２０は、膜電極アセンブリのカソード側１０２０に酸素ガスまたは空気を送達するのに役立つように構築および配列され、さらに、膜１１１０Ｂの活性領域の周縁３１００に液体水を供給するのに役立つように構築および配列される。プレート３０２０は、ガス流動場３０４０、例えば、膜１１１０Ｂの活性領域３０８０に酸素ガスまたは空気を送達するのに役立つように構成および配置される、１つの表面に沿った単一チャネル、蛇行形状場を画定する。一実施形態では、流動場３０４０は、プレート３０２０の略中心に位置付けられる。燃料電池３０００が組み立てられると、流動場３０４０は、膜活性領域３０８０と流体連通する。さらに、プレート３０２０は、水供給チャネル３０６０、例えば、活性領域３０８０の周縁に隣接し、その外側、例えば、数ミリメートルにある、膜１１１０Ｂに水を直接送達するのに役立つように構成される、単一ループを画定する。電池３０００が組み立てられると、水供給チャネル３０６０は、膜１１１０Ｂの活性領域３０８０の周縁に隣接し、その外側にある、膜１１１０Ｂの面積３１００の少なくとも一部に接触する。プレート３０２０と膜１１１０Ｂの構成および配列は、膜電極アセンブリへの酸素ガス／空気および水の並列または別個かつ平行輸送を生成するのに役立つ。プレート３０２０の流動場３０４０は、カソードガス拡散層１０６０に酸素／空気を輸送するのに役立ち、単一ループチャネル３０６０は、膜１１１０Ｂの外側面積３１００に水を輸送するのに役立つ。このように、電池３０００の設計は、別個の輸送領域を生成しガス拡散層１０６０を通して水供給を達成するために必要とされる、カソードガス拡散層１０６０の断面積に沿った分割を回避する。
【００７３】
次に、図１３Ａおよび１３Ｂを参照すると、試験結果は、図１１の膜面積３１００が、周縁チャネル３０６０から、膜１１１０Ｂの側方寸法に沿って、活性領域３０８０へと水を効果的に輸送し、電池３０００の動作の間、活性領域３０８０に水を供給可能にすることを示唆する。膜１１１０Ｂの側方寸法に沿った水の輸送は、膜１１１０Ｂの断面積と、膜の主表面に沿って必要とされる水輸送の距離との比率に比例すると予想される。膜１１１０の断面積が比較的に小さいまたは狭いため、水輸送は、膜１１１０Ｂの厚さ寸法に沿った場合よりも大幅に低下すると予測され、膜１１１０Ｂ材料を通した水の側方拡散への依存は、非現実的であると考えられ得る。膜１１１０Ｂの比較的に小さい断面寸法および相当な輸送距離から生じ得る、側方水輸送に対する潜在的障壁にもかかわらず、図１３Ａおよび１３Ｂに示される結果は、膜１１１０Ｂの活性領域３０８０の周縁の外側の面積３１００に沿って、膜１１１０Ｂのカソード側に直接水を補給する有益な効果を明らかにする。
【００７４】
図１３Ａは、膜電子アセンブリのカソード側への空気供給を伴う、ＡＭＦＣの動作の試験結果を示す。ＡＭＦＣの伝導性は、カソード側への水含有量に非常に依存するため、カソード性能は、水が電池電流のみによって電池に提供される場合、空気での動作に制限される。これは、空気での動作時に生成される電池電流が、未希釈酸素での動作時より大幅に少ないためである。対照的に、図１３Ｂは、図１１および１２に示されるように構築ならびに配列されるＡＭＦＣの操作の試験結果が、活性領域を囲繞する液体水チャネルによる、膜電極アセンブリのカソード側への水の直接供給によって、ＡＭＦＣの電池電流出力を増加させる、例えば、２倍にするのに役立つことを示唆することを示す。
【００７５】
これらの予想外の試験結果は、異なる解釈を有し得、本発明は、任意の１つの特定の結果の解釈に依存するものではないと考えられるが、１つの可能性のある解釈および／または説明として、膜１１１０Ｂの面積３１００は、膜１１１０Ｂの断面積を通してではなく、膜１１１０Ｂの外側表面に沿って、側方に水を輸送させることが可能である。本解釈または説明に基づいて、ＡＭＦＣの膜に沿った側方水輸送量は、我々が報告するもより高い性能を可能にし得る（図１３Ｂに例示される）。
【００７６】
液体水チャネルから配置される水の薄膜が、膜１１１０Ｂの周縁を被覆するガスケット下を貫通する場合、膜１１１０Ｂの外側表面に沿った薄膜としての水の輸送は、促進され、それによって、向上されるであろう。図１１をさらに参照すると、一実施形態では、電池３０００は、プレート３０２０と膜電極アセンブリとの間に配置される、ガスケット３１２０を含む。ガスケット３１２０は、膜１１１０Ｂの活性領域３０８０の周縁を被覆するように構成および定寸される。また、ガスケット３１２０は、プレート３０２０が、膜電極アセンブリおよびガスケット３１２０とともに組み立てられると、単一ループチャネル３０６０にわたって配置される、スロット３１４０を含む。スロット３１４０は、膜１１１０Ｂの表面への水輸送を可能にするように構成される。プレート３０２０および膜電極アセンブリとともに組み立てられると、ガスケット３１２０は、プレート３０２０とガスケット３１２０とによって集合的に画定される単一ループチャネル３０６０の境界を越えて、水が透過または拡散するのを防止するのに役立つ。しかしながら、本構成は、膜１１１０Ｂの界面に沿った水輸送を防止しない（膜とカソード触媒層１０４０との間の界面に沿った水の移行の可能性がある）。
【００７７】
水分配の後者の態様は、図８を参照して説明されるように、膜１１１０Ｂのカソード側表面を被覆する水芯、例えば、メッシュ１１２０を追加することによって、さらに改善可能である。それによって、水チャネル３０６０は、図８に説明されるような電池の外側の吸水作用に替わって、外部リザーバから活性領域の周縁への水の供給量を向上させ、同時に、カソード活性領域を被覆する水吸水メッシュ１１２０によって、その後の効果的側方分配を利用する。
【００７８】
図１４を参照すると、別の側面では、本発明は、燃料電池をその完全電力出力状態にし、その後に電極および膜内のイオノマー成分の水和のレベルに依存する程度に本完全電力出力を維持するための、図８−１３Ｂを参照して上述の燃料電池のいずれか等の燃料電池の事前処理および効果的水供給の方法４０００を提供する。図１４に例示されるブロックフロー図に示される方法４０００は、例示にすぎず、限定ではない。方法４０００は、例えば、段階を追加、除去、または再配列することによって、変更されてもよい。一般に、方法４０００は、燃料電池１０００、２０００、および３０００の事前処理または事前調整を含み、所与の時間の間、電池１０００、２０００、および３０００に電流を通過させ、それによって、電池膜１１１０、１１１０Ａ、および１１１０Ｂ、ならびに電池の他のイオノマー成分を水和させ、膜および構成要素のイオンの伝導性の程度を増加させるのに役立つ加湿レベルを達成するのに有用となるステップを伴う。
【００７９】
段階４０２０では、待機状態の組み立てられた燃料電池１０００、２０００、および３０００、例えば、イオン伝導性膜１１１０、１１１０Ａ、および１１１０Ｂを含む、水素／酸素アルカリ性ポリマー電解質膜燃料電池を提供し、接触、例えば、水タンク内に含有され、好ましいまたは必要とされる温度に保温された、受動的に吸水される水と燃料電池を接触させる（電池１０００、２０００、および３０００は、「オフ」状態にある）。
【００８０】
段階４０４０では、電池１０００、２０００、および３０００にわたる電圧を低く、例えば、約５０ｍＶに調節し、所与の時間、例えば、約５乃至約１０分間、および／または電力安定水準に達するまで、気流、例えば、高速気流を適用する（電池１０００、２０００、および３０００は、「オン」状態にある）。
【００８１】
段階４０６０では、必要とされる出力電力のための負荷を調節する。
【００８２】
段階４０８０では、電圧が、電池１０００、２０００、および３０００の仕様を下回っているか、またはそれに準拠しているかどうかを評価する。
【００８３】
電圧が、電池の仕様に準拠している場合、段階４１００では、電圧が安定したままであるかどうかを判定し、電圧が経時的に降下する場合、段階４１２０では、水チャネルを通して、電池１０００、２０００、および３０００内へと制御された水の圧送を適用する。
【００８４】
電圧が、電池の仕様を下回る場合、上述の段階４１２０に進み、水チャネルを通して、電池１０００、２０００、および３０００内へと制御された水の圧送を適用する。
【００８５】
段階４１４０では、水の適用に対する電圧の反応を判定する。電池電圧が、水の適用に応答して反応し、上昇する場合、段階４１６０における制御された水の圧送を継続する。
【００８６】
電池電圧が、水の適用に反応しない場合、段階４０６０から４１００のうちの１つ以上に戻る。
【００８７】
電池電圧が、制御された水の圧送後、降下する場合、段階４１８０では、所与の時間、例えば、約１０分間、水を中断し、高速気流を適用する。
【実施例】
【００８８】
（実施例１）
ＣＣＭは、アニオン伝導性膜（Ｔｏｋｕｙａｍａ）の表面への触媒インクの直接噴霧適用によって調製された。カソードまたはアノードのいずれのインクも、少量の白金も含有してはおらず、それぞれ、ＯＨ-イオン伝導性イオノマーの溶液に基づくものとした。膜は、噴霧プロセスの間、真空テーブル上に定置され、続いて、ＣＣＭが１００−４００バールでともに圧着された。触媒層の厚さは、５マイクロメートル未満であった。約３０分間、５０ｍＶの電池電圧で、電流を流すことによって、電池内のＣＣＭ活性化後、１Ａ／ｃｍ２の電流安定水準に到達し、６５℃の電池温度における水素および酸素での動作時の電池生成ピーク電力は、２６０ｍＷ／ｃｍ２であった。電力／電流曲線は、Ｐｔ触媒（大学ＩＩ）、非Ｐｔカソード触媒（企業Ｉ）、および無Ｐｔ電池（大学Ｉ）を使用した無液体電解質ＡＭＦＣの以前の報告と並列させて、図１５に示される。
【００８９】
図１５は、以下の資料を参照する。
「大学Ｉ」
Ｓｈａｎｆｕ  Ｌｕ，Ｊｉｎｇ  Ｐａｎ，Ａｉｂｉｎ  Ｈｕａｎｇ，Ｌｉｎ  Ｚｈｕａｎｇ，  ａｎｄ  Ｊｕｎｔａｏ  Ｌｕ．“Ａｌｋａｌｉｎｅ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌｓ  ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ  ｆｒｅｅ  ｆｒｏｍ  ｎｏｂｌｅ  ｍｅｔａｌ  ｃａｔａｌｙｓｔｓ，”ＰＮＡＳ  ２００８  １０５：２０６１１−２０６１４．
「大学ＩＩ」
Ｊｉｎ−Ｓｏｏ  Ｐａｒｋ，＊Ｇｕ−Ｇｏｎ  Ｐａｒｋ，Ｓｅｏｋ−Ｈｅｅ  Ｐａｒｋ，Ｙｏｕｎｇ−Ｇｉ  Ｙｏｏｎ，Ｃｈａｎｇ  Ｓｏｏ  Ｋｉｍ，Ｗｏｎ  Ｙｏｎｇ  Ｌｅｅ．“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ａｌｋａｌｉｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｓ  ｆｏｒ  Ｓｏｌｉｄ  Ａｌｋａｌｉｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ，”Ｍａｃｒｏｍｏｌ．Ｓｙｍｐ．２００７，２４９-２５０，１７４-１８２．
「企業Ｉ」
Ａ．Ｆｉｌｐｉ，Ｍ．Ｂｏｃｃｉａ  ａｎｄ  Ｈ．Ａ．Ｇａｓｔｅｉｇｅｒ，“Ｐｔ−ｆｒｅｅ  Ｃａｔｈｏｄｅ  Ｃａｔａｌｙｓｔ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｉｎ  Ｈ２／Ｏ２  Ａｎｉｏｎ−Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ，”ＥＣＳ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  １６（２），１８３５−１８４５（２００８）．
本発明の実施形態を説明する際に、明確性を目的として、特定の用語が使用される。説明の目的のために、各特定の用語は、少なくとも、類似目的を達成するための同様の方法において動作する、あらゆる技術的および機能的同等物を含むものと意図される。加えて、本発明の特定の実施形態が、複数のシステム要素または方法ステップを含む、いくつかの事例では、それらの要素またはステップは、単一要素またはステップと代替されてもよく、同様に、単一要素またはステップは、同一目的を果たす、複数の要素またはステップと代替されてもよい。さらに、種々の特性のパラメータが、本発明の実施形態のために、本明細書において指定される場合、別途指定されない限り、それらのパラメータは、発明の範囲内において、その近似値に調節または丸めることが可能である。さらに、本発明は、その特定の実施形態を参照して図示および説明されたが、当業者は、形態および詳細の種々の代用ならびに代替が、本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書において成され得ることを理解するであろう。さらに、依然として、他の側面、機能、および利点も、本発明の範囲内である。
【００９０】
本発明のいくつかの実施形態について説明された。それでもなお、種々の修正が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく成され得ることを理解されるであろう。故に、他の実施形態も、以下の請求項の範囲内である。
好ましい実施形態によれば、本発明は、例えば、以下が提供される。
（項目１）
液体電解質の添加を伴わずに、化学反応によって電気を生産するためのデバイスであって、
アノード電極と、
水酸基（ＯＨ-）イオンを伝導するように構成されるポリマー膜電解質であって、該膜は、該膜の第１の側の該アノード電極と物理的に接触している、ポリマー膜電解質と、
該膜の第２の反対側と物理的に接触しているカソード電極と、
を含み、
該アノード電極およびカソード電極は触媒を含有し、該触媒は、実質的に全体として、非貴金属触媒から構築される、デバイス。
（項目２）
上記膜厚は、約３０マイクロメートルを下回る、項目１に記載のデバイス。
（項目３）
上記アノード電極およびカソード電極は、上記膜が作製されるものと実質的に同一ポリマーの溶液を使用して調製される、項目１に記載のデバイス。
（項目４）
上記電極内の上記ポリマー中のアルカリ水酸基（ＯＨ-）イオンの体積濃度は、上記膜内のＯＨ-イオン体積濃度より少なくとも約５％高い、項目３に記載のデバイス。
（項目５）
上記アノード電極およびカソード電極は、上記膜が作製されるものと異なる化学組成のリキャスト水酸基（ＯＨ-）イオン伝導性ポリマーから調製される、項目１に記載のデバイス。
（項目６）
織布炭素、不織布炭素、金属メッシュ、および金属発泡体からなる群から選択される、担体上に非貴金属触媒とポリマー溶液の混合物とともに構成される、上記膜に隣接する少なくとも１つの触媒層をさらに含む、項目１に記載のデバイス。
（項目７）
非貴金属触媒とポリマー溶液との混合物によって構成され、上記膜上に直接配置されて、触媒被覆膜（「ＣＣＭ」）を形成する、少なくとも１つの触媒層をさらに含む、項目１に記載のデバイス。
（項目８）
上記ＣＣＭは、（ａ）加熱された真空テーブル上に定置される上記ＯＨ-イオン伝導性膜の１つの側に、触媒インクを直接空気噴霧し、（ｂ）該膜の反対の側に、該触媒インクを直接空気噴霧することによって調製される、項目７に記載のデバイス。
（項目９）
上記触媒層の全体厚は、約５マイクロメートル未満である、項目８に記載のＣＣＭ。
（項目１０）
上記触媒インクは、水／アルコール混合物中で、金属または炭素担持非貴金属触媒をイオノマーの溶液と激しく混合することによって作製される、項目８に記載のＣＣＭ。
（項目１１）
上記触媒層をポリマー溶液で含浸することによって構成される、少なくとも１つの非貴金属触媒層をさらに含む、項目１に記載のデバイス。
（項目１２）
少なくとも１つの電極は、上記膜の片側と物理的に接触している高い体積濃度の非貴金属触媒の前面層をさらに含み、スパッタリング、電子ビーム、および直接無電解蒸着からなる群から選択される技術によって構成される、項目１に記載のデバイス。
（項目１３）
上記膜は、該膜の少なくとも１つの側の非貴金属触媒の凝縮された前面層をさらに含み、電極と物理的に接触し、スパッタリング、電子ビーム、および直接無電解蒸着からなる群から選択される技術によって構成される、項目１に記載のデバイス。
（項目１４）
少なくとも１つの電極は、上記膜に埋入される、触媒被覆マイクロ樹枝状結晶のアレイの層をさらに含む、項目１に記載のデバイス。
（項目１５）
アルカリ性膜燃料電池であって、
アノード電極と、
水酸基（ＯＨ-）イオンを伝導するように構成されるポリマー膜電解質であって、該膜は、該膜の第１の側の該アノード電極と物理的に接触している、ポリマー膜電解質と、
該膜の第２の反対の側と物理的に接触しているカソード電極と
を含み、
該燃料電池は、閉端アノードチャンバによって構成および配置され、該アノード電極から該膜を通して該カソード電極まで、該アノード電極における水生成と実質的に同等の速度で水を移送するように構成される、燃料電池。
（項目１６）
上記膜を横断する水輸送は、上記アノードおよびカソードの両側における活性領域周辺のフレームとして成形および定置される高い親水性の膜またはメッシュによって促進される、項目１５に記載の燃料電池。
（項目１７）
上記アノード電極に近接する混合された親水性／疎水性層をさらに含む、項目１５に記載の燃料電池。
（項目１８）
上記カソード電極に近接する疎水性層をさらに含む、項目１５に記載の燃料電池。
（項目１９）
空気極へ供給される方式で動作し、上記疎水性層に近接するガス拡散層と、該ガス拡散層に近接する調節可能シャッタとをさらに含む、項目１８に記載の燃料電池。
（項目２０）
空気極へ供給される方式で動作し、カソードＧＤＬ厚および気孔率は、式：Ｐ＊Ｈ２Ｏ，Ｔｃｅｌｌ＝０．４［Ｊｃｅｌｌ／Ｊｌｉｍ，ｃａｔｈ］ａｔｍ（式中、Ｐ＊Ｈ２Ｏ，Ｔｃｅｌｌは、内部電池温度における水蒸気圧であって、Ｊｌｉｍ，ｃａｔｈは、該ＧＤＬを通る空気からの酸素の最大輸送量によって設定される限界電流である）に従って選択される電池電流および内側温度と整合する水蒸気放出量に対して設計される、項目１８に記載の燃料電池。
（項目２１）
上記電池の初期活性化は、該電池の電圧を約または略５０ｍＶに設定し、該電池の電流が安定水準に達する一方、該電池の温度が設計動作点に達するまで、この電圧に維持することによって達成される、項目１に記載の電池。
（項目２２）
上記電流は、略１Ａ／ｃｍ２の安定水準に達し、上記電池温度設計点は、６０乃至７０℃である、項目２１に記載の電池活性化。
（項目２３）
上記閉端アノードは、一方向弁をさらに含み、該一方向弁は、正常圧によって周期的に環境に開放して、周期的に水蓄積を放出する、項目１５に記載の燃料電池。
（項目２４）
アルカリ性膜燃料電池であって、該燃料電池は、
アノード電極と、
水酸基（ＯＨ-）イオンを伝導するように構成されるポリマー膜電解質であって、該膜は、該膜の第１の側の該アノード電極と物理的に接触している、ポリマー膜電解質と、
該膜の第２の反対の側と物理的に接触しているカソード電極と、
該アノード電極およびカソード電極が含有している触媒であって、該触媒は、実質的に全体として、非多孔性の金属触媒から構築される、触媒と、
外部水源と
を含み、
該燃料電池は、該外部水源から該膜の該カソード側に水を移送するように構成される、燃料電池。
（項目２５）
上記膜の上記カソード側への液体水の直接供給は、上記燃料電池の活性領域を囲繞する約１ミリメートル幅の水チャネルによって提供される、項目２４に記載の燃料電池。
（項目２６）
上記水チャネルから上記膜表面までの該膜表面に沿った水移送は、好ましくは上記カソード触媒に隣接する側に、該膜の一部として組み込まれる吸水メッシュによって促進される、項目２５に記載の直接液体水供給。
（項目２７）
上記吸水メッシュは、膜キャストの間に、上記膜の主表面に沿って該メッシュを定置することによって、該膜の一体部分となるように組み込まれる、項目２５に記載の吸水メッシュ。
（項目２８）
上記吸水メッシュは、イオノマーの溶液を使用して、該メッシュ内の空間を充填し、その後のイオノマーリキャスト後に、結合機能を提供することによって、事前加工された膜の表面に取着される、項目２５に記載の吸水メッシュ。
（項目２９）
上記膜の上記カソード側への液体水供給は、液体水の固定リザーバから提供され、該水は、そのようなリザーバから該膜の該カソード側へそれに沿って運ばれる、項目２４に記載の燃料電池。
（項目３０）
項目２４に記載の燃料電池の動作方法であって、
（ａ）水を提供して、燃料電池膜を水和させることにより、該膜のイオンの伝導性を増加させるステップと、
（ｂ）該電池にわたって低電圧に調節する一方、所定の時間の間、該電池に燃料および気流を提供するステップと、
（ｃ）該電池の電力出力を試験するための負荷を調節するステップと、
（ｄ）電池電圧を検査するステップと、
（ｅ）該電池電圧が安定している場合、該電圧において該燃料電池を動作させることを継続するステップと、
（ｆ）該電池電圧が安定していない場合、該電池に追加の水体積を提供することと、
（ｇ）ステップ（ｆ）の後に、電池電圧を再検査して、ステップ（ｆ）での水の添加に応答して、電池電圧が上昇する場合、該電池が動作可能な電力を提供するまで、最適な速度で、該電池への水の添加を継続するステップと
を含む、方法。
（項目３１）
アルカリ性膜燃料電池であって、
アノード電極と、
水酸基（ＯＨ-）イオンを伝導するように構成されるポリマー膜電解質であって、該膜は、該膜の第１の側の該アノード電極と物理的に接触している、ポリマー膜電解質と、
該膜の第２の反対の側と物理的に接触しているカソード電極と
を含み、
該燃料電池は、該アノード電極から該膜を通して該カソード電極まで水を移送するように構成および設計され、
該燃料電池と動作可能に接続され、カソード電極排出流からカソード電極吸入流まで水を交換するように配置される水交換器をさらに含む、燃料電池。
（項目３２）
上記水交換器は、膜を含み、該膜は、高い水透過性かつ低いガス透過性であることにより、上記加湿カソード電極排出流から乾燥空気の吸入流までの水の輸送を可能にする、項目３１に記載のデバイス。
（項目３３）
アルカリ性膜燃料電池であって、
アノード電極と、
水酸基（ＯＨ-）イオンを伝導するように構成されるポリマー膜電解質であって、該膜は、該膜の第１の側の該アノード電極と物理的に接触している、ポリマー膜電解質と、
該膜の第２の反対の側と物理的に接触しているカソード電極と
を含み、
該燃料電池は、該アノード電極から該膜を通して該カソード電極まで水を移送するように構成および設計され、
該燃料電池と動作可能に接続され、カソード電極排出流から乾燥空気の吸入流まで水を移送するように配置される水交換器をさらに含む、燃料電池。
（項目３４）
上記水交換器は、膜を含み、該膜は、高い水透過性かつ低いガス透過性であることにより、上記加湿カソード電極排出流から乾燥空気の吸入流までの水の輸送を可能にする、項目３３に記載のデバイス。
（項目３５）
項目１に記載のデバイスに列挙される種類の複数の電池を積層することによって構築される燃料電池積層体であって、隣接する電池を分離する双極プレートは、無電解めっきによって適用されるニッケルの薄膜によって被覆される、機械加工されたアルミニウムから構築される、積層体。
（項目３６）
上記アルミニウムプレート金属は、６０６１系材料である、項目３５に記載のデバイス。
（項目３７）
上記ニッケル被覆厚は、約１マイクロメートルを上回り、好ましくは、約２５マイクロメートルである、項目３５に記載のデバイス。
【図１】
0005925860.tif 000002
【図２】
0005925860.tif 000003
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0005925860.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
0005925860.tif 000016