(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともアノード及びカソード電極と、
燃料供給管と、
燃料を前記燃料供給管から前記アノード及びカソード電極の少なくとも一方に供給するように作動するフローフィールドエレメントとを備えてなり、
前記フローフィールドエレメントは、前記一方の電極に対して押しつけられており、そして複数のアイランド領域を有しており、各アイランド領域は加圧表面と側面を有し、その加圧表面は前記一方の電極に対して押しつけられており、また前記フローフィールドエレメントは、前記側面を取り囲んでいるフローフィールド領域を有しており、前記フローフィールド領域は前記燃料供給管と連通しており、
前記燃料供給管は、ある方向に延びるフローフィールドに開口する少なくとも一つの開口部を有し、前記方向にフローフィールドに燃料を供給し、前記方向は前記側面の一つと直接交差する直線状に延びており、前記燃料供給管が前記燃料を直接前記側面の一つに対して供給するように構成されている
ことを特徴とする直接供給式メタノール燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記アイランド領域は、長方形で、その長軸が前記方向に平行であり、そして
前記燃料は、前記方向に垂直に延びる前記側面の一つに直接供給される
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池において、
前記燃料供給管は、複数のノズルを備えており、全部が前記方向に延びていて、そして全部が前記側面の一つに対して直接燃料を供給する
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
電極に対してフローフィールドエレメントを押しつける工程であって、前記フローフィールドエレメントは、複数のアイランド領域を備えており、そのそれぞれには上面と側面を有する加圧表面があり、その加圧表面上面は前記一つの電極に押しつけられ、また前記フローフィールドエレメントは、前記側面を取り囲んでいるフローフィールド領域を有している工程と、
前記フローフィールドエレメントの一つの前記側面の一つにメタノール燃料を直接供給して燃料の流れの中の乱流を増加させる工程と
を含んでなる加圧されることを必要とするタイプの電極に燃料を供給する方法。
【請求項５】
少なくともアノード及びカソード電極と、
燃料を供給する手段と、
燃料を前記燃料供給手段から前記アノード及びカソード電極の少なくとも一方に供給するように作動するフローフィールドエレメントとを備えてなり、
前記フローフィールドエレメントは、前記一方の電極に対して押しつけられており、そして複数のアイランド領域を有しており、その各アイランド領域は上面と側面を有し、前記上面は前記一方の電極に押しつけられており、また前記側面は前記供給された燃料の流れに囲まれており、また前記フローフィールドエレメントは、さらに前記供給された燃料の流れの中に乱流を生じさせる構成になっていることを特徴とする
直接供給式メタノール燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、酸性電解質またはリフォーマを用いないで作動するシステムのための、改良された直接供給式メタノール燃料電池およびその燃料の供給方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリン動力型の内燃機関で作動する輸送車両は、多くの環境問題の源となってきている。内燃機関から出る産物は、例えばスモッグや他の排気ガスが関連した問題を生じさせる。種々の汚染制御対策によって、ある種の望ましくない排気ガス成分が最小限にされている。しかしながら、燃焼のプロセスは、本質的に何らかの排気ガスを生成する。また、たとえ排気ガスを全面的に環境に優しくできたとしても、ガソリンをベースとする内燃機関は、非再生性の化石燃料に依然として頼っている。
【０００３】
多くのグループがこのエネルギー問題の適切な解決法を探ってきた。一つの可能性のある解決法として、燃料電池が挙げられている。燃料電池は、再生可能な燃料材料からのエネルギーを用いて化学的に反応する。例えば、メタノールは、完全に再生可能な供給源である。また、燃料電池は、燃焼反応の代わりに、酸化還元反応を利用する。この燃料電池の反応から得られる最終生成物は、典型的には、殆どが二酸化炭素と水である。
【０００４】
いくつかの従来のメタノール燃料電池は、メタノールを燃料電池で用いられるＨ2ガスに変換するために「リフォーマ」を使用した。メタノール燃料電池は、強酸の電解質を使用した。この発明の発明者らは、最初に、酸性電解質を用いることなくメタノールから直接燃料電池を作動させる技術、いわゆる直接供給式メタノール燃料電池を提案した。その改良の主題事項は、同発明者らの米国特許第５，５９９，６３８号に記載されており、適切な理解のために必要な程度に、当該特許を参照されたい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、そのようなメタノール直接供給型燃料電池の更なる改良をするものであり、燃料効率のよいメタノール燃料電池およびその燃料の供給方法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】
この発明の直接供給式メタノール燃料電池は、少なくともアノード及びカソード電極と、燃料供給管と、燃料を燃料供給管からアノード及びカソード電極の少なくとも一方に供給するように作動するフローフィールドエレメントとを備えて構成され、前記フローフィールドエレメントは、前記一方の電極に対して押しつけられており、そして複数のアイランド領域を有しており、各アイランド領域は加圧表面と側面を有し、その加圧表面は前記一方の電極に対して押しつけられており、また前記フローフィールドエレメントは、前記側面を取り囲んでいるフローフィールド領域を有しており、前記フローフィールド領域は前記燃料供給管と連通しており、前記燃料供給管は、ある方向に延びるフローフィールドに開口する少なくとも一つの開口部を有し、前記方向にフローフィールドに燃料を供給し、前記方向は前記側面の一つと直接交差する直線状に延びており、前記燃料供給管が前記燃料を直接前記側面の一つに対して供給するようになっている。
【０００７】
また、この発明の燃料電池の実施態様では、前記アイランド領域は、長方形で、その長軸が前記方向に平行であり、前記燃料は、前記方向に垂直に延びる前記側面の一つに直接供給される。
【０００８】
さらにまた、この発明の燃料電池の実施態様では、前記燃料供給管は、複数のノズルを備えており、全部が前記方向に延びていて、そして全部が前記側面の一つに対して直接燃料を供給する。
【０００９】
さらにまた、この発明の燃料電池の実施態様では、前記燃料中に乱流を生じさせる手段を有している。
【００１０】
また、この発明は、直接供給式メタノール燃料電池に燃料を供給する方法を提供し、その方法は、電極に対してフローフィールドエレメントを押しつける工程であって、前記フローフィールドエレメントは、複数のアイランド領域を備えており、そのそれぞれには上面と側面を有する加圧表面があり、その加圧表面上面は前記一つの電極に押しつけられ、また前記フローフィールドエレメントは、前記側面を取り囲んでいるフローフィールド領域を有している工程と、前記フローフィールドエレメントの一つの前記側面の一つに燃料を直接供給して燃料の流れの中の乱流を増加させる工程とを含んでなっている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
発明者らの更なる研究業績に基づいて、燃料電池の構造自体に対する種々の改良をここに記載する。これらの改良事項には、電極の作用を改善する電極の改良された調製が含まれている。電極の作用には、メタノール生成の効率を高める改良触媒が含まれている。燃料電池は、高価な白金触媒を用いる。ここで提供する電極調製法は、白金触媒を用いる必要性を減少させたりなくしたりできる技術を定義するものである。カソード電極を形成する技術もここに開示されている。これらの技術は、非圧縮空気で使用するカソードの作用を最適にする。これによって、還元メカニズムに周囲温度や大気圧を許容できるようになり、燃料電池の効率をさらに改善できる。また、電極形成の技術も説明し、それには膜の条件を整える技術も含まれている。特に好ましい膜電極アセンブリの形成も定義されている。この発明は、また、液体燃料を触媒に供給するのを容易にするフローフィールドの設計にも及ぶ。
【００１２】
この燃料電池システムは、結局、最終製品において使用される必要がある。この最終製品は、内燃機関であってもよいし、またはラジオのようなずっと簡単な電子機器であってもよい。電気で作動するいかなる製品も、これらの燃料電池から発生した電力に基づいて作動させることができる。この発明の発明者らは、この作動を改良するとともに、他の方法では起こる可能性のあるこれらの諸問題点を改善するある技術を見つけ出した。この発明の技術は、また、全体システムの一部としてこの燃料電池を作動させる技術について説明することによって、「システム作動」をも可能にした。これらのシステム技術には、メタノール濃度や他の重要なパラメータを測定するためのセンサが含まれる。この発明者らは、種々のパラメータを検出するための種々のセンサが必要であろうことを理解している。この発明者らは、市販のセンサを見つけることができなかった。この発明には、この燃料電池で用いる技術をセンサの形成のために変形する方法が記載されている。このセンサは、この燃料電池の技術を用いて高い信頼性を保って作動する。もう一つの技術は、単極性電池の形成を定義している。
【００１３】
我々の上記で言及した特許に記載された液体供給システムは、アノード上に白金−ルテニウム触媒を、またカソード上に白金触媒を用いている。ペルフルオロスルホン膜、好ましくは DuPont のナフィオン(Nafion)（登録商標）１１７が、ポリマー電解質膜として用いられる。重要なことは、このシステムがいかなる酸性電解質もリフォーマも使用する必要なく、作動したことである。種々の材料の持つ種々の特性を変えて、この改良がなされた。
【００１４】
アノード電極をイオノマー添加剤を用いて親水性を高めることによって、アノード表面へのメタノール水溶液の接近性を改善できた。アノードの親水性を高める別の方法は、超酸（「Ｃ８酸」）を含む電解質を用いることであった。例えば、トリメトキシメタン「ＴＭＭ」のような別のメタノール誘導体燃料は、それらの分子サイズが大きいため、また他の特性のために、燃料の移動性（crossover）が小さくなる。
【００１５】
この発明のこれらの及び他の面について、添付図面を参照して以下に詳細に説明する。
【００１６】
図１は、ハウジング１２、アノード１４、カソード１６および固体ポリマープロトン伝導性カチオン交換電解質膜１８を有する液体供給有機燃料電池１０を示す。以下に一層詳細に説明するように、アノード１４、カソード１６および固体ポリマー電解質膜１８は、好ましくは単一の多層複合構造体であり、ここでは膜電極アセンブリと称する。ポンプ２０が、有機燃料と水の溶液をハウジング１２のアノード室２２内にポンプ輸送するために設けられている。その有機燃料と水の混合物は、出口ポート２３から取り出して、図２を参照して以下に説明する、メタノールタンク１９を有する再循環システムを通して再循環される。アノード室で生成した二酸化炭素は、タンク１９内のポート２４を通して放出される。酸素または空気の圧縮器２６が、ハウジング１２内のカソード室２８の中に酸素または空気を供給するために設けられている。以下に説明する図２は、再循環システムを含む個々の燃料電池のスタックを組み込んだ燃料電池システムを示す。図１の燃料電池の以下の詳細な説明は、アノード１４、カソード１６および膜１８の構造と機能を主に中心として行う。
【００１７】
使用に先だって、アノード室２２は有機燃料と水の混合物で満たし、そしてカソード室２８は空気と酸素で満たす。作動中は、有機燃料はアノード１４を通過して循環され、一方、酸素または空気はカソード室２８内にポンプ輸送されカソード１６を通過して循環される。電気負荷（図示せず）がアノード１４とカソード１６の間に接続されると、有機燃料の電気酸化がアノード１４で起こり、かつ酸素の電気還元がカソード１６で起こる。アノードとカソードでこのような異なる反応が起こることにより、これら２電極間に電圧差が生じる。アノード１４での電気酸化で生成した電子が外部負荷（図示せず）を通して伝導されて、最後にカソード１６で捕捉される。アノード１４で生成した水素イオンつまりプロトンは、膜電解質１８を直接横切ってカソード１６に輸送される。したがって、電流の流れは、電池を通過するイオンの流れと外部負荷を通過する電子によって維持される。
【００１８】
上記のように、アノード１４、カソード１６および膜１８は、一つの複合層構造体を形成している。好ましい実施態様では、膜１８はペルフルオロ化プロトン交換膜材料のナフィオン（登録商標）で形成される。ナフィオン（登録商標）は、テトラフルオロエチレンとペルフルオロビニルエーテルスルホン酸のコポリマーである。他の膜材料も使用できる。例えば、改変ペルフルオロ化スルホン酸ポリマー、ポリ炭化水素スルホン酸および２種以上のプロトン交換膜の複合体の膜が使用できる。
【００１９】
アノード１４は、白金ルテニウム合金の粒子から、微細金属粉末つまり「非担持構造」としてか、または大表面積の炭素上に分散させつまり「担持構造」で、形成される。大表面積の炭素は、米国の Cabot Inc.社が提供する Vulcan XC-72A のような材料でもよい。電気触媒の粒子との電気的接続を行うために、炭素繊維シートのバッキング（図示せず）を使用する。市販の Toray（登録商標）ペーパーが電極バッキングシートとして使用される。Toray（登録商標）ペーパーのバッキング上の担持構造の合金電気触媒が米国マサチューセッツ州フラミンガム所在の E-Tek,Inc.社から入手できる。あるいは、非担持構造の電気触媒と担持構造の電気触媒の何れも、テフロン（登録商標）結合剤で結合し Toray（登録商標）ペーパーバッキング上に散布する化学的方法でアノードを製造することができる。電気触媒電極を効率的に時間をかけずに製造する方法を、以下に詳細に説明する。
【００２０】
第二の金属がスズ、イリジウム、オスミウムまたはレニウムである白金ベースの合金を、白金ルテニウムの代わりに使用できる。一般に、合金の選択は、燃料電池に使用される燃料に依存して行われる。メタノールを電気酸化するには、白金ルテニウムが好ましい。白金ルテニウムの場合、電気触媒層中に添加する合金粒子の量は、０．５〜４．０ｍｇ／ｃｍ2 の範囲が好ましい。添加レベルは、低いより高い方がより効率的な電気酸化が実現される。
【００２１】
カソード１６は、ガス拡散電極であり、白金粒子が膜１８の一方の面に結合れている。カソード１６は、膜１８のアノード１４とは反対側の面に結合された非担持構造または担持構造の白金で形成することが好ましい。米国の Johnson Matthey Inc.社から入手できる非担持構造の白金黒（燃料電池グレード）または米国の E-Tek Inc.社から入手できる担持構造の白金材料がカソード用に適している。アノードの場合のように、カソード用の金属粒子を炭素のバッキング材料上に載せることが好ましい。電気触媒粒子を炭素バッキング上に負荷する量は、好ましくは、０．５〜４．０ｍｇ／ｃｍ2 の範囲である。電気触媒合金と炭素繊維のバッキングは、１０〜５０重量％のテフロン（登録商標）を含有し、三相界面を生成しかつ酸素の電気還元によって生成した水を効率的に除去するのに必要な疎水性を与えている。
【００２２】
作動中は、濃度範囲が０．５〜３．０モル／リットルの燃料及び水の混合物（酸性の電解質もアルカリ性の電解質も含有していない）を、アノード室２２内のアノード１４を通過させて循環させる。好ましくは、１０〜５００ｍＬ／分の範囲の流速が使用される。燃料と水の混合物がアノード１４を通過して循環するとき、例示的なメタノール電池の場合、下記の電気化学反応
アノード：ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-    （１）
が起こり、電子を放出する。
【００２３】
上記反応で生成した二酸化炭素は、燃料と水の溶液とともに出口２３を通して取り出され、気液分離器でその溶液から分離される（図２を参照して以下に説明する）。燃料と水の溶液は、次いでポンプ２０により電池内へ再循環される。
【００２４】
上記式（１）で示す電気化学反応と同時に、電子を捕捉する、酸素の電気還元を行う他の電気化学反応がカソード１６で起こり、下記式
カソード：Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ              （２）
で表される。
【００２５】
式（１）と（２）で表される個々の電極反応によって、例示的なメタノール燃料電池について、下記式
電池：ＣＨ3ＯＨ＋１．５Ｏ2→ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ        （３）
で表される全体反応が行われる。
【００２６】
十分に高い濃度の燃料で、５００ｍＡ／ｃｍ2 より高い電流密度を維持することができる。しかしながら、これらの濃度では、膜１８を横切ってカソード１６へ向かう燃料の移動速度（crossover rate）が、その燃料電池の効率と電気的性能が有意に低下する程度にまで増大する。０．５モル／Ｌより低い濃度では、電池の作動は１００ｍＡ／ｃｍ2 未満の電流密度に限定される。低い電流密度の場合には、低い流速が適用可能であることが見出された。高電流密度で作動させる場合は、電気化学反応によって生成する二酸化炭素を除くためはもとより、有機燃料のアノードへの輸送質量速度を増大するために、高い流速が必要である。また、低流速では、燃料が膜を通過してアノードからカソードへ移動するのが減少する。
【００２７】
好ましくは、酸素または空気は、１０〜３０ｐｓｉｇの範囲の圧力下でカソード１６を通過して循環させる。外界圧力より高い圧力にすると、電気化学反応の場所への酸素の質量輸送が、特に高い電流密度の場合、改善される。カソードにおいて電気化学反応で生成する水は、ポート３０を通して酸素の流れによってカソード室２８から運び出される。
【００２８】
水に溶解している液体燃料は、アノードで電気酸化されるのに加えて、固体ポリマー電解質膜１８を透過して、カソードの電気触媒の表面上で酸素と結合する。このプロセスは、メタノールを例に挙げて、式（３）で表される。この現象は、「燃料移動（fuel crossover）」と呼ばれる。燃料の移動によって、酸素電極の作動電位が低下して、その結果、有用な電気エネルギーを生成することなく燃料が消費される。一般に、燃料の移動は、効率を低下させるとともに性能を低下させかつ燃料電池内で熱を発生させる寄生反応である。したがって、燃料の移動速度を最小にすることが望ましい。この移動速度は、固体電解質膜を通過する燃料の透過率に比例し、濃度が増大し温度が上昇するにつれて増大する。含水量が低い固体電解質膜を選ぶことによって、膜の液体燃料に対する透過率を低下させることができる。燃料に対する透過率を低下させると、移動速度が低下する。また、分子の大きさが大きい燃料は、分子の大きさが小さい燃料よりも、拡散係数が小さい。したがって、透過率は、分子の大きさが大きい燃料を選択することによって下げることができる。水溶性の燃料が望ましいとはいえ、溶解度が中位の燃料は低い透過率を呈する。高沸点の燃料は蒸発しないので、膜を通してのそれら燃料の輸送は液相で行われる。蒸気の透過率は液体より高いので、高沸点の燃料は一般に移動速度が低い。液体燃料の濃度は、移動速度を小さくするためにも下げることができる。疎水性部位と親水性部位が最適に分布しているアノード構造体は、液体燃料によって適度に濡れることで電気化学反応を維持することができ、かつ過剰量の燃料が膜電解質に接近するのを防止する。したがって、アノードの構造を適当に選択すれば、高性能と望ましい低移動速度を得ることができる。
【００２９】
固体電解質膜は、６０℃より高い温度では水が透過可能なので、かなりの量の水が透過と蒸発によって膜を横切って輸送される。固体電解質膜を通して輸送される水は、水回収システム内で凝縮されて、水タンク（この水回収システムとタンクについては、図２を参照して以下に詳細に説明する）に送られ、その水はアノード室２２の中へ再循環させることができる。
【００３０】
アノード１４で生成したプロトンおよびカソード１６で生成した水は、プロトン伝導性固体電解質膜１８によって二つの電極間を輸送される。膜１８の高いプロトン伝導性を維持することは、有機／空気燃料電池を有効に作動させるのに重要である。電解質膜の含水量は、液体燃料と水の混合物と直接接触させることによって維持される。プロトン伝導性固体ポリマー電解質膜の厚みは、好ましくは、０．０５〜０．５ｍｍの範囲とする。０．０５ｍｍより薄い膜を用いると、機械的強度が劣った膜電極アセンブリとなる可能性があり、一方０．５ｍｍより厚い膜を用いると、液体燃料と水の溶液によってそのポリマーが膨潤して極端でかつ損傷を与える寸法変化をもたらすとともに、過剰の抵抗値を呈する可能性がある。電解質膜のイオン伝導率は、燃料電池が許容可能な内部抵抗を持つためには、１ｏｈｍ-1ｃｍ-1より大きくなければならない。
【００３１】
上記のように、電解質膜は液体燃料に対する透過率が低くなければならない。ナフィオン（登録商標）膜がプロトン伝導性固体ポリマー電解質膜として有効であることが見出されたが、ナフィオン（登録商標）と特性が類似している、Aciplex（登録商標）（日本の Asahi Glass Co.社製造）のようなペルフルオロ化スルホン酸ポリマー製の膜、および米国の Dow Chemical Co.社が製造しているポリマー膜、例えば XUS13204.10 も利用できる。ポリエチレン及びポリプロピレンスルホン酸の膜、ポリスチレンスルホン酸の膜、および他のポリ炭化水素ベースのスルホン酸類の膜（例えば、米国の RAI Corporation 社が製造した膜）も、燃料電池の作動する温度と期間に応じて、使用することができる。酸当量が異なっているか、または化学組織が異なっている（例えば、酸性基またはポリマーの骨格が修飾されている）か、または水含量が異なっているか、または架橋の種類と程度が異なっている（例えば、Ａｌ3+，Ｍｇ2+などのような多価カチオンで架橋されている）かの２種以上のプロトン伝導性カチオン交換ポリマーからなる複合体の膜を用いて、低い燃料透過性を達成することができる。このような複合体の膜を製造して、高いイオン伝導率、液体燃料に対する低い透過性率よび優れた電気化学的安定性を達成することができる。
【００３２】
以上の説明から理解されるように、電解質としてプロトン伝導性の固体高分子膜を用いることにより、遊離の可溶性酸または塩基の電解質を用いる必要なく、液体供給式直接酸化型有機燃料電池が得られる。唯一の電解質は、プロトン伝導性の固体高分子膜である。液体燃料と水の混合物の中には、遊離の形態の酸は存在しない。自由な酸が存在しないので、現用技術の酸ベースの有機物／空気燃料電池において起こりがちな電池部品の酸誘発による腐食が回避される。このことは、燃料電池および連係サブシステムのための材料選択に相当な柔軟性をもたらす。さらに、液体電解質として水酸化カリウムを含む燃料電池と違って、可溶性の炭酸塩が形成されないので、電池性能が低下しない。また、固体電解質膜の使用により、寄生短絡電流が回避される。
【００３３】
更なる改良
直接型メタノール／液体供給式燃料電池の反応は、
0003914727.tif 000002
である。
【００３４】
この明細書には、この発明によるメタノール燃料電池に用いられる好ましい構造および材料の製造および形成に関する種々の改良が記述されている。発明者らによって行われた種々の実験により、一つの特定の好ましい触媒材料は、白金ルテニウム（「Ｐｔ−Ｒｕ」）であることが確かめられた。これらの二つの金属を組み合わせる種々の製法が可能である。発明者らは、別個の白金粒子と別個のルテニウム粒子を有する二金属性の粉末の方が、白金ルテニウム合金よりも良い結果をもたらすことを見いだした。この発明によるメタノール燃料電池において用いられる好ましいＰｔ−Ｒｕ材料は、大きな表面積を有しているため、この材料と燃料との間の接触を容易にする。白金もルテニウムも触媒反応で用いられるが、この発明者らは、白金ルテニウムの混成物が材料全体にわたって均一に混合されてランダムに間隔が空けられていることが重要であること、すなわちその材料が均質でなくてはならないことを見つけだした。
【００３５】
この発明の関連する第１番目の面は、異なる金属を組み合わせて、異なる材料の特異個別の箇所を有する白金ルテニウム二金属性粉末を形成することである。粒子同士の間には何らかの結合が存在するが、発明者らの技術は、結合の程度を最小限にすることを保証する。好ましい材料を形成するプロセスをこの明細書に記載する。まず最初に、白金塩とルテニウム塩を塩酸に入れたスラリーを形成する。塩酸にクロロ白金酸結晶を溶解することにより、クロロ白金酸ヘキサ水和物塩Ｈ2ＰｔＣｌ6・６Ｈ2Ｏを生成させる。ペンタクロロアクオルテニウム（ＩＩＩ）のカリウム塩から、ルテニウム塩のＫ2ＲｕＣｌ5・Ｈ2Ｏを生成させる。１２．６７２グラムのクロロ白金酸結晶を、１３．９２１グラムのペンタクロロアクオルテニウムのカリウム塩の結晶及び１モルの塩酸の６００ｍｌと混合する。酸と塩の混合物を１５〜３０分間攪拌して、均質な混合物を得る。
【００３６】
次いで、この酸性スラリーに、毎分１ｍｌ当たり１４０グラムの炭酸ナトリウム（Ｎａ2ＣＯ3）を２０〜３０℃の間の温度で添加することにより、中和して沈澱させる。この間に、二酸化炭素がこの溶液から激しく放出されるであろう。炭酸ナトリウムは、このガスの放出が終わるまで添加し続ける。この時点で、その溶液は、茶黒色に変わる。発明者らは、これに約１５分間かかることを見いだした。この操作を行う間中、適当なｐＨに維持することが大切で、ｐＨは、炭酸ナトリウムをゆっくりと加えることによって９．２５付近で維持すべきである。
【００３７】
次いで、この「灰色の粉末状塊（grey powdery mass）」を処理して、そのスラリーから水をエバポレートする。このエバポレートには１時間ないし２時間かかり、ついに、材料が乾燥して塊となった黒いにかわ状の固形物が形成される。次に、この黒いにかわ状固形物を真空中で乾燥させるか、または窒素気流下、８０℃〜１００℃で乾燥させる。塊状の灰色の固体が得られる。この固体には、それでもまだなお塩化ナトリウムとともに溶液中に存在している材料が含まれている。この灰色の粉末の化学的内容物には、水酸化ルテニウム＝Ｒｕ（ＯＨ）3、水酸化白金＝Ｐｔ（ＯＨ）4、及び「べとべとのもの（gunk）」すなわち塩化物、それに加えて過剰なＮａ2ＣＯ3がある。発明者らは、これらの余分な材料が白金とルテニウムの間の分離を維持すると推定している。これらの白金及びルテニウム材料のみで維持されていると、それらは焼結して結合してしまい、粒子の大きさが大きくなってしまう。粒子間の炭酸塩の緩衝剤が合着を防いでいる。
【００３８】
この塊状の固体材料は、次に、水素とアルゴンの雰囲気下で還元されて、塩から金属に変わる。この材料をグラスボートに移し変える。このボートを管状炉のガラス管の中心に配設する。７％の水素と９３％のアルゴンからなる混合ガス中で、またはその代わりに水素／窒素の混合ガス中で、その材料を２２５℃付近で還元させる。このガスは、毎分５０〜２００ｍｌの流速でボートの上を流されるべきである。このガス流は、その加熱雰囲気で１４時間維持し続ける。そして、水素を依然としてその粉末に流し続けたまま、その触媒粉末を４０℃あたりにまで冷却させる。これにより、白金、ルテニウム、の粒子、それに加えて他の塩化物や炭酸塩からなる混合物が形成される。
【００３９】
得られた材料は、次に洗浄しなくてはならない。この材料は、数回の洗浄、例えば６０℃で６回の洗浄を行う。それぞれの洗浄によって、ガラスボート内のサンプルを、６０℃の脱イオン水を１リットル入れたビーカーに移す。白金ルテニウムは、水に不溶である。したがって、洗浄しても白金ルテニウム材料に影響はなく、他の材料のみが除去される。それぞれの洗浄では、水溶液を１５分間攪拌する工程が行われるため、可溶性の塩化物及び炭酸塩が溶解する。金属粒子の大きさはサブミクロンなので、それらは底に沈むことなく、代わりにコロイド状の混合物を形成する。この溶液を４０℃にまで冷却させる。この溶液を後程３０００ｒｐｍで１時間、遠心分離する。遠心分離プロセスにより、澄んだ上澄み液が残る。この上澄みの液体を移し出して、黒い沈降物を１リットルの６０℃の脱イオン水を入れたフラスコに移し変える。このさらなる洗浄により、いかなる溶解した塩化物も除去される。
【００４０】
この洗浄工程は、全部で６回繰り返す。水を攪拌してかつ遠心分離することが、塩化物を全体的に除去するために重要であることがわかった。これらの塩化物は、触媒作用にとって有害である。しかしながら、発明者らは、これらの塩化物が材料の合着を最小限に抑えるのに必要な結合剤ではあるが、後で除去されねばならないことを見出した。
【００４１】
最終的な遠心分離操作を行った後、その粉末をビーカーに移して６０℃の真空オーブン中で３時間乾燥する。これに代えて、この材料を凍結乾燥してもよい。これによって、自由に流動できるサブミクロンサイズの活性な白金ルテニウム触媒が得られる。乾燥した材料がサブミクロンサイズであること、そのためそれらが容易に空気で運ばれることに注目することが重要である。安全を確保するために、サブミクロンマスクを装着しなくてはならない。
【００４２】
この活性な触媒粉末は、サブミクロンサイズの白金粒子及びルテニウム粒子の均質な混合物を含むことがわかった。また、ＲｕＯ2、酸化ルテニウム、及びルテニウム合金の痕跡量の残渣も存在する。この粉末は、この明細書に記載するように、アノード上で触媒として用いられる。
【００４３】
この転化法による最初の生成物である白金塩及びルテニウム塩は、二酸化チタン（ＴｉＯ2）、イリジウム（Ｉｒ）及び／又はオスミウム（Ｏｓ）で改変してもよい。これらの材料は、比較的少ないコストで燃料電池の性能を改善すべく使用することができる。
【００４４】
先行技術の粒子と比較すると、この処理を行った粒子は際だった利点を示す。先行技術の粒子は、５ミクロンの大きさの粒子である。これらの粒子には、二酸化ルテニウムが含まれていた。この発明の粒子を分析すると、ミクロンサイズの粒子に至るまで均質な混合物であることを示す。走査型電子顕微鏡で見ると、明るい点も曇った点もなく、全ての材料は全体的に灰色に見える。このことは、混合プロセスによって全体的に均質な材料が形成されたことを示している。
【００４５】
このプロセスにより調製された材料は、アノード触媒材料と言われる。このアノード触媒をナフィオン（登録商標）溶液などと結合させてさらにプロセスを進めると、「インク（ink）」になる。この明細書に記載するように、これには白金金属とルテニウム金属の組み合わさったものが含まれている。発明者らは、白金のルテニウムに対する好ましい比率は、６０／４０と４０／６０の間であることを見つけている。最良の性能は、６０％の白金と４０％のルテニウムのときに得られると考えられる。性能は、触媒が１００％の白金になると僅かに低下する。性能は、触媒が１００％のルテニウムになると、急激に低下する。
【００４６】
他の添加物をこの塩に添加することにより、特性を改善でき、またこの触媒材料を別のより安価な材料と置換することができる。発明者らは、この燃料電池を低価格の材料で形成すべきであると考えた。残念ながら、白金は非常に高価な材料である。今日の著述の限りでは、白金ルテニウムが触媒として最良の材料である。発明者らは、この触媒の白金の全てまたは一部分に対する置換物を使用することを研究してきた。この置換は、白金ルテニウム触媒が機能する要領に基づいている。
【００４７】
アノードで起こる反応は、ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ- である。発明者らは、白金ルテニウムがその触媒表面で材料を解離させる手助けをすることによりこの反応を触媒すると考えている。この材料は、電子を引き出して、それらを解離させる。この反応は、以下のように説明することができる。
【００４８】
メタノールは、炭素化合物である。炭素原子は、他の４つの原子と結合される。そのボンドのうちの３つは、水素原子に対してである。もう一つのボンドは、水酸基、すなわちＯＨに対してである。白金は、メタノールをその水素とのボンドから解離して、Ｍ＝Ｃ−ＯＨ（Ｍは、Ｐｔまたは他の金属サイトの触媒）＋３Ｈ+を形成する。ルテニウムは、水の分子（ＨＯＨ）から水素を解離して、Ｍ−ＯＨを形成する。これらの表面にあるものは、次いで、ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-として新たに組み合わされる。Ｈ+（プロトン）は、アノードで生成し、そのアノードからカソードへと横切って、そこで還元される。これは、二機能性触媒と言われる。
【００４９】
この明細書に記載したような、メタノールと水を解離させる類似の機能を持つ如何なる材料でも、白金の代わりに使用することができる。発明者らは、そのような数種の材料を研究した。彼らは、Ｃ−Ｈボンドを解離することのできる、パラジウム、タングステン、ロジウム、鉄、コバルト、及びニッケルなど、白金の代替物を見出した。モリブデン（ＭｏＯ3）、ニオビウム（Ｎｂ2Ｏ5）、ジルコニウム（ＺｒＯ2）、及びロジウム（Ｒｈ）も、Ｈ−ＯＨを解離してＭ−ＯＨにする性能があるようである。したがって、これらを組み合わせたものは、良好な触媒である。Ｈ−Ｏ−Ｈボンドを解離する好ましい触媒には、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｃｒ、及び／又はＭｎが挙げられる。
【００５０】
ルテニウムは、その全部または一部をルテニウムに似た材料で置換してもよい。発明者らは、イリジウムがルテニウムに似た多くの特性を有していることを見出した。したがって、この面での第１の実施態様では、白金、ルテニウム及びイリジウムを相対比で５０−２５−２５で組み合わせたものを使用している。これは、塩Ｈ2ＩｒＣｌ6・Ｈ2Ｏを上記に記載した最初の材料に、５０−２５−２５（Ｐｔ−Ｒｕ−Ｉｒ）の組合せとするのに適した量で添加する。また、この触媒は、より少ないルテニウムを使用して、実にうまく働くことが分かった。
【００５１】
何らかの利点を有することが分かった別の材料としては、チタン化合物を含む材料が挙げられる。如何なるチタンアルコキシドやチタンブトキシド、例えばチタンイソプロポキシドまたはＴｉＣｌ4をも元の混合物に添加することができる。これによって、白金−ルテニウム−ＴｉＯ2の最終的な結合体が形成でき、それも５０−２５−２５（Ｐｔ−Ｒｕ−ＴｉＯ2）の組合せに形成されている。白金−ルテニウム−オスミウムも使用することができる。オスミウムは、塩Ｈ2ＯｓＣｌ6・６Ｈ2Ｏとして混合物に添加され、これによっても有利な特性がもたらされることが判明した。どのように形成される場合でも、白金インクを形成するために使用されるこれらの材料は、アノードに付けられなければならない。この材料を付けるには、種々の技術を用いることができる。そこで、アノードの形成について以下に説明する。
【００５２】
カーボンペーパーの形成
燃料の移動（クロスオーバー）は、この燃料電池において効率低下の原因である。この燃料電池における燃料移動は、メタノールがアノードで反応する代わりに、アノードを通り抜ける際に起こる。メタノールは、アノードを通り抜けて、膜電極アセンブリ、膜、そしてカソードを透過する。メタノールは、カソードと反応する可能性があり、そうなると燃料の効率を低下させる。
【００５３】
この発明のメタノール燃料電池に用いる電極は、好ましくは、カーボンペーパーのベースを用いて形成する。開始材料は、ニューヨーク州ニューヨーク市サードアベニュー５００所在の Toray 社から入手できる TGPH-090 カーボンペーパーである。しかしながら、このペーパーは、まず初めに前処理を行って、その特性を改善する。この前処理には、約６０％の固体の DuPont 社の「テフロン（登録商標）３０」懸濁液を使用する。また、このペーパーは、バインダーと混合したこま切れのカーボンファイバーであってもよい。このファイバーは、ローラがけした後、バインダーを燃焼除去することによって、約７５％の多孔度の最終材料を形成する。また、カーボンクロスペーパーを用いることも可能である。これは、この明細書に記載した技術により処理される。また、カーボンペーパークロスも用いることができる。これは、ここに記載した技術によって処理し、ガス拡散性／電流コレクタのバッキングを形成する。
【００５４】
好ましい処理をされたカーボンペーパーは、テフロン（登録商標）粒子が内部に埋め込まれたペーパーを含む。テフロン（登録商標）粒子間のスペースは、メタノールがそこを通り抜けることができないほど十分に小さいことが好ましい。例えば、ＴＭＭのような他のメタノール誘導体を用いる場合でさえも、より良好な特性が利用される。このアノードアセンブリは、カーボンペーパーのベース上に形成する。このカーボンペーパーはテフロン（登録商標）化され、それはテフロン（登録商標）を加えて特性を改善することを意味する。発明者らは、ペーパーに添加するテフロン（登録商標）の量と最終的な特性との間に重要な兼ね合いがあることを見出した。
【００５５】
この明細書に記載するように、使用するテフロン（登録商標）の量を適当なバランスに維持することが重要である。このペーパーは、テフロン（登録商標）化して撥水性を付与するとともに、白金インクの混合物がそのペーパーを通ってしみ出ないようにする。このペーパーは、湿潤性である必要があるが、多孔質でない必要がある。この微妙なバランスは、ペーパーを浸漬し加熱することによりもたらされる。発明者らは、ペーパーの湿潤性の程度とそのペーパーへの含浸量との間に兼ね合いが存在することを見出したので、そのことをここに説明する。
【００５６】
まず初めに、テフロン（登録商標）３０のエマルジョンを希釈しなければならない。各１７．１グラムごとの水に１グラムずつのテフロン（登録商標）３０を添加する。１グラムのテフロン（登録商標）３０の６０重量％は、１００ｍｌ当たり６０グラムのテフロン（登録商標）に相当する。この材料を、例えばガラス皿のような適当な容器に注入する。カーボンペーパーは、その材料の中にしみ込むまで維持される。
【００５７】
浸漬操作は、一枚のカーボンペーパーを評量して、次いで約１０秒間、または明らかに濡れるまで、その溶液中にカーボンペーパーを浸す工程に対応する。カーボンペーパーを、出来る限りそのペーパーと接触しないようにしながら、ピンセットを用いて溶液から取り出す。しかしながら、テフロン（登録商標）の性質上、ピンセット自体がそのテフロン（登録商標）を引きつけ、液体の分布が不均一になる。この可能性を最小限にするために、テフロン（登録商標）コートされたピンセットが使用される。カーボンペーパーは、角を下に向けて保持されて、過剰の溶液を流出させる。
【００５８】
テフロン（登録商標）エマルジョンの表面張力特性により、その材料がもしガラス表面に横たえられたりすると、多くのテフロン（登録商標）が表面張力によって引き剥がされるであろう。そうしないで、ペーパー乾燥アセンブリを図３に示されたように形成する。複数のテフロン（登録商標）被覆を施したワイヤー２０２がディッシュ２００のような目皿の上に張られている。この張設したワイヤーは、２セットの直交して延びる支持体２０２及び２０４を形成する。テフロン（登録商標）溶液で処理されたばかりのカーボンペーパーをこれらの支持体を跨いで保持する。理想的には、これらのワイヤーは、直径が０．４３インチのテフロン（登録商標）被覆したワイヤーである。これらの寸法は微妙ではないが、ペーパーと接触する面積が小さければ、ワイヤー上の懸濁液の分布をより均一にすることができる。ワイヤーにはキンク２０６が形成されており、カーボンペーパーがワイヤーにその長さ方向の全長に沿って接触しないようにし、それによって接触面積をさらに小さくしている。
【００５９】
図３に示されたペーパー乾燥アセンブリは、次いで７０℃のオーブンの中へ１時間入れられる。処理を行ったカーボンペーパーは、乾燥後にディッシュから取り外し、ガラス容器の中へ入れる。続いて、これらを３６０℃のオーブン炉内で１時間焼結する。適切に処理されたペーパーは、この処理工程を経て５％重量が増加している。さらに一般的に言うと、重量の増加が３〜２０％の間であれば、許容できる。このペーパーは、十分な吸収がなされたかどうか、及び／又はさらにペーパーの処理を行う必要があるかどうかを決めるために評量する。この「基板＋触媒層」が最終的な電極を形成する。
【００６０】
層を含む触媒を付ける好ましい技術を二つここに説明する。すなわち、直接塗布法とスパッタ蒸着法である。両方法とも、上記に形成の仕方を説明した特殊なカーボンペーパー材料を用いてもよいし、また何ら特別な処理を施さないで用いるカーボンペーパーを含む他のカーボンペーパーを用いてもよい。この発明の直接塗布法は、上記に説明した白金ルテニウム材料と各種材料を混合したり、あるいは他の何らかの配合剤、より一般的には触媒材料と各種材料を混合したりする。この触媒材料は、特性を改善する追加の材料とともに処理される。
【００６１】
白金ルテニウム粉末は、イオノマーと、かつ、撥水剤と混合する。好ましい材料には、ペルフルオロスルホン酸（ナフィオン（登録商標））とテフロン（登録商標）のミクロ粒子の溶液が挙げられる。ナフィオン（登録商標）溶液１００ｍｌにつき、５グラムの白金ルテニウム粉末を添加する。
【００６２】
適当に希釈した６０重量％のテフロン（登録商標）固体の DuPont 社の T-30 混合物を添加する。続いて、これらのテフロン（登録商標）のミクロ粒子を混合する。好ましくは、４グラムの脱イオン水に１グラムのテフロン（登録商標）３０の濃縮液を入れた１２重量パーセントの固体を含む希釈テフロン（登録商標）３０懸濁液を調合する。上記の１２重量％のテフロン（登録商標）溶液３５０ｍｇに、３００ｍｇの脱イオン水を添加する。この溶液に１４４ｍｇの白金ルテニウムを混合する。得られた混合物を、次いで「音波処理」として従来技術で公知の超音波混合技術を用いて混合する。超音波混合は、好ましくは、約１／４インチの深さまで水を満たした超音波浴内で行う。この混合物は、約４分間「超音波処理」される。
【００６３】
上述したように、テフロン（登録商標）をまず白金ルテニウムと混合して、約１５重量％のテフロン（登録商標）を調製しなくてはならない点が重要である。この混合物を作った後でしか、ナフィオン（登録商標）を添加することができない。発明者らは、もしナフィオン（登録商標）が最初に添加されると、それが白金とルテニウムの粒子を取り囲んでしまう可能性があることを見出した。したがって、この操作の順序は微妙で、重要である。この時点で、５重量％のナフィオン（登録商標）０．７２グラムを広口ビンに入れ、もう一度音波処理を４分間行う。より一般的に言うと、被覆する電極の１平方センチメートル当たり、おおよそ１ｍｇのナフィオン（登録商標）を添加する必要がある。上述のナフィオン（登録商標）の量もまた、例えば溶液を僅か６５２ｍｌだけ添加することによって変更することができる。
【００６４】
この処理を行うと、スラリー状の黒色の材料が生成する。次に、このスラリー状の黒色材料を、カーボンペーパーに塗布する。塗布法は、多くの方法のうちのいずれの一つで行ってもよい。最も簡単な形態は、異なる方向にストロークを変えながら、カーボンペーパーバッキング上にその材料を塗ることである。これを塗布するためには、ラクダの毛の小さなブラシが用いられる。材料の上述した好ましい量は、５重量％のテフロン（登録商標）化カーボンペーパーの２インチ×２インチ片の片面に対する十分な量の触媒を形成するための量である。したがって、塗布は、全ての触媒を使ってしまうまで続ける。
【００６５】
材料が被覆と被覆の間で半乾燥状態となるように、被覆と被覆の間で２分〜５分の乾燥時間を設けるべきであり、また各被覆は異なる方向に塗布されるべきである。アノードは、その後、約３０分間乾燥する必要がある。その３０分の経過後、そのアノードを直ちに「プレス加工」しなくてはならない。このプレス加工の操作については、この明細書に説明されている。得られた構造体は、ガス及び液体を拡散させるのに用いられる多孔性炭素基板であり、それは１平方センチあたり４回の触媒材料で被覆されている。この材料を付着させる代替技術は、バッキング上にその材料をスパッタすることである。
【００６６】
我々は、ここに、アノードを形成する方法について説明してきた。次に、好ましいプロトン伝導性の膜（ナフィオン（登録商標））を形成する工程が関与する技術について、そして次いで、カソードを形成する技術について説明する。
【００６７】
プロトン伝導性膜
ここに記載した好ましい材料は、ナフィオン（登録商標）１１７である。しかしながら、他の材料もプロトン伝導性膜を形成するために用いることができる。例えば、他のペルフルオロスルホン酸材料を利用することが可能である。カルボン酸基を持つ異なる諸材料もこの目的で用いられる可能性があると仮定できる。
【００６８】
好ましい実施態様は、DuPont 社から入手できるナフィオン（登録商標）１１７を用いて始まる。この材料を、まず、適当な大きさに切断する。適当な大きさにすることが重要であり、それはその大きさによって最終材料の条件が決って来るためである。まず初めに、ナフィオン（登録商標）を過酸化水素溶液中で煮沸す
る。５％の過酸化水素溶液を手に入れて、この膜をこの溶液中で８０〜９０℃で１時間ボイルする。これによって、酸化可能な有機不純物が除去される。この過酸化物による煮沸工程を行った後、その膜を脱イオン水中で１００℃近くで３０分間煮沸する。その前に膜に吸収されていた過酸化水素が、他の水溶性有機材料とともに取り除かれる。
【００６９】
このように処理が施された膜を、次に硫酸溶液中で煮沸する。１モルの硫酸溶液を、市販の１８モルの濃縮されたＡＣＳグレードの硫酸を希釈することによって調製する。ＡＣＳグレードの酸は、５０ｐｐｍより少ない量の金属不純物しか含んでいないものである。この膜を１モルの硫酸中で約１００℃で煮沸することによって、その膜をより完全にプロトン伝導性に変換できる。
【００７０】
処理された材料を、次に脱イオン水中で９０〜１００℃で３０分間煮沸する。その水を捨て、この煮沸工程をさらに３回繰り返して膜の純度を上げる。
【００７１】
これらの洗浄工程を行った後では、その膜には硫酸が存在せず、完全に「プロトン性の」形態になる。その膜は、さらなる処理を行う用意ができるまで、密封された容器内ので脱イオン水に入れて保存する。
【００７２】
カソード構成
カソードは、まずカソード用触媒インクを調製することによって構成する。カソード用触媒インクは、好ましくは、純粋な白金であるが、他のインクも用いることができるし、またこの明細書に記載したように他の諸材料をインクに混合してもよい。２５０ｍｇの白金触媒を、３７−１／２ｍｇのテフロンを含む０．５グラムの水と混合する。この混合物を５分間音波処理し、５％のナフィオン（登録商標）溶液と合わせる。得られた混合物を再度５分間音波処理して、均一な分散剤を得る。これによって、２×２インチのカーボンペーパー片を被覆するのに十分な材料を形成する。未処理の Toray カーボンペーパーを、テフロン（登録商標）含有なしで用いることができる。しかしながら、好ましくは、この材料は、上述したようにテフロン（登録商標）化する。次いで、５％のテフロン（登録商標）を含浸したペーパーを形成する工程が続く。続いて、そのペーパーを３００℃で１時間加熱して、テフロン（登録商標）粒子を焼結する。その後で、触媒インクをそのペーパーに上述したとおりに塗布することにより、４ｍｇ／ｃｍ2／ｇのＰＴでその材料を被覆する。このペーパーのテフロン（登録商標）含有量は、３〜２０％の間で変わってもよいが、５％が好ましい。
【００７３】
スパッタリング
カソードを形成する代替技術では、スパッタ形成した白金電極が形成される。このスパッタ形成した白金電極は、平面状の空気電極として用いる場合に際だった利点を備えていることが判明した。スパッタリング形成の白金電極を製造する工程は、この明細書に記載されている。
【００７４】
カソード電極は、Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→水という反応を行う。このＯ2は、白金電極の周辺のガス（気体）から受け取られ、これに対して電子とプロトンは、膜を介して受け取られる。カソード電極を形成するためのこの代替技術は、燃料電池用のグレードの白金を用いて始まる。これは、Johnson-Matthey 社などの多くのソースから購入することができる。表面積１平方メートルあたり２０〜３０グラムのこの白金を、０．１〜１ミクロンの粒子の大きさでその電極に塗布する。
【００７５】
白金のソースは、固体ロッド状の材料である。この実施態様によれば、その材料を、上述したように形成した基板にスパッタする。白金粉末を、まずアルミニウム粉末と混合する。この混合は、例えば機械的な手段を用いて行ってもよいし、あるいはアノードインクを製造する際に行った上述したような塩組合せの技術を用いて行ってもよい。白金アルミニウム混合物は、半導体技術で既知のスパッタ法を用いてカーボンペーパー上にスパッタする。
【００７６】
白金は、図４に図示されたシステムを用いて以下のようにスパッタする。標準的な４インチのターゲット２５０には、カーボンペーパー電極２５２が保持されている。このターゲットは、モータ２５４によって１０秒間で１回転するようになっている。ここで用いる好ましい技術によれば、第１のＰｔ供給源２６０からＰｔをスパッタし、Ａｌ供給源２６２からアルミニウムをスパッタする。２００ボルト付近で、白金は０．２３ａｍｐｓで、またアルミニウムは０．１５ａｍｐｓでスパッタされる。二つの供給源は、向い合った異なる方向からターゲットへ向かって４５°の角度で衝突する。
【００７７】
発明者らは、このスパッタリングにとって理想的な圧力は、２０トルであるが、１〜５０トルの間の任意の圧力も利用できることを見出した。アルゴンの圧力は、約３０ミリトルである。しかしながら、異なるサイズの粒子を形成するために異なるアルゴンの気圧を用いることができる。スパッタリングは、約８分間行う。
【００７８】
好ましくは、スパッタリングを終えたあと、そのスパッタ形成したバッキングをエッチング溶液に浸漬することによってエッチングを行い、続いて洗浄溶液に浸漬する。
【００７９】
スパッタ形成した電極は、バッキング上のＡｌ粒子とＰｔ粒子の混合物である。電極を水酸化カリウム（ＫＯＨ）で洗浄することによって、アルミニウム粒子を除去する。これによって、非常に多孔質の白金が付着したカーボンペーパーバッキングが形成される。アルミニウムが形成されたそれぞれの領域は除去され、その位置に穴の開いた空間が残る。発明者らは、Ｐｔ−Ａｌ材料の被覆が厚いと、その触媒の幾分下方の領域からＡｌが洗い流されるのが阻害されることを見出した。この発明は、薄い被覆（コーティング）を使用し、好ましくは、それは０．１ミクロンまたはそれより薄い被膜であって、材料密度が０．２ｍｇ毎ｃｍ2と０．５ｍｇ毎ｃｍ2の間である。
【００８０】
このプロセスにけるこの現時点で、アノード、膜、及びカソードができた。これらの材料が、膜電極アセンブリ（「ＭＥＡ」）に組み立てられる。
【００８１】
ＭＥＡの形成
電極及び膜を、ＣＰ級の５ミル厚、１２インチ×１２インチのチタンホイル上にまず配置、すなわちスタックし（積み重ね）た。発明者らは、膜から出て来る如何なる酸成分もホイルに浸透しないように、チタンホイルを用いている。
【００８２】
まず、アノード電極をそのホイル上に置く。プロトン伝導性膜は、所望の膜の特性を維持すべく、濡らして保存されていたものである。このプロトン伝導性膜は、まずぬぐって乾燥し、サイズの大きい粒子を除去する。それから、その膜を直接アノード上に置く。カソードをその膜の上に置く。もう一つのチタンホイルをそのカソードを覆って配設する。
【００８３】
二枚のチタンホイルの端部を一緒にクリップで止めて、材料の層を所定の位置に保持する。アセンブリを間に挟んでプレスするためのチタンホイルと膜は、それぞれ約０．２５インチの厚みの二枚のステンレス鋼プレートを含んでいる。クリップで止めたチタンホイルアセンブリ内の膜と電極を、二枚のステンレス鋼プレートの間に注意深く配設する。この二枚のプレートは、例えばアーバープレスのようなプレス装置のジョーの間に保持されている。そのプレス装置は、低温に、例えば室温に維持されているべきである。
【００８４】
続いて、そのプレス装置を作動させて、１０００から１５００ｐｓｉの間の圧力、最適な圧力は１２５０ｐｓｉ、を発生させる。その圧力は、１０分間維持する。この１０分間が経過した後で、加熱が開始される。加熱は、ゆっくりと約１４６度まで上昇させるが、１４０〜１５０℃の温度範囲内のいずれの温度でも効果的であることが分かっている。ゆっくりと温度を上昇させるには、時間を２５〜３０分かけるべきであって、加熱の最後の５分間は、温度を安定化させるための時間である。その温度は、約１分間１４６℃に留めておく。その時点で、加熱は中止するが、圧力は維持しておく。
【００８５】
続いて、圧力を１２５０ｐｓｉに維持したまま、そのプレス装置を循環水を用いて急速に冷却する。約１５分が経過して、温度が４５℃に達したら、その圧力を開放する。その後、結合された膜と電極を取り外して、脱イオン水中に保存する。
【００８６】
フローフィールド
燃料電池は、反応が起こったり触媒作用が起きたりするように、燃料が適切に膜に供給されている場合にのみ、適切に作動する。この発明の燃料電池の実施例において用いる膜電極アセンブリは、図５に示されているようなフローフィールドアセンブリを使用する。それぞれの膜電極アセンブリ（「ＭＥＡ」）３０２は、バイプレートと端部プレートとを有する一対のフロー変更用プレート３０４及び３０５の間に挟まれている。燃料の流れは、それぞれのバイプレート／端部プレートとＭＥＡとの間の各空間３０３に確立する。バイプレート／端部プレートとＭＥＡが集まって「スタック」を形成する。バイプレートは、対向して面している両表面に流体のフローのための構成を備えている。このスタックの端部のフロープレートは、バイプレートではなく、端部プレート３２０である。端部プレートは、片側面にのみチャンバを有している。バイプレート３０４、３０５には、複数のセパレータ３０６と複数のチャンバ形成領域３０８が設けられている。セパレータ３０６は、膜電極アセンブリ３０２に対して押しつける機能を有している。セパレータ３０６の端面は、実質的に平面状の表面であり、それはＭＥＡ３０２の表面と接触する。バイプレートは、膜電極アセンブリ３０２，３１０の全てを互いに直列に結合するように導電性材料で形成されている。
【００８７】
上述したような膜電極アセンブリ３０２は、アノード、膜、及びカソードを備えている。それぞれの膜電極アセンブリのアノード側３１２は、空間３１４で水性メタノールの供給源と接触している。それぞれの膜電極アセンブリのカソード側は、前記で説明した反応を行うためのガス状物質を提供する酸化剤空気の供給源３１６と接触している。この空気は、単なる空気であってもよいし、酸素であってもよい。これらの生材料のフローは、電極に燃料を適切に供給し続けるために必要である。また、安定したフローを維持することもまた、望ましい。
【００８８】
この発明の燃料電池の実施例におけるスタック設計の一例は、図６に示されたシステムを利用している。燃料は、燃料供給チャンバ６０２から供給され、それは、通常、加圧された燃料が入った高容量の部屋である。狭いノズルのような部分６０６は、それに沿って大きく圧力を低下させる。この細い管での圧力の低下は、供給路に沿った如何なる圧力低下よりもずっと大きい。これによって、電池内及び電池間でのフローを平準化する。
【００８９】
加圧要素として作用する表面の総量と保持要素として作用する表面の総量との間で、注意深く兼ね合いのバランスをとらなくてはならない。いろいろな理由により、両面から膜電極アセンブリ３０２に対して一様な圧力をかけることが望ましい。しかしながら、加圧表面３０６が膜に対して押しているところでは、膜電極アセンブリ３０２はメタノールと直接接触することはできない。そのかわり、そこは表面３１５によって押されている。したがって、ＭＥＡ３０２の表面のその部分は反応しない。この発明による種々の設計のものが、さまざまな機能を持っていて、フローを改善したり、信頼性の面でのいくつかの特性を改善する。
【００９０】
それぞれのノズル６０６の幅は狭い。各ノズル６０６の出口６０５は、加圧表面３０６に対応する領域を加圧する一つのアイランド６０８に面している。ノズル６０６から供給される燃料は、アイランド６０８の界面６１０に直接供給される。図６に示したアイランドは長方形である。界面６１０は、この長方形のアイランドの狭い方の側辺である。このアイランドの広い方の側面は、フローに対して平行である。全ての入力流は、アイランドの表面の一つに直接向かっている。
【００９１】
発明者らは、この好ましい狭いレイアウトにより、アイランド６０８の領域に乱流が形成されることを見出した。乱流は、チャンバ内の燃料を攪拌し、このシステムを通るフローをより安定化させる。この乱流は、各アイランド間のフローを容易にもする。出力フローは、最終的に出力ノズル６１２によって受け入れられて、出力管６１４に導かれる。出力ノズルは、アイランドの表面６２０に隣接して類似した形で配設され、これによってさらに乱流が形成される。この実施態様によるアイランドは、界面の側６１０が１．２７ｍｍ（５０ミル）であって、広い方の側が３．８１ｍｍ（１５０ミル）である。スタックの両端での圧力低下は、このスタックについて約４００Ｐａ（約０．０６ｐｓｉ）である。
【００９２】
この他の配置形状のバイプレートを用いることもできる。バイプレート自体は、軽量で薄く、できる限りスタックの間隔を大きくできることが重要である。グラファイトは機械加工するには難しく、比較的厚みがある。グラファイトの利点としては、液体や気体を通過しないことが挙げられる。
【００９３】
この発明によれば、数多くの別の溶液が用いられる。この発明の第１の変更は、図７に示したようなシステムを利用する。境界層７０２は、高密で、導電性の液体や気体を通さない層である。これによって、材料を覆うバイプレートアセンブリを横切ることのできる燃料、気体又は液体の量を減少させる。しかしながら、稠密で多孔性の材料がクロス領域７００として用いられている。多孔性であると、ある程度の量の材料をこの境界層を通ってＭＥＡにしみ込ませてしまう。
【００９４】
稠密で多孔性の材料は、例えばグラファイトよりもずっと機械加工のしやすい導電性のカーボンであってもよい。浸透は、境界材料によってせき止められるが、これによって液体や気体がバイプレート全体を横切るのを防止できる。加圧部分が多孔性になっていると、加圧部分で加圧されている膜電極アセンブリのある程度の部分に液体や気体を到達させてしまう。したがって、メタノールがこれらの領域に浸透する可能性があり、別な状態で変換効率が減少してしまう。
【００９５】
中心のバインダー層７０４は、低密度（「ＬＤ」）の炭素である。ＬＤ炭素は、比較的取り扱いやすく、価格も安い。しかしながら、ＬＤ炭素は全ての部分がグラファイトで覆われているため、その望ましくない特性は殆ど隠される。
【００９６】
バイプレートの形成で利用される第２番目の実施態様が図８に示されている。この第２番目の実施態様のバイプレートは、層状になったチタン−カーボン製の超薄型バイプレートである。我々は、任意の所望電圧に対して出来る限り薄くしたスタックを望むため、バイプレートは薄くなくてはならない。それぞれの膜電極アセンブリとバイプレートは、活性化されると電圧が発生するが、それを固有電圧（inherent voltage）と言う。固有電圧、及びこの装置の厚みは、この発明の装置の厚み１インチあたりで取り得る最大の電圧を決める。厚みに対する電圧に関する重要な要素は、バイプレートの厚みである。
【００９７】
図８にはこの発明で用いる第２の実施態様のバイプレートが示されている。この材料は、その材料の最良の特性を組み合わせてバイプレートを形成するという層状化の思想を用いている。チタンカーバイドの境界層８００は、チタン結合層８０２に接合している。チタン結合層８０２は、好ましくは、厚さが３ミルである。これらの二つの層は、一緒になって、バイプレートを横切ってプロトンが移動するのを阻止するとともに、適当な電気的結合性も確保している。このチタン材料は、分離材料８０４で被覆されていて、バイプレートを所定位置に保持する。したがって、ある程度の多孔性は、図７の実施態様におけるのと同様に可能である。当然のことであるが、チタンは、同じような導電性と化学的安定性を持つ如何なる金属でも置換することができる。この発明の発明者らは、普通に用いられているグラファイト材料が、競合する要求事項間での兼ね合いが生じるに違いないと認識している。
【００９８】
作動効率を良くするには、燃料が、一枚のバイプレートの一方の側、例えばアノード側からその同じバイプレートのもう一方の側、すなわちカソードに面する中間層側に横切ってしみ込まないようにすることが必要である。バイプレートがかりに多孔性であったとすると、燃料材料は横切ってしみ込む可能性がある。しかしながら、バイプレートを通過できる液体はないため、加圧表面を持つバイプレートによって、例えば３０６によって加圧されている電極膜アセンブリの領域に達する液体がないことを意味している。したがって、これらの膜電極アセンブリにおいて加圧表面によって加圧されているこれらの部分では、効率的に電気的活性が発生しない。これによって、この電池全体の効率が悪くなる。
【００９９】
この発明で用いるこれらの実施態様では、新しい種類の兼ね合い事項（一長一短の事項）が持ち上がる。膜電極アセンブリは、バイプレートの多孔性部分によって加圧される。この多孔性部分を用いたことで少なくとも幾分かの燃料が電極の加圧された部分に供給されるようになる。これによって、ＭＥＡの電気的作動性が改善できる。また、この発明のこの特徴によれば、電極膜アセンブリの他の部分に液体が通過するのを阻止する他の結合片も提供できる。
【０１００】
システム
この発明の直接供給式メタノール燃料電池を使用する場合の基本的なシステムを図９に示す。このシステムは、発明者らが認識した、燃料電池の出力をリサイクルするやり方に基づいている。燃料電池は、メタノールやメタノール誘導体、水を消費して、メタノールまたはメタノール誘導体、水、及びガスなどの出力生成物が発生する。メタノールは、消費される燃料を意味する。如何なる燃料電池システムでも、消費される量のメタノール燃料を運搬しなくてはならない。しかし、その反応は、等量の水も必要とする。発明者らは、この反応で用いられる水をカソードから回収しリサイクルさせることができることに気づいた。これによって、大量の水を運搬する必要性を回避できる。
【０１０１】
乗り物から生成できる仕事量は、車両総重量（ペイロード）、すなわち乗り物とその搭載物の重量によって制限される。どの乗り物も、それが運搬しなくてはならない重量によってパワーに限界がある。重量が大きいと乗り物のパワーは制限され、そのため乗り物の効率が小さくなる。例えば、乗用車は、通常、２０〜３０ガロン以上のガソリンを載せてはいない。これは、乗り物がタンクに再給油するまでに走れる距離と、燃料タンクを大きくすることで増える重量との間が最適な兼ね合いとなるようにいろいろなことから決められている。乗り物のエンジニアは、快く許容できるペイロードがどれくらいかを決定する。発明者らは、このペイロードが水ではなく燃料で取られることを確保する技術について説明する。
【０１０２】
上記システムの特徴の一つは、水の殆どをリサイクルして、運搬する必要のある水の実質的な供給源を持たないように、水のバランスを維持することである。
【０１０３】
全体システムが図９に示されている。メタノールタンク９００は、純粋なメタノール（または、他のメタノールタイプの誘導体の燃料）を保存している。第１液体ポンプ９０２は、メタノールをバルブ９０４を経て循環タンク９０６にポンプ輸送する。水タンク９０８は、必要なところに水を供給する。この水は、ポンプ９１０によってバルブ９１２を通って再循環タンク９０６にポンプ輸送される。中央制御装置９１４は、この全体システムの総合的な作動をコントロールする。制御装置９１４はバルブ９０４と９１２の相対的な位置をコントロールする。
【０１０４】
メタノール濃度センサ９１６は、メタノール内かメタノールの非常に近くかいずれかの場所に取り付けることが好ましい。メタノールセンサ９１６は、循環タンク内のメタノール濃度を検出し、制御装置９１４がこの情報に基づいて更にこのシステムの作動をコントロールする。
【０１０５】
循環タンクに入っている水性メタノールは、この制御システムによって１〜２Ｍに維持されている。したがって、ライン９１８内のメタノールも適当な濃度になっているべきである。ポンプ９２０はメタノールを、燃料フィルター９２２を通して膜電極スタック９２４にポンプ輸送する。ここで用いたスタックは、前述したものと同じスタックであればよい。スタック９２４から出る電気的な出力９２６は、モータに送られて搭載荷重を動かすとともに、制御装置９１４や例えば圧縮装置９３０のような他の電気的なシステムも作動させる。またこのスタックは、圧縮装置９３０を通る取り込み空気９３２を用いて作動する。空気フィルター９３４は、スタックに入る前に空気を清浄化する。
【０１０６】
このスタックの燃料出口は、二つの成分、すなわち水とメタノールを含んでいる。二つの成分をそれぞれ凝縮装置９４０及び９４２を用いて処理して水の温度を十分に低くすることによって、メタノールと水の両方を凝縮できる。ファン９４４は、この冷却を容易に行うために用いることができる。リサイクルされるメタノールと水は、両方とも循環タンクに戻される。メタノールスタックの出口からリサイクルされたメタノール９４６と、取り込み空気９５２からリサイクルされた空気と水は、循環タンク９０６に回収する。
【０１０７】
液体技術者は、ガスをポンプ輸送することはエネルギー供給源の点から見ると非常に不経済であるが、これに対して液体をポンプ輸送することはそれほど費用がかさまないことを知っている。この発明のある面では、カソードに空気を加圧することが要求されるであろう。例えば、空気を２０ｐｓｉに加圧することが必要である可能性もある。しかしながら、ライン９４４上の出てきた空気（カソードで反応した後）は、高度に圧縮されている場合が殆どである。この出力空気９４４は、１９ｐｓｉに圧縮されているであろう。こうして出力空気９４４は、圧力駆動型タービン９４６に入る。このエキスパンダ装置は、圧力によって作動し、空気圧縮装置９３０を駆動するために用いられる。圧縮されたパワーをこのように再利用しないと、空気圧縮装置は、燃料電池によって生成した電力の２０〜３０％を利用するかもしれない。
【０１０８】
エキスパンダ装置の出力９４８は、空気と水の組合せを含んでいる。この水と空気は、分離し、９５０で排出空気が吐き出され、また回収された水は、循環タンク９０２に戻される。過剰の水を抜く通水孔９５４も必要とされるであろう。この通水孔は、制御装置９１４によってコントロールされ、再還流されている水が多すぎる場合に、時々必要とされる。センサ及び制御装置に代わる手段として、供給される燃料の量を測定してもよい。しかしながら、最近の燃料電池は、約９０℃で作動するように企画されている。電気化学的な燃料電池の反応が、結局、適当な温度にまでその燃料電池を加熱させる。
【０１０９】
燃料電池システムは、メタノールセンサを用いて作動する。特に好ましいメタノールセンサは、上述したＭＥＡ技術を利用している。上述したように、燃料電池は、アノードとカソードで構成される。アノードは、メタノールを受け取る。カソードは、空気または酸素を受け取る。このセンサは、図１０に示された変形した燃料電池を用いる。Ｐｔ−Ｒｕアノード１００２は、ナフィオン電解質１００４に接合しており、その電解質はＰｔカソードに接合している。このカソードはアノードよりも大きい方が好ましく、例えばカソードの面積はアノードの３倍である。
【０１１０】
カソード１００６（及びアノード）は、メタノール溶液に浸漬される。したがって、カソード１００６は、液体の中にあるために空気と反応することはできず、そのため基本的な燃料電池反応で起こるようにＨ2はＨ2Ｏになる反応は起こり得ない。電圧をこの燃料電池にかけると、起こる反応は変化し、例えば反転する。電流が発生する場合、アノードは直接メタノールと反応してＣＯ2を生成し、またカソードはプロトンを水素に変化させる。カソードが小さくてアノードが大きいと、プロトンを還元し、このメタノール電極の感受性をさらに高める。
【０１１１】
したがって、この反応は、次の各式
（＋）  Ｈ2Ｏ ＋ ＣＨ3ＯＨ → ＣＯ2 ＋ ６Ｈ+ ＋ ６ｅ-
（−）  ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- → Ｈ2
を含む。
【０１１２】
定電圧が定電圧回路１０１０によってかけられる。電流計１０１２が電流を測定する。図１１は、電流と溶液中のメタノール濃度の関係を示している。制御装置１０１４は、プロセスコントローラまたはマイクロプロセッサであればよく、図１１のプロットされた関係を用いて測定された電流に対応する最も近いメタノール濃度をルックアップする。図１１のプロットは、温度依存性が大きいようなので、熱電対を温度補正に用いるとよい。
【０１１３】
発明者らの提案するもう一つの重要な特徴は、自動車の環境でこの発明による燃料電池を含むシステムを実際に使用することに関する。実用的に使用するには、ガスポンプのメタノール装置でメタノールを供給する必要があるであろう。メタノールをガスポンプから取り出す場合、炭化水素の不純物を含んでいるかもしれない。このような不純物があると、純度の高いメタノールを必要とする燃料電池システムでは非常に危険である。したがって、ここに提案するシステムでは燃料フィルタが用いられる。この燃料フィルタは、図１２に図示されている。３段階のフィルタは、合成の２５Ｍ（Mobil）タイプか中性タイプのゼオライト結晶を含んでいる。通常ゼオライトは、モレキュラーシーブとして作用する。このゼオライト結晶は、メタノールを濾過してそこから何らかの炭化水素不純物を除去するために用いられる。これらのゼオライトは、３〜１０オングストロームの範囲で層１から３へ徐々に異なる大きさの孔を持つ３つ以上の層からなる一セットの層構造を含んでいるとよい。
【０１１４】
１    ２    ３    ＣＨ3ＯＨ、Ｈ2Ｏ、Ｏ2、Ｈ2
層１は、通常は大きな直径の孔を持つゼオライトＸ、オファライト、Ａであって、大きな分子を除去できる。層２で用いられているのは、モルデナイト、天然のゼオライトであって、ｎ−パラフィン類、ｎ−ブタン類、及びｎ−アルカン類を取り除ける。ゼオライト３Ａや４Ａは例えばプロパンやエタンのような小さな分子を層３で除去するために用いることができる。これは徐々に変化するモレキュラーシーブを形成すると好ましい。
【０１１５】
単極性のアプローチ
燃料電池についての以前のアプローチでは、多くの燃料電池を直列に用いていた。燃料電池を直列に接続すると、出力電圧を加算でき、スタックの出力を高くてより利用可能な電圧に増加させるように全体の電圧を高くすることが可能である。この発明の発明者らは、さらに、スタックにしていないアプローチを用いて、すなわち、この発明者が単極性と名称を付けたアプローチを用いて、ある種の効果が得られることに気づいた。この単極性のアプローチは、他のすべての構成要素とは完全に分離した状態にそれぞれの膜電極アセンブリを維持している。この完全に分離したアプローチによれば、アセンブリのそれぞれの要素は、ずっと大きくできるとともに、より良好な効率を持てるようになる。それぞれの単極性の要素は、スタックに組み立ててもよい。この特徴による重要なことは、それぞれの膜電極アセンブリが別個に接続されていること、またその別個に接続された要素がスタックに組み立てられているのではなく、直列に接続されていることである。
【０１１６】
単極性の燃料電池電極の第１実施態様を、電気的な接続を形成するために接触力を必要としない燃料電池を形成するために用いることができる。膜としては、ナフィオン(登録商標)膜が好ましい。ナフィオン（登録商標）膜は、金属クロス片、例えばスクリーンの末端を設けた中心領域を有している。金属クロスまたはスクリーンは、上述したタイプの適当な触媒で被覆されている。電流を運ぶタブが、生成した電圧を外部に導出する。
【０１１７】
プラスチック製または金属製のフローフィールド挿入部品が、適当な燃料材料を触媒被膜を施したクロスのそれぞれの側に導く。フローフィールド部材は、他方の側に設けてもよい。したがって、表面に触媒を設けた材料をナフィオン（登録商標）バッキングに取り付け、それに向かって加圧することによって、電気的には同じであるが機械的には異なる方法で燃料電池を形成できる。
【０１１８】
タブから、電極領域に電流を流す。メタノールは、メタノールチャンバに、すなわち膜の一方の側の密閉された領域に送られる。この密閉は、リング状密閉領域によって維持される。空気は、反対側で同様に密閉された空気チャンバを通って膜の第２の側面に導かれる。これらの構成要素のそれぞれは、他のユニットとは無関係に、独立型のユニットとして作動する。これらの構成要素から発生する電流を直列に接続することによって、より高い電圧を提供できる。
【０１１９】
燃料電池電極の第２の代替実施態様は、チタンシートに沿った膜を用いている。チタンクロスは、チタンシートにスポット溶接されている。チタンクロスは、カソードとして機能し、白金で被覆されていてもよい。チタンクロスは、アノードとして機能し、適当な白金ルテニウムで被覆されていてもよい。ガスケットと結合用リングが、膜とアノードとの間にチャンバを形成する。同様に、もう一つのガスケットと結合用リングが膜とカソードとの間にチャンバを形成する。チタンシートは、チャンバを維持するためにその表面に球状のシールを備えている。このチタンシートから発生する電圧は、電流の取り出し領域に結合している。
【０１２０】
また、ビードシールを用いれば金属製ファスナを利用できるようになるため、この態様ではリベットまたはファスナを取り付ける場所も設けられている。この統合されたシステムは、特にチタンホイルを用いれば、きわめて薄くすることが可能である。
【０１２１】
この実施態様は、二重電池モジュールの装置で用いることができる。これらの二重電池モジュールのそれぞれには、カソードとアノードが設けられている。構成要素は、二つのアノードが隣接するように組み立てられており、互いに向いあう電池が作り上げられている。フローフィールドは、二つのアノードの間に形成される。このフローフィールドは、それらの間を流れる空気を含んでいなくてはならない。同様に、二つの隣接するカソードは互いに向いあっていて、フローフィールドがそれらの間に形成され、そこで適当な空気の流れが生じている。フローフィールドは、第１番目の電池のカソード側に面した空気のフローフィールドである。そのアノード側は、第２のメタノールのフローフィールドに面している。メタノールは、メタノール流入口から流入し、流出口から流出する。また、このメタノールのフローフィールドは、第２のバイポーラ電池のアノード側に面している。この第２のバイポーラ電池のカソード側は、空気が流れる別のフローフィールドの部分に面している。
【０１２２】
ほんの少数の実施態様のみを上記に詳細に説明したが、当業者は、この教示範囲から逸脱することなく、好ましい実施態様に種々の改変を行えることを確かに理解することができるであろう。そのような改変の全ては、前掲の請求の範囲に包含されると解釈される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による燃料電池の基本構成を示す一部断面構成図である。
【図２】この発明による燃料電池の燃料循環系統を示すブロック線図であるである。
【図３】テフロン（登録商標）をエンコードしたカーボンペーパーシートを乾燥するために用いる乾燥用ディッシュを示す平面図である。
【図４】この発明による燃料電池の電極形成に使用する基本的な白金スパッタ装置を示す構成図である。
【図５】この発明の実施態様に係る基本的なフローフィールド装置を示す構成図である。
【図６】図５の６−６線に沿って切断した好ましいフローフィールドの断面図である。
【図７】この発明に係る燃料電池に用いるバイプレートの実施態様を示す構造図である。
【図８】この発明に係る燃料電池に用いるバイプレートの他の実施態様を示す構造図である。
【図９】この発明による直接供給式メタノール燃料電池を含むシステムの作動を示す系統図である。
【図１０】この発明に係る燃料電池を含むシステムの改変概念を示すブロック線図である。
【図１１】この発明に係る燃料電池におけるメタノール濃度と電流との関係を示すグラフである。
【図１２】この発明に係る燃料電池を含むシステム用の３段階燃料フィルタを示す概略構成図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池、１２…ハウジング、１４…アノード、１６…カソード、１８…電解質膜、２０…ポンプ、２２…アノード室、２８…カソード室、６２０…燃料供給チャンバ、６０５…ノズルの出口、６０６…ノズル部分、６０８…アイランド、６１０…アイランドの界面、６１２…出力ノズル、６１４…出力管。
【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】
0003914727.tif 000010
【図９】
0003914727.tif 000011
【図１０】
0003914727.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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