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JP2002117864A - メタノール燃料電池用多孔性電極の形成方法 - Google Patents

メタノール燃料電池用多孔性電極の形成方法

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JP2002117864A
JP2002117864A JP2001255281A JP2001255281A JP2002117864A JP 2002117864 A JP2002117864 A JP 2002117864A JP 2001255281 A JP2001255281 A JP 2001255281A JP 2001255281 A JP2001255281 A JP 2001255281A JP 2002117864 A JP2002117864 A JP 2002117864A
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ハーベイ エイ． フランク，
Sekharipuram R Narayanan
セハリプラム アール． ナラーヤナン，
William Chun
ウィリアム チュン，
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アンドルー キンドラー，
Gerald Halpert
ジェラルド ハルパート，
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料効率のよいメタノール燃料電池用多孔性
電極を形成する。 【解決手段】 燃料電池用多孔性電極の形成方法を、バ
ッキングに第１触媒材料と第２材料の混合物をスパッタ
することによって、第１材料と第２材料の合わさったス
パッタ形成材料を形成する工程と、第１材料を除去しな
い洗浄剤を用いて第２材料を洗浄除去することによって
その間に孔が形成された第１材料を残す工程とを含んで
構成する。その場合、前記第２材料がアルミニウム材料
であり、前記洗浄工程がＫＯＨを用いてアルミニウム材
料を除去するものであることが好ましい。また、その場
合、前記第１材料が白金含有材料であることが好まし
い。

Description

【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用の多孔性電
極を形成する方法に関する。
【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用の多孔
性電極を形成する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】この発明の燃料電池用多
孔性電極の形成方法は、バッキングに第１触媒材料と第
２材料の混合物をスパッタすることによって、第１材料
と第２材料の合わさったスパッタ形成材料を形成する工
程と、第１材料を除去しない洗浄剤を用いて第２材料を
洗浄除去することによって、その間に孔が形成された第
１材料を残す工程とを含んでなる方法である。
【０００７】また、この発明の燃料電池用多孔性電極の
形成方法は、前記第２材料がアルミニウム材料であり、
前記洗浄工程がＫＯＨを用いてアルミニウム材料を除去
するものであることも特徴とする。
【０００８】また、この発明の燃料電池用多孔性電極の
形成方法は、前記第１材料が白金含有材料であることも
特徴とする。
【０００９】
【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。
【００１０】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。
【００１１】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(Naf
ion)（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。
【００１２】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「Ｔ
ＭＭ」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。
【００１３】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。
【００１４】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１
４、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。
【００１５】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１
６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。
【００１６】上記のように、アノード１４、カソード１
６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。
【００１７】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 In
c.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 T
oray（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。
【００１８】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。
【００１９】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１
６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。
【００２０】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。
【００２１】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。
【００２２】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。
【００２３】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。
【００２４】十分に高い濃度の燃料で、５００ｍＡ／ｃ
ｍ2 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。
【００２５】好ましくは、酸素または空気は、１０〜３
０ｐｓｉｇ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。
【００２６】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 cro
ssover）」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。
【００２７】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。
【００２８】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。
【００２９】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 C
o.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。
【００３０】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。
【００３１】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、 アノード ＣＨ3ＯＨ ＋ Ｈ2Ｏ ＝ ６Ｈ+＋ＣＯ2＋６ｅ- カソード １．５Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ- ＝ ３Ｈ2Ｏ ─────────────────────────────── 正味 ＣＨ3ＯＨ ＋ １．５Ｏ2 ＝ ＣＯ2 ＋ ２Ｈ2Ｏ である。
【００３２】この明細書には、この発明によって用いら
れる好ましい構造と材料を製造し形成する際の種々の改
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
の発明によっ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。
【００３３】この発明の第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、この発明の技
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Ｋ2Ｒｕ
Ｃｌ5・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。
【００３４】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。
【００３５】次いで、この「灰色の粉末状塊（grey pow
dery 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＝Ｒ
ｕ（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。
【００３６】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４
０℃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。
【００３７】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。
【００３８】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。
【００３９】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。
【００４０】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。
【００４１】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。
【００４２】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。
【００４３】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４
０／６０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。
【００４４】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。
【００４５】アノードで起こる反応は、ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2
Ｏ→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。
【００４６】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。
【００４７】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。
【００４８】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。
【００４９】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。
【００５０】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。
【００５１】この発明の電極は、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。
【００５２】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。
【００５３】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。
【００５４】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）３
０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。
【００５５】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。
【００５６】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２０
２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。
【００５７】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。
【００５８】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。
【００５９】白金ルテニウム粉末は、イオノマーと混合
し、そして撥水剤と混合する。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。
【００６０】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）３
０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。
【００６１】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６５
２ｍｌだけ添加することによって変更することができ
る。
【００６２】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。
【００６３】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。
【００６４】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。
【００６５】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。
【００６６】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。
【００６７】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。
【００６８】処理された材料を、次に脱イオン水中で９
０〜１００℃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。
【００６９】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。
【００７０】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、３
７−１／２ｍｇ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。
【００７１】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。
【００７２】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。
【００７３】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。
【００７４】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Ｐ
ｔ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０．２３ａ
ｍｐｓ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。
【００７５】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。
【００７６】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。
【００７７】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−Ａ
ｌ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。
【００７８】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。
【００７９】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。
【００８０】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。
【００８１】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。
【００８２】続いて、そのプレス装置を作動させて、１
０００から１５００ｐｓｉの間の圧力、最適な圧力は１
２５０ｐｓｉ、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。
【００８３】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。
【００８４】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」）３
０２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３１２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
両表面に液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３１２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
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。
【００８５】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３１
４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。
【００８６】この発明の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６０４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。
【００８７】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２０２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。
【００８８】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６０８を加圧する一つのアイランドに面している。
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う。
【００８９】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、境界の側６１０が５０ミルであって、広
い方の側が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０．０６ｐｓｉであ
る。
【００９０】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。
【００９１】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。
【００９２】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。
【００９３】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。
【００９４】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。
【００９５】図８にはこの発明の第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８
００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。
【００９６】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。
【００９７】この発明の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。
【００９８】システム この発明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。
【００９９】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、２０〜３
０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。
【０１００】この発明の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。
【０１０１】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９０
８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９０
６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。
【０１０２】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。
【０１０３】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９
２４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。
【０１０４】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９
４６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。
【０１０５】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。
【０１０６】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、９
５０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９５
４も必要とされるであろう。この通水孔は、制御装置９
１４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。
【０１０７】この発明は、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Ｍ
ＥＡ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。
【０１０８】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１０
０６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Ｈ
2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。
【０１０９】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。
【０１１０】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。
【０１１１】この発明のもう一つの重要な特徴は、自動
車の環境でこの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この発明で記載
されたシステムでは非常に危険である。したがって、こ
の発明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、３〜１
０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。
【０１１２】 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。
【０１１３】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。
【０１１４】単極性の発明の第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。
【０１１５】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。
【０１１６】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。
【０１１７】この発明の第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。
【０１１８】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。
【０１１９】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。
【０１２０】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】この発明による多孔性電極を採用した燃料電池
の基本構成を示す一部断面構成図である。
【図２】この発明による多孔性電極を採用した燃料電池
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】この発明による多孔性電極を採用した直接メタ
ノール供給式燃料電池のシステム作動を示す系統図であ
る。
【図１０】この発明に係る燃料電池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
…アノード質、２８…カソード室、２５０…ターゲッ
ト、２５２…カーボンペーパー電極、２５４…モータ、
２６０…Ｐｔ供給源、２６２…Ａｌ供給源。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フランク， ハーベイ エイ. アメリカ合衆国 91316 カリフォルニア 州 エンシーノ ニューキャッスルアベニ ュー 5328 ナンバー33 (72)発明者 ナラーヤナン， セハリプラム アール. アメリカ合衆国 91001 カリフォルニア 州 アルタディーナ イーストワペロスト リート 212 (72)発明者 チュン， ウィリアム アメリカ合衆国 90031 カリフォルニア 州 ロサンゼルス オロスストリート 2206 (72)発明者 ジェフリーズナカムラ， バーバラ アメリカ合衆国 91108 カリフォルニア 州 サンマリノ ミラソルドライブ 1420 (72)発明者 キンドラー， アンドルー アメリカ合衆国 91108 カリフォルニア 州 サンマリノ プリマスロード 616 (72)発明者 ハルパート， ジェラルド アメリカ合衆国 91106 カリフォルニア 州 パサデナ イーストカリフォルニアブ ルバート 1000 ナンバー304 Ｆターム(参考） 5H018 AA07 AS07 BB16 EE02 EE03

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】バッキングに第１触媒材料と第２材料の混
    合物をスパッタすることによって、前記第１材料と前記
    第２材料の合わさったスパッタ形成材料を形成する工程
    と、 前記第１材料を除去しない洗浄剤を用いて前記第２材料
    を洗浄除去することによって、その間に孔が形成された
    第１材料を残す工程とを含んでなるメタノール燃料電池
    用多孔性電極の形成方法。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の燃料電池用多孔性電極の
    形成方法において、 前記第２材料がアルミニウム材料であり、 前記洗浄工程がＫＯＨを用いて前記アルミニウム材料を
    除去するものであることを特徴とする方法。
  3. 【請求項３】請求項２に記載の燃料電池用多孔性電極の
    形成方法において、 前記第１材料が白金含有材料であることを特徴とする方
    法。
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