JP2001508919A - マイクロ燃料電池電気パワーパック用表面レプリカ燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 一つのミニアチュア燃料電池システムは燃料電池の基板として多孔性プラスチック膜を使用する。費用効率的無孔電極あるいはイオンとしての水素のみを透過する電解質間フォイルである。新しい電極はアルコール燃料電池を効果的に方向づける。それは電解質を通して触媒を無力化するアルコール拡散を遮断する。化合物電極は真空蒸着法およびスラリーにより形成される。それは現在バッテリーで電力を供給されている用途に電力を供給するため再充填バッテリーおよび電力用エレクトロニクスを組み込まれた小型燃料電池システムのプリント回路設計に導く。アルコール燃料を直接利用するために、新しい燃料電池は単位質量当りより大きいエネルギーと単位容量当りより大きいエネルギーを持つ。これはエネルギー使用者にとって従来のバッテリーよりもより便利で環境にもより害が少なくまた費用も少なくて済む。

Description

【発明の詳細な説明】 マイクロ燃料電池電気パワーパック用表面レプリカ燃料電池 発明の背景 燃料電池は電解質、電極および触媒の存在下でガスあるいは液体を反応させる ことにより化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。従来の特許番号第４， ６７３，６２４号およびレプリカ燃料電池特許出願番号第０８／５３１，３７８ 号は高価な触媒を有効に使用したやすく大量生産される燃料電池を形成する方法 を記述する。電気触媒における最近の進歩はアルコール燃料に直接かつ効果的に 作用する触媒を生産している。小型でコンパクトな燃料電池システム設計が今で は経済的に実行可能である。 合衆国特許番号第５，３６４，７１１号および第５，４３２，０２３号は「Ｏ Ａ（オフィス・オートメーション）機器、オーディオ機器、およびラジオ機器」 を作動するミニアチュア燃料電池を記述する。これらの特許はミニアチュア燃料 電池および燃料電池を構築する技術の集合を使用する利点を記述する。基本的に は、２件の特許は液体燃料と電解質を燃料電池に誘導し過剰の水を燃料から除去 する灯芯を使用する。低出力燃料電池の投入燃料および水分のウィッキングには ４個の基本的問題がある。第一はメタノール燃料を燃料電池に硫酸溶液として送 達することにあり、メタノールは単一膜型燃料電池で非二極電池を短絡させるリ スクに遭遇する。第二の問題は単位領域当り低出力運転および低湿度環境におい て水分除去よりも水分 保持ならびに燃料電池の再使用問題がしばしば起こることである。 水分除去ウィッキングシステムは燃料電池電極周辺の水分を安定化するのに有 用であるけれども、それは過剰にある時にのみ過剰水分を除去する。低出力の適 用では、電解質での水分の保持および水分バランスの維持が問題であり、それを 除去することではない。更に凝縮水を多孔ガス電極から燈芯に移すメカニズムは 記述されていない。ウィッキングシステムだけでは、液体である水との物理的接 触あるいは燃料電池の微細構造からウィッキング面への水蒸気の輸送についての 何か他のメカニズムが存在しない限り、水分を取り除くことはできないであろう 。従来のガス拡散電極は電極を疎水性物質でパックする。 特許出願番号第０８／５３１，３７８号はガスマニホールドの親水性外表面へ の蒸気相輸送を記述する。また特許出願番号０８／５３１，３７８号では界面張 力勾配が凝縮水を望ましい位置に移動するよう誘導するために使用される。第三 の問題は合衆国特許第５，３６４，７１１号および合衆国特許第５，４３２，０ ２３号に記述されるアセンブリが多くの異なった部品を機械的に組み立てるシス テムを示すことである。複雑なアセンブリは大量生産には力を貸さない。第四の 問題はプロトン伝導電解質を通じるメタノール燃料交差が均質電解質および多孔 性電極を用いて低出力運転のための妥当な燃料効率を達成するために適切にアド レスできないことである。 米国特許第４，９３１，１６８号ではガス透過性電極がメタノール燃料と接触 する。この目的は燃料電池電極に構築される 二酸化炭素気泡の発生を防ぐことである。ガス透過樹脂および触媒粒子電極は反 応物質とイオンが電極を出入りすることを可能にする。ガス透過膜はメタノール 燃料交差を遮断する手段を提供しない。 燃料電池は小さな器具に使用することが望ましい。エイチーパワー・コーポレ イションはビデオレコーダーを駆動する２５ワット出力燃料電池を生産するため にアナリティック・パワー・コーポレイションと共に作業を続けている。加圧金 属水酸化物水素シリンダーあるいは分解水素化物が燃料供給で使用されるものと 期待された。 この不利な点はこれらの燃料電池が二極重畳電池であり燃料供給が便利ではな いことである。二極燃料電池スタックは組立てには費用がかかりまた電気伝導多 孔ガス電子セパレーターを必要とする。電池の重畳は余分の労働が必要である。 通常少くとも４個のガス気密シールがすべての電池にありまたシリーズスタック には２ガス量が存在する。セル電話などの小さな用途には６ボルト出力が必要で あり、各個々の燃料電池は平均０．５ボルトである。それは非相似物質の間で４ ８個のガスシールに翻訳する。電池の加湿環境下で機械接触を経由する電気接触 は著しい腐蝕と摩耗の問題を起こす。成分のコストは電池を形成するために必要 な大量の高価な材料によりはねあがる。 室温でメタノールの直接電気触媒反応用のＰｔ／Ｒｕなどの新しい二元触媒の 到来と共に新しいパラメータが燃料電池のために公開される。高エネルギー密度 で社会的に許容される燃料を流す直接供給される燃料電池が可能となる。もし燃 料電池が 室温常圧で作動することができるとすると、燃料電池の寸法あるいは出力サイズ を制約する熱あるいは複雑目盛計数は存在しない。進化の次の段階は触媒コスト を低減し、燃料電池アセンブリを費用効率的にすることである。 発明の概要 この発明は特許番号第４，６７３，６２４号および同時係属出願表面レプリカ 燃料電池第０８／５３１，３７８号に記載の燃料電池を使用し、携帯用エレクト ロニクスのために電力を提供する目的で再充電可能なバッテリーなどの蓄電装置 を持つあるいは持たない小型電力供給体を形成することである。出力調整装置は 望ましい電気出力を電池に送れるように燃料電池に組み込まれることができる。 エレクトロニクス制御装置は直流電圧出力を調節し、定電圧を流すためにエレク トロニクス切換えを使用し一方より高次の電流のために燃料電池の電圧を落し、 あるいは任意の交流波形電流を供給しかつ定期的電気的に燃料電池触媒を活性化 する。このアセンブリはそれを防護し用途に適合させるためにコンテナーにパッ ケージされる。燃料と燃料への電気接続部は２個の接続部に減少される。下記の アセンブリでは、電気接続部は電極パターンをより単純に電池内での高電圧テン ション領域が起こるのを避けるために分離される。ガス接続部は圧縮取付け具（ リベット、ラチェット、あるいはナットおよびボルト接続部）である。これは燃 料電池が大量生産でたやすく組立てられるようにする。 非二極性スタッキングでの新しい燃料電池はこれまでの燃料電池の問題を排除 し、シールの全数を２個あるいは３個にまで 減少する。機械接触子は２個あるいは３個であり、それは加湿環境から遠ざけら れる。小型器具市場では新しい燃料電池設計が電池を速やかに組立て繰返して行 えるようにすることが重要である。 新しい発明の他の特性は表面レプリカ燃料電池が可撓性膜パッケージであるた めにそれは周りを保護コンテナで包まれる。燃料電池は電池をコンパクトな量に 包装するために波形にされ、一方気流チャンネルをまだ保持する。燃料電池はバ ッテリー用に設計された多くの用途に適合するために標準バッテリー物理的形状 にパッケージされる。 大型出力用途に関しては、電池は通常の電力ガス供給管に沿って重畳される。 小型電池と同じように、電気・燃料接続部は共通のものである。 高出力用途に関しては、燃料電池を上昇温度で動かし酸化剤空気を活発に流す 方が有利である場合には、新しい発明は燃料電池の温度と高湿度を維持するため に、水・熱対向流熱交換器を使用し一方クーラー燃料あるいは酸化剤ガス供給か らガスを交換する。熱と水は熱交換器の膜を通して交換される。膜は固体ポリマ ー電解質で含浸された多孔膜あるいは類似の水透過膜である。典型的な機械強度 透過物質に比べて機械強度の高い多孔膜を含浸することにより、透過膜の強度お よび利用は透過物質の均質膜を使用することで単純に改良される。燃料電池の微 細構造では数多くのバリエーションが存在する。例えば燃料電池電極は層状に作 られ、また異なった内部電極層が電解質を分離するためにまた電解質交差反応剤 あるいは製品の拡散を防ぐ ために使用される。無孔で水素のみ透過する金属膜が薄層フィルム蒸着金属を持 つプラスチック基質の小孔をふさぐことにより形成される。この膜は電極として 燃料電池に組み込まれ、あるいは別個に電解質内で使用される。 単純化アセンブリは電極パターンが蒸着した時にそれを遮蔽することで形成さ れ、またイオンミリングは燃料電池間のギャップの汚れを除去するために使用さ れる。燃料電池の配列は燃料電池の一つの配列を折り曲げることで組立てられ、 ここで電池相互接続ルート、電池ブレーク、および燃料ならびに酸化剤電極はい ずれも膜の一方で作られる。 燃料電池はユニークな特徴を持つ無孔膜電極を用いることにより濃縮メタノー ル上で運転する。その拡散性を検定される無孔膜電極はそれが水素で水和された 時それ自身を酸素および不活性ガスに密閉するという非常にユニークな特性を持 つ。Ｐｄ薄層フィルムはそのスパッタフィルム蒸着形態に起因してその中に小さ な空隙を持つ。水和が起こる時、パラジウムは膨潤し空隙を埋めるものと考えら れる。この密閉特性はまた、パラジウム／プラチナ／パラジウム膜が膜の反対側 にあるアルゴンガスで２１時間水和された時にも観察された。水素拡散も開始時 点での拡散率の１７％まで低下した。当初の高い拡散率は空気および酸素に露出 された後に回復した。一つの理論は、このシステムで管材料からの炭化水素は空 隙の閉鎖と共にパラジウム触媒部位を無力にしていたということである。 半透過膜電極の特徴は他の燃料電池とは重大な差異を有する。 ミニアチュア燃料電池システムは多孔プラスチック膜を燃料電池の基板として 使用する。費用効率的無孔電極あるいは電解質間薄片であり、イオンとしての水 素のみを透過する。新電極は直接アルコール燃料電池を効率的に方向づける。そ れは電解質を通じて無力化されようとするアルコール拡散を遮蔽する。化合物電 極は真空蒸着法およびスラリーにより形成される。これは再充填バッテリーおよ び現在バッテリーで電力を与えられている電力用向け電力エレクトロニクスに組 み込まれている小型燃料電池のプリント回路設計に導く。アルコール燃料を直接 利用することにより、新燃料電池は単位質量当りより高いエネルギーと単位容量 当りより高いエネルギーを持つ。これらはエネルギー利用者にとってより便利で あり、従来のバッテリーよりもより環境に危険をもたらさずまた安価である。 この出願の主題はこれまでの最新の出願以降でのレプリカ燃料電池に生じた進 歩を加え、レプリカ燃料電池の新規な用途の多くを記載する。決定的な新しい進 歩はイオンとしての水素のみを透過する費用効率的無孔電極の更なる発展である 。これは代って直接アルコール燃料電池の効率および実用性を増加するが、それ は電解質を通して無力化されかけるアルコール拡散を遮断するからである。それ は小型アルコール電力燃料電池を実用化する。 小型燃料電池のもっとも明らかな用途はバッテリー、とりわけ再充填バッテリ ーで現在作動するものである。直接アルコール燃料を利用することにより、燃料 電池は単位質量当りより高いエネルギー、単位容量当りより高いエネルギーを持 ち、エネ ルギー利用者にはより便利で、環境にはより無害でまた従来のバッテリーよりも より安価である。 この発明のこれらの更なる他の目的および特性は開示により明らかであり、そ れは前記および以下の明細書ならびに請求の範囲と図面を含む。 図面の簡単な説明 図１Ａおよび１Ｂは再充填バッテリーでセル電話を作動するよう形成された燃 料電池の正面および側面断面図である。図１Ａはセル電話内部図である。図１Ｂ は中心線断面図である。 図２は図１Ｂで示される電池のニードルー燃料接続部の拡大断面図である。 図３Ａは図１Ａで示される燃料電池の燃料電池と電気接続部との外部ガスマニ ホールド図である。外部ガスマニホールド層は図３Ｂで拡大断面図で示される。 図４Ａは図１Ａおよび１Ｂの燃料電池の空気電極層蒸着パターンを示す。 図４Ｂは蒸着電極の拡大断面図である。 図５Ａは図４Ａの空気電極の下での電解質マトリクス層を示す。 図５Ｂは貫通接続部の拡大断面図である。 図５Ｃは食刻核粒子飛跡膜基板の拡大板目図である。 図６Ａは図４Ａの空気電極に対向する燃料電極層蒸着パターンを示す。電極蒸 着の拡大断面図は図６Ｂで示される。 図７Ａは図１Ａおよび１Ｂの燃料電池スタックの中心にある燃料マニホールド を示す。 図７Ｂは図１Ａの拡大断面図である。 図８Ｂは図１Ａおよび１Ｂで示されるセル電話電力供給に使用される燃料電池 アセンブリーの分解斜視図である。 図９は粉体支持触媒、メタノール燃料、無孔電極および表面レプリカ燃料電池 電極を使用するこの発明の拡大断面図である。 図１０は重畳燃料電池アセンブリーの電極蒸着パターンを示す。蒸着物の誇張 された厚み断面図が図１０Ｂで示される。 図１１は内部電解質膜を持つ重畳燃料電池の分解斜視図である。 図１２は重畳燃料電池アセンブリーの周りに積み上げられたガスマニホールド の分解斜視図である。 図１３は液体燃料アンプルをＤ電池バッテリーの物理的形状にアセンブルした 重畳燃料電池の分解斜視図である。 図１４Ａ，１４Ｂ、および１４ＣはＤ電池相対的配置の外部垂直水平断面図で ある。 図１５は水・熱交換対向熱交換器を持つ新しい燃料電池発明を示す。 望ましい実施例の詳細な説明 この発明の２個の典型的な実施例が図面で示される。図１乃至図８はセル電話 に電力供給する相対的配置を示す。図９は燃料電池の微細構造のレプリカ燃料電 池電極との差異を示す。図１０乃至１４は折り重ね法により形成され標準型Ｄ電 池の形状に構築された、燃料電池電力パッケージを示す。図１５は燃料電池の空 気投入がどのように水・熱交換器を使って高い湿度と 温度条件で燃料電池を運転させることができる。 図１Ａおよび１Ｂはセル電話に電力を供給するために再充填バッテリー１１を 持つプラスチックケース３に構成された表面レプリカ燃料電池１２を示す。燃料 電池はリベット１とゴムシール９を持つ燃料ニードル６を通じて適切に保持され る。電気接触は燃料電池の電気接触子と酸素電極の接触リベット１を通じて行わ れる。燃料電池パッケージ内で燃料電池１２は再充填バッテリー１１の周りをラ ップされる。燃料５は燃料タンクボトル４に含まれる。燃料５は燃料ニードル６ を通じて燃料電池１２に送られる。燃料補給運転はケース３を開きボトルキャッ プ７により保持されるゴム膜８に穴をあけた後燃料ボトルを素早く入れる。燃料 ボトル４は保持ばね２で適所に保持される。保持ばねはまたセル電話をしっかり つかむためにはめ込み隆起部１５９を持つ。この実施例での保持ばね２と陽極１ ４は一体の切断形成された薄板である。陰極１３もまた一体構造のものである。 この特別な実施例に関して、陽極１４および陰連動するように形成される。電力供給は燃料補給と同じく電気再充填で行われる 。 図２は燃料ニードル接続部の拡大断面図を示す。この図面で燃料５で充たされ た燃料ボトル４は燃料ニードル６上の串刺しで示される。運転の際には、燃料５ はニードル内の導管を通して燃料ニードル６に引き込まれる。道管１５は制御さ れた様式で燃料を燃料電池に動かすための燃料灯芯として作用するように充填さ れあるいは大きさを決められる。燃料が一度燃料ニー ドル６の底部に到達すると、燃料が灯芯を伝いあるいは蒸発して燃料マニホール ド２２に入りまた燃料電極２１に送達されるようにニードルの側面には燃料流管 接続口２７がある。燃料マニホールド２２を経由する輸送は蒸発および凝縮ある いは燃料マニホールド２２の中心を通しての液体ウィッキングによるものとなる 。２個の燃料電池１２電極２０がここで示されている。それは背中合わせに積み 上げられた２個の燃料電池１２のシステムである。燃料ボトル４の燃料電池１２ への締め付けを確実に行うために、３個のガスケットが存在する。最初のものは ボトルキャップ７を燃料ボトル４にまた燃料ニードル６に締め付けるゴム膜８で ある。第２はリベットとじ込み１６で押えられる上部リングガスケット２４であ る。ガスケットは燃料ニードル６および燃料電池１２に対して締め付け、また紙 状燃料電池１２の穏やかな機械的型締めとして作用する。第３のガスケットは燃 料電池１２および燃料電極接触子２６に対して穏やかな機械的型締めと締め付け の他の側を形成する下部ガスケット２５である。電気接触は燃料接触電極２６お よび接触ワッシャー２８に対して行われる。空気電極１９と共に空気マニホール ド１８が電気接触の串刺し点の周りで清浄化される。薄板接触陰極１３が図から 電流をとって示される。 図３Ａおよび３Ｂは平面に置かれた時燃料電池１２がどのように見えるかの外 部図である。正の空気電気リベット接続部１４が燃料電池領域３０およびリムシ ール３２の外側で燃料電池１２を型締めしていることが示される。哲学は空気電 極接触領域２９を電解質２０から遠ざけておくことである。リベット３ １はその燃料と電気接続を燃料電池１２の中心で行う。燃料電池からの電流は薄 層接触子１３，１４を通じて外部粗電気接触子に送られる。これらの接触子にお ける工学的挑戦の一つは、燃料電池１２の構造を摩耗したり疲労させたりせずに 大量金属システムから薄層機械電気燃料電池構造に接続することである。リムシ ール３２熱溶接あるいは膠付けシールである。図３Ａでは空気マニホールド３０ は燃料電池を覆っている。図３Ｂにおける間にホールドの顕微鏡断面図はテフロ ン繊維３４の外 ングは水蒸気不透過酸素透過フィルム１５７である。コーティ では閉鎖するクラックおよび穴部１５８を持つ。これは燃料電池の含水率を調節 するメカニズムを提供する。この構造はまた電極の表面に凝縮水が積み重ならな いようにすると共に、一方では水分が空気マニホールドの外表面に凝縮するよう にさせる。凝縮水は空気マニホールドの外表面を伝って吸い出され、あるいは外 部空気３６に蒸発される。外部領域３５は燃料電池に対し湿度調節源を提供する 。 図４Ａでは、接触リベット１４，３１および空気マニホールドが除かれ空気電 極パターンのみが示される。空気電極パターン３８は多孔プラスチック基板４３ の上部のマスクを通じて蒸着される。図４Ｂで示されるように、敷かれる第１層 はアル ０である（合衆国、１９３５７ ペンシルバニア、メンデン ホール、Ｐ．Ｏ．ボクス１７１、ソルーション・テクノロジー・インコーポレイ テッド）。それは乾燥され、表面を荒くするためにイオンミリングされ、プラチ ナなどの触媒フィルム４６のスパッタ蒸着で真空チャンバで被覆される。金など のバルク導体フィルム４７がスパッタ蒸着される。プラズマ重合テフロンなどの 疎水性フィルム４４は電極の外表面に蒸着される。このシステムで電解質２０は 疎水性層４４により凝縮水から守られ、また空気４９電解質界面４８は燃料電池 電極孔４５内で維持される。空気４９拡散経路はサブミクロン孔径４５を用いて 短く保たれる。図１Ｂで示される燃料電気接続部１０は酸素電極４７，４６，４ ４が燃料接続部４０から遮蔽されるために配設される。陽電極接続部１４は電解 質２０を遮蔽し疎水性フィルム４４を金接触領域３７に留めるために配設される 。電解質２０もまたイオンミリングにより除かれる。燃料電池間にある分離体４ ２は触媒フィルム４６とバルク導体フィルム４７の蒸着の間遮蔽される。燃料電 池間の分離領域４２では電解質イオンミル化され、疎水性フィルム４４が蒸着さ れる。燃料電池システムは燃料接続帯４０から出かける２個セットの燃料電池３ ９と４１を持つ。 図５Ａでは、下部にある電解質マトリクス層が示される。出発材料は図５Ｂお よび５Ｃで示されるように食刻核粒子トラッ 接触領域５１，５２，５７を通じて、スパッタ蒸着により多孔膜５９であるバル ク導体が得られる。電解質２０が蒸着される前に、貫通蒸着が連続したバルク導 体蒸着で次いで膜の孔５８ を通じて作業するためのイオンミリングを使用することで創り出される。これは 貫通接触領域５１，５２，５７を通じて完成するために膜の両側で行われる。電 解質５８は浸漬乾燥によ れる。燃料電池ギャップ５０はイオンミリングにより電解質２０，５８を清浄化 される。貫通接触部５１，５２の表面もまたイオンミリングにより電解質２０， ５８を清浄化される。燃料電池領域５３，５４は図４Ａで示されるように燃料電 池電極３８の電解質で被覆されたままである。 図６Ａおよび６Ｂでは燃料電極蒸着が示される。燃料電池電極領域６０は電池 分離ギャップ４２で遮蔽される。電気接触子５５はバルク金属貫通接触子である 。電極の顕微鏡的詳細が断面で示される。燃料電極を形成するために、多孔プラ スチック膜基板５９の反対側に向かう蒸着物の同一シーケンスが使用さ れる。燃料電極パターン６０は多孔プラスチック基板５９の上部のマスクを通じ て蒸着される。敷かれる第１層はアルコール ８である（合衆国、１９３５７ ペンシルバニア、メンデンホール、Ｐ．Ｏ．ボ クス１７１、ソルーション・テクノロジー・インコーポレイテッド）。この層は 次いで乾燥され、表面を荒くするためにイオンミリングされ、プラチナなどの触 媒フィルム６３のスパッタ蒸着で真空チャンバで被覆される。金などのバルク導 体フィルム６２はスパッタ蒸着される。プラズマ重合テフロンなどの疎水性フィ ルム６１は電極の外表面に蒸着さ れる。このシステムを利用して、電解質５８は疎水性層６１により凝縮水から保 護され、また燃料ガス１５０電解質界面６４は燃料電池電極孔４５内に維持され る。燃料電極蒸着は貫通接続部５１を作るために図５で前に示されるように電解 質マトリクス上を被覆される。 図７Ａおよび７Ｂで燃料マニホールドが示される。これは燃料電池１２の中心 層であり、マニホールド２２は２個のセットの燃料電池１２に対して押し上げる 。第２セットの燃料電池は二重のセットである。顕微鏡的断面図でマニホールド 材料は拡張テフロン繊維３４などの疎水性材料である。マニホールドの ホールドの外表面６６は疎水性である。孔部６７が燃料入口に配設される。 図８は燃料電池アセンブリーの分解斜視図である。空気電極接触リベット１は 空気電極１９を一緒に型締めし、電気接触を行うリベットとじ込み１６と共に示 される。燃料ニードル６は燃料電極２１と燃料マニホールド２２の中心を貫通し 接触ワッシャー２８を通じて電気接触を行う。型締め圧およびシーリングは下部 ガスケットリング２４および上部ガスケットリング２５を通じて行われる。貫通 接触子５１は空気電極パターン１９の後縁部で、次いで燃料電極２１の前縁部の 縁にわたって示される。接続のこのパターンは単一膜５９を通じて「縫われた」 望ましい一連の電気接続電流経路を達成する。空気マニホールド２３は燃料電池 の第１セット６８、燃料マニホールド２２および燃料電池の第２セット６９をサ ンドイッチ状態にしたこと を示している。膜の積み重ねは空気マニホールド２３の縁部にシールされたリム ３２で熱シールあるいは膠シールされる。燃料電池アセンブリー１２は図１で示 される電力供給システムに配置される。 図９は粉体触媒と半透過性電極を持つ表面レプリカ燃料電池電極のハイブリッ ド設計の分解斜視図を示す。この設計の第１の顕著な特性は３層で形成される半 透過性電極である。第１フィルムは水素透過性金属フィルム７９であり、これは 多孔性物質８１の孔部８２にプラグ８０を形成するためにあるいは固形電解質８ ３への直接のコーティングで広角スパッタ源で蒸着される。一つの例は１５ナノ メートル径の孔を持つニュークレ ムである。プラチナなどの第２の構造金属フィルム７８はパラジウムなどの高度 に透過性の金属の多くで生じる水和誘導クラックを緩和するために、水素透過性 金属フィルム７９に蒸着される。パラジウムなどの第３水素透過性金属フィルム ７７は構造金属フィルム７８上に蒸着される。Ｐｔ／Ｒｕ／Ｐｄの混合物などで ある第３金属層は水素イオンを受け入れ可能にする必要があり、アルコール燃料 に対して触媒活性でなければならない。 多層構造の力学は、２個の外部金属フィルム７７および７９が高い水素透過性 、水素イオンの高度な凝縮を有し、また水素イオンの界面受容性の高い割合を持 つことにある。これらは構造金属フィルム７８のどちらの側でも移動性イオン化 水素の貯蔵所として役立つ。構造金属フィルム７８はそれ自身では水素 イオン受容性の界面率が低く、水素イオンの平衡凝縮も低いが、表面コーティン グ７７および７８の故で水素イオンの効率的なコンジットとして作用し、またそ れは水和で破損することはない。半透過性電極を形成する代替的な方法は水素イ オンに対し高い透過性を持ち他のイオンに対しては低い透過性を示す金属合金を 用いるものであり、これは水素水和で破損せず、またその表面は水素とアルコー ルに対して触媒活性である。 水素イオンのみ透過性の電極７７，７８，７９の表面に、Ｐｔ／Ｒｕコート活 性炭素（バルカンＸ−７２Ｒ炭素上にＰｔ２０重量％、Ｒｕ、１０重量％、合衆 国０１８０１マサチューセッツ、ウォーバーン、西カミングパーク ４００、エ レクトロケム・インコーポレイテッドより）などの粉体触媒粒子７６ （合衆国、１９３５７ ペンシルバニア、メンデンホール、Ｐ．Ｏ．ボクス１７ １、ソルーション・テクノロジー・インコーポレイテッド）と共にスラリーイン クとして蒸着される。蒸着スラリー７６は乾燥され、イオンミリングされ、外部 透過膜７７への触媒粒子７６の電気接続７５を高めるために３０ｎｍのＰｔ／Ｒ ｕフィルム７４でスパッタ被覆される。３０ｎｍＰｔ／Ｒｕフィルム７５は、そ れが水和する時に粒子７６を保護し電解質７２の拡張の故でアルコール燃料７１ のための孔部７３を持つ。 メタノールと水１：１の混合物として示されるアルコール燃料７１は燃料電解 質７２に拡散し、次いで触媒表面７６および７７上で触媒クラックを起こし、水 素イオン１５１の純生産を 生じる。水素イオン１５１は触媒粒子７６から、粒子７６を通じる拡散による外 部透過膜７７に、あるいは燃料電解質７２に進み次いで透過膜７７のいずれかで 移動する。メタノールおよび水９６のクラッキングから外部透過膜７７で形成さ れる水素イオンは透過膜７７に拡散する。燃料９６から水素イオンを形成する工 程で移動する電子１５２は電橋７６，７７，７８を経由して外部電荷に移り酸素 電極８６，８７，８８，８９に到達する。 燃料を燃料電極７５，７６，７８および７９に送るために、多孔性疎水性燃料 マニホールド７０は燃料蒸気のみが電極表面７４に達することができるように使 用される。燃料マニホールレン（スリーエム・コーポレイション）などの物質から作られる。 水素イオン１５１はそれが外部透過性金属７７に吸収された後で構造金属７８ を通じプラグ孔８０と電解質８３の電解質界 料電解質とは化学的に異なるが、その理由はそれが水素イオンのみ透過性電極７ ７，７８，７９により分解されるからである。プラグ孔８０と電解質８３の界面 で水素イオンが電解質 ターなどの多孔性基板プラスチックの層の電解質充填孔８２，８４を通じて移動 する。内部多孔膜８４にある孔部８４は多孔性を最適化するために、伝導性、拡 散率、およびシステムコストを最適化するために選択される。水素イオン１５１ が酸素電 極８６，８７，８８，８９，１５４，１５５に到達すると、それは酸素電極８６ ，８８，８９，１５４の触媒表面近くの酸素イオン１５３と結合する。 酸素イオン１５３は電解質８３にある溶解酸素ガス上の触媒８６，８８，８９ ，１５５の触媒作用により創出される。水素イオン１５１と酸素イオン１５３の 結合の最終製品は水９４である。製品の水９４は電解質８３に溶解し、次いで水 蒸気９４として拡散する。多孔疎水性コーティングは液状水が酸素電極８９，８ ３の外表面で凝縮するのを防ぐために触媒粒子８９と電解質８３の表面を蒸着さ れる。 酸素電極１５３，１５４は金などの金属導体１５４のフィルムを多孔性基板８ １にスパッタ蒸着し、次いでプラチナなどの触媒フィルム１５５を金属導体１５ ４上にスパッタ蒸着することで形成される。電極１５４，１５５および多孔性基 板８１は 酸素電極８６，８７，８８はＰｔなどの触媒８６のフィルム着することにより形成される。金などの第２バルク導体金属フィルム８７が次い でスパッタ蒸着される。外部触媒面フィルム８８はバルク導体フィルム８７上で スパッタ蒸着される。燃料電極膜８１，７７，７８，７９と内部多孔性８４、お よび酸素電極８１，８３，８６，８７，８８とのサンドイッチはナ 加えられる。疎水性コーティング９０はＰＴＦＥモノマーの真 空プラズマ重合により蒸着される。このフィルムは空気電極８９の表面での液状 製品水の凝縮を防ぐために加えられる。イオンミリング段階は電解質８３の表面 対空気接触９１を増やすために加えられる。 表面ピット９３保護およびＰＴＦＥのグレージング角蒸着により、あるいは単 に多孔性フィルム蒸着により、外部電極面８９，９３は空気に透過性にされる。 燃料電池電極９０を押し上げるのは、拡張ＰＴＦＥなどのような疎水性多孔ガス マニホールド膜９２である。燃料電池の水分を調節する２個のフィルムが燃料電 池に組み立てられる。第１のものは選択的に酸素に透過性であり酸素電極８９， ８３の表面に位置する水分の透過性 ルターなどの多孔性基板１６１の表面にわたりポリクロロフルオロエチレンフィ ルム１５７のプラズマ重合により形成される。燃料電池の出力は電子１５２を通 じて電荷１６０全体に送られる。 図１０は折り重ねアセンブリ燃料電池を形成するための多孔性プラスチック基 板上の蒸着パターンを示す。この実施例にお フィルター膜などの多孔性プラスチック膜９７の単一薄板を図９に記載された物 質の層でコーティングすることにより形成される。 燃料電池を形成するために４種の一般的な蒸着物がある。第１のものは金など のバルク電極金属蒸着物であり、燃料電極領域１０７、ラツプアラウンド電極１ ０６、空気電極領域１０ ３、陽フリル接触子１０４およびマスク経由の負フリル接触子１０１の全てに蒸 着される。フリル接触領域１０４，１０１はバルク金属端部キャップを持つ指状 接触子を形成するために切断９８される。これらのバルク電気伝導電極は導電性 およびコストを最適化するために厚みを先細にされる。これは電極層１０５に平 行な燃料電池膜９７の縁部でもっとも薄く、またラップがアラウンド電極１０６ でもっとも厚い。燃料タブ１００もまた燃料に対する不透過性を改良するために 大量金属導体で被覆される。燃料タブ１００、電池ブレーキ１０２、およびフリ ル接触子は照射後またヌクレポア材料基板９７の食刻前に熱アニーリングにより 創り出された膜の不透過性領域である。 燃料電池電極１０７の第２のコーティングは、前に述べたようにマスクを通じ て電極領域にスパッタされ、蒸発されあるいはスプレーされる。 電極の第３セットである空気電極１０３は、マスクを通じて電極領域にスパッ タされ、蒸発されあるいはスプレーされる。 般に食刻核粒子飛跡膜９７の内部多孔性領域全体にわたり含浸される。電解質は 燃料電池電極１０７、および１０３上に蒸着される。図９は電解質蒸着物の詳細 を示す。電解質は蒸着されないか、あるいはフリル接触子１０３，１０１、燃料 タブ１００および電池電気分離帯１０２からイオンミリングにより除かれる。電 池が中心線１０５に折り重ねられた時、燃料電池リムシール領域は燃料タブ１０ ０および燃料電極１０７のリムの周りを進むことを示している。 図１１は内部膜および折り重ねアセンブリーの挿入を示す。孔性膜１０９は折り重ね１０５燃料電極１０７および空気電極 溶液１０８が燃料電極１０７および空気電極１０３の間に加え １０℃の間で硬化される。ラップアラウンド電極１０６は電極折り込み１０５の 周りを動くことが示される。フリル接触子１１０，１０４，１０１は膜のスリッ ト９８として示される。リムシールは燃料電極１０７および電池ブレーキ１０２ の周りを動くものとして示される。燃料入口タブ１００が示される。 図１２は空気マニホールド１１３と燃料マニホールド１１１で組立てられた折 り込み燃料電池１１２の分解斜視図を示す。空気マニホールド１１３は燃料膜１ １２まで押し上げられる拡張ＰＴＦＥなどのような疎水性空気透過性薄片物質で ある。燃料マニホールドは拡張ＰＴＦＥなどの内部多孔疎水性表面および図７で 示されるように燃料を吸い上げる内部帯６５を持つ。燃料マニホールドの外表面 は燃料および水は不透過であるがポ ポレイション）などの二酸化炭素は透過性である膜である。燃料マニホールド外 表面の二酸化炭素透過性はメタノールおよび他の炭化水素のクラッキングで生じ る二酸化炭素製品の出口を提供する。十分に高い二酸化炭素透過性とコスト効率 を提供す 着ポリクロロフルオロエチレンと硝酸セルロースなどの保護ガ ス透過性ラッカーコーティングのラミネーションである。燃料マニホールド１１ １は燃料電池膜１１２に対して押され、またシステムはリムシール１１４に沿っ てポリエステルエポキシでシールされあるいは膠付けされる。 図１３は標準Ｄバッテリーの物理的外形に合致するシリンダー状幾何学形状で の折り重ね燃料電池のアセンブリーを示す。燃料電池アセンブリー１１７は空気 マニホールド表面１１３外装で周りを包まれる。燃料タブ１００は燃料ニードル および端末キャップ１１５に穴あけされるように曲げられる。燃料ガスケット１ １６は燃料タブ１００の上に配置され、燃料ガスケット１１８は燃料タブ１００ の下部に配置される。負のフリルタブ１０１は屈曲し負の端末キャップ１１５の 内部面に対して片持ばりビームばね接触させる。正のフリルタブ１０４は屈曲し 負の端末キャップ１２２の内部面に対して片持ばりビームばね接触させる。メタ ノールと水充填シールされたポリエチレンシリンダーなどの燃料充填燃料タンク １１９は燃料電池アセンブリ１１７の内部を摺動する。燃料電池への燃料接続は 燃料タンク１１９の壁が燃料ニードル端末キャップ１１５で穴あけされた時に行 われる。端末キャップ１１５，１２２はキャップおよび管に糸通しあるいはねじ どめし、誘電管をエンドキャップに膠付けあるいは熱溶着するなどにより誘電管 １２１に付着することにより一緒に保持される。燃料電池１１７のギャップ１３ ０は残され、誘電管１２１は燃料水準が視覚でチェックできるように透明にされ る。誘電管１２１は空気が流入し製品ガスと蒸気が出るようにその中に形成され たガス抜き穴を持つ。 ガス抜き穴の数と大きさは戦略的に酸素拡散取り入れ口および水分拡散除去率を 絞るために使用される。 図１４Ａ，１４Ｂおよび１４Ｃは標準Ｄ電池物理的形状での組立てられた燃料 電池を示す。これらの図は、図１４Ａで外部側面図、図１４Ｂで中心線を貫通す る側断面図、および図１４Ｃで垂直水平断面図が示される。外部図面は長さ５． ８cm口径３．３cmである標準Ｄ電池バッテリーの主要な寸法を示す。垂直断面図 では、正の端末キャップ１２２はフリル接触子１０４を通じて燃料電池１２６と 電気接触される。燃料タンク壁１２４は燃料タンクに心立てと正圧点を提供する ために末端アラインメント隆起部１２３を持つように設計される。アラインメン ト隆起部１２３はまた燃料タンクへの注入後に熱密封点になる。燃料タンク１２ ４の他の端部では燃料ニードル１２７の串刺しが心立てアラインメントを提供す る。負末端キャップ１１５は負フリル接触子１０１を通じて燃料電池に電気接続 される。燃料ニードル１２７は燃料タンク壁１２４を貫通し、燃料１２５に突っ 込み、燃料ガスケット１１８および１１６で密封される。ニードルを貫通し、燃 料電池タブ１００まで行く燃料経路メカニズムは、接触ワッシャ２８とリベット 折り重ね１６が使用されないことを除き図２と同じであり、これはそのケースが 負電気接続が燃料接続の代りにフリル接続子１０４を経由して行われるからであ る。水平断面図では、燃料窓ギャップ１３０が燃料の水準を便利に視覚でチェッ クできるように示されている。燃料タンク壁１２４と誘導管１２１は燃料チェッ ク計画が作動するように窓ギャップ１３０域では透明である必要が ある。空気流ギャップ１２８は二酸化炭素が拡散で除去されるように燃料タンク と燃料電池１２６の内部表面との間で残される。空気流ギャップ１２９は酸素が 拡散し水分除去が燃料電池１２６からガス抜き穴１２０から出られるように誘電 管１２１と燃料電池外表面１２６の間で残される。 図１５は燃料電池がどのように水熱対向流熱交換器と結合されるかの概略図を 示す。それは燃料電池出力水準が活発な空気流に値するほど十分高いかあるいは ８０℃などの雰囲気条件以上で燃料電池を運転する利点が必要であるかである。 熱移動膜１３９を持つ対向流熱交換器を使用する概要が示される。熱移動膜１３ ９は流入空気１３１と流出空気１４４の間の熱と水分 ある。運転に際しては、流入空気１３１は入口配管１４０に送風１５６される。 空気は流出空気１４４で加熱されるために、それは熱交換膜１３９を通じて１４ ３拡散する水分を吸収する。熱と水分は対向並行ガス流１４１で流入空気１４０ と流出空気１４２の間で交換される。流入空気１３１は加熱加湿され空気電極１ ３８に到着する。燃料電池１３６、空気電極１３８、電解質１３７、燃料電極１ ３４、燃料１３５、および熱交換システムは断熱１３２される。 前記の説明は特異的な実施例を含み、それは発明の範囲を制限するものとして 解釈されるものではなく、むしろ望ましい実 を持つために選択された。他の多くの変形が可能である。微細構造 これまでの特許出願に加えられるべき多くの新しい概念は、炭化水素を使用す る、あるいは燃料電池を通じて拡散する不純物を持つ汚れた燃料を単に使用する という問題を解決するべきである。もしメタノールあるいはエタノールなどのこ れら炭化水素が酸素電極に拡散するならば、それは酸素電極の性能を低下させ、 同じく燃料電池に使用されない燃料の単なる漏れになる。これらの損失を防止す る従来の燃料電池の技術は、より厚い電解質を使用し、燃料が酸素電極に到達す る前に全ての燃料を使用しようと試みるために十分な高出力密度で燃料電池を運 転し、また燃料の濃度を低下させることである。これら３種の技術全てはそれら がアルコールに対する抵抗あるいは他の何かの性能パラメーターの犠牲で不純物 拡散率を単に増加させるという問題を持つ。ユニークな解決法は電極上の炭化水 素を電気化学的に触媒作用を及ぼし、次いで水素イオンを水素には透過性である が炭化水素には透過性ではない電極に移動させることである。炭化水素イオンは 次いで電極から再び出現し第２の電解質に入り、酸素電極に移る。この計画は２ 個の外部電極および第３の内部個別拡散電極で形成されるつまり拡散電極は燃料 電極もしくは酸化剤電極のいずれかの基層である。炭化水素電極の対象となる特 殊なケースはＰｄ／Ｔａ／ＰｄあるいはＰｄ／Ｐｔ／Ｐｄ炭化水素透過性電極の 上に分散されたＰｔ／Ｒｕ合金である。ＴａあるいはＰｔとして確認された内部 支持金属 は解離水素に透過性である遷移金属などの様々な水素透過性物質である。Ｐｄ／ Ａｇ７７％：２３原子パーセント金属などのもの（水酸化物電解質に適している ）。物質の選択はまた電解質との融和性に依存する。電極のＰｔ／Ｒｕ側はアル コールおよび硫酸電解質に浸漬される。酸素電極はＰｔ／Ｒｕ電極あるいは他の 適切な酸素電気触媒金属である。酸素電極は固形ポリマー電解質を使用する。電解質の最適化 ３個の特性は多孔性基板の小孔幾何学形状および電解質からくる。第１は燃料 電池により期待される性能範囲に関する拡散率に対する電解質伝導性の単なる最 適化である。燃料電池を最適化するために、望ましい電流密度が推定され次いで 抵抗損対反応物質拡散率が最適化される。最適化の一例は反応物質が拡散により 電極に送達される燃料電池である。内部空気ギャップ２．９mm、および燃料電池 温度を８０℃以上の上昇にさせないようにする目標で冷却される大気で除去され る熱は電流密度の限界を約５０ミリアンペア／平方センチメートル以下に制限す る。電流密度は最新式の固形ポリマー燃料電池（合衆国特許番号第５，２３４， ７７７号）で約１／５０である。かくして支持膜の電解質充填孔は燃料電池を最 適のイオン伝導性と反応物質拡散抵抗値に保つために拡散およびイオン伝導流を 止めるために使用される。電解質を含み多孔性を減少するメカニズムで、構造は 最適性能を維持するように薄くなるため、それは多孔性基板の厚みの二乗に逆比 例する率で電解質の全利用に導 せ、従って燃料電池のコストも下げる。 第２の特性は食刻核粒子飛跡膜あるいは類似の構造を持つ誘 などの固形ポリマー電解質の疑わしい分子アラインメントからくるものである。 均質電解質で２０倍までの伝導性の向上が期待される。分子種に対する拡散透過 性が一定であるなら、それは拡散率向上以上の２０倍のイオンを生じることにな る。 第３の効果は、もし分子拡散種（例えば水素ガス）の間の平均自由工程が多孔 構造の側面チャンネルの寸法と同じかあるいは大きければ単純勾配断面域モデル より拡散率は減少する。拡散特徴は、ベローズパイプのように壁巻き込みがパイ プのコンダクタンスに影響する場所には、真空システム間の分子流量拡散にはま り込む。この作用はまたイオンに対して平行伝導行程を、また分子種に対して側 方デッドエンドポケットを提供するように組立てられる。特異的実施例は分子種 平均自由行程よりも小さい孔を持つ２個あるいはそれ以上の膜を積み重ねたもの であり、ここで膜間ギャップは側面チャンネルとして作用する。あるいはその分 子間で分子種平均自由行程の尺度でのシステムに主イオン行程に対する側面チャ ンネルを単に持つ。ここでの拡散抵抗メカニズムはまた他の混合イオンおよび光 起電システム、熱電システム、および熱イオンシステムなどの非イオン拡散シス テムでも使用される。折り重ね設計 可撓性単一基板上で燃料電池の全ての電極を形成する非常に単純な構成は折り 重ね設計である。この設計では、電池相互接 続ルート、電池電気分離、および燃料電極と酸化剤電極は膜の一方の側で作られ る。燃料電池は次いで膜を積み重ねて組立てられる。この設計はまた燃料電池が どのような数の内部電解質 均一多孔性基板から形成されることを可能にする。燃料電池構築上の自由度に余 裕があることから、それは多孔性を圧縮することにより燃料電池を最適化するの に役立つ。電解質の微細幾何学形状を制御することは燃料電池の性能に大いに益 する。内部膜はその幾何学的設計あるいは化学物性によりイオン輸送に際して異 なった分子種を選択的に遮断する。電極の層 燃料電池電極には主要な２個の機能がある。第１は燃料あるいは酸化剤を電気 触媒的に処理することであり、第２は燃料電池から電荷に電子を電気的に誘導す ることである。これら２個の機能および性質は単一の補足物質：構造を貫通する 複雑な電気経路のため低い電気伝導性を持つ高表面域触媒、および最小表面域で 平滑表面を持つ高電気誘導性構造、のものに組立てることはそう多くはない。両 方の物質の最良のものを持たせる一つの方法は、活性炭粉体で支持される触媒で 被覆されたスパッタ蒸着金フィルム電極などのような高表面域触媒と結合した平 滑電極層を持つことである。単純マスキング 多孔誘電基板上に燃料電池電極の配列を形成する単純な方法は、マスクパター ンを通じて金属および電解液をスパッタし、真空蒸発しあるいはスプレーするこ とである。インクジェット プリンティングあるいは分子線蒸着などの有方向蒸着が使用される。イオンミリ ング、およびレーザーアブレーションなどの有方向除去法は電極を決定するのに 使用される。従来の合衆国特許出願番号第０８／５３１，３７８号は自己マスキ ング基板 ルターなどのようにマスクを通じて電極パターンを形成する商業利用できる均一 多孔性プラスチック基板が単純で実際的だからである。他の多くの印刷およびリ トグラフ技術も燃料電池および回路を多孔性プラスチック基板に配置することが できる。インクジェットプリンティングは触媒伝導粒子あるいは電解質のスラリ ーとして形成される電極パターンおよび燃料電池電極にスプレーして使用される 。触媒、伝導性電解質あるいは絶縁物質などのパターン化物質が燃料電池基板の 表面に静電気で引きつけられる場合にはゼログラフィーも可能である。真空蒸気 蒸着パターンを使用し次いで電気めっきあるいは負荷粒子を引きつけて厚くする 方法の組合せは従来の蒸着からのパターンを構築するために使用される。フォト リソグラフィーおよび／もしくは電気化学工程も電極パターを規定し形成するの に使用される。平行化電解質 平行化誘電物質に固定される電解質を使用するユニークな特徴はそれが横方向 の伝導性を持たないということである。反応物質の拡散は主として平行化された 孔の方向に限定される。これら２種の性質は単一膜上の隣接燃料電池スタックの 燃料電池システムに利点を与える。もし電解質が隣接燃料電池の間で電 気分離域の表面基質から除去されると、入換えルートは遮断される。も一つの変 形は電池分離域は電極と電解質が加えられる前は基板プラスチックの非孔域に過 ぎない。食刻核粒子飛跡膜でそれを行う単純な方法は照射後および食刻前にこれ らの領域を照射あるいは熱アニールしないかのいずれかである。平行化のも一つ の特徴は無孔電極にピンホール欠損漏れがある場合に、燃料電池の横方向伸びが 平行化のため直接電解質を通じて燃料電池に閉じ込められることである。これは 酸化剤電極の破壊の度合を制約する。熱と水の交換 水を帯同する電解質燃料電池の特別な問題は、もしそれらが温度あるいは反応 湿度の範囲で運転されると、電解質の含水量が変化するということである。これ は電極を乾燥あるいは浸水させる電解質で電解質の次善の性能に導く。この問題 を解決するために、熱と水の対向流交換器が使用される。熱水対向流交換器の設 計は水透過性薄膜を熱交換エレメントとして使用する。熱と水の移動が高率で行 われるためにこれらの膜は薄いものでなければならない。膜は構造的な完全性の ために高強度マトリクスを使用する複合材料から作られる。マトリクスはナ される。 非活性流燃料電池システムに関しては、もし空気に直接露出されると電解質が 脱水する点以上の温度で運転するために水分含有フィルムが使用される。膜は酸 素を透過し水分をより透過しないようにフィルムで電極をコーティングしあるい は空気マ ニホールドを持つことで形成される。膜は無孔でありあるいは間欠的に孔を持つ 。間欠的な孔は過剰な水分を逃すメカニズムを提供する。先細電極 電気伝導電極における金属の量は、もしも電極厚みが伝導のために最小の厚み から、電極が燃料電池から離れ次の隣接電池と接続する点まで先細にされていた なら、これらの薄層フィルム燃料電池の発明で最適化される。蒸気燃料の送達 移動部品を持たない小型燃料電池でメタノール燃料を送達する２個の主要な手 段がある。第１は燃料を燃料電池電極に送るウィッキングを使用することである 。しかし液体ウィッキングは燃料と燃料電池電極の液体接触であることを必要と する。これは前にも記載した問題に導く。もし燃料が燃料電池電極に到達する前 に蒸発すると、物理的接触の問題は排除される。使用されるものは燃料ボトルか らの液体燃料の吸い出し、燃料電池近くの層への燃料のウィッキング、および次 いで燃料電極の表面に到達するための疎水性マトリクスを経由する蒸気輸送の使 用、の組合せである。空気電極が雰囲気冷却され拡散を通じてのみ酸素を供給さ れるこれらの低出力密度燃料電池にとっては、燃料蒸発拡散率は距離で０．１mm 乃至２０mm以上に十分速いものである。無孔電極 この発明では非常に薄い可撓性金属フォイルがプラスチック基板で支持される 。これらのフォイル膜の実際的な使用は、直 接補給されるアルコール燃料電池において、一方で有効にイオン電流を伝導しな がら電解質を通じてのメタノール拡散を遮断する必要を充たすことである。もし フォイルが必要なスループット率を充たすのに十分な薄さで作られるならば、金 属フォイルはこの問題を解決する。薄層フォイル電極を形成するために、水素化 学吸着を示す広い範囲の金属エレメントが多孔性基板あるいは直接固形電解質に 蒸着される。孔のプラッギングは基板の孔の口径よりも厚い広角水素透過金属ス パッタ蒸着で行われる。加えて金属フォイルは各種の性質を付与するために層内 に構築される。２００℃以下では、金属フォイルを通じるガスの拡散率の多くが フォイルの表面での化学吸着率により優先されるということが文献で注目される （フィールシュティッヒ、１９６５年）。純粋水素燃料電池では、フォイルの両 面でのプラチナなどの触媒表面層は電極を通じる水素のスループット率を増加す る。直接メタノールおよび水素燃料電池に対して、膜の炭化水素燃料側は炭化水 素分子およびその製品を無力化を避けるために触媒作用を及ぼしあるいは免疫で ある触媒をとり込まなければならない。一方炭化水素燃料に対向するフォイル膜 の側では表面触媒は炭化水素に対して最適化される。フォイルの設計で他に考慮 されることは、非常に高い水素透過性を持つＰｄなどのような適切な透過性を持 つ遷移元素の多くがそれらが脱水するにつれて拡大しその結果クラックを起こす という不利な点を持つことである。この性質は金属水素水和物の間ではかなり共 通している。かくして、変形作用およびクラッキングの問題を避けるために、薄 層フォイルは例えば現在 水素浄化剤で使用される（７７：２３）パラジウム合金などのように合金にされ る。も一つの選択肢は層内にフォイル膜を形成することである。層設計において 、内部層は低均衡濃度の水素を有し、クラックを起こさず、また構造的隔膜であ る。一方外部層は速い表面交換反応率と表面域を提供する。層状化のも一つの特 徴は、蒸着された第１層が水素イオンの高い透過性を持ち、一方もし第２構造層 が低い透過性しか持たないなら、第１層は全構造膜が拡散膜として有効に使用さ れるようにする横方向拡散ルートを基板孔に提供するということである。 一つの例として、電流検査が１５ｎｍ孔口径を持つヌクレポ フィルム、第２に１５ｎｍＰｔフィルムおよび第３に７．５ｎｍＰｄフィルムで スパッタコートされた。これらの厚みおよび幾何学形状で、膜は２３℃で１０− ２０ｍａ／平方センチメートルに等しい室温での水素拡散率を有している。小型 雰囲気冷却拡散反応物質供給燃料電池としてこれは望ましい電流密度範囲にある 。これらの膜はまたこれまでの１２ミクロン厚膜に比べて安価であり、何故なら それは厚さ１／８００と非常に少ない量の材料を使用するからである。このアセ ンブリーはメタノール燃料電池を構成し、それは膜の燃料側の電極でメタノール を電気触媒的にクラックし、次いで水素イオンあるいは水素ガスを瀘過し、他の 電極にあるフィルター膜の他の側にある燃料電池を形成する。メタノールクラッ キング電気触媒工程は水の追加を必要とする。かくして２個の電解質を持つこと が必要であり、１個は無孔金属フォイルの燃料側にあり、他方は酸素 側にある。これは酸素燃料電池電極に対するメタノールと水の交差を妨げる。異なった電解質 電解質を分離する燃料電池内の無孔金属フォイルバリヤは、２個の異なった電 解質が無孔金属フォイルバリアのどちらかの側に配置されることを可能にする。 一つの配列は、メタノール 酸を燃料側にまた水酸化カリウム電解質を無孔電極の酸索側にすることである。 酸素の反応速度は水酸化カリウム電解質でより適しており、一方酸性電解質は燃 料側で使用され、何故なら水酸化カリウム電解質はもしそれが燃料側で使用され たなら炭酸塩を形成するからである。化学量論燃料送達 電池内の無孔電極あるいはバリヤは水同じくメタノール燃料のイオン抵抗を遮 断する。炭化水素が水素および二酸化炭素に改質されている炭化水素燃料にとっ て、この工程のための酸素の供給源は典型的に水である。従来の燃料電池におい て、水は電解質内で再循環されるか排出産物から取り戻すかしなければならない 。もし燃料電池を通じて水のイオン運動が遮断されるならば、単に燃料と水との 化学量論的混合物を加えることが燃料改質反応をバランスさせるのに十分である 。例えば、メタノール燃料を電気触媒的に使用する燃料電池では、メタノールが 触媒的に酸化され二酸化炭素と水素を形成できるようにメタノールの各分子に対 し水１分子の化学量論的燃料混合物を持つ必要がある。かくしてメタノールと水 混合物の１：１モル混合 物が燃料電池排出ガスから水分を取り戻す必要を排除する。水分回収と循環がな ければ、直接のメタノール燃料電池は著しく単純なものになる。酸素電極だけが 脱水でその性能を減少しないように十分な製品水を保持する必要がある。燃料電 極は水と燃料を同じ比率で使用する。かくして燃料電池が水から出ると、燃料電 極も燃料から出る。バルク電気接続 これら燃料電池の一つの特徴は、明らかな最適バルク電流キャリアーが金であ るということである。バルク金属導体として価値のいい数字は密度および単位量 当りコストで割った伝導の商が高いことである（cm²／オーム＊＄）。燃料電池 の典型的な腐食環境に耐久力のあるもっとも費用効率的なバルク電気導体を探索 した場合、金のコスト、高い伝導性および不活性が数字でその価値をプラチナの 約４倍与えている。Ｐｔ金属グループの他の各種の導体は以下のようにランクさ れた：Ｒｕ２６００，Ｐｄ １９００，Ａｕ １５００，Ｉｒ ９００、次いで Ｐｔ ３９０（cm²／オーム＊＄）。ルテニウムが元素のプラチナグループの価 値でもっとも高い数字を与えられたが、延性が低く表面の酸化が起こり得るため 多用途の面で金より劣る。水和によるクラッキングを避けるため、他の物質との 組合せでパラジウムも効率的なバルク金属導体として研究されている。パラジウ ムは更に水素透過性電極およびバルク導体として有利に使用される。金の高い伝 導性は燃料電池のコーティングを極端に薄くし電極の活性表面域の損失が殆どな いものにする。金フィルムはそれが水素の透過性の低さの故に水素拡散 バリヤとして使用される。この性質は、燃料拡散漏れが主な損失メカニズムであ る所では低放電率電池効率を改善するために使用される。もし燃料電池電極が、 電池から電池への平均電気行程を短く保つために寸法で小型に保たれる場合には 、電池を形成するのに必要な金の量は金フィルムが表面で良導体となる遷移点近 くにある。遷移は金の厚みが５ｎｍの値で生じる。価値の数字順での他の耐腐食 性金属はＭｏ ６５４，０００、Ｖ ４６３，０００、Ｗ ３２８，０００、Ｔ ｉ １００，０００、Ｔａ ６５，０００およびＣ １６，０００（cm²／オー ム＊＄）である。この表は純粋元素を通して続く。Ｍｏ₂，Ｓｉ₃、およびＷＣな どの合金も検討されてきている。これらの耐腐食性は価値の高い数字を持つが、 それはまた蒸着が難しく、燃料電池環境で腐食することがあり、より厚いフィル ムを必要とし、あるいは表面酸化の故で接触を欠陥のあるものにする。燃料電池／バッテリーおよびもしくはエレクトロニクス パワーパックの電気システムは燃料電池に電気的に並行にあるいは電流電圧制 御装置を通して接続されるバッテリーを持つように配列される。バッテリーと燃 料電池は、バッテリーに充電しまた燃料電池の燃料消費を減少しあるいは単に柔 軟なエネルギー調達を持つために電圧および電流源に接続される。製品の充電能 力を持つ燃料電池の変形はエネルギーを充電する燃料電池に電気分解を使用する 。電圧を変える外部適用も燃料電池触媒面を清潔にするのに役立つ。最終製品は そのエネルギーを燃料あるいは電気充電もしくは同時に両方から誘導する出力装 置である。充電源はＤＣ電源あるいはパルス源からのものである。光電池エネル ギー電源として使用される。も一つの概念は燃料電池を任意の波形直流発電機と 接続し使用者に望ましい交流電力を生産する。も一つのハイブリッド電力計画は フライホイールを燃料電池の低い連続出力で電圧を加え、次いで需要に合った電 力を引き出すことである。これは加速および丘を昇るための高出力サージ電圧を 必要とするが、平均出力需要がサージ需要のほんの一部でよい自動車などの装置 でうまく作動する。電源の適用性 この燃料電池パワーパックに対しては途方もなく大きい数の実際の用途が存在 する。前に示されかつ説明されたユニークな設計はセル電話、ポータブルラジオ 発信および受信器用に電力を供給することを標的としたものである。これらの適 用はニッケル、カドミウムバッテリーに１０乃至１００倍の範囲の因子で勝るメ タノールのような炭化水素燃料の単位量当りより高いエネルギーにより再充填バ ッテリーに勝る実質的な向上を認識する。論理的には人間の住むのに適した条件 で運転される殆ど全てのポータブル電気出力用途はこの新しい燃料電池パッケー ジを組み込まれる。制約は燃料電池コストが最大出力と共に増加し、また酸素あ るいは他の酸化剤の源となるものが必要なことである。燃料電池を必要とするま でそれを保存するためには、燃料電池から酸素を取り上げるために空気を通さな いコンテナー内に燃料電池を入れてシーリングするだけで簡単である。新しい燃 料電池の発明は水素酸素燃料電池に関連して説明 されてきたが、水素塩素燃料電池などの燃料および酸化剤源の他の変形も可能で ある。無孔電極は塩素ガス拡散を遮断するのにかなり役に立つ。 この発明は特異的な実施例と関連して記載されてきたが、この発明の修正およ び変形したものも下記の請求の範囲で定義されるこの発明の範囲から離れること なく構築することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，Ｍ Ｗ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，Ｅ Ｓ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，Ｍ Ｇ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ， ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，Ｖ Ｎ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．酸素側と燃料側を持つ中心膜、膜の燃料側と酸素側に配置された電極を含む 一つの燃料電池装置であって、ここで各電極が更に、中心膜に蒸着された第１燃 料触媒フィルム層、触媒フィルム層に蒸着された金属フィルム層、および金属フ ィルム層に配置された疎水性フィルム層、触媒フィルム層と中心膜の間の間隙部 に配設された電解質、電極の間に差し挟まれた水素透過性無孔金属膜、第１水循 環を持つ中心膜、燃料側の電極上部に配置された燃料循環調節膜、第１水循環お よび調節膜上部に配置され燃料側の電極にシールされた燃料チャンネルフローマ ニホールド、燃料マニホールドと第１水循環調節膜の間の領域に燃料を送達する ために燃料マニホールドに接続された燃料入口、酸素側の電極下部に配置された 第２水循環調節膜、第２水循環調節膜下部に配置され酸素側の電極にシールされ た酸化剤ガスマニホールド、および酸化剤ガスを送達するために酸化剤マニホー ルドに接続された酸化剤ガス入口、水素電極に接続された第１電気接触子および 酸素電極に接続された第２電気触し、ならびに電池の外縁部のまわりに伸びまた それに、接続されたシーリングリムを含む燃料電池装置。 ２．請求の範囲第１項に記載の装置であって、ここで中心膜が多孔誘電膜である ことを特徴とする装置。 ３．請求の範囲第１項に記載の装置であって、更に燃料電池に取り付けられる燃 料ボトルを含むことを特徴とする装置。 ４．請求の範囲第１項に記載の装置てあって、更に電池を囲むハウジングを含む ことを特徴とする装置。 ５．請求の範囲第１項に記載の装置であって、更に電気エネルギーを送達するた めに電極に取り付けられたエネルギー源を含むことを特徴とする装置。 ６．請求の範囲第５項に記載の装置であって、ここでエネルギー源が電圧調節エ レクトロニクスであることを特徴とする装置。 ７．請求の範囲第５項に記載の装置であって、ここでエネルギー源がバッテリー であることを特徴とする装置。 ８．請求の範囲第１項に記載の装置であって、ここで中心膜が繊維で強化される ことを特徴とする装置。 ９．請求の範囲第１項に記載の装置であって、ここで中心膜が少なくとも２個の 膜を含むことを特徴とする装置。 １０．請求の範囲第３項に記載の装置であって、ここで燃料ボトルが燃料電池と の燃料接続を実行するためのニードルインサートを含むことを特徴とする装置。 １１．請求の範囲第３項に記載の装置であって、更に燃料ボトルから蒸発マニホ ールドに燃料を吐出するための蒸発マニホールドを含むことを特徴とする装置。 １２．請求の範囲第４項に記載の装置であって、更に膜の一つの側に電極を含み 、また膜の折り重ねが燃料側および酸素側のため、更に燃料電池に形成されるよ うに互いに対向して電極を配置するためであることを特徴とする装置。 １３．請求の範囲第１２項に記載の装置であって、更に膜の折り重ねに差し挟ま れた電解質と膜を含むことを特徴とする装置。 １４．請求の範囲第１２項に記載の装置であって、更に膜の折り重ねに差し挟ま れた電解質を含むことを特徴とする装置。 １５．請求の範囲第１２項に記載の装置であって、更に膜の折り重ねに差し挟ま れた膜を含むことを特徴とする装置。 １６．請求の範囲第２項に記載の装置であって、更に電解物性を高めるために多 孔誘電性基板膜に顕微鏡的幾何学形成法を含むことを特徴とする装置。 １７．請求の範囲第１項に記載の装置であって、更に種の幾何学的設計あるいは 化学的性質に基づき、イオン輸送に関して異なった分子種を選択的に遮断するた めに電解質に差し挟まれた追加の部材を含むことを特徴とする装置。 １８．請求の範囲第１項に記載の装置であって、ここで燃料が水素搬送化合物で あることを特徴とする装置。 １９．請求の範囲第１項に記載の装置であって、ここで燃料が燃料電池電極によ り電気触媒的に使用される水素搬送化合物であることを特徴とする装置。 ２０．請求の範囲第１８項に記載の装置であって、ここで燃料が燃料電池電極に 到達する前に改質されることを特徴とする装置。 ２１．請求の範囲第１項に記載の装置であって、ここで燃料電極と酸素電極の間 に差し挟まれた水素透過無孔金属膜が燃料電極に電気接続されることを特徴とす る装置。 ２２．請求の範囲第１項に記載の装置であって、ここで燃料電極と酸素電極の間 に差し挟まれた水素透過無孔金属膜が酸化剤電極に電気接続されることを特徴と する装置。 ２３．請求の範囲第１項に記載の装置であって、更に多孔基板上に多重電極と電 解質層を持つ電極を含むことを特徴とする装置。 ２４．請求の範囲第１項に記載の装置であって、更に電池の電気的分離のために フィルムの表面に蒸着物を含むことを特徴とする装置。 ２５．請求の範囲第２４項に記載の装置であって、ここで蒸着物がインキジェッ トプリンティング蒸着物を含むことを特徴とする装置。 ２６．請求の範囲第２４項に記載の装置であって、ここで蒸着物が塗料を含むこ とを特徴とする方法。 ２７．請求の範囲第２４項に記載の装置であって、ここで蒸着物が化学蒸気蒸着 、写真製版、真空蒸着あるいは電気化学蒸着よるなるグループから選択される方 法により蒸着される蒸気を含むことを特徴とする装置。 ２８．請求の範囲第１項に記載の装置であって、更に電極のパルス清浄化のため 、燃料電池の性能を維持するため、また燃料電池の同一または対向極性内で電圧 を変更するために、燃料電池に電気接続された電圧調節エレクトロニクスを含む ことを特徴とする装置。 ２９．請求の範囲第１項に記載の装置であって、更にバッテリーに適合する形状 およびバッテリーの現存する用途に付合する電気的形状を持つ燃料電池を含むこ とを特徴とする装置。 ３０．請求の範囲第１項に記載の装置であって、ここで燃料電池が内部に燃料を 持ちまた外部に空気を持つ薄い袋であること を特徴とする装置。 ３１．請求の範囲第３０項に記載の装置であって、更に排出ガスが拡散し燃料ガ スが保持されることを可能にするために袋上に援護膜を含むことを特徴とする装 置。 ３２．請求の範囲第１項に記載の装置であって、ここで燃料電池が少なくとも２ 個の背中合わせの燃料電池アセンブリーを持つことを特徴とする装置。 ３３．請求の範囲第２項に記載の装置であって、ここで燃料ボトルが燃料の取り 替え可能密封アンプルであることを特徴とする装置。 ３４．請求の範囲第２項に記載の装置であって、更に交流、任意波動関数、およ び定常電圧を含む望ましい電圧と電流の特性を産出するように、燃料電池の電圧 と電流産出を調節するために燃料電圧に接続されたエレクトロニクスを含むこと を特徴とする装置。 ３５．請求の範囲第１項に記載の装置であって、更に無孔金属膜により分離され た少なくとも２個の異なった電解質を含むことを特徴とする装置。 ３６．請求の範囲第１項に記載の装置であって、ここで無孔金属膜が基板の孔に 栓をするために多孔基板に蒸着される材料の少なくとも１個のフィルムを含むこ とを特徴とする装置。 ３７．請求の範囲第１項に記載の装置であって、ここで元素の周期率表からの少 なくと１個の遷移元素を含むことを特徴とする装置。 ３８．請求の範囲第１項に記載の装置であって、更に燃料電極 を形成する少なくとも２個の電極を含み、それぞれは基本電極および表面レプリ カ電極を含み、電極はスパッタリング、真空蒸発、粉体インクスプレー、ゼログ ラティー、低圧ガス蒸気蒸着、化学蒸気蒸着、電気めっき、写真製版、あるいは 同時蒸着材料の蒸着技術により形成されることを特徴とする装置。 ３９．請求の範囲第１項に記載の装置であって、ここで燃料電池がエレクトロニ クス製品を駆動するために適合されることを特徴とする装置。 ４０．請求の範囲第３９項に記載の装置であって、ここでエレクトロニクス製品 がセル電話、ポータブルラジオ、ポータブルコンピュータ、ビーパー、ポータブ ルオーディオ設備、補聴器、医療用機器、あるいはポータブルエレクトロニクス よりなるグループから選択されることを特徴とする装置。 ４１．請求の範囲第３６項に記載の装置であって、ここで多孔性基板物質が横方 向へのブロッティングよりも線引インクと溶媒を垂直に使用することにより物質 の平面に対して垂直に平行した多孔を持つことを特徴とする装置。 ４２．請求の範囲第４１項に記載の装置であって、ここでインクを持つ物質が溶 媒で粉体であることを特徴とする装置。 ４３．請求の範囲第４１項に記載の装置であって、ここで物質が基板に送達され た後に電極フィルムに変化する材質を含むことを特徴とする装置。 ４４．請求の範囲第１項に記載の装置であって、ここで電解質が電解質を通じる 横方向伝導を防ぐため、また電気短絡を防ぐために平行にされることを特徴とす る装置。 ４５．請求の範囲第１項に記載の装置であって、ここで燃料電池が異なったポテ ンシャルを持つ単一膜上で並んでいる非二極性燃料電池シリーズ電池を含むこと を特徴とする装置。 ４６．請求の範囲第４５項に記載の装置であって、ここで電解質が横方向に影響 する燃料電池電極性能から無孔膜ピンホール欠陥漏れを閉じ込めるために平行に されることを特徴とする装置。 ４７．請求の範囲第１項に記載の装置であって、更に燃料電池に入る空気を加湿 加熱するために水熱対向流熱交換器を含むことを特徴とする装置。 ４８．請求の範囲第１項に記載の装置であって、ここで電極がバルク導体金属の 使用を最適化するために先細厚みを持つことを特徴とする装置。 ４９．請求の範囲第１項に記載の装置であって、更に燃料タンクから液体燃料を 吸上げる灯芯を含み、灯芯が燃料を蒸発させ燃料電池で燃料を凝縮することを特 徴とする装置。 ５０．請求の範囲第１項に記載の装置であって、ここで燃料が直接炭化水素電気 触媒酸化のためまた水素を燃料電池に放出するために水と炭化水素の化学量的混 合物を含むことを特徴とする装置。 ５１．請求の範囲第３１項に記載の装置であって、ここで燃料がメタノールと水 の１：１混合物を含み、またここで排出二酸化炭素製品が二酸化炭素透過性でメ タノールと水には不透過である膜を通してガスとして存在することを特徴とする 装置。 ５２．請求の範囲第１項に記載の装置であって、更に選択され だ分子種を排除し他のものの通過を可能にするために燃料電池電極に近接して選 択的透過膜を含むことを特徴とする装置。 ５３．請求の範囲第１項に記載の装置であって、更に選択された分子種を排除し 多のものの通過を可能にするためガスマニホールドの部分として形成された選択 的透過膜を含むことを特徴とする装置。