JP2004536428A

JP2004536428A - 陽子伝導膜を有し、改良された水及び燃料管理を伴う燃料電池

Info

Publication number: JP2004536428A
Application number: JP2003514645A
Authority: JP
Inventors: ペレド，エマヌエル; ドウブデバニ，タイル; ブルム，アルノン; リブシツ，ブラデイミル; アハロン，アデイ
Original assignee: テル−アビブ・ユニバーシテイ・フユーチヤー・テクノロジー・デベロツプメント・エル・ピー
Priority date: 2001-07-18
Filing date: 2002-07-18
Publication date: 2004-12-02
Also published as: EP1410453A2; RU2004104637A; WO2003009410A3; EP1410453B1; WO2003009410A2; US20100255873A1; US7951511B2; ATE407459T1; IL159878A0; CN1543685A; KR20040045416A; CA2454789C; KR100912157B1; CN1543685B; IL159878A; US20040209153A1; RU2295804C2; DE60228720D1; US7727663B2; AU2002319890A1

Abstract

本発明は陰極（１８）と燃料電池（８）とを提供するが、それらは該電池からの、液体、例えば、水及び燃料溶液、のエスケープを防止するよう作られている。かくして、その第１の側面に依れば、本発明は陽子伝導膜（１７）を有する燃料電池での使用に好適な陰極を提供し、該陰極（１８）は触媒層及び疎水性で多孔質の支持層を含む複数の層を具備しており、前記複数の層の少なくとも１つは液体水密封層であり、それは気体がそれを通過することを可能にするが、液体水及び／又は水性燃料溶液の通過を防止する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に燃料電池（fuel cell）に関し、特に固体の、陽子伝導膜（proton-conducting membrane）を有する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素又は有機燃料が酸素と反応して電気を発生し、かつ、水を生じる電気化学デバイスである。該酸素は大気（atomsphere）から取られ、該水素は天然又は合成燃料から抽出され得るので、燃料電池に供給される反応剤（reactants）は純粋である必要はない。該基本的燃料の過程は効率的で、かつ、汚染がない。しかしながら、単一燃料電池は１ボルトより低い出力しか生じないので、有用な出力を供給するためには１グループの電池（cells）をスタック（stack）で又は平坦な形成で直列に接続し、電力パック（power pack）を創る必要がある。
【０００３】
エネルギー変換器としては、燃料電池では電極が不変（invariable）で、触媒的に活性である点で、燃料電池は、陽極及び陰極が電解液と協同動作する従来のボルタ電池（voltaic cell）又はバッテリーとは異なる。電解液と接触する電極表面上での反応により燃料電池内で電流が発生する。これらの反応は（ｉ）ガルバノ電池（galvanic cell）に於ける様に、負電極として機能し、電子の解放でハイドレート（hydrated）される陽子を引き起こす陽極上での水素又は有機燃料の酸化、そして（ｉｉ）陰極上での酸素の還元と電子消耗時の水の発生、を含む。
【０００４】
最初の実用的燃料電池は、ジェミニ計画と関連してエヌエイエスエイ（NASA）用にジェネラルエレクトリック（General Electric）｛ジーイー（GE）｝により開発された。この電池には、”イオン交換膜（ionic-exchange membrane）”と呼ばれる固体ポリマー膜（solid polymeric membrane）の形で電解質（electrolyte）が含まれた。該ジーイー膜（GE membrane）はそれに確実に接合（bonded）されたイオングループを有するレースの様な有機構造体と、イオン支持部（ionic support）用に充分なモビリテイを提供するために該ポリマーチェーン内にルースに保持された水素イオンとから構成された。
【０００５】
ポリマー膜を有する燃料電池は特許文献１及び２で開示される。普通は、デュポン（DuPont）により作られるナフイオンテーエム（Nafion^TM）が陽子交換性を有する膜材料として使用される。メタノールが燃料として作用する時は、該陽極ではメタノールの電解酸化（electro-oxidation）が起こる、一方該陰極では酸素の電解還元（electro-reduction）が起こり水を生じる。該陽極に発生される陽子は該膜を直接横切って該陰極へ輸送される。該電池を通して流れるイオンにより、そして外部負荷を通過する電子により電流の流れが持続される。
【０００６】
本発明による燃料電池に含まれる種類の固体陽子伝導膜｛ピーシーエム（PCM）｝は同じ出願人の名前で特許文献３で開示されている。この膜では、ポリ二フッ化ビニリデン（polyvinylidendifluoride）｛ピーブイデーエフ（PVDF）｝ポリテトラフルオロエチレン（polytetrafluoroethylene）そしてポリメタクリ酸メチル（polymethylmethacrylate）を含むグループから選択されたポリマーバインダー（polymeric binder）が使用される。この膜を配合するための無機粉末はＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３そしてＢ_２Ｏ_３を含む。
【０００７】
又従来技術で関心のあるものは同じ出願人の名前の特許文献４で開示された燃料電池である。この電池は燃料が供給される陽極室と酸素が供給される陰極室とを有する。該室間にはその直径が３０ｎｍより小さい精細なポア（pores）を有する陽子伝導膜の形で固体電解質が置かれている。
【０００８】
水素内でそして直接酸化燃料電池（direct oxidation fuel cells）｛デーオーエフシー（DOFC）｝内では液体水（liquid water）が該陰極を通して漏れる傾向がある。この水は燃料を含み、水のみならず燃料の損失に帰着する。ナフイオンテーエムの様な固体電解質膜を有する燃料電池の陰極を通しての液体水の漏洩は深刻であり、それは水の浸透ドラグ（osmotic drag）が陽子当たり約３水分子か、又は各メタノール分子について１８水分子だからである。（もし全ての水が該陰極を出るならば）これは該電池反応で消費されるメタノールの１グラム当たり１０グラムまでの水の損失を引き起こす。そして該陽子による水の浸透ドラグはこの陰極の触媒層に水圧の形成（build-up of hydraulic pressure）を引き起こす。これは、該膜の縁又は周辺を通して及び該陰極−固体膜−陽極組立体（cathod-solid membrane-anode assembly）｛又当該技術で”膜電極組立体（membrane electrode assembly）”又はエムイーエイ（MEA）と名付けられる｝と該電池の円形ガスケットとの間のギャップを通して、のみならず、該陰極の気体拡散層（gas diffusion layer）｛ジーデーエル（GDL）｝内のホール（holes）又はクラック（cracks）を通して、液体水又は水性燃料溶液（aqueous fuel solution）の漏洩を増加するよう作用する。
【特許文献１】
米国特許第５、５９９、６３８号明細書
【特許文献２】
米国特許第５、７７７、１６２号明細書
【特許文献３】
ピーシーテー刊行物国際公開第９９／４４２４５号パンフレット
【特許文献４】
ピーシーテー刊行物国際公開第０１／５４２１６号パンフレット
【非特許文献１】
Ｒｅｎ、Ｘ．；Ｇｏｔｔｅｓｆｉｅｌｄ，Ｊ．Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１４８、Ａ８７−Ａ９０．２００１
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記を考慮すると、当該技術には、改良された水及び燃料管理を有する新しい効率的な燃料電池を提供するニーヅが存在する。かくして、本発明は、陽極層と陰極層の間にサンドウイッチ（sandwiched）された陽極伝導膜を利用しそして該電池からの水漏洩を防止するか又は実質的に減じるシステムを有する改良された燃料電池を提供する。本発明は又、該電池からの水漏洩を防止するか又は実質的に減じ、運転経過で該陰極に形成される水圧を解放するシステムを有する燃料電池内の手段を提供する。
【００１０】
簡潔に言えば、上記特徴は該電池からの、液体、例えば、水及び燃料溶液の、エスケープ（escape）を防止するよう作られた、本発明の陰極及び燃料電池により達成される。本発明の該燃料電池は複数の重なった層を有し、そこでは陽子伝導膜は固体電解質として機能し、水密封性（water leak-proof）である陽極層及び陰極層の間にサンドウイッチにされている。水素又は有機燃料は該電池内に供給され該陽極層で反応し、そして酸素含有空気は該電池内に供給され該陰極層で反応する。
【００１１】
本発明に依れば、該電池からの液体、例えば、水及び水性燃料溶液（aqueous fuel solution）の損出が防止されるか又は実質的に減じられるのは下記手段に依る；
ｉ）膜電極組立体（membrane-electrode assembly）｛エムイーエイ（MEA）｝の縁とそれを囲むガスケットとの間の糊（glue）又はシール材セメント（sealant cement）の様なシール材材料（sealant material）、
ｉｉ）該陽子伝導膜縁をシールするシール材材料、そして
ｉｉｉ）該ピーシーエムと該陰極電流コレクター（cathode current collector）間のどんな場所にも配置される、液体水密封層（liquid-water leak-proof layer）。この様な液体水密封層は疎水性であり、それを通して該触媒層への空気又は酸素の輸送を可能にする程充分に大きくそして該陰極から該該燃料電池外への液体の輸送を防止する程充分に小さいポア（pores）を有する。典型的には、これらの条件は、該ポアが０．００１マイクロメートルより大きく、好ましくは０．０１マイクロメートルより大きく、そして５マイクロメートルより小さく、好ましくは０．５マイクロメートルより小さいことを要する。
【００１２】
かくして、その第１の側面に依れば、本発明は陽子伝導膜を有する燃料電池での使用に好適な陰極を提供するが、該陰極は触媒層と疎水性で多孔質の支持層とを有する複数層を備えており、前記複数層の少なくとも１つは気体（gas）がそれを通過することを可能にするが液体水及び／又は水性燃料溶液の通過を防止する液体水密封層である。
【００１３】
本発明の１実施例に依れば、該触媒層は該液体水密封層として機能する層である。もう１つの実施例に依れば、該密封層（leak-proof layer）は疎水性で多孔質の支持層内に埋め込まれるか又は該ピーシーエムと該陰極の触媒層との間の該触媒層上に直接付けられる（directly applied）。
【００１４】
本発明は更に、上記で説明した様な陽極、固体電解質膜そして液体水密封陰極で作られた組立体を提供する。この様な組立体は以下”膜電極組立体（me mbrane electrode assembly）”｛エムイーエイ（MEA）｝と名付けられる。該固体電解質膜は一般に陽子伝導膜（proton conducting membrane）｛ピーシーエム（PCM）｝と名付けられ、この用語は、ナフイオンテーエム（Nafion^TM）の様な陽子交換膜と特許文献４で説明されたそれらの様な陽子伝導膜との両者を含むよう使用される。
【００１５】
本発明に依れば、該エムイーエイの周辺側部表面（peripheric side surfaces）｛すなわち縁（edges）｝を通しての液体水及び燃料溶液のエスケープは、それを通る水及び／又は水性燃料溶液の通過を防止出来るシール材材料で該エムイーエイの縁をシールすることにより防止されるか又は実質的に減じられる。この様なシール材材料の限定を意味しない例は糊及びシール用セメントである。
【００１６】
好ましくは、該シール作用（sealing）は該陽子伝導膜の縁上のみならず該陰極縁と該陽子伝導膜との間にももたらされる（located）のがよい。
【００１７】
本発明の陰極又は該エムイーエイを有する燃料電池又は燃料電池配備も又本発明の範囲内にある。本発明の陰極を利用する燃料電池の特定の例は直接酸化燃料電池（direct oxidation fuel cell）｛デーオーエフシー（DOFC）｝である。好ましい燃料は燃料電池内の燃料として使用される時８０％以上のＣＯ_２への変換を受けそして無視出来る量の不揮発性副産物しか残さないものである。この様な燃料の例は水素、メタノール、シュウ酸ジメチル（dimethyl oxalate）、エチレングリコールそしてエチレングリコールのオリゴマーとポリマーである。
【００１８】
該燃料はオプションとして、該燃料溶液の粘度を高める添加物（additives）を約０．１から１０重量パーセントの間含んでもよい。これらの添加物は、それらがゲルの形成まで溶液粘度を高めるので、好ましくは、該電池の動作を妨害しないが、該デーオーエフシーのシールを通る、そしてエムイーエイを通る燃料溶液の漏洩を最小化する、不活性ポリマー材料（inert polymeric materials）であるのがよい。この様な添加物の例は、ポリアクリル酸（polyacrylic acid）そしてポリアクリル酸のアルカリ金属塩の様なポリアクリル酸エステル（polyacrylates）である。
【００１９】
本発明の該燃料電池は、２枚の支持プレートであって、それら間に、重ね合わされた層のスタックをサンドウイッチにする該２枚の支持プレートと、陰極を囲むガスケットと、そして該ガスケットと該スタック内の層の少なくとも１枚との間の何等かのギャップをシールするシール材材料とを含む。
【００２０】
本発明の密封陰極を有する燃料電池は水の実質的な損失を受けないので、陰極から該水性燃料溶液タンクへ水が戻らず、追加的燃料用の室が残されなくてもよいことになる。この状況は特許文献４で説明された様な親水性陽子伝導膜を使用する電池ではより頻繁にあり、商業的に入手可能なナフイオンテーエム（Nafion^TM）の様な疎水性陽子伝導膜を使用する電池ではより低頻度である。従って、本発明のなおもう１つの実施例に依れば、本発明の該燃料電池は該電池からの水の蒸発を制御するための手段を装備している。この様な手段は該電池からの水の蒸発を促進しかくして該燃料溶液タンクへ戻る水の量を減じる。本発明の燃料電池は更に該電池の運転経過での該陰極上での水圧形成を防止する手段を装備してもよい。この様な手段は疎水性陽子伝導膜が使用される燃料電池では特に有用である。典型的にこの様な手段は水コレクター（water collectors）を有し、該陰極上に蓄積する水及び溶液を集める。該水コレクターは該電池から水を流れさせる排出ダクトに接続されてもよい。該水は、燃料溶液タンク内の液体レベルにより要求される様に、環境に向けて又は燃料溶液タンク内へ戻るよう導かれてもよい。該水コレクターは、例えば、該水が蓄積するよう期待される、該陰極面にプレス（pressed）された１セットの親水性チャンネルであってもよく、或いは該水が蓄積するよう期待される、置かれた、綿フアイバー（cotton fibers）の様な１セットの親水性フアイバーであってもよい。
【００２１】
該セルからの水の蒸発は該陰極の外部の側上へ空気の流れを強制することにより達成されてもよい。これは、例えば、ブロワー又はコンプレッサーにより行われてもよい。１実施例では、空気は該電池の酸素流れチャンネルを通るよう、流れ（flux）で圧縮され、該流れは酸素との反応の提供用のみならず、該電池からの蒸発の促進用にも充分である。ブロワーを使用する場合、該ブロワーは好ましくは該燃料電池により発生される電気により電力を与えられるのがよい。
【００２２】
該燃料電池からの水の蒸発は、必要な時は、それを通って蒸気が蒸発する陰極表面積の部分を減じることにより減じられてもよい。本発明の１実施例に依れば、それを通って蒸気が蒸発する陰極表面積の部分を制御するための配備が可変寸法のホールを有するバリア（barrier）として作られる。限定する意味でない例に依れば、この様なバリアは固定されパーフオレート（perforated）された層と摺動するパーフオレートされた層で作られ、そこではそれを通って蒸気が蒸発する陰極面積の部分が該固定されパーフオレートされた層に対する該摺動するパーフオレートされた層の位置により決定される。該パーフオレートされた層の各々は平方センチメートル当たり０．５から１０の間のホールを有し、該ポアは閉じた及び開いた位置で、それぞれ該陰極面積の０．２から７０％の間、より好ましくは該陰極面積の２から３０％の間をカバーするのがよい。
【００２３】
本発明のもう１つの実施例に依れば、少なくとも１つの本発明に依る燃料電池と、直流−直流変換器（DC-to-DC converter）とそして再充電可能なバッテリーとを含むハイブリッド電源（hybrid power source）が提供される。該燃料電池は該バッテリーを充電し低電力需要に対し供給する一方、該高出力バッテリーは重負荷に対し供給する。この様なハイブリッド電源では、（直列組み合わせの）２つ又は３つの様に少ない数の燃料電池を直流−直流変換器を通してバッテリーと組み合わせることが可能であり、得られるデバイスは平らで薄型である。例えば、セルラー電話に電力を与えるために、直列組み合わせで接続された、２つの薄いメタノール燃料電池と、直流−直流変換器とそして小型高出力リチウムイオン電池とから作られるハイブリッド電源を使うことが出来る。
【００２４】
もう１つの側面に依れば、本発明は、例えば携帯用デバイスの様に、空間内でその応用品（appliance）の配向（orientation）が固定されなくても、該応用品内に必要な量の液体があるか否かを検出出来る検出器デバイス（detector device）を提供する。この様な応用品（コンテナー）は、例えばその動作を可能にするためにもう１つのデバイス内へ液体媒体を供給するための様な、液体媒体を含むための閉じた構造体であることは理解されるべきである。燃料電池応用品を考えると、この様なコンテナーは下記すなわち、水、燃料、燃料溶液そして酸の少なくとも１つのリザーバーであり、この媒体を該燃料電池に供給するため使われる。下記記述では、この媒体コンテナーは”燃料タンク（fuel tank）”又は”燃料溶液タンク（fuel solution tank）”と名付けられるが、この用語の使用は本発明を媒体及び応用品のこの特定の例に限定するものでないことは理解されるべきである。
【００２５】
該検出器は電極の配備（electrodes' arrangement）（好ましくは少なくとも４つの電極から構成される）を具備するが、該配備は、それらが電極の数により規定される面（レベル）の数、すなわち電極の対の数、で該タンク内部の液体の存在を検出出来るように、該コンテナーの内部空間と接触しており、該燃料溶液タンクの内表面から隔てられるか又はそれと物理的に接触するよう、該コンテナー内で離れ隔てられた関係で配置された電極を有する。例えば、４つの電極を使用すると、該タンク内の６つの異なる面（レベル）を規定する電極の６対が提供される。該電極は好ましくは該タンクの中央領域によりも該タンクの周辺領域に近く配置されるのがよい。例えば、該タンクは箱の様に形作られてもよく、該電極（好ましくは、少なくとも４つの電極）の各々は該タンクの異なる辺の上又は該辺に近く置かれる。従って、該タンクの各配向に於いて、該タンク内の予め決められた量の液体は該電極の少なくとも２つを少なくとも部分的にはカバーするのに充分であろう。該電極対に電圧を印加することにより、これらの電極の少なくとも１つが該タンク内の液体媒体に接触しているか否かの検出が行われ、それによりこの電極対により規定される面（レベル）に於ける液体の存在を検出する。該タンク内の液体レベルが前記予め決められた量（或るしきい値により規定された）より小さい時、該デバイスは液体の欠乏を検出する。
【００２６】
本発明のもう１つの側面に依れば、非スタック型の燃料電池システムが提供され、そこでは該システム内の隣接する電池は共通壁を有し、或いはそこではそれらの燃料タンクは共通壁を有するが、それは該システム内で揮発性燃料の濃度（concentration）を平衡させるためである。
【００２７】
更に進んだ側面に依れば、本発明はアンテナと、イエアフオン（earphone）と、燃料電池と、燃料タンクとそして水タンクとを有するセルラー電話を提供するが、そこでは該アンテナから放射される放射の少なくとも１部分は前記燃料電池、燃料タンク及び／又は水タンクにより吸収されるように該燃料電池、燃料タンクそして水タンクの少なくとも１つは前記アンテナと前記イエアフオンとの間に配置される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明をより良く理解し、それが実際に如何に実施されるかを見るために、付属する図面を参照して、限定を意味しない単なる例により、或る特定の形態がここで説明される。
【００２９】
水密封式陰極構造（Water Leak-Proof Cathode Structure）
図１Ａは本発明の１実施例の燃料電池８を略図式に図解する。該燃料電池８は本発明の液体水密封式陰極構造体を有する。該電池は、ケース１０の全く正反対のボア内で受けられる１対のねじ付きボルト１１と１２によりプラスチックケース１０の面に締結された複数層のスタックにより創られる。該スタックでは、該電池の陰極側電流コレクター上にある最上のフイルター層１３が空気及び湿度制御層として機能する。電気を発生しそして有機燃料の直接酸化の場合に水とＣＯ_２を作るよう、酸素と反応する有機燃料か、水性燃料溶液か又は水素は、ケース１０内の入り口１４を経由してその陽極側上で該電池に供給される。
【００３０】
入り口１４は、陽極電流コレクターとして機能する、該層のスタック内の最下層１５へと、燃料タンク１４ａ内へ入ってくる燃料を導く。層１５は陽極層１６の下にあり、該陽極層の直上には陽子伝導膜１７（ピーシーエム）がある。陰極層１８と陰極電流コレクター１８ａは膜１７の上にある。従って、該陽子伝導膜１７は該燃料電池の該陽極と該陰極との間にサンドウイッチされる。該陰極層１８は触媒、液体水密封層そして疎水性多孔質カーボン支持層を含む。該陰極電流コレクター１８ａ上には多孔質疎水性バリアフイルム１９があり、それは空気フイルター層１３の下にある。該ピーシーエム１７と該ケース１０の間のどんなギャップも糊の層（２０）によりシールされる。又糊層２１が示されるがそれは該陰極１８と該ケース１０の間の何等かの場所からの水漏洩を防止する。層１８と１８ａの間の該ギャップは、該糊層２１を示す必要のために、該スタック内の他の層間のギャップより大きく該図では見える。しかしながら、実際は（１８及び１８ａを含む）全ての層はそれら間に何等可視的間隔が無いよう一緒に加圧されている。
【００３１】
図１Ｂは、多数電池スタックの部分である単一電池に典型的な、もう１つの層構造体を有する燃料電池３０を説明するが、そこでは電池は直列にスタックされている。該電池３０は陽極（３１）、陽子伝導膜（３３）、本発明の液体水密封陰極（３２）、該陽極側用ガスケット（３４）そして該陰極側用ガスケット（３５）を含む。又該燃料電池３０は該陰極縁間のギャップ３６をシールするシール３７（１つの側上のみが略図式に示されているが、実際には該陰極と該ガスケット間の全てのギャップ上に存在する）と、該陽子伝導膜３３の縁をシールするシール３８を含む。本発明は上記で述べた場所をシールすることに限定されず、水が漏れていると観察される該電池内の各場所が同様にシールされるべきである。上記シールと液体水密封陰極との組み合わせは７ｃｍ^２デーエムエフシーのクロスオーバー電流（crossover current）での２０％より多い減少に帰着し、従って該燃料電池の効率で重要な役割を演じる。
【００３２】
本発明の該シール用の好ましいシール材材料は、液体水に対し全てが非浸透性である、ピーブイデーエフ（PVDF）、ポリアクリル糊（poly-acrylic glue），タールベース（tar-based cement）のセメントそしてシリコンゴムセメント（silicon-rubber cement）である。しかしながら、該燃料溶液及び酸素と融和性の他のシール材材料が使用されてもよい。
【００３３】
液体水密封式陰極を使用することによりそして本発明によりこの様な陰極とそれを囲むガスケットとの間のギャプをシールすることにより、陽子浸透ドラグ（proton osmic drag）による水損失をゼロに減じるのみならず、該燃料電池の動作中該陰極内で展開される圧力により、該膜を通して該陰極から該陽極への水の正味の流れを形成するよう水流れの方向を逆にすることも可能である。これは携帯用応用品での小型デーオーエフシーエスについて特に重要である。
【００３４】
液体水密封層とそれらの本発明内の応用を今、気体拡散層（gas diffusing layer）｛ジーデーエル（GDL）｝が幅又は直径で２５マイクロメートルまでのクラックとホール（holes）とを含む、イーテックエリート（Etek Elite）の様な商業的陰極を参照して説明する。液体水はこれらのクラックを通って該陰極の外側（空気側）へ漏洩する。この漏洩は、５マイクロメートルより大きいホールとクラックが事実上無いが、該触媒層への空気又は酸素の輸送を可能にするよう０．００１マイクロメートルより大きいポア（pores）をなお有する疎水性層から成る液体水密封層により除去されるか又は著しく減じられる。該密封層でのポアの好ましい寸法は０．０１と０．５マイクロメートルの間である。
【００３５】
本発明の該液体水密封層は該ピーシーエムと該陰極の空気側との間のどこにも在るのがよい。
【００３６】
或る場合は、該触媒層が液体水密封層である。この様な場合、それは典型的に１０から１００マイクロメートルの厚さを有し、３マイクロメートルより大きいクラック又はホールが無く、そしてそれは該膜と該陰極の該多孔質支持層との間で該膜上に直接付けられる。
【００３７】
代わりに、同様な構造体のナフイオン層が液体水密封層として役立つために該ピーシーエムと該触媒との間の陰極触媒層上に直接配置される。
【００３８】
或るクラックとホールは相互に異なる寸法の長さ、幅そして深さを有するかも知れないことは注意されるべきである。本発明に依れば、これらの組み合わせは、該ホールとクラックを通る液体水（及び／又は燃料溶液）の通過を可能にしない様なものであるべきである。（０．００１から５マイクロメートルの間の、好ましくは０．０１から０．５マイクロメートルの間の）該与えられた寸法は円形ポアの好ましい直径を図解するため与えられている。
【００３９】
水素燃料電池で陽子伝導膜を使う時同じ液体水漏洩が起こる。該陰極を通る液体水の漏洩を最小化又は阻止するために、同じ手段がこの場合使用可能である。
【００４０】
液体水密封陰極及び完全な燃料電池の用意（Preparation of liquid-water leak-proof cathode and of a complete fuel cell）
特許文献４で説明する様に膜電極組立体（Membrane electrode assemblies）｛エムイーエイ（MEAs）｝が用意された。該液体水密封層用の材料はブラックパール２０００（Black Pearl 2000），ＸＣ７２、ショーウインガンブラック（Shawingan black）、そしてそれらの種々の混合物の様なカーボン粉末５０から９０重量パーセント（好ましくは６０から８０重量パーセント）そしてプロピレンカーボネート（propylene carbonate）｛ピーシー（PC）｝又はエチレングリコール｛イージー（EG）｝の様なポアフオーマー（pore-former）０から８０容積パーセント（好ましくは６０容積パーセント）を加えた、１０から５０重量パーセントのピーブイデーエフ（PVDF）又はテフロンから成るか、又はフルオロポリマー及びパーフルオロポリマー（好ましくは２０から４０％）から成ってもよいペーストである。
【００４１】
プラスチックのナイフ又は柔らかいペーパーを用いて、その表面に近く、トーレイペーパー（Toray paper）内部に層を形成するよう、該ペーストがトーレイペーパー｛５から５０重量パーセントのウエット（wet）が検査済みである、好ましくは２０％がよい｝のポア内に挿入された。幾つかのこの様なペースト挿入品が作られた。各層は約３０分間乾燥するよう放置され次いで乾いた清浄なクロスペーパー（cloth paper）で拭われた。５から５０マイクロメートル厚さの均一な塗布を受けるために５から７層までの密封材料が必要である。満足すべき形態に到達した後、該密封材料を有する該トーレイペーパーは約２分間蒸留水内に浸され、次いで１５０から２５０℃で０．５から２時間硬化された。
【００４２】
上に触媒層がある、０．５から０．０１マイクロメートルの寸法のポアを有する、埋め込まれた液体水密封材料付きの該トーレイカーボンペーパーが該ピーシーエムに対しホットプレス（hot pressed）された。
【００４３】
代わりに、厚い疎水性陰極触媒層は、それが３マイクロメートルより小さくそして０．００１マイクロメートルより大きいホールから成る時、液体水密封層として役立つ。
【００４４】
陰極縁のシール作業は下記に様に行われる。ピーブイデーエフ（PVDF）｛ソルベイ（SOLVEY）｝の１から３グラムをアセトンの２０から４０ｍｌと２から４時間の間磁気スターラーで混合することにより作られたピーブイデーエフペーストが、該膜と該陰極の間のギャップ（インターフエース）上に塗布され、０．０５から０．１ｍｍの厚さの薄いフイルムを作る特別精細なブラシを用いて該（カーボンペーパー）陰極の１から２ｍｍと重なり合う。同じペーストは、該膜縁を該ピーブイデーエフペースト内に浸すことにより該膜の外側縁上に塗布される。この仕方で、該陰極の周辺と該膜縁の完全なシールがもたらされるので、該陰極の外部の水漏洩は防止されるか又は実質的に減じられる。
【００４５】
幾つかの種類の電池がこの水密封陰極を用いて組み立てられ得る。平らなプラスチックケース燃料電池は下記の仕方で組立られた：最初に陽極電流コレクター（図１Ａの１５）が該プラスチックケース（図１Ａの１０）内のその位置に置かれた。糊の層（図１Ａの２０）がその位置に塗布され、１５から３０分間乾燥するため放置される。エムイーエイ（その縁は上記説明の様にシールされた）が該陽極電流コレクター上に置かれ、該陽極電流コレクター上へプレス（pressed）された。該プラスチックケース１０への全体に亘り、該陰極の１から２ｍｍに重なり合ってガスケット範囲を形成するためにシール用セメント（図１Ａの２１）が塗布された。該陰極インクは、１０から８０重量パーセントの白金触媒｛エレクトロケムハイスペック６０００（Electrochem hi spec 6000）｝、１０から４０重量パーセントのナフイオン｛アルドリッチ（Aldrich）５％ナフイオン（Nafion）溶液｝、ブラックパール２０００、ＸＣ７２、ショーウインガンブラック又はこれらカーボン粉末の種々の混合物の様なカーボン粉末５から６０重量パーセント、そしてエチレンカーボネート（イーシー）、ジエチレンカーボネート（デーイーシー）、プロピレンカーボネート（ピーシー）、エチレングリコール（イージー）又はそれらの混合物の様なポアフオーマー０から８０容積パーセント、を混合することにより調合される。代わりに、該陰極インクはカーボンに支持された白金（carbon supported Pt）で作られてもよく、そこでは白金含有量１０から９０の間の重量パーセントである。全ての該粉末と該溶液はボールミル内に導入され、１０から１００分間機械的バイブレーターで混合される。得られたインクは、上記説明のトーレイカーボンペーパーにより支持された該液体水密封材料に精細なブラシで塗布された。該インク層は４０から６０℃に加熱され、そして４から６ｍｇ／ｃｍ２の白金搭載（Pt loading）を得るために３から４層（各層間で１０から２０分の乾燥時間を用いて）のインクが必要であった。代わりに、該陰極触媒インクは該ピーシーエムに直接塗布され、１０から５０マイクロメートルの厚さの層を形成するために上記説明の様な密封層を有するか又は有しない２０％テフロン化されたトーレイペーパー（20% teflonated Toray paper）にホットプレスされた。
【００４６】
燃料電池からの水蒸発を制御するデバイス（Device for Controlling Water Evaporation from a Fuel Cell）
水密封陰極を有する直接酸化燃料電池（デーオーエフシー）の運転に於いては、水損失は経験されず、そして、事実、或る場合には該陽極コンパートメント及び／又は該燃料溶液内に水の蓄積がある。例えば、メタノール燃料電池を使用時、メタノールの各モル（３２ｇ／モル）は水の２モル（２モル当たり３６ｇ）と該電池を出るＣＯ_２の１モルに変換される。有効な水密封陰極を使用すると、該陰極内に引かれる（dragged）水と該陰極内で作られる水は該膜を通して該陽極コンパートメントへ戻り、陽極コンパートメント内又は該燃料タンク内での水の正味の利得があり、燃料を追加する空間を残さず、該燃料電池に新燃料を充填することは不可能にする。該燃料電池を再充填することを可能にするために、該水の幾らかを除去することにより該燃料タンク内又は該陽極コンパートメント内に空間を作らねばならない。該陰極からの蒸発により幾らかの水が通常除去されるが、高湿度又は低温度により特徴付けられる環境で、自然の蒸発は必要な空間を与えるには不充分である。又これは、もし該燃料電池が高電力を作るため作動しているなら、より通常的な環境条件で起こるかも知れない。従って、本発明は燃料電池から漏洩する水の防止に関心があるのみならず、水バランスされた条件（water-balanced conditions）で運転される、すなわち運転中水を失わず又獲得もしない燃料電池にも関心があることが表明されてもよい。
【００４７】
該燃料電池からの水除去を高める１方法は、過剰な水を除去するために陰極の外側上へ、充分な、かつ、制御された割合で、空気流れを強制することにより蒸発を促進することである。これは図２で略図式に示す様に、燃料電池２３により電力を与えられたフアン又はブロワー２２の使用により、行われてもよい。このフアン又はブロワーを、該陽極コンパートメント内か又は該燃料溶液タンク内か何れかに配置され、該水レベル（又は燃料溶液レベル）が予め決められたレベルの上に上昇した時該フアンを自動的に賦活し、該水又は燃料溶液レベルがもう１つの予め決められたレベルの下にある時それを賦活停止する、水レベルセンサー２４と組み合わせるのが最良である。
【００４８】
本発明のもう１種の制御器システムは該空気入り口（air inlet）又は該空気出口（air outlet）内の湿度を測定し、（該燃料電池の電力に依り）水生成速度を連続的に計算し、該温度を測定し、該デーオーエフシー内で形成された水を蒸発させるに充分な空気循環速度を計算し、この速度で該ブロワーをラン（run）させる。
【００４９】
中間及び高電力応用品用では、従来技術のデーオーエフシーは空気循環を用いて約６０℃から１００℃以上までの温度で動作する。水は、凝縮器（condenser）を使用して、排出空気流れから集められ、該水タンクへ戻るようリサイクルされる。この水凝縮器とリサイクルシステムは、上記説明の蒸発制御と組み合わされた、本発明の液体水密封陰極を使用することにより、少なくとも中間温度及び中間電力用では、省かれるか（saved）又は少なくとも寸法が減じられる。
【００５０】
燃料電池内の水圧形成の制御用デバイス（Devices for controlling building of hydraulic pressure in a Fuel Cell）
本発明の燃料電池では、陽極内で作られる陽子による水の浸透ドラグ（osmotic drag）は陰極の触媒層に受け入れ不可能な水圧形成を引き起こす。この圧力は高電流密度での触媒フラデイング（catalyst flooding）と、該液体水密封層を通して該陰極の外部側内への液体水又は水溶性燃料の放出と、を引き起こす。従って運転経過中該陰極に課される圧力を解放することが望ましい。それ故、本発明の燃料電池は該電池の運転の経過中陰極上での水圧形成（hydraulic pressure built-up）を防止する手段を装備している。図３に示す様に、この様な手段は水及び燃料溶液を集めることが出来る水コレクター２５を含む。該水コレクター２５はマニフオールド２７’を通してドレーンパイプ２７に接続されている。該ドレーンパイプ２７は該水を該電池の外へ出す。次いで、該水は別の制御及び配送システム（示されてない）により、必要な様に、環境へ又は燃料溶液タンク内へ戻るよう、導かれる。
【００５１】
本発明の１実施例に依れば、該水コレクター２５は陰極面上にプレス（pressed）された１セットの親水性チャンネル（hydrophilic channels）であり、そこで該水が蓄積するよう期待される。もう１つの実施例に依れば、該水コレクター２５は置かれた、綿フアイバー（cotton fibers）の様な、１セットの親水性フアイバーであり、そこで該水が蓄積するよう期待される。該チャンネル又はフアイバーの寸法は典型的には直径が０．０１から０．２ｍｍであり、それらは約０．３から３ｍｍ離れている。
【００５２】
水が蓄積すると期待される精密な場所は該液体水密封層の場所に左右される。
【００５３】
液体酸を有するピーシーエムが使用される場合、図３の水コレクターより寧ろ液体水コレクターとして役立つよう、カーボン又はガラスの様な薄い多孔質の親水性層が水蓄積の場所内に付け（applied）られてもよい。
【００５４】
図４は、同じ形状を有する他の燃料電池と一緒に並列にスタックするよう用意された、図３の燃料電池を示す。図４の燃料電池では、該エムイーエイ２６は前部及び後部層２６Ａと２６Ｂの間にサンドウイッチされる。該スタックはその下部右の隅に燃料入り口２８を有し、その右隅に酸素入り口３０を有する。その左下部隅に、該スタックは酸素出口３１を、そしてその上部左隅に燃料出口２９を有する。該スタックの底部には、水ドレーン出口２７がある。蒸発速度は酸素入り口３０を通る空気循環速度により制御され、水圧はドレーン出口２７を通して解放される。
【００５５】
受動的及び能動的空気制御システム（Passive and Active Air Control Systems）
上記の様に、本発明の燃料電池の水損失の１つの源は空気又は酸素流れ場内へ拡散によって該陰極により放出される水蒸気である。平坦な電池では、パーフオレートされた電流コレクターか又はバッキング層（backing layer）をカバーするパーフオレートされたシートがある。この電流コレクターのホールの数と寸法は電池出力と水蒸発速度の両者に影響する。該ポアが大きく、それらの数とが多い程、水蒸発速度は高くなる。ポアの或る寸法と数までは該電池の出力は増加する。しかしポア寸法と数の更に進んだ増加は該出力を高めず、代わりに蒸発により水損失を増加させる。
【００５６】
蒸発による水損失の速度は陰極上の温度と空気流れ速度と共に、そして空気湿度の減少と共に、増加する。電池反応で消費された燃料のモルに対する空気へ失われた水のモルの比として”Ｗ”係数（factor）がここで規定される。我々は、該膜を通して陽極から陰極へ転送された陽子のモルに対する、陰極から空気へ放出された水のモルの比として”Ｈ”係数を規定する。
【００５７】
１つのメタノールの分子の酸化で、水２分子が形成され、６つの陽子が該膜を通って陽極側から陰極側へ転送される。従って、水バランスされた条件（water balanced operating conditions）下では、Ｗ＝２であり、そしてＨ＝１／３（又は２／６）である。これは水損失の速度は該電池反応での水生成の速度と等しく、該電池内で水の正味の損失は無く、該電池に水を追加する必要はないことを意味する。従って、Ｈ＝１／３そしてＷ＝２を有する燃料電池を設計することが重要で、この様な場合には、唯燃料のみが追加されねばならず、重さ及び容積の節約になる。しかしながら、もしＷが２より大きいか又はＨが１／３より大きいなら、水が該電池に追加されねばならず、そしてもしＷが２より小さいか又はＨが１／３より小さいなら、水が該燃料電池から除去される必要がある。水素については、消費された水素１分子に対して水の１分子が形成され（それは水バランスされた動作条件下ではＷ＝１そしてＨ＝１／２であることを意味する）そして考察は同様であり、それでバランスした水の運転条件下では消費されつつある水素の各モルについて水の１モルが除去される必要がある。エチレングリコール及びシュウ酸ジメチルの様な、他の燃料については、該電池反応によりＨとＷが計算されねばならない。
【００５８】
本発明の密封陰極と、静止空気と、を使用することにより、陰極電流コレクター内のホールの寸法と数とを制御することにより蒸発による水損失を制御することが可能である。図５に示す密封陰極５２と、パーフオレートされた陰極電流コレクター５３をカバーする（オプションの）パーフオレートされたシート５４を含む受動的空気及び湿度制御システムと、を使用して、室温で動作するメタノール燃料電池が、電池出力への無視出来る影響しか与えずに、Ｗを８から１より小に、そしてＨを１．５からゼロ近くへ減じることが可能である。これは（陰極電流コレクター層か又はパーフオレートされたシートか何れかの）該ホール直径を５ｍｍから１ｍｍへ減じることにより達成される。従来技術のメタノール燃料電池では該パラメーターＨは２．９と測定された（非特許文献１）。これは、従来技術のメタノール燃料電池では、膜を通過する各陽子当たり２．９水分子が電池に追加されねばならないが、本発明の燃料電池では追加されねば水は全く無いか又は無視出来る量であることを、意味する。従って、従来技術のメタノール燃料電池は、本発明に依れば省略される大きな水タンクを含み、本発明のメタノール電池よりも大きくて重い。
【００５９】
水蒸発を制御するもう１つの方法は、陰極への効率的空気貫入用のホールを含む大きな多孔質で親水性のマトリックスを、陰極の空気側（airside of the cathode）に付加することである。該陰極をカバーし、１平方センチメートル当たり０．２から７０ｍｍ平方の合計ポア面積を有するよう陰極の平方センチメートル当たり０．５から１０ホールを有する多孔質層が本発明でテストされた。該ホールの合計面積が小さい程、小さいＷとＨ係数が測定された。
【００６０】
蒸発を介した水損失の速度を制御するもう１つの方法は陰極電流コレクター内又は陰極をカバーする特殊な金属又はプラスチックシート内に、種々の寸法のホールを提供することである。これは、１つが固定され、もう１つが移動可能なように、相互に対し摺動するエアシャトル（air shuttle）として機能する、１セットのホール付きプレートにより行われる。該ホール開口部は、該プレートの該ホールが重なった時起こる最大に開いた状態から、充分に閉じた状態まで変化する。
【００６１】
図６に示す能動的な空気及び湿度制御システムは、その中に孔あけされた呼吸用ホール（breathing holes）ＢＨ_１の配列を有する固定パネル６５を備える空気シャッターを具備する。呼吸用ホールＢＨ_２を有する可動パネル６６は固定パネル６５に対し摺動可能であり、前者のパネルは該可動パネルの呼吸用ホールが該固定パネルのそれらと位置合わせされ最大空気流れを提供する位置から、該パネルの該ホールが位置合わせから外れ空気流れを遮断する位置まで移動可能である。実際には、該固定パネルは該可動パネルが中へテレスコープ（telescoped）されるダクトを形成するよう中空であってもよい。
【００６２】
該エアシャッターの２枚のパネルの相対位置は制御器により制御される。制御器の様なものの１つの種類はシリンダーから成るが、そのピストンは低い温度では完全に開き、上昇した温度では殆ど閉じる様な仕方で空気温度に調整された液体蒸気により操作される。或いは、該シャッターはマイクロサーボ（micro servo）、リレー又はピエゾ電気デバイス（pie zoelectric device）６７で操作されてもよい。このデバイスは、水レベルをモニターする燃料タンク内又は陽極コンパートメント（示されてない）内のセンサーから来る信号により統制される制御器６８により賦活される。それは水レベルが臨界値を過ぎる時呼吸用ホールを開き、水が予め決められたレベルの下にあり該燃料電池を運転している時最小開口レベルを許容する。
【００６３】
図７に示す受動的空気制御デバイスでは、該呼吸用ホールは直径で０．５から５ｍｍであり、薄い湿度感応型多孔質マトリックス７０が該呼吸用ホールシート６９上に置かれる。空気湿度に依り、該マトリックス７０はそのポア寸法を変え、すなわち空気湿度が高い時該ポア寸法は増加し蒸気が通過可能にする。
【００６４】
燃料−蒸気平衡化（Fuel-Vapor Equilibration）
システム内の隣接電池が共通壁を有する、或いはそれらの燃料タンクが共通壁を有する非スタック型（non-stack type）直接酸化燃料電池システムでは、該システム内の揮発性燃料の濃度（concentration of the volatile fuel）を平衡させることが望ましい。
【００６５】
下記配備はメタノール濃度平衡化用に用いられ得る。
【００６６】
燃料タンク（又は電池の陽極コンパートメント）は共通壁を有して相互に隣接して作られる（タンデム又は並び合う構成）。この共通壁は、液体のレベルの上に、１つ以上のアパーチャを有し、該アパーチャは多孔質の疎水性非導電フイルムによりカバーされているのが好ましい。
【００６７】
該フイルムは絶縁材料で作られ、該液体上の蒸気相の平衡への到達に役立つように、燃料と水蒸気のみに透過性で、水性溶液に対しては透過性でない。
【００６８】
これは隣接電池の該燃料タンク又は該陽極コンパートメント内のメタノール（又は他の揮発性燃料）の濃度を平衡化させるよう作用する。この濃度平衡化デバイスを用いて、多数電池デーオーエフシーシステム内に水と燃料を供給するためにマニフオールドを使うことが可能であり、該電池の各１つへの個別供給ラインを持つ必要がない。
【００６９】
電極の配備を利用する液体レベル検出器（Liquid Level Detector Utilizing an Electrodes' Arrangement）
その配向（orientation）が固定されてない応用品（appliance）に電力を与えるためデーオーエフシーが使用される時、該応用品の配向から独立して液体（例えば、水、燃料、燃料溶液又は酸）レベルを検出することが望ましい。セル電話（cell phone）又は他の携帯用デバイスを使う時、その配向は頻繁な変化を受け、そして該電話は逆さまを含め全ての位置で使用される。前に注意した様に、液体レベルが或るレベルの下に降下した時、該液体を該陽極コンパートメント内へ供給する必要がある。或いは、それが或るレベルより高く上った時、ブロワーを賦活する必要がある。従って、該液体レベルを検出し、好ましくは該液体コンテナーの空間内の配向から独立した液体レベル検出器のニーヅがある。この様な検出器は本発明により提供され、好ましくは少なくとも４つの電極を有する電極の配備を備えることにより特徴付けられる。該電極は、それらが該タンクの種々の平面（レベル）内で該タンク内液体の有／無を検出可能とするために、該コンテナー（タンク）の内部空間と接触するよう該コンテナー内で離れ隔てられて配置される。
【００７０】
６辺の閉じた構造体（six-sided closed structure）（箱）の形の液体収容タンクが使用される図８に例示されるものの様に、該電極の配置は、４つの電極Ｅ１−Ｅ４を含むが、それらは該電極の各１つが該箱の異なる隅により近く配置され、かくして６つの起こり得る電圧差はそれぞれ、６つの異なるレベルで液体の有、無の検出を可能にするよう配置される。各２電極は該箱の辺の何れに対しても傾斜した線上に配置される。この特定の例では、該電極の各々の場所は下記の仕方で規定される（１つの電極Ｅ_３のみについて図で示されている）。該電極はそれぞれの隅Ｃ_３から距離ａとｃだけ隔てられ、ここで距離ａとｃは、ａ／（ａ＋ｂ）が０．１と０．４の間で変化しそしてｃはｃ＝０．１ｚから０．５ｚまでである、関係を充たすよう選ばれ、かつ、（ａ＋ｂ）とｚは図に示す様に該箱のそれぞれの辺の寸法である。各電極対により規定される或るレベルでの媒体の抵抗は時々又は連続して測定され、１つ以上のレベルで（或る基準値からの）抵抗変化が検出された時これは該液体レベルが低いことを示す。もし該液体レベルが予め決められた値の下に保たれねばならないなら、電極の少なくとも１対は或る予めセットされたしきい値により規定された高抵抗を示さねばならない。
【００７１】
セル電話使用時アールエフに対し低減される曝露（Reduced Exposure to RF when using Cell Phone）
放射への曝露（Exposure）は、該放射エネルギーが放射線からでも、Ｘ線からでも或いはマイクロ波源からでも、厳しい結果を有する。この様な放射への繰り返しの曝露は累積効果を有し、癌を誘起するかも知れない。従って、そのアンテナからマイクロ波エネルギーが放射され、該アンテナが電話ユーザーの頭に隣接するセル電話（cell phone）は心配である。この様なマイクロ波放射の不利な影響を最小化するよう、該セル電話は本発明のデーオーエフシーにより電力を与えられる。
【００７２】
該デーオーエフシーとその燃料及び水タンクをセル電話の頭に近い側に置くことにより、これは有害な曝露の著しい減少へ導くが、それは該マイクロ波エネルギーが少なくとも部分的には該デーオーエフシー内の水及び燃料により吸収されるからである。
【実施例１】
【００７３】
燃料電池ハウジングは｛グローブテック社（Globetech Inc.）からの｝合成グラフアイトプレートで作られ、該プレート内に平行な流れ場（parallel flow field）が彫り込まれた。陽極は、アンテフロネート（unteflonated）されたトーレイペーパー（Toray paper）上に塗り広げられた（spread）Ｐｔ−Ｒｕインクを使用して用意された。該インク組成は、９４．５重量パーセントのＰｔ−Ｒｕ粉末｛ジョンソンマッセイ（Johnson Matthey）｝、２．５重量パーセントのＸＣ−７２カーボン粉末、１．５パーセントピーブイデーエフ（PVDF）そして１．５パーセントＳｉＯ_２。エチレングリコールが容積で５０％追加された。ピーシーエムは１２０マイクロメートルの最終厚さまで２４ｋｇ／ｃｍ^２で１００℃で６０秒間ホットプレスされ、そして水中に浸された。陰極インクは、７３重量パーセントのＰｔ粉末、ＸＣ−７２のカーボン粉末の１０パーセントそしてナフイオン溶液の１７パーセントを、５０容積パーセントのエチレングリコールを付加してボールミル内で６５分間混合することにより用意された。
【００７４】
エムイーエイの調合（MEA preparation）：１００マイクロメートルの厚さのテフロンガスケットがステンレス鋼プレート上に置かれた。該陽極は水に浸され；過剰の水は拭い去られ、そして該陽極は適当な寸法（２０ｍｍ＊２５ｍｍ）の、該ガスケット内の窓内に固定された。該ピーシーエムが該陽極上に置かれた（その過剰な水を拭った後）。もう１つの同一テフロンガスケットが該ピーシーエム上に置かれ、該最初の１つと整合され、そして接着テープで該ステンレス鋼プレートに固定された。液体水阻止層として役立ち得る厚い疎水性触媒層を達成するために該ガスケット窓を介して該膜に陰極触媒インクが塗布された。２０重量パーセントの耐水トーレイペーパー（20 wt% waterproof Toray paper）の１片が該窓寸法にカットされ、０．５マイクロメートルより大きいホール又はクラックの無い湿った陰極触媒層の上に置かれた。代わりに、該陰極インクが埋め込まれた液体水密封層（前に説明した）を有する２０パーセント耐水トーレイペーパー上に塗り広げられた。この密封層は０．５マイクロメートルより大きいホール又はクラックを有しない。第２のステンレス鋼プレートが該第２ガスケット上に置かれた。該組立体は圧力０．５から２４ｋｇ／ｃｍ^２で１００℃で１２０秒間加圧され、次いで該エムイーエイは６０秒間水中に浸され、そして再び１２０秒間加圧された。該エムイーエイは低負荷（＜０．５ｋｇ／ｃｍ^２）下で室温に冷却するよう放置された。液体水の漏洩を防止するため該トーレイペーパーと該エムエイーエイの陰極側上のテフロンガスケットとの間のギャップにピーブイデーエフのアセトン溶液が塗り広げられた。該エムイーエイは次いで完全な電池内の組立まで水に浸された。
【００７５】
１５０ｍＡ／ｃｍ^２の一定電流で放電される間、１Ｍメタノールと３Ｍ硫酸の溶液が該５ｃｍ^２電池内で循環された。該陰極を通して酸素が循環された。該酸素出口には、気体流れと共に該電池から出る水をトラップするために、ドライライト（Dryerite）（無水ＣａＳＯ_４）を含むＵ型ガラス管が取り付けられた。該電池は６０℃又は８０℃でそして周囲気圧から３気圧までで（at ambient pressure to 3Atm）、毎分７から２４０ｓｃｃの流量で、運転された。Ｗ係数は、該電池反応で消費されるメタノールのモル数に対する陰極出口を出る（該ガラス管で集められた）水のモル数の比として規定された。水バランス条件でのＷの最適値は２である。Ｈは陽極反応で作られる陽子のモル数に対する該膜を横切る水のモル数の比であり−水バランスされた条件での最適値はゼロである。該ＷとＨの値｛クロスオーバー電流（crossover current）について修正された｝は下記表１で抄録される：
【００７６】
【表１】

【００７７】
期待される様にＷは酸素流量と共に増加することが見られる。しかしながら、低い流量ではＷは２より小さく、すなわちＨは負の値である。それはこれらの条件下で水は陰極から該ピーシーエムを通り陽極へ戻るよう流れることを意味する。酸素の流量を制御することによりＷとＨに影響を与えることは可能なので、Ｗ＝２そしてＨ＝０の流量が見出され得て、水バランスされた条件下で作動するために使用され得ることは明らかである。陽極コンパートメント又は燃料タンク内の水レベルを測定することにより、水の欠乏又は過剰が決定され、必要な様に水を除去するために空気ブロワーの速度（又は他の手段）が制御され得る。この仕方で水タンクの重量と容積が節約され、より小さいそしてより軽い燃料電池へ導く。
【００７８】
図９は、同様な条件でのロスアラモス国立実験所（Los Alamos National Laboratory）｛エルエイエヌエル（LANL）｝のゴットフエルト他（Gottesfeld et al.）のそれら（非特許文献１参照）と比較した本発明の燃料電池の実験結果を提示する。
【実施例２】
【００７９】
ナフイオン膜をベースにして前の例と同じ仕方で燃料電池が作られた。陽極組成は８５パーセントＰｔ−Ｒｕ粉末と１５パーセントナフイオンであった。陰極インクは例１に於けると同じ仕方で用意された。エムイーエイは前の例で説明されたと同じ仕方で用意され、１３０℃でホットプレスされた。
【００８０】
６０℃、３気圧の圧力、毎分７から２４０ｓｃｃの流量で運転された５ｃｍ^２の電池を通して１Ｍのメタノール溶液が循環された。酸素出口（説明された様に）で水が集められ、Ｗ係数とＨが計算された。得られた該Ｈ値はピーシーエムベースの電池で得られた値より高いが、エルエイエヌエルのナフイオンベースの電池についての図９で説明されたそれらより低かった（非特許文献１参照）。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１Ａ】本発明の１実施例の燃料電池を略図的に図解する。
【図１Ｂ】本発明の燃料電池もう１つの実施例の断面を略図的に図解する。
【図２】図１Ａに示す種類の燃料電池からの水の蒸発を促進する配備のブロック線図である。
【図３】燃料電池の水ドレーンシステムを示す。
【図４】水ドレーンスタックを示す。
【図５】本発明の１実施例の陰極構造を、断面で、示す。
【図６】本発明の１実施例により、そこからの蒸発を制御するための手段を有する燃料電池を略図的に示す。
【図７】本発明のもう１つの実施例により、そこからの蒸発を制御するための手段を有する燃料電池を示す。
【図８】４電極液体レベル検出器を略図式に示す。
【図９】本発明と従来技術について、１５０ｍＡ／ｃｍ^２で水の流れ（water flux）が酸素流量に依存していることを図解するグラフ図である。

Claims

陽子伝導膜を有する燃料電池での使用に好適な陰極に於いて、該陰極が触媒層と疎水性で多孔質の支持層とを備える複数の層を具備しており、前記複数の層の少なくとも１つは気体の通過を許容し、液体水及び／又は水性燃料溶液の通過を防止することが出来る液体水密封層であることを特徴とする該陰極。
前記液体水密封層が導電性であることを特徴とする請求項１の陰極。
前記液体水密封層が０．００１マイクロメートルと５マイクロメートルの間の寸法のホール又はクラックを有する疎水性層であることを特徴とする請求項１又は２の陰極。
前記ホール又はクラックが０．０１マイクロメートルと０．５マイクロメートルの間の寸法であることを特徴とする請求項３の陰極。
前記触媒層が液体水密封層であることを特徴とする請求項１から４の何れか１つの陰極。
前記複数の層の１つが、又液体水密封層でもある疎水性気体拡散層であることを特徴とする請求項１から５の何れか１つの陰極。
前記気体拡散層が該疎水性多孔質支持層内に埋め込まれていることを特徴とする請求項６の陰極。
液体水密封層が該触媒層上に直接付けられることを特徴とする請求項１から４の何れか１つの陰極。
陽極と、陽子伝導膜とそして陰極とを有する膜電極組立体（エムイーエイ）に於いて、該陰極が請求項１から８の何れか１つであることを特徴とする該膜電極組立体。
液体が前記エムイーエイからエスケープすることを防止するシール作用を有することを特徴とする請求項９のエムイーエイ。
前記シール作用が該陰極縁と該陽子伝導膜の間にもたらされることを特徴とする請求項１０のエムイーエイ。
シール作用が該陽子伝導膜の縁上にもたらされることを特徴とする請求項１０又は１１のエムイーエイ。
陽子伝導膜と請求項１から９の何れか１つの陰極とを備える燃料電池を具備することを特徴とする燃料電池配備。
請求項９から１２の何れか１つのエムイーエイを備える燃料電池を具備することを特徴とする燃料電池配備。
前記燃料電池が、水素及び水溶性燃料から選択された燃料を供給される、直接酸化燃料電池であることを特徴とする請求項１３又は１４の燃料電池配備。
前記水溶性燃料がメタノール、シュウ酸ジメチル、エチレングリコールそしてエチレングリコールのオリゴマーとポリマーから選択されることを特徴とする請求項１５の燃料電池配備。
前記水溶性燃料が該燃料溶液の粘度を高める添加物を含むことを特徴とする請求項１５又は１６の燃料電池配備。
前記添加物が不活性ポリマー材料であることを特徴とする請求項１７の燃料電池配備。
前記添加物がポリアクリル酸とポリアクリル酸のアルカリ金属塩とから選択されたコンパウンドを含むことを特徴とする請求項１８の燃料電池配備。
前記燃料電池が液体が前記燃料電池からエスケープすることを防止するシール用手段を有することを特徴とする請求項１３から１９の何れか１つの燃料電池配備。
前記燃料電池が、２枚の支持用プレートであるがそれら間に重ねられた層のスタックをサンドウイッチした該支持用プレートと、該陰極を囲むガスケットと、そして該ガスケットと該スタック内の層の少なくとも１つとの間の何等かのギャップをシールするシール材材料と、を具備することを特徴とする請求項２０に燃料電池配備。
前記燃料電池からの水の蒸発を制御する手段を具備する請求項１３から２１の何れか１つの燃料電池配備。
前記燃料電池の運転経過中に該陰極上での水圧形成を防止する手段を具備することを特徴とする請求項１３から２０の何れか１つの燃料電池配備。
前記陰極が陽子伝導膜に面する第１の側と電流コレクターに面する第２の側とを有し、そして該セルからの水の蒸発を制御するための前記手段がそこから水蒸気を除去するために該陰極の該第２の側上への空気の流れを強制するための手段を有することを特徴とする請求項２２の燃料電池配備。
空気の流れを強制するための前記手段がブロワーであることを特徴とする請求項２４の燃料電池配備。
前記ブロワーが前記燃料電池により発生される電気により電力を与えられることを特徴とする請求項２５の燃料電池配備。
該電池からの水の蒸発を制御するための前記手段が液体レベル検出器を有することを特徴とする請求項２２から２６の何れか１つの燃料電池配備。
水の蒸発を制御するための前記手段が通って蒸気が蒸発する陰極表面面積の部分を制御するための配備を有することを特徴とする請求項２２から２７の何れか１つの燃料電池配備。
前記制御する配備が可変寸法のホールを有する蒸発バリアを備えることを特徴とする請求項２８の燃料電池配備。
前記バリアが、固定されパーフオレートされた層と、摺動するパーフオレートされた層と、を具備しており、通って蒸気が蒸発する該陰極面積の部分が、該固定されパーフオレートされた層に対する該摺動するパーフオレートされた層の位置により決定されることを特徴とする請求項２９の燃料電池配備。
前記パーフオレートされた層の各々がｃｍ^２当たり０．５から１０の間のホールを有することを特徴とする請求項３０の燃料電池配備。
通って蒸気が蒸発する該陰極面積の前記部分が該陰極面積の０．２から７０の間のパーセントであることを特徴とする請求項２６又は２７の燃料電池配備。
前記部分が該陰極面積の２から３０パーセントの間にあることを特徴とする請求項３２の燃料電池配備。
前記固定された層に対する前記摺動する層の位置が液体レベル検出器を有する制御手段により制御されることを特徴とする請求項３０から３３の何れか１つの燃料電池配備。
前記液体レベル検出器は、液体媒体を収容するための閉じたコンテナーを具備しており、かつ、各々が該コンテナーの内部空間と接触する離れ隔てられた電極を有する電極の配備を具備しており、前記電極の配備は電圧の印加により、該コンテナー内に必要量の該媒体があるかどうかを検出するよう動作可能であることを特徴とする請求項２７から３４の何れか１つの燃料電池配備。
該電極は、それらが幾つかの異なるレベルでの該コンテナー内部の該媒体の存在を検出出来るように配置されており、それにより空間内での該コンテナーの配向に無関係な該検出を提供することを特徴とする請求項３５の燃料電池配備。
前記電極の配備は、少なくとも２つの電極が、実質的に該コンテナーの中央領域を通過する仮想ラインにより相互に接続可能な該コンテナー内の場所に存在するように配置された、少なくとも４つの電極から構成されることを特徴とする請求項３５の燃料電池配備。
該コンテナーは６辺を有する、閉じた構造体であり、そして該電極の各々は該コンテナーの異なる隅により近く置かれることを特徴とする請求項３７の燃料電池配備。
直流−直流変換器と、再充電可能なバッテリーとそして、少なくとも１つの請求項１３から３８の何れか１つの燃料電池配備と、を具備することを特徴とするハイブリッド電源。
コンテナー内の液体媒体のレベルを検出するための液体レベル検出器に於いて、該検出器が、各々が該コンテナーの内部空間と接触しつつ、離れ隔てられた関係に配置された電極を有する電極の配備を具備しており、該電極の配備は電圧の印加により、空間内での該コンテナーの配向に関係無く、該コンテナー内に必要量の該媒体があるかどうかを検出するよう動作可能であることを特徴とする該液体レベル検出器。
該電極は、電極の異なる対が該コンテナー内の異なるレベルを規定するように配置されており、それにより該検出器は幾つかの異なるレベルでの該コンテナー内部の該媒体の存在を検出出来ることを特徴とする請求項４０の液体レベル検出器。
前記電極の配備は少なくとも４つの電極で構成されることを特徴とする請求項４０又は４１の液体レベル検出器。
該電極は、少なくとも２つの電極が、該コンテナーの実質的に中央領域を通過する仮想ラインにより相互に接続可能な該コンテナー内位置に存在するよう、配置されることを特徴とする請求項４２の液体レベル検出器。
該コンテナーは６辺を有する閉じた構造体であり、該電極の各々は該コンテナーの異なる隅により近く置かれることを特徴とする請求項４３の液体レベル検出器。
該検出器は該電極の異なる対により規定される異なるレベルで該媒体の抵抗を周期的に又は連続的に測定するよう動作可能であり、少なくとも１対の該電極により測定された或る基準値からの抵抗変化の検出は、該コンテナー内の該媒体のレベルを下げることを示しており、それにより該コンテナー内の該媒体の予め決められたレベルを保つことを可能にすることを特徴とする請求項４０から４４の何れか１つの液体レベル検出器。
アンテナと、イエアフオンと、燃料電池と、燃料タンクと、そして水タンクとを具備するセルラー電話に於いて、該燃料電池は、該アンテナから放射される放射の少なくとも１部分が前記燃料電池により吸収されるように、前記アンテナと前記イエアフオンとの間に配置されることを特徴とする該セルラー電話。
前記燃料電池が請求項１３から３８の何れか１つの燃料電池配備であることを特徴とする請求項４６のセルラー電話。
各々が燃料タンクを有する少なくとも２つの燃料電池を具備する燃料電池組立体に於いて、前記燃料電池が多孔質で疎水性の非導電性フイルムでカバーされたアパーチャを有する共通壁を有して相互に隣接して作られることを特徴とする燃料電池組立体。
該陰極上での水圧形成を防止するための手段を具備することを特徴とする請求項１３から３８の何れか１つの燃料電池配備。
前記手段が水ドレーンダクトに接続された水コレクターを有することを特徴とする請求項４９の燃料電池配備。
前記水コレクターが該陰極内にプレスされた親水性チャンネルを有することを特徴とする請求項５０の燃料電池配備。
前記水コレクターが親水性フアイバーを有することを特徴とする請求項５０の燃料電池配備。
前記水コレクターが少なくとも１つの親水性層であることを特徴とする請求項５０の燃料電池配備。
該陰極上での水圧形成を防止するための手段を具備する燃料電池配備に於いて、前記手段は水ドレーンダクトへ接続された少なくとも１つの水コレクターを備えており、前記少なくとも１つの水コレクターは該陰極上に置かれた親水性層と、該陰極内にプレスされた親水性チャンネルと、そして該陰極を横切って付けられた親水性フアイバーから選択されることを特徴とする該燃料電池配備。