(57)【要約】  この発明は、動作媒体を供給するための特別な装置を備えた低温燃料電池スタックに関する。この発明による低温燃料電池スタックは、中央の動作媒体供給部の他に、液体の動作媒体のための別の供給機器又は貯蔵機器を備えていることと、特に、個々の電池への配分流路の前に、それぞれ中央の動作媒体供給部に合流する別個に駆動可能な複数の計量機器を備えていることとを特徴とする。計量機器としては、制御可能なバルブ、制御可能なピエゾポンプ又は熱により制御可能な供給部が適している。この発明は、有利には、燃料電池スタック内の所定の地点、特に、個々の電池への入口において、燃料の所定の濃度又は酸化剤の所定の湿度を設定することを可能とする低温燃料電池スタックの動作方法に関する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
個々の電池に対する中央の動作媒体供給部を備えた低温燃料電池スタックにおいて、
燃料電池スタックが、液体の動作媒体のための別の供給機器又は貯蔵機器を備えていることと、
燃料電池スタックが、前記の別の供給機器又は貯蔵機器と繋がった、中央の動作媒体供給部に合流する別個に駆動可能な複数の計量機器を備えていることと、
を特徴とする低温燃料電池スタック。
【請求項２】
当該の計量機器として、少なくとも一つの制御可能なバルブ、制御可能なピエゾポンプ又は熱により制御可能な供給部を備えている請求項１に記載の低温燃料電池スタック。
【請求項３】
当該の計量機器は、それぞれ個々の電池への配分が行われる地点で動作媒体供給部に合流する請求項１又は２に記載の低温燃料電池スタック。
【請求項４】
メタノール又は高濃度のメタノール溶液を供給するための供給機器又は貯蔵機器を備えている請求項１から３までのいずれか一つに記載の低温燃料電池スタック。
【請求項５】
水を供給するための供給機器又は貯蔵機器を備えている請求項１から３までのいずれか一つに記載の低温燃料電池スタック。
【請求項６】
当該の計量機器が、センサーと接続されている請求項１から５までのいずれか一つに記載の低温燃料電池スタック。
【請求項７】
動作媒体の濃度、酸化剤の湿度、セル電圧及び温度の中の一つ以上を計測することが可能なセンサーを備えている請求項６に記載の低温燃料電池スタック。
【請求項８】
当該の計量機器に対する制御機器としてのセンサーを備えている請求項１から６までのいずれか一つに記載の低温燃料電池スタック。
【請求項９】
それぞれ一つのセンサーとそのセンサーを制御する計量機器とが近接して配置されている請求項１から６までのいずれか一つに記載の低温燃料電池スタック。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか一つに記載の低温燃料電池スタックの動作方法であって、別個に駆動可能な計量機器によって、少なくとも一つの燃料電池に目標を定めて動作媒体を供給する方法。
【請求項１１】
一つの計量機器によって、各燃料電池に目標を定めて動作媒体を供給する請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
メタノール又は高濃度のメタノール溶液を供給する請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
動作媒体の濃度、酸化剤の湿度、セル電圧及び温度の中の一つ以上を計測することが可能なセンサーによって、別個に駆動可能な計量機器を別個に制御する請求項１０から１２までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１４】
それぞれ近接して配置したセンサーによって、各計量機器を別個に制御する請求項１０から１３までのいずれか一つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、低温燃料電池スタックとその動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術による燃料電池スタックは、通常中央の動作媒体供給部を備えている。個々の燃料電池は、そこから配管を介して供給を受けている。そして、通常動作媒体は、更にバイポーラプレート内の流路を介して、或いは膜・電極接合体（ＭＥＡ）の面上の網構造を介して出来る限り同じ形態で分配されている。
【０００３】
しかし、従来技術により周知の装置は、そのような目的とする個々の電池に燃料を均等に配分することが多くの場合満足できる形で実現できていないという欠点を有する。特に、電池内に生じる水滴、ブローホール及び製造誤差は、一般的に個々の燃料電池への供給不足に繋がる。しかし、正にダイレクトメタノール式燃料電池では、効率及び電気出力を最大にするためには、個々の電池内のメタノール濃度を精確かつ高速に制御する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この発明の課題は、スタック内の個々の燃料電池に対してメタノールの所定の濃度を設定することを可能とする方法を提示することである。更に、この発明の課題は、その方法を実施するのに相応しい装置を提示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明の課題は、請求項１の特徴全体を備えた低温燃料電池スタック及び従属請求項に記載の方法によって解決される。この発明による方法及び低温燃料電池スタックの有利な実施構成は、それぞれそれらの請求項を引用する請求項に記載されている。
【０００６】
この発明は、低温燃料電池スタック内の個々の燃料電池への一定数の供給地点において、所定の濃度の燃料又は給湿用水を設定又は供給することを可能とする方法に関する。
【０００７】
そのために、有利には、燃料の濃度、酸化ガスの湿度又はセル電圧に関する情報を示すことが可能なセンサーを燃料電池スタック内の相異なる地点に配置する。これらの情報は、燃料電池スタックの所定の地点に配置された一つ以上の計量機器に関する制御要素としての役割を果たす。計量機器としては、特に、制御可能なバルブ、制御可能なピエゾポンプ又は熱により制御可能な供給部が適している。
【０００８】
計量機器に関しては、従来の手段に頼ることができる。計量方法は、例えば、インクジェット式印刷などでのバブルジェット法と同様に実行することができる。この場合、インク滴を発生するために、基本的にピエゾポンプとポンプによる二つの相異なる方法が有り、それらの方法では、短時間の大きなエネルギーの印加によってインクの一部を気化させ、インクをノズルヘッドから放出している。このような形で機能する計量機器は、この発明の範囲内では、熱により制御可能な供給部として考えられる。
【０００９】
計量機器は、それぞれ動作媒体、燃料又は酸化剤で満たされた別の供給機器又は貯蔵機器と繋がっている。この供給機器又は貯蔵機器は、特に、例えば、貯蔵タンクに合流する別の動作媒体配管とすることができる。
【００１０】
低温燃料電池スタックの動作時には、通常の中央供給配管を介して、個々の電池に燃料が送られる。好適な地点に取り付けられたセンサーは、有利には、それぞれ計測した制御情報、例えば、動作媒体の局所的な濃度、酸化剤の湿気含有量、個々の電池の相応のセル電圧などを検出する。センサーが、予め規定された目標値からの偏差を検出した場合、そのことにもとづき、そのセンサーに割り当てられ、有利には、そのセンサーの空間的に近い場所に配置された計量ユニットを制御する。センサーにおいて目標値と比べて少ない濃度を発生させることとなる、動作媒体、特に、燃料の供給不足に対しては、それに対応する計量ユニットを制御して、それによりその地点に追加的な燃料を供給する。酸化媒体の湿度が低すぎる場合、計量ユニットによって、例えば、水を供給することができる。
【００１１】
計量自体は、従来の制御アルゴリズムにもとづき行うことができる。センサーが予め規定された目標値に対応する信号を検出するまで、パルス状に計量した供給と連続的に計量した供給の両方が考えられる。その検出によって、計量ユニットが停止される。しかし、予め規定された一つの目標値に代わって、複数の限界値にもとづき動作させる制御も考えられる。この場合、燃料に関する計量は、有利には、濃縮された燃料を用いて、即ち、メタノールと水による燃料電池の場合には、特に、高濃度又はそれどことろか純粋なメタノールを用いて行われる。
【００１２】
この発明による低温燃料電池スタックは、動作媒体の通常の中央供給部に加えて、液体の動作媒体、特に、液体の燃料又は水のための少なくとも一つの別の供給機器又は貯蔵機器を有する。この機器は、例えば、特に、高濃縮燃料を供給するための別の供給配管とすることができる。
【００１３】
この発明によるダイレクトメタノール式燃料電池に関する新しい技術思想は、次の技術的特徴を規定する。
・燃料電池スタックは、液体の燃料を貯蔵するための少なくとも一つの追加的な内部空間、特に、液体の動作媒体のための別の供給機器又は貯蔵機器を備える。
・液体の動作媒体は、特に、メタノール、高濃度のメタノール溶液又は水である。
・内部空間は、複数の地点で計量機器と繋がる。
・計量機器は、動作媒体を個々の電池に送るための供給配管に合流する。
・計量機器は、別個に制御することが可能である。
・計量機器は、特に、ピエゾポンプ、熱により制御可能な供給部又は相応に制御可能なバルブである。
・バルブ又はポンプは、個々の電池の負荷及び動作状態に関する情報が一同に集まる制御部によって制御される。
【００１４】
これらの主要な技術的特徴によって、有利には、場所毎に、個々の燃料電池に供給する動作媒体の濃度を設定することが可能となる。
【００１５】
前述した低温燃料電池スタックの構造は、燃料の計量のためにアノード側と、有利には、カソード側にも採用することが可能であり、その場合液体の媒体として、有利には、給湿を目的とする水が使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下において、この発明の対象を図面にもとづき詳しく説明するが、それによって、この発明の対象は制限されない。
【００１７】
図１には、動作媒体を燃料電池スタック１内の個々の燃料電池に配分するための従来技術が図示されている。動作媒体の配分は、個々の矢印によって表示されている。動作媒体、特に、燃料は、先ずは中央の動作媒体供給部２に到達し、次に個々の電池への個々の配分流路３内へと分岐して行く。それに対応する個々の電池及び燃料電池スタックからの流出が、白の矢印で表示されている。
【００１８】
それに対して、図２は、計量機器５を介して、動作媒体、特に、高濃度の動作媒体、例えば、純粋なメタノールなどを追加的に供給することによる、動作媒体の局所的な濃度を設定するための改善策を図示している。計量機器は、液体の動作媒体のための一つ以上の別の追加的な供給機器又は貯蔵機器４と繋がっており、それを介して動作媒体を供給する。供給機器又は貯蔵機器は、例えば、別の流路及び／又はプレート内に有る空洞（貯蔵タンク）とすることができる。計量機器は、有利には、個々の燃料電池又は電池グループに目標を定めて所望の濃度を設定することができるように、配分流路への分岐点の近くで中央の動作媒体供給部に合流するか、それどころかその供給部に直接合流する。
【００１９】
好適に取り付けたセンサーによって、個々に駆動可能な計量機器にセンサー情報を提供して、動作媒体の供給に関する地点毎の制御又は調節を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来技術による燃料電池スタック内における個々の燃料電池への動作媒体の配分系統図
【図２】この発明による計量機器を介した燃料電池スタック内における個々の燃料電池への動作媒体の配分系統図
【図１】
2008535191.tif 000002
【図２】
2008535191.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】平成19年1月19日(2007.1.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
個々の電池に対する中央の動作媒体供給部を備えた低温燃料電池スタックにおいて、
燃料電池スタックが、液体の動作媒体のための別の供給機器又は貯蔵機器を備えていることと、
燃料電池スタックが、前記の別の供給機器又は貯蔵機器と繋がった、中央の動作媒体供給部に合流する別個に駆動可能な複数の計量機器を備えていることと、
計量機器が、温度を計測することが可能なセンサーと接続されていることと、
を特徴とする低温燃料電池スタック。
【請求項２】
当該の計量機器として、少なくとも一つの制御可能なバルブ、制御可能なピエゾポンプ又は熱により制御可能な供給部を備えている請求項１に記載の低温燃料電池スタック。
【請求項３】
当該の計量機器は、それぞれ個々の電池への配分が行われる地点で動作媒体供給部に合流する請求項１又は２に記載の低温燃料電池スタック。
【請求項４】
メタノール又は高濃度のメタノール溶液を供給するための供給機器又は貯蔵機器を備えている請求項１から３までのいずれか一つに記載の低温燃料電池スタック。
【請求項５】
水を供給するための供給機器又は貯蔵機器を備えている請求項１から３までのいずれか一つに記載の低温燃料電池スタック。
【請求項６】
当該の計量機器に対する制御機器としてのセンサーを備えている請求項１から５までのいずれか一つに記載の低温燃料電池スタック。
【請求項７】
それぞれ一つのセンサーとそのセンサーを制御する計量機器とが近接して配置されている請求項１から６までのいずれか一つに記載の低温燃料電池スタック。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか一つに記載の低温燃料電池スタックの動作方法であって、温度を計測することが可能なセンサーによって、別個に駆動可能な計量機器を別個に制御し、これらの別個に駆動可能な計量機器によって、少なくとも一つの燃料電池に目標を定めて動作媒体を供給する方法。
【請求項９】
一つの計量機器によって、各燃料電池に目標を定めて動作媒体を供給する請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
メタノール又は高濃度のメタノール溶液を供給する請求項８又は９に記載の方法。
【請求項１１】
それぞれ近接して配置したセンサーによって、各計量機器を別個に制御する請求項８から１０までのいずれか一つに記載の方法。
【国際調査報告】
2008535191.tif 000004
2008535191.tif 000005
2008535191.tif 000006
2008535191.tif 000007