(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池装置であって、
第１燃料電池ユニット（１１０）と
メタン生成ユニット（２００）と、
制御ユニット（３００）と、
を備え、
前記第１燃料電池ユニットは、
水を水素及び酸素に変換するための活性部（１１４、１１５、１１８）と、
水入口（１１１）と、
水素出口（１１２）と、
酸素出口（１１３）と、
を備え、
前記メタン生成ユニットは、
触媒（２２２）と、
水素入口（２１２）と
第１の制御可能バルブ（２１５）を有する一酸化炭素および／または二酸化炭素入口（２１４）と、
メタン出口（２１６）と、
を備え、
前記第１燃料電池ユニットの前記水素出口は、前記メタン生成ユニットの前記水素入口に結合され、
前記メタン生成ユニットは、触媒によって、水素及び一酸化炭素および／または二酸化炭素をメタンに変換するように適合され、
前記メタン生成ユニット（２００）は、前記メタン生成ユニットから前記第１燃料電池ユニットへの熱輸送を可能にするように、前記メタン生成ユニット（２００）及び前記第１燃料電池ユニット（１１０）が共通壁を共有するように配列され、
前記制御ユニットは、水素及び一酸化炭素および／または二酸化炭素をメタンに変換するための、最適な変換プロセスを得るように、前記第１の制御可能なバルブを制御するように適合される、燃料電池装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池装置であって、
複数の燃料電池ユニット（１１０）を備え、これらの１つは、前記第１燃料電池ユニット（１１０）であり、前記複数の燃料電池ユニットの各々は、
水を水素及び酸素に変換するための活性部（１１４、１１５、１１８）と、
水入口（１１１）と、
水素出口（１１２）と、
酸素出口（１１３）と、
を備え、
前記メタン生成ユニット（２００）は、前記メタン生成ユニットから前記複数の燃料電池ユニットの各々への熱輸送を可能にするように、前記複数の燃料電池ユニット（１１０）の各々が前記メタン生成ユニット（２００）と共通壁（１５０）を共有するように配列され、
前記メタン生成ユニット（２００）は、
各々が制御可能なバルブ（２１５）を有する複数の一酸化炭素および／または二酸化炭素入口（２１４）を更に備え、
前記複数の燃料電池ユニットの各々の前記水素出口は、前記メタン生成ユニットの前記水素入口に結合され、
前記制御ユニット（３００）は、水素及び一酸化炭素および／または二酸化炭素をメタンに変換するための、最適な変換プロセスを得るように、前記複数の制御可能なバルブ（２１５）を制御するように適合される、燃料電池装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池装置であって、
前記メタン生成ユニット（２００）は、複数のメタン生成サブセクション（２１０）を備え、前記メタン生成サブセクションの各々は、複数の燃料電池ユニット（１１０）の少なくとも１つに割り当てられ、前記メタン生成サブセクションの各々は、各々が制御可能なバルブ（２１５）を有する複数の一酸化炭素および／または二酸化炭素入口（２１４）の１つを備える、燃料電池装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池装置であって、
前記メタン生成ユニット（２００）は、前記メタン生成ユニットにおける動作パラメータを感知するために、少なくとも１つのセンサ（２１８）を備え、前記センサは、圧力センサ、メタンセンサ、水素センサ、温度センサ、一酸化炭素および／または二酸化炭素センサから成る群から選択され、前記制御ユニット（３００）は、測定された一酸化炭素および／または二酸化炭素濃度に基づいて、前記第１の制御可能なバルブを制御するように適合される、燃料電池装置。
【請求項５】
請求項２から４のいずれか一項に記載の燃料電池装置であって、
前記制御ユニット（３００）は、測定された前記一酸化炭素および／または二酸化炭素濃度に基づいて、前記複数の制御可能なバルブ（２１５）の各々を別々に制御するように適合される、燃料電池装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池装置であって、
前記メタン生成ユニット（２００）は、少なくとも１つの圧力制御バルブ（２１９）を備え、前記圧力制御バルブは、前記メタン生成ユニットにおける、感知された動作パラメータで制御可能である、燃料電池装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池装置であって、
前記メタン生成ユニットは、少なくとも１つの水素残留ガス出口（２２０）を更に備える、燃料電池装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池装置であって、
前記メタン生成ユニットは、少なくとも１つの一酸化炭素および／または二酸化炭素残留ガス出口（２２１）を更に備える、燃料電池装置。
【請求項９】
請求項２から８のいずれか一項に記載の燃料電池装置であって、
前記複数の燃料電池ユニット（１１０）の各々は、カソード（１１４）及びアノード（１１８）並びに、前記カソードと前記アノードとの間の燃料電池メンブレン（１１５）を備え、少なくとも１つの燃料電池メンブレンは、制御電極配列（１１６）を備え、前記燃料電池装置は、電極配列制御ユニット（１１７）を更に備える、燃料電池装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池装置であって、
前記燃料電池装置は、少なくとも１つのｄｉ／ｄｔ測定ユニット（１１９）を備え、前記電極配列制御ユニット（１１７）は、測定されたｄｉ／ｄｔに基づいて、前記電極配列（１１６）を制御するように適合される、燃料電池装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載の燃料電池装置であって、
前記メタン生成ユニット（２００）は、触媒作用物質で被覆されている活性壁表面部（２２２）を備え、前記触媒作用物質は、ニッケル、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、貴金属、特に白金及び白金合金から成る群から選択された固相触媒材料である、燃料電池装置。
【請求項１２】
請求項３から１１のいずれか一項に記載の燃料電池装置であって、
矩形断面を有するハウジング（２）を更に備え、前記複数の燃料電池ユニット（１１０）は、積み重ねられ、燃料電池ユニット（１１０）の各々は、少なくとも１つの切断縁部（１２１）を具備する矩形外被を有し、前記燃料電池ユニットの各々の前記切断縁部は、互いに対応し、前記矩形ハウジングと前記対応する切断縁部との間のスペースは、ガス（３）を送るための経路を形成する、燃料電池装置。
【請求項１３】
請求項３から１２のいずれか一項に記載の燃料電池装置であって、
矩形ハウジング（２）を更に備え、各燃料電池ユニット（１１０）は、３つの切断縁部（１２１、１２１ａ／ｂ／ｃ）を具備する矩形外被を有し、各燃料電池ユニットの前記３つの切断縁部は、互いに対応し、前記矩形ハウジングと対応する切断縁部との間のスペースは、ガスを送るための少なくとも３つの経路（３ａ／ｂ／ｃ）を形成し、第１経路（３ａ）は水蒸気を提供するために供し、第２経路（３ｂ）は酸素収集のために供し、第３経路（３ｃ）はメタン生成ユニット（２００）を受け入れるために供し、前記複数の燃料電池の各々の前記水素出口（１１２）は、前記メタン生成ユニット（２００）の前記水素入口（２１２）の少なくとも１つに結合される、燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高効率燃料電池に関し、且つ、特にメタン生成プロセスのための、酸化炭素の逆方向供給を有する触媒部を含む燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料及び酸素が、例えば水素及び酸素が供給される場合、電気を発生させるのに使用することが可能である。しかしながら、燃料電池はまた、逆の方法で動作させることが可能である。この場合、燃料電池は、電気分解プロセスを実施するために電気が供給され、それによって、水若しくは水蒸気から、例えば酸素及び水素を生成することが可能である。この動作モードで燃料電池を使用する場合、燃料電池は、電気の過剰発生を利用すると共に、高品質燃料を生産することを目的として、使用することが可能である。この燃料は、例えば、電気が蓄積されるよりも、はるかに容易な方法で蓄積することが可能である。特に、水素を蓄積することは、等価な電気若しくは電気エネルギーを蓄積するよりも容易である。更に、例えば加熱目的のような、他の目的のために、高品質の燃料を生成することが可能である。しかしながら、水素を扱うことは、付加的な問題を発生させる可能性があり、その理由は、蓄積体積を減少させるために、水素を圧縮するための高圧が必要となるからである。更に、燃料としての水素を使用することは、重大な安全性問題を引き起こしてもよい。その理由は、特別な環境下の水素は、極めて爆発の可能性が高いからである。それ故に、水素は、メタン生成プロセスを通して、メタンに変換してもよい。このように、水素は変換されたメタンであってもよく、このメタンは、公共燃料若しくはガス敷設網に供給することが可能である。そのようなプロセスは、例えば、特許文献１若しくは特許文献２で説明されている。特許文献３は、メタン生成プロセスのための、触媒を含む反応管を有する燃料電池配列を説明している。反応管は、燃料電池の下流にあり、且つ導管によって接続される。熱交換器は、燃料電池と反応管との間に配列してもよい。特許文献４は、燃料電池を制御するための内部アクチュエータを有する燃料電池を説明している。特許文献５は、メタン生成反応器及びメタン生成反応器を動作させるための方法を説明している。上記の見地に基づいて、先行技術の燃料電池配列に対して、より高い効率を有する燃料電池配列を有することは、有利であってもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】韓国特許出願第１０−０８１４１５６号
【特許文献２】韓国特許出願第１０−１０９３６７４号
【特許文献３】米国特許出願公開第２００４／０２０２９１４号
【特許文献４】独国特許出願第１０２０１１０８８６１３号
【特許文献５】欧州特許出願第２５４０３８８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、高効率燃料電池及び高効率燃料電池を動作させるための方法、対応するプログラム要素及びコンピュータ可読な媒体を提供するが、これらは、独立請求項の主題に記載されている。更なる実施形態は、従属請求項に組み込まれる。注意するべきことであるが、次に説明される、本発明の代表的な実施形態はまた、装置、高効率燃料電池、方法、プログラム要素及びコンピュータ可読な媒体に対しても適用される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
代表的な実施形態によれば、第１燃料電池ユニットと、メタン生成ユニットと、制御ユニットとを備える燃料電池配列が提供され、第１燃料電池ユニットは、水を水素及び酸素に変換するための活性部と、水入口と、水素出口と、酸素出口とを備え、メタン生成ユニットは、触媒と、水素入口と、第１の制御可能なバルブを有する酸化炭素入口と、メタン出口とを備え、第１燃料電池ユニットの水素出口は、メタン生成ユニットの水素入口に結合され、メタン生成ユニットは、水素及び酸化炭素をメタンに変換するように適合され、制御ユニットは、水素及び酸化炭素をメタンに変換するための、最適化された変換プロセスを得るように、第１の制御可能なバルブを制御するように適合される。
【０００６】
従って、最適化された変換プロセスを得るように、メタン生成ユニットに供給される酸化炭素を制御することが可能である。特に、燃料電池の、特にメタン生成プロセスの効率は、メタン生成ユニットに供給される酸化炭素を制御する場合、著しく増加し得る。注意するべきことであるが、酸化炭素は、一酸化炭素若しくは二酸化炭素であってもよく、若しくは、一酸化炭素若しくは二酸化炭素を含んでもよい。更に、注意するべきことであるが、水入口は、燃料電池ユニットに水が供給される可能性を意味し、この水は、水蒸気のような、ガスの形態にある水を含む。燃料電池ユニットは、カソードと、アノードと、カソードとアノードと間のメンブレンと、を有してもよい。メタン生成ユニットの水素入口に結合されている第１燃料電池ユニットの水素出口は、第１燃料電池ユニットとメタン生成プロセスとの間の共通の境界面によって実現してもよい。注意するべきことであるが、水素出口は、具体化された装置として排他的に理解されるべきでなく、しかし、メタン生成ユニットの水素入口と共に、機能的な境界面であってもよい。特に、第１燃料電池ユニットが、メタン生成ユニットに隣接して直接配列されるような配列を提供する場合には、第１燃料電池ユニットからメタン生成ユニットへの直接の移行があってもよく、このような移行は、燃料電池及びメタン生成ユニットそれぞれの、水素出口及び水素入口として機能する。制御ユニットは、例えば、燃料電池若しくはメタン生成ユニット内での感知に基づいて、第１の制御可能なバルブを制御してもよい。特に、水素及び／若しくはメタン、並びに／又は酸化炭素の濃度を感知してもよく、酸化炭素を供給する目的で、制御可能なバルブを制御するための基礎が得られる。バルブはまた、経験を積んだデータベースに基づいて、制御してもよい。制御ユニットは、酸化炭素の、例えば一酸化炭素及び／若しくは二酸化炭素の入口を制御するように、入口バルブを制御してもよく、この制御は、例えば、メタン生成ユニットの出口における一酸化炭素、及び／若しくは二酸化炭素、並びに／又はメタンの、決定された濃度に基づく。センサは、上記の濃度を決定するために、設けることが可能である。制御は、モーター駆動で実施してもよい。制御プロセスは、例えば、酸化炭素からメタンへの最大変換率を達成するように、プロセスを制御してもよい。メタン生成は触媒プロセス（このプロセスは活性化エネルギーを必要とする）であるため、酸化炭素の、例えば一酸化炭素及び／若しくは二酸化炭素の最適な濃度は、圧力及び温度に依存して、変化してもよい。代表的な実施形態によれば、燃料電池配列のメタン生成ユニットは、メタン生成ユニットから燃料電池ユニットへの熱輸送を可能とするように、燃料電池ユニットの傍に配列される。活性部は、燃料電池アノードと、燃料電池カソードと、これらの間のメンブレンとを備えてもよい。水入口、水素出口及び酸素出口は、活性部を含む体積部分と連通してもよい。水素入口、酸化炭素入口及びメタン出口は、触媒を含む体積部分と連通してもよい。
【０００７】
従って、発熱を伴うメタン生成プロセスに起因して、メタン生成ユニットで発生された熱は、燃料電池ユニットを加熱するために使用してもよい。
【０００８】
代表的な実施形態によれば、メタン生成ユニット及び燃料電池ユニットは、共通壁を共有する。共通壁は、メタン生成ユニットから燃料電池ユニットへの、直接の熱輸送を可能にしてもよい。共通壁は、燃料電池体積部分／空洞と触媒体積部分／空洞との間のセパレータであってもよい。共通壁は、燃料電池空洞から触媒空洞へ水素を輸送するための開口部を有してもよい。共通壁は、水素を輸送するための多孔質領域を有するものとして、設計してもよい。多孔質領域、特に多孔質領域の多孔率は、アクチュエータ、例えばピエゾアクチュエータによって制御してもよい。アクチュエータの起動は、制御ユニットによって実施してもよい。制御プロセスは、制御ユニットに実装される参照テーブルに基づいてもよい。
【０００９】
代表的な実施形態によれば、燃料電池配列は、内部メタン生成プロセスを可能とするように、燃料電池ユニット及びメタン生成ユニットを含む。これは、メタン生成ユニットの傍に燃料電池ユニットを配列することによって提供することが可能であるが、特に、燃料電池ユニットとメタン生成ユニットとの間の熱輸送を可能にする壁を共有する場合に当てはまる。メタン生成ユニットは、主要な内部メタン生成を実施してもよい。換言すると、任意選択的な、更なる後続のメタン生成ユニットを提供することも可能であり、この後続のメタン生成ユニットは、燃料電池及び（主要な）メタン生成ユニットを含む共通ハウジングの内部若しくは外部に位置してもよい。
【００１０】
代表的な実施形態によれば、燃料電池配列は、複数の燃料電池ユニットを更に備え、これらの１つは第１燃料電池であり、燃料電池の各々は、水入口と、水素出口と、酸素出口とを備え、メタン生成ユニットは、複数の酸化炭素入口を備え、各々が制御可能なバルブを有し、複数の燃料電池ユニットの各々の水素出口は、メタン生成ユニットの水素入口に結合され、制御ユニットは、水素及び酸化炭素をメタンに変換するための、最適な変換プロセスを得るように、複数の制御可能なバルブを制御するように適合される。
【００１１】
従って、メタン生成ユニットにおいてメタンの濃度を局所的に変化させることを考慮すると共に、酸化炭素の逆方向供給（ｆｅｅｄｉｎｇ  ｂａｃｋ）若しくは正方向供給（ｆｅｅｄｉｎｇ  ｆｏｒｗａｒｄ）さえも制御することが可能であるが、これは、メタン及び／若しくは水素並びに／又は酸化炭素の局所的濃度に依存して行われる。従って、適量の酸化炭素が、メタン生成ユニットの複数の酸化炭素入口の１つに、それぞれ逆方向供給若しくは正方向供給されてもよく、酸化炭素、メタン、及び／若しくは水素の濃度の適合された制御を、メタン生成ユニット内で実行することが可能である。特に、既に上で説明したように、複数の燃料電池ユニットの複数の水素出口は、メタン生成ユニットの水素入口の中に直接移行してもよい。メタン生成ユニットの水素入口は、メタン生成ユニットに隣接する複数の燃料電池の伸長（ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）に対応して、メタン生成ユニットの範囲を超えて伸長してもよい。注意するべきことであるが、メタン生成ユニットの水素入口は、燃料電池ユニットとメタン生成ユニットとの間に複数の導管を備える配列であってもよいが、しかし、燃料電池ユニットの複数の水素出口を受け入れる共通レールの水素入口であってもよい。
【００１２】
代表的な実施形態によれば、メタン生成ユニットは、複数のメタン生成サブセクションを備え、メタン生成サブセクションの各々は、複数の燃料電池ユニットの１つに割り当てられ、メタン生成サブセクションの各々は複数の酸化炭素入口の１つを備え、各々は制御可能なバルブを有する。
【００１３】
従って、燃料電池配列のあるセクションにおいて、燃料電池ユニットとそれぞれのメタン生成サブセクションとの間には、一対一の対応が確立されてもよく、このことは、メタン生成ユニット全体におけるメタン生成プロセスの制御を、単純化する場合もある。しかしながら、注意するべきことであるが、２つ以上の燃料電池ユニットを１つのメタン生成サブセクションに割り当てる、若しくは２つ以上のメタン生成サブセクションを１つの燃料電池に割り当てることもまた可能である。注意するべきことであるが、燃料電池ユニットの数と、メタン生成サブセクションの数との対応を有しないこともまた可能である。
【００１４】
代表的な実施形態によれば、メタン生成ユニットは、少なくとも１つの加熱素子を備える。
【００１５】
メタン生成プロセスは、温度を上昇させると、加速されるしてもよい。特に、低温タイプの燃料電池を使用する場合、燃料電池ユニット若しくは複数の燃料電池ユニットの発熱は、最適化されたメタン生成プロセスを得るのに、十分でなくてもよい。加熱素子は、メタン生成プロセスを最適化するように、メタン生成ユニットで必要な温度を提供してもよい。注意するべきことであるが、複数の加熱素子が、メタン生成ユニットの伸長（ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）に沿う、それぞれの温度プロファイルを提供するために使用されてもよく、メタン生成ユニットにおける動作条件を局所的に制御することによって、メタン生成プロセスが制御される。注意するべきことであるが、特に、高温燃料電池ユニットを使用する場合、冷却素子もまた、メタン生成ユニットに適用してもよいが、これは、燃料電池ユニットの温度が、最適化されたメタン生成プロセスに対して高すぎる場合である。メタン生成は、例えば３００℃から７００℃の高温の発熱を伴う反応である。触媒（例えば、ニッケル）、及び活性化エネルギーを付加することによって、反応は促進される。その理由は、水素の遅い反応にある。分子形態では、水素は反応が遅い（不活性）。加熱すると、水素は分子形態から原子形態に変換される。原子形態は、反応がより速い。活性化エネルギーの大きさは、圧力に依存する。１バール（ｂａｒ）では、１００ｋＪ／ｍｏｌが要求される。より高い圧力では、活性化エネルギーの大きさは、より小さい。例えば、４バールでは、活性化エネルギーは、約７５ｋＪ／ｍｏｌである。
【００１６】
代表的な実施形態によれば、メタン生成ユニットは、メタン生成ユニットにおける動作パラメータを感知するための、少なくとも１つのセンサを備え、該センサは、圧力センサ、メタンセンサ、水素センサ、温度センサ、酸化炭素センサから成る群から選択され、制御ユニットは、センサの感知に基づいて、バルブを制御するように適合される。
【００１７】
従って、メタン生成ユニットの特別な動作条件は、酸化炭素供給バルブの制御プロセスのための基礎を提供するように、感知されしてもよい。注意するべきことであるが、特にメタンセンサ、水素センサ及び／若しくは酸化炭素センサは、それぞれの媒質の濃度を感知できるセンサであってもよい。注意するべきことであるが、メタン生成ユニットに沿って、各タイプの複数のセンサが提供され、メタン生成ユニットの動作条件の局所的分布が感知され、結果として、複数の酸化炭素供給バルブを制御するための適切な基礎が提供される。
【００１８】
代表的な実施形態によれば、加熱素子は、メタン生成ユニットで感知された動作パラメータに従って制御可能である。
【００１９】
これによって、メタン生成ユニットの伸長に沿った温度プロファイルを制御することが可能である。
【００２０】
代表的な実施形態によれば、メタン生成ユニットは、少なくとも１つの圧力制御バルブを備え、該圧力制御バルブは、メタン生成ユニットにおける感知された動作パラメータに従って制御可能である。
【００２１】
従って、メタン生成ユニットに酸化炭素を供給する度合いによるだけでなく、メタン生成ユニット内の圧力を制御することによっても、メタン生成プロセスを制御することが可能である。特に、メタン生成ユニットでの圧力制御は、メタン生成プロセスを微調整するために使用してもよい。注意するべきことであるが、複数の圧力制御バルブを、メタン生成ユニットの伸長に沿って設けてもよい。
【００２２】
代表的な実施形態によれば、メタン生成ユニットは、少なくとも１つの水素残留ガス出口を更に備える。
【００２３】
従って、メタン生成ユニットから水素を、特にメタンに変換されていない残留水素を、取り出すことが可能である。残留水素は、メタン生成ユニットに逆方向供給してもよい。特に、水素は、メタン生成ユニットの１つのセクションに逆方向供給してもよいが、そこでは、水素の割合が低いことが予想されるか、若しくは感知される。
【００２４】
代表的な実施形態によれば、複数の燃料電池の各々は、カソードと、アノードと、カソードとアノードとの間の燃料電池メンブレンとを備え、少なくとも１つの燃料電池メンブレンは、制御可能な電極配列を備え、且つ燃料電池配列は、電極配列制御ユニットを更に備える。
【００２５】
従って、燃料電池の電気分解プロセスを制御すると共に、過剰加熱条件に対して迅速に反応することが可能である。特に、メンブレンを直接制御すると共に、燃料電池のまさに中核素子での制御を実行することが可能である。このことは、燃料電池ユニットの制御手続きの、迅速な応答及び高速な逆方向供給を可能にする。
【００２６】
注意するべきことであるが、電極配列は多重電極配列、例えば、垂直格子と交差する水平格子を有する格子若しくはパターンであってもよい。注意するべきことであるが、水平格子及び垂直格子は、分離されるように、離れて配列してもよい。電極配列は、メンブレンの表面上に、若しくはメンブレンの体積部分の中に配列してもよい。メンブレンの一方の表面側上に電極配列の一部を設け、メンブレンの他方の表面側上に電極配列の更なる一部を設けることもまた可能である。注意するべきことであるが、代替的な制御パラメータを、燃料電池動作プロセス、即ち、電気分解を制御するために使用してもよい。特に、電気的衝撃に対する代替的衝撃が提供されてもよく、代替的衝撃は、例えば、光衝撃、圧力衝撃、温度衝撃、若しくは燃料電池プロセスを制御するのに適切である、他の任意の衝撃のようなものである。
【００２７】
代表的な実施形態によれば、燃料電池配列は、少なくとも１つのｄｉ／ｄｔ測定ユニットを備え、ここで電極配列制御ユニットは、測定された、若しくは感知されたｄｉ／ｄｔに基づいて、電極配列を制御するように適合される。
【００２８】
従って、電流勾配を測定すると共に、測定された、若しくは検出された、又は感知された電流勾配から、燃料電池の状態を結論することが可能であり、燃料電池は、電極配列を制御することによって、適切に制御されてもよい。特に、電流の急速増加のような、高い電流勾配を検出する場合、燃料電池配置の損傷を回避するように、制御プロセスに対して迅速に反応する必要がある。
【００２９】
代表的な実施形態によれば、メタン生成ユニットは、触媒作用物質で被覆されている活性壁表面部を備える。
【００３０】
従って、触媒の容易な構造物を提供することが可能である。注意するべきことであるが、活性壁表面部は、触媒作用物質の活性表面が大きくなるように、ひだを付けるか、若しくは表面が増加する方法で形成してもよい。従って、メタン生成プロセスは改善されると共に、効率に関しても増加してもよい。
【００３１】
代表的な実施形態によれば、触媒作用物質は、ニッケル、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、貴金属、特に、白金及び白金合金から成る群から選択された固相触媒材料である。
【００３２】
特に固相触媒は取扱いが容易であり、且つ定常的な幾何形状が一定に維持される。特に、触媒作用物質の分量の問題は、回避されてもよい。
【００３３】
代表的な実施形態によれば、複数の燃料電池ユニットが、積み重ねられる。
【００３４】
従って、小型設計の燃料電池配列を提供することが可能であり、例えば、その燃料電池配列は、複数の積み重ねられた燃料電池ユニットと、燃料電池ユニットの積み重ねに沿って伸長するメタン生成ユニットとを有する。
【００３５】
代表的な実施形態によれば、燃料電池配列は矩形のハウジングを更に備え、各燃料電池ユニットは、少なくとも１つの切断縁部を具備する矩形の外被を有し、複数の燃料電池ユニットの各々の切断縁部は、ガスを送るための経路を形成するように、互いに対応する。
【００３６】
従って、最適化された幾何形状を提供することが可能である。切断縁部は、例えば矩形断面を有する経路に帰着してもよく、経路は対応する切断縁部に隣接して配置されるが、しかし燃料電池配列の矩形のハウジング内に配置することが可能である。
【００３７】
代表的な実施形態によれば、燃料電池配列は矩形のハウジングを更に備え、各燃料電池ユニットは３つの切断縁部を具備する矩形の外被を有し、各燃料電池ユニットの該３つの切断縁部は、ガスを送るための少なくとも３つの経路を形成するように、互いに対応し、第１の経路は水蒸気を提供するために供し、第２の経路は酸素収集のために供し、第３の経路はメタン生成ユニットを受け入れるために供し、複数の燃料電池ユニットの各々の水素出口は、メタン生成ユニットの水素入口の少なくとも１つに結合される。
【００３８】
従って、燃料電池配列の矩形のハウジング内では、燃料電池ユニットの切断縁部は、ガスを送るための経路を提供することを目的としたスペースを提供する。特に、矩形ハウジングの長手方向縁部の各々における４つの経路、水蒸気用の１つの経路、酸素用の１つの経路、メタン生成ユニット用の１つの経路、及び残留ガス送気管用の１つの経路を提供することもまた可能である。
【００３９】
代表的な実施形態によれば、第１燃料電池ユニット及びメタン生成ユニットを有する燃料電池配列の効率を改善するための方法が提供され、該第１燃料電池ユニットは、水入口と、水素出口と、酸素出口とを備え、該メタン生成ユニットは、水素入口と、酸化炭素入口と、第１の制御可能なバルブと、メタン出口とを備え、第１燃料電池ユニットの水素出口は、メタン生成ユニットの水素入口に結合され、メタン生成ユニットは、水素及び酸化炭素をメタンに変換するように適合され、本方法は、第１の制御可能なバルブを制御するステップを備え、第１の制御可能なバルブは、水素及び酸化炭素をメタンに変換するための最適な変換プロセスを得るように、メタン生成ユニットへの酸化炭素の供給を制御するためのものである。
【００４０】
特に、注意するべきことであるが、複数の制御可能なバルブはまた、メタン生成ユニットに沿って設けてもよく、それによって、酸化炭素の濃度の局所的分布が制御され、メタン生成ユニットの各場所で最適化することが可能である。
【００４１】
代表的な実施形態によれば、プログラム要素が提供され、このプログラム要素は、プロセッサによって実行される場合、上記の方法を実施するように適合される。
【００４２】
代表的な実施形態によれば、上記のプログラム要素を格納したコンピュータ可読な媒体が提供される。
【００４３】
本発明の、これら及び他の態様は、以下で説明される実施形態から明らかになると共に、以下で説明される実施形態を参照しながら解明される。
【００４４】
本発明の代表的な実施形態は、次の図面を参照しながら、以下に説明されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の代表的な実施形態による、電気エネルギーをメタンに変換するプロセスに関する図式的概要を示す図である。
【図２】本発明の代表的な実施形態による燃料電池配列に関する図式的概要を示す図であり、該燃料電池配列は、制御された酸化炭素供給を有する。
【図３】本発明の代表的な実施形態による燃料電池配列を示す図であり、該燃料電池配列は、メタン生成ユニットの中にメタン出口を付加的に有する。
【図４】本発明の代表的な実施形態による燃料電池配列を示す図であり、該燃料電池配列は、メタン生成ユニットの中に付加的な圧力制御バルブを有する。
【図５】本発明の代表的な実施形態による燃料電池配列を示す図であり、該燃料電池配列は、メタン生成ユニットの中に付加的な加熱素子を有する。
【図６】本発明の代表的な実施形態による燃料電池配列に関する図式的概要を示す図であり、該燃料電池配列は、燃料電池ユニット及び加熱素子の構造、及びメタン生成ユニットの中の酸化炭素制御バルブを具備する。
【図７】本発明の代表的な実施形態による燃料電池配列に関する図式的概要を示す図であり、この図式的概要は、燃料電池ユニットの構造及び、メタン生成ユニットの中の付加的な圧力制御バルブを示す。
【図８】本発明の代表的な実施形態による燃料電池配列に関する図式的概要を示す図であり、この図式的概要は、メンブレンにおける制御電極配列、加熱素子、及びメタン生成ユニットの中の酸化炭素制御バルブを有する燃料電池ユニットの構造を示す。
【図９】本発明の代表的な実施形態による燃料電池配列に関する図式的概要を示す図であり、この図式的概要は、電極配列及び、メタン生成ユニットの中の付加的な圧力制御バルブを有する燃料電池ユニットの構造を示す。
【図１０】本発明の代表的な実施形態による、燃料電池ユニットを積み重ねた燃料電池配列の一般的構築物及び、燃料電池ユニットの積み重ねに関する、メタン生成ユニットの入力及び出力の相互関係を示す図である。
【図１１】本発明の代表的な実施形態による、メタン生成ユニット及び、水素及び酸化炭素のための逆方向供給ラインを実装した燃料電池配列の図式的概要を示す図である。
【図１２】メタン生成サブセクションを割り当てた、積み重ねられた燃料電池ユニットの一般的構造を示す図である。
【図１３】バルブ、制御パス及び、ポンプ及び送気管のような二次的素子を含むメタン生成ユニットの、それぞれの入力及び出力の図式的概要を示す図である。
【図１４】図１４ａ〜図１４ｈは、燃料電池ユニット１１０のそばのメタン生成ユニット２００の様々な幾何形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
図１は、電気分解を通して、水から酸素及び水素への電気エネルギーの変換のプロセスに関する図式的概要を示し、同様に、電気分解の水素出力を使用することによる次のメタン生成プロセスに関する図式的概要を示す。メタン生成の結果として、メタンＣＨ４が生産され、これはメタン蓄積目的のために使用される。燃料電池の水入口若しくは水蒸気入口１１１を通して、水が燃料電池１１０に供給される。水は、電気分解を通して、且つ電気エネルギーを入力することによって、酸素及び水素に分解される。酸素は燃料電池の酸素出口１１３に供給され、且つ水素は、燃料電池の水素出口１１２を通って出力される。燃料電池は、電気エネルギーを熱エネルギーＷＥに変換し、この熱エネルギーは、メタン生成プロセスのためのプロセスエネルギーとして使用される。水素は、水素出口１１２を通って電気分解／燃料電池ユニット１１０を出ると、メタン生成ユニットの水素入口２１２を通って、メタン生成ユニット２００に入る。メタン生成のために必要な炭素は、酸化炭素入口２１４を通って提供され、水素及び酸化炭素は、触媒によって援助され、メタンに変換される。図１の概略図は、メタンだけでなく、水（通常は蒸気として）及び水素もまた、燃料電池配列を出ることを示す。一般的な原理は、メタン生成プロセスのための熱エネルギーを提供するために、燃料電池ユニットの熱エネルギーを使用すると共に、酸化炭素の入力を制御することによって、メタン化プロセスを制御することである。注意するべきことであるが、酸化炭素は、二酸化炭素はもちろんのこと、一酸化炭素であってもよい。燃料電池配列の、特に燃料電池ユニットの温度は、数百℃から約１０００℃以上までの範囲にあってもよい。
【００４７】
図２は、燃料電池ユニット１１０及びメタン生成ユニット２００を有する燃料電池配列１の構築物を示す。燃料電池配列１は、水蒸気、酸素、水素などのような、ガスを送るために使用される経路若しくは送気管を有してもよい。図２の左側は、メタン生成ユニット２００及び燃料電池ユニット１１０を具備する燃料電池配列１の断面図を示し、燃料電池ユニット１１０は、燃料電池の水蒸気入口１１１及び酸素出口１１３を有する。燃料電池ユニット１１０に加えて、メタン生成ユニット２００も、送気管若しくは経路も、燃料電池ハウジング２の中に設けられる。図２の右側には、メタン生成ユニット２００が、拡大図で示される。水素は、燃料電池の水素出口１１２を通って、燃料電池ユニット１１０を出る、そして、水素入口２１２を通ってメタン生成ユニット２００に入る。注意するべきことであるが、水素出口１１２及び水素入口２１２は、送気管の具体化された構造を強制的には要求せず、燃料電池１１０及びメタン生成ユニット２００から直接移行するものとして考えてもよい。水素はメタン生成ユニット２００に入り、且つメタン生成ユニット２００は、電気エネルギーの入力及び電気分解プロセスに起因する、燃料電池ユニットの熱エネルギーによって加熱される。加えて、メタン生成ユニット２００には、酸化炭素入口２１４を通って酸化炭素が供給され、これに対して、酸化炭素量は、酸化炭素入口バルブ２１５によって制御することが可能である。酸化炭素バルブ２１５の制御は、バルブ２１５に結合されている制御ユニット３００を制御することによって実施してもよい。メタン生成ユニットの壁表面部の上に設けてもよい触媒作用物質と同様に、メタン生成ユニット内の熱は、酸化炭素及び水素をメタンに変換するが、これに対して、酸化炭素の残りの酸素は、残留水素と共に、おそらくは水蒸気の形態の水に変換される。メタンは、メタン出口２１６を通って、メタン生成ユニットを出る。図２は一実施形態を示し、そこでは、燃料電池ユニットの熱は、メタン生成ユニット２００におけるメタン生成プロセスを動作させるのに十分であり、更なる熱は必要とされない。
【００４８】
燃料電池配列のメタン生成ユニット２００は、メタン生成ユニットから燃料電池ユニットへの熱輸送を可能にする方法で、燃料電池ユニット１１０のそばに配列される。発熱を伴うメタン生成プロセスに由来する、メタン生成ユニット２００で発生する熱は、燃料電池ユニット１１０を加熱するために使用してもよい。メタン生成ユニット２００及び燃料電池ユニット１１０は、共通壁１５０を共有する。共通壁１５０は、メタン生成ユニットから燃料電池ユニットへの直接の熱輸送を可能にしてもよい。共通壁１５０は、燃料電池体積部分／空洞１１０と触媒体積部分／空洞２００との間のセパレータであってもよい。共通壁１５０は、燃料電池空洞から触媒空洞に水素を輸送するための、開口部を有してもよい。共通壁は、水素を輸送するための多孔質領域を有するものとして、設計してもよい。多孔質領域、特に多孔質領域の多孔率は、アクチュエータによって、例えばピエゾアクチュエータによって制御してもよい。アクチュエータの起動は、制御ユニットによって実施してもよい。制御プロセスは、制御ユニットに実装されている参照テーブルに基づいてもよい。共通壁１５０は、基本量の水素の移行を可能にする、恒久的に多孔質である多孔質部分を有してもよく、且つ、同時に、付加的な量の水素を制御するための、バルブによって制御される導管を有してもよい。これは、最小量の水素を恒久的に移行させてもよく、且つ付加的な量は、バルブを介して、制御ユニットによって制御してもよい。燃料電池配列は、燃料電池ユニット及びメタン生成ユニットを含んでもよく、燃料電池配列内での内部メタン生成プロセスを可能にする。これは、メタン生成ユニットの傍に燃料電池ユニットを配列することによって提供され、特に壁を共有する場合、燃料電池ユニットとメタン生成ユニットとの間の熱輸送を可能にする。メタン生成ユニットは、主要な内部メタン生成を実施してもよい。換言すれば、任意選択的な、更なる後続のメタン生成ユニットを提供することもまた可能であり、この後続するメタン生成ユニットは、燃料電池及び（主要な）メタン生成ユニットを含む共通ハウジングの内部若しくは外部に位置してもよい。
【００４９】
図３は、図２のものと同様な配列を示す。対応する要素を、対応する参照符号で表しており、且つ再びより詳細に説明しないことにする。図２と図３の間で異なることは、加熱素子２１７の設置であるが、加熱素子２１７は、メタン生成ユニット２００内に設けてもよい。加熱素子２１７によって提供される付加的な熱が必要となる場合もあるが、それは、もし燃料電池ユニットが低温燃料電池ユニットであり、且つ熱エネルギーが、メタン生成ユニット２００でのメタン生成プロセスを動作させるのに十分でない場合である。この目的のために、付加的な加熱素子２１７が、メタン生成ユニット内に設けられる。同様に、供給される酸化炭素と共に水素入口２１２に入る水素は、メタンに変換されるであろう。このメタンは、メタン出口２１６を通って、メタン生成ユニットを出てもよい。酸化炭素は、酸化炭素入口２１４を通して供給してもよく、且つバルブ２１５及び制御ユニット３００によって制御してもよい。理解するべきことであるが、酸化炭素は、ノズル配列を通してメタン生成ユニット内に分布させてもよいが、このノズル配列について、図示すると共に、より詳細に説明することはない。メタン生成ユニット２００は、活性触媒壁表面部２２２を有してもよく、触媒壁構造２２２は、触媒作用物質で被覆してもよい。このことは、図４に関して説明することになる。注意するべきことであるが、仮に残りの図に関して正確な説明がなされないとしても、図２、図３などのメタン生成ユニット２００はまた、メタン生成ユニットの活性壁表面部を備えてもよく、この活性壁表面部は、触媒作用物質で被覆してもよい。
【００５０】
図４は、更なる代表的な実施形態であり、これは、図２及び図３の実施形態と同様である。図２の構造に加えて、図４は、メタン生成ユニット２００内の圧力を制御するための、圧力制御バルブ２１９を設置していることを示す。圧力制御バルブはまた、制御ユニット３００によって制御してもよく、制御ユニット３００は、圧力制御バルブ２１９はもちろんのこと、酸化炭素供給バルブ２１５を制御してもよい。図２及び図３の構造と同様に、水素入口２１２に入る水素、及び酸化炭素入口２１４を通って提供される酸化炭素は、メタンに変換されるであろう。このメタンは、メタン出口２１６を通って、メタン生成ユニット２００を出てもよい。注意するべきことであるが、水蒸気もまた、メタン出口２１６を通って、メタン生成ユニットを出てもよい。にもかかわらず、水蒸気はまた、別個の出口を通ってメタン生成ユニット２００を出てもよいが、この別個の出口を図示すると共に、更に詳細に説明することはない。図４は、高温燃料電池ユニットに関し、加熱素子は回避されてもよい。しかしながら、理解するべきことであるが、もし熱が十分でない場合、高温燃料電池ユニットに対してもまた、１つ以上の付加的な加熱素子を設けてもよい。メタン生成ユニット２００は活性壁表面部２２２を備え、この活性壁表面部は、触媒作用物質で被覆してもよい。活性壁表面は、空洞の内側表面であってもよく、この空洞は、メタン生成ユニットを形成する。活性壁表面部は波形であってもよく、活性壁表面部の有効表面は拡大される。特に、壁表面部を、触媒作用物質のための担体若しくは基板として使用する場合、拡大された表面は、触媒プロセスの効率を増加させてもよい。典型的な触媒作用物質は、ニッケル、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、若しくは貴金属、及び白金、金などの貴金属合金のような固相触媒であってもよい。
【００５１】
図５は、上記の図２から図４のような、同様な構造を示す。同じ要素は同じ参照符号で表しており、且つ再びより詳細に説明しないことにする。図５は、図４に加えて、メタン生成ユニット２００を加熱するための、加熱素子２１７を備える。典型的には、図５の構造は、低温タイプの燃料電池ユニットを備え、メタン生成プロセスに必要な付加的な熱は、加熱素子２１７によって提供されるであろう。しかしながら、注意するべきことであるが、もし温度が十分に高い場合、低温燃料電池ユニットを使用するにしても、加熱素子２１７は除外してもよい。図４に対応して、メタン生成ユニットは、圧力制御バルブ２１９を備え、この圧力制御バルブは、酸化炭素供給バルブ２１５と同様に、制御ユニット３００によって制御してもよい。
【００５２】
注意するべきことであるが、バルブ、センサ、ポンプ、制御ラインヒータなどは、図２から図５、及び図１３に示したメタン生成ユニット内に、複数回、設けることが可能である。換言すれば、図示したセットのバルブ、センサ、ポンプ、制御ラインヒータなどの各々は、メタン生成ユニット２００に隣接して配列されている燃料電池１１０の各々に対して設けることが可能である。制御ユニット３００は、複数の燃料電池ユニット１１０の各々において異なる条件を考慮するように、バルブの各々に対して、若しくはそれぞれのバルブのグループに対して、別々に設けてもよい。従って、燃料電池ユニットの各々は、酸化炭素の最適濃度、及びメタン生成ユニットにおける最大利得を達成するように、制御することが可能である。
【００５３】
図６は、燃料電池配列の図式的概要を示し、ここでは燃料電池ユニットを、これの一般的な構築物に関して、より詳細に示している。図６のメタン生成ユニット２００は、図３のものと同様である。燃料電池ユニットは、燃料電池カソード１１４と、燃料電池メンブレン１１５と、燃料電池アノード１１８とを備える。アノード、メンブレン及びカソードは、燃料電池の動作モードに依存して、水を水素及び酸素に変換するための、若しくは、水素及び酸素を水に変換するための、燃料電池の活性部を形成する。加えて、ガス分布プレートを設けてもよく、ガス分布プレートは１２０で表す。ガス分布プレートは、供給されるガス、特に水蒸気、酸素若しくは水素の、多かれ少なかれ均等な分布に役立つ。図６で見られるように、燃料電池配列は、電流勾配測定ユニット１１９を更に備えてもよく、これは、燃料電池ユニットの動作状態を検出するように、ｄｉ／ｄｔを検出してもよい。Ａは電流センサを表し、且つＶは電圧センサを示す。Ｚは負荷を示す。
【００５４】
図７は、図６で示したのと同様な構造を示すが、しかしながら、付加的な圧力制御バルブ２１９を具備する。酸化炭素制御バルブ２１５と同様に、圧力制御バルブ２１９は、制御ユニット３００を制御することによって制御される。燃料電池ユニット１１０の構築物は、図６のものと同様であり、且つ、それ故に、再び更に詳細に説明しないことにする。
【００５５】
図８及び図９は、図６及び図７の構造に対応する。図８のメタン生成ユニットは、図６のメタン生成ユニットと同じであり、且つ図９のメタン生成ユニットは、図７のメタン生成ユニットと同じである。それ故に、それぞれのメタン生成ユニットは、図８及び図９に関して、再び更に詳細に説明しないことにする。図８及び図９は、燃料電池ユニット１１０の更なる変更例を示し、この燃料電池ユニットは、燃料電池メンブレン制御電極１１６を有してもよい。燃料電池制御電極１１６は、燃料電池メンブレン制御電極制御ユニット１１７によって制御してもよい。電極１１６は、燃料電池ユニットの迅速で高速な制御に供してもよく、その理由は、電極１１６は、燃料電池の中核素子、即ち、メンブレンの中に、若しくはメンブレンの上に直接作用するからである。もし電極１１６が、メンブレンの内側にあるとして図示しても、電極は、メンブレンの表面の傍、若しくはメンブレンの表面上に設けてもよいと理解するべきである。電極１１６は、例えば格子電極、若しくは、例えば別個の水平電極及び垂直電極であってもよく、これらの電極は、制御ユニット１１７によって、別々に制御してもよい。単一の垂直ワイヤ、若しくは、垂直格子若しくは水平格子の導体細線でさえも、メンブレンを局所的に制御するように、別々に制御してもよい。制御ユニット１１７は、検出された電流勾配若しくは検出された温度に基づいて、電極配列１１６を制御してもよく、この感知情報は、それぞれ、勾配センサ１１９若しくは温度センサに由来してもよい。注意するべきことであるが、制御ユニット１１７は、メタン生成ユニットの制御と同様に、燃料電池ユニットの動作を従属的に制御するように、制御ユニット３００と機能的に接続された状態にあってもよい。
【００５６】
図１０は、水蒸気入口１１１及び酸素出口１１３を具備する、ハウジング２内の燃料電池配列１の更なる代表的な実施形態を示す。燃料電池配列１は複数の燃料電池ユニット１１０を備えてもよく、これら複数の燃料電池ユニットは、積み重ねられた形態で配列してもよい。メタン生成ユニット２００は、ハウジング２の角部に設けてもよく、ハウジング２の自由空間は、燃料電池ユニット１１０の対応する切断縁部から得られてもよい。メタン生成ユニット２００は、図１０の右側の拡大された図に示すが、この拡大図は、例えば加熱素子２１７のような、複数の更なる要素を示す。加熱素子２１７は、図３及び図５に関して、より詳細に説明した。メタン生成ユニット２００は、酸化炭素制御バルブ２１５によって制御される酸化炭素供給入口を更に備える。加えて、圧力は、圧力制御バルブ２１９を通して、メタン生成ユニット内で制御することが可能である。圧力制御バルブ２１９及び酸化炭素制御バルブ２１５は、制御ユニット３００によって制御してもよい。メタン生成ユニットは、酸化炭素出口を更に有してもよく、この出口に向けて、残留酸化炭素は、メタン生成ユニット２００を出てもよい。残留酸化炭素は、メタン生成ユニットに再入するように、酸化炭素入口に対して逆方向供給するか、若しくは正方向供給してもよい。注意するべきことであるが、再入は、メタン生成ユニット内の酸化炭素の濃度に依存して、異なる場所で起こってもよい。メタン生成ユニットは、残留水素用の付加的出口２２０と同様に、メタン出口２１６を有してもよい。残留水素はまた、メタン生成ユニットに対して、例えば、メタン生成ユニット内のより低い水素濃度を有する場所に対して、逆方向供給するか、若しくは正方向供給してもよい。逆方向供給プロセスについては、図１１に関して、更に詳細に説明することになる。
【００５７】
図１１は、ガス逆方向供給の原理を示す。燃料電池配列１の一般的な構築物は、上で説明されたものと同様である。メタン生成ユニット２００は、例えば、複数の水素出口２２０若しくは酸化炭素出口２２１を有してもよい。同じ送気管として図示してはいるものの、水素用出口及び酸化炭素用出口は異なるものであってもよく、ガスの量は別々に制御してもよいことを理解するべきである。図１１は、しかしながら、水素及び酸化炭素を別々に制御する可能性を、更に詳細に示してはいない。メタン生成ユニット２００の中心での水素濃度は、酸化炭素の濃度と同様に、より低く、且つその濃度は、端部分に向けて増加する。典型的には、残留の水素及び酸化炭素のための出口は、メタン生成ユニット２００の端部分にあり、且つ入口は、メタン生成ユニットの中央部にある。注意するべきことであるが、複数の残留水素出口及び酸化炭素出口は異なって制御されてもよく、濃度は、メタン生成ユニットの長さにわたって、非常に正確に制御されてもよい。従って、メタン生成の全体プロセスは、非常に効率的に作成されてもよい。
【００５８】
図１１はまた、経路の位置を示すが、これらの経路は、矩形外被の燃料電池ユニット１１０の切断縁部によって形成される。対応する切断縁部は、ガス送気管を受け入れるための経路３、３ａ、３ｂ、３ｃを形成する。燃料電池ユニットの対応する切断縁部１２１ａは、ガスを送るための経路３ａ、ここでは燃料電池水蒸気入口１１１、を形成する。切断縁部１２１ｂは、酸素出口１１３を受け入れるための経路３ｂを形成し、且つ切断縁１２１ｃは、メタン生成ユニット２００を受け入れるための経路３ｃを形成する。もちろん、更なる切断縁部は、残留ガス送気管を受け入れるための、付加的な経路を提供する。
【００５９】
図１２は、ハウジング２内の、燃料電池配列１の構造を示し、ここで各燃料電池ユニット１１０は、メタン生成ユニット２００の対応するサブセクション２１０に割り当てられる。しかしながら、注意するべきことであるが、燃料電池配列はまた、仮にメタン生成サブセクション２１０及びそれぞれの燃料電池ユニット１１０からの一対一の対応が無くても、作動する場合もある。燃料電池ユニット１１０はまた、共通のメタン生成ユニット２００に割り当てることも可能である。複数の燃料電池ユニット１１０は、燃料電池ユニット１１０の積み重ねとして配列することが可能である。燃料電池ユニット１１０の各々は、メタン生成ユニット２００に隣接して配列することが可能である。複数の燃料電池ユニット１１０の各々は、メタン生成ユニットと共通壁を共有することが可能である。メタン生成ユニット２００は、触媒サブセクション２１０の積み重ねとして設計することが可能である。触媒サブセクション２１０の各々は、図２から図１０、及び図１３のいずれかに関して、前に説明したように、メタン生成ユニット２００のように設計することが可能である。従って、メタン生成ユニット２００全体は、複数の要素、即ち、メタン生成ユニット水素入口２１２、メタン生成ユニット水素入口２１３、メタン生成ユニット酸化炭素入口２１４、酸化炭素入口バルブ２１５、メタン生成ユニットメタン出口２１６、メタン生成ユニット加熱ユニット／素子２１７、メタン生成ユニットセンサ２１８、触媒圧力制御バルブ２１９、メタン生成ユニット残留水素ガス出口２２０、メタン生成ユニット残留酸化炭素ガス出口２２１、メタン生成ユニット活性壁表面部若しくは触媒２２２、メタン生成ユニット水素残留ガス制御バルブ２３２、メタン生成ユニットメタン制御バルブ２３３、水素残留ガスポンピングユニット／圧力勾配発生器２４２、メタンポンピングユニット／圧力勾配発生器２４３、圧力制御ポンピングユニット／圧力勾配発生器２４４、酸化炭素供給ポンピングユニット／圧力勾配発生器２４５、及び酸化炭素残留ガスポンピングユニット／圧力勾配発生器２４６を有することが可能である。注意するべきことであるが、前に述べたバルブ、入口、出口、ポンプ若しくは発生器の幾つかは、メタン生成ユニット２００に対して、一回若しくは複数回、設けてもよい。
【００６０】
図１０から図１２の配列において、複数の燃料電池ユニット１１０の各々の水素出口１１２は、メタン生成ユニット２００の水素入口２１２の少なくとも１つに結合される。
【００６１】
更に、図１３は、メタン生成ユニットの要素を更に詳細に示している。再び、上述のように、同じ機能を具備する要素については、同じ参照符号で表し、且つ更に詳細に説明しないことにする。水素入口２１２及び加熱部分２１７に加えて、入口及び出口は、制御バルブ及び、例えば流れを提供するための装置、若しくはポンプのように圧力を増加させるための装置を備えてもよい。特に、酸化炭素入口２１４は、酸化炭素制御バルブ２１５を備えてもよく、且つ酸化炭素は、酸化炭素ポンプ２４５によって、圧力が増加してもよい。また、残留酸化炭素出口２２１からの残留酸化炭素は、酸化炭素ポンプ２４６によって逆方向供給してもよい。注意するべきことであるが、ポンプ２４５及び２４６の一方若しくは両方に加えて、若しくは、ポンプ２４５及び２４６の一方若しくは両方の代わりに、共通のポンプを、酸化炭素制御バルブ２１５の前若しくは後ろに、直接設けてもよい。酸化炭素残留出力２２１は、酸化炭素フィルタ２５６を備えてもよく、酸化炭素だけが、メタン生成ユニット２００を、予定された方法で出ることを保証する。同様に、残留水素出口２２０は、水素フィルタ２５２を備えてもよく、水素だけが、水素出口２２０を通って、メタン生成ユニットを出ることを保証する。水素制御バルブ２３２は、水素の量を制御するために使用してもよい。出口は、水素ポンプ２４２によってサポートされてもよい。また、メタン出口２１６は、メタンフィルタ２５３を備えてもよく、且つメタンの出口量は、メタン制御バルブ２３３によって制御してもよい。メタンの出口は、メタンポンプ２４３によってサポートされてもよい。また、圧力バルブ２１９は、それぞれの圧力勾配を提供するために、圧力ポンプ２４４に従ってもよい。注意するべきことであるが、感知装置２１８もまた設けてもよく、これは、メタン生成ユニット２００内の動作状態を感知してもよい。感知素子２１８は、例えば、水素の濃度、メタンの濃度、酸化炭素の濃度などを感知してもよい。感知ユニットはまた、温度と同様に、メタン生成ユニット内の圧力状態を検出してもよい。注意するべきことであるが、感知素子２１８は、複数の別個のセンサを備えてもよく、これらのセンサは、メタン生成ユニットの伸長にわたって分布してもよい。理解するべきことであるが、要求に依存して、温度センサ、圧力センサ、酸化炭素濃度センサ、水素濃度センサ、及びメタン濃度センサのような、幾つかの種類のセンサが、メタン生成ユニットの伸長に沿って分布してもよく、メタン生成ユニットの幾つかの動作パラメータに関して、動作状態に対する十分な影響を獲得する。幾つかのバルブの、例えばバルブ２１５、２１９、２３２、２３３の制御は、制御ユニット３００によって制御してもよい。また、ポンプ２４２、２４３、２４４、２４５、２４６は、制御ユニット３００によって制御してもよい。注意するべきことであるが、酸化炭素濃度は、それぞれのセンサによって直接感知することが可能であるか、若しくは、例えばメタン生成ユニット内の、特に触媒を含む体積部分内のセンサの信号に基づいて、制御ユニット３００によって決定することが可能である。
【００６２】
制御ユニットは、入口バルブ２１５を制御してもよく、酸化炭素、例えば一酸化炭素及び／若しくは二酸化炭素の入口を制御するが、この制御は、メタン生成ユニットの出口における、例えば一酸化炭素、及び／若しくは二酸化炭素、並びに／又はメタンの決定された濃度に基づく。センサ２１８は、上記濃度を決定するために、設けることが可能である。制御は、モーター駆動で実施してもよい。制御プロセスは、例えば、メタンへの酸化炭素の最大変換率を達成するように、プロセスを制御してもよい。メタン生成は触媒プロセス（このプロセスは活性化エネルギーを必要とする）であるため、酸化炭素の、例えば一酸化炭素及び／若しくは二酸化炭素の最適濃度は、圧力及び温度に依存して変化してもよい。制御ユニット３００は、数値の形態、若しくはアルゴリズムの形態のいずれかにおいて、参照テーブルを含めてもよい。参照テーブルは、一方では温度、圧力、一酸化炭素の濃度、二酸化炭素の濃度の少なくとも１つと、他方ではセンサ信号との関係を含めてもよい。酸化炭素の濃度が低すぎる場合には、制御ユニットは、追加の酸化炭素が供給されるように、入口バルブ２１５を作動させてもよい。濃度が高すぎる場合には、制御ユニット３００は、ガスが放出されるように、出口バルブ２１９を作動させてもよい。
【００６３】
図１４は、燃料電池ユニット１１０のそばの、メタン生成ユニット２００の様々な幾何形状を示す。理解するべきことであるが、図１４の様々な幾何形状の各々はまた、積み重ねられた方法で配列されている、複数の燃料電池ユニット１１０によって履行してもよく、ここで燃料電池１１０の各々は、メタン生成ユニット２００と共通壁部分を共有する。図１４では、１つの燃料電池ユニット、即ち、第１燃料電池ユニットだけを示しているが、この第１燃料電池ユニットは、図１４における更なる燃料電池ユニットを隠している。図１４ａは、燃料電池ユニット（複数を含む）１１０の片側の傍に、メタン生成ユニット２００を配列した実施形態を示す。図１４ｂは、燃料電池ユニット（複数を含む）１１０の２つの異なる壁部分のそばに、２つのメタン生成ユニット２００を配列した実施形態を示す。図１４ｃは、燃料電池ユニット（複数を含む）１１０の切断角部に、若しくは燃料電池ユニット（複数を含む）１１０の縁の切断部に、メタン生成ユニット２００を配列した実施形態を示す。燃料電池１１０とメタン生成ユニット２００との間の共通壁は、燃料電池側から見ると、凸状である。図１４ｄは、図１４ｃのものと同様な実施形態を示すが、しかし燃料電池側から見ると、凹状の共通壁を有する。図１４ｅは、燃料電池ユニット（複数を含む）に埋め込まれたメタン生成ユニットを有する実施形態を示す。メタン生成ユニット２００は、燃料電池ユニット１１０を貫通する経路を形成する。燃料電池ユニット及びメタン生成ユニットの外側断面形状は、矩形若しくは正方形である。図１４ｆは、同様な実施形態を示すが、しかし埋め込まれたメタン生成ユニット２００の、楕円形の、長円形の、若しくは円形の断面を有する。図１４ｇは、メタン生成ユニットを埋め込んだ燃料電池ユニット１１０の、楕円形の、長円形の、若しくは円形の断面を有する実施形態を示すが、このメタン生成ユニットは円形、長円形、若しくは矩形、又は多角形であり得る。図１４ｈは、燃料電池ユニット（複数を含む）１１０の多角形断面を有する実施形態を示す。多角形断面は、八角形若しくは六角形であってもよい。八角形断面は、密な充填を可能にするが、この充填は、間に供給導管のためのスペースを有する。六角形断面は、供給導管を燃料電池ユニット（複数を含む）に埋め込んだ場合、ハチの巣のような密な充填を可能にするが、このことについて、図１４ｈに詳細を示していない。
【００６４】
注意するべきことであるが、ガスの逆方向供給（特に酸化炭素、即ち一酸化炭素及び／若しくは二酸化炭素の逆方向供給）の特別な制御、水素の逆方向供給の特別な制御、温度の制御などは、メタン生成プロセスの効率を増加させ、燃料電池配列の全体的効率が、著しく増加する。
【００６５】
注意するべきことであるが、用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、他の要素若しくはステップを排除せず、且つ「ａ」若しくは「ａｎ」は、複数を排除しない。また、異なる実施形態に関連して説明された要素は、結合されてもよい。注意するべきことであるが、請求項における参照符号は、請求項の範囲を制限すると解釈されるべきではない。
【符号の説明】
【００６６】
１  燃料電池配列
２  燃料電池配列のハウジング
３、３ａ、３ｂ、３ｃ  ガスを送るための経路
１１０  燃料電池ユニット
１１１  燃料電池水（水蒸気）入口
１１２  燃料電池水素出口
１１３  燃料電池酸素出口
１１４  燃料電池カソード
１１５  燃料電池メンブレン
１１６  燃料電池メンブレン制御電極
１１７  メンブレン制御電極制御ユニット
１１８  燃料電池アノード
１１９  ｄｉ／ｄｔ測定ユニット
１２０  分布プレート  
１２１、１２１ａ／ｂ／ｃ  燃料電池切断縁部
１５０  メタン生成ユニットと燃料電池ユニットとの間の共通壁
２００  メタン生成ユニット
２１０  メタン生成サブセクション
２１２  メタン生成ユニット水素入口
２１３  メタン生成ユニット水素入口
２１４  メタン生成ユニット酸化炭素入口
２１５  酸化炭素入口バルブ
２１６  メタン生成ユニットメタン出口
２１７  メタン生成ユニット加熱ユニット／素子
２１８  メタン生成ユニットセンサ
２１９  メタン生成ユニット圧力制御バルブ
２２０  メタン生成ユニット残留水素ガス出口
２２１  メタン生成ユニット残留酸化炭素ガス出口
２２２  メタン生成ユニット活性壁表面部、触媒
２３２  メタン生成ユニット水素残留ガス制御バルブ
２３３  メタン生成ユニットメタン制御バルブ
２４２  水素残留ガスポンピングユニット／圧力勾配発生器
２４３  メタンポンピングユニット／圧力勾配発生器
２４４  圧力制御ポンピングユニット／圧力勾配発生器
２４５  酸化炭素供給ポンピングユニット／圧力勾配発生器
２４６  酸化炭素残留ガスポンピングユニット／圧力勾配発生器
３００  制御ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４ａ）】
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【図１４ｂ）】
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【図１４ｃ）】
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【図１４ｄ）】
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【図１４ｅ）】
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【図１４ｆ）】
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【図１４ｇ）】
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【図１４ｈ）】
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