(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池（２）のアノード（４）とカソード（５）との間で使用するための燃料電池単位膜であって、前記燃料電池単位膜（１）は、
電解質内に配置される燃料電池薄膜（１０）、
前記燃料電池薄膜（１０）に接続されるアクチュエータ（２０）であって、前記アクチュエータ（２０）は前記燃料電池薄膜（１０）の均一な制御を実行するように構成され、その結果、前記燃料電池薄膜（１０）の電流密度分布が均一になる、アクチュエータ（２０）、
を含む、燃料電池単位膜。
【請求項２】
前記アクチュエータ（２０）は、電界および磁界のうちの少なくとも１つを生成するためのグリッド構造（３０）を含む、請求項１に記載の燃料電池単位膜。
【請求項３】
前記アクチュエータ（２０）は、水平グリッド（３１）および垂直グリッド（３２）からなるグリッド構造（３０）を含み、前記水平グリッドは、前記垂直グリッドに対して９０°回転されるように配置される、請求項１または２に記載の燃料電池単位膜。
【請求項４】
前記水平グリッド（３１）および前記垂直グリッド（３２）は、互いに直接上下に位置し、かつ、互いに絶縁される、請求項３に記載の燃料電池単位膜。
【請求項５】
前記グリッド構造（３０）の少なくとも一部は、前記燃料電池薄膜（１０）に埋め込まれる、請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池単位膜。
【請求項６】
前記水平グリッド（３１）および前記垂直グリッド（３２）は、互いに前記燃料電池薄膜（１０）の反対側の面（１１、１２）上に配置される、請求項３に記載の燃料電池単位膜。
【請求項７】
前記アクチュエータ（２０）は、前記燃料電池薄膜（１０）を制御するために圧力の影響下で電界および磁界のうちの少なくとも１つを生成するように設計されるピエゾ素子（２１、２２、２３）を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池単位膜。
【請求項８】
前記水平グリッド（３１）および前記垂直グリッド（３２）のうちの少なくとも１つは、並列に接続される複数のピエゾ素子（２１、２２、２３）を有するグリッドとして造られる、請求項３〜７のいずれか１項に記載の燃料電池単位膜。
【請求項９】
前記アクチュエータ（２０）は、半導体層（２４）および光ファイバ（２５）を含み、前記光ファイバは、前記燃料電池薄膜（１０）を制御するための光電効果を有する前記半導体のｐ−ｎ構造上に電界および磁界のうちの少なくとも１つを生成するように設計される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池単位膜。
【請求項１０】
前記アクチュエータ（２０）は、前記燃料電池薄膜（１０）を制御するためのゲート（２７）を介して電界および磁界のうちの少なくとも１つを制御するように設計される少なくとも１つの電界効果トランジスタ構造（２６）を含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池単位膜。
【請求項１１】
燃料電池であって、
アノード（４）、
カソード（５）、および
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池単位膜（１）であって、前記燃料電池単位膜（１）は、前記アノード（４）と前記カソード（５）との間に配置される、燃料電池単位膜（１）、
を含む、燃料電池。
【請求項１２】
高圧電解セルであって、
アノード（４）、
カソード（５）、および
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池単位膜（１）であって、前記燃料電池単位膜（１）は、一次的電気的エネルギーから二次的化学的エネルギーへのエネルギーフローを有する作動のために前記アノード（４）と前記カソード（５）との間に配置される、燃料電池単位膜（１）、
を含む、高圧電解セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御可能な燃料電池および制御可能な高圧電解セルに関し、特に、改良されたダイナミクスおよび稼動信頼度を有する制御可能な燃料電池および高圧電解セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、高い効率を有する効率的なエネルギー供給を提供するために用いられる。しかしながら、今日使用されている燃料電池は、他のエネルギー生成プラント（例えば、凝縮発電プラント（ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ  ｐｏｗｅｒ  ｐｌａｎｔ）または風力発電プラント）の利用可能性を大きく下回る比較的低い利用可能性を有する。さらに、今日使用されている燃料電池は、特に高負荷においておよび／または短絡が生じた場合に、比較的弱いダイナミクスを有する。したがって、複雑な保護技術が燃料電池のために用いられなければならない。燃料電池は、通常、短期間の過負荷電力供給を確実にできるためにより大きい寸法でなれなければならない。したがって、それらは、同じ最大パワーレベルでより大きな重量および比較的低い出力密度を有する。加えて、燃料電池薄膜は、燃料電池薄膜に損害を与えることが可能な持続的に高い電流負荷があるときに、十分に急速にシャットダウンされることができない。
【０００３】
様々なタイプの燃料電池は、従来技術（例えば、低い温度範囲のためのアルカリ燃料電池（ＡＦＣ）、ポリマー電解質膜燃料電池（ＰＥＦＣ）またはリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、および／または、高い温度範囲のための溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）または固体酸化物セラミック燃料電池（ＳＯＦＣ））から知られている。この種の燃料電池は、例えば、Ｋ．  Ｈｅｕｃｋ、Ｋ．  Ｄ．  Ｄｅｔｔｍａｎｎ、Ｄ．  ＳｃｈｕｌｚによるＥｌｅｋｔｒｉｓｃｈｅ  Ｅｎｅｒｇｉｅｖｅｒｓｏｒｇｕｎｇ  ［Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｕｐｐｌｙ］、第８版、Ｗｉｅｓｂａｄｅｎ、Ｖｉｅｗｅｇ，  ２０１０、２２ページに記載されている。加えて、特許文献１は、例えば、測定値が電極電流を測定するためのセンサによって記録される、燃料電池の内部状態をモニタする装置および方法を記載する。さらに、特許文献２は、測定値が燃料電池の電極上でピックアップされる、燃料電池の電流密度を測定する装置を記載する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】独国特許出願公開第１１  ２００７  ０００  ６６６  Ｔ５号
【特許文献２】米国特許第６，９４９，９２０  Ｂ２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、燃料電池の改良された制御可能性を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料電池単位膜、この種の燃料電池単位膜を有する燃料電池、および独立請求項による燃料電池単位膜を有する高圧電解セルに関する。ここで、例示的実施形態は、従属請求項に取り入れられる。
【０００７】
本発明の例示的実施形態によれば、燃料電池単位膜は、燃料電池のアノードとカソードとの間で使用するために提供される。燃料電池単位膜は、燃料電池薄膜および、燃料電池薄膜に接続されるアクチュエータを提供する。アクチュエータは、燃料電池薄膜の電流密度分布を制御するように設計される。
【０００８】
かくして、燃料電池は、制御によって、例えば、電解液の特性（例えば導電性、濃度、または液体から固体への相転移）の制御によって、膜上に直接影響されることができる。このようにして、燃料電池の膜におけるまたはそれ上の付加的な制御要素を導入することによって、燃料電池の膜上の反応は、影響されることができる。制御装置および／またはアクチュエータの形の制御要素は、機械的に、電気的に、磁気的に、光学的に、油圧的に、または空気圧的に、任意に実施されてよい。燃料電池の稼動性能は、遅延なしで作用する膜上のこの種の直接制御によって改良されることができる。特に、燃料電池の寿命は、内部制御のせいで、特に燃料電池が重大な稼動状態において急速にシャットダウンされることができるので、増加することができる。さらに、燃料電池が負荷のかかる場合のまたは電気的過負荷の場合の後期までシャットダウンされる必要がなくて、したがってより多くの時間が電気的供給のために利用できるので、燃料電池の利用可能性も。増加する。この内部的切換可能性のせいで燃料電池がより高い反応速度のための必要な寸法であり得るので、そして、電気的負荷の急激な増加があるときでさえ、それが非常に急速にミリ秒範囲のより高い電流振幅を供給することができるので、加えて、ダイナミクスの増加もある。
【０００９】
本発明の一実施形態によれば、アクチュエータは、電界および／または磁界を生成するために適したグリッド構造を有する。
【００１０】
かくして、燃料電池薄膜は、電界および／または磁界効果によって制御されることができる。特に電界および／または磁界を生成するための対応する構造は、比較的小さく保たれてよい。その結果、燃料電池の構造的容量の増加は、本質的にない。
【００１１】
本発明の一実施形態によれば、アクチュエータは、水平グリッドおよび垂直グリッドを有する。本発明の一実施形態によれば、水平グリッドは、垂直グリッドに対して本質的に９０°回転されるように配置される。水平グリッドおよび垂直グリッドは、互いに９０°以外の角度を形成してもよいとここで指摘されなければならない。
【００１２】
かくして、対応する膜領域全体にわたる膜の均一制御は、可能である。グリッド構造は、燃料電池薄膜においておよび／またはそれ上に比較的容易に実施されることができる。
【００１３】
本発明の一実施形態によれば、水平グリッドおよび垂直グリッドは、互いに直接上下に位置する。
【００１４】
かくして、比較的小さい設計高さは、達成されることができる。特に、膜のまたは２つの部分的膜間の配置において、水平グリッドおよび垂直グリッドの組み合わせは、容易に前もって作られることができる。水平グリッドおよび垂直グリッドが、それらが互いに直接当接しているかどうかにかかわらず互いに絶縁されてよく、その結果、水平グリッドおよび垂直グリッドが互いに別々に制御されることができることは、ここで理解されなければならない。
【００１５】
本発明の一実施形態によれば、グリッド構造の少なくとも一部は、燃料電池薄膜に埋め込まれる。
【００１６】
かくして、膜は、その内部において制御されることができる。水平グリッドまたは垂直グリッドのいずれか一方あるいは両方のグリッドでさえ燃料電池薄膜の内側に埋め込まれてよい、とここで指摘されなければならない。水平グリッドおよび垂直グリッドは、互いに直接上下に位置してよく、燃料電池薄膜の範囲内で互いに離間していてもよい。水平グリッドおよび垂直グリッドは両方とも、燃料電池薄膜の主要表面に対して、すなわちアノードおよび／またはカソードに面している表面に対して、本質的に平行に延びるものと理解される。
【００１７】
本発明の一実施形態によれば、水平グリッドおよび垂直グリッドは、燃料電池薄膜の反対側の面上に配置される。
【００１８】
かくして、燃料電池薄膜は、対応する水平グリッド構造および／または垂直グリッド構造を比較的容易に備えることができて、このグリッド構造によってそれらの表面全体にわたって制御されることができる。
【００１９】
本発明の一実施形態によれば、アクチュエータは、燃料電池薄膜を制御するために圧力によって作用されるときに電界および／または磁界を生成するように設計されるピエゾ素子を有する。
【００２０】
かくして、圧力の適用によってアクチュエータにおいて電圧および／または電流を生成することができる。その結果、燃料電池薄膜においておよび／またはそれ上に電界および／または磁界を生成することができる。ピエゾ素子は、膜の外側から力を用いて作用されてよい。しかし、対応する電圧および／または電流を発生させるために、例えば、空気圧または油圧システムのような第２の装置によってピエゾ素子に直接圧力を適用することも可能である。
【００２１】
本発明の一実施形態によれば、水平グリッドおよび／または垂直グリッドのうちの少なくとも１つは、並列に接続される複数のピエゾ素子を有するグリッドとして具体化される。
【００２２】
かくして、複数のピエゾ素子の分布に対応する一様な電界および／または磁界を生成することができる。例えば直流電流および／または電圧接続によって電気的に接続されることができる前述のグリッドに対して、水平グリッドおよび／または垂直グリッドは、並列に接続される複数のピエゾ素子によって、例えば空気的にまたは油圧的に制御されてよい。その結果、外側から並列に接続される複数のピエゾ素子のグリッドへの電流接続は、必ずしも必要でない。
【００２３】
本発明の一実施形態によれば、アクチュエータは、半導体層および光ファイバを有する。光ファイバは、光電効果のせいで半導体のｐ−ｎ構造上に燃料電池薄膜を制御するための電界および磁界を生成するように設計される。
【００２４】
かくして、アクチュエータは、光学的トリガによって容易に制御されることができて、電気的接続を必ずしも有しなければならないわけではない。アクチュエータは、特に、光電効果のせいで半導体上の外部光パルスおよび／または光信号により例えば電圧を発生させる、単純な、電気的に絶縁された光ファイバ構造によって、トリガされてよい。トリガは、従来の光を介して達成されてよいが、例えば、レーザ光のようなコヒーレント光を介して達成されてもよい。
【００２５】
本発明の一実施形態によれば、アクチュエータは、少なくとも１つの電界効果トランジスタ構造を有する。そしてそれは、ゲートを経由して燃料電池薄膜を制御するための電界および／または磁界を制御するように設計される。
【００２６】
かくして、燃料電池薄膜の迅速な制御は、低い制御性能だけを有して達成されることができる。電界効果トランジスタ構造は、特に、絶縁層電界効果トランジスタ構造でもよい。
【００２７】
本発明の一実施形態によれば、アノード、カソード、およびアノードとカソードとの間に配置される燃料電池単位膜を有する燃料電池は、一次的化学的から二次的電気的へのエネルギーフローを有する作動についての上記の形において供給される。
【００２８】
本発明の一実施形態によれば、アノード、カソード、およびアノードとカソードとの間に配置される上記の通りの燃料電池単位膜を有する高圧電解セルは、一次的電気的から二次的化学的へのエネルギーフローを有する作動について利用可能となる。
【００２９】
かくして、燃料電池だけでなく、逆の反応プロセスにおいても、高いダイナミクスおよび改良された制御可能性を有する高圧電解セルを提供することができる。
【００３０】
本発明の着想は、したがって、燃料電池が燃料電池薄膜においてまたはそれ上に直接制御される程度まで、燃料電池および／または高圧電解セルの制御を改良することだと見なされることができる。その結果、ダイナミクスの損失に至るより長い反応時間は、除外され得るかまたは少なくとも減少され得る。
【００３１】
後述する本発明の実施形態は、燃料電池単位膜、燃料電池および高圧電解セルにも等しく当てはまると指摘されなければならない。
【００３２】
個々の特徴は、もちろん互いに組み合わされてもよい。その結果、個々の効果の合計を超える有利な効果は、ある程度達成されてもよい。
【００３３】
本発明のこれらのそして他の態様は、後述する例示的実施形態を参照することにより説明されかつ例示される。
【００３４】
例示的実施形態は、以下の図面を参照して後述される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、従来技術からの燃料電池のＵ／Ｉ特性ラインおよびＰ／Ｉ特性ラインの曲線を概略的に示す。
【図２】図２は、本発明の例示的実施形態による燃料電池単位膜および／または燃料電池の概略設計を示す。
【図３】図３は、本発明の一実施形態による水平グリッドおよび／または垂直グリッドの基本構造を示す。
【図４ａ】図４ａは、本発明の実施形態による燃料電池薄膜に関するグリッド配置の可能な実施形態を示す。
【図４ｂ】図４ｂは、本発明の実施形態による燃料電池薄膜に関するグリッド配置の可能な実施形態を示す。
【図４ｃ】図４ｃは、本発明の実施形態による燃料電池薄膜に関するグリッド配置の可能な実施形態を示す。
【図５ａ】図５ａは、対応する図４ａの概略断面図および側面図を示す。
【図５ｂ】図５ｂは、対応する図４ｂの概略断面図および側面図を示す。
【図５ｃ】図５ｃは、対応する図４ｃの概略断面図および側面図を示す。
【図６ａ】図６ａは、半導体層および／またはトランジスタ構造層を有する燃料電池薄膜の基本設計を示す。
【図６ｂ】図６ｂは、トランジスタ構造配置の基本設計の断面図を示す。
【図７ａ】図７ａは、本発明の一実施形態による半導体層および光ファイバ層の基本設計を示す。
【図７ｂ】図７ｂは、図７ａによる基本設計の断面図を示す。
【図８】図８は、本発明の一実施形態による平行に接続されたピエゾ素子を有する水平グリッドおよび／または垂直グリッドを示す。
【図９ａ】図９ａは、図６ａ〜図８に示される配置の１つによる燃料電池薄膜に関するアクチュエータの基本配置の断面図および／または側面図を示す。
【図９ｂ】図９ｂは、図６ａ〜図８に示される配置の１つによる燃料電池薄膜に関するアクチュエータの基本配置の断面図および／または側面図を示す。
【図９ｃ】図９ｃは、図６ａ〜図８に示される配置の１つによる燃料電池薄膜に関するアクチュエータの基本配置の断面図および／または側面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
図１は、従来技術からの燃料電池における電圧−電流間の、および電力−電流間の関係を示す典型的な特性ラインを示す。電流が増加するにつれて、電圧は、概して低下する。図１に示される従来技術からの燃料電池の特性ラインは、各々標準化された形（すなわちユニット当たり（ｐ．ｕ．））においてプロットされる電圧、電流および電力についての曲線である。過負荷があるときに、特性ラインは、ここに実線で示される曲線から、破線によって示される曲線に変化する。高負荷があるときに、電圧降下は、電流値が０．３で発生する。同様に、電流値が０．３であるときに、性能の低下は、高負荷で（例えば、過負荷または強い動的負荷で）同様に発生する。高い過負荷でのこれらの欠乏は、本発明による燃料電池単位膜（ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ  ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｕｎｉｔ）および／または燃料電池および高圧電解セル（ｈｉｇｈ−ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ  ｃｅｌｌ）によって対処される。図２は、対応する装置を示す。
【００３７】
図２は、本発明による燃料電池薄膜（ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）を有する燃料電池装置（ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ  ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）の概略設計を示す。そこに示される装置は、高圧電解セルにもあてはまると指摘されなければならない。ここで図２に示される実施形態において、燃料電池２は、燃料電池薄膜１０および／または燃料電池薄膜装置１から成る。燃焼ガスをアノードおよび／またはカソードに導通するための対応するガス導体板（ｇａｓ  ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｐｌａｔｅ）と各々接触しているアノード４およびカソード５は、燃料電池薄膜に隣接している。燃料電池薄膜１０に動作可能に接続しているアクチュエータ２０は、図２に示される燃料電池薄膜装置１に位置する。このアクチュエータ２０は、燃料電池薄膜１内にまたはそれ上に配置されてよい。図２は、アクチュエータ２０が燃料電池薄膜内にある配置を示す。図２に示される配置は、グリッド配置３０の実施形態におけるアクチュエータを示す。そしてそれは、ここに水平グリッド３１および垂直グリッド３２を有する。しかしながら、付加的な図を参照して以下で説明されるように、アクチュエータは、膜の表面上に配置されてもよく、そしてアクチュエータは、グリッド構造３０以外の要素から成ってもよいことを理解すべきである。図２に示される配置において、制御装置は、グリッド構造に接続している。特に、水平グリッドをトリガさせるためのトリガ素子４１は、水平グリッド３１に接続している。そしてそれは、このトリガ素子によってそれに応じてトリガされることができる。したがって、信号は、水平グリッドのトリガ装置４１から水平グリッドまで送られてよい。同様に、垂直グリッド３２は、垂直グリッドのトリガ装置４２に接続している。その結果、垂直グリッドをトリガさせるための対応する信号は、トリガ装置４２から垂直グリッド３２まで送られてよい。このようにして、２つのグリッド３１、３２は、燃料電池薄膜のトリガを実行することが可能であるように、互いに別々にトリガされることができる。対応する燃焼ガスは、カーボン紙分離機としても知られるガス導体板全体にわたって、燃料電池を目指す。その結果、燃焼は、アノード４およびカソード５（すなわち、燃料電池薄膜１）全体にわたって起こることができる。この燃焼は、アノード４および／またはカソード５上の電圧につながる。そしてそれは、電気消費部５０に供給するために用いることができる。図２において、この消費部は、負荷抵抗ＲＬと同一視される。電圧は、燃料電池の監視のためのアノード４および／またはカソード５における電圧計４３を用いて測定されることができる。同様に、電流は、対応する電流計４４によって測定されることができる。加えて、ｄｉ／ｄｔ率は、対応するデバイス４５によって測定されることができる。燃料電池の長さは、ここにＬとして与えられる。例えば、短絡を含む動的プロセスを検出するために、電流立上りｄｉ／ｄｔの率も、電流および電圧に加えて測定されなければならない。電流の増加（すなわち、電流立上り（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｒｉｓｅ））があるときに、燃料電池膜上の電流密度分布は、外部の制御変数によってアクチュエータを用いてより均一になることができる���そのために、アクチュエータ２０は、図２のグリッド構造３０の形でここでは使用される。それにもかかわらず、セルＩｚ上のパーセンテージ電流負荷（ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｌｏａｄ）は、ファクタｋを用いるＩｚ＝ｋ・Ｌにしたがう燃料電池の長さ拡大（ｌｅｎｇｔｈ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）Ｌから決定されることもできる。ファクタｋは、燃料電池の実施形態および冷却のタイプに依存する。しかしながら、パーセンテージ電流負荷は、Ｉｚ＝ｍ・Ｔとして、ファクタｍを用いて燃料電池の温度増加Ｔから決定されることもできる。ファクタｍは、燃料電池の実施形態および冷却のタイプに依存する。かくして、図２に示されるような装置については、出力電圧、出力電流および／または電流立上り率の測定値の変化に迅速に応答することができる。この応答は、燃料電池膜上の動的な電流密度分布による「パワーブースト」に対応する。このようにして、高い局所的電流密度を担うために燃料電池を過剰な大きさにすることは、もはや必要でない。電流密度分布の制御は、例えば、電界または磁界を生成することによって達成されてよい。燃料電池は、出力電流、出力電圧および電流立上り率を監視することによって、モニタされてよい。
【００３８】
図３は、膜グリッドが２つのコンポーネント、すなわち垂直グリッド３２および水平グリッド３１から成る本発明の実施形態を示す。対応するグリッドは、上部および底部で垂直グリッドに対しておよび／または水平グリッドの右および左で対応する接続を介して制御されることができる。これらの２つのグリッドは、例えば、互いに上下にそして互いに９０°角度をずらして配置されてもよい。しかしながら、他のいかなる角度も、使われてよい。グリッドバーは、曲率または波形状を有してもよいが、それは図示されない。
【００３９】
図４ａ、図４ｂ、図４ｃは、燃料電池薄膜１０に関して水平グリッド３１および／または垂直グリッド３２の配置を有する対応する実施形態を記載する。図４ａによれば、水平グリッドおよび垂直グリッドは、燃料電池薄膜１０の両側に配置されてよい。対応する接続を通して、それらが９０°角度をずらすかまたは他の角度をずらすように配置される２つのグリッドは、対応する接続を介して制御されてもよい。図４ｂは、２つのグリッド３１、３２が互いに上下に配置される配置を示す。しかしながら、これらの２つのグリッドは、それらが互いに別々に制御されることができるように互いに電気的に絶縁されてよいことは、ここでよく理解されるべきである。燃料電池薄膜の電流密度分布は、発生する電界を通して修正されてよく、これにより制御されてよい。図４ｃは、水平グリッド３１および垂直グリッド３２が燃料電池薄膜１０の内側に配置される他の実施形態を示す。この構成（ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）については、水平グリッドおよび垂直グリッドは、互いに離間されるのと同様に、互いに上下にしかし互いに絶縁されて配置されてよい。グリッド配置および燃料電池薄膜１０の構造設計は、図５ａ〜図５ｃに示される。
【００４０】
図５ａ〜図５ｃは、垂直グリッド、水平グリッドおよび燃料電池薄膜を有する図４ａ〜図４ｃに示される配置による断面図および／または側面図を示す。図５ａにおいて、水平グリッド３１および垂直グリッド３２は、燃料電池薄膜１０の両側にある。グリッド構造２０の対応する制御については、これによって磁界および／または電界が燃料電池薄膜１０の範囲内で発生することができて、膜１０における電流密度分布の制御に至ることができる。しかしながら、図５ｂに示すように、２つのグリッド３１、３２は、燃料電池薄膜１０の一側に配置されてもよい。アクチュエータ（すなわち、ここでのグリッド構造３０）は、燃料電池薄膜の２つの側のうちの１つに配置される。さらに、垂直グリッド３２および水平グリッド３１は、燃料電池薄膜１０内側に配置されてもよい。その結果、グリッド構造３０は、燃料電池薄膜１０内に完全に埋め込まれる。図５ｃに示される配置において、２つのグリッド３１、３２は、互いに離間していて、しかしそれらは互いに直接上下にあってもよくて、任意に必要でもよいいかなる絶縁も考慮してよい。
【００４１】
しかしながら、下で説明されるように、アクチュエータまたは制御要素は、導電性グリッドによるよりも他のやり方で実施されてもよい。
【００４２】
図６ａは、燃料電池薄膜１０に対する半導体層２４として適用される半導体の配置（ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）の構造設計を示す。この半導体層２４は、電界効果トランジスタ構造として設計されてよい。そしてその断面図は、図６ｂにおいて詳細に示される。対応する構造は、ソースＳ、ゲートＧおよびドレインＤからなる半導体層２４に適用される。トランジスタの対応する導電性は、ゲート２７を制御することによって確立されることができる。その結果、電流の流れは、電界および／または磁界を生成するためにゲート２７のトリガを介して生成されることができる。このようにして、半導体層の形の、特にトランジスタ構造２６の形のアクチュエータは、ゲート全体の比較的低い制御電圧によって制御されてよい。電界効果トランジスタは、特に絶縁層電界効果トランジスタとして具体化されてよい。半導体層は、例えば１０μｍの厚みを有する薄層として、または、例えば１００μｍの厚みを有する積層カット層（ｌａｍｉｎａｔｅｄ  ｃｕｔ  ｌａｙｅｒ）として、例えば蒸着によって具体化されてよい。
【００４３】
図７ａは、半導体層２４が燃料電池薄膜１０に適用される本発明の他の実施形態を示す。ここに示す実施形態において、これは、例えば、感光層でもよい。光学層２５は、感光性半導体層２４を制御するために適用されてよい。図７ｂは、対応する層構造を示す。半導体層２４は、ｎドープト層２４ｎおよびｐドープト層２４ｐの層別（ｓｔｒａｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）の形で燃料電池薄膜１０に適用される。そうすると、光ファイバ層２５はこの半導体層２４よりも上に配置される。光をともなう対応する照射を通して、電圧が光電効果によって発生して、トリガのために使われてよい。その結果、半導体層２４および光ファイバ（ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒ）２５の層別は、燃料電池薄膜１０の電流密度分布が制御されることができるアクチュエータを形成する。
【００４４】
しかしながら、アクチュエータは、例えば、対応する圧力の適用の下で電界を生成するために電圧を有するピエゾ素子として実現されてもよい。この種の配置（ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）は、図８に示される。図８は、並列に接続される複数のピエゾ素子２１、２２、２３から成る水平グリッド３１と同様に、並列に接続される複数のピエゾ素子２１、２２、２３から成る垂直グリッド３２を示す。図８に示すように、ピエゾ素子は、並列にだけでなく直列に配線されてよい。対応する圧力適用によって電界を生成することができるアクチュエータ２０は、このようにして供給されることができて、燃料電池薄膜の電流密度分布を制御するために用いることができる。
【００４５】
図９ａ〜図９ｃは、対応するアクチュエータが、特に図６ａ、図７ａ、図８によるアクチュエータがどのようにして燃料電池薄膜１０に関して配置されることができるかという基本設計を示す。図９ａは、燃料電池薄膜の２つの主要側面の両方へのアクチュエータの適用を示す。しかしながら、これに代えて、図９ｂに示すように、対応するアクチュエータは、膜１０のちょうど一側に配置されてもよい。加えて、アクチュエータ２０は、図９ｃに示されるように、特にピエゾ素子、光ファイバ（ｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓ）を有する半導体層の形で、またはトランジスタ半導体層の形でも、燃料電池薄膜１０の内部に配置されてもよい。アクチュエータは、必ずしも燃料電池薄膜の主要表面によって位置づけられる必要はなくて、エッジを介して作用してもよいと指摘されなければならない。
【００４６】
導電性、濃度および相転移を経た電解液（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）の特性の制御は、本発明による燃料電池薄膜上に直接および／または燃料電池薄膜内のアクチュエータのこの種の配置を通して達成されることができる。代わりとして、この種のアクチュエータは、他の形において、例えば、プラスチック、金属または半導体材料よび／またはこの種の材料の組み合わせでできたアクチュエータとして実施されてもよいと指摘されなければならない。あるいは、この種の制御要素は、形状記憶合金グリッドとして具体化されてもよい。アクチュエータは、機械的に、マイクロ機械的に、電気的に、磁気的に、光学的に、油圧的に、または空気的に、設計されてよい。加えて、それは、温度の変化によって制御されてよい。かくして、燃料電池の稼動性能は、遅延なしに作用する膜の直接制御によって改良される。特に、それが内部的に制御されて、重大稼動状態（例えば、高い膜温度）において急速にシャットダウンされることができるときに、燃料電池の寿命は、増加する。加えて、それが負荷イベントおよび／または電子的または電気的過負荷の場合の後期までシャットダウンされる必要がないので、燃料電池の利用可能性は、増加する。そして、したがって、より長い期間、電気を供給することは、利用可能である。さらに、より高い反応速度が達成され得るので、ダイナミクスも増加する。加えて、燃料電池が誤り（ｆａｕｌｔ）を生じた場合に短い期間により高い電流振幅を供給することができるので、燃料電池の保護技術は、非常に単純化されることができる。そして、したがって、過電流回の保護装置は、燃料電池を保護するために用いてよい。燃料電池は、この新規のタイプの制御のせいで短い期間により高い電流（いわゆる過負荷電流）を供給することもできる。そして、したがって、全システムは、より小さい寸法によって設計されてよい。その結果、この実施形態の燃料電池は、同じ最大電力でより低い重量およびしたがってより高い出力密度を有する。膜がより急速にシャットダウンされることができるという事実のせいで、特に、燃料電池がより高い温度でより制御されたやり方で稼動することができるので、そして、リスクの危険が急速シャットダウンのオプションのせいで最小化されることができるので、全体の稼動信頼度は、増加することができる。
【００４７】
用語「含む」は、他の要素を除外しないし、用語「１」または「１つ」も他の素子を除外しないと指摘されなければならない。
【００４８】
ここで使用する参照番号は、理解のしやすさを増加させるだけのために用いられて、制限的に考えられてはならない。そして、本発明の保護の範囲は、請求項によって定義される。
【符号の説明】
【００４９】
１…燃料電池単位膜
２…燃料電池
４…アノード
５…カソード
６…ガス導体板
１０…燃料電池薄膜
１１…膜面
１２…膜面
２０…アクチュエータ
２１…ピエゾ素子
２２…ピエゾ素子
２３…ピエゾ素子
２４…半導体層
２４ｐ…ｐドープト半導体領域
２４ｎ…ｎドープト半導体層
２５…光ファイバ
２６…電界効果トランジスタ構造
２７…電界効果トランジスタのゲート
３０…グリッド構造
３１…水平グリッド
３２…垂直グリッド
４１…水平グリッドの制御
４２…垂直グリッドの制御
４３…電圧測定
４４…電流測定
４５…ｄｉ／ｄｔ測定
５０…負荷、消費部
Ｓ…ソース
Ｄ…ドレイン
Ｇ…ゲート
Ｕ…電圧
Ｉ…電流
Ｐ…電力
Ｌ…燃料電池の長さ
ＲＬ…負荷抵抗、消費部
ｐ．ｕ．…ユニット当たり
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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