(57)【要約】燃料電池を出力に関係して制御するには規定の流れを有する燃料混合物が必要である。本発明によれば、この種の混合物を作成するために少なくとも特定の領域で多孔性材料から成る壁を有する中空体を通って水がポンプによって通流し、多孔壁の一方側にある区画内へ燃料がポンプによって規定の流量で入れられる。圧力差によって燃料が多孔壁の全表面で多孔壁の他方側を通流する水の中へ浸透し、均質な混合を生じる。付属装置（１０，２０）では中空体（１，２１）が少なくとも部分的に多孔壁（２，２２）を有する。この種の装置は特に直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）に適用可能であり、特に作動温度ないしは作動圧力が前設定可能である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも特定領域において多孔性材料から成る壁を有する中空体を通って水が通流し、
多孔壁の一方側にある区間内へ燃料が規定の流量で入れられ、
圧力差によって燃料が多孔壁の全表面で多孔壁の他方側を通流する水の中へ浸透し、
水と燃料との均質な混合物が発泡を生じることなしに生成される
特に燃料電池において使用するための水内への燃料の混合方法。
【請求項２】
燃料がメタノールであることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
水とメタノールとの混合物が、乱流を生じる狭窄部分を通って通流し、それにより混合の改善が達成されることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
孔の大きさを前設定することにより水とメタノールとの混合物の温度ないしは圧力が設定されることを特徴とする請求項２又は３記載の方法。
【請求項５】
水とメタノールとの混合物を高温および低圧にするには小さな孔が、水とメタノールとの混合物を低温および高圧にするには大きな孔が使用されることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
水が通流するための中空体を備え、この中空体（１，２１）が少なくとも部分的に多孔壁（２，２２）を有し、多孔壁（２，２２）の領域が外部に別の壁（３，２３）を形成され、それにより内側で多孔壁（２，２２）を通じて中空体（１，２１）と結合される閉鎖区画が形成されていることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の方法を実施するための装置。
【請求項７】
多孔壁（２，２２）の細孔が０．１μｍ以上、特に０．２μｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項８】
多孔壁を有する中空体が管（１）もしくはシリンダ（２１）であることを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項９】
多孔壁が全管（１）の一部としてセラミック管（２）であることを特徴とする請求項６又は８記載の装置。
【請求項１０】
多孔壁（２，２２）が金属製ガスフィルタである及び／又はガラス材料から成る及び／又はグラスフィルタもしくはセラミックフィルタを含むことを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項１１】
請求項１記載の方法が燃料電池において燃料の沸騰温度を上回る温度で使用される請求項６乃至１０の１つに記載の装置の用途。
【請求項１２】
燃料がメタノールであり、燃料電池が直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ＝Ｄｉｒｅｃｔ　Ｍｅｔｈａｎｏｌ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ）であることを特徴とする請求項１１記載の用途。
【請求項１３】
燃料電池の作動温度ないしは作動圧力が請求項６乃至１０の１つに記載の装置により前設定可能であることを特徴とする請求項１１記載の用途。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、特に燃料電池において使用するための水内への燃料の混合方法に関する。また、本発明はこの方法を実施するための手段、すなわち水がポンプにより通流するための中空体を備えた付属装置にも関する。本発明において燃料はメタノールが望ましいが、必ずしもそれに限定されない。
【０００２】
燃料電池は液状もしくはガス状の燃料により作動される。燃料電池が水素により動作する場合、液状燃料からガス状水素を発生させるための水素インフラもしくは改質器が必要である。液状燃料は例えばガソリン、エタノールもしくはメタノールである。いわゆるＤＭＦＣ（“Ｄｉｒｅｃｔ　Ｍｅｔｈａｎｏｌ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ”直接メタノール型燃料電池）は燃料としてのメタノールにより直接動作する。ＤＭＦＣの機能および状態については“ＶＩＫ報告”、２１４号、１９９９年１１月発行、ｐ５５〜６２に詳細に記載されている。
【０００３】
直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ＝Ｄｉｒｅｃｔ　Ｍｅｔｈａｎｏｌ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ”）の適正な制御および出力に関係した調節のためには、燃料電池の負荷に依存する水−メタノール混合物を、規定の流量で連続的に作成することが必要である。この混合物はＤＭＦＣを決定する過程のために燃料および電解質として同様に働く。この場合、混合物の割合は定量的に前設定され、かつ維持されねばならない。水流中へメタノールを噴射するだけではこの目的には適していない。というのは、セルからできるだけ近い距離で混合を行い、その結果デッドスペースをできるだけ少なくし、それによって調節ができるだけ迅速に行われるようにしたいからである。
【０００４】
そのほかにも、燃料電池における著しい温度勾配によって不均質な変換が生じないようにするために、水がほぼ燃料電池の作動温度を有するように努力する必要がある。これは特に二酸化炭素が発生するので受容できない。それにもかかわらず、燃料電池の燃料循環が同時に冷却に利用される場合、この理由から出発温度をできるだけ高く選定し、むしろカソード側で水を蒸発させ、続いてコンデンサもしくは熱交換器において凝縮させることにより冷却する必要がある。
【０００５】
ＤＭＦＣの通常の作動温度は（作動圧力が時折高くなるにもかかわらず）メタノールの沸騰温度を上回るので、８０℃から例えば１６０℃までの温度でメタノールを水中へ噴射することによって蒸気泡が形成される。この蒸気泡は液体の流れ内で時間をかけてやっと消滅する。従って、メタノールが蒸気泡を形成することなく水とメタノールとの良好な混合物を達成することが必要である。
【０００６】
噴射により水とメタノールとの混合物を作成することは国際公開第９９／４４２５０号パンフレットから公知である。しかし、特別な用途にとって十分となるメタノールと水の混合物はこれによっては保証されない。
【０００７】
従って、本発明の課題は燃料と水との強烈な混合物が達成される方法を提案し、付属装置を提供することにある。
【０００８】
本発明によれば、この課題は冒頭に挙げた種類の方法において請求項１の構成要件により解決される。この点に関する装置は請求項６の特徴を有する。本発明による方法ないしは付属装置の有利な別の実施態様はそれぞれの従属請求項により記載されている。
【０００９】
本発明では燃料の沸点以上の温度および圧力で燃料と水とを強烈に混合するために、水がポンプによって少なくとも部分的に多孔壁を有する多孔体、例えば管もしくはシリンダを通って通流する。この場合、燃料がポンプによって規定の流量で多孔体の一方側にある区画内へ入れられと、燃料の充満したこの区画における圧力がわずかに上昇し、燃料が多孔性表面の全体で多孔体を通って多孔体の他方側を通流する水の中へ浸透する。多孔体の周縁領域内および拡大された表面上で混合されることによって不所望な発泡が阻止されると有利である。
【００１０】
本発明において重要なことは、適切な大きさの孔を有する多孔体が利用され、それによって水と燃料とを混合するための表面が拡大されることである。拡大された表面により、混合および熱伝達が従来の方法よりも迅速であり、従ってその間の蒸発およびその結果としての発泡がもはや生じなくなる。
【００１１】
本発明の別の詳細について以下に実施例の図面および請求項に関連する図面に基づき説明する。図面はいずれも概略横断面図である。
【００１２】
本発明は燃料としてメタノールを用いる場合について詳細に記述する。図１には二重管装置１０が示されている。この装置は水が貫流する内管１から成る。この内管１は管体の特定領域２において水が内から外へ通過不可能であるが別の流体が通過可能であるような細孔を有する多孔性材料によって形成されている。多孔体２の管壁の領域には内管１の周囲に外管３が配設されており、その中へメタノールがポンプによって規定の流量で入れられる。これにより、メタノールが充満した区画にわずかに高い圧力が生じ、メタノールは管体２の多孔壁を通って通過し、多孔性表面全体で多孔体２の他方側を通流する水の中へ浸透する。この結果、壁領域でメタノールと水の混合が生じ、その場合多孔体２の壁の表面が拡大されたために発泡が阻止される。
【００１３】
図２では、水がポンプによって送られる外部流路２１から成るシリンダ装置２０が形成されている。シリンダ装置２０の中には多孔壁から成る内部の有底円筒体２２が取り付けられている。この内部有底円筒体内へメタノールがポンプによって送られる。図１と同じ作用が生じ、その結果メタノールが多孔壁を通って水路内へ浸透し、水−メタノール混合物が生成する。
【００１４】
図１ではメタノールは管壁２の周囲で内管１内に存在する水流の周縁領域内へ水流を取囲むように浸透するが、図２では水流の有底円筒体２２側の周縁領域のみがメタノールを与えられる。後続の管部分における体積流量の周縁領域は体積流量の中心よりも高いメタノール濃度を有するので、内管１ないしは外部流路２１における後続の狭窄部分は、この狭窄部分により良好な混合が生じる乱流が達成されるように管直径の１／３以下にするのが望ましい。
【００１５】
多孔体としてはセラミック管、金属製ガスフィルタ、ガラス材、市販のグラスフィルタもしくはセラミックフィルタが使用できる。この種の材料は規定の孔直径のものが入手可能である。孔直径はメタノールポンプのための動圧が高くなりすぎないように１０μｍより小さく、０．２μｍより大きくなければならない。
【００１６】
孔の大きさの前設定の段階で装置の所期の作動温度および作動圧力が調節可能である。高温および低圧にするには小さな孔が使用され、低温および高圧にするには大きな孔が使用される。
【００１７】
図２による装置は直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ＝Ｄｉｒｅｃｔ　Ｍｅｔｈａｎｏｌ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ）と結合されて試験されている。特にＤＭＦＣの作動温度がメタノールの沸騰温度を上回る場合に適切な適用となった。従って、上記の例で用いられた多孔性材料の孔の大きさを適切に選定することによりＤＭＦＣの作動温度ないしは作動圧力を適切に前設定することができる。
【００１８】
燃料としてのメタノールにより作動されるＤＭＦＣに基づいて上述した、水−燃料混合物から二酸化炭素を分離するという課題解決法はその他の燃料により作動される燃料電池にも転用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】水と燃料との混合装置の第１実施例を示す概略断面図。
【図２】水と燃料との混合装置の第２実施例を示す概略断面図。
【符号の説明】
１　　管
２　　多孔壁
３　　壁
１０　二重管装置
２０　シリンダ装置
２１　中空体
２２　多孔壁
２３　壁
【図１】
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【図２】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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