【手続補正書】
【提出日】令和2年11月26日(2020.11.26)
【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】
燃料供給ユニットと、１つのカソードと１つのアノードとを有する少なくとも１つの燃料電池と、改質装置と、少なくとも前記アノードからのアノード排気を排出するアノード排気ラインと、前記アノード排気ラインに少なくとも１つのバーナ装置と、を備え、
前記カソードはカソード供給ラインを有し、
前記アノードはアノード供給ラインを有し、
前記アノード内の流れは、前記アノード供給ラインを介して前記燃料供給ユニットの流れに接続され、
前記改質装置は前記アノード供給ラインに設けられた燃料電池システムであって、
前記カソード供給ラインに少なくとも１つの第１熱交換器が配置され、
前記アノード供給ラインに少なくとも１つの気化装置及び第２熱交換器が配置され、
前記気化装置は、前記改質装置の上流に配置され、
前記アノード排気ラインは、前記バーナ装置の下流で第１アノード排気補助ライン及び第２アノード排気補助ラインに分岐し、前記第１、第２アノード排気補助ラインは排気ガス出口に接続され、
前記第１アノード排気補助ラインは前記第１熱交換器の高温側を通過する一方、前記第２アノード排気補助ラインは前記第２熱交換器の高温側を通過し、
前記気化装置は、前記第２アノード排気補助ラインによって加熱可能に構成されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１アノード排気補助ライン及び前記第２アノード排気補助ラインは共通排気ガス出口に接続されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１アノード排気補助ラインに、第１制御バルブ装置を設け、及び／又は、
前記第２アノード排気補助ラインに、第２制御バルブ装置を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第２アノード排気補助ラインに供給される前記アノード排気は、前記改質装置を通過し、よって前記改質装置に熱を伝達することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２熱交換器は過熱器であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第２熱交換器及び前記改質装置は、組み合わされて単一の共通要素である過熱・改質要素となることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第２熱交換器及び前記気化装置は、単一の共通要素となる気化・過熱要素に組み合わされることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記バーナ装置への流れ方向に続き、前記アノード排気は、前記第２熱交換器の前に前記改質装置を通過可能であり、
前記アノード排気は、前記第２熱交換器に沿って前記気化装置を通過可能であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記アノード排気ラインは、前記改質装置の下流で前記第１アノード排気補助ライン及び前記第２アノード排気補助ラインに分岐し、前記アノード排気は、前記バーナ装置に続いて前記改質装置を通過することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記バーナ装置は、点火装置を有する始動バーナユニット若しくは触媒バーナ、又は触媒バーナ及び始動バーナ装置を有する結合要素であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料供給ユニットと前記アノード排気ラインとの間に、始動バーナ燃料計器と共に始動バーナ燃料ラインが設けられ、前記始動バーナ燃料計器を当該始動バーナ燃料ライン上に設けることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記気化装置の上流において、前記アノード供給ラインに燃料噴射装置を設けたことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記第１熱交換器の上流において前記カソード供給ラインから分岐すると共に、前記第１熱交換器の下流において前記カソード供給ラインに合流する少なくとも１つのバイパスラインを備え、
前記バイパスラインにバイパス制御バルブ装置が配置されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記第１熱交換器の上流において前記カソード供給ラインから分岐すると共に、前記改質装置の上流において前記アノード供給ラインに合流する少なくとも１つのパージ用エアラインを備え、
前記パージ用エアラインにパージエア制御バルブ装置が配置されることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
改質ガスを生成するために、本燃料電池システムに改質装置を設けても良い。当該改質装置は、燃料（通常は天然ガスなどの炭化水素）、ディーゼル、又はアルコール、あるいは改質空気及び／もしくは水蒸気から改質ガスを生成する。改質ガスには、他の物質と共に、水素ガス及び一酸化炭素が含まれる。本発明の改質処理は、別体の改質装置において実行されても良いし、燃料電池内部で実行されても良い。また、本燃料電池システムは、給気装置を備えていても良い。かかる給気装置は、空気搬送器を用いて燃料電池システムの周囲の大気を取り込み、取り込んだ空気を、例えば改質空気とカソード空気とに分離する。改質空気は改質空気ラインを介して改質装置に送られる一方、カソード空気はカソード供給ラインを介して少なくとも１つの燃料電池のカソード側に送られる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
当該目的は、本発明に係る上記燃料電池システムによって達成される。当該燃料電池システムでは、少なくとも１つの熱交換器がカソード供給ラインに設けられ、少なくとも１つの気化装置と第２熱交換器がアノード供給ラインに設けられ、当該気化装置は改質装置の上流に設けられる。アノード排気ラインは、バーナ装置の下流において、排気ガス出口に接続された第１アノード排気補助ラインと、排気ガス出口に接続された第２アノード排気補助ラインとに分岐する。第１アノード排気補助ラインは、第１熱交換器の高温側を通過し、第２アノード排気補助ラインは第２熱交換器の高温側を通過する。気化装置は第２アノード排気補助ラインによって加熱可能に構成される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明における明確な効果の一つは、アノード排気における燃料電池反応からの廃熱を、アノード排気ラインの配線と配置、さらには第１及び第２アノード排気補助ラインを流れる平行流への分岐によって効率的に利用可能としたことにある。高温のアノード排気は改質装置及び気化装置並びに２つの熱交換器を流れる。アノード排気からの熱は、アノード供給ライン及びカソード供給ライン内の流れとの相互作用、又は当該流れへの熱伝達にとって理想的である。アノード排気ラインを第１及び第２アノード排気補助ラインに分けることによって、熱伝達に十分な熱が各要素に付与され、動作上の必要に応じて質量流量（Mass Flow）を調整・制限することができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
また、改質反応及び、特に吸熱改質に必要な熱エネルギが改質装置に供給される。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
本質的に、第１、第２アノード排気補助ラインの端部は、それぞれ専用の排気ガス出口を供えても良い。但し、本発明の変形例では、第１アノード排気補助ライン及び第２アノード排気補助ラインは共通排気ガス出口に接続されても良い。ここで、アノードガスは、排気ガス出口を介して外界に排出されるが、様々な要素との相互作用により、アノード排気ガスからの熱の大部分が伝達される。このため、排気ガス出口に用いられる材料に関し高い要求は求められず、製造コストを抑えることができる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
本発明のある変形例では、始動バーナ燃料ラインを燃料供給ユニットとアノード排気ラインとの間に設け、好ましくは、始動バーナ燃料計器を当該ラインに配置する。バーナ装置及び／又は始動バーナユニット内の流れは、始動バーナ燃料計器を介して燃料供給ユニット内の流れと接続される。燃料電池システムの始動時や暖気時には、当該システム（特に改質装置及び気化装置）の動作温度を要求レベルまで上昇させるために、当該始動バーナ燃料ラインを介して燃料を供給することができる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
アノード供給ラインへの燃料量を調整するために、燃料噴射装置を、気化装置の上流においてアノード供給ラインに設けることが有益である。これにより、運転状態や要求に応じて（特に、気化装置の気化処理において好ましい形態で）供給される燃料の量を調整することができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
燃料は、燃料噴射装置１１により、液体の状態で気化装置１２に導入される。気化装置１２では、燃料が加熱されて気化する。その後、気化した燃料は改質装置１３に供給され、電気エネルギに変換される水素リッチな燃料ガスや改質ガスが生成される。改質処理中、燃料は、添加された空気及び／又は水（水蒸気）に沿ってあるいはこれと共に、触媒表面を通過するように供給され、水素、二酸化炭素、一酸化炭素、水蒸気へと変化する（燃料ガスの正確な組成は使用される燃料に依存する）。なお、吸熱処理であるため、水蒸気改質には、結果として必要な熱を加えなければならない。改質温度が高く水（水蒸気）の割合が高いほど、結果物たる燃料ガスや改質ガスの純度が高まる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
また、パージ用エアライン１９は、ファン１４とカソードガス調整装置１５との間で、カソード供給ライン４０から分岐し、改質装置の上流、好ましくは気化装置１２と改質装置１３との間、でアノード供給ライン３０と合流する。パージ用エアライン１９には、パージエア制御バルブ装置２０が設けられる。当該パージエア制御バルブ装置２０は、必要に応じてパージ用エアラインの流れを調整するのに用いられる。改質装置１３での反応を補助するために、パージ用エアラインから気化した燃料に対して空気を供給できる。このことは、燃料電池システム１００の始動期において特に有益である。パージ用エアライン１９を介して供給された空気は、改質反応を補助し、システムの加熱時間を短縮できる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
燃料電池スタック１，２からの熱を可能な限り最大限有効活躍するために、本発明におて、アノード排気ライン６は、バーナ装置２２の下流で第１アノード排気補助ライン６ａと第２アノード排気補助ライン６ｂに分岐され、共通排気ガス出口２１で終端する。なお、図示は省略するが、別の変形例では、各アノード排気補助ライン６ａ，６ｂは、それぞれ対応する排気ガス出口で終端しても良い。各アノード排気補助ライン６ａ，６ｂを流れる排気ガスを調整するために、第１アノード排気補助ライン６ａに第１制御バルブ装置２７が設けられ、第２アノード排気補助ライン６ｂに第２制御バルブ装置２８が設けられる。制御バルブ装置２７，２８は、アノード排気補助ライン６ａ，６ｂを流れる排気ガスが比較的低温な状態にある、排気ガス出口２１に可能な限り近づけて配置するのが好ましい。そうすることで、制御バルブ装置２７，２８の（特に熱耐性に関する）構造、材料及び技術に関する厳格な要件を回避することができ、当該制御バルブ装置を安価に製造することができる。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
第２アノード排気補助ライン６ｂは、排気ガスの流れ方向において、先ず、改質装置１３及び第２熱交換器２９を組み合わせてなる共通過熱・改質要素１３ａを通過し、その後気化装置１２に導かれる。また、燃料噴射装置１１の下流では、アノード供給ライン３０が気化装置１２を通過する。気化装置１２では、約３０〜３５℃で噴射された燃料が気化されると共に、過熱・改質要素１３ａに導入される前に約１２０℃まで加熱される。当該加熱・改質要素では、燃料電池スタック１，２用の改質ガスが生成される。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５４】
図３は、図２同様、アノード排気ライン６が、第１、第２アノード排気補助ライン６ａ，６ｂに分岐する前に、バーナ装置２２の下流にある改質装置１３に導かれる例を示す。この例においても、吸熱改質反応を補助することができる。第１アノード排気補助ライン６ａは、カソード４，４’に供給される空気を加熱又は予熱するために、第１熱交換器１６の高温側を通過する。第２アノード排気補助ライン６ｂの排気ガスは、気化装置１２や排気ガス出口２１へと導かれる前に、過熱器として機能する第２熱交換器２９の高温側を通過する。したがって、供給された燃料は、先ず気化装置１２で気化され、約１２０℃で第２熱交換器２９に供給される。そして、気化した燃料は、第２熱交換器２９において過熱された後、改質装置１３へと導かれる。上記各要素を流れる排気ガスの一連の動きにより、熱エネルギの最適な利用が保証される。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５５】
以上の通り、本発明に係る解決手段により、特に高い効率を持つ燃料電池システム１００の実施が可能となる。アノード排気補助ライン６ａ，６ｂを流れる平行な流れにより、従来のシステムに比して圧力損失の低いシステムを実現すると共に、排気ガス量の正確な調整を可能としている。したがって、熱が個々のガス流へと伝達される。なお、必要とされる熱量の問題から、第２アノード排気補助ライン６ｂを流れる質量流量よりも第１アノード排気補助ライン６ａを流れる質量流量の方を多くするのが好ましい。