(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つのガス生成ユニット（２ａ、２ｂ）を有しており、それを介して始動物質流が直列的に流れ、第１及び第２定格電力（Ｐｒａｔｅｄ＿１、Ｐｒａｔｅｄ＿２）と第１及び第２の予め定められた作動温度（Ｔｒａｔｅｄ＿１、Ｔｒａｔｅｄ＿２）を有しており、第１ガス生成ユニット（２ａ）が第２ガス生成ユニット（２ｂ）より低い熱的マスを有するガス生成装置を作動する方法であって、
始動期中に、第１ガス生成ユニット（２ａ）のみが作動され、第１ガス生成ユニット（２ａ）が電力Ｐｓｔａｒｔ＿１＞Ｐｒａｔｅｄ＿１で、及び／又は作動温度Ｔｓｔａｒｔ＿１＞Ｔｒａｔｅｄ＿１で作動され、始動期の終了後に、少なくとも第２ガス生成ユニット（２ｂ）が作動されることを特徴とする前記方法。
【請求項２】
始動期が終了した後、低及び中負荷の場合に、第２ガス生成ユニット（２ｂ）のみが作動され、第２ガス生成ユニット（２ｂ）の定格電力Ｐｒａｔｅｄ＿２を超える電力が必要とされる場合に、第１ガス生成ユニット（２ａ）が追加的にのみ作動されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
ガス生成ユニット（２ａ、２ｂ）が間接的に加熱され、吸熱蒸気改質に適しており、第１ガス生成ユニット（２ａ）が、始動期中に温度Ｔｓｔａｒｔ＿１＞Ｔｒａｔｅｄ＿１で作動され、最大でも同時に要求される電力に相当する量の作動媒質を与えられること、及び始動期の終了後に、ガス生成ユニット（２ａ、２ｂ）が予め定められた作動温度（Ｔｒａｔｅｄ＿１、Ｔｒａｔｅｄ＿２）で作動されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
始動期中に、少なくとも第１ガス生成ユニット（２ａ）には、作動媒質に加えて、酸素含有媒質も供給され、少なくとも第１ガス生成ユニット（２ａ）が部分酸化または自熱作動に適しており、始動期中、最大でも電力Ｐｓｔａｒｔ＿１に相当する量の作動媒質または酸素含有媒質が供給されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
始動期の終了後、第１ガス生成ユニット（２ａ）には、酸素含有媒質が供給されないか、または始動期中に達成された最大量に比べて減少した量の酸素含有媒質のみが供給されることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項６】
始動期の終了後、予め定められた負荷が上昇した場合、第１ガス生成ユニット（２ａ）に、予め定めれらた時間、酸素含有媒質が供給されることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項７】
始動期の終了後、第２ガス生成ユニット（２ｂ）の定格電力Ｐｒａｔｅｄ＿２を超える電力が要求される場合に、第１ガス生成ユニット（２ａ）に酸素含有媒質が供給されることを特徴とする請求項２または４記載の方法。
【請求項８】
第１ガス生成ユニット（２ａ）を温かく保持するための装置が設けられていることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
第１ガス生成ユニット（２ａ）の生成ガス流が通過して流れる燃料電池装置（１）の構成部材が予め定められた作動温度に達するや否や、始動期が終了することを特徴とする請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２つのガス生成ユニットを有しており、それを介して始動物質流が直列的に流れ、第１及び第２定格電力と第１及び第２の予め定められた作動温度を有しており、第１ガス生成ユニットが第２ガス生成ユニットより低い熱的マスを有する燃料電池装置におけるガス生成装置の作動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素生成を開始するために、ガス生成装置はいろいろな方法で始動される。例えば、ＷＯ９６／００１８６Ａ１には、反応器の内部の発熱反応により始動される自熱または部分酸化反応器が開示されている。
【０００３】
さらに、熱的に結合された領域における発熱反応及び／又は温熱伝導ガスにより加熱される蒸気改質のための反応器が既知である（例えば、ＤＥ３３ ４５ ９５８ Ａ１）。
【０００４】
しかしながら、このタイプの反応器は高熱マス（ｍａｓｓ）を有しており、そのため、予め定められた作動温度に過熱されるまでに非常に長い時間を要する。この欠点を避けるために、その他のサブユニットと比べて減少した熱的マスを有する少なくとも１のサブユニットを有する多段改質器が、一般的なＥＰ ０ ９６８ ９５８ Ａ１により既に既知である。
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、特に改良された冷態始動特性を有する、燃料電池装置におけるガス生成装置を作動するための改良された方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は、請求項１に記載の特徴により達成される。好都合な具体例は、その他の請求項の特徴を構成する。
【０００７】
本発明によれば、それを介して始動物質流が直列的に流れる少なくとも２つのガス生成ユニットがガス生成装置に設けられており、第１ガス生成ユニットが第２ガス生成ユニットより低い熱的マスを有する。さらに、始動期中に、第１ガス生成ユニットのみが作動され、第１ガス生成ユニットは、ガス生成装置の通常の作動において遭遇する値よりも高い電力で、及び／又はより高い温度において作動される。始動期の終了後、少なくとも第２ガス生成ユニットがその後作動される。
【０００８】
したがって、冷態始動のために、全体のガス生成装置のサブユニットのみが使用される。このことは、始動直後に水素が熱的に離隔したユニットにおいて生成され、一方残りの水素生成領域はまだ冷たいことを意味する。これにより加熱されるべきマスは劇的に減少する。
【０００９】
低熱マス及び始動期中の第１ガス生成ユニットの過負荷作動の結果、ガス生成装置の冷態始動時間は短縮される。特に自動車分野における可動式適用においては、冷態始動は非常に素早く行われなければならない。さらに、減少された熱的マスは、触媒的に加熱された装置における始動期に要求される酸素量を減少させる。
【００１０】
第１ガス生成ユニットを使用する可能性は、始動期、全負荷作動に加えて、始動期中の過負荷作動の結果制限される第１ガス生成ユニットの有効寿命が、このユニットが切り替えられるかまたは部分負荷期において減少された負荷を実施し、充分な有効寿命を有する燃料電池装置を提供することが全体的に可能であるという事実によって補償されるという利点を有する。
【００１１】
実質的な負荷変更の場合の部分負荷領域においても作動される第１ガス生成ユニットの可能性は、充分な量の水素が短い時間の間に与えらることができ、そのようにして装置の動力学を改良することができるという利点を有している。さらに、第１ガス生成ユニットの低熱マスは必要な場合には適当な方法でこのユニットを温かく保持することが可能であり、すなわち、周囲温度及び作動温度の間の温度にそれを保持することが可能であるという利点を有している。このようにして、冷態始動時間はさらに短縮されることができる。
【００１２】
その他の利点は、従属形式の請求項及び以下の記載から明らかとなるであろう。添付の図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
【発明の実施の形態】
【００１３】
図１（Ａ）及び（Ｂ）において全体が１で示されている燃料電池装置は、二段ガス生成ユニット２ａ、２ｂ、ガス浄化ユニット３、アノードスペース５及びカソードスペース６を有する燃料電池４及び排ガス処理ユニット７を有する。ガス生成ユニット２ａ、２ｂにおいて、水素リッチガスは、蒸気改質により燃料から生成される。蒸気改質は吸熱反応であるため、すなわちエネルギーを供給されなければならないので、適当な温度制御スペース１２ａ、１２ｂが、両ガス生成ユニット２ａ、２ｂ内に与えられる。温度制御スペース１２ａ、１２ｂは、熱伝導隔壁１３を介して、対応するガス生成ユニット２ａ、２ｂの実際の反応スペースに接続される。例えば熱伝導媒質、例えば熱伝導油が温度制御スペース１２ａ、１２ｂを通ることができる。または、温度制御スペース１２ａ、１２ｂ内に適当なバーナーユニットを設けることも可能である。これらは、温度制御スペース１２ａ、１２ｂを介して流れるガスの燃焼可能成分が酸素含有媒質により酸化される触媒バーナーユニットであることが好ましい。例示的具体例において、媒質は、温度制御スペース１２ａ、１２ｂのそれぞれを各々介して、それぞれの場合において燃料ガスとは反対の方向に流れる。しかしながら、２つの温度制御スペース１２ａ、１２ｂの少なくとも１つを介する流れは、流れと同じ方向であることができる。さらに、媒質は２つの温度制御スペース１２ａ、１２ｂを連続的に流れることも可能である。
【００１４】
水素リッチガスは、通常、燃料電池４のアノードスペース５内に存在する触媒に悪影響を与える一酸化炭素をも含む。その理由により、ガス浄化ユニット３が、ガス生成ユニット２と燃料電池４のアノードスペース５との間に設けられる。このガス浄化ユニットは、酸素の添加による一酸化炭素の選択的触媒酸化反応のための装置であることが好ましい。しかしながら、その他の適当なガス浄化ユニット３、例えば膜浄化ユニットを使用することも可能である。一酸化炭素の選択的触媒酸化反応のための装置を使用する際には、それは、必要な熱エネルギーを供給するために、バーナーとして、ガス生成ユニット２ａ、２ｂの温度制御スペース１２ａ、１２ｂの一方または両方の中に直接集積されることもできる。
【００１５】
燃料電池４を流れた後、アノード排ガスは、カソードスペース６からの排出空気と混合され、排ガス処理ユニット７に送給される、そこで燃料電池排ガスの燃焼可能な成分が、適当な触媒、好ましくは貴金属触媒においてできるだけ完全に転化される。カソード排ガスの変わりに、その他の酸素含有ガスが排ガス処理ユニット７の上流のアノード排ガスと混合されることも可能である。
【００１６】
燃料は、燃料タンク８を出て、ガス生成ユニット２内に送給される。液体燃料は燃料タンク８に運ばれることが好ましい。しかしながら、代替的には、ガス状の燃料を使用することも可能であり、その場合、燃料タンク８は、圧縮ガスまたは液化ガス貯蔵庫として設計される。液体燃料を使用する場合、通常、蒸発ユニット９も設けられ、液体燃料がガス生成ユニット２ａ、２ｂに入る前に、それを気体相に転化させる。さらに、水タンク１０が設けられる。水は別の蒸発ユニット１１内で蒸発され、その後、蒸気がガス生成ユニット２ａ、２ｂに入る前に、ガス状燃料と混合される。または、液体燃料及び水を混合して、その後、これらの成分は、一段の共通蒸発ユニット内で蒸発されることも可能である。
【００１７】
図示した例示的具体例において、蒸発ユニット９、１１は、排ガス処理ユニット７からの温排ガスにより加熱される。しかしながら、代替的に、蒸発ユニット９、１１は、その他の熱伝導媒質により加熱されることもできる。排ガス処理ユニット７は、蒸発ユニット９、１１内で完全にまたは部分的に集積されることも可能である。
【００１８】
図示された燃料電池装置１が作動する方法を、例示的具体例を参照して以下に説明する。なお、図１において、（Ａ）は、始動期の作動状態を示し、（Ｂ）は、通常の作動状態、すなわち、始動期が終了した後の作動状態を示す。図示された例において、ガス生成ユニット２ａ、ｂは、８０ｋＷの総定格電力Ｐｒａｔｅｄ＿ｇｅｓ＝Ｐｒａｔｅｄ＿１＋Ｐｒａｔｅｄ＿２を有している。このことは、全負荷において延長された作動中に、燃料電池４が電力８０ｋＷを発生させるために必要とする量の水素を、ガス生成ユニット２ａ、２ｂが生成し得ることを意味している。図１（Ｂ）に図示される通常の作動において、第１ガス生成ユニット２ａは、定格電力Ｐｒａｔｅｄ＿１＝３０ｋＷに寄与しており、その一方で、第２ガス生成ユニット２ｂは、残りの定格電力Ｐｒａｔｅｄ＿２＝５０ｋＷに寄与している。動的作動において、燃料電池装置１がより少ない電力を与える場合には、それに対応するより少ない作動媒質がガス生成ユニット２ａ、２ｂに送給され、それに対応するより少ない水素がまた生成される。通常の作動において、２つのガス生成ユニット２ａ、２ｂは、予め定めれらた作動温度Ｔｒａｔｅｄ＿１、Ｔｒａｔｅｄ＿２、例えば、Ｔｒａｔｅｄ＿１＝Ｔｒａｔｅｄ＿２＝２８０℃に保持される。
【００１９】
本発明によれば、２つのガス生成ユニット２ａ、２ｂは、第１ガス生成ユニット２ａが第２ガス生成ユニット２ｂより低い熱的マスを有するように設計されている。同時に、始動期中に、第１ガス生成ユニット２ａのみが作動される。このユニットは低い熱的マスを有しているので、始動作動の場合よりすばやく要求される作動温度に上昇されることができる。それは、ガス生成ユニット２ａにおいて触媒反応により直接的に、またはバーナー、熱伝導媒質または電気的加熱により間接的に加熱することにより、種々の方法で実施され得る。しかしながら、代替的に、第１ガス生成ユニット２ａは、作動休止期中に最低温度において保持されることができるが、それはまた、より低い熱的マスによって簡易化される。
【００２０】
本発明のその他の特徴は、始動期において、第１ガス生成ユニット２ａが、電力Ｐｓｔａｒｔ＿１＞Ｐｒａｔｅｄ＿１により、及び／または作動温度Ｔｓｔａｒｔ＿１＞Ｔｒａｔｅｄ＿１において作動されるという事実にある。作動温度Ｔｓｔａｒｔ＿１、例えばＴｓｔａｒｔ＿１＝３００℃の上昇の結果、それを介して第１ガス生成ユニット２ａからの温生成ガス蒸気流が流れる下流の部材、特に第２ガス生成ユニット２ｂはより素早く加熱される。同時に、第１ガス生成ユニット２ａは、作動温度Ｔｓｔａｒｔ＿１の上昇の結果、例えばＰｓｔａｒｔ＿１＝４０ｋＷのような過負荷において作動され得る。したがって、始動期中は、第１ガス生成ユニット２ａのみが作動されるが、それにもかかわらず４０ｋＷの最大電力を与えることが可能である。このことは、第１ガス生成ユニット２ａの有効寿命の短縮をもたらすが、一方でその結果改良された冷態始動特性を確実なものとすることができることは事実である。
【００２１】
第１ガス生成ユニット２ａのみが始動期に作動されるが、第２ガス生成ユニット２ｂは生成ガス流から分離されない。むしろ、第２ガス生成ユニット２ｂは、切り替えられて、始動期中に、第１ガス生成ユニット２ａ内で転化され得る作動媒質と同量の作動物質のみがが供給される。したがって、実質的に完全に転化された作動媒質流は、第２ガス生成ユニット２ｂを介して流れ、そのため、第２ガス生成ユニット２ｂは、総定格電力に実質的に寄与しない（Ｐｓｔａｒｔ＿２＝０ｋＷ）。第２ガス生成ユニット２ｂに対して、図１（Ａ）に示される作動温度Ｔｒａｔｅｄ＿２は与えられないが、それは、一般的に外部から加熱されず、そのため明確に定めれらた作動温度も存在しないからである。むしろ、第２ガス生成ユニット２ｂは第１ガス生成ユニット２ａから得られる温生成ガス流によって直接単純に加熱され、緩慢な温度上昇が確立される。しかしながら、始動期中、燃料電池装置１における充分な熱的または電気的エネルギーが既に入手可能であるとき、第２ガス生成ユニット２ｂは始動期においてさえも直接または間接的に加熱されることができる。
【００２２】
図２（Ａ）、（Ｂ）は、第２例示的具体例を示し、図２（Ａ）は再び燃料電池装置の始動期を示し、図２（Ｂ）は燃料電池装置の通常の作動期を示すが、図１（Ａ）、（Ｂ）において示したものと同じ部品は、対応する同じ参照符号で示す。第１例示的具体例の場合とは異なって、２つのガス生成ユニット２ａ、２ｂがそれ自体公知の自熱式作動方法により作動される。これは、ガス生成ユニット２ａ、２ｂ全体が自熱式方法により作動されるような方法で、吸熱流改質が、発熱的部分酸化と組み合されることを意味している。温度制御スペースは、この場合与えられない。部分酸化のために必要な酸素含有媒質は、ガス生成ユニット２ａ、２ｂに対して上流に供給される。温度制御スペースは、この場合設けられない。部分酸化のために要求される酸素含有媒質は、ガス生成ユニット２ａ、２ｂに対して上流に供給される。供給される酸素含有媒質の量は、ガス生成ユニット２ａ、２ｂにおける酸化比率、したがって各作動温度をも決定する。使用される酸素含有媒質は空気であることが好ましい。下記の記述は酸素のみについて示すものであるが、いずれかの所望の酸素含有媒質を使用することが可能であることはもちろんである。
【００２３】
もう一度繰り返すと、始動期（図２（Ａ））において、第１ガス生成ユニット２ａにおいて転化され得る量の作動媒質のみが供給される。同時に、酸素が第１ガス生成ユニット２ａ中にのみ送給される。始動期中に、上昇した作動温度Ｔｒａｔｅｄ＿１＝３００℃が確実になるような方法で一定量の酸素が設定される。既に上記で説明したように、始動期中に、第１ガス生成ユニット２ａは、過負荷モード、例えば図示した例において、定格電力Ｐｓｔａｒｔ＿１＝４０ｋＷにおいて作動する。作動媒質は、実質的には第１ガス生成ユニット２ａにおいて実質的に完全に転化され、追加の酸素は添加されないので、第２ガス生成ユニット２ｂにおいては転化反応が実質的には起こらず、このユニットは再び総定格電力に実質的に寄与しないものとなる（Ｐｓｔａｒｔ＿２＝０ｋＷ）。しかしながら、第２ガス生成ユニット２ｂは再び、少なくとも第１ガス生成ユニット２ｂから得られる温生成ガス流により加熱される。
【００２４】
始動期の終了後、始動期に到達した温度より低い作動温度Ｔｒａｔｅｄ＿１＝２８０℃が第１ガス生成ユニット２ａにおいて達成されるように、供給される酸素量が減少する。同時に、酸素が第２ガス生成ユニット２ｂの上流にも添加される。酸素は作動温度Ｔｒａｔｅｄ＿２＝２８０℃が第２ガス生成ユニット２ｂにおいても確立されるような量で添加される。
【００２５】
定格電力及び作動温度について述べた数値は、例に過ぎず、本発明の解決手段の範囲から逸脱しない範囲で、普通の条件に応用されることができることはもちろんである。さらに、既に説明した蒸気改質及び自熱作動モード及びガス生成ユニットが例示的具体例のそれとは異なる適当な方法で組み合されることができる部分酸化段のほかに、特にいずれかの所望のガス生成ユニット２ａ、２ｂを用いることが可能である。
【００２６】
好適具体例において、第１ガス生成ユニット２ａは、始動期及び第２ガス生成ユニット２ｂの定格電力Ｐｒａｔｅｄ＿２を越える負荷要求がある作動期中のみ使用される。対照的に、部分負荷作動において、実質的に全電力が第２ガス生成ユニット２ｂにより与えられる。この目的のために、例えば部分負荷範囲において、酸素の第１ガス生成ユニット２ａへの酸素の供給は、減少されるかまたは完全に停止される。
【００２７】
その他の例示的具体例において、第１ガス生成ユニット２ａは、実質的な負荷変更がある時に活性化され得、最短の時間で充分量の水素を提供する。この目的のために、例えば負荷変更があるときに、予め定められた量の酸素が第１ガス生成ユニット２ａに短い時間添加される。
【００２８】
始動期のみ、さらに、全負荷変化及び／又は実質的な負荷変化の場合に、第１ガス生成ユニット２ａの使用は、第１ガス生成ユニット２ａの全体的な有効寿命が再び増加するという利点を有している。それは、始動期中の過負荷作動のために減少した有効寿命が、ユニットが切り替えられるかまたは少なくとも部分負荷期に減少された負荷において少なくとも作動される結果、再び延長されるからである。したがって、ガス生成ユニット２ａ、２ｂの両方が始動期が短くなったにもかかわらず、均一で充分な有効寿命を有する燃料電池装置を製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は始動期における燃料電池装置の第１好適具体例の簡易化したブロック図であり、（Ｂ）は（Ａ）の燃料電池装置の通常の作動を示す図である。
【図２】（Ａ）は始動期における燃料電池装置の第２好適具体例の簡易化したブロック図であり、（Ｂ）が（Ａ）の燃料電池装置の通常の作動を示す図である。
【図１】
0003640906.tif 000002
【図２】
0003640906.tif 000003