(57)【要約】  本発明は、リフォーメート（１６）を得るために、燃料（１２）および酸化剤（１４）を反応させる改質器（１０）ならびに、リフォーメート（１６）が送り込まれる少なくとも１つの燃料電池（１８）を含む燃料電池システムに関する。改質器（１０）は、改質器バーナ（２０）と改質器触媒（２２）を備えつけられる。燃料電池（１８）のアノード廃ガス（２６）および／またはリフォーメート（１６）および／または燃料電池（１８）より下流に取り付けられたアフターバーナ（３０）の廃ガス（２８）を送り込む手段（２４）が改質器バーナ（２０）と改質器触媒（２２）の間に提供される。本発明は、リフォーメート（１６）を得るために燃料（１２）および酸化剤（１４）を反応させるための、改質器（１０）を作動する方法にも関する。
2009504558.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料（１２）および酸化剤（１４）をリフォーメート（１６）に変換するための改質器（１０）と、リフォーメート（１６）が供給される少なくとも１つの燃料電池（１８）とを含む燃料電池システムにおいて、
前記改質器（１０）が、改質器バーナ（２０）と、改質器触媒（２２）を含み、
前記燃料電池（１８）からアノード廃ガス（２６）および／またはリフォーメート（１６）および／または前記燃料電池（１８）の下流のアフターバーナ（３０）から廃ガス（２８）を供給する手段（２４）が、前記改質器バーナ（２０）と前記改質器触媒（２２）の間に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池（１８）からアノード廃ガス（２６）および／またはリフォーメート（１６）および／または前記燃料電池（１８）の下流のアフターバーナ（３０）から廃ガス（２８）を供給する前記手段（２４）が、少なくとも１つのインジェクタ（３２）を含む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】
そこにある前記ガスを浄化する手段（３４）が、前記燃料電池（１８）からアノード廃ガス（２６）および／またはリフォーメート（１６）および／または前記燃料電池（１８）の下流のアフターバーナ（３０）から廃ガス（２８）を供給する前記手段（２４）と前記改質器触媒（２２）の間に備えられることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記ガスを浄化する前記手段（３４）が、バーナ（３４）、特に触媒バーナ（３４）を含むことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
少なくとも２つの前記構成部品が、前記改質器バーナ（１８）と、前記改質器触媒（２０）と、燃料電池（１８）からアノード廃ガス（２６）および／またはリフォーメート（１６）および／または前記燃料電池（１８）の下流の前記アフターバーナ（３０）から廃ガス（２８）を供給するための手段（２４）とを含む構成部品のうち少なくとも２つが熱的に結合されていることを特徴とする請求項１から４の一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記改質器触媒（２２）を出たリフォーメート（１６）を温度調整するための手段（３６）が備えられることを特徴とする請求項１から５の一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記改質器触媒（２０）を出たリフォーメート（１６）を温度調整するための手段（３６）が、前記改質器触媒（２２）を出た前記リフォーメート（１６）に前記改質器（１０）によって生じた廃熱を伝える熱交換器（３８）を含むことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記改質器（１０）のラムダ制御を実行する手段（４０）が備えられることを特徴とする請求項１から７の一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池（１８）からアノード廃ガス（２６）および／またはリフォーメート（１６）および／または前記燃料電池（１８）の下流のアフターバーナ（３０）から廃ガス（２８）を供給する前記手段（２４）が、計量して供給することができることを特徴とする請求項１から８の一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
燃料（１２）および酸化剤（１４）をリフォーメート（１６）に変換する改質器（１０）の作動方法において、
改質器バーナ（２０）と改質器触媒（２２）の間の区間（４２）が、燃料電池（１８）からアノード廃ガス（２６）および／またはリフォーメート（１６）および／または燃料電池（１８）の下流のアフターバーナ（３０）から廃ガス（２８）を供給されることを特徴とする作動方法。
【請求項１１】
前記区間（４２）が、前記燃料電池（１８）から前記アノード廃ガス（２６）および／または前記リフォーメート（１６）および／または前記燃料電池（１８）の下流のアフターバーナ（３０）から前記廃ガス（２８）を少なくとも１つのインジェクタ（３２）を介して供給されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記燃料電池（１８）から前記アノード廃ガス（２６）および／または前記リフォーメート（１６）および／または前記燃料電池（１８）の下流のアフターバーナ（３０）から前記廃ガス（２８）を供給する前記ステップの後に存在する前記ガスが、少なくとも部分的に浄化されることを特徴とする請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記燃料電池（１８）から前記アノード廃ガス（２６）および／または前記リフォーメート（１６）および／または前記燃料電池（１８）の下流のアフターバーナ（３０）から前記廃ガス（２８）を供給する前記ステップの後に存在する前記ガスが、バーナ（３４）、特に触媒バーナ（３４）において浄化されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記改質器触媒（２２）を出たリフォーメート（１６）が温度調整されることを特徴とする請求項１０から１３の一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記改質器触媒（２０）を出たリフォーメート（１６）が、前記改質器（１０）によって生じた廃熱を前記改質器触媒（２２）を出た前記リフォーメート（１６）に伝える熱交換器（３８）によって温度調整されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記改質器（１０）のラムダ制御が実行されることを特徴とする請求項１０から１５の一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記燃料電池（１８）から前記アノード廃ガス（２６）および／または前記リフォーメート（１６）および／または前記燃料電池（１８）の下流のアフターバーナ（３０）から前記廃ガス（２８）が、計量されて前記区間（４２）に供給されることを特徴とする請求項１０から１６の一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料および酸化剤をリフォーメートに変換するための改質器と、リフォーメートが供給される少なくとも１つの燃料電池とを含む燃料電池システムに関する。本発明は、さらに燃料および酸化剤をリフォーメートに変換するための改質器を作動する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、炭化水素を用いるために設計された既知の単純な燃料電池システムを示す。図１に示した燃料電池システムは燃料ポンプ１４４によって燃料１１２を供給される改質器１１０を含む。図示した場合では、改質器１１０は、さらにファン１４６によって送達される空気と、インジェクタ１２４によって導入されるアノード廃ガス１２６とからなる酸化剤１１４を供給される。アノード廃ガス１２６は、燃料電池ファン１５０が配置され、改質器１１０によって生成されたリフォーメート１１６を供給される燃料電池１１８によって生じる。リフォーメート１１６は、燃料電池１１８中で燃料電池ファン１５０によって送達されるカソード空気を使って電流と熱に変換される含水素気体である。図示した場合では、戻らないアノード廃ガスの一部は、アフターバーナ・ファン１５２が配置されたアフターバーナ１３０に供給される。アフターバーナ１３０では、使い果たしたリフォーメートをアフターバーナ・ファン１５２によって送達される空気と共に、少ない排出量のＣＯおよびＮＯを含む燃焼廃ガスに変換するステップが実行される。
【０００３】
図１に図示された燃料電池システムでは、アノード廃ガス１２６の吸気は、改質器の上流で（冷たい）空気を用いて遂行される。したがって、その結果生じる高温のために、好ましくない動作条件の下で、空気／アノード廃ガス混合は可燃性であることがあり、点火する可能性もあり、また改質器１１０を損傷する恐れもある。アノード廃ガス１２６の吸気が冷たい空気を使って遂行される場合に、望ましくないスーティングが発生することがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
混合ガスの点火による改質器の損傷が回避され、また望ましくないスーティングが現行技術と比べて少なくとも低減されるように、包括的な燃料電池システムおよび方法をさらに発展させることが、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的は、独立の請求項の要点によって解決される。
【０００６】
本発明の有利な実施形態およびさらなる発展は従属の請求項から明らかになるであろう。
【０００７】
本発明による燃料電池システムは、改質器が改質器バーナと、改質器触媒とを含み、かつ燃料電池システムからアノード廃ガス、および／またはリフォーメート、および／または燃料電池の下流のアフターバーナから廃ガスを供給する手段が、改質器バーナと改質器触媒の間に配置されるという点で包括的な現行技術に基づく。この解決策の場合、改質器バーナを出るスモーク・ガスは空気より低い酸素濃度を有するので望ましくない火炎形成の確率は少なくともかなり低い方である。改質器バーナと改質器触媒の間の混合ガス中に望ましくない火炎形成が生じる、起こりそうもない場合では、例えば改質器バーナ内の燃焼のラムダ値の変化によって直ちに調整することができる。本発明による解決策の他の利点は、戻されたアノード廃ガスが高温のスモーク・ガスに供給され、その結果、少なくともアノード廃ガスの混合ガスの顕著な冷却は起こらず、それによってスーティングは現行技術に比べて少なくとも著しく減少させることができる。上記では、改質器バーナの入口よりその出口の所で改質器バーナ中に生じる燃料の燃焼のためにより多い量のガスが利用でき、それによってより大きいパーセンテージのアノード廃ガスが戻されてよいことが利点である。
【０００８】
本発明による燃料電池システムでは、さらに好ましくは、燃料電池からのアノード廃ガスおよび／またはリフォーメートおよび／または燃料電池の下流のアフターバーナからの廃ガスを供給するための手段が少なくとも１つのインジェクタを含むことが考慮される。このインジェクタは、改質器バーナから来るスモーク・ガスがそれを介して流れ、その時に例えば、アノード廃ガスを吸引する特にベンチュリの原理により動作するインジェクタであってよい。
【０００９】
本発明による燃料電池システムは、そこにあるガスを浄化するための手段が、燃料電池からアノード廃ガスおよび／またはリフォーメートおよび／または燃料電池の下流のアフターバーナから廃ガスを供給するための手段と改質器触媒の間に備えられるという点でさらに進展があってよいことが利点である。この場合には、より少ないパーセンテージの酸素が、バーナ触媒間に配置された第２混合形成ゾーン内にあり、触媒中におそらく不都合なホット・スポットの形成を回避することができる。加えて、水素の酸化の間に進展する高い水分含有量はおそらく必要な燃料の蒸発に対して有利であってよい（例えば、ディーゼル燃料またはガソリンなどの液体燃料を利用する場合）。
【００１０】
上に説明した文脈では、ガスを浄化するための手段はバーナ、特に触媒バーナを含むことが好ましい。このようなバーナは、改質バーナのような、多孔質バーナでよい。
【００１１】
本発明による燃料電池システムの場合では、改質器バーナと、改質器触媒と、燃料電池からアノード廃ガスおよび／またはリフォーメートおよび／または燃料電池の下流のアフターバーナから廃ガスを供給するための手段とを含む少なくとも２つの構成部品が、熱的に結合されていることがさらに好ましい。改質器に装着され、改質器バーナ、インジェクタ（もう１つのバーナを含んでいるかもしれない）および改質器触媒を含む構成部品の特に熱的な結合が、改質器触媒における、または改質プロセスに関し順に有利な効果を有してよい全改質器における温度分布に影響を及ぼすことができる。
【００１２】
本発明による燃料電池システムの、別の好ましいさらなる進展によれば、改質器触媒から来るリフォーメートを温度調整する手段を備えることも考慮される。このようにして、改質器触媒から来るリフォーメートを後続のプロセス・ステップのために適正な温度に調節することが可能である。この場合には、用途によってリフォーメートが燃料電池に供給される前に、適切なガス・ガイダンスによりリフォーメートを暖めたり冷やしたりすることが可能である。
【００１３】
上で説明した文脈では、例えば、改質器触媒を出るリフォーメートを温度調整する手段は、改質器によって生じた廃熱を改質器触媒を出るリフォーメートに伝える熱交換器を含むことが考慮されてよい。このような熱交換器は、例えば、それに限定されないが、改質器に付随するバーナに隣接して（直接）配置されたリフォーメート・ライン区間によって形成されてよい。
【００１４】
本発明による燃料電池システムの好ましい実施形態によれば、改質器のラムダ制御を実行するための手段を備えることが考慮される。この場合、ラムダ制御は、通常のように燃料の量または燃焼用空気の量の変化を通して提供されてよい。ラムダ制御を実行する手段は、特にマイクロプロセッサによって支援された方法で動作され、少なくとも１つのラムダ・プローブを含んでよい。
【００１５】
燃料電池からアノード廃ガスおよび／またはリフォーメートおよび／または燃料電池の下流のアフターバーナから廃ガスを供給するための手段が計量された供給で実行可能であることは、さらに本発明による燃料電池システムの利点と見なされる。アノード廃ガスが、例えば、可変に作動する、つまり戻りのガス量を調整可能であるインジェクタを介して供給される場合、改質器内の空燃（Ｃ／Ｏ）比により望ましいように影響を及ぼすことができる。
【００１６】
改質器を作動する本発明による方法は、改質器バーナと改質器触媒の間の区間が、燃料電池からアノード廃ガスおよび／またはリフォーメートおよび／または燃料電池の下流のアフターバーナから廃ガスを供給される点で包括的な現行技術に基づいている。このように本発明による燃料電池システムに関連して説明された特徴と利点は、同じまたは類似の方法で達成され、このため本発明による燃料電池システムに関連して所与の対応する説明に対し重複を避けるために参照がなされる。
【００１７】
同じことが、本発明による方法の以下の好ましい実施形態に対しても同じように当てはまり、この場合も同様に重複を避けるために本発明による燃料電池システムに関連して所与の対応する説明に対し参照がなされる。
【００１８】
本発明による方法の場合では、好ましくは区間において燃料電池からのアノード廃ガスおよび／またはリフォーメートおよび／または燃料電池の下流のアフターバーナからの廃ガスを、少なくとも１つのインジェクタにより供給することが考慮される。
【００１９】
本発明による方法に関連して、燃料電池からアノード廃ガスおよび／またはリフォーメートおよび／または燃料電池の下流のアフターバーナから廃ガスを供給した後に存在するガスが、少なくとも部分的に浄化されることがさらに利点と見なされる。
【００２０】
この関連では、利点のさらなる進展が、燃料電池からアノード廃ガスおよび／またはリフォーメートおよび／または燃料電池の下流のアフターバーナから廃ガスを供給した後に存在するガスが、バーナ、特に触媒バーナ内で浄化されることを規定する。
【００２１】
本発明による方法の少なくとも特定の実施形態では、改質器触媒を出るリフォーメートを温度調整することが考慮されてよい。
【００２２】
この関連では、例えば、改質器触媒を出るリフォーメートは、改質器によって生じた廃熱を改質器触媒を出るリフォーメートに伝える熱交換器によって温度調整されることが可能である。
【００２３】
改質器のラムダ制御が実行されることは、本発明による方法に対する特に利点と見なされる。
【００２４】
本発明による方法では、好ましくは、燃料電池からのアノード廃ガスおよび／またはリフォーメートおよび／または燃料電池の下流のアフターバーナからの廃ガスを計量された方法でその区間に供給することがさらに考慮される。
【００２５】
本発明の重要な基本的アイデアは、改質器内の望ましくない火炎形成および／または望ましくないスーティングを、戻されたアノード廃ガスを改質器の上流に導入せずに、改質器バーナと改質器触媒の間にすることによって特に回避することである。
【００２６】
本発明の有利な実施形態が、添付の図面を参照して例として以下でより詳細に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図２に示した本発明による燃料電池システムの実施形態は、燃料１２と酸化剤１４をリフォーメート１６へ変換する改質器１０を含む。この関連では、燃料１２、例えばガソリンまたはディーゼル燃料が燃料ポンプ４４によって改質器１０に供給される。本事例では、改質器ファン４６によって改質器１０に供給される空気１４が、酸化剤として働く。改質器１０によって生成されたリフォーメート１６の一部が燃料電池１８または燃料電池スタックに供給され、燃料電池１８に供給された水素含有気体のリフォーメートが燃料電池ファン５０によって供給されたカソード空気を用いて燃料電池１８内で電流と熱に変換される。本事例では、燃料電池１８内の変換によって使い果たされたリフォーメートが、アフターバーナ・ファン５２が配置されているアフターバーナ３０、例えば多孔質バーナに供給される。
【００２８】
改質器１０は、燃料１２を供給される改質器バーナ２０と酸化剤１４とを含む。改質器１０は、さらに燃料ポンプ４８が配置されているバーナ触媒２２を含む。改質器バーナ２０と改質器触媒２２の間の手段２４が、改質器バーナ２０を出たスモーク・ガスにアノード廃ガス２６を供給できる手段によって提供される。追加的に、または代わりに破線によって示したように前記スモーク・ガスにリフォーメート１６および／またはアフターバーナ３０から廃ガス２８を供給することが考慮されてよい。本事例では、手段２４はベンチュリの原理に従って動作するインジェクタ３２によって形成される。インジェクタ３２は、好ましくはアノード廃ガス２６および／またはリフォーメート１６および／またはアフターバーナ廃ガス２８の供給量を変えることができる。特に異なるガスがインジェクタ３２を介して導入される場合、それぞれガスの供給量が調節できる１つまたは複数のバルブ装置またはファン（図示されてない）を提供することが有利であってよい。例えば、アノード廃ガス供給量を変えることによって改質器１１０内のＣ／Ｏ比に影響を及ぼすことが可能である。これは、絶対的に必要とはされないが、もう１つのバーナ３４、例えば、触媒多孔質バーナが、図示した実施形態ではインジェクタ３２と改質器触媒２２の間に提供され、他のバーナ３４に供給されたガスを浄化する。したがって少ないパーセンテージの酸素が改質器触媒２２の混合形成ゾーン中に存在し、これが改質器触媒内でホット・スポット形成を回避することに寄与する。さらに、水素の酸化の間に形成する高いパーセンテージの水が、おそらく必要になる燃料の蒸発に対し有利であってよい（例えば、液体燃料を利用する場合）。
【００２９】
図２に図示した燃料電池システムのさらに任意の特徴は、改質器触媒２２を出たリフォーメート１６がまず最初に温度調整されることである。このためにライン形式の手段３６および熱交換器３８が提供され、熱交換器３８はリフォーメートを加熱するために改質器バーナ２０の廃熱をリフォーメート１６に伝え、その結果、リフォーメートは後続のプロセス・ステップのために最適の温度を有する。改質器触媒２２を出たリフォーメートが、後続のプロセス・ステップに向けて高すぎる温度を有する場合、改質器触媒２２を出たリフォーメート１６は、ラインの巧みな配置によって冷やすことができる。このような場合、例えば迂回路（図示されてない）によって熱交換器３８を迂回することもある。
【００３０】
図示した場合では、改質器１０のラムダ制御を実行することができる、制御器の形式のさらなる手段４０が提供される。改質器のラムダ制御は、燃料または空気の供給量を変化させる手段によって可能であり、最新のラムダ値は、好ましくはラムダ・プローブ（図示してない）によって検出され、制御に取り入れられる。ラムダ制御は、最初からインジェクタ３２の周辺に望ましくない火炎が形成されるのを防ぐか、または、おそらく必要が生じたらそれを停止するため、特に有利である。
【００３１】
改質器を作動する本発明による方法は、図２に示した燃料電池システムを使用して以下のように実行できる。改質器１０は、燃料１２および酸化剤１４をリフォーメート１６に変換するために設けられている。ここで改質器１０は、改質器バーナ２０と、改質器触媒２２とを含む。改質器バーナ２０と改質器触媒２２の間の区間４２には、燃料電池１８からアノード廃ガス２６および／またはリフォーメート１６および／または燃料電池１８の下流のアフターバーナ３０から廃ガス２８が供給される。この場合、ガスの供給はインジェクタ３２を介して遂行される。インジェクタ３２を出る混合ガスは他のバーナ２２によって浄化される。改質器触媒２２を出るリフォーメート１６の温度調整は、改質器バーナ２０により生じた廃熱をリフォーメート１６に伝える熱交換器３８によって遂行される。改質器１０のラムダ制御は制御器の形式の手段４０によって実行される。インジェクタ３２は、それを介して供給されるガス量を変更するためにさらに設計され、必要な場合、さらなるバルブ装置またはファンまたは同種のもの（図示されていない）がこのために設けられてよい。
【００３２】
上記説明、図面ならびに特許請求の範囲において開示された本発明の特徴は、個々にならびに任意に組合せて本発明を実現するのに重要であってよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】導入部で既に説明した現行技術による燃料電池システムの概略図である。
【図２】本発明による方法を実行することも可能な、本発明による燃料電池システムの一実施形態を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０…改質器、１２…燃料、１４…酸化剤、１６…リフォーメート、１８…燃料電池、２０…改質器バーナ、２２…改質器触媒、２４…ガス供給手段、２６…アノード廃ガス、２８…廃ガス、３０…アフターバーナ、３２…インジェクタ、３４…追加のバーナ、３６…リフォーメートの温度調整手段、３８…熱交換器、４０…制御器、４２…区間、４４…燃料ポンプ、４６…改質器ファン、４８…燃料ポンプ、５０…燃料電池ファン、５２…アフターバーナ・ファン、１１０…改質器、１１２…燃料、１１４…酸化剤、１１６…リフォーメート、１１８…燃料電池、１２４…インジェクタ、１２６…アノード廃ガス、１３０…アフターバーナ、１４４…燃料ポンプ、１４６…ファン、１５０…燃料電池ファン、１５２…アフターバーナ・ファン
【図１】
2009504558.tif 000003
【図２】
2009504558.tif 000004
【国際調査報告】
2009504558.tif 000005
2009504558.tif 000006
2009504558.tif 000007
2009504558.tif 000008
2009504558.tif 000009
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