(57)【要約】  本発明は、熱を発生する少なくとも１つのコンポーネント（１２〜３２）およびプロセス空気を使用する少なくとも１つのコンポーネント（１２、１４、１６）を備えた燃料電池システム（１０）に関する。熱を発生するコンポーネントに周囲空気（３４）を供給可能であり、当該空気は熱を発生するコンポーネントによって加熱可能であり、このようにして加熱された空気はプロセス空気を使用するコンポーネント（１２、１４、１６）に供給される。また本発明は、本発明による燃料電池システムの熱バランスに影響を与える方法に関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱を発生する少なくとも１つのコンポーネント（１２〜３２）と、プロセス空気を使用する少なくとも１つのコンポーネント（１２、１４、１６）とを備える燃料電池システム（１０）であって、前記熱を発生するコンポーネントが、前記熱を発生するコンポーネント（１２〜３２）による加熱のための周囲空気（３４）の供給を受け取り可能であり、また前記プロセス空気を使用する前記コンポーネント（１２、１４、１６）に対して、このようにして加熱された空気をプロセス空気として供給することができることを特徴とする燃料電池システム（１０）。
【請求項２】
前記熱を発生するコンポーネント（３６、３８）がハウジングに収容され、前記ハウジングの内側の部分に前記周囲空気を供給することができ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】
熱を発生するコンポーネント（３２）が、熱を発生する他のコンポーネント（１２〜３０）が収容されるハウジング（３８）の外側に配置さ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】
前記ハウジングが熱絶縁手段（３８）であることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
熱を発生する前記少なくとも１つのコンポーネントが、改質器（１２）および／またはアフターバーナ（１６）および／または燃料電池スタック（１４）および／または媒体コンジット（１８〜３０）および／またはＤＣ／ＤＣ変換器（３２）であることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
周囲空気（３４）が、第１の温度で熱を発生する第１のコンポーネントに供給され、また、次の、第２の温度で熱を発生するコンポーネントに供給され、前記第１の温度は前記第２の温度より低いことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
プロセス空気を使用する前記コンポーネントに割り当てられた送風機（４０）の送出しによって前記周囲空気（３４）を供給することができることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
プロセス空気を使用する前記コンポーネントが、改質器（１２）および／またはアフターバーナ（１６）および／または燃料電池スタック（１４）であることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記請求項のいずれかに記載の燃料電池システム（１０）の温度を管理する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱を発生する少なくとも１つのコンポーネントおよびプロセス空気を使用する少なくとも１つのコンポーネントを備えた燃料電池システムに関する。
【０００２】
本発明は、さらに、燃料電池システムの温度を管理するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
燃料電池システムは、ますますその重要性が増している化石燃料の一次供給物である電気エネルギーおよび熱エネルギーを生成する役割を果たしている。可動装置の分野、つまり、とりわけ自動車両の分野では、自動車両のための標準として燃料が優先的に使用されているが、非可動装置の分野、つまり、とりわけ国内アプリケーションでは、天然ガスおよび燃料油が使用されている。
【０００４】
これらの燃料を処理するためには、少なくとも部分的に、強力な発熱性である改質プロセスが必要である。同様に、燃料電池の排気ガスまたは同じく発熱反応における一次供給燃料の排気ガスを変換することができるアフターバーナも発熱を伴うアプリケーションである。燃料電池システムで燃料電池自体によって生成される廃熱、とりわけ固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）の場合、極めて大量になることがある廃熱を考慮しなければならない。したがって、燃料電池システムには、動作条件および設計に応じて５００℃から１０００℃の範囲に及ぶ温度がもたらされる。
【０００５】
環境への熱伝達による燃料電池システムの熱損失を少なくするために、燃料電池システムのコンポーネントは、絶縁手段の内側に配置されている。しかしながら、当然、このような絶縁手段は、熱損失を完全に防止することはできない。これとは別に、たとえば燃料供給または除去、空気供給または除去、あるいは排気ガスを始めとするフロー媒体を供給し、あるいは吐出するためにとりわけ必要なリードスルーの領域で特に熱損失が生じることがある。ＤＣ／ＤＣ変換器またはＤＣ／ＡＣ変換器によって生成される廃熱は、燃料電池システムの電力損失と見なすことができる。
【０００６】
この過度の廃熱は、一方ではシステムの効率を悪くしているが、また、他方では、たとえば暑い日に空気を調整するために燃料電池システムを動作させる場合、面倒な存在でもある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、熱損失が減少し、かつ、温度管理が改善された燃料電池システムを提供する目的に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、独立請求項の特徴によって達成される。
【０００９】
本発明の有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。
【００１０】
本発明は、熱を発生するコンポーネントによる加熱のための周囲空気の供給を熱を発生するコンポーネントが受け取ることができる点、およびプロセス空気を使用するコンポーネントに、このようにして加熱された空気をプロセス空気として供給することができる点で、汎用燃料電池システムに基づいている。したがって、本発明によれば、周囲空気を供給することによって吸収される熱を、この方法で、燃料電池システムで生じる化学的および電気化学的プロセスを介してシステムに戻すことができ、したがって回収する。
【００１１】
熱を発生するコンポーネントは、便宜的に、ハウジングの中に収納されており、その内側の部分に周囲空気を供給することができる。このハウジングは、熱を発生する複数のコンポーネントを収容することができるとともに供給される周囲空気を流すことができ、熱を発生するすべてのコンポーネントによって放出される熱を、供給される周囲空気を加熱するのに寄与させることができる。
【００１２】
同様に、熱を発生するコンポーネントは、熱を発生する他のコンポーネントが収納されるハウジングの外側に配置することも可能である。たとえば、場合によっては、燃料電池システムの実質的により熱い他のコンポーネントから幾分か離れた位置にＤＣ／ＤＣ変換器またはＤＣ／ＡＣ変換器を配置することが有利である。したがって、場合によっては、変換器を受け入れるための周囲空気の供給を意図したハウジングを提供しないことが有利であることが分かる。その場合、場合によっては変換器に個別に周囲空気を供給しなければならず、あるいは変換器の廃熱の利用を排除しなければならない。
【００１３】
他のとりわけ好ましい実施形態では、ハウジングは、熱絶縁手段であってもよい。この熱絶縁手段は、燃料電池システムの熱を発生するコンポーネントを取り囲むいずれの場合においても提供されるような熱絶縁手段であっても、あるいはどのような場合にも提供される追加取囲み絶縁手段のいずれであってもよい。後者の場合、従来の絶縁手段と追加絶縁手段の間に空気流が案内される。
【００１４】
本発明の他の好ましい実施形態によれば、熱を発生する少なくとも１つのコンポーネントは、改質器および／またはアフターバーナおよび／または燃料電池スタックおよび／または媒体コンジットおよび／またはＤＣ／ＤＣ変換器である。
【００１５】
周囲空気は、便宜的に、第１の温度で熱を発生する第１のコンポーネントに供給され、また、次の、第２の温度で熱を発生するコンポーネントに供給され、第１の温度は第２の温度よりも低い。熱伝達率は、関連する媒体の温度差で決まるため、ここでも、通常、より冷たい周囲空気が最初により冷たいコンポーネントに適用され、比較的大きい温度差が提供される。次に、すでに加熱された空気をより熱いコンポーネントに供給することができ、ここでも、対応する大きい温度差が存在する。この方法によれば、燃料電池システムの温度管理にすべてのコンポーネントを包含することができる。
【００１６】
プロセス空気を使用するコンポーネントに割り当てられた送風機の送り出しによって周囲空気を供給することができ、したがってシステムに周囲空気を導入するための送風機を追加する必要がないため、これはとりわけ有用である。
【００１７】
プロセス空気を使用するコンポーネントは、改質器および／またはアフターバーナおよび／または燃料電池スタックであってもよい。
【００１８】
また、本発明は、本発明による燃料電池システムの温度を管理するための方法に関している。
【００１９】
以下、本発明について、添付の図面を参照して、とりわけ好ましい実施形態によって詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来の燃料電池システムを示す線図である。
【図２】本発明による燃料電池システムの第１の実施形態を示す線図である。
【図３】本発明による燃料電池システムの第２の実施形態を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
添付の図面についての以下の説明では、参照数表示は、同じコンポーネントまたは類似のコンポーネントを識別している。
【００２２】
図１を参照すると、従来の燃料電池システムの線図が示されている。この典型的な燃料電池システム１０は、絶縁手段３８の中に部分的に配置された複数のコンポーネントを備えている。改質器１２、燃料電池スタック１４およびアフターバーナ１６が設けられており、媒体連絡コンジットによって相互接続されている。したがって改質器１２は、燃料供給装置１８を介して、燃料ポンプ４２によって送り出される燃料の供給を受け取り、また、送風機４０によって送り出される空気の供給を受け取っている。改質器１２で生成された水素が豊富なリフォーメートは、リフォーメートコンジット２６を介して燃料電池スタック１４のアノード端へ供給される。燃料電池スタック１４は、さらに、カソード供給空気コンジット２２および割り当てられた送風機４４を介して空気の供給を受け取っている。燃料電池スタック１４のアノード排気ガスは、アノード排気ガス・コンジット２８を介してアフターバーナ１６の中に連絡している。このアフターバーナ１６も、同様に、空気供給コンジット２４および割り当てられた送風機４６を介して空気の供給を受け取っている。アフターバーナ１６で生成された排気ガスは、排気ガス・コンジット３０を介して燃料電池システム１０から流出する。燃料電池スタック１４によって生成された電気は、変換器３２、たとえばＤＣ／ＤＣ変換器またはＤＣ／ＡＣ変換器に供給される。上で説明した燃料電池システム１０は、たとえばアフターバーナ１６からリサイクルされる排気ガスに豊富な変形態様が可能であり、同様に、燃料電池スタック１４のカソードから流出する空気をアフターバーナ１６に供給することも可能である。さらに、様々な媒体流間の熱の交換を達成するための熱交換器を設けることも可能であり、この場合も豊富な変形態様が可能である。
【００２３】
このような燃料電池システム１０の問題は、一方では、絶縁手段３８を介して自然に生じる、矢印４８、５０で示されている熱の損失であり、また他方では、とりわけ絶縁手段３８を通るリードスルー領域、たとえば矢印５２で示されている媒体供給装置の領域における熱の損失である。他の熱損失は、矢印５４で示されている変換器３２部分で生じる。
【００２４】
次に図２を参照すると、本発明による燃料電池システムの第１の実施形態の線図が示されている。図１を参照して説明した問題に対処するために、周囲空気３４を取り込むための少なくとも１つの空気入口ポート５６を特徴とするハウジング３６を設けることが提案されている。さらに、送風機４０の空気取込み側に結合された空気出口ポート５８が設けられる。ハウジング３６には、燃料電池システム１０の熱を発生するコンポーネントが収納されている。送風機４０が作動すると、ハウジング３６の中に周囲空気３４が引き込まれ、絶縁手段３８および絶縁手段３８の外側に配置されている変換器３２をそれぞれ包み込む。冷たい周囲空気３４は、熱を吸収し、空気出口ポート５８を介して、加熱された状態でハウジング３６から流出する。この加熱された周囲空気は、次に、送風機４０を介して、プロセス空気として改質器１２に戻される。代替または追加として、同様に、加熱された空気をそれぞれ燃料電池スタック１４およびアフターバーナ１６に供給することも可能である。
【００２５】
上で説明した態様によれば、全体としてのシステムによって放出される熱、つまり、取り込まれた周囲空気３４が絶縁手段３８を取り囲むいわゆる第２のスキンを形成することによってハウジング３６から出現する熱を、少なくすることができる。この第２のスキンは連続的に更新され、スキンによって吸収された熱エネルギーは、プロセス空気を介して燃料電池システム１０に戻される。
【００２６】
次に図３を参照すると、本発明による燃料電池システムの第２の実施形態の線図が示されている。この実例実施形態によれば、コンポーネント、たとえばアフターバーナ１６、燃料電池スタック１４および改質器１２を直接包み込む冷たい周囲空気が、加熱された状態で空気出口ポート５８から流出した後、送風機４０を介して、プロセス空気として改質器１２に戻されるよう、絶縁手段３８自体が空気入口ポート５６および空気出口ポート５８を特徴付けている。システムをこの方法で設計することにより、外部ハウジング３６（図２参照）を追加する必要性が除去される。変換器３２によって放出される熱エネルギーを同様に戻すためには、熱空気を戻すための別の手段が必要になる。
【００２７】
以上の説明および図面の中で開示されている本発明の特徴、ならびに特許請求されている本発明の特徴は、場合によってはそれら自体またはそれらの任意の組合せの両方によって本発明を達成するための本質であることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２８】
１０…燃料電池システム、１２…改質器、１４…燃料電池スタック、１６…アフターバーナ、１８…燃料供給装置、２０…空気供給装置、２２…陰極供給空気コンジット、２４…供給空気コンジット、２６…リフォーメートコンジット、２８…アノード排気ガス・コンジット、３０…排気ガス・コンジット、３２…変換器、３４…周囲空気、３６…ハウジング、３８…絶縁手段、４０…送風機、４２…燃料ポンプ、４４…送風機、４６…送風機、４８…熱損失の方向を示す矢印、５０…熱損失の方向を示す矢印、５２…熱損失の方向を示す矢印、５４…熱損失の方向を示す矢印、５６…空気入口ポート、５８…空気出口ポート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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