(57)【要約】本発明は、燃料供給ユニット（８）と、カソード（４，４’）及びアノード（３，３’）を有する燃料電池（１，２）と、改質装置（１３）と、少なくとも１つのバーナ装置（２２，２３）を有するアノード排気ライン（６）と、を備える燃料電池システム（１００）に関する。カソード（４，４’）はカソード供給ライン（４０）を有し、アノード（３，３’）はアノード供給ライン（３０）を有する。アノード（３，３‘）の流れは、改質装置（１３）が配置されたアノード供給ライン（３０）を介して燃料供給ユニット（８）に接続される。第１熱交換器（１６）はカソード供給ライン（４０）に設けられ、改質装置（１３）の上流に配置される第２熱交換器（２９）はアノード供給ライン（３０）に設けられる。アノード排気ライン（６）は、バーナ装置（２２，２３）の下流で第１アノード排気補助ライン（６ａ）及び第２アノード排気補助ライン（６ｂ）に分岐し、それぞれ排気ガス出口（２１）に接続される。第１アノード排気補助ライン（６ａ）は第１熱交換器（１６）の高温側を通過し、第２アノード排気補助ライン（６ｂ）は第２熱交換器（２９）の高温側を通過する。気化機器（１２）は第２アノード排気補助ライン（６ｂ）によって加熱可能となる。
2019536243.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料供給ユニット（８）と、１つのカソード（４，４’）と１つのアノード（３，３’）とを有する少なくとも１つの燃料電池（１，２）と、改質装置（１３）と、少なくとも前記アノード（３，３’）からのアノード排気ガスを排出するアノード排気ライン（６）と、前記アノード排気ライン（６）に少なくとも１つのバーナ装置（２２，２３）と、を備え、
前記カソード（４，４’）はカソード供給ライン（４０）を有し、
前記アノード（３，３’）はアノード供給ライン（３０）を有し、
前記アノード（３，３’）内の流れは、アノード供給ライン（３０）を介して前記燃料供給ユニット（８）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（３０）に設けられた燃料電池システム（１００）であって、
前記カソード供給ライン（４０）に少なくとも１つの第１熱交換器（１６）が配置され、
前記アノード供給ライン（３０）に少なくとも１つの気化機器及び第２熱交換器（２９）が配置され、
前記気化機器（１２）は、前記改質装置（１３）の上流に配置され、
前記アノード排気ライン（６）は、前記バーナ装置（２２，２３）の下流で第１アノード排気補助ライン（６ａ）及び第２アノード排気補助ライン（６ｂ）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（２１）に接続され、
前記第１アノード排気補助ライン（６ａ）は前記第１熱交換器（２９）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（６ｂ）は前記第２熱交換器（２９）の高温側を通過し、
前記気化機器（１２）は、前記第２アノード排気補助ライン（６ｂ）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（６ａ）及び前記第２アノード排気補助ライン（６ｂ）は共通排気ガス出口（２１）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（１００）。  
【請求項３】
前記第１アノード排気補助ライン（６ａ）、好ましくは前記第１熱交換器（１６）の高温側下流に、第１制御バルブ装置（２７）を設け、及び／又は、
前記第２アノード排気補助ライン（６ｂ）、好ましくは前記気化機器（１２）の下流に、第２制御バルブ装置（２８）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（１００）。
【請求項４】
前記第２アノード排気補助ライン（６ｂ）に供給される前記アノード排気は、前記改質装置（１３）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（１００）。
【請求項５】
前記第２熱交換器（２９）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（１００）。
【請求項６】
前記第２熱交換器（２９）及び前記改質装置（１３）は、組み合わされて単一の共通要素である過熱・改質要素（１３ａ）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（１００）。
【請求項７】
前記第２熱交換器（２９）及び前記気化機器（１２）は、単一の共通要素となる気化・過熱要素（１２ａ）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（１００）。
【請求項８】
前記バーナ装置（２２，２３）への流れ方向に続き、アノード排気は、前記第２熱交換器（２９）の前に前記改質装置（１３）を通過可能であり、
アノード排気は、好ましくは、前記第２熱交換器（２９）に沿って前記気化機器（１２）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（１００）。
【請求項９】
前記アノード排気ライン（６）は、前記改質装置（１３）の下流で前記第１アノード排気補助ライン（６ａ）及び前記第２アノード排気補助ライン（６ｂ）に分岐し、前記アノード排気は、前記バーナ装置（２２，２３）に続いて前記改質装置（１３）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（１００）。
【請求項１０】
前記バーナ装置（２２，２３）は、点火装置（２４）を有する始動バーナユニット（２３）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（２４）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（１００）。
【請求項１１】
前記燃料供給ユニット（８）と前記アノード排気ライン（６）との間に、始動バーナ燃料計器（２６）と共に始動バーナ燃料ライン（２５）が設けられ、好ましくは、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（１００）。
【請求項１２】
前記気化機器（１２）の上流において、前記アノード供給ライン（３０）に燃料噴射計器装置（１１）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（１００）。
【請求項１３】
前記第１熱交換器（１６）の上流において前記カソード供給ライン（４０）から分岐すると共に、前記第１熱交換器（１６）の下流において前記カソード供給ライン（４０）に合流する少なくとも１つのバイパスライン（１７）を備え、
有意なことに、前記バイパスライン（１７）にバイパス制御バルブ装置（１８）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（１００）。
【請求項１４】
前記第１熱交換器（１６）の上流において前記カソード供給ライン（４０）から分岐すると共に、前記改質装置（１３）の上流において前記アノード供給ライン（３０）に合流する少なくとも１つのパージ用エアライン（１９）を備え、
好ましくは、前記パージ用エアライン（１９）にパージエア制御バルブ装置（２０）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（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料供給ユニットと、１つのカソード及び１つのアノードを有する少なくとも１つの燃料電池と、を備える燃料電池システムに関する。当該カソードはカソード供給ラインを、当該アノードはアノード供給ラインを有し、アノード流はアノード供給ラインを介して燃料供給ユニットに接続される。また、アノード供給ラインには改質装置が配置され、該改質装置は、少なくともアノードからのアノード排ガスを排出するためのアノード排ガスラインを備える。また、当該アノード排ガスラインには少なくとも１つの燃焼装置が配置される。
【背景技術】
【０００２】
例えば、電動車両の補助電源やＡＰＵ（補助電源ユニット：Auxiliary Power Unit）として用いられる燃料電池システムは、通常、カソード空気と燃料ガス又は改質ガスから電流を生成するための燃料電池を少なくとも１つ備える。かかる構成において、この種の燃料電池は個々の燃料電池要素が多数積み重ねられてなり、燃料電池スタックと呼ばれる。当業者の間では、燃料電池、特に高温燃料電池として、例えば、動作温度がおよそ５８０℃から６７５℃になる溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）が知られている。この種の燃料電池の電解質としてよく使われるのは、炭酸リチウムと炭酸カリウムとの混合アルカリ炭酸塩である。また、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）も良く知られている。固体酸化物形燃料電池の動作温度はおよそ６５０℃から１０００℃である。
【０００３】
この種の燃料電池の電解質は、電子に対して絶縁効果を有しながら酸素イオンを伝導することができる固体セラミック材料からなる。電極やカソード及びアノードは、電解質層の両面に設けられ、ガス透過性の導電体である。酸素イオンを伝導する電解質は、上記した高い動作温度下においても僅かなエネルギで酸素イオンを移動させられるように、例えば薄膜状に設計される。電解質と反対を向くカソードの外側は、空気（以下、特に「カソードガス」と呼ぶ。）で覆われる。アノードの外側は、燃料ガス又は改質ガスで覆われる。未使用の空気及び未使用の燃料ガス並びに燃焼生成物は、例えば、吸引によって排出される。
【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器に送られる一方、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。
【０００５】
排気通路及びバルブ動作の制御器を有する燃料電池システムや、燃料電池システムの動作方法は、特開２００８−２７７２８０号公報により知られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記既知の手段の欠点の一つは、燃料電池により得られたエネルギの多くが、アノード排出部から外界に対して廃熱として捨てられていることである。したがって、この種の燃料電池システムにおいては、理論的に実現可能なレベルの高い効率を達成することができない。
【０００７】
したがって、本発明は、かかる従来技術の欠点を改善し、高レベルの効率を有する燃料電池システムを提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【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、排気出口に接続された第１アノード排気補助ラインと、排気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アノード補助排気ラインによって加熱可能に構成される。
【０００９】
本発明の範囲において、熱交換器とは、特に、異なる温度レベルを有するマテリアルフロー（Material Flow）が熱透過性の壁によって物理的に分離された状態で熱を間接的に伝達する装置を意味する。即ち、その目的とするところは、高温マテリアルフローから低温マテリアルフローへの熱の伝達にあり、熱交換器の低温側が低温マテリアルフロー領域、熱交換器の高温側が高温マテリアルフロー領域となる。
【００１０】
本発明における気化装置とは、特殊な熱交換器を意味し、物理的に離れたマテリアルフローからの熱伝達によって媒体となる物質の状態を変化させるものを意味し、具体的には、液体媒体が気相に変化する。
【発明の効果】
【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 streams）を調整・制限することができる。
【００１２】
媒体、具体的に空気は、カソード供給ラインに供給され、第１熱交換器の低温側を流れる。アノード排気は、同じ熱交換器の高温側において第１アノード排気補助ラインを流れる。この結果、アノード排気の熱はカソード供給ライン内に供給される媒体によって吸収され、アノード排気の熱が奪われる。また、対応する処理が第２アノード排気補助ラインにおいても実行される。即ち、高温のアノード排気が第２熱交換器の高温側及び気化装置の高温側を流れ、アノード排気と媒体（具体的には、アノード供給ライン内に供給される燃料）との間で熱交換がされる。
【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ユニットに供給される。
【００１４】
アノード排気ラインを、２つのアノード排気補助ラインを通る本質的に平行な流れに分けたことで、燃料電池システムの内部における圧力損失を減らすことができ、効率をさらに上昇させることができる。
【００１５】
また、本燃料電池ユニットは、燃料を貯蔵する燃料タンクを有するという有利な点を持つ。具体的に、本発明に係る燃料電池システムは、あらゆる燃料（特に、天然ガスやディーゼルといった液体炭化水素や、エタノールなどのアルコール）を用いて動作させることができる。これは、特に水とエタノールの混合物からなる燃料において優位である。なお、燃料は予め混合した状態で燃料電池ユニットに供給しても良いが、水とエタノールとで別々のタンクを用意するのも有益である。なお、２つのタンクを用意する場合は、水とエタノールを混ぜ合わせる混合装置を設けると有益である。
【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アノード補助ラインは共通排気出口に接続されても良い。ここで、アノードガスは、排気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。
【００１７】
また、第１制御バルブ装置が第１アノード排気補助ライン（好ましくは、第１熱交換器の高温側の下流）に設けられ、及び／又は第２制御バルブ装置が第２アノード排気補助ライン（好ましくは、気化装置の下流）に設けられる。かかる構成により、第１、第２アノード排気補助ラインを流れるアノード排気の流量の操作・調整が可能となる。また、かかる構成により、当該２つのアノード排気補助ラインの内、一方を流れるアノード排気の流れを完全に遮断することもできる。燃料電池システムの様々な要素や、（結果的に）カソード供給ライン及びアノード供給ラインを流れる媒体に対する熱の消散は、正確に調整することができ、かつ、種々の動作状況に適用させることが可能となる。
【００１８】
制御バルブ装置に加えて、あるいは、これに代えて、質量流量を制御するために、アノード排気補助ラインは、様々な形状、断面、あるいは直径を持つように設計される。例えば、第１アノード排気補助ラインは、カソードに供給されるマテリアルフローへの高度の熱伝達を達成するために、第２アノード排気補助ラインよりも大きな直径を有しても良い。
【００１９】
また、第２アノード排気補助ラインに供給されるアノード排気を改質装置に流し、熱を改質装置に伝えるのが有益である。上記別の手段では、アノード供給ラインに供給されるマテリアルフロー及びアノード排気のいずれもが改質装置を通過し、当該改質装置には、マテリアルフローを物理的に分離する熱透過性手段が設けられる。したがって、改質装置と、特にアノード方向において改質装置に流れるマテリアルフローとが加熱され、適切な改質反応に必要な温度レベルを達成することができる。
【００２０】
本発明の変形例では、第２熱交換器は、燃料を３５０℃超え、又は改質反応に必要な温度レベルにまで加熱させる過熱器として設計される。なお、過熱器とは、具体的には、マテリアルフローを改質反応で求められる温度まで加熱する熱交換器を意味する。
【００２１】
また、優位なことに、第２熱交換器及び改質装置は、組み合わされて共通の構成要素である過熱・改質要素となる。この結果、第２アノード排気補助ラインに供給される高温のアノード排気は、第２熱交換器及び改質装置に対して同時に熱を供給する。したがって、供給されるマテリアルフローを改質反応に必要な温度まで上昇させて当該フローを改質させることができる。
【００２２】
本発明の別の変形例では、第２熱交換器及び気化装置は、組み合わされて共通の構成要素である気化・過熱要素（１２ａ）となる。この結果、第２アノード排気補助ラインに供給される高温のアノード排気は、第２熱交換器及び気化装置に同時に熱を供給する。したがって、アノード供給ラインに供給された燃料は同時に気化・過熱される。
【００２３】
かかる組み合わせ構成要素は、燃料電池システムのための空間が僅かしかない場合、例えば車両の場合に特に有益である。また、かかる構成は、気化装置と過熱器との間の配管による熱損失、さらには気化した燃料の凝縮による熱損失を防ぐことができる。
【００２４】
また、その後のバーナ装置までの流れ方向において、アノード排熱を第２熱交換器よりも前に改質装置に流入させることができればより有益である。この場合、アノード排気は、好ましくは、第２熱交換器に続けて気化装置を通過させることができる。かかる構成により、アノード排気の熱エネルギを特に効率的に利用でき、当該熱エネルギを燃料電池システムの必要な箇所に分配することができる。アノード排気は、まず改質装置を通過し、第２熱交換器や気化装置に流れるより前に、改質反応に必要な熱量を提供する。この結果、第２アノード排気補助ラインに供給されるアノード排気の全エネルギを最適に利用することができる。
【００２５】
また、アノード排気ラインは、改質装置の下流において第１アノード排気補助ラインと第２アノード排気補助ラインとに分かれる。そして、アノード排気は、バーナ装置に続けて配置される改質装置を通過する。
【００２６】
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、又は触媒バーナと始動バーナ装置とを備える結合要素であると有益である。バーナ装置は、アノード排気に含まれる燃料電池反応による燃料残渣及びその他の副産物を燃焼させる触媒バーナである。用いられる燃料によって、アノード排気は、例えば、８０％が水と二酸化炭素、２０％が水素と一酸化炭素からなる。触媒バーナは、２０％の水素と一酸化炭素を、水と二酸化炭素に変換する。また、始動バーナ装置あるいはかかる始動バーナ装置を備える別体の始動バーナを設けても良い。ただし、始動バーナ装置等は、燃料供給源とアノード排気ラインとの間であって、バーナ装置の下流でアノード排気ラインに合流するライン上設けても良い。また、触媒（後）バーナと、別体の燃料供給源を持つ始動バーナ装置とを共通の要素と組み合わせても良い。
【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機器）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。
【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、気化機器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。
【００２９】
本発明のある変形例では、少なくとも１つのバイパスラインが第１熱交換器の上流でカソード供給ラインから分岐し、第１熱交換器の下流でカソード供給ラインに合流する。また、バイパス制御バルブ装置をバイパスラインに設けることが好ましい。かかる構成により、供給される媒体のカソード側温度を調整すること、又は、それ以上に、カソードに供給される空気が超高温で燃料電池に混入し、熱応力によって燃料電池に損傷を引き起こすのを防ぐことができる。
【００３０】
本発明の別の変形例にあっては、少なくとも１つのパージ用エアラインが第１熱交換器の上流でカソード供給ラインから分岐し、改質装置の上流でアノード供給ラインに合流する。また、パージ用エア制御バルブ装置をパージ用エアラインに設けることが好ましい。一方では、燃料電池システムは、シャットダウン後、パージ用エアラインを介して、例えば空気や別の媒体を用いてパージされる。これにより、システム内のアノードの酸化を防ぐことができる。他方では、パージ用エアラインを介して供給される空気が改質反応を補助することから、始動処理又は燃料電池システムの加熱をパージ用エアラインによって補助することができる。動作方法の一例にあっては、始動バーナ装置を用いて加熱されたアノード排気により気化装置を動作温度まで上昇させられ、少量の燃料が気化のために当該気化装置に供給される。そして、主に気体状態となった燃料は改質装置に供給される。また、改質装置には、パージ用エアラインから空気も供給される。その結果、改質装置内で発熱反応が起こり、高温のガスを早い段階でアノードに供給することができる。これにより、燃料電池システムの加熱時間が顕著に短縮される。さらに、発生した気体がアノード内の酸素と置換されるため、この発熱反応はアノードを保護する機能も持つ。
【００３１】
本発明は、図示された（但し、本発明を限定するものではない）以下の実施形態によって、より詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１変形例の概念図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの第２変形例の概念図である。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの第３変形例の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
なお、明確化のため、各図面において同種の要素に対しては同一の符合を付している。
【００３４】
図示するいずれの変形例においても、燃料電池システム１００は２つの燃料電池スタック１，２で形成される燃料電池を有する。当該燃料電池スタック１，２は、それぞれ多数の燃料電池からなる。各燃料電池は、動作に必要な媒体が処理ガス分配器５から供給されるアノード３，３’及びカソード４，４’からなる。このように、個々のスタック１，２への供給は統括的に行われる。
【００３５】
アノード供給ライン３０は、燃料ガスや改質ガスをアノード３，３’に供給し、カソード供給ライン４０は、本質的には、空気や大気をカソード４，４’に供給する。アノード排気ライン６は、燃料電池から排気ガス（例えば、空気や未使用の燃料ガス及び燃焼生成物）を排出する機能も持つが、少なくともアノード３，３’からアノード排気を排出するためにある。燃料電池スタック１，２は、インターフェース装置７を介して供給源や、バランスオブプラント（ＢＯＰ）と呼ばれる周辺機器に接続される。これらの中には、燃料の調整や供給のための部品であったり、空気の供給源であったり、電装部品であったりが含まれるが、詳細については省略する。
【００３６】
プラント周辺には、燃料タンク９及び燃料ポンプ１０を備える燃料供給ユニット８が設けられる。燃料として利用できるのは、特に液体燃料であり、通常は天然ガスやディーゼル、あるいはアルコールといった液体炭化水素である。アノード３，３’は、アノード供給ライン３０を介して燃料供給ユニット８に接続される。
【００３７】
燃料は、燃料噴射装置１１により、液体の状態で気化機器１２に導入される。気化機器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。
【００３８】
改質装置１３に続き、燃料ガス又は改質ガスは、アノード供給ライン３０を介して燃料電池スタック１，２のアノード３，３’に供給される。
【００３９】
燃料電池の反応に必要な空気は、空気搬送器（例えば、ファン１４）を用い、カソード供給ライン４０を介して供給される。カソードガス調整装置１５は、制御バルブとしてカソード供給ライン４０に設けられる。当該制御バルブは、カソード４，４’に供給される空気量を調整するために用いることもできる。また、反応を容易にし、かつアノードの高い温度に起因する燃料電池スタック１，２内の熱応力を防ぐために、カソード４，４’に供給される空気を予熱する第１熱交換器１６がカソード供給ライン４０に設けられる。当該熱交換器は、周知のように、高温側と低温側を有し、両サイドを広範な温度幅を持つ媒体が通過する。これにより、高温側から低温側への熱の伝達を可能とし、よって熱流が物理的に分離される。この結果、カソード４，４’に供給される媒体は、第１熱交換器１６の低温側を通り、その後処理ガス分配器５又はカソード４，４’へと流れていく。
【００４０】
図示される変形例は、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から分岐するバイパスライン１７を有する。当該バイパスラインは、第１熱交換器１６の下流で再びカソード供給ライン４０と合流する。バイパス制御バルブ装置１８は、バイパスライン１７を通過する流れを調整するために設けられている。特定の動作状況下では、全ての又は一部のカソードガスがバイパスライン１７を介して第１熱交換器１６を迂回する。これにより、カソード４，４’に供給される空気の温度を調整することができる。この結果、例えば、急速な加熱による燃料電池スタック１，２内の熱応力を防ぐことができると共に、過度に高い温度に起因するカソード４，４’への損傷を防ぐことができる。
【００４１】
また、パージ用エアライン１９は、ファン１４とカソードガス制御装置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、好ましくは気化機器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。
【００４２】
アノード３，３’及びカソード４，４’からの排気ガスは、燃料電池スタック１，２で集められ、処理ガス分配器５及びアノード排気ライン６を介して排気ガス出口２１に送られる。そして、これらの排気ガスは、排気ガス出口２１から、例えば大気に排出される。
【００４３】
燃料電池スタック１，２から出た排気ガスは高温であり、全体的な効率を高めるために、本発明に応じて利用される。
【００４４】
バーナ装置２２は、処理ガス分配器５の下流に配置される。一方では、燃料電池システム１００の始動期において燃料電池スタック１，２の燃料電池の温度を動作温度まで高めるために、バーナ装置２２によって燃料が熱に変換される。他方では、完全な変化を達成するために、排気ガス（特に、アノード排気ガス）中に含まれる燃料残渣やその他の反応生成物を燃焼させる。
【００４５】
図１から図３において、バーナ装置２２は、触媒バーナ（“Ｏｘｉ−Ｃａｔ”）及び始動バーナ装置を備える合成要素として設計される。本実施形態における始動バーナ装置は、燃料を燃焼させる点火装置２４（例えば、電動点火器）を有する。始動バーナ燃料ライン２５は、燃料供給ユニット８からアノード排気ライン６へと続き、バーナ装置２２に接続される。上記実施形態にあっては、始動バーナ燃料ライン２５は、燃料供給ユニット８と燃料噴射装置１１との間において、アノード供給ライン３０から分岐している。また、始動バーナ燃料ライン２５には、始動バーナ燃料計器２６が設けられ、燃料が計量、噴射される。図１の破線は、始動バーナ燃料計器２６に続く始動バーナ燃料ライン２５の代案を示す。本代案において、始動バーナ燃料ラインは点火装置２４を備える別体の始動バーナ装置２３に接続され、燃焼生成物はバーナ装置２２の下流でアノード排気ライン６に導入される。理想的には、図１に示すバーナ装置２２の点火装置２４を省略しても良く、バーナ装置２２は触媒アフターバーナとしてのみ機能する。
【００４６】
本発明に係る燃料電池システム１００の動作方法の例では、始動期、燃料が始動バーナ燃料ライン２５から供給され、点火装置２４が起動される。そして、バーナ装置２２や始動バーナ装置２３において熱が発生し、（特に、後述する熱交換器を介して）システムの暖気が促進される。所定温度に到達するとすぐに、点火装置２４や始動バーナ装置２３は停止することができ、必要に応じて始動バーナ燃料ライン２５を介した燃料の計量供給が減少する。ただし、計量供給そのものは継続して実施される。これは、燃料電池スタック１，２からの排気ガス中に含まれる燃料残渣や副生成物がバーナ装置２２において十分な熱を生成するのに十分でない場合において特に有益である。燃料電池システム１００が最適動作温度に到達し次第、始動バーナ燃料ライン２５を介した燃料の計量供給を中止しても良い。この結果、燃料電池システム１００を動作温度まで加熱する時間が短縮される。
【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。
【００４８】
図１において、制御バルブ装置２７，２８を破線で示す。即ち、本発明の変形例において、各ガス流をアノード排気補助ライン６ａ，６ｂの形状（具体的には、断面又は直径）によって調整できるのであれば、制御バルブ装置２７，２８は省略しても良い。なお、これらの変形例を組み合わせても良い。即ち、種々の断面を用いて、制御バルブ装置２７，２８の一方又は両方の断面を変更しても良い。
【００４９】
図示する変形例は、排気ガスに関する要素の配置やルートによって区別される。
【００５０】
図１は、カソード４，４’に供給された空気を予熱又は加熱するために、第１アノード排気補助ライン６ａが第１熱交換器１６の高温側に導かれる例を示す。この場合、第１アノード排気補助ライン６ａを流れるアノード排気ガスは、第１熱交換器１６に入る際、約７２０℃に達する。この結果、第１熱交換器１６の低温側において、カソード媒体（例えば、空気）は５４０℃程度まで加熱される。
【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、その後気化機器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が気化機器１２を通過する。気化機器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。
【００５２】
したがって、本変形例では、燃料電池スタック１，２から排出される約６００℃の排気ガスは、さらに、改質アフターバーナからなるバーナ装置２２及び／又は始動バーナ装置２３によって７２０℃まで加熱される。加熱された排気ガスは、気化した燃料の過熱と改質に利用される。第２熱交換器２９での過熱により、気化した燃料は、改質に必要な温度（３５０℃以上）まで上昇させられる。また、吸熱改質反応（例えば、水蒸気改質反応）の場合、改質装置１３において熱が必要となる。いずれの場合も、排気ガスから過熱・改質要素１３ａに熱を供給すれば実現可能である。そして、排気ガスはさらに気化装置１２に送られる。気化装置に入力される際の排気ガスの温度は約５００℃であり、排気ガスの熱が燃料の気化に利用される。
【００５３】
図２は、アノード排気ライン６が、バーナ装置２２の下流において、第１、第２アノード排気補助ライン６ａ，６ｂに分岐する前に改質装置１３に導かれる変形例を示す。かかる構成は、排気ガスから得られる膨大な熱量の利用を可能にする吸熱・改質反応において特に有利である。また、改質に利用されなかった熱もその後用いることができる。同様に、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。
また、第２アノード排気補助ライン６ｂは、気化装置１２及び第２熱交換器２９が１つの共通要素としてまとめられた要素を通過する。このように、気化・過熱要素１２ａは、燃料の気化処理と、改質に求められる温度までの過熱処理を組み合わせて実行する。アノード供給ライン３０内の燃料は、先ず気化・過熱要素１２ａを流れ、そこから改質装置１３へと流れる。改質／燃料ガスは、その後燃料電池スタック１，２のアノード３，３’に導かれる。
【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。
【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。アノードガス補助ライン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。
【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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