(57)【要約】【課題】  それぞれアノード（１）とカソード（２）とを有する燃料電池における燃料電池構造について記載する。【解決手段】  外気供給管（１８，１９）は、カソード入力（ＫＩ）に外気を供給する働きを持つ。アノード出力（ＡＯ）とカソード入力（ＫＩ）との間には、外気供給部（１８，１９）を介して供給される外気を加えるか否かを選択可能な形で、アノード排ガス再循環パイプ（１７）を介して、アノード出力（ＡＯ）から出る使用済み燃料ガスに含まれる燃焼可能な残留成分を後燃えさせるための燃焼器装置（１６）が配備されている。この発明により、外気供給部（１８，１９）は、外気を加えるか否かを選択可能な形で、使用済みの燃料ガスを燃焼器装置（１６）に供給するための、燃焼器装置（１６）に接続された第一外気供給パイプ（１８）と、燃焼器装置（１６）を迂回して、外気をカソード入力（ＫＩ）に供給するための第二外気供給パイプ（１９）とを有する。燃焼装置（１６）内の温度が、７５０°Ｃと１，４００°Ｃの間、有利には８５０°Ｃと１，２５０°Ｃの間に調整されるように、第一外気供給パイプ（１８）を介して燃焼器装置（１６）に供給される外気の量が調整される。この方法により、燃焼器装置（１６）において、貴重な触媒をより少なく使用することが可能であるか、あるいは触媒を全く使用しなくても済ますことが可能である、「より高温の」燃焼器が実現される。
2005513720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれアノード（１）とカソード（２）を持ち、アノード（１）に新鮮な燃料ガスを供給するためのアノード入力（ＡＩ）と、アノード（１）から使用済みの燃料ガスを排出するためのアノード出力（ＡＯ）と、カソード（２）に新鮮なカソードガスを供給するためのカソード入力（ＫＩ）と、カソード（２）から使用済みのカソードガスを排出するためのカソード出力（ＫＯ）と、カソード入力（ＫＩ）に外気を供給するための外気供給部（１８，１９）と、外気供給部（１８，１９）を介して供給される外気を加えるか否かを選択可能な形で、アノード排ガス再循環パイプ（１７）を介して、アノード出力（ＡＯ）から出る使用済み燃料ガスに含まれる燃焼可能な残留成分を後燃えさせるための、アノード出力（ＡＯ）とカソード入力（ＫＩ）との間に接続された燃焼器装置（１６）とを有する燃料電池を、一つまたは複数有する燃料電池構造において、外気供給部（１８，１９）は、外気を加えるか否かを選択可能な形で、使用済みの燃料ガスを燃焼器装置（１６）に供給するための、燃焼器装置（１６）に接続された第一外気供給パイプ（１８）と、燃焼器装置（１６）を迂回して、外気をカソード入力（ＫＩ）に供給するための第二外気供給パイプ（１９）とを有することを特徴とする燃料電池構造。
【請求項２】
第一外気供給パイプ（１８）と第二外気供給パイプ（１９）を介して供給する外気の量を制御するための制御装置（１０，１１）が配備されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池構造。
【請求項３】
調整可能な外気量を向上させるための送風機（８，９）が、第一外気供給パイプ（１８）と第二外気供給パイプ（１９）に、それぞれ配備されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池構造。
【請求項４】
カソード排ガスの少なくとも一部を燃焼器装置（１６）および／またはカソード入力（ＫＩ）に再循環させるための、カソード出力（ＫＯ）と燃焼器装置（１６）および／またはカソード入力（ＫＩ）との間に接続されたカソード排ガス再循環パイプ（６）が配備されていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の燃料電池構造。
【請求項５】
カソード排ガス再循環パイプ（６）は、カソード排ガスの一部を再循環させるために燃焼器装置（１６）と接続され、ならびにカソード排ガスの一部をカソード入力（ＫＩ）に、有利には第二外気供給パイプ（１９）を介して再循環させるためにカソード入力と接続され、その際有利には、燃焼器装置（１６）とカソード入力（ＫＩ）に再循環させるカソード排ガス量の比率を調整するための制御弁（７）が配備されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池構造。
【請求項６】
燃焼器装置（１６）は、アノード排ガスに含まれる燃焼可能な残留成分を燃焼させるための燃焼器（４）と、第一外気供給パイプ（１８）を介して供給される外気を加熱するための加熱装置（５）とを有することを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の燃料電池構造。
【請求項７】
燃焼器装置（１６）は、触媒型燃焼器を有することを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の燃料電池構造。
【請求項８】
燃焼器装置（１６）は、気泡構造で構成された燃焼器（４）を有することを特徴とする請求項１から７までのいずれか一つに記載の燃料電池構造。
【請求項９】
触媒型燃焼器（４）は、気泡構造上に形成された触媒コーティングで構成されることを特徴とする請求項８と組み合わせた形の請求項７に記載の燃料電池構造。
【請求項１０】
加熱装置（５）は、導電性の気泡材料の構造で構成された電気的な加熱装置であることを特徴とする請求項８または９と組み合わせた形の請求項６に記載の燃料電池構造。
【請求項１１】
当該の触媒コーティングは、加熱装置（５）の気泡構造上に配備されることを特徴とする請求項１０と組み合わせた形の請求項９に記載の燃料電池構造。
【請求項１２】
当該の気泡構造は、特殊鋼、有利にはＦｅＣｒＡｌＹか、鉄鋼か、導電性セラミックから構成されることを特徴とする請求項１０または１１に記載の燃料電池構造。
【請求項１３】
請求項１から１２までのいずれか一つに記載の燃料電池構造を動作させるための方法において、使用済みの燃料ガスに含まれる燃焼可能な残留成分を燃焼装置（１６）で後燃えさせる際の温度が、７５０°Ｃと１，４００°Ｃの間、有利には８５０°Ｃと１，２５０°Ｃの間に調整されるように、第一外気供給パイプ（１８）を介して燃焼器装置（１６）に供給される外気の量が調整されることを特徴とする方法。
【請求項１４】
使用済みの燃料ガスのフロー全体が、アノード排ガス再循環パイプ（１７）を介して燃焼器装置（１６）に再循環されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
請求項４から１２までのいずれか一つに記載の燃料電池構造を動作させるための請求項１３または１４に記載の方法において、カソード排ガス再循環パイプ（６）を介して再循環されるカソード排ガスのフロー全体が、燃焼器装置（１６）に再循環されることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項５から１２までのいずれか一つに記載の燃料電池構造を動作させるための請求項１３または１４に記載の方法において、カソード排ガス再循環パイプ（６）を介して再循環されるカソード排ガスのフローの中で、その一部が燃焼器装置（１６）に再循環され、その一部がカソード入力（ＫＩ）に再循環されることを特徴とする方法。
【請求項１７】
燃焼済みの燃料ガスとカソード排ガスのフローが、外気をさらに追加されることなく、燃焼器装置（１６）に導かれることを特徴とする請求項１５または１６に記載の方法。
【請求項１８】
供給される外気の一部が、第一外気供給パイプ（１８）を介して燃焼器装置（１６）に供給されることを特徴とする請求項１３から１６までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１９】
請求項５から１２までのいずれか一つに記載の燃料電池構造を動作させるための請求項１３または１４に記載の方法において、カソード排ガス再循環パイプ（６）を介して再循環されるカソード排ガスのフロー全体が、燃焼器装置（１６）を迂回してカソード入力（ＫＩ）に再循環されることと、外気のフローが、第一外気供給パイプ（１８）を介してもっぱら燃焼器装置（１６）に供給されるか、あるいは第一外気供給パイプ（１８）を介して部分的に燃焼器装置（１６）に、第二外気供給パイプ（１９）を介して、燃焼器装置（１６）を迂回して、部分的にカソード入力（ＫＩ）に供給されることとを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、請求項１の上位概念にもとづく燃料電池構造に関する。さらに、この発明は、そのような燃料電池構造の動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
各燃料電池が、アノードとカソードを持ち、このアノードに新鮮な燃料ガスを供給するためのアノード入力と、このアノードから使用済みの燃料ガスを排出するためのアノード出力と、このカソードに新鮮なカソードガスを供給するためのカソード入力と、このカソードから使用済みのカソード排ガスを排出するためのカソード出力、ならびにこのカソード入力に外気を供給するための外気供給部と、この外気供給部を介して供給される外気を加えるか否かを選択可能な形で、アノード排ガス再循環パイプを介して、このアノード出力から出る使用済み燃料ガスに含まれる燃焼可能な残留成分を後燃えさせるための、このアノード出力とこのカソード入力との間に接続された燃焼器装置とを有する燃料電池構造が知られている。
【０００３】
従来の周知の燃料電池構造では、この燃焼器装置は、触媒型燃焼器を有し、その中で、使用済みの燃料ガスの燃焼可能な残留成分を、外から供給される外気とともに、約５００°Ｃから７００°Ｃまでの間の温度で燃焼させている。この比較的低い燃焼温度は、周知の燃料電池構造では、供給される外気のほぼ全部の量と、場合によってはカソード出力から同じく燃焼器装置に部分的に再循環されるカソードガスが、エネルギー的な理由から、より高い燃焼温度を可能とせず、その結果一般的に高価で、所定の動作温度を必要とする触媒無しでは、燃焼が不可能であったということのためである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この発明の課題は、燃焼済みのアノード燃料ガス中の燃焼可能な残留成分の燃焼を、より高い温度で行う、前述した種類の燃料電池を実現することである。さらに、この発明により、そのような燃料電池構造の動作方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明により、アノードとカソードを持ち、このアノードに新鮮な燃料ガスを供給するためのアノード入力と、このアノードから使用済みの燃料ガスを排出するためのアノード出力と、このカソードに新鮮なカソードガスを供給するためのカソード入力と、このカソードから使用済みのカソードガスを排出するためのカソード出力と、このカソード入力に外気を供給するための外気供給部と、この外気供給部を介して供給される外気を加えるか否かを選択可能な形で、アノード排ガス再循環パイプを介して、このアノード出力から出る使用済み燃料ガスに含まれる燃焼可能な残留成分を後燃えさせるための、このアノード出力とこのカソード入力との間に接続された燃焼器装置とを有する燃料電池を、一つまたは複数有する燃料電池構造が実現される。この発明では、この外気供給部は、外気を加えるか否かを選択可能な形で、使用済みの燃料ガスを燃焼器装置に供給するための、燃焼器装置に接続された第一外気供給パイプと、燃焼器装置を迂回して、外気をカソード入力に供給するための第二外気供給パイプとを有するものと規定される。
【０００６】
この発明にもとづく燃料電池構造の重要な利点は、使用済みの燃料ガス中の燃焼可能な残留成分の燃焼が、より高い温度で行うことが可能であり、その際燃焼器装置では、貴重な触媒を、より少なく使用することが可能であるか、あるいはそれどころか触媒を全く使用しなくても済ますことが可能であるということである。
【０００７】
有利には、第一外気供給パイプと第二外気供給パイプを介して供給される外気の量を調整するための制御装置が配備される。
【０００８】
有利には、さらに、第一外気供給パイプまたは第二外気供給パイプには、それぞれ調整可能な外気の量を向上させるための送風機が配備される。
【０００９】
この発明にもとづく燃料電池構造の有利な改善構成では、カソード排ガスの少なくとも一部を、燃焼器装置および／またはカソード入力に再循環させるための、カソード出力と燃焼器装置および／またはカソード入力との間に接続されたカソード排ガス再循環パイプが配備される。
【００１０】
有利には、このカソード排ガス再循環パイプは、カソード排ガスの一部を再循環させるために燃焼器装置と、ならびにカソード排ガスの一部をカソード入力に再循環させるために、有利には第二外気供給パイプを介して、カソード入力と接続され、その際有利には、燃焼器装置とカソード入力に再循環させるカソード排ガス量の比率を調整するための制御弁が配備される。
【００１１】
有利には、この燃焼器装置は、アノード排ガスに含まれる燃焼可能な残留成分を燃焼させるための燃焼器と、第一外気供給パイプを介して供給される外気を加熱するための加熱装置とを有する。
【００１２】
この燃焼器装置は、触媒型燃焼器を有することが可能である。
【００１３】
この発明の有利な実施構成では、この燃焼器装置は、気泡構造により構成された燃焼器を有する。
【００１４】
この触媒型燃焼器は、気泡構造上に触媒コーティングを形成する形で構成することが可能である。
【００１５】
有利には、この加熱装置は、導電性の気泡材料の構造で構成された電気的な加熱装置である。
【００１６】
有利には、加熱装置の気泡構造上に触媒コーティングした形の触媒型燃焼器を配備することが可能である。
【００１７】
この気泡構造は、特殊鋼、有利にはＦｅＣｒＡｌＹか、鋼鉄か、導電性セラミックから構成することが可能である。
【００１８】
さらに、この発明により、前述した種類の燃焼電池構造の動作方法が実現される。この発明では、使用済みの燃料ガスに含まれる燃焼可能な残留成分を、燃焼器装置で後燃えさせた場合の温度が、７５０°Ｃと１，４００°Ｃの間、有利には８５０°Ｃと１，２５０°Ｃの間に調整されるように、第一外気供給パイプを介して燃焼器装置に供給される外気の量が調整されるものと規定される。
【００１９】
この発明にもとづく方法の有利な実施構成では、使用済みの燃料ガスのフロー全体が、アノード排ガス再循環パイプを介して、燃焼器装置に再循環される。
【００２０】
この発明にもとづく方法の別の有利な実施構成では、カソード排ガス再循環パイプを介して再循環されるカソード排ガスのフロー全体が、燃焼器装置に再循環される。
【００２１】
この発明にもとづく方法の代替の実施構成では、カソード排ガス再循環パイプを介して再循環されるカソード排ガスのフローの中で、その一部が燃焼器装置に再循環されるとともに、その一部がカソード入力に再循環される。
【００２２】
この発明にもとづく方法の実施構成では、使用済みの燃料ガスとカソード排ガスのフローを、外気を追加することなく、燃焼器装置に導くことが可能である。
【００２３】
この発明にもとづく方法の別の実施構成では、供給される外気の一部を、第一外気供給パイプを介して、燃焼器装置に供給することが可能である。
【００２４】
最後に、この発明にもとづく方法の実施構成では、カソード排ガス再循環パイプを介して再循環されるカソード排ガスのフロー全体が、燃焼器装置を迂回してカソード入力に再循環される、ならびに外気のフローが、第一外気供給パイプを介して、もっぱら燃焼器装置に供給されるか、あるいは第一外気供給パイプを介して、部分的に燃焼器装置に、第二外気供給パイプを介して、燃焼器装置を迂回して、部分的にカソード入力に供給されるものと規定される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下においては、この発明にもとづく燃料電池構造の実施例ならびに、そのような燃料電池構造の動作方法の様々な変化形態を、図面と関連させて説明する。
【００２６】
図面は、この発明の一実施例による燃料電池構造のブロック図を示している。
【００２７】
この図では、燃料電池構造の模式的なブロック図が描かれている。この構造は、典型的には、燃料電池スタックの形で配置された若干数の燃料電池を有するが、この図では、見易くするために、それらの中の一つの単独の燃料電池２２だけを図示している。
【００２８】
この燃料電池２２は、アノード１とカソード２とを有し、それらの間には、図では特に図示されていない電解質保持材が配置されている。このアノードは、新鮮な燃料ガス（アノードガス）を供給するためのアノード入力ＡＩと、アノード１から、使用済みの燃料ガスを排出するためのアノード出力ＡＯとを有する。同様に、カソード２は、新鮮なカソードガスを供給するためのカソード入力ＫＩと、カソード２から、使用済みのカソードガスを排出するためのカソード出力ＫＯとを有する。新鮮な燃料ガスは、事前改質装置２０から、熱交換器３を介して、アノード入力ＡＩに供給される。使用済みのカソードガスは、カソード出力ＫＯから、その余熱を新鮮な燃料ガスに移す熱交換器３を介して、排ガス排出パイプ１２に放出される。カソード入力ＫＩには、第一外気供給パイプ１８と第二外気供給パイプ１９とを有する外気供給部１８，１９から、カソード注入パイプ１５を介して、カソードガスとしての外気が供給される。
【００２９】
アノード出力ＡＯとカソード入力ＫＩとの間には、アノード排ガス再循環パイプ１７が配備されており、そのパイプには、燃焼器装置１６が接続されている。燃焼器装置１６は、使用済みの燃料ガスに含まれる燃焼可能な残留成分を後燃えさせる働きを有する。
【００３０】
アノード排ガス再循環パイプ１７は、燃焼器装置１６の入力のところで、第一外気供給パイプ１８と一体化しており、この第一外気供給パイプを介しては、外気を、燃焼器装置１６に供給するか否かを選択可能な形で供給することが可能であり、この外気は、循環送風機９によって強められるとともに、外気制御弁１０によって、その量を調整することが可能である。第二外気供給パイプ１９は、外気を、燃焼器装置１６を迂回して、カソード注入パイプ１５またはカソード入力ＫＩに直接供給する働きを持ち、この外気は、送風機８によって強められるとともに、外気制御弁１１によって、その量を調整することが可能である。
【００３１】
カソード排ガス再循環パイプ６は、熱交換器３の下流にあるカソード排ガス排出パイプ１２の一点から、一方は第一外気供給パイプ１８に、他方は制御弁７を介して第二外気供給パイプ１９に接続されている。このカソード排ガス再循環パイプ６は、排ガス排出パイプ１２のカソード排ガスの中の少なくとも一部を、第一外気供給パイプ１８を介して燃焼器装置１６に、または制御弁７と第二外気供給パイプ１９を介してカソード注入パイプ１５またはカソード入力ＫＩに直接再循環させる働きを持つ。カソード排ガス再循環パイプ６を介して再循環されるカソード排ガスフローは、第一外気供給パイプ１８と第二外気供給パイプ１９によって供給可能な量に、すなわち外気制御弁１０および／または外気制御弁１１が閉じられている場合においても影響を受けない。
【００３２】
燃焼器装置１６は、アノード排ガスに含まれる燃焼可能な残留成分を燃焼させるための燃焼器４と、第一外気供給パイプ１８を介してアノード排ガスとともに供給される外気を、場合によっては、特に燃料電池構成の使い始めの場合には、供給される外気だけを、加熱するための加熱装置５とを有する。
【００３３】
燃焼器装置１６に含まれる燃焼器４は、触媒材料を有することが可能であり、有利には気泡構造で構成される。この触媒材料は、気泡構造上に触媒コーティングを形成する形で配備することが可能である。
【００３４】
電気的な加熱装置５は、有利には、特に燃焼器４の気泡材料の構造として構成することが可能であり、その際さらに導電性の気泡材料で構成された電気的な加熱装置である。この触媒コーティングは、特に加熱装置５の気泡構造上に形成され、その結果燃焼器４と加熱装置５は、一つの共通の部品として形成することが可能である。この気泡構造は、特に特殊鋼、有利にはＦｅＣｒＡｌＹか、鋼鉄か、導電性セラミックから構成することが可能である。
【００３５】
使用済みの燃料ガスに含まれる燃焼可能な残留成分を燃焼器装置１６で後燃えさせる際の温度が、７５０°Ｃと１，４００°Ｃの間、有利には８５０°Ｃと１，２５０°Ｃの間に調整されるように、第一外気供給パイプ１８を介して燃焼器装置１６に供給される外気の量が、アノード排ガス再循環パイプ１７を介してアノード出力ＡＯから燃焼器装置１６に再循環されるアノード排ガスの量を考慮して調整される。
【００３６】
有利には、図に描いた実施例の場合のとおり、使用済みの燃料ガスのフロー全体が、アノード出力ＡＯから、アノード排ガス再循環パイプ１７を介して燃焼器装置１６に再循環される。
【００３７】
カソード排ガス再循環パイプ６を介して再循環されるカソード排ガスのフローに関して、カソード排ガス再循環パイプ６を介して再循環されるカソード排ガスの全量を燃焼器装置１６に供給するか、あるいはその一部を燃焼器装置１６に再循環させるとともに、その一部を制御弁７を介して燃焼器装置１６を迂回して、カソード入力ＫＩに直接供給するかのどちらかが可能である。カソード排ガス再循環パイプ６を介して再循環されるカソード排ガスの全量を、燃焼器装置１６を迂回して、カソード注入パイプ１５またはカソード入力ＫＩに直接供給するものと規定することも可能である。
【００３８】
アノード出力ＡＯから、アノード排ガス再循環パイプ１７を介して再循環される使用済みの燃料ガスおよびカソード排ガス再循環パイプ６を介して再循環される使用済みのカソード排ガスのフローは、外気をさらに追加することなく、すなわち外気制御弁１０を閉じた形で、燃焼器装置１６を介して導くことが可能である。これに代わって、外気の一部を、第一外気供給パイプ１８を介して、再循環されるアノード排ガスと再循環されるカソード排ガスととともに、燃焼器装置１６に供給するとともに、外気の一部を、第二外気供給パイプ１９を介して燃焼器装置１６を迂回して、カソード注入パイプ１５またはカソード入力ＫＩに直接供給することが可能である。最後に、カソード排ガス再循環パイプ６を介して再循環されるカソード排ガスの全量を、燃焼器装置１６を迂回して、すなわち制御弁７と第二外気供給パイプ１９を介してカソード注入パイプ１５またはカソード入力ＫＩに直接供給する、ならびに外気のフローを、ａ）第一外気供給パイプ１８と燃焼器装置１６を介してもっぱら供給するか、ｂ）その一部を第一外気供給パイプ１８と燃焼器装置１６を介して、その一部を第二外気供給パイプ１９を介して燃焼器装置１６を迂回してカソード注入パイプ１５またはカソード入力ＫＩに直接供給するものと規定することが可能である。
【００３９】
したがって、燃焼器装置１６における燃焼条件を、再循環されるカソード排ガスフローの量とともに、燃焼器装置１６に供給される外気フローの量によって、非常に広い範囲に渡って自由に変化させ、そのことによって燃焼器装置１６における最適な燃焼条件を実現することが可能となる。このことは、燃焼器装置１６に含まれる燃焼器４に関して、貴重な触媒をより少なく使用することが可能であるか、あるいは触媒を全く使用しなくても済ますことが可能であることを意味する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】この発明の一実施例による燃料電池構造のブロック図
【符号の説明】
【００４１】
１    アノード
２    カソード
３    熱交換器
４    燃焼器
５    加熱装置
６    カソード排ガス再循環パイプ
７    制御弁
８    送風機
９    循環送風機
１０    外気制御弁
１１    外気制御弁
１２    排ガス排出パイプ
１３    混合ガス再循環パイプ
１４    外気パイプ
１５    カソード注入パイプ
１６    燃焼器装置
１７    アノード排ガス再循環パイプ
１８    第一外気供給パイプ
１９    第二外気供給パイプ
２０    事前改質装置
【図１】
2005513720.tif 000003
【国際調査報告】
2005513720.tif 000004
2005513720.tif 000005
2005513720.tif 000006
2005513720.tif 000007
2005513720.tif 000008
2005513720.tif 000009