(57)【要約】【課題】加熱時間が短縮され、運転中は十分に安全であり、モバイルユースに適した高温燃料電池を有するシステムを提供する。【解決手段】  本発明は、例えばＳＯＦＣｓのような高温燃料電池を有するシステムに関する。とりわけモバイルユースに供される。本発明に係るシステムには、燃料電池のアノード側の上流側に接続された改質装置と、高温燃料電池のカソードを予熱するためのスタートバーナーと、アフターバーナーと、運転熱交換装置とが存在する。酸化剤は、運転熱交換装置を通って、高温燃料電池のカソードに供給される。さらに、酸化剤は、高温燃料電池の排出ガスで加熱される。運転熱交換装置を通ってきた排出ガスは、外気と一緒に排出ガスライン内を流れ、それから冷却排出ガスとして外部へ放出される。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温燃料電池を有するシステムであって、
前記高温燃料電池（１）のアノード側の上流側に接続された改質装置（４）と、前記高温燃料電池（１）のカソードの予熱のためのスタートバーナー（５）と、アフターバーナー（２）と、酸化剤を前記高温燃料電池（１）へ供給できるようにし、前記高温燃料電池（１）の排出ガスによって加熱される運転熱交換装置（９）と、を備え、前記運転熱交換装置（９）を通過した排出ガスは、外気と一緒に排出ガスライン（２０）内を流れ、冷却排出ガスとして外部へ放出されることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記スタートバーナー（５）の排出ガスは、前記高温燃料電池（１）の前記カソードへ直接供給され、または、前記スタートバーナー（５）の排出ガスは、前記運転熱交換装置（９）の下流側に接続された追加の始動熱交換装置（７）を通り、酸化剤は、前記始動熱交換装置（７）を通って前記高温燃料電池（１）の前記カソード側へ供給されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記改質装置（４）は、前記高温燃料電池（１）に隣接するように配置され、前記アフターバーナー（２）は、前記改質装置（４）の周りに配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記高温燃料電池（１）は、プレート形状であり、積層されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項５】
前記スタートバーナー（５）及び前記アフターバーナー（２）は、多孔質バーナーからなり、前記アフターバーナー（２）は、触媒被覆されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
前記アフターバーナー（２）及び前記改質装置（４）は、前記高温燃料電池（１）及び前記運転熱交換装置（９）の間に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記スタートバーナー（５）は、前記運転熱交換装置（９）内に組み込まれ、または前記運転熱交換装置（９）に隣接して配置されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項８】
燃料伝導及び酸化剤伝導のためのチャネル及び／または孔を有する少なくとも一つのアダプタプレート（６）または結合プレート（３）が、前記始動熱交換装置（７）、前記運転熱交換装置（９）、及び／または前記高温燃料電池（１）の間に設けられることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項９】
前記改質装置（４）は、触媒ＣＰＯｘ改質装置であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記アフターバーナー（２）の排出ガスが、または前記高温燃料電池（１）に存在する排出ガスが、前記改質装置（４）の周囲に流れる、または前記改質装置（４）を通過するように流れることで、前記改質装置（４）が加熱されることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１１】
アダプタプレート（６）は、積層された個々のプレートに孔が形成されたプレート構造として、組込みの混合気形成を備え、前記孔によって前記アダプタプレート（６）内にチャネル系が形成され、前記チャネル系を通って、前記改質燃料ガス及び前記酸化剤が前記高温燃料電池（１）へ供給されることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１２】
第一のゾーン（３１．４）が、前記アフターバーナー（２）の前記ハウジング（３１）内に形成され、前記排出ガス混合物は最初に前記第一のゾーン（３１．４）を通過し、前記第一のゾーン（３１．４）では、前記排出ガス混合物に含まれる酸化可能な成分の触媒に影響を受けた反応が起こることなく、均一な酸化反応だけが起こり、それに続いて、触媒活性からなる構造（３２）を有する第二のゾーン（３１．５）が設けられることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１３】
追加の燃料ガス及び酸素の供給、または、アフターバーナー（２）における酸素を含むガス混合物の供給のための追加の接続が存在しないことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載のシステムを運転する方法であって、
前記スタートバーナー（５）の熱い排出ガスが、加熱段階の間、前記高温燃料電池（１）の前記カソードの予熱のために、前記高温燃料電池（１）の前記カソードに、または前記運転熱交換装置（９）の下流側に接続された前記始動熱交換装置（７）に直接供給され、
前記運転熱交換装置（９）を通った排出ガスは、外気と一緒に排出ガスライン（２０）内へ流れ、冷却排出ガスとして外部へ放出されることを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記アフターバーナー（２）の排出ガスが前記運転熱交換装置（９）に供給される前に、前記改質装置（４）が前記アフターバーナー（２）からの排出ガスにより加熱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】
前記スタートバーナー（５）及び前記改質装置（４）は、加熱段階の間、一斉に運転していることを特徴とする請求項１４または請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
熱い残留排出ガスは外気と混合し、これによって７５℃以下にまで冷却され、冷却された前記排出ガスは外部へ放出されることを特徴とする請求項１４から請求項１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
熱回収後の前記熱い残留排出ガスと混合する前記外気は、混合が起こる前に、前記システム中を流れ、前記システムの電気部品が冷却されることを特徴する請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
酸化反応が前記ハウジング（３１）の外側で起こることがないように、前記高温燃料電池（１）の前記カソード及び前記アノードから前記アフターバーナー（２）への排出ガスの供給が行われることを特徴とする請求項１４から請求項１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
排出ガス混合物は、前記アフターバーナー（２）の前記ハウジング（３１）内に設けられた構造（３２）を所定の方向に通過するように流れ、それから、前記ハウジング（３２）から前記所定の方向と反対の方向に流れ出ることを特徴とする請求項１４から請求項１９のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＳＯＦＣｓといった高温燃料電池を有するシステムに関する。これはとりわけ、モバイルユースに供される。高温燃料電池は、好ましくはプレート形状であり、積層配置して存在する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ブタン、プロパン、ＬＰＧ、またはバイオエタノール等の炭化水素を含むエネルギー担体のエネルギーを変換するのと同時に、１２Ｖバイアスの電気エネルギーをストレージバッテリーのストレージに、またはユーザーに直接供給することを目的とする。
【０００３】
この点では、必要なシステムの構成物品の熱集中は、ベルクマンの法則で知られる乏しい表面積−体積比率による高温損失を避けるために、特に小さな高温燃料電池システムでは特別な課題となっている。
【０００４】
高温燃料電池システムは、その高い運転温度ゆえに比較的長い加熱時間を必要とし、そして、それゆえ、とりわけ定常運転での電熱併給（ＣＨＰ）アプリケーションに対して関心を示す。定常でのＣＨＰアプリケーションと比較して、モバイルユースではかなり冷たいサイクルスタートが必要であり、熱サイクルに対する反応性が大きく欠けている。必要な運転温度までの加熱は、モバイルユースではより頻度に行われなければならず、それによって、効率性が減少し、使用時間が制限される。廃熱を利用することは、しばしば不可能であり、また望まれていない。しかしながら、ユーザーへの安全要件及び環境要件も満たさなければならない。
【０００５】
モバイルアプリケーションのために、主に低温燃料電池が用いられているが、修正工程管理を必要とする。
【０００６】
高温燃料電池システムのモジュールデザインが、ＤＥ１０３１０６４２Ａ１に記載されている。ここでは、システムの構成部品の垂直配置が提案されており、すべての構成部品がガス供給口（ガスフィード）に垂直に接続されている。アフターバーナーと燃料電池スタックとの熱的結合はなく、どちらかというと、接続プレートによって分離されている。加熱のためのスタートバーナーは設けられていない。
【発明の概要】
【０００７】
従って、本発明の目的は、加熱時間が短縮され、運転中は十分に安全であり、頻繁なスタートサイクルがあるモバイルユースに適した高温燃料電池を有するシステムを提供することにある。
【０００８】
本発明によれば、当該目的は、請求項１の特性を有するシステムによって達成される。これは、請求項１７に係る方法を用いて運転できる。好ましい実施形態及び本発明のさらなる改良は、従属項の特性を用いることで達成される。
【０００９】
本発明に係る高温燃料電池を有するシステムでは、改質装置が高温燃料電池のアノード側の上流側に接続される。さらに、高温燃料電池のカソードを予熱するためのスタートバーナーが設けられる。アフターバーナーによって、電気化学反応で変換されない燃料の成分及び酸化剤の成分が少なくともほぼ完全に酸化され、そして、排出ガスは、酸化剤が燃料電池へ供給される際に通過する運転熱交換装置に供給される。これにより、システムの運転中、酸化剤は、カソードへ入る前に燃料電池の排出ガスで予熱される。
【００１０】
さらに、運転熱交換装置を通って導かれる排出ガスが、外気とともに排出ガスライン中へ導かれ、混合される。このガス混合物は、最高温度７５℃、より好ましくは５０℃までの冷却が可能なので、冷却された排出ガスとして危険性なく外部へ放出することができる。
【００１１】
システムの構成物品への損傷を避けるために、存在する硫黄を含むあらゆる要素は、システムでの燃料調整よりも前に脱硫装置で触媒的に吸収される。
【００１２】
システムを単純化するため、ドライ改質工程が、始動燃料を水素に富み実質的にＣＯ及びＨ２からなる燃料へ改質するために用いられる。従って、空気による触媒部分酸化（ＣＰＯｘ）が用いられる。
【００１３】
改質後に改質装置から出る燃料は、燃料電池のアノードへ供給され、カソード側に供給された酸化剤、好ましくは空気を用いて電気化学的に変換される。酸化剤は、少なくとも運転中、燃料電池内へ移動する前に予熱される。酸化剤中に含まれる酸素イオン（Ｏ２−）は、電解質を通ってカソードからアノードへ拡散し、ＣＯ２及びＨ２Ｏへの変換が行われる。ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池の電気入力電圧から独立して、消費者のための電気システム部での利用に適した電圧レベルで給電する。
【００１４】
変換されていない燃料は、その後、カソードの排出ガスと混合し、アフターバーナーで完全に酸化され、好ましくは触媒的に酸化される。改質装置が、同様に熱いアフターバーナー排出ガスで加熱される。これによって、改質装置の効率性がかなり向上する。アフターバーナーの廃熱を、アフターバーナーの好ましい構造設計及び配置によって、冷たいシステムの構成物品の予熱のために利用できる。改質装置の追加の加熱が、アフターバーナーからの排出ガスが改質装置の周りを流れるという単純な形式で実現される。アフターバーナーの排出ガスは、運転熱交換装置へ供給される前に、空洞を通って、または少なくとも通路を通り、前記空洞または前記通路は改質装置のハウジングに存在する。高温燃料電池からの排出ガスもまた、このようにして、単独または追加的に用いられる。
【００１５】
スタートバーナーが燃料電池システムの低温始動のために存在し、好ましくは、改質装置にも供給される同じ燃料で運転する。システムの短時間の加熱のために、熱いスタートバーナー排出ガスは、高温燃料電池の加熱のために、可能な限り直接用いることができるべきである。
【００１６】
これに関しては、選択的に、それは加熱段階の間、カソードへ直接供給されてもよい。さらに選択的に、スタートバーナーの排出ガスを、運転熱交換装置の下流側に接続された熱交換装置へ供給してもよい。
【００１７】
スタートバーナーの熱い排出ガスは、双方のケースで、高温燃料電池の必要な運転温度までへのカソードの予熱のために利用されて、燃料電池中で電気化学反応が起こる。
【００１８】
燃料電池から除去されたスタートバーナーのまだ熱をもった排出ガスは、運転熱交換装置へ供給され、そして、加熱段階の間は、改質装置も予熱する。スタートバーナーの排出ガスが、前記追加の熱交換装置へ供給されると、酸化剤が、加熱段階の間、２段階で加熱される。
【００１９】
運転熱交換装置は、定常運転で加熱が行われた後、すなわち必要な運転温度に達した後には、カソードへの空気の予熱装置として機能する。スタートバーナーのスイッチを切った後に、アフターバーナーにある排出ガスは、改質装置を通過した後に、二つの熱交換装置の間で合流する。
【００２０】
本発明に係るシステム中に追加の始動熱交換装置が存在せず、かつ、スタートバーナーの排出ガスが直接移動する、すなわち、運転熱交換装置に存在する酸化剤と混合した後に、燃料電池のカソード側へ直接移動するなら、カソード側はスタートバーナーの排出ガスで直接加熱される。理想気体温度が、最少加熱時間で、単純な調整労力で、酸化剤及び燃料ガスの混合によって達成される。同時に、燃料電池の臨界温度を混合によって回避できる。
【００２１】
酸化剤のためのコンプレッサーが少ない処理量で動作するので、始動熱交換装置の省略によって、コンプレッサー／ファンのための追加の電力はほとんど必要なく、にもかかわらず、スタートバーナーの空気率は理想の範囲（１．１＜スタートバーナー空気率＜１．６）に保持される。
【００２２】
システムの始動段階で避けることができないＣＯピークが、アフターバーナー中で直接酸化され、これによりユーザーにとって危険がないことが好ましい。この構成では、残留酸素が燃料排出ガス中にまだ存在しているので、システムは、特定の温度から進んでスタートバーナー及び改質装置で並列的に加熱される。これによって、所望の短期加熱時間がさらに短縮される。アフターバーナーからの排出ガスは、スタートバーナーのスイッチオフ前に、熱回収のために利用でき、酸化剤の予熱のために少なくとも運転熱交換装置へ供給される。
【００２３】
多孔質バーナーを、スタートバーナーとして、アフターバーナーとして用いてもよく、広い温度範囲及び運転範囲に渡って動作する。加熱電力は、バーナーへ供給された酸化剤の予熱により加熱段階の途中で次第に減少し、にもかかわらず、燃料電池への熱注入は高い状態に保持される。このような配置により、必要な加熱エネルギーが著しく減少し、これによって、実質的な効率性が向上する。付加的に、酸化剤は、加熱段階の間に、運転熱交換装置へのバイパスラインによって特定の温度範囲に設定される。
【００２４】
熱い残留排出ガスは、熱回収の後、外部へ放出される前に、外気と混合し、安全運転するにあたり危険がない約５０℃にまで冷却される。外気は、システム中に導入され、熱い残留ガスと混合する前にシステムの電気部品を冷却する。同時に、リークがあった場合、非燃焼の残留ガスは、冷却のための外気に希釈され、危険性なく外部へ放出される。
【００２５】
システムの構成物品のこのような配置により、流量コントロールのためのアクチュエーターシステム及びセンサシステムの最小限使用が可能になる。スタートバーナーの排出ガスがカソードに直接導かれ、酸化剤をスタートバーナーへ供給するための個別のコンプレッサーを設けなくてよい変形例では、スタートバーナーの排出ガスのための追加のセンサシステムを設けなくて済む。というのも、これらはカソードの酸化剤の温度測定によってカバーされるからである。好ましくは、比例バルブが、燃料伝導のためのラインに取り付けられる一方で、様々なプロセスガスの体積流量が、必要なコンプレッサー／ファンだけを経由して制御でき、調整できる。代替的には、圧力レベルでは、ベンチュリノズルもコンプレッサーとしてファンの代わりに用いることができる。
【００２６】
燃料伝導は、構成物品中に組み込まれた精緻なチャネル系内で行われる。これによって、少ない建設量が達成され、同時に、複雑及び／または高価な導管が省略される。様々な幾何学的流形状及び流体伝導が、特別な半田プレート構造によって比較単純に実現可能である。偏向と横断面制限が最小限になり、システムの圧力損失が小さくなるように、流体伝導が選択される。このために、本システムに用いることができる組み込まれた混合気形成（integrated mixture formation）を備えたアダプタプレートにより、チャネル系が形成され、これを通って改質燃料ガス及び酸化剤が高温燃料電池へ供給され、前記チャネル系は、互いに積層されたプレート中に形成された孔を有する。様々なチャネルの幾何学形状及び必要に応じて湾曲された流体伝導は、プレート中の対応する切り抜きによって実現される。
【００２７】
特別な特徴として、組み込まれた混合気形成を有する共通のアダプタプレート上でのスタック燃料電池とアフターバーナーとの結合が、始動熱交換装置及び運転熱交換装置を備えた第１実施形態の変形例中で確認できる。理想的には、アフターバーナーは、放射熱交換によって、燃料電池スタックの”冷たい”酸化剤入口側を予熱できるように配置され、これによってより均一な温度分布を提供し、燃料電池のより高い効率性を提供する。ガスの供給・排出、及び、燃料電池のアノードの残留ガスとカソードの排出ガスとの混合は、特別なアダプタプレート内で起こる。熱いアフターバーナー排出ガスは偏向せずに改質装置へ直接導かれる。始動熱交換装置は、アダプタプレートの下側に設けられ、さらにその下側に運転熱交換装置が、中間プレート介して直接配置される。熱い構成物品は、これによって冷たい構成物品と分離され、システムは定常運転でより良く運転温度を一定に維持する。スタートバーナーは空気価＞１で動作し、この過程では、空気が追加的に混合されるので、バーナー排出ガスは、燃料電池のカソードの還元に利用できる高割合の酸素をまだ含んでいる。
【００２８】
燃料電池スタックの下側に始動熱交換装置を設けない変形例では、始動熱交換装置の代わりに、触媒被覆されたアフターバーナーが、その位置で組込式に設けられる。アフターバーナーの形状は、改質装置周りに取り付けられるように設計される。このアフターバーナーは、その反応熱によって、定常運転中、カソードへ供給される酸化剤を、燃料電池に入る前に追加的に加熱する。燃料電池スタックへ供給される酸化剤は、その外側を超えて予熱のためのチャネルに導かれる。
【００２９】
好ましい触媒ＣＰＯｘ改質装置は、この変形例では、燃料電池の下側で横方向に配置され、改質燃料ガスを熱損失なくアノードへ導き、こうして、システムの熱い部分に配置したことにより煤発生が減少する。当該処理の空気比は、アフターバーナーで改質装置の外側を被覆することにより最小限にまで減少でき、非加熱ＰＯｘ改質装置と比較して、電機システム効率が高い。
【００３０】
スタートバーナーは、燃料電池の下方で側面に配置され、熱い排出ガスが、可能な限り熱損失がないように、燃料電池スタックの加熱に直接的に貢献する。同時に、運転熱交換装置からの予熱された酸化剤と混合するための十分長い入口通路が存在する。スタートバーナーと運転熱交換装置との結合は、熱いスタートバーナーから運転熱交換装置への熱伝導により、初期段階でその伝達動作を追加的に改善する。スタートバーナー及び運転熱交換装置は、改質装置から熱的に離されている。さらに、運転熱交換装置からの排出ガス管は、システムへ酸化剤を供給するチャネルとの熱的接触で熱回収の増加をサポートする。同時に、改質装置に挿入される二重管が絶縁体を介して導入され、これによって燃料電池スタックの冷却に追加的に貢献する。熱回収効率が最大化され、運転熱交換装置を少ない交換表面で構成できる。
【００３１】
本発明に係るシステムの効率的で信頼できる運転によれば、構成要素の精緻なデザイン構成及び配置ゆえに、とても小さいサイズのモバイルユースを達成できる。好ましい温度管理が、システムの熱い構成物品を上部に、冷たい温度範囲の構成物品を下部に配置することによる熱分離によって達成される。燃料電池スタックと運転熱交換装置との間に組み込まれたアフターバーナーは、燃料電池がある部分においてクールダウンすることを防止し、その排出ガスが同時に改質装置の加熱、及び、カソードへ供給される酸化剤の加熱のために用いられる。燃料電池セルの加熱のし過ぎは、アフターバーナーの熟練した位置決めによって防止される。
【００３２】
本発明に係るシステムは、技術的に非常にシンプルで安価な携帯型の燃料システムの形態として供され得る。本方法により可能な工程管理によって、最小限の技術的な測定、制御、規制システム及びアクチェータシステムだけが要求される。酸化剤トレーン（oxidizing agent train）中にスタートバーナーを組み込んだことにより、スタートバーナーとＣＰＯｘ改質装置によって燃料電池スタックを並列的に加熱することも可能である。従って、最小限の加熱時間だけが必要であり、同じ加熱時間で周知のシステムの構成と比較して、より小型化できる。スタートバーナーへ供給される酸化剤の加熱により、最大限の熱回収が達成され、同時に、加熱段階中、スタートバーナーの性能を低下させてもよい。スタートバーナーは、非加熱ＣＰＯｘ改質装置と比較して、システム調整のための理想的な性能適応を可能にする。
【００３３】
スタートバーナーを運転熱交換装置と燃料電池スタックとの間に組込配置（内蔵配置）すれば、スタートバーナーのためのコンプレッサーとしての高価な個別のファンはなくて済む。
【００３４】
流体は、アダプタプレート内の内部混合気形成及び混合のおかげで、簡単かつ不必要な建設量なく導かれる。ある箇所の圧力損失が高すぎるなら、単純に個々の流体チャネルを拡大することで、これを弱めることも可能である。
【００３５】
アフターバーナーの結合、及び、アフターバーナー内で、燃料電池スタックの下側で改質装置を組込配置したことにより、工程管理のために、排熱を熱的に理想的に利用できる。酸化剤が燃料電池スタックへ入る前に追加的に加熱されるように、燃料電池スタックへの酸化剤供給が設計される。従って、燃料電池セル内の温度のさらなる均一化が得られる。
【００３６】
燃料電池セル及び運転熱交換装置の幾何学的に同じような構造は、改良コストを低減し、システムの構成物品の単純な調整、一体化を可能にする。システムの構成物品の非常に高いこん包密度が当該配置によって得られる。
【００３７】
システムの排出ガスとの混合前に絶縁層とハウジングとの間のチャネルに冷気を吸気することにより、電気部品、電子部品の過熱を回避でき、絶縁体の表面温度を低下できる。
【００３８】
このシステムでは、とりわけ、運転状況による排出ガス成分の変動を考慮し、さらに、様々な化学量論またはラムダ値も考慮して、アフターバーナーを用いることができ、アフターバーナーの構造は、少なくとも一つの触媒活性要素の担体としてハウジング内に存在し、前記構造にアノードから排出ガス及び酸素を含むカソードの排出ガスが通過する。触媒活性要素は、触媒活性化学元素、この化学元素の合金及び／又は化合物でよい。二つの排出ガス流で形成される排出ガス混合物は、入口を通ってハウジングへ導入される。これは、ハウジング内で触媒的に後処理され、さらに酸化され、又はできる限り完全に酸化される。しかしながら、触媒活性物質から形成される構造を用いてもよい。
【００３９】
均一な後燃焼及び触媒酸化が実行される。排出ガス混合物が最初に流れ、排出ガス混合物に含まれる酸化可能な成分の触媒的に影響を受けた反応なく、均一な酸化反応が生じる第一のゾーンが、ハウジング内に設けられ、これに続いて、触媒活性からなる構造の第二のゾーンが設けられる。
【００４０】
排出ガス混合物は、追加のサポートなく第一のゾーンで酸化され、一方で高い温度と、高い割合の非酸化成分または完全に酸化されていない成分も考慮する。もし排出ガス混合物が、さらにハウジング内をさらに流れ、キャリア構造が触媒的に活性するように構成された第二のゾーンを通過するときは、追加の酸化は触媒の補助だけにより起こる。
【００４１】
第一のゾーンでは、触媒活性成分を有さず、排出ガス混合物が通過する空洞または構造が存在する。このゾーンの当該構造を通過するときに、二つの排出ガス流の追加の混合が生じ、次の触媒酸化に好ましい影響を与える。
【００４２】
触媒的に後処理された排出ガスは、その余熱を利用するために出口を通って出ていく。なお、燃料電池システムへの再着火を回避するための装置を、アフターバーナーの入口に設けてもよい。
【００４３】
アフターバーナーに適した多孔質構造を、オープンセルの発泡体、スポンジ状にまたはファイバー構造状に構成してもよい。
【００４４】
当該構造は、しかしながら、完全に触媒状のものでよく、触媒活性物質だけで構成されるようにしてもよい。これは、触媒活性ペロブスカイトセラミック材でもよい。
【００４５】
当該構造は、モノリスとして、又は、ファイバー、粒子又は粒状体のバルク形成として構成してもよい。十分に大きな気孔率だけがあればよい。ハニカム構造を有するモノリスで構成してもよい。
【００４６】
キャリア構造としての前記構造を、十分に熱的に安定した金属または合金から、好ましくはセラミック材から構成してもよい。これは、例えば、ＳｉＣの形状を決定する製造工程の観点から、ＳＳｉＣまたはＬＰＳＳｉＣという形でのＳｉＣでもよい。
【００４７】
当該構造の表面を、比表面積を増加させるようなコーティングで被覆してもよい。このコーティングは、一般的には“ウォッシュコート”と呼ばれ、例えばアルミニウム酸化物で構成される。
【００４８】
少なくとも一つの触媒活性成分が、当該構造の表面または当該構造のコーティング増加表面に適用され、または含められる。触媒活性成分の充填は、例えばウェット浸含によって行われる。
【００４９】
白金、金、パラジウム、ロジウム、マンガン、またはニッケルを触媒活性成分として用いてもよい。例えば、一般的にはプラチナとニッケルとを使用するなど、これらの複数の成分を組み合せて使用することが好ましい。
【００５０】
追加の燃料ガス及び酸素または酸素を含むガス混合物を供給するための追加の接続部を設ける必要がない。もっぱらプロセス中の排出ガスだけを用いたアフターバーナーの運転が行われ、システムの全排出ガスはアフターバーナーを通るように導かれる。
【００５１】
以下、実施例を参照して、本発明について詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係るシステムの第１実施例のブロック図である。
【図２】本発明に係るシステムの第２実施例のブロック図である。
【図３】本発明に係るシステムの第３実施例のブロック図である。
【図４】本発明に係るシステムの実施例の斜視図である。
【図５】図４の実施例の分解図である。
【図６】さらなる実施例の斜視図である。
【図７】図６の実施例の分解図である。
【図８】さらなる実施例の斜視図である。
【図９】図６及び図７の実施例の異なる視点からの分解図である。
【図１０】本発明に係るシステムのアフターバーナーに組込配置された改質装置の斜視図である。
【図１１】本発明に使用可能なスタートバーナーの図である。
【図１２Ａ】本発明に係るシステムに使用できるアフターバーナーの実施例の断面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａのアフターバーナーを下方から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
図１に第１実施例のブロック図を示す。空気が、酸化剤として、ライン１５を経由し、ファン１６を経由し、運転熱交換装置９を通り、そこから始動熱交換装置７を通り、それからスタック燃料電池１のカソード側へ導かれる。燃料は、ライン１６ａを経由し、ディストリビューター（分配器）を経由し、一方はスタートバーナー５へ移動し、他方は改質装置４へ移動する。体積流量は比例バルブ１８、１９の影響を受ける。燃料からの硫黄を吸収するエレメント２０ａが改質装置４の前に設けられる。
【００５４】
燃料電池１の全排出ガスがアフターバーナー２で後酸化され、それから改質装置４の加熱のために改質装置４へ導かれ、それから運転熱交換装置９へ導かれる。改質装置４と、燃料電池１のカソードへ供給される空気とが、こうして通常運転時に余熱（残留熱）により加熱される。
【００５５】
７００℃を超える運転温度に達するまでの加熱段階では、比例弁１８は閉じられ、燃料は不図示の貯蔵部から開状態の比例バルブ１９を通って、スタートバーナー５へ移動し、酸化される。空気は、始動熱交換装置７内で、スタートバーナー５の排出ガスで加熱され、それから燃料電池のカソードを通るように導かれ、燃料電池１を必要な運転温度にまで加熱する。燃料電池１に存在する加熱された空気は、その余熱を改質装置４及び運転熱交換装置９へ出力する。比例バルブ１８、１９を一斉に開状態にし、改質装置４とスタートバーナー５とを並列的に運転させる可能性も基本的にある。
【００５６】
一旦、運転温度に達すると、比例バルブ１９が閉じられ、比例バルブ１８が開けられる。それから、改質装置４に燃料が供給され、供給された燃料は改質されて、適切な改質燃料ガスが、空気中の酸素との電気化学反応のために、燃料電池１のアノードに供給される。
【００５７】
運転熱交換装置９からの排出ガスは、ライン２０内に移動し、冷たい外気と混合する。このガス混合物は、その組成物及び温度低下ゆえに何の危険性もなく、ライン２０から外部へ放出される。体積流量及び所望の温度は、ファン２１の補助の影響を直接的に受ける。
【００５８】
スタートバーナー５及び改質装置４へ供給される空気の体積流量は、ファン２２、２３の影響を受ける。
【００５９】
図２に示す実施例は、多くの点で図１の実施例と共通する。始動熱交換装置７が省略される。このために、スタートバーナー５の排出ガスが燃料電池１のカソードへ直接導かれ、そしてこれによって、燃料電池１に直接作用し、温度上昇し、燃料電池１の動作温度にまで達する。
【００６０】
排出ガスは、また加熱段階及び通常燃料電池運転の双方で、改質装置４及び運転熱交換装置９へ導かれ、余熱が利用される。
【００６１】
この実施例は、通常運転中は、図１の実施例と同じように運転する。
【００６２】
図３の実施例は、始動熱交換装置７を放棄しているのに加えて、スタートバーナー５への空気供給のための個別のファン２２が存在しない点で図２の実施例と異なり、これによって、システムがさらに簡略化され、運転のために必要なエネルギーがより少なくなる。
【００６３】
図４の斜視図は、システムの例示によって、適切な構造及び構成物品の好ましい配置を示している。
【００６４】
スタック燃料電池１が上部に垂直に配置され、アフターバーナー２がこれに隣接して配置される。アダプタプレート３が、始動熱交換装置７とスタック燃料電池１との間に設けられる。始動熱交換装置７及び運転熱交換装置９は、中間プレート２４によって互いに分離されている。スタートバーナー５が外側に固定され、存在する排出ガスが始動熱交換装置７を通るように導かれ、冷たい給気が加熱され、加熱された給気がアダプタプレート３に形成されたチャネルを通って、高温燃料電池１のカソードへ供給される。
【００６５】
アフターバーナー２は、燃料電池１に直接隣接して、とりわけ改質装置４に近接して取り付けられる。
【００６６】
冷たい給気は、ライン１５を経由して供給され、直ちに二つの気流に分割される。スタートバーナー５への冷たい空気は、これによって、改質装置４へ供給され、そして、システムの通常運転では、燃料電池１のカソードに供給される。分岐上では、冷却に用いられ、排出ガスと混合されて大気に排出される空気が分岐する。これはライン２５によって示される。
【００６７】
これはまた、図５の分解図にも示されている。また、連結プレート６が存在することも容易に解る。スタートバーナー５の熱い排出ガスのための接続がそこで行われる。スタートバーナー５の熱い排出ガスは、連結プレート６のチャネルを通って、始動熱交換装置７へ直接流れる。加えて、チャネルまたは孔が連結プレート６に形成され、熱い空気がこれらを通って、アダプタプレート３のさらなるチャネルまたは孔を通って、燃料電池１のカソードへ流れる。
【００６８】
図６は、本発明に係るシステムの更なる実施例の斜視図を示す。アフターバーナー２がスタック燃料電池１の下側に直接配置され、図１０にも示すように、改質装置４の周囲を覆う。
【００６９】
アダプタプレート６はこれに隣接し、空気伝導及び燃料伝導のためのチャネルが前記アダプタプレート６に形成される。運転熱交換装置９及びスタートバーナー５がアダプタプレートに取り付けられる。
【００７０】
運転のための空気がライン１５を経由して供給され、外気と混合した排出ガスがライン２０を経由して外部へ放出される。
【００７１】
空気の流れは、図７の分解図の実線矢印によって、スタートバーナー５の熱い排出ガスの流れは破線矢印によって、改質装置４からの燃料の流れはドット矢印によって理解できる。
【００７２】
空気及び燃料が、混合パイプ２８、２９を経由してスタートバーナー５及び改質装置４に供給される。
【００７３】
チャネルを有する奔流（オンフロ）プレート２７は、運転熱交換装置９の下端側を閉じる。
【００７４】
改質装置４は、アフターバーナー２に形成されている対応受容部に導入される。従って、運転中、改質装置４は、その加熱に加えて、放熱、対流、及び熱伝導により外部へ放出されるアフターバーナー２の熱を利用する。
【００７５】
図６、図７及び図８の実施例では、アダプタプレート３ａが、高温燃料電池１及びアフターバーナー２の間に設けられる。このアダプタプレート３ａは、アダプタプレート３の類似物や同様のものでできている。アフターバーナー２へ供給される排出ガス混合物の乱流がその中で生じ、これによって均一に混合される。
【００７６】
図８及び図９は、図６及び図７に示す実施例と同じ方法で実施された他の実施例を示す。スタートバーナー５は、運転熱交換装置９とアフターバーナー２との間に直接配置され、アダプタプレート６が省かれる。
【００７７】
スタートバーナー５は、運転熱交換装置９に組込配置してもよい。
【００７８】
図１０に、アフターバーナー２に組込配置された改質装置４の詳細を示す。アフターバーナー２が、触媒被覆多孔質発泡体として形成され、ハウジング３０に受容される。需要部がアフターバーナー２の内部に形成され、改質装置４がぴったりと嵌るようにこれに導入される。改質装置４が、こうして、混合パイプ２９の供給口を除く、すべての側面においてアフターバーナー２によって覆われる。
【００７９】
図１１では、本発明に用いられるスタートバーナー５の斜視図が示されている。ここでもまた、多孔質のセラミック発泡体がハウジング３１に受容される。これによって、スタートバーナー５及びアフターバーナー２を、多孔質バーナー（pore burner）と呼ぶことができる。後者は、特にスタートバーナー５の排出ガスの温度、及び、可能な限り完璧であるべきアフターバーナー２での酸化に関して、これらを簡単に、かつ、少ない労力及び／またはコストで、制御、調整できるという利点がある。これは、燃料／空気比率λの影響を受けて実行される。これ関しては、図１−図３に記載されているような比例バルブ及びファンが用いられる。
【００８０】
図１２に示されるアフターバーナー２では、アノード及びカソードからの排出ガス流で構成される排出ガス混合物が、不図示のフィードラインを経由し、底部から入口３１．１通ってハウジング３１へ導入される。ハウジング３１は、パーティションウォール３１．６によって二等分される。排出ガス混合物が、これによって、まず初めに、８０％以上の気孔率を有するＳＳｉＣセラミック発泡体で構成された開気孔構造３２を上昇方向に通過するように導かれる。排出ガス混合物の流れがハウジング上端で１８０°偏向して、チャネル３１．７を通過して出口３１．２．へ移動する。出口３１．２は、このアフターバーナー２内に自由横断面の制限を有し、外側方向に向かって円錐状のテーパーに形成される。
【００８１】
入口３１．１に続いて直接設けられる構造体３２は、被覆に関係する触媒活性成分で段階的に形成され、ゾーン３１．５では比表面積を増加させるアルミニウム酸化被覆が施されている。プラチナ及びニッケルが触媒活性成分として被覆に適用される。オーバーフローしたときでも、排出ガス混合物は触媒的に（不均一に）後酸化され、汚染物質及び水素の割合が法で規定された制限値以下に減少する。均一な酸化反応のためのゾーン３１．４が、入口３１．１の排出ガス混合物の流れ方向の下流側に配置され、構造３２は前記ゾーンに触媒活性成分を有さず、触媒的に活性しない。
【００８２】
パーティションウォール３１．６の代わりに、構造は、対応する側面をガスタイトで構成し、チャネル３１．７への壁を形成するようにしてもよい。
【００８３】
図１２Ｂに明らかなように、ハウジング３１の底部は、入口３１．１に孔空き金属シートからなる部分を有し、これにより、後部に設けられた燃焼スペースの横断面を通る最適化された流量分布が実現される。
【００８４】
図１２Ａ及び図１２Ｂに示すアフターバーナー１２の実施例では、流量分布が、横断面を通る均一な奔流のための孔空き金属シートを用いることで追加的に達成される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【国際調査報告】
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