(57)【要約】  本発明は、燃料電池システム（1）における燃料電池スタック（6）の熱バランスを制御する方法に関し、前記燃料電池システム（1）は、燃料電池スタック（6）を含む少なくとも一つの燃料電池ユニット（5）を有し、前記燃料電池スタックの燃料電池（2）は、アノード側（7）、カソード側（8）、および両者の間に配置された電解質（9）を有し、さらに、前記カソード側（8）の供給流（14）を予備加熱する熱交換用の循環器ユニット（29）を有する。この方法では、前記アノード側（7）からの燃料排気流から所望の部分が分離され、前記循環ユニット（29）の前に、前記カソード側（8）の排気流（15）と混合するように適合される。また、本発明は、前記方法を実施するための燃料電池システムに関する。
2013527580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムにおける燃料電池スタックの熱バランスを制御する方法であって、
前記燃料電池システムは、燃料電池スタックを含む少なくとも一つの燃料電池ユニットを有し、前記燃料電池スタックの燃料電池は、アノード側、カソード側、および両者の間に配置された電解質を有し、
前記アノード側の燃料排気流から所望の部分が分離され、前記燃料電池ユニットを取り囲む燃料スタック区画に供給されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記アノード側の燃料排気流から分離された部分は、循環ユニットの前に、前記カソード側の排気流と混合するように適合され、
前記循環ユニットは、前記カソード側の供給流を予備加熱するように配置されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記部分は、0〜50％の範囲にあり、好ましくは0〜15％の範囲、より好ましくは0〜12％の範囲にあることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記燃料排気流からの前記部分の分離は、前記排気流と前記燃料電池のアノード側に入る燃料供給流との間で実施された熱交換の後に行われることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の方法。
【請求項５】
前記部分の少なくとも一部は、前記スタック燃料出口流から、前記燃料電池を取り囲む前記スタック区画内に供給されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の方法。
【請求項６】
前記供給は、前記燃料排気流の配管に配置された適当な手段により、前記スタック区画において行われることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記供給の制御は、前記アノード側における圧力のアクティブ制御を用いて行われることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の方法。
【請求項８】
燃料電池システムにおける燃料電池スタックの熱バランス制御配置であって、
前記燃料電池システムは、燃料電池スタックを有する少なくとも一つの燃料電池ユニットを有し、
前記燃料電池ユニットの燃料電池は、アノード側、カソード側、および両者の間に配置された電解質を有し、
前記アノード側の燃料排気流から所望の部分が分離され、前記燃料電池を取り囲む燃料スタック区画に供給されるように適合されることを特徴とする配置。
【請求項９】
前記アノード側の燃料排気流から分離された部分は、循環ユニットに入る前に、前記カソード側の排気流と混合するように適合され、
前記循環ユニットは、前記カソード側の供給流を予備加熱するように配置されることを特徴とする請求項８に記載の配置。
【請求項１０】
前記部分は、0〜50％の範囲にあり、好ましくは0〜15％の範囲、より好ましくは0〜12％の範囲にあることを特徴とする請求項７または８に記載の配置。
【請求項１１】
前記燃料排気流からの前記部分の分離は、前記排気流と、前記燃料電池のアノード側に入る燃料供給流との間で実施された熱交換の後に行われるように適合されることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか一つに記載の配置。
【請求項１２】
前記部分の少なくとも一部は、前記スタック燃料出口流から、前記燃料電池を取り囲むスタック区画に供給されるように適合されることを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか一つに記載の配置。
【請求項１３】
前記供給は、前記燃料排気流の配管に配置された適当な手段により、前記スタック区画において行われることを特徴とする請求項１２に記載の配置。
【請求項１４】
前記供給の制御は、前記アノード側における圧力のアクティブ制御を用いて行われることを特徴とする請求項８乃至１２のいずれか一つに記載の配置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願の目的は、燃料電池システムにおける燃料電池スタックの熱バランスを制御する方法に関し、前記燃料電池システムは、少なくとも一つの燃料電池ユニットを有し、この燃料電池ユニットの燃料電池は、アノード側およびカソード側と、両者の間に配置された電解質とを有する。燃料電池システムは、カソード側の供給流を予備加熱する循環器ユニットを有する。本発明の別の目的は、この方法を適用するための燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、特に、SOFCタイプの燃料電池システム（固体酸化物型燃料電池）に関し、通常、これに使用される重要材料部材は、ニッケルである。
【０００３】
SOFCタイプの燃料電池システムの熱バランスに関し、主要な問題の一つは、その寿命期間中の熱発生に大きな変化が生じることである。寿命の初期段階では、熱発生は、抑制されている。しかしながら、スタックの劣化が進むにつれ、電気的効率が低下し、これにより、電気の発生が低下するとともに、熱発生が顕著となる。
【０００４】
また、現在のスタック特性の改良では、スタックの面積比抵抗（ASR）が減少することが予想される。これは、スタックの熱発生の減少の見返りとして、電気的効率が上昇することを意味する。SOFCのような高温燃料電池システムでは、実際の機械的およびコスト的理由から、全体の熱バランスに関して、常に、周囲への相応の熱ロスが存在する。
【０００５】
我々は、既に、スタックの寿命の初期段階において、電気的効率が最高水準で、熱発生が最小である場合、スタックからの高温排出空気流に含まれる熱エネルギーは、スタックに入る供給空気流を十分に暖めると言う点では必ずしも適切ではない、という事実に直面している。換言すると、通常、供給空気流は、熱交換器、いわゆる循環ユニットで加熱され、二次流は、カソード側からの排気流の形態となる。
【０００６】
従って、スタックのカソード側からの排気空気流は、十分に暖められない。供給空気を十分に暖めるために必要な、熱交換ユニット内での温度差dTは、極めて小さくする必要がある。これには、不均衡な熱交換領域が必要となり、これは、熱交換ユニットの過大化を意味する。
【０００７】
いったん、寿命に従ってスタックの劣化が進行し、熱発生が増加すると、供給空気予備加熱により、排気空気に含まれる熱エネルギーは、必要な値を網羅し、カソード側の供給温度は、より容易に達成されるようになる。
【０００８】
しかしながら、スタックの電気的効率の劣化の結果、カソード側への供給空気量は、化学量論的燃焼の関係の、さらに4倍まで高める必要がある。これは、スタックが寿命の終わりに近づいても、一定の電力発生を維持する必要があるためである。
【０００９】
これにより、一連のさらなる問題が避けられない結果となる。まず、供給空気流の増大は、空気供給用の内部エネルギー消費を高め、これにより、出力電力および効率が低下する。これは、さらに、劣化現象によって生じる電圧降下を加速する。さらに、これは、システムの電気的効率の相当の低下を意味する。通常、システムの全電力をできるだけ一定に維持することが要求されるため、供給空気流の増加と燃料供給の上昇による効率の低下は、スタックによる熱発生の相当の上昇によって、補填される。また、供給流速を高めるため、圧力損失も生じるようになる。これは、さらに、システムの電気的効率に悪影響を及ぼす。その結果、スタックの寿命が終わりに近づくにつれ、避けられない悪循環に陥る。
【００１０】
一方、熱損失を補償し、熱発生を変化させるため、使用可能な新しいいくつかの方法がある。一つは、例えば、特に、燃料電池の寿命の初期段階において、供給空気流の流速を減らすことである。別の対応は、外部改質速度を高めることである。残念ながら、これらの方法は、それ自身の限界を有する。空気流は、無制限に低下させることはできない。スタックに許容される酸素利用率に関して、厳しい限界があるためである。一方、外部改質処理の活性制御は、複雑な処理トポロジーを高めない限り、行うことは難しい。
【００１１】
また、従来の問題解決法の一つに、米国特許出願第2008／002047A1がある。主な目的は、燃料電池のカソード側への空気の予備加熱を促進することである。システムは、概略的に図1に示すような構成を有する。
【００１２】
燃料電池ユニット100のカソード側への供給空気12の加熱には、基本的に、アフターバーナ101によって得られる熱エネルギーが利用される。このため、混合器2および4と、熱交換器3とを含む、特殊な循環器ユニットが配置される。アノードおよびカソード側からの排気ストリーム5、6は、まず、混合器2内で混合される。次に、誘発ストリーム7が利用され、新たな供給冷空気9が暖められる。
【００１３】
スタック100への供給ストリーム12の最終温度調節は、この段階の後まで行われない。このため、空気バイパス11が配置される。バイパス空気は、混合器4内で、加熱空気10と混合される。カソード側への供給温度の調節は、暖かい空気11と混合される冷空気10の量を調整することにより実施される。換言すれば、カソード側への供給空気は、まず、設定ターゲット温度を超えるまで加熱され、次に、冷空気の支援により、設定値まで低下される。
【００１４】
まず、この種の解決手段には、複雑性が上昇し、不要な熱交換器ユニットがあり、既にスペースのないレイアウト内で配管することが要求されるという、極めて普遍的な問題がある。
【００１５】
しかしながら、特に大きな問題は、カソード側での供給空気の温度調節が、過剰な冷空気量の制御に基づき、このため、空気ストリームの全マスフローが、大きな範囲で変動することに関する。これにより、カソード側に入る全供給空気流の制御が難しくなる。
【００１６】
また、システムを劣化現象に適合するように調節することは、難しい。再度、熱交換器の過大寸法、および配管に関する前述の課題が生じる。また、複雑なシステムおよび配管性により、さらに圧力損失が増大する。これは、通常、システム全体の効率を低下させる。
【００１７】
さらに別の問題は、循環器ユニットの前にアフターバーナ燃焼段階が完全に実施された場合、湿度が上昇し、上昇する温度レベル（通常1000℃を超える）により、材料に関する仕様が高まることによって生じる。すなわち、不適切に高価な材料を使用する必要が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】米国特許出願第2008／002047A1号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
従って、スタックの劣化とともに、すなわち熱発生の顕著な増加が生じるASR上昇に対して、システムの寿命の異なる段階で、フレキシブルな熱バランス制御とその補償方法が必要となる。燃料電池および燃料電池スタックの双方における熱バランス、ならびに関連する熱交換ユニットを含む、燃料電池ユニットの近傍における熱バランスは、内部熱生成の量に関わらず、維持される必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の目的は、前述の従来技術の問題が軽減され、あるいは解決される対応策を提供することである。この目的のため、本発明による方法は、請求項1に記載の特徴を有する。一方、本発明の方法を実施するための燃料電池システムの特徴は、請求項8に記載されている。また、本発明の好適実施例は、従属請求項に記載されている。
【００２１】
本発明は、前述の問題に対する有効な解決策を提供する。本発明では、アノード側から排気される使用済み燃料流の所望の部分が主要ストリームから供給され、さらに、カソード排気流により酸化され、別の用途用の余剰熱が形成される。
【００２２】
換言すると、全般に、本発明は、実際のシステムのアフターバーナの前に、使用済み燃料の部分燃焼が可能となるプロセストポロジーを有する。カソード側排気流内で、スタック排気からの使用済み燃料の少量が燃焼されると、温度が有意に上昇する。本発明では、アノード側からの全排気流のうちの少量のみが、主流から分離され、これは、循環器ユニットの前に実施されることが強調される。
【００２３】
一方、主流から供給され分離されたサブストリームは、スタック区画に戻るように誘導される。この場合、これは、燃料電池の外部で酸化され、すなわち、燃料電池スタックとスタック区画の外壁の間で酸化される。通常スタックからリークする全ての燃料も、酸化される。
【００２４】
この目的の適当な空間は、容易に配置され選定され得る。このため、いかなる追加構造も回避することができる。一方、分離された燃料は、スタック区画の外側において、カソード側排気流内で酸化される。実際には、主要排気残留燃料流から分離された燃料部分は、カソード側排気ラインに誘導され、ここで混合、酸化され、これにより循環器ユニットの前で温度が上昇する。
【００２５】
本発明の実施例では、供給燃料は、さらに、スタック区画に誘導され、この燃焼からの燃料ガスは、カソード側からの排気流とともに循環器ユニットに誘導され、さらにシステム全体から排出される。この特定の実施例は、さらに、使用燃料の一部の燃焼により得られる熱エネルギーは、効率的な方法でスタックに誘導されるという有意な効果を有する。また、出口燃料流において温度上昇が生じ、前述のプロセスフローにおける損失となる熱損失が、スタック区画の構造を通じて補填される。また、スタック区画内での燃焼により、カソード側において排気流の排気温度が実質的に上昇するため、カソード側において、供給流の予備加熱を促進することが可能となる。
【００２６】
後者の実施例では、改修対応の場合、燃料電池システムの熱バランスを改善する上で最も簡単な機会が提供される。アノード側排気ラインとカソード側排気ラインとを接合する単一のライン、および適当な制御手段のみが必要となる。また、スタック区画の外側で酸化が生じ、燃料は、システム全体に連続的に流れるため、例えば、始動の間のような、自然発火温度レベルの近傍での自然発火に関するリスクが回避される。
【００２７】
この種の組立体は、結果的に、カソード側からの排気流中の水量のさらなる上昇につながるにも関わらず、本発明による驚くべき解決策が選定されている。これは、材料に関する要求に対して、別の負の影響を有し、特に、循環器ユニットに対して、この問題が生じる。しかしながら、材料関連問題のリスクの上昇にもかかわらず、本発明では、システム全体の熱バランス全体の制御に対して、より良い手段が提供され、寿命全体の安定性が向上することが見出されている。
【発明の効果】
【００２８】
（本発明によって提供される利点）
本発明では、燃料電池の劣化によって生じる熱発生の上昇により、システム全体の熱バランスを調整する有効な手段が提供される。本発明によって得られる大きな利点は、以下の事実に関する。
【００２９】
本発明の基本概念は、寿命の初期段階中に、特に使用燃料から追加の熱発生が生じることであり、これは、システムの電気的効率に影響しない。また、燃料は、スタック入口からは採取されないため、新鮮な燃料の利用率にいかなる影響も生じない。また、アノード再循環組成が変化しないため、再循環は影響を受けない。プロセスの変更が生じる場所は、アフターバーナのみであり、ここでは、より少ない燃料が受容され、このためここでの熱発生が少なくなる。
【００３０】
また、アノード側から排気される主要残留燃料流から分離される燃料量は、ほとんどのアクティブ方式で調整され、制御される。調整特性自身は、極めて簡単な方法で行われ得る。燃料量は、温度、特に循環器ユニットから排気されるカソード側供給空気流の温度が所望のレベルに維持されるように、アノード側から排気される主要燃料流から分離され、熱バランスは、確実な方法で安定化される。従って、燃料電池の劣化による熱発生の増加は、本発明により、スタックに戻す供給残留燃料を低減させることにより、有効に補償される。
【００３１】
本発明に関する重要な特徴の一つは、スタックの寿命全体を通じて、実質的に一定の空気マスフローを使用することができることである。通常、従来の燃料電池の供給空気のマスフローは、化学量論的燃焼に比べて、約λ＝4である。これは、燃料電池に入る供給空気に含まれる酸素の全量の1／4が、実際に燃料電池反応に使用されることを意味し、残りの酸素、すなわち空気は、システム外に誘導される。
【００３２】
劣化の度合いが完全に無視されたままでも、カソード側の供給流は、全体的に一定に維持される。しかしながら、本発明による解決策では、一定の供給流は必ずしも必要ではないことに留意する必要がある。本発明は、劣化およびその結果の度合いに関係なく、単にシステム全体の制御に対して、優れた自由度を提供する。
【００３３】
実質的に安定な空気流のため、初期の寸法に対応した循環器ユニットを取り付けることが容易となる。好ましくない寸法の大型化は、必要ではなくなる。
【００３４】
前述のような熱交換領域およびストリーム配管に関する他の寸法の問題も、回避することができる。別の利点は、アフターバーナ後の余分な熱交換ユニットが回避されることである。また、不要な場合、温度制御用の別個の空気バイパスを除去することができるという利点が得られる。
【００３５】
前述の米国特許出願第2008／002047A1号に対して有意な、本発明によって得られる特に大きな有意性は、循環器ユニットに対する湿度関連応力および温度の絶対的な低減である。従来に比べて、流れる気体の抑制された温度および低水分量のため、循環器ユニットの建設コストおよび維持コストの抑制が可能となる。
【００３６】
本発明によって得られる他の利点は、以下の有意な実施例から明確になる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来技術による配置を概略的に示した図である。
【図２】本発明の有意な実施例による配置を概略的に示した図である。アノード側からの排気ガスの一部は、燃料電池区画に再誘導され、ここで酸化される。
【図２ａ】本発明による別の配置を概略的に示した、図2の領域Aの拡大図である。アノード側からの排気ガスの一部は、燃料電池部材の内部に、直接供給される。
【図３】供給手段を含む残留燃料ラインスタック区画の一部の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、図面を参照して、本発明について詳しく説明する。
【００３９】
図2には、燃料電池システム1を概略的に示す。図に含まれる燃料電池ユニット5は、連続的に直列接続された燃料電池2からなる、1または2以上の燃料電池スタック6を有する。燃料電池2は、アノード側7、カソード側8、両者の間の電解質9、および個々の燃料電池の間に設置された、インターコネクトと称される接続板（図示されていない）を有する。明確化のため、図1には、単一の燃料電池2の形態で、燃料電池ユニット5の一つの燃料電池スタック6のみが示されている。燃料電池スタックの数は、当然、ある数に限られるものではない。多数のまたは一つのユニットが使用できる。
【００４０】
本願では、アノード側7は、それぞれ、通常、燃料の点から、燃料電池ユニット5の燃料電池2に含まれるアノード電極を表し、燃料電池ユニット5の境界内で、個々の実際の燃料電池のアノードに燃料を搬送するための部材を表し、ならびにアノードからの気体をさらに搬送するための部材を表す。カソード側8は、カソードを表すとともに、燃料電池ユニット5の境界内で、カソードからおよびカソードに空気を搬送する部材を表す。
【００４１】
また、燃料ガスを供給するため、アノード側7には、供給手段が設けられ、これは、単に供給ライン10で表される。図2において、燃料は、配管ライン10aを介してシステム1に入り、まず脱硫装置3に入る。ライン12におけるリサイクル燃料、およびライン10bからの水蒸気とともに、構築された流れは、次に、予備改質器4または同様の燃料予備処理装置に入る。
【００４２】
アノード側7から排出される消費燃料ガスが、燃料電池ユニットから排出される手段が提供される。ここでは、これは、排出ライン11のみによって表されている。通常、複数のそのようなライン10、11が存在する。排気流11は、次に、熱交換手段30を経由するように誘導され、ライン10における導入供給燃料が加熱される。燃料の一部は、ライン12を介してリサイクルされ、残りの分は、アフターバーナ31に誘導される。ここでの熱は、ユニット21での水蒸気の形成に使用される。これは、ライン10bに誘導され、予備改質器4に利用される。
【００４３】
カソード側では、空気は、ライン14を介して供給され、その後、分岐され、燃料電池スタック6に供給され、さらに個々の燃料電池2に供給される。その後、排気流15を含む燃料電池2からの空気は、燃料スタック区画5cから排出され、その後循環器ユニット29を通るように誘導され、供給空気流14が加熱される。ここでも、明確化のため、全ての配管は、単一のラインで示されている。スタック6とスタック部材の外壁またはシェル5cの間に、破線区画15aによって、スタックからの排気流を誘導し、適当な配管を配置するための、各種構成が示されている。
【００４４】
また、図2には、本発明の有意な実施例が示されている。本発明では、燃料排気ライン11、すなわち一部が使用された燃料からの供給が提供される。この実施例では、供給は、スタック部材5c内では、直接行われない。その代わり、これは、アノード側7の供給ライン10と排気ライン11の間の熱交換の後に生じる。これは、燃料排気ライン11における後段である。本発明のこの好適実施例では、燃料の所望の部分−これ自身は有利に変更可能である−が分離され、分離された燃料システム50が燃料電池区画5c内にの周囲5bに戻される。この部分は、特に、スタック条件および負荷比率に依存する。例えば手段52によって測定される温度の値は、排気流11から分離した残燃料の量の判断に使用される。一旦燃料ストリームが、燃料電池区画の高温空間5bに入ると、これは速やかに酸化される。
【００４５】
また、燃料排気ライン11からの燃料ストリームの分離部分の分離は、低温レベル（例えば100〜400℃）で生じるため、標準のバルブまたは調整素子51の、コスト効果のある使用が可能になる。これは、実施が容易で、熱バランス調整のための供給の信頼性および精度のある制御が可能であることを意味し、これにより、本発明の最大限コスト効果のある実施が可能となる。
【００４６】
ユニット29の「循環器」という用語は、通常、熱交換器と置換され得ることに留意する必要がある。従って、カソード側供給流によってなされる熱交換に適した、いかなる熱交換機器も、網羅される。一方、予備加熱用の利用熱エネルギーは、カソード側8の排気流15以外の、他のソース源から生じても良い。循環手順は、カソード側8の供給流14の少なくとも一部の予備加熱用のスタック区画5cの外での熱交換アクティビティを網羅する。しかしながら、循環器ユニット29の前後での、他の方策も可能である。
【００４７】
本発明は、本発明によりアノード側から供給される燃料の正確な流方向を確保するための、必要な手順を網羅する。換言すれば、供給は、供給点の周囲での、アノード側とカソード側の間の圧力差が、正になるように配置されることが好ましい。すなわち、アノード側における高い圧力により、燃料が、カソード側の低圧力レベルに向かって流れることが可能になる。
【００４８】
圧力差は、5mbarを超えることが好ましく、10〜50mbarの範囲であることがより好ましい。しかしながら、これらの値には、大きな制限はない。基本的に、より大きな値も可能であり、いかなる正の圧力差も、基本的にこの目的に適する。圧力差の管理は、供給点の周囲内で、または各種ユニット、区画、および／もしくは燃料電池システムのフローループの範囲内のより大きなスケールで、配置されても良い。
【００４９】
流方向は、バルブまたはゲートのような、反対の方向に生じるいかなる流れも防止する
適当な手段により、確保されても良い。燃料流の意図された範囲は、供給器またはブラスタのような、強化された流れを形成し、これを増強する適当な手段で、増強されても良い。
【００５０】
（本発明の他の実施例）
本発明により提供される配置は、前述の実施例に限定されない。前述の実施例は、単純な方法及び構成で、本発明の主原理を説明するためのものに過ぎない。
【００５１】
本発明の実施に関し、想定される他のいくつかの配置がある。別の有意な実施例は、スタック区画5cの外部で生じる、供給燃料の酸化を有する。燃料流は、アノード側排気流11から分岐され、スタック区画内でカソード側排気流と混合する代わりに、混合は、循環器29の前のカソード側排気配管ライン15内の、スタック区画の明らかに外側で生じる。混合は、燃料酸化によって、循環器29内で、いかなるフレームの形成も生じないように実施されるように適合されることが好ましい。すなわち、酸化反応は、実質的に、循環器の前で生じ、そこで生じる熱は、全フロー15に多少分散される。燃焼自身は、カソード側排気流の配管ライン15内で、燃焼、熱保護、およびフレーム制御用の適当な手段によって行われる。
【００５２】
また、ライン50bに示すように、スタック区画5b内の空間5c内で、スタック燃料出口配管11から、直接燃料の供給を実施することも可能である。これは、例えば、図3に示すような、配管に開口された適当な寸法の孔によって行われる。必要な熱バランス調整は、空気流によって行われ、孔132の数は、空気流の調整窓が極めて狭くなる運転中断の間、減少させても良い。
【００５３】
ここで、スタック区画5c内にカソード側排気流15が構築される方法は、この発明に限定されないことに留意する必要がある。燃料電池2から排気空気流を排出させ、その後、区画5cから、単一の排気ライン15を介して、または複数のラインを介して誘導し、その後、ライン15cに示すように、相互に接続することも可能である。排気空気は、燃料電池スタックに配置された適当なダクト15bを介して、より多くの制御態様で誘導されても良い。これは、スタック区画5c内、または区画の外側のいずれかで結合される。カソード側排気流15、15b、15cのルートを配置する方法に関する自由度は、基本的に、排気空気流15に供給される燃料の混合手段に依存する。
【００５４】
特に、前述の本発明の実施例では、燃料電池からの排気空気によるスタックの包括的なスプーリングを有するという利点が得られる。すなわち、排気空気は、この目的のため配置された排出開口を介して排出される前に、スタック区画空間5b全体をスプールするように、自由に流れる。換言すれば、アノード側7から一旦燃料が供給されると、これがスタック区画5cの外側で生じるか、内部で生じるかには関係なく、区画5cの空間5b内のスタック5の近傍におけるカソード側8からの排気空気流により、燃料の効率的で保証された酸化およびスプーリングが生じる。また、これは、特に、区画5cから排出される前に生じる。未酸化燃料のいかなる蓄積も排除される。
【００５５】
本発明の後者の実施例は、別の利点を有する。すなわち、一旦、特にスタック区画の外側で、例えば循環ユニット29の前の配管ライン15内で、供給燃料がカソード側の排気空気と混合されると、スタック区画におけるスプーリングの必要性がなくなるという利点が得られる。燃料電池自身において生じる避けることのできない燃料のリーク現象には、当然、対処する必要がある。しかしながら、通常、温度レベルは、自然発火温度を安全に超えるため、カソード側排気空気による迅速な酸化により、この燃料のスプーリングの必要性は、軽減される。燃料は、例えば、排気流配管ライン15に沿って、最後に排気空気と混合され、排気流15自身によって、通常、適切なスプーリング効果が得られる。
【００５６】
燃料の供給を調整する別の想定される代替例は、基本的に、前述の本発明の実施例と同様である。ただし、この場合、供給50bは、より連続的な態様で、制御可能である。これは、区画5c内の出口ライン11に接続された、ホット「バルブ」素子51（図示されていない）を用いることにより、実施される。この実施例では、スタックの寿命の間、固定供給孔を改変することなく、熱バランスの直接的な活性制御ができる。
【００５７】
概して、供給燃料の量の制御は、いかなる適当な既知の方法で実施されても良く、これを利用して、主要な流れから分離した流れのマスフローを調整することができる。この種のいくつかは、図3に示されている。円筒状制御手段130が存在し、これは、必要な際に、または開口の開放部分131の寸法を調整する際に、開口132を開閉し、ライン134（11に対応する）の周囲に、実質的に気密方式または圧密方式で配置される。一方、1または2以上の開口133は、必要な場合、シールされるように配置されても良い。各種タイプのバルブ手段を使用しても良い。
【００５８】
別の可能な構成は、熱交換器30の前のスタック区画5cの外側の少なくとも一部で、供給を実施することによって実現され、供給手段の周囲の温度レベルが低下する。この実施例は、図2および図2aにおいて、ルート50cで示されている。また、アノードとカソード側の間の適正な圧力差および／または正確な流方向のため、バックアップが調整される。燃料の適正な供給および安全フロー制御に必要な手段は、示されていない。
【００５９】
本発明のさらに別の実施例による可能な構成は、図2のライン50により、熱交換器30の後に、燃料が供給されることである。しかしながら、スタック区画に燃料の供給を戻す代わりに、燃料は、ライン50dを介して、直接排気流ライン15に誘導され、ここで混合されても良い。この場合、スタック区画内のいかなる測定も、回避される。本発明の最も簡略化された、低コストな実施例が得られる。前述のこれらの全ての実施例は、相互に組み合わされても良い。
【００６０】
前述の第1の実施例に戻ると、これは、別の利点を有する。分離された残留燃料の燃焼によって得られる熱エネルギーの熱輸送は、燃料電池スタック区画で直接、調整されることに留意する必要がある。同時に、区画内での各種温度差が抑制される。
【００６１】
本発明による配置は、スタックの効果的な加熱により、通常の作動温度まで、システムの最終加熱を促進することができる。自然発火の点で、いったん許容可能な温度レベルに到達し、−通常500〜600℃の範囲−、その後、燃料電池への燃料供給が開始されると、本発明による残留燃料流の供給が開始される。本発明により残留燃料の燃焼が支援されることにより、燃料電池スタックの昇温が加速され、最終加熱段階の加熱時間を、実質的に短くすることが可能となる。時間短縮は、40％以上に及び得る。
【００６２】
また、本発明のさらに別の好適実施例では、自然発火温度未満での前述の残留燃料燃焼を用いることにより、始動が促進される。燃焼は、使用配置に応じて、スタック区画の内部または外側で、実施されても良い。しかしながら、自然発火温度未満で作動される場合、フレームを保護し、フレームの消火を防止する適当な手段を使用することが有意である。いったんフレームガスが構成されると、通常、燃焼による熱により、フレームの消火が防止される。さらに別の利点は、始動の極めて初期の段階から燃料を使用することにより、ストリームおよび部材を加熱する他の手段、例えば電気ヒータの必要性がなくなることである。
【００６３】
本発明による配置は、利用キャパシティの程度および作動時間の点で、極めてフレキシブルである。この配置は、絶対に必要な際、例えば、システムの寿命の初期の段階のような、熱発生が不十分な場合に、使用することができる。一方、これは、寿命の末期の段階に、加熱時間を短くするために使用することもできる。
【００６４】
本発明によって得られるさらに別の利点は、この種の配置を用いることにより、循環器の寸法が十分に小さくなることである。最初の燃料電池ユニットからの熱流が顕著ではなくなると、スタック区画内部の残留燃料による二次燃焼が高まり、不足分が補償される。この場合、循環器の過大な寸法は、容易に回避できる。後に、劣化によって、熱発生の上昇が生じた際、燃焼が中止され、循環器は、十分に、供給空気を暖めることができるようになる。
【図１】
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【図２−２ａ】
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【図３】
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【国際調査報告】
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