(57)【要約】  本発明の改質燃料電池システムは、一次燃料から水素ガスを発生させるための改質装置（１）を形成する複数の部分改質システム（２、３、４；８、９；１０−１５）、及び前記水素ガスを用いて電流を発生させるための燃料電池（５）である複数の構成要素からなる。さらに、前記改質装置（１）及び前記燃料電池（５）の外部に配置され、高温の排気ガスを発生させるために設けられる燃焼器（６）が設けられている。排気ガス供給部（７）は、前記排気ガスを少なくとも２つの前記構成要素へ供給し、また、前記排気ガスが、前記構成要素特有の作動温度のレベルに応じて、温度の大きい順に前記構成要素へ流れ、及び／又は貫流するように、前記排気ガスの流路を規定する。これにより、それぞれの構成要素を、選択的に、その構成要素に特有の作動温度まで直接加熱することが、簡単に可能となる。【選択図】図１
2008532908.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次燃料から水素ガスを発生させるための改質装置（１）を形成する複数の部分改質システム（２、３、４；８、９；１０−１５）、及び前記水素ガスを用いて電流を発生させるための燃料電池（５）である複数の構成要素と、
前記改質装置（１）及び前記燃料電池（５）の外部に配置され、高温の排気ガスを発生させるために設けられる燃焼器（６）と、を備える改質燃料電池システムであって、
前記排気ガスを少なくとも２つの前記構成要素、即ち少なくとも１つの前記部分改質システム（２、３、４；８、９；１０−１５）及び／又は前記燃料電池（５）へ供給するための排気ガス供給部が設けられ、
前記排気ガス供給部（７）が、前記排気ガスが、前記構成要素特有の作動温度のレベルに応じて、温度の大きい順に前記構成要素へ流れ、及び／又は貫流するように、前記排気ガスの流路を規定することを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の改質燃料電池システムであって、
前記排気ガス供給部が、前記排気ガスが、前記構成要素の外部から前記構成要素へ流れることができ、前記排気ガスの熱が、前記構成要素の外部から壁を通じて前記構成要素の反応チャンバへ伝達されるように、設計されていることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれかに記載の改質燃料電池システムであって、
前記排気ガス供給部が、前記排気ガスを供給するための導管を備えていることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の改質燃料電池システムであって、
前記導管が、前記構成要素の反応チャンバの中に設けられていることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の改質燃料電池システムであって、
前記排気ガスから特定の構成要素への熱伝達に効果的な前記導管の表面は、前記特定の構成要素において、その作動温度に達するために必要な熱によって決まる前記構成要素の必要熱量に基づいて調整させることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項６】
請求項３乃至５のいずれかに記載の改質燃料電池システムであって、
構成要素に割り当てられた導管の長さ、数、断面形状及び／又が、断面寸法を前記構成要素の必要熱量に合わせて調整させることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の改質燃料電池システムであって、
前記排気ガス供給部によって供給される前記排気ガス及び作動中に前記構成要素自体で発生した高温ガスが、同様に貫流されうる加熱導管が、前記構成要素の中に設けられていることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の改質燃料電池システムであって、
前記排気ガス供給部（７）が、前記構成要素の少なくとも一部に直列に貫流することを許容することを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１乃至９のいずれかに記載の改質燃料電池システムであって、
前記排気ガス供給部（７）が、構成要素の少なくとも一部に並列に貫流することを許容することを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の改質燃料電池システムであって、
前記排気ガス供給部（７）が、前記燃焼器（６）の下流及び前記構成要素の上流にそれぞれ設けられた第１供給部（１６）及び第２供給部（１７）に分けられ、
前記排気ガスの流れが、前記２つの供給部（１６、１７）に分配されることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の改質燃料電池システムであって、
排気ガスが、前記第１供給部（１６）を通って少なくとも１つの前記部分改質システム（２、３、４；８、９；１０−１５）へ供給されることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１０又は１１のいずれかに記載の改質燃料電池システムであって、
排気ガスが、前記第２供給部（１７）を通って前記燃料電池（５）へ供給されることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれかに記載の改質燃料電池システムであって、
二次空気（１８）が、少なくとも１つの前記構成要素へ供給されることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１０乃至１３のいずれかに記載の改質燃料電池システムであって、
前記二次空気（１８）が、前記第２供給部（１７）中の排気ガスと混合されることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１０乃至１４のいずれかに記載の改質燃料電池システムであって、
前記第２供給部（１７）を貫流する排気ガスが、前記燃料電池（５）へ供給される前記二次空気（１８）を加熱するために用いられる熱交換器へ供給されることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１３乃至１５のいずれかに記載の改質燃料電池システムであって、
前記燃焼器（６）へ供給される一次空気から前記二次空気（１８）が取り出されることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項１７】
請求項１３乃至１６のいずれかに記載の改質燃料電池システムであって、
前記二次空気（１８）は、強制的に二次空気送出部（１９）によって、送出されることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項１８】
請求項１７に記載の改質燃料電池システムであって、
前記二次空気送出部（１９）が、前記燃焼器（６）の作動状態に関わらず、作動可能であることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項１９】
請求項１乃至１８のいずれかに記載の改質燃料電池システムであって、
可及的に等しい作動温度を必要とする構成要素が、互いに隣接して配置されていることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項２０】
請求項１乃至１９のいずれかに記載の改質燃料電池システムであって、
特有の作動温度に関して、大きい順に、前記構成要素が、隣同士及び／又は順々に配置されていることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項２１】
請求項１乃至２０のいずれかに記載の改質燃料電池システムであって、
前記部分改質システムが、改質機器（１０）、蒸発器（１３）、１又は複数のシフトステージ（１４）、１又は複数のガスファイン洗浄ステージ（１５）、及び／又は１又は複数の熱交換器を（１１、１２）からなる群から選ばれた構成要素であることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項２２】
請求項１乃至２１のいずれかに記載の改質燃料電池システムであって、
前記燃料電池（５）が、低温高分子電解質膜燃料電池及び／又は高温高分子電解質膜燃料電池であることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項２３】
請求項１乃至２２のいずれかに記載の改質燃料電池システムであって、
隣り合う構成要素の間に断熱材が設けられていることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項２４】
請求項１乃至２３のいずれかに記載の改質燃料電池システムであって、
少なくとも２つの構成要素が、１つの構成ユニットを形成していることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項２５】
請求項１乃至２４のいずれかに記載の改質燃料電池システムであって、
それぞれ隣り合う少なくとも２つの構成要素が、空間的に互いに分離されるように配置されていることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項２６】
請求項１乃至２５のいずれかに記載の改質燃料電池システムであって、
前記燃焼器（６）が、一次燃料で作動されることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項２７】
請求項１乃至２６のいずれかに記載の改質燃料電池システムであって、
前記燃焼器（６）に、前記一次燃料を燃焼して前記排気ガスを発生させるために、一次空気が供給され、
前記排気ガスに、二次空気が供給されることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項２８】
請求項２７に記載の改質燃料電池システムであって、
前記二次空気が、二次空気送出部によって、強制的に送出されることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項２９】
請求項１乃至２８のいずれかに記載の改質燃料電池システムであって、
前記燃焼器（６）が、１.０から４.０、好ましくは１.２から３.０の範囲である空気化学量数で作動されることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項３０】
請求項２９に記載の改質燃料電池システムであって、
前記空気化学量数及び／又は前記燃焼器（６）の熱出力が、最も高い作動温度値を有する構成要素の作動温度に基づいて決められることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項３１】
請求項１乃至３０のいずれかに記載の改質燃料電池システムであって、
燃焼用空気を前記燃焼器（６）に供給するための空気供給部が設けられ、前記空気供給部が、前記排気ガス供給部を通して前記排気ガスを送出する機能を有することを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項３２】
請求項１乃至３１のいずれかに記載の改質燃料電池システムであって、
前記燃焼器（６）が、利用可能空間に必要な熱を発生させるための加熱装置に不可欠な要素であり、
前記燃焼器（６）からの排気ガスが、改質燃料電池システムから出た後、前記利用可能空間を暖めるのに用いられることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項３３】
請求項３２に記載の改質燃料電池システムであって、
前記利用可能空間の空気を加熱するための熱交換器が、改質燃料電池システムの排気ガス流路の下流に配置されていることを特徴とする改質燃料電池システム。
【請求項３４】
一次燃料から水素ガスを発生させるための改質装置（１）を形成する複数の部分改質システム（２、３、４；８、９；１０−１５）、及び前記水素ガスを用いて電流を発生させるための燃料電池（５）である複数の構成要素と、
前記改質装置（１）及び前記燃料電池（５）の外部に配置され、高温の排気ガスを発生させるために設けられる燃焼器（６）と、を備える改質燃料電池システムの始動及び／又は作動方法であって、
前記排気ガスを少なくとも２つの前記構成要素、即ち少なくとも１つの前記部分改質システム（２、３、４；８、９；１０−１５）及び／又は前記燃料電池（５）へ供給され、
前記排気ガスが、前記構成要素特有の作動温度のレベルに応じて、温度の大きい順に前記構成要素へ流れ、及び／又は貫流することを特徴とする改質燃料電池システムの開始及び／又は操作における方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の導入部に基づく改質燃料電池システムと、請求項３４の導入部に基づく改質燃料電池システムの始動及び／又は作動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
改質燃料電池システム（Reformer fuel cell system）は以前から知られている。複数の部分改質システム（partial reformer system）からなるものは、一次燃料から、燃料電池における電流の発生に用いられている水素ガスを発生させる。既知の部分改質システムは、例えば、改質機器、蒸発器、熱交換器、シフトステージ（Shift stage）及びガスファイン洗浄ステージ(gas fine-cleaning
stage)である。
【０００３】
低電力を有する燃料電池のための、小型改質装置は、例えばＤＥ‐Ａ‐１００  ４０  ５３９、ＤＥ‐Ａ‐１００  ３２  ０５９、又はＤＥ‐Ａ‐１０１  １８  ６１８に開示されている。
【０００４】
燃料電池及び改質装置を稼動し、操作を継続させるためには、十分な熱の供給が必要である。特に、仮に、部分的な負荷をかけた状態で、低電力の改質燃料電池システムが操作される場合は、十分な熱量が得られないという危険がある。その結果、一方で改質過程、他方で燃料電池の過程が悪化又は停止さえする可能性がある。
【０００５】
ＤＥ‐Ａ‐１９９  １０  ３８７に示されているように、補助的な加熱装置が、冷えた開始状態の燃料電池のユニットを加熱するために備えられている。その加熱装置の作動熱は、燃料電池のスタックを加熱するために使われている。その加熱装置は、燃料電池のスタックの反応チャンバを貫流して供給される熱伝達媒体を加熱し、その結果燃料電池が加熱される。
【０００６】
ＤＥ‐Ａ‐１９９  ３１  ０６１には、加熱器及び冷却器に加えて改質装置が結合されうる燃料電池システムを加熱及び冷却するための装置が示されている。その装置内において、閉じた回路を循環する加熱又は冷却媒体は、内部の熱流を制御する働きをし、特に、燃料電池に供給される気体媒体の流れを加熱する働きをする。
【０００７】
ＤＥ‐１０３  １５  ２２５  Ａ１には、加熱を目的とし、外部燃焼器からの排気ガス又は外部燃焼器によって加熱された熱伝達媒体が改質装置又は燃料電池へ供給され得る改質燃料電池が示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この発明の目的は、部分改質システム及び燃料電池を、特定の選択された方法で加熱することができる改質燃料電池システムを、同時に小型化しながら、具体化することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この問題は、請求項１に基づく改質燃料電池システムと、請求項３４に基づく方法とによる発明によって解決される。本発明の有益な更なる改良は、従属請求項の中で定義される。
【００１０】
本発明に基づく改質燃料電池システムにおいて、高温の排気ガスを発生する燃焼器は、改質装置及び燃料電池（fuel cell）の外部に配置されている。さらに、排気ガス供給部は、排気ガスを少なくとも２つの構成要素（components）、即ち少なくとも１つの部分改質システム及び／又は燃料電池へ供給するために設けられている。通常、改質装置は、複数の部分改質システム即ち、実際の改質機器（actual reformer device）、蒸発器、１又は複数の熱交換器、１又は複数のシフトステージ（Shift stage）、１又は複数のガスファイン洗浄ステージ(gas
fine-cleaning stage)などから成っている。以下、「構成要素」の語は、前記部分改質システム及び実際の燃料電池（actual fuel cell）を示しているとする。
【００１１】
このようにして、排気ガス供給部によって、高温の排気ガスは少なくとも２つの構成要素へ流れこみ、又は貫流する。このとき、排気ガス供給部を通った排気ガスの流路は、構成要素特有の作動温度のレベルに応じて、大きい順に、構成要素に流れ、及び／又は貫流する。つまり、排気ガスは初め、最も高い作動温度レベルを有する構成要素を貫流する。その後、排気ガスは次に高い作動温度を有する構成要素等に流れ込む。その排気ガスは、その流路でさらに温度が低下する。しかしながら、排気ガスは、その送り先に選択的に導かれているため、貫流するそれぞれの構成要素に、その構成要素が必要とする作動温度に到達させる及び／又は保ち続けるために、熱を運ぶことができる。
【００１２】
このとき、排気ガスは特定の構成要素に直接流れ又は、前記構成要素の外側を通り過ぎて流れるだけである。適用条件又は必要な熱伝達に応じて、排気ガス供給部は、特定の構成要素において、排気ガスからその構成要素の反応チャンバへ適当な熱伝達が確保されるように設計される。
【００１３】
本発明の有利な実施形態は、排気ガスが外部から構成要素へ流れることができ、さらに排気ガスの熱が外部から壁を通じて構成要素の反応チャンバへ伝達されるように、排気ガス供給部が設けられていることである。これにより、排気ガスは反応チャンバの内部へ入り込む必要がなくなる。壁を暖めるためには、例えば、ある構成要素における特定の反応チャンバの壁の外側を排気ガスが通り過ぎて流れるだけで十分である。
【００１４】
この排気ガス供給部は、排気ガスを供給するために複数の導管（ダクト）を備えていることが有益である。これにより、選択的及び意図的に、高温排気ガスの供給を促進することができる。
【００１５】
本発明のさらなる実施形態では、前記導管が、前記構成要素の反応チャンバの中に設けられている。結果として、ここでは、排気ガスは反応チャンバの内部及び反応チャンバの内壁に供給され、又は反応チャンバを貫流して供給される。このとき、排気ガスは、反応チャンバ自体へ入り込む必要がなく、さらにそこで流れる媒体とも混ざらないことが分かる。さらに、排気ガスの熱は、導管の壁を通って反応チャンバへ伝達される。従って、導管は、排気ガスが反応チャンバから再び出ていくことも保証している。
【００１６】
特定の構成要素に割り当てられた導管の表面は、その表面を前記構成要素の必要熱量に適合させるように、つまり、例えば長さ、総数、断面形状、及び／又は断面寸法を調整した場合、前記排気ガスから前記構成要素への熱伝達に効果的である。前記必要熱量は、前記特定の構成要素において、作動温度に達するために必要な熱によって決まる。燃焼器又は個々の構成要素から出たガスの熱量は、前記燃焼器の寸法から判断できる。導管を適宜設計することにより、それぞれの構成要素において、システムの開始状態でその構成要素を加熱するため、及び／又は全負荷又は部分負荷運転モードで作動温度を維持するために必要とされる熱量を選択的な方法により、正確に伝達することが可能である。例えば、特定の反応チャンバを貫流して導かれ、又は反応チャンバのそばを貫流して導かれる導管の長さを調節することが可能である。反応チャンバに設けられる導管を長く及び／又は多くすればするほど、その反応チャンバへ排気ガスが運び得る熱量は大きくなる。同じことが切断面の形状についても適用され、導管の断面を小さくすればするほど、信頼性のある状況で排気ガスが流れることを保証するためには、多くの導管を設けなければいけない。この見解から、効果的な表面（導管の外面）は大きくされ、そして、大きな熱量を運ぶであろう。逆に、少ない導管であり同時に断面が大きい場合は、より小さな表面を介して伝達される熱量は、相対的に小さくなることが保証される。その結果、この熱量は、例えば、優れた方法で次の構成要素へ流れ得る。
【００１７】
本発明の有利な実施形態は、排気ガス供給部によって供給される排気ガス及びシステムの作動中に構成要素自体で発生した高温ガスによって、同様に使用され得る加熱導管が、構成要素の中に設けられているということである。作動状態において、高温（ガス）媒体、例えば最終的には改質ガス自体の流れが構成要素内で発生する。特定の構成要素を出た後、この高温ガスは初めに加熱された導管を通り、さらに次の構成要素へ、その構成要素を加熱するために供給され得る。そのとき、このガスは、さらに処理され又は、燃料電池自体の中で、電流を発生させるために消費されるという目的を果たす。
【００１８】
従って、加熱導管は、排気ガス供給部のための導管としてのみ、構成要素自体によって発生した高温ガスのための導管としてのみ、又は、排気ガス及び高温ガスのために同時に、使用され得る。しかしながら、導管が同時に使用される時は、排気ガスは間違いなく改質装置の反応チャンバ又は燃料電池へ入ることができない。
【００１９】
好ましくは、排気ガス供給部は、構成要素へ直列に貫流及び／又は並列に貫流することを許容する。温度の制御方法に応じて、排気ガスは、連続的に又は同時に複数の構成要素を、適宜貫流することができる。
【００２０】
本発明のさらなる実施形態では、排気ガス供給部は、燃焼器の下流及び、構成要素の上流にそれぞれ設けられた第１供給部及び第２供給部に分けられ、排気ガスの流れは２つの供給部に分配される。このようにして、前記供給部により、燃焼器の下流において排気ガスの流れは分割され、選択的に、前記排気ガスの流れが特定の構成要素に供給される。
【００２１】
ここで、排気ガスが、第２供給部を通って燃料電池へ供給される間に、第１供給部を通って少なくとも１つの部分改質装置へ供給されるならば、格別な利点が得られる。このことは、排気ガスが、燃焼器から燃料電池へ直接供給され得ることを意味している。
【００２２】
格別に有益な実施形態は、二次空気(secondary air)が少なくとも１つの構成要素へ供給され得ることである。前記二次空気により、選択的に排気ガスを冷やすことができ、その結果、特定の構成要素が所望の温度に達する。
【００２３】
二次空気が、第２供給部において、排気ガスと混合され得るならば、格別な利点が得られる。第２供給部において、排気ガスは燃焼器から直接流れてくるため、その排気ガスは、燃料電池には高すぎるかもしれないほど、高温である。これに関して、排気ガスが、二次空気を混合することにより選択的に冷やされるならば、排気ガスは、燃料電池に適切な温度まで冷やされる。
【００２４】
本発明のさらなる実施形態では、第２供給部を貫流した排気ガスは、燃料電池へ供給される二次空気を加熱するのに用いられる熱交換器へ供給される。この方法においては、排気ガス自体を燃料電池へ供給することは不要である。これに対して、排気ガスの熱が二次空気へ伝達され、そしてその熱が二次空気から燃料電池へ伝達される。
【００２５】
燃焼器へ供給される一次空気（primary air）から二次空気が取り出され得るならば、格別な利点が得られる。燃焼器は、燃焼器を通って燃料を燃やすために使われる一次空気（燃焼用空気）を、いずれにせよ必要とする。前記一次空気から、ある空気が、二次空気として簡易に取り出され、そして第２供給部へ供給される。
【００２６】
好ましくは、前記二次空気は、強制的に二次空気送出部によって、送出され得る。このことは、二次空気は所望の量だけ供給されることを保証する。その中でも、制御可能な送風機は、二次空気送出部として適切に使用可能である。
【００２７】
二次空気送出部が、燃焼器の作動状態に関わらず、作動可能ならば、格別な利点が得られる。この場合、二次空気送出部は、燃焼器が停止している場合でさえ、二次空気を送出することができる。例えば、作業中に、燃焼器自体がもはや作動されない場合でさえ、二次空気が燃料電池を冷やすために使われ得る。
【００２８】
本発明の格別に有利な実施形態は、可及的に等しい作動温度を必要とする構成要素が、互いに隣接して配置されていることである。この方法によって、構成要素それぞれを断熱するための手段を最小化することが可能である。さらに、排気ガス流れは、１つの構成要素から次の構成要素へ簡単な方法によって供給され得る。
【００２９】
特有の作動温度に関して、大きい順に、構成要素が隣同士及び／又は、交互に設けられているならば、格別な利点が得られる。これにより、ある構成要素から次の構成要素への排気ガスの供給が、容易な方法で行われる。
【００３０】
本発明によれば、一次燃料から水素ガスを発生させるための装置はいかなる型であっても、改質装置とみなす。これは、実際の意味での改質装置（reformer device）だけでなく、周知の方法でガスを発生するために使われ得る、クラック反応装置（crack reactor）も含まれる。従って、本文における、改質装置（reformer）の語は、実際の技術用語での意味よりも広義な意味として定義されている。しかしながら、このことは、改質装置及びクラック反応装置（crack reactor）の２つの語を絶えず使うことにより、本文中で使われ過ぎることを防ぐために、適切であるように思われる。
【００３１】
低温高分子電解質膜燃料電池又は高温高分子電解質膜燃料電池は、燃料電池として使われ得る。この燃料電池の構造は既知である。単一の燃料電池又は燃料電池の１又は複数のスタックは、本発明においては、１つの燃料電池という意味と解される。もちろん、既知のように、改質燃料電池システムは通常、実用的な電圧を得るために、複数の直列に接続された燃料電池を必要とする。
【００３２】
好ましくは、隣り合う構成要素の間には断熱材が設けられている。最適水準でのシステム効率の維持及び構成要素の損傷を防ぐため、前記断熱材によって、高精密に個々の構成要素における作動温度は維持される。
【００３３】
少なくともいくつかの構成要素が、１つの構成ユニットを形成する。別の方法として、
いくつかの構成要素を、空間的に互いに分離されるように、つまり、互いに間隔を空けるように、互いに隣り合う構成要素を配置することも可能である。
【００３４】
燃焼器が、水素ガスを発生させるために使用される同じ一次燃料で作動されるならば、格別な利点が得られる。この方法では、全ての改質燃料装置システムに対し、同一の燃料を供給することで十分である。
【００３５】
本発明のさらなる実施形態は、排気ガスが二次空気を伴って供給されている間に、一次燃料を燃焼し、排気ガスを発生させるために、一次空気（燃焼用空気）を燃焼器に供給できることである。従って、二次空気は、排気ガス（上記「二次空気」参照）を冷やすために燃焼器の下流側に供給される。この方法においては、流路方向において見られる最初の構成要素が、過熱されることを防ぐことができる。
【００３６】
好ましくは、二次空気は、二次空気送出部によって、強制的に送出され得る。このとき、前記二次空気送出部もまた、燃焼器の空気送出部（空気供給部）によって形成され、さらに、前記空気送出部は一次空気を送出する。
【００３７】
二次空気を混合することにより、化学量論的にバランスのとれた値１.０から離れた種々の空気化学量数、即ち空気因子を得ることができる。二次空気が混合されればされるほど、空気因子の値も高くなる。
【００３８】
燃焼器は、１.０から４.０、できれば１.２から３.０の範囲にある空気因子を含む空気化学量数で、作動されるべきである。このとき、燃焼器の空気化学量数は、最も高い作動温度値を有する構成要素の作動温度に基づいて定められた空気化学量数に照準が定められるべきである。これにより、燃焼器が、始動時及び作動時に最も高い必要熱量を有する構成要素へ、十分な熱量を与えることができる。排気ガス供給部及び／又はそれに付随する導管が適切に設計されているならば、それに続く次の構成要素は、上記の方法によって熱を供給される。
【００３９】
空気供給部が、燃焼用空気を燃焼器に供給するために設けられ、前記空気供給部が、排気ガス供給部を通じて排気ガスを送出する機能を有するならば、格別な効果が得られる。この方法では、前記空気供給部は、排気ガスが確実に出入りすることを確実にするために要する排気ガス供給部における必要な圧力差を発生させる。
【００４０】
さらに、燃焼器が、利用可能空間とりわけ、キャンピングカー（motor home）、旅行用トレーラ（travel trailer）、商品輸送車（commercial vehicle）、又は汽船など、移動装置（mobile
equipment）中の利用可能空間に熱を発生させるための加熱装置に不可欠な部分であるならば、格別な効果が得られる。加熱装置、例えば車内暖房機、キャンピングカーのガスヒータは、利用可能空間の温度を、乗員にとって快適な値に維持するために、設けられている。改質燃料電池システムから出た後、すなわち、構成要素を加熱した後、燃焼器の排気ガスも利用可能空間を暖めるために使われることが望ましい。もちろん、もう１つの方法として、排気ガスは、導管を通って周囲へ排出されることも可能である。
【００４１】
これを達成させるため、好ましくは、熱交換器は、改質燃料電池システムの排気ガス流の下流に配置される。このとき、前記熱交換器は、排気空気を通して、利用可能空間の空気を暖める。この熱交換器は、加熱器に不可欠であり、従って、多くの場合、移動機器に、すでに設置されている。
【００４２】
最後に、本発明の方法は、改質燃料電池システムの始動及び／又は作動のために特定される。上述のように、改質燃料電池システムにおける排気ガスは、少なくとも２つの構成要素、即ち少なくとも１つの部分改質システム及び／又は燃料電池へ供給される。排気ガスは、それぞれの温度レベルに応じて、その温度レベルが大きい順に、特定の構成要素へ流れる。
【００４３】
以下、これら及び、本発明のさらなる利点及び要素が、実施例を通じて及び添付図を用いて、より詳細に明らかになるであろう。
図１は、本発明における改質燃料電池システムの概略構成図であり、図２は、本発明における改質燃料電池システムのさらなる実施形態の概略図であり、図３は、図２のシステムの実施の概略図であり、図４は、本発明のさらなる実施形態の概略図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
図１は、本発明における改質燃料電池システムの概略構成図である。
【００４５】
改質装置１は、一次燃料から水素ガスの発生させる働きをする。既知の方法において、改質装置１は複数の部分改質システム２、３、４から成る。これらは、例えば、実際の改質器（例えば、水蒸気改質装置、部分酸化装置、クラック反応装置（crack reactor）、自己熱改質装置）、蒸発器、シフトステージ（Shift
stage）、ガスファイン洗浄ステージ(gas fine-cleaning stage)、及び熱交換器である。以下、典型的な改質装置１の例を、図３により、詳細に説明する。
【００４６】
前記改質装置１に続いて、下流に燃料電池５が設けられている。既に上述したように、「燃料電池」の語は、一般的に、１つの燃料電池でなく、燃料電池の１又は複数のスタックについて用いる。燃料電池５の基本構造及び作動方法は、既知であり、したがってより詳細な説明は必要としない。原則として、燃料電池５は、改質装置１から供給される水素を用いながら、電流を発生させる。
【００４７】
改質燃料電池システムにおいて通常の（ガス）媒体の流れ、特に一次燃料ガス、改質ガス（reformate gas）、水、反応空気の流れは、本発明に関係しないので、図１に示していない。
【００４８】
一方、本発明において、空気及びガス、特に一次燃料が供給され、そして高温な排気ガスを発生させる燃焼器６が設けられている。前記高温な排気ガスは、排気ガス供給部として機能する排気ガス流路導管７を通って、改質装置１へ供給される。
【００４９】
燃焼器６は、改質装置１及び燃料電池５の外部に設けられている。したがって、前記燃焼器６は、既知の方法により個々の構成要素に設置され得るいかなる内部燃焼器とも異なる。
【００５０】
このとき、改質装置１における種々の部分改質装置２、３、４は、それら特有の作動温度の温度勾配に対応して、順々に連続的に配置されている。つまり、高温の排気ガスは、初めに排気ガス流路導管７を貫流し、最も高い作動温度を必要とする部分改質システム２へ流れる。そこで、排気ガスは、部分改質システム２の反応チャンバを必要とされる作動温度にするため、その熱エネルギーの一部を供給する。理想的には、排気ガスは、部分改質システム２の作動温度に相当する温度で、部分改質システム２から出る。
【００５１】
その後、排気ガスは、排気ガス流路導管７を通ってさらに供給され、少し低い作動温度で作動している次の部分改質システム３へ流れる。その間にも排気ガスは少し冷やされているが、排気ガスが、同様に部分改質システム３に適切に供給するのに十分な熱を含むように、本改質燃料電池システムは設計されている。このような方法で、他の部分改質システムも、それらの作動温度の大きい順に、順々に連続的に排気ガスが貫流する。その後、排気ガスは、排気ガス流路導管７を通り、燃料電池５に至るまで供給され、燃料電池５に、さらなる熱が供給される。
【００５２】
このとき、特定の部分改質システムを出た排気ガスの温度は、時間の経過の中で及び前記部分改質システムを出る時点で、関係のある部分改質システムの作動温度に一致するべきである。
【００５３】
もちろん、当業者は、排気ガスが改質燃料電池システムの全ての構成要素（部分改質システム２、３、４、燃料電池５）を貫流するようにしても良く、又はいくつかの構成要素だけを選択しても良い。例えば、改質燃料電池システム内のいくつかの構成要素は、外部から付加的な熱を必要としないことはもちろん可能である。なぜならば、そのいくつかの構成要素は、熱に無反応に作動しているため、又はそのいくつかの構成要素が常に発している反応熱が、必要な作動温度を維持するのに十分であるからである。
【００５４】
図２は、本発明における改質燃料電池システムのさらなる実施形態の概略図であり、直列及び並列に組み合わせて接続された複数の部分改質装置を含んでいる。
【００５５】
燃焼器６からの排気ガスは、排気ガス流路導管７を通って、改質装置１へ運ばれる。複数の部分改質システム、即ち符号８ａ、８ｂ及び８ｃは、前記改質装置１において並列に設けられており、その結果、排気ガスは、前記複数の部分改質システムを同時に貫流する。さらに、部分改質システム９ａ、９ｂ及び９ｃは、８ａと９ａとの間、８ｂと９ｂとの間、及び８ｃと９ｃとの間が直列接続（直流）となるように、部分改質システム８ａ、８ｂ、８ｃの下流に設けられている。もちろん、排気ガスの流れは異なった方法（例えば、部分改質システム８ａから部分改質システム９ｃへ、又は部分改質システム９ａ及び９ｂへ）で供給され得る。排気ガスの流れが、最初に個々の構成要素を別々に貫流した後、再び混ざることも可能である。その後、排気ガスは、再び部分改質システム９ａ、９ｂ、９ｃを平行に貫流する。その後初めて、排気ガスは、排気ガス流路導管７の中で再混合され、燃料電池５へ供給される。排気ガスは、燃料電池５を出た後、利用可能空間を暖めるためにさらに使われ得る、又は導管を通って周囲へ排出され得る。
【００５６】
排気ガス流路導管７の名称は、構成要素内又は構成要素間にさえ設けられている複数の個々の導管を、必要に応じて表すために選択されている。ここで、排気ガスが導管の周囲へ、したがって特に、特定の構成要素へ、導管の外面を通して供給する熱量が所望の熱量となるように、導管の数量、長さ、形状及び断面寸法に関する導管の値を決めることは当業者次第である。導管は、特定の反応チャンバにおいて効果を生じるようにするため、排気ガスの熱が、その構成要素の外壁を通って内部へ間違いなく浸透するように、構成要素の外部に構成要素に沿って設けられている。
【００５７】
別の方法として、排気ガスから反応チャンバへの熱の伝達を促進させるために、排気ガスを運ぶ導管も、反応チャンバ自体の中を通るようにすることもできるし、又は反応チャンバ（内壁）の可能な限り近くを通るようにすることもできる。
【００５８】
図３は、図２に大まかに記載された改質燃料電池システムの具体的な実施例の概略図である。
【００５９】
これによると、燃焼器６からの排出ガスは、排気ガス流路導管７（ここでは、当然複数の導管が設けられるべき）を貫流し、水蒸気改質装置１０及び熱交換器１１へ同時に供給される。その後、水蒸気改質装置１０からの排気ガスは、熱交換器１２へ供給され、熱交換器１１からの排気ガスは、蒸発器１３へ供給される。これらに下流のシフトステージ１４が続き、そして、これにはガスファイン洗浄ステージ１５が順に続く。その後、排気ガスは燃料電池５へ供給される。
【００６０】
上述のように、排気ガスは、種々の構成要素を、その温度に関連して、大きい順に貫流する。したがって、水蒸気改質装置１０及び熱交換器１１は、供給ガス／水蒸気を加熱するための６５０℃から７５０℃の範囲にある作動温度を有する。その改質ガスを冷やすために設けられる下流の熱交換器１２及び蒸発器１３は、４００℃から５００℃の温度範囲で作動されている。それに比べ、下流が再び接続されているシフトステージ１４の作動温度は３００℃から３５０℃の範囲である。しかし、ガスファイン洗浄（符号１５）はたった１８０℃から２５０℃で作動されている。最後に、燃料電池は、５０℃から９０℃の温度範囲で作動されている。
【００６１】
温度レベルは、改質システム及び改質された燃料のタイプ及び実施形態によって変化するであろう。
【００６２】
図４は、本発明のさらなる実施形態の概略図を示す。簡素化のため、例えば図１により参照された、既に上述した同一の構成要素及び構造要素は、図４において同じように参照される。
【００６３】
図１に示された実施形態とは異なり、図４で示される排気ガス供給部７は、第１供給部１６及び第２供給部１７を含む。その結果、燃焼器６からの排気ガスは２つの流れに分割される。
【００６４】
第１供給部１６を通って供給される排気ガスは、部分改質システム２、３、４へ導かれる。しかしながら、第２供給部１７中の排気ガスは、燃料電池５へ直接供給される。このようにして、燃料電池５を直接加熱することが可能である。
【００６５】
補足として、二次空気１８は、第２供給部１７中の排気ガスの温度を下げるため、及び、このようにして、燃料電池５が過熱されることを防ぐため、第２供給部１７中の排気ガスへ供給される。
【００６６】
二次空気供給部として機能する送風機１９は、二次空気の流れを維持するために設けられている。
【００６７】
燃焼器６の上流において、二次空気１８は、燃焼器６へ供給される一次空気から取り出されうる。
【００６８】
送風機１９は、仮に燃焼器６が停止している場合でも、作動され得る。この場合、送風機１９は、作動中、燃料電池５を冷やすために、燃料電池５へ二次空気１８を供給する。
【００６９】
ここでは示されていないが、図４の変形例において、二次空気も、個々の改質システムの温度を所望の作動温度の値へ合わせるため、個々の改質システムへ供給される。
【００７０】
本発明による配置は、小型構造を構成する点、部分改質システム及び燃料電池が、選択的に、それぞれ特有の作動温度のレベルまで直接加熱され得る点、付加的な熱交換機及び／又は熱伝達媒体が不要である点、燃料電池及びガスファイン洗浄ステージのような、臨界温度での部分改質システムが過熱から守られる点、及び加熱過程が簡易化された方法で制御されるという点において、有利である。
【００７１】
原則に基づいて、本発明によるシステムは、そのシステムの始動するためだけでなく、仮に改質装置１及び燃料電池５の内部の排熱によっては、必要な作動温度レベルでシステムを十分に維持することができない場合に、低下した力（部分負荷モード）で作動している間に、熱エネルギーを提供するためにも適している。しかし、通常の作動中、及び全負荷モード中、熱は、通常、個々の部分改質システムの中（例えば、水蒸気改質装置１０の中、及び蒸発器１３の中）に内蔵されている燃焼器（図示されていない）によって供給される。そのとき、燃焼器６は停止され得る。もちろん、本発明におけるシステムも、全負荷モードで使用され得る。同様に、作動中、部分改質システム及び燃料電池５で発生する反応熱は、熱供給のために使われ得る。さらに、外部燃焼器も、本システムに結合され得る。
【００７２】
改質装置１に用いられる改質機器は、自己熱改質装置、水蒸気改質装置、部分酸化機器、又はクラック反応装置となり得る。水蒸気改質装置は、望ましい実施形態と考えられる。高温及び低温の温度変化、選択的酸化、又はメタン生成は、それに続くガス処理ステージにおいて使われ得る。原理に基づいて、部分改質システムは、いかなる構造も構成することができ、その中で、平板反応装置としての構造が、望ましい実施形態と考えられる。なぜなら、この場合、加熱導管（排気ガス流路導管７に相当する）は、個々の構成要素において、例えば直交流した熱交換器の導管のように、特に簡単な方法で、内蔵され得るからである。低温及び高温高分子電解質膜燃料電池も同様に、燃料電池の形態として適切である。
【００７３】
原理に基づいて、いかなる燃焼器の構造も、燃焼器６として使われ得る。望ましい燃焼器は、火炎高さの低い表面燃焼器（surface burner）であり、例えば、セラミック又は金属の表面、又は炭化珪素でコーティングされたセラミック繊維マットのような繊維材料の表面を有する燃焼器などである。
【００７４】
原理に基づいて、本発明による改質燃料システムは、１つのユニットとして、又は分離した１つ１つのシステムが、空間を隔てて分離して配置されるように形成され得る。しかし、適用事例の大部分にとって、同一又は極めて近い作動温度レベルをからなる単独のシステム（構成要素）は、部分システムを形成するように結合され得る。
【００７５】
低温高分子電解質膜燃料電池よりも本質的に高い一酸化炭素相溶性（CO compatibility）を有する高温高分子電解質膜燃料電池が用いられているとき、ガスファイン洗浄ステージ１５（図３）は無くても良く、このとき、作動温度レベルが室温から２５０℃、好ましくは１４０℃から２００℃の範囲にある燃料電池が、その代わりに使用され得る。
【００７６】
高温の燃焼器を通して、排気ガスを部分改質システム及び燃料電池へ供給するために設けられた排気ガス流路導管７の個々の導管は、望ましいいかなる構造も構成することができる。製造上の理由（エッチング又はエンボス加工技術、レーザ、浸食）により、望ましい使用は、縦導管からできており、それは大きな矩形断面をもつ直管である。反応物（実際の媒体の流れ）を収容する導管（図示されていない）に関する、排気ガス流路導管７の位置は、望ましいいかなる位置であってもよい。排気ガス流路導管７及び追加的な媒体導管がそれぞれ交差する十字形導管は、好ましい配置態様である。個々の構成要素におけるそれらの数及び配置は、必要な作動温度レベル、排気ガス流路導管の構造、加熱される種々の構成要素の質量、及び熱伝達の性質に依存する。適切には、排気ガス導管は、熱伝達が最大化され、排気ガス流れの圧力損失が最小化されるように設計される。
【００７７】
改質燃料電池システムの個々のステージ間において、起こりうる不要な熱伝達に対する断熱は、断熱材によって、及び／又は適切な方法により、前記構成要素が互いから離れ、空間を空けて配置することによって、行われ得る。仮に、空間的に分離して配置されている場合には、好ましくは、異なった作動温度レベルで働いているステージは、それぞれ５ｍｍから１００ｍｍ、特に好ましい距離は、１０ｍｍから４０ｍｍの範囲の距離をおいて、配置される。
【００７８】
外部への熱損失を最小化するため、及び排気ガス流路導管を密閉するためには、適切には、改質燃料電池システム一式を断熱材で取り囲み、ガスを通さない包装材を設けることを推奨する。
【００７９】
主として、本発明による改質燃料電池システムは、キャンピングカー（motor home）、旅行用トレーラ（travel trailer）、商品輸送車（commercial vehicle）、又は汽船など、移動装置（mobile
equipment）における装置内電流を提供するために使用され得る。前記移動装置は、運転室、客室、又は旅行用トレーラ又はキャンピングカーの居住空間のような利用可能空間を含んでいる。しかし、改質燃料電池システムは、移動装置のためだけでなく、固定装置においても設けられている。好ましい電力値は、およそ３ｋＷ（電気的に）までであり、特に好ましくは、５０Ｗから５００Ｗである。好ましい燃料は、プロパン又はプロパンとブタンとの混合物であるが、他の液体又は気体の炭化水素化合物（例えば、ディーゼル燃料、ガソリン、メタノール、や生バイオ燃料）でも、それらの燃料が適切に処理されるならば、利用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明における改質燃料電池システムの概略構成図。
【図２】本発明における改質燃料電池システムのさらなる実施形態の概略図。
【図３】図２のシステムの実施の概略図。
【図４】本発明のさらなる実施形態の概略図。
【図１】
2008532908.tif 000003
【図２】
2008532908.tif 000004
【図３】
2008532908.tif 000005
【図４】
2008532908.tif 000006
【国際調査報告】
2008532908.tif 000007
2008532908.tif 000008
2008532908.tif 000009
2008532908.tif 000010
2008532908.tif 000011
2008532908.tif 000012