(57)【要約】  本発明は、燃料電池(1)の予熱を強化する方法に関する。前記燃料電池(1)は、少なくとも１つの燃料電池ユニット(5)を含み、その燃料電池(2)は、アノード側(7)とカソード側(8)及びそれらの間に設けられる電解質(9)とともに、前記燃料電池(2)のそれぞれの間に設けられる結合プレート(6)を含む。本発明の方法において、前記アノード側での安全性ガスの流れが、少なくともその大部分が、前記カソード側(8)でのガス流れに含まれる熱エネルギーにより加熱される。本発明はまた、本発明の方法を実施する燃料電池システムに関する。
2011527498.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムの予熱を強化する方法であって、前記燃料電池システムが、少なくとも１つの燃料電池ユニットを含み、その燃料電池は、アノード側と、カソード側及びそれらの間に設けられる電解質とともに、前記燃料電池のそれぞれの間に設けられる結合プレートを含み、前記アノード側での安全性ガスの流れが、少なくともその大部分が、前記燃料電池ユニット内で、前記カソード側でのガス流れに含まれる熱エネルギーにより加熱されることを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記アノード側を流れる安全性ガスの加熱が、前記燃料電池ユニット内で、前記カソード側でのガス流れに含まれる熱エネルギーによる加熱にのみ基づくことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
熱が、前記燃料電池ユニットに運ばれる前に、前記カソード側のガスから前記アノード側のガスの流れへ追加的に移動されることを特徴とする、請求項１又は２のいずれかに記載の方法。
【請求項４】
アノード側からの安全性ガスの0-100%の範囲内のある割合、好ましくは50%、より好ましくは75%が、前記燃料電池のアノード側への再供給されるように適合されることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記燃料電池ユニットから放出される前記安全性ガスが、前記アノード側の装置に含まれる一以上の燃料前処理装置により、前記アノード側を加熱するために流れるように、転用されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記前処理装置が、プレリフォーマー及び/又は脱硫装置を含むことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記アノード側から放出される前記安全性ガスの流れが、前記安全性ガスを加熱するために前記アノード側に到達する前記安全性ガス関連して熱カスケードにおいて望ましい程度に流れるように適合されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
燃料電池システムの予熱を強化するための装置であって、前記燃料電池システムが、少なくとも１つの燃料電池ユニットを含み、その燃料電池は、アノード側と、カソード側及びそれらの間に設けられる電解質とともに、前記燃料電池のそれぞれの間に設けられる結合プレートを含み、前記アノード側での安全性ガスの流れが、少なくともその大部分が、前記燃料電池ユニット内で、前記カソード側でのガス流れに含まれる熱エネルギーにより加熱されることを特徴とする、装置。
【請求項９】
前記アノード側を流れる安全性ガスの加熱が、前記燃料電池ユニット内で、前記カソード側でのガス流れに含まれる熱エネルギーによる加熱にのみ基づくことを特徴とする、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記カソード側のガスからアノード側でのガスの流れへの熱の移動が、前記燃料電池ユニットに運ばれる前に、生じるように適合されることを特徴とする、請求項８又は９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記燃料電池ユニットのアノード側を通りそこで加熱される前記安全性ガスの0-100%の範囲内のある割合、好ましくは半分、より好ましくは75%が、前記燃料電池ユニットの前記アノード側へ再循環して戻るように適合されることを特徴とする、請求項８から１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記燃料電池ユニットから放出される前記安全性ガスが、前記燃料電池の前記アノード側の装置に含まれる一以上の燃料前処理装置により、前記アノード側を加熱するために流れるように、転用されることを特徴とする、請求項８-11のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記前処理装置が、プレリフォーマー及び/又は脱硫装置を含むことを特徴とする、請求項８-11のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記アノード側から放出される前記安全性ガスの流れが、前記安全性ガスを加熱するために前記アノード側に到達する前記安全性ガス関連して熱カスケードにおいて望ましい程度に流れるように適合されていることを特徴とする、請求項8から13のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は燃料電池システムに関する。その燃料電池システムは高温度で運転され、通常、実際の運転をスタートアップさせるために必要な、相対的に長い予熱工程を必要とする。実際、本発明は特にＳＯＦＣ（固体酸化物燃料電池）及びＭＣＦＣ（溶融炭酸塩燃料電池）型の燃料電池システムに有用である。これらは運転温度へ加熱するために数時間を要する。燃料電池の加熱は、通常運転を開始させるための温度のレベルまで持続する。ここで用語「予熱」とは、以下の状態を示すために用いる。すなわち燃料電池ユニットが冷不活性状態から通常の運転モードに活性化するに要する温度レベルへ加熱されることである。又は燃料電池システムの温度が、例えば一時的な運転中止の後、単純にこのレベルに戻される状態を意味する。ＳＯＦＣ型燃料電池の場合、通常予熱の最終温度は500-600℃の範囲である。最終的に、燃料電池の実際の運転温度は、通常600-1000℃の範囲に設定される。すなわちそれによる燃料電池の加熱は、予熱自体は停止されているけれども活性化後においても持続する。
【０００３】
燃料電池システムの不十分な予熱及び長時間のスタートアップサイクルは、多くの欠点を有する。まず、加熱は多くのエネルギーを消費する。ＳＯＦＣ型燃料電池の場合、スタートアップサイクルを通じてアノード側への安全性ガスが必要とされ、これは本来的コストを伴う。長時間スタートアップサイクルはまた、有用性を損なう。その使用は主に、静置設備型装置として、又は船のような大型の可動型ユニットと組み合わせて使用する、一定の基本量型の電気又は熱を生産するものに限定されている。それどころか、小型の可動型運転への、又迅速に活性化される電力生産の必要な運転への適用性にも乏しい。同じ問題は、ＭＣＦＣ型燃料電池システムにも大きくあてはまる。
【０００４】
アノード側で起こる加熱プロセスにおいて、特別の問題は、水素ガス又は還元性成分として供給される他のガス成分の高い引火性により生じる。装置の種々の部品におけるそれらの濃度と同様に温度についても特別の管理が要求される。これは爆発災害を引き起こす自動引火点に合致する値を超えないようにするためである。実際に、安全性ガス濃度は次のように制御されるべきである。すなわち、可能な漏れによる混合物（燃料電池は通常ある程度の量のガスをその周辺に漏らす）が、その性質が自動引火点に合致する値を下回るように維持されるべきである。自動引火点とは、主にＬＥＬ（爆発下限）、即ちより低い自動引火点である。例えば、室温での水素-窒素混合物の場合、これは水素濃度で約6%である。温度が上がるにつれて、その濃度は徐々により低くなる。このように、水素濃度は非常に厳密にその限界が課される。例えば水素濃度においてのほんのわずかな変化でさえも、ガス混合物のパラメータを、上で述べた引火点を十分越える値に非常に近くする。従って、安全性ガスがアノード側で加熱される場合、例えば異常運転により、結果として爆発災害の可能性のある水素ガス濃度又は安全性ガス温度を超えるという危険性がいつも存在する。アノード側に独立した加熱システムは、又それに伴う可能な安全設備と共にかなりの設備費用を生じ、さらに空間をも占めることとなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、燃料電池システムの予熱を強化する方法であり、前記燃料電池システムは少なくとも１つの燃料電池ユニットを含む。前記燃料電池は、アノード側、カソード側及びそれらの間の電解質とともに、前記燃料電池の間に結合プレートを含む。本発明の他の目的は、本発明の方法を適用する燃料電池である。
【０００６】
本発明の目的は、上で説明した従来技術の問題を減少させる又は完全に除去する解決方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的を達成するために、本発明で特定される方法は、請求項１の特徴事項記載による。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７の特徴事項による。加えて、本発明のいくつかの好ましい実施態様が従属請求項として記載されている。
【０００８】
本発明によれば、アノード側の予熱に用いるのは、燃料電池の効果的な内部熱の移動可能性である。燃料電池表面は、構造的に非常に重量のあるものであり、それゆえ、運転温度へ加熱するため多くの熱エネルギーを要する。実際、その内部熱移動は、効果的に運転されるように設計されてきた。一般的に、アノード側の放出ガスは、熱カスケードにおいて熱交換器を通じて戻される。従って、通常の運転条件では、燃料電池内で加熱され放出されるガスは、向流原理により入ってくるガスを温める。ここでは、この熱交換効果は、アノード側及びカソード側との間の熱移動可能性と同様に、アノード側の安全性ガスの加熱に適用される。同時に又は追加的に、即時の熱源としての加熱されたカソード側流れを用いて燃料電池のアノード側構造の加熱にも適用される。本発明の本質的な考えは、燃料電池システムに基づくアノード側の部品、少なくともその大部分の部品の加熱を、燃料電池によりカソード側からアノード側へと移動させることによる、というものである。このようにして、アノード側加熱は、特に燃料電池ユニット内で生じる。より具体的には、熱は、カソード（特に、ひとつの独立した燃料電池のカソード）から及び、特にカソード側の空気流れから、アノードへ電解質を横切って移動する。この熱の移動は、他の独立した燃料電池のアノードへ、結合プレートにより直接に、及び特にこの結合プレートのアノード側での安全性ガス流れの中へと移動する。カソード側で流れるガス混合物（通常は空気である）は最初は加熱される（即ち空気の流れの中に暴露された電気ヒーターで加熱される）。加熱空気は燃料電池表面に運ばれ、カソード側のフローチャンネルに流し込まれる。燃料電池内で、空気の熱は効果的にアノード側に移動し、さらにアノード側のフローチャンネルに流れる安全性ガスに移動する。結果として、燃料電池システムの加熱は単純になり、システムを運転温度にすることを促進する。
【０００９】
特に利点となる解決方法にひとつは、安全性ガス循環を持つアノード側を同時に備えることにより達成される。これは、アノード側ガス消費を抑えることと、アノード側の熱エネルギー使用の強化をともにもたらす。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、従来技術に対して種々の効果をもたらす解決方法を提供する。エネルギーコストの点において、より短いスタートアップサイクル及び強化された熱移動の手段によりコスト節約される。装置の点において、アノード側の加熱に要する加熱ユニットのいくつかを減らしてその電力を節約できるという利点、又は完全に除去できるという利点がある。利点は、装置コストの点、及びその装置の空間の点で得られる。システム適合可能性は又、加熱のより簡単な態様によって、カソード側及びアノード側との温度差が恒久的に小さいことによる改良と同様に改良される。さらに、本発明のさらなる実施態様による安全性ガス循環を持つアノード側を備えることにより、従来技術に比べてより熱損失を抑え、且つより効率的な熱移動により、エネルギーコストの特別の節約可能性がありうる。
【００１１】
本発明は以下、添付の図面を参照しつつ、より詳しく説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明のひとつの実施態様を模式的に示す。ここでカソード側の加熱は又アノード側の加熱に用いられる。
【図２】図２は、図１のＡ領域の拡大図であり、本発明の燃料電池において有用な熱移動プロセスを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、燃料電池システム１を模式的に示す。それに含まれる燃料電池ユニット5は、1以上の燃料電池スタックであって連続的に連結された燃料電池2を含む。燃料電池2は、アノード７、カソード８及びその間に設けられる電解質９を、個々の燃料電池の間に設けられたいわゆるインターコネクトである結合プレート６と共に含む。それは好ましくは一種の両極性プレートとして設計されており、ひとつの独立した燃料電池２のカソード側、及び他の独立した燃料電池２のアノード側に位置している。そしてこれらの間で、燃料電池間の電気伝導体として及びガスの分離壁として、ガスの電池から電池への無制御流れを阻止するように作用する。しかし最も重要なことは、アノード側にもカソード側にも燃料電池内でのガス流れのためのフロ−チャンネルを提供するということである。明確にするというだけの目的で、図１には、燃料電池スタック１９から単一の燃料電池２を示してある。
【００１４】
本出願においては、アノード側７とは、一般的に、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と、燃料の見地から、実際の個々の燃料電池アノードに対する燃料電池ユニット５の制限内で、燃料を運ぶための部品を意味する。また、カソード側８とは、カソード電極を意味し、同じく、燃料電池ユニット５の制限内でカソードへ空気を運ぶために設けられる部品も意味する。ここで、燃料電池５の間に設けられる結合プレート６内でアノード側と対応するカソード側に設けられている場合は、アノード側及びそのカソード側には、ガス流れのためのフローチャンネルを含むとする。こうして、アノード側には、安全性ガスと燃料が、及びカソード側には空気の流れとなる。
【００１５】
加えて、アノード７に安全性ガスを供給するために、供給手段が設けられる。ここでは供給ライン１０として表される。同じく、アノード側７から出て行く安全性ガスを燃料電池ユニットから排出するために、排出手段が設けられる。ここでは排出ライン１１と表される。さらに対応して、カソード側８へ空気を供給するために供給手段が設けられ、供給ライン１４と表されている。アノード側７とカソード側８への供給は、通常、上で説明した結合プレート６に設けられるフローチャンネルを用いて生じる。これは、その供給流れにより、実際のアノード/カソード電極へ進行するより前に、アノード電極とその対するカソード電極の全面積を横切って均一に分配される。燃料電池ユニット５のカソードから出て行くガスを排出するための手段が設けられており、それはライン１５で表される。明確にする目的で、他の供給手段及び排出手段はここには記載されていない。アノード側又はカソード側で又、燃料電池に供給する前に、燃料リフォーミングガス混合物を処理する可能な前処理装置が設けられている。そのような装置には、特にプレリフォーマー４及び脱硫装置３又はガススクラバー装置又は前処理装置のような装置を含む。
【００１６】
燃料電池２を予熱するために、アノード側安全性ガスとカソード側空気を共に加熱する加熱手段が設けられる。カソード側８に存在する空気加熱は、インラインヒーターにより直接に、又は熱交換装置により間接的に扱われることができる。図１には、カソード側の空気循環を加熱し温度を制御する手段が、供給ライン１４に適合させて加熱ユニット２４として表される。アノード側は、対応して、燃料電池に供給される前に安全性ガスを暖めるために従来技術による加熱装置２１が設けられる。
【００１７】
従来技術の装置において、かなりの量の熱が又、排出ガスと共に失われる。これは、燃料電池の両方の加熱に用いられた熱ガスが、燃料電池を通って流れ、そこから出て行くようにされているからである。同時に、これは、スタートアップサイクルに要求されるエネルギーの量を増大させる。アノード側で使用される安全性ガスの消費は、スタートアップサイクルを長時間にするのみならず、かなりのコストを要する結果となる。さらに、その装置は、アノード側及びカソード側の間の過度な温度差を生じることを許容しないように厳密な管理が必要となる。さらなる欠点は、上で説明した問題により生じるものであり、水素の自動引火に関することであり、アノード側加熱システムに特有である。
【００１８】
上で説明した問題を軽減するために、ここでは、アノード側加熱は、カソード側から得られる熱エネルギーの手段により燃料電池の仲介を通じて供される。このように、カソード側８のガス循環において含まれる熱が、今や本発明により、アノード側７の加熱のために用いられる。
【００１９】
カソード側８での空気流れの熱は、種々の方法で供されることができる。上で説明した、直接供給される熱という選択は、例えば、電気的に運転される加熱装置により実行されることができる。その使用は、空気流れの中に曝露させた電気ヒーターによりなすことができる。他方、バーナーによる場合、空気加熱は、バーナーの排気ガス流れの制御に基づき、分離した熱伝導表面の手段による。又はバーナーの排気ガスさえ、燃料電池のプロセス部品を通って流れる空気の直接加熱のために供給されることができる。バーナーの場合、しかしながら、間接加熱を実施することが次の場合薦められる。燃料電池への過剰な熱排気ガスの接近を安全に抑制することが望まれる場合、又は、燃料電池のカソード側での過剰な水蒸気を抑制することが望まれる場合である。他の熱源は又、次の場合有用である。すなわち空気加熱が、熱伝導表面を持つヒーター装置又は熱交換装置の手段により、間接的に供給が実施される場合である。さらに、そのシステムは、電気ヒーターとスタートアップバーナーの組込装置を用いて熱を供給されてもよい。他の可能性は、熱交換装置２９の手段により、外部へ出て行く暖かい空気の熱を回収しそれを入ってくる冷たい空気に移動することである。このプロセスは又、ライン４０、４１で示されるようにバイパスされることができる。しかしながら、次のことが強調されるべきである。すなわち、本発明は、カソード側ガス加熱のための、ここで与えられたいかなる方法又はそれらの組み合わせに限定されるべきでない、ということである。
【００２０】
カソード側ガス混合物は、一般的には空気であり、そのまま又は適切に前処理されたものである。例えばフィルター処理や乾燥処理である。加熱空気は、好ましくは結合プレート６に形成されるフローチャンネル１０２によりカソード側に運ばれる。これは図１のＡ領域の拡大図２に示される。対応して、アノード側で、安全性ガスの供給は、適切な時点での燃料の供給と同じく、番号１０１で示されるフローチャンネルにより行われる。カソード側での空気流れは、今や加熱状態であり、アノード側へ供給されるべきまだ加熱されていない空気よりも明らかに高い温度に設定されている。従って、空気伝達熱は、共に個々の燃料電池内にあるアノード側からカソード側へ、特にひとつの燃料電池のカソード側８から他の燃料電池のアノード側へ、燃料電池スタック中を通る。このように図中矢印１００で示すように、熱は最初隣り合うカソード側とアノード側とを電解質９を横切って通過する。次にそして最も重要であるが、図中矢印２００で示すように、熱は直接、そこに存在するアノード側７とカソード側８との間のフローチャンネル（図示されていない）の間の結合プレート６を横切る。燃料電池スタックは、複数の個々の、連続的に直列される単一燃料電池２を含み、及びそれらを結合する結合プレートを含むものであることから、結合プレートは、好ましくは、隣り合う燃料/空気フローチャンネル（これらは図２でフローチャンネル１０１，１０２として示される）を持って供される。アノード側及びカソード側の間の物質の厚みは、結合プレート内で最小となり、流れは最大の強度となり、それゆえに最善の熱移動効率を与える。
【００２１】
従って結合プレート部品は、ガス/ガス熱交換として高い適合性と効果を有する。従って、燃料電池表面の優れた熱伝導性能を利用することにより、及び特にフローチャンネルの間の結合プレート６の便利な小サイズ寸法を利用することにより、カソード側空気流れへ移動する熱の一部分が、効果的にアノード側安全性ガス流れへと通ることができる。結合プレートの物質をできるだけ高い熱伝導性のものを選択することで熱移動がさらに強化される、ということはあり得る。本発明によれば、又、そこに存在するフローチャンネルの配置、寸法及び形状が、結合プレートを横切るできるだけ優れた熱移動を達成するという目的に応じて行われることは利益がある。
【００２２】
アノード側７を循環する安全性ガスは、燃料電池内で効果的にかつスムーズに暖められる。燃料電池から流れ出た後、それはアノード側すなわち燃料側の他の装置部品へ熱移動のために又用いられることができる。そのような部品には、特にプレリフォーマ４及び他の可能な燃料前処理装置又はスクラバー装置３が含まれる。燃料電池内で作用するアノード側加熱の効果により、今や、アノード側に含まれる加熱部品のための別の過熱装置２１は完全に放棄することが可能である。前加熱サイクルの間でさえ、熱交換装置３０の手段を用いて、外に出て行く暖かい空気から熱を回収し、それを入ってくる冷たい空気へ移動してそれを前加熱するように設定することも又実行可能である。このプロセスは、ライン４２，４３により示されるようにバイパスすることができる。
【００２３】
本発明は、燃料電池システムの様々な部品においてスムーズに温度を増加させることができるが、これは、アノード側だけに設けられるヒーター２４、２９の手段による。燃料電池内で生じる効果的な熱移動及びガスの流れの効果により、アノード側とカソード側との温度差は、同時に、十分制御可能に維持され、一方加熱はより効率的になる。次のことは注意されるべきである。すなわちアノード電極とカソード電極との間の温度差は、過剰になることは許されず、これは加熱過程の間でさえそうである、ということである。最大の温度差は通常、200℃である。本発明の方法を適用することで、この温度差は、同時に効果的に管理することができ、温度差は望ましい範囲に安全に維持される。効果的加熱の結果、システムは、その加熱時間を短くできエネルギー消費がスタートアップサイクルで減少される。同時に、安全性がスタートアップの消費が又減少する。一般的な意味で、燃料電池の使用可能性についての改良も又なされたといえる。
【００２４】
（本発明のいくつかの他の実施態様）
本発明により提供される装置は、上で説明した実施態様には決して制限されるものではなく、目的はただ、主本発明の主な原理を簡単化された方法及び構成で説明するためだけである。
【００２５】
本発明のさらなる実施態様によれば、アノード側７から出て行く安全性ガスの流れを、アノード側７に入っていく安全性ガスの流れに応じた熱カスケードにおいて強化されるように流れを適合させることができる。これは、結合プレートにおいて、それに設けられるアノード側のフローチャンネルの相対的配置を次のようにすることで達成される。すなわち、冷たい流れ込むアノード側流れと、加熱され出て行くアノード側流れとの間の効果的な熱移動が形成されるようにすることである。この本発明の特別の側面は、同様に、燃料電池ユニット５の外部の、供給流れに関して燃料電池ユニット５のすぐ上流に位置する熱交換装置の手段により実行することができる。言い換えると、入ってくる安全性ガスの供給流れは、燃料電池ユニット２５から出たすぐの暖められた安全性ガスで、図１で熱交換装置３０として示される手段により加熱される。
【００２６】
本発明のひとつの実施態様において、アノード側及びカソード側の間の熱移動は、燃料電池ユニット５との関係で生じる熱移動における移動に適合するだけでなく、燃料電池ユニット５へ移動する前の、燃料電池ユニット５の完全に外部でも適合させることができる。図１には参照番号５０は、カソード側とアノード側供給流れの間の望ましい熱移動を表すための熱交換装置を示し、燃料電池ユニット５の外側ですぐ上流に位置する。それにより、カソード側とアノード側との温度差は、自動的に均一化され、燃料電池ユニットの構造の中で過度の温度差が生じることを抑制する。これは、構造の耐久性の点から際立った明確な効果である。
【００２７】
一方、本発明の解決方法において、アノード側及びカソード側パイプシステム及びそれに関連する構造は、できるだけ効率的にフロー間の熱移動を与えるという観点から特に熱移動に関して設計されることができる。このようにして、この目的のために別の熱移動装置を使う必要もなく、熱移動が可能となる。
【００２８】
図１で熱移動装置５０ｂと表されている、燃料電池の上流の、燃料電池ユニットの内部熱移動は、実際には例えば、アノード及びカソード流れのインフローチャンネルを緊密に接触させることで実施可能である。その流れは、効果的なチャンネル間の効果的熱移動の観点から、ガス分配部材及び燃料電池ユニットの支持構造の両方にとって、決めることができる。ひとつの本質的な概念及び利益は、アノード側及びカソード側の間の温度差を均一化する（いずれにしても必須である）ための支持構造を効果的に使用できることである。加えて、熱の対流を強化することができる適切な渦流（乱流）を形成することを促進するために、ガスフローチャンネルの表面処理を決めることができる。逆ではあるが、過度の圧力損失の増加を避けるため、圧力損失を又考慮することでチャンネルのための表面処理の選択がなされることが好ましい。
【００２９】
また熱移動装置は、例えば溶接原理により組み立てられる結合構造で実施されることができる。アノード及びカソードフローチャンネルは、熱移動領域を最大化するために、複数の並べられた及び折り返された部分に分けられることができる。その構造は、例えば、ガス乱流促進パネルタイプ部材又はパイプ、及び内部シェル側を有する熱移動装置であり得る。より高い熱流を有する流れ−この場合、カソードガス−は、好ましくはシェル側に位置する。さらに、このような構造において、熱移動を最大にする肋材の追加は、上で説明したように決められた構造において追加するよりもより便宜である。同様に、薄い分離壁の実施がより容易である。
【００３０】
熱移動要素５０、５０ｂは、従来技術の熱交換装置を用いることで提供され得る。管状、層状の熱交換装置を、板状熱交換装置と同様、使用することができる。いくつかのユニットの、１又はそれ以上が、直列に又は並列に結合されてもよい。熱交換装置は、向流、順流又は交差流又はそれらの組み合わせで操作されてよい。選択は、例えば利用可能な空間と同様に、燃料電池に流れ込むガスの方向−言い換えれば、操作が、交差流、向流又は順流スタックで実施されるかどうか−により、なされる。本発明の装置は、再生熱交換装置を使用する方法で実施可能である。この場合、しかしながら、高品質のシーリングを確認すること及び可能なガス漏れからくる爆発性ガス混合物の蓄積を阻止することが特に重要である。加えて、装置の信頼性に関して、再生熱交換装置の運転に必要な外部エネルギーは、他の型の熱交換装置に比べて余分な信頼性の問題を持つ。
【００３１】
いずれにしても、燃料電池へ運ばれる前のカソード側とアノード側のガス流れの、本発明の熱交換装置においての温度差は、通常、熱移動の立場から効果的であるフローチャンネルシステムを設計するにしばしば十分である程度の大きさである。これは、温度差を、燃料電池へ運ばれる前の望ましい最大値−通常200℃−よりも十分低く限定するためにさえ十分である。
【００３２】
本発明のさらに別の実施態様によれば、アノード側７に安全ガス再循環をさらに設けることであり、これにより安全性ガスの使用に関連するコストが劇的に減少される。安全性ガス（アノード側を通り、燃料電池へ出ていく）の全流れのある割合が、図１のライン１２に沿ってアノード側を通って次のようにして他の流れを作る。すなわち、燃料電池からの放出される安全性ガスを分離して、それを適切な場所で燃料電池へ向かう安全性ガス供給と結合することによってである。再循環される安全性ガスの割合が高いほど、その供給ラインへの最初の安全性ガスの供給の割合が高くなり、供給ラインへの供給は全体として省かれ得る。同時に、熱エネルギーの作用効率はよりさらに強化される。
【００３３】
全体の流れから再循環させる安全性ガスの割合は、基本的には0-100％の全範囲から望ましいように選択することができる。好ましくは、半分以上の安全性ガスがアノード側に戻され、最も便宜的には７５％より大きい。このように、再循環割合を制御するプロセスにおいて、種々の安全性ガス成分の濃度における変化や相対的比率を考慮することができる。いずれにしても特に重要なことは、それぞれの温度での遊離水素Ｈ２の量を爆発点に合致する濃度よりも低く維持することである。同様に、再循環の程度を制御するプロセスで、安全性ガス中の不活性成分（即ちこの場合窒素である）を増やすことを考慮することができる。同時に、最初の供給がその量と成分に関して一定に維持される限り、還元性成分の量を循環の程度を調節することだけで調節することを実施することが可能である。
【００３４】
アノード側に流れる安全性ガスの再循環は、燃料電池において移動される熱を特に効果的に使用する方法を提供する。というのは、安全性ガスと共にシステムから流れ出る熱流れの量が最小化され得るからである。それゆえに、安全性ガスの熱は、さらに、燃料側の部品にエネルギー効率的に分配され得る。それにより、それらの部品をそれらの運転温度へ加熱する際に、以前よりより少ない熱損失を達成され得る。熱移動はさらに次の事実で強化される。すなわち、安全性ガス再循環により、燃料電池ユニット内でのその全体流速は増加し、一方その絶対消費量は減少する。流れ効率が増加することは、燃料電池ユニットと、及び燃料電池ユニットの外部の他のアノード側装置とにおいて共に、従来よりより効率的な熱移動であることに等しい。図１で参照番号１３は、それに沿って再循環安全性ガスの通り道としてあり得る可能な選択的ルートを示す。安全性ガスは、例えば、プレリフォーマー４、及び脱硫装置３又は他の可能な燃料前処理装置を加熱するために使用できる。
【００３５】
本発明の方法により、アノード側又は燃料側での分離した加熱は必要ない。そして燃料側の部品のための分離した加熱装置２１は完全に放棄できる。同様に、循環ラインのための可能な加熱装置２５は省略できる。一方、分流を循環に戻す前に再循環目的の安全性ガスの処理手段を提供することは可能である。酸素と反応した水素を分離すること、つまりアノード側へ戻す前に、実際に安全性ガスから水蒸気を除くことは特に有益である。このようにして、安全性ガスができる限り乾燥状態を維持され、同時に水素の割合が、全再循環目的のガス流れにおいて増加させることができる。
【００３６】
さらに、未使用の安全性ガスの量、即ち最初の安全性ガスの流れの量は、能動制御を用いることでさらに効率的に最小化され得る。そのように、例えば、安全性ガスの最初の供給量が、ここで、再循環の割合はいくらかに基づくのと同様に、安全性ガスの還元性成分がいくらアノード側で消費されたかに基づき、ライン１０で制御可能となる。この調節は、ガスの成分にさらに干渉することなく、単に最初の安全性ガスのマスフローを制御することで実施可能である。
【００３７】
不活性ガスは、即ちこの場合窒素であるが、還元に使われないから、安全性ガスの再循環においては、そのような不活性ガスは定量的に循環される。また割合的には水素よりも多い。というのは、水素は常にアノード側を通る流れにおいて消費されるからである。従って、安全性ガス内の窒素の割合は増加する傾向にある。これは、最初の安全性ガスの成分を又追加的に調節することにより打ち消すことができる。本発明のさらにひとつの実施態様において、アノード側で、燃料電池内で酸化した水素は、通常の安全性ガス混合物で置換されるのではなく、その代わり、望ましい程度の濃度の水素混合物により置き換えられるか、又は水素割合が未使用の最初の安全性ガス内で増加されるかである。実際には例えば、分離した入れ物に、窒素と水素又は窒素と水素を多く含む混合物を入れて供給することができる。その供給量と混合比率は必要に応じて制御される。
【００３８】
さらに本発明のひとつの実施態様によれば、安全性ガスの再循環は又、燃料電池ユニット５の少なくとも一部で実行されてもよい。安全性ガスの一部分は、燃料電池ユニット５全体から追い出されることは全く必要なく、アノード側フローチャンネルを出るとすぐに、破点線マークのライン２３に沿って、ポンプ２８又は同様のブースターの助けにより分流され、アノード側供給流れに直接戻される。これにより、同時に実際の燃料電池内の安全性ガスの流れが強化される。同様に、例えばカソード側とアノード側との温度差が、できる限り小さくされ得る。好ましくは、しかしながら、安全性ガスの流れの一部が、燃料電池ユニットの外部の循環路、例えば安全性ガスの必要な脱水を実行するための循環路によって経路付けされていることである。
【００３９】
図１で破点線は、カソード側での可能な空気循環ライン１７を表し、同様にそこに与えられるヒーター３９も示される。カソード側からの空気の放出はライン１７により実施され、望ましい程度の割合で燃料電池のカソード側に再循環される。それにより、例えばいまだ加熱空気に付する熱は、燃料電池の加熱プロセスで最大化される。同様に、カソード側空気の再循環は、空気の前加熱として作用する熱交換装置２４の要求を下げるために使用されることができる。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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