(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池装置であって、
少なくとも１つの負極（１４）及び少なくとも１つの正極（１６）を有する燃料電池ユニット（１２）と、
少なくとも１つの第１熱交換器（２０）を有する少なくとも１つの負極ガス処理装置（１８）と、
少なくとも１つの第２熱交換器（２４）を有する少なくとも１つの正極ガス処理装置（２２）と、
を備える燃料電池装置において、
前記少なくとも１つの第１熱交換器（２０）及び前記少なくとも１つの第２熱交換器（２４）は、それぞれ螺旋形に構成されており、
前記少なくとも１つの第１熱交換器（２０）及び前記少なくとも１つの第２熱交換器（２４）は、１つの構造的なユニットの少なくとも一部を形成しており、
前記少なくとも１つの第１熱交換器（２０）を前記少なくとも１つの第２熱交換器（２４）から流体技術的に分離するために設けられた少なくとも１つの分離要素（４２）が設けられており、
前記少なくとも１つの第１熱交換器（２０）は、第１収容空間（２８）の周囲に巻回されており、
前記少なくとも１つの第２熱交換器（２４）は、第２収容空間（３２）の周囲に巻回されている、
ことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの第１熱交換器（２０）及び／又は前記少なくとも１つの第２熱交換器（２４）は、二重螺旋として構成されている、
請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの負極ガス処理装置（１８）は、前記少なくとも１つの第１熱交換器（２０）の内部に配置された改質ユニット（２６）を有する、
請求項１又は２記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記第１収容空間（２８）の内部には、前記燃料電池ユニット（１２）が配置されている、
請求項１から３のいずれか１項記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの正極ガス処理装置（２２）は、排ガスの少なくとも１つの可燃性成分の一部又は全部を後燃焼するために設けられた後燃焼ユニット（３０）を有する、
請求項１から４のいずれか１項記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記第２収容空間（３２）の内部には、前記後燃焼ユニット（３０）が配置されている、
請求項５記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つの第１熱交換器（２０）及び／又は前記少なくとも１つの第２熱交換器（２４）は、少なくとも１つの流体を螺旋軸（３６）に対して平行にメアンダ形に誘導するために設けられた流体誘導ユニット（３４）を有する、
請求項１から６のいずれか１項記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つの正極ガス処理装置（２２）は、排ガスの少なくとも１つの可燃性成分の一部又は全部を後燃焼するために設けられた後燃焼ユニット（３０）を有し、
前記少なくとも１つの分離要素（４２）は、負極排ガスの少なくとも一部、及び／又は、天然ガスの少なくとも一部、及び／又は、正極排ガスの少なくとも一部を前記後燃焼ユニット（３０）に供給するために設けられた少なくとも１つの流体接続部（４４）を有する、
請求項１から７のいずれか１項記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第７８９２６８４号明細書（US 7,892,684）から、円筒形の燃料電池スタックと熱交換器とを備える燃料電池装置が公知であり、この燃料電池装置では、熱交換器が燃料電池スタックの周囲に螺旋形に巻回されている。熱交換器は、燃料電池スタックの負極側に供給される燃料ガス、又は、燃料電池スタックの正極側に供給される周囲空気を加熱するために設けられている。これら２つの流体流を、この熱交換器を用いて同時に加熱することは不可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７８９２６８４号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
発明の開示
本発明は、特に天然ガスを用いて動作させるために設けられた燃料電池装置であって、少なくとも１つの負極及び少なくとも１つの正極を有する燃料電池ユニットと、少なくとも１つの第１熱交換器を有する少なくとも１つの負極ガス処理装置と、少なくとも１つの第２熱交換器を有する少なくとも１つの正極ガス処理装置と、を備える燃料電池装置に関する。
【０００５】
前記少なくとも１つの第１熱交換器及び前記少なくとも１つの第２熱交換器を、それぞれ螺旋形に構成することが提案される。
【０００６】
特に本明細書の関連における「燃料電池装置」とは、特に電気エネルギ及び／又は熱エネルギを、少なくとも１つの燃料電池ユニットを使用して定置式及び／又は移動式に獲得するための装置であると理解すべきである。特に本明細書の関連における「燃料電池ユニット」とは、少なくとも、特に連続的に供給される少なくとも１つの燃料ガス、特に水素及び／又は一酸化炭素と、少なくとも１つの酸化剤、特に酸素との化学反応エネルギを、特に電気エネルギに変換するために構成された少なくとも１つの燃料電池を有するユニットであると理解すべきである。少なくとも１つの燃料電池は、特に固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）として構成することができる。少なくとも１つの燃料電池ユニットは、好ましくは複数の燃料電池を含み、これらの燃料電池は、特に円筒形及び／又は平面形の燃料電池スタックの形態で配置されている。特に「設けられている」とは、特別にプログラミングされていること、設計されていること、及び／又は、設置されていることであると理解すべきである。ある対象物が所定の機能のために設けられている、とは特に、当該対象物が当該所定の機能を少なくとも使用状態及び／又は動作状態において実現及び／又は実施することであると理解すべきである。特に本明細書の関連における「天然ガス」とは、少なくともアルカン、特にメタン、エタン、プロパン、及び／又はブタンを含む、ガス及び／又はガス混合物、特に天然ガス混合物であると理解すべきである。天然ガスはさらに、特に一酸化炭素及び／又は窒素及び／又は酸素及び／又は硫黄化合物のような別の成分を含むことができる。
【０００７】
特に本明細書の関連における「ガス処理装置」とは、特に気体状である流体を、燃料電池ユニット内で起こる反応の範囲内で使用する目的で、燃料電池ユニットの負極及び／又は正極に供給する前に精製するために設けられたユニットであると理解すべきである。特に少なくとも１つの負極ガス処理装置は、特に天然ガス及び／又は燃料ガス及び／又は燃料ガスを含有するガス混合物を反応温度まで加熱するため、並びに／若しくは、天然ガスを燃料ガス及び／又は燃料ガス混合物に変換するために設けられている。特に少なくとも１つの正極ガス処理装置は、特に周囲空気を反応温度まで加熱するために設けられている。特に本明細書の関連における「熱交換器」とは、特に向流動作において、特に流体状である少なくとも２つの物質流の間の温度差の方向に熱を伝達するために設けられたユニットであると理解すべきである。特に少なくとも１つの第１熱交換器は、少なくとも１つの流体状の物質流、特に排ガス、好ましくは燃料電池ユニットの負極排ガスの熱を、特に燃料電池ユニットの負極の少なくとも１つの動作状態において供給された天然ガス及び／又は燃料ガス及び／又は燃料ガスを含有するガス混合物に伝達するために設けられている。特に少なくとも１つの第２熱交換器は、少なくとも１つの流体状の物質流、特に排ガス及び／又は燃料電池ユニットの排ガス混合物の熱を、燃料電池ユニットの正極の少なくとも１つの動作状態において供給された周囲空気に伝達するために設けられている。
【０００８】
少なくとも１つの第１熱交換器及び少なくとも１つの第２熱交換器がそれぞれ「螺旋形」に構成されている、とは特に、少なくとも１つの第１熱交換器及び少なくとも１つの第２熱交換器が、それぞれ１つの螺旋軸を中心にして延在する流体チャネルをそれぞれ少なくとも１つ有することであると理解すべきであり、この場合には、この螺旋軸を起点とした、少なくとも１つの流体チャネルの延在の半径は、特に螺旋軸に沿って見たときに、特に螺旋軸を中心とした少なくとも１つの流体チャネルの延在の回転角度に比例して連続的に増加する。少なくとも１つの第１熱交換器の少なくとも１つの流体チャネルと、少なくとも１つの第２熱交換器の少なくとも１つの流体チャネルとは、好ましくは１つの共通の螺旋軸を中心にして延在している。少なくとも１つの流体チャネルは、好ましくは螺旋軸に対して少なくとも実質的に垂直に延在する少なくとも１つの第１部分を有する。少なくとも１つの流体チャネルはさらに、螺旋軸に対して少なくとも実質的に垂直に延在する少なくとも１つの第２部分を有することができる。特に本明細書の関連における「流体チャネル」とは、特に相対する２つの側の少なくとも一方の側、特に少なくとも実質的に気密に密閉されたチャネルであると理解すべきであり、このチャネルは、少なくとも動作状態において、少なくとも１つの第１熱交換器又は少なくとも１つの第２熱交換器を通る少なくとも１つの流体流を誘導するために設けられている。
【０００９】
本発明に係る実施形態によれば、上位概念に記載された燃料電池装置に、有利な動作特徴が具備された燃料電池装置を提供することができる。特に有利には、少なくとも１つの動作状態において燃料電池ユニットの負極側に供給される燃料ガスと、少なくとも１つの動作状態において燃料電池ユニット正極側に供給される周囲空気との双方を、反応温度まで加熱することができ、これによって有利には、燃料電池ユニットの効率を改善することが可能となる。さらには、少なくとも１つの第１熱交換器及び少なくとも１つの第２熱交換器を螺旋形に構成することによって、所要の構造スペースの有利な削減が可能となる。
【００１０】
さらには、前記少なくとも１つの第１熱交換器及び／又は前記少なくとも１つの第２熱交換器を、二重螺旋として構成することが提案される。少なくとも１つの第１熱交換器及び／又は少なくとも１つの第２熱交換器が「二重螺旋として構成されている」、とは特に、少なくとも１つの第１熱交換器及び／又は少なくとも１つの第２熱交換器がそれぞれ少なくとも２つの流体チャネルを有することであると理解すべきである。少なくとも１つの第１熱交換器及び／又は少なくとも１つの第２熱交換器の少なくとも２つの流体チャネルは、螺旋軸に対して少なくとも実質的に垂直であって、且つ、特に少なくとも１つの第１熱交換器及び／又は少なくとも１つの第２熱交換器の螺旋軸を中心にして同心状に延在する第１部分を、それぞれ少なくとも１つ有する。少なくとも２つの流体チャネルはさらに、少なくとも１つの第１熱交換器及び／又は少なくとも１つの第２熱交換器の螺旋軸に対して少なくとも実質的に垂直に延在する第２部分を、特にそれぞれ少なくとも１つ有する。少なくとも２つの流体チャネルは、好ましくは互いに熱的に結合されており、好ましくは直接的に隣接しており、特に有利には少なくとも１つの共通の周壁を有する。この場合には、少なくとも２つの流体チャネルは、特に少なくとも大部分が流体技術的に互いに分離されている。こうすることによって、特に向流原理に即した、少なくとも１つの第１熱交換器及び／又は少なくとも１つの第２熱交換器の有利で効果的な動作を実現することが可能となる。
【００１１】
さらには、前記少なくとも１つの負極ガス処理装置が、前記少なくとも１つの第１熱交換器の内部に配置された改質ユニットを有するようにすることが提案される。特に本明細書の関連における「改質ユニット」とは、少なくとも天然ガスを特に水蒸気改質法及び／又は部分酸化法及び／又は自己熱改質法によって精製して、特に少なくとも１つの燃料ガス及び／又は燃料ガスを含有するガス混合物を獲得するための、化学技術的なユニットであると理解すべきである。特に改質ユニットの一部、好ましくは改質ユニットの全体が、少なくとも１つの第１熱交換器の少なくとも１つの流体チャネルの内部に配置されている。こうすることによって有利には、燃料電池ユニットに供給される天然ガスを、燃料ガス及び／又は燃料ガスを含有するガス混合物へと簡単に変換することが可能となる。特に改質ユニットを少なくとも１つの熱交換器の内部に配置することによって、追加的な外部の改質ユニットを省略することが可能となり、これによって有利には、所要の構造スペースを格段に削減することが可能となる。
【００１２】
本発明の１つの好ましい実施形態では、前記少なくとも１つの熱交換器を、第１収容空間の周囲に巻回し、前記第１収容空間の内部に、前記燃料電池ユニットを配置することが提案される。熱交換器が収容空間の周囲に巻回されている、とは特に、熱交換器の少なくとも１つの流体チャネル、好ましくは全ての流体チャネルが、収容空間の周囲に少なくとも１周、好ましくは複数周に亘って、特に少なくとも部分的に螺旋形に、延在しているということであると理解すべきである。特に「収容空間」とは、熱交換器の、観察可能な外面とは反対側にある、特に少なくとも部分的に外部からは観察不可能な内面によって画定された空間領域であって、しかも、特に少なくとも２つの側面、好ましくは少なくとも３つの側面によって画定された空間領域のことであると理解すべきである。第１収容空間は、特に周方向において、少なくとも１つの第１熱交換器の内面によって少なくとも実質的に包囲されている。特にある対象物の「周方向」とは、当該対象物の長手延在方向に対して垂直に配置された方位角方向であると理解すべきである。特にある対象物の「長手延在方向」とは、当該対象物をちょうどぴったり取り囲む最も小さい幾何学的な直方体の最も長い辺に対して平行な方向であると理解すべきである。第１収容空間が熱交換器の内面によって「少なくとも実質的に包囲」されている、とは特に、組み立てられた状態において熱交換器の内面が収容空間を包囲し、熱交換器の内面にある全ての切欠部の総面積が、当該熱交換器の内面の総面積の最大で４０％、特に最大で３０％、好ましくは最大で２０％、特に好ましくは最大で１０％であるということであると理解すべきである。第１収容空間は、好ましくは少なくとも実質的に円形である底面を有し、少なくとも１つの第１熱交換器の螺旋軸は、好ましくはこの底面の中心点に少なくとも実質的に垂直に交差する。こうすることによって、特に少なくとも１つの第１熱交換器によって形成された螺旋の中央に、特に燃料電池ユニットのための収容空間を形成することが可能となる。さらに有利には、少なくとも１つの第１熱交換器を介して流体を燃料電池ユニットに簡単に供給することが可能となり、及び／又は、少なくとも１つの第１熱交換器を介して燃料電池から少なくとも１つの流体を簡単に排出することが可能となる。さらに有利には、燃料電池ユニットの排熱を利用することが可能となる。
【００１３】
さらには、前記正極ガス処理装置が、排ガスの少なくとも１つの可燃性成分の少なくとも大部分を後燃焼するために設けられた後燃焼ユニットを有するようにすることが提案される。後燃焼ユニットは、好ましくは特に負極排ガス中に含まれる燃料ガスの少なくとも大部分を酸化させるために設けられている。燃料ガスの酸化に必要な酸素は、特に正極排ガスの形態で、後燃焼ユニットに供給することが可能である。後燃焼ユニットは、特に燃料電池装置の始動動作状態中に、好ましくは天然ガスを用いて動作させることが可能である。特に後燃焼ユニットは、触媒アフターバーナ、拡散バーナ、熱交換器付バーナ、部分予混合バーナ、完全予混合バーナ、及び／又は、多孔バーナを含み得る。こうすることによって有利には、燃料ガス、特に水素の排出を低減することが可能となり、これによって有利には、装置の安全性を向上させることが可能となる。さらに有利には、負極排ガスの化学エネルギを熱に変換することが可能となる。
【００１４】
さらには、前記少なくとも１つの第２熱交換器を、第２収容空間の周囲に巻回し、前記第２収容空間の内部に、前記後処理ユニットを配置することが提案される。第２収容空間は、特に周方向において、少なくとも１つの第２熱交換器の内面によって少なくとも実質的に包囲されている。第２収容空間は、好ましくは少なくとも実質的に円形である底面を有し、少なくとも１つの第２熱交換器の螺旋軸は、好ましくはこの底面の中心点に少なくとも実質的に垂直に交差する。こうすることによって、特に少なくとも１つの第２熱交換器によって形成された螺旋の中央に、特に後燃焼ユニットのための収容空間を形成することが可能となる。さらに有利には、少なくとも２つの第１熱交換器を介して流体を後燃焼ユニットに簡単に供給することが可能となり、及び／又は、少なくとも１つの第２熱交換器を介して後燃焼ユニットから少なくとも１つの流体を簡単に排出することが可能となる。さらに有利には、燃料電池ユニットの排熱を利用することが可能となる。
【００１５】
さらには、前記少なくとも１つの第１熱交換器及び／又は前記少なくとも１つの第２熱交換器が、少なくとも１つの流体を螺旋軸に対して少なくとも実質的に平行にメアンダ形に誘導するために設けられた流体誘導ユニットを有するようにすることが提案される。このために流体誘導ユニットは、好ましくは複数の流体誘導要素を有しており、これらの流体誘導要素は、特に流体の流れ方向に沿って、少なくとも１つの第１熱交換器及び／又は少なくとも１つの第２熱交換器の少なくとも１つの流体チャネルの内部に配置されている。特に「少なくとも実質的に平行」とは、１つの平面上における、基準方向に対して相対的なある１つの方向の方向性であると理解すべきであり、この場合、当該方向は、基準方向に対して最大でも１０°、特に最大でも７．５°、好ましくは最大でも５°、特に有利には最大でも２．５°の相違を有する。こうすることによって有利には、少なくとも１つの第１熱交換器及び／又は少なくとも１つの第２熱交換器の効率を改善することが可能となる。
【００１６】
本発明の別の１つの実施形態では、前記少なくとも１つの第１熱交換器及び前記少なくとも１つの第２熱交換器が、１つの構造的なユニットの少なくとも一部を形成するようにすることが提案される。本明細書の関連における、少なくとも１つの第１熱交換器及び少なくとも１つの第２熱交換器が１つの構造的なユニットの「少なくとも一部を形成している」、とは特に、少なくとも燃料電池装置が組み立てられた状態において、少なくとも１つの第１熱交換器と少なくとも１つの第２熱交換器とが、例えば形状結合及び／又は摩擦結合及び／又は素材結合によって相互に直接的に結合されていること、及び／又は、例えば燃料電池装置の少なくとも１つの別のコンポーネントを介して相互に間接的に固定的に結合されていることであると理解すべきである。こうすることによって有利には、燃料電池装置の構造をコンパクトにすることが可能となる。さらには、少なくとも１つの第１熱交換器と少なくとも１つの第２熱交換器とを１つの構造的なユニットとして構成することによって、有利な密閉性、特に気密性を実現することが可能となる。
【００１７】
前記燃料電池装置に、前記少なくとも１つの第１熱交換器を前記少なくとも１つの第２熱交換器から流体技術的に分離するため、好ましくは完全に分離するために設けられた少なくとも１つの分離要素が設けられている場合には、有利には、少なくとも１つの第１熱交換器の少なくとも１つの流体チャネルの内部にある少なくとも１つの、好ましくは全ての流体状の物質流と、少なくとも１つの第２熱交換器の少なくとも１つの流体チャネルの内部にある少なくとも１つの、好ましくは全ての流体状の物質流との混合を、少なくとも大幅に回避することが可能となる。本明細書の関連における「分離要素」とは、少なくとも１つの第１熱交換器と少なくとも１つの第２熱交換器との間において、少なくとも１つの第１熱交換器及び少なくとも１つの第２熱交換器の螺旋軸に対して少なくとも実質的に垂直に配置された、特にディスク形の要素であると理解すべきである。特に少なくとも１つの第１熱交換器及び少なくとも１つの第２熱交換器の、それぞれ少なくとも一方の側は、少なくとも１つの分離要素によって少なくとも実質的に気密に密閉されている。少なくとも１つの分離要素と、少なくとも１つの第１熱交換器及び／又は少なくとも１つの第２熱交換器との間には、特に高温用シーリング要素を取り付けることができる。この場合には、少なくとも１つの第１熱交換器及び／又は少なくとも１つの第２熱交換器を、好ましくは複数のねじ結合を介して少なくとも１つの分離要素に結合させることができる。これに代えて、少なくとも１つの分離要素を、少なくとも１つの第１熱交換器及び／又は少なくとも１つの第２熱交換器と一体的に構成することもでき、特に、溶接結合及び／又は硬鑞結合を用いて少なくとも１つの第１熱交換器及び／又は少なくとも１つの第２熱交換器と結合させることもできる。
【００１８】
さらには、前記少なくとも１つの分離要素が、負極排ガスの少なくとも一部、及び／又は、天然ガスの少なくとも一部、及び／又は、正極排ガスの少なくとも一部を前記後燃焼ユニットに供給するために設けられた少なくとも１つの流体接続部を有するようにすることが提案される。特に本明細書の関連における「流体接続部」とは、特に液体状及び／又は気体状である物質及び／又は物質混合物を搬送するために設けられたユニットであると理解すべきである。特に少なくとも１つの流体接続部は、少なくとも１つの中空管、例えば少なくとも１つの管及び／又はチューブを含む。好ましくは、少なくとも１つの流体接続部は、負極排ガスを再循環させるための、及び／又は、負極排ガスを後燃焼ユニットに搬送するための少なくとも１つの中空管を含み、及び／又は、正極排ガスを後燃焼ユニットに搬送するための少なくとも１つの中空管を含み、及び／又は、天然ガスを後燃焼ユニットに搬送するための少なくとも１つの中空管を含む。少なくとも１つの流体接続部は、特に少なくとも１つの分離要素に配置されており、及び／又は、少なくとも１つの流体接続部の少なくとも一部、好ましくは全体が、少なくとも１つの分離要素に埋め込まれている。こうすることによって後燃焼ユニットは、有利には、後燃焼ユニットの動作に必要な特に気体状の流体を簡単に供給することが可能となる。
【００１９】
本発明に係る燃料電池装置は、上述した適用事例及び実施形態に限定すべきではない。特に本発明に係る燃料電池装置は、本明細書に記載した機能を実現するために、本明細書に記載した個数とは異なる個数の個々の要素、部材、ユニットを有し得る。
【００２０】
図面
図面に基づく以下の説明から、さらなる利点が明らかとなる。図面には、本発明の２つの実施例が図示されている。図面、明細書及び特許請求の範囲は、複数の特徴の多数の組み合わせを含む。当業者は、複数の特徴を目的に沿って個別的に考慮したり、組み合わせて別の有利な組み合わせを選択したりするであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】負極ガス処理装置及び正極ガス処理装置を有する燃料電池装置の概略原理図である。
【図２】螺旋形の熱交換器を有する図１の燃料電池装置の斜視図である。
【図３】図１の燃料電池装置の負極ガス処理装置の螺旋形の熱交換器の平面図である。
【図４】図１の燃料電池装置を別の角度から見た、別の斜視図である。
【図５】図１の燃料電池装置を別の角度から見た、別の斜視図である。
【図６】図１の燃料電池装置の分離要素を示す図である。
【図７】図６の分離要素を別の角度から見た図である。
【図８】図１の燃料電池装置の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
実施例の説明
図１は、燃料電池ユニット１２を有する燃料電池装置１０のフローチャートの概略原理図を示す。この図では、燃料電池ユニット１２は、電気エネルギ及び／又は熱エネルギを生成するための１つの燃料電池４６として概略的に図示されている。電気エネルギは、２つの直流線路４８，５０を介して取り出すことが可能である。しかしながらこれに代えて、燃料電池ユニットを、複数の燃料電池を備える燃料電池スタックとして構成することも考えられる。燃料電池４６は、好ましくは固体酸化物燃料電池として構成されている。燃料電池４６は、負極１４及び正極１６を有する。
【００２３】
燃料電池装置１０はさらに、負極ガス処理装置１８及び正極ガス処理装置２２を有する。負極ガス処理装置１８は、２つの熱交換器５２，５４と、これら２つの熱交換器５２，５４の間に接続された改質ユニット２６とを含む。正極ガス処理装置２２は、後燃焼ユニット３０及び熱交換器２４を含む。後燃焼ユニット３０は、好ましくは触媒バーナを有する。負極ガス処理装置１８及び正極ガス処理装置２２は、それぞれ構造的なユニットとして構成することも、単なる機能的なユニットとしても構成することも可能である。
【００２４】
燃料電池装置１０には、処理装置接続部５６を介して新鮮なガスが供給される。この新鮮なガスは、新鮮な天然ガスと、燃料電池装置１０から別の処理装置接続部５８を介して排出された再循環ガスとから構成されている。天然ガスと再循環ガスとは、燃料電池装置１０の外側で合流され、圧縮機６０によって圧縮される。
【００２５】
新鮮なガスは、負極ガス処理装置１８の第１熱交換器５２において、燃料電池ユニット１２の負極排ガスによって予熱される。次いで、この新鮮なガスは、改質ユニット２６を通って負極ガス処理装置１８の第２熱交換器５４に誘導され、ここで６５０℃乃至８５０℃の反応温度まで加熱される。改質ユニット２６は、天然ガス中に存在する長鎖アルカン（CxH2(x+1)、但しx > 1）を、吸熱によって水蒸気改質するために使用される。
CxH2(x+1) + xH2O → xCO + (2x + 1)H2
【００２６】
改質ユニット２６によって得られた、燃料ガスを含有する改質ガスは、燃料電池ユニット１２の負極１４に供給され、この負極１４にて改質ガスが電気化学反応によって変換され、蒸気及び熱を発生させる。燃料電池ユニット１２の高温の負極排ガスは、負極ガス処理装置１８の第２熱交換器５４に誘導され、新鮮な空気を反応温度まで加熱する。燃料電池ユニット１２の負極１４では、新鮮な空気を完全に変換することはできないので、既に説明したように、負極排ガスの一部が再循環ガスとして新鮮な天然ガスに供給される。負極排ガスの残余の部分は、直接的に後燃焼ユニット３０に供給される。後燃焼ユニット３０の内部では、負極排ガスの可燃性成分が後燃焼される。後燃焼ユニット３０で発生した熱は、処理装置接続部６２を介して燃料電池装置１０に供給された正極１６用の周囲空気を加熱するため、及び、別の処理装置接続部６４の下流で例えば暖房用水を加熱するため（図示せず）に使用される。
【００２７】
周囲空気は、正極１６における電気化学反応のために、正極ガス処理装置２２の熱交換器２４において反応温度まで加熱される。正極排ガスは、燃料電池ユニット１２から出た後、直接的に後燃焼ユニット３０に誘導される。後燃焼ユニット３０には、負極排ガスの一部に加えて天然ガスが、管路６６を介して供給される。このことは特に、燃料電池装置１０の昇温過程において必要となり得る。
【００２８】
図２は、燃料電池装置１０の斜視図を示す。正極ガス処理装置２２は、負極ガス処理装置１８の上方に配置されている。正極ガス処理装置２２の熱交換器２４は、螺旋形に構成されている。負極ガス処理装置１８の各熱交換器５２，５４は、螺旋形に延在する１つの螺旋形の熱交換器２０に統合されている（図３を参照）。これらの熱交換器２０，２４の間には、ディスク形の分離要素４２が配置されている。分離要素４２は、負極ガス処理装置１８のガスが正極ガス処理装置２２のガスに接触するのを阻止するために設けられている。分離要素４２はさらに、正極ガス処理装置２２及び／又は負極ガス処理装置１８及び／又は燃料電池ユニット１２を方法技術的に相互に接続するために、流体接続部４４を有する（図６及び７を参照）。各熱交換器２０，２４と分離要素４２との間には、例えばそれぞれ１つの高温用シーリング（図示せず）を取り付けることができ、充分なシーリング効果を実現するために、これらの熱交換器２０，２４をそれぞれ複数のねじ結合（図示せず）を介して分離要素４２に固定することができる。
【００２９】
図３は、図２に図示された視線方向６８から見た、負極ガス処理装置１８の平面図を示す。負極ガス処理装置１８の熱交換器２０は、二重螺旋として構成されている。熱交換器２０は、収容空間２８の周囲に巻回されており、この収容空間２８の内部には、燃料電池ユニット１２が配置されている。改質ユニット２６は、熱交換器２０の内部において、通流経路のほぼ中間地点に配置されている。熱交換器２０の内部には、改質ユニット２６に代えて及び／又は改質ユニット２６に加えて、例えば脱硫装置及び／又は当業者にとって有意義であると考えられる反応器ユニットを配置することができる。熱交換器２０の内部では、管路７０を介して燃料電池ユニット１２の負極１４に改質ガスが供給される。負極排ガスは、負極１４を出た後、別の管路７２を通って螺旋形の熱交換器２０に戻る。そこには、通流経路のほぼ中間地点に、負極排ガスの再循環のための分岐７４が存在する。熱交換器２０は、向流原理に即して動作する。
【００３０】
図４は、正極ガス処理装置２２の熱交換器２４の斜視図を示す。正極ガス処理装置２２の熱交換器２４は、分離要素４２によって負極ガス処理装置１８の熱交換器２０から分離されている。正極ガス処理装置２２の熱交換器２４は、燃料電池装置１０の周囲からの新鮮な空気を反応温度まで加熱して、これを燃料電池ユニット１２の正極１６に供給する。新鮮な空気は、正極ガス処理装置２２の熱交換器２４により、負極ガス処理装置１８の熱交換器２０で使用されるのと同じ熱交換原理に即して加熱される。正極ガス処理装置２２の熱交換器２４は、二重螺旋として構成されており、収容空間３２の周囲に巻回されており、この収容空間３２の内部には、後燃焼ユニット３０が配置されている。加熱された空気は、管路７６を介して分離要素４２を通過して燃料電池ユニット１２の正極１６に供給される（図６及び７も参照）。後燃焼ユニット３０の高温の排ガスは、収容空間３２の周壁の開口部７８を通って収容空間３２から正極ガス処理装置２２の熱交換器２４へと誘導される（図５参照）。
【００３１】
各熱交換器２０，２４は、それぞれ１つの流体誘導ユニット３４を有しており、この流体誘導ユニット３４は、各熱交換器２０，２４の内部のガスを螺旋軸３６に対して平行に、好ましくはメアンダ形に誘導するために設けられている。このために流体誘導ユニット３４は、それぞれ複数の流体誘導要素８０を有しており、これらの流体誘導要素８０は、熱交換器２０，２４の内部に配置されている。
【００３２】
図６は、燃料電池ユニット１２の方向から見た分離要素４２を示す。正極１６の出力部は、ディフューザ８２の形態の短い管路部分として構成されている。正極１６の排ガスは、ディフューザ８２を介して、燃料電池ユニット１２が収容されている収容空間２８内へと誘導され、この収容空間２８から分離要素４２の開口部８４を通って後燃焼ユニット３０に供給される。収容空間２８内に正極排ガスが吹き付けられることにより、燃料電池装置１０における可燃性ガスの蓄積が阻止される。図７は、後燃焼ユニット３０の方向から見た分離要素４２を示す。分離要素４２は、再循環用の分岐７４を形成している孔部を有する。図１によれば、負極排ガスは２つの体積流に分割される。一方の体積流は、直接的に後燃焼ユニット３０に供給され、これに対して他方の体積流は、燃料電池装置１０を出た後、再循環ガスとして処理装置接続部５８にて天然ガスに供給される。負極排ガスは、分離要素４２内の対応する流体路によって分岐７４から分離要素４２の中央へと誘導され、ここで後燃焼ユニット３０へと供給される。分離要素４２の中央には、後燃焼ユニット３０に新鮮な天然ガスを供給するために設けられた管路６６の出口が存在している。この管路６６の周囲には、正極排ガスを後燃焼ユニット３０に供給するために設けられた、馬蹄形に形成された開口部８４が存在している。
【００３３】
図８は、燃料電池装置１０の断面図を示し、この断面図からは再度、燃料電池装置１０の内部における個々のコンポーネントの配置が見て取れる。熱損失を低減するために、各熱交換器２０，２４とハウジング８６との間に絶縁体８８が配置されている。本構造全体は、ベースプレート９０とカバープレート（図示せず）との間に固定されている。
【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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