(57)【要約】本発明は、改質器装置と、改質器装置に流れ方向で後置されている燃料電池装置とを備えたエネルギー変換装置に関し、この際、改質器装置が少なくとも燃料供給ラインとエア供給ラインとをもち、更に改質器装置が改質器を有し、この際、改質器と燃料電池装置との間に改質物熱交換器が配設されていて、改質物熱交換器が熱い改質ガスから熱を流体循環路内の流体に対して伝達する。
2006524414.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質器装置（２）と、改質器装置（２）に流れ方向で後置されている燃料電池装置（３）とを備えたエネルギー変換装置であって、改質器装置（２）が少なくとも燃料供給ライン（１１）とエア供給ライン（１２）とをもち、更に改質器装置（２）が改質器（１０）を有する、前記エネルギー変換装置において、
改質器（１０）と燃料電池装置（３）との間に改質物熱交換器（１３）が配設されていて、改質物熱交換器（１３）が熱い改質ガスから熱を流体に対して伝達することを特徴とするエネルギー変換装置。
【請求項２】
改質器（１０）が、残留改質物ライン（１５）、即ちアノード排出ガスラインと接続状態にあることを特徴とする、請求項１に記載のエネルギー変換装置。
【請求項３】
燃料電池装置（３）がアノードガス熱交換器（２６）を有し、アノードガス熱交換器（２６）が熱いアノード排出ガスから熱をアノードフレッシュガス（即ち改質ガス）に伝達することを特徴とする、請求項１又は２に記載のエネルギー変換装置。
【請求項４】
燃料電池装置（３）が少なくとも１つの燃料電池（２０）を有し、燃料電池（２０）にはアノード排出ガス側及び／又はカソード排出ガス側において後燃焼室（３２）が付設されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のエネルギー変換装置。
【請求項５】
後燃焼室（３２）にカソードガス熱交換器（３６）が流れ方向で後置されていて、カソードガス熱交換器（３６）が後燃焼室（３２）の排出ガスから熱をカソードフレッシュガスに伝達することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のエネルギー変換装置。
【請求項６】
残留改質物リターンライン（１５、２８）内に第１三方弁（２９）が配設されていて、第１三方弁（２９）が、後燃焼室（３２）と接続されている第１分岐ライン（３１）と接続されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のエネルギー変換装置。
【請求項７】
フレッシュ改質物供給ライン（２７）内に第２三方弁（３３）が配設されていて、第２三方弁（３３）が、後燃焼室（３２）内に通じる第２分岐ライン（３４）と接続状態にあることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のエネルギー変換装置。
【請求項８】
少なくとも、燃料電池（２０）と、アノードガス熱交換器（２６）と、後燃焼室（３２）と、場合によりカソードガス熱交換器（３６）とが、燃料電池装置（３）にモジュール式でまとめられていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のエネルギー変換装置。
【請求項９】
改質器（１０）と改質ガス熱交換器（１３）とが改質器装置（２）にモジュール式でまとめられていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のエネルギー変換装置。
【請求項１０】
第１三方弁（２９）と、第２三方弁（３３）と、送風機（３０）とが分配装置（４）にモジュール式でまとめられていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のエネルギー変換装置。
【請求項１１】
アノードガス熱交換器（２６）と第１三方弁（２９）との間に追加熱交換器（４０）が配設されていて、追加熱交換器（４０）がアノード排出ガスから熱をカソードフレッシュガスへと伝達することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のエネルギー変換装置。
【請求項１２】
セントラル・エア供給ユニット（１６）が設けられていて、このユニットが、改質器（１０）用、後燃焼室（３２）用、及び燃料電池（２０）用のフレッシュエアを提供することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のエネルギー変換装置。
【請求項１３】
改質器（１０）と、燃料供給部（１１）と、エア供給部（１２）と、改質物流出部（２７）とを備えた、特に請求項１〜１２のいずれか一項に記載のエネルギー変換装置（１）のための改質器装置において、
改質器（１０）には改質物熱交換器（１３）が流れ方向で後接続されていて、改質物熱交換器（１３）が改質ガスから熱を流体ライン（１４）内の流体へと伝達することを特徴とする改質器装置。
【請求項１４】
残留改質ガスを供給するために残留改質ガス入口（１５）が設けられていることを特徴とする、請求項１３に記載の改質器モジュール。
【請求項１５】
改質器（１０）内の空燃比を調節するための手段が設けられていることを特徴とする、請求項１３又は１４に記載の改質器モジュール。
【請求項１６】
空燃比がλ＝０.３からλ＝１までの範囲内で調節可能であることを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の改質器装置。
【請求項１７】
改質器（１０）と改質ガス熱交換器（１３）とが改質器装置（２）にモジュール式でまとめられていることを特徴とする、請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の改質器装置。
【請求項１８】
少なくとも１つの燃料電池（２０）と、燃料電池（２０）の電極に排出ガス側において流れ方向で後置されている、電極排出ガスを後燃焼するための後燃焼室（３２）とを備えた、特に請求項１〜１２のいずれか一項に記載のエネルギー変換装置（１）のための燃料電池装置（３）において、
後燃焼室（３２）には熱交換器（３６）が流れ方向で後接続されていて、熱交換器（３６）が、後燃焼室（３２）を後にした排出ガスから熱を燃料電池（２０）の電極フレッシュガスへと伝達することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項１９】
後燃焼室（３２）がカソード排出ガス側に配設されていることを特徴とする、請求項１８に記載の燃料電池装置。
【請求項２０】
アノード排出ガス側に燃料電池（２０）のアノード排出ガス熱交換器（２６）が流れ方向で後接続されていて、アノード排出ガス熱交換器（２６）がアノード排出ガスから熱をアノードフレッシュガスに伝達することを特徴とする、請求項１８又は１９に記載の燃料電池装置。
【請求項２１】
アノード排出ガス熱交換器（２６）に、アノード排出ガス流に関して下流側で追加熱交換器（４０）が後接続されていて、追加熱交換器（４０）がアノード排出ガスから熱をカソードフレッシュガスに伝達することを特徴とする、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項２２】
後燃焼室（３２）には、第１三方弁（２９）を用い、少なくともアノード排出ガスの部分流が供給可能であることを特徴とする、請求項１８〜２１のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項２３】
後燃焼室（３２）には、第２三方弁（３３）を用い、少なくともフレッシュ改質ガスの部分流が供給可能であることを特徴とする、請求項１８〜２２のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項２４】
燃料電池（２０）と、アノード排出ガス熱交換器（２６）と、カソードガス熱交換器（３６）と、後燃焼室（３２）と、場合により追加熱交換器（４０）とが、モジュール式で燃料電池装置（３）にまとめられていることを特徴とする、請求項１８〜２３のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項２５】
第１三方弁（２９）と、第２三方弁（３３）と、送風機（３０）とが、分配装置（４）にモジュール式でまとめられていることを特徴とする、請求項１８〜２４のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項２６】
送風機（３０）が設けられていて三方弁（２９）が設けられてない場合、改質器（１０）へのアノード排出ガス流の制御及び／又は調整が送風機（３０）を用いて行われることを特徴とする、請求項１８〜２５のいずれか一項に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、特に化学エネルギーを電気エネルギー及び熱エネルギーに変換するための、請求項１の前提部に記載したエネルギー変換装置、請求項１３の前提部に記載した改質器装置、及び、請求項１８の前提部に記載した燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術から、航空機（ジェネレータを伴うタービン）や、商用車両及び船舶（ジェネレータを伴うディーゼルエンジン）や、宇宙飛行（燃料電池）などで既に標準装備されている補助エネルギー供給装置（Auxiliary Power Units; APU）が知られている。補助エネルギー供給装置の特徴は、この装置が車両の実際の駆動ユニットに依存せず車両の車載電気系統を給電し得るということである。
【０００３】
周知の可能性として、一方では、内部燃焼（ディーゼルエンジン、オットーエンジン）又は外部燃焼（スターリングエンジン、ランキンサイクル）を基礎にした、エンジンに依存しないユニットを介したジェネレータの駆動があり、他方では、燃料電池の使用がある。また様々なタイプの燃料電池、例えば、膜形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体電解質形燃料電池が知られていて、これらの燃料電池は原則的に補助エネルギー供給装置用に使用され得る。また、ガソリン、ディーゼル、メタノール、天然ガス、又は別の高位炭化水素から、燃料電池内で電気化学的に電気エネルギーに変換され得る合成ガスを発生させることを可能にする改質器及びガス洗浄装置も知られている。
【０００４】
膜形燃料電池（PEMFC, DMFC）は、ほぼ８０〜１００℃において稼動され、純粋な水素だけを転換し得て、それにより実際の改質器の他に費用のかかるガス洗浄器が必要不可欠となる。固体電解質形燃料電池（SOFC）は７００〜１０００℃で作動し、比較的高い稼動温度とそれらの機能方式に基づき、より少ない純粋度要求を伴う様々な合成ガスを転換することができる。このことは、例えば、部分酸化を用いた改質装置（POx Reformer）と固体電解質形燃料電池とから構成される、比較的簡単なエネルギー変換システムを可能とする。
【０００５】
電流生産のために燃料電池内で利用されなかった改質物（リフォマート）は排出ガス後洗浄装置内で燃焼される。改質器内の部分酸化時、燃料電池スタック内の化学反応時、及び後燃焼（アフタバーン）時にシステム内で発生する廃熱は、これがシステム内部で抽出物の予熱のために利用されないのであれば、排出ガスを通じてシステムから出てゆく。
【０００６】
この種のシステムは周知であるが、達成可能な効率が未だ最適ではなく、システムに供給された化学エネルギーの比較的多くの部分が熱エネルギーの形で排出ガスと共に放出されるという短所を有している。更に周知のシステムは、それらの構成空間要求に関し、支配的な構成空間条件に適合しずらいという短所を有し、その結果、構成空間の制約された状況、例えば自動車両（モータビークル）内にこの種のシステムを組み込むための多くの手間と費用が必要となる。
【０００７】
特許文献１からはカソードガスの熱利用を用いた燃料電池装置及びその稼動方法が知られている。この文献は、燃料電池要素、特に固体酸化物・燃料電池要素の組み合わせを開示し、そのカソード側の排出ガスは、カソード側のフレッシュガスに熱を供給するために熱交換器を介して導かれる。引き続き、カソード排出ガス内に含まれるエネルギー容量の一部分を運動エネルギーに転換するために、カソード排出ガスは部分的に他の熱交換器を介してガスタービンの高圧側に供給される。その運動エネルギーは、その後、例えば、エア又はカソード排出ガスを搬送するためのシステムの供給ポンプ用として使用される。更に、その運動エネルギーを場合によりジェネレータの駆動のために利用することが提案される。
【０００８】
この燃料電池装置において、この燃料電池装置がその構成空間に関し柔軟性（フレキシビリティ）をもって形成されているとは言えないことは、短所である。
【０００９】
【特許文献１】欧州特許第０７９７３６７Ｂ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、高められた即ち最適化された全効率を有し、及び／又は、様々な及び／又は制約された構成空間状況に簡単に適合可能である、エネルギー変換装置を提示することである。
【００１１】
本発明の他の課題は、改質器としても加熱装置としても稼動可能であり、特にこれらの状態間において無段階で調節可能である、改質器装置、特にエネルギー変換装置用の改質器装置を提示することである。
【００１２】
本発明の他の課題は、低いガス温度、即ち、燃料電池に供給される反応ガス（抽出ガス）の温度が低くても稼動可能である、燃料電池装置、特にエネルギー変換装置用の燃料電池装置を提示することである。更に本発明に従う燃料電池装置は極めて低い排出ガス温度（生産ガス）を有するべきである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
エネルギー変換装置に関する前記の課題は、請求項１に記載した構成要件を有するエネルギー変換装置を用いて解決される。有利な実施形態は、請求項１に従属する請求項に記載されている。改質器装置に関する前記の課題は、請求項１３に記載した構成要件を有する改質器装置を用いて解決される。有利な実施形態は、請求項１３に従属する請求項に記載されている。燃料電池装置に関する前記の課題は、請求項１８に記載した構成要件を有する燃料電池装置を用いて解決される。有利な実施形態は、請求項１８に従属する請求項に記載されている。
【００１４】
本発明に従う改質器装置は、流れ方向で後接続されている燃料電池装置用の改質器としても、補助ヒータ／予備ヒータとしても稼動され得て、この場合、改質器装置の燃焼空間は、装着された触媒を備えている触媒支持体、即ちセラミック製の又は金属製の母材（マトリックス）であるが、その取り付けと、並びに、空気供給と、燃料供給と、冷却水供給と、及びそれらの調整とにより、次のように修正されている、即ち、燃料の転換、従って改質器装置の合成ガス生産及び熱生産が「完全燃焼＝最大の熱生産」及び「完全改質＝最大の混合ガス生産」という限界値内で自由に選択可能であるようにである。このことは、本発明に従う改質器装置が選択的に補助ヒータ／予備ヒータとして又は部分酸化改質器（ＰＯｘ改質器）として又は両方を混合したものとして機能することを意味する。
【００１５】
本発明に従う改質器装置の他の有利な構成要件は、ガソリン或いはディーゼル及び空気と並び、他の媒体、例えば、固体電解質形燃料電池からのアノード排出ガス又は水蒸気が供給され得るということである。
【００１６】
本発明に従う改質器装置の他の有利な構成要件は、従来技術によるＰＯｘ改質器とは異なり合成ガス（＝改質物（リフォマート））が、改質器装置の一体構成品である熱交換器の特殊な構成により、ほぼ３００℃〜４００℃、特に３５０℃又はそれ以下の典型的な改質物温度又は排出ガス温度で出てゆくということである。合成ガスが、改質の稼動温度（合成ガスの温度：ほぼ８００℃〜１０５０℃）と、本発明に従う改質器装置からの流出温度（合成ガス流出温度：ほぼ３５０℃）との間で放出する熱量は、冷却水に供給され、従って利用可能であり、それにより全効率が高いと言える。
【００１７】
本発明に従い説明された改質物の冷却により、低コストで且つ比較的僅かな構造手間で、改質器装置及びそれに付属する燃料電池装置又は駆動エンジンを車両内で空間的に分けて格納すること（特に冷間始動用のエンジン予熱装置としての機能をもって）を達成すること、それと共に、柔軟性をもった即ち様々な構成空間実状に適合可能である車両内の取り付けのために望まれているパッケージングにおいて柔軟性（フレキシビリティ）を実現することが初めて可能である。更に有利には、改質器装置にとって、補助ヒータ又は予備ヒータの組立空間だけが必要とされ、冷却水ネットワークへの結合が、従来技術に従う補助ヒータ／予備ヒータに対する変更を伴わずに存続し得る。
【００１８】
本発明に従う燃料電池装置は電流発生モジュールとして形成されていて、固体電解質形燃料電池スタックとアノードガス熱交換器と特にカソードエア熱交換器とから構成され、この際、特に改質器装置により使用可能とされた冷たい改質物がアノード排出ガスの熱によってアノードガス熱交換器内で、熱い固体電解質形燃料電池スタック内への流入を可能にする温度に加熱される。同時にアノード排出ガスは、耐高温性の材料から成り手間と費用をかけて絶縁されるライン（ダクト）を使用することなく、簡単に車両内で他の分配を可能にする温度に冷却される。この過程は、アノードガス熱交換器を用い、又は、アノードガス熱交換器に流れ方向で後接続されている追加的な追加熱交換器を用いて行われ、この際、追加熱交換器を設けることは有利な実施形態を意味する。
【００１９】
更に、カソードインレットエアを周囲温度から熱い固体電解質形燃料電池スタック内への流入を可能にする温度に加熱するカソードエア熱交換器により、燃料電池装置が更に構成されていて、この際、カソードアウトレットエア、及び／又は、後燃焼（アフタバーン）により発生した排出ガスの熱を燃料電池装置が利用することは有利である。
【００２０】
更にカソードエア熱交換器の特に有利な実施形態に従い、燃料電池のカソードガス出口側おいてカソードガス熱交換器の前で、アノード排出ガスの供給、従ってカソードエアを用いてアノード排出ガス内でまだ燃焼可能な成分を完全に転換することが可能にされるということは有利である。このための可能な実施形態は、カソードアウトレットエア側の熱交換器面が対応する酸化触媒を用いて覆われているということである。本発明の特に有利な実施形態は、構成品であるアノードガス熱交換器と固体電解質形燃料電池スタックとカソードエア熱交換器とが部分的に又は各々全体として１つのユニットにまとめられ、モジュール式に形成されているということである。電気エネルギーの用意は実質的に周知の方式で固体電解質形燃料電池スタック内の改質ガスの電気化学的な変換により行われる。
【００２１】
本発明に従う改質器装置と本発明に従う燃料電池装置とは、本発明に従い、燃料電池装置にカソード側おいて流れ方向で後置されている後燃焼室にフレッシュ改質ガスもアノード排出ガスも場合により後燃焼フレッシュエア及びカソード排出ガスも供給可能であるように１つのエネルギー変換装置にまとめられて接続されている。このために、フレッシュ改質ガスを案内するライン内には第１三方弁が配設されていて、アノードガス熱交換器の後と場合により追加熱交換器の後のアノード排出ガスライン内には第２三方弁が配設されていて、この弁を用い、残留改質ガスの部分流が分岐可能であり後燃焼室に供給可能であり、それに対し、別の部分流は改質器に供給され、それによりシステムの電気効率が向上する。この配置構成において、例えばエネルギー変換装置の始動過程時に排出ガス或いはより低質の改質ガスがバイパスの形式により固体電解質形燃料電池スタックの周りを案内可能であり、このスタックがそれにより場合による損傷から保護されていることは有利である。同様に有利な方式で改質ガスが燃料電池スタックとカソードエア熱交換器との間で分配され得る。特に部分負荷時にこのことはカソードインレットエアと燃料電池スタックの熱管理における追加的な柔軟性を保証する。フレッシュ改質ガスライン内とアノード排出ガスライン内の三方弁は、従来技術に従う装置では必然的に所謂熱ガス弁として形成されなくてはならず、その理由は、今までの改質器装置或いは燃料電池装置のガス温度がこの領域においてほぼ７００℃から９００℃をしめていたためである。本発明に従う改質器装置と本発明に従う燃料電池装置とを備えた本発明に従うエネルギー変換装置では、三方弁の領域における温度は遥かに低く、ほぼ３００℃又はそれ以下であり、それによりここでは標準構成部材が使用され得て、このことはコストと構成上の手間を多大に減少させる。更に、アノード排出ガスライン、即ち残留改質物ライン内で三方弁に流れ方向で後置され、圧力損失を克服するためのガス搬送装置が、燃料電池装置のアノード排出ガス側と改質器装置との間で配設され得る。それにより達成されるアノード排出ガスの循環により、燃料内に含まれる化学エネルギーを電流発生のために十分に利用すること、及びそれにより電気効率と全効率とが明らかにに向上する。ガス搬送装置は付属の三方弁と共に本発明に従う装置では同様に標準構成部材として実施され得て、その理由は、存在するガス温度がほぼ３００℃又はそれ以下をしめるためである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、例として図面に基づき本発明を更に詳細に説明する。
【実施例１】
【００２３】
本発明に従うエネルギー変換装置１（図１）は、本発明に従う改質器装置２と、本発明に従う燃料電池装置３と、分配装置４とを有する。
【００２４】
本発明に従う改質器装置２は、実質的に周知の改質器（リフォーマ）１０を有し、改質器１０には、燃料供給ライン１１を介して燃料が供給可能であり、フレッシュエア供給ライン１２を介して周囲空気が供給可能である。改質器１０は触媒原理に基づき作動する、即ち、触媒が設けられている改質器母体に沿って燃料が改質ガス（リフォマートガス）に変換される。
【００２５】
改質器１０の可能な他の作動方式は、燃料及び周囲空気を所謂オープン燃焼の経路で改質ガスに変換することであり、このオープン燃焼は、改質器稼動において通常はリッチ燃焼即ち燃料余剰をもって進行する。
【００２６】
更に改質器装置２は、改質器１０内の空燃比を調節するための手段を有する。これらの手段は例えばフレッシュエア供給ライン内の絞り弁（非図示）として形成されている。この際、改質器１０内の空燃比を調節するためのこれらの手段は、空燃比が、所謂リッチ混合気、つまり燃料余剰の混合気即ちほぼλ＝０.３〜０.３５のラムダ値を有する混合気から、酸素と燃料の間の理論混合比、つまりλ＝１のラムダ値に至るまで調節可能であるように設計されている。λ＜１のラムダ値を有する燃料の燃焼時には所謂リッチ燃焼が成され、その結果、排出ガスが改質ガスとして存在し、水素を含んでいる。λ＝１（理論空燃比）のラムダ値の場合には所謂完全燃焼が成され、その結果、改質器１０を後にする排出ガス中にはＣＯ２と水だけが含まれていて、つまり実質的に改質ガスは存在しない。従って改質器１０は、より小さいラムダ値の範囲（λ＝０.３〜０.３５）では純粋は改質器として、理論空燃比（λ＝１）の範囲では純粋な加熱器として働き、この際、フレッシュエアの付加により、両方の極端稼動点間、即ち改質器と加熱器との間の任意の各中間稼動点が調節され得る。
【００２７】
改質器１０を後にするガス、即ち改質ガス又は排出ガス又は両方の混合物は、改質器１０に流れ方向で後接続されている改質ガス熱交換器１３に導かれ、この改質ガス熱交換器１３を通流する。この際、改質ガス或いは排出ガスから熱が奪い取られ、流体ライン１４内の例えば冷却水である流体に供給される。改質ガスが改質ガス熱交換器１３に達する以前、この改質ガスはほぼ９００〜１１００℃のガス温度で存在する（箇所Ｂ）。そして改質ガス或いは排出ガスはほぼ２００〜３５０℃の温度をもって改質ガス熱交換器１３を後にする（箇所Ａ）。
【００２８】
更に改質器１０は、残留改質物ライン１５に接続されている接続部を有する。残留改質物ライン１５内では、以下で更に説明するように、場合により改質物の残留成分をまだ含んでいるアノードガスが搬送される。改質物における残留成分は改質器１０内で改質ガスに混合される又は熱に転換される。
【００２９】
純粋な加熱器としての稼動中、改質器装置２は個所Ａにおいて排出ガスだけを提供し、改質ガス熱交換器１３に対して最大熱量を使用可能とさせ、この熱量は流体ライン１４内の流体に供給される。従って改質器装置２は加熱装置として作動し、特に車両内で例えば補助ヒーティングとして又は追加ヒーティングとして使用され得る。フレッシュエア供給ライン１２には送風機（ブロワ）１６により、フレッシュエア、例えば周囲空気が供給される。
【００３０】
本発明に従う燃料電池装置３は、少なくとも１つの燃料電池、特に少なくとも１つの固体電解質形燃料電池スタック２０を有し、固体電解質形燃料電池スタック２０は、周知の方式で、アノードガス入口２１と、アノードガス出口２２と、カソードガス入口２３と、カソードガス出口２４とを有する。
【００３１】
アノードガス入口２１にはアノードガス熱交換器２６が流れ方向で前置されていて、アノードガス熱交換器２６を通じ、フレッシュ改質物がフレッシュ改質物供給ライン２７を介して供給される。アノードガス熱交換器２６はその第２回路をもってアノードガス出口２２と接続されていて、それにより、熱いアノード排出ガス、即ち９００℃〜１１００℃の熱いアノード排出ガスにより通流される。この際、熱いアノード排出ガスは、比較的低くに温度調整されたアノードフレッシュガス、即ち改質器装置２からの改質ガスに対して熱を放出し、このガスを燃料電池２０内への流入前に加熱する。アノードガス熱交換器２６を通流した後、アノード排出ガスはほぼ２００〜３５０℃の温度を有する（個所Ｃ）。アノードガス熱交換器２６の後、アノード排出ガスは、場合により残留改質物を含み得るが、第１三方弁２９及び場合により送風機（ブロワ）３０を介し、改質物リターンライン１５、２８を介し、改質器１０へと供給される。
【００３２】
第１三方弁２９自体は、又は送風機３０自体も、第１分岐ライン３１内への残留改質ガス或いはアノード排出ガスの部分流を調節及び／又は制御して分岐することを可能にし、その分岐ライン３１は、燃料電池２０のカソードガス出口２４に流れ方向で後置されている後燃焼室３２と接続されている。
【００３３】
フレッシュ改質物供給ライン２７内ではアノードガス熱交換器２６に流れ方向で前置されて第２三方弁３３が設けられていて、第２三方弁３３は第２分岐ライン３４を介して後燃焼室３２と接続されている。第２三方弁３３を介し、調整及び／又は制御されてフレッシュ改質ガスの部分流が第２分岐ライン３４を介して後燃焼室３２に供給され得る。更に場合により送風機１６によりフレッシュエア供給ライン３５が後燃焼室３２に通じる。
【００３４】
後燃焼室３２内では、燃料電池２０のカソードガス出口２４を後にしたカソード側の排出ガスが、場合により分岐ライン３１を介した残留改質物の調整及び／又は制御された付加のもと、及び／又は、分岐ライン３４を介したフレッシュ改質物の調整及び／又は制御された付加のもと、完全に燃料され、その結果、後燃焼室３２の後には燃料を伴わない熱い排出ガスが存在する（個所Ｄ）。
【００３５】
後燃焼室３２には排出ガス側においてカソードガス熱交換器３６が流れ方向で後置されていて、カソードガス熱交換器３６は、一方では、後燃焼室３２からの、燃料を伴わない熱い排出ガスにより通流され、つまり燃料を伴わない熱い排出ガスが熱を放出する。他方では、カソードガス熱交換器３６は、フレッシュエア供給ライン３７を介して送風機１６と、また燃料電池２０のカソードガス入口２３と接続されていて、それによりカソードガス熱交換器３６はフレッシュエアにより通流可能であり、このフレッシュエアは、カソードガス熱交換器３６内で、燃料を伴わない熱い排出ガスから熱を受容し、従って予備加熱されて燃料電池２０内に達することになる。
【００３６】
カソードガス熱交換器３６を後にする排出ガスはほぼ２００〜３００℃の温度を有し、このことは極めて低い温度レベルを意味する。
【００３７】
本発明の特に有利な実施形態に従い、改質器１０と改質ガス熱交換器１３は改質器装置２にモジュール式でまとめられ、燃料電池スタック２０とアノードガス熱交換器２６と後燃焼室３２とカソードガス熱交換器３６とは燃料電池装置３にモジュール式でまとめられている。
【００３８】
更に有利には第１三方弁２９と第２三方弁３３と場合により送風機３０とは分配装置４にモジュール式でまとまられ得て、この際、そのように得られるモジュールは簡単な方式で低温ラインによってのみ接続されればよく、その理由は、モジュール出口のどれからも、熱ガス、つまり例えば４００℃以上の温度のガスが達しないためである。従って改質器装置２と燃料電池装置３と分配装置４とは大きな可変性をもって例えば自動車両（モータビークル）内で位置決めされ得て、エネルギー変換装置１を形成するための低コストで且つ僅かな構造・製造手間で製造可能であるラインを用いて接続される。
【００３９】
本発明に従うエネルギー変換装置１は更に、特に改質器と加熱器という稼動点間における可変の改質器稼動において追加ヒータ又は補助ヒーティングの取り付けが完全に排除され得て、それにもかかわらず、予備ヒーティングと補助ヒーティングの快適性の特徴並びに冷間始動稼動時のエンジン予熱の可能性が提供されている。
【００４０】
電気エネルギーは燃料電池２０から接続端子４０ａ、４１ａにおいて使用可能とされる。
【実施例２】
【００４１】
本発明の他の実施形態（図２）に従い、アノードガス熱交換器２６と第１三方弁２９との間に、他の熱交換器、例えば追加熱交換器４０が配設されていて、追加熱交換器４０は、一方では、アノードガス熱交換器２６を後にした温度減少されたアノード排出ガスにより通流される。他方で追加熱交換器４０はフレッシュエア供給ライン３７と接続されていて、それによりアノード排出ガスの熱が、供給されたフレッシュエアへと放出され、従ってこのフレッシュエアは、追加熱交換器４０をカソード熱交換器３６の流入部と接続させるブリッジライン４１を介して達する。従って残留改質ガスライン１５、２８内の残留改質ガスの更なる温度減少が達成され得て、更に、カソードガス熱交換器３６に供給される以前にカソードフレッシュエアの予熱が達成され得る。
【００４２】
本発明に従うエネルギー変換装置は、本発明に従う改質器装置２により構成部材の多重使用がモジュール構造によって実現され得るということで特に大きな長所を有し、その結果、様々なアプリケーション用のコンポーネントが本質的ではないところで修正されるだけでよい。従って極めて異なる車両へのこれらのコンポーネントの高い組込可能性が達成され得て、その理由は、簡単な方式で、インターフェース或いは連結個所を標準化する可能性があるためである。従ってエネルギー変換装置の個別部材は著しく多くの個数で製造され得て、このことはコスト減少を導いてくれる。
【００４３】
更に本発明に従うエネルギー変換装置は、快適性を損なうことなく或いは駆動エンジンの冷間始動特性を損なうことなく予備ヒータ及び補助ヒーティングの完全な排除を可能にする。
【００４４】
本発明に従うエネルギー変換装置は、アノード排出ガスの再循環措置により更に増加されている極端に高い効率時に、熱利用と結び付いた高効率の電流供給を可能とする。特に有利には、エネルギー変換装置の全システム内で、熱ガスを案内する構成部材或いはラインがモジュール内に組込可能であり、その結果、モジュール間の接続が高温コンポーネントを使用することなく簡単な方式で形成され得る。
【００４５】
更に、改質器装置と燃料電池装置と分配装置のモジュール式の構造により、本発明に従うエネルギー変換装置は大きな柔軟性（フレキシビリティ）をもって様々な車両の様々な構成空間条件に適合され得る。
【００４６】
本発明の他の大きな長所は、改質器１０の最適稼動点の到達に至るまで、場合により質の比較的低い改質ガスが必然的に燃料電池２０を通じて導かれる必要はなく、第２三方弁３３を介して直接的に後燃焼室３２内に導かれ、その結果、燃料電池２０の損傷或いは汚染が回避されているということである。
【００４７】
他の大きな長所は、改質器装置と燃料電池装置が互いに依存しないでも稼動され得るということである。別の改質物源が別の理由から車両内にある場合には特に燃料電池装置は改質器装置を伴わないでも稼動され得る。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に従う改質器装置と本発明に従う燃料電池装置とを備えた本発明に従うエネルギー変換装置の第１実施形態を示す図である。
【図２】図１に従う本発明に従うエネルギー変換装置の第２実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１    エネルギー変換装置
２    改質器装置
３    燃料電池装置
４    分配装置
１０    改質器
１１    燃料供給ライン
１２    フレッシュエア供給ライン
１３    改質ガス熱交換器
１４    流体ライン
１５    残留改質物ライン（改質物リターンライン）
１６    送風機
２０    固体電解質形燃料電池スタック
２１    アノードガス入口
２２    アノードガス出口
２３    カソードガス入口
２４    カソードガス出口
２６    アノードガス熱交換器
２７    フレッシュ改質物供給ライン
２８    改質物リターンライン
２９    第１三方弁
３０    送風機
３１    第１分岐ライン
３２    後燃焼室
３３    第２三方弁
３４    第２分岐ライン
３５    フレッシュエア供給ライン
３６    カソードガス熱交換器
３７    フレッシュエア供給ライン
４０    追加熱交換器
４１    ブリッジライン
４０ａ  接続端子
４１ａ  接続端子
【図１】
2006524414.tif 000003
【図２】
2006524414.tif 000004
【国際調査報告】
2006524414.tif 000005
2006524414.tif 000006
2006524414.tif 000007
2006524414.tif 000008
2006524414.tif 000009
2006524414.tif 000010