(57)【要約】  本発明は、自動車（１０００）用の燃料電池システム（１００ａ）を加熱する方法に関する。燃料電池システム（１００ａ）は、アノード部（２）とカソード部（３）とを有する燃料電池スタック（１）と、燃料／水混合物を蒸発させる少なくとも１つの蒸発器（４）と、燃料電池スタック（１）のアノード部（２）で使用するために蒸発した燃料／水混合物を改質するための改質器（５）と、燃料含有流体を燃焼させるための少なくとも１つのバーナー（６）と、を有し、特に、改質器（５）は、少なくとも１つの蒸発器（４）の下流に配置され、少なくとも１つのバーナー（６）は、特に少なくとも１つの蒸発器（４）の上流に配置される。少なくとも１つのバーナー（６）は、少なくとも１つのバーナー（６）で燃焼した燃料含有流体を、少なくとも１つのバーナー（６）から少なくとも１つの蒸発器（４）に供給するため、少なくとも１つの蒸発器（４）に流体的に接続されている。少なくとも１つの蒸発器（４）に燃料／水混合物を供給するための燃料／水混合物源（７）が、少なくとも１つの蒸発器（４）の上流に配置される。本発明はさらに、そのような燃料電池システム（１００ａ）及び燃料電池システム（１００ａ）を有する自動車（１０００）に関する。
2020536358.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システム（１００ａ；１００ｂ；１００ｃ；１００ｄ；１００ｅ；１００ｆ；１００ｇ；１００ｈ；１００ｉ）を加熱する方法であって、
前記燃料電池システムは、
アノード部（２）とカソード部（３）とを有する燃料電池スタック（１）と、
燃料／水混合物を蒸発させるための少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）と、
前記燃料電池スタック（１）の前記アノード部（２）で使用するために、前記蒸発された燃料／水混合物を改質するための改質器（５）と、
燃料含有流体を燃焼させるための少なくとも１つのバーナー（６、１７）と、を有し、
前記改質器（５）は、好ましくは、前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ，４ｂ）の下流に配置され、
前記少なくとも１つのバーナー（６、１７）は、好ましくは、前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ，４ｂ）の上流に配置され、
前記少なくとも１つのバーナー（６、１７）は、前記少なくとも１つのバーナー（６，１７）で燃焼した燃料含有流体を、前記少なくとも１つのバーナー（６，１７）から前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ，４ｂ）に供給するために、前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ，４ｂ）に流体的に接続され、
前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ，４ｂ）のための燃料／水混合物を供給するための燃料／水混合物源（７；７ａ，７ｂ）は、前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ，４ｂ）の上流に配置され、
以下のステップを有する方法。
−  前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）及び／又は前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）内の流体を設定温度以上に加熱し、
−  前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ，４ｂ）が、前記設定温度、又はその温度より高い温度に達するとすぐに、燃料／水混合物を前記燃料／水混合物源（７；７ａ，７ｂ）から前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ，４ｂ）に供給し、
−  前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）によって蒸発された燃料／水混合物を、前記設定温度、又はその温度より高い温度に達した前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）から、蒸発された燃料／水混合物の改質のために前記改質器（５）に供給し、
−  前記改質された燃料／水混合物を、前記燃料電池スタックによって電流が生成されない非作動状態にある前記アノード部（２）に供給する。
【請求項２】
前記少なくとも１つのバーナー（６、１７）は、前記アノード部（２）からのアノード排気ガス、前記カソード部（３）からのカソード排気ガス、及び／又は、前記少なくとも１つのバーナー（６、１７）の上流に配置された燃料源（１４）からの燃料を、燃焼させるように設計され、
燃料は、前記燃料源（１４）から前記少なくとも１つのバーナー（６、１７）に供給され、
前記燃料は、前記少なくとも１つのバーナー（６、１７）で燃焼され、
前記燃焼された燃料は、前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）及び／又は前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）内の流体を、前記設定温度以上に加熱するために、前記少なくとも１つのバーナー（６、１７）から前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）に供給される
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記燃料は、電気的に活性化可能な触媒によって、特に電気的に加熱可能な金属触媒によって燃焼され、
前記触媒は、前記設定温度に到達するか、又は前記設定温度を超えるとすぐに、不活性化される
ことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記改質された燃料／水混合物は、前記アノード部（２）から前記少なくとも１つのバーナー（６、１７）に供給され、前記少なくとも１つのバーナー（６、１７）で少なくとも部分的に燃焼され、
前記少なくとも部分的に燃焼された燃料／水混合物は、前記少なくとも１つのバーナー（６、１７）から、前記少なくとも１つの蒸発器（４）及び前記改質器（５）を介して、前記アノード部（２）に供給される
ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記燃料／水混合物源（７；７ａ、７ｂ）からの前記燃料／水混合物は、噴射器（１２）によって、前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）内に噴射される
ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記蒸発された燃料／水混合物の改質前又は改質中に、空気が前記改質器（５）に供給される
ことを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記改質器（５）は、前記蒸発された燃料／水混合物が前記改質器（５）に供給される前に、予熱される
ことを特徴とする、請求項１〜６の何れか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記設定温度は、少なくとも２５０℃、特に少なくとも３００℃である
ことを特徴とする、請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）によって蒸発された前記燃料／水混合物の少なくとも一部が、前記設定温度、又はその温度より高い温度に達した前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）から、前記少なくとも１つのバーナー（６、１７）に、燃料含有流体として供給される
ことを特徴とする、請求項１〜８の何れか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのバーナー（６、１７）の熱交換部（１８）上又はその中で、前記燃料／水混合物を加熱するために、前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）によって蒸発された前記燃料／水混合物が、前記少なくとも１つのバーナー（６、１７）に供給される
ことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの蒸発器（４ａ）に燃料を供給するための燃料源（７ａ）は、前記少なくとも１つの蒸発器（４ａ）の上流に配置され、
前記少なくとも１つの蒸発器（４ａ）によって蒸発された燃料が、前記少なくとも１つのバーナー（６、１７）の熱交換部（１８）上又はその中で燃料を加熱するために、前記少なくとも１つのバーナー（６、１７）に前記燃料含有流体として供給される
ことを特徴とする、請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記燃料／水混合物及び／又は前記燃料は、前記燃料／水混合物又は前記燃料が所定の温度、又はその温度より高い温度に達するまで、前記燃料／水混合物源（７；７ａ、７ｂ）又は前記燃料源（７ａ）の下流、かつ、少なくとも１つのバーナー（６、１７）の上流に配置された中間加熱装置（１１）、特に電気的中間加熱装置（１１）によって加熱される
ことを特徴とする、請求項９〜１１の何れか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記中間加熱装置（１１）は、前記少なくとも１つのバーナー（６、１７）、前記少なくとも１つのバーナー内の流体、前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）及び／又は前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）内の流体が、所定の温度、又はその温度より高い温度に達するとすぐに、不活性化される
ことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
自動車（１０００）用の燃料電池システム（１００ａ；１００ｂ；１００ｃ；１００ｄ；１００ｅ；１００ｆ；１００ｇ；１００ｈ；１００ｉ）であって、
前記燃料電池システムは、
アノード部（２）とカソード部（３）とを有する燃料電池スタック（１）と、
燃料／水混合物を蒸発させるための少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）と、
前記燃料電池スタック（１）の前記アノード部（２）で使用するために、前記蒸発された燃料／水混合物を改質するための改質器（５）と、
燃料含有流体を燃焼させるための少なくとも１つのバーナー（６、１７）と、を有し、
前記改質器（５）は、特に、前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）の下流に配置され、
前記少なくとも１つのバーナー（６、１７）は、特に、前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）の上流に配置され、
前記少なくとも１つのバーナー（６、１７）は、前記少なくとも１つのバーナー（６，１７）で燃焼された燃料含有流体を、前記少なくとも１つのバーナー（６，１７）から前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ，４ｂ）に供給するために、前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）に流体的に接続され、
前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）に燃料／水混合物を供給するための燃料／水混合物源（７；７ａ、７ｂ）は、前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）の上流に配置される
ことを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１４に記載の燃料電池システム（１００ａ；１００ｂ；１００ｃ；１００ｄ；１００ｅ；１００ｆ；１００ｇ；１００ｈ；１００ｉ）であって、
請求項１〜１３の何れか一項に記載の方法を実施するように構成され、設計された制御ユニット（１９）が設けられている
ことを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１４又は１５に記載の燃料電池システム（１００ａ；１００ｂ；１００ｃ；１００ｄ；１００ｅ；１００ｆ；１００ｇ；１００ｈ；１００ｉ）であって、
前記燃料／水混合物源（７；７ａ、７ｂ）中の燃料と水が、少なくとも一時的に液体の形態で供給される
ことを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項１７】
請求項１４〜１６の何れか一項に記載の燃料電池システム（１００ａ；１００ｂ；１００ｃ；１００ｄ；１００ｅ；１００ｆ；１００ｇ；１００ｈ；１００ｉ）であって、
前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）は、前記燃料／水混合物源（７；７ａ、７ｂ）のすぐ下流に配置される
ことを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項１８】
請求項１４〜１７の何れか一項に記載の燃料電池システム（１００ａ；１００ｂ；１００ｃ；１００ｄ；１００ｅ；１００ｆ；１００ｇ；１００ｈ；１００ｉ）であって、
前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）は、前記少なくとも１つのバーナー（６、１７）のすぐ下流に配置されている
ことを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項１９】
請求項１４〜１８の何れか一項に記載の燃料電池システム（１００ａ；１００ｂ；１００ｃ；１００ｄ；１００ｅ；１００ｆ；１００ｇ；１００ｈ；１００ｉ）であって、
前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）及び／又は前記改質器（５）は、前記少なくとも１つのバーナー（６、１７）に直接接続されている
ことを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２０】
請求項１４〜１９の何れか一項に記載の燃料電池システム（１００ａ；１００ｂ；１００ｃ；１００ｄ；１００ｅ；１００ｆ；１００ｇ；１００ｈ；１００ｉ）であって、
前記少なくとも１つのバーナーは、排気ガスバーナー（６）及び／又は始動バーナー（１７）を有する
ことを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２１】
請求項１４〜２０の何れか一項に記載の燃料電池システム（１００ａ；１００ｂ；１００ｃ；１００ｄ；１００ｅ；１００ｆ；１００ｇ；１００ｈ；１００ｉ）であって、
前記蒸発された燃料／水混合物の改質の前又は改質中に、前記改質器（５）に空気を供給するための空気供給装置（１６）、特に送風機が、配置される
ことを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２２】
請求項１４〜２１の何れか一項に記載の燃料電池システム（１００ａ；１００ｂ；１００ｃ；１００ｄ；１００ｅ；１００ｆ；１００ｇ；１００ｈ；１００ｉ）であって、
前記少なくとも１つのバーナー（６，１７）は、前記アノード部（２）からのアノード排気ガス、前記カソード部（３）からのカソード排気ガス、及び／又は前記少なくとも１つのバーナー（６，１７）の上流に配置される燃料源（１４）からの燃料を、燃焼するために設計され、
前記燃料源（１４）は、前記燃料を前記少なくとも１つのバーナー（６，１７）に供給するように設計され、
前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ，４ｂ）及び／又は前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ，４ｂ）内の流体を、前記設定温度以上に加熱するため、前記少なくとも１つのバーナー（６，１７）は、前記燃焼された燃料を前記少なくとも１つのバーナー（６，１７）から前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ，４ｂ）に供給するように設計される
ことを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２３】
請求項１４〜２２の何れか一項に記載の燃料電池システム（１００ａ；１００ｂ；１００ｃ；１００ｄ；１００ｅ；１００ｆ；１００ｇ；１００ｈ；１００ｉ）であって、
前記少なくとも１つのバーナー（６、１７）は、前記燃料を燃焼させるための電気的に活性化可能な触媒、特に、電気的に加熱可能な金属触媒を有し、
前記触媒は、前記設定温度に達するか、又は超えるとすぐに不活性化されるように構成される
ことを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２４】
請求項１４〜２３の何れか一項に記載の燃料電池システム（１００ａ；１００ｂ；１００ｃ；１００ｄ；１００ｅ；１００ｆ；１００ｇ；１００ｈ；１００ｉ）であって、
前記燃料／水混合物を前記燃料／水混合物源（７；７ａ、７ｂ）から前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）内に噴射するための少なくとも１つの噴射器（１２）が、前記燃料／水混合物源（７；７ａ、７ｂ）の下流であって、かつ、前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）の上流に配置される
ことを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２５】
請求項１４〜２４の何れか一項に記載の燃料電池システム（１００ａ；１００ｂ；１００ｃ；１００ｄ；１００ｅ；１００ｆ；１００ｇ；１００ｈ；１００ｉ）であって、
前記少なくとも１つのバーナー（６，１７）の外壁部に形成された熱交換部（１８）上、又はその中において、前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）によって蒸発された前記燃料／水混合物は、前記少なくとも１つのバーナー（６、１７）に供給される
ことを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２６】
請求項１４〜２５の何れか一項に記載の燃料電池システム（１００ａ；１００ｂ；１００ｃ；１００ｄ；１００ｅ；１００ｆ；１００ｇ；１００ｈ；１００ｉ）であって、
燃料を前記少なくとも１つの蒸発器（４ａ）に供給するための燃料源（７ａ）が、前記少なくとも１つの蒸発器（４ａ）の上流に配置され、
前記少なくとも１つのバーナー（６、１７）の熱交換部（１８）で、又はその中で、燃料を加熱するために、前記少なくとも１つの蒸発器（４ａ）によって蒸発された燃料は、燃料含有流体として、前記少なくとも１つのバーナー（６，１７）に供給される
ことを特徴する、燃料電池システム。
【請求項２７】
請求項１４〜２６の何れか一項に記載の燃料電池システム（１００ａ；１００ｂ；１００ｃ；１００ｄ；１００ｅ；１００ｆ；１００ｇ；１００ｈ；１００ｉ）であって、
前記燃料／水混合物及び／又は前記燃料を加熱するための中間加熱装置（１１）、特に電気的中間加熱装置（１１）が、前記燃料／水混合物源（７；７ａ、７ｂ）及び／又は前記燃料源（７ａ）の下流であって、かつ、前記少なくとも１つのバーナー（６、１７）の上流に配置され、
前記中間加熱装置（１１）は、前記燃料／水混合物又は前記燃料が所定の温度、又はその温度より高い温度に達するまで、前記燃料／水混合物又は前記燃料を加熱するように構成される
ことを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２８】
請求項２７に記載の燃料電池システム（１００ａ；１００ｂ；１００ｃ；１００ｄ；１００ｅ；１００ｆ；１００ｇ；１００ｈ；１００ｉ）であって、
前記中間加熱装置（１１）は、前記少なくとも１つのバーナー（６、１７）、前記少なくとも１つのバーナー内の流体、前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）及び／又は前記少なくとも１つの蒸発器（４；４ａ、４ｂ）内の流体が、所定の温度、又はその温度より高い温度に達するとすぐに、不活性化されるように構成される
ことを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２９】
請求項１４〜２８の何れか一項に記載の燃料電池システム（１００ａ；１００ｂ；１００ｃ；１００ｄ；１００ｅ；１００ｆ；１００ｇ；１００ｈ；１００ｉ）を有する自動車（１０００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムを加熱する方法、燃料電池システム、特にＳＯＦＣシステム、及び燃料電池システムを有する自動車に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池システムは、発電に使用される前に、作動温度に達しなければならない。燃料電池システムの始動中、アノード部が酸素にできるだけ接触しないように、又は全く接触しないように注意しなければならない。これは、アノード部へのダメージ及びこれに関する燃料電池システムの機能障害につながる可能性があるからである。燃料電池システムの始動中に、アノード部における酸素を防ぐために、アノード部は、例えば、米国特許出願公開第２０１０／０２０３４０５号明細書に記載されているように、燃料電池システムの始動中に水で洗浄することが知られている。これを達成するために、当該目的のために特別に設けられた水槽又は燃料電池スタックからの排気ガスから水を回収する複合水回収システムのいずれかが、燃料電池システムに設置される。いずれの解決策も、実際には不十分であることが判明している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、上述の問題を少なくとも部分的に考慮することである。特に、本発明の目的は、燃料電池システム又は燃料電池システムの選択された機能構成要素の急速な加熱を、確実な方法で、特にアノード部を保護する方法で、達成することができる燃料電池システム、自動車、及び方法を利用可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記の目的は、特許請求の範囲によって達成される。特に、上記目的は、請求項１に記載の方法、請求項１４に記載の燃料電池システム、及び請求項２９に記載の自動車によって達成される。本発明の別の利点は、従属項、明細書、及び図面から明らかになるであろう。ここで、本方法の文脈で説明される特徴及び詳細は、もちろん、本発明による燃料電池システム及び本発明による自動車の文脈においても適用され、それぞれの場合において、その逆も同様であり、したがって、本発明の個々の態様の開示に関して、常に相互参照がなされるか、又はなされ得る。
【０００５】
本発明の第１態様によれば、燃料電池システムを加熱する方法が提案される。燃料電池システムは、アノード部とカソード部を有する燃料電池スタックと、燃料／水混合物を蒸発させるための少なくとも１つの蒸発器と、燃料電池スタックのアノード部で使用するために蒸発された燃料／水混合物を改質するための改質器と、燃料含有流体を燃焼させるための少なくとも１つのバーナーとを有する。改質器は、好ましくは、少なくとも１つの蒸発器の下流に配置され、少なくとも１つのバーナーは、好ましくは、少なくとも１つの蒸発器の上流に配置される。少なくとも１つのバーナーは、少なくとも１つのバーナーで燃焼された燃料含有流体を、少なくとも１つのバーナーから少なくとも１つの蒸発器に供給するために、少なくとも１つの蒸発器に流体接続（流体的に接続）されている。少なくとも１つの蒸発器に燃料／水混合物を供給するための燃料／水混合物源は、少なくとも１つの蒸発器の上流に配置される。
【０００６】
この方法は、以下のステップを有する：
‐  少なくとも１つの蒸発器及び／又は少なくとも１つの蒸発器内の流体を設定温度以上に加熱し、
‐  少なくとも１つの蒸発器が設定温度、又はその温度より高い温度に達するとすぐに、燃料／水混合物源から少なくとも１つの蒸発器に燃料／水混合物を供給し、
‐  少なくとも１つの蒸発器によって蒸発された燃料／水混合物を、設定温度以上に達した少なくとも１つの蒸発器から、蒸発された燃料／水混合物の改質のための改質器に供給し、
‐  改質された燃料／水混合物を、燃料電池スタックによって電流が生成されない非作動状態にあるアノード部に供給する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明による方法によって、燃料電池システムの加熱、特に、少なくとも１つの蒸発器及び改質器並びにアノード部の加熱を達成することが可能である。一方、アノード部には、改質された燃料／水混合物を供給することができ、それによって、アノード部を酸素又は少なくとも過剰な酸素への暴露から確実に保護することができる。同時に、燃料電池スタック、特にアノード部が加熱される。本発明にかかる、燃料／水混合物源からアノード部への、加熱され、蒸発された燃料／水混合物の供給によって、燃料電池システムは、さらに急速に加熱されることができる。
【０００８】
設定温度は、特に、どのくらいの量で液体燃料又は液体水／燃料混合物が蒸発するか、又は蒸発することができるかに依存する。
【０００９】
炭素含有燃料、例えばメタンは、燃料／水混合物中の燃料として使用される。燃料は、予め混合されたエタノール／水混合物から生成することもできる。あるいは、水及びエタノールのための２つの容器を用意することも可能である。この場合、２つの燃料成分は、後で互いに混合される。この場合、燃料／水混合物は、改質器内又は改質器上でメタン、水素、一酸化炭素及び二酸化炭素に改質することができる。改質プロセスの後、なお存在する唯一の物質は、特に好ましくは、水素及びメタンである。これらの物質は、一般に、アノード部上又はアノード部内で問題がなく、例えば、排気ガスバーナー若しくはアフターバーナーで、又はコーティングされた構成要素（beschichtete Komponenten）によって燃焼させることができる。特に、水素及びメタンは、さらに、燃料電池システムの追加の加熱、又は、上述のように、一時的に電流を生成しないように構成されたアノード部の下流の燃料電池システムの選択されたシステム構成要素の追加の加熱のために使用することができる。
【００１０】
この方法は、特に、ＳＯＦＣシステムを加熱するように構成される。燃料／水混合物源は、１つ以上の燃料／水混合物貯蔵部を有することができ、又はそのように設計することができる。
【００１１】
蒸発器は、加熱装置によって加熱又は加温することができる。加熱装置は、電気加熱手段及び／又は酸化加熱手段を有することができる。
【００１２】
改質器及び／又は蒸発器がバーナーに機械的に接続され、その結果、改質器及び／又は蒸発器が暖められるか、又は熱伝導によってバーナーによって暖めることができるようにすることも有利である。これにより、燃料電池システムの構成要素の加熱プロセスの効率がさらに改善される。従って、バーナーは、改質器及び／又は蒸発器と一体の（多段の）構成要素として設計することもできる。この場合、改質器又は蒸発器の、発熱反応のための触媒コーティングを省略することができる。
【００１３】
燃料電池システムの１つのシステム構成要素から燃料電池システムの別のシステム構成要素への流体の供給は、１つのシステム構成要素から他のシステム構成要素へのそれぞれの流体の搬送を意味すると解釈されるべきである。燃料／水混合物が、燃料／水混合物源から少なくとも１つの蒸発器に供給される場合、例えば、燃料／水混合物は、少なくとも１つの蒸発器の中や上に、例えば、少なくとも１つの蒸発器と熱相互作用している少なくとも１つの蒸発器の周囲に、供給されることができる。燃料電池システムには、それぞれの流体を案内又は搬送するための適切な搬送装置が形成されている。さらに、燃料電池システムの個々の構成要素は、それらの間で熱エネルギーを伝達することができるように、互いに接触している。特に、流体は、このプロセスの間に蒸発され、発熱反応が起こり、これにより、構成要素が加熱され、及び／又は設定温度に保持されることを可能にする。
【００１４】
燃料／水混合物源から少なくとも１つの蒸発器への燃料／水混合物の供給は、燃料／水混合物が燃料／水混合物源から少なくとも１つの蒸発器へ少なくとも部分的に供給されることを意味すると解釈されるべきである。少なくとも１つの蒸発器によって蒸発された燃料／水混合物を少なくとも１つの蒸発器から改質器に供給することは、少なくとも１つの蒸発器によって蒸発された燃料／水混合物が少なくとも部分的に少なくとも１つの蒸発器から改質器に供給されることを意味すると解釈されるべきである。蒸発された燃料／水混合物の改質は、蒸発された燃料／水混合物が少なくとも部分的に改質されることを意味すると解釈されるべきである。
【００１５】
燃料電池システム又は燃料電池システムの選択されたシステム構成要素が、所望の作動温度に達するとすぐに、燃料電池システム、ひいてはアノード部も作動状態に切り替わり、その作動状態では改質水素を用いて発電される。
【００１６】
本発明による構成要素が、本発明による別の構成要素の下流又は上流に配置されるという事実は、１つの構成要素が、直接的又は間接的に配置される、すなわち、他の構成要素の上流又は下流で、他の機能構成要素によって、場合により、互いに分離されることを意味すると解釈されるべきである。そのような配置において、流体接続は、さらに好ましくは、それぞれの構成要素の間に形成される。加えて、又は代替として、個々の構成要素が、それらの間の熱伝達を可能にするために、互いに機械的に接続されることが好ましい。
【００１７】
本発明の発展によれば、１つの方法の場合、アノード部からのアノード排気ガス、カソード部からのカソード排気ガス、及び／又は、少なくとも１つのバーナーの上流に配置された一次燃料源からの燃料を、少なくとも１つのバーナーによって燃焼するように設計することが可能である。燃料は、一次燃料源から少なくとも１つのバーナーに供給される。燃料は、少なくとも１つのバーナーにおいて燃焼される。燃焼された燃料は、少なくとも１つの蒸発器及び／又は少なくとも１つの蒸発器内の流体を設定温度以上に加熱するために、少なくとも１つのバーナーから少なくとも１つの蒸発器に供給される。一次燃料源は、燃料電池システムの作動化又は発電運転状態に必要であり、改質されるべき燃料を蒸発器又は改質器に供給する。その結果、本発明に係るプロセスには、燃料電池システムにおいて、何れの場合においても基本的に必要とされるシステム構成が、一次燃料源によって燃料電池システムを加熱するために使用される。燃料をバーナーに供給するための燃料源とバーナーとの間の流体接続とは別に、付加的なシステム構成要素を省略することが可能である。その結果、燃料電池システムは、特にコンパクトな形態で提供することができる。しかも、これにより、燃料電池システムを加熱するための低コストの解決策を考案することができる。排気ガスバーナーとして設計される、又は排気ガスバーナーを備えるバーナーでは、特に、アノード部からのアノード排気ガスは、カソード排気ガス、すなわち実質的に空気を、カソード部から供給しながら燃焼される。特に、カソード排気ガスは、専ら空気だけで構成され、一方、アノード排気ガスは、不完全燃焼された燃料で構成されている。特に排気ガスバーナーは、アフターバーナーである。バーナーは、さらに、始動バーナーの機能を引き継ぐように設計することができる。
【００１８】
さらなる工程において、燃料／水混合物は、燃料電池スタック、特にアノード部に作用及び／又は加熱した後、バーナーに供給されることが有利である。続いて、この燃料／水混合物は、バーナー内で燃焼される。これは、排気ガスバーナーとしての機能と、始動バーナーとしての機能の両方で行うことができる。続いて、少なくとも部分的に燃焼された混合物は、少なくとも１つの蒸発器又は改質器に供給される。あるいは、燃料／水混合物は、アノード部を加熱した後、（バーナーを介する中間ステップなしに）蒸発器又は改質器に直接供給することも可能であり、蒸発器及び／又は改質器は、この目的のための触媒コーティングを有する。その結果、吸熱反応が起こり、蒸発器及び／又は改質器の加熱がさらに促進される。
【００１９】
さらに、本発明による方法では、電気的に活性化可能な触媒によって、特に電気的に加熱可能な金属触媒によって、バーナーの燃料を燃焼させ、設定温度に達したか、又は設定温度を超えるとすぐに、触媒を不活性化させることが可能である。活性化可能及び不活性化可能な触媒並びに自動スイッチオフ機構を使用することによって、バーナーを特に効率的な方法で操作することができる。触媒は、さらに、特に省スペースの形態で提供することができる。
【００２０】
さらに、本発明による方法では、改質された燃料／水混合物が、アノード部から少なくとも１つのバーナーに供給され、少なくとも１つのバーナーで少なくとも部分的に燃焼され、少なくとも部分的に燃焼された燃料／水混合物が、少なくとも１つのバーナーから、少なくとも１つの蒸発器及び改質器を介して、アノード部に供給されることが可能である。その結果、アノード部で使用されるフラッシング液（Spulfluid）、すなわち、蒸発し改質された燃料／水混合物、特にその改質された可燃性成分は、蒸発器をさらに加熱するためにバーナーで使用することができる。これにより、蒸発器及び改質器の加熱を安全に行うことができるだけでなく、特に効率的に行うことができる。
【００２１】
本発明による方法において、燃料／水混合物源からの燃料／水混合物が、噴射器によって少なくとも１つの蒸発器に噴射される場合、より有利である。噴射器によって、燃料／水混合物は、簡単かつ計量された方法で、少なくとも１つの蒸発器に噴射されることができる。これにより、燃料電池システムの始動中に、アノード部を洗浄する流体の量を容易に調整することができる。さらに、それによって、噴射器の所望の噴射プロセスによって、バーナーによって燃焼される改質された燃料／水混合物の噴射量を適合させることによって、少なくとも１つの蒸発器又は改質器に対する任意の温度適合を、相応の自発的かつ簡単な方法で実行することが可能である。
【００２２】
本発明による方法では、さらに、蒸発された燃料／水混合物の改質前又は改質中に、空気又は他の何らかの酸素含有流体を改質器に供給することが可能である。空気又は酸素含有流体を供給することによって、改質器及びアノード部でさらに多くの熱を生成することができる発熱反応を、改質器内で促進することができる。その結果、燃料電池システムを特に急速に加熱することができる。空気は、空気源、例えば圧縮空気タンクから、又は好ましくは送風機から送り込むことができる。送風機は、カソード部に空気を供給する送風機であることが好ましい。この場合、空気は、送風機とカソード部との間に形成される流体ラインから改質器内に迂回することができる。
【００２３】
さらに、本発明による方法では、蒸発された燃料／水混合物が改質器に供給される前に改質器が予熱されると有利である。所望の改質反応は、予熱された改質器において、特に確実な方法で行うことができる。予熱されていない改質器の場合に生じ得る、望ましくない改質生成物は、防止することができる。これにより、特に安定した信頼できる方法で、本方法を行うことが可能である。この目的のため、例えば、改質器をバーナーに機械的に接続し、バーナーから改質器への熱伝導によりバーナーの熱で加熱することが可能である。
【００２４】
本発明の文脈における試験において、設定温度が少なくとも２５０℃、特に少なくとも３００℃であると有利であることが見出された。すなわち、燃料／水混合物が、燃料／水混合物源から少なくとも１つの蒸発器に供給され又は注入される前に、少なくとも１つの蒸発器及び／又は少なくとも１つの蒸発器内の流体が、少なくとも２５０℃、特に少なくとも３００℃に加熱される。この温度範囲は、所望に応じて燃料／水混合物を蒸発させるのに十分に高いことが証明されている。
【００２５】
本発明の別の実施形態によれば、少なくとも１つの蒸発器によって蒸発された燃料／水混合物の少なくとも一部を、設定温度、又はその温度より高い温度に達した少なくとも１つの蒸発器から、少なくとも１つのバーナーに、燃料含有流体として供給することができる。蒸発された燃料／水混合物を使用することにより、燃料源からの燃料を節約することが可能であり、あるいは、用途に応じて、特に大量の燃料をバーナーに容易かつ急速に供給することが可能である。これにより、バーナーひいては蒸発器並びに改質器を急速かつ容易に所望の温度にすることが可能である。燃料／水混合物が燃料含有流体としてみなされるという事実は、特に、燃料／水混合物が、バーナーに供給される燃料含有流体の少なくとも一部として使用されることを意味すると解釈されるべきである。
【００２６】
さらに、本発明による方法の場合、少なくとも１つの蒸発器によって蒸発された燃料／水混合物は、少なくとも１つのバーナーの熱交換部上で又はその中で燃料／水混合物を加熱するために、少なくとも１つのバーナーに供給されることが可能である。この場合、蒸発された燃料／水混合物は、特に、バーナーに沿った少なくともいくつかの部分（単数又は複数）に配置された、好ましくはバーナーに直接接続する流体ダクト内で、燃料／水混合物をバーナー内に入れるための入口部に案内される。これにより、バーナー内で生成された熱を燃料／水混合物に簡単、効果的かつ効率的に伝達することが可能であり、これにより、燃料／水混合物を、既に予熱及び／又はさらに蒸発させた後に、バーナー内に導入することが可能になる。これにより、バーナーをより急速に加熱することが可能であり、それにより、熱交換部を介して少なくとも１つのバーナーに供給される燃料／水混合物をより強く加熱することも可能になる。議論中の教示によって、結果として、特に効率的で効果的な加熱回路を作り出すことができる。
【００２７】
本発明による方法では、さらに、少なくとも１つの蒸発器に燃料を供給するための燃料源が、少なくとも１つの蒸発器の上流に配置されることが可能であり、少なくとも１つの蒸発器によって蒸発された燃料は、少なくとも１つのバーナーの熱交換部上又は中で燃料を加熱するために、燃料含有流体として少なくとも１つのバーナーに供給される。すなわち、燃料／水混合物源に加えて、又はその代わりに、別個の燃料源が配置され、この場合も、バーナー内で生成された熱を、単純、効果的、かつ効率的な方法で燃料に伝達することができる。これにより、燃料が既に予熱及び／又は更に蒸発された後に、バーナーに導入されることが可能になる。これにより、今度は、バーナーを特に急速に加熱することが可能となり、それによって、熱交換部を介して少なくとも１つのバーナーに供給される燃料をさらに強く加熱することも可能となる。好ましい実施形態では、燃料／水混合物源は、上述の燃料源に加えて設けられ、それによって、燃料／水混合物を蒸発させる燃料／水混合物源は、燃料／水混合物を蒸発させるための別個の蒸発器を介して改質器に供給され、この蒸発器は、燃料源用の蒸発器と直列に配置される。この場合、２つの蒸発器は、それぞれ、比較的低コストで提供することができる２方向システム（Zweiwege- Systeme）として構成される。
【００２８】
本発明による方法では、燃料／水混合物及び／又は燃料は、燃料／水混合物又は燃料が所定の温度に達するか、又はその温度を超えるまで、燃料／水混合物源又は燃料源の下流であって、少なくとも１つのバーナーの上流に配置された中間加熱装置、特に電気的中間加熱装置（elektrische Zwischenheizvorrichtung）によって加熱されることがさらに可能である。中間加熱装置を使用すると、最初に述べた一次燃料源からの燃料によってバーナーを加熱又は予熱することを省略することが可能となる。それにより、この目的のために必要とされるラインシステムを省略することも可能である。このラインシステムは、一般に中間加熱装置よりも大きな設置スペース及び燃料電池システムにおける高度の複雑さを必要とする。したがって、本発明による中間加熱装置を使用することにより、燃料電池システムを相応の簡単かつコンパクトな形態で提供することが可能である。中間加熱装置は、蒸発器の上流及び／又は蒸発器の下流に配置することができる。
【００２９】
本発明による方法では、少なくとも１つのバーナー、少なくとも１つのバーナー内の流体、少なくとも１つの蒸発器及び／又は少なくとも１つの蒸発器内の流体が、所定の温度、又はその温度より高い温度に達するとすぐに、中間加熱装置が不活性化（停止）される場合、さらに有利である。それぞれの所定の温度に達するとすぐに、中間加熱装置はもはや必要とされない。自動停止により、燃料電池システムを省エネ運転することができる。特に、ここで、上記の構成要素が、熱が伝導されてバーナーから蒸発器に伝達されるように、特に直接的な機械的手段によって、互いに接続されていると有利である。
【００３０】
本発明の別の態様によれば、自動車用の燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、アノード部とカソード部とを有する燃料電池スタックと、燃料／水混合物を蒸発させるための少なくとも１つの蒸発器と、燃料電池スタックのアノード部で使用するために蒸発された燃料／水混合物を改質するための改質器と、燃料含有流体を燃焼させるための少なくとも１つのバーナーとを有する。改質器は、少なくとも１つの蒸発器の下流に配置され、少なくとも１つのバーナーは、少なくとも１つの蒸発器の上流に配置される。少なくとも１つのバーナーは、少なくとも１つのバーナーで燃焼された燃料含有流体を少なくとも１つのバーナーから少なくとも１つの蒸発器に供給するために、少なくとも１つの蒸発器に流体接続されている。少なくとも１つの蒸発器に燃料／水混合物を供給するための燃料／水混合物源は、少なくとも１つの蒸発器の上流に配置される。
【００３１】
したがって、本発明による燃料電池システムは、本発明による方法を参照して詳細に説明したものと同じ利点を有する。燃料電池システムは、好ましくは、ＳＯＦＣシステムとして構成される。本発明の別の実施形態では、燃料電池システムは、上記で詳細に説明した方法を実行するように構成され、設計された制御ユニットを有する。制御ユニットは、個々の方法ステップを実行又は制御するための開ループ及び／又は閉ループ制御ユニットを意味すると解釈されるべきである。
【００３２】
燃料／水混合物源内の燃料及び水は、少なくとも一時的に液体の形態で提供される。燃料／水混合物源は、好ましくは、予め混合された燃料／水混合物が液体凝集状態（flussigen Aggregatszustand）で貯蔵される燃料／水混合物貯蔵部を有する。これにより、燃料／水混合物は、特に簡単かつコンパクトな方法で燃料電池システム内に貯蔵される。
【００３３】
本発明の別の実施形態では、少なくとも１つの蒸発器は、燃料／水混合物源の直ぐ下流に配置されることが好ましい。それによって、少なくとも１つの蒸発器のための燃料／水混合物に関する計量を、急速かつ簡単に実施することが可能である。
【００３４】
本発明による燃料電池システムでは、さらに、少なくとも１つの蒸発器が、少なくとも１つのバーナーの直ぐ下流に配置されることが可能である。これにより、バーナーから少なくとも１つの蒸発器への特に効果的な熱伝達を保証することが可能であり、それによって、燃料及び／又は燃料／水混合物が、少なくとも１つの蒸発器内又はその上で、相応の効果で蒸発されることを可能にする。
【００３５】
本発明による燃料電池システムにおいて、少なくとも１つの蒸発器及び／又は改質器が、少なくとも１つのバーナーに直接接続される場合、特に有利である。したがって、蒸発器及び／又は改質器は、バーナーに機械的に接続され、それによって、熱伝導によるバーナーから蒸発器又は改質器への熱伝達を可能にする。したがって、この実施形態では、蒸発器及び／又は改質器の触媒コーティングは必要ない。熱を供給するための発熱反応を省略することが可能である。例えば、蒸発器は、バーナーに直接隣接（接触）して、又はバーナーの周囲に配置することができる。できるだけ多くの熱がバーナーから改質器及び／又は蒸発器へ熱伝導されるように、構成要素が互いに対して配置される場合、常に有利である。本発明の文脈において、少なくとも１つの蒸発器及び／又は改質器が少なくとも１つのバーナーに直接接続されているという事実は、これらの構成要素が互いに直接隣接し、間隔を置いて配置されておらず、互いに物理的に接続されていることを意味すると解釈されるべきである。
【００３６】
この場合、少なくとも１つのバーナーは、特に、排気ガスバーナー及び／又は始動バーナーを有する。特に、始動バーナーは、排気ガスバーナーの上流、好ましくは排気ガスバーナーの直ぐ上流に形成され、特に好ましくは、排気ガスバーナーと一体化して接続される。本発明によるＳＯＦＣシステムでは、いずれの場合でも、少なくとも排気ガスバーナーだけでなく、一般に始動バーナーも必要であり、そのため、バーナーのための新しい又は別個の機能ユニットは必要ない。従って、燃料電池システムは、特にコンパクトで簡単な構造として利用可能なものとすることができる。
【００３７】
本発明による燃料電池システムでは、改質の前又は蒸発された燃料／水混合物の改質中に、空気を改質器に供給するための空気供給装置、特に送風機が、配置される。空気供給装置は、好ましくは、空気又は酸素含有流体をカソード部に供給するために既に必要とされている。すなわち、燃料電池システムにおいて、いずれの場合にも必要とされる燃料電池システムの機能構成要素を用いることが可能である。これにより、燃料電池システムをコンパクトにして、低コストで提供することができる。
【００３８】
代替として、又は加えて、改質器の下流に空気を供給するさらなる空気供給装置が設けられる場合、有利である。これにより、アノードで吸熱的な部分酸化反応が開始され、加熱プロセスも促進される。酸化反応のためのアノード温度は、２５０℃より高くすべきであり、特に３００℃より高くすべきである。ここで、アノードにおける再酸化を回避するために、全ての酸素がアノードにおいて燃焼されることが常に重要である。これは、リッチバーンが起こる場合、すなわち、ラムダ値が１未満である場合（空気よりも燃料が多く、空気が不足している場合）に達成される。
【００３９】
本発明による燃料電池システムでは、さらに、少なくとも１つのバーナーが、アノード部からのアノード排気ガス、カソード部からのカソード排気ガス及び／又は少なくとも１つのバーナーの上流に配置された燃料源からの燃料を、燃焼するように設計されることが可能である。そして、燃料源が、少なくとも１つのバーナーに燃料を供給するように設計され、少なくとも１つのバーナーが、少なくとも１つの蒸発器及び／又は少なくとも１つの蒸発器内の流体を設定温度以上に加熱するために、少なくとも１つのバーナーから少なくとも１つの蒸発器に燃焼された燃料を供給するように設計されることが可能である。
【００４０】
少なくとも１つのバーナーは、さらに、電気的に活性化可能な触媒、特に燃料を燃焼させるための電気的に加熱可能な金属触媒を有することができ、その触媒は、設定温度に達するか、又は設定温度を超えるとすぐに、不活性化されるように構成される。燃料／水混合物源から少なくとも１つの蒸発器内に燃料／水混合物を噴射するための少なくとも１つの噴射器が、燃料／水混合物源の下流で、少なくとも１つの蒸発器の上流に配置される。少なくとも１つの蒸発器によって蒸発された燃料／水混合物を少なくとも１つのバーナーに供給することができる熱交換部を、少なくとも１つのバーナーの外壁部上に形成することができる。少なくとも１つの蒸発器に燃料を供給するための燃料源を、少なくとも１つの蒸発器の上流に配置することができ、少なくとも１つの蒸発器によって蒸発された燃料は、少なくとも１つのバーナーの熱交換部で、又はその中で、燃料を加熱するために、燃料含有流体として少なくとも１つのバーナーに供給することができる。燃料／水混合物及び／又は燃料を加熱するための中間加熱装置、特に電気的中間加熱装置は、燃料／水混合物源及び／又は燃料源の下流であって、少なくとも１つのバーナーの上流に配置することができる。中間加熱装置は、燃料／水混合物又は燃料が所定の温度に達するか、又はその温度を超えるまで、燃料／水混合物又は燃料を加熱するように構成される。中間加熱装置は、少なくとも１つのバーナー、少なくとも１つのバーナー内の流体、少なくとも１つの蒸発器及び／又は少なくとも１つの蒸発器内の流体が、所定の温度、又はその温度より高い温度に達するとすぐに、不活性化されるように構成することができる。したがって、燃料電池システムは、本発明による関連する方法を参照して上記で詳細に説明したものと同じ利点を有する。
【００４１】
本発明の別の態様によれば、上述のような燃料電池システムを有する自動車が利用可能になる。したがって、本発明による自動車も、上述の利点を有する。自動車は、乗用車又は重量物車両であることが好ましい。
【００４２】
本発明を改善するさらなる手段は、図面に概略的に示される本発明の様々な例示的な実施形態の以下の説明に見出される。特許請求の範囲、明細書、又は図面から明らかになる全ての特徴及び／又は利点は、構造的詳細及び空間的配置を含めて、それ自体で、又は様々な組合せで、本発明に不可欠であり得る。
【００４３】
いずれの図面も概略的に示す。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１実施形態による燃料電池システムを示すブロック図を示す。
【図２】図１に示す燃料電池システムの一部を側面から見た部分断面図を示す。
【図３】本発明の第２実施形態による燃料電池システムを示すブロック図を示す。
【図４】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムを示すブロック図を示す。
【図５】本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムを示すブロック図を示す。
【図６】本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムを示すブロック図を示す。
【図７】本発明の第６実施形態に係る燃料電池システムを示すブロック図を示す。
【図８】本発明の第７実施形態に係る燃料電池システムを示すブロック図を示す。
【図９】本発明の第８実施形態に係る燃料電池システムを示すブロック図を示す。
【図１０】本発明の第９実施形態に係る燃料電池システムを示すブロック図を示す。
【図１１】本発明に係る燃料電池システムを備えた自動車を示す。
【図１２】本発明の第１実施形態による方法を説明するためのフロー図を示す。
【図１３】本発明の第２実施形態による方法を説明するためのフロー図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
図１〜図１３において、同一の機能及び動作モードを有する要素には、それぞれ同一の参照符号が付されている。
【００４６】
図１には、第１実施形態に係るＳＯＦＣシステムの形態の自動車１０００用の燃料電池システム１００ａが概略的に示されている。燃料電池システム１００ａは、アノード部２と、燃料／水混合物を蒸発させる蒸発器４と、アノード部２で使用するために蒸発された燃料／水混合物を改質する改質器５と、一次燃料源１４からの燃料を燃焼させるバーナー６とを有している。一次燃料源１４は、始動バーナーのような任意の予熱要素である。
【００４７】
改質器５は蒸発器４の下流に配置され、バーナー６は蒸発器４の上流に配置される。バーナー６は、バーナー６内で燃焼された燃料をバーナー６から蒸発器４に供給するために、蒸発器４に流体的に接続されるか、又は機械的に接続される。燃料／水混合物貯蔵部の形態の燃料／水混合物源７は、蒸発器４が十分に混合された燃料／水混合物を利用可能にするために、蒸発器４のすぐ上流に配置される。
【００４８】
燃料／水混合物源７内の燃料及び水は、液体の形態で提供される。蒸発器４は、燃料／水混合物源７のすぐ下流に配置される。蒸発器４は、更に、バーナー６のすぐ下流に配置される。
【００４９】
燃料／水混合物を燃料／水混合物源７から蒸発器４に噴射するための噴射器１２は、燃料／水混合物源７の下流に、したがって蒸発器４の上流に配置される。
【００５０】
バーナー６からの燃焼した排気ガスを燃料電池システムの使用環境（周囲）９に放出することができる熱交換器８は、更に改質器４のすぐ下流に配置される。
【００５１】
バーナー６は、蒸発器４及び蒸発器４内の流体を設定温度以上に加熱するために、バーナー６から蒸発器４に燃焼した燃料を供給するように設計されている。ここでは、バーナー６も蒸発器４に物理的に接続されるために有利に設けられており、例えば、蒸発器４を、バーナー６のすぐ下流に、又はバーナー６の周囲にそれを囲むように配置することができる。
【００５２】
ここで、図２を参照して、第１実施形態に係る燃料電池システム１００ａの一部を詳細に説明する。図２に示すバーナー６は、燃料を燃焼させるための電気的に加熱可能な金属触媒を有しており、その触媒は、設定温度に達するか、又は設定温度を超えるとすぐに、不活性化されるように構成されている。図２に示すように、燃料／水混合物を、蒸発器４を介して改質器５に供給することができ、そこからアノード部２に供給することができる。この場合、改質器５は、排気ガスバーナーの形態でバーナー６の周囲にリング状に配置される。バーナー６内で燃焼される燃料を予熱するための電気加熱装置の形態の予熱装置１０が、バーナー６の上流で、バーナー６に直接配置される。
【００５３】
ここで、燃料電池システムの別の実施形態を図１〜１０を参照して説明するが、いずれの場合も、実施形態を区別するそれぞれの特徴のみを説明する。これは、可能な限り冗長な説明を避けることを意図する。
【００５４】
図３には、第２実施形態に係る燃料電池システム１００ｂが示されている。図示の燃料電池システム１００ｂにおいて、バーナー６の外壁部には、蒸発器４で蒸発された燃料／水混合気をバーナー６に供給することができる熱交換部１８が形成される。図３において、燃料／水混合物は、更に、燃料／水混合物源７からバーナー６及び改質器５の両方に供給される。
【００５５】
図４には、第３実施形態に係る燃料電池システム１００ｃが示されている。図示した燃料電池システム１００ｃでは、第１蒸発器４ａの上流に第１蒸発器４ａ用の燃料を供給するための燃料源７ａが配置される。バーナー６の熱交換部１８で、又はその中で燃料を加熱するために、第１蒸発器４ａで蒸発させた燃料は、燃料含有流体としてバーナー６に供給されることができる。さらに、第２蒸発器４ｂのための燃料／水混合物を供給する燃料／水混合物源７ｂは、第２蒸発器４ｂの上流に配置される。第２蒸発器４ｂによって蒸発された燃料／水混合物は、改質器５に供給されることができる。従って、第２蒸発器４ｂは、改質器５の上流に配置されている。第１蒸発器４ａ及び第２蒸発器４ｂは、熱交換器８の上流に直列に配置される。
【００５６】
第４実施形態による燃料電池システム１００ｄが図５に示されている。このシステムは、第３実施形態による燃料電池システム１００ｃと同様である。第４実施形態に係る燃料電池システム１００ｄでは、第１蒸発器４ａと第２蒸発器４ｂとが互いに平行に配置されている。これは、燃料電池システム１００ｄの特にコンパクトな構造のために実施することができる。
【００５７】
第５実施形態による燃料電池システム１００ｅが図６に示されている。図示されている燃料電池システム１００ｅでは、燃料／水混合物又は燃料を加熱するための電気的中間加熱装置１１が、燃料／水混合物源７の下流に、より正確には、蒸発器４のすぐ下流に配置されており、中間加熱装置１１は、燃料／水混合物が所定の温度に達するか、又はその温度を超えるまで、燃料／水混合物を加熱するように構成されている。中間加熱装置１１は、バーナー６及び／又はバーナーの中の流体が所定の温度、又はその温度より高い温度に達するとすぐに、不活性化されるように構成される。所定の温度は、例えば、約６５０℃とすることができる。バルブ２０は、蒸発器４の下流で、改質器５の上流に配置されている。閉位置では、バルブ２０は、燃料又は水／燃料混合物が、蒸発することなく、又は蒸発することができずに、改質器５に流入することを防止する。したがって、改質器５内での水／燃料混合物の起こり得る凝縮、及び液体燃料による改質器５のフラッディング（Flutung）が回避される。バルブ２０は、本発明の他の全ての実施形態に設けることもできる。
【００５８】
図７には、第６実施形態に係る燃料電池システム１００ｆが示されている。図示した燃料電池システム１００ｆでは、中間加熱装置１１は、燃料／水混合物源の下流であって、蒸発器４の上流に配置されている。
【００５９】
図３〜図７に示すように、噴射器１２は、各々の場合において、バーナー６から比較的長い距離を置いて配置され、それによって、バーナーの熱に対して十分に保護される。したがって、とりわけ、噴射器１２として標準的な噴射器、すなわち、その形状又は温度抵抗に関して特別の要件を満たす必要のない噴射器を使用することも可能である。
【００６０】
図８には、第７実施形態に係る燃料電池システム１００ｇが示されている。図示した燃料電池システム１００ｇには、アノード部２とカソード部３とを有する燃料電池スタックが示されている。更に、一次燃料源１４に加えて、水源１５、及び送風機の形態の空気供給装置１６が図示されている。送風機は、改質前又は蒸発された燃料／水混合物の改質中に、空気を改質器５に供給するように構成される。
【００６１】
第８実施形態による燃料電池システム１００ｈが図９に示されている。図示した燃料電池システム１００ｈでは、バーナーは、排気ガスバーナー６と始動バーナー１７とを有し、始動バーナー１７は、排気ガスバーナー６の上流に直接配置されている。
【００６２】
第９実施形態の燃料電池システム１００ｉが図１０に示されている。図示した燃料電池システム１００ｉでは、中間加熱装置１１が蒸発器４の上流に配置されているため、一次燃料源１４からバーナー６に燃料を供給する流路は省略されている。
【００６３】
図８〜図１０に示す全ての例示的な実施形態において、一次燃料源１４及び水源１５の代わりに、既に予め混合された燃料／水混合物を収容する単一の燃料／水混合物タンクを設けることも可能である。原則として、この燃料／水混合物タンクは、燃料／水混合物源７と同様に設計することができ、蒸発器４の上流に配置される。
【００６４】
第１実施形態による燃料電池システム１００ａを有する自動車１０００が図１１に示されている。自動車１０００は、さらに、燃料電池システム１００ａからの電気エネルギーによって駆動され得る電動機２００を有する。図１１に示される自動車１０００又は燃料電池システム１００ａは、制御ユニット１９を有し、制御ユニットは、以下に記載されるような方法を実行するように構成され、設計される。
【００６５】
ここで、第１実施形態に係る方法を図１２及び図１を参照して説明する。第１ステップＳ１では、蒸発器４をバーナー６によって約３００℃の設定温度に加熱する。このプロセスの間、バーナー６内の燃料は、電気的に加熱可能な金属触媒によって燃焼され、その触媒は、設定温度に達したか、又はその温度を超えるとすぐに、不活性化される。
【００６６】
蒸発器４が設定温度、又はその温度より高い温度に達するとすぐに、次の第２ステップＳ２において、燃料／水混合物を、燃料／水混合物源７から噴射器１２によって蒸発器４に噴射する。
【００６７】
この後、第３ステップＳ３において、改質器５に、蒸発器４によって蒸発された燃料／水混合物を蒸発器４によって供給する。この燃料／水混合物は、設定温度、又はその温度より高い温度に達する。したがって、改質器は、蒸発された燃料／水混合物を改質することができる。空気は、改質前又は蒸発された燃料／水混合物の改質中に、改質器５に供給される。改質器５は、蒸発された燃料／水混合物が改質器５に供給される前に、さらに予熱される。
【００６８】
第４ステップＳ４では、その後、改質された燃料／水混合物を、非作動状態にあるアノード部２に供給する。その状態において、電気は、燃料電池スタックによって生成されない。その結果、アノード部は洗浄され、燃料電池システムの作動中及び加熱中に、対応して保護される。
【００６９】
次いで、改質された燃料／水混合物を、アノード部２からバーナー６に供給するか、又は再循環し、バーナー６内で少なくとも部分的に燃焼し、少なくとも部分的に燃焼した燃料／水混合物を、バーナー６から蒸発器４及び改質器５を介してアノード部２にフィードバックする。これにより、対応する熱循環は、燃料電池システムが所望の温度に加熱されるまで継続することができる。
【００７０】
次に、第２実施形態による方法を図１３及び図６を参照して説明する。第１ステップＳ１において、バーナー６を、電気的に加熱可能な金属触媒によって約３００℃の設定温度まで加熱する。設定温度に達するとすぐに、金属触媒を不活性化する。
【００７１】
第２ステップＳ２では、噴射器１２によって蒸発器４を介して、燃料／水混合物をバーナー６に供給する。ここで、電気的中間加熱装置１１を作動し、燃料／水混合物をバーナー６に沿って案内する。
【００７２】
蒸発器４が、燃料／水混合物がバーナー６内で生成された熱によって所望の方法で蒸発することができる所定の温度に達するとすぐに、第３ステップＳ３において、中間加熱装置１１を不活性化する。現在存在する加熱回路では、金属触媒への電力の供給と、中間加熱装置への電力の供給との両方を省略することが可能である。
【００７３】
説明された実施形態に加えて、本発明は、さらなる設計原理を許容する。
【００７４】
これにより、図４及び図５に示すように、第１蒸発器４ａ用の燃料を供給するための燃料源７ａを第１蒸発器４ａの上流に配置することができ、第１蒸発器４ａで蒸発された燃料は、バーナー６の熱交換部１８で燃料を加熱するために、燃料含有流体としてバーナー６に供給される。すなわち、図１３による方法では、燃料／水混合物の代わりに、異なる燃料混合物又は異なる燃料をバーナー６に供給することも可能である。
【００７５】
さらに、図３、図６及び図７に示すように、蒸発器４によって蒸発された燃料／水混合物の少なくとも一部を、設定温度、又はその温度より高い温度に達した蒸発器４からバーナー６に、燃料含有流体として供給することが可能である。すなわち、燃料／水混合物の一部は蒸発器４からバーナー６に供給され、一部は改質器５に供給される。
【符号の説明】
【００７６】
１        燃料電池スタック
２        アノード部
３        カソード部
４        蒸発器
４ａ      蒸発器
４ｂ      蒸発器
５        改質器
６        排気ガスバーナー（バーナー）
７        燃料／水混合物源
７ａ      燃料源
７ｂ      燃料／水混合物源
８        熱交換器
９        使用環境
１０      予熱装置
１１      中間加熱装置
１２      噴射器
１４      燃料源
１５      水源
１６      送風機
１７      始動バーナー（バーナー）
１８      熱交換部
１９      制御ユニット
２０      バルブ
１００ａ〜１００ｉ    燃料電池システム
２００    電動機
１０００  自動車
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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