(57)【要約】本発明は、触媒入口（１１）及び触媒出口（１２）を有する触媒（１０）と、前記触媒入口（１１）と前記触媒出口（１２）との間に形成されて前記触媒入口（１１）から前記触媒出口（１２）まで流路方向に触媒壁（１４）で覆われる触媒領域（１３）と、作動流体（Ｆ１）を前記触媒入口（１１）に供給する作動流体案内部（２０）と、を備える燃料電池システム（１０００ａ，１０００ｂ）の始動バーナ（１００ａ，１００ｂ）に関し、前記作動流体案内部（２０）は、前記触媒壁（１４）に沿って少なくとも部分的に前記触媒（１０）の外側に配置される。また、本発明は、前記始動バーナ（１００ａ，１００ｂ）を備える燃料電池システム（１０００）及び当該燃料電池システム（１０００ａ，１０００ｂ）内の作動流体を加熱する方法に関する。
2020509530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システム（１０００ａ，１０００ｂ）の始動バーナ（１００ａ，１００ｂ）であって、
触媒入口（１１）及び触媒出口（１２）を有し、前記触媒入口（１１）と前記触媒出口（１２）との間に触媒領域（１３）が形成され、当該触媒領域（１３）が流路方向（Ｄ）に向けて前記触媒入口（１１）から前記触媒出口（１２）まで触媒壁（１４）に覆われている、触媒（１０）と、
作動流体（Ｆ１）を前記触媒入口（１１）に供給する作動流体案内部（２０）と、を備え、
前記作動流体案内部（２０）は、前記触媒壁（１４）に沿って、少なくとも一部が前記触媒（１０）の外側に配置されること、を特徴とする始動バーナ。
【請求項２】
前記作動流体案内部（２０）は、前記触媒壁（１４）に沿って流れる前記作動流体（Ｆ１）の案内方向（Ｒ）を規定し、前記案内方向（Ｒ）は、少なくとも一部が前記流路方向（Ｄ）と平行又は前記流路方向に対して鋭角であり、かつ前記流路方向（Ｄ）と逆向きであること、を特徴とする請求項１に記載の始動バーナ（１００ａ，１００ｂ）。
【請求項３】
前記触媒壁（１４）は、少なくとも一部が中空管形状に構成され、前記作動流体案内部（２０）は、少なくとも一部が環状に構成され、少なくとも一部が前記触媒壁（１４）の周りに構成されること、を特徴とする請求項１又は２に記載の始動バーナ（１００ａ，１００ｂ）。
【請求項４】
前記作動流体案内部（２０）は、少なくとも一部が直接又は実質的に直接前記触媒壁（１４）上に配置される、又は、前記触媒壁（１４）は、前記作動流体案内部（２０）と前記触媒領域（１３）との間の隔壁として構成されること、を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の始動バーナ（１００ａ，１００ｂ）。
【請求項５】
前記作動流体案内部（２０）は、前記作動流体を案内する流れ断面を有し、前記流れ断面内において、前記作動流体案内部（２０）内の前記作動流体（Ｆ１）の流れを規定する流体案内要素（１５）が少なくとも一つ構成されること、を特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の始動バーナ（１００ｂ）。
【請求項６】
前記少なくとも一つの流体案内要素（１５）は、前記触媒壁（１４）上、特に前記触媒壁（１４）と一体的な要素として設けられること、を特徴とする請求項５に記載の始動バーナ（１００ｂ）。
【請求項７】
作動流体流れ方向において、前記作動流体案内部（２０）の端部と前記触媒入口（１１）との間に、前記作動流体案内部（２０）から前記触媒（１０）に向かって前記作動流体（Ｆ１）が通過可能な有孔分離部（６０）が配置されること、を特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の始動バーナ（１００ａ）。
【請求項８】
前記有孔分離部（６０）が漏斗状又は実質的に漏斗状に構成されていること、を特徴とする請求項７に記載の始動バーナ（１００ａ）。
【請求項９】
前記有孔分離部（６０）は、前記触媒壁（１４）の端部に隣接し、前記触媒壁（１４）は、前記触媒入口（１１）の領域において前記触媒領域（１３）よりも広い断面積を有し、かつ、前記触媒壁（１４）は、当該領域から前記流路方向（Ｄ）に、前記触媒領域（１３）より一定距離離れたところまで、少なくとも前記触媒領域（１３）の一部を超えて延在すること、を特徴とする請求項７又は８に記載の始動バーナ（１００ａ）。
【請求項１０】
前記作動流体案内部（２０）は、少なくとも一部が前記始動バーナ（１００ａ）のハウジング体（７０）の一要素として構成され、前記有孔分離部（６０）は、前記ハウジング体の一要素、特に一体的な要素として構成されること、を特徴とする請求項７から９のいずれか一項に記載の始動バーナ（１００ａ）。
【請求項１１】
別の作動流体（Ｆ２）を前記始動バーナ（１００ａ，１００ｂ）の混合チャンバ（８０）に噴射する少なくとも１つのインジェクタ（５０）が前記触媒入口（１１）の上流に配置され、前記混合チャンバ（８０）は前記作動流体（Ｆ１）と前記別の作動流体（Ｆ２）とを混合させるように構成されること、を特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の始動バーナ（１００ａ，１００ｂ）。
【請求項１２】
前記混合チャンバ（８０）は、前記作動流体（Ｆ１）の流れ方向を、前記案内方向（Ｒ）から前記流路方向（Ｄ）に偏向する偏向部（８１ａ，８１ｂ）を有すること、を特徴とする請求項１１に記載の始動バーナ（１００ａ，１００ｂ）。
【請求項１３】
前記触媒入口（１１）の上流、特に前記触媒入口（１１）の上流かつ前記混合チャンバ（８０）の下流において、前記作動流体（Ｆ１）及び前記別の作動流体（Ｆ２）からなる作動流体混合物を加熱する加熱媒体（４０）、特に電気加熱媒体が配置されること、を特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の始動バーナ（１００ａ，１００ｂ）。
【請求項１４】
前記加熱媒体（４０）は板状又は実質的に板状であること、を特徴とする請求項１３に記載の始動バーナ（１００ａ，１００ｂ）。
【請求項１５】
前記板状加熱媒体（４０）の上流側のみ、特に前記触媒入口（１１）と反対側の前記板状加熱媒体の上流側のみが直接加熱されること、を特徴とする請求項１３又は１４に記載の始動バーナ（１００ａ，１００ｂ）。
【請求項１６】
前記加熱媒体（４０）は、前記加熱媒体（４０）の加熱処理を稼働・停止させる稼働ユニットを有すること、を特徴とする請求項１３から１５のいずれか一項に記載の始動バーナ（１００ａ，１００ｂ）。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれか一項に記載の始動バーナ（１００ａ）を備えた燃料電池システム（１０００ａ）であって、
さらに、アフターバーナ（２００）と、改質器（３００）と、を備え、
前記アフターバーナ（２００）は前記改質器（３００）を加熱するように構成され、前記始動バーナ（１００ａ）は前記アフターバーナ（２００）を加熱するように構成される、燃料電池システム（１０００ａ）。
【請求項１８】
請求項１７に記載の燃料電池システム（１０００ａ）の作動流体（Ｆ１）を加熱する方法であって、
前記作動流体（Ｆ１）は、前記触媒入口（１１）の方向に、少なくとも前記触媒壁（１４）の一部に沿って、特に前記触媒壁（１４）の全長に亘って、前記触媒（１０）外側の前記作動流体案内領域（２０）を通して移動する、方法。
【請求項１９】
前記作動流体混合物は、前記混合チャンバ（８０）から前記加熱媒体（４０）へと移動し、さらに、そこから前記触媒（１０）へと移動する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記加熱媒体（４０）は、前記燃料電池システム（１０００ａ）、特に前記燃料電池システム（１０００ａ）のアフターバーナ（２００）、の温度を検出する温度センサ（２４０）と通信接続され、
前記加熱媒体（４０）の加熱処理は、前記燃料電池システム（１０００ａ）又は前記アフターバーナ（２００）の前記温度センサ（２４０）により検出される規定温度の機能として稼働又は停止されること、を特徴とする請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム用始動バーナに関し、特にＳＯＦＣシステム、始動バーナ付燃料電池システム、及び燃料電池システムの作動流体の加熱方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野では、異なる燃料電池システムに対して異なる始動バーナが知られている。ドイツ特許出願公開公報第１０２３７７４４号は、バーナハウジングに搭載された始動バーナを有する燃料電池システムを開示する。当該バーナハウジング内では、始動バーナから出た暖機とバイパス空気とがミックスゾーンで混合される前に、当該バイパス空気が始動バーナの外側を沿うように流れる。ミックスゾーンでは、バイパス空気は可能な限り暖機と均一になるように混ぜ合わされ、温度調節気流として排気されると共に、燃料電池システムを暖機する。温度調節は、供給されるバイパス空気を適宜投与することによって行われ、さらに必要に応じて、始動バーナに供給される燃料（例えば、炭化水素含有燃料）と空気を適切に投与することによって行われる。バイパス空気を始動バーナに沿って案内することにより、始動バーナの周囲を、始動バーナで生成された熱から保護することができる。一方、始動バーナは上記したバイパス空気の案内によって冷却されるものの、本先行技術においては、かかる問題をどのように考慮すべきか、その解決策を提供しない。
【０００３】
ドイツ特許出願公開公報第１００５５６１３号は、燃料電池システムの始動バーナとして、ツインチューブ式バーナについて開示する。この２つの管を持つバーナは、互いに同心上に配置された２つの管部（内側管及び外側管）を有する。燃料を内側管部に噴射する燃料インジェクタは、当該内側管部の上流に配置される。内側管部の内部には、燃料インジェクタによって噴射された燃料を点火するスパークプラグが設けられる。内側管部の下流には、触媒反応器を設けても良い。高温の内側管部の断熱は、当該内側管部の周りを流れる空気によって達成される。但し、このシステムも、燃焼用の内部配管システムに供給される空気が比較的低温であるという課題がある。そのため、供給される空気を別途予熱するために追加のコストがかかると共に、始動バーナや燃料電池システムの動作に関する効率性を低下させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、上記した課題を少なくとも一部解消することにある。特に、本発明は、燃料電池システムの予熱に用いられる始動バーナの改良版を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的は、特許請求の範囲の記載により解決される。特に、上記目的は請求項１に係る始動バーナと、請求項１７に係る燃料電池システムと、請求項１８に係る方法により解決される。本発明のさらに有意な点は、従属項、明細書及び図面から導き出される。当然のことながら、始動バーナに関連して記載される特徴及び詳細は、本燃料電池システム、本方法にも関連し、その逆も成立する。したがって、本発明の各態様の開示に関しては、常に相互に参照することができる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の第１の態様によれば、始動バーナは燃料電池システム（特にＳＯＦＣ系）の用に供される。なお、ＳＯＦＣとは固体酸化物形燃料電池（Solid oxide fuel cell）の略である。本始動バーナは、触媒入口及び触媒出口を備える触媒を備え、触媒領域が触媒入口と触媒出口との間に形成される。触媒領域は、流路方向に触媒入口から触媒出口まで触媒壁により覆われる。また、始動バーナは、作動流体を触媒入口に供給する作動流体案内部を備える。本発明において、作動流体案内部は少なくとも一部が触媒壁に沿って触媒の外側に配置される。
【０００７】
即ち、作動流体案内部は、触媒入口の方向に、作動流体を触媒壁に沿って触媒の外側に案内するように構成される。したがって、作動流体（例えば、空気）の方向を、触媒入口の方向において触媒壁に沿った物、又は触媒壁の外側壁部に沿ったものとすることができる。これにより、触媒で発生した熱から触媒環境を保護する断熱層を形成することができる。また、触媒壁に沿って案内された空気を触媒により加熱することができる。この熱は、始動バーナにより触媒に伝達される。この結果、触媒における効率的な燃焼を実現できる。本発明において驚くべきことは、作動流体又は空気を触媒で加熱することは、触媒における燃焼に一切あるいはほとんどマイナス効果がないということである。これは即ち、加熱した作動流体を触媒に供給することによる利点が、通過する作動流体によって触媒が冷却されることで生じ得る欠点を明確に上回ることを示している。したがって、作動流体案内部は、本発明に係る始動バーナの持つ上記した有利な機能を果たすことができる。
【０００８】
本発明に係る触媒の上流において作動流体を予熱することにより、触媒を特に高効率で作動させることができる。これに従い、触媒で発生し得る熱出力も高くなる。
【０００９】
作動流体案内部を、触媒壁に沿って触媒の外側、又は触媒の側面に配置することにより、始動バーナを特に小型化することができる。これは、例えば自動車産業で用いられる始動バーナのように、持ち運び用途の場合に特に有利である。
【００１０】
本始動バーナは、燃料電池システムのアフターバーナを加熱するための始動バーナとして理解される。なお、アフターバーナは、燃料電池システムの改質器を加熱するものである。燃料電池システムの冷間起動時において、アフターバーナが低温で、燃料電池システムの改質器を加熱するのに適さない場合には、始動バーナによってアフターバーナを予熱することができる。燃料電池システムの動作によってアフターバーナが動作温度に達すると、始動バーナを停止できる。
【００１１】
始動バーナに用いられる触媒により、追加の点火手段（例えば、スパークプラグ）を省略しても良い。これにより関連するコストを抑えることができる。
【００１２】
触媒壁は、触媒領域の近傍に直接設ける必要はない。即ち、少なくとも、触媒領域と触媒壁又は触媒壁の内側壁部との間に区画が形成されていても良い。
【００１３】
作動流体案内部は、触媒壁の外側壁部に沿って配置されるのが好ましい。この場合、触媒の外側壁部が、作動流体案内部の内側壁部を構成しても良い。あるいは、本発明において、作動流体案内部の外側壁部を触媒壁の外側壁部に設けても良く、又は触媒壁から僅かに離れた位置に設けても良い。本始動バーナを適用するバリエーションによっては、当該構成は、本始動バーナを単純にアフターバーナとして用いたり、同時にアフターバーナとしても用いたりすることが可能である。
【００１４】
本発明のさらなる発展例にあっては、触媒壁に沿って設けられた作動流体案内部により作動流体の流れ方向を規定することも可能である。案内方向は、少なくとも一部において、流路方向と平行又は流路方向に鋭角であったり、流路方向と逆方向であったりする。即ち、作動流体案内部は、作動流体を触媒壁に沿って及び／又は触媒壁の横を、触媒入口の方向に案内するように構成される。これにより、特に流れ方向が流路方向と平行又は実質的に平行な場合に、小型化された始動バーナによる作動流体の効率的な暖機又は予熱が可能となる。作動流体案内部は、作動流体の方向を規定、好ましくは触媒壁の外側壁部に沿う方向とする。作動流体案内部は、少なくとも触媒出口のある領域から触媒入口のある領域まで触媒壁に沿って構成されることが好ましい。即ち、作動流体案内部は、作動流体を触媒出口領域で、触媒壁又は触媒壁の外側壁部に導き、そこから触媒壁に沿って又は触媒壁の横を触媒入口の方向に導くように構成される。したがって、作動流体案内部は、特に触媒出口から触媒入口に向かって、流路方向と反対方向又は少なくとも一部が反対方向となるように触媒の外及び触媒壁に沿って延びる案内方向を規定する。
【００１５】
本発明の始動バーナの場合、触媒壁は、少なくとも部分的に中空管形状を呈し、作動流体案内部は、少なくとも部分的に（少なくとも触媒壁周辺で）環状であると有利である。触媒壁の周辺において作動流体案内部を環状に構成することで、作動流体が作動流体案内部を通過すると、触媒で発生した熱を触媒環境から効果的に断絶することができる。加えて、作動流体案内部の環状構成は、広い接触領域又は作動流体案内部と触媒壁との間の領域を確保することができる。これにより、作動流体を触媒入口に導入する際、当該広い領域に亘って作動流体を加熱することが可能になる。この結果、作動流体の効果的な予熱を実現できる。触媒及び作動流体案内部は、少なくとも部分的に、同軸上又は実質同軸上に配置される。なお、環の形状は円形のリング形状に限られない。例えば、作動流体案内部を、触媒壁を囲む楕円環状若しくは角環状、又は少なくとも部分的に触媒壁の周りに設けられるものとしても良い。部分的なリング状構成とは、当該作動流体案内部がＵ字状又はＣ字状の構成を持つことを意味する。
【００１６】
また、本発明に係る始動バーナの場合、作動流体案内部は、少なくとも部分的に触媒壁に直接又は実質的に直接配置されても良く、あるいは触媒壁が作動流体案内部と触媒領域との間の隔壁として構成されても良い。かかる構成とすることで、本始動バーナを特に省スペース化することができる。触媒壁を作動流体案内部と触媒領域との間の隔壁とする場合は、作動流体案内部の壁部を省略しても良い。即ち、始動バーナの小型化だけでなく、軽量化とそれに伴う低コスト化を図ることができる。かかる場合、触媒の少なくとも一部が収容されるハウジング体の一部を作動流体案内部で構成することができる。なお、本願の場合、触媒壁に作動流体案内部を直接配置することとは、該作動流体案内部が触媒壁上に又は触媒壁に沿って直接又は実質的に直接伸びていることを意味する。
【００１７】
本発明にあっては、始動バーナの作動流体案内部は、作動流体を案内するための流れ断面を有し、当該流れ断面には、作動流体案内部内の作動流体の流れを規定する流体案内要素が構成される。目標流れ制御により、均一で乱れのない（又は、少なくとも乱れの減少した）、触媒又は触媒入口への作動流体の流れを実現できる。
【００１８】
本願の始動バーナにあっては、別の作動流体（具体的には燃料）が触媒入口上流の混合チャンバ内に噴射される。作動流体（特に空気又は酸素を含む別の流体）も混合チャンバに供給される。流体案内要素は、乱れのない又は少なくとも乱れの減少した作動流体の、混合チャンバへの流れを実現し、これにより作動流体と別の作動流体との有利な混合を可能にすると共に、触媒入口への広範な流入を可能とする。流れ断面は、通常、（少なくとも一部における）自由流れ断面を意味する。少なくとも一つの流体案内要素が設けられた領域における流れ断面領域は、対応する流体案内要素の断面積の分だけ減少する。始動バーナは、好ましくは触媒壁から一定距離離れた場所に、触媒壁の長手方向において少なくとも一部が触媒の外側まで延びる基体を有する。流れ断面は、好ましくは、触媒壁（特に触媒壁の外側壁部）と基体の内側壁部との間の領域に形成される。また、基体の内部にのみ流れ断面が形成されるようにしても良い。かかる場合、基体の壁部は触媒壁の付近又は触媒壁の外側壁部の付近に設けられる。少なくとも一つの流体案内要素は、好ましくはリブ状を呈し、特に板状を呈する。本発明は、当該形状により作動流体の流れに特に好適な影響をもたらすことを示す。
【００１９】
始動バーナの場合、触媒壁上の流体案内要素が、特に触媒壁と一体的に（即ち、少なくとも一つの流体案内要素が触媒や作動流体案内部付近の別要素として設けられるのではなく）設けられるとより好ましい。かかる構成により、不良品や修理の際に、始動バーナの組立て及び解体が容易となる。少なくとも一つの流体案内要素が触媒壁の一部を成すため、当該少なくとも一つの流体案内要素を始動バーナに固定するための部品が不要となり、その分のコストを削減できる。また、部品点数が減るため物流の管理も容易となり、その分のコストも削減できる。
【００２０】
本発明にあっては、少なくとも部分的に触媒が配置され及び／又は少なくとも一部において触媒を囲む作動流体案内部を形成する際に、少なくとも一つの流体案内要素を基体と一体的に構成することもできる。少なくとも一部の流体案内要素を触媒壁の一部として構成することで、流体案内要素は触媒又は触媒壁と一体的な要素（monolithic component）となる。したがって、少なくとも一つの流体案内要素は、一つの鋳造処理により触媒壁と共に製造することができる。あるいは、少なくとも一つの流体案内要素と触媒壁とを物理的な接着手段により接続しても良い。例えば、少なくとも一つの流体案内要素を溶接又は接着剤により触媒壁に取り付けても良い。
【００２１】
また、本発明に係る始動バーナにおいて、作動流体案内部の終端部と触媒入口との間に、作動流体の流れ方向に、有孔分離部を設けても良い。当該領域を介して、作動流体案内部から触媒方向に作動流体が移動することができる。
【００２２】
上記分離領域は、特に均一で乱れのない又は実質的に乱れのない作動流体の流れを触媒入口の方向に形成することができる。作動流体を別の作動流体と混ぜ合わせるための混合チャンバは、好ましくは有孔分離部と触媒入口との間に設けるのが好ましい。作動流体は、有孔分離部を介して混合チャンバへと移動する。このように、有孔分離部により、特に均一で乱れのない又は実質的に乱れのない作動流体の混合チャンバへの流れを実現できる。これにより、作動流体（例えば、空気）と別の作動流体（例えば、燃料）との好適な混合を達成できる。加えて、触媒入口又は触媒の入口領域への広範な流入も実現できる。
【００２３】
本発明の別の実施形態にあっては、始動バーナの有孔分離部を漏斗状又は実質的に漏斗状にしても良い。漏斗状とすることにより、触媒入口の方向に沿って触媒壁において触媒を囲む作動流体案内部を通過する作動流体が、触媒入口の方向に当該分離部を通って比較的広い領域へと抜けることで、不要な乱流の発生を避けることができる。作動流体（例えば、空気）と別の作動流体（例えば、燃料）とを混ぜ合わせる混合チャンバは、好ましくは当該漏斗状の分離部内に少なくとも部分的に設けられる。この場合、漏斗状分離部の大口径部が触媒入口の方向に設けられる。一方、小径のオリフィスは、別の作動流体を混合チャンバに噴射するインジェクタの方向に設けられる。このとき、漏斗状分離部は、好ましくは別の作動流体を触媒入口の方向に噴射するインジェクタ口と対応する、あるいはそれよりも僅かに大きくなるように設けられる。即ち、始動バーナにおいて利用可能な設置スペースを効率的に活用できる。漏斗状分離部は、好ましくは触媒に対して軸方向上流に、触媒と同軸上又は実質的に触媒と同軸上に配置される。
【００２４】
さらに、本発明に係る始動バーナの場合、有孔分離部は触媒壁部の端部と隣接する。触媒入口の領域の触媒壁は、触媒領域よりも広い断面積を有しており、触媒壁は、当該領域から流路方向に、触媒領域より一定距離離れたところまで、少なくとも触媒領域の一部を超えて延在する。これにより、作動流体又は作動流体の混合体を、触媒の端面又は触媒入口の端面だけでなく触媒領域の側部（即ち、触媒の端面と直交又は実質的に直交する部分）にも導くことができる。即ち、作動流体又は作動流体の混合体のために広範な入口を得ることができ、よって触媒を効果的に作用させることができる。
【００２５】
また、本発明において、作動流体案内部は、少なくともその一部が始動バーナのハウジング体の一部として構成され、分離部が該ハウジング体の一要素、特に一体的な要素として構成される。作動流体案内部及び分離部がハウジング体の一体的な要素として構成されるため、小型かつ信頼性のある始動バーナを製造することができる。部品点数を少なくすることで、始動バーナの組立てや解体が簡易になり、物流コストも抑えられ、さらに始動バーナの製造及びメンテナンス費用も抑えることが可能になる。
【００２６】
また、始動バーナの場合、触媒入口上流で別の作動流体を始動バーナの混合チャンバに噴射する少なくとも一つのインジェクタを設けることができる。当該混合チャンバは、作動流体と当該別の作動流体とを混ぜ合わせるためのものである。インジェクタは、如何なるノズルにより構成しても良い。触媒上流に混合チャンバを配置することにより、作動流体の混合体を生成することができ、該混合体は、触媒に導入される前に加熱された作動流体によって予熱される。即ち、触媒を特に高い出力で動作させることができる。作動流体は、好ましくは空気（特に圧縮機又は大気から導入される空気）である。別の作動流体は、好ましくは燃料（特にメタンやエタノールといった炭化水素含有燃料）である。但し、本発明の範囲において、作動流体を燃料、別の作動流体を空気としても良い。
【００２７】
本発明に係る始動バーナの場合、混合チャンバに、作動流体の流れ方向を流路方向に偏向させる偏向部を設けると有利である。偏向部は、作動流体の流れを、流路方向から１５０°〜２１０°の間（好ましくは１８０°又は実質的に１８０°）で偏向することができる。作動流体は、偏向部を経て触媒入口の方向に流れることができる。偏向部は、可能な限り摩擦を発生させることなく作動流体を触媒入口に向けて偏向させる曲線部又は球状部を有するのが好ましい。本発明において、偏向部は、少なくとも一部が作動流体案内部の端部、したがって有孔分離部の前及び／又は後に形成される。即ち、作動流体が有孔分離部へと直接導かれる。
【００２８】
また、本発明に係る始動バーナの場合、作動流体と別の作動流体から成る作動流体混合物を加熱するために、触媒入口の上流（特に触媒入口の上流で、かつ混合チャンバの下流）に、加熱媒体（特に電気加熱媒体）を設ける。当該加熱媒体は、作動流体又は作動流体混合物のさらなる予熱を可能にする。これにより、触媒を適切に効果的に動作させて高出力を得ることが可能となる。加熱媒体は板状であるのが好ましく、触媒入口の２つの大きな面のうちの一方に配置される。即ち、加熱媒体は、スペースを特に節約できる方法で本始動バーナに設けられている。さらに、加熱媒体自身が触媒機能を持つものでも良い。例えば、加熱媒体に触媒コーティングを施したり、加熱媒体に触媒素材を含ませたり、触媒素材（あるいは、主として触媒素材）によって加熱媒体を形成したりしても良い。触媒素材とは、具体的には、加熱媒体の内部及び／又は加熱媒体の上で、触媒燃焼及び／又は温度制御を継続及び／又は始動するための素材を意味する。エタノールと水の混合物などの水分の多い燃料を使用する場合、その加熱処理に用いる加熱媒体は、当該加熱媒体上の水分との相殺があっても得られるべき加熱力を得られるように、十分に大きな寸法を持つことが好ましい。一方、純エタノールやディーゼルなどの低水分燃料を用いる場合は、それに応じて加熱媒体が小さくても良い。加熱媒体と触媒入口の端面とは同じ又は実質的に同じ断面積であることが好ましい。即ち、好ましくは板状の加熱媒体が、触媒や触媒入口の端面全体に亘って拡がる。別言すれば、２つの面のうちの一方は、好ましくは、触媒の前面と一致又は実質的に一致する。したがって、作動流体又は作動流体の混合物は、スペースを節約するために、可能な限り広い範囲で予熱される。上記したインジェクタは、好ましくは、凸部又は加熱媒体の略中央に位置する。これにより、追加の作動流体を加熱媒体に対して可能な限り均一に供給でき、よって追加の作動流体や作動流体混合物を効果的に加熱できる。この結果、触媒における効果的な燃焼を達成できる。燃料（例えば、追加の作動流体としての燃料）は、インジェクタによって触媒上流の混合チャンバに直接供給されるため、燃料供給を断つことによって燃料供給及び始動バーナによる熱供給を瞬時に停止することができる。
【００２９】
さらに、本発明に係る始動バーナの場合、加熱媒体は板状又は実質的に板状を呈する。これにより、触媒に配置される加熱媒体のスペースを節約できる。板状の加熱媒体は、好ましくは、触媒入口の２つの大きな面のうちの一方に配置される。好ましくは、加熱媒体は触媒入口の端面と同じ又は実質的に同じ断面積を持つ。即ち、加熱媒体は、好ましくは触媒又は触媒入口の端面全体に亘って又は実質的に端面全体に亘って拡がる。別言すれば、加熱媒体の大きな２つの面のうちの一方は、好ましくは、触媒の端面と一致又は実質的に一致する。したがって、スペースを節約しつつ、作動流体又は作動流体の混合物を可能な限り広い範囲で予熱することができる。
【００３０】
本発明に係る始動バーナでは、板状の加熱媒体の上側のみ（特に触媒入口と反対側を向く加熱媒体の上側のみ）が直接加熱されるようにしても良い。本発明の範囲において行われた実験では、作動流体混合物が板状の加熱媒体の加熱表面に当たる又は当該表面を通過して触媒に流れるようにすれば、作動流体混合物を十分に加熱することができることが確認された。加えて、燃料電池システムの始動処理時における一方の面の加熱によって、残余の加熱媒体も十分に加熱される。板状の加熱媒体の一方の面のみ又は単一の面領域のみが直接加熱されるものであるため、作動流体混合物を予熱する際は、当該面のみが直接加熱（例えば、直接活性化）される。加熱媒体全体を直接加熱する場合に比して、始動バーナをエネルギ効率良く作動させることができ、結果、効率や費用対効果が高くなる。加えて、エネルギを節約した利用は、始動バーナを、例えば自動車産業のように持ち運び用途で利用する場合に特に有利である。
【００３１】
また、始動バーナの加熱媒体が、加熱処理の稼動及び停止のための稼動ユニットを有する場合にはさらに有利である。これにより、始動バーナの連続運転やスタートアップが可能になる。加熱媒体は、始動バーナ又は触媒が規定の動作温度に到達するまで、作動流体混合物を加熱又は予熱するために予め稼動される。規定の動作温度に到達すると、加熱媒体は停止される。即ち、上記の如く、始動バーナをエネルギ効率良く利用することができ、燃料電池システム全体の効率を向上させることができる。
【００３２】
本発明の別の形態においても、燃料電池システムは上述の始動バーナを備える。当該燃料電池システムは、アフターバーナ及び改質器を備える。アフターバーナは改質器を加熱するために設けられ、始動バーナはアフターバーナを加熱するために設けられる。したがって、本発明に係る燃料電池システムは、本発明に係る始動バーナについて詳述したのと同様の有利な効果を持つ。燃料電池システムは、好ましくはＳＯＦＣシステムである。改質器は、好ましくは、燃料混合物（例えば、エタノールと水）を別の燃料混合物（本発明の場合、水素と二酸化炭素）に改質する。改質された水素は、燃料電池スタックでの発電に用いられる。アフターバーナは、燃料電池スタックからのアノード排出ガスを用いて改質器を加熱する。これにより、（例えば、空気を作動流体案内部に供給する）作動流体供給部は、少なくとも部分的に、作動流体供給部の外側壁部に沿って設けられても良い。この結果、既に作動流体案内部に存する作動流体を、スペースを節約しながら予熱することができる。さらに、始動バーナの熱を遮断する断熱部を設けても良い。また、改質器を加熱するために改質器の周りに、少なくとも部分的に、リング状のアフターバーナを設けても良い。
【００３３】
本発明の別の形態は、上述の通り燃料電池システムの作動流体を加熱する方法に関する。本発明においては、作動流体は、触媒入口の方向に向けて、少なくとも部分的に触媒壁に沿って（特には、触媒壁の全長に亘って）設けられた触媒外側の作動流体案内部に直接導かれる。よって、本発明に係る方法は、始動バーナ及び燃料電池システムに関して上述したのと同様の利点を持つ。また、本発明に係る方法にあっては、作動流体は、流路方向反対側にある触媒入口上流の（特に作動流体入口と直接又は実質的に直接接する）加熱媒体に向けて、少なくとも部分的に触媒壁に沿って設けられた触媒外側の作動流体案内部を通過し、その後加熱媒体を介して触媒領域に導かれる。ここでは、始動バーナの連続的な運転やスタートアップも可能である。加熱媒体は、始動バーナ又は触媒が規定の動作温度に到達するまで、作動流体混合物を加熱又は予熱するために予め稼動される。規定の動作温度に到達すると、加熱媒体は停止される。
【００３４】
本発明において、作動流体混合物は、混合チャンバから加熱媒体へと移動し、さらにそこから触媒へと移動する。また、加熱媒体を温度センサと通信接続し、燃料電池システム（特に燃料電池システムのアフターバーナ）の温度を測定し、当該燃料電池システム又はアフターバーナの温度センサにより検出される規定温度の機能として、稼働又は停止の加熱媒体の加熱動作を判断しても良い。したがって、必要な場合にのみ加熱媒体を稼動させることができる。即ち、始動バーナを、特にエネルギ効率良く作動させることができる。
【００３５】
本発明を改善するさらなる手段は、図面に示す、本発明の様々な実施形態の以下の説明から生じる。構造的詳細及び空間的配置を含む、特許請求の範囲、明細書又は図面から生じる全ての特徴及び／又は利点は、それ自体及び様々な組み合わせの両方において本発明にとって不可欠であり得る。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る始動バーナを示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る始動バーナを示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る流体案内要素及び加熱媒体を備えた触媒を示す図である。
【図５】始動バーナで実現可能な機能を説明するために、第１実施形態に係る始動バーナと、改質器と、アフターバーナとを示す図である。
【図６】本発明の別の実施形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１から６において、同一の機能及び作用を有する要素については、同一の符号を付して表す。
【００３８】
図１は、始動バーナ１００ａを備える燃料電池システム１０００ａのブロック図である。燃料電池システム１０００ａは、アフターバーナ２００及び改質器３００も備える。アフターバーナ２００は、改質器３００の周りにリング状に設けられて改質器３００を加熱する。始動バーナ１００ａはアフターバーナ２００を加熱するために設けられていることから、間接的に改質器３００を加熱することとなる。したがって、始動バーナ１００ａはアフターバーナ２００の上流に配置される。
【００３９】
図１において、始動バーナ１００ａ及びアフターバーナ２００は互いに離間して示される。但し、本発明の範囲内において、始動バーナ１００ａがアフターバーナ２００と一体的に構成されても良い。この場合、燃料電池システム１０００ａをより小型化することができる。図１に係る燃料電池システム１０００ａは、ＳＯＦＣシステムとして構成される。
【００４０】
改質器３００の下流には、アノード領域４１０及びカソード領域４２０を有する燃料電池スタック４００が設けられる。改質器３００で生成される燃料混合物はアノード領域４１０に供給される。アノード排出ガスはアフターバーナ２００に供給され、当該アノード排出ガスを燃焼することによって改質器３００が加熱される。アフターバーナ２００における燃焼のため、アフターバーナ２００は、酸化触媒からなるアフターバーナ触媒２３０（図５参照）を有する。燃焼後のアノード排出ガスは、改質器３００から熱交換器５００へと導かれる。当該排出ガスは、熱交換器５００から蒸発器６００を介して燃料電池システム１０００ａ付近へと送られる。熱交換器５００は、加熱された空気をカソード領域４２０に供給する。カソード排出ガスもまた、アフターバーナ２００に供給される。
【００４１】
始動バーナ１００ａと、アフターバーナ２００と、改質器３００と、蒸発器６００とは、いわゆるホットボックス７００内の燃料電池システム１０００ａに配置される。ホットボックス７００内では、関連する要素間でのコンパクトな熱交換が可能とされる。始動バーナ１００ａ、アフターバーナ２００、及び改質器３００の関連する機能については、図５を参照して後述する。
【００４２】
図２は、図１に示す燃料電池システム１０００ａの始動バーナ１００ａを詳細に示す。始動バーナ１００ａは、触媒入口１１及び触媒出口１２を備える触媒１０を有し、触媒入口１１と触媒出口１２との間に触媒領域１３が設けられる。触媒領域１３は、触媒入口１１から触媒出口１２に向かう流路方向Ｄに沿って触媒壁１４で覆われている。
【００４３】
図２に示すように、始動バーナ１００ａはさらに、作動流体Ｆ１（空気）を触媒入口１１に供給する作動流体案内部２０を有する。作動流体案内部２０は、触媒壁１４に沿って触媒１０の外側に配置される。より正確には、作動流体案内部２０は触媒出口１２領域から触媒入口１１領域まで、触媒壁１４に沿って配置、構成される。
【００４４】
作動流体案内部２０は、触媒壁１４に沿って作動流体の案内方向Ｒを規定する。案内方向Ｒは、流路方向Ｄに平行で且つ流路方向Ｄと逆向きになる。触媒壁１４は、中空管形状（具体的には、段付き木製シリンダ形状）を持つ。作動流体案内部２０は、触媒壁１４を囲むリングとして構成される。
【００４５】
図２に示す実施形態にあっては、作動流体案内部２０は触媒壁１４に対し、直接的に配置される。正確には、本実施形態の触媒壁１４は、作動流体案内部２０と触媒領域１３との間の隔壁として構成される。図２は、触媒壁１４の外側壁部が作動流体案内部２０の一部を形成していると理解しても良い。
【００４６】
また、図２に示すように、作動流体案内部２０の端点と触媒入口１１との間における作業流体の流れ方向には、作動流体案内部２０から触媒１０に向けて作動流体Ｆ１が通過する有孔分離部６０が配置されている。有孔分離部６０は漏斗形状を呈する。ここで、有孔とは、分離部６０が、例えば規則的に設けられた孔やスロット等、あるいはこれらの組合せからなる凹部で構成されていることを意味する。
【００４７】
また、図２に示すように、有孔分離部６０は触媒壁１４の端面付近に設けられる。触媒入口１１領域の触媒壁１４は、触媒領域１３よりも広い断面積（又はより大きな直径）を持つ。また、触媒壁１４は、流路方向Ｄにおいて当該領域から触媒領域１３の一部を超えて、触媒領域１３から一定距離離れたところまで延びる。したがって、この位置において触媒壁１４の内側壁部と触媒領域１３との間には、フリースペースが存在する。作動流体案内部２０及び有孔分離部６０は、始動バーナ１００ａのハウジング体７０の一体的な要素として構成される。
【００４８】
図示される始動バーナ１００ａは、触媒入口１１の上流で、別の作動流体Ｆ２（エタノール）を始動バーナ１００ａの混合チャンバに噴射する噴射要素（又はインジェクタ５０）を有する。混合チャンバ８０において、作動流体Ｆ１は別の作動流体Ｆ２と混合される。混合チャンバ８０を囲む又は実質的に囲む有孔分離部６０は、別の作動流体Ｆ２の注入口の形状又はそれより僅かに大きく構成される。漏斗状分離部６０はインジェクタ５０又はインジェクタ５０の噴射ノズルと同軸上に設けられる。
【００４９】
混合チャンバ８０は、作動流体Ｆ１の流れ方向を、案内方向Ｒから案内方向Ｄに偏向させる偏向部８１を有する。図２において、偏向部８１ａは、一部が混合チャンバ８０と重なる。
【００５０】
図２に係る始動バーナ１００ａは、触媒入口１１の上流から混合チャンバ８０の下流に、作動流体Ｆ１と別の作動流体Ｆ２とからなる作動流体混合物を加熱する板状の電気加熱媒体４０からなる加熱媒体４０を有する。本実施形態において、加熱媒体４０は触媒１０同様に環状断面を有し、触媒入口１１に直接配置される。加熱媒体４０は、流体混合物を加熱するために稼働される。流体混合物の予熱が必要なくなると、加熱媒体は停止される。
【００５１】
図２に示す如く、作動流体Ｆ１は、作動流体案内部２０の外側壁部面に沿って、該作動流体案内部２０の外側に配置構成された作動流体案内部３０により供給される。
【００５２】
図３は、第２実施形態に係る始動バーナ１００ｂを示す。第２実施形態は、大略第１実施形態に対応する。繰り返しを避けるため、以下では第１実施形態と第２実施形態とで異なる特徴のみを説明する。
【００５３】
先ず、第２実施形態では有孔分離部６０が取り除かれている。これにより、分離部６０に起因する、始動バーナ１００ｂや燃料電池システム１０００ａ内の圧力損失を防ぐことができる。本実施形態の偏向部８１ｂは、作動流体Ｆ１を低摩擦で触媒入口１１の方向に偏向できるよう曲線部又は球状部を有し、これにより始動バーナ１００ｂを効率的に動作させることができる。作動流体案内部３０は、作動流体案内部２０から所定距離離れた位置に設けられる。また、図３は、作動流体案内部２０の自由流れ断面において、定められた条件に従い、２つの流体案内要素１５が作動流体Ｆ１の流れに影響を与える。
【００５４】
図１から図３は、燃料電池システム１０００ａにおける作動流体Ｆ１の加熱処理を示す。本処理では、触媒壁１４に沿って、作動流体Ｆ１が触媒入口１１に向かって触媒１０外側の作動流体案内部２０を通過する。具体的には、作動流体案内部２０内の作動流体Ｆ１は、触媒入口１１の方向に、触媒出口１２の領域から触媒入口１１の領域まで、触媒壁１４に沿って、案内方向Ｒ（即ち、流路方向Ｄと平行で逆方向）に移動する。本処理では、作動流体混合物も混合チャンバ８０から加熱媒体４０へと通過し、さらにそこから触媒１０へと移動する。具体的には、第１作動流体Ｆ１は、触媒壁１４の全長に亘り、触媒壁１４に沿って触媒１０外側の作動流体案内部２０を通過し、触媒入口１１へと移動する。
【００５５】
図４は、触媒入口１１、触媒出口１２、触媒壁１４を備える触媒１０を示す。また、図４には、触媒入口１１に直接設けられた加熱媒体４０も示す。図４に示す如く、触媒壁１４上の板状のリニア流体案内要素１５は、作動流体Ｆ１の流れを規定するために構成される。流体案内要素１５は、触媒壁１４に対して物質的に接続しており、そこから径方向に突出している。流体案内要素１５は、流路方向Ｄと平行に、長軸方向に延在する。図２，３に示すように、かかる触媒１０を始動バーナ１００ａ又は１００ｂと用いる場合、流体案内要素１５は、作動流体案内部２０の流れ断面又は自由流れ断面内に構成される。
【００５６】
図５は、アフターバーナ２００の上流に配置された始動バーナ１００ａを含めた全体図を示す。アフターバーナ２００は、改質器３００の周囲に環状に配置される。アフターバーナ２００は、アフターバーナ入口２１０及びアフターバーナ出口２２０を有する。また、アフターバーナ２００は、本実施形態ではリング状に形成されたアフターバーナ触媒２３０を備える。改質器３００は、改質器入口３１０及び改質器出口３２０を有する。また、改質器３００は、改質器触媒３３０も備える。
【００５７】
燃料電池システム１０００ａが始動されると、空気からなる作動流体Ｆ１が、作動流体案内部２０を介して混合チャンバ８０に供給される。また、燃料からなる別の作動流体Ｆ２がインジェクタ５０から混合チャンバ８０に噴射される。作動流体混合物は、加熱媒体４０により加熱された後、予熱された触媒１０に送られる。そして、作動流体混合物は少なくとも部分的に燃焼される。燃焼した流体は、触媒１０又は始動バーナ１００ａからアフターバーナ２００に供給され、そこで改質器３００を暖機する。
【００５８】
蒸発器６００からの燃料混合物は、改質器入口３１０を介して改質器３００に供給される。上記の通り、改質器触媒３３０により、燃料混合物は適宜、水素や二酸化炭素などのアノード供給ガスに変換される。該アノード供給ガスは、改質器出口３２０から燃料電池スタック４００のアノード領域４１０に供給される。燃料電池スタック４００での化学反応後、アノード排出ガス及びカソード排出ガスは、アフターバーナ入口２１０からアフターバーナ２００へと供給され、アフターバーナ触媒２３０によってアフターバーナ２００内で燃焼される。当該燃焼は、改質器３００の加熱にも用いられる。図５に示すように、加熱された流体又は燃料電池スタック４００の排出ガスは、始動バーナ１００ａからの燃焼した流体と共に、アフターバーナ２００に供給される。そのため、始動バーナ１００ａとアフターバーナ２００との間に、好適な流体接続部８００が設けられている。改質器３００が規定の動作温度に達すると、始動バーナ１００ａが停止される（即ち、始動バーナ１００ａへの燃料及び酸素の供給が止まる）。
【００５９】
加熱媒体４０は、アフターバーナ２００に配置された温度センサ２４０と通信接続される。したがって、加熱媒体４０の加熱処理は、温度センサ２４０により検出される規定温度に応じて稼働／停止させられる。
【００６０】
図６は、別の実施形態に係る燃料電池システム１０００ｂを示す。図６に示すように、始動バーナ１００ｂは、同時にアフターバーナ２００としても利用される。より正確には、始動バーナ１００ｂ及びアフターバーナ２００は、共通の、一体的要素（バーナ）として構成される。燃料電池システム１０００ｂの運転状況に応じ、当該バーナは始動バーナ１００ｂとして、あるはアフターバーナ２００として利用される。図６では、始動バーナ１００ｂは、特に液体燃料を触媒燃焼するように構成され、その目的のために、始動バーナ１００ｂは触媒材料を備えている。始動バーナ１００ｂは上記のように運転される。基本的には、当該バーナは始動バーナ１００ａとして構成される。当該バーナがアフターバーナ２００の機能を果たす場合には、アノード排出ガス又は燃料電池排出ガス（アノード排出ガス及びカソード排出ガス）を完全に燃焼させるために、第２作動流体案内部に当該ガスが供給される。カソード排出ガスは、主として空気のみからなるため、アフターバーナ２００として動作する始動バーナ１００ｂでは、カソード排出ガスと共にアノード排出ガスが燃焼される。
【００６１】
図６に示す燃料電池システム１０００ｂは、改質器３００用に燃料を加熱・蒸発するため、少なくとも１つの熱交換器９００と１つの蒸発器６００を有する。別の熱交換器５００はカソード供給部に配置される。カソード部４２０には、熱交換器５００の低温部を介して空気が供給される。当該空気は、アフターバーナ２００において、完全に燃料した燃料電池スタックの排出ガスにより加熱される。始動バーナ１００ｂ又はアフターバーナ２００の下流にて、燃料電池スタック排出ガスの流れが分けられ、一部は熱交換器５００を介して大気に解放される。また、残りは改質器３００の高温側、熱交換器９００、及び蒸発器６００を介して大気に排出される。
【符号の説明】
【００６２】
１０        触媒
１１        触媒入口
１２        触媒出口
１３        触媒領域
１４        触媒壁
１５        流体案内要素
２０        作動流体案内部
３０        作動流体案内部
４０        加熱媒体
５０        インジェクタ
６０        有孔分離部
７０        ハウジング体
８０        混合チャンバ
８１ａ      偏向領域
８１ｂ      偏向領域
１００ａ    始動バーナ
１００ｂ    始動バーナ
２００      アフターバーナ
２１０      アフターバーナ入口
２２０      アフターバーナ出口
２３０      アフターバーナ触媒
２４０      温度センサ
３００      改質器
３１０      改質器入口
３２０      改質器出口
３３０      改質器触媒
４００      燃料電池スタック
４１０      アノード領域
４２０      カソード領域
５００      熱交換器
６００      蒸発器
７００      ホットボックス
８００      流体接続部
９００      熱交換器
１０００ａ  燃料電池システム
１０００ｂ  燃料電池システム
Ｄ          流路方向
Ｆ１        作動流体
Ｆ２        別の作動流体
Ｒ          案内方向
【図１】
2020509530.tif 000003
【図２】
2020509530.tif 000004
【図３】
2020509530.tif 000005
【図４】
2020509530.tif 000006
【図５】
2020509530.tif 000007
【図６】
2020509530.tif 000008
【国際調査報告】
2020509530.tif 000009
2020509530.tif 000010
2020509530.tif 000011
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2020509530.tif 000014