JP2002008703A - 燃料電池装置及び燃料電池装置の作動方法 - Google Patents

燃料電池装置及び燃料電池装置の作動方法

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JP2002008703A JP2001149294A JP2001149294A JP2002008703A JP 2002008703 A JP2002008703 A JP 2002008703A JP 2001149294 A JP2001149294 A JP 2001149294A JP 2001149294 A JP2001149294 A JP 2001149294A JP 2002008703 A JP2002008703 A JP 2002008703A
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

(57)【要約】 【課題】 カソード排ガスを有益に利用して有用な電力
を増加させることが可能な燃料電池装置及びその作動方
法を提供する。 【解決手段】 本発明は、アノードとカソードを有する
燃料電池ユニットを有し、アノードに実質的に純粋水素
を供給するための媒質流路及びカソードに対する媒質流
路と、アノード排ガス流路及びカソード排ガス流路と、
空気をカソードに供給するためのカソードの流路内に設
けられたファンと、カソード排ガス流路内に配置された
触媒バーナーとを有し、前記アノード排ガス流路が触媒
バーナー及び/または触媒バーナーの上流のカソード排
ガス流路内に開口しており、合わされて触媒的に転化さ
れた燃料電池排ガス流が膨張装置内に流入するものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、独立形式の請求項
に記載の燃料電池装置及び燃料電池装置の作動方法に関
する。
【0002】
【従来の技術】米国A1−3,972,731号公報に
は、共通シャフトを介してタービンに接続されているコ
ンプレッサが、空気を燃料電池カソードに供給するため
に使用される燃料電池装置が開示されている。燃料電池
アノードは、蒸気改質器内での吸熱反応により発生する
水素リッチ改質物に接触する。蒸気改質器は、触媒バー
ナーに熱的に結合している。温かく高湿のカソード排ガ
スは、水分離装置において強力に冷却され、除湿され
て、その後排出装置内に配置されている触媒バーナーに
よって再び過熱される。過熱された排ガスは、コンプレ
ッサーに結合されているタービンを駆動する。
【0003】空気をカソード側に供給するために、燃料
電池装置は通常、圧縮装置を必要とする。メタノール作
動燃料電池装置の場合、高システム圧力は、本質的に好
都合である。このような方法で、例えば、装置の水分平
衡は改良される。さらに、燃料電池の効率は、高酸素部
分圧の結果として増加し、燃料電池装置における圧力損
失は最小化される。
【発明が解決しようとする課題】
【0004】しかしながら、増加した圧力レベルは、圧
縮装置による高い消費に関連するものであり、それは効
率損失をもたらし、同じ有効電力に対して、燃料電池装
置のサイズを増大させるものである。
【0005】本発明の目的は、カソード排ガスを有益に
利用して前記装置の有用な電力を増加させることが可能
なPEM燃料電池装置および前記装置の作動方法を提供
することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】この目的は請求項1及び請求項7の特徴に
よってそれぞれ達成される。
【0007】燃料電池ユニットが高純度の水素ガスで作
動されることが好ましい本発明による燃料電池装置にお
いて、触媒バーナーがカソード排ガス流路内に配置さ
れ、アノード排ガス流路が触媒バーナー及び/または触
媒バーナーの上流のカソード排ガス流路内に開口してい
る。合一された触媒転化された燃料電池排ガス流は、上
昇した温度において膨張装置内に導入されることができ
る。
【0008】特に有利な点は、燃料電池ユニットができ
る限り高純度の水素により作動されるこのタイプの燃料
電池装置によれば、大量の排ガスエネルギーが利用可能
であるような方法で、部分負荷範囲において低過剰水素
により作業ができ、高負荷範囲において過剰水素を増加
することができるという可能性が存在することである。
【0009】燃料電池スタックが流れに関して直列及び
並列の両方で結合されている燃料電池ユニットの特に好
適な回路において、過剰水素が部分負荷範囲及び全負荷
範囲にわたって最適化されることができる。燃料電池ユ
ニットが高純度または充分に精製された水素によって作
動される場合には、流れの方向に示される最後の電池ま
たは最後の燃料電池スタックが充分な純度を有する水素
を受容する。
【0010】本発明のその他の有利な点及び構成は、そ
の他の請求項及び本記載から明らかとなるであろう。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明につ
いてより詳しく説明する。本発明は、定置燃料電池装置
と、車両の作動を目的とした燃料電池設備の両方に適し
ている。本発明は、特に、例えばポリマー電解質膜を有
する燃料電池装置のような、通常低温度で作動する燃料
電池装置にとって有利である。このタイプのPEM燃料
電池装置において、100℃を著しく超える高温度は、
この装置においては通常用いられないか、または温度バ
ランスの理由から望ましくない。
【0012】本発明は、燃料電池ユニットにきわめて純
粋な水素ガスが供給される燃料電池装置において好都合
である。好適な燃料電池装置は、純粋な水素ガスにより
完全に作動され、すなわちガス発生装置を持たない。そ
の他の好適な燃料電池装置はガス発生装置を有し、そこ
で水素が作動媒質から発生され、その水素が例えばパラ
ジウム膜処理のような適当な方法によって精製され、高
純度の水素として燃料電池ユニットに送給される。燃料
電池ユニットに送給される水素は、COのような触媒に
ダメージを与える不純物だけでなく、通常改質物中に存
在するNまたはCOのような不純物をも実質的に含
んでいない。好都合な作動媒質は、メタノールのような
アルコール類、天然ガス、石油、エーテルのような炭化
水素類等の物質であることができる。
【0013】第1好適配置において、燃料電池ユニット
は、負荷依存型過剰水素によって作動される。
【0014】図1は、好適な燃料電池装置を示す。燃料
電池ユニット1は、アノード2とカソード3を有する。
簡易化のために、燃料電池ユニット1は、単一電池とし
て示したが、燃料電池のスタックも示すことができる。
特に、このタイプの燃料電池ユニット1は、流れに関し
て並列及び/または直列に接続されている燃料電池スタ
ックにより形成されることができる。
【0015】アノード2は、媒質流路を介して、例えば
水素リザーバーから得られる水素H に接触している。
アノード2からの排ガスは、アノード排ガス流路2’を
介して燃料電池ユニット1から排出される。
【0016】ファン5はカソード3のための媒質流路内
に配置され、酸素含有媒質O、好ましくは空気を圧縮
し、それが高圧下でカソード3に送給される。その後、
酸素と水素の反応が燃料電池ユニット1内で生じる。ア
ノード排ガス流は、混合器9内でカソード排ガス流と混
合され得る。さらにカソード排ガス流路4には、触媒バ
ーナー8が存在し、その中で、カソード排ガスとアノー
ド排ガスが触媒的に燃焼され、燃料電池排ガスの排ガス
温度が上昇する。この目的のために、例えば水素及び/
または酸素の追加の燃料が、計量装置を用いて触媒バー
ナー8に対して計量される。これは、各媒質の端部で矢
印を有する点線によって図中に示されている。
【0017】高温のカソード排ガスは、カソード排ガス
流路4を介して膨張装置7内に流入する。膨張装置7
は、特に好適には共通シャフト6を介して、ファン5に
機械的に結合していることが好ましい。好適な膨張装置
7は、タービンであり、高温の排ガスから回収されたエ
ネルギーを用いてファン5を駆動することができる。
【0018】図2は、その他の回路を示す。図1におけ
るものと同じ部材は、同じ参照番号で示されている。
【0019】水素Hは、アノード流路を介して燃料電
池ユニット1のアノード2に送給される。カソード3に
は、カソード3のための媒質流路を介して、酸素含有媒
質O 、好ましくは空気が供給される。この媒質は、媒
質流路内に配置されているファン5、好ましくはコンプ
レッサ内で所望の圧力レベルに圧縮され、カソード3に
送給される。好適な圧力レベルは、絶対圧が約2バール
より高い。カソード排ガスは、カソード3からカソード
排ガス流路4内に排出される。アノード排ガス流路2’
から得られるアノード排ガスは、カソード排ガス流路4
内でカソード排ガスと混合されることができ、または、
各場合において、触媒バーナー8に別々に送給されるこ
とができる。触媒バーナー8においてまたはその中にお
いて、好適な水素含有燃料が、計量装置を用いて混合物
に対して追加的に計量されることができる。適当な燃料
は、水素、メタノール、及び/または石油及び/または
メタンである。
【0020】カソード排ガス混合物は、それが触媒バー
ナー8を通過するときに、第1温度T、好ましくは4
50℃〜1100℃、特に好ましくは150℃〜110
0℃に加熱される。その後高温の媒質は、膨張装置7、
好ましくはターボチャージャーに到達する。膨張装置7
は、カップリング6を介して好ましくはファン5を駆動
する。ファン5は、一段または二段または多段方式であ
る。結合は、好ましくは、ファン5と膨張装置7の間の
共通シャフト6を介して行われる。しかしながら、高温
の排ガスから回収されたエネルギーの導入は、電気的に
実施されることができ;この場合、ターボジェネレータ
ーが設けられるべきである。
【0021】この方法において、排ガスは第2温度T
にまで冷却されるが、その温度は、第1温度Tより低
く、第1温度T及び第2温度Tの間の温度差ΔT
は、好ましくは50℃〜200℃である。
【0022】冷却された排ガスは、膨張装置7から排出
される。未だ存在している排ガスエネルギーは、例え
ば、媒質を適当な作動温度にするために、装置のいずれ
かの別の過熱装置において使用されることができる。
【0023】図3は、ファン5と膨張装置7の間に結合
がない、本発明によるその他の好適具体例を示す。図1
及び2において示されたものと同じ部材は、同じ参照符
号で示す;構造は上記したものに対応する。ファン5の
代わりに、ターボブロワー5’がカソードへの送給ライ
ン中に設けられ、膨張装置7の代わりに、発電機7’を
有するタービンがカソード排ガス流路4中に与えられて
いる。
【0024】上昇した排ガス温度において、膨張装置7
は、かなりの電力を装置またはファン5に戻すことがで
きる。その結果、ファン5のためのいずれかの電気駆動
装置が、本発明による装置を持たない場合よりも小さな
設計とすることができる。
【0025】触媒バーナー8における排ガス温度T
非常に著しく上昇した場合、全負荷状態において要求さ
れるファンの電力をさらに減少させ、それによって燃料
電池装置の有効な電力を増加すさせる可能性を利用する
ことが可能となる。したがって、一方では要求される燃
料電池出力を減少させ、他方では全体の装置のサイズを
減少させることが可能となり、同時に同じ有効電力を達
成することが可能である。これは燃料電池装置のコス
ト、容量及び質量にプラスの影響をもたらす。
【0026】極限設計の場合、ファン/膨張装置ユニッ
ト5、7は、発電機モードにさえも達することができ、
すなわち、膨張装置7は、圧縮が完全に平衡を失うばか
りでなく、電気エネルギーがファン5の電気駆動モータ
ーへ出力され得るような多量のエネルギーを発生する。
例えば、600℃〜1100℃のような非常に高い排ガ
ス温度は、この極限設計条件に対応する。この好都合な
状態において、膨張装置7及びファン5が発電機として
相互に作用する場合、発電機は燃料電池装置の有効な電
力を増加させる。
【0027】ファン/膨張装置ユニット5、7が制御さ
れる場合、膨張装置7を介する排ガスの温度低下は、好
ましくは制御装置中のデータメモリーに、特性ダイヤグ
ラムによって蓄積され、それによって燃料を触媒バーナ
ー8に添加するための計量装置、例えば、計量バルブが
作動中に設定される。
【0028】好ましくは、特性ダイヤグラムは、負荷及
び膨張装置7の圧力比π(πは、膨張装置入口における
圧力と膨張装置出口における圧力の間の比率を示す)の
関数として温度低下を与える。その結果、全負荷におい
てπ=2.5〜3の圧力比を有する装置の場合、温度低
下は、膨張装置7の効率に依存して、膨張装置7を通過
して、例えば、60℃〜120℃である。
【0029】高温度のために、触媒バーナー8における
転化反応は、その位置で行われる燃料計量にかかわりな
く、非常に良好であり、水素ガスではなく、燃料として
加えられるメタノールのような水素含有媒質であって
も、著しいHC放出のリスクがない。他方において、温
度レベルは窒素酸化物の生成がないように充分低い。
【0030】高温度レベルが排出装置の少なくとも1つ
の位置において優勢である装置構造を選択することが好
ましい。膨張装置7は、その位置に置かれることが好都
合であり、従って、適当な場合には、排ガスは冷却され
るべきである。ガス流路中のその後の圧力損失は、最小
化されるべきである。
【0031】燃料電池装置により、部分負荷領域におい
て、燃料電池ユニット1がより低い可能な過剰水素によ
って作動されることが習慣的に望ましい。水素比率がλ
=1であるとき、供給される量と同量の水素が燃料電池
において使用される。水素はアノード排出ガスには含ま
れない。他方において、充分に安定な反応を達成するた
めに、酸素より著しく過剰の水素がカソード3において
要求される。したがって、燃料電池ユニット1は、λ=
1.1またはそれ以上の過剰水素によって習慣的に作動
される。λ>1の場合に水素損失を避けるために、アノ
ード排ガスはリサイクルされ得るが、このように排ガス
からの水素は、燃料電池1における反応のために再使用
されることができる。これは装置の高度の複雑性を要求
するものである。開放装置では、過剰で未利用の水素が
排ガスとともに装置から除去される。
【0032】従って、本発明による燃料電池装置は、特
に好都合に、装置を簡易化することができ、過剰水素が
利用される場合でも部分負荷及び全負荷において好まし
い効率が得られることを可能にする。
【0033】排ガス流の回路は、カソード3とアノード
2の間に圧力差がなく、自動圧力補償が行われることを
意味する。燃料電池ユニット1が水素ガスにより作動さ
れる燃料電池装置は、いわゆる開放装置としてアノード
排ガスのリサイクルなしに、使用されずに失われる排ガ
スからの水素なしに、作動されることができる。水素の
望ましくない排出物質はないが、それはそのような排出
物質が触媒バーナー8で転化されるからである。さら
に、開放作動モードは、燃料電池ユニット1における不
活性ガスまたは汚染物質のいずれの堆積をも不可能にす
ることを意味する。
【0034】燃料電池ユニットが水素の負荷依存ラムダ
値により作動される場合、すなわち、燃料電池ユニット
1の過剰水素が全負荷において負荷依存方法で設定され
る場合、非常に高い過剰水素、例えば、λ=1.5、す
なわち50%の過剰水素が、アノード2に送給され得
る。その後、触媒バーナー8のにおける排ガスの温度
は、非常に高い値に上昇し、膨張部7またはターボチャ
ージャー7’に非常に高いレベルの排ガスエネルギーを
供給し、それがコンプレッサ5を駆動するために好都合
に用いられる。
【0035】従来の装置においては、燃料電池ユニット
1は、有用な負荷及びコンプレッサ電力が充分大きいよ
うに設計されなければならない。したがて、15kWの
コンプレッサと65kWの有用な電力を有する燃料電池
装置において、例えば、80kWの燃料電池ユニットが
提供されなければならない。本発明によれば、装置のサ
イズを減少させることが可能であるが、それは、燃料電
池ユニット1を設計する際に、上記したように、その電
力が触媒バーナー8から得られるエネルギーにより保証
されるので、コンプレッサ電力はもはや考慮に入れる必
要がないからである。
【0036】これを行うために、部分負荷において、過
剰水素はλ=約1.05またはそれ以下であることがで
き、したがって、部分負荷の場合には、最小過剰水素が
使用されなければならない。これは、ガス浄化が必要と
されない純粋水素燃料電池装置において特に好適である
が、純粋水素がガス生成ユニットからの改質物より抽出
される装置においても使用され得る。触媒バーナー8に
おける燃焼の結果、過剰水素は、膨張装置7及びしがた
ってコンプレッサ5を駆動するための排ガスエネルギー
を未だ供給することができる。
【0037】図5はその他の好適な、作動媒質の改質ま
たは部分酸化より水素を得るための装置10、及び装置
10において得られた水素リッチ生成ガスを不純物から
できる限り分離するための浄化ユニット11を有するガ
ス発生装置を含む燃料電池システムを示す。この図面に
おいて、図1、図2及び図3におけるものと同じ部材
は、同じ参照番号により示す。
【0038】浄化ユニット11において、水素は、装置
10から発生する水素リッチ生成ガスから分離される。
これは、水素が不活性不純物からも実質的に選択的に分
離され得る、膜処理またはその他の適当な処理方法によ
り行われることが好ましい。好適な方法において、水素
はパラジウム膜を介して選択的に拡散し、不純物から分
離される。
【0039】このようにして得られる純粋水素は、燃料
電池ユニット1のアノード2に送給される。カソード3
にはコンプレッサ5を用いて再び酸素または空気が供給
される。アノード排ガス及びカソード排ガスは、分離ま
たは混合された形態で触媒バーナー8に送給され、その
他の燃料がさらに触媒バーナーに送給される。ほとんど
の水素が除去される生成ガスの汚染された残りの部分
は、その他の燃料として触媒バーナー8に特に好適に送
給される。
【0040】それは、好適なパラジウム膜モジュールが
水素を分離するために使用される場合に、典型的には2
0%の水素が残存ガス中に残り、水素のわずか80%が
パラジウム膜から分離され、アノード2に達する。同様
の記述がその他の浄化プロセスにも当てはまる。
【0041】燃料電池装置が、例えば20%の過剰水
素、すなわち、λ=1.2のラムダ値によって作動され
る場合、そのことは、残りのガスが、燃料電池ユニット
1に対して失われた非常に多量の水素を未だに含むこと
を意味する。より低い過剰水素を使用する場合、例えば
λ=1.05を用いて水素損失を減少させる場合、膜モ
ジュール11はそれに応じて大きくなければならず、ア
ノードで利用可能な充分量の水素を生成することができ
なければならない。触媒バーナー8に残存ガスが送給さ
れる結果、そこに含まれる水素は装置において良好な効
果を与えるように利用されることができる。
【0042】石油またはメタノールのような液体作動媒
質を使用する場合、触媒バーナー8の下流及び/または
膨張装置7の下流の排ガス流4に取り込まれる熱は、作
動媒質及び/または水を蒸発させ、及び/または作動媒
質を改質するための追加の熱交換機13において好適に
使用されることができる。
【0043】排ガスエネルギーの利用を考慮に入れる
と、本発明は、電流発生装置を従来型の燃料電池装置よ
りも小さなサイズにすることができるが、それは、全負
荷燃料の場合において、例えば、追加のメタノールは、
触媒バーナー8内に計量されること、及びファン/膨張
装置ユニット5、7を経る高排ガス温度を発生させるこ
とにより、電気エネルギーに直接変換され、そのプロセ
スにおいて水素が、過剰水素の負荷依存設定のために、
高度に効率的に全体的に利用される得るからである。
【0044】特に好適な構造において、水素は、燃料電
池ユニット1の燃料電池スタックの特に有利な回路によ
って作動媒質として貯蔵されることができる。水素は、
より効率的に利用される。燃料電池の作動中の過剰水素
の負荷依存設定との追加的な組合せにおいて、水素の利
用はさらに改善される。
【0045】好適には、複数の燃料電池スタックが流れ
に関して並列に接続されており、1またはそれ以上の燃
料電池スタックがこの目的のために、燃料電池スタック
の上流の並列回路において転化されない過剰水素がそれ
と直列に接続されている燃料電池スタックを充分に作動
するような方法で、流れに関して直列に接続される。並
列接続された燃料電池スタック及び直列接続された燃料
電池スタックの数は、全ての燃料電池スタックが概ね等
しい過剰水素により作動されることができるように選択
される。配置は水素消費の好適な最適化を可能にする。
【0046】従来型の燃料電池ユニット1は、例えば、
それを介して媒質が並列に流れる4つの個々の燃料電池
スタックから構成される。スタックのサイズは、燃料電
池ユニット1の電圧及び/または要求電力に依存する。
習慣的作動のために、充分な過剰水素λ、典型的にはλ
>1.2が与えられなければならない。
【0047】図4に示される例において、3つの燃料電
池スタックが流れに関して並列に接続されており、1つ
の燃料電池スタックがその3つの並列接続されたスッタ
クに関して直列に配置されており、3つの上流燃料電池
スタックから得られる排ガス流は、その4番目の燃料電
池スタックを介して流れる。この場合において、4番目
の燃料電池スタックは過剰水素も受容する。図中の4つ
の燃料電池スタックは、全体が燃料電池ユニット1とし
て示されている。
【0048】燃料電池ユニット1が過剰水素λ=1.1
により作動されなければならない場合、4×1.1、す
なわちλ’=4.4の全体過剰水素は、並列に配置され
ている4つのスッタクに対して与えられる。しかしなが
ら、わずか3つの燃料電池スタックが並列に接続されて
おり、4番目の燃料電池スタックがそれと直列に接続さ
れている場合、3つの並列燃料電池スタックの各々は、
数値λ=1.1に対して、λ=(4.4/3)≒1.5の
過剰水素を受容し、排ガス流中の4番目の燃料電池スタ
ックは、約λ=1.4の同様の過剰水素を受容する。
【0049】好適な回路中に配置された個々の各燃料電
池スタックがそれぞれ受容する過剰水素は、燃料電池ユ
ニット1が全体的に作動されるλ=1.1の過剰水素よ
り高い。したがって、燃料電池ユニット1の個々の燃料
電池スタックに対する過剰水素は、効果的に増加する。
流れの方向で示される最後の4番目の電池を有する燃料
電池ユニット1は、一方で、上流の電池と同等かまたは
わずかに低い過剰水素を有し、他方で、水素が不純物に
よって許容不可能であるほど高程度に希釈された媒質の
充分に清浄な流れを有する。
【0050】非常に低い過剰水素λ=1.05を有する
部分負荷領域において、4つの燃料電池スタックを用い
て、それは公称的には4×1.05に相当し、3つの並
列接続された燃料電池スタックを用いて、燃料電池スタ
ックに対する過剰水素がλ=(4.2/3)=1.4とな
り、3つの燃料電池スタックの排ガス流内に配置された
4つめの燃料電池スタックにおける過剰水素がλ=1.
2となる。
【0051】この方法により好適に接続された燃料電池
ユニット1が負荷依存過剰水素、例えば全負荷における
高過剰及び部分負荷における低過剰により作動される場
合には、上記した並列及び直列燃料電池スタック接続
が、著しく高い過剰水素を受容するにもかかわらず、燃
料電池ユニット1中の各個々の燃料電池スタックを安全
にすることを可能にする。
【0052】燃料電池ユニット1は、燃料電池スタック
のより多いまたはより少ない数により形成されることが
できる。その場合、流れに関して、少なくとも2つの燃
料電池スタックが並列に接続され、流れに関して少なく
とも1つのその他の燃料電池スタックが、少なくとも2
つの燃料電池スタックの排ガス流中の2つの燃料電池ス
タックとともに直列に接続され、さらにその燃料電池ス
タックが、上流の電池から得られる過剰水素により作動
されることが好都合である。
【0053】排ガス流中の触媒バーナー8と排ガスエネ
ルギーの回収の組合せにおいて、燃料電池ユニット1の
水素消費を減少させ、同時に燃料電池ユニット1をより
小さな設計とすることが可能であることは好都合であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】排ガス流において混合器を有する、本発明によ
る好適な燃料電池装置の概要を示す図である。
【図2】混合器を有さない燃料電池装置の好適な具体例
を示す図である。
【図3】燃料電池装置の好適な具体例を示す図である。
【図4】好適な燃料電池装置における単一燃料電池ユニ
ット内の個々の燃料電池スタックの好適な回路を示す図
である。
【図5】ガス発生装置を有する燃料電池装置のその他の
好適具体例を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 500074800 Neue strasse 95 Kirc hheim/Teck−Nabern D eutschland

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 アノード(2)とカソード(3)を有す
    る燃料電池ユニット(1)を有し、アノード(2)に案
    内される媒質流路及びカソード(3)に対する媒質流路
    と、アノード排ガス流路(2’)及びカソード排ガス流
    路(4)と、空気をカソード(3)に供給するためのカ
    ソード(3)の流路内に設けられたファン(5)と、カ
    ソード排ガス流路(4)内に配置された触媒バーナー
    (8)とを有し、前記アノード排ガス流路(2’)が触
    媒バーナー(8)及び/または触媒バーナー(8)の上
    流のカソード排ガス流路(4)内に開口しており、合わ
    されて触媒的に転化された燃料電池排ガス流が膨張装置
    (7)内に流入することを特徴とする燃料電池装置。
  2. 【請求項2】 燃料電池ユニット(1)が、複数の燃料
    電池スタックから組み立てられており、少なくとも2つ
    の燃料電池スタックが、流れに対して並列に接続されて
    おり、少なくとも1つの燃料電池スタックが、前記並列
    に接続された燃料電池スタックとともに、流れに対して
    直列に配置されていることを特徴とする請求項1記載の
    装置。
  3. 【請求項3】 膨張装置(7)が、排ガスターボチャー
    ジャーとしてまたはタービン発電機として設計されてい
    ることを特徴とする請求項1記載の装置。
  4. 【請求項4】 ファン(5)が、共通シャフト(6)を
    介して膨張装置(7)に結合されていることを特徴とす
    る請求項1記載の装置。
  5. 【請求項5】 触媒バーナー(8)が燃料のための計量
    装置を有することを特徴とする請求項1記載の装置。
  6. 【請求項6】 水素リッチ生成ガスを生成するユニット
    (10)とその生成ガスから水素を選択的に分離する浄
    化ユニット(11)を有するガス発生装置が、燃料電池
    ユニット(1)の上流に設けられており、分離された水
    素が燃料電池ユニット(1)に送給され、残りのガスが
    触媒バーナー(8)に送給されることを特徴とする請求
    項1記載の装置。
  7. 【請求項7】 アノード(2)及びカソード(3)を有
    する燃料電池ユニット(1)を有し、アノード(2)に
    案内される媒質流路及びカソード(3)のための媒質流
    路と、アノード排ガス流路(2’)及びカソード排ガス
    流路(4)と、カソード(3)の流路内に挿入された空
    気をカソード(3)に供給するためのファン(5)とを
    有し、前記アノード排ガスが触媒バーナー(8)及び/
    または触媒バーナー(8)の上流のカソード排ガス流路
    (4)内に導入され、合わせられて触媒的に転化された
    燃料電池排ガス流が膨張装置(7)内に流入する燃料電
    池装置の作動方法であって、部分負荷作動において、燃
    料電池ユニット(1)に、全負荷作動より少ない過剰水
    素が送給されることを特徴とする前記方法。
  8. 【請求項8】 部分負荷作動における燃料電池ユニット
    (1)に、多くても10%の過剰水素が送給され、全負
    荷作動においては、少なくとも20%の過剰水素が送給
    されることを特徴とする請求項7記載の方法。
  9. 【請求項9】 カソード排ガス及び/またはアノード排
    ガスが、それが触媒バーナー(8)を介して流れるとき
    に、150℃〜1100℃の第1温度に過熱されること
    を特徴とする請求項7記載の方法。
  10. 【請求項10】 燃料が、カソード排ガスの燃焼のため
    に触媒バーナー(8)に計量されることを特徴とする請
    求項7〜9にいずれかに記載の方法。
  11. 【請求項11】 燃料の触媒バーナー(8)への計量が
    制御されており、データが制御装置の特性ダイヤグラム
    から取り入れられ、そのダイヤグラムが、膨張装置
    (7)の圧力比(π)の関数として、膨張装置(7)を
    通過するカソード排ガスの温度低下を含むことを特徴と
    する請求項7〜10のいずれかに記載の方法。
  12. 【請求項12】 カソード排ガスが、膨張装置(7)と
    ファン(5)が発電機として相互に作用してその発電機
    が燃料電池装置の有用な電力を増加させるような高温度
    に、触媒バーナー(8)内で過熱されることを特徴とす
    る請求項7〜11のいずれかに記載の方法。
  13. 【請求項13】 燃料電池ユニット(1)の燃料電池ス
    タックが、流れに関して、並列に流れる過剰水素を有
    し、過剰水素を有する過剰水素が、流れに関して直列に
    接続されている燃料電池スタックを経て流れることを特
    徴とする請求項7〜12のいずれかに記載の方法。
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