JP2008533656A - 改質器、燃料電池システム、および燃料電池システムの動作方法 - Google Patents

Abstract

本発明はバーナー１４と触媒１６とを備え、燃料と酸化剤とが反応してリフォーメートが生成されるように備えられた改質器１２と、改質器１２によって生成された該リフォーメートをベースに電気エネルギを生成することによってアノード排ガス２６を放出する燃料電池２４、特に高温燃料電池、とを有する燃料電池システム１０に関する。この構成では、本発明によりアノード排ガス２６のすべてをバーナー１４に戻すのに適する手段２８、３０が備えられる。
本発明はさらに、酸化剤２０と燃料１８とを反応させてリフォーメート２２を生成するための改質器１２、燃料電池システム１０を動作させる方法および酸化剤２０と燃料１８とを反応させてリフォーメート２２を生成するための方法に関する。

Description

本発明はバーナーと触媒とを含み、燃料と酸化剤とを反応させてリフォーメートを生成するように備えられた改質器と、改質器によって生成されたリフォーメートをベースに電気を生成することによってアノード排ガスを放出する燃料電池、特に高温燃料電池と、を有することを特徴とする燃料電池システムに関する。

本発明はさらに、酸化剤と燃料とを反応させて燃料電池、特に高温燃料電池を動作させるのに適したリフォーメートを生成するための、バーナーとその下流の触媒とを備えた改質器に関する。

本発明はさらに、燃料電池システム、特に高温燃料電池システムを動作させる方法であって、
−バーナーと触媒とを備える改質器内において、燃料と酸化剤とを反応させてリフォーメートを生成する工程と、
−リフォーメートをベースにして燃料電池、特に高温燃料電池に電気エネルギを生成することによって、アノード排ガスを放出する工程とを含む方法に関する。

加えて、本発明は燃料と酸化剤とを反応させて燃料電池、特に高温燃料電池を動作させるのに適したリフォーメートを生成する方法に関する。

燃料電池システム、特にガソリンまたはディーゼルのような液体燃料で動作するために設計された燃料電池システムには、通常空気のような酸化剤と燃料蒸気との混合物を反応させて燃料電池を作動させることが可能な水素を多量に含むリフォーメートを生成する改質ユニットが必要である。燃料電池システム、特にＳＯＦＣ燃料電池システムのような高温燃料電池システムは、アノード排ガスの一部が改質器またはその他の構成部品の上流の燃料ガス・コンディショナーに戻されるように設計されることが多い。アノード排ガスの戻されない部分は全部がアフターバーナー内で燃焼されるので、アフターバーナーから出る排ガスは環境に放出されることができる。

したがってこの種類の実現形態には２つのバーナー、すなわち改質器とアフターバーナーとに割り当てられるバーナーが必要である。その結果、公知のシステムはきわめて複雑かつコスト高になる。

本発明の目的は一般のシステムおよび一般の方法の複雑さを減らすことにある。

この目的は独立クレームの特徴によって達成される。

本発明の有利な実施形態とその他の態様は従属クレームに記載されている。

本発明による燃料電池システムは、アノード排ガスのすべてをバーナーに戻すのに適した手段が備えられていることで一般の先行技術よりも高度化されている。そこでこのような達成はアノード排ガスを戻すという利点を改質器バーナーの利点と組み合わせる。そこで特に従来技術で必要であったアフターバーナーを、ひいてはシステムの複雑さとコストを軽減する。

本発明による燃料電池システムの好ましい実施形態では、排ガスを環境に排出するための単一の排ガス排出口をただ１つだけを備えることを特徴とし、この排ガス排出口がバーナーと触媒との間に配置され、バーナーは好ましくは燃焼の少なくともほぼすべてを行う。

本発明による燃料電池システムにとってさらに好ましいことは、排ガス排出口と触媒との間に配置される第１の燃料供給装置を備えていることである。バーナーが燃焼のほぼすべてを行うので、バーナーを出て環境には排出されない排出ガスへのこの種類の燃料供給は、リフォーメートを形成するのに適した排ガス／燃料混合物として触媒に供給するために必要である。

本発明による燃料電池システムはさらに、バーナーに割り当てられた第２の燃料供給装置を備えていることに特徴づけられる。この構成では、燃料をそれぞれアノード排ガスおよび酸化剤とともにでも別個にでもバーナーに送ることができる。いずれの場合でも、通常動作ではバーナーを少なくとも一時的に動作させるのにアノード排ガスと酸化剤（通常、空気）との混合物で充分であるので、バーナーに燃料を永続的に供給する必要がない。しかし、特に始動段階ではバーナーに第２の燃料供給装置を介して燃料を直接供給することが有利であり、または必要ですらある。

本発明による燃料電池システムにとって、酸化剤が酸化剤の流れの形態でバーナーへと供給され、アノード排ガスは酸化剤の流れへと送られることがさらに好ましい。この実現形態では、バーナーが別個の燃料供給を受けることが好ましい。

この場合は、手段がアノード排ガスを酸化剤の流れに送るためのインジェクタを含んでいることが好ましい。インジェクタは例えば、ガス循環をサポートし、排ガスを燃料電池の産出物から除去する真空がそこで実現されるある種のベンチュリ・ノズルとして構成されてもよい。

本発明による燃料電池システムにとってさらに、酸化剤として空気が使用され、酸化剤の流れを生成するための手段が送風機を含むことが好ましい。好ましい実施形態では送風機はインジェクタの上流に、すなわちインジェクタが送風機とバーナーとの間に配置されるように位置している。

本発明による改質器は、バーナーが実質的に燃焼全体を行うように設計され、燃料は触媒に供給される排ガス／燃料混合物を生成するためにバーナーから発する排ガスに供給されることにおいて一般の先行技術よりも高度化されている。この実現形態でも、先行技術では必要なアフターバーナーはなく、その結果、システムの構成が簡素化される。本発明による燃料電池システムの脈絡で記載される実施形態は主として本発明による改質器の意味で解釈することができ、ひいては本発明による改質器のこのような態様も同様に開示されるものと解され、このことは特に排ガスがバーナーと触媒との間で排出される方法、ならびに燃料供給の方法に当てはまる。

本発明による燃料供給システムを動作させる方法は、アノード排ガスのすべてがバーナーに供給され、その結果、本発明による燃料電池システムに関してすでに記載の特性と利点が同一または同様の範囲まで生じることで一般の先行技術よりも高度化されており、煩雑な繰り返しを避けるために本発明による燃料電池システムを参照されたい。

同じことが以下に記載の燃料電池システムを動作させるための本発明による方法の好ましい実施形態にも当てはまり、これについても煩雑な繰り返しを避けるために本発明による燃料電池システムに関する説明を参照されたい。

本発明による方法については、環境には排ガス排出口が一つだけ備えられ、該排ガスはバーナーと触媒との間に排出されることが好ましい。

この構成では、燃料が排ガス排出口と触媒との間に供給されることが有利であると考えられる。

さらに、本発明による方法ではバーナーには少なくとも一時的に、好ましくは少なくとも始動段階で燃料が供給される。

燃料電池システムを動作させるための本発明による方法について、アノード排ガスが酸化剤の流れに供給されることがさらに有利であると考えられる。

この構成では、好ましくはアノード排ガスがインジェクタを介して酸化剤の流れに供給される。

この場合は上記で説明したように、酸化剤として空気が使用され、酸化剤を生成するために送風機が使用されることがさらに有利であると考えられる。

燃料と酸化剤とを反応させて燃料電池を動作させるのに適したリフォーメートを生成する本発明による方法は、
−ほぼすべての燃焼をバーナーで行う工程と、
−排ガス／燃料混合物を生成するためにバーナーから発する排ガスに燃料を供給する工程と、
−リフォーメートを生成するために排ガス／燃料混合物を触媒に送る工程とを含むことで先行技術よりも高度化されている。

この場合も、先行技術で必要であったアフターバーナーが不要になり、ひいては方法を実施するコストが低減される。

燃料と酸化剤とを反応させてリフォーメートを生成する本発明による方法は、本発明による燃料電池システムおよび本発明による燃料電池システムの動作方法のそれぞれに関連して説明した工程によって有利に高度化されることができ、この方法の変化形態も開示されていると考えられる。これはこの場合にも、特に排ガスがバーナーと触媒との間で排出される方法、ならびにバーナーへの燃料供給の方法についてそれぞれ当てはまる。

本発明の要旨には、アノード排ガスのすべてを改質器バーナーに供給し、この改質器バーナーで燃焼の少なくともほぼすべてを行うことが含まれる。この場合は、システムから排出されるべき排ガスを直接、改質器バーナーの下流で排出可能であるので、別個のアフターバーナーは不要である。さらに、少なくともバーナーに燃料を直接供給せずにバーナーを動作させる通常動作では、アノード排ガスと（通常、空気）酸化剤との混合物が多くの場合に適している。

ここで図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明による改質器を備え、本発明による方法を実行するのに適した、本発明による燃料電池システムの実施形態の構成図である。

図１に示されているような燃料電池システム１０はＳＯＦＣ高温燃料電池システムである。このシステムはバーナー１４と触媒１６とを備えた改質器１２を特徴としている。改質器１２は燃料電池２４を動作させることができるリフォーメート２２を生成するために備えられている。本発明により、燃料電池２４から出るアノード排ガス２６のすべてをバーナー１４に供給可能な手段２８，３０が備えられる。これらの手段はこの場合は送風機２８と、ベンチュリ原理により有利に動作可能なインジェクタ３０とを備えている。送風機２８はインジェクタ３０を介してバーナー１４を動作させるために必要な酸化剤としての役割を果たす酸化剤２０を改質器１２に供給し、その結果、インジェクタ３０に真空が実現し、ひいてはガス循環、および燃料電池２４の産出物からのアノード排ガス２６の吸い込みが促進される。酸化剤２０およびアノード排ガス２６に加えて、バーナー１４は第２の燃料供給装置３６を介して燃料の供給も受け、この燃料はすべてバーナー１４内で燃焼される。燃料電池２４と触媒１６とを経てインジェクタ３０から引き込まれた排ガスの排出口３８の部分では、第１の燃料供給装置３４を介して燃料１８が加えられるので、リフォーメート２２を生成するのに適した排ガス／燃料混合物が触媒１６に送られる。バーナーからの排ガスの吸引されない部分は排ガスとして排ガス排出口３２を経てシステムから出る。触媒１６内では排ガス／燃料混合物が反応して水素を大量に含むリフォーメート２２を生成し、このリフォーメートはほとんどが燃料電池２４内で反応して電気が発生される。残りのアノード排ガス２６はインジェクタ３３を介して改質工程へと戻される。アノード排ガス２６に含まれる水は、改質工程でシステムが広範囲にすすにまみれることを避けるうえで効果的である。さらに、本発明による達成形態によってシステムの効率が高まる。

先行技術の解決方法に必要なアフターバーナーは本発明では省かれるので、完全な燃料電池システム１０にとって主要部品として改質器１２と燃料電池２４だけしか必要ないため、複雑さ、ひいてはシステムのコストが大幅に低減される。

本発明は、それに限定されるものではないが、特に自動車の用途、例えば自動車の補助動力ユニット（ＡＰＵ）向けに適している。

本明細書、図面ならびにクレームに開示した本発明の特徴は、本発明を単独で、またいずれかの組み合わせで達成するうえで不可欠であることが理解される。

本発明による改質器を備え、本発明による方法を実行するのに適した、本発明による燃料電池システムの実施形態の構成図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
１２ 改質器
１４ バーナー
１６ 触媒
１８ 燃料
２０ 酸化剤
２２ リフォーメート
２４ 燃料電池
２６ アノード排ガス
２８ 送風機
３０ インジェクタ
３２ 排ガス排出口
３４ 第１の燃料供給装置
３６ 第２の燃料供給装置
３８ 排ガス排出
４０ 排ガス／燃料混合物

Claims (16)

1. バーナー（１４）と触媒（１６）からなる改質器（１２）を備え、燃料（１８）と酸化剤（２０）とが反応してリフォーメート（２２）が生成されるように備えられ、改質器（１２）によって生成された該リフォーメート（２２）をベースに電気エネルギを生成することによってアノード排ガス（２６）を放出する燃料電池（２４）、特に高温燃料電池を有する燃料電池システムであって、該アノード排ガス（２６）のすべてを該バーナー（１４）に戻すのに適する手段（２８、３０）を備えることを特徴とする燃料電池システム（１０）。
2. 排ガスを環境に排出するための排ガス排出口（３２）を１つだけ備え、該排ガス排出口（３２）は前記バーナー（１４）と前記触媒（１６）との間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム（１０）。
3. 前記排ガス排出口（３２）と前記触媒（１６）との間に配置された第１の燃料供給装置（３４）を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム（１０）。
4. 前記バーナー（１４）に割り当てられた第２の燃料供給装置（３６）を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム（１０）。
5. 前記酸化剤（２０）は酸化剤の流れの形態で前記バーナー（１４）へと供給され、前記アノード排ガス（２６）は該酸化剤の流れへと送られることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム（１０）。
6. 前記手段（２８、３０）は前記アノード排ガス（２６）を前記酸化剤の流れへと送るためのインジェクタ（３０）を含む請求項５に記載の燃料電池システム（１０）。
7. 前記酸化剤（２０）として空気が使用され、前記酸化剤の流れを生成するための前記手段（２８、３０）は送風機（２８）を含む、ことを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池システム（１０）。
8. 酸化剤（２０）と燃料（１８）とを反応させて燃料電池（２４）、特に高温燃料電池を動作させるのに適したリフォーメート（２２）が生成されるための、バーナー（１４）とその下流に触媒（１６）とを備えた改質器（１２）であって、該バーナー（１４）は実質的に燃焼全体を行うように設計され、燃料は該触媒（１６）に供給される排ガス／燃料混合物（４０）を生成するために該バーナーから発する排ガス（３８）に供給される改質器。
9. 燃料電池システム（１０）、特に高温燃料電池システムを動作させる方法であって、
   −バーナー（１４）と触媒（１６）とを備える改質器（１２）内において、燃料（１８）および酸化剤（２０）とを反応させてリフォーメート（２２）を生成する工程と、
   −リフォーメート（２２）をベースにして燃料電池、特に高温燃料電池において電気エネルギを生成することによって、アノード排ガス（２６）を放出する工程とを含み、
   該アノード排ガス（１４）のすべてが該バーナー（１４）に供給されることを特徴とする方法。
10. 環境への排ガス排出口（３２）が１つだけ備えられ、該排ガスは前記バーナー（１４）と前記触媒（１６）との間に排出されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記燃料（１８）は前記排ガス排出口（３２）と前記触媒（１６）との間に供給されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記バーナー（１４）には少なくとも一時的に、好ましくは少なくとも始動段階で燃料（１８）が供給されることを特徴とする請求項９から１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記アノード排ガス（２６）は酸化剤（２０）の流れに供給されることを特徴とする請求項９から１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記アノード排ガス（２６）はインジェクタ（３０）を介して酸化剤（２０）の流れに供給されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記酸化剤（２０）として空気が使用され、前記酸化剤（２０）の流れを生成するために送風機（２８）が使用されることを特徴とする請求項１３または１４に記載の方法。
16. 燃料（１８）と酸化剤（２０）とを反応させて燃料電池（２４）、特に高温燃料電池を動作させるのに適したリフォーメート（２２）を生成する方法であって、
    −ほぼすべての燃焼をバーナー（１４）で行う工程と、
    −排ガス／燃料混合物（４０）を生成するために該バーナー（１４）から発する排ガス（３８）に燃料（１８）を供給する工程と、
    −リフォーメート（２２）を生成するために排ガス／燃料混合物（４０）を触媒（１６）に送る工程とを含むことを特徴とする方法。

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