JP2010534911A - 燃料電池及び燃料電池装置を運転する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）をはじめとする燃料電池を運転する方法、特に始動する方法に関する。本方法は、第１又は初期の始動段階、及び前記燃料電池の動作温度が定常状態操作に達する前に、定常状態操作温度範囲を下回る所定の媒体温度に達すると開始する付加的な第２又は中間の始動段階を含む始動操作を備えている。前記第１又は初期の始動段階でバーナー装置（２）内の酸素と反応させて発熱している間、バーナーユニット（２）からの出力ガスは加温され、前記燃料電池（１）を積極的に暖める。さらに、燃料電池装置は開示されている本方法を実施するための燃料電池（１）、特にＳＯＦＣハイブリッドシステムを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）をはじめとする燃料電池を運転する方法、特に始動する方法に関する。本発明はまた、ＳＯＦＣハイブリッドシステムをはじめとするそのような燃料電池を包含する、上記の方法を実行する燃料電池装置に関する。

固体酸化物燃料電池は、水素又は水素が豊富な化合物や酸素などの燃料を電力、熱及び高温出力ガスに変換するために使用される。燃料電池のアノード区画には燃料が供給され、燃料電池のカソード区画には酸素が周囲空気又は圧縮空気により供給される。

このような燃料電池は、燃料電池内の様々な材料の様々な熱膨張特性によって、特に始動手順の間に生じる内部温度勾配に対して非常に脆弱である。

特許文献１は、ガスタービンと固体電極燃料電池から成る複合発電機と、そのような発電機を始動する方法を開示している。燃料電池に供給される燃料と空気を予熱するために、ガスタービンの排気管路が燃焼支援バーナ、予熱器及び蒸気発生器を通っている。これにより、複合発電機の始動時に、燃料改質装置において温度勾配が大きくなることを防止する。

特開２００１−３５１６６５号公報

本発明の基本的な目的の１つとして、上記の導入部で述べたような燃料電池を運転する方法を、特に始動段階について改良することが挙げられる。これにより、始動段階での温度勾配を最小限に抑え、燃料電池の早期損傷を低減させ、燃料電池の寿命を延長することができる。

本発明の別の基本的な目的として、上記のような燃料電池を組み込んだ燃料電池装置を開示することが挙げられる。この燃料電池装置では、上記の方法を効率的に実施することができる。

上記の目的は、請求項１に記載の方法により達成される。

上記の目的は更に、請求項１４に記載のハイブリッド燃料電池装置により達成される。

これらの方法及び装置により、燃料電池（特にＳＯＦＣ）を始動する際の問題は、燃料電池の構成要素に損傷をきたすことなく解決される。また、ハイブリッド燃料電池装置全体の寿命及び性能が持続する。更に、既知の解決手段に比して、始動手順における発熱状態を低減させた分、燃料電池の触媒の寿命も持続する。しかも、本発明により、始動手順の間にも、ハイブリッド燃料電池装置を用いてタービン装置から電力を供給することができる。

従属請求項には、請求項１及び１４に記載の解決手段それぞれの例示的且つ有利な実施形態及び改良形態が開示されている。

当然のことながら、本発明の特徴をそれぞれ任意に組み合わせたものも、添付の特許請求の範囲に含まれる。

添付図面に対応する本発明の例示的且つ好適な実施形態の以下の説明により、本発明の更なる詳細、特徴及び利点が明らかになる。

初期又は第一の始動段階の間に本発明に係る方法の第１実施形態を実行する、本発明の第１実施形態によるハイブリッド燃料電池装置の概略ブロック図である。 初期又は第一の始動段階の間に本発明に係る方法の第２実施形態を実行する、本発明の第２実施形態によるハイブリッド燃料電池装置の概略ブロック図である。 中間又は後続の第二の始動段階の間に本発明に係る方法を実行する、図１に示した本発明の第１実施形態によるハイブリッド燃料電池装置の概略ブロック図である。 定常運転状態の間に本発明に係る方法を実行する、図１に示した本発明の第１実施形態によるハイブリッド燃料電池装置の概略ブロック図である。

説明の便宜上、図１〜４では実質的に、対応する図に関して説明される特定の運転段階の間に使用、要求又は作動される管、管路及び構成要素のみを示している。

また、ハイブリッド燃料電池装置の管及び管路を小文字ａ、ｂ、ｃ、・・・で示し、装置及び構成要素を数字１、２、３、・・・で示し、外部供給装置を大文字Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・で示す。図１〜４を通して、同様の参照番号及び符号は常に、それぞれの場合に応じて、同じ管、管路、構成要素又は外部供給装置を指している。

図１は、本発明の好適且つ例示的な第１実施形態によるハイブリッド燃料電池装置の概略ブロック図である。

このハイブリッド燃料電池装置は、好ましくは、カソード区画１１及びアノード区画１２から成る固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）である燃料電池１を包含する。ハイブリッド燃料電池装置は更に、バーナ装置２（従来のバーナ装置又は触媒バーナ装置であってもよい）と、第１熱交換器３と、第２熱交換機４と、膨張器５１及び圧縮機５２を含むタービン装置５とを包含する。更に、以下の説明に従ってこれらの装置及び構成要素１〜５を互いに接続するために、複数の管又は管路ａ〜ｆ及び第１及び第２弁２１、２２が設けられている。

電子制御装置（ＥＣＵ）６は、出力端子２１、２２にそれぞれ接続されており、これにより、第１及び第２弁２１、２２を（それぞれ第１及び第２弁２１、２２と同じ参照番号２１、２２で示す対応する出力端子を介して）操作又は制御する。ただし、図示の便宜上、ＥＣＵ６の出力端子２１、２２を介してのＥＣＵ６と第１及び第２弁２１、２２の間の接続そのものは図において省略されている。図２〜４に示す制御装置６と出力端子及びこれらの図において示す関連弁についても、同様である。

最後に、空気供給装置Ａ、燃料供給装置Ｄ及び排気装置Ｅが概略的に示されている。

燃料電池１（ＳＯＦＣ）は、燃料と酸素を電力、熱及び高温出力ガスに変換するために使用される。好ましくは、水素又は例えばジメチルエーテル（ＤＭＥ）などの水素が豊富な燃料を燃料として使用するが、任意の炭化水素（例えばアルカン等）、好ましくはＣ１〜Ｃ４基の（すなわち、１〜４個のＣ原子を有する分子群における）炭化水素であるが、４個以上のＣ原子を有する炭化水素、任意のアルコール、好ましくはＣ１〜Ｃ４基のアルコール、及び任意のエーテル、好ましくはＣ１〜Ｃ４基のエーテルも、本発明に係るハイブリッド燃料電池装置での使用に適している。基本的に、水素及びＣ１〜Ｃ４基の炭化水素において効率が最高になり、好ましいことが多い。

定常状態において、燃料は、燃料供給装置Ｄを介してハイブリッド燃料電池装置に供給される。酸素は、通常、周囲空気から空気供給装置Ａを介してハイブリッド燃料電池装置に供給される。排気ガスは、ハイブリッド燃料電池装置から排気装置Ｅを介して放出される。

定常状態では一般的に、上記のような燃料を燃料電池１のアノード反応によって直接変換する。純水素ではない場合、まず一次反応段階においてアノード触媒上の独立した第１（又は上部）触媒層によって、水素と一酸化炭素を含有するガス混合体に燃料を変換し、次に燃料電池１のアノード触媒上の第２触媒層によって（二次）アノード反応にさらす。

ガス混合体は、メタン及び二酸化炭素と、上記の一次反応段階の反応生成物であるその他の物質も含有し得る。一次反応段階には、部分的な吸熱反応及び発熱反応の両方が含まれ得る。また、空気と水を用いて、第１触媒層におけるこのような反応を制御することができる。この第１又は一次反応段階の反応生成物は、使用により、燃料電池１のアノード触媒上の第２触媒層による二次反応段階の間、燃料電池１のアノードにおける電気化学反応の材料となる。

燃料電池１から出力されるガスは、多くの場合、バーナ装置２内で燃焼させることができる物質を含有する。これらのガスは、変換されていない水素か、燃料電池１のアノード区画内の第１及び第２触媒層で生じる反応の一次材料又は反応生成物であり得る。バーナ装置２からの高温出力ガスは、定常運転状態において、空気供給装置Ａから燃料電池１のカソード区画１１に供給される空気を圧縮する圧縮機５２と協働するタービン装置５の膨張器５１に導入される。タービン装置５の膨張器５１により、電力が発生する。

上記の導入部で述べたように、固体酸化物燃料電池は一般的に、異なる熱膨張特性を有する様々な材料から成るので、内部温度勾配に対して非常に脆弱である。この内部温度勾配は、特にハイブリッド燃料電池装置の運転始動時、すなわちハイブリッド燃料電池装置が作動し、燃料電池が通常は約６５０℃〜約８００℃の範囲の温度で作動するようなハイブリッド燃料電池装置が定常状態で運転されるまでの間に生じることが非常に多い。

このように不都合な内部温度勾配を防止又は緩和するために、本発明に係るハイブリッド燃料電池装置の運転は、定常運転状態前の、第１又は初期の始動段階と、好ましくは第２の後続又は中間の始動段階とを含む本発明に係る方法に従って始動する。

図１は、ハイブリッド燃料電池装置の作動時に開始する、第１又は初期の始動段階の間の本発明に係る方法の第１実施形態であり、以下にその説明を記載する。

第１又は初期の始動段階により、実質的には、バーナ装置２からの出力ガスの熱によって燃料電池１が受動的に加熱するように燃料電池１を加温して、バーナ装置２（好ましくは触媒バーナ装置又は従来のバーナ装置である）において燃料を酸素と反応させて発熱させる。

より詳細には、第１又は初期の始動段階の間、空気は、空気を圧縮するタービン装置５の圧縮機５２と、熱をバーナ装置２の第１入力端に導入する第１熱交換器３とを通る第１管路ａを介して、空気供給装置Ａから供給される。また、燃料（好ましくはＤＭＥ、上記参照）は、熱をバーナ装置２の第２入力端に導入する第１熱交換器３を通る第２管路ｂを介して燃料供給装置Ｄから供給される。

装置の入力端で燃料と空気を予熱する必要がある触媒バーナ装置２を使用する場合、好ましくは、例えば従来のバーナ装置又は電熱装置（図示せず）である追加ユニットを設けることによって、燃料電池１の出力ガス又はバーナ装置２の出力ガスによって第１熱交換器３が十分に加熱されない第１又は初期の始動段階の初めの段階において、第１熱交換器３及び／又は触媒バーナ装置２に直接供給される前の燃料と空気を加熱する。従って、この段階の間、第１熱交換器３だけでは、燃料と空気を十分に加熱することはできない。

触媒バーナ装置２ではなく、一般的な又は従来のバーナ装置２を使用する場合、バーナ装置２に供給する空気と燃料を予熱する必要は、通常はない。

バーナ装置２内では、供給された空気の酸素と燃料が反応して発熱し、高温出力ガスがバーナ装置２から、熱を放出する第２熱交換機４を通る第３管路ｃを介して、タービン装置５の膨張器５１に供給される。そして、空気を圧縮する圧縮機５２が駆動され、第１又は初期の始動段階の間に電力が発生する。

タービン装置５の膨張器５１からの出力ガスを、以下の４つのうち少なくとも１つの態様でカソード区画１１及び／又はアノード区画１２を通過させることによって、この出力ガスの熱を用いて燃料電池１を均一に加温し、受動的に加熱させることができる。これらの態様のそれぞれを組み合わせてもよく、第１又は初期の始動段階を開始する前に態様を選択することができ、且つ／又は、第１又は初期の始動段階の実施中に態様を必要に応じて変更及び／又は選択して、燃料電池１に必要な熱を供給することができる。

第１態様では、出力ガスは、タービン５（すなわち、膨張器５１）の出力端から、第１弁２１を通って圧縮空気（管路ａ）及び／又は燃料（管路ｂ）へ熱を放出する第１熱交換器３を通る第３管路ｃの第１部分ｃ１を介して、更に第２弁２２を通って第４管路ｄを介して直接的に（すなわち、第２熱交換機４を迂回して）燃料電池１のカソード区画１１及び／又はアノード区画１２に供給される。

第２態様では、出力ガスは、タービン５（すなわち、膨張器５１）の出力端から、第１弁２１を通って第３管路ｃの第２部分ｃ２を介して直接的に（すなわち、第１熱交換器３を迂回して）第２弁２２に、そしてバーナ装置２（管路ｃ）の出力ガスによる熱を受け入れる第２熱交換機４を通る第５管路ｅを介して、更に第４管路ｄを介して燃料電池１の区画１１、１２の少なくとも一方に供給される。

第３態様では、出力ガスは、タービン５（すなわち、膨張器５１）の出力端から、第１弁２１を通って第２弁２２を直接通る第３管路ｃの第２部分ｃ２と第４管路ｄを介して直接的に（すなわち、第１及び第２熱交換機３、４を迂回して）燃料電池１の区画１１、１２の少なくとも一方に供給される。この態様は、バーナ装置２が従来のものであるが触媒バーナ装置２ではない場合に特に有効である。

第４態様では、出力ガスは、タービン５（すなわち、膨張器５１）の出力端から、第１弁２１を通って圧縮空気（管路ａ）及び／又は燃料（管路ｂ）へ熱を放出する第１熱交換器３を通る第３管路ｃの第１部分ｃ１を介して、そして第２弁２２とバーナ装置２（管路ｃ）の出力ガスによる熱を受け入れる第２熱交換機４を通る第５管路ｅを介して、更に第４管路ｄを介して燃料電池１の区画１１、１２の少なくとも一方に供給される。

制御装置６を用いた弁２１、２２の制御による上記の態様の少なくとも１つにより、燃料電池１の装置全体が所定温度まで均一に加温される。従って、燃料電池１の加熱は、燃料電池１内の酸素と水素による電気化学反応によるものではなく、バーナ装置２の高温出力ガスによるものとなる（バーナ装置２の出力ガスが燃料電池１に到達する未燃焼燃料を含有する場合に限り、対応する電気化学反応が燃料電池１内で生じ、燃料電池１を加温する可能性がある。しかし、この反応は通常、第１又は初期の始動段階の間では望ましくない）。

燃料電池１のカソード区画１１及び／又はアノード区画１２からの出力ガスは、出力ガスが排気装置Ｅに到達する前に、熱を圧縮空気又は供給燃料へ放出する第１熱交換器３を通る第６管路ｆを介して供給される。

第１及び第２弁２１、２２は、電子制御装置６によって制御される。関連弁に接続されるこの制御装置６の対応する出力端は、（上述したように）関連弁と同じ参照番号２１、２２で示されている。

上述したように、例えば、膨張器５１内に放出される出力ガスの熱及び／又は燃料電池１を適切に温めるのに必要な出力ガスの熱に応じて、第１又は初期の始動段階を開始する前及び／又は第１又は初期の始動段階の実行中に、上記の４つの態様のうちの少なくとも１つを選択することができる。

図２は、始動又は初期段階の間に本発明に係る方法の第２実施形態を実行するための本発明の第２実施形態によるハイブリッド燃料電池装置の概略ブロック図である。図１の第１実施形態と同じ装置、構成要素及び管路は、それぞれ同じ参照番号及び符号で示されているので、これらの装置、構成要素及び管路の機能に関しては、図１の上記の説明を参照されたい。図示の便宜上、第３管路ｃの第１及び第２部分ｃ１、ｃ２と第１弁２１は、図２には示していない。

図１及び２に示す、本発明の第１及び第２実施形態の間の大きな違いは、図２のハイブリッド燃料電池装置が、通常は熱を受け入れる第１及び／又は第２熱交換機３、４を通過し、好ましくは熱を放出して燃料電池１を更に加熱するためにアノードに隣接する燃料電池１内の独立した加熱室又は区画１３を通過する導管又は管及びマニホルドを包含する追加の熱輸送システムを備えていることである。

図２の例では、第７管路ｋ及び第８管路ｌ（後者の管路ｌは第２熱交換機４を追加の熱輸送システムに接続する）だけでなく、管路ｋ、ｌ及び冷却室又は区画１３（概略的にのみ示される）を通って熱交換流体又は冷却媒体を搬送するポンプ装置９が設けられており、これらの管路ｋ、ｌの各々をそれぞれ第１及び第２熱交換器３、４を通すことによって、第７管路ｋが第１熱交換器３からの熱を受け入れ、且つ／又は第８管路ｌが第２熱交換器４からの熱を受け入れる。

更に、第７管路ｋと第８管路ｌの間の接続部には、冷却媒体を第１熱交換器３のみ、又は第１及び第２熱交換器３、４を介して、選択的に搬送することができるように、切換弁（図示せず）を設けることができる。

もちろん、冷却媒体が第２熱交換器４のみを通って、第１熱交換器３を通らないといったその他の構成も、同様に可能である。

また、図１及び３の実施形態に関して説明したように、図２の追加の熱輸送システムを、様々な加熱運転の態様又は組み合わせ又は順序で組み合わせて作動させることもできる。

この追加の熱輸送システムｋ、ｌ、９、１３を、特定の状況又は環境条件下で自動的に作動させたり、そのようなハイブリッド燃料電池装置を搭載した車両の運転者又はそのようなハイブリッド燃料電池装置のオペレータによって作動させたりもできる。この熱輸送システム、好ましくはポンプ装置９を同様に作動及び運転するために、電子制御装置６を設けることが好ましい。従って、図２に示すように、ポンプ装置９は、同じ参照番号９を付与した電子制御装置６の対応する出力端子を介して電子制御装置６にも接続されている。上記の切換弁（図示せず）の場合も同様である。

図３は、図１に示したような本発明の第１実施形態によるハイブリッド燃料電池装置の概略ブロック図である。ここでは、任意の段階であり、特に水素を燃料として使用する場合、定常状態の運転（図４）で作動する前に、好ましくは図１又は２による第１又は初期の始動段階に続く、本発明に係る始動運転の第２又は中間の始動段階を説明する。この（任意の）第２又は中間の始動段階により、始動段階の進行を全体的に加速させつつ、尚早に定常運転状態が始動して燃料電池１内の触媒が損傷する危険性を低減することができる。

図１の第１実施形態と同じ装置、構成要素及び管路については、ここでもそれぞれ同じ参照番号及び符号で示しているので、これらの装置、構成要素及び管路の機能に関しては上記の説明を参照されたい。

図１又は２に示す第１又は初期の始動段階と図３に示す第２又は中間の始動段階の間の大きな違いは、酸素が圧縮空気の態様でバーナ装置２の入力端だけでなく、燃料電池１のカソード区画１１及びアノード区画１２の少なくとも一方にも同様に供給されることである。

そのため、第１管路ａは、好ましくは第１熱交換器３を過ぎてから、第４弁１４を介してカソード区画１１に、第５弁１５を介してアノード区画１２に通じる第１分岐路ａ１と、バーナ装置２の第１入力端に通じる第２分岐路ａ２とに第３弁４１によって分岐されている。

電子制御装置６によって第１分岐路ａ１の第３弁４１と第４及び／又は第５弁１４、１５を開放することにより、少量の空気（すなわち、酸素）が燃料電池１のカソード区画１１及び／又はアノード区画１２に供給される。好ましくは、カソード区画１１内の温度が、或る一定の媒体温度、例えば燃料電池１の定常状態温度又は低温の動作温度を下回る約５０℃に達すると、第４弁１４が開放される。アノード区画１２内の温度が、或る一定の媒体温度、例えば同様に燃料電池１の定常状態温度又は低温の動作温度を下回る約５０℃に到達すると、第５弁１５が開放される。

更に、好ましくは、これらの弁１４、１５を制御して、アノード及びカソード区画１２、１１の間の燃料電池１内の温度勾配を最小にする。

上述したように、始動手順の第２又は中間の始動段階の間に、このように空気を追加供給する（空気をタービン装置５の圧縮機５２で圧縮し、第１熱交換器３で加熱する）ことにより、始動手順の進行が加速するので、早く定常運転状態に達することができる。

その理由は、燃料電池１のカソードとアノードの一次触媒層において、燃料との発熱反応が開始するからである。この発熱反応によって、カソード及びアノード区画１１、１２の両方に空気を供給し、所定閾値を上回る望ましくない温度勾配を回避することができる。

空気又は水用の燃料電池１の入口弁（図３には示さず）を開放することによって、燃料電池１内の温度を更に制御し、これにより、アノード区画１２を冷却することができる。冷却水を用いて、アノードの第１触媒層内で一次燃料との吸熱反応を生じてもよい。同様に、必要に応じて燃料電池１の対応する入口弁（図３には示さず）から空気又は水を供給することによっても、カソード区画１１の温度を更に制御することができる。

図４は、定常運転状態を説明するための、本発明の第１実施形態によるハイブリッド燃料電池装置の概略ブロック図である。図１の第１実施形態と同じ装置、構成要素及び管路については、ここでもそれぞれ同じ参照番号及び符号で示されているので、これらの装置、構成要素及び管路に関しては上記の説明を参照されたい。

この定常状態又は通常運転は、燃料電池１の動作温度が通常、例えば約６５０℃である低温の動作温度として周知の或る一定の温度まで上昇すると開始する。

バーナ装置２の出力ガスは、定常運転状態の間、熱を放出する第２熱交換器４とタービン装置５の膨張器５１を通って、（熱を放出する）第１熱交換器３を介して、カソード及びアノード区画１１、１２の入力端の代わりに排気装置Ｅに供給される。図示の便宜上、関連する切換弁は図４には示さない。また、関連する管路部分ｃ１及びｃ２と図１〜３の第４管路ｄは、定常運転状態の間は使用されないので図４では省略されている。図１〜３に示す、膨張器５１の出力ガスを第２熱交換器４に任意で案内する第１及び第２弁２１、２２と第５管路ｅについても同様である。

図４においても、燃料は、熱を受け入れる第１熱交換器３を通る第２管路ｂを介して燃料供給装置Ｄから供給される。しかし、第１熱交換器３の出力端において、第２管路ｂは、第７弁２３を介して直接アノード区画１２に通じる第１分岐路ｂ１と、第２熱交換器４の出力端から同様に燃料電池１のアノード区画１２に供給される前に、任意的に一部の燃料を更に加熱するために第２熱交換器４に通じる第２分岐路ｂ２とに、第６弁３１によって分岐されている。第６弁３１を制御することによって、この管路ｂ１及びｂ２の間の燃料の分配を制御し、燃料電池１の動作温度を所望の範囲内に維持することができる。

更に、第２管路ｂの第３分岐路ｂ３を設けることによって、第７弁２３を介してバーナ装置２の第２入力端に燃料を供給し、バーナ装置２で燃料を燃焼させることもできる。バーナ装置２からの出力ガスは、管路ｃを介して、第２熱交換器４内の燃料を加熱するために第２熱交換器４に、そして圧縮機５２を駆動させるために膨張器５１に供給される。バーナ装置２への燃料供給量は、燃料を更に加熱するのに必要な熱量が第２熱交換器４に供給されるように、また、膨張器５１を圧縮機５２によって加わる負荷に応じて、第７弁２３を操作することによって制御される。

最後に、定常運転状態に対して、ハイブリッド燃料電池装置は、好ましくは第１熱交換器３の出力端と排気装置Ｅの間に水分離器Ｗｔを備える。それによって、出力ガス又はバーナ装置２に存在する出力ガスの一部から、水を（第２熱交換器４、タービン装置５及び第１熱交換器３を通った後に）分離する。分離される水の量は、特に排気ガス流の出力温度に応じて変化する。

水は、水分離器Ｗｔから第９管路ｍを介して水タンクＷに供給され、そこから第１０管路ｎを介して第８弁２４を通って、好ましくは第２熱交換器４に供給される。従って、水が加熱されて、主に水蒸気の態様で燃料と共に分岐管路ｂ２を介して燃料電池１のアノード区画１２に供給される。しかし、必ずしも分岐管路ｂ２に燃料を供給しなくてもよいので、この分岐管路ｂ２に、第１０管路ｎからの蒸気を供給するのみでもよい（この場合、第６弁３１により管路ｂ２を遮断することで、燃料が管路ｂ２を介して燃料電池１に供給されないようにする）。代替的に、第２熱交換器４を迂回して、燃料を第１０管路ｎから分岐管路ｂ２（図示せず）に直接供給することもできる。

同様に、第８弁２４を制御することによって、水タンクＷからの水の少なくとも一部を、第３管路ｃ、膨張器５１及び第１熱交換器３を介して元の水分離器Ｗｔに供給することができる。

空気供給装置Ａから再び空気が供給されてタービン装置５の圧縮機５２を通り、第１熱交換器３に供給されて、膨張器５１からの出力ガスによって加熱される。第１熱交換器３の出力端において、第１管路ａは、第３弁４１によって、直接カソード区画１１に通じ且つ第５弁１５を介してアノード区画１２に通じる第１分岐路ａ１と、バーナ装置２の第１入力端に供給される第２分岐路ａ２とに、再び分岐される。

この構成により、分岐管路ｂ２を介して水又は水蒸気及び／又は燃料を、アノードにおいて燃料の内部改質が生じると、第５弁１５を開放して空気を更に、アノード区画１２に供給することができる。

最後に、燃料電池１のカソード区画１１及びアノード区画１２の出力ガスは、好ましくは第９弁４２及び第１１管路ｇを介してバーナ装置２の第３入力端に供給されて、任意的にそれぞれ第２及び第１入力端を介してバーナ装置２に供給される燃料及び空気（酸素）と共に、これらのガス中のあらゆる未反応化合物を燃焼、すなわち酸化させる。代替的又は追加的に、これらの出力ガスを、第９弁４２を過ぎてから第６管路ｆ（図４に点線で示す）の関連部分を介して図１〜３による排気装置Ｅに同様に供給することもできる。

また、関連弁の切り換え又は操作を行う電子制御装置６は概略的にのみ示されており、関連弁に通じる電子制御装置６の出力端子は各々が関連弁の参照番号で示されている。

一般的に、出口温度が２００℃以下のタービン装置５は、本発明に係るハイブリッド燃料電池装置への組み込みに好適である。この場合、装置全体の効率は６５％以上の範囲となり得る。また、そのようなタービン装置５では、装置全体の水分バランスの管理が比較的容易である。第８弁２４及び第３管路ｃを介して、第１０管路ｎからタービン装置５に水をやや多めに噴射すると、より効率を高めることができる。

上述したように、本発明に係る方法及びハイブリッド燃料電池装置の主な利点は、始動手順の間、燃料電池、特にＳＯＦＣの耐久性及び性能寿命を減縮することなく運転し、電力を発生させることである。

装置全体のエネルギー源は、例えば車両（又は固定機器等）の一次燃料であり、この燃料は好ましくは主タンク内で加圧される。加圧空気は、タービン装置５の圧縮機５２内で生成される。この空気を用いて、燃料電池１のカソード区画１１及びアノード区画１２内の温度、並びに、好ましくは触媒バーナ装置２であるバーナ装置２内の温度を制御することができる。

バーナ装置２は、一次燃料（水素ではない場合）、未反応水素、一酸化炭素及び燃料電池１のアノード区画１２の第１及び第２触媒層で生じる反応のその他の反応副生成物をＣＯ_２と水蒸気に変換して、タービン装置５の高温出力ガスを発生させるのに適している。

燃料電池１は、定常運転状態の間、第９弁４２及び第１１管路ｇを介して燃料電池１の出力端からの一酸化炭素、水素及び残留燃料などの熱空気及び高温還元剤を、バーナ装置２に供給する。このときの高温ガス及び物質の温度は、例えば約６５０〜約８００℃の燃料電池１の通常動作温度に近い。

図２の熱輸送システムを、図４の定常運転状態の間に使用することもできる。この場合、燃料電池１の高温出力ガスは、好ましくは図２の熱輸送システムの冷却媒体によってタービン装置５の下流、場合によっては上流でガス／流体熱交換される。冷却媒体を用いることにより、燃料電池１の耐久性及び性能を損なうことなく、燃料電池１の温度を上昇させることができる。

水タンクＷに保存した分離された水を更に用いて、燃料電池１の温度を制御することができ、これにより、一次燃料が水素ではない場合、吸熱水／ガスシフト反応によって装置の効率が向上する。

従って、本発明に係るハイブリッド燃料電池装置では、燃料電池１の上流に燃料改質装置を別個に設ける必要がない。これにより、ハイブリッド燃料電池装置の複雑さや、重量、費用及び体積が低減する。

また、本発明に係るハイブリッド燃料電池装置に適用可能なタービン装置５では、バーナ装置２から高品質な熱を得ることができる。ハイブリッド燃料電池装置により、タービン装置５及びバーナ装置２では共に、約６０〜６５％効率が上昇するが、約２００℃と出口温度が低いタービン装置５をハイブリッド燃料電池装置に適用する場合、効率は更に高くなる。このときの効率は、低温の燃料電池の場合よりも実質的に高くなる。

ＤＭＥ燃料でハイブリッド燃料電池装置を運転することが好ましい。というのも、ＤＭＥ燃料を用いると、上記の温度において反応性が高く、しかも煤煙が堆積することがないからである。

ＤＭＥの利点は、入手が簡単な他の多くの炭化水素とは違い、一般的なＮｉ基アノードに関する燃料電池１の耐久性の問題が生じないことである。ＤＭＥは、天然ガス及び「未処理」源から生成することができる。

更に、ＤＭＥの処理は、水素の場合よりもかなり簡便である。ＤＭＥは、非毒性、非活性、非発ガン性、非変異原性及び非腐食性であり、天然ガスと同様にして保存可能である。

ＤＭＥの別の利点は、燃料電池１とタービン装置５の間のバーナ装置２を、周囲温度で始動させることができるので、予備バーナを必要としないことである。しかも、ハイブリッド燃料電池装置を頻繁に始動させたり停止させたりする場合でも、寿命が大幅に延長する。

上記の弁２１、２２、４１、３１、２３、２４及び４２は１つの入口と２つの出口を有する三方弁であり、この弁は、好ましくは両方の出口からの流量をそれぞれ独立して制御（すなわち、増減又は遮断）することができる。弁１４及び１５は１つの入口と１つの出口を有する開閉弁であり、出口からの流量を、好ましくは連続的に増減して制御することができる（「比例」弁）。

なお、上述した本発明の実施形態に修正を加えても、通常、添付の特許請求の範囲に含まれる。

また、本発明の説明及び特許請求の範囲において、「含む」、「包含する」、「組み込む」、「から成る」、「有する」、「である」などの表現は、非限定的な意味で用いられており、明記されていない部材、構成要素又は要素も存在し得ることを考慮に入れて解釈されたい。

最後に、添付の特許請求の範囲において、括弧内に記載の数字は、あくまでも特許請求の範囲の理解を助けるためのものであり、特許請求の範囲をいかなる形であれ制限するものではない。

Claims (28)

1. 燃料電池を運転する方法であって、
   供給燃料をバーナ装置（２）内の酸素と反応させて発熱させ、且つ、前記燃料電池（１）を、該燃料電池（１）の動作温度が定常状態範囲内の低温に達するまで、前記バーナ装置（２）から出力されて前記燃料電池（１）に供給されるガスの熱によって加温する第１又は初期の始動段階を含む始動運転を包含する方法。
2. 前記バーナ装置（２）からの出力ガスを用いて、タービン装置（５）により電力を発生させる、請求項１に記載の方法。
3. 前記バーナ装置（２）からの出力ガスを、酸素を供給するために、前記バーナ装置（２）に供給する空気を圧縮する圧縮機（５２）を駆動させる膨張器（５１）を介して供給する、請求項１に記載の方法。
4. 前記膨張器（５１）からの出力ガスを、圧縮空気及び／又は供給燃料へ熱を放出する第１熱交換器（３）、及び／又は前記バーナ装置（２）からの出力ガスからの熱を受け入れる第２熱交換器（４）を介して供給する、請求項３に記載の方法。
5. 前記燃料電池（１）からの出力ガスを、圧縮空気及び／又は供給燃料へ熱を放出する前記第１熱交換器（３）を介して供給する、請求項４に記載の方法。
6. 前記燃料電池（１）を、前記第１及び／又は第２熱交換器（３、４）からの熱を前記燃料電池（１）内又は前記燃料電池（１）上の加熱室又は区画（１３）に供給するための熱交換流体を包含する熱輸送システム（ｌ、ｋ、９）によって更に加熱する、請求項１に記載の方法。
7. 前記始動運転が、前記燃料電池の動作温度が前記定常状態範囲を下回る所定の媒体温度に達すると開始する第２又は中間の始動段階を包含しており、
   該第２又は中間の始動段階において、関連するカソード又はアノード区画（１１、１２）が前記所定の媒体温度に達した後に、前記燃料電池（１）の前記カソード区画（１１）及び前記アノード区画（１２）の少なくとも一方に酸素を供給する、請求項１に記載の方法。
8. 前記燃料電池（１）の動作温度が、前記所定の媒体温度を上回るが前記定常状態範囲を下回る所定の温度まで上昇すると、或いは、前記定常状態範囲内の低温に達すると、前記第２又は中間の始動段階が終了し、定常運転状態が開始する、請求項７に記載の方法。
9. 前記定常運転状態が、燃料を前記アノード区画（１２）に供給し、空気を前記燃料電池（１）の前記カソード区画（１１）に供給し、且つ、前記バーナ装置（２）から前記燃料電池（１）への出力ガスの供給を終了することによって開始する、請求項８に記載の方法。
10. 前記アノード区画（１２）に供給された燃料を、前記第１及び第２熱交換器（３、４）の少なくとも一方を介して供給することによって加熱する、請求項９に記載の方法。
11. 前記第１及び前記第２熱交換器（３、４）の少なくとも一方を、前記バーナ装置（２）内で燃料を燃焼させて、前記バーナ装置（２）からの出力ガスを前記関連する第１及び／又は第２熱交換器（３、４）を介して供給することによって加熱する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記バーナ装置（２）の出力ガスから水を分離し、実質的に水蒸気の態様で前記燃料電池（１）の前記アノード区画（１２）に供給することにより、前記燃料電池（１）の温度を制御する、請求項９に記載の方法。
13. 前記バーナ装置（２）の出力ガスから水を分離し、前記タービン装置（５）の前記膨張器（５１）に供給することにより、前記タービン装置（５）の効率を向上させる、請求項９に記載の方法。
14. 燃料電池（１）と燃料を燃焼させるバーナ装置（２）を有するハイブリッド燃料電池装置であって、
    前記バーナ装置（２）を前記燃料電池（１）に接続し、燃料を燃焼させることによって発生する熱を前記燃料電池（１）に供給することによって、請求項１〜１３に記載の少なくとも１つの方法により前記燃料電池を加温する、ハイブリッド燃料電池装置。
15. 空気供給装置（Ａ）と前記バーナ装置（２）の第１入力端の間にあって前記空気供給装置（Ａ）からの空気を前記バーナ装置（２）の前記第１入力端に供給するための第１管路（ａ；ａ２）と、燃料供給装置（Ｄ）と前記バーナ装置（２）の第２入力端の間にあって前記燃料供給装置（Ｄ）からの燃料を前記バーナ装置（２）の前記第２入力端に供給するための第２管路（ｂ；ｂ１、ｂ３）とを有する、請求項１４に記載のハイブリッド燃料電池装置。
16. 前記バーナ装置（２）の出力と前記燃料電池（１）の間にあって前記バーナ装置（２）の出力ガスを前記燃料電池（１）に供給する第３及び第４管路（ｃ；ｃ１；ｃ２；ｄ）を有する、請求項１４に記載のハイブリッド燃料電池装置。
17. 空気及び／又は燃料を前記バーナ装置（２）に供給する前に加熱する第１熱交換器（３）を有する、請求項１５に記載のハイブリッド燃料電池装置。
18. 前記バーナ装置（２）の前記第１入力端に供給する空気を圧縮する圧縮機（５２）を駆動させるための膨張器（５１）を備えたタービン装置（５）を有する、請求項１５に記載のハイブリッド燃料電池装置。
19. 前記バーナ装置（２）の出力ガスが、前記タービン装置（５）の前記圧縮機（５２）を駆動させるために、前記膨張器（５１）を介して供給される、請求項１８に記載のハイブリッド燃料電池装置。
20. 前記燃料電池（１）に供給する前記バーナ装置（２）の出力ガスを加熱する第２熱交換器（４）を有する、請求項１６に記載のハイブリッド燃料電池装置。
21. 前記燃料電池（１）の出力ガスが、前記バーナ装置（２）に供給される空気及び／又は燃料へ熱を放出する前記第１熱交換器（３）を介して供給される、請求項１７に記載のハイブリッド燃料電池装置。
22. 熱交換流体を搬送するための複数の管路（ｋ、ｌ）であって、前記第１及び／又は第２熱交換器（３、４）を貫通して熱を受け入れ、且つ、前記燃料電池（１）を貫通して前記熱を放出する複数の管路（ｋ、ｌ）を備えた熱輸送システムを包含する、請求項１７又は請求項２０に記載のハイブリッド燃料電池装置。
23. 前記バーナ装置（２）の出力ガスから水を分離し、実質的に水蒸気の態様で前記燃料電池（１）の前記アノード区画（１２）に供給することにより、前記燃料電池（１）の温度を制御するための水分離器（Ｗｔ）を有する、請求項１４に記載のハイブリッド燃料電池装置。
24. 前記バーナ装置（２）の出力ガスから水を分離し、前記膨張器（５１）に供給するための水分離器（Ｗｔ）を有する、請求項１９に記載のハイブリッド燃料電池装置。
25. 複数の弁（２１、２２、４１、１４、１５、３１、２３、２４、４２）を制御することによって、請求項１〜１３に記載の少なくとも１つの方法により請求項１４〜２４に記載の少なくとも１つのハイブリッド燃料電池装置を制御する制御装置（６）。
26. プログラム可能なマイクロプロセッサ手段上で動作させると、請求項１〜１３に記載の少なくとも１つのステップを実行するコンピュータプログラムコードを包含する、コンピュータプログラム。
27. プログラム可能なマイクロプロセッサ手段の内部メモリにロードされると、請求項１〜１３に記載の少なくとも１つのステップを実行するよう構成されたコンピュータプログラムコード手段を包含する、コンピュータで使用可能な媒体に格納されたコンピュータプログラム製品。
28. 前記複数の弁（２１、２２、４１、１４、１５、３１、２３、２４、４２）を制御するための請求項２６に記載のプログラム可能なマイクロプロセッサ手段とコンピュータプログラムを包含する、請求項２５に記載の制御装置（６）。

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