JP2022512551A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの温度管理方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料電池システム（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）であって、アノード部（３）とカソード部（４）を有する、少なくとも一つの燃料電池スタック（２）と、改質器（６）を構成する、前記アノード部（３）の上流における低温面と熱交換機（７）を構成する、前記カソード部（４）の下流における高温面とを有する改質器・熱交換器（５）と、前記熱交換機（７）の下流における、前記アノード部（３）からのアノード排ガスおよび／または前記カソード部（４）からのカソード排ガスを燃焼するためのアフターバーナー（８）を有する燃料電池システム（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）において、前記熱交換器（７）は、前記カソード部（４）の直接下流に設けられ、前記熱交換器（７）によって前記カソード排ガスを完全に案内するためにカソード排ガス管（９）によって前記カソード部（４）と流体連通連結されている燃料電池システム（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）に関する。さらに本発明は、本発明による燃料電池システム（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）の温度管理方法に関する。

Description

本発明は、燃料電池システム、特にはＳＯＦＣシステムの形における燃料電池システムに関し、前記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少なくとも一つの燃料電池スタックと、改質器を構成する、前記アノード部の上流における低温面と熱交換機を構成する、前記カソード部の下流における高温面とを有する改質器・熱交換器と、前記熱交換機の下流における、前記アノード部からのアノード排ガスおよび／または前記カソード部からのカソード排ガスを燃焼するためのアフターバーナーとを有する。さらに本発明は、包括的な燃料電池システムの温度管理方法に関する。

包括的なＳＯＦＣシステムにおいて前記アノード部の上流において改質器が配置されており、前記改質器を用いて燃料または燃料混合物を改質してその後前記アノード部に供給する。前記改質器を効率的に駆動するには前記改質器を所定の駆動温度にするあるいは前記温度に保持する必要がある。これに関する多様なアプローチが公知である。あるアプローチによると前記改質器に熱交換器が配置されている。より正確にいうと前記改質器はこの場合改質器・熱交換器として設けられており、前記改質器・熱交換器においては前記改質器・熱交換器の前記低温面が前記改質器を構成し、前記改質器・熱交換器の前記高温面が前記熱交換器を構成する。この場合、前記熱交換器は前記カソード部の下流に配置されることで前記改質器が加熱されたカソード排ガスによって温度管理あるいは加熱され得る。

前記カソード排ガスは前記カソード部の直接下流において比較的高温であるため、公知であるシステムにおいては前記カソード排ガスが全て、あるいは少なくとも直接に前記改質器・熱交換器の前記高温面に対して供給されるわけではない。よって流体流については例えばフローセパレータの使用、また前記カソード部の下流における温度管理については相当する手間がかかる。

本発明の課題は、前述の問題点を少なくとも部分的に考慮することにある。特に本発明の課題は、前記改質器の温度管理のために改良された、または改良された温度管理のための燃料電池システムおよび方法を提供することにある。

前述の課題は、特許請求の範囲によって解消される。特に前述の課題は、請求項１による燃料電池システム、請求項５による方法および請求項１０による使用によって解消される。本発明のさらなる利点は、各従属クレーム、明細書および各図面から生ずる。この場合、前記燃料電池システムとの関連において記述される特徴および詳細は当然本発明による燃料電池システム、本発明による使用とそれぞれ逆にも当てはまるものであるため、個々の発明の態様に関する開示内容については常に相互に参照するあるいは参照され得る。

本発明の第一態様において提供されるのは燃料電池システムであって、前記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少なくとも一つの燃料電池スタックと、改質器を構成する、前記アノード部の上流における低温面と熱交換機を構成する、前記カソード部の下流における高温面とを有する改質器・熱交換器と、前記熱交換機の下流における、前記アノード部からのアノード排ガスおよび／または前記カソード部からのカソード排ガスを燃焼するためのアフターバーナーとを有する。前記熱交換器は、前記カソード部の直接下流に設けられおよび／または配置されており、熱交換器によって前記カソード排ガスを完全に案内するためにカソード排ガス管によって前記カソード部と流体連通連結している。

前記燃料電池システムは、特に高温燃料電池システム、好ましくはＳＯＦＣシステムに相当する。この種のシステムでは従来、前記燃料電池システムの駆動中に直接前記改質器における少なくとも一つの燃料電池スタックの下流における包括的な熱交換器に前記カソード部からカソード排ガスを案内するには少なくとも一つの前記燃料電池スタックにおける駆動温度が高すぎるということを前提にしていた。より正確にはこのような実施形態の選択肢では今までは前記改質器・熱交換器に対する強すぎる悪影響を前提としていた。したがって前記カソード部の下流における前記カソード排ガスは、前記熱交換器に案内されるまでに少なくとも部分的に分岐されるかあるいは前記改質器における前記熱交換機に案内されるまでに他の各熱交換器によって冷却されていた。

しかしながら驚くべきことに本発明の範囲内において実施された広範囲に亘る試みにおいて多様な要素を考慮することで前記改質器における前記熱交換機あるいは前記改質器・熱交換器の前記高温面に対して前記カソード排ガスを完全に供給することは十分可能あるいは利点にもなり得ることが判明した。何よりも前記カソード部の下流におけるフローセパレータが不要であることが利点である。フローセパレータによってシステム構造が複雑になり、これに応じて複雑な機能部品が必要とされる。前記機能部品は高価であるだけではなく重量にも反映されるが、特に携帯型への応用においては常に軽量化が必要となる。加えてフローセパレータを用いた場合には前記燃料電池システムに複雑な制御および規制手段を設ける必要がある。前記カソード部から前記カソード排ガスが直接且つ分岐せず、すなわち完全に前記改質器における前記熱交換機に案内される場合、これら各手段を省略することが可能となる。

さらに前記カソード部の下流且つ前記熱交換器の上流におけるフローセパレータがないと前記燃料電池システム全体を前記カソード部への空気供給またはカソードガス供給を通して単独で調節することが可能である。本発明による燃料電池システムにおいて前記燃料電池スタックから得られる所望の出力に応じて燃料またはアノードガスの供給が固定されるのに対して前記カソード部のための空気および酸素量のみが変更される。

本発明によると前記アフターバーナーは、前記改質器・熱交換器とは別個に且つ距離をおいて配置される。前記アフターバーナーに対して燃焼のために空気または酸素を含有する流体が供給される。本発明による前記改質器・熱交換器においては前記改質器に対するあるいは前記改質器における空気供給を省略することが可能である。前記アフターバーナーは、例えば火炎バーナーあるいは触媒バーナーとして構成され得る。

該当する場合、前記燃料電池システムの起動時、すなわち前記燃料電池システムの始動段階において前記改質器に対して空気を供給することが有利であり得る。

前記改質器・熱交換器は、プレート熱交換器の形で設けられていることが好ましく、前記改質器を形成する低温面は触媒コーティングを有し得る。しかしながら基本的に前記改質器・熱交換器は、例えば管束熱交換器としてなど任意に構成することが可能である。前記改質器・熱交換器の前記低温面のみならず前記高温面もが触媒コーティングを有することも有利であり得る。これにより例えば駆動時に空気が供給されている間にも前記改質器・熱交換器における温度レベルを直接調節することが可能となる。

前記カソード部の直接下流に前記熱交換器が配置されている、というのは前記カソード部から前記熱交換器への流れ方向において例えば別の熱交換機、フローセパレータ、弁などが配置されていないことと理解されたい。前記カソード排ガス管が前記カソード部から前記熱交換器に対してまたは前記熱交換器を通って前記カソード排ガスを完全に案内するように設けられているため、事前あるいは途中に分岐することなく前記カソード排ガスが完全に前記熱交換器へと案内され得る。

本発明の別の実施形態においては前記アフターバーナーに対して加熱流体を計量供給するためのスタートアップバーナーが備えられることも可能であり、その際に前記アフターバーナーがカソードガス熱交換器の高温面の上流に配置され、前記カソードガス熱交換器の低温面は前記カソード部の上流に前記カソード部に対してカソード供給ガスを供給するためのカソード供給ガス管内に配置されている。本発明による燃料電池システムにおいて少なくとも一つの前記燃料電池スタックの出口における前記カソード排ガスの駆動温度は約５５０℃、特に約６００℃から約６２０の範囲にある。前記熱交換器においては約５００℃、特に約５２０℃から約５４０℃の温度に到達すべきである。前記カソード排ガスの温度が前記熱交換器を前記所望する温度に加熱するのに不十分である場合、前記カソード部に対して前記熱交換機によって計量してあるいは集中的に熱を供給することが可能である。より正確にいうとこの場合前記加熱流体は前記スタートアップバーナーによってまず前記アフターバーナーに供給される。この際、前記加熱流体は前記アフターバーナーの内部あるいは少なくとも前記アフターバーナーに対して案内され得る。前記加熱流体は、前記カソード部に対して案内されるカソード供給ガス、特に空気を加熱するために前記アフターバーナーからさらに前記カソードガス熱交換器の前記高温面の方向へと案内され得る。これにより前記カソード部および後に前記改質器における前記熱交換器が対応して加熱される。したがって前記スタートアップバーナーを前記アフターバーナーに配置することで簡単に前記燃料電池システムの複数のシステム構成要素を加熱することが可能となる。このことは特に前記燃料電池システムの始動駆動時に有利であり得る。

本発明の範囲における加熱流体とは、ガス状および／または流動性を有する流体、特に予め前記スタートアップバーナー内において少なくとも部分的に、好ましくは空気を供給しながら燃焼された燃料であると理解されたい。

さらに本発明による燃料電池システムにおいて前記カソード排ガス管内に加熱流体を計量案内するためのカソード排ガス・スタートアップバーナーを備えることも可能である。前記カソード排ガス管内に加熱流体を加えることで前記改質器における前記熱交換器における所望する温度上昇を直接且つ迅速に実現することが可能となる。熱損失を可能な限り避けることが可能となる。

さらに本発明による燃料電池システムにおいて前記カソード部の上流に前記カソード部に対するカソード供給ガスを供給するためのカソード供給ガス管を設け、前記カソード供給ガス管内に加熱流体を計量供給するためのカソード供給ガス・スタートアップバーナーを備えることも可能である。これにより前記カソード供給ガス・スタートアップバーナーが前記カソード部の直接上流に配置され、これにより前記カソード部における所望の温度上昇に対して迅速に反応することが可能である。

本発明の別の態様によると上記に詳述した燃料電池システムの温度管理方法が提案されている。前記方法は以下のステップを有する：
・前記カソード供給ガス管を通ってカソード供給ガスを前記カソード部に供給するステップ、および
・前記カソード排ガス管を通って直接前記熱交換器に前記カソード排ガス全てを前記カソード部の下流に供給するステップ。

これにより本発明の方法によって本発明による燃料電池システムに関連して詳細に説明したのと同様の利点がもたらされる。本発明によると前記燃料電池システムが７００℃未満のカソード出口温度、特に約５６０℃、特には約６００℃から約６２０℃のカソード出口温度によって駆動される。この温度範囲は、少なくとも一つの前記燃料電池スタックにとっては十分に熱く、前記改質器における前記熱交換器のための前記カソード排ガスにとっては熱すぎない、有利な妥協案であることが判明した。これにより前記燃料電池システムは少なくとも通常運転時において約５００℃から約５６０℃の好ましい改質器・熱交換器温度、特に約５２０℃から約５４０℃の改質器・熱交換器温度において駆動され得る。

本発明による方法によって前述したとおり前記燃料電池システムを前記カソード部に対する空気供給のみによって調節することが可能である。すなわち本発明による方法において前記燃料電池システムにおける温度調節のために前記カソード供給ガスの供給、特に前記カソード供給ガスの供給のみが調節される。この際、前記燃料電池システムにおける少なくとも一つの温度を取得するために少なくとも一つの温度センサを備えることが可能である。取得された温度が予め定義可能な閾値よりも下または上であることが検知された場合、カソード供給ガス量がこれに応じて調節される。これにより前記燃料電池システムのための簡単且つ安価な温度管理を提供することが可能である。

これに加えて本発明による方法において前記燃料電池システムの温度管理を実施する間、前記改質器の取得された温度に応じて前記スタートアップバーナーによって前記アフターバーナーに対して、またそこからさらに前記カソード熱交換器の前記高温面に対して加熱流体を供給することが可能であり、前記カソード熱交換器の前記低温面は、前記カソード部の上流において前記カソード供給ガス管内に配置されている。これに加えてあるいはこれに代えて、前記燃料電池システムの温度管理の間、前記改質器の取得された温度に応じて前記カソード排ガス・スタートアップバーナーによって加熱流体を前記カソード排ガス管内および／または前記カソード供給ガス・スタートアップバーナーによって加熱流体を前記カソード供給ガス管へと供給することが可能である。これにより所望する各機能部品の迅速且つ直接的な温度管理に関する前述の利点を得ることが可能となる。

本発明の別の態様は、車両において電気エネルギーを提供するために前述のような燃料電池システムを使用することに関する。これにより本発明による使用によっても前述の利点がもたらされる。

本発明を改良するさらなる方策は、各図面において概略的に図示される、本発明の様々な実施例に関する以下の記述から生ずる。それぞれ概略的に示されているのは
本発明の第１の実施形態による燃料電池システムを示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態による燃料電池システムを示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態による燃料電池システムを示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態による燃料電池システムを示すブロック図である。 本発明の実施形態による方法を説明するためのフローチャートである。

同一の機能および効果を有する各要素には、図１から図４において同一の符号を付してある。

以下、本発明の実施形態について、詳細に説明する。
＜実施例＞
［実施例１］
図１は、好ましい実施形態によるＳＯＦＣシステムの形における燃料電池システム１ａのブロック図を図示している。図１において図示される前記燃料電池システム１ａは、アノード部３とカソード部４とを有する燃料電池スタック２を備える。前記燃料電池システム１ａは、さらに改質器６を構成する、前記アノード部３の上流における低温面と熱交換器７を構成する、前記カソード部４の下流における高温部とを有する改質器・熱交換器
５を有する。換言すると前記改質器６は前記改質器・熱交換器５の前記低温面を、前記熱交換器７は前記改質器・熱交換器５の高温面を構成する。前記改質器・熱交換器５は、図示される実施例によるとプレート熱交換器として構成されており、前記改質器６は触媒コーティングされている。

さらに前記燃料電池システム１ａは、前記アノード部３からのアノード排ガスおよび／または前記カソード部４からのカソード排ガスを燃焼するための、前記熱交換器７の下流におけるアフターバーナー８を有する。図１において見受けられるように前記熱交換器７は前記カソード部４の直接下流に設けられており、カソード排ガス管９によって前記カソード排ガスを前記熱交換器７に対してあるいは前記熱交換器７を通って完全に案内するために前記カソード部４と流体連通連結されている。

前記アノード部３の直接下流において前記アノード排ガスの一部を前記アフターバーナー８内に分岐し、前記アノード排ガスの別の部分をフォーク部１４へと分岐または還流するための分岐部１３があり、これにより前記アノード排ガスがアノード供給ガス管２０へと戻るように案内され得る。

前記アノード供給ガス管２０を通って燃料または燃料混合物の形におけるアノード供給ガスがアノード供給ガス源１６から前記フォーク部１４と前記改質器６とを介して前記アノード部へと案内され得る。カソード供給ガスは、空気の形においてカソード供給ガス源１７から前記カソードガス熱交換器１５あるいはその低温面を介して前記カソード供給ガス管１９を通って前記カソード部へと案内され得る。排ガス、あるいは少なくとも部分的に消費されたプロセスガスは、前記アフターバーナー８と前記カソードガス熱交換器１５の高温面とを介して流体出口１８を通って前記燃料電池システム１ａの周辺へと案内され得る。

［実施例２］
図２において第２の実施形態による燃料電池システム１ｂが図示されている。図２において図示される燃料電池システム１ｂは、基本的に図１において図示される燃料電池システム１ａに相当するが、前記アフターバーナー８に対する加熱流体を計量供給するためのスタートアップバーナー１０がある点で異なる。前記スタートアップバーナー１０によって前記アフターバーナー８を直接的あるいは基本的に直接的に、また前記カソードガス熱交換器１５、前記カソード部４ならびに隣接する各機能部品を間接的に所望する駆動温度に加熱することが可能である。

［実施例３］
図３において第３の実施形態による燃料電池システム１ｃが図示されている。図３において図示される燃料電池システム１ｃは、基本的に図１において図示される燃料電池システム１ａに相当するが、前記カソード排ガス管９内へ加熱流体を計量供給するためのカソード排ガス・スタートアップバーナー１１がある点で異なる。前記カソード排ガス・スタートアップバーナー１１によって前記熱交換器７を直接的あるいは基本的に直接的に、また前記アフターバーナー８、前記カソードガス熱交換器１５ならびに隣接する各機能部品を間接的に所望する駆動温度に加熱することが可能である。

［実施例４］
図４において第４の実施形態による燃料電池システム１ｄが図示されている。図４において図示される燃料電池システム１ｄは、基本的に図１において図示される燃料電池システム１ａに相当するが、カソード供給ガス管１９内へ加熱流体を計量供給するためのカソード供給ガス・スタートアップバーナー１２がある点で異なる。前記カソード供給ガス・スタートアップバーナー１２によって前記カソード部４を直接的あるいは基本的に直接的に、また前記熱交換器７，前記アフターバーナー８、前記カソードガス熱交換器１５ならびに隣接する各機能部品を間接的に所望する駆動温度に加熱することが可能である。

図５を参照しつつ、以下に図１において図示されるような燃料電池システム１ａの温度管理方法について記述する。第１のステップＳ１においてまず前記燃料電池システム１ａの駆動が開始される。このため第２のステップＳ２において空気の形におけるカソード供給ガスが前記カソード供給ガス管１９を通って前記カソードガス熱交換器１５の前記低温面を介して前記カソード部４へと案内される。第３のステップＳ３において前記カソード排ガスが全て前記カソード部４の下流へと前記カソード排ガス管９を通って直接前記熱交換器７へと案内される。この方法によると前記燃料電池システム１ａにおける温度調節のために少なくとも一時的に前記カソード部４に対する前記カソード供給ガスの供給のみを調節することが可能である。

本発明は、図示される各実施形態の他にも異なる設計原理をも許容するものである。すなわち本発明は各図面との関連において説明された実施例に限定されるものではない。よって本発明の範囲において前記燃料電池システム１ｂの温度管理を実施している間に前記改質器６の取得された温度に応じて前記スタートアップバーナー１０によって加熱流体を前記アフターバーナー８へ、またそこからさらに前記カソード熱交換器１５の前記高温面へと案内することが可能であり、前記カソードガス熱交換器１５の低温面は前記カソード供給ガス管１９内において前記カソード部４の上流に配置されている。さらに、前記燃料電池システム１ｃの温度管理を実施している間に前記改質器６の取得された温度に応じて前記カソード排ガス・スタートアップバーナー１１によって前記カソード排ガス管９内に加熱流体を供給することが可能である。さらに前記燃料電池システム１ｄの温度管理を実施している間に前記改質器６の取得された温度に応じて前記カソード供給ガス・スタートアップバーナー１２によって前記カソード供給ガス管１９内に加熱流体を供給することが可能である。図２から図４において図示される各スタートアップバーナー１０、１１、１２は、単一の実施形態において所望する組み合わせにおいて使用され得る。

１ａ～１ｄ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック
３ アノード部
４ カソード部
５ 改質器・熱交換器
６ 改質器
７ 熱交換器
８ アフターバーナー
９ カソード排ガス管
１０ スタートアップバーナー
１１ カソード排ガス・スタートアップバーナー
１２ カソード供給ガス・スタートアップバーナー
１３ 分岐部
１４ フォーク部
１５ カソードガス熱交換器
１６ アノード供給ガス源
１７ カソード供給ガス源
１８ 流体出口
１９ カソード供給ガス管
２０ アノード供給ガス管

Claims (10)

1. 燃料電池システム（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）であって、アノード部（３）とカソード部（４）を有する、少なくとも一つの燃料電池スタック（２）と、改質器（６）を構成する、前記アノード部（３）の上流における低温面と熱交換機（７）を構成する、前記カソード部（４）の下流における高温面とを有する改質器・熱交換器（５）と、前記熱交換機（７）の下流における、前記アノード部（３）からのアノード排ガスおよび／または前記カソード部（４）からのカソード排ガスを燃焼するためのアフターバーナー（８）とを有する燃料電池システム（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）において、
   前記熱交換器（７）は、前記カソード部（４）の直接下流に設けられ、前記熱交換器（６）によって前記カソード排ガスを完全に案内するためにカソード排ガス管（９）によって前記カソード部（４）と流体連通連結されていることを特徴とする燃料電池システム（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）。
2. 前記アフターバーナー（８）への加熱流体の計量供給を実施するためのスタートアップバーナー（１０）が備えられ、前記アフターバーナー（８）はカソードガス熱交換器（１５）の高温面の上流に配置されており、前記カソードガス熱交換器（１５）の低温面は前記カソード部（４）の上流において前記カソード部（４）に対してカソード供給ガスを供給するためのカソード供給ガス管（１９）内に配置されてい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（１ｂ）。
3. 加熱流体を前記カソード排ガス管（９）内へ計量供給するためのカソード排ガス・スタートアップバーナー（１１）が備えられていることを特徴とする、前項のうちいずれか一つに記載の燃料電池システム（１ｃ）。
4. 前記カソード部（４）の上流に前記カソード部（４）に対するカソード供給ガスを供給するためのカソード供給ガス管（１９）が設けられ、前記カソード供給ガス管（１９）内へ加熱流体を計量供給するためのカソード供給ガス・スタートアップバーナー（１２）が備えられていることを特徴とする、前項のうちいずれか一つに記載の燃料電池システム（１ｄ）。
5. 前項のうちいずれか一つに記載の仕様に設けられている燃料電池システム（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）の温度管理方法であって、以下のステップを有することを特徴とする温度管理方法：
   ・前記カソード供給ガス管（１９）を通ってカソード供給ガスを前記カソード部（４）に供給するステップ、および
   ・前記カソード排ガス管（９）を通って直接前記熱交換器（７）に前記カソード排ガス全てを前記カソード部（４）の下流に供給するステップ。
6. 前記燃料電池システム（１ａ）における温度調節のために前記カソード供給ガスの供給、特に前記カソード供給ガスの供給のみが調節されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記燃料電池システム（１ｂ）の温度管理の間、前記改質器（６）の取得された温度に応じて前記スタートアップバーナー（１０）によって加熱流体が前記アフターバーナー（８）へ、そこからさらに前記カソードガス熱交換機（１５）の前記高温面へと供給され、前記カソードガス熱交換器（１５）の前記低温面は前記カソード部（４）の上流において前記カソード供給ガス管（１９）内に配置されていることを特徴とする、請求項５から６のうち内いずれか一つに記載の方法。
8. 前記燃料電池システム（１ｃ）の温度管理の間、前記改質器（６）の取得された温度に応じて前記カソード排ガス・スタートアップバーナー（１１）によって加熱流体が前記カソード排ガス管（９）へと供給されることを特徴とする、請求項５から７のうち内いずれか一つに記載の方法。
9. 前記燃料電池システム（１ｄ）の温度管理の間、前記改質器（６）の取得された温度に応じて前記カソード供給ガス・スタートアップバーナー（１２）によって加熱流体が前記カソード供給ガス管（１９）へと供給されることを特徴とする、請求項５から８のうち内いずれか一つに記載の方法。
10. 車両において電気エネルギーを提供するために、請求項１から４のうちいずれか一つに記載の燃料電池システム（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）を使用すること。

Images