JP2022512552A - 燃料電池システム及びその作動方法 - Google Patents

Abstract

本発明はアノード部（３）及びカソード部（４）を備える少なくとも１つの燃料電池スタック（２）と、前記アノード部（３）からのアノード排ガスを少なくとも部分的に燃焼させるためのアフターバーナ（５）と、を有し、前記アフターバーナ（５）は、火炎を形成しながらアノード排ガスを燃焼させるためのガス燃焼室（７）を有する、燃料電池システム（１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ）に関する。また、本発明は、本発明にかかる燃料電池システム（１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ）の作動方法に関する。さらに、本発明は、定置型発電所に電気エネルギーを供給するための、本発明にかかる燃料電池システム（１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ）の使用に関する。

Description

本発明は、燃料電池システム、特に、アノード部及びカソード部を備える少なくとも１つの燃料電池スタックと、アノード部からのアノード排ガス及び／又はカソード部からのカソード排ガスを少なくとも部分的に燃焼させるためのアフターバーナと、を有するＳＯＦＣ（ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）システムに関する。また、本発明は、この種の燃料電池システムの作動方法及びこの種の燃料電池システムの使用に関する。

ＳＯＦＣシステムでは、燃料電池スタックのアノード部からのアノード排ガスを燃焼させるために、通常触媒アフターバーナ又はアノード排気バーナが使用されている。アノード排ガスは、燃料電池スタックの直ぐ下流側に、通常、８～１０％の水素と４～５％の一酸化炭素の典型的な体積比を有する水素と一酸化炭素である燃料ガスを依然として含む。従来のシステムでは、アノード排ガスをカソード排気と一緒に触媒燃焼させる。両方のガス流を混合すると、非常に高い空気比又はそれに対応する燃焼空気比になる。すなわち、これは、通常、アフターバーナーで燃焼に利用できる酸素が必要以上に多いことを意味する。同時に、これによって燃焼温度が低下し、これによって、このようなアフターバーナの作動温度を低下することができる。触媒式アフターバーナにはコーティングによる一定の温度制限があり、コーティングが永続的に損傷する可能性があるため、温度制限を超えてはならない。また、この触媒式アフターバーナを加熱工程のスタートバーナとしても使用する場合には、天然ガス等の他のガスをさらに燃焼できることが必要である。このような場合、アフターバーナの触媒コーティングは比較的高価である。さらに、制御動作からの特別なずれがある。例えば、ＳＯＦＣシステムに負荷が発生すると、燃料電池スタック内の燃料ガスが電気化学的に変換できなくなり、その結果、完全にアフターバーナに到達することが起こり得る。しかし、現在の温度では、完全燃焼が起こり、触媒の熱負荷が通常作動時よりも著しく高くなる。これは、触媒アフターバーナの永続的な損傷をもたらす可能性があり、所望の耐用年数を達成できなくなり、これによって、アフターバーナの最大耐用年数に到達する前に回避すべき排ガス放出が発生し得る。

ＳＯＦＣシステムでは、触媒式アフターバーナの代替として、火炎を形成しながらアノード排ガスを燃焼させるためのアフターバーナが使用されることがある。そのようなシステムは、国際公開公報第２０１６／０８７３８９号に記載されている。そこでは、アフターバーナを備えたＳＯＦＣシステムが記載され、アフターバーナは、火炎燃焼によってアノード排ガスを酸化するように構成されている。アノード排ガスの燃焼には新鮮な空気のみが使用される。可能な限り全ての一酸化炭素成分をアフターバーナで確実に燃焼させるように、燃焼温度は最大１４８０℃に設定される。しかし、これは、回避すべき窒素酸化物が燃焼中に形成され得るという結果をもたらす。

国際公開第２０１６／０８７３８９号

本発明の課題は、上述の課題に少なくとも部分的に対処することである。特に、本発明の課題は、改善された排ガス後処理を有する燃料電池システムを提供することである。さらに、本発明の課題は、そのような燃料電池システムの作動方法を提供することである。

前述の課題は、特許請求の範囲によって解決される。特に、前述の課題は、請求項１にかかる燃料電池システム、請求項１４にかかる方法、及び請求項１９にかかる燃料電池システムの使用によって解決される。本発明のさらなる利点は、従属請求項、明細書及び図面からわかる。ここで、燃料電池システムに関連して記載された特徴及び詳細は、当然ながら、燃料電池システムを製造するための本発明にかかる方法に関連しても適用され、またその逆も、それぞれの場合に適用されるため、本発明の個々の態様に関する開示に関しては、常に相互に参照され得る。

本発明の第１の態様によれば、燃料電池システム、特に定置型ＳＯＦＣシステムが提供される。燃料電池システムは、アノード部及びカソード部を備える少なくとも１つの燃料電池スタックと、アノード部からのアノード排ガスを少なくとも部分的に燃焼させるためのアフターバーナと、を有する。アフターバーナは、火炎を形成しながらアノード排ガスを燃焼させるためのガス燃焼室を有する。

本発明によれば、アフターバーナは触媒を使用せずに構成されている。したがって、アフターバーナはガスバーナの形態で実施されている。燃焼を実現し、火炎燃焼が可能な所望の燃焼空気比を得るために、カソード排ガスの規定部分のみを燃焼空気としてアノード排ガスと混合することができる。カソード排ガスの量によって火炎温度を容易に制御することができる。アフターバーナが触媒式に実施されない場合、アフターバーナやガス燃焼室には、より温度安定性の高い他の材質を選択することができる。したがって、とりわけ短く急激な温度上昇は問題にならなくなる。カソード排ガスの生じ得る過剰分は、アフターバーナの下流側でアフターバーナ排ガスに添加することができる。

本発明の範囲内の実験では、ガスバーナを用いて、例えば８００℃以上の高いプロセス温度で、存在する水素を所望のように酸化することが可能であることが判明した。それによって、一酸化炭素の燃焼も促進される。ここで、例えば１～１．４の間の値、特に約１．２に設定される正しい燃焼空気比によって、アノード排ガスを酸化させることが可能になる。

アフターバーナ排ガスを触媒処理するために排ガス触媒が設けられ、排ガス触媒がアフターバーナから離間して下流側に配置されていると好ましい。

特定の作動点で一酸化炭素の完全燃焼が不可能な場合には、本発明にかかる燃料電池システムにおいて、特に一酸化炭素のために構成された排ガス触媒が、アフターバーナのさらに下流側に配置される。少量の一酸化炭素しか発生しないため、排ガス触媒は、触媒式アフターバーナを有する従来のＳＯＦＣシステムと比較して、大幅に小さく構成することができる。

さらに、火炎を形成しながらの燃焼の場合には、触媒燃焼よりも点火を大幅に容易に検知できるという利点がある。触媒式アフターバーナでは炎がない燃焼が行われるが、ガスバーナでは様々な点火検知手段を実装することができる。

アフターバーナの下流側に設けられた排ガス触媒によって、より良好な放出値を達成することができる。排ガス触媒はアフターバーナによって負荷が緩和される。これによって、排ガス触媒の故障確率が低減され、燃料電池システムの耐用年数にわたって所望の放出目標の達成を向上させることができる。

従来の燃料電池システムでは、排ガス触媒をアフターバーナの直ぐ下流側に配置することが公知である。本明細書では、排ガス触媒は、下流側に離間して配置され、特に、アフターバーナとは別個に配置されている。より正確には、アフターバーナは第１のハウジングを有し、排ガス触媒は第２のハウジングを有するか、又は第２のハウジング内に構成され、第２のハウジングは、第１のハウジングから下流側に、特に、アフターバーナ又は第１のハウジングから分離した別個のハウジングの形態で、離間して配置されている。これによって、排ガス触媒を特に低温に構成することができる。アフターバーナの直ぐ下流側に排ガス触媒を配置する欠点は、非定常作動時に一時的に高温になりすぎ、これによって破損する可能性があることである。

特に有利な構成の変形例では、排ガス触媒を完全に省略することができる。

好ましくは、アフターバーナは、自己点火型アフターバーナとして構成されている。すなわち、別個の点火装置を省略することも可能である。燃料電池システムは、好ましくは、ＳＯＦＣシステム、特に定置型ＳＯＦＣシステムとして構成される。燃料電池システムは、１つ又は複数の燃料電池スタックを有してもよい。アノード排ガスとは、少なくとも１つの燃料電池スタックで処理されたアノード供給ガス、特にアノード部から排出される、処理された水素と理解することができる。カソード排ガスとは、少なくとも１つの燃料電池スタック内で処理されるカソード供給ガス、特に、カソード部から排出される酸素含有流体、好ましくは空気と理解することができる。特に好ましくは、アフターバーナは、火炎バーナとして構成されている。

アフターバーナの上流側に、アフターバーナへの第１カソード排ガス分岐と、第１混合室への第２カソード排ガス分岐とを備えたカソード排ガス分岐部が構成されていると好ましい。これによって、燃料電池スタックの下流側のカソード排ガスを、アフターバーナで最適な化学量論が達成されるように分割することが可能となる。これによって、特に外部から酸化剤を供給することなく、アフターバーナの火炎温度を制御することができる。したがって、最適な場合には、排ガス触媒を完全に省略することができる。特に、カソード排ガスは、アフターバーナ内での燃焼比がλ＝１．５～λ＝２となるように分割されている。カソード排ガスを分割しない場合、アフターバーナ内の燃焼比はλ＝４～λ＝１０である。

本発明の他の態様によれば、燃料電池システムにおいて、燃料電池システムのカソードガス熱交換器のホット側がアフターバーナの下流側に構成され、排ガス触媒がカソードガス熱交換器のホット側の下流側に配置されていることが可能である。カソード熱交換器の下流側の領域では、排ガス触媒内の作動温度は、２５０℃～４００℃であってもよい。これによって、排ガス触媒の触媒コーティングが熱応力によって脅かされることがなくなる。また、燃料電池システムの全耐用年数にわたって排ガス放出目標を確実に達成することができる。また、排ガス触媒で発生した熱を熱回収に利用することができる。これによって、燃料電池システムを特に効率よく作動させることができる。また、カソードガス熱交換器は、ホット側に加えて、カソード部に、好ましくは空気の形態でカソードガスを供給することができるコールド側も有する。燃料電池システムの作動中、カソードガス熱交換器のホット側は、一般にカソードガス熱交換器のコールド側よりも高温である。

さらに、本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの改質器熱交換器のホット側がアフターバーナの下流側に構成され、排ガス触媒が改質器熱交換器のホット側の下流側に配置されていることも可能である。アフターバーナと排ガス触媒との間の排ガス流れ方向に、カソードガス熱交換器及び／又は改質器熱交換器のようなさらなる構成要素が配置されていると、これらは、アフターバーナの下流側に配置された構成要素の短期的な温度ピークを平滑化できる熱緩衝器として機能することができる。改質器熱交換器によって、燃料電池システムの改質器が加熱されてもよい。改質器は、燃料を発電用のアノード部に供給することができる水素に変換するように構成されている。改質器熱交換器は、ホット側に加えて、好ましくは改質燃料、特に水素の形態のアノードガスをアノード部に供給することができるコールド側も有する。燃料電池システムの作動中、改質器熱交換器のホット側は、通常、改質器熱交換器のコールド側よりも高温である。

本発明の他の実施形態変形例では、アフターバーナの下流側に、アフターバーナ排ガスを燃料電池システムのカソードガス熱交換器のホット側に及び／又は燃料電池システムの改質器熱交換器のホット側に分岐させるためのアフターバーナ排ガス分岐部が構成されており、排ガス触媒は、カソード熱交換器のホット側の下流側、及び改質器のホット側の下流側に配置されている。アフターバーナ排ガスを２つの熱交換器に分岐させることによって、１つの熱交換器のみを使用する場合に比べて、アフターバーナ排ガスの温度を特に効果的に所望の温度に、又は所望の温度範囲内の温度に低下させることができる。アフターバーナ排ガス分岐部は、アフターバーナ排ガスをカソードガス熱交換器の方向に、及び／又は改質器熱交換器の方向に分岐させるためのバルブ制御部を有することもできる。すなわち、分岐部は、特にそれぞれの熱交換器におけるアフターバーナ排ガス需要に応じて、アフターバーナ排ガスをカソードガス熱交換器の方向に、及び／又は改質器熱交換器の方向に選択的に分岐させるように構成されている。

また、本発明にかかる燃料電池システムにおいて、アフターバーナ排ガスと純粋又は略純粋なカソード排ガスとを混合するための第１混合室が、アフターバーナの下流側及びアフターバーナ排ガス分岐部の上流側に配置されていると、さらに有利であり得る。このように、アフターバーナで使用されないカソード排ガスを、例えば、カソードガス熱交換器によってカソード部へのカソード供給ガスを加熱するため、及び／又は改質器熱交換器によってアノード部へのアノード供給ガスを加熱するために、アフターバーナの下流側でまだ使用することもできる。このように、第１混合室を設けることによって、燃料電池システムの作動方法の効率を容易かつ省スペースで向上させることができる。カソード排ガスを直接第１混合室に案内するために、アフターバーナへの第１カソード排ガス分岐と第１混合室への第２カソード排ガス分岐とを有するカソード排ガス分岐部が、アフターバーナの上流側に構成されている。また、カソード排ガス分岐部は、バルブ制御部の形態で構成されていてもよいし、適切なバルブ制御部を有していてもよい。

さらに、本発明にかかる燃料電池システムにおいて、カソード熱交換器のホット側の下流側、改質器熱交換器のホット側の下流側、及び排ガス触媒の上流側に、カソード熱交換器のホット側の下流側でのアフターバーナ排ガスと、改質器熱交換器のホット側の下流側でのアフターバーナ排ガスとを混合するための第２混合室が配置されていることが可能である。排ガス触媒の上流側で、カソード熱交換器のホット側の下流側のアフターバーナ排ガスと、改質器熱交換器のホット側の下流側のアフターバーナ排ガスとを混合することによって、アフターバーナ排ガスの特に均一な触媒燃焼を達成することができる。第２混合室は、好ましくは、排ガス触媒の上流側で直接、排ガス触媒上に配置されている。好ましくは、排ガス触媒は、第２混合室が構成されているか、又は特に、第２混合室を形成する、特に前述の第２のハウジングの形態での排ガス触媒ハウジングを有する。

さらに、本発明にかかる燃料電池システムにおいて、ガス燃焼室内で火炎を形成しながら点火及び／又は燃焼を検知するための点火検知ユニットが、少なくとも部分的にアフターバーナに設けられていると有利である。点火検知ユニットは、本発明にかかるガスバーナの形態のアフターバーナに特に容易に実装することができる。実施形態変形例にかかる点火検知ユニットは、点火の音響検知のために、少なくとも部分的にアフターバーナに設けられてもよい。また、点火検知ユニットは、燃焼室内及び／又は燃焼室のガスの電気伝導度を測定する測定装置と、測定された燃焼室内及び／又は燃焼室のガスの電気伝導度に基づいて点火を判定する判定ユニットと、を有することが考えられる。さらに、点火検知ユニットは、燃焼室内のガスの温度上昇を測定する測定装置と、測定された燃焼室内のガスの温度上昇に基づいて点火を判定する判定ユニットと、を有することが可能である。

本発明の他の実施形態によれば、燃料電池システムにおいて、少なくとも１つの燃料電池スタック、アフターバーナ及び排ガス触媒は、燃料電池システムのホットボックス内に配置されてもよく、ガス燃焼室に酸素又は酸素含有流体を供給するための酸素供給部が、少なくとも部分的にホットボックスの外側に構成されている。ホットボックスの外側には、比較的安価な材料の酸素供給部が使用可能である。さらに、酸素供給部は、故障時及び／又はメンテナンス時に容易にアクセス可能である。例えばホットボックスの外側から熱風を供給することによって、特にアノード排ガスの形態で燃料が供給された際に、自動点火が行われるようにアフターバーナを容易に加熱することができる。ホットボックスとは、燃料電池システムの残りからホットボックス内の高温を遮蔽するための先行技術において公知なハウジング又はハウジング様式のジャケットであると理解することができる。

本発明にかかる燃料電池システムにおいて、酸素供給部には、酸素又は酸素含有流体の温度を調整可能に調節するための少なくとも１つの温度調節手段が配置されていることがさらに可能である。温度調節手段をホットボックス外の酸素供給部に配置することで、低コストで確実な作動方法で温度調節手段を使用可能である。特に、温度調節手段は、例えば電気加熱手段の形態である加熱手段として構成されている。酸素供給部は、好ましくは、カソード部にカソード供給ガス、特に空気を供給するためのカソード供給ガス部から、アフターバーナの方向に分岐する。アフターバーナへの、特に空気の形態での酸素含有流体をフィードフォワード制御及び／又はフィードバック制御するために、酸素供給部を遮断及び／又は解放するためのバルブ、特にオン／オフバルブ、又はフィードバック制御可能なバルブが、酸素供給部において、好ましくは温度調節手段の上流側に構成されている。

本発明にかかる燃料電池システムの調整ユニットは、ガス燃焼室の燃焼温度を最大１２００℃に調整するように構成することができる。アフターバーナ内又はガス燃焼室内の燃焼温度を１２００℃以下に保持することで、窒素酸化物の生成を回避できる。低い燃焼温度では、一酸化炭素ガスの一部が燃焼しない場合がある。しかし、この部分は下流側に設けられた排ガス触媒で酸化させることができる。

本発明にかかる燃料電池システムにおいて、調整ユニットは、ガス燃焼室内のアノード排ガス／カソード排ガス比を３：１～１：１の範囲、特に約２：１に調整するように構成されていると有利であり得る。本発明の範囲内での広範な実験、特に燃焼温度からのシミュレーション結果を通して、驚くべきことに、この混合比がアフターバーナで所望の燃焼を達成するための最良の結果を提供することが判明した。

本発明のさらなる態様によると、上に詳述したような燃料電池システムを作動させる方法が提案されている。この方法では、アノード排ガスの燃焼は、火炎を形成しながらアフターバーナのガス燃焼室内で行われる。

ここで、ガス燃焼室からのアフターバーナ排ガスが、排ガス触媒によって、下流側でアフターバーナとは別個に、かつ離間して触媒処理されると好ましい。

カソード排ガス分岐部を介してアフターバーナの上流側でカソード排ガスが分割され、第１の部分が第１カソード排ガス分岐を介してアフターバーナに案内され、第２の部分が第２カソード排ガス分岐を介して第１混合室に案内されると有利である。

本発明にかかる方法の改善形態において、ガス燃焼室の燃焼温度を調整ユニットによって最大１２００℃に調整することができる。また、ガス燃焼室内のアノード排ガス／カソード排ガス比が、調整ユニットによって、既に上述したように３：１～１：１の範囲、特に約２：１に調整されると有利であり得る。したがって、本発明にかかる方法は、本発明にかかる燃料電池システムに関して詳述したのと同じ利点をもたらす。

本発明の他の態様は、上述したように、定置型発電所に電気エネルギーを供給するための燃料電池システムの使用に関する。

本発明を改善するさらなる手段は、図に模式的に示された本発明の様々な実施例の以下の説明からわかる。請求項、明細書、又は図から明らかになる、構造の詳細及び空間的配置構成を含む特徴及び／又は利点は、個別に、又は様々な組み合わせで、本発明に不可欠なものとなり得る。

それぞれ以下のものが模式的に示されている。
本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムのブロック図。 本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムのブロック図。 本発明の第３の実施形態にかかる燃料電池システムのブロック図。 本発明の第４の実施形態にかかる燃料電池システムのブロック図。

図１から図４において、同じ機能及び動作方法の要素には、それぞれ同じ参照符号を付している。

図１は、第１の実施形態にかかる燃料電池システム１ａを説明するためのブロック図である。図１に示す燃料電池システム１ａは、アノード部３及びカソード部４を有する燃料電池スタック２を有する。また、燃料電池システム１ａは、アノード部３からのアノード排ガスを少なくとも部分的に燃焼させるためのアフターバーナ５と、アフターバーナ排ガスを触媒処理するためのアフターバーナ下流側の排ガス触媒６と、を有する。アフターバーナ５は、火炎を形成しながらアノード排ガスを燃焼させるためのガス燃焼室７を有する。すなわち、アフターバーナ５は、ガスバーナの形態で構成されている。排ガス触媒６は、必ずしも設けられている必要はないが、下流側にアフターバーナ５から離間して配置されている。

より具体的には、アフターバーナ５の下流側には、アフターバーナ排ガスを、燃料電池システム１ａのカソードガス熱交換器８のホット側、及び燃料電池システム１ａの改質器熱交換器１０のホット側に分岐させるアフターバーナ排ガス分岐部２０が構成されており、排ガス触媒６が、カソード熱交換器８のホット側の下流側、及び改質器熱交換器１０のホット側の下流側に配置されている。

アフターバーナ５の下流側、及びアフターバーナ排ガス分岐部２０の上流側には、アフターバーナ排ガスと純粋又は略純粋なカソード排ガスとを混合するための第１混合室１１が配置されている。また、カソード排ガスを直接第１混合室１１に案内するために、アフターバーナ５の上流側には、アフターバーナ５への第１カソード排ガス分岐１８と、第１混合室１１への第２カソード排ガス分岐１９とを備えるカソード排ガス分岐部１７が構成されている。

カソード熱交換器８のホット側の下流側、改質器熱交換器１０のホット側の下流側、及び排ガス触媒６の上流側には、カソード熱交換器８のホット側の下流側のアフターバーナ排ガスと、改質器熱交換器１０のホット側の下流側のアフターバーナ排ガスとを混合するための第２混合室１２が配置されている。基本的に、第２混合室１２は、カソード熱交換器８のホット側の下流側のアフターバーナ排ガスと改質器熱交換器１０のホット側の下流側のアフターバーナ排ガスとを、排ガス触媒６に直接、又は適切なハウジング内の触媒コーティング上に導入又は塗布することによって、省略することができる。

ガス燃焼室７内で火炎を形成しながら点火及び／又は燃焼を検知するための点火検知ユニット１３が、少なくとも部分的にアフターバーナ５に構成されている。燃料電池スタック２、アフターバーナ５及び排ガス触媒６は、燃料電池システム１ａのホットボックス１４内に配置され、酸素含有流体、ここでは空気をガス燃焼室７に供給するための酸素供給部１５がホットボックス１４の外側又は略外側に構成されている。酸素供給部１５には、アフターバーナ５への供給空気を調整可能に加熱するための加熱手段としての温度調節手段１６が配置されている。

調整ユニット９は、例えば制御装置の形態であってもよいし、このような制御装置を有してもよいが、ガス燃焼室７内の燃焼温度を最大１２００℃に調整するように構成されている。このために、調整ユニットは、機械的、電気的及び／又はデジタルの信号発生器を有してもよい。また、調整ユニット９は、ガス燃焼室７内のアノード排ガス／カソード排ガス比を３：１～１：１の範囲、特に約２：１に調整するように構成されている。

図２では、第２実施形態にかかる燃料電池システム１ｂを示す。示された燃料電池システム１ｂは、図１に示された燃料電池システム１ａに略対応する。ただし、アフターバーナ排ガスは、カソードガス熱交換器８を介してのみアフターバーナ５の下流側に案内される。これによって、カソード部４又はカソードガス熱交換器８内の空気を選択的に加熱することができる。

図３では、第３実施形態にかかる燃料電池システム１ｃを示す。示された燃料電池システム１ｃは、図１に示された燃料電池システム１ａに略対応する。ただし、アフターバーナ排ガスは、改質器熱交換器１０を介してのみアフターバーナ５の下流側に案内される。これによって、アノード部３又は改質器熱交換器１０において、燃料又は燃料混合物を選択的に加熱することができる。

図４では、第４実施形態にかかる燃料電池システム１ｄが示されている。示された燃料電池システム１ｄは、図１に示された燃料電池システム１ａに略対応する。ただし、酸素供給部１５は省略されている。これは、アフターバーナ５に直接設けられた電気加熱手段（図示せず）によって、及び／又はアフターバーナ５へのカソード排ガスの供給量を増加させることによって補償することができる。

以下、図１を参照して、第１の実施形態にしたがって、そこに示された燃料電池システム１ａを作動させる方法について説明する。本発明の方法は、アノード排ガスの燃焼を、火炎を形成しながらアフターバーナ５のガス燃焼室７で行い、ガス燃焼室７からのアフターバーナ排ガスを排ガス触媒６によって、下流側でアフターバーナ５とは別個に、かつ離間して触媒処理することを特徴としている。ここで、ガス燃焼室７内の燃焼温度は、最大値１２００℃を超えないように調整ユニット９によって調整される。ガス燃焼室７内のアノード排ガス／カソード排ガス比は、調整ユニット９によって約２：１に調整される。

本発明は、図示された実施形態に加えて、さらなる構成原理を認める。すなわち、本発明は、図を参照して説明した実施形態に限定されるとはみなされない。

１ａ 燃料電池システム
１ｂ 燃料電池システム
１ｃ 燃料電池システム
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 アフターバーナ
６ 排ガス触媒
７ ガス燃焼室
８ カソードガス熱交換器
９ 調整ユニット
１０ 改質器熱交換器
１１ 第１混合室
１２ 第２混合室
１３ 点火検知ユニット
１４ ホットボックス
１５ 酸素供給部
１６ 温度調節部
１７ カソード排ガス分岐部
１８ 第１カソード排ガス分岐
１９ 第２カソード排ガス分岐
２０ アフターバーナ排ガス分岐部

Claims (19)

1. アノード部（３）及びカソード部（４）を備える少なくとも１つの燃料電池スタック（２）と、前記アノード部（３）からのアノード排ガスを少なくとも部分的に燃焼させるためのアフターバーナ（５）と、を有し、
   前記アフターバーナ（５）は、火炎を形成しながらアノード排ガスを燃焼させるためのガス燃焼室（７）を有することを特徴とする、燃料電池システム（１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ）。
2. アフターバーナ排ガスを触媒処理するために排ガス触媒（６）が設けられ、前記排ガス触媒（６）は前記アフターバーナ（５）から離間して下流側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（１ａ；１ｂ；１ｄ）。
3. 前記アフターバーナ（５）の上流側に、前記アフターバーナ（５）への第１カソード排ガス分岐（１８）と、第１混合室（１１）への第２カソード排ガス分岐（１９）とを備えたカソード排ガス分岐部（１７）が構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池システム（１ａ；１ｂ；１ｄ）。
4. 前記燃料電池システム（１ａ；１ｂ；１ｄ）のカソードガス熱交換器（８）のホット側が前記アフターバーナ（５）の下流側に構成され、前記排ガス触媒（６）が前記カソードガス熱交換器（８）の前記ホット側の下流側に配置されてい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燃料電池システム（１ａ；１ｂ；１ｄ）。
5. 前記燃料電池システム（１ａ；１ｃ；１ｄ）の改質器熱交換器（１０）のホット側が前記アフターバーナ（５）の下流側に構成され、前記排ガス触媒（６）が前記改質器熱交換器（１０）の前記ホット側の下流側に配置されてい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燃料電池システム（１ａ；１ｃ；１ｄ）。
6. 前記アフターバーナ（５）の下流側に、アフターバーナ排ガスを前記燃料電池システム（１ａ；１ｄ）のカソードガス熱交換器（８）のホット側に及び／又は前記燃料電池システム（１ａ；１ｄ）の改質器熱交換器（１０）のホット側に分岐させるためのアフターバーナ排ガス分岐部（２０）が構成されており、前記排ガス触媒（６）は、前記カソード熱交換器（８）の前記ホット側の下流側、及び前記改質器熱交換器（１０）の前記ホット側の下流側に配置されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池システム（１ａ；１ｄ）。
7. 前記アフターバーナ排ガスと純粋又は略純粋なカソード排ガスとを混合するための前記第１混合室（１１）が、前記アフターバーナ（５）の下流側及び前記アフターバーナ排ガス分岐部（２０）の上流側に配置されていることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システム（１ａ；１ｄ）。
8. 前記カソード熱交換器（８）の前記ホット側の下流側、前記改質器熱交換器（１０）の前記ホット側の下流側、及び前記排ガス触媒（６）の上流側に、前記カソード熱交換器（８）の前記ホット側の下流側での前記アフターバーナ排ガスと、前記改質器熱交換器（１０）の前記ホット側の下流側での前記アフターバーナ排ガスとを混合するための第２混合室（１２）が配置されていることを特徴とする、請求項６又は７に記載の燃料電池システム（１ａ；１ｄ）。
9. 前記ガス燃焼室（７）内で火炎を形成しながら点火及び／又は燃焼を検知するための点火検知ユニット（１３）が、少なくとも部分的に前記アフターバーナ（５）に設けられていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池システム（１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ）。
10. 前記少なくとも１つの燃料電池スタック（２）、前記アフターバーナ（５）及び前記排ガス触媒（６）は、前記燃料電池システム（１ａ；１ｂ；１ｃ）のホットボックス（１４）内に配置され、前記ガス燃焼室（７）に酸素又は酸素含有流体を供給するための酸素供給部（１５）が、少なくとも部分的に前記ホットボックス（１４）の外側に構成されていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の燃料電池システム（１ａ；１ｂ；１ｃ）。
11. 前記酸素供給部（１５）には、酸素又は酸素含有流体の温度を調整可能に調節するための少なくとも１つの温度調節手段（１６）が配置されていることを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池システム（１ａ；１ｂ；１ｃ）。
12. 調整ユニット（９）が、前記ガス燃焼室（７）の燃焼温度を最大１２００℃に調整するように構成されていることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の燃料電池システム（１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ）。
13. 調整ユニット（９）が、前記ガス燃焼室（７）のアノード排ガス／カソード排ガス比を３：１～１：１の範囲、特に約２：１に調整するように構成されてい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燃料電池システム（１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ）。
14. アノード排ガスの燃焼は、火炎を形成しながら前記アフターバーナ（５）の前記ガス燃焼室（７）内で行われることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載の燃料電池システム（１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ）の作動方法。
15. 前記ガス燃焼室（７）からのアフターバーナ排ガスが、前記排ガス触媒（６）によって、下流側で前記アフターバーナ（５）とは別個に、かつ離間して触媒処理されることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
16. カソード排ガス分岐部（１７）を介して前記アフターバーナ（５）の上流側でカソード排ガスが分割され、第１の部分が第１カソード排ガス分岐（１８）を介して前記アフターバーナ（５）に案内され、第２の部分が第２カソード排ガス分岐（１９）を介して第１混合室（１１）に案内されることを特徴とする、請求項１４又は１５に記載の方法。
17. 前記ガス燃焼室（７）の燃焼温度が前記調整ユニット（９）によって最大１２００℃に調整されることを特徴とする、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記ガス燃焼室（７）内のアノード排ガス／カソード排ガス比が、前記調整ユニット（９）によって、３：１～１：１の範囲、特に約２：１に調整されることを特徴とする、請求項１４から１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 定置型発電所に電気エネルギーを供給するための、請求項１から１３のいずれか一項に記載の燃料電池システム（１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ）の使用。

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