JP3245915U - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システムの起動時にその中に凝縮残留物又は堆積物を形成することを回避し、システムの動作を確実にする燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料及び空気を改質生成物に変換するための改質器と、改質器により生成された改質生成物を燃焼させ、燃焼ガスを生成するための改質生成物燃焼器と、燃焼ガスを利用して予熱し、改質生成物を利用して電気エネルギーを生成するための燃料電池とを含む燃料電池システムであって、改質器は改質生成物燃焼器に接続され、改質生成物燃焼器は燃料電池に接続され、且つ改質生成物燃焼器は改質器と燃料電池の間に接続される。本システムは、改質器の後に改質生成物燃焼器を取り付けることにより、改質生成物が改質生成物燃焼器を通過する時に点火され、更に高温の燃焼ガスを生成し、高温の燃焼ガス及び改質生成物ガスによってシステムの後段の管部材及び部材を加熱してシステムの温度を上昇させる。【選択図】図１

Description

本実用新案は、新エネルギー自動車の燃料電池システムの技術分野に関し、特に燃料電池システムに関する。

現代の自動車において、車両自体の消費電力が連続的に増加し、且つ車載電子機器が複雑になっているため、モータ駆動の発電機の代わりに独立した動力ユニットを採用する必要があり、このようなモータから独立した燃料電池は、補助動力ユニットと呼ばれ、燃料電池が従来の自動車用燃料で動作でき、従来の自動車用燃料が改質器によって水素リッチな混合ガスに変換され、混合ガスが燃料電池において空気と共に電力に変換されるという利点を有する。

現在、このような燃料電池システムの起動過程において、改質器によって変換された混合ガスは、大量の水素、ガス状水及び不完全炭化水素を含有し、このようなガスは、後段の部材において非常に凝縮しやすくて凝縮残留物又は不可逆的な煤煙堆積物を形成し、システムの目詰まりを引き起こし、システムの動作に影響を与える。

実用新案の概要

本実用新案の主な目的は、従来の燃料電池システムの起動過程において凝縮残留物又は不可逆的な煤煙堆積物が発生しやすいという技術的課題を解決することである。

上記目的を達成するために、本実用新案は、燃焼電池システムであって、
燃料及び空気を改質生成物に変換するための改質器と、
改質器により生成された改質生成物を燃焼させ、燃焼ガスを生成するための改質生成物燃焼器と、
上記燃焼ガスを利用して予熱し、上記改質生成物を利用して電気エネルギーを生成するための燃料電池とを含み、
上記改質器は上記改質生成物燃焼器に接続され、上記改質生成物燃焼器は上記燃料電池に接続され、且つ上記改質生成物燃焼器は、上記改質器と上記燃料電池の間に接続される、燃焼電池システムを提供する。

選択的に、上記改質生成物燃焼器内に燃焼室が設けられており、上記燃焼室に吸気口が設けられており、上記燃焼室に点火器が設けられており、上記改質生成物燃焼器は燃料電池のアノード側に接続される。

選択的に、上記吸気口は２つ設けられており、２つの吸気口は対称に配置される。

選択的に、上記改質器は第１のハウジングを有し、上記改質生成物燃焼器は第２のハウジングを有し、上記第１のハウジングと上記第２のハウジングは、一体成形された管状構造を有する。

選択的に、燃料電池のアノード排ガス側及びカソード排ガス側にそれぞれ接続される排ガス燃焼器を更に含み、上記排ガス燃焼器に熱交換器が設けられており、燃料電池のカソード側に空気を導入するためのカソードラインが接続されており、上記カソードラインは上記熱交換器を通過する。

選択的に、上記燃料電池のアノード排ガス側に更に循環ポンプが接続されており、上記循環ポンプは改質器内に接続される。

選択的に、上記改質器内に混合室が設けられており、上記混合室内に燃料及び空気を改質生成物に変換するための触媒が設けられている。

また、本願により提供される燃料電池システムの起動方法は、
燃料及び空気を上記改質器に導入し、改質生成物を得るステップと、
上記改質生成物を上記改質生成物燃焼器に導入すると共に上記改質生成物燃焼器で点火し、燃焼生成物を得るステップと、
上記燃焼生成物を燃料電池に導入し、上記燃料電池を予熱するステップと、
上記燃料電池への予熱が完了した後、上記燃料電池を起動するステップと、を含む。

選択的に、上記燃料電池を起動することは、
上記燃焼物が第１の所定比の改質生成物及び第２の所定比の燃焼ガスを含むように、上記改質生成物燃焼器に入った空気比を調整するステップと、
第２の所定比の燃焼ガスを利用して上記燃料電池を保温し、第１の所定比の改質生成物を利用して上記燃料電池を起動するステップと、を含む。

上記実用新案の技術的解決手段を採用し、以下の有益な効果を有する：
本実用新案は、改質器の後に改質生成物燃焼器を取り付けることにより、改質生成物が改質生成物燃焼器を通過する時に点火され、更に高温の燃焼ガスを生成し、高温の燃焼ガス及び改質生成物によってシステムの後段の管部材及び部材を加熱してシステムの温度を向上させ、システムの起動時にその中に凝縮残留物又は堆積物を形成することを回避し、システムの動作を確実にする燃料電池システムである。

本実用新案の実施例は、改質器の後に改質生成物燃焼器を設けることにより、燃料電池システムの起動時に凝縮残留物又は不可逆的な煤煙堆積物が発生しやすいという従来技術の技術的課題を解決する燃料電池システムを提案する。

本実用新案に係る燃料電池システムの概略図である。 本実用新案における改質器及び改質生成物燃焼器の構造概略図である。 本実用新案の実施例２に係る燃料電池システムの概略図である。

本実用新案の目的の達成、機能的特徴及び利点は、実施例に合わせ、図面を参照しながら更に説明される。

実用新案を実施するための形態

以下、本実用新案の実施例における図面に合わせて、本実用新案の実施例における技術案を明確で完全に説明し、明らかに、説明される実施例は本実用新案の実施例の一部に過ぎず、全ての実施例ではない。本実用新案における実施例に基づいて、当業者であれば創造的な労働を払うことなく得られた全ての他の実施例は、いずれも本実用新案の請求範囲に属する。

本実用新案の実施例における全ての方向性指示（例えば、上、下、左、右、前、後…）は、ある特定の姿勢（図に示す）での各部材間の相対位置関係、運動状況などを解釈することのみに用いられ、当該特定の姿勢が変化すると、当該方向性指示もそれに応じて変化する。

本実用新案において、特に明確な規定及び限定がない限り、「接続」、「固定」などの用語は、広義に理解されるべきであり、例えば、「固定」は、固定接続であってもよく、取り外し可能な接続であってもよく、又は一体になってもよく、機械的接続であってもよく、電気的接続であってもよく、直接接続であってもよく、中間媒体を介した間接接続であってもよく、特に明確な限定がない限り、２つの素子の内部の連通又は２つの素子の相互作用関係であってもよい。当業者であれば、具体的な状況によって本実用新案における上記用語の具体的な意味を理解することができる。

なお、本実用新案の実施例において「第１」、「第２」などに関する記載があると、当該「第１」、「第２」などの記載は、単に説明の目的のためのものであり、その相対的な重要性を指示し又は暗示するか或いは示された技術的特徴の数を暗示的に示すと理解すべきではない。従って、「第１」、「第２」に限定された特徴は、少なくとも１つの当該特徴を明示的又は暗示的に含むことができる。なお、全文に現れる「及び／又は」の意味は、３つの並列する解決案を含み、「Ａ及び／又はＢ」を例にし、解決案Ａ、又は解決案Ｂ、又はＡとＢを同時に満たす解決案を含む。なお、各実施例間の技術案は、互いに組み合わせることができるが、当業者が実現できるようにしなければならず、技術案の組み合わせが互いに矛盾したり実現できない場合、このような技術案の組み合わせは、存在せず、本実用新案が請求する保護範囲にもないと見なされるべきである。
実施例１

図１～図２を参照すると、本実用新案は、燃料電池システムであって、
燃料及び空気を改質生成物に変換するための改質器１０３と、
改質器により生成された改質生成物を燃焼させ、燃焼ガスを生成するための改質生成物燃焼器１１０と、
上記燃焼ガスを利用して予熱し、上記改質生成物を利用して電気エネルギーを生成するための燃料電池１０８と、を含み、
改質器１０３は改質生成物燃焼器１１０に接続され、改質生成物燃焼器１１０は燃料電池１０８に接続され、且つ上記改質生成物燃焼器１１０は、上記改質器１０３と上記燃料電池１０８の間に接続される、燃焼電池システムを提供する。ここで、上記改質生成物燃焼器１１０内に燃焼室２４が設けられており、上記燃焼室２４に吸気口１６が設けられており、上記吸気口１６は２つ設けられており、２つの吸気口は対称に配置され、空気吸気口は、燃焼されるべき空気が燃焼室に導入された改質生成物と均一に混合されるように、渦を有する空気を提供するために特別な空気偏向装置を用いて設計することができる。上記燃焼室内に点火器３４が設けられており、上記改質生成物燃焼器１１０は燃料電池のアノード側に接続され、改質器１０３内に混合室１３が設けられており、上記混合室１３内に燃料及び空気を改質物に変換するための触媒２０が設けられており、触媒として、貴金属パラジウム系触媒又は貴金属ロジウム系触媒を用いることができる。改質器１０３は第１のハウジング１８を有し、上記改質生成物燃焼器１１０は第２のハウジング１５を有し、上記第１のハウジング１８と上記第２のハウジング１５は、一体成形された管状構造であり、改質器１０３と上記改質生成物燃焼器１１０の間に火炎防止器が設けられている。即ち、本実施例において、改質器１０３と改質生成物燃焼器１１０を同一の部材の２つの部分として設け、火炎防止器２２によって分離され、製造及び使用を容易にする。

本実施例において、点火器３４はグロープラグであってもよく、使用時に吸気口１６を介して燃焼室２４に空気を導入して燃焼室内の改質生成物の燃焼を支持し、改質生成物の流速が還流速度よりも大きい場合、火炎防止器２２を必要としない。燃料電池１０８は、全体効率を向上させ、より長い耐用年数を有することが可能なＳＯＦＣ電池又はＰＥＭ燃料電池を選択することができる。

図１を参照されすると、本実施例は、それぞれアノード排ガスライン１０９．１及びカソード排ガスライン１０９．２を介して燃料電池１０８のアノード排ガス側及びカソード排ガス側に接続される排ガス燃焼器１１１を更に含み、上記排ガス燃焼器１１１に熱交換器１１３が設けられており、燃料電池１０８のカソード側に空気を導入するためのカソードライン１０８．２が接続されており、上記カソードライン１０８．２は上記熱交換器１１３を通過する。燃料電池１０８のアノード排ガス側に更に循環ポンプ１１５が接続されており、上記循環ポンプ１１５は改質器１０３内に接続される。本実施例は、本システムにおける改質器１０３、改質生成物燃焼器１１０及び燃料電池１０８に必要な空気を提供するために、空気供給ユニット１０１を更に含み、ここで、改質生成物燃焼器１１０に入った空気に対して、燃焼されるべき空気を燃焼室に導入された改質生成物と均一に混合することができるように、特別な空気偏向装置を用いて渦を有する空気を提供することができる。

本システムの起動段階において、水素、水蒸気及び不完全炭化水素に富む改質生成物は、燃焼された後に燃料電池１０８を流れ、この場合、燃料電池１０８は、電気エネルギーを生成する動作温度に達せず、改質生成物が燃焼された後に生成された高温ガスは、燃料電池のアノードに入って熱源として燃料電池を加熱する。改質生成物ガスは、燃料電池のアノードを流れた後、燃料電池のアノード出口を介して排ガス燃焼器１１１に入り、燃料電池のアノード出口からの改質生成物ガスと燃料電池のカソード出口からの空気は、排ガス燃焼器１１１において点火され、燃焼され、得られた燃焼ガスが熱交換器１１３に作用することにより、熱交換器１１３が燃料電池のカソード側に入った空気を予熱し、更に燃料電池１０８を加熱し、それをできる限り早く起動温度に到達させ、循環ポンプ１１５をオンにし、燃焼ガスを改質器内に還流させることで、改質器の予熱を加速させることができる。

改質生成物燃焼器１１０により生成された燃焼ガスは大量の熱エネルギーを有し、燃焼ガスは、燃料電池のアノード側に入り、燃料電池１０８を適切な温度に加熱し、改質生成物の凝縮を防止する条件下でシステムを起動する。燃料電池の温度が凝縮防止温度に達した後、改質生成物燃焼器１１０は、運転をオフにすることを選択してもよく、運転をオフにしないことを選択してもよく、改質生成物燃焼器に入った空気流量を調節することにより、改質生成物の少量の部分のみが燃焼器において燃焼に関与し、他の部分は、燃料電池のアノード側に入って反応に関与して電気エネルギーを生成する。改質生成物燃焼器をオフにする場合は、吸気口１６から入った空気を直接中断すればよく、改質器内に入った空気の量を制御することにより、改質器内の空気を基本的に燃料と混合して改質生成物を形成するため、少量の空気のみが改質生成物燃焼室に導入され、この少量の空気は、改質生成物の燃焼を支持するのに十分ではない。燃料電池のアノード側に入った水素リッチな改質生成物及び一酸化炭素と、燃料電池のカソード側に供給された酸素リッチな空気とは、燃料電池において化学反応によって電気エネルギーに変換され、電気エネルギーは、電線１３０を介して電気機器１２０に接続される。

燃料電池の運転段階において、循環ポンプ１１５を起動することができ、燃料電池のアノードの一部の排ガスは、循環ポンプ１１５を介してアノード排ガスを改質器混合室に提供し、アノード排ガスの温度は６５０℃～９００℃であり、改質器の運転時の温度は９５０℃以上であり、アノード排ガスは、改質器混合室に回収され、改質器１０３の温度を低下させることができ、改質器の耐用年数を延長し、同時に改質生成物中の水素生成量を増加させ、システムの改質効率を向上させる。システムの起動段階において、アノード排ガスの回収利用は、システムのアセンブリの予熱を加速し、システムの起動時間を短縮することができる。

燃料電池システムは、特に高温を有する燃料電池システムにおけるアノード排ガス再循環及びＰＥＭを有する燃料電池システムにおけるカソード排ガス再循環において、燃料電池排ガス再循環ラインを含むように設置することができ、循環ラインは、単独で使用して燃料電池に直接フィードバックしてもよく、改質器の入力側にフィードバックしてもよい。

改質器で生成された改質生成物ガスは、大量の水蒸気、水素及び不完全炭化水素を含有する混合ガスであり、このような混合ガスは、低温条件下で凝縮堆積物を非常に生成しやすく、この混合ガスを改質生成物燃焼器内で燃焼した後、水蒸気、一酸化炭素及び二酸化炭素などのガス組成を含有する高温燃焼ガスを生成し、このような高温燃焼ガスは、凝縮堆積物を生成しにくく、高温燃焼ガスによってシステムの後段の燃料電池などの部材を予熱し、その中の水蒸気は、高温の作用によって凝縮せず、凝縮しても凝縮堆積物を生成しにくい。

システムの起動段階において、改質生成物燃焼器は改質生成物を点火し、改質生成物が燃焼した後に生成された高温燃焼ガスは、システムの後段の燃料電池などの部材を予熱するために用いられ、その中に凝縮堆積物を生成することを回避し、システムの起動後の動作段階において、この時にシステムは凝縮防止温度に達し、改質生成物燃焼器をオフにし、改質器により生成された改質生成物を全て燃料電池による電気エネルギーの生成に用いる。

燃料電池システムにおける凝縮残留物及び煤煙堆積物は、主に起動段階で凝縮して生成され、本実用新案における燃料電池システムは、改質生成物燃焼器の助けを借りて起動することができ、システムの低温起動段階において、改質器により生成された改質生成物が凝縮して形成された凝縮残留物又は不可逆的な煤煙堆積物を回避する。

本実用新案により提供される燃料電池システムの起動方法は、
（１）燃料及び空気を予熱した後に改質器１０３に導入し、改質器１０３内の触媒２０の作用下で燃料及び空気が水蒸気、水素及び不完全炭化水素を含有する改質生成物を形成するステップと、
（２）上記改質生成物が改質生成物燃焼器１１０を通過する際に点火され、生成された燃焼生成物がシステムの後段の燃料電池などの部材を加熱してシステムの温度を上昇させ、システム内の凝縮残留物又は堆積物の形成を回避するステップと、
（３）燃焼により発生した燃焼生成物は燃料電池１０８を通過し、燃料電池は予熱後に起動して電気エネルギーを生成するステップと、を含む。

燃料電池がその動作温度に達する場合、燃料電池の種類にも応じるが、動作温度は５０℃～１０００℃であり、本実施例の燃料電池は、６５０℃～９００℃の温度で運転する高温燃料電池を採用し、燃料電池のアノード側に入った水素リッチな改質生成物及び一酸化炭素と、燃料電池のカソード側に供給された酸素リッチな空気とは、燃料電池において化学反応によって電気エネルギーに変換される。

ここで、上記燃料電池のカソード側に熱い空気を導入して燃料電池を予熱し、燃料電池のカソード排ガスとアノード排ガスとを混合して燃焼させて熱源を生成し、上記熱源によって燃料電池のカソード側に入った空気を加熱して燃料電池を予熱する。本実施例で採用される解決案は以下の通りである：燃焼された改質生成物は燃料電池のアノード側に入って燃料電池を加熱し、燃料電池のアノード排ガスは排ガス燃焼器１１１に入って燃焼して上記熱交換器１１３を加熱し、空気は、上記熱交換器１１３によって加熱された後に燃料電池１０８のカソード側に導入され、燃料電池のカソード排ガス側から排出された空気と燃料電池のアノード排ガス側から排出された改質ガスとを混合して燃焼させ、熱交換器１１３が燃料電池のカソード側に入った空気を持続的に加熱して燃料電池を予熱するように熱交換器１１３に作用するための熱源を生成する。

改質器において、触媒温度が活性化温度に達するまで１よりも大きい空気過剰係数で空気を導入し、触媒温度が活性化温度に達した後、１よりも小さい空気過剰係数で改質器に空気を導入し、空気過剰係数は好ましくは０．３５の値である。触媒の活性化温度は２５０℃～４００℃の範囲内に制御され、好ましくは３５０℃の値である。触媒の活性化後、９５０℃の温度で、改質器の改質効率が著しく向上し、水素リッチな改質生成物を多量に生成するように空気と燃料を変換する。空気が基本的に改質生成物を生成するプロセスで消費されるため、改質生成物は再燃焼せず、又は少量のみが燃焼し、改質生成物は、更に火炎防止器によって火炎を遮断した後に改質生成物燃焼室に導入される。

上記燃焼生成物が第１の所定比の改質生成物及び第２の所定比の燃焼ガスを含むように、上記改質生成物燃焼器に入った空気比を調整し、第２の所定比の燃焼ガスによって上記燃料電池を保温し、そして第１の所定比の改質生成物によって上記燃料電池を起動する。システムの起動段階において、改質生成物が燃焼後に６０％～９０％の第２の所定比の燃焼ガスと、１０％～４０％の第１の所定比の未燃焼の改質生成物とを含むように、第２の所定比を第１の所定比よりもはるかに大きくすることができ、起動段階は、主に燃焼ガスを利用してシステムを予熱し、未燃焼の改質生成物ガスは、燃料電池のカソードに入った空気を加熱し、更に燃料電池を予熱するために、後段の燃焼器１１１内で燃焼し、システムの起動が完了した後の動作段階において、改質生成物燃焼器に導入された空気の量を減少させ、燃焼ガスの第２の所定比を０％まで徐々に減少させ、この時のシステムは凝縮防止温度に達し、燃料電池の運転は高温を持続的に生成し、この場合、改質生成物を利用して電気エネルギーを生成する。

本実施例において、高温燃焼ガスは、主に改質生成物燃焼器内の改質生成物を燃焼させることによって生成され、燃焼ガスは、堆積物を生成しにくい高温ガスであり、高温ガスは、後段の管部材及び各部材を直接加熱し、システム内に凝縮残留物又は堆積物を形成することを回避し、従って、システムの下流に予熱専用の熱交換器を設計する必要もなく、燃焼ガスは、システム内のアセンブリを加熱するために直接使用され、従来技術の熱伝達媒体の代わりにガスキャリアによってシステムのアセンブリを加熱し、より単純で効率的である。
実施例２

改質器１０３は、燃料及び空気を改質生成物に変換するために用いられ、
改質生成物燃焼器１１０は、改質器により生成された改質生成物を燃焼させ、燃焼ガスを生成するために用いられ、
燃料電池１０８は、上記燃焼ガスを利用して予熱し、上記改質生成物を利用して電気エネルギーを生成するために用いられ、
改質器１０３は改質生成物燃焼器１１０に接続され、改質生成物燃焼器１１０は燃料電池１０８に接続され、且つ上記改質生成物燃焼器１１０は、上記改質器１０３と上記燃料電池１０８の間に接続される。ここで、上記改質生成物燃焼器１１０内に燃焼室２４が設けられており、上記燃焼室２４に吸気口１６が設けられており、上記吸気口１６は２つ設けられており、２つの吸気口は対称に配置され、空気吸気口は、燃焼されるべき空気が燃焼室に導入された改質生成物と均一に混合されるように、渦を有する空気を提供するために特別な空気偏向装置を用いて設計することができる。上記燃焼室内に点火器３４が設けられており、上記改質生成物燃焼器１１０は燃料電池のアノード側に接続され、改質器１０３内に混合室１３が設けられており、上記混合室１３内に燃料及び空気を改質物に変換するための触媒２０が設けられており、触媒として、貴金属パラジウム系触媒又は貴金属ロジウム系触媒を用いることができる。改質器１０３は第１のハウジング１８を有し、上記改質生成物燃焼器１１０は第２のハウジング１５を有し、上記第１のハウジング１８と上記第２のハウジング１５は、一体成形された管状構造であり、改質器１０３と上記改質生成物燃焼器１１０の間に火炎防止器が設けられている。即ち、本実施例において、改質器１０３と改質生成物燃焼器１１０を同一の部材の２つの部分として設け、火炎防止器２２によって分離され、製造及び使用を容易にする。

本実施例において、点火器３４はグロープラグであってもよく、使用時に吸気口１６を介して燃焼室２４に空気を導入して燃焼室内の改質生成物の燃焼を支持し、改質生成物の流速が還流速度よりも大きい場合、火炎防止器２２を必要としない。燃料電池１０８は、全体効率を向上させ、より長い耐用年数を有することが可能なＳＯＦＣ電池又はＰＥＭ燃料電池を選択することができる。

図３を参照すると、本実施例は、それぞれアノード排ガスライン１０９．１及びカソード排ガスライン１０９．２を介して燃料電池１０８のアノード排ガス側及びカソード排ガス側に接続される排ガス燃焼器１１１を更に含み、上記排ガス燃焼器１１１に熱交換器１１３が設けられており、燃料電池１０８のカソード側に空気を導入するためのカソードライン１０８．２が接続されており、上記カソードライン１０８．２は上記熱交換器１１３を通過する。本実施例は、本システムにおける改質器１０３、改質生成物燃焼器１１０及び燃料電池１０８に必要な空気を提供するために、空気供給ユニット１０１を更に含み、ここで、改質生成物燃焼器１１０に入った空気に対して、燃焼されるべき空気を燃焼室に導入された改質生成物と均一に混合することができるように、特別な空気偏向装置を用いて渦を有する空気を提供することができる。

本システムの起動段階において、水素、水蒸気及び不完全炭化水素に富む改質生成物は、燃焼された後に燃料電池１０８を流れ、この場合、燃料電池１０８は、電気エネルギーを生成する動作温度に達せず、改質ガスは、燃料電池のアノードに入って熱源として燃料電池を加熱する。改質生成物ガスは、燃料電池のアノードを流れた後、燃料電池のアノード出口を介して排ガス燃焼器１１１に入り、燃料電池のアノード出口からの改質生成物ガスと燃料電池のカソード出口からの空気は、排ガス燃焼器１１１において点火され、燃焼され、得られた燃焼ガスは、熱交換器１１３が燃料電池のカソード側に入った空気を予熱し、更に燃料電池１０８を加熱するように、熱交換器１１３に作用する。

改質生成物燃焼器１１０により生成された燃焼ガスは大量の熱エネルギーを有し、燃焼ガスは、燃料電池のアノード側に入り、燃料電池１０８を適切な温度に加熱し、改質生成物の凝縮を防止する条件下でシステムを起動する。燃料電池の温度が凝縮防止温度に達した後、改質生成物燃焼器１１０は、運転をオフにすることを選択してもよく、運転をオフにしないことを選択してもよく、改質生成物燃焼器に入った空気流量を調節することにより、改質生成物の少量の部分のみが燃焼器において燃焼に関与し、他の部分は、燃料電池のアノード側に入って反応に関与して電気エネルギーを生成し、電気エネルギーは、電線１３０を介して電気機器１２０に接続される。

燃料電池システムにおける凝縮残留物及び煤煙堆積物は、主に起動段階で凝縮して生成される。本実施例において、高温ガスは、主に改質生成物燃焼器内の改質生成物を燃焼させることによって生成され、高温ガスは、後段の管部材及び各部材を直接加熱し、システム内に凝縮残留物又は堆積物を形成することを回避し、従って、システムの下流に予熱専用の熱交換器を設計する必要もなく、燃焼ガスは、システム内のアセンブリを加熱するために直接使用され、従来技術の熱伝達媒体の代わりにガスキャリアによってシステムのアセンブリを加熱し、より単純で効率的である。

本実用新案により提供される燃料電池システムの起動方法は、
（１）燃料及び空気を改質器１０３に点火し、改質器１０３内の触媒２０の作用下で燃料及び空気が水蒸気、水素及び不完全炭化水素を含有する改質生成物を形成するステップと、
（２）上記改質生成物が改質生成物燃焼器１１０を通過する際に点火され、生成された燃焼生成物がシステムの後段の燃料電池などの部材を加熱してシステムの温度を上昇させ、システム内の凝縮残留物又は堆積物の形成を回避するステップと、
（３）燃焼により発生した燃焼生成物は燃料電池１０８を通過し、燃料電池は予熱後に起動して電気エネルギーを生成するステップと、を含む。

改質器１０３での燃料及び空気の点火方法は、改質生成物燃焼器での点火方法と同じであってもよく、即ち改質器混合室内に点火装置であるグロープラグなどが設けられる。混合室内に導入された空気は、燃焼と触媒作用により完全に消費されて改質物が生成されるため、生成された改質物は再燃焼せず、又は少量のみが燃焼し、改質生成物は、更に火炎防止器によって火炎を遮断した後に改質生成物燃焼室に導入する。

燃料電池がその動作温度に達する場合、燃料電池の種類にも応じるが、動作温度は５０℃～１０００℃であり、本実施例の燃料電池は、６５０℃～９００℃の温度で運転する高温燃料電池を採用し、燃料電池のアノード側に入った水素リッチな改質生成物及び一酸化炭素と、燃料電池のカソード側に供給された酸素リッチな空気とは、燃料電池において化学反応によって電気エネルギーに変換される。

ここで、上記燃料電池のカソード側に熱い空気を導入して燃料電池を予熱し、燃料電池のカソード排ガスとアノード排ガスとを混合して燃焼させて熱源を生成し、上記熱源によって燃料電池のカソード側に入った空気を加熱して燃料電池を予熱する。本実施例で採用される解決案は以下の通りである：燃焼された改質生成物は燃料電池のアノード側に入って燃料電池を加熱し、燃料電池のアノード排ガスは排ガス燃焼器１１１に入って燃焼して上記熱交換器１１３を加熱し、空気は、上記熱交換器１１３によって加熱された後に燃料電池１０８のカソード側に導入され、燃料電池のカソード排ガス側から排出された空気と燃料電池のアノード排ガス側から排出された改質ガスとを混合して燃焼させ、熱交換器１１３が燃料電池のカソード側に入った空気を持続的に加熱して燃料電池を予熱するように熱交換器１１３に作用するための熱源を生成する。

改質器において、触媒温度が活性化温度に達するまで１よりも大きい空気過剰係数で空気を導入し、触媒温度が活性化温度に達した後、１よりも小さい空気過剰係数で改質器に空気を導入し、空気過剰係数は好ましくは０．３５の値である。触媒の活性化温度は２５０℃～４００℃の範囲内に制御され、好ましくは３５０℃の値である。触媒の活性化後、９５０℃の温度で、改質器の改質効率が著しく向上し、水素リッチな改質生成物を多量に生成するように空気と燃料を変換する。空気が基本的に改質生成物を生成するプロセスで消費されるため、改質生成物は再燃焼せず、又は少量のみが燃焼し、改質生成物は、更に火炎防止器によって火炎を遮断した後に改質生成物燃焼室に導入される。

上記燃焼生成物が第１の所定比の改質生成物及び第２の所定比の燃焼ガスを含むように、上記改質生成物燃焼器に入った空気比を調整し、第２の所定比の燃焼ガスによって上記燃料電池を保温し、そして第１の所定比の改質生成物によって上記燃料電池を起動する。システムの起動段階において、改質生成物が燃焼後に６０％～９０％の第２の所定比の燃焼ガスと、１０％～４０％の第１の所定比の未燃焼の改質生成物とを含むように、第２の所定比を第１の所定比よりもはるかに大きくすることができ、起動段階は、主に燃焼ガスを利用してシステムを予熱し、未燃焼の改質生成物ガスは、燃料電池のカソードに入った空気を加熱し、更に燃料電池を予熱するために、後段の燃焼器１１１内で燃焼し、システムの起動が完了した後の動作段階において、改質生成物燃焼器に導入された空気の量を減少させ、燃焼ガスの第２の所定比を０％まで徐々に減少させ、この時のシステムは凝縮防止温度に達し、燃料電池の運転は高温を持続的に生成し、この場合、改質生成物を利用して電気エネルギーを生成する。

本実施例において、高温燃焼ガスは、主に改質生成物燃焼器内の改質生成物を燃焼させることによって生成され、燃焼ガスは、堆積物を生成しにくい高温ガスであり、高温ガスは、後段の管部材及び各部材を直接加熱し、システム内に凝縮残留物又は堆積物を形成することを回避し、従って、システムの下流に予熱専用の熱交換器を設計する必要もなく、燃焼ガスは、システム内のアセンブリを加熱するために直接使用され、従来技術の熱伝達媒体の代わりにガスキャリアによってシステムのアセンブリを加熱し、より単純で効率的である。

以上は、本願の好ましい実施例に過ぎず、本願の特許範囲を限定するものではなく、本願の明細書及び図面の内容を利用して行われる等価構造又は等価フロー変換、或いは他の関連する技術分野における直接又は間接的使用は、いずれも同一の理由で本願の特許保護範囲内に含まれる。

Claims (8)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料及び空気を改質生成物に変換するための改質器と、
   改質器により生成された改質生成物を燃焼させ、燃焼ガスを生成するための改質生成物燃焼器と、
   前記燃焼ガスを利用して予熱し、前記改質生成物を利用して電気エネルギーを生成するための燃料電池とを含み、
   前記改質器は前記改質生成物燃焼器に接続され、前記改質生成物燃焼器は前記燃料電池に接続され、且つ前記改質生成物燃焼器は、前記改質器と前記燃料電池の間に接続される、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記改質生成物燃焼器内に燃焼室が設けられており、前記燃焼室に吸気口が設けられており、前記燃焼室に点火器が設けられており、前記改質生成物燃焼器は燃料電池のアノード側に接続される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記吸気口は２つ設けられており、２つの吸気口は対称に配置される、
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記改質器は第１のハウジングを有し、前記改質生成物燃焼器は第２のハウジングを有し、前記第１のハウジングと前記第２のハウジングは、一体成形された管状構造を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 燃料電池のアノード排ガス側及びカソード排ガス側にそれぞれ接続される排ガス燃焼器を更に含み、前記排ガス燃焼器に熱交換器が設けられており、燃料電池のカソード側に空気を導入するためのカソードラインが接続されており、前記カソードラインは前記熱交換器を通過する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池のアノード排ガス側に更に循環ポンプが接続されており、前記循環ポンプは改質器内に接続される、
   ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記改質器内に混合室が設けられており、前記混合室内に燃料及び空気を改質生成物に変換するための触媒が設けられている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 前記改質器と前記改質生成物燃焼器の間に火炎防止器が設けられている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

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