JP4690716B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは車両で頻繁にいわゆる補助エネルギー源として使用される。この補助エネルギー源により電気エネルギーが供給され、車両においてますます増大しつつある負荷に電気エネルギーを十分に供給することができる。ここではこの種のエネルギー負荷が、例えば内燃機関として構成された駆動ユニットが動作しているときにだけ頻繁に駆動できるのではなく、電気エネルギーを形成するための発電装置を介しても同様に使用できるようにすることが重要である。例えば車両を予熱するための種々のシステムを使用開始の前にすでにアクティベートすることが必要である。これらのシステムは、燃料により駆動されるパーキングヒータの他に、電気的に駆動されるシートヒータ、サイドミラーヒータ、ウィンドウヒータ、並びに搬送装置を含むことができる。搬送装置によって加熱すべき媒体、例えば駆動ユニットの冷却水、または車室に送風すべき空気を、パーキングヒータの領域に設けられた熱交換器を通して搬送することができる。

この種のシステムでは種々の要求が存在する。１つには始動フェーズでできるだけ迅速に種々のシステム領域、とりわけ燃料電池ができるだけ迅速に適切な動作温度になるようにしなければならない。このことによりシステム全体が高い効率で動作できることが保証される。また１つには、エネルギー形成のために使用される出発物質、例えば燃料電池に導かれ、水素を含む媒体ができるだけ効率的に使用されなければならない。これは作用効率を高め、システム全体の駆動コストを低減するためである。

本発明の課題は、自動車で使用することができ、高効率で動作することのできる燃料電池システムを提供することである。

この課題は本発明により次のような燃料電池システムにより解決される。すなわちこの燃料電池システムは燃料電池と、燃焼器と、熱交換装置とを有し、前記燃焼器は選択的に燃料および／または燃料電池排ガスにより駆動され、前記熱交換装置は燃焼器で形成された熱を燃料電池に供給すべき空気および／または燃料電池に供給すべき水素含有ガスに伝達する。

本発明の燃料電池システムに設けられる燃焼器は、燃焼に使用すべき材料に関して多様性を有するので種々異なる駆動フェーズでアクティベートすることができる。これによりシステムに存在するエネルギーないしエネルギー形成に使用される出発物質の高い効率を達成することができる。燃料電池自体を例えば電気エネルギーの形成のためにまだ使用することのできない始動フェーズで、燃焼器を燃料により駆動することにより、すなわち例えば液体燃料等またはガス状燃料により駆動することにより、このフェーズで燃料電池を通流する空気の予熱により燃料電池自体を加熱し、これにより始動フェーズを短縮するよう条件を整えることができる。燃料電池が動作開始すると、択一的にまたは付加的に、燃料電池を去る燃料電池排ガス（この排ガスは、電気形成に置換されなかったかなりの割合の水素を未だ含んでいる）を燃焼器に導き、そこで燃料電池を同様に去り、すでに予熱されている燃料電池排出空気と共に燃焼することができる。ここで形成された熱は再び、燃料電池に導かれる空気、および場合により燃料電池に導かれる水素含有ガス状媒体に伝達される。これにより改善された燃料電池自体の動作特性を達成することができる。さらに燃焼器での燃焼の際に形成され、燃料電池に導かれる媒体に伝達されない熱を別の熱交換装置で、例えば車室に導かれる空気の加熱のために、または内燃機関の冷却循環系に存在する冷却媒体の加熱のために使用することもできる。これも内燃機関の領域で予条件を整えるためである。

本発明のシステムでは、燃焼器が燃料、燃料電池排ガスおよび燃焼空気に対する送り管を備える燃焼室を有する。ここでは燃料の供給と燃料電池排ガスの供給が共通の送り管を介して行われるとさらに有利である。この共通の送り管は燃料ないし燃料電池排ガスを底部領域で燃焼室の方向に供給する。

本発明のシステムの構造をできるだけ簡単に維持するため、燃料供給と燃料電池排ガス供給を１つの共通の送り管を介して行うことが提案される。この送り管は燃料ないし燃料電池排ガスを底部領域で燃焼室の方向に供給する。とりわけ燃料として液体媒体、例えばガソリンまたはディーゼルまたは生物的軽油のような化石燃料が使用されるなら、燃料供給と燃料電池排ガス供給を別個の送り管を介して行い燃料供給経路を分離するのが有利である。この別個の送り管は燃料ないし燃料電池排ガスを底部領域で燃焼室の方向に供給する。

燃焼室に導入すべき燃焼空気と同様に燃焼室に導入すべき、ないしそこにすでに存在する燃料ないし燃料電池排ガスとを良好に混合するためには、燃料供給と燃料電池排ガス供給とを別個の送り管を介して行い、これらの送り管が燃料ないし燃料電池排ガスを底部領域で燃焼室の方向に供給する。ここで燃焼の効率は混合を最適化することによりさらに改善することができる。このことは予混合室を設け、その中で燃料電池排ガスの少なくとも一部と燃焼空気の少なくとも一部とを燃焼室への供給の前に混合することにより達成される。

とりわけ液体燃料が燃焼空気と共に点火可能混合気ないし燃焼可能混合気を形成する状態にもたらすため、燃焼室の少なくとも底部領域に有利には加熱装置を備える多孔性の気化器媒体を設け、この気化器媒体を介して少なくとも燃料が燃焼室に供給されるようにすることが提案される。

択一的な実施形態では、燃焼器が噴霧装置を有し、この噴霧装置が液体燃料に対する供給部も、燃料噴霧に使用される燃焼空気に対する供給部も、燃料電池排ガスに対する供給部も備えることが提案される。

ここでは噴霧装置が外側スワール流空間と内側スワール流空間とを有し、噴霧器リップに導かれる外側スワール流と内側スワール流とを形成し、燃料電池排ガスに対する供給部が送り管を有し、この送り管により燃料電池排ガスが内側スワール流および／または外側スワール流の領域に導かれるようにすることができる。

しかし構造的に簡単に実現でき、効率的な混合も可能な実施形態では、送り管が通流案内エレメントを通って導かれ、この通流案内エレメントが内側スワール流空間を制限する。

図１には本発明の燃料電池システムが１０により一般的に示されている。主要な構成部材としてこの燃料電池システム１０は燃料電池１２を有し、この燃料電池へは矢印１４により示されるように水素含有ガスが導かれ、矢印１６により示されるように空気、すなわち酸素が導かれる。燃料電池１２では水素含有ガスに含まれる水素が空気に含まれる酸素と共に電気エネルギーの形成のために置換される。燃料電池１２は矢印１８により示されているように水素の希薄化された燃料電池排ガスと、矢印２０により示されるように酸素の希薄化された燃料電池排気を排出する。

燃料電池１２に供給すべき水素含有ガスは、図示の燃料電池システムではリフォーマ２２で生成される。このリフォーマ２２には燃料供給部２４から燃料、一般的にはガソリン、ディーゼルまたはその他の炭化水素のような液体燃料が供給される。さらにリフォーマ２２には空気供給部２６から空気が供給される。ここで空気は矢印２８により示されるように、リフォーマ２２への供給前に熱交換器３０を通流し、ここでリフォームモードではリフォーマ２２を去った水素含有ガスから熱を吸収することができる。このガスは一般的にリフォメートと称される。従ってこの空気はすでに予熱されてリフォーム２２に流入する。

燃料供給部２４と空気供給部２６は適切な搬送機構、例えばポンプまたは送風機を有することができ、これにより所望の燃料流ないし空気流を達成することができる。

リフォーマ２２から熱交換器３０を介して流出する水素含有ガス、すなわちリフォメートは次に燃料電池１２の方向に流動し、燃料電池に供給される前に別の熱交換器３２を通過させることができる。空気供給部２６はリフォーマ２２にだけでなく、燃料電池１２にも所望の反応を惹起するために必要な空気を供給する。この空気供給部２６から燃料電池１２の方向に搬送される空気はこの熱交換器３２を通流し、そこで熱を吸収することができる。このようにして燃料電池１２に導かれる空気はすでに所望の反応を引き起こすのに適した温度を有する状態で燃料電池１２に達する。さらにこの空気を燃料電池１２が電気エネルギー形成のためにまだ駆動されていないフェーズで加熱することにより、この加熱した空気を燃料電池１２のプレコンディショニングに、すなわち予加熱に利用することができる。

熱交換器３２で空気、および場合により水素含有ガスに伝達される熱を生成するため、熱交換器３２には燃焼器３４が前置接続されている。この燃焼器３４はそのために、種々異なる燃焼可能な媒体が酸素と共に燃焼することができ、熱い燃焼排ガスが熱交換器３２の方向に導かれ、そこで要求されるガス状媒体、空気およびリフォメートを予加熱するように構成されている。図１から、燃焼器３４には燃料供給部２４から送出される燃料の形態でも、燃料電池１２からの燃料電池排ガスの形態でも燃焼可能媒体を供給することができることが分かる。さらに燃焼器３４にはまた酸素を含んでいる燃料電池排気空気２０が供給される。その結果、燃焼器３４の燃焼のために燃焼可能媒体だけでなく、酸化に必要な酸素も準備される。

熱交換器３２には別の燃焼器３６が後置されており、この燃焼器３６に熱交換器３８が配属されている。燃焼器３６には燃料供給部２４から燃料が供給される。さらに燃焼器３６には燃焼器３４と熱交換器３２を介して、燃焼器３４を去る排ガスないしはガス状媒体が供給される。この排ガスないしはガス状媒体は燃焼器３４の動作状態に応じて、少なくとも燃焼器３６での燃焼に使用可能な酸素成分を含んでいる。熱交換器３８には熱吸収のため、矢印４０により示されるように加熱すべき媒体が供給される。この加熱すべき媒体は例えば前もって加熱すべきであり、車室に導かれる空気とすることができる。もちろん択一的にまたは付加的に、駆動ユニットの冷却循環系を循環する冷却媒体とすることもできる。

後で燃焼器３４の種々の実施形態を詳細に説明する前に、図１を参照して本発明の燃料電池システム１０の動作を説明する。

まずこの種のシステム１０が装備された車両がまだ運転されていないが、車両を例えば予熱ないしはプレコンディショニングすべきであると仮定する。このフェーズでは、種々のシステム領域がまだ冷えている。従ってまず燃焼器３４が、燃料を燃料供給部２４から供給することと、燃焼空気を空気供給部２６から供給することによりアクティベートされる。この燃焼空気は熱交換器３２を介して燃料電池１２を通流し、「燃料電池排気空気」として燃焼器３４に達する。燃焼器３４で形成された熱い燃焼排ガスは熱交換器３２の方向に導かれる。ここでこの燃焼排ガスは、空気供給部２６から燃料電池１２と燃焼器３４の方向に搬送された空気を加熱する。この加熱された空気はさらに燃料電池１２を内側から加熱し、燃料電池を電気エネルギー形成のための動作に対して準備する。熱交換器３２を通流した後、やや冷却された燃焼器３４の燃焼排ガスは燃焼器３６の方向に通流する。このフェーズで車室を予熱すべき場合、ないしは場合により駆動ユニットを予熱すべき場合、付加的に燃焼器３６にも燃料供給部２４から燃料を供給し、燃焼器３４の燃焼排ガスにまだ含まれる酸素とこの燃料を燃焼させ、その時に発生する熱を熱交換器３８で加熱すべき媒体に伝達する。そのために空気供給部２６により、燃焼器３４を去る排ガスがまだ十分な酸素を搬送するのに十分な酸素がこの燃焼器３４の方向に供給される。従って燃焼器３６に対して付加的な空気供給管を設ける必要はない。熱交換器３２を去る排ガスの温度が、熱交換器３８において加熱すべき媒体を所望の温度にもたらすのに十分に高くなくても、この動作モードで付加的に燃焼器３６もアクティベートする必要はないであろう。ここでは基本的に燃焼器３４ないし熱交換器３８の相応の構成で燃焼器３６を完全に省略し、燃焼排ガス３４において熱交換器３２の後でもまだ搬送される熱を、加熱すべき媒体を所望の温度にもたらすのに利用することができる。

この動作フェーズではとりわけ搭載電源システムの外部温度が比較的低いときに一般的にはバッテリーが非常に強く負荷されるので、燃料電池１２も電気エネルギーの形成のために駆動ないし動作させると有利である。従ってリフォーマ２２を、炭化水素とリフォーミングのために必要な空気を供給することによりアクティベートする。ここではリフォーマ２２を予熱し、迅速に所望の動作温度にもたらすことができる。この予熱は場合により燃焼器３４を去る燃焼排ガスによっても行うことができる。択一的または付加的に例えば電気的に駆動される別個の加熱装置により行うこともできる。

リフォーマ２２でリフォーミングモードが経過する際に水素含有ガスが形成される。このガスは比較的高い温度を以て熱交換器３０の方向に通流し、すでに述べたようにリフォーマ２２に供給される空気を予熱する。熱交換器３０を去るリフォメートは直接、燃料電池１２の方向に導かれるか、または図１に示すように熱交換器３２を通流し、その際に熱をさらに吸収する。燃料電池１２に予熱された空気が同様に非常に熱いリフォメートと共に導かれると、燃料電池１２では水素含有ガスにより搬送された水素が空気に含まれる酸素により水に置換され、電気エネルギーが形成される。この電気エネルギーは例えば、種々の燃焼器３４，３６ないしリフォーマ２２に存在する加熱装置を駆動するのに使用することができる。また車両においてこの動作フェーズで駆動すべき電気的負荷の駆動にも使用することができる。システム全体が搭載電源システムないしそこに存在するバッテリーをさらに負荷することはない。

燃料電池１２が駆動されるか、ないしはリフォーマ２２から水素含有リフォメートが燃料電池１２の方向に供給されると、燃料電池１２が駆動されている場合でも水素をまだ含む燃料電池排ガスが燃料電池を去る。この水素は燃料電池排気空気にまだ含まれる酸素と共に燃焼器３４で燃焼できるから、このフェーズでは燃焼器３４に燃料を燃料供給部２４から供給することは不要である。

図１に示され、前に説明したシステムでは熱勘定が実質的に燃料電池１２の方向に空気供給部２６から搬送される空気の量により調整される。空気量が多ければ、燃料電池１２の駆動時に燃焼器３４で使用される酸素も多く、相応により多くの酸素が燃焼器３６でも使用される。さらに多くの空気量を供給すると、駆動中の燃料電池１２から十分な熱を放出することができ、同時に、燃料電池１２に導かれる空気の予熱によって過度に大きな温度差により発生する燃料電池１２の負荷を回避することができる。燃料電池の熱特性をさらに調整するためには、破線の管路接続４２により示すように、燃焼器３４にも空気を空気供給部２６から直接供給することが必要となる。この空気ないしそれに含まれる酸素が燃焼器３４での燃焼を行う必要はない。そのためには燃料電池排気空気にまだ含まれる酸素で十分である。しかしこの付加的な空気供給により、燃焼器３４の非常に熱い排気ガスを冷却することができる。そしてこれにより、燃料電池１２に供給され、そのために前もって熱交換器３２を通流する空気を適切な温度で燃料電池１２に供給することができる。

以下に燃焼器３４ないしこの燃焼器３４のシステム要素の種々の実施形態を詳細に説明する。図２に示された燃焼器３４は一般的に４４により示された燃焼器ケーシングを有し、このケーシングは周囲壁領域４６と底部壁領域４８を備えている。周囲壁領域４６と底部壁領域４８は燃焼室５０に接しており、燃焼室は火炎シェードまたは火炎ホルダ５２を介して熱交換器３２の方向に至る容積領域５４に向かって開放している。底部壁領域４８に近傍の区間では、周囲壁領域４６がリング状の空間５６により取り囲まれている。このリング状の空間５６は多数の開口部５８を介して燃焼室５０とつながっている。このようにして矢印Ｐ１により示すように燃焼空気が半径方向外側から燃焼室５０に流入することができる。底部壁領域４８もこの種の開口部を複数有している。この開口部は図２には図示されていないが、これを通って少なくとも燃焼空気の一部が燃焼室５０に達することができる。この燃焼空気は、前に図１に基づいてすでに説明したように実質的に燃料電池排気空気の形態で（図１の矢印２０）燃焼器３４の方向に供給される。

底部壁領域４８の方向に燃焼室５０は、底部壁領域４８を実質的に完全に覆う多孔性の気化器媒体６０と接している。この多孔性気化器媒体６０は網状組織、ニット、発泡セラミックまたはその他の、微細孔の設けられた材料とすることができ、この多孔性気化器媒体内を液体燃料は毛細管作用により分散することができる。多孔性気化器媒体６０と底部壁領域４８との間には、電気的に駆動可能な加熱装置６２を配置し、多孔性気化器媒体６０を加熱し、その中に分散された燃料の燃焼室５０方向への気化を促進することができる。

中央領域では底部壁領域４８ないし燃焼室５０へ供給管路６４が連通している。この供給管路６４を介してこの実施形態では、燃料供給部２４から供給される一般的な液体燃料も、まだ酸素を含んでいる燃料電池排ガスも供給することができる。ここで種々異なる燃料を選択することができるようにするため、概略的に示した弁装置６６が設けられている。この弁装置は弁スライダ６８を有し、弁スライダは位置に応じて３つの可能な切り替え位置の１つで、燃料電池１２から到来する管路１８を供給管路６４と接続するか、または燃料供給部２４から到来する管路７０を供給管路６４と接続するか、またはこれらの管１８，７０のいずれも供給管路６４と接続しない。管路７０が供給管路６４と接続される場合、液体燃料が多孔性気化器媒体６０に導入される。この液体燃料は毛細管作用の下で、多孔性気化器媒体全体にわたり分散し、加熱装置６２の加熱作用により多孔性気化器媒体の燃焼室５０側で燃焼室５０の方向に気化する。ここでは同様に燃焼室５０に導入される空気により、すなわち燃料電池１２の動作状態に応じて多少の酸素を含んでいる燃料電池排ガスにより、点火ないし燃焼可能な混合気が形成される。この燃焼をスタートさせるために点火機構７２，例えばグロー点火プラグが多孔性気化器媒体６０上に僅かな間隔で配置されている。点火が行われると熱い燃焼排ガスが矢印Ｐ２により示されるように熱交換器３２の方向に通流する。このとき燃焼排ガスは例えば温度センサ７４の周囲を流れ、これにより温度センサは燃焼室５０を去るガスの温度をセンシングすることにより点火がすでに行われているか否かを検出することができる。

燃焼のために管路１８を介して水素含有ガスが使用される場合、弁が切り替わり、管路１８が供給管路６４と接続される。水素含有ガスはこの供給管路６４と底部壁領域４８を通流して、供給管路６４が多孔性気化器媒体６０に向かって開口している局所領域で燃焼室５０に流入する。そしてそこで燃焼に使用される空気と混合され、同様に点火可能ないし燃焼可能混合気を形成する。

この種の燃焼器の変形実施例が図３に示されている。ここでは基本構造は同じであり、燃焼のために使用される種々の媒体を供給する領域でだけ異なっていることが分かる。ここでは供給管路６４が設けられており、この供給管路を介して例えば管路７０から供給された液体燃料が多孔性気化器媒体６０に導かされる。さらに供給管路６４を少なくとも底部領域４８の近傍の終端区間で取り囲む供給管路７６が設けられている。この供給管路７６は管路１８と接続しており、水素含有ガスを燃焼室５０の方向に供給することができる。ここでは別個の供給管路６４と７６が一方では燃料に対して、他方では燃料電池排ガスに対して使用されるから、図２に示したような弁機構を基本的に省略することができる。さらにこの変形実施例では燃料電池排ガスを別個に供給することによりこれを最適に、すなわち供給管路６４を介する燃料の供給位置に依存せずに燃焼室５０へ供給することができる。従って必ずしも図３に示したように同軸で供給する必要はない。燃料電池排ガスを複数の導入点にわたって分散させ、底部壁領域４８で燃焼室５０の方向に供給することができる。このようにして燃料電池排ガスと燃料電池排気空気ないし燃焼空気との混合を改善することができる。

この種の混合をさらに改善することのできる実施形態が図４に示されている。ここでは底部壁領域４８と多孔性気化器媒体６０との間に中間空間が形成されており、この中間空間は予混合室７８を形成する。この予混合室７８へ燃焼に使用される空気、すなわち燃料電池排気空気の少なくとも一部が、底部壁領域４８４８に設けられた開口部８０を通って流入する。さらに供給管路７６は、ケーシング４４への接続領域においてこの予燃焼室７８に向かって開放している。このようにして燃料電池排ガスは燃料電池排気空気と燃焼室５６への供給前に混合され、それから多孔性気化器媒体６０を通過する。燃料電池排ガスが燃焼に使用されるフェーズでは、液体燃料が供給管路６４を介して多孔性気化器媒体６０に供給されないから、その微細孔が液体により閉塞されることもない。従って燃焼室５０ないしケーシングの底部領域８２にある予燃焼室７８で形成された混合気は大きな抵抗なしに燃焼室５０に達することができ、そこで燃焼できる。多孔性気化器媒体６０はこの実施例ないしこの動作フェーズでは火炎ホルダを形成し、予混合室７８自体の中で燃焼が生じないようにする。

この実施形態の変形が図５に示されている。ここでは供給管路７６が予混合室７８の領域に伸長しており、そこに半径方向で外側に導かれる開口部８４を有している。この構成は燃料電池排ガスと燃料電池排気空気とのさらに良好な混合に寄与する。

もちろん図４と図５の構成でも多孔性気化器媒体６０に、例えばホットスパイラルまたはホットループの形態の加熱装置を配属することができ、液体燃料を供給管路６４を介して供給する際に、この液体燃料の燃焼室５０方向への気化を促進することができる。

この種の燃焼器の別の実施形態が図６に示されている。

ここでもケーシング４４は周囲壁領域４６と底部壁領域４８を有する。この底部壁領域４８に接して、ないしは底部領域８２に隔離材料層８６が設けられており、この隔離材料層には加熱装置６２並びに多孔性気化器媒体６０が続いている。この底部領域８２の中央領域には燃料電池排ガスに対する供給管路７６が延在している。この供給管路７６は底部壁領域４８と多孔性気化器媒体６０を通って伸長し、１つまたは複数の開口部を介して燃焼室５０に開口している。燃料供給は半径方向に案内された供給管路６４を介して行われる。この実施形態の利点は燃料電池排ガスの供給を、多孔性気化器媒体６０にまだ燃料が含まれているか否か、すなわちその微細孔が閉塞されているか否かに影響を受けず実行できることである。このことはまた底部領域８２での燃料電池排ガスの容易な導入を保証する。さらに半径方向外側から、しかし場合により底部壁領域４８の開口部を通って導入される燃焼空気ないし燃料電池排気空気との改善された混合を保証する。

別の択一的実施形態が図７と図８に示されている。この構造は基本的に図２に示した燃焼器に相応する。しかしここでは供給管路６４は半径方向外側から多孔性気化器媒体６０に合流しており、燃料を半径方向外側からこれに導く。図７に示されたように、燃料は半径方向外側から、有利には上方から供給されるから、この燃料を下方に作用する重力を使用して非常に均等に多孔性気化器媒体６０内で分散させることができる。

底部壁領域４８は燃焼室５０の反対側でケーシング２００により覆われている。このケーシング２００には、図８に示すように実質的に接線方向でガス供給管路２０２が合流する。このガス供給管路は直接、または場合により弁装置を介して図１に示した管路１８と接続されており、この管路１８を介してアノードガス、すなわちまだ残留水素を含むガスを供給することができる。底部壁領域４８では加熱装置６２および多孔性気化器媒体６０の中央領域でそれぞれノズル状の貫通開口部２０４を形成する開口部が設けられている。このノズル状の貫通開口部２０４は燃焼室の方向に向かって拡張する横断面を有しており、管路２０２からケーシング２００へ接線方向に流入するガスに対するスワールノズルを形成する。燃料電池から管路１８を介して去るガスが、ケーシング２００に形成されたスワール室２０６およびノズル状開口部２０４を介して流入すると、図８に示すように燃焼室５０に導かれるガスにスワール状の渦が発生する。このことにより半径方向で外側から導入される燃焼空気との非常に良好な混合が達成される。火炎が燃焼室５０から逆流するのを阻止するため、貫通開口部２０４の領域ないし管路２０２の室２０６への開口部の領域に火炎ストッパを設けることができる。この火炎ストッパは例えばグリッドまたは開口部の設けられたその他の構造体の形状とすることができる。

供給管路６４とガス管路２０２にはそれぞれ別個に弁装置を配属することができ、これらの管路を選択的に閉鎖ないし開放することができる。これにより選択的に燃料電池排ガスまたは燃料を燃焼室５０に導くことができる。

図１のシステムで使用される燃焼器３４の択一的実施形態が図９に示されている。先行の図２から図８に基づいて説明した燃焼器は液体燃料を使用する際に気化器バーナーの原理に従って動作する。すなわち燃料と燃焼空気との混合気が燃料気化によって形成される。しかし図９に示された燃焼器３４にはいわゆるスプレー装置９０が設けられている。このスプレー装置９０によってまず液体燃料が微細な燃料粒子に噴霧され、燃焼空気と共にケーシング４４に形成された燃焼室５０に供給される。このスプレー装置９０は実質的に燃焼室５０ないしケーシング４４の底部領域８２を形成する。

図９にはこのスプレー装置９０が一般的に９２により示されており、実質的に鉢状に構成されたノズル体９２を有している。このノズル体９２には軸方向（燃焼器３４の長手軸を基準にした軸）の階段状配置で３つのパネル部材９４，９６，９８がはめ込まれている。ここでパネル部材９４はノズル体９２の底部１００に座すよう配置されており、有利には軸Aに対して回転対称の形状部材を有する。この形状部材は軸Ａの方向に凹面状に先細になっている。

第２のパネル部材９６は第１のパネル部材９４から間隔をおいて配置されており、その半径方向内側の領域に、スプレーブレード１０２に終端する近似的に円筒状の区間を有している。第１のパネル部材９４と第２のパネル部材９６との間には内側スワール流空間１０４が形成されており、この空間には複数の流動偏向エレメント１０６が配置されている。これらの流動偏向エレメントは、半径方向外側のリング状空間１０８から導かれる燃焼空気、すなわちここでは燃料電池排ガスが半径方向外側から半径方向内側へ通流する際に周囲通流成分を受け取り、これによりスプレーブレード１０２の方向に軸Ａを中心にスワールする流れの形態で導かれる。

軸方向で第２のパネル部材９６にはこれに間隔をおいて第３のパネル部材９８が配置されている。２つのパネル部材９６，９８の間にも中間空間が設けられており、この中間空間は外側スワール流空間１１０を定義する。ここにも複数の流動偏向エレメント１１２が設けられている。この流動偏向エレメント１１２は、半径方向で外側から流入する空気が同様に周囲通流成分を受け取り、スワールする流れとして外側からスプレーブレード１０２の方向に通流するようにする。

第２のパネル部材９６には内側スワール流空間１０４に接する側で溝状の凹部１１４が設けられている。この凹部へは噴霧すべき液体燃料が導かれ、概略的に示した燃料分散エレメントにより周方向に分散される。従ってこの燃料は内側スワール流からオーバフローする第２のパネル部材９６の表面領域に達する。内側スワール流の搬送作用の下でスプレーブレード１０２の方向に搬送される。未だ液体であり、第２のパネル部材９６で薄い被膜を形成する燃料がスプレーブレード１０２に達すると、燃料はそこに相互に衝突する２つのスワール流によって微細粒子に分解され、この微細粒子は燃焼室５０で燃焼空気と共に燃焼することができる。

この種のスプレー装置９０はＤＥ１０２０５５７３Ａ１から基本的に公知であることを述べておく。従ってこの種のスプレー装置９０のさらなる構造的詳細については前記刊行物を参照されたい。またその内容は本願の開示範囲とする。

図９からさらに、供給管路７６がノズル体９２の底部と第１のパネル部材９４を貫通して容積領域に突出していることが分かる。この容積領域は、スプレーブレード１０２に至る第２パネル部材９６の円筒状領域により取り囲まれている。この供給管路７６を介して供給される燃料排ガスは、ここでは内部スワール流の形態で燃焼空気が流入する容積領域に流出する。この内部スワール流のスワールにより供給管路７６からの流入直後に、燃料電池排ガスはこの内部スワール流と混合し、それに続いて外部スワール流とも混合する。そして混合気として燃焼のために燃焼室５０に流入する。

図９も燃焼室３４を示しており、この燃焼室は選択的に燃料、この場合は液体燃料または燃料電池排ガスにより駆動することができる。ここでも燃料電池排気空気は燃焼空気として使用することができ、同時に液体燃料を使用する場合にはこれを燃焼のために噴霧するのに用いることができる。

前に説明したすべての燃焼器３４では水素含有燃料電池排ガスがまだ使用されない動作状態で液体燃料だけが使用可能なのではない。燃料供給部２４を相応に構成すれば、ガス状の燃料、例えば天然ガスも燃料電池排気空気と共に燃焼出発物質として使用することができる。

本発明の燃料電池システムのブロック図である。

図１のシステムで使用される燃焼器の部分断面図である。

燃焼器の択一的実施形態の、図２に相応する部分の断面図である。

燃焼器の別の択一的実施形態の、図２に相応する部分の断面図である。

燃焼器の別の択一的実施形態の、図２に相応する部分の断面図である。

燃焼器の別の択一的実施形態の、図２に相応する部分の断面図である。

燃焼器の別の択一的実施形態の、図２に相応する部分の断面図である。

図７に示された燃焼器を軸方向で見た簡略図である。

図１のシステムで使用される燃焼器に対するスプレー装置の部分断面図である。

Claims (12)

1. 空気を供給する空気供給部（２６）と、炭化水素燃料を供給する燃料供給部（２４）と、前記空気供給部（２６）により空気が供給され、かつ前記燃料供給部（２４）により燃料が供給され、水素含有ガスを形成するリフォーマ（２２）と、第１の熱交換装置（３０）と、燃料電池（１２）と、燃焼器（３４）と、第２の熱交換装置（３２）とを有する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池（１２）には、水素含有ガスが前記リフォーマ（２２）から前記第１の熱交換装置（３０）を介して供給され、
   前記リフォーマ（２２）に供給される空気は前記第１の熱交換装置（３０）を介して、前記水素含有ガスの熱を前記第１の熱交換装置（３０）で吸収するために導かれ、
   前記燃焼器（３４）は前記炭化水素燃料により、または水素の希薄化された燃料電池排ガスにより、または前記炭化水素燃料と前記水素の希薄化された燃料電池排気ガスにより駆動され、
   前記第２の熱交換装置（３２）は、前記燃焼器（３４）で形成された熱を、前記第１の熱交換装置（３０）を通流した後の、前記燃料電池（１２）に供給すべき水素含有ガスに伝達する、ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃焼器（３４）は、燃料に対する供給部、水素の希薄化された燃料電池排ガスに対する供給部、および燃焼空気に対する供給部を備える燃焼室（５０）を有する燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
   燃料と、水素の希薄化された燃料電池排ガスは燃焼室（５０）の底部領域（８２）で該燃焼室に供給される燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、
   燃料の供給と、水素の希薄化された燃料電池排ガスの供給は共通の供給管路（６４）を介して行われ、
   該供給管路は燃料および水素の希薄化された燃料電池排ガスを底部領域（８２）で燃焼室（５０）の方向に供給する燃料電池システム。
5. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、
   燃料の供給と、水素の希薄化された燃料電池排ガスの供給は別個の供給管路（６４，７６）を介して行われ、
   当該別個の供給管路はそれぞれ燃料または水素の希薄化された燃料電池排ガスを底部領域（８２）で燃焼室（５０）の方向に供給する燃料電池システム。
6. 請求項２から５までのいずれか１項記載の燃料電池システムにおいて、
   燃焼空気は周囲領域（４６）および／または底部領域（８２）で燃焼室７（５０）に供給される燃料電池システム。
7. 請求項２から６までのいずれか１項記載の燃料電池システムにおいて、
   予混合室（７８）が設けられており、
   該予混合室では、水素の希薄化された燃料電池排ガスの少なくとも一部と燃焼空気の少なくとも一部が燃焼室（５０）への供給前に混合される燃料電池システム。
8. 請求項２から７までのいずれか１項記載の燃料電池システムにおいて、
   燃焼室（５０）の少なくとも底部領域（８２）には、多孔性気化器媒体（６０）が設けられており、
   該多孔性気化器媒体を介して燃料の少なくとも一部が燃焼室（５０）に供給される燃料電池システム。
9. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   燃焼器（３４）はスプレー装置（９０）を有し、
   該スプレー装置は液体燃料に対する供給部、燃料噴霧に使用される燃焼空気に対する供給部、および燃料電池排ガスに対する供給部を備える燃料電池システム。
10. 請求項９記載の燃料電池システムにおいて、
    スプレー装置（９０）は複数のパネル部材（９４，９６，９８）を有し、
    それぞれの２つのパネル部材の間には一方では内側スワール流空間（１０４）が、他方では外側スワール流空間（１１０）が形成され、
    水素の希薄化された燃料電池排ガスに対する供給部は供給管路（７６）を有し、該供給管路によって前記水素の希薄化された燃料電池排ガスは内側スワール流および／または外側スワール流の領域に導かれる燃料電池システム。
11. 請求項１０記載の燃料電池システムにおいて、
    前記供給管路（７６）は、前記内側スワール流空間（１０４）を形成する前記パネル部材の１つ（９４）を貫通している燃料電池システム。
12. 請求項８記載の燃料電池システムにおいて、
    前記多孔性気化器媒体（６０）は加熱装置（６２）を備えている燃料電池システム。

Images