JP5026662B2 - 燃料電池系及び該系用のバーナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池系並びにそのような燃料電池系用のバーナ装置に関する。

燃料電池系は、例えば、自動車において、電気エネルギーを供給するために使用される。この電気エネルギーは、例えば、駆動装置を運転するのに利用されることができるが、しかし、自動車の電気的に運転可能な他の多様な系の領域にエネルギーを供給するのにも利用されることができる。そのような燃料電池系の場合の問題は、これらの系が、運転が開始されうる前に、一般的に卓越している周囲温度を明らかに上回る適した運転温度に上げなければならないことである。

本発明の対象は、燃料電池系及び燃料電池系用のバーナ装置を提供することであり、このバーナ装置により、運転を開始するのに必要で多様な系の領域が、構造上単純な構成で確実に加熱されることができる。

本発明によれば、この課題は、水素含有ガス混合物を発生させるためのガス発生系、水素含有ガス混合物がその中に含まれている水素を利用するために供給されうる、電気を発生させるための燃料電池、その際、水素の希薄化された(wasserstoffentreichertes)ガス混合物が燃料電池を去り、水素の希薄化されたガス混合物が熱を発生させるために供給されうる触媒バーナ(katalytischen Brenner)、触媒バーナ中で発生した熱を熱媒体に伝達するための熱交換器装置、触媒バーナに続く燃料運転バーナ(brennstoffbetriebenen Brenner)、並びに燃料運転バーナ中で発生した熱を熱媒体に伝達するための熱交換器装置を含んでいる燃料電池系により解決される。

燃料電池系の場合に一般的に存在しており、燃料電池を去るガス混合物中にまだ含まれていてよい残余水素が燃焼されてよく、それゆえ熱が供給されうる触媒バーナに加えて、乗り物中で、触媒バーナがしかしながらまだ利用されることができない他の系の領域を加熱するため、燃料電池系をまだ運転中でない限り予熱するために、本発明によれば、燃料電池系を始動するのに必要な予熱を供給することができる別のバーナが設けられている。この、付加的な燃料運転バーナ、すなわち例えばディーゼル燃料又はその他の化石燃料もしくは炭化水素含有燃料で運転可能なバーナは、しかしながら、燃料電池系自体を加熱するのに利用されることができるだけでなくて、補助ヒータ(Zuheizer)としてか又は駐車ヒータ(Standheizer)としても利用されることができる。

機能もしくは組立(Baugruppen)の融合により本発明による系の構成をさらに単純化できるように、触媒バーナが、空気が触媒バーナ中で変換するため又は／及び燃料運転バーナ中で変換するために搬送されうるブロワを有することが提案される。すなわち、触媒バーナ及び燃料運転バーナのために共通のブロワが設けられているので、このブロワにより搬送される空気はまず最初に触媒バーナを貫流することができ、ついで燃料運転バーナを貫流することができる。これらの双方のバーナのうちのどちらがついで目下運転されるか次第で、ブロワにより搬送される空気は、一方の又は他方のバーナ中で熱を発生させるために変換される。ブロワにより空気が燃料電池に搬送されうる場合に、好ましくは、別の機能融合のために設けられていてよい。

一方では触媒バーナ中で及び他方では燃料運転バーナ中で、その都度、化学反応（触媒反応もしくは燃焼）が進行する際に発生する熱ができるだけ効率的に利用できるように、流動方向に向かって、触媒バーナと燃料運転バーナとの間に触媒バーナ中で発生した熱を第一熱媒体に伝達するための第一熱交換器装置が設けられており、かつ燃料運転バーナの下流に向かって、燃料運転バーナ中で発生した熱を第二熱媒体に伝達するための第二熱交換器装置が設けられていることが提案される。

ガス発生系の極めて有効な加熱は、熱媒体又は／及び燃料運転バーナ又は／及び触媒バーナの燃焼生成物がガス発生系又は／及び燃料電池に加熱するために供給されうることにより、達成されることができる。さらに、熱媒体又は／及び燃料運転バーナ又は／及び触媒バーナの燃焼生成物が、反応物質としてガス発生系に水素含有ガス混合物を発生させるために供給されうることは、原則的に可能である。

特に比較的低い周囲温度で、燃料電池系、特にそのガス発生系のさらに促進された予熱を達成できるように、ガス発生系に別の燃料運転バーナが、加熱したガスの流れを発生させるために、ガス発生系の熱交換器装置へ供給するため又は／及びガス発生系の改質装置へ供給するために取り付けられていることが提案される。この系の場合に加熱効率をついでさらに改善できるように、加熱したガスの流れに、水が混合されうることが提案される。この別の燃料運転バーナにより供給される加熱したガス流へ水を混合することにより、水もしくは水蒸気を含有することにより、明らかに増加した蓄熱容量(Waermespeicherkapazitaet)を有し、それゆえ、例えばガス発生系への明らかに改善された熱伝達に寄与する加熱した媒体が供給される。

本発明の別の態様によれば、本発明は、本質的には水素を含有しているガス流及び水素の希薄化されたガス流を発生させるためのガス発生系、本質的には水素を含有しているガス流が水素を利用するために供給されうる、電気を発生させるための燃料電池、水素の希薄化されたガス流が熱を発生させるために供給されうる触媒バーナ、触媒バーナ中で発生した熱を熱媒体に伝達するための熱交換器装置、触媒バーナに続く燃料運転バーナ、並びに燃料運転バーナ中で発生した熱を熱媒体に伝達するための熱交換器装置を含んでいる燃料電池系に関する。

この燃料電池系の場合に、すなわち、ガス発生系により、まず最初に水素を含有しているガス混合物が発生する。この混合物はさらに、燃料電池へ供給する前に２つのガス流に分配される。ガス流の１つは、水素で高豊富化されている、すなわち、本質的には、僅かな含分の不純物を有する水素のみを含んでいる。他のガス流は次に、水素の希薄化された、しかしながら依然として特定の残余分の水素を含有しているガス流であり、このガス流は、燃料電池中で利用されるのではなくて、目下、触媒バーナに直接、そこで熱を発生させるために変換されるように導通されることができる。

本発明の別の態様によれば、前記課題は、空気搬送ブロワを用いて空気を供給するため又は／及び水素含有ガス混合物を供給するための上流の第一供給領域、水素含有ガス混合物を変換するための触媒装置を有する熱を発生させるための第一バーナ領域、第一バーナ領域の下流に向かって、燃料を供給するための第二供給領域を有する、第一供給領域中に供給された空気と一緒に発火しやすい燃料／空気−混合物を形成するための第二バーナ領域、並びに第二バーナ領域の下流に向かって、第一バーナ領域中で又は／及び第二バーナ領域中で発生した熱を熱媒体に伝達するための熱交換器装置を含んでいる、特に特許請求の範囲に記載された燃料電池系用の、バーナ装置により解決される。

この発明態様によれば、すなわち２つのバーナ領域が、流体技術的に互いに続いて設けられており、このことは、共通の空気搬送ブロワが、これらの双方のバーナ領域に空気を、その都度熱を発生させるために供給するのに利用されることができるという特別な利点をもたらす。

その際、第一バーナ領域の触媒材料の領域中の逆火による損傷もしくは第二バーナ領域に続く熱交換器装置中の高すぎる温度を回避できるように、第一バーナ領域と第二バーナ領域との間又は／及び第二バーナ領域と熱交換器装置との間に火炎防止器が配置されていることがさらに提案される。

さらに、熱伝達効率を高めるために、第一バーナ領域と第二バーナ領域との間に、第一バーナ領域中で発生した熱を熱媒体に伝達するための別の熱交換器装置が設けられていることが予想されうる。

特に、第二バーナ領域で効率的な運転を保証できるように、第二バーナ領域が、空気搬送ブロワにより搬送される空気及び燃料蒸発器中で発生した燃料蒸気が点火機関(Zuendorgan)の使用下に燃焼されうる燃焼室を有することが提案される。その際、例えば、燃料蒸発器が、液体燃料を受け入れている多孔性の蒸発器媒体及びこれに取り付けられて燃料蒸気を発生させるための加熱装置を有することが可能である。燃料運転バーナは、その際、すなわち、こうして挙げられた蒸発器バーナの原理に従って作動する。

好ましい構成上の実施の場合に、さらに、燃料蒸発器が、下流に向いた方向に開口した蒸発器ハウジングを有する場合が予想されることができ、このハウジングへ蒸発させるべき燃料が導入されうるものであり、かつこのハウジングは、空気搬送ブロワからこちらへ搬送される空気によりこの空気と燃料蒸気を混合するために蒸発器ハウジングの下流に向かって流れが結合されうる(umstroembar)。

本発明は次に、添付されている図面に関して詳細に記載されている。

図１において、本発明による系は１０で示されている。本発明によるこの燃料電池系１０は、本質的な系の領域として、一方では、破線で輪郭が描かれている、水素含有ガス混合物を発生させるためのガス発生系１２並びに他方では、この水素含有ガス混合物を受け入れている燃料電池１４を含んでいる。ガス発生系１２自体は、本質的な構成要素として、空気、水及び水素含有燃料が水素含有ガス混合物に変換される改質装置１６、それに続いて、改質装置１６中で発生したリフォメートが冷却される熱交換器装置１８、並びに水素含有ガス混合物が燃料電池１４中で妨害しているもしくはことによるとこれに害を与える成分から清浄化されるガス清浄化段階２０を含んでいる。

本発明による燃料電池系は、さらに、一般的に２２で示されているバーナ装置を含んでいる。このバーナ装置２２は、図１に示されているように、流動方向に向かって互いに続いて、触媒バーナ２４、燃料運転バーナ２６、第一熱交換器装置２８並びに第二熱交換器装置３０を有する。触媒バーナ２４に取り付けられて、選択的に切り替え可能な弁３４を経て空気を、触媒バーナ２４へか又は燃料電池１４へか又は場合により相応する分割比で触媒バーナ２４並びに燃料電池１４へ搬送することができる空気搬送ブロワ３２が設けられている。さらに、同様に選択的に切り替え可能な弁３６を経て触媒バーナ２４に、運転される燃料電池１４の場合に、依然として水素を含有する燃料電池１４を去るガス混合物流は、しかしながらガス発生系１２から燃料電池１４へ導入されるガス混合物流よりも僅かな含分で供給される。しかしながら、弁３６を経て、選択的に、燃料電池１４を去る流れは周囲へも放出されてよい。

燃料供給管３８を経て、選択的に切り替え可能な弁４０を経て、燃料、すなわち、例えばディーゼル燃料、ベンジン又はその他の化石液体燃料は、選択的に燃料運転バーナ２６、改質装置１６又は双方のこれらの系の領域２６、１６へ導入される。さらに、コンプレッサー４２により、空気は熱媒体として、第一熱交換器装置２８を通って改質装置１６に導通される。別のコンプレッサーもしくはポンプ４４により、水は、ガス発生系１２に、しかも、まず最初にガス発生系１２の熱交換器装置１８へ導入され、かつこの熱交換器装置１８の貫流後に改質装置１６へ導入されるように導通される。燃料供給管３８を経て燃料を、熱交換器装置２８を経て空気を、及び熱交換器装置１８を経て水を導入する際に、改質装置１６中でついで水素含有ガス混合物が発生しうる。一般的に４６で示されている熱媒体循環路中で、バーナ装置２２の第二熱交換器装置３０並びに燃料電池１４の熱交換器装置４８により流れる水が循環して、その際に熱を吸収するかもしくは放出する。

図１に示されている燃料電池系の運転は、次に記載される。このためにはまず最初に、全系１０が、冷たい状態、すなわち接触誘導される多様な反応が改質装置１６中、燃料電池１４中及び触媒バーナ２４中でまだ進行され得ない状態であると仮定する。故にまず最初に、燃料運転バーナ２６が、しかも、弁４０の相応する接続により燃料がこのバーナ２６へ供給され、さらに弁３４の相応する接続によりブロワ３２から搬送される空気が、触媒バーナ２４を通って同様に燃料運転バーナ２６へ導入されることにより活性化される。このバーナ２６中で、ついで、燃料蒸気及び燃焼空気からなり、燃焼される発火しやすい混合物が発生する。燃焼廃ガスは、双方の熱交換器装置２８及び３０を貫流する。熱交換器装置２８中で、その際、熱は、ガス発生系１２にかもしくはその改質装置１６に搬送される空気に伝達されるので、目下加熱した空気は、ガス発生系１２及び燃料電池１４を貫流することができる。この加熱した空気は、弁３６を経て燃料電池１４を去り、かつ目下周囲に放出されてよく、又は燃焼空気として、触媒バーナ２４を経て再び燃料運転バーナ２６に搬送されてよい。この場合に、始動段階の間に、コンプレッサー４２により供給される空気流が、相応する燃料供給の際に、適した発火しやすい燃料／空気−混合物をもたらすように調節される場合に、ブロワ３２の運転が放棄されることができる。それとは別に、原則的に、ブロワ３２のみを運転すること、又は相応して空気が必要な場合にブロワ３２並びにコンプレッサー４２を運転することも可能である。

さらに、燃料運転バーナ２６を去る燃焼廃ガスは、第二熱交換器装置３０中で、この段階の循環路４６中で矢印の方向に向かって循環している水を加熱する。この水は、熱交換器装置４８中で同様に、熱交換器装置２８及びガス発生系１２の貫流後に燃料電池１４へ入る加熱した空気と同じように、燃料電池の加熱に寄与する。

多様な系の領域中で、一方ではガスを発生させるため及び他方では燃料電池１４を活性化するために十分に高い温度が達成されている場合には、燃料電池１４が始動する。このためには、さらに、目下、管路３８を経て近づいた燃料が、弁４０を経て改質装置１６へ導入されることが必要である。熱交換器装置２８中で予熱した空気、熱交換器装置１８中で場合により同様に予熱した水及び供給される燃料の使用下に、前記で既に説明されたように、改質装置１６中でついで、熱交換器装置１８中で再び冷却される水素含有ガスが発生し、その際、ついで熱は、改質装置１６へ導入すべき水へ伝達される。

燃料電池１４中で進行している反応の場合に、目下電気が発生し、かつ燃料電池１４を去るガス混合物は、水素の希薄化されたガス混合物であるが、しかしながら水素不含のガス混合物ではない。このガス混合物は、必要な場合には目下、触媒バーナ２４へ導入される。さらに、目下、ブロワ３２の搬送作用下で空気は、触媒バーナ２４へ導入され、その際、弁３４は、空気の一部も燃料電池１４へ達するように、そこでこの中へ同様に導入される水素と一緒に流れを獲得するために変換されるように接続されている。触媒バーナ２４へ導入される空気及びこのバーナ２４へ同様に導入される水素の希薄化されたガス混合物は、触媒反応の実施下及び熱の発生下に変換され、その際、この変換反応の際に、水もしくは水蒸気が生じる。触媒バーナ２４中で発生する、熱を運搬する反応生成物は、目下、非活動状態の燃料運転バーナ２６を貫流し、それゆえ熱交換器装置２８もしくは熱交換器装置３０に達する。これらの反応生成物中で運搬される熱の大部分は、熱交換器装置２８中で、コンプレッサー４２によりこの装置２８を通って搬送されかつ改質装置１６へ導入すべき空気に伝達されるので、これも、目下水素を発生させるために作動している改質装置１６へ入る際に、既に適した高められた温度を有する。さらに、燃料電池の運転において、これはもはや加熱されなければならないのではなく、むしろ、燃料電池タイプに応じて、多少なりとも強く冷却されなければならないので、目下、循環路４６を経て熱は、熱交換器装置４８中で、循環路４６中で循環している水に伝達され、その際、このためには、例えば循環方向は、示されている循環方向と逆でありうる。さらに、当然、この循環路４６中で水を搬送しているポンプが、示されていない別の熱交換器装置と同じように、設けられていてよいことが指摘されうる、この装置中で、ついで循環路４６中で循環している水が熱交換器装置３０中又は熱交換器装置４８中で吸収した熱が、乗り物車内を加熱するために、この中へ導入すべき空気に伝達されることができる。

前記で図１に関して記載された燃料電池系１０は、すなわち、特にバーナ装置２２の領域中で、ブロワ３２により供給され、そうでなくとも存在しているかもしくは必要な空気流を極めて効率的に利用する。ここでは、すなわち、構成を単純化し、かつ効率的に作動している全系の結果となる、系の領域の融合が存在している。

図１に示された系の場合に使用されることができるようなバーナ装置２２は、原理図の図２において確認可能である。このバーナ装置２２は、上流の第一供給領域５２中でブロワ３２又はコンプレッサー４２から空気Ｌが供給される管状のハウジング５０を含んでいる。さらに、この上流の供給領域５２中で、矢印Ｗにより表示されたように、水素の希薄化されたガスが燃料電池１４から供給される。流動方向Ｒに向かってついで続いており、かつ本質的には触媒バーナ２４を形成している第一バーナ領域５４中に、触媒材料５６が設けられている。この第一バーナ領域５４に、流動方向Ｒに向かって、第一火炎防止器５８の後に、本質的には前記で既に記載された燃料運転バーナ２６により提供されている第二バーナ領域６０が続く。この燃料運転バーナ２６に、ついで第二火炎防止器６２並びに熱交換器装置２８が続く。図１に同様に表されている第二熱交換器装置３０は、図２において確認可能ではないが、しかしながら、当然、相応する方法で、加熱すべき媒体を貫流できる体積領域を有していてよい。

燃料運転バーナ２６は、第一火炎防止器５８に続いて燃料蒸発器６４を含んでいる。この蒸発器６４は、上流へ向かって閉じており、下流に向かって開いている、ポット状の蒸発器ハウジング６６を有する。この蒸発器ハウジング６６中で、多孔性の蒸発器媒体６８及びこの媒体６８に場合により取り付けられて電気的に運転可能な加熱装置７０が配置されている。多孔性の蒸発器媒体６８へ、前記で既に記載された管路３８により燃料が導入される。電気的に運転可能な加熱装置７０を励起する際に、多孔性の蒸発器媒体中で存在している燃料が蒸発する。蒸発器ハウジング６６は、その上流の及びその周辺領域上で第一バーナ領域５４を貫流しているガス、特にまた空気Ｌにより流れが結合されてよい。この空気Ｌは、下流に向かって開いている蒸発器６４の領域中で、その中で蒸発している燃料と混合され、それゆえ、燃料運転バーナ２６の燃焼室７２中で白熱点火機関７４により燃焼のために点火されることができ、燃料、蒸気及び空気からなる発火しやすい混合物が発生する。ここでは、当然、蒸発器６６の領域中で、蒸発している燃料と一緒に燃焼すべき空気も多孔性の媒体６８へ入り、それゆえ増大した蒸発をもたらすことが配慮されうることが指摘されうる。

双方のバーナ領域５４、６０のどちらが運転されるか次第で、熱を運搬している燃焼生成物は、熱交換器装置２８にかもしくは熱交換器装置３０にも達して、そこで熱を、これを貫流している熱媒体、すなわち空気もしくは水に伝達する。

図２に表されているバーナ装置２２の場合に、基本原理として流動方向Ｒに向かって互いに続いて、共通の空気供給が設けられている双方のバーナ領域５４、６０の位置取りが確認される。上流の第一供給領域５２中で、さらに、第一バーナ領域５４の運転に必要な水素含有ガス混合物Ｗが供給されるのに対して、本質的には管路３８により供給される第二のもしくは下流の供給領域７６中で、バーナ領域６０の運転に必要な燃料が供給される。

バーナ領域５４、６０とバーナ領域６０と第一熱交換器装置２８との間に設けられた双方の火炎防止器５８、６２は、一方では、逆火により触媒材料５６中の損傷が防止されることができ、かつ他方では、燃焼室７２からの火炎が熱交換器装置２８及び蒸発器ハウジング６６の領域中へ直接に達することができず、かつそこで局所的に過度の加熱に寄与できないことが配慮される。

十分に空気が供給される場合に、原則的に双方のバーナ領域５４、６０が同時に運転されることができることは自明であるので、この空気中に含まれている全酸素は既にバーナ領域５４中で反応されない。にもかかわらず、図１に表された燃料電池系１０の前記の機能原理から、原則的に、触媒バーナ２４及び燃料運転バーナ２６の同時の運転が不必要であることが確認される。同時の運転は、しかしながら、廃ガス後処理に必要でありうる。

一部変更された燃料電池系１０は、図３に表されている。まず最初に、バーナ装置２２中で、燃料運転バーナ２６及び第一熱交換器装置２８の順序が交換されていることが確認される。第一熱交換器装置２８は、目下触媒バーナ２４に直接に続いており、かつそこで発生した熱を、ポンプ４４によりガス発生系１２の改質装置１６に搬送される水へ伝達する。水素発生に必要な空気は、まず最初に、ブロワ３２の搬送作用下に及び弁３４を経て、触媒バーナ２４もしくは燃料電池１４の方向へ及びまた目下必要な圧力をガス発生系１２への空気の供給のために供給するコンプレッサー４２の方向へも導通される。コンプレッサー４２には、別の燃料運転バーナ７８が後接続されている。図３による実施態様において確認可能な付加的な燃料運転バーナは、確認可能な燃料運転バーナ２６と同じように、従来の構成であってよく、かつ蒸発バーナとして作動してよい。コンプレッサー４２から搬送される空気は、燃料運転バーナ７８を活動状態でないうちは貫流し、ガス発生系１２の熱交換器装置１８へ入り、これはついで改質装置１６に導通されるために、熱交換器装置１８を再び去る。管路３８を経て近づいた燃料は、目下、弁４４及び別の弁８０を経て、燃料運転バーナ２６に、燃料運転バーナ７８に及び改質装置１６に導通され、その際、弁４０、８０の配線に応じて、ここで、選択的に１つ又はそれ以上のこれらの領域のみに、液体燃料が供給されることができる。

図３に示されたこの燃料電池系は、まず最初に、燃料運転バーナ２６も、及び付加的に燃料運転バーナ７８も活動状態にされるように運転される。このためには、少なくとも、触媒バーナ２４にも取り付けられたブロワ３２、好ましくは付加的にしかしながらコンプレッサー４２も活動状態にされる。燃料運転バーナ２６中で発生した熱は、第二熱交換器装置３０中で、目下、循環路４６中で循環している水に及びこの水から燃料電池１４の熱交換器装置４８に伝達される。燃料運転バーナ７８中で発生した熱は、そのバーナ７８の燃焼生成物中で熱交換器装置１８に運搬される。その際、これらの燃焼生成物は、熱交換器装置１８の同時の加熱下に冷却され、ついで改質装置１６へ入る。改質装置１６中でも熱が放出されるので、これらの燃焼生成物は、目下、燃焼生成物が燃料運転バーナ７８を去る際及び熱交換器装置１８へ初めて入る際に有していた温度よりも低い温度を有して熱交換器装置１８へ入る。このことは、さらにガス清浄化段階２０に導通される燃焼生成物もいくらか加熱されることをもたらす。このことは、ガス発生系１２及びまた燃料電池１４の多様な系の領域への熱の極めて均質な分布をもたらす。

しかしながら、燃料電池１４は、目下、別の弁８２が前接続されている。この弁を経て、選択的にガス発生系１２を去るガスを燃料電池１４に導通すること又は外へ向けて放出することが可能である。特に燃料運転バーナ７８中で極めて高い一酸化炭素分が発生する系の始動段階において、この弁８２は、ガス発生系１２の貫流後にこれらの燃焼生成物が燃料電池１４へ達することができないように接続される、それというのも、これらの生成物はそこで触媒材料の損傷をまねきうるからである。これらの燃焼生成物がより僅かなＣＯ含量を有する際にはじめて、これらは、弁８２の相応する切り替えにより燃料電池１４を通っても導通されてよく、それゆえ、付加的にも、その加熱に寄与するか、もしくは場合により弁３６の相応する接続の際に触媒バーナ２４中へも、そのバーナ２４もしくは触媒材料を加熱するために導入されてよい。この際、場合によりしかしながら燃料運転バーナ２６の運転の妨害が発生されうるので、原則的に、燃料電池１４を去る燃料運転バーナ７８の燃焼生成物は、弁３６を経て外へ向けてもしくは廃ガス清浄化系中へ放出されてよい。

破線の矢印Ｐにより表示されたように、燃料運転バーナ７８を去る燃焼生成物に、付加的に特定の水含分を混合することが可能である。これらの燃焼生成物の高い温度に基づき、この水は蒸発し、かつ水蒸気として、熱交換器装置１８及び改質装置１６を通って運搬される。このやり方で、例えば、改質装置１６に供給すべき全水の約３分の１が前もって、水蒸気で豊富化された燃焼生成物のより高い蓄熱容量に基づき熱交換器装置１８の増大した加熱に利用されることができる。

図３に示されたこの系の場合に必要な温度に達している場合には、双方の燃料運転バーナ装置２６、７８は非活動状態にあり、かつ目下触媒バーナ２４中で、同時にも運転される燃料電池１４で、反応は水素及び空気酸素の変換下に進行しうるものであり、その反応熱は、ついで熱交換器装置２８中で改質装置１６に導通された水に伝達される。

本発明による燃料電池系の別の実施態様は図４に示されている。これは、本質的には前記で図３に関して記載された燃料電池系と同じように構成されている。しかしながら、バーナ装置２２の廃ガス流中で第二熱交換器装置３０に続いて、目下、切り替え弁８４が設けられていることが確認される。この切り替え弁８４により、燃料運転バーナ２６の燃焼生成物は、選択的に、ガス発生系１２の改質装置１６へ導通されることができる。ここで、すなわち、燃料運転バーナ２６は、一方では、図３において確認可能であるのと同じように、熱交換器装置３０中で、循環路４６中で循環しておりかつ燃料電池１４を加熱している水の加熱に寄与する限り、かつ他方では、熱交換器装置３０を去る依然として温かいその燃焼廃ガスと共にガス発生系１２の加熱に寄与するように、図３において確認可能な付加的な燃料運転バーナ７８と交換する。ここでも、燃料運転バーナ２６の始動段階において、燃料発生系１２を貫流している燃焼生成物が、弁８２の相応する接続により燃料電池１４に導通されないように行われる。ＣＯ含量が燃料電池に無害な程度に低下している際にはじめて、弁８２の切り替えにより、燃料電池１４もこれらの燃焼生成物により予熱されることが配慮されうる。

選択的に、ここでは、破線の矢印Ｓにより表示されたように、燃料運転バーナ２６の燃焼生成物を直接改質装置１６へではなくて、まず最初にガス発生系１２の熱交換器装置１８へ導通することが可能であるので、前記と同じように、この熱交換器装置１８も予熱され、燃焼生成物がついで改質装置１６をその加熱下に貫流し、かつ熱交換器装置１８中でついで熱もこの中へ入っていく燃焼生成物から受け入れる。

図４に示された燃料電池系１０の変化形の場合に、弁８４は、燃料運転バーナ２６の燃焼廃ガス又は弁８４の位置により決定できるその一部を、熱交換器装置３０を通して導通するのではなく、直ちに本質的な熱損失なしにガス発生系１２にその加熱のために導通するために、燃料運転バーナ２６と熱交換器装置３０との間に配置されていてよい。

前記の全ての燃料電池系１０が、燃料運転バーナ２６又は／及び７８の統合に基づいて全系が付加的に、循環路４６とも一緒に、例えばディーゼルユニット(Dieselaggregat)用の、補助ヒータとしてか又は乗り物車内用の駐車ヒーティングとして運転されることができるという基本的な利点を有することが指摘されうる。特に駐車ヒーティングモードにおいて、さらに、ガス清浄化系１２及び燃料電池１４の相応する加熱する後に、燃料電池１４中でついでその運転する際に発生した電気エネルギーを、燃料運転バーナ２６に供給するために利用することが可能である。燃料電池１４がまだ作動していない始動段階の間に、このためには、外部エネルギー源が必要である。

さらに、記載された全ての系の場合に、ガス発生系１２を、改質装置１６に供給される燃料の化学量論的に過剰の燃焼により上流の又は下流の領域中で付加的に、ガス発生系１２のとりわけ異なる多様な系の構成要素のさらに促進された加熱に寄与する熱が供給されるように構成することが可能であることが指摘されうる。

本発明による全ての燃料電池系の場合に、当然、前記の蒸発器バーナの代わりに、燃料運転バーナとして他のタイプを使用することが可能である。ここでは、例えば噴射バーナ又はマトリックスバーナが同じように使用されることができる。

図に表されていない別の実施態様の場合に、さらに、ガス発生系１２を、まず最初に水素を含有しているガス混合物を発生させ、この混合物がついで水素分離膜の使用下に２つの部分流に分配されるように構成することが可能である。これらの部分流のうちの第一の部分流は、本質的には水素のみを含有し、かつ燃料電池１４に導通される。第二の部分流は、水素が希薄化されているが、しかし依然として特定の水素含分を含有する。この水素の希薄化されたガス流は、ついで燃料電池１４にではなくて、直接に触媒バーナ２４に導通されて、そこで空気と一緒に反応され、かつ熱が発生する。そのような系の場合に、さらに、燃料電池１４を去る依然として水素含分を含有する流れを、水素の希薄化されたガス流と同じように触媒バーナ２４に導通して、そこでまだ存在している水素を、熱を発生させるために利用しうることが可能である。

燃料電池系１０の本発明による別の実施態様は図５に示されている。運転において冷却を必要とするいわゆるＰＥＭ燃料電池が使用された前記の系とは異なり、図５に示される系の場合には、高温型燃料電池、すなわち約６５０℃の運転温度で作動するいわゆるＳＯＦＣ燃料電池が使用されている。故に、この燃料電池の場合に、運転に必要な温度を、熱媒体としての水を用いて発生させることは不可能である。図５に示された燃料電池系の場合に、故に、水を導いている循環路４６も、燃料電池１４と接触していない。むしろ、ガス発生系を去る水素含有ガス混合物が、ガス清浄化段階を通って導通されることなく、熱交換器装置２８を貫流し、ついで燃料電池１４へ達することが確認される。ガス発生系１２には、弁８０、４０の相応する配線の場合に燃料が供給されうるものであり、かつ弁８６の相応する配線の場合にブロワ３２又はコンプレッサー又はそのようなものから空気が供給されうる燃料運転バーナ７８も前接続されている。

予熱段階において、運転される燃料運転バーナ７８で、燃焼により、熱交換器装置１８を貫流し、かつ改質装置１６へ導通される熱い燃焼生成物が発生する。改質装置１６を貫流する際に、この改質装置１６も加熱される。燃焼生成物は、ついで弁８２に達し、かつ燃料電池１４の予熱のためにこの燃料電池１４を通っても導通されてよい。必要な場合には、しかしながら、これらの燃焼生成物を、弁８２及び表されていない廃ガス清浄化系を経て周囲へ放出することも可能である。ガス発生系１２もしくは燃料電池１４の十分な予熱後に、非活動状態の燃料運転バーナ７８でついで、燃料電池１４も流れの発生のために運転できるように、水素含有ガス混合物の発生が開始される。その際、改質装置１６中で弁８０、４０を経て供給される燃料に加えて必要な空気は、この段階においてしかしながら活動状態にない燃料運転バーナ７８及び熱交換器装置１８を経て、改質装置１６に供給され、それゆえリフォメートの発生の際にも同時に予熱される。燃料電池１４を去る水素の希薄化されたガス混合物は、弁３６を経て触媒バーナ２４に導通され、そこで弁８６、３４を経て供給される空気と一緒に熱を発生させるために変換される。熱交換器装置２８中で、この熱はついで、弁８６、３４を経て燃料電池１４へ導入すべき空気に伝達されて、これを予熱する。

図５に表される系の場合に、燃料運転バーナ２６は、これに後接続される熱交換器装置３０を用いて、例えば駐車ヒーティング又は補助ヒータ以外の乗り物系の領域を加熱するためにのみ作動する。しかしながら、燃料運転バーナ２６及び熱交換器装置２８の位置取りが交換されており、かつ例えば図１において確認可能な段切り(Staffelung)が存在する変法も可能である。この場合に、ついで、燃料運転バーナ２６も、始動段階において運転されてよく、そこで発生した熱を熱交換器装置２８中で空気に伝達し、この空気はついで燃料電池１４の予熱のためにこの中へ供給される。

第一の実施態様による燃料電池系を示すブロック線図。

図１の系の場合に使用可能なバーナ装置を示す原理図。

選択的に構成された系を図１に相応して示す平面図。

別の実施態様による燃料電池系を示すブロック線図。

別の実施態様による燃料電池系を示す別のブロック線図。

符号の説明

１０ 燃料電池系、 １２ ガス発生系、 １４ 燃料電池、 １６ 改質装置、 １８ 熱交換器装置、 ２０ ガス清浄化段階、 ２２ バーナ装置、 ２４ 触媒バーナ、 ２６ 燃料運転バーナ、 ２８ 第一熱交換器装置、 ３０ 第二熱交換器装置、 ３２ 空気搬送ブロワ、 ３４ 弁、 ３６ 弁、 ３８ 燃料供給管、 ４０ 弁、 ４２ コンプレッサー、 ４４ コンプレッサーもしくはポンプ、 ４６ 熱媒体循環路、 ４８ 熱交換器装置、 ５０ ハウジング、 ５２ 供給領域、 ５４ 第一バーナ領域、 ５６ 触媒材料、 ５８ 第一火炎防止器、 ６０ 第二バーナ領域、 ６２ 第二火炎防止器、 ６４ 燃料蒸発器、 ６６ 蒸発器ハウジング、 ６８ 蒸発器媒体、 ７０ 加熱装置、 ７２ 燃焼室、 ７４ 白熱点火機関、 ７６ 供給領域、 ７８ 燃料運転バーナ、 ８０ 弁、 ８２ 弁、 ８４ 切り替え弁、 ８６ 弁、 Ｌ 空気、 Ｒ 流動方向、 Ｗ 水素含有ガス混合物

Claims (13)

1. 燃料電池系において、
   ・燃料を使用して水素含有ガス混合物を発生させるためのガス発生系（１２）、
   ・水素含有ガス混合物がその中に含まれている水素を利用するために供給されうる、電気を発生させるための燃料電池（１４）、その際に、水素の希薄化されたガス混合物が燃料電池（１４）を去り、
   ・水素の希薄化されたガス混合物が熱を発生させるために供給されうる触媒バーナ（２４）、
   ・触媒バーナ（２４）に続く、燃料を燃焼して火炎を形成する燃料運転バーナ（２６）、
   ・燃料運転バーナ（２６）に続く、触媒バーナ（２４）中で発生した熱及び燃料運転バーナ（２６）中で発生した熱を熱媒体に伝達するための熱交換器装置（３０）、
   ・ガス発生系（１２）及び燃料運転バーナ（２６）に燃料を供給するための供給管（３８）、
   を含んでいて、
   燃料運転バーナ（２６）又は／及び触媒バーナ（２４）の燃焼生成物が、ガス発生系（１２）に、水素含有ガス混合物を発生させるための反応物質として供給されうることを特徴とする、燃料電池系。
2. 触媒バーナ（２４）が、空気が触媒バーナ（２４）中での変換のため又は／及び燃料運転バーナ（２６）中での変換のために搬送されうるブロワ（３２，４２）を有している、請求項１記載の燃料電池系。
3. ブロワ（３２，４２）により空気が燃料電池（１４）に搬送されうる、請求項２記載の燃料電池系。
4. 流動方向（Ｒ）に向かって、触媒バーナ（２４）と燃料運転バーナ（２６）との間に触媒バーナ（２４）中で発生した熱を第一熱媒体に伝達するための第一熱交換器装置（２８）が設けられており、かつ燃料運転バーナ（２６）の下流に向かって、燃料運転バーナ（２６）中で発生した熱を第二熱媒体に伝達するための第二熱交換器装置（３０）が設けられている、請求項１、２又は３記載の燃料電池系。
5. 熱媒体又は／及び燃料運転バーナ（２６）又は／及び触媒バーナ（２４）の燃焼生成物が、ガス発生系（１２）又は／及び燃料電池（１４）に加熱するために供給されうる、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃料電池系。
6. ガス発生系（１２）に、別の燃料運転バーナ（７８）が、加熱したガスの流れを発生させるために、ガス発生系（１２）の熱交換器装置（１８）に供給するため又は／及びガス発生系（１２）の改質装置（１６）に供給するために取り付けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃料電池系。
7. 加熱したガスの流れに水が混合されうる、請求項６記載の燃料電池系。
8. 以下の
   ・空気搬送ブロワ（３２，４２）を用いて空気（Ｌ）を供給するため及び水素含有ガス混合物（Ｗ）を供給するための上流の第一の供給領域（５２）、
   ・水素含有ガス混合物（Ｗ）を変換するための触媒装置（５６）を有する、熱を発生させるための第一バーナ領域（５４）、
   ・第一バーナ領域（５４）の下流に向かって、第一供給領域（５２）中で供給される空気（Ｌ）と一緒に発火しやすい燃料／空気−混合物を形成させるための燃料を供給するための第二供給領域（７６）を有する第二バーナ領域（６０）、
   ・第二バーナ領域（６０）の下流に向かって、第一バーナ領域（５４）中で及び第二バーナ領域（６０）中で発生した熱を熱媒体に伝達するための熱交換器装置（２８，３０）
   を有するバーナ装置を含んでいる、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃料電池系。
9. 第一バーナ領域（５４）と第二バーナ領域（６０）との間又は／及び第二バーナ領域（６０）と熱交換器装置（２８，３０）との間に、火炎防止器（５８，６２）が配置されている、請求項８記載の燃料電池系。
10. 第一バーナ領域（５４）と第二バーナ領域（６０）との間に、第一バーナ領域（５４）中で発生した熱を熱媒体に伝達するための別の熱交換器装置（２８）が設けられている、請求項８又は９記載の燃料電池系。
11. 第二バーナ領域（６０）が、空気搬送ブロワ（３２，４２）により搬送される空気及び燃料蒸発器（６４）中で発生した燃料蒸気が点火機関（７４）の使用下に燃焼されうる燃焼室（７２）を有している、請求項８から１０までのいずれか１項記載の燃料電池系。
12. 燃料蒸発器（６４）が、液体燃料を受け入れている多孔性の蒸発器媒体（６８）、及びこれに取り付けられて燃料蒸気を発生させるための加熱装置（７０）を有している、請求項１１記載の燃料電池系。
13. 燃料蒸発器（６４）が、蒸発すべき燃料が導入可能であり、かつ空気搬送ブロワ（３２，４２）からこちらへ搬送される空気によりその空気と燃料蒸気とを混合するために蒸発器ハウジング（６６）の下流に向かって流れが結合されうる、下流の方向に開口した蒸発器ハウジング（６６）を有している、請求項１１又は１２記載の燃料電池系。

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