JP7296975B2 - 燃料電池システム及びその作動方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システム及びこの燃料電池システムを作動させる方法に関する。より詳細には、燃料電池システム内で燃焼器及び改質器の結合体を使用することに関し、この場合、燃焼器の排気ガスは、改質器を加熱するために使用される。
燃料電池システムは、発電する際に副産物として熱を発生する。この熱は、燃料電池内の流路を循環する冷却液で除去され、この場合、熱交換器及び放熱器を通る冷却液の流れは、燃料電池を最適に作動させるための定常温度に維持するために調節される。好都合には、冷却液は、始動時に燃料電池を加熱するために使用される。同じ出願人の国際公開第２０１６／００８４８６号は、燃焼器／改質器結合体と一緒に燃料電池のスタックを含む小型燃料電池システムを開示する。燃焼器の排気ガスは、改質器に沿って流れ、改質器が蒸発燃料から合成ガスを生産するために必要な温度に到達するためにこれを加熱する。一旦、燃焼器からの排気ガスが改質器を通過すると、排気ガスは、改質器の下流の熱交換器モジュールに熱を伝達する。熱交換器モジュールは、燃料電池スタックが迅速に作動する必要がある始動時に冷却液を加熱するために冷却システム内の冷却液に熱エネルギーを伝達するための放熱器を備える。しかし、このシステムは、特に始動時に欠点があり、さらなる改善が必要である。
国際公開第２０１３／１６１４７０号、国際公開第２０１３／１８７１５４号、米国公開第２０１４／２８７３３２号、米国公開第２０１４／２２７６１９号、欧州特許第２９８４６９５号、及び米国特許第４６７０３５９号には様々な他の燃料電池システムが開示されている。
上記の開示で提案された改善案にもかかわらず、燃料電池システムの効率の改善という不変のニーズがある。特に、始動時並びに通常の発電運転時に燃料電池の作動を良好に制御するためのニーズがある。
国際公開第２０１６／００８４８６号 国際公開第２０１３／１６１４７０号 国際公開第２０１３／１８７１５４号 米国公開第２０１４／２８７３３２号 米国公開第２０１４／２２７６１９号 欧州特許第２９８４６９５号 米国特許第４６７０３５９号
本発明の目的は、本技術分野での改善をもたらすことである。特に、本発明の目的は、作動制御が改善された燃料電池システムを提供することである。さらに、本発明の目的は、燃料電池システムの始動状態を改善することである。詳細には、本発明の目的は、始動状態での燃焼器の使用を最適化することである。これらの目的は、以下に詳細に説明するシステム及び方法で達成される。
燃料電池システムは、燃料電池と、液体燃料を供給するための液体燃料供給源と、液体燃料を燃料蒸気へ気化するための蒸発器と、燃料蒸気を燃料電池で用いる合成ガスに触媒転化するための改質器とを備える。さらに、燃焼器が設けられ、そのガス排気口は、排気ガスによって改質器を加熱するために、排気ガス流路を介して改質器と流れ連通状態にある。
特定の実施形態において、燃焼器は、混合室の延長部でその下流に配置され触媒モノリスを備え、混合室では、触媒モノリスに入る前に空気が蒸発燃料又は残留ガスと混合される。
好都合には、混合室はスリーブによって取り囲まれ、スリーブは、混合室の周りに複数の開口を備え、開口を通して燃料蒸気又は残留ガスを供給するようになっている。
随意的に、開口は、スリーブ面に対して直交してスリーブを貫通して延びておらず、モノリスに向かう方向に傾いており、モノリスに向かう残留ガス又は燃料蒸気の流れを作り出すようになっている。これは混合を最適化するのに好都合であることが分かっている。
選択肢として、スリーブは２セットの開口を備え、各セットの開口は、スリーブの長手方向軸に対して直交する平面内に分散配置され、第１セットの開口の平面は、第２セットの開口の平面から距離を有している。第１セットの開口は、始動段階でのみ燃料蒸気のために用いられ、第２セットの開口は、燃料電池システムの通常作動時でのみ残留ガスのために用いられる。
随意的に、燃料電池システムは、例えば、唯一又は主として始動段階の間に、第１セットの開口だけを通して燃料蒸気を混合室に運ぶよう構成されている。随意的に、代替的に又は追加的に、燃料電池システムは、例えば、唯一又は主として燃料電池システムの通常動作時に、第２セットの開口だけを通して残留ガスを混合室に運ぶよう構成されている。
随意的に、燃料電池の通常作動に照らして、始動段階時の質量流量を調節するために、第１セットの開口の開口の数又はサイズは、第２セットの開口の開口の数又はサイズとは異なっている。例えば、２セットの開口は同じサイズであるが、第２セットの開口にはより多くに開口が存在する。この異なるセットの開口の構成により、非常に単純であるが有効な手段で、制御されかつ安定した所定の流れが得られる。
スリーブの技術的特徴により、燃料電池システムの良好な作動、特に空気の燃料蒸気及び残留ガスの混合がもたらされる。
本発明の別の実際的な実施形態を詳細に述べる前に、本発明の利点をさらに理解するために以下の考察が有用である。燃料電池システムの始動時、温度の迅速な上昇が望ましく、これは結果的に燃焼器及び高温排気ガスの積極的な使用を必要とする。これはある程度まで好都合であり、燃焼器を高温で有効利用することは所謂クリーン燃焼を意味する。しかしながら、本発明者は、始動状態での最適燃焼の間に排気ガスの温度が非常に高くなる可能性があり、排気ガスの熱によって改質器が劣化するリスクがあることを認識している。従って、燃焼器の効率と改質器に達する排気ガスの温度との間のバランスを見出す必要がある。しかしながら、空気を増加させて、結果的に排気ガス温度を低下させることによって燃焼器の効率を低下させる直接的な技術的解決策の代わりに、本発明者は、問題に対して良好であるが依然として単純な解決策を見出しており、これは、燃焼器の有効利用につながるが、同時に改質器の劣化を防ぐ。
この単純な解決策は、排気ガスが改質器に達する前に燃焼器からの排気ガスの温度を下げるために、燃焼器と改質器との間の排気ガス流路内に熱交換器を用意することを意味する。燃焼器と改質器との間に排気ガス熱交換器を設けることで、燃焼器からの排気ガスの大部分の熱エネルギーは、排気ガスが改質器に達する前に排気ガス熱交換器によって効率的に除去され、これは改質器を保護すると同時に熱エネルギーを燃料電池システム内の他の構成要素に、特に燃料電池に効率的に伝達する。改質器の加熱は通常作動時のみで必要なので、排気ガスからの大部分の熱は、好都合に始動時に燃料電池へ伝達される。
高温の排気ガスを許容することで、燃焼器を通る空気流を低減することができ、このことは、改質器の過熱を防ぐためにより多くの空気流が使用される従来技術で用いられる一般的な空気流に比べて、良好な燃焼につながる。
本明細書では、燃料電池システムにおける用語「燃料電池」は単純化のために使用され、複数の燃料電池、例えば燃料電池スタックも意味することを理解されたい。一般的に、スタック内の各燃料電池は共通冷却回路を共用するために相互接続されている。
例えば、燃料電池は、高温プロトン電解質膜（ＨＴＰＥＭ）燃料電池とも呼ばれる、高温プロトン交換膜燃料電池であり、これは摂氏１２０度を超えて作動し、ＨＴＰＥＭ燃料電池を低温ＰＥＭ燃料電池（摂氏１００度以下、例えば７０度で作動する）と区別する。ＨＴＰＥＭ燃料電池の作動温度は、摂氏１２０度から２００度の範囲であり、例えば、摂氏１６０度から１７０度の範囲である。ＨＴＰＥＭ燃料電池の電解質膜は、鉱酸ベースであり、典型的には、高分子フィルム、例えば、リン酸でドープされたポリベンゾイミダゾールである。
液体燃料を使用する場合、燃料電池用の水素は、液体燃料を、大量のガス状水素を含有するシンガスと呼ばれる合成ガスに転化することで発生する。液体燃料の例は、メタノールと水の混合物であるが、他の液体燃料、特にエタノールを含む他のアルコールも使用することができる。転化のために、液体燃料を蒸発器内で気化し、その後、燃料蒸気を燃料電池に入る前に改質器内で触媒反応で合成ガスに転化する。ＨＴＰＥＭ燃料電池は、好都合には、比較的高いＣＯ濃度に耐性があり、従って改質器と燃料電池スタックとの間にＰｒＯｘ反応器を必要とせず、もちろん単純、軽量で安価な改質器を使用することができ、これは、例えば自動車産業用の小型燃料電池システムを提供する目的に合致して、全体サイズ及び重量を最小化する。
液体燃料を受け取るために、蒸発器は、液体燃料供給源への上流側液体導管を有し、液体燃料から燃料蒸気に気化させるように構成され、次に、この燃料蒸気は、蒸発器の下流側と改質器の上流側との間の蒸気導管を通って改質器に供給される。加えて、改質器は、燃料電池への下流側合成ガス導管を有し、これを通って合成ガスが燃料電池に供給される。
温度を改質器の転化プロセスに適した温度、例えば摂氏約２８０度に至らせるために、燃焼器は、燃料電池の通常作動の間に用いられる。例えば、燃焼器の排気ガスは、典型的には改質器の外壁に沿う高温排気ガス流によって、改質器の壁を加熱するために用いられる。好都合には、改質器の外壁は、排気ガスと改質器の壁との間の熱エネルギーの良好な伝達を保証するための薄い金属製の羽根又はフィンを備える。改質器の壁は、良好な熱導体、例えばアルミニウムで作られている。有用な押出成形の小型改質器の例は、本出願人の国際公開第２０１７／１２１４３１号及び国際公開第２０１７／２０７００４号に開示されている。
実際的な実施形態において、上流側液体導管は、液体燃料供給源から蒸発器へ液体燃料を供給するために、液体燃料供給源に接続される。さらに、蒸気導管は、蒸発器から改質器へ燃料蒸気を供給するために改質器に接続される。改質器から燃料電池への合成ガス導管は、改質器から燃料電池へ合成ガスを供給する。
燃料電池システムの始動時、蒸発燃料及び空気は、燃焼器に供給され、触媒的に燃焼して高温排気ガスをもたらす。熱エネルギーは、排気ガス熱交換器内の冷却液に伝達される。発電用の温度に到達するために熱エネルギーによって燃料電池を加熱する目的で、熱エネルギーが冷却液から燃料電池へ伝達される
適切な温度に達すると、システムは、燃料電池の始動状態から通常作動に切り替わるよう構成される。通常作動時、燃料電池からの残留ガスは燃焼器に供給され、燃焼器は、残留ガスを触媒的に燃焼させて排気ガスをもたらし、その熱エネルギーは、改質器に伝達される。
随意的に、排気ガス熱交換器は、通常作動時に排気ガスの温度を低下させるために使用することもできるが、一般的に、排気ガスの全ての熱は改質器を加熱するために使用されるので、このことは事実ではないであろう
冷却液回路は、冷却液によって燃料電池を冷却するために設けられる。冷却液回路は、燃料電池に入る前に冷却液を冷却するよう構成された一次熱交換器を備える。例えば、一次熱交換器は、一次熱交換器内の冷却液からの熱を空気に伝達するためにクーラー上に空気を送風するエアブロークーラーを備える。
一部の実施形態において、冷却回路は一次冷却回路を備え、一次冷却回路からの冷却液によって燃料電池を冷却する。従って、一次熱交換器は、一次冷却回路に設けられ、燃料電池に入る前に冷却液を冷却するよう構成される。さらに、燃料電池システムは、熱を排気ガスから二次冷却回路内の冷却液へ伝達するために排気ガス熱交換器を通る二次冷却回路を備える。通常作動に関して、一次及び二次冷却回路は、必ずしも熱的に接続する必要はないが、互いに独立して機能することができる。しかしながら、熱が排気ガスから燃料電池に伝達される始動段階に関して、一次冷却回路及び二次冷却回路が、例えば二次熱交換器を介して互いに熱的接続状態にあること、又はこれらが冷却液を共用するように互いに流れ接続状態にあることさえ好都合である。
燃焼器及び排気ガス熱交換器を互いに当接状態にして小型燃焼器モジュールを形成することで小型化の解決策が見出されている。
スペースが問題になる場所で使用する小型燃料電池システムの例は、国際公開第２０１６／００８４８６号、国際公開第２０１６／００８４８７号、国際公開第２０１６／００８４８８号にある。このような全体的構成は、本発明と関連することもできる。
２セットの開口を備えるスリーブの特殊な構成は、本明細書に示された排気ガス熱交換器と無関係の発明であるが、好都合にはこれと組み合わされる。
明瞭化のために、本明細書の全ての温度は摂氏で提示される。
本発明は、添付図面を参照して以下に詳細に説明される。
冷却回路を備える燃料電池システムのフロー図である。 燃焼器モジュールの組み立て状態の図である。 燃焼器モジュールの分解組立図である。 燃焼器モジュールの一部が断面である側面図である。 別のフロー図を示す。 別のフロー図を示す。 別のフロー図を示す。 別のフロー図を示す。 別のフロー図を示す。 別のフロー図を示す。 別のフロー図を示す。 別のフロー図を示す。 別のフロー図を示す。 別のフロー図を示す。
図１は、燃料供給タンク３から液体燃料、例えばメタノール及び水の混合物が供給される燃料電池、例えば燃料電池スタックを備える燃料電池システム１を示す。燃料タンク３からの液体燃料は、第１の燃料ポンプ４Ａによって液体導管５Ａを通って蒸発器６の中にポンプ圧送され、蒸発器において、液体燃料の温度は、燃料熱交換器導管５Ｂの中で燃料蒸発に至るまで上昇する。蒸気は、例えば、随意的に銅を含む触媒を用いて、蒸気を触媒的に合成ガスに転化する改質器７に供給される。合成ガスは、主として水素及び二酸化炭素並びに少量の水ミスト及び一酸化炭素から成る。合成ガスは、合成ガス導管５Ｃを通って燃料電池スタック２のプロトン電解質膜の陽極側に供給され、一方で、典型的に空気からの酸素は、プロトン電解質膜の陰極側に供給される。
改質器７の転化プロセスに適する温度、例えば摂氏約２８０度に到達するために、燃焼器モジュール８が用いられ、燃料電池スタック２からの陽極残留ガスを燃焼のために使用する。残留ガスは、燃料電池スタック２から残留ガス導管５Ｄを通って燃焼器モジュール８へ供給される。例えば、残留ガスの燃焼によって、燃焼器８の排気ガスは、摂氏３５０－４００度の温度になり、典型的には改質器６の外壁に沿って排気ガスを案内することで改質器６の壁を加熱するために用いられる。
冷却回路９は、燃料電池スタック２の温度を制御するために用いられる。冷却回路９は、冷却液及び燃料電池スタック２の温度を例えば摂氏１２０度から２００度の範囲、例えば摂氏１７０度に調節するために、冷却液を燃料電池スタック２の出口部２Ａから、一次熱交換器１１を通して、次に燃料電池スタック２を通してポンプ圧送する冷却ポンプ１０を含む一次回路９Ａを備える。摂氏１７０度は、高温ＰＥＭ燃料電池スタックの典型的な温度である。
冷却回路９は、二次冷却回路９Ｂを備える。一次冷却回路９Ａから分岐し、冷却液を一次冷却回路９Ａから流量調節弁１２を通り、冷却液熱交換器導管９Ｂ’によって蒸発器６を通って導く。冷却液熱交換器導管９Ｂ’は、熱を冷却液から液体燃料に伝達してこれを蒸発させるために、燃料熱交換器導管５Ｂと熱的接続状態にあり、これによって二次回路内の冷却液の温度低下をもたらし、次に、この冷却液は、燃料電池スタック２の入口２Ｂに入る前に一次液体回路からの冷却液と混合する。適正な温度は、一次冷却回路９Ａ内の一次熱交換器１１を用いて制御される。例えば、高温ＰＥＭ燃料電池スタックの温度は摂氏１７０度であり、蒸発器６において温度は１６０度近くに低下し、これは燃料電池スタック２の入口で必要とされる温度である。典型的には、燃料電池スタック２の入口２ｂでの冷却液温度の精密制御のために、冷却液の温度の微調整だけが必要である。
図１に示すように、二次冷却回路９Ｂはまた、冷却液を燃焼器モジュール８を通して導く。これは、燃料電池システム１が適正な動作温度に迅速に到達することが望まれる始動時に重要である。このために、燃焼器モジュール８は、改質器７を加熱するだけでなく、二次冷却回路９Ｂ内の冷却液を加熱するために始動段階で使用される。加熱のために、燃焼器モジュール８は、液体燃料を燃料タンク３から二次燃料ポンプ４Ｂ及び燃料パイプ１３を通して受け取る。液体燃料は、燃焼器モジュール８内部の燃焼器－蒸発器ユニット内で蒸発するが、これについては以下で詳細に説明する。
二次冷却回路９Ｂ内の冷却液を燃焼器モジュール８を通して導くことは、通常の燃料電池スタック２の発電運転の場合は任意であり、二次冷却回路９Ｂは、冷却液が燃焼器モジュール８を通って案内される始動モードから、冷却液が燃焼器モジュール８を迂回する通常作動モードへ容易に切り替えることができる（図示の改質器７の周りの二次冷却回路９Ｂの迂回路と類似している）。
しかしながら、一部のシステムにおいて、燃焼器８が改質器７には温度が高すぎる排気ガスを供給する傾向があり、燃焼器モジュール８からの排気ガスを改質器７の加熱の前に冷却することが望まれることに起因して、燃料電池スタック２の通常作動時にも冷却液が燃焼器モジュール８を通るよう案内するのを継続することは好都合であろう。
燃焼器モジュール８の一例は、図２を参照して説明される。図２ａは、燃焼器モジュール８を組み立て状態で示し、図２ｂは分解組立図である。管接続具１３Ａは、図１の燃料パイプ１３から液体燃料を受け取る。蒸発様態でかつ空気源１４からの空気と混合して、燃料は燃焼器モジュール８に入り、触媒的に燃焼して熱をもたらす。また、始動時、燃焼器ハウジング１５は、ハウジング１５内の導管１６の中に挿入されている電気加熱要素（図示せず）で予熱することができる。燃料の燃焼時に発生する排気ガスは、排気ガス熱交換器１７を通って燃焼器モジュール８から出る。排気ガス熱交換器１７は、冷却液入口１８Ａから冷却液出口１８Ｂへの冷却液経路１８を有する。始動時、加熱された冷却液によって燃料電池２を加熱するために、排気ガスは、排気ガス熱交換器１７内の冷却液を加熱する。
随意的に、燃料電池スタック２の通常作動時、燃焼器の排気ガスは、改質器７を熱的に保護するために冷却液によって冷却される。
圧力プローブは、燃焼器を制御するために移用され、プローブコネクタ３４に接続される。
燃焼器モジュール８は、燃焼器８’の内部で燃料又は残留ガスが燃焼する燃焼器－蒸発器１９、並びに排気ガス熱交換器１７を備える。図２ｂは、燃焼器モジュール８を分解組立図で示し、排気ガス熱交換器１７は燃焼器８’から切り離されている。管接続具１３Ａを通して受け取った燃料は、燃焼器－蒸発器１９内で蒸発する。燃焼器－蒸発器１９は、燃焼器モジュール８の壁に組み込まれており、燃焼器チャンバ２０と熱的に接触し、そこから熱を受け取る。燃料の触媒的な燃焼のためのモノリス２１は、燃焼器チャンバ２０の内部に設けられている。これは円筒２２によって取り囲まれている。パッキング円筒２２は、随意的に、加熱時に僅かに拡張し、これによって、製造時の円滑な組み立て及び使用時のモノリスのしっかりした保持が可能になる。スリーブ２３は、パッキング円筒を取り囲む。スリーブ２３は、モノリス２１と空気供給モジュール２５との間に混合室を形成するためにモノリス２１を超えて領域２４に及ぶように大きな長さを有している。空気供給モジュール２５は、空気入口２８から空気を受け取り、この空気を、複数の羽根２５Ａに沿って外向きで領域２４の中に分配し、領域２４の中で、空気は乱流様態であり、モノリス２１内での触媒的な燃焼のために蒸発燃料又は残留ガスが混合される。残留ガスは、燃料電池スタック２から残留ガススタッド２６Ａを通して受け取り、残留ガス入口２６に入る。カバープレート２７は、対応する凹部２６Ｂを備える。
燃焼器モジュール８が液体燃料を管接続具１３Ａを通して受け取ると、液体燃料は、燃焼器－蒸発器１９に入る。図示の燃焼器－蒸発器１９は、国際公開第２０１６／０８４８８号に開示された燃焼器－蒸発器に類似した外観を有する。液体燃料は、燃焼器－蒸発器を通る経路の第１の経路１９Ａ上でこれに沿って進み、第１の経路１９Ａは突出要素を含み、液体の微粒化及び部分的な蒸発がもたらされる。蛇行形状であり燃料に対してさらに熱を提供する第２の経路１９Ｂは、蛇行路の大きな幅が有用なので完全な蒸発をもたらす。蛇行路１９Ｂの端部で、蒸発燃料が開口１９Ｃを通って燃焼器チャンバに入る。
可能性のある改質器及び燃焼器－蒸発器は、同じ出願人の国際公開第２０１６／００４８８６、国際公開第２０１６／００４８８７号、国際公開第２０１６／００４８８８号、及び国際公開第２０１７／２０７００４に開示されている。また、これらの引用文献は、容量に対して軽量で小さな寸法の小型燃料電池システムのための技術的解決策を開示している。
燃焼器８’は、図３の部分断面の側面図で示されている。モノリス２１と空気供給モジュール２５との間には図２ｂで示した領域２４がある。この領域２４は、始動段階であるか又は通常作動状態にあるかに応じて、内部で空気と燃料又は空気と残留ガスを混合する混合室３１をもたらす。始動段階では、蒸発燃料は、燃焼器－蒸発器１９から開口１９Ｃ（図２ｂ参照）を通り、蒸発燃料流のための第１セットの開口２９Ａと連通する燃料チャネル３０（図３参照）を通って、混合室３１（領域４の中にある）の中に供給される。
始動後、燃焼器－蒸発器１９を介した燃料の供給が停止され、残留ガスは、燃料電池スタック２から残留ガス入口２６（図２ｂ参照）を通って残留ガスチャネル３２（図３参照）の中に供給される。残留ガスチャネル３２は、スリーブ２３の第２セットの開口２９Ｂと流れ連通し、残留ガスが混合室３１（領域４の中にある）に流入する。
混合室３１からの混合ガスは、モノリス２１に流入し、混合ガスが燃焼して熱が発生する。改質器７に向かう排気ガス流路３３に沿って、モノリス２１からの排気ガスは、始動段階で燃料電池システム１を暖める目的で排気ガスから冷却液へ熱を伝えるために排気ガス熱交換器１７を通過する。
第２セットの開口２９Ｂの数は、第１セットの開口２９Ａの数よりも多いことが分かる。これは、混合室３１の中への、及び混合室３１からモノリス２１の中への所要の質量流量の調節によるものであり、通常作動時に必要な質量流量は始動段階時のものよりも多い。
随意的に、開口２９Ａ、２９Ｂは、流れをモノリス２１に向けるために傾いており、混合を最適にするために好都合であることが分かっている。
図４は、図１の二次冷却回路９Ｂのいくつかの変形例を示す。
図４ａにおいて、二次冷却回路９Ｂは、冷却ポンプ１０の上流で分岐しており、図１の二次冷却液回路９Ｂ内の流れに対して、冷却液の流れが逆になっている。
図４ｂにおいて、二次冷却回路９Ｂは、一次熱交換器１１の上流ではなく下流で分岐している。
図４ｃにおいて、二次冷却回路９Ｂは、改質器７の温度を調節するために、例えば、熱保護のために始動時に改質器を冷却するために、改質器７を通る追加の分岐を備える。様々な調節及び制御のために、２つの調節弁３２Ａ、３２Ｂが設けられている。
図４ｄにおいて、二次冷却回路９Ｂは、改質器７の温度を調節するために改質器７を通る追加の分岐を備える。様々な調節及び制御のために、２つの調節弁３２Ａ、３２Ｂが設けられている。加えて、二次冷却回路９Ｂは、冷却ポンプ１０の上流で分岐しており、図１の二次冷却液回路９Ｂ内の流れに対して、冷却液の流れが逆になっている。
図４ｅにおいて、二次冷却回路９Ｂは、改質器７の温度を調節するために改質器７を通る追加の分岐を備える。様々な調節及び制御のために、２つの調節弁３２Ａ、３２Ｂが設けられている。加えて、二次冷却回路９Ｂは、第１の熱交換器１１の上流ではなく下流で分岐している。
図４ｆにおいて、二次冷却回路９Ｂは、一次熱交換器１１の上流ではなく下流で分岐し、流れが燃焼器モジュール８を通り、燃焼器モジュール８からポンプ１０に直接戻る。
図４ｇにおいて、二次冷却回路９Ｂは、改質器７の温度を調節するために改質器７を通る追加の分岐を備える。様々な調節及び制御のために、２つの調節弁３２Ａ、３２Ｂが設けられている。加えて、追加の調節弁３２Ｃを通ってポンプ１０に戻る、戻り流れ導管９Ｄが設けられている。
図４ｈにおいて、二次冷却回路９Ｂは、改質器７の温度を調節するために改質器７を通る追加の分岐を備える。様々な調節及び制御のために、２つの調節弁３２Ａ、３２Ｂが設けられている。加えて、追加の調節弁３２Ｃを通ってポンプ１０に戻る、戻り流れ導管９Ｄが設けられている。二次冷却回路９Ｂは一次熱交換器１１の下流で分岐する。
図４ｉにおいて、一次冷却回路９Ａの流れは二次冷却回路９Ｂの流れと分離される。一次冷却回路９Ａと二次冷却回路９Ｂとの間の熱伝達のための熱接触は、二次熱交換器１１Ｂによって提供される。二次冷却回路９Ｂ内の流れは、二次冷却ポンプ１０Ｂによって引き起こされるので、冷却液は、二次冷却ポンプ１０Ｂから、燃焼器モジュール８を通って二次熱交換器１１Ｂに流れる。
図４ｊにおいて、一次冷却回路９Ａの流れは二次冷却回路９Ｂの流れと分離される。一次冷却回路９Ａと二次冷却回路９Ｂとの間の熱伝達のための熱接触は、二次熱交換器１１Ｂによって提供される。二次冷却回路９Ｂ内の流れは、二次冷却ポンプ１０Ｂによって引き起こされるので、冷却液は、二次冷却ポンプ１０Ｂから、燃焼器モジュール８を通り、次に改質器７を通り、次に二次熱交換器１１Ｂに流れる。
一例として、以下のパラメータが適用される。ＨＴＰＥＭスタックは、５ｋＷを出力し、典型的な寸法は、０．５ｍｘ０．２５ｍｘ０．１４ｍである。例えば、燃焼器－蒸発器及び改質器を含む燃料電池スタック全体は約２０ｋｇであり、電子機器、冷却液ポンプ、一次熱交換器、及びバルブを含む燃料電池システム全体の重量は、４０－４５ｋｇ程度である。
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 液体燃料供給源
５Ａ 上流側液体導管
５Ｂ 蒸気導管
５Ｃ 合成ガス導管
６ 蒸発器
７ 改質器
８’ 燃焼器
３３ 排気ガス流路

Claims (15)

  1. 燃料電池（２）と、
    液体燃料を供給するための液体燃料供給源（３）と、
    前記液体燃料を燃料蒸気に蒸発させるよう構成された蒸発器（６）と、
    前記蒸発器（６）によって前記液体燃料供給源（３）から前記液体燃料を受け取るための、前記液体燃料供給源（３）への上流側液体導管（５Ａ）と、
    前記燃料蒸気を合成ガスに触媒的に転化するための改質器（７）と、
    前記蒸発器（６）から前記改質器（７）へ燃料蒸気を供給するための蒸気導管（５Ｂ）と、
    前記改質器（７）から前記燃料電池（２）へ合成ガスを供給するための、前記改質器（７）から前記燃料電池（２）への合成ガス導管（５Ｃ）と、
    前記燃料電池（２）からの燃料蒸気又は残留ガスを触媒的に燃焼させて、前記燃焼により加熱された排気ガスを供給するよう構成されると共に、燃焼ガスを排気するためのガス排気口を有する燃焼器（８’）と、
    を備える燃料電池システムであって、
    前記ガス排気口は、前記排気ガスで前記改質器（７）を加熱するために、排気ガス流路（３３）を通して前記改質器（７）と流れ連通し、
    前記燃焼器（８’）は、混合室（３１）の延長部でその下流に配置され触媒モノリス（２１）を備え、前記混合室（３１）では、前記触媒モノリス（２１）に入る前に空気が蒸発燃料又は残留ガスと混合され、前記混合室（３１）はスリーブ（２３）によって取り囲まれ、前記スリーブ（２３）は、前記混合室（３１）の周りに複数の開口（２９Ａ、２９Ｂ）を備え、始動段階で前記開口（２９Ａ、２９Ｂ）を通して燃料蒸気を供給し、通常作動時に前記開口（２９Ａ、２９Ｂ）を通して残留ガスを供給するようになっている、
    燃料電池システム。
  2. 前記燃料電池システムは、前記始動段階でのみ、前記開口（２９Ａ、２９Ｂ）を通して燃料蒸気を供給するよう構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記燃料電池システムは、前記通常作動時でのみ、前記開口（２９Ａ、２９Ｂ）を通して残留ガスを供給するよう構成されている、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記開口（２９Ａ、２９Ｂ）は、第１セット及び第２セットの開口（２９Ａ、２９Ｂ）として配置され、前記セットの開口（２９Ａ、２９Ｂ）の各々は、前記スリーブ（２３）の長手方向軸に対して直交する平面内に分散配置され、前記第１セットの開口（２９Ａ）の平面は、前記第２セットの開口（２９Ｂ）の平面から距離を有しており、前記燃料電池システムは、前記第１セットの開口（２９Ａ）だけを通して燃料蒸気を前記混合室（３１）に運び、前記第２セットの開口（２９Ｂ）だけを通して残留ガスを前記混合室（３１）に運ぶよう構成されている、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料電池（２）の通常作動と比べて、始動段階時の質量流量を調節するために、第１セットの開口（２９Ａ）の前記開口の数又はサイズは、前記第２セットの開口（２９Ｂ）の前記開口の数又はサイズとは異なっている、請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 前記燃料電池システムは、前記改質器（７）の上流の前記排気ガスの温度を低下させるために、前記燃焼器（８’）と前記改質器（７）との間の前記排気ガス流路（３３）内に排気ガス熱交換器（１７）を備える、請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システム。
  7. 前記燃料電池システムは、一次冷却回路（９Ａ）をさらに備え、前記一次冷却回路（９Ａ）は、当該一次冷却回路（９Ａ）からの冷却液によって前記燃料電池（２）を冷却するものであり、前記一次冷却回路（９Ａ）は、前記燃料電池（２）の通常作動時、前記燃料電池（２）に入る前に前記冷却液を冷却するよう構成されている一次熱交換器（１１）を備え、前記燃料電池システムは、前記排気ガス熱交換器（１７）を通る二次冷却回路（９Ｂ）をさらに備え、前記燃料電池（２）の始動時に前記排気ガスから前記二次冷却回路（９Ｂ）内の冷却液に熱を伝達するようになっており、
    前記一次冷却回路（９Ａ）及び前記二次冷却回路（９Ｂ）は、
    ａ）前記燃料電池システムの始動時に、前記二次冷却回路（９Ｂ）から前記一次冷却回路（９Ａ）へ熱エネルギーを伝えるために、二次熱交換器（１１Ｂ）を通して相互に熱接触する状態にあるか、又は、
    ｂ）前記燃料電池システムの始動時に、前記排気ガスから熱エネルギーを受け取りかつ熱エネルギーを前記燃料電池（２）に与えるべく、前記排気ガス熱交換器（１７）を通り、次に前記燃料電池（２）を通る冷却液の流れを得るために、互いに流れ接続して冷却液を共有する状態にある、
    請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃焼器（８’）及び前記排気ガス熱交換器（１７）は、小型燃焼器モジュール（８）を形成するために互いに当接した状態で設けられている、請求項６又は７に記載の燃料電池システム。
  9. 請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池システムを作動させる方法であって、
    前記燃料電池システムは、
    燃料電池（２）と、
    液体燃料を供給するための液体燃料供給源（３）と、
    前記液体燃料を燃料蒸気に蒸発させるよう構成された蒸発器（６）と、
    前記蒸発器（６）によって前記液体燃料を受け取るための、前記液体燃料供給源（３）への上流側液体導管（５Ａ）と、
    前記燃料蒸気を合成ガスに触媒的に転化するための改質器（７）と、
    前記蒸発器（６）から前記改質器（７）へ燃料蒸気を供給するための蒸気導管（５Ｂ）と、
    前記改質器（７）から前記燃料電池（２）へ合成ガスを供給するための、前記改質器（７）から前記燃料電池（２）への合成ガス導管（５Ｃ）と、
    前記燃料電池（２）からの燃料蒸気又は残留ガスを触媒的に燃焼させて、前記燃焼により加熱された排気ガスを供給するよう構成されると共に、燃焼ガスを排気するためのガス排気口を有する燃焼器（８’）と、
    を備え、
    前記ガス排気口は、前記排気ガスで前記改質器（７）を加熱するために、排気ガス流路（３３）を通して前記改質器（７）と流れ連通し、
    前記方法は、
    前記蒸発器（６）によって液体燃料を受け取り、前記蒸発器（６）によって前記液体燃料を燃料蒸気に気化させる段階と、
    前記燃料蒸気を前記改質器（７）に供給し、前記改質器（７）によって前記燃料蒸気を合成ガスへ触媒的に転化させる段階と、
    前記合成ガスを前記燃料電池（２）に供給する段階と、
    前記燃焼器（８’）によって、始動段階の間に前記燃料蒸気を触媒的に燃焼させると共に、通常作動時に前記燃料電池（２）からの残留ガスを触媒的に燃焼させる段階と、
    前記燃焼器（８’）からの加熱排気ガスを前記改質器（７）に供給して前記排気ガスによって前記改質器（７）を加熱する段階と、
    を含み、
    前記燃焼器（８’）は、混合室（３１）の延長部でその下流に配置され触媒モノリス（２１）を備え、前記混合室（３１）では、前記触媒モノリス（２１）に入る前に空気が蒸発燃料又は残留ガスと混合され、前記混合室（３１）はスリーブ（２３）によって取り囲まれ、前記スリーブ（２３）は、前記混合室（３１）の周りに複数の開口（２９Ａ、２９Ｂ）を備え、
    前記方法は、始動段階で前記開口（２９Ａ、２９Ｂ）を通して燃料蒸気を供給する段階と、通常作動時に前記開口（２９Ａ、２９Ｂ）を通して残留ガスを供給する段階とを含む、
    方法。
  10. 前記始動段階でのみ前記開口（２９Ａ、２９Ｂ）を通して燃料蒸気を供給する段階を含む、請求項９に記載の方法。
  11. 前記燃料電池システムは、前記通常作動時でのみ、前記開口（２９Ａ、２９Ｂ）を通して残留ガスを供給するよう構成されている、請求項９又は１０に記載の方法。
  12. 前記開口（２９Ａ、２９Ｂ）は、第１セット及び第２セットの開口（２９Ａ、２９Ｂ）として配置され、前記セットの開口（２９Ａ、２９Ｂ）の各々は、前記スリーブ（２３）の長手方向軸に対して直交する平面内に分散配置され、前記第１セットの開口（２９Ａ）の平面は、前記第２セットの開口（２９Ｂ）の平面から距離を有しており、前記燃料電池システムは、前記第１セットの開口（２９Ａ）だけを通して燃料蒸気を前記混合室（３１）に運び、前記第２セットの開口（２９Ｂ）だけを通して残留ガスを前記混合室（３１）に運ぶよう構成されており、
    前記方法は、前記第１セットの開口（２９Ａ）だけを通して燃料蒸気を前記混合室（３１）に運ぶ段階と、前記第２セットの開口（２９Ｂ）だけを通して残留ガスを前記混合室（３１）に運ぶ段階とを含む、請求項９から１１のいずれかに記載の方法。
  13. 前記燃料電池システムは、前記燃焼器（８’）と前記改質器（７）との間の前記排気ガス流路（３３）内に排気ガス熱交換器（１７）を備え、
    前記方法は、前記改質器（７）の上流の排気ガス熱交換器（１７）によって前記排気ガスの温度を低下させる段階を含む、請求項９から１２のいずれかに記載の方法。
  14. 前記方法は、前記燃料電池システムの始動状態の間に、
    蒸発燃料を前記燃焼器（８’）に供給する段階と、
    前記蒸発燃料を燃焼させて排気ガスを供給する段階と、
    前記排気ガス熱交換器（１７）内の熱エネルギーを前記排気ガスから冷却液へ伝達する段階と、
    前記熱エネルギーを前記冷却液から前記燃料電池（２）へ伝達して、始動状態の間に前記熱エネルギーによって前記燃料電池（２）を加熱する段階と、
    を含む、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記燃料電池システムは、一次冷却回路（９Ａ）をさらに備え、前記一次冷却回路（９Ａ）は、当該一次冷却回路（９Ａ）からの冷却液によって前記燃料電池（２）を冷却するものであり、前記一次冷却回路（９Ａ）は、前記燃料電池（２）の通常作動時、前記燃料電池（２）に入る前に前記冷却液を冷却するよう構成されている一次熱交換器（１１）を備え、前記燃料電池システムは、前記排気ガス熱交換器（１７）を通る二次冷却回路（９Ｂ）をさらに備え、前記燃料電池（２）の始動時に前記排気ガスから前記二次冷却回路（９Ｂ）内の冷却液に熱を伝達するようになっており、
    第一の選択肢では、前記一次冷却回路（９Ａ）及び前記二次冷却回路（９Ｂ）は、互いに流れ接続して冷却液を共有する状態にあり、前記方法は、前記燃料電池システムの始動時に、前記排気ガスから熱エネルギーを受け取りかつ熱エネルギーを前記燃料電池（２）に与えるために、前記排気ガス熱交換器（１７）を通り、次に前記燃料電池（２）を通る冷却液の流れを得る段階を含み、
    第二の選択肢では、前記一次冷却回路（９Ａ）及び前記二次冷却回路（９Ｂ）は、二次熱交換器（１１Ｂ）を介して互いに熱接触する状態にあり、前記方法は、前記燃料電池システムの始動時に、前記二次冷却回路（９Ｂ）から前記一次冷却回路（９Ａ）へ熱エネルギーを伝達する段階を含む、
    請求項１４に記載の方法。
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