JPH1055815A - 燃料セルを有する装置を駆動するための方法 - Google Patents

燃料セルを有する装置を駆動するための方法

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JPH1055815A
JPH1055815A JP9162976A JP16297697A JPH1055815A JP H1055815 A JPH1055815 A JP H1055815A JP 9162976 A JP9162976 A JP 9162976A JP 16297697 A JP16297697 A JP 16297697A JP H1055815 A JPH1055815 A JP H1055815A
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gas
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air
reformer
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ローランド ディートヘルム
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Hexis AG
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料セルを有する装置を効果的に駆動す
る。 【解決手段】 セルブロック（１′）を有する燃料セル
（１０）と、断熱性の被覆（２）と、前記断熱性の被覆
（２）及びセルブロック（１′）の間に配置される後方
燃焼室（１２）と、燃料ガス（３０′）に対する予備改
質装置（３） と、補助熱源（５０″）とをを有する装
置を駆動する方法は始動段階及び電流供給動作状態を有
する。高温燃焼ガス（５０″）が本装置（１）に供給さ
れるか、又は内部補助点火装置（５）内で生成されて、
始動段階の期間中に補助熱源が生成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明に基づく装置は、燃
料セル、セルブロック、断熱性の被覆、前記被覆とセル
ブロックの間に後方燃焼室、燃料ガス及び補助熱源のた
めの予備改質装置（Prereformer） を有するとともに、
本発明に基づく装置を駆動する方法は、始動段階及び電
流供給状態を有していて、始動段階の期間中に、高温燃
焼ガスがこの装置に供給されか、又は補助点火装置内で
生成されて、補助熱源を生成する装置を駆動する方法、
燃料セルを有する装置を駆動するための方法及びこの方
法を実施する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】欧州特
許出願公開第０６５４ ８３８号に開示される装置にお
いて、予備改質装置がこの種の装置に組み込まれてい
る。始動段階において、予備改質装置は補助点火装置を
用いて加熱される一方、供給される空気は、被覆された
配管システム内で予熱を加えられる。この加熱された空
気を介して、熱はセルブロックに伝達される。この熱を
伝達することは十分に行われないため、燃料セルの最低
動作温度である８５０℃には達成しない。従って、燃料
ガス及び空気を本装置に供給し、セルブロック及び被覆
の間に配置される後方燃焼室にて燃料ガス及び空気を燃
焼させることが必要である。点火されて、燃焼し始めた
直後に発生する大きな熱発散は、燃料セルを破損する可
能性がある。
【０００３】本発明の課題は燃料セルを有する装置を駆
動するための方法及びその装置を発明することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本装置は燃料セル、断熱
性の被覆、断熱性の被覆とセルブロック間の後方燃焼
室、燃料ガスに対する予備改質装置及び補助熱源を有す
る。この方法は始動段階及び電流を供給する定常動作状
態を有する。高温燃焼ガスは本装置に供給されるか、又
は本装置において補助点火装置により生成されるととも
に、始動段階の期間中、補助熱源となる。
【０００５】本発明に基づく装置は、空気に予熱を加え
るための、又は予備改質装置に予熱を加えるための第１
及び第２熱交換器を有する。予備改質装置はセルブロッ
クの外部に配置される。予備改質装置は効果的に第２熱
交換器の中央に配置される。第１熱交換器は第２熱交換
器と中心を同じくする。その際、第２熱交換器内の環形
状室は後方燃焼室と第１熱交換器間を連通する。
【０００６】本発明に基づき、始動段階の期間中に本装
置に供給される空気は、第１熱交換器内にて前記空気と
は別に供給される高温燃焼ガス及び排出空気から構成さ
れる混合ガスを用いて予熱を加えられる。熱は予熱され
た空気によって燃料セルに伝達される。燃料セルから排
出される空気は、高温燃焼ガスと混合される。予備改質
装置は第２熱交換器内にて高温燃焼ガスにより定常動作
温度に熱せられる。定常動作中、後方燃焼室から排出さ
れる排気ガスは、第２熱交換器において予備改質装置に
対する熱源として使用される。
【０００７】
【発明の実施の形態】図１に示すように、装置１は同装
置１の上部１１において燃料セル１０、断熱性の被覆２
の一部、後方燃焼室１２、空気２０′の取入れ口２０を
有する。空気２０′は導管システム２１,２２及び空気
を通過させる壁２６を介して環状室２３に達する。この
環状室２３より空気２０′は管１２′を介してそれぞれ
の燃料セル１０に供給される。燃料ガス３０′は中心管
１３を介して装置１の下部１５からセルブロック１′に
供給される。外郭部２４及び断熱性の壁２５,２５′,２
６を用いた断熱性の被覆２は、供給される空気２０′の
ための予熱器２０′として機能するように構成される。
【０００８】図２に示すように、装置１の下部１５は断
熱性の被覆２の一部と並んで予備改質装置３、硫黄吸収
装置３′、内部補助点火装置５、第１熱交換器６及び第
２熱交換器７を有する。予備改質装置３及び硫黄吸収装
置３′はそれぞれ円筒形状を有する。硫黄吸収装置３′
を囲む環形状の隠蔽室４は、水４０′（水供給管４０）
の蒸化器として設けられる。内部補助点火装置５は環形
状室６７内に設けられる。この内部補助点火装置５は環
形状室５１を有するとともに、通気性を有する平板５２
によって環形状室５１の上部において閉鎖されている。
ガス及び空気から成る混合気体５０′（供給管５０）は
燃焼するために、均一に配置される貫通口を有する前記
通気性を有する平板５２の上部に供給され、図２に示す
ように平面的に広がる火炎５５を生成する。
【０００９】電流供給作用のための燃料ガス３０′は、
通常は天然ガスであり、管３０を介して硫黄吸収装置
３′に供給される。この硫黄吸収装置３′はガス５０′
により生じる硫黄を含む汚染物を除去するために設けら
れる。更に、ガス５０′にメタンが含まれているが、メ
タンは予備改質装置３において水、水素及び一酸化炭素
に変換される。図２に示すように、この反応に必要なエ
ネルギ−は電流供給される定常動作状態の期間中、高温
排出ガス１２０″によって供給される。この高温排気ガ
ス１２０″は後方燃焼室１２から第２熱交換器７を通っ
て流入する。
【００１０】始動段階の期間中、エネルギ−は予備改質
装置３を加熱するために、内部補助点火装置５によって
供給される。燃焼ガス５０″は内部補助点火装置５によ
り点火され、第２熱交換器７の壁７２を加熱する。壁７
１は予備改質装置３と熱伝導可能な接触を有しており、
壁７２から内壁７１へ熱を伝達することは、主に放射に
よって行われる。壁７１と壁７２との温度差は約１００
℃に相当する。
【００１１】図２に示すように、内部補助点火装置５に
よって点火される燃焼ガス５０″は、放射状に流れ、位
置Ｆと位置Ｇの間でセルブロック１′からの排気空気１
２０′と混合される。混合ガス６０′は第１熱交換器の
円筒形状の壁６１及び壁６２間に流入し、排出口６０に
達して、一部は冷却された混合ガス６０ ′として本装
置１から流出する。本装置１に供給された空気２０′
は、壁６２に沿って混合ガス６０′に対向して流れ、周
囲温度を若干越える温度（即ち、２０℃から３０℃）か
ら、７００℃〜８００℃の範囲の温度までに加熱され
る。予熱を加えられた空気により、熱は燃料セル１０に
伝達される。燃料セル１０から排出される排出空気１２
０′は第２熱交換器７を通って流れ、前記したように、
内部補助点火装置５により点火される燃焼ガス５０″と
混合される。
【００１２】電流供給する定常動作が可能な温度に予備
改質装置３及び燃料セル１０が加熱された後に、供給さ
れた空気２０′及び燃料ガス３０′の量は、定常動作状
態における値に相当する。ガス及び空気から成る混合ガ
ス５０′の内部補助点火装置５への供給は制御される。
この制御は、燃料セル１０の温度が約８００℃に達する
時、即ち後方燃焼室１２内の温度が予めの設定値を越え
ると同時に空気が排出されて、燃料セル１０から排出さ
れる燃料ガス３０′の燃焼が生じる。
【００１３】図２に示すように、断熱性の被覆２を有す
る配管システムに位置を示す符号Ａ, Ｂ, ．．． Ｈが
付されている。位置ＡＢ間又はＧＨ間にて高温混合ガス
６０′から空気２０′への間接的な熱交換が行われる。
排出空気１２０′又は高温排気ガス１２０″は熱を位置
ＣＤ間にて予備改質装置３に与え、且つＤＥ間にて水蒸
発器４及び硫黄吸収装置３′に与える。ＦＧ間にて排気
空気は１２０′は高温燃焼ガス５０″と混合される。
【００１４】図３に示すグラフは、被覆２を有する配管
システム２１,２２における温度の経過を簡単に示し、
その際グラフ上の点Ａ１, Ｂ１, ．．．は位置Ａ, Ｂ,
．．．における定常動作状態の温度を示し、グラフ上
の点Ａ２, Ｂ２, ．．． は始動段階の期間中の連続し
た温度を示す。ｘ軸上に点Ａ, Ｂ, ．．．が記されてい
るが、各点間の距離は本装置１における実際の距離に相
当していない。グラフに示す上向きの矢印は、始動段階
の時間の経過とともに、点Ｃ２,．．．Ｆ２が上方へ移
動し、始動段階の完了後に、それらの点は点Ｃ
１,．．．Ｆ１上に達することを示す。点Ｇ２′の位置
は高温燃焼ガス５０″の排出空気１２０′と混合して生
じる合成温度に相当する。Ｔ軸上の各点Ａ１, Ｂ１,
．．．,Ａ２, Ｂ２,．．．に対応する読み取り可能な
値（０℃〜１０００℃）は、実際の温度に相当する。簡
単に表示するために、グラフにおいて点Ｂ２と点Ｅ２と
の間の点Ｃ２,Ｄ２は直線上に記された。点Ｃ１と点Ｅ
１との間の点Ｄ１についても同様である。
【００１５】始動段階の期間中においてセルブロック
１′内に僅少量のガスの供給が行われる。これによっ
て、燃料セル１０内の空間は洗浄され、燃料セル１０内
に空気が入り込むことができない。洗浄ガスは後方燃焼
室１２内にて点火温度に達する前に燃焼すること無く、
排出空気１２０′と混合する。燃焼は点火電極８１及び
８２の手段によりセルブロック１′の下部にて起こる。
従って、洗浄ガスは環形状室７０内にて燃焼し、発生す
る熱は、予備改質装置３及び硫黄吸収装置３′によって
吸収され得る。
【００１６】燃焼室に使用する物質の更なる開発によ
り、将来８５０℃〜９００℃に代わって６００℃〜７０
０℃の温度による動作が恐らく実現可能である。この教
示は低動作温度を用いる装置にも当然応用できる。
【００１７】始動段階の期間中に必要な補助熱源を内部
補助点火装置５を用いて生成する必要がない。また、図
４に示すように、高温燃焼ガスを含む補助熱源を外部補
助点火装置９から生成することも可能である。
【００１８】図４に示す装置の配置は、本発明に基づく
装置１及び外部補助点火装置９の周辺に熱交換器９５及
び、例えば室内暖房装置である熱放出装置９９を示す。
外部補助点火装置９内にて空気２０″を含む燃料ガス３
０″は燃焼して燃焼ガス９０″になる。装置９０を用い
て燃焼ガス９０″は、選択毎に熱交換器９５（ガス流体
９０′）又は管継ぎ手５０を通して本装置１に供給され
る。高温燃焼ガス５０″はガス及び空気から成る混合気
５０′のように環形状の分配器（図１に示す内部補助点
火装置５に相当する）を介して本装置１の下部１５に供
給される。
【００１９】熱交換器９５は、更に本装置１からの高温
ガス６０′とともに、解放される予熱を利用することに
も使用され得る。熱交換器９５内で得る熱は、導管９８
を介して放熱器９９に供給される。冷却されたガスを含
むガス流体９５′は、図示されていない煙突に導かれ
る。
【００２０】図４に、符号１１に示す本装置１の上部に
おいて、ガス３０′、水４０′及び空気２０′より生成
される直流がコンバ−タ−８によって交流に変換するこ
とが示される。
【００２１】図５は実施例についての詳細を示し、その
際高温燃焼ガス５０″の供給経路及び第２熱交換器７は
改造されている。ガス５０″は外向きに放射状でなく、
先ず中心に指向して流れ、その後第２熱交換器７に流れ
る。第２熱交換器７にて排出空気１２０′と混合され
る。この実施例において、熱の伝達は高温ガス５０″か
ら予備改質装置３へ壁７１を介して行なわれる。
【００２２】図６に示す第３の実施例において、後方燃
焼室１２に続いて３個の中心を同じくする環形状室（７
０,７６,６７）を含む配管システムが設けられる。内部
補助点火装置５は内側の環形状室７０から中央の環形状
室７６への境界に配置され、本装置１の外側表面と境を
なす。外側の環形状室６７は第１熱交換器６に属し、他
の２つの環形状室（７０,７６）は第１熱交換器７を構
成する。排気ガス側の第１熱交換器６は環形状室６７の
み有し、壁６１が無いため、最初の２つの実施例に対し
て第３の実施例はより単純な構成を示している。導管５
０を介して供給される混合ガス５０′は、高温排気空気
１２０′及び高温排気ガス１２０″によってそれ程強く
加熱されないことにより、環形状室５１における自然点
火の危険が大きくないため、本装置１の外側表面に内部
補助点火装置５が配置されることは特に効果的である。
【００２３】
【発明の効果】本装置は始動段階において破損しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づく装置の縦断面図。
【図２】 本装置の拡大縦断面図。
【図３】 発明に基づく方法の説明に使用するグラフ。
【図４】 本発明に基づく装置を有する暖房システムを
構成する各装置の配置図。
【図５】 第２実施例における拡大縦断面図。
【図６】 第３実施例における拡大縦断面図。
【符号の説明】
１…本装置、１′…セルブロック、２…断熱性の被覆、
３…予備改質装置（Prereformer）、５…内部補助点火
装置、６…第１熱交換機、７…第２熱交換機、９…外部
補助点火装置、１０…燃料セル、１２…後方燃焼室、２
０′…空気、３０′…燃料ガス、５０″…補助熱源とし
ての高温燃焼ガス、５２…環形状を有する燃焼面、５
１,６７,７０,７６,…環形状室、１２０′…排出空気。

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 セルブロック（１′）を有する燃料セル
    （１０）と、断熱性の被覆（２）と、前記断熱性の被覆
    （２）及びセルブロック（１′）との間に配置される後
    方燃焼室（１２）と、燃料ガス（３０′）及び補助熱源
    （５０″）に対する予備改質装置（３）とを有する装置
    を駆動する方法は、始動段階及び電流供給状態を有して
    いて、始動段階の期間中に、高温燃焼ガス（５０″）が
    前記装置に供給されるか、又は内部補助点火装置（５）
    内で生成されて、補助熱源（５０″）を生成する装置を
    駆動する方法において、前記装置に供給される空気（２
    ０′）が、始動段階の期間中に、第１熱交換器（６）内
    にて同空気（２０′）とは別に供給される高温燃焼ガス
    （５０″）及び排出空気（１２０′）から成る混合ガス
    （６０′）によって予熱を加えられることと、予熱を加
    えられた空気により燃料セル（１０）に熱が伝達される
    ことと、燃料セル（１０）から排出される排出空気（１
    ２０′）が高温燃焼ガス（５０″）に混合されること
    と、予備改質装置（３）は第２熱交換器（７）内にて高
    温燃焼ガス（５０″）を用いて定常動作温度まで加熱さ
    れることと、定常動作状態の間に後方燃焼室（１２）か
    ら排出される排気ガス（１２０″）は、第２熱交換器内
    （７）にて予備改質装置（３）に対する熱源として使用
    されることとを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 高温燃焼ガス（５０″）から予備改質装
    置(３)への熱の伝達は、始動段階の期間中に、第２熱交
    換器（７）内にて環形状室（７０）を介して行われ、セ
    ルブロック（１′）から前記環形状室（７０）及び後方
    燃焼室（１２）を通って流入する排気空気（１２０′）
    は、第１熱交換器（６）内に供給される請求項１に記載
    の方法。
  3. 【請求項３】 供給された空気（２０′）及び燃料ガス
    （３０′）の量は、電流供給動作が行われ得る温度まで
    に予備改質装置（３）及び燃料セル（１０）が加熱され
    た後に、定常動作における量に相当することと、補助熱
    源（５０″）からの熱の伝達が制御されることとを特徴
    とする請求項１又は２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 燃料セル（１０）が約８００℃の温度に
    達する時、補助熱源（５０″）からの熱の伝達が制御さ
    れる請求項１乃至３のいずれか１つに記載の方法。
  5. 【請求項５】 供給された空気（２０′）及び燃料ガス
    （３０′）の量が、定常動作における量に相当し、後方
    燃焼室（１２）内の温度が予め設定した値を越える時、
    空気及びガスを含む混合気体は自然点火によって燃焼す
    る請求項１乃至４のいずれか１つに記載の方法。
  6. 【請求項６】 始動段階の最初に、第１熱交換器内
    （６）に供給される空気（２０′）は、その温度が約２
    ０℃〜３０℃の範囲から約７００℃〜８００℃範囲にな
    るように予熱を加えられ、その際逆流する高温燃焼ガス
    （５０″）及び高温排出空気（１２０′）から成る混合
    ガスを用いて間接的な熱交換が実現される請求項１乃至
    ５のいずれか１つに記載の方法。
  7. 【請求項７】 予備改質装置（３）はセルブロック
    （１′）の外部且つ第２熱交換器（７）の中央に配置さ
    れることと、電流供給動作状態の期間中に、後方燃焼室
    （１２）から第２熱交換器（７）に流入する排気ガス
    （１２０″）は、放射状で、且つ内側へ指向する流れに
    よって熱を予備改質装置（３）に伝達することとを特徴
    とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の方法。
  8. 【請求項８】 第１熱交換器（６）は第２熱交換器
    （７）の周りに中心を同じくして配置されることと、高
    温燃焼ガス（５０″）は両熱交換器（６,７）間に配置
    される環形状室（６７）内に生成されるか、又は供給さ
    れることとを特徴とする請求項７に記載の方法。
  9. 【請求項９】 セルブロック（１′）と、断熱性の被覆
    （２）と、断熱性の被覆（２）及びセルブロック
    （１′）間に配置される後方燃焼室（１２）と、燃料ガ
    ス（３０′）に対する予備改質装置（３）と、始動段階
    の期間中に補助熱源を生成するための内部又は外部補助
    点火装置（５,９）と、空気（２０′）又は予備改質装
    置（３）に予熱を加えるための第１及び第２熱交換器
    （６,７）とを有する装置に基づく請求項１から８のい
    ずれか１つに記載の方法を実現するための燃料セル（１
    ０）を有する装置（１）において、予備改質装置（３）
    はセルブロック（１′）の外部且つ第２熱交換器（７）
    内の中央に配置されることと、第２熱交換器（７）の周
    囲に中心を同じくして第１熱交換器（６）が配置される
    ことと、第２熱交換器（７）内に配置される環形状室
    （７０）は、後方燃焼室（１２）及び第１熱交換器
    （６）を連通することとを特徴とする装置。
  10. 【請求項１０】 環形状を有する燃焼面（５２）を有
    し、第１及び第２熱交換器（６,７）内に配置される内
    部補助点火装置（５）が設けられる請求項９に記載の装
    置。
  11. 【請求項１１】 第１及び第２熱交換器（６,７）の間
    に環形状室（５１,６７）が配置され、前記環形状室
    （５１,６７）内にて高温燃焼ガス（５０″）が外部補
    助点火装置（９）を用いて生成される請求項９に記載の
    装置。
  12. 【請求項１２】 セルブロック（１′）は燃料セル（１
    ０）から成る１つの円筒形状の積層体として構成される
    ことと、後方燃焼室（１２）は前記円筒形状の積層体を
    包囲するように環状をなすこととを特徴とする請求項９
    乃至１１のいずれか１つに記載の装置。
  13. 【請求項１３】 後方燃焼室（１２）から続く３個の中
    心を同じくする環形状室（６７,７０,７６）を含む配管
    システムが設けられることと、内部補助点火装置（５）
    は内側の環形状室（７０）から中央の環形状室（７６）
    への境界に配置されることと、内部補助点火装置（５）
    は装置（１）の外側表面と境をなすこととを特徴とする
    請求項１０又は１２に記載の装置。
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