JP2003226507A - 燃料処理装置の急速始動のための段階化リーン燃焼 - Google Patents
燃料処理装置の急速始動のための段階化リーン燃焼Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】
【解決手段】 始動の間に作動温度を急速に達成するた
めの燃料処理装置は、複数の燃料電池で電気を生成する
ための水素を導出するように、改質器、シフト反応器及
び優先酸化反応器を備える。第１の燃焼ヒーターシステ
ムは、急速始動シーケンスの間に構成部品を予備加熱す
るため、改質器、シフト反応器及び優先酸化反応器の少
なくとも１つに連結される。即ち、第１の燃焼ヒーター
システムは、第１の加熱された排気流れの形態で空気及
び燃料の燃焼の生成物として熱エネルギーを生成するよ
うに作動可能である。この第１の加熱された排気流れ
は、熱交換器型式のシステムを直接的に及びこれを使用
することのいずれかにより構成部品を加熱するため使用
される。第１の加熱された排気流れは、酸素又は希釈剤
の源として第２の燃焼装置によっても使用される。
めの燃料処理装置は、複数の燃料電池で電気を生成する
ための水素を導出するように、改質器、シフト反応器及
び優先酸化反応器を備える。第１の燃焼ヒーターシステ
ムは、急速始動シーケンスの間に構成部品を予備加熱す
るため、改質器、シフト反応器及び優先酸化反応器の少
なくとも１つに連結される。即ち、第１の燃焼ヒーター
システムは、第１の加熱された排気流れの形態で空気及
び燃料の燃焼の生成物として熱エネルギーを生成するよ
うに作動可能である。この第１の加熱された排気流れ
は、熱交換器型式のシステムを直接的に及びこれを使用
することのいずれかにより構成部品を加熱するため使用
される。第１の加熱された排気流れは、酸素又は希釈剤
の源として第２の燃焼装置によっても使用される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、概して燃料処理装
置に係り、より詳しくは、燃料処理装置の急速始動のた
めの２段階リーン燃焼システムを有する燃料処理装置に
関する。
置に係り、より詳しくは、燃料処理装置の急速始動のた
めの２段階リーン燃焼システムを有する燃料処理装置に
関する。
【０００２】
【従来技術】Ｈ2−Ｏ2燃料電池は、燃料として水素（Ｈ
2）を使用し、酸化剤として（空気としての）酸素を使
用する。燃料電池内で使用される水素は、炭化水素燃料
（例えばメタノール又はガソリン）の改質から引き出す
ことができる。例えば、蒸気改質プロセスでは、炭化水
素燃料（例えばメタノール）及び（蒸気としての）水
が、触媒反応器（別称「蒸気改質器」）内で理想的に反
応され、主要には水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを
生成する。
2）を使用し、酸化剤として（空気としての）酸素を使
用する。燃料電池内で使用される水素は、炭化水素燃料
（例えばメタノール又はガソリン）の改質から引き出す
ことができる。例えば、蒸気改質プロセスでは、炭化水
素燃料（例えばメタノール）及び（蒸気としての）水
が、触媒反応器（別称「蒸気改質器」）内で理想的に反
応され、主要には水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを
生成する。
【０００３】一例としての蒸気改質器は、ヴァンデルボ
ルグに付与された米国特許番号４，６５０，７２７号に
述べられている。別の例に関しては、自熱式改質プロセ
スにおいて、炭化水素燃料（例えばガソリン等）、空気
及び蒸気が、結合された部分酸化及び蒸気改質触媒反応
器（別称「自熱式改質器」）内で理想的に反応され、水
素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する。一例とし
ての自熱式改質器は、２０００年７月２７日に出願され
た、米国出願番号０９／６２６，５５３号に述べられて
いる。改質器から流出した改質物は、望ましくないこと
に、高濃度の一酸化炭素を含んでおり、その大部分は、
燃料電池のアノードの触媒への有害な影響を防止するた
め除去されなければならない。この点に関して、改質器
から出たＨ2の豊富な改質物／流出物内に含まれる一酸
化炭素（即ち、約３〜１０モル％）を、アノードへの有
害な影響を避けるため、非常に低い無毒性の濃度（即
ち、約２０ｐｐｍより低い濃度）にまで減少させなけれ
ばならない。
ルグに付与された米国特許番号４，６５０，７２７号に
述べられている。別の例に関しては、自熱式改質プロセ
スにおいて、炭化水素燃料（例えばガソリン等）、空気
及び蒸気が、結合された部分酸化及び蒸気改質触媒反応
器（別称「自熱式改質器」）内で理想的に反応され、水
素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する。一例とし
ての自熱式改質器は、２０００年７月２７日に出願され
た、米国出願番号０９／６２６，５５３号に述べられて
いる。改質器から流出した改質物は、望ましくないこと
に、高濃度の一酸化炭素を含んでおり、その大部分は、
燃料電池のアノードの触媒への有害な影響を防止するた
め除去されなければならない。この点に関して、改質器
から出たＨ2の豊富な改質物／流出物内に含まれる一酸
化炭素（即ち、約３〜１０モル％）を、アノードへの有
害な影響を避けるため、非常に低い無毒性の濃度（即
ち、約２０ｐｐｍより低い濃度）にまで減少させなけれ
ばならない。
【０００４】改質器から出た改質物／流出物の一酸化炭
素ＣＯのレベルを、所謂「シフト」反応を利用すること
により減少することができることが知られている。この
シフト反応では、水（即ち、蒸気）が、適切な触媒の存
在下で、改質器から出た改質物／流出物に加えられる。
これにより、次の理想的なシフト反応に従って、改質物
の一酸化炭素含有量が低下される。
素ＣＯのレベルを、所謂「シフト」反応を利用すること
により減少することができることが知られている。この
シフト反応では、水（即ち、蒸気）が、適切な触媒の存
在下で、改質器から出た改質物／流出物に加えられる。
これにより、次の理想的なシフト反応に従って、改質物
の一酸化炭素含有量が低下される。
【０００５】ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2
幾らかのＣＯ（即ち、約０．５モル％以上）が、シフト
反応によってもなお残存している。従って、シフト反応
器の流出物は、水素、二酸化炭素、水、一酸化炭素及び
窒素を含んでいる。
反応によってもなお残存している。従って、シフト反応
器の流出物は、水素、二酸化炭素、水、一酸化炭素及び
窒素を含んでいる。
【０００６】シフト反応は、改質物のＣＯ含有量を十分
に（即ち、約２０〜２００ｐｐｍより低く）減少させる
には十分ではない。このため、シフト反応器から出た水
素の豊富な改質物の流れから、それを燃料電池に供給す
る前に、一酸化炭素を更に除去することが必要となる。
シフト反応器から出たＨ2の豊富な改質物のＣＯ含有量
を、所謂「ＰｒＯｘ（即ち優先酸化）」反応によって更
に減少させることが知られている。このＰｒＯｘ反応
は、Ｈ2の存在下で、実質的な量のＨ2を消費／酸化させ
ることなく、且つ、所謂「逆転水ガスシフト（ＲＷＧ
Ｓ）」反応を開始させることなく、空気とのＣＯの優先
的な酸化を促進させる温度で作動される適切な優先酸化
反応器内でもたらされる。ＰｒＯｘ反応及びＲＷＧＳ反
応は、次の通りである。
に（即ち、約２０〜２００ｐｐｍより低く）減少させる
には十分ではない。このため、シフト反応器から出た水
素の豊富な改質物の流れから、それを燃料電池に供給す
る前に、一酸化炭素を更に除去することが必要となる。
シフト反応器から出たＨ2の豊富な改質物のＣＯ含有量
を、所謂「ＰｒＯｘ（即ち優先酸化）」反応によって更
に減少させることが知られている。このＰｒＯｘ反応
は、Ｈ2の存在下で、実質的な量のＨ2を消費／酸化させ
ることなく、且つ、所謂「逆転水ガスシフト（ＲＷＧ
Ｓ）」反応を開始させることなく、空気とのＣＯの優先
的な酸化を促進させる温度で作動される適切な優先酸化
反応器内でもたらされる。ＰｒＯｘ反応及びＲＷＧＳ反
応は、次の通りである。
【０００７】
ＣＯ＋１／２・Ｏ2 → ＣＯ2 （ＰｒＯｘ反応）
ＣＯ2＋Ｈ2 → Ｈ2Ｏ＋ＣＯ （ＲＷＧＳ反応）
ＰｒＯｘプロセスは、カリフォルニア州、ロングビー
チ、１９８８年１０月２３日〜２６日に開催された、１
９８８年度燃料電池セミナーのプログラム及び要約に公
開された「低温燃料電池のためのメタノール燃料処理」
という標題の論文、並びに、とりわけ、ヴァンデルボル
グらに付与された米国特許番号５，２７１，９１６号で
述べられている。
チ、１９８８年１０月２３日〜２６日に開催された、１
９８８年度燃料電池セミナーのプログラム及び要約に公
開された「低温燃料電池のためのメタノール燃料処理」
という標題の論文、並びに、とりわけ、ヴァンデルボル
グらに付与された米国特許番号５，２７１，９１６号で
述べられている。
【０００８】望ましくは、ＰｒＯｘ反応のために必要と
されるＯ2は、改質物中のＣＯと反応するため必要とさ
れる化学量論通りの量の約２倍となる。Ｏ2の量が必要
とされる化学量論通りの量の約２倍を超える場合、Ｈ2
の過剰消費が発生する。他方、Ｏ2の量が、必要とされ
る化学量論通りの量の約２倍より実質的に少ない場合、
不十分なＣＯ酸化しか発生し得ず、ＲＷＧＳ反応が生じ
る可能性がより高くなる。従って、実際には、多くの実
施者は、ＣＯと反応するため理論的に必要とされる化学
量論通りのＯ2の量の約４倍以上を使用する。
されるＯ2は、改質物中のＣＯと反応するため必要とさ
れる化学量論通りの量の約２倍となる。Ｏ2の量が必要
とされる化学量論通りの量の約２倍を超える場合、Ｈ2
の過剰消費が発生する。他方、Ｏ2の量が、必要とされ
る化学量論通りの量の約２倍より実質的に少ない場合、
不十分なＣＯ酸化しか発生し得ず、ＲＷＧＳ反応が生じ
る可能性がより高くなる。従って、実際には、多くの実
施者は、ＣＯと反応するため理論的に必要とされる化学
量論通りのＯ2の量の約４倍以上を使用する。
【０００９】ＰｒＯｘ反応器は、（１）断熱式（即ち、
反応器の温度が、ＣＯの酸化の間に上昇することを可能
とされる場合）、又は、（２）等温式（即ち、反応器の
温度が、ＣＯの酸化の間に実質的に一定値を維持される
場合）のいずれかであり得る。断熱ＰｒＯｘプロセス
は、時折、段階的にＣＯ含有量を漸近的に減少させる、
幾多の連続的な段階を介してもたらされ、注意深い温度
制御を必要とする。というのは、温度が非常に上昇した
場合、ＲＷＧＳ反応が発生し得、逆により多くのＣＯを
生成してしまうからである。等温プロセスは、断熱プロ
セスと同じＣＯ減少をもたらすことができるが、（１）
反応器の温度を十分に低く保つことができ、及び、
（２）反応器の端部近傍のＯ2の消耗を回避することが
できる場合には、より少ない段階で済み、且つ、ＲＷＧ
Ｓ反応の懸念無しで済ますことができる。
反応器の温度が、ＣＯの酸化の間に上昇することを可能
とされる場合）、又は、（２）等温式（即ち、反応器の
温度が、ＣＯの酸化の間に実質的に一定値を維持される
場合）のいずれかであり得る。断熱ＰｒＯｘプロセス
は、時折、段階的にＣＯ含有量を漸近的に減少させる、
幾多の連続的な段階を介してもたらされ、注意深い温度
制御を必要とする。というのは、温度が非常に上昇した
場合、ＲＷＧＳ反応が発生し得、逆により多くのＣＯを
生成してしまうからである。等温プロセスは、断熱プロ
セスと同じＣＯ減少をもたらすことができるが、（１）
反応器の温度を十分に低く保つことができ、及び、
（２）反応器の端部近傍のＯ2の消耗を回避することが
できる場合には、より少ない段階で済み、且つ、ＲＷＧ
Ｓ反応の懸念無しで済ますことができる。
【００１０】一つの既知の等温反応器は、本質的には、
触媒付き熱交換器である。この触媒付き熱交換器は、当
該熱交換器を、（１）汚染除去されるべき（すなわち、
ＣＯを取り除くべき）Ｈ2の豊富なガスが通過するとこ
ろの第１のチャンネルと、（２）反応器の温度を、画定
される作動範囲内で実質的に一定に維持するため冷却剤
が流れるところの第２のチャンネルと、に分離する、熱
伝導性バリア即ち壁を有する。バリア壁は、ＣＯ＋Ｏ2
反応を促進するため第１のチャンネルに対面する、触媒
が設けられた第１の表面と、該触媒が形成された第１の
表面からバリアを通して熱を引き出すため内部の冷却剤
と接触する第２のチャンネルと対面する、触媒が設けら
れていない第２の表面と、を有する。隣接するバリアの
触媒が設けられていない表面は、互いに対向しており、
互いに近接した間隔を形成して、Ｈ2が豊富なガスが移
動するところの幅が狭い第１のチャンネルを画成するよ
うにしている。
触媒付き熱交換器である。この触媒付き熱交換器は、当
該熱交換器を、（１）汚染除去されるべき（すなわち、
ＣＯを取り除くべき）Ｈ2の豊富なガスが通過するとこ
ろの第１のチャンネルと、（２）反応器の温度を、画定
される作動範囲内で実質的に一定に維持するため冷却剤
が流れるところの第２のチャンネルと、に分離する、熱
伝導性バリア即ち壁を有する。バリア壁は、ＣＯ＋Ｏ2
反応を促進するため第１のチャンネルに対面する、触媒
が設けられた第１の表面と、該触媒が形成された第１の
表面からバリアを通して熱を引き出すため内部の冷却剤
と接触する第２のチャンネルと対面する、触媒が設けら
れていない第２の表面と、を有する。隣接するバリアの
触媒が設けられていない表面は、互いに対向しており、
互いに近接した間隔を形成して、Ｈ2が豊富なガスが移
動するところの幅が狭い第１のチャンネルを画成するよ
うにしている。
【００１１】ガソリン又は他の炭化水素の改質プロセス
は、高温（即ち、約６００〜８００℃）で作動する。水
ガスシフト反応器は、２５０〜４５０℃の温度で作動す
る。ＰｒＯｘ反応は、１００〜２００℃の温度で作動す
る。かくして、改質器、水ガスシフト（ＷＧＳ）反応
器、及びＰｒＯｘ反応器は、燃料処理装置が作動するの
に十分な温度にまで各々加熱されることが必要となる。
しかし、従来の燃料処理装置は、始動の間、様々な構成
部品が段階的に加熱されるようになっている。このアプ
ローチは、システムをオンライン化する上で望ましくな
い遅延時間をもたらしかねない。代わりに、外部の熱源
（即ち、ヒーター）を用いて、これらの構成部品を適切
な作動温度にまでもってくるようにすることもできる。
このアプローチは、例えばバッテリー等の外部の電源を
必要とすることになる。
は、高温（即ち、約６００〜８００℃）で作動する。水
ガスシフト反応器は、２５０〜４５０℃の温度で作動す
る。ＰｒＯｘ反応は、１００〜２００℃の温度で作動す
る。かくして、改質器、水ガスシフト（ＷＧＳ）反応
器、及びＰｒＯｘ反応器は、燃料処理装置が作動するの
に十分な温度にまで各々加熱されることが必要となる。
しかし、従来の燃料処理装置は、始動の間、様々な構成
部品が段階的に加熱されるようになっている。このアプ
ローチは、システムをオンライン化する上で望ましくな
い遅延時間をもたらしかねない。代わりに、外部の熱源
（即ち、ヒーター）を用いて、これらの構成部品を適切
な作動温度にまでもってくるようにすることもできる。
このアプローチは、例えばバッテリー等の外部の電源を
必要とすることになる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】従って、迅速に、燃料
処理装置の構成部品を加熱して、これらの始動のための
高温作動温度に達することのできる、燃料処理装置を提
供する必要性が関連分野において存在している。さらに
は、燃料処理装置に入力されたこの熱を最大化すると共
に、炭素を形成する傾向を最小にする、燃料処理装置を
提供する必要性が関連分野において存在している。さら
には、始動の間における電気エネルギーの使用及び触媒
反応の依存性を最小にしつつ、燃料処理装置を加熱する
ことのできる、燃料処理装置を提供する必要性が関連分
野において存在している。
処理装置の構成部品を加熱して、これらの始動のための
高温作動温度に達することのできる、燃料処理装置を提
供する必要性が関連分野において存在している。さらに
は、燃料処理装置に入力されたこの熱を最大化すると共
に、炭素を形成する傾向を最小にする、燃料処理装置を
提供する必要性が関連分野において存在している。さら
には、始動の間における電気エネルギーの使用及び触媒
反応の依存性を最小にしつつ、燃料処理装置を加熱する
ことのできる、燃料処理装置を提供する必要性が関連分
野において存在している。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明の原理によれば、
始動の間に作動温度に迅速に達するための燃料処理装置
が有利な構成を有して設けられる。燃料処理装置は、複
数のＨ2−Ｏ2燃料電池で電気を生成するために使用され
る水素を得るべく、改質器、シフト反応器、及び優先酸
化反応器を備える。第１の燃焼ヒーターシステムが、急
速始動シーケンスの間に構成部品を予備加熱するため、
改質器、シフト反応器、及び優先酸化反応器のうち少な
くとも１つに連結されている。即ち、第１の燃焼ヒータ
ーシステムは、第１の加熱された排気流れの形態で空気
及び燃料の燃焼の生成物として熱エネルギーを生成する
ように作動可能である。次に、この第１の加熱された排
気流れを使用して、構成部品を直接的に加熱し、あるい
は、熱交換器型式システムを使用することによって構成
部品を加熱する。本発明の応用可能性の更なる領域は、
以下に述べられる詳細な説明から明らかとなろう。詳細
な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示
しているが、一例を示すという目的であり、本発明の範
囲を制限するものではない。
始動の間に作動温度に迅速に達するための燃料処理装置
が有利な構成を有して設けられる。燃料処理装置は、複
数のＨ2−Ｏ2燃料電池で電気を生成するために使用され
る水素を得るべく、改質器、シフト反応器、及び優先酸
化反応器を備える。第１の燃焼ヒーターシステムが、急
速始動シーケンスの間に構成部品を予備加熱するため、
改質器、シフト反応器、及び優先酸化反応器のうち少な
くとも１つに連結されている。即ち、第１の燃焼ヒータ
ーシステムは、第１の加熱された排気流れの形態で空気
及び燃料の燃焼の生成物として熱エネルギーを生成する
ように作動可能である。次に、この第１の加熱された排
気流れを使用して、構成部品を直接的に加熱し、あるい
は、熱交換器型式システムを使用することによって構成
部品を加熱する。本発明の応用可能性の更なる領域は、
以下に述べられる詳細な説明から明らかとなろう。詳細
な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示
しているが、一例を示すという目的であり、本発明の範
囲を制限するものではない。
【００１４】本発明は、以下に述べる発明の実施の形態
と添付した図面とを参照することによってより十分に理
解することができるであろう。
と添付した図面とを参照することによってより十分に理
解することができるであろう。
【００１５】
【発明の実施の形態】好ましい実施形態の次の説明は、
その性質上、単なる一例にしか過ぎず、本発明、その用
途又は使用法を限定するものではない。例えば、本発明
は、改質されたガソリンにより燃料供給される燃料電池
の文脈で以下に述べられる。しかし、本明細書中で具体
化される原理が、他の改質可能な燃料により燃料供給さ
れる燃料電池に等しく適用可能であることが理解される
べきである。
その性質上、単なる一例にしか過ぎず、本発明、その用
途又は使用法を限定するものではない。例えば、本発明
は、改質されたガソリンにより燃料供給される燃料電池
の文脈で以下に述べられる。しかし、本明細書中で具体
化される原理が、他の改質可能な燃料により燃料供給さ
れる燃料電池に等しく適用可能であることが理解される
べきである。
【００１６】図１を参照すると、全体として１０で指し
示された、本発明の第１の実施形態に係る燃料処理装置
が示されている。燃料処理装置１０は、第１のバーナー
システム１２、自熱式改質器（改質器）１４、熱交換器
１６、水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）
１８、優先酸化／蒸発（ＰｒＯｘ／蒸発）反応器２０、
燃料電池スタック２２、第２のバーナーシステム２４、
及び触媒燃焼反応器２６を備えている。
示された、本発明の第１の実施形態に係る燃料処理装置
が示されている。燃料処理装置１０は、第１のバーナー
システム１２、自熱式改質器（改質器）１４、熱交換器
１６、水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）
１８、優先酸化／蒸発（ＰｒＯｘ／蒸発）反応器２０、
燃料電池スタック２２、第２のバーナーシステム２４、
及び触媒燃焼反応器２６を備えている。
【００１７】第１のバーナーシステム１２及び第２のバ
ーナーシステム２４は、主要には、燃料処理装置１０内
部の最適な作動温度を急速且つ効率的に達成するため始
動サイクルの間に燃料処理装置１０の構成部品を加熱す
るため使用される。第１のバーナーシステム１２及び第
２のバーナーシステム２４は、様々な形式の燃料、例え
ば炭化水素又は水素等を燃焼してもよいが、該燃料に限
定されるものではない。これに引き続いて、燃料処理装
置１０は、既知の燃料電池技術に従って、水素及び酸素
の結合により、効率的に電気エネルギーを生成すること
ができる。第１のバーナーシステム１２及び第２のバー
ナーシステム２４は、各々、内部燃焼により熱を生成す
る予備混合式（premixed）又は拡散式（diffusion-typ
e）のいずれかのバーナーである。加熱率は、燃焼され
る燃料の発熱量（又は燃焼熱）により決定される。燃焼
される燃料の量は、全体に亘る化学量論通りの条件の近
傍で、空気流れ率にによって決まる。第１のバーナーシ
ステム１２及び第２のバーナーシステム２４は、設計
上、熱反応又は触媒反応を利用したシステムとすること
ができる。
ーナーシステム２４は、主要には、燃料処理装置１０内
部の最適な作動温度を急速且つ効率的に達成するため始
動サイクルの間に燃料処理装置１０の構成部品を加熱す
るため使用される。第１のバーナーシステム１２及び第
２のバーナーシステム２４は、様々な形式の燃料、例え
ば炭化水素又は水素等を燃焼してもよいが、該燃料に限
定されるものではない。これに引き続いて、燃料処理装
置１０は、既知の燃料電池技術に従って、水素及び酸素
の結合により、効率的に電気エネルギーを生成すること
ができる。第１のバーナーシステム１２及び第２のバー
ナーシステム２４は、各々、内部燃焼により熱を生成す
る予備混合式（premixed）又は拡散式（diffusion-typ
e）のいずれかのバーナーである。加熱率は、燃焼され
る燃料の発熱量（又は燃焼熱）により決定される。燃焼
される燃料の量は、全体に亘る化学量論通りの条件の近
傍で、空気流れ率にによって決まる。第１のバーナーシ
ステム１２及び第２のバーナーシステム２４は、設計
上、熱反応又は触媒反応を利用したシステムとすること
ができる。
【００１８】好ましくは、燃焼加熱は、熱改質器１４、
水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８、
優先酸化／蒸発（ＰｒＯｘ／蒸発）反応器２０、及び触
媒燃焼器２６を、作動温度にまで効率的且つ迅速に加熱
する必要があるガスの初期温度を最小にするため、２段
階で、即ち、第１のバーナーシステム１２及び第２のバ
ーナーシステム２４内部で発生する。即ち、改質器１
４、水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１
８、優先酸化／蒸発（ＰｒＯｘ／蒸発）反応器２０、及
び触媒燃焼器２６は、過度の温度にさらされる場合、各
々、損傷を受けやすくなる。しかし、これらの構成部品
を、単一のバーナーを用いて所定の作動温度にまで加熱
するためには、残りの構成部品を加熱するため十分な熱
を下流側に運搬するように、単一バーナーの出力ガスを
最初に十分に加熱することが必要となる。このため、上
流側の構成部品が耐えることのできる温度以上の温度に
なるおそれがあるので、単一バーナーの出力ガスは、上
流側の構成部品にリスクを引き起こしかねない。従っ
て、そのような構成部品を過剰の温度にさらすこと無し
に、始動の間に全ての構成部品を効率的に加熱するため
には、２段階加熱システムを用いることが好ましい。２
段階の燃焼は、最大の炎の温度を減少させるためにも役
立ち、望ましくないＮＯｘ形成物の生成を減少させる。
その代わりに、結果として発生する熱の局所的制御を改
善するため、２段階以上の段階で燃焼を起こすこともで
きる。例えば、追加のバーナーを、水ガスシフト反応器
／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８及び優先酸化／蒸発
（ＰｒＯｘ／蒸発）反応器２０を直接加熱するため使用
することができる。
水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８、
優先酸化／蒸発（ＰｒＯｘ／蒸発）反応器２０、及び触
媒燃焼器２６を、作動温度にまで効率的且つ迅速に加熱
する必要があるガスの初期温度を最小にするため、２段
階で、即ち、第１のバーナーシステム１２及び第２のバ
ーナーシステム２４内部で発生する。即ち、改質器１
４、水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１
８、優先酸化／蒸発（ＰｒＯｘ／蒸発）反応器２０、及
び触媒燃焼器２６は、過度の温度にさらされる場合、各
々、損傷を受けやすくなる。しかし、これらの構成部品
を、単一のバーナーを用いて所定の作動温度にまで加熱
するためには、残りの構成部品を加熱するため十分な熱
を下流側に運搬するように、単一バーナーの出力ガスを
最初に十分に加熱することが必要となる。このため、上
流側の構成部品が耐えることのできる温度以上の温度に
なるおそれがあるので、単一バーナーの出力ガスは、上
流側の構成部品にリスクを引き起こしかねない。従っ
て、そのような構成部品を過剰の温度にさらすこと無し
に、始動の間に全ての構成部品を効率的に加熱するため
には、２段階加熱システムを用いることが好ましい。２
段階の燃焼は、最大の炎の温度を減少させるためにも役
立ち、望ましくないＮＯｘ形成物の生成を減少させる。
その代わりに、結果として発生する熱の局所的制御を改
善するため、２段階以上の段階で燃焼を起こすこともで
きる。例えば、追加のバーナーを、水ガスシフト反応器
／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８及び優先酸化／蒸発
（ＰｒＯｘ／蒸発）反応器２０を直接加熱するため使用
することができる。
【００１９】図１に最も良く示されているように、燃料
処理装置１０は、第１のバーナーシステム１２が、第１
の空気入口流れ２８及び第１の燃料入口流れ３０を含む
ように構成されている。第１の空気入口流れ２８は、シ
ステムの空気コンプレッサ（図示せず）からの、又は、
燃料電池スタック２２への空気供給流れ３４からの直接
的な供給として得ることもできる。所望の場合には、空
気供給流れ３４から燃料電池スタック２２への空気を使
用することによって、流量が増加し、より高い加熱容量
（heating capacity）を達成することができる。
処理装置１０は、第１のバーナーシステム１２が、第１
の空気入口流れ２８及び第１の燃料入口流れ３０を含む
ように構成されている。第１の空気入口流れ２８は、シ
ステムの空気コンプレッサ（図示せず）からの、又は、
燃料電池スタック２２への空気供給流れ３４からの直接
的な供給として得ることもできる。所望の場合には、空
気供給流れ３４から燃料電池スタック２２への空気を使
用することによって、流量が増加し、より高い加熱容量
（heating capacity）を達成することができる。
【００２０】第１のバーナーシステム１２の加熱排気流
れは、全体として３２で指し示されており、燃料処理装
置１０の下流側構成部品を加熱するため燃料リーンの燃
焼排気物として第１のバーナーシステム１２から出る。
第１のバーナー排気物の流れ３２の特定の温度は、改質
器１４内部の触媒を、その作動温度（典型的には、例え
ばガソリン等の炭化水素のための約６００〜８００℃の
範囲にある温度）にまで加熱するのに十分であるのが好
ましい。この目的のため、第１のバーナーシステム１２
は、予備混合式又は拡散式であることが好ましく、ま
た、炎の安定性のための高温度領域を含むのが好まし
い。第１のバーナーシステム１２の第１のバーナー排気
物の流れ３２は、第１のバーナー排気物の流れを、改質
器１４内部の触媒を加熱するのに適した温度に制御する
ため、下流側空気（図示せず）で希釈されてもよいと考
えられる。この下流側の空気は、第１のバーナーシステ
ム１２内部の第１の空気入口流れ２８の一部分を逸らす
ことによって得てもよく、或いは、別の空気源（即ち、
改質器の空気３６）を利用することによって得てもよ
い。しかしながら、第１の空気入口の流れ２８は、高い
流れ率の空気を達成するため（すなわち、空気の流量を
増加させるため）、コンプレッサからの直接の供給物と
して、或いは、燃料電池スタック２２を一時的に迂回さ
せて、スタックの空気入口流れ３４からの空気供給物を
使用することによる供給物として得られるのが好まし
い。この構成は、図１に示されているように、始動の間
に第１の空気入口流れ２８からの空気が熱交換器１６を
通過することを防止することによって、更には、通常の
作動中に改質器の入口部分の空気流れ３６又は改質器の
蒸気３８が第１のバーナーシステム１２を通過すること
を防止することによって、燃料処理装置１０を通した圧
力降下を最小にする。
れは、全体として３２で指し示されており、燃料処理装
置１０の下流側構成部品を加熱するため燃料リーンの燃
焼排気物として第１のバーナーシステム１２から出る。
第１のバーナー排気物の流れ３２の特定の温度は、改質
器１４内部の触媒を、その作動温度（典型的には、例え
ばガソリン等の炭化水素のための約６００〜８００℃の
範囲にある温度）にまで加熱するのに十分であるのが好
ましい。この目的のため、第１のバーナーシステム１２
は、予備混合式又は拡散式であることが好ましく、ま
た、炎の安定性のための高温度領域を含むのが好まし
い。第１のバーナーシステム１２の第１のバーナー排気
物の流れ３２は、第１のバーナー排気物の流れを、改質
器１４内部の触媒を加熱するのに適した温度に制御する
ため、下流側空気（図示せず）で希釈されてもよいと考
えられる。この下流側の空気は、第１のバーナーシステ
ム１２内部の第１の空気入口流れ２８の一部分を逸らす
ことによって得てもよく、或いは、別の空気源（即ち、
改質器の空気３６）を利用することによって得てもよ
い。しかしながら、第１の空気入口の流れ２８は、高い
流れ率の空気を達成するため（すなわち、空気の流量を
増加させるため）、コンプレッサからの直接の供給物と
して、或いは、燃料電池スタック２２を一時的に迂回さ
せて、スタックの空気入口流れ３４からの空気供給物を
使用することによる供給物として得られるのが好まし
い。この構成は、図１に示されているように、始動の間
に第１の空気入口流れ２８からの空気が熱交換器１６を
通過することを防止することによって、更には、通常の
作動中に改質器の入口部分の空気流れ３６又は改質器の
蒸気３８が第１のバーナーシステム１２を通過すること
を防止することによって、燃料処理装置１０を通した圧
力降下を最小にする。
【００２１】従って、第１のバーナーシステム１２から
の第１のバーナー排気物の流れ３２は、改質器の入口領
域４０、改質器１４、熱交換器１６及びイオウトラップ
４２を順次加熱していく。バイパスバルブ４４が開放さ
れ、ＷＧＳバルブ（水ガスシフトバルブ）４６が閉鎖さ
れると、第１のバーナー排気物の流れ３２が、ＷＧＳ／
ＨＸ（水ガスシフト反応器／熱交換器）１８を迂回し
て、触媒燃焼器２６及び第２のバーナーシステム２４へ
と流れる。しかし、バイパスバルブ４４及びＷＧＳバル
ブ４６は、単一の三方バルブ（図３を見よ）で置き換え
てもよいことが理解されるべきである。しかしながら、
この２つのバルブ構成は、バイパスバルブ４４を、高温
度の改質物ガス流れ（又は改質油ガス流れ）５４から離
れて配置することを可能にする。そのため、バイパスバ
ルブ４４は、システム効率の損失へと導きかねない、改
質物の触媒燃焼器２６への漏れを無くす上で、より低温
度で良好な性質を示す密封材料から作られてもよい。
の第１のバーナー排気物の流れ３２は、改質器の入口領
域４０、改質器１４、熱交換器１６及びイオウトラップ
４２を順次加熱していく。バイパスバルブ４４が開放さ
れ、ＷＧＳバルブ（水ガスシフトバルブ）４６が閉鎖さ
れると、第１のバーナー排気物の流れ３２が、ＷＧＳ／
ＨＸ（水ガスシフト反応器／熱交換器）１８を迂回し
て、触媒燃焼器２６及び第２のバーナーシステム２４へ
と流れる。しかし、バイパスバルブ４４及びＷＧＳバル
ブ４６は、単一の三方バルブ（図３を見よ）で置き換え
てもよいことが理解されるべきである。しかしながら、
この２つのバルブ構成は、バイパスバルブ４４を、高温
度の改質物ガス流れ（又は改質油ガス流れ）５４から離
れて配置することを可能にする。そのため、バイパスバ
ルブ４４は、システム効率の損失へと導きかねない、改
質物の触媒燃焼器２６への漏れを無くす上で、より低温
度で良好な性質を示す密封材料から作られてもよい。
【００２２】燃料処理装置１０の残りの構成部品及び接
続部品の簡単な説明は、始動処置及び構成部品を適切に
説明する上で有益であると考えられる。よって、「通
常」の作動（例えば、システムが始動した後に駆動して
いる状態の作動）を参照すると、改質器の入口領域４０
は、入口の流れ５２を生成するため、例えばガソリン等
の改質器燃料入口流れ４８と、熱交換器１６からの改質
器の空気及び入口流れ５０と、を含んでおり、これによ
って、入口流れ５２を生成することができるようになっ
ている。入口流れ５２は、改質器１４に入り、改質器燃
料入口流れ４８からの燃料と、改質器の入口流れ５０か
らの空気及び水とに触媒反応を起こさせて、Ｈ2の豊富
な改質物ガス流れ５４を形成する。改質物ガス流れ５４
は、熱交換器１６を通過する。熱交換器１６は、改質物
ガスの流れ５４からの改質サイクルの間に生成された過
剰熱を除去する。次に、この熱は熱交換器１６により使
用され、これにより、改質器空気入口流れ３６及び改質
器蒸気３８の混合物が加熱され、改質器の入口流れ５０
が生成される。次に、改質物ガスの流れ５４は、イオウ
及び他の炭化水素を除去するため、イオウトラップ４２
を通過し、それが出るときに、水流れ５６と混合され
て、水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１
８内への温度を制御し、更には流出物を加湿する。
続部品の簡単な説明は、始動処置及び構成部品を適切に
説明する上で有益であると考えられる。よって、「通
常」の作動（例えば、システムが始動した後に駆動して
いる状態の作動）を参照すると、改質器の入口領域４０
は、入口の流れ５２を生成するため、例えばガソリン等
の改質器燃料入口流れ４８と、熱交換器１６からの改質
器の空気及び入口流れ５０と、を含んでおり、これによ
って、入口流れ５２を生成することができるようになっ
ている。入口流れ５２は、改質器１４に入り、改質器燃
料入口流れ４８からの燃料と、改質器の入口流れ５０か
らの空気及び水とに触媒反応を起こさせて、Ｈ2の豊富
な改質物ガス流れ５４を形成する。改質物ガス流れ５４
は、熱交換器１６を通過する。熱交換器１６は、改質物
ガスの流れ５４からの改質サイクルの間に生成された過
剰熱を除去する。次に、この熱は熱交換器１６により使
用され、これにより、改質器空気入口流れ３６及び改質
器蒸気３８の混合物が加熱され、改質器の入口流れ５０
が生成される。次に、改質物ガスの流れ５４は、イオウ
及び他の炭化水素を除去するため、イオウトラップ４２
を通過し、それが出るときに、水流れ５６と混合され
て、水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１
８内への温度を制御し、更には流出物を加湿する。
【００２３】通常の作動の間、ＷＧＳバルブ４６は開放
され、それによって、加湿された改質物ガスの流れ５４
が、該ＷＧＳバルブ４６を通って、水ガスシフト反応器
／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８及び優先酸化（ＰｒＯ
ｘ）／蒸発反応器２０へと至る。上述したように、水ガ
スシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８は、水
ガスシフト反応器と熱交換器との結合システムである。
水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８の
熱交換器部分は、始動処置の間に水ガスシフト反応器の
触媒の効率的な加熱を可能にするため、水ガスシフト反
応器部分から流体的に分離されている。
され、それによって、加湿された改質物ガスの流れ５４
が、該ＷＧＳバルブ４６を通って、水ガスシフト反応器
／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８及び優先酸化（ＰｒＯ
ｘ）／蒸発反応器２０へと至る。上述したように、水ガ
スシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８は、水
ガスシフト反応器と熱交換器との結合システムである。
水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８の
熱交換器部分は、始動処置の間に水ガスシフト反応器の
触媒の効率的な加熱を可能にするため、水ガスシフト反
応器部分から流体的に分離されている。
【００２４】優先酸化／蒸発（ＰｒＯｘ／蒸発）反応器
２０は、優先酸化反応器と蒸発器との結合システムであ
る。優先酸化／蒸発反応器２０の蒸発器部分は、熱交換
器として使用されており、これによって、優先酸化反応
から余剰熱を除去し、また、改質器の蒸気８６を形成
し、反応触媒を蒸気流れから分離する。水ガスシフト反
応器／熱交換器１８と優先酸化／蒸発反応器２０とを使
用して、内部のＣＯレベルを受容可能なレベルにまで減
少させることができる。ＣＯを抜き取られた、Ｈ 2の豊
富な改質物の流れ５８は、燃料電池スタック２２のアノ
ード側に供給される。これと同時に、スタックの空気入
口流れ３４からの酸素は、燃料電池スタック２２のカソ
ード側へと供給される。改質物の流れ５８からの水素
は、膜電極アッセンブリに亘って、スタック空気入口流
れ３４からの酸素と反応して電流を生成する。燃料電池
スタック２２のアノード側からのアノード排気物即ちス
タック流出物６０は、熱を生成するため触媒燃焼器２６
に戻るように差し向けられた水素の一部分を含んでい
る。燃料電池スタック２２のカソード側からのカソード
排気物６２は、触媒燃焼器２６でも使用するための酸素
を含んでいる。触媒燃焼器２６へのカソード排気物６２
の流れは、一対の制御バルブ、即ち、燃焼器の空気制御
バルブ６４及びカソード排気物の背圧バルブ６６によっ
て制御される。カソード排気物の背圧バルブ６６を閉じ
ることによって、触媒燃焼器２６で燃焼を引き起こすよ
うに、空気を、強制的に燃焼器空気制御バルブ６４を通
過させる背圧が生成される。カソード排気物の背圧バル
ブ６６を開放することによって、排気管７への流れが可
能となる。
２０は、優先酸化反応器と蒸発器との結合システムであ
る。優先酸化／蒸発反応器２０の蒸発器部分は、熱交換
器として使用されており、これによって、優先酸化反応
から余剰熱を除去し、また、改質器の蒸気８６を形成
し、反応触媒を蒸気流れから分離する。水ガスシフト反
応器／熱交換器１８と優先酸化／蒸発反応器２０とを使
用して、内部のＣＯレベルを受容可能なレベルにまで減
少させることができる。ＣＯを抜き取られた、Ｈ 2の豊
富な改質物の流れ５８は、燃料電池スタック２２のアノ
ード側に供給される。これと同時に、スタックの空気入
口流れ３４からの酸素は、燃料電池スタック２２のカソ
ード側へと供給される。改質物の流れ５８からの水素
は、膜電極アッセンブリに亘って、スタック空気入口流
れ３４からの酸素と反応して電流を生成する。燃料電池
スタック２２のアノード側からのアノード排気物即ちス
タック流出物６０は、熱を生成するため触媒燃焼器２６
に戻るように差し向けられた水素の一部分を含んでい
る。燃料電池スタック２２のカソード側からのカソード
排気物６２は、触媒燃焼器２６でも使用するための酸素
を含んでいる。触媒燃焼器２６へのカソード排気物６２
の流れは、一対の制御バルブ、即ち、燃焼器の空気制御
バルブ６４及びカソード排気物の背圧バルブ６６によっ
て制御される。カソード排気物の背圧バルブ６６を閉じ
ることによって、触媒燃焼器２６で燃焼を引き起こすよ
うに、空気を、強制的に燃焼器空気制御バルブ６４を通
過させる背圧が生成される。カソード排気物の背圧バル
ブ６６を開放することによって、排気管７への流れが可
能となる。
【００２５】始動サイクルの間、バイパスバルブ４４が
開放され、ＷＧＳバルブ４６が閉じられ、これによっ
て、第１のバーナーシステム１２のリーンガスを第２の
バーナーシステム２４に間接的に送る。燃焼ガス内の酸
素が、水ガスシフト（ＷＧＳ）反応器で典型的に使用さ
れるＣｕＺｎ触媒と反応し得るので、リーン燃焼ガスが
燃料処理装置１０内を流れるとき、水ガスシフト反応器
／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８を迂回する必要がある
ことが理解されるべきである。しかし、水ガスシフト反
応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８が、非自然発火性
の触媒を含む場合、バイパスバルブ４４及びＷＧＳバル
ブ４６は必要ではなくなり、リーン燃焼ガスは、燃料処
理装置１０を簡素化するため、燃料電池スタック２２を
通過する通常の作動経路に沿って第２のバーナーシステ
ム２４へと流れることを可能にされてもよい。一般に
は、ＰＥＭスタックで典型的に使用される膜の乾燥に起
因して、乾燥空気が、延長された時間期間に亘って、燃
料電池スタック２２を通って流れることを可能にするこ
とは望ましくはない。しかし、本発明の原理によれば、
バルブ４４、４６が使用されない場合、燃料電池スタッ
ク２２を通って結果として生じるガスの流れは、受け入
れ可能である。それは、第１のバーナーシステム１２内
部のリーン燃焼の生成物である湿気を含んでおり、触媒
への有害な影響を防止するため非常に低い一酸化炭素濃
度しか含んでいないからである。所望ならば、バイパス
バルブを、燃料電池スタック２２を迂回させるため、使
用してもよい。
開放され、ＷＧＳバルブ４６が閉じられ、これによっ
て、第１のバーナーシステム１２のリーンガスを第２の
バーナーシステム２４に間接的に送る。燃焼ガス内の酸
素が、水ガスシフト（ＷＧＳ）反応器で典型的に使用さ
れるＣｕＺｎ触媒と反応し得るので、リーン燃焼ガスが
燃料処理装置１０内を流れるとき、水ガスシフト反応器
／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８を迂回する必要がある
ことが理解されるべきである。しかし、水ガスシフト反
応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８が、非自然発火性
の触媒を含む場合、バイパスバルブ４４及びＷＧＳバル
ブ４６は必要ではなくなり、リーン燃焼ガスは、燃料処
理装置１０を簡素化するため、燃料電池スタック２２を
通過する通常の作動経路に沿って第２のバーナーシステ
ム２４へと流れることを可能にされてもよい。一般に
は、ＰＥＭスタックで典型的に使用される膜の乾燥に起
因して、乾燥空気が、延長された時間期間に亘って、燃
料電池スタック２２を通って流れることを可能にするこ
とは望ましくはない。しかし、本発明の原理によれば、
バルブ４４、４６が使用されない場合、燃料電池スタッ
ク２２を通って結果として生じるガスの流れは、受け入
れ可能である。それは、第１のバーナーシステム１２内
部のリーン燃焼の生成物である湿気を含んでおり、触媒
への有害な影響を防止するため非常に低い一酸化炭素濃
度しか含んでいないからである。所望ならば、バイパス
バルブを、燃料電池スタック２２を迂回させるため、使
用してもよい。
【００２６】第２のバーナーシステム２４は、触媒燃焼
器２６、水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／Ｈ
Ｘ）１８、及び優先酸化／蒸発反応器（ＰｒＯｘ／蒸発
反応器）２０を間接的に加熱するため使用される。第２
の燃料入口流れ６８は、燃焼プロセスの間に残りの酸素
のほとんどが消費されるように、触媒燃焼器２６の下流
側で第２のバーナーシステム内に導入される。しかし、
未燃焼の炭化水素が、加熱された排気流れ７０に存在し
ないことを確実にするため、第２のバーナーシステム２
４内部に僅かにリーンの燃料が残っていることが好まし
いことが明記されるべきである。第２のバーナーシステ
ム２４は、予備混合式又は拡散式であるのが好ましい。
更に好ましくは、第２のバーナーシステム２４は、炎に
より生成された放出量を減少させるため液体燃料を用い
て使用されるとき予備混合式であるのがよい。
器２６、水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／Ｈ
Ｘ）１８、及び優先酸化／蒸発反応器（ＰｒＯｘ／蒸発
反応器）２０を間接的に加熱するため使用される。第２
の燃料入口流れ６８は、燃焼プロセスの間に残りの酸素
のほとんどが消費されるように、触媒燃焼器２６の下流
側で第２のバーナーシステム内に導入される。しかし、
未燃焼の炭化水素が、加熱された排気流れ７０に存在し
ないことを確実にするため、第２のバーナーシステム２
４内部に僅かにリーンの燃料が残っていることが好まし
いことが明記されるべきである。第２のバーナーシステ
ム２４は、予備混合式又は拡散式であるのが好ましい。
更に好ましくは、第２のバーナーシステム２４は、炎に
より生成された放出量を減少させるため液体燃料を用い
て使用されるとき予備混合式であるのがよい。
【００２７】図２に最も良く示されるように、触媒燃焼
器２６は、間接的に加熱される。即ち、始動条件の下で
は、第２のバーナーシステム２４への燃焼器ガスの流れ
８８は、バイパスバルブ４４を通って流れる第１のバー
ナーシステム１２におけるリーン燃焼の生成物である。
燃焼器ガスの流れ８８は、第２のバーナーシステム２４
の炎２０４を燃焼器ガス流れ８８から分離させるライナ
ー２０２を横切って間接的に加熱される。第２の燃料入
口の流れ６８は、触媒燃焼器２６の後段に続く燃焼器ガ
スの流れ８８に追加され、混合される。予備混合作業の
ため、第２の燃料入口の流れ６８が注入され、炎チャン
バー２０８内への導入前に、混合チャンバー２０６で触
媒燃焼器２６から出たガスと混合される。拡散作業のた
めには、チャンバー２０６における混合工程は存在せ
ず、第２の燃料入口の流れ６８が、炎ホルダー２１０の
下流側で直接的に炎２０４内に注入される。液体燃料作
業のためには、予備混合式のアプローチは、炎２０４か
ら放出量を減少させるために選択される。炎ホルダー２
１０は、例えば渦流器（swirler）、穿孔プレート（図
２に示される）、後方対面階段、絶壁ボディ又は横断ジ
ェット等の任意の従来型式であってもよいが、これらに
限定されるものではない。炎２０４は、点火プラグ２１
２によって点火され得る。
器２６は、間接的に加熱される。即ち、始動条件の下で
は、第２のバーナーシステム２４への燃焼器ガスの流れ
８８は、バイパスバルブ４４を通って流れる第１のバー
ナーシステム１２におけるリーン燃焼の生成物である。
燃焼器ガスの流れ８８は、第２のバーナーシステム２４
の炎２０４を燃焼器ガス流れ８８から分離させるライナ
ー２０２を横切って間接的に加熱される。第２の燃料入
口の流れ６８は、触媒燃焼器２６の後段に続く燃焼器ガ
スの流れ８８に追加され、混合される。予備混合作業の
ため、第２の燃料入口の流れ６８が注入され、炎チャン
バー２０８内への導入前に、混合チャンバー２０６で触
媒燃焼器２６から出たガスと混合される。拡散作業のた
めには、チャンバー２０６における混合工程は存在せ
ず、第２の燃料入口の流れ６８が、炎ホルダー２１０の
下流側で直接的に炎２０４内に注入される。液体燃料作
業のためには、予備混合式のアプローチは、炎２０４か
ら放出量を減少させるために選択される。炎ホルダー２
１０は、例えば渦流器（swirler）、穿孔プレート（図
２に示される）、後方対面階段、絶壁ボディ又は横断ジ
ェット等の任意の従来型式であってもよいが、これらに
限定されるものではない。炎２０４は、点火プラグ２１
２によって点火され得る。
【００２８】図１及び２に最も良く示されるように、噴
霧蒸発領域７２は、第２のバーナーシステム２４の下流
側にあり、これは、排気流れ７０の出口温度が始動蒸発
器８０又は水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／Ｈ
Ｘ）１８にとって非常に高過ぎる場合に、第２のバーナ
ーシステム２４から出た排気流れ７０のガス温度を減少
させるため、噴霧水流れ７４を用いている。第２のバー
ナーシステム２４から出た排気流れ７０の温度は、該流
れが、排気流れ８２を生成するため噴霧蒸発領域７２及
び始動蒸発器８０を通過するとき、低下される。次に、
排気流れ８２は、ＷＧＳ／ＨＸ１８の熱交換器及び運転
蒸発器９６を通って流れ、排気物６７となる。
霧蒸発領域７２は、第２のバーナーシステム２４の下流
側にあり、これは、排気流れ７０の出口温度が始動蒸発
器８０又は水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／Ｈ
Ｘ）１８にとって非常に高過ぎる場合に、第２のバーナ
ーシステム２４から出た排気流れ７０のガス温度を減少
させるため、噴霧水流れ７４を用いている。第２のバー
ナーシステム２４から出た排気流れ７０の温度は、該流
れが、排気流れ８２を生成するため噴霧蒸発領域７２及
び始動蒸発器８０を通過するとき、低下される。次に、
排気流れ８２は、ＷＧＳ／ＨＸ１８の熱交換器及び運転
蒸発器９６を通って流れ、排気物６７となる。
【００２９】第２のバーナーシステム２４からの熱エネ
ルギーは、始動蒸発器の蒸気流れ７６を生成するため始
動蒸発器８０を通る始動蒸発器水流れ７８を発動させる
ことによっても利用される。始動蒸発器蒸気流れ７６
は、優先酸化／蒸発反応器（ＰｒＯｘ／蒸発反応器）２
０を加熱するため、ＰｒＯｘ／蒸発反応器２０の後側に
亘って流れる。というのは、始動蒸発器の蒸気流れ７６
の飽和温度（３気圧で１３４℃）が、ＰｒＯｘ／蒸発反
応器２０内部の触媒の作動温度を補足するからである。
蒸発の熱を利用することによって、かなりの熱エネルギ
ーを転移できるということを理解すべきである。凝結し
た水を無くすための排水処理が、凝結水を再蒸発させる
熱エネルギーの使用を回避するために組み込まれてもよ
い。優先酸化／蒸発反応器（ＰｒＯｘ／蒸発反応器）２
０は、始動蒸発器の蒸気流れ７６、ＰｒＯｘ入口水流れ
８４、及びその結果として生じたＰｒＯｘ蒸気流れ８６
から反応触媒を分離するため、熱交換器型式の構成を持
っていてもよい。
ルギーは、始動蒸発器の蒸気流れ７６を生成するため始
動蒸発器８０を通る始動蒸発器水流れ７８を発動させる
ことによっても利用される。始動蒸発器蒸気流れ７６
は、優先酸化／蒸発反応器（ＰｒＯｘ／蒸発反応器）２
０を加熱するため、ＰｒＯｘ／蒸発反応器２０の後側に
亘って流れる。というのは、始動蒸発器の蒸気流れ７６
の飽和温度（３気圧で１３４℃）が、ＰｒＯｘ／蒸発反
応器２０内部の触媒の作動温度を補足するからである。
蒸発の熱を利用することによって、かなりの熱エネルギ
ーを転移できるということを理解すべきである。凝結し
た水を無くすための排水処理が、凝結水を再蒸発させる
熱エネルギーの使用を回避するために組み込まれてもよ
い。優先酸化／蒸発反応器（ＰｒＯｘ／蒸発反応器）２
０は、始動蒸発器の蒸気流れ７６、ＰｒＯｘ入口水流れ
８４、及びその結果として生じたＰｒＯｘ蒸気流れ８６
から反応触媒を分離するため、熱交換器型式の構成を持
っていてもよい。
【００３０】ＰｒＯｘ蒸気流れ８６は、第１のバーナー
システム１２により熱交換器１６に提供された直接的な
熱に加えて、熱交換器１６をさらに加熱する。始動サイ
クルの間に、ＷＧＳ／ＨＸ排気物出口流れ９８の温度
が、気化温度（典型的には約１５０℃）を超えた場合、
運転蒸発器９６は、追加の蒸気１０２を生成することが
できる。即ち、運転蒸発器９６に入る運転水１００は、
蒸気１０２が僅かに過熱されるように調整される。蒸気
１０２は、ＰｒＯｘ蒸気流れ８６と合流して改質器の蒸
気３８を形成し、改質器の蒸気３８は熱交換器１６へと
流れる。このプロセスは、熱交換器１６を追加的に加熱
する工程を提供するように使用されてもよい。
システム１２により熱交換器１６に提供された直接的な
熱に加えて、熱交換器１６をさらに加熱する。始動サイ
クルの間に、ＷＧＳ／ＨＸ排気物出口流れ９８の温度
が、気化温度（典型的には約１５０℃）を超えた場合、
運転蒸発器９６は、追加の蒸気１０２を生成することが
できる。即ち、運転蒸発器９６に入る運転水１００は、
蒸気１０２が僅かに過熱されるように調整される。蒸気
１０２は、ＰｒＯｘ蒸気流れ８６と合流して改質器の蒸
気３８を形成し、改質器の蒸気３８は熱交換器１６へと
流れる。このプロセスは、熱交換器１６を追加的に加熱
する工程を提供するように使用されてもよい。
【００３１】燃料処理装置１０の急速な始動サイクルの
間、十分な空気の流れが、第１のバーナーシステム１２
の第１の空気入口流れ２８に導入される。第２のバーナ
ーシステム２に流れ９０を回送するように、バイパスバ
ルブ４４が開放され、ＷＧＳバルブ４６が閉じられる。
第１のバーナーシステム１２及び第２のバーナーシステ
ム２４内の例えばスパークプラグ等の点火部材２１２が
付勢される。これと同時に、燃焼を開始するため、第１
の燃料入口流れ３０及び第２の燃料入口流れ６８が、各
々、第１のバーナーシステム１２及び第２のバーナーシ
ステム２４に導入される。機械ハードウェアによって
は、代わりの順序が適している。別の構成によって、減
少した流れの部分で着火することができる。即ち、第１
のバーナーシステム１２又は第２のバーナーシステム２
４を用いて導くことができる。第１のバーナーシステム
１２及び第２のバーナーシステム２４内部の燃焼の確立
は、各々、例えば第１のバーナー排気流れ３２の炎イオ
ン化又は温度の測定等のセンサーによって、及び、噴霧
蒸発領域７２の出口において得られる。第１の燃料入口
流れ３０は、ガソリン型式の炭化水素のための改質器１
４内の触媒にとって所望の温度（典型的に約６００〜８
００℃）を生成するように制御される。
間、十分な空気の流れが、第１のバーナーシステム１２
の第１の空気入口流れ２８に導入される。第２のバーナ
ーシステム２に流れ９０を回送するように、バイパスバ
ルブ４４が開放され、ＷＧＳバルブ４６が閉じられる。
第１のバーナーシステム１２及び第２のバーナーシステ
ム２４内の例えばスパークプラグ等の点火部材２１２が
付勢される。これと同時に、燃焼を開始するため、第１
の燃料入口流れ３０及び第２の燃料入口流れ６８が、各
々、第１のバーナーシステム１２及び第２のバーナーシ
ステム２４に導入される。機械ハードウェアによって
は、代わりの順序が適している。別の構成によって、減
少した流れの部分で着火することができる。即ち、第１
のバーナーシステム１２又は第２のバーナーシステム２
４を用いて導くことができる。第１のバーナーシステム
１２及び第２のバーナーシステム２４内部の燃焼の確立
は、各々、例えば第１のバーナー排気流れ３２の炎イオ
ン化又は温度の測定等のセンサーによって、及び、噴霧
蒸発領域７２の出口において得られる。第１の燃料入口
流れ３０は、ガソリン型式の炭化水素のための改質器１
４内の触媒にとって所望の温度（典型的に約６００〜８
００℃）を生成するように制御される。
【００３２】第２の燃料入口流れ６８は、急速始動のた
め燃料処理装置１０に入力された熱を最大化するため全
体的な化学量論通りの条件近傍に維持するように制御さ
れる。即ち、第１の燃料入口流れ３０及び第２の燃料入
口流れ６８の総和に等しい、合計の燃料流れは、第１の
空気入口流れ２８により提供された酸素のほとんど全て
と反応、消費して、未燃焼の炭化水素を結果として生成
すること無く、生成された燃焼熱を最大にする。
め燃料処理装置１０に入力された熱を最大化するため全
体的な化学量論通りの条件近傍に維持するように制御さ
れる。即ち、第１の燃料入口流れ３０及び第２の燃料入
口流れ６８の総和に等しい、合計の燃料流れは、第１の
空気入口流れ２８により提供された酸素のほとんど全て
と反応、消費して、未燃焼の炭化水素を結果として生成
すること無く、生成された燃焼熱を最大にする。
【００３３】噴霧水流れ７４は、下流側の構成部品の温
度制限を超えないように、水の蒸発により排気流れ８２
の適切な温度を維持するため、噴霧蒸発領域７２ｍ内に
導入される。即ち、噴霧水流れ７４は、噴霧蒸発領域７
２から下流側にある、始動蒸発器８０が過度の高温（即
ち、約６００度より高い）にさらされないことを確実に
する。その上、噴霧水の流れ７４は、排気流れ８２が、
ＣｕＺｎ型式のＷＧＳ触媒に損傷を与えないように過度
に加熱されない（典型的には、約３００℃より低い）こ
とを確実にする。制御温度は、貴金属ベースの触媒の使
用に関して変更されてもよい。ガス温度の減少は、始動
蒸発器の水流れ７８の蒸発に起因して、始動蒸発器８０
に亘って更に発生する。始動蒸発器の水流れ７８の量
は、始動蒸気流れ７６が僅かに過熱される（典型的には
約１５０℃）ように、制限される。始動蒸発器の水流れ
７９の量の更なる減少は、優先酸化／蒸発反応器（Ｐｒ
Ｏｘ／蒸発反応器）２０というより水ガスシフト反応器
／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８を選んで加熱すること
に利用される。始動作業は、燃料処理装置１０が通常作
動のための所定の温度に加熱されるまで、上述したよう
に制御される。
度制限を超えないように、水の蒸発により排気流れ８２
の適切な温度を維持するため、噴霧蒸発領域７２ｍ内に
導入される。即ち、噴霧水流れ７４は、噴霧蒸発領域７
２から下流側にある、始動蒸発器８０が過度の高温（即
ち、約６００度より高い）にさらされないことを確実に
する。その上、噴霧水の流れ７４は、排気流れ８２が、
ＣｕＺｎ型式のＷＧＳ触媒に損傷を与えないように過度
に加熱されない（典型的には、約３００℃より低い）こ
とを確実にする。制御温度は、貴金属ベースの触媒の使
用に関して変更されてもよい。ガス温度の減少は、始動
蒸発器の水流れ７８の蒸発に起因して、始動蒸発器８０
に亘って更に発生する。始動蒸発器の水流れ７８の量
は、始動蒸気流れ７６が僅かに過熱される（典型的には
約１５０℃）ように、制限される。始動蒸発器の水流れ
７９の量の更なる減少は、優先酸化／蒸発反応器（Ｐｒ
Ｏｘ／蒸発反応器）２０というより水ガスシフト反応器
／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８を選んで加熱すること
に利用される。始動作業は、燃料処理装置１０が通常作
動のための所定の温度に加熱されるまで、上述したよう
に制御される。
【００３４】一旦、優先酸化／蒸発反応器（ＰｒＯｘ／
蒸発反応器）２０の触媒及び水ガスシフト反応器／熱交
換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８の触媒が、それらの最小の作
動温度（典型的には、各々、約１００℃及び約２２０
℃）を超え、且つ、改質器の蒸気３８が熱交換器１６を
通って流れる場合、燃料処理装置１０は、通常作動を開
始させる用意が整ったことになる。そのような作動温度
が達成されたか否かを判定するため、ＰｒＯｘ蒸気流れ
８６の温度を監視してＰｒＯｘ／蒸発反応器２０の作動
温度と比較すると共に、ＷＧＳ／ＨＸ排気出口流れ９８
を監視してＷＧＳ／ＨＸ１８の作動温度と比較すること
が好ましい。蒸気の有用性は、改質器の空気及び蒸気の
流れ５０の温度を監視することにより決定される。高い
濃度のイオウ燃料のために、イオウを液体燃料から除去
し、或いは、イオウトラップ４２をその作動温度（典型
的には、約３００〜５００℃）に維持し、イオウがＷＧ
Ｓ／ＨＸ１８の触媒又は他の下流側触媒に至らないよう
に十分な能力を確実にすることが好ましい。そのような
触媒は、イオウの存在により損傷を受け得るからであ
る。
蒸発反応器）２０の触媒及び水ガスシフト反応器／熱交
換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８の触媒が、それらの最小の作
動温度（典型的には、各々、約１００℃及び約２２０
℃）を超え、且つ、改質器の蒸気３８が熱交換器１６を
通って流れる場合、燃料処理装置１０は、通常作動を開
始させる用意が整ったことになる。そのような作動温度
が達成されたか否かを判定するため、ＰｒＯｘ蒸気流れ
８６の温度を監視してＰｒＯｘ／蒸発反応器２０の作動
温度と比較すると共に、ＷＧＳ／ＨＸ排気出口流れ９８
を監視してＷＧＳ／ＨＸ１８の作動温度と比較すること
が好ましい。蒸気の有用性は、改質器の空気及び蒸気の
流れ５０の温度を監視することにより決定される。高い
濃度のイオウ燃料のために、イオウを液体燃料から除去
し、或いは、イオウトラップ４２をその作動温度（典型
的には、約３００〜５００℃）に維持し、イオウがＷＧ
Ｓ／ＨＸ１８の触媒又は他の下流側触媒に至らないよう
に十分な能力を確実にすることが好ましい。そのような
触媒は、イオウの存在により損傷を受け得るからであ
る。
【００３５】通常の燃料リッチ作動は、幾つかの方法を
介して達成することができる。例えば、通常の作動のた
めの燃料リッチの改質器の流れは、改質器の燃料入口流
れ４８と改質器の空気入口流れ３６を開始し、第１の空
気入口流れ２８及び第１の燃料入口流れ３０を閉鎖する
ことにより確立することができる。この変化は、これに
伴う過度に高い反応温度に起因して化学量論通りの条件
近傍に留まらないように、迅速に起こすことが好まし
い。その上、この変化は、燃料流れの炭素に対する空気
流れの酸素の原子比率（酸素対炭素の割合又は比率）が
１より小さくなり、望ましくない炭素を生成し得ること
がないように、好ましくは、迅速に発生させるべきであ
る。
介して達成することができる。例えば、通常の作動のた
めの燃料リッチの改質器の流れは、改質器の燃料入口流
れ４８と改質器の空気入口流れ３６を開始し、第１の空
気入口流れ２８及び第１の燃料入口流れ３０を閉鎖する
ことにより確立することができる。この変化は、これに
伴う過度に高い反応温度に起因して化学量論通りの条件
近傍に留まらないように、迅速に起こすことが好まし
い。その上、この変化は、燃料流れの炭素に対する空気
流れの酸素の原子比率（酸素対炭素の割合又は比率）が
１より小さくなり、望ましくない炭素を生成し得ること
がないように、好ましくは、迅速に発生させるべきであ
る。
【００３６】その代わりに、第１のバーナーシステム１
２に対する第１の燃料入口流れ３０及び第１の空気入口
流れ２８を最初に完全に閉じておくことによって、通常
の燃料リッチの作動を確立してもよい。改質器の空気入
口流れ３６及び改質器の燃料入口流れ４８は、好ましく
は、化学量論通りの条件の近傍、あるいは、１より小さ
い酸素対炭素の割合又は比率を避ける仕方で開始され
る。しかしながら、酸素対炭素の比率が１より小さくな
るような作動は、蒸気流れが利用可能であるときに可能
とされる。少なくとも幾つかの又はある蒸気流れが、始
動サイクルの間に全て予備加熱される、始動蒸発器８
０、運転蒸発器９６及びＰｒＯｘ／蒸発反応器２０から
の始動サイクルの後に、利用可能となるということを明
記することは重要である。
２に対する第１の燃料入口流れ３０及び第１の空気入口
流れ２８を最初に完全に閉じておくことによって、通常
の燃料リッチの作動を確立してもよい。改質器の空気入
口流れ３６及び改質器の燃料入口流れ４８は、好ましく
は、化学量論通りの条件の近傍、あるいは、１より小さ
い酸素対炭素の割合又は比率を避ける仕方で開始され
る。しかしながら、酸素対炭素の比率が１より小さくな
るような作動は、蒸気流れが利用可能であるときに可能
とされる。少なくとも幾つかの又はある蒸気流れが、始
動サイクルの間に全て予備加熱される、始動蒸発器８
０、運転蒸発器９６及びＰｒＯｘ／蒸発反応器２０から
の始動サイクルの後に、利用可能となるということを明
記することは重要である。
【００３７】燃料リッチ改質器の作動に対する変化は、
排気前の燃焼を完全にするため、第２の燃料入口流れ６
８の閉止、及び、触媒燃焼器２６へのカソード排気物６
２の追加により達成される。この目的のため、触媒燃焼
器２６は、その作動制限より低い触媒温度（典型的には
約７５０℃）を維持するのに十分なほどリーンに保たれ
なければならない。この時点では、改質器燃料入口流れ
４８は、触媒燃焼器２６の作動が受容可能な温度制限
（約７５０℃より低い）以内であることを確実にするよ
うに、そのフルパワーの設定より低くなっている。
排気前の燃焼を完全にするため、第２の燃料入口流れ６
８の閉止、及び、触媒燃焼器２６へのカソード排気物６
２の追加により達成される。この目的のため、触媒燃焼
器２６は、その作動制限より低い触媒温度（典型的には
約７５０℃）を維持するのに十分なほどリーンに保たれ
なければならない。この時点では、改質器燃料入口流れ
４８は、触媒燃焼器２６の作動が受容可能な温度制限
（約７５０℃より低い）以内であることを確実にするよ
うに、そのフルパワーの設定より低くなっている。
【００３８】一旦、改質器１４を通る安定した流れが確
立された場合、水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ
／ＨＸ）１８の水ガスシフト反応器（ＷＧＳ）部分、優
先酸化／蒸発反応器（ＰｒＯｘ／蒸発反応器）２０の優
先酸化反応器の部分、及び燃料電池スタック２２を介し
て改質ガスの流れ５４を差し向けるため、ＷＧＳバルブ
４６が開放され、バイパスバルブ４４が閉じられる。バ
イパスバルブ４４及びＷＧＳバルブ４６のバルブ位置の
変化と連動して、ＰｒＯｘ空気入口流れ９２及びＰｒＯ
ｘ入口水流れ８４の流れが、優先酸化／蒸発反応器（Ｐ
ｒＯｘ／蒸発反応器）２０内に流入される。燃料電池ス
タック２２が電流を引き出すとき、アノード排気流れ６
０の水素含有量が非常に減少され、触媒燃焼器２６内部
の反応温度を減少させる。よって、噴霧水流れ７４は、
使用される場合、それが最後には止められることが可能
となるまで、所望温度を生成するように制御される。始
動蒸発器８０への始動蒸発器水流れ７８も止められ、水
ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８の出
口温度の制御が、燃焼器空気制御バルブ６４を使用して
調整され、触媒燃焼器２６へのカソード排気流れ６２を
制御する。
立された場合、水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ
／ＨＸ）１８の水ガスシフト反応器（ＷＧＳ）部分、優
先酸化／蒸発反応器（ＰｒＯｘ／蒸発反応器）２０の優
先酸化反応器の部分、及び燃料電池スタック２２を介し
て改質ガスの流れ５４を差し向けるため、ＷＧＳバルブ
４６が開放され、バイパスバルブ４４が閉じられる。バ
イパスバルブ４４及びＷＧＳバルブ４６のバルブ位置の
変化と連動して、ＰｒＯｘ空気入口流れ９２及びＰｒＯ
ｘ入口水流れ８４の流れが、優先酸化／蒸発反応器（Ｐ
ｒＯｘ／蒸発反応器）２０内に流入される。燃料電池ス
タック２２が電流を引き出すとき、アノード排気流れ６
０の水素含有量が非常に減少され、触媒燃焼器２６内部
の反応温度を減少させる。よって、噴霧水流れ７４は、
使用される場合、それが最後には止められることが可能
となるまで、所望温度を生成するように制御される。始
動蒸発器８０への始動蒸発器水流れ７８も止められ、水
ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８の出
口温度の制御が、燃焼器空気制御バルブ６４を使用して
調整され、触媒燃焼器２６へのカソード排気流れ６２を
制御する。
【００３９】前述のように開始されない場合には、一
旦、ＷＧＳ／ＨＸ排気出口流れ９８の温度が水蒸発温度
（典型的には約１５０℃）を超えた場合、運転水１００
の運転蒸発器９６への供給が開始される。運転水１００
の量が、完全に蒸発させるためのＷＧＳ／ＨＸ排気出口
流れ９８のエネルギー利用量、及び、作動にとって利用
可能な又は望ましい水の量以内で決定される。運転蒸発
器蒸気流れ１０２は、改質器の蒸気流れ３８に利用可能
となる。今、燃料処理装置１０は、電気を生成するため
の通常の作動モードとなっている。
旦、ＷＧＳ／ＨＸ排気出口流れ９８の温度が水蒸発温度
（典型的には約１５０℃）を超えた場合、運転水１００
の運転蒸発器９６への供給が開始される。運転水１００
の量が、完全に蒸発させるためのＷＧＳ／ＨＸ排気出口
流れ９８のエネルギー利用量、及び、作動にとって利用
可能な又は望ましい水の量以内で決定される。運転蒸発
器蒸気流れ１０２は、改質器の蒸気流れ３８に利用可能
となる。今、燃料処理装置１０は、電気を生成するため
の通常の作動モードとなっている。
【００４０】通常の作動に関して、改質器の燃料入口流
れ４８に対する改質器の空気入口流れ３６の比率（改質
器の空気入口流れ３６対改質器の燃料入口流れ４８の比
率）は、所望の改質器反応出口温度（典型的には７５０
℃）を提供するように設定される。水ガスシフト反応器
／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８の前端部内に至る改質
物ガスの流れ５４の温度は、改質物ガスの流れ５４内で
霧状にされ、改質物ガスの流れ５４によって蒸発された
水流れ５６の量を調整することによって制御される。
れ４８に対する改質器の空気入口流れ３６の比率（改質
器の空気入口流れ３６対改質器の燃料入口流れ４８の比
率）は、所望の改質器反応出口温度（典型的には７５０
℃）を提供するように設定される。水ガスシフト反応器
／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８の前端部内に至る改質
物ガスの流れ５４の温度は、改質物ガスの流れ５４内で
霧状にされ、改質物ガスの流れ５４によって蒸発された
水流れ５６の量を調整することによって制御される。
【００４１】ＰｒＯｘ空気入口流れ９２は、燃料電池ス
タック２２に対して、要求された一酸化炭素の浄化を提
供するように設定される。同様に、ＰｒＯｘ入口水流れ
８４は、優先酸化／蒸発反応器（ＰｒＯｘ／蒸発反応
器）２０からの連係された熱解放を除去するように設定
される。ＰｒＯｘ入口水の流れ８４は、この流れの温度
測定結果により示されるように、単一相のＰｒＯｘ蒸気
流れ８６を提供するように設定される。代替の実施形態
では、最適な性能を得るため、ＰｒＯｘの空気及び水の
流れを調整してもよい。例えば、過剰のＰｒＯｘ空気
を、ＣＯ変動スパイク（CO spikes）を処置するため使
用してもよく、或いは、２相のＰｒＯｘ蒸気を、熱平衡
を提供するため使用してもよい。運転蒸発器の蒸気流れ
１０２は、燃料処理装置の効率を増加させるため、又
は、システムの遷移的な蒸気流れの要求と合致させるた
め、余分なものとして使用されるが、熱平衡には利用さ
れない。運転蒸発器９６により提供された、増加された
蒸気１０２は、改質器１４からの一酸化炭素レベルも減
少させ、水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／Ｈ
Ｘ）１８内の放熱を最小にすることを援助する。運転蒸
発器９６からの蒸気１０２は、改質器の蒸気３８のばら
つき、又は、燃料流れの原子炭素に対する分子蒸気流れ
の比率（蒸気対炭素の比率）のばらつきを緩和するため
にも使用することができる。全体に亘る蒸気流れの更な
る制御を、優先酸化／蒸発反応器（ＰｒＯｘ／蒸発反応
器）２０の使用により達成することができる。即ち、追
加の蒸気流れが遷移的な作動の間に必要とされる場合、
ＰｒＯｘ／蒸発反応器２０内の改質物ガスの流れ１０４
との発熱反応により、ＰｒＯｘ入口水流れ８４を介して
ＰｒＯｘ／蒸発反応器２０に供給される追加の水を蒸発
させることによって、追加の熱エネルギーを提供するた
め、ＰｒＯｘ空気入口流れ９２を増加させることができ
る。
タック２２に対して、要求された一酸化炭素の浄化を提
供するように設定される。同様に、ＰｒＯｘ入口水流れ
８４は、優先酸化／蒸発反応器（ＰｒＯｘ／蒸発反応
器）２０からの連係された熱解放を除去するように設定
される。ＰｒＯｘ入口水の流れ８４は、この流れの温度
測定結果により示されるように、単一相のＰｒＯｘ蒸気
流れ８６を提供するように設定される。代替の実施形態
では、最適な性能を得るため、ＰｒＯｘの空気及び水の
流れを調整してもよい。例えば、過剰のＰｒＯｘ空気
を、ＣＯ変動スパイク（CO spikes）を処置するため使
用してもよく、或いは、２相のＰｒＯｘ蒸気を、熱平衡
を提供するため使用してもよい。運転蒸発器の蒸気流れ
１０２は、燃料処理装置の効率を増加させるため、又
は、システムの遷移的な蒸気流れの要求と合致させるた
め、余分なものとして使用されるが、熱平衡には利用さ
れない。運転蒸発器９６により提供された、増加された
蒸気１０２は、改質器１４からの一酸化炭素レベルも減
少させ、水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／Ｈ
Ｘ）１８内の放熱を最小にすることを援助する。運転蒸
発器９６からの蒸気１０２は、改質器の蒸気３８のばら
つき、又は、燃料流れの原子炭素に対する分子蒸気流れ
の比率（蒸気対炭素の比率）のばらつきを緩和するため
にも使用することができる。全体に亘る蒸気流れの更な
る制御を、優先酸化／蒸発反応器（ＰｒＯｘ／蒸発反応
器）２０の使用により達成することができる。即ち、追
加の蒸気流れが遷移的な作動の間に必要とされる場合、
ＰｒＯｘ／蒸発反応器２０内の改質物ガスの流れ１０４
との発熱反応により、ＰｒＯｘ入口水流れ８４を介して
ＰｒＯｘ／蒸発反応器２０に供給される追加の水を蒸発
させることによって、追加の熱エネルギーを提供するた
め、ＰｒＯｘ空気入口流れ９２を増加させることができ
る。
【００４２】燃料処理装置１０からの出力を増加又は減
少させるために、改質器の燃料入口流れ４８がそれぞれ
増加又は減少され、本システムを上述した通りに熱平衡
状態で化学量論通りの状態に維持するため、システムに
亘る空気及び水の流れにおいて釣り合った変化がなされ
る。空気及び水の流れにおける釣り合った変化は、所望
の反応器の作動領域内で最適な応答時間及び制御を達成
するため、燃料流れにおける変化に先行し、又は、該変
化に遅れることができる。
少させるために、改質器の燃料入口流れ４８がそれぞれ
増加又は減少され、本システムを上述した通りに熱平衡
状態で化学量論通りの状態に維持するため、システムに
亘る空気及び水の流れにおいて釣り合った変化がなされ
る。空気及び水の流れにおける釣り合った変化は、所望
の反応器の作動領域内で最適な応答時間及び制御を達成
するため、燃料流れにおける変化に先行し、又は、該変
化に遅れることができる。
【００４３】本発明は、水ガスシフト反応器／熱交換器
（ＷＧＳ／ＨＸ）１８の温度を制御するための独自の能
力及び燃料電池スタック２２の無負荷状態を取り扱う能
力を可能にするということが認められるべきである。水
ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８に入
る前の改質物ガス流れ５４の温度は、水流れ５６によっ
て制御される。水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ
／ＨＸ）１８の温度の主要な制御は、排気流れ８２によ
って与えられる。排気流れ８２の温度は、燃焼器の空気
制御バルブ６４により触媒燃焼器２６に差し向けられた
カソード排気物６２の量によって、調整することができ
る。本実施形態によれば、水ガスシフト反応器／熱交換
器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８がほぼ一定の温度で作動し、そ
の作動限界以内で作動することが望ましい。好ましく
は、上述したように、ＣｕＺｎ触媒は、水ガスシフト反
応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８内で使用されてお
り、この場合、約３００℃を超える温度が、触媒に損傷
を与えかねず、約２００℃より低い温度が、シフト反応
の活性度を非常に減少させる。この狭い温度領域に伴う
チャレンジは、ＷＧＳ／ＨＸ１８内の発熱反応、詳しく
は、ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2＋熱エネルギーにより発
生する熱の除去を含んでいる。利用可能な流れの全てと
比較して、比較的高い質量流れ率と、これによる高い熱
容量を有する、排気流れ８２を利用することによって、
水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８内
の温度上昇（すなわち、熱エネルギー）を最も効果的に
最小にすることができる。排気流れ８２の温度を制御す
るための能力は、排気流れ８２の温度が非常に低過ぎる
場合に発生し得る、水ガスシフト反応器／熱交換器（Ｗ
ＧＳ／ＨＸ）１８を用いた水ガスシフト反応の急冷（典
型的には、約２２０℃より低い）を防止することも重要
である。間接的な発熱減少は、水ガスシフト反応器／熱
交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８に入る一酸化炭素のレベル
を低下させる、改質器１４への改質器蒸気３８の量を最
大にすることによって達成される。運転蒸発器９６内で
蒸発された運転水１００の量を最大にすることは、改質
器の蒸気３８の流れも増加させることができる。更に
は、ＰｒＯｘ空気入口流れ９２の流れを増加させること
は、ＰｒＯｘ／蒸発反応器２０の蒸気生成能力を増加さ
せることができる。しかし、ＰｒＯｘ空気入口流れ９２
の増加した流れは、燃料処理装置１０の効率を減少させ
かねず、定常作動にとっては望ましくないが、炭素に対
する蒸気の比率（蒸気対炭素の割合）を減少させること
を回避するため、又は、ＷＧＳ触媒の温度を損傷レベル
より低く維持するように水ガスシフト反応器／熱交換器
（ＷＧＳ／ＨＸ）１８内の発熱を制限するため、遷移的
作動の間の蒸気生成を増加させる上では有効である。
（ＷＧＳ／ＨＸ）１８の温度を制御するための独自の能
力及び燃料電池スタック２２の無負荷状態を取り扱う能
力を可能にするということが認められるべきである。水
ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８に入
る前の改質物ガス流れ５４の温度は、水流れ５６によっ
て制御される。水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ
／ＨＸ）１８の温度の主要な制御は、排気流れ８２によ
って与えられる。排気流れ８２の温度は、燃焼器の空気
制御バルブ６４により触媒燃焼器２６に差し向けられた
カソード排気物６２の量によって、調整することができ
る。本実施形態によれば、水ガスシフト反応器／熱交換
器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８がほぼ一定の温度で作動し、そ
の作動限界以内で作動することが望ましい。好ましく
は、上述したように、ＣｕＺｎ触媒は、水ガスシフト反
応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８内で使用されてお
り、この場合、約３００℃を超える温度が、触媒に損傷
を与えかねず、約２００℃より低い温度が、シフト反応
の活性度を非常に減少させる。この狭い温度領域に伴う
チャレンジは、ＷＧＳ／ＨＸ１８内の発熱反応、詳しく
は、ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2＋熱エネルギーにより発
生する熱の除去を含んでいる。利用可能な流れの全てと
比較して、比較的高い質量流れ率と、これによる高い熱
容量を有する、排気流れ８２を利用することによって、
水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８内
の温度上昇（すなわち、熱エネルギー）を最も効果的に
最小にすることができる。排気流れ８２の温度を制御す
るための能力は、排気流れ８２の温度が非常に低過ぎる
場合に発生し得る、水ガスシフト反応器／熱交換器（Ｗ
ＧＳ／ＨＸ）１８を用いた水ガスシフト反応の急冷（典
型的には、約２２０℃より低い）を防止することも重要
である。間接的な発熱減少は、水ガスシフト反応器／熱
交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８に入る一酸化炭素のレベル
を低下させる、改質器１４への改質器蒸気３８の量を最
大にすることによって達成される。運転蒸発器９６内で
蒸発された運転水１００の量を最大にすることは、改質
器の蒸気３８の流れも増加させることができる。更に
は、ＰｒＯｘ空気入口流れ９２の流れを増加させること
は、ＰｒＯｘ／蒸発反応器２０の蒸気生成能力を増加さ
せることができる。しかし、ＰｒＯｘ空気入口流れ９２
の増加した流れは、燃料処理装置１０の効率を減少させ
かねず、定常作動にとっては望ましくないが、炭素に対
する蒸気の比率（蒸気対炭素の割合）を減少させること
を回避するため、又は、ＷＧＳ触媒の温度を損傷レベル
より低く維持するように水ガスシフト反応器／熱交換器
（ＷＧＳ／ＨＸ）１８内の発熱を制限するため、遷移的
作動の間の蒸気生成を増加させる上では有効である。
【００４４】少なくとも３つの機構が、燃料電池スタッ
ク２２の無負荷に適応させるために利用可能である。本
文中で使用されるように、「無負荷（unload）」という
用語は、燃料電池スタック２２からの電流の引き出しが
減少されるときに言及している。詳しくは、これらの機
構は、（１）カソード排気物６２を増加させること、
（２）始動蒸発器８０に対する始動蒸発器の水流れ７８
の流れを開始又は増加させること、（３）噴霧蒸発領域
７２への噴霧水流れ７４を注入すること、を含んでい
る。燃料電池スタック２２が無負荷であるとき、アノー
ド排気流れ６０の水素含有量が増加する。水素含有量の
この増加は、触媒燃焼器２６からの温度を増加させる。
水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８の
温度を制御する必要があるので、触媒燃焼器２６からの
排気流れ７０の温度を制限し又は制御することが必要と
なる。同様に、触媒燃焼器２６は、典型的には約７５０
℃の作動温度限界を有する。この作動温度限界を超える
ことは、燃焼器２６内部の触媒材料に損傷を与え得る。
ク２２の無負荷に適応させるために利用可能である。本
文中で使用されるように、「無負荷（unload）」という
用語は、燃料電池スタック２２からの電流の引き出しが
減少されるときに言及している。詳しくは、これらの機
構は、（１）カソード排気物６２を増加させること、
（２）始動蒸発器８０に対する始動蒸発器の水流れ７８
の流れを開始又は増加させること、（３）噴霧蒸発領域
７２への噴霧水流れ７４を注入すること、を含んでい
る。燃料電池スタック２２が無負荷であるとき、アノー
ド排気流れ６０の水素含有量が増加する。水素含有量の
この増加は、触媒燃焼器２６からの温度を増加させる。
水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８の
温度を制御する必要があるので、触媒燃焼器２６からの
排気流れ７０の温度を制限し又は制御することが必要と
なる。同様に、触媒燃焼器２６は、典型的には約７５０
℃の作動温度限界を有する。この作動温度限界を超える
ことは、燃焼器２６内部の触媒材料に損傷を与え得る。
【００４５】第１の基準として、カソード排気物６２
は、触媒燃焼器２６の触媒を、その温度限界より低く冷
却するように制御される。これは、排気流れ８２を、水
ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８を冷
却するため使用することを可能にする。触媒燃焼器２６
の温度が、水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／Ｈ
Ｘ）１８の所望の温度を超え、カソード排気物６２の利
用可能な冷却能力の全てが使用される場合、排気流れ８
２の温度は、始動蒸発器８０への始動蒸発器水流れ７８
の流れを発動し又は増加させることにより低下される。
これは、燃料処理装置１０の炭素に対する蒸気の比率
（蒸気対炭素の比率）を増加させる。運転蒸発器９６か
らの始動蒸発器８０への水の移動は、過剰水が利用可能
でない場合、排気流れ８２における過剰熱を放散させる
ために適切であり得る。しかし、特に、始動蒸発器８０
内に流入するときの温度がその温度限界（典型的には、
約６００℃）を超えるか、或いは、燃料処理装置１０に
おいて増加した炭素に対する蒸気の比率（蒸気対炭素の
増加した比率）が望ましくない場合、直接噴霧水流れ７
４を使用してもよい。排気流れ７０に流入する噴霧水流
れ７４が典型的には回復されないということをここで記
すことは重要である。勿論、燃料電池スタック２２にか
かる負荷が減少するとき、燃料の流れ及び全体的な燃料
処理装置の出力は、減少した電力要求量に応答するため
減少される。
は、触媒燃焼器２６の触媒を、その温度限界より低く冷
却するように制御される。これは、排気流れ８２を、水
ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１８を冷
却するため使用することを可能にする。触媒燃焼器２６
の温度が、水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／Ｈ
Ｘ）１８の所望の温度を超え、カソード排気物６２の利
用可能な冷却能力の全てが使用される場合、排気流れ８
２の温度は、始動蒸発器８０への始動蒸発器水流れ７８
の流れを発動し又は増加させることにより低下される。
これは、燃料処理装置１０の炭素に対する蒸気の比率
（蒸気対炭素の比率）を増加させる。運転蒸発器９６か
らの始動蒸発器８０への水の移動は、過剰水が利用可能
でない場合、排気流れ８２における過剰熱を放散させる
ために適切であり得る。しかし、特に、始動蒸発器８０
内に流入するときの温度がその温度限界（典型的には、
約６００℃）を超えるか、或いは、燃料処理装置１０に
おいて増加した炭素に対する蒸気の比率（蒸気対炭素の
増加した比率）が望ましくない場合、直接噴霧水流れ７
４を使用してもよい。排気流れ７０に流入する噴霧水流
れ７４が典型的には回復されないということをここで記
すことは重要である。勿論、燃料電池スタック２２にか
かる負荷が減少するとき、燃料の流れ及び全体的な燃料
処理装置の出力は、減少した電力要求量に応答するため
減少される。
【００４６】燃料処理装置の停止の間、電気的要求量
は、最小の所定レベルにまで減少され、燃料電池スタッ
ク２２には負荷がかけられない。燃料電池スタック２２
に負荷がかけられないとき、アノード排気流れ６０のＨ
2含有量が増加し、かくして、燃焼器の空気制御バルブ
６４を通したカソード排気物６２の増加した流れは、触
媒燃焼器２６の触媒温度を制限することが要求される。
次に、バイパスバルブ４４を通って触媒燃焼器２６に至
る改質物ガス流れを差し向けるため、バイパスバルブ４
４が開放され、ＷＧＳバルブ４６が閉じられる。ＰｒＯ
ｘ空気入口流れ９２及びＰｒＯｘ入口水流れ８４も停止
される。更には、運転水１００、改質器の空気入口流れ
３６、及び改質器の燃料入口流れ４８が停止される。所
望ならば、ＷＧＳ／ＨＸ１８の後側（又はＨＸ）に亘っ
てカソード排気物６２の流れを持続させることによっ
て、水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１
８を冷却することができる。この持続する流れは、ＷＧ
Ｓ／ＨＸ１８内の触媒温度を減少させて、それが停止後
に空気漏れにさらされるようになった場合に、その触媒
活性を低下させるために、望ましい。しかし、ＷＧＳバ
ルブ４６及び逆止バルブ（例えば、アノード排気物６０
内に設けられる）は、ＷＧＳ／ＨＸ１８への空気漏れに
対する保護を提供する。
は、最小の所定レベルにまで減少され、燃料電池スタッ
ク２２には負荷がかけられない。燃料電池スタック２２
に負荷がかけられないとき、アノード排気流れ６０のＨ
2含有量が増加し、かくして、燃焼器の空気制御バルブ
６４を通したカソード排気物６２の増加した流れは、触
媒燃焼器２６の触媒温度を制限することが要求される。
次に、バイパスバルブ４４を通って触媒燃焼器２６に至
る改質物ガス流れを差し向けるため、バイパスバルブ４
４が開放され、ＷＧＳバルブ４６が閉じられる。ＰｒＯ
ｘ空気入口流れ９２及びＰｒＯｘ入口水流れ８４も停止
される。更には、運転水１００、改質器の空気入口流れ
３６、及び改質器の燃料入口流れ４８が停止される。所
望ならば、ＷＧＳ／ＨＸ１８の後側（又はＨＸ）に亘っ
てカソード排気物６２の流れを持続させることによっ
て、水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／ＨＸ）１
８を冷却することができる。この持続する流れは、ＷＧ
Ｓ／ＨＸ１８内の触媒温度を減少させて、それが停止後
に空気漏れにさらされるようになった場合に、その触媒
活性を低下させるために、望ましい。しかし、ＷＧＳバ
ルブ４６及び逆止バルブ（例えば、アノード排気物６０
内に設けられる）は、ＷＧＳ／ＨＸ１８への空気漏れに
対する保護を提供する。
【００４７】図３乃至図５で最も良く示されているよう
に、本発明の代替の実施形態が各々、全体として１
０’、１０”及び１０’”として示されている。同様の
参照番号は、幾つかの図面を通して、同様の或いは対応
する部品を指し示すということが記されるべきである。
に、本発明の代替の実施形態が各々、全体として１
０’、１０”及び１０’”として示されている。同様の
参照番号は、幾つかの図面を通して、同様の或いは対応
する部品を指し示すということが記されるべきである。
【００４８】図３乃至５を参照すると、第２のバーナー
システム２４に新鮮な燃焼空気（即ち、第１のバーナー
システム１２からの排気ガスではない）を提供するた
め、直接空気入口３０２が第２のバーナーシステム２４
に設けられる。第２のバーナーシステム２４に直接燃焼
空気を提供することによって、第２のバーナーシステム
２４の作動安定性を改善することができる。即ち、燃焼
空気が正確に制御可能となり、かくして、第２のバーナ
ーシステム２４内部の炎の安定性が改善される。第２の
バーナーシステム２４の安定性、かくして第２のバーナ
ーシステム２４の温度制御を改善することによって、噴
霧蒸発領域７２を無くすことが可能となる。
システム２４に新鮮な燃焼空気（即ち、第１のバーナー
システム１２からの排気ガスではない）を提供するた
め、直接空気入口３０２が第２のバーナーシステム２４
に設けられる。第２のバーナーシステム２４に直接燃焼
空気を提供することによって、第２のバーナーシステム
２４の作動安定性を改善することができる。即ち、燃焼
空気が正確に制御可能となり、かくして、第２のバーナ
ーシステム２４内部の炎の安定性が改善される。第２の
バーナーシステム２４の安定性、かくして第２のバーナ
ーシステム２４の温度制御を改善することによって、噴
霧蒸発領域７２を無くすことが可能となる。
【００４９】より詳しくは、図３乃至図５で示されるよ
うに、第１のバーナーシステム１２からのバイパス流れ
９０’、９０”、９０’”が、第２のバーナーシステム
２４の下流側に差し向けられ、直接空気入口３０２が、
燃焼のため第２のバーナーシステム２４に供給される。
燃料処理装置を始動させるため直接空気入口３０２が始
動され、そうでなければ、始動処置が前述されたように
実行される。
うに、第１のバーナーシステム１２からのバイパス流れ
９０’、９０”、９０’”が、第２のバーナーシステム
２４の下流側に差し向けられ、直接空気入口３０２が、
燃焼のため第２のバーナーシステム２４に供給される。
燃料処理装置を始動させるため直接空気入口３０２が始
動され、そうでなければ、始動処置が前述されたように
実行される。
【００５０】特に図３を参照すれば、触媒燃焼器２６が
バイパス流れ９０’の上流にあるので、通常作動状態へ
の遷移（又は変化）は、改質物を排気物６７外に送るこ
とを回避するため修正されるのが好ましい。詳しくは、
通常作動状態への遷移（又は変化）は、第１の燃料入口
流れ３０及び第１の空気入口流れ２８を閉鎖する工程を
含んでいる。改質器の流れ３８は、始動蒸発器８０によ
り部分的に発生され、水ガスシフト反応器／熱交換器
（ＷＧＳ／ＨＸ）１８への流れを開放する前に空気を除
去するため、改質器入口領域４０、改質器１４、熱交換
器１６、及びイオウトラップ４２を浄化する。次に、Ｗ
ＧＳバルブ４６が開放され、バイパスバルブ４４が閉鎖
される。改質器の空気入口流れ３６及び改質器の燃料入
口流れ４８が、燃料リッチ作動を開始するため始動され
る。これと同時に、ＰｒＯｘ空気入口流れ９２及びＰｒ
Ｏｘ入口水流れ８４が、開始される。次に、第２の燃料
入口流れ６８及び直接空気入口３０２が停止される。ア
ノード排気物の流れ６０及びカソード排気物６２は、燃
焼器２６内で反応される。燃料電池スタック２２が電流
を引き出すとき、アノード排気流れ６０の水素含有量
は、非常に減少され、燃焼器２６内の反応温度が低下す
る。従って、噴霧水流れ７４及び始動蒸発器の水流れ７
８を停止することができる。かくして、今や燃料処理装
置１０’は通常の作動モードにある。
バイパス流れ９０’の上流にあるので、通常作動状態へ
の遷移（又は変化）は、改質物を排気物６７外に送るこ
とを回避するため修正されるのが好ましい。詳しくは、
通常作動状態への遷移（又は変化）は、第１の燃料入口
流れ３０及び第１の空気入口流れ２８を閉鎖する工程を
含んでいる。改質器の流れ３８は、始動蒸発器８０によ
り部分的に発生され、水ガスシフト反応器／熱交換器
（ＷＧＳ／ＨＸ）１８への流れを開放する前に空気を除
去するため、改質器入口領域４０、改質器１４、熱交換
器１６、及びイオウトラップ４２を浄化する。次に、Ｗ
ＧＳバルブ４６が開放され、バイパスバルブ４４が閉鎖
される。改質器の空気入口流れ３６及び改質器の燃料入
口流れ４８が、燃料リッチ作動を開始するため始動され
る。これと同時に、ＰｒＯｘ空気入口流れ９２及びＰｒ
Ｏｘ入口水流れ８４が、開始される。次に、第２の燃料
入口流れ６８及び直接空気入口３０２が停止される。ア
ノード排気物の流れ６０及びカソード排気物６２は、燃
焼器２６内で反応される。燃料電池スタック２２が電流
を引き出すとき、アノード排気流れ６０の水素含有量
は、非常に減少され、燃焼器２６内の反応温度が低下す
る。従って、噴霧水流れ７４及び始動蒸発器の水流れ７
８を停止することができる。かくして、今や燃料処理装
置１０’は通常の作動モードにある。
【００５１】特に図４を参照すると、バイパス流れ９
０”が、第２のバーナーシステム２４を通過すること無
しに燃焼器２６に入ることができるように、燃焼器２６
を、第２のバーナーシステムの下流側に配置してもよ
い。更には、特に図５を参照すると、燃焼器２６は、第
２のバーナーシステム２４の側部に沿って配置されても
よく、これによってバイパスライン９０’”を変更す
る。この構成は、燃焼器２６が、第２のバーナーシステ
ム２４からの排気流れ７０や噴霧蒸発領域７２からの噴
霧水流れ７４にさらされないという利点を有する。
０”が、第２のバーナーシステム２４を通過すること無
しに燃焼器２６に入ることができるように、燃焼器２６
を、第２のバーナーシステムの下流側に配置してもよ
い。更には、特に図５を参照すると、燃焼器２６は、第
２のバーナーシステム２４の側部に沿って配置されても
よく、これによってバイパスライン９０’”を変更す
る。この構成は、燃焼器２６が、第２のバーナーシステ
ム２４からの排気流れ７０や噴霧蒸発領域７２からの噴
霧水流れ７４にさらされないという利点を有する。
【００５２】本発明の原理によれば、始動のための適切
な作動温度を達成するため、燃料処理装置の構成部品を
迅速に加熱することができる、燃料処理装置が提供され
る。更に、本発明の燃料処理装置は、炭素を形成する傾
向を最小にしつつ、燃料処理装置に入力されるこの熱を
最大にする。更には、本発明の燃料処理装置は、始動の
間の電気エネルギーの使用及び触媒反応の依存性を最小
にしつつ、燃料処理装置の構成部品を加熱することので
きる燃料処理装置を提供する。本発明は、追加の冷却剤
ループの必要性無しに、安価なＣｕＺｎ触媒のみで実施
可能となる使用法を可能にするということが当業者には
容易に認められよう。その上、本発明により提供され
る、燃料処理装置内部の温度の厳密な制御は、反応器の
サイズ及び触媒の使用法を最適にし、この結果、活性金
属のコストを減少させる。更には、本発明は、過渡的な
一酸化炭素濃度の効率の改善を提供する。
な作動温度を達成するため、燃料処理装置の構成部品を
迅速に加熱することができる、燃料処理装置が提供され
る。更に、本発明の燃料処理装置は、炭素を形成する傾
向を最小にしつつ、燃料処理装置に入力されるこの熱を
最大にする。更には、本発明の燃料処理装置は、始動の
間の電気エネルギーの使用及び触媒反応の依存性を最小
にしつつ、燃料処理装置の構成部品を加熱することので
きる燃料処理装置を提供する。本発明は、追加の冷却剤
ループの必要性無しに、安価なＣｕＺｎ触媒のみで実施
可能となる使用法を可能にするということが当業者には
容易に認められよう。その上、本発明により提供され
る、燃料処理装置内部の温度の厳密な制御は、反応器の
サイズ及び触媒の使用法を最適にし、この結果、活性金
属のコストを減少させる。更には、本発明は、過渡的な
一酸化炭素濃度の効率の改善を提供する。
【００５３】本発明の説明は、その本質上、単なる一例
であり、かくして、その様々な変更は、本発明の精神及
び範囲から逸脱しているとはみなされない。
であり、かくして、その様々な変更は、本発明の精神及
び範囲から逸脱しているとはみなされない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る、燃料
処理装置を示す概略図である。
処理装置を示す概略図である。
【図２】図２は、第２の燃焼バーナーシステムの概略図
である。
である。
【図３】図３は、本発明の第２の実施形態に係る、燃料
処理装置を示す概略図である。
処理装置を示す概略図である。
【図４】図４は、本発明の第３の実施形態に係る、燃料
処理装置を示す概略図である。
処理装置を示す概略図である。
【図５】図５は、本発明の第４の実施形態に係る、燃料
処理装置を示す概略図である。
処理装置を示す概略図である。
１０、１０’、１０” 燃料処理装置
１２ 第１のバーナーシステム
１４ 自熱式改質器
１６ 熱交換器
１８ 水ガスシフト反応器／熱交換器（ＷＧＳ／Ｈ
Ｘ） ２０ 優先酸化／蒸発（ＰｒＯｘ／蒸発）反応器 ２２ 燃料電池スタック ２４ 第２のバーナーシステム ２６ 触媒燃焼反応器 ２８ 第１の空気入口流れ ３０ 第１の燃料入口流れ ３２ 第１のバーナーシステムの加熱排気流れ ３４ 空気供給流れ ３６ 空気入口流れ ３８ 改質器の蒸気流れ ４０ 改質器の入口領域 ４２ イオウトラップ ４４ バイパスバルブ ４６ ＷＧＳバルブ ４８ 改質器燃料入口流れ ５０ 改質器の空気及び入口流れ ５２ 改質器の入口流れ ５４ 改質ガス流れ ５６ 蒸発水流れ ５８ Ｈ2の豊富な改質物の流れ ６０ アノード排気流れ ６２ カソード排気流れ ６４ 燃焼器空気制御バルブ ６６ カソード排気物の背圧バルブ ６７ 排気物 ６８ 第２の燃料入口流れ ７０ 排気流れ ７２ 噴霧蒸発領域 ７４ 噴霧水流れ ７６ 始動蒸発器の蒸気流れ ７８ 始動蒸発器の水の流れ ８０ 始動蒸発器 ８２ 排気流れ ８６ ＰｒＯｘ蒸気流れ ８４ ＰｒＯｘ入口水流れ ８６ ＰｒＯｘ蒸気流れ ９０’、９０”、９０’” 第１のバーナーシステムか
らのバイパス流れ ９２ ＰｒＯｘ空気入口流れ ９６ 運転蒸発器 ９８ ＷＧＳ／ＨＸ排気出口流れ １００ 運転水 １０２ 運転蒸発器蒸気流れ １０４ 改質ガスの流れ ２０２ ライナー ２０４ 炎 ２０６ 混合チャンバー ２０８ 炎チャンバー ２１０ 炎ホルダー ２１２ 点火部材（スパークプラグ） ３０２ 直接空気入口
Ｘ） ２０ 優先酸化／蒸発（ＰｒＯｘ／蒸発）反応器 ２２ 燃料電池スタック ２４ 第２のバーナーシステム ２６ 触媒燃焼反応器 ２８ 第１の空気入口流れ ３０ 第１の燃料入口流れ ３２ 第１のバーナーシステムの加熱排気流れ ３４ 空気供給流れ ３６ 空気入口流れ ３８ 改質器の蒸気流れ ４０ 改質器の入口領域 ４２ イオウトラップ ４４ バイパスバルブ ４６ ＷＧＳバルブ ４８ 改質器燃料入口流れ ５０ 改質器の空気及び入口流れ ５２ 改質器の入口流れ ５４ 改質ガス流れ ５６ 蒸発水流れ ５８ Ｈ2の豊富な改質物の流れ ６０ アノード排気流れ ６２ カソード排気流れ ６４ 燃焼器空気制御バルブ ６６ カソード排気物の背圧バルブ ６７ 排気物 ６８ 第２の燃料入口流れ ７０ 排気流れ ７２ 噴霧蒸発領域 ７４ 噴霧水流れ ７６ 始動蒸発器の蒸気流れ ７８ 始動蒸発器の水の流れ ８０ 始動蒸発器 ８２ 排気流れ ８６ ＰｒＯｘ蒸気流れ ８４ ＰｒＯｘ入口水流れ ８６ ＰｒＯｘ蒸気流れ ９０’、９０”、９０’” 第１のバーナーシステムか
らのバイパス流れ ９２ ＰｒＯｘ空気入口流れ ９６ 運転蒸発器 ９８ ＷＧＳ／ＨＸ排気出口流れ １００ 運転水 １０２ 運転蒸発器蒸気流れ １０４ 改質ガスの流れ ２０２ ライナー ２０４ 炎 ２０６ 混合チャンバー ２０８ 炎チャンバー ２１０ 炎ホルダー ２１２ 点火部材（スパークプラグ） ３０２ 直接空気入口
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
// Ｈ０１Ｍ 8/10 Ｈ０１Ｍ 8/10
(72)発明者 スティーブン・ジー・ゴーベル
アメリカ合衆国ニューヨーク州14564，ビ
クター，サガモア・ウェイ 869
(72)発明者 ウィリアム・エイチ・ペティット
アメリカ合衆国ニューヨーク州14623，ロ
チェスター，エセックス・ドライブ 16
(72)発明者 モハメド・イー・エイチ・セナウン
アメリカ合衆国ニューヨーク州14618，ロ
チェスター，チャートウェル・コート 37
(72)発明者 ダニエル・ピー・ミラー
アメリカ合衆国ニューヨーク州14620，ロ
チェスター，ラバーナン・クレセント
287
Ｆターム(参考） 4G140 EA02 EA03 EA06 EA07 EB03
EB12 EB13 EB32 EB35 EB41
EB43
5H026 AA06
5H027 AA06 BA01 BA16 BA17 KK41
MM01
Claims (38)
- 【請求項１】 作動温度を急速に達成するための燃料処
理装置であって、 前記燃料処理装置は、 水素含有燃料を、Ｈ2を含む改質物に転化させる改質器
と、 前記改質器と流体連通するシフト反応器であって、前記
改質物の一酸化炭素レベルを減少させるように作動可能
である、前記シフト反応器と、 前記シフト反応器と流体連通する優先酸化反応器であっ
て、該シフト反応器から出た前記改質物の一酸化炭素レ
ベルを更に減少させるように作動可能である、前記優先
酸化反応器と、 前記改質器、前記シフト反応器及び前記優先酸化反応器
のうち少なくとも１つに連結された第１の燃焼ヒーター
システムであって、第１の加熱された排気流れの形態で
空気及び燃料の燃焼の生成物として熱エネルギーを生成
するためリーン状態で作動可能である、前記第１の燃焼
ヒーターシステムと、 を含む、燃料処理装置。 - 【請求項２】 前記改質器、前記シフト反応器、及び前
記優先酸化反応器のうち少なくとも別の１つに連結され
た第２の燃焼ヒーターシステムであって、第２の加熱さ
れた排気流れの形態で空気及び燃料の燃焼の生成物とし
て熱エネルギーを生成するように作動可能である、前記
第２の燃焼ヒーターシステムを更に含む、請求項１に記
載の燃料処理装置。 - 【請求項３】 前記第２の燃焼ヒーターは、該第２の燃
焼ヒーターに新鮮な空気を提供する空気入口を更に含
む、請求項２に記載の燃料処理装置。 - 【請求項４】 前記第２の燃焼ヒーターシステムは、前
記第１の燃焼ヒーターシステムと直列に配置されてい
る、請求項２に記載の燃料処理装置。 - 【請求項５】 前記第２の燃焼ヒーターは、該第２の燃
焼ヒーターに新鮮な空気を提供する空気入口と、前記第
１の加熱された排気流れと流体連通する第２の入口と、
を更に含む、請求項４に記載の燃料処理装置。 - 【請求項６】 前記第１の加熱された排気流れは、前記
第２の加熱された排気流れの温度を制御するため、前記
新鮮な空気を希釈するように使用される、請求項５に記
載の燃料処理装置。 - 【請求項７】 前記第１の燃焼ヒーターシステムからの
前記第１の加熱された排気流れを、前記シフト反応器を
通過することから選択的に逸らす、制御バルブシステム
を更に含む、請求項２に記載の燃料処理装置。 - 【請求項８】 前記改質器、前記シフト反応器及び前記
優先酸化反応器のうち少なくとも１つと作動的に連係さ
れた熱交換器であって、該改質器、該シフト反応器及び
該優先酸化反応器のうち前記少なくとも１つを加熱する
ため、前記第１の加熱された排気流れ及び前記第２の加
熱された排気流れのうち少なくとも１つにさらされる、
前記熱交換器を更に含む、請求項２に記載の燃料処理装
置。 - 【請求項９】 前記第２の燃焼ヒーターシステムから下
流側に連結された水噴霧部材であって、前記第２の加熱
された排気流れを所定温度に維持するように作動可能で
ある前記水噴霧部材を更に含む、請求項２に記載の燃料
処理装置。 - 【請求項１０】 燃料電池スタックから、触媒燃焼器及
び前記第２の燃焼ヒーターシステムに、Ｏ2を含むカソ
ード流出物を選択的に回送させる、制御バルブシステム
を更に含む、請求項２に記載の燃料処理装置。 - 【請求項１１】 前記制御バルブシステムは、 空気と前記Ｏ2を含むカソード流出物とからなる群の１
つを、前記触媒燃焼器に選択的に回送させる、燃焼器空
気制御バルブと、 前記Ｏ2を含むカソード流出物の前記触媒燃焼器への選
択的な回送を容易にするため、流体背圧を選択的に印加
する、カソード背圧バルブと、を更に含む、請求項１０
に記載の燃料処理装置。 - 【請求項１２】 前記第１の燃焼ヒーターシステムにお
ける前記空気及び燃料の燃焼は、化学量論通りの状態よ
りリーンであり、前記第２の燃焼ヒーターシステムにお
ける前記空気及び燃料の燃焼は、理想的な化学量論通り
の状態の近傍の状態にある、請求項２に記載の燃料処理
装置。 - 【請求項１３】 前記第２の燃焼ヒーターシステムから
上流に直列配置された触媒燃焼器を更に含む、請求項２
に記載の燃料処理装置。 - 【請求項１４】 前記第２の燃焼ヒーターシステムから
下流に直列配置された触媒燃焼器を更に含む、請求項２
に記載の燃料処理装置。 - 【請求項１５】 触媒燃焼器を更に含み、 前記触媒燃焼器は、該触媒燃焼器の出力が、前記第２の
燃焼ヒーターシステムの下流側で入力されるように配置
されている、請求項２に記載の燃料処理装置。 - 【請求項１６】 燃料処理装置であって、 アルコール及び炭化水素からなるグループから選択され
た水素含有燃料を、Ｈ 2を含む改質物に転化させる改質
器と、 前記改質器と流体連通するシフト反応器であって、前記
改質物の一酸化炭素レベルを減少させるように作動可能
である、前記シフト反応器と、 前記シフト反応器と流体連通する優先酸化反応器であっ
て、該シフト反応器から出た前記改質物の一酸化炭素レ
ベルを更に減少させるように作動可能である、前記優先
酸化反応器と、 前記改質器、前記シフト反応器、及び前記優先酸化反応
器のうち少なくとも１つに連結された第１の燃焼ヒータ
ーシステムであって、第１の加熱された排気流れの形態
で燃焼の生成物として熱エネルギーを生成するためリー
ン状態で作動可能である、前記第１の燃焼ヒーターシス
テムと、 前記改質器、前記シフト反応器、及び前記優先酸化反応
器のうち少なくとも別の１つに連結された第２の燃焼ヒ
ーターシステムであって、第２の加熱された排気流れの
形態で燃焼の生成物として熱エネルギーを生成するため
僅かにリーンの状態で作動可能である、前記第２の燃焼
ヒーターシステムと、 を含む、燃料処理装置。 - 【請求項１７】 前記第２の燃焼ヒーターは、該第２の
燃焼ヒーターに新鮮な空気を提供する空気入口を更に含
む、請求項１６に記載の燃料処理装置。 - 【請求項１８】 前記第２の燃焼ヒーターシステムは、
前記第１の燃焼ヒーターシステムと直列に配置されてい
る、請求項１６に記載の燃料処理装置。 - 【請求項１９】 前記第２の燃焼ヒーターは、該第２の
燃焼ヒーターに新鮮な空気を提供する第１の入口と、前
記第１の加熱された排気流れと流体連通する第２の入口
と、を更に含む、請求項１８に記載の燃料処理装置。 - 【請求項２０】 前記第１の加熱された排気流れは、前
記第２の加熱された排気流れの温度を制御するため、前
記新鮮な空気を希釈するように使用される、請求項１９
に記載の燃料処理装置。 - 【請求項２１】 始動サイクルの間に、前記第１の加熱
された排気流れを前記第２の燃焼ヒーターシステムに選
択的に回送する、第１の制御バルブシステムを更に含
む、請求項１８に記載の燃料処理装置。 - 【請求項２２】 前記第２の燃焼ヒーターシステムの下
流側に連結された水噴霧部材であって、前記第２の加熱
された排気流れを所定温度に維持するように作動可能で
ある前記水噴霧部材を更に含む、請求項１６に記載の燃
料処理装置。 - 【請求項２３】 燃料電池スタックから、触媒燃焼器及
び前記第２の燃焼ヒーターシステムに、Ｏ2を含むカソ
ード流出物を選択的に回送させる、第２の制御バルブシ
ステムを更に含む、請求項１６に記載の燃料処理装置。 - 【請求項２４】 前記第２の制御バルブシステムは、 前記Ｏ2を含むカソード流出物を前記触媒燃焼器に選択
的に回送させる、燃焼器空気制御バルブと、 前記Ｏ2を含むカソード流出物の前記触媒燃焼器への回
送を容易にするため、流体背圧を選択的に印加する、カ
ソード背圧バルブと、を更に含む、請求項２３に記載の
燃料処理装置。 - 【請求項２５】 前記第２の燃焼ヒーターシステムの上
流に直列配置された触媒燃焼器を更に含む、請求項１６
に記載の燃料処理装置。 - 【請求項２６】 前記第２の燃焼ヒーターシステムの下
流に直列配置された触媒燃焼器を更に含む、請求項１６
に記載の燃料処理装置。 - 【請求項２７】 触媒燃焼器を更に含み、 前記触媒燃焼器は、該触媒燃焼器の出力が、前記第２の
燃焼ヒーターシステムの下流側で入力されるように配置
されている、請求項１６に記載の燃料処理装置。 - 【請求項２８】 燃料処理装置であって、 アルコール及び炭化水素からなるグループから選択され
た水素含有燃料を、Ｈ 2を含む改質物に転化させる改質
器と、 前記改質器と流体連通するシフト反応器であって、前記
改質物の一酸化炭素レベルを減少させるように作動可能
である、前記シフト反応器と、 前記シフト反応器と流体連通する優先酸化反応器であっ
て、該シフト反応器から出た前記改質物の一酸化炭素レ
ベルを更に減少させるように作動可能である、前記優先
酸化反応器と、 前記改質器に連結された第１の燃焼ヒーターシステムで
あって、第１の加熱された排気流れの形態で燃焼の生成
物として熱エネルギーを生成するように作動可能であ
る、前記第１の燃焼ヒーターシステムと、 前記シフト反応器に連結された第２の燃焼ヒーターシス
テムであって、第２の加熱された排気流れの形態で燃焼
の生成物として熱エネルギーを生成するように作動可能
である、前記第２の燃焼ヒーターシステムと、 を含む、燃料処理装置。 - 【請求項２９】 前記第２の燃焼ヒーターは、該第２の
燃焼ヒーターに新鮮な空気を提供する空気入口を更に含
む、請求項２８に記載の燃料処理装置。 - 【請求項３０】 前記第２の燃焼ヒーターシステムは、
前記第１の燃焼ヒーターシステムと直列に配置されてい
る、請求項２８に記載の燃料処理装置。 - 【請求項３１】 前記第２の燃焼ヒーターは、該第２の
燃焼ヒーターに新鮮な空気を提供する第１の入口と、前
記第１の加熱された排気流れと流体連通する第２の入口
と、を更に含む、請求項３０に記載の燃料処理装置。 - 【請求項３２】 前記第１の加熱された排気流れは、前
記第２の加熱された排気流れの温度を制御するため、前
記新鮮な空気を希釈するように使用される、請求項３１
に記載の燃料処理装置。 - 【請求項３３】 始動サイクルの間に、前記第１の加熱
された排気流れを前記第２の燃焼ヒーターシステムに選
択的に回送する、第１の制御バルブシステムを更に含
む、請求項３０に記載の燃料処理装置。 - 【請求項３４】 前記第２の燃焼ヒーターシステムから
下流側に連結された水噴霧部材であって、前記第２の加
熱された排気流れを所定温度に維持するように作動可能
である前記水噴霧部材を更に含む、請求項２８に記載の
燃料処理装置。 - 【請求項３５】 燃料電池スタックから、触媒燃焼器及
び前記第２の燃焼ヒーターシステムに、Ｏ2を含むカソ
ード流出物を選択的に回送させる、第２の制御バルブシ
ステムを更に含む、請求項２８に記載の燃料処理装置。 - 【請求項３６】 前記第２の燃焼ヒーターシステムから
上流に直列配置された触媒燃焼器を更に含む、請求項２
８に記載の燃料処理装置。 - 【請求項３７】 前記第２の燃焼ヒーターシステムから
下流に直列配置された触媒燃焼器を更に含む、請求項２
８に記載の燃料処理装置。 - 【請求項３８】 触媒燃焼器を更に含み、前記触媒燃焼
器は、該触媒燃焼器の出力が、前記第２の燃焼ヒーター
システムの下流側で入力されるように配置されている、
請求項２８に記載の燃料処理装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/993,453 US6926748B2 (en) | 2001-11-19 | 2001-11-19 | Staged lean combustion for rapid start of a fuel processor |
| US09/993453 | 2001-11-19 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003226507A true JP2003226507A (ja) | 2003-08-12 |
Family
ID=25539564
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002335215A Pending JP2003226507A (ja) | 2001-11-19 | 2002-11-19 | 燃料処理装置の急速始動のための段階化リーン燃焼 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6926748B2 (ja) |
| JP (1) | JP2003226507A (ja) |
| DE (1) | DE10252075A1 (ja) |
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