JP2009509299A - 加熱準備型水素生成燃料電池システム - Google Patents

Abstract

熱的に準備された燃料処理アセンブリと水素生成燃料電池システムは同じものを備える。熱的に準備された燃料処理アセンブリは加熱された格納構造の内部区画内に収容された少なくとも一つの水素生成領域を備える。ある実施形態において、この加熱された格納構造はオーブンである。ある実施形態において、この区画には精製領域および／又は加熱アセンブリも含まれる。ある実施形態において、この格納構造は、内部区画を閾値温度またはそれ以上に加熱し維持するように構成される。この閾値温度は適当な水素生成温度に対応する。ある実施形態において、燃料電池システムが電力を生成しない、および／又はシステムの運用負荷を満たすだけの電力を生成しない間、この格納構造はこの温度を維持するように構成される。ある実施形態において、燃料電池システムは格納構造に電力を供給しうる電源に対するバックアップ電力を提供するために構成される。

Description

本願は２００５年９月１６日に出願された米国特許出願シリアル番号１１／２２９，３６５号に基づく優先権を主張する。上記特許出願の全開示内容はここに参考として組み込まれている。
本発明は一般に水素生成燃料電池システムに係り、特に熱的に準備された（加熱準備型）水素生成領域を備える水素生成燃料処理システムの分野に関する。

本発明にて利用する燃料処理アセンブリは、一つ以上の原料を含む１つ以上のフィードストリームからなる水素ガスを生成する装置、またはそれら装置の組合せからなる。燃料処理アセンブリの例としては、水蒸気と自己熱の改質装置が含まれる。一般的な燃料処理装置は高温状態にて操作される。水蒸気改質燃料処理アセンブリのような、吸熱燃料処理反応においては、少なくとも燃料処理アセンブリの水素生成領域が加熱され、維持されるだけの熱が要求される。適当な水素生成温度のためには、バーナー、ヒーターといった加熱アセンブリを備える必要がある。燃料処理装置の加熱にバーナーが利用される時、一般的なバーナーには可燃性ガスや可燃性液体のような可燃性の燃料ストリームが利用される。

水素生成燃料処理アセンブリでは水蒸気改質装置、または水蒸気改質領域が利用され、水素ガスは炭素含有原料と水からなるフィードストリームによって生成される。水蒸気改質は高温高圧下で実施され、一般的な水蒸気改質装置は、水蒸気改質反応に熱を供給する加熱アセンブリを備える。単なる例示であって、限定するものではないが熱の利用法としては、選択された改質温度、または温度範囲における改質した触媒床を維持し、水素ガス生成に利用される前の液体フィードストリームを気化することを含む。加熱アセンブリの一つであるバーナーでは、可燃性の燃料ストリームが空気と一緒に燃やされる。水素生成燃料処理アセンブリでは、自己熱改質装置、または自己熱改質領域が利用され、水素ガスは炭素含有原料と水からなるフィードストリームにより生成され、空気存在下で反応する。水蒸気および自己熱改質装置は、水素生成領域が適当な水素生成温度、または適当な水素生成温度範囲内である時に、上述したフィードストリームから水素ガスを生成するように構成された改質触媒を利用する。水素生成領域から生成された水素ストリームは精製することができ、必要に応じ、その後燃料電池スタックに対する燃料ストリームとして利用され、生成物水素ストリームと空気のような酸化剤とから電流を発生する。燃料電池スタックによるこの電流、または出力電力は、エネルギー消費装置からのエネルギー要求を満たすために利用されうる。

水素生成燃料電池システムにおいて検討すべきなのは、必要時において、燃料電池システムにより生成された水素ガスから電流を生成し始めるまでに要する時間である。用途によっては、運用負荷を満たすだけの出力電力を生成することが燃料電池システムに要求され又は所望されるが、このシステムではその出力電力を生成することが出来ない時間があることは許容しうるかもしれない。。しかし、用途によっては、システムによりこの負荷を満たすことが所望されているにもかかわらず、エネルギー消費装置からの運用負荷を燃料電池システムによって満たすことが出来ない時間を有することは許容されない。説明に利用する例として、ある燃料電池システムは、配電網または他の主電源に対するバックアップまたは予備電力を生成するために利用される。主電源が運用負荷を満たすことが出来ない時、エネルギー消費装置への電力供給が遮断されない、または遮断の影響減らすことが出来るため、不可欠な瞬時電力を供給出来るバックアップ燃料電池システムは多くの場合望ましいものとなる。

一般的な燃料電池は、水素ガスまたは他の適当な燃料と空気のような酸化剤がそこへ運ばれると、極めて短時間内に電流を発生することができる。例えば、燃料電池スタックは、燃料電池スタック内の燃料電池に水素ガスと空気の流れが達した後、一秒もかからずに電流を発生するように構成されうる。水素ガスと空気を含む源からこれらのストリームの送出が開始されるために要求される時間を含めても、電流を発生するために要求される時間は、一分もかからないほど、比較的短いままである。しかしながら、要求される出力電力を発生する為に利用されるより前に、まず水素ガスが生成され、場合により精製される水素生成燃料電池システムでは、この出力電力を発生するのにより長い時間を要する。燃料処理アセンブリがすでに適当な水素生成温度にある時、燃料電池システムは、ほんの数分またはそれ以下の間に燃料処理アセンブリにより生成した水素ガスから要求される出力電力を発生できる。しかしながら、燃料電池システム内の燃料処理アセンブリの水素生成燃料処理装置が要求する水素生成温度にいまだ達していない時、要求される時間はさらに長くなる。例えば、２５℃の温度環境から開始した時、燃料処理アセンブリが適切に作動し、燃料処理アセンブリによって生成された水素ガスから要求する出力電力を発生するまでに３０分またはそれ以上時間がかかりうる。

従来、関連する水素生成燃料処理アセンブリがオフまたは非加熱不活性作動状態から起動され、適当な水素生成温度に加熱され、その後、運用負荷を満たす出力電力を発生するために要求される水素ガスを生成し、任意に精製するために利用される間、運用負荷を満足し得る水素生成燃料電池システムを提供するいくつもの異なる方法が行われてきた。あるアプローチでは、燃料電池システムが運用負荷を満足する十分な出力電力を発生することが出来るまでの間、運用負荷を満足するのに向いているであろう、一つ以上のバッテリー、または他の適当なエネルギー貯蔵装置を備える。一般的に、この試みにおいては、燃料電池システムの稼働中、燃料電池システムがバッテリーを再充電するための適当な充電器を備えることも含む。このアプローチは、バッテリー、バッテリー群に対する重さと大きさへの要求が条件を満たしている限り、特に１ｋＷまたはそれより小さな低電力を必要とする場合に効果的である。ポータブル燃料電池システムと１０ｋＷまたはそれ以上の大きな運用負荷を満足するために設計された燃料電池システムにおいては、燃料処理アセンブリの起動のために要求される時間に対する運用負荷を満足するためのものとしてバッテリーを利用することは実用的ではない。他のアプローチにおいて、燃料処理アセンブリは、燃料処理アセンブリが起動している間、燃料電池スタックに供給するための十分な量の水素ガスを貯蔵する寸法にされ若しくは構成とされた水素貯蔵装置を備える。一般的に、このアプローチでは、燃料電池システムは適当なコンプレッサーと制御機器と貯蔵装置を再充電するための規定の構造を備える。このアプローチも効果的ではあるが、貯蔵装置および関連コンポーネントを備えるためのスペース、追加の装備及び費用を許容しうることが必要となる。

ある適用形態においては、燃料処理アセンブリが不活性またはオフ状態、稼動状態、適当な水素生成温度に加熱された状態から起動される間において、運用負荷を満足するための貯蔵電力または貯蔵水素のいずれも必要とせず、水素生成燃料電池システムである燃料処理アセンブリによって生成される水素ガスから、要求される出力電力を発生することが望ましい。
米国特許第６,１５２,９９５号明細書

本発明は熱的に準備された燃料処理アセンブリと、同じアセンブリを具備する水素生成燃料電池システムに係るものである。熱的に準備された処理アセンブリは、適当な改質触媒を利用した水蒸気改質または自己熱改質プロセスによって水素ガスを生成するように構成されるような、少なくとも一つの水素生成領域を備える。少なくとも、水素生成領域は加熱格納構造の内部に収容される。ある実施形態では、この格納構造は加熱・断熱格納構造となりうる。ある実施形態では、加熱格納構造はオーブンとなりうる。ある実施形態では、少なくとも一つの精製領域および／又は加熱アセンブリが水素生成領域の区画内部に備えられる。ある実施形態では、格納構造は内部の区画を閾値温度より高く、または選択された温度範囲内に加熱し、維持するように構成される。ある実施形態では、この温度は、水素生成領域に対する適当な水素生成温度または温度範囲に対応しうる。ある実施形態では、燃料電池システムが出力電力を生成しない、および／又はシステムに対し運用負荷を満足する出力電力を生成しない期間において、格納構造は内部の区画をこの温度または温度範囲に維持するように構成される。ある実施形態では、燃料電池システムは、少なくとも一つのエネルギー消費装置に対し電力を提供するように構成される主電源に対するバックアップまたは予備電力を提供するように構成される。ある実施形態では、さらに主電源は格納構造に対して電力を供給するように構成される。

熱的に準備された燃料処理アセンブリを図１に示し、符号１０に概略的に表す。熱的に準備された燃料処理アセンブリ１０は、水素ガス、望ましくは少なくとも十分に純粋な一つ以上のフィードストリーム１６からの水素ガスを含む生成物水素ストリーム１４を生成するように構成される、熱的に準備された燃料処理装置１２を備える。フィードストリーム１６は、少なくとも一つの炭素含有の原料１８を備え、水１７を備えうる。燃料処理装置１２は任意の適当な装置、または装置の組合せであり、フィードストリーム（群）１６から水素ガスを生成するように構成される。従って、燃料処理装置１２は水素生成領域１９を備え、任意の適当な水素生成メカニズム（群）および／又はプロセス（群）を利用し水素ガスが生成される。生成物水素ストリームは燃料電池スタック４０に運ばれ、電流または出力電力を発生するように構成され、４１は空気のような酸化剤と水素ガスからなる。図１において、空気ストリームは４３に示され、任意の適当なメカニズムまたはプロセスを経由し、スタック内の燃料電池に運ばれうる。本発明によるシステムは、熱的に準備された水素生成燃料電池システムとみなしうる少なくとも一つの燃料電池スタックに対し、水素ガスを生成するように構成される少なくとも一つの燃料電池スタックと少なくとも一つの熱的に準備された燃料処理アセンブリを備える。単一燃料処理装置１２および／又は単一燃料電池スタック４０を図１に示すが、本発明の開示の範囲は、これら部材および／又はその従属部材のいずれか一つまたは両方を利用するだけにとどまるものではない。

熱的に準備された燃料処理アセンブリ１０は水素生成領域１９を備え、水素生成領域１９は、任意の適当な水素生成メカニズム（群）の利用により、一つ以上のフィードストリームから水素ガスを生成するように構成される加熱格納構造、または加熱格納アセンブリ７０内に収容される。ここでさらに詳述すると、格納構造７０内には、水素生成アセンブリが配置される少なくとも水素生成領域内の内部区画７２が画定される。格納構造は、内部区画及びそれに含まれる構造を閾値温度、または温度範囲内に加熱し維持するように構成された加熱アセンブリを含む。この閾値温度、または温度範囲内は、燃料処理アセンブリの水素生成領域内において、水素ガスを生成するための燃料処理アセンブリに対する適当な水素生成温度、または温度範囲に対応しうる。格納構造は加熱格納システム、及び／又は、少なくとも燃料処理アセンブリの水素生成領域を備える加熱容器と言ってもよい。

フィードストリーム（群）１６は、任意の適当なメカニズムを経て、熱的に準備された燃料処理装置１２の水素生成領域に運ばれうる。一方、単一フィードストリーム１６を図１の実線に示す。１つ以上のストリーム１６が利用され、これらのストリームは同じまたは異なる原料を含む構成は本発明の開示の範囲である。図１にて２番目フィードストリーム１６を点線にて概略的に示す。フィードストリーム１６が、炭素含有原料と水といった、２つまたはそれ以上の要素を備える時、これらの要素は同じまたは異なるフィードストリームによって運ばれうる。例えば、燃料処理装置が炭素含有原料と水から水素ガスを生成するように構成される時、通常これらの要素は別のストリームによって運ばれ、この時、任意的に（少なくとも両方のストリームが蒸発しまたは気体状になるまでは）、図１に示す異なるフィードストリームを指す符号１７と１８によって参照できるように、お互い混合することは出来ない。炭素含有原料が水と混合出来る時、図１に示す同じフィードストリーム１６を指す符号１７と１８によって参照できるように、通常、そうなることが必要とはされないが、原料はフィードストリーム１６の水の要素と共に運ばれる。例えば、燃料処理装置が水とメタノールのような水溶性アルコールを含むフィードストリームを受け取った時、これらの要素は予め混合され単一のストリームで運ばれうる。

図１において、フィードストリーム１６は、原料配送システム２２によって燃料処理装置１２に運ばれることが示され、燃料処理装置へフィードストリームを選択的に運ぶための任意の適当なメカニズム、装置、それらの組合せを概略的に表す。例えば、配送システムは、一つ以上の要素が供給されたストリーム１６の要素を運ぶように構成される一つ以上のポンプを備えうる。さらに、または代替として、原料配送システム２２は加圧供給された要素の流れを制御するように構成されるバルブアセンブリを備えうる。この供給品は燃料処理アセンブリの外部に配置され、またはそのアセンブリの内部または直近に含まれうる。フィードストリーム１６が一つ以上のストリームにより燃料処理装置へ運ばれた時、このストリームは同じまたは別の原料配送システムによって運ばれうる。

水素生成領域１９は、フィードストリーム（群）１６から水素ガスを生成するために、任意の適当なプロセスまたはメカニズムを利用しうる。水素生成領域からのアウトプットストリーム２０は主成分として水素ガスを含む。アウトプットストリーム２０は一つ以上の付加的な気体の要素を含み、その結果、主成分として水素ガスを含む混合ガスストリームとみなされうる。先に述べたとおり、フィードストリーム（群）１６から水素ガスを生成するための適当なメカニズムの実施例は水蒸気改質と自己熱改質を備え、改質触媒は、炭素含有原料１８と水１７を含むフィードストリーム１６から水素ガスを生成するために利用される。適当な炭素含有原料１８の例としては、少なくとも一つの炭化水素またはアルコールを含まれる。適当な炭化水素の例としては、メタン、プロパン、天然ガス、ディーゼル、灯油、ガソリンのようなものが含まれる。適当なアルコールの例としては、メタノール、エタノール、エチレングリコールとプロピレングリコールのようなポリオールが含まれる。

水蒸気改質は、フィードストリーム１６が水と炭素含有原料からなる場合に、水素生成領域１９にて用いられうる水素生成メカニズムの一例である。水蒸気改質プロセスにおいて、水素生成領域１９は、図１の点線にて示す適当な水蒸気改質触媒２３を備える。このような実施例において、燃料処理装置は水蒸気改質装置とみなし、水素生成領域１９は改質領域とみなし、アウトプット、または混合ガスストリーム２０は改質ストリームとみなしうる。本発明では、改質領域１９は水蒸気改質水素生成メカニズムを利用する任意の水素生成領域とみなす。適当な水蒸気改質触媒の例としては、低温度シフト触媒の銅亜鉛配合物、商品名ＫＭＡ（ズードケミー社（Ｓｕｄ−Ｃｈｅｍｉｅ））であるクロム固形剤が含まれる。これ以外の物も用いられうる。改質ストリームに存在しうる他のガスとしては、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水蒸気、および／又は未反応炭素含有原料が含まれる。

一般的に、水蒸気改質装置は２００℃から９００℃の温度範囲、５０ｐｓｉから３００ｐｓｉの圧力にて操作されるが、本発明の開示の範囲にはこの温度と圧力範囲外も含まれる。炭素含有原料がメタノールである時、一般的に水素生成水蒸気改質反応は約２００−５００℃の温度範囲にて操作されうる。実例としては、この範囲の一部である３５０−４５０℃、３７５−４２５℃、３７５−４００℃が対象となる。炭素含有原料が炭化水素、エタノール、または同様のアルコールである時、一般的に水蒸気改質反応には約４００−９００℃の温度範囲が適用されうる。実例としては、この範囲の一部である７５０−８５０℃、７２５−８２５℃、６５０−７５０℃、７００−８００℃、７００−９００℃、５００−８００℃、４００−６００℃、６００−８００℃が対象となる。水素生成領域は２つまたはそれ以上の区域や部分を備え、これらそれぞれは同じまたは異なる温度にて操作されることは本発明の開示の範囲である。例えば、水素生成流体が炭化水素を含む時、ある実施形態では２つの異なる水素生成部を備え、プレ改質領域を備えるために一方はもう一方よりも低い温度で操作されることが望ましい。あるいは、このような実施形態における燃料処理システムは、２つまたはそれ以上の水素生成領域を備えるとされている。一般的に、実例として上記に示した圧力範囲内のような選択された圧力下において、フィードストリーム１６は燃料処理装置１２の改質領域１９に運ばれる。従って、本発明による熱的に準備された燃料処理アセンブリは、少なくとも燃料処理装置の水素生成領域の温度を、実例として上記に示した温度の一つに対応する水素生成閾値温度および／又は実例として上記に示した温度範囲の一つに対応する選択された閾値温度範囲またはそれ以上に維持するように構成されうる。

熱的に準備された燃料処理装置１２の水素生成領域１９において水素ガスを生成する他の適当なプロセスには自己熱改質がある。このプロセスでは、空気存在下において、水と炭素含有原料から水素ガスを生成するために適当な自己熱改質触媒が利用される。自己熱改質が利用される時、熱的に準備された燃料処理装置はさらに、図１の点線にて示すような水素生成領域に空気ストリームを運ぶように構成される空気配送アセンブリ６８を備える。熱的に準備された燃料処理アセンブリは、自己熱改質反応を利用する水素生成領域を、水素生成水蒸気改質反応に関して議論し、実例として上記に示した温度または温度範囲の一つに維持するように構成されうる。自己熱水素生成反応は、水素生成反応開始初期時点における水素生成領域にて、熱を発生する発熱部分酸化反応と共に利用される一次吸熱反応を利用する。従って、自己熱水素生成反応は発熱反応を伴うが、最初は水素生成領域を少なくとも最低限の適当な水素生成温度に加熱する必要がある。

燃料処理アセンブリによって生じる生成物水素ストリーム１４は、燃料電池スタック４０に運ばれうる。燃料電池スタックは、水素ガスと酸素ガスのような酸化剤といったプロトン源から電位を発生する装置である。従って、燃料電池スタックは、少なくとも生成物水素ストリーム１４と酸素のストリーム（一般的に空気ストリームとして運ばれる）の一部を受け取り、電流を発生するように構成されうる。これを図１に概略的に示す。燃料電池スタックは４０にて示され、４１に概略的に示す電流、または出力電力を発生する。燃料電池スタック４０は、空気、酸素富化空気、または酸素ガスから電流を発生するように構成される少なくとも一つ、一般的には複数の燃料電池４４を備え、生成物水素ストリーム１４の一部がそこへ運ばれる。一般的に、燃料電池は普通端板４８の間に結合され、流体配送／除去管を備えるが、この構造は全ての実施形態に要求されるものではない。適当な燃料電池の例は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池とアルカリ燃料電池を備える。その他には固体電解質型燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池を備える。

スタック４０にて生成される電流または出力電力４１は、少なくとも一つの関連するエネルギー消費装置４６からのエネルギー要求、または運用負荷を満たすために利用されうる。装置４６の実施例としては、これに制限するものではないが、ツール、ライトまたは照明アセンブリ、電化製品（家庭用またはその他電化製品）、家庭用またはその他住居、オフィスまたは他の商業施設、コンピューター、信号または通信設備等が含まれる。同様に、燃料電池スタック４０は燃料電池システム４２の所要電力（燃料電池システムのバランスオブプラント所要電力といってもよい）を満たすために利用される。当然のことながら、図１に概略的に示す装置４６は一つ以上の装置、または装置の一群として表され、燃料電池システムから電流を取り出し、または燃料電池システムに負荷を働かせるように構成される。

先に述べたように、加熱された格納構造７０は、少なくとも熱的に準備された燃料処理装置の水素生成領域を、実例として上記に示した温度、および／又はこれら温度の＋／−２５℃のような適当な水素生成温度に加熱し、保持するように構成される。適当な格納構造７０の実施例を図２の概略的に示す。図示したように、格納構造は、少なくとも燃料処理装置１２の水素生成領域を受容し、または収容するような大きさとされた、内部区画７２を含むエンクロージャー８４を画定する。エンクロージャーは壁８６を備え、壁８６は内面８８を備えることが望ましい。内面８８は完全でないにせよ、少なくとも実質的には、内部区画のまわりの境界を閉じるように画定する。壁８６は同じまたは異なる厚さ、大きさ、形状といったものを持つ構成は本発明の開示の範囲である。同様に、エンクロージャーは直線的な形状である必要はなく、図２は実施例となる図を提供したにすぎない。

望ましくは、壁および／又は他のエンクロージャー８６の一部は熱負荷、またはエネルギー要求を軽減し、内部区画を選択した温度に加熱し、維持するために絶縁される。必須ではないが、壁８６のようなエンクロージャーは十分に絶縁されることは本発明の開示の範囲である。これに関連し、外面９０は閾値外部温度またはそれ以下に維持され、一方、内部区画は上述した適当な水素生成閾値温度の一つに維持される。適当な閾値外部温度の非限定的な例としては、１００℃未満、７５℃未満、５０℃未満、２５℃未満の温度があげられる。先に述べたように、これらの外部温度は必須ではなく、本発明の開示の範囲から外れることなく、エンクロージャーの外部はこれらの実例を超える温度となりうる。

エンクロージャー８４が一つ以上の通気孔または他の空気循環通路を含むものは本発明の開示の範囲である。内部区画とエンクロージャーの外部との間の流体通路だけが、例えば、フィードストリーム（群）を水素生成領域に運ぶための、又は、水素含有ストリームをエンクロージャーから取り出すための、及び／又は、空気をこの区画内に運び、排気をエンクロージャーから取り出すための、画定された注入管及び放水管若しくはポートを通り抜ける構成も本発明の開示の範囲である。これをやや概略的に図２に示す。フィードストリームポートを９２に、生成物水素ポートを９４に、空気注入管ポートを９６に、排気ポートを９８に示す。備えうるポートの実施例の２つ以上は、本発明による任意の格納構造に含まれうる。同様に、この構造は、上述した具体的な一つ以上のポートに加え、またはその代替として、一つ以上のポートを含んでもよい。

流体ストリームが内部区画内の特定の構造へ運ばれ、またはこの構造から取り除かれるとき、通常内部区画の代替として、ポートは、区画内の流体に対する規定の流路として定義される一つ以上の流体管１００と結合されうる。例えば、フィードポート９２は、フィードストリームを水素生成領域に運ぶ流体管を備える。この管は、少なくとも気化領域１０２の一部を定義または形成しうる。流体ストリームとして運ばれるフィードストリームは、水素生成領域１９にて改質触媒に接触するまで運ばれる以前に気化される。ある実施形態においては、気化領域は水素生成領域に含まれ、フィードストリームは改質触媒に接触するまで運ばれる以前に気化されうる。ある実施形態においては、フィードストリームが内部区画に取り込まれた時、フィードストリームはガスストリームとなりうる。従って、区画内の気化領域において気化される必要がなくなりうる。図２の実施例にも示すように、管１００は、水素を水素生成領域から、燃料電池スタックと流体連通する水素ポート９４へ運ぶ。

図２には、水素生成領域にて水素ガスが生成されないが水素生成領域を操作準備状態に維持することが望ましい間、格納構造７０は内部区画を適当な水素生成温度のような少なくとも閾値温度にまで加熱するように構成された加熱アセンブリ１１０を含む、又は、任意に加熱アセンブリ１１０と熱的に連結する、本発明による加熱された格納構造７０も示す。先に述べたように、この準備された、または熱的に準備された操作状態は、少なくとも水素生成領域が適当な水素生成温度または温度範囲、水素生成温度または温度範囲以内に維持される操作状態となりうる。水素生成領域にて水素ガスが生成されない時、加熱アセンブリ１１０は内部区画（およびその内容物）の加熱のみを行う構成となることは本発明の開示の範囲である。しかし、水素生成領域にて水素ガスが生成され、および／又は燃料電池スタックが燃料電池システムに対する運用負荷を満たす十分な出力電力を発生するまで、加熱アセンブリが内部区画（およびその内容物）の加熱を行う構成も本発明の開示の範囲に含まれる。追加的な実施例では、上述した事象が発生した（または検知された）後の選択時間において、加熱アセンブリは内部区画とその内容物を加熱し続ける構成となりうる。さらに追加的な実施例では、水素生成領域にて水素ガスが生成され、および／又は燃料電池スタックが電流を発生するか否かにかかわらず、加熱アセンブリは内部区画（およびその内容物）を加熱し続けるように構成されうる。これは、内部区画またはそれのうちの選択された領域が閾値温度を下回るような（またはこの温度を選択温度範囲以上下回る）場合である。

図２に示す概略的な例にて説明するように、格納構造は、格納構造内の内部区画７２を加熱し、それに応じて水素生成領域と内部区画に含まれる任意の他の構造を選択閾値温度に加熱するように構成される加熱アセンブリを備える。図２の実線にて、加熱アセンブリ１１０はエンクロージャー８４の内部であり、かつ格納構造の内部区画７２の外部に配置されるように示す。先に述べたように、この構造は必須ではないが、図２の点線にて概略的に表すように、加熱アセンブリが部分的または全体的に、エンクロージャー８４の外部および／又は内部区画７２の内部に配置する構成は本発明の開示の範囲である

加熱アセンブリ１１０の適当な構造として、バッテリー、配電網、発電機、その他ヒーターに電力を提供するように構成される適当な電源といった電源を動力源とした抵抗ヒーターのような電気ヒーター１１２がある。必須でないが、ヒーター１１２は内部区画に運ばれる加熱流体ストリーム１１６を発生させる。ヒーターは空気ストリーム１１８を受け取ると、これを加熱し内部区画に運ぶ。ヒーター１１２および／又はその他適当な加熱アセンブリ１１０は、格納構造の内部区画に対して適当な位置に配置されうる一つ以上の加熱要素、または熱源１１４を備えうる。例えば、加熱アセンブリは、内部区画内、または内部区画内に少なくとも部分的に広がりを持つ少なくとも一つの加熱要素を備えうる。さらにまたは代替として、加熱アセンブリは、格納構造の一つ以上の壁８６の内部に全体的または部分的に広がりを持つ一つ以上の区画を備えうる。

さらに非限定的な例として、加熱アセンブリ１１０は、燃焼排気ストリームの形で内部区画に運ばれうる加熱流体ストリーム１１６を生成する燃焼領域１２０を備えうる。加熱流体ストリームはここに含まれる区画と構造を加熱するために利用される。燃焼領域は格納構造内、内部区画内、または格納構造の外部に配置されうる。少なくともこの後者の例においては、燃焼排気ストリームはひとつまたはそれ以上の流体管を通して内部区画へ運ばれてもよいし、例えば、燃焼排気ストリームは格納構造の少なくとも一つの壁を通過し、内部区画へ運ばれてもよい。

図３では、電気ヒーター１１２を含む加熱アセンブリ１１０を備えるか、または加熱アセンブリ１１０と熱的に連結する格納構造７０の例を示す。図示したように、ヒーター１１２は、ヒーターが内部区画を選択閾値温度に加熱し、その後この温度および／又は選択閾値温度の適当な温度範囲、例えばこの温度の±５℃、±１０℃、±２５℃に維持することが出来る十分な電力を供給するための電源１３０と電気的なつながりを持つ。ヒーターの加熱要素（群）１１４は内部区画に対して任意の適当な位置に広がりうる。それの非限定的な例には、エンクロージャーの一つ以上の壁８６に沿った位置又はその壁８６の内側の位置、及び／又は、内部区画７２内の位置が含まれる。図３において点線で示すように、ヒーターは空気ストリーム１１８を受け取ると同時に、加熱流体ストリームを生成するためにこのストリームを加熱しうる。この加熱流体ストリームは少なくとも熱的に準備された燃料処理アセンブリの水素生成領域を加熱するために内部区画に運ばれる。

図４では、燃焼領域１２０を含む加熱アセンブリ１１０を備える、または加熱アセンブリ１１０と熱的なつながりを持つ格納構造７０の例を示す。燃焼領域１２０は、空気ストリーム１１８から提供されるような空気存在下において、燃焼燃料ストリーム１２２を受け取り、燃焼させる。これは、燃焼排気ストリームの形で加熱流体ストリーム１１６を生成するためである。燃料ストリーム１２２は任意の適当な燃焼燃料を含み、実施例ではガスと液体燃料を含みうる。さらに他の例として、フィードストリーム１６、炭素含有原料１８、水素または水素生成領域から生成される他のガス、プロパン、天然ガス、ガソリン、灯油、ディーゼル、その他同様なものが含まれる。燃焼領域は特定の燃料または燃料の一種を受け取り、これを燃焼させうる。燃焼領域は燃料ストリームの燃焼を開始するために利用される点火装置または他の適当な発火源１２４を備えうる。点火装置は、選択的に点火装置を作動させる電源１３０と電気的なつながりを持つ構成は本発明の開示の範囲である。前に例示した適当な電源に加え、点火装置はフライホールまたはウルトラキャパシタを動力源としうる。

図２に関して上述したように、加熱アセンブリは格納構造の内部区画を画定するエンクロージャーの外部、エンクロージャー内、及び／又はエンクロージャーの内部に配置されうる。それに応じて、図３と４に示すヒーターと燃焼領域の実施例は、エンクロージャーの外面、内部、または内部区画内において、全体的でなくとも、少なくとも部分的に実施されうる。先にも述べたように、少なくともエンクロージャーの外面に配置するときは、加熱アセンブリは、内部区画及びその内容物に所望の加熱を行うために、加熱流体ストリームを内部区画へ選択的に運ぶための若しくは内部区画と熱的に連結するための少なくとも一つの流体管を備えてもよい。内部区画は一つ以上の小区画を備え、この小区画は熱偏向構造、熱的なバッフルまたはバリア、ファンまたは循環部材、および／又は内部区画における温度の高低領域を選択的に決定する他の温度調節構造を備えた構成も本発明の開示の範囲である。これら任意的な温度調節構造の単体または組合せを図２の１３４に概略的に示す。

図１−図４では、本発明に従い、熱的に準備された燃料処理アセンブリ１０は、少なくとも加熱された格納構造７０の内部区画内に配置される水素生成領域１９を備えるとして述べてきた。これら図のそれぞれにおいて、符号１３６は点線で表され、燃料処理アセンブリの他の部材は内部区画内に配置され、加熱アセンブリ１１０によって選択閾値温度および／又は選択温度範囲内に加熱、維持されうることを示す。内部区画内に存在する時、燃料処理アセンブリのこれらの部材は、加熱アセンブリ１１０の区画内において維持される温度に耐えうる形状とすべきである。熱的に準備された燃料処理の付加的な部材の例は、存在する時は、図２の１０２に概略的に示したように、気化領域である区画７２内に収容されうる（必須ではないが）。気化領域１０２は、存在する時は、ほかの構成となる場合があり、実施形態によっては、内部区画内の水素生成領域の共通のシェル若しくはハウジング内に配置された構成は本発明の開示の範囲である。図２において、内部区画内の水素生成領域を含むシェル、またはハウジングは１０４に示される。

内部区画７２に存在しうる（必須ではないが）燃料処理アセンブリ１０の部材の他の例には、水素生成領域が水素生成操作状態にある時に少なくとも水素生成領域を加熱する加熱アセンブリ１４０がある。このような加熱アセンブリの実施例を図５に概略的に示す。加熱アセンブリ１４０は第２、または第２の、またはアクティブ操作状態の加熱アセンブリと呼ばれうる。アセンブリ１０が特定の実施形態である時、水素生成加熱アセンブリは燃料ストリーム１４２を燃焼させるように構成される。この燃料ストリーム１４２は、少なくとも燃料処理アセンブリ１０の水素生成領域を適当な水素生成温度または温度範囲に維持する燃焼ストリーム１４４を発生させるためのものである。ある実施形態において、このセカンダリー加熱アセンブリはバーナーと呼ばれうる。ある実施形態において、第２加熱アセンブリは、付加的または代替として燃料処理アセンブリの膜モジュールまたは他の精製領域、触媒領域のような他の部分を加熱するように構成されうる。加熱アセンブリ１４０は、燃焼を助けるために空気ストリーム１１８によって運ばれる空気を利用し、燃焼領域１２０に関連して前に述べた点火装置またはその他適当な発火源を利用しうる。燃焼ストリーム１４２は適当な可燃性の燃料を含みうる。先に述べたように、実施例は、燃料処理アセンブリによって生成される様々な可燃性ガスストリーム、ガスの炭素含有原料、液体炭素含有原料、これらの要素を含む可燃性燃料ストリームのような様々なガス燃料を含む。全ての実施形態に必須とされるわけではないが、燃料ストリームにはアウトプットストリーム２０の少なくとも一部が含まれる構成は本発明の開示の範囲である。または燃料ストリームの全てがアウトプットストリーム２０により形成される場合さえ存在しうる。さらに、ガス燃料ストリームは、適当なポートを経由するような、外部の区画から加熱アセンブリに運ばれる付加的な燃料によって補われる構成は本発明の開示の範囲である。

水素生成領域では、燃料電池スタック４０への燃料ストリームとして利用される十分に純粋な水素ガスを本質的に生成するプロセスが利用される構成は本発明の開示の範囲である。アウトプットストリームが十分に純粋な水素ガスを含み、及び／又は、燃料電池スタック４０への燃料ストリームとして利用される一つ以上の非水素成分の濃度が十分に低いとき、生成物水素ストリーム１４はアウトプットストリーム２０によってそのまま形成されうる。しかし、多くの水素生成プロセスでは、アウトプットストリーム２０は大部分の要素が水素ガスであり、他のガスを含んだ混合ガスとなりうる。同様に、多くの応用例においては、アウトプットストリーム２０は十分に純粋な水素ガスであるが、応用例における生成物水素ストリームの利用目的に対し、害を及ぼすまたは望ましくない一つ以上の非水素成分の濃度を保持しうる。

例えば、スタック４０のような燃料電池スタックに対して、ストリーム１４が燃料ストリームとして利用される時、一酸化炭素、二酸化炭素のような燃料電池スタックにダメージを与えうる成分は、必要に応じて、水素リッチストリームから取り除かれうる。プロトン交換膜（ＰＥＭ）とアルカリ燃料電池スタックのような多くの燃料電池スタックにおいて、一酸化炭素の濃度は１０ｐｐｍ（ｐａｒｔｓ ｐｅｒ ｍｉｌｌｉｏｎ）未満とすることが望ましい。一酸化炭素の濃度は５ｐｐｍ未満、さらには１ｐｐｍ未満とすることが望ましい。二酸化炭素の濃度は一酸化炭素よりも大きくなりうる。例えば多くの実施形態において、２５％未満の濃度の二酸化炭素が許容されうる。濃度は１０％未満、さらには１％未満とすることが望ましい。必須ではないが、特に５０ｐｐｍ未満の濃度が適当である。本発明にて公開する、許容しうる最小濃度は実施例のものであるが、本発明にて公開する以外の濃度を利用することもでき、これも本発明の開示の範囲に含まれる。例えば、特定の利用者または製造者は、本発明にて特定するものとは異なる、最小または最大の濃度レベルまたは濃度範囲を要求しうる。

それに応じて、熱的に準備された燃料処理アセンブリ１０はさらに精製領域２４を備えうる（必須ではないが）。精製領域２４では、水素生成領域１９からのアウトプット、または混合ガスストリームから、水素リッチストリーム２６が生成される。水素リッチストリーム２６は、少なくともアウトプットストリーム２０よりも水素濃度が高く、アウトプットストリームに存在する一つ以上のその他ガスまたは不純物の濃度が低い。図２に示した熱的に準備された燃料処理アセンブリに少なくとも１つの精製領域２４を備えた実施例を図６に示す。精製領域２４を図６に概略的に示す。付加的な精製領域２４に運ばれるアウトプット、または混合ガスストリーム２０を示す。図６に示すように、少なくとも水素リッチストリーム２６の一部により生成物水素ストリーム１４が形成される。それに応じて、水素リッチストリーム２６と生成物水素ストリーム１４は同じストリームであり、同じ成分と流量を持ちうる。しかし、さらに、水素リッチストリーム２６の精製水素ガスの一部は、後で利用するために適当な水素貯蔵アセンブリのような装置に蓄えられ、および／又は燃料処理アセンブリによって消費される構成も本発明の開示の範囲である。

必須ではないが、精製領域２は少なくとも一つの副産物ストリーム２８を生成しうる。存在する時、副産物ストリーム２８は排気され、バーナーアセンブリまたは他の燃焼発生源（水素生成加熱アセンブリのような）に送られ、加熱流体ストリームとして利用され、後で利用するために蓄えられ、または他に利用され、蓄えられまたは捨てられうる。アウトプットストリーム２０が精製領域に運ばれるのに応じて、副産物ストリーム２８は連続的なストリームとして精製領域から放出される構成は本発明の開示の範囲である。また、バッチプロセスやアウトプットストリームの副産物部分が精製領域に少なくとも一時的に保持される時のような場合では断続的なストリームとなりうる。

精製領域２４は、アウトプットストリーム２０の少なくとも一つの要素の濃度を減少させるために利用されるいくつかの適当な装置、または装置の組合せを備える。多くの応用例においては、水素リッチストリーム２６は、アウトプット、または混合ガスストリーム２０よりも水素濃度が高くなりうる。しかし、本発明の開示の範囲にはさらに、水素リッチストリームがアウトプットストリーム２０内に存在した一つ以上の非水素成分の濃度は低いが、全水素濃度はアウトプットストリームと同じかまたは低い場合も含まれる。例えば、生成物水素ストリーム１４が利用されるある適応形態において、ある不純物または非水素成分は、他よりも害を与えるものとなる。具体的な例として、標準的な燃料電池システムでは、一酸化炭素は、たとえ１００万分の１しか存在しなくとも燃料電池スタックにダメージを与えうる。一方、ストリーム２０に存在しうる水のような他の非水素成分は、たとえ極めて大きな濃度であってもスタックにダメージを与えない。従ってこのような応用例では、適当な精製領域は全体の水素濃度を増大させないが、生成物水素ストリームに対する望ましい応用例において、有害な、または有害となる可能性のある非水素成分の濃度を減少させうる。

精製領域２４の適当な装置の実施例は、一つ以上の水素選択膜３０、一酸化炭素（または他の不純物）化学的除去アセンブリ３２と圧力スイング吸着システム３８を備える。精製領域２４は、複数種の精製装置を備え、これら装置は同じまたは異なる構造を持ち、また同じまたは異なるメカニズムを用いて操作される構成は本発明の開示の範囲である。

水素選択膜３０は水素ガスを透過することが出来るが、完全ではなくとも、少なくとも実質的には、アウトプットストリーム２０の他の要素は通さない。膜３０は、精製領域が操作される操作環境と運転パラメータ下における利用に適する任意の水素透過材料によって形成されうる。膜３０に利用する適当な材料の例には、パラジウムとパラジウム合金、特にこのような金属と金属合金の薄いフィルムが含まれる。パラジウム合金、特に銅４５ｗｔ％に対しパラジウム３５ｗｔ％は実績のある特別な効果を持つ。本発明では、その他の相対濃度と成分を利用しうる。

一般的に、水素選択膜は約０．００１インチの厚さの薄いホイルによって形成される。しかし、膜は、上述した以外の金属と金属合金、そして非金属材料と合成物を含む他の水素透過および／又は水素選択材料によって形成される構成は本発明の開示の範囲である。そして、膜は、上述よりも厚いまたは薄い厚さとなりうる。例えば、膜は、水素フラックスの増加に応じ、薄くなってもよい。膜の厚さを減らすための適当なメカニズムの例には、ローリング、スパッタリング、エッチングが含まれうる。適当なエッチングプロセスは、米国特許第６,１５２,９９５号明細書に公開されており、本願において参照としてその全文が組み込まれる。様々な膜、膜の形状、これらを準備する手段の例は、米国特許第６,２２１,１１７号明細書、第６,３１９,３０６号明細書、第６,５３７,３５２号明細書に公開されており、本願において参照としてその全文が組み込まれる。

一酸化炭素化学的除去アセンブリ３２は、一酸化炭素および／又は、もしアウトプットストリーム２０内に存在するならば、ストリーム２０に含まれる他の望ましくない要素を化学的に反応させる装置である。これにより、潜在的に害を及ぼすものではない他の合成物を形成する。一酸化炭素化学的除去アセンブリは、水性ガスシフト反応装置と、一酸化炭素を二酸化炭素に変化させる他の装置と、一酸化炭素と水素をメタンと水に変化させるメタン生成触媒床とを備える。燃料処理アセンブリ１０は複数の種類および／又は数の化学的除去アセンブリ３２を備える構成は本発明の開示の範囲である。

圧力スイング吸着（ＰＳＡ）は、適切な温度と圧力状態下において、あるガスは他のガスよりも吸収性材料に著しく吸収されうるという原理に基づいた化学的なプロセスであり、これによりアウトプットストリーム２０からガス不純物を取り除く。主として不純物が吸収されアウトプットストリーム２０から取り除かれる。吸収性材料に対して、ありふれた不純物ガス（ＣＯ、ＣＯ_２、ＣＨ_４を含む炭化水素、Ｎ_２）が相対的に強力に吸収されるため、ＰＳＡを用いた水素精製方法が広まった。水素は極めて吸収されにくいので、不純物が吸収性材料に保持されるのに対し、水素は吸収性のある床（ｂｅｄ）を通り抜けてしまう。ＮＨ_３、Ｈ_２ＳとＨ_２Ｏのような不純物ガスは、吸収性材料に著しく吸収され、他の不純物と一緒にストリーム２０から取り除かれる。吸収性材料の再生を行う場合であり、またこれらの不純物がストリーム２０に存在する場合は、精製領域２４は、これら不純物を脱着させることがより困難になるため、ストリーム２０が吸収性材料に運ばれるより前に不純物を取り除く適当な装置を備えることが望ましい。

不純物ガスの吸収により、圧力が上昇する。圧力が減少した時、不純物は吸収性のある材料から脱着され、吸収性材料は再生する。一般的に、ＰＳＡは循環過程であり、連続的な操作を行うために、少なくとも二つの床（ｂｅｄ）が必要とされる。吸収性材料の適当な例では、吸収性のある床（ｂｅｄ）には活性炭とゼオライト、特に５Å（５オングストローム）ゼオライトが利用されうる。一般に、吸収性材料はペレット形状であり、標準的な充てん床構造を利用した円筒圧力容器内に配置される。他の適当な吸収性材料の組成、形状、構造が利用されうる。

ＰＳＡシステム３８もまた、精製領域２４において利用する装置の例となる。精製領域２４では、副産物または除去コンポーネントは、アウトプットストリームの精製と同時にガスストリームとしてこの領域から直接は排気されない。代替として、吸収性材料が再生されまたは精製領域から取り除かれた時に、これらの副産物要素は取り除かれる。

非限定的な実施形態を図６に示す。内部区画７２の内部であり、水素生成領域１９を含むハウジング１０４からは離れた構造となる精製領域２４を実線にて示す。ハウジング１０４は付加的にまたは代替として、水素生成領域１９に加え、精製領域２４を備える構成は本発明の開示の範囲である。精製領域（群）は水素生成領域にて精製された混合ガスまたは改質ストリームを受け取る。またさらに、燃料処理アセンブリは、図６の鎖線にて示すように、格納構造のエンクロージャーの外部に精製領域２４を備える構成も本発明の開示の範囲である。本願にて記述し、図示し、および／又は援用する任意の熱的に準備された燃料処理アセンブリは、必須ではないが、本願にて記述し、図示し、および／又は援用する一つ以上の精製領域を備えた構成にて実施されうる。

燃料電池スタックに対する、フィードストリームまたは燃料ストリームとして利用されうる生成物水素ストリームを生成する燃料処理装置、または燃料処理アセンブリとの関連で、燃料処理装置は実質的に純粋な水素ガスを生成することが望ましく、さらには、燃料処理装置は純粋な水素ガスを生成することが望ましい。本発明の目的に対し、実質的に純粋な水素ガスの純度は９０％よりも大きく、純度９５％よりも大きいことが望ましく、さらには純度９９％よりも大きいことが望ましく、ましてやさらには純度９９．５％よりも大きいことが望ましい。少なくとも実質的に純粋な水素ガスのストリームを生成する適当な燃料処理装置は、米国特許第６,３１９,３０６号明細書、第６,２２１,１１７号明細書、第５,９９７,５９４号明細書、第５,８６１,１３７号明細書、２００１年３月８日に“Ｆｕｅｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｍｅ，”という発明の名称で出願された係属中の米国特許出願第０９／８０２，３６１号明細書、２００３年４月４日に“Ｓｔｅａｍ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ Ｆｕｅｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，”という発明の名称で出願された係属中の米国特許出願第１０／４０７，５００号明細書であり優先権主張を行う米国仮特許出願第６０／３７２、２５８に公開されている。これら上記確認した特許と特許出願は、本願において参照としてその全文が組み込まれる。

図７に、本発明による熱的に準備された燃料処理アセンブリ１０を備える燃料電池システム４２の他の実施例を示す。図７では、全ての実施形態に必須ではないが、システム４２および／又はアセンブリ１０に備わる付加的な部材を説明する。言い換えると、同じ構成となる熱的に準備された燃料処理アセンブリと燃料電池システムは、本発明に記述および／又は図示した部材のそばに、一つ以上の適当なコントローラー、流量調整装置、熱交換器、加熱／冷却アセンブリ、燃料／フィード供給品、水素貯蔵装置、エネルギー貯蔵装置、容器、フィルターといった付加的な部材を備える構成は本発明の開示の範囲である。

燃料電池スタック４０は、生成物水素ストリーム１４の全てを受け取りうる。ストリーム１４の内のいくつかは、付加的にまたは代替として、他の水素消費プロセスにおいて利用されるために、適当な管を経由して運ばれ、燃料または熱のために燃やされ、または後で利用するために蓄えられうる。実施例として、水素貯蔵装置５０を図７に示す。装置５０は少なくとも生成物水素ストリーム１４の一部を蓄える。例えば、スタック４０が、燃料処理装置１２からアウトプットされる水素よりも少ない量の水素ガスを要求する時、超過水素ガスは装置５０に蓄えられうる。適当な水素貯蔵装置の実施例には、水素化物床（ｂｅｄｓ）と加圧タンクが含まれる。必須ではないが、蓄えた水素ガスの供給する機能を備えた燃料処理アセンブリ１０または燃料電池システム４２の利点は、熱的に準備された燃料処理装置１２によって水素に対する要求を満たすことが出来ない状況において、この供給がスタック４０またはストリーム１４が利用される他の用途においてこれらの水素に対する要求を満たすために用いられるものであることである。この状況の例には、メンテナンスまたは修理のために燃料処理装置がオフラインとなっている時、および燃料電池スタックまたは応用装置において燃料処理装置から提供されうる最大の生成物よりも大きな流量の水素ガスが必要とされる時が含まれる。付加的または変わりとして、蓄えた水素ガスは、燃料電池システムの燃料処理アセンブリを加熱する可燃性燃料ストリームとしても利用されうる。燃料電池スタックと直接的にはつながりを持たない燃料処理アセンブリも少なくとも一つの水素貯蔵装置を備えうるため、これら燃料処理アセンブリからの生成物水素ストリームを後で利用するために蓄えることも可能となる。

熱的に準備された燃料電池システム４２は、バッテリーまたは他の適当なエネルギー貯蔵装置５２も備えうる。エネルギー貯蔵装置５２は、スタック４０によって生成される出力電力または電位を蓄え、（前に述べた一つ以上の電源１３０のような）電源を提供するために蓄えられたポテンシャルを利用する。例として、装置５２は、一つ以上の点火装置、ポンプ（フィードストリーム１６を供給するようなもの）、送風機または他の推進装置（空気ストリーム１１８を運ぶようなもの）、センサー、コントローラー、流量調整弁のようなものに対し、電力を提供するために利用されうる。装置５２は再充電可能な装置となり、燃料電池システム４２は装置を再充電するために利用される充電アセンブリを備えうる。本発明の開示の範囲には、装置５２はシステム４２に存在しうるが、システム４２による再充電のために利用されない場合も含まれる。超過水素ガスに関して上述したように、燃料電池スタック４０は、燃料電池システム４２に電力を供給するために必要とされる負荷を含め、装置４６によって加えられまたは付与された負荷を満たすために必要とされる量を超えた出力電力を生成しうる。さらに、超過水素ガスに関して上述したように、この超過出力電力は、燃料電池システムの外部の他の用途に利用され、および／又は燃料電池システムによって後で利用されるために蓄えられうる。例えば、このシステムが電力および／又は水素ガスを生成しない間において、バッテリーまたは他の貯蔵装置は、システム４２による利用のために電力を提供しうる。

燃料電池システム４２が水素貯蔵装置５０を備える時、水素貯蔵装置は、燃料電池システムが非加熱操作状態から起動された場合（すなわち、システムが熱的に準備された燃料処理アセンブリを備えずに実行された）に要する時間と同じ時間において、燃料電池スタックの水素に対する要求を満たすことが出来ないことがないように設計され、大きさを決定される。このレスポンスタイムはスタートアップレスポンスタイムと呼ばれ、少なくとも水素生成領域を適当な水素生成温度に加熱するために必要となる時間が含まれる。このスタートアップレスポンスタイムは、適当な水素生成温度を維持し出力電力を生成する熱的に準備された燃料処理アセンブリによって、水素ガスを生成するために必要とされる時間と対比される。このレスポンスタイムはサーマリーバイアスレスポンスタイムと呼ばれうる。

従って必須ではないが、燃料電池システムをオフまたは非加熱、操作状態から起動するために必要となる時間と同じ期間において、完全に充電され、適応される負荷を満たすために燃料電池スタックが必要とする水素ガスを提供するだけの十分な量の水素ガスが提供される時でさえ、燃料電池システムは不十分な容量である水素貯蔵装置を備えうる。さらなる実施例として、水素貯蔵装置の最大容量には、潜在的な水素に対する要求の７５％未満、５０％未満、または２５％未満でさえも選択されうる。言い換えると、燃料電池スタックを非加熱操作状態（すなわち、熱的に準備された燃料処理アセンブリが存在しない、または使用できない）から起動した場合の時間に対応する期間において、燃料電池スタックは、そこにかかる運用負荷を満たすために十分な出力電力を生成するだけの容量の水素ガスを必要としうる。この容量は水素貯蔵装置の限度容量を超え、任意的に、水素貯蔵装置の限度容量を、少なくともその容量の２５％、５０％、７５％づつ、または１００％さえ超過しうる。

同様に、燃料電池システム４２が、バッテリー、コンデンサーまたは大容量キャパシタ、フライホイールまたは同様なものといったエネルギー貯蔵装置５２を備える時、燃料電池システムを非加熱、オフ操作状態（すなわち、熱的に準備された燃料処理アセンブリが存在しない場合）から起動するために必要とされる時間に対応する期間、この装置は、燃料電池スタックに対する運用負荷を満たすために必要となる出力電力よりも小さな最大の電荷を持ちうる。本発明の開示の範囲では、最大電荷は、必要とされる出力電力の少なくとも２５％、５０％、７５％またはそれ以上だけ小さな値となりうる。言い換えると、燃料電池スタックを非加熱（オフまたは準備されていない）操作状態（すなわち、熱的に準備された燃料処理アセンブリが存在しない場合）から起動するために要する時間に対応する期間において、エネルギー消費装置は、エネルギー貯蔵装置の最大（すなわち完全に充電された）容量を超える出力電力を要求または必要としうる。

特に全ての実施形態に必要となる部材ではないので、装置５０および／又は５２の意図的な縮小化は必須ではない。しかし上記に示したように、システムが適切に運転できるために加熱された格納アセンブリを必要とする間において、水素貯蔵装置および／又はエネルギー貯蔵装置を備える構成は本発明の開示の範囲である。もしこれらの部材が本発明による加熱された格納構造を備えない燃料電池システムを提供するための大きさにされるならば、関連する考慮事項には、これらの部材に必要とされるコストと場所があげられる。

図７にて、任意の流量調整構造を一般的に符号５４として示したが、具体的には、水素ガスと燃料電池スタックの出力電力を装置５０とバッテリー５２それぞれへ選択的に送るため、及び、蓄積された水素とそれから生成された出力電力を取り出すための適当なマニホールド、バルブ、コントローラー、スイッチ等を、そこに表している。図７には、任意である、概略的に示した電力管理モジュール５６の例をあわせて示す。これは、出力電力にフィルターをかけ、または標準化し、出力電力を高いまたは低い電圧に変換し、出力電力を直流から交流に変換するような、燃料電池スタックからの出力電力を調節するために利用される。

熱的に準備された燃料処理アセンブリと、これと同じ機能を組み込んだ燃料電池システムは、コントローラーを備えるまたはコントローラーに連結されうる。コントローラーは適当な指令信号を送ることによってアセンブリ／システムの選択的な操作制御のために利用され、および／又は様々なセンサーからのインプットに応じたアセンブリ／システムの操作監視を行うために利用される。コントローラーを図７の鎖線５８に示す。コントローラーはエネルギー貯蔵装置５２（および／又は電源１３０）に連結され、それによって電力が供給されうる。存在する時、コントローラーは他の適当な電源によって電力を供給されることも本発明の開示の範囲に含まれる。コントローラーはコンピューター化され、また、コンピューターによって実行されたコントローラーと実施形態によってはソフトウェアとハードウェアコンポーネントを備えうる。コントローラーは専用コントローラーとなる場合があり、第一には燃料電池システムまたは燃料処理アセンブリの操作の監視および／又は制御のために利用される。存在する時、コントローラーは他の機能を実行するために利用されうることもあり、これも本発明の開示の範囲に含まれる。

図８にて、本発明による熱的に準備された燃料電池システム４２（すなわち、熱的に準備された燃料処理アセンブリ１０を備える燃料電池システム）を示す。この燃料電池システム４２は、主電源２００によって電力を供給されるエネルギー消費装置４６に対するバックアップ電力を提供する。言い換えると、主電源が運転可能である時、エネルギー消費装置４６によって適用される負荷はこの主電源により満たされる。一方、主電源２００が運転可能でありエネルギー消費装置４６による運用負荷を満たすことが出来る間、熱的に準備された燃料処理アセンブリ１０の加熱された格納構造は、上記に述べたおよび／又は本願に援用するように、少なくとも燃料処理装置の水素生成領域１９を水素生成閾値温度範囲および／又は水素生成閾値温度範囲内に維持するように操作されうる。このような構造において、燃料電池システム４２はエネルギー消費装置に対するバックアップ電力または予備電力を提供するために構成される。主電源が運転不能となり、または利用出来ない、またはエネルギー消費装置による運用負荷を満たすことが出来ないといった時に、燃料電池システム４２は利用される。図８にて、システム４２の一部のみを示す。システム４２はいくつかの部材、従属部材および／又は説明、図示した異なるもの、および／又は本願に援用したものを備える構成は本発明の開示の範囲である。

エネルギー消費装置４６に対するバックアップ電力を提供するために構成される時、システム４２は適当なメカニズムにより主電源の運転可能状態を検出するように構成され、および／又はエネルギー消費装置による燃料電池システムへの運用負荷を検出するに応じ、水素ガスの生成を開始する（および、それによって出力電力の生成を開始する）ために利用されうる。システム４２がコントローラーを備えるまたはコントローラーと連結される時、コントローラーは、エネルギー消費装置からの負荷が熱的に準備された水素生成燃料電池システムへ適用されているかどうか、および／又は主電源がいくらかの（または十分な）電力をエネルギー消費装置に提供しているかどうかを検出するために利用される少なくとも一つのセンサーを備えうる。少なくともこの検出に応じ、燃料処理アセンブリの水素生成領域にストリーム（群）１６を運ぶ原料配送システムに対し、コントローラーは一つ以上の指令信号を送ることにより、水素ガスの生成を開始しうる。コントローラーは様々な診断メッセージ、またはエネルギー消費装置からの運用負荷を満たす出力電力を提供するためにシステム４２に必要とされる検出内容に応じたシステム保全チェックを実行するように構成されうる。先に述べたように、コントローラーはコンピューター化され、または様々な制御および／又は監視機能を実行するように構成され、および／又はハードウェアとソフトウェア部材を備えうるコンピューターによって実行されたコントローラーは、マイクロプロセッサー、および／又はデジタルまたはアナログ回路を備えうる。コントローラーは、存在するときは単に、システム４２における出力電力の生成の必要性に応じ、原料配送システム２２に指令信号を送るように構成されるセンサーまたは検出器も備えうる。

図８に示すように、主電源がエネルギー消費装置の運用負荷を満たすために利用出来る時、少なくとも加熱された格納構造の加熱アセンブリ、または加熱された格納構造に結合した加熱アセンブリ１１０は主電源によって電力が供給される構成は本発明の開示の範囲である。従って、主電源が運転可能である時、主電源はエネルギー消費装置の運用負荷を供給するために構成されうる。また、主電源は少なくとも燃料電池システム４２における熱的に準備された燃料処理システムの加熱アセンブリに電力を提供する。このような構成では、燃料電池システムは“準備された”操作状態に維持され、それによって少なくとも水素生成領域は、そこに対し適当なフィードストリーム（群）が運ばれると、水素ガスを生成するために適当な温度に維持される。しかし、主電源が運転可能である間、燃料電池システムの電力の要求は主電源によって満たされるので、この準備された運転可能状態の間、燃料電池システムは十分な、または少しも出力電力を生成する必要がない。同様に、この運転可能状態の間、燃料処理アセンブリは水素ガスを生成するために適当な温度または適当な温度範囲内に維持されはするが、少しも水素ガスを生成する必要はない。

主電源が不能、オフラインとなった、またはエネルギー消費装置からの運用負荷を満たすことが出来なくなった時、熱的に準備された燃料電池システムは運用負荷を満たす出力電力を生成することが出来る。さらに、燃料処理アセンブリは水素ガスを生成するために適当な温度（または温度範囲）に維持されるため、必要とされる出力電力を生成し始めるのに必要な時間は、燃料処理アセンブリがその代わりに非加熱、またはオフ操作状態に維持された場合よりもかなり短いものとなりうる。例えば、熱的に準備された燃料電池システムは数分未満の間、３分未満、２分未満、１分未満、または４５秒未満の間に運用負荷を満足することが出来うる。これにはシステムのコントローラーによって実行される任意の診断または他の自己チェックも含まれる。言い換えると、熱的なバイアス水素生成燃料電池システムは、システムにおいて水素ガスを生成してから出力電力を生成するまでの熱的なバイアスレスポンスタイムを持ちうる。このレスポンスタイムは２分未満、１分未満、４５秒未満といった数分未満のものである。もし水素生成燃料電池システムが熱的に準備された水素生成燃料電池システムでない場合ならば、スタートアップレスポンスタイムと比較し、このレスポンスタイムは極めて短いものとなりうる。

上述したように、本発明による熱的に準備された燃料電池システムは、本発明による加熱された格納構造のような熱的に準備された燃料処理アセンブリを備えない燃料電池システムよりも、小型化された水素貯蔵装置および／又はエネルギー貯蔵装置を備えうる。しかし、熱的に準備された燃料電池システムがエネルギー消費装置４６による運用負荷を満たすための十分な出力電力を生成し始めるのに要する時間よりも極めて短い時間の間、水素貯蔵装置および／又はエネルギー貯蔵装置は要求される水素ガスおよび／又は出力電力を提供するような大きさとされうる。例えば、これにより、エネルギー消費装置に対する、燃料電池システムの連続したバックアップ電力供給（ＵＰＳ：ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ ｂａｃｋｕｐ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ）が可能となる。

熱的に準備された燃料処理アセンブリと水素生成燃料電池システムは、同じ燃料処理、燃料電池と水素ガスを生成する他の工業に適用することが出来、燃料電池システムの場合、電流を生成するために燃料電池スタックによって消費される。

本願にて説明する上記に含まれる複合的な注目すべき発明は独立した実用性を備えると考えられる。一方、これら発明はそれぞれ好ましい形態において公開され、それに関し、本願にて公開し明らかにする具体的な実施例は、実現可能な数多くの多様な実施形態を限定したものとみなすわけではない。本発明の主題には、新規でかつ非自明な組み合わせ、及び、ここに開示した様々な要素、特徴、機能および／又は特性のサブコンビネーションだけを含む。同様に、特許請求の範囲では“一つの（ａ）”または“第一の（ａ ｆｉｒｓｔ）”の要素またはそれと同等なものを記載しているが、このような特許請求の範囲は一つ以上のかかる要素を組合せたものも含むし、２つ以上のかかる要素を要するものではなくかつこれに限定するものでないことを理解されたい。

特許請求の範囲は、開示した本発明のひとつを対象とし、かつ、新規でかつ非自明なコンビネーション及びサブコンビネーションに特に注目している。他の組み合わせと特徴、機能、要素および／又は特性のサブコンビネーションによって具体化される発明は、本願または関連する出願において、現在の特許請求の範囲の補正または新たな特許請求の範囲の提示により、特許請求の範囲されうる。このような補正されたまたは新たな特許請求の範囲は、異なるまたは同じ発明のどちらを対象としようとも、また、元の特許請求の範囲に対して異なる、または上位概念である、または下位概念である、または同等である、のいずれであろうとも、本願にて開示した発明の主題に含まれるとみなされる。

本発明による熱的に準備された水素生成燃料電池システムの概略図 本発明による熱的に準備された水素生成燃料処理アセンブリの概略図 本発明による他の熱的に準備された水素生成燃料処理アセンブリの概略断面図 本発明による他の熱的に準備された水素生成燃料処理アセンブリの概略断面図 本発明による他の一部の熱的に準備された水素生成燃料処理アセンブリの概略図 本発明による他の熱的に準備された水素生成燃料処理アセンブリの概略図 本発明による熱的に準備された水素生成燃料電池システムの概略図 本発明による、エネルギー消費装置と一般的にエネルギー消費装置に電力を供給する構成される主電源を含む、熱的に準備された水素生成燃料電池システムの概略図

符号の説明

１０ 燃料処理アセンブリ
１２ 燃料処理装置
１４ 生成物水素ストリーム
１６ フィードストリーム
１７ 水
１８ 炭素含有原料
１９ 水素生成領域
２０ アウトプットストリーム
２２ 原料配送システム
２３ 水蒸気改質触媒
２４ 精製領域
２６ 水素リッチストリーム
２８ 副産物ストリーム
３０ 水素選択膜
３２ 一酸化炭素化学的除去アセンブリ
３８ 圧力スイング吸着システム
４０ 燃料電池スタック
４２ 燃料電池システム
４４ 燃料電池
４６ エネルギー消費装置
４８ 普通端版
５０ 水素貯蔵装置
５２ エネルギー貯蔵装置
５４ 流量調整構造
５６ 電力管理モジュール
５８ コントローラー
６８ 空気配送アセンブリ
７０ 加熱格納アセンブリ
７２ 内部区画
８４ エンクロージャー
８６ 壁
８８ 内面
９０ 外面
９２ フィードストリームポート
９４ 生成物水素ポート
９６ 空気注入管ポート
９８ 排気ポート
１００ 流体管
１０２ 気化領域
１０４ ハウジング
１１０ 加熱アセンブリ
１１２ 電気ヒーター
１１４ 熱源
１１６ 加熱流体ストリーム
１１８ 空気ストリーム
１２０ 燃焼領域
１２２ 燃焼燃料ストリーム
１２４ 点火装置または他の適当な発火源
１３０ 電源
１４０ 加熱アセンブリ
１４２ 燃料ストリーム
１４４ 燃料ストリーム
２００ 主電源

Claims (32)

1. 改質触媒を含む水素生成領域を備えた燃料処理アセンブリであって、前記水素生成領域は少なくとも炭素含有原料と水を含むフィードストリームをうけとりかつ該フィードストリームから主成分として水素ガスを含む改質ストリームを生成するように構成されている、燃料処理アセンブリと；
   酸化剤と前記水素生成領域にて生成された水素ガスを含む燃料ストリームとを受け取るように構成され、さらに前記燃料ストリームと前記酸化剤から出力電力を生成するように構成された燃料電池スタックと；
   前記燃料処理アセンブリの少なくとも水素生成領域を含む内部区画を画定するエンクロージャーを含む格納構造と；
   燃料電池システムが出力電力を生成せずかつ前記燃料処理アセンブリが改質ストリームを生成しない間、前記格納構造の少なくとも内部区画を閾値温度でまたはそれ以上に加熱し、維持するように構成された加熱アセンブリと；
   を備えた、加熱準備型水素生成燃料電池システム。
2. 前記燃料電池スタックは、運用負荷を満たすように構成された主電源が運用負荷を満たす出力電力を提供しないときに、エネルギー消費装置からの運用負荷を満たすように出力電力を供給するように構成された、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記加熱アセンブリは、主電源がエネルギー消費装置からの運用負荷を満たすように設定されたときに、主電源によって電力を供給されるように構成された、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記主電源は配電網を備える、請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記加熱アセンブリは、燃料処理アセンブリが水素ガスを生成しているときに、内部区画の加熱を止めるように構成された、請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料処理アセンブリは第二の加熱アセンブリをさらに備え、第二の加熱アセンブリはエンクロージャーの内部に配置され、燃料ストリームを受け取り、燃焼させるように構成された、請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記第二の加熱アセンブリは、燃料処理アセンブリが水素ガスを生成しているときに、少なくとも燃料処理アセンブリの水素生成領域に熱を提供するように構成された、請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料ストリームはガス状の燃料ストリームである、請求項６に記載の燃料電池システム。
9. 前記ガス状の燃料ストリームは燃料処理アセンブリによって生成された水素ガスを含む、請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記水素生成領域が閾値温度であるときに、該水素生成領域にフィードストリームが運ばれたならば、該水素生成領域はフィードストリームから水素ガスを生成するように構成された、請求項１に記載の燃料電池システム。
11. 前記炭素含有原料はメタノールであり、前記閾値温度は少なくとも３５０℃である、請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記炭素含有原料は炭化水素であり、前記閾値温度は少なくとも７００℃である、請求項１０に記載の燃料電池システム。
13. エンクロージャーは少なくとも内部区画の一部を画定する内面と外面を有する絶縁された筐体であって、さらに前記閾値温度が少なくとも３５０℃であるときに、エンクロージャーは外面を１００℃よりも低い温度に維持するように構成された、請求項１に記載の燃料電池システム。
14. 前記閾値温度が少なくとも３５０℃であるときに、エンクロージャーは外面を５０℃よりも低い温度に維持するように構成された、請求項１３に記載の燃料電池システム。
15. 前記燃料処理アセンブリはさらに、改質ストリームの少なくとも一部を受け取ると共に、前記改質ストリームに存在する、少なくとも一つの高濃度の水素ガスと少なくとも一つの他の低濃度のガスとを有する生成物水素ストリームとを生成するように構成された少なくとも一つの精製領域を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
16. 前記燃料処理アセンブリは内部区画内に少なくとも一つの精製領域を備える、請求項１５に記載の燃料電池システム。
17. 前記燃料処理アセンブリはエンクロージャーの外部に少なくとも一つの精製領域を備える、請求項１５に記載の燃料電池システム。
18. 前記燃料電池システムはさらに、燃料電池システム及びエネルギー消費装置の少なくとも一方からの運用負荷を満たすように構成されたエネルギー貯蔵装置を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
19. 前記燃料電池システムは、燃料処理アセンブリが加熱アセンブリによって少なくとも閾値温度に加熱されたときに、燃料処理アセンブリを用いて水素ガスを生成し、かつ、燃料処理アセンブリによって生成された水素ガスから出力電力を生成するための熱準備型レスポンスタイムを有し、エネルギー貯蔵装置はある一定時間の間、運用負荷を満たすように構成された最大電荷を有し、さらにこの時間は前記熱的に準備されたレスポンスタイムよりも大きい、請求項１８に記載の燃料電池システム。
20. 前記燃料電池システムは、燃料処理アセンブリが加熱アセンブリによって閾値温度に加熱されていないときに、水素ガスから出力電力を生成し始めるためのスタートアップレスポンスタイムを有し、さらに前記時間はスタートアップレスポンスタイムよりも小さい、請求項１９に記載の燃料電池システム。
21. 改質触媒を含む水素生成領域を備えた燃料処理アセンブリであって、水素生成領域は少なくとも炭素含有原料と水を含むフィードストリームをうけとりかつフィードストリームから主成分として水素ガスを含む改質ストリームを生成するように構成されている燃料処理アセンブリと；
    前記改質ストリームの少なくとも一部を受け取り、改質ストリームよりも高い水素純度からなる生成物水素ストリームと副産物ストリームとに分離するように構成された精製領域と；
    酸化剤と水素生成領域にて生成された水素ガスを含む燃料ストリームを受け取り、さらに燃料ストリームと酸化剤から出力電力を生成するように構成された燃料電池スタックと；
    前記燃料処理アセンブリの少なくとも水素生成領域と精製領域を含む内部区画を画定する絶縁されたエンクロージャーを備える格納構造と；
    燃料電池システムが出力電力を生成せずかつ前記燃料処理アセンブリが改質ストリームを生成しない間、前記格納構造の少なくとも内部区画を少なくとも３５０℃の閾値温度でまたはそれ以上に加熱し、維持するように構成され、前記燃料電池システムが少なくとも出力電力を生成しない時は、燃料電池システムによって電力を供給されない加熱アセンブリと；
    を備える、熱的に準備された水素生成燃料電池システム。
22. 前記加熱アセンブリは、電気加熱アセンブリである、請求項２１に記載の燃料電池システム。
23. 前記燃料電池システムは、さらに少なくとも副産物ストリームを受け取り、燃焼させるように構成された第二の加熱アセンブリを備え、さらに第二の加熱アセンブリは区画内に含まれる、請求項２１に記載の燃料電池システム。
24. エネルギー消費装置からの運用負荷を満たすように構成される主電源を補うために、少なくとも水素生成燃料処理アセンブリと燃料電池スタックを備えた熱的に準備された水素生成燃料電池システムを利用する方法において、
    燃料処理アセンブリの少なくとも水素生成領域を少なくとも、水素生成領域が水と炭素含有原料を含むフィードストリームから主成分として水素ガスを含む混合ガスストリームを生成する少閾値温度にまで加熱する段階と；
    水素生成領域が水素ガスを生成しない間、水素生成領域を閾値温度又はそれ以上に維持する段階と；
    運用負荷を満たすために燃料電池システムからの出力電力に対する要求が発生する移行期間において、少なくとも水と炭素含有原料を水素生成領域に運搬する段階と；
    水素生成領域にて水素ガスを生成する段階とし；
    前記燃料電池スタックによって酸化剤と水素生成領域にて生成される水素ガスから出力電力を生成する段階と；を備えた方法。
25. 前記加熱段階と前記維持段階とを、前記燃料処理アセンブリの少なくとも水素生成領域を加熱するように構成された加熱アセンブリによって実施する、請求項２４に記載の方法。
26. 前記加熱アセンブリは、主電源によって電力を供給されるように構成された電気加熱アセンブリである、請求項２５に記載の方法。
27. さらに、前記出力電力生成段階の前において加熱アセンブリによる温度の維持を停止する方法を含めた、請求項２５に記載の方法。
28. 前記加熱段階と前記維持段階の少なくとも一方の段階には、水素生成領域を加熱するための熱を生成するために、主電源によって加熱アセンブリに電力が供給されることを含む、請求項２１に記載の方法。
29. 燃料処理アセンブリの少なくとも水素生成領域は、エンクロージャーの内部区画に含まれ、さらに加熱と温度の維持段階には内部区画を少なくとも閾値温度に加熱するための加熱アセンブリを利用することを含む、請求項２１に記載の方法。
30. 閾値温度は、水と少なくとも一つの炭素含有原料から、主成分として水素ガスを含むストリームを生成するように構成された水素生成領域の温度に対応する、請求項２９に記載の方法。
31. さらに主電源がエネルギー消費装置からの運用負荷を満たすことが出来ない時を検出し、少なくとも部分的にこの検出に対応して前記運搬段階を開始することを含む、請求項２１に記載の方法。
32. 前記検出段階が生じた際に、前記運搬段階と前記水素ガス生成段階が完了し、１分以内に前記水素ガス生成段階を開始するように構成された、請求項３１に記載の方法。

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