(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１構成要素及び第２構成要素を含む燃料電池システムを始動するように形成された多段燃焼器において、
燃料／酸化体混合物の流れを受け入れるための入口を持つ、前記燃料／酸化体混合物中の燃料を部分酸化して部分酸化ガスを発生するように形成された部分酸化（ＰＯＸ）バーナーと、
前記燃料電池システムに連結された、前記第１構成要素では無い前記ＰＯＸバーナーからの第１量の前記部分酸化ガスを、第１出力ガスとして、前記多段燃焼器から前記第１構成要素に提供するように形成された第１出力と、
前記ＰＯＸバーナーに直接に連結された、第２量の前記部分酸化ガスを前記ＰＯＸバーナーから受け取って前記第２量の前記部分酸化ガス中の残留燃料の少なくとも幾分かを酸化し、前記多段燃焼器から前記第１出力ガスと異なる第２出力ガスを発生する第２バーナーと、
前記燃料電池システムの前記第２構成要素に連結された、前記第２出力ガスを前記燃料電池システムの前記第２構成要素に提供するように形成された第２出力とを含み、
運転中において、前記第１量の前記部分酸化ガスは前記ＰＯＸバーナーから前記第１構成要素に供給され、前記第２量の前記部分酸化ガスは前記ＰＯＸバーナーから前記第２バーナーに供給され、
前記第２量の部分酸化ガスは、前記第１量の部分酸化ガスの一部を含まず、
前記第１構成要素と前記第２構成要素とに前記酸化された流体を同時に供給する、
多段燃焼器。
【請求項２】
請求項１に記載の多段燃焼器において、
前記ＰＯＸバーナーは予備混合バーナーであり、前記ＰＯＸバーナーでの前記燃料の前記部分酸化中に放出された熱を使用して前記燃料／酸化体混合物を予熱するように形成された予熱ヒーターを更に含む、多段燃焼器。
【請求項３】
請求項１に記載の多段燃焼器において、
前記ＰＯＸバーナーは、前記燃料／酸化体混合物の火炎燃焼を行うように形成されており、前記第２バーナーは、触媒燃焼プロセスを使用して前記残留燃料の前記少なくとも幾分かを酸化するように形成された触媒バーナーである、多段燃焼器。
【請求項４】
請求項１に記載の多段燃焼器において、更に、
前記第２バーナーに連結された第２入口を含み、この第２入口は、前記第２バーナーへ二次酸化体の流れを供給するように形成されている、多段燃焼器。
【請求項５】
請求項４に記載の多段燃焼器において、
前記第２バーナーは、前記第２量の前記部分酸化ガスを、前記二次酸化体の流れを使用して完全に酸化し、前記第２出力ガスを発生するように形成されている、多段燃焼器。
【請求項６】
請求項５に記載の多段燃焼器において、
前記燃料電池システムの前記第２構成要素は、前記燃料電池システムで使用するため、前記第２出力ガスから熱を取り出すように形成された復熱装置である、多段燃焼器。
【請求項７】
請求項１に記載の多段燃焼器において、
前記第１構成要素はアノードであり、
前記燃料電池システムは、更に、気化器／混合器及び改質器のうちの少なくとも一方を含み、
前記第１出力は、前記気化器／混合器及び前記改質器のうちの少なくとも一方を介して前記第１出力ガスを前記アノードに提供する、多段燃焼器。
【請求項８】
請求項１に記載の多段燃焼器において、
前記燃料は、液体及びガスのうちの少なくとも一方である、多段燃焼器。
【請求項９】
燃料電池システムにおいて、
請求項１に記載の多段燃焼器と、
アノードと、
通常のカソード酸化体源に流動学的に連結された、前記通常のカソード酸化体から受け取った酸素イオンに対して透過性のカソードと、
前記アノード及び前記カソードと連通した、前記酸素イオンを前記カソードから前記アノードに供給するように形成された電解質と、
改質器が、前記アノードに流動学的に連結されており、前記アノードで使用するため、通常の作動燃料及び通常の改質器酸化体を受け取って、前記通常の作動燃料及び前記通常の改質器酸化体から合成ガスを発生するように形成され、
前記第２構成要素は、前記燃料電池システムで使用するため、廃熱を再捕捉するように形成された復熱装置である、燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料／酸化体混合物は、始動燃料／酸化体混合物であり、前記燃料は始動燃料を含み、前記通常の作動燃料及び前記始動燃料は同じ燃料である、燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項９に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料／酸化体混合物は、始動燃料／酸化体混合物であり、前記燃料は始動燃料を含み、前記始動燃料／酸化体混合物は、前記始動燃料に始動酸化体を加えたものであり、前記始動酸化体及び前記カソード酸化体はそれぞれ空気中の酸素を使用する、燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記通常の改質器酸化体は空気中の酸素を含む、燃料電池システム。
【請求項１３】
燃料電池システムを始動するための燃焼器において、
ハウジングと、このハウジング内に形成された反応ゾーンと、点火装置と、前記反応ゾーン内への燃料／酸化体混合物の流れを受け入れるように形成された入口とを含み、前記反応ゾーンの前記燃料／酸化体混合物中の燃料に点火して部分酸化し、部分酸化ガスを発生するように形成された予備混合部分酸化（ＰＯＸ）バーナーと、
第１量の前記部分酸化ガスを、前記燃焼器の第１出力ガスとして、前記予備混合ＰＯＸバーナーから前記燃料電池システムの改質器に排出するように形成された第１出力と、
第２量の前記部分酸化ガスを前記予備混合ＰＯＸバーナーから排出するように形成された第２出力と、
前記第２出力に直接に連結された、前記第２量の前記部分酸化ガスを前記予備混合ＰＯＸバーナーから受け取って前記第２量の前記部分酸化ガス中の残留燃料の少なくとも幾分かを酸化し、前記第１出力ガスと異なる前記燃焼器の第２出力ガスを発生するように形成されている、第２バーナーと、
前記第２出力ガスを前記燃料電池システムに排出するように形成された第３出力とを含む、燃焼器。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃焼器において、更に、
前記燃料の部分酸化中に前記反応ゾーンで発生した熱を使用して前記燃料／酸化体混合物を予熱する予熱ヒーターを含む、燃焼器。
【請求項１５】
請求項１４に記載の燃焼器において、
前記予熱ヒーターは、前記ハウジングに沿って所定の長さが配置された導管であり、前記長さは、前記入口の周囲での炭素付着物の形成を制限するように形成されている、燃焼器。
【請求項１６】
請求項１４に記載の燃焼器において、更に、
前記ハウジング内に配置された、前記反応ゾーンを形成するライナを更に含む、燃焼器。
【請求項１７】
請求項１６に記載の燃焼器において、更に、
前記ライナと前記ハウジングとの間に配置された断熱体を含む、燃焼器。
【請求項１８】
請求項１に記載の燃焼器において、
前記第２量の前記部分酸化ガスは、前記部分酸化（ＰＯＸ）バーナーの出口と前記第２バーナーの入口との間で該ガスの化学組成を変化させるいかなる他の装置をも通過しない、燃焼器。
【請求項１９】
請求項１に記載の燃焼器において、
前記第２バーナーの入口に入る前記部分酸化ガスは、前記部分酸化（ＰＯＸ）バーナーに送られる燃料／酸化体混合物からの未燃焼の残留燃料の幾分かを含む、燃焼器。
【請求項２０】
請求項１に記載の燃焼器において、
前記第１構成要素は改質器である、燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００７年２月２２日に出願された「部分酸化予備混合バーナー」という表題の米国仮特許出願第６０／８８１，７８９号に基づく非仮特許出願である。出典を明示することにより、この出願に開示された全ての内容は本明細書の開示の一部とされる。
【０００２】
本明細書中に説明した発明は、米国政府契約第ＤＥ−ＦＣ３６−０４ＧＯ１４３１８からの支援によりなされたものである。米国政府は、本特許に特定の権利を有する。
【０００３】
本発明は燃料電池システムに関し、更に詳細には、燃料電池システムを始動するための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
燃料電池を用いた電力プラント及び可搬式燃料電池を用いた発電機器等の燃料電池システムは、電気化学的反応により電力を発生するシステムであり、排気副生物が、代表的には、従来の電力プラントよりも清浄であるため、及び燃料電池が従来の電力プラントよりも効率よく発電するため、益々使用されてきている。燃料電池システムは、多くの場合、個々の燃料電池からなるスタックを使用する。各燃料電池は、代表的には、アノードと、カソードと、アノードとカソードとの間に位置決めされた電解質とを含む。アノードとカソードとの間に電気的負荷が接続される。アノード及びカソードは導電性であり、酸素等の必須のガスに対して透過性である。固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）では、電解質は酸素イオンを通すように形成されており、自由電子をカソードからアノードに通さないように導電性がほとんど又は全くない。電気化学的反応を効率的に発生するため、幾つかの燃料電池は高温で作動され、例えば、ＳＯＦＣについては、アノード、カソード、及び電解質の温度が７００℃乃至１０００℃近辺又はそれ以上で作動される。
【０００５】
通常作動中、アノードに合成ガスを供給し、カソードに空気等の酸化体を供給する。幾つかの燃料電池システムは、触媒の作用により、燃料を、酸化体を使用することによって合成ガスに改質する内部改質器を備えている。燃料は、ガソリン、ディーゼル燃料、天然ガス、等の従来の燃料であってもよい。合成ガスは、代表的には、水素（Ｈ２）を含む。これは、多くの種類の燃料電池で多く使用されるガスである。合成ガスは、燃料として適当な一酸化炭素等の他のガスを含んでいてもよい。これは、例えばＳＯＦＣ燃料電池等の幾つかの種類の燃料電池で反応体として役立つが、一酸化炭素は、ＰＥＭ（プロトン交換膜）燃料電池等の他の種類の燃料電池にとっては有害である。更に、合成ガスは、代表的には、水蒸気や、例えば窒素又は二酸化炭素（ＣＯ２）等の他のガス、並びに微量の炭化水素スリップ、例えばメタン等の他の改質器副生物を含む。
【０００６】
いずれにせよ、合成ガスをアノードでの電気化学的反応で、電解質を通した拡散によりカソードから受け取った酸素イオンによって、酸化する。この反応は、水蒸気及び自由電子の形態の電気をアノードで発生し、電気的負荷に電力を提供する。酸素イオンは、電気的負荷からカソードに戻る電子を使用したカソード酸化体の酸素還元により発生する。
【０００７】
ひとたび燃料電池が始動すると、内部プロセスが作動に必要な温度を維持する。しかしながら、燃料電池を始動するためには、燃料電池の主要構成要素を加熱しなければならず、燃料電池システムの幾つかの構成要素を始動中に損傷から保護しなければならない。例えば、アノードには、合成ガスがない状態で通常作動温度よりも低い温度の酸素の存在による酸化による損傷が加わる場合がある。更に、改質器は、合成ガスを発生するその触媒反応を開始するため、熱の他に特定の科学反応を必要とする。更に、燃料電池システムの
始動は安全に、例えば始動プロセス中に爆発性混合物が形成されないように行われなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国仮特許出願第６０／８８１，７８９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
当該技術において、燃料電池システムを始動するための装置及び方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、燃料電池システムを始動するための装置及び方法を提供する。
【００１１】
例えば第１出力や第２出力等のエレメントの名称の前に置いた「第１」や「第２」といった表記は、同様の又は関連したエレメント、結果、又は概念の間を区別する目的で使用され、必ずしも順序を示そうとするものではなく、「第１」や「第２」といったこれらの表記は、特段の表記がない限り、追加の同様の又は関連したエレメント、結果、又は概念を含もうとするのを妨げるものではない。
【００１２】
本発明は、その一つの形態において、第１構成要素及び第２構成要素を含む燃料電池システムを始動するように形成された多段燃焼器に関する。本多段燃焼器は、燃料／酸化体混合物の流れを受け入れるための入口を持つ、燃料／酸化体混合物中の燃料を部分酸化して部分酸化ガスを発生するように形成された部分酸化（ＰＯＸ）バーナーと、燃料電池システムに連結された、第１量の部分酸化ガスを、第１出力ガスとして、多段燃焼器から第１構成要素に提供するように形成された第１出力と、ＰＯＸバーナーに連結された、第２量の部分酸化ガスをＰＯＸバーナーから受け取って第２量の部分酸化ガス中の残留燃料の少なくとも幾分かを酸化し、多段燃焼器から第１出力ガスと異なる第２出力ガスを発生する第２バーナーと、燃料電池システムの第２構成要素に連結された、第２出力ガスを燃料電池システムの第２構成要素に提供するように形成された第２出力とを含む。
【００１３】
本発明は、その別の形態において、燃料電池システムに関する。この燃料電池システムは、アノードと、通常のカソード酸化体源に流動学的に連結された、通常のカソード酸化体から受け取った酸素イオンに対して透過性のカソードと、アノード及びカソードと連通した、酸素イオンをカソードからアノードに供給するように形成された電解質と、アノードに流動学的に連結されており、アノードで使用するため、通常の作動燃料及び通常の改質器酸化体を受け取って、通常の作動燃料及び通常の改質器酸化体から合成ガスを発生するように形成された改質器と、燃料電池システムで使用するため、廃熱を再捕捉するように形成された復熱装置と、燃料電池システムを始動するように形成された多段燃焼器とを含む。多段燃焼器は、始動燃料／酸化体混合物の流れを受け入れるための第１入口を持つ、始動燃料／酸化体混合物中の始動燃料を部分酸化して部分酸化ガスを発生するように形成された部分酸化（ＰＯＸ）バーナーと、燃料電池システムに連結された、第１量の部分酸化ガスを、改質器での反応を開始するように形成された第１出力ガスとして、多段燃焼器から改質器に提供するように形成された第１出力と、ＰＯＸバーナーに連結された、第２量の部分酸化ガスをＰＯＸバーナーから受け取って第２量の部分酸化ガス中の残留始動燃料の少なくとも幾分かを酸化し、多段燃焼器から第１出力ガスと異なる第２出力ガスを発生する第２バーナーと、復熱装置に連結された、第２出力ガスを復熱装置に提供するように形成された第２出力とを含む。
【００１４】
本発明は、その別の形態では、燃料電池システムを始動するための燃焼器に関する。燃焼器は、ハウジングと、このハウジング内に形成された反応ゾーンと、点火装置と、反応ゾーン内への燃料／酸化体混合物の流れを受け入れるように形成された入口とを含み、燃料／酸化体混合物中の燃料に点火して部分酸化し、部分酸化ガスを発生する、予備混合部分酸化（ＰＯＸ）バーナーと、第１量の部分酸化ガスを燃焼器の第１出力ガスとして予備混合ＰＯＸバーナーから燃料電池システムに排出するように形成された第１出力と、第２量の部分酸化ガスを予備混合ＰＯＸバーナーから排出するように形成された第２出力とを含む。
【００１５】
本発明は、その更に別の形態では、燃料電池システムの始動方法に関する。この方法は、始動燃料／酸化体混合物中の始動燃料を第１燃焼プロセスで部分酸化し、部分酸化ガスを発生する工程と、第１量の部分酸化ガスを第１始動ガス生成物として取り出す工程と、第１始動ガス生成物を使用して少なくとも一つの燃料電池システム始動タスクを実行する工程と、第２量の部分酸化ガス中の残留始動燃料の少なくとも幾分かを酸化し、第２始動ガス生成物を発生する工程と、第２始動ガス生成物を使用して燃料電池システムの少なくとも一部を加熱する工程とを含む。
【００１６】
本発明の上述の及び他の特徴及び利点、及びこうした特徴及び利点を得るための方法は、本発明の実施例の以下の説明を添付図面と関連して読むことにより、更に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、燃料電池システム及び本発明の一実施例に従って燃料電池システムを始動するように形成された多段燃焼器の概略図である。
【図２】図２は、本発明の一実施例による多段燃焼器の部分断面斜視図である。
【図３】図３は、本発明の一実施例による燃料電池システム始動方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
幾つかの図に亘り、対応する部分に対応する参照番号が付してある。本明細書中に記載の例示は、本発明の好ましい実施例の一つの形態を例示するものであり、こうした例示は、本発明の範囲を任意の態様に限定するものと解釈されるべきではない。          
【００１９】
次に、添付図面のうち、特に図１を参照すると、この図には、燃料電池システム１０及び燃料電池システム１０を本発明の一実施例に従って始動するように形成された多段燃焼器１２が概略に示してある。燃料電池システム１０は、固定された又は移動可能な電力の最終使用者等の電気的負荷ＥＬに対して電力を発生するように形成されている。本実施例では、燃料電池システム１０は固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を使用するが、本発明の範囲から逸脱することなく、この他の種類の燃料電池を使用してもよいということは理解されよう。この他の種類の燃料電池には、例えば、アルカリ燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、及びプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池が含まれる。
【００２０】
燃料電池システム１０は、アノード１４と、カソード１６と、電解質１８と、改質器２０と、気化器／混合器２２と、復熱装置２４とを含む。この実施例では、アノード１４及びカソード１６は電気的負荷ＥＬに電気的に接続されており、電解質１８はアノード１４及びカソード１６の両方と連通している。以下に説明するように、改質器２０がアノード１４に連結されており、気化器／混合器２２が改質器２０に連結されており、復熱装置２４がカソード１６に連結されている。
【００２１】
例示を目的として、燃料電池システム１０をアノード１４、カソード１６、及び電解質１８に関して説明する。それにも関わらず、実際には、燃料電池システム１０は、相互連結された個々の燃料電池ユニットからなる一つ又はそれ以上のスタックを使用してもよいということは理解されよう。これらのユニットの各々は、アノード、カソード、及び電解質を含む。
【００２２】
アノード１４は、電気を発生する電気化学的反応を支持する。この電気化学的反応では、電解質１８を通した拡散によりカソード１６から受け取った酸素イオンによって、合成ガスをアノードで酸化する。この反応は、水蒸気及び自由電子の形態の電気をアノード１４で発生し、これを使用して電気的負荷ＥＬに電力を提供する。酸素イオンは、電気的負荷ＥＬからカソードに戻る電子を使用したカソード１６酸化体の酸素還元により発生される。
【００２３】
カソード１６は、大気中の酸素等の通常のカソード酸化体２６の供給源に流動学的に連結されている。本明細書中で使用するように、「流動学的に連結された」というのは、参照番号を付した構成要素間の連結を示す。この連結は、流体、例えば液体及び／又はガス等を一方の構成要素から他方の構成要素まで図示のプロセスフロー方向に、例えば図１に矢印で示す方向に通す連結である。通常のカソード酸化体２６は、負荷ＥＬを作動するために電力を発生する上で燃料電池システム１０が使用する通常のプロセスの部分としてカソード１６に供給される酸化体と定義される。カソード１６は、カソード酸化体２６から受け取った酸素イオンに対して透過性である。
【００２４】
電解質１８は、アノード１４及びカソード１６と連通している。電解質１８は酸素イオンをカソード１６からアノード１４まで通すように形成されており、自由電子がカソード１６からアノード１４まで通過することがないように、導電性がほとんど又は全くない。
【００２５】
改質器２０はアノード１４に流動学的に連結されており、通常の作動燃料２８及び通常の改質器酸化体３０を受け入れるように形成されており、例えば、電気を発生する電気化学的反応をアノード１４のところで実行するため、作動燃料２８及び改質器酸化体３０から合成ガスを発生してアノード１４に提供する。通常の作動燃料２８及び通常の酸化体３０は、夫々、負荷ＥＬを作動するために電力を発生する上で燃料電池システム１０が使用する通常のプロセスの部分として合成ガス３２を発生するため、改質器２０に供給される燃料及び酸化体と定義される。本実施例では、通常の酸化体３０は大気中の酸素であってもよい。
【００２６】
シンガス(syngas)としても周知の合成ガスは、水素（Ｈ２）を発生するため、ディーゼル燃料等の炭化水素燃料又は他の液状又はガス状の炭化水素燃料から合成したガスであってもよい。合成ガスには、一酸化炭素（ＣＯ）、水蒸気等の副生物、窒素ガスや二酸化炭素（ＣＯ２）ガス、及びメタン等の微量の炭化水素スリップが含まれていてもよい。合成ガスは、ＳＯＦＣ燃料電池及び他の燃料電池等の燃料電池で電気を発生する電気化学的反応で使用される。
【００２７】
好ましい実施例では、改質器２０は、燃料２８及び酸化体３０から合成ガス３２を発生するのに発熱触媒反応を使用する触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）改質器であってもよい。改質器２０は、燃料２８を化学量論的燃焼Ｏ２（酸化体３０によって提供された）の約３５％と組み合わせ、改質器２０の部分として使用できる触媒（図示せず）に適した作動温度を発生する。
【００２８】
気化器／混合器２２は改質器２０に流動学的に連結されており、燃料２８と酸化体３０とを混合し、混合物中で燃料２８を気化し、混合燃料蒸気／酸化体３４として改質器２０
に送出するように形成されている。かくして、本発明では、改質器２０は、作動燃料２８及び改質器酸化体３０を混合燃料蒸気／酸化体３４の形態で受け取る。燃料２８は、ポンプ３６によって加圧され、気化器／混合器２２及び燃焼器１２の両方への燃料２８の流れを発生する。バルブ３８をポンプ３６の速度と関連して使用し、気化器／混合器２２に供給される燃料２８の圧力を調節してもよい。
【００２９】
復熱装置２４がカソード１６に流動学的に連結されていてもよい。復熱装置２４は、燃料電池システム１０の排気４０からの廃熱を再捕捉するように形成されていてもよい。排気４０には、圧力１４、カソード１６、及び／又は参照番号が付してない又は示してない燃料電池システム１０の他の構成要素から排出されたガス、蒸気、及び／又は液体が含まれる。復熱装置２４は、燃料電池システム１０の他の構成要素（図示せず）から無駄に排出されてしまう熱を再捕捉するため、更に、他の燃料電池システム１０の構成要素（図示せず）への連結部を使用してもよく、本明細書中に説明する例示の実施例では、燃焼器１２から熱を再捕捉してもよい。本実施例では、復熱装置２４は、復熱装置２４から組み合わせ排気流４１として排出される排気４０及び第２出力ガス８０から再捕捉された熱をカソード酸化体２６に間接的に提供する熱交換器の形態であってもよい。しかしながら、他の実施例では、復熱装置２４は、熱交換器と同様に熱を間接的に再捕捉するように形成された他のデバイスの形態をとってもよいし、ジェットポンプと同様に熱を直接的に再捕捉するように形成された他のデバイスの形態をとってもよい。
【００３０】
燃焼器１２は、予熱ヒーター４２、部分酸化（ＰＯＸ）バーナー４４、第２バーナー４６、燃料電池システム１０への第１出力４８、及び燃料電池システム１０への第２出力５０を含んでいてもよい。燃焼器１２を多段燃焼器と呼んでもよい。これは一つ以上の燃焼段を備えているためである。即ち、以下に説明するように直列に配置されたＰＯＸバーナー４４及びバーナー４６を備えているためである。本発明の範囲から逸脱することなく、燃焼器１２に追加の燃焼段を追加してもよいということは理解されよう。例えば、追加の燃焼段を、ＰＯＸバーナー４４の上流、ＰＯＸバーナー４４とバーナー４６との間、及び／又はバーナー４６の下流に配置してもよい。
【００３１】
ＰＯＸバーナー４４は、始動燃料／酸化体混合物５４の流れを受け取るための入口５２を備えていてもよい。始動燃料／酸化体混合物５４は、始動燃料２８及び始動酸化体を含む。ＰＯＸバーナー４４は、始動燃料／酸化体混合物５４中の始動燃料２８を部分酸化し、部分酸化ガス５６を発生するように形成されていてもよい。
【００３２】
「始動燃料」という用語は、燃料電池システム１０を始動するために燃焼器１２が使用する燃料に関する。本実施例では、始動燃料は、有利には、燃料電池システム１０の通常の作動中、即ち、負荷ＥＬに電力を供給するためのその通常の電力発生作動中に燃料電池システム１０が使用するのと同じ燃料であってもよい。従って、本実施例では、ＰＯＸバーナー４４に供給される燃料は、燃料電池システムの通常の作動中に改質器２０が使用する通常の燃料２８と同じであってもよく、かくして本実施例では燃料２８と呼ぶ。しかしながら、本発明の範囲から逸脱することなく、始動燃料として他の燃料を使用してもよいということは理解されよう。
【００３３】
始動燃料／酸化体混合物５４で使用される酸化体が始動酸化体５８である。これには、カソード１６で使用される酸化体と同じ、大気中の酸素が含まれる。しかしながら、本発明の範囲から逸脱することなく、この他の酸化体を始動酸化体５８として使用してもよいということは理解されよう。例えば、始動酸化体５８には、本発明の範囲から逸脱することなく、空気に加えて又は空気の代りにリサイクルガスが含まれる。始動酸化体５８は、更に、通常の改質器酸化体３０と同じであってもよく、即ち負荷ＥＬを作動するために電力を発生する燃料電池システム１０の通常の作動中に改質器２０が使用する酸化体と同じ
であってもよい。更に、酸化体５８は、別の態様では、通常の大気を使用した場合よりも可燃性が低い部分酸化ガス５６を製造できるように、酸素を消耗した空気、即ち酸素を部分的に消耗した空気であってもよい。
【００３４】
本実施例では、始動酸化体５８は、ブロワー６０を介して燃焼器１２に供給される。酸化体の流れは、ブロワー６０の速度を使用して調節され、始動燃料／酸化体混合物５４の酸化体／燃料比もまた、バルブ６４によって制御される。このバルブは、燃焼器１２に送出される始動酸化体５８の量を調節できる。バルブ６２は、燃焼器１２に送出される燃料２８の流れを制御する。
【００３５】
燃焼器１２に流入する燃料／酸化体混合物５４の流れ中の酸化体／燃料比は、部分酸化ガス５６の温度に基づいて制御される。例えば、作動温度が所望の設定点よりも高い場合には、ブロワー６０の速度を低下し、温度を所望の設定点に又はこれよりも低い温度に下げる。
【００３６】
本実施例では始動燃料／酸化体混合物５４は、化学量論の約５５％乃至７５％であるが、部分酸化ガス５６を使用する特定の始動タスクに応じて、及び燃料電池システム１０の構成要素及び燃焼器１２の構成要素の作動温度限界に応じて、この他の化学量論の混合物を使用してもよい。
【００３７】
予熱ヒーター４２は、ＰＯＸバーナー４４での燃料２８の部分酸化中に放出された熱を使用して燃料／酸化体混合物５４を予熱し、燃料／酸化体混合物５４中の燃料２８を気化するように形成されている。本実施例では、ＰＯＸバーナー４４は予備混合バーナーであってもよく、燃料／酸化体混合物５４を火炎燃焼する(flame burning) ように形成されていてもよい。
【００３８】
燃焼器１２の第１出力４８は燃料電池システム１０に連結されていてもよく、第１量６６の部分酸化ガス５６を燃焼器１２から改質器２０まで第１出力ガス６８として提供するように形成されていてもよい。第１出力ガス６８である第１量６６の部分酸化ガス５６は、改質器２０で反応を開始するように、即ち燃料電池システム１０の通常の作動中に改質器２０で行われる通常の触媒反応を開始し、並びに始動中にアノード１４を酸化しないように保護するtamenoブランケットガスとして還元ガスを提供するように、化学的性質及び量の両方が定められている。出力ガス６８は、更に、安全ガスとして形成されていてもよい。安全ガスは、不燃性又は難燃性のガスであり、燃料電池システム１０の始動中に燃料電池システム１０で又はその近くで出火や爆発が起る可能性を最小にする。一実施例では、改質器２０を使用して制御下で追加に酸化することにより、可燃性が比較的高い出力ガス６８を比較的安全な難燃性のガスに変換してもよい。
【００３９】
出力４８は、出力ガス６８を気化器／混合器２２及び改質器２０を介してアノード１４に提供する。気化器／混合器２２、改質器２０、及びアノード１４に提供される出力ガス６８の量を調節するため、燃料電池システム１０は、燃料電池システム１０に流入する第１量を決定するのに使用できるバルブ７０を備えていてもよい。更に、燃料電池システム１０は、空気等のクーラント７４を熱交換器７６に吹き付けて、出力ガス６８を、燃料電池システム１０のバルブ７０及び他の構成要素が損傷しないようにするのに十分に冷却する。別の態様では、気化器／混合器２２、改質器２０、及びアノード１４に逸らされる出力ガス６８の量を、燃料電池システム１０の部分である他のバルブ及び／又はブロワー（図示せず）を作動することにより制御してもよい。
【００４０】
バーナー４６は、ＰＯＸバーナー４４に連結されていてもよく、ＰＯＸバーナー４４から第２量７８の部分酸化ガス５６を受け取り、第２量７８の部分酸化ガス５６中の残留始
動燃料の少なくとも幾分か、即ちＰＯＸバーナー４４で酸化されなかった残留始動燃料の量を酸化し、多段燃焼器１２から第２出力ガス８０を発生するように形成されている。第２出力ガス８０は、バーナー４６で更に酸化されているため、第１出力ガス６８と異なる。本実施例ではバーナー４６は、触媒燃焼プロセスを使用して酸化を行う触媒バーナーであってもよいが、本発明の範囲から逸脱することなく、火炎バーナー等の非触媒バーナーを使用してもよいということは理解されよう。例えば、ＰＯＸバーナー４４のスケールドバージョン(scaled version)を、他の実施例でバーナー４６として使用してもよい。
【００４１】
第２出力５０を燃料電池システム１０の復熱装置２４に連結してもよい。第２出力５０は、始動作動に第２出力ガス８０を使用する燃料電池システム１０の構成要素に第２出力ガス８０を提供するように形成されていてもよい。本実施例では、出力ガス８０を復熱装置２４に供給する。復熱装置２４は、出力ガス８０から熱を取り出すように形成されていてもよい。これは、例えば燃料電池システム１０の始動中にカソード１６を予熱するため、これに続いて燃料電池システム１０で使用するためである。別の態様では、出力ガス８０を、復熱装置２４に加えて又は復熱装置２４の代りに燃料電池システム１０の他の構成要素に供給することも考えられる。第２バーナー４６は、出力ガス８０を発生するため、第２量７８の部分酸化ガス５６を完全に酸化させるように形成されていてもよい。バーナー４６は、汚染物エミッションを最少にするため、及び最大量の熱を提供するため、残る燃料を完全に酸化するが、他の実施例では、本発明の範囲から逸脱することなく、復熱装置２４及び／又は部分酸化ガスが望ましい燃料電池システム１０の他の構成要素に提供されるように、バーナー４６の出力は完全に酸化されていなくてもよいということは理解されよう。
【００４２】
第２量７８の部分酸化ガス５６中の残留燃料２８を完全に酸化するため、燃焼器１２は、バーナー４６に連結された第２入口８２を備えていてもよい。この入口は、残留燃料２８を完全に酸化するのに十分な二次酸化体５８の流れをバーナー４６に供給するように形成されている。バーナー４６への二次酸化体５８の流れは、バルブ８４及びブロワー６０の回転速度によって調節される。本実施例では、バーナー４６への二次酸化体５８の流れは、８００℃乃至９００℃の完全触媒燃焼温度を達成するように制御されるが、これ以外の完全燃焼温度を使用してもよいということは理解されよう。
【００４３】
第２出力ガス８０の流れは、燃料電池システム１０の昇温速度を制御する。第２出力ガス８０の流れは、燃料２８の送出速度によって制御される。第２出力５０での第２出力ガス８０のプロセス温度は、バーナー４６での燃料に対する酸化体の比をＰＯＸバーナー４４と同様の方法で制御する。
【００４４】
試験について使用される本発明の実施例の実験態様では、予備混合バーナーが、内部に断熱体を備えた円筒形容器に設けられている。コイルチューブが容器に巻き付けてあり、容器及び断熱体に貫入している。高温表面点火装置が容器の内側の一端に取り付けられており、容器の反対側の端部に向かって所定距離延びている。高温表面点火装置とは反対側の容器の端部には出口ポートが設けられている。
【００４５】
コイルチューブは、始動混合気を容器内に送出する。コイルチューブは、好ましくは、容器内の混合気に渦を発生する所定の角度で容器内に延びている。コイルチューブの長さは、混合気が円筒形容器に進入する点で、混合気を２５０℃乃至３５０℃の温度まで予熱するように設計されている。混合気の噴射点は、好ましくは、高温表面点火装置が取り付けられた容器の端部に向かう。
【００４６】
高温表面点火装置は、好ましくは、容器の中央に取り付けられており、容器と同軸である。高温表面点火装置は、容器の反対側の端部に向かって、容器の大きさで決まる所定距
離延びている。高温表面点火装置は、予備混合ＰＯＸバーナーの寒冷時の始動中に点火エネルギを提供する。ひとたび混合気に点火された後、高温表面点火装置を消勢し、高い反応温度から放出された熱により、ほぼ均衡した部分燃焼生成物が発生し、これが容器の出口ポートを通って反応ゾーンを出る。本発明の実施例によれば、出力ガスは、予備混合ＰＯＸバーナーの出口ポートで、アノードブランケットガス、安全ガス、燃料電池システムの内部改質器を始動するための始動ガスとして機能する様々な強さの還元ガスとして引き出され、更に、引き出されて、始動燃焼器１２と関連した、又は燃料電池システム１０自体と関連した触媒バーナー等の第２バーナーで酸化される。
【００４７】
次に図２を参照し、上文中に言及した実験試験態様とほぼ対応する本発明の一実施例を説明する。本発明は、以下に説明する特定の構造又はこれらの構造間の関連に限定されないということは当業者には理解されよう。というよりはむしろ、以下に説明する物理的明示は、本発明の一つの実施方法と関連しているに過ぎず、本発明の範囲から逸脱することなく、この他の構造及びこれらの構造間の関連を使用してもよいということは当業者には理解されよう。例えば、燃料電池システム１０等の燃料電池システムの始動で使用してもよい二つの異なる対応する出力ガスを直列の二つの燃焼段が提供する本発明の一つの特徴を達成するため、この他の構造を使用してもよい。
【００４８】
燃焼器１２の本実施例は、予備混合ＰＯＸバーナー４４、第１出力４８、触媒バーナー４６、及び第２出力５０を含む。
【００４９】
予備混合ＰＯＸバーナー４４は、円筒形又は他の適当な形状を持つハウジング８６と、このハウジング８６内に形成された反応ゾーン８８と、この反応ゾーン８８の内側に配置された、高温表面点火装置等の点火装置と、反応ゾーン８８内への始動燃料／酸化体混合物５４の流れを受け入れるように形成された入口５２とを含む。好ましい実施例では、始動燃料／酸化体混合物５４の流れは加圧してある。別の態様では、燃料／酸化体混合物５４の圧力は、周囲圧力であってもよいし周囲圧力以下であってもよく、下流圧力により燃焼器１２に引き込まれてもよい。入口５２は、更に、例えば加圧流れをハウジング８６に対してほぼ接線方向に導入することによって、加圧流れ内に渦９２を発生するように形成されていてもよい。予備混合ＰＯＸバーナー４４は、燃料／酸化体混合物５４中の燃料２８を反応ゾーン８８で部分酸化し、部分酸化ガス５６を発生するように形成されていてもよい。
【００５０】
燃焼器１２は、更に、コイルチューブ等の導管の形態の予熱ヒーター４２を備えていてもよい。予熱ヒーター４２は、燃料２８（燃料２８は図１に示してある）の部分酸化中に反応ゾーン８８で発生し、ここから伝導し、対流し、放射された熱を使用して燃料／酸化体混合物５４を予熱し気化するように形成されている。予熱ヒーター４２は、所定の長さがハウジング８６に沿って配置されており、例えば、燃料を気化するには十分に高温であるが、入口５２のところに炭素が形成する程高くないように温度を制限するため、燃料／酸化体混合物５４の最大温度を制御することによって入口５２の周囲での炭素付着物の形成を制限するように形成されている。実際の制限温度は、使用される燃料２８の種類に従って変化する。
【００５１】
ライナ９４がハウジング８６内に配置されていてもよい。このライナは、反応ゾーン８８を形成する。断熱体９６がライナ９４とハウジング８６との間に配置されていてもよい。反応ゾーン８８で発生する温度に抵抗できる断熱体９６の例には、ジルカー（ジルカー（Ｚｉｒｃａｒ）は登録商標である）即ちＡＬ３０型アルミナセラミックスが含まれる。流れによる腐蝕及び燃焼反応に対して抵抗性がある断熱性ライナ材料の例には、クーアズテック（クーアズテック（ＣｏｏｒｓＴｅｋ）は登録商標である）ＳＩＣ  ＲＢ  （ＳＣ２）等のシリコンカーバイド材料が含まれる。反応ゾーン８８での反応による熱は、ライ
ナ９４、断熱体９６、及びハウジング８６を通して伝達され、燃料／酸化体混合物５４を予熱し気化する。かくして、所与の反応温度について、導管の長さが、反応ゾーン８８内への噴射点での燃料／酸化体混合物５４の最終予熱温度を制御する。
【００５２】
第１出力４８は、第１量６６の部分酸化ガス５６を、予備混合ＰＯＸバーナー４４から燃焼器１２の第１出力ガス６８として排出するように形成されていてもよい。出力４８を含む予備混合ＰＯＸバーナー４４の排出部分は、部分酸化ガス５６と関連した高温からこれらの排出部分を保護するため、断熱体９８を備えていてもよい。中間出力１００は、第２量７８の部分酸化ガスを予備混合ＰＯＸバーナー４４から排出するように形成されていてもよい。
【００５３】
バーナー４６は、中間出力１００に連結されていてもよい。バーナー４６は、第２量７８の部分酸化ガス５６を予備混合ＰＯＸバーナー４４から受け取り、第２量７８の部分酸化ガス５６中の残留燃料２８の少なくとも幾分かを酸化し、燃焼器１２の第２出力ガス８０を発生するように形成されていてもよい。第２出力ガス８０は、上文中に説明したように、第１出力ガス６８とは異なる。出力５０は、第２出力ガス８０を燃料電池システム１０に排出するように形成されていてもよい。バーナー４６は、上文中に説明したように第２入口８２に進入する二次酸化体５８の流れを使用して残留燃料２８の追加の酸化を行う。
【００５４】
燃焼器１２の作動は、点火装置９０に電力を提供することによって行われる。点火装置９０は、ひとたび作動温度に達すると、燃料／酸化体混合物５４の火炎燃焼を開始するのに十分な熱及び点火エネルギを発生する。その後、点火装置９０を消勢する。ひとたび燃料／酸化体混合物５４に点火されると、高い反応温度から放出された熱が、連続的に噴射される燃料／酸化体混合物５４の燃焼を維持し、ほぼ均衡した部分燃焼生成物を発生する。幾つかの実施例では、燃料の種類に応じて、追加の予熱ヒーターを使用し、燃料／酸化体混合物５４が反応ゾーン８８から予熱ヒーター４２のところで十分な熱を受け取るまで、燃料／酸化体混合物５４を予熱し、比較的容易に更に確実にライトオフ(light-off) してもよいと考えられる。
【００５５】
従って、燃焼器１２は、高い効率を提供するか或いは未燃焼炭素種の発生を抑える。これにより、燃料電池システム１０が環境に及ぼす影響を低減する。燃焼器１２は、更に、燃料電池システム１０を作動温度にし、改質器２０をそのライトオフ温度にするのを補助する始動熱を提供する。その結果、通常作動発熱反応が生じる。燃焼器１２は、更に、液体形態の燃料２８を気化し、これを燃料電池システム１０の始動端部のところで又はその近くで気化器／混合器２２に供給するため、気化器／混合器２２を加熱するのを補助する始動熱を提供する。
【００５６】
更に、燃焼器１２は、アノード１４を例えば３００℃よりも高い温度等の酸化条件から保護する還元ブランケットガスを提供する。燃焼器１２は、更に、改質器２０の始動及び燃料２８による作動への改質器２０の移行が有害作用なしに行われるのを補助するため、還元ガスを提供する。
【００５７】
更に、燃焼器１２は、燃料電池システム１０の始動中に燃料電池システム１０からの予期せぬ漏れが生じた場合に爆発性の混合物が形成される可能性を低減するため、安全ガスを提供する。これにより、アノード１４を保護するとともに安全ガスを提供する目的で現場に貯蔵されるボトル詰めした圧縮不活性ガスに対する必要をなくす。
【００５８】
更に、燃焼器１２は、通常作動への移行時を含む始動中に部分酸化ガスを改質器２０に提供することによって、改質器２０に損傷が生じないようにし、触媒の寿命を延ばし、改
質器２０の良好な触媒性能を保持する。
【００５９】
次に図３を参照し、本発明の一実施例による燃料電池システムを始動するための方法を工程Ｓ１００乃至Ｓ１１４と関連して説明する。本発明は、工程Ｓ１００乃至Ｓ１１４に関して以下に説明する特定の順序に限定されないということは当業者には理解されよう。というよりはむしろ、工程Ｓ１００乃至Ｓ１１４は単に例示を目的とした例示のプロセスを提供する。
【００６０】
工程Ｓ１００では、燃料電池システム１０の始動プロセスを、例えば点火装置９０に電力を供給することによって開始してもよい。その後、電力をブロワー６０及びポンプ３６に供給し、燃焼器１２へ燃料／酸化体混合物５４を流し始める。
【００６１】
工程Ｓ１０２で、ＰＯＸバーナー４４が燃料／酸化体混合物５４に点火し、燃料／酸化体混合物５４中の始動燃料２８を第１燃焼プロセスで部分酸化し、部分酸化ガス５６を発生する。この実施例では、燃料／酸化体混合物５４は化学量論的であり、即ち燃料／酸化体混合物は、混合物中の燃料２８を完全に酸化するには酸化体５８が不十分であり、及び従って、反応温度は化学量論的温度に達しない。例えば、反応生成物を冷却することによって、又はその他の方法で反応を完全参加前に終了することによって、本発明の範囲から逸脱することなく、化学量論的であるか或いはそれ以上の燃料／酸化体混合物を使用してもよいということは理解されよう。
【００６２】
工程Ｓ１０４では、第１量６６の部分酸化ガス５６を、第１出力ガス６８の形態の第１始動ガス生成物として燃焼器１２から取り出す。
【００６３】
工程Ｓ１０６では、第１始動ガス生成物を使用して少なくとも一つの燃料電池システム始動タスクを実行する。例えば、以下に説明する工程Ｓ１０６Ａ乃至Ｓ１０６Ｅの始動タスクのうちの任意のタスク又は全てのタスクを本発明の実施例に従って実行する。これらの始動タスクの各々は、燃料電池システム１０を通常作動状態、即ち電力を負荷ＥＬに供給する上で燃料電池システム１０を使用した発電中に存在する状態にすることを目的として実行するのが望ましいタスクである。本実施例では、工程Ｓ１０６Ａ乃至Ｓ１０６Ｅの各々は、燃料電池システム１０の始動プロセスの部分として実行されるということは理解されよう。
【００６４】
一般的には、特定の始動タスクを行う上で適当な出力ガス６８の品質は、必要な強さ及び量の還元ガスを発生する上での始動燃料／酸化体混合物５４の化学量論的比を調節することによって行われる。かくして、始動タスクに応じて出力ガス６８の様々な性質が所望である場合、燃料／酸化体混合物５４を調節することによってこれらの様々な性質を得ることができる。出力ガス６８の所望の性質が、以上に言及した始動タスクの各々を行う上で十分である場合には、工程Ｓ１０６Ａ乃至Ｓ１０６Ｅを同時に実行してもよい。一つの始動タスクについての出力ガス６８の所望の性質が、別の始動タスクについての所望の性質と異なる場合には、これらの始動タスクを順次実行してもよい。例えば、幾つかの実施例では、第１のこのような始動タスクに合わせて燃料／酸化体混合物５４の燃料／酸化体比を調節し、第１のこのような始動タスクの完了時に、他のこのような始動タスクに合わせて比を調節してもよい。
【００６５】
工程Ｓ１０６Ａでは、始動タスクには、燃料電池システム１０の始動中に安全ガスを燃料電池システム１０に供給する工程が含まれる。安全ガスは、空気等の酸化体が存在する状態で不燃性又は難燃性のガスである。燃料電池システム１０の始動中、燃料電池システム１０での又は燃料電池システム１０の近くでの火災や爆発の可能性を低減するため、安全ガスを使用するのが望ましい。しかしながら、燃料電池システム１０がひとたび通常温
度で作動すると、安全ガスは必要でなくなる。これは、燃料電池システム１０の作動が自己発火温度よりも高い温度で行われ、及び従って、燃料電池システム１０での漏れが、何ら害を及ぼすことなく少量で自動的に点火し、大量の可燃性ガスが発生して爆発をもたらすことがないため、潜在的危険が自動的になくなるためである。
【００６６】
従って、工程Ｓ１０６Ａを実行するため、始動燃料／酸化体混合物５４及び第１燃焼プロセスは、火炎燃焼できないか或いはほんの弱い火炎燃焼しかできず、及びかくして空気と混合したときに爆発性混合物を形成しない生成物を発生するように燃料／酸化体混合物５４を十分に酸化することによって、部分酸化ガス５６を安全ガスにするように形成される。第１始動ガス生成物即ち第１出力ガス６８は、かくして、燃料電池システム１０に供給される安全ガスとして形成できる。
【００６７】
工程Ｓ１０６Ｂでは、始動タスクは、アノード１４を燃料電池システム１０の始動中の酸化から保護するブランケットガスとして還元ガスを供給する工程を含む。還元ガスは、反応性の酸素即ちＯ２をその環境から吸収するガスであり、及び従ってこのガスがない場合に、酸素、例えば燃料電池システム１０の始動中にカソード１６から電解質１８を横切って拡散する又は漏出する酸素、並びに燃料電池システム１０の始動開始前にアノード１４、改質器２０、及び気化器／混合器２２内の酸素の存在により生じる酸化からアノード１４を保護するブランケットガスとして役立つ。
【００６８】
従って、工程Ｓ１０６Ｂを実行するため、始動燃料／酸化体混合物５４及び第１燃焼プロセスは、反応性の酸化体（Ｏ２）を実質的に含まない、即ちＯ２をあったとしてもほんの微量しか含まない部分酸化ガス５６を発生するようになっている。これによって、アノード１４を保護するのに十分な還元強度を持つ還元ガスとして第１始動ガス生成物を形成する。次いで、第１始動ガス生成物を、例えば気化器／混合器２２及び改質器２０を介してアノード１４に供給する。還元強度は、酸素と反応する還元ガスの傾向に関し、還元強度が比較的高いガスは、還元強度が比較的低いガスよりも酸素と反応する傾向が高い。かくして、還元強度は、酸化から保護するガスの性能の計測値である。これは、本実施例においてアノード１４である保護されるべき物品の代わりに酸素と反応するためである。工程Ｓ１０６（Ｂ）の目的のため、第１始動ガス生成物の還元強度は、例えばアノード１４の酸化を阻止するための予想された必要に基づいて選択される。
【００６９】
工程Ｓ１０６Ｃでは、始動タスクは、改質器２０を加熱する工程を含む。この工程は、改質器２０をアノード１４用の合成ガスを発生する通常の発熱触媒反応を実行する熱的状態にするために行われる。改質器２０によって合成ガス３２を発生し、これがアノード１４に送出されると、もはや、工程Ｓ１０６Ｂで燃焼器１２から外部から提供された還元ガスをアノード１４にブランケットガスとして供給する必要がない。これは、合成ガスが還元ガスであり、かくして燃料電池システム１０の通常の作動中にアノード１４を保護するブランケットとして役立つためである。従って、工程Ｓ１０６Ｃを実行するため、第１始動ガス生成物を改質器２０に提供し、例えば第１出力ガス６８からの対流、伝導、及び放射によって改質器２０を加熱する。
【００７０】
工程Ｓ１０６Ｄでは、始動タスクは、改質器の通常の作動へ移行するため、始動還元ガスを供給し、改質器２０で発熱触媒反応を開始する工程を含む。従って、工程Ｓ１０６Ｄを実行するため、始動燃料／酸化体混合物５４及び第１燃焼プロセスは、反応性の酸化体（Ｏ２）を実質的に含まない、即ちＯ２をあったとしてもほんの微量しか含まない部分酸化ガス５６を発生し、還元ガスを発生するようになっている。
【００７１】
工程Ｓ１０６Ｄでの部分酸化ガスの還元強度は、工程Ｓ１０６Ｂで提供された部分酸化ガスの還元強度よりも高く、改質器２０で発熱触媒反応（点火）を開始する発電中に改質
器２０に供給される、水蒸気を含む通常の改質器燃料／酸化体をシミュレートするように形成されている。第１始動ガス生成物は、かくして、工程Ｓ１０６Ｄについて、改質器２０の通常作動へ移行するため、改質器２０で触媒反応を開始するのに十分な化学的性質を発生する上で適当な還元強度を持つ還元ガスとして形成される。
【００７２】
工程Ｓ１０６Ｅでは、始動タスクは、燃料電池システム１０で使用される通常燃料を気化するために熱を提供する工程を含む。従って、工程Ｓ１０６Ｅを実行するため、第１始動ガス生成物を気化器／混合器２２に供給し、第１出力ガス６８から気化器／混合器２２に例えば対流、伝導、及び放射によって熱を提供する。その結果、通常燃料２８は、気化器／混合器２２に導入されるとき、例えば始動プロセスの終了時又はその近くで通常燃料を気化できる。
【００７３】
工程Ｓ１０８では、部分酸化ガス５６の第２量７８中の残留燃料２８の少なくとも幾分かを第２燃焼プロセスで酸化し、第２始動ガス生成物即ち第２出力ガス８０を発生する。本実施例では、残留燃料は完全に酸化されてもよい。更に、本実施例では、残留燃料２８の酸化は、バーナー４６で行われる。しかしながら、別の態様では、残留燃料２８の酸化を、燃料電池システム１０の部分であって燃焼器１２の部分でない燃料電池システム１０のバーナー、例えば触媒バーナー又は非触媒バーナーで行ってもよい。
【００７４】
工程Ｓ１１０では、第２始動ガス生成物即ち第２出力ガス８０を使用し、少なくとも一つの燃料電池システム構成要素例えばカソード１６を復熱装置２４で加熱する。
【００７５】
工程Ｓ１１２では、通常改質器燃料２８の流れ、即ちカソード酸化体２６の流れ、及び通常改質器酸化体３０流れへの移行を、例えば燃料電池システム１０構成要素の温度が通常作動状態に近づくに従ってこれらの流れを増大すると同時に、燃焼器１２への燃料２８及び酸化体５８の流れを減少することによって開始する。
【００７６】
工程Ｓ１１４では、燃料電池システム１０の構成要素が、通常作動状態、例えばアノード１４、カソード１６、電解質１８、及び改質器２０での通常作動状態に達したことが確認されたとき、燃焼器１２への燃料２８及び酸化体５８の流れを含む始動プロセスを終了する。
【００７７】
以上に鑑みると、本発明は、多数の燃料電池システム始動タスクを実施するのに使用される酸化のレベルが異なる多数の燃焼生成物を提供する多段燃焼器及び／又は多段燃焼プロセスに関することが明らかである。以上説明した実施例では、二つの燃焼段階しか設けられていないけれども、本発明の範囲から逸脱することなく、追加の燃焼段を提供してもよいということは理解されよう。本発明により、燃料電池システム１０に一般的な方法で即ち第２出力ガス８０を介して熱を提供することに加え、少なくとも五つの他の始動タスクを行ってもよい。これらの始動タスクには、燃料電池システム１０の始動中に燃料電池システム１０に安全ガスを提供する工程、燃料電池システム１０の始動中にアノード１４を酸化から保護するブランケットガスとして還元ガスを供給する工程、改質器２０を加熱する工程、改質器２０で発熱触媒反応を開始し、改質器２０の通常の作動へ移行するため、始動還元ガスを提供する工程、及び燃料電池システム１０で通常使用される液体燃料を気化するために熱を提供する工程が含まれる。更に、本発明の実施例は、これらの始動タスクに加え、燃焼器１２を使用して、燃料電池システム１０の停止中にアノード１４を酸化から保護する還元ブランケットガスの形態の第１出力ガス６８を供給する、例えば、アノード１４の温度が、酸化が問題でないのに十分に低くなるまでブランケットガスを提供する工程を含む。本発明の二段燃焼プロセスは、ディーゼル燃料や天然ガス等の液体又はガスの形態の炭化水素燃料をほぼ完全にＣＯ２及びＨ２０に変換し、燃焼器１２から比較的清浄な排気ガスを発生するのに適している。
【００７８】
本発明を、本発明の実施例に関して説明したが、本発明は、以上の開示の精神及び範囲から逸脱することなく、更に変更してもよい。従って、本願は、本発明の原理を使用する本発明の任意の変更、使用、又は適合を含もうとするものである。更に、本願は、本発明が関連した技術で周知の又は一般的に実施されている、添付の特許請求の範囲の範疇に含まれる本開示からの逸脱を含もうとするものである。したがって、本発明は、以下の態様に関しうる。
（態様１）第１構成要素及び第２構成要素を含む燃料電池システムを始動するように形成された多段燃焼器において、  燃料／酸化体混合物の流れを受け入れるための入口を持つ、前記燃料／酸化体混合物中の燃料を部分酸化して部分酸化ガスを発生するように形成された部分酸化（ＰＯＸ）バーナーと、  前記燃料電池システムに連結された、第１量の前記部分酸化ガスを、第１出力ガスとして、前記多段燃焼器から前記第１構成要素に提供するように形成された第１出力と、前記ＰＯＸバーナーに連結された、第２量の前記部分酸化ガスを前記ＰＯＸバーナーから受け取って前記第２量の前記部分酸化ガス中の残留燃料の少なくとも幾分かを酸化し、前記多段燃焼器から前記第１出力ガスと異なる第２出力ガスを発生する第２バーナーと、前記燃料電池システムの前記第２構成要素に連結された、前記第２出力ガスを前記燃料電池システムの前記第２構成要素に提供するように形成された第２出力とを含む、多段燃焼器。
（態様２）態様１の多段燃焼器において、前記ＰＯＸバーナーは予備混合バーナーであり、前記ＰＯＸバーナーでの前記燃料の前記部分酸化中に放出された熱を使用して前記燃料／酸化体混合物を予熱するように形成された予熱ヒーターを更に含む、多段燃焼器。
（態様３）態様１の多段燃焼器において、前記ＰＯＸバーナーは、前記燃料／酸化体混合物の火炎燃焼を行うように形成されており、前記第２バーナーは、触媒燃焼プロセスを使用して前記残留燃料の前記少なくとも幾分かを酸化するように形成された触媒バーナーである、多段燃焼器。
（態様４）態様１の多段燃焼器において、更に、前記第２バーナーに連結された第２入口を含み、この第２入口は、前記第２バーナーへ二次酸化体の流れを供給するように形成されている、多段燃焼器。
（態様５）態様４の多段燃焼器において、前記第２バーナーは、前記第２量の前記部分酸化ガスを、前記二次酸化体の流れを使用して完全に酸化し、前記第２出力ガスを発生するように形成されている、多段燃焼器。
（態様６）態様５の多段燃焼器において、前記燃料電池システムの前記第２構成要素は、前記燃料電池システムで使用するため、前記第２出力ガスから熱を取り出すように形成された復熱装置である、多段燃焼器。
（態様７）態様１の多段燃焼器において、前記第１構成要素はアノードであり、前記燃料電池システムは、更に、気化器／混合器及び改質器のうちの少なくとも一方を含み、前記第１出力は、前記気化器／混合器及び前記改質器のうちの少なくとも一方を介して前記第１出力ガスを前記アノードに提供する、多段燃焼器。
（態様８）態様１の多段燃焼器において、前記燃料は、液体及びガスのうちの少なくとも一方である、多段燃焼器。
（態様９）燃料電池システムにおいて、アノードと、通常のカソード酸化体源に流動学的に連結された、前記通常のカソード酸化体から受け取った酸素イオンに対して透過性のカソードと、前記アノード及び前記カソードと連通した、前記酸素イオンを前記カソードから前記アノードに供給するように形成された電解質と、前記アノードに流動学的に連結されており、前記アノードで使用するため、通常の作動燃料及び通常の改質器酸化体を受け取って、前記通常の作動燃料及び前記通常の改質器酸化体から合成ガスを発生するように形成された改質器と、前記燃料電池システムで使用するため、廃熱を再捕捉するように形成された復熱装置と、前記燃料電池システムを始動するように形成された多段燃焼器とを含み、前記多段燃焼器は、始動燃料／酸化体混合物の流れを受け入れるための第１入口を持つ、前記始動燃料／酸化体混合物中の始動燃料を部分酸化して部分酸化ガスを発生する
ように形成された部分酸化（ＰＯＸ）バーナーと、前記燃料電池システムに連結された、第１量の前記部分酸化ガスを、前記改質器での反応を開始するように形成された第１出力ガスとして、前記多段燃焼器から前記改質器に提供するように形成された第１出力と、前記ＰＯＸバーナーに連結された、第２量の前記部分酸化ガスを前記ＰＯＸバーナーから受け取って前記第２量の前記部分酸化ガス中の残留始動燃料の少なくとも幾分かを酸化し、前記多段燃焼器から前記第１出力ガスと異なる第２出力ガスを発生する第２バーナーと、
前記復熱装置に連結された、前記第２出力ガスを前記復熱装置に提供するように形成された第２出力とを含む、燃料電池システム。
（態様１０）態様９の燃料電池システムにおいて、前記通常の作動燃料及び前記始動燃料は同じ燃料である、燃料電池システム。
（態様１１）態様９の燃料電池システムにおいて、前記始動燃料／酸化体は、前記始動燃料及び始動酸化体を含み、前記始動酸化体及び前記カソード酸化体は空気中の酸素を使用する、燃料電池システム。
（態様１２）態様１１の燃料電池システムにおいて、前記通常の改質器酸化体は空気中の酸素を含む、燃料電池システム。
（態様１３）燃料電池システムを始動するための燃焼器において、ハウジングと、このハウジング内に形成された反応ゾーンと、点火装置と、前記反応ゾーン内への燃料／酸化体混合物の流れを受け入れるように形成された入口とを含み、前記反応ゾーンの前記燃料／酸化体混合物中の燃料に点火して部分酸化し、部分酸化ガスを発生するように形成された予備混合部分酸化（ＰＯＸ）バーナーと、第１量の前記部分酸化ガスを、前記燃焼器の第１出力ガスとして、前記予備混合ＰＯＸバーナーから前記燃料電池システムに排出するように形成された第１出力と、第２量の前記部分酸化ガスを前記予備混合ＰＯＸバーナーから排出するように形成された第２出力とを含む、燃焼器。
（態様１４）態様１３の燃焼器において、更に、前記第２出力に連結された、前記第２量の前記部分酸化ガスを前記予備混合ＰＯＸバーナーから受け取って前記第２量の前記部分酸化ガス中の残留燃料の少なくとも幾分かを酸化し、前記第１出力ガスと異なる前記燃焼器の第２出力ガスを発生するように形成されている、第２バーナーと、前記第２出力ガスを前記燃料電池システムに排出するように形成された第３出力とを含む、燃焼器。
（態様１５）態様１３の燃焼器において、更に、前記燃料の部分酸化中に前記反応ゾーンで発生した熱を使用して前記燃料／酸化体混合物を予熱する予熱ヒーターを含む、燃焼器。
（態様１６）態様１５の燃焼器において、前記予熱ヒーターは、前記ハウジングに沿って所定の長さが配置された導管であり、前記長さは、前記入口の周囲での炭素付着物の形成を制限するように形成されている、燃焼器。
（態様１７）態様１５の燃焼器において、更に、前記ハウジング内に配置された、前記反応ゾーンを形成するライナを更に含む、燃焼器。
（態様１８）態様１７の燃焼器において、更に、前記ライナと前記ハウジングとの間に配置された断熱体を含む、燃焼器。
（態様１９）燃料電池システムの始動方法において、始動燃料／酸化体混合物中の始動燃料を第１燃焼プロセスで部分酸化し、部分酸化ガスを発生する工程と、第１量の前記部分酸化ガスを第１始動ガス生成物として取り出す工程と、前記第１始動ガス生成物を使用して少なくとも一つの燃料電池システム始動タスクを実行する工程と、第２量の前記部分酸化ガス中の残留始動燃料の少なくとも幾分かを酸化し、第２始動ガス生成物を発生する工程と、前記第２始動ガス生成物を使用して前記燃料電池システムの少なくとも一部を加熱する工程とを含む、方法。
（態様２０）態様１９の方法において、前記燃料／酸化体混合物は化学量論以下である、方法。
（態様２１）態様１９の方法において、前記少なくとも一つの燃料電池システム始動タスクは、前記燃料電池システムの前記始動中に安全ガスを前記燃料電池システムに供給する工程、前記燃料電池システムのアノードを前記燃料電池システムの前記始動中の酸化から
保護するためのブランケットガスとして還元ガスを供給する工程、前記燃料電池システムの構成要素を加熱する工程、前記燃料電池システムの通常の作動に移行するため、前記燃料電池システムの前記構成要素の触媒反応を開始するガスを提供する工程、及び  熱を提供し、前記燃料電池システムが使用する通常の燃料を気化する工程のうちの少なくとも一つである、方法。
（態様２２）態様２１の方法において、前記少なくとも一つの燃料電池システム始動タスクは、前記燃料電池システムの前記始動中に前記安全ガスを前記燃料電池システムに供給する工程であり、前記第１始動ガス生成物は安全ガスとして形成される、方法。
（態様２３）態様２１の方法において、前記少なくとも一つの燃料電池システム始動タスクは、前記燃料電池システムの前記始動中に前記アノードを前記酸化から保護するため、前記還元ガスを前記ブランケットガスとして供給する工程であり、前記第１始動ガス生成物は、第１還元強度の還元ガスとして形成される、方法。
（態様２４）態様２１の方法において、前記少なくとも一つの燃料電池システム始動タスクは、前記燃料電池システムの前記構成要素を加熱する工程であり、前記第１始動ガス生成物を使用して前記第１構成要素を加熱する、方法。
（態様２５）態様２１の方法において、前記少なくとも一つの燃料電池システム始動タスクは、前記燃料電池システムを前記通常の作動に移行するため、前記燃料電池システムの前記構成要素の前記触媒反応を開始するガスを提供する工程であり、前記第１始動ガス生成物は、第２還元強度の還元ガスとして形成される、方法。
（態様２６）態様２１の方法において、前記少なくとも一つの燃料電池システム始動タスクは、前記熱を提供し、前記燃料電池システムが使用する前記通常の燃料を気化する工程であり、前記第１始動ガス生成物を前記燃料電池システムに供給し、前記熱を提供する、方法。
（態様２７）燃料電池システムの始動方法において、始動燃料／酸化体混合物中の始動燃料を第１燃焼プロセスで部分酸化し、部分酸化ガスを発生する工程と、第１量の前記部分酸化ガスを第１始動ガス生成物として取り出す工程と、前記第１始動ガス生成物を使用して少なくとも二つの燃料電池システム始動タスクを実行する工程と、第２量の前記部分酸化ガス中の残留始動燃料の少なくとも幾分かを酸化し、第２始動ガス生成物を発生する工程と、前記第２始動ガス生成物を使用して前記燃料電池システムの少なくとも一部を加熱する工程とを含み、前記燃料電池システム始動タスクは、前記燃料電池システムの前記始動中に安全ガスを前記燃料電池システムに供給する工程と、前記燃料電池システムの前記始動中に前記燃料電池システムのアノードを酸化から保護するため、還元ガスをブランケットガスとして供給する工程と、前記燃料電池システムの構成要素を加熱する工程と、前記燃料電池システムを通常の作動に移行するため、前記燃料電池システムの前記構成要素の触媒反応を開始するガスを提供する工程と、熱を提供し、前記燃料電池システムが使用する通常の燃料を気化する工程とを含む、方法。
【符号の説明】
【００７９】
１０  燃料電池システム
１２  多段燃焼器
１４  アノード
１６  カソード
１８  電解質
２０  改質器
２２  気化器／混合器
２４  復熱装置
２６  カソード酸化体
２８  通常の作動燃料
３０  通常の改質器酸化体
３２  合成ガス
３４  混合燃料蒸気／酸化体
３６  ポンプ
３８  バルブ
【図１】
0006257724.tif 000002
【図２】
0006257724.tif 000003
【図３】
0006257724.tif 000004