專利名稱：氫發(fā)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可產(chǎn)生供給燃料電池等的氫利用設(shè)備的氫鋰氣體的氫發(fā)生裝置，該裝置以天然氣、LPG、汽油、石腦油、燈油及甲醇等烴類物質(zhì)為主原料。
背景技術(shù)：
參考圖8，對(duì)向燃料電池供給氫的以往使用的氫發(fā)生裝置的啟動(dòng)方法進(jìn)行說(shuō)明。圖8是表示傳統(tǒng)的氫發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)圖。
圖8所示的氫發(fā)生裝置具備原料供給部1及水供給部2，它們與內(nèi)部填充了改性催化劑的改性部3連接。由原料供給部1供給的原料在改性部3中得到改性，所得改性氣體流入填充了轉(zhuǎn)化催化劑的轉(zhuǎn)化部4，從轉(zhuǎn)化部4流出的轉(zhuǎn)化氣體又流入填充了除CO(凈化)催化劑的凈化部5。然后，從凈化部5流出的凈化氣體作為生成氣體通過(guò)三向閥門6供給燃料電池7，或者根據(jù)不同情況導(dǎo)入設(shè)置在改性部3附近的燃燒器8。圖8所示的氫發(fā)生裝置雖然具備改性部3、轉(zhuǎn)化部4及凈化部5，但有時(shí)該氫發(fā)生裝置也可以只具備改性部3或者只具備改性部3和轉(zhuǎn)化部4。燃燒器8具備燃燒室8’，還設(shè)置了燃料供給部9和供給燃燒用空氣的空氣供給部10。燃燒器8中產(chǎn)生的燃燒氣體從設(shè)置在改性部3的排氣口11排出。
具備以上構(gòu)成的氫發(fā)生裝置在啟動(dòng)時(shí)，殘留于凈化部5的生成氣體及來(lái)自空氣供給部10的燃燒用空氣一起導(dǎo)入燃燒器8中。然后，一邊利用點(diǎn)火裝置(圖中未顯示)點(diǎn)火一邊由燃料供給部9供給燃料形成火焰。確認(rèn)火焰狀態(tài)穩(wěn)定后，由原料供給部1向改性部3供給原料，在燃燒器8中由燃料供給部9供給的燃料與由原料供給部1供給的原料經(jīng)過(guò)改性部3、轉(zhuǎn)化部4及凈化部5所得的生成氣體一起燃燒，使改性部3加熱。
然后，逐漸減少由燃料供給部9供給的燃料量直至停止供應(yīng)，只利用原料供給部1供給的原料而獲得的生成氣體形成火焰，使改性部3、轉(zhuǎn)化部4及凈化部5的溫度升高，以最合適的溫度狀態(tài)啟動(dòng)氫發(fā)生裝置。
此時(shí)，由空氣供給部10供給的空氣量根據(jù)原料供給部1供給的原料量作調(diào)整。但是，有時(shí)空氣量由于僅根據(jù)原料量不能夠充分滿足燃燒器中實(shí)際進(jìn)行燃燒的生成氣體中的可燃性氣體量，導(dǎo)致空氣量不足，引發(fā)燃燒排氣的特性劣化和不穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)。
生成氣體的組成及各成分的流量由改性部3、轉(zhuǎn)化部4及凈化部5等反應(yīng)部中所含的催化劑的反應(yīng)狀態(tài)，例如催化劑的溫度所決定。例如，以甲烷為原料氣體時(shí)，改性部的改性反應(yīng)主要由式(1)及式(2)表示。
(1)(2)改性催化劑的溫度較低，不引起改性反應(yīng)時(shí)，由氫發(fā)生裝置送入燃燒器8的生成氣體是作為原料供給的甲烷。但是，如果改性催化劑的溫度提高到可充分進(jìn)行改性反應(yīng)的溫度，則自改性部3送出的改性氣體主要為式(1)及式(2)中的氫及二氧化碳或一氧化碳，改性氣體的總流量是供給的甲烷流量的4～5倍。改性催化劑的溫度上升到足夠進(jìn)行改性反應(yīng)時(shí)，取生成氣體的組成及各成分的流量的中間值，再加上轉(zhuǎn)化部4及凈化部5的反應(yīng)，根據(jù)這些反應(yīng)部的溫度會(huì)使生成氣體的組成及各成分的流量進(jìn)一步發(fā)生變化。
如果各反應(yīng)部的溫度使生成氣體的組成等發(fā)生變化，則生成氣體中的可燃性氣體的量也發(fā)生變化。因此，如果僅根據(jù)供給的原料量來(lái)調(diào)整空氣量，則會(huì)出現(xiàn)空氣量不足，燃燒器8難以維持良好的燃燒狀態(tài)的問(wèn)題。特別是在改性催化劑的溫度接近400℃時(shí)，溫度每上升10℃，反應(yīng)率則上升數(shù)十％，由改性部3送出的氣體的流量急劇增加，存在于轉(zhuǎn)化部4及凈化部5的大量可燃性氣體被擠壓入燃燒器8中。所以，如果根據(jù)供給的原料量來(lái)決定空氣量，則會(huì)出現(xiàn)空氣明顯不夠，燃燒器8的火焰容易變得不穩(wěn)定，有時(shí)還存在失火的危險(xiǎn)。
本發(fā)明的目的是解決上述問(wèn)題，提供氫發(fā)生裝置的生成氣體可在燃燒器中穩(wěn)定燃燒、操作性及便利性良好的氫發(fā)生裝置。
以下對(duì)使用了上述氫發(fā)生裝置及燃料電池的以往的燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)明。圖9是表示以往的燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)圖。圖9所示燃料電池系統(tǒng)的燃料電池101中，空氣極102和燃料極103中間夾有高分子電解質(zhì)膜104，空氣極102的上流側(cè)與供給空氣的鼓風(fēng)機(jī)(空氣供給部)105相連通。
向氫發(fā)生裝置106中供給天然氣或甲醇等原料X及水蒸汽改性反應(yīng)所必須的水Y，生成氫鋰氣體(改性氣體)G。此外，圖9中的氫發(fā)生裝置106僅具備改性部。
生成氣體G經(jīng)過(guò)切換閥107供給燃料電池101的燃料極103，然后流向與燃料極103相連的規(guī)定流路的下流側(cè)。此時(shí)，生成氣體G中的氫僅消耗電極反應(yīng)所必需量，燃料電池101中未反應(yīng)而殘留的氣體作為排出氣體G’通過(guò)氣體流路123’供給燃燒器109。生成氣體G不供給燃料電池103時(shí)，生成氣體G經(jīng)切換閥107通過(guò)氣體流路123供給燃燒器109。
供給燃燒器109的生成氣體G或排出氣體G’與由鼓風(fēng)機(jī)(空氣供給部)110供給的空氣混合后燃燒，在燃燒室108形成火焰111，由燃燒氣體對(duì)氫發(fā)生裝置106進(jìn)行加熱。
燃燒室108的火焰111的狀態(tài)可通過(guò)對(duì)火焰111施加規(guī)定電壓時(shí)通過(guò)的離子電流檢測(cè)?；鹧鏅z測(cè)部112由與火焰111接觸的耐熱性導(dǎo)電體113、隔著火焰111可對(duì)導(dǎo)電體113和燃燒器109施加規(guī)定電壓的直流電源114、將通過(guò)火焰111的電流轉(zhuǎn)化為電壓的電阻115及對(duì)電阻115兩端的電壓進(jìn)行檢測(cè)的電壓檢測(cè)部116構(gòu)成。通過(guò)該火焰檢測(cè)部112能夠?qū)鹧?11的著火及失火等燃燒狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。
這種傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)中，由于通過(guò)水蒸汽改性反應(yīng)將原料X中的烴類轉(zhuǎn)換為氫，所以生成氣體G及排出氣體G’中包含的烴類的濃度顯著下降。烴類的濃度一旦下降，則火焰111中的離子濃度也下降，通過(guò)火焰111的電流值變小，這樣電阻115兩端的電壓也降低。即，火焰檢測(cè)部112的檢測(cè)電壓降低，則存在著火時(shí)及失火時(shí)的燃燒狀態(tài)難以判斷的問(wèn)題。
因此，本發(fā)明的目的是解決上述問(wèn)題，提供能夠切實(shí)判斷對(duì)氫發(fā)生裝置進(jìn)行加熱的燃燒器的著火及失火狀態(tài)，操作安全的氫發(fā)生裝置及具備該氫發(fā)生裝置的燃料電池系統(tǒng)。
發(fā)明的揭示本發(fā)明的氫發(fā)生裝置具備包括原料供給部和水供給部的改性部及包括燃料供給部和空氣供給部的對(duì)前述改性部進(jìn)行加熱的燃燒器。該氫發(fā)生裝置的特征是，還具備將來(lái)自前述氫發(fā)生裝置的生成氣體導(dǎo)入前述燃燒器的的氣體流路、測(cè)定前述改性部溫度的改性溫度檢測(cè)部、根據(jù)來(lái)自前述原料供給部的信號(hào)及來(lái)自前述改性溫度檢測(cè)部的信號(hào)對(duì)前述空氣供給部供給前述燃燒器的空氣量進(jìn)行控制的控制部。
前述氫發(fā)生裝置中的前述控制部在前述氫發(fā)生裝置啟動(dòng)時(shí)，使前述原料供給部所提供的原料量按照規(guī)定比例增加，將前述氫發(fā)生裝置產(chǎn)生的生成氣體導(dǎo)入前述燃燒器，且根據(jù)來(lái)自前述原料供給部的信號(hào)及來(lái)自前述改性溫度檢測(cè)部的信號(hào)對(duì)前述空氣供給部供給前述燃燒器的空氣量進(jìn)行有效控制。
此外，前述氫發(fā)生裝置還具備設(shè)置在前述改性部下流側(cè)的轉(zhuǎn)化部及測(cè)定前述轉(zhuǎn)化部溫度的轉(zhuǎn)化溫度檢測(cè)部。這樣前述控制部就根據(jù)來(lái)自前述原料供給部的信號(hào)、來(lái)自前述改性溫度檢測(cè)部的信號(hào)及來(lái)自前述轉(zhuǎn)化溫度檢測(cè)部的信號(hào)對(duì)前述空氣供給部導(dǎo)入前述燃燒器的空氣量進(jìn)行有效控制。
此外，前述氫發(fā)生裝置還具備設(shè)置在前述轉(zhuǎn)化部下流側(cè)的凈化部及測(cè)定前述凈化部溫度的凈化溫度檢測(cè)部。這樣前述控制部就根據(jù)來(lái)自前述原料供給部的信號(hào)、來(lái)自前述改性溫度檢測(cè)部的信號(hào)、來(lái)自前述轉(zhuǎn)化溫度檢測(cè)部的信號(hào)及來(lái)自前述凈化部的信號(hào)對(duì)前述空氣供給部供給前述燃燒器的空氣量進(jìn)行有效控制。
此外，前述控制部能夠根據(jù)前述生成氣體中的可燃性氣體量及前述燃料供給部供給前述燃燒器的燃料量對(duì)供給前述燃燒器的可燃性氣體量進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)由前述空氣供給部供給前述燃燒器的空氣量進(jìn)行有效控制。
又，前述燃燒器具備形成火焰的燃燒室及根據(jù)前述火焰的離子電流對(duì)火焰狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)的火焰檢測(cè)部，前述控制部能夠有效地將前述改性部的溫度控制在規(guī)定溫度以下。
又，前述控制部能夠通過(guò)調(diào)節(jié)前述水供給部供給前述改性部的水量對(duì)前述改性部的溫度進(jìn)行有效控制。
前述氫發(fā)生裝置具備可檢測(cè)前述生成氣體中的烴濃度的烴傳感器，前述控制部根據(jù)前述烴傳感器的輸出功率值對(duì)前述改性部的溫度進(jìn)行有效控制。
本發(fā)明還涉及具備燃料電池及上述氫發(fā)生裝置的燃料電池系統(tǒng)。
附圖的簡(jiǎn)單說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的氫發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖2表示利用改性催化劑的甲烷改性反應(yīng)率。
圖3表示轉(zhuǎn)化催化劑的反應(yīng)性。
圖4表示凈化催化劑的反應(yīng)性。
圖5為本發(fā)明另一氫發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖6為本發(fā)明另一氫發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖7為本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖8為以往的氫發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖9為以往的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
實(shí)施發(fā)明的最佳方式參照附圖對(duì)本發(fā)明的氫發(fā)生裝置及具備該裝置的燃料電池系統(tǒng)的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。
實(shí)施方式1圖1為本發(fā)明實(shí)施方式1的氫發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖1所示氫發(fā)生裝置中的原料供給部1及水供給部2與內(nèi)部填充了改性催化劑的改性部3相連。原料供給部1供給的原料在改性部3被改性成為改性氣體，改性氣體流入填充了轉(zhuǎn)化催化劑的轉(zhuǎn)化部4，形成轉(zhuǎn)化氣體。轉(zhuǎn)化氣體再流入填充了除CO(凈化)催化劑的凈化部5，被凈化后轉(zhuǎn)變?yōu)閮艋瘹怏w。該凈化氣體作為生成氣體通過(guò)氣體流路利用三向閥6導(dǎo)入燃料電池7或設(shè)置在改性部3附近的燃燒器8。燃燒器8中設(shè)置了燃料供給部9及供給燃燒用空氣的空氣供給部10。此外，燃燒器8的燃燒排氣通過(guò)設(shè)置于改性部3的排氣口11排出。
分別由原料供給部1及燃料供給部9提供的原料及燃料可采用天然氣、煤氣或LPG等氣體狀烴類燃料或汽油、燈油或甲醇等液體狀烴類燃料。但是，采用液狀燃料時(shí)，必須要有可使燃料氣化的裝置，來(lái)自改性部3或燃燒器8的傳導(dǎo)熱或燃燒排氣中的熱量等都可使燃料氣化。
此外，利用泵或鼓風(fēng)機(jī)等或另外設(shè)置在泵或鼓風(fēng)機(jī)等的下流側(cè)的閥門等流量調(diào)整器也可對(duì)分別來(lái)自原料供給部1、燃料供給部9及空氣供給部10的原料、燃料及空氣流量進(jìn)行調(diào)整。本說(shuō)明書(shū)中的原料供給部1、燃料供給部9及空氣供給部10中都包括上述流量調(diào)整器。
圖1中的箭頭分別表示原料、反應(yīng)氣體及燃料等的流動(dòng)方向。改性部3中設(shè)置了對(duì)改性催化劑的溫度進(jìn)行測(cè)定的改性溫度檢測(cè)部12，控制部15能夠根據(jù)改性溫度檢測(cè)部12檢測(cè)出的溫度(信號(hào))及原料供給部1提供的原料量(信號(hào))對(duì)空氣供給部10供給改性部3的空氣量進(jìn)行控制。改性溫度檢測(cè)部12可采用熱電偶或高溫型熱敏電阻等。
以下，對(duì)圖1所示氫發(fā)生裝置的啟動(dòng)方法進(jìn)行說(shuō)明。
氫發(fā)生裝置在啟動(dòng)時(shí)，首先控制三向閥6使其處于能夠?qū)艋?送出的生成(凈化)氣體供給燃燒器8的狀態(tài)。然后，由空氣供給部10向燃燒器8提供空氣，并在此狀態(tài)下一邊利用點(diǎn)火裝置(圖中省略)進(jìn)行點(diǎn)火動(dòng)作，一邊由燃料供給部9向燃燒器8供給燃料形成火焰。這些操作也可同時(shí)進(jìn)行。
在確認(rèn)燃燒器8的火焰狀態(tài)穩(wěn)定后，由原料供給部1向改性部3提供原料。這樣就在燃燒器8中使燃料供給部9供給的燃料與原料供給部1供給的原料經(jīng)過(guò)改性部3、轉(zhuǎn)化部4及凈化部5的反應(yīng)部而獲得的生成氣體一起燃燒對(duì)改性部3進(jìn)行加熱。
然后，逐漸減少由燃料供給部9供給燃燒器8的燃料量直至停止供應(yīng)，通過(guò)由原料供給部1供給改性部3的原料供給燃燒器8的生成氣體形成燃燒器8的火焰，使各反應(yīng)部的溫度升高，維持最合適溫度范圍，這樣就完成了氫發(fā)生裝置的啟動(dòng)。
以下，對(duì)各反應(yīng)部的反應(yīng)進(jìn)行說(shuō)明。
(1)改性部改性部3，主要按照式(1)及式(2)所示的2個(gè)反應(yīng)，由1摩爾甲烷生成合計(jì)5摩爾的氫及二氧化碳或合計(jì)4摩爾的氫及一氧化碳。
圖2表示對(duì)應(yīng)于改性催化劑溫度的甲烷反應(yīng)率，即反映催化劑溫度和甲烷反應(yīng)率間的關(guān)系?？梢?jiàn)在接近400℃的溫度下甲烷反應(yīng)率急劇升高，改性反應(yīng)急劇進(jìn)行。這樣隨著改性催化劑的溫度變化，由改性部3送出的改性氣體的組成及各成分的流量發(fā)生了很大變化。由氫發(fā)生裝置送出的生成氣體是存在于離燃燒器8最近的凈化部5的出口附近的凈化氣體，是由改性氣體擠壓出的凈化氣體。啟動(dòng)時(shí)在改性催化劑的溫度達(dá)到600℃左右時(shí)，轉(zhuǎn)化部4及凈化部5的溫度不再升高，所以不能夠充分促進(jìn)轉(zhuǎn)化反應(yīng)及選擇氧化(凈化)反應(yīng)的進(jìn)行，改性氣體基本未經(jīng)反應(yīng)就通過(guò)了轉(zhuǎn)化部4及凈化部5。
因此，由供給改性部3的原料量及改性催化劑溫度預(yù)測(cè)改性氣體的組成及各成分的流量，如果能夠把握它們隨時(shí)間的變化率，就能夠?qū)Ρ桓男詺怏w擠壓出的凈化部5出口附近的凈化氣體(生成氣體)的組成及各成分的流量進(jìn)行預(yù)測(cè)，生成氣體中的可燃性氣體流量也可獲知。
例如，當(dāng)改性催化劑溫度為400℃時(shí)，如以1NL/分鐘的流量向改性部3供給甲烷作為原料，從圖2可看出，甲烷反應(yīng)率為50％，式(1)的反應(yīng)和式(2)的反應(yīng)比例約為10∶1(但圖中未顯示對(duì)應(yīng)于催化劑溫度的式(1)的反應(yīng)及式(2)的反應(yīng)的比例)。因此，這種情況下的改性氣體包含400℃時(shí)未反應(yīng)的甲烷0.5NL/分鐘、式(1)及式(2)獲得的氫1.95NL/分鐘、式(1)獲得的二氧化碳0.45NL/分鐘、式(2)獲得的一氧化碳0.05NL/分鐘。同樣根據(jù)改性催化劑溫度計(jì)算出改性氣體的流量和各成分的流量，能夠獲知其時(shí)間變化。
根據(jù)改性部3的出口到燃燒器8為止的氣體流路的容積，可獲知利用400℃的改性催化劑獲得的改性氣體被其后生成的改性氣體擠壓通過(guò)轉(zhuǎn)化部4及凈化部5到達(dá)燃燒器8所需時(shí)間。因此，該改性氣體作為生成氣體到達(dá)燃燒器8時(shí)，因?yàn)榭芍摳男詺怏w中可燃性氣體的流量(甲烷0.5NL/分鐘，氫氣1.95NL/分鐘，一氧化碳0.05NL/分鐘)，所以能夠算出對(duì)應(yīng)于各成分的理論空氣量(理論空氣量4.76NL/分鐘(對(duì)應(yīng)于甲烷)、4.64NL/分鐘(對(duì)應(yīng)于氫氣)、0.12NL/分鐘(對(duì)應(yīng)于一氧化碳))，能夠?qū)⒆钸m量的空氣由空氣供給部10供給燃燒器8。
因此，利用來(lái)自原料供給部1的信號(hào)(供給的原料量)及來(lái)自改性溫度檢測(cè)部12的信號(hào)(改性催化劑溫度)可檢測(cè)改性氣體的組成及各成分的流量，決定導(dǎo)入燃燒器8的合適的空氣量，再根據(jù)該量由空氣供給部10向燃燒器8供給空氣。即使在生成氣體的組成及各成分的流量發(fā)生變化的情況下，由于也能夠通過(guò)原料量及改性催化劑溫度對(duì)生成氣體的組成及各成分的流量進(jìn)行預(yù)測(cè)，所以能夠?qū)崿F(xiàn)燃燒器8的穩(wěn)定燃燒狀態(tài)及良好的燃燒排氣特性。燃燒排氣特性是指由于空氣不足或空氣過(guò)多而未進(jìn)行完全燃燒，燃燒排氣中是否含有CO或未燃燒的烴類。即，良好的燃燒排氣特性是指燃燒排氣中幾乎不含CO和未燃燒的烴類。
(2)轉(zhuǎn)化部圖3所示為向鉑族轉(zhuǎn)化催化劑供給含有10體積％的CO、10體積％的CO2及80體積％的H2的標(biāo)準(zhǔn)氣體時(shí)，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)化催化劑溫度的前述轉(zhuǎn)化反應(yīng)后的CO或CO2濃度(體積％)。根據(jù)催化劑的溫度引發(fā)轉(zhuǎn)化反應(yīng)、逆轉(zhuǎn)化反應(yīng)及甲烷化反應(yīng)，確定CO及CH4的量。
控制上述轉(zhuǎn)化催化劑的反應(yīng)狀態(tài)可采用以下方法。即，如圖1所示，在轉(zhuǎn)化部4中設(shè)置轉(zhuǎn)化溫度檢測(cè)部13測(cè)定轉(zhuǎn)化催化劑溫度，此外，如上所述如果根據(jù)供給改性部3的原料量及改性催化劑溫度求得改性氣體的組成及各成分的流量，則能夠根據(jù)轉(zhuǎn)化催化劑溫度預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)化部4的出口及轉(zhuǎn)化氣體的組成及各成分的流量。如果將該轉(zhuǎn)化氣體作為氫發(fā)生裝置產(chǎn)生的生成氣體，則比將改性氣體作為生成氣體時(shí)更能夠正確地預(yù)測(cè)生成氣體中的可燃性氣體的流量。
因此，利用來(lái)自原料供給部1的信號(hào)、來(lái)自改性溫度檢測(cè)部12的信號(hào)及來(lái)自轉(zhuǎn)化溫度檢測(cè)部13的信號(hào)更能夠正確地確定供給燃燒器8的合適的空氣量。
(3)凈化部圖4所示為向鉑族除CO(凈化)催化劑供給含有1體積％的CO、19體積％的CO2及80體積％的H2的標(biāo)準(zhǔn)氣體時(shí)，對(duì)應(yīng)于CO凈化催化劑溫度的前述標(biāo)準(zhǔn)氣體中的CO濃度(ppm)。根據(jù)催化劑溫度由氧化反應(yīng)及逆轉(zhuǎn)化反應(yīng)可決定CO量。
控制上述除CO催化劑的反應(yīng)狀態(tài)可采用以下方法。即，如圖1所示，在凈化部5中設(shè)置凈化溫度檢測(cè)部14測(cè)定凈化催化劑溫度。此外，如上所述，如果根據(jù)供給改性部3的原料量及改性催化劑溫度求得改性氣體的組成及各成分的流量，并進(jìn)一步根據(jù)轉(zhuǎn)化催化劑溫度求得轉(zhuǎn)化氣體的組成及各成分的流量，則能夠根據(jù)凈化催化劑溫度預(yù)測(cè)凈化部5獲得的凈化氣體的組成及各成分的流量。如果將該凈化氣體作為氫發(fā)生裝置產(chǎn)生的生成氣體，則比將改性氣體或轉(zhuǎn)化氣體作為生成氣體時(shí)更能夠正確地預(yù)測(cè)生成氣體中可燃性氣體的流量。
因此，利用來(lái)自原料供給部1的信號(hào)、來(lái)自改性溫度檢測(cè)部12的信號(hào)來(lái)自轉(zhuǎn)化溫度檢測(cè)部13的信號(hào)及來(lái)自凈化溫度檢測(cè)部14的信號(hào)更能夠正確地確定供給燃燒器8的合適的空氣量。
實(shí)施方式2圖5所示為本發(fā)明實(shí)施方式2的氫發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖5所示氫發(fā)生裝置除了控制部15根據(jù)燃料供給部9的信號(hào)檢測(cè)的供給燃燒器8的燃料量和上述實(shí)施方式1求得的生成氣體中的可燃性氣體量預(yù)測(cè)供給燃燒器8的可燃性氣體的總流量之外，其他都和實(shí)施方式1的氫發(fā)生裝置相同。
在僅供給改性部3以原料不能夠使改性部3的溫度充分提高，由燃料供給部9向燃燒器8供給燃料提高燃燒器8的燃燒量的情況下，利用上述構(gòu)成通過(guò)來(lái)自燃料供給部9的信號(hào)控制燃料流量，并預(yù)測(cè)生成氣體中的可燃性氣體流量，能夠?qū)?dǎo)入燃燒器8的可燃性氣體的總流量進(jìn)行預(yù)測(cè)。此外，如果根據(jù)該可燃性氣體的總流量由空氣供給部10向燃燒器8供給適量的空氣，則能夠使燃燒器8具備穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)及良好的燃燒排氣特性。
可在各反應(yīng)部設(shè)置一個(gè)或多個(gè)溫度檢測(cè)部。如果設(shè)置多個(gè)溫度檢測(cè)部，則能夠更精確地控制催化劑的溫度狀態(tài)，可以更準(zhǔn)確地對(duì)生成氣體的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)。
實(shí)施方式3圖6所示為本發(fā)明的另一氫發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖6所示氫發(fā)生裝置的燃燒器8中形成火焰的燃燒室8’具備根據(jù)火焰的離子電流檢測(cè)火焰狀態(tài)的火焰檢測(cè)部。該火焰檢測(cè)部由與火焰21接觸的耐熱性導(dǎo)電體17、隔著火焰21對(duì)導(dǎo)電體17及燃燒器施加規(guī)定電壓的直流電源18、將流過(guò)火焰21的離子電流轉(zhuǎn)換為電壓的電阻19及檢測(cè)電阻19兩端的電壓的電壓檢測(cè)部20構(gòu)成。此外，圖6中的其他主要結(jié)構(gòu)都與圖1所示相同。
本實(shí)施方式的特征是控制部15將改性部3的溫度控制在規(guī)定溫度以下。為了確定燃燒器8的燃燒室8’的火焰是否正常，即檢測(cè)燃燒器8的燃燒狀態(tài)，必須對(duì)火焰21的離子電流進(jìn)行檢測(cè)。如果供給燃燒器8的氣體中不存在甲烷等烴類，則不會(huì)出現(xiàn)該離子電流。因此，如果使改性部3、轉(zhuǎn)化部4及凈化部5的溫度上升，提高作為生成氣體的氫氣的純度，則很難對(duì)離子電流進(jìn)行正確地檢測(cè)。針對(duì)這一情況，本實(shí)施方式中為了利用火焰檢測(cè)部對(duì)離子電流進(jìn)行檢測(cè)，控制部15將改性部3的溫度控制在規(guī)定溫度以下，使生成氣體中包含烴類。這樣就能夠正確地對(duì)離子電流進(jìn)行檢測(cè)，確認(rèn)燃燒及失火狀態(tài)。
此外，利用控制部15控制改性部3的溫度的方法還包括通過(guò)調(diào)節(jié)水供給部2供給改性部3的水量來(lái)控制改性部3的溫度的方法；以及設(shè)置檢測(cè)生成氣體中的烴濃度的烴傳感器(圖中未顯示)，根據(jù)烴傳感器的輸出功率值對(duì)改性部3的溫度進(jìn)行控制的方法等。
以上對(duì)氫發(fā)生裝置在啟動(dòng)時(shí)的情況進(jìn)行了說(shuō)明，這一說(shuō)明也同樣適用于常規(guī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，使各反應(yīng)部的催化劑溫度發(fā)生變化，從而使氫生成量發(fā)生變化的情況。
實(shí)施方式4本發(fā)明還涉及包括上述氫發(fā)生裝置及燃料電池的燃料電池系統(tǒng)(發(fā)電裝置)。圖7為本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖7中，與圖9所示使用了以往的燃料電池的燃料電池系統(tǒng)中的主要構(gòu)件功能相同的構(gòu)件用同一符號(hào)表示。這些構(gòu)件的功能說(shuō)明如上所述。
圖7所示燃料電池系統(tǒng)具備檢測(cè)作為氫發(fā)生裝置主體的改性部106溫度的改性溫度檢測(cè)部120、由供水Y的泵組成的水供給部121及檢測(cè)生成氣體中的烴濃度的烴類檢測(cè)部122。烴類檢測(cè)部122可采用氣相傳感器、紅外線吸收式傳感器或光音式傳感器等。
從燃料電池101的燃料極103排出的排出氣體G’及改性部106產(chǎn)生的生成氣體G分別通過(guò)氣體流路123及123’供給燃燒器109。燃燒器109中設(shè)置了由鼓風(fēng)機(jī)構(gòu)成的用于供給空氣的空氣供給部110。此外，控制部124根據(jù)改性溫度檢測(cè)部120或烴類檢測(cè)部122的測(cè)定值對(duì)水供給部121及空氣供給部110的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。
以下，對(duì)本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)及作用進(jìn)行說(shuō)明。如果向改性部106供給原料X及水Y，通過(guò)水蒸汽改性反應(yīng)由原料X的烴類獲得氫鋰生成氣體G。該生成氣體G及來(lái)自燃料電池的排出氣體G’通過(guò)氣體流路123或123’供給燃燒器109。供給燃燒器109的生成氣體G或排出氣體G’因空氣供給部110供給的空氣而燃燒，在燃燒室108中形成火焰111。火焰111的燃燒氣體對(duì)改性部106進(jìn)行加熱使其溫度上升，從而進(jìn)行水蒸汽反應(yīng)。
通過(guò)將火焰111中的離子的離子電流轉(zhuǎn)換為電阻115兩端產(chǎn)生的電壓，用電壓檢測(cè)部116可檢測(cè)火焰111。供給燃燒器109的生成氣體G或排出氣體G’中包含的烴類如果較多，則火焰111的離子電流也變大，但烴類如果較少，則離子電流小，很難對(duì)火焰111進(jìn)行檢測(cè)。因此，由于有必要將改性部106中未轉(zhuǎn)化為氫的殘留烴量維持在規(guī)定值以上，必須將改性部106的溫度控制在規(guī)定值以下，并將改性部106的烴類轉(zhuǎn)化率控制在規(guī)定值以下。
改性溫度檢測(cè)部120所得溫度信號(hào)被送到控制改性部106溫度的控制部124。改性溫度檢測(cè)部120的溫度如果比規(guī)定溫度高時(shí)，由控制部124使空氣供給部110供給的空氣量增加。如果來(lái)自空氣供給部110的空氣量增加，就能供給大于生成氣體G或排出氣體G’燃燒所需量的空氣量。而且過(guò)量的空氣會(huì)使改性部106完全冷卻，使改性部106的溫度響應(yīng)性迅速下降，這樣就可使供給燃燒的生成氣體G或排出氣體G’中的烴量達(dá)到規(guī)定量以上，其結(jié)果是，能夠穩(wěn)定地使離子電流值增加。
因此，火焰檢測(cè)部112檢測(cè)的電壓也可穩(wěn)定提高，燃燒器109的燃燒及失火的響應(yīng)性良好可精確檢測(cè)。此外，如果火焰111消失，不能夠馬上通過(guò)離子電流，但因?yàn)橛苫鹧鏅z測(cè)部112能檢測(cè)的電壓也馬上下降，所以能夠以良好的響應(yīng)性檢測(cè)燃燒及失火狀態(tài)。
此外，如果改性部106的溫度高于規(guī)定溫度時(shí)，則由控制部124使水供給部121供給的水量增加。如果水供給部121供給的水量增加，因?yàn)槟芟蚋男圆?06供給水蒸汽改性反應(yīng)所必須量以上的水，所以由過(guò)量的水的顯熱及蒸發(fā)潛熱而使改性部106的溫度下降，可降低原料轉(zhuǎn)化率。于是生成氣體G或排出氣體G’中包含的烴類的量可在規(guī)定量以上，離子電流值也增加。因此，能夠通過(guò)火焰檢測(cè)部112精確地對(duì)電壓進(jìn)行檢測(cè)，獲知燃燒及失火狀態(tài)。
此外，利用烴類檢測(cè)部122對(duì)生成氣體G中包含的烴濃度進(jìn)行檢測(cè)，由控制部124算出原料轉(zhuǎn)化率。如果用控制部124對(duì)空氣供給部110及水供給部121的至少一方進(jìn)行控制使算出的轉(zhuǎn)化率在99％以下，則生成氣體G或排出氣體G’中就可殘留1％以上的烴類。將該生成氣體G或排出氣體G’供給燃燒器109，在火焰111中確有離子產(chǎn)生，可確切地檢測(cè)出離子電流。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性如上所述，本發(fā)明的氫發(fā)生裝置具備由啟動(dòng)時(shí)的氫發(fā)生裝置送出的生成氣體供給燃燒器的結(jié)構(gòu)，利用供給的原料量及改性部溫度，控制改性氣體組成及各成分的流量隨時(shí)間的變化，能夠?qū)ι蓺怏w中的可燃性氣體流量進(jìn)行預(yù)測(cè)，供給適量的空氣，能夠獲得穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)及良好的燃燒排氣特性。
此外，通過(guò)測(cè)定轉(zhuǎn)化部及凈化部的溫度，也考慮到轉(zhuǎn)化反應(yīng)及凈化反應(yīng)，能夠更精確地對(duì)生成氣體中的可燃性氣體流量進(jìn)行預(yù)測(cè)，供給最適量的空氣。
又，向燃燒器供給燃料的情況下，通過(guò)對(duì)供給的燃料量及生成氣體中的可燃性氣體的流量進(jìn)行預(yù)測(cè)，也能夠控制供給燃燒器的可燃性氣體的總流量，以供給最適量的空氣，從而獲得穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)及良好的燃燒排氣特性。
此外，通過(guò)將改性溫度控制在規(guī)定溫度以下，能夠?qū)⒏男圆康脑限D(zhuǎn)化率控制在規(guī)定值以下，且將供給燃燒器的氣體中的烴量控制在規(guī)定值以上，使離子電流值增加。因此，能夠提高火焰檢測(cè)部的檢測(cè)電壓，精確地檢測(cè)出燃燒及失火情況。此外，由于能夠檢測(cè)火焰的離子電流，所以如果沒(méi)有火焰存在，立即就沒(méi)有離子電流通過(guò)，檢測(cè)電壓立即下降，能夠以良好的響應(yīng)性檢測(cè)燃燒及失火情況。
權(quán)利要求
1.氫發(fā)生裝置，具備包括原料供給部和水供給部的改性部及包括燃料供給部和空氣供給部的對(duì)前述改性部進(jìn)行加熱的燃燒器，其特征在于，還具備將來(lái)自前述氫發(fā)生裝置的生成氣體導(dǎo)入前述燃燒器的氣體流路、測(cè)定前述改性部溫度的改性溫度檢測(cè)部、以及根據(jù)來(lái)自前述原料供給部的信號(hào)及來(lái)自前述改性溫度檢測(cè)部的信號(hào)對(duì)從前述空氣供給部供給前述燃燒器的空氣量進(jìn)行控制的控制部。
2.如權(quán)利要求1所述的氫發(fā)生裝置，其中，前述控制部在前述氫發(fā)生裝置啟動(dòng)時(shí)使前述原料供給部所提供的原料量按照規(guī)定比例增加，將前述氫發(fā)生裝置產(chǎn)生的生成氣體導(dǎo)入前述燃燒器，并根據(jù)來(lái)自前述原料供給部的信號(hào)及來(lái)自前述改性溫度檢測(cè)部的信號(hào)對(duì)從前述空氣供給部供給前述燃燒器的空氣量進(jìn)行控制。
3.如權(quán)利要求2所述的氫發(fā)生裝置，其中，還具備設(shè)置在前述改性部下流側(cè)的轉(zhuǎn)化部及測(cè)定前述轉(zhuǎn)化部溫度的轉(zhuǎn)化溫度檢測(cè)部，前述控制部根據(jù)來(lái)自前述原料供給部的信號(hào)、來(lái)自前述改性溫度檢測(cè)部的信號(hào)及來(lái)自前述轉(zhuǎn)化溫度檢測(cè)部的信號(hào)對(duì)從前述空氣供給部供給前述燃燒器的空氣量進(jìn)行控制。
4.如權(quán)利要求3所述的氫發(fā)生裝置，其中，還具備設(shè)置在前述轉(zhuǎn)化部下流側(cè)的凈化部及測(cè)定前述凈化部溫度的凈化溫度檢測(cè)部，前述控制部根據(jù)來(lái)自前述原料供給部的信號(hào)、來(lái)自前述改性溫度檢測(cè)部的信號(hào)、來(lái)自前述轉(zhuǎn)化溫度檢測(cè)部的信號(hào)及來(lái)自前述凈化部的信號(hào)對(duì)從前述空氣供給部供給前述燃燒器的空氣量進(jìn)行控制。
5.如權(quán)利要求1所述的氫發(fā)生裝置，其中，前述控制部根據(jù)前述生成氣體中的可燃性氣體量及從前述燃料供給部供給前述燃燒器的燃料量對(duì)供給至前述燃燒器的可燃性氣體量進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)從前述空氣供給部供給前述燃燒器的空氣量進(jìn)行控制。
6.如權(quán)利要求1所述的氫發(fā)生裝置，其中，前述燃燒器具備形成火焰的燃燒室及根據(jù)前述火焰的離子電流對(duì)火焰狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)的火焰檢測(cè)部，前述控制部將前述改性部的溫度控制在規(guī)定溫度以下。
7.如權(quán)利要求6所述的氫發(fā)生裝置，其中，前述控制部通過(guò)調(diào)節(jié)從前述水供給部供給至前述改性部的水量對(duì)前述改性部的溫度進(jìn)行控制。
8.如權(quán)利要求6所述的氫發(fā)生裝置，其中，還具備可檢測(cè)前述生成氣體中的烴濃度的烴傳感器，前述控制部根據(jù)前述烴傳感器的輸出功率值對(duì)前述改性部的溫度進(jìn)行控制。
9.燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，具備燃料電池及權(quán)利要求1～8的任一項(xiàng)所述的氫發(fā)生裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及氫發(fā)生裝置,所述裝置具備包括原料供給部和水供給部的改性部及包括燃料供給部和空氣供給部的對(duì)前述改性部進(jìn)行加熱的燃燒器。為了使燃燒器處于穩(wěn)定的燃燒狀態(tài),并提高操作性及簡(jiǎn)便性,設(shè)置了根據(jù)改性部溫度及供給改性部的原料量對(duì)由前述空氣供給部供給前述燃燒器的空氣量進(jìn)行控制的控制部。
文檔編號(hào)B01D53/04GK1388791SQ01802530
公開(kāi)日2003年1月1日 申請(qǐng)日期2001年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月25日
發(fā)明者麻生智倫, 前西晃, 富澤猛 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社