专利名称：燃料改良系统及其控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料改良系统。特别是涉及一种设置有一个用于吸收氧化氮(NOx)的NOx捕集器的燃料改良系统。
背景技术：
有时使用一启动燃烧器来给一燃料改良系统的改良器进行加温。由于产生大量的燃烧热，因此，较好的是，该启动燃烧器以大致化学当量比燃烧燃料。然而，当燃烧工作以大致化学当量比进行时，由于燃烧温度较高，因此因空气中氧和氮之间产生反应的结果而产生大量的NOx。因此，NOx成份由可能存在于从该燃料改良系统中排出的废气中。此外，当将该燃料改良系统应用到一燃料电池中时，进入该燃料电池中的NOx成为使该燃料电池恶化或污染的一个原因。防止产生NOx的一个方法包括将该燃烧器中的温度控制到不产生NOx的温度。
公开在日本专利局1997年出版的日本专利申请特开平9-063619中的一种常规技术，将该启动燃烧器的过量空气系数(空燃比/化学当量比)，设置为一个比1大的值，例如为3。因此，因引入该启动燃烧器中的过量空气的作用，燃烧温度得到了抑制。
本发明的概述然而，这种方法导致很难保持火焰特性，并且不能获得稳定的启动燃烧。另外，尽管可以借助于抑制氧化反应中使用的燃料量来抑制该燃烧器中的温度，但这将带来这样的缺点，即，没有产生启动该改良器所需要的热量。
因此，本发明的目的是，在去除该燃料改良系统中的NOx的同时使该燃料改良系统中的启动工作提前。
为了实现上述目的，本发明提供了一种燃料改良系统，该系统具有一个用于对燃料进行改良从而产生一种包含氢气(H2)和一氧化碳(CO)气体的重整气体的改良器；一个用于使该重整气体中含有的一氧化碳与水(H2O)产生反应从而生成氢的变换转换器；一个去除从该变换转换器中排出的重整气体中的CO气体并将该重整气体提供给使用氢气的设备的CO氧化器；一个用于将燃烧气体提供给该改良器，变换转换器和CO氧化器从而使该燃料改良系统加温的启动燃烧器；和一个允许该燃烧气体/重整气体流流过的通道，该气体通道从该启动燃烧器穿过该改良器，变换转换器和CO氧化器延伸到该使用氢气的设备。该燃料改良系统包括一个用于将燃料供给该启动燃烧器的第一燃料供给装置；一个用于将燃料供给该改良器的第二燃料供给装置；一个用于将空气供给该启动燃烧器的空气供给装置；一个用于使供给该启动燃烧器的燃料点火的火花塞；一个设置在该启动燃烧器和使用氢气的设备之间的NOx捕集器，该NOx捕集器吸收该燃烧气体中的氧化氮；和一个用于控制该燃料改良系统的加温工作的控制器。
该控制器具有下列功能即，指令该空气供给装置将空气供给该启动燃烧器；指令该第一燃料供给装置将燃料供给该启动燃烧器；指令该火花塞点燃该启动燃烧器中的燃料从而在该启动燃烧器中发生燃烧；及在发生燃烧后并已经经过一第一预定时间后，指令该第一燃料供给装置停止将燃料供给该启动燃烧器，然后指令该第二燃料供给装置将燃料供给该改良器。
本发明的细节及其他特性和优点将在该说明书的剩余部分中表达，并示出在各附图中。
附图的简要说明
图1是根据一第一实施例所述的一燃料改良系统的一示意图；图2是表示由该第一实施例所述的控制器执行的控制流程的一流程图；图3是表示一第二实施例所述的一燃料改良系统的一示意图；图4是表示由该第二实施例所述的控制器执行的控制流程的一流程图；图5是一个表示燃烧温度与空燃比的关系，NOx的排放量与空燃比的关系，及H2和CO的总排放量与空燃比的关系的曲线图。
图6是表示由该第三实施例所述的控制器执行的控制流程的一流程图；图7是表示一第四实施例所述的燃料改良系统的一示意图。
各优化实施例的详细说明参见图1来说明第一实施例。该燃料改良系统70设置有一个燃料箱1，一个改良器4，一个变换转换器5，一个CO氧化器6和一个启动燃烧器11。在本说明书中，该改良器4，变换转换器5和CO氧化器6在某些情况下被简称作“反应器”。
该燃料箱1储存诸如碳氢(例如汽油)或酒精(例如甲醇)之类的燃料。该改良器4利用燃料和水之间的反应来改良燃料，以便产生一种主要包括一氧化碳(CO)，氢(H2)气和二氧化碳(CO2)的重整气体。该变换转换器5使水(H2O)与从该改良器4中排出的该重整气体中的CO气体反应，从而产生氢气和二氧化碳。该CO氧化器6使CO氧化，从该变换转换器5中排出的该富氢的重整气体中有选择地去除CO，并将最终的重整气体提供给燃料电池组41。这种示例的燃料电池组41需要提供重整气体来产生功率。然而，该CO氧化器6也可以将气体提供给其他需要重整气体的设备。较好的是，该CO氧化器6是一个氧化反应器。该启动燃烧器11将燃烧气体提供给设置在该启动燃烧器11下游的改良器4，变换转换器5和CO氧化器6。
该燃料改良系统设置有一个允许燃烧气体流从该启动燃烧器11，通过该改良器4，变换转换器5和CO氧化器6流到该燃料电池组41，并允许该重整气体流从该改良器4流到该燃料电池组41的气体通道31。
该燃料改良系统70设置有一个用于将燃料从燃料箱1提供给启动燃烧器11的第一燃料供给装置81，一个用于将燃料从该燃料箱1供给该改良器4的第二燃料供给装置82，一个用于将空气从该燃料改良系统外供给该启动燃烧器11的第一空气供给装置83，一个用于从该燃料改良系统外将空气供给该改良器4的第二空气供给装置84，和一个用于将水从水箱(未示出)中供给该改良器4的水供给装置85。
该第一燃料供给装置81设置有一个从一燃料箱1中泵送燃料的泵12和一个将该燃料喷射到该启动燃烧器11中的燃料喷射器13。该第二燃料供给装置82设置有一个从一燃料箱1中泵送燃料的泵2和一个将该燃料喷射到该改良器4中的燃料喷射器3。该第一空气供给装置83设置有一个提供空气同时控制空气流量的空气压缩机14。该第二空气供给装置84设置有一个控制控制空气流量的流动控制阀10和一个提供空气的空气压缩机9。该水供给装置85设置有一个从水箱(未示出)泵送水的泵7，和一个将水喷射入该改良器4中的喷水器8中。
该控制器20设置有一个包括一中央处理器(CPU)，一只读储存器(ROM)和一个随机储存器(RAM)及一个输入/输出接口(I/O接口)的微处理机。该控制器20控制该流动控制阀10，该燃料喷射器3，水喷射器8，以便调节供给该改良器4的水，空气和燃料的流量。根据各反应器的温度，诸如该改良器4和该燃料电池组41的负荷情况，该控制器20还控制泵12，燃料喷射器13，空气压缩机14和火花塞15。
当改良汽油时，该改良器，变换转换器和C0氧化器通常可用的温度范围分别大于或等于650℃，200-450℃，和80-250℃。
通常用来启动和停止该系统的各燃料改良系统，例如一种汽车燃料改良系统，在尽可能快地将温度增到可用温度范围方面遇到了相当多的问题。迅速增加反应器的温度的一个方法包括在设置在该燃料改良系统70中的启动燃烧器11中产生大量的热量，并将该热量提供给一下游反应器。
如图1所示，燃料从燃料箱1中通过泵12和燃料喷射器13提供给该启动燃烧器11。空气由一空气压缩机14供给。燃料由火花塞15点燃在该启动燃烧器11中燃烧。该启动燃烧器11中产生的燃烧气体供给下游的改良器4，变换转换器5和用于加热工作的CO氧化器6。
当最后的热量过剩时，该启动燃烧器11的内部将产生过热，从而导致氮氧化物(NOx)的形成。结果是，该常规技术使燃烧温度抑制到不产生NOx的温度。
为了取消对燃烧温度的上述限制，本发明提供了一种用于吸收NOx的NOx捕集器16。该NOx捕集器16设置在该燃料电池组41的下游，并较好的是处于该CO氧化器6的上游，该捕集器包括一种吸收NOx的NOx捕集材料。在第一实施例中，该NOx捕集器16设置在该改良器4和变换转换器5之间。该NOx捕集器16吸收包含在该燃烧气体中的NOx，从而使该改良器4加热。利用正好在加热完成之后产生的重整气体中的具有还原性能的各种气体，即利用一氧化碳(CO)气体和氢气(H2)来使吸收的NOx还原并分解。按这种方式，该启动燃烧器11允许在产生NOx的温度范围内进行燃烧。在不考虑所使用的燃料类型时，通常产生NOx的温度范围的下限阈值温度是大约950℃。
由于在该燃料改良系统70中该启动燃烧器11的下游的该燃烧气体或重整气体中设置有一个吸收NOx的NOx捕集器，因此，以大于大约950℃的温度在该启动燃烧器11中进行燃烧产生的NOx被消除了。否则，在温度小于950℃时，因燃烧温度的局部增加形成的不均匀燃烧而产生的NOx，能利用该NOx捕集器16从该启动燃烧器11中排出的燃烧气体中去除。由于由该NOx捕集器16吸收的NOx，能由正好在加温完成后产生的该重整气体中的一氧化碳和氢气分解，因此该改良器4可利用该高温燃烧气体迅速启动，而不会导致NOx排放到该燃料电池组41中。
下面来详细说明该NOx捕集器16。
该NOx捕集器16设置有一种捕集NOx的NOx捕集材料。该NOx捕集材料包括作为催化剂的贵金属或过渡金属(或它们两者)。此外，NOx捕集材料包括碱金属或碱土金属(或它们两者)作为NOx吸收剂。该贵金属可以是铂(Pt)，铑(Rh)，钯(Pd)或钌(Ru)。该过渡金属可以是铜(Cu)，镍(Ni)或钴(Co)。该碱金属可以是锂(Li)，钠(Na)，钾(K)或铯(Cs)。该碱土金属可以是镁(Mg)，钙(Ca)，锶(Sr)或钡(Ba)。
NOx的吸收机理如下(a)NO，NO2分子钡吸收在钙贵金属或过渡金属的表面上；(b)已经因该贵金属或过渡金属的氧化作用而变得具有高的氧化性的NOx附着到该贵金属或过渡金属的表面上；(C)已经因该贵金属或过渡金属的氧化作用而变得具有高的氧化性的NOx(此时X＞2)，与碱金属或碱土金属进行离子介质键连接，例如呈K(NO3)或Ba(NO3)2的形式。
根据利用傅立叶转换的红外频谱分析仪对附着的NOx进行的频谱分析，取决于该NOx捕集材料的温度，该NOx捕集材料的表面条件和环境气体中氧的浓度，存在几种NOx的吸收形式。因此，在标明该NOx的状态时遇到了相当大的困难。
在大约100℃-550℃的温度范围内，该NOx捕集材料能吸收NOx。在小于大约100℃的温度时，因冷凝水存在于该NOx捕集材料的表面上，从而防碍了该NOx捕集材料表面的NOx吸收。在温度大于550℃时，吸收的NOx中的热能超过该NOx捕集材料表面的NOx吸收能，从而导致NOx离开该表面。更进一步地，离子介质种类的吸收(NO3-)从热力学上讲变得不稳定了，并且作为NO或NO2排出。
吸收的NOx由包含在该重整气体中的还原气体，即由氢气(H2)或一氧化碳(CO)还原并分解。由于NOx是按不同的方式吸收的，因此具有许多反应路线。一种NOx的还原反应示出如下
本发明发发明人通过试验已经证实在温度大于150℃时这些反应加强。
下面将详细说明在燃料改良系统70中使用还原反应来分解吸收的NOx。
用于分解吸收的NOx的氢气和CO气体的总量从该改良器4的出口到该CO氧化器6的进口基本上是固定的值。这是因为理论上讲，该改良器4中产生的CO气体转换为CO2气体，同时通过变换反应产生等量莫尔的H2。当使用普通的燃料时，在用于还原由该NOx捕集材料吸收的NOx的重整气体中的H2和CO气体的总浓度为25-40％的体积。
当一台内燃机设置有一个用于净化废气的公知NOx捕集催化剂时，在富峰值工作期间产生并用于分解吸收的NOx的H2气体和CO气体的总浓度小于或等于该废气体积的10％。这是因为在过量空气系数λ(空燃比/化学当量比)小于0.7时进行富峰值工作是很困难的。当内燃机使用NOx捕集催化剂来净化废气时，在废气中较低浓度的H2气体和CO气体将导致NOx分解不充分。因此，在正常的条件下，流入NOx捕集催化剂中的NOx的5-20％将排到该NOx捕集催化剂的下游。
相反，在该改良器4产生的重整气体中的气态还原剂(CO和H2)的浓度比该内燃机中排出的废气的浓度大2-4倍。当NOx捕集器16设置在该燃料改良系统70中时，有可能获得一个大约大于99％的NOx分解效率。
如上所述，一燃料改良系统70的启动工作由一控制器20控制。图2所示流程图表示一个在一燃料改良系统70的启动期间执行的控制流程。在该控制流程中，每个步骤包括一个或多个由该控制器20提供的指令。
首先，在步骤S1中，使燃烧在该启动燃烧器11中开始。此时，泵12得到指令从燃料箱1中泵送燃料，而压缩机14得到指令提供空气给该启动燃烧器11。该燃料喷射器13得到指令将燃料喷射入该启动燃烧器11。一火花塞15得到指令点燃该燃料。结果是，燃料在该启动燃烧器11中燃烧。此时，表示经过时间的变量T的初始值为0。此时，燃料和空气的供给量由控制器20调节，以致于燃烧温度高于该阈值温度。在该阈值温度之上产生NOx。不管燃料的类型如何，该阈值温度都是大约950℃。例如，燃烧温度被控制到1050℃的目标燃烧温度，该温度比该阈值温度高100℃。从空燃比控制的观点出发，空气和燃料流量受到了控制，以便实现稀薄空燃比A1，该空燃比可以实现图5所示的目标燃烧温度1050℃。参见图5，在稀薄空燃比A1时，在燃烧气体中基本上不存在CO和H2。
因此，将高温燃烧气体引入该改良器4中，从而迅速增加该改良器4的温度。由于该燃烧气体的温度被控制到一个高于上述阈值温度的温度(例如1050℃)，则空气中氧气和氮气之间发生反应，形成NOx。然而，这种NOx由设置在该启动燃烧器11下游的NOx捕集器16消除，因此可以防止NOx排出到该NOx捕集器16的下游。
然后，在步骤S2中，表示时间T的变量增加1。变量T表示在S1步骤加热工作开始后经过的时间。该变量T的值每单位时间增加1。当该单位时间是一秒时，则每秒计数器的T都增加。
在步骤S3中，确定表示时间的变量T是否大于一第一预定值TAO。当变量T小于或等于第一预定值TAO时，流程返回到步骤S2处。当变量T大于第一预定值TAO时，流程进行到步骤S4处。该第一预定值TAO表示用燃烧气体加热该改良器4，变换转换器5和CO氧化器6所需要的时间，并且这一点取决于若干因素，例如该启动燃烧器11产生的热量，该反应器和启动燃烧器11的热容量，该CO氧化器6的进口的目标温度。在目标温度之上，该CO氧化器6可以成功地去除CO。例如对用于一个输出功率为65KW并且该CO氧化器进口的目标温度为120℃的燃料电池组的燃料改良系统来说，该第一预定时间TAO为大约90秒。该第一预定时间TAO事先由试验确定，并且储存在该控制器20的储存器中。
当每个反应器的加温工作结束(已经经过预定时间TAO)时，流程进行到步骤S4，此时停止将燃料和空气供给该启动燃烧器11。此时，燃料喷射器13得到指令停止，并且空气压缩机14得到指令停止工作。然后，在步骤S5处，将空气，水和燃料供给该改良器4，并开始各种重整反应。此时，泵2，7和空气压缩机9得到指令开始工作，流动控制阀10得到指令，从而开启，燃料喷射器3得到指令，开始将燃料喷射到该改良器21，而水喷射器8得到指令，开始将水喷射到该改良器21。
由于由改良器4产生的重整气体被提供给NOx捕集器16，因此由该NOx捕集器16的NOx捕集材料吸收的NOx由该重整气体中存在的CO气体和H2气体进行还原并分解。
在步骤S6中，变量T的初始值为0，并且控制流程终止。
参见图3，将说明本发明的第二实施例。在第一实施例中，各反应器的加热工作只利用从该启动燃烧器11供给的燃烧气体的热量来完成。然而，在第二实施例中，除了利用燃烧气体的热量外，每个反应器的加温工作由每个反应器内部燃烧气体中的CO和H2与氧气产生氧化反应产生的热量来完成。借助于使该启动燃烧器11中空燃比变富，该启动燃烧器11来的燃烧气体能包含气态的CO和H2。由于在第一和第二实施例中，完全相同的零部件标以相同的参考标号，因此对这些零部件的再次说明将被省略。
在该实施例中，一个包含吸收NOx的NOx捕集材料的NOx捕集器设置在该改良器4，变换转换器5和CO氧化器6的至少一个中。在图3中，一个包含一NOx捕集材料的NOx捕集器设置在该改良器4，变换转换器5和CO氧化器6的每一个中。该NOx捕集材料设置在每个反应器中，并可以与每个反应器的催化剂混合。因此，由于每个反应器具有NOx捕集功能，气态的CO和H2与氧气在各反应器中的各种反应可以以比各反应器不捕集NOx的温度更低的温度开始工作。这是因为当NOx(X＞2)被吸收在NOx捕集材料中时氧化反应的启动温度，比氧气只以气态存在时的更低。与通常的气态氧气相比，包含在吸收的NOx(X＞2)中的氧气是活性的，原因是，由于NOx与该NOx捕集材料表面上的电子的相互作用的结果，使N-O连接键变得比较弱。因此，吸收的NOx用作活性氧的氧源。此外，当表示氧的“X”值更大并且氧气总表现出游离的倾向时，NOx通常是不稳定的。因此，这种形式的NOx可用作强氧化剂。例如，与NOx吸收剂键连接的氮离子NO3-可用作强氧化剂。
在另一方面，除利用燃烧气体的热量加热之外，具有这样的加热各反应器的方法，即，借助于将气态CO和H2引入各反应器中，并在各反应器中引入包含氧化CO和H2所需要的氧气量的空气。
因此，该反应器由发生在该反应器中的氧化反应产生的热量迅速加热。首先，包含在燃烧气体中的CO和H2用NOx作为氧化剂与氧气发生反应。接着，包含在燃烧气体中的CO和H2用空气作为氧化剂与氧气发生反应。该空气压缩机24通过流动控制阀25将空气供给该变换转换器22和CO氧化器23。由于存在吸收并作为活性氧源的NOx，在更低的温度时开始各种氧化反应将使加温工作迅速实现。
参见图4中的流程图，下面说明本发明的第二实施例所述的控制器20执行的控制流程。
首先，在步骤S11中，使燃烧在该启动燃烧器11中开始。此时，泵12得到指令从燃料箱1中泵送燃料，而压缩机14得到指令提供空气给该启动燃烧器11。该燃料喷射器13得到指令将燃料喷射入该启动燃烧器11。该燃料由一火花塞15点燃。燃料按这种方式燃烧。此时，表示经过时间的变量T的初始值为0。在这时，空燃比控制为图5所示的空燃比A1。在空燃比A1为稀薄的时，燃烧温度高于950℃。
因此，高温燃烧气体被引入该改良器21中，并且借助于该燃烧气体的热量，该改良器21的温度迅速上升。由于启动燃烧器11中的燃烧温度较高，因此各种反应在空气中氧气和氮气之间发生，并导致在燃烧气体中形成NOx。然而，这种NOx由具有NOx吸收作用并设置在该启动燃烧器11下游的改良器21，变换转换器22和CO氧化器进行还原。因此，可以防止NOx排出到燃料电池组41中。
然后，在步骤S12处，表示时间的变量T增加1。在步骤S13处，将在步骤S11中启动工作启动后经过的时间T与第二预定时间TBO比较。当经过时间T小于该预定时间TBO得到确定时，流程返回到步骤S12。当经过时间T大于大于该第二预定时间TBO时，流程进行到步骤S14。TBO值事先由试验确定，并储存在该控制器20的储存器中。该第二预定时间TBO表示达到使吸收NOx的改良器21，变换转换器22和CO氧化器23可以氧化H2和CO的温度的时间。如果每个反应器都没有NOx捕集材料，则各反应器达到各自使H2和CO进行氧化反应的温度的时间TB1，比每个反应器设置有NOx捕集材料的时间更长。将该时间TB1储存在该控制器20的储存器中，并作用下述步骤S17中的第三预定时间TB1。该时间TB1取决于下列各种因素例如启动燃烧器11产生的热量，各反应器和启动燃烧器11的热容量，CO氧化器16的进口的目标温度。对用于一燃料电池组并且其输出功率为65KW的燃料改良系统来说，该时间TB1为大约70秒。
在步骤S14中，该启动燃烧器11的燃烧状态从稀薄空燃比A1切换到图5所示的空燃比为B1的富燃烧状态。此时，该控制器20控制由燃料喷射器13和空气压缩机14供给该启动燃烧器11的燃料和空气量。按这种方式，供给该启动燃烧器11的H2气和CO气体的量增加。由该NOx捕集材料吸收的NOx用作活性氧源，并在该NOx捕集材料上使H2和CO与氧气产生反应。
在步骤S15中，空气压缩机9和流量控制阀10得到指令，开始将空气供给该改良器21，并且该空气压缩机24和流量控制阀25得到指令，开始将空气供给该变换转换器22和CO氧化器23。此时，借助于从一个处于各反应器的上游的部分供给空气，可以进一步加强每个反应器中的氧化反应，以便进一步增加各氧化反应的热量。
如果因缺少NOx捕集材料而没有使NOx吸收在每个反应器中，则在这个步骤处，每个反应器的温度将是一个不会发生氧化反应的温度。然而，在该实施例中，由于NOx吸收在每个反应器的NOx捕集材料中，则产生氧化反应的最低温度将降低20℃。尽管氢气和氧气之间产生氧化反应的最低温度为大约120℃，但氢气和吸收的NOx中的氧气之间的产生氧化反应的最低温度为大约110℃。类似的，尽管CO和氧气之间产生氧化反应的最低温度为大约150℃，但CO和吸收的NOx中的氧气之间的产生氧化反应的最低温度为大约130℃。因此，在步骤S15中，氧化反应在每个反应器中开始进行。这样就可以使每个反应器的加温时间缩短。当该燃料改良系统70进行燃料重整工作时，不管工作条件如何，NOx的分解都可以加强。
在步骤S16中，表示经过时间的变量T增加1。在步骤S17中，确定在步骤S11中加热工作开始之后经过的时间T是否大于一第三预定时间TB1。当经过时间T小于或等于第三预定时间TB1时，流程返回到步骤S16。当经过时间T大于该第三预定时间TB1时，流程进行到步骤S18处。
在步骤S18处，由于每个反应器的加温工作结束了，因此停止将空气和燃料供给该启动燃烧器11。此时，燃料喷射器13得到指令，停止喷射燃料，并且空气压缩机14得到指令，停止供给空气。借助于命令流动控制阀10和流动控制阀25关闭，从而停止将空气供给每个反应器21，22，23。
接着，在步骤S19中，将重整工作所需要的燃料，空气和水量供给该改良器21，并且启动改良工作。此时，泵2，7和空气压缩机9得到指令开始工作，流动控制阀10得到指令开始打开，燃料喷射器13得到指令开始将燃料喷射给该改良器21，并且水喷射器8得到指令开始将水喷射给该改良器21。
在改良工作期间，在NOx捕集材料上残留的NOx由该改良器21产生的H2和CO分解。
在步骤S20中，变量T的初始值为O，并且控制流程终止。
在第二实施例中，在每个反应器21，22，23中已经设置有一NOx吸收功能。然而，没有必要在所有反应器中都设置这种功能，例如只在改良器21中设置有这种吸收功能。
在第二实施例中，该控制器20根据燃烧开始后的经过时间，即根据随该经过时间增加的该NOx捕集材料的温度切换该启动燃烧器11的燃烧状态。按这种方式，由于NOx没有因吸收而去除，因此有可能防止该NOx从该改良系统中排放出去。如果每个反应器设置有一温度传感器来检测该NOx捕集器的温度，则控制器20可以根据直接测得的NOx捕集器温度，以类似于图4的流程图所示的控制流程，控制该启动燃烧器11的工作。
参见图6中的流程图，根据本发明的第三实施例，一个由控制器20执行的控制流程将在下面说明。该燃料改良系统的结构与第一实施例的相同。
该第三实施例的目的是为了降低该启动燃烧器11刚刚启动后从该启动燃烧器11中排出的NOx的排放。在温度大致小于100℃时，在该NOx捕集器中吸收有湿气。因此存在该NOx捕集器不能按最佳方式吸收NOx的可能性。这样，该启动燃烧器11进行低温燃烧直到该NOx捕集器达到大约100℃的预定温度为止，在该低温燃烧时，排放的NOx量较低。当NOx捕集器的温度超过大约100℃的预定温度后，该启动燃烧器11执行与第一实施例相同的控制流程。
在步骤S21中，将燃料和空气供给该启动燃烧器11，并且由火花塞15按与步骤S1和S11相似的方式点燃。此时，表示时间的变量T的初始值为0。然后，在步骤S22中，该变量T增加1。此时将空燃比控制得与图5所示的空燃比C1一致。应该注意该空燃比C1比空燃比A1更小，结果是燃烧本身不稳定，并难于控制。但不稳定的燃烧只进行一较短的第四预定时间TCO。该第四预定时间TCO表示将NOx捕集器16的温度增加到该NOx捕集材料可以消除冷凝水的温度所需要的时间，即，启动工作开始后直到该NOx捕集器16的温度达到大约100℃时所经过的时间。在这样的燃烧条件下产生的NOx量与空燃比为A1时的燃烧相比因燃烧温度较低而较小。
在步骤S23中，确定表示加热工作开始后经过的时间的变量T是否大于第四预定时间TCO。当表示经过时间的变量T小于第四预定时间TCO时，流程返回到步骤S22。当表示经过时间的变量T大于第四预定时间TCO时，流程进行到步骤S1。S1步骤后的后续各步骤与表示第一实施例的控制流程的图2中所示的步骤S1-S6相同。因此省略了对它们的另外说明。
按这种方式，直到NOx捕集材料的加温工作结束，在一个借助于利用空燃比为C1时的稀薄燃烧，降低该启动燃烧器11中的NOx排放的燃料改良系统中，NOx排放可以进一步降低。
在一第三实施例中，该控制器20根据燃烧开始后经过的时间，即，在该NOx捕集器的温度增加以致于可以利用吸收来防止NOx从该改良系统70中排出的同时，切换该启动燃烧器11的燃烧状态。如果每个反应器设置有一个温度传感器来检测该NOx捕集器的温度，则该控制器20可以根据直接测得的NOx捕集器的温度，按与图4中的流程相似的方式，控制该启动燃烧器11的工作。
参见图7，下面说明第四实施例。该第四实施例在第一实施例中另加了一个第二NOx捕集器30。该第二NOx捕集器30设置在该启动燃烧器11和改良器4之间。这就是说，NOx捕集器分别直接设置在启动燃烧器11的下游和改良器4的下游。
第一NOx捕集器16设置在改良器4和变换转换器5之间。刚刚在该燃料改良系统70用的加温工作开始后，高温燃烧气体直接流入直接设置在该启动燃烧器11下游的该第二NOx捕集器30中。该第二NOx捕集器30迅速吸收NOx。在此同时，设置在该第二NOx捕集器30下游的第一NOx捕集器16中的NOx捕集材料，由不含NOx的燃烧气体加温。如果该第二NOx捕集器30的温度超过500-550℃(该温度为最大温度，在该温度之下，NOx能被吸收)，则吸收的NOx将排出到该第二NOx捕集器30的下游。因此，该燃料改良系统70是合适的，以致于在该第二NOx捕集器30的温度超过500-550℃中的一温度之前，该第一NOx捕集器16的NOx捕集材料的温度达到比大约100℃大的温度。在大于大约100℃的温度处，由于由该第一NOx捕集器16的NOx捕集材料吸收的湿气被消除了，因此利用吸收，该第一NOx捕集器16可以消除NOx。按这种方式，从该改良系统70排出的NOx可以利用两个NOx捕集器有效地去除。由于气体通道31允许重整气体从该改良器4流到该第二NOx捕集器30，因此，在加热工作完成后，吸收在该第二NOx捕集器30中的NOx，如第一NOx捕集器16的情况那样，可以利用该改良器4产生的重整气体进行分解。
在上述各实施例中，一燃料改良系统70产生一种富含H2的重整气体，并将该重整气体提供给燃料电池组41。然而，该燃料改良系统并不限于用于燃料电池，也可以将该重整气体提供给一个使用富氧H2的重整气体的设备。
从上述各实施例的说明可以看出，本发明可以应用到带有不同的结构的改良系统中。例如，可以将本发明应用到一个带有一不同的组合型反应器的改良系统中。
日本专利申请P2001-350997(申请日为2001年11月16日)的全部内容结合在本文中并作为参考。
尽管上述结合一些实施例对本发明进行了说明，但本发明并不仅限于上述各实施例。对本技术领域的普通技术人员来说，根据上述教导，可以作出各种改进和变型。本发明的范围由后附的各权利要求限定。
工业实用性本发明可以应用到一个包含一个诸如燃烧器之类的NOx源的燃料改良系统中，从而导致从该燃料改良系统中排出的重整气体中的NOx降低。根据本发明，该燃料改良系统可以将不带NOx的氢气提供给诸一燃料电池之类的设备。
权利要求
1.一种燃料改良系统，该系统具有一个用于对燃料进行改良从而产生一种包含氢气(H2)和一氧化碳(CO)气体的重整气体的改良器(4，21)；一个用于使该重整气体中含有的一氧化碳与水(H2O)产生反应从而生成氢的变换转换器(5，22)；一个去除从该变换转换器中排出的重整气体中的CO气体并将该重整气体提供给使用氢气的设备(41)的CO氧化器(6，23)；一个用于将燃烧气体提供给该改良器，变换转换器(5，22)和CO氧化器(6，23)从而使该燃料改良系统加温的启动燃烧器(11)；和一个允许该燃烧气体/重整气体流流过的气体通道(31)，该气体通道从该启动燃烧器穿过该改良器，变换转换器和CO氧化器延伸到该使用氢气的设备；该燃料改良系统包括一个用于将燃料供给该启动燃烧器(11)的第一燃料供给装置(81)；一个用于将燃料供给该改良器(4)的第二燃料供给装置(82)；一个用于将空气供给该启动燃烧器(11)的空气供给装置(83)；一个用于使供给该启动燃烧器(11)的燃料点火的火花塞(15)；一个设置在该启动燃烧器和使用氢气的设备(41)之间的NOx捕集器(16，30)，该NOx捕集器吸收该燃烧气体中的氧化氮；和一个用于控制该燃料改良系统的加温工作的控制器(20)，该控制器具有下列功能即，指令该空气供给装置(83)将空气供给该启动燃烧器(11)；指令该第一燃料供给装置(81)将燃料供给该启动燃烧器(11)；指令该火花塞(15)点燃该启动燃烧器(11)中的燃料从而在该启动燃烧器中发生燃烧；及在发生燃烧后并已经经过一第一预定时间(TAO，TB1)后，指令该第一燃料供给装置停止将燃料供给该启动燃烧器，然后指令该第二燃料供给装置(82)将燃料供给该改良器。
2.如权利要求1所述燃料改良系统，其中该改良器(21)，变换转换器(22)和CO氧化器(23)中的至少一个包括NOx捕集器。
3.如权利要求1或2所述燃料改良系统，其中该控制器还具有根据该NOx捕集器的温度，控制从该空气供给装置(83)供给该启动燃烧器(11)的空气流量，和从该第一燃料供给装置(81)供给该启动燃烧器(11)的燃料流量的功能。
4.如权利要求3所述燃料改良系统，其中该控制器还具有控制从该空气供给装置(83)供给该启动燃烧器(11)的空气流量，和从该第一燃料供给装置(81)供给该启动燃烧器(11)的燃料流量，使空燃比为第一稀薄空燃比(C1)，直到NOx捕集器达到一预定时间为止，和在该NOx捕集器达到该预定温度后，使空燃比为一第二稀薄空燃比(A1)的功能，该第一空燃比(C1)比该第二空燃比(A1)稀薄。
5.如权利要求4所述燃料改良系统，其中该预定温度基本上等于100℃。
6.如权利要求1或2所述燃料改良系统，其中该控制器还具有根据该启动燃烧器中的燃烧开始后所经过的时间，控制从该空气供给装置(83)供给该启动燃烧器(11)的空气流量，和从该第一燃料供给装置(81)供给该启动燃烧器(11)的燃料流量的功能。
7.如权利要求2所述燃料改良系统，其中该控制器(20)还具有控制从该空气供给装置(83)供给该启动燃烧器(11)的空气流量，和从该第一燃料供给装置(81)供给该启动燃烧器(11)的燃料流量的功能，从而产生一稀薄空燃比(A1)，直到该启动燃烧器中的燃烧开始后经过一第二预定时间(TBO)为止，并且在该启动燃烧器中的燃烧开始后经过一第二预定时间后，产生一富的空燃比(B1)，该第二预定时间比第一预定时间短。
8.如权利要求7所述燃料改良系统，其中该第二预定时间(TBO)是该启动燃烧器(11)开始燃烧后，直到该NOx捕集器的温度达到该NOx捕集器吸收的氮氧化物可以氧化氢气(H2)和一氧化碳(CO)的温度为止，所经过的时间。
9.如权利要求1所述燃料改良系统，其中该NOx捕集器(16)设置在改良器(4)和变换转换器(5)之间的气体通道(31)中。
10.如权利要求9所述燃料改良系统，其中另一个NOx捕集器(30)设置在改良器(4)和启动燃烧器(11)之间的气体通道(31)中。
11.如权利要求1所述燃料改良系统，其中该第一预定时间是对变换转换器，改良器和CO氧化器进行加温所需的时间。
12.如权利要求1所述燃料改良系统，其中该NOx捕集器(16)吸收的氮氧化物由包含在重整气体中的氢气(H2)和一氧化碳(CO)气体还原。
13.如权利要求1所述燃料改良系统，其中该NOx捕集器(16)设置有一NOx捕集材料，该捕集材料包括一贵金属和一过渡金属种的至少一种，且还包括一碱金属和一碱土金属种的至少一种。
14.一种用于控制一燃料改良系统的控制方法，该燃料改良系统具有一个用于对燃料进行改良从而产生一种包含氢气(H2)和一氧化碳(CO)气体的重整气体的改良器(4，21)；一个用于使该重整气体中含有的一氧化碳与水(H2O)产生反应从而生成氢的变换转换器(5，22)；一个去除从该变换转换器中排出的重整气体中的CO气体并将该重整气体提供给使用氢气的设备(41)的CO氧化器(6，23)；一个用于将燃烧气体提供给该改良器，变换转换器(5，22)和CO氧化器(6，23)从而使该燃料改良系统加温的启动燃烧器(11)；一个设置在该启动燃烧器和使用氢气的设备(41)之间的NOx捕集器(16，30)；和一个允许该燃烧气体/重整气体流流过的气体通道(31)；该NOx捕集器吸收该燃烧气体中的氮氧化物，该气体通道从该启动燃烧器穿过该改良器，变换转换器和CO氧化器延伸到该使用氢气的设备；该控制方法包括将燃料供给该启动燃烧器(11)；将空气供给该启动燃烧器(11)；点燃供给该启动燃烧器(11)的燃料；在燃烧开始后已经经过一第一预定时间后停止将燃料供给该启动燃烧器(11)；及将燃料供给该改良器。
全文摘要
一种燃料改良系统，该系统具有一个用于对燃料进行改良从而产生一种重整气体的改良器(4)；一个用于使该重整气体中含有的一氧化碳(CO)与水(H
文档编号C01B3/38GK1487902SQ02802786
公开日2004年4月7日 申请日期2002年10月25日 优先权日2001年11月16日
发明者上条元久 申请人:日产自动车株式会社