重整装置的制作方法

专利名称：重整装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及重整装置。
背景技术：
作为重整装置的一种形式，如专利文献l所记载的，已经知道一种重整装置，该重整装置设置有其中进行燃料的燃烧部7、用于从燃烧部 7中排出燃烧废气的废气流动通道10和布置在废气流动通道10的流路 中的极限电流型氧传感器元件ll。在该重整装置中，当传感器元件暴露 于氧密度为5~10%的燃料废气中时，读取传感器输出(A)。如果传感 器输出(A)在预定范围内，则可以将燃烧操作判断为在适当的氧密度 范围内进行燃烧的正常燃料操作，而如果传感器输出(A)不在预定范 围内，则可以将燃烧操作判断为在不同氧密度范围内进行燃烧的异常燃 烧操作。由此，可以容易地检查燃烧状态。此外，重整装置设置有与燃烧部7或燃料供给装置9并列设置的用 于判断燃烧操作的发生或未发生的燃烧操作判断装置13。燃烧操作判断 装置13基于来自安装在燃烧部7处的检测装置(未描述)如火焰检测 装置等的燃烧信号或燃料供给装置9的燃料供给状态来检测燃烧操作状 态，并且判断燃烧操作的发生或未发生。作为一种火焰检测装置，如专利文献2所示，已知一种火焰检测装 置，其中火焰检测装置103设置有在重整燃烧器100中的火焰检测杆， 并且其以使得火焰能够检测的量供给含有氢气的燃料气体。此外，作为另一种火焰检测装置，如专利文献3所示，已知一种火 焰检测装置，该火焰检测装置设置有检测在燃烧部产生烃基气体火焰的 第一火焰检测装置(火焰杆34 )和用于检测在燃烧部产生混合物气体或 烃基气体的火焰的第二火焰检测器(热电偶36)，并且所述火焰检测装 置根据模式切换所述火焰检测装置。此外，作为重整装置的另一种形式，如专利文献4所示，已知一种
燃烧装置，该燃烧装置运行以通过空气供给装置17吸入室外空气，以 在通过燃料供给装置18供给燃料的同时燃烧燃料，并通过废气流动通 道5将燃烧废气排到室外，并且所述燃烧装置在废气流动通道5中设置 有极限电流型氧传感器6，以通过串联连接直流电源7和输出检测装置 8至极限电流型氧传感器6来形成闭合回路，使得可以响应于输出检测 装置8的信号控制通过空气供给装置17吸入的吸入空气量。专利文献1:未审的日本/>开专利申请2004-198075专利文献2:未审的日本公开专利申请2003-187848专利文献3:未审的日本公开专利申请2004-210576专利文献4:未审的日本7>开专利申请5-164322发明内容本发明要解决的问题然而，在前述专利文献l中描述的重整装置中，关于燃烧部7的燃 烧操作的发生或未发生的判断是基于来自火焰检测装置的输出或燃料 供给装置9的燃料供给状态做出的，而未利用来自氧传感器元件11的 输出。另一方面，在假设已经发生燃烧的条件下，使用来自氧传感器元 件11的输出判断燃烧是否为正常燃烧操作或异常燃烧操作。也就是说， 需要单独的检测装置(检测传感器)用于分别检测点燃和观察燃烧状态， 从而导致所述装置的尺寸和成本增加。此外，在将专利文献2中描述的火焰检测装置应用于专利文献l所 述的重整装置的火焰检测装置的情况下，存在不能检测点燃/熄灭的风 险，这是因为在专利文献2中的火焰杆型火焰检测装置中，在燃烧包含 氢作为主要组成部分的气体(富氢气体)的情况下，作为检测目标的离 子流很弱。此外，在将专利文献3中描述的火焰检测装置应用于专利文献l所 述的重整装置的火焰检测装置的情况下，专利文献3中的火焰检测装置 可以可靠地检测点燃/熄灭，但是因为火焰检测器变得复杂，所以出现 重整装置整体的尺寸和成本增加的问题。
此外，在专利文献4中，记载了可以基于来自极限电流型氧传感器6 的输出控制吸入空气的量，但是没有记载可以检测点燃/熄灭的发生或^ML 生。本发明用于解决上述各种问题，并且本发明的一个目的是在不增加重 整装置的尺寸和成本的情况下在重整装置中更可靠地检测燃烧部的点燃。解决问题的方法为了解决上述问题，根据权利要求l的本发明的结构的特征在于包括 用于由供给的重整燃料产生重整气体的重整部；用于利用供给的燃烧氧化 剂气体燃烧供给的燃烧燃料以通过燃烧气体加热重整部的燃烧部；用于使 得从燃烧部排放的燃烧气体流动的燃烧气体流动通道；设置在燃烧气体流 动通道上用于检测燃烧气体流动通道中的氧密度的氧密度检测装置；和用 于基于由氧密度检测装置检测的氧密度判断燃烧部点燃的控制器。此外，根据权利要求2的本发明的结构的特征在于，在权利要求l中， 在控制器将点燃指令输出到燃烧部之后，当氧密度检测装置所检测的氧密 度等于或小于第一判断值时，控制器判断燃烧部已经点燃。此外，根据权利要求3的本发明的结构的特征在于，在权利要求1或 2中，在燃烧部点燃后，当氧密度检测装置所检测的氧密度变成第二判断 值或高于第二判断值时，控制器判断燃烧部已经熄灭。此外，根据权利要求4的本发明的结构的特征在于，在权利要求1~3 任一项中，氧密度检测装置布置在^L置于燃烧气体流动通道上的冷凝器的 下游。此外，根据权利要求5的本发明的结构的特征在于，在权利要求1~4 任一项中，氧密度检测装置是在不需要加热该氧密度检测装置就能够检测 氧密度的氧传感器。此外，根据权利要求6的本发明的结构的特征在于，在权利要求1 ~ 5 任一项中，在燃烧气体流动通道中还设置与氧密度检测装置并列的温度传 感器用于检测燃烧气体流动通道中的温度，并且所述控制器基于温度传感 器检测的燃烧气体流动通道中的温度补偿氧密度检测装置所检测的燃烧 气体流动通道中的氧密度。发明效果 在如上构建的根据权利要求1的本发明中，由于控制器基于氧密度检 测装置所检测的氧密度判断燃烧部的点燃，因此可以判断点燃和观察燃烧 状态，而不用额外提供如现有技术中提供的火焰检测装置，并且不会使所 述装置的尺寸和成本增加。在如上构建的根据权利要求2的本发明中，由于在根据权利要求1的 本发明中，在控制器将点燃指令输出到燃烧部之后，当氧密度检测装置所 检测的氧密度等于或小于第一判断值时，控制器判断燃烧部已经点燃，因 此可以实现对点燃可靠的判断。在如上构建的根据权利要求3的本发明中，由于在根据权利要求1或 2的本发明中，在燃烧部点燃后，当氧密度检测装置检测的氧密度变成第 二判断值或高于第二判断值时，所述控制判断燃烧部已经熄灭，因此除了 能够可靠地判断点燃之外，还可以实现对熄灭的可靠的判断，而不^^吏所 述装置的尺寸和成本增加。在如上构建的根据权利要求4的本发明中，由于在根据权利要求1 ~ 3 中任一项的本发明中，氧密度检测装置布置在设置于燃烧气体流动通道中 的冷凝器的下游，因此可以获得其中蒸汽压或蒸汽的影响进一步降低的氧 密度，使得可以更精确地判断。在如上构建的根据权利要求5所述的本发明中，由于在根据权利要求 1 ~4中任一项的本发明中，氧密度检测装置是不需要加热氧密度检测装置 就能够检测氧密度的氧传感器，因此与使用需要加热的氧传感器(例如， 基于氧化锆的氧传感器)的情形相比，可以增强耐久性、可靠性和启动性 能(时间)。在如上构建的根据权利要求6的本发明中，由于在根据权利要求1 ~ 5 中任一项的本发明中，控制器基于与氧密度检测装置并列设置的温度的温 度传感器检测的燃烧气体流动通道中的温度来补偿由氧密度检测装置所 检测的燃烧气体流动通道中的氧密度，因此可以获得蒸气压的影响进一步 减少的氧密度，使得可以更精确地判断。


图1是显示使用根据本发明的重整装置的燃料电池系统的一个实施 方案的概^要的示意图。
图2是代表图1所示重整装置的框图。图3是通过图2所示控制器执行的控制程序的流程图。图4是通过图2所示控制器执行的另一控制程序的流程图。IO...燃料电池，ll...燃料极，12...空气极，20...重整装置，21...重整 部，22…蒸发部，22a…温度传感器，23…一氧化碳转化反应部(CO转化 部)，23a…温度传感器，24…一氧化碳选择氧化反应部(CO选择氧化部)， 25…燃烧器(燃烧部)，31…重整燃料供给管，32…燃料阀，33…燃料泵， 34…脱硫器，35…重整燃料阀，37…燃烧燃料供给管，37a…燃烧燃料阀， 38…CO氧化空气供给管，38a…氧化空气泵，38b…氧化空气阀，41…蒸 汽供给管，41a…温度传感器，42…进水管，43…重整水泵，44…重整水阀， 51…重整气体供给管，51a…第一重整气体阀，52…废气供给管，52a…废 气阀，53…旁通管，53a…第二重整气体阀，54…阴极空气供给管，55…排 气管，56…燃烧气体流动通道，56a…冷凝器，56b…氧传感器(氧密度检 测装置)，56c…温度传感器(温度检测装置)，57…助燃空气供给管，57a… 助燃空气泵，57b…助燃空气阀，60…控制器，Ll…第一管线，L2…第二 管线，Sf…燃烧供给源，Sw…水箱。
具体实施方式
在下文中，将描述使用根据本发明的重整装置的燃料电池系统的一个 实施方案。图l是显示该燃料电池系统概要的示意图。该燃料电池系统设 置有燃料电池10和用于产生含有燃料电池10所需氢气的重整气体的重整 装置20。燃料电池10 i殳置有燃料极11、作为氧化极的空气极12和插在所述极 11、 12两者之间的电解质13，所述燃料电池10可操作为通过使用供给到 燃料极11的重整气和供给到空气极12的作为氧化剂气体的空气(阴极空 气)发电。也可以供给富氧空气代替空气。重整装置20用于利用蒸汽重整燃料以将富氢重整气体供给到燃料电 池10，重整装置20由重整部21、蒸发部22、 一氧化碳转化>^应部(在下 文称为"CO转化部")23、 一氧化碳选择氧化反应部(下文称为"CO选 择氧化部")24和燃烧器(燃烧部)25构成。可以采用诸如天然气、LPG
等气体燃料或诸如煤油、汽油、甲醇等液体燃料作为燃料。将以利用天然气的形式描述本实施方案。在燃料中，供给到重整部21的燃料称为重整燃 料，而供给到燃烧器25的其它燃料称为燃烧燃料。重整部21通过利用填充在重整部21中的催化剂(例如Ru或Ni差^催 化剂)重整混合物气体产生氢气和一氧化碳气体(所谓的蒸汽重整>^应), 所述混合物气体是从燃料供给源Sf (例如城市煤气管)供给的重整燃料和 来自蒸发部22的蒸汽(重整水)的混合物。同时，蒸汽和通过蒸汽重整反 应产生的一氧化碳转化成氢气和二氧化碳(所谓的一氧化碳转化反应)。 所产生的气体(所谓的重整气)导入CO转化部23。通过重整燃料供给管31从燃料供给源Sf给重整部21供给重整燃料。 重整燃料供给管31上以从上游侧的顺序设置有一对燃料阀32、 32、燃料 泵33、脱硫器34和重整燃料阀35。燃料阀32和重整燃料阀35是电磁轴 关闭阀(shaft-off valve)，用于响应来自控制器60的指令打开或关闭重整 燃料供给管31。燃料泵33响应于来自控制器60的指令调节来自燃料供给 源Sf的燃料的供给量。脱琉器34除去重整燃料中的硫成分(例如含硫化 合物)。此外，连接至蒸发部22 (蒸汽供给源)的蒸汽供给管41连接至重整 燃料阀35和重整部21之间的重整燃料供给管31 ，来自蒸发部22的蒸汽 与待供给到重整部21的重整燃料混合。此外，蒸汽供给管41连接至温度 传感器41a，所述温度传感器41a是用于检测供给到重整部21的蒸汽的温 度的蒸汽状态检测装置。来自温度传感器41a的信号传送到控制器60。蒸发部22连接到进水管42，所述进水管42连接到作为重整水供给 源的水箱Sw。进水管42上以从上游侧的顺序设置有重整水泵43和重 整水阀44。重整水泵43响应于来自控制器60的指令将来自水箱Sw的 重整水供给到蒸发部22,并且调节重整水的供给量。重整水阀44是电 磁阀，该重整水岡44响应于来自控制器60的指令打开或关闭进水管42。 蒸发部22被燃烧气体(或来自重整部21、 CO转化部23等的废热)加 热，由此将供给到其中的重整水转化成蒸汽。蒸发器22设置有温度传感器 22a用于检测蒸发部22的温度。来自温度传感器22a的信号传送到控制器 60。CO转化部23通过其内部填充的催化剂(例如Cu、 Zn ^&催化剂)使
包含于来自重整部21的重整气体中的一氧化碳与蒸汽>^应，以产生氢气和 二氧化碳气体。因此，重整气中一氧化碳的密度降低以导入CO选择氧化 部24。此外，CO转化部23设置有温度传感器23a，用于检测催化剂的温 度。来自温度传感器23a的信号传送到控制器60。CO选择氧化部24通过其内部填充的催化剂(例如Ru或Pt基催化剂) 使重整气中剩余的一氧化碳与由CO氧化空气供给管38供给的CO氧化空 气(空气)反应以产生二氧化碳。因此， 一氧化碳密度进一步降低(小于 10 ppm)的重整气被供给到燃料电池10的燃料极11。CO氧化空气供给管38上以从上游侧的顺序设置有氧化空气泵38a和 氧化空气阀38b。氧化空气泵38a给CO选择氧化部24供给来自大气(空 气供给源)的CO氧化空气，并且响应于来自控制器60的指令调节CO氧 化空气的供给量。氧化空气阀38b是电磁轴关闭阀，氧化空气阀38b响应 于来自控制器60的指令打开或关闭CO氧化空气供给管38。燃料电池10的燃料极11在其入口处通过重整气体供给管51连接到 CO选择氧化部24,燃料极11在其出口处通过废气供给管52连接至燃烧 器25。旁通管53给燃料电池10提供旁路以在重整气体供给管51和废气 供给管52之间建立直接连接。重整气体供给管51上设有第一重整气体阀 51a，第一重整气体阀51a位于通向旁通管53的分支点与燃料极11的入口 之间。废气供给管52上i更置有废气阀52a，废气阀52a位于旁通管53的 交汇点与燃料极ll的出口之间。旁通管53上设置有第二重整气体阀53a。开始运行时，为了避免从CO选择氧化部24给燃料电池10供给一氧 化碳密度高的重整气，第一重整气体阀51a和废气阀52保持关闭，而第二 重整气体阀53a保持打开。在正常运行时，为了将重整气从CO选择氧化 部24供给到燃料电池10，第一重整气体阀51a和废气阀52a保持打开， 而第二重整气体阀53a保持关闭。此外，燃料电池10的空气极12在其入口处连接至阴极空气供给管54， 使得将空气(阴极空气)供给到空气极12中。此外，燃料电池10的空气 极12在其出口处连接至排气管55，使得将来自空气极12的空气(阴极废 气)排放到外部。此外，第一管线Ll是由前述重整燃料供给管31、重整气体供给管 51和废气供给管52构成的。第一管线Ll是通过重整部21将燃料供给源
Sf连通至燃烧器25的管线。也就是说，第一管线L1包括穿过重整燃料供 给管31、重整气体供给管51、旁通管53和废气供给管52而不穿过燃料电 池10的通路，并且也包括经由燃料电池10穿过重整燃料供给管31、重整 气体供给管51和废气供给管52的另一通路。与第一管线Ll平^i史置的是作为第二管线L2的燃烧燃料供给管37， 该燃烧燃料供给管37为重整部21提供旁路以经由燃料电池10的燃料极 11与燃烧器25连通。燃烧燃料供给管37在脱硫器34和重整燃料阀35之 间从重整燃料供给管31分支出来,并且在第一重整气体阀51a和燃料电池 10之间连接到重整气体供给管51。燃烧燃料供给管37上设置有第一燃烧 燃料阀37a。该第一燃烧燃料阀37a是电磁轴关闭阀，其响应于来自控制 器60的指令打开和关闭燃烧燃料供给管37。因此，通过脱琉器34从来自 燃料供给源Sf的燃料(燃烧燃料)中除去硫成分，因此可以通过第二管线 L2和燃料电池10将燃料供给到燃烧器25。燃烧器(燃烧部)25用于利用供给到其中的燃烧氧化气体燃烧供给到 其中的燃烧燃料以通过燃烧气体加热重整部21。也就是说，燃烧器25用 于产生供给蒸汽转化反应所必需的热的燃烧气体。可以将来自燃料供给源 Sf、转化部21和燃料电池10的燃料极11的各种可燃气体供给到燃烧器 25，燃烧器25利用作为燃烧氧化剂气体的助燃空气燃烧这些可燃气体中的 至少一些。此外，供给助燃空气的助燃空气供给管57连接至燃烧器25。助燃空 气供给管57上以从上游侧的顺序设置有助燃空气泵57a和助燃空气阀 57b。助燃空气泵57a将由大气(空气供给源)供给的助燃空气供给到燃 烧器25，并且响应于来自控制器60的指令调节助燃空气的供给量。助燃 空气阀57b是电磁轴关闭阀，其响应于来自控制器60的指令打开和关闭 助燃空气供给管57。因此，在从开始系统启动操作时到开始将重整燃料供给到重整部21 时的时间段期间，来自燃料供给源Sf的燃烧燃料不是经由重整部21、而 是经由燃料电池10的燃料极11沿第二管线L2供给到燃烧器25。在供给 重整燃料到重整部21之后到开始正常运行(发电)的另一时间段期间，来 自CO选择氧化部24的重整气直接供给到燃烧器25，而不经过燃料电池 10。然后，在正常运行(发电)期间，给燃烧器25供给来自燃料电池10
使用的重整气或未重整的重整燃料)。从燃烧器25排出的燃烧气体通过燃烧气体流动通道56排放到外部。 燃烧气体流动通道56 i殳置为加热重整部21和蒸发部22，燃烧气体将重整 部21加热至达到活化催化剂的温度范围，并且还加热蒸发部22以产生蒸 汽。冷凝器56a i殳置在燃烧气体流动通道56上。冷凝器56a中贯穿有冷却 剂管，该冷却剂管供给有冷凝的冷却剂，所述冷却剂已经通过散热器或通 过冷却扇利用储存的热水箱(未显示)中的低温流体冷却，使得燃烧气体 中的蒸汽通过与流体进行热交换而冷凝。因此，通过冷凝器56a的燃烧气 体温度降低，并且在该温度下保持为蒸汽饱和状态。作为氧密度检测装置的氧传感器56b设置在燃烧气体流动通道56上冷 凝器56a的下游。氧传感器56b用于检测燃烧气体流动通道56中的氧密 度。氧传感器56b的检测结果传送到控制器60。优选氧传感器56b是不需 要加热氧密度检测装置就能够检测氧密度的氧传感器。例如，氧传感器56b 可以是原电池氧传感器、光学溶解氧传感器等。作为温度检测装置用于检测燃烧气体流动通道56中的温度的温度传 感器56c设置在燃烧气体流动通道56上冷凝器56a的下游。温度传感器 56c的检测结果传送到控制器60。优选温度传感器56c与氧传感器56b并 列设置。这是因为它可以检测氧传感器56b检测的燃烧气体的温度，使得 可以基于该温度补偿氧传感器56b所检测的氧密度。此外，控制器60连接至所有前述的各个温度传感器22a、 23a、 41a、 56c、氧传感器56b、各个阀32、 35、 37a、 38b、 44、 51a、 52a、 53b、 57b、 各个泵33、 43、 38a、 57a和燃烧器25 (参考图2 )。控制器60中设置有微 型计算机(未图示)，该微型计算机具有通过总线连接到其的输^/输出接 口、 CPU、 RAM和ROM (全部未图示)。CPU执行与图3所示流程图对 应的程序，并且启动燃料电池以发电。RAM暂时存储执行程序所需的变 量，ROM存储程序。接下来将参照图3和4所示的流程图描述如上述构建的燃料电池系统 的运行。当打开启动开关(未图示)时，控制器30判断已经给出针对重 整装置20的运行启动指令(在步骤102中"是")，并且开始启动操作。控制器60打开助燃空气阀66，并且驱动助燃空气泵65以预定流量Al给燃烧器25供给助燃空气来进行吹扫(步骤104 )。控制器60通过氧传感器56b检测流过燃烧气体流动通道56的燃烧 气体的氧密度No,并且基于氧密度No判断氧传感器56b是否正常(步 骤106 )。优选在利用助燃空气的吹扫进行到燃烧器25时检测氧密度No。如果氧密度No在预定范围内，即在下限值Nola和上P艮值Nolb之间， 则判断氧传感器56b为正常，反之则判断为异常。该下P艮值Nola和上限 值Nolb是确定为针对作为参照的大气氧密度(21% )具有预定范围的那 些值。如果氧密度No在预定范围之外(在步骤106中为"否")，则控制器 60判断氧传感器56b异常，显示(或纟艮告)该事实(步骤108)，并且停 止燃料电池系统的启动操作(步骤110 )。如果氧密度No在预定范围内(在 步骤106中为"是")，则控制器60继续燃料电池系统的启动操作。此时， 可以通过大气氧密度校准来自氧传感器56b的检测值。控制器60打开燃料阀32、燃烧燃料阀37a和废气阀52a并驱动燃 料泵33以另 一预定流量Bl给燃烧器25供给燃烧燃料(步骤112 )，此 时重整燃料阀35、和第一重整气体阀51a与第二重整气体阀53a保持关 闭。然后，控制器60点燃燃烧器25。控制器60通过氧传感器56a检测流过燃烧气体流动通道56的助燃 空气的氧密度No，并且基于该氧密度No判断燃烧器25是否已经点燃 (步骤116 )。优选氧密度No的检测和判断应该进行到经过预定时间段 Tl，该预定时间段Tl是足以使燃烧燃料到达燃烧器25的时间。该时 间过短可能导致燃烧燃料未到达燃烧器25，而该时间过长则可能导致燃 烧燃料的浪费。在燃烧器25的燃烧开始之后，所供给的助燃空气被燃烧消耗，从 而降低燃烧气体流动通道56中的氧密度。因此，如果氧密度No等于或小 于预定时间段T1中的预定值No2，则判断燃烧正常启动，否则，做出未 发生点燃的另一判断(点燃和燃烧未发生)。预定值No2设定为比大气氧 密度(21%)小的值(例如15%)。如果氧密度No甚至是在从燃烧器25的点燃时间点起经过预定时间段 Tl之后大于预定值No2 (在步骤U6、 118中分别为"否"、"是")，则控 制器60判断燃烧器25未点燃，显示(或报告)该事实(步骤120 )并停
止燃料电池系统的启动操作(步骤122)。然后它可以执行为返回步骤104 并重复点燃运行，其中如果甚至在重复点燃操作预定次数之后不发生点 燃，则可以停止该系统，并可以显示异常。如果氧密度No等于或小于预定值No2直到从燃烧器25的点燃时间点 起经过预定时间段Tl (在步骤116中为"是")，则控制器60判断燃烧器 25已经点燃(步骤124),并且继续燃料电池系统的启动^Mt。当燃烧以该方式启动时，重整部21和蒸发部22的温度由于被经过燃 烧气体流动通道56的燃烧气体加热而升高。在从燃烧器25的点燃时间点 起经过预定时间段T4之后，控制器60打开重整水阀44并驱动重整水泵 43以将重整水供给到蒸发部22。当从蒸发部22排出的蒸汽的温度T2升高至预定温度T2a (例如100 C )或更高时，控制器60判断来自蒸发部22的蒸汽已经供给到重整部21 (在步骤130中为"是")。然后，控制器60打开重整燃料阀35和第二 重整气体阀53a，关闭燃烧燃料阀37a和废气阀52a，并且驱动燃料泵 33以预定的流量将重整燃料供给到重整部21 (步骤132 )。当将重整燃料进料到重整部21中时，在其中发生前述的蒸汽重整 反应和一氧化碳转化反应以产生重整气，并且从CO选择氧化部24中 排出重整气。然而，由于许多一氧化碳仍然包含在重整气中，所以重整 气经过燃料电池10以供给到燃烧器25。此外，在重整燃料进料的同时， 打开空气阀64，驱动空气泵63,使得氧化空气以预定流量供给到CO 选择氧化部24。在CO选择氧化部24中，从重整气中进一步减少一氧 化碳，然后重整气从CO选择氧化部24中排出。当CO转化部23中的催化剂温度T3升高到预定温度T3a (例如 200'C )或更高时，控制器60判断重整气中一氧化碳的密度已经低于预 定值，换言之，启动操作已经终止(在步骤134中为"是")。然后，控 制器60打开笫一重整气体阀51a和废气阀52a并关闭第二重整气体阀 53a以将重整气从CO选择氧化部24供给到燃料电池10，由此使燃料 电池10开始发电(步骤136 )。控制器60在步骤136进行发电操作(正常运行)。在正常运行期间， 控制器60控制重整燃料、助燃空气、氧化空气、阴极空气和重整水的 供给量，使得可以获得期望的输出电流(一个或多个载荷消耗的电流和
电力)。重整燃料的供给量已被设定为根据期望的输出电流的供给量和根据重整部21所需的热量的另一供给量之和。助燃空气的供给量和重 整水的供给量根据重整燃料的供给量确定。直到停止开关被按下或以类似方式给出运行停止的指令，控制器60 在步骤138中重复"否"的判断以继续进行正常运行。在给出运行停止 指令时，控制器60在步骤138中判断"是"以将程序进行到步骤140， 并且执行预定的停止操作以停止燃料电池系统的运行。此外，在检测氧密度的同时，通过由温度传感器56c检测的燃料气 体流动通道56中的温度补偿上述氧传感器56b检测的氧密度。具体地， 控制器60通过参考代表温度-饱和蒸汽压关系的饱和蒸汽压曲线计算由 温度传感器56c检测的温度下的饱和蒸汽压，并且通过利用该计算值所 转换的作为密度的值来补偿氧传感器56b检测的氧密度。在如上所述运行的燃料电池系统中，在从判断正常发生点燃的时间 点到燃料电池系统的运行停止的另 一 时间点之间的时间段期间，控制器 60根据图4所示的流程图平行进行熄灭检测。当燃烧器25熄灭时，由 于所供给的助燃空气和燃烧燃料没有燃烧，所以它们从燃烧器25中排 出，并且燃烧气体流动通道56中的氧密度增加。因此，如果氧密度No 增加到预定值No3或更高，则判断燃烧器25已经熄灭，否则判断仍然 燃烧而没有熄灭。预定值No3设定为小于大气氧密度(21。/。)而大于预 定值No2的值(例如，20%)。如果将预定值No3设定得小，则该值使 得能够缩短从熄灭到判断熄灭所经过的时间，但是如果将该值设定为小 于所需的值，则增加在判断中可能出现错误的概率。因此，优选预定值 No3与响应性和可靠性的需要相容。如果氧密度No等于或高于预定值No3 (在步骤202中为"是")， 则控制器60执行在图3所示的处理过程中的中断处理以判断燃烧器已 经熄灭，并显示(或报告)该事实(步骤204)，并且停止燃料电池系统 的启动操作(步骤206)。如果氧密度No小于预定值No2 (在步骤202 中为"否")，则控制器60根据图3所示流程图继续处理。如果该情形出现在重整装置的暖机完成之前(步骤134 )，则在步骤 206的处理之后可以返回步骤104以重复进行点燃操作。在该情况下， 如果重复预定次数还没有点燃，则可以停止该系统，并且可以显示异常。
如果该情形是在重整装置的暖机完成之后(步骤134)，则停止该系统。此外，在如上所述运行的燃料电池系统中，在从判断点燃已经正常 发生时的时间点到停止燃料电池系统运行时的时间点之间的时间段期 间，优选如下控制助燃空气的流量。可以通过对助燃空气泵57a进行反 馈控制调节助燃空气的流量，使得由氧传感器56b检测的氧密度No变 成预定值No4。预定值No4已经设定为使排放满足目标值，并且也考虑 到用于判断前述熄灭的预定值No3进行设定。此外，优选如下控制重整燃料的流量。可以通过燃料泵33的反馈 控制调节重整燃料的流量，使得由氧传感器56b检测的氧密度No变成 预定值No4。对于重整燃料的流量，设定了与使燃料电池能够稳定发电 的所产生的氢量范围(氢的使用率范围)相应的上限和下限流量，并且 将重整燃料的流量调节为包括在该范围内。因此，仅通过氧密度检测装 置而不提供任何其它检测装置就可以可靠地检测点燃(和熄灭)，并且 还可以恰当地控制燃烧状态。已以映射的形式表示预定值No4，所述映射取决于燃烧器25中所用 的燃烧气体的种类，例如由于只燃烧重整燃料而未提供再加热管线的情 形或只燃烧阳极废气的情形，并且基于最佳燃烧的映射进行控制。此外， 还以另一种映射的形式表示预定值No4，所述映射取决于燃烧负载(发 电负载)，并且基于最佳燃烧的映射进行另一控制。从前述说明清楚地可见，在该实施方案中，由于控制器60基于作 为氧密度检测装置的氧传感器56b检测的氧密度判断燃烧部25的点燃， 因此可以判断点燃并观察燃烧状态，而不需要额外提供现有技术中设置 用于检测点燃的火焰检测装置，因而不会导致该装置的尺寸和成本增 加。此外，由于在控制器60将点燃指令(步骤114)输出到燃烧部25 后，当由氧密度检测装置56b检测的氧密度No等于或小于作为第一判 断值的预定值No2 (步骤124)时控制器60判断燃烧部25已经点燃， 因此可以可靠地判断点燃。此外，由于在燃烧部25点燃后当由氧密度检测装置56b检测的氧 密度No等于或大于作为第二判断值的预定值No3时控制器60判断燃 烧部25已经熄灭(步骤124)，因此除了能够可靠地判断点燃之外，还 可以可靠地判断熄灭，而不使得所述装置的尺寸和成本增加。此外，由于氧密度检测装置56b布置在设置于燃烧气体流动通道56 上的冷凝器56a的下游，因此获得进一步减少蒸汽压或蒸汽影响的氧密 度，使得可以进行更精确的判断。也就是说，由于供给到燃烧器25的可燃气体可以是从燃料供给源 Sf供给的燃烧燃料，可以是从重整部21供给的重整气，或可以是来自 燃料电池10的阳极废气，因此可燃气体中的组成部分的比例变化。由 于重整气和阳极废气的各自的组成部分的比例根据重整装置20的运行 状态或燃料电池10的运行状态变化，因此可燃气体的组成部分的比例变 化。因此，由于燃烧气体中的蒸汽密度变化大，所以对由氧密度传感器56b 检测的氧密度值的影响大。因此，在冷凝器56a中产生饱和蒸汽态和在蒸 汽密度稳定环境中检测氧密度对于精确判断是非常有效的措施。此外，由于氧密度检测装置56b是不需要加热氧密度检测装置56b自 身就能够检测氧密度的氧传感器，因此，与使用需要加热的氧传感器(例 如氧化锆氧传感器)的情形相比可以提高耐久性、可靠性和启动性能(时 间)。此夕卜，由于控制器60基于由温度传感器56c检测的燃烧气体流动通道 56中的温度补偿氧密度检测装置56b检测的该燃烧气体流动通道56中的 氧密度，所以可以获得进一步降低蒸汽压影响的氧密度，使得可以进行更 精确的判断。尽管针对未设置再加热管线的燃料电池系统描述了前述实施方案，但 是本发明也可应用于设置有这种再加热管线的燃料电池系统。再加热管线 是用于将燃烧燃料直##给到燃烧器25的单独管线。在该情况下，在启动 操作时只从再加热管线供给燃烧燃料，并且在开始将蒸汽供给到转化部21 之后以如上所i^目同的方式供给重整燃料。然后，当供给到转化部21的热 量不足时，从再加热管线补充燃烧燃料。此时，可以对来自再加热管线的 燃烧燃料的流量进行^Jf控制，使得由氧传感器56b所检测的氧密度No 变成预定值No4。此外，在前述实施方案中，还可以使用鼓风机代替用于供给气体的泵。 工业实用性如上所述，根据本发明的重整装置适用于更为可靠旨测燃烧部的点 燃。
权利要求
1. 一种重整装置，其特征在于包括用于由供给的重整燃料产生重整气的重整部；用于利用供给的燃烧氧化剂气体燃烧供给的燃烧燃料以利用所述燃烧气体加热所述重整部的燃烧部；用于使得从所述燃烧部排放的所述燃烧气体流动的燃烧气体流动通道；设置在所述燃烧气体流动通道上用于检测所述燃烧气体流动通道中的氧密度的氧密度检测装置；和用于基于由所述氧密度检测装置检测的所述氧密度判断所述燃烧部的点燃的控制器。
2. 根据权利要求l所述的重整装置，其特征在于，在所述控制器将点燃 指令输出到所述燃烧部之后，当由所述氧密度检测装置检测的所述氧密度 等于或小于第一判断值时，所述控制器判断所述燃烧部已经点燃。
3. 根据权利要求1或2所述的重整装置，其特征在于，在所述燃烧部点 燃后，当由所述氧密度检测装置检测的所述氧密度为第二判断值或高于第 二判断值时，所述控制器判断所述燃烧部已经熄灭。
4. 根据权利要求1 3中任一项所述的重整装置，其特征在于，所述氧密 度检测装置布置在设置于所述燃烧气体流动通道上的冷凝器的下游。
5. 根据权利要求1~4中任一项所述的重整装置，其特征在于，所述氧密 度检测装置是不需要加热所述氧密度检测装置就能够检测氧密度的氧传 感器。
6. 根据权利要求1~5中任一项所述的重整装置，其特征在于，在所述燃 烧气体流动通道上还设置与所述氧密度检测装置并列的温度检测装置用 于检测所述燃烧气体流动通道中的温度，和所述控制器基于由所述温度检测装置检测的所述燃烧气体流动通道 中的所述温度补偿由所述氧密度检测装置检测的所述燃烧气体流动通道 中的所述氧密度。
全文摘要
在重整装置中，可以更可靠地检测重整部的点燃，而不增加所述装置的尺寸和成本。所述重整装置20设置有用于从供给的重整燃料产生重整气的重整部21；用于利用供给的燃烧氧化剂气体燃烧供给的燃烧燃料以通过燃烧气体加热重整部的燃烧部25；用于允许从燃烧部25排放的燃烧气体流动的燃烧气体流动通道56；设置在所述燃烧气体流动通道56上用于检测所述燃烧气体流动通道56中的氧密度的氧密度检测装置56b；和用于基于由所述氧密度检测装置56b检测的氧密度判断所述燃烧部25点燃的控制器。
文档编号C10J1/207GK101400602SQ20078000880
公开日2009年4月1日 申请日期2007年3月13日 优先权日2006年3月27日
发明者大河原裕记 申请人:丰田自动车株式会社