專利名稱：氫生成裝置及其運轉方法以及燃料電池系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及氫生成裝置及其運轉方法以及燃料電池系統。特別是 具有通過加熱將原料重整為富氫的含氫氣體的氫生成裝置、利用空氣 使可燃性氣體燃燒從而加熱所述氫生成裝置的燃燒器、使用所述含氫 氣體以及氧化劑氣體進行發(fā)電的燃料電池的燃料電池系統。
背景技術：
現有的燃料電池系統，有如圖6所示的系統。
圖6中的燃料電池系統101被構成為具備燃料處理裝置102、作為 固體高分子電解質型燃料電池的燃料電池堆103、控制裝置104、重整 用原料供給部lll，用于提供作為碳化氫類燃料的重整用原料、燃燒用 原料供給部114，用于提供作為燃燒燃料或作為碳化氫類燃料的燃燒用 原料、燃燒用空氣供給部110，用于提供作為燃燒空氣的燃燒用空氣、 運送重整氣體的第1重整氣體運送線116、運送作為陽極廢氣的的廢氣 的第1廢氣運送線117、提供通風用空氣的燃料電池堆用空氣供給部 119、運送燃燒廢氣的燃燒廢氣運送線129。此外，燃料處理裝置102 具備充填重整催化劑的重整催化劑部121、轉化催化劑部122，充填有 利用轉化反應減少重整氣體中的一氧化碳的轉化催化劑、選擇氧化催 化劑部123，充填用于通過選擇氧化反應減少轉化后重整氣體中的一氧 化碳的選擇氧化催化劑、噴燒器部125、燃燒廢氣通路128、被設置于 燃燒廢氣通路128內部且充填了燃燒催化劑的燃燒催化劑部126、作為 被設置于噴燒器部125內的點火裝置的點火器136。
此外，在啟動時或者在通常運轉中的助燃時，從燃燒用原料供給 部114向噴燒器部125提供被燃燒用原料用鼓風機141運送的燃燒用 原料。被設置于燃燒用原料供給部114的燃燒用原料用調節(jié)閥142被 控制為規(guī)定的開度，以便在接受了來自于控制器104的流量控制信號 之后，放流與流量控制信號相對應流量的燃燒用氣體(例如參照專利文獻l)。
于是，在點火時利用點火器136并通過施壓電壓放電從而使被提 供了燃燒用原料和燃燒用空氣的噴燒器部125內發(fā)生燃燒。
日本專利文獻1:日本專利申請公開2004-168630號公報(第6~8 頁，圖1 圖2)

發(fā)明內容
如專利文獻1所記載，這樣的燃料電池系統101中的重整用原料 或者燃燒用原料一般是城市燃氣13A。 一般地，以1.0 2.5kPa (表壓) 的供給壓供給城市燃氣13A，但是如果考慮了由于重整用原料以及重 整了該原料的含氫氣體的通路結構、或者燃燒用原料的通路結構造成 的通路整體的壓力損失，那么僅以上述表壓是不夠的，重整用原料或 者燃燒用原料在被鼓風機以及泵等的升壓器升壓之后，再被提供給各 個重整催化劑部121以及噴燒器部125。當然，在點火工作時也是使被 升壓器升壓了的原料在噴燒部125內點火 燃燒。
然而，在對這樣的燃料電池系統101的噴燒器部125的點火過程 中，如果實施與燃氣熱水器相同的點火方法，則存在以下的問題。艮P， 在如燃氣熱水器那樣，對應于點火工作時的目標原料流量把提供給燃 燒部的原料固定控制在預先設定的開度的狀態(tài)條件下進行點火時，由 于燃料電池系統101的升壓器的升壓精度的各自的差異或者升壓器運 轉開始時的工作不穩(wěn)定性，使所提供的流量偏差變大。特別是在燃料 電池系統101中，升壓器不是對如煤油那樣的液體進行升壓，而是對 如城市燃氣等的氣體進行升壓，因此所提供的流量的偏差就會變大。 為此，就會出現引起如下所述的異常的問題把估計量以上的原料提 供給噴燒器部125，由于在噴燒器部125內部的爆炸性的燃燒而引起的 較大的燃燒聲、原料濃度較大而引起不穩(wěn)定燃燒、原料過濃使得其濃 度變?yōu)槌^燃燒上限從而發(fā)生點火失敗。因此，本發(fā)明正是為了解決上述現有的問題，目的在于提供一種 提高使用由升壓器升壓的燃料進行燃燒的燃燒器點火性的氫生成裝置 以及使用該氫生成裝置的燃料電池系統。
為了達到上述目的，第1的本發(fā)明的氫生成裝置，其特征在于 具備從原料氣體通過重整反應而生成含氫氣體的重整器、加熱所述重 整器的燃燒器、用于將從所述重整器送出的氣體提供給所述燃燒器的 第1氣體供給通路或者用于將原料氣體提供給所述燃燒器的第2氣體 供給通路、用于在所述燃燒器中執(zhí)行點火工作的點火器、對被提供給 所述重整器或者所述燃燒器的原料氣體進行升壓的升壓器、調整被提 供給所述重整器或者所述燃燒器的原料的氣體流量的流量調整閥、以 及控制器；所述控制器被構成為在所述點火器的點火工作期間，使 所述升壓器進行工作從而將所述原料氣體從所述第1氣體供給通路或 者所述第2氣體供給通路提供給所述燃燒器，且將所述流量調整閥的 開度控制為從小于對應于所述點火工作期間中的目標原料流量的目標 開度UC小的初期開度Us向該目標開度UC增大。
此外，第2的本發(fā)明的氫生成裝置，其特征在于在第1的本發(fā) 明的氫生成裝置中具備用于將從所述重整器送出的氣體提供給所述燃 燒器的第1氣體供給通路；所述控制器被構成為在所述點火器的點 火工作期間，使所述升壓器工作并從所述第1氣體供給通路將所述原 料氣體提供給所述燃燒器。
此外，第3的本發(fā)明的氫生成裝置，其特征在于在第1的本發(fā) 明的氫生成裝置中，所述控制器將所述流量調整器的開度控制為從所 述初期開度Us徐徐地增大。
此外，第4的本發(fā)明的氫生成裝置，其特征在于所述控制器將 所述流量調整器的開度控制為從所述初期開度U階段性地增大。
此外，第5的本發(fā)明的氫生成裝置，其特征在于在第1的本發(fā) 明的氫生成裝置中，所謂所述點火工作期間是指所述點火器持續(xù)點火 工作的期間。
此外，第6的本發(fā)明的氫生成裝置，其特征在于在第1的本發(fā) 明的氫生成裝置中，所述初期開度Us被設定為使得在所述點火工作 期間相對于提供給所述燃燒器的燃燒用空氣量而提供給所述燃燒器的原料氣體量為小于該原料氣體濃度的燃燒下限的所述流量調整閥的開 度。
此外，第7的本發(fā)明的氫生成裝置，其特征在于在第1的本發(fā) 明的氫生成裝置中，在利用所述點火工作期間的點火工作而未能點火 從而進行下一步的點火工作時，所述控制器將該下一步的點火工作時 的所述流量調整閥的初期開度Us設定為前面的點火工作期間中最終的
所述流量調整閥的開度Ue，并由所述點火器開始下一步的點火工作。
此外，第8的本發(fā)明的氫生成裝置，其特征在于在第1的本發(fā) 明的氫生成裝置中，當前面的點火工作時的最終的所述流量調整閥的
開度Ue成為所述目標開度Uc時，所述控制器將下一步的點火工作時 的所述流量調整閥的初期開度Us設定為所述目標開度Uc并由所述點 火器開始下一步的點火工作。
此外，第9的本發(fā)明的燃料電池系統，其特征在于具備從第1
的本發(fā)明到第8的本發(fā)明的氫生成裝置、以及使用由所述氫生成裝置
生成的含氫氣體進行發(fā)電的燃料電池。
此外，第10的本發(fā)明的氫生成裝置的運轉方法，其特征在于所
述氫生成裝置具備從原料氣體通過重整反應而生成含氫氣體的重整 器、加熱所述重整器的燃燒器、用于將從所述重整器送出的氣體提供 給所述燃燒器的第1氣體供給通路或者用于將原料氣體提供給所述燃
燒器的第2氣體供給通路、用于在所述燃燒器中執(zhí)行點火工作的點火
器、對被提供給所述重整器或者所述燃燒器的原料氣體進行升壓的升 壓器、調整被提供給所述重整器或者所述燃燒器的原料氣體流量的流
量調整閥；所述氫生成裝置的運轉方法，在所述點火器的點火工作期 間，使所述升壓器進行工作并將所述原料氣體從所述第1氣體供給通 路或者所述第2氣體供給通路提供給所述燃燒器，且使所述流量調整 閥的開度從比對應于所述點火工作期間的目標原料流量的目標開度Uc 小的初期開度Us向該目標開度Uc增大。
此外，第ll的本發(fā)明的氫生成裝置的運轉方法，其特征在于在
第10的本發(fā)明的氫生成裝置的運轉方法中，流量調整器的開度從所述
初期開度u階段性地增大。此外，第12的本發(fā)明的氫生成裝置的運轉方法，其特征在于在 第10的本發(fā)明的氫生成裝置的運轉方法中，流量調整器的開度從所述 初期開度Us緩緩地增大。
此外，第13的本發(fā)明的氫生成裝置的運轉方法，其特征在于所 述初期開度Us被設定為，在所述點火工作期間相對于提供給所述燃燒 器的燃燒用空氣量而提供給所述燃燒器的原料氣體量為小于該原料氣 體濃度的燃燒下限的所述流量調整閥的開度。
此外，第14的本發(fā)明的氫生成裝置的運轉方法，其特征在于在 第9的本發(fā)明的氫生成裝置的運轉方法中，在利用所述點火工作期間 的點火工作而未能點火、從而進行下一步的點火工作時，將該下一步
的點火工作時的所述流量調整閥的初期開度Us設定為前面的點火工作 期間中最終的所述流量調整閥的開度Ue并由所述點火器開始下一步 的點火工作。
再有，第15的本發(fā)明的氫生成裝置的運轉方法，其特征在于在 第14的本發(fā)明的氫生成裝置的運轉方法中，當前面的點火工作時的最 終的所述流量調整閥的開度Ue成為所述目標開度Uc時，將下一步的 點火工作時的所述流量調整閥的初期開度Us設定為所述目標開度Uc 并由所述點火器開始下一步的點火工作。
通過參照附圖并通過下述的對優(yōu)選的實施方式的詳細說明，可以 明了本發(fā)明的上述目的、其它的目的、特征以及優(yōu)點。
根據本發(fā)明，由于在點火時是以使燃燒器內的可燃性氣體的濃度 從低濃度開始緩緩上升的形式進行控制，所以即使存在升壓器的升壓 精度的偏差也不會引起爆炸性的點火、不穩(wěn)定燃燒、點火失敗等的問 題而能夠進行穩(wěn)定的點火，從而可以提供能實現點火性的提高的氫生 成裝置以及使用該裝置的燃料電池系統。


圖1是本發(fā)明的第1實施方式中的燃料電池系統的構成圖。
圖2是本發(fā)明的第1實施方式中的點火工作的流程圖。
圖3是本發(fā)明的第1實施方式中的流量調整閥開度和可燃性氣體濃度的關系圖。
圖4是本發(fā)明的第2實施方式中的燃料電池系統的構成圖。
圖5是本發(fā)明的第2實施方式中的點火工作的控制程序的流程圖。 圖6是現有的燃料電池系統的構成圖。 圖7是本發(fā)明的第3實施方式中的燃料電池系統的構成圖。 圖8是示意本發(fā)明的第3實施方式中的點火工作的控制程序的流 程圖。
符號的說明
1.重整器；2.噴燒器；3.燃燒風扇；4.點火器； 5.點火檢測器；6.燃料電池；6a.陽極氣體通路； 6b.陰極氣體通路；7.含氫氣體供給通路；
7a.第l含氫氣體供給通路；7b.第2含氫氣體供給通路；
8.陽極廢氣通路；9.切換閥；10.旁路通路；11.倒流防止閥； 12.噴燒器前隔絕閥；13.原料氣體供給通路；
14.原料氣體供給總閥；15.脫硫器；16.流量計；17.升壓器；
18.流量調整閥；19.原料氣體隔絕閥；20.燃料氣體供給通路；
21.燃燒氣體隔絕閥；22.空氣供給通路；23.空氣鼓風機；
24.陰極廢氣通路；25.控制器；26.閥開度調整器件；
27. Us再設定器件；50.氫生成裝置；51.燃料電池系統；
101.燃料電池系統；102.燃料處理裝置；103.燃料電池堆；
104.控制裝置；110.燃燒用空氣供給部；
111.重整用原料供給部；114.燃燒用原料供給部；
116.第l重整氣體運送線；117.第l廢氣運送線；
119.燃料電池堆用空氣供給部；129.燃燒廢氣運送線；
121.重整催化劑部；122.轉化催化劑部；
123.選擇氧化催化劑部；125.噴燒器部；126.燃燒催化劑部； 128.燃燒廢氣通路；136.點火器；141.鼓風機；142.調節(jié)閥
具體實施例方式
以參照

本發(fā)明的實施方式。其中，在所有的附圖中，對相同或者相當部分標注相同的符號，省略重復的說明。 (第l實施方式)
圖1是表示本發(fā)明的第1實施方式中的氫生成裝置以及具備該裝 置的燃料電池系統的構成圖。
如圖1所示，本第1實施方式中的氫生成裝置50具備通過將碳化
氫類的原料氣體(例如城市燃氣等)進行水蒸汽重整從而生成富氫的 含氫氣體的重整器1、為了維持重整器1的溫度而使原料氣體或者被生
成的含氫氣體的一部分進行燃燒的噴燒器(燃燒器)2、將燃燒用空氣 提供給噴燒器2的燃燒風扇3、在噴燒器2中使原料氣體或者被生成的 含氫氣體的一部分點火的點火器4、檢測噴燒器2中的點火的點火檢測 器5。在此，點火檢測器5被構成為使用火焰檢測器并把檢測信號輸出 到在后面所述的控制器25。
在氫生成裝置50的重整器1上連接有原料氣體供給通路13的下 游端，其上游端被連接于城市燃氣配管(未圖示)。此外，在將原料氣 體提供給重整器1的原料氣體供給通路13上，從上游向下游按下列順 序設置有向氫生成裝置進行原料氣體的供給，隔絕的原料氣體供給總 閥14、除去包含于原料氣體的硫磺成分的脫硫器15、檢測提供給氫生 成裝置的原料氣體流量的流量計16、對被提供的原料氣體進行升壓的 升壓器17、控制被升壓了的原料氣體流量的流量調整閥18、向重整器 1進行原料氣體的供給 隔絕的原料氣體隔絕閥19。
此外，將原料氣體提供給噴燒器2的燃燒氣體供給通路20從流量 調整閥18和原料氣體隔絕閥19之間的原料氣體供給通路13被分支而 接入到噴燒器2。此外，在該燃燒氣體供給通路20上具備進行原料氣 體的供給 隔絕的燃燒氣體隔絕閥21。
此外，本發(fā)明的第1實施方式中的氫生成裝置50具備控制該氫生 成裝置50的一系列點火工作的控制器25?？刂破?5是由微型計算機 等電腦構成的，并具有由CPU等構成的運算處理部、由存儲器構成的 儲存部以及擁有日歷機能的計時部(均未圖示)。此外，控制器25具 備根據來自于流量計16的信號調整流量調整閥18的開度的閥開度調 整器件26。運算處理部通過讀出被安裝于儲存部的指定的控制程序并執(zhí)行該程序從而進行與氫生成裝置50相關的各種控制。此外，運算處 理部處理被存儲于儲存部中的數據或者從操作輸入部輸入的數據。于
是，利用被安裝于儲存部的指定的控制程序，執(zhí)行閥幵度調整器件26。 其中，在本實施方式中，控制器25被構成為對與燃料電池系統51相 關的各種控制都加以進行。
在此，在本說明書中，所謂控制器不僅僅指單獨的控制器，而是 指多個控制器協同工作而對氫生成裝置50以及燃料電池系統51進行 控制的控制器群。為此，控制器25不必由單獨的控制器來構成，也可 以被構成為由多個控制器被分散配置并使這些控制器協同工作以控制 氫生成裝置50以及燃料電池系統51。
其中，為了減少通過重整器1的含氫氣體中的一氧化碳，通常， 上述氫生成裝置50具備利用未被圖示的轉化反應而減少一氧化碳的轉 化器、利用氧化反應而減少一氧化碳的CO去除器。
此外，在上述的氫生成裝置50之外，具備本第l實施方式中的氫 生成裝置50的燃料電池系統51還具備使用氫和氧進行發(fā)電的燃料電 池6、把由氫生成裝置50生成的富氫的含氫氣體提供給燃料電池6的 含氫氣體供給通路7、向噴燒器提供從燃料電池6排出的陽極廢氣的陽 極廢氣通路8、將從氫生成裝置50輸送出的含氫氣體在燃料電池6中 進行旁通從而提供給陽極廢氣通路8的旁路通路10、在燃料電池6或 者旁路通路10之間對從氫生成裝置50送出的含氫氣體的供給對象進 行切換的切換閥9、在被切換閥9切換到旁路通路10側時，防止經由 旁路通路10并被提供給陽極廢氣通路8的含氫氣體向燃料電池6倒流 的倒流防止閥11、向噴燒器2進行含氫氣體或者城市燃氣的供給 隔 絕的噴燒器前隔絕閥12。
具體而言，含氫氣體供給通路7具有第1含氫氣體供給通路7a和 第2含氫氣體供給通路7b，第1含氫氣體供給通路7a的上游端被連接 于氫生成裝置50，其下游端被連接于由三通閥構成的切換閥9的第1 接口 。在切換閥9的第3接口上連接有第2含氫氣體供給通路7b的上 游端，其下游端被連接于燃料電池6的陽極氣體通路6a的入口處。此 外，在陽極氣體通路6a的出口處連接有陽極廢氣通路8的上游端，陽 極廢氣通路8的下游端被連接于燃燒氣體供給通路20的中途。此外，在切換閥9的第2接口處連接有旁路通路10的上游端，其下游端被連
接于陽極廢氣通路8的中途。然后，在比陽極廢氣通路8的旁路通路 IO的連接點更靠近上游側配設有倒流防止閥11。此外，在比燃燒氣體 供給通路20的陽極廢氣通路8的連接點更靠近下游側配設有噴燒器前 隔絕閥12。
此外，本第1實施方式中的燃料電池系統51具備將空氣提供給燃 料電池6的空氣供給通路22、將空氣從外部導入空氣供給通路22的空 氣鼓風機23、排出從燃料電池6排出的殘余空氣的陰極廢氣通路24。 具體而言，在空氣鼓風機23上連接有空氣供給通路22的上游端，其 下游端被連接于陰極氣體通路6b的入口處。此外，在陰極氣體通路6b 的出口處連接有陰極廢氣通路24的上游端，其下游端是向大氣開放的。
以下，參照圖1說明本第1實施方式中的氫生成裝置50以及具備 該裝置的燃料電池系統51的工作。
首先，在氫生成裝置50的運轉開始時，開啟原料氣體供給總閥14、 燃燒氣體隔絕閥21以及噴燒器前隔絕閥12，并關閉倒流防止閥11以 及原料氣體隔絕閥19，使點火器4和升壓器17工作。同時，通過由控 制器25適宜地控制流量調整閥18和燃燒風扇3，從而通過燃燒氣體供 給通路20將燃燒用的原料氣體提供給噴燒器2，且從燃燒風扇3將燃 燒用空氣提供給噴燒器2。接著，利用控制器25使點火器4工作，從 而進行在噴燒器2上的點火。其中關于在噴燒器2上的點火將會在后 面作詳細敘述。
接著，在完成了在噴燒器2上的點火之后，控制器25開啟原料氣 體隔絕閥19從而將原料氣體提供給重整器1。被提供給重整器1的原 料氣體在高溫條件下與水蒸汽一起被進行重整反應，從而生成富氫的 含氫氣體。同時，使用轉化器(未圖示)以及CO去除器(未圖示) 除去包含于從重整器1送出的含氫氣體中的一氧化碳，直至達到不會 給燃料電池6的催化劑造成破壞的濃度。
在燃料電池系統51中，在重整器1啟動時等包含于含氫氣體中的 一氧化碳較多的情況下，通過連通切換閥9的第1接口和第2接口并 關閉第3接口 ，從而連通第1含氫氣體供給通路7a和旁路通路10。由 此，通過旁路通路10將從氫生成裝置50提供給第1含氫氣體供給通路7a的氣體排放到陽極廢氣通路8。此時，倒流防止閥ll被關閉，從 而防止了含氫氣體倒流到燃料電池6。被排放至陽極廢氣通路8的含氫 氣體貫穿流經燃燒氣體供給通路20并被提供給用于將重整器1保持為 高溫的噴燒器2，從而作為燃燒用氣體被使用。
于是，在充分地降低了含氫氣體中的一氧化碳濃度之后，通過連 通切換閥9的第1接口和第3接口、關閉第2接口，從而連通第l含 氫氣體供給通路7a和第2含氫氣體供給通路7b，且開啟倒流防止闊 11。由此，由氫生成裝置50中生成的含氫氣體通過含氫氣體供給通路 7被提供給了燃料電池6 (正確地來說應該是陽極氣體通路6a)，此外， 空氣從空氣鼓風機23通過空氣供給通路22被提供給了燃料電池6(正 確地說應該是陰極氣體通路6b)。然后，被提供給燃料電池6的含氫氣 體以及空氣分別通過陽極氣體通路6a以及陰極氣體通路6b而被提供 給陽極以及陰極，通過電化學反應而產生電力。于是，來自于燃料電 池6的沒有被用于發(fā)電的氫、水蒸汽、二氧化碳以及一氧化碳的混合 氣體從燃料電池6的陽極氣體通路6a的出口被排放至陽極廢氣通路8。 被排放至陽極廢氣通路8的含氫氣體被提供給用于將重整器1保持為 高溫的噴燒器2，作為燃燒用燃料使用。此外，同樣，來自于燃料電池 6的沒有被用于發(fā)電的空氣和在發(fā)電過程中生成的水蒸汽的混合氣體 從燃料電池6的陰極氣體通路6b的出口被排放至陰極廢氣通路24。被 排放至陰極廢氣通路24的混合氣體被排放至空氣中。在此，在氫生成 裝置50的運轉過程中，也可以在從重整器1排出的含氫氣體被提供給 噴燒器2之后停止通過燃燒氣體供給通路20的燃燒用原料氣體的供
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接著，使用圖2所示的點火工作的控制程序流程圖說明本第1實 施方式中的氫生成裝置50以及具備該裝置的燃料電池系統51的點火 工作。
在用于點火工作的控制開始之后，首先，控制器25通過使燃燒風 扇3以最大功率工作30秒鐘(運轉步驟SIOO)，用空氣預清洗噴燒器 2以及噴燒器2下游的燃燒氣體通路(未圖示)內，使噴燒器2內部一 直處于穩(wěn)定狀態(tài)，從而確保適合于點火以及燃燒的狀態(tài)。接著，控制 器25將燃燒風扇3調整為最適于點火的規(guī)定轉數(運轉步驟SlOl)，使點火器4工作(運轉步驟S102)。流量調整閥18的開度U被控制器 25內部的閥開度調整器件26調整為初斯開度Us (運轉步驟S103)。 然后，控制器25開啟噴燒器前隔絕閥12、原料氣體供給總閥14、燃 燒氣體隔絕閥21，關閉倒流防止閥11以及原料氣體隔絕閥19，使升 壓器17工作(運轉步驟S104)從而進行點火工作。
接著，控制器25使用點火檢測器5檢測是否點火(運轉步驟S105)， 若檢測到點火，則使點火器4停止(運轉步驟S106)，從而結束點火工 作。在此，流量調整閥18的閥初期開度Us是指被閥開度調整器件26 調整的開度，即在運轉步驟S103中從開度為0%的狀態(tài)最初利用閥開 度調整器件26被調整的開度。此外，雖然從不產生爆炸性的燃燒導致 的大的燃燒聲響觀點出發(fā)，初期開度Us是指原料氣體的濃度(相對于 原料氣體和燃燒用空氣的混合氣體的原料氣體的濃度。以下會有只稱 之為"原料氣體濃度"的情況)，然而優(yōu)選比其燃燒下限更小的值。例 如，從不產生爆炸性的燃燒導致的大的燃燒聲響觀點出發(fā)，即使存在 升壓器的生壓精度偏差也優(yōu)選UL/2以下(其中，Ul是在點火工作吋相 對于從燃燒風扇3被提供給噴燒器2的空氣量，相當于燃燒下限的原 料氣體流動時的流量調整閥18的開度)。
此外，當在運轉步驟S105中不能檢測到點火時，控制器25判斷 是否超過了進行點火判斷的檢測時間(運轉步驟S107)。當超過了檢測 時間時，控制器25判斷點火失敗并停止點火器4的工作，從而結束點 火工作(運轉步驟SllO)。
此外，在運轉步驟S107中，當沒有超過檢測時間時，利用閥開度 調整器件26，流量調整閥18的開度U從初期開度Us向對應于點火工 作期間的目標原料流量的目標開度Uc徐徐增大?？傊刂破?5的 閥開度調整器件26判斷流量調整閥18的閥的開度U是否小于目標開 度Uc (運轉步驟S108)，在小于時使開度增加AU (運轉步驟S109)。 而在大于時不增加開度。
具體而言，控制器25的閥開度調整器件26取得從流量計16貫穿 流經原料氣體供給通路13以及燃燒氣體供給通路20并被提供給噴燒 器2的原料氣體的流量，并每次使流量調整閥18的開度各增加AU， 從而達到點火工作期間的目標原料流量。在此，雖然閥的開度U的增加量AU依據初期開度US的大小，然而從不產生爆炸性的燃燒而導致 的大的燃燒聲響的觀點出發(fā)，優(yōu)選較小的差值，例如從能夠將直至點 火為止的時間控制為在點火工作期間內的觀點出發(fā)，優(yōu)選每1個運轉
步驟大于0^-lVT)xAT;從不產生爆炸性的燃燒導致的大的燃燒聲響 的觀點出發(fā)，優(yōu)選每1個運轉步驟小于(Um-Us/T)xAT (其中，Um是在 點火工作時相對于從燃燒風扇3被提供給噴燒器2的空氣量，相當于 燃燒下限的原料氣體流動時的流量調整閥18的開度，T是點火工作時 間，AT是每1個運轉步驟的間隔時間)。此外，閥的開度U的增加量 AU既可以為恒定，也可以為對每個從控制器25的閥開度調整器件26 被輸出到流量調整閥18的控制信號有所不同。其中，在此，雖然是從 初期開度Us每次以AU階段性地增大流量調整閥18的閥開度，但是并 不限定于此，只要是從初期開度Us向目標開度Uc緩慢地增加閥開度， 也可以是連續(xù)地增加。
然后，在利用運轉步驟S108以及運轉步驟S109進行了流量調整 閥18的開度U的判斷以及調整之后，返回運轉步驟S105，利用點火 檢測器5重復進行檢測。其中，所謂上述點火工作期間的目標原料流 量，相當于假設噴燒器2中的原料氣體濃度進入到燃燒范圍并切實地 進行點火時的原料流量，在本實施方式中為1.5L。此外，在上述的本 第1實施方式中，雖然燃燒氣體供給通路20以及陽極廢氣通路8相當 于本發(fā)明的第2氣體供給通路，但終究只是一個例子，并不局限于本 例的情況。此外，以上述點火工作，當原料氣體在噴燒器2內點火之 后，在流量調整閥18的閥開度U沒有到達目標開度Uc的情況下，閥 開度調整器件26調整流量調整閥18的閥開度U以使其成為目標開度 Uc。
接著，就有關本實施方式中的氫生成裝置50以及具備該裝置的燃 料電池系統51的作用效果進行說明。
在如現有的燃氣熱水器那樣、在點火工作期間以固定在對應于目 標原料流量的開度的狀態(tài)下提供原料、使其點火的情況下，由于升壓 器17的升壓精度的個體差異，被提供給噴燒器2的原料氣體流量的偏 差會變大。其結果，會出現異常，特別是如由于提供了估計值以上的 原料氣體而引起爆炸性的燃燒所導致的大的燃燒聲響、以及由于原料濃度較高而造成不穩(wěn)定燃燒或者由于原料過濃而超過燃燒上限導致點 火失敗等的異常。但是如果進行上述本第1實施方式中的氫生成裝置 50以及具備該裝置的燃料電池系統51的點火工作，則可以解決該問 題。
艮口，在使點火器4工作的狀態(tài)下，將流量調整閥18的開度U控制
為開度從將原料氣體的流量調節(jié)為小流量的初期開度Us開始、對應
于點火工作期間的目標原料流量、向大于初期開度Us的目標開度Uc 徐徐增大，從而使原料氣體流量徐徐增加，由此，可以使噴燒器2中 的可燃性氣體濃度從低濃度開始徐徐地上升。為此，即使由于升壓器 17的升壓精度的個體差異的偏差而產生原料氣體流量的偏差，也會由 于能夠進行從富含空氣的低濃度側的點火，而不會引起爆炸性的燃燒 導致的大的燃燒聲響、不穩(wěn)定燃燒、點火失敗等，從而可以實現安全 而且穩(wěn)定的點火工作。
在此，如圖3所示，如果將初期開度Us設定為相對于噴燒器2 內的燃燒用空氣量的原料氣體量小于原料氣體濃度的燃燒下限時的開 度，則可以在點火工作初期形成原料氣體濃度較低的"不發(fā)生爆炸性 燃燒的安全的狀態(tài)"，自這個狀態(tài)使原料氣體濃度徐徐上升且到達燃燒 范圍內而進行點火。其結果，能夠實現更為安全的點火工作從而可以 應用。
此外，雖然在本實施方式中點火時的燃燒用原料氣體的供給被控 制為"通過燃燒氣體供給通路20而進行的"，然而也可以利用如下的
形式提供原料氣體。S卩，點火工作期間的各個閥的控制也可以為開
啟原料氣體供給總閥14、噴燒前隔絕閥12以及原料氣體隔絕閥19， 關閉倒流防止閥11和燃料氣體隔絕閥21，連通切換闊9的第1接口和 第2接口，并且，關閉第3接口，從而連通第1含氫氣體通路7a和旁 路通路10。然后，使點火器4和升壓器17工作。同時利用控制器25 適宜地控制流量調整閥18和燃燒風扇3，從而從重整器1通過含氫氣 體供給通路7、切換閥9、旁路通路IO、陽極廢氣排出通路8以及燃燒 氣體供給通路20將原料氣體提供給噴燒器2，且提供燃燒用空氣，進 行噴燒器2中的點火。在此情況下，從重整器1的出口直至噴燒器2 的含氫氣體供給通路7 (正確地說是第1含氫氣體供給通路7a)、旁路通路10、陽極廢氣通路8以及燃燒氣體供給通路20的通路相當于本發(fā)
明的第1氣體供給通路，然而終究只是一個例子，并不是被限定于本
例，也可以是從重整器1的出口經過燃料電池6直至燃燒器2的含氫 氣體供給通路7、燃料電池內的陽極氣體通路6a、陽極廢氣通路8以 及燃燒氣體供給通路20的通路。 (第2實施方式)
圖4是表示本發(fā)明的第2實施方式中的氫生成裝以及具備該裝置 的燃料電池系統的構成圖。在圖4中，對與圖1相同的構成要素使用 相同的符號，省略其說明。
如圖4所示，第2實施方式中的氫生成裝置50以及具備該裝置的 燃料電池系統51，在第1實施方式中已作了說明的氫生成裝置50以及 具備該裝置的燃料電池系統51之外，還進一步具備Us再設定器件27， Us再設定器件27將點火工作期間為未能點火的情況之后的點火工作 時的初期開度Us設定為前次點火工作期間中的最終開度Ue。其中， Us再設定器件27是通過容納于控制器25的儲存部的指定程序而實現 的。
接著，使用圖5所示的點火工作的流程圖，說明第2實施方式中 的氫生成裝置50以及具備該裝置的燃料電池系統51的點火工作。
在點火工作開始之后，控制器25首先通過以最大功率使燃燒風扇 3工作30秒鐘(運轉步驟SIOO)，用空氣預清洗噴燒器2以及噴燒器2 下游的燃燒氣體通路(未圖示)內。接著，控制器25將燃燒風扇3調 整到使其點火的最適當的規(guī)定轉數(運轉步驟SIOI)，然后使點火器4 工作(運轉步驟S102)。流量調整閥18的開度U被控制器25的內部 的閥開度調整器件26調整為初期開度Us (運轉步驟S103)。于是，控 制器25開啟噴燒器前隔絕閥12、原料氣體供給總閥14、燃燒氣體隔 絕閥21，關閉倒流防止閥11以及原料氣體隔絕閥19，使升壓器17工 作(運轉步驟S104)從而進行點火工作。接著，控制器25利用點火檢 測器5來檢測是否點火(運轉步驟S105)，若檢測到點火則停止點火器 4 (運轉步驟S106)從而結束點火工作。
而當在運轉步驟S105中在不能檢測到點火時，控制器25判斷是 否超過了進行點火判斷的點火檢測時間(運轉步驟S107)。在沒有超過點火檢測時間時，利用閥開度調整器件26，使流量調整閥18的開度U 從初期開度Us向對應于點火工作期間的目標原料流量的目標開度Uc 徐徐增大?？傊?，控制器25的閥開度調整器件26判斷流量調整閥18 的閥開度U是否小于目標開度Uc (運轉步驟S108)，在小于時使開度 增加AU (運轉步驟S109)，而在大于時則不增加開度。
然后，在利用運轉步驟S108以及運轉步驟S109進行流量調整閥 18的開度U的判斷以及調整之后，返回到運轉步驟S105并使用點火 檢測器5重復進行檢測。
此外，在運轉步驟S107中，在超過了點火檢測時間時，判斷點火 失敗次數是否在規(guī)定次數以下(例如4次以下)(運轉步驟Slll)。當 在規(guī)定次數以下時，利用Us再設定器件27，將初期開度Us設定為之 前一次的點火工作期間中最終的流量調整閥18的開度Ue (運轉步驟 S112)。例如，在進行了 3次點火工作的情況下(點火失敗次數為3次 的情況)，將第4次點火工作中的初期開度Us設定于第3次點火工作 期間結束時流量調整閥18的開度Ue。
接著，控制裝置25關閉噴燒器前隔絕閥12、原料氣體供給總閥 14、原料氣體隔絕閥19，停止點火器4以及升壓器17(運轉步驟S113)， 并返回到運轉步驟SIOO，重復進行點火工作直至在運轉步驟Slll的判 斷中點火失敗達到規(guī)定次數(例如4次)。此外，在運轉步驟Slll中， 當點火失敗次數達到了規(guī)定次數(例如4次)時作為點火失敗。此外， 在運轉步驟S105中檢測到點火時，停止點火器4的工作從而結束點火 工作。
其中，在本實施方式中，可以如第1實施方式那樣，調整初期開 度Us以及閥開度U的增加量AU，以使在第1次點火工作期間內將流 量調整閥18的開度U調整到目標開度Uc，此外也可以調整初期開度 Us以及閥開度U的增加量AU，以使在多次的點火工作期間內將流量 調整閥18的開度U調整到目標開度Uc。
此外，在即使流量調整閥18的開度U成為目標開度Uc的情況下、 點火失敗而且點火失敗次數沒有到達規(guī)定次數時(規(guī)定次數以下時)， 控制器25的Us再設定器件27也可以將下一次的點火工作期間中的初 期開度Us設定為目標開度Uc。接著，說明第2實施方式中的氫生成裝置50以及具備該裝置的燃 料電池系統51的作用效果。
利用上述的第2實施方式中的氫生成裝置50以及具備該裝置的燃 料電池系統51的構成，除了上述的第1實施方式中所說明的"不引起 伴隨爆炸性的點火的大點火聲響 不穩(wěn)定燃燒、點火失敗等，實現安 全而且穩(wěn)定的點火工作"之外，在未能點火時的再點火工作中，通過 進行如圖5所示的流程圖的點火工作，可以更加可靠地進行點火。
艮P，在運轉步驟S107中，在沒有超過點火檢測時間時，通過進行 在第1實施方式中所說明的工作，使噴燒器2中的可燃性氣體(原料 氣體)濃度從低濃度開始徐徐上升，從而可以實現安全而且穩(wěn)定的點 火工作。再有，在運轉步驟S107中在未能點火的狀態(tài)下超過了點火檢 測時間，且點火失敗次數在規(guī)定次數以下的情況下，將點火工作期間 中的流量調整閥18的最終開度Ue (在到達目標開度Us的情況下是目 標開度Us)再設定為再點火工作時點火工作期間的流量調整閥的初期 開度Us，進行再點火工作。
如上所述，在第2實施方式中，因為使噴燒器2中的可燃性氣體 的濃度從低濃度開始徐徐上升，所以即使是將流量調整閥18的開度調 整到最終開度Ue也未能點火的原因推測為以開度Ue時的原料氣體 的流量，并不由于是噴燒器2中的可燃性氣體濃度超過了燃燒上限濃 度而未能點火，而是由于可燃性氣體濃度低于燃燒下限濃度而未能點 火。為此，在第2實施方式中，通過使噴燒器2中的可燃性氣體的濃 度從比前一次點火工作時的初期可燃性氣體濃度更高的濃度狀態(tài)徐徐 上升，可以比前一次更加提高噴燒器2中的點火性，從而在再點火工 作中更可靠地實現點火工作。
其中，在上述第1及第2實施方式中，雖然采用了將燃燒氣體供 給通路20的下游端連接到陽極廢氣通路8的中途的結構，但是并不限 定于此，例如，也可以是連接到含氫氣體供給通路7的第2含氫氣體 供給通路7b的中途的結構。在此情況下，通過連通切換閥9的第3接 口和第2接口、關閉第1接口，可以自燃料氣體供給通路20經由旁路 通路10將原料氣體提供給噴燒器2。 (第3實施方式)圖7是表示本發(fā)明的第3實施方式中的氫生成裝置以及具備該裝 置的燃料電池系統的構成圖。此外，圖8是表示本發(fā)明的第3實施方 式中的氫生成裝置以及具備該裝置的燃料電池系統的點火工作流程 圖。
如圖7所示，本發(fā)明的第3實施方式中的氫生成裝置50以及具備 該裝置的燃料電池系統51的基本構成與第1實施方式中的氫生成裝置 50以及具備該裝置的燃料電池系統51相同，不同在于不設置燃燒氣體 供給通路20以及燃燒氣體隔絕閥21。此外，在陽極廢氣通路8的下游 端被連接于噴燒器2、在比陽極廢氣通路8的旁路通路10的連接點更 靠近下游側設置噴燒器前隔絕閥12。
此外，如圖8所示，利用運轉步驟S104中的控制器25的閥的控 制也有所不同。具體而言，控制器25開啟噴燒器前隔絕閥12、原料氣 體供給總閥14以及原料氣體隔絕閥19，連通切換閥9的第1接口和第 2接口，并且關閉第3接口，使升壓器17工作從而進行點火工作。
由此，在第3實施方式中的燃料電池系統51中，原料氣體貫穿流 經原料氣體供給通路13、氫生成裝置50、第1含氫氣體供給通路7a、 旁路通路10以及陽極廢氣通路8從而被提供給噴燒器2。
在以如此形式構成的第3實施方式中的氫生成裝置50以及具備該 裝置的燃料電池系統51中，在取得了與第1實施方式相同的作用與效 果的同時，還取得了以下的作用與效果。
艮口，在第3實施方式中的燃料電池系統51中，采用了使原料氣體 貫穿流經氫生成裝置50之后再被提供給噴燒器2的結構，從在噴燒器 2實行了最初的點火開始至點火檢測器5確認了穩(wěn)定的點火燃燒為止 的點火工作期間中，在噴燒器2中燃燒的燃燒氣體用于使貫穿流經氫 生成裝置50的重整器1 (包括未圖示的轉化器以及CO去除器)的原 料氣體等的氣體升溫，從而增加了從氫生裝置50貫穿流經下游側的第 1含氫氣體供給通路7a、旁路通路10以及陽極廢氣通路8的原料氣體 的體積流量。
而與一般的被公開的燃氣熱水器的點火方式相同，為了使被提供 給噴燒器2的原料成為目標原料流量，調整流量調整閥18的開度，則 僅將貫穿流經第1含氫氣體供給通路7a、旁路通路10以及陽極廢氣通路8的原料氣體的體積流量增加的這一部分，用于作為目標流量以上 的原料氣體提供給噴燒器2。在這樣的、將目標流量以上、特別是估計
值以上的原料氣體提供給噴燒器2的情況下，如果繼續(xù)點火工作，就 會引起在噴燒器2內部引起爆炸性的燃燒導致的大的燃燒聲響、或由
于原料氣體濃度較高而造成的不穩(wěn)定燃燒、或者原料氣體濃度變成了 燃燒上限以上而點火失敗的異常的情況。
然而，在第3實施方式中的燃料電池系統51中，因為在噴燒器2 中以原料氣體濃度從低濃度開始徐徐變高的形式控制流量調整閥18的 閥開度U，所以可以防止將估計值以上的原料氣體提供給噴燒器2，從 而可以防止引起噴燒器2內部的爆炸性的燃燒導致的大的燃燒聲響、 或由于原料氣體濃度高而造成的不穩(wěn)定燃燒或者原料氣體濃度變成了 燃燒上限以上而點火失敗的異常。
在此，雖然采用了與第1實施方式相同的結構，但是并不限定于 此，如第2實施方式所示，也可以采用將Us再設定器件27設置于控 制器25、設定點火失敗次數從而多次進行點火工作的結構。
通過上述說明，對于本行業(yè)者來說本發(fā)明的多處改良和其他的實 施方式均已明了。因此，上述說明因該被理解為僅為例示，目的在于 向本行業(yè)者提供一個實施本發(fā)明的最佳方式的示例。只要不脫離本發(fā) 明的精神可以實質性地變更其構造以及/或者其機能的細節(jié)。
產業(yè)上利用的可能性
本發(fā)明具有使用被升壓器升壓了的原料從而能夠提高進行燃燒的 燃燒器的點火性的效果，可以用于具有使用被升壓了的原料氣體而進 行燃燒的燃燒器的氫生成裝置以及具備該裝置的家庭用燃料電池系統 等。
權利要求
1.一種氫生成裝置，其特征在于具備從原料氣體通過重整反應而生成含氫氣體的重整器、加熱所述重整器的燃燒器、用于將從所述重整器送出的氣體提供給所述燃燒器的第1氣體供給通路或者用于將原料氣體提供給所述燃燒器的第2氣體供給通路、用于在所述燃燒器中執(zhí)行點火工作的點火器、對被提供給所述重整器或者所述燃燒器的原料氣體進行升壓的升壓器、調整被提供給所述重整器或者所述燃燒器的原料氣體流量的流量調整閥、以及控制器；所述控制器被構成為，在所述點火器的點火工作期間，使所述升壓器進行工作從而將所述原料氣體從所述第1氣體供給通路或者所述第2氣體供給通路提供給所述燃燒器，并將所述流量調整閥的開度控制為從小于對應于所述點火工作期間中的目標原料流量的目標開度Uc的初期開度US向該目標開度Uc增大。
2. 如權利要求l所記載的氫生成裝置，其特征在于 具備用于將從所述重整器送出的氣體提供給所述燃燒器的第1氣體供給通路；所述控制器被構成為，在所述點火器的點火工作期間，使所述 升壓器工作并從所述第1氣體供給通路將所述原料氣體提供給所 述燃燒器。
3. 如權利要求l所記載的氫生成裝置，其特征在于 所述控制器將所述流量調整器的開度控制為從所述初期開度Us緩緩地增大。
4. 如權利要求l所記載的氫生成裝置，其特征在于 所述控制器將所述流量調整器的開度控制為從所述初期開度Us階段性地增大。
5. 如權利要求l所記載的氫生成裝置，其特征在于所謂所述點火工作期間是指所述點火器持續(xù)點火工作的期間。
6. 如權利要求l所記載的氫生成裝置，其特征在于 所述初期開度Us被設定為，使得在所述點火工作期間相對于提供給所述燃燒器的燃燒用空氣量而提供給所述燃燒器的原料氣 體量為小于該原料氣體濃度的燃燒下限的所述流量調整閥的開度。
7. 如權利要求1所記載的氫生成裝置，其特征在于-在利用所述點火工作期間的點火工作而未能點火、從而進行下 一步的點火工作時，所述控制器將該下一步的點火工作時的所述流量調整閥的初期開度Us設定為前面的點火工作期間中最終的所述 流量調整閥的開度Ue，并由所述點火器開始下一步的點火工作。
8. 如權利要求7所記載的氫生成裝置，其特征在于-當前面的點火工作時的最終的所述流量調整閥的開度Ue成為所述目標開度Uc時，所述控制器將下一步的點火工作時的所述流 量調整閥的初期開度Us設定為所述目標開度Uc并由所述點火器 開始下一步的點火工作。
9. 一種燃料電池系統，其特征在于具備權利要求1 8所記載的氫生成裝置、以及使用由所述氫生 成裝置生成的含氫氣體進行發(fā)電的燃料電池。
10. —種氫生成裝置的運轉方法，其特征在于 所述氫生成裝置具備從原料氣體通過重整反應而生成含氫氣體的重整器、加熱所述重整器的燃燒器、用于將從所述重整器送出 的氣體提供給所述燃燒器的第1氣體供給通路或者用于將原料氣 體提供給所述燃燒器的第2氣體供給通路、用于在所述燃燒器中執(zhí) 行點火工作的點火器、對被提供給所述重整器或者所述燃燒器的原 料氣體進行升壓的升壓器、調整被提供給所述重整器或者所述燃燒 器的原料氣體流量的流量調整閥的氫生成裝置的運轉方法，所述氫生成裝置的運轉方法，在所述點火器的點火工作期間， 使所述升壓器進行工作并將所述原料氣體從所述第1氣體供給通路或者所述第2氣體供給通路提供給所述燃燒器，且使所述流量調 整閥的開度從比對應于所述點火工作期間的目標原料流量的目標 開度Uc小的初期開度Us向該目標開度Uc增大。
11. 如權利要求10所記載的氫生成裝置的運轉方法，其特征在于所述流量調整器的開度從所述初期開度Us緩緩地增大。
12. 如權利要求10所記載的氫生成裝置的運轉方法，其特征在于所述流量調整器的開度從所述初期開度Us階段性地增大。
13. 如權利要求10所記載的氫生成裝置的運轉方法，其特征在于所述初期開度Us被設定為，在所述點火工作期間相對于提供給所述燃燒器的燃燒用空氣量而提供給所述燃燒器的原料氣體量 為小于該原料氣體濃度的燃燒下限的所述流量調整閥的開度。
14. 如權利要求10所記載的氫生成裝置的運轉方法，其特征在于在利用所述點火工作期間的點火工作而未能點火、從而進行下 一步的點火工作時，將該下一步的點火工作時的所述流量調整閥的初期開度Us設定為前面的點火工作期間中最終的所述流量調整閥 的開度Ue并由所述點火器開始下一步的點火工作。
15. 如權利要求14所記載的氫生成裝置的運轉方法，其特征在于當前面的點火工作時的最終的所述流量調整閥的開度Ue成為 所述目標開度Uc時，將下一步的點火工作時的所述流量調整閥的初期開度US設定為所述目標開度Uc并由所述點火器開始下一步 的點火工作。
全文摘要
一種氫生成裝置，其特征在于，具備由原料氣體生成含氫氣體的重整器(1)、加熱重整器(1)的燃燒器(2)、將從重整器(1)送出的氣體提供給燃燒器(2)的第1氣體供給通路或者將原料氣體提供給燃燒器(2)的第2氣體供給通路、在燃燒器(2)中執(zhí)行點火工作的點火器(4)、使被提供給重整器(1)或者燃燒器(2)的原料氣體升壓的升壓器(17)、調整被提供給重整器(1)或者燃燒器(2)的原料氣體流量的流量調整閥(18)、以及控制器(25)；在點火器(4)的點火工作期間，控制器(25)是使升壓器(17)工作并將原料氣體提供給燃燒器(2)，同時將流量調整閥(18)的開度控制為從小于目標開度Uc的初期開度U_S向目標開度Uc增大，其中目標開度Uc為對應于點火工作期間的目標原料流量的開度。
文檔編號C01B3/38GK101541670SQ200880000650
公開日2009年9月23日 申請日期2008年2月28日 優(yōu)先權日2007年3月1日
發(fā)明者中村彰成, 小原英夫, 尾關正高, 田村佳央 申請人:松下電器產業(yè)株式會社