CN101421181A - 氢生成装置、具备该装置的燃料电池系统以及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供氢生成装置、具备该装置的燃料电池系统以及其运行方法。本发明的氢生成装置具备由水蒸气和原料气体生成含氢气体的重整器、供给原料气体的第一气体供给器、燃烧从重整器排出的排出气体并加热重整器的燃烧器、将空气供给至燃烧器的燃烧用空气供给器、对重整器或者从重整器至燃烧器为止的流路供给与原料气体不同的其它气体的第二气体供给器、控制器；从第一气体供给器向重整器供给原料气体并在燃烧器中燃烧排出气体的时候(S101)，在从第二气体供给器开始供给其它的气体的情况下(S104)，上述控制器控制燃烧用空气供给器以增加给燃烧器的空气的供给量(S103)。

Description

氢生成装置、具备该装置的燃料电池系统以及其运行方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统、氢生成装置以及其运行方法。更为详细的是，涉及在启动时将燃料气体的燃烧热使用于装置的加热的氢生成装置、具备该装置的燃料电池系统以及其运行方法。
背景技术
使用燃料电池的热电联供系统一般具备有重整器的氢生成装置以及燃料电池。重整器具备充填有催化水蒸气重整反应的重整催化剂的反应器以及利用燃烧热加热该反应器的燃烧器。通过使烃类气体等的原料气体和水蒸气流通于被加热了的反应器中，从而通过水蒸气重整反应而产生含氢气体。从重整器排出的含氢气体通过燃料电池等后回到燃烧器而被燃烧，并加热反应器。由该加热从而供给作为吸热反应的水蒸气重整反应所需要的热。
为了降低含氢气体中的一氧化碳浓度，氢生成装置有时具备转化器或者净化器。在该构成中，转化器或者净化器有必要被维持在对反应适宜的温度。转化器或者净化器通过使高温的含氢气体流通而被加温，而通过进一步将空气供给至转化器或者净化器，可以使含氢气体和空气发生反应，并利用反应热有效地加热转化器或者净化器。
为了维持燃烧而向燃烧器供给空气。空气如果不足，那么就会不完全燃烧，并引起没烧尽而自灭或者产生一氧化碳。因此，在专利文献1中所公开的燃烧器中，为了不发生不完全燃烧，为了将来自燃烧器的排放气体的残存氧浓度维持在一定值以上，根据原料气体的供给量来决定给燃烧器的空气的供给量。
专利文献2以及专利文献3公开了控制供给至配设于燃料电池的重整器中的燃烧器(burner)的空气流量的方法。在专利文献2所公开的方法中，根据原燃料的流量控制给燃烧器的空气供给量。在专利文献3所公开的方法中，根据发电电流或者根据用于原料重整的应答时间来控制给燃烧器的空气供给量。在专利文献3中，进一步，在现有技术栏中公开了分析燃烧排放气体的氧浓度并以使残存氧为2～3％以上的方式向燃烧器供给空气的方法。
专利文献1：日本特开2002-267159号公报
专利文献2：日本特许3212181号公报
专利文献3：日本特许3718391号公报
发明内容
然而，在上述现有的构成中，启动时特别是燃烧器的燃烧状态变得不稳定，会有火焰没烧尽而自灭或者由于不完全燃烧而容易产生一氧化碳的问题。
本发明是为了解决该课题而做出的，目的在于提供可以抑制在燃烧器中的没烧尽而自灭或者燃烧排放气体中的一氧化碳量的增加的氢生成装置、含有该装置的燃料电池系统以及其运行方法。
本发明人对在上述现有的构成中燃烧器(burner)(燃烧器)的燃烧状态不稳定的原因作了悉心的研究。其结果是得到了以下的见解。
在氢生成装置启动时，通过了重整器的原料气体通过系统内部的气体流路而回到重整器的燃烧器并且被燃烧，在进行装置的升温的时候，在装置的温度变得充分高的阶段(到达水能够被蒸发的温度的阶段)，将重整水供给至重整器之后被供给的水蒸发，体积增加至1200倍以上。于是，从重整器向燃烧器连接的气体流路内的含有原料气体的可燃性气体向燃烧器急剧压出，造成燃烧器暂时性地处于燃料过剩状态，这被推测为造成没烧尽而自灭或燃烧排放气体中的一氧化碳量增加的原因之一。
另外，在氢生成装置启动的时候，通过了重整器的原料气体通过系统内部的气体流路而返回到重整器的燃烧器并被燃烧，在进行装置的升温时，当开始向转化器或者净化器供给空气之后，从重整器向燃烧器连接的气体流路内的含有原料气体的可燃性气体的流量增加，燃烧器同样处于燃料过剩状态，这成为在燃烧器中没烧尽而自灭或者燃烧排放气体中的一氧化碳量增加的原因之一。
另外，当从重整器向燃烧器连接的气体流路内的含有原料气体的可燃性气体的流量增加之后，燃烧器的背压增高，燃烧用的空气供给装置的空气供给压力相对降低，从而使供给燃烧器的空气供给量不足，这也成为没烧尽而自灭或者燃烧排放气体中的一氧化碳量增加的原因之一。
本发明者基于上述见解而想到了：在将流过了氢生成装置内的含有原料气体的可燃性气体返送到燃烧器并进行燃烧加热的情况下，通过与开始向重整器或者从重整器至燃烧器的气体流路中供给与原料气体不同的气体的动作(开始向重整器供给重整水或者开始向转化器或者净化器供给空气)相联动，而以增加给燃烧器的空气供给量的方式使燃烧用空气供给器进行工作，从而能够抑制火焰的没烧尽而自灭或者不完全燃烧的进行。
即，为了解决上述课题，本发明的氢生成装置，其特征在于：具备：重整器，由原料气体生成含氢气体；第一气体供给器，供给所述原料气体；燃烧器，燃烧从所述重整器排出的排出气体并加热重整器；燃烧用空气供给器，向所述燃烧器供给空气；第二气体供给器，对所述重整器或者从所述重整器至所述燃烧器为止的流路供给与所述原料气体不同的其它的气体；以及控制器；在从所述第一气体供给器向所述重整器供给所述原料气体并在所述燃烧器中燃烧所述排出气体的时候，在开始从所述第二气体供给器供给所述其它气体的情况下，所述控制器控制所述燃烧用空气供给器以增加给所述燃烧器的空气的供给量。
利用该构成，可以抑制相应于开始向流路供给与排出气体不同的气体时的给燃烧器的含原料气体的可燃性气体流量的增加而相对减少空气的供给量的情况，可以抑制在燃烧器中的没烧尽而自灭或者燃烧排放气体中的一氧化碳量的增加。
另外，在上述氢生成装置中也可以是，所述第二气体供给器是向所述重整器供给水蒸气的水蒸气供给器，在开始从所述水蒸气供给器供给水蒸气的情况下，所述控制器控制所述燃烧用空气供给器以增加给所述燃烧器的空气的供给量。
根据该构成，在开始向重整器供给水蒸气的时候，给燃烧器的含有原料气体的可燃性气体流量增加，但是可以抑制空气的供给量相应于该增加而相对减少，可以抑制在燃烧器中的没烧尽而自灭或者燃烧排放气体中的一氧化碳量的增加。
或者，在上述氢生成装中可以是，所述水蒸气供给器具备水供给器和水蒸发器，所述水蒸发器用于使从所述水供给器供给的水蒸发并将得到的水蒸气供给至所述重整器；在开始从所述水供给器供给水的情况下，所述控制器控制所述燃烧用空气供给器以增加给所述燃烧器的空气的供给量。
根据该构成，虽然在开始向水蒸发器供给重整水的时候，产生水蒸气，给燃烧器的含有原料气体的可燃性气体流量增加，但是可以抑制空气的供给量相应于该增加而相对减少，可以抑制在燃烧器中的没烧尽而自灭或者燃烧排放气体中的一氧化碳量的增加。
另外，在上述氢生成装置中也可以是，在开始从所述水供给器供给水之前，所述控制器控制所述燃烧用空气供给器以慢慢增加给所述燃烧器的空气的供给量。
根据该构成，因为不是突然增加给燃烧器的空气供给量，所以能够抑制由于空气过剩而造成的吹灭火焰等。
另外，在上述氢生成装置中也可以是，具备转化器，该转化器通过转化反应降低所述含氢气体中的一氧化碳浓度；所述第二气体供给器是向所述转化器供给空气的第一空气供给器，在从第一空气供给器对所述转化器开始供给空气的情况下，所述控制器控制所述燃烧用空气供给器以增加给所述燃烧器的空气的供给量。
根据该构成，虽然在开始向转化器供给空气的时候，给燃烧器的含有原料气体的可燃性气体流量增加，但是空气的供给量相应于该增加也增加，从而可以抑制其相对减少，可以抑制在燃烧器中的没烧尽而自灭或者燃烧排放气体中的一氧化碳量的增加。
另外，在上述氢生成装置中也可以是，具备净化器，该净化器通过选择氧化反应而降低所述含氢气体中的一氧化碳浓度；所述第二气体供给器是向所述净化器供给空气的第二空气供给器，在从所述第二空气供给器对所述净化器开始供给空气的情况下，所述控制器控制所述燃烧用空气供给器以增加给所述燃烧器的空气的供给。
根据该构成，虽然在开始向净化器供给空气的时候，给燃烧器的含有原料气体的可燃性气体流量增加，但是可以抑制空气的供给量相应于该增加而相对减少，可以抑制在燃烧器中的没烧尽而自灭或者燃烧排放气体中的一氧化碳量的增加。
另外，在上述氢生成装置中也可以是，在增加给所述燃烧器的空气的供给后，经过指定的时间之后，所述控制器进行控制以减少给所述燃烧器的空气的供给量。
根据该构成，相应于给燃烧器的含有原料气体的可燃性气体供给量的减少(与给燃烧器的气体供给量的减少相联动)而也减少空气供给量，从而能够抑制由于空气过剩而吹灭火焰等。
另外，本发明的燃料电池系统具备上述的氢生成装置以及使用由所述氢生成装置供给的含氢气体进行发电的燃料电池。
根据该构成，可以将稳定供给的含氢气体用于燃料而进行发电。
另外，本发明的氢生成装置的运行方法其特征在于：所述氢生成装置具备：重整器，由原料气体生成含氢气体；第一气体供给器，供给所述原料气体；燃烧器，燃烧从所述重整器排出的排出气体并加热重整器；燃烧用空气供给器，向所述燃烧器供给空气；以及第二气体供给器，对所述重整器或者从所述重整器至所述燃烧器为止的流路供给与所述原料气体不同的其它的气体；在从所述第一气体供给器向所述重整器供给所述原料气体并在所述燃烧器中燃烧所述排出气体的时候，在开始从所述第二气体供给器供给所述其它气体的情况下，所述燃烧用空气供给器以增加给所述燃烧器的空气的供给量的方式进行工作。
根据该构成，可以抑制空气的供给量相应于在开始向流路供给与排出气体不同的气体的时候的给燃烧器的含有原料气体的可燃性气体流量的增加而相对减少，可以抑制在燃烧器中的没烧尽而自灭或者燃烧排放气体中的一氧化碳量的增加。
另外，本发明的燃料电池系统的运行方法其特征在于：所述燃料电池系统具备：重整器，由原料气体生成含氢气体；第一气体供给器，供给所述原料气体；燃烧器，燃烧从所述重整器排出的排出气体并加热重整器；燃烧用空气供给器，向所述燃烧器供给空气；第二气体供给器，对所述重整器或者从所述重整器至所述燃烧器为止的流路供给与所述原料气体不同的其它的气体；以及燃料电池，使用所述含氢气体进行发电；在从所述第一气体供给器向所述重整器供给所述原料气体并在所述燃烧器中燃烧所述排出气体的时候，在开始从所述第二气体供给器供给所述其它气体的情况下，所述燃烧用空气供给器以增加给所述燃烧器的空气的供给量的方式进行工作。
根据该构成，可以抑制空气的供给量相应于在开始向流路供给与排出气体不同的气体的时候的给燃烧器的含有原料气体的可燃性气体流量的增加而相对减少，可以抑制在燃烧器中的没烧尽而自灭或者燃烧排放气体中的一氧化碳量的增加。
本发明具有上述的构成，并起到以下的效果。即，能够提供氢生成装置、具备该氢生成装置的燃料电池系统以及其运行方法，该氢生成装置在使用在氢生成装置内流通的含有原料气体的可燃性气体而在燃烧器中进行燃烧加热的时候，可以抑制在开始向重整器或者从重整器到燃烧器的气体流路供给与原料气体不同的其它的气体的情况下的没烧尽而自灭或者燃烧排放气体中的一氧化碳量的增加。
附图说明
图1是表示第一实施方式的燃料电池系统的概略构成的一个例子的框图。
图2是表示在第一实施方式的燃料电池系统启动时的各个阶段中的气体的总流量、给燃烧器的原料气体供给量、供给至燃烧器的气体中的原料气体浓度、在燃烧器中的完全燃烧所需要的空气供给量的表。
图3是表示第一实施方式的燃料电池系统启动后的给燃烧器的空气供给量的变化的图。
图4是表示在第一实施方式的燃料电池系统启动时利用控制装置111进行控制的流程图。
图5是表示第二实施方式的燃料电池系统的概略构成的一个例子的框图。
图6是表示第三实施方式的燃料电池系统的概略构成的一个例子的框图。
符号说明
100.燃料电池系统
101.重整器
102.燃烧器(burner)
103.转化器
104.净化器
105.燃料电池
106.重整水蒸发部
107.重整水供给装置
108.燃烧器空气供给装置
109.第一三通阀
110.第二三通阀
111.控制装置
112.重整器温度检测器
113.转化器温度检测器
114.净化器温度检测器
115.计时装置
116.CPU
117.存储器
200.燃料电池系统
201.重整器
202.燃烧器(burner)
203.转化器
204.净化器
205.燃料电池
207.转化空气供给装置
208.燃烧器空气供给装置
209.第一三通阀
210.第二三通阀
211.控制装置
212.重整器温度检测器
213.转化器温度检测器
214.净化器温度检测器
215.计时装置
216.CPU
217.存储器
300.燃料电池系统
301.重整器
302.燃烧器
303.转化器
304.净化器
305.燃料电池
307.净化空气供给装置
308.燃烧器空气供给装置
309.第一三通阀
310.第二三通阀
311.控制装置
312.重整器温度检测器
313.转化器温度检测器
314.净化器温度检测器
315.计时装置
316.CPU
317.存储器
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的优选实施方式。
(第一实施方式)
图1是表示第一实施方式的燃料电池系统的概略构成的一个例子的框图。以下参照图1，对本实施方式的燃料电池系统，分成硬件和控制系统来加以说明。
首先，就有关硬件作如下说明。如图1所示，本实施方式所涉及的燃料电池系统100的硬件具备：供给水(重整水)的作为本发明的水供给器的一个例子的重整水供给装置107，供给甲烷或者丙烷等的烃类的原料气体的作为本发明的第一气体供给器的一个例子的原料供给装置118，使重整水与原料进行水蒸气重整反应从而产生含氢气体的具有重整催化剂的重整器101，加热重整器101并供给水蒸气重整反应所需要的热的燃烧器(burner)102(燃烧器)，供给在燃烧器102中的燃烧所必要的空气的燃烧器空气供给装置108(燃烧用空气供给器)，由转化反应降低从重整器101排出的含氢气体中的一氧化碳的具有转化反应催化剂的转化器103，通过与从外部供给的空气中的氧的选择氧化反应而减少从转化器103排出的含氢气体中的一氧化碳的具有选择氧化催化剂的净化器104，以及使从净化器104排出的含氢气体(燃料气体)与氧化剂气体发生反应从而进行发电的燃料电池105。燃料电池105的燃料气体的出口和燃烧器102的燃料气体的入口是用配管进行连接的。在重整器101中，使重整水蒸发并产生水蒸气的作为本发明的水蒸发器的一个例子的重整水蒸发部106是邻接于燃烧器102而设置的。由重整水供给装置107和重整水蒸发部106构成作为本发明的第二气体供给器的一个例子的水蒸发供给器。
在重整水供给装置107中例如使用泵。在燃烧器102中例如使用火焰燃烧器。在燃烧器空气供给装置108中例如使用鼓风机或者泵等。在燃料电池105中例如使用高分子电解质型燃料电池。在原料供给装置118中例如使用连接城市燃气管道的电磁阀。
在将从净化器104排出的含氢气体供给至燃料电池105的配管上，设置着第一三通阀109。另外，在将从燃料电池105排出的含氢气体(尾气)供给至燃烧器102的配管上，设置着第二三通阀110。第一三通阀109和第二三通阀110由旁路流路进行连接，根据需要不经由燃料电池105而直接把从净化器104排出的气体送往燃烧器102。
接着，就控制系统作如下说明。如图1所示，本实施方式所涉及的燃料电池系统100的控制系统具备：作为本发明的控制器的一个例子的控制装置111，检测重整器101的温度(也可以是重整水蒸发部106的温度)的重整器温度检测器112，检测转化器103的温度的转化器温度检测器113，检测净化器104的温度的净化器温度检测器114。控制装置111具备计时装置115、CPU116以及存储器117。为了控制燃料电池系统100的运行，控制装置111与重整器温度检测器112、转化器温度检测器113、净化器温度检测器114、重整水供给装置107、燃烧器空气供给装置108、第一三通阀109、第二三通阀110进行可通信地连接。存储器117存储燃料电池系统100的运行所需要的动作程序等，同时，也适当存储控制装置111所接收的检测信息，根据该动作程序以及从计时装置115送出的时刻信息等运行燃料电池系统。还有，控制装置111或者CPU116等的数目也可以是多个。即，燃料电池系统100的控制既可以是集中控制也可以是分散控制。
接着，就利用燃料电池系统100的发电工作的概况加以说明。在重整器101的内部，从重整水供给装置107供给的水(重整水)在重整水蒸发部106中由从燃烧器102供给的热而蒸发，并成为水蒸气。由重整器101内部的重整催化剂催化该水蒸气与从原料供给装置118供给的原料气体的水蒸气重整反应，从而产生含有氢、二氧化碳以及一氧化碳的含氢气体。来自于重整水供给装置107的重整水的供给量以及来自于原料供给装置118的原料气体的供给量由控制装置111来控制。
在重整器101中所产生的含氢气体被供给至转化器103。在转化器103中，通过转化反应，含氢气体中的水蒸气和一氧化碳转化成氢和二氧化碳。通过该反应，含氢气体中的一氧化碳的浓度被降低。从重整器101供给的含氢气体为高温气体，通过该气体在转化器103的内部流通，从而加热转化器103。转化器103的温度由转化器温度检测器113检测，检测信息被送往控制装置111。控制装置111根据检测得到的温度，通过未图示的转化器温度调节手段(例如加热器或者冷却风扇)将转化器103的温度调节至适合于转化反应的温度。
在转化器103中降低了一氧化碳浓度的含氢气体被供给至净化器104。在净化器104中，通过选择氧化催化剂催化的选择氧化反应，含氢气体中的一氧化碳被选择性地氧化，从而转化成了二氧化碳。在选择氧化反应中，使用从未图示的空气供给器供给的空气中的氧。通过该反应，进一步降低含氢气体中的一氧化碳的浓度。供给至净化器104的含氢气体依然是高温气体，通过该气体在净化器104内部作流通，从而加热净化器104。净化器104的温度由净化器温度检测器114检测，检测信息被送往控制装置111。控制装置111根据被检测的温度，由未图示的净化器温度调节手段(例如加热器或者冷却风扇)将净化器104的温度调节至适合于选择氧化反应的温度。
在通常发电的时候，由控制装置111控制第一三通阀109以形成连接净化器104和燃料电池105的气体流路。通过该控制，由净化器104降低了一氧化碳浓度的含氢气体被供给到燃料电池105的阳极侧。另外，空气等作为氧化剂气体从未图示的氧化剂气体供给装置被供给至燃料电池105的阴极侧。在燃料电池105中，供给至阳极侧的含氢气体与供给至阴极侧的氧化剂气体发生反应，从而产生热和电。所产生的热和电从燃料电池105中被取出，由家庭等的需要者加以使用。
燃料电池105的阳极侧和阴极侧由高分子电解质膜等进行隔离，含氢气体和氧化剂气体不相混合而被分别排出。在通常发电的时候，第二三通阀110受控制装置111控制以形成连接燃料电池105和燃烧器102的气体流路。通过该控制，从燃料电池105排出的含氢气体被导入到燃烧器102的燃料气体的入口。供给至燃烧器102的含氢气体与从燃烧器空气供给装置108供给的空气相混合，并进行燃烧。在通常发电的时候，来自于燃烧器空气供给装置108的空气的供给量由控制装置111进行控制而维持最佳燃烧状态。来自于燃烧器102的排放气体(燃烧器排放气体)被排放至系统外。重整器101由燃烧器102加热。控制装置111根据从重整器温度检测器112所接收的温度检测信息来调节供给至重整器101的原料气体的量等。由该控制，通过供给至燃烧器102的气体量而调节燃烧器102所产生的热量，重整器101的温度被维持在适合于水蒸气重整反应的温度。
以下就作为本实施方式的燃料电池系统100的特征的启动时的工作加以说明。燃料电池系统100在启动时与从重整水供给装置107供给重整水的工作相联动而使燃烧器空气供给装置108进行工作以增加给燃烧器102的空气供给量。以下就其工作进行详细说明。
在燃料电池系统100启动的时候，控制装置111在停止重整水供给装置107的状态下，从原料供给装置118向重整器101供给原料气体。第一三通阀109以及第二三通阀110被控制成使得从净化器104排出的气体不经由燃料电池105而通过旁路流路。由该控制，从原料供给装置118供给的原料气体通过重整器101、转化器103、净化器104以及旁路流路，从而在燃烧器102中被燃烧。由来自于燃烧器102的燃烧热加热重整器101。转化器103和净化器104由从重整器101排出的高温气体的流通而被间接地加热。
重整器101(重整水蒸发部106)的温度在充分上升之后，通过控制装置111开始重整水供给装置107的运行，从而向重整器101供给重整水。重整水蒸发部106的温度达到足够的高温，所以被供给的重整水被蒸发而变成了水蒸气，与原料气体发生反应从而产生含氢气体。在此，在启动时重整器101的温度较低，即使供给重整水也不会蒸发。因此，在刚启动之后即使供给重整水，也会由于液体的水而在气体流路中发生堵塞等。通过在重整水蒸发部106的温度充分上升之后再向重整器101供给重整水，就能够防止该问题。
重整器101的温度、转化器103的温度、净化器104的温度在上升到能够充分降低含氢气体中的一氧化碳浓度的程度为止之后，由控制装置111切换第一三通阀109以及第二三通阀110，使含氢气体向燃料电池105供给。如果在含氢气体中的一氧化碳浓度没有被充分降低的情况下向燃料电池105进行供给，那么就会产生燃料电池105的电极催化剂等中毒而降低发电效率等的严重的问题。通过在重整器101、转化器103以及净化器104的温度上升之后将含氢气体向燃料电池105进行供给，可以防止该问题。
在该控制中，在开始供给重整水之后产生水蒸气，重整器中的气体的体积急剧膨胀。膨胀了的气体挤压出下游(气体流动中的下游，下同)的气体。在开始供给重整水的时刻，水蒸气或者氢等不存在于下游，100％的原料气体被充满于气体流路。通过由水蒸气挤压出下游的气体，给燃烧器102的原料气体的供给量也会增加。在给燃烧器102的空气的供给量保持固定的情况下，原料气体变得过剩，引起不完全燃烧，从而产生数千ppm的高浓度的一氧化碳。或者，由于氧不够也会有燃烧器102的火完全熄灭(没烧尽而自灭)的情况。一氧化碳是对人体有害的，最好是控制在300ppm以下。为了进行稳定了的启动，在开始供给重整水的时候，需要将充分的空气供给至燃烧器102。为了抑制在重整水开始被供给时的一氧化碳的产生或者火焰没烧尽而自灭，本实施方式的燃料电池系统100在开始供给重整水的时候(与开始供给重整水相联动)，以增加给燃烧器102的空气供给量的方式使燃烧器空气供给装置108进行工作。该工作是通过控制装置111控制燃烧器空气供给装置108来进行的。具体是例如通过提高构成燃烧器空气供给装置108的鼓风机的转数等来进行。
图2是表示在图1的燃料电池系统启动时的各个阶段上的气体的总流量、给燃烧器的原料气体供给量、供给至燃烧器的气体中的原料气体浓度、在燃烧器中的完全燃烧所需要的空气供给量的表。流量以及供给量的单位为升(L/分)、浓度的单位为百分比(％)。以下参照图2就启动时的各个阶段上的气体的流量以及浓度加以说明。
如图2所示，供给重整水之前的阶段(图2的左侧之列)上，在启动时的燃料气体流路中(在启动时从重整器101到燃烧器102的气体流路，即从重整水蒸发部106经过转化器103、净化器104、第一三通阀109、旁路流路以及第二三通阀110而到达燃烧器102的气体流路，下同)进行流通的气体的总流量是等于原料气体的供给量Qmat。在该阶段上，在启动时燃料气体流路中充满着100％浓度的原料气体，所以给燃烧器的原料气体供给量成为等于Qmat。如果与为了使原料气体完全燃烧所需要的空气的体积比为α，那么为了在燃烧器102中使气体完全燃烧，需要供给αQmat的空气。
在刚供给重整水之后的阶段(图2的中间之列)上，重整水在重整水蒸发部106中蒸发从而产生水蒸气。如果所产生的水蒸气的量为Qwat，那么在启动时在燃料气体流路中进行流通的气体的总流量为原料气体和水蒸气的合计Qmat+Qwat。另一方面，所产生的水蒸气并不是立即充满启动时的燃料气体流路，所以在刚供给重整水之后供给至燃烧器102的气体中的原料气体浓度依然是100％。因此，供给至燃烧器102的原料气体的量为Qmat+Qwat，与重整水供给前相比较仅仅增加了Qwat。因此，为了在燃烧器102中使原料气体完全燃烧所需要的空气供给量也只增加αQwat。
例如，启动时的原料气体的供给量Qmat为1.5L/分，重整水的供给量为3.6mL/分。水在蒸发时体积膨胀至大约1700倍，所以水蒸气的产生量Qwat为6.12L/分。因此，需要的空气供给量为大约5倍。此时，为了抑制燃烧器102的没烧尽而自灭或者燃烧排放气体中的一氧化碳量的增加，在一定程度上需要准确地进行空气供给量的控制。具体是，在增加来自于燃烧器空气供给装置108的空气供给量的时候，最好是与增加前相比较增加成容纳在1.3倍～5倍的范围内。
重整水被供给之后，经过指定的时间，水蒸气与原料气体充分地混合并充满于启动时的燃料气体流路中，在此阶段(图2的右侧之列)上，气体的总流量依然是Qmat+Qwat。可是，在供给至燃烧器的气体中也混入了水蒸气，所以原料气体浓度变得低于刚供给重整水之后。如果不考虑由于水蒸气重整反应而引起的原料气体的减少，那么供给至燃烧器的气体中的原料气体浓度(体积比)就为Qmat×100/(Qmat+Qwat)％。因此，供给至燃烧器102的原料气体的净供给量为Qmat，为了在燃烧器102中完全燃烧气体所需要的空气供给量也回到了重整水供给前的αQmat。
图3是表示第一实施方式的燃料电池系统启动后的在燃烧器中的空气比的变化的图。所谓空气比是将空气和燃料的比(空气/燃料)除以从分子的摩尔数等进行演算得到的完全燃烧所需要的空气和燃料的比(理论值)所得到的值。在实际的运行过程中，即使按照理论值供给空气也不会达到完全燃烧，所以要过剩地供给空气，空气比设定在1以上。空气供给量如果增加了，那么空气比也增加。在图3中，t1表示开始增加空气供给量的时刻，t2表示开始供给重整水的时刻，t3表示开始减少空气供给量的时刻，t4表示空气供给量返回到重整水供给前的时刻。
在此，如图所示，优选空气供给量与开始供给重整水的动作相联动而慢慢地增加。这是因为如果与重整水的供给同时急剧地增加空气供给量，那么燃烧器的火就会有被吹灭的可能性。增加的图形既可以是平滑性的也可以是阶梯状的。另外，优选空气供给量相应于气体中的原料气体浓度而慢慢地减少。这是因为随着启动时水蒸气渐渐充满于燃料气体流路，原料气体的浓度也渐渐降低。通过该控制，根据原料气体的供给量或者浓度而将适宜量的空气供给至燃烧器102，从而确保稳定的启动运行。
增加空气供给量的时机并不局限于图3所表示的，可以根据重整水的供给开始的时机而做各种各样的决定。例如，在慢慢地增加重整水的供给的情况下，因为气体的总流量的增加也变得缓慢，所以也可以与重整水的供给开始同时，开始增加空气供给量。或者，在根据装置构成基本上没有没烧尽而自灭的可能性的情况等之下，也可以与重整水的供给开始同时地一次性增加空气量。也可以先于或者后于重整水的供给开始的时机规定的时间来增加给燃烧器102的空气供给量。
减少空气供给量的时机可以相应于各个装置的具体的构成或者向燃烧器供给的气体中的原料气体浓度等的燃烧条件而作适当调节。因此，虽然不可能理论性地或者唯一地来决定减少空气供给量的时机，但是例如可以根据如下的见解调节减少空气供给量的时机。
将模型简化，在供给重整水的瞬间蒸发重整水的总量从而一下子增加气体流量，之后，使完全混合的气体流通。进一步假设重整水供给前后的气体不作搀混。在该假设的条件之下，设启动时燃料气体流路的容积为V，在经过V/(Qmat+Qwat)分的时间之后，包含水蒸气的气体到达燃烧器102。因此，就能够以这个值作为基准来调节减少空气供给量的时机。实际上不会发生如上所述理想的反应，所以优选加上反应率或者混合率等来调节减少空气供给量的时机。例如，在上述说明中为大约1700倍的重整水的膨胀率在实际中更低，并且随着时间而变动，所以也可以由测定实际的值的结果演算空气供给量。
或者，也可以使用其它的模型。在供给重整水的瞬间水蒸气重整反应开始，之后，原料气体完全消耗而使含氢气体进行流通。进一步假设重整水供给前后的气体不作搀混。在该假设的条件之下，在含氢气体在到达燃烧器102的时点原料气体的浓度变为零，不会有产生高浓度的一氧化碳的危险性，所以可以减少空气供给量。在实际中不会发生如上所述的理想的反应，所以优选加上反应率或者混合率等来调节减少空气供给量的时机。
还有，空气供给量并不一定需要返回到原来的量。优选根据供给至燃烧器102的原料气体或者氢的浓度来将空气供给量调节至适宜的范围内。例如，在将城市燃气(13A气体)使用于原料气体的时候，难以发生完全燃烧，所以较多情况是将空气比设定得较高。相对于此，因为氢容易发生完全燃烧，所以在流量相同的情况下即使较低地设定空气比，也不容易发生不完全燃烧。通过考虑该参数而调节空气供给量，能够进一步提高能量效率。在本实施方式中，不监控各个参数，而是在经过从模型实验等求得的指定时间的阶段中减少空气供给量。当然，也可以监控各个参数来进行控制。
以下就本实施方式的燃料电池系统100启动时的运行方法加以说明。图4是表示在第一实施方式的燃料电池系统启动时的由控制装置111进行的控制的流程图。以下参照附图进行说明。
在开始燃料电池系统100的运行时，首先从原料供给装置118开始供给原料，燃烧器102被点火(步骤S101)。此时，原料气体在燃料电池105中不流通而经由旁路流路到达燃烧器102。接着，进行重整器温度检测器112所检测的重整器101的温度是否达到指定温度的判定(步骤S102)，如果达到了指定温度，那么通过控制装置111控制燃烧器空气供给装置108以增加给燃烧器102的空气供给量(步骤S103)。步骤S103开始的时点相当于图3的t1。接着，通过重整水供给装置107开始重整水的供给(步骤S104)。步骤S104相当于图3的t2。重整水供给开始后，经过指定时间之后(步骤S105)，燃烧器空气供给装置108由控制装置111控制以减少给燃烧器102的空气供给量(步骤S106)。步骤S106开始的时点相当于图3的t3。空气供给量慢慢地减少，在t4达到与t1相同水平。在步骤S106之后，如果转化器温度检测器113所检测的转化器103的温度以及净化器温度检测器114所检测的净化器104的温度达到指定温度(步骤S107)，那么通过控制装置111切换第一三通阀109以及第二三通阀110，从而开始从净化器104向燃料电池105的含氢气体的供给(步骤S108)。由含氢气体的供给开始，而开始发电(步骤S109)，而结束启动工作。
如上所述，步骤S103的空气供给量增加的控制的时机是根据步骤S104的重整水供给开始的时机来决定的。用于步骤S102的判定的指定温度并不一定需要是对于重整水的蒸发充分的温度，考虑到对于增加空气供给量所需要的时间和温度的上升速度，也可以设定为更加低的温度。在图4的例子中，在增加给燃烧器的空气供给量之后开始供给重整水。但是，并不一定任意的一方要先于另一方，二者也可以同时进行。用于步骤105的判定的指定时间是通过进行模型实验等并研究应该减少给燃烧器102的空气供给量的时机来决定的。
还有，所谓的“控制燃烧器空气供给装置108以增加给燃烧器102的空气供给量”并不一定限于实际上增加给燃烧器102的空气供给量的意思，只要是“沿着增加给燃烧器102的空气供给量的方向来控制燃烧器空气供给装置108”就可以。具体为，在燃烧器空气供给装置108是用于调节空气流量的调节阀的情况下，只要增大该调节阀的开度即可。另外，在燃烧器空气供给装置108是鼓风机的情况下，只要增大鼓风机的转数即可。随着给重整器的水供给的开始而增加给燃烧器的原料气体供给量的时候，燃烧器的背压上升，空气的供给压力相对地降低，此时估计实际上给燃烧器的空气供给量不会增加以满足求得的空气比。然而，如上所述，通过“沿着增加给燃烧器102的空气供给量的方向来控制燃烧器空气供给装置108”，从而空气的供给压力也对应于上升的背压而上升，所以空气不足被抑制，从而至少获得了抑制关于没烧尽而自灭或者燃烧排放气体中的一氧化碳产生的增加这些问题的效果。
根据以上那样的构成以及动作，本实施方式的燃料电池系统100与重整水的供给的开始相联动而沿着增加给燃烧器102的空气供给量的方向控制燃烧器空气供给装置108，所以可以抑制在重整水的供给开始时容易发生的一氧化碳的产生或者燃烧器的没烧尽而自灭。
另外，除了启动时之外还有，在燃烧器使用在氢生成装置内进行流通的含有原料气体的可燃性气体而正在燃烧的状态中，只要是在运行中开始来自重整水供给装置107的重整水供给的情况，那么即使是在该情况下，通过与从重整水供给装置107的水供给的开始相联动而沿着增加给燃烧器102的空气供给量的方向来控制燃烧器空气供给装置108，就可以抑制没烧尽而自灭或者燃烧排放气体中的一氧化碳量的增加。
(第二实施方式)
第一实施方式的燃料电池系统100与给重整器的重整水的供给开始相联动而增加给燃烧器的空气供给量，相对于此，本发明的第二实施方式的燃料电池系统200是与给转化器的空气的供给开始而增加给燃烧器的空气供给量，在这一点上有所不同。图5是表示第二实施方式的燃料电池系统的概略构成的一个例子的框图。以下参照附图就本实施方式的燃料电池系统200加以说明。
燃料电池系统200省略了燃料电池系统100的重整水供给装置107，新增加了作为本发明的第二气体供给器的一个例子的转化空气供给装置207。关于其它的构成与燃料电池系统100相同，所以在各个构成要素上标注相同的名称而省略说明。
转化空气供给装置207例如是由泵或者鼓风机构成，根据控制装置211的控制而向转化器203供给空气。通过向转化器203供给空气，在内部进行流通的原料气体或者含氢气体与空气中的氧发生反应而产生热，从而对转化器203的快速升温或者对转化反应的适宜的温度的维持做出贡献。
在燃料电池系统200刚启动之后，转化空气供给装置207被停止。启动后，在转化器温度检测器213到达指定温度的阶段，开始给转化器203的空气供给。此时，与在第一实施方式中所叙述的同样，尽管供给至燃烧器202的气体中的原料气体的浓度是一定的，但由于新的气体的导入而增加在启动时在燃料气体流路中流动的气体的总流量。因此，只要给燃烧器202的空气供给量一定，那么就可能引起燃烧器202的没烧尽而自灭或者燃烧排放气体中的一氧化碳量的增加。在燃料电池系统200中，通过与给转化器203的空气供给相联动而沿着增加给燃烧器202的空气供给量的方向来控制燃烧器空气供给装置208，从而可以抑制在启动时的燃烧器202的没烧尽而自灭或者燃烧排放气体中的一氧化碳量的增加。
关于在本实施方式中的空气供给量的增加的控制方法或者控制时机的调节，与第一实施方式相同，所以省略说明。还有，在本实施方式中供给至启动时的燃料气体流路的不是水而是空气。因此，不需要考虑由于水的蒸发而引起的体积膨胀，只要控制燃烧器空气供给装置208从而以相当于简单供给的空气量的比例来增加给燃烧器202的空气供给量即可。另外，在本实施方式中，如果向转化器203中的启动时的燃料气体流路供给空气，那么因为空气中的氧与含氢气体中的氢等发生反应而被消耗，所以气体体积缩小总流量也减少。优选再加上该效果而通过燃烧器空气供给装置208来控制给燃烧器202的空气供给量。
还有，所谓的“控制燃烧器空气供给装置208以增加给燃烧器202的空气供给量”，在本实施方式中也与实施方式一同样，并不一定限于实际上增加给燃烧器202的空气供给量的意思，只要是“沿着增加给燃烧器202的空气供给量的方向控制燃烧器空气供给装置208”就可以。这是因为也设想了以下情况，即如果在向转化器供给空气的时候的量为较多量，那么燃烧器的背压颇有上升，空气的供给压力相对降低。
另外，除了启动时之外还有，在燃烧器使用在氢生成装置内进行流通的含有原料气体的可燃性气体进行燃烧的状态下，如果有在运行中从转化空气供给装置207开始空气供给的情况，那么即使是在该情况下，也可以通过与从转化空气供给装置207的空气供给的开始相联动而沿着增加给燃烧器202的空气供给量的方向来控制燃烧器空气供给装置208，从而抑制没烧尽而自灭或者燃烧排放气体中的一氧化碳量的增加。
(第3实施方式)
第一实施方式的燃料电池系统100与给重整器的重整水的供给开始相联动而控制燃烧器空气供给装置108以增加给燃烧器的空气供给量，相对于此，本发明的第三实施方式的燃料电池发电系统300是与给净化器的空气的供给开始相联动而控制燃烧器空气供给装置308以增加给燃烧器的空气供给量，在这一点上有所不同。图6是表示第三实施方式的燃料电池系统的概略构成的一个例子的框图。以下参照附图就本实施方式的燃料电池系统300加以说明。
燃料电池系统300省略了燃料电池系统100的重整水供给装置107，将在第一实施方式以及第二实施方式中未图示的作为本发明的第二气体供给器的一个例子的净化空气供给装置307作为控制对象。关于其它的构成，与燃料电池系统100相同，所以在各个构成要素上标注相同的名称并省略说明。
净化空气供给装置307例如是由泵或者鼓风机构成，并根据控制装置211的控制而向净化器303供给空气。在净化器203中，通过选择氧化反应而降低含氢气体中的一氧化碳浓度。在选择氧化反应中，需要用于氧化一氧化碳的氧。净化空气供给装置307向净化器203供给空气，由此供给选择氧化反应所需要的氧。另外，通过向净化器203供给空气，由此在内部进行流通的气体中的一氧化碳或者氢与氧发生反应而产生热，并对净化器204的快速升温或者对选择氧化反应的适宜的温度的维持做出贡献。
在燃料电池系统300启动的时候，在刚启动后净化空气供给装置307被停止，在净化器温度检测器313到达指定温度的阶段，开始向净化器303的空气供给。此时，与在第一实施方式中所述相同，尽管供给至燃烧器302的气体中的原料气体的浓度是一定的，但由于新的气体的导入而增加在启动时的燃料气体流路中流动的气体的总流量。因此，如果给燃烧器302的空气供给量一定，那么就可能引起燃烧器302中的没烧尽而自灭或者燃烧排放气体中的一氧化碳浓度的增加。在燃料电池系统300中，通过与给转化器303的空气供给相联动而沿着增加给燃烧器302的空气供给量的方向来控制燃烧器空气供给装置308，从而可以抑制在启动时的燃烧器302中的没烧尽而自灭或者燃烧排放气体中的一氧化碳量的增加。
关于在本实施方式中的空气供给量的增加的控制方法或者控制时机的调节，与第一实施方式相同，所以省略说明。还有，在本实施方式中供给至启动时的燃料气体流路的是空气而不是水。因此，不需要考虑由于水的蒸发而引起的体积膨胀，只要以相当于单单供给的空气量的比例来增加给燃烧器302的空气供给量即可。另外，在本实施方式中，如果向净化器304中的启动时的燃料气体流路供给空气，那么空气中的氧与含氢气体中的氢发生反应而被消耗，所以气体体积缩小总流量也减少。优选再加上该效果而通过燃烧器空气供给装置308来控制给燃烧器302的空气供给量。
还有，所谓的“控制燃烧器空气供给装置308以增加给燃烧器302的空气供给量”，在本实施方式中也与实施方式一相同，不一定限于实际上增加给燃烧器302的空气供给量的意思，只要是“沿着增加给燃烧器302的空气供给量的方向来控制燃烧器空气供给装置308”就可以。这是因为还设想了以下情况，即如果在向净化器供给空气的时候的量为较多量，那么燃烧器的背压将颇有上升，空气的供给压力相对降低。
另外，除了启动时之外还有这样的情况，即在燃烧器使用在氢生成装置内进行流通的含有原料气体的可燃性气体进行燃烧的状态下，在运行中开始来自于净化空气供给装置307的空气供给。即使是在该情况下，通过与从净化空气供给装置307的空气供给的开始相联动而沿着增加给燃烧器302的空气供给量的方向来控制燃烧器空气供给装置308，从而可以抑制没烧尽而自灭或者由于不完全燃烧而引起的一氧化碳的产生。
(第一实施方式至第三实施方式的变形例)
第一实施方式至第三实施方式可以是组合多个而组装在一个燃料电池系统中。例如，也可以形成具备重整水供给装置和净化空气供给装置的构成，并与重整水的供给开始以及给净化器的空气的供给开始的动作相联动，而增加给燃烧器的空气供给量。供给水蒸气或者空气等与原料气体不同的其它的气体的时机与向着增加给燃烧器的空气供给量的方向开始控制的时机，可以任一方在先，也可以二者同时进行。只要是根据供给其它的气体的时机来决定向着增加给燃烧器的空气供给量的方向进行控制的时机即可。
另外，第一实施方式至第三实施方式都是作为具备了燃料电池的燃料电池系统来进行构成的，但是也可以作为不具备燃料电池而具备重整器、转化器以及净化器(或者转化器和净化器中的任一个)的氢生成装置或者氢生成装置的运行方法来进行构成。该构成例如是将含氢气体供给至燃料电池的氢生成装置，作为可以抑制在启动时燃烧器中的没烧尽而自灭或者燃烧排放气体中的一氧化碳量的增加的氢生成装置或者氢生成装置的运行方法是有用的。
还有，在上述的说明中，重整器、转化器、净化器是分离的构成，但是也可以作为将重整器、转化器以及净化器配设于一个装置的内部的一体型的氢生成装置来加以构成。
根据上述说明，对于本领域技术人员来说，本发明的诸多改良或者其它的实施方式都很明显。因此，上述说明应该只是作为例示来解释，是为了给本领域技术人员教导实行本发明的最佳的方式而提供的。只要不脱离本发明的精神，可以实质性地变更其构造以及/或者功能的细节。
产业上的可利用性
本发明的燃料电池系统作为在使用在氢生成装置内进行流通的含有原料气体的可燃性气体而在燃烧器中进行燃烧加热的时候、可以抑制在将与原料气体不同的其它的气体开始供给至重整器或者从重整器到燃烧器的气体流路的情况下的燃烧器中的没烧尽而自灭或者一氧化碳的产生的氢生成装置、具备其的燃料电池系统以及其运行方法，是有用的。

Claims (10)

1.一种氢生成装置，其特征在于：
具备：
重整器，由原料气体生成含氢气体，
第一气体供给器，供给所述原料气体，
燃烧器，燃烧从所述重整器排出的排出气体并加热重整器，
燃烧用空气供给器，向所述燃烧器供给空气，
第二气体供给器，对所述重整器或者从所述重整器至所述燃烧器为止的流路供给与所述原料气体不同的其它的气体，以及
控制器；
在从所述第一气体供给器向所述重整器供给所述原料气体并在所述燃烧器中燃烧所述排出气体的时候，在开始从所述第二气体供给器供给所述其它气体的情况下，所述控制器控制所述燃烧用空气供给器以增加给所述燃烧器的空气的供给量。
2.如权利要求1所述的氢生成装置，其特征在于：
所述第二气体供给器是向所述重整器供给水蒸气的水蒸气供给器，
在开始从所述水蒸气供给器供给水蒸气的情况下，所述控制器控制所述燃烧用空气供给器以增加给所述燃烧器的空气的供给量。
3.如权利要求2所述的氢生成装置，其特征在于：
所述水蒸气供给器具备水供给器和水蒸发器，所述水蒸发器用于使从所述水供给器供给的水蒸发并将得到的水蒸气供给至所述重整器；
在开始从所述水供给器供给水的情况下，所述控制器控制所述燃烧用空气供给器以增加给所述燃烧器的空气的供给量。
4.如权利要求3所述的氢生成装置，其特征为：
在开始从所述水供给器供给水之前，所述控制器控制所述燃烧用空气供给器以慢慢增加给所述燃烧器的空气的供给量。
5.如权利要求1所述的氢生成装置，其特征在于：
具备转化器，该转化器通过转化反应降低所述含氢气体中的一氧化碳浓度；
所述第二气体供给器是向所述转化器供给空气的第一空气供给器，
在从第一空气供给器对所述转化器开始供给空气的情况下，所述控制器控制所述燃烧用空气供给器以增加给所述燃烧器的空气的供给量。
6.如权利要求1所述的氢生成装置，其特征在于：
具备净化器，该净化器通过选择氧化反应而降低所述含氢气体中的一氧化碳浓度；
所述第二气体供给器是向所述净化器供给空气的第二空气供给器，
在从所述第二空气供给器对所述净化器开始供给空气的情况下，所述控制器控制所述燃烧用空气供给器以增加给所述燃烧器的空气的供给。
7.如权利要求1所述的氢生成装置，其特征在于：
在增加给所述燃烧器的空气的供给后，经过指定的时间之后，所述控制器进行控制以减少给所述燃烧器的空气的供给量。
8.一种燃料电池系统，其特征在于：
具备如权利要求1～7的任意一项所述的氢生成装置以及使用由所述氢生成装置供给的含氢气体进行发电的燃料电池。
9.一种氢生成装置的运行方法，其特征在于：
所述氢生成装置具备：
重整器，由原料气体生成含氢气体，
第一气体供给器，供给所述原料气体，
燃烧器，燃烧从所述重整器排出的排出气体并加热重整器，
燃烧用空气供给器，向所述燃烧器供给空气，以及
第二气体供给器，对所述重整器或者从所述重整器至所述燃烧器为止的流路供给与所述原料气体不同的其它的气体，
在从所述第一气体供给器向所述重整器供给所述原料气体并在所述燃烧器中燃烧所述排出气体的时候，在开始从所述第二气体供给器供给所述其它气体的情况下，所述燃烧用空气供给器以增加给所述燃烧器的空气的供给量的方式进行工作。
10.一种燃料电池系统的运行方法，其特征在于：
所述燃料电池系统具备：
重整器，由原料气体生成含氢气体，
第一气体供给器，供给所述原料气体，
燃烧器，燃烧从所述重整器排出的排出气体并加热重整器，
燃烧用空气供给器，向所述燃烧器供给空气，
第二气体供给器，对所述重整器或者从所述重整器至所述燃烧器为止的流路供给与所述原料气体不同的其它的气体，以及
燃料电池，使用所述含氢气体进行发电；
在从所述第一气体供给器向所述重整器供给所述原料气体并在所述燃烧器中燃烧所述排出气体的时候，在开始从所述第二气体供给器供给所述其它气体的情况下，所述燃烧用空气供给器以增加给所述燃烧器的空气的供给量的方式进行工作。
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