CN1447994A - 燃料电池发电装置 - Google Patents

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Abstract

为了提供一种能够准确判断加热燃料气体发生器的燃烧器的发火及熄火且能够安全运行的燃料电池发电装置，在具有从发电原料和水中生成以氢为主要成分的燃料气体的燃料气体发生器、给上述燃料气体发生器供水的水供给器、及其利用上述燃料气体和氧化剂进行发电的燃料电池的燃料电池发电装置上设置有燃烧从上述发电原料、上述燃料气体及上述燃料电池中排出的废气所构成的组中所选择的至少一种燃烧用燃料来加热上述燃料气体发生器的燃烧器及检测形成于上述燃烧器内的火焰状态的火焰检测器。

Description

燃料电池发电装置
技术领域
本发明关于将从供给燃料气体发生器的发电原料、燃料电池的燃料极排出的废气或氢发生器生成的生成气体(燃料气体)作为用于加热上述燃料气体发生器的燃烧用燃料加以利用的燃料电池发电装置。
背景技术
利用图3和图4说明使用现有的燃料电池的发电装置。图3是现有的燃料电池发电装置结构的示意图。此外，图4是现有燃料电池发电装置的控制电路结构的示意图。
在图3的燃料电池1中，空气极2和燃料极3夹持高分子电解质膜4而配置，空气极2的上游与供给空气的鼓风机5连通。向氢发生器(燃料气体发生器)6提供天然气或甲醇等作为原料的发电燃料X及水蒸气改质反应所需要的水Y，所获得的燃料气体G经由转换阀7提供给该燃料极3，并沿毗连燃料极3的规定通道向下游流动。这时，燃料气体G中的氢在电极反应中只被消耗掉需要量的氢，剩余的氢等作为废气OG提供给燃烧器8。当不将燃料气体G提供给燃料极3时，燃料气体G经由转换阀7提供给燃烧器8。
通常，燃料电池发电装置停止期间，燃料气体发生器6及燃料极3等燃料气体G及废气OG的通道由氮等惰性气体填充。另外，即使起动燃料电池发电装置，在燃料气体发生器6的温度稳定下来之前，燃料气体G中的一氧化碳浓度很高。由于一氧化碳致使燃料电池1的高分子电解质膜4上电极的催化剂劣化，所以不能将一氧化碳浓度高的燃料气体G送入燃料电池1，在起动后数十分钟～数小时期间，燃料气体G经由转换阀7提供给燃烧器8。起动后经过数十分钟～数小时，燃料气体发生器6的温度稳定下来之后，在燃料电池1中，燃料气体G在开始发电时经由转换阀7提供给燃料极3。
提供给燃烧器8的燃料气体G和废气OG借助于风扇9提供的空气而燃烧。在燃烧室10形成火焰11，并由燃烧气体加热燃料气体发生器6。燃烧室10的火焰11通过当施加火焰所规定的电压时流动的离子电流来检测火焰。
火焰检测部12由下列部分构成：为了通过以与火焰11接触方式设置的耐热性导电体13来测量流向燃烧器8的离子电流而如图4所示将火焰11作为火焰电阻(RF)向导电体13和燃烧器8施加规定电压的直流电源14；用于把与流经火焰11的离子电流(IF)等效的电流(IRA)变换为电压的电阻(RA)15；检测电阻(RA)15两端电压的电压检测部16；和控制上述部件的控制部(未图示)。
如图4所示，火焰检测部12的控制部(控制电路)为了使与流经火焰电阻(RF)的离子电流(IF)等效的电流(IRA)流过电阻(RA)15，由具有相同特性的晶体管(Q1)17及(Q2)18、具有相同电阻值的电阻(R1)19及(R2)20形成电流镜电路。因此，流经电阻(R1)19及(R2)20的电流(IR1)及(IR2)相等，再有，与电流(IR1)及(IR2)相等的电流作为与流经火焰11的离子电流(IF)等效的电流(IRA)流动，并在电阻(RA)15的两端产生电压。也就是说，利用该火焰检测部12检测火焰11的发火和熄火等燃烧状态。
在上述现有的燃料电池发电装置中，由于利用水蒸气改质反应使发电原料X中的炭化氢转换成氢，致使燃料气体G及废气OG的炭化氢浓度显著降低。如果炭化氢浓度小则火焰11中的离子浓度也减小，流经火焰11的电流值也减小，从而电阻(RA)15两端的电压也减小。即，存在火焰检测部12的检测电压减小，发火及熄火时的状态判别变得困难的问题点。例如，当将熄火误判断为发火时，由于继续供给燃料气体，燃烧部在高温(400℃以上状况下)一旦超过爆炸临界浓度则存在爆炸发火的危险性。再者，当将发火误判断为熄火时，可能发生由于无用的熄火判断所引发的机器动作停止等不良现象。
因此，本发明旨在为解决上述现有技术中的问题点，而提供一种能够准确判断加热燃料气体发生器的燃烧器的发火及熄火且能够安全运转的燃料电池发电装置。
发明内容
本发明是一种燃料电池发电装置，具有：从发电燃料和水中生成以氢为主要成分的燃料气体之燃料气体发生器；给上述燃料气体发生器供水的水供给器；及利用上述燃料气体和氧化剂气体进行发电的燃料电池，其特征在于，具有：燃烧从上述发电原料、上述燃料气体及上述燃料电池中排出的废气所构成的组中所选择的至少一种燃烧用燃料(以下，也称之为“废气等”)来加热上述燃料气体发生器的燃烧器及检测形成于上述燃烧器内的火焰状态的火焰检测器。
上述火焰检测器通过检测与火焰的离子电流成比例的火焰检测电流来检测上述火焰的状态。
而且，上述燃料电池发电装置具有按照上述燃烧用燃料中所包含的炭化氢量将上述火焰检测电流的放大率切换为规定值的控制器。该控制器亦可安装在上述火焰检测器上。
还有，上述燃料电池发电装置具有检测上述燃料气体发生器温度的温度检测器，上述第1控制部能够按照上述温度检测器的检测温度将上述火焰检测电流的放大率切换为规定值。
此外，上述燃料电池发电装置具有向上述燃烧器提供空气的送风器，上述第1控制部能够按照从上述送风器提供给上述燃烧器的空气量将火焰检测器的火焰检测电流的放大率切换到规定值。
此外，上述第1控制部也能够按照从上述水供给器提供给上述氢发生器的水量将火焰检测器的火焰检测电流的放大率切换到规定值。
另外，上述燃料电池发电装置具有检测上述燃料气体中的炭化氢浓度的炭化氢传感器，上述第1控制部能够根据上述炭化氢传感器的输出值将火焰检测器的火焰检测电流的放大率切换到规定值。
另外，上述第1控制部能够按照送往上述燃料气体发生器的发电原料供给量将火焰检测器的火焰检测电流的放大率切换到规定值。
另外，上述燃料电池发电装置具有在开始上述燃料电池的发电时，能够将上述燃料气体提供给上述燃料电池的同时控制上述燃烧器的发火动作的第2控制部。
而且，上述第2控制部在上述燃烧器的发火动作时，能够使上述火焰检测器并不检测火焰。
还有，上述第2控制部在自提供上述燃料气体后规定时间内能够使上述火焰检测器并不检测火焰。
再者，上述第2控制部自提供上述燃料气体后到上述火焰检测电流超过规定值之前能够使其不进行火焰检测。
附图的简单说明
图1是本发明的燃料电池发电装置结构的示意图。
图2是本发明的燃料电池发电装置的控制电路结构的示意图。
图3是现有的燃料电池发电装置结构的示意图。
图4是现有的燃料电池发电装置的控制电路结构的示意图。
实施发明的最优形态
本发明的燃料电池发电装置，按照包含在废气等中的炭化氢量切换上述火焰检测电流的放大率为规定值来进行火焰检测，这样就能够确保发火电平和熄火(灭火)电平的差很大，并且由于噪声容限也能够变大，所以可以避免误认识和误判断，从而能够准确判断发火及熄火，避免由于熄火判断错误所造成的爆炸发火及气体泄露等危险，或由于发火判断错误所造成的不必要的机器停止动作等。
以下，利用图1和图2详细说明本发明的实施形态，但本发明并不局限于此。
图1是本发明实施形态1的燃料电池发电装置的结构图，图2是本发明实施形态1的燃料电池发电装置的火焰检测部的控制电路之结构图。
在图1和图2中，与图3及图4所示的使用现有的燃料电池的发电装置具有相同功能的要素均采用相同符号来表示，它们的详细功能如上述那样，故而予以省略。
在图1中，温度检测部30检测燃料气体发生器6的温度，泵31是供给原料水Y的水供给部。此外，炭化氢传感器32检测燃料气体G中的炭化氢的浓度。作为这样的炭化氢传感器32可以采用气体色谱式、红外线吸收式或光声式等炭化氢传感器。
从燃料极3排出的废气OG及在燃料气体发生器6生成的燃料气体G分别由气体供给通道33a及33b供给燃烧器8。在燃烧器8设置有作为送风器的风扇9。第1控制部34按照温度检测部30或炭化氢传感器32的检测值来控制泵31及风扇9的运转。
此外，火焰检测部35的控制电路以下述方式连接：按照温度检测部的检测温度将火焰检测部35的火焰的离子电流变换成与之成比例的火焰检测电流，并将该电流作为火焰检测电压检测，该电压检测信号从火焰检测部35输入至第1控制部34，而且，将切换火焰检测电流的放大率为规定值的信号从第1控制部34输出至火焰检测部35。
如图2所示，火焰检测部35的控制电路通过电阻(R6)36将信号输出至晶体管(Q3)37使其导通或截止，通过电阻(R8)38将信号输出至晶体管(Q4)39使其导通或截止。而且，晶体管(Q3)37导通时，流经由式子(1)：
RX1＝R2·R3/(R2+R3)所表示的电阻(R2)20及电阻(R3)40所组成的并联合成电阻(RX1)的电流所引发的电压降与流经电阻(R1)19的电流(IR1)所引发的电压降相等。并且，晶体管(Q4)39导通时，流经由式子(2)：
RX2＝R2·R4/(R2+R4)所表示的电阻(R2)20及电阻(R4)41所组成的并联合成电阻(RX2)的电流所引发的电压降与流经电阻(R1)19的电流(IR1)所引发的电压降相等。
其次，说明本发明的燃料电池发电装置的动作及作用。如果将作为原料的发电原料X和水Y提供给燃料气体发生器6，则由于水蒸气的改质反应，包含在发电原料X中的炭化氢被改质，从而可以获得含大量氢的燃料气体G。该燃料气体G作为废气从气体供给通道33a或33b供给燃烧器8。废气等在从风扇9供给的空气作用下燃烧并在燃烧室10形成火焰11。火焰11的燃烧气体加热燃料气体发生器6自身，使其温度上升，从而使水蒸气改质反应得以持续。
火焰11的火焰检测按照下述方式进行：通过第1控制部34将火焰11中的离子所产生的流动离子电流变换成与离子电流成比例的火焰检测电流，将该电流作为火焰检测电压在电压检测部16检测，该检测信号输入到第1控制部34，并且从第1控制部34将切换火焰检测电流的放大率为规定值的信号输出到火焰检测部35。
第1控制部34当温度检测部30检测的燃料气体发生器6的温度超过规定温度时，通过电阻(R6)36将信号输出至晶体管(Q3)37使其导通。这时，因为并联合成电阻(RX1)是以流经电阻(R1)19的电流(IR1)所引发的电压降与流经并联合成电阻(RX1)的电流所引发的电压降相等的方式被连接的，所以晶体管(Q3)37导通时的晶体管(Q2)18的集电极电流(IR2)被放大至晶体管(Q3)37截止时的晶体管(Q2)18的集电极电流(IR2)的R2/RX1倍。该放大的集电极电流(IR2a)流经电阻(RA)15，该电流能够通过在电压检测部16检测电阻(RA)15两端的电压来检测出。
另外，第1控制部34当温度检测部所检测的燃料气体发生器6的温度进一步上升到超过规定温度时，通过电阻(R8)38将信号输出到晶体管(Q4)39使其导通。因为并联合成电阻(RX2)是以流经电阻(R1)19的电流(IR1)所引发的电压降与流经并联合成电阻(RX2)的电流所引发的电压降相等的方式连接的，所以晶体管(Q4)39导通时的晶体管(Q2)18的集电极电流(IR2)被放大至晶体管(Q4)39截止时的晶体管(Q2)18的集电极电流(IR2)的R2/RX2倍。该放大后的集电极电流(IR2b)流经电阻(RA)15，上述电流可以通过在电压检测部16检测电阻(RA)15两端的电压来检测出。此外，在图2中，晶体管(Q2)的集电极电流用IRA表示。
利用燃烧器8开始加热燃料气体发生器6，如果燃料气体发生器6的温度上升，则包含于供给的废气等中的炭化氢的量减少，火焰11的离子电流也减少。包含于废气等中的炭化氢量是未在燃料发生器6中转化为氢的残余的炭化氢的量，所以转化率随着燃料气体发生器6的温度上升一旦超过规定值则炭化氢的量减少，火焰11的离子电流也减少。于是，通过第1控制部34使晶体管Q3(37)或Q4(39)导通，将火焰检测电流的放大率切换到规定值；由通过增大放大率来检测电阻(RA)15两端电压的电压检测部16必要地确保发火电平和熄火(灭火)电平之差。这样，噪声容限也能够适当地予以确保，因而能够避免误认识及误判断，作到准确地判断发火和熄火。
另外，当燃料气体发生器6的温度高于规定温度时，由第1控制部34控制风扇的运转以便增加风扇9的送风量。同样，当燃料气体发生器6的温度低于规定温度时，由第1控制部34控制风扇的运转以便减少风扇9的送风量。
如果减少风扇9的送风量，则空气供给量低于废气燃烧所必须的量，造成空气不足，致使燃料气体发生器6气冷不足。因此，燃料气体发生器6的温度上升，用于燃烧的废气等中所包含的炭化氢量减少，火焰11的离子电流也减少。
相反，如果增加风扇9的送风量，则空气供给量高于废气燃烧所必须的量，造成空气过剩，燃料气体发生器6气冷过多，所以，燃料气体发生器6的温度下降，用于燃烧的废气等中所包含的炭化氢量增加。因此，火焰11的离子电流也增加。即，根据风扇9的送风量可以增加或减少包含于废气中的炭化氢量，从而火焰11的离子电流也增加或减少。
借助于第1控制部34使晶体管(Q3)37或(Q4)39导通来切换到规定值，通过增大火焰检测电流的放大率来增大由电压检测部16所检测的电阻(RA)15两端的电压，从而充分确保发火电平和熄火(灭火)电平之差。而且，噪声容限也能够予以适当确保，从而能够避免误认识及误判断，作到准确判断发火及熄火。
借助于上述结构，根据从送风部(风扇)9提供给燃烧器8的空气量将火焰检测部35的火焰检测电流的放大率切换到规定值，从而能够准确进行火焰的检测。
另外，当燃料气体发生器6的温度高于规定温度时，由第1控制部34控制泵31的运转以便增加从泵31供给的水Y的量。
一旦增加泵31的供给量，则由于超过水蒸气改质反应所需要量的水被提供给燃料气体发生器6，所以可以利用过剩水的显热或蒸发潜热来降低燃料气体发生器6的温度，降低发电原料的转化率，从而包含于废气等中的炭化氢的浓度设定为规定值以上，就可以充分增大离子电流值到能够测量的程度。
另一方面，一旦减少从泵31的水供给量，则由于少于水蒸气改质反应所需要量的水被提供给燃料气体发生器6，造成水的显热或蒸发潜热也减少，燃料气体发生器6的温度上升，发电原料的转化率提高，包含于燃烧用燃料中的炭化氢量也减少。所以，火焰11的离子电流也减少。此时，通过第1控制部34，使晶体管(Q3)37或(Q4)39导通将放大率切换为规定值，增大火焰检测电流的放大率，从而可以增大由电压检测部16检测的电阻(RA)15的两端电压，从而能够充分确保发火电平和熄火(灭火)电平的差。而且，噪声容限也能够予以确保，从而能够避免误认识及误判断，作到能够准确判断发火及熄火。
借助于上述结构，根据提供给燃料气体发生器6的水量，能够将上述火焰检测部35的火焰检测电流的放大率切换到规定值来进行火焰检测。
此外，利用炭化氢传感器32检测燃料气体G中所包含的炭化氢的浓度，亦可在第1控制部34计算出发电燃料的转化率。根据计算出的转化率由第1控制部34控制风扇9及泵31中的至少一者，同时，根据燃烧用燃料中的炭化氢量改变火焰11的离子电流。通过第1控制部34使晶体管(Q3)37或(Q4)39导通，将放大率切换到规定值，将火焰检测电流的放大率控制在适当程度，并增大由电压检测部16检测的电阻(RA)15两端的电压，从而充分确保发火电平和熄火(灭火)电平的差。并且噪声容限也能够予以确保，由此能够避免误认识和误判断，作到准确地判断发火及熄火。
借助于上述结构，可以根据炭化氢传感器32的输出值将火焰检测部35的火焰检测电流的放大率切换到规定值来进行火焰检测。
此外，亦可从送往燃料气体发生器6的发电原料供给量计算出炭化氢的转化率。根据计算出的转化率由第1控制部34控制风扇9及泵31的至少一者，同时，根据发电原料的炭化氢量也可改变火焰11的离子电流。通过第1控制部34使晶体管(Q3)37或(Q4)39导通将放大率切换到规定值，通过将火焰检测电流的放大率控制在适当的程度，增大由电压检测部16所检测的电阻(RA)15两端的电压，从而充分确保发火电平和熄火(灭火)电平之差。并且，噪声容限也能够予以适当确保，所以可以避免误认识及误判断，能够作到准确地判断发火及熄火，并能够避免由于熄火判断错误引发的爆炸发火及气体泄露等危险或由于发火判断错误所造成的不必要的机器停止动作等。
借助于上述结构，可以根据送往燃料气体发生器6的发电原料供给量，将火焰检测部35的火焰检测电流的放大率切换到规定值来进行火焰检测。
而且，上述中，虽然通过第1控制部34使晶体管(Q3)37或(Q4)39导通来切换到规定值，但是，当然亦可通过改变直流电源14的电压(VA)获得同样的效果。
其次，本发明所涉及的燃料电池发电装置，具有当上述燃料电池的发电开始时，将上述燃料气体提供给上述燃料电池的同时进行上述燃烧器的发火动作的第2控制部。亦可使第1控制部具有该第2控制部的功能。
起动后数十分钟～数小时期间，燃料气体G经由转换阀7提供给燃烧器8，在不给燃料电池1的燃料极3提供期间，燃料极3始终充满氮等惰性气体，当发电开始时，一旦燃料气体经由转换阀7提供给燃料极3，则充满燃料极3的惰性气体被压出并到达燃烧器8。惰性气体一旦到达燃烧器8则燃烧状态变得不稳定，在最坏的情形造成火焰消失，但其后含大量氢的燃料气体继续送往燃烧器8，燃烧度高的气体充满燃烧器8后，再次发火可能引起爆炸。但是，当燃料电池1开始发电时，将燃料气体提供给燃料电池1的同时进行燃烧器8的发火动作，这样，当提供给燃烧器8的燃烧气体变成可能发火的成分时，迅速再次发火，所以即使火焰消失也不至于发生爆炸。
再者，上述第2控制部在上述燃烧器的发火动作中，将上述燃料气体提供给上述燃料电池后规定时间，及其将上述燃料气体提供给上述燃料电池之后上述火焰检测电流达到规定值以上之前可以使其不进行火焰检测。
通常，当燃烧器8火焰消失时，为了防止燃烧度高的气体充满燃烧器8后再次发火而发生爆炸，所以需要使燃料电池发电装置紧急停止。但是，为了开始发电而将燃料气体提供给燃料电池1时，即便燃烧器8的火焰万一消失，只要燃烧器8进行发火动作，则能够迅速地再次发火。因此，忽视短时间的熄火，火焰再次稳定后，重新进行火焰检测，这样就无需降低燃料电池装置的安全性就能够可靠地开始发电。
另外，上述实施形态中，列举了燃料气体发生器6由单一反应室即改质器构成的例子，但燃料气体发生器6亦可具有进行CO的转移反应的变换器及进行CO氧化反应的净化器。
产业上使用的可能性
如上所述，按照由以往燃料气体发生器的水蒸气改质反应的发电原料X中的炭化氢转化为氢的转化率，包含于燃烧用燃料中的炭化氢量发生变化，从而燃烧器的离子电流发生增减，对此，根据本发明，按照包含于燃烧用燃料的炭化氢量将火焰检测部的火焰检测电流的放大率切换为规定值来进行火焰检测，由此，可以获得能够进行火焰检测的离子电流，并能够充分确保发火电平和熄火(灭火)电平之差。并且也可以适当确保噪声容限，避免误认识及误判断，作到准确判断出发火和熄火。
再有，根据燃料气体发生器的温度、从送风部供给燃烧器的空气量、自水供给部供给燃料气体发生器的水量、包含于燃料气体G中的炭化氢浓度或送往燃料气体发生器的发电原料供给量将火焰检测部的火焰检测电流的放大率切换到规定值来进行火焰检测，据此，充分确保发火电平和熄火(灭火)电平之差的同时也能够适当确保噪声容限，从而能够避免误认识及误判断。

Claims (12)

1.一种燃料电池发电装置，具有：从发电燃料和水中生成以氢为主要成分的燃料气体之燃料气体发生器；给上述燃料气体发生器供水的水供给器；及利用上述燃料气体和氧化剂气体进行发电的燃料电池，其特征在于，具有：
燃烧从上述发电原料、上述燃料气体及上述燃料电池中排出的废气所构成的组中所选择的至少一种燃烧用燃料来加热上述燃料气体发生器的燃烧器及检测形成于上述燃烧器内的火焰状态的火焰检测器。
2.如权利要求1所述的燃料电池发电装置，其特征在于：所述火焰检测器通过检测与上述火焰的离子电流成比例的火焰检测电流来检测所述火焰的状态。
3.如权利要求1或权利要求2所述的燃料电池发电装置，其特征在于：
上述燃料电池发电装置具有按照上述燃烧用燃料中所包含的炭化氢的量将上述火焰检测电流的放大率切换为规定值的第1控制部。
4.如权利要求1～权利要求3的任意一项所述的燃料电池发电装置，其特征在于：
上述燃料电池发电装置具有检测上述燃料气体发生器温度的温度检测器，上述第1控制部能够按照上述温度检测器的检测温度将上述火焰检测电流的放大率切换为规定值。
5.如权利要求1～权利要求4的任意一项所述的燃料电池发电装置，其特征在于：
上述燃料电池发电装置具有向上述燃烧器提供空气的送风器，上述第1控制部能够按照从上述送风器提供给上述燃烧器的空气量将火焰检测器的火焰检测电流的放大率切换到规定值。
6.如权利要求1～权利要求5的任意一项所述的燃料电池发电装置，其特征在于：
上述第1控制部也能够按照从上述水供给器提供给上述氢发生器的水量将火焰检测器的火焰检测电流的放大率切换到规定值。
7.如权利要求1～权利要求6的任意一项所述的燃料电池发电装置，其特征在于：
上述燃料电池发电装置具有检测上述燃料气体中的炭化氢浓度的炭化氢传感器，上述第1控制部能够根据上述炭化氢传感器的输出值将火焰检测器的火焰检测电流的放大率切换为规定值。
8.如权利要求1～权利要求7的任意一项所述的燃料电池发电装置，其特征在于：
上述第1控制部能够按照送往上述燃料气体发生器的发电原料供给量将火焰检测器的火焰检测电流的放大率切换到规定值。
9.如权利要求1～权利要求8的任意一项所述的燃料电池发电装置，其特征在于：
上述燃料电池发电装置具有在开始上述燃料电池的发电时，将上述燃料气体提供给上述燃料电池的同时控制上述燃烧器的发火动作的第2控制部。
10.如权利要求1～权利要求9的任意一项所述的燃料电池发电装置，其特征在于：
上述第2控制部在上述燃烧器的发火动作时，使上述火焰检测器并不检测火焰。
11.如权利要求1～权利要求9的任意一项所述的燃料电池发电装置，其特征在于：
上述第2控制部在将上述燃料气体提供给上述燃料电池后规定时间内使上述火焰检测器并不检测火焰。
12.如权利要求1～权利要求9的任意一项所述的燃料电池发电装置，其特征在于：
上述第2控制部在将上述燃料气体提供给上述燃料电池后到上述火焰检测电流超过规定值之前使其不进行火焰检测。
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