(57)【要約】  燃焼炎の領域にイオン化センサーを有し、燃焼用のタイプの異なる二つのガスを供給され、二つのガスの一方をガストリートメントから得る燃料電池ヒーター用バーナーの空気比決定方法であって、イオン化センサーの測定信号が、ガストリートメントの一つ以上の状態の可変値に相応した空気比の実際値に転換される前記燃料電池ヒーター用バーナーの空気比決定方法。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼炎の領域にイオン化センサー（３０）を備え、燃焼用の異なる二つのガスを供給され、二つのガスの一方をガストリートメントから得る燃料電池ヒーター用バーナーの空気比決定方法であって、
イオン化センサー（３０）の測定信号が、ガストリートメントの一つ以上の状態の可変値（３４）に相応した空気比の実際値（３６）に転換される前記燃料電池ヒーター用バーナーの空気比決定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、バーナーにおける空気／燃料混合物の調節が、空気比の実際値に応じて生じることを特徴とする前記方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法であって、ガストリートメントからのガスの構成が、空気比の実際値の決定に際して、状態の可変値と見なされることを特徴とする前記方法。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の方法であって、ガストリートメントからのガスの、メタン含有量が、状態の可変値と見なされることを特徴とする前記方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法であって、メタン含有量が、リフォーマー（１８）の温度および／またはプロセスガスの量に対応して決定されることを特徴とする前記方法。
【請求項６】
請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の方法であって、ガス精製（２２）からのガスのＮ2 含有量が、状態の可変値として定義されることを特徴とする前記方法。
【請求項７】
請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の方法であって、ガストリートメントからのガスについての見込みガス量が、空気比の実際値の決定に際して、見なされることを特徴とする前記方法。
【請求項８】
請求項１〜７のうちいずれか１項に記載の方法であって、燃料電池における水素転換が、状態の可変値と見なされることを特徴とする前記方法。
【請求項９】
燃料電池ヒーターであって、燃焼炎の領域にイオン化センサー（３０）を有し燃焼のための２つの異なるガスを供給されこれらのガスのうち一方がガストリートメントから得られるバーナーを備え、イオン化センサー（３０）の測定信号を評価し且つ空気比の実際値を確認する信号評価ユニット（３２）を備え、ガストリートメントユニットの１つもしくは複数の状態の可変値についての信号（３４）が信号評価ユニット（３２）与えられる前記燃料電池ヒーター。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池ヒーターであって、空気比について決定された実際値に応じて燃焼のために供給される空気量および／またはガス量を調節する調節ユニットを設けることを特徴とする前記燃料電池ヒーター。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の燃料電池ヒーターであって、リフォーマー（１８）に、ガストリートメントからのガス中のメタン含有量を決定するための少なくとも１つの温度センサーを設けることを特徴とする前記燃料電池ヒーター。
【請求項１２】
請求項９〜１１のうちいずれか１項に記載の燃料電池ヒーターであって、異なるバーナー負荷についてのイオン化センサーの測定信号に対応する空気比についての特性図が、評価ユニット（３２）に貯蔵されることを特徴とする前記燃料電池ヒーター。
【請求項１３】
請求項９〜１２のうちいずれか１項に記載の燃料電池ヒーターであって、異なるガスメタン含有量についてのイオン化センサーの測定信号に対応する空気比についての特性図が、評価ユニットに貯蔵されることを特徴とする前記燃料電池ヒーター。
【請求項１４】
請求項９〜１３のうちいずれか１項に記載の燃料電池ヒーターであって、燃料電池における異なる水素転換についてのイオン化センサーの測定信号に対応する空気比についての特性図が、評価ユニット（３２）に貯蔵されることを特徴とする前記燃料電池ヒーター。
【請求項１５】
請求項９〜１４のうちいずれか１項に記載の燃料電池ヒーターであって、用いられる天然ガスのタイプに応じたイオン化センサーの測定信号に対応する空気比についての特性図が、評価ユニット（３２）に貯蔵されることを特徴とする前記燃料電池ヒーター。
【請求項１６】
請求項９〜１５のうちいずれか１項に記載の燃料電池ヒーターであって、ダクトバーナーを、バーナーとして設けることを特徴とする前記燃料電池ヒーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池ヒーター用バーナーの空気比決定方法、並びに、燃料電池ヒーターに関する。
【０００２】
例えばポリマー膜燃料電池などの燃料電池は、よく知られている。分散型エネルギー供給用の燃料電池ヒーターには、ガス供給接続により天然ガスが供給され、天然ガスにおける水素化合物から水素が再生される。リフォーマー（改質装置）において触媒の存在下に、天然ガス中の炭化水素（ＣｎＨｍ）は、水蒸気の添加により、吸熱性の改質を被り、二酸化炭素（ＣＯ2 ）と、水素（Ｈ2 ）を生じる。
【０００３】
リフォーメート（「改質ガス」）には、一酸化炭素（ＣＯ）の残滓も、含まれており、酸素（Ｏ2 ）の添加により下流のガス精製において選択的に発熱性の酸化が為される。これにより、二酸化炭素（ＣＯ2 ）と、水（Ｈ2 Ｏ）が生じる。ガスバーナーが、吸熱性スチーム改質に使われる。
かかる改質装置は、例えばＥＰ０９２２６６６Ｂ１、ＤＥ１０２１３３２６Ａ１、ＥＰ１０９４０３１の各公報に記載されている。
【０００４】
ガスバーナーの運転のための方法及び装置が、ＤＥ１９６１８５７３Ｃ１から知られており、この方法、装置において、ラムダ値と呼ばれる燃料空気比が、所定の間隔内に維持される。この空気比を調節するために、バーナーの燃焼炎領域に配置されたイオン化電極を、バーナーとイオン化電極の間を流れる電流のための評価回路につなぐ。評価回路は、燃焼に応じたイオン化電流からイオン化電圧を生じさせ、イオン化電圧は、調整回路へ送られる。バーナーにおける燃料および／または空気体積流量の調節において、イオン化電圧は、その場合、高カロリーのガスが燃やされるのか、低カロリーのガスが燃やされるのかに左右される。
【０００５】
バーナー用の空気比コントローラーが、ＥＰ１１８６８３１Ｂ１から知られており、この装置において、センサーが燃焼の質を決定する。センサー評価装置がセンサー信号を生じ、センサー信号は制御ユニットへ送られる。制御ユニットは、各アクチュエーターの作用に関する特性データを貯蔵する。イオン化信号が、バーナーの始動運転時、もしくは、他の理由により、燃焼を象徴しない場合、空気燃料比は、調節はされないが、その代わり、制御は為される。プレパージに続いて、可能限り速やかに最適調節値に近づくよう架空の作動信号が発生される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、燃料電池ヒーターのためのバーナーにおける空気比の決定方法を備えること、また、これにより、システムの始動段階並びにガス構成の変化時燃料電池ヒーターにおけるバーナーの信頼性のある制御を可能にすること、という目的に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的は、本発明に従い、請求項１の態様を有する方法、並びに、請求項9 の態様を有する燃料電池ヒーターにより、解決される。
本発明の方法は、燃料電池ヒーターのためのバーナーにおける空気比の決定に関する。イオン化センサーをバーナーの燃焼炎の領域に設け、イオン化センサーへ、少なくとも２タイプの異なるガスが供給される。２タイプのガスの一方が、ガストリートメントからバーナーへ送られ、ガスの構成が、時間に連れて、例えば、装置の始動シーケンスの間に、変化する。イオン化センサーの測定信号は、ガストリートメントの状態についての一つ以上の可変値に依存する空気比のための実際値に変換される。この可変のガスは、基本的に、ガストリートメントから来る。本発明は、「ガストリートメントの状態に関する少なくともひとつの更なる可変値が適切に考慮された場合は、可変なガス混合物の場合であっても、イオン化電極が受信する信号が空気比の実際値についての信頼でき再生可能な信号を提供する」という理解に基づいている。イオン化センサーを備えた公知のバーナーとは異なり、本発明の方法においては、測定信号の評価は、可変のガス混合物における目下の空気比についての実際値を得るために発生する。そのようにして決定された空気比の実際値は、好ましくは、バーナー内の空気／燃料混合物の、レギュレーターに中継される。
【０００８】
ガストリートメントからの可変のガスの構成は、空気比の実際値、特に、ガスのメタン含有量の決定に際して、状態についての可変値と見なされる。望ましい設計においては、メタン含有量は本発明の方法においてリフォーマーの温度に応じて決定される。従って結果として、本発明の方法は、イオン化センサーの測定信号とリフォーマーの温度値からの実際のラムダ値を信頼性をもって決定し得ることとなる。同様に、空気比の実際値を決定するためにガストリートメントの状態についての更なる可変値として見なされるにふさわしいのは、ガス精製からのＮ2 含有量、ならびに、燃焼ガス見込み量もしくは燃料電池における水素転換量である。
【０００９】
この目的は、同じく、燃焼炎の領域にイオン化センサーを有するバーナーを備えた燃料電池ヒーターにより解決される。バーナーに、異なる２タイプのガスが供給され、２タイプのガスの一方は、ガストリートメントから到来し、可変の構成を有している。信号評価ユニットは、イオン化センサーの測定信号を評価し、空気比についての実際値を確認する。この場合、ガストリートメントの状態に関する一つもしくは複数の可変値の大きさについて、信号評価ユニット、信号が与えられる。
【００１０】
本発明の燃料電池ヒーターは、燃焼炎のモニターにも利用できるバーナー内のイオン化センサーを、例えば、空気比の実際値についてのセンサーとしての利用を可能にする。従って、空気比についての、信頼性のある実際値決定が、例えば、排気ガスチャネルの酸素センサー、バーナー表面の温度センサー、もしくは、燃焼室内の複雑な紫外線（ＵＶ）センサーなどの必要無しに、備えられる。
【００１１】
望ましい展開において、燃料電池ヒーターに、空気比について決定された実際値に応じて燃焼用に供給される空気の量および／またはガスの量を調節する調節ユニットを設ける。
【００１２】
望ましい更なる展開において、可変のガスのメタン含有量を決定するための、少なくとも一つの温度センサーを、燃料電池ヒーターにおけるリフォーマーに設ける。温度値の大きさは、入力信号として信号評価ユニットへ与えられ、これにより、イオン化センサーの測定信号の評価時、温度値と、温度値から抽出されるガスのメタン含有量が斟酌される。
【００１３】
異なる負荷の下での、バーナー運転のためのイオン化センサーの測定信号に応じた空気比の特性図が、適切に、信号評価ユニットに貯蔵される。その他にもしくは更に、燃料電池における様々な水素量に相応する特性図を、同様に設けることができる。また、（天然ガスが有益に燃焼ガスとして使われているが）利用される異なるタイプの燃焼ガスについてのイオン化センサーの測定信号に対応する空気比についての特性図を、信号評価ユニットに設けることも好適である。
【００１４】
バーナーは、例えば、メッシュや金属編みマット体を、燃焼炎が貫通するダクトバーナーとして設けることが望ましい。このバーナーは、燃焼炎に対しての不安定性無しに、許容可能な大きなラムダエリアを示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
この燃料電池ヒーターの望ましい実施例は、以下に、簡略化したブロック図に示す。図面において、図１は、燃料電池ヒーターの概略ブロック図である。図２は、空気比ラムダ値に対応するイオン化信号を示す。図３は、メタン含有量に対応するイオン化信号を示す。図４は、燃焼ガス量に対応するイオン化電流を示す。
【００１６】
図１は、燃料電池ヒーター（１０）の概略ブロック図であり、燃料電池ヒーター（１０）は、水素転換により、燃料電池（１２）に電流を発生させる。水素の転換時、付加的な熱が生じる。この熱は更なる応用に利用できる。燃料電池（１２）に必要な水素は天然ガスから得る。天然ガスは、５００〜８００℃の液体の水（１４）の添加によりスチームリフォーマーにおいて水素の豊富なリフォーメートに転換される。水素豊富なリフォーメートは通常、ガス（２）として表され、例えば下記の構成を有する。
ガス成分（％）
Ｈ2           ７４．８１
ＣＨ4           ０．５６
Ｃ2 Ｈ6         ０．００
Ｃ3 Ｈ8         ０．００
Ｃ4 Ｈ10        ０．００
ＣＯ            ０．００
ＣＯ2         １９．７２
Ｎ2 ＰｒＯｘ    ４．９１
Ｎ2 アノード    ０．００
【００１７】
バーナー（１６）を用い、リフォーマーに、プロセスヒートを与える。このバーナーは、リフォーマー（１８）の一体的なコンポーネントもしくは別体のコンポーネントとして構成できる。図１は、バーナー（１６）によりリフォーマーへ運ばれる熱量（２０）を示している。
【００１８】
改質操作時、天然ガスから、Ｈ2 とＣＯ2 への転換は、完全ではなく、事実上、中間性生物として、一酸化炭素も生じる。一酸化炭素は燃料電池（１２）の触媒を、汚染するので、一酸化炭素含有量は、下流の複数のプロセス段階における二酸化炭素への転換により徐々に減少される。これらのプロセス段階は、「シフト段階」とも呼ばれ、シフト段階において一酸化炭素含有量は、Ｈ2 の追加的形成により１％以下に減少させられる。（選択的酸化部（Ｓｅｌｏｘ）もしくは優先的酸化部（ＰｒＯｘ）とも呼ばれる）ガス精製部（２２）において、残存する一酸化炭素含有量は、大気の酸素（２４）の添加により、触媒にとって無害の、数ｐｐｍのレンジまで減少される。約１００℃で発生する選択的酸化において、部位（２６）から、水が、生成物として排出される。これにより得られるガス品質を、触媒の質の低下の危険無しに、燃料電池（１２）に加えることができる。
【００１９】
燃料電池において、熱の解放（図示せず）により、水素が電力に転換される。この反応は、水素転換ともよばれ、燃料電池に対する技術設計に左右される。燃料電池における転換されないリフォーメートは、燃料電池（１２）の陽極側の配管（２８）から退出する。転換されないリフォーメートは、ガス（３）と呼び、基本的に以下の通りの構成を有する。
ガス成分（％）
Ｈ2           ５２．７３
ＣＨ4           ０．９９
Ｃ2 Ｈ6         ０．００
Ｃ3 Ｈ8         ０．００
Ｃ4 Ｈ10        ０．００
ＣＯ            ０．００
ＣＯ2         ３４．７６
Ｎ2 ＰｒＯｘ    ８．６４
Ｎ2 アノード    ２．８８
【００２０】
ガス（３）は、温度利用のためにリフォーマーのバーナー（１６）に再度供給される。リフォーマー、ＰｒＯｘ段階、並びに、潜在的には燃料電池をも介するガス供給接続部からのガスチャネルを、ガストリートメントと呼ぶ。
【００２１】
イオン化センサー（３０）を、リフォーマーのバーナー（１６）に設ける。イオン化センサー（３０）は、燃焼炎の領域にイオン化電極を有する。電極（３０）を流れるイオン化電流を、信号評価ユニット（３２）へ与える。同じく信号評価ユニットへ供給されるのが、リフォーマー（１８）で測定された温度値（３４）である。信号評価ユニット（３２）は、受信した入力可変値から、バーナー（１６）における空気／燃料混合物についての実際のラムダ値を決定する。入力可変値については図１に例としてイオン化電流とリフォーマー温度（３４）のみを示してある。
【００２２】
調節ユニット（３８）が、受信した実際値（３６）と、制御ユニット（図示せず）からの所定の目標値（３８）とから、空気及びガスの供給に関する参照可変値を決定する。空気供給は、空気チャネル（４２）を介して起き、その場合、作動信号（４６）が空気チャネル（４２）のファン（４４）を制御する。作動信号（４８）が、バーナー（１６）へのガス供給路（５２）における弁（５０）を制御する。
【００２３】
ガストリートメントシステムは、いくつかの異なる運転状態で運転される。システムの始動段階には、その間にリフォーマーと、シフトステージが暖機され、バーナー（１６）に純粋の天然ガスが供給されガストリートメントシステムを暖機する。この暖機フェーズは、リフォーマー（１８）が、凝縮の危険なく水（１４）をリフォーマー（１８）に付加し得る温度に達するまで維持される。
【００２４】
ガストリートメントシステムの始動段階と、リフォーマーの暖機が完了すると、水（１４）と、プロセスガスが、ガス管（５４）からリフォーマー（１８）へ供給される。それに応じて弁（５６）は作動される。リフォーマー内で形成される「リフォーメート」が、リフォーマー内の当該ポイントまで含まれた不活性ガスと入れ代わり、不活性ガスをＰｒＯｘ段階（２２）と三方弁（５８）を介して、バーナー（１６）へ送る。それゆえ、三方弁（５８）は、何らのガスも燃料電池（１２）へ入らないが、その代わりに、リフォーマー（１８）から移されるガスがバーナー（１６）へ送られるように構成されている。従って、不活性ガスの送り込みによりバーナーにおいて（空気比の変化の様子から判る）希薄化が生じる。
【００２５】
配管（５２）、弁（５０）、配管（６０）を介してのガス（１）のバーナーへの供給は、移送プロセスの間、不活性ガスが移送を終え、リフォーメートのみがバーナーに供給される時点まで継続される。
【００２６】
不活性ガスの完全移送時、バーナーを、リフォーメートに対して準備する。これにより、ガスの組成はリフォーマー温度に左右される。バーナーに、ガス品質が燃料電池に供給されるべきレベルに到るまで、ガス（２）が供給される。この時間間隔は、数秒から数分まででよいが、ただし、リフォーメートをすぐさま燃料電池へ伝達することも可能である。
【００２７】
ガス（２）が必要な品質に達するとすぐに、三方弁（５８）は、燃料電池（１２）へガス（２）を供給するようセットされる。安全性の理由から、リフォーマー（１８）とともに、燃料電池も当初、不活性ガスを含む。この不活性ガスも、前記同様に、リフォーメートによってとり代わられなければならず、配管（２８）によりバーナー（１６）へ送られる。この交替の間に、バーナーに更に、配管（５２）、弁（５０）、配管（６０）を介して、ガス（１）が送り込まれ、燃焼炎のロスを避ける 。
【００２８】
不活性ガスを燃料電池（１２）から移送した後、燃料電池によりＨ2 反応によって電流を発生させることができる。燃料電池は、Ｈ2 の一部を電流に転換するだけであるので、ガス（３）が陽極に集まる。正常な運転状態においては、リフォーマー（１８）の熱要件は、配管（２８）からバーナー（１６）へ送られるガス（３）が充足させる。この場合、ガス供給弁（５０）は、その時、閉じられる。燃料電池におけるＨ2 転換の度合いは、燃料応用（ＦＵ）とも呼ばれ、通常、６０％〜１００％のレンジである。或る転換度合いでは、バーナー（１６）はなおも、リフォ ーマー（１８）の熱要件に見合う十分なガス（３）を有している。一方、高い水素 転換度合いでは、ガス（３）のエネルギー含有率は、リフォーマープロセスに十 分な熱を供給するには、低すぎる。この場合、追加のガス（１）をバーナーへ供給する。そのように行う場合に、リフォーマー温度を、ガス（１）の追加ガス量 についての制御される可変値として利用できる。
【００２９】
燃料電池が滑らかな運転を体験するよう最小のガス品質を確保しなければならない。この値を超えた場合、リフォーメートの流れを電池から断ち切らなければならない。一酸化炭素値を超える場合のこの変化は、対応する弁、例えば、弁（５８）の切り替え時間の間に発生し、それゆえ、遷移無しに生じる。その他の、例えば、負荷の放出などから起きる一時的な中断の場合も同様に、生み出されるリフォーメート全部が、燃料電池を通り過ぎて、バーナーへ導かれる。
【００３０】
様々な相異なる運転段階の間に、リフォーマーバーナーには、突然に変化し得るもしくは連続的に移り変わる相異なる燃焼ガスが供給される。同様に、異なる品質の、純粋な天然ガス、例えば、Ｈ2 ＣＨ4 、ＣＯ2 、Ｎ2 の含有量の異なる 水素豊富なリフォーメートなども、バーナーへ供給できる。
【００３１】
完全で清潔な燃焼を確保する空気比が、バーナーに供給される個々の燃焼ガスもしくはガス構成について、それぞれ設定される。イオン化センサー（３０）は、空気比のモニターに用いる。イオン化センサー（３０）の出力信号は、空気比における特性の変化を示す。純粋の天然ガス運転において、信号のレベルと空気比には、図２に例示したように、単純な相関関係がある。構成の異なる燃焼ガスを用いる場合、イオン化信号は、追加的に、メタン含有量に応じて変化する。このプロセスが、個別のラムダ値（図３参照。）を明確に定義することを阻止する。従 って、イオン化信号が、異なる負荷段階や異なるメタン含有量において全く同一な値を示すことがあり得る。イオン化信号を明確に形成することを可能にするためには、本発明に従い、追加的な境界条件を考慮する。
【００３２】
これにより、リフォーマー温度が、メタン転換の度合いについて、明確に、決定する。逆に、この転換の度合いから、残余のメタン含有量が、決定できる。すなわち、この残余のメタン含有量のリフォーマー温度への従属性により空気比が十分な精度をもって系統立てて説明され得る。
【００３３】
リフォーメートのガス精製のために、大気酸素（２４）を、選択的な酸化（２２）におけるリフォーメートへ供給する。不要のＣＯは、触媒のもとに大気酸素により解放され、Ｈ2 Ｏ（２６）及びＣＯ2 となる。この反応の遊離物と、残余の大気窒素が、リフォーメートを希釈する。それにより、他の物質に対して相対的な残余メタン含有量置換も、結果として生じる。ＰｒＯｘ空気量についての正確な知識を与えられる場合、イオン化信号の解釈に当たって、この希釈効果が考慮され得る。
【００３４】
燃焼ガスにおけるメタン百分位数とは別に、絶対的な燃焼ガス量も、（図４に 、バーナー（１６）のフルロード運転と、部分ロード運転について例示したように）イオン化信号のレベルに対してインパクトがある。供給されるプロセスガスの量を評価することにより、どの程度、リフォーメートが生み出されるかが決定できる。それから、見込まれる燃焼ガス量が、与えられるリフォーメート量と組み合わせた燃料電池産出電流から算出でき、これにより、まさにひとつのラムダ値が、イオン化信号から、また明白に説明され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】燃料電池ヒーターの概略ブロック図である。
【図２】空気比ラムダ値に対応するイオン化信号を示すグラフである。
【図３】メタン含有量に対応するイオン化信号を示すグラフである。
【図４】燃焼ガス量に対応するイオン化電流を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
2008523549.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008523549.tif 000006
【国際調査報告】
2008523549.tif 000007
2008523549.tif 000008
2008523549.tif 000009
2008523549.tif 000010