WO2006061963A1

WO2006061963A1 - 触媒燃焼器の異常検出装置

Info

Publication number: WO2006061963A1
Application number: PCT/JP2005/020085
Authority: WO
Inventors: Karuki Hamada; Tadashi Shoji; Nobuo Sakiyama
Original assignee: Nissan Motor Co., Ltd.
Priority date: 2004-12-08
Filing date: 2005-11-01
Publication date: 2006-06-15
Also published as: EP1840996A1; US20080118879A1; JP2006164786A

Abstract

コントローラ２４が、触媒部１５の上流側の昇温速度ａ２が判定基準値α以上であるか否かを判別し、触媒部１５の上流側の昇温速度ａ２が判定基準値α以上である場合、燃焼器９が異常燃焼状態にあると判定する。これにより、燃焼器９の温度が高温になる前に、燃焼器９の異常燃焼状態を検出することができる。

Description

明細書

触媒燃焼器の異常検出装置

技術分野

[0001] 本発明は、逆火等の異常燃焼状態を検出するための触媒燃焼器の異常検出装置に関する。

背景技術

[0002] 一般に、燃料電池システムでは、アノード極側の窒素濃度及び水蒸気濃度が上昇することによって、発電効率が低下したり、発電が停止することを防止するために、ァノード極側のガス及び凝縮水を系外に排出するパージ処理が行われる。また、このパージ処理によって系外に排出されるガス（以下、アノードオフガスと表記）には、窒素や水蒸気と共に燃料ガスである水素の未使用分が含まれるために、アノードオフガスに他のガスを混合することにより水素濃度を希釈する処理や、アノードオフガスに酸化剤ガスを混合して水素を燃焼する処理がパージ処理と併せて行われる。

[0003] ところで、酸化剤ガスを利用して未使用の水素を燃焼する場合には、通常運転時に排出される水素を燃焼するのに十分な酸化剤ガスを供給する必要がある。しかしながら、アノードオフガス中の水素濃度上昇，アノードオフガスの流量増カロ，酸化剤ガスの流量低下等の異常が発生した場合、アノードオフガス中の水素と酸化剤ガスの比 (空燃比）が変化し、異常燃焼状態が発生することがある。また、水素の燃焼媒体として触媒を利用した場合には、燃焼温度の上昇に伴い逆火が発生し、燃焼器の燃焼状態が触媒燃焼力気相燃焼へと変化する。そして、燃焼状態が気相燃焼に変化すると、燃焼温度の上昇に伴う熱害による燃焼器，触媒，及び周辺環境に対するダメージや、高温気相燃焼による NOx等の副生成ガスの生成等、環境への影響が大きくなる。

[0004] このような背景から、特開 2000— 315516号公報に開示されているように、従来までの燃料電池システムでは、燃焼器下流側のガス温度を測定することにより燃焼器の温度を測定し、測定された温度と運転条件力推定される燃焼器の温度とを比較し、比較結果に基づいて燃焼器の異常燃焼状態を検出している。また、特開平 11— 118115号公報に開示されているように、燃焼器の上流側のガス温度を測定し、測定結果に基づいて逆火等の異常燃焼状態を検出する燃料電池システムも知られている。

[0005] し力しながら、燃焼器下流側のガス温度を検出することにより燃焼器の異常燃焼状態を検出する場合、逆火等の異常燃焼状態を速や力に検出することができない。また、燃焼器下流側のガス温度だけで燃焼器の異常燃焼状態を検出する場合、異常燃焼状態の種類を特定することができな、ために、的確な対応を行えな、ことがある。一方、燃焼器上流側のガス温度を検出することにより燃焼器の異常燃焼状態を検出する場合には、燃焼器内部の触媒力温度検出手段までの距離が離れていると、相当な距離の逆火しか検出することができない。また、燃焼器が車両に搭載されている場合、十分な信頼性や寿命を有する温度検出手段を利用しても、温度反応が遅く、温度検知に要する時間が長い。また、燃焼器が燃料電池車両に搭載されている場合には、気相燃焼によって NOx等の規制物質が生成されるために、早急な検知が必要になる。

[0006] 本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、異常燃焼状態を的確、且つ、速や力に検出することが可能な触媒燃焼器の異常検出装置を提供することにある。

発明の開示

[0007] 上述の課題を解決するために、本発明に係る触媒燃焼器の異常検出装置は、触媒上流側のガス温度と昇温速度の少なくとも一方を判定基準値と比較することにより、触媒燃焼器の異常燃焼状態を検出する。

図面の簡単な説明

[0008] [図 1]図 1は、本発明の一実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

[図 2]図 2は、燃焼開始時における触媒部上流側及び触媒部下流側のガス温度の時間的変化を示す図である。

[図 3]図 3は、連続パージ時における触媒部上流側及び触媒部下流側のガス温度の時間的変化を示す図である。 [図 4]図 4は、断続パージ時における触媒部上流側及び触媒部下流側のガス温度の時間的変化を示す図である。

[図 5]図 5は、通常燃焼時及び異常燃焼時における力ソードオフガスの温度と昇温速度，触媒部上流側のガス温度と昇温速度，及び触媒部下流側のガス温度と昇温速度の関係を示す図である。

[図 6]図 6は、本発明の第 1の実施形態となる異常判定処理の流れを示すフローチヤート図である。

[図 7]図 7は、本発明の実施形態となる判定基準値を示す図である。

[図 8]図 8は、本発明の第 2の実施形態となる異常判定処理の流れを示すフローチヤート図である。

[図 9]図 9は、本発明の第 3の実施形態となる異常判定処理の流れを示すフローチヤート図である。

[図 10]図 10は、本発明の実施形態となる判定閾値を示す図である。

[図 11]図 11は、本発明の第 4の実施形態となる異常判定処理の流れを示すフローチヤート図である。

[図 12]図 12は、図 11に示す異常判定処理の応用例の流れを示すフローチャート図である。

発明を実施するための最良の形態

[0009] 本発明は、例えば図 1に示すような燃料電池システムに適用することができる。以下、図面を参照して、本発明の一実施形態となる燃料電池システムの構成と動作について説明する。

[0010] 〔燃料電池システムの構成〕

本発明の一実施形態となる燃料電池システム 1は、図 1に示すように、アノード極及び力ソード極にそれぞれ水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池 2が複数積層された燃料電池スタック 3を備える。なお、アノード極及び力ソード極における電気化学反応及び燃料電池スタック 3全体としての電気化学反応は以下に示す式（1) 〜（3)による。また、この実施形態では、アノード極には水素を供給した力水素の代わりに水素リッチな改質ガスをアノード極に供給してもよ、。 [0011] 〔アノード極〕 H → 2H+ + 2e— …ひ）

2

〔力ソード極〕 1/2 O + 2H+ + 2e— → H O - -- (2)

2 2

〔全体〕 H + 1/2 O → H O - -- (3)

2 2 2

〔水素系の構成〕

上記燃料電池システム 1は、図示しない水素タンク及び水素供給弁を備え、水素供給弁により水素タンク内の水素の圧力を燃料電池 2の運転状態に合わせた圧力まで減圧した後、水素供給配管 4を介してアノード極に水素を供給する。また、アノード極で未使用の水素は、水素循環配管 5及び水素循環ポンプ 6を介してアノード極の上流側へ循環される。水素循環配管 5及び水素循環ポンプ 6を設けたことにより、ァノード極で未使用の水素を再利用することが可能となり、燃料電池システム 1の燃費性能を向上させることができる。なお、燃料電池 2の運転条件と適合すれば、水素循環ポンプ 6に代えて流体ポンプであるェゼクタを使用してもよ!、。

[0012] ここで、水素循環配管 5及び水素循環ポンプ 6を介してアノード極に戻る水素の循環流路には、力ソード極力リークした空気中の窒素や水蒸気等の不純物ガス、或いは、過剰な水分が液ィ匕した液水が蓄積することがある。そして、これらの不純物ガスは、水素の分圧を低下させて発電効率を低下させたり、循環ガスの平均分子量を上昇させ水素の循環を困難にする。また液水は水素の循環やスタックの発電を妨げる。

[0013] このため、アノード極の出口側には、アノードオフガス配管 7と、これを開閉するァノードパージ弁 8が設けられている。そして、不純物ガスや液水が蓄積した際には、ァノードパージ弁 8を開き、力ソード極力も排出される空気を利用してアノードパージ弁 8 カゝら排出されたガス (以下、アノードオフガスと表記)を燃焼器 9で燃焼処理した後に系外へ排出するパージを行う。

[0014] これにより、アノード極を含む水素循環配管 5内の水素分圧や循環性能を回復させることができる。なお、アノードパージ弁 8から燃焼器 9に排出するアノードオフガス量や排出タイミングは、ある一定量又は運転条件に応じて制御される量を連続的にパージし続けたり（連続パージ)、運転条件に応じてパージ量を断続的に制御する（断続パージ)等、設計者が任意に設定するとよい。

[0015] 〔空気系の構成〕上記燃料電池システム 1は、図示しないコンプレッサ及び加湿装置を備え、コンプレッサが吐出した空気を加湿装置で加湿した後に空気供給配管 10を介して力ソード極に供給する。そして、力ソード極で未使用の空気は力ソードオフガス配管 11を介して燃焼器 9に送られる。なお、力ソード極力排出される空気は系外に排出し、燃焼器 9に直接空気を供給してもよい。

[0016] 〔燃焼器の構成〕

上記燃焼器 9は、ステンレス合金等の燃焼温度や圧力に耐え得る円筒形状の材質により構成され、アノードオフガス配管 7からの水素が供給されるアノードオフガス導入口 12と、力ソードオフガス配管 11からの空気が供給される力ソードオフガス導入口 13と、アノードオフガス導入口 12の下流側に配設された混合気形成部 14と、混合気形成部 14の下流側に配設された触媒部 15と、触媒部 15の下流側に配設された排気配管 16とを備える。なお、燃焼器 9の形状や材質は、燃料電池システム 1に要求されるガス流量や発熱量等の仕様値を満足するものであれば、設計者の意図に応じて適宜変更してもよい。

[0017] アノードオフガス導入口 12は、先端側部分が燃焼器 9内部方向に突出した状態でアノードオフガス配管 7に接続された燃料噴射ノイブにより構成され、先端側部分に形成された燃料噴出孔カゝらアノードオフガスを排出する。より具体的には、アノードォフガス導入口 12は、先端部分に穴を有する 1Z4インチのステンレスパイプ力も成る配管により構成され、パイプの周面には燃料噴射孔が形成されている。

[0018] なお、燃料噴射孔は、パイプ周面の中心に一箇所でもよぐ又は、円周方向に複数箇所設けるようにしてもよい。また、アノードオフガスを噴出させる導入管の燃料供給経路としては、燃料供給部の上流側カゝら導入したり、燃料供給部の流れに対して直角に導入したり、燃焼供給部の下流側力も導入してもよい。但し、下流側から導入する場合には、導入管による混合気形成への影響及び触媒部 15における燃焼熱による導入管及び燃料への影響を考慮した設計を行う必要性がある。

[0019] また、混合気形成部 14は、空間，スヮラー，複数枚の多孔板等の公知のガス混合技術を用いて構成されて、アノードオフガス導入口 12及び力ソードオフガス導入口 1 3から供給された水素と空気を混合する。また、触媒部 15は、メタルノヽ-カムやセラミックハ-カム等の担体に白金等の貴金属を担持した公知の触媒技術を用いて構成され、混合気形成部 14により形成された水素と空気の混合気体を燃焼する。

[0020] また、排気配管 16は、燃焼器 9から排出されるガスの熱に耐えられる材質により形成され、触媒 15から排出されたガスを系外に排出する。なお、排気配管 16の形状は設計者の意図に応じて設計可能であり、排気配管 16にマフラー等の消音装置を設けることもできる。また、触媒部 15の下流側に熱交を設置し、熱交を燃料改質システムの熱源として用いることにより、システム効率を向上させることもできる。

[0021] 〔制御系の構成〕

上記燃料電池システム 1は、力ソード極力も排出される空気 (力ソードオフガス）の温度 T1を検出する温度センサ 21と、触媒部 15の上流側のガス温度 T2を検出する温度センサ 22と、触媒部 15の下流側のガス温度 T3を検出する温度センサ 23と、燃料電池システム 1全体の動作を制御するコントローラ 24とを備える。なお、この実施形態では、コントローラ 24は、 CPUと、プログラム ROMと、作業用 RAMと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサにより構成される。

[0022] 〔触媒部上流側及び下流側のガス温度変化〕

次に、図 2乃至図 4を参照して、（1)燃焼開始直後、（2)連続パージ時及び断続パージ時における触媒部 15上流側及び下流側のガス温度変化を、通常燃焼時及び異常燃焼時の場合に分けて説明する。

[0023] 〔燃焼開始時の温度推移〕

始めに、図 2を参照して、燃焼開始直後における触媒部 15上流側及び下流側のガス温度変化について説明する。なお、システム構成や制御の種類によってはシステム起動時に起動燃焼処理を行うことがある。すなわち、燃料電池 2が発電を開始する前に、水素と空気を燃焼器 9に供給し、触媒部 15において燃焼処理を行うことがある。また、システムの種類によっては、起動パージとして、ある一定時間、アノード極からアノードオフガスを排出する場合がある。し力しながら、触媒部上流側及び下流側のガス温度変化はこのような場合でも同じであるので、以下では、通常起動時を例として説明する。

[0024] 燃料開始直後、燃焼器 9の燃焼状態が通常の燃焼状態にある場合、触媒部 15において反応が生じて発熱する。そして、触媒部 15で発生した熱はガス流によって触媒部 15下流側に運ばれるため、図 2 (a)に示すように、下流側温度センサ 23の検出温度 T3が上昇し燃焼温度を示す。また、上流側温度センサ 22の検出温度 T2は、触媒部 15からの放射熱によって上昇することがあるが、図 2 (a)に示すように、概して下流側温度センサ 23の検出温度 T3より低い温度を示し、また温度上昇速度 a2は遅い (曲線の傾き a2< a3)。

[0025] 一方、燃焼器 9の燃焼状態が逆火によって異常燃焼状態になった場合には、触媒部 15の上流にて気相燃焼が生じ、燃焼はアノードガス導入口 12から触媒部 15の間で行われ、図 2 (b)に示すように、その燃焼熱によって上流側温度センサ 22の検出温度 T2が上昇し燃焼温度を示す。また、下流側温度センサ 23の検出温度 T3は、図 2 (b)に示すように、気相燃焼によって発生した熱を直接受けることがないために、上昇速度が遅ぐ且つ、上流側のガス温度 T2に対して低い温度を示す。そして、このまま燃焼が継続すると、図 2 (b)に示すように、検出温度 T3は上昇し、検出温度 T2と検出温度 T3の温度差は小さくなる。

[0026] 〔連続パージ時及び断続パージ時の温度推移〕

次に、図 3, 4を参照して、連続パージ時及び断続パージ時における触媒部 15上流側及び下流側のガス温度変化について説明する。

[0027] 連続パージや断続パージ時において、燃焼器 9の燃焼状態が通常の燃焼状態にある場合、触媒部 15において反応が生じ発熱する。そして、触媒部 15で発生した熱はガス流によって触媒部 15下流側に運ばれるため、図 3 (a)や図 4 (a)に示すように、下流側温度センサ 23の検出温度 T3が上昇し、燃焼温度を示す。また、検出温度 T 3は、パージ条件によって、安定した温度になったり（連続パージ時、図 3 (a)参照）、燃料の供給に合わせて変動する（断続パージ時、図 4 (a)参照)。また、上流側温度センサ 22の検出温度 T2は、触媒部 15からの放射熱によって上昇することがあるが、図 3 (a)や図 4 (a)に示すように、概して下流側温度センサ 23の検出温度 T3より低い温度を示し、また、温度上昇速度 a2は遅い（曲線の傾き al < a2)。一方、燃焼器 9の燃焼状態が逆火によって異常燃焼状態にある場合には、触媒部 15の上流にて気相燃焼し、燃焼はアノードガス導入口 12から触媒部 15の間で生じ、その燃焼熱によつて上流側温度センサ 22の検出温度 T2が上昇し、燃焼温度を示す。

[0028] このように、通常燃焼時と異常燃焼時とでは、触媒部 15上流側及び下流側のガス温度変化が異なるので、この温度変化を監視することにより、燃焼器 9の燃焼状態を判別することができる。なお、燃焼器 9の燃焼状態が通常の燃焼状態及び異常燃焼状態にある際の、力ソードオフガスの温度 T1と、触媒部 15上流側及び下流側の温度 Τ2, Τ3とその上昇速度 a2, a3の関係は、図 5に示すテーブルのようになる。但し、この場合、力ソードオフガスの温度 T1は燃焼器 9の燃焼状態の影響は受けないものとする。以下、通常燃焼時と異常燃焼時における触媒部 15上流側及び下流側のガス温度変化特性の違いを利用した、本発明の第 1乃至第 4の実施形態となる異常判定処理を実行する際のコントローラ 24の動作について説明する。

[0029] 〔異常判定処理〕

〔実施例 1〕

始めに、図 6に示すフローチャートを参照して、本発明の第 1の実施形態となる異常判定処理を実行する際のコントローラ 24の動作について説明する。

[0030] 図 6に示すフローチャートは、燃料電池システム 1が起動され、上位制御処理から異常判定処理に移行するのに応じて開始となり、この異常判定処理はステップ S1の処理に進む。なお、この異常判定処理は、燃料電池システム 1が起動して力停止するまでの間、 100[msec]〜l [sec]程度の一定のサンプリング間隔 t毎に繰り返し実行することが望ましい。但し、サンプリング間隔 tが短いと、ノイズ等の影響を受け易くなり、ノイズ対策が必要になる一方、サンプリング間隔 tが長いと異常発生時の異常検知が遅れるので、サンプリング間隔 tはシステムの運転特性に応じて設計者が設定することが望ましい。また、この異常判定処理は、上位制御とは独立して一定のサンプリング間隔 t毎に実行し、燃焼状態を示す診断フラグへの入力を繰り返すようにしてもよい。この場合、コントローラ 24は診断フラグを参照して上位制御処理を行う。

[0031] ステップ S1の処理では、コントローラ 24力温度センサ 22を利用して、触媒部 15の上流側のガス温度 T2を検出する。これにより、このステップ S1の処理は完了し、この判定処理はステップ S2の処理に進む。

[0032] ステップ S2の処理では、コントローラ 24力前回及び今回のステップ S1の処理により検出したガス温度 T2の差分値を算出し、算出された差分値をサンプリング間隔 tで除算することによりガス温度 T2の昇温速度 a2 ( = dT2/dt)を算出する。これにより、このステップ S2の処理は完了し、この判定処理はステップ S3の処理に進む。

[0033] ステップ S3の処理では、コントローラ 24力ステップ S2の処理により算出された昇温速度 a2が判定基準値 α以上であるか否かを判別する。なお、この判定基準値 α は、 25 [°CZsec]等の固定値又は図 7に示すようなシステムの運転負荷（出力）に応じて変動する値のどちらでもよぐシステムの運転特性や設計者の意図に応じて設定するとよい。そして、判別の結果、昇温速度 a2が判定基準値 α以上である場合 (判定基準 A1)、コントローラ 24は、この判定処理をステップ S4の処理に進める。一方、昇温速度 a2が判定基準値 a以上でない場合には、コントローラ 24はこの判定処理をステップ S5の処理に進める。

[0034] ステップ S4の処理では、コントローラ 24力温度 T2の昇温速度 a2がシステムの運転条件に基づいて算出された許容昇温速度よりも速いと判断し、燃焼器 9が異常燃焼状態にあると判断する。そして、コントローラ 24は、異常燃焼状態を抑制するための異常処理制御へと制御を移行する。なお、コントローラ 24は、直接異常処理制御へと移行しないで、上位制御に対して異常燃焼状態が発生した旨を伝える信号を送つたり、異常燃焼判定フラグを立てたりしてもよい。

[0035] ステップ S5の処理では、コントローラ 24が、燃焼器 9が通常の燃焼状態にあると判断し、上位制御に対して通常の燃焼状態である旨を伝える信号を送ることにより上位制御に戻る。なお、コントローラ 24は、上位制御に戻らずに、判定処理をステップ S1 の処理に戻すようにしてもよ、。

[0036] 以上の説明から明らかなように、本発明の第 1の実施形態となる異常判定処理によれば、コントローラ 24が、触媒部 15上流側のガス温度 T2の昇温速度 a2を用いて燃焼器 9の異常燃焼状態を検出するので、燃焼器 9の異常燃焼状態を的確、且つ、速やかに検出することができる。

[0037] また、本発明の第 1の実施形態となる異常判定処理によれば、コントローラ 24が、昇温速度 a2が判定基準値 α以上である場合 (判定基準 A1)、燃焼器 9が異常燃焼状態にあると判定するので、異常燃焼による温度が高温になる前に、燃焼器 9の異常燃焼状態を検出することができる。

[0038] なお、コントローラ 24は、判定基準 A1が満たされた場合であって、且つ、触媒部 1 5上流側のガス温度 T2が運転条件に従って定められる許容温度以上になった場合（判定基準 B1)において、燃焼器 9が異常燃焼状態にあると判定してもよい。これにより、測定ノイズ等による誤診断を防止できると共に、単純に温度のみを用いて判定するよりも判定閾値を下げることができるので、異常判定時間を短縮することができる。

[0039] 〔実施例 2〕

次に、図 8に示すフローチャートを参照して、本発明の第 2の実施形態となる異常判定処理を実行する際のコントローラ 24の動作について説明する。

[0040] 図 8に示すフローチャートは、燃料電池システム 1が起動され、上位制御処理から異常判定処理に移行するのに応じて開始となり、この異常判定処理はステップ S 11 の処理に進む。

[0041] ステップ S11の処理では、コントローラ 24力温度センサ 22, 23を利用して、触媒部 15の上流側及び下流側のガス温度 T2, T3を検出する。これにより、このステップ S11の処理は完了し、この判定処理はステップ S 12の処理に進む。

[0042] ステップ S2の処理では、コントローラ 24が、前回及び今回のステップ S11の処理により検出したガス温度 T2, T3の差分値を算出し、算出された差分値をサンプリング間隔 tで除算することによりガス温度 T2, T3の昇温速度 a2, a3 ( = dT3Zdt)を算出する。これにより、このステップ S12の処理は完了し、この判定処理はステップ S 13の処理に進む。

[0043] ステップ S13の処理では、コントローラ 24力ステップ S12の処理により算出された昇温速度 a2が昇温速度 a3以上であるか否かを判別する。そして、判別の結果、昇温速度 a2が昇温速度 a3以上である場合 (判定基準 A2)、コントローラ 24は、ステップ S 14の処理として燃焼器 9が異常燃焼状態にあると判断し、異常処理制御へと制御を移行する。一方、昇温速度 a2が昇温速度 a3以上でない場合には、コントローラ 24は、ステップ S15の処理として燃焼器 9が通常の燃焼状態にあると判断し上位制御に戻る。なお、コントローラ 24は、上位制御に戻らずに、判定処理をステップ S 11の処理に戻すようにしてもよい。 [0044] 以上の説明から明らかなように、本発明の第 2の実施形態となる異常判定処理によれば、コントローラ 24が、昇温速度 a2が昇温速度 a3以上である場合 (判定基準 A2) 、燃焼器 9が異常燃焼状態にあると判定するので、異常燃焼による温度が高温になる前に、燃焼器 9の異常燃焼状態を検出することができる。

[0045] なお、コントローラ 24は、昇温速度 a2が判定基準値 α以上である場合 (判定基準 A 1)、且つ、昇温速度 a2が昇温速度 a3以上である場合 (判定基準 A2)において、燃焼器 9が異常燃焼状態にあると判定してもよい。これにより、測定ノイズ等による誤診断を防止できる。

[0046] また、コントローラ 24は、触媒部 15上流側のガス温度 T2が運転条件に従って定められる許容温度以上になった場合 (判定基準 B1)、且つ、昇温速度 a2が昇温速度 a 3以上である場合 (判定基準 A2)において、燃焼器 9が異常燃焼状態にあると判定してもよい。これにより、測定ノイズ等による誤診断を防止できると共に、単純に温度のみを用いて判定するよりも判定閾値を下げることができるので、異常判定時間を短縮することができる。

[0047] また、コントローラ 24は、昇温速度 a2が判定基準値 α以上である場合 (判定基準 A 1)、且つ、昇温速度 a2が昇温速度 a3以上である場合 (判定基準 A2)、且つ、触媒部 15上流側のガス温度 T2が運転条件に従って定められる許容温度以上になった場合 (判定基準 B1)において、燃焼器 9が異常燃焼状態にあると判定してもよい。これにより、測定ノイズ等による誤診断を防止できる。

[0048] また、コントローラ 24は、昇温速度 a2が判定基準値 α以上である場合 (判定基準 A 1)、及び Z又は、昇温速度 a2が昇温速度 a3以上である場合 (判定基準 A2)、且つ、触媒部 15上流側のガス温度 T2が触媒部 15下流側のガス温度 T3以上になった場合 (判定基準 B2)において、燃焼器 9が異常燃焼状態にあると判定してもよい。これにより、測定ノイズ等による誤診断を防止できる。

[0049] 〔実施例 3〕

次に、図 9に示すフローチャートを参照して、本発明の第 3の実施形態となる異常判定処理を実行する際のコントローラ 24の動作について説明する。

[0050] 図 9に示すフローチャートは、燃料電池システム 1が起動され、上位制御処理から異常判定処理に移行するのに応じて開始となり、この異常判定処理はステップ S21 の処理に進む。

[0051] ステップ S21の処理では、コントローラ 24が、温度センサ 21, 22, 23を利用して、力ソードオフガスの温度 T1,触媒部 15の上流側及び下流側のガス温度 T2, T3を検出する。これにより、このステップ S21の処理は完了し、この判定処理はステップ S22 の処理に進む。

[0052] ステップ S22の処理では、コントローラ 24が、前回及び今回のステップ S21の処理により検出したガス温度 Tl, T2, T3の差分値を算出し、算出された差分値をサンプリング間隔 tで除算することによりガス温度 Tl, T2, T3の昇温速度 al (dTlZdt) , a 2, a3を算出する。これにより、このステップ S22の処理は完了し、この判定処理はステツプ S23の処理に進む。なお、以後の処理において、昇温速度 al, a2, a3を用いな、場合には、コントローラ 24はこの処理を省略してもよ!/、。

[0053] ステップ S23の処理では、コントローラ 24力触媒部 15の上流側のガス温度 T2が力ソードオフガスの温度 T1に判定基準閾値 βを加算した値以上であるカゝ否かを判別する。なお、判定基準閾値 j8は、固定値又は図 10に示すようなシステムの運転負荷（出力）に応じて変動する値のどちらでもよぐシステムの運転特性や設計者の意図に応じて設定するとよい。そして、判別の結果、触媒部 15の上流側のガス温度 T2 力 S力ソードオフガスの温度 T1に判定基準閾値 βを加算した値以上である場合 (判定基準 C1)、コントローラ 24は、ステップ S24の処理として触媒部 15の上流側のガス温度 Τ2が過昇温して燃焼器 9が異常燃焼状態にあると判断し、異常処理制御へと制御を移行する。一方、触媒部 15の上流側のガス温度 Τ2が力ソードオフガスのガス温度 T1に判定基準閾値 |8を加算した値以上でない場合には、コントローラ 24は、ステップ S25の処理として燃焼器 9が通常の燃焼状態にあると判断し上位制御に戻る。なお、コントローラ 24は、上位制御に戻らずに、判定処理をステップ S21の処理に戻すようにしてもよい。

[0054] 以上の説明から明らかなように、本発明の第 3の実施形態となる異常判定処理によれば、コントローラ 24が、触媒部 15上流側のガス温度 Τ2が力ソードオフガスの温度 T1に判定基準閾値 βを加算した値以上である場合 (判定基準 C1)、燃焼器 9が異常燃焼状態にあると判定するので、燃料電池 2の運転温度の変化に伴う誤診断を防止することができる。

[0055] なお、コントローラ 24は、判定基準 Al, A2における昇温速度 a2の代わりに昇温速度 a2と力ソードオフガスの昇温速度 alの差を適用してもよい (判定基準 A3, A4)。また、コントローラ 24は、ガス温度 T2の代わりにガス温度 T2と力ソードオフガスの温度 T1の温度差を適用してもよい (判定基準 B3, B4)。また、コントローラ 24は、上記判定基準 Bl, B2, B3, B4の代わりに上記判定基準 C1を用いてもよい。これにより、燃料電池の運転温度の変動に伴う誤診断を防止することができる。

[0056] 〔実施例 4〕

最後に、図 11に示すフローチャートを参照して、本発明の第 4の実施形態となる異常判定処理を実行する際のコントローラ 24の動作について説明する。

[0057] 図 11に示すフローチャートは、燃料電池システム 1が起動され、上位制御処理から異常判定処理に移行するのに応じて開始となり、この異常判定処理はステップ S31 の処理に進む。

[0058] ステップ S31の処理では、コントローラ 24が、温度センサ 21, 22, 23を利用して、力ソードオフガスの温度 T1,触媒部 15の上流側及び下流側のガス温度 T2, T3を検出する。これにより、このステップ S31の処理は完了し、この判定処理はステップ S32 の処理に進む。

[0059] ステップ S32の処理では、コントローラ 24が、前回及び今回のステップ S31の処理により検出したガス温度 Tl, T2, T3の差分値を算出し、算出された差分値をサンプリング間隔 tで除算することによりガス温度 Tl, T2, T3の昇温速度 al, a2, a3を算出する。これにより、このステップ S32の処理は完了し、この判定処理はステップ S33 の処理に進む。

[0060] ステップ S33の処理では、コントローラ 24力第 1の判定基準に従って燃焼器 9が通常の燃焼状態と異常燃焼状態のどちらの状態にある力否かを判別する。なお、この第 1の判定基準は、上記判定基準 Al, A2, A3, A4, Bl, B2, B3, B4, C1のうちの任意の判定基準の組み合わせを示す。そして、判別の結果、燃焼器 9が通常の燃焼状態にある場合、コントローラ 24はこの判定処理をステップ S37の処理に進める。一方、燃焼器 9が異常燃焼状態にある場合には、コントローラ 24はこの判定処理をステップ S34の処理に進める。

[0061] ステップ S34の処理では、コントローラ 24力第 2の判定基準に従って燃焼器 9が通常の燃焼状態と異常燃焼状態のどちらの状態にある力否かを判別する。なお、この第 2の判定基準は、上記判定基準 Al, A2, A3, A4, Bl, B2, B3, B4, C1のうちの任意の判定基準の組み合わせのうち、上記第 1の判定基準以外のものを示す。そして、判別の結果、燃焼器 9が通常の燃焼状態にある場合、コントローラ 24はこの判定処理をステップ S37の処理に進める。一方、燃焼器 9が異常燃焼状態にある場合には、コントローラ 24はこの判定処理をステップ S35の処理に進める。

[0062] ステップ S35の処理では、コントローラ 24力第 3の判定基準に従って燃焼器 9が通常の燃焼状態と異常燃焼状態のどちらの状態にある力否かを判別する。なお、この第 3の判定基準は、上記判定基準 Al, A2, A3, A4, Bl, B2, B3, B4, C1のうちの任意の判定基準の組み合わせのうち、上記第 1及び第 2の判定基準以外のものを示す。そして、判別の結果、燃焼器 9が通常の燃焼状態にある場合、コントローラ 2 4はこの判定処理をステップ S37の処理に進める。一方、燃焼器 9が異常燃焼状態にある場合には、コントローラ 24はこの判定処理をステップ S36の処理に進める。

[0063] 以上の説明から明らかなように、本発明の第 4の実施形態となる異常判定処理によれば、コントローラ 23は、判定基準 Al, A2, A3, A4, Bl, B2, B3, B4, C1のうちの任意の判定基準の組み合わせに従って燃焼器 9の異常燃焼状態を検出するので、最も誤診断が少なぐ且つ、診断時間が速い判定基準を設定することができる。

[0064] なお、この実施形態では、燃焼器 9が異常燃焼状態にあると判定された際、コント口ーラ 24は次の判定ステップに処理を進めた力図 12に示すように、燃焼器 9が通常の燃焼状態にあると判定された際に次の判定ステップに処理を進めるようにしてもよい。また、コントローラ 24は、 3つの判定ステップにより燃焼器 9の燃焼状態を判別した力判定ステップは 2つであっても、 3つ以上であってもよい。

[0065] 以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明した力この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、上記実施形態では、一回の判定処理で燃焼器 9が異常燃焼状態にある力否かを判別したが、上記異常判定処理を複数回行った後に燃焼器 9が異常燃焼状態にある力否かを判別するようにしてもよい。具体的には、異常判定処理が 0. l [sec」のサンプリング間隔で実行されている場合には、 l [sec] (10 サイクル）中 5回異常と判定された場合や、 0. l [sec」サイクルで 4サイクル連続 (0. 4 秒間)で異常と判定された場合において、燃焼器 9が異常燃焼状態にあると判定するようにしてもよい。このような処理によれば、ノイズ等の影響による誤診断を防止することができる。このように、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付けカ卩えておく。

産業上の利用可能性

本発明によれば、触媒部上流側の昇温速度を用いて触媒燃焼器の異常燃焼状態を検出するので、異常燃焼状態を的確、且つ、速やかに検出することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 燃料電池システムの運転状態に応じて燃料電池の燃料極力ゝら排出されるアノードオフガスを酸化剤ガスと混合し、触媒部においてアノードオフガスを燃焼処理する触媒燃焼器の異常検出装置であって、

前記触媒部上流側のガス温度を測定する上流側温度測定手段と、

触媒上流側のガス温度と昇温速度の少なくとも一方を判定基準値と比較することにより、触媒燃焼器の異常燃焼状態を検出する異常燃焼検出手段と

を備えることを特徴とする触媒燃焼器の異常検出装置。

[2] 請求項 1に記載の触媒燃焼器の異常検出装置であって、

前記触媒部下流側のガス温度を測定する下流側温度測定手段を備え、前記異常燃焼検出手段は、前記触媒部上流側のガス温度と昇温速度の少なくとも一方を触媒部下流側のガス温度及び昇温速度の少なくとも一方と比較することにより、触媒燃焼器の異常燃焼状態を検出すること

を備えることを特徴とする触媒燃焼器の異常検出装置。

[3] 請求項 1又は請求項 2に記載の触媒燃焼器の異常検出装置であって、

前記酸化剤ガスは前記燃料電池の酸化剤極力ゝら排出される力ソードオフガスであり前記力ソードオフガスの温度を測定する力ソードオフガス温度測定手段を備え、前記異常燃焼検出手段は、前記触媒部上流側のガス温度と昇温速度の少なくとも一方を力ソードオフガスのガス温度及び昇温速度の少なくとも一方と比較することにより、触媒燃焼器の異常燃焼状態を検出することを特徴とする触媒燃焼器の異常検出装置。

[4] 請求項 1乃至請求項 3のうち、いずれか 1項に記載の触媒燃焼器の異常検出装置であって、

前記異常検出手段は、触媒部上流側の昇温速度が運転条件に従って定められる許容昇温速度以上になることにより第 1の判定基準が満たされた場合において、触媒燃焼器が異常燃焼状態にあると判定することを特徴とする触媒燃焼器の異常検出装置。

[5] 請求項 1乃至請求項 3のうち、いずれか 1項に記載の触媒燃焼器の異常検出装置であって、

前記異常検出手段は、触媒部上流側の昇温速度が運転条件に従って定められる許容昇温速度以上になることにより第 1の判定基準が満たされた場合、且つ、触媒部上流側のガス温度が運転条件に従って定められる許容温度以上になることにより第 2 の判定基準が満たされた場合にぉ、て、触媒燃焼器が異常燃焼状態にあると判定することを特徴とする触媒燃焼器の異常検出装置。

[6] 請求項 2又は請求項 3に記載の触媒燃焼器の異常検出装置であって、

前記異常検出手段は、触媒部上流側の昇温速度と触媒部下流側の昇温速度の差が運転条件に従って定められる昇温速度以上になることにより第 3の判定基準が満たされた場合にぉヽて、触媒燃焼器が異常燃焼状態にあると判定することを特徴とする触媒燃焼器の異常検出装置。

[7] 請求項 2又は請求項 3に記載の触媒燃焼器の異常検出装置であって、

前記異常検出手段は、触媒部上流側の昇温速度が運転条件に従って定められる許容昇温速度以上になることにより第 1の判定基準が満たされた場合、且つ、触媒部上流側の昇温速度と触媒部下流側の昇温速度の差が運転条件に従って定められる昇温速度以上になることにより第 3の判定基準が満たされた場合において、触媒燃焼器が異常燃焼状態にあると判定することを特徴とする触媒燃焼器の異常検出装置

[8] 請求項 2又は請求項 3に記載の触媒燃焼器の異常検出装置であって、

前記異常検出手段は、触媒部上流側のガス温度が運転条件に従って定められる許容温度以上になることにより第 2の判定基準が満たされた場合、且つ、触媒部上流側の昇温速度と触媒部下流側の昇温速度の差が運転条件に従って定められる昇温速度以上になることにより第 3の判定基準が満たされた場合において、触媒燃焼器が異常燃焼状態にあると判定することを特徴とする触媒燃焼器の異常検出装置。

[9] 請求項 2又は請求項 3に記載の触媒燃焼器の異常検出装置であって、

前記異常検出手段は、触媒部上流側の昇温速度が運転条件に従って定められる許容昇温速度以上になることにより第 1の判定基準が満たされた場合、且つ、触媒部上流側のガス温度が運転条件に従って定められる許容温度以上になることにより第 2 の判定基準が満たされた場合、且つ、触媒部上流側の昇温速度と触媒部下流側の昇温速度の差が運転条件に従って定められる昇温速度以上になることにより第 3の判定基準が満たされた場合にぉヽて、触媒燃焼器が異常燃焼状態にあると判定することを特徴とする触媒燃焼器の異常検出装置。

[10] 請求項 2又は請求項 3に記載の触媒燃焼器の異常検出装置であって、

前記異常検出手段は、触媒燃焼器上流側の昇温速度が運転条件に従って定められる許容昇温速度以上になることにより第 1の判定基準が満たされた場合、及び Z 又は、触媒部上流側の昇温速度と触媒部下流側の昇温速度の差が運転条件に従つて定められる昇温速度以上になることにより第 3の判定基準が満たされた場合、且つ、触媒部上流側のガス温度が触媒部下流側のガス温度よりも運転条件によって定められる温度幅以上高温になることにより第 4の判定基準が満たされた場合において、触媒燃焼器が異常燃焼状態にあると判定することを特徴とする触媒燃焼器の異常検出装置。

[11] 請求項 4乃至請求項 10のうち、いずれか 1項に記載の触媒燃焼器の異常検出装置であって、

前記異常検出手段は、前記第 1及び Z又は第 3の判定基準の代わりに、第 1及び第 3の判定基準における触媒部上流側の昇温速度の代わりに当該昇温速度とカソードオフガスの昇温速度の差を適用した第 5及び第 6の判定基準を用いて触媒燃焼器の異常燃焼状態を判定することを特徴とする触媒燃焼器の異常検出装置。

[12] 請求項 5、請求項 8、請求項 9、請求項 10、及び請求項 11のうち、いずれか 1項に記載の触媒燃焼器の異常検出装置であって、

前記異常検出手段は、前記第 2及び Z又は第 4の判定基準の代わりに、前記第 2 及び第 4の判定基準における触媒燃焼器上流側のガス温度の代わりに当該ガス温度と力ソードオフガスの温度の差を適用した第 7及び第 8の判定基準を用いて触媒燃焼器の異常燃焼状態を判定することを特徴とする触媒燃焼器の異常検出装置。

[13] 請求項 3に記載の触媒燃焼器の異常検出装置であって、

前記異常検出手段は、触媒部上流側のガス温度が力ソードオフガスの温度よりも運転条件によって定められる温度幅以上上昇することにより第 9の判定基準が満たされた場合、触媒燃焼器が異常燃焼状態にあると判定することを特徴とする触媒燃焼器の異常検出装置。

[14] 請求項 5、請求項 8、請求項 9、及び請求項 12のうち、いずれか 1項に記載の触媒燃焼器の異常検出装置であって、

前記異常検出手段は、前記第 2、第 4、第 7、又は第 8の判定基準の代わりに、触媒部上流側のガス温度が力ソードオフガスの温度よりも運転条件によって定められる温度幅以上上昇することにより第 9の判定基準が満たされた場合、触媒燃焼器が異常燃焼状態にあると判定することを特徴とする触媒燃焼器の異常検出装置。

[15] 請求項 1乃至請求項 3のうち、いずれか 1項に記載の触媒燃焼器の異常検出装置であって、

前記異常検出手段は、複数の判定基準を用いて触媒燃焼器の異常燃焼状態を検出することを特徴とする触媒燃焼器の異常検出装置。

[16] 請求項 4乃至請求項 15のうち、いずれか 1項に記載の触媒燃焼器の異常検出装置であって、

前記異常検出手段は、運転条件によって予め定められた時間中に連続して前記判定基準が満たされた場合、触媒燃焼器が異常燃焼状態にあると判定することを特徴とする触媒燃焼器の異常検出装置。

[17] 請求項 4乃至請求項 15のうち、いずれか 1項に記載の触媒燃焼器の異常検出装置であって、

前記異常検出手段は、運転条件によって予め定められた時間中に所定割合以上の間、前記判定基準が満たされた場合、触媒燃焼器が異常燃焼状態にあると判定することを特徴とする触媒燃焼器の異常検出装置。