触媒燃焼器の燃焼状態検知装置
【課題】触媒上流側が気相燃焼状態にあることを的確、且つ、速やかに検知する。
【解決手段】空気供給配管１１には、バイパス配管１４が設けられ、バイパス配管１４を介して空気を直接燃焼器９に供給可能なように構成されている。これにより、カソードオフガスと比較して湿度が低く、且つ、酸素分圧が高い空気を燃焼器９に供給できるようになるので、カソードオフガスの高湿・低酸素濃度状態による悪影響を防止し、失火や着火遅れなどの燃焼不具合を防止し、確実な触媒燃焼が可能となる。またこの結果、触媒上流側の昇温速度や温度を用いて触媒上流側での気相燃焼状態を検知することができると共に、昇温速度を用いることによって燃焼状態の判定時間を短縮することができる。
【解決手段】空気供給配管１１には、バイパス配管１４が設けられ、バイパス配管１４を介して空気を直接燃焼器９に供給可能なように構成されている。これにより、カソードオフガスと比較して湿度が低く、且つ、酸素分圧が高い空気を燃焼器９に供給できるようになるので、カソードオフガスの高湿・低酸素濃度状態による悪影響を防止し、失火や着火遅れなどの燃焼不具合を防止し、確実な触媒燃焼が可能となる。またこの結果、触媒上流側の昇温速度や温度を用いて触媒上流側での気相燃焼状態を検知することができると共に、昇温速度を用いることによって燃焼状態の判定時間を短縮することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒部の上流側が気相燃焼状態にあることを検知するための触媒燃焼器の燃焼状態検知装置に関する。
【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、発電が停止したりすることを防止するために、ア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、水素の燃焼媒体として触媒燃焼器を利用する場合、燃焼温度の上昇に伴い逆火が発生し、触媒燃焼器の燃焼状態が通常の触媒燃焼状態から気相燃焼状態へと変化する。そして、燃焼状態が気相燃焼状態に変化すると、燃焼温度の上昇に伴う熱害による触媒燃焼器，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。このような背景から、触媒燃焼器の燃料供給部上流側近傍に温度検知手段を設け、温度検知手段により検知された温度に基づいて触媒からの逆火による気相燃焼を検知する装置が提案されている（特許文献１参照）。また、触媒燃焼器の燃料供給部近傍に火炎センサを設け、火炎センサによって触媒からの逆火を検知する装置も提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平１１−１１８１１５号公報
【特許文献２】特開２００４−３７０３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、一般に、触媒燃焼器に供給される酸化剤ガスが多量の水分を含有している場合や酸化剤ガス中の酸素濃度が低い場合には、触媒の着火性能が損なわれる。特に、水分の影響は著しく、触媒が水分に覆われてしまった場合には、反応面積を確保することができないために本来の着火性能を発揮することができなくなる。そして、触媒の着火性能が損なわれた場合には、燃料電池システムの排気特性に問題が生じることがある。また、正しく着火できない場合には、触媒燃焼器の制御に支障をきたすために、その副作用として燃料電池システムとしての効率が悪化する可能性がある。
【０００５】
また、触媒燃焼器の下流側の温度を検出したとしても逆火等による触媒部の上流側における気相燃焼状態を速やかに検知することはできない。また、温度検知手段によって触媒部の上流側での気相燃焼状態を検知する際、触媒部から温度検出手段までの距離が離れている場合には、相当な距離の逆火が発生しない限り気相燃焼状態を検知することができない。このため、実際に気相燃焼状態を検知した時には、燃焼温度がある程度上昇しており、その結果、触媒性能が熱の影響によって劣化する恐れがある。特に、触媒は、ある一定の触媒耐熱温度を超えた温度に曝されると劣化が促進されるために、触媒燃焼器の寿命が短くなる可能性がある。
【０００６】
また、触媒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、気相燃焼状態を早急に検知する必要がある。しかしながら、車両に搭載可能な十分な信頼性や寿命を有する温度検出手段を利用したとしても、温度反応が遅く、温度検知に要する時間が長くなってしまう。また、火炎センサを用いることにより気相燃焼状態を検知することができるが、燃料電池等に使用した場合には水分の影響によって炎の検知が遅れる恐れがある。
【０００７】
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、触媒部の上流側が気相燃焼状態にあることを的確、且つ、速やかに検知することが可能な触媒燃焼器の燃焼状態検知装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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燃焼状態検知装置は、燃料電池の燃料極から排出されるアノードオフガスを、前記燃料電池の酸化剤極から排出されるカソードオフガスとは異なる酸化剤ガスと混合し、触媒部において燃焼処理する触媒燃焼器と、触媒部の上流側のガス温度を測定する触媒上流側温度測定手段と、触媒上流側温度測定手段により測定された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、触媒部の上流側における気相燃焼を検知する気相燃焼検知手段とを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る触媒燃焼器の燃焼状態検知装置によれば、アノードオフガスを燃料電池の酸化剤極から排出されるカソードオフガスとは異なる酸化剤ガスと混合し燃焼処理することにより、カソードオフガスの高湿・低酸素濃度状態による悪影響を防止するので、失火や着火遅れなどの燃焼不具合を防止し、確実な触媒燃焼が可能となる。またこの結果、触媒部の上流側の昇温速度や温度を用いて触媒部の上流側での気相燃焼状態を検知することができると共に、昇温速度を用いることによって燃焼状態の判定時間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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。
【００１１】
〔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（燃料極）及びカソード極（酸化剤極）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、アノード極及びカ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、本実施形態では、アノード極に水素を供給したが、水素の代わりに水素リッチな改質ガスを供給するようにしてもよい。
【００１２】
〔アノード極〕 Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋２ｅ- …（１）
〔カソード極〕 1/2 Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）
〔全体〕 Ｈ2 ＋1/2 Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）
〔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を設けることにより、ア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エゼクタを使用してもよい。また、水素タンク内に貯蔵された水素ではなく、液体水素や水素吸蔵合金から得られる水素や燃料ガスを改質することにより得られる水素をアノード極に供給するようにしてもよい。
【００１３】
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、カソード極から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、過剰な水分が液化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（循環効率が悪化）にしたりする。また液水は水素の循環やスタックの発電を妨げる場合がある。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、これを開閉するアノードパージ弁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、アノードパージ弁８を開き、空気を利用してアノードパージ弁８から排出されたガス（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。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、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したりする（断続パージ）等、設計者が任意に設定するとよい。
【００１４】
〔空気系の構成〕
上記燃料電池システム１は、コンプレッサ１０と図示しない加湿装置を備え、コンプレッサ１０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１１を介してカソード極に供給する。そして、カソード極で未使用の空気はカソードオフガス配管１２を介して排気配管１３に送られる。また、空気供給配管１１には、バイパス配管１４が設けられ、バイパス配管１４を介して加湿装置によって加湿される前の空気を直接燃焼器９に供給可能なように構成されている。このような構成によれば、カソードオフガスと比較して湿度が低く、且つ、酸素分圧が高い空気を燃焼器９に供給できるので、カソードオフガスの高湿・低酸素濃度状態による悪影響を防止し、失火や着火遅れなどの燃焼不具合を防止し、確実な触媒燃焼が可能となる。すなわち、燃焼器９において確実な触媒燃焼処理を行い、燃焼器９の燃焼効率を高く保つことができる。
【００１５】
なお、図２に示すように、バイパス配管１４によって分岐された空気を燃料電池スタック３周辺のケース内に導入し、ケース内を通流した空気を燃焼器９に供給するようにしてもよい。このような構成によれば、カソードオフガスと比較して湿度が低く、且つ、酸素分圧が高い空気を燃焼器９に供給できるので、燃焼器９の燃焼効率を高く保つことができる。また、アノード極からケース内部に透過，拡散した水素を燃焼器９に供給できるので、アノード極からケース内部に透過，拡散した水素を確実、且つ、効果的に燃焼させることができる。また、ケース内換気用空気と燃焼器９用空気を兼用することによって、システムを簡素化し、サイズ，質量，部品点数を削減することができる。
【００１６】
また、図３に示すように、コンプレッサ１０の他にブロア等の燃焼器９用の空気供給装置１５を設け、空気供給装置１５から燃焼器９にアノードオフガスの燃焼に必要な空気を供給するようにしてもよい。このような構成によれば、カソードオフガスと比較して湿度が低く、且つ、酸素分圧が高い空気を燃焼器９に供給できるので、燃焼器９の燃焼効率を高く保つことができる。また、図１や図２に示すような空気供給装置が１台しかないシステムと比較して、燃料電池２及び燃焼器９それぞれの要求空気量を供給可能な空気供給装置を設ければよくなるので、空気供給装置の小型化が可能となると共に、質量，コスト，消費電力，運転効率，制御のロバスト性等の面で有利となる。また特に低空気流量側では、２台の小型の空気供給装置を用いる方が１台の大型の空気供給装置を用いる場合よりも高効率運転が可能である。また、１台の空気供給装置から吐出された空気を２流路に分岐する場合には、各流路の空気流量を制御が困難であるために制御系の部品点数が増加する可能性があるが、このような構成によれば、制御系の部品点数の増加を抑えることができる。
【００１７】
また、図４に示すように、コンプレッサ１０の他に空気供給装置１６を設け、空気供給装置１６によって燃料電池スタック３周辺のケース内を通流した空気を燃焼器９に供給するようにしてもよい。このような構成によれば、燃料電池スタック３内のアノード極からケース内部に透過，拡散した水素を燃焼器９に供給できるので、燃料電池スタック３から周辺へと透過，拡散した水素を確実、且つ、効果的に燃焼処理することができる。なお、本実施形態では、燃料電池スタック３と燃焼器９間に空気供給装置１６を設置したが、燃料電池スタック３の上流側に空気供給装置１６を設置するようにしてもよい。
【００１８】
〔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１８と、バイパス配管１４からの空気が供給される酸化剤ガス導入口１９と、アノードオフガス導入口１８の下流側に配設された混合気形成部２０と、混合気形成部２０の下流側に配設された触媒部２１と、触媒部２１の下流側に配設された排気配管１３とを備える。このような構成によれば、逆火火炎がアノードオフガス導入口１８まで到達したり、アノードオフガス導入口１８において拡散火炎が発生したりすることを防止できるので、余混合燃焼となり、拡散火炎と比較して排気がクリーンになる。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。
【００１９】
アノードオフガス導入口１８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パイプにより構成され、先端側部分に形成された燃料噴出孔からアノードオフガスを排出する。より具体的には、アノードオフガス導入口１８は、先端部分に穴を有する１／４インチのステンレスパイプから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。
【００２０】
混合気形成部２０は、空間，スワラー，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、アノードオフガス導入口１８及び酸化剤ガス導入口１９から供給された水素と空気を混合する。なお、混合気形成部２０として、図５に示すようにフレームアレスタ機能を有する混合気形成部２２を用いてもよい。フレームアレスタ機能は、混合気形成部の熱容量を大きくしたり、多孔板を用いて混合気形成部を形成したりすることによって構成することができ、フレームアレスタ機能によって、混合気形成部上流側に熱（燃焼）エネルギーが伝達することを防止することができる。
【００２１】
触媒部２１は、メタルハニカムやセラミックハニ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２０により形成された水素と空気の混合気体を燃焼する。
【００２２】
排気配管１３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、触媒部２１から排出されたガスを系外に排出する。なお、排気配管１３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１３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２１の下流側に熱交換器やタービン等を設置し、燃焼器９の排熱を利用可能にすることにより、システム効率を向上させることもできる。
【００２３】
〔排気系の構成〕
上記排気配管１３は、図６に示すように、カソードオフガス及び燃焼排気ガスがそれぞれカソードオフガス配管１２側及び燃焼器９側に逆流することを防止するために、カソードオフガス配管１２及び燃焼器９の下流側にチェックバルブ方式の逆流防止弁２５を備える。このような構成によれば、排気圧損を低減することができるので、システムを効率化することができると共に、空気供給装置の小型化，軽量化，低コスト化を実現することができる。また、排気が逆流することによって制御性能が悪化することを防止できるので、制御を簡素化することができる。また、カソードオフガスと燃焼排気ガスを合流させた後に系外に排出することにより、排出水素濃度管理及び排気システムを簡素化することができる。また、不具合等によって未処理水素が排出された場合であっても、排出水素濃度を低濃度に抑えることができる。また、排出濃度測定部位を一カ所に集約することができるので、排気濃度試験を簡略化することができる。
【００２４】
なお、逆流防止弁２５は、カソードオフガス配管１２の下流側に設けられたものと燃焼器９の下流側に設けられたものとで同じである必要はなく、それぞれの流路や通流流体の特性に合わせて変更してもよい。また、カソードオフガス配管１２及び燃焼器９の一方にのみ逆流防止弁２５を設けるようにしてもよい。また一般に、チェックバルブ方式の逆流防止弁では、上流側からのガス流圧によって弁を閉じているバネが押され、バネが押されることによって弁を閉じる蓋が移動し、蓋が移動することによって流路が開き、流路が開くことによってガスが通流可能となる。そして逆に、下流側から圧力が供給された場合には、バネが蓋を閉じる力を支持する方向に圧力が掛かるために、流路は開かず、ガスは通流することができない。従って、上記逆流防止弁２５によれば、カソードオフガス配管１２及び燃焼器９側の圧力の方が排気配管１３側の圧力よりも高い場合においてのみ、逆流防止弁２５が開き、ガスが通流可能になる。
【００２５】
なお、排気配管１３に、図７に示すように、燃焼器９から排出された燃焼排気ガスを排気配管１３内に導入する排気ガス導入部２６と、排気ガス導入部２６に設けられた、上流側から下流側に広がる円盤形状の板からなる渦発生源２７を設けるようにしてもよい。このような構成によれば、渦発生源２７の下流側でガスの流れが剥離し、剥離した点を起点として大規模な乱流渦が発生し、乱流渦によるガス流動によって排気ガス導入部２６近傍のカソードオフガス圧力（排気抵抗）が低下するので、燃焼器９から排出された燃焼排気ガスを効果的に排気配管１３内に導入することができる。また、空気供給装置の小型化，軽量化，低コスト化を実現することができると共に、システムを効率化することができる。なお、排気ガス導入部２６としては、燃焼温度に耐えられるステンレス等の材質からなるパイプを用いることが望ましく、この場合、パイプの先端に複数の孔を形成し、この孔を介して排気配管１３内に燃焼排気ガスを供給するとよい。また、渦発生源２７は、邪魔板等の固定障害物や可変可能なバタフライバルブ等、要求される渦を発生可能なものであればどのようなものであってもよい。また、渦発生源２７の代わりに、流路断面を狭めて内部のガス流速を速めることにより、排気ガス導入部２６周辺の圧力を低下させるようにしてもよい。
【００２６】
〔制御系の構成〕
上記燃料電池システム１は、触媒部２１の上流側のガス温度Ｔ１を検出する温度センサ３１と、触媒部２１の下流側のガス温度Ｔ２を検出する温度センサ３２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３３とを備える。混合気形成部２０と触媒部２１の間に温度センサ３１を設けることにより、混合気形成部２０の熱容量の影響を受け難い位置で温度を検出し、逆火が発生した時の温度変化を速やかに検知することができる。なお、温度センサ３１，３２としては、利用条件に耐えられるサーミスタ等の公知の温度計測手段を用いることができる。また、この実施形態では、コントローラ３３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。
【００２７】
〔触媒部上流側及び下流側のガス温度変化〕
次に、図８乃至図１０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２１上流側及び下流側のガス温度変化を、通常の触媒燃焼時及び触媒部２１上流側での気相燃焼時の場合に分けて説明する。
【００２８】
〔燃焼開始時の温度推移〕
始めに、図８を参照して、燃焼開始直後における触媒部２１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２１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。しかしながら、触媒部２１の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。
【００２９】
燃料開始直後、燃焼器９の燃焼状態が通常の触媒燃焼状態にある場合、触媒部２１において反応が生じて発熱する。そして、触媒部２１で発生した熱はガス流によって触媒部２１の下流側に運ばれるため、図８（ａ）に示すように、下流側温度センサ３２の検出温度Ｔ２が上昇し燃焼温度を示す。また、上流側温度センサ３１の検出温度Ｔ１は、触媒部２１からの放射熱によって上昇することがあるが、図８（ａ）に示すように、概して下流側温度センサ３２の検出温度Ｔ２より低い温度を示し、またその上昇速度ａ１は遅い（曲線の傾きａ１＜ａ２）。
【００３０】
一方、逆火等によって触媒部２１の上流側が気相燃焼状態になった場合には、燃焼はアノードガス導入口１８から触媒部２１の間（より具体的には混合気形成部２０と触媒部２１の間）で行われ、図８（ｂ）に示すように、その燃焼熱によって上流側温度センサ３１の検出温度Ｔ１が上昇し燃焼温度を示す。また、下流側温度センサ３２の検出温度Ｔ２は、図８（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、上昇速度が遅く、且つ、上流側のガス温度Ｔ１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８（ｂ）に示すように、検出温度Ｔ２は上昇し、検出温度Ｔ１と検出温度Ｔ２の温度差は小さくなる。
【００３１】
〔連続パージ時及び断続パージ時の温度推移〕
次に、図９，１０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２１の上流側及び下流側のガス温度変化について説明する。
【００３２】
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触媒燃焼状態にある場合、触媒部２１において反応が生じ発熱する。そして、触媒部２１で発生した熱はガス流によって触媒部２１の下流側に運ばれるため、図９（ａ）や図１０（ａ）に示すように、下流側温度センサ３２の検出温度Ｔ２が上昇し、燃焼温度を示す。また、検出温度Ｔ２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９（ａ）参照）、燃料の供給に合わせて変動したりする（断続パージ時、図１０（ａ）参照）。また、上流側温度センサ３１の検出温度Ｔ１は、触媒部２１からの放射熱によって上昇することがあるが、図９（ａ）や図１０（ａ）に示すように、概して下流側温度センサ３２の検出温度Ｔ２より低い温度を示し、また、その上昇速度ａ１は遅い（曲線の傾きａ１＜ａ２）。一方、逆火等によって触媒部２１の上流側が気相燃焼状態になった場合には、燃焼はアノードガス導入口１８から触媒部２１の間（より具体的には混合気形成部２０と触媒部２１の間）で生じ、その燃焼熱によって上流側温度センサ３１の検出温度Ｔ１が上昇し、燃焼温度を示す。
【００３３】
このように、通常の触媒燃焼時と触媒部２１上流側で気相燃焼が発生している時とでは、触媒部２１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触媒燃焼状態にある際と触媒部２１上流側が気相燃焼状態にある際の、触媒部２１上流側及び下流側の温度Ｔ１，Ｔ２とその上昇速度ａ１，ａ２の関係は図１１に示すテーブルのようになる。以下、通常の触媒燃焼時と触媒部２１上流側で気相燃焼が発生している時における触媒部２１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、本発明の実施形態となる燃焼状態判定処理を実行する際のコントローラ３３の動作について説明する。
【００３４】
〔燃焼状態判定処理〕
【実施例１】
【００３５】
始めに、図１２に示すフローチャートを参照して、本発明の第１の実施形態となる燃焼状態判定処理を実行する際のコントローラ３３の動作について説明する。
【００３６】
図１２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、上位制御処理から燃焼状態判定処理に移行するのに応じて開始となり、この燃焼状態判定処理はステップＳ１の処理に進む。なお、この燃焼状態判定処理は、燃料電池システム１が起動してから停止するまでの間、１００［msec］〜１［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が長いと触媒部２１上流側での気相燃焼の検知が遅れるので、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、この燃焼状態判定処理は、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３３は診断フラグを参照して上位制御処理を行う。
【００３７】
ステップＳ１の処理では、コントローラ３３が、温度センサ３１を利用して、触媒部２１の上流側のガス温度Ｔ１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。
【００３８】
ステップＳ２の処理では、コントローラ３３が、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Ｔ１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Ｔ１の昇温速度ａ１（＝ｄＴ１／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。
【００３９】
ステップＳ３の処理では、コントローラ３３が、ステップＳ２の処理により算出された昇温速度ａ１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［℃／sec］等の固定値，図１３（ａ），（ｂ）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，又は図１３（ｃ）に示すようなガス温度Ｔ１に応じて変動する値のいずれでもよく、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ａ１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３３は、この判定処理をステップＳ５の処理に進める。一方、昇温速度ａ１が判定基準値α以上でない場合には、コントローラ３３はこの判定処理をステップＳ４の処理に進める。
【００４０】
ステップＳ４の処理では、コントローラ３３が、燃焼器９が通常の触媒燃焼状態にあると判断し、上位制御に対して通常の触媒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３３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い。
【００４１】
ステップＳ５の処理では、コントローラ３３が、温度Ｔ１の昇温速度ａ１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、触媒部２１の上流側で気相燃焼が発生していると判断する。そして、コントローラ３３は、気相燃焼状態を抑制するための気相処理制御へと制御を移行する。なお、コントローラ３３は、直接気相処理制御へと移行しないで、上位制御に対して気相燃焼状態が発生した旨を伝える信号を送ったり、気相燃焼判定フラグを立てたりしてもよい。
【００４２】
以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態となる燃焼状態判定処理によれば、コントローラ３３が、触媒部２１上流側のガス温度Ｔ１の昇温速度ａ１を用いて燃焼器９の燃焼状態を検知するので、触媒部２１の上流側で気相燃焼が発生していることを的確、且つ、速やかに検知することができる。
【００４３】
また、本発明の第１の実施形態となる燃焼状態判定処理によれば、コントローラ３３が、昇温速度ａ１が判定基準値α以上である場合（判定基準Ａ１）、触媒部２１の上流側が気相燃焼状態にあると判定するので、気相燃焼によって温度が高温になる前に、燃焼器９の燃焼状態を検知することができる。
【００４４】
なお、コントローラ３３は、判定基準Ａ１が満たされた場合であって、且つ、触媒部２１上流側のガス温度Ｔ１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、触媒部２１の上流側が気相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、燃焼状態判定時間を短縮することができる。なおこの処理は、図１７のフローチャートに示すように、図１２に示すステップＳ３の処理を昇温速度ａ１が判定基準値α以上、且つ、ガス温度Ｔ１が判定基準値β以上であるか否か判別する処理に変更することにより実施することができる。また、例えば温度Ｔ１が８００［℃］であることを検知するのに１０秒程度必要だとしても、この処理によれば、昇温速度ａ１が２５［℃／ｓｅｃ］以上、且つ、ガス温度Ｔ１が２００［℃］以上を判定閾値とした場合、５秒程度で気相燃焼状態を検知することができ、燃焼器９の温度が十分に低い状態で燃焼状態制御処理に移行することができる。
【実施例２】
【００４５】
次に、図１４に示すフローチャートを参照して、本発明の第２の実施形態となる燃焼状態判定処理を実行する際のコントローラ３３の動作について説明する。
【００４６】
図１４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、上位制御処理から燃焼状態判定処理に移行するのに応じて開始となり、この燃焼状態判定処理はステップＳ１１の処理に進む。
【００４７】
ステップＳ１１の処理では、コントローラ３３が、温度センサ３１，３２を利用して、触媒部２１の上流側及び下流側のガス温度Ｔ１，Ｔ２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Ｓ１２の処理に進む。
【００４８】
ステップＳ１２の処理では、コントローラ３３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Ｔ１，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Ｔ１，Ｔ２の昇温速度ａ１，ａ２（＝ｄＴ２／ｄｔ）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Ｓ１３の処理に進む。
【００４９】
ステップＳ１３の処理では、コントローラ３３が、ステップＳ１２の処理により算出された昇温速度ａ１が昇温速度ａ２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ａ１が昇温速度ａ２以上である場合（判定基準Ａ２）、コントローラ３３は、ステップＳ１５の処理として触媒部２１の上流側が気相燃焼状態にあると判断し、気相処理制御へと制御を移行する。一方、昇温速度ａ１が昇温速度ａ２以上でない場合には、コントローラ３３は、ステップＳ１４の処理として燃焼器９が通常の触媒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３３は、上位制御に戻らずに、判定処理をステップＳ１１の処理に戻すようにしてもよい。また、上記ステップＳ１３の処理において、コントローラ３３は、昇温速度ａ１が昇温速度ａ２に所定値γを加算した値以上であるか否かを判別するようにしてもよい。この場合、所定値γは、判定基準値αと同様、運転状態に応じて変動する値であってもよい。
【００５０】
以上の説明から明らかなように、本発明の第２の実施形態となる燃焼状態判定処理によれば、コントローラ３３が、触媒部２１の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２１の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、触媒部２１の上流側における気相燃焼を検知するので、燃焼時間の判定時間を短縮することができると共に、ノイズによる誤判定を防止することができる。また、触媒部２１の下流側にある構成要素を過昇温による熱害から守ることができる。
【００５１】
また、本発明の第２の実施形態となる燃焼状態判定処理によれば、コントローラ３３が、昇温速度ａ１が昇温速度ａ２以上である場合（判定基準Ａ２）、触媒部２１の上流側が気相燃焼状態にあると判定するので、気相燃焼によって温度が高温になる前に、触媒部２１の上流側での気相燃焼状態を検知することができる。
【００５２】
なお、コントローラ３３は、昇温速度ａ１が判定基準値α以上である場合（判定基準Ａ１）、且つ、昇温速度ａ１が昇温速度ａ２以上である場合（判定基準Ａ２）において、触媒部２１の上流側が気相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。なおこの処理は、図１８のフローチャートに示すように、図１４に示すステップＳ１３の処理を昇温速度ａ１が判定基準値α以上であり、且つ、昇温速度ａ１が昇温速度ａ２以上であるか否か判別する処理に変更することにより実施することができる。
【００５３】
また、コントローラ３３は、触媒部２１上流側のガス温度Ｔ１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ａ１が昇温速度ａ２以上である場合（判定基準Ａ２）において、触媒部２１の上流側が気相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、燃焼状態判定時間を短縮することができる。なおこの処理は、図１９のフローチャートに示すように、図１４に示すステップＳ１３の処理を触媒部２１上流側のガス温度Ｔ１が運転条件に従って定められる許容温度β以上、且つ、昇温速度ａ１が昇温速度ａ２以上であるか否か判別する処理に変更することにより実施することができる。
【００５４】
また、コントローラ３３は、昇温速度ａ１が判定基準値α以上である場合（判定基準Ａ１）、且つ、昇温速度ａ１が昇温速度ａ２以上である場合（判定基準Ａ２）、且つ、触媒部２１上流側のガス温度Ｔ１が運転条件に従って定められる許容温度β以上になった場合（判定基準Ｂ１）において、触媒部２１の上流側が気相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。なおこの処理は、図２０のフローチャートに示すように、図１４に示すステップＳ１３の処理を昇温速度ａ１が判定基準値α以上であり、且つ、昇温速度ａ１が昇温速度ａ２以上であり、且つ、触媒部２１上流側のガス温度Ｔ１が運転条件に従って定められる許容温度β以上であるか否か判別する処理に変更することにより実施することができる。
【００５５】
また、コントローラ３３は、昇温速度ａ１が判定基準値α以上である場合（判定基準Ａ１）、及び／又は、昇温速度ａ１が昇温速度ａ２以上である場合（判定基準Ａ２）、且つ、触媒部２１上流側のガス温度Ｔ１が触媒部２１下流側のガス温度Ｔ２以上になった場合（判定基準Ｂ２）において、触媒部２１の上流側が気相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。なおこの処理は、図２１のフローチャートに示すように、図１４に示すステップＳ１３の処理を昇温速度ａ１が判定基準値α以上であり、及び／又は、昇温速度ａ１が昇温速度ａ２以上であり、且つ、触媒部２１上流側のガス温度Ｔ１が触媒部２１下流側のガス温度Ｔ２以上であるか否か判別する処理に変更することにより実施することができる。
【実施例３】
【００５６】
次に、図１５に示すフローチャートを参照して、本発明の第３の実施形態となる燃焼状態判定処理を実行する際のコントローラ３３の動作について説明する。
【００５７】
図１５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、上位制御処理から燃焼状態判定処理に移行するのに応じて開始となり、この燃焼状態判定処理はステップＳ２１の処理に進む。
【００５８】
ステップＳ２１の処理では、コントローラ３３が、温度センサ３１，３２を利用して触媒部２１の上流側及び下流側のガス温度Ｔ１，Ｔ２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。
【００５９】
ステップＳ２２の処理では、コントローラ３３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Ｔ１，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，Ｔ３の昇温速度ａ１，ａ２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ップＳ２３の処理に進む。
【００６０】
ステップＳ２３の処理では、コントローラ３３が、第１の判定基準に従って燃焼器９が通常の触媒燃焼状態と触媒部２１上流側での気相燃焼状態のどちらの状態にあるかを判別する。なお、この第１の判定基準としては、設計者がシステムに応じて上記判定基準Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２のうちの任意の判定基準の組み合わせを用いることができる。そして、判別の結果、燃焼器９が通常の触媒燃焼状態にある場合、コントローラ３３はこの判定処理をステップＳ２７の処理に進める。一方、触媒部２１上流側が気相燃焼状態にある場合には、コントローラ３３はこの判定処理をステップＳ２４の処理に進める。
【００６１】
ステップＳ２４の処理では、コントローラ３３が、第２の判定基準に従って燃焼器９が通常の触媒燃焼状態と触媒部２１上流側での気相燃焼状態のどちらの状態にあるかを判別する。なお、この第２の判定基準は、上記判定基準Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２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が通常の触媒燃焼状態にある場合、コントローラ３３はこの判定処理をステップＳ２７の処理に進める。一方、触媒部２１上流側が気相燃焼状態にある場合には、コントローラ３３はこの判定処理をステップＳ２５の処理に進める。
【００６２】
ステップＳ２５の処理では、コントローラ３３が、第３の判定基準に従って燃焼器９が通常の触媒燃焼状態と触媒部２１上流側での気相燃焼状態のどちらの状態にあるかを判別する。なお、この第３の判定基準は、上記判定基準Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２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が通常の触媒燃焼状態にある場合、コントローラ３３はこの判定処理をステップＳ２７の処理に進める。一方、触媒部２１上流側が気相燃焼状態にある場合には、コントローラ３３はこの判定処理をステップＳ２６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３の実施形態となる燃焼状態判定処理によれば、コントローラ３３は、判定基準Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２のうちの任意の判定基準の組み合わせに従って触媒部２１上流側での気相燃焼状態を検知するので、最も誤診断が少なく、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、触媒部２１上流側が気相燃焼状態にあると判定された際、コントローラ３３は次の判定ステップに処理を進めたが、図１６に示すように、燃焼器９が通常の触媒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３３は、３つの判定ステップにより燃焼器９の触媒燃焼状態を判別したが、判定ステップは２つであっても、４つ以上であってもよい。なお、判定ステップ数が増えることにより触媒部２１の上流側での気相燃焼状態を確実に検知することができるようになるが、判定ステップ数が必要以上に多いとその分気相燃焼状態の検知に要する時間が長くなるので、設計者はシステムの特徴等を考慮して判定ステップ数を適切に設定することが望ましい。
【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が、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、一回の判定処理で触媒部２１の上流側が気相燃焼状態にあるか否かを判別したが、図１２のフローチャートに示す処理を図２２や図２３のフローチャートに示す処理に変更し、燃焼状態判定処理を複数回行った後に触媒部２１の上流側が気相燃焼状態にあるか否かを判別するようにしてもよい。具体的には、劣化判定処理が０．１［sec」のサンプリング間隔で実行されている場合には、１［sec］（１０サイクル）中５回気相燃焼が検知された場合（図２２に示すステップＳ９３，９４，９６，９７，９９の処理）や、０．１［sec」サイクルにおいて４サイクル連続（０．４秒間）で気相燃焼が検知された場合（図２３に示すステップＳ１１２，１１５，１１６の処理）において、触媒部２１の上流側が気相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加えておく。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】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１に示す燃料電池システムの応用例の構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムの応用例の構成を示すブロック図である。
【図４】図１に示す燃料電池システムの応用例の構成を示すブロック図である。
【図５】図１に示す燃焼器の応用例の構成を示す模式図である。
【図６】図１に示す排気配管の内部構成を示す模式図である。
【図７】図６に示す排気配管の応用例の内部構成を示す模式図である。
【図８】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９】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１０】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１１】通常燃焼時及び触媒部上流側での気相燃焼時における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１２】本発明の第１の実施形態となる燃焼状態判定処理の流れを示すフローチャート図である。
【図１３】本発明の実施形態となる判定基準値を示す図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態となる燃焼状態判定処理の流れを示すフローチャート図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態となる燃焼状態判定処理の流れを示すフローチャート図である。
【図１６】図１５に示す燃焼状態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。
【図１７】図１２に示す燃焼状態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。
【図１８】図１４に示す燃焼状態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。
【図１９】図１４に示す燃焼状態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。
【図２０】図１４に示す燃焼状態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。
【図２１】図１４に示す燃焼状態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。
【図２２】本発明の他の実施形態となる燃焼状態判定処理の流れを示すフローチャート図である。
【図２３】本発明の他の実施形態となる燃焼状態判定処理の流れを示すフローチャート図である。
【符号の説明】
【００６７】
１：燃料電池システム
２：燃料電池
３：燃料電池スタック
４：水素供給配管
５：水素循環配管
６：水素循環ポンプ
７：アノードオフガス配管
８：アノードパージ弁
９：燃焼器
１０：コンプレッサ
１１：空気供給配管
１２：カソードオフガス配管
１３：排気配管
１４：バイパス配管
１５，１６：空気供給装置
１８：アノードオフガス導入口
１９：酸化剤ガス導入口
２０，２２：混合気形成部
２１：触媒部
２５：逆流防止弁
２６：排気ガス導入部
２７：渦発生源
３１，３２：温度センサ
３３：コントローラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒部の上流側が気相燃焼状態にあることを検知するための触媒燃焼器の燃焼状態検知装置に関する。
【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、発電が停止したりすることを防止するために、ア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、水素の燃焼媒体として触媒燃焼器を利用する場合、燃焼温度の上昇に伴い逆火が発生し、触媒燃焼器の燃焼状態が通常の触媒燃焼状態から気相燃焼状態へと変化する。そして、燃焼状態が気相燃焼状態に変化すると、燃焼温度の上昇に伴う熱害による触媒燃焼器，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。このような背景から、触媒燃焼器の燃料供給部上流側近傍に温度検知手段を設け、温度検知手段により検知された温度に基づいて触媒からの逆火による気相燃焼を検知する装置が提案されている（特許文献１参照）。また、触媒燃焼器の燃料供給部近傍に火炎センサを設け、火炎センサによって触媒からの逆火を検知する装置も提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平１１−１１８１１５号公報
【特許文献２】特開２００４−３７０３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、一般に、触媒燃焼器に供給される酸化剤ガスが多量の水分を含有している場合や酸化剤ガス中の酸素濃度が低い場合には、触媒の着火性能が損なわれる。特に、水分の影響は著しく、触媒が水分に覆われてしまった場合には、反応面積を確保することができないために本来の着火性能を発揮することができなくなる。そして、触媒の着火性能が損なわれた場合には、燃料電池システムの排気特性に問題が生じることがある。また、正しく着火できない場合には、触媒燃焼器の制御に支障をきたすために、その副作用として燃料電池システムとしての効率が悪化する可能性がある。
【０００５】
また、触媒燃焼器の下流側の温度を検出したとしても逆火等による触媒部の上流側における気相燃焼状態を速やかに検知することはできない。また、温度検知手段によって触媒部の上流側での気相燃焼状態を検知する際、触媒部から温度検出手段までの距離が離れている場合には、相当な距離の逆火が発生しない限り気相燃焼状態を検知することができない。このため、実際に気相燃焼状態を検知した時には、燃焼温度がある程度上昇しており、その結果、触媒性能が熱の影響によって劣化する恐れがある。特に、触媒は、ある一定の触媒耐熱温度を超えた温度に曝されると劣化が促進されるために、触媒燃焼器の寿命が短くなる可能性がある。
【０００６】
また、触媒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、気相燃焼状態を早急に検知する必要がある。しかしながら、車両に搭載可能な十分な信頼性や寿命を有する温度検出手段を利用したとしても、温度反応が遅く、温度検知に要する時間が長くなってしまう。また、火炎センサを用いることにより気相燃焼状態を検知することができるが、燃料電池等に使用した場合には水分の影響によって炎の検知が遅れる恐れがある。
【０００７】
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、触媒部の上流側が気相燃焼状態にあることを的確、且つ、速やかに検知することが可能な触媒燃焼器の燃焼状態検知装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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燃焼状態検知装置は、燃料電池の燃料極から排出されるアノードオフガスを、前記燃料電池の酸化剤極から排出されるカソードオフガスとは異なる酸化剤ガスと混合し、触媒部において燃焼処理する触媒燃焼器と、触媒部の上流側のガス温度を測定する触媒上流側温度測定手段と、触媒上流側温度測定手段により測定された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、触媒部の上流側における気相燃焼を検知する気相燃焼検知手段とを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る触媒燃焼器の燃焼状態検知装置によれば、アノードオフガスを燃料電池の酸化剤極から排出されるカソードオフガスとは異なる酸化剤ガスと混合し燃焼処理することにより、カソードオフガスの高湿・低酸素濃度状態による悪影響を防止するので、失火や着火遅れなどの燃焼不具合を防止し、確実な触媒燃焼が可能となる。またこの結果、触媒部の上流側の昇温速度や温度を用いて触媒部の上流側での気相燃焼状態を検知することができると共に、昇温速度を用いることによって燃焼状態の判定時間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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。
【００１１】
〔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（燃料極）及びカソード極（酸化剤極）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、アノード極及びカ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、本実施形態では、アノード極に水素を供給したが、水素の代わりに水素リッチな改質ガスを供給するようにしてもよい。
【００１２】
〔アノード極〕 Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋２ｅ- …（１）
〔カソード極〕 1/2 Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）
〔全体〕 Ｈ2 ＋1/2 Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）
〔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を設けることにより、ア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エゼクタを使用してもよい。また、水素タンク内に貯蔵された水素ではなく、液体水素や水素吸蔵合金から得られる水素や燃料ガスを改質することにより得られる水素をアノード極に供給するようにしてもよい。
【００１３】
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、カソード極から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、過剰な水分が液化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（循環効率が悪化）にしたりする。また液水は水素の循環やスタックの発電を妨げる場合がある。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、これを開閉するアノードパージ弁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、アノードパージ弁８を開き、空気を利用してアノードパージ弁８から排出されたガス（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。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、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したりする（断続パージ）等、設計者が任意に設定するとよい。
【００１４】
〔空気系の構成〕
上記燃料電池システム１は、コンプレッサ１０と図示しない加湿装置を備え、コンプレッサ１０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１１を介してカソード極に供給する。そして、カソード極で未使用の空気はカソードオフガス配管１２を介して排気配管１３に送られる。また、空気供給配管１１には、バイパス配管１４が設けられ、バイパス配管１４を介して加湿装置によって加湿される前の空気を直接燃焼器９に供給可能なように構成されている。このような構成によれば、カソードオフガスと比較して湿度が低く、且つ、酸素分圧が高い空気を燃焼器９に供給できるので、カソードオフガスの高湿・低酸素濃度状態による悪影響を防止し、失火や着火遅れなどの燃焼不具合を防止し、確実な触媒燃焼が可能となる。すなわち、燃焼器９において確実な触媒燃焼処理を行い、燃焼器９の燃焼効率を高く保つことができる。
【００１５】
なお、図２に示すように、バイパス配管１４によって分岐された空気を燃料電池スタック３周辺のケース内に導入し、ケース内を通流した空気を燃焼器９に供給するようにしてもよい。このような構成によれば、カソードオフガスと比較して湿度が低く、且つ、酸素分圧が高い空気を燃焼器９に供給できるので、燃焼器９の燃焼効率を高く保つことができる。また、アノード極からケース内部に透過，拡散した水素を燃焼器９に供給できるので、アノード極からケース内部に透過，拡散した水素を確実、且つ、効果的に燃焼させることができる。また、ケース内換気用空気と燃焼器９用空気を兼用することによって、システムを簡素化し、サイズ，質量，部品点数を削減することができる。
【００１６】
また、図３に示すように、コンプレッサ１０の他にブロア等の燃焼器９用の空気供給装置１５を設け、空気供給装置１５から燃焼器９にアノードオフガスの燃焼に必要な空気を供給するようにしてもよい。このような構成によれば、カソードオフガスと比較して湿度が低く、且つ、酸素分圧が高い空気を燃焼器９に供給できるので、燃焼器９の燃焼効率を高く保つことができる。また、図１や図２に示すような空気供給装置が１台しかないシステムと比較して、燃料電池２及び燃焼器９それぞれの要求空気量を供給可能な空気供給装置を設ければよくなるので、空気供給装置の小型化が可能となると共に、質量，コスト，消費電力，運転効率，制御のロバスト性等の面で有利となる。また特に低空気流量側では、２台の小型の空気供給装置を用いる方が１台の大型の空気供給装置を用いる場合よりも高効率運転が可能である。また、１台の空気供給装置から吐出された空気を２流路に分岐する場合には、各流路の空気流量を制御が困難であるために制御系の部品点数が増加する可能性があるが、このような構成によれば、制御系の部品点数の増加を抑えることができる。
【００１７】
また、図４に示すように、コンプレッサ１０の他に空気供給装置１６を設け、空気供給装置１６によって燃料電池スタック３周辺のケース内を通流した空気を燃焼器９に供給するようにしてもよい。このような構成によれば、燃料電池スタック３内のアノード極からケース内部に透過，拡散した水素を燃焼器９に供給できるので、燃料電池スタック３から周辺へと透過，拡散した水素を確実、且つ、効果的に燃焼処理することができる。なお、本実施形態では、燃料電池スタック３と燃焼器９間に空気供給装置１６を設置したが、燃料電池スタック３の上流側に空気供給装置１６を設置するようにしてもよい。
【００１８】
〔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１８と、バイパス配管１４からの空気が供給される酸化剤ガス導入口１９と、アノードオフガス導入口１８の下流側に配設された混合気形成部２０と、混合気形成部２０の下流側に配設された触媒部２１と、触媒部２１の下流側に配設された排気配管１３とを備える。このような構成によれば、逆火火炎がアノードオフガス導入口１８まで到達したり、アノードオフガス導入口１８において拡散火炎が発生したりすることを防止できるので、余混合燃焼となり、拡散火炎と比較して排気がクリーンになる。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。
【００１９】
アノードオフガス導入口１８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パイプにより構成され、先端側部分に形成された燃料噴出孔からアノードオフガスを排出する。より具体的には、アノードオフガス導入口１８は、先端部分に穴を有する１／４インチのステンレスパイプから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。
【００２０】
混合気形成部２０は、空間，スワラー，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、アノードオフガス導入口１８及び酸化剤ガス導入口１９から供給された水素と空気を混合する。なお、混合気形成部２０として、図５に示すようにフレームアレスタ機能を有する混合気形成部２２を用いてもよい。フレームアレスタ機能は、混合気形成部の熱容量を大きくしたり、多孔板を用いて混合気形成部を形成したりすることによって構成することができ、フレームアレスタ機能によって、混合気形成部上流側に熱（燃焼）エネルギーが伝達することを防止することができる。
【００２１】
触媒部２１は、メタルハニカムやセラミックハニ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２０により形成された水素と空気の混合気体を燃焼する。
【００２２】
排気配管１３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、触媒部２１から排出されたガスを系外に排出する。なお、排気配管１３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１３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２１の下流側に熱交換器やタービン等を設置し、燃焼器９の排熱を利用可能にすることにより、システム効率を向上させることもできる。
【００２３】
〔排気系の構成〕
上記排気配管１３は、図６に示すように、カソードオフガス及び燃焼排気ガスがそれぞれカソードオフガス配管１２側及び燃焼器９側に逆流することを防止するために、カソードオフガス配管１２及び燃焼器９の下流側にチェックバルブ方式の逆流防止弁２５を備える。このような構成によれば、排気圧損を低減することができるので、システムを効率化することができると共に、空気供給装置の小型化，軽量化，低コスト化を実現することができる。また、排気が逆流することによって制御性能が悪化することを防止できるので、制御を簡素化することができる。また、カソードオフガスと燃焼排気ガスを合流させた後に系外に排出することにより、排出水素濃度管理及び排気システムを簡素化することができる。また、不具合等によって未処理水素が排出された場合であっても、排出水素濃度を低濃度に抑えることができる。また、排出濃度測定部位を一カ所に集約することができるので、排気濃度試験を簡略化することができる。
【００２４】
なお、逆流防止弁２５は、カソードオフガス配管１２の下流側に設けられたものと燃焼器９の下流側に設けられたものとで同じである必要はなく、それぞれの流路や通流流体の特性に合わせて変更してもよい。また、カソードオフガス配管１２及び燃焼器９の一方にのみ逆流防止弁２５を設けるようにしてもよい。また一般に、チェックバルブ方式の逆流防止弁では、上流側からのガス流圧によって弁を閉じているバネが押され、バネが押されることによって弁を閉じる蓋が移動し、蓋が移動することによって流路が開き、流路が開くことによってガスが通流可能となる。そして逆に、下流側から圧力が供給された場合には、バネが蓋を閉じる力を支持する方向に圧力が掛かるために、流路は開かず、ガスは通流することができない。従って、上記逆流防止弁２５によれば、カソードオフガス配管１２及び燃焼器９側の圧力の方が排気配管１３側の圧力よりも高い場合においてのみ、逆流防止弁２５が開き、ガスが通流可能になる。
【００２５】
なお、排気配管１３に、図７に示すように、燃焼器９から排出された燃焼排気ガスを排気配管１３内に導入する排気ガス導入部２６と、排気ガス導入部２６に設けられた、上流側から下流側に広がる円盤形状の板からなる渦発生源２７を設けるようにしてもよい。このような構成によれば、渦発生源２７の下流側でガスの流れが剥離し、剥離した点を起点として大規模な乱流渦が発生し、乱流渦によるガス流動によって排気ガス導入部２６近傍のカソードオフガス圧力（排気抵抗）が低下するので、燃焼器９から排出された燃焼排気ガスを効果的に排気配管１３内に導入することができる。また、空気供給装置の小型化，軽量化，低コスト化を実現することができると共に、システムを効率化することができる。なお、排気ガス導入部２６としては、燃焼温度に耐えられるステンレス等の材質からなるパイプを用いることが望ましく、この場合、パイプの先端に複数の孔を形成し、この孔を介して排気配管１３内に燃焼排気ガスを供給するとよい。また、渦発生源２７は、邪魔板等の固定障害物や可変可能なバタフライバルブ等、要求される渦を発生可能なものであればどのようなものであってもよい。また、渦発生源２７の代わりに、流路断面を狭めて内部のガス流速を速めることにより、排気ガス導入部２６周辺の圧力を低下させるようにしてもよい。
【００２６】
〔制御系の構成〕
上記燃料電池システム１は、触媒部２１の上流側のガス温度Ｔ１を検出する温度センサ３１と、触媒部２１の下流側のガス温度Ｔ２を検出する温度センサ３２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３３とを備える。混合気形成部２０と触媒部２１の間に温度センサ３１を設けることにより、混合気形成部２０の熱容量の影響を受け難い位置で温度を検出し、逆火が発生した時の温度変化を速やかに検知することができる。なお、温度センサ３１，３２としては、利用条件に耐えられるサーミスタ等の公知の温度計測手段を用いることができる。また、この実施形態では、コントローラ３３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。
【００２７】
〔触媒部上流側及び下流側のガス温度変化〕
次に、図８乃至図１０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２１上流側及び下流側のガス温度変化を、通常の触媒燃焼時及び触媒部２１上流側での気相燃焼時の場合に分けて説明する。
【００２８】
〔燃焼開始時の温度推移〕
始めに、図８を参照して、燃焼開始直後における触媒部２１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２１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。しかしながら、触媒部２１の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。
【００２９】
燃料開始直後、燃焼器９の燃焼状態が通常の触媒燃焼状態にある場合、触媒部２１において反応が生じて発熱する。そして、触媒部２１で発生した熱はガス流によって触媒部２１の下流側に運ばれるため、図８（ａ）に示すように、下流側温度センサ３２の検出温度Ｔ２が上昇し燃焼温度を示す。また、上流側温度センサ３１の検出温度Ｔ１は、触媒部２１からの放射熱によって上昇することがあるが、図８（ａ）に示すように、概して下流側温度センサ３２の検出温度Ｔ２より低い温度を示し、またその上昇速度ａ１は遅い（曲線の傾きａ１＜ａ２）。
【００３０】
一方、逆火等によって触媒部２１の上流側が気相燃焼状態になった場合には、燃焼はアノードガス導入口１８から触媒部２１の間（より具体的には混合気形成部２０と触媒部２１の間）で行われ、図８（ｂ）に示すように、その燃焼熱によって上流側温度センサ３１の検出温度Ｔ１が上昇し燃焼温度を示す。また、下流側温度センサ３２の検出温度Ｔ２は、図８（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、上昇速度が遅く、且つ、上流側のガス温度Ｔ１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８（ｂ）に示すように、検出温度Ｔ２は上昇し、検出温度Ｔ１と検出温度Ｔ２の温度差は小さくなる。
【００３１】
〔連続パージ時及び断続パージ時の温度推移〕
次に、図９，１０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２１の上流側及び下流側のガス温度変化について説明する。
【００３２】
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触媒燃焼状態にある場合、触媒部２１において反応が生じ発熱する。そして、触媒部２１で発生した熱はガス流によって触媒部２１の下流側に運ばれるため、図９（ａ）や図１０（ａ）に示すように、下流側温度センサ３２の検出温度Ｔ２が上昇し、燃焼温度を示す。また、検出温度Ｔ２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９（ａ）参照）、燃料の供給に合わせて変動したりする（断続パージ時、図１０（ａ）参照）。また、上流側温度センサ３１の検出温度Ｔ１は、触媒部２１からの放射熱によって上昇することがあるが、図９（ａ）や図１０（ａ）に示すように、概して下流側温度センサ３２の検出温度Ｔ２より低い温度を示し、また、その上昇速度ａ１は遅い（曲線の傾きａ１＜ａ２）。一方、逆火等によって触媒部２１の上流側が気相燃焼状態になった場合には、燃焼はアノードガス導入口１８から触媒部２１の間（より具体的には混合気形成部２０と触媒部２１の間）で生じ、その燃焼熱によって上流側温度センサ３１の検出温度Ｔ１が上昇し、燃焼温度を示す。
【００３３】
このように、通常の触媒燃焼時と触媒部２１上流側で気相燃焼が発生している時とでは、触媒部２１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触媒燃焼状態にある際と触媒部２１上流側が気相燃焼状態にある際の、触媒部２１上流側及び下流側の温度Ｔ１，Ｔ２とその上昇速度ａ１，ａ２の関係は図１１に示すテーブルのようになる。以下、通常の触媒燃焼時と触媒部２１上流側で気相燃焼が発生している時における触媒部２１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、本発明の実施形態となる燃焼状態判定処理を実行する際のコントローラ３３の動作について説明する。
【００３４】
〔燃焼状態判定処理〕
【実施例１】
【００３５】
始めに、図１２に示すフローチャートを参照して、本発明の第１の実施形態となる燃焼状態判定処理を実行する際のコントローラ３３の動作について説明する。
【００３６】
図１２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、上位制御処理から燃焼状態判定処理に移行するのに応じて開始となり、この燃焼状態判定処理はステップＳ１の処理に進む。なお、この燃焼状態判定処理は、燃料電池システム１が起動してから停止するまでの間、１００［msec］〜１［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が長いと触媒部２１上流側での気相燃焼の検知が遅れるので、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、この燃焼状態判定処理は、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３３は診断フラグを参照して上位制御処理を行う。
【００３７】
ステップＳ１の処理では、コントローラ３３が、温度センサ３１を利用して、触媒部２１の上流側のガス温度Ｔ１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。
【００３８】
ステップＳ２の処理では、コントローラ３３が、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Ｔ１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Ｔ１の昇温速度ａ１（＝ｄＴ１／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。
【００３９】
ステップＳ３の処理では、コントローラ３３が、ステップＳ２の処理により算出された昇温速度ａ１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［℃／sec］等の固定値，図１３（ａ），（ｂ）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，又は図１３（ｃ）に示すようなガス温度Ｔ１に応じて変動する値のいずれでもよく、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ａ１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３３は、この判定処理をステップＳ５の処理に進める。一方、昇温速度ａ１が判定基準値α以上でない場合には、コントローラ３３はこの判定処理をステップＳ４の処理に進める。
【００４０】
ステップＳ４の処理では、コントローラ３３が、燃焼器９が通常の触媒燃焼状態にあると判断し、上位制御に対して通常の触媒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３３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い。
【００４１】
ステップＳ５の処理では、コントローラ３３が、温度Ｔ１の昇温速度ａ１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、触媒部２１の上流側で気相燃焼が発生していると判断する。そして、コントローラ３３は、気相燃焼状態を抑制するための気相処理制御へと制御を移行する。なお、コントローラ３３は、直接気相処理制御へと移行しないで、上位制御に対して気相燃焼状態が発生した旨を伝える信号を送ったり、気相燃焼判定フラグを立てたりしてもよい。
【００４２】
以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態となる燃焼状態判定処理によれば、コントローラ３３が、触媒部２１上流側のガス温度Ｔ１の昇温速度ａ１を用いて燃焼器９の燃焼状態を検知するので、触媒部２１の上流側で気相燃焼が発生していることを的確、且つ、速やかに検知することができる。
【００４３】
また、本発明の第１の実施形態となる燃焼状態判定処理によれば、コントローラ３３が、昇温速度ａ１が判定基準値α以上である場合（判定基準Ａ１）、触媒部２１の上流側が気相燃焼状態にあると判定するので、気相燃焼によって温度が高温になる前に、燃焼器９の燃焼状態を検知することができる。
【００４４】
なお、コントローラ３３は、判定基準Ａ１が満たされた場合であって、且つ、触媒部２１上流側のガス温度Ｔ１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、触媒部２１の上流側が気相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、燃焼状態判定時間を短縮することができる。なおこの処理は、図１７のフローチャートに示すように、図１２に示すステップＳ３の処理を昇温速度ａ１が判定基準値α以上、且つ、ガス温度Ｔ１が判定基準値β以上であるか否か判別する処理に変更することにより実施することができる。また、例えば温度Ｔ１が８００［℃］であることを検知するのに１０秒程度必要だとしても、この処理によれば、昇温速度ａ１が２５［℃／ｓｅｃ］以上、且つ、ガス温度Ｔ１が２００［℃］以上を判定閾値とした場合、５秒程度で気相燃焼状態を検知することができ、燃焼器９の温度が十分に低い状態で燃焼状態制御処理に移行することができる。
【実施例２】
【００４５】
次に、図１４に示すフローチャートを参照して、本発明の第２の実施形態となる燃焼状態判定処理を実行する際のコントローラ３３の動作について説明する。
【００４６】
図１４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、上位制御処理から燃焼状態判定処理に移行するのに応じて開始となり、この燃焼状態判定処理はステップＳ１１の処理に進む。
【００４７】
ステップＳ１１の処理では、コントローラ３３が、温度センサ３１，３２を利用して、触媒部２１の上流側及び下流側のガス温度Ｔ１，Ｔ２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Ｓ１２の処理に進む。
【００４８】
ステップＳ１２の処理では、コントローラ３３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Ｔ１，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Ｔ１，Ｔ２の昇温速度ａ１，ａ２（＝ｄＴ２／ｄｔ）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Ｓ１３の処理に進む。
【００４９】
ステップＳ１３の処理では、コントローラ３３が、ステップＳ１２の処理により算出された昇温速度ａ１が昇温速度ａ２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ａ１が昇温速度ａ２以上である場合（判定基準Ａ２）、コントローラ３３は、ステップＳ１５の処理として触媒部２１の上流側が気相燃焼状態にあると判断し、気相処理制御へと制御を移行する。一方、昇温速度ａ１が昇温速度ａ２以上でない場合には、コントローラ３３は、ステップＳ１４の処理として燃焼器９が通常の触媒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３３は、上位制御に戻らずに、判定処理をステップＳ１１の処理に戻すようにしてもよい。また、上記ステップＳ１３の処理において、コントローラ３３は、昇温速度ａ１が昇温速度ａ２に所定値γを加算した値以上であるか否かを判別するようにしてもよい。この場合、所定値γは、判定基準値αと同様、運転状態に応じて変動する値であってもよい。
【００５０】
以上の説明から明らかなように、本発明の第２の実施形態となる燃焼状態判定処理によれば、コントローラ３３が、触媒部２１の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２１の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、触媒部２１の上流側における気相燃焼を検知するので、燃焼時間の判定時間を短縮することができると共に、ノイズによる誤判定を防止することができる。また、触媒部２１の下流側にある構成要素を過昇温による熱害から守ることができる。
【００５１】
また、本発明の第２の実施形態となる燃焼状態判定処理によれば、コントローラ３３が、昇温速度ａ１が昇温速度ａ２以上である場合（判定基準Ａ２）、触媒部２１の上流側が気相燃焼状態にあると判定するので、気相燃焼によって温度が高温になる前に、触媒部２１の上流側での気相燃焼状態を検知することができる。
【００５２】
なお、コントローラ３３は、昇温速度ａ１が判定基準値α以上である場合（判定基準Ａ１）、且つ、昇温速度ａ１が昇温速度ａ２以上である場合（判定基準Ａ２）において、触媒部２１の上流側が気相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。なおこの処理は、図１８のフローチャートに示すように、図１４に示すステップＳ１３の処理を昇温速度ａ１が判定基準値α以上であり、且つ、昇温速度ａ１が昇温速度ａ２以上であるか否か判別する処理に変更することにより実施することができる。
【００５３】
また、コントローラ３３は、触媒部２１上流側のガス温度Ｔ１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ａ１が昇温速度ａ２以上である場合（判定基準Ａ２）において、触媒部２１の上流側が気相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、燃焼状態判定時間を短縮することができる。なおこの処理は、図１９のフローチャートに示すように、図１４に示すステップＳ１３の処理を触媒部２１上流側のガス温度Ｔ１が運転条件に従って定められる許容温度β以上、且つ、昇温速度ａ１が昇温速度ａ２以上であるか否か判別する処理に変更することにより実施することができる。
【００５４】
また、コントローラ３３は、昇温速度ａ１が判定基準値α以上である場合（判定基準Ａ１）、且つ、昇温速度ａ１が昇温速度ａ２以上である場合（判定基準Ａ２）、且つ、触媒部２１上流側のガス温度Ｔ１が運転条件に従って定められる許容温度β以上になった場合（判定基準Ｂ１）において、触媒部２１の上流側が気相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。なおこの処理は、図２０のフローチャートに示すように、図１４に示すステップＳ１３の処理を昇温速度ａ１が判定基準値α以上であり、且つ、昇温速度ａ１が昇温速度ａ２以上であり、且つ、触媒部２１上流側のガス温度Ｔ１が運転条件に従って定められる許容温度β以上であるか否か判別する処理に変更することにより実施することができる。
【００５５】
また、コントローラ３３は、昇温速度ａ１が判定基準値α以上である場合（判定基準Ａ１）、及び／又は、昇温速度ａ１が昇温速度ａ２以上である場合（判定基準Ａ２）、且つ、触媒部２１上流側のガス温度Ｔ１が触媒部２１下流側のガス温度Ｔ２以上になった場合（判定基準Ｂ２）において、触媒部２１の上流側が気相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。なおこの処理は、図２１のフローチャートに示すように、図１４に示すステップＳ１３の処理を昇温速度ａ１が判定基準値α以上であり、及び／又は、昇温速度ａ１が昇温速度ａ２以上であり、且つ、触媒部２１上流側のガス温度Ｔ１が触媒部２１下流側のガス温度Ｔ２以上であるか否か判別する処理に変更することにより実施することができる。
【実施例３】
【００５６】
次に、図１５に示すフローチャートを参照して、本発明の第３の実施形態となる燃焼状態判定処理を実行する際のコントローラ３３の動作について説明する。
【００５７】
図１５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、上位制御処理から燃焼状態判定処理に移行するのに応じて開始となり、この燃焼状態判定処理はステップＳ２１の処理に進む。
【００５８】
ステップＳ２１の処理では、コントローラ３３が、温度センサ３１，３２を利用して触媒部２１の上流側及び下流側のガス温度Ｔ１，Ｔ２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。
【００５９】
ステップＳ２２の処理では、コントローラ３３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Ｔ１，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，Ｔ３の昇温速度ａ１，ａ２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ップＳ２３の処理に進む。
【００６０】
ステップＳ２３の処理では、コントローラ３３が、第１の判定基準に従って燃焼器９が通常の触媒燃焼状態と触媒部２１上流側での気相燃焼状態のどちらの状態にあるかを判別する。なお、この第１の判定基準としては、設計者がシステムに応じて上記判定基準Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２のうちの任意の判定基準の組み合わせを用いることができる。そして、判別の結果、燃焼器９が通常の触媒燃焼状態にある場合、コントローラ３３はこの判定処理をステップＳ２７の処理に進める。一方、触媒部２１上流側が気相燃焼状態にある場合には、コントローラ３３はこの判定処理をステップＳ２４の処理に進める。
【００６１】
ステップＳ２４の処理では、コントローラ３３が、第２の判定基準に従って燃焼器９が通常の触媒燃焼状態と触媒部２１上流側での気相燃焼状態のどちらの状態にあるかを判別する。なお、この第２の判定基準は、上記判定基準Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２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が通常の触媒燃焼状態にある場合、コントローラ３３はこの判定処理をステップＳ２７の処理に進める。一方、触媒部２１上流側が気相燃焼状態にある場合には、コントローラ３３はこの判定処理をステップＳ２５の処理に進める。
【００６２】
ステップＳ２５の処理では、コントローラ３３が、第３の判定基準に従って燃焼器９が通常の触媒燃焼状態と触媒部２１上流側での気相燃焼状態のどちらの状態にあるかを判別する。なお、この第３の判定基準は、上記判定基準Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２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が通常の触媒燃焼状態にある場合、コントローラ３３はこの判定処理をステップＳ２７の処理に進める。一方、触媒部２１上流側が気相燃焼状態にある場合には、コントローラ３３はこの判定処理をステップＳ２６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３の実施形態となる燃焼状態判定処理によれば、コントローラ３３は、判定基準Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２のうちの任意の判定基準の組み合わせに従って触媒部２１上流側での気相燃焼状態を検知するので、最も誤診断が少なく、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、触媒部２１上流側が気相燃焼状態にあると判定された際、コントローラ３３は次の判定ステップに処理を進めたが、図１６に示すように、燃焼器９が通常の触媒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３３は、３つの判定ステップにより燃焼器９の触媒燃焼状態を判別したが、判定ステップは２つであっても、４つ以上であってもよい。なお、判定ステップ数が増えることにより触媒部２１の上流側での気相燃焼状態を確実に検知することができるようになるが、判定ステップ数が必要以上に多いとその分気相燃焼状態の検知に要する時間が長くなるので、設計者はシステムの特徴等を考慮して判定ステップ数を適切に設定することが望ましい。
【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が、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、一回の判定処理で触媒部２１の上流側が気相燃焼状態にあるか否かを判別したが、図１２のフローチャートに示す処理を図２２や図２３のフローチャートに示す処理に変更し、燃焼状態判定処理を複数回行った後に触媒部２１の上流側が気相燃焼状態にあるか否かを判別するようにしてもよい。具体的には、劣化判定処理が０．１［sec」のサンプリング間隔で実行されている場合には、１［sec］（１０サイクル）中５回気相燃焼が検知された場合（図２２に示すステップＳ９３，９４，９６，９７，９９の処理）や、０．１［sec」サイクルにおいて４サイクル連続（０．４秒間）で気相燃焼が検知された場合（図２３に示すステップＳ１１２，１１５，１１６の処理）において、触媒部２１の上流側が気相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加えておく。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】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１に示す燃料電池システムの応用例の構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムの応用例の構成を示すブロック図である。
【図４】図１に示す燃料電池システムの応用例の構成を示すブロック図である。
【図５】図１に示す燃焼器の応用例の構成を示す模式図である。
【図６】図１に示す排気配管の内部構成を示す模式図である。
【図７】図６に示す排気配管の応用例の内部構成を示す模式図である。
【図８】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９】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１０】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１１】通常燃焼時及び触媒部上流側での気相燃焼時における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１２】本発明の第１の実施形態となる燃焼状態判定処理の流れを示すフローチャート図である。
【図１３】本発明の実施形態となる判定基準値を示す図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態となる燃焼状態判定処理の流れを示すフローチャート図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態となる燃焼状態判定処理の流れを示すフローチャート図である。
【図１６】図１５に示す燃焼状態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。
【図１７】図１２に示す燃焼状態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。
【図１８】図１４に示す燃焼状態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。
【図１９】図１４に示す燃焼状態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。
【図２０】図１４に示す燃焼状態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。
【図２１】図１４に示す燃焼状態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。
【図２２】本発明の他の実施形態となる燃焼状態判定処理の流れを示すフローチャート図である。
【図２３】本発明の他の実施形態となる燃焼状態判定処理の流れを示すフローチャート図である。
【符号の説明】
【００６７】
１：燃料電池システム
２：燃料電池
３：燃料電池スタック
４：水素供給配管
５：水素循環配管
６：水素循環ポンプ
７：アノードオフガス配管
８：アノードパージ弁
９：燃焼器
１０：コンプレッサ
１１：空気供給配管
１２：カソードオフガス配管
１３：排気配管
１４：バイパス配管
１５，１６：空気供給装置
１８：アノードオフガス導入口
１９：酸化剤ガス導入口
２０，２２：混合気形成部
２１：触媒部
２５：逆流防止弁
２６：排気ガス導入部
２７：渦発生源
３１，３２：温度センサ
３３：コントローラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の燃料極から排出されるアノードオフガスを、前記燃料電池の酸化剤極から排出されるカソードオフガスとは異なる酸化剤ガスと混合し、触媒部において燃焼処理する触媒燃焼器と、
前記触媒部の上流側のガス温度を測定する触媒上流側温度測定手段と、
前記触媒上流側温度測定手段により測定された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、前記触媒部の上流側における気相燃焼を検知する気相燃焼検知手段と
を備えることを特徴とする触媒燃焼器の燃焼状態検知装置。
【請求項２】
請求項１に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記触媒部の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、前記気相燃焼検知手段は、触媒部の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の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、触媒部の上流側における気相燃焼を検知することを特徴とする触媒燃焼器の燃焼状態検知装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記燃料電池の上流側に設けられ、燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤ガスを前記触媒燃焼器側に分岐、供給する分岐手段を備えることを特徴とする触媒燃焼器の燃焼状態検知装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記触媒燃焼器に供給される酸化剤ガスは、前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段とは異なる酸化剤ガス供給手段によって触媒燃焼器に供給されることを特徴とする触媒燃焼器の燃焼状態検知装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記触媒燃焼器に供給される酸化剤ガスは、前記燃料電池を覆うケース内を通流した後に触媒燃焼器に供給されることを特徴とする触媒燃焼器の燃焼状態検知装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記触媒燃焼器は、酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス導入部と、前記酸化剤ガス導入部の下流側に設けられ、アノードオフガスを導入する燃料供給部と、前記燃料供給部の下流側に設けられ、酸化剤ガスとアノードオフガスを混合する混合気形成部と、前記混合気形成部の下流側に設けられ、混合気体を燃焼する触媒部とを備え、前記触媒上流側温度測定手段は、前記触媒部の上流側に設けられていることを特徴とする触媒燃焼器の燃焼状態検知装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項５のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記カソードオフガスと前記触媒燃焼器から排出された燃焼排気ガスを合流させた後に系外に排出する排気手段を備えることを特徴とする触媒燃焼器の燃焼状態検知装置。
【請求項８】
請求項７に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記排気手段にカソードオフガス及び燃焼排気ガスを供給するカソードオフガス配管及び燃焼排気ガス配管の少なくとも一方にガスの逆流を防止するための逆流防止弁が設けられていることを特徴とする触媒燃焼器の燃焼状態検知装置。
【請求項９】
請求項７に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記排気手段に燃焼排気ガスを供給する燃焼排気ガス配管周辺のカソードオフガスの圧力を低下させる手段を備えることを特徴とする触媒燃焼器の燃焼状態検知装置。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記気相燃焼検知手段は、前記触媒部の上流側の昇温速度が運転条件に応じ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、触媒部の上流側が気相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燃焼状態検知装置。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項９のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記気相燃焼検知手段は、前記触媒部の上流側の昇温速度が運転条件に応じ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、且つ、触媒部の上流側のガス温度が運転条件に応じ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、触媒部の上流側が気相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燃焼状態検知装置。
【請求項１２】
請求項２乃至請求項９のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記気相燃焼検知手段は、前記触媒部の上流側の昇温速度と触媒部の下流側の昇温速度の差が運転条件に応じて定められる昇温速度差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、触媒部の上流側が気相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燃焼状態検知装置。
【請求項１３】
請求項２乃至請求項９のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記気相燃焼検知手段は、前記触媒部の上流側の昇温速度が運転条件に応じ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、且つ、触媒部の上流側の昇温速度と触媒部の下流側の昇温速度の差が運転条件に応じて定められる昇温速度差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、触媒部の上流側が気相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燃焼状態検知装置。
【請求項１４】
請求項２乃至請求項９のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記気相燃焼検知手段は、前記触媒部の上流側の温度が運転条件に応じ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、且つ、触媒部の上流側の昇温速度と触媒部の下流側の昇温速度の差が運転条件に応じて定められる昇温速度差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、触媒部の上流側が気相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燃焼状態検知装置。
【請求項１５】
請求項２乃至請求項９のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記気相燃焼検知手段は、前記触媒部の上流側の昇温速度が運転条件に応じ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、且つ、触媒部の上流側のガス温度が運転条件に応じ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、且つ、触媒部の上流側の昇温速度と触媒部の下流側の昇温速度の差が運転条件に応じて定められる昇温速度差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、触媒部の上流側が気相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燃焼状態検知装置。
【請求項１６】
請求項２乃至請求項９のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記気相燃焼検知手段は、触媒部の上流側の昇温速度が運転条件に応じ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、及び／又は、触媒部の上流側の昇温速度と触媒部の下流側の昇温速度の差が運転条件に応じて定められる昇温速度差以上になることにより第３の判定基準が満たされ、且つ、触媒部の上流側のガス温度が触媒部の下流側のガス温度よりも運転条件に応じて定められる温度差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、触媒部の上流側が気相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燃焼状態検知装置。
【請求項１７】
請求項１０乃至請求項１６のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記気相燃焼検知手段は、運転条件によって定められた時間中に前記判定基準が連続して満たされた場合、触媒部の上流側が気相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燃焼状態検知装置。
【請求項１８】
請求項１０乃至請求項１６のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記気相燃焼検知手段は、運転条件によって定められた時間中に前記判定基準が所定割合以上の間満たされた場合、触媒部の上流側が気相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燃焼状態検知装置。
【請求項１９】
請求項１０乃至請求項１６のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記気相燃焼検知手段は、前記第１乃至第４の判定基準の組み合わせを用いて触媒部の上流側が気相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燃焼状態検知装置。
【請求項１】
燃料電池の燃料極から排出されるアノードオフガスを、前記燃料電池の酸化剤極から排出されるカソードオフガスとは異なる酸化剤ガスと混合し、触媒部において燃焼処理する触媒燃焼器と、
前記触媒部の上流側のガス温度を測定する触媒上流側温度測定手段と、
前記触媒上流側温度測定手段により測定された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、前記触媒部の上流側における気相燃焼を検知する気相燃焼検知手段と
を備えることを特徴とする触媒燃焼器の燃焼状態検知装置。
【請求項２】
請求項１に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記触媒部の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、前記気相燃焼検知手段は、触媒部の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の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、触媒部の上流側における気相燃焼を検知することを特徴とする触媒燃焼器の燃焼状態検知装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記燃料電池の上流側に設けられ、燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤ガスを前記触媒燃焼器側に分岐、供給する分岐手段を備えることを特徴とする触媒燃焼器の燃焼状態検知装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記触媒燃焼器に供給される酸化剤ガスは、前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段とは異なる酸化剤ガス供給手段によって触媒燃焼器に供給されることを特徴とする触媒燃焼器の燃焼状態検知装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記触媒燃焼器に供給される酸化剤ガスは、前記燃料電池を覆うケース内を通流した後に触媒燃焼器に供給されることを特徴とする触媒燃焼器の燃焼状態検知装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記触媒燃焼器は、酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス導入部と、前記酸化剤ガス導入部の下流側に設けられ、アノードオフガスを導入する燃料供給部と、前記燃料供給部の下流側に設けられ、酸化剤ガスとアノードオフガスを混合する混合気形成部と、前記混合気形成部の下流側に設けられ、混合気体を燃焼する触媒部とを備え、前記触媒上流側温度測定手段は、前記触媒部の上流側に設けられていることを特徴とする触媒燃焼器の燃焼状態検知装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項５のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記カソードオフガスと前記触媒燃焼器から排出された燃焼排気ガスを合流させた後に系外に排出する排気手段を備えることを特徴とする触媒燃焼器の燃焼状態検知装置。
【請求項８】
請求項７に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記排気手段にカソードオフガス及び燃焼排気ガスを供給するカソードオフガス配管及び燃焼排気ガス配管の少なくとも一方にガスの逆流を防止するための逆流防止弁が設けられていることを特徴とする触媒燃焼器の燃焼状態検知装置。
【請求項９】
請求項７に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記排気手段に燃焼排気ガスを供給する燃焼排気ガス配管周辺のカソードオフガスの圧力を低下させる手段を備えることを特徴とする触媒燃焼器の燃焼状態検知装置。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記気相燃焼検知手段は、前記触媒部の上流側の昇温速度が運転条件に応じ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、触媒部の上流側が気相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燃焼状態検知装置。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項９のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記気相燃焼検知手段は、前記触媒部の上流側の昇温速度が運転条件に応じ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、且つ、触媒部の上流側のガス温度が運転条件に応じ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、触媒部の上流側が気相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燃焼状態検知装置。
【請求項１２】
請求項２乃至請求項９のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記気相燃焼検知手段は、前記触媒部の上流側の昇温速度と触媒部の下流側の昇温速度の差が運転条件に応じて定められる昇温速度差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、触媒部の上流側が気相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燃焼状態検知装置。
【請求項１３】
請求項２乃至請求項９のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記気相燃焼検知手段は、前記触媒部の上流側の昇温速度が運転条件に応じ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、且つ、触媒部の上流側の昇温速度と触媒部の下流側の昇温速度の差が運転条件に応じて定められる昇温速度差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、触媒部の上流側が気相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燃焼状態検知装置。
【請求項１４】
請求項２乃至請求項９のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記気相燃焼検知手段は、前記触媒部の上流側の温度が運転条件に応じ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、且つ、触媒部の上流側の昇温速度と触媒部の下流側の昇温速度の差が運転条件に応じて定められる昇温速度差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、触媒部の上流側が気相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燃焼状態検知装置。
【請求項１５】
請求項２乃至請求項９のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記気相燃焼検知手段は、前記触媒部の上流側の昇温速度が運転条件に応じ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、且つ、触媒部の上流側のガス温度が運転条件に応じ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、且つ、触媒部の上流側の昇温速度と触媒部の下流側の昇温速度の差が運転条件に応じて定められる昇温速度差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、触媒部の上流側が気相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燃焼状態検知装置。
【請求項１６】
請求項２乃至請求項９のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記気相燃焼検知手段は、触媒部の上流側の昇温速度が運転条件に応じ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、及び／又は、触媒部の上流側の昇温速度と触媒部の下流側の昇温速度の差が運転条件に応じて定められる昇温速度差以上になることにより第３の判定基準が満たされ、且つ、触媒部の上流側のガス温度が触媒部の下流側のガス温度よりも運転条件に応じて定められる温度差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、触媒部の上流側が気相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燃焼状態検知装置。
【請求項１７】
請求項１０乃至請求項１６のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記気相燃焼検知手段は、運転条件によって定められた時間中に前記判定基準が連続して満たされた場合、触媒部の上流側が気相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燃焼状態検知装置。
【請求項１８】
請求項１０乃至請求項１６のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記気相燃焼検知手段は、運転条件によって定められた時間中に前記判定基準が所定割合以上の間満たされた場合、触媒部の上流側が気相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燃焼状態検知装置。
【請求項１９】
請求項１０乃至請求項１６のうち、いずれか１項に記載の触媒燃焼器の燃焼状態検知装置であって、前記気相燃焼検知手段は、前記第１乃至第４の判定基準の組み合わせを用いて触媒部の上流側が気相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燃焼状態検知装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２００７−２１２００６（Ｐ２００７−２１２００６Ａ）
【公開日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２９５３８（Ｐ２００６−２９５３８）
【出願日】平成１８年２月７日（２００６．２．７）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月７日（２００６．２．７）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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