JP2005158575A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that generates power by receiving supply of fuel gas and oxidant gas.
燃料電池車両等に搭載可能な燃料電池システムとしては、燃料電池の燃料極に燃料ガスとなる水素を、また空気極には酸化剤ガスとして空気を供給して、これらを反応させることにより発電電力を得ている。このような燃料電池システムにおいては、空気中に含まれる窒素の一部が電解質膜をリークして空気極から燃料極に至り、燃料ガスの循環経路内に蓄積することが知られている。また、燃料ガスとして用いられる水素ガス中の不純物が燃料ガスの循環経路内に混入することもある。こうした窒素等の不純物が燃料ガスの循環経路に蓄積されると、燃料極に供給される燃料ガスのガス分圧が下がるので発電効率が低下する。このため、一定時間毎、あるいは一定電力量を発電した後に、燃料ガス循環経路内の不純物濃度が高まった燃料ガスを循環経路外に排出している。この場合、水素を含む排ガスそのまま大気中に放出することは好ましくないので、燃焼触媒を備えた燃焼器で燃焼させてから大気中へ放出している。この燃焼器では、燃料ガスを燃焼させた際の排熱を熱交換して、システム起動時などに凍結した純水の解凍等に利用されることもある。 As a fuel cell system that can be mounted on a fuel cell vehicle or the like, hydrogen generated as a fuel gas is supplied to the fuel electrode of the fuel cell, and air is supplied as an oxidant gas to the air electrode. Have gained. In such a fuel cell system, it is known that a part of nitrogen contained in the air leaks through the electrolyte membrane to reach the fuel electrode from the air electrode and accumulates in the fuel gas circulation path. Further, impurities in hydrogen gas used as fuel gas may be mixed in the circulation path of fuel gas. When such impurities such as nitrogen are accumulated in the circulation path of the fuel gas, the gas partial pressure of the fuel gas supplied to the fuel electrode is lowered, so that the power generation efficiency is lowered. For this reason, the fuel gas whose impurity concentration in the fuel gas circulation path is increased is discharged out of the circulation path every certain time or after generating a certain amount of power. In this case, since it is not preferable to discharge the exhaust gas containing hydrogen as it is into the atmosphere, the exhaust gas is burned in a combustor equipped with a combustion catalyst and then released into the atmosphere. In this combustor, the exhaust heat generated when the fuel gas is burned is subjected to heat exchange, and may be used for thawing pure water frozen at the time of starting the system.
このような燃焼器は、通常燃焼時には約５００℃ほどの高温で運転されるため、異常燃焼により燃焼温度がさらに上昇したときには、燃焼器の運転を直ちに止める必要がある。従来、燃焼器における異常燃焼を検知するための技術としては、排水素量に基づいて燃焼器での燃焼推定温度を演算する燃焼推定温度演算手段と、燃焼器の温度検出値と、前記燃焼推定温度との温度差を演算する温度差演算手段とを備え、この温度差が所定値を超えた場合には、燃焼器の燃焼温度が異常であると判断するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
上記従来技術では、排水素量に基づいて燃焼器での燃焼温度を求めた理論値と、実際の温度検出値との差から、燃焼器の燃焼温度が異常であると判断するものであるため、システムが異常燃焼を判断した時には、通常燃焼時の温度範囲を超えてしまい、その時点で燃焼器の運転を停止しても、システムの温度がさらに高温に推移してしまう可能性があった。このように、従来技術による異常燃焼の検知では、通常燃焼時の温度範囲で異常燃焼を検知することは困難であるため、通常燃焼時の温度範囲内で異常燃焼を検知して、早期に燃焼器の運転を停止できるようにすることが求められていた。 In the above prior art, the combustion temperature of the combustor is judged to be abnormal from the difference between the theoretical value obtained by calculating the combustion temperature in the combustor based on the amount of exhaust hydrogen and the actual temperature detection value. When the system determines abnormal combustion, the temperature range of normal combustion is exceeded, and even if the combustor is stopped at that time, the temperature of the system may change to a higher temperature. . As described above, it is difficult to detect abnormal combustion in the temperature range during normal combustion in the detection of abnormal combustion according to the conventional technology. Therefore, abnormal combustion is detected within the temperature range during normal combustion, and combustion is performed early. It was required to be able to stop the operation of the vessel.
本発明に係わる燃料電池システムは、少なくとも、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池から排出された二次燃料ガスおよび二次酸化剤ガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器内の燃焼温度を検出する燃焼温度検出手段とを備えたシステムであって、さらに、前記燃焼器の燃焼開始初期段階において、前記燃焼温度検出手段により検出された燃焼温度に基づいて、前記燃焼器内の昇温速度を演算する昇温速度演算手段と、前記昇温速度演算手段で演算された昇温速度が所定値未満のときは前記燃焼器内が異常燃焼であると判断して、前記燃焼器への二次燃料ガスの供給を停止する燃焼停止判断手段とを備えたコントローラにより制御されるものである。 A fuel cell system according to the present invention includes at least a fuel cell that generates power upon receiving supply of fuel gas and oxidant gas, fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell, and oxidant gas to the fuel cell. An oxidant gas supply means for supplying the fuel, a combustor for burning the secondary fuel gas and the secondary oxidant gas discharged from the fuel cell, and a combustion temperature detection means for detecting the combustion temperature in the combustor. A temperature increase rate calculating means for calculating a temperature increase rate in the combustor based on a combustion temperature detected by the combustion temperature detecting means in an initial stage of combustion start of the combustor. When the temperature increase rate calculated by the temperature increase rate calculating means is less than a predetermined value, it is determined that the inside of the combustor is abnormal combustion, and the supply of the secondary fuel gas to the combustor is stopped. combustion And it is controlled by a controller that includes a stop determination unit.
本発明によれば、異常燃焼の特徴が顕著に現れる燃焼開始初期段階で検出した燃焼温度を用いて燃焼器の昇温速度を演算し、これが所定値未満であれば異常燃焼と判断するようにしているため、通常燃焼時の温度範囲内で、且つ早期に異常燃焼を検知して、燃焼器の運転を停止できる。 According to the present invention, the temperature rise rate of the combustor is calculated using the combustion temperature detected at the initial stage of combustion start in which the characteristic of abnormal combustion is noticeable, and if this is less than a predetermined value, it is determined that abnormal combustion has occurred. Therefore, the combustion of the combustor can be stopped by detecting abnormal combustion at an early stage within the temperature range during normal combustion.
以下、本発明に係わる燃料電池システムを実施するための最良の形態について説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the fuel cell system according to the present invention will be described.
図１は、本実施例に係わる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。なお図１は、本発明の基本構成を説明するのに必要な部分のみを示した概略ブロック図であり、それ以外の構成、例えば冷却水、空気、水素、その他ガスの循環経路や制御系などについては図示を省略している。 FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system according to the present embodiment. FIG. 1 is a schematic block diagram showing only a part necessary for explaining the basic configuration of the present invention. Other configurations, for example, a cooling water, air, hydrogen, and other gas circulation paths and control systems are shown. The illustration is omitted for.
燃料電池１は、電解質膜２の両側に燃料極３と空気極４とを配置した料電池セル構造体を図示しないセパレータで挟持し、これを複数積層して構成されている。本実施例では、燃料電池１で発電反応を発生するための燃料ガスとして水素ガス（以下、水素）を燃料極３へ供給し、また酸化剤ガスとして酸素を含む空気（以下、空気）を空気極４に供給する燃料電池システムについて説明する。
The fuel cell 1 is configured by sandwiching a battery cell structure in which a fuel electrode 3 and an
燃料電池１の燃料極３には、水素供給装置（燃料ガス供給手段）５から水素供給配管６を介して水素が供給され、空気極４には、空気供給装置（酸化剤ガス供給手段）７から空気供給配管８を介して空気が供給される。各供給配管の途中には加湿器９が接続され、水素と空気は加湿器９で加湿されて燃料電池１に供給される。
Hydrogen is supplied to the fuel electrode 3 of the fuel cell 1 from a hydrogen supply device (fuel gas supply means) 5 through a
燃料電池１で水素と空気が反応すると、燃料極３からは消費されずに残ったアノードオフガス（二次燃料ガス）が排出される。また空気極４からは一部の空気が消費され、且つ発電により生成した水分を含むカソードオフガス（二次酸化剤ガス）が排出される。これらのガスは、アノードオフガス排出配管１６、カソードオフガス排出配管１８を介して燃焼器１０へ送られる。
When hydrogen and air react in the fuel cell 1, the anode offgas (secondary fuel gas) remaining without being consumed from the fuel electrode 3 is discharged. Further, a part of the air is consumed from the
燃焼器１０は、アノードオフガスとカソードオフガスとを混合して、燃焼に適した均一な混合ガスを生成するミキサー部１１と、触媒部１２ａにより混合ガスを燃焼させる燃焼室１２とで構成され、さらに、燃焼器１０内の燃焼温度を検出する燃焼温度検出手段１３を備えている。本実施例において、燃焼温度検出手段１３は触媒部１２ａの後段に設けられている。
The
ミキサー部１１としては、複数枚の多孔板からなる構造体を用いることができる。この構造体を用いることにより、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合を促進させるとともに、多孔板の伝熱作用により内部で発生した熱を外壁へ逃がすことができるため、異常燃焼時における多孔板の溶損を防ぐことができる。燃焼器１０の触媒部１２ａとしては、ハニカム構造体などを用いることができる。燃焼温度検出手段１３としては、サーミスタ、熱電対などを用いることができる。
As the
燃焼器１０から排出された燃焼ガスは燃焼ガス排出配管１５を経てシステム外に排気される。
The combustion gas discharged from the
コントローラ２０は、システムの制御に必要な各種演算処理を実行するマイクロコンピュータ（図示しないＣＰＵ、メモリ、タイマ、入出力インターフェースなど）で構成され、システム各部に設けられた図示しない温度計、水位計、流量計、圧力計などから検出信号を入力するとともに、検出値をもとに演算処理を実行して、システム各部に配置された供給装置や調整弁などに制御信号を出力することで燃料電池システム全体を制御している。
The
図１において、空気供給装置７はコントローラ２０からの制御信号により、図示しない空気コンプレッサの回転数が調整され、空気極４へ供給する空気圧力および空気流量が制御される。また、水素圧力調整弁２１はコントローラ２０からの制御信号により開度が調整されて、燃料極３へ供給する水素圧力および水素流量が制御される。
In FIG. 1, the air supply device 7 adjusts the rotation speed of an air compressor (not shown) by a control signal from the
また、コントローラ２０は、燃焼温度検出手段１３により検出された燃焼温度に基づいて、燃焼器１０内の昇温速度を演算する昇温速度演算手段としての処理と、燃焼器１０の運転開始初期段階において前記昇温速度演算により演算された昇温速度が所定値未満のときは燃焼器１０内が異常燃焼であると判断して、アノードオフガス排出配管１６に設けられたアノードオフガス排出弁２２を閉栓し、燃焼器１０へのアノードオフガスの供給を停止する燃焼停止判断手段としての処理を実行する。なお、異常燃焼と判断してアノードオフガスの供給を停止した際に、同時にカソードオフガスの供給を停止するようにしてもよい。
Further, the
ここで、コントローラ２０において、燃焼器１０内の昇温速度を演算する処理について説明する。
Here, the process of calculating the temperature increase rate in the
コントローラ２０は、燃焼器１０の燃焼開始（水素供給開始）から一定時間経過後の所定時間範囲における燃焼温度の変化率（ｄｅｇＣ／ｓｅｃ）を昇温速度として求める。本実施例においては、燃焼開始からの一定時間を４ｓｅｃとし、所定時間範囲を燃焼開始後、４〜８ｓｅｃ間としている。すなわち、本実施例における昇温速度は所定時間範囲、いわゆる燃焼開始後、４〜８ｓｅｃ間における燃焼温度の変化率（ｄｅｇＣ／ｓｅｃ）としている。昇温速度を演算するための温度計測は毎秒１回以上で行うことが望ましい。例えば、毎秒２回の温度計測を行い、燃焼開始後４〜４．５秒の間に２０ｄｅｇＣ／ｓｅｃの温度変化があった場合は、昇温速度は４０ｄｅｇＣ／ｓｅｃとなる。
The
続いて、コントローラ２０において、燃焼器１０へのアノードオフガスの供給を停止する判断の処理について説明する。
Next, the determination process for stopping the supply of the anode off gas to the
コントローラ２０は、燃焼温度検出手段１３で検出された燃焼温度が所定の上限温度未満であるかどうかを判断し、上限温度以上であるときは、異常燃焼と判断して燃焼器１０へのアノードオフガスの供給を停止する一次停止処理と、前記一次停止処理の判断において、燃焼温度が所定の上限温度未満であるときには、次に昇温速度を演算する処理で得られた昇温速度が所定値未満かどうかを判断する昇温速度判断処理と、前記昇温速度判断処理の判断において、昇温速度が所定値未満であるときには、異常燃焼と判断して燃焼器１０へのアノードオフガスの供給を停止する二次停止処理とを含む一連の処理を、一定時間毎に繰り返し実行する。
The
本実施例においては、一次停止処理における上限温度を７００ｄｅｇＣとし、昇温速度判断処理における昇温速度の所定値を３０ｄｅｇＣ／ｓｅｃとしている。また、上記一連の処理を繰り返し実行する一定時間を１ｓｅｃとしている。 In the present embodiment, the upper limit temperature in the primary stop process is 700 degC, and the predetermined value of the temperature increase rate in the temperature increase rate determination process is 30 degC / sec. In addition, the predetermined time for repeatedly executing the series of processes is set to 1 sec.
本実施例において、燃焼開始から１ｓｅｃ毎にコントローラ２０で実行される処理は以下の通りとなる。
In the present embodiment, the processing executed by the
燃焼開始から４ｓｅｃまでの間においては、燃焼器１０の燃焼温度が７００ｄｅｇＣ以上かどうかを判断し、７００ｄｅｇＣ未満であれば通常燃焼と判断して燃焼を継続する。７００ｄｅｇＣ以上のときは、異常燃焼と判断して一次停止処理により燃焼器１０へのアノードオフガスの供給を停止する。
During the period from the start of combustion to 4 seconds, it is determined whether the combustion temperature of the
燃焼開始後４〜８ｓｅｃの間では、最初に一次停止処理による燃焼温度の判断を行うが、ここで燃焼温度が７００ｄｅｇＣ未満のときは、検出した燃焼温度をもとに昇温速度を演算し、この昇温速度が３０ｄｅｇＣ／ｓｅｃ以上かどうかを判断する。そして、昇温速度が３０ｄｅｇＣ／ｓｅｃ以上であるときは、通常燃焼と判断して燃焼を継続し、昇温速度が３０ｄｅｇＣ／ｓｅｃ未満であるときは、異常燃焼と判断して二次停止処理により燃焼器１０へのアノードオフガスの供給を停止する、一連の処理を、一定時間毎に繰り返し実行する。
During the period of 4 to 8 seconds after the start of combustion, the combustion temperature is first determined by the primary stop process. When the combustion temperature is less than 700 degC, the temperature increase rate is calculated based on the detected combustion temperature, It is determined whether the temperature increase rate is 30 deg C / sec or more. When the temperature rising rate is 30 deg C / sec or more, it is determined that the combustion is normal combustion, and when the temperature rising rate is less than 30 deg C / sec, it is determined that the combustion is abnormal and the secondary stop process is performed. A series of processes for stopping the supply of the anode off gas to the
燃焼開始から９ｓｅｃ経過以降においては、一次停止処理による燃焼温度の判断のみを行う。 After 9 seconds from the start of combustion, only the combustion temperature is determined by the primary stop process.
すなわち、燃焼開始から３ｓｅｃまでの間は一次停止処理による燃焼温度の判断を行い、燃焼開始後４〜８ｓｅｃ間においては、一次停止処理による燃焼温度の判断に加えて、二次停止処理による昇温速度の判断を行い、９ｓｅｃ経過以降は一次停止処理による燃焼温度の判断のみを行うようにしている。 That is, during the period from the start of combustion to 3 seconds, the combustion temperature is determined by the primary stop process, and during the period from 4 to 8 seconds after the start of combustion, in addition to the determination of the combustion temperature by the primary stop process, the temperature rise by the secondary stop process is performed. The speed is determined, and after 9 seconds, only the combustion temperature is determined by the primary stop process.
次に、本実施例のコントローラ２０による異常燃焼検知の制御手順を、図２のフローチャートを参照しながら説明する。このフローチャートに示す異常燃焼検知のシーケンスは、１ｓｅｃ毎にコントローラ２０のメインルーチンから呼び出されて実行されるサブルーチンとして構成されている。
Next, the control procedure of abnormal combustion detection by the
燃焼器１０の燃焼開始操作とともに、燃焼器１０へ空気の供給が開始され、続いて水素が供給されることで燃焼開始となる。この燃焼開始と同時にコントローラ２０は図示しないタイマによる計時を開始し、１ｓｅｃ毎に異常燃焼検知のシーケンスをスタートさせる。
Simultaneously with the combustion start operation of the
異常燃焼検知のシーケンスがスタートすると、コントローラ２０は、燃焼温度検出手段１３で検出された燃焼器１０の燃焼温度が７００ｄｅｇＣ未満かどうかを判断する（ステップＳ１０１）。ここで、燃焼温度が７００ｄｅｇＣ以上であれば、異常燃焼と判断してアノードオフガス排出弁２２を閉栓し、燃焼器１０へのアノードオフガスの供給を停止する（ステップＳ１０２）。その後、非常停止処理信号を発生して、警報ランプの点灯または警告メッセージの表示などを行う（ステップＳ１０３）。
When the abnormal combustion detection sequence starts, the
ステップＳ１０１で燃焼温度が７００ｄｅｇＣ未満であれば、その時点が燃焼開始０〜３ｓｅｃ間かどうかを判断する（ステップＳ１０４）。ここで、Ｙｅｓであれば、ステップＳ１０１の前に戻り、燃焼器１０の燃焼温度が７００ｄｅｇＣ未満かどうかを判断する。燃焼温度検出手段１３で検出された燃焼温度のデータを取得し、図示しないメモリに記憶する。
If the combustion temperature is less than 700 degC in step S101, it is determined whether the time is between 0 and 3 seconds after the start of combustion (step S104). Here, if Yes, it returns to before step S101 and it is judged whether the combustion temperature of the
ステップＳ１０４でＮｏであれば、その時点が燃焼開始後４〜８ｓｅｃかどうかを判断する（ステップＳ１０５）。Ｙｅｓであれば、燃焼器１０の燃焼温度が７００ｄｅｇＣ未満かどうか判断する（ステップＳ１０６）。ここで、燃焼温度が７００ｄｅｇＣ以上であれば、異常燃焼と判断して燃焼器１０へのアノードオフガスの供給を停止し（ステップＳ１０２）、非常停止処理へ移行する（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０６でＹｅｓであれば、燃焼温度検出手段１３で検出された燃焼温度のデータを取得し、図示しないメモリに記憶し（ステップＳ１０７）、図示しないメモリに記憶した燃焼温度のデータに基づいて昇温速度を演算する（ステップＳ１０８）。続いて、演算された昇温速度が３０ｄｅｇＣ／ｓｅｃ以上かどうかを判断する（ステップＳ１０９）。ここでＹｅｓであれば、燃焼を継続するかどうかを判断する（ステップＳ１１０）。このステップＳ１１０の判断は、異常燃焼による停止ではなく、通常運転における停止操作や、システム上の都合により燃焼器１０での燃焼が不要になった場合に行われる処理である。ここで、Ｎｏであれば燃焼器１０に供給するアノードオフガスやカソードオフガスの供給を止めて、燃焼を停止する（ステップＳ１１２）。ステップＳ１１０でＹｅｓであれば、燃焼器１０の燃焼温度が７００ｄｅｇＣ未満かどうかを判断する（ステップＳ１１１）。ここで燃焼温度が７００ｄｅｇＣ以上であれば、異常燃焼と判断して燃焼器１０へのアノードオフガスの供給を停止し（ステップＳ１０２）、非常停止処理へ移行する（ステップＳ１０３）。ステップＳ１１１でＹｅｓであれば、ステップＳ１１０の前に戻り、燃焼を継続するかどうかを判断する。
If No in step S104, it is determined whether the time is 4 to 8 seconds after the start of combustion (step S105). If Yes, it is determined whether the combustion temperature of the
ステップＳ１０９でＮｏであれば、ステップＳ１０５の前に戻り、その時点が燃焼開始後４〜８ｓｅｃかどうかを判断する。 If No in step S109, the process returns to before step S105, and it is determined whether the time is 4 to 8 seconds after the start of combustion.
一方、ステップＳ１０５〜Ｓ１０９のルーチンで、燃焼開始後４〜８ｓｅｃの間に昇温速度が３０ｄｅｇＣ／ｓｅｃ以上にならない時、異常燃焼と判断して燃焼器１０へのアノードオフガスの供給を停止し（ステップＳ１０２）、非常停止処理へ移行する（ステップＳ１０３）。
On the other hand, in the routine of steps S105 to S109, when the temperature rising rate does not become 30 deg C / sec or more within 4 to 8 seconds after the start of combustion, it is determined that the combustion is abnormal and the supply of the anode off gas to the
上述したように、本実施例では燃焼開始から４〜８ｓｅｃ間における昇温速度により異常燃焼の有無を判断している。ここで、燃焼器の燃焼温度、昇温速度とその検出時間との関係について説明する。 As described above, in this embodiment, the presence / absence of abnormal combustion is determined based on the temperature rise rate during 4 to 8 seconds from the start of combustion. Here, the relationship between the combustion temperature and temperature rise rate of the combustor and the detection time will be described.
図３は、本実施例のようにミキサー部と触媒部を備えた燃焼器における燃焼時間と燃焼温度との関係を示す特性図である。 FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the combustion time and the combustion temperature in a combustor having a mixer section and a catalyst section as in this embodiment.
図３に示すように、通常燃焼では、燃焼開始から約２０ｓｅｃ経過した時点で燃焼温度は約５００ｄｅｇＣとなり、その後は５００ｄｅｇＣ付近で安定する。一方、異常燃焼では、燃焼開始から約２０ｓｅｃ経過した時点で５００ｄｅｇＣ以上となり、その後は温度がさらに上昇する。このため、従来は燃焼の上限温度（限界温度）として７００ｄｅｇＣを設定し、図中の点線枠で示すように、燃焼温度が７００ｄｅｇＣに達した時点で燃焼を停止していた。したがって、システムが異常燃焼を判断した時には、通常燃焼時の温度範囲（〜５００ｄｅｇＣ）を超えてしまい、その時点で燃焼器の運転を停止しても、システムの温度はさらに高温（７００ｄｅｇＣ〜）に推移してしまう可能性があった。 As shown in FIG. 3, in normal combustion, the combustion temperature becomes about 500 degC when about 20 seconds have elapsed from the start of combustion, and then stabilizes around 500 degC. On the other hand, in abnormal combustion, when about 20 seconds have elapsed from the start of combustion, the temperature becomes 500 degC or more, and then the temperature further increases. For this reason, conventionally, 700 degC is set as the upper limit temperature (limit temperature) of combustion, and combustion is stopped when the combustion temperature reaches 700 degC as shown by the dotted frame in the figure. Therefore, when the system determines abnormal combustion, the temperature range of normal combustion (up to 500 degC) is exceeded, and even if the operation of the combustor is stopped at that time, the temperature of the system further increases (from 700 degC). There was a possibility of transition.
図４は、同じ燃焼器において通常燃焼と異常燃焼での燃焼時間と昇温速度との関係を示す特性図である。 FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the combustion time in normal combustion and abnormal combustion and the temperature rising rate in the same combustor.
図４に示すように、通常燃焼では燃焼開始から時間経過とともに昇温速度が速くなるが、異常燃焼では同じ時間が経過しても昇温速度が早くならない。このような異なる特性を示す要因として、燃焼器内での燃焼状態の違いが挙げられる。すなわち、通常燃焼では、混合ガスの燃焼場がおもに触媒部１２ａとなるため、触媒後段に設けられた燃焼温度検出手段１３へ燃焼開始直後から熱が伝わり、昇温速度は早くなる。しかし、異常燃焼ではミキサー部１１で逆火が起こり、混合ガスの燃焼場がミキサー部１１となるため、触媒後段に設けられた燃焼温度検出手段１３へ熱が伝わりにくく、昇温速度は遅くなる。このため、触媒部１２ａに熱が伝わるまで時間がかかり、また熱が伝わった時点では異常に温度が上昇してしまうことになる。
As shown in FIG. 4, in normal combustion, the rate of temperature increase increases with time from the start of combustion, but in abnormal combustion, the rate of temperature increase does not increase even if the same time elapses. As a factor showing such different characteristics, there is a difference in combustion state in the combustor. That is, in the normal combustion, since the combustion field of the mixed gas is mainly the
このように、燃焼開始初期段階では異常燃焼の特徴が顕著に現れるため、この段階で検出した燃焼温度をもとに昇温速度を演算することにより、異常燃焼の有無を比較的低い温度範囲で、且つ早期に判断することができる。 In this way, the characteristic of abnormal combustion appears prominently at the initial stage of combustion start, so by calculating the rate of temperature rise based on the combustion temperature detected at this stage, the presence or absence of abnormal combustion can be detected in a relatively low temperature range. And can be judged early.
したがって、本実施例のように、異常燃焼の特徴が顕著に現れる燃焼開始後４〜８ｓｅｃ間に燃焼温度を検出し、これに基づいて演算した昇温速度が３０ｄｅｇＣ／ｓｅｃ未満であれば異常燃焼と判断することにより、通常燃焼時の温度範囲（〜５００ｄｅｇＣ）内で、且つ燃焼開始から８ｓｅｃ以内で燃焼器の運転を止めることがきる。 Therefore, as in this embodiment, the combustion temperature is detected 4 to 8 seconds after the start of combustion in which the characteristic of abnormal combustion is noticeable, and if the temperature increase rate calculated based on this is less than 30 deg C / sec, abnormal combustion is detected. By judging that, the operation of the combustor can be stopped within the temperature range (up to 500 degC) during normal combustion and within 8 seconds from the start of combustion.
なお、本実施例では、図１に示すように、燃焼温度検出手段１３を触媒部１２ａの後段に設けているため、燃焼器１０の後段に設けた場合に比べて燃焼温度を正確に検出することができる。
In this embodiment, as shown in FIG. 1, the combustion temperature detection means 13 is provided at the rear stage of the
また、本実施例では、所定時間範囲における燃焼温度の変化率を昇温速度としているため、簡単なロジック回路または計算プログラムにより昇温速度を演算することができる。さらに、燃焼温度の検出を燃焼開始後４〜８ｓｅｃの間としているため、通常燃焼と異常燃焼とで昇温速度の違いが少ない燃焼開始直後の０〜３ｓｅｃの時間帯を避けることができる（図４参照）。したがって、昇温速度の違いが大きくなる時間帯で検出した燃焼温度を演算に用いることになるため、より正確に異常燃焼の判断を行うことができる。 In this embodiment, since the rate of change in the combustion temperature in the predetermined time range is used as the rate of temperature increase, the rate of temperature increase can be calculated by a simple logic circuit or calculation program. Furthermore, since the detection of the combustion temperature is performed for 4 to 8 seconds after the start of combustion, the time zone of 0 to 3 seconds immediately after the start of combustion with little difference in the temperature rising rate between normal combustion and abnormal combustion can be avoided (see FIG. 4). Therefore, the combustion temperature detected in the time zone in which the difference in the heating rate is large is used for the calculation, so that the abnormal combustion can be determined more accurately.
また、本実施例では、燃焼開始から４ｓｅｃまでの間は一次停止処理による燃焼温度の判断を行い、燃焼開始後４〜８ｓｅｃ間は一次停止処理による燃焼温度の判断と、二次停止処理による昇温速度の判断を併用し、さらに、燃焼開始から９ｓｅｃ以降では一次停止処理による燃焼温度の判断を行うようにしているので、燃焼開始後の早い段階で異常燃焼を検知するだけでなく、燃焼開始後のいずれの時間帯においても、異常燃焼が発生した場合にはこれを検知して燃焼器１０の運転を停止することができる。
Further, in this embodiment, the combustion temperature is determined by the primary stop process for 4 seconds from the start of combustion, and the combustion temperature is determined by the primary stop process and increased by the secondary stop process for 4 to 8 seconds after the start of combustion. In addition to the determination of the temperature rate, the combustion temperature is determined by the primary stop process after 9 seconds from the start of combustion, so that not only abnormal combustion is detected at an early stage after the start of combustion, but also combustion is started. In any later time zone, if abnormal combustion occurs, this can be detected and the operation of the
本実施例では、昇温速度判断処理を行う所定時間範囲を、燃焼開始後４〜８ｓｅｃ間としている。また、一次停止処理における上限温度を７００ｄｅｇＣとし、昇温速度判断処理における昇温速度の所定値を３０ｄｅｇＣ／ｓｅｃとしている。さらに、図２に示す異常燃焼検知のルーチンを実行する時間間隔を１ｓｅｃとしている。しかしながら、これらの設定値は限定的なものではなく、燃焼器の仕様や運転状況により適宜に変更可能であることは言うまでもない。 In the present embodiment, the predetermined time range in which the temperature increase rate determination process is performed is 4 to 8 seconds after the start of combustion. Further, the upper limit temperature in the primary stop process is set to 700 degC, and the predetermined value of the temperature increase rate in the temperature increase rate determination process is set to 30 degC / sec. Further, the time interval for executing the abnormal combustion detection routine shown in FIG. 2 is set to 1 sec. However, it is needless to say that these set values are not limited and can be changed as appropriate depending on the specifications of the combustor and the operating conditions.
１…燃料電池
２…電解質膜
３…燃料極
４…空気極
６…水素供給配管
７…空気供給装置
８…空気供給配管
９…加湿器
１０…燃焼器
１１…ミキサー部
１２…燃焼室
１２ａ…触媒部
１３…燃焼温度検出手段
１４…熱交換器
１５…燃焼ガス排出配管
１６…アノードオフガス排出配管
１８…カソードオフガス排出配管
２０…コントローラ
２１…水素圧力調整弁
２２…アノードオフガス排出弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (4)
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池から排出された二次燃料ガスおよび二次酸化剤ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器内の燃焼温度を検出する燃焼温度検出手段と、
前記燃焼器の燃焼開始初期段階において、前記燃焼温度検出手段により検出された燃焼温度に基づいて、前記燃焼器内の昇温速度を演算する昇温速度演算手段と、
前記昇温速度演算手段により演算された昇温速度が所定値未満のときは前記燃焼器内が異常燃焼であると判断して、前記燃焼器への二次燃料ガスの供給を停止する燃焼停止判断手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates power upon receipt of fuel gas and oxidant gas;
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell;
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the fuel cell;
A combustor for combusting the secondary fuel gas and the secondary oxidant gas discharged from the fuel cell;
Combustion temperature detection means for detecting the combustion temperature in the combustor;
A temperature increase rate calculating means for calculating a temperature increase rate in the combustor based on the combustion temperature detected by the combustion temperature detecting means in the initial stage of combustion start of the combustor;
When the temperature increase rate calculated by the temperature increase rate calculating means is less than a predetermined value, it is determined that the inside of the combustor is in abnormal combustion, and the combustion stop for stopping the supply of the secondary fuel gas to the combustor Judgment means,
A fuel cell system comprising:
前記燃焼温度検出手段で検出された燃焼温度が所定の上限温度以上であるかどうかを判断し、上限温度以上であるときは前記燃焼器への二次燃料ガスの供給を停止する一次停止処理と、
前記一次停止処理の判断において燃焼温度が所定の上限温度未満であるときは前記昇温速度演算手段で演算された昇温速度が所定値以上かどうかを判断する昇温速度判断処理と、
前記昇温速度判断処理の判断において昇温速度が所定値未満であるときは前記燃焼器への二次燃料ガスの供給を停止する二次停止処理と、
を含む処理を一定時間毎に実行することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
The combustion stop determining means includes
Determining whether or not the combustion temperature detected by the combustion temperature detecting means is equal to or higher than a predetermined upper limit temperature, and when it is equal to or higher than the upper limit temperature, primary stop processing for stopping the supply of the secondary fuel gas to the combustor; ,
A temperature increase rate determination process for determining whether the temperature increase rate calculated by the temperature increase rate calculating means is not less than a predetermined value when the combustion temperature is less than a predetermined upper limit temperature in the determination of the primary stop process;
A secondary stop process for stopping the supply of secondary fuel gas to the combustor when the temperature increase rate is less than a predetermined value in the determination of the temperature increase rate determination process;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein a process including: is executed at regular time intervals.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003397187A JP2005158575A (en) | 2003-11-27 | 2003-11-27 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003397187A JP2005158575A (en) | 2003-11-27 | 2003-11-27 | Fuel cell system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2005158575A true JP2005158575A (en) | 2005-06-16 |
Family
ID=34722406
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003397187A Withdrawn JP2005158575A (en) | 2003-11-27 | 2003-11-27 | Fuel cell system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2005158575A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006061963A1 (en) * | 2004-12-08 | 2006-06-15 | Nissan Motor Co., Ltd. | System for detecting abnormality of catalytic burner |
| WO2007091160A1 (en) * | 2006-02-07 | 2007-08-16 | Nissan Motor Co., Ltd. | Combustion state determining apparatus with catalytic combustion unit and fuel cell |
-
2003
- 2003-11-27 JP JP2003397187A patent/JP2005158575A/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006061963A1 (en) * | 2004-12-08 | 2006-06-15 | Nissan Motor Co., Ltd. | System for detecting abnormality of catalytic burner |
| WO2007091160A1 (en) * | 2006-02-07 | 2007-08-16 | Nissan Motor Co., Ltd. | Combustion state determining apparatus with catalytic combustion unit and fuel cell |
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|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
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| A761 | Written withdrawal of application |
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