(57)【要約】【課題】異常燃焼状態を的確、且つ、速やかに検出する。【解決手段】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。【選択図】図１
2006164786.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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か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。
【請求項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。
【請求項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から排出されるカソードオフガスであり、
前記カソードオフガスの温度を測定するカ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カ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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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／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、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。
【請求項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／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。
【請求項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／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カ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。
【請求項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カ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。
【請求項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カ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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【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、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、酸化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加，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から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、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から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（例えば、特許文献１を参照）。また、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（例えば、特許文献２を参照）。
【特許文献１】特開２０００−３１５５１６号公報
【特許文献２】特開平１１−１１８１１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、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か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いために、的確な対応を行えないことがある。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、燃焼器内部の触媒から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、速やか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。
【課題を解決するための手段】
【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。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る触媒燃焼器の異常検出装置によれば、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。
【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、アノード極及びカ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、この実施形態では、アノード極には水素を供給したが、水素の代わりに水素リッチな改質ガスをアノード極に供給してもよい。
【００１１】
〔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を設けたことにより、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。
【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、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、カソード極から排出される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。
【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１１を介して燃焼器９に送られる。なお、カソード極から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、カソードオフガス配管１１からの空気が供給されるカ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１２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。
【００１８】
なお、燃料噴射孔は、パイプ周面の中心に一箇所でもよく、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から導入したり、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から導入してもよい。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て、アノードオフガス導入口１２及びカソードオフガス導入口１３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の下流側に熱交換器を設置し、熱交換器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、カソード極から排出される空気（カソードオフガス）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。しかしながら、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、上昇速度が遅く、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Ｔ３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ａ１＜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。
【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、カ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Ｔ２，Ｔ３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、カ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】
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
ステップＳ１の処理では、コントローラ２４が、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。
【００３３】
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。
【００３４】
ステップＳ３の処理では、コントローラ２４が、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［℃／sec］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α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。
【００３５】
ステップＳ４の処理では、コントローラ２４が、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ったり、異常燃焼判定フラグを立てたりしてもよい。
【００３６】
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い。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【実施例２】
【００４０】
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。
【００４１】
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Ｓ１１の処理に進む。
【００４２】
ステップＳ１１の処理では、コントローラ２４が、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Ｓ１２の処理に進む。
【００４３】
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（＝ｄＴ３／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。
【００４４】
ステップＳ１３の処理では、コントローラ２４が、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Ｓ１４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Ｓ１１の処理に戻すようにしてもよい。
【００４５】
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。
【００４６】
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Ａ１）、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。
【００４７】
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。
【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Ａ１）、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。
【００４９】
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Ａ１）、及び／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。
【実施例３】
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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、カ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。
【００５３】
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Ｔ１，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Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の昇温速度ａ１（ｄＴ１／ｄｔ），ａ２，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ップＳ２３の処理に進む。なお、以後の処理において、昇温速度ａ１，ａ２，ａ３を用いない場合には、コントローラ２４はこの処理を省略してもよい。
【００５４】
ステップＳ２３の処理では、コントローラ２４が、触媒部１５の上流側のガス温度Ｔ２がカ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か否かを判別する。なお、判定基準閾値β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、触媒部１５の上流側のガス温度Ｔ２がカ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Ｔ２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Ｔ２がカソードオフガスのガス温度Ｔ１に判定基準閾値β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。
【００５５】
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Ｔ２がカ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。
【００５６】
なお、コントローラ２４は、判定基準Ａ１，Ａ２における昇温速度ａ２の代わりに昇温速度ａ２とカソードオフガスの昇温速度ａ１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とカ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Ｂ１，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。
【実施例４】
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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、カ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。
【００６０】
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Ｔ１，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Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の昇温速度ａ１，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。
【００６１】
ステップＳ３３の処理では、コントローラ２４が、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か否かを判別する。なお、この第１の判定基準は、上記判定基準Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ｂ１，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。
【００６２】
ステップＳ３４の処理では、コントローラ２４が、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か否かを判別する。なお、この第２の判定基準は、上記判定基準Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ｂ１，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。
【００６３】
ステップＳ３５の処理では、コントローラ２４が、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か否かを判別する。なお、この第３の判定基準は、上記判定基準Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ｂ１，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Ｓ３６の処理に進める。
【００６４】
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Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ｂ１，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。
【００６５】
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、コントローラ２４は次の判定ステップに処理を進めたが、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が、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。
【００６６】
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、一回の判定処理で燃焼器９が異常燃焼状態にあるか否かを判別したが、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回異常と判定された場合や、０．１［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加えておく。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【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】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】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】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】通常燃焼時及び異常燃焼時におけるカ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】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ャート図である。
【図７】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】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ャート図である。
【図９】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ャート図である。
【図１０】本発明の実施形態となる判定閾値を示す図である。
【図１１】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ャート図である。
【図１２】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。
【符号の説明】
【００６８】
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：空気供給配管
１１：カソードオフガス配管
１２：アノードオフガス導入口
１３：カソードオフガス導入口
１４：混合気形成部
１５：触媒部
１６：排気配管
２１，２２，２３：温度センサ
２４：コントローラ
【図１】
2006164786.tif 000003
【図２】
2006164786.tif 000004
【図３】
2006164786.tif 000005
【図４】
2006164786.tif 000006
【図５】
2006164786.tif 000007
【図６】
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【図７】
2006164786.tif 000009
【図８】
2006164786.tif 000010
【図９】
2006164786.tif 000011
【図１０】
2006164786.tif 000012
【図１１】
2006164786.tif 000013
【図１２】
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