JP2005158597A - Faults detection system of combustor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃焼器の異常検知システムに関し、更に詳しくは、燃料電池システム内に配設された燃焼器の燃焼異常等を検出する異常検知システムに関する。 The present invention relates to an abnormality detection system for a combustor, and more particularly to an abnormality detection system for detecting an abnormality in combustion of a combustor disposed in a fuel cell system.
一般に、燃料電池では、アノードに燃料ガスである水素ガスを供給し、カソードに酸化ガスである空気を供給し、これらの水素ガス及び空気で酸化還元反応を起こし、得られた化学エネルギーを直接電気エネルギーとして抽出する。 In general, in a fuel cell, hydrogen gas that is a fuel gas is supplied to an anode, air that is an oxidizing gas is supplied to a cathode, an oxidation-reduction reaction is caused by these hydrogen gas and air, and the resulting chemical energy is directly converted into electricity. Extract as energy.
また、アノード側から排出されるアノードオフガス中には水素が含有されており、アノードオフガスをそのまま外気に排出すると環境に悪影響を及ぼすおそれがある。このため、アノードオフガスを燃焼させてから外気に排出するべく、アノードオフガス及びカソードオフガスを混合させて燃焼させる燃焼器が配設されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、前記従来の技術においては、燃焼器における燃焼触媒の劣化や異常燃焼、及び温度センサ自体の故障等を検知することが困難であるため、燃焼器が正常に作動しているか否かが確認することが困難であった。 However, in the prior art, it is difficult to detect deterioration of the combustion catalyst in the combustor, abnormal combustion, failure of the temperature sensor itself, etc., so it is confirmed whether the combustor is operating normally. It was difficult to do.
そこで、本発明は、簡単な構造で、燃焼器の異常を確実に検出することができる燃焼器の異常検知システムを提供することを目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an abnormality detection system for a combustor that can detect an abnormality of the combustor with a simple structure.
前記目的を達成するために、本発明に係る燃焼器の異常検知システムは、燃料電池から排出されるアノードオフガス及びカソードオフガスを燃焼させる燃焼器に設けられ、該燃焼器の異常を検出する燃焼器の異常検知システムにおいて、前記オフガスのガス流れに沿って、第1の燃焼触媒、第1の温度検知手段、第2の燃焼触媒、及び第2の温度検知手段をこれらの順に従って前記燃焼器内に配置すると共に、前記第2の温度検知手段の検出温度範囲を、第1の温度検知手段の検出温度範囲よりも高温側に設定したことを特徴としている。 In order to achieve the above object, a combustor abnormality detection system according to the present invention is provided in a combustor that burns anode off-gas and cathode off-gas discharged from a fuel cell, and detects the combustor abnormality. In this abnormality detection system, the first combustion catalyst, the first temperature detection means, the second combustion catalyst, and the second temperature detection means are arranged in the combustor in the order along the flow of the off-gas. And the temperature range detected by the second temperature detecting means is set higher than the temperature range detected by the first temperature detecting means.
本発明に係る燃焼器の異常検知システムによれば、前記第2の温度検知手段の検出温度範囲を、第1の温度検知手段の検出温度範囲よりも高温側に設定しているため、第1の温度検知手段及び第2の温度検知手段における検出温度範囲の幅を実質的に狭めることができる。従って、それぞれの燃焼触媒の燃焼温度に対応させた温度域に検出温度範囲を設定しており、計測誤差の少ない正確な温度検出を行うことができる。 According to the abnormality detection system for a combustor according to the present invention, the detection temperature range of the second temperature detection means is set on the higher temperature side than the detection temperature range of the first temperature detection means. The width of the detected temperature range in the temperature detecting means and the second temperature detecting means can be substantially narrowed. Therefore, the detection temperature range is set in the temperature range corresponding to the combustion temperature of each combustion catalyst, and accurate temperature detection with little measurement error can be performed.
以下、本発明の実施形態による燃焼器の異常検知システムを図面に基づき説明する。 A combustor abnormality detection system according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、前記異常検知システムを配設した燃焼器の概略を示す断面図である。この燃焼器1は、カソードオフガス3及びアノードオフガス5を導入する導入部7と、該導入部7のガス流れの下流側に配設されたミキシング部9と、電源11に接続された第1の燃焼触媒13である電熱触媒と、第1の燃焼触媒13の下流側に配置された第2の燃焼触媒15とを備え、ミキシング部9と第1の燃焼触媒13との間には第1の空間部17が形成され、第1の燃焼触媒13と第2の燃焼触媒15との間には第2の空間部19が形成され、第2の燃焼触媒15の下流側には、第3の空間部21が形成されている。この第2の空間部19及び第3の空間部21のガス流れ方向に沿った長さは、例えば、20mmや30mm等が望ましい。さらに、第1の燃焼触媒13のセル密度(1平方センチメートル当たりのセル数)は第2の燃焼触媒15のセル密度よりも小さく設定されている。例えば、第1の燃焼触媒13としてメタル触媒を用い、第2の燃焼触媒15としてメタル/セラミック触媒を用いた場合、第1の燃焼触媒13における単位面積あたりのセル密度を300CPSIに設定することができ、第2の燃焼触媒15における単位面積あたりのセル密度を600/900CPSIに設定することができる。このように、第2の燃焼触媒15のセル密度を第1の燃焼触媒13のセル密度の2倍〜3倍程度に設定することが好ましい。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a combustor provided with the abnormality detection system. This
また、第2の空間部19及び第3の空間部21の上部側には、第1の温度検出手段である第1温度計23、及び第2の温度検出手段である第2温度計25が設けられている。この第1温度計23における測定温度域は、第2温度計25よりも低温側に設定されている。例えば、第1温度計23における測定温度域は−100℃〜600℃の範囲を適用することができ、第2温度計25における測定温度域は400℃〜1200℃の範囲を適用することができる。
Further, on the upper side of the
次いで、燃焼器1の内部におけるガスの流れについて説明する。
Next, the gas flow inside the
まず、導入部7には、図示しない燃料電池から排出されたカソードオフガス3及びアノードオフガス5が送り込まれ、ミキシング部9において混合され、燃焼用混合ガス31となる。この燃焼用混合ガス31は、第1の燃焼触媒13及び第2の燃焼触媒15を介して燃焼したのち、燃焼排ガス33となって燃焼器1から排出される。
First, the
次いで、図2を用いて、本実施形態による燃焼器の異常検知システムについて説明する。なお、第1温度計23にて測定した温度の測定値をT1、第2温度計25にて測定した温度の測定値をT2、第1の燃焼触媒13が正常に燃焼した場合の適正温度はTα、第2の燃焼触媒15が正常に燃焼した場合の適正温度はTβとする。そして、それぞれの燃焼触媒13,15における適正温度域は、本実施形態においては、Tα±15%とTβ±15%とする。このTα±15%とは、Tα×0.85〜Tα×1.15の温度範囲を示すものとする。ただし、この適正温度域は、燃焼器に用いる触媒の種類やオフガスの流量等に応じて適宜変更することができるため、本実施形態では、それらの一例として±15%に設定している。
Next, the combustor abnormality detection system according to the present embodiment will be described with reference to FIG. Note that the measured temperature value measured by the
まず、燃焼器1が定常燃焼中か否かを判断し(S1)、定常燃焼中の場合は、第1温度計23及び第2温度計25による温度測定を行う。また、通常想定される、第1温度計23及び第2温度計25による適正温度Tα,Tβを算出する(S2)一方、燃焼器1が定常燃焼中でない場合は、本システムの作動は終了する。
First, it is determined whether or not the
次いで、前記T1とTα±15%を比較し(S3)、T1がTα×0.85未満の場合は、ステップ4に移る(S4)。このステップ4においては、前記T2とTβ±15%を比較する。
Next, T1 is compared with Tα ± 15% (S3), and if T1 is less than Tα × 0.85, the process proceeds to step 4 (S4). In
ここで、T2がTβ×0.85未満の場合、第1の燃焼触媒13のみならず、第2の燃焼触媒15も異常低温燃焼をしていると判断する(S13)。この場合、両方の燃焼触媒13,15が劣化等の異常によって燃焼していない、空気供給量が過大、または燃料供給量の不足などの異常が発生している可能性がある。
Here, when T2 is less than Tβ × 0.85, it is determined that not only the
また、T2の測定値がTβ×0.85以上の場合は、第1の燃焼触媒13の異常低温燃焼と判断される(S5)。即ち、T2が、Tβ×0.85〜Tβ×1.15、及びTβ×1.15を超える場合に、第1の燃焼触媒13に劣化等が発生しているため、異常低温燃焼をしていると判断する。
Further, when the measured value of T2 is Tβ × 0.85 or more, it is determined that the
さらに、T1がTα×1.15よりも高い場合は、前記T2とTβ±15%を比較する(S6)。ここで、T2がTβ×0.85未満、及びTβ×0.85〜Tβ×1.15の場合は、第1温度計23の異常と判断する(S7)。これは、第1の燃焼触媒13が異常高温燃焼をしている場合は、第2の燃焼触媒15も同様に、異常高温燃焼をする可能性が高いため、第1の燃焼触媒13のみが異常高温燃焼をし、第2の燃焼触媒15が正常な燃焼や異常低温燃焼状態を示すということは、第1温度計23が故障や経時劣化等によって異常状態になっていることを意味する。
Further, when T1 is higher than Tα × 1.15, T2 is compared with Tβ ± 15% (S6). Here, when T2 is less than Tβ × 0.85 and Tβ × 0.85-Tβ × 1.15, it is determined that the
なお、T2がTβ×1.15よりも高い場合は、第1の燃焼触媒13及び第2の燃焼触媒15の異常高温燃焼と判断する(S8)。これは、前述したように、第1の燃焼触媒13が異常高温燃焼をしている場合は、第2の燃焼触媒15も同様に、異常高温燃焼をする可能性が高いためである。なお、異常高温燃焼の原因としては、燃料の供給量が過大であること、及び供給する空気量の不足などが挙げられる。
When T2 is higher than Tβ × 1.15, it is determined that the
また、T1がTα×0.85〜Tα×1.15の場合は、前記T2とTβ±15%を比較する(S9)。ここで、T2がTβ×0.85未満の場合は、第2の燃焼触媒15が劣化等を起こして異常低温燃焼をしていると判断する(S10)。これは、第1の燃焼触媒13が正常燃焼をしている場合は、第2の燃焼触媒15は、異常高温燃焼をする可能性はほとんどなく、正常燃焼又は異常低温燃焼をするものである。よって、ステップ10の場合は、第2の燃焼触媒15のみが、劣化や自己加熱不良等によって異常低温燃焼をしているものと判断する。
If T1 is Tα × 0.85 to Tα × 1.15, T2 is compared with Tβ ± 15% (S9). Here, when T2 is less than Tβ × 0.85, it is determined that the
T2がTβ×1.15より高い場合は、第2温度計25の異常と判断する(S11)。これは、第1の燃焼触媒13が正常燃焼をしている場合は、第2の燃焼触媒15のみが異常高温燃焼をする可能性はほとんどないため、第2温度計25の異常と判断するものである。
When T2 is higher than Tβ × 1.15, it is determined that the
そして、T2がTβ×0.85〜Tβ×1.15の場合は、燃焼器1が正常運転をし、正常な燃焼が行われていると判断し(S12)、再度、定常燃焼中か否かを判断する(S1)。なお、以上の診断結果を、図示しない制御手段に送信して異常処理を行うようにしている。
When T2 is Tβ × 0.85 to Tβ × 1.15, it is determined that the
以下に、本実施形態による作用効果を説明する。 Below, the effect by this embodiment is demonstrated.
第2温度計25の検出温度範囲を、第1温度計23の検出温度範囲よりも高温側に設定し、それぞれの燃焼触媒の燃焼温度に対応させているため、計測誤差の少ない温度検出を行うことができる。
Since the detection temperature range of the
即ち、第1の燃焼触媒13の下流側に第2の燃焼触媒15を配置し、第1の燃焼触媒13の燃焼温度を第1温度計23で測定すると共に、第2の燃焼触媒15の燃焼温度を第2温度計25で測定しているが、第1の燃焼触媒13における燃焼温度よりも第2の燃焼触媒15の燃焼温度の方が高くなる。よって、第2温度計25を高い検出温度範囲に設定することにより、検出温度範囲の幅を実質的に狭め、測定誤差が少なく耐久性が高い温度計となり、また、検出温度範囲の幅を実質的に狭めることにより、温度計のコストを低減させることもできる。なお、第1温度計23についても、低い検出温度範囲に設定することにより、検出温度範囲の幅を実質的に狭めるため、第2温度計25と同様の効果を得ることができる。
That is, the
さらに、各燃焼触媒13,15の燃焼温度の検出精度を向上させるには、第1の燃焼触媒13の下流側に2つの温度計を配置し、第2の燃焼触媒15の下流側にも2つの温度計を配置する方法も考えられるが、構造が複雑になりコストが上昇する等の問題がある。よって、本実施形態のように、各燃焼触媒13,15に対してそれぞれ一つずつの温度計23,25を配置することにより、効率的にかつ確実に各燃焼触媒13,15の燃焼温度を検出することができる。
Furthermore, in order to improve the detection accuracy of the combustion temperature of each
また、前記第1の燃焼触媒13におけるセル密度を、第2の燃焼触媒15におけるセル密度よりも小さく設定しているため、各燃焼触媒13,15における燃焼温度を正確に検出することができる。即ち、燃焼触媒には水分が詰まりやすいため、燃焼触媒において正常な燃焼が起こらずに燃焼温度の検出精度が低下するおそれがある。しかし、本実施形態によれば、第1の燃焼触媒13のセル密度を大きくして目を粗くしており、第1の燃焼触媒13から水分を排出しやすくしているため、第1の燃焼触媒13による燃焼温度を正確に検出することができる。また、第1の燃焼触媒13により十分に温度が上昇しているため、第2の燃焼触媒15は、水分の影響を受けずに燃焼を行うことができる。第2の燃焼触媒15は、通常のセル密度に設定しているため、第1の燃焼触媒13で処理しきれなかった燃料を第2の燃焼触媒15で確実に燃焼させることができ、第1の燃焼触媒13及び第2の燃焼触媒15の総合的な燃焼効率を低下させることがない。
In addition, since the cell density in the
1…燃焼器
3…カソードオフガス
5…アノードオフガス
13…第1の燃焼触媒
15…第2の燃焼触媒
23…第1温度計(第1の温度検知手段)
25…第2温度計(第2の温度検知手段
DESCRIPTION OF
25 ... 2nd thermometer (2nd temperature detection means
Claims (8)
前記オフガスのガス流れに沿って、第1の燃焼触媒、第1の温度検知手段、第2の燃焼触媒、及び第2の温度検知手段をこれらの順に従って前記燃焼器に配置すると共に、前記第2の温度検知手段の検出温度範囲を、第1の温度検知手段の検出温度範囲よりも高温側に設定したことを特徴とする燃焼器の異常検知システム。 In a combustor abnormality detection system that is provided in a combustor that combusts anode off-gas and cathode off-gas discharged from a fuel cell and detects abnormality of the combustor,
A first combustion catalyst, a first temperature detection means, a second combustion catalyst, and a second temperature detection means are arranged in the combustor in the order along the gas flow of the off gas, and the first combustion catalyst, 2. An abnormality detection system for a combustor, wherein the temperature detection range of the second temperature detection means is set to be higher than the temperature detection range of the first temperature detection means.
前記第1の温度検知手段による測定値が適正温度域を超え、かつ、前記第2の温度検知手段による測定値が適正温度域を超える場合には、第1の燃焼触媒及び第2の燃焼触媒の異常高温燃焼であると判断することを特徴とする請求項1に記載の燃焼器の異常検知システム。 Calculating an appropriate temperature range indicated by the first temperature detecting means and the second temperature detecting means when the first combustion catalyst and the second combustion catalyst are normally burned;
When the measurement value by the first temperature detection means exceeds the appropriate temperature range and the measurement value by the second temperature detection means exceeds the appropriate temperature range, the first combustion catalyst and the second combustion catalyst The abnormality detection system for a combustor according to claim 1, wherein the abnormal combustion is determined to be abnormal high temperature combustion.
The abnormality detection system for a combustor according to any one of claims 1 to 7, wherein a cell density in the first combustion catalyst is set smaller than a cell density in the second combustion catalyst.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2003397534A JP2005158597A (en) | 2003-11-27 | 2003-11-27 | Faults detection system of combustor |
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Cited By (4)
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 |
JP2007059212A (en) * | 2005-08-24 | 2007-03-08 | Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp | Fuel cell power generating system and heat exchanger built-in type catalyst combustion device |
WO2007091160A1 (en) * | 2006-02-07 | 2007-08-16 | Nissan Motor Co., Ltd. | Combustion state determining apparatus with catalytic combustion unit and fuel cell |
US8137421B2 (en) | 2006-07-11 | 2012-03-20 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Hydrogen generation device, a fuel cell system, and an analysis system |
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2003
- 2003-11-27 JP JP2003397534A patent/JP2005158597A/en not_active Withdrawn
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