[发明专利]具有催化燃烧单元和燃料电池的燃烧状态判断设备

说明书

技术领域

本发明一般涉及用于催化燃烧单元的燃烧状态判断设备以及方法。

背景技术

一般地，为了防止由于阳极侧的氮气和水汽浓度的增大而导致的燃料电池系统中的发电效率降低或者发电中断，执行从系统向外排出阳极侧的气体和冷凝水的净化处理。由于通过净化处理从系统向外排出的气体(在下文中称为阳极废气)中包含未使用的部分氢燃料(与氮气或水汽一起)，因此需要执行另外的处理，其中，将其他气体与阳极废气混合使得氢气浓度被稀释，或者将氧化剂混合到阳极废气中，从而使氢气燃烧。

但是，当使用催化燃烧单元使氢气燃烧时，随着燃烧温度的升高而产生回火，使得催化燃烧单元从正常的催化燃烧状态改变为气相燃烧状态。这里，气相燃烧是指氢气和氧化剂之间的反应，这是由于气态下伴随回火的燃烧，而不是通过催化剂而发生的。如果燃烧状态转变成气相燃烧状态，则由于升高的燃烧温度，可能发生对催化燃烧单元、催化剂和周围环境的热损伤。或者，由于高温气相燃烧而导致的诸如NOx的二次气体的产生，可能会显著地影响环境。日本特开平11-118115公开了这样的设备:在该设备中，将用于检测温度的单元配置在接近催化燃烧单元的燃料供应单元的上游侧的位置处，其中，基于温度检测单元所检测到的温度来判断由于来自催化剂的回火而导致的气相燃烧。另外，日本特开2004-37034公开了这样的设备:在该设备中，将火焰传感器配置在接近催化燃烧单元的燃料供应单元的位置处，其中，通过该火焰传感器检测来自催化剂的回火。

发明内容

在这里教导用于判断催化燃烧单元的燃烧状态的设备的实施例。这样的设备的一个例子包括燃料电池以及包括催化单元的催化燃烧单元。该催化燃烧单元用于混合从所述燃料电池的燃料极排出的阳极废气和不同于从所述燃料电池的氧化剂极排出的阴极废气的氧化剂气体，并在所述催化单元中执行燃烧处理。该例子中的设备还包括:上游温度检测单元，用于检测所述催化单元的上游侧的气体温度；以及控制器，用于将所述催化单元的上游侧的气体温度和上游温度升高速率至少之一与基准值进行比较，以判断所述催化单元的上游侧是否发生气相燃烧。

在这里还教导用于判断包括催化单元的催化燃烧单元的燃烧状态的方法。在燃料电池位于所述催化燃烧单元的上游的一个例子中，该方法包括:在所述催化燃烧单元中混合从所述燃料电池的燃料极排出的阳极废气和不同于从所述燃料电池的氧化剂极排出的阴极废气的氧化剂气体；在所述催化单元中执行燃烧处理；检测所述催化单元的上游侧的气体温度；以及将所述催化单元的上游侧的气体温度和上游温度升高速率至少之一与基准值进行比较，以判断所述催化单元的上游侧是否发生气相燃烧。

附图说明

这里的说明参考附图，在所有附图中，相同的附图标记表示相似的部分，其中:

图1是根据实施例的燃料电池系统的框图；

图2是图1的燃料电池系统的变形例的框图；

图3是图1的燃料电池系统的另一变形例的框图；

图4是图1的燃料电池系统的又一变形例的框图；

图5是图1的燃烧单元的变形例的示意图；

图6是图1所示的排气管道布置的内部结构的示意图；

图7是图6的排气管道布置的内部结构的变形例的示意图；

图8a和8b是示出在连续净化过程中根据时间变化的催化单元上游及下游侧的气体温度变化的图；

图9a和9b是示出在燃烧开始过程中根据时间变化的催化单元上游及下游侧的气体温度变化的图；

图10a和10b是示出在断续燃烧开始过程中根据时间变化的催化单元上游及下游侧的气体温度变化的图；

图11是示出在典型燃烧以及催化单元的上游侧的气相燃烧过程中，催化单元的上游侧与催化单元的下游侧的气体温度之间以及温度升高速率之间的关系的表；

图12是示出根据第一实施例的燃烧状态判断处理的流程图；

图13a至13c是示出根据一个实施例的判断基准的图；

图14是示出根据第二实施例的燃烧状态判断处理的流程图；

图15是示出根据第三实施例的燃烧状态判断处理的流程图；

图16是示出图15的燃烧状态判断处理的变形例的流程图；

图17是示出图12的燃烧状态判断处理的变形例的流程图；

图18是示出图14的燃烧状态判断处理的变形例的流程图；

图19是示出图14的燃烧状态判断处理的另一变形例的流程图；

图20是示出图14的燃烧状态判断处理的又一变形例的流程图；