(57)【要約】【課題】失火のタイミングと失火が検知されるタイミングとの間のタイムラグを小さくする。【解決手段】  充放電回路１３０は、フレームロッド１０１に接続された部分と、交流電源１１１に接続された部分と、出力部１３５と、第１の直流電源１２１と出力部１３５との間に介在するプルアップ抵抗１４５と、を有する。出力部１３５の電位は、燃焼状態から非燃焼状態に切り替わるとプルアップ電位に向かって上昇する。燃焼状態における出力部１３５の電位の下限は、電圧制限部１８０によって、例えば後述の第１固定電位との差が小さくなるように規定され得る。コンパレータ１７０は、上記の下限よりも高くプルアップ電位よりも低い電位である第１固定電位が印加された非反転側入力端子１７３と、出力部１３５が接続された反転側入力端子１７４と、出力端子１７５と、を有する。この構成は、素早い失火検知に適している。【選択図】図１Ａ
2018031547.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレームロッドと、
交流電源と、
第１の直流電源と、
第２の直流電源と、
第３の直流電源と、
前記フレームロッドに接続された部分と、前記交流電源に接続された部分と、出力部と、前記第１の直流電源と前記出力部との間に介在するプルアップ抵抗と、を有する充放電回路であって、前記フレームロッドが火炎に曝された状態を燃焼状態と定義し、前記フレームロッドが火炎に曝されていない状態を非燃焼状態と定義したとき、前記出力部の電位は、前記非燃焼状態が継続するとプルアップ電位に収束し、前記燃焼状態においては前記交流電源から当該充放電回路への電力供給によって前記プルアップ電位よりも低くなり、前記燃焼状態から前記非燃焼状態に切り替わると前記プルアップ電位に向かって上昇する充放電回路と、
前記充放電回路に接続され、前記燃焼状態における前記出力部の電位の下限を定める電圧制限部と、
前記第２の直流電源によって接地電位よりも高い電位が印加された正側電源端子と、前記第３の直流電源によって接地電位よりも低い電位が印加された負側電源端子と、前記下限よりも高く前記プルアップ電位よりも低い電位である第１固定電位が印加された非反転側入力端子と、前記出力部が接続された反転側入力端子と、前記第１固定電位および前記出力部の電位によって定まる出力電位を出力する出力端子と、を有するコンパレータと、を備えたフレームロッド回路。
【請求項２】
前記充放電回路は、ローパスフィルタ部を含む、請求項１に記載のフレームロッド回路。
【請求項３】
前記電圧制限部は、アノードおよびカソードを有する第１のダイオードであり、
前記カソードは、前記充放電回路に接続されており、
前記アノードには、第２固定電位が印加されている、請求項１または２に記載のフレームロッド回路。
【請求項４】
温度補償用ダイオードを備え、
前記電圧制限部は、アノードおよびカソードを有する第１のダイオードであり、
前記カソードは、前記充放電回路に接続されており、
前記第１のダイオードの温度変化に伴う順方向電圧降下の変動による前記下限の変動が緩和されるように、前記第１のダイオードの前記アノードには、前記温度補償用ダイオードの順方向電圧降下を利用して生成された電位が印加される、請求項１または２に記載のフレームロッド回路。
【請求項５】
前記第１固定電位は、接地電位である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のフレームロッド回路。
【請求項６】
炭化水素成分を含む原料ガスを改質させて水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
炭化水素成分を含む可燃性の原料を燃焼して前記改質器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器に空気を供給する空気供給器と、
前記燃焼器に前記可燃性の原料を供給する原料供給部と、
前記燃焼器から排出される燃焼排ガス中の一酸化炭素の検知に用いられるＣＯセンサと、
請求項１〜５のいずれか一項に記載のフレームロッド回路であって、前記燃焼器で生じる火炎に曝される位置に前記フレームロッドが配置され、前記コンパレータの前記出力電位およびフォトカプラを用いて失火検知信号を生成するフレームロッド回路と、
前記失火検知信号を受信したときに、前記改質器への前記原料ガスの供給を停止する制御器と、を備えた、水素生成装置。
【請求項７】
炭化水素成分を含む原料ガスを改質させて水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスを用いて発電し、発電に利用されなかった前記水素を含むガスである燃料排ガスを排出する燃料電池と、
前記燃料電池の発電時において、前記燃料排ガスを燃焼して前記改質器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器に空気を供給する空気供給器と、
前記燃焼器から排出される燃焼排ガス中の一酸化炭素の検知に用いられるＣＯセンサと、
前記燃焼器から前記ＣＯセンサに前記燃焼排ガスを導く経路を遮断可能な開閉部と、
請求項１〜５のいずれか一項に記載のフレームロッド回路であって、前記燃焼器で生じる火炎に曝される位置に前記フレームロッドが配置され、前記コンパレータの前記出力電位およびフォトカプラを用いて失火検知信号を生成するフレームロッド回路と、
前記失火検知信号を受信したときに、前記開閉部を閉じて前記経路を遮断する制御装置と、を備える、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、フレームロッド回路、水素生成装置および燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、種々のフレームロッド回路が提案されている。フレームロッド回路は、火炎の検知に用いられる。フレームロッド回路では、フレームロッドが火炎に曝され得る位置に配置される。フレームロッドが火炎に曝されているときには、フレームロッドに整流された電流が流れる。フレームロッドが火炎に曝されていないときには、フレームロッドに電流が流れない。フレームロッド回路は、フレームロッドのこのような特性を利用したものである。特許文献１には、フレームロッド回路の一例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１２２７５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃焼器に異常が発生すると、燃焼器が失火することがある。失火は、フレームロッド回路を用いて検知され得る。ただし、実際の失火のタイミングと、失火が検知されるタイミングとの間には、タイムラグがある。このタイムラグを小さくする観点から、従来のフレームロッド回路には改善の余地がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで、本開示は、
フレームロッドと、
交流電源と、
第１の直流電源と、
第２の直流電源と、
第３の直流電源と、
前記フレームロッドに接続された部分と、前記交流電源に接続された部分と、出力部と、前記第１の直流電源と前記出力部との間に介在するプルアップ抵抗と、を有する充放電回路であって、前記フレームロッドが火炎に曝された状態を燃焼状態と定義し、前記フレームロッドが火炎に曝されていない状態を非燃焼状態と定義したとき、前記出力部の電位は、前記非燃焼状態が継続するとプルアップ電位に収束し、前記燃焼状態においては前記交流電源から当該充放電回路への電力供給によって前記プルアップ電位よりも低くなり、前記燃焼状態から前記非燃焼状態に切り替わると前記プルアップ電位に向かって上昇する充放電回路と、
前記充放電回路に接続され、前記燃焼状態における前記出力部の電位の下限を規定する電圧制限部と、
前記第２の直流電源によって接地電位よりも高い電位が印加された正側電源端子と、前記第３の直流電源によって接地電位よりも低い電位が印加された負側電源端子と、前記下限よりも高く前記プルアップ電位よりも低い電位である第１固定電位が印加された非反転側入力端子と、前記出力部が接続された反転側入力端子と、前記第１固定電位および前記出力部の電位によって定まる出力電位を出力する出力端子と、を有するコンパレータと、を備えたフレームロッド回路を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本開示の技術は、上記タイムラグを小さくすることに適している。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】実施形態に係るフレームロッド回路の構成図
【図１Ｂ】図１Ａの電圧制限部周辺の拡大図
【図１Ｃ】図１Ａのコンパレータ周辺の拡大図
【図１Ｄ】変形例に係るフレームロッド回路を説明するための図
【図１Ｅ】変形例に係るフレームロッド回路を説明するための図
【図２】コンパレータの反転側入力端子の電位の時間変化を説明するための図
【図３】実施形態に係るフレームロッド回路の利点を説明するための図
【図４】実施形態に係るフレームロッド回路の利点を説明するための図
【図５】実施形態に係る燃料電池システムの構成図
【図６】ＣＯセンサユニットの構成図
【図７】実施形態に係る燃料電池システムの利点を説明するための図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（本発明者らによる知見）
本発明者らは、燃料電池システムにフレームロッド回路を組み合わせることを検討した。
【０００９】
検討に係る燃料電池システムは、燃焼器と、改質器と、燃料電池と、バッファタンクと、ＣＯセンサ（一酸化炭素センサ）と、を有するものである。このシステムでは、原料が、燃焼器に供給され、燃焼する。この燃焼により、熱と、オフ燃焼ガスとが生成される。この燃焼で得られた熱と、原料ガスと、水（改質反応に必要な水分）と、が改質器に供給される。改質器において、原料ガスが改質され、水素リッチな燃料ガス（改質ガス）が生成される。この燃料ガスは、燃料電池に供給される。燃料電池は、燃料ガスを用いて発電する。燃料電池で発電に利用されなかった水素を含むガス（以下、オフ燃料ガスと称する）は、燃料電池から排出される。
【００１０】
燃料電池の発電時には、オフ燃料ガスが、原料として燃焼器に供給され、燃焼器で燃焼する。これにより、上述したように、改質器を加熱するための熱と、オフ燃焼ガスとが生成される。
【００１１】
燃焼器で生成されるオフ燃焼ガスは、一酸化炭素を含み得るものであり、バッファタンクを介してＣＯセンサに導かれる。
【００１２】
このシステムにおいて、燃料電池の発電時に燃焼器が失火した場合、オフ燃焼ガスではなくオフ燃料ガス（改質ガス由来の水素を含むガス）がＣＯセンサに向かって流れていく。この場合、オフ燃料ガス中の水素にＣＯセンサが曝露されるおそれがある。ＣＯセンサの劣化を防ぐ観点から、この曝露は少ない方がよい。
【００１３】
このシステムにおいて、燃焼器の火炎に曝され得る位置にフレームロッド回路のフレームロッドを配置すれば、失火検知が可能となる。ＣＯセンサの水素曝露を防止するには、失火を検知したときに、燃焼器からＣＯセンサに至るガスの経路を遮断することが考えられる。具体的には、この経路のうちＣＯセンサの直前の位置に弁を設け、この弁を閉めることが考えられる。
【００１４】
上述のように、実際の失火のタイミングと、失火が検知されるタイミングとの間には、タイムラグがある。ただし、上述のシステムにおいては、このタイムラグはＣＯセンサの水素曝露を必ずしも招かない。なぜなら、バッファタンクによってオフ燃料ガスが燃焼器から上記の弁に到達するまでの時間がある程度確保され、そのある程度の時間内に弁を閉めればＣＯセンサにオフ燃料ガスが到達しないためである。
【００１５】
このように、バッファタンクがあれば、ＣＯセンサの水素曝露を防止し易い。しかし、バッファタンクは、システムのコストを上昇させる。コスト削減のためにはバッファタンクはない方がよく、バッファタンクなしでＣＯセンサの水素曝露を防止し易くするには上記タイムラグは小さい方がよい。
【００１６】
以上の事情に鑑み、本発明者らは、失火を素早く検知することに適したフレームロッド回路の提供を目指した。
【００１７】
すなわち、本開示の第１態様は、
フレームロッドと、
交流電源と、
第１の直流電源と、
第２の直流電源と、
第３の直流電源と、
前記フレームロッドに接続された部分と、前記交流電源に接続された部分と、出力部と、前記第１の直流電源と前記出力部との間に介在するプルアップ抵抗と、を有する充放電回路であって、前記フレームロッドが火炎に曝された状態を燃焼状態と定義し、前記フレームロッドが火炎に曝されていない状態を非燃焼状態と定義したとき、前記出力部の電位は、前記非燃焼状態が継続するとプルアップ電位に収束し、前記燃焼状態においては前記交流電源から当該充放電回路への電力供給によって前記プルアップ電位よりも低くなり、前記燃焼状態から前記非燃焼状態に切り替わると前記プルアップ電位に向かって上昇する充放電回路と、
前記充放電回路に接続され、前記燃焼状態における前記出力部の電位の下限を規定する電圧制限部と、
前記第２の直流電源によって接地電位よりも高い電位が印加された正側電源端子と、前記第３の直流電源によって接地電位よりも低い電位が印加された負側電源端子と、前記下限よりも高く前記プルアップ電位よりも低い電位である第１固定電位が印加された非反転側入力端子と、前記出力部が接続された反転側入力端子と、前記第１固定電位および前記出力部の電位によって定まる出力電位を出力する出力端子と、を有するコンパレータと、を備えたフレームロッド回路を提供する。
【００１８】
第１態様では、コンパレータを用いてフレームロッド回路を構成する。コンパレータは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等に比べて、特性のバラツキが小さい。特性のバラツキが小さいという特徴は、充放電回路の出力部の電位の下限と第１固定電位との差を小さくすることによって失火を素早く検知する観点から有利な特徴である。
【００１９】
また、第１態様のコンパレータの出力電位は、反転側入力端子の電位が非反転側入力端子の電位よりも高くなると、瞬時にハイレベルからローレベルに切り替わる。このため、第１態様によれば、充放電回路の出力部の電位が第１固定電位よりも高くなるタイミングと失火検出のタイミングとの間のタイムラグを小さくし易い。このことは、素早い失火検知を行い易くする。
【００２０】
本開示の第２態様は、第１態様に加え、
前記充放電回路は、ローパスフィルタ部を含むフレームロッド回路を提供する。
【００２１】
ローパスフィルタ部は、充放電回路の出力部の電位のリップル成分を小さくし、コンパレータを安定して動作させることに適している。
【００２２】
本開示の第３態様は、第１態様または第２態様に加え、
前記電圧制限部は、アノードおよびカソードを有する第１のダイオードであり、
前記カソードは、前記充放電回路に接続されており、
前記アノードには、第２固定電位が印加されているフレームロッド回路を提供する。
【００２３】
電圧制限部をダイオードとすることは、コストの観点から有利である。
【００２４】
ダイオードの順方向電圧降下は定電圧ダイオードの逆方向電圧降下よりも小さい。第３態様に従いダイオードのカソードを充放電回路に接続する場合には、比較的小さい順方向電圧降下を利用して出力部の下限を規定することができる。このようにすれば、同下限と第１固定電位との差を小さくして失火検知を素早く行うことが容易となる。
【００２５】
本開示の第４態様は、第１態様または第２態様に加え、
温度補償用ダイオードを備え、
前記電圧制限部は、アノードおよびカソードを有する第１のダイオードであり、
前記カソードは、前記充放電回路に接続されており、
前記第１のダイオードの温度変化に伴う順方向電圧降下の変動による前記下限の変動が緩和されるように、前記第１のダイオードの前記アノードには、前記温度補償用ダイオードの順方向電圧降下を利用して生成された電位が印加されるフレームロッド回路を提供する。
【００２６】
第４態様は、フレームロッド回路を安定して動作させることに適している。
【００２７】
本開示の第５態様は、第１〜第４態様のいずれか１つに加え、
前記第１固定電位は、接地電位であるフレームロッド回路を提供する。
【００２８】
第５態様のフレームロッド回路は、作製し易い。
【００２９】
本開示の第６態様は、
炭化水素成分を含む原料ガスを改質させて水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
炭化水素成分を含む可燃性の原料を燃焼して前記改質器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器に空気を供給する空気供給器と、
前記燃焼器に前記可燃性の原料を供給する原料供給部と、
前記燃焼器から排出される燃焼排ガス中の一酸化炭素の検知に用いられるＣＯセンサと、
第１〜第５態様のいずれか１つのフレームロッド回路であって、前記燃焼器で生じる火炎に曝される位置に前記フレームロッドが配置され、前記コンパレータの前記出力電位およびフォトカプラを用いて失火検知信号を生成するフレームロッド回路と、
前記失火検知信号を受信したときに、前記改質器への前記原料ガスの供給を停止する制御器と、を備えた、水素生成装置を提供する。
【００３０】
第６態様によれば、燃焼器が失火するタイミングと失火を検知するタイミングとの間のタイムラグを小さくすることができる。従って、第６態様は、ＣＯセンサの水素曝露防止に適している。
【００３１】
本開示の第７態様は、
炭化水素成分を含む原料ガスを改質させて水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスを用いて発電し、発電に利用されなかった前記水素を含むガスである燃料排ガスを排出する燃料電池と、
前記燃料電池の発電時において、前記燃料排ガスを燃焼して前記改質器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器に空気を供給する空気供給器と、
前記燃焼器から排出される燃焼排ガス中の一酸化炭素の検知に用いられるＣＯセンサと、
前記燃焼器から前記ＣＯセンサに前記燃焼排ガスを導く経路を遮断可能な開閉部と、
第１〜第５態様のいずれか１つのフレームロッド回路であって、前記燃焼器で生じる火炎に曝される位置に前記フレームロッドが配置され、前記コンパレータの前記出力電位およびフォトカプラを用いて失火検知信号を生成するフレームロッド回路と、
前記失火検知信号を受信したときに、前記開閉部を閉じて前記経路を遮断する制御装置と、を備える、燃料電池システムを提供する。
【００３２】
第７態様の燃料電池システムでは、燃焼器が失火した場合、燃焼排ガスではなく燃料排ガスが燃焼器から排出される。しかし、制御装置は、失火検知信号を受信したときに開閉部を閉じるため、燃料排ガスがＣＯセンサに流れ続けることを防止できる。しかも、第７態様のフレームロッド回路は、素早い失火検出に適したものである。すなわち、第７態様によれば、燃料排ガスがＣＯセンサに到達する前、すなわちＣＯセンサが水素に曝露される前に、開閉装置を閉じることが容易となる。すなわち、第７態様の燃料電池システムは、ＣＯセンサの水素曝露による劣化を防ぐことに適している。
【００３３】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。
【００３４】
図１Ａに、本実施形態のフレームロッド回路１００を示す。フレームロッド回路１００は、フレームロッド（電極棒）１０１と、交流電源１１１と、第１の直流電源１２１と、第２の直流電源１２２と、第３の直流電源１２３と、充放電回路１３０と、電圧制限部１８０と、コンパレータ１７０と、を有する。フレームロッド回路１００は、さらに、第４の直流電源１２４と、フォトカプラ１８５と、信号生成部１９０と、を有する。
【００３５】
［電源１１１，１２１，１２２，１２３および１２４］
電源１１１，１２１，１２２，１２３および１２４としては、公知の直流電源を使用することができる。
【００３６】
［フレームロッド１０１］
フレームロッド１０１は、燃焼器（バーナー）１０２で生じた火炎に曝され得る位置に配置される。フレームロッド１０１としては、公知のフレームロッドを使用することができる。
【００３７】
以下、フレームロッド１０１の特性を説明する。以下の説明では、フレームロッド１０１が火炎に曝された状態を燃焼状態と称し、フレームロッド１０１が火炎に曝されていない状態を非燃焼状態と称する。
【００３８】
非燃焼状態において、フレームロッド１０１と燃焼器１０２との間の抵抗は非常に大きい。このため、非燃焼状態においては、フレームロッド１０１と燃焼器１０２の間では電流は実質的に流れない。
【００３９】
燃焼状態においては、フレームロッド１０１は、燃焼器１０２からフレームロッド１０１に向かう方向に比べてフレームロッド１０１から燃焼器１０２に向かう方向に電流が流れ易い整流特性を示す。その理由は、以下のとおりである。火炎の中には、陽イオンと電子の両方が存在する。電子は、陽イオンに比べて動き易い。また、フレームロッド１０１の表面積Ａは、燃焼器１０２の表面積Ｂよりも小さい。比率Ａ／Ｂは、例えば１／４以下である。一具体例では、比率Ａ／Ｂは、１／１０〜１／４である。後述の燃焼器２０１ｂの表面積に対するフレームロッド１０１の表面積の比率も同様である。フレームロッド１０１の電位が燃焼器１０２の電位よりも低い場合、動き難い陽イオンが小表面積のフレームロッド１０１に到達することは難しい。このため、燃焼器１０２からフレームロッド１０１には電流は比較的流れ難い（典型的には、実質的に流れない）。他方、フレームロッド１０１の電位が燃焼器１０２の電位よりも高い場合、陽イオンは、動き難いものではあるが、大表面積の燃焼器１０２には比較的容易に到達する。また、この場合、電子は、動き易いものであるため、小表面積のフレームロッド１０１にも比較的容易に到達する。このため、フレームロッド１０１から燃焼器１０２には電流は比較的流れ易い。
【００４０】
［充放電回路１３０］
充放電回路１３０は、部分１３１と、部分１３２と、部分１３３と、部分１３４と、出力部１３５と、抵抗１４０と、抵抗１４１と、抵抗１４２と、抵抗１４３と、抵抗１４４と、プルアップ抵抗１４５と、コンデンサ１６０と、コンデンサ１６１と、コンデンサ１６２と、を有している。
【００４１】
部分１３１は、フレームロッド１０１に接続されている。部分１３２は、交流電源１１１に接続されている。部分１３３は、第１の直流電源１２１に接続されている。部分１３４は、電圧制限部１８０に接続されている。出力部１３５は、コンパレータ１７０に接続されている。
【００４２】
抵抗１４２およびコンデンサ１６１は、第１のＲＣフィルタを構成している。抵抗１４３およびコンデンサ１６２は、第２のＲＣフィルタを構成している。第１のＲＣフィルタおよび第２のＲＣフィルタは、２段のＲＣフィルタを構成している。充放電回路１３０では、２段のＲＣフィルタによってローパスフィルタ部１３７が構成されている。つまり、充放電回路１３０は、ローパスフィルタ部１３７を含んでいる。ローパスフィルタ部１３７は、フィルタ入力部１３７ｉおよびフィルタ出力部１３７ｏを有している。
【００４３】
本実施形態の充放電回路１３０では、フィルタ入力部１３７ｉ、フレームロッド１０１および交流電源１１１を接続する電気回路（ロッド側回路１３８ｒ）が形成されている。充放電回路１３０では、フィルタ出力部１３７ｏ、第１の直流電源１２１およびコンパレータ１７０の反転側入力端子１７４（図１Ｃ参照）を接続する電気回路（コンパレータ側回路１３８ｃ）が形成されている。ロッド側回路１３８ｒ、ローパスフィルタ部１３７およびコンパレータ側回路１３８ｃは、この順に接続されている。また、ロッド側回路１３８ｒ、ローパスフィルタ部１３７および電圧制限部１８０は、この順に接続されている。なお、本明細書では「Ａ、ＢおよびＣがこの順に接続」という表現は、Ａ、ＢおよびＣが直接接続されている場合のみならず間接接続されている場合を含む意味で用いられている。
【００４４】
図１Ａに示す例では、ロッド側回路１３８ｒは、抵抗１４０、抵抗１４１およびコンデンサ１６０を含んでいる。交流電源１１１は、抵抗１４０およびコンデンサ１６０を介してフィルタ入力部１３７ｉに接続されている。フレームロッド１０１は、抵抗１４１を介してフィルタ入力部１３７ｉに接続されている。交流電源１１１は、抵抗１４０、コンデンサ１６０および抵抗１４１を介してフレームロッド１０１に接続されている。抵抗１４０および抵抗１４１は、回路保護用の電流制限抵抗である。コンデンサ１６０は、交流電源１１１からの直流電流をカットするために設けられている。
【００４５】
図１Ａに示す例では、コンパレータ側回路１３８ｃは、抵抗１４４およびプルアップ抵抗１４５を含んでいる。第１の直流電源１２１は、プルアップ抵抗１４５および抵抗１４４を介して電圧制限部１８０に接続されている。プルアップ抵抗１４５は、第１の直流電源１２１と出力部１３５との間に介在することにより、プルアップ電位（後述）を安定させている。本実施形態では、電圧制限部１８０は、フィルタ出力部１３７ｏに接続されている。充放電回路１３０は、フィルタ出力部１３７ｏと電圧制限部１８０との間に抵抗等の素子を含んでいてもよい。電圧制限部１８０は、コンパレータ側回路１３８ｃに接続されていてもよい。
【００４６】
本実施形態では、ローパスフィルタ部１３７は、２段のＲＣフィルタで構成されている。ただし、ローパスフィルタ部１３７は、これに限定されず、例えば１段のＲＣフィルタで構成されていてもよい。
【００４７】
充放電回路１３０の出力部１３５の電位（反転側入力端子１７４の電位）は、非燃焼状態が継続すると、プルアップ電位に収束する。プルアップ電位は、第１の直流電源１２１によって規定される電位である。出力部１３５の電位は、燃焼状態においては、交流電源１１１から充放電回路１３０への電力供給によって、プルアップ電位よりも低くなる。出力部１３５の電位は、燃焼状態から非燃焼状態に切り替わると、プルアップ電位に向かって上昇する。
【００４８】
出力部１３５の電位の挙動は、以下のように説明できる。以下の説明では、交流電源１１１、抵抗１４０、コンデンサ１６０、抵抗１４１、フレームロッド１０１および燃焼器１０２をこの順（正順）または逆順に通る経路を、経路Ａと称する。交流電源１１１、抵抗１４０、コンデンサ１６０、抵抗１４２およびコンデンサ１６１をこの順（正順）または逆順に通る経路を、経路Ｂと称する。交流電源１１１、抵抗１４０、コンデンサ１６０、抵抗１４２、抵抗１４３およびコンデンサ１６２をこの順（正順）または逆順に通る経路を、経路Ｃと称する。交流電源１１１、抵抗１４０、コンデンサ１６０、抵抗１４２、抵抗１４３、抵抗１４４およびプルアップ抵抗１４５をこの順（正順）または逆順に通る経路を、経路Ｄと称する。
【００４９】
上述のように、非燃焼状態においては、フレームロッド１０１と燃焼器１０２の間では電流は実質的に流れない。すなわち、電流は経路Ａを実質的に流れない。また、非燃焼状態においては、交流電源１１１が充放電回路１３０に正電圧を印加しているとき（正サイクル）に経路Ｂを正順に流れる電流の大きさと、交流電源１１１が充放電回路１３０に負電圧を印加しているとき（負サイクル）に経路Ｂを逆順に流れる電流の大きさとが実質的に同じとなる。同様に、正サイクルにおいて経路Ｃを正順に流れる電流の大きさと、負サイクルにおいて経路Ｃを逆順に流れる電流の大きさとが実質的に同じとなる。同様に、正サイクルにおいて経路Ｄを正順に流れる電流の大きさと、負サイクルにおいて経路Ｄを逆順に流れる電流の大きさとが実質的に同じとなる。このため、非燃焼状態においては、交流電源１１１からコンデンサ１６０、コンデンサ１６１およびコンデンサ１６２に電荷がチャージされない。非燃焼状態が継続すると、出力部１３５の電位は、プルアップ電位に収束する。本実施形態では、出力部１３５の電位は、部分１３３の電位と同じ電位に収束する。
【００５０】
上述のように、燃焼状態においては、フレームロッド１０１は、燃焼器１０２からフレームロッド１０１に向かう方向に比べてフレームロッド１０１から燃焼器１０２に向かう方向に電流が流れ易い整流特性を示す。すなわち、燃焼状態においては、正サイクルにおいて電流は経路Ａを正順に流れる。正サイクルにおいて、経路Ｂを正順に流れる電流の大きさ、経路Ｃを正順に流れる電流の大きさ、経路Ｄを正順に流れる電流の大きさは、経路Ａを正順に流れる電流の大きさに比べて非常に小さくなる。このため、正サイクルにおいては、交流電源１１１は、コンデンサ１６０，１６１および１６２の電荷の変化にほとんど寄与しない。他方、燃焼状態においては、負サイクルにおいて経路Ａを逆順に流れる電流は実質的にゼロとなる。負サイクルにおいて、経路Ｂを逆順に流れる電流、経路Ｃを逆順に流れる電流および経路Ｄを逆順に流れる電流によって、抵抗１４３の両端および抵抗１４４の両端の電位が低くなるように電荷がコンデンサ１６０，１６１および１６２にチャージされる。燃焼状態において正サイクルと負サイクルが繰り返され、抵抗１４３の両端および抵抗１４４の両端の電位がプルアップ電位よりも低い平滑された電位となる。出力部１３５の電位も同様である。
【００５１】
燃焼状態から非燃焼状態に切り替わると、交流電源１１１からコンデンサ１６０，１６１および１６２にチャージされた電荷がなくなっていき、抵抗１４３の両端および抵抗１４４の両端の電位が上昇していく。出力部１３５の電位は、プルアップ電位に向かって上昇していく。
【００５２】
［電圧制限部１８０］
電圧制限部１８０は、充放電回路１３０に接続されている。電圧制限部１８０は、燃焼状態における出力部１３５の電位の下限を規定する。以下では、この下限をクランプ電位と称することがある。
【００５３】
本実施形態では、電圧制限部１８０は、ダイオードである。図１Ｂに示すように、ダイオード（第１のダイオード）１８０は、アノード１８０ａおよびカソード１８０ｃを有している。カソード１８０ｃは、充放電回路１３０に接続されている。具体的に、カソード１８０ｃは、フィルタ出力部１３７ｏに接続されている。充放電回路１３０は、フィルタ出力部１３７ｏとカソード１８０ｃとの間に抵抗等の素子を含んでいてもよい。カソード１８０ｃは、コンパレータ側回路１３８ｃに接続されていてもよい。アノード１８０ａには、第２固定電位が印加されている。本実施形態では、第２固定電位は接地電位である。
【００５４】
ダイオード１８０としては、シリコンダイオード、ゲルマニウムダイオード、ＳｉＣダイオード（シリコンカーバイドダイオード）およびＧａＮダイオード（窒化ガリウムダイオード）が例示される。ダイオード１８０として、定電圧ダイオードを用いることができる。なお、電圧制限部１８０は、ダイオードでなくてもよい。
【００５５】
［コンパレータ１７０］
図１Ｃに示すように、コンパレータ１７０は、正側電源端子１７１と、負側電源端子１７２と、非反転側入力端子１７３と、反転側入力端子１７４と、出力端子１７５と、を有している。
【００５６】
正側電源端子１７１には、第２の直流電源１２２によって接地電位よりも高い電位が印加されている。負側電源端子１７２には、第３の直流電源１３３によって接地電位よりも低い電位が印加されている。正側電源端子１７１の電位が接地電位よりも高く負側電源端子１７２の電位が接地電位よりも低いことによって、接地電位よりも高い電位および接地電位よりも低い電位の両方を反転側入力端子１７４に印加することが可能となっている。具体的には、プルアップ電位とクランプ電位の両方を反転側入力端子１７４に印加することが可能となっている。なお、正側電源端子１７１の電位と接地電位との電位差は、接地電位と負側電源端子１７２の電位との電位差と同じであってもよく異なっていてもよい。非反転側入力端子１７３には、第１固定電位が印加されている。第１固定電位は、燃焼状態における出力部１３５の電位の下限（クランプ電位）よりも高く、プルアップ電位よりも低い。反転側入力端子１７４には、充放電回路１３０の出力部１３５が接続されている。出力端子１７５は、第１固定電位および出力部１３５の電位によって定まる出力電位を出力する。
【００５７】
本実施形態では、第１固定電位は接地電位である。
【００５８】
後述のように、第１固定電位とクランプ電位との差を小さくすることは、素早い失火検出の観点から有利である。この差は、例えば０．２Ｖ〜０．７Ｖである。
【００５９】
なお、本実施形態では、抵抗１４４を設けることによって、クランプ電位を調整している。具体的に、本実施形態では、第１の直流電源１２１と電圧制限部１８０の間の電圧を、抵抗１４５と抵抗１４４とで分圧している。このようにすれば、クランプ電位を適度に高くし易くなり、クランプ電位を第１固定電位に適度に近づけ易くなる。
【００６０】
［フォトカプラ１８５］
フォトカプラ１８５は、フォトダイオード１８６およびフォトトランジスタ１８７を有している。フレームロッド回路１００は、コンパレータ１７０の出力電位およびフォトカプラ１８５を用いて、失火検知信号を生成することができるように構成されている。
【００６１】
具体的に、フォトダイオード１８６には、出力端子１７５の出力電位に応じた電流が流れる。フォトダイオード１８６は、この電流に応じた光を発する。フォトトランジスタ１８７には、フォトダイオード１８６が発した光に応じた電流が流れる。この電流は、第４の直流電源１２４から供給される。
【００６２】
第２の直流電源１２２、抵抗１４８、フォトダイオード１８６およびコンパレータ１７０の出力端子１７５は、この順に接続されている。抵抗１４８は、フォトダイオード１８６に流れる電流を制限する役割を担っている。
【００６３】
第４の直流電源１２４と、抵抗１４９と、抵抗１５０と、フォトトランジスタ１８７とは、この順に接続されている。コンデンサ１６３には、抵抗１４９および抵抗１５０の間の電位と同じ電位が印加される。コンデンサ１６３は、信号生成部１９０に接続されている。信号生成部１９０は、コンデンサ１６３の電位を用いて失火検知信号を生成する。
【００６４】
［コンパレータ１７０の反転側入力端子１７４の電位と失火検出のタイミングとの関係］
図２を用いて、コンパレータ１７０の反転側入力端子１７４の電位（つまり、充放電回路１３０の出力部１３５の電位）と失火検知のタイミングとの関係について説明する。図２の例では、時刻ｔ１で燃焼器１０２が失火する。時刻ｔ１までは、反転側入力端子１７４の電位は、クランプ電位に追従している。時刻ｔ１以降では、反転側入力端子１７４の電位が上昇している。時刻ｔ２において、反転側入力端子１７４の電位が第１固定電位を超え、コンパレータ１７０の出力端子１７５の出力電位がハイレベルからローレベルに切り替わり、フォトダイオード１８６に電流が流れ、フォトダイオード１８６が光を発し、フォトトランジスタ１８７に電流が流れ、コンデンサ１６３の電位が変化し、信号生成部１９０によって失火検知信号が生成される。すなわち、時刻ｔ２とほぼ同じ時刻に失火が検知される。
【００６５】
図２に示されているように、本実施形態では、電圧制限部（ダイオード）１８０を用いることで、燃焼状態における反転側入力端子１７４の電位をクランプ電位に追従させ、反転側入力端子１７４の電位が過度に低くならないようにしている。このようにすれば、燃焼器１０２が失火する時刻ｔ１と反転側入力端子１７４の電位が第１固定電位に達する時刻ｔ２とのタイムラグを小さくすることができる。すなわち、失火が発生するタイミングと失火検知のタイミングとの間のタイムラグを小さくすることができる。
【００６６】
タイムラグを小さくすることができるという効果について、図３および図４を用いてさらに説明する。図３のフレームロッド回路１９９と図１Ａのフレームロッド回路１００の主要な相違は、フレームロッド回路１９９では、コンパレータ１７０ではなく電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１７７が用いられていることと、ダイオード１８０のカソード１８０ｃではなくアノード１８０ａが充放電回路（図３では充放電回路１３９）に接続されていることである。なお、図３において、「Ｇ」はＦＥＴ１７７のゲートを指し、「Ｄ」はＦＥＴ１７７のドレインを指し、「Ｓ」はＦＥＴ１７７のソースを指す。また、図３のダイオード１８０は、定電圧ダイオードである。
【００６７】
フレームロッド回路１９９では、ＦＥＴ１７７のゲートＧの電位（ゲート電位）がゲート閾値電位以下であれば、第２の直流電源１２２からＦＥＴ１７７のドレインＤへと電流が流れない。ゲート電位がゲート閾値電位よりも高ければ、第２の直流電源１２２からＦＥＴ１７７のドレインＤへと電流が流れる。電流が流れていない期間は、フレームロッド１０１が火炎に曝されていると判断し得る期間である。電流が流れている期間は、フレームロッド１０１が火炎に曝されていないと判断し得る期間である。すなわち、フレームロッド回路１９９では、電流が流れ出したタイミングで、失火が検知される。
【００６８】
フレームロッド回路１９９を用いる場合にも、燃焼状態におけるゲート電位が過度に低くならないようにすれば、燃焼器１０２が失火するタイミングと失火を検知するタイミングとの間のタイムラグを小さくすることができる。フレームロッド回路１００と同様、フレームロッド回路１９９においても、ダイオード１８０によってＦＥＴ１７７のゲートの電位の下限（クランプ電位）が規定されている。ただし、ＦＥＴ１７７は特性バラツキが大きく、ゲート閾値電位にはバラツキがあり、このことがクランプ電位に制約を与える。すなわち、クランプ電位とゲート閾値電位との差が過度に小さくなるようにフレームロッド回路１９９を設計してフレームロッド回路１９９を量産すると、クランプ電位がゲート閾値電位よりも高い不良品（着火を検出できない不良品）が発生するおそれが高くなる。このため、フレームロッド回路１９９では、クランプ電位とゲート閾値電位との差をそれほど小さくすることはできない。図３でダイオード１８０のアノード１８０ａが充放電回路１３９に接続されているのは、比較的大きい逆方向電圧降下を利用してクランプ電位とゲート閾値電位との差をある程度大きくせざるを得ないという事情を表している。そして、図４は、クランプ電位とゲート閾値電位との差がそれほど小さくないため、失火が発生する時刻ｔ１と失火を検知する時刻ｔ３との間のタイムラグをそれほど小さくすることができないことを表している。
【００６９】
コンパレータ１７０は、ＦＥＴ等に比べて、特性のバラツキが小さい。このため、クランプ電位と第１固定電位との差が小さくなるようにフレームロッド回路１００を設計してフレームロッド回路１００を量産しても、クランプ電位が第１固定電位よりも高い不良品が発生するおそれは低い。すなわち、コンパレータ１７０を用いてフレームロッド回路１００を構成するという特徴は、クランプ電位と第１固定電位との差を小さくすることによって失火を素早く検知する観点から有利な特徴である。実際に、本実施形態では、ダイオード１８０のカソード１８０ｃを充放電回路１３０に接続し、比較的小さい順方向電圧降下を利用することで、クランプ電位と第１固定電位との差を小さくし、失火を素早く検知することに適したフレームロッド回路１００が実現されている。
【００７０】
また、コンパレータ１７０の出力電位は、反転側入力端子１７４の電位が非反転側入力端子１７３の電位よりも高くなると、瞬時にハイレベルからローレベルに切り替わる。このことは、素早い失火検知に有利である。
【００７１】
本実施形態では、フレームロッド回路１００はローパスフィルタ部１３７を含んでいる。ローパスフィルタ部１３７があれば、充放電回路１３０の出力部１３５の電位のリップル成分を小さくすることができる。このため、コンパレータ１７０を安定して動作させることができる。
【００７２】
本実施形態では、第１固定電位は、接地電位である。このことは、フレームロッド回路１００の作製を容易とする。
【００７３】
本実施形態では、ダイオード１８０のアノード１８０ａに、第２固定電位（具体的には接地電位）を印加している。このことは、フレームロッド回路１００の作製を容易とする。
【００７４】
ただし、ダイオード１８０のアノード１８０ａに印加される電位は、固定電位でなくてもよい。変形例に係るフレームロッド回路は、温度補償用ダイオード１８８を有する。そして、ダイオード１８０の温度変化に伴う順方向電圧降下の変動による出力部１３５の電位の下限（クランプ電位）の変動が緩和されるように、ダイオード１８０のアノード１８０ａに、温度補償用ダイオード１８８の順方向電圧降下を利用して生成された電位が印加される。このようにすれば、フレームロッド回路の動作の安定性を高めることができる。
【００７５】
図１Ｄおよび図１Ｅを用いて変形例に係るフレームロッド回路を説明する。図１Ｄおよび図１Ｅに示す変形例では、図１Ａに示す例とは異なり、ダイオード１８０のアノード１８０ａおよびコンパレータ１７０の非反転側入力端子１７３が接地されていない。その代わりに、ダイオード１８０の順方向電圧降下に相当する分だけ接地電位よりも高い電位がアノード１８０ａに印加されている。また、接地電位よりも高い第１固定電位が非反転側入力端子１７３に印加されている。
【００７６】
具体的に、図１Ｄに示す変形例では、ダイオード１８０と同じ特性を有する温度補償用ダイオード１８８を用いて、ダイオード１８０の順方向電圧降下に相当する分だけ接地電位よりも高い電位がアノード１８０ａに印加されるようになっている。より具体的に、図１Ｄに示す変形例では、第２の直流電源１２２、電流制限用の抵抗１５３、温度補償用ダイオード１８８のアノード、温度補償用ダイオード１８８のカソードおよび接地電位部をこの順に通る電気経路が形成されている。温度補償用ダイオード１８８のアノードとコンパレータ１７８の非反転側入力端子とが接続されている。これにより、温度補償用ダイオード１８８の順方向電圧降下の分だけ接地電位よりも高い電位がコンパレータ１７８の非反転側入力端子に印加されている。コンパレータ１７８の反転側入力端子と出力端子とは同電位に接続されている。これにより、コンパレータ１７８はバッファ（ボルテージフォロア）として動作し、出力端子の電位は非反転側入力端子の電位と同じとなる。出力端子の電位、すなわち温度補償用ダイオード１８８の順方向電圧降下の分だけ接地電位よりも高い電位が、アノード１８０ａに印加される。
【００７７】
図１Ｅに示す変形例でも、図１Ｄに示す変形例と同様、ダイオード１８０と同じ特性を有する温度補償用ダイオード１８８が用いられ、第２の直流電源１２２、電流制限用の抵抗１５３、温度補償用ダイオード１８８のアノード、温度補償用ダイオード１８８のカソードおよび接地電位部をこの順に通る電気経路が形成されている。ただし、温度補償用ダイオード１８８のアノードとアノード１８０ａが接続されている。このようにしても、温度補償用ダイオード１８８の順方向電圧降下の分だけ接地電位よりも高い電位をアノード１８０ａに印加することができる。
【００７８】
温度補償用ダイオード１８８の順方向電圧降下は、ダイオード１８０の順方向電圧降下と実質的に同じである。要するに、図１Ｄおよび図１Ｅに示す変形例では、ダイオード１８０の順方向電圧降下に相当する分だけ接地電位よりも高い電位がアノード１８０ａに印加され、アノード１８０ａとカソード１８０ｃとの間で同じ分だけ電圧が降下する。このようにすれば、ダイオード１８０の温度変化に伴う順方向電圧降下の変動が相殺される。
【００７９】
上記のようにダイオード１８０の順方向電圧降下の変動を相殺する場合、クランプ電位と接地電位とが非常に接近する。この状況において非反転側入力端子１７３に接地電位を印加すると、コンパレータ１７０が誤動作して適切な失火検出が難しくなることがある。そこで、図１Ｄおよび図１Ｅに示す例では、第２の直流電源１２２、抵抗１５１、抵抗１５２および接地電位部をこの順に接続している。これにより、第２の直流電源と接地電位部との間の電圧が抵抗１５１および抵抗１５２で分圧される。分圧により得られた電位（抵抗１５１および抵抗１５２の間の電位）は、非反転側入力端子１７３に印加されている。このようにすれば、非反転側入力端子１７３に印加される第１固定電位を接地電位よりも適度に高くすることができ、コンパレータ１７０の誤動作を抑制することができる。ただし、上記のようにダイオード１８０の順方向電圧降下の変動を相殺する場合であっても、非反転側入力端子１７３に接地電位を印加することもできる。
【００８０】
［燃料電池システムへの応用］
フレームロッド回路１００を含む燃料電池システムを構成することができる。図５に、そのような燃料電池システムの例を示す。
【００８１】
図５に示す燃料電池システム２００は、フレームロッド回路１００と、水素生成器２０１と、原料供給部２０２ａと、原料供給部２０２ｂと、水供給器２０３と、燃料ガス供給経路２０４ａと、オフ燃料ガス経路２０４ｂと、燃料電池２０５と、ブロアー２０６と、酸化剤ガス経路２０７と、第１の排ガス熱交換器２０８と、第２の排ガス熱交換器２０９と、空気供給器２１０と、空気流量計２１１と、オフ燃焼ガス経路２１２と、オフ酸化剤ガス経路２１３と、ＣＯセンサユニット（一酸化炭素センサユニット）２３０と、排熱回収媒体経路２１８と、制御器２５０と、を備えている。水素生成器２０１は、改質器２０１ａと、燃焼器２０１ｂと、を有している。なお、図５においては、フレームロッド回路１００の図示は省略している。
【００８２】
原料供給部２０２ａは、改質器２０１ａに接続されている。原料供給部２０２ａは、改質器２０１ａに原料ガスを供給する。本実施形態の原料供給部２０２ａは、改質器２０１ａに流入する原料ガスの流量を調整可能である。原料供給部２０２ａは、流量調整弁とポンプで構成され得る。原料供給部２０２ａは、流量を調整可能なポンプでも構成され得る。
【００８３】
原料供給部２０２ａから改質器２０１ａに供給される原料ガスは、成分として少なくとも炭化水素を有する気体である。原料ガスは、例えば、天然ガス、ＬＰガスである。
【００８４】
原料供給部２０２ｂは、燃焼器２０１ｂに接続されている。原料供給部２０２ｂは、燃焼器２０１ｂに原料を供給する。本実施形態では、この原料は、液体または気体である。本実施形態の原料供給部２０２ｂは、燃焼器２０１ｂに流入する原料の流量を調整可能である。原料供給部２０２ｂは、流量調整弁とポンプで構成され得る。原料供給部２０２ｂは、流量を調整可能なポンプでも構成され得る。
【００８５】
原料供給部２０２ｂから燃焼器２０１ｂに供給される原料は、成分として少なくとも炭化水素を有するものである。原料は、例えば、天然ガス、石炭、石油、メタンハイドレート等の化石燃料である。原料は、都市ガスであってもよい。
【００８６】
水供給器２０３は、改質器２０１ａに接続されている。水供給器２０３は、改質器２０１ａに水（改質反応に必要な水分）を供給する。水供給器２０３は、改質器２０１ａに流入する水の流量を調整可能である。水供給器２０３は、流量調整弁とポンプで構成され得る。水供給器２０３は、流量を調整可能なポンプでも構成され得る。本実施形態では、水供給器２０３は、凝縮水タンク（図示せず）で貯えられている凝縮水を、改質器２０１ａに供給する。凝縮水タンクに貯えられている凝縮水は、若干の不純物を含むことがある。一具体例では、凝縮水タンクに貯えられている凝縮水は、イオン交換樹脂を供えている浄化器（図示せず）において純水化され、その後水供給器２０３によって改質器２０１ａに供給される。
【００８７】
空気供給器２１０は、空気流量計２１１を介して燃焼器２０１ｂに接続されている。空気供給器２１０は、燃焼器２０１ｂに空気を供給する。
【００８８】
ブロアー２０６は、酸化剤ガスを燃料電池２０５のカソードに供給する。酸化剤ガスは、酸素を含むものであり、本実施形態では空気である。
【００８９】
燃焼器２０１ｂは、原料供給部２０２ｂから供給された原料を燃焼させ、改質器２０１ａを加熱する。
【００９０】
改質器２０１ａは、原料ガスと水を改質反応させて、水素を含む燃料ガスを生成する。改質器２０１ａで生成された燃料ガスは、燃料ガス供給経路２０４ａを介して、燃料電池２０５のアノード（図示せず）に供給される。
【００９１】
フレームロッド回路１００は、燃焼器２０１ｂの失火を検知する。フレームロッド回路１００のフレームロッド１０１は、燃焼器２０１ｂで生じる火炎に曝される位置に配置されている。
【００９２】
燃料電池２０５は、アノードとカソード（図示せず）を有している。燃料電池２０５として、高分子電解質形燃料電池、直接内部改質型固体酸化物形燃料電池、間接内部改質型固体酸化物形燃料電池等の各種の燃料電池を用いることができる。本実施形態においては、水素生成器２０１と燃料電池２０５とを別々に構成している。ただし、水素生成器２０１と燃料電池２０５とを一体化することもできる。これらを一体化させる場合の燃料電池２０５としては、固体酸化物形燃料電池が例示される。これらを一体化させる場合、水素生成器２０１と燃料電池２０５とが共通の断熱材で覆われた一つのユニットとして構成され、燃焼器２０１ｂは改質器２０１ａだけでなく燃料電池２０５も加熱することができる。また、改質器２０１ａと燃料電池２０５のアノードと一体化することもできる。これらを一体化させる場合の燃料電池２０５としては、直接内部改質型固体酸化物形燃料電池が例示される。
【００９３】
燃料電池２０５では、アノードに供給された燃料ガスと、カソードに供給された酸化剤ガスとが反応する。これにより、水と、電気と、熱とが生じる。発生した電気は、図示されない電力調整器により、外部電力負荷（例えば、家庭の電気機器）に供給される。また、発生した熱は、燃料電池２０５内を通流する冷却水（図示せず）によって回収される。
【００９４】
燃料電池２０５で使用されなかった酸化剤を含むガスは、オフ酸化剤ガスとしてオフ酸化剤ガス経路２１３に流入する。
【００９５】
燃料電池２０５で発電に利用されなかった水素を含むガスは、オフ燃料ガスとして、オフ燃料ガス経路２０４ｂを介して、燃焼器２０１ｂに供給される。オフ燃料ガスは、燃焼器２０１ｂにおいて燃焼する。これにより、オフ燃焼ガスが生成される。オフ燃焼ガスは、改質器２０１ａを加熱し、次にオフ燃焼ガス経路２１２に流入する。典型的には、オフ燃焼ガスには、酸素、二酸化炭素、窒素、一酸化炭素および窒素酸化物が含まれている。
【００９６】
排熱回収媒体経路２１８は、その一部が燃料電池システム２００外に位置するように設けられている。排熱回収媒体経路２１８は、第１の排ガス熱交換器２０８および第２の排ガス熱交換器２０９を通っている。具体的には、排熱回収媒体経路２１８は、その内部を通流する熱媒体が第１の排ガス熱交換器２０８および第２の排ガス熱交換器２０９をこの順で通るように設けられている。熱媒体は、各熱交換器で他の熱媒体と熱交換しながら通流する。熱媒体としては、水、不凍液（例えば、エチレングリーコール含有液）等を用いることができる。
【００９７】
第１の排ガス熱交換器２０８は、排熱回収媒体経路２１８とオフ燃焼ガス経路２１２とが熱的に接触するように設けられている。第１の排ガス熱交換器２０８において、排熱回収媒体経路２１８を通流する熱媒体とオフ燃焼ガス経路２１２を通流するオフ燃焼ガスとの間で熱交換が行われる。
【００９８】
第２の排ガス熱交換器２０９は、排熱回収媒体経路２１８とオフ酸化剤ガス経路２１３が熱的に接触するように設けられている。第２の排ガス熱交換器２０９において、排熱回収媒体経路２１８を通流する熱媒体とオフ酸化剤ガス経路２１３を通流するオフ酸化剤ガスとの間で熱交換が行われる。
【００９９】
オフ燃焼ガス経路２１２は、第１の排ガス熱交換器２０８とともに、ＣＯセンサユニット２３０を通っている。オフ燃焼ガスは、第１の排ガス熱交換器２０８を通り過ぎた後に、ＣＯセンサユニット２３０に至る。オフ酸化剤ガス経路２１３は、第２の排ガス熱交換器２０９とともに、ＣＯセンサユニット２３０を通っている。オフ酸化剤ガスは、第２の排ガス熱交換器２０９を通り過ぎた後に、ＣＯセンサユニット２３０に至る。
【０１００】
ＣＯセンサユニット２３０は、オフ燃焼ガスおよびオフ酸化剤ガスにおけるＣＯ（一酸化炭素）の検知に用いられる。図６に示すように、ＣＯセンサユニット２３０は、前弁２３１と、後弁２３２と、ヒータ２３３と、ＣＯセンサ２３４と、メイン流路２３５と、隔離流路２３６と、を有している。なお、図６では、オフ酸化剤ガスを一点鎖線で模式的に表し、オフ燃焼ガスを二点鎖線で模式的に表している。また、オフ酸化剤ガスに符号２４１を付し、オフ燃焼ガスに符号２４２を付している。
【０１０１】
ＣＯセンサユニット２３０は、前弁２３１および後弁２３２が開かれているとき、メイン流路２３５を流れるオフ酸化剤ガス２４１およびオフ燃焼ガス２４２の一部が隔離流路２３６に流れ込むように構成されている。隔離流路２３６に流れ込んだこれらのガスは、ＣＯセンサ２３４に到達する。
【０１０２】
ＣＯセンサ２３４は、ＣＯ濃度に応じた信号を制御器２５０に送る。制御器２５０は、信号の大きさに基づいて、燃焼器２０１ｂの火炎から発生するＣＯ量（一酸化炭素の量）を推定し、燃焼器２０１ｂの燃焼状態を評価する。具体的に、制御器２５０は、燃焼器２０１ｂの火炎から発生するＣＯ量が所定の閾値を超えている場合、燃焼状態が不良であると判定し、原料供給部２０２ａから改質器２０１ａへの原料ガスの供給を停止する指示を行う。また、制御器２５０は、原料供給部２０２ｂから燃焼器２０１ｂへの原料の供給を停止し、燃焼器２０１ｂにおける燃焼を停止する指示を行う。ＣＯセンサ２３４の検知部（先端）は、隔離流路２３６に挿入されている。
【０１０３】
本実施形態では、ＣＯセンサ２３４は接触燃焼式のセンサである。オフ燃焼ガス中のＣＯ（一酸化炭素）は、ＣＯセンサ２３４の検知部分に接する位置で燃焼する。ＣＯセンサ２３４は、この燃焼に伴う温度上昇を電気抵抗に変換し、電圧出力（信号）を生成する。このような構成によれば、燃焼器２０１ｂにおいてどのような燃料ガスで燃焼しても、燃料ガスの流量が変化してオフ燃焼ガスの温度が変化しても、オフ燃焼ガス中のＣＯ濃度の測定および燃焼状態の評価を容易に行うことができる。
【０１０４】
ヒータ２３３は、ＣＯセンサ２３４の結露を防止する。
【０１０５】
前弁２３１および後弁２３２は、制御器２５０によって開閉される。
【０１０６】
［制御の詳細］
以下、燃料電池システム２００においてどのような制御が行われるのかを具体的に説明する。なお、説明の便宜上、以下では、水素生成器２０１の動作についても言及する。
【０１０７】
上述のように、燃料電池システム２００では、原料が燃焼器２０１ｂに供給され、燃焼する。これにより改質器２０１ａが加熱される。原料ガスの改質に必要な温度に改質器２０１ａの温度が達すると、原料ガスが改質器２０１ａに供給される。また、水供給器２０３によって、改質器２０１ａに水が供給される。そして、改質器２０１ａにおいて原料ガスが改質されて、水素リッチな燃料ガスが生成される。また、燃料電池システム２００の発電時は、水素生成器２０１から燃料電池２０５に供給された燃料ガスの残りとして排出されるオフ燃料ガスを燃料ガスとして使用し、改質器２０１ａの触媒層（図示せず）を加熱し、水蒸気改質反応を促進していく。オフ燃料ガスの燃焼により、オフ燃焼ガスが発生する。
【０１０８】
ＣＯセンサユニット２３０では、オフ燃焼ガス中のＣＯ濃度の連続測定が行われる。これにより、燃焼器２０１ｂの火炎の状態が評価される。例えば、空気供給器２１０における排気閉塞または給気閉塞が原因で空気不足になると、燃焼器２０１ｂでＣＯが発生する。ＣＯの発生は、ＣＯセンサユニット２３０を用いて検知される。具体的に、ＣＯセンサユニット２３０は、ＣＯ濃度に応じた信号を生成し、その信号を制御器２５０に送る。制御器２５０では、その信号の値が所定の値（例えばＪＩＳ等で規定されるＣＯの最大排出量に相当する閾値）を超える時は、燃焼器２０１ｂの燃焼状態を不良と判定し、改質器２０１ａおよび燃焼器２０１ｂを停止させる指示を行う。また、制御器２５０は、燃料電池システム２００の他の構成要素に対しても、停止の指示を行う。また、気温の低下、原料ガスの供給不良等によって燃焼器２０１ｂへの原料ガスの供給量が減少すると、燃焼器２０１ｂが空気過剰となってＣＯが発生する。制御器２５０は、この場合の燃焼状態も、ＣＯセンサユニット２３０からの信号に基づいて判定することができる。
【０１０９】
上述のように、本実施形態では、ＣＯセンサユニット２３０は、ＣＯ濃度に応じた信号を制御器２５０に送る。制御器２５０では、その信号の値が所定の値（例えばＪＩＳ等で規定されるＣＯの最大排出量に相当する閾値）を超えるときは、燃焼器２０１ｂの燃焼状態を不良と判定し、燃焼器２０１ｂを停止させる指示を行う。ただし、別の制御も採用され得る。制御器２５０は、信号の値が上記の所定の値に達する前に、ＣＯ濃度が低下するように空気供給器２１０を制御するものであってもよい。例えば、空気不足が原因でＣＯ濃度が高くなっている場合には、空気供給器２１０から燃焼器２０１ｂへの空気の流入量を増やせばよい。具体的には、信号の値が上記の所定の値に達していないときに、ＣＯ濃度が上昇する毎に燃焼器２０１ｂへの空気の流入量を増やし、空気供給器２１０の能力の限界となりかつ信号の値が上記の所定の値を超えた場合に燃焼器２０１ｂを停止するという制御も採用され得る。
【０１１０】
上述のように、フレームロッド回路１００のフレームロッド１０１は、燃焼器２０１ｂで生じる火炎に曝される位置に配置される。フレームロッド回路１００は、コンパレータ１７０の出力電位およびフォトカプラ１８５を用いて失火検知信号を生成し、失火検知信号を制御器２５０に送る。制御器２５０は、失火検知信号を受信したとき、ＣＯセンサユニット２３０の前弁２３１および後弁２３２を閉じる指示を行う。また、制御器２５０は、失火検知信号を受信したとき、原料供給部２０２ａから改質器２０１ａへの原料ガスの供給を停止する指示を行う。また、制御器２５０は、失火検知信号を受信したとき、原料供給部２０２ｂから燃焼器２０１ｂへの原料の供給を停止する指示を行う。
【０１１１】
燃焼器２０１ｂで失火が発生しているにも関わらず前弁２３１および後弁２３２を開いたままにすると、改質器２０１ａで生成された水素リッチなオフ燃料ガスが、燃焼器２０１ｂで消費されることなくＣＯセンサ２３４に到達してしまう。ＣＯセンサ２３４が水素に曝露されると、ＣＯセンサ２３４は劣化する。ＣＯセンサ２３４の劣化を防止する観点から、燃焼器２０１ｂで失火が発生したときには直ちに前弁２３１および後弁２３２を閉じた方がよい。この点、フレームロッド回路１００によれば、失火後素早く失火検知信号を生成することができる。そのようなフレームロッド回路１００を用いた制御によれば、失火後素早く前弁２３１および後弁２３２を閉じることができる。すなわち、ＣＯセンサ２３４の水素曝露を防止できる。
【０１１２】
なお、ＣＯセンサ２３４の水素曝露を防止する観点からは、図７に示す変形例のように、バッファタンク２１４を燃料電池システム内に設け、燃焼器２０１ｂから流出したオフ燃料ガスがバッファタンク２１４を経由してＣＯセンサユニット２３０に到達するようにすることも考えられる。このようにする場合には、水素リッチなオフ燃料ガスが燃焼器２０１ｂを流出してから前弁２３１および後弁２３２に到達するまでの時間がある程度確保されるため、そのある程度の時間内に前弁２３１および後弁２３２を閉じればよい。しかしながら、コスト削減のためには、バッファタンク２１４はないほうがよい。バッファタンク２１４なしでＣＯセンサ２３４の水素曝露を防止するには、燃焼器２０１ｂが失火するタイミングと失火を検知するタイミングとの間のタイムラグは小さい方がよい。この点、フレームロッド回路１００はこのタイムラグを小さくすることに適している。すなわち、燃料電池システム２００は、低コストでＣＯセンサ２３４の水素曝露を防止することに適している。具体的に、本実施形態によれば、燃焼器２０１ｂとＣＯセンサ２３４とがタンクを介さず接続されているにも関わらず、ＣＯセンサ２３４の水素曝露を防止することができる。
【０１１３】
なお、念のために断っておくが、本開示の技術は、バッファタンクを有する燃料電池システムにも適用可能である。バッファタンクがあっても上記タイムラグの小ささがＣＯセンサ２３４の水素曝露防止に寄与し得る場合はある。バッファタンクのサイズが小さい場合等がこれに該当する。もちろん、タンクの容量が大きい場合であっても、フレームロッド回路１００を用いることは可能である。図７に示すように、バッファタンク２１４には、オフ燃焼ガスの流れ方向に垂直な断面の成分の均一化を促進させるガス拡散板２１５を設けてもよい。また、バッファタンク２１４を通流するオフ燃焼ガスに含まれる水蒸気が凝縮することによって凝縮水が生じる場合に備えて、凝縮水を排出するための排水口２１６を設けることもできる。
【０１１４】
まとめると、本実施形態の燃料電池システム２００は、改質器２０１ａと、燃料電池２０５と、燃焼器２０１ｂと、空気供給器２１０と、ＣＯセンサ２３４と、開閉部（前弁２３１および後弁２３２）と、フレームロッド回路１００と、制御器２５０と、を含んでいる。改質器２０１ａは、炭化水素成分を含む原料ガスを改質させて水素を含む改質ガス（燃料ガス）を生成する。燃料電池２０５は、改質ガスを用いて発電し、発電に利用されなかった水素を含むガスである燃料排ガス（オフ燃料ガス）を排出する。燃焼器２０１ｂは、燃料電池２０５の発電時において、燃料排ガスを燃焼して改質器２０１ａを加熱する。空気供給器２１０は、燃焼器２０１ｂに空気を供給する。ＣＯセンサ２３４は、燃焼器２０１ｂから排出される燃焼排ガス（オフ燃焼ガス）中の一酸化炭素の検知に用いられる。開閉部は、燃焼器２０１ｂからＣＯセンサ２３４に燃焼排ガスを導く経路（オフ燃焼ガス経路２１２）を遮断可能である。フレームロッド回路１００は、燃焼器２０１ｂで生じる火炎に曝される位置にフレームロッド１０１が配置された状態で、コンパレータ１７０の出力電位およびフォトカプラ１８５を用いて失火検知信号を生成する。制御装置２５０は、失火検知信号を受信したときに、開閉部を閉じて上記経路を遮断する。
【０１１５】
燃料電池システム２００では、水素生成装置が構成されていると捉えることができる。本実施形態の水素生成装置は、改質器２０１ａと、燃焼器２０１ｂと、空気供給器２１０と、原料供給部２０２ｂと、ＣＯセンサ２３４と、フレームロッド回路１００と、制御器２５０と、を備えている。改質器２０１ａは、炭化水素成分を含む原料ガスを改質させて水素を含む改質ガス（燃料ガス）を生成する。燃焼器２０１ｂは、炭化水素成分を含む可燃性の原料を燃焼して改質器２０１ａを加熱する。空気供給器２１０は、燃焼器２０１ｂに空気を供給する。原料供給部２０２ｂは、燃焼器２０１ｂに可燃性の原料を供給する。ＣＯセンサ２３４は、燃焼器２０１ｂから排出される燃焼排ガス（オフ燃焼ガス）中の一酸化炭素の検知に用いられる。フレームロッド回路１００は、燃焼器２０１ｂで生じる火炎に曝される位置にフレームロッド１０１が配置された状態で、コンパレータ１７０の出力電位およびフォトカプラ１８５を用いて失火検知信号を生成する。制御器２５０は、失火検知信号を受信したときに、改質器２０１ａへの原料ガスの供給を停止する。
【符号の説明】
【０１１６】
１００，１９９  フレームロッド回路
１０１  フレームロッド
１０２  燃焼器
１１１  交流電源
１２１〜１２４  直流電源
１３０，１３９  充放電回路
１３１〜１３４  部分
１３５  出力部
１３７  ローパスフィルタ部
１３８ｃ  コンパレータ側回路
１３８ｒ  ロッド側回路
１４０〜１４４，１４８〜１５３  抵抗
１４５  プルアップ抵抗
１６０〜１６３  コンデンサ
１７０，１７８  コンパレータ
１７１  正側電源端子
１７２  負側電源端子
１７３  非反転側入力端子
１７４  反転側入力端子
１７５  出力端子
１７７  電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）
１８０  電圧制限部（ダイオード）
１８０ａ  アノード
１８０ｃ  カソード
１８８  温度補償用ダイオード
１８５  フォトカプラ
１８６  フォトダイオード
１８７  フォトトランジスタ
１９０  信号生成部
２００  燃料電池システム
２０１  水素生成器
２０１ａ  改質器
２０１ｂ  燃焼器
２０２ａ，２０２ｂ  原料供給部
２０３  水供給器
２０４ａ  燃料ガス供給経路
２０４ｂ  オフ燃料ガス経路
２０５  燃料電池
２０６  ブロアー
２０７  酸化剤ガス経路
２０８  第１の排ガス熱交換器
２０９  第２の排ガス熱交換器
２１０  空気供給器
２１１  空気流量計
２１２  オフ燃焼ガス経路
２１３  オフ酸化剤ガス経路
２１４  バッファタンク
２１５  ガス拡散板
２１６  排水口
２１８  排熱回収媒体経路
２３０  ＣＯセンサユニット
２３１  前弁
２３２  後弁
２３３  ヒータ
２３４  ＣＯセンサ
２３５  メイン流路
２３６  隔離流路
２４１  オフ酸化剤ガス
２４２  オフ燃焼ガス
２５０  制御器
【図１Ａ】
2018031547.tif 000003
【図１Ｂ】
2018031547.tif 000004
【図１Ｃ】
2018031547.tif 000005
【図１Ｄ】
2018031547.tif 000006
【図１Ｅ】
2018031547.tif 000007
【図２】
2018031547.tif 000008
【図３】
2018031547.tif 000009
【図４】
2018031547.tif 000010
【図５】
2018031547.tif 000011
【図６】
2018031547.tif 000012
【図７】
2018031547.tif 000013