JP5105374B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料ガス生成器に供給する発電原料、燃料電池の燃料極から排出されるオフガスまたは水素生成器で生成される生成ガス(燃料ガス)を、前記燃料ガス生成器を加熱するための燃焼用燃料として利用する燃料電池発電装置に関する。
従来の燃料電池を用いた発電装置について、図3および図4を用いて説明する。図3は、従来の燃料電池発電装置の構成を示す図である。また、図4は、従来の燃料電池発電装置の制御回路の構成を示す図である。図3の燃料電池1においては、空気極2と燃料極3とが高分子電解質膜4を挟んで配置され、空気極2の上流側は空気を供給するブロア5に連通されている。水素生成器(燃料ガス生成器)6には天然ガスまたはメタノールなどの原料である発電燃料Xおよび水蒸気改質反応に必要な水Yが供給され、得られる燃料ガスGは切替弁7を経て燃料極3に供給され、燃料極3と接する所定の流路を下流側へ向かって流れる。このとき、燃料ガスG中の水素のうち必要な量の水素だけが電極反応で消費され、残った水素などはオフガスOGとして燃焼器8に供給される。燃料ガスGを燃料極3に供給しない場合には、燃料ガスGは切替弁7を経て燃焼器8に供給される。
通常、燃料電池発電装置が停止している間は、燃料ガス生成器6および燃料極3などの燃料ガスGおよびオフガスOGの流路は、チッ素などの不活性ガスで満たされている。また、燃料電池発電装置を起動しても、燃料ガス生成器6の温度が安定するまでは、燃料ガスG中の一酸化炭素濃度が高い。一酸化炭素は燃料電池1の高分子電解質膜4にある電極の触媒を劣化させるため、一酸化炭素濃度が高い燃料ガスGを燃料電池1に送ることはできず、起動後数十分〜数時間の間、燃料ガスGは切替弁7を経て燃焼器8に供給される。起動後数十分〜数時間経過して、燃料ガス生成器6の温度が安定した後、燃料電池1にて発電を開始するときに燃料ガスGは切替弁7を経て燃料極3に供給される。
燃焼器8に供給された燃料ガスGまたはオフガスOGはファン9から供給された空気によって燃焼して燃焼室10に火炎11を形成し、燃焼ガスによって燃料ガス生成器6を加熱する。燃焼室10の火炎11は、火炎に所定の電圧を印加したときに流れるイオン電流によって火炎検知される。
火炎検知部12は、火炎11と接触するように設けられた耐熱性の導電体13を介して燃焼器8へ流れるイオン電流を測定すべく、図4に示すように、火炎11を炎抵抗(RF)として、導電体13と燃焼器8に所定電圧を印加する直流電源14と、火炎11を流れるイオン電流(IF)と等価な電流(IRA)を電圧に変換するための抵抗(RA)15と、抵抗(RA)15の両端の電圧を検知する電圧検知部16と、これらを制御する制御部(図示せず)で構成されている。
図4に示すように、火炎検知部12の制御部(制御回路)は、炎抵抗(RF)に流れるイオン電流(IF)と等価である電流(IRA)を抵抗(RA)15に流すために、同じ特性を有するトランジスタ(Q1)17および(Q2)18と、同じ抵抗値を有する抵抗(R1)19および(R2)20とによってカレントミラー回路を形成している。したがって、抵抗(R1)19および(R2)20に流れる電流(IR1)および(IR2)は等しく、また電流(IR1)および(IR2)と等しい電流が火炎11を流れるイオン電流(IF)と等価な電流(IRA)として流れ、抵抗(RA)15の両端に電圧を発生する。すなわち、この火炎検知部12によって火炎11の着火および失火などの燃焼状態が検知される。
このような従来の燃料電池発電装置では、燃料ガスGおよびオフガスOGの炭化水素の濃度は、水蒸気改質反応によって発電原料X中の炭化水素が水素に転換されているので著しく低い。炭化水素の濃度が小さいと火炎11中のイオン濃度も小さくなって火炎11を流れる電流値も小さくなり、抵抗(RA)15の両端の電圧も小さくなる。つまり火炎検知部12の検知電圧が小さくなり着火時および失火時の状態判別が難しくなるという問題点があった。例えば、失火を着火であると誤判定した場合、燃料ガスを供給し続けることにより、燃焼部が高温(400℃以上)状況下では、爆発限界濃度以上になると、爆発着火する危険性がある。また、着火を失火であると誤判定した場合、不要な失火判定による機器動作停止などの不具合が発生し得る。
そこで、本発明は、上記従来技術の有する問題点を解決するために、燃料ガス生成器を加熱する燃焼器の着火および失火の判別を確実に行うことができ、安全に運転できる燃料電池発電装置を提供することを目的とする。
本発明は、発電原料と水から水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料ガス生成器、前記燃料ガス生成器に水を供給する水供給器、および前記燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池発電装置であって、前記発電原料、前記燃料ガスおよび前記燃料電池から排出されるオフガスよりなる群から選択される少なくとも1種の燃焼用燃料(以下、「オフガスなど」とも言う)を燃焼して前記燃料ガス生成器を加熱する燃焼器、ならびに前記燃焼器内に形成される火炎の状態を検知する火炎検知器を備えることを特徴とする燃料電池発電装置に関する。
前記火炎検知器は、火炎のイオン電流に比例した炎検知電流を検知することにより前記火炎の状態を検知するものであるのが有効である。
さらに、前記燃料電池発電装置は、前記燃焼用燃料に含まれる炭化水素量に応じて前記炎検知電流の増幅率を所定値に切り換える第1制御を有するのが有効である。この第1制御は、前記火炎検知器に組み込まれていてもよい。
また、前記燃料電池発電装置は、前記燃料ガス生成器の温度を検知する温度検知器を有し、前記第1制御部が前記温度検知器による検知温度に応じて前記炎検知電流の増幅率を所定値に切り換えることができるものであるのが有効である。
また、前記燃料電池発電装置は、前記燃焼器に空気を供給する送風器を有し、前記第1制御部が前記送風器から前記燃焼器に供給される空気量に応じて火炎検知器の炎検知電流の増幅率を所定値に切り換えることができるものであるのが有効である。
また、前記第1制御部が、前記水供給器から前記燃料ガス生成器に供給される水量に応じて前記火炎検知器の炎検知電流の増幅率を所定値に切り換えることができるものであるのも有効である。
また、前記燃料電池発電装置は、前記燃料ガス中の炭化水素の濃度を検知する炭化水素センサーを有し、前記第1制御部が前記炭化水素センサーの出力値に基づいて火炎検知器の炎検知電流の増幅率を所定値に切り換えることができるものであるのが有効である。
また、前記第1制御部が、前記燃料ガス生成器へ送る発電原料供給量に応じて火炎検知器の炎検知電流の増幅率を所定値に切り換えることができるものであるのが有効である
本発明の燃料電池発電装置の構成を示す図である。 本発明の燃料電池発電装置の制御回路の構成を示す図である。 従来の燃料電池発電装置の構成を示す図である。 従来の燃料電池発電装置の制御回路の構成を示す図である。
本発明の燃料電池発電装置は、オフガスなどに含まれる炭化水素量に応じて前記炎検知電流の増幅率を所定値に切り換えて火炎検知を行うことにより、着火レベルと失火(消火)レベルとの差を大きく確保することができ、かつノイズマージンも大きくすることができるため、誤認識および誤判定を回避することができ、着火および失火を確実に判定でき、失火判定誤りによる爆発着火およびガス漏れなどの危険や、着火判定誤りによる不要な機器停止動作などを回避できるものである。
以下、本発明の実施の形態について図1および図2を用いて詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
図1は本発明の実施の形態1における燃料電池発電装置の構成図であり、図2は本発明の実施の形態1における燃料電池発電装置の火炎検知部の制御回路の構成図である。
図1および図2において、図3および図4で示した従来の燃料電池を用いた発電装置と同じ機能を有する構成要素については、同一符号で表し、それらの機能の詳細は上述のとおりであるため省略する。
図1において、温度検知部30は燃料ガス生成器6の温度を検知し、ポンプ31は原料水Yを供給する水供給部である。また、炭化水素センサー32が燃料ガスG中の炭化水素の濃度を検知する。このような炭化水素センサー32としては、ガスクロ方式、赤外線吸収式または光音響式などの炭化水素センサーを用いることができる。
燃料極3から排出されるオフガスOGおよび燃料ガス生成器6で生成される燃料ガスGは、それぞれガス供給路33aおよび33bから燃焼器8に供給される。燃焼器8には送風器であるファン9が設けられている。第1制御部34は温度検知部30または炭化水素センサー32の検出値に応じてポンプ31およびファン9を運転制御する。
また、火炎検知部35の制御回路は、温度検知部30による検知温度に応じて、火炎検知部35の火炎のイオン電流をこれに比例した炎検知電流に変換し、この電流を炎検知電圧として検知し、この電圧の検知信号が火炎検知部35から第1制御部34に入力され、かつ炎検知電流の増幅率を所定値に切り換える信号を第1制御部34から火炎検知部35に出力するように接続されている。
図2に示すように、火炎検知部35の制御回路は、抵抗(R6)36を介してトランジスタ(Q3)37に信号を出力してオンまたはオフにし、抵抗(R8)38を介してトランジスタ(Q4)39に信号を出力してオンまたはオフにする。そして、トランジスタ(Q3)37がオンの時には、式(1):
RX1=R2・R3/(R2+R3)
で表される抵抗(R2)20および抵抗(R3)40からなる並列合成抵抗(RX1)に流れる電流による電圧降下と、抵抗(R1)19に流れる電流(IR1)による電圧降下とが等しくなる。また、トランジスタ(Q4)39がオンの時には、式(2):
RX2=R2・R4/(R2+R4)
で表される抵抗(R2)20および抵抗(R4)41からなる並列合成抵抗(RX2)に流れる電流による電圧降下と、抵抗(R1)19に流れる電流(IR1)による電圧降下とが等しくなる。
次に、本発明の燃料電池発電装置の動作および作用について説明する。燃料ガス生成器6に原料である発電原料Xと水Yを供給すると、水蒸気改質反応により発電原料Xに含まれる炭化水素が改質されて水素リッチな燃料ガスGが得られる。この燃料ガスGはオフガスなどとしてガス供給路33aまたは33bから燃焼器8に供給される。オフガスなどはファン9から供給された空気によって燃焼し燃焼室10に火炎11を形成する。火炎11よる燃焼ガスは燃料ガス生成器6自身を加熱してその温度を上昇させて水蒸気改質反応を持続させる。
火炎11の火炎検知は、第1制御部34により、火炎11中のイオンによって流れるイオン電流をイオン電流と比例した炎検知電流に変換し、この電流を炎検知電圧として電圧検知部16で検知し、この検知信号を第1制御部34に入力し、かつ第1制御部34から炎検知電流の増幅率を所定値に切り換える信号を火炎検知部35に出力することによって行われる。
第1制御部34は、温度検知部30により検知される燃料ガス生成器6の温度が所定温度以上になったとき、抵抗(R6)36を介してトランジスタ(Q3)37に信号を出力してオンにする。このとき、並列合成抵抗(RX1)が、抵抗(R1)19に流れる電流(IR1)による電圧降下と、並列合成抵抗(RX1)に流れる電流による電圧降下とが等しくなるように接続されているため、トランジスタ(Q3)37がオン時のトランジスタ(Q2)18のコレクタ電流(IR2)は、トランジスタ(Q3)37がオフ時のトランジスタ(Q2)18のコレクタ電流(IR2)のR2/RX1倍に増幅される。この増幅されたコレクタ電流(IR2a)が抵抗(RA)15に流れ、この電流は抵抗(RA)15の両端の電圧を電圧検知部16で検知することにより検知できる。
また、第1制御部34は、温度検知部30により検知される燃料ガス生成器6の温度が所定温度よりさらに上昇したとき、抵抗(R8)38を介してトランジスタ(Q4)39に信号を出力してオンにする。並列合成抵抗(RX2)は、抵抗(R1)19に流れる電流(IR1)による電圧降下と、並列合成抵抗(RX2)に流れる電流による電圧降下とが等しくなるように接続されているため、トランジスタ(Q4)39がオン時のトランジスタ(Q2)18のコレクタ電流(IR2)は、トランジスタ(Q4)39がオフ時のトランジスタ(Q2)18のコレクタ電流(IR2)のR2/RX2倍に増幅される。この増幅されたコレクタ電流(IR2b)が抵抗(RA)15に流れ、抵抗(RA)15の両端の電圧を電圧検知部16で検知することによって前記電流を検知することができる。な
お、図2において、トランジスタ(Q2)のコレクタ電流はIRAで示した。
燃焼器8により燃料ガス生成器6の加熱を開始し、燃料ガス生成器6の温度が上昇すると、供給されるオフガスなどに含まれる炭化水素の量が少なくなり、火炎11のイオン電流も少なくなってくる。オフガスなどに含まれる炭化水素の量は燃料ガス生成器6で水素に転化されなかった残りの炭化水素の量となるので、転化率が燃料ガス生成器6の温度の上昇にともなって所定値以上になれば炭化水素の量が少なくなり、火炎11のイオン電流も少なくなる。そこで、第1制御部34により、炎検知電流の増幅率をトランジスタQ3(37)またはQ4(39)をオンにすることにより所定値に切り換え、増幅率を大きくすることにより、抵抗(RA)15の両端の電圧を検知する電圧検知部16によって着火レベルと失火(消火)レベルとの差を必要なだけ確保する。そして、こうすることによっ
てノイズマージンも適正に確保することができるため、誤認識および誤判定を回避することができ、着火および失火を確実に判定することができる。
また、燃料ガス生成器6の温度が所定温度よりも高い場合には、ファン9の送風量が増加するように第1制御部34によってファン9を運転制御する。同様に、燃料ガス生成器6の温度が所定温度よりも低い場合には、ファン9の送風量が減少するように第1制御部34によってファン9を運転制御する。
ファン9の送風量を減少させるとオフガスなどの燃焼に必要な量以下の量の空気を供給することになるため、空気が不足気味となり、燃料ガス生成器6が空冷不足となる。そのため、燃料ガス生成器6の温度が上昇し、燃焼に供されるオフガスなどに含まれる炭化水素量が減少して、火炎11のイオン電流も少なくなる。
逆に、ファン9の送風量を増加させるとオフガスなどの燃焼に必要な量以上の量の空気を供給することになるため、空気が過剰気味となり、燃料ガス生成器6が空冷過多となるので、燃料ガス生成器6の温度が下降し、燃焼に供されるオフガスなどに含まれる炭化水素量が増加する。そのため、火炎11のイオン電流も増加する。すなわち、ファン9の送風量に応じて、オフガスなどに含まれる炭化水素量を増加または減少させることができ、火炎11のイオン電流も増加または減少する。
第1制御部34により、トランジスタ(Q3)37または(Q4)39をオンすることにより所定値に切り換え、炎検知電流の増幅率を大きくすることにより、電圧検知部16によって検知する抵抗(RA)15の両端の電圧を増大させて着火レベルと失火(消火)レベルとの差を充分に確保する。そして、ノイズマージンも適正に確保し、誤認識および誤判定を回避することができ、着火および失火を確実に判定することができる。
このような構成にすることにより、送風部(ファン)9から燃焼器8に供給される空気量に応じて火炎検知部35の炎検知電流の増幅率を所定値に切り換えて確実に火炎の検知を行うことができる。
また、燃料ガス生成器6の温度が所定温度よりも高い場合には、ポンプ31から供給する水Yの量が増加するように第1制御部34によってポンプ31を運転制御する。
ポンプ31の供給量を増加させると、水蒸気改質反応に必要な量以上の量の水が燃料ガス生成器6に供給されるため、過剰な水の顕熱や蒸発潜熱によって燃料ガス生成器6の温度を低下させることができ、発電原料の転化率を低減させ、オフガスなどに含まれる炭化水素の濃度を所定値以上としてイオン電流値を測定可能な程度に充分に大きくすることができる。
一方、ポンプ31からの水供給量を減少させると、水蒸気改質反応に必要な量より少ない量の水が燃料ガス生成器6に供給されることになるため、水の顕熱や蒸発潜熱も少なくなり、燃料ガス生成器6の温度が上昇し、発電原料の転化率も高くなって燃焼用燃料に含まれる炭化水素量も減少する。そのため、火炎11のイオン電流も少なくなる。このとき、第1制御部34により、トランジスタ(Q3)37または(Q4)39をオンすることにより増幅率を所定値に切り換え、炎検知電流の増幅率を大きくして、電圧検知部16によって検知する抵抗(RA)15の両端の電圧を大きくすることができ、着火レベルと失火(消火)レベルとの差を充分に確保することができる。そして、ノイズマージンも適正に確保することができ、誤認識および誤判定を回避することができ、着火および失火を確実に判定することができる。
このような構成にすることにより、燃料ガス生成器6に供給される水の量に応じて前記火炎検知部35の炎検知電流の増幅率を所定値に切り換えて火炎検知を行うことができる。
また、炭化水素センサー32によって燃料ガスGに含まれる炭化水素の濃度を検知し、第1制御部34で発電燃料の転化率を算出してもよい。算出された転化率に応じてファン9およびポンプ31の少なくとも一方を第1制御部34で制御するとともに、燃焼用燃料中の炭化水素量に応じて火炎11のイオン電流を変化させる。第1制御部34により、トランジスタ(Q3)37または(Q4)39をオンすることにより増幅率を所定値に切り換え、炎検知電流の増幅率を適正化し、電圧検知部16によって検知する抵抗(RA)15の両端の電圧を増大させ、着火レベルと失火(消火)レベルとの差を充分に確保する。そして、ノイズマージンも適正に確保することができ、誤認識および誤判定を回避することができ、着火および失火を確実に判定することができる。
このような構成にすることにより、炭化水素センサー32の出力値に基づいて火炎検知部35の炎検知電流の増幅率を所定値に切り換えて火炎検知を行うことができる。
また、燃料ガス生成器6へ送る発電原料供給量から炭化水素の転化率を算出してもよい。算出された転化率に応じてファン9およびポンプ31の少なくとも一方を第1制御部34で制御するとともに、発電原料の炭化水素量に応じて火炎11のイオン電流も変化する。第1制御部34により、トランジスタ(Q3)37または(Q4)39をオンすることにより増幅率を所定値に切り換え、炎検知電流の増幅率を適正化することにより、電圧検知部16によって検知する抵抗(RA)15の両端の電圧を増大させ、着火レベルと失火(消火)レベルとの差を充分に確保することができる。そして、ノイズマージンも適正に確保することができるので、誤認識および誤判定を回避することができ、着火および失火を確実に判定することができ、失火判定誤りによる爆発着火およびガス漏れなどの危険や、着火判定誤りによる不要な機器停止動作などを回避することができるものである。
このような構成にすることにより、燃料ガス生成器6へ送る発電原料供給量に応じて火炎検知部35の炎検知電流の増幅率を所定値に切り換えて火炎検知を行うことができる。
なお、上記においては、第1制御部34により、炎検知電流の増幅率をトランジスタ(Q3)37または(Q4)39をオンすることにより所定値に切り換えているが、直流電源14の電圧(VA)を可変することによっても同様の効果が得られることは言うまでもない。
つぎに、本発明に係る燃料電池発電装置は、前記燃料電池の発電を開始するとき、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給するとともに、前記燃焼器の着火動作を行う第2制御部を有するのが有効である。この第2制御部の機能は、前記第1制御部に持たせてもよい。
起動後数十分〜数時間の間、燃料ガスGが切替弁7を経て燃焼器8に供給され、燃料電池1の燃料極3へ供給されない間、燃料極3にはチッ素などの不活性ガスが充満したままであり、発電を開始するときに燃料ガスを切替弁7を経て燃料極3に供給すると、燃料極3に充満していた不活性ガスが押し出されて燃焼器8に到達する。不活性ガスが燃焼器8に到達すると燃焼状態が不安定になり、最悪の場合には火炎が消失するが、その後も水素に富んだ燃料ガスが燃焼器8に送り続けられ、燃焼度の高いガスが燃焼器8に充満した後、再着火して爆発が起こる可能性がある。しかし、燃料電池1が発電を開始するときに、燃料ガスを燃料電池1に供給するとともに、燃焼器8の着火動作を行うことにより燃焼器8に供給される燃焼ガスが着火可能な成分になったときに素早く再着火するので、火炎が消失しても爆発に至るような事態は発生しない。
また、前記第2制御部が、前記燃焼器の着火動作中、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給してから所定時間、および前記燃料ガスを前記燃料電池に供給してから前記炎検知電流が所定値以上になるまで火炎検知をさせないのが有効である。
通常、燃焼器8にて火炎が消失した場合には、燃焼度の高いガスが燃焼器8を充満した後に再着火して爆発が起こるのを防ぐため、燃料電池発電装置を緊急停止させる必要がある。しかし、発電を開始するために燃料ガスを燃料電池1に供給したときに、燃焼器8の火炎が一旦消失しても、燃焼器8の着火動作が行われていれば安全に素早く再着火が可能である。そのため、短時間の失火を無視して再び火炎が安定になった後に火炎検知を再開することにより、燃料電池発電装置の安全性を低下させることなく、かつ確実に発電開始を行うことが可能になる。
なお、上記実施の形態においては、燃料ガス生成器6が単一の反応室、すなわち改質器からなる例を示したが、燃料ガス生成器6はCOのシフト反応を行う変成器およびCOの酸化反応を行う浄化器を有していてもよい。
以上のように、従来燃料ガス生成器の水蒸気改質反応による発電原料X中の炭化水素から水素への転化率に対応して、燃焼用燃料に含まれる炭化水素量が変化して燃焼器のイオン電流が増減してしまうのに対し、本発明によれば、燃焼用燃料に含まれる炭化水素量に応じて火炎検知部の火炎検知電流の増幅率を所定値に切り換えて火炎検知を行うことによって、火炎検知が可能なイオン電流を得ることができ、着火レベルと失火(消火)レベルとの差を充分に確保することができる。また、ノイズマージンも適正に確保することができ、誤認識および誤判定を回避することができ、着火および失火を確実に判定することができる。
また、燃料ガス生成器の温度、送風部から燃焼器に供給する空気量、水供給部から燃料ガス生成器に送る水の量、燃料ガスGに含まれる炭化水素の濃度または燃料ガス生成器へ送る発電原料供給量に応じて火炎検知部の火炎検知電流の増幅率を所定値に切り換えて火炎検知を行うことにより、着火レベルと失火(消火)レベルとの差を充分に確保するとともにノイズマージンも適正に確保し、誤認識および誤判定を回避することができる。

Claims (6)

  1. 発電原料と水から水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料ガス生成器、前記燃料ガス生成器に水を供給する水供給器、および前記燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池発電装置であって、
    前記発電原料、前記燃料ガスおよび前記燃料電池から排出されるオフガスよりなる群から選択される少なくとも1種の燃焼用燃料を燃焼して前記燃料ガス生成器を加熱する燃焼器、前記燃焼器内に形成される火炎の状態を前記火炎のイオン電流に比例した炎検知電流を検知することにより検知する火炎検知器、ならびに前記燃焼用燃料に含まれる炭化水素量に応じて前記炎検知電流の増幅率を所定値に切り換える第1制御部を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
  2. 発電原料と水から水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料ガス生成器、前記燃料ガス生成器に水を供給する水供給器、および前記燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池発電装置であって、
    前記発電原料、前記燃料ガスおよび前記燃料電池から排出されるオフガスよりなる群から選択される少なくとも1種の燃焼用燃料を燃焼して前記燃料ガス生成器を加熱する燃焼器、前記燃焼器内に形成される火炎の状態を前記火炎のイオン電流に比例した炎検知電流を検知することにより検知する火炎検知器、前記燃料ガス生成器の温度を検知する温度検知器、ならびに前記温度検知器による検知温度に応じて前記炎検知電流の増幅率を所定値に切り換える第1制御部を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
  3. 発電原料と水から水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料ガス生成器、前記燃料ガス生成器に水を供給する水供給器、および前記燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池発電装置であって、
    前記発電原料、前記燃料ガスおよび前記燃料電池から排出されるオフガスよりなる群から選択される少なくとも1種の燃焼用燃料を燃焼して前記燃料ガス生成器を加熱する燃焼器、前記燃焼器内に形成される火炎の状態を前記火炎のイオン電流に比例した炎検知電流を検知することにより検知する火炎検知器、前記燃焼器に空気を供給する送風器、ならびに前記送風器から前記燃焼器に供給される空気量に応じて火炎検知器の炎検知電流の増幅率を所定値に切り換える第1制御部を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
  4. 発電原料と水から水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料ガス生成器、前記燃料ガス生成器に水を供給する水供給器、および前記燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池発電装置であって、
    前記発電原料、前記燃料ガスおよび前記燃料電池から排出されるオフガスよりなる群から選択される少なくとも1種の燃焼用燃料を燃焼して前記燃料ガス生成器を加熱する燃焼器、前記燃焼器内に形成される火炎の状態を前記火炎のイオン電流に比例した炎検知電流を検知することにより検知する火炎検知器、ならびに前記水供給器から前記燃料ガス生成器に供給される水量に応じて前記火炎検知器の炎検知電流の増幅率を所定値に切り換える第1制御部を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
  5. 発電原料と水から水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料ガス生成器、前記燃料ガス生成器に水を供給する水供給器、および前記燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池発電装置であって、
    前記発電原料、前記燃料ガスおよび前記燃料電池から排出されるオフガスよりなる群から選択される少なくとも1種の燃焼用燃料を燃焼して前記燃料ガス生成器を加熱する燃焼器、前記燃焼器内に形成される火炎の状態を前記火炎のイオン電流に比例した炎検知電流を検知することにより検知する火炎検知器、前記燃料ガス中の炭化水素の濃度を検知する炭化水素センサー、ならびに前記炭化水素センサーの出力値に基づいて火炎検知器の炎検知電流の増幅率を所定値に切り換える第1制御部を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
  6. 発電原料と水から水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料ガス生成器、前記燃料ガス生成器に水を供給する水供給器、および前記燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池発電装置であって、
    前記発電原料、前記燃料ガスおよび前記燃料電池から排出されるオフガスよりなる群から選択される少なくとも1種の燃焼用燃料を燃焼して前記燃料ガス生成器を加熱する燃焼器、前記燃焼器内に形成される火炎の状態を前記火炎のイオン電流に比例した炎検知電流を検知することにより検知する火炎検知器、ならびに前記燃料ガス生成器へ送る発電原料供給量に応じて火炎検知器の炎検知電流の増幅率を所定値に切り換える第1制御部を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2477266A3 (en) * 2003-02-20 2012-08-15 Eneos Celltech Co., Ltd. Method for operating a fuel cell system
DE10324213A1 (de) 2003-05-28 2004-12-16 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellenvorrichtung
JP4824915B2 (ja) * 2004-07-06 2011-11-30 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
DE202004020319U1 (de) * 2004-12-10 2005-04-21 European Fuel Cell Gmbh Brennstoffzellenheizgerät
JP2008269887A (ja) * 2007-04-18 2008-11-06 Aisin Seiki Co Ltd 燃料電池システム
JP2009283268A (ja) * 2008-05-22 2009-12-03 Panasonic Corp 燃料電池発電システム
KR101335879B1 (ko) * 2009-03-09 2013-12-02 도요타 지도샤(주) 연료 전지 시스템, 연료 전지 시스템의 제어 방법, 및 연료 전지의 상태 검출 방법
JP5171731B2 (ja) * 2009-05-27 2013-03-27 京セラ株式会社 発電システム
JP5236844B1 (ja) * 2011-10-24 2013-07-17 パナソニック株式会社 燃料電池システム及びその運転方法
JP5849186B2 (ja) * 2011-12-28 2016-01-27 パナソニックIpマネジメント株式会社 燃料電池システム
US10690057B2 (en) 2017-04-25 2020-06-23 General Electric Company Turbomachine combustor end cover assembly with flame detector sight tube collinear with a tube of a bundled tube fuel nozzle
US11398634B2 (en) * 2018-03-27 2022-07-26 Bloom Energy Corporation Solid oxide fuel cell system and method of operating the same using peak shaving gas

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5899614A (ja) * 1981-12-07 1983-06-14 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃焼検知装置
JP2647840B2 (ja) 1986-10-15 1997-08-27 三洋電機株式会社 燃焼器の制御回路
JPH0834106B2 (ja) * 1986-12-18 1996-03-29 富士電機株式会社 燃料電池発電システムの停止方法
JP2692346B2 (ja) 1990-06-26 1997-12-17 富士電機株式会社 燃料改質器失火時の着火・停止装置
JPH08203548A (ja) * 1995-01-26 1996-08-09 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP3437684B2 (ja) 1995-08-25 2003-08-18 大阪瓦斯株式会社 燃料電池発電装置用の燃料改質器およびその運転方法
JP2001201046A (ja) * 2000-01-18 2001-07-27 Sanyo Electric Co Ltd 燃焼装置及び燃料電池発電システム

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