JP2016012485A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】改質部にて改質された燃料の一部を脱硫器に戻すリサイクル燃料管の異常を確実に検出し、ひいては、硫黄成分による改質部の劣化や燃料電池の故障を抑制する。
【解決手段】燃料電池システムは、リサイクルガス管３９にリサイクルガスの温度を直接的に検出する温度センサ３９ａを設け、制御装置１５は、温度センサ３９ａによって検出されたリサイクルガスの温度に基づいてリサイクルガス管３９を通過するリサイクルガスの通過および／または流量を検出する（検出部：ステップＳ１０８）。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図１に示されているように、燃料電池システムは、燃料ガス供給流路１４を通して供給される燃料ガス中の硫黄成分を除去するための脱硫器２２と、脱硫された燃料ガスを改質するための改質器４と、改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタック６とを備えている。この燃料電池システムは、脱硫器２２による燃料ガスの脱硫反応を水素が含まれる条件下で行うため、改質器４で改質された改質燃料ガスの一部を脱硫器２２に戻すためのリサイクル流路４８が設けられている。このリサイクル流路４８にはオリフィス部材５０が設けられており、オリフィス部材５０によって改質器４に戻される改質燃料ガスの流量が調整されている。

特開２０１１−１５９４８５号公報

上述した特許文献１に記載されている燃料電池システムにおいては、リサイクル流路４８にはオリフィス部材５０によって改質器４に戻される改質燃料ガスの流量が調整されているが、オリフィス部材５０の流路孔が異物によって閉塞するおそれがある。オリフィス部材５０の流路孔が異物により閉塞した場合には、リサイクル流路４８に改質燃料ガスが流れなくなり、脱硫器２２は改質燃料ガスの水素が混合されないことによって脱硫機能が低下するおそれがあった。さらに、脱硫器２２で脱硫機能が低下すると、燃料電池セルスタック６が改質燃料ガスに含まれる硫黄成分によって劣化するおそれもあった。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、改質部にて改質された燃料の一部を脱硫器に戻すリサイクル燃料管の異常を確実に検出し、ひいては、硫黄成分による改質部の劣化や燃料電池の故障を抑制することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、改質用原料と改質水とから燃料を生成して燃料電池に供給する改質部と、改質用原料に含まれる硫黄成分を除去して改質部に供給する脱硫器と、改質部から燃料電池に燃料を供給する燃料供給管と脱硫器に改質用原料を供給する改質用原料供給管とを接続し、燃料の一部をリサイクル燃料として脱硫器に戻すリサイクル燃料管と、リサイクル燃料管にリサイクル燃料を流通させるためのリサイクル燃料供給装置と、リサイクル燃料管を通過するリサイクル燃料の温度を直接的または間接的に検出する温度センサと、温度センサによって検出されたリサイクル燃料の温度に基づいてリサイクル燃料管を通過するリサイクル燃料の通過および／または流量を検出する検出部と、を備えている。
これによれば、検出部により温度センサの検出温度に基づいてリサイクル燃料管を通過するリサイクル燃料の通過および／または流量を検出することができる。これにより、リサイクル燃料管の異常を確実に検知できるようになる。その結果、硫黄成分による改質部の劣化や燃料電池の故障を抑制することができる。

また請求項２に係る発明は、請求項１において、リサイクル燃料管には冷媒によりリサイクル燃料と熱交換する熱交換器を備え、温度センサは冷媒または熱交換器の温度を検出することでリサイクル燃料の温度を間接的に検出するようにした。
これによれば、リサイクル燃料管の周囲の温度の影響を受けにくくなり、リサイクル燃料の温度を正確に検出できるようになる。

また請求項３に係る発明は、請求項２において、冷媒には改質部に供給する改質水を用いるようにした。
これによれば、リサイクル燃料の熱を改質水に回収することができ、燃料電池システムの熱効率及び発電効率を向上させることができる。

また請求項４に係る発明は、請求項２において、冷媒には燃料電池に供給するカソードエアを用いるようにした。
これによれば、リサイクル燃料の熱をカソードエアに回収することができ、燃料電池システムの熱効率及び発電効率を向上させることができる。

また請求項５に係る発明は、請求項２において、冷媒には燃料電池の排熱を回収する排熱回収水を用いるようにした。
これによれば、リサイクル燃料の熱を燃料電池の排熱を回収する排熱回収水に回収することができ、燃料電池システムの熱回収効率を向上させることができる。

また請求項６に係る発明は、請求項２において、冷媒には燃料電池を少なくとも収容する筐体内の空気を用いるようにした。
これによれば、リサイクル燃料の熱と熱交換する冷媒の配管を設ける必要がないので、コストが増加するのを防ぐことができる。

本発明による燃料電池システムの第一実施形態の概要を示す概略図である。 図１に示す燃料電池システムのブロック図である。 図２に示す制御装置で実行されるプログラムのフローチャートである。 リサイクルガスの温度と流量との関係を示すマップである。 本発明による燃料電池システムの第二実施形態の概要を示す概略図である。 制御装置で実行されるプログラムのフローチャートである。 熱交換器の前後の冷媒の温度の差とリサイクルガスの流量の関係を示すマップである。 本発明による燃料電池システムの第二実施形態の第一変形例の概要を示す概略図である。 本発明による燃料電池システムの第二実施形態の第二変形例の概要を示す概略図である。

（第一実施形態）
以下、本発明による燃料電池システムの第一実施形態について説明する。図１に示すように、燃料電池システムは、発電ユニット１０および貯湯槽２１を備えている。発電ユニット１０は、筐体１０ａ、燃料電池モジュール１１、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、および制御装置１５を備えている。

燃料電池モジュール１１は、後述するように燃料電池３４を少なくとも含んで構成されるものである。燃料電池モジュール１１は、改質用原料、改質水およびカソードエアが供給されている。具体的には、燃料電池モジュール１１は、一端が供給源Ｇｓに接続されて改質用原料が供給される改質用原料供給管１１ａの他端が接続されている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端が水タンク１４に接続されて改質水が供給される水供給管１１ｂの他端が接続されている。水供給管１１ｂは、改質水ポンプ１１ｂ１が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端がカソードエアブロワ１１ｃ１に接続されてカソードエアが供給されるカソードエア供給管１１ｃの他端が接続されている。

改質用原料供給管１１ａに関して詳述する。改質用原料供給管１１ａには、上流から順番に遮断弁１１ａ１、圧力センサ１１ａ３、流量センサ１１ａ２、圧力調整装置１１ａ４、原料ポンプ１１ａ５および脱硫器１１ａ６が設けられている。遮断弁１１ａ１、流量センサ１１ａ２、圧力センサ１１ａ３、圧力調整装置１１ａ４、原料ポンプ１１ａ５および脱硫器１１ａ６は、筐体１０ａ内に収納されている。

遮断弁１１ａ１は改質用原料供給管１１ａを制御装置１５の指令によって開閉自在に遮断する弁（２連弁）である。流量センサ１１ａ２は、燃料電池３４に供給されている燃料（改質用原料）の流量すなわち単位時間あたりの流量を検出するものであり、その検出結果を制御装置１５に送信している。圧力センサ１１ａ３は、燃料電池３４に供給されている燃料（改質用原料）の圧力（特に圧力センサ１１ａ３の設置場所の圧力）を検出するものであり、その検出結果を制御装置１５に送信している。

圧力調整装置１１ａ４は、入力した燃料を所定の圧力に調整して出力する。例えば、圧力調整装置１１ａ４は、入力した燃料を大気圧にて出力するゼロガバナで構成されている。圧力調整装置１１ａ４は、改質用原料供給管１１ａの原料ポンプ１１ａ５より１次側を後述するリサイクルガス管３９に対して圧力を低くするためのものである。圧力調整装置１１ａ４は、改質用原料供給管１１ａをリサイクルガス管３９より低圧とすることにより、リサイクルガス管３９に改質ガス（リサイクル燃料）を流通させるためのリサイクル燃料供給装置である。原料ポンプ１１ａ５は、燃料電池３４に燃料（改質用原料）を供給する原料供給装置であり、制御装置１５からの制御指令値にしたがって供給源Ｇｓからの燃料供給量（供給流量（単位時間あたりの流量））を調整するものである。この原料ポンプ１１ａ５は、改質用原料を吸入し改質部３３に圧送する圧送装置である。

脱硫器１１ａ６は、改質用原料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。脱硫器１１ａ６内には、触媒および超高次脱硫剤が収容されている。触媒においては、硫黄化合物と水素とが反応して硫化水素が発生する。例えば、触媒は、ニッケル−モリブデン系、コバルト−モリブデン系である。超高次脱硫剤としては、例えば銅−亜鉛系脱硫剤、銅−亜鉛−アルミニウム系脱硫剤などを用いることができる。超高次脱硫剤は、触媒にて硫黄化合物から変換された硫化水素を取り込んで除去する。このような超高次脱硫剤は、２００〜３００℃（例えば２５０〜３００℃）の高温状態で優れた脱硫作用を発揮する。したがって、脱硫器１１ａ６は、内部が２００〜３００℃（例えば２５０〜３００℃）の高温状態となる箇所に配置されている。例えば、脱硫器１１ａ６は、ケーシング３１内、またはケーシング３１外面に配置されている。

燃料電池システムは、脱硫剤として超高次脱硫剤を用いることに関連して、改質部３３にて改質された改質ガスの一部が改質用原料供給管１１ａに戻されるように構成されている。具体的には、改質ガスを戻すためのリサイクルガス管（リサイクル燃料管）３９が設けられている。リサイクルガス管３９の一端は、改質部３３から燃料電池３４に改質ガス（燃料）を供給する改質ガス供給管（燃料供給管）３８に接続されている。リサイクルガス管３９の他端は、改質用原料供給管１１ａの脱硫器１１ａ６の上流位置、さらに具体的には、改質用原料供給管１１ａの原料ポンプ１１ａ５の配設部位と圧力調整装置１１ａ４の配設部位との間の部位に接続されている。これにより、改質部３３から改質ガス供給管３８を通して流れる改質ガスの一部がリサイクルガス管３９を通して改質用原料供給管１１ａに戻される。

このように、水素が含まれている改質ガスの一部が改質用原料供給管１１ａに戻されることにより、改質ガス中の水素が改質用原料に混合されて改質用原料供給管１１ａを通して脱硫器１１ａ６内の超高次脱硫剤に送給される。その結果、改質用原料中の硫黄化合物が水素と反応して硫化水素が発生し、その硫化水素が超高次脱硫剤によって除去される。

リサイクルガス管３９には、温度センサ３９ａおよびオリフィス３９ｂが設けられている。温度センサ３９ａは、リサイクルガス管３９を流れるリサイクルガスの温度を直接的に検出して、その検出結果を制御装置１５に送信するようになっている。オリフィス３９ｂには流路孔が設けられ、流路孔によってリサイクルガス管３９を通して戻される改質ガスの流量を調整する。

熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽２１からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水とが熱交換する熱交換器である。具体的には、貯湯槽２１は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する（図にて矢印の方向に循環する）貯湯水循環ライン２２が接続されている。貯湯水循環ライン２２上には、貯湯槽２１の下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ２２ａおよび熱交換器１２が配設されている。熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１からの排気管１１ｄが接続（貫設）されている。熱交換器１２は、水タンク１４に接続されている凝縮水供給管１２ａが接続されている。

熱交換器１２において、燃料電池モジュール１１からの燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通って熱交換器１２内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。凝縮後の燃焼排ガスは排気管１１ｄを通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管１２ａを通って水タンク１４に供給される。なお、水タンク１４は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。

上述した熱交換器１２、貯湯槽２１および貯湯水循環ライン２２から、排熱回収システム２０が構成されている。排熱回収システム２０は、燃料電池モジュール１１の排熱を貯湯水に回収して蓄える。

さらに、インバータ装置１３は、燃料電池３４から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して、交流の系統電源１６ａおよび外部電力負荷１６ｃ（例えば電化製品）に接続されている電源ライン１６ｂに出力する。また、インバータ装置１３は、系統電源１６ａからの交流電圧を電源ライン１６ｂを介して入力し所定の直流電圧に変換して補機（各ポンプ、ブロワなど）や制御装置１５に出力する。なお、制御装置１５は、補機を駆動して燃料電池システムの運転を制御する。

燃料電池モジュール１１（３０）は、ケーシング３１、蒸発部３２、改質部３３および燃料電池３４を備えている。ケーシング３１は、断熱性材料で箱状に形成されている。

蒸発部３２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部３２は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部３３に供給するものである。改質用原料としては天然ガス、ＬＰガスなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。

蒸発部３２には、一端（下端）が水タンク１４に接続された水供給管１１ｂの他端が接続されている。また、蒸発部３２には、一端が供給源Ｇｓに接続された改質用原料供給管１１ａが接続されている。供給源Ｇｓは、例えば都市ガスのガス供給管、ＬＰガスのガスボンベである。

改質部３３は、上述した燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部３２から供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から改質ガスを生成して導出するものである。改質部３３内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素などを含んだガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。このように、改質部３３は改質用原料（原燃料）と改質水とから改質ガス（燃料）を生成して燃料電池３４に供給する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。

燃料電池３４は、燃料と酸化剤ガスにより発電するものである。燃料電池３４は、燃料極、空気極（酸化剤極）、および両極の間に介装された電解質からなる複数のセル３４ａが積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池３４の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども直接燃料として用いることが可能である。この場合、改質部３３は省略することができる。

セル３４ａの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路３４ｂが形成されている。セル３４ａの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路３４ｃが形成されている。燃料電池３４は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する。

燃料電池３４は、マニホールド３５上に設けられている。マニホールド３５には、改質部３３からの改質ガスが改質ガス供給管３８を介して供給される。燃料流路３４ｂは、その下端（一端）がマニホールド３５の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ１１ｃ１によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管１１ｃを介して供給され、空気流路３４ｃの下端から導入され上端から導出されるようになっている。

燃焼部３６は、燃料電池３４と蒸発部３２および改質部３３との間に設けられている。燃焼部３６は、燃料電池３４からのアノードオフガス（燃料オフガス）と燃料電池３４からのカソードオフガス（酸化剤オフガス）とが燃焼されて改質部３３を加熱する。燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されて火炎３７が発生している。燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されてその燃焼排ガスが発生している。

さらに燃料電池システムは、制御装置１５を備えている。制御装置１５には上述した流量センサ１１ａ２、圧力センサ１１ａ３、温度センサ３９ａ、遮断弁１１ａ１、各ポンプ１１ａ５，１１ｂ１，２２ａ、カソードエアブロワ１１ｃ１が接続されている（図２参照）。制御装置１５はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（何れも図示省略）を備えている。ＣＰＵは燃料電池システムの運転に必要な各種プログラムを実施している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭはプログラムを記憶するものである。

次に、上述した第一実施形態の燃料電池システムの作動について説明する。制御装置１５は、燃料電池システムの運転中（暖機運転中、発電運転中）において、図３に示すフローチャートを実行している。制御装置１５は、ステップＳ１０２において、流量センサ１１ａ２によって検出された改質用原料の流量Ｆ１を取得する。

改質量原料が改質用原料供給管１１ａを通過しているときには、リサイクルガスがリサイクルガス管３９を通過するようになる。リサイクルガスは、改質部３３で改質された高温（約６００℃）の改質ガスの一部である。このため、リサイクルガス管３９が正常であれば、図４に示すように、リサイクルガスの温度Ｔ１は適正温度の範囲Ｔａ〜Ｔｂ（Ｔａは適正温度の下限温度であり、Ｔｂは適正温度の上限温度である）に含まれる。

また、リサイクルガス比率は、改質量原料の流量Ｆ１と相関関係を有している。すなわち、改質用原料の流量Ｆ１が多いほど、リサイクルガス管３９を通過するリサイクルガス比率が少なくなる。リサイクルガス管３９の差圧は、燃料電池３６前の圧力（発電量（改質量原料の流量Ｆ１）が大きいほど大きくなる）と圧力調整装置１１ａ４で調整される圧力差のため、圧力調整装置１１ａ４で調整される。リサイクルガス流量ひいてはリサイクルガス温度は、圧損比率により改質量原料の流量（発電量）で変化する。このため、図４に示すリサイクルガスの適正温度の範囲Ｔａ〜Ｔｂは、改質用原料の流量Ｆ１によって変動する。

制御装置１５は、ステップＳ１０４において、ステップＳ１０２にて取得した改質用原料の流量Ｆ１に応じたリサイクルガスの適正温度の範囲Ｔａ〜Ｔｂを決定する。制御装置１５は、ステップＳ１０６において、温度センサ３９ａによって検出されたリサイクルガスの検出温度Ｔ１を取得する。制御装置１５は、ステップＳ１０８において、ステップＳ１０６にて取得したリサイクルガスの検出温度Ｔ１がステップＳ１０４にて決定した適正温度の範囲Ｔａ〜Ｔｂに含まれるか、適正温度の範囲Ｔａ〜Ｔｂより低い（下限温度Ｔａより低い）か、適正温度の範囲Ｔａ〜Ｔｂより高い（上限温度Ｔｂより高い）かを判定する。なお、このステップＳ１０８の処理は、温度センサ３９ａによって検出されたリサイクルガスの検出温度に基づいて、リサイクルガス管３９を通過するリサイクルガスが正常に通過していることを検出する処理である。

リサイクルガス管３９が正常であれば、リサイクルガス管３９には改質用原料の流量Ｆ１に応じたリサイクルガスが通過し、リサイクルガスの温度は適正温度の範囲Ｔａ〜Ｔｂに含まれる。この場合には、制御装置１５は、ステップＳ１０８にて範囲内に含まれていると判定し、プログラムをステップＳ１１０に進めて一旦終了させる。

一方、リサイクルガス管３９のオリフィス３９ｂの流路孔が閉塞される異常が発生したときには、リサイクルガスがリサイクルガス管３９を通過しないようになる。リサイクルガス管３９が閉塞されると、温度センサ３９ａによる検出温度が適正温度の範囲Ｔａ〜Ｔｂより低くなる。この場合には、制御装置１５は、ステップＳ１０８にてリサイクルガスの検出温度Ｔ１が適正温度の範囲Ｔａ〜Ｔｂより低いと判定してステップＳ１１２に進める。制御装置１５は、ステップＳ１１２において、リサイクルガス管３９が閉塞された状態による異常状態であると判定し、プログラムをステップＳ１１０に進めて終了させる。

また、リサイクルガス管３９からリサイクルガスが漏出する異常が発生したときには、リサイクルガス管３９に異常が発生していないときより多量のリサイクルガスが通過する。リサイクルガス管３９を多量のリサイクルガスが通過すると、温度センサ３９ａによる検出温度が高くなる。この場合には、制御装置１５は、ステップＳ１０８にてリサイクルガスの検出温度Ｔ１が適正温度の範囲Ｔａ〜Ｔｂより高いと判定してステップＳ１１４に進める。制御装置１５は、ステップＳ１１４において、リサイクルガス管３９からりサイクルガスが漏出している異常状態であると判定し、プログラムをステップＳ１１０に進めて終了させる。

上述したように、この第一実施形態の燃料電池システムでは、リサイクルガス管３９を通過するリサイクル燃料の温度を直接的に検出する温度センサ３９ａと、温度センサ３９ａの検出温度Ｔ１に基づいてリサイクルガス管３９を通過するリサイクルガスが正常に通過をしていることを検出する検出部（ステップＳ１０８）と、を備えている。制御装置１５は、検出部によりリサイクルガス管３９をリサイクルガスが正常に通過しているか否かを判定することで、リサイクルガス管３９の異常を検知できるようになる。なお、この第一実施形態では、温度センサ３９ａによりリサイクルガスの温度を検出し（ステップＳ１０６）、温度センサ３９ａによる検出温度に基づいてリサイクルガスが正常に通過しているかを検出する（ステップＳ１０８）ようにしたが、これに限られるものでなく、ステップＳ１０６によって検出したリサイクルガスの検出温度Ｔ１に基づいて、リサイクルガス管３９を通過するリサイクルガスの流量を算出し、算出したリサイクルガスの流量が正常な流量か否かを検出するようにしたものであってもよい。

（第二実施形態）
第二実施形態の燃料電池システムは、図５に示すように、第一実施形態の燃料電池システムにおいて、リサイクルガス管３９には冷媒とリサイクルガスとが熱交換する熱交換器３９ｃが設けられている。熱交換器３９ｃはリサイクルガス管３９のオリフィス３９ｂより下流側に設けられている。リサイクルガスと熱交換する冷媒には改質部３３に供給する改質水が用いられ、熱交換器３９ｃには改質部３３に改質水を供給する水供給管１１ｂの一部が収容されている。リサイクルガスの熱は水供給管１１ｂを通過する改質水と熱交換される。

水供給管１１ｂには熱交換器３９ｃより上流側と下流側とに温度センサ１１ｂ２，１１ｂ３が設けられ、温度センサ１１ｂ２，１１ｂ３の検出温度は制御装置１５に送信されている。上流側の温度センサ１１ｂ２は熱交換器３９ｃを通過する前の改質水の温度を検出するものであり、下流側の温度センサ１１ｂ３は熱交換器３９ｃを通過した後の改質水の温度を検出するものである。

第二実施形態においては、制御装置１５は、図６に示すように、上述したステップＳ１０４の処理に代えて、ステップＳ２０４において、ステップＳ１０２にて取得した改質用原料の流量Ｆ１に応じた改質水の熱交換器３９ｃを通過する前後の温度の差ΔＴの適正温度差の範囲ΔＴａ〜ΔＴｂを決定する。

上述した第一実施形態と同様に、改質量原料が改質用原料供給管１１ａを通過しているときには、リサイクルガスがリサイクルガス管３９を通過するようになる。リサイクルガスは、改質部３３で改質された高温（約６００℃）の改質ガスの一部である。このため、リサイクルガス管３９が正常であれば、改質水は熱交換器３９ｃを通過するときに高温のリサイクルガスと熱交換され、図７に示すように、改質水の熱交換器３９ｃを通過する前後の温度の差ΔＴは適正温度差の範囲ΔＴａ〜ΔＴｂ（ΔＴａは適正温度差の下限温度であり、ΔＴｂは適正温度差の上限温度である）に含まれる。

また、上述した第一実施形態と同様に、リサイクルガスの流量は改質量原料の流量Ｆ１と相関関係を有している。すなわち、改質用原料の流量Ｆ１が多いときには、リサイクルガス管３９を通過するリサイクルガスの流量が少なくなる。このため、図７に示す改質水の熱交換器３９ｃを通過する前後の温度の差ΔＴの適正温度差の範囲ΔＴａ〜ΔＴｂは、改質用原料の流量Ｆ１によって変動する。

制御装置１５は、上述したステップＳ１０６の処理に代えて、ステップＳ２０６において、温度センサ１１ｂ２，１１ｂ３によって検出された改質水の熱交換器３９ｃを通過する前後の検出温度Ｔ２，Ｔ３を取得する。制御装置１５は、上述したステップＳ１０８の処理に代えて、ステップＳ２０８において、ステップＳ２０６にて取得した改質水の熱交換器３９ｃを通過する前後の検出温度Ｔ２，Ｔ３の差ΔＴがステップＳ２０４にて決定した適正温度差の範囲ΔＴａ〜ΔＴｂに含まれるか、適正温度差の範囲ΔＴａ〜ΔＴｂより低いか、適正温度差の範囲ΔＴａ〜ΔＴｂより高いかを判定する。なお、このステップＳ２０８の処理は、改質水の熱交換器３９ｃを通過する前後の検出温度Ｔ２，Ｔ３の差ΔＴに基づいて、リサイクルガス管３９を通過するリサイクルガスが正常に通過していることを検出する処理である。

リサイクルガス管３９が正常であれば、リサイクルガス管３９には改質用原料の流量Ｆ１に応じたリサイクルガスが通過し、取得した改質水の熱交換器３９ｃを通過する前後の検出温度Ｔ２，Ｔ３の差ΔＴは適正温度差の範囲ΔＴａ〜ΔＴｂに含まれる。この場合には、制御装置１５は、ステップＳ２０８にて範囲内に含まれていると判定し、プログラムをステップＳ１１０に進めて一旦終了させる。

一方、リサイクルガス管３９のオリフィス３９ｂの流路孔が閉塞される異常が発生したときには、リサイクルガスがリサイクルガス管３９を通過しないようになる。リサイクルガス管３９が閉塞されると、改質水の熱交換器３９ｃを通過する前後の検出温度Ｔ２，Ｔ３の差ΔＴは適正温度差の範囲ΔＴａ〜ΔＴｂより低くなる。この場合には、制御装置１５は、ステップＳ２０８にて当該範囲ΔＴａ〜ΔＴｂより低いと判定してステップＳ１１２に進める。

また、リサイクルガス管３９からリサイクルガスが漏出する異常が発生したときには、リサイクルガス管３９に異常が発生していないときより多量のリサイクルガスが通過する。リサイクルガス管３９を多量のリサイクルガスが通過すると、改質水の熱交換器３９ｃを通過する前後の検出温度Ｔ２，Ｔ３の差ΔＴは適正温度差の範囲ΔＴａ〜ΔＴｂより高くなる。この場合には、制御装置１５は、ステップＳ２０８にて当該範囲ΔＴａ〜ΔＴｂより高いと判定してステップＳ１１４に進める。

この第二実施形態の燃料電池システムでは、リサイクルガス管３９には冷媒によりリサイクルガスと熱交換する熱交換器３９ｃを設け、熱交換器３９ｃの冷媒の温度を検出することによりリサイクルガスの温度を間接的に検出するようにした。この第二実施形態では、リサイクルガスと熱交換する冷媒は改質部３３に供給する改質水が用いられている。詳述すると、熱交換器３９ｃには改質部３３に改質水を供給する水供給管１１ｂの一部が収容され、水供給管１１ｂの熱交換器３９ｃの上流側及び下流側の温度を検出する温度センサ１１ｂ２，１１ｂ３が設けられている。制御装置１５は、温度センサ１１ｂ２，１１ｂ３の検出温度Ｔ２，Ｔ３の差ΔＴに基づいてリサイクルガス管３９を通過するリサイクルガスが正常に通過していることを検出する検出部（ステップＳ２０８）を備えている。

制御装置１５は、検出部によりリサイクルガス管３９をリサイクルガスが正常に通過しているか否かを判定することで、リサイクルガス管３９の異常を検知できるようになる。また、熱交換器３９ｃの冷媒には改質部３３に供給する改質水を用いるようにしたので、リサイクルガスの熱を改質水に回収することができ、燃料電池システムの熱効率及び発電効率を向上させることができる。なお、この第二実施形態では、温度センサ１１ｂ２，１１ｂ３により改質水（冷媒）の温度を検出し（ステップＳ２０６）、温度センサ１１ｂ２，１１ｂ３の検出温度Ｔ２，Ｔ３の差ΔＴに基づいてリサイクルガスが正常に通過しているかを検出する（ステップＳ２０８）ようにしたが、これに限られるものでなく、ステップＳ２０６によって検出した改質水（冷媒）の検出温度Ｔ２，Ｔ３の差ΔＴに基づいて、リサイクルガス管３９を通過するリサイクルガスの流量を算出し、算出したリサイクルガスの流量が正常な流量か否かを検出するようにしたものであってもよい。

（第二実施形態の第一変形例）
第二実施形態においては、リサイクルガス管３９には冷媒によりリサイクルガスと熱交換する熱交換器３９ｃを設けている。この第二実施形態では、熱交換器３９ｃの冷媒に改質部３３に供給する改質水を用いたが、図８に示す第二実施形態の第一変形例は、冷媒には燃料電池３４に供給するカソードエアを用いたものである。すなわち、熱交換器３９ｃにはカソードエアを供給するカソードエア供給管１１ｃの一部を収容し、カソードエア供給管１１ｃには熱交換器３９ｃの上流側及び下流側に温度センサ１１ｃ２，１１ｃ３を設ける。

この第一変形例においては、上述した第二実施形態と同様に、制御装置１５は、温度センサ１１ｃ２，１１ｃ３の検出温度Ｔ２，Ｔ３の差ΔＴに基づいてリサイクルガス管３９を通過するリサイクルガスが正常に通過していることを検出する検出部（ステップＳ２０８）を備えている。検出部によりリサイクルガス管３９をリサイクルガスが正常に通過しているか否かを判定することで、リサイクルガス管３９の異常を検知できるようになる。また、熱交換器３９ｃの冷媒には燃料電池３４に供給するカソードエアを用いるようにしたので、リサイクルガスの熱をカソードエアに回収することができ、燃料電池システムの熱効率及び発電効率を向上させることができる。

（第二実施形態の第二変形例）
また、第二実施形態の第二変形例は、図９に示すように、熱交換器３９ｃの冷媒には燃料電池３４の排熱を回収する排熱回収水を用いたものである。すなわち、熱交換器３９ｃには貯湯水循環ライン２２の一部を収容し、貯湯水循環ライン２２には熱交換器３９ｃの上流側及び下流側に温度センサ２２ｂ，２２ｃを設ける。

この第二変形例においては、上述した第二実施形態と同様に、制御装置１５は、温度センサ２２ｂ，２２ｃの検出温度Ｔ２，Ｔ３の差ΔＴに基づいてリサイクルガス管３９を通過するリサイクルガスが正常に通過していることを検出する検出部（ステップＳ２０８）を備えている。検出部によりリサイクルガス管３９をリサイクルガスが正常に通過しているか否かを判定することで、リサイクルガス管３９の異常を検知できるようになる。また、熱交換器３９ｃの冷媒には燃料電池３４の排熱を回収する排熱回収水を用いるようにしたので、リサイクルガスの熱を排熱回収水に回収することができ、燃料電池システムの熱効率及び発電効率を向上させることができる。

（第二実施形態の第三変形例）
また、第二実施形態の第三変形例（図示省略）は、熱交換器３９ｃの冷媒には燃料電池３４を少なくとも収容する筐体１０ａの空気を用いたものである。すなわち、熱交換器３９ｃを筐体１０ａに設けられたファン（図示省略）によって空気の対流する位置に配置し、筐体１０ａ内にて熱交換器３９ｃの空気の対流する上流側及び下流側に温度センサ（図示省略）を設ける。

この第三変形例においては、上述した第二実施形態と同様に、制御装置１５は、温度センサの検出温度Ｔ２，Ｔ３の差ΔＴに基づいてリサイクルガス管３９を通過するリサイクルガスが正常に通過していることを検出する検出部（ステップＳ２０８）を備えている。検出部によりリサイクルガス管３９をリサイクルガスが正常に通過しているか否かを判定することで、リサイクルガス管３９の異常を検知できるようになる。また、筐体１０ａの空気を冷媒として用いたものであるので、上述した第二実施形態および各変形例に示したように、熱交換器３９ｃに対して別途冷媒を供給する配管を設ける必要がなく、コストアップとなりにくくすることができる。
なお、第二実施形態の各変形例は熱交換器３９ｃの冷媒を代えただけであり、他の構成および作用効果については第二実施形態と同様である。

上述した実施形態の燃料電池システムの燃料電池３４は固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であるが、本発明はこれに限られるものでなく、燃料電池として固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）にも適用されるものである。

上述した実施形態の燃料電池システムにおいては、リサイクルガス管３９に改質ガス（リサイクル燃料）を流通させるためのリサイクル燃料供給装置として、改質用原料供給管１１ａに圧力調整装置１１ａ４を設けたが、本発明はこれに限られるものでなく、リサイクルガス管３９に改質ガス（リサイクル燃料）を流通させるためのリサイクル燃料供給装置として、リサイクルガス管３９にリサイクルガスを送り出すポンプを設けたものであってもよい。

１１…筐体、１１ａ…改質用原料供給管、１１ａ４…圧力調整装置（リサイクル燃料供給装置）、１１ａ６…脱硫器、１１ｂ２，１１ｂ３…温度センサ、１５…制御装置（検出部）、３３…改質部、３４…燃料電池、３８…改質ガス供給管（燃料供給管）、３９…リサイクルガス管（リサイクル燃料管）、３９ａ…温度センサ、３９ｃ…熱交換器。

Claims (6)

1. 燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
   改質用原料と改質水とから前記燃料を生成して前記燃料電池に供給する改質部と、
   前記改質用原料に含まれる硫黄成分を除去して前記改質部に供給する脱硫器と、
   前記改質部から前記燃料電池に前記燃料を供給する燃料供給管と前記脱硫器に前記改質用原料を供給する改質用原料供給管とを接続し、前記燃料の一部をリサイクル燃料として前記脱硫器に戻すリサイクル燃料管と、
   前記リサイクル燃料管に前記リサイクル燃料を流通させるためのリサイクル燃料供給装置と、
   前記リサイクル燃料管を通過する前記リサイクル燃料の温度を直接的または間接的に検出する温度センサと、
   前記温度センサによって検出されたリサイクル燃料の温度に基づいて前記リサイクル燃料管を通過する前記リサイクル燃料の通過および／または流量を検出する検出部と、を備えている燃料電池システム。
2. 前記リサイクル燃料管には冷媒により前記リサイクル燃料と熱交換する熱交換器を備え、前記温度センサは前記冷媒または前記熱交換器の温度を検出することで前記リサイクル燃料の温度を間接的に検出するようにした請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記冷媒には前記改質部に供給する前記改質水を用いるようにした請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記冷媒には前記燃料電池に供給するカソードエアを用いるようにした請求項２記載の燃料電池システム。
5. 前記冷媒には前記燃料電池の排熱を回収する排熱回収水を用いるようにした請求項２記載の燃料電池システム。
6. 前記冷媒には前記燃料電池を少なくとも収容する筐体内の空気を用いるようにした請求項２記載の燃料電池システム。

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