JP2016058363A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいてオフガスに含まれる水蒸気が凝縮して生じる凝縮水が燃焼部へ流入することを簡便な構成で確実に検知できることを課題とする。【解決手段】燃料電池システムにおいて、オフガス供給路５の途中の特定部位５０の温度を検出する温度センサＴ２と、温度センサＴ２が検出した特定部位５０の温度に基づいて、オフガスに含まれる水蒸気が凝縮して発生する凝縮水がオフガス供給路５の特定部位５０を通過したか否かを判定する凝縮水通過判定部Ｃ１とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、原燃料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスに変化させる改質部と、前記改質部からの燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池発電装置と、前記燃料電池発電装置から排出されるオフガスを燃焼する燃焼部と、前記燃料電池発電装置から前記燃焼部へオフガスを供給するオフガス供給路とを備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池システムにおいて、燃料電池発電装置から排出されるオフガスには水蒸気が含まれている。その水蒸気の起源としては、水蒸気改質の際に添加されたが改質反応に用いられなかった残余の水蒸気や、燃料電池発電装置における発電反応の際に生成される水分等がある。

特開２００９−７２２２号公報 特開２００６−６６１１５号公報

燃料電池発電装置から排出されたオフガスは燃焼部へ送られる間にオフガス供給路にて温度が低下するので、オフガスに含まれる水蒸気の一部が凝縮して水滴（凝縮水）となることがある。凝縮水が燃焼部へ流入すると、ガスの燃焼が不安定になったり、最悪の場合は失火する虞がある。燃焼部で生じる熱は、水蒸気改質のための水蒸気の生成や、改質部での反応促進に用いられているので、燃焼部でのガス燃焼の不安定化や失火は燃料電池システムの運転に悪影響を及ぼす。そのため、オフガスから水蒸気を取り除く技術や、凝縮水の燃焼部への流入量を予測する技術が提案されている。

特許文献１に記載の燃料電池では、冷却によりアノードオフガスに含まれる水分を凝縮する凝縮器６８と、凝縮水をアノードオフガスから分離して除去する気液分離器７０を備え、アノードオフガスから水分を取り除くことにより燃焼バーナ３０ｅにおける不完全燃焼や失火の不具合を防止している。しかし、燃料電池の運転中に凝縮水発生の有無にかかわらず凝縮器６８が常に作動し続けるため、装置全体としてのエネルギー効率が低下する。

特許文献２の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１で生成される水及び燃料電池スタック１で凝縮した水の少なくとも一方が規定量以上燃焼触媒１４に導入される前に、燃焼触媒１４の温度を基準温度以上にまで上昇させる手段を備えることで、燃焼触媒１４の温度・活性低下と燃焼器６での失火を防止している。燃料電池スタック１で生成される水の量、及び燃料電池スタック１で凝縮した水の量の予測は、燃料電池スタック１を構成する複数のセルの電圧・電圧低下率や、アノード極２内（又は水素循環配管９内部）の圧力Ｐｓと凝縮水タンク２３の圧力Ｐｔの差ΔＰに基づいて行われるとされる。
しかし燃料電池セルの電圧は、例えば燃料ガス中のＣＯの存在等、様々な要因によって低下するため、燃料電池セルの電圧に基づいて水の量を予測することは困難である。また圧力測定による方法も、微少な圧力変動の計測は難しい上に、燃料電池システムの運転負荷の変動によっても圧力は変化するため、水の量の予測は困難である。

本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池発電装置から排出されるオフガスを燃焼部へ供給して燃焼させる構成の燃料電池システムにおいて、オフガスに含まれる水蒸気が凝縮して生じる凝縮水が燃焼部へ流入することを簡便な構成で確実に検知できる燃料電池システムを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムの特徴構成は、原燃料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスに変化させる改質部と、前記改質部からの燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池発電装置と、前記燃料電池発電装置から排出されるオフガスを燃焼する燃焼部と、前記燃料電池発電装置から前記燃焼部へオフガスを供給するオフガス供給路とを備えた燃料電池システムであって、
前記オフガス供給路の途中の特定部位の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサが検出した前記特定部位の温度に基づいて、オフガスに含まれる水蒸気が凝縮して発生する凝縮水が前記オフガス供給路の前記特定部位を通過したか否かを判定する凝縮水通過判定部とを備える点にある。

オフガスに含まれる水蒸気は、オフガス供給路にて冷却され、凝縮して凝縮水となる場合がある。この凝縮水が燃焼部に達する前に、温度センサが設けられた特定部位を通過すると、特定部位の温度が下がる。上記特徴構成によれば、オフガス供給路の途中の特定部位の温度を検出する温度センサと、温度センサが検出した前記特定部位の温度に基づいて、オフガスに含まれる水蒸気が凝縮して発生する凝縮水がオフガス供給路の特定部位を通過したか否かを判定する凝縮水通過判定部とを備えることにより、簡便な構成により凝縮水が燃焼部へ流入することを確実に検知できる。

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記凝縮水通過判定部の判定結果に基づいて、前記オフガス供給路の凝縮水を低減させる凝縮水低減処理を実行する凝縮水低減処理実行部とを備える点にある。

上記特徴構成によれば、凝縮水通過判定部の判定結果に基づいて、オフガス供給路の凝縮水を低減させる凝縮水低減処理を実行するので、凝縮水の燃焼部への流入を抑制することができ、燃焼部でのガス燃焼の不安定化や失火を防止することができる。したがって、改質部の運転が安定して適切な組成の燃料ガスを燃料電池発電装置に供給できるので、燃料電池システムの発電運転を安定させることができる。また、凝縮水通過判定部の判定結果に基づいて凝縮水低減処理を行うので、凝縮器等を常に運転する場合に比べ、燃料電池システム全体のエネルギー効率を高めることができる。

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記温度センサは、前記オフガス供給路を構成する管の下方面の温度を検出するよう構成されている点にある。

オフガス供給路にて凝縮した凝縮水は、重力の作用により鉛直下方向に引かれ、オフガス供給路を構成する管の内部の鉛直方向下側を流れると考えられる。上記特徴構成によれば、温度センサは、オフガス供給路を構成する管の下方面の温度を検出するよう構成されているので、凝縮水が特定部位を通過する際の温度低下を温度センサにより確実に検出することができる。なお「管の下方面」とは、管の伸びる方向に垂直な断面における鉛直方向の下半分の部位をいう。

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記特定部位は、前記燃焼部の作動中であって前記特定部位を凝縮水が通過していない期間の平均温度である基準温度が６０℃以上となる部位である点にある。

オフガス供給路にて凝縮した凝縮水は、オフガス供給路を流れる間に冷やされて５０℃以下の温度になる場合が多い。上記特徴構成によれば、特定部位は、燃焼部の作動中であって特定部位を凝縮水が通過していない期間の平均温度である基準温度が６０℃以上となる部位であるため、凝縮水の通過による温度の低下幅が大きくなり、凝縮水が通過したか否かをより確実に判定することができる。

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記凝縮水通過判定部は、前記温度センサが検出した温度の前記基準温度からの低下幅が予め設定された温度低下幅閾値を超えた場合に、凝縮水が前記オフガス供給路の特定部位を通過したと判定する点にある。

上記特徴構成によれば、凝縮水通過判定部は、温度センサが検出した温度の基準温度からの低下幅が予め設定された温度低下幅閾値を超えた場合に、凝縮水がオフガス供給路の特定部位を通過したと判定するので、温度センサの出力の揺らぎや電気的ノイズ等による温度センサの出力値の小さな変動があった場合に、凝縮水通過と誤って判定する事態を回避できる。すなわち、外乱ノイズによる誤動作を排除して、凝縮水が通過したか否かをより確実に判定することができる。

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記凝縮水通過判定部は、前記温度センサが検出した温度の前記基準温度からの低下幅が予め設定された温度低下幅閾値を超え、かつ、前記低下幅が前記温度低下幅閾値を超える状態が予め設定された温度低下時間閾値を超えて継続した場合に、凝縮水が前記オフガス供給路の特定部位を通過したと判定する点にある。

上記特徴構成によれば、凝縮水通過判定部は、温度センサが検出した温度の基準温度からの低下幅が予め設定された温度低下幅閾値を超えることを条件に凝縮水がオフガス供給路の特定部位を通過したと判定するので、温度センサの出力の揺らぎや電気的ノイズ等による温度センサの出力値の小さな変動を凝縮水通過と誤判定する事態を回避できる。当該条件に加えて、温度の低下幅が温度低下幅閾値を超える状態が予め設定された温度低下時間閾値を超えて継続した場合に、凝縮水がオフガス供給路の特定部位を通過したと判定するので、例えば静電気放電などによる大きなノイズが温度センサの出力値に瞬間的に現れた場合に凝縮水通過と誤判定する事態を回避できる。凝縮水が特定部位を通過して温度が低下した場合、元の温度に戻るのにある程度時間がかかる。一方、電気的なノイズであれば温度センサの出力はすぐに元の状態に戻るので、温度低下時間閾値を用いることにより確実な判定となる。すなわち、外乱ノイズによる誤動作を排除して、凝縮水が通過したか否かをより確実に判定することができる。

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記凝縮水低減処理実行部は、前記凝縮水通過判定部が凝縮水が通過したと判定する頻度が予め設定された通過頻度閾値を超えた場合に、前記凝縮水低減処理を実行する点にある。

上記特徴構成によれば、凝縮水低減処理実行部は、前記凝縮水通過判定部が凝縮水が通過したと判定する頻度が予め設定された通過頻度閾値を超えた場合に、前記凝縮水低減処理を実行するので、凝縮水低減処理を行う頻度を所望の頻度とすることができ、例えば失火が発生しない程度に凝縮水低減処理の頻度を低くすることで、より省エネ性の高い燃料電池システムを実現できる。

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記オフガス供給路を構成する管を加熱する加熱部が前記オフガス供給路に設けられ、
前記凝縮水低減処理実行部は、前記凝縮水低減処理として前記加熱部を作動させて前記オフガス供給路を構成する管を加熱する点にある。

上記特徴構成によれば、凝縮水低減処理として加熱部を作動させてオフガス供給路を構成する管を加熱するので、オフガス供給路を流れる凝縮水を再度気化させて凝縮水の燃焼部への流入を抑制することができ、燃焼部でのガス燃焼の不安定化や失火を防止することができる。したがって、改質部の運転が安定して適切な組成の燃料ガスを燃料電池発電装置に供給できるので、燃料電池システムの発電運転を安定させることができる。

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記オフガス供給路を流れるオフガスから水分を除去する水分除去部が前記オフガス供給路に設けられ、
前記凝縮水低減処理実行部は、前記凝縮水低減処理として前記水分除去部を作動させてオフガスから水分を除去する点にある。

上記特徴構成によれば、凝縮水低減処理として水分除去部を作動させてオフガスから水分を除去するので、凝縮水の燃焼部への流入を抑制することができ、燃焼部でのガス燃焼の不安定化や失火を防止することができる。したがって、改質部の運転が安定して適切な組成の燃料ガスを燃料電池発電装置に供給できるので、燃料電池システムの発電運転を安定させることができる。

燃料電池システムの構成を示す概略図 燃料電池システムの動作を示すフローチャート 燃料電池システムの運転時の温度センサの出力を示すグラフ

以下に図面を参照して燃料電池システムについて説明する。図１は、燃料電池システムの構成を示す概略図である。図示するように、燃料電池システムは、原燃料ガス供給路２を介して供給される原燃料ガスを改質して、水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置Ｒと、その燃料ガス生成装置Ｒで生成された燃料ガスを用いて発電する燃料電池発電装置ＦＣと、燃料電池システムの運転を制御する運転制御装置Ｃとを備える。

燃料電池発電装置ＦＣは、例えば固体高分子形燃料電池などを用いて構成でき、電解質２２を燃料極２０及び空気極２１で挟んで構成される。燃料極２０には燃料ガス供給路４を通して燃料ガス（例えば、水素）が供給される。この燃料ガスは後述するように、燃料ガス生成装置Ｒで生成される。燃料極２０で発電反応に用いられた後のオフガス中には少量の燃料ガス成分が残留しており、そのオフガスはオフガス供給路５を通して燃料ガス生成装置Ｒの燃焼部３２に供給される。運転制御装置Ｃが燃料ガス生成装置Ｒの動作を制御することで、燃料極２０へ供給される燃料ガス量が調節される。燃料ガス生成装置Ｒから燃料極２０への燃料ガス供給路４の途中には、燃料ガス供給路４におけるガスの流通を遮断又は許容する弁Ｖ４が設けられている。オフガス供給路５の途中には、オフガス供給路５におけるガスの流通を遮断又は許容する弁Ｖ５が設けられている。

空気極２１には酸化剤ガス供給路７を通して酸化剤ガスとしての空気（酸素）が供給される。酸化剤ガス供給路７の、空気極２１よりも上流側にはブロア１４及び弁Ｖ６が設けられている。これらブロア１４及び弁Ｖ６の動作は運転制御装置Ｃが制御する。そして、運転制御装置Ｃが弁Ｖ６の開閉及びブロア１４の動作を制御することで、空気極２１へ供給される空気量（酸化剤ガス量）を調節することができる。空気極２１で発電反応に用いられた後の排空気は、排気路８を通して排気される。

燃料ガス生成装置Ｒは、蒸気発生部３１、燃焼部３２、改質部３３、ＣＯ変成部３４、およびＣＯ除去部３５を備える。

燃焼部３２には、上述したように燃料極２０で発電反応に用いられた後のオフガスが供給される。加えて、オフガス供給路５には、空気供給路１６が接続され、オフガス供給路５を流れるオフガスに空気（酸素）が添加されるように構成されている。空気供給路１６には、流量調節弁Ｖ３とブロア１３とが設けられている。これら流量調節弁Ｖ３及びブロア１３の動作は運転制御装置Ｃが制御する。そして、運転制御装置Ｃが流量調節弁Ｖ３の開度及びブロア１３の動作を制御することで、オフガス供給路５を流れるオフガスに添加される空気量、即ち、燃焼部３２に流入させる空気量を調節することができる。このようにして、燃焼部３２に対してオフガスと空気との混合ガスが供給されることで、オフガス中に含まれる少量の燃料ガス成分が燃焼され、その燃焼熱は、後述するように蒸気発生部３１及び改質部３３に伝達される。オフガスを燃焼部３２で燃焼した後の排ガスは、排ガス路６を通して排気される。

蒸気発生部３１は、水供給路９を通して水の供給を受けて水蒸気を発生させ、その水蒸気を水蒸気供給路１０を通して原燃料ガス供給路２へ添加させる。蒸気発生部３１は、燃焼部３２から放出される熱を受けるように配置されており、その熱を用いて水蒸気を発生させる。水供給路９の途中には蒸気発生部３１へ供給される水量を調節できる水供給ポンプ１１及び水供給路９を開閉する弁Ｖ１が設けられている。そして、運転制御装置Ｃが弁Ｖ１を開放させ且つその水供給ポンプ１１の動作を制御することで、蒸気発生部３１へ供給される水量、即ち、原燃料ガスへ添加される水量が調節される。

改質部３３には、原燃料ガス供給路２を通してメタンなどの炭化水素を含む原燃料ガスが供給される。また、上述したように、改質部３３に供給される原燃料ガスには、蒸気発生部３１で生成された水蒸気も添加されている。改質部３３は、燃焼部３２から放出された熱を受けるように配置されており、その熱を用いて原燃料ガスの水蒸気改質反応が行われる。例えば、改質部３３には、ルテニウム、ニッケル、白金などの改質触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数が通気可能な状態で充填される。そして、改質部３３に被燃料ガス（後述する原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）を通流させて、原燃料ガスを水素と一酸化炭素と二酸化炭素とを含む燃料ガスに改質する。原燃料ガスが、メタンを主成分とする天然ガス（都市ガス）である場合、改質部３３では、燃焼部３２から伝達される熱による例えば７００℃程度の温度下でメタンと水蒸気とが改質反応して、水素と一酸化炭素と二酸化炭素を含むガスに改質処理される。

原燃料ガス供給路２の途中の、改質部３３よりも上流側には、ブロア１２及び弁Ｖ２が設けられている。これらブロア１２及び弁Ｖ２の動作は運転制御装置Ｃが制御する。そして、運転制御装置Ｃが弁Ｖ２の開閉及びブロア１２の動作を制御することで、改質部３３へ供給される原燃料ガス量を調節することができる。

ＣＯ変成部３４は、改質部３３にて生成された水素を主成分とする燃料ガスに含まれる一酸化炭素を低減するように処理する。具体的には、ＣＯ変成部３４において、燃料ガス中に含まれる一酸化炭素と水蒸気とが、例えば２００℃〜３００℃程度の反応温度で変成反応して、一酸化炭素が二酸化炭素に変成処理される。

ＣＯ除去部３５は、ＣＯ変成部３４から排出される変成処理ガス中に残留している一酸化炭素を除去する。具体的には、一酸化炭素の酸化除去の場合、ＣＯ除去部３５において、ルテニウムや白金、パラジウム、ロジウム等の触媒作用によって、１００℃〜２００℃程度の反応温度で変成処理ガス中に残っている一酸化炭素が、添加された空気中の酸素によって酸化される。その結果、一酸化炭素濃度の低い（例えば１０ｐｐｍ以下）、水素リッチな燃料ガスが生成される。そして、生成された燃料ガスは、燃料ガス供給路４を通じて燃料電池発電装置ＦＣに供給される。

オフガス供給路５の途中の、燃焼部３２の上流側かつ空気供給路１６との接続箇所よりも下流側であって、オフガス供給路５が水平方向に伸びる区間における特定部位５０に、温度センサＴ２が設けられている。温度センサＴ２が設けられる特定部位５０は、燃焼部３２の作動中であって特定部位を凝縮水が通過していない期間の平均温度である基準温度Ｔ０が、６０℃以上となる位置である。オフガス供給路５にて凝縮した凝縮水は、オフガス供給路５を流れる間に冷やされて５０℃以下の温度になる場合が多い。よって、特定部位５０を凝縮水が通過すると、温度センサＴ２の出力が大きく低下するので、凝縮水が通過したか否かを確実に判定することができる。

燃焼部３２の作動中、燃焼部３２でのガスの燃焼による熱が伝わるため、オフガス供給路５を構成する管の温度は、オフガス供給路５と燃焼部３２との接続部に近づくにつれて高くなる。基準温度Ｔ０が６０℃以上となる位置は、燃料電池システムの構造や規模により異なるが、本実施形態ではオフガス供給路５と燃焼部３２との接続部から４ｃｍ離れた位置であり、当該位置に温度センサＴ２が設置される。なお、基準温度Ｔ０の算出方法については後述する。

温度センサＴ２は、特定部位５０におけるオフガス供給路５を構成する管の下方面の温度Ｔを検出するよう構成されている。ここで「管の下方面」とは、管の伸びる方向に垂直な断面における鉛直方向の下半分の部位をいう。温度センサＴ２は、具体的には、オフガス供給路５を構成する内径（直径）４ｍｍのステンレスパイプの、外周面の鉛直方向下端の部位に接触した状態で設置される。

オフガス供給路５は、燃料電池システムの各構成要素の配置に応じて、水平に伸びる区間の他、傾斜して設けられる区間や鉛直に伸びる区間を有する。温度センサＴ２は、オフガス供給路５が傾斜して設けられる区間に設けてもよい。また、温度センサＴ２をオフガス供給路５が鉛直に伸びる区間に設けてもよいが、その場合は複数の温度センサＴ２をオフガス供給路５を構成する管の周囲に設けることで、温度センサＴ２が設けられた特定部位５０を通過する凝縮水による温度低下を確実に検出することができる。

オフガス供給路５の途中の、空気供給路１６との接続箇所よりも上流側に、加熱部４３が設けられる。加熱部４３は、オフガス供給路５を構成する管を加熱し、管を流れる凝縮水を気化させる。加熱部４３は、通電により発熱するヒーターをオフガス供給路５を構成する管の周囲に配置し、その周囲を断熱材で覆って構成される。なお加熱部４３を、燃焼部３２から排出される高温の排ガスの熱を利用する熱交換器により構成してもよい。加熱部４３の動作は運転制御装置Ｃが制御する。

オフガス供給路５の途中の、加熱部４３の上流側に、水分除去部Ｄが設けられる。水分除去部Ｄは、オフガス供給路５を流れるオフガスから水分（水蒸気、凝縮水）を除去する。水分除去部Ｄは、オフガス供給路５から分岐する水分除去経路４０と、水分除去経路４０に設けられる気液分離器４１と、排水路４２と、弁Ｖ７および弁Ｖ８を有する。

水分除去経路４０は、加熱部４３の上流側でオフガス供給路５から分岐して設けられ、気液分離器４１を経て、加熱部４３の上流側でオフガス供給路５に接続される。水分除去経路４０は、オフガス供給路５から水分を含んだオフガスを気液分離器４１へ導き、気液分離器４１で水分が除去されたオフガスをオフガス供給路５に戻す。

気液分離器４１は、これに導入されるオフガスから、オフガスに含まれる水分（水蒸気、凝縮水）を分離し、分離した水分を排水路４２を通じて排出する。気液分離器４１は、低温冷媒が通流する冷却管を備え、これによりオフガスを冷却してオフガスに含まれる水蒸気を凝縮させ、流入した凝縮水と併せてオフガスから分離する。気液分離器４１の動作は運転制御装置Ｃが制御する。

オフガス供給路５の途中の、水分除去経路４０がオフガス供給路５から分岐する箇所と、水分除去経路４０がオフガス供給路５に接続される箇所との間に、弁Ｖ７が設けられる。水分除去経路４０の途中の、気液分離器４１の上流側に弁Ｖ８が設けられる。弁Ｖ７および弁Ｖ８は、運転制御装置Ｃにより制御され、オフガスの流通を遮断または許容する。

水分除去部Ｄが動作を停止している間、運転制御装置Ｃにより弁Ｖ７が開状態（オフガスの流通を許容する状態）に、弁Ｖ８が閉状態（オフガスの流通を遮断する状態）に制御される。これにより、オフガスは気液分離器４１には流れず、加熱部４３へと流れる。

水分除去部Ｄが動作する間、運転制御装置Ｃにより弁Ｖ７が閉状態（オフガスの流通を遮断する状態）に、弁Ｖ８が開状態（オフガスの流通を許容する状態）に制御される。これにより、オフガスは気液分離器４１を経由し、加熱部４３へと流れる。

運転制御装置Ｃは、凝縮水通過判定部Ｃ１と、凝縮水低減処理実行部Ｃ２とを有する。

凝縮水通過判定部Ｃ１は、温度センサＴ２が検出したオフガス供給路５の特定部位５０の温度Ｔに基づいて、凝縮水が特定部位５０を通過したか否かを判定する。

凝縮水低減処理実行部Ｃ２は、凝縮水通過判定部Ｃ１の判定結果に基づいて、オフガス供給路５の凝縮水を低減させる凝縮水低減処理を実行する。詳しくは、凝縮水低減処理実行部Ｃ２は、凝縮水低減処理として、加熱部４３を作動させてオフガス供給路５を構成する管を加熱して、オフガス供給路５を流れる凝縮水を気化させる。また凝縮水低減処理実行部Ｃ２は、凝縮水低減処理として、水分除去部Ｄを作動させてオフガスから水分を除去する。

本実施形態では、運転制御装置Ｃは、温度センサＴ２が検出したオフガス供給路５の特定部位５０の温度に基づいて、凝縮水が特定部位５０を通過したか否かを判定し、その判定結果に基づいて、凝縮水低減処理として加熱部４３および水分除去部Ｄを作動させる。

図２は、運転制御装置Ｃの動作を説明するフローチャートである。
ステップ＃１０において運転制御装置Ｃは、凝縮水通過の判定の基準となる基準温度Ｔ０を設定する。例えば、燃料電池システムの運転開始時において基準温度Ｔ０が未設定の場合、運転制御装置Ｃは、温度センサＴ２から送られる特定部位５０の温度Ｔを監視し、単位時間当たりの温度Ｔの変化率が所定の範囲内となった時点で、過去１０分間の温度Ｔの平均値を基準温度Ｔ０として設定する。また、基準温度Ｔ０が設定済みで燃料電池システムの運転が継続している間は、運転制御装置Ｃは、過去１０分間の温度Ｔの変化率が所定の範囲内であることを条件に、過去１０分間の温度Ｔの平均値を新たな基準温度Ｔ０として設定（更新）する。

ステップ＃１１において運転制御装置Ｃの凝縮水通過判定部Ｃ１は、温度センサＴ２が検出した温度Ｔの基準温度Ｔ０からの低下幅ΔＴが、予め設定された温度低下幅閾値ＴＳを超えたか否かを確認する。低下幅ΔＴが温度低下幅閾値ＴＳを超えていない場合、ステップ＃１０に戻って処理が行われる。低下幅ΔＴが温度低下幅閾値ＴＳを超えた場合、凝縮水がオフガス供給路５の特定部位５０を通過したと判定し、ステップ＃１２に移行する。温度低下幅閾値ＴＳは、例えば３℃に設定する。

ステップ＃１２において運転制御装置Ｃの凝縮水低減処理実行部Ｃ２は、凝縮水通過判定部Ｃ１が凝縮水が通過したと判定する頻度Ｆを算出し、頻度Ｆが予め設定された通過頻度閾値ＦＳを超えたか否かを確認する。頻度Ｆが通過頻度閾値ＦＳを超えていない場合、ステップ＃１０に戻って処理が行われる。頻度Ｆが通過頻度閾値ＦＳを超えた場合、凝縮水低減処理を実行するためにステップ＃１３に移行する。通過頻度閾値ＦＳは、例えば１回／1時間に設定する。

頻度Ｆの算出は例えば次のように行う。凝縮水低減処理実行部Ｃ２は、凝縮水通過判定部Ｃ１が前回凝縮水が通過したと判定した時刻から、今回凝縮水が通過したと判定した時刻までの経過時間Δｔを計算し、Ｆ＝１／Δｔの計算式により頻度Ｆを計算する。例えば、経過時間Δｔが４０分の場合、頻度Ｆは１／Δｔより１．５回／１時間と算出される。なお、燃料電池システムが運転を開始してから初めて凝縮水が通過したと判定された場合は、頻度Ｆが計算できず、ステップ＃１０に戻って処理が行われる。

ステップ＃１３において運転制御装置Ｃの凝縮水低減処理実行部Ｃ２は、凝縮水低減処理として加熱部４３と水分除去部Ｄを作動させ、オフガス供給路５の凝縮水を低減させる。凝縮水低減処理の終了後、ステップ＃１０に戻って処理が行われる。

凝縮水低減処理としての加熱部４３の動作は、次のように行われる。凝縮水低減処理実行部Ｃ２は、加熱部４３を制御してヒーターに所定の時間（例えば、１時間）通電させ、オフガス供給路５を構成する管を加熱する。すなわち加熱部４３は常時動作し続けるのではなく、所定の時間だけ動作し、その後停止する。なお、通電は予め定められた時間行ってもよいし、頻度Ｆに応じて決まる時間行ってもよい。例えば、頻度Ｆが大きいほど長い時間通電するように構成してもよい。すなわち、頻度Ｆが１．５回／1時間（経過時間Δｔが４０分）の場合に比べて、頻度Ｆが６回／１時間（経過時間Δｔが１０分）の場合の方が、ヒーターへの通電時間が長くなるように構成してもよい。

凝縮水低減処理としての水分除去部Ｄの動作は、次のように行われる。凝縮水低減処理実行部Ｃ２は、弁Ｖ７を開状態から閉状態、弁Ｖ８を閉状態から開状態に制御して、オフガスを気液分離器４１に通流させる。そして、気液分離器４１の冷却管に低温冷媒を通流させ、オフガスに含まれる水蒸気を凝縮させ、流入した凝縮水と併せてオフガスから分離する。凝縮水低減処理実行部Ｃ２は、所定の時間（例えば、１時間）経過後、弁Ｖ７を閉状態から開状態、弁Ｖ８を開状態から閉状態に制御し、併せて気液分離器４１への低温冷媒の通流を停止する。すなわち水分除去部Ｄは常時動作し続けるのではなく、所定の時間だけ動作し、その後停止する。水分除去部Ｄの上述の動作は予め定められた時間行ってもよいし、頻度Ｆに応じて決まる時間行ってもよい。例えば、頻度Ｆが大きいほど長い時間通電動作するように構成してもよい。すなわち、頻度Ｆが１．５回／1時間（経過時間Δｔが４０分）の場合に比べて、頻度Ｆが６回／１時間（経過時間Δｔが１０分）の場合の方が、水分除去部Ｄの動作時間が長くなるように構成してもよい。

図３は、燃料電池システムの運転時における温度センサＴ２の出力の例を示すグラフである。温度センサＴ２は、オフガス供給路５と燃焼部３２との接続部から７ｃｍ離れた位置Ａと、１２ｃｍ離れた位置Ｂの２カ所に設置され、両位置の温度センサＴ２の測定した温度がグラフに示されている。グラフの横軸は、燃料電池システムの運転が定常状態に入ってからの経過時間を示し、２４時間経過時までのデータが示されている。グラフの縦軸は温度である。

位置Ａにおける温度センサＴ２の出力は、温度が低下した時間帯を除き、平均的には約７０℃である。よって、凝縮水が通過していない期間の平均温度は６０℃以上となるので、位置Ａは温度センサＴ２を設ける位置として適している。１時間当たり０．５〜１回の頻度で５〜１０℃程度の温度低下が見られるが、この温度低下は位置Ａを凝縮水が通過したことによるものと考えられる。
位置Ｂにおける温度センサＴ２の出力は、温度が低下した時間帯を除き、平均的には約５８℃である。温度低下に関して、１時間当たり０．５〜１回の頻度で２℃〜４℃程度発生している。温度の低下幅は位置Ａよりも小さいが、温度低下の時刻が位置Ａの場合とほぼ同じであるため、この温度低下は位置Ｂを凝縮水が通過したことによるものと考えられる。すなわち、位置Ｂも温度センサＴ２を設ける位置として用いることができると考えられる。

＜別実施形態＞
＜１＞
上述の実施形態では、ステップ＃１１において低下幅ΔＴが温度低下幅閾値ＴＳを超えた場合、凝縮水がオフガス供給路５の特定部位５０を通過したと判定していたが、当該条件に加えて、低下幅ΔＴが温度低下幅閾値ＴＳを超える状態が予め設定された温度低下時間閾値ｔｓを超えて継続した場合に、凝縮水がオフガス供給路５の特定部位５０を通過したと判定してもよい。

具体的には、ステップ＃１１で次のような処理を行う。運転制御装置Ｃの凝縮水通過判定部Ｃ１は、温度センサＴ２が検出した温度Ｔの基準温度Ｔ０からの低下幅ΔＴが、予め設定された温度低下幅閾値ＴＳを超えたか否かを確認する。低下幅ΔＴが温度低下幅閾値ＴＳを超えていない場合、ステップ＃１０に戻って処理が行われる。低下幅ΔＴが温度低下幅閾値ＴＳを超えた場合、タイマーによる経過時間の測定を開始し、温度Ｔの監視を継続して行う。温度低下時間閾値ｔｓが経過する前に低下幅ΔＴが温度低下幅閾値ＴＳを下回った場合、ステップ＃１０に戻って処理が行われる。温度低下時間閾値ｔｓが経過するまでの間、低下幅ΔＴが温度低下幅閾値ＴＳを超える状態が継続した場合、凝縮水がオフガス供給路５の特定部位５０を通過したと判定し、ステップ＃１２に移行する。温度低下幅閾値ＴＳは、例えば３℃に設定する。温度低下時間閾値ｔｓは、例えば１分に設定する。

＜２＞
上述の実施形態では、凝縮水通過判定部Ｃ１が凝縮水が通過したと判定する頻度Ｆが予め設定された通過頻度閾値ＦＳを超えた場合に、凝縮水低減処理実行部Ｃ２が凝縮水低減処理を実行するが、凝縮水通過判定部Ｃ１が凝縮水が通過したと判定した場合に直ちに凝縮水低減処理を実行するよう構成してもよい。この場合は、凝縮水低減処理を行う頻度が高くなり、燃焼部３２への凝縮水の流入をより強く抑止することができる。

＜３＞
上述の実施形態では、加熱部４３および水分除去部Ｄが温度センサＴ２の上流側に設けられたが、加熱部４３と水分除去部Ｄの一方だけを設ける構成としてもよく、また設置位置は適宜変更可能である。さらに、加熱部４３と水分除去部Ｄのいずれか一方、あるいは両方を温度センサＴ２の下流側に設けてもよい。この場合は、温度センサＴ２が設けられた特定部位５０を通過した凝縮水に対して、加熱部４３による気化、あるいは水分除去部Ｄによるオフガスからの除去を行うことができるので、燃焼部３２への凝縮水の流入をより強く抑止することができる。

＜４＞
ステップ＃１１において、低下幅Δｔが大きいほど凝縮水低減の能力が大きくなる制御を行うよう、凝縮水低減処理実行部Ｃ２を構成してもよい。例えば、低下幅Δｔが大きいほど加熱部４３のヒーターへの通電量（発熱量）が大きくなる制御を行ってもよい。低下幅Δｔが大きいほど水分除去部Ｄへの冷媒の通流量が大きくなる制御を行ってもよい。

＜５＞
上述の実施形態では、温度センサＴ２を１つ設けていたが、オフガス供給路５に温度センサＴ２を２つ以上設けてもよい。この場合、少なくとも１つの温度センサＴ２の出力に基づく凝縮水通過の判定がなされた場合に凝縮水低減処理を行うように、凝縮水低減処理実行部Ｃ２を構成してもよい。また、隣接する温度センサＴ２の出力に基づく凝縮水通過の判定が所定の時間間隔をおいて連続してなされた場合に凝縮水低減処理を行うように、凝縮水低減処理実行部Ｃ２を構成してもよい。前者の場合は、凝縮水をより確実に低減することができる。後者の場合は、燃料電池システムの運転をより省エネルギーで行うことができる。

＜６＞
上述の実施形態では、ステップ＃１３において加熱部４３と水分除去部Ｄは、予め定められた時間、または頻度Ｆに応じて決まる時間動作する。ここで、燃料電池システムに外気温（燃料電池システムの設置場所における気温）を計測する温度センサを設け、測定された外気温に基づいて加熱部４３と水分除去部Ｄの動作時間を決定してもよい。例えば、外気温が低いほど動作時間が長くなるように構成してもよい。あるいは、加熱部４３と水分除去部Ｄが動作を開始した時点の外気温から、例えば２℃外気温が上昇するまで加熱部４３と水分除去部Ｄの動作を継続するように構成してもよい。

なお、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

簡便な構成により凝縮水が燃焼部へ流入することを確実に検知できる燃料電池システムとして利用可能である。

５ ：オフガス供給路
３２ ：燃焼部
３３ ：改質部
４３ ：加熱部
５０ ：特定部位
Ｃ１ ：凝縮水通過判定部
Ｃ２ ：凝縮水低減処理実行部
Ｄ ：水分除去部
ＦＣ ：燃料電池発電装置
Ｔ２ ：温度センサ

Claims (9)

1. 原燃料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスに変化させる改質部と、前記改質部からの燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池発電装置と、前記燃料電池発電装置から排出されるオフガスを燃焼する燃焼部と、前記燃料電池発電装置から前記燃焼部へオフガスを供給するオフガス供給路とを備えた燃料電池システムであって、
   前記オフガス供給路の途中の特定部位の温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサが検出した前記特定部位の温度に基づいて、オフガスに含まれる水蒸気が凝縮して発生する凝縮水が前記オフガス供給路の前記特定部位を通過したか否かを判定する凝縮水通過判定部とを備える、燃料電池システム。
2. 前記凝縮水通過判定部の判定結果に基づいて、前記オフガス供給路の凝縮水を低減させる凝縮水低減処理を実行する凝縮水低減処理実行部とを備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記温度センサは、前記オフガス供給路を構成する管の下方面の温度を検出するよう構成されている請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記特定部位は、前記燃焼部の作動中であって前記特定部位を凝縮水が通過していない期間の平均温度である基準温度が６０℃以上となる部位である請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記凝縮水通過判定部は、前記温度センサが検出した温度の前記基準温度からの低下幅が予め設定された温度低下幅閾値を超えた場合に、凝縮水が前記オフガス供給路の特定部位を通過したと判定する、請求項１〜４のいずれか１項記載の燃料電池システム。
6. 前記凝縮水通過判定部は、前記温度センサが検出した温度の前記基準温度からの低下幅が予め設定された温度低下幅閾値を超え、かつ、前記低下幅が前記温度低下幅閾値を超える状態が予め設定された温度低下時間閾値を超えて継続した場合に、凝縮水が前記オフガス供給路の特定部位を通過したと判定する、請求項１〜４のいずれか１項記載の燃料電池システム。
7. 前記凝縮水低減処理実行部は、前記凝縮水通過判定部が凝縮水が通過したと判定する頻度が予め設定された通過頻度閾値を超えた場合に、前記凝縮水低減処理を実行する、請求項２〜６のいずれか１項記載の燃料電池システム。
8. 前記オフガス供給路を構成する管を加熱する加熱部が前記オフガス供給路に設けられ、
   前記凝縮水低減処理実行部は、前記凝縮水低減処理として前記加熱部を作動させて前記オフガス供給路を構成する管を加熱する、請求項２〜７のいずれか１項記載の燃料電池システム。
9. 前記オフガス供給路を流れるオフガスから水分を除去する水分除去部が前記オフガス供給路に設けられ、
   前記凝縮水低減処理実行部は、前記凝縮水低減処理として前記水分除去部を作動させてオフガスから水分を除去する、請求項２〜８のいずれか１項記載の燃料電池システム。

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