JP6333091B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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２００８−３００３０４号公報 特開２０１１−１１３９１８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は凝縮して水滴（凝縮水）となる。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を防止する技術が提案されている。

特許文献１の装置では、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を備えることで、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。

しかし冷却のための凝縮器や気液分離器を備えると、システムが複雑化し、それらの機器の制御・維持管理も必要となり、システム全体がコストアップする問題がある。

特許文献２の装置では、燃料電池本体１から改質器バーナ３までのオフガス供給路８を上り勾配とすることで、凝縮水が改質器バーナ３に流入する量を低減している。しかし、オフガスの流速が大きい場合には、凝縮水の流入を十分に防止できない虞がある。

特許文献３の装置では、アノードオフガスライン２の鉛直管部２２に邪魔板１４をもうけることで、凝縮水の上向きの動きを阻害し、バーナ５に流入することを防止している（図７）。しかし、邪魔板１４の下流側で発生する凝縮水に対しては効果がなく、凝縮水のバーナ５への流入防止策としては不十分である。

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低コストかつ効果的に抑止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は、オフガスを上方向へ送る上行部と、前記上行部の下流側に接続されてオフガスを横方向へ送る横行部とを有し、前記オフガス供給路の前記横行部は、オフガスに含まれる水蒸気が凝縮して生じる凝縮水の下流側への流入を抑止する流入抑止部を有し、前記オフガス供給路の前記流入抑止部は、オフガスが通流する第１通流管と、前記第１通流管の下流に設けられた第２通流管とを有し、前記第２通流管の底面は前記第１通流管の底面より高い位置に配置される点にある。

上記特徴構成によれば、流入抑止部に設けられる第２通流管の底面は第１通流管の底面より高い位置に配置されているので、凝縮水の下流側への流入を効果的に抑止することができる。すなわち、上流側の第１通流管で凝縮水が発生し、第１通流管の底面に滞留して大きな水滴へ成長したとしても、第１通流管の底面と第２通流管の底面との高低差を水滴高さが超過しない限り、凝縮水が高低差を超えて下流側へ流入する事態は発生し難く、したがって燃焼部への凝縮水の流入を簡便な構成で効果的に抑制することができる。

また、流入抑止部に第１通流管の底面と第２通流管の底面との高低差が存在することにより、上流側から送られてくるオフガスの一部が流入抑止部の上流側に滞留する。オフガスに含まれる水蒸気が滞留の間に凝縮すれば、発生した凝縮水は流入抑止部の上流側に留まることになる。すなわち、下流側に流れるオフガスに含まれる水分を流入抑止部により減少させるので、燃焼部への凝縮水の流入を簡便な構成で効果的に抑制することができる。すなわち、上記特徴構成により燃焼部での安定した燃焼が実現でき、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、前記流入抑止部は、前記第１通流管と前記第２通流管とを着脱自在に接続する接続部を有する点にある。

上記特徴構成によれば、流入抑止部は、第１通流管と第２通流管とを着脱自在に接続する接続部を有するので、メンテナンス性の高い燃料電池システムを実現することができる。また、接続部において第１通流管と第２通流管の位置関係を適切な位置関係とすることで、第１通流管の底面と第２通流管の底面とを、高低差をもって配置することが比較的容易に実現できる。

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記第２通流管の上流側の終端部が、前記第１通流管の下流側の終端部よりも上流側に位置する点にある。

上記特徴構成によれば、第２通流管の上流側の終端部が、第１通流管の下流側の終端部よりも上流側に位置するので、多量の凝縮水が発生したとしても、第１通流管の下流側終端部から第２通流管の上流側終端部までの空間に凝縮水を滞留させることができる。また、オフガスが上流側から下流側へ流れる環境下では、第１通流管の下流側終端部に滞留した凝縮水がオフガスの流れに逆らって、それよりも上流側にある第２通流管の上流側終端部に到達する可能性は低いので、上記特徴構成により凝縮水の第２通流管への流入を強く抑止することができる。
なお、第１通流管の下流側の終端部とは、管の内部空間におけるオフガスの流れ方向の下流側の端の部位を指すものとし、接続のための部材等に管の先端が埋め込まれている場合における、部材としての管の先端を指すものではない。

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からの放熱を抑制する保温材が前記横行部に設けられ、前記上行部からの放熱が前記横行部からの放熱よりも相対的に促進されるよう構成される点にある。

上記特徴構成によれば、保温材が横行部に設けられることで上行部からの放熱が横行部からの放熱よりも相対的に促進されるから、上行部における凝縮水の凝縮が横行部よりも相対的に促進される。すると、上行部で凝縮がより多く発生し、発生した凝縮水は下方へ落下するので、横行部へ到達する水分が少なくなる。加えて、保温材により横行部での放熱が抑制されているので、横行部での凝縮水の発生を少なくすることができ、燃焼部への凝縮水の流入をさらに少なくすることができる。

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記オフガス供給路の前記横行部は、オフガスが流れる方向に向かって上方に傾斜する第１傾斜部を有し、前記第１傾斜部は前記流入抑止部の上流側に配置される点にある。

上記特徴構成によれば、オフガス供給路の横行部は、オフガスが流れる方向に向かって上方に傾斜する第１傾斜部を有し、第１傾斜部は流入抑止部の上流側に配置されるので、流入抑止部の上流側に滞留した凝縮水を第１傾斜部により上流側へ送ることができる。これにより、流入抑止部に到達する凝縮水を少なくすることができ、凝縮水の燃焼部への流入をさらに抑制することができる。

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記オフガス供給路の前記横行部は、オフガスが流れる方向に向かって下方に傾斜する第２傾斜部を有し、前記第２傾斜部は前記流入抑止部の下流側に配置される点にある。

上記特徴構成によれば、オフガス供給路の横行部は、オフガスが流れる方向に向かって下方に傾斜する第２傾斜部を有し、第２傾斜部は流入抑止部の下流側に配置されるので、流入抑止部の下流側で凝縮水が発生したとしても、凝縮水の水滴が大きく成長する前に第２傾斜部により凝縮水を燃焼部へ送ることができ、燃焼部での異常燃焼や失火の発生を抑制することができる。

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記第２通流管の底面が、前記第１通流管の底面よりも３．５ｍｍ以上高く配置されている点にある。

上記特徴構成によれば、第２通流管の底面が、第１通流管の底面よりも３．５ｍｍ以上高く配置されているので、第１通流管で発生した凝縮水の下流側への流入を流入抑止部で効果的に抑止することができ、燃焼部での異常燃焼や失火の発生を抑制することができる。

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記第１通流管の断面形状が円形または楕円形であり、前記第２通流管の断面形状が円形または楕円形であり、前記第１通流管の中心線と前記第２通流管の中心線とが同一直線上となるように配置され、前記第２通流管の断面積が前記第１通流管の断面積よりも小さい点にある。

上記特徴構成によれば、両通流管の断面形状が円形または楕円形であり、第１通流管の中心線と第２通流管の中心線とが同一直線上となるように配置され、第２通流管の断面積が第１通流管の断面積よりも小さいので、流入抑止部の製造を容易に行うことができる。加えて、第１通流管の底面だけでなく終端部の全周にわたって第２通流管の終端部との間に段差が生じるので、第１通流管での燃料ガスの滞留量・時間とも大きくなり、流入抑止部の手前での過剰な水分の凝集がより効果的に行われる。よって、簡易な構成で効果的に燃料電池発電装置への凝縮水の流入を抑制することができる。

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記第２通流管の断面積が前記第１通流管の断面積の０．１倍〜０．７倍である点にある。

上記特徴構成によれば、第２通流管の断面積を第１通流管の断面積の０．１倍〜０．７倍としたから、第１通流管と第２通流管の中心線を合わせることで、第１通流管の底面と第２通流管の底面との高さの差を、簡易に適切な大きさにすることができる。また、第１通流管での燃料ガスの滞留を適当な量・長さとすることができ、流入抑止部の手前での過剰な水分の凝集がさらに効果的に行われる。よって、簡易な構成で効果的に燃料電池発電装置への凝縮水の流入をさらに抑制することができる。

燃料電池システムの構造の概略を示す側面図 流入抑止部の構造を示す断面図 流入抑止部に凝縮水が滞留した状態を示す断面図 流入抑止部の構造の別の例を示す断面図 流入抑止部の構造の別の例を示す断面図 流入抑止部による抑止効果の実験結果を示すグラフ

＜第１実施形態＞
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造の概略を示す側面図である。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。

本実施形態では、原燃料ガス供給路２の途中の、燃料ガス生成装置Ｒよりも上流側の所定の流量検出部位１には、ガス漏洩検出装置３が設けられている。このガス漏洩検出装置３は、その流量検出部位１を流れる原燃料ガスの流量が設定下限流量未満である期間が設定判定期間以上継続すれば、流量検出部位１よりも下流側でのガス漏れの存在を否定する判定を行う。例えば、ガス漏洩検出装置３はガスメータ等に併設されており、ガス漏れの存在を肯定する判定を行った場合（即ち、ガス漏れの存在を否定する判定が一定期間の間に為されない場合）には、ガスメータにおいてガスの流通を遮断させるように動作する。

加えて、本実施形態では、燃料電池システムの使用者やメンテナンス者が運転制御装置Ｃに対して情報入力を行うこと、及び、運転制御装置Ｃからの情報出力を行うための情報入出力装置１５が運転制御装置Ｃに対して情報通信可能に接続されている。例えば、情報入出力装置１５は、家庭などの台所や浴室などに設置されている。そして、燃料電池システムのメンテナンス時にメンテナンス作業者が情報入出力装置１５を用いて燃料電池システムの運転停止を指示することがある。他にも、燃料電池システムの使用者が長期外出するとき、その使用者が情報入出力装置１５を用いて燃料電池システムの運転停止を指示することがある。

次に、オフガス供給路５の構造について、図１および図２を参照して説明する。なお、オフガスがオフガス供給路５を流れる方向を、図中の矢印Ａで示している。

オフガス供給路５は、燃料電池発電装置ＦＣから燃焼部３２へオフガスを送る供給路であって、オフガスを上方向へ送る上行部５１と、オフガスを横方向へ送る横行部５２を有している。横行部５２は、上行部５１の下流側に接続されている。上行部５１は、例えば断面形状が円形のステンレス合金製パイプが鉛直方向に配置されることで構成される。

横行部５２は、上流側からエルボ管５５（第１傾斜部）、流入抑止部５３、下勾配管５６（第２傾斜部）を備えており、これらが連結されてオフガスを横方向へ送る経路を構成している。

エルボ管５５は、Ｌ字型の配管継ぎ手であって、上流側が上行部５１に接続され、下流側が流入抑止部５３の第１横行管５３１に接続されている。エルボ管５５の内部において流体の経路は９０°曲げられており、これによりオフガス供給路５は９０°曲げられて、オフガスを上方向に送る上行部５１と横方向に送る横行部５２とに区分されている。エルボ管５５の底面Ｂ３は、その断面がＲ状に湾曲して形成されている。

流入抑止部５３は、第１横行管５３１（第１通流管）と、接続管５３２（第２通流管）と、第２横行管５３３とを備えており、これら３つの管が接続部５３４により着脱自在に接続されている。すなわち接続部５３４は、第１横行管５３１（第１通流管）と接続管５３２（第２通流管）とを着脱自在に接続する。また接続部５３４は、第１接続部材Ｃ１と、第２接続部材Ｃ２と、ＯリングＣ３を備える。

第１横行管５３１は、断面形状が円形のステンレス合金製のパイプであって、上流側がエルボ管５５に接続され、下流側が第１接続部材Ｃ１に接続されている。

第１接続部材Ｃ１および第２接続部材Ｃ２は、２本のパイプを着脱自在に接続する既知のステンレス合金製の管継ぎ手であり、第１接続部材Ｃ１の下流側の凸部が第２接続部材Ｃ２の上流側の凹部に挿入されることで両者が接続される。第１接続部材Ｃ１の外周部にはＯリングＣ３が配置され、第１接続部材Ｃ１が第２接続部材Ｃ２と接続された際にオフガスが接続部分から漏洩するのを防止する。

第１接続部材Ｃ１の上流側に第１横行管５３１が接続され、第２接続部材Ｃ２の下流側に第２横行管５３３が接続される。第１接続部材Ｃ１の中央の貫通穴には、接続管５３２が挿入され、その状態で第１接続部材Ｃ１と第２接続部材Ｃ２が接続される。本実施形態では、第１横行管５３１と接続管５３２と第２横行管５３３とは、中心軸が一つの直線上に並ぶ同軸の位置関係に配置される。

接続管５３２は、断面形状が円形のステンレス合金製のパイプであって、一端にフランジが設けられ、フランジと反対側の管状の部分が第１接続部材Ｃ１の中央の貫通穴に挿入される。その状態のまま、第１接続部材Ｃ１が第２接続部材Ｃ２に接続されることで、接続管５３２のフランジが第１接続部材Ｃ１と第２接続部材Ｃ２との間に挟まれ、接続管５３２の位置が固定される。

第２横行管５３３は、断面形状が円形のステンレス合金製のパイプであって、上流側が第２接続部材Ｃ２に接続され、下流側が下勾配管５６に接続されている。

本実施形態では、接続管５３２および第２横行管５３３の内径（直径）を４ｍｍ、第１横行管５３１の内径（直径）を１１ｍｍとした。上述の通り第１横行管５３１と接続管５３２と第２横行管５３３とは同軸の位置関係に配置されるから、接続管５３２の底面Ｂ２は、第１横行管５３１の底面Ｂ１よりも３．５ｍｍ高く配置される。また、接続管５３２および第１横行管５３１は断面形状が円形のパイプであることから、第１横行管５３１の終端部Ｅ１の側面・上面を含め全周にわたって接続管５３２の終端部Ｅ２との間に、底面と同様の高さの差（段差）が生じる。

接続管５３２の長さ（オフガスの流れ方向に沿った長さ、以下同じ）は、第１接続部材Ｃ１の長さよりも大きい。このため、接続管５３２の上流側の終端部Ｅ２は、第１横行管５３１の下流側の終端部Ｅ１よりも上流側に位置する。なお、第１横行管５３１の終端部Ｅ１とは、第１横行管５３１の部品としての端部（第１接続部材Ｃ１に埋め込まれた部分）ではなく、オフガスが流れる流路としての第１横行管５３１の下流側の端部を指す。

図３は、流入抑止部５３に凝縮水Ｗが滞留した状態を示している。オフガスに含まれる水蒸気が凝縮し、第１横行管５３１に凝縮水Ｗが図３のように滞留したとしても、第１横行管５３１の底面Ｂ１よりも接続管５３２の底面Ｂ２が３．５ｍｍ高い位置に配置されているので、凝縮水Ｗが接続管５３２に流れ込むことが効果的に抑止される。

また、第１横行管５３１の上流側に接続されたエルボ管５５は、上述のとおりその底面Ｂ３が断面Ｒ状に形成されていて、下流側からみると底面Ｂ３は下方に傾斜（オフガスが流れる方向に向かって上方に傾斜）している。よって、第１横行管５３１に滞留した凝縮水Ｗが増加し、その端部がエルボ管５５のＲ状の底面Ｂ３に達すると、凝縮水Ｗは底面Ｂ３の傾斜に沿って上流側へ流され（図３の矢印の方向）、上行部５１へと送られる。すなわち、流入抑止部５３の上流側にエルボ管５５が配置されることで、滞留した凝縮水Ｗが増加して接続管５３２の底面Ｂ２を超える前に凝縮水Ｗを上流側へ送ることができ、燃焼部３２への凝縮水Ｗの流入を効果的に抑止することができる。

第２横行管５３３の周囲には、第２横行管５３３からの放熱を抑制する保温材５４が設けられる。保温材５４は、例えば既知の発泡ポリウレタンシートや筒状発泡ポリエチレンであり、第２横行管５３３に巻き付けることで設けられる。上述の上行部５１のパイプには保温のための部材は特に設けられていないので、上行部５１からの放熱は、第２横行管５３３からの放熱よりも相対的に促進される。

下勾配管５６は、断面形状が円形のステンレス合金製のパイプであって、上流側が第２横行管５３３に接続され、燃料ガス生成装置Ｒの内部にて下流側が燃焼部３２に接続されている。また下勾配管５６には、燃焼部３２への接続部位の上流側で、上述した空気供給路１６が接続されている。下勾配管５６は、その一部が、オフガスの流れる方向に向かって下方に傾斜しており、凝縮により凝縮水が発生したとしても、下方傾斜により水滴を小さいうちに燃焼部３２へ送ることができ、燃焼部３２での異常燃焼や失火の発生を抑制することができる。

なお、本実施形態ではステンレス合金製のパイプの断面形状を円形としたが、楕円形であってもよいし、正方形や長方形であってもよい。

＜第２実施形態＞
上述の第１実施形態では、接続管５３２の終端部Ｅ２が第１横行管５３１の終端部Ｅ１よりも上流側に位置していたが、図４に示すように、接続管５３２を短くして、接続管５３２の終端部Ｅ２と第１横行管５３１の終端部Ｅ１とがオフガスの流れる方向に沿って位置が揃うように配置してもよい。なお、各部材のその他の寸法は第１実施形態と同じであり、接続管５３２および第２横行管５３３の内径（直径）は４ｍｍ、第１横行管５３１の内径（直径）は１１ｍｍであり、第１横行管５３１と接続管５３２と第２横行管５３３とは同軸の位置関係に配置されている。

本実施形態においても、接続管５３２（第２通流管）の底面Ｂ２は、第１横行管５３１（第１通流管）の底面Ｂ１よりも３．５ｍｍ高く配置されており、第１横行管５３１から接続管５３２への凝縮水の流入が効果的に抑止される。したがって、燃焼部３２への凝縮水の流入を抑制することができる。

＜第３実施形態＞
上述の第１および第２実施形態では、接続管５３２が第１横行管５３１と第２横行管５３３の間に配置されていたが、図５に示すように、接続管５３２を用いず、第１横行管５３１と第２横行管５３３とを接続部５３４によって接続するよう構成してもよい。この場合、第１接続部材Ｃ１の中央の貫通穴がオフガスの流通経路（第２通流管）として機能する。

本実施形態では、第１接続部材Ｃ１の中央の貫通穴および第２横行管５３３の内径（直径）は４ｍｍ、第１横行管５３１の内径（直径）は１１ｍｍであり、第１横行管５３１と貫通穴と第２横行管５３３とは同軸の位置関係に配置されている。よって、貫通穴（第２通流管）の底面Ｂ２は、第１横行管５３１（第１通流管）の底面Ｂ１よりも３．５ｍｍ高く配置されており、第１横行管５３１から貫通穴への凝縮水の流入が抑止される。したがって、燃焼部３２への凝縮水の流入を抑制することができる。

＜その他の実施形態＞
上述の実施形態では、エルボ管５５により上行部５１と第１横行管５３１とを接続したが、エルボ管５５を設けずに、上行部５１と第１横行管５３１とを一本のステンレス管を曲げて一体に形成してもよい。

上述の実施形態では、第１横行管５３１（第１通流管）の底面Ｂ１と接続管５３２（第２通流管）の底面Ｂ２との高さの差を３．５ｍｍとしたが、燃料ガスの通流を妨げない範囲で高さの差を３．５ｍｍよりも大きくしてもよい。

上述の実施形態では、第１横行管５３１（第１通流管）の内径（直径）を４ｍｍ、接続管５３２（第２通流管）の内径（直径）を１１ｍｍとしたので、接続管５３２の断面積は第１横行管５３１の断面積の０．１３倍であった。第１横行管５３１の断面積に対する接続管５３２の断面積の比率を小さくすれば、底面の高さの差は大きくなるが、小さくしすぎると燃料ガスの通流を阻害してしまう。接続管５３２の断面積は第１横行管５３１の断面積の０．１倍〜０．７倍の範囲であることが好ましい。

＜流入抑止部による抑止効果の実験結果＞
流入抑止部５３による凝縮水流入の抑止効果を確認する実験を行った。結果を図６に示す。実験は、下勾配管５６の中央付近に熱電対を設置し、温度を計測しながら燃料電池システムを実際に運転させて行った。実験には、図６のグラフの右側に示すように、第１および第２実施形態と、第１横行管５３１、第１接続部材Ｃ１の貫通穴および第２横行管５３３の全ての内径（直径）を４ｍｍとした対比例を用いた。

図６の下段のデータは、上述の対比例の実験結果である。１２時間の実験期間中に８回、突発的に温度が低下しているが、これは下勾配管５６の熱電対を設置した部位を凝縮水の水滴が通過したことを示している。すなわち、流入抑止部５３を備えない対比例においては、１．５時間に１回程度の頻度で凝縮水が燃焼部３２に流入する。

図６の中段のデータは、第２実施形態の流入抑止部５３を用いた場合の実験結果である。対比例の場合と同様の温度低下は、１２時間の実験期間中に２回みられたが、対比例に比べて頻度は大幅に低下した。また、温度低下の度合いも対比例に比べて小さくなっている。すなわち、第２実施形態の流入抑止部５３を用いることで、燃焼部３２に凝縮水が流入する頻度を大きく低下させることができる。

図６の上段のデータは、第１実施形態の流入抑止部５３を用いた場合の実験結果である。突発的な温度低下は、１２時間の実験期間中に一度も発生しなかった。すなわち、第１実施形態の流入抑止部５３を用いることで、燃焼部３２に凝縮水が流入する頻度をさらに低下させることができる。

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。

５ ：オフガス供給路
３２ ：燃焼部
３３ ：改質部
５１ ：上行部
５２ ：横行部
５３ ：流入抑止部
５３１ ：第１横行管（第１通流管）
Ｂ１ ：底面
Ｅ１ ：終端部
５３２ ：接続管（第２通流管）
Ｂ２ ：底面
Ｅ２ ：終端部
５３３ ：第２横行管（第２通流管）
Ｂ３ ：底面
５３４ ：接続部
５４ ：保温材
５５ ：エルボ管（第１傾斜部）
５６ ：下勾配管（第２傾斜部）
ＦＣ ：燃料電池発電装置

Claims (9)

1. 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は、オフガスを上方向へ送る上行部と、前記上行部の下流側に接続されてオフガスを横方向へ送る横行部とを有し、
   前記オフガス供給路の前記横行部は、オフガスに含まれる水蒸気が凝縮して生じる凝縮水の下流側への流入を抑止する流入抑止部を有し、
   前記オフガス供給路の前記流入抑止部は、オフガスが通流する第１通流管と、前記第１通流管の下流に設けられた第２通流管とを有し、前記第２通流管の底面は前記第１通流管の底面より高い位置に配置される燃料電池システム。
2. 前記流入抑止部は、前記第１通流管と前記第２通流管とを着脱自在に接続する接続部を有する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記第２通流管の上流側の終端部が、前記第１通流管の下流側の終端部よりも上流側に位置する、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記オフガス供給路からの放熱を抑制する保温材が前記横行部に設けられ、前記上行部からの放熱が前記横行部からの放熱よりも相対的に促進されるよう構成される、請求項１〜３のいずれか１項記載の燃料電池システム。
5. 前記オフガス供給路の前記横行部は、オフガスが流れる方向に向かって上方に傾斜する第１傾斜部を有し、前記第１傾斜部は前記流入抑止部の上流側に配置される、請求項１〜４のいずれか１項記載の燃料電池システム。
6. 前記オフガス供給路の前記横行部は、オフガスが流れる方向に向かって下方に傾斜する第２傾斜部を有し、前記第２傾斜部は前記流入抑止部の下流側に配置される、請求項１〜５のいずれか１項記載の燃料電池システム。
7. 前記第２通流管の底面が、前記第１通流管の底面よりも３．５ｍｍ以上高く配置されている、請求項１〜６のいずれか１項記載の燃料電池システム。
8. 前記第１通流管の断面形状が円形または楕円形であり、前記第２通流管の断面形状が円形または楕円形であり、前記第１通流管の中心線と前記第２通流管の中心線とが同一直線上となるように配置され、前記第２通流管の断面積が前記第１通流管の断面積よりも小さい、請求項１〜７のいずれか１項記載の燃料電池システム。
9. 前記第２通流管の断面積が前記第１通流管の断面積の０．１倍〜０．７倍である、請求項８に記載の燃料電池システム。

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