(57)【要約】【課題】供給すべき水の量を削減させるとともに、効率よく安定的に動作させることができる固体酸化物形燃料電池システムを提供する。【解決手段】    本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、供給された燃料ガスと空気とを利用して発電反応により発電する固体酸化物形燃料電池６と、固体酸化物形燃料電池６で未利用の燃料と空気とを燃焼して排ガスを生成する燃焼部２３と、排ガスの熱を利用して、固体酸化物形燃料電池６に供給する空気を加熱する空気熱交換器５と、供給された原料ガスに含まれる硫黄成分を水添脱硫により除去する脱硫部３と、脱硫部３により硫黄成分が除去された原料ガスから燃料ガスを生成する第１改質器４と、脱硫部３により硫黄成分が除去された原料ガスの一部を部分酸化法により改質し、得られた改質ガスを脱硫部３の上流側に戻す第２改質器８とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された燃料と空気とを利用して発電反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池で未利用の燃料と空気とを燃焼して排ガスを生成する燃焼部と、
前記排ガスの熱を利用して、前記固体酸化物形燃料電池に供給する前記空気を加熱する空気熱交換器と、
供給された原料に含まれる硫黄成分を水添脱硫により除去する脱硫部と、
前記脱硫部により硫黄成分が除去された原料から前記燃料となる改質ガスを生成する第１改質器と、
前記脱硫部により硫黄成分が除去された原料の一部を部分酸化法により改質し、得られた改質ガスを前記脱硫部の上流側に戻す第２改質器と、を備える固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項２】
前記脱硫部は、当該固体酸化物形燃料電池システムに着脱可能に設けられている請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１改質器が、水蒸気改質反応に利用するために供給された水を気化させるための蒸発器を有する請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
前記空気熱交換器は、前記排ガスの熱に加えて、前記第２改質器により生成された改質ガスが有する熱により前記固体酸化物形燃料電池に供給する前記空気を加熱する請求項１から３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２改質器は、前記空気熱交換器と隣接するように配置されており、該空気熱交換器と前記改質ガスとの間で熱交換させる熱交換部を備える請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項６】
前記原料を昇圧して前記脱硫部に供給する昇圧部と、
前記第２改質器により生成された改質ガスを前記昇圧部の上流側に導くための経路であるリサイクル経路と、
前記リサイクル経路中に設けられ、該リサイクル経路を流通する燃料に含有される水分を凝縮させる凝縮器と、をさらに備えた請求項１から５のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素を含む原料ガス（原料）から硫黄成分を除去する脱硫部を備えた固体酸化物形燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
原料ガス（原燃料ガス）として炭化水素を用いる固体酸化物形燃料電池システムでは、この原料ガスを改質するために、例えば水蒸気を用いた水蒸気改質が利用されている。この水蒸気改質を促進するために水蒸気改質触媒が用いられているが、原料ガス中には付臭剤または硫黄化合物が含まれており、これらによってこの水蒸気改質触媒が劣化させられるおそれがある。そこで、水蒸気改質触媒の劣化を防止するために、原料ガス中に含まれる付臭剤または硫黄化合物を低減させる脱硫装置が利用されている。
【０００３】
このような脱硫装置としては、例えば、硫黄化合物を触媒（Ｎｉ−Ｍｏ系、Ｃｏ−Ｍｏ系）上で水素と反応させて硫化水素に変換し、この硫化水素を酸化亜鉛に取り込んで除去する、いわゆる水添脱硫法により脱硫を行なう水添脱硫装置が挙げられる。
【０００４】
水添脱硫装置は、水添脱硫法により脱硫を行なう際に水素を必要とするが、原料ガス中には通常、水素が含まれていない。そこで、水素を水添脱硫装置に供給する構成を有した固体酸化物形燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１、２）。
【０００５】
より具体的には、特許文献１では、図７に示すように、改質器１１０を流通した燃料ガスの一部が、リサイクルガス供給経路１１３を通じて、昇圧手段１１１の上流側に戻されるように構成された固体酸化物形燃料電池システムが開示されている。そして、戻された燃料ガスは、昇圧手段１１１により昇圧され脱硫器１０２供給されるように構成されている。
【０００６】
また、特許文献２では、図８に示すように、以下に示す構成を有する固体酸化物形燃料電池システムが提案されている。すなわち、特許文献２の固体酸化物形燃料電離システムでは、混合器２２０で混合された水と脱硫後の原燃料ガスとを、蒸発器２２６に供給する。そして、蒸発器２２６から改質器２０６に供給される、水蒸気を含む脱硫後の原燃料ガスの一部が分岐戻し流路２４２を介して燃料ガス供給経路２１６に戻される構成が開示されている。なお、分岐戻し流路２４２の二重管２４４内には炭化水素改質触媒が設けられており、これによって炭化水素を改質して得た水素含有ガスを、昇圧器２１７の上流側に戻すことができる。そして、戻された水素含有ガスを昇圧器２１７で昇圧させ、脱硫器２０４に供給する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−２１６３０８号公報
【特許文献２】特許第４９１１９２７号公報
【特許文献３】特許第２９９３５０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の固体酸化物形燃料電池システムでは、供給すべき水の量を削減させるとともに、効率よく安定的に動作させることができないという問題がある。
【０００９】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、供給すべき水の量を削減させるとともに、効率よく安定的に動作させることができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した課題を解決するために、供給された燃料と空気とを利用して発電反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池で未利用の燃料と空気とを燃焼して排ガスを生成する燃焼部と、前記排ガスの熱を利用して、前記固体酸化物形燃料電池に供給する前記空気を加熱する空気熱交換器と、供給された原料に含まれる硫黄成分を水添脱硫により除去する脱硫部と、前記脱硫部により硫黄成分が除去された原料から前記燃料となる改質ガスを生成する第１改質器と、前記脱硫部により硫黄成分が除去された原料の一部を部分酸化法により改質し、得られた改質ガスを前記脱硫部の上流側に戻す第２改質器と、を備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、以上に説明したように構成され、供給すべき水の量を削減させるとともに、効率よく安定的に動作させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。
【図２】実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。
【図３】本実施形態の変形例１に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。
【図４】本実施形態の変形例１に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。
【図５】図３及び図４に示す変形例１に係る固体酸化物形燃料電池システムが備える第２改質器の構成の一例を模式的に示す図である。
【図６】本実施形態の変形例２に係る固体物酸化形燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。
【図７】従来技術を示すものであり、固体酸化物形燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。
【図８】従来技術を示すものであり、固体酸化物形燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（本発明の一形態を得るに至った経緯）
本発明者は「背景技術」にて記載した従来の固体酸化物形燃料電池システムに関して鋭意研究したところ、従来の固体酸化物形燃料電池システムでは供給すべき水の量が多くなるとともに、効率よく安定的に動作させることができないという問題点が生じる可能性があることを見出した。そして、本発明者はこの問題点に関し、検討を重ねた結果、以下の知見を得た。
【００１４】
すなわち、特許文献１に係る固体酸化物形燃料電池システムでは、改質器１１０が、固体酸化物形燃料電池１１４で利用する燃料ガス（水素含有ガス）に加えて、脱硫器１１２で水添脱硫を行うための水素を生成する必要がある。したがって、燃料ガスを生成するために必要な改質水に加えて、水添脱硫を行うために必要な水素を生成するための改質水をさらに改質器１１０に供給する必要があり、供給する改質水の量が多くなってしまうという問題がある。
【００１５】
また、特許文献２に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上述したように、蒸発器２２６から改質器２０６に供給される、水蒸気を含む脱硫後の原燃料ガスの一部が分岐戻し流路２４２を流通する構成であった。このため、分岐戻し流路２４２内において結露が発生することがある。そして、分岐戻し流路２４２に結露が生じると、この結露による水つまりに起因して、圧力損失が生じてこの分岐戻し流路２４２内を、水蒸気を含む脱硫後の原燃料ガスが流れにくくなる。結果として、昇圧器２１７の上流側に戻す水素含有ガスの流量が減少してしまい、脱硫器２０４において所望の硫黄濃度まで脱硫させることができなくなるという問題が生じる。
【００１６】
さらにまた、特許文献２の固体酸化物形燃料電池システムでは、分岐戻し流路２４２を流通した水素含有ガスが昇圧器２１７、脱硫器２０４を流れる構成である。このため、固体酸化物形燃料電池システムの稼動が停止されシステム内の温度が低下すると脱硫器２０４または昇圧器２１７内においても結露が生じる場合がある。したがって、特許文献２に係る固体酸化物形電量電池システムは、高効率かつ安定的な動作を実現することができないという問題がある。
【００１７】
これらの知見に基づいて、本発明者らは、改質器を工夫することで、供給すべき水の量を低減させることができるとともに、固体酸化物形燃料電池システムを効率よく安定的に動作させることができることを見出し、本発明に至った。そして、本発明では以下に示す態様を提供する。
【００１８】
本発明の第１の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、供給された燃料と空気とを利用して発電反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池で未利用の燃料と空気とを燃焼して排ガスを生成する燃焼部と、前記排ガスの熱を利用して、前記固体酸化物形燃料電池に供給する前記空気を加熱する空気熱交換器と、供給された原料に含まれる硫黄成分を水添脱硫により除去する脱硫部と、前記脱硫部により硫黄成分が除去された原料から前記燃料となる改質ガスを生成する第１改質器と、前記脱硫部により硫黄成分が除去された原料の一部を部分酸化法により改質し、得られた改質ガスを前記脱硫部の上流側に戻す第２改質器と、を備える。
【００１９】
上記した構成によると、燃焼部および空気熱交換器を備えているため、燃焼部で生成された排ガスの熱により固体酸化物形燃料電池に供給する空気を加熱することができる。このため、固体酸化物形燃料電池に適切な温度の空気を供給させることができる。
【００２０】
また、第１改質器、第２改質器、および脱硫部を備えているため、第１改質器は脱硫部で脱硫された原料から発電反応に用いる燃料を効率よく生成することができる。その一方で、第２改質器では、脱硫部が原料を水添脱硫する際に利用する水素を供給するために、脱硫された原料を部分酸化法により改質して生成した改質ガスをこの脱硫部の上流側に戻す。このため、脱硫部は効率よく水添脱硫により原料から硫黄成分を除去することができる。
【００２１】
また、第２改質器は、部分酸化法により原料を改質しているため、水添脱硫に用いる水素を生成するために、水（改質水）を改質器にさらに加える必要がなく、また脱硫部に供給する原料に水が混合される心配がない。このため、第２改質器から脱硫部の上流側に改質ガスを戻す経路において水つまりが生じることを防ぐことができ、水つまりにより圧力損失が生じて、脱硫部に向かう改質ガスの流れが悪くなり、脱硫部において所望の硫黄濃度まで脱硫させることができなくなるといった問題が生じることを防止することができる。
【００２２】
よって、固体酸化物形燃料電池システムは、供給すべき水の量を削減させるとともに、効率よく安定的に動作させることができるという効果を奏する。
【００２３】
また、本発明の第２の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第１の態様において、前記脱硫部は、当該固体酸化物形燃料電池システムに着脱可能に設けられるように構成してもよい。
【００２４】
上記構成によると、脱硫部が固体酸化物形燃料電池システムに着脱可能に設けられているため、脱硫部に充填した脱硫触媒が劣化した際に、脱硫部の取り換えを容易に行うことができる。したがって、固体酸化物形燃料電池システムのさらなる長期運転を容易とすることができる。
【００２５】
また、本発明の第３の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第１または第２の態様において、前記改質器が、水蒸気改質反応に利用するために供給された水を気化させるための蒸発器を有するように構成されていてもよい。
【００２６】
上記構成によると、蒸発器を備え、改質器により、燃料ガスの水蒸気改質反応を行うことができるため、燃料効率に優れた固体酸化物形燃料電池システムの実現が可能となる。
【００２７】
また、本発明の第４の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第１から第３の態様のいずれか１つの態様において、前記空気熱交換器は、前記排ガスの熱に加えて、前記第２改質器により生成された改質ガスが有する熱により前記固体酸化物形燃料電池に供給する前記空気を加熱するように構成されていてもよい。
【００２８】
上記構成によると、第２改質器により生成された改質ガスを低温化することができ、この改質ガスを前記脱硫部の上流側に戻すまでの経路を構成する配管などの熱劣化を抑制することができる。また、空気熱交換器は排ガスの熱に加えて第２改質器により生成された改質ガスが有する熱も利用して固体酸化物形燃料電池に供給する空気を加熱することができるため、該空気熱交換器自体の容量を小さくすることができる。
【００２９】
また、本発明の第５の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第４の態様において、前記第２改質器は、前記空気熱交換器と隣接するように配置されており、該空気熱交換器と前記改質ガスとの間で熱交換させる熱交換部を備えるように構成されていてもよい。
【００３０】
上記構成によると、第２改質器が熱交換部を備えるため、改質ガスが有する熱を効率よく空気熱交換器に伝え、結果として、この空気熱交換器において固体酸化物形燃料電池に供給する空気を加熱することができる。
【００３１】
また、本発明の第６の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第１から第５の態様におけるいずれか１つの態様において、前記原料を昇圧して前記脱硫部に供給する昇圧部と、前記第２改質器により生成された改質ガスを前記昇圧部の上流側に導くための経路であるリサイクル経路と、前記リサイクル経路中に設けられ、該リサイクル経路を流通する燃料に含有される水分を凝縮させる凝縮器と、をさらに備えるように構成されていてもよい。
【００３２】
上記構成によると、前記リサイクル経路が設けられているため、第２改質器で生成された改質ガスを昇圧部の上流側に導くことができる。また、リサイクル経路中に凝縮器が設けられているため、このリサイクル経路を流通する改質ガスが低温化した場合、この凝縮器により水分を回収することができるので、結露水による経路内の水つまりや昇圧部の腐食または破損といった不具合を抑制することができる。
【００３３】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は対応する構成部材には同一の参照符号を付して、その説明については省略する。
【００３４】
図１および図２を参照して実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。図１および図２は、実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。図１では、実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムを側部から見たときの構成を模式的に示している。図２では、実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの筐体７内を上から見たときの構成を模式的に示している。
【００３５】
図１および図２に示すように、固体酸化物形燃料電池システムは、脱硫部３、第１改質器４、空気熱交換器５、固体酸化物形燃料電池６、第２改質器８、蒸発器９、および減圧部１８を筐体７内部に配置してなる構成である。また、固体酸化物形燃料電池６の上部には燃焼部２３が設けられている。
【００３６】
固体酸化物形燃料電池システムでは、筐体７の外部から供給された原料ガス（原燃料ガス）を第１改質器４で改質し、改質された改質ガス（燃料ガス）と外部から供給された空気とを利用して固体酸化物形燃料電池６が発電反応により発電するように構成されている。
【００３７】
なお、実施の形態では、原料ガス経路１を通じて外部から供給されるガスを原料ガス（原料）と称し、原料ガスから硫黄成分が取り除かれ、第１改質器４において改質反応により改質された改質ガスを燃料ガス（燃料）と称するものとする。また、第２改質器８において改質反応により改質された改質ガスについてはそのまま改質ガスと称し、固体酸化物形燃料電池６で利用される改質ガス（燃料ガス）とは区別するものとする。
【００３８】
固体酸化物形燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池６の動作時（発電時）には、燃焼部２３にて、発電反応に利用されなかった燃料ガスと空気とを燃焼させ、高温の排ガスを生成し、その熱エネルギーを有効に利用することで高効率な運転を実現している。また、固体酸化物形燃料電池システムでは、筐体７の内側に断熱材からなる断熱部２２が備えられており、筐体７の内部から外部への放熱を可能な限り遮断するように構成されている。
【００３９】
また、固体酸化物形燃料電池システムでは、筐体７の外部に昇圧部２が配置されている。そして、昇圧部２は、原料ガス経路１を通じて供給された原料ガスを昇圧し、筐体７内に配置されている脱硫部３に導入するように構成されている。なお、原料ガス経路１を通じて供給される原料ガスとしては、都市ガスまたは、プロパンガスなどの炭化水素を主成分とするガスを用いることができる。
【００４０】
脱硫部３は、水添脱硫方式により原料ガスに含まれる硫黄成分を除去するためのものである。本実施形態では、脱硫部３は、図１において筐体７の紙面右側の側面において着脱可能に配置されている。また、この脱硫部３に充填する脱硫剤としては、例えば、銅および亜鉛を含む脱硫剤が挙げられる（例えば、特許文献３）。なお、脱硫剤は、水添脱硫を行うことができればこの脱硫剤に限定されるものではなく、Ｎｉ−Ｍｏ系又はＣｏ−Ｍｏ系触媒と酸化亜鉛との組み合わせであってもよい。Ｎｉ−Ｍｏ系又はＣｏ−Ｍｏ系触媒と酸化亜鉛とを組み合わせた脱硫剤の場合、脱硫部３は３５０〜４００℃の温度範囲にて、原料ガス中の有機硫黄を水添分解する。そして、脱硫部３は、生成したＨ２Ｓを、３５０〜４００℃の温度範囲にてＺｎＯに吸着させて除去する。
【００４１】
例えば、原料ガスが都市ガスの場合、付臭剤として硫黄化合物であるジメチルスルフィド（dimethl sulfide ;Ｃ２Ｈ６Ｓ，ＤＭＳ）が含有されている。このＤＭＳは、脱硫部３において、以下の反応式（式（１）、（２））によるＺｎＳの形、または物理吸着の形で脱硫剤に除去される。
Ｃ２Ｈ６Ｓ＋２Ｈ２→２ＣＨ４＋Ｈ２Ｓ      ・・・（１）
Ｈ２Ｓ＋ＺｎＯ→Ｈ２Ｏ＋ＺｎＳ          ・・・（２）
なお、付臭剤は、上述したＤＭＳに限定されるものではなく、ＴＢＭ（Ｃ４Ｈ１０Ｓ）またはＴＨＴ（Ｃ４Ｈ８Ｓ）等の他の硫黄化合物であってもよい。
【００４２】
銅および亜鉛を含む脱硫剤を用いる場合は、脱硫部３は、１０〜４００℃程度、好ましくは１５０〜３００℃程度の温度範囲で脱硫を行う。この銅亜鉛系脱硫剤は、水添脱硫能力に加えて物理吸着能力もあり、低温では主に物理吸着、高温では化学吸着（Ｈ２Ｓ＋ＺｎＯ→Ｈ２Ｏ＋ＺｎＳ）を行うことができる。この場合、脱硫後の原料ガスに含まれる硫黄含有量は、１ｖｏｌ  ｐｐｂ（parts per billion）以下、通常は０．１ｖｏｌ  ｐｐｂ以下となる。
【００４３】
このように、脱硫部３において、Ｎｉ−Ｍｏ系又はＣｏ−Ｍｏ系触媒、あるいは銅および亜鉛のいずれかを含む脱硫剤が充填されている場合、単位体積あたりの硫黄成分除去量が大きくなる。それゆえ、上述した脱硫剤を用いる場合、所望の硫黄濃度まで硫黄を除去するために必要となる脱硫剤の量を低減させることができる。
【００４４】
以上のようにして脱硫部３によって脱硫された原料ガスは、第１脱硫後原料ガス経路１４と第２脱硫後原料ガス経路１５とに分流され、第１改質器４（蒸発器９）と第２改質器８とにそれぞれ供給される。
【００４５】
次に第１改質器４について説明する。第１改質器４は、部分酸化改質用としてのみ用いられるものであってもよいが、更に高効率な動作を実現するために、部分酸化改質反応だけでなく、水蒸気改質反応も行える仕様にしておくことが有利である。そこで、図１に示すように本実施の形態では、第１改質器４の上流側に蒸発器９を配置し、脱硫された原料ガスに改質水経路１１を通じて供給された水を混合させ第１改質器４に供給することができる構成となっている。
【００４６】
なお、第１改質器４に充填される改質触媒としては、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）の球体表面にＮｉを含浸し、担持したものや、Ａｌ２Ｏ３の球体表面にルテニウムを付与したものを適宜用いることができる。
【００４７】
ところで、固体酸化物形燃料電池システムの起動時では、第１改質器４において吸熱反応である水蒸気改質反応を行うためには熱エネルギーが不足している。そこで、固体酸化物形燃料電池システムの起動時は、改質水経路１１から第１改質器４（蒸発器９）に水を供給させずに、改質空気経路１２を通じて第１改質器４に導入した空気を利用して、第１改質器４は以下の式（３）で表される部分酸化改質反応（部分酸化法による反応）を行い、水素ガスおよび一酸化炭素を生成する。
ＣｎＨｍ ＋ （ｎ／２）Ｏ２ → ｎ・ＣＯ ＋（ｍ／２）Ｈ２ （ｎ，ｍは任意の自然数）・・・（３）
そして、これらの水素ガスおよび一酸化炭素を、燃料ガス供給経路１６を通じて固体酸化物燃料形電池６に供給し、空気供給経路１７を通じて供給された空気と合わせて、発電反応を行う。
【００４８】
固体酸化物形燃料電池システムが起動して発電が進むにつれ、第１改質器４の温度が上昇していく。すなわち、上記の式（３）で示される部分酸化改質反応は発熱反応であり、更に、燃焼部２３からの排ガス及び輻射熱により、第１改質器４の温度が上昇させられる。そして、第１改質器４の温度が、例えば、４００℃以上になれば以下の式（４）で示される水蒸気改質反応を並行して行うことが可能となる。
ＣｎＨｍ ＋ ｎ・Ｈ２Ｏ → ｎ・ＣＯ ＋（ｍ／２ ＋ ｎ）Ｈ２ （ｎ，ｍは任意の自然数）・・・（４）
上述した式（４）で示される水蒸気改質反応は、式（３）で示される部分酸化改質反応と比較すると、同じ量の炭化水素（ＣｎＨｍ）から生成できる水素量がより多くなり、その結果、固体酸化物形燃料電池６での発電反応に利用可能な改質ガス（燃料ガス）の量が多くなる。つまり、水蒸気改質反応の方が効率よく燃料ガスを生成することができる。また、式（４）に示す水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、式（３）に示す部分酸化改質反応による発熱量と燃焼部２３から排出された排ガスが保有する熱及び燃焼部２３からの輻射熱を利用し、必要な熱量を補いつつ、水蒸気改質反応を進行させる。そして、第１改質器４の温度が例えば、６００℃以上になれば、式（４）の水蒸気改質反応に必要な熱量を排ガスの有する熱及び燃焼部２３からの輻射熱だけで補うことが可能となるため、水蒸気改質反応のみの運転に切り替えることができる。
【００４９】
なお、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムが備える第１改質器４は、上述したように部分酸化改質反応から水蒸気改質反応に運転を切り替える構成であったが、部分酸化改質反応のみを行ってもよい。
【００５０】
蒸発器９は、第１改質器４にて水蒸気改質反応を行うために改質水を気化させるものである。より具体的には、蒸発器９は、燃焼部２３から排出された排ガスの熱及び燃焼部２３からの輻射熱を利用して、改質水経路１１から供給された水を気化させ、脱硫部３から供給された脱硫後の原料ガスと混合させる。そして、蒸発器９は、混合後の原料ガスを第１改質器４へと導入する。
【００５１】
空気熱交換器５は固体酸化物形燃料電池６での発電反応に利用される空気（発電用空気）を加熱するためのものであり、燃焼部２３の上方でかつ、対向する位置に設けられる。空気熱交換器５は、空気供給経路１０を通じて外部から供給された空気（発電用空気）を、燃焼部２３からの排ガス及び輻射熱との熱交換により加熱する。例えば、空気熱交換器５を流通した後の空気は４００〜８００℃まで加熱される。そして、この加熱された空気が固体酸化物形燃料電池６へと供給される。なお、空気熱交換器５により空気との熱交換を行って保有する熱の一部が奪われた排ガスは、排ガス経路２０を通じて筐体７の外部へと導かれるように構成されている。
【００５２】
固体酸化物形燃料電池６は上述したように燃料ガス供給経路１６を通じて供給された燃料ガスと、空気供給経路１７を通じて供給された空気（発電用空気）とを利用して発電反応により発電を行うものである。すなわち、固体酸化物形燃料電池６では、燃料ガスが供給される燃料極および発電空気が供給される空気極を有し、該燃料極と該空気極との間で発電反応を行って発電する燃料電池単セルを複数枚、直列に接続してセルスタックを形成している。なお、固体酸化物形燃料電池６は、更に直列接続したセルスタックを並列に接続させた構成としてもよい。
【００５３】
固体酸化物形燃料電池６を構成する燃料電池単セルとしては、例えばイットリアをドープしたジルコニア（ＹＳＺ）、イットリビウムやスカンジウムをドープしたジルコニア、あるいはランタンガレート系の固体電解質からなる燃料電池単セルを用いることができる。例えば、燃料電池単セルがＹＳＺの場合、厚みにもよるが、約６００〜９００℃の温度範囲にて、発電反応が行われる。
【００５４】
また、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムでは、上記した第１改質器４とは別に第２改質器８を備えている。この第２改質器８は、脱流部３で実施される水添脱硫に利用する水素を該脱硫部３に供給するために、改質ガス（水素含有ガス）を生成するものであり、生成した改質ガスを、リサイクル経路１９を通じて原料ガス経路１へ戻すように構成されている。このため、脱硫部３へと供給される原料ガスに水素を添加することが可能となる。
【００５５】
第２改質器８には改質触媒が充填されており、この改質触媒としては、例えば、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）の球体表面にＮｉを含浸し、担持したものを用いることができる。なお、改質触媒はこれに限定されるものではなく、部分酸化改質を行うことができる改質触媒であればよい。例えば、ＲｕまたはＲｈをジルコニアまたは安定化ジルコニアに担持させたものを用いてもよい。あるいは、ロジウムとロジウム以外の周期律表第ＶＩＩＩ族金属から選ばれる少なくとも１種の金属とを、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）とジルコニアとを含む担体に担持させてなるものを用いてもよい。
【００５６】
また、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムでは、脱硫部３と第２改質器８との間に脱硫後原料ガス経路１５が設けられており、この脱硫後原料ガス経路１５を通じて脱硫された原料ガスがこの第２改質器８に供給されるように構成されている。さらにまた、筐体７の外部から第２改質器８に向かって第２改質空気経路１３が設けられており、この第２改質空気経路１３を通じて、部分酸化改質反応に用いられる空気も第２改質器８に供給されるように構成されている。そして、第２改質器８は、この供給された原料ガスと空気とを利用して上記した式（３）に示す部分酸化改質反応を行う。第２改質器８は、この部分酸化改質反応により生成した改質ガスを、リサイクル経路１９を通じて、昇圧部２の上流側の原料ガス経路１に戻す。このような構成をとることにより、原料ガス経路１を流通する原料ガスに水素を添加することが可能となる。このため、脱硫部３は、この添加された水素を用いて供給された原料ガスに対して水添脱硫を行うことができる。
【００５７】
なお、リサイクル経路１９には減圧部１８が設けられている。このため、リサイクル経路１９の経路内の圧力が高い場合、この減圧部１８によって、経路内を流通する改質ガスを所望の圧力まで低下させることができるようになっている。そして、所望の圧力まで低下させられた改質ガスを原料ガス経路１に戻すように構成されている。
【００５８】
以上のように本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムでは、脱硫部３で脱硫された原料ガスを分流させ、第１改質器４と第２改質器８とにそれぞれ並列に流通させる構成である。そして、第１改質器４では脱硫された原料ガスから発電反応に用いる改質ガス（燃料ガス）を、水蒸気改質反応により効率よく生成する一方で、第２改質器８では部分酸化改質反応により脱硫部３での水添脱硫に必要な水素を生成することができる。
【００５９】
このため、従来の固体酸化物形燃料電池システムのように、脱硫部３において水添脱硫で用いる水素を生成するために、水（改質水）を改質器に加える必要がない。さらにまた、第２改質器８では部分酸化改質反応が実施されており、脱硫部３に供給される改質ガスに水（改質水）が混合してしまう懸念がない。
【００６０】
したがって、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムでは外部から供給される水（改質水）の量を削減させることができる。さらに、第２改質器８では上述したように部分酸化改質反応を実施するように構成されており、水(改質水)が用いられないため、第２改質器８で生成された改質ガスが流通するリサイクル経路１９等において結露水が発生することを抑制することができる。このため、リサイクル経路１９内において水つまりが生じるといった不具合が発生することを防ぐことができる。このように、水つまりを防ぐことができるため、水つまりにより圧力損失が生じて、リサイクル経路１９内を流通する改質ガスの流れが悪くなり、脱硫部３において所望の硫黄濃度まで脱硫させることができなくなるといった問題が生じることを防止することができる。
【００６１】
さらに本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムでは、脱硫部３にて水添脱硫を行い、付臭剤または硫黄化合物を除去した原料ガスを第１改質器４および第２改質器８に供給することができる。このため、第１改質器４および第２改質器８それぞれの改質触媒の劣化を防止することができ、固体酸化物形燃料電池システムは安定した動作で運転することができる。
【００６２】
よって、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムは、外部から供給すべき水の量を削減させることができるとともに、効率よく安定的に動作させることができる。
【００６３】
また、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムでは、上述したように、脱硫部３が着脱可能となるように設けられている。このため、長時間の運転により脱硫部３に充填した改質触媒が劣化した場合、脱硫部３を容易に交換することができる。このため、改質触媒の劣化に起因して固体酸化物形燃料電池システム全体の性能が著しく低下することを防ぐことができるとともに、該システムの長時間の運転も可能とする。
【００６４】
（変形例１）
次に、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの変形例１について図３から図５を参照して説明する。図３および図４は本実施形態の変形例１に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。図３では、本実施の形態の変形例１に係る固体酸化物形燃料電池システムを側部から見たときの構成を模式的に示している。図４では、実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの筐体７内を上から見たときの構成を模式的に示している。図５は、図３及び図４に示す変形例１に係る固体酸化物形燃料電池システムが備える第２改質器８の構成の一例を模式的に示す図である。
【００６５】
変形例１に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上述した本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムと比較して、空気熱交換器５と第２改質器８とが隣接して配置される点で異なる。このため、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムと同様な部材には同じ符号を付し、その説明は省略するものとする。
【００６６】
ここで、第２改質器８が実施する部分酸化改質反応は発熱反応である。このため、例えば、固体酸化物形燃料電池システムを大型化させた場合、脱硫部３で水添脱硫される原料ガスの流量が多くなる。このため、脱硫部３で実施される水添脱硫に利用するために、リサイクル経路１９を通じて原料ガス経路１に戻す改質ガスの流量も多くなる。このように、多量の高温な改質ガスが、リサイクル経路１９を流通する構成の場合、このリサイクル経路１９を構成する配管および昇圧部２などが熱劣化する。
【００６７】
そこで、変形例１に係る固体酸化物形燃料電池システムでは、空気熱交換器５に第２改質器８が隣接するように配置し、空気熱交換器５を流通する空気と第２改質器８との間で熱交換することで改質ガスの温度を下げてリサイクル経路１９を流通させるように構成している。さらに、第２改質器８を図５に示すように、改質触媒充填部２６および熱交換部２７からなる構成とすることで、空気熱交換器５を流通する空気との熱交換をより効率的に行うことができる。
【００６８】
つまり、第２改質器８は、原料ガスが供給される上流側に改質触媒充填部２６を配置し、その下流側に、空気熱交換器５との間で熱交換を行う熱交換部２７を配置する構成とする。そして、改質触媒充填部２６を通過し改質された改質ガスが、熱交換部２７を流通する際に空気熱交換器５を流通する発電用空気と熱交換を行い、温度が下げられる。そして、温度が下げられた改質ガスがリサイクル経路１９を通じて原料ガス経路１へと戻されるように構成している。これによって、リサイクル経路１９および昇圧部２などの熱劣化を防止することができる。
【００６９】
また、空気熱交換器５は、第２改質器８を流通する改質ガスとの熱交換により、該改質ガスから熱を回収し、当該空気熱交換器５を流通する発電用空気を加熱することができる構成である。言い換えれば、空気熱交換器５は、燃焼部２３からの排ガス及び輻射熱のみならず、第２改質器８が実施する部分酸化改質反応で生じた熱も利用して発電用空気を加熱することができる構成である。このように空気熱交換器５は、効率よく発電用空気を加熱することができるため、発電用空気の加熱に第２改質器８で実施する部分酸化改質反応で生じた熱を利用しない構成と比較して、該空気熱交換器５自体の容量を小さくすることができる。
【００７０】
（変形例２）
次に、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの変形例２について図６を参照して説明する。図６は本実施形態の変形例２に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。図６では、本実施の形態の変形例２に係る固体酸化物形燃料電池システムを側部から見たときの構成を模式的に示している。なお、変形例２に係る固体酸化物形燃料電池システムの筐体７内を上から見たときの構成については、上述した変形例１に係る固体酸化物形燃料電池システムと同様となる（図４参照）。
【００７１】
変形例２に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上述した本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムと比較して、空気熱交換器５と第２改質器８とが隣接して配置される点、ならびにリサイクル経路１９に凝縮器２４を備えた点で異なる。すなわち、変形例２に係る固体酸化物形燃料電池システムは、変形例１に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成において凝縮器２４をさらに備えた構成である。このため、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムあるいは変形例１に係る固体酸化物形燃料電池システムと同様な部材には同じ符号を付し、その説明は省略するものとする。
【００７２】
凝縮器２４は、リサイクル経路１９に設けられており、リサイクル経路１９を流通する改質ガス中に含まれる水分を凝縮させるものである。凝縮して得られた水は不図示の排水タンクに貯留される。すなわち、第２改質器８は、部分酸化改質を実施し、原料ガスから改質ガスを生成する構成である。このため、第２改質器８は、水蒸気改質を実施して改質ガスを生成する構成の改質器よりも、生成した改質ガス中に含まれている水分は大幅に少ないが、それでも幾分かは水分が含まれている。そこで、変形例２に係る固体酸化物形燃料電池システムでは、凝縮器２４を備え、リサイクル経路１９中を流通する改質ガスが低温化したため水分が生じるような場合であっても凝縮器２４によりこの水分を回収することができる。このため、結露水による流路（リサイクル経路１９）内の水つまりや昇圧部２の腐食および破損といった不具合を抑制することができる。
【００７３】
以上のように、本実施形態では、改質水として供給すべき水の量を削減させることができるとともに、効率よく安定的に動作させることができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することが可能である。
【００７４】
上記説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の固体酸化物形燃料電池システムでは、水添脱硫を実施する脱硫部に水素含有ガスを供給するために、部分酸化改質反応を実施するための専用の改質器（第２改質器）を備える構成である。このため、原料ガスから水添脱硫により硫黄成分を取り除く燃料電池システムにおいて幅広く適用できる。
【符号の説明】
【００７６】
１        原料ガス経路
２        昇圧部
３        脱硫部
４        第１改質器
５        空気熱交換器
６        固体酸化物形燃料電池
７        筐体
８        第２改質器
９        蒸発器
１０      空気供給経路
１１      改質水経路
１２      改質空気経路
１３      第２改質空気経路
１４      第１脱硫後原料ガス経路
１５      第２脱硫後原料ガス経路
１６      燃料ガス供給経路
１７      空気供給経路
１８      減圧部
１９      リサイクル経路
２０      排ガス経路
２２      断熱部
２３      燃焼部
２４      凝縮器
２６      改質触媒充填部
２７      熱交換部
【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図１】
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【図３】
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【図６】
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