(57)【要約】      （修正有）【課題】リサイクル経路を流通する改質ガス中の水分が凝縮して、リサイクル経路が詰まることを抑制することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】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する燃焼部２３と、原料の硫黄成分を水添脱硫する脱硫部３と、燃焼部３の燃焼熱を利用して、改質ガスを生成する改質器４と、この改質ガスを固体酸化物形燃料電池６へ供給する燃料ガス供給経路１６と、燃料ガス供給経路１６から分岐し、脱硫部３の上流側へ改質ガスを供給するリサイクル経路１９と、リサイクル経路１９に配置され、改質ガス中の水分を凝縮させる凝縮器２４と、凝縮器２４の下流側に、脱硫部３に供給する改質ガスの流量調整する流量調整部３２とを備え、リサイクル経路１９は、凝縮器２４と流量調整部３２との間の少なくとも一部が、固体酸化物形燃料電池６及び燃焼部２３のうちの少なくとも一方の熱により加熱される。【選択図】図１
2014135152.tif 000002
【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する燃焼部と、
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、
前記燃焼部の燃焼による燃焼熱を利用して、前記脱硫部を通過した原料から前記燃料となる改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器から固体酸化物形燃料電池へと改質ガスを供給する改質ガス経路と、
前記改質ガス経路から分岐し、前記脱硫部の上流側へ前記改質ガスを供給するリサイクル経路と、
前記リサイクル経路の途中に配置され、前記改質ガス中の水分を凝縮させる凝縮器と、
前記リサイクル経路において前記凝縮器の下流側に配置され、前記脱硫部の上流側に供給する改質ガスの流量を調整する流量調整部と、を備え、
前記リサイクル経路は、前記凝縮器と前記流量調整部との間の少なくとも一部が、前記固体酸化物形燃料電池及び前記燃焼部のうちの少なくとも一方の熱により加熱される燃料電池システム。
【請求項２】
少なくとも前記固体酸化物形燃料電池、前記燃焼部、及び改質器を覆う断熱部を備え、
前記リサイクル経路における前記凝縮器と前記流量調整部との間の少なくとも一部において、前記断熱部を介して、前記固体酸化物形燃料電池及び前記燃焼部のうちの少なくとも一方の熱により加熱される加熱部を有する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記流量調整部は、
前記リサイクル経路に配置され、該リサイクル経路を流通する前記改質ガスの流量を調整する第１減圧器と、
前記リサイクル経路から分岐し、前記第１減圧器を迂回するバイパス経路に配置され、該バイパス経路を流通する前記改質ガスの流量を調整する第２減圧器と、を備える、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記加熱部の温度は、前記凝縮器から排出される前記改質ガスの温度よりも高くなる、請求項２または３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記加熱部で加熱された改質ガスの温度を測定する第１温度検知部と、
前記流量調整部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、第１温度検知部により測定された改質ガスの温度に応じて流量調整部を制御して、前記脱硫部の上流側に供給する改質ガスの流量を調整する請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記流量調整部は、改質ガスを減圧することで該改質ガスの流量を調整しており、
前記制御部は、前記第１温度検知部で測定された温度が、前記加熱部により加熱される前の改質ガスの温度を基準に予め設定されている第１閾値温度未満となった場合、前記改質ガスをさらに減圧させないように前記流量調整部を制御する、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御部は、前記第１温度検知部で測定された温度が、加熱後の改質ガスの目標温度として予め設定されている第２閾値温度を超えた場合、該目標温度となる改質ガスに対して行うように予め設定されていた減圧状態よりもさらに減圧するように前記流量調整部を制御する、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記凝縮器から排出される前記改質ガスの温度を測定する第２温度検知部をさらに備え、
前記流量調整部は、改質ガスを減圧することで該改質ガスの流量を調整しており、
前記制御部は、前記第１温度検知部で測定された温度が前記第２温度検知部で測定された温度よりも高い場合、改質ガスを減圧するように前記流量調整部を制御する、請求項５に記載の燃料電池システム。
【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（原燃料ガス、原料）から硫黄成分を除去する脱硫部を備えた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として、例えば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硫黄化合物を低減させる脱硫部（脱硫器）が利用されている。
【０００３】
このような脱硫部としては、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９に示すように、改質器１１０を流通した改質ガスの一部が、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、戻された改質ガスは、昇圧手段１１１により昇圧され脱硫器１０２へ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１０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池システムでは、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、特許文献１、２に開示されている燃料電池システムでは、水添脱硫に利用する改質ガスを脱硫部に供給するために設けられたリサイクル経路における水つまりを抑制す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、リサイクル経路を流通する改質ガス中の水分が凝縮して凝縮水が発生し、リサイクル経路が詰まることを抑制することができる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する燃焼部と、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、前記燃焼部の燃焼による燃焼熱を利用して、前記脱硫部を通過した原料から前記燃料となる改質ガスを生成する改質器と、前記改質器から固体酸化物形燃料電池へと改質ガスを供給する改質ガス経路と、前記改質ガス経路から分岐し、前記脱硫部の上流側へ前記改質ガスを供給するリサイクル経路と、前記リサイクル経路の途中に配置され、前記改質ガス中の水分を凝縮させる凝縮器と、前記リサイクル経路において前記凝縮器の下流側に配置され、前記脱硫部の上流側に供給する改質ガスの流量を調整する流量調整部と、を備え、前記リサイクル経路は、前記凝縮器と前記流量調整部との間の少なくとも一部が、前記固体酸化物形燃料電池及び前記燃焼部のうちの少なくとも一方の熱により加熱される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムは、以上に説明したように構成され、リサイクル経路を流通する改質ガス中の水分が凝縮して凝縮水が発生し、リサイクル経路が詰まることを抑制す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】実施の形態の変形例１に係る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】実施の形態の変形例２に係る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】図３に示す燃料電池システム制御処理の一例を示すフローチャートである。
【図５】実施の形態の変形例３に係る燃料電池システムにおける制御処理の一例を示すフローチャートである。
【図６】実施の形態の変形例４に係る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】図６に示す燃料電池システムにおける制御処理の一例を示すフローチャートである。
【図８】実施の形態の変形例５に係る燃料電池システムにおける制御処理の一例を示すフローチャートである。
【図９】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１０】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、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、以下の問題を見出した。すなわち、従来の固体酸化物形燃料電池システムでは、例えば、原料ガスが都市ガスなどである場合、効率よく脱硫部（脱硫器）により脱硫するためには原料ガスに加える水素量を原料ガスの約２パーセントとする必要がある。このため、燃料電池に供給する原料ガスの流量が変化する場合、この流量変化に応じて水添脱硫に利用するためにリサイクル経路を流通させ、昇圧部の上流側に供給する改質ガスの流量も変動させる必要がある。
【００１４】
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、昇圧部の上流側に供給する改質ガスの流量を適切に変動させることができないという問題がある。
【００１５】
例えば、特許文献１に係る固体酸化物形燃料電池システムでは、上述したように改質器１１０を流通した改質ガスの一部が、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構成であった。そして、ホットモジュール（断熱槽）内部におけるリサイクルガス供給経路１１３中に減圧手段を設け、リサイクルガス供給経路１１３内の圧力を低下させる構成である。この減圧手段は、ホットモジュール内で約６００℃の高温となった改質ガスに曝されることとなるため、流量調整弁として可変流量型の減圧弁を利用することは困難である。それゆえ、昇圧部に供給する改質ガスの流量を適切に変動させることができない。
【００１６】
一方、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、水蒸気を含んだ脱硫後の原燃料ガスの一部が、リサイクル経路である分岐戻し流路２４２を流通して、脱硫器２０４の上流側に戻される構成であった。つまり、分岐戻し流路２４２を通って脱硫器２０４の上流側に戻される改質ガス（水素含有ガス）の流量は成り行きまかせとなっている。このため、供給する原料ガスの流量の変動に応じて昇圧部に供給する改質ガスの流量を変えることができない。
【００１７】
また、特許文献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、改質ガスの温度が低下する凝縮器の後ろ（下流側）に可変流量型の減圧弁を配置させた構成とすることが考えられる。しかしながら、このように構成した場合、凝縮後の飽和状態の改質ガスを可変流量型の減圧弁により減圧することによって改質ガス中の飽和水蒸気量が減り、結露してしまう可能性がある。そして、この結露によってリサイクル経路に水詰まりが生じるというさらなる問題が発生する。
【００１８】
一方、特許文献２の固体酸化物形燃料電池システムでは、改質ガス（水素含有ガス）が過剰な水分を含んだまま、分岐戻し流路２４２を流通し、昇圧器２１７、脱硫器２０４を流れる構成になっている。このため、例えば、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、さらにはリサイクル経路内においても結露が生じる場合がある。
【００１９】
したがって、従来の固体酸化物形電量電池システムでは、昇圧部の上流側に供給する改質ガスの流量を適切に変動させることができない。また、仮に、凝縮器の下流側で温度低下させられた改質ガスが流通する部分に可変流量型の減圧弁を配置する構成としても、リサイクル経路に水つまりが発生し、昇圧部に不具合を生じさせる可能性がある。それゆえ、従来の固体酸化物形燃料電池システムでは、高効率かつ長期的に安定して動作可能な固体酸化物方燃料電池システムを実現することができないという問題を見出した。
【００２０】
そこで、本発明者はこれら従来の固体酸化物形燃料電池システムの問題点を検討した結果、以下の知見を得た。
【００２１】
すなわち、本発明者らは、凝縮器によって温度の低くなった改質ガスを断熱部に接触させることによって再加熱した後工程に、流量調整弁を設けるように構成する。このように構成することで、リサイクル経路における水つまりの発生を抑制し、最適な量の改質ガスを脱硫部（脱硫器）へ供給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。
【００２２】
具体的には、本発明では以下に示す態様を提供する。
【００２３】
本発明の第１の態様に係る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する燃焼部と、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、前記燃焼部の燃焼による燃焼熱を利用して、前記脱硫部を通過した原料から前記燃料となる改質ガスを生成する改質器と、前記改質器から固体酸化物形燃料電池へと改質ガスを供給する改質ガス経路と、前記改質ガス経路から分岐し、前記脱硫部の上流側へ前記改質ガスを供給するリサイクル経路と、前記リサイクル経路の途中に配置され、前記改質ガス中の水分を凝縮させる凝縮器と、前記リサイクル経路において前記凝縮器の下流側に配置され、前記脱硫部の上流側に供給する改質ガスの流量を調整する流量調整部と、を備え、前記リサイクル経路は、前記凝縮器と前記流量調整部との間の少なくとも一部が、前記固体酸化物形燃料電池及び前記燃焼部のうちの少なくとも一方の熱により加熱される。
【００２４】
上記した構成によると、改質器および脱硫部を備えているため、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として、水素を含む改質ガスを効率よく生成することができる。また、リサイクル経路を備えているため、改質器で生成された改質ガスの一部を脱硫部の上流側に供給し、この改質ガスに含まれる水素を脱硫部で実施される水添脱硫に利用することができる。
【００２５】
さらにリサイクル経路において凝縮器とその下流側に流量調整部とを備えるため、流通する改質ガス中の水分を凝縮させ、凝縮後の温度低下した改質ガスを流量調整部に導くことができる。このため、高温の改質ガスに流量調整部が曝され、不具合が生じることを防ぐことができる。また、改質ガスは流量調整部により流量が調整されて脱硫部の上流側に戻すことができるため、原料の流量に応じた適切な水素量となる改質ガスを脱硫部に供給させることができる。
【００２６】
さらにまた、凝縮器と流量調整部との間の少なくとも一部が加熱されるため、改質ガスが流量調整部に至る前に、凝縮後の飽和状態となった改質ガスの相対湿度を低下させることができる。このため、改質ガスの流量を調整するために流量調整部により改質ガスが減圧されたとしても、改質ガス中の水分が再度、凝縮してしまうことを防ぐことができる。なお、凝縮器と流量調整部との間の少なくとも一部を加熱する温度は、この加熱後の改質ガスの温度が、流量調整部に不具合を与えない温度範囲となる温度である。
【００２７】
したがって、固体酸化物形燃料電池システムは、リサイクル経路を流通する改質ガス中の水分が凝縮して凝縮水が発生し、リサイクル経路が詰まることを抑制することができるという効果を奏する。
【００２８】
また、上記したように凝縮器と流量調整部との間の少なくとも一部が加熱するだけという簡素な構成で改質ガス中の凝縮水によりリサイクル経路において水つまりが起こることを抑制できる。また、流量調整部が高温の改質ガスに曝されることがないため流量調整部は不具合が生じることなく安全に動作することができる。また、流量調整部によって原料の流量に応じた適切な水素量となる改質ガスを脱硫部の上流側に供給することができる。よって、本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、安全かつ簡素な構成で必要な改質ガスを過不足なく供給し、効率よく安定的に動作させることができる。
【００２９】
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、少なくとも前記固体酸化物形燃料電池、前記燃焼部、及び改質器を覆う断熱部を備え、前記リサイクル経路における前記凝縮器と前記流量調整部との間の少なくとも一部において、前記断熱部を介して、前記固体酸化物形燃料電池及び前記燃焼部のうちの少なくとも一方の熱により加熱される加熱部を有するように構成されていてもよい。
【００３０】
上記構成によると、リサイクル経路における前記凝縮器と前記流量調整部との間の少なくとも一部に設けられた加熱部を有している。このため、この加熱部によって、リサイクル経路を流通する改質ガスを流量調整部に至る前に加熱させ、改質ガスの相対湿度を低下させることができる。このため、改質ガスの流量を調整するために流量調整部により改質ガスが減圧されたとしても、改質ガス中の水分が再度、凝縮してしまうことを防ぐことができる。
【００３１】
また、加熱部の熱源は断熱部を介して伝わった固体酸化物形燃料電池及び前記燃焼部のうちの少なくとも一方の熱であるため、加熱部の温度が流量調整部に不具合を生じさせる程度まで高温となることを防ぐことができる。また、断熱部の層厚等を調整することで加熱部における温度を簡単に調整することができる。したがって、加熱部において適切な温度まで改質ガスを加熱させることができる。
【００３２】
また、本発明の第３の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１または第２の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記流量調整部は、前記リサイクル経路に配置され、該リサイクル経路を流通する前記改質ガスの流量を調整する第１減圧器と、前記リサイクル経路から分岐し、前記第１減圧器を迂回するバイパス経路に配置され、該バイパス経路を流通する前記改質ガスの流量を調整する第２減圧器と、を備える構成であってもよい。
【００３３】
上記構成によると、リサイクル経路に第１減圧器を備え、バイパス経路に第２減圧器を備える構成である。
【００３４】
したがって、第１減圧器での改質ガスの流量調整と第２減圧器での改質ガスの流量調整とを組み合わせて、改質ガスの流量が最適な流量となるように調整をおこなうことができる。
【００３５】
なお、第１減圧器および第２減圧器によって調整される改質ガスの流量には、完全に改質ガスが流通しないように遮断された状態を含んでいてもよい。
【００３６】
また、本発明の第４の態様に係る燃料電池システムは、上記した第２または第３の態様において、前記加熱部の温度は、前記凝縮器から排出される前記改質ガスの温度よりも高くなるように構成されていてもよい。
【００３７】
また、本発明の第５の態様に係る燃料電池システムは、上記した第２〜第４の態様のいずれか１つの態様において、前記加熱部で加熱された改質ガスの温度を測定する第１温度検知部と、前記流量調整部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、第１温度検知部により測定された改質ガスの温度に応じて流量調整部を制御して、前記脱硫部の上流側に供給する改質ガスの流量を調整するように構成されていてもよい。
【００３８】
上記構成によると、第１温度検知部と制御部とを備えているため、加熱部で加熱された後の改質ガスの温度を考慮して、制御部が流量調整部を制御することができる。
【００３９】
また、本発明の第６の態様に係る燃料電池システムは、上記した第５の態様において、前記流量調整部は、改質ガスを減圧することで該改質ガスの流量を調整しており、前記制御部は、前記第１温度検知部で測定された温度が、前記加熱部により加熱される前の改質ガスの温度を基準に予め設定されている第１閾値温度未満となった場合、前記改質ガスをさらに減圧させないように前記流量調整部を制御するように構成されていてもよい。
【００４０】
上記構成によると、第１温度検知部で測定された温度、すなわち、加熱部で加熱された後の改質ガスの温度が第１閾値温度未満の場合、制御部は流通する改質ガスがさらに減圧されないように流量調整部を制御する。すなわち、改質ガスの温度が十分に上昇しなかった場合、改質ガスを現状からさらに減圧されないようにすることができる。このため、改質ガスの相対湿度がほとんど低下せず、ほぼ飽和状態となっているときに減圧されることを防ぐことができ、凝縮水が発生することを抑制することができる。
【００４１】
また、本発明の第７の態様に係る燃料電池システムは、上記した第６の態様において、前記制御部は、前記第１温度検知部で測定された温度が、加熱後の改質ガスの目標温度として予め設定されている第２閾値温度を超えた場合、該目標温度となる改質ガスに対して行うように予め設定されていた減圧状態よりもさらに減圧するように前記流量調整部を制御するように構成されていてもよい。
【００４２】
ここで、第１温度検知部で測定された温度が第２閾値温度を超える場合とは、加熱後の改質ガスが目標としていた温度よりもさらに高い温度となった場合であって、改質ガスの相対湿度が目標としていた温度のときの相対湿度よりも低くなった状態である。
【００４３】
このような場合、上記構成によると、制御部は、目標温度となる改質ガスに対する減圧状態よりもさらにいっそう減圧するように流量調整部を制御することができる。すなわち、さらにいっそう改質ガスを減圧させて供給する流量が少なくなるように調整することができる。
【００４４】
このため、例えば、脱硫部の上流側に供給する改質ガスの流量が適切な流量よりも多くなっていたとしても、上述した条件を満たす際に、供給する改質ガスの流量をさらに少なくするように調整することができる。
【００４５】
また、本発明の第８の態様に係る燃料電池システムは、上記した第５の態様において、前記凝縮器から排出される前記改質ガスの温度を測定する第２温度検知部をさらに備え、前記流量調整部は、改質ガスを減圧することで該改質ガスの流量を調整しており、前記制御部は、前記第１温度検知部で測定された温度が前記第２温度検知部で測定された温度よりも高い場合、改質ガスを減圧するように前記流量調整部を制御するように構成されていてもよい。
【００４６】
ここで、前記第１温度検知部で測定された温度が前記第２温度検知部で測定された温度よりも高い場合とは、凝縮器から排出された改質ガスが加熱部で加熱された場合であって、改質ガスの相対湿度が凝縮器から排出された時点よりも低くなっている場合である。上記構成によると、このように改質ガスの相対湿度が低くなっている場合、制御部は改質ガスの減圧を行うように流量調整部を制御することができるため、減圧により改質ガスが再度凝縮され凝縮水が生成されることを防止することができる。
【００４７】
（実施形態）
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。
【００４８】
図１を参照して実施の形態に係る燃料電池システムについて説明する。図１は、実施の形態に係る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。
【００４９】
図１に示すように、燃料電池システムは、脱硫部３、改質器４、空気熱交換器５、固体酸化物形燃料電池６、蒸発器９、および凝縮器２４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の上部には改質器４と対向するように燃焼部２３が設けられている。また、筐体７の外部には、昇圧部２、気液分離部３１、および流量調整部３２が設けられている。
【００５０】
また、燃料電池システムが備える各部の各種制御は、制御部２８によって実行されている。制御部２８は、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどで例示できる演算処理部と、メモリなどで例示できる記憶部とを備え、ＣＰＵ等がメモリに記憶されたプログラムを読み出し、実行することで各種制御を実行することができる。
【００５１】
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。
【００５２】
なお、本発明の実施形態では、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、改質器４において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。
【００５３】
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、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。
【００５４】
また、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。
【００５５】
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の紙面上側の天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）。
【００５６】
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。
【００５７】
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２５によって除去される。
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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、脱硫後、改質器４へと供給される。
【００６１】
次に改質器４について説明する。改質器４は、部分酸化改質用として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、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改質器４に供給することができる構成となっている。
【００６２】
なお、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。
【００６３】
ところで、燃料電池システムの起動時では、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、燃料電池システムの起動時は、改質水経路１１から改質器４（蒸発器９）に水を供給させずに、改質空気経路１２を通じて改質器４に導入した空気を利用して、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（改質ガス経路）１６を通じて固体酸化物形燃料電池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。
【００６４】
燃料電池システムにおいて固体酸化物形燃料電池６が起動して発電が進むにつれ、改質器４の温度が上昇していく。すなわち、上記の式（３）で表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、改質器４の温度が上昇させられる。そして、改質器４の温度が、例えば、４００℃以上になれば以下の式（４）で表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改質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、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。
【００６５】
なお、本実施の形態に係る燃料電池システムが備える改質器４は、スタックからの排熱を利用できるため、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。
【００６６】
蒸発器９は、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（改質水）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改質器４へと導入する。
【００６７】
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。
【００６８】
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（改質ガス経路）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。
【００６９】
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６００〜１０００℃の温度範囲にて、発電反応が行われる。
【００７０】
また、本実施の形態に係る燃料電池システムでは、改質器４によって生成された改質ガスの一部を脱硫部３の上流側（特には、昇圧部２の上流側）に供給するためのリサイクル経路１９が設けられている。リサイクル経路１９は、改質器４と固体酸化物形燃料電池６との間の経路である燃料ガス供給経路（改質ガス経路）１６の分岐部３５から分岐し、リサイクル経路１９の下流端は、昇圧部２よりも上流側の位置で原料ガス経路１に接続している。これにより、改質器４からの改質ガスが、このリサイクル経路１９を介して、原料ガス経路１に送られる。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り、脱硫部３は、この水素を利用して水添脱硫を行うことができる。
【００７１】
また、このリサイクル経路１９には、凝縮器２４、気液分離部３１、および流量調整部３２が上流側から下流側に向かって順に配置されている。
【００７２】
凝縮器２４は、改質ガスの温度低下により、改質ガス中に含まれる水分（水蒸気）を凝集させるものである。このように、凝縮器２４によってリサイクル経路１９を流れる改質ガスは、所望される温度まで低下されるため、改質ガスによる昇圧部２および減圧部３２等の機器において生じる熱劣化を抑制することができる。また、改質ガスから水蒸気を除去することができるため、凝縮器２４よりも下流側となるリサイクル経路１９部分では、改質ガス中の水蒸気凝集による凝集水の生成が抑制される。これにより、凝縮水によるリサイクル経路１９の流路閉塞、凝縮水による昇圧部２および減圧部３２等の機器の水漏れ故障などを抑制することができる。
【００７３】
上述した凝縮器２４は、例えば、二重管形熱交換器を用いて構成することができる。この熱交換器は、直交流及び並行流に比べて伝熱性能が良い対向流を簡易な構成（例えば、小型化した構成）によって実現できるという特徴を有する。本実施形態では、熱交換器の受熱流体である冷媒は、鉛直方向に配された二重直管の内管を、重力が作用する方向と逆向きに流れ、熱交換器の加熱流体である改質ガスは、二重直管の内管と外管との間を、冷媒とは逆向き（重力が作用する向き）に流れる。
【００７４】
以上のようにして、受熱流体の流れと加熱流体との流れが対向した凝縮器２４を構成することができる。また、改質ガスの流れの向きが、重力が作用する向きと同じであるため、改質ガスの流れ及び重力の作用により、凝縮器２４内の凝縮水を強制的に外部へと排出することができる。このため、凝縮水が凝縮器２４内に滞留してしまうことを抑制することができる。
【００７５】
なお、上述した冷媒は、空気経路１０を流れる空気を利用しても良いし、原料ガス経路１を流れる原料ガスを利用してもよい。あるいは、改質水経路１１を流れる水を用いてもよい。例えば、冷媒として、空気を利用する場合、以下のように構成してもよい。すなわち、空気経路１０において上流側から順に空気取り出し口（不図示）と空気戻り口（不図示）が設けられる。そして、この空気取り出し口から冷媒経路５０を延ばし、熱交換器の二重直管の内管と連通させ、この二重直管を介して空気戻り口に至るように形成する。
【００７６】
このように形成した場合、空気熱交換器５の前段において、空気経路１０を流れる空気を改質ガスとの熱交換により適温にまで予熱できるため、燃料電池システムでの熱回収の効率化を図ることができる。
【００７７】
なお、本実施形態では、凝縮器２４として、上述した熱交換器を用いる構成であったが、この構成に限定されるものではない。凝縮器２４は、改質ガスを冷却し、改質ガス中の水蒸気を除去することが可能であればどのような構成であってもよい。
【００７８】
また、本実施形態では、凝縮器２４は、上記した断熱部２２内に埋設されるように配置されている。つまり、断熱部２２は、凝縮器２４の保温材の役割を果たしており、例えば、外気温が低い時、凝縮器２４を断熱部２２内に埋設しない構成と比較して凝縮器２４内の凝縮水が低温になり過ぎることを抑制できる。
【００７９】
このため、燃料電池システムにおける熱ロスを低減することができる。ただし、凝縮器２４内の凝縮水の温度低下が大きな問題とならないシステム構成の場合、凝縮器２４は断熱部２４内に埋設せずに筐体７の外部に配置する構成としてもよい。
【００８０】
気液分離部３１は、凝縮器２４から排出された、凝縮水と改質ガスとが混在する気液二相流を凝縮水と改質ガスとに分離する。この気液分離部３１によって凝縮水は改質ガスが流れるリサイクル経路１９から除去され、気液分離部３１内に一時的に貯留される。その後、凝縮水は、適時に、気液分離部３１から排水路４０へと送られる。
【００８１】
なお排水路４０の先には、封止機構が備えられていてもよい。この封止機構としては、弁等が例示される。この封止機構により、気液分離部３１から凝縮水が水漏れしたとしても、改質ガスが外部に放出されることを防止することができる。
【００８２】
気液分離部３１は、例えば、断熱部２２の外部に設けられていてもよい。このように設けられた構成の場合、気液分離部３１は、筐体７内の熱の影響を受けにくくなるように構成できる。
【００８３】
なお、実施形態に係る燃料電池システムでは、気液分離部３１と凝縮器２４とを別体で構成されていたがこれに限定されるものではなく、両者を一体で構成してもよい。このように構成される場合、凝縮器２４の下端部は、気液分離部３１における凝縮水を貯留する部分として機能する。
【００８４】
実施形態に係る燃料電池システムでは、上述した構成において、リサイクル経路１９における凝縮器２４と流量調整部３２との間、特には、気液分離部３１と流量調整部３２との間部分に加熱部３３がさらに設けられている。なお、加熱部３３は、図１では凝縮器２４（気液分離部３１）と流量調整部３２との間において一箇所だけ設けられた構成となっているが、この間において複数個所、設けられていてもよい。すなわち、加熱部３３の個数は任意であり、流量調整部３２に至るまでに改質ガスの温度が加熱部３３によって所望の温度まで上昇する構成であればよい。
【００８５】
つまり、改質器４から排出された改質ガスは、約６００℃と高温であるため、上述したリサイクル経路１９上では、改質ガスの温度を、上述の凝縮器２４を用いて所望の温度まで低下させる。例えば、凝縮器２４は、改質ガスを２０℃〜３０℃程度まで冷却させる。このように凝縮器２４の後工程（下流側）に流量調整部３２が配置されるため、温度低下した改質ガスが流量調整部３２を通過することとなる。このため、例えば、樹脂部品およびコイル等を内蔵した弁の構造上、高温での信頼性、耐久性に課題のあるような膨張弁等を、流量調整部３２として使用することができる。なお、この膨張弁（流量調整部３２）の弁開度の調整、すなわち改質ガスが流通する経路断面積の調整は、制御部２８からの制御指示に応じて制御されるように構成されている。
【００８６】
ところで、凝縮器２４により凝縮された改質ガスは相対湿度１００％の状態（飽和状態）となっており、この状態でリサイクル経路１９を流れ流量調整部３２に供給された場合、流量調整部３２における減圧で、改質ガスが再凝縮して凝縮水が発生してしまうことがある。
【００８７】
そこで、本実施形態では、断熱部２２に設けられた加熱部３３によってリサイクル経路１９を流通する改質ガスの温度を再上昇させ、これによって相対湿度を低下させるように構成されている。例えば２５℃で相対湿度が１００％の改質ガスをこの加熱部３３において加熱し、４５℃としたとすると、露点温度は同じであるが相対湿度は約３３％まで低減できる。その状態で、加熱部３３よりも下流側に配置された流量調整部３２によって数ｋPa減圧しても再凝縮することはない。
【００８８】
このようにリサイクル経路１９において再凝縮しない構成とすることによって、流量調整部３２は、昇圧部２によって制御される原料ガスの供給量の変化に応じて適切な弁開度を設定することができる。そして、流量調整部３２が適切な弁開度に設定さされることで、原料ガスの流量に対して最適な比率となる流量の改質ガスを供給することができ、脱硫部３における水添脱硫過程において過不足のない水素を供給することができる。なお、流量調整部３２の弁開度の制御は、昇圧部２によって制御される原料ガスの供給量が所定の閾値以上となるか、あるいは所定の閾値未満となるかに応じて調整するようにあらかじめ設定されている。
【００８９】
なお、実施形態に係る燃料電池システムでは、図１に示すように、リサイクル経路１９に設けられた加熱部３３は、断熱部２２内に配置された構成であるが、これに限定されるものではない。例えば、筐体７はその内部が断熱部２２によって覆われているとはいえ、その外壁面も。温度低下した改質ガスを加熱するぐらいには高温となっている場合がある。このような場合、リサイクル経路１９の一部分（凝縮器２４と流量調整部３２との間の部分）を筐体７の外部面に接触させ、この接触部分を加熱部３３とする構成であってもよい。もしくは、リサイクル経路１９を筐体７に接触させなくても近接させるだけで、改質ガスを所望の温度まで加熱できる場合は、この近接させた、凝縮器２４と流量調整部３２との間の部分を加熱部３３としてもよい。
【００９０】
以上のように本実施の形態に係る燃料電池システムでは、リサイクル経路１９上において、凝縮器２４の下流側に加熱部３３を設ける構成である。このため、この加熱部３３によって相対湿度を低下させた改質ガスを、流量調整部３２に供給することができる。それゆえ、流量調整部３２によって改質ガスが減圧されることによって凝縮水が発生することを防ぐことがでる。
【００９１】
また、改質ガス温度は、凝縮器２４で大きく温度低下されており、例え、加熱部３３で再加熱されても流量調整部３２の信頼性を損なうほどの高温にはならない。このため、供給される原料ガスの流量が変化する場合、リサイクル経路１９を通じて原料ガス経路１に供給される水素量も、脱硫部３での水添脱硫反応に過不足を生じることを防止できる適切な量となるように調整することができる。したがって、供給される原料ガスの流量が変化した場合であっても、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。
【００９２】
また、実施形態に係る燃料電池システムでは、脱硫部３における水添脱硫反応に過不足が生じることなく適切な水素量を供給することができる。それゆえ、脱硫部３は、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改質器４に供給することができる。このため、改質器４の改質触媒の劣化を防止することができ、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。よって、実施形態に係る燃料電池システムは、信頼性を損なうことなく、効率よく安定的に動作することができる。
【００９３】
さらにまた、燃料電池システムでは、上述したように、脱硫部３が筐体７において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。
【００９４】
なお、加熱部３３が断熱部２２内に配置された構成、又は、加熱部３３が筐体７の外部面に接触するように配置された構成では、リサイクル経路１９を筐体７に接触させずに近接させた構成に比べ、リサイクル経路１９の固定や取り付け等を容易にしつつ、加熱部３３がより安定した熱量を受け取ることができる。
【００９５】
（変形例１）
次に、本実施の形態に係る燃料電池システムの変形例１について図２を参照して説明する。図２は、実施の形態の変形例１に係る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では、本実施の形態の変形例１に係る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。
【００９６】
変形例１に係る燃料電池システムは、上述した本実施の形態に係る燃料電池システムと比較して、リサイクル経路１９上の加熱部３３の後段（下流側）の流量調整部３２の構成が異なる。
【００９７】
より具体的には、上述した本実施の形態に係る燃料電池システムでは、流量調整部３２として、例えば膨張弁を備える構成であった。しかしながら、変形例１に係る燃料電池システムでは、流量調整部３２を、一方には開閉弁３４及び第１固定オリフィス３８を配置した経路と、他方には第２固定オリフィス３７を配置した経路とが並列した構成（２分岐並列構成）としている点で異なる。このため、本実施の形態に係る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。なお、第１固定オリフィス３８および第２固定オリフィス３７は、リサイクル経路１９より径が小さくなったキャピラリー（毛細管）であっても良い。
【００９８】
流量調整部３２として、例えば膨張弁を利用する場合、流量調整部３２は、一般的に価格が高くなったり、電気的な制御システムが必要とされシステム構成が複雑となったりする。そこで、変形例１に係る燃料電池システムでは、流量調整部３２として、安価でかつシステム構成が簡易となる電磁式の開閉弁３４と第１固定オリフィス３８、ならびに第２固定オリフィス３７を利用する。
【００９９】
より具体的には、リサイクル経路１９における加熱部３３の下流側に開閉弁３４と第１固定オリフィス３８とを配置する。また、この開閉弁３４と第１固定オリフィス３８とを迂回するためのバイパス経路２１を設け、このバイパス経路２１上に第２固定オリフィス３７を配置する。
【０１００】
このように、並列した２つの経路において一方の経路（リサイクル経路１９）に開閉弁３４と第１固定オリフィス３８とを、他方の経路（バイパス経路２１）に第２固定オリフィス３７をそれぞれ配置する。そして、必要に応じて開閉弁３４を動作させることで、原料ガス経路１に供給させる改質ガスの流量を調整することができる構成とする。なお、リサイクル経路１９に配置された開閉弁３４と第１固定オリフィス３８とによって本発明の第１減圧部を実現し、バイパス経路２１に配置された第２固定オリフィス３７によって本発明の第２減圧部を実現する。
【０１０１】
例えば、開閉弁３４が閉じられており、第２固定オリフィス３７が配されているバイパス経路２１のみを改質ガスが流通しているとする。この状態において、脱硫部３の水添脱硫反応で必要とされる水素量が不足した場合、制御部２８によって開閉弁３４が開放するように制御される。これにより、改質ガスをリサイクル経路１９とバイパス経路２１との両方を流通させることができ、原料ガス経路１に供給する改質ガスの流量を増加させることができる。
【０１０２】
逆に流通させる改質ガスの流量が過剰となった場合、制御部２８によって開閉弁３４を閉じるように制御する。これにより、第２固定オリフィス３７が配置されたバイパス経路２１だけを改質ガスが流通することとなり、原料ガス経路１に供給する改質ガスの流量を減少させることができる。
【０１０３】
なお、制御部２８による開閉弁３４の開閉制御は、昇圧部２から脱硫部３へ供給する原料ガスの流量が所定の閾値以上となるか、あるいは所定の閾値未満となるかに応じて行われるようにあらかじめ設定されている。
【０１０４】
このような構成によって変形例１に係る固体酸化物形燃料電池システムでは、供給する原料ガスの流量に応じた適切な水素量を脱硫部３に供給することができるため、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。
【０１０５】
また、変形例１に係る燃料電池システムでは、上述したようにリサイクル経路１９にのみ開閉弁３４を配置した構成であった。しかしながら、バイパス経路２１において、第２固定オリフィス３７の上流側にも開閉弁を備えた構成としてもよい。このように構成することによって、改質ガスは、バイパス経路２１のみを流通する場合、リサイクル経路１９のみを流通する場合、リサイクル経路１９およびバイパス経路２１の両方を流通する場合の３段階で流量を調整することができる。
【０１０６】
なお、第１固定オリフィス３８および第２固定オリフィス３７それぞれを流通する改質ガスの流量は、同じであってもよいし、互いに異なってもよい。
【０１０７】
（変形例２）
次に、本実施の形態に係る燃料電池システムの変形例２について図３、４を参照して説明する。図３は実施の形態の変形例２に係る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２に係る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。また図４は、図３に示す燃料電池システム制御処理の一例を示すフローチャートである。
【０１０８】
変形例２に係る燃料電池システムは、上述した本実施の形態に係る燃料電池システムと比較して、以下の点で異なる。すなわち、リサイクル経路１９上において、加熱部３３で加熱された改質ガスの温度を検知する温度検知部（第１温度検知部）３６と、凝縮器２４から排出される改質ガスの排出温度を検知する排出温度検知部（第２温度検知部）３５とをさらに備えている点で異なる。そして、変形例２に係る燃料電池システムでは、凝縮器２４から排出された改質ガスの温度と、加熱部３３で加熱された改質ガスの温度とのそれぞれの検知結果に応じて、改質ガス流量をより正確に制御するように構成されている。
【０１０９】
これ以外の構成については上述した本実施の形態に係る燃料電池システムと同様である。このため、本実施の形態に係る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。
【０１１０】
上述した構成を有する変形例２に係る燃料電池システムでは、制御部２８が以下のように改質ガスの流量を調整するように流量調整部３２の開閉を制御する。より具体的には、図４のフローチャートを用いて流量調整部３２の開閉動作について説明する。
【０１１１】
まず、変形例２に係る燃料電池システムにおいて、固体酸化物形燃料電池６の運転が開始されると（ステップＳ１）、改質器４によって生成された改質ガスの一部は、凝縮器２４へ送出され、残余の改質ガス（燃料）は、固体酸化物形燃料電池６に送出される。
【０１１２】
固体酸化物形燃料電池６では、供給された改質ガス（燃料）と空気とを利用して発電反応により発電が行われる。一方、凝縮器２４に送出された改質ガスは、この凝縮器２４により温度が低下させられ、リサイクル経路１９へと排出される。改質ガスがリサイクル経路１９へと排出される際、該改質ガスを原料ガス経路１に供給できるように、このリサイクル経路１９において加熱部３３の下流側に設けられている流量調整部３２の弁開度を全開状態とする（ステップＳ２）。そして、このように流量調整部３２を全開状態として、リサイクル経路１９を流通する改質ガスを減圧しないようにする。
【０１１３】
このようにして、改質ガスをリサイクル経路１９内に流通させると、温度検知部３６が、加熱部３３により加熱された後の改質ガスの温度（Ｔ１）を検知し（ステップＳ３）、制御部２８に通知するとともに、排出温度検知部３５が、凝縮器２４から排出された改質ガスの温度（Ｔ２）を検知し（ステップＳ４）、制御部２８に通知する。そして、制御部２８は、通知された温度（Ｔ１）と温度（Ｔ２）とを比較し、温度（Ｔ２）よりも温度（Ｔ１）の方が大きいか否か判定する（ステップＳ５）。
【０１１４】
ここで、制御部２８が、温度（Ｔ２）が温度（Ｔ１）以上となると判定（ステップＳ５においてＮＯ）している間は、ステップＳ２に戻り、このステップＳ２からステップＳ４までの処理を繰り返す。
【０１１５】
一方、温度（Ｔ１）が温度（Ｔ２）よりも大きいと判定した場合（ステップＳ５においてＹＥＳ）、制御部２８は流量調整部３２に対して、所定の弁開度に変更するように制御指示を出力する。この制御部２８からの制御指示に応じて、流量調整部３２は、弁開度を所定の値に変更する（ステップＳ６）。
【０１１６】
そして、制御部２８が固体酸化物形燃料電池６の運転終了指示を受け付けるまで（ステップＳ７において「ＹＥＳ」と判定するまで）、ステップＳ３からステップＳ６までの処理を繰り返す。
【０１１７】
（変形例３）
また、上記した変形例２の構成において、排出温度検知部３５を備えない構成とし、燃料電池システムの制御を、以下のように実施してもよい。なお、この燃料電池システムの制御を、変形例３として図５を参照して説明する。図５は、実施の形態の変形例３に係る燃料電池システムにおける制御処理の一例を示すフローチャートである。
【０１１８】
変形例３に係る燃料電池システムは、上述したように、その構成は、排出温度検知部３５を備えない点を除き変形例２に係る燃料電池システムと同様であるが、制御部２８によって実施される制御処理のフローが異なる。
【０１１９】
まず、燃料電池システムにおいて、固体酸化物形燃料電池６の運転が開始されると（ステップＳ１０）、改質器４によって生成された改質ガスの一部は、凝縮器２４へ送出され、残余の改質ガス（燃料）は、固体酸化物形燃料電池６に送出される。
【０１２０】
個体酸化物形燃料電池６では、供給された改質ガス（燃料）と空気とを利用して発電反応により発電が行われる。一方、凝縮器２４に送出された改質ガスは、この凝縮器２４により温度が低下させられ、リサイクル経路１９へと排出される。
【０１２１】
改質ガスがリサイクル経路１９へと排出される際、変形例２に係る燃料電池システムの制御フローのステップＳ２と同様に、流量調整部３２の弁開度を全開にする（ステップＳ１１）。そして、温度検知部３６が、加熱部３３により加熱された後の改質ガスの温度（Ｔ１）を検知し（ステップＳ１２）、制御部２８に通知する。
【０１２２】
制御部２８は、温度検知部３６からの通知に基づき、加熱部３３によって加熱された改質ガスの温度（Ｔ１）が、あらかじめ定められた第１閾値未満か否か判定する（ステップＳ１３）。
【０１２３】
ここで第１閾値は、例えば、以下のように決めることができる。すなわち、凝縮器２４から排出された改質ガスの温度が予め分かっている場合、その温度よりやや高い値を第１閾値として設定することができる。例えば、凝縮器２４から排出された改質ガスの温度が約３０℃となると分かっているとすると、それよりやや高い温度の４０℃を第１閾値として設定することができる。このステップＳ１３によって、加熱部３３により改質ガスが減圧時に凝縮水が生成されない程度に加熱されているか否か判定することができる。
【０１２４】
つまり、制御部２８が温度（Ｔ１）は第１閾値未満であると判定した場合（ステップＳ１３において「ＹＥＳ」）、流量調整部３２の弁開度の設定値を第１設定値、すなわち改質ガスを減圧させないように流量調整部３２の弁開度を全開とする設定値へと変更するように制御する（ステップＳ１５）。そして、この設定された第１設定値に基づき流量調整部３２の弁開度が調整される。
【０１２５】
一方、制御部２８は、ステップＳ１３において「ＮＯ」と判定した場合、温度（Ｔ１）が第２閾値を越えるか否か判定する（ステップＳ１４）。ここで第２閾値は、例えば、以下のように決めることができる。すなわち、加熱部３３による加熱で改質ガスが達するであろうと期待される目標温度（例えば、６０℃）を第２閾値として設定することができる。
【０１２６】
つまり、制御部２８が、温度（Ｔ１）は第２閾値を越えると判定した場合（ステップＳ１４において「ＹＥＳ」）、つまり、予想していた以上に加熱部３３により改質ガスの温度が上昇させられたと判定した場合、流量調整部３２の弁開度の設定値を第３設定値へと変更する。つまり、期待したとおりに加熱部３３により改質ガスが加熱されたときに、設定されている弁開度よりもさらに絞った弁開度とする設定値（第３設定値）へと変更するように制御する（ステップＳ１６）。そして、この設定された第３設定値に基づき流量調整部３２の弁開度が調整される。
【０１２７】
一方、ステップＳ１４において「ＮＯ」と判定した場合、つまり、加熱部３３による加熱で改質ガスが達するであろうと期待される温度（例えば、６０℃）以下となる場合、流量調整部３２の弁開度の設定値を第２設定値へと変更する。つまり、期待したとおりに加熱部３３により改質ガスが加熱されたときに設定されている弁開度とする設定値（第２設定値）へと変更するように制御する（ステップＳ１７）。そして、この設定された第２設定値に基づき流量調整部３２の弁開度が調整される。
【０１２８】
以上のように、温度（Ｔ１）の値が第１閾値未満か否か、あるいは第２閾値以上か否かの判定結果に応じて、流量調整部３２の弁の開度を変更する処理を固体酸化物形燃料電池６の運転終了の指示を受け付けるまで行う（ステップＳ１８）。すなわち、固体酸化物形燃料電池６の運転終了指示を受け付けるまで（ステップＳ１８において「ＮＯ」の間）は、ステップＳ１２からステップＳ１７までの処理を繰り返す。
【０１２９】
以上のように、流量調整部３２の弁開度の設定変更を制御することにより、加熱部３３で改質ガスが所望の温度まで十分に加熱されなかったり、リサイクル経路１９上で所望の温度よりも冷却してしまったりして、改質ガスの減圧時に凝縮水が発生してしまうような問題をより確実に防止することができる。
【０１３０】
（変形例４）
次に、本実施の形態に係る燃料電池システムの変形例４について図６および図７を参照して説明する。図６は実施の形態の変形例４に係る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４に係る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。また図７は、図６に示す燃料電池システムにおける制御処理の一例を示すフローチャートである。
【０１３１】
変形例４に係る燃料電池システムは、上述した実施形態の変形例１に係る燃料電池システムの構成において、リサイクル経路１９上に、加熱部３３での改質ガスの温度を検知する温度検知部３６と、凝縮器２４から排出される改質ガスの排出温度を検知する排出温度検知部３５とをさらに備えた構成とする。そして、変形例４に係る燃料電池システムでは、凝縮器２４から排出された改質ガスの温度と、加熱部３３で加熱された改質ガスの温度とのそれぞれの検知結果に応じて、原料ガス経路１に供給する改質ガスの流量をより正確に制御するように構成されている。
【０１３２】
これ以外の構成については上述した変形例１に係る燃料電池システムと同様である。このため、実施形態に係る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。
【０１３３】
上述した構成を有する変形例４に係る燃料電池システムは、以下のように改質ガスの流量を制御する。より具体的には、図７のフローチャートを用いて流量調整部３２の開閉動作について説明する。
【０１３４】
まず、変形例４に係る燃料電池システムにおいて、固体酸化物形燃料電池６の運転が開始されると（ステップＳ２１）、改質器４によって生成された改質ガスの一部は、凝縮器２４へ送出され、残余の改質ガス（燃料）は、固体酸化物形燃料電池６に送出される。
【０１３５】
固体酸化物形燃料電池６では、供給された改質ガス（燃料）と空気とを利用して発電反応により発電が行われる。一方、凝縮器２４に送出された改質ガスは、この凝縮器２４により温度が低下させられ、リサイクル経路１９へと排出される。
【０１３６】
改質ガスがリサイクル経路１９へと排出される際、該改質ガスを原料ガス経路１に供給できるように、リサイクル経路１９において加熱部３３の下流側に設けられている流量調整部３２の開閉弁３４を開く（ステップＳ２２）。そして、このように開閉弁３４を開くことで、改質ガスは、第２固定オリフィス３７が配されたバイパス経路２１と第１固定オリフィス３８が配されたリサイクル経路１９との両方を流通し、原料ガス経路１に供給される。
【０１３７】
これ以降、ステップＳ２３〜ステップＳ２５までの処理は、図４におけるステップＳ３からステップＳ５までの処理と同様であるため、説明は省略する。
【０１３８】
図７に示すように、制御部２８が、温度（Ｔ１）が温度（Ｔ２）以下であると判定した場合（ステップＳ２５において「ＮＯ」の場合）、ステップＳ２２からステップＳ２４までの処理を繰り返す。一方、制御部２８が、温度（Ｔ１）の方が温度（Ｔ２）よりも大きいと判定した場合（ステップＳ２５において「ＹＥＳ」の場合）、開閉弁３４の弁を閉じるように制御する（ステップＳ２６）。そして、制御部２８は、固体酸化物形燃料電池６の運転停止指示を受け付けるまで、ステップＳ２３に戻って、それ以降の処理を繰り返す。
【０１３９】
（変形例５）
また、上記した変形例４の構成において、排出温度検知部３５を備えない構成とし、燃料電池システムの制御を、以下のように実施してもよい。なお、この燃料電池システムの制御を、変形例５として図８を参照して説明する。図８は、実施の形態の変形例５に係る燃料電池システムにおける制御処理の一例を示すフローチャートである。
【０１４０】
変形例５に係る燃料電池システムは、上述したように、その構成は、排出温度検知部３５を備えない点を除き変形例４に係る燃料電池システムと同様であるが、制御部２８によって実施される制御処理フローが異なる。
【０１４１】
まず、燃料電池システムにおいて、固体酸化物形燃料電池６の運転が開始されると（ステップＳ３１）、改質器４によって生成された改質ガスの一部は、凝縮器２４へ送出され、残余の改質ガス（燃料）は、固体酸化物形燃料電池６に送出される。
【０１４２】
固体酸化物形燃料電池６では、供給された改質ガス（燃料）と空気とを利用して発電反応により発電が行われる。一方、凝縮器２４に送出された改質ガスは、この凝縮器２４により温度が低下させられ、リサイクル経路１９へと排出される。
【０１４３】
改質ガスがリサイクル経路１９へと排出される際、変形例４に係る燃料電池システムの制御フローのステップＳ２２と同様に、開閉弁３４を開く（ステップＳ３２）。そして、温度検知部３６が、加熱部３３により加熱された後の改質ガスの温度（Ｔ１）を検知し（ステップＳ３３）、制御部２８に通知する。
【０１４４】
制御部２８は、温度検知部３６から受信した通知に基づき、加熱部３３によって加熱された改質ガスの温度（Ｔ１）が、あらかじめ定められた第１閾値未満か否か判定する（ステップＳ３４）。ここで、制御部２８が温度（Ｔ１）は第１閾値未満であると判定した場合（ステップＳ３４において「ＹＥＳ」）、開閉弁３４を開状態として維持するように制御する（ステップＳ３５）。
【０１４５】
一方、制御部２８は、ステップＳ３４において「ＮＯ」と判定した場合、開閉弁３４の弁を閉状態とするように制御する（ステップＳ３６）。
【０１４６】
以上のように、温度（Ｔ１）の値が第１閾値未満か否かの判定結果に応じて、開閉弁３４の弁の開閉を変更する処理を固体酸化物形燃料電池６の運転終了の指示を受け付けるまで行う（ステップＳ３７）。すなわち、固体酸化物形燃料電池６の運転終了指示を受け付けるまで（ステップＳ３７において「ＮＯ」の間）は、ステップＳ３３からステップＳ３６までの処理を繰り返す。
【０１４７】
以上のように、開閉弁３４の開閉を制御することにより、温度（Ｔ１）が第１閾値未満か否か、すなわち、凝縮器２４から排出された改質ガスの温度よりやや高い温度未満となるか否かに応じて、開閉弁３４の開閉を制御することができる。これにより、温度（Ｔ１）が第１閾値未満の場合は開閉弁３４を開いて、第２固定オリフィス３７が配された経路および第１固定オリフィス３８が配された経路の両方から改質ガスを流通させ原料ガス経路１に供給することができる。つまり、ほぼ改質ガスを減圧することなく原料ガス経路１に供給することができる。
【０１４８】
一方、温度（Ｔ１）が第１閾値以上の場合は、開閉弁３４を閉じ、改質ガスを第２固定オリフィス３７が配されている経路のみ流通させ、減圧させた状態で原料ガス経路１に供給することができる。
【０１４９】
このため、加熱部３３で改質ガスが所望の温度まで十分に加熱されなかったり、リサイクル経路１９上で所望の温度よりも冷却されてしまったりして、改質ガスの減圧時に凝縮水が発生してしまうような問題をより確実に防止することができる。
【０１５０】
さらにまた、上述したように、改質ガスの減圧時の再凝縮をより確実に抑制することができるため、脱硫部３への水素添加量を最適な量となるように制御することが可能となり、効率よく安定的に動作させることができる燃料電池システムを提供することができる。
【０１５１】
また、流量調整部３２を、電磁開閉弁である開閉弁３４、第１固定オリフィス３８、および第２固定オリフィス３７からなる安価で簡易な構成とすることができる。
【０１５２】
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】
【０１５３】
本発明の燃料電池システムでは、水添脱硫を実施する脱硫部を、適切な温度まで低下させた排ガスにより加熱することができる構成である。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】
【０１５４】
１    原料ガス経路
２    昇圧部
３    脱硫部
４    改質器
５    空気熱交換器
６    固体酸化物形燃料電池
７    筐体
９    蒸発器
１０  空気経路
１１  改質水経路
１２  改質空気経路
１４  脱硫後原料ガス経路
１５  分岐部
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
２１  バイパス経路
２２  断熱部
２３  燃焼部
２４  凝縮器
２８  制御部
３１  気液分離部
３２  流量調整部
３３  加熱部
３４  開閉弁
３５  排出温度検知部
３６  温度検知部
３７  第２固定オリフィス
３８  第１固定オリフィス
４０  排水路
５０  冷媒経路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014135152.tif 000009
【図８】
2014135152.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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