(57)【要約】【課題】  燃焼用の燃料に液体の燃料を用いる場合であっても着火遅れによる未燃の液体燃料が燃料電池システム外に高い濃度で排出されたり燃料電池システムで使用する回収水に混入したりすることがない燃料電池システムを提供すること。【解決手段】  原料燃料ｍ１を導入し改質して水素に富む燃料ガスｇを生成する燃料処理装置１０であって、燃焼する液体の燃焼燃料ｍ２を導入し燃焼して改質に必要な熱を発生する燃焼部１１を有する燃料処理装置１０と、燃焼部１１から排ガスｅを導出する排ガス導出流路２５に配置され、排ガスｅに含まれる燃焼燃料ｍ２を吸着し脱着する吸着剤２２が充填された吸着装置２０と、燃料ガスｇを導入し発電する燃料電池３０とを備える。【選択図】  図１
2006019226.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料燃料を導入し改質して水素に富む燃料ガスを生成する燃料処理装置であって、燃焼する液体の燃焼燃料を導入し燃焼して該改質に必要な熱を発生する燃焼部を有する燃料処理装置と；
前記燃焼部から排ガスを導出する排ガス導出流路に配置され、該排ガスに含まれる燃焼燃料を吸着する吸着剤が充填された吸着装置と；
前記燃料ガスを導入し発電する燃料電池とを備える；
燃料電池システム。
【請求項２】
前記吸着剤は活性炭である；
請求項１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】
本発明は燃料電池システムに関し、特に改質熱を得るために燃焼する燃料を液体の燃料としても着火遅れによる未燃の液体燃料が燃料電池システム外に高い濃度で排出されたり燃料電池システムで使用する回収水に混入したりすることがない燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は水素に富む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電する装置であり、地球温暖化の原因となる二酸化炭素や窒素酸化物等の有害ガスの排出量を大幅に削減することができる装置として注目を集めている。燃料電池に供給する燃料ガスは、都市ガスや灯油等の原料燃料と改質用水等の改質剤とを燃料処理装置に導入し、原料燃料を水蒸気改質して生成される。このときの水蒸気改質反応は吸熱反応であるため改質熱を供給する必要があり、改質熱は燃料処理装置の燃焼部に燃焼用の燃料と空気とを供給し燃焼して得ている。改質熱を得るための燃焼用の燃料は、改質する原料燃料と同じであることが多い。
【０００３】
燃料電池や燃料処理装置を備える燃料電池システムは、燃料電池に供給する酸化剤ガスを加湿するための加湿用水や燃料処理装置に導入する改質用水としての水を必要とする。燃料電池システムで使用される水の一部は、燃料処理装置の燃焼部から排出される燃焼排ガスから分離回収した水が利用され、燃料電池システム外から持ちこむ水分量を削減している。
【０００４】
燃料処理装置の燃焼部に導入する燃焼燃料がガス燃料の場合、起動時においても不完全燃焼がほとんどなく、たとえ燃焼不良があり燃焼排ガスに含まれたとしても凝縮しないので燃料電池システムで利用される回収水に混入することがなく、また、燃料電池システム外に排出されても拡散されて環境汚染をもたらすには至らない（背景技術について、例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−３３８３０４号公報（段落００４２、図１〜３等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、原料燃料の多様化や経済性の観点から、安価な灯油等の液体の燃料を原料燃料として燃料ガスを生成する燃料処理装置を備えた燃料電池システムが開発されている。原料燃料として液体の燃料を用いる場合、燃焼用の燃料にも液体の燃料が用いられるのが一般的であり、原料燃料に液体の燃料を使用する燃料電池システムでは起動時に燃焼空気と液体の燃料とを燃焼部に導入し、液体の燃料を気化又は噴霧した上で点火して液体燃料を燃焼し燃料処理装置を予熱するのが一般的である。しかし、液体燃料を気化又は噴霧したものは点火時の着火遅れが避け難く、その場合未燃の燃料が蒸気又は霧状の形で燃焼排ガスに含まれて燃料電池システム外に排出されることとなる。
【０００６】
未燃の液体燃料がそのまま燃料電池システム外に排出されると臭気や油汚れ等で環境汚染をもたらすおそれがある。また、燃焼排ガスから熱や水を回収して利用する場合に、蒸気又は霧状の未燃の液体燃料が凝縮して回収水に混入すると原料燃料を改質するための改質用水や酸化剤ガスを加湿するための加湿用水に含まれることとなり、これにより燃料処理装置や燃料電池の性能を低下させてしまうことがある。
【０００７】
本発明は上述の課題に鑑み、燃焼用の燃料に液体の燃料を用いる場合であっても着火遅れによる未燃の液体燃料が燃料電池システム外に高い濃度で排出されたり燃料電池システムで使用する回収水に混入したりすることがない燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、原料燃料ｍ１を導入し改質して水素に富む燃料ガスｇを生成する燃料処理装置１０であって、燃焼する液体の燃焼燃料ｍ２を導入し燃焼して改質に必要な熱を発生する燃焼部１１を有する燃料処理装置１０と；燃焼部１１から排ガスｅを導出する排ガス導出流路２５に配置され、排ガスｅに含まれる燃焼燃料ｍ２を吸着する吸着剤２２が充填された吸着装置２０と；燃料ガスｇを導入し発電する燃料電池３０とを備える。
【０００９】
このように構成すると、排ガスに含まれる燃焼燃料を吸着する吸着剤が充填された吸着装置を備えるので、高い濃度の未燃の燃焼燃料が系外に排出されたり燃料電池システムで利用される水の中に混入することがない。吸着剤は、典型的には、吸着し脱着するものが好ましい。ここで、「脱着」とは、一般的に、「とりつけたりはずしたりすること」を意味するが、本明細書では、「ついているものをはずすこと」の意味で用いる。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項１に記載の燃料電池システム１において、吸着剤２２は活性炭である。
【００１１】
このように構成すると、吸着剤は活性炭であるので、その物理吸着特性により、排ガスの温度が低いときは燃焼燃料を吸着し、排ガスの温度が高くなると燃焼燃料を脱着して自己再生をするため、長期間にわたり交換することなく燃焼燃料が系外に高い濃度で排出されたり燃料電池システムで利用される水の中に混入することがない。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、排ガスに含まれる燃焼燃料を吸着し脱着する吸着剤が充填された吸着装置を備えるので、未燃の燃焼燃料が系外に高い濃度で排出されたり燃料電池システムで利用される水の中に混入することがない燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
最初に、図１を参照して本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１を説明するブロック図である。燃料電池システム１は、液体の燃焼燃料ｍ２を燃焼し改質熱を得て導入した原料燃料ｍ１を改質して水素に富む燃料ガスｇを生成する燃料処理装置１０と、燃焼燃料ｍ２を燃焼した後の排ガスｅを通過させる吸着装置としての活性炭充填塔２０と、燃料ガスｇと酸化剤ガスａ１とを導入して発電する燃料電池３０と、排ガスｅと燃料電池から排出されるカソードオフガスｑとの混合ガスである混合排ガスｈから水分ｗを分離し回収する気水分離器４０と、混合排ガスｈから回収した水分ｗを浄化する水処理装置５１、５２と、燃料電池３０に導入する空気ａ１を加湿する気液接触塔６０とを備えている。
【００１４】
燃料処理装置１０は、ＧＴＬ（Ｇａｓ ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄ）や灯油等の液体の原料燃料ｍ１と改質用水ｓとを導入し、水蒸気改質反応により水素に富む燃料ガスｇを生成する装置である。なお、水素に富む燃料ガスとは、水素を４０％以上、特に７０％程度含む燃料ガスである。燃料処理装置１０は改質触媒充填層を有しており、水素に富む改質ガスを生成し、改質ガスから一酸化炭素を低減して燃料ガスｇを生成するように構成されている。燃料処理装置１０は、導入した液体の原料燃料ｍ１を気化する気化器を有している。原料燃料ｍ１を改質する水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、燃料処理装置１０は改質に必要な改質熱を得るための燃焼部１１を有している。燃焼部１１はバーナーを有し、起動時は燃焼燃料ｍ２と空気ａ２とを導入し燃焼して改質熱を得るように構成されている。また、燃料電池３０が運転されると、燃料電池３０から導出された電気化学的反応に使用されなかった水素を含むアノードオフガスｐを燃焼部１１に導入し燃焼して改質熱を得るように構成されている。燃料処理装置１０は、原料燃料ｍ１を導入する原料燃料導入口と、改質用水ｓを導入する改質剤導入口と、生成した燃料ガスｇを導出する燃料ガス導出口を有している。燃料ガス導出口は燃料電池３０の燃料極３１と接続されており、燃料ガスｇを燃料極３１へ供給することができるように構成されている。また、燃焼部１１は、アノードオフガスｐを導入するアノードオフガス導入口と、燃焼燃料ｍ２を導入する燃焼燃料導入口と、燃焼した排ガスｅを導出する排ガス導出口を有している。アノードオフガス導入口は燃料電池３０の燃料極３１と、排ガス導出口は活性炭充填塔２０と接続されている。なお、「接続される」とは、流路等によって接続される場合を含む。
【００１５】
燃料ガスｇに改質される原料燃料ｍ１と改質熱を得るために燃焼する燃焼燃料ｍ２とは同じ燃料ｍが分流して導入される。なお、原料燃料ｍ１と燃焼燃料ｍ２とは必ず同じ燃料でなければならないというわけではないが、本発明では少なくとも燃焼燃料ｍ２は液体の燃料である。
【００１６】
活性炭充填塔２０は、燃料処理装置１０の燃焼部１１からの排ガスｅを上部から導入し、排ガスｅに含まれる未燃の燃焼燃料を吸着し、未燃の燃焼燃料が吸着された後の排ガスｅを下部から排出するように構成されている。活性炭充填塔２０は、充填塔２１の内部に吸着剤としての活性炭シート２２が充填されている。充填塔２１は、耐熱性及び耐食性の観点からステンレス鋼製であることが好ましい。充填塔２１の形状は、排ガスｅを均一に流す観点から円筒形状であることが好ましいが、これに限らず四角柱やその他の形状であってもよい。また、充填塔２１は保温材等で保温されていることが好ましい。
【００１７】
活性炭シート２２は、繊維活性炭をシート状に加工して作られている。充填塔２１に充填する活性炭は、シート状以外の、例えば粒状、未加工の繊維状であってもよい。ただし、吸着速度の観点から大きな幾何学表面積を有する、繊維活性炭をシート状に加工して作られた活性炭シートが好適である。ここで、「シート状」は繊維活性炭の織布若しくは不織布又はフェルト状のものも含む。活性炭シート２２は、１００℃以下の温度で吸着し１５０℃以上の温度で脱着する特性を有するものが好ましく、例えば燃焼燃料ｍ２が灯油の場合は吸着の対象となる未燃の燃料成分が炭素数１０〜１６程度の炭化水素であるので、このような炭化水素に対して上記のような吸着脱着特性を有する活性炭シートであることが好ましい。さらに、活性炭シート２２は、プリーツ状に加工して、又は複数枚を重ねて充填塔２１に充填されることが好ましい。
【００１８】
充填塔２１に対する活性炭シート２２の充填量は、空塔速度が５０００ｈ−１以上５００００ｈ−１以下であることが好ましい。さらに、充填塔２１の小型化の観点から下限は１００００ｈ−１以上であることがより好ましく、吸着性能向上の観点から上限は２００００ｈ−１以下であることがより好ましい。このように構成すると、必要な吸着性能を確保しつつ充填塔２１の大きさを最小限に留めることができる。なお、ここでいう「空塔速度」とは、充填塔を通過する排ガス流量（ｍ３／ｈ）を充填塔の容積（ｍ３）で除した値で定義する。その物理的意味は、充填塔２１の容積分の排ガスｅを単位時間あたり何回処理できるかということである。
【００１９】
燃料処理装置１０の燃焼部１１と活性炭充填塔２０とは排ガス流路２５で接続されており、排ガス流路２５内は排ガスｅが流れる。なお、活性炭充填塔２０が配設される位置は気水分離器４０の上流であればよいが、燃料処理装置１０に極力近いことが好ましい。
【００２０】
燃料電池３０は固体高分子型燃料電池であり、水素に富む燃料ガスｇと酸素を含有する酸化剤ガスａ１とを導入し電気化学的反応により発電して熱を発生するように構成されている。燃料電池３０は燃料ガスｇを導入する燃料極３１と酸化剤ガスａ１を導入する空気極３２とを備えており、さらに発電に伴って発生した熱を除去する冷却水ｃを導入する冷却部３３を備えている。燃料極３１は、燃料ガスｇを導入する燃料ガス導入口と反応に使用されなかった水素を含むアノードオフガスｐを排出するアノードオフガス排出口とを有している。空気極３２は、酸化剤ガスａ１を導入する酸化剤ガス導入口と反応に使用されなかった酸素を含むカソードオフガスｑを排出するカソードオフガス排出口とを有している。冷却部３３は、温度が低い冷却水ｃを導入する冷却水導入口と燃料電池３０から受熱して温度が上昇した冷却水ｃを導出する冷却水導出口とを有している。燃料極３１の燃料ガス導入口は燃料処理装置１０の燃料ガス導出口と接続され、アノードオフガス排出口は燃焼部１１のアノードオフガス導入口と接続されている。空気極３２のカソードオフガス排出口は流路３５と接続されている。流路３５は排ガス流路２５と接続され、流路４５として気水分離器４０に導かれている。
【００２１】
気水分離器４０は、排ガスｅとカソードオフガスｑとの混合排ガスｈから水分を凝縮させて分離回収するように構成されている。気水分離器４０は分離された回収水ｗを導出する回収水導出口を有し、回収水導出口には気液接触塔６０につながる流路４４が接続されている。
【００２２】
流路４４は補給水導入口を有している。補給水は、気液接触塔６０下部に貯留される水を所定の水位に保つために必要に応じて導入され、典型的には水道水である。回収水ｗは導入された補給水と共に気液接触塔６０下部に貯留された後、流路５４を通ってポンプ５３にて圧送され、流路１４及び水処理装置５１を介して燃料処理装置１０に送られ、流路６４及び水処理装置５２を介して気液接触塔６０に送られる。
【００２３】
水処理装置５１は、燃料処理装置１０に導入する改質用水ｓを浄化する装置である。水処理装置５１は流路１４に配設され、典型的にはイオン交換樹脂を備えており、改質用水ｓを純水に精製するように構成されている。水処理装置５２は、燃料電池３０に導入する酸化剤ガスａ１を加湿する加湿用水ｋを浄化する装置である。水処理装置５２は流路６４に配設され、典型的には陰イオン交換樹脂を備えており、加湿用水ｋを常にアルカリ性に保って酸化剤ガスａ１に含まれるＮＯｘ、ＳＯｘ等の酸性ガスの汚染物質が効果的に除去されるように構成されている。
【００２４】
気液接触塔６０は、燃料電池３０に導入される酸化剤ガスａ１を加湿し、酸性ガスの汚染物質を除去するように構成されている。気液接触塔６０は、上部に加湿用水ｋを導入する加湿用水導入口が、下部に酸化剤ガスａ１を導入する酸化剤ガス導入口が設けられており、酸化剤ガス導入口から導入された酸化剤ガスａ１と加湿用水導入口から導入され散布された加湿用水ｋとが向流接触して酸化剤ガスａ１が加湿されるように構成されている。また、気液接触塔６０の頂部には加湿された酸化剤ガスａ１が燃料電池３０に向けて導出される酸化剤ガス導出口が、下部には回収水ｗを導入する回収水導入口が、底部には散布され酸化剤ガスａ１に乗らなかった加湿用水ｋを含む回収水ｗを導出する回収水導出口が設けられている。回収水導出口は流路５４と接続されており、気液接触塔６０から導出された回収水ｗはポンプ５３により水処理装置５１、５２に圧送される。
【００２５】
続いて図１を参照して本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１の作用について説明する。
燃料電池システム１の起動時は、燃料処理装置１０の燃焼部１１に燃焼燃料ｍ２と空気ａ２とが導入され、バーナーにより燃焼燃料ｍ２が燃焼し燃料処理装置１０が予熱される。燃焼燃料ｍ２が燃焼した後の排ガスｅは、排ガス導出流路２５から活性炭充填塔２０に向けて導出される。起動時の排ガスｅにはバーナー点火時の着火遅れにより燃焼せずに残った気化又は噴霧した液体燃料ｍ２が含まれている。このときの排ガスｅの温度は１００℃以下の場合がほとんどであり、燃焼部１１から排出される排ガスｅの温度としては比較的低い。
【００２６】
燃焼部１１から排出された未燃の燃焼燃料ｍ２を含んだ排ガスｅは活性炭充填塔２０に導入される。活性炭充填塔２０に導入された排ガスｅは、充填塔２１の内部に充填されている活性炭シート２２と接触する。このときの排ガスｅは常温以上１００℃以下と比較的低い温度なので、排ガスｅ中の未燃の燃焼燃料ｍ２は低い温度域で大きい吸着容量を示す活性炭シート２２に吸着される。このように活性炭シート２２に未燃の燃焼燃料ｍ２が吸着された排ガスｅが活性炭充填塔２０から導出される。したがって、活性炭充填塔２０から導出された排ガスｅは、未燃の燃焼燃料ｍ２の濃度が十分に低下している。
【００２７】
燃焼燃料の着火後は排ガスｅの温度が徐々に上昇していく。排ガスｅの温度が上昇すると未燃の燃焼燃料ｍ２に対する活性炭シート２２の吸着能力が低下する。しかし、このとき排ガスｅ中に未燃の燃焼燃料ｍ２は実質的に存在していない。
【００２８】
燃料処理装置１０の予熱が完了したら、燃料処理装置１０に原料燃料ｍ１と改質用水ｓとが導入される。燃料処理装置１０に導入された原料燃料ｍ１は気化された後改質触媒充填層に導かれ、改質用水ｓは水蒸気にされた後改質触媒充填層に導かれる。改質触媒充填層に導かれた原料燃料ｍ１と改質剤ｓとは、燃焼部１１からの改質熱を得て水蒸気改質反応が行なわれ、水素に富む改質ガスが生成される。生成された改質ガスは一酸化炭素を含んでいるため、改質ガスはさらに一酸化炭素低減反応が行なわれて一酸化炭素が低減された水素に富む燃料ガスｇが生成される。
【００２９】
生成された燃料ガスｇは燃料電池３０の燃料極３１に導入される。空気極３２には気液接触塔６０で加湿された酸化剤ガスａ１が導入される。燃料電池３０は、燃料極３１に導入された燃料ガスｇ中の水素と空気極３２に導入された酸化剤ガスａ中の酸素との電気化学的反応により発電し水と熱を発生する。電気化学的反応に使用されなかった燃料ガスｇはアノードオフガスｐとして燃料極３１から排出される。電気化学的反応に使用されなかった酸化剤ガスａ１はカソードオフガスｑとして空気極３２から排出される。アノードオフガスｐは水素を３０〜４０％程度含んでおり、燃料処理装置１０の燃焼部１１に導かれ、燃焼されて改質熱を得るために用いられる。カソードオフガスｑは燃焼部１１から排出される排ガスｅと合流し、気水分離器４０で水分ｗが分離回収された後に燃料電池システム１外へ排出される。一方、燃料電池３０で発電された電力は、電灯や電気機器等の電力負荷にて消費される。
【００３０】
発電に伴い発熱した燃料電池３０は、冷却部３３に冷却水ｃが導入されて冷却される。冷却水ｃは不図示の冷却水ポンプにより循環し、燃料電池３０のセルの固体高分子膜保護等のために燃料電池３０は適正温度に保たれる。
【００３１】
燃料極３１から排出されたアノードオフガスｐが燃料処理装置１０の燃焼部１１に導入されると燃焼燃料ｍ２の燃焼部１１への供給が停止され、燃焼燃料ｍ２に代わってアノードオフガスｐが燃焼して水蒸気改質反応に必要な改質熱が得られる。アノードオフガスｐが燃焼した後の排ガスｅは、排ガス導出流路２５から活性炭充填塔２０に向けて導出される。このとき燃料処理装置１０は定常運転になっている。定常運転時の排ガスｅの温度は、着火時の１００℃以下から徐々に上昇して１５０℃以上に達している。排ガスｅの温度が１５０℃以上に達すると、一度活性炭シート２２に吸着された未燃の燃焼燃料ｍ２が徐々に脱着する。しかし、未燃の燃焼燃料ｍ２が脱着しても排ガスｅ中の未燃の燃焼燃料ｍ２の濃度が相対的に低く、冷却されても未燃の燃焼燃料ｍ２が結露する飽和濃度以下であるため、未燃の燃焼燃料ｍ２が燃料電池システム１で改質用水ｓや加湿用水ｋとして使用される回収水ｗに混入することがない。なお、厳密にいえば、徐々に脱着した未燃の燃焼燃料ｍ２が排ガスｅに含まれて燃料電池システム１外に排出されることとなるが、このときに燃料電池システム１外に排出される燃焼燃料ｍ２は極めて微量であるので環境汚染にほとんど影響を与えない。一方で燃焼燃料ｍ２が脱着した活性炭シート２２は再生され、長期間にわたり交換することなく使用できることとなる。
【００３２】
ここで、図２を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１の起動時から定常運転に至るまでの活性炭充填塔２０出口における排ガスｅ中の燃焼燃料ｍ２の濃度の経時変化を説明する。なお図２中、Ｃ１は活性炭充填塔２０出口における排ガスｅ中の未燃の燃焼燃料ｍ２成分の最高濃度を、Ｃ２は排ガスｅ中の未燃の燃焼燃料ｍ２成分が結露する飽和濃度を、Ｃ３は活性炭充填塔２０出口における脱着による排ガスｅ中の未燃の燃焼燃料ｍ２の最高濃度を示している。また、Ｔ１は着火時の活性炭充填塔２０入口における排ガスｅの温度を、Ｔ２は脱着が始まる時の活性炭充填塔２０入口における排ガスｅの温度を、Ｔ３は定常運転時の活性炭充填塔２０入口における排ガスｅの温度を示している。
【００３３】
燃料電池システム１の起動時は、排ガスｅ中の未燃の燃焼燃料ｍ２成分の濃度は実質ゼロに近く、排ガスｅの温度もＴ１と比較的低い。燃料処理装置１０の燃焼部１１内に導入する燃焼燃料ｍ２が増加しバーナーを点火すると、燃焼燃料ｍ２の着火遅れに伴い排ガスｅ中の燃焼燃料ｍ２の濃度がＣ１まで上昇する。最高濃度Ｃ１は排ガスｅ中の未燃の燃焼燃料ｍ２成分が結露する飽和濃度Ｃ２よりも十分に低いので未燃の燃焼燃料ｍ２成分が結露することはない。
【００３４】
さらに時間が経過し、活性炭シート２２から未燃の燃焼燃料ｍ２の脱着が始まる温度Ｔ２まで排ガスｅの温度が上昇すると、排ガスｅ中の未燃の燃焼燃料ｍ２の濃度が上昇し始める。排ガスｅの温度上昇に伴って徐々に排ガスｅ中の未燃の燃焼燃料ｍ２の濃度が上昇していくと、脱着による排ガスｅ中の未燃の燃焼燃料ｍ２の最高濃度Ｃ３に至る。排ガスｅ中の未燃の燃焼燃料ｍ２の濃度がＣ３に達した後は未脱着の燃焼燃料ｍ２がもはや残り少ないので排ガスｅ中の未燃の燃焼燃料ｍ２の濃度が徐々に低下していき、排ガスｅの温度が定常運転時の温度であるＴ３に達した後しばらくすると、排ガスｅ中の未燃の燃焼燃料ｍ２の濃度が実質ゼロに低下し、以降安定的に推移する。
【００３５】
なお、比較例として、図３を参照して、従来の、排ガス導出流路２５に活性炭充填塔２０を備えていない燃料電池システムにおける燃焼部１１出口における排ガスｅ中の燃焼燃料ｍ２の濃度の経時変化を説明する。図３中、Ｃ４は着火遅れによる排ガスｅ中の未燃の燃焼燃料ｍ２成分の最高濃度を、Ｃ２は排ガスｅ中の未燃の燃焼燃料ｍ２成分が結露する飽和濃度を示している。燃料電池システムの起動時は、排ガスｅ中の燃焼燃料ｍ２成分の濃度が実質ゼロだが、燃料処理装置１０の燃焼部１１内に燃焼燃料ｍ２が導入されバーナーを点火すると、燃焼燃料ｍ２の着火遅れに伴い排ガスｅ中の燃焼燃料ｍ２の濃度がＣ４まで上昇する。最高濃度Ｃ４は排ガスｅ中の燃焼燃料ｍ２成分が結露する飽和濃度Ｃ２よりもかなり高く、従来の燃料電池システムにおいて燃焼燃料ｍ２に液体の燃料を使用した場合は未燃の燃焼燃料ｍ２の成分が結露し回収水に混入することは避け難い。
【００３６】
ここから再び本発明の実施の形態における燃料電池システム１の作用の説明に戻る。活性炭充填塔２０から導出された排ガスｅは、燃料電池３０の空気極３２から排出されたカソードオフガスｑと合流し混合排ガスｈとなって流路４５を流れ、気水分離器４０に導かれる。気水分離器４０に導入された混合排ガスｈは冷却されて水分ｗが分離回収される。水分ｗが回収された混合排ガスｈは燃料電池システム１外へ排出される。気水分離器４０に導入された混合排ガスｈは、燃料電池システム１の起動時はカソードオフガスｑの発生がないため実質的には排ガスｅそのものであり、このときの排ガスｅは温度が比較的低い（１００℃以下）ため、燃焼燃料ｍ２への着火遅れによる未燃の燃焼燃料ｍ２の成分は活性炭シート２２に吸着され濃度が十分に低下しており、気水分離器４０に導入され冷却されても燃焼燃料ｍ２成分の濃度が結露する飽和濃度以下なので、未燃の燃焼燃料ｍ２が回収水ｗに混入することがない。また、燃料電池システム１が定常運転に近づくにつれ混合排ガスｈ中に活性炭シート２２から脱着した未燃の燃焼燃料ｍ２が含まれることとなるが、混合排ガスｈ中の未燃の燃焼燃料ｍ２の濃度が相対的に低く、冷却されても未燃の燃焼燃料ｍ２が結露する飽和濃度以下であるため、未燃の燃焼燃料ｍ２が回収水ｗに混入することがない。
【００３７】
気水分離器４０で分離回収された回収水ｗは流路４４を通り途中必要に応じて補給水が補充されて一旦気液接触塔６０下部の貯水部に導入され酸化剤ガスａ１に乗らなかった加湿用水ｋと混合された後、流路５４を通って水処理装置５１、５２に導入される。水処理装置５１に導入された回収水ｗは純水に精製されて改質用水ｓとして燃料処理装置１０に導入さる。水処理装置５２に導入された回収水ｗはアルカリ性に維持されて加湿用水ｋとして気液接触塔６０に導入される。
【００３８】
気液接触塔６０に導入された加湿用水ｋは、気液接触塔６０の上部から散布され、下部から導入された酸化剤ガスａ１を加湿する。加湿用水ｋの一部は酸化剤ガスａ１に乗って燃料電池３０の燃料極３２に送られる。酸化剤ガスａ１に乗らなかった加湿用水ｋは、気液接触塔６０の下部に一旦溜められた後回収水ｗと混合され、流路５４を通って水処理装置５１、５２の上流側に導かれて気水分離器４０からの回収水ｗと混合し、再び水処理装置５１、５２にて浄化されて、改質用水ｓ及び加湿用水ｋに利用される。
【００３９】
以上のように、本発明者らは原料燃料（燃焼燃料）として安価な液体の燃料を用いた燃料電池システムを実用化すべく鋭意研究を行なった結果、炭化水素のような非極性気体分子に対し比較的低い温度（例えば１００℃程度以下）において大きな吸着能力を示し、温度が高くなるに従いその吸着能力が低下するという活性炭の物理吸着特性と、燃焼部１１からの排ガスｅの温度が点火時（すなわち着火遅れによる未燃の液体燃料ｍ２の発生時）には１００℃以下と比較的低く、着火後徐々に温度が高くなって定常運転時には１５０℃以上に達するという燃料電池システム１の起動特性とに着眼し、両特性のマッチングに関して試行を重ねて、本発明を完成させるに至ったのである。
【００４０】
以上の説明では、吸着剤２２は活性炭であることとして説明したが、ゼオライト、シリカゲル、活性アルミナなど、未燃の燃焼燃料ｍ２を１００℃以下の温度で吸着し、１５０℃以上の温度で脱着をする特性を持つ材料であってもよい。
【００４１】
以上のように、本実施の形態に係る燃料電池システム１は、液体の燃焼燃料ｍ２の点火時に着火遅れがあっても未燃の燃焼燃料ｍ２が回収水ｗに、換言すれば燃料処理装置１０に導入する改質用水ｓや酸化剤ガスａ１を加湿する加湿用水ｋに混入することがないので、ＤＳＳ運転（１日に１回以上の起動停止を行なう運転方式）のように頻繁な起動停止を行なう液体燃料の燃料電池システムであっても安定的に運転することができる。また、未燃の液体燃料が高い濃度で燃料電池システム１外に排出されることが抑制され、環境汚染問題も大幅に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを説明するブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの起動時から定常運転に至るまでの活性炭充填塔出口における排ガス中の燃焼燃料の濃度の経時変化を示すグラフである。
【図３】従来の燃料電池システムの起動時から定常運転に至るまでの燃焼部出口における排ガス中の燃焼燃料の濃度の経時変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１    燃料電池システム
１０  燃料処理装置
１１  燃焼部
２０  吸着装置
２２  吸着剤
２５  排ガス導出流路
３０  燃料電池
ｅ    排ガス
ｇ    燃料ガス
ｍ１  原料燃料
ｍ２  燃焼燃料
【図１】
2006019226.tif 000003
【図２】
2006019226.tif 000004
【図３】
2006019226.tif 000005