(57)【要約】      （修正有）【課題】不純物を除去する不純物除去器全体を、均一の温度で加熱することができる燃料電池システムとその製造方法を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、供給された空気と燃料とを利用して発電反応により発電する燃料電池（６）と、燃料電池（６）で未利用の燃料を燃焼する燃焼部（２３）と、蒸発器（９）、改質器（４）、燃料電池（６）、および燃焼部（２３）を収容する筐体（７）と、燃焼部（２３）における燃焼により生じた排ガスを、筐体（７）内からシステム外へと排出させるため、排ガスが流通する排ガス経路（２０）を有しており、排ガス経路（２０）の途中にこの排ガス経路（２０）の一部を構成するように設けられ、不純物除去器（３）を配置するための収容空間と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された原料ガスに含まれる不純物を除去する不純物除去器と、
供給された水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発器と、
前記蒸発器により生成された水蒸気と、前記不純物除去器により不純物が除去された前記原料ガスとから改質反応により燃料となる改質ガスを生成する改質器と、
供給された空気と前記燃料とを利用して発電反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池で未利用の燃料を燃焼する燃焼部と、
前記蒸発器、前記改質器、前記燃料電池、および前記燃焼部を収容する筐体と、
前記燃焼部における燃焼により生じた排ガスを、前記筐体内から当該燃料電池システム外へと排出させるため、該排ガスが流通する排ガス経路と、
前記排ガス経路の途中に該排ガス経路の一部を構成するように設けられ、前記不純物除去器を配置するための収容空間と、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記不純物除去器は、前記原料ガスから不純物として硫黄成分を除去する脱硫器である請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記脱硫器に前記原料ガスを供給するために、該原料ガスを流通させる原料ガス経路と、
水素含有ガスを前記原料ガス経路へと導くためのリサイクル経路とを備え、
前記脱硫器が、前記原料ガス経路を流通する水素含有ガスを利用して、水添脱硫により前記原料ガスから不純物として硫黄成分を除去する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記水素含有ガスとして、前記改質器により生成した改質ガスの一部が前記リサイクル経路を流通する請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記不純物除去器が平板型形状である請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池に供給する空気と前記排ガスとの熱交換により該排ガスを冷却する空気熱交換器を前記筐体内に備える請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記不純物除去器を配置するための前記収容空間を形成する収納器を備え、
前記収納器は前記筐体に接続されている請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記筐体に対して前記収納器が着脱可能となるように構成されている請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記筐体は、少なくとも前記蒸発器、前記改質器、前記燃料電池、および前記燃焼部を収容する第一の筐体と、
前記第一の筐体の外周を囲む第二の筐体と、を備える請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記第一の筐体と第二の筐体との間の少なくとも一部に断熱材が収容されている請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
供給された空気と原料ガスから生成した燃料とを利用して発電反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池で未利用の燃料を燃焼する燃焼部と、
前記燃焼部における燃焼により生じた排ガスが保有する熱を利用して、原料ガスに含まれる不純物を除去する不純物除去器と、
供給された水を蒸発させ水蒸気を生成する蒸発器と、
前記蒸発器により生成された水蒸気と、前記不純物除去器によって不純物が除去された原料ガスとから改質反応により燃料となる改質ガスを生成する改質器と、
前記燃料電池、前記燃焼部、前記蒸発器、および前記改質器を収容する筐体と、
前記燃焼部における燃焼により生じた排ガスを、前記筐体内から当該燃料電池システム外へと排出させるため、該排ガスが流通する排ガス経路と、
前記筐体に対して着脱可能であるとともに、前記排ガス経路の途中に該排ガス経路の一部を構成するように設けられ、前記不純物除去器を配置するための収容空間を形成する収容器と、を備えた燃料電池システムの製造方法であって、
前記筐体から取り外された状態で、前記不純物除去器または該不純物除去器を収容する前記収納器を加熱する第一の工程と、
前記不純物除去器に充填された触媒を還元する第二の工程と、
前記収納器を前記筐体に取り付ける第三の工程と、を含む燃料電池システムの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原料ガスに含まれる不純物を除去する不純物除去器を備えた燃料電池システムとその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
原料ガスとして炭化水素を用いる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器が利用されている。
【０００３】
このような脱硫器としては、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とともに、脱硫反応に適した温度制御が必要となる。そこで、脱硫器の温度制御を行う構成を有した燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１〜３）。
【０００５】
より具体的には、特許文献１では、図２４に示すように燃料電池スタック１０４や改質器１０３から排出される輻射熱等の伝熱により脱硫器１１０を加熱する。また、脱硫器１１０の温度が１００〜３００℃となるように制御装置で流通させるガス（冷却用ガスまたは加熱用ガス）の選択および流量の調整をすることで脱硫器１１０の温度制御を行う。
【０００６】
また、特許文献２では、図２５に示すように断熱槽２０１と内部筐体２１６の間に脱硫器２０２を設置し、燃焼器２０７から放出される燃焼熱の伝播により脱硫器２０２を加熱する。
【０００７】
また、特許文献３では、図２６に示すように、内部が高温状態に保たれるように設けられた高温断熱部の外側に脱硫器３０１が設けられている。そして、高温断熱部を介して伝播する固体酸化物形燃料電池の排熱を利用して脱硫器３０１が所定の温度範囲に保たれるように構成されている。
【０００８】
また、燃料電池から発生する高温の排ガスを利用して脱硫器を加熱する燃料電池システムも提案されている（例えば、特許文献４、５）。特許文献４の燃料電池システム（ＳＯＦＣシステム）では、燃料電池４３０を収容し、この燃料電池４３０から放出される高温の排ガスを外部に対して遮蔽する燃焼室４２０内、あるいは、図２７に示すようにこの燃焼室４２０とは別に設けられた加熱室４００内に脱硫器４１１を収納する構成が開示されている。特許文献４の燃料電池システムでは、排ガスにより燃焼室４２０内または加熱室４００内にある脱硫器４１１を加熱する構成となっている。
【０００９】
また、特許文献５では、図２８に示すようにハウジング（筐体）５００内に、原料ガス、酸化剤ガス、および水を加熱する予熱器５０１と、原料ガスに対して水蒸気改質を行う改質器５０２と、燃料電池本体５０３と、を収容した燃料電池システムが開示されている。特許文献５の燃料電池システムでは、燃料電池本体５０３から排出される排ガスをハウジング５００の外部に配置された脱硫器５０４に導き、この脱硫器５０４を加熱する構成
となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１０−２７２３３３号公報
【特許文献２】特開２０１１−２１６３０８号公報
【特許文献３】特許第４９１１９２７号公報
【特許文献４】特開２００６−３０９９８２号公報
【特許文献５】特開２０１２−１５５９７８号公報
【特許文献６】特許第２９９３５０７号公報
【特許文献７】特開昭６３−４４９３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、燃料電池スタック１０４や改質器１０３から排出される輻射熱等の伝熱により脱硫器１１０を加熱するため、脱硫器全体を温度ムラなく均一に加熱することが難しく、過昇温を未然に防止することが難しい。また、図２４に示すように複数の弁の切り替えや制御装置が別途必要になるという課題がある。また、特許文献２、３に開示されている燃料電池システムも同様に、図２５、図２６に示すように燃焼器から放出される燃焼熱の伝播により脱硫器を加熱する構成であるため、温度ムラの発生や過昇温といった特許文献１と同様の課題を避けることができない。
【００１２】
また、特許文献４に開示されている燃料電池システム（ＳＯＦＣシステム）は、図２７に示すように水加熱手段４１０および気化器４１２と、脱硫器４１１とが同じ筐体(加熱
室４００)内に設けられており、これらはそれぞれ近接して配置されている。ここで水加
熱手段４１０および気化器４１２は、水、灯油を気化させるために大きな熱量を消費するため、加熱室４００内における排ガスの温度分布が不均一となる。このため、脱硫器４１１全体を排ガスにより均一の温度で加熱することが困難となるという問題がある。
【００１３】
特許文献５に開示されている燃料電池システムでは、脱硫器５０４の加熱源として排ガスを利用しているが、脱硫器５０４全体を排ガスで覆って加熱する構成となっておらず、脱硫器５０４全体を均一の温度で加熱することが困難となるという問題がある。
【００１４】
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、不純物を除去する不純物除去器全体を、均一の温度で加熱することができる燃料電池システムとその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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、供給された原料ガスに含まれる不純物を除去する不純物除去器と、供給された水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発器と、前記蒸発器により生成された水蒸気と、前記不純物除去器により不純物が除去された前記原料ガスとから改質反応により燃料となる改質ガスを生成する改質器と、供給された空気と前記燃料とを利用して発電反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池で未利用の燃料を燃焼する燃焼部と、前記蒸発器、前記改質器、前記燃料電池、および前記燃焼部を収容する筐体と、前記燃焼部における燃焼により生じた排ガスを、前記筐体内から当該燃料電池システム外へと排出させるため、該排ガスが流通する排ガス経路と、前記排ガス経路の途中に該排ガス経路の一部を構成するように設けられ、前記不純物除去器を配置するための収容空間と、を備える。
【発明の効果】
【００１６】
本発明にかかる燃料電池システムは、以上に説明したように構成され、不純物除去器全体を、均一の温度で加熱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】
【００１７】
【図１】実施形態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】実施形態１に係る燃料電池システムの構成において、筐体と収納器とを分離した際の構成を示した模式図である。
【図３】本発明の実施形態１の変形例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】実施形態１の変形例に係る燃料電池システムの構成において、筐体と収納器とを分離した際の構成を示した模式図である。
【図５】実施形態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６】実施形態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７】実施形態２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８】実施形態２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９】実施形態２の変形例３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１０】実施形態２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１１】実施形態２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１２】実施形態２の変形例５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１３】実施形態２の変形例６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１４】実施形態２の変形例６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１５】実施形態２の変形例７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１６】実施形態３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１７】実施形態３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１８】実施形態３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１９】実施形態３の変形例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２０】実施形態３の変形例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２１】実施形態３の変形例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２２】実施形態３の変形例に係る燃料電池システムにおいて、筐体から収納器を分離させた構成の一例を示す図である。
【図２３】実施形態１、３に係る燃料電池システムの製造方法の一例を示すフローチャートである。
【図２４】従来技術を示すものであり、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２５】従来技術を示すものであり、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２６】従来技術を示すものであり、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２７】従来技術を示すものであり、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２８】従来技術を示すものであり、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】
【００１８】
本発明では以下に示す態様を提供する。
【００１９】
本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、供給された原料ガスに含まれる不純物を除去する不純物除去器と、供給された水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発器と、前記蒸発器により生成された水蒸気と、前記不純物除去器により不純物が除去された前記原料ガスとから改質反応により燃料となる改質ガスを生成する改質器と、供給された空気と前記燃料とを利用して発電反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池で未利用の燃料を燃焼する燃焼部と、前記蒸発器、前記改質器、前記燃料電池、および前記燃焼部を収容する筐体と、前記燃焼部における燃焼により生じた排ガスを、前記筐体内から当該燃料電池システム外へと排出させるため、該排ガスが流通する排ガス経路と、前記排ガス経路の途中に該排ガス経路の一部を構成するように設けられ、前記不純物除去器を配置するための収容空間と、を備える。
【００２０】
ここで、排ガス経路中に設けられた収容空間とは、例えば、排ガス経路の途中(任意の
位置)に該排ガス経路と連通するように設けられ、不純物除去器を収容可能とする容器な
どによって形成された空間であってもよい。あるいは、排ガス経路の経路断面が不純物除去器を収容できるほど十分に大きい場合は、排ガス経路そのものによって形成された空間であってもよい。
【００２１】
上記した構成によると、前記不純物除去器が前記排ガス経路の途中に設けられた収容空間内配置されているため、この不純物除去器全体を燃焼部で生じた排ガスで覆って加熱することができる。ここで、不純物除去器に導かれる排ガスは、筐体内に収容された蒸発器および改質器で熱利用されたものであり、筐体から出て行く時点では、所定の温度範囲となっている。また、筐体から出て行く時点では排ガス中における温度ムラが解消された状態となっている。それゆえ、不純物除去器全体をこの温度ムラのない所定の温度範囲の排ガスにより加熱することができる。
【００２２】
したがって、本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、不純物除去器全体を均一の温度で加熱す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の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１の態様において、前記不純物除去器は、前記原料ガスから不純物として硫黄成分を除去する脱硫器であってもよい。
【００２４】
上記した構成によると、前記不純物除去器が脱硫器であるため、原料ガスに含まれる不純物として、触媒の劣化要因となる硫黄成分を取り除くことができる。
【００２５】
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２の態様において、前記脱硫器に前記原料ガスを供給するために、該原料ガスを流通させる原料ガス経路と、水素含有ガスを前記原料ガス経路へと導くためのリサイクル経路とを備え、前記脱硫器が、前記原料ガス経路を流通する水素含有ガスを利用して、水添脱硫により前記原料ガスから不純物として硫黄成分を除去するように構成されていてもよい。上記した構成によると、脱硫器が水添加脱硫により原料ガスから硫黄成分を除去することができるため、硫黄成
分を高効率に除去することができる。
【００２６】
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３の態様において、前記水素含有ガスとして、前記改質器により生成した改質ガスの一部が前記リサイクル経路を流通するように構成されていてもよい。
【００２７】
上記した構成によると、水素含有ガスである改質ガスを原料ガス経路へと導くことができるため、例えば、除去器が水添脱硫を行う脱硫器である場合、この水添脱流に必要な水素を供給することができる。
【００２８】
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１から第４のいずれか１つの態様において、前記不純物除去器が平板型形状であってもよい。不純物除去器が平板型形状であるため、排ガス経路内に配置されたこの不純物除去器を筐体から排出された排ガスにより全体的に略均一に覆うことができる。このため、不純物除去器を、温度ムラなく排ガスにより加熱することができる。
【００２９】
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１から第５のいずれか１つの態様において、前記燃料電池に供給する空気と前記排ガスとの熱交換により該排ガスを冷却する空気熱交換器を前記筐体内に備えるように構成されていてもよい。
【００３０】
上記した構成によると、空気熱交換器を備えるため、筐体内において燃焼部からの排ガスの温度を適温まで下げるように調整することができる。このため、適温に調整された排ガスとの熱交換により不純物除去器を適温で加熱することができる。
【００３１】
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１から第６のいずれか１つの態様において、前記不純物除去器を配置するための前記収容空間を形成する収納器を備え、前記収納器は前記筐体に接続されるように構成されていてもよい。
【００３２】
上記した構成によると不純物除去器を収容するための収容空間を形成する収納器を備えるため、排ガス経路を流通する排ガスで収納器内に配置された不純物除去器の温度制御を行うことが容易となる。また、不純物除去器を収納器内に収容し管理することができるため、不純物除去器の管理が容易となる。
【００３３】
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７の態様において、前記筐体に対して前記収納器が着脱可能となるように構成されていてもよい。
【００３４】
上記した構成によると、筺体に収納器を取り付ける製造工程が容易となったり、メンテナンス等で交換が必要となった際に筺体から収納器を取り外すことが容易となったりする。
【００３５】
また、本発明の第９の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１から第８のいずれか１つの態様において前記筐体は、少なくとも前記蒸発器、前記改質器、前記燃料電池および前記燃焼部を収容する第一の筐体と、前記第一の筐体の外周を囲む第二の筐体とを備えるように構成されていてもよい。
【００３６】
上記した構成によると、第一の筐体と第二の筐体と２重に壁を設けることができるため、筐体内から外部への放熱を抑制することができる。
【００３７】
また、本発明の第１０の態様に係る燃料電池システムは、上記した第９の態様において、前記第一の筐体と第二の筐体との間の少なくとも一部に断熱材が収容されていてもよい
。
【００３８】
上記した構成によると、第一の筐体と第二の筐体との間において、断熱材が収容されているため、筐体内から外部への放熱を更に確実に抑制することができる。
【００３９】
また、本発明の第１１の態様に係る燃料電池システムの製造方法は、供給された空気と原料ガスから生成した燃料とを利用して発電反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池で未利用の燃料を燃焼する燃焼部と、前記燃焼部における燃焼により生じた排ガスが保有する熱を利用して、原料ガスに含まれる不純物を除去する不純物除去器と、供給された水を蒸発させ水蒸気を生成する蒸発器と、前記蒸発器により生成された水蒸気と、前記不純物除去器によって不純物が除去された原料ガスとから改質反応により燃料となる改質ガスを生成する改質器と、前記燃料電池、前記燃焼部、前記蒸発器、および前記改質器を収容する筐体と、前記燃焼部における燃焼により生じた排ガスを、前記筐体内から当該燃料電池システム外へと排出させるため、該排ガスが流通する排ガス経路と、前記筐体に対して着脱可能であるとともに、前記排ガス経路の途中に該排ガス経路の一部を構成するように設けられ、前記不純物除去器を配置するための収容空間を形成する収容器と、を備えた燃料電池システムの製造方法であって、前記筐体から取り外された状態で、前記不純物除去器または該不純物除去器を収容する前記収納器を加熱する第一の工程と、前記不純物除去器に充填された触媒を還元する第二の工程と、前記収納器を前記筐体に取り付ける第三の工程と、を含む。
【００４０】
上記した方法によると、不純物除去器に充填した触媒を活性させるのに必要になる加熱及び還元処理を行う工程、すなわち前記第一の工程と第二の工程とを、筐体に不純物除去器を取り付ける前に行うことができる。したがって、不純物除去器または不純物除去器を収容する収納器以外の構成部品まで加熱及び還元工程に加える必要がなく、無駄なエネルギーを投入することなく効率的な燃料電池システムの製造方法の実現が可能となる。
【００４１】
（実施形態１）
以下、本発明の実施の形態（実施形態１）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。
【００４２】
図１を参照して本発明の実施形態１に係る燃料電池システムについて説明する。図１は、実施形態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１では、実施形態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。
【００４３】
図１に示すように、燃料電池システムは、原料ガス経路１、不純物除去器３、改質器４、空気熱交換器５、燃料電池６、蒸発器９、空気経路１０、改質水経路１１、改質空気経路１２、脱硫後原料ガス経路１４、燃料ガス経路１６、空気供給経路１７、減圧部１８、リサイクル経路１９、筐体７、第１断熱部（断熱材）２２、および燃焼部２３を備えてなる構成である。
【００４４】
実施形態１に係る燃料電池システムでは、筐体７によって囲われた空間には、改質器４、空気熱交換器５、燃料電池６、蒸発器９、および燃焼部２３が配置されている。そして、筐体７内部では、燃料電池６の上部において改質器４と対向するように燃焼部２３が設けられている。
【００４５】
筐体７は、図１に示すように、少なくとも燃料電池６および燃焼部２３を収容する第一の筐体７ａと、この第一の筐体７ａの外周を囲む第二の筐体７ｂとから構成されている。そして、これら第一の筐体７ａと第二の筐体７ｂとの間における少なくとも一部には、第
１断熱部（断熱材）２２が設けられている。
【００４６】
なお、筐体７内に収容される部材はこれらの部材に限定されるものではなく、筐体７内には、少なくとも燃料電池６および燃焼部２３が収容されていればよい。すなわち、改質器４および空気熱交換器５が必ずしも筐体７内に設けられる必要はない。例えば、実施形態１に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池６としては溶融炭酸塩形燃料電池や固体酸化物形燃料電池等の高温（６００℃以上）で発電を行う燃料電池を用いることができる。これらの燃料電池を用いる場合、改質器４を設けなくても、原料ガスを燃料電池の電極にて内部改質を行い発電することが可能である。このため、内部改質を行い発電する構成の場合は、筐体７内に改質器４は設けられないこととなる。ただし、燃料電池の耐久性を鑑みれば、改質器４を設けた方が望ましい。このため、実施形態１に係る燃料電池システムでは第一の筐体７ａ内に改質器４を設けた構成を例に挙げ説明する。
【００４７】
また、燃料電池システムにおいて、適切に加温された空気が燃料電池６に導かれるように構成されている場合は、空気熱交換器５を備える必要はない。このため、適切に加温された空気が燃料電池６に導かれる構成の場合、筐体７内には空気熱交換器５が設けられないこととなる。
【００４８】
この燃料電池システムでは、燃料電池６として固体酸化物形燃料電池をより好適に用いることができる。このため、本発明の実施形態１では、燃料電池６として固体酸化物形燃料電池を用いた構成を例に挙げ説明するものとする。
【００４９】
（燃焼電池システムの構成）
実施形態１に係る燃料電池システムでは、筐体７（第一の筐体７ａおよび第二の筐体７ｂ）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と外部から供給された空気とを利用して燃料電池６が発電反応により発電するように構成されている。なお、本明細書では、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。
【００５０】
燃料電池システムは、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。生成した排ガスは第一の筐体７ａ内から外部へと連通する排ガス経路２０を通じて流出する。なお、第一の筐体７a内
から排ガス経路２０に導かれる排ガスは、第一の筐体７a内に配置された、改質器４、空
気熱交換器５、および蒸発器９等によって熱利用され、所定の温度範囲となっている。また、この排ガスは、第一の筐体７a内に配置された各部材において消費される熱量の違い
に起因して発生する温度ムラが解消された状態となっている。すなわち、例えば、大きな熱量を消費する蒸発器９の近傍では他の場所よりも排ガス温度が低くなるなど筐体７内において温度分布が均一とならない状態が発生したとしても、燃焼部２３の上方へは、排ガスが略均一的に拡散して導かれる。このため、結果として筐体７の上面側の温度分布は略均一化するようになっている。
【００５１】
本発明の実施形態１に係る燃料電池システムでは、不純物除去器３を排ガス経路２０中に設けられた収容空間内に配置することによって、不純物除去器３と排ガス経路２０を流通する排ガスとの間で熱交換するように構成されている。すなわち、排ガス経路２０を流通する排ガスが不純物除去器３全体を覆って通過することで、不純物除去器３全体を加熱することができる。また、不純物除去器３は排ガス経路２０を流通して導かれる排ガスによりできるだけ均一に加熱されるように、例えば、図１に示すように平板型形状となっている。なお、不純物除去器３の形状はこの平板型形状に限定されるものではなく、供給さ
れる原料から不純物を十分に取り除くことができ、かつ不純物除去器３の外周を流通する排ガスにより、全体が均一に加熱されるような形状であればよい。
【００５２】
また、燃料電池システムでは、第一の筐体７ａと第二の筐体７ｂの間に断熱材からなる第1断熱部（断熱部材）２２が備えられており、第一の筐体７ａ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。
【００５３】
また、本発明の実施形態１に係る燃料電池システムでは、第一の筐体７ａ及び第二の筐体７ｂ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７ｂ内に配置されている不純物除去器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。そして、本発明の実施形態１に係る燃料電池システムでは、原料ガスに含まれる不純物を除去する不純物除去器３として、水添脱硫方式により硫黄成分を除去する脱硫器を用いる。
【００５４】
なお、原料ガスおよび不純物除去器３は、上述したものに限定されない。例えば、資源の有効活用および廃棄物の減量化の観点から原料ガスとしてバイオマスまたは廃棄物から製造したガスを利用することもできる。ただし、原料ガスとしてバイオマスまたは廃棄物から製造したガスを利用する場合、ガス中から水銀またはハロゲン化物等の不純物を除去する必要がある。そこで、このようなガスを原料ガスとして利用する場合、不純物除去器３は、水銀またはハロゲン化物等の不純物を除去する不純物除去剤が充填された重金属除去装置とすることができる。
【００５５】
なお、実施形態１に係る燃料電池システムでは図１に示すように、不純物除去器３は排ガス経路２０の一部とともに、収容空間を形成する収納器２７内に収容されている。そして、不純物除去器３は排ガスの熱伝達による伝熱を熱源として加熱される。
【００５６】
また、実施形態１に係る燃料電池システムは、燃焼部２３からの排ガスと燃料電池６に供給する空気とが熱交換する空気熱交換器５を第一の筐体７ａ内に更に備えた構成となっている。このような構成をとれば、燃焼部２３からの排ガスの温度が所定範囲となるように空気熱交換器５により冷却することができる。したがって、不純物除去器３の温度調整する温度調整部などを別途設けることなく、該不純物除去器３を適温に維持することが更に容易となる。また、空気熱交換器５は、排ガスとの熱交換により回収した熱量を、燃料電池６に供給する空気の加熱に用いるため、効率の良い動作が可能となる。
【００５７】
不純物除去器３が脱硫器として機能する場合、この不純物除去器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６）。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、不純物除去器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、不純物除去器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。
【００５８】
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、不純物
除去器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。
【００５９】
充填する脱硫剤が銅および亜鉛を含む場合、不純物除去器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。
【００６０】
このように、不純物除去器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。
【００６１】
以上のようにして不純物除去器３によって脱硫された原料ガスは、脱硫後原料ガス経路１４を通じて、改質器４（蒸発器９）へと供給される。
【００６２】
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。図１に示すように実施形態１では改質器４の上流側（脱硫後原料ガス経路１４が配置される側）に蒸発器９を配置し、この蒸発器９によって外部から改質水経路１１を通じて供給された水（改質水）を蒸発させ水蒸気を生成する。そして、蒸発器９によって生成された水蒸気と脱硫された原料ガスとが混合され改質器４に供給される構成となっている。
【００６３】
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。
【００６４】
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には、改質水経路１１から蒸発器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を行い、水素含有ガスとして水素ガスおよび一酸化炭素を生成する。
【００６５】
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。
【００６６】
燃料電池システム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で生成された排ガスが有する熱及び燃焼熱２３からの輻射熱（燃焼部２３の燃焼による燃焼熱）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。
【００６７】
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、燃料電池６での発電反応に利用可能な改質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。
【００６８】
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。
【００６９】
蒸発器９は、改質器４にて水蒸気改質反応を行うために設置したものである。蒸発器９では、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、不純物除去器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。
【００７０】
燃料電池６は、上述したように燃料ガス経路１６を通じて供給された燃料（改質ガス）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、燃料電池６に用いる固体酸化物形燃料電池では、燃料（改質ガス）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、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。
【００７１】
燃料電池６に用いる固体酸化物形燃料電池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。
【００７２】
また、実施形態１に係る燃料電池システムでは、燃料電池６へと向かう燃料ガス供給経路１６を途中で分岐させ、改質器４から供給される改質ガスの一部を水素含有ガスとして原料ガス経路１に戻すためのリサイクル経路１９が設けられている。このため、原料ガス経路１を流通し、不純物除去器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、不純物除去器３は、この水素を利用して前述の水添脱硫を行うことができるように構成されている。
【００７３】
なお、燃料ガス供給経路１６とリサイクル経路１９との分岐点近傍でかつ、該リサイクル経路１９内に減圧部１８が設けられている。減圧部１８は、リサイクル経路１９内を流通する改質ガスの流量を調整するものであり、例えば、キャピラリチューブなどにより実現できる。すなわち、減圧部１８は、キャピラリチューブなどにより流路を細くし圧力損失を大きくさせることで、リサイクル経路１９内を所望の流量だけ改質ガスが流通するように構成されている。
【００７４】
本発明の実施形態１では、不純物除去器３は収納器２７に収容されている。収納器２７は、図１に示すように筐体７の上面において図１の左右方向に延伸し、内部が中空となった構造をしている。そして、一方の端部（図１における、左側の端部）において排ガス経
路２０と接続するように、鉛直方向における下向きに突出した突出部が形成されている。他方の端部（図１における、右側の端部）には、当該収納器２７内を流通した排ガスが系外へと排出されるように鉛直方向における上向きに突出した突出部が形成されている。このように、この収納器２７と排ガス経路２０とが連通している。換言すると、排ガス経路２０の少なくとも一部を収納器２７内において形成している。
【００７５】
さらにまた、収納器２７の内側には第２断熱部（断熱材）３３が設けられている。これにより、収納器２７内から外部への放熱を可能な限り遮断することができる。更に、筐体７と収納器２７とは、原料ガス経路接続部（第２接続部）３２および排ガス経路接続部３１によって接続される。そして、第２接続部３２および排ガス経路接続部３１は、経路内を流通する原料ガスまたは排ガスが外部に漏れないように構成されている。具体的には、排ガス経路接続部３１、第２接続部３２を構成する部材としては、例えばスウェージロック（登録商標）に代表される継ぎ手などを好適に用いることができる。
【００７６】
図２に示すように、実施形態１に係る燃料電池システムは、排ガス経路接続部３１および第２接続部３２を介して筐体７から収納器２７が着脱可能となる構成である。図２は実施形態１に係る燃料電池システムの構成において、筐体７と収納器２７とを分離した際の構成を示した模式図である。
【００７７】
このように、筐体７から収納器２７が着脱可能となる構成とすることで、燃料電池システムを製造する際に、不純物除去器３を収容した収納器２７を筐体７に容易に取り付けることが可能となる。更に、燃料電池システムが稼動して長時間経過した後、不純物除去器３に充填した触媒が劣化し、不純物除去器３を交換する必要が生じた場合であっても、筐体７から収納器２７を取り外し、収納器２７に収容されている不純物除去器３を取り出すことが容易である。したがって、メンテナンス性に優れた燃料電池システムを構成することができる。
【００７８】
また、前述にように、不純物除去器３において、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を充填する場合、３５０〜４００℃の温度範囲、または脱硫剤が銅および亜鉛を含む場合は、１０〜４００℃程度、好ましくは１５０〜３００℃程度の温度範囲になるように構成される。それゆえ、例えば、後述する図１６に示すような、収納器２７内の不純物除去器３と脱硫後原料ガス経路１４とを接続する原料ガス経路接続部（第１接続部）３０、ならびに収納器２７と排ガス経路２０とを接続する排ガス経路接続部３１も不純物除去器３と同じ温度範囲になる。そして、これらの接続部も第１断熱部（断熱材部）２２内または第２断熱部（断熱材部）３３内に収容するように構成することで、燃焼部２３からの輻射や排ガスからの熱伝達等の伝熱により、高温（４００℃以上）に長時間さらされ、熱劣化するといった不具合が生じることを抑制することができる。
【００７９】
（実施形態１の変形例）
次に、図３を参照して本発明の実施形態１の変形例に係る燃料電池システムの構成について説明する。図３は、本発明の実施形態１の変形例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、実施形態１の変形例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。
【００８０】
実施形態１の変形例に係る燃料電池システムは、実施形態１と比較して、収納器２７が配置される位置が異なる。具体的には、実施形態１に係る燃料電池システムでは、収納器２７が第二の筐体７ｂの上面上に配置されていた。これに対して、実施形態１の変形例に係る燃料電池システムでは図３に示すように、収納器２７が第一の筐体７ａと第二の筐体７ｂとの間に収まるように配置されている。すなわち、収納器２７の外側に露出する面が
第二の筐体７ｂの上面とほぼ同じ高さ位置となるように配置されている。実施形態１の変形例に係る燃料電池システムは、この収納器２７の配置以外は実施形態１に係る燃料電池システムと同様の構成である。このため、同じ部材には同じ符号を付し、それぞれ各部材の説明は省略する。
【００８１】
実施形態１の変形例に係る燃料電池システムでは、上述した位置に収納器２７が配置されるため、実施形態１に係る燃料電池システムのように第二の筐体７ｂの上面からさらに収納器２７が外部に突出した構成とならず、燃料電池システム全体の寸法を小型化することができる。また、第一の筐体７ａと収納器２７との間の第１断熱部２２および第２断熱部３３の厚みを十分に取れば、第一の筐体７ａからの輻射熱等の伝熱により、不純物除去器３が加熱されることを防ぎ、排ガス経路２０を流通する排ガスにより、不純物除去器３を温度制御することが可能となる。
【００８２】
また、実施形態１の変形例に係る燃料電池システムは、実施形態１に係る燃料電池システムと同様に、第２接続部３２および排ガス経路接続部３１を備えるため、図４に示すように収納器２７を筐体７（第二の筐体７ｂ）に対して着脱可能とすることができる。図４は、実施形態１の変形例に係る燃料電池システムの構成において、第一の筐体７ａと収納器２７を分離した際の構成を示した模式図である。このように収容器２７を第二の筐体７ｂに対して着脱可能となるように構成されているため、燃料電池システムにおいて不純物除去器３を容易に取り外したり、取り付けたりすることができる。よって、燃料電池システムの製造及びメンテナンスが容易となる。
【００８３】
上記では、不純物除去器３が収納器２７内に収納され、排ガス経路２０を流通した排ガスにより、所定の温度状態に保たれるように加熱される構成であった。しかしながら、不純物除去器３は、このように収納器２７に収納される構成に限定されるものではなく、筐体７の内側、すなわち、第一の筐体７ａと第二の筐体７ｂとの間に設けられた断熱部内に不純物除去器３が設けられる構成であってもよい。このように構成される場合について、以下、実施形態２として説明する。
【００８４】
（実施形態２）
図５および図６を参照して実施形態２に係る燃料電池システムについて説明する。図５および図６は、実施形態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５では、実施形態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。図６では、実施形態２に係る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。なお、筐体７は、実施形態１と同様に第一の筐体７ａと第二の筐体７ｂとから構成されているが、ここでは特に、図示しない。
【００８５】
図５および図６に示すように、実施形態２に係る燃料電池システムは、上述した実施形態１に係る燃料電池システムと同様に、不純物除去器３、改質器４、空気熱交換器５、燃料電池６、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。そして、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。
【００８６】
また、実施形態２に係る燃料電池システムでは、上述した実施形態１に係る燃料電池システムと同様に、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と外部から供給された空気とを利用して燃料電池６が発電反応により発電するように構成されている。
【００８７】
すなわち、実施形態２に係る燃料電池システムは、実施形態１に係る燃料電池システムと比較して、不純物除去器３が収納器２７ではなく、第１断熱部２２内に収容されている点で異なる。それ以外は、同様の構成となるため、同様な部材には同じ符号を付し、その
説明を省略する。
【００８８】
また、実施形態２に係る燃料電池システムにおいても、不純物除去器３は、例えば、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脱硫器とすることができる。実施形態２では、不純物除去器３は、図５において筐体７の紙面右側の側面下方に配置されている。
【００８９】
また、実施形態２に係る燃料電池システムでは、減圧部１８は、筐体７内に設けられているが、減圧部１８が設けられる位置はこの位置に限定されない、例えば、上述した実施形態１、あるいは後述する実施形態３に係る燃料電池システムで示すように、筐体７の外部に減圧部１８が設けられていてもよい。
【００９０】
次に実施形態２に係る燃料電池システムの特徴的な構成である燃焼部２３で生成した排ガスが排ガス経路２０を流通する過程と、排ガス経路２０中の一部において設けられた不純物除去器３とについて説明する。なお、排ガス経路２０は、第１断熱部２２内に形成されており、この排ガス経路２０からの放熱をできる限り低減できるように構成されている。
【００９１】
ところで、燃焼部２３で生成する排ガスの流量およびその温度については、燃料電池６における燃料ガス及び空気（発電空気）の燃料利用率（発電反応により、燃料として燃料電池６で消費される割合）を調整することにより、制御することが可能である。実施形態２では、例えば、燃焼部２３の温度範囲を、約６００〜９００℃になるように、燃料電池６における燃料ガス及び空気の燃料利用率を設定する。
【００９２】
実施形態２では燃焼部２３で未利用の燃料ガスと空気とを燃焼して生成した排ガスは、まず改質器４を加熱する。これにより排ガスの有する熱の一部が消費される。さらに、熱の一部が消費された排ガスによって空気熱交換器５を加熱する。この空気熱交換器５による空気と排ガスとの熱交換によって、排ガスが有する熱がさらに奪われ、不純物除去器３を加熱するのに適切な温度まで低下させられる。このように温度が低下させられた排ガスは排ガス経路２０を流通して不純物除去器３へ供給される。
【００９３】
すなわち、燃焼部２３で生成された排ガスの温度は、例えば約６００℃〜９００℃と高温である。しかし、この排ガスによって、改質器４を加熱し、更に空気熱交換器５によって空気との熱交換を行い、空気を加熱すれば、排ガス経路２０に到達するまでに排ガスの温度は低下する。特に、燃料電池を用いて、例えば１ｋＷの発電を行う場合、５０Ｌ／ｍｉｎ以上の空気を外気温から約４００〜８００℃になるまで加熱する必要があるため、空気熱交換器５では大量の熱量が必要となる。そこで、この必要な熱量を排ガスの熱量によって賄う。
【００９４】
以上のように、排ガス経路２０を流通する排ガスの温度は、燃焼部２３で生成する排ガスの流量と温度、改質器４に吸熱される熱量、および空気熱交換器５に吸熱される熱量などを考慮して所望の値となるように制御されている。そして、排ガス経路２０に到達した排ガスは経路内を流通し、不純物除去器３へと流通する。そして、排ガスは不純物除去部３の外周を取り囲みながら流れ系外へと排出される。
【００９５】
次に、不純物除去器３へ到達した際の排ガス温度について説明する。
【００９６】
不純物除去器３において、銅および亜鉛を含む脱硫剤（例えば、特許文献６）を充填する場合、不純物除去器３に到達した際の排ガス温度が約１５０〜３５０℃になるように、燃焼部２３で生成する排ガスの流量と温度、改質器４にて吸熱される熱量、空気熱交換器
５にて吸熱される熱量等を調整する。このようにして、不純物除去器３を、水添脱硫を行うのに適した温度（１５０〜３００℃）とする。
【００９７】
また、不純物除去器３において、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を充填する場合、不純物除去器３に到達した際の排ガス温度が約３５０〜４５０℃になるように、燃焼部２３で生成する排ガスの流量と温度、改質器４にて吸熱される熱量、空気熱交換器５にて吸熱される熱量を調整する。このようにして、同様に不純物除去器３を、水添脱硫を行うのに適した温度（３５０〜４００℃）とする。
【００９８】
以上のように、排ガス経路２０に不純物除去器３を設置することにより、該不純物除去器３を、水添脱硫を行うのに適した所望の温度とすることができる。
【００９９】
また、不純物除去器３は、第１断熱部２２に覆われるように設置する。このようにすれば、不純物除去器３からの放熱を防ぐとともに筐体７内の５００〜６００℃の熱に不純物除去器３が直接、曝されることを防ぐことができる。さらにまた、第１断熱部２２によって不純物除去器３が覆われているため、不純物除去器３における温度分布をできるだけ一様とし、ばらつきを抑制することができる。よって、不純物除去器３における温度制御を容易とすることができる。
【０１００】
また、長時間の運転の後、不純物除去器３に充填した改質触媒が劣化した際には、燃料電池システム全体の性能が著しく低下する懸念がある。そこで、不純物除去器３は筐体７から着脱可能となっている。このため、改質触媒が劣化した不純物除去器３を新しい不純物除去器３と交換するだけでさらに長時間の運転が可能となる。
【０１０１】
（実施形態２の変形例１）
次に、実施形態２に係る燃料電池システムの変形例１について図７を参照して説明する。図７は実施形態２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７では、実施形態２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。なお、実施形態２の変形例１に係る燃料電池システムの筐体７内を上から見たときの構成は、図６に示す燃料電池システムの構成と同様となるため図示していない。
【０１０２】
実施形態２の変形例１に係る燃料電池システムは、上述した実施形態２に係る燃料電池システムと比較して、不純物除去器３の外周に排ガス熱交換器２１をさらに備えている点で異なる。このため、実施形態２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。
【０１０３】
排ガス熱交換器２１は、排ガス経路２０内を流通する排ガスと不純物除去器３との間で熱交換を行い、不純物除去器３を所望の温度まで加熱するものである。排ガス経路２０からの放熱をできる限り低減させるため、排ガス熱交換器２１も第１断熱部２２内に形成されていることが有益である。実施形態２の変形例１に係る燃料電池システムは、このように排ガス熱交換器２１を備えるため、不純物除去器３と排ガス経路２０を流通する排ガスとの間での伝熱面積の拡大及び熱伝達率の向上を図ることができる。したがって、水添脱硫を行うのに適した温度となるように不純物除去器３を迅速に加熱することが可能となる。
【０１０４】
（実施形態２の変形例２）
さらに、実施形態２に係る燃料電池システムの変形例２について図８を参照して説明する。図８は、実施形態２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８では、実施形態２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。なお、実施形態２の変形例２に係る燃料電池システムの筐体７内を上から見たときの構成は、図６に示す燃料電池システムの構成と同様となるため図示していない。
【０１０５】
実施形態２の変形例２に係る燃料電池システムは、上述した実施形態２に係る燃料電池システムと比較して、排ガス熱交換器２１と凝縮器２４とをさらに備えている点で異なる。すなわち、実施形態２の変形例２に係る燃料電池システムは、実施形態２の変形例１に係る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、実施形態２に係る燃料電池システムあるいは、実施形態２の変形例１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。
【０１０６】
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を流通する燃料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。
【０１０７】
このように実施形態２の変形例２に係る燃料電池システムは、凝縮器２４を備えるため、リサイクル経路１９中において、流通する燃料ガスが低温化した際に、凝縮器２４により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。
【０１０８】
（実施形態２の変形例３）
次に、実施形態２に係る燃料電池システムの変形例３について図９を参照して説明する。図９は、実施形態２の変形例３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９では、実施形態２の変形例３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。なお、実施形態２の変形例３に係る燃料電池システムの筐体７内を上から見たときの構成は、図６に示す構成と同様となるため図示していない。
【０１０９】
実施形態２の変形例３に係る燃料電池システムは、上述した実施形態２に係る燃料電池システムと比較して、排ガス熱交換器２１、凝縮器２４、およびファン２５をさらに備えている点で異なる。すなわち、実施形態２の変形例３に係る燃料電池システムは、実施形態２の変形例２に係る燃料電池システムの構成において筐体７の外部にファン２５をさらに備えた構成である。このため、実施形態２に係る燃料電池システムあるいはその変形例１、２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】
ファン２５は、不純物除去器３を冷却するために風を送るための送風機である。実施形態２の変形例３に係る燃料電池システムは、ファン２５を備えるため、不純物除去器３の温度が上昇しすぎた際、このファン２５からの強制対流により、容易に所望の温度まで冷却させることができる。
【０１１１】
なお、不純物除去器３がファン２５により冷却される側の面は、冷却効率を高めるために第１断熱部２２によって覆われていない方が有利である。
【０１１２】
（実施形態２の変形例４）
次に、図１０、１１を参照して実施形態２の変形例４に係る燃料電池システムについて説明する。図１０および図１１は、実施形態２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１０では、実施形態２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。図１１では、実施形態２の変形例４に係る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。
【０１１３】
実施形態２の変形例４に係る燃料電池システムは、図５、６に示した実施形態２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、実施形態２に係る燃料電池システムでは、不純物除去器３が筐体７の右側側面の下方に配置されていたのに対して、実施形態２の変形例４に係る燃料電池システムは、筐体７の上面側における略中央部分（燃焼部２３と対向する位置）に配置されている点で異なる。このため、実施形態２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。
【０１１４】
実施形態２の変形例４に係る燃料電池システムでは、筐体７の上面側であって、燃焼部２３と対向する位置に不純物除去器３が配置されている。燃料電池６で生じる発電反応熱および燃焼部２３の燃焼による燃焼熱を保有する排ガスは、筐体７の上面に向かって上昇する過程で、まず改質器４を加熱し、さらに空気熱交換器５との熱交換により保有する熱の一部が奪われた状態で燃焼部２３の上方にある不純物除去器３に向かう。すなわち、不純物除去器３に充填された脱硫剤に適した温度まで低下させられた状態で排ガスは不純物除去器３に向かう。
【０１１５】
ここで、燃焼部２３の上方へは、排ガスが略均一的に拡散して導かれるため、筐体７の上面側の温度分布が略均一化するようになっている。したがって、不純物除去器３の温度分布を均一とすることができ、不純物除去器３に対して水添脱硫を効率よく実施させることができる。そして、このように均一に不純物除去器３を加熱した排ガスは、排ガス経路２０を流通して筐体７の外部に排出される。
【０１１６】
なお、筐体７は上面が着脱可能となっており、さらにその上面から不純物除去器３が着脱可能となっている。このため、不純物除去器３を交換する場合、まず、筐体７の上面を取り外し、その後、不純物除去器３を筐体７の上面から取り外す。
【０１１７】
（実施形態２の変形例５）
次に、図１２を参照して実施形態２の変形例５に係る燃料電池システムについて説明する。図１２は、実施形態２の変形例５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１２では、実施形態２の変形例５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。なお、実施形態２の変形例５に係る燃料電池システムの筐体７内を上から見たときの構成は、図１１に示す変形例４の構成と同様となるため図示していない。
【０１１８】
実施形態２の変形例５に係る燃料電池システムは、図５、６に示した実施形態２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、実施形態２に係る燃料電池システムでは、不純物除去器３が筐体７の右側側面の下方に配置されていたのに対して、実施形態２の変形例５に係る燃料電池システムは、筐体７の上面側における略中央部分（燃焼部２３と対向する位置）に配置されている点で異なる。さらに、リサイクル経路１９中に凝縮器２４をさらに備える点でも異なる。つまり、実施形態２の変形例５に係る燃料電池システムは、上述した実施形態２の変形例４の構成において、さらにリサイクル経路１９中に凝縮器２４を備えた構成であるともいえる。このため、実施形態２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。
【０１１９】
実施形態２の変形例５に係る燃料電池は、筐体７の上面側であって、燃焼部２３と対向する位置に不純物除去器３が配置されている。このため、燃焼部２３が生成した排ガスによって略均一に不純物除去器３が加熱されることとなる。また、リサイクル経路１９に凝縮器２４が設けられている。このように実施形態２の変形例５に係る燃料電池システムは、凝縮器２４を備えるため、リサイクル経路１９中において、流通する燃料ガスが低温化した際に、凝縮器２４により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。
【０１２０】
（実施形態２の変形例６）
次に、図１３、１４を参照して実施形態２の変形例６に係る燃料電池システムについて説明する。図１３および図１４は、実施形態２の変形例６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１３では、実施形態２の変形例６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。図１４では、実施形態２の変形例６に係る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。
【０１２１】
実施形態２の変形例６に係る燃料電池システムは、図５、６に示した実施形態２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、実施形態２に係る燃料電池システムでは、不純物除去器３が筐体７の右側側面の下方に配置されていたのに対して、実施形態２の変形例６に係る燃料電池システムは、筐体７の上面側における略中央部分に配置されている点で異なる。また、排ガス経路２０において、不純物除去器３と排ガス経路２０を流通する排ガスとの熱交換を行う排ガス熱交換器２１を備える点でも異なる。つまり、実施形態２の変形例６に係る燃料電池システムは、上述した実施形態２の変形例４の構成において、さらに排ガス経路２０に排ガス熱交換器２１を備えた構成であるともいえる。このため、実施形態２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。
【０１２２】
実施形態２の変形例６に係る燃料電池は、筐体７の上面側であって、燃焼部２３と対向する位置に不純物除去器３が配置されている。このため、燃焼部２３が生成した排ガスによって略均一に不純物除去器３が加熱されることとなる。特に、実施形態２の変形例６に係る燃料電池は、排ガス経路２０に排ガス熱交換器２１を備えているため、不純物除去器３と排ガス経路２０を流通する排ガスとの間での伝熱面積の拡大および熱伝達率の向上を図ることができる。したがって、不純物除去器３の温度分布を均一に保ちつつ、迅速に水添脱硫を行うのに適した温度まで上げることができる。
【０１２３】
（実施形態２の変形例７）
次に、図１５を参照して実施形態２の変形例７に係る燃料電池システムについて説明する。図１５は、実施形態２の変形例７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１５では、実施形態２の変形例７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。なお、実施形態２の変形例７に係る燃料電池システムの筐体７内を上から見たときの構成は、図１４に示す変形例６の構成と同様となるため図示していない。
【０１２４】
実施形態２の変形例７に係る燃料電池システムは、図５、６に示した実施形態２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、実施形態２に係る燃料電池システムでは、不純物除去器３が筐体７の右側側面の下方に配置されていたのに対して、実施形態２の変形例７に係る燃料電池システムは、筐体７の上面側における略中央部分（燃焼部２３と対向する位置）に配置されている点で異なる。また、排ガス経路２０において、不純物除去器３と排ガス経路２０を流通する排ガスとの熱交換を行う排ガス熱交換器２１を備える点、ならびにリサイクル経路１９中に凝縮器２４をさらに備える点でも異なる。つまり、実施形態２の変形例７に係る燃料電池システムは、上述した実施形態２の変形例６の構成において、リサイクル経路１９中に凝縮器２４をさらに備えた構成であるといえる。このため、実施形態２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。
【０１２５】
実施形態２の変形例７に係る燃料電池は、筐体７の上面側であって、燃焼部２３と対向する位置に不純物除去器３が配置されている。このため、燃焼部２３が生成した排ガスに
よって略均一に不純物除去器３が加熱されることとなる。特に、実施形態２の変形例７に係る燃料電池は、排ガス経路２０に排ガス熱交換器２１を備えているため、不純物除去器３と排ガス経路２０を流通する排ガスとの間での伝熱面積の拡大および熱伝達率の向上を図ることができる。したがって、不純物除去器３の温度分布を均一に保ちつつ、迅速に水添脱硫を行うのに適した温度まで上げることができる。
【０１２６】
また、リサイクル経路１９に凝縮器２４が設けられている。このように実施形態２の変形例７に係る燃料電池システムは、凝縮器２４を備えるため、リサイクル経路１９中において、流通する燃料ガスが低温化した際に、凝縮器２４により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。
【０１２７】
以上のように、実施形態２に係る燃料電池システムは、高効率かつ安定的に動作する燃料電池システムを提供することが可能である。
【０１２８】
すなわち、実施形態２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燃料電池６（例えば、固体酸化物形燃料電池）と、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、燃焼部２３の燃焼による燃焼熱を保有する排ガスの熱を利用して改質反応により、供給された原料から前記燃料となる改質ガスを生成する改質器４と、この排ガスの熱を利用して供給された水を蒸発させ水蒸気を生成する蒸発器９と、改質器４により熱利用された後の排ガスの熱を利用して、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、空気熱交換器５により熱利用された後の排ガスの有する熱を利用して、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し、改質器４へと供給する不純物除去器３（例えば、脱硫器）と、を備えている。
【０１２９】
このように、実施形態２に係る燃料電池システムは、不純物除去器３を備えるため、原料から硫黄成分を除去した状態で改質器４に供給することができる。このため硫黄成分による改質器４の改質触媒の劣化を防止することができるため、改質器４を長期的に使用可能とすることができる。それゆえ、燃料電池システムでは、当該システムの長期耐久性を確保できる。
【０１３０】
また、この不純物除去器３は、改質器４および空気熱交換器５により熱利用され所定の温度まで低下させられた排ガスの熱を利用して水添脱硫を行う構成である。すなわち、排ガスにより不純物除去器３を、水添脱硫を行うのに適した所望の温度となるように加熱することができる。
【０１３１】
よって、実施形態２に係る燃料電池システムは、不純物除去器３の温度を、水添脱硫を行うのに適した温度となるように制御するとともに、長期耐久性を確保できる。さらにまた、実施形態２に係る燃料電池システムは、上述した構成において、不純物除去器３が燃焼部２３の上方でかつ対向する位置に配置されていてもよい構成である。
【０１３２】
ここで、燃料電池６で生じる発電反応熱および燃焼部２３の燃焼による燃焼熱を保有する排ガスは燃焼部２３の上方でかつ対向する位置を、温度分布が略均一な状態で加熱する。上記した構成によると、燃焼部２３の上方でかつ対応する位置に不純物除去器３が配置されているため、不純物除去器３を均一に加熱することができる。このため、不純物除去器３は、効率よく原料ガスに対して脱硫を実施することができる。さらにまた、不純物除去器３は、排ガス経路２０の途中に該排ガス経路２０の一部を構成するように設けられた収容空間（収納器２７）内に配置され、不純物除去器３の外周を流通する排ガスによって加熱される構成である。このため、排ガスによって不純物除去器３全体を略均一に加熱することができる。
【０１３３】
また、実施形態２に係る燃料電池システムは、上述した構成において、不純物除去器３と排ガスとの間で熱交換させる排ガス熱交換器２１をさらに備えるように構成してもよい。
【０１３４】
この構成によると、排ガス熱交換器２１を備えているため、不純物除去器３と排ガス経路２０を流通する排ガスとの間での伝熱面積の拡大及び熱伝達率の向上を図ることができ、迅速に不純物除去器３の温度を所望の温度とすることができる。
【０１３５】
また、実施形態２に係る燃料電池システムは、上述した構成において、改質器４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９を有するように構成されていてもよい。
【０１３６】
この構成によると、蒸発器９を備え、改質器４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、燃料効率に優れた燃料電池システムの実現が可能となる。
【０１３７】
また、実施形態２に係る燃料電池システムは、上述した構成において、不純物除去器３は、当該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。
【０１３８】
この構成によると、不純物除去器３が燃料電池システムに着脱可能に設けられているため、不純物除去器３に充填した脱硫触媒が劣化した際に、不純物除去器３の取り換えを容易に行うことができる。したがって、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。
【０１３９】
また、実施形態２に係る燃料電池システムは、上述した構成において、少なくとも燃料電池６、燃焼部２３、改質器４、空気熱交換器５、および不純物除去器３を収容する筐体７と、筐体７の内壁に配置された第１断熱部２２と、をさらに備え、不純物除去器３の少なくとも一部が、第１断熱部２２内に配置されるように構成されていてもよい。
【０１４０】
また、実施形態２に係る燃料電池システムは、上述した構成において、少なくとも燃料電池６、燃焼部２３、改質器４、空気熱交換器５、不純物除去器３、および排ガス熱交換器２１を収容する筐体７と、筐体７の内壁に配置された第１断熱部２２と、をさらに備え、不純物除去器３および排ガス熱交換器２１の少なくとも一部が、第１断熱部２２内に配置されるように構成されていてもよい。
【０１４１】
この構成によると、不純物除去器３および排ガス熱交換器２１の少なくとも一部を第１断熱部２２内に配置するため、不純物除去器３または排ガス熱交換器２１からの放熱を抑制することができる。したがって、不純物除去器３を所望の温度となるように容易に加熱することができる。
【０１４２】
また、実施形態２に係る燃料電池システムは、上述した構成において、筐体７の外側に、不純物除去器３を冷却するファン２５をさらに備えるように構成されていてもよい。
【０１４３】
この構成によると、ファン２５を備えるため、不純物除去器３が昇温しすぎた際にこのファン２５からの強制対流により容易に冷却することができる。
【０１４４】
また、実施形態２に係る燃料電池システムは、上述した構成において、原料ガス経路１を流通する原料を昇圧して不純物除去器３に供給する昇圧部２と、リサイクル経路１９中に設けられ、該リサイクル経路１９を流通する燃料に含有される水分を凝縮させる凝縮器２４と、をさらに備え、リサイクル経路１９は燃料の一部を原料ガス経路１における昇圧
部２の上流側に導く構成としてもよい。
【０１４５】
この構成によると、リサイクル経路１９中に凝縮器２４が設けられている。このため、このリサイクル経路１９を流通する燃料が低温化した場合、この凝縮器２４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を抑制することができる。さらに、このリサイクル経路１９では燃料の一部を昇圧部２の上流側に導くように構成されている。このため、燃料の低温化などで生じた水分を凝縮器２４により回収した状態で、この燃料を昇圧部２に導くことができる。それゆえ、水分による昇圧部２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。
【０１４６】
ところで、例えば脱硫器などの不純物除去器３内に充填されている触媒は、使用により劣化していくため、その交換が必要となる。しかしながら、例えば、特許文献１から３に開示されている燃料電池システムの構成では、不純物除去器３が筐体（例えば、特許文献1の断熱槽１０２）の内部空間に設置されているため、不純物除去器３自体を取り外すこ
とが困難となるという問題があった。
【０１４７】
また、例えば、実施形態２の変形例４で示した構成のように、不純物除去器３が設けられている筐体７の上面を、筐体７の本体から取り外すことができる構成とすることで不純物除去器３の交換を可能とすることも考えられえる。しかしながら、このような構成の場合であっても、筐体７のサイズが大きい場合は、上面を筐体７から取り外す作業は困難であり、容易に不純物除去器３の取り外しができない場合がある。
【０１４８】
そこで、発明者は、不純物除去器３を容易に取り外すことができるようにし、製造およびメンテナンスを容易に行うことができる燃料電池システムの構成を検討したところ、上述した実施形態１に係る燃料電池システムのように、不純物除去器３を収納器２７内に格納した構成とすることが有効であることを見出した。
【０１４９】
以下では、不純物除去器３を収納器２７内に格納した構成として、実施形態１とは異なる構成について具体的に実施形態３として説明する。なお、実施形態３については構成がより類似する実施形態２との比較によりその構成を説明するものとする。
【０１５０】
（実施形態３）
図１６および図１７を参照して実施形態３に係る燃料電池システムについて説明する。図１６および図１７は、実施形態３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１６では、実施形態３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。図１７では、図１６に示す燃料電池システムにおいて、筐体７から後述する収納器２７を分離させた際の構成の一例を示す。
【０１５１】
実施形態３に係る燃料電池システムは、図５、６に示した実施形態２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、実施形態２に係る燃料電池システムでは、不純物除去器３は第１断熱部２２内に収容されていたのに対して、実施形態３に係る燃料電池システムでは、不純物除去器３は、収納器２７内に収容されている点で異なる。
【０１５２】
また、実施形態２に係る燃料電池システムでは、不純物除去器３が筐体７の右側面の下方に配置されていたのに対して、実施形態３に係る燃料電池システムでは、筐体７の上面側における略中央部分（燃焼部２３と対向する位置）に配置されている点でも異なる。ただし実施形態３に係る不純物除去器３の配置はこれに限定されるものではなく、実施形態２に係る燃料電池システムと同様に筐体７の右側面の下方に配置された構成であってもよい。
【０１５３】
また、筐体７内の排ガスを収納器２７内に導くとともに、収納器２７内を流通した排ガスを収納器２７外に導く排ガス経路２０を設け、この排ガス経路２０が連通するように上流側排ガス経路２０ａと収納器内排ガス経路２０ｃとを接続するとともに、下流側排ガス経路２０ｂと収納器内排ガス経路２０ｃとを接続するための２つの排ガス経路接続部３１を備える点でも異なる。つまり、収納器２７内には、不純物除去器３の外周を囲むように、排ガスが流通するための流路である収納器内排ガス経路２０ｃが形成されている。そして、この収納器内排ガス経路２０ｃは、排ガス経路接続部３１によって、上流側排ガス経路２０ａ、下流側排ガス経路２０ｂそれぞれと接続されるように構成されている。
【０１５４】
図１６に示す例では、排ガス経路接続部３１のうち、収納器側排ガス経路接続部３１ａは、筐体７と接する側の面となる収納器２７の底面に設けられている。一方、筐体側排ガス経路接続部３１ｂは、収納器２７を収容できるように筐体７の上面に形成された凹部の底に筐体側排ガス経路接続部３１ｂが設けられている。より具体的には、筐体側排ガス経路接続部３１ｂは、凹部の底において、筐体７に収納器２７を取り付けた際に、収納器側排ガス経路接続部３１ａに対応する位置であり、かつ第１断熱部２２内に設けられている。
【０１５５】
さらにまた、原料ガス経路１と不純物除去器３とが連通するよう筐体７と収納器２７とを接続する第１接続部３０、ならびに脱流後原料ガス経路１４と不純物除去器３とが連通するよう筐体７と収納器２７とを接続する第２接続部３２を備えている点でも異なる。なお、第１接続部３０と第２接続部３２とによって、本発明の原料ガス経路接続部を実現する。
【０１５６】
すなわち、実施形態３に係る燃料電池システムは、原料ガス経路接続部（第１接続部３０および第２接続部３２）によって収納器２７を筐体７に接続している。さらには、２つの排ガス経路接続部３１によっても収納器２７を筐体７に接続している構成である。なお、上記した点を除けば、実施形態２と同様の構成となる。
【０１５７】
図１６に示すように、実施形態３に係る燃料電池システムでは、筐体７の上面側であって、燃焼部２３と対向する位置に不純物除去器３を収容した収納器２７が配置されている。そして、燃料電池６で生じる発電反応熱および燃焼部２３の燃焼による燃焼熱を保有する排ガスは、筐体７の上面に向かって上昇する過程で、まず改質器４、蒸発器９を加熱し、さらに空気熱交換器５との熱交換により保有する熱の一部が奪われた状態で燃焼部２３の上方にある不純物除去器３に向かう。すなわち、不純物除去器３に充填された脱硫剤に適した温度まで低下させられた状態で排ガスは不純物除去器３に向かう。
【０１５８】
このように、実施形態３に係る燃料電池システムでは、改質器４、蒸発器９と空気熱交換器５とによって排ガスが保有する熱の一部を奪うように構成されている。このため、燃焼部２３で生成された排ガスを適温まで冷却させ、収納器２７内に供給する排ガスの保有する熱量を抑制することができる。
【０１５９】
したがって、収納器２７に収容された不純物除去器３の温度調整をする温度調整部などを別途設ける必要がなく、容易に不純物除去器３を適温に維持することができる。また、空気熱交換器５が排ガスとの熱交換により回収した熱は、燃料電池に供給する空気の加熱に用いることができるため、燃料電池システムの効率的な稼動を実現できる。
【０１６０】
また、不純物除去器３に充填された脱硫剤に適した温度まで低下させられた排ガスは、上流側排ガス経路２０ａを通じて収納器２７の一方の端部側から、この収納器２７内に形成されている収納器内排ガス経路２０ｃに流入する。そして、収納器内排ガス経路２０ｃを流通する排ガスと不純物除去器３とが熱交換をする。
【０１６１】
このように、脱硫剤３に適した温度まで排ガスの温度を低下させることができる。このため、システムの故障等に起因して高温となった、燃焼部２３からの輻射熱または排ガスが保有する熱などが第１断熱部２２を熱移動し、不純物除去器３の温度が適温よりも高温になったとしても、収納器内排ガス流路２０ｃを流通する排ガスによって冷却させることができる。よって、実施形態３に係る燃料電池システムでは、不純物除去器３を適温に維持することが容易となる。
【０１６２】
収納器内排ガス経路２０ｃを流通した排ガスは、収納器２７の他方の端部側から、下流側排ガス経路２０ｂに流出し、筐体７の外部に導かれる。なお、図１６に示すように、実施形態３に係る燃料電池システムは、実施形態２に係る燃料電池システム同様に、排ガス経路２０の途中に、不純物除去器３が配されている。そして、不純物除去器３よりも上流側に上流側排ガス経路２０ａが、不純物除去器３よりも下流側に下流側排ガス経路２０ｂが配されている。
【０１６３】
不純物除去器３が収容されている収納器２７は、その内側に第２断熱部（第２断熱材部）３３が設けられており、この収納器２７の内部から外部への放熱および外部からの伝熱を可能な限り遮断するように構成されている。実施形態３に係る燃料電池システムでは、図１６に示すように、収納器２７において収納器側排ガス経路接続部３１ａが形成されている底面を除く面の内側に第２断熱部３３が設けられている。すなわち、収納器２７は、少なくとも一部（図１６では底面）が第１断熱部２２と接して、筐体７に対して着脱可能に設けられている。さらに、少なくとも第１断熱部２２と接していない収納器２７の面の内側には第２断熱部３３が設けられている。
【０１６４】
このため、不純物除去器３を排ガスとの熱交換で適温となるように加熱しつつ、不純物除去器３に排ガスが有する熱以外の熱が伝わることを遮ることで不純物除去器３の温度を適温に維持することができる。
【０１６５】
なお、第２断熱部３３の材質は、第１断熱部２２の材質と同様であってもよいし、異なる材質であってもよい。例えば、第１断熱部２２よりも第２断熱部３３の方が高温に曝されないため、第２断熱部３３は、第１断熱部２２よりも高温に耐えうる材質とする必要がない。
【０１６６】
また、筐体７と収納器２７とは、上述したように第１接続部３０、第２接続部３２、ならびに２つの排ガス経路接続部３１とによって接続されている。そしてこれら第１接続部３０、第２接続部３２、および排ガス経路接続部３１は、流通する原料ガスまたは排ガスが漏れないように気密性が確保されている。
【０１６７】
また、図１７に示すように、実施形態３に係る燃料電池システムでは、上述した第１接続部３０、第２接続部３２、および排ガス経路接続部３１によって、筐体７に対して収納器２７を着脱可能となるように構成されている。第１接続部３０、第２接続部３２、および排ガス経路接続部３１は、例えば、実施形態１の原料ガス経路接続部（第１接続部３０）および排ガス経路接続部３１と同様に、スウェージロック（登録商標）に代表される締め付け部材であってもよい。このように、筐体７に対して収納器２７を着脱可能とする構成にすることで、燃料電池システムを製造する際に、不純物除去器３を筐体７に容易に取り付けることができる。
【０１６８】
更に、長時間の使用後、不純物除去器３に充填した触媒が劣化し、不純物除去器３を交換する必要が生じた場合であっても、筐体７から収納器２７を取り外し、収納器２７内から不純物除去器３を容易に取り出すことができる。したがって、メンテナンス性に優れた
燃料電池システムを構成することができる。
【０１６９】
また、前述のように、不純物除去器３は、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を充填する場合は３５０〜４００℃の温度範囲、または脱硫剤が銅および亜鉛を含む場合は、１０〜４００℃程度、好ましくは１５０〜３００℃程度の温度範囲になるように構成されている。
【０１７０】
ところで、実施形態３に係る燃料電池システムでは、第１接続部３０（収納器側第１接続部３０ａ、筐体側第１接続部３０ｂ）、ならびに第２接続部３２（収納器側第２接続部３２a、筐体側第２接続具３２ｂ）は、第１断熱部２２内または第２断熱部３３内に収容
されるように構成されている。さらに、排ガス経路接続部３１も第１断熱部２２内に収容されている。このようにこれらの接続部は第１断熱部２２または第２断熱部３３内に収容されているため、筐体７内部の高温な熱に直接、曝されることがなく、不純物除去器３と同じ温度範囲に保たれる。
【０１７１】
したがって、燃焼部２３からの輻射熱や排ガスの有する熱により、第１接続部３０、第２接続部、ならびに排ガス経路接続部３１が高温な熱（例えば４００℃以上の熱）に長時間さらされ、熱劣化するといった不具合が発生することを抑制することができる。
【０１７２】
また、実施形態３に係る燃料電池システムでは、図１６および図１７に示すように、収納器内排ガス経路２０ｃは、収納器２７において、不純物除去器３の外周を取り囲むように形成されていた。しかしながら、収納器内排ガス経路２０ｃをこのように形成する構成に限定されるものではない。
【０１７３】
例えば、不純物除去器３の厚みが薄い場合、収納器内排ガス経路２０ｃは、図１８に示すような配置としてもよい。図１８は本発明の実施形態３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。この図１８に示すように、不純物除去器３の一方の側面が第２断熱部３３と接しており、収納器内排ガス経路２０ｃは不純物除去器３の他方の側面側にのみ形成されている。すなわち、不純物除去器３の一方の側面側にのみ形成された収納器内排ガス経路２０ｃを流通する排ガスとの熱交換により適温に維持されるだけ十分に不純物除去器３が薄い場合は、不純物除去器３の外周を取り囲むように収納器内排ガス経路２０ｃを形成する必要がない。このように収納器内排ガス経路２０ｃが不純物除去器３の一方の側面側にのみ形成される構成の場合、不純物除去器３を収容する収納器３の厚みをより薄くすることができ小型化を図ることができる。
【０１７４】
上記した実施形態３に係る燃料電池システムでは、不純物除去器３が収納器内排ガス経路２０ｃを流通する排ガスとの熱交換により適温に維持される構成であった。しかしながら、例えば、筐体７内の排ガスが保有する熱および燃焼部２３の輻射熱が、第１断熱部２２を熱移動して不純物除去器３の温度が適温となるように加熱させる構成としてもよい。このような構成を、実施形態３の変形例として図１９、図２０を参照して具体的に説明する。
【０１７５】
（実施形態３の変形例）
以下、図１９、図２０を参照して実施形態３に係る燃料電池システムの変形例について説明する。図１９、図２０は、実施形態３の変形例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１９では、実施形態３の変形例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。図２０では、図１９に示す燃料電池システムにおいて、筐体７から収納器２７を分離させた際の構成の一例を示す。
【０１７６】
実施形態３の変形例に係る燃料電池システムは、上記した実施形態３の燃料電池システ
ムと比較して、収納器２７において収納器内排ガス経路２０ｃが形成されていない点で異なる。また、上流側排ガス経路２０a、下流側排ガス経路２０ｂそれぞれが排ガス経路接
続部３１によって収納器内排ガス経路２０ｃに接続された構成ではない点でも異なる。すなわち、実施形態３の変形例に係る燃料電池システムでは、排ガス経路２０は筐体７の内部から第１断熱部２２を貫通し、筐体７の外部に延設されている。
【０１７７】
上記した点を除けば、実施形態３の変形例に係る燃料電池システムの構成は、実施形態３の燃料電池システムの構成と同様の構成となる。このため、実施形態２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。
【０１７８】
図１９に示すように、実施形態３の変形例に係る燃料電池システムでは、筐体７の上面側であって、燃焼部２３と対向する位置に不純物除去器３を収容した収納器２７が配置されている。そして、燃料電池６で生じる発電反応熱および燃焼部２３の燃焼による燃焼熱を保有する排ガスは、筐体７の上面に向かって上昇する過程で、まず改質器４、蒸発器９を加熱し、さらに空気熱交換器５との熱交換により保有する熱の一部が奪われた状態で燃焼部２３の上方に向かう。そして、温度低下させられた状態の排ガスが保有する熱および燃焼部２３からの輻射熱、すなわち燃焼部２３の燃焼による燃焼熱が第１断熱部２２を熱移動し不純物除去器３を加熱する。
【０１７９】
このように、実施形態３の変形例に係る燃料電池システムでは、改質器４と空気熱交換器５とによって排ガスが保有する熱などの一部を奪うように構成されている。このため、燃焼部２３で生成された排ガスを所望の温度まで冷却させ、第１断熱部２２を通じて収納器２７内に伝わる排ガスの保有する熱量を抑制することができる。
【０１８０】
したがって、収納器２７に収容された不純物除去器３の温度調整をする温度調整部などを別途設ける必要がなく、不純物除去器３を適温に維持することができる。ただし、実施形態３に係る燃料電池システムのように、収納器２７内に排ガスを導き、この排ガスと不純物除去器３との熱交換を行う構成の方が、不純物除去器３が高温になった場合、排ガスにより適温まで温度を低下させることができる点で有利である。
【０１８１】
不純物除去器３が収容されている収納器２７は、実施形態３で示した構成と同様にその内側に第２断熱部３３が設けられており、この収納器２７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。
【０１８２】
また、筐体７と収納器２７とは、第１接続部３０および第２接続部３２によって接続されている。そしてこれら第１接続部３０および第２接続部３２は、流通する原料ガスが漏れないように気密性が確保されている。
【０１８３】
また、図２０に示すように、実施形態３の変形例に係る燃料電池システムでは、第１接続部３０および第２接続部３２によって、筐体７に対して収納器２７を着脱可能となるように構成されている。このように、筐体７に対して収納器２７を着脱可能とする構成にしておけば、燃料電池システムを製造する際に、不純物除去器３を収容した収納器２７を筐体７に容易に取り付けることができる。
【０１８４】
更に、長時間の使用後、不純物除去器３に充填した触媒が劣化し、不純物除去器３を交換する必要が生じた場合であっても、筐体７から収納器２７を取り外し、収納器２７内から不純物除去器３を容易に取り出すことができる。したがって、メンテナンス性に優れた燃料電池システムを構成することができる。
【０１８５】
また、実施形態３の変形例に係る燃料電池システムでは、第１接続部３０（収納器側第
１接続部３０ａ、筐体側第１接続部３０ｂ）、ならびに第２接続部３２（収納器側第２接続部３２a、筐体側第２接続具３２ｂ）は、第１断熱部２２内または第２断熱部３３内に
収容されるように構成されている。このようにこれらの接続部は第１断熱部２２または第２断熱部３３内に収容されているため、筐体７内部の高温に直接曝されることがなく、不純物除去器３と略同じ温度範囲に保たれる。
【０１８６】
したがって、燃焼部２３からの輻射熱および排ガスの有する熱により、第１接続部３０および第２接続部３２が高温（例えば４００℃以上）に長時間さらされ、熱劣化するといった不具合が発生することを抑制することができる。
【０１８７】
なお、筐体７内において改質器４を加熱することで、燃焼部２３からの輻射熱および排ガスなどが所望される温度まで低下する場合、図２１に示すように空気熱交換器５を必ずしも備える必要はない。図２１は、実施形態３の変形例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。ただし、空気熱交換器５を備える構成の方が、排ガスとの熱交換により回収した熱量を、燃料電池に供給する空気の加熱に用いることができる点で有利である。
【０１８８】
また、上記した実施形態３および実施形態３の変形例に係る燃料電池システムでは、収納器２７が筐体７の第１断熱部２２内に収まるように構成されていた。しかしながらこのような構成に限定されるものではない。
【０１８９】
例えば、図２２に示すように、収納器２７を筐体７の上面から上方に突出した状態で取り付けられる構成であってもよい。
【０１９０】
図２２は、実施形態３の変形例に係る燃料電池システムにおいて、筐体７から収納器２７を分離させた構成の一例を示す図である。なお、図２２では、説明の便宜上、実施形態３の変形例に係る燃料電池システムの構成を例に挙げて説明しているが、実施形態３に係る燃料電池システムでも同様に構成することは可能である。
【０１９１】
図２２に示すように、収納器２７は、長手方向における両端部が下方に突出した、断面形状が略Ｕ字形状となっている。この下方に突出した部分には第２断熱部３３が設けられており、この突出した部分の端部でかつ第２断熱部３３の中に収納器側第１接続部３０ａおよび収納器側第２接続部３２ａがそれぞれ設けられている。
【０１９２】
一方、筐体７では、収納器２７が取り付けられる位置において、突出した収納器２７の端部を収容できるように凹部が形成されている。そして、この凹部の底でかつ第１断熱部２２内において筐体側第１接続部３０ｂおよび筐体側第２接続部３２ｂがそれぞれ備えられている。また、筐体７に形成された凹部の縁であり、かつ筐体７と収納器２７とが接する位置に密封部材であるＯリング３４が備えられた構成であってもよい。
【０１９３】
このように、筐体７から外部に向かって突出するように収納器２７が取り付けられるような構成としてもよい。
【０１９４】
（実施形態１、３の燃料電池システムの製造方法）
次に、燃料電池システムの製造方法について図２３を参照して説明する。特に、不純物除去器３が収納器２７内に格納されており、収納器２７が燃料電池システムにおいて容易に着脱可能となった実施形態１、３に係る燃料電池システムの製造方法について説明する。図２３は、実施形態１、３に係る燃料電池システムの製造方法の一例を示すフローチャートである。
【０１９５】
（燃料電池システムの製造方法）
次に、上述した本発明の実施形態１または実施形態３に係る燃料電池システムの製造方法について図２３を参照して説明する。図２３は、本発明の実施形態１または実施形態３に係る燃料電池システムの製造方法の一例を示すフローチャートである。
【０１９６】
一般的に、触媒を充填した装置を用いる際には、まず触媒を活性化させるために加熱及び還元処理がなされる（例えば、特許文献７）。そこで、本発明の製造方法では、筐体７に収納器２７を取り付ける前に加熱及び還元処理を行う。
【０１９７】
具体的には、まず、第一の工程（Ｓ１）として、不純物除去器３に充填した触媒を活性化させる温度（１５０〜３００℃）になるように加熱処理を行う。この第一の工程（Ｓ１）を、筐体７から取り外された状態で、不純物除去器３のみに対して行うこともできるが、不純物除去器３を収容した収納器２７に対して行うことも可能である。
【０１９８】
次に、第二の工程（Ｓ２）では、不活性ガス（例えば、窒素）に０．１〜５％の水素を含んだ還元ガスを、不純物除去器３または、不純物除去器３を収納した収容器２７に流通させて還元処理を行う。この還元ガスにより、酸化されている触媒を還元し、触媒の活性化を行う。そして、第三の工程（Ｓ３）では第二の筐体７ｂに不純物除去器３を収納している収納器２７を取り付ける。
【０１９９】
以上の製造方法によると、不純物除去器３に充填した触媒を活性化させるのに必要な上述した第一の工程（Ｓ１）及び第二の工程（Ｓ２）を、第二の筐体７ｂに収納器２７を取り付ける第三の工程を行う前にすることができる。したがって、不純物除去器３または収納器２７以外の構成部品まで加熱及び還元工程に加える必要がないので、余計なエネルギーやガスの消費を抑えることができる。したがって、燃料電池システムの効率的な製造方法の実現が可能となる。
【０２００】
上記発明から、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。したがって、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】
【０２０１】
本発明の燃料電池システムは、水添脱硫を実施する不純物除去器３を、適切な温度範囲となるように管理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脱硫器を備えた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】
【０２０２】
１        原料ガス経路
２        昇圧部
３        不純物除去器
４        改質器
５        空気熱交換器
６        燃料電池
７        筐体
７ａ      第一の筐体
７ｂ      第二の筐体
９        蒸発器
１０      空気供給経路
１１      改質水経路
１２      改質空気経路
１４      脱硫後原料ガス経路
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
２０ａ    上流側排ガス経路
２０ｂ    下流側排ガス経路
２０ｃ    収納器内排ガス経路
２１      排ガス熱交換器
２２      第１断熱部
２３      燃焼部
２４      凝縮器
２５      ファン
２７      収納器
３０      第１接続部
３０ａ    収納器側第１接続部
３０ｂ    筐体側第１接続部
３１      排ガス経路接続部
３１ａ    収納器側排ガス経路接続部
３１ｂ    筐体側排ガス経路接続部
３２      第２接続部
３２ａ    収納器側第２接続部
３２ｂ    筐体側第１接続部
３３      第２断熱部
【図１】
2018113260.tif 000003
【図２】
2018113260.tif 000004
【図３】
2018113260.tif 000005
【図４】
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【図５】
2018113260.tif 000007
【図６】
2018113260.tif 000008
【図７】
2018113260.tif 000009
【図８】
2018113260.tif 000010
【図９】
2018113260.tif 000011
【図１０】
2018113260.tif 000012
【図１１】
2018113260.tif 000013
【図１２】
2018113260.tif 000014
【図１３】
2018113260.tif 000015
【図１４】
2018113260.tif 000016
【図１５】
2018113260.tif 000017
【図１６】
2018113260.tif 000018
【図１７】
2018113260.tif 000019
【図１８】
2018113260.tif 000020
【図１９】
2018113260.tif 000021
【図２０】
2018113260.tif 000022
【図２１】
2018113260.tif 000023
【図２２】
2018113260.tif 000024
【図２３】
2018113260.tif 000025
【図２４】
2018113260.tif 000026
【図２５】
2018113260.tif 000027
【図２６】
2018113260.tif 000028
【図２７】
2018113260.tif 000029
【図２８】
2018113260.tif 000030
【手続補正書】
【提出日】平成30年2月5日(2018.2.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された原料ガスに含まれる硫黄成分を除去する水添脱硫方式の脱硫器と、
供給された水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発器と、
前記蒸発器により生成された水蒸気と、前記脱硫器により硫黄成分が除去された前記原料ガスとから改質反応により燃料となる改質ガスを生成する改質器と、
供給された空気と前記燃料とを利用して発電反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池で利用されなかった燃料を燃焼する燃焼部と、
前記蒸発器、前記改質器、前記燃料電池、および前記燃焼部を収容する筐体と、
前記燃焼部における燃焼により生じた排ガスが流通する排ガス経路と、
前記筐体の外部に設けられる断熱部と、を備え、
前記脱硫器は前記筐体の外部、かつ前記排ガス経路外に配置され、前記断熱部は前記脱硫器の少なくとも一部を覆うように配置されている燃料電池システム。
【請求項２】
前記脱硫器の少なくとも一部が前記断熱部と接している、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記筐体内に設けられた、前記燃料電池に供給する空気と前記排ガスとの熱交換により該排ガスを冷却する空気熱交換器を備え、前記脱硫器が前記空気熱交換器と対向する位置に配置されている、請求項１または２に記載の燃料電池システム。