(57)【要約】【課題】本発明は、安価で簡易な構成で脱硫触媒全体を適切な温度と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】  燃料電池システム１００は、原料中の硫黄化合物を除去する脱硫器２と、脱硫器２により硫黄化合物が除去された原料を改質して得られた燃料と、供給された発電用空気とを用いて電気化学反応により発電する燃料電池１と、この燃料電池システムを流通する排気ガスの有する熱を利用して脱硫器２を加熱する脱硫器加熱部３と、排気ガスを脱硫器加熱部３に導くための排気ガス導入経路６と、排気ガス導入経路６を流通する排気ガスの熱を利用して脱硫器２に供給する原料を予熱する予熱部４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】
原料中の硫黄化合物を除去する脱硫器と、
前記脱硫器により硫黄化合物が除去された原料を改質して得られた燃料と、供給された発電用空気とを用いて電気化学反応により発電する燃料電池と、
当該燃料電池システムを流通する排気ガスの有する熱を利用して前記脱硫器を加熱する脱硫器加熱部と、
前記排気ガスを前記脱硫器加熱部に導くための排気ガス導入経路と、
前記排気ガス導入経路を流通する排気ガスの熱を利用して前記脱硫器に供給する原料を予熱する予熱部と、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記原料を前記脱硫器に供給するための原料供給経路を備え、
前記予熱部は、前記排気ガス導入経路内に前記原料供給経路の一部を挿通して形成される請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記排気ガス導入経路の途中に設けられ、前記燃料電池に供給する前記発電用空気を前記排気ガスが有する熱を利用して加熱する空気熱交換器を備え、
前記予熱部は、前記排気ガスの流通方向において前記空気熱交換器よりも下流側となる前記排気ガス導入経路内に挿通した前記原料供給経路部分である請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記予熱部は、前記脱硫器加熱部内に挿通した前記原料供給経路部分である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記原料供給経路は、前記予熱部として、前記脱硫器加熱部内において水平方向に屈曲させた配管形状部分を有する、請求項４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から硫黄成分を除去する脱硫器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】
都市ガスまたはプロパンガスなど炭化水素を含む原料を用いる固体酸化物形燃料電池システムでは、この原料を改質するために、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、原料中には付臭剤または硫黄化合物が含まれており、これ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、硫黄化合物を脱硫触媒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】
ところで、脱硫器中に封入されている脱硫触媒の性能は雰囲気温度によって変化するため、常温よりも高温下で硫黄成分の除去性能が高くなる脱硫触媒を用いる場合は脱硫器を加熱する必要がある。そこで、脱硫器の触媒が適切な温度となるよう制御するため、脱硫器に供給される原料（原燃料）を加熱する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献３）。
【０００６】
特許文献３に係る燃料電池システムは、図７に示す構成を有し、原料の温度制御を行っている。図７は従来技術を示すものであり、脱硫器２３８および燃料改質器２３７周辺の系統図である。
【０００７】
すなわち、特許文献３に係る燃料電池システムでは、原料を改質ガスとの熱交換により予熱する原燃料予熱器２３４と、脱硫器２３８で脱硫された脱硫原料を改質ガスとの熱交換により予熱する脱硫原燃料予熱器２３９とが一体に構成されている。なお、原燃料予熱器２３４および脱硫原燃料予熱器２３９には燃料改質器２３７の改質管２３６から改質ガスが送出されている。
【０００８】
このような構成において、特許文献３に係る燃料電池システムでは、硫黄成分を含む原料が水素と共に原燃料予熱器２３４へ送られ、予熱後に脱硫器２３８へ流入する経路（原燃料供給系２３０）と、原燃料予熱器２３４をバイパスして予熱された原料と混合し脱硫器２３８に流入する経路（バイパス原燃料供給系２３１）とが設けられている。そして、温度検出器２３５による脱硫触媒の温度の検出結果に応じて、制御手段２３３が流量調整弁２３２を制御してバイパス原燃料供給系２３１により流通する原料流量を制御するように構成されている。
【０００９】
このような構成により、特許文献３に係る燃料電池システムでは、脱硫器２３８の脱硫触媒における脱硫反応に適切な所定温度となるように制御することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１１−２１６３０８号公報
【特許文献２】特開２００６−５４１７１号公報
【特許文献３】特開平９−７６１７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３に記載の従来技術の燃料電池システムでは、安価で簡易な構成で脱硫触媒全体を適切な温度とすることができないという問題がある。すなわち、この従来技術の燃料電池システムでは、原料を適切な温度に予熱するために、温度検出器および流量調整弁等を設ける必要があり、複雑な構成となるとともに、製造コストがかかる。
【００１２】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、安価で簡易な構成で脱硫触媒全体を適切な温度と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】
【００１３】
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、原料中の硫黄化合物を除去する脱硫器と、前記脱硫器により硫黄化合物が除去された原料を改質して得られた燃料と、供給された発電用空気とを用いて電気化学反応により発電する燃料電池と、当該燃料電池システムで流通する排気ガスの有する熱を利用して前記脱硫器を加熱する脱硫器加熱部と、前記排気ガスを前記脱硫器加熱部に導くための排気ガス導入経路と、前記排気ガス導入経路を流通する排気ガスの熱を利用して前記脱硫器に供給する原料を予熱する予熱部と、を備える。
【発明の効果】
【００１４】
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、簡素で安価な構造により脱硫触媒および原燃料ガスの温度制御を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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ブロック図である。
【図２】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３】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４】実施例に係る燃料電池システムの構成例を模式的に示す図である。
【図５】実施例に係る燃料電池システムの脱硫器加熱部をその筐体の天面側から見た端面図である。
【図６】実施例に係る燃料電池システムの脱硫器における予熱効果の実験結果を示す表である。
【図７】従来技術を示すものであり、脱硫器よび燃料改質器周辺の系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明では以下に示す態様を提供する。
【００１７】
本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、原料中の硫黄化合物を除去する脱硫器と、前記脱硫器により硫黄化合物が除去された原料を改質して得られた燃料と、供給された発電用空気とを用いて電気化学反応により発電する燃料電池と、当該燃料電池システムで流通する排気ガスの有する熱を利用して前記脱硫器を加熱する脱硫器加熱部と、前記排気ガスを前記脱硫器加熱部に導くための排気ガス導入経路と、前記排気ガス導入経路を流通する排気ガスの熱を利用して前記脱硫器に供給する原料を予熱する予熱部と、を備える。
【００１８】
上記構成によると、排気ガス導入経路を流通する排気ガスの有する熱を利用して脱硫器加熱部により脱硫器を所望の温度に加熱することができる。このため、脱硫器の脱硫触媒の最適な反応温度が常温よりも高温となる場合、この最適な反応温度となるように脱硫触媒を加熱することができる。また、予熱部を備えるため、常温のまま原料が脱硫器に流入することを防ぐことができる。それゆえ、脱硫器において、原料の流入口付近の脱硫触媒の温度が低温となってしまうことを防止することができ、脱硫触媒全体を温度ムラなく適切な温度に加熱することができる。
【００１９】
またこの予熱部は、脱硫器加熱部により脱硫器を加熱するための熱源となる排気ガスを利用して原料を予熱する構成である。このため、脱硫器が加熱される温度と略同様な温度に加熱された原料をこの脱硫器に導くことができる。それゆえ、原料を適切な温度となるように予熱するにあたり、従来技術のように温度検出器および流量調整弁など備える必要がなく、安価で簡易な構成とすることができる。
【００２０】
よって、本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、安価で簡易な構成で脱硫触媒全体を適切な温度とすることができるという効果を奏する。
【００２１】
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の態様に係る燃料電池システムの構成において、前記原料を前記脱硫器に供給するための原料供給経路を備え、前記予熱部は、前記排気ガス導入経路内に前記原料供給経路の一部を挿通して形成されてもよい。
【００２２】
上記した構成によると、原料供給経路の一部を排気ガス導入経路内に挿通するといった簡易な構成により予熱部を形成することができる。
【００２３】
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の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記排気ガス導入経路の途中に設けられ、前記燃料電池に供給する前記発電用空気を前記排気ガスが有する熱を利用して加熱する空気熱交換器を備え、前記予熱部は、前記排気ガスの流通方向において前記空気熱交換器よりも下流側となる前記排気ガス導入経路内に挿通した前記原料供給経路部分であってもよい。
【００２４】
上記構成によると、予熱部が空気熱交換器よりも下流側に設けられているため、空気熱交換器により熱が奪われ、温度調整された排気ガスを利用して原料を加熱することができる。このため、適切な温度に調整された排気ガスにより原料を加熱することができる。
【００２５】
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１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記予熱部は、前記脱硫器加熱部内に挿通した前記原料供給経路部分であってもよい。
【００２６】
上記した構成によると、予熱部は、脱硫器加熱部内に挿通した原料供給経路部分であるため、脱硫器加熱部の熱源となる排気ガスにより原料も加熱することができる。つまり、脱硫器を加熱させる温度と同じ温度で原料を加熱することができる。さらに、予熱部は、原料供給経路部分を脱硫器加熱部内に挿通する構成であるため、予熱部を形成するためのスペースを用意する必要がなく、燃料電池システムの構成が大きくなることを防ぐことができる。
【００２７】
また、本発明に係る第５の態様に係る燃料電池システムは、上記した第４の態様に係る燃料電池システムの構成において、前記原料供給経路は、前記予熱部として、前記脱硫器加熱部内において水平方向に屈曲させた配管形状部分を有していてもよい。
【００２８】
上記構成によると、予熱部は、原料供給経路の一部を屈曲させた部分として形成できるため、特に複雑な加工を必要とせず容易に形成できる。また、予熱部として機能させる原料供給経路は屈曲した配管形状であるため、原料供給経路を流通する原料が脱硫部加熱部内で十分に予熱されるだけの配管長さを設けることができる。
【００２９】
（実施形態）
図１を参照して、実施の形態に係る燃料電池システム１００について説明する。なお、本実施形態では、燃料電池１として固体酸化物形燃料電池を備えた燃料電池システムを例に挙げて説明するが、燃料電池１は固体酸化物形燃料電池に限定されるものではない。図１は、実施の形態に係る燃料電池システム１００の構成の一例を示したブロック図である。
【００３０】
図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１（固体酸化物形燃料電池）と、脱硫器２と、脱硫器加熱部３と、予熱部４と、を備えてなる構成である。また、燃料電池システム１００には、燃料電池１から排出された排気ガスを脱硫器加熱部３に導くための排気ガス導入経路６と、脱硫器加熱部３から排気ガスを外部に排出するための排気ガス排出経路７と、燃料電池１に原料を供給するための原料供給経路８と、発電用空気を供給するための空気経路１０とが設けられている。
【００３１】
燃料電池１は、脱硫器２により硫黄化合物が除去された原料（原燃料）を改質して得られた燃料と、空気経路１０を通じて供給された発電用空気とを用いて電気化学反応により発電するものである。燃料電池システム１００では、原料供給経路８を通じて燃料電池１へと原料を供給できる構成となっている。この原料としては、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。なお、原料から硫黄成分が取り除かれ、改質反応により改質された改質ガスを本明細書では燃料と称する。
【００３２】
燃料電池１は、燃料が供給される燃料極（アノード）および発電用空気が供給される空気極（カソード）を有し、該燃料極と該空気極との間で電気化学反応を行って発電する単セルを複数枚、直列に接続してセルスタックを形成してもよい。また、燃料電池１は、直列接続したセルスタックをさらに並列に接続させた構成としてもよい。あるいは、２層の電極（アノードおよびカソード）を含むセルが円筒型に構成され、この円筒型セルの内側に発電用空気を、外側に燃料をそれぞれ供給する構成としてもよい。
【００３３】
燃料電池１を構成する単セルとしては、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単セルを用いることができる。例えば、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。
【００３４】
なお、本実施形態に係る燃料電池システム１００は、燃料電池１で未利用の燃料と発電用空気とを燃焼させて燃焼排ガスを生成する燃焼部を備え、この燃焼排ガスを排気ガスとして排気ガス導入経路６を通じて脱硫器加熱部３に導く構成であってもよい。あるいは、燃料電池１が平板型燃料電池である場合は、カソードから排出された、カソードオフガスを排気ガスとして排気ガス導入経路６を通じて脱硫器加熱部３に導く構成であってもよい。なお、このカソードオフガスは、燃料電池１の高温な動作温度によって加熱されており、脱硫器加熱部３における熱源として機能するだけの十分な熱量を有している。
【００３５】
また、図１では特に図示していないが、原料供給経路８において脱硫器２と燃料電池１との間に不図示の改質器を備え、脱硫器２により硫黄化合物が除去された原料を、この改質器が改質するように構成されていてもよい。あるいは固体酸化物形燃料電池は動作温度が約６００から９００℃と高温であるため、燃料極の主成分であるニッケルの触媒作用によって燃料電池１内で水蒸気改質（内部改質）を行う構成としてもよい。
【００３６】
脱硫器２は、水素を利用して、原料中の硫黄化合物を除去するものである。つまり、脱硫器２は、いわゆる水添脱硫方式により原料に含まれる硫黄成分を除去する水添脱硫器である。脱硫器２に原料供給経路８が接続されており、この原料供給経路８を流通して外部から供給された原料が脱硫器２内に流入する。また、図１では特に図示していないが、脱硫器２に流入する原料には水素が含まれている。この原料に含まれる水素は、外部から供給された水素であってもよいし、例えば、改質器において改質され、生成された改質ガスの一部であってもよい。あるいは、燃料電池１が平板型燃料電池である場合は、アノードから排出されたアノードオフガスの一部であってもよい。
【００３７】
また、脱硫器２には脱硫触媒が充填されており、この脱硫触媒としては、例えば、銅および亜鉛を含む脱硫触媒が挙げられる。なお、脱硫触媒は、水添脱硫を行うことができればこの脱硫触媒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触媒の場合、脱硫器２は３５０〜４００℃の温度範囲にて、燃料ガス中の有機硫黄を水添分解する。そして、脱硫器２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。
【００３８】
例えば、原料が都市ガスの場合、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、脱硫器２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触媒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。
【００３９】
充填する脱硫触媒が銅および亜鉛を含む場合、脱硫器２は、１０〜４００℃程度、好ましくは２５０〜３００℃程度の温度範囲で脱硫を行う。この銅亜鉛系脱硫触媒は、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、脱硫後の燃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。
【００４０】
このように、脱硫器２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触媒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、上述した脱硫触媒を用いる場合、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触媒の量を低減させることができる。
【００４１】
また、燃料電池システム１００の長時間の運転の後、脱硫器２の脱硫触媒が劣化した際には、この燃料電池システム１００の性能が低下する。そこで、脱硫器２を、燃料電池システム１００において着脱可能に設け、脱硫触媒が劣化した脱硫器２を新しい脱硫器と交換できる構成としてもよい。
【００４２】
以上のようにして脱硫器２によって脱硫された原料は、内部改質により改質される場合は燃料電池１へ、改質器により改質される場合はこの改質器へと供給される。なお、改質器は、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。
【００４３】
脱硫器加熱部３は、燃料電池１から排出された排気ガスの有する熱を利用して脱硫器２を加熱するものである。具体的には、燃料電池１から排出された排気ガスは、排気ガス導入経路６を通じて脱硫器加熱部３に導かれ、この内部を流通することで、排気ガスが有する熱の一部を脱硫器２に与え、所望の温度まで昇温させる。すなわち、脱硫器加熱部３の内部には、排気ガスが流通するための流通経路が形成されており、排気ガスはこの流通経路を流通したのち、排気ガス排出経路７を通じて外部へと排出される。
【００４４】
また、上述した脱硫器２および脱硫器加熱部３は、脱硫器加熱部３の上に脱硫器２が配置され、互いに１面以上で面接触している。また、脱硫器２および脱硫器加熱部３の外装（筐体）はステンレスなどの金属より構成されている。そして、排気ガスが脱硫器加熱部３の内部に形成された流通経路を流通すると、排気ガスが有する熱は、この接触面を通じて脱硫器加熱部３から脱硫器２へと伝熱する。これによって、脱硫器２の内部の脱硫触媒の温度が適切な温度に維持されることになる。
【００４５】
予熱部４は、排気ガス導入経路６を通じて脱硫器加熱部３に導かれる排気ガスの有する熱を利用して、脱硫器２に供給する原料を予熱するものである。このように、本実施形態に係る燃料電池システム１００では、脱硫器２に原料を供給する前に、この原料を予熱することができる構成である。また、原料は、脱硫器加熱部３に流入させる排気ガスにより予熱されるため、予熱された原料の温度と、排気ガスが有する熱を利用して脱硫器加熱部３により加熱された脱硫器２の温度とはほぼ同様となる。このため、原料の温度が脱硫器２において所望される動作温度よりも小さいために、脱硫器２における原料流入口付近では脱硫触媒の触媒作用が小さく十分に硫黄成分を除去することができないといった事態が生じることを防ぐことができる。
【００４６】
また、図２および図３に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１００は、さらに空気熱交換器５を備える。図２および図３は実施の形態に係る燃料電池システム１００の構成の一例を示した模式図である。図２および図３ではさらに空気熱交換器５を備えた燃料電池システム１００の構成が示されている。
【００４７】
空気熱交換器５は、燃料電池１から排出された排気ガスが有する熱を利用して、燃料電池１に供給する発電用空気を加熱（予熱）するものである。すなわち、空気熱交換器５は、外部から供給された発電用空気を、排気ガスとの熱交換により所定温度まで加熱する。例えば、空気熱交換器５を流通した後の発電用空気は、排気ガスとの熱交換により４００〜８００℃まで加熱される。そして、この加熱された発電用空気が燃料電池１へと供給される。このように、空気熱交換器５をさらに備える構成の場合、燃料電池システム１００では、空気熱交換器５により発電用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気ガスが、脱硫器加熱部３に導かれる。このため、燃料電池システム１００では、空気熱交換器５によって４００〜８００℃と高温の排気ガスを、脱硫器２を加熱するのに適切な温度まで低下させて脱硫器加熱部３に導くことができる。
【００４８】
ここで、上記した図２および図３を参照して、予熱部４の構成とこの予熱部４が設けられる位置について説明する。予熱部４は、図２に示すように、空気熱交換器５よりも後段側となる排気ガス導入経路６内に挿通した原料供給経路８部分であってもよい。すなわち、図２に示すように、空気熱交換器５によって、保有する熱の一部が利用された排気ガスが流通している排気ガス導入経路６内に、原料供給経路８の一部を挿通させるようにして予熱部４を構成する。そして、原料供給経路８を流通する原料は、この予熱部４で、排気ガス導入経路６を流通する排気ガスの熱により加熱され、脱硫器２に供給される。
【００４９】
あるいは、予熱部４は、図３に示すように、脱硫器加熱部３内に挿通した原料供給経路８部分であってもよい。すなわち、図３に示すように、空気熱交換器５によって、保有する熱の一部が利用された排気ガスが流通している脱硫器加熱部３内に、原料供給経路８の一部を挿通させるようにして予熱部４を構成する。そして、原料供給経路８を流通する原料は、この予熱部４で、脱硫器加熱部３内に導かれた排気ガスの熱により加熱され、脱硫器２に供給される。
【００５０】
図３に示す構成では、脱硫器加熱部３内に予熱部４を形成するため、予熱部４を形成するためのスペースを別途、用意する必要がなく燃料電池システム１００の設置に必要なスペースがさらに大きくなることを防ぐことができる。
【００５１】
ところで、図１から図３では特に図示していないが、壁面に断熱部３１を配した筐体３０内（後述の図４参照）に上記した燃料電池１を収容し、脱硫器２と脱硫器加熱部３とを断熱部３１（後述の図４参照）中に設けた構成とすることができる。このように構成した場合、燃料電池１と脱硫器２と脱硫器加熱部３とをそれぞれ同一の筐体３０内に収容することができるため、放熱により排気ガスの熱利用の効率が低下することを防ぐことができる。以下、筐体３０内に上記した燃料電池１を収容し、脱硫器２と脱硫器加熱部３とを断熱部３１中に設けた構成を有する燃料電池システム１００の実施例について図４を参照して説明する。
【００５２】
（実施例）
具体的には本実施形態に係る燃料電池システム１００を図４に示す実施例のように構成することができる。図４は、実施例に係る燃料電池システム１００の構成例を模式的に示す図である。なお、図４では、燃料電池１において未利用の燃料と未利用の空気とを燃焼して生成した燃料排ガスを排気ガスとして用い、予熱部４が脱硫器加熱部３内に設けられた構成を例に挙げて説明するものとする。
【００５３】
図４に示す例では、燃料電池システム１００は、上記した燃料電池１、脱硫器２、脱硫器加熱部３、予熱部４、および空気熱交換器５に加えて、補助空気熱交換器１１、改質器１４、蒸発器１５、燃焼部１６、減圧部１７、および昇圧部３３をさらに備え、燃料電池１、改質器１４、蒸発器１５を断熱部３１に囲まれて形成された空間内に配置し、脱硫器２、脱硫器加熱部３、空気熱交換器５、および補助空気熱交換器１１を断熱部３１内に配置した構成となっている。
【００５４】
実施例に示す燃料電池システム１００では、昇圧部３３によって昇圧された原料が原料供給経路８を通じて供給される。この供給される原料には、水添脱硫反応のために必要な、水素ガスを約７０％（原料に対して約１０％）含有する改質ガスが混合されている。必要な流量の水素を含む原料は筐体３０内に導かれる。
【００５５】
ここで、原料がそのまま昇圧部３３から脱硫器２に供給された場合、脱硫器２に流入する原料は常温（約２０℃）となってしまう。このため、この場合の原料の温度は、例えば、銅および亜鉛を含む脱硫触媒の最適な反応温度（約２５０℃〜３００℃）よりもかなり低い温度となる。この低い温度のまま原料が脱硫器２に流入すると流入口付近では、脱硫触媒の最適な反応温度に達せず、十分な脱硫を行うことができない。
【００５６】
そこで、実施例に係る燃料電池システム１００では、原料を脱硫器２に流入させる前に、脱硫触媒を最適な反応温度とするために脱硫器２の下部に設けられた脱硫器加熱部３内を通過させ、予熱するように構成されている。すなわち、脱硫器加熱部３内には脱硫器２を加熱するための熱源として、約３００℃前後の排気ガスが流通しており、この排気ガスが流通する流通経路中に原料供給経路８の一部を挿通させて原料を予熱する。このように、脱硫器加熱部３内に原料を予熱するための予熱部４を形成している。
【００５７】
この予熱部４は、本実施例では例えば、図５に示すように形成することができる。図５は実施例に係る燃料電池システム１００の脱硫器加熱部３をその筐体の天面側から見た端面図である。
【００５８】
図５に示すように、脱硫器加熱部３は、直方体形状をした筐体内に排気ガスを流通させるための流通経路５０が形成された構成をしている。排気ガス流入口５１から脱硫器加熱部３内に流入した排気ガスは、脱硫器加熱部３の筐体内で屈曲するように設けられた流通経路５０を流通し排気ガス流出口５２から排出されるようになっている。また、この流通経路５０内には、原料供給経路８の一部であってＵ字型に形成された配管が予熱部４として挿通されている。このＵ字型に形成された配管（予熱部４）は、例えば、全長が２００ｍｍ程度のステンレス製の管を採用することができるが、この配管の長さおよび素材はこれに限定されるものではない。配管の長さは、脱硫器加熱部３の筐体寸法と、原料供給経路８を流通する原料の流量とを考慮し、適宜、設定される。
【００５９】
このように脱硫器加熱部３内の流通経路５０に予熱部４が設けられた構成となるため、原料供給経路８を流通する原料を、このＵ字型の配管（予熱部４）で脱硫器加熱部３内を流通する約３００℃の排気ガスの熱により約２５０℃程度まで予熱することができる。このように、原料が脱硫器２とほぼ同じ温度になるように予熱されてから脱硫器２に流入するため、前述したような、脱硫器２の流入口付近の触媒温度が低くなり、触媒反応が十分機能しないという問題を防ぐことができる。
【００６０】
また、この予熱部４として機能させるＵ字型の配管は、脱硫器加熱部３内において二箇所で溶接固定するだけで設置可能であり、安価に製造することができる。また、脱硫器加熱部３の筐体内部に配管を収納する構成であるため、この配管を収容するための新たなスペースを確保する必要がなく簡易な構造とすることができる。
【００６１】
また、原料を適切な温度まで昇温させるように予熱部４で予熱するにあたり、例えば電動弁等を使用する必要がないためこのような弁の制御設計が不要となり、消費電力も抑制できる。さらに、原料を予熱するために使用している熱源は燃料電池１から排出された排気ガスのため、原料を予熱するにあたり熱源が新たに必要となることはない。
【００６２】
このように、予熱された原料が脱硫器２に流入すると、脱硫器２では、原料が脱硫触媒内を通過している間に、水素を利用して水添脱硫反応によりこの原料中に含まれた硫黄成分を除去する。
【００６３】
なお、脱硫器２は周囲を断熱部３１により覆われているため、可能な限り放熱、熱移動がないように構成される。このため、脱硫器加熱部３により加熱された脱硫触媒の温度は、脱硫反応に適切な温度範囲（約２５０〜３００℃）に安定させることができる。脱硫後の原料は脱硫器２から改質器１４の前段に設けられた蒸発器１５に導かれる。
【００６４】
ここで、改質器１４による改質処理について説明する。本実施例では、燃料電池システム１００が備える改質器１４を以下のように構成することができる。すなわち、改質器１４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。
【００６５】
例えば、改質器１４の前段に蒸発器１５を設け、脱硫器２で脱硫された原料に改質水経路（不図示）を通じて供給された水（改質水）を混合させ改質器１４に供給する構成とする。ここで、蒸発器１５は、改質器１４にて水蒸気改質反応を行うために設置したものであり、燃焼部１６から排出された排気ガスの熱及び燃焼部１６からの輻射熱を利用して、改質水経路から供給された水（改質水）を気化させ、脱硫器２から供給された脱硫後の原料と混合させる。そして、蒸発器１５は、混合後の原料を改質器１４へと導入する。
【００６６】
なお、改質器１４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。
【００６７】
ところで、燃料電池システム１００の起動時では、改質器１４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１００の起動時は、改質水経路から蒸発器１５に水を供給させずに、改質空気経路（不図示）を通じて改質器１４に改質用空気を導入し、この改質用空気を利用して、改質器１４は以下の式（３）で表される部分酸化改質反応を行い、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、改質ガス経路９を通じて燃料電池１に供給し、発電用空気と合わせて発電を行う。
【００６８】
また、燃料電池システム１００が起動して発電が進むにつれ、改質器１４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、排気ガスにより、改質器１４の温度が上昇させられる。そして、改質器１４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、燃料電池１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。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料電池１から排出された排気ガスが保有する熱等を利用し、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１４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気ガスの有する熱等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】
また、図４に示す燃料電池システム１００の構成において、改質器１４から燃料電池１へ向かう改質ガス経路９の途中（分岐部）で分岐させ、改質器１４で生成された改質ガスの一部を原料供給経路８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、脱硫器２へと供給される原料に水素を添加することが可能となり、脱硫器２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。
【００７０】
図４に示す燃料電池システム１００の構成では、リサイクル経路１９の途中に減圧部１７が設けられている。減圧部１７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またはオリフィスなどにより実現できる。すなわち、減圧部１７は、キャピラリチューブまたはオリフィス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。減圧部１７の位置は、図４では筐体３０の外部に配置されているが、筐体３０の内部であってもよい。筐体３０の外部に配置された場合、高温な排気ガス等に直接さらされることを防ぐことができるという利点がある。一方、減圧部１７が筐体３０内に配置されている場合は、筐体３０内は高温であるため減圧部１７において水分が凝縮しにくいという利点がある。
【００７１】
また、このリサイクル経路１９の途中に凝縮器（不図示）を設けた構成としてもよい。凝縮器を備える構成の場合、リサイクル経路１９を流通する改質ガスが低温化したとき、この凝縮器により水分を回収することができる。このため、結露水による経路内の水つまりや、昇圧部３３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。この凝縮器は、冷却源として原燃料ガス、空気、あるいは水のいずれかを利用した、二重管型の熱交換器を用いることができる。凝縮器により生成された凝縮水は外部へ放出されてもよいし燃料電池システム１００の例えば、改質水などに再利用される構成であってもよい。
【００７２】
また、実施例に係る燃料電池システム１００では、燃料電池１に供給される発電用空気が２つの熱交換器（空気熱交換器５および補助空気熱交換器１１）によって予熱されるように構成されている。具体的には、外部から供給された発電用空気は、図４に示すように、脱硫器加熱部３を通過した後の排気ガスと補助空気熱交換器１１により熱交換され、予熱される。さらに、補助空気熱交換器１１により予熱された発電用空気は、燃焼部１６で燃焼され生成された排気ガスと空気熱交換器５により熱交換され、燃料電池１の動作温度程度まで昇温され、燃料電池１に供給される。なお、補助空気熱交換器１１における発電用空気との熱交換で熱が奪われた排気ガスは外部に放出される。
【００７３】
（排気ガスの流れ、排気ガスの温度調整、ならびに脱硫器の昇温）
図５に示す燃料電池システム１００の構成を例に挙げて、排気ガスの流れ、排気ガスの温度調整、ならびに脱硫器の昇温について説明する。具体的には、以下のように排気ガスを流通させて脱硫器２の加熱を行う。なお、図５に示す燃料電池システム１００の場合、脱硫器２の加熱に利用する排気ガスは、燃焼部１６で未利用の燃料と空気とを燃焼させて生成した燃焼排ガスとなる。
【００７４】
燃焼部１６で生成した排気ガス（燃焼排ガス）の流量およびその温度については、燃料電池１における燃料及び発電用空気の燃料利用率（発電時に、燃料として燃料電池１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。図５に示した燃料電池システム１００では、例えば、燃焼部１６の温度範囲が約６００〜９００℃になるように、燃料電池１における燃料および発電用空気の燃料利用率を設定する。
【００７５】
このように所望の温度範囲となるように設定された燃焼部１６で、未利用の燃料と発電用空気とを燃焼して生成された排気ガスは、まず、改質器１４および蒸発器１５を加熱する。これにより排気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気ガスが空気熱交換器５に流入し、この空気熱交換器５による発電用空気と排気ガスとの熱交換によって、排気ガスが有する熱がさらに奪われ、脱硫器２を加熱するのに適切な温度まで低下させられる。このように温度がさらに低下させられた排気ガスは、排気ガス導入経路６を流通して脱硫器加熱部３へ供給される。
【００７６】
すなわち、燃焼部１６で生成された排気ガスの温度は、例えば約６００℃〜９００℃と高温である。しかし、この排気ガスによって改質器１４および蒸発器１５を加熱し、更に、空気熱交換器５によって発電用空気との熱交換を行うと、排気ガス導入経路６に到達するまでに排気ガスの温度は低下する。
【００７７】
以上のように、排気ガス導入経路６を流通し、脱硫器加熱部３に流入する際の排気ガスの温度は、燃焼部１６で生成された排気ガスの流量と温度、改質器１４および蒸発器１５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。
【００７８】
このように、排気ガス導入経路６に脱硫器加熱部３を設置することにより、脱硫器２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。同時に脱硫器２に供給する原料の温度もこの所望の温度まで予熱することができる。
【００７９】
また、少なくとも脱硫器２、脱硫器加熱部３、および排気ガス導入経路６を可能な限り断熱部３１に覆われるように設置する。このようにすれば、これらの部材からの放熱を防ぐとともに、これらの部材が筐体３０内の高温な熱に直接、曝されることを防ぐことができる。特に、脱硫器２および脱硫器加熱部３は、断熱部３１によって覆われる構成であるため、脱硫器２および脱硫器加熱部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。これによって、脱硫器２における脱硫触媒の温度制御を容易とすることができる。
【００８０】
（実験例）
最後に、上記した図４に示す実施例の燃料電池システム１００の構成において、予熱部４を設けた構成と予熱部４を設けなかった構成とにおける脱硫器２の温度について比較実験を行ったところ図６に示す結果を得た。図６は、実施例に係る燃料電池システム１００の脱硫器２における予熱効果の実験結果を示す表である。
【００８１】
図６に示すように、予熱部４を設けた燃料電池システムの構成（予熱部有）の場合、脱硫器２における原料の流入口では、２５６℃であったのに対して、予熱部４を設けなかった燃料電池システムの構成（予熱部無）の場合は１８５℃しかなく、脱硫触媒が有効に作用できない温度となっている。
【００８２】
また予熱部４を設けた燃料電池システムの構成の場合、脱硫器２における原料の流出口の温度が２４５℃、脱硫器２の上面における最低温度が２５２℃、最高温度が２５６℃となっている。さらに脱硫器２全体における平均温度は２５４℃であり、脱硫器２における温度分布のムラが小さい。
【００８３】
これに対して、予熱部４を設けなかった燃料電池システムの構成の場合、脱硫器２における原料の流出口の温度が２５３℃、脱硫器２の上面における最低温度が２３１℃、最高温度が２６０℃となっている。さらに脱硫器２全体における平均温度は２５５℃であり、脱硫器２における温度分布のムラが、明らかに予熱部４を設けた構成よりも大きくなっていることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明は、炭化水素系の原料を水素リッチなガスへ改質する改質器の前段に設けられ、原料に含まれる硫黄分を脱硫する脱硫器の温度を最適化する必要のある燃料電池システムに有用である。
【符号の説明】
【００８５】
１    燃料電池
２    脱硫器
３    脱硫器加熱部
４    予熱部
５    空気熱交換器
６    排気ガス導入経路
７    排気ガス排出経路
８    原料供給経路
９    改質ガス経路
１０  空気経路
１１  補助空気熱交換器
１４  改質器
１５  蒸発器
１６  燃焼部
１７  減圧部
１９  リサイクル経路
３０  筐体
３１  断熱部
３３  昇圧部
５０  流通経路
５１  排気ガス流入口
５２  排気ガス流出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
2015133201.tif 000006
【図６】
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【図７】
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【図４】
2015133201.tif 000009