(57)【要約】【課題】従来に比べ、原料ガスの水添脱硫を開始できるまでの時間を短縮化し得るとともに、起動時に用いる吸着脱硫装置の脱硫剤を削減し得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、原料ガスを用いて改質ガスを生成する改質器８と、改質ガスを用いて発電をする燃料電池１０と、原料ガス中の硫黄化合物を水添脱硫により除去する水添脱硫装置６と、改質ガスの一部を、水添脱硫装置６に送るためのリサイクル経路９と、上記硫黄化合物を吸着脱硫により除去する吸着脱硫装置４と、吸着脱硫装置４の上流の原料ガス経路１の部分と吸着脱硫装置４及び水添脱硫装置６間の原料ガス経路１の部分との間を連通する分岐経路２と、分岐経路２により原料ガスが吸着脱硫装置４を流通するか流通しないかを切替える切替器３と、水添脱硫装置６を加熱する加熱器７とを備え、加熱器７は、水添脱硫装置６の加熱においてオン及びオフの切替が可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスを用いて改質ガスを生成する改質器と、前記改質器からの改質ガスを用いて発電をする燃料電池と、前記原料ガス中の硫黄化合物を水添脱硫により除去する水添脱硫装置と、前記改質ガスの一部をリサイクルガスとして、前記水添脱硫装置に送るためのリサイクル経路と、前記原料ガス中の硫黄化合物を吸着脱硫により除去する吸着脱硫装置と、前記吸着脱硫装置の上流の原料ガス経路の部分と前記吸着脱硫装置及び前記水添脱硫装置間の前記原料ガス経路の部分との間を連通する分岐経路と、前記分岐経路により前記原料ガスが前記吸着脱硫装置を流通するか流通しないかを切替える切替器と、前記水添脱硫装置を加熱する加熱器とを備え、前記加熱器は、前記水添脱硫装置の加熱においてオン及びオフの切替が可能である燃料電池システム。
【請求項２】
前記水添脱硫装置内の水添脱硫剤の温度を検出する温度検出器を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記水添脱硫装置は第１の水添脱硫部と第２の水添脱硫部とで構成され、前記加熱器は、前記第１の水添脱硫部を加熱する第１の加熱部と前記第２の水添脱硫部を加熱する第２の加熱部とで構成されており、
前記第１の加熱部がオンとなるときには、前記第２の加熱部がオフとなり、前記第２の加熱部がオンとなるときには、前記第１の加熱部がオフとなる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１の水添脱硫部及び前記第２の水添脱硫部内の水添脱硫剤の温度を検出する温度検出器を備える請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池で未利用の燃料を燃焼する燃焼部と、前記水添脱硫装置と前記燃焼部からの排ガスとが熱交換する熱交換器とを備える請求項１−４のいずれか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する。
【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、原料ガスの改質反応が行われている。この改質反応を促進するために改質触媒を用いるが、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、硫黄化合物によって改質触媒が劣化する恐れがある。そこで、改質触媒の劣化を抑制するために、原料ガス中の硫黄化合物を除去する脱硫装置が利用されている。
【０００３】
このような脱硫装置としては、吸着脱硫装置と水添脱硫装置の２つの方式の脱硫装置が用いられる。
【０００４】
吸着脱硫装置は、例えば、特許文献１に示されているように、脱硫剤を充填した充填層内に原料ガスを通過させて、原料ガス中の硫黄化合物を吸着して除去する装置である。吸着脱硫装置は、常温での使用が可能であるため、取り扱いが簡便であるという長所がある。
【０００５】
一方、水添脱硫装置は、例えば、特許文献２に示されているように、原料ガスに水素を添加して、約１５０℃−４００℃の水添脱硫剤に原料ガスを通過させて、原料ガス中の硫黄化合物を水添反応により除去する装置である。水添脱硫装置は、硫黄化合物を吸着されやすい硫化水素に転化して、この硫化水素を吸着剤に吸着し除去するもので、吸着容量が大きいという長所がある。
【０００６】
また、特許文献３では、改質装置の立ち上げ時は、吸着脱硫装置を用いて原料ガスを脱硫し、水添脱硫装置が所望の温度に到達すれば、原料ガスが吸着脱硫装置をバイパスするようにして、水添脱硫装置を用いて原料ガスを脱硫する構成が提案されている。なお、このとき、原料ガスが燃料電池に供給する改質ガスとの熱交換で昇温し、水添脱硫装置を通過するので、水添脱硫装置の温度が上昇する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２０４８９
【特許文献２】特開２０１１−２１６３０８
【特許文献３】特開平１―２７５６９７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来例は、燃料電池システムにおいて、水添脱硫装置での原料ガスの水添脱硫を開始できるまでの時間の短縮化、及び起動時に用いる吸着脱硫装置の脱硫剤削減について十分に検討されていない。
【０００９】
本発明の一態様（aspect）は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来に比べ、水添脱硫装置での原料ガスの水添脱硫を開始できるまでの時間を短縮化し得るとともに、起動時に用いる吸着脱硫装置の脱硫剤を削減し得る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】
【００１０】
本発明の一態様の燃料電池システムは、上記した課題を解決するために、原料ガスを用いて改質ガスを生成する改質器と、前記改質器からの改質ガスを用いて発電をする燃料電池と、前記原料ガス中の硫黄化合物を水添脱硫により除去する水添脱硫装置と、前記改質ガスの一部をリサイクルガスとして、前記水添脱硫装置に送るためのリサイクル経路と、前記原料ガス中の硫黄化合物を吸着脱硫により除去する吸着脱硫装置と、前記吸着脱硫装置の上流の原料ガス経路の部分と前記吸着脱硫装置及び前記水添脱硫装置間の前記原料ガス経路の部分との間を連通する分岐経路と、前記分岐経路により前記原料ガスが前記吸着脱硫装置を流通するか流通しないかを切替える切替器と、前記水添脱硫装置を加熱する加熱器とを備え、前記加熱器は、前記水添脱硫装置の加熱においてオン及びオフの切替が可能である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一態様の燃料電池システムは、以上に説明したように構成され、従来に比べ、水添脱硫装置での原料ガスの水添脱硫を開始するまでの時間を短縮化し得るとともに、起動時に用いる吸着脱硫装置の脱硫剤を削減し得るという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、実施形態１の燃料電池システムの一例を示した図である。
【図２】図２は、実施形態２の燃料電池システムの一例を示した図である。
【図３】図３は、実施形態３の燃料電池システムの一例を示した図である。
【図４】図４は、実施形態４の燃料電池システムの一例を示した図である。
【図５】図５は、実施形態５の燃料電池システムの一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（実施形態１）
発明者らは、燃料電池システムにおいて、水添脱硫装置での原料ガスの水添脱硫を開始するまでの時間の短縮化及び起動時に用いる吸着脱硫装置の脱硫剤の削減の点で従来例の問題を鋭意検討し、以下の知見を得た。
【００１４】
特許文献１の吸着脱硫装置では、硫黄化合物の吸着容量が大きくない。このため、硫黄化合物を大量に含む原料ガスを脱硫する場合、脱硫剤の頻繁な交換が必要となる。
【００１５】
特許文献２の水添脱硫装置では、水添脱硫装置が適温に上昇するまで脱硫が十分に行えない。
【００１６】
特許文献３の改質装置では、吸着脱硫装置と水添脱硫装置とを併用する場合において、原料ガスと改質ガスとの熱交換を用いて、水添脱硫装置を適温にまで上昇するように構成しているが、かかる構成では、水添脱硫装置の昇温に時間がかかる。結果として、吸着脱硫装置での脱硫時間が長くなり、吸着脱硫装置の脱硫剤の容量が大きくなる。よって、燃料電池システムが大型化する。
【００１７】
そこで、実施形態１の燃料電池システムは、原料ガスを用いて改質ガスを生成する改質器と、改質器からの改質ガスを用いて発電をする燃料電池と、原料ガス中の硫黄化合物を水添脱硫により除去する水添脱硫装置と、改質ガスの一部をリサイクルガスとして、水添脱硫装置に送るためのリサイクル経路と、原料ガス中の硫黄化合物を吸着脱硫により除去する吸着脱硫装置と、吸着脱硫装置の上流の原料ガス経路の部分と吸着脱硫装置及び水添脱硫装置間の原料ガス経路の部分との間を連通する分岐経路と、分岐経路により原料ガスが前記吸着脱硫装置を流通するか流通しないかを切替える切替器と、水添脱硫装置の加熱においてオン及びオフの切替が可能な加熱器と、を備える。
【００１８】
上記した構成によると、従来に比べ、水添脱硫装置での原料ガスの水添脱硫を開始できるまでの時間を短縮化し得るとともに、起動時に用いる吸着脱硫装置の脱硫剤を削減し得る。
【００１９】
以下、実施形態１について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、重複する説明については省略する。
【００２０】
［装置構成］
図１は、実施形態１の燃料電池システムの一例を示した図である。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、原料ガス経路１と、分岐経路２と、切替器３と、吸着脱硫装置４と、水添脱硫装置６と、加熱器７と、改質器８と、リサイクル経路９と、燃料電池１０と、を備える。
【００２２】
改質器８は、原料ガスを用いて改質ガスを生成する。具体的には、改質器８において、原料ガスが改質反応して、水素含有の改質ガスが生成される。改質反応は、いずれの形態であってもよく、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応等が挙げられる。但し、燃料電池システム１００の高効率な動作を実現するには、部分酸化反応だけでなく、水蒸気改質反応も行える仕様にしておくとよい。改質反応が水蒸気改質反応であれば、水蒸気を生成する蒸発器、及び蒸発器に水を供給する水供給器等を設けるよい。また、水蒸気改質反応は部分酸化改質反応よりも、同量の原料ガスから生成できる水素量がより多くなるため、効率に優れるが、吸熱反応であるため、熱量を補う必要がある。そこで、かかる熱量として、燃料電池１０が動作する際に発生する輻射熱などを利用するとよい。なお、原料ガスは、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含むガスである。
【００２３】
改質器８の改質触媒としては、例えば、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）の球体表面にＮｉを含浸し、担持した触媒や、Ａｌ２Ｏ３の球体表面にルテニウムを付与した触媒等を用いることができる。
【００２４】
なお、改質器８で生成された改質ガスは、改質ガス供給経路を介して燃料電池１０に供給される。
【００２５】
燃料電池１０は、改質器８からの改質ガスを用いて発電する。具体的には、改質器８からの改質ガスと外部からの空気とを利用して燃料電池１０が発電反応により発電する。燃料電池１０としては、いずれの種類であっても良く、高分子電解質形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、及び燐酸形燃料電池等が例示される。燃料電池が、固体酸化物形燃料電池及び溶融炭酸塩形燃料電池の場合は、高温（例えば、６００℃以上）で発電が行われるので、改質器と燃料電池とが１つの筐体（ホットモジュール）内に内蔵されるように構成してもよい。つまり、燃料電池の電極での原料ガスの内部改質のみで燃料電池が発電することも可能であるが、燃料電池の耐久性を鑑みれば改質器を設置した方がよい。そこで、以下、燃料電池１０として固体酸化物形燃料電池を用い、筐体内に改質器８を設置した構成について説明する。
【００２６】
水添脱硫装置６は、原料ガス中の硫黄化合物を水添脱硫により除去する。水添脱硫剤として、例えば、銅及び亜鉛を含む水添触媒を用いることができる。水添脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、Ni-Mo系又はCo-Mo系触媒と酸化亜鉛系触媒との組み合わせた触媒でもよい。水添脱硫剤が銅及び亜鉛を含む場合、水添脱硫装置６は約１５０℃−３５０℃が適温の動作範囲となる。
【００２７】
吸着脱硫装置４は、原料ガス中の硫黄化合物を吸着脱硫により除去する。吸着脱硫装置４は、原料中の硫黄化合物を常温で除去可能である。吸着脱硫剤として、例えば、特許文献１に記載の吸着剤を用いることができる。
【００２８】
リサイクル経路９は、改質ガスの一部をリサイクルガスとして水添脱硫装置６に送るための流路である。リサイクル経路９の上流端は、改質器８より送出された改質ガスが流れる流路であれば、いずれの箇所に接続されていても構わない。本実施形態では、リサイクル経路９は、改質器８と燃料電池１０との間の改質ガス供給経路から分岐し、水添脱硫装置６よりも上流の原料ガス経路１に合流する。これにより、原料ガス経路１を流れて水添脱硫装置６へと向かう原料ガスに水素を添加でき、その結果、水添脱硫装置６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。なお、原料ガス経路１は、改質器８に供給される原料ガスが流れる流路である。
【００２９】
分岐経路２は、吸着脱硫装置４の上流の原料ガス経路１の部分と吸着脱硫装置４及び水添脱硫装置６間の原料ガス経路１の部分との間を連通する。
【００３０】
なお、以下、図１に示すように、吸着脱硫装置４を原料ガス経路１上に配置している場合について説明するが、これに限らない。このような吸着脱硫装置４を、原料ガス経路１に代えて、分岐経路２上に配置しても構わない。
【００３１】
切替器３は、分岐経路２により原料ガスが吸着脱硫装置４を流通するか流通しないかを切替える。切替器３は、分岐経路２により原料ガスが吸着脱硫装置４を流通するか流通しないかを切替えることができれば、どのような構成であっても構わない。切替器３は、例えば、複数の開閉弁の組合せであってもいいし、三方弁であってもいい。
【００３２】
かかる構成により、水添脱硫装置６が、使用可能な適温（例えば、１５０℃以上、４００℃以下、好ましくは、２００℃以上、４００℃以下）になるまでの間、切替器３の切替動作によって原料ガスを吸着脱硫装置４に流通させ、吸着脱硫装置４を補助的に使用する。これにより、吸着脱硫装置４を用いて、原料ガス中の硫黄化合物を除去できる。
【００３３】
また、水添脱硫装置６が、上記の適温に到達した場合、吸着脱硫装置４を使用する必要がないため、切替器３の切替動作によって原料ガスを分岐経路２に流通させる。これにより、水添脱硫装置６を用いて、原料ガス中の硫黄化合物を除去できる。
【００３４】
ところで、例えば、原料ガスとして都市ガスを水添脱硫する場合、付臭剤として数ppmの硫黄成分が含まれている。この都市ガスの体積流量に対して、１％程度以上の水素を添加し、上記の適温に昇温された水添脱硫装置６に都市ガスと通すと、水添脱硫装置６を通過した原料ガス中の硫黄化合物の含有量は、通常は、0.1vol ppb以下となる。
【００３５】
一方、原料ガス中の硫黄化合物を吸着脱硫装置４のみで除去する場合、数ppbオーダの硫黄化合物が原料ガス中に残留する可能性がある。硫黄化合物は改質器８の改質触媒だけでなく、燃料電池１０の劣化要因にもなる。よって、原料ガスから硫黄化合物を高効率に取り除く方がよい。以上により、原料ガスから硫黄化合物を高効率に除去するには、水添脱硫装置６の温度を、できる限り早く上記の適温にする方がよい。
【００３６】
そこで、本実施形態では、加熱器７が、水添脱硫装置６を加熱する。そして、加熱器７は、水添脱硫装置６の加熱においてオン及びオフの切替が可能である。加熱器７は、水添脱硫装置６の加熱においてオン及びオフの切替が可能であれば、どのような構成であっても構わない。加熱器７として、例えば、水添脱硫装置６の筐体に取り付けられた電気ヒータなどを例示できる。
【００３７】
以上により、水添脱硫装置６の昇温時間を早めることができ、水添脱硫装置６での原料ガスの水添脱硫を開始できるまでの時間を短縮化し得る。よって、原料ガスから硫黄化合物を高効率に除去できる。また、原料ガスが吸着脱硫装置４を流通する時間が短くなるので、吸着脱硫装置４の脱硫剤を削減し得る。よって、吸着脱硫装置４を小型に構成できる。
【００３８】
なお、図示しない制御器が、以下の如く、加熱器７及び切替器３を制御してもよい。制御器は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。制御器は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
【００３９】
［動作］
以下、燃料電池システム１００の動作について図１を用いて説明する。以下の動作は、上記制御器の制御プログラムにより行われる。
【００４０】
燃料電池システム１００の運転中は、切替器３の切替制御によって、原料ガスは、分岐経路２及び水添脱硫装置６を通過する。これにより、水添脱硫装置６で原料ガス中の硫黄化合物が除去される。このとき、改質器８にて生成した改質ガスの一部を、リサイクル経路９を通じて、原料ガス経路１に戻し、改質ガスを原料と混合した後、水添脱硫装置６に供給する。改質ガス（水素）を水添脱硫装置６に供給すると、水添脱硫装置６は、原料ガス中の硫黄化合物を水添反応により除去できる。
【００４１】
一方、燃料電池システム１００の起動時は、切替器３の切替制御によって、原料ガスは、吸着脱硫装置４を通過する。これにより、吸着脱硫装置４で原料ガス中の硫黄化合物が除去される。このとき、加熱器７をオフからオンに切替えて、加熱器７によって水添脱硫装置６を加熱する。例えば、燃料電池システム１００の起動と同時に、加熱器７をオフからオンに切替えてもよい。
【００４２】
なお、水添脱硫装置６を、図示しない燃焼部からの輻射熱等の伝熱により徐々に昇温する構成を取ることが多いが、例えば、水添脱硫装置６を４００℃程度まで過昇温すると、水添脱硫装置６内の水添脱硫剤から炭素析出が生じる恐れがある。このため、水添脱硫装置６を上記過昇温が生じない程度に加熱できる場所に配置する。よって、この場合、燃料電池１０が発電可能な温度（例えば、５００℃以上）まで上昇した場合であっても、水添脱硫装置６の温度は、上記の適温未満の可能性があり、原料ガスを分岐経路２に流通できないという問題が生じる可能性がある。
【００４３】
そこで、本実施形態では、上記のとおり、燃焼電池システム１００の起動時に、加熱器７をオンにして、加熱器７によって水添脱硫装置６を加熱する。そして、水添脱硫装置６が、上記の適温に到達した場合、加熱器７での水添脱硫装置６の加熱が不要となる。よって、この場合、切替器３を用いて、原料ガスが流れる経路を吸着脱硫装置４が配された経路から分岐経路２へと切替える動作に連動して、加熱器７をオンからオフに切替える。例えば、分岐経路２への切替と同時に、加熱器７をオンからオフに切替えてもよい。
【００４４】
以上により、水添脱硫装置６での原料ガスの水添脱硫を開始できるまでの時間を短縮化し得る。よって、原料ガスから硫黄化合物を高効率に除去できる。また、原料ガスが吸着脱硫装置４を流通する時間が短くなるので、吸着脱硫装置４の脱硫剤を削減し得る。また、上記切替器３の切替動作と連動して、加熱器７をオンからオフに切替えることで、無駄な消費電力を削減できる。
【００４５】
（実施形態２）
実施形態２の燃料電池システムは、実施形態１の燃料電池システムにおいて、水添脱硫装置内の水添脱硫剤の温度を検出する温度検出器を備える。
【００４６】
上記した構成によると、水添脱硫装置内の水添脱硫剤の温度検出が容易となり、水添脱硫剤の温度を精度良く検出できる。よって、切替器の切替のタイミングを正確に把握できる。また、精度良く加熱器のオン及びオフの切替が可能となるので、無駄な消費電力を削減できる。更に、改質ガスの一部をリサイクルガスとして、原料ガスに添加することで水添脱硫装置に必要な水素を供給する場合、リサイクルガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）が原料ガスに流入する。一方、水添脱硫装置の水添脱硫剤に、触媒金属としてニッケル（Ｎｉ)を含む場合がある。この場合、水添脱硫装置が低温時（例えば、１５０℃未満）に、上記原料ガスを水添脱硫剤に流入させると、ニッケルと一酸化炭素の反応により、ニッケルカルボニルガスが生成する恐れがある。しかし、本実施形態では、上記のとおり、温度検知器を用いて水添脱硫装置内の水添脱硫剤の温度が検出されているので、かかるニッケルカルボニルガスが生成することを適切に回避できる。
【００４７】
本実施形態の燃料電池システムは、上記以外は、実施形態１の燃料電池システムと同様に構成してもよい。
【００４８】
［装置構成］
図２は、実施形態２の燃料電池システムの一例を示した図である。
【００４９】
図２に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、原料ガス経路１と、分岐経路２と、切替器３と、吸着脱硫装置４と、水添脱硫装置６と、加熱器７と、改質器８と、リサイクル経路９と、燃料電池１０と、温度検出器１２と、を備える。
【００５０】
原料ガス経路１、分岐経路２、切替器３、吸着脱硫装置４、水添脱硫装置６、加熱器７、改質器８、リサイクル経路９及び燃料電池１０については、実施形態１と同様であるので説明を省略する。
【００５１】
温度検出器１２は、水添脱硫装置６内の水添脱硫剤の温度を検出する。温度検出器１２は、水添脱硫装置６内の水添脱硫剤の温度を直接的又は間接的に検出できれば、どのような構成であっても構わない。例えば、水添脱硫装置６の筐体に温度検出器１２を取り付け、この筐体の温度から間接的に水添脱硫剤の温度を検出してもよい。温度検出器１２として、例えば、サーミスタ、熱電対などを例示できる。
【００５２】
以上により、水添脱硫装置６内の水添脱硫剤の温度検出が容易となり、水添脱硫剤の温度を精度良く検出できる。よって、切替器３の切替のタイミングを正確に把握できる。また、精度良く加熱器７のオン及びオフの切替が可能となるので、無駄な消費電力を削減できる。更に、改質ガスの一部をリサイクルガスとして、原料ガスに添加することで水添脱硫装置６に必要な水素を供給する場合、リサイクルガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）が原料ガスに流入する。一方、水添脱硫装置６の水添脱硫剤に、触媒金属としてニッケル（Ｎｉ)を含む場合がある。この場合、水添脱硫装置６が低温時（例えば、１５０℃未満）に、上記原料ガスを水添脱硫剤に流入させると、ニッケルと一酸化炭素の反応により、ニッケルカルボニルガスが生成する恐れがある。しかし、本実施形態では、上記のとおり、温度検知器１２を用いて水添脱硫装置６内の水添脱硫剤の温度が検出されているので、かかるニッケルカルボニルガスが生成することを適切に回避できる。
【００５３】
なお、上記の制御器（図示せず）が、温度検出器１２の検出温度に基づいて加熱器７及び切替器３を制御してもよい。
【００５４】
（実施形態３）
実施形態３の燃料電池システムは、実施形態１の燃料電池システムにおいて、水添脱硫装置は第１の水添脱硫部と第２の水添脱硫部とで構成され、加熱器は、第１の水添脱硫部を加熱する第１の加熱部と第２の水添脱硫部を加熱する第２の加熱部とで構成されており、第１の加熱部がオンとなるときには、第２の加熱部がオフとなり、第２の加熱部がオンとなるときには、第１の加熱部がオフとなる。
【００５５】
上記した構成によると、実施形態１の加熱器のヒータ容量に比べ、第１の加熱部及び第２の加熱部のヒータ容量を小さくできるので、更に無駄な消費電力を削減できる。
【００５６】
本実施形態の燃料電池システムは、上記以外は、実施形態１の燃料電池システムと同様に構成してもよい。
【００５７】
［装置構成］
図３は、実施形態３の燃料電池システムの一例を示した図である。
【００５８】
図３に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、原料ガス経路１と、分岐経路２と、切替器３と、吸着脱硫装置４と、第１の水添脱硫部６Ａと、第２の水添脱硫部６Ｂと、第１の加熱部７Ａと、第２の加熱部７Ｂと、改質器８と、リサイクル経路９と、燃料電池１０と、を備える。
【００５９】
原料ガス経路１、分岐経路２、切替器３、吸着脱硫装置４、改質器８、リサイクル経路９及び燃料電池１０については、実施形態１と同様であるので説明を省略する。
【００６０】
水添脱硫装置６は、第１の水添脱硫部６Ａと、第２の水添脱硫部６Ｂとで構成されている。なお、第１の水添脱硫部６Ａ及び第２の水添脱硫部６Ｂの水添脱硫剤については、実施形態１の水添脱硫装置６の水添脱硫剤と同様であるので説明を省略する。
【００６１】
加熱器７は、第１の水添脱硫部６Ａを加熱する第１の加熱部７Ａと第２の水添脱硫部６Ｂを加熱する第２の加熱部７Ｂとで構成されている。そして、第１の加熱部７Ａがオンとなるときには、第２の加熱部７Ｂがオフとなり、第２の加熱部７Ｂがオンとなるときには、第１の加熱部７Ａがオフとなるように、第１の加熱部７Ａ及び第２の加熱部７Ｂの加熱動作が制御されている。
【００６２】
以上により、実施形態１の加熱器７のヒータ容量に比べ、第１の加熱部７Ａ及び第２の加熱部７Ｂのヒータ容量を小さくできるので、更に無駄な消費電力を削減できる。
【００６３】
第１の加熱部７Ａ及び第２の加熱部７Ｂはそれぞれ、第１の水添脱硫部６Ａ及び第２の水添脱硫部６Ｂのそれぞれの加熱においてオン及びオフの切替が可能であれば、どのような構成であっても構わない。第１の加熱部７Ａ及び第２の加熱部７Ｂとして、例えば、水添脱硫装置６の筐体に取り付けられた電気ヒータなどを例示できる。
【００６４】
［動作］
以下、燃料電池システム１００の動作について図３を用いて説明する。以下の動作は、上記制御器の制御プログラムにより行われる。
【００６５】
なお、本実施形態の燃料電池システム１００の動作は、以下の動作以外は、実施形態１の燃料電池システム１００と同様の動作であってもよい。
【００６６】
水添脱硫装置６の水添脱硫剤は、原料ガスが流入する上流側の脱硫剤が下流側の脱硫剤よりも早く失活し、脱硫作用を失う。つまり、第２の水添脱硫部６Ｂの水添脱硫剤が、第１の水添脱硫部６Ａの水添脱硫剤よりも早く失活する。
【００６７】
そこで、本実施形態では、水添脱硫装置６の耐久年数を予めＤ年と定め、第１の水添脱硫部６Ａ及び第２の水添脱硫部６Ｂのそれぞれに、この耐久年数に対応する水添脱硫剤の半分を充填する。この場合、水添脱硫装置６の使用開始からＤ／２年の間は、上流側の第２の水添脱硫部６Ｂのみを第２の加熱部７Ｂで加熱し、上記Ｄ／２年経過後から耐久年数までの間は、下流側の第１の水添脱硫部６Ａのみを第１の加熱部７Ａで加熱するとよい。
【００６８】
これにより、水添脱硫装置６全体を加熱する実施形態１に対して、ヒータ容量が小さくできるので消費電力を削減できる。
【００６９】
まず、水添脱硫装置６の使用開始からＤ／２年の間における燃料電池システム１００の動作を説明する。
【００７０】
水添脱硫装置６の一部である第２の水添脱硫部６Ｂが、上記の適温に到達すれば、水添脱硫装置６での原料ガスの水添脱硫が可能である。よって、本実施形態では、燃料電池システム１００の起動と同時に、第２の加熱部７Ｂをオフからオンに切替えて、第２の水添脱硫部６Ｂのみを加熱する。そして、第２の水添脱硫部６Ｂのみが、上記の適温に到達した場合、切替器３を用いて、原料ガスが流れる経路を吸着脱硫装置４が配された経路から分岐経路２へと切替える動作に連動して、第２の加熱部７Ｂをオンからオフに切替える。例えば、分岐経路２への切替と同時に、第２の加熱部７Ｂをオンからオフに切替えてもよい。
【００７１】
以上により、実施形態１の加熱器７のヒータ容量に比べ、第２の加熱部７Ｂのヒータ容量を小さくできるので、更に無駄な消費電力を削減できる。
【００７２】
次に、上記Ｄ／２年経過後から耐久年数までの間における燃料電池システム１００の動作を説明する。
【００７３】
水添脱硫装置６の一部である第１の水添脱硫部６Ａが、上記の適温に到達すれば、水添脱硫装置６での原料ガスの水添脱硫が可能である。よって、本実施形態では、燃料電池システム１００の起動と同時に、第１の加熱部７Ａをオフからオンに切替えて、第１の水添脱硫部６Ａのみを加熱する。そして、第１の水添脱硫部６Ａのみが、上記の適温に到達した場合、切替器３を用いて、原料ガスが流れる経路を吸着脱硫装置４が配された経路から分岐経路２へと切替える動作に連動して、第１の加熱部７Ａをオンからオフに切替える。例えば、分岐経路２への切替と同時に、第１の加熱部７Ａをオンからオフに切替えてもよい。
【００７４】
以上により、実施形態１の加熱器７のヒータ容量に比べ、第１の加熱部７Ａのヒータ容量を小さくできるので、更に無駄な消費電力を削減できる。
【００７５】
（実施形態４）
実施形態４の燃料電池システムは、実施形態３の燃料電池システムにおいて、前記第１の水添脱硫部及び前記第２の水添脱硫部内の水添脱硫剤の温度を検出する温度検出器を備える。
【００７６】
上記した構成によると、第１の水添脱硫部及び第２の水添脱硫部内の水添脱硫剤の温度の検出容易となり、水添脱硫剤の温度を精度良く検出できる。よって、切替器の切替のタイミングを正確に把握できる。また、精度良く第１の加熱部及び第２の加熱部のオン及びオフの切替が可能となるので、無駄な消費電力を削減できる。更に、改質ガスの一部をリサイクルガスとして、原料ガスに添加することで第１の水添脱硫部及び第２の水添脱硫部に必要な水素を供給する場合、リサイクルガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）が原料ガスに流入する。一方、第１の水添脱硫部及び第２の水添脱硫部の水添脱硫剤に、触媒金属としてニッケル（Ｎｉ)を含む場合がある。この場合、第１の水添脱硫部及び第２の水添脱硫部が低温時（例えば、１５０℃未満）に、上記原料ガスを水添脱硫剤に流入させると、ニッケルと一酸化炭素の反応により、ニッケルカルボニルガスが生成する恐れがある。しかし、本実施形態では、上記のとおり、温度検知器を用いて第１の水添脱硫部及び第２の水添脱硫部内の水添脱硫剤の温度が検出されているので、かかるニッケルカルボニルガスが生成することを適切に回避できる。
【００７７】
本実施形態の燃料電池システムは、上記以外は、実施形態３の燃料電池システムと同様に構成してもよい。
【００７８】
［装置構成］
図４は、実施形態４の燃料電池システムの一例を示した図である。
【００７９】
図４に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、原料ガス経路１と、分岐経路２と、切替器３と、吸着脱硫装置４と、第１の水添脱硫部６Ａと、第２の水添脱硫部６Ｂと、第１の加熱部７Ａと、第２の加熱部７Ｂと、改質器８と、リサイクル経路９と、燃料電池１０と、温度検出器１２Ａ、１２Ｂと、を備える。
【００８０】
原料ガス経路１、分岐経路２、切替器３、吸着脱硫装置４、第１の水添脱硫部６Ａ、第２の水添脱硫部６Ｂ、第１の加熱部７Ａ、第２の加熱部７Ｂ、改質器８、リサイクル経路９及び燃料電池１０については、実施形態３と同様であるので説明を省略する。
【００８１】
温度検出器１２Ａは、第１の水添脱硫部６Ａ内の水添脱硫剤の温度を検出する。温度検出器１２Ａは、第１の水添脱硫部６Ａ内の水添脱硫剤の温度を直接的又は間接的に検出できれば、どのような構成であっても構わない。例えば、第１の水添脱硫部６Ａの筐体に温度検出器１２Ａを取り付け、この筐体の温度から間接的に水添脱硫剤の温度を検出してもよい。温度検出器１２Ａとして、例えば、サーミスタ、熱電対などを例示できる。
【００８２】
温度検出器１２Ｂは、第２の水添脱硫部６Ｂ内の水添脱硫剤の温度を検出する。温度検出器１２Ｂは、第２の水添脱硫部６Ｂ内の水添脱硫剤の温度を直接的又は間接的に検出できれば、どのような構成であっても構わない。例えば、第２の水添脱硫部６Ｂの筐体に温度検出器１２Ｂを取り付け、この筐体の温度から間接的に水添脱硫剤の温度を検出してもよい。温度検出器１２Ｂとして、例えば、サーミスタ、熱電対などを例示できる。
【００８３】
以上により、第１の水添脱硫部６Ａ及び第２の水添脱硫部６Ｂ内の水添脱硫剤の温度検出が容易となり、水添脱硫剤の温度を精度良く検出できる。よって、切替器３の切替のタイミングを正確に把握できる。また、精度良く第１の加熱部７Ａ及び第２の加熱部７Ｂのオン及びオフの切替が可能となるので、無駄な消費電力を削減できる。更に、改質ガスの一部をリサイクルガスとして、原料ガスに添加することで第１の水添脱硫部６Ａ及び第２の水添脱硫部６Ｂに必要な水素を供給する場合、リサイクルガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）が原料ガスに流入する。一方、第１の水添脱硫部６Ａ及び第２の水添脱硫部６Ｂの水添脱硫剤に、触媒金属としてニッケル（Ｎｉ)を含む場合がある。この場合、第１の水添脱硫部６Ａ及び第２の水添脱硫部６Ｂが低温時（例えば、１５０℃未満）に、上記原料ガスを水添脱硫剤に流入させると、ニッケルと一酸化炭素の反応により、ニッケルカルボニルガスが生成する恐れがある。しかし、本実施形態では、上記のとおり、温度検知器１２Ａ、１２Ｂを用いて第１の水添脱硫部６Ａ及び第２の水添脱硫部６Ｂ内の水添脱硫剤の温度が検出されているので、かかるニッケルカルボニルガスが生成することを適切に回避できる。
【００８４】
なお、上記の制御器（図示せず）が、温度検出器１２Ａの検出温度に基づいて第１の加熱部７Ａ及び切替器３を制御してもいいし、温度検出器１２Ｂの検出温度に基づいて第２の加熱部７Ｂ及び切替器３を制御してもいい。
【００８５】
（実施形態５）
実施形態５の燃料電池システムは、実施形態１−４のいずれかの燃料電池システムにおいて、燃料電池で未利用の燃料を燃焼する燃焼部と、水添脱硫装置と燃焼部からの排ガスとが熱交換する熱交換器とを備える。
【００８６】
上記した構成によると、加熱器による水添脱硫装置の加熱に加えて、熱交換器による水添脱硫装置の加熱が可能となるので、水添脱硫装置の昇温時間が早くなる。よって、実施形態１−４の燃料電池システムと比べ、水添脱硫装置での原料ガスの水添脱硫を開始できるまでの時間を短縮化し得るとともに、起動時に用いる吸着脱硫装置の脱硫剤を削減し得る。
【００８７】
本実施形態の燃料電池システムは、上記以外は、実施形態１−４のいずれかの燃料電池システムと同様に構成してもよい。
【００８８】
［装置構成］
図５は、実施形態５の燃料電池システムの一例を示した図である。
【００８９】
図５に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、原料ガス経路１と、分岐経路２と、切替器３と、吸着脱硫装置４と、水添脱硫装置６と、加熱器７と、改質器８と、リサイクル経路９と、燃料電池１０と、燃焼部１１と、熱交換器１３と、を備える。
【００９０】
原料ガス経路１、分岐経路２、切替器３、吸着脱硫装置４、水添脱硫装置６、加熱器７、改質器８、リサイクル経路９及び燃料電池１０については、実施形態１と同様であるので説明を省略する。
【００９１】
燃焼部１１は、燃料電池で未利用の燃料を燃焼する。燃焼部１１の燃料は、例えば、改質ガスが用いられる。
【００９２】
熱交換器１３は、水添脱硫装置６と燃焼部１１からの排ガスとが熱交換する。つまり、本実施形態では、熱交換器１３には、燃焼部１１からの排ガスが流通しており、熱交換器１３を通過した排ガスは、排ガス経路を通じて燃料電池システム１００外に排出される構成を取っている。このような高温の排ガスとの熱交換により、水添脱硫装置６が加熱される。
【００９３】
以上により、加熱器７による水添脱硫装置６の加熱に加えて、熱交換器１３による水添脱硫装置６の加熱が可能となるので、水添脱硫装置６の昇温時間が早くなる。よって、実施形態１−４の燃料電池システムと比べ、水添脱硫装置６での原料ガスの水添脱硫を開始できるまでの時間を短縮化し得るとともに、起動時に用いる吸着脱硫装置４の脱硫剤を削減し得る。
【００９４】
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。従って、上記発明は、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】
【００９５】
本発明の一態様は、従来に比べ、水添脱硫装置での原料ガスの水添脱硫を開始できるまでの時間を短縮化し得るとともに、起動時に用いる吸着脱硫装置の脱硫剤を削減し得る。よって、本発明の一態様は、例えば、燃料電池システムに利用できる。
【符号の説明】
【００９６】
１  原料ガス経路
２  分岐経路
３  切替器
４  吸着脱硫装置
６  水添脱硫装置
７  加熱器
８  改質器
９  リサイクル経路
１０  燃料電池
１１  燃焼部
１２  温度検出器
１３  熱交換器
１００  燃料電池システム
【図１】
2015106552.tif 000003
【図２】
2015106552.tif 000004
【図３】
2015106552.tif 000005
【図４】
2015106552.tif 000006
【図５】
2015106552.tif 000007