(57)【要約】【課題】水添脱硫器の性能を維持しつ、効率を高く運転できる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システム４００は、原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器１０と、水添脱硫器１０を通過した原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器１００と、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池２００と、水添脱硫器１０を加熱する加熱器２０と、燃料電池２００の発電量が第１の発電量よりも小さい第２の発電量であるとき、水添脱硫器１０の温度が、燃料電池２００の発電量が第１の発電量であるときに比べ低くなるよう加熱器２０を制御する制御器３００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水添脱硫器と、前記水添脱硫器を通過した原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、前記水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、前記水添脱硫器を加熱する加熱器と、前記燃料電池の発電量が第１の発電量よりも小さい第２の発電量であるとき、前記水添脱硫器の温度が、前記燃料電池の発電量が第１の発電量であるときに比べ低くなるよう前記加熱器を制御する制御器とを備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記改質器が、前記加熱器として用いられている、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を低減するＣＯ低減器を備え、前記ＣＯ低減器が前記加熱器として用いられている、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池が、前記加熱器として用いられている、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御器は、前記水添脱硫器の硫黄化合物の累積除去量が増加すると、前記燃料電池の発電量が第２の発電量であるときの前記水添脱硫器の温度が高くなるよう制御する、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御器は、前記水添脱硫器への硫黄化合物の累積流通量が増加すると、前記燃料電池の発電量が第２の発電量であるときの前記水添脱硫器の温度が高くなるよう制御する、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御器は、前記水添脱硫器への原料の累積流通量が増加すると、前記燃料電池の発電量が第２の発電量であるときの前記水添脱硫器の温度が高くなるよう制御する、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御器は、原料中の硫黄化合物濃度が増加すると、前記燃料電池の発電量が第２の発電量であるときの前記水添脱硫器の温度が高くなるよう制御する、請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項９】
水添脱硫器で原料中の硫黄化合物を除去するステップと、前記水添脱硫器を通過した原料を用いて反応器で水素含有ガスを生成するステップと、燃料電池で前記水素含有ガスを用いて発電するステップと、前記燃料電池の発電量が第１の発電量よりも小さい第２の発電量であるとき、前記水添脱硫器の温度が、前記燃料電池の発電量が第１の発電量であるときに比べ低くなるよう前記水添脱硫器を加熱する加熱器の加熱量を調整するステップとを備える燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水添脱硫器を備えた水素生成装置で生成された水素含有ガスを用いて発電する燃料電池システム並びにその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
小型装置でも高効率発電ができる燃料電池システムは、分散型エネルギー供給源の発電装置として開発が進められている。しかしながら、燃料電池で発電時の燃料として用いられる水素ガスは、一般的なインフラとして整備されていない。
【０００３】
そこで、燃料電池システムを分散型装置として利用する場合は、例えば、都市ガス、ＬＰＧ等の既存化石原料インフラから得られる原料を水蒸気改質反応させ、水素含有ガスを生成させる水素生成装置を併設する構成が採られることが多い。
【０００４】
ところで、原料にはメルカプタン類、サルファイド類、あるいはチオフェン類などの硫黄化合物が付臭剤として添加されている。そして、水素生成装置で水素含有ガスを生成する改質器に搭載される改質触媒は、これら付臭剤として添加されている硫黄化合物により被毒され性能劣化してしまうので、それらの硫黄化合物を予め除去する脱硫器を設置する必要がある。
【０００５】
その脱硫の方法として、水素生成装置で生成された水素含有ガスと水添脱硫触媒を用いて硫黄成分を脱硫する水添脱硫が提案されている（例えば、特許文献１〜２参照）。
【０００６】
水添脱硫触媒としては、ＣｏＭｏ系触媒もしくはＮｉＭｏ系触媒とＺｎＯ系やＣｕＺｎ系触媒の組み合わせ（例えば、特許文献３参照）や、ＣｕＺｎ系触媒単独での使用（例えば、特許文献２参照）が提案されている。
【０００７】
ところで、原料中に含まれる硫黄化合物を水添脱硫除去するためには、例えばＣｕＺｎ系水添脱硫触媒であれば、２００〜３５０℃程度に昇温する必要がある。
【０００８】
一般的に、水添脱硫触媒は、高温になるにつれて硫黄化合物の分解反応が促進される（例えば、特許文献３参照）。そして、水添脱硫器の温度を、３００℃程度の高温で均一に保つ場合と、２００℃程度の低温で均一に保つ場合とでは、水添脱硫器の出口に硫黄が検出されるまでの時間に大きな差がある。
【０００９】
より具体的には、水添脱硫器の温度を３００℃の温度で均一に保つ場合では、２００℃の温度で均一に保つ場合の２〜３倍程度の長時間、水添脱硫器の出口に硫黄が検出されない。
【００１０】
このため、従来は水添脱硫器に充填する水添脱硫触媒の搭載量を最小限に抑えるため、水添脱硫器の全体の温度を均一化させ高温に保つ構成が検討されてきた（例えば、特許文献４参照）。また、水添脱硫器の運転時間に閾値を設け、閾値の時間以降に水添脱硫器の温度を上げるという運転方法が検討されてきた（例えば、特許文献５参照）。しかし、発電量に応じた設定については言及されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０７７７５３号
【特許文献２】特開平１１−１３９８０３号公報
【特許文献３】特開平６−２５６７７９号公報
【特許文献４】特開２０１３−２０３６１５号公報
【特許文献５】特開２０１３−２０３６１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、水添脱硫器を備える燃料電池システムにおいて、必要とする発電量に応じて発電量を変動させて運転することがあるが、その際、従来では、発電量が変動しても水添脱硫器の温度を所定の高温で均一にすることで、水添脱硫触媒の硫黄吸着量を高め、脱硫性能を維持していた。
【００１３】
また、発電量が低くなると水添脱硫器に供給される原料の流速が小さくなるため、水添脱硫器に供給される硫黄化合物の流速が小さくなる。そして、脱硫性能を決める水添脱硫器での吸着反応の速度と水添脱硫器の温度は比例関係にあるため、硫黄化合物の供給速度が低くなると水添脱硫器の温度を下げることができる。
【００１４】
そのため、発電量が高いときに比べ発電量が低いときには水添脱硫器の温度を低くしても同等の脱硫性能を得られる。
【００１５】
しかしながら、従来は、発電量が変動しても水添脱硫器の温度を一定に高く維持していたため、水添脱硫器の温度を所定の高温に維持する必要の低発電量運転の際は、無駄に水添脱硫器を加熱することになり、燃料電池システムの効率が低下していた。
【００１６】
本発明は、上記従来の課題に鑑み、水添脱硫器を備えた水素生成装置で生成された水素含有ガスを用いて発電する燃料電池システムにおける、低発電時の効率低下を抑制することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために本発明は、水添脱硫器を加熱する加熱器を備え、燃料電池の発電量が第１の発電量よりも小さい第２の発電量であるとき、前記水添脱硫器の温度が、前記燃料電池の発電量が第１の発電量であるときに比べ低くなるよう前記加熱器を制御するのである。
【００１８】
これにより、水添脱硫器を備えた水素生成装置で生成された水素含有ガスを用いて発電する燃料電池システムにおける、低発電時の効率低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の燃料電池システムによれば、低発電時に無駄に水添脱硫器を加熱することを抑制することができるので、低発電時の燃料電池システムの効率低下を抑制した高効率運転を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態１の実施例１に係る燃料電池システムの発電量と水添脱硫器の温度の関係の一例を示す特性図
【図３】本発明の実施の形態１の実施例２に係る燃料電池システムの発電量と水添脱硫器の温度の関係の一例を示す特性図
【図４】本発明の実施の形態１の変形例１に係る燃料電池システムの構成の変形例を示すブロック図
【図５】本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図
【図６】本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図
【図７】本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図
【図８】本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図
【図９】本発明の実施の形態５の実施例３に係る硫黄化合物の累積除去量と水添脱硫器の温度の関係の一例を示す特性図
【図１０】本発明の実施の形態５の実施例４に係る硫黄化合物の累積除去量と水添脱硫器の温度の関係の一例を示す特性図
【図１１】本発明の実施の形態５の実施例５に係る硫黄化合物の累積除去量と水添脱硫器の温度の関係の一例を示す特性図
【図１２】本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図
【図１３】本発明の実施の形態６の実施例６に係る硫黄化合物の累積供給量と水添脱硫器の温度の関係の一例を示す特性図
【図１４】本発明の実施の形態６の実施例７に係る硫黄化合物の累積供給量と水添脱硫器の温度の関係の一例を示す特性図
【図１５】本発明の実施の形態６の実施例８に係る硫黄化合物の累積供給量と水添脱硫器の温度の関係の一例を示す特性図
【図１６】本発明の実施の形態７に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図
【図１７】本発明の実施の形態７の実施例９に係る原料の累積供給量と水添脱硫器の温度の関係の一例を示す特性図
【図１８】本発明の実施の形態７の実施例１０に係る原料の累積供給量と水添脱硫器の温度の関係の一例を示す特性図
【図１９】本発明の実施の形態７の実施例１１に係る原料の累積供給量と水添脱硫器の温度の関係の一例を示す特性図
【図２０】本発明の実施の形態８に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
第１の発明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水添脱硫器と、前記水添脱硫器を通過した原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、前記水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、前記水添脱硫器を加熱する加熱器と、前記燃料電池の発電量が第１の発電量よりも小さい第２の発電量であるとき、前記水添脱硫器の温度が、前記燃料電池の発電量が第１の発電量であるときに比べ低くなるよう前記加熱器を制御する制御器とを備えることを特徴とする。
【００２２】
通常、この種の燃料電池システムでは、燃料電池の発電量が第１の発電量である高発電量運転時に比べ第２の発電量である低発電量運転時には、水添脱硫器に供給される原料の流速が高発電量運転時よりも小さくなり、原料中の硫黄化合物濃度は一定であるため、水添脱硫器に供給される硫黄化合物の流速は低くなる。
【００２３】
また、水添脱硫器では、硫黄化合物の水素化反応の後、水素化された硫化水素と水添脱硫触媒との吸着反応が起こっており、この吸着反応速度は反応温度が高いほど速くなる。
【００２４】
そのため、水添脱硫器に供給される硫黄化合物の流速が小さい低発電運転時に、硫黄化合物の流速の低下に応じて反応速度を低下させることができるので、低発電運転時に水添脱硫器の温度を低下させても、発電量によらず一定の温度に制御する場合と同等の脱硫性能を維持できる。
【００２５】
そして、第１の発電量よりも小さい第２の発電量での低発電運転時に水添脱硫器の温度を発電量が第１の発電量であるときよりも低く設定することで、水添脱硫器の脱硫性能を維持し、加熱器による水添脱硫器の加熱量を減らすことができるので、高効率な燃料電池システムを提供できる。
【００２６】
第２の発明は、第１の発明における前記改質器を、前記加熱器として用いることを特徴とする。
【００２７】
通常、この種の燃料電池システムでは、燃料電池は、発電量が大きいときに、必要とする水素含有ガスの流通量が多くなるため、メタン転化率が高くなるよう改質器の温度を高くしている。
【００２８】
そして、燃料電池の発電量が第１の発電量よりも小さい第２の発電量であるときに第１の発電量であるときよりも改質器の温度が低くなることを利用して、改質器を水添脱硫器の加熱器として用いて、燃料電池の発電量が第１の発電量よりも小さい第２の発電量であるとき、水添脱硫器の温度を第１の発電量であるときに比べ低くなるよう制御できる。
【００２９】
また、加熱器として電気ヒータを併設しなくてよいため、電気ヒータを削減できコストダウンが図れ、電気ヒータで消費される電力量も削減できるため、運転効率を高くすることができる。
【００３０】
第３の発明は、第１の発明の燃料電池システムに、水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を低減するＣＯ低減器を備え、前記ＣＯ低減器が前記加熱器として用いられていることを特徴とする。
【００３１】
ＣＯ低減器を備えた燃料電池システムにおいて、ＣＯ低減器では発熱反応によりＣＯを低減するため、燃料電池の第１の発電量よりも小さい第２の発電量であるとき、原料の流速が第１の発電量の場合の流速よりも小さくなり、反応量が減ることでＣＯ低減器の温度は低くなる。
【００３２】
そのため、ＣＯ低減器を水添脱硫器の加熱器として用いることで、燃料電池の発電量が第１の発電量よりも小さい第２の発電量であるとき、水添脱硫器の温度を第１の発電量であるときに比べ低くなるよう制御できる。
【００３３】
また、ＣＯ低減器の温度と水添脱硫器の設定温度が近いため、水添脱硫器を安定して適正な温度に維持できる。また、加熱器として電気ヒータを併設しなくてよいため、電気ヒータを削減できコストダウンが図れ、電気ヒータで消費される電力量も削減できるため、運転効率を高くすることができる。
【００３４】
第４の発明は、第１の発明における前記燃料電池を、前記加熱器として用いることを特徴とする。
【００３５】
第４の発明の燃料電池システムによれば、水添脱硫器よりも高い温度を有する燃料電池を水添脱硫器の加熱器として用いることで、加熱器として電気ヒータを併設しなくてよいため、電気ヒータを削減できコストダウンが図れ、電気ヒータで消費される電力量も削減
できるため、運転効率を高くすることができる。
【００３６】
第５の発明は、第１の発明における前記制御器が、前記水添脱硫器の硫黄化合物の累積除去量が増加すると、前記燃料電池の発電量が第２の発電量であるときの前記水添脱硫器の温度が高くなるよう制御することを特徴とする。
【００３７】
第５の発明の燃料電池システムによれば、水添脱硫器の硫黄化合物の累積除去量が増加した際に、第２の発電量である低発電運転時に水添脱硫器の温度を高く制御することで、水添脱硫器から硫黄化合物が流出し改質器の性能が低下することを抑制し、水添脱硫器の寿命を長くすることができる。
【００３８】
第６の発明は、第１の発明における前記制御器が、前記水添脱硫器への硫黄化合物の累積流通量が増加すると、前記燃料電池の発電量が第２の発電量であるときの前記水添脱硫器の温度が高くなるよう制御することを特徴とする。
【００３９】
第６の発明の燃料電池システムによれば、水添脱硫器への硫黄化合物の累積流通量が増加した際には、第２の発電量である低発電運転時に水添脱硫器の温度を高く制御することで、水添脱硫器から硫黄化合物が流出し改質器の性能が低下することを抑制し、水添脱硫器の寿命を長くすることができる。
【００４０】
また、水添脱硫器への硫黄化合物の累積流通量の検知は、水添脱硫器への硫黄化合物の累積除去量を検知する方法に比べ、水添脱硫器に供給する原料中の硫黄化合物濃度を検出することで、比較的簡素且つ安価な構成で実現ができる。
【００４１】
第７の発明は、第１の発明における前記制御器が、前記水添脱硫器への原料の累積流通量が増加すると、前記燃料電池の発電量が第２の発電量であるときの前記水添脱硫器の温度が高くなるよう制御することを特徴とする。
【００４２】
第７の発明の燃料電池システムによれば、原料の累積流通量が増加した際に、第２の発電量である低発電運転時に水添脱硫器の温度を高く制御することで、水添脱硫器から硫黄化合物が流出し改質器の性能が低下することを抑制し、水添脱硫器の寿命を長くすることができる。また、原料の累積流通量の検知は、改質器の制御に通常必要な手段で実現できる。
【００４３】
第８の発明は、第１または第２の発明における前記制御器が、原料中の硫黄化合物濃度が増加すると、前記燃料電池の発電量が第２の発電量であるときの前記水添脱硫器の温度が高くなるよう制御することを特徴とする。
【００４４】
通常、この種の燃料電池システムでは、水添脱硫器へ供給する原料中の硫黄化合物濃度が増加すると、水添脱硫器に供給される硫黄化合物の流速は大きくなる。また、水添脱硫触媒では、硫黄化合物の水素化反応の後、水素化された硫黄水素と水添脱硫触媒との吸着反応が起こっており、硫黄水素と水添脱硫触媒との反応速度は反応温度が高いほど速くなる。
【００４５】
そのため、水添脱硫器に供給される硫黄化合物の流速が大きくなった際には、第２の発電量である低発電運転時に水添脱硫器の温度を低く制御すると、脱硫性能が低下してしまう。
【００４６】
しかし、第２の発電量である低発電運転時であっても原料中の硫黄化合物濃度が増加した場合は、水添脱硫器の温度を高く制御するため、水添脱硫器から硫黄化合物が流出する
ことを防ぐことができる。
【００４７】
第９の発明に係る燃料電池システムの運転方法は、水添脱硫器で原料中の硫黄化合物を除去するステップと、前記水添脱硫器を通過した原料を用いて反応器で水素含有ガスを生成するステップと、燃料電池で前記水素含有ガスを用いて発電するステップと、前記燃料電池の発電量が第１の発電量よりも小さい第２の発電量であるとき、前記水添脱硫器の温度が、前記燃料電池の発電量が第１の発電量であるときに比べ低くなるよう前記水添脱硫器を加熱する加熱器の加熱量を調整するステップとを備える。
【００４８】
第９の発明の燃料電池システムの運転方法によれば、第２の発電量である低発電運転時に水添脱硫器の温度を低く設定することで、水添脱硫器の脱硫性能を維持し、加熱器による水添脱硫器の加熱量を減らすことができるので、高効率な燃料電池システムの運転方法を提供できる。
【００４９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同じ参照符号を付し、その説明を省略する。
【００５０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。
【００５１】
図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システム４００では、原料に含まれる硫黄化合物を除去する水添脱硫器１０と水添脱硫器１０に原料を供給する原料供給器３１とを備える。原料供給器３１は流量調整弁または昇圧器で構成されている。
【００５２】
本実施の形態の水添脱硫器１０は、ステンレス構造体を有する脱硫容器に、水添脱硫触媒として、ＣｕＺｎ系触媒（ＣｏＭｏ系触媒などとの組み合わせも含む）などを充填し、構成される。
【００５３】
水添脱硫反応には、一定濃度以上の水素が必要となるため、後述の改質器１００にて生成された水素含有ガスの一部を水添脱硫器１０に供給するためのリサイクルガス経路（図示せず）を備える。運転時の水添脱硫器１０の温度は、摂氏２００℃以上３００℃以下である。
【００５４】
原料は、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含み、具体的には、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ、ＬＮＧ等の炭化水素が例示される。都市ガスとは、ガス供給会社から配管を通じて各家庭等に供給されるガスをいう。原料供給源として、原料のインフラストラクチャ、及び、原料を貯蔵するボンベ等が例示される。
【００５５】
図１において、本実施の形態１に係る燃料電池システム４００は、水素含有ガスを生成する改質器１００を備える。改質器１００の前段には水供給器５１を備え、改質器１００に改質水を供給する。水供給器５１は、例えばプランジャポンプで構成されている。
【００５６】
原料供給器３１によって水添脱硫器１０に供給され、硫黄化合物を除去された原料と改質水から生成される水蒸気とを用いて、所定の温度に昇温された改質器１００で改質反応により水素含有ガスを生成する。
【００５７】
改質反応は、いずれの改質反応でもよく、具体的には、本実施の形態に用いた水蒸気改質反応の他に、オートサーマル反応及び部分酸化反応など何れであっても構わない。改質器１００はステンレス構造体で構成され、改質反応を進行させる改質触媒が充填される。
【００５８】
本実施の形態１では、改質触媒は、アルミナビーズを担体としてＲｕを担持させたものを用いた。改質反応を進行させることが可能であれば、いずれの触媒であっても構わず、一般的に、Ｒｕの他に、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｅ及びＮｉからなる群の中から選択される少なくとも１種が触媒金属に好適に用いられる。
【００５９】
改質触媒の担持体としては、活性成分を高分散状態で担持できるものであれば、特に限定されない。担持体としては、アルミナの他に、シリカ、シリカアルミナ、マグネシア、ジルコニア、チタニア、ゼオライトからなる群の中から選択される少なくとも１種が好適に用いられる。改質触媒としては、触媒と反応室中のガスとの接触面積を充分に確保できるものが用いられる。
【００６０】
基材としては、ハニカム形状、連通孔を有する発泡体形状の基材などが好ましく、ペレット形状でもよい。触媒の保持方法としては、基材がペレット形状もしくはコージェライトハニカムであれば、触媒充填位置の下部に網状もしくは開口部を有する触媒保持板を設置し、保持してもよい。基材がメタルハニカムであれば、改質器１００のステンレス構造体に溶接し、保持してもよい。
【００６１】
改質器１００には、改質器１００を加熱するための燃焼器が搭載される。燃焼器には、バーナが用いられ、原料もしくは、水素含有ガスの一部または全部を燃焼させ、改質器１００を加熱する。
【００６２】
燃料電池システム４００の運転時において、改質器１００の温度は例えば摂氏３００℃以上かつ摂氏７００℃以下である。
【００６３】
燃料電池システム４００は、燃料電池２００を備える。燃料電池２００は、改質器１００より供給される水素含有ガスを用いて発電する。燃料電池２００は、水素含有ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する。燃料電池２００は、いずれの種類の燃料電池であってもよいが、例えば、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、リン酸形燃料電池または溶融炭酸塩形燃料電池等を用いることができる。
【００６４】
燃料電池システム４００は制御器３００を備える。制御器３００は、演算部３０１の本体としての中央演算処理装置（ＣＰＵ）と記憶部３０２を備えている。原料供給器３１から改質器１００に至る原料の供給路の途中に原料の供給量を検出する原料供給量検出手段３０が設けられ、その検出出力が演算部３０１に入力されている。
【００６５】
また、水供給器５１から改質器１００に至る水の供給路の途中に水の供給量を検出する水供給量検出手段５０が設けられ、その検出出力が演算部３０１に入力されている。原料供給量検出手段３０及び水供給量検出手段５０は、ここでは、それぞれ、マスフローメータ等の流量計で構成されている。
【００６６】
制御器３００に備えられる記憶部３０２には、燃料電池システム４００の各種の動作を制御するためのプログラムが格納されており、演算部３０１は、記憶部３０２から必要なプログラムを読み出してこれを実行することによって、燃料電池システム４００の各種の動作を制御する。
【００６７】
燃料電池２００から出力制御器４１に至る電流経路には発電電流検出手段４０が設けられ、その検出出力が演算部３０１に入力されている。発電電流検出手段４０はここでは、電流計で構成されている。
【００６８】
この演算部３０１は、発電電流検出手段４０から得られた発電電流と出力制御器４１から得られた発電電圧および発電時間より、発電量を検出することを可能としている。制御器３００に備える演算部３０１は、これらの検出出力を含む各種の検出出力を入力されて上述の各構成要素を制御することにより、燃料電池システム４００の全体の動作を制御する。
【００６９】
また、同じく制御器３００に備えられる記憶部３０２には、燃料電池システム４００の各種の動作を制御するためのプログラムが格納されており、演算部３０１は、記憶部３０２から必要なプログラムを読み出してこれを実行することによって、燃料電池システム４００の各種の動作を制御する。
【００７０】
燃料電池システム４００は、水添脱硫器１０と熱交換可能に設置される加熱器２０を備える。加熱器２０としては、電気ヒータ、燃焼器等が例示され、少なくとも１つ以上で構成される。なお、本実施の形態では加熱器２０として電気ヒータのみを用いた。
【００７１】
制御器３００が検出した発電量を基に、電気ヒータへの電気出力を制御することで、水添脱硫器１０の温度を制御する。水添脱硫器１０の温度を高精度に制御するために、水添脱硫器１０に温度検出手段を備えてもよい（図示せず）。温度検知手段として具体的には、熱電対やサーミスタ等が例示される。また、電気ヒータへの電気出力と水添脱硫器１０の温度に相関があるとして、コストダウンのために温度検出手段を備えなくてもよい。
【００７２】
本実施の形態では、制御器３００は、燃料電池システム４００の発電量が７５０Ｗであるときに水添脱硫器１０の温度３００℃に、２５０Ｗであるときに２００℃に制御した。
【００７３】
燃料電池システム４００は、燃料電池２００の発電量が第１の発電量である７５０Ｗ運転時に比べ第２の発電量である２５０Ｗ運転時には、水添脱硫器１０に供給される原料の流速は１／３となる。
【００７４】
原料中の硫黄化合物濃度が一定であるため、水添脱硫器１０に供給される硫黄化合物の流速も１／３となる。水添脱硫触媒では、硫黄化合物の水素化反応の後、水素化された硫黄水素と水添脱硫触媒との吸着反応が起こっており、この反応速度は反応温度が高いほど速くなる。
【００７５】
水添脱硫器１０の温度が３００℃であるときに比べ２００℃であるときは水添脱硫器１０に供給される硫黄化合物の流速は１／３となるため、水添脱硫器１０の温度を３００℃に比べ反応速度が１／３となる２００℃に制御することで、発電量によらず水添脱硫器１０の温度を３００℃一定に制御する場合と同等の脱硫性能を維持できる。
【００７６】
また、低発電運転時に加熱器２０である電気ヒータによる水添脱硫器１０の加熱量を減らすことができるので、効率を高く運転することを可能とする燃料電池システム４００を提供できる。
【００７７】
図２、図３に、実施の形態１の実施例１、２に係る燃料電池システムの発電量と水添脱硫器１０の温度の関係の一例を示している。
【００７８】
（実施例１）
図２に示すように、発電量７５０Ｗから２５０Ｗの間、水添脱硫器１０の温度を連続的に変化させた。
【００７９】
燃料電池システム４００は、発電量によらず一定温度に制御する、すなわち、発電量が
２５０Ｗであるときに水添脱硫器１０の温度を３００℃に制御するよりも、２００℃にする方が、電気ヒータへの電気出力を削減することができるため、燃料電池システム４００の運転効率を高くすることができる。
【００８０】
また、原料流速は発電量と比例し、硫黄水素と水添脱硫触媒との反応速度も２００℃から３００℃にかけて一次的に上昇するため、燃料電池システム４００を全発電量域で最も高い効率で運転することができる。
【００８１】
（実施例２）
図３に示すように、発電量７５０Ｗから２５０Ｗの間、水添脱硫器１０の温度をステップ的に変化させた。
【００８２】
燃料電池システム４００は、発電量によらず一定温度に制御する、すなわち、発電量が２５０Ｗであるときに水添脱硫器１０の温度を３００℃に制御するよりも、２００℃にする方が、電気ヒータへの出力を削減することができるため、燃料電池システム４００の運転効率を高くすることができる。また、発電量に応じて随時水添脱硫器１０の温度を制御する頻度が減るため、電気ヒータへの耐久負荷を下げることができる。
【００８３】
なお、ステップの間隔も図３に示す限りでなく、例えば２段階にステップ的に変化させてもよい。
【００８４】
（変形例１）
図４は、実施の形態１の変形例１に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。図４に示すように、加熱器２０として燃料電池２００で発電に用いられなかった水素含有ガス（オフガス）と燃焼空気を混合し、燃焼させる燃焼器を用いた。
【００８５】
燃料電池２００が必要とする水素含有ガスは発電量と正比例の関係にあり、燃料電池２００での水素利用率は一定であるため、オフガスの流速は発電量により一義的に決まる。オフガスを燃焼器の原料として用いると、発電量によって燃焼器の温度が異なり、水添脱硫器１０の温度を一定にできないという課題があった。
【００８６】
燃料電池システム４００ａは、高発電量運転時に高温になり、低発電量運転時に低温となる燃焼器を加熱器２０とすることで、燃料電池２００の発電量が７５０Ｗであるときに水添脱硫器１０の温度を３００℃に、２５０Ｗであるときに２００℃に制御することができ、発電量によらず水添脱硫器１０の温度を３００℃に制御する場合と同等の脱硫性能を維持できる。
【００８７】
また、加熱器として電気ヒータを併設しなくてよいため、電気ヒータを削減できコストダウンが図れ、電気ヒータで消費される電力量も削減できるため、運転効率を高くすることができる。
【００８８】
本変形例１では、電気ヒータを用いない構成を採っているが、電気ヒータを燃焼器と併設し、水添脱硫器１０の温度制御性を高めることもできる。また、燃焼器の原料として水素含有ガスを用いているが、原料ガスもしくは原料ガスと水素含有ガスを併用しても構わない。
【００８９】
（実施の形態２）
以下、具体的に本発明の実施の形態２を説明する。図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。
【００９０】
図５に示すように、加熱器である改質器１００が水添脱硫器１０と熱交換可能に構成されており、水添脱硫器１０の加熱源として用いられている。改質器１００で起こっている水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質器１００の温度は、上流に比べ下流が高くなっている。
【００９１】
燃料電池システム４００ｂは、燃料電池２００の低発電運転時よりも高発電運転時の方が、必要とする水素含有ガスの流通量が多くなるため、メタン転化率が高くなるよう改質器１００の温度を高くする必要がある。
【００９２】
燃料電池２００の発電量が７５０Ｗであるときよりも２５０Ｗであるときに改質器１００の温度が低くなるため、改質器１００を水添脱硫器１０の加熱器として用いることで、高発電量時に比べ、低発電量時に水添脱硫器１０を低い温度に制御できる。
【００９３】
具体的には、燃料電池２００の発電量が７５０Ｗであるときに改質器１００の温度を６５０℃にした場合は、水添脱硫器１０は３００℃になり、燃料電池２００の発電量が２５０Ｗであるときに改質器１００の温度を５５０℃にした場合は、水添脱硫器１０は２２０℃になるように運転制御する。そのため、発電量によらず水添脱硫器１０の温度を３００℃一定に制御する場合と同等の脱硫性能を維持できる。
【００９４】
また、加熱器として電気ヒータを併設しなくてよいため、電気ヒータを削減できコストダウンが図れ、電気ヒータで消費される電力量も削減できるため、運転効率を高くすることができる。
【００９５】
本実施の形態２では、電気ヒータを用いない構成を採っているが、電気ヒータを燃焼器と併設し、水添脱硫器１０の温度制御性を高めることもできる。
【００９６】
（実施の形態３）
以下、具体的に本発明の実施の形態３を説明する。図６は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。
【００９７】
図６に示すように、改質器１００と燃料電池２００に至る水素含有ガス供給経路の途中にＣＯ低減器１５０を設けている。ＣＯ低減器１５０は、水添脱硫器１０と熱交換可能に構成されており、水添脱硫器１０の加熱器２０として用いられている。
【００９８】
ＣＯ低減器１５０は、燃料電池２００に供給する水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する目的で設けられる。なお、ＣＯ低減器１５０は、水素含有ガス中のＣＯとＨ２Ｏとの変成反応によりＣＯを低減する変成器と、メタン化反応及び酸化反応の少なくともいずれか一方により水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯ除去器との少なくともいずれか一方を備える。
【００９９】
変成器には、変成触媒が充填される。変成触媒としては、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｔなどの金属が例示できる。ＣＯ除去器には、メタン化触媒及び酸化触媒の少なくともいずれか一方が充填される。
【０１００】
酸化触媒としては、一般的に、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ及びＮｉからなる群の中から選択される少なくとも１種が好適に用いられる。メタン化触媒としては、Ｒｕ等が好適に用いられる。変成器の温度は１６０℃以上且つ３５０℃以下であり、ＣＯ除去器の温度は、１００℃以上且つ２６０℃以下である。
【０１０１】
燃料電池システム４００ｃは、燃料電池２００の高発電運転時よりも低発電運転時のほ
うが、原料の流速が小さくなる。ＣＯ低減器ではＣＯを低減する反応が、発熱反応であるため、低発電運転時にＣＯ低減器の温度は低くなる。ＣＯ低減器１５０を水添脱硫器１０の加熱器２０として用いることで、高発電量時に比べ、低発電量時に水添脱硫器１０を低い温度に制御できる。
【０１０２】
具体的には、燃料電池２００の発電量が７５０ＷであるときにＣＯ低減器１５０の温度を３２０℃にした場合は、水添脱硫器１０は３００℃になり、燃料電池２００の発電量が２５０ＷであるときにＣＯ低減器１５０の温度を２５０℃にした場合は、水添脱硫器１０は２４０℃になるように運転制御する。
【０１０３】
そのため、発電量によらず水添脱硫器１０の温度を３００℃一定に制御する場合と同等以上の脱硫性能を維持できる。
【０１０４】
ＣＯ低減器１５０の温度と水添脱硫器１０の設定温度が近いため、水添脱硫器１０を安定して適正な温度に維持できる。また、加熱器として電気ヒータを併設しなくてよいため、電気ヒータを削減できコストダウンが図れ、電気ヒータで消費される電力量も削減できるため、運転効率を高くすることができる。
【０１０５】
本実施の形態３では、電気ヒータを用いない構成を採っているが、電気ヒータを燃焼器と併設し、水添脱硫器１０の温度制御性を高めることもできる。
【０１０６】
（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。
【０１０７】
図７に示すように、燃料電池２００は水添脱硫器１０と熱交換可能に構成されており、水添脱硫器１０の加熱器として用いられている。なお、固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜を用い、通常８０℃から９０℃で作動する。高温でも２００℃程度が限界とされており、水添脱硫器１０の加熱手段として用いられない。
【０１０８】
しかし、固体酸化物形燃料電池は、耐熱性セラミックス系の電解質を用い、７００℃から１０００℃で作動し、運転温度が水添脱硫器１０の設定温度２００℃から３００℃より高温であるため、水添脱硫器１０の加熱器として用いることができる。また、溶融炭酸塩形燃料電池も作動温度は６５０℃から７００℃であり、水添脱硫器１０の加熱器として用いることができる。
【０１０９】
燃料電池２００と水添脱硫器１０との間に断熱材を設置することで、水添脱硫器１０の温度を適切な温度である２００℃から３００℃に制御することができる。
【０１１０】
燃料電池システム４００ｄは、水添脱硫器１０よりも高い温度を有する燃料電池２００を水添脱硫器１０の加熱器として用いることで、高発電量時に比べ、低発電量時に水添脱硫器１０を低い温度に制御する。
【０１１１】
具体的には、燃料電池２００の発電量が７５０Ｗであるときに燃料電池２００の温度を８００℃にした場合は、水添脱硫器１０は３００℃になり、燃料電池２００の発電量が２５０Ｗであるときに燃料電池２００の温度を７００℃にした場合は、水添脱硫器１０は２６０℃になるように運転制御する。そのため、発電量によらず水添脱硫器１０の温度を３００℃一定に制御する場合と同等以上の脱硫性能を維持できる。
【０１１２】
また、加熱器として電気ヒータを併設しなくてよいため、電気ヒータを削減できコスト
ダウンが図れ、電気ヒータで消費される電力量も削減できるため、運転効率を高くすることができる。
【０１１３】
（実施の形態５）
図８は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。
【０１１４】
図８に示すように、水添脱硫器１０には、硫黄検出器６１を備え、水添脱硫器１０の硫黄化合物の累積除去量が増加すると、制御器３００は、加熱器２０を制御することで水添脱硫器１０の温度を低発電運転時であっても高く維持する。硫黄検出器６１としては、硫黄化合物による変色を検知する検知管やガス分析器などが例示される。
【０１１５】
例えば、硫黄検出器６１を水添脱硫器１０の上流から１／３の位置、上流から２／３の位置の２箇所に配置し、水添脱硫器１０の上流から２／３の位置で硫黄化合物を検出した時点を硫黄化合物の累積除去量２／３に到達したとする。なお、同様の検知ができれば、硫黄検出器６１の配置方法はこれに限らない。
【０１１６】
燃料電池システム４００ｅは、水添脱硫器１０の硫黄化合物の累積除去量を硫黄検出器６１が検出し、累積除去量の設計値である３０ｇ−Ｓの２／３である２０ｇ−Ｓに到達するまでは、燃料電池２００の発電量が２５０Ｗであった場合、水添脱硫器１０を２００℃に制御する。
【０１１７】
しかし、水添脱硫器１０の硫黄化合物の累積除去量が２０ｇ−Ｓに到達した以降は、燃料電池２００の発電量が２５０Ｗであっても、水添脱硫器１０を３００℃に制御する。そのため、設計寿命以前に水添脱硫器１０から硫黄化合物が流出し改質器１００の性能が低下することを抑制し、水添脱硫器１０の寿命を長くすることができる。
【０１１８】
なお、低発電運転時の水添脱硫器１０を高くする累積除去量は設計値の２／３に限るものではない。
【０１１９】
図９から図１１は、実施の形態５に係る第２の発電量のときの硫黄化合物の累積除去量と水添脱硫器１０の温度の関係の一例を示す図である。
【０１２０】
水添脱硫器１０に搭載する水添脱硫剤の量を３０ｇ−Ｓの硫黄化合物を除去できるよう設計した。
【０１２１】
（実施例３）
図９に示すように、２５０Ｗ運転時に、硫黄化合物の累積除去量が累積除去許容量３０ｇ−Ｓの２／３である２０ｇ−Ｓまでは水添脱硫器１０の温度を２００℃に制御し、以降３０ｇ−Ｓまで３００℃に制御する。
【０１２２】
燃料電池システム４００ｅは、２５０Ｗ運転時に、硫黄化合物の累積除去量に応じ、水添脱硫器１０の温度を図９に示すパターンに制御することで、設計寿命まで水添脱硫器１０から硫黄化合物が流出することを抑制し、燃料電池システム４００ｅを高効率に運転することを可能とする。本実施例では、２５０Ｗ運転時の水添脱硫温度が高くなるよう設定するタイミングを累積除去許容量の２／３に設定しているが、この限りではない。
【０１２３】
（実施例４）
図１０に示すように、２５０Ｗ運転時に、硫黄化合物の累積除去量が累積除去許容量３０ｇ−Ｓの２／３である２０ｇ−Ｓまでは水添脱硫器１０の温度を２００℃に制御し、２
０ｇ−Ｓから３０ｇ−Ｓまで直線的に２００℃から３００℃に上昇させ制御する。
【０１２４】
燃料電池システム４００ｅは、２５０Ｗ運転時に、硫黄化合物の累積除去量に応じ、水添脱硫器１０の温度を図１０に示すパターンに制御することで、設計寿命まで水添脱硫器１０から硫黄化合物が流出することなく、実施例３より燃料電池システム４００ｅを高効率に運転することが可能となる。
【０１２５】
本実施例では、２５０Ｗ運転時の水添脱硫温度が高くなるよう設定するタイミングを累積除去許容量の２／３に設定しているが、この限りではない。
【０１２６】
（実施例５）
図１１に示すように、２５０Ｗ運転時に、硫黄化合物の累積除去量が累積除去許容量３０ｇ−Ｓの２／３である２０ｇ−Ｓまでは水添脱硫器１０の温度を２００℃に制御し、２０ｇ−Ｓから３０ｇ−Ｓまでステップ的に２００℃から３００℃に上昇させ制御する。
【０１２７】
燃料電池システム４００ｅで、２５０Ｗ運転時に、硫黄化合物の累積除去量に応じ、水添脱硫器１０の温度を図１１に示すパターンに制御することで、設計寿命まで水添脱硫器１０から硫黄化合物が流出することなく、実施例３より燃料電池システム４００ｅを高効率に運転することが可能となる。
【０１２８】
さらに実施例４より設計寿命間際の水添脱硫温度を３００℃に制御する時間が長いため、硫黄化合物の流出危険性が低くなる。本実施例では、２５０Ｗ運転時の水添脱硫温度が高くなるよう設定するタイミングを累積除去許容量の２／３に設定しているが、この限りではない。
【０１２９】
（実施の形態６）
図１２は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。
【０１３０】
図１２に示すように、原料供給量検出手段３０から水添脱硫器１０に至る原料供給経路の途中に、ガス中の硫黄化合物濃度検出手段６２を備え、検出されるガス中の硫黄化合物濃度と、原料供給量検出手段３０から出力される原料供給量とから制御器３００に備えられた演算部３０１で硫黄化合物の累積供給量を算出し、水添脱硫器１０への硫黄化合物の累積供給量が増加すると、制御器３００は、加熱器２０を制御することで水添脱硫器１０の温度を低発電運転時であっても高く維持する。
【０１３１】
ガス中の硫黄化合物濃度検出手段６２としては、硫黄センサーやガス分析器などが例示される。
【０１３２】
なお、同様の検知ができれば、ガス中の硫黄化合物濃度検出手段６２は何れであっても構わない。また、水添脱硫器１０への硫黄化合物の累積供給量を検知できる構成であれば、ガス中の硫黄化合物濃度検出手段６２は、原料供給器３１から原料供給量検出手段３０に至る原料ガス供給経路の途中に設置されても構わないし、原料供給器３１の前段に設置されても構わない。
【０１３３】
燃料電池システム４００ｆは、水添脱硫器１０への硫黄化合物の累積流通量を硫黄化合物濃度検出手段６２と原料供給量検出手段３０とから硫黄化合物の累積供給量を算出し、硫黄化合物の累積供給量の設計値である３０ｇ−Ｓの２／３である２０ｇ−Ｓに到達するまでは、燃料電池２００の発電量が２５０Ｗであった場合、水添脱硫器１０を２００℃に制御する。
【０１３４】
しかし、水添脱硫器１０の硫黄化合物の累積除去量が２０ｇ−Ｓに到達した以降に、燃料電池２００の発電量が２５０Ｗであっても、水添脱硫器１０を３００℃に制御する。そのため、設計寿命以前に水添脱硫器１０から硫黄化合物が流出し改質器１００の性能が低下することを抑制し、水添脱硫器１０の寿命を長くすることができる。
【０１３５】
また、水添脱硫器１０への硫黄化合物の累積除去量を検知するには、水添脱硫器１０各部に硫黄検出器６１を設ける必要があるが、硫黄化合物の累積流通量を検知する方法であれば、水添脱硫器１０の前段にガス中の硫黄化合物濃度検出手段６２を設けるだけで、比較的簡素且つ安価な構成で水添脱硫器１０の硫黄吸着状態を算出することができる。
【０１３６】
なお、低発電運転時の水添脱硫器１０を高くする硫黄化合物の累積供給量は設計値の２／３に限るものではない。
【０１３７】
（実施例６）
図１３に示すように、２５０Ｗ運転時に、硫黄化合物の累積供給量が寿命設計値である３０ｇ−Ｓの２／３である２０ｇ−Ｓまでは水添脱硫器１０の温度を２００℃に制御し、以降３０ｇ−Ｓまで３００℃に制御する。
【０１３８】
燃料電池システム４００ｅは、２５０Ｗ運転時に、硫黄化合物の累積供給量に応じ、水添脱硫器１０の温度を図１３に示すパターンに制御することで、設計寿命まで水添脱硫器１０から硫黄化合物が流出することを抑制し、燃料電池システム４００ｅを高効率に運転することを可能とする。
【０１３９】
本実施例では、２５０Ｗ運転時の水添脱硫温度が高くなるよう設定するタイミングを硫黄化合物の累積供給量の寿命設計値の２／３に設定しているが、この限りではない。
【０１４０】
（実施例７）
図１４に示すように、２５０Ｗ運転時に、硫黄化合物の累積供給量が寿命設計値である３０ｇ−Ｓの２／３である２０ｇ−Ｓまでは水添脱硫器１０の温度を２００℃に制御し、２０ｇ−Ｓから３０ｇ−Ｓまで硫黄化合物の累積供給量の増加に伴い比例の関係に２００℃から３００℃に上昇させ制御する。
【０１４１】
燃料電池システム４００ｅは、２５０Ｗ運転時に、硫黄化合物の累積供給量に応じ、水添脱硫器１０の温度を図１４に示すパターンに制御することで、設計寿命まで水添脱硫器１０から硫黄化合物が流出することなく、実施例３より燃料電池システム４００ｅを高効率に運転することが可能となる。
【０１４２】
本実施例では、２５０Ｗ運転時の水添脱硫温度が高くなるよう設定するタイミングを硫黄化合物の累積供給量の寿命設計値の２／３に設定しているが、この限りではない。
【０１４３】
（実施例８）
図１５に示すように、２５０Ｗ運転時に、硫黄化合物の累積供給量が寿命設計値である３０ｇ−Ｓの２／３である２０ｇ−Ｓまでは水添脱硫器１０の温度を２００℃に制御し、２０ｇ−Ｓから３０ｇ−Ｓまでステップ的に２００℃から３００℃に上昇させ制御する。
【０１４４】
燃料電池システム４００ｅで、２５０Ｗ運転時に、硫黄化合物の累積供給量に応じ、水添脱硫器１０の温度を図１５に示すパターンに制御することで、設計寿命まで水添脱硫器１０から硫黄化合物が流出することなく、実施例３より燃料電池システム４００ｅを高効率に運転することが可能となる。さらに実施例４より設計寿命間際の水添脱硫温度を３０
０℃に制御する時間が長いため、硫黄化合物の流出危険性が低くなる。
【０１４５】
本実施例では、２５０Ｗ運転時の水添脱硫温度が高くなるよう設定するタイミングを硫黄化合物の累積供給量の寿命設計値の２／３に設定しているが、この限りではない。
【０１４６】
（実施の形態７）
図１６は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。
【０１４７】
図１６に示すように、原料供給量検出手段３０から出力される原料供給量と原料に含まれる硫黄化合物の濃度から制御器３００に備えられた演算部３０１で硫黄化合物の累積供給量を算出し、水添脱硫器１０への硫黄化合物の累積供給量が増加すると、制御器３００は、加熱器２０を制御することで水添脱硫器１０の温度を低発電運転時であっても高く維持する。
【０１４８】
原料に含まれる硫黄化合物の濃度については、燃料電池システム４００ｇの設置前に予め硫黄化合物の濃度の情報を取得し、設定することも可能であるし、また、設置後、制御器３００に備えられた情報取得器３０３が取得した硫黄化合物の濃度の情報に基づき、硫黄化合物の濃度を設定することも可能である。
【０１４９】
硫黄化合物の濃度の情報を取得する手段としては、硫黄化合物の濃度の情報を取り込んだプログラムをメンテナンス会社が燃料電池システム４００ｇの制御器３００へ入力する方法、燃料電池システム４００ｇが搭載している通信手段がプログラムを制御器３００へ取り込む方法などがある。
【０１５０】
燃料電池システム４００ｇは、水添脱硫器１０への原料の累積流通量を原料供給量検出手段３０とから算出し、原料中の硫黄化合物濃度が２．８ｍｇ−Ｓ／ｍ３であるときの原料の累積供給量の設計値である１０８００ｍ３の２／３である７２００ｍ３に到達するまでは、燃料電池２００の発電量が２５０Ｗであった場合、水添脱硫器１０を２００℃に制御する。
【０１５１】
しかし、水添脱硫器１０の原料の累積除去量が７２００ｍ３に到達した以降に、燃料電池２００の発電量が２５０Ｗであっても、水添脱硫器１０を３００℃に制御する。そのため、設計寿命以前に水添脱硫器１０から硫黄化合物が流出し改質器１００の性能が低下することを抑制し、水添脱硫器１０の寿命を長くすることができる。
【０１５２】
また、水添脱硫器１０への硫黄化合物の累積除去量を検知するには、水添脱硫器１０各部に硫黄検出器６１を設ける必要があるが、硫黄化合物の累積流通量を検知する方法であれば、水添脱硫器１０の前段にガス中の硫黄化合物濃度検出手段６２を設けるだけで、比較的簡素且つ安価な構成で水添脱硫器１０の硫黄吸着状態を算出することができる。
【０１５３】
また、水添脱硫触媒の原料の累積流通量を検知するには、原料供給量を随時検出する必要があるが、改質器１００の運転制御に必要であるため、通常、燃料電池システム４００ｇに原料供給量検出手段３０が設置されている。新たな検出手段を用いず、簡素且つ安価な構成で水添脱硫器１０の硫黄吸着状態を算出することができる。
【０１５４】
なお、低発電運転時の水添脱硫器１０を高くする原料の累積流通量は設計値の２／３に限るものではない。
【０１５５】
（実施例９）
図１７に示すように、２５０Ｗ運転時に、原料の累積供給量が寿命設計値である１０８００ｍ３の２／３である７２００ｍ３までは水添脱硫器１０の温度を２００℃に制御し、以降１０８００ｍ３まで３００℃に制御する。
【０１５６】
燃料電池システム４００ｇは、２５０Ｗ運転時に、硫黄化合物の累積供給量に応じ、水添脱硫器１０の温度を図１７に示すパターンに制御することで、設計寿命まで水添脱硫器１０から硫黄化合物が流出することを抑制し、燃料電池システム４００ｇを高効率に運転することを可能とする。
【０１５７】
本実施例では、２５０Ｗ運転時の水添脱硫温度が高くなるよう設定するタイミングを原料の累積供給量の寿命設計値の２／３に設定しているが、この限りではない。
【０１５８】
（実施例１０）
図１８に示すように、２５０Ｗ運転時に、原料の累積供給量が寿命設計値である１０８００ｍ３の２／３である７２００ｍ３までは水添脱硫器１０の温度を２００℃に制御し、７２００ｍ３から１０８００ｍ３まで硫黄化合物の累積供給量の増加に伴い比例の関係に２００℃から３００℃に上昇させ制御する。
【０１５９】
燃料電池システム４００ｇは、２５０Ｗ運転時に、硫黄化合物の累積供給量に応じ、水添脱硫器１０の温度を図１８に示すパターンに制御することで、設計寿命まで水添脱硫器１０から硫黄化合物が流出することなく、実施例３より燃料電池システム４００ｇを高効率に運転することが可能となる。
【０１６０】
本実施例では、２５０Ｗ運転時の水添脱硫温度が高くなるよう設定するタイミングを原料の累積供給量の寿命設計値の２／３に設定しているが、この限りではない。
【０１６１】
（実施例１１）
図１９に示すように、２５０Ｗ運転時に、原料の累積供給量が寿命設計値である１０８００ｍ３の２／３である７２００ｍ３までは、水添脱硫器１０の温度を２００℃に制御し、７２００ｍ３から１０８００ｍ３までステップ的に２００℃から３００℃に上昇させ制御する。
【０１６２】
燃料電池システム４００ｇで、２５０Ｗ運転時に、硫黄化合物の累積供給量に応じ、水添脱硫器１０の温度を図１９に示すパターンに制御することで、設計寿命まで水添脱硫器１０から硫黄化合物が流出することなく、実施例３より燃料電池システム４００ｇを高効率に運転することが可能となる。さらに実施例４より設計寿命間際の水添脱硫温度を３００℃に制御する時間が長いため、硫黄化合物の流出危険性が低くなる。
【０１６３】
本実施例では、２５０Ｗ運転時の水添脱硫温度が高くなるよう設定するタイミングを原料の累積供給量の寿命設計値の２／３に設定しているが、この限りではない。
【０１６４】
（実施の形態８）
図２０は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。
【０１６５】
図２０に示すように、原料供給量検出手段３０から水添脱硫器１０に至る原料供給経路の途中に、ガス中の硫黄化合物濃度検出手段６２を備え、検出される原料ガス中の硫黄化合物濃度が増加すると、制御器３００は、加熱器２０を制御することで水添脱硫器１０の温度を低発電運転時であっても高く維持する。また、原料ガス中の硫黄化合物濃度については、制御器３００に備える情報取得器３０３がガス供給体から取得することも可能であ
る。
【０１６６】
水添脱硫器１０へ供給する原料中の硫黄化合物濃度が増加すると、原料の流速が同じであっても、水添脱硫器１０に供給される硫黄化合物の流速が大きくなる。水添脱硫触媒では、硫黄化合物の水素化反応の後、水素化された硫黄水素と水添脱硫触媒との反応が起こっており、硫黄水素と水添脱硫触媒との反応速度は反応温度が高いほど速くなる。
【０１６７】
水添脱硫器１０に供給される硫黄化合物の流速が大きくなった際には、低発電運転時に水添脱硫器１０の温度を低く制御すると、脱硫性能が低下し、後段の改質器１００に硫黄化合物を流出させ、性能低下を起こしてしまう。
【０１６８】
燃料電池システム４００ｈは、硫黄化合物の濃度、例えば２．８ｍｇ−Ｓ／ｎｍ３で設計していた水添脱硫器１０にて、硫黄化合物の濃度が増加する前、制御器３００は、燃料電池システム４００ｈの発電量が７５０Ｗであるときに水添脱硫器１０の温度３００℃に、２５０Ｗであるときに２００℃に制御する。
【０１６９】
硫黄化合物の濃度が増加した後は、制御器３００は、燃料電池システム４００ｈの発電量が７５０Ｗであるときは、水添脱硫器１０の温度を３００℃に維持するが、２５０Ｗであるときには３００℃に制御する。
【０１７０】
原料中の硫黄化合物濃度が増加した場合は、低発電運転時であっても水添脱硫器１０の温度を高く制御し、硫黄水素と水添脱硫触媒との反応速度を速くすることで、水添脱硫器１０から硫黄化合物が流出することを抑制することができる。
【０１７１】
上記の説明から、当業者にとっては、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、上記の説明は、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、機能の両者もしくはいずれかの詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１７２】
本発明にかかる燃料電池システムは、低発電時に無駄に水添脱硫器を加熱することを抑制することができるので、水添脱硫器を備えた高効率な燃料電池システムに有用である。
【符号の説明】
【０１７３】
１０  水添脱硫器
２０  加熱器
３０  原料供給量検出手段
３１  原料供給器
４０  発電電流検出手段
４１  出力制御器
５０  水供給量検出手段
５１  水供給器
６１  硫黄検出器
６２  硫黄化合物濃度検出手段
１００  改質器
１５０  ＣＯ低減器
２００  燃料電池
３００  制御器
３０１  演算部
３０２  記憶部
３０３  情報取得器
４００  燃料電池システム
４００ａ  燃料電池システム
４００ｂ  燃料電池システム
４００ｃ  燃料電池システム
４００ｄ  燃料電池システム
４００ｅ  燃料電池システム
４００ｆ  燃料電池システム
４００ｇ  燃料電池システム
４００ｈ  燃料電池システム
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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