(57)【要約】【課題】加熱が必要な脱硫器を備える場合に、従来よりも脱硫器を適温に維持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、発電原料を用いて発電する燃料電池ユニット１と、発電原料中の硫黄化合物を除去する脱硫器２と、脱硫器２を加熱する、燃料電池ユニット１における排ガスが流れる排ガス経路３と、脱硫器２を加熱する前に排ガス経路３より分岐する排ガスが流れる分岐経路４と、分岐経路４を流れる排ガスの流量を調整する流量調整器５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】
発電原料を用いて発電する燃料電池ユニットと、発電原料中の硫黄化合物を除去する脱硫器と、前記脱硫器を加熱する、前記燃料電池ユニットにおける排ガスが流れる排ガス経路と、前記脱硫器を加熱する前に前記排ガス経路より分岐する排ガスが流れる分岐経路と、前記分岐経路を流れる排ガスの流量を調整する流量調整器とを備える燃料電池システム。
【請求項２】
脱硫器の温度を検知する温度検知器と、前記温度検知器の検知温度に基づき前記流量調整器を制御する制御器とを備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池ユニットを収納する第１の容器と、前記脱硫器を収納する第２の容器とを備え、前記第２の容器には、前記第１の容器から前記燃料電池ユニットにおける排ガスが流入する流入口と、前記脱硫器上を通過した排ガスが流出する第１の流出口と、前記脱硫器上を通過する前に前記第２の容器から排ガスが流出する第２の流出口とが設けられており、
前記排ガス経路は、前記第１の流出口を含む前記排ガスの経路であり、前記分岐経路は、前記第２の流出口を含む前記排ガスの経路であり、前記流量調整器は、前記第２の流出口よりも下流の前記分岐経路上に設けられる請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記分岐経路に設けられた冷却器を備える請求項１−３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】
燃料電池システムでは、発電原料の改質に用いられる触媒が硫黄被毒により活性が低下するので、発電原料を改質する前に、硫黄化合物を除去する必要がある。硫黄化合物は、例えば、水素と発電原料とを混合させる水添脱硫、又は高温脱硫等により除去できるが、脱硫器を所定の温度に加熱する必要がある。そこで、特許文献１は、改質器と変成器との間に脱硫器を設ける例が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−８７５８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述の技術では、水添脱硫器のような加熱が必要な脱硫器を適温に維持するための構成については十分に検討されていない。
【０００５】
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、加熱が必要な脱硫器を備える場合に、従来よりも脱硫器を適温に維持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】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の一態様の燃料電池システムは、発電原料を用いて発電する燃料電池ユニットと、発電原料中の硫黄化合物を除去する脱硫器と、前記脱硫器を加熱する、前記燃料電池ユニットにおける排ガスが流れる排ガス経路と、前記脱硫器を加熱する前に前記排ガス経路より分岐する排ガスが流れる分岐経路と、前記分岐経路を流れる排ガスの流量を調整する流量調整器と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の一態様の燃料電池システムは、加熱が必要な脱硫器を備える場合に、従来よりも脱硫器を適温に維持し得る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
【図２】図２は、第１実施形態の実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。
【図３】図３は、第１実施形態の実施例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図４】図４は、第２実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
【図５】図５は、第２実施形態の変形例の燃料電池システムの一例を示す図である。
【図６】図６は、第２実施形態の変形例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図７】図７は、従来の燃料電池システムの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１実施形態）
上記特許文献１記載の燃料電池システムでは、水添脱硫器が、改質ガスにより加熱されることが記載されている。
【００１０】
本発明者らは、鋭意検討した結果、以下の知見を得た。
【００１１】
水添脱硫器のような加熱が必要な脱硫器を改質ガスのような排ガスで加熱するとき、脱硫器の適温よりも高い温度になることを抑制する点について検討されていない。そこで、脱硫器を加熱する前に排ガス流路より分岐する分岐経路及び分岐経路を流れる排ガスの流量を調整する流量調整器を設けることで、排ガスによる脱硫器の加熱量を調整することが可能になることを見出した。
【００１２】
すなわち、本実施形態の燃料電池システムは、発電原料を用いて発電する燃料電池ユニットと、発電原料中の硫黄化合物を除去する脱硫器と、脱硫器を加熱する、燃料電池ユニットにおける排ガスが流れる排ガス経路と、脱硫器を加熱する前に排ガス経路より分岐する排ガスが流れる分岐経路と、分岐経路を流れる排ガスの流量を調整する流量調整器とを備える。
【００１３】
かかる構成により、加熱が必要な脱硫器を備える場合に、従来よりも脱硫器を適温に維持し得る。具体的には、脱硫器を加熱する前に排ガス流路より分岐する分岐経路及び分岐経路を流れる排ガスの流量を調整する流量調整器を設けることで、排ガスによる脱硫器の加熱量を調整することが可能になる。
【００１４】
［装置構成］
図１は、第１実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池ユニット１と、脱硫器２と、排ガス経路３と、分岐経路４と、流量調整器５と、を備える。
【００１６】
燃料電池ユニット１は、発電原料を用いて発電する。燃料電池ユニット１は、少なくとも燃料電池を備え、発電原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器を備えてもよい。改質器を備えない場合は、燃料電池内で改質反応により水素含有ガスが生成される。このような例として、内部改質形の固体酸化物燃料電池が挙げられる。
【００１７】
燃料電池ユニット１における改質反応は、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を例示できる。図１には示されていないが、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、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が設けられる。改質反応がオートサーマル反応であれば、さらに、空気を供給する空気供給器が設けられる。燃料電池ユニット１の燃料電池は、いずれの種類であってもよく、例えば、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、及び燐酸形燃料電池等を例示できる。
【００１８】
なお、発電原料は、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む。発電原料として、例えば、都市ガス、天然ガス、ＬＰガス、又は、アルコール、灯油又はガソリン等の液体燃料の気化ガス等を例示できる。また、発電原料は、発電原料供給源より供給される。発電原料供給源は、所定の供給圧を有しており、例えば、発電原料ボンベ又は発電原料インフラ等を例示できる。
【００１９】
脱硫器２は、発電原料中の硫黄化合物を除去する。硫黄化合部が除去された発電原料は、燃料電池ユニット１に送られる。本実施形態では、脱硫器２は、加熱が必要な脱硫器である。このような脱硫器２の脱硫方式として、水添脱硫又は高温脱硫等を例示できる。なお、脱硫器２が、水添脱硫器である場合、脱硫器２の容器に水添脱硫剤が充填される。水添脱硫剤は、例えば、硫黄化合物を硫化水素に変換する機能と硫化水素を吸着する機能を共に有するＣｕＺｎ系触媒が用いられる。水添脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、発電原料ガス中の硫黄化合物を硫化水素に変換するＣｏＭｏ系触媒と、その下流に設けられる、硫化水素を吸着除去する硫黄吸着剤であるＺｎＯ系触媒、又はＣｕＺｎ系触媒とで構成しても構わない。このとき、図示しないリサイクル流路により、燃料電池ユニット１から水素含有ガスの一部を、水添反応用の水素として水添脱硫器に流入する前の発電原料に供給しても構わない。
【００２０】
排ガス経路３は、脱硫器２を加熱する、燃料電池ユニット１における排ガスが流れる。燃料電池ユニット１における排ガスとして、例えば、燃料電池ユニット１の燃料電池のアノードオフガス、又はカソードオフガスを用いて脱硫器２を加熱してもよい。また、燃料電池ユニット１が、アノードオフガスを燃焼する燃焼器を備える場合は、排ガスとして、燃焼器からの燃焼排ガスを用いて脱硫器２を加熱してもよい。
【００２１】
分岐経路４は、脱硫器２を加熱する前に排ガス経路３より分岐する排ガスが流れる。分岐経路４は、その下流において排ガス経路３と合流するよう構成されていてもよい。
【００２２】
流量調整器５は、分岐経路４を流れる排ガスの流量を調整する。本実施形態では、流量調整器５は、分岐経路４上に設けられている。流量調整器５は、分岐経路４を流れる排ガスの流量を調整できれば、どのような構成であっても構わない。流量調整器５として、例えば、流量調整弁等を例示できる。
【００２３】
以上により、本実施形態の燃料電池システム１００は、加熱が必要な脱硫器２を備える場合に、従来よりも脱硫器２を適温に維持し得る。具体的には、脱硫器２を加熱する前に排ガス流路３より分岐する分岐経路４及び分岐経路４を流れる排ガスの流量を調整する流量調整器５を設けることで、排ガスによる脱硫器２の加熱量を調整することが可能になる。
【００２４】
（実施例）
第１実施形態の実施例の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムにおいて、脱硫器の温度を検知する温度検知器と、温度検知器の検知温度に基づき流量調整器を制御する制御器とを備える。
【００２５】
かかる構成により、制御器が、脱硫器の検知温度に基づいて、脱硫器の温度を適温に維持するように制御できる。
【００２６】
本実施例の燃料電池システムは、上記の点以外は、第１実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。
【００２７】
［装置構成］
図２は、第１実施形態の実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。
【００２８】
図２に示すように、本実施例の燃料電池システム１００は、燃料電池ユニット１と、脱硫器２と、排ガス経路３と、分岐経路４と、流量調整器５と、温度検知器６と、制御器７と、を備える。燃料電池ユニット１、脱硫器２、排ガス経路３、分岐経路４及び流量調整器５については第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００２９】
温度検知器６は、脱硫器２の温度を検知する。温度検知器６は、脱硫器２の温度を直接的又は間接的に検知できれば、どのような構成であっても構わない。例えば、脱硫器２に温度検知器６を設け、脱硫器２の温度を直接的に検知していいし、脱硫器２の温度と相関する、排ガス経路の配管等の所定の箇所に温度検知器６を設け、脱硫器２の温度を間接的に検知してもいい。本実施形態では、脱硫器２に、温度検知器６が設けられている。温度検知器６として、例えば、熱電対又はサーミスタ等を例示できる。
【００３０】
制御器７は、温度検知器６の検知温度に基づき流量調整器５を制御する。制御器７は、制御機能を備えるものであれば、どのような構成でも構わない。例えば、制御器７は、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、例えば、ＭＰＵ又はＣＰＵ等を例示できる。記憶部としては、例えば、メモリー等を例示できる。制御器７は、単独の制御器で構成してもいいし、複数の制御器で構成してもいい。
【００３１】
［動作］
図３は、第１実施形態の実施例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。以下の動作は、制御器７の制御プログラムにより行われる。
【００３２】
ステップＳ１０１で、脱硫器２の温度Ｔｘが検知される。
【００３３】
ステップＳ１０２で、脱硫器２の温度Ｔｘが、温度Ｔ１よりも高く、かつ、温度Ｔ２よりも低いか否かが判定される。例えば、脱硫器２が水添脱硫器の場合、これらの温度Ｔ１及び温度Ｔ２はそれぞれ、水添脱硫器の水添反応に適した温度範囲の下限温度及び上限温度に設定してもいいし、これらの上下限温度の近傍の温度に設定してもいい。例えば、水添脱硫剤として、ＣｕＺｎ系触媒を用いる場合、水添脱硫器は、約１５０℃−３５０℃が適温の動作範囲となる。よって、この場合、温度Ｔ１及び温度Ｔ２をそれぞれ、例えば、約１９０℃及び約３１０℃に設定しても構わない。なお、これらの温度Ｔ１及び温度Ｔ２は例示であって、本例に限定されない。
【００３４】
脱硫器２の温度Ｔｘが、温度Ｔ１よりも高く、かつ、温度Ｔ２よりも低い場合、脱硫器２の温度Ｔｘは適温であるので、そのまま、ステップＳ１０１に戻る。
【００３５】
脱硫器２の温度Ｔｘが、温度Ｔ１以下の場合、又は、温度Ｔ２以上の場合、脱硫器２の温度Ｔｘは適温でないので、ステップＳ１０３に進み、その後、ステップＳ１０１に戻る。
【００３６】
ステップＳ１０３では、流量調整器５を用いて、分岐経路４を流れる排ガスの流量制御が行われる。具体的には、脱硫器２の温度Ｔｘが、温度Ｔ１以下の場合、分岐経路４を流れる排ガスの流量が減少するように、流量調整器５が制御される。これにより、排ガス経路３を流れる排ガスの流量を増加できるので、脱硫器２の温度Ｔｘが上がる。脱硫器２の温度Ｔｘが、温度Ｔ２以上の場合、分岐経路４を流れる排ガスの流量が増加するように、流量調整器５が制御される。これにより、排ガス経路３を流れる排ガスの流量を減少できるので、脱硫器２の温度Ｔｘが下がる。
【００３７】
以上により、本実施形態では、制御器７が、脱硫器２の温度Ｔｘに基づいて、脱硫器２の温度を適温に維持するように制御できる。
【００３８】
なお、本例では、脱硫器２の温度Ｔｘが、所定の温度範囲（Ｔ１＜Ｔｘ＜Ｔ２）にあるか否かを判定し、所定の温度範囲外であるときに、流量調整器５により分岐経路４を流れる排ガスの流量を調整している。
【００３９】
しかしながら、制御器７は、脱硫器２の温度Ｔｘが上限値以上（Ｔ２≦Ｔｘ）であるか否かで流量調整器５により排ガスの流量を調整し、脱硫器２の温度Ｔｘが下限値以下（Ｔｘ≦Ｔ１）であるか否かで流量調整器５による排ガスの流量を調整しないよう構成されていてもよい。
【００４０】
（第２実施形態）
第２実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態又は第１実施形態の実施例の燃料電池システムにおいて、燃料電池ユニットを収納する第１の容器と、脱硫器を収納する第２の容器とを備え、第２の容器には、第１の容器から燃料電池ユニットにおける排ガスが流入する流入口と、脱硫器上を通過した排ガスが流出する第１の流出口と、脱硫器上を通過する前に第２の容器から排ガスが流出する第２の流出口とが設けられており、排ガス経路は、第１の流出口を含む排ガスの経路であり、分岐経路は、第２の流出口を含む排ガスの経路であり、流量調整器は、第２の流出口よりも下流の分岐経路上に設けられる。
【００４１】
かかる構成により、排ガス経路を流れる排ガスによる脱硫器の加熱量を容易に制御できる。具体的には、第２の容器が、第１の流出口を含み、脱硫器上を通過する排ガスが流れる排ガス経路を形成するので、制御器は、流量調整器を用いて、第２の容器内の脱硫器の周囲の温度を容易に制御できる。
【００４２】
本実施形態の燃料電池システムは、上記の点以外は、第１実施形態又は第１実施形態の実施例の燃料電池システムと同様に構成してもよい。
【００４３】
［装置構成］
図４は、第２実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
【００４４】
図４に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池ユニット１と、脱硫器２と、排ガス経路３と、分岐経路４と、流量調整器５と、温度検知器６と、制御器７と、第１の容器８と、第２の容器９と、流入口１０と、第１の流出口１１と、第２の流出口１２と、を備える。燃料電池ユニット１、脱硫器２、温度検知器６及び制御器７については第１実施形態の実施例と同様であるので説明を省略する。
【００４５】
第１の容器８は、燃料電池ユニット１を収納する。
【００４６】
第２の容器９は、脱硫器２を収納する。そして、第２の容器９には、第１の容器８から燃料電池ユニット１における排ガスが流入する流入口１０と、脱硫器２上を通過した排ガスが流出する第１の流出口１１と、脱硫器２上を通過する前に第２の容器９から排ガスが流出する第２の流出口１２とが設けられている。排ガス経路３は、第１の流出口１１を含む排ガスの経路である。分岐経路４は、第２の流出口１２を含む排ガスの経路である。また、流量調整器５は、第２の流出口１２よりも下流の分岐経路４上に設けられる。
【００４７】
なお、本実施形態では、分岐経路４が、排ガス経路３の第１の流出口１１の下流部分と合流している。
【００４８】
以上により、排ガス経路３を流れる排ガスによる脱硫器２の加熱量を容易に制御できる。具体的には、第２の容器９が、第１の流出口１１を含み、脱硫器２上を通過する排ガスが流れる排ガス経路３を形成するので、制御器７は、流量調整器５を用いて、第２の容器９内の脱硫器２の周囲の温度を容易に制御できる。
【００４９】
なお、図４では、第１実施形態の実施例の燃料電池システム１００に、第１の容器８及び第２の容器９を設ける例を示しているが、これに限らない。第１実施形態の燃料電池システム１００に、第１の容器８及び第２の容器９を設けても構わない。
【００５０】
（変形例）
第２実施形態の変形例の燃料電池システムは、第１実施形態、第１実施形態の実施例及び第２実施形態のいずれかの燃料電池システムにおいて、分岐経路４に設けられた冷却器を備える。
【００５１】
かかる構成により、分岐経路を流れる排ガスの温度を下げることができるので、燃料電池システム外への高温の排ガスの放出を抑制できる。また、排ガスの熱による流量調整器への影響を抑制できる。
【００５２】
本実施形態の燃料電池システムは、上記の点以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例及び第２実施形態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。
【００５３】
［装置構成］
図５は、第２実施形態の変形例の燃料電池システムの一例を示す図である。
【００５４】
図５に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池ユニット１と、脱硫器２と、排ガス経路３と、分岐経路４と、流量調整器５と、温度検知器６と、制御器７と、第１の容器８と、第２の容器９と、流入口１０と、第１の流出口１１と、第２の流出口１２と、冷却器１３と、を備える。燃料電池ユニット１、脱硫器２、排ガス経路３、分岐経路４、流量調整器５、温度検知器６、制御器７、第１の容器８、第２の容器９、流入口１０、第１の流出口１１及び第２の流出口１２については第２実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００５５】
冷却器１３は、分岐経路４に設けられている。本実施形態では、流量調整器５の上流の分岐経路４に冷却器１３を設けている。
【００５６】
冷却器１３は、分岐経路４を流れる排ガスを冷却できれば、どのような構成であっても構わない。冷却器１３として、例えば、熱交換器を例示できる。また、この熱交換器の冷媒として、例えば、空気又は水等を例示できる。
【００５７】
なお、図５では、第２実施形態の燃料電池システム１００に、冷却器１３を設ける例を示しているが、これに限らない。第１実施形態又は第１実施形態の実施例の燃料電池システム１００に、冷却器１３を設けても構わない。
【００５８】
［動作］
図６は、第２実施形態の変形例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。以下の動作は、制御器７の制御プログラムにより行われる。
【００５９】
ステップＳ２０１で、排ガスの温度Ｔｙが検知される。なお、排ガスの温度Ｔｙは、図示しない排ガス温度検知器により検知される。排ガス温度検知器は、例えば、排ガス経路３と分岐経路４とが合流する合流部よりも下流のガス経路に設けても構わない。
【００６０】
ステップＳ２０２で、排ガスの温度Ｔｙが、温度Ｔ３よりも高いか否かが判定される。例えば、温度Ｔ３として、約１００℃に設定しても構わない。なお、この温度Ｔ３は例示であって、本例に限定されない。
【００６１】
排ガスの温度Ｔｙが温度Ｔ３以下の場合、排ガスの冷却が不要と判定され、そのまま、ステップＳ２０１に戻る。
【００６２】
排ガスの温度Ｔｙが、温度Ｔ３よりも高い場合、排ガスの冷却が必要と判定され、ステップＳ２０３に進み、その後、ステップＳ２０１に戻る。
【００６３】
ステップＳ２０３では、冷却器１３を用いて、分岐経路４を流れる排ガスの冷却量制御が行われる。つまり、冷却器１３の冷却量が増加するように、冷却器１３が制御される。例えば、冷却器１３が、空冷式の熱交換器の場合は、熱交換器の冷媒である空気の流量が増加する。これにより、分岐経路４を流れる排ガスの温度Ｔｙを下げることができるので、燃料電池システム１００外への高温の排ガスの放出を抑制できる。また、排ガスの熱による流量調整器５への影響を抑制できる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の一態様は、加熱が必要な脱硫器を備える場合に、従来よりも脱硫器を適温に維持し得る。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】
【００６５】
１  燃料電池ユニット
２  脱硫器
３  排ガス経路
４  分岐経路
５  流量調整器
６  温度検知器
７  制御器
８  第１の容器
９  第２の容器
１０  流入口
１１  第１の流出口
１２  第２の流出口
１３  冷却器
１００  燃料電池システム
【図１】
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【図２】
2015176795.tif 000004
【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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【手続補正書】
【提出日】平成27年4月10日(2015.4.10)
【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】
発電原料を用いて発電する燃料電池ユニットと、発電原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、前記水添脱硫器を加熱する、前記燃料電池ユニットにおける排ガスが流れる排ガス経路と、前記水添脱硫器を加熱する前に前記排ガス経路より分岐する排ガスが流れる分岐経路と、前記分岐経路を流れる排ガスの流量を調整する流量調整器とを備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記水添脱硫器の温度を検知する温度検知器と、前記温度検知器の検知温度に基づき前記流量調整器を制御する制御器とを備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池ユニットを収納する第１の容器と、前記水添脱硫器を収納する第２の容器とを備え、前記第２の容器には、前記第１の容器から前記燃料電池ユニットにおける排ガスが流入する流入口と、前記水添脱硫器上を通過した排ガスが流出する第１の流出口と、前記水添脱硫器上を通過する前に前記第２の容器から排ガスが流出する第２の流出口とが設けられており、
前記排ガス経路は、前記第１の流出口を含む前記排ガスの経路であり、前記分岐経路は、前記第２の流出口を含む前記排ガスの経路であり、前記流量調整器は、前記第２の流出口よりも下流の前記分岐経路上に設けられる請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記分岐経路に設けられた冷却器を備える請求項１−３のいずれかに記載の燃料電池システム。