(57)【要約】【課題】燃料電池システムの発電量が小さい場合でも水添脱硫器を適温に維持する。【解決手段】空気供給装置９は、燃焼空気流量計１８により計測する空気流量が、燃料電池８の発電量に応じたバーナー７の安定燃焼の維持に必要な空気流量を下回わらないように燃焼空気供給経路１０に空気を供給する。脱硫温度検出器２１により検出する水添脱硫器３の温度が、第１温度閾値を超えると、燃焼空気供給経路１０の途中から分岐し水添脱硫冷却器１４を有する冷却空気供給経路１５の冷却空気量調整機構１６が開き、水添脱硫冷却器１４が水添脱硫器３を冷却する。燃焼空気流量計１８により計測するバーナー７に供給される空気流量が、燃料電池８の発電量に応じたバーナー７の安定燃焼の維持に必要な空気流量を超過すると、排出空気量調整機構２０が、超過分の空気を排出経路１９から排出する。【選択図】図１
2015022863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から排出される可燃成分を含むアノードオフガスと、空気供給装置から燃焼空気供給経路を介して供給される空気とを用いて燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器の燃焼によって加熱されて、原料流量調節器により流量調節された炭化水素系の原料を水蒸気改質して、前記燃料電池の発電に使用する水素含有ガスを生成する改質器と、
前記原料流量調節器と前記改質器との間の前記原料の流路に位置して、前記改質器の熱の影響を受けて所定温度に加熱されるように前記改質器の近傍に配置され、前記改質器で生成された水素含有ガスの一部と前記原料流量調節器からの前記原料とが供給されて、原料中の硫黄分を水添脱硫方式で除去する水添脱硫器と、
前記空気供給装置から前記燃焼空気供給経路に供給される空気のうちの少なくとも一部が通流するように前記燃焼空気供給経路の途中の第１分岐点から分岐し前記第１分岐点よりも下流の第１合流点で前記燃焼空気供給経路に合流する冷却空気供給経路と、
前記水添脱硫器と熱交換可能に前記冷却空気供給経路の途中に設けられ、前記冷却空気供給経路を通流する空気が内部を通流して前記水添脱硫器を冷却する水添脱硫冷却器と、
前記冷却空気供給経路における前記水添脱硫冷却器の空気の出口部と前記第１合流点との間の空気供給経路または前記燃焼空気供給経路における前記第１合流点と前記燃焼器の空気の入口部との間の空気供給経路のいずれか一方の空気供給経路から分岐して、前記燃焼器に供給される空気流量が安定燃焼の維持に必要な空気流量を超過しないように超過分の空気を途中で排出するための排出経路と、
前記燃焼空気供給経路から前記排出経路への分岐点となる第２分岐点と前記燃焼器の空気の入口部との間の前記燃焼空気供給経路を通流する空気流量を計測する燃焼空気流量計と、
前記水添脱硫器の温度を検出する脱硫温度検出器と、
前記第１分岐点から前記冷却空気供給経路へ分岐する空気の分岐量を調整する冷却空気量調整機構と、
前記第２分岐点から前記排出経路へ分岐する空気の分岐量を調整する排出空気量調整機構と、
を備え、
前記冷却空気量調整機構は、前記脱硫温度検出器により検出する前記水添脱硫器の温度が、前記水添脱硫器の上限温度に基づいて前記上限温度を超えないように設定された第１温度閾値を超える温度に上昇すると、前記第１分岐点から前記冷却空気供給経路へ分岐する空気の分岐量を増やし、
前記排出空気量調整機構は、前記燃焼空気流量計により計測する空気流量が、前記原料流量調節器の原料流量または前記燃料電池の発電量のいずれかに応じた前記燃焼器の安定燃焼の維持に必要な空気流量を超過すると、超過分の空気が前記排出経路から排出されるように前記第２分岐点から前記排出経路へ分岐する空気の分岐量を増やし、
前記空気供給装置は、前記燃焼空気流量計により計測する空気流量が、前記原料流量調節器の原料流量または前記燃料電池の発電量のいずれかに応じた前記燃焼器の安定燃焼の維持に必要な空気流量を下回わらないように前記燃焼空気供給経路に空気を供給する、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却空気量調整機構は、前記冷却空気供給経路の途中に設けられて空気の流路を開閉するものである、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃焼空気供給経路における前記第１分岐点と前記第１合流点との間に流路抵抗を調節可能な流路抵抗体を備え、
前記流路抵抗体は、前記冷却空気量調整機構が前記第１分岐点から前記冷却空気供給経路へ分岐する空気の分岐量を増やす時に、前記燃焼空気供給経路における前記第１分岐点
と前記第１合流点との間の空気流量が前記冷却空気供給経路での空気流量の増量分だけ減るように前記燃焼空気供給経路における前記第１分岐点と前記第１合流点との間の流路抵抗を大きくし、前記冷却空気量調整機構が前記第１分岐点から前記冷却空気供給経路へ分岐する空気の分岐量を減らす時に、前記燃焼空気供給経路における前記第１分岐点と前記第１合流点との間の空気流量が前記冷却空気供給経路での空気流量の減量分だけ増えるように前記燃焼空気供給経路における前記第１分岐点と前記第１合流点との間の流路抵抗を小さくする、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池が所定発電量より小さい発電量で発電しているのみ前記排出経路から空気を排出するように、前記燃料電池が所定発電量より小さい発電量で発電している場合は、前記空気供給装置が前記燃焼空気供給経路に前記燃料電池の発電量に関係なく所定発電量での前記燃焼器の安定燃焼の維持に必要な空気流量と略同量の一定の空気流量で空気を供給する、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記空気供給装置が前記燃焼空気供給経路に空気を供給する時は、前記燃料電池の発電量に関係なく常に前記排出経路から空気を排出するように、前記空気供給装置が前記燃焼空気供給経路に前記燃料電池の発電量に関係なく最大発電時での前記燃焼器の安定燃焼の維持に必要な空気流量を超える一定の空気流量で空気を供給する、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃焼器からの燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス経路と、前記燃焼排ガス経路に配置され、前記燃焼排ガスの熱を回収する熱回収熱交換器と、をさらに備え、
前記排出経路は、前記冷却空気供給経路における前記水添脱硫冷却器の空気の出口部と前記第１合流点との間の前記第２分岐点で前記冷却空気供給経路から分岐して、前記燃焼排ガス経路における前記熱回収熱交換器よりも前記燃焼排ガスの上流の第２合流点に合流するよう構成され、
前記排出空気量調整機構は、前記冷却空気量調整機構が前記第１分岐点から前記冷却空気供給経路へ分岐する空気の分岐量を増やす時に、前記第２分岐点から前記排出経路へ分岐する空気の分岐量を増やし、
前記空気供給装置は、前記冷却空気量調整機構が前記第１分岐点から前記冷却空気供給経路へ分岐する空気の分岐量を増やす時に、前記燃焼空気供給経路に供給する空気の空気流量を増やす、請求項１または２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、原料を脱硫した後、改質して得た水素含有ガスを用いて発電する燃料電池システムに係るものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、炭化水素系の原料を改質して水素を生成する水素生成装置と、水素生成装置から供給された水素を用いて発電する燃料電池と、燃料電池が発電した直流電力を交流電力へ変換するインバーター回路、およびそれらを制御する制御装置などによって構成されている。
【０００３】
燃料電池には使用する電解質の種類によって種々の方式があるが、現在、固体高分子形の燃料電池が普及段階にある。
【０００４】
また、水素生成装置の改質方式としては、炭化水素系の原料と水蒸気を高温で触媒反応させて水素を得る水蒸気改質方式が主流である。
【０００５】
なお、原料としては、天然ガスからなる都市ガスや、ＬＰガス、灯油、バイオガスなどが使用されるが、これらの中には、付臭材として添加された硫黄分、あるいは原料中に元々含まれていた硫黄分が混入している。
【０００６】
これらの硫黄分は、水素生成器の水蒸気改質に使用される触媒を被毒し、その活性を奪ってしまう。そのため、原料中の硫黄分は、水素生成器へ供給される前に脱硫する必要がある。
【０００７】
脱硫方式としては、現在、硫黄分を常温で吸着する吸着剤を充填した脱硫器に通過させて除去する吸着脱硫方式と、触媒上で水素と反応させて原料に混入した硫黄分を硫化水素に変換させてから吸着剤に取り込んで除去する水添脱硫方式の２つの方式がある。
【０００８】
吸着脱硫方式は、取り扱いが非常に簡便であるが、吸着容量が比較的小さいため、原料中の硫黄分濃度が高い場合は脱硫器の交換頻度が高くなり、総合した価格も高くなるという欠点がある。
【０００９】
一方、水添脱硫方式は、吸着容量は比較的大きいが、原料に含まれる不飽和炭化水素や酸素が水添脱硫用の水素と反応して発熱するため、水添脱硫器の温度が、水添脱硫反応と吸着反応に適した温度範囲を逸脱する温度上昇を引き起こすほどの不飽和炭化水素や酸素が原料に含まれていた場合には、水添脱硫触媒が熱劣化して脱硫性能を失ってしまうという欠点がある。
【００１０】
そこで、水添脱硫器の容器内または水添脱硫器の出口部の温度を検出する温度センサーを設けると共に、水添脱硫器の容器外面に冷却用熱交換器を設け、この温度センサーにより水添脱硫器の温度上昇を検知した場合に、空気供給装置から燃料電池システムに供給する空気の一部を迂回させて冷却用熱交換器に通流させることにより、水添脱硫器の温度上昇を抑える構成が提案された（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−２１４６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献１に開示された従来の構成では、水添脱硫器を冷却する冷却用熱交換器を流れる空気の量が、空気供給装置から燃料電池システムに供給する空気の量を超えることがないために、燃料電池システムの運転で使用する空気の量が少ない場合、すなわち、燃料電池システムの発電量が比較的小さい場合は、冷却用熱交換器で水添脱硫器を冷却する空気の量が不足して、冷却用熱交換器で水添脱硫器を充分に冷却できないという課題があった。
【００１３】
そこで、本発明は、上記従来の課題に鑑み、発電量が小さい場合でも、燃料電池システムの空気供給装置から供給される空気を利用して水添脱硫器を適温に維持することができる燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために本発明の燃料電池システムは、燃料電池から排出される可燃成分を含むアノードオフガスと空気供給装置から燃焼空気供給経路を介して供給される空気とを用いて燃焼する燃焼器と、前記燃焼器の燃焼によって加熱されて原料流量調節器により流量調節された炭化水素系の原料を水蒸気改質して前記燃料電池の発電に使用する水素含有ガスを生成する改質器と、前記原料流量調節器と前記改質器との間の前記原料の流路に位置して前記改質器の熱の影響を受けて所定温度に加熱されるように前記改質器の近傍に配置され前記改質器で生成された水素含有ガスの一部と前記原料流量調節器からの前記原料とが供給されて原料中の硫黄分を水添脱硫方式で除去する水添脱硫器と、前記空気供給装置から前記燃焼空気供給経路に供給される空気のうちの少なくとも一部が通流するように前記燃焼空気供給経路の途中の第１分岐点から分岐し前記第１分岐点よりも下流の第１合流点で前記燃焼空気供給経路に合流する冷却空気供給経路と、前記水添脱硫器と熱交換可能に前記冷却空気供給経路の途中に設けられ前記冷却空気供給経路を通流する空気が内部を通流して前記水添脱硫器を冷却する水添脱硫冷却器と、前記冷却空気供給経路における前記水添脱硫冷却器の空気の出口部と前記第１合流点との間の空気供給経路または前記燃焼空気供給経路における前記第１合流点と前記燃焼器の空気の入口部との間の空気供給経路のいずれか一方の空気供給経路から分岐して前記燃焼器に供給される空気流量が安定燃焼の維持に必要な空気流量を超過しないように超過分の空気を途中で排出するための排出経路と、前記燃焼空気供給経路から前記排出経路への分岐点となる第２分岐点と前記燃焼器の空気の入口部との間の前記燃焼空気供給経路を通流する空気流量を計測する燃焼空気流量計と、前記水添脱硫器の温度を検出する脱硫温度検出器と、前記第１分岐点から前記冷却空気供給経路へ分岐する空気の分岐量を調整する冷却空気量調整機構と、前記第２分岐点から前記排出経路へ分岐する空気の分岐量を調整する排出空気量調整機構とを備え、前記冷却空気量調整機構は、前記脱硫温度検出器により検出する前記水添脱硫器の温度が、前記水添脱硫器の上限温度に基づいて前記上限温度を超えないように設定された第１温度閾値を超える温度に上昇すると、前記第１分岐点から前記冷却空気供給経路へ分岐する空気の分岐量を増やし、前記排出空気量調整機構は、前記燃焼空気流量計により計測する空気流量が、前記原料流量調節器の原料流量または前記燃料電池の発電量のいずれかに応じた前記燃焼器の安定燃焼の維持に必要な空気流量を超過すると、超過分の空気が前記排出経路から排出されるように前記第２分岐点から前記排出経路へ分岐する空気の分岐量を増やし、前記空気供給装置は、前記燃焼空気流量計により計測する空気流量が、前記原料流量調節器の原料流量または前記燃料電池の発電量のいずれかに応じた前記燃焼器の安定燃焼の維持に必要な空気流量を下回わらないように前記燃焼空気供給経路に空気を供給するのである。
【００１５】
上記構成において、水添脱硫器は、燃料電池システムの運転（発電）時には、原料に含
まれる不飽和炭化水素や酸素が水添脱硫用の水素と反応して水添脱硫器の上限温度以上の高温に発熱する特別な場合を除いては、改質器の熱の影響を受けて所定温度（水添脱硫器の下限温度より高く上限温度より低い略適温）に加熱されるように構成されている。
【００１６】
また、空気供給装置は、燃焼空気流量計により計測する空気流量が、原料流量調節器の原料流量または燃料電池の発電量のいずれかに応じた燃焼器の安定燃焼の維持に必要な空気流量を下回わらないように燃焼空気供給経路に空気を供給する。
【００１７】
もし、原料に含まれる不飽和炭化水素や酸素が水添脱硫用の水素と反応して発熱した影響や環境温度の変化や改質器の触媒性能の経時的劣化等の外乱や経時的な変化により、脱硫温度検出器により検出する水添脱硫器の温度が、水添脱硫器の上限温度に基づいて上限温度を超えないように設定された第１温度閾値を超える温度に上昇すると、冷却空気量調整機構は、第１分岐点から冷却空気供給経路へ分岐する空気の分岐量を増やすのである。
【００１８】
第１分岐点から冷却空気供給経路へ分岐する空気の分岐量が増えると、水添脱硫冷却器の内部を流れる空気の流量が増えることにより、水添脱硫冷却器の内部を流れる空気と水添脱硫器との熱交換量が増えて、水添脱硫冷却器が水添脱硫器を冷却する能力が高まり、水添脱硫器の温度上昇が抑えられるので、冷却空気量調整機構により増量する冷却空気供給経路の空気流量を適切に設定すれば、水添脱硫器の温度が上限温度を超えることを防ぐことができる。
【００１９】
また、もし、燃焼空気流量計により計測する空気流量が原料流量調節器の原料流量または燃料電池の発電量のいずれかに応じた燃焼器の安定燃焼の維持に必要な空気流量を下回わらないように空気供給装置が燃焼空気供給経路に空気を供給することや、冷却空気量調整機構が第１分岐点から冷却空気供給経路へ分岐する空気の分岐量を増やしたことや、燃料電池の発電量が比較的小さくなったことの少なくともいずれか一つが原因で、燃焼空気流量計により計測する燃焼器に供給される空気流量が、原料流量調節器の原料流量または燃料電池の発電量のいずれかに応じた燃焼器の安定燃焼の維持に必要な空気流量を超過すると、排出空気量調整機構が、超過分の空気を燃焼空気供給経路の途中から分岐した排出経路から排出するので、燃焼器の燃焼を安定させることができる。
【００２０】
したがって、水添脱硫器の温度が上限温度を超えないように水添脱硫器を冷却するための水添脱硫冷却器に流す空気流量が、燃焼器に供給する空気流量を上限とするように制限されないので、発電量が小さい場合でも、燃料電池システムの空気供給装置から燃焼器に供給される空気を利用して水添脱硫器を適温に維持することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、発電量が小さい場合でも、燃料電池システムの空気供給装置から燃焼器に供給される空気を利用して水添脱硫器を適温に維持することができ、水添脱硫器の性能を低下させることなく高性能のまま維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態１による燃料電池システムの概略構成図
【図２】本発明の実施の形態１による燃料電池システムの各部の空気流量と発電量との関係を説明するための特性図
【図３】本発明の実施の形態２による燃料電池システムの各部の空気流量と発電量との関係を説明するための特性図
【図４】本発明の実施の形態３による燃料電池システムの概略構成図
【図５】本発明の実施の形態４による燃料電池システムの概略構成図
【図６】本発明の実施の形態４による燃料電池システムの変形例の概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
第１の発明は、燃料電池から排出される可燃成分を含むアノードオフガスと空気供給装置から燃焼空気供給経路を介して供給される空気とを用いて燃焼する燃焼器と、前記燃焼器の燃焼によって加熱されて原料流量調節器により流量調節された炭化水素系の原料を水蒸気改質して前記燃料電池の発電に使用する水素含有ガスを生成する改質器と、前記原料流量調節器と前記改質器との間の前記原料の流路に位置して前記改質器の熱の影響を受けて所定温度に加熱されるように前記改質器の近傍に配置され前記改質器で生成された水素含有ガスの一部と前記原料流量調節器からの前記原料とが供給されて原料中の硫黄分を水添脱硫方式で除去する水添脱硫器と、前記空気供給装置から前記燃焼空気供給経路に供給される空気のうちの少なくとも一部が通流するように前記燃焼空気供給経路の途中の第１分岐点から分岐し前記第１分岐点よりも下流の第１合流点で前記燃焼空気供給経路に合流する冷却空気供給経路と、前記水添脱硫器と熱交換可能に前記冷却空気供給経路の途中に設けられ前記冷却空気供給経路を通流する空気が内部を通流して前記水添脱硫器を冷却する水添脱硫冷却器と、前記冷却空気供給経路における前記水添脱硫冷却器の空気の出口部と前記第１合流点との間の空気供給経路、または前記燃焼空気供給経路における前記第１合流点と前記燃焼器の空気の入口部との間の空気供給経路のいずれか一方の空気供給経路から分岐して前記燃焼器に供給される空気流量が安定燃焼の維持に必要な空気流量を超過しないように超過分の空気を途中で排出するための排出経路と、前記燃焼空気供給経路から前記排出経路への分岐点となる第２分岐点と前記燃焼器の空気の入口部との間の前記燃焼空気供給経路を通流する空気流量を計測する燃焼空気流量計と、前記水添脱硫器の温度を検出する脱硫温度検出器と、前記第１分岐点から前記冷却空気供給経路へ分岐する空気の分岐量を調整する冷却空気量調整機構と、前記第２分岐点から前記排出経路へ分岐する空気の分岐量を調整する排出空気量調整機構とを備えた燃料電池システムであって、前記冷却空気量調整機構は、前記脱硫温度検出器により検出する前記水添脱硫器の温度が、前記水添脱硫器の上限温度に基づいて前記上限温度を超えないように設定された第１温度閾値を超える温度に上昇すると、前記第１分岐点から前記冷却空気供給経路へ分岐する空気の分岐量を増やし、前記排出空気量調整機構は、前記燃焼空気流量計により計測する空気流量が、前記原料流量調節器の原料流量または前記燃料電池の発電量のいずれかに応じた前記燃焼器の安定燃焼の維持に必要な空気流量を超過すると、超過分の空気が前記排出経路から排出されるように前記第２分岐点から前記排出経路へ分岐する空気の分岐量を増やし、前記空気供給装置は、前記燃焼空気流量計により計測する空気流量が、前記原料流量調節器の原料流量または前記燃料電池の発電量のいずれかに応じた前記燃焼器の安定燃焼の維持に必要な空気流量を下回わらないように前記燃焼空気供給経路に空気を供給するのである。
【００２４】
上記構成において、水添脱硫器は、燃料電池システムの運転（発電）時には、原料に含まれる不飽和炭化水素や酸素が水添脱硫用の水素と反応して水添脱硫器の上限温度以上の高温に発熱する特別な場合を除いては、改質器の熱の影響を受けて所定温度（水添脱硫器の下限温度より高く上限温度より低い略適温）に加熱されるように構成されている。
【００２５】
また、空気供給装置は、燃焼空気流量計により計測する空気流量が、原料流量調節器の原料流量または燃料電池の発電量のいずれかに応じた燃焼器の安定燃焼の維持に必要な空気流量を下回わらないように燃焼空気供給経路に空気を供給する。
【００２６】
ところで、この種の一般の燃料電池システムでは、燃焼器（バーナー）の燃焼特性を安定化させるため、燃焼器（バーナー）で燃焼させる燃料と燃焼空気の比である燃焼空気比（実際に供給した空気量Ａと理論空気量（可燃性ガスを完全に燃焼させるために必要最低な空気量）Ａｏとの比Ａ／Ａｏ）がおよそ一定となるように、燃焼器（バーナー）に供給する燃焼空気量を調節している。
【００２７】
また、燃料電池が消費する水素量は、同じ燃料電池を用いた場合、発電する電力に応じた量となる。ただし、燃料電池はフラッディングなどの問題のため、供給された水素を全て発電に消費することはできない。そこで、水素生成装置は、燃料電池に供給される水素量のうち発電に使用される水素量の割合、すなわち水素利用率がおよそ一定となるように制御器で制御して運転される。
【００２８】
また、燃料電池から排出されるアノードオフガスは、燃料電池に供給されたが発電に使用されなかった未利用の水素を主成分としている。
【００２９】
したがって、原料流量調節器の原料流量と、燃料電池の発電量と、燃焼器（バーナー）に供給する燃焼空気量とは、互いに相関関係にある。
【００３０】
もし、原料に含まれる不飽和炭化水素や酸素が水添脱硫用の水素と反応して発熱した影響や環境温度の変化や改質器の触媒性能の経時的劣化等の外乱や経時的な変化により、脱硫温度検出器により検出する水添脱硫器の温度が、水添脱硫器の上限温度に基づいて上限温度を超えないように設定された第１温度閾値を超える温度に上昇すると、冷却空気量調整機構は、第１分岐点から冷却空気供給経路へ分岐する空気の分岐量を増やすのである。
【００３１】
第１分岐点から冷却空気供給経路へ分岐する空気の分岐量が増えると、水添脱硫冷却器の内部を流れる空気の流量が増えることにより、水添脱硫冷却器の内部を流れる空気と水添脱硫器との熱交換量が増えて、水添脱硫冷却器が水添脱硫器を冷却する能力が高まり、水添脱硫器の温度上昇が抑えられるので、冷却空気量調整機構により増量する冷却空気供給経路の空気流量を適切に設定すれば、水添脱硫器の温度が上限温度を超えることを防ぐことができる。
【００３２】
また、もし、燃焼空気流量計により計測する空気流量が原料流量調節器の原料流量または燃料電池の発電量のいずれかに応じた燃焼器の安定燃焼の維持に必要な空気流量を下回わらないように空気供給装置が燃焼空気供給経路に空気を供給することや、冷却空気量調整機構が第１分岐点から冷却空気供給経路へ分岐する空気の分岐量を増やしたことや、燃料電池の発電量が比較的小さくなったことの少なくともいずれか一つが原因で、燃焼空気流量計により計測する燃焼器に供給される空気流量が、原料流量調節器の原料流量または燃料電池の発電量のいずれかに応じた燃焼器の安定燃焼の維持に必要な空気流量を超過すると、排出空気量調整機構が、超過分の空気を燃焼空気供給経路の途中から分岐した排出経路から排出するので、燃焼器の燃焼を安定させることができる。
【００３３】
したがって、水添脱硫器の温度が上限温度を超えないように水添脱硫器を冷却するための水添脱硫冷却器に流す空気流量が、燃焼器に供給する空気流量を上限とするように制限されないので、発電量が小さい場合でも、燃料電池システムの空気供給装置から燃焼器に供給される空気を利用して水添脱硫器を適温に維持することができ、水添脱硫器の性能を低下させることなく高性能のまま維持することができる。
【００３４】
なお、第１の発明は、制御器が、前記冷却空気量調整機構と前記排出空気量調整機構と前記空気供給装置を制御するように構成することができる。その場合は、以下のようになる。
【００３５】
前記脱硫温度検出器により検出する前記水添脱硫器の温度が、前記水添脱硫器の上限温度に基づいて前記上限温度を超えないように設定された第１温度閾値を超える温度に上昇すると、前記制御器の制御によって、前記冷却空気量調整機構が、前記第１分岐点から前記冷却空気供給経路へ分岐する空気の分岐量を増やす。
【００３６】
また、前記燃焼空気流量計により計測する空気流量が、前記原料流量調節器の原料流量または前記燃料電池の発電量のいずれかに応じた前記燃焼器の安定燃焼の維持に必要な空気流量を超過すると、前記制御器の制御によって、前記排出空気量調整機構が、超過分の空気が前記排出経路から排出されるように前記第２分岐点から前記排出経路へ分岐する空気の分岐量を増やす。
【００３７】
また、前記燃焼空気流量計により計測する空気流量が、前記原料流量調節器の原料流量または前記燃料電池の発電量のいずれかに応じた前記燃焼器の安定燃焼の維持に必要な空気流量を下回わらないように、前記制御器の制御によって、前記空気供給装置が、前記燃焼空気供給経路に空気を供給する。
【００３８】
第２の発明は、第１の発明における前記冷却空気量調整機構が、前記冷却空気供給経路の途中に設けられて空気の流路を開閉するものであり、冷却空気供給経路の途中に設ける開閉制御可能な開閉弁（例えば、電磁弁、弁の開度調節が可能な開閉弁）を冷却空気量調整機構として用いることができる。
【００３９】
ここで、開閉弁は、水添脱硫器の温度が第１温度閾値以下の場合には冷却空気供給経路（水添脱硫冷却器）に空気が流れないようにするのであれば、全閉した状態と開いた状態の２つの状態を有するものを用いる。
【００４０】
また、開閉弁は、平常時でも水添脱硫冷却器によって水添脱硫器を冷却するために、水添脱硫器の温度が第１温度閾値以下の場合でも冷却空気供給経路（水添脱硫冷却器）に空気が流れるようにするのであれば、微開した状態と充分に開いた状態の２つの状態を有するものを用いる。
【００４１】
また、弁の開度調節が可能な開閉弁を用いる場合は、水添脱硫器の温度に応じて、冷却空気供給経路（水添脱硫冷却器）を流れる空気流量を多段階に変えるように構成することも、弁を開いてから所定時間経過しても水添脱硫器の温度が充分に下がらない場合に弁をさらに開くように構成することもできる。
【００４２】
第３の発明は、第２の発明において、前記燃焼空気供給経路における前記第１分岐点と前記第１合流点との間に流路抵抗を調節可能な流路抵抗体を備え、前記流路抵抗体は、前記冷却空気量調整機構が前記第１分岐点から前記冷却空気供給経路へ分岐する空気の分岐量を増やす時に、前記燃焼空気供給経路における前記第１分岐点と前記第１合流点との間の空気流量が前記冷却空気供給経路での空気流量の増量分だけ減るように前記燃焼空気供給経路における前記第１分岐点と前記第１合流点との間の流路抵抗を大きくするものであり、前記冷却空気量調整機構が前記第１分岐点から前記冷却空気供給経路へ分岐する空気の分岐量を減らす時に、前記燃焼空気供給経路における前記第１分岐点と前記第１合流点との間の空気流量が前記冷却空気供給経路での空気流量の減量分だけ増えるように前記燃焼空気供給経路における前記第１分岐点と前記第１合流点との間の流路抵抗を小さくするものである。
【００４３】
上記構成では、冷却空気供給経路の途中に設けられて空気の流路を開閉する冷却空気量調整機構により冷却空気供給経路へ分岐する空気の分岐量を増減させても、第１合流点で合流後の燃焼空気供給経路の空気流量が変動しないので、冷却空気量調整機構の動作が、燃焼器に供給される空気流量、排出空気量調整機構の動作、空気供給装置の動作に影響を与えないので、制御器が、冷却空気量調整機構と流路抵抗体と排出空気量調整機構と空気供給装置を制御する場合は、制御器の制御を簡単にすることができる。
【００４４】
第４の発明は、第３の発明において、前記燃料電池が所定発電量より小さい発電量で発電しているのみ前記排出経路から空気を排出するように、前記燃料電池が所定発電量より小さい発電量で発電している場合は、前記空気供給装置が前記燃焼空気供給経路に前記燃料電池の発電量に関係なく所定発電量での前記燃焼器の安定燃焼の維持に必要な空気流量と略同量の一定の空気流量で空気を供給するものであり、制御器が、冷却空気量調整機構と流路抵抗体と排出空気量調整機構と空気供給装置を制御する場合は、第３の発明よりも制御器の制御を簡単にすることができる。
【００４５】
第５の発明は、第３の発明において、前記空気供給装置が前記燃焼空気供給経路に空気を供給する時は、前記燃料電池の発電量に関係なく常に前記排出経路から空気を排出するように、前記空気供給装置が前記燃焼空気供給経路に前記燃料電池の発電量に関係なく最大発電時での前記燃焼器の安定燃焼の維持に必要な空気流量を超える一定の空気流量で空気を供給するものであり、制御器が、冷却空気量調整機構と流路抵抗体と排出空気量調整機構と空気供給装置を制御する場合は、第４の発明よりも制御器の制御を簡単にすることができ、空気供給装置に空気供給能力が固定のものを用いることができる。
【００４６】
第６の発明は、第１または第２の発明において、前記燃焼器からの燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス経路と、前記燃焼排ガス経路に配置され、前記燃焼排ガスの熱を回収する熱回収熱交換器と、をさらに備え、前記排出経路は、前記冷却空気供給経路における前記水添脱硫冷却器の空気の出口部と前記第１合流点との間の前記第２分岐点で前記冷却空気供給経路から分岐して、前記燃焼排ガス経路における前記熱回収熱交換器よりも前記燃焼排ガスの上流の第２合流点に合流するよう構成され、前記排出空気量調整機構は、前記冷却空気量調整機構が前記第１分岐点から前記冷却空気供給経路へ分岐する空気の分岐量を増やす時に、前記第２分岐点から前記排出経路へ分岐する空気の分岐量を増やし、前記空気供給装置は、前記冷却空気量調整機構が前記第１分岐点から前記冷却空気供給経路へ分岐する空気の分岐量を増やす時に、前記燃焼空気供給経路に供給する空気の空気流量を増やすのである。
【００４７】
これにより、水添脱硫冷却器を通過した空気を排出経路を経由して燃焼排ガス経路に合流させて、燃焼排ガスの熱を回収するための熱回収熱交換器で、排出経路から排出される空気の熱を回収できるため、水添脱硫冷却器で暖められた空気の熱を効率よく回収することができる。
【００４８】
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、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００４９】
（実施の形態１）
以下、本発明に係る燃料電池システムの実施の形態１について、図１と図２を用いて説明する。
【００５０】
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの水素生成装置とその周辺部を示す概略構成図である。
【００５１】
図１において、都市ガスなどの炭化水素系の原料は、原料流量調節器２により流量制御された後で、後述する改質反応部６（改質器）で生成されて燃料電池８へ供給される水素を主成分とする改質ガスの一部と混合されて、２００℃から３００℃の温度範囲に加熱される円筒形状の水添脱硫器３へ供給される。
【００５２】
水添脱硫器３内には銅と亜鉛の酸化物からなる水添脱硫触媒が充填されており、原料中に含まれる硫黄分は、この触媒上で水素と反応して硫化水素に変換された後に吸着剤に取
り込まれる。
【００５３】
水添脱硫器３で脱硫された原料は、配管４を通って水供給器５から供給される水と混合されて、後述の燃焼ガス流路１１を流れる燃焼ガスにより加熱されるように構成された円筒形の蒸発部（図示せず）に送られる。原料と共に蒸発部に送られた水は、蒸発部で加熱されて水蒸気となり、原料と水蒸気との混合ガスは、ルテニウム触媒を充填した改質反応部６（改質器）に送られる。
【００５４】
水素生成装置１の中心部に配置された燃焼器としてのバーナー７は、燃料電池８から排出される可燃成分を含むアノードオフガスを燃焼用ガスとして燃焼し、高温の燃焼ガスを発生して蒸発部と改質反応部６を加熱する。このとき、燃焼に必要な空気は、空気供給装置９から燃焼空気供給経路１０を介してバーナー７へ供給される。
【００５５】
バーナー７によって生成された高温の燃焼ガスは、燃焼ガス流路１１を通り、燃焼排ガス経路１２から排出される。
【００５６】
改質反応部６は、この燃焼ガス流路１１を通過する燃焼ガスによって５００℃から６００℃に加熱されて水蒸気改質反応を起こし、原料と水蒸気から水素と二酸化炭素、および一酸化炭素からなる改質ガスを生成する。
【００５７】
この改質ガスは、燃料電池８の被毒物質である一酸化炭素を低減する一酸化炭素の低減部（図示せず）を通って燃料電池８へ供給される。
【００５８】
また、水添脱硫器３は、２００℃から３００℃の所定の温度に加熱されるように、断熱材１３を介して改質反応部６の近傍に配置している。
【００５９】
水添脱硫器３には、水添脱硫器３と熱交換可能な位置に水添脱硫冷却器１４を設けている。この水添脱硫冷却器１４は、燃焼空気供給経路１０の途中の第１分岐点Ａから分岐して燃焼空気供給経路１０の途中の第１合流点Ｂで合流する迂回路となるように燃焼空気供給経路１０に接続した冷却空気供給経路１５の途中に配置されて、内部を冷却媒体として空気供給装置９から供給された空気が通過するようになっている。
【００６０】
水素生成装置１の改質反応部６（改質器）は、円筒形状を有し、その中心軸部にバーナー７が配置され、水添脱硫器３は、改質反応部６（改質器）の外周に配置される円環状の形状を有し、水添脱硫冷却器１４は、水添脱硫器３を冷却する円環状の形状を有する。
【００６１】
なお、冷却空気供給経路１５の流路を流れる空気量を調節するため、冷却空気供給経路１５には冷却空気量調整機構１６が配置され、また燃焼空気供給経路１０の第１分岐点Ａと第１合流点Ｂの間には流路抵抗を調節可能な流路抵抗体１７が配置されている。
【００６２】
更に、燃焼空気供給経路１０のバーナー７の直前には燃焼空気流量計１８が設けられ、バーナー７へ供給される燃焼空気量を常時測定している。
【００６３】
また、燃焼空気供給経路１０には、燃焼空気流量計１８と第１合流点Ｂの間の第２分岐点Ｃから分岐して燃焼空気供給経路１０内を流通する空気の一部を排出するための排出経路１９が接続されており、この排出経路１９には、第２分岐点Ｃから排出経路１９への空気の分岐量を調整する排出空気量調整機構２０を設けている。
【００６４】
また、水添脱硫器３には、水添脱硫器３の温度を測定する手段として、水添脱硫器３に挿入した熱電対を用いた脱硫温度検出器２１が設置される。
【００６５】
また、燃料電池８の発電量と脱硫温度検出器２１の温度と燃焼空気流量計１８の燃焼空気流量とに基づいて、空気供給装置９と冷却空気量調整機構１６と排出空気量調整機構２０と流路抵抗体１７を制御する制御器２２を設けている。
【００６６】
これらの動作を簡単に説明する。水添脱硫器３の温度は脱硫触媒の上限温度である３００℃以下になるように制御する必要がある。そこで本実施の形態では、高温側制御温度を２９０℃としている。
【００６７】
脱硫温度検出器２１で測定される温度が２９０℃以下の場合、冷却空気量調整機構１６は閉とし、水添脱硫冷却器１４には空気供給装置９からの空気は流さない。この場合、水添脱硫器３は水添脱硫冷却器１４により冷却されていない状態である。
【００６８】
そして脱硫温度検出器２１で測定される温度が２９０℃を超えると、制御器２２は、通常は閉鎖している冷却空気量調整機構１６を開放する。冷却空気量調整機構１６が開くことにより、冷却空気供給経路１５を介して空気供給装置９からの空気の一部が水添脱硫冷却器１４へ送られて、水添脱硫冷却器１４が水添脱硫器３を冷却する。その後、脱硫温度検出器２１の温度が２９０℃よりも低い温度（例えば２７０℃）まで下がると、冷却空気量調整機構１６を閉とする。
【００６９】
このように、水添脱硫冷却器１４に供給する空気量を調節することにより、水添脱硫器３の過昇温を抑えて上限温度（３００℃）以下となるように制御している。
【００７０】
なお、空気供給装置９の空気の供給量と流路抵抗体１７の流路抵抗が一定であれば、冷却空気量調整機構１６の開閉によって空気供給装置９からバーナー７までの流路抵抗が変化するので、冷却空気量調整機構１６の開閉によってバーナー７へ供給する空気量が変化してしまうが、本実施の形態では、冷却空気量調整機構１６の開放前後において、バーナー７の燃焼を安定に維持するために、冷却空気量調整機構１６を開閉動作させてもバーナー７へ供給する燃焼用の空気量が変化しないように、制御器２２が冷却空気量調整機構１６を開閉動作と連動させて流路抵抗体１７の流路抵抗を制御している。
【００７１】
このように構成された本実施の形態の燃料電池システムの動作を、図２を参照しながら説明する。
【００７２】
図２は、燃料電池８の発電量と、バーナー７へ供給する燃焼空気量（太線）、水添脱硫冷却器１４に供給する冷却空気の必要量（細線）、およびそれらを合わせた全空気量（破線）との関係を示したものである。
【００７３】
ここで、図を見やすくするために、破線で示した全空気量は少し上にずらして描いている。また、αは最小発電量、βは最大発電量を示している。
【００７４】
一例であるが、太線で示した燃焼空気量は最小発電量で約５Ｌ／ｍｉｎ、最大発電量で約２０Ｌ／ｍｉｎである。一方、水添脱硫器３の冷却のために水添脱硫冷却器１４へ供給する細線で示した冷却空気の必要量は、発電量によらず約８Ｌ／ｍｉｎである。
【００７５】
そのため、太線の燃焼空気量と細線の冷却空気必要量は図示したように交差する。この交差する発電量をγで示している。
【００７６】
発電量がγからβの間では、冷却空気必要量よりも燃焼空気量の方が多いので、前述したように冷却空気量調整機構１６を開閉することにより水添脱硫冷却器１４に供給する空
気量をまかなうことができる。
【００７７】
前述の動作の場合、γの発電量では、流路抵抗体１７は流路を閉塞した状態である。しかし、発電量がαからγの間では、冷却空気必要量の方が燃焼空気量よりも多いので、バーナー７へ供給する空気量は過剰になってしまう。
【００７８】
そこで本実施の形態１の燃料電池システムでは、この過剰な空気を排出経路１９から排気する構成としている。
【００７９】
排気する空気量は、燃焼空気流量計１８を流れる空気量が発電量に対して所定の空気量となるように排出空気量調整機構２０の開度を制御している。なお、排気する空気量は低発電量ほど多い。
【００８０】
なお、本実施の形態１では、冷却空気量調整機構１６は開閉動作するものとして説明したが、水添脱硫器３の温度をより精密に調節するために、冷却空気量調整機構１６を開閉するのではなく、その開度を段階的あるいは連続的に調節して水添脱硫冷却器１４へ導入される空気の流量を精密に調節しても良い。
【００８１】
また、γの発電量は水添脱硫器３の加熱量や水添脱硫冷却器１４の冷却性能など水素生成装置固有の特性により決まるものであり、最大発電量より小さく、最小発電量以上の任意の発電量であれば良い。
【００８２】
なお、本実施の形態１では、第２分岐点Ｃを燃焼空気流量計１８と第１合流点Ｂの間に設けたが、水添脱硫冷却器１４と第１合流点Ｂの間に設けても良い。
【００８３】
さらに、本実施の形態１では、水添脱硫器３の温度を測定する脱硫温度検出器２１として、水添脱硫器３内へ直接挿入した熱電対を用いた。しかし脱硫温度検出器２１は水添脱硫器３の温度を測定し得るものであれば熱電対に限定するものではなく、更に水添脱硫器３に挿入して設置することを限定するものでもない。
【００８４】
具体的に説明すると、水添脱硫器３は改質反応部６によって加熱されるように配置しているので、水添脱硫器３の温度は当然、改質反応部６の温度と相関がある。また、改質反応部６の温度に限らず、図１には省略しているが、一酸化炭素を低減する一酸化炭素の低減部の温度とも相関がある。しかもこれらの箇所の温度は水素生成装置１の運転制御に重要な値であるので、各々の温度は熱電対を設置して測定している。
【００８５】
そこで、水添脱硫器３の温度を直接測定しなくても、改質反応部６や一酸化炭素低減部との温度の相関から水添脱硫器３の温度を求めても良い。
【００８６】
なお、水添脱硫器３は改質反応部６の熱によって加熱されると記したが、厳密には一酸化炭素の低減部など、水素生成装置１全体の熱によって加熱され、温度が維持されているものである。
【００８７】
また、本実施の形態では、バーナー７へ供給される燃焼空気量を測定するためにバーナー７の直上流に燃焼空気流量計１８を設けていたが、本発明はバーナー７へ供給される空気量を測定する手段を限定するものではない。
【００８８】
例えば、燃焼空気流量計１８を用いず、排出経路１９に空気流量計を設置しても良い。この場合、空気供給装置９として容積型のポンプを用いてその回転数から供給空気量を求め、排出経路１９に設置した気流量計の流量値を差し引いてバーナー７へ供給される空気
量を算出しても良い。
【００８９】
本実施の形態により、発電量が変化しても常に水添脱硫器３の温度を所定の温度に保つことができるので、水添脱硫器の性能を低下させることなく高性能のまま使用することができる。
【００９０】
以上説明したように本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池８から排出される可燃成分を含むアノードオフガスと空気供給装置９から燃焼空気供給経路１０を介して供給される空気とを用いて燃焼するバーナー７（燃焼器）と、バーナー７の燃焼によって加熱されて原料流量調節器２により流量調節された炭化水素系の原料を水蒸気改質して燃料電池８の発電に使用する水素含有ガスを生成する改質反応部６（改質器）と、原料流量調節器２と改質反応部６との間の原料の流路に位置して改質反応部６の熱の影響を受けて所定温度（例えば、２００℃から３００℃）に加熱されるように改質反応部６の近傍に配置され改質反応部６で生成された改質ガス（水素含有ガス）の一部と原料流量調節器２からの原料とが供給されて原料中の硫黄分を水添脱硫方式で除去する水添脱硫器３と、空気供給装置９から燃焼空気供給経路１０に供給される空気のうちの少なくとも一部が通流するように燃焼空気供給経路１０の途中の第１分岐点Ａから分岐し第１分岐点Ａよりも下流の第１合流点Ｂで燃焼空気供給経路１０に合流する冷却空気供給経路１５と、水添脱硫器３と熱交換可能に冷却空気供給経路１５の途中に設けられ冷却空気供給経路１５を通流する空気が内部を通流して水添脱硫器３を冷却する水添脱硫冷却器１４と、冷却空気供給経路１５における水添脱硫冷却器１４の空気の出口部と第１合流点Ｂとの間の空気供給経路、または燃焼空気供給経路１０における第１合流点Ｂとバーナー７の空気の入口部との間の空気供給経路のいずれか一方の空気供給経路から分岐してバーナー７に供給される空気流量が安定燃焼の維持に必要な空気流量を超過しないように超過分の空気を途中で排出するための排出経路１９と、燃焼空気供給経路１０から排出経路１９への分岐点となる第２分岐点Ｃとバーナー７の空気の入口部との間の燃焼空気供給経路１０を通流する空気流量を計測する燃焼空気流量計１８と、水添脱硫器３の温度を検出する脱硫温度検出器２１と、第１分岐点Ａから冷却空気供給経路１５へ分岐する空気の分岐量を調整する冷却空気量調整機構１６と、第２分岐点Ｃから排出経路１９へ分岐する空気の分岐量を調整する排出空気量調整機構２０とを備える。
【００９１】
そして、冷却空気量調整機構１６は、脱硫温度検出器２１により検出する水添脱硫器３の温度が、水添脱硫器３の上限温度（例えば、３００℃）に基づいて上限温度を超えないように設定された第１温度閾値（例えば、２９０℃）を超える温度に上昇すると、第１分岐点Ａから冷却空気供給経路１５へ分岐する空気の分岐量を増やし、排出空気量調整機構２０は、燃焼空気流量計１８により計測する空気流量が、原料流量調節器２の原料流量または燃料電池８の発電量のいずれかに応じたバーナー７の安定燃焼の維持に必要な空気流量を超過すると、超過分の空気が排出経路１９から排出されるように第２分岐点Ｃから排出経路１９へ分岐する空気の分岐量を増やし、空気供給装置９は、燃焼空気流量計１８により計測する空気流量が、原料流量調節器２の原料流量または燃料電池８の発電量のいずれかに応じたバーナー７の安定燃焼の維持に必要な空気流量を下回わらないように燃焼空気供給経路１０に空気を供給するのである。
【００９２】
本実施の形態の燃料電池システムは、この種の一般の燃料電池システムと同様に、バーナー７の燃焼特性を安定化させるため、バーナー７で燃焼させる燃料と燃焼空気の比である燃焼空気比がおよそ一定となるように、バーナー７に供給する燃焼空気量を調節している。
【００９３】
また、燃料電池８が消費する水素量は、同じ燃料電池８を用いた場合、発電する電力に応じた量となる。ただし、燃料電池８はフラッディングなどの問題のため、供給された水
素を全て発電に消費することはできない。そこで、水素生成装置１は、燃料電池８に供給される水素量のうち発電に使用される水素量の割合、すなわち水素利用率がおよそ一定となるように制御器２２で制御して運転される。
【００９４】
また、燃料電池８から排出されるアノードオフガスは、燃料電池８に供給されたが発電に使用されなかった未利用の水素を主成分としている。
【００９５】
したがって、原料流量調節器２の原料流量と、燃料電池８の発電量と、バーナー７に供給する燃焼空気量とは、互いに相関関係にある。
【００９６】
もし、原料に含まれる不飽和炭化水素や酸素が水添脱硫用の水素と反応して発熱した影響や環境温度の変化や改質反応部６の触媒性能の経時的劣化等の外乱や経時的な変化により、脱硫温度検出器２１により検出する水添脱硫器３の温度が、水添脱硫器３の上限温度（例えば、３００℃）に基づいて上限温度を超えないように設定された第１温度閾値（例えば、２９０℃）を超える温度に上昇すると、冷却空気量調整機構１６は、第１分岐点Ａから冷却空気供給経路１５へ分岐する空気の分岐量を増やすのである。
【００９７】
第１分岐点Ａから冷却空気供給経路１５へ分岐する空気の分岐量が増えると、水添脱硫冷却器１４の内部を流れる空気の流量が増えることにより、水添脱硫冷却器１４の内部を流れる空気と水添脱硫器３との熱交換量が増えて、水添脱硫冷却器１４が水添脱硫器３を冷却する能力が高まり、水添脱硫器３の温度上昇が抑えられるので、冷却空気量調整機構１６により増量する冷却空気供給経路１５の空気流量を適切に設定すれば、水添脱硫器３の温度が上限温度を超えることを防ぐことができる。
【００９８】
また、もし、燃焼空気流量計１８により計測する空気流量が原料流量調節器２の原料流量または燃料電池８の発電量のいずれかに応じたバーナー７の安定燃焼の維持に必要な空気流量を下回わらないように空気供給装置９が燃焼空気供給経路１０に空気を供給することや、冷却空気量調整機構１６が第１分岐点Ａから冷却空気供給経路１５へ分岐する空気の分岐量を増やしたことや、燃料電池８の発電量が比較的小さくなったことの少なくともいずれか一つが原因で、燃焼空気流量計１８により計測するバーナー７に供給される空気流量が、原料流量調節器２の原料流量または燃料電池８の発電量のいずれかに応じたバーナー７の安定燃焼の維持に必要な空気流量を超過すると、排出空気量調整機構２０が、超過分の空気を燃焼空気供給経路１０の途中から分岐した排出経路１９から排出するので、バーナー７の燃焼を安定させることができる。
【００９９】
したがって、水添脱硫器３の温度が上限温度を超えないように水添脱硫器３を冷却するための水添脱硫冷却器１４に流す空気流量が、バーナー７に供給する空気流量を上限とするように制限されないので、燃料電池８の発電量が小さい場合でも、燃料電池システムの空気供給装置９からバーナー７に供給される空気を利用して水添脱硫器３を適温に維持することができ、水添脱硫器３の性能を低下させることなく高性能のまま維持することができる。
【０１００】
なお、本実施の形態では、制御器２２が、冷却空気量調整機構１６と排出空気量調整機構２０と空気供給装置９を制御する。
【０１０１】
すなわち、脱硫温度検出器２１により検出する水添脱硫器３の温度が、水添脱硫器３の上限温度（例えば、３００℃）に基づいて上限温度を超えないように設定された第１温度閾値（例えば、２９０℃）を超える温度に上昇すると、制御器２２の制御によって、冷却空気量調整機構１６が、第１分岐点Ａから冷却空気供給経路１５へ分岐する空気の分岐量を増やす。
【０１０２】
また、燃焼空気流量計１８により計測する空気流量が、原料流量調節器２の原料流量または燃料電池８の発電量のいずれかに応じたバーナー７の安定燃焼の維持に必要な空気流量を超過すると、制御器２２の制御によって、排出空気量調整機構２０が、超過分の空気が排出経路１９から排出されるように第２分岐点Ｃから排出経路１９へ分岐する空気の分岐量を増やす。
【０１０３】
また、燃焼空気流量計１８により計測する空気流量が、原料流量調節器２の原料流量または燃料電池８の発電量のいずれかに応じたバーナー７の安定燃焼の維持に必要な空気流量を下回わらないように、制御器２２の制御によって、空気供給装置９が、燃焼空気供給経路１０に空気を供給する。
【０１０４】
また、本実施の形態では、冷却空気量調整機構１６が、冷却空気供給経路１５の途中に設けられて空気の流路を開閉するものであり、冷却空気供給経路１５の途中に設ける開閉制御可能な開閉弁（例えば、電磁弁、弁の開度調節が可能な開閉弁）を冷却空気量調整機構１６として用いることができる。
【０１０５】
ここで、冷却空気量調整機構１６としての開閉弁は、水添脱硫器３の温度が第１温度閾値以下の場合には冷却空気供給経路１５（水添脱硫冷却器１４）に空気が流れないようにするのであれば、全閉した状態と開いた状態の２つの状態を有するものを用いる。
【０１０６】
また、冷却空気量調整機構１６としての開閉弁は、燃料電池システムの設置環境や経年劣化などの要因により、平常時でも水添脱硫冷却器１４によって水添脱硫器３を冷却するために、水添脱硫器３の温度が第１温度閾値（例えば、２９０℃）以下の場合でも冷却空気供給経路１５（水添脱硫冷却器１４）に空気が流れるようにするのであれば、微開した状態と充分に開いた状態の２つの状態を有するものを用いる。
【０１０７】
また、冷却空気量調整機構１６として弁の開度調節が可能な開閉弁を用いる場合は、水添脱硫器３の温度に応じて、冷却空気供給経路１５（水添脱硫冷却器１４）を流れる空気流量を多段階に変えるように構成することも、弁を開いてから所定時間経過しても水添脱硫器３の温度が充分に下がらない場合に弁をさらに開くように構成することもできる。
【０１０８】
また、本実施の形態では、燃焼空気供給経路１０における第１分岐点Ａと第１合流点Ｂとの間に流路抵抗を調節可能な流路抵抗体１７を備えている。
【０１０９】
この流路抵抗体１７は、冷却空気量調整機構１６が第１分岐点Ａから冷却空気供給経路１５へ分岐する空気の分岐量を増やす時に、燃焼空気供給経路１０における第１分岐点Ａと第１合流点Ｂとの間の空気流量が冷却空気供給経路１５での空気流量の増量分だけ減るように燃焼空気供給経路１０における第１分岐点Ａと第１合流点Ｂとの間の流路抵抗を大きくするものであり、また、冷却空気量調整機構１６が第１分岐点Ａから冷却空気供給経路１５へ分岐する空気の分岐量を減らす時に、燃焼空気供給経路１０における第１分岐点Ａと第１合流点Ｂとの間の空気流量が冷却空気供給経路１５での空気流量の減量分だけ増えるように燃焼空気供給経路１０における第１分岐点Ａと第１合流点Ｂとの間の流路抵抗を小さくするものである。
【０１１０】
上記構成では、冷却空気供給経路１５の途中に設けられて空気の流路を開閉する冷却空気量調整機構１６により冷却空気供給経路１５へ分岐する空気の分岐量を増減させても、第１合流点Ｂで合流後の燃焼空気供給経路１０の空気流量が変動しないので、冷却空気量調整機構１６の動作が、バーナー７に供給される空気流量、排出空気量調整機構２０の動作、空気供給装置９の動作に影響を与えないので、制御器２２が、冷却空気量調整機構１
６と流路抵抗体１７と排出空気量調整機構２０と空気供給装置９を制御する場合は、制御器２２の制御を簡単にすることができる。
【０１１１】
また、本実施の形態では、燃料電池８が所定発電量γより小さい発電量で発電しているのみ排出経路１９から空気を排出するように、燃料電池８が所定発電量γより小さい発電量で発電している場合は、制御器２２の制御によって、空気供給装置９が燃焼空気供給経路１０に燃料電池８の発電量に関係なく所定発電量γでのバーナー７の安定燃焼の維持に必要な空気流量（例えば、約８Ｌ／ｍｉｎ）と略同量の一定の空気流量で空気を供給し、燃料電池８が所定発電量γ以上の発電量で発電している場合は、制御器２２の制御によって、空気供給装置９が燃焼空気供給経路１０に燃料電池８の発電量に応じたバーナー７の安定燃焼の維持に必要な空気流量で空気を供給するものであり、制御器２２の制御を簡単にすることができる。
【０１１２】
なお、本実施の形態では、燃料電池８が所定発電量γ以上の発電量で発電している場合は、制御器２２の制御によって、空気供給装置９が燃焼空気供給経路１０に燃料電池８の発電量に応じたバーナー７の安定燃焼の維持に必要な空気流量で空気を供給するので、冷却空気量調整機構１６を構成する開閉弁が開いている時の弁の開度が、燃料電池８の発電量に関係なく一定である場合は、燃料電池８の発電量が大きくなるほど、冷却空気量調整機構１６を構成する開閉弁が開いた時に水添脱硫冷却器１４に供給される空気流量が増えて水添脱硫器３を冷却する能力が高まる。
【０１１３】
（実施の形態２）
以下、本発明の燃料電池システムの実施の形態２について、説明するが、実施の形態１と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【０１１４】
実施の形態２における燃料電池システムの水素生成装置とその周辺部の構成は、図１に示す実施の形態１と同様である。
【０１１５】
実施の形態１の燃料電池システムは、燃料電池８が所定発電量γより小さい発電量で発電しているのみ排出経路１９から空気を排出するように、燃料電池８が所定発電量γより小さい発電量で発電している場合は、制御器２２の制御によって、空気供給装置９が燃焼空気供給経路１０に燃料電池８の発電量に関係なく所定発電量γでのバーナー７の安定燃焼の維持に必要な空気流量（例えば、約８Ｌ／ｍｉｎ）と略同量の一定の空気流量で空気を供給し、燃料電池８が所定発電量γ以上の発電量で発電している場合は、制御器２２の制御によって、空気供給装置９が燃焼空気供給経路１０に燃料電池８の発電量に応じたバーナー７の安定燃焼の維持に必要な空気流量で空気を供給するものであった。
【０１１６】
これに対し、実施の形態２の燃料電池システムは、空気供給装置９が燃焼空気供給経路１０に空気を供給する時は、燃料電池８の発電量に関係なく常に排出経路１９から空気を排出するように、空気供給装置９が燃焼空気供給経路１０に燃料電池８の発電量に関係なく最大発電時βでのバーナー７の安定燃焼の維持に必要な空気流量（例えば、約２０Ｌ／ｍｉｎ）を超える一定の空気流量で空気を供給するものである。
【０１１７】
図３は、本実施の形態の燃料電池システムの燃料電池８の発電量と、バーナー７へ供給する燃焼空気量（太線）、水添脱硫冷却器１４に供給する冷却空気の必要量（細線）、およびそれらを合わせた全空気量（破線）との関係を示したものである。
【０１１８】
本実施の形態では、冷却空気量調整機構１６を構成する開閉弁が開いている時の弁の開度は、燃料電池８の発電量に関係なく一定である。
【０１１９】
水添脱硫器３の温度は燃料電池８の発電量にあまり関係しないので、水添脱硫冷却器１４で水添脱硫器３を冷却する場合に水添脱硫冷却器１４へ供給する冷却空気必要量は燃料電池８の発電量に関係なくほぼ一定になる。したがって、空気供給装置９は発電量によらず一定の空気量を供給する必要がある。
【０１２０】
そこで本実施の形態では、空気供給装置９から最大発電量時に必要な燃焼空気流量（例えば、約２０Ｌ／ｍｉｎ）よりも多少多い空気流量を供給し、バーナー７へ供給する空気量より過剰な空気を排出経路１９から常時排出するように構成している。
【０１２１】
なお、本実施の形態においても、冷却空気量調整機構１６は、実施の形態１と同じく、脱硫温度検出器２１の温度に応じて冷却空気供給経路１５の開閉動作を行う。
【０１２２】
以上説明したように本実施の形態は、空気供給装置９が燃焼空気供給経路１０に空気を供給する時は、燃料電池８の発電量に関係なく常に排出経路１９から空気を排出するように、空気供給装置９が燃焼空気供給経路１０に燃料電池８の発電量に関係なく最大発電時βでのバーナー７の安定燃焼の維持に必要な空気流量（例えば、約２０Ｌ／ｍｉｎ）を超える一定の空気流量で空気を供給するものであり、燃焼空気流量計１８を通過する空気流量が燃料電池８の発電量に応じた所定の値となるように排出空気量調整機構２０の流量を調整すれば良いので、制御器２２の制御が非常に簡単になるという長所がある。
【０１２３】
（実施の形態３）
以下、本発明の燃料電池システムの実施の形態３について、図４を用いて説明するが、実施の形態１と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【０１２４】
図４は、本発明の実施の形態３における燃料電池システムの水素生成装置とその周辺部を示す概略構成図である。
【０１２５】
本実施の形態は、実施の形態１または２における流路抵抗を調節可能な流路抵抗体１７の代わりに流路抵抗が一定（固定）の流路抵抗体１７’を用いたものであり、その他の構成は、実施の形態１または２と同様である。
【０１２６】
本実施の形態では、実施の形態１または２における流路抵抗を調節可能な流路抵抗体１７の代わりに流路抵抗が一定（固定）の流路抵抗体１７’を用いているので、冷却空気量調整機構１６の開閉によって空気供給装置９からバーナー７までの流路抵抗が変化する。
【０１２７】
そこで、冷却空気量調整機構１６の開閉によってバーナー７へ供給する空気流量（燃焼空気流量計１８により計測する空気流量）がほとんど変化しないように、制御器２２が、冷却空気量調整機構１６を開閉動作する時に、冷却空気量調整機構１６の開閉動作に合わせて空気供給装置９からの空気流量と排出空気量調整機構２０のうちの少なくともどちらか一方を制御する。
【０１２８】
例えば、冷却空気量調整機構１６を開動作する場合は、排出空気量調整機構２０は、燃焼空気流量計１８により計測する空気流量が、原料流量調節器２の原料流量または燃料電池８の発電量のいずれかに応じたバーナー７の安定燃焼の維持に必要な空気流量を超過すると、超過分の空気が排出経路１９から排出されるように第２分岐点Ｃから排出経路１９へ分岐する空気の分岐量を増やす。
【０１２９】
そして、排出空気量調整機構２０により超過分の空気を排出経路１９から排出している時に冷却空気量調整機構１６を閉動作する場合は、排出空気量調整機構２０は、燃焼空気流量計１８により計測する空気流量が、原料流量調節器２の原料流量または燃料電池８の
発電量のいずれかに応じたバーナー７の安定燃焼の維持に必要な空気流量になるように、第２分岐点Ｃから排出経路１９へ分岐する空気の分岐量を減らす。
【０１３０】
または、冷却空気量調整機構１６を開動作する場合は、空気供給装置９は、燃焼空気流量計１８により計測する空気流量が、原料流量調節器２の原料流量または燃料電池８の発電量のいずれかに応じたバーナー７の安定燃焼の維持に必要な空気流量を超過すると、燃焼空気流量計１８により計測する空気流量が、原料流量調節器２の原料流量または燃料電池８の発電量のいずれかに応じたバーナー７の安定燃焼の維持に必要な空気流量になるように空気供給能力を下げる。
【０１３１】
そして、冷却空気量調整機構１６を閉動作する場合は、空気供給装置９は、燃焼空気流量計１８により計測する空気流量が、原料流量調節器２の原料流量または燃料電池８の発電量のいずれかに応じたバーナー７の安定燃焼の維持に必要な空気流量未満になると、燃焼空気流量計１８により計測する空気流量が、原料流量調節器２の原料流量または燃料電池８の発電量のいずれかに応じたバーナー７の安定燃焼の維持に必要な空気流量になるように空気供給能力を上げる。
【０１３２】
もし、冷却空気量調整機構１６を開閉動作する時に、冷却空気量調整機構１６の開閉動作に合わせて排出空気量調整機構２０の単独動作だけでは、燃焼空気流量計１８により計測する空気流量を、原料流量調節器２の原料流量または燃料電池８の発電量のいずれかに応じたバーナー７の安定燃焼の維持に必要な空気流量にできない場合は、排出空気量調整機構２０の動作に加えて、燃焼空気流量計１８により計測する空気流量が、原料流量調節器２の原料流量または燃料電池８の発電量のいずれかに応じたバーナー７の安定燃焼の維持に必要な空気流量になるように、空気供給装置９の空気供給能力を調節する。
【０１３３】
（実施の形態４）
以下、本発明の燃料電池システムの実施の形態４について、図５を用いて説明するが、先に説明した実施の形態１から３と同一構成については、同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【０１３４】
図５は、本発明の実施の形態４における燃料電池システムの水素生成装置とその周辺部を示す概略構成図である。
【０１３５】
本実施の形態は、水添脱硫冷却器１４で得た熱をバーナー７からの燃焼排ガスの保有する熱と一緒に回収できるように、実施の形態３の構成において、バーナー７からの燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス経路１２の途中に燃焼排ガスの熱を回収する熱回収熱交換器２３をさらに備え、排出経路１９を、冷却空気供給経路１５における水添脱硫冷却器１４の空気の出口部と第１合流点Ｂとの間の第２分岐点Ｃで冷却空気供給経路１５から分岐するように変更すると共に、排出経路１９の出口側で燃焼排ガス経路１２における熱回収熱交換器２３よりも燃焼排ガスの上流の第２合流点Ｄに合流するよう構成したものである。
【０１３６】
そして、排出空気量調整機構２０は、冷却空気量調整機構１６が第１分岐点Ａから冷却空気供給経路１５へ分岐する空気の分岐量を増やす時に、第２分岐点Ｃから排出経路１９へ分岐する空気の分岐量を増やし、空気供給装置９は、冷却空気量調整機構１６が第１分岐点Ａから冷却空気供給経路１５へ分岐する空気の分岐量を増やす時に、燃焼空気供給経路１０に供給する空気の空気流量を増やすのである。
【０１３７】
さらに、本実施の形態では、熱回収熱交換器２３で回収した熱を改質水供給配管２４によって水供給器５に供給される改質水の予熱に利用している。
【０１３８】
本実施の形態の構成を用いると、水添脱硫冷却器１４で暖められ排出経路１９から排出される空気の熱を回収でき、熱損失を低減することができる。なお、本実施の形態は回収した熱の利用を改質水の予熱に限定するものではない。
【０１３９】
本実施の形態は、バーナー７からの燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス経路１２と、燃焼排ガス経路１２に配置され、バーナー７からの燃焼排ガスの熱を回収する熱回収熱交換器２３とを備え、排出経路１９は、冷却空気供給経路１５における水添脱硫冷却器１４の空気の出口部と第１合流点Ｂとの間の第２分岐点Ｃで冷却空気供給経路１５から分岐して、燃焼排ガス経路１２における熱回収熱交換器２３よりも燃焼排ガスの上流の第２合流点Ｄに合流するよう構成され、排出空気量調整機構２０は、冷却空気量調整機構１６が第１分岐点Ａから冷却空気供給経路１５へ分岐する空気の分岐量を増やす時に、第２分岐点Ｃから排出経路１９へ分岐する空気の分岐量を増やし、空気供給装置９は、冷却空気量調整機構１６が第１分岐点Ａから冷却空気供給経路１５へ分岐する空気の分岐量を増やす時に、燃焼空気供給経路１０に供給する空気の空気流量を増やすものであり、水添脱硫冷却器１４を通過した空気を排出経路１９を経由して燃焼排ガス経路１２に合流させて、燃焼排ガスの熱を回収するための熱回収熱交換器２３で、排出経路１９から排出される空気の熱を回収できるため、水添脱硫冷却器１４で暖められた空気の熱を効率よく回収することができる。
【０１４０】
図６に示した実施の形態４の変形例は、途中に水添脱硫冷却器１４を有する冷却空気供給経路１５が燃焼空気供給経路１０に合流せず、水添脱硫冷却器１４よりも空気の下流側の冷却空気供給経路１５が排出経路１９を兼用し、排出経路１９から排出空気量調整機構２０を無くしたものである。
【０１４１】
この変形例は、燃料電池８から排出される可燃成分を含むアノードオフガスと、空気供給装置９から燃焼空気供給経路１０を介して供給される空気とを用いて燃焼するバーナー７と、バーナー７の燃焼によって加熱されて、原料流量調節器２により流量調節された炭化水素系の原料を水蒸気改質して、燃料電池８の発電に使用する水素含有ガスを生成する改質反応部６と、原料流量調節器２と改質反応部６との間の原料の流路に位置して、改質反応部６の熱の影響を受けて所定温度に加熱されるように改質反応部６の近傍に配置され、改質反応部６で生成された水素含有ガスの一部と原料流量調節器２からの原料とが供給されて、原料中の硫黄分を水添脱硫方式で除去する水添脱硫器３と、空気供給装置９から燃焼空気供給経路１０に供給される空気のうちの少なくとも一部が通流するように燃焼空気供給経路１０の途中の第１分岐点Ａから分岐する冷却空気供給経路１５と、水添脱硫器３と熱交換可能に冷却空気供給経路１５の途中に設けられ、冷却空気供給経路１５を通流する空気が内部を通流して水添脱硫器３を冷却する水添脱硫冷却器１４と、第１分岐点Ａとバーナー７の空気の入口部との間の燃焼空気供給経路１０を通流する空気流量を計測する燃焼空気流量計１８と、水添脱硫器３の温度を検出する脱硫温度検出器２１と、第１分岐点Ａから冷却空気供給経路１５へ分岐する空気の分岐量を調整する冷却空気量調整機構１６とを備える。
【０１４２】
そして、冷却空気量調整機構１６は、脱硫温度検出器２１により検出する水添脱硫器３の温度が、水添脱硫器３の上限温度に基づいて上限温度を超えないように設定された第１温度閾値を超える温度に上昇すると、第１分岐点Ａから冷却空気供給経路１５へ分岐する空気の分岐量を増やし、空気供給装置９は、燃焼空気流量計１８により計測する空気流量が、原料流量調節器２の原料流量または燃料電池８の発電量のいずれかに応じたバーナー７の安定燃焼の維持に必要な空気流量を下回わらないように燃焼空気供給経路１０に空気を供給する。
【０１４３】
上記構成でも、水添脱硫器３の温度が上限温度を超えないように水添脱硫器３を冷却す
るための水添脱硫冷却器１４に流す空気流量が、バーナー７に供給する空気流量を上限とするように制限されないので、燃料電池８の発電量が小さい場合でも、燃料電池システムの空気供給装置９からバーナー７に供給される空気を利用して水添脱硫器３を適温に維持することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４４】
本発明は、発電量が小さい場合でも、燃料電池システムの空気供給装置から燃焼器に供給される空気を利用して水添脱硫器を適温に維持することができるので、水素生成装置に燃料電池のアノードオフガスを用いて燃焼する燃焼器と水添脱硫器とを備え、発電量が変動する家庭用の燃料電池システムに適用することができる。
【符号の説明】
【０１４５】
１    水素生成装置
２    原料流量調節器
３    水添脱硫器
６    改質反応部
７    バーナー
８    燃料電池
９    空気供給装置
１０  燃焼空気供給経路
１２  燃焼排ガス経路
１４  水添脱硫冷却器
１５  冷却空気供給経路
１６  冷却空気量調整機構
１７  流路抵抗体
１７’  流路抵抗体
１８  燃焼空気流量計
１９  排出経路
２０  排出空気量調整機構
２１  脱硫温度検出器
２２  制御器
２３  熱回収熱交換器
【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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