(57)【要約】  水素生成装置（１００）は、原料ガスを用いて水素含有ガスを生成する改質器（１）と、原料ガス中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器（２）と、水添脱硫器（２）に流入する前の原料ガスに水素含有ガスを供給するためのリサイクル流路（３）と、水添脱硫器（２）よりも上流の原料ガス流路に設けられ、リサイクル流路（３）からの水素含有ガスが流入するエジェクター（５）と、エジェクター（５）を加熱する加熱器（６）とを備える。
2014103111.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスを用いて水素含有ガスを生成する改質器と、前記原料ガス中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、前記水添脱硫器に流入する前の原料ガスに水素含有ガスを供給するためのリサイクル流路と、前記水添脱硫器よりも上流の原料ガス流路に設けられ、前記リサイクル流路からの水素含有ガスが流入するエジェクターと、前記エジェクターを加熱する加熱器とを備える水素生成装置。
【請求項２】
前記改質器に原料ガスを供給する昇圧器を備え、
前記エジェクターは、前記昇圧器よりも下流の原料ガス流路に設けられている、請求項１記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記加熱器は、前記リサイクル流路を加熱する、請求項２記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記加熱器は、前記改質器を加熱する、請求項２又は３記載の水素生成装置。
【請求項５】
請求項２−４のいずれかに記載の水素生成装置と、前記水素生成装置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とを備える燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池であり、前記改質器と前記燃料電池とを内部に備えるホットモジュールを備え、前記エジェクターは、前記ホットモジュールからの熱を受けるよう構成されている、請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記昇圧器と、前記エジェクターとの間の原料ガス流路に開閉弁を備え、前記弁はホットモジュール外に設けられる、請求項６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、水素生成装置及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、発電時の燃料に用いる水素が一般的な原料インフラとして整備されていないため、通常、一般的な原料インフラである都市ガス、天然ガス、ＬＰＧなどから水素含有ガスを生成する改質器を備える。【０００３】
改質器では、例えば、都市ガスなどの原料ガスが、改質触媒を用いて、６００℃−７００℃程度の高温で反応し、水素を主成分とした水素含有ガスが生成する。このとき、原料ガスは硫黄化合物を含み、この硫黄化合物は、改質触媒の被毒物質なので除去する必要がある。硫黄化合物は、例えば、水素ガスと原料ガスとを混合させて水添脱硫により原料ガスから除去できる。【０００４】
そこで、改質器の改質反応により生成した水素含有ガスの一部を、水添脱硫用の水素として原料ガス流路に戻すことが行われ（以下、「リサイクル」という）、リサイクル流路の凝縮水による流路閉塞を抑制するためにリサイクル流路に凝縮器を設ける装置構成が提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２１６３０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１は、リサイクル流路からの水素含有ガスが流入するエジェクターでの凝縮水の問題について検討されていない。【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、リサイクル流路からの水素含有ガスが流入するエジェクターでの凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る水素生成装置及び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】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の一態様の水素生成装置は、原料ガスを用いて水素含有ガスを生成する改質器と、前記原料ガス中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、前記水添脱硫器に流入する前の原料ガスに水素含有ガスを供給するためのリサイクル流路と、前記水添脱硫器よりも上流の原料ガス流路に設けられ、前記リサイクル流路からの水素含有ガスが流入するエジェクターと、前記エジェクターを加熱する加熱器とを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様の水素生成装置及び燃料電池システムは、リサイクル流路からの水素含有ガスが流入するエジェクターでの凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は第１実施形態の水素生成装置の一例を示す図である。
【図２】図２は第２実施形態の水素生成装置の一例を示す図である。
【図３】図３は第２実施形態の第１変形例の水素生成装置の一例を示す図である。
【図４】図４は第２実施形態の第２変形例の水素生成装置の一例を示す図である。
【図５】図５は第３実施形態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４実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
【図７】図７は第５実施形態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】
【００１１】
（第１実施形態）
本発明者らは、リサイクル流路からの水素含有ガスが流入するエジェクターでの凝縮水の問題について鋭意検討し、以下の知見を得た。
【００１２】
リサイクルガスには水蒸気が含まれるので冷やされると、リサイクルガスから凝縮水が発生する。例えば、リサイクルガスよりも低温の原料ガスがリサイクルガスと混合すると、リサイクルガスが冷やされるので、これらのガスが合流するエジェクターにおいて、凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞などが生じる可能性がある。
【００１３】
そこで、第１実施形態の水素生成装置は、原料ガスを用いて水素含有ガスを生成する改質器と、原料ガス中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、水添脱硫器に流入する前の原料ガスに水素含有ガスを供給するためのリサイクル流路と、水添脱硫器よりも上流の原料ガス流路に設けられ、リサイクル流路からの水素含有ガスが流入するエジェクターと、エジェクターを加熱する加熱器とを備える。
【００１４】
かかる構成により、エジェクターを加熱器で加熱するので、水素含有ガスがエジェクターに流入しても、エジェクターでの凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。
【００１５】
［装置構成］
図１は、第１実施形態の水素生成装置の一例を示す図である。
【００１６】
図１に示す例では、本実施形態の水素生成装置１００は、改質器１と、水添脱硫器２と、リサイクル流路３と、エジェクター５と、加熱器６とを備える。
【００１７】
改質器１は、原料ガスを用いて水素含有ガスを生成する。具体的には、改質器１内の改質触媒部（図示せず）において、原料ガスが改質反応して、水素含有ガスが生成される。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などが挙げられる。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、改質触媒部を加熱する燃焼器、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が設けられる。改質反応がオートサーマル反応であれば、水素生成装置１００には、さらに、改質器に空気を供給する空気供給器が設けられる。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など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有する。
【００１８】
水添脱硫器２は、原料ガス中の硫黄化合物を除去する。水添脱硫器２は、容器に水添脱硫剤が充填され構成される。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、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、またはＣｕＺｎ系触媒とで構成しても構わない。
【００１９】
リサイクル流路３は、水添脱硫器２に流入する前の原料ガスに水素含有ガスを供給するための流路である。リサイクル流路３の上流端は、改質器１より送出された水素含有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。例えば、改質器１の下流に水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯ低減器を設けた場合、リサイクル流路２の上流端は、改質器１とＣＯ低減器との間の流路に接続されていてもよいし、ＣＯ低減器に接続されていてもよいし、ＣＯ低減器の下流に接続されていてもよい。なお、ＣＯ低減器が、シフト反応により一酸化炭素を低減する変成器と、酸化反応及びメタン化反応の少なくともいずれか一方により一酸化炭素を低減するＣＯ除去器とを備える場合、リサイクル流路３の上流端を変成器とＣＯ除去器との間の流路に接続するよう構成しても構わない。また、リサイクル流路３の上流端を、水素含有ガスを利用する機器（例えば、燃料電池など）の下流の流路に接続しても構わない。なお、水素生成装置１００はＣＯ低減器を必ずしも備える必要はなく、水素生成装置１００にて生成した水素含有ガスを用いる装置に対して必要な性能を出すことができれば、無くても構わない。
【００２０】
エジェクター５は、水添脱硫器２よりも上流の原料ガス流路に設けられ、リサイクル流路３からの水素含有ガスが流入する。具体的には、エジェクター５は、原料ガスが流れる原料ガス流路の断面積を狭めることによって、原料ガスの流速を増加させ、低流速部に比べて低い圧力を発生する装置である。なお、原料ガス流路は、改質器１に供給される原料ガスが流れる流路である。
【００２１】
例えば、原料ガスの流速が最大となる位置で、リサイクル流路３が、エジェクター５の原料ガス流路と合流するように構成してもよい。原料ガスの流速が最大となる位置では、ガス圧力が最も低下する。よって、このガス圧力が、リサイクル流路３の上流側よりも低圧力となるように、エジェクター５のガス流路断面積を設計すると、リサイクル流路３からの水素含有ガスをエジェクター５に引き込むことができる。このようなエジェクター５による水素含有ガス引き込みの作用により、圧力バランスを取るための機器（例えば、減圧器など）をリサイクル流路３に設けない構成が可能となる。これにより、水素生成装置１００の構成を簡素化でき、水素生成装置１００のコストを低減できる。
【００２２】
加熱器６は、エジェクター５を加熱する。エジェクター５では、原料ガス及び水素含有ガスが流れる。水素含有ガスは水蒸気を含むので、水素含有ガスが冷やされると、水蒸気から凝縮水が発生する場合がある。例えば、原料ガスが水素含有ガスよりも低温の場合、水素含有ガスと原料ガスとが混合すると、水素含有ガスは冷やされる。この場合、エジェクター５での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞などが生じる可能性がある。例えば、エジャクター５での原料ガス流路の細くなった部分は、凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起き易い。流路抵抗の増加が起きた場合、水添脱硫器２に水素含有ガスを所定量送れなくなり、水添脱硫器２において、原料ガス中の硫黄化合物を除去仕切れずに、改質器１の改質触媒が、硫黄化合物により被毒する可能性がある。また、流路閉塞が起きた場合、原料ガスを所定量流すことができずに、改質器１での水素含有ガスを生成できない可能性がある。
【００２３】
そこで、本実施形態では、上記のとおり、加熱器６が、エジェクター５を加熱し、これにより、エジェクター５において、水素含有ガスの水蒸気が凝縮することが抑制されている。
【００２４】
加熱器６は、エジェクター５を加熱できれば、いかなる熱源を用いても構わない。
【００２５】
例えば、改質器１から発生する熱によって、エジェクター５を加熱することができる。この場合、エジェクター５を改質器１の表面に配置してもいいし、エジェクター５を改質器１の内部に配置してもいい。
【００２６】
また、水素含有ガスを利用する機器（例えば、燃料電池など）から発生する熱によって、エジェクター５を加熱することもできる。例えば、固体酸化物形燃料電池の如く、高温で動作する燃料電池の場合、燃料電池のホットモジュールの内部に、エジェクター５を配置してもいい。
【００２７】
また、水素生成装置１００が、改質器１を加熱する燃焼器を備える構成であれば、燃焼器の燃焼排ガスの熱によって、エジェクター５を加熱することもできる。
【００２８】
また、専用の熱源（例えば、電気ヒータなど）を用いて、エジェクター５を加熱することもできる。
【００２９】
［動作］
以下、水素生成装置１００の動作について図１を用いて説明する。
【００３０】
水素生成装置１００を運転している時、原料ガスが水添脱硫器２を通過して、原料ガス中の硫黄化合物が除去される。
【００３１】
改質器１にて生成した水素含有ガスの一部を、リサイクル流路３を通じて、原料ガス流路に戻し、水素含有ガスを原料ガスと混合した後、水添脱硫器２に供給する。水素含有ガスを水添脱硫器２に供給すると、水添脱硫器２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。
【００３２】
このとき、本実施形態では、改質器１からの水素含有ガスは、リサイクル流路３を経て、エジェクター５において原料ガスと混合した後、水添脱硫器２に供給される。つまり、リサイクル流路３との合流部よりも下流の原料ガス流路は、原料ガス及びリサイクルガスの混合ガスが流れる。エジェクター５では、上記のとおり、原料ガス流路の断面積が徐々に狭くなり、リサイクル流路３との合流部よりも下流で、原料ガス流路の断面積が徐々に広くなる。これにより、上記の合流部において、原料ガスの流速が最も速くなるので、ガス圧力は最も低下する。そして、合流部のガス圧力が、リサイクル流路の上流側の圧力よりも低くなるように、エジェクター５のガス流路断面積を設計すると、リサイクルガスを原料ガス流路に引き込むことができる。
【００３３】
そして、本実施形態では、リサイクルガスが原料ガス流路に引き込まれるとき、加熱器６を用いてエジェクター５が加熱されている。エジェクター５の加熱温度としては、リサイクルガスの露点温度以上であれば、いかなる温度であっても構わない。これにより、エジェクター５内の水蒸気の凝縮が抑制され、エジェクター５での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。
【００３４】
なお、水素生成装置１００の起動時におけるエジェクター５の加熱は、例えば、リサイクルガスがリサイクル流路３を流れ始めるまでに開始してもよい。
【００３５】
（第２実施形態）
本発明者らは、改質器に原料ガスを供給する昇圧器での凝縮水の問題について鋭意検討し、以下の知見を得た。
【００３６】
リサイクルガスには水蒸気が含まれるので冷やされると、リサイクルガスから凝縮水が発生する。ここで、特許文献１記載の燃料電池システムのように、昇圧器の上流で原料ガスとリサイクルガスとを混合するように構成されていると、リサイクルガスよりも低温の原料ガスがリサイクルガスと混合したときに、リサイクルガスが冷やされるので、これらの供給先である昇圧器に凝縮水が流入する。すると、昇圧器において、凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞などが発生し、適量のガス流量を供給できないという問題、または昇圧器が故障するという問題などが生じる可能性がある。
【００３７】
そこで、第２実施形態の水素生成装置は、第１実施形態の水素生成装置において、改質器に原料ガスを供給する昇圧器を備え、エジェクターは、昇圧器よりも下流の原料ガス流路に設けられている。
【００３８】
かかる構成により、リサイクル流路からの水素含有ガスは、昇圧器よりも下流のエジェクターに流入する。よって、従来に比べ、改質器に原料ガスを供給する昇圧器での凝縮水の流入を抑制し得る。また、上記のとおり、エジェクターでの凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。
【００３９】
本実施形態の水素生成装置は、上記特徴以外は、第１実施形態の水素生成装置と同様に構成してもよい。
【００４０】
［装置構成］
図２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。
【００４１】
図２に示す例では、本実施形態の水素生成装置１００は、改質器１と、水添脱硫器２と、リサイクル流路３と、昇圧器４と、エジェクター５と、加熱器６とを備える。
【００４２】
改質器１、水添脱硫器２、リサイクル流路３及び加熱器６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。
【００４３】
昇圧器４は、改質器１に原料ガスを供給する。改質器１及び水添脱硫器２に原料ガスを供給するために、昇圧器４を用いて原料ガスが昇圧される。つまり、所定量の原料ガスを流すには、昇圧器４の下流側での機器における流路抵抗を考慮した圧力まで、原料ガスが昇圧される必要がある。昇圧器４は、原料ガスを昇圧できれば、いかなる構成であっても構わない。昇圧器４は、例えば、ダイヤフラム式のポンプなどを用いることができる。なお、原料ガスは、原料ガス供給源より供給される。原料ガス供給源は、所定の供給圧を有しており、例えば、原料ガスボンベ、原料ガスインフラなどが挙げられる。
【００４４】
また、エジェクター５は、昇圧器４よりも下流の原料ガス流路に設けられている。これにより、リサイクル流路３からの水素含有ガスは、昇圧器４よりも下流のエジェクター５に流入する。よって、従来に比べ、改質器１に原料ガスを供給する昇圧器４での凝縮水の流入を抑制し得る。
【００４５】
本実施形態の水素生成装置１００の動作は、第１実施形態と同様の動作であってもよい。よって、詳細な説明は省略する。
【００４６】
（第１変形例）
第２実施形態の第１変形例の水素生成装置は、第２実施形態の水素生成装置において、上記の加熱器は、リサイクル流路を加熱する。
【００４７】
かかる構成により、エジェクターでの凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。また、リサイクル流路での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。
【００４８】
本変形例の水素生成装置は、上記特徴以外は、第２実施形態の水素生成装置と同様に構成してもよい。
【００４９】
［装置構成］
図３は、第２実施形態の第１変形例の水素生成装置の一例を示す図である。
【００５０】
図３に示す例では、本変形例の水素生成装置１００は、改質器１と、水添脱硫器２と、リサイクル流路３と、昇圧器４と、エジェクター５と、加熱器６Ａとを備える。
【００５１】
改質器１、水添脱硫器２、リサイクル流路３、昇圧器４及びエジェクター５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。
【００５２】
加熱器６Ａは、リサイクル流路３を加熱する。本変形例では、図３に示すように、加熱器６Ａにより、エジェクター５及びリサイクル流路３の両方が加熱される。
【００５３】
なお、加熱器６Ａの熱源は、第２実施形態の加熱器６の熱源と同じであってもよい。よって、詳細な説明は省略する。
【００５４】
また、リサイクル流路３の加熱が必要となった分、第２実施形態の加熱器６から得る熱量に比べて、本変形例の加熱器６Ａから得る熱量を上げても構わないし、加熱器６から得る熱量と同等の熱量を、加熱器６Ａからエジェクター５及びリサイクル流路３のそれぞれに分散して与えても構わない。本変形例では、加熱器６から得る熱量と同等の熱量を、加熱器６Ａからエジェクター５及びリサイクル流路３のそれぞれに分散して与えた。
【００５５】
後者の場合でも、加熱器６Ａから得る熱量の全てが、エジェクター５及びリサイクル流路３のそれぞれを流れるガスに与えられたと仮定すると、トータルとして、第２実施形態の加熱器６から得る熱量と同等の熱量が、エジェクター５内のガスの加熱に用いられたと見なせるからである。
【００５６】
以上により、リサイクルガスを高温状態に維持してエジェクター５に引き込むことができ、エジェクター５での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。また、リサイクル流路３を流れるリサイクルガスの温度低下を抑制でき、リサイクル流路３での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。また、リサイクル流路３の加熱の作用により、リサイクル流路３に凝縮器を設けない構成、あるいは、設けるにしても凝縮器の小型化が可能となる。これにより、水素生成装置１００の構成を簡素化でき、水素生成装置１００のコストを低減できる。
【００５７】
（第２変形例）
第２実施形態の第２変形例の水素生成装置は、第２実施形態及び第２実施形態の第１変形例のいずれかの水素生成装置において、加熱器は、改質器を加熱する。
【００５８】
かかる構成により、エジェクターでの凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。また、リサイクル流路での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。また、加熱器の熱量を効率良く利用できる。
【００５９】
本変形例の水素生成装置は、上記特徴以外は、第２実施形態及び第２実施形態の第１変形例のいずれかの水素生成装置と同様に構成してもよい。
【００６０】
［装置構成］
図４は、第２実施形態の第２変形例の水素生成装置の一例を示す図である。
【００６１】
図４に示す例では、本変形例の水素生成装置１００は、改質器１と、水添脱硫器２と、リサイクル流路３と、昇圧器４と、エジェクター５と、加熱器６Ｂとを備える。
【００６２】
改質器１、水添脱硫器２、リサイクル流路３、昇圧器４及びエジェクター５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。
【００６３】
加熱器６Ｂは、改質器１を加熱する。本変形例では、図４に示すように、加熱器６Ｂにより、エジェクター５、リサイクル流路３及び改質器１のそれぞれが加熱される。例えば、加熱器６Ｂの熱源としては、改質器１を加熱する燃焼器の燃焼排ガスの熱を用いてもいいし、固体酸化物形燃料電池の如く、高温で動作する燃料電池の場合、燃料電池の熱を用いてもいい。
【００６４】
かかる構成により、改質器１、リサイクル流路３及びエジェクター５を一体で加熱できる。改質器１の加熱により、水素含有ガスを生成するための触媒反応に必要な熱が得られる。また、エジェクター５の加熱により、エジェクター５での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。また、リサイクル流路３の加熱により、リサイクル流路での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。
【００６５】
また、上記の構成により、加熱器６Ｂの熱量を効率良く利用できる。例えば、改質器１を加熱する燃焼器の熱を、リサイクル流路３及びエジェクター５の加熱に利用できるので、リサイクルガス中の水蒸気の凝縮を効率的に抑制できる。また、水素生成装置１００の設計によっては、加熱器６Ｂから得る熱量を全て、改質器１を加熱する燃焼器の熱で賄うことも可能となる。よって、水素生成装置１００の構成を簡素化できる。これにより、水素生成装置１００の低コスト化、コンパクト化が可能となる。
【００６６】
（第３実施形態）
第３実施形態の燃料電池システムは、第２実施形態、第２実施形態の第１変形例及び第２変形例のいずれかの水素生成装置と、この水素生成装置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とを備える。
【００６７】
かかる構成により、水素生成装置において、上記のとおり、エジェクターでの凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。また、改質器に原料ガスを供給する昇圧器での凝縮水の流入を抑制し得る。
【００６８】
［装置構成］
図５は、第３実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
【００６９】
図５に示す例では、本実施形態の燃料電池システム２００は、第２実施形態、第２実施形態の第１変形例及び第２変形例のいずれかの水素生成装置１００と、燃料電池７とを備える。
【００７０】
燃料電池７は、水素生成装置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７は、いずれの種類の燃料電池であってもよく、例えば、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池またはりん酸形燃料電池などを用いることができる。
【００７１】
本実施形態の水素生成装置１００の動作は、燃料電池７を、第２実施形態、第２実施形態の第１変形例及び第２変形例のいずれかの水素生成装置１００から生成する水素含有ガスを使用する水素利用機器と考えれば、第２実施形態、第２実施形態の第１変形例及び第２変形例のいずれかと同様である。よって、詳細な説明を省略する。
【００７２】
（第４実施形態）
第４実施形態の燃料電池システムは、第３実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池が固体酸化物形燃料電池であり、改質器と燃料電池とを内部に備えるホットモジュールを備え、エジェクターは、ホットモジュールからの熱を受けるよう構成されている。
【００７３】
かかる構成により、固体酸化物形燃料電池の熱を有効にエジェクターの加熱に利用し、ホットモジュールが加熱器の役割を担うことができる。よって、燃料電池システムの構成を簡素化できる。これにより、燃料電池システムの低コスト化、コンパクト化が可能となる。
【００７４】
本実施形態の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第３実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。
【００７５】
［装置構成］
図６は、第４実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
【００７６】
図６に示す例では、燃料電池システム２００は、改質器１と、水添脱硫器２と、リサイクル流路３と、昇圧器４と、エジェクター５と、固体酸化物形燃料電池７Ａと、ホットモジュール９と、を備える。
【００７７】
改質器１、水添脱硫器２、リサイクル流路３、昇圧器４及びエジェクター５については、第３実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００７８】
固体酸化物形燃料電池７Ａは、水素生成装置１００より供給される水素含有ガスを用いて発電する。具体的には、固体酸化物形燃料電池７Ａは、電解質としてイオン伝導性セラミックスを用い、空気極で精製した酸化物イオンが、電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより、電気及び熱が発生する。固体酸化物形燃料電７Ａの動作温度は、７００℃−１０００℃程度と高い。このため、燃料電池システム２００の高温部の放熱を抑えて、高温部の熱を効率的に活用するため、燃料電池システム２００の高温部のみをまとめてモジュール化し、断熱構成を取るのが一般的である。
【００７９】
よって、ホットモジュール９は、図６に示すように、改質器１と固体酸化物形燃料電７Ａとを内部に備える。本実施形態では、固体酸化物形燃料電池７Ａ及び改質器１が、燃料電池システム２００の高温部の一例であり、これらが一体でモジュール化されている。高温部を一体にモジュール化することにより、高温で動作する機器同士のガスの移動などによる放熱を抑制し、燃料電池システム２００の熱効率が向上する。また、高温部を一体にモジュール化することにより、熱効率がよい断熱を施すことができる。
【００８０】
また、エジェクター５は、ホットモジュール９からの熱を受けるよう構成されている。具体的には、上記の加熱器６、６Ａ、６Ｂに代えて、高温のホットモジュール９が、エジェクター５を加熱する。これにより、エジェクター５での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。また、上記の加熱器６Ａ、６Ｂに代えて、高温のホットモジュール９が、リサイクル流路３を加熱してもよい。これにより、リサイクル流路３での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。
【００８１】
本実施形態では、図６に示すように、リサイクル流路３及びエジェクター５を、ホットモジュール９の内部に配置している。これにより、リサイクル流路３及びエジェクター５は、ホットモジュール９からの熱を受けやすくなる。
【００８２】
一方、昇圧器４は、高温環境下では耐久性が低下し、耐熱性の高価な部品を使用する必要が生じる。よって、本実施形態では、昇圧器４をホットモジュール９の外部に配置し、ホットモジュール９からの熱を受け難くなるようにしている。
【００８３】
なお、図６では、水添脱硫器２をホットモジュール９の外部に配置する例が図示されているが、水添脱硫器２はホットモジュール９の内部に配置しても構わない。これにより、ホットモジュール９を用いて、水添脱硫器２を加熱することもできる。
【００８４】
本実施形態の燃料電池システム２００の動作は、第３実施形態と同様の動作であってもよい。よって、詳細な説明は省略する。
【００８５】
（第５実施形態）
第５実施形態の燃料電池システムは、第４実施形態の燃料電池システムにおいて、昇圧器と、エジェクターとの間の原料ガス流路に開閉弁を備え、この弁はホットモジュール外に設けられる。
【００８６】
かかる構成により、開閉弁を用いて、昇圧器とエジェクターとの間のガスの流れを適切に遮断し得る。
【００８７】
本実施形態の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第４実施形態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７に示す例では、燃料電池システム２００は、改質器１と、水添脱硫器２と、リサイクル流路３と、昇圧器４と、エジェクター５と、固体酸化物形燃料電池７Ａと、ホットモジュール９と、開閉弁１０と、を備える。
【００８９】
改質器１、水添脱硫器２、リサイクル流路３、昇圧器４、エジェクター５、固体酸化物形燃料電池７Ａ及びホットモジュール９については、第４実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００９０】
開閉弁１０は、昇圧器４とエジェクター５との間の原料ガス流路に設けられる。これにより、両者間のガスの流れが遮断される。開閉弁１０は、昇圧器４とエジェクター５との間のガスの流れを遮断できれば、いかなる構成であっても構わない。開閉弁１０は、例えば、電磁弁であってもよい。
【００９１】
また、開閉弁１０は、ホットモジュール９外に設けられる。高温環境下での開閉弁１０の安定な動作には、大型の開閉弁１０を高価な部材で構成する必要がある。しかし、このような開閉弁１０の使用は、燃料電池システム２００の高コスト化及び大型化を招く可能性がある。よって、本実施形態では、開閉弁１０をホットモジュール９の外部に配置し、開閉弁１０をホットモジュール９からの熱を受け難くなるようにしている。
【００９２】
なお、図７では、水添脱硫器２をホットモジュール９の外部に配置する例が図示されているが、水添脱硫器２をホットモジュール９の内部に配置しても構わない。これにより、ホットモジュール９を用いて、水添脱硫器２を加熱することもできる。
【００９３】
［動作］
以下、燃料電池システム２００の動作について図７を用いて説明する。
【００９４】
燃料電池システム２００の運転時は、開閉弁１０を開く。これにより、昇圧器４によって原料ガスをエジェクター５に送ることができる。
【００９５】
燃料電池システム２００の運転を停止するときは、開閉弁１０を閉める。すると、昇圧器４とエジェクター５との間のガスの流れが、開閉弁１０により遮断されるので、昇圧器４からエジェクター５への原料ガスの供給が停止する。開閉弁１０が開いたままの場合、昇圧器４の動作が停止しても、残留ガスが、暫く昇圧器４からエジェクター５に流れ込む可能性がある。そこで、開閉弁１０を閉めることにより、このような可能性を低減できる。
【００９６】
また、昇圧器４とエジェクター５との間のガスの流れが、開閉弁１０により遮断されるので、ホットモジュール９内のガスの昇圧器４への逆流を抑制できる。例えば、改質器１や固体酸化物形燃料電池７Ａの挙動によっては、これらの機器の内圧上昇により、ホットモジュール９内のガスが昇圧器４に逆流する場合がある。ホットモジュール９内のガスとして、原料ガス、リサイクルガス、固体酸化物形燃料電池７Ａに流入する前の水素含有ガス及び固体酸化物形燃料電池７Ａから流出した水素含有ガス（オフガス）などが例示される。そして、このようなガスが昇圧器４に逆流すると、昇圧器４が故障する可能性があり、昇圧器４での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞などが生じる可能性もある。そこで、開閉弁１０を閉めることにより、このような可能性を低減できる。
【００９７】
なお、開閉弁１０の開閉タイミングについては、この開閉タイミングと、昇圧器４によるガス供給の動作タイミングと、を連動させてもよい。例えば、昇圧器４による動作開始タイミングとほぼ同時、または、それよりも早いタイミングで開閉弁１０が開いてもいいし、昇圧器４による動作停止タイミングとほぼ同時、または、それよりも遅れたタイミングで開閉弁１０が閉まってもいい。
【００９８】
なお、本実施形態の燃料電池システム２００の動作は、上記以外は、第４実施形態と同様の動作であってもよい。
【００９９】
上記説明から、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】
【０１００】
本発明の一態様によれば、リサイクル流路からの水素含有ガスが流入するエジェクターでの凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。よって、本発明の一態様は、例えば、水素生成装置、燃料電池システムなどに利用できる。
【符号の説明】
【０１０１】
１      改質器
２      水添脱硫器
３      リサイクル流路
４      昇圧器
５      エジェクター
６、６Ａ、６Ｂ  加熱器
７      燃料電池
７Ａ    固体酸化物形燃料電池
９      ホットモジュール
１０    開閉弁
１００  水素生成装置
２００  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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【国際調査報告】
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