(57)【要約】【課題】ＳＯＦＣやＰＥＦＣなどの燃料電池システムにおいて、燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去するための脱硫器を、発電モジュールから排出される排気ガスによって加熱する構成とした場合に、発電量によって排気ガスの温度が上昇した場合でも脱硫器が過加熱されることを防止し、脱硫効率の向上ならびに脱硫剤の長寿命化を図る。【解決手段】  脱硫器６に導入される前の排気ガスの温度を、酸化剤ガスや冷却水の一部を分流させて冷媒として用いて冷却器７によって所定の温度範囲まで冷却し、脱硫剤の特性に応じた好適な温度に制御する。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
脱硫器により硫黄成分を脱硫した後に改質して水素リッチにした燃料ガスと、酸化剤ガスとの化学反応によって発電する発電部を備え、この発電部から排出される排気ガスを導入して前記脱硫器が加熱されるように構成された燃料電池システムにおいて、
前記脱硫器に導入される排気ガスを所定の温度範囲に温度調整する温度調整手段を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記発電部から排出される排気ガス中に含まれる水分を凝縮させる凝縮用熱交換器と、この凝縮用熱交換器に対し前記排気ガスを冷却するために循環供給される冷却水通路とを備え、前記温度調整手段は、前記冷却水通路内の少なくとも一部の冷却水を温度調整の冷媒として受けることにより、前記脱硫器に導入される排気ガスと熱交換させるように構成されている、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
酸化剤ガスを前記発電部に供給する酸化剤ガス通路を備え、前記温度調整手段は、前記酸化剤ガス通路内の少なくとも一部の酸化剤ガスを温度調整の冷媒として受けることにより、前記脱硫器に導入される排気ガスと熱交換させるように構成されている、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記温度調整手段により温度調整された後に前記脱硫器に導入される前の排気ガスの温度を検出するための温度検出手段と、この温度検出手段により検出される検出温度に応じて前記冷媒の供給流量を調整する流量調整手段とを備えている、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、燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去するための脱硫器を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば下記の特許文献１に示すように、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）などには改質器の触媒劣化を防ぐために、燃料ガス中の付臭剤としての硫黄成分を除去する脱硫器が設けられている。脱硫器中に封入されている脱硫剤の性能は雰囲気温度によって変化するため、高温下で使用されるものについては発電時に生じる高温の排気ガスを用いて脱硫器を加熱するようにしている（特許文献１参照）。
【０００３】
また、下記の特許文献２には、燃料電池用発電装置の脱硫器を適正な温度で運転することができるようにするために、脱硫器に、その容器内の温度を検出するための温度センサーを取り付け、この温度センサーの信号に基づいて、脱硫器の温度を所定の温度に下げることのできる温度低減手段を設ける技術が開示されている。この温度低減手段は、脱硫器内の脱硫触媒層を直接冷却するか、或いは、脱硫器の容器外壁を冷却する熱交換器から構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３０９９８２号公報
【特許文献２】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】
【０００５】
脱硫器の脱硫性能を発揮させるためには、脱硫剤をその特性に応じた常温以上のある所定の温度範囲にする必要があるが、上記した特許文献１に記載の燃料電池システムでは、発電時に生じる排気ガスをそのまま脱硫器の加熱に用いていたため、発電能力（発電量）により排気ガス温度が変動すると脱硫剤の温度も大きく変動してしまい、脱硫剤を好適な温度範囲に維持することができないことになる。
【０００６】
一方、上記した特許文献２に記載の技術によれば、ある程度脱硫器の温度管理を行うことができるものであるが、熱交換器の冷媒用配管に近い部分と離れた部分との間に温度差が生じ、非常に高温の排気ガスが脱硫器に供給された場合には脱硫触媒層に過加熱されてしまう部分が生じ、これにより脱硫触媒が部分的に劣化して脱硫器全体としての寿命を短くしてしまうことになる。
【０００７】
そこで、本発明は、脱硫器を加熱するための排気ガスの温度を調整することにより、脱硫器を所定の温度範囲に均一に維持して効率の良い燃料ガスの脱硫を行う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する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、脱硫器により硫黄成分を脱硫した後に改質して水素リッチにした燃料ガスと、酸化剤ガスとの化学反応によって発電する発電部を備え、この発電部から排出される排気ガスを導入して前記脱硫器が加熱されるように構成された燃料電池システムにおいて、前記脱硫器に導入される排気ガスを所定の温度範囲に温度調整する温度調整手段を備えていることを特徴とするものである（請求項１）。
【０００９】
かかる本発明によれば、温度調整手段により脱硫器に導入される排気ガスを所定の温度範囲に温度調整することができ、温度調整された排気ガスによって脱硫器を加熱することにより、発電量の上昇によって発電部から排出される排気ガス温度が大きく上昇した場合などには該排気ガスを冷却することにより脱硫器の過加熱が防止され、脱硫器が所定の温度範囲に維持される。さらに、脱硫器を加熱する熱媒としての排気ガスを、脱硫器に導入される前に温度調整しているので、脱硫器全体が均一に加熱されるようになり、部分的に過加熱されてしまうことがない。
【００１０】
上記本発明の燃料電池システムにおいて、前記発電部から排出される排気ガス中に含まれる水分を凝縮させる凝縮用熱交換器と、この凝縮用熱交換器に対し前記排気ガスを冷却するために循環供給される冷却水通路とを備え、前記温度調整手段は、前記冷却水通路内の少なくとも一部の冷却水を温度調整の冷媒として受けることにより、前記脱硫器に導入される排気ガスと熱交換させるように構成されていることが好ましい（請求項２）。
【００１１】
これによれば、凝縮水回収用の冷却水の一部乃至全部を冷媒として利用して排気ガスの冷却を行わせることができ、構成の簡素化とコスト削減とを図りつつ、排気ガスに比して比熱の高い冷却水を用いて排気ガスを効率的に冷却することが可能になる。
【００１２】
また、上記本発明の燃料電池システムは、酸化剤ガスを前記発電部に供給する酸化剤ガス通路を備え、前記温度調整手段は、前記酸化剤ガス通路内の少なくとも一部の酸化剤ガスを温度調整の冷媒として受けることにより、前記脱硫器に導入される排気ガスと熱交換させるように構成されていてもよい（請求項３）。
【００１３】
これによれば、酸化剤ガス通路内を流通する酸化剤ガスの一部乃至全部を冷媒として利用して排気ガスの冷却を行わせることができ、構成の簡素化とコスト削減とを図ることができる。
【００１４】
さらに、前記温度調整手段により温度調整された後に前記脱硫器に導入される前の排気ガスの温度を検出するための温度検出手段と、この温度検出手段により検出される検出温度に応じて前記冷媒の供給流量を調整する流量調整手段とを備えている構成とすることができる（請求項４）。
【００１５】
これによれば、温度調整手段により温度調整された後の排気ガス温度に基づくフィードバック制御により前記冷媒の流量調整を行うことが可能となり、温度調整前の排気ガス温度の変動や冷媒温度の変動等が生じても、冷媒の流量調整により熱交換能力を調整して、脱硫器に供給される排気ガス温度が所定の温度範囲となるように制御可能になる。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明の請求項１に係る燃料電池システムによれば、温度調整手段により脱硫器に導入される排気ガスを所定の温度範囲に温度調整することができ、温度調整された排気ガスによって脱硫器を加熱することにより、発電量の上昇によって発電部から排出される排気ガス温度が大きく上昇した場合などには該排気ガスを冷却することにより脱硫器の過加熱が防止され、脱硫器を所定の温度範囲に維持することができる。さらに、脱硫器を加熱する熱媒としての排気ガスを、脱硫器に導入される前に温度調整することにより、脱硫器全体が均一に加熱することができ、部分的に過加熱されてしまうことがない。これにより脱硫器内の脱硫剤を所定の温度範囲に均一に維持して、効率の良い脱硫を行わせることができるとともに、過加熱に起因する脱硫剤の劣化を防止することができる。
【００１７】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池システムによれば、凝縮水回収用の冷却水の一部乃至全部を冷媒として利用して排気ガスの冷却を行わせることができ、構成の簡素化とコスト削減とを図りつつ、排気ガスに比して比熱の高い冷却水を用いて排気ガスを効率的に冷却することが可能になる。
【００１８】
また、本発明の請求項３に係る燃料電池システムによれば、酸化剤ガス通路内を流通する酸化剤ガスの一部乃至全部を冷媒として利用して排気ガスの冷却を行わせることができ、構成の簡素化とコスト削減とを図ることができる。
【００１９】
さらに、本発明の請求項４に係る燃料電池システムによれば、温度調整手段により温度調整された後の排気ガス温度に基づくフィードバック制御により前記冷媒の流量調整を行うことが可能となり、温度調整前の排気ガス温度の変動や冷媒温度の変動等が生じても、冷媒の流量調整により熱交換能力を調整して、脱硫器に供給される排気ガス温度が所定の温度範囲となるように制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略ブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムとして固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いた例を示す。この燃料電池システムは、発電部としての発電モジュール１と、該発電モジュール１に都市ガスなどの燃料ガスを供給する燃料ガス通路２と、該燃料ガス通路２の中途部で燃料ガスに混合させる改質用空気を供給する改質用空気通路３と、発電モジュール１に発電用空気として酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路４と、発電モジュール１から排出される高温の排気ガスが流通する排気ガス通路５と、燃料ガス通路２の中途部に設けられて原燃料ガス（例えば都市ガス）から硫黄成分を含む付臭剤を除去する脱硫器６と、脱硫器６に導入される排気ガス温度を調整するための温度調整手段としての冷却器７と、排気ガス中に含まれる水分を凝縮して回収する凝縮用熱交換器８と、回収された凝縮水からイオン交換樹脂の働きで各種イオンを除去して純水を生成する純水器９と、生成された純水を貯める純水タンク１０と、燃料ガスの水蒸気改質に用いる純水を純水タンク１０から発電モジュール１に供給する純水供給路１１とを備えている。
【００２３】
発電モジュール１は、燃料ガス及び酸化剤ガスを予熱する予熱器１２、水蒸気改質により水素リッチな燃料ガスに改質する改質器１３、及び、改質後の燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応させることにより直流電力を発電する燃料電池本体１４が、ハウジング１５に内蔵されたものである。ハウジング１５は、燃料電池本体１４や改質器１３から放出される排気ガスや熱を外部に対して遮蔽する断熱容器である。改質器１３は燃料電池本体１４の上方に配設され、燃料電池本体１４から排出されるオフガスの燃焼によって高温に加熱される。さらに、予熱器１２は改質器１３の上方に配設され、改質器１３からの排気ガスによって加熱される。
【００２４】
予熱器１２は、高温の排気ガスと、燃料ガス及び酸化剤ガスのそれぞれとの間で熱交換することにより燃料ガス及び酸化剤ガスを加熱する熱交換器である。発電モジュール１に供給された燃料ガスは、予熱器１２内で純水供給路１１からの純水の供給を受け、予熱器１２で予熱された後、水蒸気改質を行う改質器１３に供給される。また、発電モジュール１に供給された酸化剤ガスは予熱器１２で予熱された後に燃料電池本体１４に供給される。
【００２５】
改質器１３は、内部に改質触媒が封入された反応容器であり、燃料電池本体１４からのオフガスの燃焼によって高温に加熱され、高温雰囲気下で燃料ガスを水蒸気改質した上で、改質後の燃料ガスを燃料電池本体１４に供給する。
【００２６】
燃料電池本体１４は、ＳＯＦＣセルスタックからなり、複数のセルが所定間隔ずつ隔てた状態で構成されている。各セルは燃料極（アノード）と空気極（カソード）とが間に電解質としてのセラミックス膜を挟んだ状態で一体化されたものである。燃料電池本体１４からの排気ガスは、改質器１３及び予熱器１２を介して発電モジュール１から排気ガス通路５に排出され、この発電モジュール１からの排気ガス温度は、発電量によって２５０℃〜４００℃程度となる。
【００２７】
燃料ガス通路２、改質用空気通路３及び酸化剤ガス通路４は、それぞれ管路によって構成でき、各管路に設けたブロワＢによって所定圧力で各ガスを送給するように構成されている。改質用空気通路３は、脱硫器６と予熱器１２との間で燃料ガス通路２に合流されている。なお、図示していないが、各通路２，３，４には、ガス流量センサや逆止弁などを設けることができる。
【００２８】
排気ガス通路５は好ましくは断熱材により覆われた配管により主構成され、発電モジュール１から排出される排気ガスを、冷却器７、脱硫器６及び凝縮用熱交換器８の順に供給して、これら各部位で熱交換させた後に大気に排出するように構成されている。
【００２９】
脱硫器６は、内部に脱硫剤が封入された反応容器であり、燃料ガスに含まれる付臭剤としての硫黄成分を吸着乃至化学反応により変質させることにより除去するものである。この脱硫器６は燃料ガス通路２の中途部に設けられ、硫黄成分を除去した後の燃料ガスを発電モジュール１に供給するようになっている。また、脱硫器６には排気ガス通路５に接続される熱媒流路が内蔵され、排気ガス通路５を流通する高温の排気ガスによって脱硫剤を所定の温度に加熱できるようになっている。
【００３０】
特に本実施形態では、酸化剤ガス通路４の中途部にバイパス路４ａが設けられている。冷却器７は、バイパス路４ａから冷媒としての酸化剤ガスが供給される冷媒用流路と、排気ガス通路５から冷却対象ガスとしての排気ガスが供給される排気ガス流路とを内部に備え、バイパス路４ａに分流される酸化剤ガスと、発電モジュール１から排気される排気ガスとの間で熱交換することによって排気ガスを所定の温度範囲にまで冷却する熱交換器からなる。例えば、脱硫器６の好適な作動環境温度が１５０〜２５０℃程度の場合、上記した排気ガス温度では過剰に加熱することになるため、冷却器７により排気ガスを好適な温度範囲に制御する。
【００３１】
さらに、排気ガス通路５には、冷却器７と脱硫器６との間で排気ガス温度を検知するためのサーミスタなどの温度センサ１６が設けられており、また、バイパス路４ａには、温度センサ１６の検知温度に基づいてバイパス路４ａに分流される冷媒としての酸化剤ガスの流量を調整する流量調整弁１７が設けられている。該流量調整弁１７は電磁制御弁であって、図示しないコントローラによって作動制御される。これにより、上記した所定の温度範囲を超えないように、温度センサ１６の検知温度が上昇するとコントローラは流量調整弁１７の開度を大きくしてバイパス路４ａに分流される酸化剤ガスの流量を大きくする一方、温度センサ１６の検知温度が下降するとコントローラは流量調整弁１７の開度を小さくしてバイパス路４ａに分流される酸化剤ガスの流量を小さくするようにフィードバック制御することが可能になる。
【００３２】
凝縮用熱交換器８は、図示実施形態では排熱回収用の熱交換器としても機能するものであって、発電モジュール１から排出される排気ガスの排熱回収を行うことにより、図外の例えば貯湯ユニット側の循環回路から冷却水通路１８を介して循環供給される水を熱交換加熱するようになっている。これにより、排気ガスからの熱回収が図られ、その回収熱が貯湯タンクに湯の状態で蓄熱され、蓄熱された湯が給湯や浴槽に対する湯張り等のために利用されるようになっている。また、凝縮用熱交換器８は、排熱回収時に排気ガスの潜熱が奪われるため凝縮した水分を回収するものであり、回収された凝縮水は純水器９で純水とされ、純水タンク１０に貯水されるようになっている。
【００３３】
本実施形態によれば、酸化剤ガス通路４を介して供給される酸化剤ガスの一部をバイパスして、脱硫器６に導入される前の排気ガスとの間で冷却器７により熱交換することによって、排気ガス温度を脱硫器６内の脱硫剤の特性に適応した温度範囲にまで冷却することができ、脱硫剤の過加熱を防止して効率の良い脱硫を行うことができるとともに、脱硫剤の寿命の長期化を図ることも可能になる。さらに、冷却器７用の別途の冷媒供給系を設けるのではなく、既存の酸化剤ガス通路４にバイパス路４ａを設けた構成としたので、別の冷媒を用意する必要がないとともに別の冷媒用のポンプ機構なども不要となり、構成の簡素化とコスト低減とを図ることができる。また、熱交換後の酸化剤ガスを酸化剤ガス流路４に戻すバイパス路４ａとしたので、発電モジュール１への酸化剤ガスの供給量が不足してしまうようなことを回避できる。さらに、冷却器７で冷却された後、脱硫器６に導入される前の排気ガスの温度を温度センサ１６によって検知し、検知温度に基づいてバイパス路４ａに分流される酸化剤ガスの流量を流量調整弁１７によって調整するように構成したので、発電量の変動により排気ガスの温度が変動した場合でも、これに追随してバイパス路４ａに分流される酸化剤ガスの流量を調整制御することで、脱硫器６に導入される排気ガスの温度をより確実に所定の温度範囲内に維持することができる。
【００３４】
＜第２の実施形態＞
図２は本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを示しており、上記第１実施形態と同様の構成については同符号を付して詳細説明を省略し、異なる構成、作用効果について説明する。
【００３５】
本実施形態では、酸化剤ガス通路のバイパス路は設けられておらず、凝縮用熱交換器８へ供給される冷却水が流通する冷却水通路１８に同様のバイパス路１８ａを設けて、このバイパス路１８ａの中途部に冷却器７を設けた構成としている。バイパス路１８ａは、排熱回収後の冷却水を分流して冷媒として冷却器７に供給し、冷却器７から凝縮用熱交換器８の下流側で冷却水通路１８に戻すように構成されている。また、バイパス路１８ａを流れる冷媒の流量を調整する流量調整弁１７は、バイパス路１８ａの分岐点と復帰点との間の冷却水通路１８に設けられている。
【００３６】
本実施形態によれば、排熱回収後の冷却水を分流しているので、凝縮用熱交換器８における排熱回収効率を下げることなく、当該冷却水を利用して脱硫器６に導入される前の排気ガスを冷却することができ、より一層の熱回収効率の向上を図ることができる。また、排熱回収後であっても冷却水の温度は６０℃〜８０℃程度であり、２００℃を超える排気ガスを冷却するための冷媒として十分であるばかりか、冷却水は第１実施形態の冷媒である酸化剤ガスよりも比熱が高いため、常温の酸化剤ガスよりも高い効率で排気ガスを確実に冷却させることが可能となり、冷媒の流量制御時の排気ガス温度の応答速度も良好なものとなる。
【００３７】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜設計変更可能である。例えば、上記実施形態では発電モジュールに予熱器が内蔵された構成としたが、予熱器を発電モジュールの外部に設けても良い。また、本発明は、ＳＯＦＣに限定されるものではなく、固体高分子系燃料電池（ＰＥＦＣ）などの他の燃料電池システムに用いることもできる。
【００３８】
また、上記実施形態では、凝縮用熱交換器８に対する冷却水を冷却器７での冷媒として用いているが、これに限らず、燃料電池本体１４に対する冷却用の冷却水を前記の冷却器７に対する冷媒として用いてもよい。また、上記実施形態では酸化剤ガス通路若しくは冷却水通路にバイパス路を設けて、酸化剤ガス若しくは冷却水の一部を分流させて排気ガスの温度調整用の冷媒として用いたが、バイパス路を設けて分流させるのではなく全量を冷媒として用いて排気ガスの温度調整を行ってもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１  発電モジュール
２  燃料ガス通路
４  酸化剤ガス通路
５  排気ガス通路
６  脱硫器
７  冷却器
８  凝縮用熱交換器
１６  温度検知手段
１７  流量調整手段
１８  冷却水通路
【図１】
2012155978.tif 000003
【図２】
2012155978.tif 000004