(57)【要約】【課題】燃焼状態の向上および水添脱硫触媒の酸化劣化の低減を図った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、２００は、原料ガスに含まれる硫黄化合物を触媒存在下で水添脱硫反応させて脱硫する水添脱硫器１１と、水添脱硫器に原料ガスを供給する原料ガス供給器１０と、水添脱硫器で脱硫された原料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器１２と、改質器で生成された改質ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う発電部１３と、空気を供給する空気供給器１５と、発電部から排出された改質ガスを空気供給器により供給された空気で燃焼する燃焼器１４と、水添脱硫器から改質器および発電部を経由し燃焼器へ改質ガスが流通する改質ガス経路１６ｂと、上流端が空気供給器に接続され、下流端が改質器より下流側の改質ガス経路に接続され、空気供給器から空気を改質ガス経路に供給する空気経路１７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】
原料ガスに含まれる硫黄化合物を触媒存在下で水添脱硫反応させて脱硫する水添脱硫器と、
前記水添脱硫器に前記原料ガスを供給する原料ガス供給器と、
前記水添脱硫器で脱硫された原料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器で生成された改質ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う発電部と、
空気を供給する空気供給器と、
前記発電部から排出された改質ガスを前記空気供給器により供給された空気で燃焼する燃焼器と、
前記改質器から前記発電部を経由して前記燃焼器へ前記改質ガスが流通する改質ガス経路と、
上流端が前記空気供給器に接続され、下流端が前記改質器より下流側の前記改質ガス経路に接続され、前記空気供給器から前記空気を前記改質ガス経路に供給する空気経路と、を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
前記空気経路の下流端は、前記改質器より下流側かつ前記発電部より上流側の前記改質ガス経路に接続されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記原料ガス供給器から前記水添脱硫器を経由して前記改質器へ前記原料ガスが流通する原料ガス経路と、
一端が前記改質器より下流側の分岐点において前記改質ガス経路に接続され、他端が前記水添脱硫器より上流側の前記原料ガス経路に接続されているリサイクル経路をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記空気供給器の下流端は、前記分岐点より下流側かつ前記発電部より上流側の前記改質ガス経路に接続されている、請求項３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、水添脱硫器および燃焼器を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムでは、原料ガスに含まれる硫黄化合物が改質反応に用いられる触媒を被毒するため、たとえば、原料ガス中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器が備えられていた。このような燃料電池システムとして、特許文献１に示す燃料電池システムが知られている。このシステムには、水添脱硫触媒が設けられた第２の脱硫器が備えられている。
【０００３】
また、従来の燃料電池システムでは、改質器における改質反応を促進するため、改質器を加熱する燃焼部が備えられていた。このような燃料電池システムとして、特許文献２に示す燃料電池用改質器ユニットが知られている。このユニットでは、燃料電池セル集合体の上方が燃焼部として用いられている。原料ガスは、燃料電池セル内の燃料流路を通り、燃料流路の出口から放出される。空気は、燃料電池セルの外側を流れて、燃焼部へ上昇する。この空気が存在する燃焼部において、燃料流路の出口から放出された原料ガスが燃焼する。この燃焼による高温の排ガスは、排ガス室に流入し、排ガス室内に設けられた改質器を昇温する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１２／１６４８９７号
【特許文献２】特許第５３６０３５８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１および２に示す燃料電池システムでは、燃焼状態の向上および水添脱硫触媒の酸化劣化の低減の観点から、未だ改善の余地があった。本発明は、燃焼状態の向上および水添脱硫触媒の酸化劣化の低減を図った燃料電池システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様に係る燃料電池システムは、原料ガスに含まれる硫黄化合物を触媒存在下で水添脱硫反応させて脱硫する水添脱硫器と、前記水添脱硫器に前記原料ガスを供給する原料ガス供給器と、前記水添脱硫器で脱硫された原料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された改質ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う発電部と、空気を供給する空気供給器と、前記発電部から排出された改質ガスを前記空気供給器により供給された空気で燃焼する燃焼器と、前記改質器から前記発電部を経由して前記燃焼器へ前記改質ガスが流通する改質ガス経路と、上流端が前記空気供給器に接続され、下流端が前記改質器より下流側の前記改質ガス経路に接続され、前記空気供給器から前記空気を前記改質ガス経路に供給する空気経路と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、燃焼状態の向上および水添脱硫触媒の酸化劣化の低減が可能であるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１に係る燃料電池システムの機能的な構成の一例を概略的に示すブロック図である。
【図２】実施の形態２に係る燃料電池システムの機能的な構成の一例を概略的に示すブロック図である。
【図３】実施の形態３に係る燃料電池システムの機能的な構成の一例を概略的に示すブロック図である。
【図４】実施の形態４に係る燃料電池システムの機能的な構成の一例を概略的に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（本発明の基礎となる知見）
本発明者は、燃料電池システムにおいて、燃焼状態の向上および水添脱硫触媒の酸化劣化の低減を図ることについて鋭意検討を重ねた。その結果、本発明者は従来技術には下記のような問題があることを見出した。
【００１０】
特許文献２の燃料電池用改質器ユニットでは、空気が存在する燃焼部において、燃料流路の出口から放出された原料ガスが燃焼する。この場合、原料ガスは、火炎の外に存在する空気中の酸素と混合して燃焼する。このような拡散燃焼方式では、火炎の中央で酸素の濃度が低いため、不完全燃焼を起こし一酸化炭素が増加したり、失火が発生したりするおそれがある。
【００１１】
また、特許文献１の燃料電池システムでは、水添脱硫器に水添脱硫触媒が設けられている。この燃料電池システムの発電を停止すると、水添脱硫器内の気体が冷えて、水添脱硫器内が減圧状態になる。このため、たとえば、予混合燃焼方式の燃焼部などのために、水添脱硫器に接続されている原料ガス流路に空気流路を接続すると、空気流路内の空気が水添脱硫器に吸い込まれる。この吸い込まれた空気中の酸素により、水添脱硫器内の水添脱硫触媒が劣化してしまう。
【００１２】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、燃焼状態の向上および水添脱硫触媒の酸化劣化の低減を図った燃料電池システムである。
【００１３】
（実施の形態）
本発明の実施の第１の態様に係る燃料電池システムは、原料ガスに含まれる硫黄化合物を触媒存在下で水添脱硫反応させて脱硫する水添脱硫器と、前記水添脱硫器に前記原料ガスを供給する原料ガス供給器と、前記水添脱硫器で脱硫された原料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された改質ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う発電部と、空気を供給する空気供給器と、前記発電部から排出された改質ガスを前記空気供給器により供給された空気で燃焼する燃焼器と、前記改質器から前記発電部を経由して前記燃焼器へ前記改質ガスが流通する改質ガス経路と、上流端が前記空気供給器に接続され、下流端が前記改質器より下流側の前記改質ガス経路に接続され、前記空気供給器から前記空気を前記改質ガス経路に供給する空気経路と、を備える。
【００１４】
本発明の実施の第２の態様に係る燃料電池システムでは、第１の態様において、前記空気経路の下流端は、前記改質器より下流側かつ前記発電部より上流側の前記改質ガス経路に接続されていてもよい。
【００１５】
本発明の実施の第３の態様に係る燃料電池システムは、第１の態様において、前記原料ガス供給器から前記水添脱硫器を経由して前記改質器へ前記原料ガスが流通する原料ガス経路と、一端が前記改質器より下流側の分岐点において前記改質ガス経路に接続され、他端が前記水添脱硫器より上流側の前記原料ガス経路に接続されているリサイクル経路をさらに備えていてもよい。
【００１６】
本発明の実施の第４の態様に係る燃料電池システムは、第３の態様において、前記空気供給器の下流端は、前記分岐点より下流側かつ前記発電部より上流側の前記改質ガス経路に接続されていてもよい。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一または相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００１８】
（実施の形態１）
実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成について、図１を参照して説明する。図１は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の機能的な構成を概略的に示す図である。燃料電池システム１００は、原料ガス供給器１０、水添脱硫器１１、改質器１２、発電部１３、空気供給器１５、燃焼器１４および可燃ガス経路１６を備えている。さらに、燃料電池システム１００は、制御器１８を備えていてもよい。
【００１９】
原料ガス供給器１０は、水添脱硫器１１に原料ガスを供給する供給器である。原料ガス供給器１０は、たとえば、昇圧器および流量調整弁により構成されるが、これらのいずれか一方により構成されてもよい。昇圧器は、たとえば、定容積型ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。
【００２０】
原料ガス供給器１０は、所定の供給圧を有する原料ガス供給源（図示せず）に接続されている。この原料ガス供給源として、たとえば、原料ガスボンベ、および、原料ガスインフラなどが例示される。また、原料ガス供給器１０には燃焼器１４に至る可燃ガス経路１６が接続されている。
【００２１】
可燃ガス経路１６は、原料ガス経路１６ａおよび改質ガス経路１６ｂを含む。原料ガス経路１６ａは、原料ガス供給器１０から水添脱硫器１１を経由して改質器１２に至る経路である。改質ガス経路１６ｂは、改質器１２から発電部１３を経由して燃焼器１４に至る経路である。
【００２２】
ここで、「可燃ガス経路」を定義する理由は、以下のとおりである。燃料電池システム１００の起動時には、改質器１２の温度が改質ガスを生成可能な温度に到達していない。このため、原料ガス供給器１０から送出された原料ガスが改質器１２で改質されずにそのままのガスとして、あるいは一部改質されて原料ガスと改質ガスとの混合ガスとして燃焼器１４に流入する。このことから、改質されずに原料ガスのままのガスと、原料ガスと改質ガスとの混合ガスと、を包括するガスの概念を明確にし、かつ、そのようなガスが流れる経路を明確に特定する必要があるからである。そこで、原料ガスのままのガスと、原料ガスと改質ガスとの混合ガスと、を包括する概念として「可燃ガス」を定義している。そして、この「可燃ガス」が流れるガス経路を「可燃ガス経路」として定義している。
【００２３】
原料ガスは、たとえば、有機化合物を含有する物質であって、有機化合物は、少なくとも炭素および水素により構成される。具体的には、原料ガスとして、炭化水素、アルコール、および、灯油が例示される。炭化水素は、たとえば、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ、ＬＮＧ、プロパンガス、ブタンガス、および、メタンを主成分とするガスなどである。アルコールは、たとえば、メタノールおよびエタノールなどである。都市ガスとは、ガス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。灯油およびアルコールなどの液体を原料ガスとして用いる場合には、改質器１２に供給される前に、原料ガスは加熱されて気化されてもよい。
【００２４】
水添脱硫器１１は、原料ガスに含まれる硫黄化合物を触媒存在下で水添脱硫反応させて脱硫する反応器である。水添脱硫器１１は、容器および水添脱硫剤により構成されている。容器はその内部に空間を有し、水添脱硫剤は容器の内部空間に充填されている。水添脱硫器１１は、水添脱硫剤がその機能を発揮する適温になるように、ヒータ（図示せず）および／または燃焼器１４からの熱などにより加熱される。たとえば、銅および亜鉛を含む水添脱硫剤の場合は、水添脱硫器１１は、たとえば、１５０℃〜３５０℃に加熱される。
【００２５】
水添脱硫器１１では、硫黄化合物が水素と反応（水添脱硫反応）することにより、硫化水素が生成される。この硫化水素が吸着されて、硫黄化合物が原料ガスから除去される。この水素は、原料ガス供給器１０から供給される原料ガスに予め含有されていてもよいし、水素供給器（図示せず）により供給されてもよい。また、水添脱硫器１１は、原料ガス経路１６ａの途中に設けられている。水添脱硫器１１により脱硫された原料ガスは原料ガス経路１６ａを介して改質器１２に供給される。
【００２６】
水添脱硫剤は、たとえば、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い。水添脱硫剤は、たとえば、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、硫化水素を吸着する硫黄吸着剤とで構成されてもよい。硫黄吸着剤は、ＣｏＭｏ系触媒の下流側に設けられ、たとえば、ＺｎＯ系触媒またはＣｕＺｎ系触媒が例示される。
【００２７】
硫黄化合物として、人為的に原料ガスへ添加された付臭成分、または、原料ガス自体に由来する天然の硫黄化合物が挙げられる。具体的には、硫黄化合物には、ターシャリブチルメルカプタン（ＴＢＭ：tertiary-butylmercaptan）、ジメチルスルフィド（ＤＭＳ：dimethyl sulfide）、テトラヒドロチオフェン（ＴＨＴ：Tetrahydrothiophene）、硫化カルボニル（ＣＯＳ：carbonyl sulfide）、硫化水素（hydrogen sulfide）などが例示される。
【００２８】
改質器１２は、水添脱硫器１１で脱硫された原料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する反応器である。改質器１２は、容器および改質触媒により構成されている。容器はその内部に空間を有し、改質触媒が容器の内部空間に充填されている。改質触媒は、改質反応を進行させ得る触媒であって、たとえば、ニッケル、ルテニウム、白金、ならびにロジウムのうち少なくとも一つを含浸したアルミナ担体を用いることができる。改質器１２は、改質触媒がその機能を発揮する適温、たとえば、６００〜７００℃になるように、ヒータ（図示せず）および／または燃焼器１４などにより加熱される。
【００２９】
改質器１２では、たとえば、原料ガスおよび水蒸気が改質触媒の存在下において反応（水蒸気改質反応）し、水素を含有した改質ガスが生成される。この水蒸気は、水蒸気供給器（図示せず）から供給されてもよい。改質器１２には改質ガス経路１６ｂが接続されており、改質ガスが改質ガス経路１６ｂを介して発電部１３に供給される。
【００３０】
発電部１３は、改質器１２で生成された改質ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う反応器である。発電部１３は、たとえば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。発電部１３は、複数の燃料電池単セルが直列に接続されたセルスタックを有している。なお、発電部１３は、複数のセルスタックを並列に接続して構成されていてもよい。
【００３１】
燃料電池単セルは、電解質と、電解質を互いの間に挟むアノードおよびカソードとにより構成されており、アノードとカソードとの間で発電反応を行って発電する。アノードには改質ガスが供給され、カソードには酸化剤ガスが供給される。電解質としては、たとえば、イットリアをドープしたジルコニア（ＹＳＺ）、イッテリビウムまたはスカンジウムをドープしたジルコニア、あるいは、ランタンガレートなどが例示される。
【００３２】
酸化剤ガスは、たとえば、空気または酸素が例示される。酸化剤ガスに空気が用いられる場合には、空気はブロワーなどの酸化剤ガス供給器（図示せず）から供給される。また、酸化剤ガスに酸素が用いられる場合には、酸素は酸素ボンベなどの酸化剤ガス供給器（図示せず）から供給される。なお、以下では酸化剤ガスに空気を用いる場合について説明する。この空気を、燃焼器１４で用いられる空気と区別するために、発電用空気と称する。この発電用空気は、空気供給器１５とは別の空気供給器（図示せず）から発電部１３に供給される。
【００３３】
発電部１３には改質ガス経路１６ｂの途中に設けられており、オフ改質ガスが発電部１３から燃焼器１４に改質ガス経路１６ｂを介して供給される。オフ改質ガスは、改質反応で使用されなかった原料ガス、および／または、発電反応で使用されなかった改質ガスを含む。
【００３４】
燃焼器１４は、発電部１３から排出された改質ガス（オフ改質ガス）を空気供給器１５により供給された空気（燃焼用空気）で燃焼する機器である。燃焼器１４としては、バーナが例示される。燃焼器１４は、改質器１２および／または発電部１３の近傍に配置される。
【００３５】
空気供給器１５は、燃焼用空気を供給する装置である。空気供給器１５は、たとえば、空気源から供給される空気を昇圧する昇圧器および当該空気の流量を調整する流量調整弁により構成されるが、これらのいずれか一方により構成されてもよい。昇圧器は、たとえば、定容積型ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。燃焼用空気は、大気中から供給される。空気供給器１５は、空気経路１７に接続されており、燃焼用空気を、空気経路１７を介して燃焼器１４に供給する。空気源として、空気供給インフラ、ブロワワー等の送風機、空気ボンベ等が例示される。空気源として、送風機が用いられる場合、発電用空気の空気源と共用してもよい。
【００３６】
可燃ガス経路１６は、原料ガス供給器１０から、水添脱硫器１１、改質器１２および発電部１３を経由して燃焼器１４へ可燃ガスが流通する経路である。可燃ガス経路１６は、その上流端が原料ガス供給器１０に接続され、下流端が燃焼器１４に接続されている。この原料ガス供給器１０と燃焼器１４との間の可燃ガス経路１６において、水添脱硫器１１、改質器１２および発電部１３がこの順で設けられている。
【００３７】
空気経路１７は、空気供給器１５からの燃焼用空気が流通する経路である。空気経路１７は、その上流端が空気供給器１５に接続され、下流端が改質器１２より上流側の改質ガス経路１６ｂに接続されている。この空気経路１７と改質ガス経路１６ｂとの接続点は、発電部１３と燃焼器１４との間に設けられる。これにより、燃焼用空気は、燃焼器１４より上流側において、発電部１３から排出された可燃ガス（オフ改質ガス）に混合される。このようにオフ改質ガスと燃焼用空気とが燃焼器１４に流入する前に予め混合されて、燃焼器１４に供給される。この予混合されたガスが燃焼器１４の点火器（図示せず）で点火されて燃焼する。なお、空気経路１７には、空気経路１７を開放および遮断する弁（図示せず）が設けられていてもよい。
【００３８】
制御器１８は、燃料電池システム１００における各部を制御する装置であって、演算処理部および記憶部を備えている。制御器１８としては、たとえば、マイクロコントローラ、ＰＬＣ(Programmable Logic Controller)などが例示される。また、演算処理部としては、ＭＰＵおよびＣＰＵ等のプロセッサが例示される。記憶部としてメモリが例示される。記憶部は、制御プログラムを記憶し、演算処理部は、制御プログラムを記憶部から読み出してこれを実行する。制御器１８は、集中制御を行う単独の装置で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の装置で構成されていてもよい。
【００３９】
次に、燃料電池システム１００の動作について、図１を参照して説明する。この燃料電池システム１００の動作は、制御器１８の制御によって実現される。発電部１３が所定温度以下の起動時には、空気経路１７が弁により開放される。この所定温度は、発電部１３のアノードが燃焼用空気により酸化しない温度である。
【００４０】
原料ガスは、原料ガス供給器１０により昇圧され、水添脱硫器１１に供給される。ここで、原料ガス中の硫黄化合物は、水素と水添脱硫反応し、除去される。そして、この脱硫された原料ガスは、改質器１２において水蒸気と改質反応し、改質ガスに改質される。改質ガス、および、改質反応されなかった原料ガスは発電部１３に供給され、そのままオフ改質ガスとして、発電部１３から排出される。
【００４１】
そして、オフ改質ガスは、空気経路１７からの燃焼用空気と予混合されて、燃焼器１４に供給される。この予混合されたガスが、燃焼器１４において点火され燃焼する。この燃焼熱により発電部１３および改質器１２が加熱され、燃焼器１４から排出された燃焼排ガスにより水添脱硫器１１が加熱される。
【００４２】
発電部１３が所定温度に達した発電時には、空気経路１７が弁により遮断され、酸化剤ガスが発電部１３に供給される。これにより、改質器１２で生成された改質ガスは、発電部１３において酸化剤ガスと発電反応し、発電が行われる。そして、発電で使用されなかった改質ガスなどを含むオフ改質ガスは、燃焼器１４に供給される。また、発電で使用されなかった酸化剤ガスを含むオフ酸化剤ガスも、燃焼器１４に供給される。これにより、燃焼器１４では、オフ改質ガスがオフ酸化剤ガスにより燃焼する。この燃焼熱などにより発電部１３、改質器１２および水添脱硫器１１の加熱が継続される。
【００４３】
そして、燃料電池システム１００が動作を停止すると、原料ガスの供給が停止され、燃焼器１４における燃焼が終了する。これにより、水添脱硫器１１の温度が低下し、水添脱硫器１１の内部空間が減圧状態になる。このため、水添脱硫器１１に接続されている原料ガス経路１６ａの原料ガスが水添脱硫器１１へ吸引されて、水添脱硫器１１に原料ガスが流入する。これに伴い、改質ガス経路１６ｂに接続されている空気経路１７の燃焼用空気も水添脱硫器１１の方へ吸引される。この空気経路１７と改質ガス経路１６ｂとの接続点と、水添脱硫器１１との間には、改質器１２が設けられている。よって、まず、水添脱硫器１１により吸引された燃焼用空気は、改質器１２の内部空間に流入する。この燃焼用空気の量は、水添脱硫器１１により吸引されるガスの数％と微量であるため、改質器１２の容積より少ない。このため、燃焼用空気は、改質器１２から水添脱硫器１１へ流入することはない。
【００４４】
上記構成によれば、空気経路１７が発電部１３より下流側で燃焼器１４より上流側の改質ガス経路１６ｂに接続している。これにより、改質ガスと燃焼用空気とが、改質器１２より下流側の改質ガス経路１６ｂで予混合されて、燃焼器１４に供給されている。よって、燃焼器１４では予混合されたガスが、より確実に点火され、より安定して燃焼される。
【００４５】
また、空気経路１７と改質ガス経路１６ｂとの接続点は、発電部１３と燃焼器１４との間に設けられる。この接続点と水添脱硫器１１との間に改質器１２が介在している。よって、水添脱硫器１１の内部空間が減圧状態になっても、改質器１２の内部空間がバッファ空間として機能する。これにより、空気経路１７の燃焼用空気は水添脱硫器１１に流入せず、水添脱硫触媒は燃焼用空気により酸化されない。
【００４６】
（実施の形態２）
実施の形態２に係る燃料電池システム１００の構成について、図２を参照して説明する。図２は、実施の形態２に係る燃料電池システム１００の機能的な構成を概略的に示す図である。この燃料電池システム１００は、空気経路１７と改質ガス経路１６ｂとの接続位置を除いて、実施の形態１の燃料電池システム１００の構成と同様である。
【００４７】
つまり、空気経路１７の下流端が、改質器１２より下流側で発電部１３より上流側の改質ガス経路１６ｂに接続されている。この空気経路１７と改質ガス経路１６ｂとの接続点は、改質器１２と発電部１３との間に設けられる。これにより、燃焼用空気は、燃焼器１４より上流側において、改質器１２から排出された原料ガス（改質ガス）に混合される。このように改質ガスと燃焼用空気とが燃焼器１４に流入する前に予め混合されて、発電部１３を介して燃焼器１４に供給される。
【００４８】
上記構成によれば、空気経路１７が改質器１２より下流側で燃焼器１４より上流側の改質ガス経路１６ｂに接続している。これにより、燃焼用空気が改質器１２より下流側かつ発電部１３より上流側の改質ガス経路１６ｂで原料ガスに予混合されて燃焼器１４に供給されている。よって、燃焼器１４では予混合されたガスを点火して燃焼するため、より確実な点火、および、より安定した燃焼が確保される。
【００４９】
また、空気経路１７と改質ガス経路１６ｂとの接続点は、改質器１２と発電部１３との間に設けられており、この接続点と水添脱硫器１１との間に改質器１２が介在している。よって、水添脱硫器１１の内部空間が減圧状態になっても、改質器１２の内部空間がバッファ空間として機能する。これにより、空気経路１７の燃焼用空気は水添脱硫器１１に流入せず、水添脱硫触媒は燃焼用空気により酸化されない。
【００５０】
（実施の形態３）
実施の形態３に係る燃料電池システム２００の構成について、図３を参照して説明する。図３は、実施の形態３に係る燃料電池システム２００の機能的な構成を概略的に示す図である。この燃料電池システム２００は、流通制御器２０、リサイクル経路２１、水蒸気供給器２２、および、水蒸気経路２４をさらに備えている点を除いて、実施の形態１の燃料電池システム２００の構成と同様である。
【００５１】
リサイクル経路２１は、改質ガスの一部（リサイクルガス）を改質器１２の下流から水添脱硫器１１の上流へ供給させる経路である。リサイクル経路２１は、改質器１２より下流側の分岐点で改質ガス経路１６ｂから分岐し、水添脱硫器１１より上流側で改質ガス経路１６ｂに接続する。なお、後述する流通制御器２０に昇圧器が設けられない場合には、改質ガス経路１６ｂのこの接続点と改質器１２との間に部分に、原料ガスを昇圧する昇圧器（図示せず）が設けられる。リサイクルガスは、原料ガス供給器１０により供給された原料ガスに混合されて、水添脱硫器１１に供給される。
【００５２】
流通制御器２０は、リサイクル経路２１を流れるリサイクルガスの流量を制御（調整）する機器である。流通制御器２０としては、たとえば、定容積型ポンプなどの昇圧器と、流量調整弁とが用いられる。ただし、流通制御器２０は、これに限定されず、固定オリフィス、または、可変オリフィスなどが用いられてもよい。この流量調整は、改質器１２の背圧と、水添脱硫器１１の上流側の圧力との釣り合いを採ることにより行われる。
【００５３】
水蒸気供給器２２は、水蒸気を改質器１２に供給する機器である。水を加熱して水蒸気の状態で供給する場合、水蒸気供給器２２には水供給器が用いられる。水蒸気供給器２２は、水蒸気の供給量を調整する機能を有し、たとえば、定量吐出が可能なプランジャーポンプなどで構成される。
【００５４】
水蒸気経路２４は、水蒸気供給器２２から供給される水蒸気を改質器１２に送るための経路である。水蒸気供給器２２は、その上流端が水蒸気供給器２２に接続され、下流端が、水添脱硫器１１の下流側で改質器１２の上流側の改質ガス経路１６ｂに接続されている。
【００５５】
このような構成の燃料電池システム２００の動作において、発電部１３が所定温度以下の起動時には、空気経路１７が弁により開放される。原料ガスは、原料ガス供給器１０により昇圧され、リサイクル経路２１からのリサイクルガスと混合して水添脱硫器１１に供給される。ここで、原料ガス中の硫黄化合物は、リサイクルガスの水素と水添脱硫反応し、除去される。そして、原料ガスは、水蒸気経路２４からの水蒸気と混合して改質器１２に供給される。ここで、原料ガスは水蒸気と改質反応し、改質ガスが生成される。そして、改質ガスなどを含むオフ改質ガスは、空気経路１７からの燃焼用空気と予混合して、燃焼器１４に供給される。この予混合されたガスが、燃焼器１４において点火し燃焼する。この燃焼熱により発電部１３および改質器１２が加熱され、燃焼器１４から排出された燃焼排ガスにより水添脱硫器１１が加熱される。
【００５６】
発電部１３が所定温度に達した発電時には、空気経路１７が弁により遮断され、酸化剤ガスが発電部１３に供給される。これにより、改質器１２で生成された改質ガスは、発電部１３において酸化剤ガスと発電反応し、発電が行われる。そして、燃焼器１４において、発電で使用されなかった改質ガスなどを含むオフ改質ガスは、オフ酸化剤ガスにより燃焼する。この燃焼熱などにより発電部１３、改質器１２および水添脱硫器１１の加熱が継続される。
【００５７】
上記構成によれば、リサイクル経路２１の分岐点は、空気経路１７と改質ガス経路１６ｂとの接続点より上流側の改質ガス経路１６ｂに設けられている。このため、燃焼用空気が分岐点より下流側の改質ガス経路１６ｂで原料ガスに予混合されて燃焼器１４に供給されている。このため、リサイクル経路２１のリサイクルガスには、空気経路１７の燃焼用空気が含まれない。よって、リサイクルガスと共に燃焼用空気が水添脱硫器１１に供給されることがなく、燃焼用空気による水添脱硫触媒の酸化を防ぐことができる。
【００５８】
また、燃焼用空気はオフ改質ガスと予混合してから燃焼器１４に供給されるため、より確実な点火およびより安定した燃焼が実現する。また、改質器１２の内部空間がバッファ空間として機能するため、空気経路１７から水添脱硫器１１への燃焼用空気の流入、および、この燃焼用空気による水添脱硫触媒の酸化が防がれる。
【００５９】
（実施の形態４）
実施の形態４に係る燃料電池システム２００の構成について、図４を参照して説明する。図４は、実施の形態４に係る燃料電池システム２００の機能的な構成を概略的に示す図である。この燃料電池システム２００は、空気経路１７と改質ガス経路１６ｂとの接続位置を除いて、実施の形態３の燃料電池システム２００の構成と同様である。
【００６０】
つまり、空気経路１７の下流端が、改質ガス経路１６ｂからリサイクル経路２１が分岐する分岐点より下流側かつ発電部１３より上流側の改質ガス経路１６ｂに接続されている。このため、空気経路１７と改質ガス経路１６ｂとの接続点は、分岐点と発電部１３との間に設けられる。これにより、燃焼用空気は、分岐点においてリサイクルガスを分流した後の改質ガスに予混合されて、燃焼器１４に供給される。
【００６１】
上記構成によれば、燃焼用空気が分岐点より下流側かつ発電部１３より上流側の改質ガス経路１６ｂで原料ガスに予混合されて燃焼器１４に供給されている。このため、リサイクル経路２１のリサイクルガスに空気経路１７の燃焼用空気が含まれず、リサイクル経路２１から水添脱硫器１１への燃焼用空気の流入、および、この燃焼用空気による水添脱硫触媒の酸化が防がれる。また、燃焼用空気はオフ改質ガスと予混合してから燃焼器１４に供給されるため、より確実な点火およびより安定した燃焼が実現する。さらに、水添脱硫器１１の内部空間が減圧になっても、改質器１２の内部空間がバッファ空間として機能するため、空気経路１７の燃焼用空気は水添脱硫器１１に流入せず、燃焼用空気による水添脱硫触媒の酸化が防がれる。
【００６２】
また、上記全実施の形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。
【００６３】
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の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、その構造および／また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】
【００６４】
本発明の燃料電池システムは、燃焼状態の向上および水添脱硫触媒の酸化劣化の低減を図った燃料電池システムなどとして有用である。
【符号の説明】
【００６５】
１１    ：水添脱硫器
１２    ：改質器
１３    ：発電部
１４    ：燃焼器
１５    ：空気供給器
１６    ：可燃ガス経路
１６ａ  ：原料ガス経路
１６ｂ  ：改質ガス経路
２１    ：リサイクル経路
１００  ：燃料電池システム
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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