(57)【要約】      （修正有）【課題】燃焼器の排ガスを用いて水添脱硫方式の脱硫器の温度制御を行う際に、排ガスの放熱ロスを低減する。【解決手段】燃料電池システム１００は、脱硫器１１と、脱硫器１１からの原料ガスを用いて改質ガスを生成する改質器１３と、改質ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池１０と、燃料電池オフガスを燃焼する燃焼器１４と、燃焼排ガスが流れる排ガス経路２１と、排ガスにより脱硫器１１に流入する前の原料ガスを加熱する原料ガス加熱器１５と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス経路２０と、酸化剤ガス経路２０から分岐・合流する酸化剤ガス分岐経路１６と、酸化剤ガス分岐経路１６の酸化剤ガス流量を調整する流量調整器１７と、酸化剤ガス分岐経路１６を流れる酸化剤ガスを用いて脱硫器１１を冷却する冷却器１８と、排ガス経路２１上に設けられ、原料ガス加熱器１５と脱硫器１１と冷却器１８とを収容する収容器１９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水添脱硫で除去する脱硫器と、
前記脱硫器からの原料ガスを用いて水素含有ガスを生成する改質器と、
前記水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記燃料電池のオフガスを燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器の排ガスが流れる排ガス経路と、
前記排ガスを用いて、前記脱硫器に流入する前の原料ガスを加熱する原料ガス加熱器と、
前記燃料電池に供給する前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス経路と、
前記酸化剤ガス経路から分岐し、前記酸化剤ガス経路に合流する酸化剤ガス分岐経路と、
前記酸化剤ガス分岐経路を流れる酸化剤ガスの流量を調整する流量調整器と、
前記酸化剤ガス分岐経路を流れる酸化剤ガスを用いて前記脱硫器を冷却する冷却器と、
前記排ガス経路上に設けられ、前記原料ガス加熱器と前記脱硫器と前記冷却器とを収容する収容器と、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却器は、前記酸化剤ガス分岐経路を形成する流路部材により構成され、前記流路部材と前記原料ガス加熱器とが熱交換する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記流路部材は、前記原料ガス加熱器に巻き付けられている請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記冷却器は、前記酸化剤ガス分岐経路を形成する流路部材により構成され、前記流路部材と前記脱硫器とが熱交換する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記流路部材は、前記脱硫器に巻き付けられている請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記流路部材は、前記脱硫器内を貫通している請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記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が所定の温度よりも高いと、前記酸化剤ガス分岐経路を流れる酸化剤ガスの流量が増加するように、前記流量調整器を制御する制御器と、を備える請求項１−６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】
燃料電池システムの燃料としては、水素含有ガスが用いられる。多くの場合、都市ガスやＬＰＧ等の原料ガスを、改質器を用いて改質させることで水素含有ガスを生成している。原料ガスには、付臭剤として、例えば、硫黄化合物が含まれている。硫黄化合物は、改質器の改質触媒の劣化の原因となるので、改質器で原料ガスの改質を行う前に予め原料ガスから硫黄化合物を除去（脱硫）する必要がある。
【０００３】
燃料電池システムの脱硫方式には、主に、吸着脱硫方式、水添脱硫方式の２つの方式がある。後者の場合、脱硫器の脱硫性能を十分に発揮させるため、脱硫器の水添脱硫剤を所定の温度範囲内（例えば、約１５０℃−３５０℃）に制御する必要がある。
【０００４】
かかる脱硫器の温度制御の方法として、燃料電池システムの燃焼器の高温の排ガスを用いて、脱硫器を加熱する方法が知られている。
【０００５】
また、脱硫器の過加熱が起こると、脱硫器の水添脱硫剤が劣化する可能性がある、そこで、脱硫器に排ガスが流入する前、冷却器により排ガスを適温に冷却させることで、脱硫器の過加熱を防止する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１５５９７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１は、燃焼器の排ガスを用いて水添脱硫方式の脱硫器の温度制御を行う場合の排ガス放熱ロスの問題については、十分に検討されていない。
【０００８】
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、燃焼器の排ガスを用いて水添脱硫方式の脱硫器の温度制御を行う際に、従来に比べ、排ガスの放熱ロスを低減し得る燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様の燃料電池システムは、原料ガスに含まれる硫黄化合物を水添脱硫で除去する脱硫器と、前記脱硫器からの原料ガスを用いて水素含有ガスを生成する改質器と、前記水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池のオフガスを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器の排ガスが流れる排ガス経路と、前記排ガスを用いて、前記脱硫器に流入する前の原料ガスを加熱する原料ガス加熱器と、前記燃料電池に供給する前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス経路と、前記酸化剤ガス経路から分岐し、前記酸化剤ガス経路に合流する酸化剤ガス分岐経路と、前記酸化剤ガス分岐経路を流れる酸化剤ガスの流量を調整する流量調整器と、前記酸化剤ガス分岐経路を流れる酸化剤ガスを用いて前記脱硫器を冷却する冷却器と、前記排ガス経路上に設けられ、前記原料ガス加熱器と前記脱硫器と前記冷却器とを収容する収容器と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一態様の燃料電池システムは、燃焼器の排ガスを用いて水添脱硫方式の脱硫器の温度制御を行う際に、従来に比べ、排ガスの放熱ロスを低減し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【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実施形態の第１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実施形態の第２実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、第１実施形態の第３実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、第１実施形態の第３実施例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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施形態）
発明者らは、燃焼器の排ガスを用いて水添脱硫方式の脱硫器の温度制御を行う場合の排ガス放熱ロスの問題を鋭意検討し、以下の知見を得た。
【００１３】
特許文献１の燃料電池システムは、脱硫器よりも上流の排ガス経路上に冷却器を備え、排ガスが冷却器及び脱硫器をこの順に流通するように構成されている。従って、燃料電池システムの起動時等の排ガス冷却が不要な場合でも、高温の排ガスは、必然的に冷却器を経由するので、排ガスの不要な放熱ロスが生じる。よって、燃料電池システムの効率低下を招く。
【００１４】
そこで、第１実施形態の燃料電池システムは、原料ガスに含まれる硫黄化合物を水添脱硫で除去する脱硫器と、脱硫器からの原料ガスを用いて水素含有ガスを生成する改質器と、水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、燃料電池のオフガスを燃焼する燃焼器と、燃焼器の排ガスが流れる排ガス経路と、排ガスを用いて、脱硫器に流入する前の原料ガスを加熱する原料ガス加熱器と、燃料電池に供給する酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス経路と、酸化剤ガス経路から分岐し、酸化剤ガス経路に合流する酸化剤ガス分岐経路と、酸化剤ガス分岐経路を流れる酸化剤ガスの流量を調整する流量調整器と、酸化剤ガス分岐経路を流れる酸化剤ガスを用いて脱硫器を冷却する冷却器と、前記排ガス経路上に設けられ、原料ガス加熱器と脱硫器と冷却器とを収容する収容器と、を備える。
【００１５】
かかる構成により、燃焼器の排ガスを用いて水添脱硫方式の脱硫器の温度制御を行う際に、従来に比べ、排ガスの放熱ロスを低減し得る。例えば、脱硫器の温度が、水添脱硫剤が脱硫性能を発揮する適温範囲の上限値以下の場合（例えば、燃料電池システムの起動時の場合等）、酸化剤ガスを酸化剤ガス分岐経路に流通させているときは酸化剤ガスの流量を減少させることで、排ガスの不要な放熱ロスを低減できる。
【００１６】
また、脱硫器の温度が、水添脱硫剤が脱硫性能を発揮する適温範囲の上限値を超える場合、酸化剤ガス分岐経路に低温の酸化剤ガスを流通させることで、或いは、酸化剤ガスを流通させているときは酸化剤ガスの流量を増加させることで、脱硫器を冷却できる。
【００１７】
このようにして、脱硫器の水添脱硫剤を適温に維持しながら、燃料電池システムの効率低下を抑制できる。
【００１８】
[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。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、脱硫器１１と、改質器１３と、燃料電池１０と、燃焼器１４と、原料ガス加熱器１５と、酸化剤ガス経路２０と、酸化剤ガス分岐経路１６と、流量調整器１７と、排ガス経路２１と、冷却器１８と、収容器１９と、を備える。
【００２０】
脱硫器１１は、原料ガスに含まれる硫黄化合物を水添脱硫で除去する。脱硫器１１は、容器に水添脱硫剤が充填されている。水添脱硫剤は、原料ガスに含まれる硫黄化合物を、水添脱硫により除去する触媒である。水添脱硫剤は、例えば、銅及び亜鉛を含む水添触媒を用いることができる。水添脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、Ｎｉ―Ｍｏ系又はＣｏ―Ｍｏ系触媒と酸化亜鉛系触媒とを組み合わせた触媒でもよい。水添脱硫剤が銅及び亜鉛を含む場合、脱硫器１１は、約１５０℃―３５０℃が適温の動作範囲となる。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等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むガスである。
【００２１】
改質器１３は、脱硫器１１からの原料ガスを用いて水素含有ガスを生成する。改質器１３における改質反応は、いずれの形態であってもよい。例えば、改質反応として、水蒸気改質反応、オートサーマル反応又は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、部分酸化反応又はオートサーマル反応であれば、更に、空気を供給する空気供給器が設けられる。
【００２２】
燃料電池１０は、水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する。燃料電池１０は、いずれの種類であってもよい。燃料電池１０として、例えば、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、燐酸形燃料電池等を例示できる。
【００２３】
燃焼器１４は、燃料電池のオフガスを燃焼する。これにより、燃焼器１４で高温の排ガスが生成される。また、燃焼器１４を用いて燃料電池１０を加熱できる。つまり、燃焼器１４の燃料は、燃料電池１０のアノードから排出される水素ガス含有のアノードオフガスが用いられる。燃焼器１４は、燃料電池１０のオフガスを燃焼できれば、どのような構成であっても構わない。例えば、燃焼器１４は、予混合燃焼バーナであってもいいし、拡散燃焼バーナであっていい。
【００２４】
排ガス経路２１は、燃焼器１４の排ガスが流れる。本実施形態では、脱硫器１１の水添脱硫剤の温度を適温範囲内に制御する構成として、燃焼器１４の排ガスが流れる排ガス経路２１上の収容器１９内に脱硫器１１が設けられている（詳細は後述する）。
【００２５】
原料ガス加熱器１５は、燃焼器１４の排ガスを用いて、脱硫器１１に流入する前の原料ガスを加熱する。原料ガスが十分に加熱されずに、脱硫器１１に流入すると、脱硫器１１に低温部が生じる。そして、低温部の温度が、脱硫器１１の所定の適温範囲の下限値を下回ると、脱硫器１１の脱硫性能が低下する。そこで、本実施形態では、燃焼器１４の高温の排ガスを用いて、原料ガス加熱器１５で、脱硫器１１に流入する前の原料ガスを加熱することで、脱硫器１１の脱硫性能の低下を抑制している。原料ガス加熱器１５は、燃焼器１４の排ガスを用いて、脱硫器１１に流入する前の原料ガスを加熱できれば、どのような構成であっても構わない。原料ガス加熱器１５として、例えば、高温の排ガスと低温の原料ガスとが熱交換する熱交換器等を例示できる。
【００２６】
酸化剤ガス経路２０は、燃料電池１０に供給する酸化剤ガスが流れる。また、酸化剤ガス分岐経路１６は、酸化剤ガス経路２０から分岐し、酸化剤ガス経路２０に合流する。つまり、酸化剤ガス分岐経路１６の上流端は、酸化剤ガス経路２０との分岐部１６Ａに対応し、酸化剤ガス分岐経路１６の下流端は、この分岐部１６Ａよりも下流の酸化剤ガス経路２０との合流部１６Ｂに対応する。そして、酸化剤ガス分岐経路１６は、燃料電池１０に供給する酸化剤ガスの一部を、上記の分岐部１６Ａから取出し、上記の合流部１６Ｂで戻すように構成されている。よって、酸化剤ガス分岐経路１６に酸化剤ガスを流通させる場合でも、酸化剤ガスを流通させない場合でも、燃料電池１０に供給する酸化剤ガスの総量は変化せず、燃料電池１０の発電に必要な酸化剤ガスの不足が生じない。なお、酸化剤ガスとは、酸素を含むガスである。酸化剤ガスとして、例えば、空気、酸素ガス等を例示できる。
【００２７】
冷却器１８は、酸化剤ガス分岐経路１６を流れる酸化剤ガスを用いて脱硫器１１を冷却する。つまり、本実施形態では、脱硫器１１の水添脱硫剤の温度に対して、酸化剤ガス分岐経路１６を流れる相対的に低い温度の酸化剤ガスを冷却媒体に用いて、脱硫器１１を冷却している。これにより、脱硫器１１が過加熱になる可能性が低減される。
【００２８】
流量調整器１７は、酸化剤ガス分岐経路１６を流れる酸化剤ガスの流量を調整する。具体的には、脱硫器１１の水添脱硫剤の温度が、所定の温度（例えば、水添脱硫剤の適温範囲の上限値）よりも高い場合、脱硫器１１の冷却が必要となる。そこで、低温の酸化剤ガスを酸化剤ガス分岐経路１６に流通させるように、或いは、酸化剤ガスを流通させているときは酸化剤ガスの流量を増加させるように、流量調整器１７が制御される。流量調整器１７は、酸化剤ガス分岐経路１６を流れる酸化剤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１７として、例えば、流量調整用の弁等を例示できる。流量調整用の弁として、例えば、ＯＮ／ＯＦＦ制御の開閉弁、任意の開度の調整が可能な制御弁（例えば、ニードル弁）等を例示できる。なお、後者の場合、脱硫器１１の温度を適宜の温度検知器で検知することで、本検知温度に基づいて脱硫器１１の温度が所望の基準温度となるよう、流量フィードバック制御を行っても構わない。
【００２９】
収容器１９は、排ガス経路２１上に設けられ、原料ガス加熱器１５と脱硫器１１と冷却器１８とを収容する。本実施形態では、酸化剤ガス分岐経路１６を収容器１９内に通すことで、酸化剤ガス分岐経路１６の収容器１９内の通過部分が、脱硫器１１を冷却する冷却器１８として機能する。つまり、脱硫器１１及び原料ガス加熱器１５を、収容器１９内を流れる高温の排ガスで昇温できるとともに、収容器１９内の酸化剤ガス分岐経路１６を流れる低温の酸化剤ガスで降温できる。
【００３０】
なお、冷却器１８を形成する酸化剤ガス配管の表面に輻射パネルを設けること、又は、収容器１９の排ガス入口の直下に冷却器１８を形成する酸化剤ガス配管を設けること等の対応で、冷却器１８による脱硫器１１の冷却性能を更に向上させても構わない。
【００３１】
以上により、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃焼器１４の排ガスを用いて水添脱硫方式の脱硫器１１の温度制御を行う際に、従来に比べ、排ガスの放熱ロスを低減し得る。例えば、脱硫器１１の温度が、水添脱硫剤が脱硫性能を発揮する適温範囲の上限値以下の場合は、酸化剤ガスを酸化剤ガス分岐経路１６に流通させているときは酸化剤ガスの流量を減少させることで、収容器１９内の排ガスの不要な放熱ロスを低減できる。
【００３２】
また、脱硫器１１の温度が、水添脱硫剤が脱硫性能を発揮する適温範囲の上限値を超える場合、酸化剤ガス分岐経路１６に低温の酸化剤ガスを流通させることで、或いは、酸化剤ガスを流通させているときは酸化剤ガスの流量を増加させることで、脱硫器１１を冷却できる。よって、脱硫器１１が過加熱になる可能性が低減される。
【００３３】
このようにして、本実施形態の燃料電池システム１００は、脱硫器１１の水添脱硫剤の適温に維持しながら、燃料電池システム１００の効率低下を抑制できる。
【００３４】
更に、本実施形態の燃料電池システム１００では、脱硫器１１と原料ガス加熱器１５とを収容器１９内で収容させることで、脱硫器１１及び原料ガス加熱器１５の周囲全域が高温の排ガスで曝されて、原料ガス及び水添脱硫剤を加熱できる。よって、脱硫器１１と原料ガス加熱器１５とを収容器１９内で収容させない場合に比べ、脱硫器１１と原料ガス加熱器１５の昇温時間を短縮できる。
【００３５】
（第１実施例）
第１実施形態の第１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、冷却器は、酸化剤ガス分岐経路を形成する流路部材により構成され、流路部材と原料ガス加熱器とが熱交換する。例えば、流路部材は、原料ガス加熱器に巻き付けられている。
【００３６】
かかる構成により、上記流路部材に低温の酸化剤ガスを流通させると、原料ガス加熱器での原料ガスの加熱が流路部材との熱交換により抑制され、流路部材に酸化剤ガスを流通させない場合に比べ、脱硫器に流入する原料ガスの温度が低下する。これにより、脱硫器を必要に応じて冷却でき、脱硫器が過加熱になる可能性が低減される。
【００３７】
本実施例の燃料電池システムは、上記の特徴以外は、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。
【００３８】
［装置構成］
図２は、第１実施形態の第１実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。
【００３９】
図２に示すように、本実施例の燃料電池システム１００は、脱硫器１１と、改質器１３と、燃料電池１０と、燃焼器１４と、原料ガス加熱器１５と、酸化剤ガス経路２０と、酸化剤ガス分岐経路１１６と、流量調整器１７と、排ガス経路２１と、冷却器１１８と、収容器１９と、を備える。脱硫器１１、改質器１３、燃料電池１０、燃焼器１４、原料ガス加熱器１５、流量調整器１７、酸化剤ガス経路２０、排ガス経路２１及び収容器１９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。
【００４０】
冷却器１１８は、酸化剤ガス分岐経路１１６を形成する流路部材により構成され、この流路部材と原料ガス加熱器１５とが熱交換する。冷却器１１８は、上記流路部材と原料ガス加熱器１５とが熱交換できれば、どのような構成であっても構わない。例えば、図２に示すように、流路部材は、原料ガス加熱器１５に巻きつけられていてもよい。また、流路部材を原料ガス加熱器１５に巻き付けて、ろう付けにより流路部材と原料ガス加熱器１５とを接合しても構わない。流路部材として、例えば、金属製の配管等を例示できる。
【００４１】
なお、酸化剤ガス分岐経路１１６を形成する流路部材の原料ガス加熱器１５への巻き付け構成以外に、例えば、原料ガス加熱器１５に流路部材を隣接して設置することで、流路部材と原料ガス加熱器１５とが熱交換するように構成しても構わない。
【００４２】
以上により、酸化剤ガス分岐経路１１６を形成する流路部材に低温の酸化剤ガスを流通させると、原料ガス加熱器１５での原料ガスの加熱が流路部材との熱交換により抑制され、流路部材に酸化剤ガスを流通させない場合に比べ、脱硫器１１に流入する原料ガスの温度が低下する。これにより、脱硫器１１を必要に応じて冷却でき、脱硫器１１が過加熱になる可能性が低減される。
【００４３】
（第２実施例）
第１実施形態の第２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、冷却器は、酸化剤ガス分岐経路を形成する流路部材により構成され、流路部材と脱硫器とが熱交換する。例えば、流路部材は、脱硫器に巻き付けられている。
【００４４】
かかる構成により、上記流路部材に低温の酸化剤ガスを流通させると、脱硫器の加熱が流路部材との熱交換により抑制され、流路部材に酸化剤ガスを流通させない場合に比べ、脱硫器の温度が低下する。これにより、脱硫器を必要に応じて冷却でき、脱硫器が過加熱になる可能性が低減される。
【００４５】
本実施例の燃料電池システムは、上記の特徴以外は、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。
【００４６】
［装置構成］
図３は、第１実施形態の第２実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。
【００４７】
図３に示すように、本実施例の燃料電池システム１００は、脱硫器１１と、改質器１３と、燃料電池１０と、燃焼器１４と、原料ガス加熱器１５と、酸化剤ガス経路２０と、酸化剤ガス分岐経路２１６と、流量調整器１７と、排ガス経路２１と、冷却器２１８と、収容器１９と、を備える。脱硫器１１、改質器１３、燃料電池１０、燃焼器１４、原料ガス加熱器１５、流量調整器１７、酸化剤ガス経路２０、排ガス経路２１及び収容器１９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。
【００４８】
冷却器２１８は、酸化剤ガス分岐経路２１６を形成する流路部材により構成され、この流路部材と脱硫器１１とが熱交換する。冷却器２１８は、上記流路部材と脱硫器１１とが熱交換できれば、どのような構成であっても構わない。例えば、図３に示すように、流路部材は、脱硫器１１に巻きつけられていてもよい。また、流路部材を脱硫器１１に巻き付けて、ろう付けにより流路部材と脱硫器１１とを接合しても構わない。流路部材として、例えば、金属製の配管等を例示できる。
【００４９】
なお、酸化剤ガス分岐経路２１６を形成する流路部材の脱硫器１１への巻き付け構成以外に、例えば、脱硫器１１に流路部材を隣接して設置することで、流路部材と脱硫器１１とが熱交換するように構成しても構わない。
【００５０】
以上により、酸化剤ガス分岐経路２１６を形成する流路部材に低温の酸化剤ガスを流通させると、脱硫器１１の加熱が流路部材との熱交換により抑制され、流路部材に酸化剤ガスを流通させない場合に比べ、脱硫器１１の温度が低下する。これにより、脱硫器１１を必要に応じて冷却でき、脱硫器１１が過加熱になる可能性が低減される。
【００５１】
（第３実施例）
第１実施形態の第３実施例の燃料電池システムは、第１実施形態の第２実施例の燃料電池システムにおいて、前記流路部材は、前記脱硫器内を貫通している。
【００５２】
かかる構成により、上記流路部材に低温の酸化剤ガスを流通させると、脱硫器の加熱が流路部材との熱交換により抑制され、流路部材に酸化剤ガスを流通させない場合に比べ、脱硫器の温度が低下する。これにより、脱硫器を必要に応じて冷却でき、脱硫器が過加熱になる可能性が低減される。
【００５３】
本実施例の燃料電池システムは、上記の特徴以外は、第１実施形態の第２実施例の燃料電池システムと同様に構成してもよい。
【００５４】
［装置構成］
図４Ａ及び図４Ｂは、第１実施形態の第３実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。なお、図４Ｂは、図４Ａの脱硫器３１１の断面図である。
【００５５】
図４Ａ及び図４Ｂに示すように、本実施例の燃料電池システム１００は、脱硫器３１１と、改質器１３と、燃料電池１０と、燃焼器１４と、原料ガス加熱器１５と、酸化剤ガス経路２０と、酸化剤ガス分岐経路３１６と、流量調整器１７と、排ガス経路２１と、冷却器３１８と、収容器１９と、を備える。改質器１３、燃料電池１０、燃焼器１４、原料ガス加熱器１５、流量調整器１７、酸化剤ガス経路２０、排ガス経路２１及び収容器１９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。
【００５６】
冷却器３１８は、酸化剤ガス分岐経路３１６を形成する流路部材により構成され、この流路部材と脱硫器３１１とが熱交換する。冷却器３１８は、上記流路部材と脱硫器３１１とが熱交換できれば、どのような構成であっても構わない。本実施例では、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、流路部材は脱硫器３１１内を貫通している。具体的には、二重配管の内側の領域に酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス分岐経路３１６が形成され、外側の領域に脱硫器３１１の水添脱硫剤が充填されている。そして、二重配管のうちの内配管の水添脱硫剤と接触する部分が、脱硫器３１１を冷却する冷却器１１８として機能する。
【００５７】
なお、本実施例では、二重配管の内側の領域を酸化剤ガスが流れ、外側の領域に水添脱硫剤が充填されているが、これに限らない。例えば、二重配管の外側の領域を酸化剤ガスが流れ、内側の領域に水添脱硫剤が充填されていても構わない。また、酸化剤ガスの流れは、脱硫器３１１の原料ガスの流れに対して並行流であってもいいし、対向流であってもいい。
【００５８】
以上により、酸化剤ガス分岐経路３１６を形成する流路部材に低温の酸化剤ガスを流通させると、脱硫器３１１の加熱が流路部材との熱交換により抑制され、流路部材に酸化剤ガスを流通させない場合に比べ、脱硫器３１１の温度が低下する。これにより、脱硫器３１１を必要に応じて冷却でき、脱硫器３１１が過加熱になる可能性が低減される。
【００５９】
（第２実施形態）
第２実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態及び第１実施形態の第１−第３実施例のいずれか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が所定の温度よりも高いと、酸化剤ガス分岐経路を流れる酸化剤ガスの流量が増加するように、流量調整器を制御する制御器と、を備える。
【００６０】
かかる構成により、制御器は、温度検知器の検知温度が所定の温度よりも高いと、酸化剤ガス分岐経路を流れる低温の酸化剤ガスの流量が増加するように、流量調整器を制御することで、脱硫器を適時に冷却できる。例えば、脱硫器の温度が、水添脱硫剤が脱硫性能を発揮する適温範囲の上限値を超える場合、上記制御を行うことで脱硫器が過加熱にならないように適時に冷却できる。
【００６１】
本実施形態の燃料電池システムは、上記の特徴以外は、第１実施形態及び第１実施形態の第１−第３実施例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。
【００６２】
［装置構成］
図５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。
【００６３】
図５に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、脱硫器１１と、改質器１３と、燃料電池１０と、燃焼器１４と、原料ガス加熱器１５と、酸化剤ガス経路２０と、酸化剤ガス分岐経路１６と、流量調整器１７と、排ガス経路２１と、冷却器１８と、収容器１９と、温度検知器３１と、制御器３０と、を備える。脱硫器１１、改質器１３、燃料電池１０、燃焼器１４、原料ガス加熱器１５、酸化剤ガス分岐経路１６、流量調整器１７、冷却器１８、酸化剤ガス経路２０、排ガス経路２１及び収容器１９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。
【００６４】
温度検知器３１は、脱硫器１１の温度を検知する。具体的には、脱硫器１１中の水添脱硫剤の温度を検知する。温度検知器３１は、脱硫器１１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１１の内の水添脱硫剤上に温度検知器３１を設け、水添脱硫剤の温度を直接的に検知してもいいし、脱硫器１１の温度と相関する所定の箇所に温度検知器３１を設け、脱硫器１１の温度を間接的に検知してもいい。温度検知器３１としては、例えば、熱電対、サーミスタ等を例示できる。
【００６５】
制御器３０は、温度検知器３１の検知温度が所定の温度よりも高いと、酸化剤ガス分岐経路１６を流れる酸化剤ガスの流量が増加するように、流量調整器１７を制御する。制御器３０による流量調整器１７の制御は、流量調整器１７の一例である開閉弁のＯＮ／ＯＦＦ制御であってもいいし、弁の開度の調整が行われる制御であってもいい。後者の場合、脱硫器１１の温度が所望の基準温度となるよう、温度検知器３１の検知温度に基づいて流量フィードバック制御を行っても構わない。
【００６６】
なお、本実施形態では、図１の燃料電池システム１００に、温度検知器３１及び制御器３０を設ける例を示したが、これに限らない。図２、図３及び図４Ａのいずれかの燃料電池システム１００に、温度検知器３１及び制御器３０を設けても構わない。
【００６７】
［動作］
図６は、第２実施形態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３０の制御プログラムにより行われる。
【００６８】
まず、ステップＳ１で、温度検知器３１を用いて、脱硫器１１の温度が検知される。
【００６９】
次に、ステップＳ２で、脱硫器１１の温度が、所定の温度よりも高いか否かが判定される。例えば、この所定の温度は、水添脱硫剤が脱硫性能を発揮する適温範囲の上限値に設定してもいいし、この上限値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、銅及び亜鉛を含む触媒を用いる場合、脱硫器１１は、約１５０℃−３５０℃が適温範囲である。よって、この場合、所定の温度として、例えば、約３５０℃に設定してもいいし、３５０℃の近傍の温度に設定してもいい。なお、この所定の温度は例示であって、本例に限定されない。
【００７０】
脱硫器１１の温度が、ステップＳ２の所定の温度よりも高い場合、脱硫器１１が過加熱になり、脱硫器１１の水添脱硫剤の劣化が起こる可能性がある。そこで、ステップＳ３で、酸化剤ガス分岐経路１６を流れる酸化剤ガスの流量が増加するように、流量調整器１７が制御される。これにより、脱硫器１１を冷却できる。このような酸化剤ガス分岐経路１６の酸化剤ガスの流量制御（酸化剤ガス流量の増加制御）は、流量調整器１７の一例である開閉弁のＯＮ／ＯＦＦ制御であってもいいし、弁の開度の調整が行われる制御であってもいい。後者の場合、脱硫器１１の温度が所望の基準温度となるよう、温度検知器３１の検知温度に基づいて流量フィードバック制御を行っても構わない。その後、ステップＳ１に戻り、ステップＳ１以降の動作が再び行われる。
【００７１】
一方、脱硫器１１の温度が、ステップＳ２の所定の温度以下の場合、次の判定ステップＳ４に進み、酸化剤ガスが酸化剤ガス分岐経路１６を流通しているか否かが判定される。
【００７２】
酸化剤ガスが酸化剤ガス分岐経路１６を流通している場合、ステップＳ５で、酸化剤ガス分岐経路１６を流れる酸化剤ガスの流量が減少するように、流量調整器１７が制御される。これにより、排ガスの不要な放熱を低減できる。このような酸化剤ガス分岐経路１６の酸化剤ガスの流量制御（酸化剤ガス流量の減少制御）は、流量調整器１７の一例である開閉弁のＯＮ／ＯＦＦ制御であってもいいし、弁の開度の調整が行われる制御であってもいい。前者の場合、酸化剤ガス分岐経路１６に酸化剤ガスが流れないように設定するので、排ガスの放熱ロス抑制の点から効果的である。また、後者の場合、脱硫器１１の温度が所望の基準温度となるよう、温度検知器３１の検知温度に基づいて流量フィードバック制御を行っても構わない。酸化剤ガスが酸化剤ガス分岐経路１６を流通していない場合、そのまま、ステップＳ１に戻り、ステップＳ１以降の動作が再び行われる。
【００７３】
以上により、本実施形態の燃料電池システム１００では、制御器３０は、温度検知器３１の検知温度が所定の温度よりも高いと、酸化剤ガス分岐経路１６を流れる低温の酸化剤ガスの流量が増加するように流量調整器１７を制御することで、脱硫器１１を適時に冷却できる。例えば、脱硫器１１の温度が、水添脱硫剤が脱硫性能を発揮する適温範囲の上限値を超える場合、上記制御を行うことで脱硫器が過加熱にならないように適時に冷却できる。
【００７４】
また、脱硫器１１の温度が、所定の温度以下の場合は、酸化剤ガスを酸化剤ガス分岐経路１６に流通させているときは酸化剤ガスの流量を減少させることで、収容器１９内の排ガスの不要な放熱ロスを低減できる。
【００７５】
このようにして、本実施形態の燃料電池システム１００は、温度検知器３１の検知温度に基づいて、脱硫器１１の水添脱硫剤を適温に維持しながら、燃料電池システム１００の効率低下を抑制できる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明の一態様は、燃焼器の排ガスを用いて水添脱硫方式の脱硫器の温度制御を行う際に、従来に比べ、排ガスの放熱ロスを低減し得る。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】
【００７７】
１０  燃料電池
１１  脱硫器
１３  改質器
１４  燃焼器
１５  原料ガス加熱器
１６  酸化剤ガス分岐経路
１７  流量調整器
１８  冷却器
１９  収容器
２０  酸化剤ガス経路
２１  排ガス経路
３０  制御器
３１  温度検知器
１００  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４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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