JP2010238416A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】浄化部の浄化触媒の長寿命化に有利な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】システムは、水蒸気を生成させる蒸発部２０と、水蒸気で燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質部２２と、固体酸化物形の燃料電池１と、燃料電池１から排出された排気ガスが流れる排気ガス通路８と、排気ガス通路８に設けられ排気ガスに含まれる環境影響成分を浄化させる浄化触媒を有する浄化部８２と、浄化部８２に沿って配設され浄化部８２を冷却させる冷媒を流す触媒冷却部４５を有する冷媒通路４１とをもつ。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガスに含まれる環境影響成分を除去して排気ガスを浄化させる浄化部を有する燃料電池システムに関する。

特許文献１には、固体酸化物形の燃料電池から排出される排気ガスを浄化させる浄化部を有する燃料電池システムが開示されている。特許文献２には、固体酸化物形の燃料電池から排出される排気ガスにより浄化部を加熱させて浄化部の燃焼触媒を活性化させる燃料電池システムが開示されている。このものによれば、排気ガスに含まれる環境影響成分が低減され、排気ガスが浄化される。

特開２００６−３２２９１号公報 特開２００８−１３５３０５公報

しかしながら上記したシステムといえども、浄化部の浄化触媒の長寿命化は必ずしも充分ではなかった。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、システムの運転時において浄化部を冷却させて浄化部の浄化触媒の長寿命化に貢献できる燃料電池システムを提供することを課題とする。

本発明に係る燃料電池システムは、水蒸気を生成させる蒸発部と、蒸発部で生成された水蒸気で燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質部と、改質部で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電する固体酸化物形の燃料電池と、燃料電池の発電運転に伴って発生する排気ガスを排出させる排気ガス通路と、排気ガス通路に設けられ排気ガスに含まれる環境影響成分を低減させて排気ガスを浄化させる浄化触媒を有する浄化部と、浄化部に沿って配設され浄化部を冷却させる冷媒を触媒冷却部を有する冷媒通路とを具備する。

燃料電池は固体酸化物形であり、改質部で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電する。排気ガス通路は、燃料電池の発電運転に伴って発生した排気ガスを排出させる。浄化部は、排気ガス通路に設けられており、排気ガスに含まれる環境影響成分（例えば一酸化炭素等）を浄化させる浄化触媒を有する。高温の排気ガスが流れる浄化部は高温に加熱される。更に浄化反応が発熱反応であるときには、浄化部は高温に加熱される。

しかし冷媒通路に冷媒が流れるため、冷媒通路に繋がる触媒冷却部にも冷媒が流れる。触媒冷却部を流れる冷媒は、浄化部に沿って流れて浄化部を積極的に冷却させる。この場合、浄化部の過熱が抑制され、浄化部に保持されている浄化触媒の過熱が抑制され、浄化触媒の長寿命化が図られる。

本発明によれば、冷媒通路の触媒冷却部に冷媒が流れる。このため冷媒は浄化部に沿って流れて浄化部を冷却させる。このため、浄化部の過熱が抑制され、浄化触媒の過熱が抑制される。よって、浄化触媒の長寿命化を図り得る。

実施形態１に係り、燃料電池システムを模式的に示す図である。 実施形態１に係り、燃料電池システムのスタック付近を模式的に示す図である。 実施形態２に係り、燃料電池システムを模式的に示す図である。 実施形態３に係り、燃料電池システムを模式的に示す図である。 実施形態４に係り、燃料電池システムを模式的に示す図である。 実施形態５に係り、燃料電池システムの浄化部付近を模式的に示す断面図である。 実施形態６に係り、燃料電池システムの浄化部付近を模式的に示す断面図である。

浄化部は、排気ガス通路に設けられており、排気ガスに含まれる環境影響成分を低減させて排気ガスを浄化させる浄化触媒を有する。浄化部は、例えば、ケースと、ケースに収容された担体と、担体に担持された浄化触媒とを有することができる。担体はペレット状でもハニカム状でも繊維状でも良い。浄化触媒は、貴金属系でも卑金属系でも良い。貴金属系は白金、ロジウム、パラジウム、金、ルテニウムの少なくとも１種を含むことができる。冷媒通路は浄化部に沿って配設されており、浄化部を冷却させる冷媒を流す。冷媒としては液体、気体、気液混合物が例示される。液体としては水が例示される。また冷媒としては空気、ガス状または液状の燃料原料が例示される。

好ましくは、冷媒通路の触媒冷却部を形成する冷媒通路形成部材は、浄化部に熱的に接触可能とすることができる。浄化部を効果的に冷却できる。好ましくは、排気ガス通路を形成する排気ガス通路形成部材は、浄化部を着脱自在に保持する浄化部保持部を有することができる。この場合、浄化部は着脱自在であるため、メンテナンスに都合が良い。好ましくは、浄化部保持部および浄化部のうちの少なくとも一方は、浄化部保持部と浄化部との境界域をシールするシール部を有しており、シール部は、冷媒通路の浄化保持部を流れる冷媒により冷却されることができる。この場合、シール部の熱劣化が抑制される。

好ましくは、冷媒通路は、蒸発部に供給される改質水を冷媒として流す改質水供給通路とすることができる。この場合、改質前の改質水を予熱でき、蒸発部における蒸発効率を高めることができる。好ましくは、冷媒通路は、改質部に供給される燃料原料を冷媒として流す燃料原料供給通路とすることができる。この場合、改質前の燃料原料を予熱でき、改質部における改質効率を高めることができる。

好ましくは、冷媒通路は、浄化部に沿って配設され浄化部を冷却させる触媒冷却部を有する第１通路と、触媒冷却部を有しない第２通路と、単位時間あたり第１通路に流れる冷媒流量と第２通路に流れる冷媒流量との比率を変更させる比率変更部とを有する。この場合、第１通路の触媒冷却部に流れる冷媒流量が調整されるため、浄化部の温度が調整できる。比率変更部としては三方バルブ等のバルブ、可変オリフィスが例示される。

好ましくは、浄化部において排気ガスが流れる方向と、冷媒通路の触媒冷却部において冷媒が流れる方向とは、互いに反対方向または同一方向とすることができる。好ましくは、システムの起動時において浄化部を加熱させる加熱部が設けられていることができる。起動時から、または、浄化部の温度が低いときであっても、浄化部の浄化触媒を活性化できる。加熱部は冷媒通路の触媒冷却部を覆うことが好ましい。この場合、システムの起動時において、冷媒通路の触媒冷却部を流れる冷媒（例えば改質水）を予熱させることができ、改質反応の促進に貢献できる。

（実施形態１）
図１および図２は実施形態１の概念を示す。本実施形態は、固体酸化物形の燃料電池システムに適用している。燃料電池システムは、図１に示すように、基本的には、固体酸化物形のスタック１と、改質器２と、制御部１００と、筐体２００とを有する。更に、燃料電池システムは、筐体２００の内部において、燃料電池モジュール３と、改質水系４と、燃料原料供給系５、カソードガス供給糸６、貯湯系７とを有する。図１ではスタック１は模式化されている。図２に示すように、燃料電池モジュール３の発電室３２において、スタック１は、カソードガスが流れる通路３２ｒを介して複数の燃料電池１０を並設して形成されている。燃料電池１０同士は図略のコネクタにより電気的に接続されている。 燃料電池１０は、アノードガスが供給される通路１１ｒと、通路１１ｒからアノードガスが供給される燃料極として機能するアノード１１と、酸化剤極として機能するカソード１２と、アノード１１およびカソード１２で挟まれた固体酸化物を母材とする電解質膜１５とを有する。固体酸化物は、酸素イオン（Ｏ^２−）を伝導させる性質性をもつものであり、ＹＳＺ等のジルコニア系、ランタンガレート系が例示される。アノード１１は、ニッケル−セリア系のサーメットが例示される。カソード１２は、サマリウムコバルタイト、ランタンマンガナイトが例示される。材質は上記に限定されるものではない。

図１に示すように、改質器２は、蒸発部２０と、燃料原料が供給される改質部２２とを備えている。蒸発部２０は、改質水系４から蒸発部２０に供給される液体状の改質水を水蒸気化させる。改質部２２は蒸発部２０の下流に設けられており、蒸発部２０で生成された水蒸気でガス状または液状の燃料原料を水蒸気改質させてアノードガスを生成させる。アノードガスは水素ガスまたは水素含有ガスである。なお、スタック１の下部には、アノードガスをスタック１に案内するアノードガスマニホルド１３が配置されている。

燃料電池モジュール３は、筐体２００の内部に収容されており、断熱材で形成された容器状の断熱壁３０を有しており、断熱壁３０の内部の発電室３２にスタック１および改質器２を燃焼部２３を介して収容して形成されている。断熱壁３０はスタック１および改質器２を収容するように箱状または殻状をなしており、断面では壁部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄを有する。断熱壁３０としては、繊維状、面状またはブロック状の断熱材料を被覆させて形成しても良く、要するに断熱性を有すれば良い。図１に示すように、断熱壁３０、スタック１、改質部２２および蒸発部２０は、一体的に組み付けられており、ユニット化されており、燃料電池モジュール３を構成する。改質部２２は、貴金属系または卑金属系の改質触媒を担持するセラミックス担体を有する。断熱材料は石綿、セラミックス等の耐火材料で形成されている。耐火材料は煉瓦であっても良い。

燃料電池モジュール３の発電室３２には、スタック１の上側には改質器２（改質部２２および蒸発部２０）が配置されている。燃料電池モジュール３では、スタック１と改質器２（改質部２２および蒸発部２０）との間には、燃焼部２３が形成されている。殊に、スタック１の上部と改質器２（改質部２２および蒸発部２０）の下部との間には、燃焼部２３が形成されている。スタック１から吐出されたアノードオフガスが燃焼部２３に排出される。アノードオフガスはスタック１から排出されたガスであり、未反応の水素（可燃成分）を含有して燃焼可能である。燃焼部２３に排出されたアノードオフガスは、発電反応を経たカソードオフガス（燃焼用空気に相当）、および／または、発電反応を経なかった発電室３２のカソードガス（燃焼用空気に相当）により燃焼され、燃焼火炎２４を燃焼部２３において形成し、排気ガスとなる。燃焼部２３における燃焼火炎２４は改質部２２および蒸発部２０の双方を加熱させ、改質部２２の温度を改質反応温度領域に維持させる。

図１に示すように、改質水系４は、改質部２２における水蒸気改質において水蒸気として消費される改質水を蒸発部２０を介して改質部２２に供給するものであり、水精製器４０と改質器２とを結ぶ改質水供給通路４１と、改質水ポンプ４２（改質水搬送源）と、給水バルブ４３とを有する。水精製器４０は、水を浄化させ得るイオン交換樹脂等の水精製材４０ａを有する。

図１に示すように、燃料原料供給系５は、炭化水素系のガス状または液状の燃料原料を改質器２に供給させるために燃料源５０に繋がる燃料原料供給通路５１と、入口バルブ５２と、燃料原料ポンプ５５（燃料原料搬送源）とを有する。カソードガス供給糸６は、空気であるカソードガスをスタック１のカソード１２に供給するカソードガス供給通路６０と、カソードガスポンプ６２（カソードガス搬送源）とを有する。カソードガスポンプ６２が駆動すると、空気はカソードガス供給通路６０を介してカソードガスとして、燃料電池モジュール３の断熱壁３０の発電室３２に供給される。

図１に示されるように、スタック１および燃焼火炎２４から排出された排気ガスを排出される排気ガス通路８が、燃料電池モジュール３の断熱壁３０の吐出口３２ｐから排気口７６に向けて延設されている。排気ガス通路８の途中には浄化部８２および熱交換器８６が設けられている。排気ガス通路８において浄化部８２は熱交換器８６の上流に配置されている。浄化部８２は、ケースと、セラミックス担体と、セラミックス担体に担持された燃焼触媒である浄化触媒とを有する。浄化触媒は、環境影響成分（例えば一酸化炭素等の有害成分）を燃焼酸化させて除去することにより、排気ガスを浄化させる。改質水供給通路４１は、浄化部８２を冷却させるように浄化部８２に沿って延設されている触媒冷却部４５を有する。システムの発電運転時において、冷媒通路として機能する改質水供給通路４１の一部の触媒冷却部４５に液体状の改質水が冷媒として流れると、浄化部８２は改質水により冷却される。このため、浄化部８２の過熱が抑えられ、浄化部８２に収容されているセラミックス担体や浄化触媒の長寿命化が図られる。

浄化部８２は、定期的または不定期的にメンテナンスされるメンテナンス部品であることが好ましい。このため、浄化部８２は、排気ガス通路８の浄化部保持部８８に対して着脱可能とされていることが好ましい。浄化部８２が浄化部保持部８８に脱着可能に取着されるとき、浄化部８２は排気ガス通路８の触媒冷却部４５に当接されて位置決めされることが好ましい。この場合、触媒冷却部４５は、システムの発電運転時において浄化部８２を冷却させて浄化触媒の長寿命化を図る機能と、浄化部８２をこれの定位置に位置決めさせる機能とを併有することができる。

貯湯系７は、熱交換器および貯湯タンク７０を循環する循環通路７１と、循環通路７１に設けられた貯湯ポンプ７２（貯湯用水の搬送源）とを有する。貯湯ポンプ７２が作動すると、貯湯タンク７２の水は、循環通路７１から熱交換器８６に供給され、熱交換器８６における排気ガスとの熱交換により加熱される。加熱された水は貯湯タンク７０に戻る。これにより貯湯タンク７０は温水を貯留させる。すなわち、熱交換器８６は、排気ガスが通過するガス通路８６ｇと、貯湯系７の循環通路７１の水が通過する水通路８６ｗとをもつ。そして、熱交換器８６を流れる排気ガスの熱は、貯湯系７の循環通路７１の水に伝達される。排気ガスは排気ガス通路８を介して排気口７６から排出される。熱交換器８６から凝縮水通路７７が水精製器４０に向けて延設されている。従って排気ガスに含まれている気相状の水分は、熱交換器８６において冷却されて凝縮水を生成する。凝縮水は凝縮水通路７７から水精製器４０に供給される。図１に示すように、制御部１００は、改質水ポンプ４２、燃料原料ポンプ５５、貯湯ポンプ７２、カソードガスポンプ６２、バルブ４３，５２等の作動を制御する。

さてスタック１の発電運転時には、バルブ５２が開放した状態において燃料原料ポンプ５５が駆動し、ガス状または液状の燃料原料が燃料原料供給通路５１を介して改質器２の蒸発部２０に供給される。またバルブ４３が開放した状態で改質水ポンプ４２が駆動し、貯水タンク４４の液体状の改質水が改質水供給通路４１を介して蒸発部２０に供給される。ここで、蒸発部２０は燃焼火炎２４により加熱されているため、蒸発部２０は改質水を水蒸気化させる。水蒸気は改質部２２に供給される。改質部２２は燃料原料を水蒸気改質させ、水素リッチなアノードガスを生成させる。燃料原料がメタン系である場合には、水蒸気改質ではアノードガスの生成は、次の（１）式に基づくと考えられている。固体酸化物形のスタック１では、Ｈ_２他にＣＯも燃料となりうる。

（１）…ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
生成されたアノードガスは、アノードガス通路１４およびアノードガスマニホルド１３を介して、スタック１の通路１１ｒに供給されて発電に使用される。またカソードガスポンプ６２が駆動しているため、筐体２００の外部の外気がカソードガスとして除塵フィルタ６１およびカソードガス供給通路６０を介して断熱壁３０の発電室３２に供給される。これによりスタック１は発電する。発電反応においては、水素含有ガスで供給されるアノード１１では基本的には（２）の反応が発生すると考えられている。酸素が供給されるカソードでは基本的には（３）の反応が発生すると考えられている。カソード１２において発生した酸素イオン（Ｏ^２−）がカソード１２からアノード１１に向けて電解質膜１５を伝導する。

（２）…Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
ＣＯが含まれている場合には、ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（３）…１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−
アノードオフガスはスタック１の上方の燃焼部２３に排出され、燃焼火炎２４を燃焼部２３において形成する。燃焼火炎２４の排気ガスは、燃料電池モジュール３の発電室３２の吐出口３２ｐから排気ガス通路８に流れ、更に浄化部８２に流れる。浄化部８２において、排気ガスに含まれている環境影響成分（例えば一酸化酸素）が除去され、排気ガスが浄化される。浄化された排気ガスは、熱交換器８６に流れ、更に排気ガス通路８の先端の排気口７６から外気に放出される。排気ガスに含まれる水分が凝縮した凝縮水は、熱交換器８６から導出される凝縮水通路７７から水精製器４０に供給され、水精製器４０で精製される。精製された水は、貯水タンク４４に改質水４４ｗとして貯留される。

上記したようにスタック１の上部からアノードオフガスが燃焼部２３に吐出されて燃焼火炎２４を形成し、改質部２２および蒸発部２０を加熱させる。従って、アノードガス（燃料原料）の流量としては、スタック１のアノードにおける発電反応で使用される流量と、燃焼部２３においてアノードオフガスが燃焼火炎２４を形成する流量とを加算した流量が設定されている。発電室３２に供給されるカソードガスの流量としては、スタック１のカソードにおける発電反応で使用される流量と、燃焼部２３において燃焼用空気として燃焼火炎２４を形成する流量と、余裕流量とを加算した流量が設定されている。なお、固体酸化物形のスタック１を搭載するシステムによれば、定格運転におけるスタック１の作動温度は４００〜１１００℃の範囲内、５００〜８００℃の範囲内である。

以上説明したように本実施形態によれば、システムの発電運転時において、改質水供給通路４１の触媒冷却部４５に改質水が冷媒として流れると、浄化部８２は改質水で冷却され、浄化部８２に収容されているセラミックス担体および浄化触媒の過熱が抑えられ、セラミックス担体および浄化触媒の長寿命化が図られる。改質水は液体であり、高い比熱をもつため、高い冷却能を有する。

本実施形態によれば、浄化部８２を加熱させる加熱部９が設けられていることが好ましい。加熱部９は発熱部を有する。システムの起動時には浄化部８２の浄化触媒は低温であり、その活性温度領域に維持されておらず、浄化性能が低い。そこで起動時において加熱部９を発熱させれば、浄化部８２を暖めてその活性温度領域に維持させることができる。万一、発電運転中においても、浄化部８２の温度が低温となったときにおいても、加熱部９を発熱させれば良い。加熱部９が発熱すると、触媒冷却部４５を流れる改質水も予熱されるため、蒸発部２０における改質水の蒸発反応が促進される。システムの定常運転（例えば定格運転）時には、浄化部８２が過剰に低温でない限り、加熱部９の発熱を停止させることが好ましい。なお、加熱部９は必要に応じて設ければ良いものであり、加熱部９を廃止させることもできる。加熱部９は脱着可能であることが好ましい。この場合、浄化部８２の脱着作業が容易となる。加熱部９としては、開放可能な可撓性を有するマントルヒータまたはラバーヒータが例示される。

（実施形態２）
図３は実施形態２を示す。本実施形態は前記した実施形態と共通する構成および共通する作用効果を有する。本実施形態においても、システムの発電運転時において、冷媒通路として機能する改質水供給通路に改質水が冷媒として流れると、浄化部８２は改質水で冷却され、浄化部８２の過熱が抑えられ、セラミックス担体および浄化触媒の長寿命化が図られる。

別の冷媒通路は、改質部２２に供給されるガス状の燃料原料を冷媒として流す燃料原料供給通路５１とされている。すなわち、燃料原料供給通路５１は、浄化部８２の外壁面に沿って並走すると共に触媒冷却部として機能する並走部分５１ｈを有する。システムの発電運転時において、ガス状または液状の燃料原料が燃料原料供給通路５１を改質器３に向けて流れると、並走部分５１ｈを流れるガス状または液状の燃料原料により浄化部８２が冷却される。このため本実施形態は、液状の改質水およびガス状の燃料原料の双方を、浄化部８２を冷却させる冷媒としている。なお、浄化部８２の過熱の程度が少ないシステムの場合には、並走部分５１ｈを浄化部８２に沿わせるものの、改質水供給通路４１を浄化部８２に沿わせずとも良い。この場合には、ガス状または液状の燃料原料で浄化部８２を冷却する。場合によっては、燃料原料はメタノール、灯油等の液体状としても良い。

（実施形態３）
図４は実施形態３を示す。本実施形態は前記した実施形態と共通する構成および共通する作用効果を有する。本実施形態においても、冷媒通路として機能する改質水供給通路４１は、浄化部８２に沿って配設され浄化部８２を冷却させる触媒冷却部４５をもつ第１通路４１１と、触媒冷却部を有しない第２通路４１２と、単位時間あたり第１通路４１１に流れる改質水流量（冷媒流量）と第２通路４１２に流れる改質水流量（冷媒流量）との比率を変更させるバルブ４１３（比率変更部）とを有する。バルブ４１３は、開度を０％および１００％に切り替えるタイプでも良いし、あるいは、開度を０％と１００％との間において段階的にまたは無段階的に切り替えるタイプでも良い。

システム起動時のように排気ガスの温度が低めであり、浄化部８２の温度が低いときには、浄化部８２の浄化触媒の種類によっては、浄化触媒を冷却させない方が好ましいことがある。この場合には、制御部１００によりバルブ４１３の開度を制御させることにより、第２通路４１２に流れる改質水の流量を増加させ、第１通路４１１に流れる改質水の流量を減少させる。これにより浄化部８２の水冷効果が低減される。また、スタック１の定格発電運転が長時間継続されるとき等のように、浄化部８２の温度が過剰に高くなるときには、浄化触媒を積極的に冷却させる方が好ましいことがある。そこで、バルブ４１３の開度を制御させることにより、第１通路４１１に流れる改質水の流量を増加させ、第２通路４１２に流れる改質水の流量を減少させる。

なお、燃料原料供給通路５１が冷媒通路に相当する場合には、燃料原料供給通路５１は、浄化部８２に沿って配設され浄化部８２を冷却させる触媒冷却部をもつ第１通路と、触媒冷却部を有しない第２通路と、単位時間あたり第１通路に流れる改質水流量（冷媒流量）と第２通路に流れる改質水流量（冷媒流量）との比率を変更させるバルブ（比率変更部）とを有する構成とすることもできる。場合によっては、改質水供給通路４１は、浄化部８２に沿って配設され浄化部８２を冷却させる触媒冷却部４５をもつ第１通路４１１と、触媒冷却部を有しない第２通路４１２とを有する構成とすることもできる。第１通路４１１の流路断面積をＳ１とし、第２通路４１２の流路断面積をＳ２とすると、Ｓ１／Ｓ２の比率は、第１通路４１１に流れる改質水流量（冷媒流量）と第２通路４１２に流れる改質水流量（冷媒流量）との比率に影響を与える。従って浄化部８２の冷却能を考慮し、Ｓ１／Ｓ２の比率を設定すれば良い。

（実施形態４）
図５は実施形態４を示す。本実施形態は前記した各実施形態と共通する構成および共通する作用効果を有する。冷媒通路として機能する改質水供給通路４１は、浄化部８２に沿って配設され浄化部８２を冷却させる触媒冷却部４５をもつ第１通路４１１と、触媒冷却部を有しない第２通路４１２と、単位時間あたり第１通路４１１に流れる改質水流量（冷媒流量）と第２通路４１２に流れる改質水流量（冷媒流量）との比率を変更させるバルブ４１３（比率変更部）とを有する。

図５に示すように、燃料原料供給通路５１は、浄化部８２の外壁面に沿って並走すると共に触媒冷却部として機能する並走部分５１ｈを有する。システムの発電運転時において、燃料原料が燃料原料供給通路５１を改質器３に向けて流れると、並走部分５１ｈを流れる燃料原料により浄化部８２が冷却される。このため本実施形態は、改質水および燃料原料の双方を、浄化部８２を冷却させる冷媒としている。

（実施形態５）
図６は実施形態５を示す。本実施形態は前記した各実施形態と共通する構成および共通する作用効果を有する。図６に示すように、浄化部８２は、金属製のフランジ８２ｅ，８２ｆをもつ筒形状をなすケース８２０と、ケース８２０に収容された金属製の担体８２１と、担体８２１に担持された微小な浄化触媒とを有する。担体８２１はペレット状とされているが、ハニカム状でも繊維状でも良い。浄化触媒は、貴金属系でも卑金属系でも良い。貴金属系は白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、金のうちの少なくとも１種を含むことができる。

図６に示すように、排気ガス通路８を形成する排気ガス通路形成部材８ｍは、浄化部８２を着脱自在に保持するためのフランジ状の浄化部保持部８８，８９を有する。浄化部８２は排気ガス通路８のフランジ状の浄化部保持部８８，８９に着脱可能に取り付けられており、排気ガスに含まれる環境影響成分（例えば一酸化炭素）を浄化させる浄化触媒を有する。

排気ガス通路８を形成する排気ガス通路形成部材８ｍは、伸縮可能な蛇腹状のフレキシブル筒部８ｍｐをもつ。フレキシブル筒部８ｍｐをこれの長さ方向に収縮させれば、フランジ状の浄化部保持部８８，８９に対して浄化部８２を脱着自在に取り付ける作業が容易となる。この場合、フランジ状の浄化部保持部８８と浄化部８２のフランジ８２ｅとを合わせた状態で、これらにクランプ部材８４を脱着可能に取り付ければ良い。同様に、フランジ状の浄化部保持部８９と浄化部８２のフランジ８２ｆとを合わせた状態で、これらにクランプ部材８４を脱着可能に取り付ければ良い。なお、クランプ部材８４は強度および伝熱性を考慮すると、金属製が好ましく、開放可能なＣ形状でも良いし、開放可能なＯ形状でも良く、要するにフランジ８２ｅ，８２ｆをクランプできるものであれば良い。

本実施形態においても、浄化部８２を取り付けるとき、浄化部８２が触媒冷却部４５に伝熱可能に当たるため、浄化部８２の冷却性を確保できるばかりか、浄化部８２をその定位置に容易に位置決めすることができる。但し、場合によっては、浄化部８２が触媒冷却部４５に接触せずとも良い。冷媒通路として機能する改質水供給通路４１の触媒冷却部４５は、浄化部８２のケース８２０の外壁面に接触しつつ当該外壁面に沿って並走するように配設されており、浄化部８２を冷却させる改質水（冷媒）を流す。

すなわち、本実施形態によれば、改質水供給通路４１の触媒冷却部４５を形成するパイプ状の冷媒通路形成部材４５ｍは、浄化部８２の外壁面に熱的に接触する。換言すると、図６に示すように、改質水供給通路４１の触媒冷却部４５は、クランプ部材８４に熱的に接触する第１触媒冷却部４５ｆと、浄化部８２のケース８２０の外壁面に熱的に接触する第２触媒冷却部４５ｓとを備えている。ここで、接触ではなく、接近させることにしても良い。

システムの発電運転時において、改質水供給通路４１に改質水が流れると、第１触媒冷却部４５ｆおよび第２触媒冷却部４５ｓにより浄化部８２を効果的に冷却できる。ひいては浄化触媒を効果的に冷却できる。更に水蒸気化される前の改質水を予熱でき、蒸気化を良好になし得る。図６に示すように、浄化部保持部８８および浄化部８２のフランジ８２ｅのうちの少なくとも一方には、リング状のシール部８３０が設けられている。シール部８３０は、浄化部保持部８８と浄化部８２のフランジ８２ｅとの境界域をシールし、排気ガスの漏れを抑える。浄化部保持部８９および浄化部８２のフランジ８２ｆのうちの少なくとも一方には、リング状のシール部８３２が設けられている。シール部８３２は、浄化部保持部８９と浄化部８２のフランジ８２ｆとの境界域をシールし、排気ガスの漏れを抑える。

シール部８３０，８３２は、耐熱性を有する高分子材料等のシール材料で形成されている。シール部８３０，８３２は耐熱性を有するとはいうものの、使用環境温度には限界があるが、触媒冷却部４５を流れる液体状の改質水（改質器２に供給される前の改質水）によりクランプ部材８４が冷却され、ひいてはフランジ８２ｅ，８２ｆが冷却されるため、シール部８３０，８３２も効果的に冷却される。このためシステムの運転時においてシール部８３０，８３２の熱劣化が抑制され、ひいては排気ガスの漏れが長期にわたり抑制される。

なお、本実施形態によれば、図６に示すように浄化部８２において排気ガスが流れる方向（矢印Ｗｄ方向，下向き）と、改質水供給通路４１の触媒冷却部４５において改質水（冷媒）が流れる方向（矢印Ｗｕ方向，上向き）とは、互いに反対方向とされている。改質水は、これの下流にむかうにつれて浄化部８２から受熱して暖められる。このため、改質水供給通路４１の触媒冷却部４５における上流領域４５ｕは、触媒冷却部４５における下流領域４５ｄよりも相対的に低温である。ここで、浄化部８２の浄化触媒における浄化反応は酸化反応であり、発熱を伴う。この結果、浄化部８２の下流領域８２ｄは、浄化部８２の上流領域８２ｕよりも相対的に高温となる。このように改質水供給通路４１の触媒冷却部４５において改質水（冷媒）が流れる方向が、浄化部８２を流れる排気ガスの方向とは反対方向である。このため、浄化部８２において相対的に高温となる下流領域８２ｄは、触媒冷却部４５において相対的に低温となる上流領域４５ｕと対向するため、効率よく冷却される。この場合、下流領域８２ｄにおける浄化触媒の長寿命化に有利となる。

更に、図６から理解できるように、浄化部保持部４５と浄化部８２のフランジ８２ｅ，８２ｆとを結合させるクランプ部材８４が、改質水供給通路４１の触媒冷却部４５に熱的に接触している。殊に、第１触媒冷却部４５ｆは、クランプ部材８４に熱的に接触している。このためシステムの発電運転時において、改質水供給通路４１に改質水が流れると、クランプ部材８４を効率よく冷却できる。ひいてはクランプ部材８４に伝熱的に接触しているフランジ８２ｅ，８２ｆに保持されているシール部８３０，８３２を効果的に冷却できる。よってシール部８３０，８３２の長寿命化に貢献できる。

ところで、システムの起動時には浄化触媒は低温であり、その活性温度領域に維持されていない。そこで加熱部９を発熱させれば、浄化部８２を暖めて浄化触媒の活性温度領域に維持させることができる。加熱部９は、可撓性をもつ横断面でＣ形状をなす基材９０と、基材９０に埋設された発熱源９２とを有する。従ってシステム起動時から浄化触媒をその活性温度領域に維持でき、浄化性能が確保される。

万一、発電運転中においても、浄化部８２の温度が低温となったときにおいても、加熱部９を発熱させれば良い。図６に示すように、加熱部９は、改質水を通過させる浄化部保持部４５を包囲している。このため、加熱部９を発熱させれば、浄化部保持部４５を流れる改質水を、蒸発部２０の上流において、予熱させることもできる。このように水蒸気化されるはずの改質水を加熱部９で暖めれば、蒸発部２０における水蒸気化が良好に実施される。ひいては改質部２０における改質反応が良好に実施される。加熱部９は脱着可能であるため、浄化部８２の脱着作業の支障とならない。

図６では、加熱部９による浄化部８２の加熱効率を高めるように、可撓性を有する横断面Ｃ形状をなす加熱部９が筒形状に変形されている。但し、加熱部９の筒形状を解除すれば、窓開口９ｋを開放できる。この窓開口９ｋを介して、浄化部８２を浄化部保持部８８，８９に対して着脱させることができる。なお図６に示すように、改質水供給通路４１の通路部分４１ｅは、排気ガス通路８の通路部分８ｅに対して２重管構造とされているため、通路部分８ｅの排気ガスを効果的に冷却できる。

（実施形態６）
図７は実施形態６を示す。本実施形態は前記した実施形態と共通する構成および共通する作用効果を有する。図７に示すように、改質水供給通路４１の触媒冷却部４５は、浄化部保持部８８，８９および浄化部８２のフランジ８２ｅ，８２ｆを結合させるクランプ部材８４に接触または接近する第１触媒冷却部４５ｆと、浄化部８２のケース８２０の外壁面に接触または接近する第２触媒冷却部４５ｓとを備えている。このため、システムの発電運転時において、改質水供給通路４１に改質水が流れると、浄化部８２の浄化触媒を効果的に冷却できる。ひいてはフランジ８２ｅ，８２ｆに保持されているシール部８３０，８３２を効果的に冷却でき、シール部８３０，８３２の長寿命化に貢献できる。

ところで、燃料電池モジュール３の断熱壁３０は高い断熱性を有するため、システムの運転停止後においても、断熱壁３０の余熱は長時間にわたり放出される。そこで、図７に示すように浄化部８２において排気ガスが流れる方向（矢印Ｗｄ方向，下向き）と、改質水供給通路４１の触媒冷却部４５において改質水（冷媒）が流れる方向（矢印Ｗｅ方向，下向き）とは、互いに同一方向とされている。改質水はこれの下流にむかうにつれて浄化部８２から受熱する。このため、改質水供給通路４１の触媒冷却部４５の上流領域４５ｕは、これの下流領域４５ｄより相対的に低温である。このため、浄化部８２のうち上側のフランジ８２ｆ（余熱を有する断熱壁３０に近い側）を効果的に冷却できる。故に、上側のフランジ８２ｆに保持されるシール部８３２（断熱壁３０に近い側のシール部）を効果的に冷却できる。例えば、浄化部８２と断熱壁３０とが接近しており、システムの発電停止時においても、断熱壁３０の余熱の影響を上側のシール部８３２が受けやすいとき、液体状の改質水を改質水供給通路４１に継続的に流しておけば、フランジ８２ｆを長時間にわたり冷却できる。故に、断熱壁３０の余熱がシール部８３２に与える影響が回避される。

（その他）
本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。スタック１はアノード、カソードを組み付けて形成された平板構造であるが、これに限らず、アノードおよびカソードを断面でロール状に巻回したチューブ型でも良い。燃料電池モジュール３の断熱壁３０は箱形状をなしており、壁部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄを有するが、これに限らず、円筒形状、疑似円筒形状でも良い。

本発明は例えば定置用、車両用、電子機器用、電気機器用の燃料電池システムに利用することができる。

１はスタック、１０は燃料電池、１１はアノード、１２はカソード、２は改質器、２０は蒸発部、２２は改質部、２３は燃焼部、２４は燃焼火炎、３は燃料電池モジュール、３０は断熱壁、３２は発電室、４は改質水系、４０は水精製器、４１は改質水供給通路（冷媒通路）、４２は改質水ポンプ、４４は給水タンク、４５は触媒冷却部、５は燃料原料供給系、５１は燃料原料供給通路（冷媒通路）、５５は燃料原料ポンプ、６はカソードガス供給系、６０はカソードガス供給通路、６２はカソードガスポンプ、７は貯湯系、７０は貯湯タンク、８は排気ガス通路、８２は浄化部、８４はクランプ部材、８６は熱交換器、８８，８９は浄化部保持部、９は加熱部を示す。

Claims (9)

1. 水蒸気を生成させる蒸発部と、
   前記蒸発部で生成された水蒸気で燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質部と、
   前記改質部で生成された前記アノードガスとカソードガスとで発電する固体酸化物形の燃料電池と、
   前記燃料電池の発電運転に伴って発生する排気ガスを排出させる排気ガス通路と、
   前記排気ガス通路に設けられ前記排気ガスにち含まれる環境影響成分を低減させて前記排気ガスを浄化させる浄化触媒を有する浄化部と、
   前記浄化部に沿って配設され前記浄化部を冷却させる冷媒を流す触媒冷却部を有する冷媒通路とを具備する燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記冷媒通路の前記触媒冷却部を形成する冷媒通路形成部材は、前記浄化部に熱的に接触可能である燃料電池システム。
3. 請求項１または２において、前記排気ガス通路の前記触媒冷却部を形成する排気ガス通路形成部材は、前記浄化部を着脱自在に保持する浄化部保持部を有する燃料電池システム。
4. 請求項３において、前記浄化部保持部および前記浄化部のうちの少なくとも一方は、前記浄化部保持部と前記浄化部との境界域をシールするシール部を有しており、システムの発電運転時において前記シール部は前記冷媒通路の前記触媒冷却部により冷却される燃料電池システム。
5. 請求項１〜４のうちの一項において、前記冷媒通路は、前記蒸発部に供給される改質水を冷媒として流す改質水供給通路である燃料電池システム。
6. 請求項１〜４のうちの一項において、前記冷媒通路は、前記改質部に供給されるガス状または液状の燃料原料を冷媒として流す燃料原料供給通路である燃料電池システム。
7. 請求項１〜６のうちの一項において、前記冷媒通路は、前記浄化部に沿って配設され前記浄化部を冷却させる前記触媒冷却部をもつ第１通路と、前記触媒冷却部を有しない第２通路と、単位時間あたり前記第１通路に流れる冷媒流量と前記第２通路に流れる冷媒流量との比率を変更させる比率変更部とを有する燃料電池システム。
8. 請求項１〜７のうちの一項において、前記浄化部において排気ガスが流れる方向と、前記冷媒通路の前記触媒冷却部において冷媒が流れる方向とは、互いに反対方向または同一方向である燃料電池システム。
9. 請求項１〜８のうちの一項において、前記システムの起動時において前記浄化部を加熱させる加熱部が設けられており、前記加熱部は前記冷媒通路のうち前記触媒冷却部を覆う燃料電池システム。

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