JP2014070013A - 水素生成装置及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】水添脱硫器に水素含有ガスを供給するリサイクル流路または本リサイクル流路より上流のガス流路に設けられた凝縮器を適切に配置した水素生成装置および燃料電池システムを提供する。
【解決手段】水素生成装置１００は、原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器１と、原料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に水素含有ガスを供給するリサイクル流路３と、リサイクル流路３、またはリサイクル流路３より上流のガス流路に設けられた第１の凝縮器４と、改質器１を加熱する燃焼器５と、燃焼器５からの燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路６と、燃焼排ガス流路６に設けられる第２の凝縮器７と、第１の凝縮器４及び第２の凝縮器７において、熱を回収する熱媒体が流れる熱媒体流路８とを備え、熱媒体流路８上において、第１の凝縮器４及び第２の凝縮器８が、この順に配設されている。
【選択図】図１

Description

本発明は水素生成装置及び燃料電池システムに関する。

改質反応により、原料から水素含有ガスを生成できる。このとき、原料は硫黄化合物を含み、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、水素ガスと原料とを混合させて水添脱硫により除去できる。

そこで、改質反応により生成した水素含有ガスの一部を原料流路に戻すことが行われ（以下、「リサイクル」という）、リサイクル流路の水詰まり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、および、凝縮器を通過した後の水素含有ガスがリサイクル流路に流入する装置構成が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００３−１７１０９号公報

しかし、特許文献１では、リサイクル流路または本リサイクル流路より上流のガス流路に設けられた凝縮器の適切な配置について検討されていない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、水添脱硫器に水素含有ガスを供給するリサイクル流路または本リサイクル流路より上流のガス流路に設けられた凝縮器を適切に配置した水素生成装置および燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様の水素生成装置は、原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、前記水添脱硫器に水素含有ガスを供給するリサイクル流路と、前記リサイクル流路、またはリサイクル流路より上流のガス流路に設けられた第１の凝縮器と、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路と、前記燃焼排ガス流路に設けられる第２の凝縮器と、前記第１の凝縮器及び前記第２の凝縮器において、熱を回収する熱媒体が流れる熱媒体流路とを備え、前記熱媒体流路上において、前記第１の凝縮器及び前記第２の凝縮器が、この順に配設されている。

また、本発明の一態様の燃料電池システムは、水素生成装置と、前記水素生成装置から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。

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、水添脱硫器に水素含有ガスを供給するリサイクル流路または本リサイクル流路より上流のガス流路に設けられた凝縮器が適切に配置される。

図１は第１実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示すブロック図である。 図２は第２実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示すブロック図である。 図３は第３実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示すブロック図である。 図４は第４実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示すブロック図である。 図５は第５実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。 図６は第６実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。 図７は第７実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。 図８は第７実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。 図９は第７実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。

本発明者らは、リサイクルガス中の水蒸気を凝縮する凝縮器の適切な配置について鋭意検討し、以下の知見を得た。

リサイクルガス流路に流れるリサイクルガスに含まれる水蒸気は、凝縮器（以下、第１の凝縮器）において熱媒体で冷却し、凝縮させ除去される。この熱媒体が、他の凝縮器（以下、第２の凝縮器）において、改質器を加熱する燃焼器から排出される燃焼排ガスの冷却に使用される場合、熱媒体が第１の凝縮器と第２の凝縮器の順に流れるよう配設しないと、リサイクル流路が閉塞する可能性が高まることを見出した。

これは、熱媒体が第２の凝縮器及び第１の凝縮器の順に流れると、第２の凝縮器を通過した熱媒体が温度上昇するため、第１の凝縮器での凝縮量が低下するためである。

（第１実施形態）
第１実施形態にかかる水素生成装置は、原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、水添脱硫器に水素含有ガスを供給するリサイクル流路と、リサイクル流路、またはリサイクル流路より上流のガス流路に設けられた第１の凝縮器と、改質器を加熱する燃焼器と、燃焼器からの燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路と、燃焼排ガス流路に設けられる第２の凝縮器と、第１の凝縮器及び第２の凝縮器において、熱を回収する熱媒体が流れる熱媒体流路とを備え、熱媒体流路上において、第１の凝縮器及び第２の凝縮器が、この順に配設されている。

かかる構成により、第１の凝縮器と第２の凝縮器とを逆の順に配設した場合に比べ、リサイクルガス流路に流れるリサイクルガス中の水蒸気の凝縮を抑制できる。

［装置構成］
図１は、第１実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示すブロック図である。

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、第１の凝縮器４と、燃焼器５と、燃焼排ガス流路６と、第２の凝縮器７と、熱媒体流路８と、を備える。

改質器１は、原料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等が挙げられる。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５の他、水蒸気を生成する蒸発器（図示せず）、及び蒸発器に水を供給する水供給器（図示せず）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（図示せず）が設けられる。なお、原料は、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。

水添脱硫器２は、改質器１に供給される原料中の硫黄化合物を除去する。水添脱硫器２は、容器に水添脱硫用の脱硫剤が充填され構成される。水添脱流用の脱硫剤は、例えば、原料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系触媒とで構成される。水添脱硫用の脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、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系触媒のみで構成されても構わない。

リサイクルガス流路３は、水添脱硫器２に水素含有ガスを供給するための流路である。リサイクルガス流路の上流端は、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、リサイクルガス流路の上流端は、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、リサイクルガス流路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、リサイクルガス流路の上流端を、水素含有ガスを利用する水素利用機器の下流の流路に接続しても構わない。

第１の凝縮器４は、リサイクル流路３、またはリサイクル流路３より上流のガス流路に設けられている。第１の凝縮器４は、熱交換によりガスを冷却し、ガス中の水蒸気を凝縮させる。冷却されるガスは、リサイクルガス流路３内のリサイクルガスであるが、リサイクルガス流路３に導入される前の水素含有ガスでもよい。つまり、水素含有ガスの一部をリサイクルガスとして取り出し、リサイクルガス中の水蒸気を第１の凝縮器４により凝縮させても構わないし、リサイクルガス流路３に導入される前の水素含有ガス中の全量の水蒸気を第１の凝縮器（図示せず）により凝縮させて、水分が除去された水素含有ガスの一部をリサイクルガスとして取り出しても構わない。第１の凝縮器４として、熱交換器を用いたが、ガスを冷却することが可能であれば、いかなる構成であっても構わない。第１の凝縮器４で凝縮された凝縮水は、排水路を介して第１の凝縮器４で冷却されたガスが流れるガス流路から除去されるよう構成されている。

燃焼器５は、改質器１を加熱する。具体的には、改質器１内の改質触媒部が燃焼器５からの燃焼熱により加熱される。

燃焼排ガス流路６は燃焼器５にて燃焼された燃焼排ガスが流れる流路である。

第２の凝縮器７は、燃焼排ガス流路６に設けられる。第２の凝縮器７は、熱交換により燃焼排ガスを冷却し、燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮させる。第２の凝縮器７として、熱交換器を用いたが、燃焼排ガスを冷却することが可能であれば、いかなる構成であっても構わない。

熱媒体流路８は、第１の凝縮器４及び第２の凝縮器７において、熱を回収する熱媒体が流れる流路である。熱媒体としては、水、不凍液等が用いられる。熱媒体流路８の熱媒体は貯湯タンクに蓄えられたり、暖房回路に流れたりして、熱利用されてもよい。

また、熱媒体流路８上において、第１の凝縮器４及び第２の凝縮器７が、この順に配設されている。よって、熱媒体流路８は、第１の凝縮器４及び第２の凝縮器７を流れるガスをこの順に冷却する熱媒体が流れる流路である。

［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。

水素生成装置１００を運転している時、原料が水添脱硫器２を通過して、原料中の硫黄化合物が除去される。

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、原料流路に戻し、水素含有ガスを原料と混合した後、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、原料中の硫黄化合物を水添反応により除去できる。

改質器１及び水添脱硫器２は、それぞれの触媒反応に適した温度に加熱する必要がある。改質器１の加熱は、改質器１から排出された水素含有ガスを用いて、燃焼器５において燃焼することにより行われる。水添脱硫器２の加熱には、水添脱硫器２を加熱可能であれば、いずれの加熱器であっても構わない。例えば、改質器１の熱を伝熱しても構わないし、電気ヒーター（図示せず）等の別の加熱器を用いても構わない。

ここで、上記のとおり、リサイクル流路３を流れるリサイクルガスは、水蒸気を含有する。よって、リサイクルガスをそのままの状態で流すと、リサイクルガス中の水蒸気が凝縮し結露する。すると、リサイクルガス流路３が水詰まりする場合がある。

また、リサイクルガス内の水蒸気を予め凝縮させずに原料と混合すると、リサイクルガスよりも原料の温度が低い場合、原料流路において、混合ガス中の水蒸気が凝縮する。すると、原料流路が流路閉塞を起こしたり、原料流路に設けられた昇圧器（図示せず）が水詰まりにより原料を必要量送れないという問題、水劣化で耐久性能を保てない問題等が、昇圧器において発生する場合もある。

そこで、本実施形態では、リサイクル流路３に流れるリサイクルガス中の水分を低減するために、第１の凝縮器をリサイクル流路３の途中に、もしくは、リサイクル流路３への導入前に、設けている。

第１の凝縮器４には、リサイクルガスと熱媒体流路８の熱媒体とが流れ、これにより、第１の凝縮器４において、それぞれの媒体が熱交換する。この熱交換により、リサイクルガスが冷却される。

また、本実施形態では、図１に示す如く、熱媒体流路８の熱媒体は、第１の凝縮器４を流れた後、第２の凝縮器７に流入する。第２の凝縮器７には、燃焼器５にて燃焼された後の燃焼排ガスが、燃焼排ガス流路６内を流れて通過している。よって、第２の凝縮器７にて、熱媒体流路８の熱媒体と燃焼排ガス流路６の燃焼排ガスとが熱交換する。これにより、燃焼排ガスの熱を、熱媒体流路８の熱媒体が回収するとともに、燃焼排ガス中に含有する水蒸気が凝縮し、燃焼排ガスから水が回収される。

ここで、熱媒体流路８の熱媒体が第２の凝縮器７を流れた後、第１の凝縮器４を流れると、第２の凝縮器７で加熱された熱媒体が第１の凝縮器４に流入する。すると、第１の凝縮器４での水凝縮量が低下するため、リサイクルガスでの水凝縮量が増加してしまい、リサイクル流路３で流路閉塞が発生する可能性が高まる。

また、リサイクルガスと原料との混合ガス中の水蒸気が凝縮する可能性もある。すると、原料を昇圧するためのポンプ等の昇圧器（図示せず）を故障させる場合がある。

よって、本実施形態では、上記のとおり、熱媒体流路８は、熱媒体流路８の熱媒体が、第１の凝縮器４を流れた後、第２の凝縮器７に流れるよう、形成されている。これにより、熱媒体流路８内の熱媒体が第２の凝縮器７及び第１の凝縮器４の順に流れる場合に比べ、リサイクル流路３での流路閉塞が発生する可能性が低減する。

なお、リサイクルガスの流量は、通常、燃焼排ガスの流量に比べて極めて少なく、保有熱量もリサイクルガスは、燃焼排ガスの保有熱量に比べて極めて少ない。このため、図１に示す如く、第１の凝縮器４をリサイクル流路３上に設置した場合、熱媒体は、リサイクルガスから先に熱を回収するが、燃焼排ガスの冷却及び燃焼排ガスからの水回収に対して影響は少ない。

（第２実施形態）
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であって、燃焼器に流入前の水素含有ガス中の水蒸気を凝縮するための第３の凝縮器を備え、熱媒体流路において、第３の凝縮器、第１の凝縮器及び第２の凝縮器がこの順に配設されている。

かかる構成により、第３の凝縮器を第１の凝縮器または第２の凝縮器の下流に設ける場合に比べ、第３の凝縮器の水凝縮量が増加するので、燃焼器５に供給される水素含有ガス中の水分がより減少し、燃焼器５での燃焼がより安定化する。

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。

［装置構成］
図２は、第２実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示すブロック図である。

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、第１の凝縮器４と、燃焼器５と、燃焼排ガス流路６と、第２の凝縮器７と、熱媒体流路８と、第３の凝縮器９と、を備える。

改質器１、水添脱硫器２、リサイクル流路３、第１の凝縮器４、燃焼器５、燃焼排ガス流路６及び第２の凝縮器７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。

第３の凝縮器９は、燃焼器５に流入前の水素含有ガス中の水蒸気を凝縮する。つまり、第３の凝縮器９は、熱交換により燃焼器５に流入前の水素含有ガスを冷却し、水素含有ガス中の水蒸気を凝縮させる。燃焼器５に流入するガス中の水分が多いと、燃焼が不安定になり火が消えてしまったり、水分に燃焼熱量が奪われるために燃焼器５での温度上昇が不十分になったりする可能性がある。

ここで、熱媒体流路８において、第３の凝縮器９、第１の凝縮器４及び第２の凝縮器７が、この順に配設されている。よって、熱媒体流路８を流れる熱媒体は、第３の凝縮器９、第１の凝縮器４及び第２の凝縮器７を流れるガスをこの順に冷却する。

なお、第１の凝縮器４と第３の凝縮器９の配列順は、装置構成（特に燃焼器５の性能）によって変わる。本実施の形態では、燃焼器５での燃焼安定性の向上を優先し、燃焼器５に供給される水素含有ガスの温度を、リサイクルガスの温度よりも低くなるよう冷却するため、第３の凝縮器９及び第１の凝縮器４の配列している。

（第３実施形態）
第３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であって、燃焼器に流入前の水素含有ガス中の水蒸気を凝縮するための第３の凝縮器を備え、熱媒体流路において、第１の凝縮器、第３の凝縮器及び第２の凝縮器がこの順に配設されている。

かかる構成により、第１の凝縮器を第３の凝縮器または第２の凝縮器の下流に設ける場合に比べ、第１の凝縮器での水凝縮量が増加し、リサイクル流路での流路閉塞が抑制される。また、本実施形態の水素生成装置は、第３の凝縮器を、第２の凝縮器の下流に設ける場合に比べ、第３の凝縮器の水凝縮量が増加するので、燃焼器５に供給される水素含有ガス中の水分がより減少し、燃焼器５での燃焼がより安定化する。

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。

［装置構成］
図３は、第３実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示すブロック図である。

図３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、第１の凝縮器４と、燃焼器５と、燃焼排ガス流路６と、第２の凝縮器７と、熱媒体流路８と、第３の凝縮器９と、を備える。

改質器１、水添脱硫器２、リサイクル流路３、第１の凝縮器４、燃焼器５、燃焼排ガス流路６、第２の凝縮器７及び第３の凝縮器９は、第２実施形態と同様であるので説明を省略する。

熱媒体流路８において、第１の凝縮器４、第３の凝縮器９及び第２の凝縮器７が、この順に配設されている。よって、熱媒体流路８を流れる熱媒体は、第１の凝縮器４、第３の凝縮器９及び第２の凝縮器７を流れるガスをこの順に冷却する。

なお、リサイクル流路３を流れるリサイクルガスの流量は、通常、燃焼器５に供給される水素含有ガスの流量や燃焼排ガスの流量に比べて極めて少ないため、保有熱量もリサイクルガスは、水素含有ガスや燃焼排ガスの保有熱量に比べて極めて少ない。

このため、図３に示す如く、第１の凝縮器４をリサイクル流路３上に設置した場合、先にリサイクルガスから熱を回収しても、熱媒体の温度はあまり上昇しない。従って、本実施の形態の水素生成装置のように、第３の凝縮器９の上流に第１の凝縮器４を配設しても、第３の凝縮器での水凝縮量への影響は少なく、燃焼器５での燃焼安定性は損なわれにくい。

（第４実施形態）
第４実施形態の水素生成装置は、第１実施形態、第２実施形態及び第３実施形態のいずれかの水素生成装置であって、リサイクル流路に設けられる圧力検知器を備え、第１の凝縮器は、圧力検知器の上流に設けられている。

かかる構成により、リサイクルガスが圧力検知器に流入する前に、リサイクルガスを冷却することができ、圧力検知器を温度負荷から保護できる。

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。

［装置構成］
図４は、第４実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示すブロック図である。

図４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、第１の凝縮器４と、燃焼器５と、燃焼排ガス流路６と、第２の凝縮器７と、熱媒体流路８と、圧力検知器１４と、を備える。

改質器１、水添脱硫器２、リサイクル流路３、第１の凝縮器４、燃焼器５、燃焼排ガス流路６、第２の凝縮器７及び熱媒体流路８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。

圧力検知器１４は、リサイクル流路３に設けられている。圧力検知器１４は、リサイクル流路３を流れるガスの圧力を検知する圧力計である。この圧力検知器１４により、リサイクル流路３を流れるリサイクルガスの圧力を検知できる。圧力検知器１４は、リサイクルガスの圧力を検知することが可能であれば、いかなる構成であっても構わない。

リサイクル流路３に設けられた圧力検知器１４により、リサイクル流路３内を流れるリサイクルガスの圧力を検知する。圧力計を高温ガスの圧力検知に使用するためには、耐熱性に優れた高価な圧力計を使用する必要がある。

そこで、第１の凝縮器４を圧力検知器１４の上流に設け、圧力検知器１４にリサイクルガスが流入する前に、リサイクルガスを第１の凝縮器４に通すことで、リサイクルガスを冷却し、圧力検知器１４への温度負荷を低減できる。これにより、圧力検知器１４の耐熱性を緩和でき、圧力検知器１４のコストを低減できる。

（第５実施形態）
第５実施形態にかかる燃料電池システムは、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態及び第４実施形態のいずれかの水素生成装置と、水素生成装置から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。

かかる構成により、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態及び第４実施形態のいずれかの水素生成装置から供給される水素含有ガスを燃料電池の燃料として使用し、燃料電池において発電できる。

［装置構成］
図５は、第５実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。

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１実施形態、第２実施形態、第３実施形態及び第４実施形態のいずれかの水素生成装置１００と、燃料電池１０と、を備える。

燃料電池１０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装置である。燃料電池１０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（ＰＥＦＣ）、固体酸化物形燃料電池またはりん酸形燃料電池等を用いることができる。

［動作］
以下、燃料電池システム２００の動作について説明する。

燃料電池１０は、燃料電池システム２００の運転中において、水素生成装置１００から供給される水素含有ガスを用いて発電する。

なお、水素生成装置１００の動作は、燃料電池１０を第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態及び第４実施形態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１実施形態、第２実施形態、第３実施形態及び第４実施形態のいずれかの動作と同様である。よって、詳細な説明を省略する。

（第６実施形態）
第６実施形態の燃料電池システムは、第５実施形態の燃料電池システムであって、燃料電池を冷却する冷媒と前記熱媒体とが熱交換する熱交換器を備え、熱媒体流路において、第１の凝縮器、第２の凝縮器及び熱交換器がこの順に配設されている。

かかる構成により、リサイクルガス流路での水凝縮による流路閉塞を抑制するとともに、熱媒体の熱回収効率を向上させることができる。

本実施形態の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第５実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
図６は、第６実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。

図６に示す例では、本実施形態の燃料電池システム２００は、改質器１と、水添脱硫器２と、リサイクル流路３と、第１の凝縮器４と、燃焼器５と、燃焼排ガス流路６と、第２の凝縮器７と、熱媒体流路８と、燃料電池１０と、冷媒流路１１と、熱交換器１２と、を備える。

改質器１、水添脱硫器２、リサイクル流路３、第１の凝縮器４、燃焼器５、燃焼排ガス流路６及び第２の凝縮器７については第１実施形態と同様であり、燃料電池１０については第５実施形態と同様であるので説明を省略する。

冷媒流路１１は、燃料電池１０を冷却する冷媒が流れる。冷媒は、燃料電池１０から発生する熱エネルギーを回収するとともに、燃料電池の温度を運転に適した温度に制御するための熱媒体である。冷媒としては、水、不凍液等が用いられる。
なお、冷媒が流れる冷媒流路１１には、冷媒を流すための送出器が設けられる。送出器としては、例えば、ポンプ（図示せず）が用いられる。

熱交換器１２は、燃料電池１０を冷却する冷媒と熱媒体流路８の熱媒体とが熱交換する。つまり、熱交換器１２は、燃料電池１０を冷却する冷媒の保有する熱を、熱媒体流路８を流れる熱媒体に伝えるための装置である。

また、熱媒体流路８において、第１の凝縮器４、第２の凝縮器７及び熱交換器１２がこの順に配設されている。よって、熱媒体流路８を流れる熱媒体は、第１の凝縮器４、第２の凝縮器７及び熱交換器１２を流れるガスをこの順に冷却する。

これにより、第１の凝縮器４を第２の凝縮器７または熱交換器１２の下流に設ける場合に比べ、第１の凝縮器４での水凝縮量が増加し、リサイクル流路３での流路閉塞が抑制される。

なお、図６では、第１実施形態の水素生成装置１００が例示されているが、これに限らない。本実施形態の水素生成装置は、第２実施形態、第３実施形態及び第４実施形態のいずれかの水素生成装置１００であっても構わない。

［動作］
以下、燃料電池システム２００の動作について図６を用いて説明する。

なお、本実施形態の燃料電池システム２００の動作は、以下の動作以外は、第５実施形態の燃料電池システム２００と同様の動作であってもよい。

燃料電池１０にて発生した熱は、冷媒流路１１を流れる冷媒に与えられる。燃料電池１０の熱を受け取った冷媒は、熱交換器１２において、熱媒体流路８の熱媒体に熱を与える。

以上により、燃料電池１０が安定して発電を継続できるとともに、燃料電池１０の熱が、熱媒体流路８の熱媒体に回収される。

ここで、通常、熱交換器１２を通過後の冷媒の温度は、第１の凝縮器４及び第２の凝縮器７を通過後のガスの温度よりも高い。例えば、固体高分子形の燃料電池であれば、熱交換器１２を通過後の冷媒の温度は、６０℃−８０℃であり、第１の凝縮器及び第２の凝縮器を通過後のガスの温度は、４０℃−５０℃である。

このため、熱媒体流路８の熱媒体を、熱交換器１２を通過させる前に、第１の凝縮器４及び第２の凝縮器７を通過させることで、熱媒体の熱回収効率が向上する。

（第７実施形態）
第７実施形態の燃料電池システムは、第５実施形態の燃料電池システムであって、燃料電池から排出されたオフ酸化剤ガス中の水蒸気を凝縮する第４の凝縮器を備え、熱媒体流路において、第１の凝縮器、第２の凝縮器及び第４の凝縮器がこの順に配設されている。

かかる構成により、リサイクルガス流路での水凝縮による流路閉塞を抑制するとともに、熱媒体の熱回収効率を向上させることができる。

本実施形態の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第５実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
図７は、第７実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。

図７に示す例では、本実施形態の燃料電池システム２００は、改質器１と、水添脱硫器２と、リサイクル流路３と、第１の凝縮器４と、燃焼器５と、燃焼排ガス流路６と、第２の凝縮器７と、熱媒体流路８と、燃料電池１０と、第４の凝縮器１３と、を備える。
改質器１、水添脱硫器２、リサイクル流路３、第１の凝縮器４、燃焼器５、燃焼排ガス流路６及び第２の凝縮器７については第１実施形態と同様であり、燃料電池１０については第５実施形態と同様であるので説明を省略する。

第４の凝縮器１３は、燃料電池１０から排出されたオフ酸化剤ガス中の水蒸気を凝縮する。つまり、第４の凝縮器１３は、熱媒体流路８の熱媒体を用いて、燃料電池１０での化学反応に使用されなかった酸化剤ガス（以下、オフ酸化剤ガス）を冷却し、オフ酸化剤ガス中の熱を回収するとともに、オフ酸化剤ガス中の水蒸気を凝縮させる。第４の凝縮器１３として、熱交換器を用いたが、オフ酸化剤ガスを冷却することが可能であれば、いかなる構成であっても構わない。

また、熱媒体流路８において、第１の凝縮器４、第２の凝縮器７及び第４の凝縮器１３がこの順に配設されている。よって、熱媒体流路８を流れる熱媒体は、第１の凝縮器４、第２の凝縮器７及び第４の凝縮器１３を流れるガスをこの順に冷却する。

これにより、第１の凝縮器４を第２の凝縮器７または第４の凝縮器１３の下流に設ける場合に比べ、第１の凝縮器４での水凝縮量が増加し、リサイクル流路３での流路閉塞が抑制される。

なお、図７では、第１実施形態の水素生成装置１００が例示されているが、これに限らない。本実施形態の水素生成装置は、第２実施形態、第３実施形態及び第４実施形態のいずれかの水素生成装置１００であっても構わない。
本実施の形態では、オフ酸化剤ガスが、燃焼排ガスに比べ、多くの熱量が含まれているため、第１の凝縮器４を通過した熱媒体を第２の凝縮器７及び第４の凝縮器１３の順に流すのが、熱回収効率の点で適切である。

（第１変形例）
図８は、第７実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。

本変形例では、熱媒体流路８は、熱媒体流路８の熱媒体が、第１の凝縮器４を流れた後、二方向に分岐し、その一方が第２の凝縮器７を流れ、その他方が第４の凝縮器１３を流れるように、形成されている。よって、熱媒体流路８において、第１の凝縮器４及び第２の凝縮器７がこの順に配設されるとともに、第１の凝縮器４及び第４の凝縮器１３がこの順に配設されている。
かかる構成により、リサイクルガス流路での水凝縮による流路閉塞を抑制するとともに、第７実施形態の場合に比べ、第４の凝縮器１３に流入する熱媒体の温度が低下するので、熱媒体の熱回収効率が向上する。

（第２変形例）
図９は、第７実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。

本変形例では、燃料電池１０から排出されるオフ酸化剤ガスと燃焼器５から排出される燃焼排ガスとが混合した後、本混合ガスが、第２の凝縮器７を流れている。そして、熱媒体流路８は、熱媒体流路８の熱媒体が、第１の凝縮器４及び第２の凝縮器７をこの順に流れるように、形成されている。よって、熱媒体流路８において、リサイクルガスが流れる第１の凝縮器４及び上記混合ガスが流れる第２の凝縮器７がこの順に配設されている。
かかる構成により、リサイクルガス流路での水凝縮による流路閉塞を抑制するとともに、第７実施形態の場合に比べ、第４の凝縮器１３に流入する熱媒体の温度が低下するので、熱媒体の熱回収効率が向上する。

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。

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、水添脱硫器に水素含有ガスを供給するリサイクル流路または本リサイクル流路より上流のガス流路に設けられた凝縮器を適切に配置し得る。よって、本発明の一態様は、水添脱硫器を備える水素生成装置および燃料電池システムに利用できる。

１ 改質器
２ 水添脱硫器
３ リサイクル流路
４ 第１の凝縮器
５ 燃焼器
６ 燃焼排ガス流路
７ 第２の凝縮器
８ 熱媒体流路
９ 第３の凝縮器
１０ 燃料電池
１１ 冷媒流路
１２ 熱交換器
１３ 第４の凝縮器
１４ 圧力検知器
１００ 水素生成装置
２００ 燃料電池システム

Claims (7)

1. 原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、前記水添脱硫器に水素含有ガスを供給するリサイクル流路と、前記リサイクル流路、またはリサイクル流路より上流のガス流路に設けられた第１の凝縮器と、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路と、前記燃焼排ガス流路に設けられる第２の凝縮器と、前記第１の凝縮器及び前記第２の凝縮器において、熱を回収する熱媒体が流れる熱媒体流路とを備え、前記熱媒体流路上において、前記第１の凝縮器及び前記第２の凝縮器が、この順に配設されている、水素生成装置。
2. 前記燃焼器に流入前の水素含有ガス中の水蒸気を凝縮するための第３の凝縮器を備え、前記熱媒体流路において、前記第３の凝縮器、前記第１の凝縮器及び前記第２の凝縮器がこの順に配設されている、請求項１に記載の水素生成装置。
3. 前記燃焼器に流入前の水素含有ガス中の水蒸気を凝縮するための第３の凝縮器を備え、前記熱媒体流路において、前記第１の凝縮器、前記第３の凝縮器及び前記第２の凝縮器がこの順に配設されている、請求項１に記載の水素生成装置。
4. 前記リサイクル流路に設けられる圧力検知器を備え、前記第１の凝縮器は、前記圧力検知器の上流に設けられている、請求項１−３のいずれかに記載の水素生成装置。
5. 請求項１−４のいずれかに記載の水素生成装置と、前記水素生成装置から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。
6. 前記燃料電池を冷却する冷媒と前記熱媒体とが熱交換する熱交換器を備え、前記熱媒体流路において、前記第１の凝縮器、前記第２の凝縮器及び前記熱交換器がこの順に配設されている、請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池から排出されたオフ酸化剤ガス中の水蒸気を凝縮する第４の凝縮器を備え、前記熱媒体流路において、前記第１の凝縮器、前記第２の凝縮器及び前記第４の凝縮器がこの順に配設されている、請求項５に記載の燃料電池システム。

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