JP2015133201A - fuel cell system - Google Patents

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嘉久和 孝
Takashi Kakuwa
孝 嘉久和
中田 秀輝
Hideki Nakada
秀輝 中田
谷口 昇
Noboru Taniguchi
昇 谷口
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of controlling entire desulfurization catalyst to an appropriate temperature with a simple constitution at a low cost.SOLUTION: A fuel cell system 100 includes: a desulfurizer 2 that removes sulfur compounds from raw materials; a fuel cell 1 that generates electric power by means of electrochemical reaction using a fuel which is obtained by modifying the raw materials from which the sulfur compounds are removed by the desulfurizer 2 and an air supplied for generating electric power; a desulfurizer heating section 3 that heats up the desulfurizer 2 by utilizing heat carried by an exhaust gas flowing through the fuel cell system; an exhaust gas guide path 6 for guiding the exhaust gas to the desulfurizer heating section 3; and a preheating section 4 that preheats the raw material which is supplied to the desulfurizer 2 by utilizing the heat of the exhaust gas flowing through the exhaust gas guide path 6.

Description

本発明は、炭化水素を含む原料から硫黄成分を除去する脱硫器を備えた燃料電池システムに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system including a desulfurizer that removes a sulfur component from a raw material containing hydrocarbons.

都市ガスまたはプロパンガスなど炭化水素を含む原料を用いる固体酸化物形燃料電池システムでは、この原料を改質するために、例えば水蒸気を用いた水蒸気改質が利用されている。この水蒸気改質を促進するために水蒸気改質触媒が用いられているが、原料中には付臭剤または硫黄化合物が含まれており、これによってこの水蒸気改質触媒が劣化させられるおそれがある。そこで、水蒸気改質触媒の劣化を防止するために、原料中に含まれる付臭剤または硫黄化合物を低減させる脱硫器が利用されている。   In a solid oxide fuel cell system using a raw material containing a hydrocarbon such as city gas or propane gas, for example, steam reforming using steam is used to reform the raw material. A steam reforming catalyst is used to promote the steam reforming, but the raw material contains an odorant or a sulfur compound, which may cause the steam reforming catalyst to deteriorate. . Therefore, in order to prevent deterioration of the steam reforming catalyst, a desulfurizer that reduces the odorant or sulfur compound contained in the raw material is used.

このような脱硫器としては、例えば、硫黄化合物を脱硫触媒上で水素と反応させて硫化水素に変換し、この硫化水素を酸化亜鉛に取り込んで除去する、いわゆる水添脱硫法により脱硫を行なう水添脱硫装置が挙げられる。   As such a desulfurizer, for example, a sulfur compound is reacted with hydrogen on a desulfurization catalyst to be converted into hydrogen sulfide, and this hydrogen sulfide is taken into zinc oxide and removed to remove water by so-called hydrodesulfurization. Examples thereof include an addition desulfurization apparatus.

水添脱硫装置は、水添脱硫法により脱硫を行なう際に水素を必要とするが、原料中には通常、水素が含まれていない。そこで、水素を水添脱硫装置に供給する構成を有した固体酸化物形燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献1,2)。   The hydrodesulfurization apparatus requires hydrogen when desulfurization is performed by the hydrodesulfurization method, but the raw material usually does not contain hydrogen. Therefore, a solid oxide fuel cell system having a configuration for supplying hydrogen to a hydrodesulfurization apparatus has been proposed (for example, Patent Documents 1 and 2).

ところで、脱硫器中に封入されている脱硫触媒の性能は雰囲気温度によって変化するため、常温よりも高温下で硫黄成分の除去性能が高くなる脱硫触媒を用いる場合は脱硫器を加熱する必要がある。そこで、脱硫器の触媒が適切な温度となるよう制御するため、脱硫器に供給される原料(原燃料)を加熱する燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献3)。   By the way, since the performance of the desulfurization catalyst enclosed in the desulfurizer varies depending on the ambient temperature, it is necessary to heat the desulfurizer when using a desulfurization catalyst that has a higher sulfur component removal performance at a temperature higher than normal temperature. . Therefore, in order to control the catalyst of the desulfurizer to have an appropriate temperature, a fuel cell system that heats the raw material (raw fuel) supplied to the desulfurizer has been proposed (for example, Patent Document 3).

特許文献3に係る燃料電池システムは、図7に示す構成を有し、原料の温度制御を行っている。図7は従来技術を示すものであり、脱硫器238および燃料改質器237周辺の系統図である。   The fuel cell system according to Patent Document 3 has the configuration shown in FIG. 7 and performs temperature control of the raw material. FIG. 7 shows the prior art and is a system diagram around the desulfurizer 238 and the fuel reformer 237.

すなわち、特許文献3に係る燃料電池システムでは、原料を改質ガスとの熱交換により予熱する原燃料予熱器234と、脱硫器238で脱硫された脱硫原料を改質ガスとの熱交換により予熱する脱硫原燃料予熱器239とが一体に構成されている。なお、原燃料予熱器234および脱硫原燃料予熱器239には燃料改質器237の改質管236から改質ガスが送出されている。   That is, in the fuel cell system according to Patent Document 3, the raw fuel preheater 234 that preheats the raw material by heat exchange with the reformed gas, and the desulfurized raw material desulfurized by the desulfurizer 238 is preheated by heat exchange with the reformed gas. The desulfurized raw fuel preheater 239 is integrally formed. The reformed gas is sent from the reforming pipe 236 of the fuel reformer 237 to the raw fuel preheater 234 and the desulfurized raw fuel preheater 239.

このような構成において、特許文献3に係る燃料電池システムでは、硫黄成分を含む原料が水素と共に原燃料予熱器234へ送られ、予熱後に脱硫器238へ流入する経路(原燃料供給系230)と、原燃料予熱器234をバイパスして予熱された原料と混合し脱硫器238に流入する経路(バイパス原燃料供給系231)とが設けられている。そして、温度検出器235による脱硫触媒の温度の検出結果に応じて、制御手段233が流量調整弁232を制御してバイパス原燃料供給系231により流通する原料流量を制御するように構成されている。   In such a configuration, in the fuel cell system according to Patent Document 3, a path (raw fuel supply system 230) in which a raw material containing a sulfur component is sent to the raw fuel preheater 234 together with hydrogen and flows into the desulfurizer 238 after preheating. In addition, a path (bypass raw fuel supply system 231) that bypasses the raw fuel preheater 234 and mixes with the preheated raw material and flows into the desulfurizer 238 is provided. And according to the detection result of the temperature of the desulfurization catalyst by the temperature detector 235, the control means 233 controls the flow rate adjusting valve 232 to control the flow rate of the raw material circulated by the bypass raw fuel supply system 231. .

このような構成により、特許文献3に係る燃料電池システムでは、脱硫器238の脱硫触媒における脱硫反応に適切な所定温度となるように制御することができる。   With such a configuration, the fuel cell system according to Patent Document 3 can be controlled to have a predetermined temperature suitable for the desulfurization reaction in the desulfurization catalyst of the desulfurizer 238.

特開2011−216308号公報JP 2011-216308 A 特開2006−54171号公報JP 2006-54171 A 特開平9−7617号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-7617

しかしながら、特許文献3に記載の従来技術の燃料電池システムでは、安価で簡易な構成で脱硫触媒全体を適切な温度とすることができないという問題がある。すなわち、この従来技術の燃料電池システムでは、原料を適切な温度に予熱するために、温度検出器および流量調整弁等を設ける必要があり、複雑な構成となるとともに、製造コストがかかる。   However, the conventional fuel cell system described in Patent Document 3 has a problem that the entire desulfurization catalyst cannot be brought to an appropriate temperature with an inexpensive and simple configuration. That is, in this prior art fuel cell system, it is necessary to provide a temperature detector, a flow rate adjusting valve, and the like in order to preheat the raw material to an appropriate temperature, which makes the structure complicated and requires manufacturing costs.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、安価で簡易な構成で脱硫触媒全体を適切な温度とすることができる燃料電池システムを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can bring the entire desulfurization catalyst to an appropriate temperature with an inexpensive and simple configuration.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した課題を解決するために、原料中の硫黄化合物を除去する脱硫器と、前記脱硫器により硫黄化合物が除去された原料を改質して得られた燃料と、供給された発電用空気とを用いて電気化学反応により発電する燃料電池と、当該燃料電池システムで流通する排気ガスの有する熱を利用して前記脱硫器を加熱する脱硫器加熱部と、前記排気ガスを前記脱硫器加熱部に導くための排気ガス導入経路と、前記排気ガス導入経路を流通する排気ガスの熱を利用して前記脱硫器に供給する原料を予熱する予熱部と、を備える。   In order to solve the above-described problems, a solid oxide fuel cell system according to the present invention includes a desulfurizer that removes sulfur compounds in a raw material and a raw material from which sulfur compounds are removed by the desulfurizer. A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction using the obtained fuel and supplied power generation air, and a desulfurizer that heats the desulfurizer using heat of exhaust gas flowing in the fuel cell system Preheating for preheating the raw material supplied to the desulfurizer using the heating unit, the exhaust gas introduction path for guiding the exhaust gas to the desulfurizer heating unit, and the heat of the exhaust gas flowing through the exhaust gas introduction path A section.

本発明に係る燃料電池システムは、以上に説明したように構成され、簡素で安価な構造により脱硫触媒および原燃料ガスの温度制御を行うことができるという効果を奏する。   The fuel cell system according to the present invention is configured as described above, and has an effect that the temperature of the desulfurization catalyst and the raw fuel gas can be controlled with a simple and inexpensive structure.

実施の形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示したブロック図である。It is the block diagram which showed an example of the structure of the fuel cell system which concerns on embodiment. 実施の形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed an example of the structure of the fuel cell system which concerns on embodiment. 実施の形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed an example of the structure of the fuel cell system which concerns on embodiment. 実施例に係る燃料電池システムの構成例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structural example of the fuel cell system which concerns on an Example. 実施例に係る燃料電池システムの脱硫器加熱部をその筐体の天面側から見た端面図である。It is the end elevation which looked at the desulfurizer heating part of the fuel cell system concerning an example from the top side of the case. 実施例に係る燃料電池システムの脱硫器における予熱効果の実験結果を示す表である。It is a table | surface which shows the experimental result of the preheating effect in the desulfurizer of the fuel cell system which concerns on an Example. 従来技術を示すものであり、脱硫器よび燃料改質器周辺の系統図である。It is a system diagram showing the prior art and around the desulfurizer and the fuel reformer.

本発明では以下に示す態様を提供する。   The present invention provides the following aspects.

本発明の第1の態様に係る燃料電池システムは、原料中の硫黄化合物を除去する脱硫器と、前記脱硫器により硫黄化合物が除去された原料を改質して得られた燃料と、供給された発電用空気とを用いて電気化学反応により発電する燃料電池と、当該燃料電池システムで流通する排気ガスの有する熱を利用して前記脱硫器を加熱する脱硫器加熱部と、前記排気ガスを前記脱硫器加熱部に導くための排気ガス導入経路と、前記排気ガス導入経路を流通する排気ガスの熱を利用して前記脱硫器に供給する原料を予熱する予熱部と、を備える。   A fuel cell system according to a first aspect of the present invention is supplied with a desulfurizer that removes sulfur compounds in a raw material, and a fuel obtained by reforming a raw material from which sulfur compounds have been removed by the desulfurizer. A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction using the generated air, a desulfurizer heating unit that heats the desulfurizer using the heat of the exhaust gas circulating in the fuel cell system, and the exhaust gas An exhaust gas introduction path for leading to the desulfurizer heating section, and a preheating section for preheating the raw material to be supplied to the desulfurizer using heat of the exhaust gas flowing through the exhaust gas introduction path.

上記構成によると、排気ガス導入経路を流通する排気ガスの有する熱を利用して脱硫器加熱部により脱硫器を所望の温度に加熱することができる。このため、脱硫器の脱硫触媒の最適な反応温度が常温よりも高温となる場合、この最適な反応温度となるように脱硫触媒を加熱することができる。また、予熱部を備えるため、常温のまま原料が脱硫器に流入することを防ぐことができる。それゆえ、脱硫器において、原料の流入口付近の脱硫触媒の温度が低温となってしまうことを防止することができ、脱硫触媒全体を温度ムラなく適切な温度に加熱することができる。   According to the above configuration, the desulfurizer can be heated to a desired temperature by the desulfurizer heating section using the heat of the exhaust gas flowing through the exhaust gas introduction path. For this reason, when the optimal reaction temperature of the desulfurization catalyst of a desulfurizer becomes higher than normal temperature, a desulfurization catalyst can be heated so that it may become this optimal reaction temperature. Moreover, since a preheating part is provided, it can prevent that a raw material flows into a desulfurizer with normal temperature. Therefore, in the desulfurizer, the temperature of the desulfurization catalyst in the vicinity of the raw material inlet can be prevented from becoming low, and the entire desulfurization catalyst can be heated to an appropriate temperature without temperature unevenness.

またこの予熱部は、脱硫器加熱部により脱硫器を加熱するための熱源となる排気ガスを利用して原料を予熱する構成である。このため、脱硫器が加熱される温度と略同様な温度に加熱された原料をこの脱硫器に導くことができる。それゆえ、原料を適切な温度となるように予熱するにあたり、従来技術のように温度検出器および流量調整弁など備える必要がなく、安価で簡易な構成とすることができる。   In addition, the preheating unit is configured to preheat the raw material using exhaust gas that is a heat source for heating the desulfurizer by the desulfurizer heating unit. For this reason, the raw material heated to the temperature substantially the same as the temperature at which a desulfurizer is heated can be guide | induced to this desulfurizer. Therefore, when the raw material is preheated to an appropriate temperature, it is not necessary to provide a temperature detector, a flow rate adjusting valve, or the like as in the prior art, and an inexpensive and simple configuration can be achieved.

よって、本発明の第1の態様に係る燃料電池システムは、安価で簡易な構成で脱硫触媒全体を適切な温度とすることができるという効果を奏する。   Therefore, the fuel cell system according to the first aspect of the present invention has an effect that the entire desulfurization catalyst can be brought to an appropriate temperature with an inexpensive and simple configuration.

また、本発明の第2の態様に係る燃料電池システムは、上記した第1の態様に係る燃料電池システムの構成において、前記原料を前記脱硫器に供給するための原料供給経路を備え、前記予熱部は、前記排気ガス導入経路内に前記原料供給経路の一部を挿通して形成されてもよい。   The fuel cell system according to a second aspect of the present invention is the fuel cell system according to the first aspect, further comprising a raw material supply path for supplying the raw material to the desulfurizer, and the preheating. The part may be formed by inserting a part of the raw material supply path into the exhaust gas introduction path.

上記した構成によると、原料供給経路の一部を排気ガス導入経路内に挿通するといった簡易な構成により予熱部を形成することができる。   According to the above configuration, the preheating portion can be formed with a simple configuration in which a part of the raw material supply path is inserted into the exhaust gas introduction path.

また、本発明の第3の態様に係る燃料電池システムは、上記した第2の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記排気ガス導入経路の途中に設けられ、前記燃料電池に供給する前記発電用空気を前記排気ガスが有する熱を利用して加熱する空気熱交換器を備え、前記予熱部は、前記排気ガスの流通方向において前記空気熱交換器よりも下流側となる前記排気ガス導入経路内に挿通した前記原料供給経路部分であってもよい。   The fuel cell system according to a third aspect of the present invention is the fuel cell system according to the second aspect described above, wherein the power generation air is provided in the middle of the exhaust gas introduction path and supplied to the fuel cell. An air heat exchanger that heats the exhaust gas using the heat of the exhaust gas, and the preheating unit is disposed in the exhaust gas introduction path that is downstream of the air heat exchanger in the flow direction of the exhaust gas. The inserted raw material supply path portion may be used.

上記構成によると、予熱部が空気熱交換器よりも下流側に設けられているため、空気熱交換器により熱が奪われ、温度調整された排気ガスを利用して原料を加熱することができる。このため、適切な温度に調整された排気ガスにより原料を加熱することができる。   According to the above configuration, since the preheating unit is provided on the downstream side of the air heat exchanger, heat is taken away by the air heat exchanger, and the raw material can be heated using the temperature-adjusted exhaust gas. . For this reason, a raw material can be heated with the exhaust gas adjusted to appropriate temperature.

また、本発明の第4の態様に係る燃料電池システムは、上記した第1の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記予熱部は、前記脱硫器加熱部内に挿通した前記原料供給経路部分であってもよい。   The fuel cell system according to a fourth aspect of the present invention is the fuel cell system according to the first aspect described above, wherein the preheating part is the raw material supply path part inserted into the desulfurizer heating part. Also good.

上記した構成によると、予熱部は、脱硫器加熱部内に挿通した原料供給経路部分であるため、脱硫器加熱部の熱源となる排気ガスにより原料も加熱することができる。つまり、脱硫器を加熱させる温度と同じ温度で原料を加熱することができる。さらに、予熱部は、原料供給経路部分を脱硫器加熱部内に挿通する構成であるため、予熱部を形成するためのスペースを用意する必要がなく、燃料電池システムの構成が大きくなることを防ぐことができる。   According to the above configuration, since the preheating part is a raw material supply path portion inserted into the desulfurizer heating part, the raw material can also be heated by the exhaust gas serving as a heat source of the desulfurizer heating part. That is, the raw material can be heated at the same temperature as the temperature at which the desulfurizer is heated. Furthermore, since the preheating unit is configured to insert the raw material supply path portion into the desulfurizer heating unit, it is not necessary to prepare a space for forming the preheating unit, and the configuration of the fuel cell system is prevented from becoming large. Can do.

また、本発明に係る第5の態様に係る燃料電池システムは、上記した第4の態様に係る燃料電池システムの構成において、前記原料供給経路は、前記予熱部として、前記脱硫器加熱部内において水平方向に屈曲させた配管形状部分を有していてもよい。   The fuel cell system according to a fifth aspect of the present invention is the fuel cell system according to the fourth aspect described above, wherein the raw material supply path serves as the preheating part, and is horizontal in the desulfurizer heating part. You may have the pipe-shaped part bent in the direction.

上記構成によると、予熱部は、原料供給経路の一部を屈曲させた部分として形成できるため、特に複雑な加工を必要とせず容易に形成できる。また、予熱部として機能させる原料供給経路は屈曲した配管形状であるため、原料供給経路を流通する原料が脱硫部加熱部内で十分に予熱されるだけの配管長さを設けることができる。   According to the above configuration, the preheating portion can be formed as a portion where a part of the raw material supply path is bent, and thus can be easily formed without requiring particularly complicated processing. In addition, since the raw material supply path that functions as the preheating section has a bent pipe shape, it is possible to provide a pipe length that allows the raw material flowing through the raw material supply path to be sufficiently preheated in the desulfurization section heating section.

(実施形態)
図1を参照して、実施の形態に係る燃料電池システム100について説明する。なお、本実施形態では、燃料電池1として固体酸化物形燃料電池を備えた燃料電池システムを例に挙げて説明するが、燃料電池1は固体酸化物形燃料電池に限定されるものではない。図1は、実施の形態に係る燃料電池システム100の構成の一例を示したブロック図である。
(Embodiment)
A fuel cell system 100 according to an embodiment will be described with reference to FIG. In the present embodiment, a fuel cell system including a solid oxide fuel cell as the fuel cell 1 will be described as an example. However, the fuel cell 1 is not limited to a solid oxide fuel cell. FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of a fuel cell system 100 according to an embodiment.

図1に示すように、燃料電池システム100は、燃料電池1(固体酸化物形燃料電池)と、脱硫器2と、脱硫器加熱部3と、予熱部4と、を備えてなる構成である。また、燃料電池システム100には、燃料電池1から排出された排気ガスを脱硫器加熱部3に導くための排気ガス導入経路6と、脱硫器加熱部3から排気ガスを外部に排出するための排気ガス排出経路7と、燃料電池1に原料を供給するための原料供給経路8と、発電用空気を供給するための空気経路10とが設けられている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 includes a fuel cell 1 (solid oxide fuel cell), a desulfurizer 2, a desulfurizer heating unit 3, and a preheating unit 4. . Further, the fuel cell system 100 includes an exhaust gas introduction path 6 for guiding the exhaust gas discharged from the fuel cell 1 to the desulfurizer heating unit 3 and an exhaust gas for discharging the exhaust gas from the desulfurizer heating unit 3 to the outside. An exhaust gas discharge path 7, a raw material supply path 8 for supplying the raw material to the fuel cell 1, and an air path 10 for supplying power generation air are provided.

燃料電池1は、脱硫器2により硫黄化合物が除去された原料(原燃料)を改質して得られた燃料と、空気経路10を通じて供給された発電用空気とを用いて電気化学反応により発電するものである。燃料電池システム100では、原料供給経路8を通じて燃料電池1へと原料を供給できる構成となっている。この原料としては、都市ガスまたは、プロパンガスなどの炭化水素を主成分とするガスを用いることができる。なお、原料から硫黄成分が取り除かれ、改質反応により改質された改質ガスを本明細書では燃料と称する。   The fuel cell 1 generates power by an electrochemical reaction using fuel obtained by reforming a raw material (raw fuel) from which sulfur compounds have been removed by a desulfurizer 2 and power generation air supplied through an air path 10. To do. In the fuel cell system 100, the raw material can be supplied to the fuel cell 1 through the raw material supply path 8. As the raw material, city gas or gas mainly composed of hydrocarbon such as propane gas can be used. A reformed gas obtained by removing a sulfur component from a raw material and reformed by a reforming reaction is referred to as a fuel in this specification.

燃料電池1は、燃料が供給される燃料極(アノード)および発電用空気が供給される空気極(カソード)を有し、該燃料極と該空気極との間で電気化学反応を行って発電する単セルを複数枚、直列に接続してセルスタックを形成してもよい。また、燃料電池1は、直列接続したセルスタックをさらに並列に接続させた構成としてもよい。あるいは、2層の電極(アノードおよびカソード)を含むセルが円筒型に構成され、この円筒型セルの内側に発電用空気を、外側に燃料をそれぞれ供給する構成としてもよい。   The fuel cell 1 includes a fuel electrode (anode) to which fuel is supplied and an air electrode (cathode) to which power generation air is supplied, and performs an electrochemical reaction between the fuel electrode and the air electrode to generate power. A plurality of single cells to be connected may be connected in series to form a cell stack. Further, the fuel cell 1 may have a configuration in which cell stacks connected in series are further connected in parallel. Alternatively, a cell including two layers of electrodes (anode and cathode) may be configured in a cylindrical shape, and power generation air may be supplied to the inside of the cylindrical cell and fuel may be supplied to the outside.

燃料電池1を構成する単セルとしては、例えば、イットリアをドープしたジルコニア(YSZ)、イットリビウムや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系の固体電解質からなる単セルを用いることができる。例えば、単セルがYSZの場合、厚みにもよるが、約600〜900℃の温度範囲にて、発電反応が行われる。   As a single cell constituting the fuel cell 1, for example, a single cell made of zirconia doped with yttria (YSZ), zirconia doped with yttrium or scandium, or a lanthanum gallate solid electrolyte can be used. For example, when the single cell is YSZ, the power generation reaction is performed in a temperature range of about 600 to 900 ° C., depending on the thickness.

なお、本実施形態に係る燃料電池システム100は、燃料電池1で未利用の燃料と発電用空気とを燃焼させて燃焼排ガスを生成する燃焼部を備え、この燃焼排ガスを排気ガスとして排気ガス導入経路6を通じて脱硫器加熱部3に導く構成であってもよい。あるいは、燃料電池1が平板型燃料電池である場合は、カソードから排出された、カソードオフガスを排気ガスとして排気ガス導入経路6を通じて脱硫器加熱部3に導く構成であってもよい。なお、このカソードオフガスは、燃料電池1の高温な動作温度によって加熱されており、脱硫器加熱部3における熱源として機能するだけの十分な熱量を有している。   The fuel cell system 100 according to this embodiment includes a combustion unit that generates combustion exhaust gas by burning unused fuel and power generation air in the fuel cell 1, and introduces exhaust gas using the combustion exhaust gas as exhaust gas. The structure which guide | induced to the desulfurizer heating part 3 through the path | route 6 may be sufficient. Alternatively, when the fuel cell 1 is a flat plate fuel cell, the cathode off-gas exhausted from the cathode may be used as exhaust gas and led to the desulfurizer heating unit 3 through the exhaust gas introduction path 6. The cathode offgas is heated by the high operating temperature of the fuel cell 1 and has a sufficient amount of heat to function as a heat source in the desulfurizer heating unit 3.

また、図1では特に図示していないが、原料供給経路8において脱硫器2と燃料電池1との間に不図示の改質器を備え、脱硫器2により硫黄化合物が除去された原料を、この改質器が改質するように構成されていてもよい。あるいは固体酸化物形燃料電池は動作温度が約600から900℃と高温であるため、燃料極の主成分であるニッケルの触媒作用によって燃料電池1内で水蒸気改質(内部改質)を行う構成としてもよい。   Although not particularly shown in FIG. 1, a raw material supply path 8 is provided with a reformer (not shown) between the desulfurizer 2 and the fuel cell 1, and the raw material from which the sulfur compound is removed by the desulfurizer 2, The reformer may be configured to reform. Alternatively, since the operating temperature of the solid oxide fuel cell is as high as about 600 to 900 ° C., the steam reforming (internal reforming) is performed in the fuel cell 1 by the catalytic action of nickel which is the main component of the fuel electrode. It is good.

脱硫器2は、水素を利用して、原料中の硫黄化合物を除去するものである。つまり、脱硫器2は、いわゆる水添脱硫方式により原料に含まれる硫黄成分を除去する水添脱硫器である。脱硫器2に原料供給経路8が接続されており、この原料供給経路8を流通して外部から供給された原料が脱硫器2内に流入する。また、図1では特に図示していないが、脱硫器2に流入する原料には水素が含まれている。この原料に含まれる水素は、外部から供給された水素であってもよいし、例えば、改質器において改質され、生成された改質ガスの一部であってもよい。あるいは、燃料電池1が平板型燃料電池である場合は、アノードから排出されたアノードオフガスの一部であってもよい。   The desulfurizer 2 removes sulfur compounds in the raw material using hydrogen. That is, the desulfurizer 2 is a hydrodesulfurizer that removes sulfur components contained in the raw material by a so-called hydrodesulfurization method. A raw material supply path 8 is connected to the desulfurizer 2, and the raw material supplied from the outside through the raw material supply path 8 flows into the desulfurizer 2. Although not particularly shown in FIG. 1, the raw material flowing into the desulfurizer 2 contains hydrogen. The hydrogen contained in the raw material may be hydrogen supplied from the outside, or may be a part of the reformed gas generated by reforming in the reformer, for example. Alternatively, when the fuel cell 1 is a flat plate fuel cell, it may be a part of the anode off gas discharged from the anode.

また、脱硫器2には脱硫触媒が充填されており、この脱硫触媒としては、例えば、銅および亜鉛を含む脱硫触媒が挙げられる。なお、脱硫触媒は、水添脱硫を行うことができればこの脱硫触媒に限定されるものではなく、Ni−Mo系又はCo−Mo系触媒と酸化亜鉛との組み合わせであってもよい。Ni−Mo系又はCo−Mo系触媒と酸化亜鉛とを組み合わせた脱硫触媒の場合、脱硫器2は350〜400℃の温度範囲にて、燃料ガス中の有機硫黄を水添分解する。そして、脱硫器2は、生成したHSを、350〜400℃の温度範囲にてZnOに吸着させて除去する。 The desulfurizer 2 is filled with a desulfurization catalyst. Examples of the desulfurization catalyst include a desulfurization catalyst containing copper and zinc. The desulfurization catalyst is not limited to this desulfurization catalyst as long as hydrodesulfurization can be performed, and may be a combination of a Ni—Mo-based or Co—Mo-based catalyst and zinc oxide. In the case of a desulfurization catalyst in which a Ni—Mo or Co—Mo catalyst and zinc oxide are combined, the desulfurizer 2 hydrocrackes organic sulfur in the fuel gas in a temperature range of 350 to 400 ° C. Then, the desulfurizer 2 removes the generated H 2 S by adsorbing it to ZnO in a temperature range of 350 to 400 ° C.

例えば、原料が都市ガスの場合、付臭剤として硫黄化合物であるジメチルスルフィド(dimethl sulfide ;CS,DMS)が含有されている。このDMSは、脱硫器2において、以下の反応式(式(1)、(2))によるZnSの形、または物理吸着の形で脱硫触媒によって除去される。
S+2H→2CH+HS ・・・(1)
S+ZnO→HO+ZnS ・・・(2)
なお、付臭剤は、上述したDMSに限定されるものではなく、TBM(C10S)またはTHT(CS)等の他の硫黄化合物であってもよい。
For example, when the raw material is city gas, dimethyl sulfide (C 2 H 6 S, DMS), which is a sulfur compound, is contained as an odorant. This DMS is removed by the desulfurization catalyst 2 in the desulfurizer 2 in the form of ZnS according to the following reaction formulas (formulas (1) and (2)) or in the form of physical adsorption.
C 2 H 6 S + 2H 2 → 2CH 4 + H 2 S (1)
H 2 S + ZnO → H 2 O + ZnS (2)
The odorant is not limited to the above-described DMS, and may be another sulfur compound such as TBM (C 4 H 10 S) or THT (C 4 H 8 S).

充填する脱硫触媒が銅および亜鉛を含む場合、脱硫器2は、10〜400℃程度、好ましくは250〜300℃程度の温度範囲で脱硫を行う。この銅亜鉛系脱硫触媒は、水添脱硫能力に加えて物理吸着能力もあり、低温では主に物理吸着、高温では化学吸着(HS+ZnO→HO+ZnS)を行うことができる。この場合、脱硫後の燃料ガスに含まれる硫黄含有量は、1vol ppb(parts per billion)以下、通常は0.1vol ppb以下となる。 When the desulfurization catalyst to be filled contains copper and zinc, the desulfurizer 2 performs desulfurization in a temperature range of about 10 to 400 ° C, preferably about 250 to 300 ° C. This copper zinc-based desulfurization catalyst has a physical adsorption capability in addition to a hydrodesulfurization capability, and can mainly perform physical adsorption at low temperatures and chemical adsorption (H 2 S + ZnO → H 2 O + ZnS) at high temperatures. In this case, the sulfur content contained in the fuel gas after desulfurization is 1 vol ppb (parts per billion) or less, and usually 0.1 vol ppb or less.

このように、脱硫器2において、Ni−Mo系又はCo−Mo系触媒、あるいは銅および亜鉛のいずれかを含む脱硫触媒が充填されている場合、単位体積あたりの硫黄成分除去量が大きくなる。それゆえ、上述した脱硫触媒を用いる場合、所望の硫黄濃度まで硫黄を除去するために必要となる脱硫触媒の量を低減させることができる。   Thus, when the desulfurizer 2 is filled with a Ni—Mo or Co—Mo catalyst or a desulfurization catalyst containing either copper and zinc, the sulfur component removal amount per unit volume is increased. Therefore, when the above-described desulfurization catalyst is used, the amount of the desulfurization catalyst necessary for removing sulfur to a desired sulfur concentration can be reduced.

また、燃料電池システム100の長時間の運転の後、脱硫器2の脱硫触媒が劣化した際には、この燃料電池システム100の性能が低下する。そこで、脱硫器2を、燃料電池システム100において着脱可能に設け、脱硫触媒が劣化した脱硫器2を新しい脱硫器と交換できる構成としてもよい。   Further, when the desulfurization catalyst of the desulfurizer 2 is deteriorated after the fuel cell system 100 is operated for a long time, the performance of the fuel cell system 100 is deteriorated. Therefore, the desulfurizer 2 may be detachably provided in the fuel cell system 100 so that the desulfurizer 2 having a deteriorated desulfurization catalyst can be replaced with a new desulfurizer.

以上のようにして脱硫器2によって脱硫された原料は、内部改質により改質される場合は燃料電池1へ、改質器により改質される場合はこの改質器へと供給される。なお、改質器は、部分酸化改質用として用いられるものであってもよいが、更に高効率な動作を実現するために、部分酸化改質反応だけでなく、水蒸気改質反応も行える仕様にしておくことが有利である。   The raw material desulfurized by the desulfurizer 2 as described above is supplied to the fuel cell 1 when reformed by internal reforming and to the reformer when reformed by the reformer. The reformer may be used for partial oxidation reforming, but in order to realize more efficient operation, the specification can perform not only partial oxidation reforming reaction but also steam reforming reaction. It is advantageous to keep

脱硫器加熱部3は、燃料電池1から排出された排気ガスの有する熱を利用して脱硫器2を加熱するものである。具体的には、燃料電池1から排出された排気ガスは、排気ガス導入経路6を通じて脱硫器加熱部3に導かれ、この内部を流通することで、排気ガスが有する熱の一部を脱硫器2に与え、所望の温度まで昇温させる。すなわち、脱硫器加熱部3の内部には、排気ガスが流通するための流通経路が形成されており、排気ガスはこの流通経路を流通したのち、排気ガス排出経路7を通じて外部へと排出される。   The desulfurizer heating unit 3 heats the desulfurizer 2 using the heat of the exhaust gas discharged from the fuel cell 1. Specifically, the exhaust gas discharged from the fuel cell 1 is guided to the desulfurizer heating unit 3 through the exhaust gas introduction path 6 and circulates inside the desulfurizer to thereby remove a part of the heat of the exhaust gas. The temperature is raised to the desired temperature. That is, inside the desulfurizer heating unit 3, a circulation path for circulating the exhaust gas is formed, and the exhaust gas flows through this circulation path and is then discharged to the outside through the exhaust gas discharge path 7. .

また、上述した脱硫器2および脱硫器加熱部3は、脱硫器加熱部3の上に脱硫器2が配置され、互いに1面以上で面接触している。また、脱硫器2および脱硫器加熱部3の外装(筐体)はステンレスなどの金属より構成されている。そして、排気ガスが脱硫器加熱部3の内部に形成された流通経路を流通すると、排気ガスが有する熱は、この接触面を通じて脱硫器加熱部3から脱硫器2へと伝熱する。これによって、脱硫器2の内部の脱硫触媒の温度が適切な温度に維持されることになる。   The desulfurizer 2 and the desulfurizer heating unit 3 described above are disposed on the desulfurizer heating unit 3 and are in surface contact with each other on one or more surfaces. Moreover, the exterior (housing | casing) of the desulfurizer 2 and the desulfurizer heating part 3 is comprised from metals, such as stainless steel. And if exhaust gas distribute | circulates the distribution path formed in the inside of the desulfurizer heating part 3, the heat | fever which exhaust gas has will be transferred from the desulfurizer heating part 3 to the desulfurizer 2 through this contact surface. As a result, the temperature of the desulfurization catalyst inside the desulfurizer 2 is maintained at an appropriate temperature.

予熱部4は、排気ガス導入経路6を通じて脱硫器加熱部3に導かれる排気ガスの有する熱を利用して、脱硫器2に供給する原料を予熱するものである。このように、本実施形態に係る燃料電池システム100では、脱硫器2に原料を供給する前に、この原料を予熱することができる構成である。また、原料は、脱硫器加熱部3に流入させる排気ガスにより予熱されるため、予熱された原料の温度と、排気ガスが有する熱を利用して脱硫器加熱部3により加熱された脱硫器2の温度とはほぼ同様となる。このため、原料の温度が脱硫器2において所望される動作温度よりも小さいために、脱硫器2における原料流入口付近では脱硫触媒の触媒作用が小さく十分に硫黄成分を除去することができないといった事態が生じることを防ぐことができる。   The preheating unit 4 preheats the raw material supplied to the desulfurizer 2 by using the heat of the exhaust gas guided to the desulfurizer heating unit 3 through the exhaust gas introduction path 6. Thus, the fuel cell system 100 according to the present embodiment has a configuration in which the raw material can be preheated before the raw material is supplied to the desulfurizer 2. Further, since the raw material is preheated by the exhaust gas flowing into the desulfurizer heating unit 3, the desulfurizer 2 heated by the desulfurizer heating unit 3 using the temperature of the preheated raw material and the heat of the exhaust gas. The temperature is almost the same. For this reason, since the temperature of the raw material is lower than the operation temperature desired in the desulfurizer 2, the catalytic action of the desulfurization catalyst is small in the vicinity of the raw material inlet in the desulfurizer 2, and the sulfur component cannot be sufficiently removed. Can be prevented.

また、図2および図3に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム100は、さらに空気熱交換器5を備える。図2および図3は実施の形態に係る燃料電池システム100の構成の一例を示した模式図である。図2および図3ではさらに空気熱交換器5を備えた燃料電池システム100の構成が示されている。   As shown in FIGS. 2 and 3, the fuel cell system 100 according to the present embodiment further includes an air heat exchanger 5. 2 and 3 are schematic views showing an example of the configuration of the fuel cell system 100 according to the embodiment. 2 and 3 further show the configuration of the fuel cell system 100 including the air heat exchanger 5.

空気熱交換器5は、燃料電池1から排出された排気ガスが有する熱を利用して、燃料電池1に供給する発電用空気を加熱(予熱)するものである。すなわち、空気熱交換器5は、外部から供給された発電用空気を、排気ガスとの熱交換により所定温度まで加熱する。例えば、空気熱交換器5を流通した後の発電用空気は、排気ガスとの熱交換により400〜800℃まで加熱される。そして、この加熱された発電用空気が燃料電池1へと供給される。このように、空気熱交換器5をさらに備える構成の場合、燃料電池システム100では、空気熱交換器5により発電用空気との熱交換を行って保有する熱の一部が奪われた排気ガスが、脱硫器加熱部3に導かれる。このため、燃料電池システム100では、空気熱交換器5によって400〜800℃と高温の排気ガスを、脱硫器2を加熱するのに適切な温度まで低下させて脱硫器加熱部3に導くことができる。   The air heat exchanger 5 heats (preheats) the power generation air supplied to the fuel cell 1 using the heat of the exhaust gas discharged from the fuel cell 1. That is, the air heat exchanger 5 heats the power generation air supplied from the outside to a predetermined temperature by heat exchange with the exhaust gas. For example, the power generation air after flowing through the air heat exchanger 5 is heated to 400 to 800 ° C. by heat exchange with the exhaust gas. The heated power generation air is supplied to the fuel cell 1. Thus, in the case of the configuration further including the air heat exchanger 5, in the fuel cell system 100, the exhaust gas from which part of the heat held by the air heat exchanger 5 by exchanging heat with the power generation air is taken. Is guided to the desulfurizer heating unit 3. For this reason, in the fuel cell system 100, exhaust gas having a high temperature of 400 to 800 ° C. is lowered to a temperature suitable for heating the desulfurizer 2 by the air heat exchanger 5 and guided to the desulfurizer heating unit 3. it can.

ここで、上記した図2および図3を参照して、予熱部4の構成とこの予熱部4が設けられる位置について説明する。予熱部4は、図2に示すように、空気熱交換器5よりも後段側となる排気ガス導入経路6内に挿通した原料供給経路8部分であってもよい。すなわち、図2に示すように、空気熱交換器5によって、保有する熱の一部が利用された排気ガスが流通している排気ガス導入経路6内に、原料供給経路8の一部を挿通させるようにして予熱部4を構成する。そして、原料供給経路8を流通する原料は、この予熱部4で、排気ガス導入経路6を流通する排気ガスの熱により加熱され、脱硫器2に供給される。   Here, with reference to above-mentioned FIG. 2 and FIG. 3, the structure of the preheating part 4 and the position in which this preheating part 4 is provided are demonstrated. As shown in FIG. 2, the preheating unit 4 may be a raw material supply path 8 portion that is inserted into the exhaust gas introduction path 6 on the rear side of the air heat exchanger 5. That is, as shown in FIG. 2, a part of the raw material supply path 8 is inserted into the exhaust gas introduction path 6 through which the exhaust gas using a part of the retained heat is circulated by the air heat exchanger 5. Thus, the preheating unit 4 is configured. And the raw material which distribute | circulates the raw material supply path 8 is heated by the heat of the exhaust gas which distribute | circulates the exhaust gas introduction path 6 in this preheating part 4, and is supplied to the desulfurizer 2. FIG.

あるいは、予熱部4は、図3に示すように、脱硫器加熱部3内に挿通した原料供給経路8部分であってもよい。すなわち、図3に示すように、空気熱交換器5によって、保有する熱の一部が利用された排気ガスが流通している脱硫器加熱部3内に、原料供給経路8の一部を挿通させるようにして予熱部4を構成する。そして、原料供給経路8を流通する原料は、この予熱部4で、脱硫器加熱部3内に導かれた排気ガスの熱により加熱され、脱硫器2に供給される。   Or the preheating part 4 may be the raw material supply path | route 8 part penetrated in the desulfurizer heating part 3, as shown in FIG. That is, as shown in FIG. 3, a part of the raw material supply path 8 is inserted into the desulfurizer heating unit 3 through which the exhaust gas using a part of the retained heat is circulated by the air heat exchanger 5. Thus, the preheating unit 4 is configured. And the raw material which distribute | circulates the raw material supply path 8 is heated with the heat | fever of the exhaust gas led in the desulfurizer heating part 3 in this preheating part 4, and is supplied to the desulfurizer 2. FIG.

図3に示す構成では、脱硫器加熱部3内に予熱部4を形成するため、予熱部4を形成するためのスペースを別途、用意する必要がなく燃料電池システム100の設置に必要なスペースがさらに大きくなることを防ぐことができる。   In the configuration shown in FIG. 3, since the preheating unit 4 is formed in the desulfurizer heating unit 3, it is not necessary to prepare a separate space for forming the preheating unit 4, and there is a space necessary for installing the fuel cell system 100. Further increase in size can be prevented.

ところで、図1から図3では特に図示していないが、壁面に断熱部31を配した筐体30内(後述の図4参照)に上記した燃料電池1を収容し、脱硫器2と脱硫器加熱部3とを断熱部31(後述の図4参照)中に設けた構成とすることができる。このように構成した場合、燃料電池1と脱硫器2と脱硫器加熱部3とをそれぞれ同一の筐体30内に収容することができるため、放熱により排気ガスの熱利用の効率が低下することを防ぐことができる。以下、筐体30内に上記した燃料電池1を収容し、脱硫器2と脱硫器加熱部3とを断熱部31中に設けた構成を有する燃料電池システム100の実施例について図4を参照して説明する。   Incidentally, although not particularly shown in FIGS. 1 to 3, the fuel cell 1 described above is accommodated in a housing 30 (see FIG. 4 described later) in which a heat insulating portion 31 is arranged on the wall surface, and the desulfurizer 2 and the desulfurizer. It can be set as the structure which provided the heating part 3 in the heat insulation part 31 (refer FIG. 4 mentioned later). When configured in this way, the fuel cell 1, the desulfurizer 2, and the desulfurizer heating unit 3 can be accommodated in the same housing 30, respectively, and therefore the efficiency of heat utilization of the exhaust gas is reduced due to heat radiation. Can be prevented. Hereinafter, an embodiment of the fuel cell system 100 having the configuration in which the fuel cell 1 described above is accommodated in the housing 30 and the desulfurizer 2 and the desulfurizer heating unit 3 are provided in the heat insulating unit 31 will be described with reference to FIG. I will explain.

(実施例)
具体的には本実施形態に係る燃料電池システム100を図4に示す実施例のように構成することができる。図4は、実施例に係る燃料電池システム100の構成例を模式的に示す図である。なお、図4では、燃料電池1において未利用の燃料と未利用の空気とを燃焼して生成した燃料排ガスを排気ガスとして用い、予熱部4が脱硫器加熱部3内に設けられた構成を例に挙げて説明するものとする。
(Example)
Specifically, the fuel cell system 100 according to the present embodiment can be configured as in the example shown in FIG. FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a configuration example of the fuel cell system 100 according to the embodiment. In FIG. 4, the fuel exhaust gas generated by burning unused fuel and unused air in the fuel cell 1 is used as exhaust gas, and the preheating unit 4 is provided in the desulfurizer heating unit 3. An example will be described.

図4に示す例では、燃料電池システム100は、上記した燃料電池1、脱硫器2、脱硫器加熱部3、予熱部4、および空気熱交換器5に加えて、補助空気熱交換器11、改質器14、蒸発器15、燃焼部16、減圧部17、および昇圧部33をさらに備え、燃料電池1、改質器14、蒸発器15を断熱部31に囲まれて形成された空間内に配置し、脱硫器2、脱硫器加熱部3、空気熱交換器5、および補助空気熱交換器11を断熱部31内に配置した構成となっている。   In the example illustrated in FIG. 4, the fuel cell system 100 includes an auxiliary air heat exchanger 11, in addition to the fuel cell 1, the desulfurizer 2, the desulfurizer heating unit 3, the preheating unit 4, and the air heat exchanger 5. A reformer 14, an evaporator 15, a combustion unit 16, a decompression unit 17, and a booster unit 33 are further provided, and the fuel cell 1, the reformer 14, and the evaporator 15 are surrounded by a heat insulation unit 31. The desulfurizer 2, the desulfurizer heating unit 3, the air heat exchanger 5, and the auxiliary air heat exchanger 11 are arranged in the heat insulating unit 31.

実施例に示す燃料電池システム100では、昇圧部33によって昇圧された原料が原料供給経路8を通じて供給される。この供給される原料には、水添脱硫反応のために必要な、水素ガスを約70%(原料に対して約10%)含有する改質ガスが混合されている。必要な流量の水素を含む原料は筐体30内に導かれる。   In the fuel cell system 100 shown in the embodiment, the raw material boosted by the booster 33 is supplied through the raw material supply path 8. The supplied raw material is mixed with a reformed gas containing about 70% of hydrogen gas (about 10% with respect to the raw material) necessary for the hydrodesulfurization reaction. A raw material containing hydrogen at a required flow rate is introduced into the housing 30.

ここで、原料がそのまま昇圧部33から脱硫器2に供給された場合、脱硫器2に流入する原料は常温(約20℃)となってしまう。このため、この場合の原料の温度は、例えば、銅および亜鉛を含む脱硫触媒の最適な反応温度(約250℃〜300℃)よりもかなり低い温度となる。この低い温度のまま原料が脱硫器2に流入すると流入口付近では、脱硫触媒の最適な反応温度に達せず、十分な脱硫を行うことができない。   Here, when the raw material is supplied as it is from the pressure raising unit 33 to the desulfurizer 2, the raw material flowing into the desulfurizer 2 becomes normal temperature (about 20 ° C.). For this reason, the temperature of the raw material in this case is considerably lower than the optimum reaction temperature (about 250 ° C. to 300 ° C.) of the desulfurization catalyst containing copper and zinc, for example. When the raw material flows into the desulfurizer 2 at this low temperature, the optimum reaction temperature of the desulfurization catalyst is not reached near the inlet and sufficient desulfurization cannot be performed.

そこで、実施例に係る燃料電池システム100では、原料を脱硫器2に流入させる前に、脱硫触媒を最適な反応温度とするために脱硫器2の下部に設けられた脱硫器加熱部3内を通過させ、予熱するように構成されている。すなわち、脱硫器加熱部3内には脱硫器2を加熱するための熱源として、約300℃前後の排気ガスが流通しており、この排気ガスが流通する流通経路中に原料供給経路8の一部を挿通させて原料を予熱する。このように、脱硫器加熱部3内に原料を予熱するための予熱部4を形成している。   Therefore, in the fuel cell system 100 according to the embodiment, before the raw material is allowed to flow into the desulfurizer 2, the inside of the desulfurizer heating unit 3 provided at the lower portion of the desulfurizer 2 is used in order to set the desulfurization catalyst to an optimum reaction temperature. It is configured to pass through and preheat. That is, an exhaust gas of about 300 ° C. is circulated in the desulfurizer heating unit 3 as a heat source for heating the desulfurizer 2, and one of the raw material supply paths 8 is in the distribution path through which the exhaust gas circulates. The part is inserted and the raw material is preheated. Thus, the preheating part 4 for preheating a raw material in the desulfurizer heating part 3 is formed.

この予熱部4は、本実施例では例えば、図5に示すように形成することができる。図5は実施例に係る燃料電池システム100の脱硫器加熱部3をその筐体の天面側から見た端面図である。   In the present embodiment, the preheating portion 4 can be formed as shown in FIG. 5, for example. FIG. 5 is an end view of the desulfurizer heating unit 3 of the fuel cell system 100 according to the embodiment as viewed from the top side of the casing.

図5に示すように、脱硫器加熱部3は、直方体形状をした筐体内に排気ガスを流通させるための流通経路50が形成された構成をしている。排気ガス流入口51から脱硫器加熱部3内に流入した排気ガスは、脱硫器加熱部3の筐体内で屈曲するように設けられた流通経路50を流通し排気ガス流出口52から排出されるようになっている。また、この流通経路50内には、原料供給経路8の一部であってU字型に形成された配管が予熱部4として挿通されている。このU字型に形成された配管(予熱部4)は、例えば、全長が200mm程度のステンレス製の管を採用することができるが、この配管の長さおよび素材はこれに限定されるものではない。配管の長さは、脱硫器加熱部3の筐体寸法と、原料供給経路8を流通する原料の流量とを考慮し、適宜、設定される。   As shown in FIG. 5, the desulfurizer heating unit 3 has a configuration in which a flow path 50 for flowing exhaust gas is formed in a rectangular parallelepiped housing. Exhaust gas that has flowed into the desulfurizer heating unit 3 from the exhaust gas inlet 51 flows through a flow path 50 provided to be bent in the casing of the desulfurizer heater 3 and is discharged from the exhaust gas outlet 52. It is like that. In addition, a pipe that is part of the raw material supply path 8 and is formed in a U-shape is inserted into the distribution path 50 as the preheating unit 4. For example, a stainless steel pipe having a total length of about 200 mm can be adopted as the U-shaped pipe (preheating portion 4). However, the length and material of the pipe are not limited thereto. Absent. The length of the piping is appropriately set in consideration of the housing dimensions of the desulfurizer heating unit 3 and the flow rate of the raw material flowing through the raw material supply path 8.

このように脱硫器加熱部3内の流通経路50に予熱部4が設けられた構成となるため、原料供給経路8を流通する原料を、このU字型の配管(予熱部4)で脱硫器加熱部3内を流通する約300℃の排気ガスの熱により約250℃程度まで予熱することができる。このように、原料が脱硫器2とほぼ同じ温度になるように予熱されてから脱硫器2に流入するため、前述したような、脱硫器2の流入口付近の触媒温度が低くなり、触媒反応が十分機能しないという問題を防ぐことができる。   Thus, since the preheating unit 4 is provided in the flow path 50 in the desulfurizer heating unit 3, the raw material flowing through the raw material supply path 8 is desulfurized by this U-shaped pipe (preheating unit 4). It can be preheated to about 250 ° C. by the heat of the exhaust gas of about 300 ° C. flowing through the heating unit 3. In this way, since the raw material is preheated so as to have substantially the same temperature as the desulfurizer 2 and then flows into the desulfurizer 2, the catalyst temperature near the inlet of the desulfurizer 2 is lowered as described above, and the catalytic reaction Can prevent the problem of not functioning sufficiently.

また、この予熱部4として機能させるU字型の配管は、脱硫器加熱部3内において二箇所で溶接固定するだけで設置可能であり、安価に製造することができる。また、脱硫器加熱部3の筐体内部に配管を収納する構成であるため、この配管を収容するための新たなスペースを確保する必要がなく簡易な構造とすることができる。   Further, the U-shaped pipe functioning as the preheating unit 4 can be installed simply by welding and fixing at two locations in the desulfurizer heating unit 3, and can be manufactured at low cost. Moreover, since it is the structure which accommodates piping inside the housing | casing of the desulfurizer heating part 3, it is not necessary to ensure the new space for accommodating this piping, and it can be set as a simple structure.

また、原料を適切な温度まで昇温させるように予熱部4で予熱するにあたり、例えば電動弁等を使用する必要がないためこのような弁の制御設計が不要となり、消費電力も抑制できる。さらに、原料を予熱するために使用している熱源は燃料電池1から排出された排気ガスのため、原料を予熱するにあたり熱源が新たに必要となることはない。   In addition, when the preheating unit 4 is preheated so as to raise the temperature of the raw material to an appropriate temperature, for example, it is not necessary to use an electric valve or the like, so that the control design of such a valve becomes unnecessary and power consumption can be suppressed. Furthermore, since the heat source used for preheating the raw material is the exhaust gas discharged from the fuel cell 1, no new heat source is required for preheating the raw material.

このように、予熱された原料が脱硫器2に流入すると、脱硫器2では、原料が脱硫触媒内を通過している間に、水素を利用して水添脱硫反応によりこの原料中に含まれた硫黄成分を除去する。   As described above, when the preheated raw material flows into the desulfurizer 2, the desulfurizer 2 includes hydrogen in the raw material by hydrodesulfurization reaction using hydrogen while the raw material passes through the desulfurization catalyst. Remove sulfur components.

なお、脱硫器2は周囲を断熱部31により覆われているため、可能な限り放熱、熱移動がないように構成される。このため、脱硫器加熱部3により加熱された脱硫触媒の温度は、脱硫反応に適切な温度範囲(約250〜300℃)に安定させることができる。脱硫後の原料は脱硫器2から改質器14の前段に設けられた蒸発器15に導かれる。   Since the desulfurizer 2 is covered with the heat insulating portion 31, the desulfurizer 2 is configured so as to avoid heat dissipation and heat transfer as much as possible. For this reason, the temperature of the desulfurization catalyst heated by the desulfurizer heating unit 3 can be stabilized in a temperature range (about 250 to 300 ° C.) appropriate for the desulfurization reaction. The raw material after the desulfurization is led from the desulfurizer 2 to an evaporator 15 provided in front of the reformer 14.

ここで、改質器14による改質処理について説明する。本実施例では、燃料電池システム100が備える改質器14を以下のように構成することができる。すなわち、改質器14は、部分酸化改質用として用いられるものであってもよいが、更に高効率な動作を実現するために、部分酸化改質反応だけでなく、水蒸気改質反応も行える仕様にしておく。   Here, the reforming process by the reformer 14 will be described. In the present embodiment, the reformer 14 provided in the fuel cell system 100 can be configured as follows. That is, the reformer 14 may be used for partial oxidation reforming, but in order to realize more efficient operation, not only partial oxidation reforming reaction but also steam reforming reaction can be performed. Keep to specifications.

例えば、改質器14の前段に蒸発器15を設け、脱硫器2で脱硫された原料に改質水経路(不図示)を通じて供給された水(改質水)を混合させ改質器14に供給する構成とする。ここで、蒸発器15は、改質器14にて水蒸気改質反応を行うために設置したものであり、燃焼部16から排出された排気ガスの熱及び燃焼部16からの輻射熱を利用して、改質水経路から供給された水(改質水)を気化させ、脱硫器2から供給された脱硫後の原料と混合させる。そして、蒸発器15は、混合後の原料を改質器14へと導入する。   For example, an evaporator 15 is provided in front of the reformer 14, and water (reformed water) supplied through a reformed water path (not shown) is mixed with the raw material desulfurized by the desulfurizer 2. It is set as the structure supplied. Here, the evaporator 15 is installed to perform the steam reforming reaction in the reformer 14, and uses the heat of the exhaust gas discharged from the combustion unit 16 and the radiant heat from the combustion unit 16. Then, water (reformed water) supplied from the reforming water path is vaporized and mixed with the raw material after desulfurization supplied from the desulfurizer 2. Then, the evaporator 15 introduces the mixed raw material into the reformer 14.

なお、改質器14に充填される改質触媒としては、Al(アルミナ)の球体表面にNiを含浸し、担持したものや、Alの球体表面にルテニウムを付与したものを適宜用いることができる。 In addition, as the reforming catalyst filled in the reformer 14, the Al 2 O 3 (alumina) sphere surface is impregnated with Ni and supported, or the Al 2 O 3 sphere surface is provided with ruthenium. Can be used as appropriate.

ところで、燃料電池システム100の起動時では、改質器14において吸熱反応である水蒸気改質反応を行うためには熱エネルギーが不足している。そこで、燃料電池システム100の起動時は、改質水経路から蒸発器15に水を供給させずに、改質空気経路(不図示)を通じて改質器14に改質用空気を導入し、この改質用空気を利用して、改質器14は以下の式(3)で表される部分酸化改質反応を行い、水素ガスおよび一酸化炭素を生成する。
CnHm + (n/2)O → n・CO +(m/2)H(n,mは任意の自然数)
・・・(3)
そして、これらの水素ガスおよび一酸化炭素を、改質ガス経路9を通じて燃料電池1に供給し、発電用空気と合わせて発電を行う。
By the way, when the fuel cell system 100 is started, the heat energy is insufficient to perform the steam reforming reaction which is an endothermic reaction in the reformer 14. Therefore, when the fuel cell system 100 is started, reforming air is introduced into the reformer 14 through a reformed air path (not shown) without supplying water to the evaporator 15 from the reformed water path. Using the reforming air, the reformer 14 performs a partial oxidation reforming reaction represented by the following formula (3) to generate hydrogen gas and carbon monoxide.
CnHm + (n / 2) O 2 → n · CO + (m / 2) H 2 (n and m are arbitrary natural numbers)
... (3)
Then, these hydrogen gas and carbon monoxide are supplied to the fuel cell 1 through the reformed gas path 9 and are generated together with the power generation air.

また、燃料電池システム100が起動して発電が進むにつれ、改質器14の温度が上昇していく。すなわち、上記の式(3)で表される部分酸化改質反応は発熱反応であり、更に、排気ガスにより、改質器14の温度が上昇させられる。そして、改質器14の温度が、例えば、400℃以上になれば以下の式(4)で表される水蒸気改質反応を並行して行うことが可能となる。
CnHm + n・HO → n・CO +(m/2+ n)H(n,mは任意の自然数)
・・・(4)
上述した式(4)で示される水蒸気改質反応は、式(3)で示される部分酸化改質反応と比較すると、同じ量の炭化水素(CnHm)から生成できる水素量がより多くなり、その結果、燃料電池1での発電反応に利用可能な改質ガスの量が多くなる。つまり、水蒸気改質反応の方が効率よく改質ガスを生成することができる。また、式(4)に示す水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、式(3)に示す部分酸化改質反応による発熱と燃料電池1から排出された排気ガスが保有する熱等を利用し、必要な熱量を補いつつ、水蒸気改質反応を進行させる。そして、改質器14の温度が例えば、600℃以上になれば、式(4)の水蒸気改質反応に必要な熱量を排気ガスの有する熱等だけで補うことが可能となるため、水蒸気改質反応のみの運転に切り替えることができる。
Further, as the fuel cell system 100 starts up and power generation proceeds, the temperature of the reformer 14 increases. That is, the partial oxidation reforming reaction represented by the above formula (3) is an exothermic reaction, and the temperature of the reformer 14 is increased by the exhaust gas. And if the temperature of the reformer 14 becomes 400 degreeC or more, for example, it will become possible to perform the steam reforming reaction represented by the following formula | equation (4) in parallel.
CnHm + n · H 2 O → n · CO + (m / 2 + n) H 2 (n, m is an arbitrary natural number)
... (4)
Compared with the partial oxidation reforming reaction represented by the formula (3), the steam reforming reaction represented by the formula (4) described above increases the amount of hydrogen that can be generated from the same amount of hydrocarbon (CnHm). As a result, the amount of reformed gas that can be used for the power generation reaction in the fuel cell 1 increases. That is, the reforming gas can be generated more efficiently by the steam reforming reaction. Further, since the steam reforming reaction shown in the formula (4) is an endothermic reaction, the heat generated by the partial oxidation reforming reaction shown in the formula (3) and the heat held by the exhaust gas discharged from the fuel cell 1 are used. The steam reforming reaction is allowed to proceed while supplementing the necessary amount of heat. If the temperature of the reformer 14 is, for example, 600 ° C. or higher, the amount of heat necessary for the steam reforming reaction of the formula (4) can be supplemented only by the heat of the exhaust gas, etc. It is possible to switch to a quality-only operation.

また、図4に示す燃料電池システム100の構成において、改質器14から燃料電池1へ向かう改質ガス経路9の途中(分岐部)で分岐させ、改質器14で生成された改質ガスの一部を原料供給経路8に戻すためのリサイクル経路19が設けられている。このため、脱硫器2へと供給される原料に水素を添加することが可能となり、脱硫器2は、この水素を利用して前述の水添脱硫を行うことができる。   Further, in the configuration of the fuel cell system 100 shown in FIG. 4, the reformed gas generated by the reformer 14 is branched in the middle of the reformed gas path 9 (branch portion) from the reformer 14 to the fuel cell 1. A recycling path 19 is provided for returning a part of the material to the raw material supply path 8. For this reason, it becomes possible to add hydrogen to the raw material supplied to the desulfurizer 2, and the desulfurizer 2 can perform the above-mentioned hydrodesulfurization using this hydrogen.

図4に示す燃料電池システム100の構成では、リサイクル経路19の途中に減圧部17が設けられている。減圧部17は、リサイクル経路19内を流通する改質ガスの流量を調整するものであり、例えば、キャピラリチューブまたはオリフィスなどにより実現できる。すなわち、減圧部17は、キャピラリチューブまたはオリフィスなどにより流路を細くし圧力損失を大きくさせることで、リサイクル経路19内を所望の流量だけ改質ガスが流通するように構成されている。減圧部17の位置は、図4では筐体30の外部に配置されているが、筐体30の内部であってもよい。筐体30の外部に配置された場合、高温な排気ガス等に直接さらされることを防ぐことができるという利点がある。一方、減圧部17が筐体30内に配置されている場合は、筐体30内は高温であるため減圧部17において水分が凝縮しにくいという利点がある。   In the configuration of the fuel cell system 100 shown in FIG. 4, the decompression unit 17 is provided in the middle of the recycling path 19. The decompression unit 17 adjusts the flow rate of the reformed gas flowing through the recycle path 19 and can be realized by, for example, a capillary tube or an orifice. That is, the decompression unit 17 is configured such that the reformed gas flows through the recycle path 19 by a desired flow rate by narrowing the flow path with a capillary tube or an orifice to increase the pressure loss. The position of the decompression unit 17 is disposed outside the housing 30 in FIG. 4, but may be inside the housing 30. When arranged outside the housing 30, there is an advantage that direct exposure to high-temperature exhaust gas or the like can be prevented. On the other hand, when the decompression unit 17 is disposed in the housing 30, the interior of the housing 30 is at a high temperature, so that there is an advantage that moisture is hardly condensed in the decompression unit 17.

また、このリサイクル経路19の途中に凝縮器(不図示)を設けた構成としてもよい。凝縮器を備える構成の場合、リサイクル経路19を流通する改質ガスが低温化したとき、この凝縮器により水分を回収することができる。このため、結露水による経路内の水つまりや、昇圧部33の腐食または破損といった不具合を抑制することができる。この凝縮器は、冷却源として原燃料ガス、空気、あるいは水のいずれかを利用した、二重管型の熱交換器を用いることができる。凝縮器により生成された凝縮水は外部へ放出されてもよいし燃料電池システム100の例えば、改質水などに再利用される構成であってもよい。   Moreover, it is good also as a structure which provided the condenser (not shown) in the middle of this recycle path | route 19. FIG. In the case of a configuration including a condenser, when the reformed gas flowing through the recycling path 19 is cooled, moisture can be recovered by the condenser. For this reason, it is possible to suppress problems such as water in the path due to condensed water and corrosion or breakage of the booster 33. This condenser can use a double-pipe heat exchanger that uses raw fuel gas, air, or water as a cooling source. The condensed water produced | generated by the condenser may be discharge | released outside, for example, the structure reused for the reformed water etc. of the fuel cell system 100 may be sufficient.

また、実施例に係る燃料電池システム100では、燃料電池1に供給される発電用空気が2つの熱交換器(空気熱交換器5および補助空気熱交換器11)によって予熱されるように構成されている。具体的には、外部から供給された発電用空気は、図4に示すように、脱硫器加熱部3を通過した後の排気ガスと補助空気熱交換器11により熱交換され、予熱される。さらに、補助空気熱交換器11により予熱された発電用空気は、燃焼部16で燃焼され生成された排気ガスと空気熱交換器5により熱交換され、燃料電池1の動作温度程度まで昇温され、燃料電池1に供給される。なお、補助空気熱交換器11における発電用空気との熱交換で熱が奪われた排気ガスは外部に放出される。   Further, the fuel cell system 100 according to the embodiment is configured such that the power generation air supplied to the fuel cell 1 is preheated by the two heat exchangers (the air heat exchanger 5 and the auxiliary air heat exchanger 11). ing. Specifically, as shown in FIG. 4, the power generation air supplied from the outside is heat-exchanged and preheated by the exhaust gas after passing through the desulfurizer heating unit 3 and the auxiliary air heat exchanger 11. Further, the power generation air preheated by the auxiliary air heat exchanger 11 is heat-exchanged by the air heat exchanger 5 with the exhaust gas burned and generated by the combustion unit 16, and is heated to about the operating temperature of the fuel cell 1. , Supplied to the fuel cell 1. The exhaust gas from which heat has been removed by heat exchange with the power generation air in the auxiliary air heat exchanger 11 is released to the outside.

(排気ガスの流れ、排気ガスの温度調整、ならびに脱硫器の昇温)
図5に示す燃料電池システム100の構成を例に挙げて、排気ガスの流れ、排気ガスの温度調整、ならびに脱硫器の昇温について説明する。具体的には、以下のように排気ガスを流通させて脱硫器2の加熱を行う。なお、図5に示す燃料電池システム100の場合、脱硫器2の加熱に利用する排気ガスは、燃焼部16で未利用の燃料と空気とを燃焼させて生成した燃焼排ガスとなる。
(Exhaust gas flow, exhaust gas temperature adjustment, and desulfurizer temperature rise)
Taking the configuration of the fuel cell system 100 shown in FIG. 5 as an example, the flow of exhaust gas, temperature adjustment of the exhaust gas, and temperature rise of the desulfurizer will be described. Specifically, the desulfurizer 2 is heated by circulating the exhaust gas as follows. In the case of the fuel cell system 100 shown in FIG. 5, the exhaust gas used for heating the desulfurizer 2 is combustion exhaust gas generated by burning unused fuel and air in the combustion unit 16.

燃焼部16で生成した排気ガス(燃焼排ガス)の流量およびその温度については、燃料電池1における燃料及び発電用空気の燃料利用率(発電時に、燃料として燃料電池1で消費される割合)を調整することにより、制御することが可能である。図5に示した燃料電池システム100では、例えば、燃焼部16の温度範囲が約600〜900℃になるように、燃料電池1における燃料および発電用空気の燃料利用率を設定する。   Regarding the flow rate of exhaust gas (combustion exhaust gas) generated in the combustion section 16 and its temperature, the fuel utilization rate of the fuel and power generation air in the fuel cell 1 (the ratio of the fuel cell 1 consumed as fuel during power generation) is adjusted. By doing so, it is possible to control. In the fuel cell system 100 shown in FIG. 5, for example, the fuel utilization rate of the fuel and power generation air in the fuel cell 1 is set so that the temperature range of the combustion unit 16 is about 600 to 900 ° C.

このように所望の温度範囲となるように設定された燃焼部16で、未利用の燃料と発電用空気とを燃焼して生成された排気ガスは、まず、改質器14および蒸発器15を加熱する。これにより排気ガスの有する熱の一部が消費される。さらに、熱の一部が消費された排気ガスが空気熱交換器5に流入し、この空気熱交換器5による発電用空気と排気ガスとの熱交換によって、排気ガスが有する熱がさらに奪われ、脱硫器2を加熱するのに適切な温度まで低下させられる。このように温度がさらに低下させられた排気ガスは、排気ガス導入経路6を流通して脱硫器加熱部3へ供給される。   The exhaust gas generated by burning unused fuel and power generation air in the combustion section 16 set to have a desired temperature range in this way first passes through the reformer 14 and the evaporator 15. Heat. Thereby, a part of the heat of the exhaust gas is consumed. Further, the exhaust gas that has consumed part of the heat flows into the air heat exchanger 5, and heat exchange between the power generation air and the exhaust gas by the air heat exchanger 5 further deprives the heat of the exhaust gas. The temperature is lowered to a temperature suitable for heating the desulfurizer 2. The exhaust gas whose temperature has been further lowered in this manner flows through the exhaust gas introduction path 6 and is supplied to the desulfurizer heating unit 3.

すなわち、燃焼部16で生成された排気ガスの温度は、例えば約600℃〜900℃と高温である。しかし、この排気ガスによって改質器14および蒸発器15を加熱し、更に、空気熱交換器5によって発電用空気との熱交換を行うと、排気ガス導入経路6に到達するまでに排気ガスの温度は低下する。   That is, the temperature of the exhaust gas generated in the combustion unit 16 is as high as about 600 ° C. to 900 ° C., for example. However, if the reformer 14 and the evaporator 15 are heated by this exhaust gas and further heat exchange with the power generation air is performed by the air heat exchanger 5, the exhaust gas is exhausted before reaching the exhaust gas introduction path 6. The temperature drops.

以上のように、排気ガス導入経路6を流通し、脱硫器加熱部3に流入する際の排気ガスの温度は、燃焼部16で生成された排気ガスの流量と温度、改質器14および蒸発器15に吸熱される熱量、および空気熱交換器5に吸熱される熱量などを考慮して所望の値となるように制御されている。   As described above, the temperature of the exhaust gas flowing through the exhaust gas introduction path 6 and flowing into the desulfurizer heating unit 3 is the flow rate and temperature of the exhaust gas generated in the combustion unit 16, the reformer 14 and the evaporation. The amount of heat absorbed by the heat exchanger 15 and the amount of heat absorbed by the air heat exchanger 5 are taken into consideration and controlled to a desired value.

このように、排気ガス導入経路6に脱硫器加熱部3を設置することにより、脱硫器2を、水添脱硫を行うのに適した所望の温度とすることができる。同時に脱硫器2に供給する原料の温度もこの所望の温度まで予熱することができる。   Thus, by installing the desulfurizer heating unit 3 in the exhaust gas introduction path 6, the desulfurizer 2 can be set to a desired temperature suitable for hydrodesulfurization. At the same time, the temperature of the raw material supplied to the desulfurizer 2 can be preheated to this desired temperature.

また、少なくとも脱硫器2、脱硫器加熱部3、および排気ガス導入経路6を可能な限り断熱部31に覆われるように設置する。このようにすれば、これらの部材からの放熱を防ぐとともに、これらの部材が筐体30内の高温な熱に直接、曝されることを防ぐことができる。特に、脱硫器2および脱硫器加熱部3は、断熱部31によって覆われる構成であるため、脱硫器2および脱硫器加熱部3における温度分布をできるだけ一様とし、ばらつきを抑制することができる。これによって、脱硫器2における脱硫触媒の温度制御を容易とすることができる。   Further, at least the desulfurizer 2, the desulfurizer heating unit 3, and the exhaust gas introduction path 6 are installed so as to be covered with the heat insulating unit 31 as much as possible. In this way, heat dissipation from these members can be prevented, and these members can be prevented from being directly exposed to the high-temperature heat in the housing 30. In particular, since the desulfurizer 2 and the desulfurizer heating unit 3 are configured to be covered by the heat insulating unit 31, the temperature distribution in the desulfurizer 2 and the desulfurizer heating unit 3 can be made as uniform as possible to suppress variations. Thereby, the temperature control of the desulfurization catalyst in the desulfurizer 2 can be facilitated.

(実験例)
最後に、上記した図4に示す実施例の燃料電池システム100の構成において、予熱部4を設けた構成と予熱部4を設けなかった構成とにおける脱硫器2の温度について比較実験を行ったところ図6に示す結果を得た。図6は、実施例に係る燃料電池システム100の脱硫器2における予熱効果の実験結果を示す表である。
(Experimental example)
Finally, in the configuration of the fuel cell system 100 of the embodiment shown in FIG. 4 described above, a comparative experiment was performed on the temperature of the desulfurizer 2 in the configuration in which the preheating unit 4 was provided and the configuration in which the preheating unit 4 was not provided. The result shown in FIG. 6 was obtained. FIG. 6 is a table showing experimental results of the preheating effect in the desulfurizer 2 of the fuel cell system 100 according to the example.

図6に示すように、予熱部4を設けた燃料電池システムの構成(予熱部有)の場合、脱硫器2における原料の流入口では、256℃であったのに対して、予熱部4を設けなかった燃料電池システムの構成(予熱部無)の場合は185℃しかなく、脱硫触媒が有効に作用できない温度となっている。   As shown in FIG. 6, in the configuration of the fuel cell system provided with the preheating unit 4 (with a preheating unit), the raw material inlet in the desulfurizer 2 was 256 ° C., whereas the preheating unit 4 was In the case of the configuration of the fuel cell system not provided (no preheating part), the temperature is only 185 ° C., and the temperature is such that the desulfurization catalyst cannot act effectively.

また予熱部4を設けた燃料電池システムの構成の場合、脱硫器2における原料の流出口の温度が245℃、脱硫器2の上面における最低温度が252℃、最高温度が256℃となっている。さらに脱硫器2全体における平均温度は254℃であり、脱硫器2における温度分布のムラが小さい。   Further, in the case of the configuration of the fuel cell system provided with the preheating unit 4, the temperature of the raw material outlet in the desulfurizer 2 is 245 ° C, the minimum temperature on the upper surface of the desulfurizer 2 is 252 ° C, and the maximum temperature is 256 ° C. . Further, the average temperature in the entire desulfurizer 2 is 254 ° C., and the temperature distribution in the desulfurizer 2 is less uneven.

これに対して、予熱部4を設けなかった燃料電池システムの構成の場合、脱硫器2における原料の流出口の温度が253℃、脱硫器2の上面における最低温度が231℃、最高温度が260℃となっている。さらに脱硫器2全体における平均温度は255℃であり、脱硫器2における温度分布のムラが、明らかに予熱部4を設けた構成よりも大きくなっていることがわかる。   On the other hand, in the case of the configuration of the fuel cell system in which the preheating unit 4 is not provided, the temperature of the raw material outlet in the desulfurizer 2 is 253 ° C., the minimum temperature on the upper surface of the desulfurizer 2 is 231 ° C., and the maximum temperature is 260. It is ℃. Furthermore, the average temperature in the desulfurizer 2 as a whole is 255 ° C., and it can be seen that the uneven temperature distribution in the desulfurizer 2 is clearly larger than that in the configuration in which the preheating unit 4 is provided.

本発明は、炭化水素系の原料を水素リッチなガスへ改質する改質器の前段に設けられ、原料に含まれる硫黄分を脱硫する脱硫器の温度を最適化する必要のある燃料電池システムに有用である。   The present invention provides a fuel cell system that is provided in a preceding stage of a reformer that reforms a hydrocarbon-based raw material into a hydrogen-rich gas and that needs to optimize the temperature of the desulfurizer that desulfurizes sulfur contained in the raw material. Useful for.

1 燃料電池
2 脱硫器
3 脱硫器加熱部
4 予熱部
5 空気熱交換器
6 排気ガス導入経路
7 排気ガス排出経路
8 原料供給経路
9 改質ガス経路
10 空気経路
11 補助空気熱交換器
14 改質器
15 蒸発器
16 燃焼部
17 減圧部
19 リサイクル経路
30 筐体
31 断熱部
33 昇圧部
50 流通経路
51 排気ガス流入口
52 排気ガス流出口
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 2 Desulfurizer 3 Desulfurizer heating part 4 Preheating part 5 Air heat exchanger 6 Exhaust gas introduction path 7 Exhaust gas discharge path 8 Raw material supply path 9 Reformed gas path 10 Air path 11 Auxiliary air heat exchanger 14 Reformation Ventilator 15 Evaporator 16 Combustion part 17 Decompression part 19 Recycling path 30 Housing 31 Heat insulation part 33 Booster part 50 Distribution path 51 Exhaust gas inlet 52 Exhaust gas outlet

Claims (5)

原料中の硫黄化合物を除去する脱硫器と、
前記脱硫器により硫黄化合物が除去された原料を改質して得られた燃料と、供給された発電用空気とを用いて電気化学反応により発電する燃料電池と、
当該燃料電池システムを流通する排気ガスの有する熱を利用して前記脱硫器を加熱する脱硫器加熱部と、
前記排気ガスを前記脱硫器加熱部に導くための排気ガス導入経路と、
前記排気ガス導入経路を流通する排気ガスの熱を利用して前記脱硫器に供給する原料を予熱する予熱部と、を備える燃料電池システム。
A desulfurizer that removes sulfur compounds in the raw material;
A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction using a fuel obtained by reforming a raw material from which sulfur compounds have been removed by the desulfurizer, and supplied power generation air;
A desulfurizer heating section that heats the desulfurizer using heat of exhaust gas flowing through the fuel cell system;
An exhaust gas introduction path for guiding the exhaust gas to the desulfurizer heating section;
A fuel cell system comprising: a preheating unit that preheats a raw material supplied to the desulfurizer using heat of exhaust gas flowing through the exhaust gas introduction path.
前記原料を前記脱硫器に供給するための原料供給経路を備え、
前記予熱部は、前記排気ガス導入経路内に前記原料供給経路の一部を挿通して形成される請求項1に記載の燃料電池システム。
A raw material supply path for supplying the raw material to the desulfurizer;
The fuel cell system according to claim 1, wherein the preheating unit is formed by inserting a part of the raw material supply path into the exhaust gas introduction path.
前記排気ガス導入経路の途中に設けられ、前記燃料電池に供給する前記発電用空気を前記排気ガスが有する熱を利用して加熱する空気熱交換器を備え、
前記予熱部は、前記排気ガスの流通方向において前記空気熱交換器よりも下流側となる前記排気ガス導入経路内に挿通した前記原料供給経路部分である請求項2に記載の燃料電池システム。
An air heat exchanger that is provided in the middle of the exhaust gas introduction path and heats the power generation air supplied to the fuel cell using heat of the exhaust gas;
3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the preheating portion is the raw material supply path portion that is inserted into the exhaust gas introduction path that is downstream of the air heat exchanger in the flow direction of the exhaust gas.
前記予熱部は、前記脱硫器加熱部内に挿通した前記原料供給経路部分である、請求項1に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the preheating unit is the raw material supply path portion inserted into the desulfurizer heating unit. 前記原料供給経路は、前記予熱部として、前記脱硫器加熱部内において水平方向に屈曲させた配管形状部分を有する、請求項4に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 4, wherein the raw material supply path has a pipe-shaped portion bent in a horizontal direction in the desulfurizer heating section as the preheating section.
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