JP2015187981A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べ、水添脱硫器の温度制御を容易にし得るとともに、水添脱硫器の昇温時間及び温度ムラを低減し得る燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１００は、原料ガス中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器３と、水添脱硫器３に流入する前の原料ガスを加熱する原料ガス加熱部２と、水添脱硫器３を通過した原料ガスを用いて改質ガスを生成する改質器５と、改質器５からの改質ガスを燃料として発電する燃料電池７と、燃料電池７で未利用の燃料を燃焼する燃焼器８と、燃焼器８で生成した排ガスが流通する排ガス経路９と、排ガス経路９の一部に設けられ、原料ガス加熱部２及び水添脱硫器３を収容する収容器１０と、を備え、収容器１０を流通する排ガスと原料ガス加熱部２及び水添脱硫器３とが熱交換する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

原料ガスとして炭化水素を用いる燃料電池システムでは、原料ガスの改質反応が行われる。この改質反応を促進するために改質触媒を用いるが、原料ガス中には付臭剤として、例えば、硫黄化合物が含まれており、硫黄化合物によって改質触媒が劣化する恐れがある。そこで、改質触媒の劣化を抑制するために、原料ガス中の硫黄化合物を除去する脱硫装置が利用されている。

この脱硫装置として、従来、吸着脱硫器及び水添脱硫器が用いられている。特に、水添脱硫器は、硫黄化合物を吸着されやすい硫化水素に転化して、この硫化水素を吸着剤に吸着し除去するもので、吸着脱硫器に比べ、吸着容量が大きいという長所がある。

例えば、特許文献１では、水素添加が行われた原料ガスを、内部筐体からの熱の伝播で約１５０℃−４００℃程度に加熱した水添脱硫器内に通過させ、これにより、原料ガス中の硫黄化合物を水添反応で除去する例が記載されている。

また、特許文献２では、水添脱硫器外に、燃焼排ガスが流通する脱硫器加熱部を設け、水添脱硫器を加熱するとともに、水添脱硫器に流入する原料ガスと、水添脱硫器から流出する原料ガスと、が熱交換する例が記載されている。これにより、水添脱硫器に流入する原料ガスを予め予熱でき、水添脱硫器の水添脱硫剤を適切な温度に維持できる。

また、特許文献３では、水添脱硫器がジャケットに内包されており、このジャケット内に燃焼排ガスが流通する例が記載されている。

特開２０１１−２１６３０８号公報 特開２０１３−２２９１２０号公報 特開２０１０−２７２３３３号公報

しかし、従来例は、水添脱硫器の温度制御の容易化について十分に検討されていない。また、水添脱硫器の昇温時間及び温度ムラの低減についても十分に検討されていない。

本発明の一態様（aspect）は、このような事情を鑑みてなされたものであり、従来に比べ、水添脱硫器の温度制御を容易にし得るとともに、水添脱硫器の昇温時間及び温度ムラを低減し得る燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の一態様の燃料電池システムは、原料ガス中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、前記水添脱硫器に流入する前の原料ガスを加熱する原料ガス加熱部と、前記水添脱硫器を通過した原料ガスを用いて改質ガスを生成する改質器と、前記改質器からの改質ガスを燃料として発電する燃料電池と、前記燃料電池で未利用の燃料を燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で生成した排ガスが流通する排ガス経路と、前記排ガス経路の一部に設けられ、前記原料ガス加熱部及び前記水添脱硫器を収容する収容器と、を備え、前記収容器を流通する排ガスと前記原料ガス加熱部及び前記水添脱硫器とが熱交換する。

本発明の一態様の燃料電池システムは、以上に説明したように構成されており、従来に比べ、水添脱硫器の温度制御を容易にし得るとともに、水添脱硫器の昇温時間及び温度ムラを低減し得る。

図１は、実施形態１の燃料電池システムの一例を示した図である。 図２は、実施形態１の実施例１の燃料電池システムに用いる収容器の一例を示した図である。 図３は、実施形態２の燃料電池システムの一例を示した図である。 図４は、実施形態４の燃料電池システムの一例を示した図である。 図５は、実施形態５の燃料電池システムの一例を示した図である。 図６は、実施形態６の燃料電池システムの一例を示した図である。 図７は、実施形態６の変形例の燃料電池システムの一例を示した図である。 図８は、実施形態７の燃料電池システムの一例を示した図である。 図９は、実施形態８の燃料電池システムの一例を示した図である。 図１０は、実施形態９の燃料電池システムの一例を示した図である。 図１１は、実施形態１０の燃料電池システムの一例を示した図である。 図１２は、実施形態１１の燃料電池システムの一例を示した図である。

（実施形態１）
本発明者等は、水添脱硫器の温度制御の容易化、及び、水添脱硫器の昇温時間及び温度ムラの低減について鋭意検討し、以下の知見を得た。

特許文献１では、内部筺体からの熱の伝播により、水添脱硫器の温度制御を行っているので、水添脱硫器の過昇温等の不都合を未然に防ぐことが難しい。

特許文献２では、水添脱硫器と脱硫器加熱部と、が別個に設けられているため、水添脱硫器の昇温速度が遅く、温度ムラが生じやすい。また、水添脱硫器に流入する原料ガスを、水添脱硫器から流出した原料ガスで熱交換する構成では、水添脱硫器の水添反応に適した温度（例えば、２００℃以上）に原料ガスを昇温するには加熱量が不足する。

特許文献３では、低温の原料ガスが水添脱硫器に流入する可能性が高いので、水添脱硫器の温度ムラが生じやすい。

そこで、本実施形態の燃料電池システムは、原料ガス中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、水添脱硫器に流入する前の原料ガスを加熱する原料ガス加熱部と、水添脱硫器を通過した原料ガスを用いて改質ガスを生成する改質器と、改質器からの改質ガスを燃料として発電する燃料電池と、燃料電池で未利用の燃料を燃焼する燃焼器と、燃焼器で生成した排ガスが流通する排ガス経路と、排ガス経路の一部に設けられ、原料ガス加熱部及び水添脱硫器を収容する収容器と、を備え、収容器を流通する排ガスと原料ガス加熱部及び水添脱硫器とが熱交換する。

かかる構成により、従来に比べ、水添脱硫器の温度制御を容易にし得るとともに、水添脱硫器の昇温時間及び温度ムラを低減し得る。例えば、排ガスの熱で水添脱硫器を直接加
熱できるので、水添脱硫器の昇温時間及び温度ムラを低減できる。また、排ガスの熱で、水添脱硫器に流入する前の原料ガスを直接加熱できるので、水添脱硫器に流入する前の原料ガスを適温に昇温するのに十分な加熱量を確保できる。

［装置構成］
図１は、実施形態１の燃料電池システムの一例を示した図である。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、原料ガス加熱部２と、水添脱硫器３と、改質器５と、燃料電池７、燃焼器８と、排ガス経路９と、収容器１０と、を備える。

水添脱硫器３は、原料ガス中の硫黄化合物を除去する。水添脱硫器３は、容器に水添脱硫剤が充填される。水添脱硫剤として、例えば、銅及び亜鉛を含む水添触媒を用いることができる。水添脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、Ｎｉ−Ｍｏ系又はＣｏ−Ｍｏ系触媒と酸化亜鉛系触媒との組み合わせた触媒でもよい。水添脱硫剤が銅及び亜鉛を含む場合、水添脱硫器３は約１５０℃−３５０℃が適温の動作範囲となる。

改質器５は、水添脱硫器３を通過した原料ガスを用いて改質ガスを生成する。具体的には、改質器５において、原料ガスが改質反応して、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改質反応等が挙げられる。但し、燃料電池システムの高効率など動作を実現するには、部分酸化反応だけでなく、水蒸気改質反応も行える仕様にしておくとよい。改質反応が水蒸気改質反応であれば、水蒸気を生成する蒸発器、及び蒸発器に水を供給する水供給器等を設けるとよい。また、水蒸気改質反応は、部分酸化改質反応よりも、同量の原料ガスから生成できる水素量がより多くなるため、効率に優れるが、吸熱反応であるため、熱量を補う必要がある。そこで、かかる熱量として、燃焼器８からの輻射熱などを利用するとよい。なお、原料ガスは、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含むガスである。改質器５の改質触媒としては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）の球体表面にＮｉを含浸し、担持した触媒、又はＡｌ_２Ｏ_３の球体表面にルテニウムを付与した触媒等を用いることができる。なお、改質器５で生成された改質ガスは、改質ガス経路を経て燃料電池７に供給される。

燃料電池７は、改質器５からの改質ガスを燃料として発電する。具体的には、改質器５からの改質ガスと外部からの空気とを利用して燃料電池７が発電反応により発電する。燃料電池７は、いずれの種類の燃料電池であってもよい。燃料電池７として、例えば、高分子電解質形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、及び溶融炭酸塩形燃料電池等を例示できる。燃料電池７が高温（例えば、６００℃以上）で発電する場合には、固体酸化物形燃料電池及び溶融炭酸塩形燃料電池がより好適に用いることができる。なお、燃料電池の電極での原料ガスの内部改質のみで燃料電池が発電することも可能であるが、燃料電池の耐久性を鑑みれば改質器を設置した方がよい。そこで、以下、燃料電池７として固体酸化物形燃料電池を用い、改質器を設置したシステム構成について説明する。

燃焼器８は、燃料電池７で未利用の燃料を燃焼する。燃焼器８は、燃料電池７で未利用の燃料を燃焼できれば、どのような構成であっても構わない。燃焼器８として、例えば、燃焼バーナを例示できる。燃焼器８の燃料は、例えば、燃料電池７より排出されるアノードオフガスを例示できる。

排ガス経路９は、燃焼器８で生成した排ガスが流通する。そして、収容器１０は、排ガス経路９の一部に設けられ、原料ガス加熱部２及び水添脱硫器３を収容する。つまり、収
容器１０は、排ガス入口と排ガス出口とを備え、収容器１０内に排ガスを流通するようにして、排ガス経路９の一部を形成している。本実施形態では、図１に示す如く、収容器１０内の排ガス出口の近傍に水添脱硫器３が配され、収容器１０内の排ガス入口の近傍に原料ガス加熱部２が配されている。

原料ガス加熱部２は、水添脱硫器３に流入する前の原料ガスを加熱する。具体的には、収容器１０を流通する排ガスと原料ガス加熱部２及び水添脱硫器３とが熱交換する。これにより、原料ガス加熱部２で水添脱硫器３に流入する前の原料ガスが、排ガスとの熱交換で加熱される。そして、原料ガス加熱の後に、原料ガスが水添脱硫器３に流入する。また、水添脱硫器３の水添脱硫剤が、排ガスとの熱交換で加熱される。

以上により、従来に比べ、水添脱硫器３の温度制御を容易にし得るとともに、水添脱硫器３の昇温時間及び温度ムラを低減し得る。例えば、排ガスの熱で水添脱硫器３を直接加熱できるので、水添脱硫器３の昇温時間及び温度ムラを低減できる。また、排ガスの熱で、水添脱硫器３に流入する前の原料ガスを直接加熱できるので、水添脱硫器３に流入する前の原料ガスを適温に加熱するのに十分な加熱量を確保できる。よって、例えば、従来例では、原料ガスが十分に加熱を行われずに水添脱硫器３に流入する場合、水添脱硫器３に低温部が生じて、水添脱硫器３の性能が低下する可能性があるが、本実施形態では、このような可能性を低減できる。

（実施例１）
本実施例の燃料電池システムは、実施形態１の燃料電池システムにおいて、原料ガス加熱部は、原料ガスが流れる原料ガス配管を備え、排ガスは、原料ガス配管と水添脱硫器との間を流通している。

かかる構成により、収容器を流通する排ガスと原料ガス配管及び水添脱硫器との熱交換を適切に行うことができる。

本実施例の燃料電池システムは、上記の点以外は、実施形態１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２は、実施形態１の実施例１の燃料電池システムに用いる収容器の一例を示した図である。

図２に示すように、収容器１０内の原料ガス加熱部２は、原料ガスが流れる原料ガス配管１を備える。そして、排ガスは、原料ガス配管１と水添脱硫器３との間を流通している。これにより、収容器１０を流通する排ガスと原料ガス配管１及び水添脱硫器３との熱交換を適切に行うことができる。

（実施例２）
本実施例の燃料電池システムは、実施形態１又は実施形態１の実施例１の燃料電池システムにおいて、収容器の排ガスは、原料ガス加熱部の原料ガスと熱交換した後に、水添脱硫器と熱交換する。

かかる構成により、高温状態にある排ガスで、水添脱硫器に流入する前の原料ガスを十分に昇温できる。

本実施例の燃料電池システムは、上記の点以外は、実施形態１又は実施形態１の実施例１の燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
本実施例の燃料電池システム１００は、図１と同様の構成であり、原料ガス加熱部２と、水添脱硫器３と、改質器５と、燃料電池７、燃焼器８と、排ガス経路９と、収容器１０と、を備える。構成については実施形態１と同様であるので説明を省略する。

図１に示すように、本実施例では、まず、収容器１０の排ガスは、原料ガス加熱部２の原料ガスと熱交換する。その後に、排ガスは、水添脱硫器３と熱交換する。

かかる構成により、高温状態にある排ガスで、水添脱硫器３に流入する前の原料ガスを十分に昇温できる。

（実施形態２）
本実施形態の燃料電池システムは、実施形態１及び実施形態１の実施例１−実施例２のいずれかの燃料電池システムにおいて、収容器は、原料ガス加熱部と水添脱硫器との間に配置されている少なくとも１以上の仕切り部材を備え、排ガスは、仕切り部材の端部で折り返すように流通している。

かかる構成により、収容器に、仕切り部材を設けない場合に比べ、排ガスを仕切り部材に沿うように導き得るので、原料ガス加熱部の原料ガスと収容器を流通する排ガスとの熱交換が容易となり、水添脱硫器に流入する前の原料ガスを昇温しやすくなる。

本実施形態の燃料電池システムは、上記の点以外は、実施形態１及び実施形態１の実施例１−実施例２のいずれかの燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
図３は、実施形態２の燃料電池システムの一例を示した図である。

図３に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、原料ガス加熱部２と、水添脱硫器３と、改質器５と、燃料電池７、燃焼器８と、排ガス経路９と、収容器１０と、仕切り部材１１と、を備える。原料ガス加熱部２、水添脱硫器３、改質器５、燃料電池７、燃焼器８、排ガス経路９及び収容器１０については実施形態１と同様であるので説明を省略する。

仕切り部材１１は、原料ガス加熱部２と水添脱硫器３との間に配置されている。そして、排ガスは、仕切り部材１１の端部で折り返すように流通している。本実施形態では、図３に示すように、板状の仕切り部材１１の上端部が、収容器１０の内壁面に溶接され、仕切り部材１１の下端部の端面と収容器１０の内壁面との間に、排ガスの通路が形成されている。

以上により、収容器１０に、仕切り部材１１を設けない場合に比べ、排ガスを仕切り部材１１に沿うように導き得るので、原料ガス加熱部２の原料ガスと収容器１０を流通する排ガスとの熱交換が容易となり、水添脱硫器３に流入する前の原料ガスを昇温しやすくなる。

（実施形態３）
本実施形態の燃料電池システムは、実施形態１、実施形態１の実施例１−実施例２及び実施形態２のいずれかの燃料電池システムにおいて、収容器の排ガスの流れと原料ガス加熱部の原料ガスの流れとが、少なくとも一度は、略対向している。

かかる構成によると、直交流及び並行流に比べ、対向流の方が熱交換の伝熱性能が高いので、水添脱硫器に流入する前の原料ガスを昇温しやすくなる。

本実施形態の燃料電池システムは、上記の点以外は、実施形態１、実施形態１の実施例１−実施例２及び実施形態２のいずれかの燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
本実施形態の燃料電池システム１００は、図１と同様の構成であり、原料ガス加熱部２と、水添脱硫器３と、改質器５と、燃料電池７、燃焼器８と、排ガス経路９と、収容器１０と、を備える。構成については実施形態１と同様であるので説明を省略する。

図１に示すように、本実施形態では、原料ガス加熱部２において、収容器１０の排ガスは、上から下に流通し、原料ガスは、下から上に流通している。よって、収容器１０の排ガスの流れと原料ガス加熱部２の原料ガスの流れとが、略対向している。

これにより、直交流及び並行流に比べ、対向流の方が熱交換の伝熱性能が高いので、水添脱硫器３に流入する前の原料ガスを昇温しやすくなる。例えば、原料ガスの流量に対して、原料ガス加熱部２の原料ガスの流れ方向の距離が十分に取れない場合に、水添脱硫器３に流入する前の原料ガスを十分に昇温できない可能性があるが、本実施形態では、このような可能性を低減できる。

（実施形態４）
本実施形態の燃料電池システムは、実施形態１、実施形態１の実施例１−実施例２及び実施形態２のいずれかの燃料電池システムにおいて、収容器の排ガスの流れと原料ガス加熱部の原料ガスの流れとが、少なくとも一度は、略対向及び略並行にしている。

かかる構成によると、原料ガスの流量に対して、原料ガス加熱部の原料ガスの流れ方向の距離が十分に取れない場合に、水添脱硫器に流入する前の原料ガスを十分に昇温できない可能性があるが、本実施形態では、このような可能性を低減できる。

本実施形態の燃料電池システムは、上記の点以外は、実施形態１、実施形態１の実施例１−実施例２及び実施形態２のいずれかの燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
図４は、実施形態４の燃料電池システムの一例を示した図である。

図４に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、原料ガス加熱部２Ａと、水添脱硫器３と、改質器５と、燃料電池７、燃焼器８と、排ガス経路９と、収容器１０と、を備える。水添脱硫器３、改質器５、燃料電池７、燃焼器８、排ガス経路９及び収容器１０については実施形態１と同様であるので説明を省略する。

本実施形態では、原料ガス加熱部２Ａにおいて、原料ガス加熱部２Ａの原料ガス経路が、図４に示す如く、収容器１０内の上方部と下方部で折り返す蛇行流路（サーペンタイン状の流路）となるように形成され、水添脱硫器３に接続している。

また、図４に示すように、本実施形態では、原料ガス加熱部２において、収容器１０の排ガスは、上から下に流通し、原料ガスは、下から上に流通した後、上から下に流通している。よって、収容器１０の排ガスの流れと原料ガス加熱部２Ａの原料ガスの流れとが、略対向及び略並行にしている。

これにより、原料ガスの流量に対して、原料ガス加熱部２Ａの原料ガスの流れ方向の距離が十分に取れない場合に、水添脱硫器３に流入する前の原料ガスを十分に昇温できない可能性があるが、本実施形態では、このような可能性を低減できる。つまり、直交流及び並行流に比べ、対向流の方が熱交換の伝熱性能が高いので、水添脱硫器３に流入する前の原料ガスを昇温しやすくなる。また、原料ガス加熱部２Ａを原料ガスの流れ方向に長くせずに、原料ガスの熱交換の伝熱面積を十分に確保できるので、水添脱硫器３に流入する前の原料ガスを昇温しやすくなる。

（実施形態５）
本実施形態の燃料電池システムは、実施形態１、実施形態１の実施例１−実施例２及び実施形態２−実施形態４のいずれかの燃料電池システムにおいて、水添脱硫器の原料ガスは、略鉛直方向に流通している。

水添脱硫器の水添脱硫剤がペレット状の場合は、熱負荷の影響で水添脱流剤が紛体になることがある。この場合、水添脱硫器を横置きにすると、重力の作用により水添脱硫剤の紛体が水添脱硫器の下方に集まるので、原料ガスの流れが不均一になる可能性がある。しかし、上記の如く、水添脱硫器の原料ガスを略鉛直方向に流通させることで、このような可能性を低減できる。

本実施形態の燃料電池システムは、上記の点以外は、実施形態１、実施形態１の実施例１−実施例２及び実施形態２−実施形態４のいずれかの燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
図５は、実施形態５の燃料電池システムの一例を示した図である。図５において、重量は、「上」から「下」に作用するものとする。

本実施形態の燃料電池システム１００は、図１と同様の構成であり、原料ガス加熱部２と、水添脱硫器３と、改質器５と、燃料電池７、燃焼器８と、排ガス経路９と、収容器１０と、を備える。構成については実施形態１と同様であるので説明を省略する。

図５に示すように、本実施形態では、水添脱硫器３の原料ガスは、略鉛直方向２００に流通している。つまり、原料ガスは、図５の如く水添脱硫器３内を上から下に流通してもいいし、図示を省略するが、下から上に流通してもいい。これは以下の理由による。

水添脱硫器３の水添脱硫剤がペレット状の場合は、熱負荷の影響で水添脱流剤が紛体になることがある。この場合、水添脱硫器を横置きにすると、重力の作用により水添脱硫剤の紛体が水添脱硫器の下方に集まるので、原料ガスの流れが不均一になる可能性がある。しかし、上記の如く、水添脱硫器３の原料ガスを略鉛直方向２００に流通させることで、このような可能性を低減できる。

（実施形態６）
本実施形態の燃料電池システムは、実施形態１、実施形態１の実施例１−実施例２及び実施形態２−実施形態５のいずれかの燃料電池システムにおいて、水添脱硫器は、複数の水添脱硫部と、隣り合う水添脱硫部を連結する連結部を備え、原料ガスは、連結部で折り返すように流通している。

かかる構成によると、原料ガスの流れ方向の上流側の水添脱硫部を通過した原料ガスを連結部で混合できる。よって、上流側の水添脱硫部で未脱硫の原料ガスが下流側の水添脱硫部を通過する際に、未脱硫の原料ガスが脱硫されやすくなる。

本実施形態の燃料電池システムは、上記の点以外は、実施形態１、実施形態１の実施例１−実施例２及び実施形態２−実施形態５のいずれかの燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
図６は、実施形態６の燃料電池システムの一例を示した図である。

図６に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、原料ガス加熱部２と、水添脱硫部３Ａ、水添脱硫部３Ｂと、連結部１２と、改質器５と、燃料電池７、燃焼器８と、排ガス経路９と、収容器１０と、を備える。原料ガス加熱部２、改質器５、燃料電池７、燃焼器８、排ガス経路９及び収容器１０については実施形態１と同様であるので説明を省略する。

水添脱硫器は、複数の水添脱硫部３Ａ、３Ｂと、隣り合う水添脱硫部３Ａ、３Ｂを連結する連結部１２を備える。そして、原料ガスは、連結部１２で折り返すように流通している。

連結部１２は、隣り合う水添脱硫部３Ａ、３Ｂを連結できれば、どのような構成であっても構わない。連結部１２として、例えば、パイプを例示できる。

以上により、原料ガスの流れ方向の上流側の水添脱硫部３Ａを通過した原料ガスを連結部１２で混合できる。よって、上流側の水添脱硫部３Ａで未脱硫の原料ガスが下流側の水添脱硫部３Ｂを通過する際に、未脱硫の原料ガスが脱硫されやすくなる。

（変形例）
本変形例の燃料電池システムは、実施形態６の燃料電池システムにおいて、収容器は、隣り合う水添脱硫部の間に配置されている少なくとも１以上の仕切り部材を備え、排ガスは、仕切り部材の端部で折り返すように流通している。

かかる構成により、収容器に、仕切り部材を設けない場合に比べ、排ガスを仕切り部材に沿うように導き得るので、原料ガス加熱部の原料ガスと収容器を流通する排ガスとの熱交換が容易となり、水添脱硫部に流入する前の原料ガスを昇温しやすくなる。

本変形例の燃料電池システムは、上記の点以外は、実施形態６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、実施形態６の変形例の燃料電池システムの一例を示した図である。

図７に示すように、本変形例の燃料電池システム１００は、原料ガス加熱部２と、水添脱硫部３Ａ、水添脱硫部３Ｂと、連結部１２と、改質器５と、燃料電池７、燃焼器８と、排ガス経路９と、収容器１０と、仕切り部材１１と、を備える。原料ガス加熱部２、水添脱硫部３Ａ、水添脱硫部３Ｂ、改質器５、燃料電池７、燃焼器８、排ガス経路９及び収容器１０については実施形態６と同様であるので説明を省略する。

仕切り部材１１は、隣り合う水添脱硫部３Ａ、３Ｂの間に配置されている。そして、排ガスは、仕切り部材１１の端部で折り返すように流通している。本実施形態では、図３に示すように、板状の仕切り部材１１の上端部が、収容器１０の内壁面に溶接され、仕切り部材１１の下端部の端面と収容器１０の内壁面との間に、排ガスの通路が形成されている。また、連結部１２は、仕切り部材１１の下端部を貫通するように設けられている。

以上により、収容器１０に、仕切り部材１１を設けない場合に比べ、排ガスを仕切り部材に沿うように導き得るので、原料ガス加熱部２と収容器１０を流通する排ガスとの熱交換が容易となり、水添脱硫部３Ａに流入する前の原料ガスを昇温しやすくなる。

ここで、原料ガス加熱部２と水添脱硫部３Ａとの間に、他の仕切り部材（図示せず）を更に追加しても構わない。なお、この場合、原料ガス加熱部２と水添脱硫部３Ａとの間の仕切り部材の上端部を収容器１０の内壁面に溶接し、本仕切り部材の下端部の端面と収容器１０の内壁面との間に、排ガスの通路を形成するとよい。一方、隣り合う水添脱硫部３Ａ、３Ｂの間の仕切り部材（図示せず）の下端部を収容器１０の内壁面に溶接し、本仕切り部材の上端部の端面と収容器１０の内壁面との間に、排ガスの通路を形成するとよい。つまり、これらの仕切り部材は、上下方向において、互い違いに配置するとよい。

（実施形態７）
本実施形態の燃料電池システムは、実施形態１、実施形態１の実施例１−実施例２、実施形態２−実施形態６及び実施形態６の変形例のいずれかの燃料電池システムにおいて、水添脱硫器の壁部の熱通過率は、排ガス経路の上流よりも下流が大きい。

かかる構成によると、排ガス経路に対して水添脱硫器の下流側壁部の熱通過率を上流側壁部の熱通過率よりも大きくしているので、水添脱硫器の下流側部分であっても、上流側部分と同等の伝熱量を得ることができる。よって、水添脱硫器の下流側部分の温度低下を抑制できる。また、水添脱硫器の温度ムラも抑制できる。

本実施形態の燃料電池システムは、上記の点以外は、実施形態１、実施形態１の実施例１−実施例２、実施形態２−実施形態６及び実施形態６の変形例のいずれかの燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
図８は、実施形態７の燃料電池システムの一例を示した図である。

図８に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、原料ガス加熱部２と、水添脱硫器３と、改質器５と、燃料電池７、燃焼器８と、排ガス経路９と、収容器１０と、伝熱促進部材２０と、を備える。原料ガス加熱部２、水添脱硫器３、改質器５、燃料電池７、燃焼器８、排ガス経路９及び収容器１０については実施形態１と同様であるので説明を省略する。

伝熱促進部材２０は、水添脱硫器３の壁部の周囲に配されており、水添脱硫器３の壁部の熱通過率を大きくする機能を備える。具体的には、図８に示す如く、水添脱硫器３の壁部と収容器１０の内壁とで形成される排ガス経路に、伝熱促進部材２０が置かれている。

伝熱促進部材２０は、水添脱硫器３の壁部の熱通過率を大きくするができれば、どのような構成であっても構わない。伝熱促進部材２０として、例えば、金属製のワイヤーメッシュを例示できる。そして、本実施形態では、ワイヤーメッシュの充填量は、排ガス経路に対して水添脱硫器３の下流側に行く程、多くになるように、本ワイヤーメッシュを水添脱硫器３の壁部の周囲に設けている。これは以下の理由による。

収容器１０を流通する排ガスの温度は、排ガス経路に対して下流側の方が上流側よりも低い。

ここで、排ガスからの伝熱量Ｑ（水添脱硫器３に伝わる伝熱量）は、以下の式（１）で表すことができる。

Ｑ＝Ｋ・Ａ・（Ｔｆ―ＴＷ）・・・（１）
なお、式（１）において、Ｋは、熱通過率［Ｗ／ｍ^２・Ｋ］、Ａは、伝熱面積［ｍ^２］、Ｔｆは、排ガスの温度［℃］、ＴＷは、水添脱硫器３の壁部の外壁面の温度である。式（１）から理解できるとおり、排ガスの温度Ｔｆが低下すると、伝熱量Ｑが低下する。よって、水添脱硫器３の下流側部分の温度は、上流側部分の温度に比べ低い。すると、水添脱硫器３の温度ムラが生じる。

そこで、本実施形態では、上記のとおり、伝熱促進部材２０の機能により、排ガス経路に対して水添脱硫器３の下流側壁部の熱通過率Ｋを上流側壁部の熱通過率Ｋよりも大きくしている。

これにより、水添脱硫器３の下流側部分であっても、上流側部分と同等の伝熱量Ｑを得ることができる。よって、水添脱硫器３の下流側部分の温度低下を抑制できる。また、水添脱硫器３の温度ムラも抑制できる。

（実施形態８）
本実施形態の燃料電池システムは、実施形態１、実施形態１の実施例１−実施例２、実施形態２−実施形態６、実施形態６の変形例及び実施形態７のいずれかの燃料電池システムにおいて、原料ガス加熱部を加熱する加熱器を備え、加熱器は、ＯＮ及びＯＦＦの制御が可能である。

かかる構成によると、例えば、燃料電池の起動時に、水添脱硫器を短時間に適温まで昇温するのに、排ガスとの熱交換による原料ガス加熱部の加熱において加熱能力不足が生じる可能性があるが、上記の加熱器をＯＮにすることで、このような可能性を低減できる。また、水添脱硫器が適温まで昇温した後には、上記の加熱器をＯＦＦにすることで、消費電力を削減できる。

本実施形態の燃料電池システムは、上記の点以外は、実施形態１、実施形態１の実施例１−実施例２、実施形態２−実施形態６、実施形態６の変形例及び実施形態７のいずれかの燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
図９は、実施形態８の燃料電池システムの一例を示した図である。

図９に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、原料ガス加熱部２と、水添脱硫器３と、改質器５と、燃料電池７、燃焼器８と、排ガス経路９と、収容器１０と、加熱器３０と、を備える。原料ガス加熱部２、水添脱硫器３、改質器５、燃料電池７、燃焼器８、排ガス経路９及び収容器１０については実施形態１と同様であるので説明を省略する。

加熱器３０は、原料ガス加熱部２を加熱する。そして、加熱器３０は、ＯＮ及びＯＦＦの制御が可能である。加熱器３０は、原料ガス加熱部２を加熱でき、かつＯＮ及びＯＦＦの制御が可能であれば、どのような構成であっても構わない。加熱器３０として、例えば、図９に示すように、原料ガスが流れる原料ガス配管の表面に配されたヒータを例示できる。

以上により、例えば、燃料電池７の起動時に、水添脱硫器３を短時間に適温まで昇温
するのに、排ガスとの熱交換による原料ガス加熱部２の加熱において加熱能力不足が生じる可能性があるが、上記の加熱器３０をＯＮにすることで、このような可能性を低減できる。また、水添脱硫器３が適温まで昇温した後には、上記の加熱器３０をＯＦＦにすることで、消費電力を削減できる。

（実施形態９）
本実施形態の燃料電池システムは、実施形態１、実施形態１の実施例１−実施例２、実施形態２−実施形態６、実施形態６の変形例及び実施形態７のいずれかの燃料電池システムにおいて、水添脱硫器を加熱する加熱器を備え、加熱器は、ＯＮ及びＯＦＦの制御が可能である。

かかる構成によると、例えば、燃料電池の起動時に、水添脱硫器を短時間に適温まで昇温するのに、排ガスの熱交換による水添脱硫器の加熱において加熱能力不足が生じる可能性があるが、上記の加熱器をＯＮにすることで、このような可能性を低減できる。また、水添脱硫器が適温まで昇温した後には、上記の加熱器をＯＦＦにすることで、消費電力を削減できる。

本実施形態の燃料電池システムは、上記の点以外は、実施形態１、実施形態１の実施例１−実施例２、実施形態２−実施形態６、実施形態６の変形例及び実施形態７のいずれかの燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
図１０は、実施形態９の燃料電池システムの一例を示した図である。

図１０に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、原料ガス加熱部２と、水添脱硫器３と、改質器５と、燃料電池７、燃焼器８と、排ガス経路９と、収容器１０と、加熱器４０と、を備える。原料ガス加熱部２、水添脱硫器３、改質器５、燃料電池７、燃焼器８、排ガス経路９及び収容器１０については実施形態１と同様であるので説明を省略する。

加熱器４０は、水添脱硫器３を加熱する。そして、加熱器４０は、ＯＮ及びＯＦＦの制御が可能である。加熱器４０は、水添脱硫器３を加熱でき、かつＯＮ及びＯＦＦの制御が可能であれば、どのような構成であっても構わない。加熱器４０として、例えば、図１０に示すように、水添脱硫器３の壁部の外表面に配されたヒータを例示できる。

以上により、例えば、燃料電池７の起動時に、水添脱硫器３を短時間に適温まで昇温するのに、排ガスとの熱交換による水添脱硫器３の加熱において加熱能力不足が生じる可能性があるが、上記の加熱器４０をＯＮにすることで、このような可能性を低減できる。また、水添脱硫器３が適温まで昇温した後には、上記の加熱器４０をＯＦＦにすることで、消費電力を削減できる。

（実施形態１０）
本実施形態の燃料電池システムは、実施形態１、実施形態１の実施例１−実施例２、実施形態２−実施形態６、実施形態６の変形例及び実施形態７−実施形態９のいずれかの燃料電池システムにおいて、改質器、燃料電池及び燃焼器を収容する内部筺体と、内部筺体外に設けられた断熱部材と、断熱部材外に設けられた外部筺体と、を備え、原料ガスは、内部筺体内を経てから、外部筺体が設置されている方向に流通した後に、原料ガス加熱部へと流通する。

かかる構成によると、原料ガス加熱部による原料ガスの加熱能力が不足している場合、
原料ガスが高温の内部筺体内を経ることで、加熱量を補うことができる。また、内部筐体での加熱で原料ガスが昇温し過ぎた場合であっても、原料ガス加熱部において、原料ガスと収容器に流通する排ガスとが熱交換できるので、水添脱硫器に流入する原料ガスを排ガスにより適温まで冷却できる。よって、いずれの場合でも適温の原料ガスを水添脱硫器へと供給できる。

本実施形態の燃料電池システムは、上記の点以外は、実施形態１、実施形態１の実施例１−実施例２、実施形態２−実施形態６、実施形態６の変形例及び実施形態７−実施形態９のいずれかの燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
図１１は、実施形態１０の燃料電池システムの一例を示した図である。

図１１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、原料ガス加熱部２と、水添脱硫器３と、改質器５と、燃料電池７、燃焼器８と、排ガス経路９と、収容器１０と、内部筐体５０と、断熱部材５１と、外部筐体５２と、を備える。原料ガス加熱部２、水添脱硫器３、改質器５、燃料電池７、燃焼器８、排ガス経路９及び収容器１０については実施形態１と同様であるので説明を省略する。

内部筐体５０は、改質器５、燃料電池７及び燃焼器８を収容する。断熱部材５１は、内部筺体５０外に設けられる。外部筐体５２は、断熱部材５１外に設けられる。このように、燃料電池システム１００では、改質器５と燃料電池７とが１つの内部筺体５０（ホットモジュール）に収容された構成を取る場合がある。

このとき、図１１に示すように、原料ガスは、内部筺体５０内を経てから、外部筺体５２が設置されている方向に流通した後に、原料ガス加熱部２へと流通する。なお、本実施形態では、原料ガスは、内部筺体５０内から、断熱部材５１を通過して、外部筐体５２外へと流通した後、原料ガス加熱部２に送られている。これにより、原料ガス加熱部２を流通する前の原料ガスが、内部筐体５０の内部で加熱される。

以上により、原料ガス加熱部２による原料ガスの加熱能力が不足している場合、原料ガスが高温の内部筺体５０内を経ることで、加熱量を補うことができる。また、内部筐体５０での加熱で原料ガスが昇温し過ぎた場合であっても、原料ガス加熱部２において、原料ガスと収容器１０に流通する排ガスとが熱交換できるので、水添脱硫器３に流入する原料ガスを排ガスにより適温まで冷却できる。よって、いずれの場合でも適温の原料ガスを水添脱硫器３へと供給できる。

（実施形態１１）
本実施形態の燃料電池システムは、実施形態１、実施形態１の実施例１−実施例２、実施形態２−実施形態６、実施形態６の変形例及び実施形態７−実施形態１０のいずれかの燃料電池システムにおいて、改質器からの改質ガスの一部をリサイクルガスとして、水添脱硫器よりも上流の原料ガスに供給するためのリサイクルガス経路と、原料ガス加熱部に流入する前の原料ガスとリサイクルガスとが熱交換する熱交換器と、を備える。

かかる構成によると、原料ガス加熱部による原料ガスの加熱能力が不足している場合、原料ガス加熱部に流入する前の原料ガスとリサイクルガスとが熱交換することで、加熱量を補うことができる。また、リサイクルガスとの熱交換で原料ガスが昇温し過ぎた場合であっても、原料ガス加熱部において、原料ガスと収容器に流通する排ガスとが熱交換できるので、水添脱硫器に流入する原料ガスを排ガスにより適温まで冷却できる。よって、いずれの場合でも適温の原料ガスを水添脱硫器へと供給できる。

本実施形態の燃料電池システムは、上記の点以外は、実施形態１、実施形態１の実施例１−実施例２、実施形態２−実施形態６、実施形態６の変形例及び実施形態７−実施形態１０のいずれかの燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
図１２は、実施形態１１の燃料電池システムの一例を示した図である。

図１２に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、原料ガス加熱部２と、水添脱硫器３と、改質器５と、燃料電池７、燃焼器８と、排ガス経路９と、収容器１０と、リサイクルガス経路６０と、熱交換器６１と、を備える。原料ガス加熱部２、水添脱硫器３、改質器５、燃料電池７、燃焼器８、排ガス経路９及び収容器１０については実施形態１と同様であるので説明を省略する。

リサイクルガス経路６０は、改質器５からの改質ガスの一部をリサイクルガスとして、水添脱硫器３よりも上流の原料ガスに供給するための流路である。リサイクルガス経路６０の上流端は、改質器５より送出された水素含有する改質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。本実施形態では、図１２に示すように、リサイクルガス経路６０は、改質器５と燃料電池７との間の改質ガス供給経路から分岐し、水添脱硫器３よりも上流の原料ガスが流れる経路に合流する。これにより、水添脱硫器３へと向かう原料ガスに水素を添加でき、その結果、水添脱硫器３は、この水素を利用して原料ガスの水添脱硫を行うことができる。

熱交換器６１は、原料ガス加熱部２に流入する前の原料ガスとリサイクルガスとが熱交換する。

かかる構成によると、原料ガス加熱部２による原料ガスの加熱能力が不足している場合、原料ガス加熱部２に流入する前の原料ガスとリサイクルガスとが熱交換することで、加熱量を補うことができる。また、リサイクルガスとの熱交換で原料ガスが昇温し過ぎた場合であっても、原料ガス加熱部２において、原料ガスと収容器１０に流通する排ガスとが熱交換できるので、水添脱硫器３に流入する原料ガスを排ガスにより適温まで冷却できる。よって、いずれの場合でも適温の原料ガスを水添脱硫器３へと供給できる。

上記発明から、当業者にとって、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、上記発明は、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。

本発明の一態様は、従来に比べ、水添脱硫器の温度制御を容易にし得るとともに、水添脱硫器の昇温時間及び温度ムラを低減し得る。よって、本発明の一態様は、例えば、燃料電池システムに利用できる。

１ 原料ガス配管
２ 原料ガス加熱部
３ 水添脱硫器
５ 改質器
７ 燃料電池
８ 燃焼器
９ 排ガス経路
１０ 収容器
１１ 仕切り部材
１２ 連結部
２０ 伝熱促進部材
３０ 原料ガス加熱部の加熱器
４０ 水添脱硫器の加熱器
５０ 内部筐体
５１ 断熱部材
５２ 外部筐体
６０ リサイクルガス経路
６１ 熱交換器
１００ 燃料電池システム

Claims (14)

1. 原料ガス中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、
   前記水添脱硫器に流入する前の原料ガスを加熱する原料ガス加熱部と、
   前記水添脱硫器を通過した原料ガスを用いて改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質器からの改質ガスを燃料として発電する燃料電池と、
   前記燃料電池で未利用の燃料を燃焼する燃焼器と、
   前記燃焼器で生成した排ガスが流通する排ガス経路と、
   前記排ガス経路の一部に設けられ、前記原料ガス加熱部及び前記水添脱硫器を収容する収容器と、を備え、
   前記収容器を流通する排ガスと前記原料ガス加熱部及び前記水添脱硫器とが熱交換する燃料電池システム。
2. 前記原料ガス加熱部は、前記原料ガスが流れる原料ガス配管を備え、
   前記排ガスは、前記原料ガス配管と前記水添脱硫器との間を流通している請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記収容器の排ガスは、前記原料ガス加熱部の原料ガスと熱交換した後に、前記水添脱硫器と熱交換する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記収容器は、前記原料ガス加熱部と前記水添脱硫器との間に配置されている少なくとも１以上の仕切り部材を備え、
   前記排ガスは、前記仕切り部材の端部で折り返すように流通している請求項１−３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記収容器の排ガスの流れと前記原料ガス加熱部の原料ガスの流れとが、少なくとも一度は、略対向している請求項１−４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記収容器の排ガスの流れと前記原料ガス加熱部の原料ガスの流れとが、少なくとも一度は、略対向及び略並行にしている請求項１−４のいずれかに記載の燃料電池システム。
7. 前記水添脱硫器の原料ガスは、略鉛直方向に流通している請求項１−６のいずれかに記載の燃料電池システム。
8. 前記水添脱硫器は、複数の水添脱硫部と、隣り合う水添脱硫部を連結する連結部を備え、
   前記原料ガスは、前記連結部で折り返すように流通している請求項１−７のいずれかに記載の燃料電池システム。
9. 前記収容器は、前記隣り合う水添脱硫部の間に配置されている少なくとも１以上の仕切り部材を備え、
   前記排ガスは、前記仕切り部材の端部で折り返すように流通している請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記水添脱硫器の壁部の熱通過率は、前記排ガス経路の上流よりも下流が大きい請求項１−９のいずれかに記載の燃料電池システム。
11. 前記原料ガス加熱部を加熱する加熱器を備え、
    前記加熱器は、ＯＮ及びＯＦＦの制御が可能である請求項１−１０のいずれかに記載の燃料電池システム。
12. 前記水添脱硫器を加熱する加熱器を備え、
    前記加熱器は、ＯＮ及びＯＦＦの制御が可能である請求項１−１０のいずれかに記載の燃料電池システム。
13. 前記改質器、前記燃料電池及び前記燃焼器を収容する内部筺体と、
    前記内部筺体外に設けられた断熱部材と、
    前記断熱部材外に設けられた外部筺体と、を備え、
    前記原料ガスは、前記内部筺体内を経てから、前記外部筺体が設置されている方向に流通した後に、前記原料ガス加熱部へと流通する請求項１−１２のいずれかに記載の燃料電池システム。
14. 前記改質器からの改質ガスの一部をリサイクルガスとして、前記水添脱硫器よりも上流の原料ガスに供給するためのリサイクルガス経路と、
    前記原料ガス加熱部に流入する前の原料ガスと前記リサイクルガスとが熱交換する熱交換器と、を備える請求項１−１３のいずれかに記載の燃料電池システム。

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