JP2018041718A

JP2018041718A - 燃料電池モジュール

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Publication number: JP2018041718A
Application number: JP2017102843A
Authority: JP
Inventors: 雄史松野; Yushi Matsuno
Original assignee: Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2017-05-24
Publication date: 2018-03-15
Anticipated expiration: 2037-05-24
Also published as: KR20180025156A; JP6982407B2; DK3291348T3; KR101929801B1

Abstract

【課題】水添脱硫器における脱硫効率の向上が可能な燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】本実施形態に係る燃料電池モジュールは、水添脱硫触媒により燃料ガスを脱硫する水添脱硫器と、脱硫した燃料ガスを用いて水素含有ガスを生成する改質器と、燃料電池セルを積層して構成されるセルスタックであって、水素含有ガスと酸素含有ガスとを用いて発電するセルスタックと、セルスタックで消費されなかった水素含有ガス及び酸素含有ガスの燃焼で生じた排ガスを排出する排ガス流路部と、排ガス流路部との熱交換により酸素含有ガスを予熱する空気予熱流路部であって、水添脱硫器とセルスタックとの間に配置される空気予熱流路部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、燃料電池モジュールに関する。

次世代発電システムとして、水素含有ガスと酸素含有ガスとを用いて発電する燃料電池モジュールが知られている。この燃料電池モジュールには、その収納容器内に固体酸化物燃料電池セルが収納されている。

また、固体酸化物燃料電池セルに供給される水素含有ガスには、一般に流通している天然ガスや石油ガスなどの燃料ガスが使用されている。この燃料ガスに含まれる硫黄成分が改質触媒や固体酸化物燃料電池セルに供給されると、改質触媒や固体酸化物燃料電池セルを劣化させてしまう。そのため、脱硫器で脱硫された燃料ガスを、改質器や固体酸化物形燃料電池セルに供給するようにしている。この脱硫器には、常温脱硫触媒が一般的に用いられている。

脱硫器を小型化するために、常温脱硫触媒よりも体積あたりの脱硫効率が高い水添脱硫触媒が用いられてきている。この水添脱硫触媒を利用するには、２００〜４００℃の熱源が必要とされる。さらに、水添脱硫触媒に水などの液体が入ると、液体が蒸発する際に水添脱硫触媒を劣化させて脱硫効率を低下させてしまう恐れがある。

特開２０１１−１５９４８５号公報特開２０１１−２１６３０８号公報

本発明が解決しようとする課題は、水添脱硫器における脱硫効率の向上が可能な燃料電池モジュールを提供することである。

本実施形態に係る燃料電池モジュールは、水添脱硫触媒により燃料ガスを脱硫する水添脱硫器と、前記脱硫した燃料ガスを用いて水素含有ガスを生成する改質器と、複数の燃料電池セルを積層して構成されるセルスタックであって、前記水素含有ガスと酸素含有ガスとを用いて発電するセルスタックと、前記セルスタックで消費されなかった前記水素含有ガス及び前記酸素含有ガスの燃焼で生じた排ガスを排出する排ガス流路部と、前記排ガス流路部と隣接して配置され、当該排ガス流路部との熱交換により前記酸素含有ガスを予熱する空気予熱流路部であって、前記水添脱硫器と前記セルスタックとの間に配置される空気予熱流路部と、を備える。

本発明により、水添脱硫器の脱硫効率を向上させることができる。

図１（ａ）は、第１実施形態に係る燃料電池モジュールの側面断面図であり、図１（ｂ）は、同正面断面図である。図１で示した箇所（入口、Ｔ２、Ｔ３、出口）で測定した温度を示す表。図３（ａ）は、第２実施形態に係る燃料電池モジュールの側面断面図であり、図３（ｂ）は、同正面断面図である。図４（ａ）は、第３実施形態に係る燃料電池モジュールの側面断面図であり、図４（ｂ）は、同正面断面図である。図５（ａ）は、第４実施形態に係る燃料電池モジュールの側面断面図であり、図５（ｂ）は、同正面断面図である。図６（ａ）は、第５実施形態に係る燃料電池モジュールの側面断面図であり、図６（ｂ）は、同正面断面図である。図７（ａ）は、第６実施形態に係る燃料電池モジュールの側面断面図であり、図７（ｂ）は、同正面断面図である。図８（ａ）は、第７実施形態に係る燃料電池モジュールの側面断面図であり、図８（ｂ）は、同正面断面図である。図９（ａ）は、第８実施形態に係る燃料電池モジュールの側面断面図であり、図９（ｂ）は、同正面断面図である。燃料ブロワの駆動制御のフローチャートを示す図。図１１（ａ）は、第９実施形態に係る燃料電池モジュールの側面断面図であり、図１１（ｂ）は、同正面断面図である。図１２（ａ）は、第１０実施形態に係る燃料電池モジュールの側面断面図であり、図１２（ｂ）は、同正面断面図である。図１３（ａ）は、第１１実施形態に係る燃料電池モジュールの側面断面図であり、図１３（ｂ）は、同正面断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１実施形態）
第１実施形態に係る燃料電池システムは、水添脱硫器とセルスタックとの間に空気予熱流路部を配置し、空気予熱流路部内の酸素含有ガスの流れを調整することで、水添脱硫器に空気予熱流路部から伝導する熱を均一化し、脱硫効率の向上を図ったものである。より詳しく、以下に説明する。

（構成）
図１は、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１の構成を示す概略図であり、図１（ａ）は、燃料電池モジュール１の側面断面図であり、また、図１（ｂ）は、燃料電池モジュール１の正面断面図である。

この図１に示すように、燃料電池モジュール１は、炭化水素系の燃料を改質して生成された水素含有ガス及び酸素含有ガスを用いて発電を行う。より具体的には、燃料電池モジュール１は、水添脱硫器１００と、改質器２００と、セルスタック３００と、燃焼部４００と、排ガス流路部５００と、空気予熱流路部６００と、収納容器７００とを、備えている。

水添脱硫器１００は、水添脱硫触媒により燃料ガスを脱硫する。すなわち、水添脱硫器１００は、２００〜４００℃で機能し、硫黄などの腐臭剤を添加している燃料ガスを脱硫して硫黄成分を除去し、脱硫燃料ガスを生成する。より詳細な構成は後述する。

脱硫燃料ガス管１０２は、水添脱硫器１００から水平に延び、その後に垂直上方向に延びて、改質器２００に連通している。これにより、水添脱硫器１００は、脱硫燃料ガス管１０２を介して、水添脱硫器１００で生成された脱硫燃料ガスを改質器２００に供給する。また、脱硫燃料ガス管１０２は、毛管力により水を閉塞できる内径を有している。この内径は、例えば４．３５ｍｍ（外径１／４インチ）である。

より具体的には、脱硫燃料ガス管１０２の脱硫燃料ガスの流れは、水添脱硫器１００から改質器２００に向けて常に水平もしくは垂直上方向を向いている。つまり、脱硫燃料ガスの流れが垂直方向下向きになることはなく、且つ、毛管力により水が閉塞できる細さである。また、この脱硫燃料ガス管１０２には、水添脱硫器１００への脱硫燃料ガスの供給停止後に、水が供給される。これにより、脱硫燃料ガス管１０２の有する毛管力により、水添脱硫器１００の出口を閉塞する。

改質器２００には、水供給管２０２を介して水が供給される。この水供給管２０２は、脱硫燃料ガス管１０２と合流部２０３で合流している。改質器２００は、水供給管２０２を介して供給された水から水蒸気を生成する。すなわち、改質器２００は、４００〜７００℃で機能し、水供給管２０２を介して供給された水と、脱硫燃料ガス管１０２を介して供給された脱硫燃料ガスとを用いて、水素含有ガスを生成する。この水素含有ガスは、改質器２００と、セルスタック３００とに連通している水素ガス管２０４を介してセルスタック３００に供給される。

改質器２００の内部に備える改質触媒としては、例えばアルミナやコージェライト等の多孔質担体にＲｕ、Ｐｔ等の貴金属やＮｉ、Ｆｅ等の卑金属を担持させた改質触媒等が用いられる。改質器２００の温度が十分に上昇しないと、プロパンやエタンなど、炭素原子が２以上（Ｃ２以上）で構成されるガスが十分に改質されない。この場合に、炭素原子が２以上で構成されるガスがセルスタック３００に供給されると、セルスタック３００に炭素析出が生じ、セルスタック３００が劣化するおそれがある。

セルスタック３００は、複数の燃料電池セルを積層して構成され、改質器２００から供給される水素含有ガスと、空気予熱流路部６００を介して供給される酸素含有ガス（空気）とを用いて、発電を行う。ここでの燃料電池セルは、図１（ｂ）において、手前から奥行き方向に向けて、つまり、図１（ａ）の幅方向に、積層されている。

本実施形態においては、セルスタック３００の燃料電池セルは、例えば５００〜１０００℃の高温で動作する固体酸化物燃料電池セルで構成されている。これらの複数の燃料電池セルのそれぞれは電気的に接続されている。また、燃料電池セルのそれぞれは、燃料極と、酸化剤極とを、有する。そして、これら複数の燃料電池セルは、化学式１で示す反応により発電する。水素含有ガスは、燃料極側のガス流路を流れ、燃料極反応をおこす。酸素含有ガスは、酸化剤極側のガス流路を流れ、酸化剤極反応をおこす。

（化学式１）
燃料極反応：Ｈ_２＋Ｏ^２−→ ２Ｈ^＋＋２ｅ−
ＣＯ＋Ｏ^２− → ＣＯ_２＋２ｅ−
酸化剤極反応：Ｏ_２＋４ｅ− → ２Ｏ^２−
燃焼部４００は、セルスタック３００の上部と改質器２００との間の空間である。燃焼部４００は、セルスタック３００で消費されなかった水素含有ガス及び酸素含有ガスを燃焼し、その排ガスを排ガス流路部５００に排出する。この燃焼熱によって改質器２００は加熱されて、改質反応が進むのである。これにより、上述したセルスタック３００での炭素析出が抑制されている。

排ガス流路部５００は、燃焼部４００で生じた排ガスを燃料モジュールの外部に排出する。すなわち、排ガス流路部５００は、セルスタック３００で消費されなかった水素含有ガス及び酸素含有ガスの燃焼で生じた排ガスを排出する。また、排ガス流路部５００とセルスタック３００はセル上端以外では接していないのである。

空気予熱流路部６００は、排ガス流路部５００と隣接して配置され、排ガス流路部５００との熱交換によりセルスタック３００に供給する酸素含有ガスを予熱する。この空気予熱流路部６００は、水添脱硫器１００とセルスタック３００との間に配置されている。すなわち、空気予熱流路部６００は、水添脱硫器１００と直接もしくは壁面断熱材を介して接している。また、空気予熱流路部６００の少なくとも一部は、排ガス流路部５００を間に介して、セルスタック３００の一側面を覆っている。

より具体的には、空気予熱流路部６００の少なくとも一部は、水添脱硫器１００の一側面を覆う平板状の中空形状であり、水添脱硫器１００に伝導する熱分布を均一化する空気流路を有する。この空気流路には、空気入口管６０１を介して酸素含有ガスが流入する。空気入口管６０１は、平板状の中空形状における中央部の下部に配置されている。すなわち、空気予熱流路部６００は、第１空気予熱流路部６００aと、第２空気予熱流路部６００ｂと、第３空気予熱流路部６００ｃと、第４空気予熱流路部６００ｄと、第５空気予熱流路部６００eとを有する。すなわち、第１空気予熱流路部６００aは、燃料電池モジュール１の下部から上部まで、水添脱硫器１００と排ガス流路部５００との間を延び、第２空気予熱流路部６００ｂは上部に配置される。そして、第３空気予熱流路部６００ｃは、上部から折り返してセルスタック３００の下面までのび、第４空気予熱流路部６００ｄは下部に配置され、第５空気予熱流路部６００eは、燃料電池セルにおける酸化剤極側のガス流路に連通する。なお、空気予熱流路部６００の中で、第３空気予熱流路部６００ｃと、第４空気予熱流路部６００ｄと、第５空気予熱流路部６００eとは、排ガス流路部５００との間で熱交換をしていない。

このように、酸素含有ガスである空気は、燃料電池モジュール１の下部でセルスタック３００の積層方向中央付近に位置する空気入口管６０１に供給される。この空気は、セルスタック３００の周りの空気予熱流路部６００を流れて、排ガス流路部５００との熱交換により加熱される。加熱された空気はセルスタック３００の下部からセルスタック３００に供給される。

収納容器７００は、水添脱硫器１００と、改質器２００と、セルスタック３００と、燃焼部４００と、排ガス流路部５００と、空気予熱流路部６００と、を収納している。この収納容器７００は、外側断熱材７０２を含んで構成されている。

次に、図１（ａ）に基づいて、水添脱硫器１００の詳細な構成を説明する。この、図１（ａ）に示すように、水添脱硫器１００には、燃料ガス管１０４を介して燃料ブロワ１０６が連通されている。

燃料ブロワ１０６は、燃料ガス管１０４を介して硫黄を含む炭化水素系の燃料ガスと水素とを水添脱硫器１００に供給する。燃料ガス管１０４は、燃料ブロワ１０６から水添脱硫器１００に燃料ガスを供給するまで、収納容器７００における外側断熱材７０２の内部を通過する。これにより、燃料ガスは、燃料電池モジュール１から受熱して予熱される。

燃料ガス管１０４を介して供給される燃料ガスは、天然ガスが原料の都市ガス（ＣＮＧ）、液化石油ガス（ＬＰＧ）などの炭化水素が主成分のガスである。都市ガス（ＣＮＧ）の組成は、例えば、メタン８８％、Ｃ２Ｈ６エタン７％、Ｃ３Ｈ８プロパン４％、Ｃ４Ｈ１０ブタン１％である。燃料ガス管１０４は、都市ガスライン、ＬＰＧライン、水素ラインなどに接続されている。

水添脱硫器１００は、パンチングメタル１０８により仕切られ、水添脱硫触媒が充填されていない箇所が上部と下部とに設けられている。パンチングメタル１０８によって仕切られている箇所は、３つの触媒室１１０、１１２、１１４に分けられ、水添脱硫触媒がそれぞれ充填されている。さらに、３つの触媒室１１０、１１２、１１４における境目のそれぞれに仕切り板１１６、１１８が設置されている。これにより、水添脱硫触媒が充填されていない箇所を燃料ガスがバイパスせず、燃料ガスが３つの触媒室１１０、１１２、１１４を順に蛇行して通過するように構成されている。

また、３つの触媒室１１０、１１２、１１４を順に蛇行して通過した燃料ガスは、脱硫燃料ガス管１０２に流出する。なお、入口、Ｔ２、Ｔ３、出口で示した箇所に温度計である熱電対を設置し、入口、Ｔ２、Ｔ３、出口の温度を計測する。

水添脱硫器１００は、マイクロサームやWDSなどの高性能断熱材で構成された外側断熱材７０２と接している。

（作用）
セルスタック３００は５００〜１０００℃で発電するため、その排ガスは燃焼部４００では５００〜１０００℃になる。また、セルスタック３００端部の熱逃げとセルスタック３００の発熱によりセルスタック３００の積層方向の中央付近が最も高温になる。このセルスタック３００の側面に沿って設けられた排ガス流路部５００を流れる排ガスの熱と、空気予熱流路部６００を流れる酸素含有ガスの熱と、が熱交換をする。このため、空気予熱流路部６００は、セルスタック３００の温度分布を反映し、空気予熱流路に伝導される温度分布もセルスタック３００の積層方向中央付近が最も高温になる。

空気予熱流路部６００の空気入口管６０１がセルスタック３００の積層方向中央付近に設置されているため、セルスタック３００の積層方向中央部に沿って流れる酸素含有ガスの量が、セルスタック３００の端部に沿って流れる酸素含有ガスの量よりも多くなる。これにより、比較的低温の酸素含有ガスの流れがセルスタック３００の積層方向中央に集中する。このため、空気予熱流路部６００の温度分布が均一化され、水添脱硫器１００への熱伝導分布も均一化する。

なお、上述のように、その排ガスは５００〜１０００℃と高温であり、排ガス流路部５００内に水添脱硫器１００を設置すると、水添脱硫触媒が適切に脱硫できる温度に保つのは困難である。

（効果）
以上のように、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１は、空気予熱流路部６００の空気入口管６０１をセルスタック３００における積層方向の中央付近に設置することとした。このため、比較的低温の酸素含有ガスの流れがセルスタック３００の積層方向中央に集中し、空気予熱流路部６００の温度分布が均一化される。これにより、空気予熱流路部６００から水添脱硫器１００への熱伝導分布も均一化し、水添脱硫器１００内の水添脱硫触媒の温度範囲を適切に維持できる。

さらに、水添脱硫器１００の上部と下部をパンチングメタル１０８で仕切ることとした。これにより、燃料ガスの圧損が小さく、燃料ガスが流動しやすくなるので、燃料ガスの流れが均一化されてから、それぞれの触媒室１１０、１１２、１１４に流れこみ、それぞれの水添脱硫触媒から均一に燃料ガスが排出される。これにより、水添脱硫器１００内を流れる燃料ガスの脱硫を効果的に行えるとともに、水添脱硫器１００内の温度分布も均一化できる。

図２は、図１で示した箇所（入口、Ｔ２、Ｔ３、出口）で測定した温度を示す表である。この図２におけるＨＭ２２の欄に示すように、水添脱硫器１００内の温度が２００〜４００℃に維持されている。なお、以下で説明する第２〜第７実施形態における水添脱硫器１００内の温度測定も、図１で示した箇所（入口、Ｔ２、Ｔ３、出口）で測定されている。図２は同じ燃料流量、空気流量、水流量、経過時間、水添脱硫器の測定点における試験結果の一覧である。

また、外側断熱材７０２一枚を隔てたところに水添脱硫器１００が設置されているため、水添脱硫器１００へのアクセスが簡易であり、メンテナンスが容易にできる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る燃料電池モジュールは、水添脱硫器と空気予熱流路との間に低性能壁面断熱材を設置することで第１実施形態と相違する。以下に、第１実施形態との相違点を説明する。

（構成）
図３は、第２実施形態に係る燃料電池モジュール１の構成を示す概略図である。図３（ａ）は、燃料電池モジュール１の側面断面図である。また、図３（ｂ）は、燃料電池モジュール１の正面断面図である。第１実施形態と同等の構成には、同一の番号を付して説明を省略する。第１実施形態では、水添脱硫器１００と空気予熱流路部６００とは直接接していたが、本実施形態では、水添脱硫器１００と空気予熱流路部６００との間に低性能壁面断熱材８０２を配置することで相違する。

この図３（a）、(b)に示すように、水添脱硫器１００の上と下に高性能壁面断熱材８００は設置され、低性能壁面断熱材８０２は、水添脱硫器１００と空気予熱流路の間に設置される。高性能壁面断熱材８００の断熱性能は、収納容器７００の外側断熱材７０２と同等である。低性能壁面断熱材８０２の断熱性能は、収納容器７００の外側断熱材７０２よりも低く、高性能壁面断熱材８００よりも低い。低性能壁面断熱材８０２は、例えば新日本サーマルセラミックス製のSuperwool Plusやニチヤス製TOMBOなどのブランケット状断熱材である。また、低性能壁面断熱材８０２は、空気予熱流路部６００から水添脱硫器１００に伝導する熱を低減する。なお、低性能壁面断熱材８０２の厚さ分だけ外側断熱材７０２の厚みを薄くしている。これにより、燃料電池モジュール１全体の外形寸法を同一としている。

（作用）
水添脱硫器１００は低性能壁面断熱材８０２を介して空気予熱流路部６００と接するため、受熱量が低減される。また、水添脱硫器１００の上部及び下部には、高性能壁面断熱材８００が配置されるため、空気予熱流路部６００から水添脱硫器１００への伝導熱量が低減される。

（効果）
以上のように、第２実施形態に係る燃料電池モジュール１は、低性能壁面断熱材８０２を水添脱硫器１００と空気予熱流路部６００との間に配置することとした。これにより、水添脱硫器１００の受熱量を低下でき、水添脱硫器１００内の温度をより低下できる。また、水添脱硫器１００の上部及び下部に高性能壁面断熱材８００を配置することとした。これにより、空気予熱流路部６００から水添脱硫器１００への伝導熱量をより低下できる。

図２のＨＭ２５の欄に示すように水添脱硫器１００の最高温度が３３５℃まで低下し、水添脱硫触媒がより効率的に脱硫する２００〜３２０℃の温度に近づけることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態に係る燃料電池モジュールは、空気予熱流路部が蛇行流路を備えることで第２実施形態と相違する。以下に、第２実施形態との相違点を説明する。

（構成）
図４は、第３実施形態に係る燃料電池モジュール１の構成を示す概略図であり、図４（ａ）は、燃料電池モジュール１の側面断面図であり、また、図４（ｂ）は、燃料電池モジュール１の正面断面図である。第２実施形態と同等の構成には、同一の番号を付して説明を省略する。

この図４（ａ）、（ｂ）に示すように、空気予熱流路部６００は、第１流路板６０２と、第２流路板６０４と、第１仕切り部６０６と、第２仕切り部６０８と、第３仕切り部６１０とを、少なくとも有する。

第１流路板６０２は、板状材で構成されている。同様に、第２流路板６０４は、板状材で構成されている。第１流路板６０２と第２流路板６０４とは平行である。仕切り部６０６、６０８、６１０は、第１流路板６０２と第２流路板６０４との隙間を埋める厚さの板で構成されている。また、仕切り部６０６、６０８、６１０は、丸棒をスポット溶接やプラグ溶接、全周溶接により、２枚の流路板の隙間を埋めるように固定してもよい。或いは、２枚の流路板６０２、６０４を両方もしくは片方をプレス加工して曲げて接触面を形成し、さらにスポット溶接やプラグ溶接、全周溶接によって固定してもよい。プレス加工を行う場合には、溶接しなくても蛇行流路を形成可能である。

図４（ａ）に示すように、仕切り部６０６、６０８、６１０の一方の端部と空気予熱流路部６００の側壁の間隔と、他方の端部と空気予熱流路部６００の側壁の間隔とを異ならせている。また、仕切り部６０６、６０８、６１０の端部と空気予熱流路部６００の側壁の間隔が広い方の位置を、仕切り部６０６、６０８、６１０それぞれで交互に変えている。これにより、矢印で示すように、空気が左右に蛇行して流れる蛇行流路が形成されている。さらにまた、蛇行流路の両サイドの空間により、圧損が所定値を超えないように調整されている。

（作用）
蛇行流路に沿って空気が流れるため、比較的低温な空気が水添脱硫器１００の側面全体に沿って流れ、水添脱硫器１００の温度が全体的に低下する。

（効果）
以上のように、第３実施形態に係る燃料電池モジュール１は、空気予熱流路部６００内に蛇行流路を形成することとした。これにより、水添脱硫器１００の側面全体に沿って空気を流すため、水添脱硫器１００の全体の温度をより均一に低下できる。図２のＨＭ４１ａの欄に示すように、水添脱硫触媒がより効率的に脱硫できる２００〜３２０℃の温度に維持できる。

（第４実施形態）
第４実施形態に係る燃料電池モジュールは、水添脱硫器と空気予熱流路部との間に設置する断熱材の断熱性能が空気予熱流路部の温度分布に基づき変更されていることで第３実施形態と相違する。以下に、第３実施形態との相違点を説明する。

（構成）
図５は、第４実施形態に係る燃料電池モジュール１の構成を示す概略図であり、図５（ａ）は、燃料電池モジュール１の側面断面図であり、また、図５（ｂ）は、燃料電池モジュール１の正面断面図である。第１実施形態と同等の構成には、同一の番号を付して説明を省略する。

この図５（ａ）、（ｂ）に示すように、水添脱硫器１００と空気予熱流路部６００との間に配置される壁面断熱材は、低性能壁面断熱材８０２と高性能壁面断熱材８０４とを有している。高性能壁面断熱材８０４は、水添脱硫器１００の中流、下流に対応する位置に配置されている。

（作用）
水添脱硫器１００の中流、下流に対応する空気予熱流路部６００の位置は、他の位置よりも高温であり、かつ、水添脱硫器の中流、下流を流動するガスも十分に高い温度である。このように、空気予熱流路部６００内のより高温となる位置に対応させて、高性能壁面断熱材８０４を配置するので、空気予熱流路部６００から水添脱硫器１００に伝導する熱をより均一化する。

（効果）
第４実施形態に係る燃料電池モジュール１は、水添脱硫器１００と空気予熱流路部６００との間に設置する断熱材の断熱性能を空気予熱流路部６００の温度分布に基づき変更することした。これにより、水添脱硫器１００の高温部（中流、下流域）での受熱量がより少なくなる。このため、水添脱硫器１００の高温部における温度をより低下させると共に、水添脱硫器１００の温度分布を全体的に均一化できる。図２のＨＭ４１ｂの欄に示すように、水添脱硫触媒がより効率的に脱硫できる２００〜３２０℃の温度に維持できる。

（第５実施形態）
第５実施形態に係る燃料電池モジュールは、空気予熱流路部における蛇行流路の中央部に空気の流れる空間を形成したことで第４実施形態と相違する。以下に、第４実施形態との相違点を説明する。

（構成）
図６は、第５実施形態に係る燃料電池モジュール１の構成を示す概略図であり、図６（ａ）は、燃料電池モジュール１の側面断面図であり、また、図６（ｂ）は、燃料電池モジュール１の正面断面図である。第５実施形態と同等の構成には、同一の番号を付して説明を省略する。

この図６（ａ）に示すように、上側２つの仕切り部６１２、６１４の中央部６１６、６１８に空気が流れる空間を設けたことで第５実施形態と相違する。

（作用）
上側２つの仕切り部６１２、６１４の中央部６１６、６１８に空間を設けたことで、セルスタック３００の積層方向中央付近に沿って空気がより集中して流れる。

（効果）
以上のように、第５実施形態に係る燃料電池モジュール１は、空気予熱流路部６００における蛇行流路の中央部６１６、６１８に空気の流れる空間を形成することした。これにより、セルスタック３００積層方向中央付近に空気がより集中して流れるため、水添脱硫器１００の中流部の温度がより低下すると共に水添脱硫器１００の温度分布がより均一化する。図２のＨＭ４９の欄に示すように、水添脱硫触媒がより効果的に脱硫できる２００〜３２０℃の温度に維持することができる。

（第６実施形態）
第６実施形態に係る燃料電池モジュールは、水添脱硫器と空気予熱流路部との間に設置する断熱材に銅板も設置することで第５実施形態と相違する。以下に、第５実施形態との相違点を説明する。

（構成）
図７は、第６実施形態に係る燃料電池モジュール１の構成を示す概略図であり、図７（ａ）は、燃料電池モジュール１の側面断面図であり、また、図７（ｂ）は、燃料電池モジュール１の正面断面図である。第５実施形態と同等の構成には、同一の番号を付して説明を省略する。

この図７（ａ）、（ｂ）に示すように、セルスタック３００側の低性能壁面断熱材８０２の上に銅板８０６を設置している。すなわち、セルスタック３００側の壁面断熱材８０２と水添脱硫器１００の間に銅板８０６を設置している。ここでは、低性能壁面断熱材８０２に重ねて銅板８０６を配置している。なお、高性能壁面断熱材８０４にも銅板８０６を重ねて配置してもよい。なお、本実施形態における銅板８０６が高熱伝導部材に対応する。

（作用）
水添脱硫器１００は銅板８０６にも接している。銅板８０６は熱伝導が良いため、水添脱硫器１００の高温部から低温部へ熱を伝える作用を有する。

（効果）
以上のように、第６実施形態に係る燃料電池モジュール１は、低性能壁面断熱材８０２と水添脱硫器１００の間に銅板８０６を設置することとした。これにより、銅板８０６が水添脱硫器１００の高温部から低温部へ熱を伝えるため、水添脱硫器１００の温度分布をより均一化できる。図２のＨＭ５０の欄に示すように水添脱硫触媒が効果的に脱硫できる２００〜３２０℃の温度に維持できる。

（第７実施形態）
第７実施形態に係る燃料電池モジュールは、空気予熱流路部における蛇行流路を形成する仕切り部を一つにしたことで第６実施形態と相違する。以下に、第６実施形態との相違点を説明する。

（構成）
図８は、第７実施形態に係る燃料電池モジュール１の構成を示す概略図であり、図８（ａ）は、燃料電池モジュール１の側面断面図であり、また、図８（ｂ）は、燃料電池モジュール１の正面断面図である。第６実施形態と同等の構成には、同一の番号を付して説明を省略する。

この図８（ａ）、（ｂ）に示すように、仕切り部６２０は、中央部６２２に空気が流れる空間を形成している。この中央部６２２に空気が流れる空間は、空気入口管６０１の鉛直上方に形成されている。また、仕切り部６２０の両端部と空気予熱流路部６００の側壁との間隔は、両端部で同一にされている。

（作用）
空気の流れは蛇行せず、セルスタック３００積層方向中央により集中したことにより高速に流れるので、空気予熱流路部６００を流れる空気の昇温が抑制される。

（効果）
第７実施形態に係る燃料電池モジュール１は、仕切り部６２０の中央部６２２に空間を設けると共に左右対称とすることとした。これにより、空気の流れは蛇行せず、排ガスとの熱交換が抑制され、空気の温度上昇が抑えられるので、水添脱硫器１００の温度が全体的に低下する。図２のＨＭ５４の欄に示すように、水添脱硫触媒がより効果的に脱硫できる２００〜３２０℃の温度に維持することができる。

（第８実施形態）
第８実施形態に係る燃料電池モジュールは、脱硫燃料ガス管に第１オリフィスと、第１フィルターを配置したことで第６実施形態と相違する。以下に、第６実施形態との相違点を説明する。

（構成）
図９は、第８実施形態に係る燃料電池モジュール１の構成を示す概略図であり、図９（ａ）は、燃料電池モジュール１の側面断面図であり、また、図９（ｂ）は、燃料電池モジュール１の正面断面図である。第６実施形態と同等の構成には、同一の番号を付して説明を省略する。

この図９（ａ）、（ｂ）に示すように、脱硫燃料ガス管１０２に第１オリフィス１２０と、第１フィルター１２２とが配置されている。第１オリフィス１２０は、絞り要素であり、脱硫燃料ガス管１０２内の流れを調整し、脱硫燃料ガス管１０２内を低圧にする。なお、本実施形態においては、第１オリフィス１２０が第１絞り要素に対応する。

第１フィルター１２２は、金網やブランケット断熱材などで構成されている。第１フィルター１２２は、水添脱硫器１００の出口と第１オリフィス１２０との間に配置されている。制御部９００は、燃料ブロワ１０６の駆動を制御する。

（作用）
第１オリフィス１２０は、脱硫燃料ガス管１０２内の流れを抑制することで、燃料ブロワ１０６による燃料ガスの脈動を低減する。また、燃料電池モジュール１の発電が停止すると、酸素含有ガスがセルスタック３００及び改質器２００を通過して、水添脱硫器１００に拡散してくる。これらの酸素含有ガスは、燃焼部４００に残存する酸素含有ガス、及び空気予熱流路部６００を介して燃料電池モジュール１に入ってくる酸素含有ガスである。この場合、第１オリフィス１２０が、水添脱硫器１００への酸素の拡散を阻害する。これにより、水添脱硫器１００への酸素含有ガスの混入が抑制される。なお、水添脱硫器１００は、水素で還元された状態で利用される。このため、発電停止のたびに酸素が多く混入すると、水添脱硫触媒の劣化につながる。

第１フィルター１２２は、脱硫した燃料ガスの流れと共に流出する水添脱硫触媒の粉を吸収する。これにより、水添脱硫触媒の粉による第１オリフィス１２０の閉塞が抑制される。

図１０に基づき、発電停止後における燃料ブロワ１０６の駆動制御について説明する。図１０は、燃料ブロワ１０６の駆動制御のフローチャートを示す図である。この図１０に示すように、まず、制御部９００は、発電の停止後に、燃料ブロワ１０６の駆動を停止する（ステップＳ１０）。これにより、水添脱硫器１００への燃料ガスの供給が停止される。

次に、制御部９００は、料ガスの供給停止から所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ１２）。所定時間が経過した場合（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、制御部９００は、燃料ブロワ１０６の駆動を再開し、燃料ガスを水添脱硫器１００に供給する（ステップＳ１４）。１回の供給量は、例えば水添脱硫器１００と改質器２００の容積分である。１回あたりの供給量が多すぎると、常温で水添脱硫器１００が脱硫するため水添脱硫触媒の消耗が大きくなる。

次に、燃焼部４００に空気を供給して（ステップＳ１６）、処理を終了する。これにより、燃料ガスが燃料電池モジュール１内に充満しないようにする。

（効果）
以上のように、第８実施形態に係る燃料電池モジュール１は、脱硫燃料ガス管１０２に第１オリフィス１２０を配置することとした。これにより、水添脱硫器１００に酸素含有ガスが混入しにくくなり、水添脱硫触媒の劣化が抑制できる。第１オリフィス１２０は、脱硫燃料ガス管１０２内の流れを抑制することで、燃料ブロワ１０６による燃料ガスの脈動を低減する。また、脱硫燃料ガス管１０２において、水添脱硫器１００の出口と第１オリフィス１２０との間に第１フィルター１２２を配置することとした。これにより、水添脱硫触媒の粉が第１オリフィス１２０を閉塞することを抑制できる。

水添脱硫器１００への燃料ガスの供給を停止して、水添脱硫器１００に酸素が拡散して到達するまでの一定時間が経ってから、燃料ガスを水添脱硫器１００に供給することとした、これにより、水添脱硫器１００から改質器２００まで燃料ガスで充満可能である。これを繰り返すことによって、発電停止中に水添脱硫器１００に酸素含有ガスが入ることが抑えられ、水添脱硫器１００の劣化を抑制できる。

（第９実施形態）
第９実施形態に係る燃料電池モジュール１は、改質器への水供給管に水仕切り板を設置したことで第８実施形態と相違する。以下に、第８実施形態との相違点を説明する。

（構成）
図１１は、第９実施形態に係る燃料電池モジュール１の構成を示す概略図であり、図１１（ａ）は、燃料電池モジュール１の側面断面図であり、また、図１１（ｂ）は、燃料電池モジュール１の正面断面図である。第８実施形態と同等の構成には、同一の番号を付して説明を省略する。

この図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、水仕切り板１０００は、脱硫燃料ガス管１０２と水供給管２０２との合流部２０３よりも改質器２００側の水供給管２０２に配置されている。また、水仕切り板１０００の上部には穴部が形成され、下部には穴部が形成されていない。

（作用）
燃料ガスの供給を停止してから一定時間たってから、液体の水を水供給管２０２から供給する。これにより、改質器２００への水の流入を防止すると共に、脱硫燃料ガス管１０２の水平部分に水を供給する。これにより、脱硫燃料ガス管１０２及び第１オリフィス１２０のそれぞれは、水への毛管力によって閉塞する。また、水の供給は、図１０に示した一定量の空気供給後に行ってもよい。

（効果）
以上のように、第９実施形態に係る燃料電池モジュール１は、脱硫燃料ガス管１０２と水供給管２０２との合流部２０３よりも改質器２００側の水供給管２０２に水仕切り板１０００を配置することとした。これにより、液体の水が水仕切り板１０００よりも改質器２００側に流れることが抑えられるため、効率的に脱硫燃料ガス管１０２に水を溜めることができる。このため、水添脱硫器１００の出口を密封することができ、水添脱硫触媒の酸化を防止できる。

なお、水仕切り板１０００を利用しなくても、改質器２００が水供給管２０２の流れ方向に向かって下に傾いていることが無ければ、改質器２００側へ水が流れることは抑えられる。改質器２００の傾きには、製造ばらつきがあるので、水仕切り板１０００によって、改質器２００の傾きの製造ばらつきを許容しやすくなり、製造の歩留まりを向上させることができる。

（第１０実施形態）
第１０実施形態に係る燃料電池モジュールは、水素ガス管から分岐して水添脱硫器に水素含有ガスを供給するリサイクル管を設けたことで第９実施形態と相違する。以下に、第９実施形態との相違点を説明する。

（構成）
図１２は、第１０実施形態に係る燃料電池モジュール１の構成を示す概略図であり、図１２（ａ）は、燃料電池モジュール１の側面断面図であり、また、図１２（ｂ）は、燃料電池モジュール１の正面断面図である。第９実施形態と同等の構成には、同一の番号を付して説明を省略する。

この図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、リサイクル管１１００は、水素ガス管２０４から分岐して燃料ガス管１０４に連通している。改質器２００は、リサイクル管１１００を介して、水素含有ガスの一部を水添脱硫器１００へ供給する。また、リサイクル管１１００は、合流部１１０２で燃料ガス管１０４に合流する。

さらにまた、リサイクル管１１００には、ドレイントラップ１１０４と、閉止弁１１０６と、第２オリフィス１１０８と、第２フィルター１１１０とが配置されている。

ドレイントラップ１１０４は、凝縮水を排水する。ドレイントラップ１１０４は、第２オリフィス１１０８よりも上流に配置される。閉止弁１１０６は、リサイクル管１１００を閉止する。第２オリフィス１１０８は、合流部１１０２よりも上流側に配置され、リサイクル管１１００内の流れの変動を抑制する。第２フィルター１１１０は、第２オリフィス１１０８よりも上流側に配置され、金網やブランケット断熱材などで構成される。

燃料ガス管１０４には、第３オリフィス１１１２と、第３フィルター１１１４とが配置されている。第３オリフィス１１１２は、燃料ガス管１０４において合流部１１０２よりも上流側に配置されている。第３フィルター１１１４は、燃料ガス管１０４において、第３オリフィス１１１２よりも上流側に配置されている。

なお、本実施形態では、第２オリフィス１１０８が第２絞り要素に対応し、第３オリフィス１１１２が第３絞り要素に対応する。

（作用）
リサイクル管１１００を介して改質器２００で生成した水素含有ガスを水添脱硫器１００に供給する。このため、水素を外部から供給することなく、一般的な都市ガスや石油液化ガスＬＰＧを発電に利用できる。

改質器２００では水を用いて改質するため、水素含有ガスには余剰な水蒸気が含まれている。このため、冷えると改質器２００から凝縮水が流出する。ドレイントラップ１１０４は、改質器２００から流出する凝縮水を排出できる。この場合、水素含有ガスは排出されない。

閉止弁１１０６は、水素が十分に生成できていない起動昇温直後などに閉止する。第２オリフィス１１０８は、水素含有ガスを燃料ブロワ１０６が吸引しすぎないように調節する。第２フィルター１１１０はドレイントラップ１１０４で排出しきれなかった凝縮水が第２オリフィス１１０８を閉塞することを抑制する。

第３オリフィス１１１２は、燃料ブロワ１０６が吸引する燃料ガスの量を調節する。第３フィルター１１１４は都市ガスやＬＰＧに含まれる蒸気の凝縮水が第３オリフィス１１１２を閉塞することを抑制する。

（効果）
以上のように、第１０実施形態に係る燃料電池モジュール１は、水素ガス管２０４から分岐して水添脱硫器１００に水素含有ガスを供給するリサイクル管１１００を設けることとした。これにより、水素を外部から供給することなく、一般的な都市ガスや石油液化ガスＬＰＧを発電に利用できる。

また、リサイクル管１１００に第２オリフィス１１０８を配置し、燃料ガス管１０４に第３オリフィス１１１２を配置することとした。これにより、リサイクル管１１００及び燃料ガス管１０４それぞれの圧損を調整可能である。このため、リサイクル管１１００及び燃料ガス管１０４それぞれから供給される燃料ガスと水素含有ガスの割合を調整できる。

さらにまた、閉止弁１１０６を閉止する事によって、セルスタック３００に供給される水素含有ガスの量を調整できる。これにより、水素が十分に生成できていない起動直後などにセルスタック３００に供給される水素含有ガスの量を増せ、燃焼部４００に供給する起動昇温時間を短くできる。

（第１１実施形態）
第１１実施形態に係る燃料電池モジュールは、水添脱硫器を加熱するヒーターを備えることで第１実施形態と相違する。以下に、第1実施形態との相違点を説明する。

（構成）
図１３は、第１１実施形態に係る燃料電池モジュール１の構成を示す概略図であり、図１３（ａ）は、燃料電池モジュール１の側面断面図であり、また、図１３（ｂ）は、燃料電池モジュール１の正面断面図である。第１実施形態と同等の構成には、同一の番号を付して説明を省略する。なお、水添脱硫器１００の触媒室１１０、１１２、１１４の構成は、ヒータ１１１６の説明のため、記載を省略している。例えば、ヒーター１１１６は水添脱硫器が低温になりやすい水添脱硫器１００や空気予熱流路部６００の上流に面するように配置される。

この図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、ヒーター１１１６は、水添脱硫器１００を加熱する。このヒーター１１１６は水添脱硫器１００に接して配置される。この場合、高性能壁面断熱材８００、低性能壁面断熱材８０２、及び銅板８０６を配置しなくともよい。

（作用）
ヒーター１１１６は、水添脱硫器１００の内部に設置した熱電対の温度（例えば図１で示した熱電対で測定）に基づき、制御部９００により制御される。これにより、水添脱硫器１００の内部温度を計測しながら、水添脱硫器１００の温度を調整可能である。

（効果）
第１１実施形態に係る燃料電池モジュール１は、水添脱硫器１００を加熱するヒーター１１１６を備えることとした。これにより、水添脱硫器１００の温度が上昇するようにヒーター１１１６で加熱でき、水添脱硫触媒内部の温度調整ができる。このため、最適に脱硫できる２００〜３２０℃の温度に近づけることができる。また、運転初期でも効率的に燃料電池モジュール１での発電が可能である。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１：燃料電池モジュール、１００：水添脱硫器、１０２：脱硫燃料ガス管、１２０：第１オリフィス、１２２：第１フィルター、２００：改質器、２０２：水供給管、３００：セルスタック、５００：排ガス流路部、６００：空気予熱流路部、６０１：空気入口管、７００：収納容器、８００：高性能壁面断熱材、８０２：低性能壁面断熱材、８０４：高性能壁面断熱材、８０６：銅板、１０００：水仕切り板、１１００：リサイクル管、１１０２：合流部、１１０４：ドレイントラップ、１１０８：第２オリフィス、１１１０：第２フィルター、１１１２：第３オリフィス、１１１４：第３フィルター、１１１６：ヒーター

Claims

水添脱硫触媒により燃料ガスを脱硫する水添脱硫器と、
前記脱硫した燃料ガスを用いて水素含有ガスを生成する改質器と、
複数の燃料電池セルを積層して構成されるセルスタックであって、前記水素含有ガスと酸素含有ガスとを用いて発電するセルスタックと、
前記セルスタックで消費されなかった前記水素含有ガス及び前記酸素含有ガスの燃焼で生じた排ガスを排出する排ガス流路部と、
前記排ガス流路部と隣接して配置され、当該排ガス流路部との熱交換により前記酸素含有ガスを予熱する空気予熱流路部であって、前記水添脱硫器と前記セルスタックとの間に配置される空気予熱流路部と、
を備える燃料電池モジュール。
前記空気予熱流路部は、前記水添脱硫器と直接もしくは壁面断熱材を介して接する請求項１に記載の燃料電池モジュール。
前記空気予熱流路部の少なくとも一部は、前記排ガス流路部を介して前記セルスタックの一側面を覆う平板状の中空形状であり、前記水添脱硫器に伝導する熱分布を均一化させる流路を有する請求項２に記載の燃料電池モジュール。
前記空気予熱流路部は、前記セルスタックの中央部に沿って流れる前記酸素含有ガスの量が、前記セルスタックの端部に沿って流れる前記酸素含有ガスの量よりも多くなる流路を有する請求項３に記載の燃料電池モジュール。
前記空気予熱流路部は、前記平板状の中空形状における中央部の下部に外部から前記酸素含有ガスが流入する入口部を有し、上部に向けて蛇行する流路を有する請求項３又は４に記載の燃料電池モジュール。
前記水添脱硫器と前記改質器とを連通する脱硫燃料ガス管に配置される第１絞り要素と、
前記脱硫燃料ガス管の前記第１絞り要素と前記水添脱硫器との間に配置される第１フィルターと、
を更に備える請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
前記水添脱硫器は、前記水添脱硫触媒が充填されていない箇所から前記燃料ガスが供給又は排出される請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
前記改質器に水を供給する水供給管と、
前記水添脱硫器と前記改質器との間を連通する脱硫燃料ガス管であって、前記水供給管と改質器内部で合流する脱硫燃料ガス管と、
を更に備え、
前記脱硫燃料ガス管は、毛管力により水を閉塞できる細さであって、前記水添脱硫器への前記燃料ガスの供給停止後に、前記水供給管から水が供給される請求項１乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
上部に穴部を有する水仕切り板であって、前記改質器内部の上流に配置される水仕切り板を更に備える請求項８に記載の燃料電池モジュール。
前記水添脱硫器への前記燃料ガスの供給停止から所定時間が経ってから、所定量の前記燃料ガスを前記水添脱硫器に供給する請求項１乃至９のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
前記水添脱硫器に前記燃料ガスを供給する燃料ガス管と、
前記改質器が生成した前記水素含有ガスの一部を水添脱硫器へ供給するリサイクル管であって、前記燃料ガス管に改質器で合流するリサイクル管と、
前記リサイクル管内の凝縮水を排出するドレイントラップと、
前記リサイクル管の前記改質器よりも下流側に配置される第２絞り要素と、
前記リサイクル管の前記第２絞り要素よりも上流側に配置される第２フィルターと、
前記改質器よりも上流側における前記燃料ガス管に配置される第３絞り要素と、
前記第３絞り要素よりも上流側における前記燃料ガス管に配置される第３フィルターと、
を備える請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
前記空気予熱流路部と前記水添脱硫器の間に配置されたヒーターを更に備え、
前記水添脱硫器内の少なくとも１つ以上の温度計に基づき前記ヒーターの温度が調整される請求項１の燃料電池モジュール。