JP6396182B2

JP6396182B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6396182B2
Application number: JP2014230074A
Authority: JP
Inventors: 雄史松野
Original assignee: Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2014-11-12
Filing date: 2014-11-12
Publication date: 2018-09-26
Anticipated expiration: 2034-11-12
Also published as: JP2016095943A

Description

本発明の実施形態は、燃料電池システムに関する。

近年、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（空気）とを用いて発電する燃料電池を有する燃料電池システムが種々開発されている。燃料電池システムの収納容器には、例えば固体酸化物形燃料電池セル（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：ＳＯＦＣ）を積層してなるセルスタックが収納される。

セルスタックに供給される水素含有ガスは、例えば、燃料ガス（天然ガス、石油ガス等）を水蒸気と反応させて水素および一酸化炭素を生成する水蒸気改質反応を利用して生成される。この水蒸気改質反応は改質触媒を有する改質器により行われる。なお、水蒸気改質反応により生成される水素含有ガスを改質ガスともいう。

通常、燃料ガスには取り扱い上の安全等の理由により、腐臭剤として硫黄または硫黄化合物（以下、単に「硫黄」という。）が添加されている。しかしながら、この硫黄成分が改質器やセルスタックに供給されると、改質触媒や燃料電池セルが劣化してしまう。このため、燃料ガスは脱硫器により脱硫してから、改質器や燃料電池セルに供給する必要がある。

固体酸化物形燃料電池セルを用いた燃料電池システムにおいては、常温で脱硫可能な常温脱硫触媒を有する常温脱硫器を用いて燃料ガスの脱硫を行うことが一般的である。しかしながら、常温脱硫器は高価であり、燃料電池システムのコストが上昇する。

これに対し、水添脱硫触媒を有し、この水添脱硫触媒を介して燃料ガスと水素を反応させることで燃料ガスの脱硫を行う水添脱硫器が知られている。水添脱硫器は常温脱硫器に比べて単位体積当たりの脱硫能力が高いため、燃料電池システムの低コスト化および小型化を図ることができる。しかしながら、水添脱硫触媒を利用して脱硫を行うには、水添脱硫器を所定の温度に保つ必要がある。また、運転停止中（発電停止時）において、水添脱硫器内に空気が流入して水添脱硫触媒が酸化しないようにする必要がある。

特開２０１１−２１６３０８号公報

本発明が解決しようとする課題は、水添脱硫器の温度を水添脱硫触媒が適切に機能する温度に保つことができる燃料電池システムを提供することである。

また、本発明が解決しようとするもう一つ課題は、運転停止状態において、水添脱硫器内に空気が流入することを抑制することができる燃料電池システムを提供することである。

実施形態の燃料電池システムは、セルスタックと、改質器と、排ガス流路と、空気予熱流路と、断熱材と、水添脱硫器とを備える。前記セルスタックは燃料電池セルを複数個積層してなる。前記改質器は、燃料ガスと水とから水素を含む改質ガスを生成する水蒸気改質反応を行い、前記改質ガスを前記セルスタックに供給する。前記排ガス流路は、前記セルスタックから放出された排ガスが流通する。前記空気予熱流路は、外部から導入された空気が流通し、前記排ガス流路を流れる排ガスと熱交換することにより前記空気を予熱する。前記断熱材は、前記セルスタックの少なくとも一つの外面を覆うように設けられている。前記水添脱硫器は、前記空気予熱流路、前記排ガス流路および前記断熱材のうち少なくともいずれか一つに接するように設けられ、燃料ガス供給管から供給された燃料ガスに含まれる硫黄を水素と反応させて除去し、前記硫黄が除去された燃料ガスを前記改質器に供給する。

実施形態の燃料電池システムは、セルスタックと、改質器と、排ガス流路と、水添脱硫器と、脱硫燃料ガス供給管とを備える。前記セルスタックは燃料電池セルを複数個積層してなる。前記改質器は、燃料ガスと水とから水素を含む改質ガスを生成する水蒸気改質反応を行い、前記改質ガスを前記セルスタックに供給する。前記排ガス流路は、前記セルスタックから放出された排ガスが流通する。前記水添脱硫器は、燃料ガス供給管から供給された燃料ガスに含まれる硫黄を水素と反応させて除去する。前記脱硫燃料ガス供給管は、前記水添脱硫器から燃料ガスを導入し、前記改質器に供給する。前記脱硫燃料ガス供給管は、運転停止中に水供給管から前記改質器に供給された液体の水を蓄えて前記脱硫燃料ガス供給管を閉塞する閉塞部を有する。

第１の実施形態に係る燃料電池システム１の概略的な構成を示す図である。第１の実施形態の変形例１に係る燃料電池システム１Ａの概略的な構成を示す図である。第１の実施形態の変形例２に係る燃料電池システム１Ｂの概略的な構成を示す図である。第１の実施形態の変形例３に係る燃料電池システム１Ｃの概略的な構成を示す図である。第１の実施形態の変形例４に係る燃料電池システム１Ｄの概略的な構成を示す図である。第１の実施形態の変形例５に係る燃料電池システム１Ｅの概略的な構成を示す図である。第１の実施形態の変形例６に係る燃料電池システム１Ｆの概略的な構成を示す図である。第２の実施形態に係る燃料電池システム１Ｇの概略的な構成を示す図である。第３の実施形態に係る燃料電池システム１Ｈの概略的な構成を示す図である。第４の実施形態に係る燃料電池システム１Ｉの概略的な構成を示す図である。第５の実施形態に係る燃料電池システム１Ｊの概略的な構成を示す図である。（ａ）および（ｃ）は改質器３の一部を拡大した断面図であり、（ｂ）は堤部１６および孔空き延設部１９の正面図である。第５の実施形態の変形例１に係る燃料電池システム１Ｋの概略的な構成を示す図である。第５の実施形態の変形例２に係る燃料電池システム１Ｌの概略的な構成を示す図である。

以下、実施形態の燃料電池システムについて図面を参照しながら説明する。なお、各図において同等の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、同一符号の構成要素の詳しい説明は繰り返さない。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１について、図１を参照して説明する。

燃料電池システム１は、図１に示すように、セルスタック２と、改質器３と、排ガス流路４ａ，４ｂと、空気予熱流路５と、断熱材６と、水添脱硫器７と、燃料ガス供給管１１と、水素リサイクル管１２と、脱硫燃料ガス供給管１３と、水供給管１４と、改質ガス供給管１７と、収納容器２０と、減圧手段３１，３４と、フィルター３２，３５と、昇圧手段３６と、ポンプ３７とを備えている。

なお、少なくとも、セルスタック２、改質器３、排ガス流路４ａ，４ｂ、空気予熱流路５、断熱材６および水添脱硫器７は、収納容器２０内に収納されている。

セルスタック２は、複数個の燃料電池セルが積層されてなる。各燃料電池セルは、例えば固体酸化物型の燃料電池セル（ＳＯＦＣ）であり、内部にガス流路が設けられている。セルスタック２には、改質ガス供給管１７を通じて水素（改質ガス）、および、空気予熱流路５により加熱された酸素（空気）が供給される。セルスタック２がＳＯＦＣから構成される場合、発電中のセルスタック２の温度は約５００℃〜１０００℃となる。

なお、セルスタック２の両端部には、燃料電池セルの発電により生じた電流を収集して外部に引き出すためのブスバー（図示せず）が配置されている。また、セルスタック２は、水素含有ガスを供給する入口水素含有ガスマニホールド（図示せず）と、酸素含有ガス（空気）を供給する入口酸素含有ガスマニホールド（図示せず）を有する。この入口水素含有ガスマニホールおよび入口酸素含有ガスマニホールドは燃料電池セルから絶縁されている。

改質器３は、内部に改質触媒（図示せず）を有し、燃料ガスと水とから水素を含む改質ガス（水素含有ガス）を生成する水蒸気改質反応を行う。即ち、改質器３は、燃料ガスを改質し水素を生成する。改質器３は、改質ガス供給管１７を通じて改質ガスをセルスタック２に供給する。水蒸気改質反応に用いる燃料ガスは、水添脱硫器７により硫黄が除去された燃料ガスである。また、改質反応に用いる水は、ポンプ３７により水供給管１４を通じて供給される。

なお、改質器３の改質触媒としては、改質効率や耐久性に優れたものを用いることが好ましい。例えば、アルミナまたはコージェライト等の多孔質担体に、Ｒｕ，Ｐｔ等の貴金属もしくはＮｉ，Ｆｅ等の卑金属を担持させた改質触媒等を用いる。

改質器３により生成された水素は、セルスタック２における発電に利用されるだけでなく、図１に示すように、水素リサイクル管１２および燃料ガス供給管１１を通じて水添脱硫器７に供給され、燃料ガスから硫黄を除去するためにも利用される。

排ガス流路４ａ，４ｂは、セルスタック２から放出された排ガスが流通する。図１に示すように、排ガス流路４ａはセルスタックの上に設けられ、排ガス流路４ａの上に改質器３が設けられている。これにより、高温の排ガスの熱を利用して、改質器３における、吸熱反応である水蒸気改質反応を促進させることができる。ＳＯＦＣの場合排ガスは高温であるため、発電状態において、排ガス流路４ａの温度は約５００〜１０００℃程度、改質器３の温度は約４００〜７００℃程度になる。

また、排ガス流路４ｂは、排ガス流路４ａから放出された比較的低温の排ガスが流通する。排ガス流路４ｂは、図１に示すように、断熱材６と空気予熱流路５との間に設けられ、空気予熱流路５内の室温の空気（酸素含有ガス）を加熱する。排ガス流路４ｂを流通した排ガスは収納容器２０の外部に排出される。

空気予熱流路５は、外部から導入された空気が流通する。空気予熱流路５は、排ガス流路４ｂを流れる排ガスと熱交換することにより空気を予熱する。予熱された空気はセルスタック２に供給される。なお、熱交換効率を高めるために、図１に示すように、空気予熱流路５を流れる空気が排ガス流路４ｂを流れる排ガスと反対向きに流れるように、排ガス流路４ｂおよび空気予熱流路５を配置することが好ましい。

断熱材６は、セルスタック２の少なくとも一つの外面を覆い、高温で動作するセルスタック２を保温する。断熱材６は、図１に示すように、セルスタック２および排ガス流路４ｂの間に介装されている。なお、断熱材６は、セルスタック２の外面に接するように設けられる場合に限らず、セルスタック２の外面から離間して設けられてもよい。

水添脱硫器７は、内部に水添脱硫触媒（図示せず）を有し、燃料ガス供給管１１から供給された燃料ガスに含まれる硫黄（硫黄化合物を含む。）を水素と反応させて除去する。そして、水添脱硫器７は、硫黄が除去された燃料ガスを、脱硫燃料ガス供給管１３を通じて改質器３に供給する。

図１に示すように、水添脱硫器７は、空気予熱流路５に接するように設けられている。これにより、高温の排ガスの熱が水添脱硫器７に直接伝わらず、空気予熱流路５により適温に加熱される。このため、水添脱硫器７の温度を水添脱硫触媒が適切に機能する温度（例えば２００℃〜３００℃）に保つことができる。

なお、水添脱硫器７は、空気予熱流路５に直接的に接するように設けられてもよいし、あるいは、伝熱セメントのような熱伝導性の材料を介して空気予熱流路５に間接的に接するように設けられてもよい。

水素リサイクル管１２は、改質器３の出口と燃料ガス供給管１１とを接続し、改質ガスの一部を水添脱硫器７に供給する。脱硫燃料ガス供給管１３は、水添脱硫器７から燃料ガスを導入し、改質器３に供給する。改質ガス供給管１７は、改質器３から改質ガスを導入し、セルスタック２に供給する。

減圧手段３１は、図１に示すように、水素リサイクル管１２に設けられ、水素リサイクル管１２に流れる改質ガスを減圧する。減圧手段３４は、水素リサイクル管１２との合流部分よりも上流側における燃料ガス供給管１１に設けられ、燃料ガス供給管１１に流れる燃料ガスを減圧する。減圧手段３１，３４は、例えばオリフィスである。

昇圧手段３６は、図１に示すように、水素リサイクル管１２との合流部分よりも下流側における燃料ガス供給管１１に設けられ、燃料ガス供給管１１を流れるガスを昇圧する。昇圧手段３６は、改質器３により改質ガスが生成された後は燃料ガスと改質ガスの混合ガスを昇圧する。昇圧手段３６は、例えばブロアーである。

減圧手段３１および減圧手段３４を設けることにより、改質ガス供給管１７よりも水素リサイクル管１２の圧損が大きくなるとともに、昇圧手段３６の上流における燃料ガス供給管１１よりも水素リサイクル管１２の圧損が大きくなるようにする。これにより、適当量の燃料ガスおよび改質ガスが昇圧手段３６により吸引され、水添脱硫器７に供給される。

フィルター３２は、減圧手段３１の上流側に設けられており、改質ガスに含まれる、改質のために供給された余剰な水分を除去する。これにより、改質ガスに含まれる水分が改質ガスの温度の低下とともに凝縮して水滴となったときに、フィルター３２により水滴が受け止められるため、減圧手段３１が水滴で詰まることを回避できる。その結果、減圧手段３１が詰まることにより水添脱硫器７への改質ガスの供給が中断され、硫黄を含む燃料ガスが改質器３およびセルスタック２に供給されることを防止できる。よって、改質器３および燃料電池セルが大きく劣化することを防止することができる。

同様に、フィルター３５は、減圧手段３４の上流側に設けられ、燃料ガスに含まれる水分を除去する。これにより、燃料ガスに含まれる水分が凝縮して水滴となった場合、フィルター３５により水滴が受け止められるため、減圧手段３４が水滴で詰まることを回避できる。その結果、減圧手段３４が詰まることにより燃料ガスの供給が中断され、セルスタック２が水素欠乏状態となることを防止できる。よって、燃料電池セルが大きく劣化することを防止することができる。

なお、フィルターに代えて、ガス中の水蒸気を凝縮し、凝縮水を排出する凝縮器（ドレイントラップ）（図示せず）を設けてもよい。即ち、減圧手段３１の上流側に設けられ、改質ガスに含まれる水蒸気を凝縮する凝縮器を設けてもよい。また、減圧手段３４の上流側に設けられ、燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮する凝縮器を設けてもよい。

上記のように、第１の実施形態によれば、水添脱硫器７は、排ガスと熱交換を行って空気を予熱する空気予熱流路５に接するように設けられているため、水添脱硫器７の温度を水添脱硫触媒が適切に機能する温度に保つことができる。その結果、例えば、水添脱硫器７の水添脱硫触媒の脱硫機能を長期間維持することができる。

また、第１の実施形態では水添脱硫器７が排ガス流路４ａ，４ｂから分離して設けられているため、保守者が水添脱硫器７にアクセスすることが容易であり、メンテナンス性を向上させることができる。

次に、第１の実施形態に係る６つの変形例（変形例１〜６）について説明する。各変形例と第１の実施形態との間の相違点は水添脱硫器７の配置である。いずれの変形例によっても、水添脱硫触媒が適切に動作できる環境でありながら、第１の実施形態よりも少し高い温度を用意することができる。このため、水添脱硫器７の流路長さを短くしても、燃料ガスを十分に昇温することができる。水添脱硫器７の流路長さが短くなることにより、燃料電池システムを小型化できる。加えて、必要な水添脱硫触媒の量が減少するため、燃料電池システムの低コスト化を図ることができる。

（第１の実施形態に係る変形例１）
図２は、第１の実施形態の変形例１に係る燃料電池システム１Ａの概略的な構成を示している。図２に示すように、変形例１では、排ガス流路４ｂと空気予熱流路５が断熱材６から切り離されている。水添脱硫器７は、空気予熱流路５だけでなく、排ガス流路４ａの下流部分にも接していている。また、水添脱硫器７は、断熱材６から離間して配置されている。このため、本変形例によれば、水添脱硫触媒が適切に動作できる環境でありながら、第１の実施形態よりも少し高い温度を用意することができる。

（第１の実施形態に係る変形例２）
図３は、第１の実施形態の変形例２に係る燃料電池システム１Ｂの概略的な構成を示している。図３に示すように、変形例２では、排ガス流路４ｂと空気予熱流路５が断熱材６から切り離されている。水添脱硫器７は、空気予熱流路５ではなく、空気予熱流路５よりも高温の排ガス流路４ｂに接している。このため、本変形例によれば、水添脱硫触媒が適切に動作できる環境でありながら、第１の実施形態よりも少し高い温度を用意することができる。

（第１の実施形態に係る変形例３）
図４は、第１の実施形態の変形例３に係る燃料電池システム１Ｃの概略的な構成を示している。図４に示すように、変形例３では、排ガス流路４ｂと空気予熱流路５が断熱材６から切り離されている。水添脱硫器７は、空気予熱流路５だけでなく、排ガス流路４ａの下流部分、および断熱材６にも接している。このため、本変形例によれば、水添脱硫触媒が適切に動作できる環境でありながら、第１の実施形態よりも少し高い温度を用意することができる。

（第１の実施形態に係る変形例４）
図５は、第１の実施形態の変形例４に係る燃料電池システム１Ｄの概略的な構成を示している。図５に示すように、変形例４では、排ガス流路４ｂと空気予熱流路５が断熱材６から切り離されている。水添脱硫器７は、空気予熱流路５だけでなく、断熱材６にも接している。このため、本変形例によれば、水添脱硫触媒が適切に動作できる環境でありながら、第１の実施形態よりも少し高い温度を用意することができる。

（第１の実施形態に係る変形例５）
図６は、第１の実施形態の変形例５に係る燃料電池システム１Ｅの概略的な構成を示している。図６に示すように、変形例５では、排ガス流路４ｂと空気予熱流路５が断熱材６から切り離されている。水添脱硫器７は、空気予熱流路５ではなく、排ガス流路４ａおよび断熱材６に接している。より詳しくは、水添脱硫器７は、排ガス流路４ａの下流部分、および断熱材６に接するように配置されている。断熱材６は、セルスタック２のうち比較的低温である入口水素含有ガスマニホールド（図示せず）に接している。

即ち、水添脱硫器７は、比較的低温である入口水素含有ガスマニホールドに接する断熱材６、および比較的低温な排ガス流路４ａの下流部分に接している。このため、本変形例によれば、水添脱硫触媒が適切に動作できる環境でありながら、第１の実施形態よりも高い温度を用意することができる。

（第１の実施形態に係る変形例６）
図７は、第１の実施形態の変形例６に係る燃料電池システム１Ｆの概略的な構成を示している。変形例６では、排ガス流路４ｂと空気予熱流路５が断熱材６から切り離されている。水添脱硫器７は、空気予熱流路５ではなく、断熱材６に接している。このため、本変形例によれば、水添脱硫触媒が適切に動作できる環境でありながら、第１の実施形態よりも高い温度を用意することができる。

上述した第１の実施形態および変形例１〜６から分かるように、水添脱硫器７は、空気予熱流路５、排ガス流路４および断熱材６のうち少なくともいずれか一つに接するように設けられる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１Ｇについて、図８を参照して説明する。第２の実施形態と第１の実施形態との間の相違点の一つは、燃料ガスを予熱するためのガス予熱流路を備える点である。以下、相違点を中心に第２の実施形態に係る燃料電池システム１Ｇについて説明する。

燃料電池システム１Ｇは、図８に示すように、燃料電池システム１の構成に加えて、ガス予熱流路８をさらに備えている。

ガス予熱流路８は、燃料ガス供給管１１と水添脱硫器７との間に空気予熱流路１６に接するように設けられている。ガス予熱流路８は、空気予熱流路５を流れる空気と熱交換することにより燃料ガスを予熱し、予熱された燃料ガスを水添脱硫器７に供給する。即ち、燃料ガス供給管１１を通じて常温で供給される燃料ガスは、ガス予熱流路８により加熱されてから水添脱硫器７に供給される。これにより、水添脱硫器７の上流部分に位置する水添脱硫触媒を利用して燃料ガスの脱硫を行うことができる。

よって、第２の実施形態によれば、水添脱硫触媒の利用効率を向上させることができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１Ｈについて、図９を参照して説明する。

燃料電池システムの起動開始直後は、水添脱硫器７の温度が低く、また、改質器３から水素が供給されない。このため、水添脱硫器７は脱硫動作を行うことができない。このため、脱硫されていない燃料ガスが改質器３およびセルスタック２に供給されてしまい、改質触媒や燃料電池セルを劣化させるおそれがある。

そこで、第３の実施形態に係る燃料電池システム１Ｈは、図９に示すように、燃料電池システム１の構成に加えて、起動時において水添脱硫器７を加熱する加熱器９をさらに備える。なお、収納容器２０内の各構成要素の配置は、第１の実施形態の変形例５に係る燃料電池システム１Ｅと同様である。

加熱器９は、排ガス流路４ａと水添脱硫器７との間に配置されている。加熱器９は、燃料電池システムの起動後、水添脱硫器７を脱硫作用が得られる温度（例えば２００℃〜３００℃）まで急速に加熱する。なお、加熱器９は、例えば、マイカ（雲母）等の絶縁体で覆われたニクロム線等の発熱体を有するヒータである。また、加熱器９は排ガス流路４ａに接していなくてもよい。

起動時において、改質器３が昇温されて水素を生成できるようになるまでの比較的短い時間は、脱硫されていない燃料ガスが水添脱硫器７に供給される。水添脱硫器７は、微量の硫黄であれば水素が供給されていなくても、短時間のあいだ燃料ガスの脱硫を行うことができる。よって、起動時に加熱器９により水添脱硫器７を加熱することで、水素が供給されない状況下においても燃料ガスの脱硫を行うことができる。その後、セルスタック２で発電反応が進み、セルスタック２の熱により改質器３が加熱されると、改質器３は比較的短時間で水素を生成するようになる。生成された水素は水素リサイクル管１２を通じて水添脱硫器７に供給され、燃料ガスの脱硫に利用される。

上記のように、第３の実施形態によれば、高価な常温脱硫器を用いることなく、起動時において脱硫された燃料ガスを改質器３およびセルスタック２に供給することができる。このため、改質器３やセルスタック２（燃料電池セル）の劣化を防止することができる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システム１Ｉについて、図１０を参照して説明する。

第３の実施形態の冒頭で説明したように、燃料電池システムの起動開始直後は、水添脱硫器７の温度が低いために脱硫動作を行うことができず、脱硫されていない燃料ガスが改質器３およびセルスタック２に供給されてしまう。

そこで、第４の実施形態に係る燃料電池システム１Ｉは、図１０に示すように、燃料電池システム１の構成に加えて、常温で脱硫可能な常温脱硫器１０をさらに備える。なお、収納容器２０内の各構成要素の配置は、第１の実施形態に係る燃料電池システム１と同様である。

燃料電池システム１Ｉは、図１０に示すように、第１の実施形態に係る燃料電池システム１の構成に加えて、第１の閉止手段２１と、分岐ガス管１１ａと、常温脱硫器１０と、第２の閉止手段２２とをさらに備えている。

第１の閉止手段２１は、例えば閉止弁であり、燃料ガス供給管１１に設けられている。分岐ガス管１１ａは、図１０に示すように、第１の閉止手段２１の上流において燃料ガス供給管１１から分岐し、第１の閉止手段２１の下流において燃料ガス供給管１１に合流する。

常温脱硫器１０は、分岐ガス管１１ａに設けられている。この常温脱硫器１０は、常温脱硫触媒（図示せず）を有しており、燃料ガスに含まれる硫黄を常温で除去することが可能である。第２の閉止手段２２は、例えば閉止弁であり、常温脱硫器１０の上流側における分岐ガス管１１ａに設けられている。

燃料電池システムの起動時においては、第１の閉止手段２１が閉じ、第２の閉止手段２２が開く。このため、燃料ガスは、分岐ガス管１１ａを通り、常温脱硫器１０により脱硫される。

その後、水添脱硫器７の温度が脱硫動作可能な温度（例えば２００℃〜３００℃）に達すると、第１の閉止手段２１が開き、第２の閉止手段２２が閉じる。このため、燃料ガスは、分岐ガス管１１ａを通らず、脱硫されないまま水添脱硫器７に供給される。

上記のように、第４の実施形態では、起動開始直後で水添脱硫器７が脱硫動作できない間は、常温脱硫器１０により燃料ガスを脱硫する。その後、セルスタック２で改質ガスが燃焼することにより、水添脱硫器７の温度が脱硫動作可能な所定の温度まで上昇した時点で、常温脱硫器１０による脱硫を止めて、水添脱硫器７により脱硫を行う。なお、常温脱硫器１０から水添脱硫器７への切り替えは、添脱硫器７の温度が脱硫動作可能な所定の温度まで上昇し、且つ改質器３が水素を生成できるようになった時点で行ってもよい。

第４の実施形態によれば、水添脱硫器７による脱硫動作を行えない起動時においても、脱硫された燃料ガスを改質器３およびセルスタック２に供給することができる。その結果、改質器３やセルスタック２（燃料電池セル）が劣化することを防ぐことができる。

また、常温脱硫器１０は水添脱硫器７の温度が所定の温度に上昇するまで用いられ、水添脱硫器７が脱硫可能になった後は水添脱硫器７が用いられる。このように本実施形態では、水添脱硫器７に比べて単位体積当たりの脱硫能力が低い常温脱硫器１０の使用を起動時の短時間に限っている。このため、常温脱硫器１０の大型化を回避し、燃料電池システムの小型化を図ることができる。

なお、図１０に示すように、第４の実施形態に係る燃料電池システム１Ｉは、水素リサイクル管１２に設けられた第３の閉止手段２３（例えば、閉止弁）をさらに備えてもよい。この第３の閉止手段２３は、起動時においては閉じ、その後水添脱硫器７の温度が所定の温度に達すると開く。このように起動時は水素リサイクル管１２を閉じることで、セルスタックに供給される改質ガスの量を増やして燃焼する改質ガスの量を増やす。これにより、セルスタック２、改質器３および水添脱硫器７の昇温速度を高め、燃料電池システムの起動時間を短縮することができる。

上述した第２〜第４の実施形態によれば、水添脱硫器７の温度を水添脱硫触媒が適切に機能する温度に保つことができる。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システム１Ｊについて、図１１を参照して説明する。

発電効率を向上させるために、燃料電池システムにおいては、圧損を増加させる閉止手段（閉止弁等）を減らすことにより、昇圧手段（ブロアー等）が要する動作電力を減らす必要がある。このため、脱硫燃料ガス供給管１３や改質ガス供給管１７、セルスタック２と排ガス流路４ａを接続する管等には、閉止手段を設けないことが好ましい。しかしながら、このようにした場合、水添脱硫器７は、発電停止状態において改質器３や排ガス流路４ａ，４ｂと連通することになり、水添脱硫器７に空気中の酸素が混入する。その結果、水添脱硫触媒が酸化して、最終的には水添脱硫を行えなくなってしまう。

そこで、第５の実施形態では、水添脱硫器７に空気中の酸素が混入することを防止するため、脱硫燃料ガス供給管１３に閉塞部１５が設けられる。

燃料電池システム１Ｊは、図１１に示すように、第１の実施形態に係る燃料電池システム１の構成に加えて、脱硫燃料ガス供給管１３に設けられた閉塞部１５をさらに備えている。なお、図１１中、フィルター３２，３５に代えて、ガス中の水蒸気を凝縮し、凝縮水を排出する凝縮器を設けるようにしてもよい。

脱硫燃料ガス供給管１３は、運転停止中に水供給管１４から改質器３に供給された液体の水を蓄えて脱硫燃料ガス供給管１３を閉塞する閉塞部１５を有する。

閉塞部１５は、図１１に示すように、脱硫燃料ガス供給管１３をＵ字状に湾曲させることにより形成されている。なお、閉塞部１５の形状は、これに限るものではなく、Ｖ字状でもＷ字状でもよい。より一般的に言えば、閉塞部１５は、脱硫燃料ガス供給管１３の先端部１３ａ（出口）から見て、一旦下方に下がった後再び上がるように脱硫燃料ガス供給管１３を湾曲させることにより形成されている。

運転停止中においては、セルスタック２の温度低下に伴い改質器３の温度が低下するため、水供給管１４から改質器３に供給された液体の水は蒸発せずに、脱硫燃料ガス供給管１３に流れ込み、閉塞部１５に溜まる。これにより、脱硫燃料ガス供給管１３は閉塞される。

ここで、改質器３の入口部分の詳細構成について図１２を参照して説明する。図１２（ａ）は、改質器３の一部を拡大した断面図であり、図１２（ｂ）は堤部（仕切り板）１６および孔空き延設部１９の正面図である。

図１２（ａ）に示すように、改質器３は、堤部１６と、堤部１６の上端部１６ａから延設された孔空き延設部１９とを有する。堤部１６は、水供給管１４の先端部１４ａから離間して設けられている。

また、堤部１６の上端部１６ａは、脱硫燃料ガス供給管１３の先端部１３ａ（出口）よりも高い。これにより、運転停止中に水供給管１４から供給された液体の水が改質器３の奥に浸入して改質触媒が劣化することを防止するとともに、閉塞部１５に効率的に水を溜めることができる。

孔空き延設部１９には、図１２（ｂ）に示すように、複数の貫通孔１９ａが設けられている。運転時（発電時）においては改質器３が高温であるため、水供給管１４から供給された水は即座に蒸発し、水蒸気が貫通孔１９ａを通って改質器３の奥に流れ込み、改質触媒を介して燃料ガスと反応する。

なお、堤部１６は、板状のものに限られず、例えば、図１２（ｃ）に示すように、水供給管１４に対向する面が傾斜した形状のものであってもよい。また、堤部１６自体を設けず、改質器３の上流が下流に対して低い位置になるように改質器３を脱硫ガス供給管１３側に傾けて配置してもよい。

ポンプ３７は、運転停止中、所定の時間が経過する毎に改質器３に水供給管１４を通じて所定量の水を供給し、閉塞部１５を水で満たす。これにより、閉塞部１５の水が蒸発等することにより脱硫燃料ガス供給管１３が閉塞されない状態になったとしても、そのような状態が長時間継続することを防止できる。

上記のように第５の実施形態では、運転停止中は脱硫燃料ガス供給管１３を閉塞することで、空気が脱硫燃料ガス供給管１３を通って水添脱硫器７の内部に流入することを防止することができる。

よって、第５の実施形態によれば、水添脱硫器７の水添脱硫触媒が空気中の酸素により酸化して劣化することを抑制することができる。

なお、運転停止中においても昇圧手段３６により燃料ガスを水添脱硫器７に供給し、水添脱硫器７内を燃料ガスで満たすことが好ましい。これにより、水添脱硫触媒の酸化をより抑制することができる。

次に、第５の実施形態に係る２つの変形例について説明する。いずれに変形例によっても、第５の実施形態と同じ効果を得ることができる。

（第５の実施形態に係る変形例１）
図１３は、第５の実施形態の変形例１に係る燃料電池システム１Ｋの概略的な構成を示している。図１３に示すように、燃料電池システム１Ｋは、第５の実施形態に係る燃料電池システム１Ｊの構成に加えて、圧力計３８をさらに備えている。

圧力計３８は、昇圧手段３６と水添脱硫器７との間における燃料ガス供給管１１に設けられ、脱硫燃料ガス供給管１３内の圧力を計測する。圧力計３８の計測値に基づいて、脱硫燃料ガス供給管１３が閉塞されているか否かを容易に把握することができる。

ポンプ３７は、圧力計３８の計測値が所定の圧力以下の場合には、脱硫燃料ガス供給管１３が閉塞されていないと判断し、改質器３に水供給管１４を通じて所定量の水を供給する。

このように本変形例では、圧力計３８の計測値に基づいて水を供給するようにすることで、脱硫燃料ガス供給管１３が閉塞されているにもかかわらず水を供給することを防止するとともに、運転停止中、閉塞状態が破られることを可及的に防止することができる。

（第５の実施形態に係る変形例２）
図１４は、第５の実施形態の変形例２に係る燃料電池システム１Ｌの概略的な構成を示している。図１４に示すように、燃料電池システム１Ｌは、第５の実施形態に係る燃料電池システム１Ｊの構成に加えて、余剰水排出管（オーバーフローライン）１８および閉止手段２４をさらに備えている。

余剰水排出管１８は、図１４に示すように、閉塞部１５を挟んで脱硫燃料ガス供給管１３の先端部１３ａの反対側の部分において脱硫燃料ガス供給管１３から分岐している。水供給管１４から供給された水で閉塞部１５が一杯になると、その後水供給管１４から供給される水は、余剰水排出管１８を通って外部に排出される。このため、閉塞部１５から溢れ出た水が脱硫燃料ガス供給管１３を逆流して、水添脱硫器７に流れ込むことを防止できる。その結果、水添脱硫器７の水添脱硫触媒が水と接して劣化することを防止することができる。

閉止手段２４は、例えば閉止弁であり、余剰水排出管１８に設けられている。この閉止手段２４は、運転中は閉じ、運転停止中は開くように制御される。これにより、運転中は、水添脱硫器７から供給される燃料ガスが余剰水排出管１８を通じて外部に漏れることを防止する。また、運転停止中については、閉塞部１５から溢れ出て余剰水排出管１８を通ってきた水を外部に排出する。

脱硫燃料ガス供給管１３を閉塞するために、水の蒸発や閉塞部１５の体積等を考慮してポンプ３７から供給される水の量を厳密に制御する必要がない。よって、本変形例によれば、脱硫燃料ガス供給管１３の閉塞を容易に行うことができる。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、水添脱硫器が排ガスと熱交換を行って空気を予熱する空気予熱流路に接するように設けられているため、水添脱硫器の温度を水添脱硫触媒が適切に機能する温度に保つことができる。

また、以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、運転停止中は脱硫燃料ガス供給管を閉塞することで、運転停止状態において、水添脱硫器内に空気が流入することを抑制することができる。

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。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施され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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

１燃料電池システム、２セルスタック、３改質器、４ａ，４ｂ排ガス流路、５空気予熱流路、６断熱材、７水添脱硫器、８ガス予熱流路、９（水添脱硫器の）加熱器、１０常温脱硫器、１１燃料ガス供給管、１１ａ分岐ガス管、１２水素リサイクル管、１３脱硫燃料ガス供給管、１３ａ先端部、１４水供給管、１４ａ先端部、１５閉塞部、１６堤部、１６ａ上端部、１７改質ガス供給管、１８余剰水排出管、１９孔空き延設部、１９ａ貫通孔、２０収納容器、２１第１の閉止手段、２２第２の閉止手段、２３第３の閉止手段、２４閉止手段、３１，３４減圧手段、３２，３５フィルター、３６昇圧手段、３７ポンプ、３８圧力計

Claims

燃料電池セルを複数個積層してなるセルスタックと、
燃料ガスと水とから水素を含む改質ガスを生成する水蒸気改質反応を行い、前記改質ガスを前記セルスタックに供給する改質器と、
前記セルスタックから放出された排ガスが流通する排ガス流路と、
外部から導入された空気が流通し、前記排ガス流路を流れる排ガスと熱交換することにより前記空気を予熱する空気予熱流路と、
前記セルスタックの少なくとも一つの外面を覆うように設けられた断熱材と、
前記空気予熱流路、前記排ガス流路および前記断熱材のうち少なくともいずれか一つに接するように設けられ、燃料ガス供給管から供給された燃料ガスに含まれる硫黄を水素と反応させて除去し、前記硫黄が除去された燃料ガスを前記改質器に供給する水添脱硫器と、
前記燃料ガス供給管と前記水添脱硫器との間に前記空気予熱流路に接するように設けられ、前記空気予熱流路を流れる空気と熱交換することにより前記燃料ガスを予熱し、前記予熱された燃料ガスを前記水添脱硫器に供給するガス予熱流路と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
起動時において前記水添脱硫器を加熱する加熱器をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料ガス供給管に設けられた第１の閉止手段と、
前記第１の閉止手段の上流において前記燃料ガス供給管から分岐し、前記第１の閉止手段の下流において前記燃料ガス供給管に合流する分岐ガス管と、
前記分岐ガス管に設けられ、燃料ガスに含まれる硫黄を常温で除去することが可能な常温脱硫器と、
前記常温脱硫器の上流側における前記分岐ガス管に設けられた第２の閉止手段と、をさらに備え、
起動時においては、前記第１の閉止手段が閉じ、前記第２の閉止手段が開き、その後前記水添脱硫器の温度が所定の温度に達すると、前記第１の閉止手段が開き、前記第２の閉止手段が閉じることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
前記改質器と前記燃料ガス供給管とを接続し、前記改質ガスの一部を前記水添脱硫器に供給する水素リサイクル管と、
前記水素リサイクル管に設けられた第３の閉止手段と、をさらに備え、
前記第３の閉止手段は、起動時においては閉じ、その後前記水添脱硫器の温度が所定の温度に達すると開くことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
前記改質器と前記燃料ガス供給管とを接続し、前記改質ガスの一部を前記水添脱硫器に供給する水素リサイクル管と、
前記水素リサイクル管に設けられ、前記水素リサイクル管に流れる改質ガスを減圧する減圧手段と、
前記減圧手段の上流側に設けられ、前記改質ガスに含まれる水分を除去するフィルターと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記改質器と前記燃料ガス供給管とを接続し、前記改質ガスの一部を前記水添脱硫器に供給する水素リサイクル管と、
前記水素リサイクル管に設けられ、前記水素リサイクル管に流れる改質ガスを減圧する減圧手段と、
前記減圧手段の上流側に設けられ、前記改質ガスに含まれる水蒸気を凝縮する凝縮器をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記燃料ガス供給管に設けられ、前記燃料ガス供給管に流れる燃料ガスを減圧する減圧手段と、
前記減圧手段の上流側に設けられ、前記燃料ガスに含まれる水分を除去するフィルターと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。