JP6611040B2 - 燃料電池システム - Google Patents

燃料電池システム Download PDF

Info

Publication number
JP6611040B2
JP6611040B2 JP2015211701A JP2015211701A JP6611040B2 JP 6611040 B2 JP6611040 B2 JP 6611040B2 JP 2015211701 A JP2015211701 A JP 2015211701A JP 2015211701 A JP2015211701 A JP 2015211701A JP 6611040 B2 JP6611040 B2 JP 6611040B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
exhaust gas
combustion exhaust
fuel cell
unit
air
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2015211701A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2016110998A (ja
Inventor
洋三 喜多
邦弘 鵜飼
徹 壽川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd filed Critical Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Publication of JP2016110998A publication Critical patent/JP2016110998A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6611040B2 publication Critical patent/JP6611040B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0675—Removal of sulfur
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0668—Removal of carbon monoxide or carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0233—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066—Integration with other chemical processes with fuel cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C01B2203/1241—Natural gas or methane
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C01B2203/1247—Higher hydrocarbons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1258—Pre-treatment of the feed
    • C01B2203/1264—Catalytic pre-treatment of the feed
    • C01B2203/127—Catalytic desulfurisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04708—Temperature of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04716—Temperature of fuel cell exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04738—Temperature of auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/129—Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Description

本発明は、燃料電池ユニットに供給する原料中の硫黄化合物を除去する脱硫部と、燃料電池ユニットから排出する燃焼排ガス中の一酸化炭素を除去する浄化部と、燃料電池ユニットに供給する空気と燃焼排ガスとを熱交換させる熱交換部とを備えた燃料電池システムに関する。
従来、燃料電池システムは、小型であっても発電効率が高い。このため、分散型発電システムにおける発電部として燃料電池システムが利用されている。この燃料電池システムに供給される原料としては、一般的に、既存のインフラから供給される天然ガス（都市ガス）、ＬＰＧ、ガソリン、灯油等が挙げられる。
このような原料には、例えば、ガス漏れを検知するための付臭剤としての硫黄化合物や原料由来の硫黄化合物が含まれている。これらの硫黄化合物は、原料を改質するための改質触媒、および、燃料電池の電極触媒を被毒させ、これらの触媒の性能を低下させてしまう。そこで、燃料電池システムには、原料中の硫黄化合物を除去する脱硫部が設けられている。
脱硫部の脱硫触媒には、脱硫性能が温度に依存するものがある。この一例として、水添脱硫（水素化脱硫）処理に用いられる水添脱硫触媒や、高温で活性が高くなる吸着脱硫触媒が挙げられる。このような脱硫触媒の脱硫性能を高めるために、脱硫触媒をその適温に加熱する必要がある。よって、燃料電池または改質器から排出される輻射熱および伝熱等の排熱により脱硫部を加熱する燃料電池システム（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、水添脱硫については特許文献１、吸着脱硫については特許文献２参照）。
また、燃料電池の発電に利用されなかった燃料を燃焼させて、この燃焼熱により脱硫部を加熱する燃料電池システム（固体酸化物形燃料電池システム）も提案されている。この場合、燃料を燃焼させた際の燃焼排ガス中には、一酸化炭素が含まれる。そこで、燃焼排ガスを外部に排出する前に一酸化炭素を酸化分解させる燃焼触媒が燃料電池システムに設けられている（例えば、特許文献３）。
特許第５５０７１１９号公報 特開２０１３−１９１２８０ 特許第５５８４５０７号公報
しかしながら、上記特許文献１から３に記載された従来技術には、更なる燃料電池システムにおける効率および信頼性の向上を図るという観点から未だ改善の余地がある。本発明は、この従来の課題を解決するもので、効率および信頼性の向上を図った燃料電池システムを提供する。
本発明のある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部と、前記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発電する燃料電池ユニットと、前記燃料電池ユニットにおいて発電に利用されなかった燃料が燃焼されて生成された燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス流路と、前記燃焼排ガス流路に接続され、前記脱硫部を内部に収容する燃焼排ガス容器と、前記燃焼排ガス中に含まれる一酸化炭素を除去する浄化部と、前記燃焼排ガスと前記燃料電池ユニットに供給する発電用空気とを熱交換させる空気熱交換部と、を備え、前記燃料電池ユニットは断熱部に覆われた第１断熱空間に配置され、前記燃焼排ガス容器、前記浄化部および前記空気熱交換部は断熱部に覆われた第２断熱空間に配置される。
本発明は、燃料電池システムにおいて効率および信頼性の向上が可能であるという効果を奏する。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの構成の一例を模式的に示すブロック図である。 図１の燃料電池ユニットの構成を模式的に示すブロック図である。 本発明の実施形態１の変形例１に係る構成の一例を模式的に示すブロック図である。 本発明の実施形態１の変形例２に係る第２断熱部の内部構成の一例を模式的に示すブロック図である。 本発明の実施形態１の変形例３に係る燃料電池システムの構成の一例を模式的に示すブロック図である。 図４の燃料電池ユニットの構成を模式的に示すブロック図である。 本発明の実施形態１の変形例４に係る燃料電池システムの構成の一例を模式的に示すブロック図である。 本発明の実施形態２に係る燃料電池システムの構成の一例を模式的に示すブロック図である。 図７の第２断熱部の内部構成を模式的に示すブロック図である。 図８の浄化室および第２断熱部の構成を模式的に示す図である。 本発明の実施形態２の変形例２に係る一体型容器内部の構成を模式的に示すブロック図である。 本発明の実施形態２の変形例３に係る一体型容器内部の構造を模式的に示すブロック図である。 本発明の実施形態２の変形例４に係る燃料電池システムの構成の一例を模式的に示すブロック図である。
（本発明の基礎となった知見）
本発明者らは、燃料電池システムに関して効率および信頼性の向上について検討した。この燃料電池システムの効率向上には、発電効率の低下を抑制し、熱利用効率をさらに向上することにより実現される。また、燃焼排ガスを排出する際に燃焼排ガスに含まれる一酸化炭素をより確実に取り除くことにより、燃料電池システムの信頼性が高められる。
特許文献１、２の従来技術では、燃料電池または改質器からの排熱を脱硫部の加熱に利用している。また、特許文献３の従来技術では、燃料電池の発電に利用されなかった燃料を燃焼させた際の熱（燃焼熱）を脱硫部の加熱に利用している。しかしながら、熱利用効率のさらなる向上が求められる。
また、特許文献３の従来技術では、燃焼排ガスに含まれる一酸化炭素を除去する燃焼触媒が断熱層内に設けられている。この断熱槽の内部全体に燃焼器から放出される燃焼熱が行きわたる。このため、性能は温度に依存する燃焼触媒は、その適温より温度が高すぎて、一酸化炭素除去性能を十分に発揮できないおそれがある。
そこで、本発明者等は、燃焼排ガスとともにシステム外部に排出される熱エネルギーを有効に利用することにより、熱利用効率の向上、発電効率の低下の抑制、および、一酸化炭素のより確実な除去を行うことができることを見出した。本発明はこの知見に基づいてなされたものである。
本発明の第１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部と、前記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発電する燃料電池ユニットと、前記燃料電池ユニットにおいて発電に利用されなかった燃料が燃焼されて生成された燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス流路と、前記燃焼排ガス流路に接続され、前記脱硫部を内部に収容する燃焼排ガス容器と、前記燃焼排ガス中に含まれる一酸化炭素を除去する浄化部と、前記燃焼排ガスと前記燃料電池ユニットに供給する発電用空気とを熱交換させる空気熱交換部と、を備え、前記燃料電池ユニットは断熱部に覆われた第１断熱空間に配置され、前記燃焼排ガス容器、前記浄化部および前記空気熱交換部は断熱部に覆われた第２断熱空間に配置される。
上記構成によると、燃料を燃焼した際の燃焼熱により第１断熱空間の燃料電池ユニットが、高温に加熱される。このため、燃料電池ユニットは改質反応や発電反応の触媒の適温に温められ、発電効率が高く維持される。また、第１断熱空間は、外部と断熱されている上、第２断熱空間とも断熱されている。このため、第１断熱空間の温度が高温に保たれ、発電効率の低下が防止される。
第２断熱空間に配置される燃焼排ガス容器内の脱硫部、および、浄化部が燃焼排ガスにより加熱される。燃焼排ガスは燃料電池ユニットからの熱伝導などの熱や燃焼熱より低いため、燃焼排ガスの熱によって燃焼排ガス容器内の脱硫部および浄化部の各触媒がその適温に温められる。また、空気熱交換部において燃焼排ガスにより発電空気を加熱して燃料電池ユニットに供給するため、燃料電池ユニットにおける発電効率の低下を抑制することができる。さらに、１つの第２断熱空間に燃焼排ガス容器、浄化部および空気熱交換部が配置されることにより、これらの間の燃焼排ガスの移動時における放熱を抑制することができる。よって、燃焼排ガスの熱を有効利用して、熱効率の向上を図る。また、硫黄化合物をより確実に除去し、また、発電用空気を予熱して、発電効率の低下を抑制することができる。さらに、一酸化炭素をより確実に除去し、燃料電池システムの信頼性を向上することができる。
本発明の第２態様に係る燃料電池システムは、上記第１態様において、前記燃焼排ガス容器、前記脱硫部および前記浄化部の少なくとも一つを加熱する加熱部をさらに備えてもよい。これにより、燃焼排ガス容器、脱硫部および浄化部の少なくとも一つが加熱部により加熱される。よって、燃料電池システムの起動時における昇温時間の短縮化や触媒温度の安定化を図ることができる。
本発明の第３態様に係る燃料電池システムでは、上記第１または第２態様において、前記第１断熱空間は、前記断熱部を介して前記第２断熱空間に隣接して配置されてもよい。これにより、互いに対向する面からの放熱が抑制されるため熱利用効率が向上する。
本発明の第４態様に係る燃料電池システムでは、上記第１〜第３のいずれか１つの様態において、前記燃焼排ガス容器、前記浄化部および前記空気熱交換部は、前記第２断熱部に覆われた１つの容器の内部に隔壁を介して配置されていてもよい。これにより、これらを接続する配管を省略でき、コストの削減および燃料電池システムの小型化が図られる。また、これらの全体的な表面積（放熱面積）が大幅に小さくなるため、放熱量が減少し、熱利用効率が向上する。
本発明の第５の態様に係る燃料電池システムでは、上記第４態様において、前記空気熱交換部と前記燃焼排ガス容器の間の隔壁に断熱材が設けられていてもよい。これにより、燃焼排ガス容器を流れる燃焼排ガスが空気熱交換部を流れる発電用空気により冷却されることを防ぐことができる。
本発明の第６の態様に係る燃料電池システムは、上記第１〜第５のいずれか１つの態様において、前記燃焼排ガスは、前記燃焼排ガス容器、前記浄化部および前記空気熱交換部をこの順に流れるようにしてもよい。この燃焼排ガス容器内の脱硫部の触媒の適温は浄化部の触媒より高い。よって、燃焼排ガスは、触媒の適温が高い脱硫部を加熱してから、この適温より低い触媒の浄化部を加熱する。このため、各触媒をその適温に温めることができる。
本発明の第７の態様に係る燃料電池システムは、上記第１〜第６の態様のいずれか１つの態様において、前記燃料電池ユニットに設けられたメイン空気熱交換部をさらに備え、前記空気熱交換部は、前記メイン空気熱交換部に送られる発電用空気を予熱してもよい。これにより、発電用空気は、空気熱交換部において燃焼排ガスにより予熱された後、メイン空気熱交換部により加熱される。よって、燃焼排ガスの熱を有効利用して、燃料電池システムの熱利用効率を向上させることができる。また、発電用空気を燃料電池の動作温度またはそれに近い温度まで加熱することができ、発電効率の低下を抑制することができる。
本発明の第８の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１〜第７の態様のいずれか１つの態様において、前記浄化部に設けられた開口部を開閉可能に覆う蓋部をさらに備えていてもよい。これにより、蓋部により浄化部を開いて、浄化部の触媒を交換することができる。これにより、浄化部の浄化性能を半永久的に持続させることができる。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
（実施の形態１）
実施形態１に係る燃料電池システム１の構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、実施形態１に係る燃料電池システム１の構成の一例を模式的に示すブロック図である。燃料電池システム１は、燃料電池ユニット５０、脱硫部１１、燃焼排ガス容器１０、浄化部１２および第２空気熱交換部１３を備えている。
脱硫部１１は、原料ガス中の硫黄化合物を除去する反応器であって、脱硫触媒１１ａを備えている。
脱硫触媒として水添脱硫触媒を用いる場合、脱硫触媒１１ａとしては、たとえば、硫黄化合物を硫化水素に変換する機能と硫化水素を吸着する機能を共に有するＣｕＺｎ系の脱硫触媒がある。このＣｕＺｎ系の脱硫触媒は、たとえば、１００〜４００℃、好ましくは１５０〜３００℃の温度範囲で脱硫機能を発揮する。ＣｕＺｎ系の脱硫触媒は、低温で主に物理吸着を行い、高温で化学吸着（Ｈ2Ｓ＋ＺｎＯ→Ｈ2Ｏ＋ＺｎＳ）を行う。この場合、脱硫後の原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。
なお、脱硫触媒１１ａは、本例に限定されるものではない。たとえば、原料ガス中の硫黄化合物を硫化水素に変換するＣｏＭｏ系触媒と、その下流に設けられる、硫化水素を吸着除去する硫黄吸着剤であるＺｎＯ系触媒またはＣｕＺｎ系触媒とで構成してもよい。ＣｕＺｎ系触媒の水添脱硫反応に適した温度範囲は、１５０℃−３５０℃（好ましくは、２５０℃−３５０℃）である。
また、脱硫触媒として高温で活性が高くなる吸着脱硫触媒を用いる場合、脱硫触媒１１ａとしては、たとえば、Ａｇ系、Ｃｕ系、Ｆｅ系、Ｎｉ系などの脱硫触媒がある。そして、これらの脱硫触媒を担持する担持体としては、ゼオライト、シリカ、酸化マンガン、ジルコニアなどを用いることができる。これらの脱硫触媒の活性を高めるにあたり、温度は１００℃以上に加熱し、上限温度としては３５０℃以下にすることが好ましい。
このように、脱硫触媒としては、水添脱硫触媒であっても、高温で活性が高くなる吸着脱硫触媒であってもかまわないが、以下では、脱硫触媒は水添脱硫触媒であるとして説明する。
なお、原料としては、たとえば、天然ガスを主成分とする都市ガスが挙げられる。
脱硫部１１の下部に第１原料供給流路１７ａが接続され、脱硫部１１の上部に第２原料供給流路１７ｂが接続されている。これにより、第１原料供給流路１７ａと第２原料供給流路１７ｂとは脱硫部１１を介して繋がっている。また、第１原料供給流路１７ａにはリサイクル流路１８が接続されている。
燃焼排ガス容器１０は、内部に脱硫部１１を収容し、この脱硫部１１を燃焼排ガスで加熱するための容器である。燃焼排ガス容器１０の上部に第１燃焼排ガス流路１５ａ１が接続され、燃焼排ガス容器１０の下部に第２燃焼排ガス流路（燃焼排ガス流路）１５ａ２が接続されている。燃焼排ガス容器１０の内面と脱硫部１１の外面との間には間隙が設けられており、この間隙により第１燃焼排ガス流路１５ａ１と第２燃焼排ガス流路１５ａ２とが接続される。なお、燃焼排ガス容器１０と脱硫部１１との間隙は、脱硫部１１の全周囲に亘って一定であることが好ましい。
浄化部１２は、燃焼排ガスに含まれる一酸化炭素や炭化水素などの成分を除去する反応器であって、燃焼触媒１２ａを備えている。燃焼触媒１２ａは、たとえば、Ｐｔ系貴金属触媒をハニカム状のセラミックに担持させたものであって、この反応に最適な温度は、たとえば、２５０℃である。浄化部１２は、燃焼排ガス容器１０の側方に設けられている。浄化部１２の下部に第２燃焼排ガス流路１５ａ２が接続され、浄化部１２の上部に燃焼排ガス排出流路（燃焼排ガス流路）１５ｂが接続されている。
第２空気熱交換部１３は、燃焼排ガスと、燃料電池ユニット５０に供給される空気（発電用空気）とを熱交換する熱交換器（空気熱交換部）である。第２空気熱交換部１３は、燃焼排ガス容器１０の側方であって、浄化部１２の上方に設けられている。第２空気熱交換部１３には、燃焼排ガス排出流路１５ｂおよび空気供給流路１６が貫通している。空気供給流路１６は、燃焼排ガス排出流路１５ｂより燃焼排ガス容器１０から遠い位置に配される。燃焼排ガス排出流路１５ｂおよび空気供給流路１６が平行に延びている。この平行に延びている部分において、燃焼排ガス排出流路１５ｂを流れる燃焼排ガスの向きと、空気供給流路１６を流れる発電用空気の向きとが対向する。
燃料電池ユニット５０は、発電部であって、筐体５０ａを有している。燃料電池ユニット５０には第１燃焼排ガス流路（燃焼排ガス流路）１５ａ１、第２原料供給流路１７ｂ、空気供給流路１６およびリサイクル流路１８が接続されている。なお、脱硫触媒として水添脱硫触媒を用いない場合、リサイクル流路１８は設置しない。
第１断熱部２１は、燃料電池ユニット５０の筐体５０ａを覆う断熱部である。第２断熱部２２は、燃焼排ガス容器１０、浄化部１２および第２空気熱交換部１３のそれぞれを覆う断熱部である。第１断熱部２１および第２断熱部２２は、隣接して設けられている。
このように、燃料電池システム１には、第１断熱部２１に囲まれた空間（第１断熱空間）、および、第２断熱部２２に囲まれた空間（第２断熱空間）が設けられている。第１断熱空間には燃料電池ユニット５０が収容されており、第２断熱空間には燃焼排ガス容器１０、浄化部１２および第２空気熱交換部１３が収容されている。この第２断熱空間は、第２燃焼排ガス流路１５ａ２および燃焼排ガス排出流路１５ｂにより燃焼排ガス容器１０、浄化部１２および第２空気熱交換部１３が連結された１つの空間である。
第１断熱空間と第２断熱空間とは、第１燃焼排ガス流路１５ａ１、空気供給流路１６、第２原料供給流路１７ｂおよびリサイクル流路１８により連結されている。
次に、燃料電池ユニット５０の構成について図２を参照して説明する。図２は、図１の燃料電池ユニット５０の構成を模式的に示すブロック図である。燃料電池ユニット５０は、改質部５０１、燃焼部５０２、燃料電池５０３および第１空気熱交換部５０４を筐体５０ａに組み込んだ、いわゆる、ホットモジュールである。なお、本実施の形態では、燃料電池５０３として固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を例に挙げて説明するが、燃料電池５０３これに限定されるものではない。また、燃料電池ユニット５０の各部５０１〜５０４は、公知のものであるため、これらの詳細な説明は省略する。
改質部５０１は、原料を改質して燃料を生成する反応器である。改質部５０１には、第２原料供給流路１７ｂおよび燃料供給流路５０５が接続されている。なお、改質部５０１が水蒸気改質により原料を改質する構成の場合、外部から水を供給するための水流路（不図示）が改質部５０１に接続されていてもよい。
燃料電池５０３は、燃料と発電用空気とを利用して電気化学反応により発電する発電部である。燃料電池５０３には、燃料供給流路５０５および空気供給流路１６が接続されている。燃焼部５０２は、燃料電池５０３の電気化学反応に利用されなかった燃料（オフガス）を燃焼する。第１空気熱交換部５０４は、熱交換器（メイン空気熱交換部）であって、燃焼排ガスと発電用空気とを熱交換させる。第１空気熱交換部５０４には、第１燃焼排ガス流路１５ａ１および空気供給流路１６が貫通している。
次に、図１および図２を参照して、燃料電池システム１の運転について説明する。図２に示すように、原料は、第２原料供給流路１７ｂを介して改質部５０１に供給されて燃料（改質ガス）に改質される。燃料は、燃料供給流路５０５を介して燃料電池５０３に供給される。また、燃料電池５０３に供給されずに残った燃料（リサイクルガス）は、燃料供給流路５０５およびリサイクル流路１８を介して脱硫部１１（図１）に供給される。なお、リサイクル流路１８は、燃料供給流路５０５から分岐した流路である。
また、燃料電池５０３には、空気供給流路１６を介して発電用空気が供給されている。この燃料および発電用空気によって発電が行われる。この発電で利用されなかったオフガスは、燃焼部５０２に供給されて燃焼される。この燃焼熱によって、第１断熱部２１（図１）で覆われた筐体５０ａ内のホットモジュールは、たとえば、６００〜８００℃に加熱される。この温度は、改質部５０１や燃料電池５０３の触媒の適温である。
オフガスが燃焼されて生成された燃焼排ガスは、筐体５０ａ内に排出されて、第１空気熱交換部５０４の第１燃焼排ガス流路１５ａ１に流入する。ここでの燃焼排ガスの温度は、たとえば、６００℃である。この高温の燃焼排ガスが、空気供給流路１６からの発電用空気を第１空気熱交換部５０４において加熱する。加熱された発電用空気は、燃料電池５０３に供給されて発電に用いられる。
第１空気熱交換部５０４を通過した燃焼排ガスは、図１に示すように、第１燃焼排ガス流路１５ａ１を介して、第１断熱空間の燃料電池ユニット５０から第２断熱空間の燃焼排ガス容器１０に供給される。この燃焼排ガス容器１０に供給される際の燃焼排ガスの温度は、たとえば、３００〜３５０℃である。燃焼排ガスは、燃焼排ガス容器１０の内面と脱硫部１１の外面との間隙を通る。この際に、燃焼排ガスは脱硫部１１の外面に沿って万遍なく流れ、燃焼排ガスが持つ熱エネルギーにより脱硫触媒１１ａが均一に加熱される。これにより、脱硫部１１の脱硫触媒１１ａは、この適温、たとえば、２００〜３００℃に温められる。
脱硫部１１には、原料が第１原料供給流路１７ａを介して供給される。また、リサイクルガスがリサイクル流路１８および第１原料供給流路１７ａを介して燃料電池ユニット５０から脱硫部１１に供給される。適温に加熱された脱硫触媒１１ａの存在下において、原料中の硫黄化合物はリサイクルガス中の水素と反応して、この反応物が物理吸着される。これにより、原料に含まれる硫黄化合物が除去される。こうして硫黄化合物が除去された原料は、第２原料供給流路１７ｂを通って燃料電池ユニット５０の改質部５０１に送られる。改質部５０１において原料は改質される。
また、燃焼排ガス容器１０から排出された燃焼排ガスは、第２燃焼排ガス流路１５ａ２を介して浄化部１２に供給される。この際の燃焼排ガスの温度は、たとえば、２００〜２５０℃である。燃焼排ガスが浄化部１２を通過している間に、燃焼触媒１２ａはその適温の、たとえば、２５０℃に加熱される。適温に加熱された燃焼触媒１２ａの存在下において、燃焼排ガス中の一酸化炭素などの成分が酸化分解される。これにより一酸化炭素などの成分が除去された燃焼排ガスは、燃焼排ガス排出流路１５ｂを介して浄化部１２から第２空気熱交換部１３を通り燃料電池システム１の外部に排出される。
この燃焼排ガスが第２空気熱交換部１３に流入する際の燃焼排ガスの温度は、たとえば、２００℃である。また、第２空気熱交換部１３には、常温（たとえば、２５℃）の発電用空気が外部から流入する。そして、発電用空気は、第２空気熱交換部１３を通過している間に高温の燃焼排ガスにより加熱される。発電用空気は、たとえば、１００〜２００℃に温められて、第２空気熱交換部１３から燃料電池ユニット５０へ送出される。
この温められた発電用空気は、図２に示す燃料電池ユニット５０の第１空気熱交換部５０４に流入する。この第１空気熱交換部５０４において、たとえば、６００℃の高温の燃焼排ガスにより発電用空気はさらに高い温度に加熱される。そして、発電用空気は、燃料電池５０３の発電に利用される。
上記実施の形態によれば、燃料電池ユニット５０は、第１断熱部２１で覆われた第１断熱空間に配されており、第１断熱空間の外部と断熱されている。これにより、燃焼部５０２の燃焼により生成された熱（燃焼熱）および燃焼排ガスの熱が外部へ放熱されることを防ぐことができる。それゆえ、燃焼熱を改質部５０１や燃料電池５０３の反応に有効に利用することができる。また、燃焼排ガスの熱を発電用空気の加熱に利用することができる。この結果、燃料電池システム１の発電効率および熱利用効率を高く維持することができる。
また、燃焼排ガス容器１０、浄化部１２、第２空気熱交換部１３、第２燃焼排ガス流路１５ａ２および燃焼排ガス排出流路１５ｂは、第２断熱部２２に囲まれた第２断熱空間に配置されている。これらは第２断熱部２２の外部と断熱されている。このため、第２断熱空間の熱が外部へ放熱されることが防がれる。よって、燃焼排ガス容器１０内の脱硫部１１および浄化部１２を各触媒１１ａ、１２ａの適温に維持することができる。この結果、脱硫部１１により原料中の硫黄化合物を除去することにより、燃料電池ユニット５０における発電効率の低下を抑制することができる。また、浄化部１２により燃焼排ガス中の一酸化炭素などの成分をより確実に除去することにより、燃料電池システム１の信頼性を高めることができる。
さらに、燃焼排ガス容器１０、浄化部１２および第２空気熱交換部１３は、第２燃焼排ガス流路１５ａ２および燃焼排ガス排出流路１５ｂにより繋がっている。このため、各流路１５ａ２、１５ｂを流れる燃焼排ガスの熱を各部における加熱に利用することができる。このため、燃料電池システム１の熱利用効率を向上することができる。
このように、改質部５０１や燃料電池５０３の各触媒の適温、たとえば、６００〜８００℃の高温に第１断熱空間を加熱するために高温の燃焼部５０２の燃焼熱を利用している。一方、脱硫部１１や浄化部１２の各触媒１１ａ、１２ａの適温、たとえば、２００〜３００℃に第２断熱空間を加熱するために燃焼熱より温度の低い燃焼排ガスの熱を利用している。また、第１断熱空間と第２断熱空間との間を断熱している。これにより、第１断熱空間の熱が第２断熱空間へ熱伝導や放射により直接移動することを防止している。よって、第１断熱空間を高温に維持しつつ、第２断熱空間の各触媒１１ａ、１２ａをその適温に加熱することができる。この結果、燃料電池システム１の熱利用効率の向上、燃料電池５０３の発電効率の低下抑制、および、燃料電池システム１の安定な運転を実現することができる。
また、燃焼排ガス容器１０の下流側に浄化部１２を設けている。この浄化部１２の燃焼触媒１２ａの適温が脱硫部１１の脱硫触媒１１ａの適温より低い。このため、燃焼排ガスが脱硫部１１を加熱した後に浄化部１２を加熱すると、各触媒１１ａ、１２ａを適温に加熱することができる。
この燃焼排ガス容器１０、浄化部１２および第２空気熱交換部１３を近接して配置している。燃料電池システム１を小型化することができる。また、これらの間を繋ぐ流路１５ａ２、１５ｂにおける放熱を低減して、燃料電池システム１の熱利用効率の低下を抑制している。
さらに、空気供給流路１６は、第２空気熱交換部１３および第１空気熱交換部５０４を通っている。これにより、空気供給流路１６を流れる発電用空気は、第２空気熱交換部１３で低温（たとえば、２００℃）の燃焼排ガスにより加熱された後、第１空気熱交換部５０４で高温（たとえば、６００℃）の燃焼排ガスにより加熱される。発電用空気を高温の燃料電池５０３の発電に必要な温度まで高めることができる。
また、第１空気熱交換部５０４における燃焼排ガスの温度低下を、空気供給流路１６を第２空気熱交換部１３に通過させずに第１空気熱交換部５０４に通過させた際の燃焼排ガスの温度低下より小さく抑えることができる。よって、第１空気熱交換部５０４から燃焼排ガス容器１０に流入する燃焼排ガスの温度を高く維持して、この燃焼排ガスによって脱硫触媒１１ａおよび燃焼触媒１２ａを適温に加熱することができる。
なお、上記構成では、燃料電池ユニット５０は改質部５０１を備えていたが、改質部５０１を備えていなくてもよい。たとえば、燃料電池５０３が固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である場合、燃料電池５０３の作動温度が６００℃〜８００℃と高温である。このため、燃料電池５０３の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５０３内で水蒸気改質（内部改質）を行う構成としてもよい。この場合、リサイクル流路１８の代わりに、たとえば、外部から第１原料供給流路１７ａに水素を導く流路を備える。これにより、原料に水素を混合した混合ガスを、第１原料供給流路１７ａを介して脱硫部１１に供給することができる。
（変形例１）
実施の形態１の変形例１に係る燃料電池システム１は、加熱部１４をさらに備えている。図３に示すように、加熱部１４は、浄化部１２の燃焼触媒１２ａを加熱するための加熱器であって、たとえば、電気ヒータが用いられる。加熱部１４は、第２燃焼排ガス流路１５ａ２と燃焼触媒１２ａとの間に設けられる。
この加熱部１４によって、第２燃焼排ガス流路１５ａ２から浄化部１２に流入する燃焼排ガスを加熱することができる。よって、燃料電池システム１の起動時などの燃焼触媒１２ａがその適温より低いときであっても、燃焼触媒１２ａを適温まで短時間で加熱することができる。この結果、燃焼触媒１２ａの温度の安定化、および、燃焼触媒１２ａの昇温時間の短縮化が図られる。
なお、上記構成では、加熱部１４は浄化部１２に設けられた。ただし、加熱部１４を、浄化部１２、燃焼排ガス容器１０および第２空気熱交換部１３の少なくとも１つに設けてもよい。浄化部１２、燃焼排ガス容器１０および第２空気熱交換部１３のいずれかの温度が所望温度より低いときに、加熱部１４により所望温度まで各部１１、１２、１３を加熱することができる。
（変形例２）
上記図１に示す第２断熱空間における各部１０、１２、１３の配置は、これに限定されない。たとえば、図４に示すように各部１０、１２、１３を配置してもよい。図４は、実施形態１の変形例２に係る第２断熱部２２の第２断熱空間における構成の一例を模式的に示すブロック図である。
図４の例では、第１燃焼排ガス流路１５ａ１が燃焼排ガス容器１０の下部に接続されている。第１原料供給流路１７ａが脱硫部１１の上部に接続され、第２原料供給流路１７ｂが脱硫部１１の下部に接続されている。燃焼排ガス排出流路１５ｂが第２断熱空間から第２断熱部２２の下部へ延びている。空気供給流路１６が第２断熱部２２の下部から第２断熱空間内に挿入されている。また、浄化部１２が第２空気熱交換部１３の上方に配置されている。
このように、燃焼排ガス容器１０、浄化部１２、第２空気熱交換部１３および各流路の配置を、設計の制約条件に合うように適宜変更してもよい。なお、実施の形態１の変形例１の加熱部１４を設けてもよい。
（変形例３）
図１の構成では第２空気熱交換部１３には燃焼排ガス排出流路１５ｂが通り、図２に示すように燃料電池ユニット５０に第１空気熱交換部５０４が設けられていた。これに対して、実施形態１の変形例３に係る燃料電池システム１では、図５に示すように第２空気熱交換部１３に第１燃焼排ガス流路１５ａ１が通り、図６に示すように燃料電池ユニット５０に第１空気熱交換部５０４が設けられていない。図５は、実施形態１の変形例３に係る燃料電池システム１の構成の一例を模式的に示すブロック図である。図６は、図５の燃料電池ユニット５０の構成を模式的に示すブロック図である。なお、この変形例３の燃料電池システム１においても、実施の形態１の変形例１の加熱部１４を設けてもよい。
図５および図６に示すように、燃料電池システム１の外部の原料供給部は、第１原料供給流路１７ａにより脱硫部１１に接続される。脱硫部１１は、第２原料供給流路１７ｂにより燃料電池ユニット５０の改質部５０１に接続される。改質部５０１は、燃料供給流路５０５により燃料電池５０３に接続される。この燃料供給流路５０５から分岐するリサイクル流路１８は第１原料供給流路１７ａと接続する。
また、燃料電池ユニット５０の筐体５０ａは燃焼排ガス容器１０に第１燃焼排ガス流路１５ａ１により接続される。この筐体５０ａと燃焼排ガス容器１０との間において、第１燃焼排ガス流路１５ａ１は第２空気熱交換部１３を通過する。
さらに、燃焼排ガス容器１０は、第２燃焼排ガス流路１５ａ２により浄化部１２に接続される。浄化部１２は燃焼排ガス排出流路１５ｂに接続されており、燃焼排ガス排出流路１５ｂは燃料電池システム１の外部に延びる。
また、空気供給流路１６は、燃料電池システム１の外部から第２断熱空間に挿入される。そして、第２空気熱交換部１３を通過して、燃料電池ユニット５０の燃料電池５０３に接続される。
図５および図６の構成では、第１空気熱交換部５０４（図２）を持たない燃料電池ユニット５０を出る燃焼排ガスの温度は、たとえば、燃料電池５０３と同程度の６００℃以上になる。この燃焼排ガスは、第２空気熱交換部１３に導入されて、空気供給流路１６を流れる発電用空気と熱交換する。これにより、発電用空気は、燃料電池５０３の動作温度、たとえば、６００℃の高温に加熱されて、燃料電池５０３に供給される。
また、第２空気熱交換部１３を通過した燃焼排ガスは、常温の発電用空気と熱交換する。これにより、燃焼排ガスは、脱硫触媒１１ａや燃焼触媒１２ａを加熱するのに適した温度、たとえば、約３００℃になる。そして、燃焼排ガスは、燃焼排ガス容器１０に流入して、脱硫触媒１１ａをこの適温、たとえば、３００℃に加熱する。その後、燃焼排ガスは、浄化部１２に流入し、燃焼触媒１２ａをこの適温、たとえば、２５０℃に加熱する。燃焼触媒１２ａの存在下において、一酸化炭素が燃焼排ガスなどの成分から除去されて、燃焼排ガス排出流路１５ｂを通して燃料電池システム１の外部に排出される。
この構成によれば、燃料電池ユニット５０が空気熱交換部を備えていないため、燃料電池システム１の小型化およびコスト低減を図ることができる。また、燃料電池ユニット５０の空気熱交換部を燃焼排ガスが通過しない。これにより、燃焼排ガスの流路の短縮化が図られ、燃焼排ガスの放熱を低減することができる。このため、燃料電池システム１の熱利用効率の向上が図られる。
さらに、第２空気熱交換部１３、燃焼排ガス容器１０および浄化部１２の順に燃焼排ガスを流通させている。よって、各触媒１１ａ、１２ａや発電用空気をそれぞれの適温に加熱することができる。
（変形例４）
実施の形態１の変形例４に係る燃料電池システム１では、図７に示すように第１断熱空間および第２断熱空間は、第１断熱部２１および第２断熱部２２を介して隣接して設けられている。このため、第１断熱空間と第２断熱空間との間は、第１断熱空間から第２断熱空間に熱伝導や放射により熱が移動しないように断熱部によって断熱されている。ただし、たとえば、第１燃焼排ガス流路１５ａ１を流れる燃焼排ガスにより第１断熱空間から第２断熱空間に熱が移動することは可能である。なお、第１断熱空間と第２断熱空間とが個別に隣接して設けられていて、これらの間が断熱部により断熱されていれば、第１断熱部２１および第２断熱部２２は一体的に設けられていてもよい。
（実施の形態２）
実施形態２に係る燃料電池システム１の構成について、図８および図９を参照しながら説明する。図８は、実施形態２に係る燃料電池システム１の構成の一例を模式的に示すブロック図である。図９は、図８の第２断熱部２２の第２断熱空間における構成の一例を模式的に示すブロック図である。
実施の形態１の燃焼排ガス容器１０、浄化部１２および第２空気熱交換部１３のそれぞれの間には第２断熱部２２が設けられていた。各部１０、１２、１３が独立した状態で第２断熱部２２の第２断熱空間に配置されていた。これに対し、実施の形態２の燃料電池システム１では、１つの一体型容器１００に各部１０、１２、１３が配置されている。
一体型容器１００は、第２断熱部２２に覆われている。一体型容器１００には、第１隔壁（隔壁）３１および第２隔壁（隔壁）３２が設けられている。第１隔壁３１および第２隔壁３２により、一体型容器１００の内部空間は、３つの部屋１１０、１２０、１３０に区切られている。この燃焼排ガス室１１０と浄化室１２０とは、第１隔壁３１により区切られているが、第１隔壁３１に設けられた第１連通孔３１ａにより連通している。また、浄化室１２０と空気熱交換室１３０とは、第２隔壁３２により区切られているが、第２隔壁３２に設けられた第２連通孔３２ａにより連通している。
燃焼排ガス室１１０は、燃焼排ガス容器に相当し、脱硫触媒１１ａを充填された脱硫部１１を内部に収容している。脱硫部１１の下部に原料入口１７０ａが設けられ、脱硫部１１の上部に原料出口１７０ｂが設けられている。原料入口１７０ａは、第２断熱部２２を貫通し、原料供給部（図示せず）に繋がる第１原料供給流路１７ａと接続している。原料出口１７０ｂは、第２断熱部２２を貫通し、燃料電池ユニット５０に繋がる第２原料供給流路１７ｂと接続している。
また、燃焼排ガス室１１０の内面と脱硫部１１の外面との間には間隙が設けられている。この燃焼排ガス室１１０の上部に燃焼排ガス入口１５０ａが設けられ、燃焼排ガス室１１０の下部に第１連通孔３１ａが設けられている。燃焼排ガス入口１５０ａは、第２断熱部２２を貫通して、燃料電池ユニット５０に繋がる第１燃焼排ガス流路１５ａ１と接続している。燃焼排ガス室１１０と脱硫部１１との間隙は、浄化室１２０および第１燃焼排ガス流路１５ａ１と連通する。
浄化室１２０は、浄化部に相当し、燃焼触媒１２ａおよび加熱部１４を内部に備えている。加熱部１４は、第１連通孔３１ａと燃焼触媒１２ａとの間に設けられている。
空気熱交換室１３０は、第２空気熱交換部（空気熱交換部）に相当し、燃焼排ガス流路部１３０ａを内部に備えている。燃焼排ガス流路部１３０ａの下部は第２連通孔３２ａと接続し、燃焼排ガス流路部１３０ａの上部に燃焼排ガス出口１５０ｂが設けられている。燃焼排ガス出口１５０ｂは、第２断熱部２２を貫通して、燃料電池システム１の外部に延びる燃焼排ガス排出流路１５ｂと接続している。これにより、燃焼排ガス流路部１３０ａは、第２連通孔３２ａを介して浄化室１２０に連通し、燃焼排ガス出口１５０ｂを介して燃焼排ガス排出流路１５ｂと連通している。この燃焼排ガス流路部１３０ａは、燃焼排ガス排出流路１５ｂの一部を構成している。なお、燃焼排ガス出口１５０ｂは、燃料電池システム１の外部に延びる燃焼排ガス排出流路１５ｂと接続せずに、燃料電池システム１の外部に延びていてもよい。
また、空気熱交換室１３０の内面と燃焼排ガス流路部１３０ａの外面との間には間隙が設けられている。この空気熱交換室１３０の上部に空気入口１６０ａが設けられ、空気熱交換室１３０の下部に空気出口１６０ｂが設けられている。空気入口１６０ａは、第２断熱部２２を貫通して、燃料電池システム１の外部に延びる空気供給流路１６に接続していている。空気出口１６０ｂは、第２断熱部２２を貫通して、燃料電池ユニット５０に延びる空気供給流路１６に接続している。これにより、空気熱交換室１３０と燃焼排ガス流路部１３０ａとの間隙は、空気入口１６０ａおよび空気出口１６０ｂ介して空気供給流路１６と連通し、空気供給流路１６の一部を構成している。なお、空気入口１６０ａは、燃料電池システム１の外部に延びる空気供給流路１６に接続せずに、燃料電池システム１の外部に延びていてもよい。
上記構成の燃料電池システム１では、原料は、原料供給部から原料入口１７０ａを介して脱硫部１１に流入する。脱硫部１１において硫黄化合物が除去された原料は、原料出口１７０ｂを介して燃料電池ユニット５０へ送られて発電に利用される。
また燃料電池ユニット５０から排出された燃焼排ガスは、燃焼排ガス入口１５０ａを介して燃焼排ガス室１１０に流入する。燃焼排ガスは、脱硫部１１の外表面を万遍なく沿うように流れる。これにより、脱硫触媒１１ａはその適温（たとえば、２００〜３００℃）まで均一に加熱される。
燃焼排ガス室１１０を通過した燃焼排ガスは、第１連通孔３１ａを介して浄化室１２０に流入する。燃焼排ガスにより燃焼触媒１２ａはその適温（たとえば、２５０℃）まで加熱される。この燃焼触媒１２ａの存在下において、一酸化炭素などの成分は燃焼排ガスから除去される。
燃焼排ガスは、第２連通孔３２ａを介して空気熱交換室１３０の燃焼排ガス流路部１３０ａに流入する。また、空気熱交換室１３０と燃焼排ガス流路部１３０ａとの間隙には空気入口１６０ａを介して燃料電池システム１の外部から発電用空気が流入する。この間隙を流れる常温の発電用空気と燃焼排ガス流路部１３０ａを流れる高温の燃焼排ガスが熱交換を行う。そして、発電用空気は、燃焼排ガスにより加熱されて、空気出口１６０ｂを介して燃料電池ユニット５０に送られる。一方、熱交換後の燃焼排ガスは、燃焼排ガス出口１５０ｂから燃料電池システム１の外部へ排出される。
上記実施の形態によれば、燃焼排ガス室１１０、浄化室１２０および空気熱交換室１３０を一体化して一体型容器１００の内部に構成している。これにより、各部屋１１０、１２０、１３０を連結するための配管を省略することができる。また、各部屋１１０、１２０、１３０の壁を共有し、各部屋１１０、１２０、１３０の間の断熱部を省略することができる。このため、構成を簡素化して、燃料電池システム１を小型化できる。さらに、配管の省略や表面積の減少によって外部への放熱が抑制され、燃焼排ガスが持つ熱エネルギーを有効に利用でき、燃料電池システム１の熱利用効率がより向上する。
また、実施の形態１と同様に、燃料電池ユニット５０が第１断熱部２１で覆われているため、第１断熱空間の燃焼熱および燃焼排ガスの熱が外部へ放熱されることを防ぐことができる。また、各部屋１１０、１２０、１３０を含む一体型容器１００が第２断熱部２２で覆われているため、第２断熱空間の燃焼排ガスの熱が外部へ放熱されることを防ぐことができる。さらに、燃焼排ガスを各部屋１１０、１２０、１３０に流すことにより、燃焼排ガスの熱を各部屋１１０、１２０、１３０における加熱に利用することができる。また、第１断熱空間と第２断熱空間との間を断熱しているため、第１断熱空間を高温に維持することができる。また、燃焼排ガス室１１０、浄化室１２０および空気熱交換室１３０にこの順で燃焼排ガスを流すため、各触媒１１ａ、１２ａをその適温に加熱することができる。さらに、発電用空気を第２空気熱交換部１３で加熱するため、発電用空気を高温の燃料電池５０３の発電に必要な温度まで高めることができる。
なお、加熱部１４を、浄化部１２、燃焼排ガス容器１０および第２空気熱交換部１３の少なくとも１つに設けてもよい。さらに、実施の形態１と同様に、加熱部１４は燃料電池システム１に設けられていなくてもよい。また、実施の形態１の変形例３と同様に、燃料電池ユニット５０の第１空気熱交換部５０４を設けずに、燃焼排ガスを空気熱交換室１３０、燃焼排ガス室１１０および浄化室１２０にこの順で流す構成としてもよい。
（変形例１）
実施の形態２の変形例１に係る燃料電池システム１は、図１０に示すように浄化室１２０の蓋部１２１をさらに備えている。図１０は、第２実施形態の変形例１に係る一体型容器１００の一部を示す拡大図である。
浄化室１２０に対応する一体型容器１００の壁には開口部１００ａが設けられている。この開口部１００ａを開閉可能に塞ぐように蓋部１２１が設けられている。蓋部１２１は、たとえば、一体型容器１００にねじ止めされている。第２断熱部２２は、蓋部１２１を覆う部分（被覆部）２２ａと、蓋部１２１以外の一体型容器１００を覆う本体部２２ｂとに分けられている。
蓋部１２１を開けるには、この蓋部１２１と被覆部２２ａとを一緒に取り外す。これにより、開口部１００ａが解放されるため、たとえば、作業員は開口部１００ａを介して浄化室１２０の燃焼触媒１２ａを容易に交換（着脱）することができる。
（変形例２）
上記図９に示す第２断熱空間における各部屋１１０、１２０、１３０の配置は、これに限定されない。たとえば、図１１に示すように各部屋１１０、１２０、１３０を配置してもよい。図１１は、実施形態２の変形例２に係る第２断熱部２２の第２断熱空間における構成の一例を模式的に示すブロック図である。
図１１の例では、原料入口１７０ａが脱硫部１１の上部に、原料出口１７０ｂが脱硫部１１の下部に設けられている。燃焼排ガス入口１５０ａが燃焼排ガス室１１０の上部に、燃焼排ガス出口１５０ｂが燃焼排ガス流路部１３０ａの下部に設けられている。空気入口１６０ａが空気熱交換室１３０の下部に設けられている。
また、燃焼排ガス入口１５０ａと脱硫部１１との間に第３隔壁３３が設けられる。第３隔壁３３は、脱硫部１１の外面に対して平行に設けられる。第３連通孔３３ａは、第３隔壁３３に設けられ、燃焼排ガス入口１５０ａから遠い一体型容器１００の壁の近傍に配されている。これにより、燃焼排ガス入口１５０ａから流入した燃焼排ガスは、第３連通孔３３ａと介して燃焼排ガス室１１０に流入し、脱硫部１１内の原料の流れに対して対向して燃焼排ガス室１１０内を流れる。
さらに、第１連通孔３１ａを、燃焼排ガス出口１５０ｂから遠い一体型容器１００の壁の近傍に配されている。これにより、第１連通孔３１ａに繋がる浄化室１２０は、燃焼排ガス出口１５０ｂに繋がる空気熱交換室１３０の上方に配される。この空気熱交換室１３０は、燃焼排ガス流れの最下流に位置する。
（変形例３）
実施形態２の変形例３に係る燃料電池システム１は、図１２に示すように第１隔壁３１を覆う断熱材２３をさらに備えている。図１２は、実施形態２の変形例３に係る第２断熱部２２の第２断熱空間における構成の一例を模式的に示すブロック図である。
断熱材２３は、燃焼排ガス室１１０に設けられ、第１隔壁３１を覆っている。この断熱材２３により、燃焼排ガス室１１０と空気熱交換室１３０との間が断熱される。よって、断熱材２３により、燃焼排ガス室１１０を流通する約３００℃の燃焼排ガスと、空気熱交換室１３０を流通する低温（流入温度が、たとえば、２５℃）の発電用空気とが第１隔壁３１を介して熱交換するが防がれる。この結果、燃焼排ガス室１１０の燃焼排ガスは、空気熱交換室１３０の発電用空気によって冷却されずに、脱硫触媒１１ａおよびその下流の燃焼触媒１２ａを各適温に加熱することができる。
なお、この変形例３の断熱材２３を、実施の形態２の変形例１や２の燃料電池システム１に設けてもよい。
（変形例４）
実施の形態２の変形例４に係る燃料電池システム１では、図１３に示すように第１断熱空間および第２断熱空間は、第１断熱部２１および第２断熱部２２を介して隣接して設けられている。このため、第１断熱空間と第２断熱空間との間は、第１断熱空間から第２断熱空間に熱伝導や放射により熱が移動しないように断熱部によって断熱されている。ただし、たとえば、第１燃焼排ガス流路１５ａ１を流れる燃焼排ガスにより第１断熱空間から第２断熱空間に熱が移動することは可能である。なお、第１断熱空間と第２断熱空間とが個別に隣接して設けられていて、これらの間が断熱部により断熱されていれば、第１断熱部２１および第２断熱部２２は一体的に設けられていてもよい。
なお、上記全実施の形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。また、上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明の燃料電池システムは、効率および信頼性の向上を図った燃料電池システム等として有用である。
１ ：燃料電池システム
１０ ：燃焼排ガス容器
１１ ：脱硫部
１１ａ ：脱硫触媒
１２ ：浄化部
１２ａ ：燃焼触媒
１３ ：第２空気熱交換部（空気熱交換部）
１４ ：加熱部
１５ａ１ ：第１燃焼排ガス流路（燃焼排ガス流路）
１５ａ２ ：第２燃焼排ガス流路（燃焼排ガス流路）
１５ｂ ：燃焼排ガス排出流路（燃焼排ガス流路）
１６ ：空気供給経路
１７ａ ：第１原料供給経路
１７ｂ ：第２原料供給経路
１８ ：リサイクル経路
２１ ：第１断熱部（断熱部）
２２ ：第２断熱部（断熱部）
２３ ：断熱材
３１ ：第１隔壁（隔壁）
３１ａ ：第１連通孔
３２ ：第２隔壁（隔壁）
３２ａ ：第２連通孔
３３ ：第３隔壁
３３ａ ：第３連通孔
５０ ：燃料電池ユニット
５０ａ ：筐体
１００ ：一体型容器
１００ａ ：開口部
１１０ ：燃焼排ガス室（燃焼排ガス部）
１２０ ：浄化室（浄化部）
１２１ ：蓋部
１３０ ：空気熱交換室（第２空気熱交換部、空気熱交換部）
１３０ａ ：燃焼排ガス流路部（燃焼排ガス流路）
１５０ａ ：燃焼排ガス入口
１５０ｂ ：燃焼排ガス出口
１６０ａ ：空気入口
１６０ｂ ：空気出口
１７０ａ ：原料入口
１７０ｂ ：原料出口
５０１ ：改質部
５０２ ：燃焼部
５０３ ：燃料電池
５０４ ：第１空気熱交換部（メイン空気熱交換部）

Claims (7)

  1. 原料中の硫黄化合物を除去する脱硫部と、
    前記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発電する燃料電池ユニットと、
    前記燃料電池ユニットにおいて発電に利用されなかった燃料が燃焼されて生成された燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス流路と、
    前記燃焼排ガス流路に接続され、前記脱硫部を内部に収容する燃焼排ガス容器と、
    前記燃焼排ガス中に含まれる一酸化炭素を除去する浄化部と、
    前記燃焼排ガスと前記燃料電池ユニットに供給する発電用空気とを熱交換させる空気熱交換部と、を備え、
    前記燃料電池ユニットは断熱部に覆われた第１断熱空間に配置され、
    前記燃焼排ガス容器、前記浄化部および前記空気熱交換部は断熱部に覆われた第２断熱空間に配置され、
    前記燃焼排ガス容器、前記浄化部および前記空気熱交換部は、前記断熱部に覆われた１つの容器の内部に隔壁を介して配置されている、燃料電池システム。
  2. 前記燃焼排ガス容器、前記脱硫部および前記浄化部の少なくとも一つを加熱する加熱部をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記第１断熱空間は、前記断熱部を介して前記第２断熱空間に隣接して配置される、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記空気熱交換部と前記燃焼排ガス容器の間の隔壁に断熱材が設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃焼排ガスは、前記燃焼排ガス容器、前記浄化部および前記空気熱交換部をこの順に流れる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記燃料電池ユニットに設けられたメイン空気熱交換部をさらに備え、
    前記空気熱交換部は、前記メイン空気熱交換部に送られる発電用空気を予熱する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記浄化部に設けられた開口部を開閉可能に覆う蓋部をさらに備えている、請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
JP2015211701A 2014-11-26 2015-10-28 燃料電池システム Active JP6611040B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014238350 2014-11-26
JP2014238350 2014-11-26

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2016110998A JP2016110998A (ja) 2016-06-20
JP6611040B2 true JP6611040B2 (ja) 2019-11-27

Family

ID=54541958

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015211701A Active JP6611040B2 (ja) 2014-11-26 2015-10-28 燃料電池システム

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10090548B2 (ja)
EP (1) EP3026744B1 (ja)
JP (1) JP6611040B2 (ja)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016084372A1 (ja) * 2014-11-27 2016-06-02 パナソニック株式会社 燃料電池システム
US10770741B2 (en) 2016-08-31 2020-09-08 Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation Fuel cell module with hydrodesulfurizer and preheating
JP2018098109A (ja) * 2016-12-16 2018-06-21 東京瓦斯株式会社 燃料電池システム
KR102495975B1 (ko) * 2018-04-26 2023-02-06 주식회사 미코파워 가스 분배 모듈 및 이를 구비하는 연료전지 시스템
JP6810282B1 (ja) * 2019-03-22 2021-01-06 積水化学工業株式会社 有機化合物の製造システム
CN112542599B (zh) * 2020-12-28 2021-11-26 郑州佛光发电设备有限公司 一种金属空气电池双向自清洁系统及方法

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7422810B2 (en) * 2004-01-22 2008-09-09 Bloom Energy Corporation High temperature fuel cell system and method of operating same
US8178062B2 (en) * 2007-09-27 2012-05-15 Sanyo Electric Co., Ltd. Reforming apparatus for fuel cell
JP2010024402A (ja) * 2008-07-23 2010-02-04 Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp 燃料電池発電システムおよびそれに用いる脱硫器
JP5507119B2 (ja) 2009-05-21 2014-05-28 Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 燃料電池システム
JP5584507B2 (ja) 2010-03-31 2014-09-03 大阪瓦斯株式会社 固体酸化物形燃料電池システム
JP2013242964A (ja) 2010-09-10 2013-12-05 Panasonic Corp 燃料電池システム
JP2013032238A (ja) 2011-08-01 2013-02-14 Panasonic Corp 水素生成装置、および燃料電池システム
JP5904828B2 (ja) 2012-03-12 2016-04-20 アイシン精機株式会社 燃料電池装置
JP6098795B2 (ja) * 2012-11-29 2017-03-22 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 固体酸化物形燃料電池システム
EP2928001B1 (en) * 2012-11-29 2018-10-24 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Fuel cell system
JP5866546B2 (ja) * 2013-04-16 2016-02-17 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 燃料電池システム
JP6182450B2 (ja) * 2013-12-19 2017-08-16 パナソニック株式会社 燃料電池システム

Also Published As

Publication number Publication date
EP3026744B1 (en) 2018-06-20
US10090548B2 (en) 2018-10-02
US20160149247A1 (en) 2016-05-26
EP3026744A1 (en) 2016-06-01
JP2016110998A (ja) 2016-06-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6611040B2 (ja) 燃料電池システム
JP5507119B2 (ja) 燃料電池システム
WO2008029755A1 (fr) Appareil générateur d'hydrogène et système de pile à combustible
JP6280470B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP2002124289A (ja) 固体電解質型燃料電池システム
JP2012020898A (ja) 水素生成装置及びそれを備える燃料電池システム
JP2006151803A (ja) 燃料電池システムの改質装置
JP5020002B2 (ja) 水素生成装置及び燃料電池システム
JP6098795B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池システム
JP6405211B2 (ja) 燃料電池システム
JP6182450B2 (ja) 燃料電池システム
JP5248829B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP7016024B2 (ja) 高温動作型燃料電池システム
WO2007077791A1 (ja) 間接内部改質型固体酸化物形燃料電池
JP4968984B2 (ja) 燃料電池用改質装置
JP4480486B2 (ja) 燃料電池用改質装置
JP6518086B2 (ja) 燃料電池システム
JP2012041238A (ja) 水素生成装置及び燃料電池システム
JP5605157B2 (ja) 水素生成装置
KR101316042B1 (ko) 연료전지용 통합형 개질기 시스템
JP2005281097A (ja) 改質装置
JP2013242964A (ja) 燃料電池システム
WO2013150798A1 (ja) 水素生成装置
JP2014107186A (ja) 固体酸化物形燃料電池システム
JP5938580B2 (ja) 水素生成装置

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20180524

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20190311

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20190326

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20190513

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20191008

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20191018

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6611040

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151