JPWO2014083794A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

原料ガスを用いて改質ガスを生成する改質器（４）と、改質器（４）からの改質ガス及び空気を用いて発電する燃料電池（６）と、原料ガスの水添脱硫が行われる脱硫装置（３）と、改質ガスの一部をリサイクルガスとして脱硫装置（３）よりも上流の原料ガス経路（５）に送るためのリサイクルガス経路（７）と、リサイクルガス経路（７）を流通するリサイクルガスと原料ガス及び空気のうちのいずれか一方と熱交換する熱交換器（８）と、を備える。

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ている。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。
このような脱硫装置としては、例えば、原料ガス中の硫黄化合物を触媒上で水素と反応させて硫化水素に転化して、この硫化水素を除去する水添脱硫が行われる水添脱硫器が知られている。
水添脱硫器は、水添反応に適した温度に加熱するとともに、脱硫を行う際に水素を必要とする。そこで、燃料電池システムでは、改質器で生成した水素含有の改質ガスの一部を水添脱硫器に流入前の原料ガスに添加し、水添脱硫を行う方式がよく用いられる。
ところで、改質ガスは一般的に５００℃以上の高温であるため、そのまま原料ガスに添加すると、燃料電池システムを構成する補器等の破損を招く恐れがある。このため、特許文献１では、図８に示すように、改質器１０４からの改質ガスの一部を原燃料供給経路１１０に流入させるリサイクルガス供給経路１１３を設けることにより、リサイクルガスを大気放熱により冷却し、水添脱硫器に必要な水素を供給している。また、特許文献２では、図９に示すように、リサイクルガス供給経路となる循環経路Ｒ４上に、リサイクルガスと改質水が熱交換する熱交換器を配置し、リサイクルガスを冷却するとともに、改質水によりリサイクルガスが保有する熱を回収する。これにより、燃料電池システムの高効率化を図っている。
特開２０１１−２１６３０８号公報 国際公開第２０１２／１２８３６９号 特許第２９９３５０７号公報
しかし、上記従来例は、燃料電池システムにおいて、リサイクルガスからの熱回収による効率向上、及び安定した運転動作について十分に検討されていない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来に比べ、リサイクルガスからの熱回収による効率向上及び、安定した運転動作を行い得る燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明の一態様（aspect）に係る燃料電池システムは、上記した課題を解決するために、原料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及び空気を用いて発電する燃料電池と、前記原料ガスの水添脱硫が行われる脱硫装置と、前記改質ガスの一部をリサイクルガスとして前記脱硫装置よりも上流の原料ガス経路に送るためのリサイクルガス経路と、前記リサイクルガス経路を流通する前記リサイクルガスが前記原料ガス及び前記空気のうちのいずれか一方と熱交換する熱交換器と、を備える。
本発明の一態様の燃料電池システムは、以上説明したように構成され、従来に比べ、リサイクルガスからの熱回収による効率向上及び、安定した運転動作を行い得る。
図１は、実施形態１の実施例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２の燃料電池システムの一例を示した図である。 図３は、実施形態１の変形例１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１の変形例２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１の変形例３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２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３の燃料電池システムの一例を示した図である。 図８は、従来の燃料電池システムの一例を示した図である。 図９は、従来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）
発明者らは、燃料電池システムにおいて、リサイクルガスからの熱回収による効率向上及び安定した運転動作の点で従来例の問題を鋭意検討し、以下の知見を得た。
特許文献１に記載の燃料電池システムでは、リサイクルガス供給経路１１３を流通するリサイクルガスを冷却する際に、保有する熱量が系外に放熱される構成を取っているため、放熱損失によって燃料電池システムの効率が低下するという問題がある。
また、特許文献２に記載の燃料電池システムでは、改質ガスの一部であるリサイクルガスは高温であるため、改質水が沸騰し、改質水の供給量が変動する恐れがある。このため、燃料電池システムの運転動作が不安定になる場合がある。
そこで、実施形態１の燃料電池システムは、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及び空気を用いて発電する燃料電池と、原料ガスの水添脱硫が行われる脱硫装置と、改質ガスの一部をリサイクルガスとして脱硫装置よりも上流の原料ガス経路に送るためのリサイクルガス経路と、リサイクルガス経路を流通するリサイクルガスが原料ガス及び空気のうちのいずれか一方と熱交換する熱交換器と、を備える。
上記した構成によると、燃料電池システムにおいて、従来に比べ、リサイクルガスからの熱回収による効率向上、及び安定した運転動作を行い得る。
以下、実施形態１の実施例１−２及び変形例１−３、実施形態２−３について図面を参照して説明する。
なお、以下では、全ての図を通じて同一又は対応する構成部材には同一の参照符号を付して、重複する説明について省略する。
（実施例１）
実施形態１の実施例１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、熱交換器は、リサイクルガス経路を流通するリサイクルガスが原料ガスと熱交換する第一の熱交換を備え、原料ガスは第一の熱交換器及び脱硫装置をこの順番に流通する。
上記した構成によると、第一の熱交換器により、リサイクルガス経路を流通するリサイクルガスを冷却できるとともに、原料ガスを用いてリサイクルガスからの熱回収を行うことができる。よって、燃料電池システム外への放熱損失を低減し、燃料電池システムの効率を向上できる。また、脱硫装置へと流入する原料ガスを加熱できる。よって、脱硫装置が適温（例えば、１５０℃以上）になるまでの時間を短縮することもできる。更に、リサイクルガスが原料ガスと熱交換するので、燃料電池システムの安定した運転動作を行い得る。
本実施例の燃料電池システムは、上記以外は、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１は、実施形態１の実施例１の燃料電池システムの一例を示した図である。図１では、実施形態１の燃料電池システム１００を側部から見たときの構成が模式的に示されている。
図１に示すように、本実施例の燃料電池システム１００は、改質器４と、燃料電池６と、脱硫装置３と、原料ガス経路５と、リサイクルガス経路７と、第一の熱交換器８と、を備える。
改質器４は、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４において、原料ガスが改質反応して、水素含有の改質ガスが生成される。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反応等が挙げられる。但し、燃料電池システム１００の高効率な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、燃料電池６が動作する際に発生する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４の改質触媒としては、例えば、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）の球体表面にＮｉを含浸し、担持した触媒や、Ａｌ２Ｏ３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４で生成された改質ガスは、改質ガス供給経路を介して燃料電池６に供給される。
燃料電池６は、改質器４からの改質ガス及び空気を用いて発電する。燃料電池６としては、いずれの種類であっても良く、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、及び燐酸形燃料電池等が例示される。なお、燃料電池が、固体酸化物形燃料電池及び溶融炭酸塩形燃料電池の場合は、高温（例えば、６００℃以上）で発電が行われる。この場合、燃料電池の耐久性を鑑みれば、燃料電池内で原料ガスを改質する内部改質だけでなく、燃料電池に流通する前に原料ガスを改質する改質器を設け、筐体（ホットモジュール）の内部に燃料電池とともに、この改質器を設置する構成がよく用いられる。そこで、以下、燃料電池６として固体酸化物形燃料電池を用い、筐体内に改質器４を設けた構成について説明する。
図１に示すように、固体酸化物形燃料電池６は、改質器４からの改質ガスと、空気供給器（図示せず）からの空気（発電用空気）とを利用して発電反応により発電を行う。なお、固体酸化物形燃料電池６においては、改質ガスが供給される燃料極と、空気が供給される空気極との間で発電反応が行われる燃料電池単セルを複数枚、直列に接続してセルスタックを形成してもいいし、更にセルスタックを並列接続させた構成としてもいい。燃料電池単セルとしては、例えば、イットリアをドープしたジルコニア（ＹＳＺ）、イットリビウムやスカンジウムをドープしたジルコニア、あるいはランタンガレート系の固体電解質からなる燃料電池単セルを用いることができる。例えば、燃料電池単セルがＹＳＺの場合、厚みにもよるが、約６００℃−９００℃の温度範囲にて、発電反応が行われる。
脱硫装置３は、原料ガスの水添脱硫が行われる。具体的には、脱硫装置３は、改質器４に供給される原料ガス中の硫黄化合物を除去する。水添脱硫剤として、例えば、銅及び亜鉛を含む脱硫剤を用いることができる（例えば、特許文献３参照）。なお、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、脱硫装置３は約１５０℃−３５０℃が適温の動作範囲となる。この動作範囲で、例えば、原料ガスとして都市ガスを水添脱硫する場合、脱硫装置３を通過した原料ガス中の硫黄化合物の含有量は、1vol ppb（parts per billion）以下、通常は、0.1vol ppb以下となる。
リサイクルガス経路７は、改質ガスの一部をリサイクルガスとして脱硫装置３よりも上流の原料ガス経路５に送るための流路である。具体的には、リサイクルガス経路７は、改質器４と燃料電池６との間の改質ガス供給経路から分岐し、脱硫装置３よりも上流の原料ガス経路５に合流する。これにより、原料ガス経路５を流れて脱硫装置３へと向かう原料ガスに水素を添加でき、その結果、脱硫装置３は、この水素を利用して前述の水添脱硫を行うことができる。なお、原料ガス経路５は、改質器４に供給される原料ガスが流れる流路である。
第一の熱交換器８は、リサイクルガス経路７を流通するリサイクルガスが原料ガスと熱交換する。そして、原料ガスは第一の熱交換器８及び脱硫装置３をこの順番に流通する。
かかる第一の熱交換器８により、リサイクルガス経路７を流通するリサイクルガスを冷却できるとともに、原料ガス経路５を流通する原料ガスを用いてリサイクルガスからの熱回収を行うことができる。よって、燃料電池システム１００外への放熱損失を低減し、燃料電池システム１００の効率を向上できる。また、脱硫装置３が低温の場合、脱硫装置３を原料ガスで加熱できる。よって、脱硫装置３が適温（例えば、１５０℃以上）になるまでの時間を短縮できる。更に、リサイクルガスが原料ガスと熱交換するので、燃料電池システム１００の安定した運転動作を行い得る。
なお、脱硫装置３、改質器４及び燃料電池６等を、筐体（図示せず）内に配置し、断熱材からなる断熱部（図示せず）を、筐体の内壁に配置しても構わない。これにより、筐体の内部から外部への放熱が適切に抑制される。そして、この場合、第一の熱交換器８を、この断熱部内に設置しても構わない。これにより、第一の熱交換器８が断熱部で覆われているので、第一の熱交換器８の放熱を抑制できる。また、燃料電池システム１００のコンパクト化を図ることもできる。
（実施例２）
実施形態１の実施例２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、熱交換器は、リサイクルガス経路を流通するリサイクルガスが空気と熱交換する第二の熱交換器を備え、空気は第二の熱交換器及び燃料電池をこの順番に流通する。
上記した構成によると、第二の熱交換器により、リサイクルガス経路を流通するリサイクルガスを冷却できるとともに、空気を用いてリサイクルガスからの熱回収を行うことができる。よって、燃料電池システム外への放熱損失を低減し、燃料電池システムの効率を向上できる。また、リサイクルガスが空気と熱交換するので、燃料電池システムの安定した運転動作を行い得る。
本実施例の燃料電池システムは、上記以外は、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２の燃料電池システムの一例を示した図である。
図２に示すように、本実施例の燃料電池システム１００は、改質器４と、燃料電池６と、脱硫装置３と、原料ガス経路５と、リサイクルガス経路７と、第二の熱交換器９と、を備える。
改質器４、燃料電池６、脱硫装置３、原料ガス経路５及びリサイクルガス経路７については、実施形態１の実施例１と同様であるので説明を省略する。
第二の熱交換器９は、リサイクルガス経路を流通するリサイクルガスが空気と熱交換する。そして、空気は第二の熱交換器９及び燃料電池６をこの順番に流通する。
かかる第二の熱交換器９により、リサイクルガス経路７を流通するリサイクルガスを冷却できるとともに、燃料電池６へと流入する空気を用いてリサイクルガスからの熱回収を行うことできる。よって、燃料電池システム１００外への放熱損失が低減し、燃料電池システム１００の効率を向上できる。また、リサイクルガスが空気と熱交換するので、燃料電池システム１００の安定した運転動作を行い得る。
なお、上記の第一の熱交換器８と同様、第二の熱交換器９を、断熱材からなる断熱部内に設置しても構わない。これにより、第二の熱交換器９が断熱部で覆われているので、第二の熱交換器９の放熱を抑制できる。また、燃料電池システム１００のコンパクト化を図ることもできる。
（変形例１）
実施形態１の変形例１の燃料電池システムは、実施形態１の実施例１の燃料電池システムにおいて、発電に未利用の改質ガス及び空気を燃焼する燃焼部と、燃焼部からの排ガスが流通する排ガス経路と、排ガス経路を流通する排ガスが原料ガスと熱交換する第三の熱交換器を備え、原料ガスは第一の熱交換器、第三の熱交換器及び脱硫装置をこの順番に流通する。
上記した構成によると、脱硫装置へと流入する原料ガスを、第一の熱交換器でのリサイクルガスとの熱交換で加熱できるとともに、第三の熱交換器での排ガスとの熱交換で更に加熱できる。よって、脱硫装置へと流入する原料ガスの温度が、実施形態１の実施例１の場合に比べて更に高くなるので、脱硫装置が適温（例えば、１５０℃以上）になるまでの時間を更に短縮できる。
本変形例の燃料電池システムは、上記以外は、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］
図３は、実施形態１の変形例１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、本変形例の燃料電池システム１００は、改質器４と、燃料電池６と、脱硫装置３と、原料ガス経路５と、リサイクルガス経路７と、第一の熱交換器８と、燃焼部１２と、第三の熱交換器１０と、排ガス経路１３と、を備える。
改質器４、燃料電池６、脱硫装置３、原料ガス経路５、リサイクルガス経路７及び第一の熱交換器８については、実施形態１の実施例１と同様であるので説明を省略する。
燃焼部１２は、発電に未利用の改質ガス及び空気を燃焼する。また、排ガス経路１３は、燃焼部１２からの排ガスが流通する流路である。これにより、排ガスは、排ガス経路１３を流通して燃料電池システム１００外へと放出される。
第三の熱交換器１０は、排ガス経路１３を流通する排ガスが原料ガスと熱交換する。そして、原料ガスは第一の熱交換器８、第三の熱交換器１０及び脱硫装置３をこの順番に流通する。
これにより、脱硫装置３へと流入する原料ガスを、第一の熱交換器８でのリサイクルガスとの熱交換で加熱できるとともに、第三の熱交換器１０での排ガスとの熱交換で更に加熱できる。よって、脱硫装置３へと流入する原料ガスの温度が、実施形態１の実施例１の場合に比べて更に高くなるので、脱硫装置３が適温（例えば、１５０℃以上）になるまでの時間を更に短縮できる。
（変形例２）
実施形態１の変形例２の燃料電池システムは、実施形態１の実施例２の燃料電池システムにおいて、発電に未利用の改質ガス及び空気を燃焼する燃焼部と、燃焼部からの排ガスが流通する排ガス経路と、排ガス経路を流通する排ガスが空気と熱交換する第四の熱交換器を備え、空気は第二の熱交換器、第四の熱交換器及び燃料電池をこの順番に流通する。
上記した構成によると、燃料電池へと流入する空気を、第二の熱交換器でのリサイクルガスとの熱交換で加熱できるとともに、第四の熱交換器での排ガスとの熱交換で更に加熱できる。よって、燃料電池システム外への放熱損失を、実施形態１の実施例２の場合に比べて更に低減し、燃料電池システムの効率を向上できる。
本変形例の燃料電池システムは、上記以外は、実施形態１の実施例２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１の変形例２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、本変形例の燃料電池システム１００は、改質器４と、燃料電池６と、脱硫装置３と、原料ガス経路５と、リサイクルガス経路７と、第二の熱交換器９と、燃焼部１２と、第四の熱交換器１１と、排ガス経路１３と、を備える。
改質器４、燃料電池６、脱硫装置３、原料ガス経路５、リサイクルガス経路７及び第二の熱交換器９については、実施形態１の実施例２と同様であるので説明を省略する。燃焼部１２及び排ガス経路１３については、実施形態１の変形例１と同様であるので説明を省略する。
第四の熱交換器１１は、排ガス経路１３を流通する排ガスが空気と熱交換する。そして、空気は第二の熱交換器９、第四の熱交換器１１及び燃料電池６をこの順番に流通する。
これにより、燃料電池６へと流入する空気を、第二の熱交換器９でのリサイクルガスとの熱交換で加熱できるとともに、第四の熱交換器での排ガスとの熱交換で更に加熱できる。よって、燃料電池システム１００外への放熱損失が、実施形態１の実施例２の場合に比べて更に低減し、燃料電池システム１００の効率を向上できる。
（変形例３）
実施形態１の変形例３の燃料電池システムは、実施形態１の変形例１の燃料電池システムにおいて、排ガス経路を流通する排ガスにより脱硫装置を加熱する加熱器を備え、排ガスが加熱器及び第三の熱交換器をこの順番に流通する。
上記した構成によると、第一の熱交換器でのリサイクルガスとの熱交換で加熱された原料ガスが、第三の熱交換器において、加熱器を通過した排ガスと熱交換するので、脱硫装置へと流入する原料ガスを更に加熱できる。よって、脱硫装置へと流入する原料ガスの温度が、実施形態１の実施例１の場合に比べて更に高くなるので、脱硫装置が適温（例えば、１５０℃以上）になるまでの時間を短縮できる。また、脱硫装置を加熱する加熱器を通過した排ガスと原料ガスとが熱交換するので、原料ガスと加熱器の温度差が小さくできる。よって、脱硫装置の温度分布を平滑化できる。
本変形例の燃料電池システムは、上記以外は、実施形態１の変形例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］
図５は、実施形態１の変形例３の燃料電池システムの一例を示した図である。
図５に示すように、本変形例の燃料電池システム１００は、改質器４と、燃料電池６と、脱硫装置３と、原料ガス経路５と、リサイクルガス経路７と、第一の熱交換器８と、燃焼部１２と、第三の熱交換器１０と、排ガス経路１３と、加熱器１４とを備える。
改質器４、燃料電池６、脱硫装置３、原料ガス経路５、リサイクルガス経路７、第一の熱交換器８、燃焼部１２、第三の熱交換器１０及び排ガス経路１３については、実施形態１の変形例１と同様であるので説明を省略する。
加熱器１４は、排ガス経路を流通する排ガスにより脱硫装置３を加熱する。そして、排ガスが加熱器１４及び第三の熱交換器１０をこの順番に流通する。なお、加熱器１４は、排ガスの熱を利用して、脱硫装置３を適温（例えば、１５０℃以上）にまで加熱できれば、どのような構成であっても構わない。加熱器１４として、例えば、熱交換器を例示できる。
以上により、第一の熱交換器８でのリサイクルガスとの熱交換で加熱された原料ガスが、第三の熱交換器１０において、加熱器１４を通過した排ガスと熱交換するので、脱硫装置３へと流入する原料ガスを更に加熱できる。よって、脱硫装置３へと流入する原料ガスの温度が、実施形態１の実施例１の場合に比べて更に高くなるので、脱硫装置３が適温（例えば、１５０℃以上）になるまでの時間を短縮できる。また、脱硫装置３を加熱する加熱器１４を通過した排ガスと原料ガスとが熱交換するので、原料ガスと加熱器１４の温度差が小さくできる。よって、脱硫装置３の温度分布を平滑化できるので、脱硫装置３の温度が部分的に低温すぎて所望の脱硫性能が発揮できないという問題、及び脱硫装置３の温度が部分的に高温すぎて脱硫剤から炭素析出が生じるという問題を抑制できる。
（実施形態２）
実施形態２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１の変形例１−変形例３のいずれかの燃料電池システムにおいて、原料ガスを昇圧して脱硫装置に供給する昇圧装置を備え、リサイクルガスは昇圧装置の上流の原料ガス経路に送られる。
上記した構成によると、高圧側の改質器から低圧側の原料ガス経路へと容易にリサイクルガスを流通できる。そして、リサイクルガスを添加した原料ガスを昇圧することで、燃料電池システムの各部に容易に原料ガスを流通できる。また、リサイクル経路を流通するリサイクルガスと原料ガス及び空気のいずれか一方との熱交換により、リサイクルガスを冷却できる。よって、従来に比べ、リサイクル経路を流通するリサイクルガスの熱による補器または配管等の高温劣化を抑制し得る。
本実施形態の燃料電池システムは、上記以外は、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１の変形例１−変形例３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２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、改質器４と、燃料電池６と、脱硫装置３と、原料ガス経路５と、リサイクルガス経路７と、第一の熱交換器８と、昇圧装置１５と、を備える。
改質器４、燃料電池６、脱硫装置３、原料ガス経路５、リサイクルガス経路７及び第一の熱交換器８については、実施形態１の実施例１と同様であるので説明を省略する。
昇圧装置１５は、原料ガスを昇圧して脱硫装置３に供給する。そして、リサイクルガスは昇圧装置１５の上流の原料ガス経路５に送られる。つまり、所定量の原料ガスを流すには、昇圧装置１５の下流側での機器における流路抵抗を考慮した圧力まで、原料ガスが昇圧される必要がある。昇圧装置１５は、原料ガスを昇圧できれば、どのような構成であっても構わない。昇圧装置１５は、例えば、ダイヤフラム等の定容量型ポンプを用いることができる。なお、原料ガスは、原料ガス供給源より供給される。原料ガス供給源は、所定の供給圧を有しており、例えば、原料ガスボンベ、原料ガスインフラなどが挙げられる。
以上により、リサイクルガス経路７のリサイクルガスを昇圧装置１５の上流側の原料ガス経路５、つまり、昇圧前の原料ガス経路５へと送ることができる。このため、高圧側の改質器４と低圧側の原料ガス経路５との圧力差を十分に確保できる。よって、リサイクルガスを容易に原料ガス経路５に送ることができる。また、リサイクルガスを添加した原料ガスを昇圧装置１５で昇圧することで、燃料電池システム１００の各部に原料ガスを容易に流通できる。
更に、リサイクル経路を流通するリサイクルガスと原料ガスとの熱交換により、リサイクルガスを冷却できるので、リサイクルガスの熱による昇圧装置１５（補器の一例）や配管（例えば、配管のつなぎ目材料）等の高温劣化を抑制できる。
なお、本実施形態の図６では、実施形態１の実施例１の燃料電池システム１００が昇圧装置１５を備える構成が示されているが、これに限定されない。実施形態１の実施例２及び実施形態１の変形例１−３のいずれかの燃料電池システム１００が、昇圧装置１５と同じ類の昇圧装置を備えてもよい。
（実施形態３）
実施形態３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１の変形例１−変形例３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、リサイクルガス経路を流通するリサイクルガス中の水分を除去する凝縮器を備え、リサイクルガスは、第一の熱交換器又は第二の熱交換器を流通した後、凝縮器を流通する。
改質器からの改質ガスの一部をリサイクルガスとして用いる場合、リサイクルガスには水蒸気を含むのが一般的である。よって、リサイクルガスが冷やされると、リサイクルガスの水蒸気から凝縮水が発生する。例えば、第一の熱交換器又は第二の熱交換器でリサイクルガスは冷やされるので、凝縮水によるリサイクルガス経路の流路抵抗の増加、または流路閉塞などが生じる可能性がある。また、凝縮水による補器などの破損を招く可能性がある。
そこで、上記した構成によると、リサイクルガスの水分を凝縮器で除去しているので、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１の変形例１−変形例３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７は、実施形態３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、本実施形態の燃料電池システム１００は、改質器４と、燃料電池６と、脱硫装置３と、原料ガス経路５と、リサイクルガス経路７と、第一の熱交換器８と、昇圧装置１５と、凝縮器１６と、を備える。
改質器４、燃料電池６、脱硫装置３、原料ガス経路５、リサイクルガス経路７、第一の熱交換器８及び昇圧装置１５については、実施形態２と同様であるので説明を省略する。
凝縮器１６は、リサイクルガス経路を流通するリサイクルガス中の水分（液体の水及び水蒸気）を除去する。そして、リサイクルガスは、第一の熱交換器８を流通した後、凝縮器１６を流通する。凝縮器１６で水蒸気を除去する場合、例えば、熱交換によりリサイクルガスを冷却し、リサイクルガス中の水蒸気を更に凝縮させる。凝縮器１６として、熱交換器を例示したが、リサイクルガスを冷却することが可能であれば、どのような構成であっても構わない。なお、凝縮器１６で除去された水分は、排水路（図示せず）を介して凝縮器１６内でリサイクルガス経路７から分離される。
以上により、第一の熱交換器８でリサイクルガスは冷やされるので、凝縮水によるリサイクルガス経路７の流路抵抗の増加、または流路閉塞などが生じる可能性があるが、リサイクルガス中の水分を凝縮器１６で除去しているので、このような可能性を低減できる。また、凝縮水による昇圧装置１５（補器の一例）などの破損を招く可能性があるが、このような可能性を低減できる。
なお、本実施形態の図７では、実施形態２の燃料電池システム１００が凝縮器１６を備える構成が示されているが、これに限定されない。実施形態１の実施例１−実施例２及び実施形態１の変形例１−３のいずれかの燃料電池システム１００が、凝縮器１６と同じ類の凝縮器を備えてもよい。
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、燃料電池システムにおいて、従来に比べ、リサイクルガスからの熱回収による効率向上、及び安定した運転動作を行い得る。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。
３ 脱硫装置
４ 改質器
６ 燃料電池
７ リサイクルガス経路
８ 第一の熱交換器
９ 第二の熱交換器
１０ 第三の熱交換器
１１ 第四の熱交換器
１２ 燃焼部
１３ 排ガス経路
１４ 加熱器
１５ 昇圧装置
１６ 凝縮器
１００ 燃料電池システム

Claims (8)

  1. 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及び空気を用いて発電する燃料電池と、前記改質器に供給される前記原料ガスの水添脱硫が行われる脱硫装置と、前記改質ガスの一部をリサイクルガスとして前記脱硫装置よりも上流の原料ガス経路に送るためのリサイクルガス経路と、前記リサイクルガス経路を流通する前記リサイクルガスが前記原料ガス及び前記空気のうちのいずれか一方と熱交換する熱交換器と、を備える燃料電池システム。
  2. 前記熱交換器は、前記リサイクルガス経路を流通するリサイクルガスが前記原料ガスと熱交換する第一の熱交換器を備え、前記原料ガスは前記第一の熱交換器及び前記脱硫装置をこの順番に流通する請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記熱交換器は、前記リサイクルガス経路を流通するリサイクルガスが前記空気と熱交換する第二の熱交換器を備え、
    前記空気は前記第二の熱交換器及び前記燃料電池をこの順番に流通する請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 発電に未利用の前記改質ガス及び前記空気を燃焼する燃焼部と、前記燃焼部からの排ガスが流通する排ガス経路と、前記排ガス経路を流通する排ガスが前記原料ガスと熱交換する第三の熱交換器を備え、
    前記原料ガスは前記第一の熱交換器、前記第三の熱交換器及び前記脱硫装置をこの順番に流通する請求項２に記載の燃料電池システム。
  5. 発電に未利用の前記改質ガス及び前記空気を燃焼する燃焼部と、前記燃焼部からの排ガスが流通する排ガス経路と、前記排ガス経路を流通する排ガスが前記空気と熱交換する第四の熱交換器を備え、
    前記空気は前記第二の熱交換器、前記第四の熱交換器及び前記燃料電池をこの順番に流通する請求項３に記載の燃料電池システム。
  6. 前記排ガス経路を流通する排ガスにより前記脱硫装置を加熱する加熱器を備え、前記排ガスが前記加熱器及び前記第三の熱交換器をこの順番に流通する請求項４に記載の燃料電池システム。
  7. 前記原料ガスを昇圧して前記脱硫装置に供給する昇圧装置を備え、
    前記リサイクルガスは前記昇圧装置の上流の前記原料ガス経路に送られる、請求項１−６のいずれかに記載の燃料電池システム。
  8. 前記リサイクルガス経路を流通する前記リサイクルガス中の水分を除去する凝縮器を備え、
    前記リサイクルガスは、前記第一の熱交換器又は第二の熱交換器を流通した後、前記凝縮器を流通する請求項１−７のいずれかに記載の燃料電池システム。
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