JPWO2014115502A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

燃料電池システムは、供給された原料ガス、改質水、および空気から燃料ガスを生成する改質器（１４）と、燃料ガスと空気とを利用して発電反応により発電するＳＯＦＣ（１１）と、ＳＯＦＣ（１１）から排出されたアノードオフガスを燃焼させる燃焼部（１７）と、改質器（１４）、ＳＯＦＣ（１１）、および燃焼部（１７）を断熱材で覆って内包するホットモジュール（１０）と、原料ガスに含まれる硫黄成分を水添脱硫により除去する水添脱硫器（２０）と、を備え、アノードオフガスは、燃焼部（１７）と水添脱硫器（２０）とに分配して供給されており、水添脱硫器（２０）は、アノードオフガスを水素源とし、ホットモジュール（１０）から排出される燃焼部（１７）の燃焼熱を少なくとも含む排ガスを熱源として利用し、原料ガスの水添脱硫を行う。

Description

本発明は、炭化水素を含む原料ガス（原燃料ガス）から硫黄成分を除去する脱硫器を備えた燃料電池システムに関するものである。
定置用発電設備として固体酸化物型燃料電池システム（以下、ＳＯＦＣシステムと称する）の普及を促進させるためには、大規模発電所から送電網を経由して電力供給がなされる従来のグリッド電力よりも大きなメリットを確保する必要がある。そこで、ＳＯＦＣシステムの高発電効率化、長寿命化、または低コスト化を目的とした開発がおこなわれている。
例えば、原料ガスとして炭化水素を用いるＳＯＦＣシステムでは、この原料ガスを改質するために、水蒸気を用いた水蒸気改質が利用されている。水蒸気改質法（Steam Reforming：ＳＲ）は、最も効率の高い改質方法であり、また数万時間レベルの長寿命化が図れることから、上述した目的を達成させるために最も選好される改質方式である。
この水蒸気改質を行うためのエネルギーは、ＰＥＦＣ（固体電解質型燃料電池）およびＰＡＦＣ（燐酸型燃料電池）等と同様に、ＳＯＦＣシステムにおいても電池より排出される排水素ガス（以下、アノードオフガスと称する）の燃焼熱を以て賄われている。とりわけ固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣと称する）のような高温型の燃料電池において特徴的なのは、その電池運転温度（約７００−１０００℃）が水蒸気改質での所要温度（約６００−７００℃）よりも高くなる点である。
そして、ＳＯＦＣシステムでは、発熱反応である電池反応の排熱までもが水蒸気改質エネルギーに充当させることが可能であり、燃料電池と改質器との間で一種のエネルギー回生回路を構成することができる。それゆえ、ＳＯＦＣシステムは、ＰＥＦＣ、ＰＡＦＣ等の燃料電池システムと比較してエネルギー効率を高い、すなわち、発電効率が優れたシステムとすることができるという特徴がある。
特に、より優れた発電効率を実現するために、ＳＯＦＣシステムでは、ＳＯＦＣ、改質器、燃焼器等を一体化して断熱した構造体を形成する。すなわち、ＳＯＦＣシステムでは、少なくともＳＯＦＣ、改質器、燃焼器等を断熱材で覆って内包するホットモジュール（筐体部）を備えている。
ところで、上述した水蒸気改質を行うために改質器に充填される触媒（改質触媒）は、原料ガス中に含まれる硫黄成分によって被毒されると、触媒活性の低下を引き起こすことが知られている。このため、改質器に供給される前の原料ガスに対して脱硫処理を施す必要がある。
脱硫方法としては、例えば、燃料ガス中に含まれる硫黄成分を水素で還元して硫化水素を生成し、その後、硫化水素を吸着して脱硫する水添脱硫法が挙げられる。水添脱硫法は、幅広い硫黄成分に対して有効で、かつ高濃度硫黄にも対応可能とするという優れた特徴を有する。この水添脱硫法を採用したホットモジュール型ＳＯＦＣシステムとして、例えば、特許文献１に示すＳＯＦＣシステムが提案されている。
特開２０１１−２１６３０８号公報
しかしながら、特許文献１に開示されているＳＯＦＣシステムでは、原料ガスの組成が変動した場合、水添脱硫器を安定して動作させることができないという問題がある。
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、原料ガスの組成が変動した場合であっても安定して水添脱硫器を動作させることができる燃料電池システムを提供することにある。
本発明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、供給された原料ガス、水、および空気から燃料ガスとなる改質ガスを生成する改質器と、前記燃料ガスと空気とを利用して発電反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池で未利用の燃料ガスであるアノードオフガスを燃焼させる燃焼部と、少なくとも前記改質器、前記燃料電池、および前記燃焼部を断熱材で覆って内包する筐体部と、供給された原料ガスに含まれる硫黄成分を水添脱硫により除去する脱硫器と、を備え、前記アノードオフガスは、前記燃焼部と前記脱硫器とに分配して供給されており、前記脱硫器は、供給された前記アノードオフガスを水素源とし、前記筐体部から排出される前記燃焼部の燃焼熱を少なくとも含む排ガスを熱源として利用し、前記原料ガスの水添脱硫を行う。
本発明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、供給された原料ガスと水とから燃料ガスとなる改質ガスを生成する改質器と、前記燃料ガスと空気とを利用して発電反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池で未利用の燃料ガスであるアノードオフガスを燃焼させる燃焼部と、少なくとも前記改質器、前記燃料電池、および前記燃焼部を断熱材で覆って内包する筐体部と、供給された原料ガスに含まれる硫黄成分を水添脱硫により除去する脱硫器と、を備え、前記アノードオフガスは、前記燃焼部と前記脱硫器とに分配して供給されており、前記脱硫器は、供給された前記アノードオフガスを水素源とし、前記筐体部から排出される前記燃焼部の燃焼熱を少なくとも含む排ガスを熱源として利用し、前記原料ガスの水添脱硫を行う。
本発明に係る燃料電池システムは、以上に説明したように構成され、原料ガスの組成が変動した場合であっても安定して水添脱硫器を動作させることができるという効果を奏する。
本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示した模式図である。 本発明の実施形態１の変形例１に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示した模式図である。 本発明の実施形態１の変形例２に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示した模式図である 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概略構成の一例を示した模式図である。 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概略構成の一例を示した模式図である。 本発明の実施形態１の変形例５に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示した模式図である。 本発明の実施形態２に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示した模式図である。 本発明の比較例に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
（本発明の一形態を得るに至った経緯）
本発明者は「背景技術」にて記載した従来のＳＯＦＣシステムのように水添脱硫法を採用したホットモジュール型ＳＯＦＣシステムに関して鋭意研究したところ、以下の知見を得た。すなわち、燃焼部でのアノードオフガスの燃焼により発生した排ガスの熱を改質器での改質反応、ならびに水添脱硫器での水添脱硫反応に利用する構成では、供給する原料ガスの燃料種が変わり、組成が変化すると、水添脱硫器が安定して動作しないことを見出した。
具体的には以下、表１を参照して説明する。表１には原料ガスとして利用される各燃料種における、水素生成１モルあたりの高位発熱量と改質水当量とを示す。この表１では、さらに各燃料種の分子量、燃料種１モルあたり高位発熱量、燃料種１モルあたり改質エネルギー、燃料種１モルあたり水素生成量、燃料種１モルあたり改質水当量の値も対応づけて示している。
表１に示すように、例えば、メタンの１モルあたり高位発熱量は、８８９．２０ｋＪ／ｍｏｌである。また、水蒸気改質法では１モルのメタンと２モルの改質水とから４モルの水素が生成されるが、この改質反応を行うために必要なエネルギー（燃料種１モルあたり改質エネルギー）は１６５ｋＪ／ｍｏｌである。つまり、１モルの水素を生成するために、燃焼量換算で２２２．３０ｋＪ／ｍｏｌの発熱量と、０．５モルの改質水と、そして４１．２５ｋＪの改質エネルギーを要することと同義である。
表１から明らかなように、水素生成１モルあたりの高位発熱量は燃料種によって大差ないにもかかわらず水素生成１モルあたりの改質エネルギーは燃料種の分子量が大きくなるにつれて小さくなっている。
Figure 2014115502
このように、水素生成１モルあたりの高位発熱量は燃料種によって大差はないが、水素生成１モルあたりに必要となる改質エネルギーは異なっている。
つまり、燃料電池において１ｋＷ発電するために必要な水素を製造するために燃料電池システムに投入される原料ガスの量は、燃焼量ベースで考えると、燃料種がメタンの場合であってもプロパンの場合であっても等しくなる。例えば、燃料電池システムの発電効率が３３．３％である場合において、１ｋＷ発電するとき、メタンもプロパンも３ｋＷ発電するために必要な水素を製造するために略同量の原料ガスが投入される。
しかしながら、投入された原料ガスの改質に必要な改質エネルギー（水素生成１モルあたりの改質エネルギー）は、表１に示すように、メタンよりもブタンの方が小さくなっている。従って、原料ガスとしてブタンを用いた場合と、原料ガスとしてメタンを用いた場合とを比較すると、前者の方が後者よりも改質エネルギーとして消費される熱量が減ることとなる。このため、燃料電池、改質器、燃焼器等を一体化して断熱したホットモジュール（筐体部）１０から排出される排ガスの有する熱エネルギーは、メタンを用いたときよりもブタンを用いたときの方が相対的に上昇する。
例えば、図８に示すような、水添脱硫器１２０が、ホットモジュール１０から排出された排ガスの有する熱エネルギーを利用して動作する燃料電池システムでは、原料ガスがメタンからブタンに代わることで、排気温度が上昇し、結果として水添脱硫器１２０における脱硫触媒２１の温度が変化してしまう。図８は、本発明の比較例に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
図８に示すように、比較例として挙げた燃料電池システムは、ホットモジュール１０内にＳＯＦＣ１１、改質器１１４、および燃焼器１１７を備え、ホットモジュール１０の外部には、水添脱硫器１２０、気液分離器３１、および当該燃料電池システムが有する各部の各種制御を行う制御装置２８を備えた構成となっている。
上記した構成において、原料ガス経路３３を通じて供給された原料ガスは水添脱硫器１２０で脱硫され、その後、改質器１１４によって改質される。改質器１１４には改質水経路３５を通じて改質水（水蒸気）が供給されるようになっており、改質器１１４はこの改質水を利用して水蒸気改質を行うことができる。
改質器１１４による改質によって生成された改質ガスは、分岐部１８で分岐され、その大部分はＳＯＦＣ１１のアノード１３に供給され、発電に利用される。
一方、アノード１３へ供給されなかった改質ガスは、分岐部１８から気液分離器３１を介して原料ガス経路３３と接続されたリサイクル経路３２を流通する。リサイクル経路３２を流通する改質ガスは、そのガス中に含まれる水蒸気が気液分離器３１で凝縮された後、原料ガス経路３３に供給される。
比較例に係る燃料電池システムでは、ＳＯＦＣ１１の発電排熱は、主として空気経路３４を通じてカソード１２に供給された空気によって除去されるようになっている。そして、カソード１２から排出された空気（カソードオフガス）とアノード１３から排出された未利用の改質ガス（アノードオフガス）は燃焼器１１７によって燃焼される。そして、その燃焼により生成された排ガスが改質器１１４に供される。
すなわち改質器１１４における改質エネルギーは、燃料電池排熱と、アノードオフガスを燃焼した燃焼熱とによって賄われている。すなわち、改質器１１４は、図８に示すように、改質器受熱部１６を備えており、この改質器受熱部１６を通じて燃料電池排熱と燃焼熱との熱エネルギーの一部を取り込むように構成されている。そして、改質エネルギーとして熱エネルギーの一部が利用された後の排ガスが、ホットモジュール１０外に排出され、水添脱硫器１２０に導かれる。水添脱硫器１２０では、原料ガスに対する水添脱硫に必要な熱量を、水添脱硫器受熱部２２を介してこの排ガスの有する熱エネルギーから賄うように構成されている。
ここで、上述したように、燃料電池システムに供給される原料ガスの組成が異なると、水素を１モル生成するために必要となる改質エネルギーが異なることとなり、結果としてホットモジュール１０から排出される排ガスの有する熱エネルギーが異なる。そこで、原料ガスの組成が変化することによる、水添脱硫器１２０の脱硫性能への影響について検討する。
まず、供給される原料ガスの燃料種が変わり、組成が変化するような状況として、例えば、欧州などにおけるグリッドガスの例が挙げられる。より具体的には、表２にドイツガス水道技術科学協会（ＤＶＧＷ）の技術基準ワークシートＧ２６０から抜粋した欧州のグリッドガスの基準組成表（ガスソースごとの基準組成表）、および各燃料種（各ガスソース）における水素生成１モルあたり高位発熱量と改質エネルギーを示す。
Figure 2014115502
表２に示すように、天然ガスの供給元となるガスソースとしては、ロシア、北海ガス田１、２、複数のガスソースから供給したガスを混ぜ合わせた複合ガス、ロシアのガスソースとプロパンと空気の混合等、１１種類もの燃料種がある。
このようにガスソースごとに組成が異なるため、欧州などのように複数種のガスソースのいずれかより直接パイプラインで天然ガスが供給され、組成調整を行った後に各需要家へ供給されるシステムの場合、供給されるタイミングによっては原料ガスの組成が以前とは異なってしまう。つまり、ガス事業者はその日その日の天然ガス市場の価格変動に応じて、安価に調達できるガスソースを選択して原料ガスの供給を行ったり、あるいは、複数のガスソースから調達した原料ガスを混合して需要家に供給したりしている。
ところで、水添脱硫器１２０に充填されている脱硫触媒２１が効果的に活性するためには、水添脱硫器１２０の脱硫触媒２１を最適な温度範囲（至適温度範囲）となるように加熱させる必要がある。例えば、脱硫触媒２１の至適温度範囲は、２８０℃±３０℃という具合に非常に狭い範囲となっている。そして、この至適温度範囲より低い温度では、脱硫触媒２１は、活性が乏しく脱硫性能が不十分なものとなり、またこれより高い温度では、脱硫触媒２１は、熱劣化により寿命が短くなり、長期使用に耐えないものとなる。
このことより、水添脱硫器１２０を備えた燃料電池システムでは、発電性能自体は原料ガスとして供給される燃料種に依存しないが、原料ガスの組成が、例えば重質化するように変化することによって排ガス温度が変化し、脱硫触媒２１の温度が至適温度範囲から外れてしまう場合がある。そして、脱硫触媒２１の温度が至適温度範囲から外れてしまうと、脱硫触媒２１の性能を一定に維持することができなくなったり、脱硫触媒２１の寿命を損なわせ長期使用できなくなったりする。
なお、上述した欧州の例だけではなく、通常はグリッドガスを、非常時にＬＰＧを用いるようなハイブリッド燃料電池システムの場合であっても、グリッドガスからＬＰＧへの切替により原料ガスの組成が変化する。このため、このようなハイブリッド燃料電池システムにおいても上述した脱硫触媒の性能劣化および低寿命化といった課題が顕在化する。
以上の知見に基づいて、本発明者らは、燃焼部と原料ガス経路とにそれぞれ分配して供給するアノードオフガスの量を制御することで、原料ガスの組成が変化したとしても安定して水添脱硫器を運転させることができることを見出し、本発明に至った。そして、本発明では具体的には以下に示す態様を提供する。
本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、供給された原料ガス、水、および空気から燃料ガスとなる改質ガスを生成する改質器と、前記燃料ガスと空気とを利用して発電反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池で未利用の燃料ガスであるアノードオフガスを燃焼させる燃焼部と、少なくとも前記改質器、前記燃料電池、および前記燃焼部を断熱材で覆って内包する筐体部と、供給された原料ガスに含まれる硫黄成分を水添脱硫により除去する脱硫器と、を備え、前記アノードオフガスは、前記燃焼部と前記脱硫器とに分配して供給されており、前記脱硫器は、供給された前記アノードオフガスを水素源とし、前記筐体部から排出される前記燃焼部の燃焼熱を少なくとも含む排ガスを熱源として利用し、前記原料ガスの水添脱硫を行う。
上記した構成によると、前記脱硫器は、水添脱硫を行うにあたりアノードオフガスを水素源とすることができる構成である。つまり、アノードオフガスには燃料電池で未利用の燃料ガスを含むため、水素が含まれており、この水素を、水添脱硫を行うために利用できる。言い換えれば、従来、燃焼部ですべて燃焼させられるアノードオフガスを脱硫器における水添脱硫の水素源にも利用できる。
また、ここで、原料ガス、水、および空気から改質ガスを生成する改質法としては、例えば、酸化的水蒸気改質が上げられる。酸化的水蒸気改質では、改質器に供給する空気量を変動させれば、改質器で消費される改質エネルギーが変動し、これに伴って排ガスが有する熱エネルギーも変動する。それゆえ、改質器に供給する空気の流量を調整することで、筐体から排出される排ガスの有する熱エネルギーを適宜、調整することが可能となる。
したがって、供給される原料ガスの組成が変動することにより、改質器で消費される改質エネルギーが変動し、その結果、筐体部から排出される排ガスの有する熱エネルギーが変わるような場合であっても、改質器に供給する空気の流量を調整することで排ガスの有する熱エネルギーを一定とすることができる。このため、排ガスを熱源として脱硫を行う脱硫器の脱硫触媒の温度が所望されない温度になり、効率的に脱硫することができなくなることを防ぐことができる。
よって、本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、原料ガスの組成が変動した場合であっても安定して水添脱硫器を動作させることができるという効果を奏する。
また、本発明の第２の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１の態様において、前記改質器に供給する前記空気の流量を調節可能とする空気供給部と、前記脱硫器に充填されている脱硫触媒の温度を検知する温度検知部と、前記温度検知部による検知結果に基づき、前記空気供給部によって供給される空気の流量を制御する制御装置と、を備えるように構成されていてもよい。
上記した構成によると、前記空気供給部、前記温度検知部、および前記制御装置を備えるため、温度検知部による検知結果に基づく制御装置からの制御によって、空気供給部は、改質器に供給される原料に対して適切な割合で空気を供給することができる。つまり、脱硫触媒が最適な温度となるように、空気供給部は、空気を改質器に供給することができる。
また、本発明の第３の態様に係る燃料電池システムは、上記した第２の態様において、前記温度検知部による検知結果が、前記脱硫触媒の温度が、該脱硫触媒が効果的に活性する温度範囲として定められた至適温度範囲よりも大きい場合、前記制御装置は、前記改質器に供給する空気の量を低減させ、燃料ガスに対する空気の割合を減少するように前記空気供給部を制御し、前記温度検知部による検知結果が、前記脱硫触媒の温度が、前記至適温度範囲よりも小さい場合、前記制御装置は、前記改質器に供給する空気の量を増加させ、燃料ガスに対する空気の割合を増大するように前記空気供給部を制御するように構成されていてもよい。
ここで、改質器に供給する空気量が少なくなると、水蒸気改質される原料ガスの量が増大するため、改質器で消費される改質エネルギーは増加する。それゆえ、筐体部から排出される排ガス温度は低くなる。したがって、筐体部から排出される排ガスの熱量を低下させることができ至適温度範囲よりも大きくなっている脱硫触媒の温度を低下させることができる。
逆に、改質器に供給する空気量が多くなると、部分酸化される原料ガスの量が増え、水蒸気改質される原料ガスの量が低減されるため、改質器で消費される改質エネルギーは低下する。それゆえ、筐体部から排出される排ガスの温度が高くなる。したがって、筐体部から排出される排ガスの熱量を増大させることができ至適温度範囲よりも小さくなっている脱硫触媒の温度を上昇させることができる。
また、本発明の第４の態様に係る燃料電池システムは、上記した第２の態様において、前記燃焼部に供給する前記アノードオフガスの量と、前記脱硫器に供給する前記アノードオフガスの量とを調整し、それぞれに対して該アノードオフガスを分配する分配装置をさらに備え、前記温度検知部による検知結果に基づき、制御装置は、前記空気供給部によって供給される空気の流量を制御するとともに、前記分配装置によるアノードオフガスの分配比率を制御するように構成されていてもよい。
また、本発明の第５の態様に係る燃料電池システムは、上記した第４の態様において、前記温度検知部による検知結果が、前記脱硫触媒の温度が、該脱硫触媒が効果的に活性する温度範囲として定められた至適温度範囲よりも大きい場合、前記制御装置は、前記改質器に供給する空気の量を低減させ、燃料ガスに対する空気の割合を減少するように前記空気供給部を制御する一方、前記燃焼部に供給するアノードオフガスの量を低減させるとともに、前記脱硫器に供給するアノードオフガスの量を増加させるように前記分配装置を制御し、前記温度検知部による検知結果が、前記脱硫触媒の温度が、前記至適温度範囲よりも小さい場合、前記制御装置は、前記改質器に供給する空気の量を増加させ、燃料ガスに対する空気の割合（空気/燃料ガス比）を増大するように前記空気供給部を制御する一方、前記燃焼部に供給するアノードオフガスの量を増加させるとともに、前記脱硫器に供給するアノードオフガスの量を低減させるように前記分配装置を制御するように構成されていてもよい。
上記した構成によると、脱硫触媒の温度が至適温度範囲よりも大きい場合、制御装置は、改質器に供給する空気の量を低減させ、燃料ガスに対する空気の割合（空気／燃料ガス比）を減少するように空気供給部を制御する。さらに制御装置は、燃焼部に供給するアノードオフガスの量を低減させるとともに、脱硫器に供給するアノードオフガスの量を増加させるように分配装置を制御する。
逆に、脱硫触媒の温度が、至適温度範囲よりも小さい場合、制御装置は、改質器に供給する空気の量を増加させ、燃料ガスに対する空気の割合（空気/燃料ガス比）を増大するように空気供給部を制御する。さらに制御装置は、燃焼部に供給するアノードオフガスの量を増加させるとともに、脱硫器に供給するアノードオフガスの量を低減させるように分配装置を制御する。
このように制御装置は、改質器に供給する空気量のみならず、分配装置で燃焼部と脱硫器とに分配するアノードオフガスの分配比率をも調整することができるため、排ガス温度を精度よく所望の温度範囲とし、脱硫触媒の温度が至適温度範囲内におさまるように調整することができる。
本発明の第６の態様に係る燃料電池システムは、供給された原料ガスと水とから燃料ガスとなる改質ガスを生成する改質器と、前記燃料ガスと空気とを利用して発電反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池で未利用の燃料ガスであるアノードオフガスを燃焼させる燃焼部と、少なくとも前記改質器、前記燃料電池、および前記燃焼部を断熱材で覆って内包する筐体部と、供給された原料ガスに含まれる硫黄成分を水添脱硫により除去する脱硫器と、を備え、前記アノードオフガスは、前記燃焼部と前記脱硫器とに分配して供給されており、前記脱硫器は、供給された前記アノードオフガスを水素源とし、前記筐体部から排出される前記燃焼部の燃焼熱を少なくとも含む排ガスを熱源として利用し、前記原料ガスの水添脱硫を行う。
上記した構成によると、前記脱硫器は、水添脱硫を行うにあたりアノードオフガスを水素源とすることができる構成である。つまり、アノードオフガスには燃料電池で未利用の燃料ガスを含むため、水素が含まれており、この水素を、水添脱硫を行うために利用できる。言い換えれば、従来、燃焼部ですべて燃焼させられるアノードオフガスを脱硫器における水添脱硫の水素源にも利用できる。
また、燃焼部に供給するアノードオフガスの量を変動させれば、燃焼部の燃焼量が変動し、これに伴って排ガスが有する熱エネルギーも変動する。さらに、脱硫器に供給するアノードオフガスの量を変動させると、原料ガスとともに筐体部内に流入するガス量が変動する。このため、原料ガスを燃料電池に供給する前に行う予熱で利用される熱エネルギーも変動し、結果として筐体部から排出される排ガスが有する熱エネルギーも変動する。
それゆえ、燃焼部と脱硫器とにそれぞれ分配するアノードオフガスの量を調整することで、筐体から排出される排ガスの有する熱エネルギーを適宜、調整することが可能となる。
したがって、供給される原料ガスの組成が変動することにより、改質器で消費される改質エネルギーが変動し、その結果、筐体部から排出される排ガスの有する熱エネルギーが変わるような場合であっても、燃焼部と脱硫器とにそれぞれ分配するアノードオフガスの量を調整することで排ガスの有する熱エネルギーを一定とすることができる。このため、排ガスを熱源として脱硫を行う脱硫器の脱硫触媒の温度が所望されない温度になり、効率的に脱硫することができなくなることを防ぐことができる。
よって、本発明の第６の態様に係る燃料電池システムは、原料ガスの組成が変動した場合であっても安定して水添脱硫器を動作させることができるという効果を奏する。
本発明の第７の態様に係る燃料電池システムは、上記した第６の態様において、前記燃焼部に供給する前記アノードオフガスの量と、前記脱硫器に供給する前記アノードオフガスの量とを調整し、それぞれに対して該アノードオフガスを分配する分配装置と、前記脱硫器に充填されている脱硫触媒の温度を検知する温度検知部と、前記温度検知部による検知結果に基づき、前記分配装置によるアノードオフガスの分配比率を制御する制御装置と、を備えるように構成されていてもよい。
上記した構成によると、前記分配装置、前記温度検知部、および前記制御装置を備えるため、温度検知部による検知結果に基づく制御装置からの制御によって分配装置は適切な比率でアノードオフガスを前記燃焼部と脱硫器とにそれぞれ供給することができる。
つまり、脱硫触媒が最適な温度となるように、アノードオフガスを燃焼部と脱硫器とにそれぞれ分配して供給することができる。
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７の態様において、前記温度検知部による検知結果が、前記脱硫触媒の温度が、該脱硫触媒が効果的に活性する温度範囲として定められた至適温度範囲よりも大きい場合、前記制御装置は、前記燃焼部に供給するアノードオフガスの量を低減させるとともに、前記脱硫器に供給するアノードオフガスの量を増加させるように前記分配装置を制御し、前記温度検知部による検知結果が、前記脱硫触媒の温度が、前記至適温度範囲よりも小さい場合、前記制御装置は、前記燃焼部に供給するアノードオフガスの量を増加させるとともに、前記脱硫器に供給するアノードオフガスの量を低減させるように前記分配装置を制御するように構成されていてもよい。
ここで燃焼部に供給するアノードオフガスの量を低減させると、燃焼部での燃焼による熱量が低減されることとなる。さらに、脱硫器に供給するアノードオフガスの量を増加させると、脱硫器を介して原料ガスとともに筐体部内に供給されるガスの流量が大きくなる。このため、この原料ガスを燃料電池に供給する前に行う予熱で消費される熱エネルギーが大きくなり、結果として筐体部内の温度が低下することとなる。
したがって、筐体部から排出される排ガスの熱量を低下させることができ至適温度範囲よりも大きくなっている脱硫触媒の温度を低下させることができる。
また、逆に燃焼部に供給するアノードオフガスの量を増加させ、脱硫器に供給するアノードオフガスの量を低減させると筐体部内の温度が上昇することとなる。
したがって、筐体部から排出される排ガスの熱量を増大させることができ至適温度範囲よりも小さくなっている脱硫触媒の温度を上昇させることができる。
また、本発明の別の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１から第８の態様において、前記アノードオフガスを凝縮して水分を取り除くための気液分離器を備え、前記気液分離器によって水分が取り除かれた状態でアノードオフガスは、燃焼部と脱硫器とにそれぞれ供給されるように構成されていてもよい。
上記した構成によると、気液分離器を備えるため、アノードオフガスが燃焼部および脱硫器に至るまでに該アノードオフガスに含まれる水分を取り除くことができる。このため、アノードオフガスに含まれる水蒸気によって、脱硫触媒での還元反応が阻害されることを防ぐことができる。また、燃焼部へ送出されたアノードオフガスの燃焼が不安定となることを防ぐことができる。
さらにまた、気液分離器を分配装置よりも上流側に配置させた場合、分配装置において水蒸気に起因する故障または水つまり等が発生することを防ぐことができる。
したがって、燃料電池システムの動作信頼性を向上させることができる。
また、上記した別の態様において、さらに前記気液分離器によって取り除かれた水分を前記改質器に供給するように構成されていてもよい。
上記した構成によると前記気液分離器によって取り除かれた水分を改質水に供給することができる構成であるため、水インフラ等の無い場所に当該燃料電池システムを設置することができる。このため、本発明の第８の態様に係る燃料電池は、例えば、ポータブル電源、または車載用ＡＰＵ（Auxiliary Power Unit）などの電源として適用範囲を広げることができる。
（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１を、図１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、その説明については省略する。図１は、本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示した模式図である。
図１に示すように、実施形態１に係る燃料電池システムは、図８に示した比較例に係る燃料電池システムと同様に、ホットモジュール（筐体部）１０内にＳＯＦＣ（燃料電池）１１、改質器１４、および燃焼部１７を備え、ホットモジュール１０の外部には、水添脱硫器（脱硫器）２０を備えた構成となっている。つまり、ホットモジュール１０は、少なくともＳＯＦＣ１１、改質器１４、および燃焼部１７を断熱材（不図示）で覆い内包している。
このような構成において、外部から供給された原料ガスは、原料ブースターポンプ４０によって昇圧され、原料ガス経路３３を通じて、水添脱硫器２０に送出される。水添脱硫器２０に送出された原料ガスは、原料ガス中に含まれる硫黄成分を脱硫触媒２１上で水素と反応させることで硫化水素に変換し除去する。なお、水添脱硫器２０に充填する脱硫触媒２１としては、例えば、銅および亜鉛を含む触媒が挙げられる。
また、水添脱硫器２０は水添脱硫器受熱部２２を介して、ホットモジュール１０から排出された排ガスの有する熱エネルギーの一部を得るように構成されている。これにより、水添脱硫器２０では、脱硫触媒２１が所望の温度（約３００℃）まで加熱される。なお、原料ガスが複数種類のガスソースから供給される場合、供給された原料ガスには付臭成分に加えてガスソース由来の種々硫黄成分が含まれるために、水添脱硫器２０は多種硫黄成分に対応する水添脱硫方式が適用可能となっていることが好ましい。
さらに、水添脱硫器２０は、水添脱硫温度検知部（温度検知部）２３を備えており、脱硫触媒２１の温度を監視することができる構成となっている。なお、水添脱硫温度検知部２３は、例えば、熱電対、サーモパイルなどから構成することができ、検知結果を制御装置２８に送信する。
水添脱硫器２０で脱硫された原料ガスは、改質水ポンプ５０によって昇圧され、改質水経路３５を通じて供給された改質水（水蒸気）と混合され、改質器１４に送出される。そして、脱硫済みの原料ガスは、改質触媒１５上で水蒸気と反応させられ、水素を含む改質ガスが生成される。なお、改質器１４に充填される改質触媒１５としては、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）の球体表面にＮｉを含浸し、担持したものや、Ａｌ２Ｏ３の球体表面にルテニウムを付与したものを適宜用いることができる。
また、改質器１４は、図１に示すように、改質器受熱部１６を備えており、この改質器受熱部１６を通じてＳＯＦＣ１１のカソード１２から排出されたカソードオフガスが有する発電排熱の熱エネルギーの一部を取り込むように構成されている。さらに、改質器１４は、燃焼部１７と隣接して配置されており、この燃焼部１７における燃焼熱の熱エネルギーの一部も得て加熱されるように構成されている。これにより、改質器１４では、改質触媒１５が水蒸気改質法を実施するために所望される温度（約６００℃〜７００℃）程度まで加熱される。
改質器１４で生成された改質ガスは燃料ガスとしてＳＯＦＣ１１のアノード１３に供給される。一方、ＳＯＦＣ１１のカソード１２側には、外部から供給された発電用空気が供給される。この発電用空気は、カソードエアブースターポンプ６０によって昇圧され、空気経路３４を通じてＳＯＦＣ１１のカソード１２に送出される。
このように供給された燃料ガス（改質ガス）と空気（発電用空気）とを利用して、ＳＯＦＣ１１は、発電反応により発電する。ＳＯＦＣ１１で発電された電力は、不図示の電気配線を介して不図示の電力負荷に供給され、この電力負荷で消費される。ＳＯＦＣ１１での発電で発生した発電排熱は、カソード１２に供給された発電用空気によって除かれ、上述したようにカソードオフガスとして改質器１４に送出されるようになっている。
また、アノード１３に供給された燃料ガス（改質ガス）は、ＳＯＦＣ１１の発電反応で未利用の水素を含むアノードオフガスとしてリサイクル経路３２に排出される。ＳＯＦＣ１１から排出されたアノードオフガスは、発電排熱などによって高温となっており、リサイクル経路３２を通じてホットモジュール１０から排出される前に、不図示の空気予熱部を介してＳＯＦＣ１１に供給される前の発電用空気に熱エネルギーの一部を与え、ホットモジュール１０から排出される。
リサイクル経路３２は、ＳＯＦＣ１１から原料ガス経路３３まで延伸しており、リサイクル経路３２の途中に分岐部３６が設けられている。そして、この分岐部３６で燃焼用ガス経路３７がリサイクル経路３２から枝分かれし、燃焼部１７と接続している。
このような経路構成において、リサイクル経路３２を流通するアノードオフガスは、分岐部３６で、その一部が燃焼用ガス経路３７を通じて燃焼部１７へ送出され、残余のアノードオフガスが水添ブースターポンプ３０によって昇圧され、リサイクル経路３２を通じて原料ガス経路３３に導かれるように構成されている。
また、分岐部３６には、分配装置３９が配されており、燃焼用ガス経路３７を流れるアノードオフガスとリサイクル経路３２を流れるアノードオフガスとを適切な割合で分配する。分配装置３９としては、例えば、各経路の開口面積を制御装置２８から送信される信号（電流値）に比例させて無段階に制御できる電磁切換弁を備えた三方弁として構成することができる。
燃焼部１７には、外部から供給された燃焼用空気が、燃焼エアブースターポンプ７０によって昇圧され、燃焼用空気経路３８を通じて供給されるように構成されている。そして、燃焼部１７は、供給されたアノードオフガスと燃焼用空気とを混合させ、燃焼させる。そして、この燃焼によって生成された排ガスの熱エネルギーと、上述したカソードオフガスの有する熱エネルギーとを利用して改質器１４の改質触媒１５を加熱する。
燃焼部１７において生成された排ガスは、改質器１４の改質器受熱部１６を流通したカソードオフガスと混合され、水添脱硫器２０の水添脱硫器受熱部２２を通過する。カソードオフガスが混合された排ガスは、水添脱硫器受熱部２２を通過する際に、自身が保有する熱エネルギーの一部を水添脱硫器２０に与え、系外へと排出される。
以上のように改質触媒１５に与えられる熱エネルギーは、カソードオフガスから受熱した熱エネルギーと燃焼部１７による燃焼熱から受熱した熱エネルギーとの和となる。このため、例えば、供給される燃料種が変わることによって改質器１４で消費される改質エネルギーが小さくなるような場合であっても、以下のようにして、ホットモジュール１０から排出される排ガスの温度を一定とし水添脱硫器２０に導くことができる。
すなわち、カソードオフガスから受熱する熱エネルギーを一定のままとする一方、燃焼部１７で燃焼するアノードオフガス量を減じるように調整する。これによって、燃焼部１７における燃焼量を低減させ、改質触媒１５において燃焼熱から受熱する熱エネルギーを小さくすることができる。
このように、消費される改質エネルギーの低下に合わせて、燃焼熱から得られる熱エネルギーを小さくすることで、カソードオフガスが混合された排ガスの温度を一定として水添脱硫器２０に導くことができる。逆に、改質器１４で消費される改質エネルギーが大きくなった場合は、燃焼部１７で燃焼するアノードオフガス量を増加するように調整する。これによって、燃焼部１７における燃焼量を増大させ、消費される改質エネルギーの増加に合わせて、燃焼熱から得られる熱エネルギーを大きくすることができる。その結果、カソードオフガスが混合された排ガスの温度を一定として水添脱硫器２０に導くことができる。
なお、図１では特に図示していないが、燃焼部１７で生成された排ガスが保有する熱エネルギーを利用してＳＯＦＣ１１のカソード１２を予熱する構成としてもよい。このように構成される場合、燃焼部１７で生成された排ガスはＳＯＦＣ１１のカソード１２に導かれ、このカソード１２を加熱する。そして、排ガスはホットモジュール１０から排出され水添脱硫器２０に導かれるように構成される。
一方、リサイクル経路３２を通じて原料ガス経路３３に導かれたアノードオフガスは原料ガスとともに水添脱硫器２０に供給され、アノードオフガスに含まれる水素が水添脱硫器２０で実施する水添脱硫に利用される。
また、リサイクル経路３２を流通させ原料ガスと混合させるアノードオフガス量を大きくすることで、ホットモジュール１０内においてＳＯＦＣ１１に供給する前に原料ガスを予熱するために必要な予熱エネルギーを増大させることができる。これによりホットモジュール１０内の温度を低下させることができる。
このため、脱硫触媒２１における温度が至適温度範囲を超えて大きくなった場合、上述したように、燃焼部１７に供給するアノードオフガス量を低減させ、燃焼部１７での燃焼量を低減させる。これと同時に、原料ガスと混合させるアノードオフガス量を増加させ、ホットモジュール１０内において原料ガスを予熱するために必要な予熱エネルギーを増大させる。これらの制御を同時に行うことで、ホットモジュール１０から排出される排ガスの温度を低下させ、脱硫触媒２１が至適温度範囲内となるように調整することができる。
逆に、脱硫触媒２１における温度が至適温度範囲よりも小さくなった場合、上述したように、燃焼部１７に供給するアノードオフガス量を増加させ、燃焼部１７での燃焼量を増大させる。これと同時に、原料ガスと混合させるアノードオフガス量を減少させ、ホットモジュール１０内において原料ガスを予熱するために必要な予熱エネルギーを低減させる。これらの制御を同時に行うことで、ホットモジュール１０から排出される排ガスの温度を上昇させ、脱硫触媒２１が至適温度範囲内となるように調整することができる。
以上のように、実施形態１に係る燃料電池システムでは、アノードオフガスの一部を原料ガス経路３３に供給する点が上述した比較例の燃料電池システムと異なっている。すなわち、水添脱硫器２０へ供給する水素は、改質器１４により改質された改質ガスからではなく、ＳＯＦＣ１１で規定量の水素が消費されたのちのアノードオフガスからとなっている点で異なる。さらに、リサイクル経路３２の途中から分岐する燃焼用ガス経路３７を設け、アノードオフガスの一部がこの燃焼用ガス経路３７を通じて燃焼部１７へ、残余のアノードオフガスがリサイクル経路３２、原料ガス経路３３を通じて水添脱硫器２０へそれぞれ分配される点でも異なる。
（水添脱硫器の温度制御）
次に、上記した構成を有する燃料電池システムにおける水添脱硫器２０の具体的な温度制御について具体的に説明する。
本実施の形態に係る燃料電池システムでは、該システムに備えられる各部の各種制御を行う制御装置２８を備えている。そして、この制御装置２８によって水添脱硫器２０の温度が至適温度範囲内となるように制御している。具体的には、制御装置２８は、水添脱硫温度検知部２３による検知結果に基づき、分配装置３９を制御して、燃焼部１７に供給するアノードオフガスと、水添脱硫器２０に供給するアノードオフガスとの分配（分配比率）を調整するように制御する。
例えば、原料ガスの組成が重質化するように変化して改質エネルギーが減少し、水添脱硫器２０における温度が至適温度範囲を超えて高くなった場合、燃焼部１７へ送出するアノードオフガス量を減じ、燃焼量を低減させる。これにより、改質器１４で消費される改質エネルギーの減少に起因してホットモジュール１０から水添脱硫器２０に向けて排出される排ガス温度が上昇することを防ぐ。
さらに、制御装置２８は、原料ガス経路３３へと送出するアノードオフガス量を増やすように分配装置３９を制御する。これにより、ホットモジュール１０へ供給される原料ガス及びアノードオフガスの混合ガスの流量が増大し、その結果、この混合ガスをＳＯＦＣ１１に供給する前にホットモジュール１０内で予熱するために必要なエネルギー（予熱エネルギー）が増大することとなる。
このように、燃焼部１７での燃焼量を低減させ、かつホットモジュール１０内で消費する予熱エネルギーを増大させることにより、ホットモジュール１０から排出される排ガス温度は低下する。排ガスを温度低下させることで、至適温度範囲を超えて温度が高くなっている水添脱硫器２０の温度を低下させ、至適温度範囲内となるように調整することが出来る。
逆に、原料ガスの組成変化により改質器１４が消費する改質エネルギーが増大し、水添脱硫器２０における温度が至適温度範囲よりも低くなる場合、制御装置２８は、燃焼部１７へ送出するアノードオフガス量を増大させるように分配装置３９を制御する。さらに、制御装置２８は、原料ガス経路３３へと送出するアノードオフガス量を低減させるように、分配装置３９を制御する。
このように制御装置２８が分配装置３９を制御することにより、消費される改質エネルギーの増大に応じて燃焼部１７での燃焼量を増大させることができる。さらに原料ガスに混合されるアノードオフガス量が低減されるため、ホットモジュール１０へ供給される原料ガス及びアノードオフガスの混合ガスの流量が小さくなる。その結果、この混合ガスをＳＯＦＣ１１に供給する前に予熱するために必要なエネルギー（予熱エネルギー）が低下することとなる。
このように、燃焼部１７での燃焼量を増大させ、かつホットモジュール１０内で消費する予熱エネルギーを低下させることにより、ホットモジュール１０から排出される排ガス温度を上昇させることができる。さらに、排ガスの温度を上昇させることで、至適温度範囲を下回っている水添脱硫器２０の温度を上昇させ、至適温度範囲内となるように調整することが出来る。
以上のように、実施形態１に係る燃料電池システムでは、供給される原料ガスの組成が変化するような場合であって、水添脱硫器２０の温度が至適温度範囲に収まるように制御することが可能となる。
なお、本実施の形態に係る燃料電池システムでは、水添脱硫温度検知部２３による検知結果に基づき、制御装置２８が分配装置３９を制御して、燃焼部１７に供給するアノードオフガスと、水添脱硫器２０に供給するアノードオフガスとの分配（分配比率）を調整する構成であった。しかしながら、上述した分配装置３９を利用してアノードオフガスを所望の割合で分配させる構成に限定されるものではない。
例えば、水添ブースターポンプ３０を分配装置３９として機能させた構成であってもよい。このように構成される場合、水添脱硫温度検知部２３による検知結果に基づき、制御装置２８は、水添ブースターポンプ３０の動作量を制御する。これによって、上述したアノードオフガスの分配比率を調整することができる。
また、水添脱硫温度検知部２３は、常時、脱硫触媒２１の温度を検知し、その検知結果に応じて、制御装置２８が分配装置３９を制御して燃焼部１７に供給するアノードオフガスと、水添脱硫器２０に供給するアノードオフガスとの分配（分配比率）を調整する構成としてもよい。あるいは、水添脱硫温度検知部２３が脱硫触媒２１の温度を検知するとともにＳＯＦＣ１１の温度も検知するように構成する。そして、脱硫触媒２１の温度が、上記した至適温度範囲内にある場合は、ＳＯＦＣ１１から検知した温度に基づき、このＳＯＦＣ１１に供給する発電用空気や原料ガスの流量、ならびに改質水および燃焼用空気の流量を制御する。その一方で、脱硫触媒２１の温度が、上記した至適温度範囲から外れる場合のみ、水添脱硫器２０に供給するアノードオフガスとの分配（分配比率）を調整する構成としてもよい。
（変形例１）
上記した本発明の実施形態１に係る燃料電池システムでは、改質器１４は、原料ガスと改質水（水蒸気）とから改質ガスを生成する水蒸気改質法を実施していた。しかしながら、改質器１４による改質法はこれに限定されるものではない。例えば、変形例１として、改質器１４が、原料ガスと改質水（水蒸気）と空気（改質用空気）とから改質ガスを生成する酸化的水蒸気改質法（Oxdative Steam Reforming：OSR改質法）を実施する燃料電池システムとしてもよい。
すなわち、変形例１に係る燃料電池システムは、図２に示すように、上記した実施形態１に係る燃料電池システムの構成において、改質器１４に供給する改質用空気を流通させる改質用空気経路８１と、改質用空気経路８１を流通する改質用空気を昇圧して原料ガスと改質水とに混合させ、改質器１４に送出するＯＳＲエアブースターポンプ（空気供給部）８０とをさらに備える。そして、改質器１４は、混合された脱硫済み原料ガス、改質水、および改質用空気を利用してＯＳＲ改質法により改質ガスを生成する。
なお、図２は本発明の実施形態１の変形例１に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示した模式図である。
このように、実施形態１の変形例１に係る燃料電池システムは、改質器１４で実施される改質法と、改質用空気経路８１およびＯＳＲエアブースターポンプ８０を新たに備えている点で、上述した実施形態１に係る燃料電池システムの構成と異なる。
また、上述した実施形態１に係る燃料電池システムでは、制御装置２８が、分配装置３９を制御し、燃焼部１７に供給するアノードオフガスと、水添脱硫器２０に供給するアノードオフガスとの分配（分配比率）を調整する。これにより、ホットモジュール１０から排出される排ガスの温度を調整する構成であった。
これに対して、実施形態１の変形例１に係る燃料電池システムでは、分配装置３９によりアノードオフガスが燃焼部１７と水添脱硫器２０とに分配される分配比率を固定とする点でも上述した実施形態１に係る燃料電池システムとは異なる。さらに、制御装置２８が、ＯＳＲエアブースターポンプ８０を制御し、供給する改質用空気の流量を調整することで、ホットモジュール１０から排出される排ガスの温度を調整する点で異なる。
以下において、実施形態１の変形例１に係る燃料電池システムの構成についてより詳細に説明する。まず、実施形態１の変形例１に係る燃料電池システムにおいて実施されるＯＳＲ改質について説明する。
ＯＳＲ改質は、吸熱反応である水蒸気改質と発熱反応である部分酸化改質との中間的な改質方法であり、ＯＳＲ改質の中でも特に、完全に熱的に中立な状態となる場合をＡＴＲ（オートサーマル）改質と称する。ＯＳＲ改質法は、例えば、水蒸気改質よりも早い起動特性が要求される場合、あるいは、水蒸気改質では供給される原料ガスの組成変化後に消費される改質エネルギーが大きすぎて、燃焼部１７の燃焼量の調整だけではホットモジュール１０から排出する排ガスの温度を調整できない場合などに利用できる。
つまり、脱硫後の原料ガスおよび改質水に混合させる改質用空気の空気量が多くなると、部分酸化改質される原料ガスの量が増え、水蒸気改質される原料ガスの量が低減されるため、改質器１４で消費される改質エネルギーは低下する。それゆえ、ホットモジュール１０から排出される排ガスが有する熱エネルギーが大きくなる。
逆に、改質用空気の空気量が少なくなると、水蒸気改質される原料ガスの量が増大し、逆に部分酸化改質される原料ガスの量が低減されるため、改質器１４で消費される改質エネルギーは増加する。それゆえ、ホットモジュール１０から排出される排ガスが有する熱エネルギーが小さくなる。
このように、変形例１に係る燃料電池システムでは、改質用空気経路８１を通じて供給される空気量を変化させることで、ホットモジュール１０から排出される排ガス温度を調整することができる。したがって、変形例１に係る燃料電池システムでは、水添脱硫温度検知部２３による温度検知結果に基づき、制御装置２８がＯＳＲエアブースターポンプ８０を制御して、供給する改質用空気の流量を調節して水添脱硫器２０の温度が至適温度範囲内となるようにすることができる。
以上のように、供給する改質用空気の流量を変化せることでも排ガス温度の調整を行うことができるため、変形例１に係る燃料電池システムでは、水添脱硫器２０の温度を至適温度範囲とすることができる。
また、実施形態１に係る燃料電池システムの構成と実施形態１の変形例１に係る燃料電池システムとを組み合わせた構成としてもよい。すなわち、図２に示す変形例１に係る燃料電池システムの構成において、制御装置２８が、分配装置３９を制御し、燃焼部１７に供給するアノードオフガスと、水添脱硫器２０に供給するアノードオフガスとの分配（分配比率）を調整する。さらに、制御装置２８が、ＯＳＲエアブースターポンプ８０を制御し、供給する改質用空気の流量を調整する。このように、アノードオフガスとの分配比率を調整するとともに、改質用空気の流量を調整し、ホットモジュール１０から排出される排ガスの温度を調整するように構成されていてもよい。
この構成の場合、燃料電池システムでは、さらに精度よく水添脱硫器２０の温度を至適温度範囲とすることができる。
（変形例２）
また、実施形態１に係る燃料電池システムの変形例２として、実施形態１に係る燃料電池システムにおいて、図３に示すようにリサイクル経路３２に気液分離器３１をさらに備えた構成とした燃料電池システムを提案することができる。図３は、本発明の実施形態１の変形例２に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示した模式図である。
変形例２に係る燃料電池システムでは、気液分離器３１がリサイクル経路３２においてホットモジュール１０と分岐部３６との間に設けられている。なお、変形例２に係る燃料電池システムは、この気液分離器３１を備える点を除けば、上述した実施形態１に係る燃料電池システムと同様の構成となる。このため、他の部材についての説明は省略する。
すなわち、図３に示すように、アノード１３に供給された燃料ガス（改質ガス）は、ＳＯＦＣ１１の発電反応で未利用の水素を含むアノードオフガスとしてリサイクル経路３２に排出される。そして、このアノードオフガスは、リサイクル経路３２を通じて気液分離器３１に導かれ、この気液分離器３１で凝縮されるようになっている。
気液分離器３１に導かれたアノードオフガスは、大気と熱交換をして放冷凝縮され、アノードオフガスに含まれる水蒸気の大部分を失った状態で気液分離器３１から排出される。気液分離器３１から排出されたアノードオフガスは、分岐部３６で、その一部が燃焼用ガス経路３７を通じて燃焼部１７へ送出され、残余のアノードオフガスが水添ブースターポンプ３０によって昇圧され、リサイクル経路３２を通じて原料ガス経路３３に導かれるように構成されている。
変形例２に係る燃料電池システムは、以上のようにリサイクル経路３２に気液分離器３１を備えているため、アノードオフガスに含まれる水蒸気によって、脱硫触媒２１での還元反応が阻害されることを防ぐことができる。
また、気液分離器３１によってアノードオフガス中に含まれる水蒸気が除去されるため、燃焼用ガス経路３７を通じて燃焼部１７へ送出されたアノードオフガスの燃焼が不安定となることを防ぐことができる。
さらにまた、気液分離器３１によってアノードオフガス中に含まれる水蒸気が除去されるため、分配装置３９において水蒸気に起因する故障または水つまり等が発生することを防ぐことができる。したがって、燃料電池システムの動作信頼性を向上させることができる。
（変形例３）
あるいは、上記した実施形態１の変形例１に係る燃料電池システムにおいて、図４に示すようにリサイクル経路３２におけるホットモジュール１０と分岐部３６との間に気液分離器３１をさらに備えた構成としてもよい。図４は、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概略構成の一例を示した模式図である。
なお、変形例３に係る燃料電池システムは、この気液分離器３１を備える点を除けば、上述した実施形態１の変形例１に係る燃料電池システムと同様の構成となる。このため、他の部材についての説明は省略する。
図４に示すように変形例３に係る燃料電池システムは、リサイクル経路３２において気液分離器３１を備える構成であるため、変形例２と同様に、アノードオフガスに含まれる水蒸気を除去することができる。このため、水蒸気によって、脱硫触媒２１での還元反応が阻害されることを防ぐことができる。また、燃焼用ガス経路３７を通じて燃焼部１７へ送出されたアノードオフガスの燃焼が不安定となることを防ぐことができる。さらにまた、分配装置３９において水蒸気に起因する故障または水つまり等が発生することを防ぐことができる。したがって、燃料電池システムの動作信頼性を向上させることができる。
（変形例４、５）
さらにまた、図５に示すように、変形例４に係る燃料電池システムとして、以下の構成を有するものとしてもよい。図５は、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概略構成の一例を示した模式図である。
すなわち、変形例４に係る燃料電池システムは、上記した変形例２に係る燃料電池システムにおいて、気液分離器３１でアノードオフガスから分離された凝縮水を、改質器１４で利用する改質水として供給するように構成する。つまり、図５に示すように改質水経路３５の上流側端部が気液分離器３１と接続されており、気液分離器３１で発生した凝縮水を、改質水ポンプ５０で昇圧しホットモジュール１０内に改質水として供給させる。なお、気液分離器３１で発生した凝縮水を改質水として利用する構成を除けば変形例２に係る燃料電池システムと同様であるためその他の部材についての説明は省略する。
また、図６に示すように、変形例５に係る燃料電池システムとして、以下の構成を有するものとしてもよい。図６は、本発明の実施形態１の変形例５に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示した模式図である。
すなわち、変形例５に係る燃料電池システムは、上記した変形例３に係る燃料電池システムにおいて、気液分離器３１でアノードオフガスから分離された凝縮水を、改質器１４で利用する改質水として供給するように構成する。つまり、図６に示すように改質水経路３５の上流側端部が気液分離器３１と接続されており、気液分離器３１で発生した凝縮水を、改質水ポンプ５０で昇圧しホットモジュール１０内に改質水として供給させる。なお、気液分離器３１で発生した凝縮水を改質水として利用する構成を除けば変形例３に係る燃料電池システムと同様であるためその他の部材についての説明は省略する。
ここで、ＳＯＦＣ１１では、ＰＥＦＣまたはＰＡＦＣとは異なり、アノード１３側で電池反応に伴う水が生成する。このため、ＳＯＦＣ１１から排出されたアノードオフガスは非常に高い水蒸気分圧（露点換算８０℃程度）を有しており、これを５０℃程度まで温度を下げ、凝縮することにより、改質水として利用可能な凝集水を容易に得ることができる。
したがって、変形例４および５に係る燃料電池システムでは、リサイクル経路３２を流通するアノードオフガスから得た凝縮水を改質器１４に供給する改質水として利用することができる。このため、水インフラ等の無い場所に設置された、例えば、ポータブル電源、または車載用ＡＰＵ（Auxiliary Power Unit）などの電源として適用範囲を広げることができる。
（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２に係る燃料電池システムについて図７を参照して説明する。図７は、本発明の実施形態２に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示した模式図である。
実施形態２に係る燃料電池システムは、図７に示すように、上記した比較例に係る燃料電池システムにおいて、改質用空気経路８１、ＯＳＲエアブースターポンプ８０（空気供給部）、および水添脱硫温度検知部２３をさらに備え、改質器１１４でＯＳＲ改質を行う構成である。したがって、上記した比較例に係る燃料電池システムと同様の部材についてはその説明を省略する。
つまり、実施形態２に係る燃料電池システムでは、実施形態１と異なり、アノードオフガスではなく、改質器１１４で生成された改質ガスの一部がリサイクル経路３２を流通するように構成されている。また、リサイクル経路３２の途中に設けられた分岐部３６で枝分かれする燃焼用ガス経路３７を有した構成ではなく、そのまま原料ガス経路３３と接続された構成となっている点でも実施形態１と異なる。
このような構成において、水添脱硫温度検知部２３による検知結果から、水添脱硫器１２０（脱硫器）における脱硫触媒２１の温度が至適温度範囲よりも大きくなるものである場合、制御装置２８は、ＯＳＲエアブースターポンプ８０の動作量を制御して供給する改質用空気の流量を低減させる。これにより、改質器１１４で消費される改質エネルギーが大きくなるため、上述したようにホットモジュール１０から排出される排ガス温度を低下させることができる。このため、水添脱硫器１２０の脱硫触媒２１の温度を至適温度範囲内とすることができる。
逆に、水添脱硫温度検知部２３による検知結果から、脱硫触媒２１の温度が至適温度範囲よりも小さくなるものである場合、制御装置２８は、ＯＳＲエアブースターポンプ８０の動作量を制御して供給する改質用空気の流量を増大させる。これにより、改質器１１４で消費される改質エネルギーが小さくなるため、上述したようにホットモジュール１０から排出される排ガス温度を増加させることができる。このため、水添脱硫器１２０の脱硫触媒の温度を至適温度範囲内とすることができる。
また、実施形態２に係る燃料電池システムは、図７に示すように、気液分離器３１によって水添脱硫器１２０に供給する改質ガスの一部を凝集し、この改質ガスに含まれている水分を取り除いた状態で水添脱硫器１２０に供給している。
このため、たとえば、この改質ガスが流通する経路上にブースターポンプなどが備えられている場合、このブースターポンプなどが水分によって故障したり水つまりが発生したりすることを防ぐことができる。さらには改質ガスに含まれる水蒸気によって、脱硫触媒２１での還元反応が阻害されることを防ぐことができる。
また、図７に示す例では、気液分離器３１で取り除かれた水分（凝縮水）はそのまま排出される構成となっているが、この凝縮水を改質器１１４に供給する改質水とするように構成されていてもよい。
なお、上記した実施形態１、実施形態１の変形例１〜５、実施形態２に係る燃料電池システムでは、脱硫触媒２１の温度が至適温度範囲内にあるか否かに応じて、アノードオフガスの分配比率を調整したり、改質用空気の流量を調整したりする構成であった。しかしながらこれに限定されるものではなく、供給される原料ガスの組成を判定し、この判定結果に基づき、アノードオフガスの分配比率を調整したり、改質用空気の流量を調整したりする構成としてもよい。そして、供給される原料ガスの組成が重質化するように変化して改質エネルギーが減少し、水添脱硫器２０、１２０における温度が至適温度範を超えて高くなった場合、例えば、アノードオフガス量を減じ、燃焼量を低減させるように制御装置が制御する構成としてもよい。あるいは、改質用空気の空気量を低減させ、改質器で消費される改質エネルギーを増加させるように制御装置が制御する構成としてもよい。
なお、原料ガスの組成を判定する構成としては例えば以下のような構成を利用することができる。すなわち、改質器１４、１１４の温度を検知する改質器温度検知部と、単位時間あたりの温度上昇値と原料組成との対応関係を示すテーブルデータが格納された記憶部とをさらに備えた構成とする。そして、制御装置２８が改質器温度検知部により検知された単位時間あたりにおける温度上昇値に基づき、記憶部に格納されたテーブルデータを参照して原料ガスの組成を判定する。
上記説明から、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。
本発明の燃料電池システムは、グリッドによって供給される原料ガスの組成が一定とならず、かつ比較的多種、多量の硫黄を含む地域において、燃料電池システムの長期信頼性を向上させることができる。またこのような地域のみならず、例えば、混合ガスをボンベ供給する場合にも有利となる。つまり、混合ガスをボンベ供給する場合、揮発性の高い燃料種から順に供給されていくため使用初期と使用末期とでは組成が変動するが、このような場合にも本発明の燃料電池システムを適用可能である。
１０ ホットモジュール（筐体部）
１１ ＳＯＦＣ（燃料電池）
１２ カソード
１３ アノード
１４ 改質器
１５ 改質触媒
１６ 改質器受熱部
１７ 燃焼部
２０ 水添脱硫器（脱硫器）
２１ 脱硫触媒
２２ 水添脱硫器受熱部
２３ 水添脱硫器温度検知部（温度検知部）
２８ 制御装置
３０ 水添ブースターポンプ
３１ 気液分離器
３２ リサイクル経路
３３ 原料ガス経路
３４ 空気経路
３５ 改質水経路
３６ 分岐部
３７ 燃焼用ガス経路
３８ 燃焼用空気経路
３９ 分配装置
４０ 原料ブースターポンプ
５０ 改質水ポンプ
６０ カソードエアブースターポンプ
７０ 燃焼エアブースターポンプ
８０ ＯＳＲエアブースターポンプ（空気供給部）
８１ 改質用空気経路
１１４ 改質器
１２０ 水添脱硫器（脱硫器）

Claims (8)

  1. 供給された原料ガス、水、および空気から燃料ガスとなる改質ガスを生成する改質器と、
    前記燃料ガスと空気とを利用して発電反応により発電する燃料電池と、
    前記燃料電池で未利用の燃料ガスであるアノードオフガスを燃焼させる燃焼部と、
    少なくとも前記改質器、前記燃料電池、および前記燃焼部を断熱材で覆って内包する筐体部と、
    供給された原料ガスに含まれる硫黄成分を水添脱硫により除去する脱硫器と、
    を備え、
    前記アノードオフガスは、前記燃焼部と前記脱硫器とに分配して供給されており、
    前記脱硫器は、供給された前記アノードオフガスを水素源とし、前記筐体部から排出される前記燃焼部の燃焼熱を少なくとも含む排ガスを熱源として利用し、前記原料ガスの水添脱硫を行うことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記改質器に供給する前記空気の流量を調節可能とする空気供給部と、
    前記脱硫器に充填されている脱硫触媒の温度を検知する温度検知部と、
    前記温度検知部による検知結果に基づき、前記空気供給部によって供給される空気の流量を制御する制御装置と、を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。
  3. 前記温度検知部による検知結果が、前記脱硫触媒の温度が、該脱硫触媒が効果的に活性する温度範囲として定められた至適温度範囲よりも大きい場合、前記制御装置は、前記改質器に供給する空気の量を低減させ、燃料ガスに対する空気の割合を減少するように前記空気供給部を制御し、
    前記温度検知部による検知結果が、前記脱硫触媒の温度が、前記至適温度範囲よりも小さい場合、前記制御装置は、前記改質器に供給する空気の量を増加させ、燃料ガスに対する空気の割合を増大するように前記空気供給部を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記燃焼部に供給する前記アノードオフガスの量と、前記脱硫器に供給する前記アノードオフガスの量とを調整し、それぞれに対して該アノードオフガスを分配する分配装置をさらに備え、
    前記温度検知部による検知結果に基づき、制御装置は、前記空気供給部によって供給される空気の流量を制御するとともに、前記分配装置によるアノードオフガスの分配比率を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
  5. 前記温度検知部による検知結果が、前記脱硫触媒の温度が、該脱硫触媒が効果的に活性する温度範囲として定められた至適温度範囲よりも大きい場合、前記制御装置は、前記改質器に供給する空気の量を低減させ、燃料ガスに対する空気の割合を減少するように前記空気供給部を制御する一方、前記燃焼部に供給するアノードオフガスの量を低減させるとともに、前記脱硫器に供給するアノードオフガスの量を増加させるように前記分配装置を制御し、
    前記温度検知部による検知結果が、前記脱硫触媒の温度が、前記至適温度範囲よりも小さい場合、前記制御装置は、前記改質器に供給する空気の量を増加させ、燃料ガスに対する空気の割合を増大するように前記空気供給部を制御する一方、前記燃焼部に供給するアノードオフガスの量を増加させるとともに、前記脱硫器に供給するアノードオフガスの量を低減させるように前記分配装置を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 供給された原料ガスと水とから燃料ガスとなる改質ガスを生成する改質器と、
    前記燃料ガスと空気とを利用して発電反応により発電する燃料電池と、
    前記燃料電池で未利用の燃料ガスであるアノードオフガスを燃焼させる燃焼部と、
    少なくとも前記改質器、前記燃料電池、および前記燃焼部を断熱材で覆って内包する筐体部と、
    供給された原料ガスに含まれる硫黄成分を水添脱硫により除去する脱硫器と、を備え、
    前記アノードオフガスは、前記燃焼部と前記脱硫器とに分配して供給されており、
    前記脱硫器は、供給された前記アノードオフガスを水素源とし、前記筐体部から排出される前記燃焼部の燃焼熱を少なくとも含む排ガスを熱源として利用し、前記原料ガスの水添脱硫を行うことを特徴とする燃料電池システム。
  7. 前記燃焼部に供給する前記アノードオフガスの量と、前記脱硫器に供給する前記アノードオフガスの量とを調整し、それぞれに対して該アノードオフガスを分配する分配装置と、
    前記脱硫器に充填されている脱硫触媒の温度を検知する温度検知部と、
    前記温度検知部による検知結果に基づき、前記分配装置によるアノードオフガスの分配比率を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. 前記温度検知部による検知結果が、前記脱硫触媒の温度が、該脱硫触媒が効果的に活性する温度範囲として定められた至適温度範囲よりも大きい場合、前記制御装置は、前記燃焼部に供給するアノードオフガスの量を低減させるとともに、前記脱硫器に供給するアノードオフガスの量を増加させるように前記分配装置を制御し、
    前記温度検知部による検知結果が、前記脱硫触媒の温度が、前記至適温度範囲よりも小さい場合、前記制御装置は、前記燃焼部に供給するアノードオフガスの量を増加させるとともに、前記脱硫器に供給するアノードオフガスの量を低減させるように前記分配装置を制御することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
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