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技術 燃料電池システム

出願人 パナソニック株式会社TOTO株式会社
発明者 鵜飼邦弘藤田龍夫嘉久和孝赤木陽祐斎藤健
出願日 2014年12月9日 (4年8ヶ月経過) 出願番号 2015-553362
公開日 2017年3月16日 (2年5ヶ月経過) 公開番号 WO2015-093010
状態 特許登録済
技術分野 燃料電池(システム) 燃料電池(本体)
主要キーワード 冷媒供給経路 成分除去性能 原料供給経路 分散型発電システム 温度制御処理 熱利用効率 リサイクル経路 補助空気
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この項目の情報は公開日時点(2017年3月16日)のものです。
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図面 (16)

課題・解決手段

燃料電池システム(100)は、原料改質して得られた燃料と、空気とを用いて発電する燃料電池ユニット(1)と、燃料電池ユニット(1)において未利用の燃料と空気とを燃焼させ生成された燃焼排ガスの有する熱により燃料電池ユニット(1)に供給する空気を予熱する空気熱交換部(6)と、この空気の予熱によって保有する熱の一部を失った燃焼排ガスの有する熱により所定の温度範囲まで加熱される、原料中の不純物を除去する不純物除去部(41)および燃焼排ガス中に含まれる有害成分を除去する浄化部(42)と、不純物除去部(41)および浄化部(42)の加熱により保有する熱の一部をさらに失った燃焼排ガスの有する熱と冷媒との間で熱交換を行う熱交換部(40)とを備える。

概要

背景

燃料電池システムは小型でも発電効率が高いため、分散型発電システムにおける発電部としての利用が進められている。燃料電池システムをこの発電部として機能させるためには、発電に必要な原料を燃料電池システムに安定的に供給する必要がある。一般的に、燃料電池システムに供給する原料としては、既存のインフラストラクチャー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。

ところで、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硫黄化合物や、原料由来の硫黄化合物が含まれている。この硫黄化合物は、原料を改質して燃料を生成する改質器改質触媒、および燃料電池電極触媒被毒させ、それらの性能を低下させてしまう。そこで、燃料電池システムでは、原料中の硫黄成分を除去するために脱硫触媒を有した脱硫部が設けられている。

ところで、脱硫部の脱硫触媒には、温度依存性があるものがあり、その一例として、水添脱硫水素化脱硫)処理に用いられる水添脱硫触媒が挙げられる。そこで、この水添脱硫触媒を有する脱硫部の脱硫性能を高めるため、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を脱硫部の加熱に使用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、特許文献1参照)。

さらには、燃料電池で未利用の燃料を燃焼させ、その燃焼熱回収して、改質器での改質反応、ならびに燃料電池に供給する空気の予熱、脱硫部の加熱等に用いる構成を採用した燃料電池システム(固体酸化物形燃料電池システム)も提案されている。このように未利用の燃料の燃焼熱を加熱に用いる構成を有した燃料電池システムの場合、この未利用の燃料を燃焼させて発生させた燃焼排ガス中には、例えば、一酸化炭素などの有害成分が含まれてしまう。そこで、燃焼排ガス外気排気する前にこの燃焼排ガス中の有害成分を酸化分解させるために燃焼触媒を備えた燃料電池システム(固体酸化物形燃料電池システム)も提案されている(例えば、特許文献2)。

この特許文献2に開示された燃料電池システムでは、高温で作動する燃料電池の近傍に脱硫部を配置して加熱させるとともに、燃料電池で発生する燃焼排ガス中に含有する一酸化炭素などの有害成分を低減させるため、燃焼排ガスを排出させる排出口に燃焼触媒部を設けている。

概要

燃料電池システム(100)は、原料を改質して得られた燃料と、空気とを用いて発電する燃料電池ユニット(1)と、燃料電池ユニット(1)において未利用の燃料と空気とを燃焼させ生成された燃焼排ガスの有する熱により燃料電池ユニット(1)に供給する空気を予熱する空気熱交換部(6)と、この空気の予熱によって保有する熱の一部を失った燃焼排ガスの有する熱により所定の温度範囲まで加熱される、原料中の不純物を除去する不純物除去部(41)および燃焼排ガス中に含まれる有害成分を除去する浄化部(42)と、不純物除去部(41)および浄化部(42)の加熱により保有する熱の一部をさらに失った燃焼排ガスの有する熱と冷媒との間で熱交換を行う熱交換部(40)とを備える。

目的

特開2010−272333号公報
特開2011−216308号公報
特開2008−169100号公報






ところで、燃料電池システムでは、発電効率と熱利用とを含めた総合効率を向上させることが望まれている

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

供給された原料改質して得られた燃料と、供給された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未利用の燃料と空気とを燃焼させ生成された燃焼排ガスの有する熱により燃料電池ユニットに供給する空気を予熱する空気熱交換部と、前記空気の予熱によって保有する熱の一部を失った燃焼排ガスの有する熱により所定の温度範囲まで加熱される、前記原料中の不純物を除去する不純物除去部および該燃焼排ガス中に含まれる有害成分を除去する浄化部と、前記不純物除去部および前記浄化部の加熱により保有する熱の一部をさらに失った燃焼排ガスの有する熱と冷媒との間で熱交換を行う熱交換部と、を備える燃料電池システム

請求項2

前記熱交換部は、前記冷媒として水を用いる水熱交換部であり、前記水熱交換部は、前記燃焼排ガスの有する熱と水との間で熱交換を行い、該水を加熱させる請求項1に記載の燃料電池システム。

請求項3

前記不純物除去部は、前記原料中の不純物として硫黄化合物を除去する脱硫部である請求項1に記載の燃料電池システム。

請求項4

制御部と、前記燃焼排ガスの温度を調整する燃焼排ガス温度調整部と、前記脱硫部の温度を検出する脱硫部温度検出部と、を備え、前記制御部が、前記脱硫部温度検出部で検出された検出温度が、前記脱硫部の前記所定の温度範囲における上限温度である脱硫部制御温度より大きくなると判定した場合、この検出温度が該脱硫部制御温度以下となるように、前記燃焼排ガス温度調整部を動作させる請求項3に記載の燃料電池システム。

請求項5

制御部と、前記燃焼排ガスの温度を調整する燃焼排ガス温度調整部と、前記浄化部の温度を検出する浄化触媒温度検出部と、を備え、前記制御部が、前記浄化触媒温度検出部で検出された検出温度が、前記浄化部の前記所定の温度範囲における上限温度である浄化触媒制御温度より大きくなると判定した場合、この検出温度が該浄化触媒制御温度以下となるように、前記燃焼排ガス温度調整部を動作させる請求項3に記載の燃料電池システム。

請求項6

制御部と、前記燃料電池ユニットの動作温度を制御することにより、前記燃焼排ガスの温度を調整する燃焼排ガス温度調整部と、前記燃料電池ユニット内の温度を検出する燃料電池温度検出部と、を備え、前記制御部が、前記燃料電池温度検出部で検出された検出温度が、前記脱硫部または前記浄化部の前記所定の温度範囲における上限温度と対応づけられた、前記燃料電池ユニット内における上限温度である燃料電池制御温度より大きくなると判定した場合、この検出温度が該燃料電池制御温度以下となるように、前記燃焼排ガス温度調整部を動作させる請求項3に記載の燃料電池システム。

請求項7

前記燃料電池ユニットから排出される燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス経路を備え、前記脱硫部が該脱硫部に充填される脱硫触媒を加熱する脱硫部加熱部を有しており、前記燃焼排ガス経路に前記脱硫部加熱部および前記浄化部が設けられる請求項3から6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。

請求項8

前記脱硫部および前記浄化部を共に覆う断熱部材を備え、前記断熱部材によって形成された空間内において、前記脱硫部および前記浄化部は、この脱硫部を形成する構造の一部とこの浄化部を形成する構造の一部とを互いが共有するように構成されている請求項3から7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。

請求項9

前記浄化部を加熱するための浄化触媒加熱ヒータをさらに備え、前記制御部が、前記浄化触媒温度検出部で検出された検出温度が前記浄化部の前記所定の温度範囲における下限温度より小さくなると判定した場合、この検出温度が該下限温度以上となるように、前記浄化触媒加熱ヒータを動作させる請求項5に記載の燃料電池システム。

請求項10

前記脱硫部および前記浄化部で熱利用された後の燃焼排ガスが有する熱を利用して、前記空気熱交換部に供給される前の空気を予熱する補助空気熱交換部を備える、請求項3から9のいずれか1項に記載の燃料電池システム。

技術分野

0001

本発明は、原料中の不純物を除去する不純物除去部と、燃料電池から排出される燃焼排ガス中の有害成分(例えば、一酸化炭素および炭化水素成分)を除去する浄化部とを備えた燃料電池システムに関するものである。

背景技術

0002

燃料電池システムは小型でも発電効率が高いため、分散型発電システムにおける発電部としての利用が進められている。燃料電池システムをこの発電部として機能させるためには、発電に必要な原料を燃料電池システムに安定的に供給する必要がある。一般的に、燃料電池システムに供給する原料としては、既存のインフラストラクチャー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。

0003

ところで、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硫黄化合物や、原料由来の硫黄化合物が含まれている。この硫黄化合物は、原料を改質して燃料を生成する改質器改質触媒、および燃料電池の電極触媒被毒させ、それらの性能を低下させてしまう。そこで、燃料電池システムでは、原料中の硫黄成分を除去するために脱硫触媒を有した脱硫部が設けられている。

0004

ところで、脱硫部の脱硫触媒には、温度依存性があるものがあり、その一例として、水添脱硫水素化脱硫)処理に用いられる水添脱硫触媒が挙げられる。そこで、この水添脱硫触媒を有する脱硫部の脱硫性能を高めるため、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を脱硫部の加熱に使用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、特許文献1参照)。

0005

さらには、燃料電池で未利用の燃料を燃焼させ、その燃焼熱回収して、改質器での改質反応、ならびに燃料電池に供給する空気の予熱、脱硫部の加熱等に用いる構成を採用した燃料電池システム(固体酸化物形燃料電池システム)も提案されている。このように未利用の燃料の燃焼熱を加熱に用いる構成を有した燃料電池システムの場合、この未利用の燃料を燃焼させて発生させた燃焼排ガス中には、例えば、一酸化炭素などの有害成分が含まれてしまう。そこで、燃焼排ガス外気排気する前にこの燃焼排ガス中の有害成分を酸化分解させるために燃焼触媒を備えた燃料電池システム(固体酸化物形燃料電池システム)も提案されている(例えば、特許文献2)。

0006

この特許文献2に開示された燃料電池システムでは、高温で作動する燃料電池の近傍に脱硫部を配置して加熱させるとともに、燃料電池で発生する燃焼排ガス中に含有する一酸化炭素などの有害成分を低減させるため、燃焼排ガスを排出させる排出口に燃焼触媒部を設けている。

先行技術

0007

特開2010−272333号公報
特開2011−216308号公報
特開2008−169100号公報

発明が解決しようとする課題

0008

ところで、燃料電池システムでは、発電効率と熱利用とを含めた総合効率を向上させることが望まれている。燃料電池システムにおける総合効率を向上させるためには、燃焼排ガスから有害成分を除去し、原料から硫黄成分などの不純物を除去することを実現しつつ、燃料電池システムから排気される熱量を低減させることが重要である。

0009

しかしながら、上記した特許文献1、2に示す従来技術では、燃料電池システムを流通する排気ガスが有する熱を有効に利用しつつ、燃焼排ガスからの有害成分の除去および原料からの不純物の除去を実現できる構成となっていないという問題がある。

0010

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、燃料電池システムを流通する燃焼排ガスが有する熱を有効に利用しつつ、燃焼排ガスからの有害成分の除去および原料からの不純物の除去を適切に行うことができる燃料電池システムを提供することにある。

課題を解決するための手段

0011

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、供給された原料を改質して得られた燃料と、供給された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未利用の燃料と空気とを燃焼させ生成された燃焼排ガスの有する熱により燃料電池ユニットに供給する空気を予熱する空気熱交換部と、前記空気の予熱によって保有する熱の一部を失った燃焼排ガスの有する熱により所定の温度範囲まで加熱される、前記原料中の不純物を除去する不純物除去部および該燃焼排ガス中に含まれる有害成分を除去する浄化部と、前記不純物除去部および前記浄化部の加熱により保有する熱の一部をさらに失った燃焼排ガスの有する熱と冷媒との間で熱交換を行う熱交換部と、を備える。

発明の効果

0012

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、当該燃料電池システムを流通する燃焼排ガスが有する熱を有効に利用しつつ、燃焼排ガスからの有害成分の除去および原料からの不純物の除去を適切に行うことができるという効果を奏する。

図面の簡単な説明

0013

本発明の実施の形態1に係る燃料電池システムの概略構成の一例を模式的に示すブロック図である。
図1に示す燃料電池システムが備える燃料電池ユニットの概略構成を示すブロック図である。
図1に示す燃料電池システムの概略構成の別の一例を模式的に示すブロック図である。
本発明の実施の形態1に係る燃料電池システムの概略構成の一例を模式的に示すブロック図である。
本発明の実施の形態1に係る燃料電池システムの変形例を示すブロック図である。
本発明の実施の形態1に係る燃料電池システムの変形例を示すブロック図である。
本発明の実施の形態2における燃料電池システムの概略構成の一例を模式的に示すブロック図である。
図7に示す実施の形態2に係る燃料電池システムにおいて実行する脱硫部温度制御処理の一例を示すフローチャートである。
本発明の実施の形態2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模式的に示すブロック図である。
図9に示す実施の形態2の変形例1に係る燃料電池システムにおいて実行する燃焼触媒温度制御処理の一例を示すフローチャートである。
本発明の実施の形態2に係る燃料電池システムの変形例を示すブロック図である。
本発明の実施の形態3に係る燃料電池システムの概略構成の一例を模式的に示すブロック図である。
図12に示す実施の形態3に係る燃料電池システムにおける燃料電池温度制御処理の一例を示すフローチャートである。
本発明の実施の形態3に係る燃料電池システムの変形例を示すブロック図である。
本発明の実施の形態3に係る燃料電池システムの変形例を示すブロック図である。

実施例

0014

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

0015

本発明の第1の態様に係る燃料電池システムは、供給された原料を改質して得られた燃料と、供給された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未利用の燃料と空気とを燃焼させ生成された燃焼排ガスの有する熱により燃料電池ユニットに供給する空気を予熱する空気熱交換部と、前記空気の予熱によって保有する熱の一部を失った燃焼排ガスの有する熱により所定の温度範囲まで加熱される、前記原料中の不純物を除去する不純物除去部および該燃焼排ガス中に含まれる有害成分を除去する浄化部と、前記不純物除去部および前記浄化部の加熱により保有する熱の一部をさらに失った燃焼排ガスの有する熱と冷媒との間で熱交換を行う熱交換部と、を備える。

0016

上記構成によると空気熱交換部、不純物除去部、浄化部、および熱交換部における加熱の熱源に燃焼排ガスが有する熱を利用している。このため燃料電池システムを流通する燃焼排ガスが有する熱を有効に利用することができる。さらには、燃焼排ガスが有する熱により加熱された不純物除去部により原料から不純物を除去し、燃焼排ガスが有する熱により加熱された浄化部により燃焼排ガスから例えば、一酸化炭素などの有害成分を除去することができる。また、これら不純物除去部および浄化部には、空気熱交換部において熱利用され所定の温度範囲まで降温させた燃焼排ガスを導くことができる。このため、不純物除去部は不純物の除去を、ならびに浄化部は一酸化炭素などの有害成分の除去をそれぞれ適切に行うことができる。

0017

したがって、本発明の第1の態様に係る燃料電池システムは、当該燃料電池システムを流通する燃焼排ガスが有する熱を有効に利用しつつ、燃焼排ガスからの一酸化炭素など有害成分の除去および原料からの不純物の除去を適切に行うことができるという効果を奏する。

0018

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の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記熱交換部は、前記冷媒として水を用いる水熱交換部であり、前記水熱交換部は、前記燃焼排ガスの有する熱と水との間で熱交換を行い、該水を加熱させるように構成されていてもよい。

0019

上記構成によると、熱交換部が水熱交換部であるため、冷媒として水を用いて燃焼排ガスと熱交換を行い、燃焼排ガスの保有する熱を水によって回収できる。また、燃焼排ガスは、この水との熱交換により適切な温度まで降温され、排出されるとともに、降温に伴い排ガス中に含まれる水分を凝縮させて凝縮水を得ることができる。このため、系内において水を必要とする処理がある場合、この燃焼排ガスから得た凝縮水をこの処理に利用することができる。なお、系内において水を必要とする処理としては、例えば、燃料電池が有する改質器が水蒸気改質反応により原料を改質する場合、この改質器で行う水蒸気改質反応処理が例示できる。

0020

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1の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記不純物除去部は、前記原料中の不純物として硫黄化合物を除去する脱硫部であってもよい。

0021

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3の態様に係る燃料電池システムにおいて、制御部と、前記燃焼排ガスの温度を調整する燃焼排ガス温度調整部と、前記脱硫部の温度を検出する脱硫部温度検出部と、を備え、前記制御部が、前記脱硫部温度検出部で検出された検出温度が、前記脱硫部の前記所定の温度範囲における上限温度である脱硫部制御温度より大きくなると判定した場合、この検出温度が該脱硫部制御温度以下となるように、前記燃焼排ガス温度調整部を動作させるように構成されていてもよい。

0022

上記した構成によると、脱硫部温度検出部を備えているため、制御部は、脱硫部の温度を把握することができる。また、燃焼排ガス温度調整部を備えている。このため、制御部が脱硫部温度検出部で検出された検出温度が脱硫部制御温度を上回ると判定した場合、この燃焼排ガス温度調整部を動作させて燃焼排ガスの温度を低減させることができる。それゆえ、燃焼排ガスの有する熱を利用して加熱される脱硫部の温度を低下させることができる。

0023

したがって、本発明の第4の態様に係る燃料電池システムは、脱硫部の温度が脱硫部制御温度を超えないように調整することができ、所定の温度範囲で脱硫部を安定して加熱することができる。

0024

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3の態様に係る燃料電池システムにおいて、制御部と、前記燃焼排ガスの温度を調整する燃焼排ガス温度調整部と、前記浄化部の温度を検出する浄化触媒温度検出部と、を備え、前記制御部が、前記浄化触媒温度検出部で検出された検出温度が、前記浄化部の前記所定の温度範囲における上限温度である浄化触媒制御温度より大きくなると判定した場合、この検出温度が該浄化触媒制御温度以下となるように、前記燃焼排ガス温度調整部を動作させるように構成されていてもよい。

0025

上記した構成によると、浄化触媒温度検出部を備えているため、制御部は、浄化部の温度を把握することができる。また、燃焼排ガス温度調整部を備えている。このため、制御部が、浄化触媒温度検出部で検出された検出温度が浄化触媒制御温度を上回ると判定した場合、この燃焼排ガス温度調整部を動作させて燃焼排ガスの温度を低減させることができる。それゆえ、燃焼排ガスの有する熱を利用して加熱される浄化部の温度を低下させることができる。

0026

したがって、本発明の第5の態様に係る燃料電池システムは、浄化部の温度が浄化触媒制御温度を超えないように調整することができ、所定の温度範囲で浄化部を安定して加熱することができる。

0027

本発明の第6の態様に係る燃料電池システムは、上記した第3の態様に係る燃料電池システムにおいて、制御部と、前記燃料電池ユニットの動作温度を制御することにより、前記燃焼排ガスの温度を調整する燃焼排ガス温度調整部と、前記燃料電池ユニット内の温度を検出する燃料電池温度検出部と、を備え、前記制御部が、前記燃料電池温度検出部で検出された検出温度が、前記脱硫部または前記浄化部の前記所定の温度範囲における上限温度と対応づけられた、前記燃料電池ユニット内における上限温度である燃料電池制御温度より大きくなると判定した場合、この検出温度が該燃料電池制御温度以下となるように、前記燃焼排ガス温度調整部を動作させるように構成されていてもよい。

0028

上記した構成によると、燃料電池温度検出部を備えているため、制御部は、燃料電池ユニット内の温度を把握することができる。また、燃焼排ガス温度調整部を備えている。このため、制御部が、燃料電池温度検出部で検出された検出温度が燃料電池制御温度を上回ると判定した場合、燃焼排ガス温度調整部を動作させて燃焼排ガスの温度を低減させることができる。それゆえ、燃焼排ガスの有する熱を利用して加熱される脱硫部および浄化部の温度を低下させることができる。

0029

したがって、本発明の第6の態様に係る燃料電池システムは、脱硫部の温度が脱硫部制御温度を超えないように、さらにまた浄化部の温度が浄化触媒制御温度を超えないようにそれぞれ調整することができる。このため、本発明の第6の態様に係る燃料電池システムでは、所定の温度範囲で脱硫部および浄化部を安定して加熱することができる。

0030

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3から第6の態様のいずれか1つの態様に係る燃料電池システムにおいて、前記燃料電池ユニットから排出される燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス経路を備え、前記脱硫部が該脱硫部に充填される脱硫触媒を加熱する脱硫部加熱部を有しており、前記燃焼排ガス経路に前記脱硫部加熱部および前記浄化部が設けられるように構成されていてもよい。

0031

上記した構成によると、燃焼排ガス経路に脱硫部加熱部および浄化部が設けられているため、この燃焼排ガス経路によって導かれる燃焼排ガスが有する熱を利用して、脱硫部の脱硫触媒および浄化部の浄化触媒を所定の温度範囲となるように加熱することができる。

0032

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3から第7の態様のいずれか1つの態様に係る燃料電池システムにおいて、前記脱硫部および前記浄化部を共に覆う断熱部材を備え、前記断熱部材によって形成された空間内において、前記脱硫部および前記浄化部は、この脱硫部を形成する構造の一部とこの浄化部を形成する構造の一部とを互いが共有するように構成されていてもよい。

0033

このように、脱硫部と浄化部とを構成することで、これらを別々に分離した構成とするよりも、断熱部材によって形成された空間内において効率よく両者を燃焼排ガスの有する熱により加熱することができる。

0034

本発明の第9の態様に係る燃料電池システムは、上記した第5の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記浄化部を加熱するための浄化触媒加熱ヒータをさらに備え、前記制御部が、前記浄化触媒温度検出部で検出された検出温度が前記浄化部の前記所定の温度範囲における下限温度より小さくなると判定した場合、この検出温度が該下限温度以上となるように、前記浄化触媒加熱ヒータを動作させるように構成されていてもよい。

0035

上記した構成によると、浄化触媒加熱ヒータを備えるため、浄化触媒温度検出部で検出された検出温度が前記浄化部の前記所定の温度範囲における下限温度より小さくなると判定した場合、浄化触媒加熱ヒータにより浄化部を加熱することができる。

0036

このため、例えば燃料電池システムを常温から起動させ、浄化部が十分に暖められていない場合であっても、浄化触媒加熱ヒータを用いて浄化部を加熱することができる。それゆえ、本発明の第9の態様に係る燃料電池システムでは、起動時から、所定の温度範囲となるように加熱された浄化部によって、燃焼ガス中の微量の、一酸化炭素などの有害成分の除去を効率よく行うことができる。

0037

本発明の第10の態様に係る燃料電池システムは、上記した第3から第9のいずれか1つの態様に係る燃料電池システムにおいて、前記脱硫部および前記浄化部で熱利用された後の燃焼排ガスが有する熱を利用して、前記空気熱交換部に供給される前の空気を予熱する補助空気熱交換部を備えてもよい。

0038

上記した構成によると、補助空気熱交換部を備えているため、脱硫部および浄化部で熱利用された後の燃焼排ガスが有する熱を利用して、空気熱交換部で予熱される前段階で空気を予熱することができる。このように空気熱交換部に送る空気を予め補助空気熱交換部により予熱することで、燃料電池ユニットに送る空気温度を適切に上昇させ、この燃料電池ユニットの動作温度と同様な温度とすることができる。

0039

したがって、本発明の第10の態様に係る燃料電池システムは、燃焼排ガスの熱利用性を向上させるとともに、発電効率を向上させることができる。

0040

(実施の形態1)
[燃料電池システムの構成]
実施の形態1に係る燃料電池システム100の構成について、図1〜3を参照しながら説明する。図1は、本発明の実施の形態1に係る燃料電池システム100の概略構成の一例を模式的に示すブロック図である。また、図2は、図1に示す燃料電池システム100が備える燃料電池ユニット1の概略構成を示すブロック図である。図3は、図1に示す燃料電池システム100の概略構成の別の一例を模式的に示すブロック図である。

0041

図1示すように、燃料電池システム100は、発電部となる燃料電池ユニット1と、空気熱交換部6と、熱交換部40と、不純物除去部41と、浄化部42と、を備えてなる構成である。

0042

燃料電池ユニット1は、不純物除去部41において、例えば硫黄化合物などの不純物が除去された原料を改質して得られた燃料と、供給された空気とを用いて発電する。燃料電池ユニット1は、図2に示すように不純物除去部41において不純物が取り除かれた原料を改質して燃料(改質ガス)を生成する改質部31と、燃料と空気とを利用して電気化学反応により発電する燃料電池32と、燃料電池32で未利用の燃料を燃焼する燃焼部33と、を備えてなる構成である。すなわち、燃料電池ユニット1は、改質部31と燃料電池32と燃焼部33とを内部に組み込んだいわゆるホットモジュールである。

0043

なお、この燃料電池ユニット1が備える上記した各部は、公知の部材であるため、これら各部材の詳細な説明は省略するものとする。また、本実施形態では燃料電池32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32はこれに限定されるものではない。

0044

図1に示すように、燃料電池ユニット1には、酸化剤ガスとして空気をシステム外から供給するカソードガス供給経路2が接続されている。また、燃料電池ユニット1から排気された燃焼排ガスをシステム外へ排気するために流通させる燃焼排ガス経路4と、システム外から原料を燃料電池ユニット1に供給する原料供給経路5とが接続されている。ここでシステム外から供給される原料としては、天然ガスを主成分とする都市ガスが挙げられる。さらには、改質部31が水蒸気改質により原料を改質する構成の場合、システム外から水を供給するための改質水供給経路(不図示)が接続されていてもよい。

0045

空気熱交換部6は、燃料電池ユニット1から排出された燃焼排ガスの有する熱を利用して、この燃料電池ユニット1に供給される空気を予熱するものである。実施の形態1に係る燃料電池システム100では、燃料電池32として高温で動作する固体酸化物形燃料電池を用いている。そのため、燃料電池32に供給される空気を、燃料電池32の動作温度に近い温度まで予熱する必要がある。そこで、空気熱交換部6は、燃焼排ガスと空気との間で熱交換させ、この空気を予熱し燃料電池ユニット1に供給する。

0046

具体的には、この空気熱交換部6には、カソードガス供給経路2と、燃焼排ガス経路4とが接続されており、カソードガス供給経路2を通じて燃料電池ユニット1に供給される空気と、燃焼排ガス経路4を通じて燃料電池ユニット1から排出される燃焼排ガスとを熱交換させる。空気熱交換部6における燃焼排ガスとの熱交換により予熱された空気は燃料電池ユニット1へ供給される。一方、空気との熱交換により保有する熱の一部を失った燃焼排ガスは、不純物除去部41へと供給される。

0047

不純物除去部41は、燃料電池ユニット1に供給される原料に含まれる不純物を除去するものである。不純物除去部41には不純物を除去するための不純物除去触媒52が充填されている。不純物除去部41としては、図3に示すように、原料中の不純物として硫黄化合物を除去する脱硫部8を例示することができる。また、この脱硫部8には、不純物除去触媒52として、原料中の硫黄化合物を除去するための脱硫触媒22が充填されており、この脱硫触媒22に原料を通気させる構成となっている。例えば、銅-亜鉛系の脱硫触媒22を用いることができ、脱硫触媒22が胴−亜鉛系の場合、所定の温度範囲(例えば200〜300℃)で所望の脱硫性能が得られる温度依存性を有している。そこで、実施の形態1に係る燃料電池システム100では、空気の予熱のために空気熱交換部6で熱利用され、所定の温度範囲となった燃焼排ガスを脱硫部8に導く。そして、この燃焼排ガスが有する熱を利用して脱硫触媒22を加熱する。

0048

脱硫部8に充填された脱硫触媒22を加熱する構成としては、例えば、燃焼排ガスが流通する空間内に脱硫部8を据え付け、この燃焼排ガスにより脱硫部8を直接、加熱する構成としてもよい。さらには、図4に示すように脱硫部8は、脱硫触媒22の下方に脱硫部加熱部20を備え、この脱硫部加熱部20により脱硫触媒22を加熱する構成としてもよい。つまり、脱硫部加熱部20には、燃焼排ガス経路4を通じて燃焼排ガスが供給されており、この供給された燃焼排ガスが有する熱を脱硫触媒22に伝熱させて加熱する。図4は、本発明の実施の形態1に係る燃料電池システムの概略構成の一例を模式的に示すブロック図である。

0049

なお、本実施の形態1では、脱硫触媒22として銅−亜鉛系の脱硫触媒を用いるが、他の脱硫触媒であっても良い。また、脱硫部8における脱硫は、例えば、硫黄化合物を含む原料を、脱硫触媒22の存在下で水素と反応させる水素化脱硫方式により行われてもよい。あるいは、所定の温度範囲に加熱されることで物理吸着吸着性能が向上する脱硫触媒を用いて行われてもよい(例えば、特許文献3)。

0050

なお、脱硫部8が水添脱硫により原料中の硫黄化合物を除去する構成の場合、原料供給経路5を流通する原料には水素を混合させる。この水素はシステム外から供給されてもよいし、改質部31で改質され生成された燃料の一部が供給される構成であってもよい。後者の構成とする場合、燃料電池ユニット1から燃料(改質ガス)の一部を原料供給経路5における脱硫部8の上流側に戻すためのリサイクル経路(不図示)が燃料電池システム100においてさらに設けられる。浄化部42は、燃焼排ガス中に含まれる一酸化炭素および炭化水素などの有害成分を除去するものであり、図1に示すように、不純物除去部41で保有する熱の一部が利用された後の燃焼排ガスが燃焼排ガス経路4を通じて供給される。そして、浄化部42は、供給された燃焼排ガスが、この浄化部42に充填されている浄化触媒53を通気する構成となっている。なお、本実施の形態1では、図3に示すように、浄化部42として燃焼触媒部9を例示することができる。浄化部42を燃焼触媒部9とする場合、浄化触媒53としては、状態に応じては燃焼を継続させる燃焼触媒23とすることができる。燃焼触媒23は、Pt系貴金属触媒ハニカム担体担持したものを用いることができる。しかしながら、燃焼触媒23はこれに限定されるものではない。

0051

なお、本実施の形態1に係る燃料電池システム100では、図3に示すように燃焼排ガスが脱硫部8を通過した後、燃焼触媒部9に導かれる構成であるが、両者の配置関係はこれに限定されるものではない。例えば、燃焼排ガスが先に、燃焼触媒部9を通過してから脱硫部8に導かれる構成としてもよい。これらの配置順は、脱硫部8において使用する脱硫触媒22の温度特性と、燃焼触媒部9において使用する燃焼触媒23の温度特性とを考慮して決めることができる。

0052

熱交換部40は、図1に示すように、外部から供給された冷媒と外部に排出する燃焼排ガスとの間で熱交換を行うものである。この熱交換部40には外部から供給される冷媒が流通する冷媒供給経路10と、燃焼触媒部9で熱利用された後の燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス経路4とが接続されている。そして、熱交換部40では、冷媒供給経路10を通じて供給された冷媒と燃焼排ガス経路4を通じて供給された燃焼排ガスとの間で熱交換する。これによりシステム外に排気する燃焼排ガスの温度を適切な温度まで低下させることができる。また、熱交換部40は、図3に示すように冷媒として冷却水を用いた水熱交換部7とすることができる。熱交換部40が水熱交換部7である場合、システム外に排気される燃焼排ガスの有する熱を水により回収することができる。このため、燃料電池システム100は、当該燃料電池システム100を流通する排気ガスが有する熱を有効に利用することができる。なお、熱交換部40は、上記した水熱交換部7に限定されるものではなく、冷媒を空気とし、該空気と燃焼排ガスとの熱交換を行う構成としてもよい。冷媒を空気として燃焼排ガスと熱交換を行う熱交換部40としては、例えば、ラジエータなどを例示できる。ただし、燃焼排ガスの有する熱を水により回収し利用できる点で、熱交換部40をラジエータとするよりは水熱交換部7とした方が有利である。

0053

さらにまた、熱交換部40は、燃焼排ガスの温度を低下させ、燃焼排ガス中に含まれる水を凝縮させて凝縮水を得る構成とすることができる。燃焼排ガスから得た凝縮水は、例えば、改質部31が水蒸気改質反応により原料を改質する構成の場合、該水蒸気改質反応に用いる水として利用することができる。

0054

(燃料電池システムの動作)
次に、上記した構成を有する燃料電池システム100の動作について説明する。特に、熱交換部40として水熱交換部7を備え、不純物除去部41として脱硫部8を備え、浄化部42として燃焼触媒部9を備えた構成を例に挙げて燃料電池システム100の動作について説明する。

0055

図2、3に示すように、燃料電池ユニット1へは、燃料電池32のカソード(不図示)に供給する酸化剤ガスとして空気が、カソードガス供給経路2を通じて供給される。さらに燃料電池32のアノード(不図示)に供給する燃料を改質部31で生成するための原料が、原料供給経路5を通じて燃料電池ユニット1へ供給される。また、改質部31において水蒸気改質を行う場合は、この水蒸気改質で利用する改質水が改質水供給経路(不図示)を通じて供給される。

0056

燃料電池ユニット1内では、燃料電池32が供給された空気と、供給された原料から改質部31で生成した燃料と、を用いて発電する。つまり、改質部31は、供給された改質水と原料とを用いて、例えば水蒸気改質反応を進行させて水素を含む改質ガスを生成させる。そして、この改質ガスを燃料として燃料電池32に供給する。またこの燃料とともに燃料電池32に供給される空気は、上述したように空気熱交換部6で燃料電池32の動作温度まで予熱されている。

0057

燃料電池32において未利用の燃料と未利用の空気とは、燃焼部33で燃焼され、燃焼排ガスが生成される。この燃焼排ガスは、燃焼排ガス経路4を通じて燃料電池ユニット1から排気される。燃料電池ユニット1の外部において燃焼排ガス経路4中に、空気熱交換部6、脱硫部8、および燃焼触媒部9がそれぞれ配置されており、燃焼排ガスは、これら各部を順に燃焼排ガス経路4を通じて流れ、各部において保有する熱の一部を失う。その後、燃焼排ガスは、さらに水熱交換部7における冷却水との熱交換で熱が奪われる。そして、十分に低温になった状態でシステム外に排気される。

0058

上記したように、燃料電池システム100では、空気を予熱するための熱源として、燃焼排ガスの有する熱を利用した構成である。このため、空気を燃焼排ガスの有する熱を利用せず、別途用意された加熱ユニットなどにより加熱する構成と比較して、燃料電池システム内で利用する熱の利用率を高めることができる。

0059

また、脱硫部8では、空気熱交換部6により熱利用された燃焼排ガスの熱を利用して脱硫触媒22を加熱する。つまり、脱硫触媒22として、例えば銅−亜鉛系の脱硫触媒を利用する場合、原料中の硫黄化合物を効率よく除去するためには、この脱硫触媒22を250℃近傍まで加熱させる必要がある。このように脱硫部8が加熱されることで、触媒反応において最適となる温度範囲まで脱硫触媒22の温度は上昇させられ、例えば、供給される原料に含まれる水素を利用した水添脱硫法によりこの原料を脱硫する。これにより脱硫部8を通過した原料は硫黄化合部が除去された状態で燃料電池ユニット1に供給される。

0060

脱硫部8において保有する熱の一部が利用された燃焼排ガスは、燃焼触媒部9を通過することで、燃焼排ガス中の微量の一酸化炭素や炭化水素などの有害成分が除去される。つまり、燃料電池ユニット1において未利用の燃料と空気とを燃焼させ、生成された燃焼排ガスには、微量の一酸化炭素や炭化水素など有害成分を含む場合がある。これは、燃焼排ガスは、燃焼部33による火炎燃焼によって生成されるが、この火炎燃焼における燃焼条件は、該燃焼部33が設けられる燃料電池32の動作条件を考慮して設定される。このため、未利用の燃料と空気とが完全燃焼しない場合があるからである。そこで、燃焼排ガス中に含まれる一酸化炭素や炭化水素などの有害成分を、燃焼触媒部9での酸化分解により低減させる。

0061

なお、燃焼触媒部9に充填される燃焼触媒23には、効率よく酸化分解を進行させるために最適となる温度範囲(例えば、250℃前後)がある。そこで、燃焼触媒23は、通過する燃焼排ガスから熱を奪い、この最適となる温度範囲まで上昇させられる。燃焼触媒部9において一酸化炭素などの有害成分が除去された燃焼排ガスは、水熱交換部7に導かれる。

0062

なお、本実施の形態1に係る燃料電池システム100では、動作温度が近い脱硫触媒22と燃焼触媒23とを近接して配置する構成となっている。このような構成とすることで、動作温度の近い脱硫触媒22と燃焼触媒23とをまとめ、燃焼排ガスの有する熱を利用して加熱することができるため、これらの部材それぞれに流入する度に燃焼排ガスの温度調整を行う必要がなく、燃料電池システム100での熱利用性が向上させることができる。

0063

また、脱硫触媒22および燃焼触媒23の動作温度も安定化できるため、結果として、温度依存性のある脱硫触媒22での脱硫性能、ならびに燃焼触媒23の燃焼ガス中の、一酸化炭素などの有害成分の除去性能を安定化させることができる。

0064

水熱交換部7では、燃焼触媒部9において一酸化炭素などの有害成分が除去されるとともに、保有する熱の一部を失った燃焼排ガスと、システム外から供給された冷却水との間で熱交換を行う。これにより燃焼排ガスの温度を排気するのに十分な温度まで低下させる。このように、燃焼排ガスの熱を冷却水で熱回収する構成であるため燃焼排ガスの温度を効果的に低減させることができ、かつ多くの熱回収量を行うことができる。これにより、燃料電池システム100内での熱利用効率をさらに向上させることができる。

0065

本実施の形態1に係る燃料電池システム100では、燃焼排ガス経路4において空気熱交換部6と水熱交換部7との間に脱硫部8および燃焼触媒部9がそれぞれ配置される構成であった。これら脱硫部8および燃焼触媒部9は共に、断熱部材24により覆われた、以下の図5に示す構成とすることもできる。ここで、脱硫部8および燃焼触媒部9を共に断熱部材24により覆って配置する構成を実施の形態1の変形例1として図5を参照して説明する。

0066

(実施の形態1の変形例1)
図5は、本発明の実施の形態1に係る燃料電池システム100の変形例を示すブロック図である。

0067

図5に示すように、実施形態1の変形例1に係る燃料電池システム100では、脱硫部8および燃焼触媒部9を断熱部材24により囲まれて形成された空間内に収容する。このように、脱硫部8と燃焼触媒部9との両者を断熱部材24により形成された空間内に収容するため、両者を同様な温度範囲の燃焼排ガスで加熱することができるとともに、燃焼排ガスの有する熱が放熱することを抑制することができる。

0068

このため、脱硫部8および燃焼触媒部9の動作温度を所定の温度範囲内に安定させることができるため、温度依存性のある脱硫部8での脱硫性能や、燃焼触媒部9の燃焼ガス中からの微量な一酸化炭素などの有害成分の除去性能を安定化できる。さらに、燃料電池システム100での熱利用性を向上させ、結果として発電効率を向上させる。

0069

また、図5に示すように、断熱部材24により形成された空間内において、脱硫部8を形成する構造の一部と、燃焼触媒部9を形成する構造の一部とを互いが共有するように構成してもよい。具体的には、図5の例では脱硫部8と燃焼触媒部9との接触面を両者で共有している。このように、脱硫部8と燃焼触媒部9とを構成することで、別々に分離した構成とするよりも効率よく両者を燃焼排ガスの有する熱により加熱することができる。

0070

さらには、燃焼排ガスが保有する熱の利用を効率的に行うために、脱硫部8および燃焼触媒部9で保有する熱の一部が利用された燃焼排ガスを導き、この燃焼排ガスの有する熱により空気を予熱する補助空気熱交換部19をさらに備える構成としてもよい。この補助空気熱交換部19をさらに備える燃料電池システム100の構成を変形例2として図6を参照して説明する。

0071

(実施の形態1の変形例2)
図6は、本発明の実施の形態1に係る燃料電池システム100の変形例を示すブロック図である。図6に示すように、実施の形態1の変形例2に係る燃料電池システム100は、上記した実施の形態1に係る燃料電池システム100の構成において、補助空気熱交換部19を、燃焼排ガス経路4において燃焼触媒部9の後段であり、かつ水熱交換部7の前段に設けた構成となっている。そして、この補助空気熱交換部19にはカソードガス供給経路2も接続されており、このカソードガス供給経路2を通じて空気熱交換部6により予熱される前の空気が導かれている。

0072

補助空気熱交換部19では、燃焼触媒部9において保有する熱の一部を失った燃焼排ガスと空気との間で熱交換をし、燃焼排ガスからさらに熱を奪うとともに、この奪った熱により空気を予熱する。このように空気熱交換部6に送る空気を予め予熱することで、燃料電池ユニット1に送る空気温度を高くすることができる。そして、燃料電池システム100での熱利用性を向上させ、結果的には発電効率を向上させることができる。さらには、この補助空気熱交換部19において空気を燃料電池ユニット1の動作温度近傍まで昇温させることができる場合、空気熱交換部6の構成を簡素化することができる。

0073

上記した実施の形態1に係る燃料電池システム100では、脱硫部8および燃焼触媒部9には所望の温度範囲の燃焼排ガスが流入するように設計されている。ところで、発電電力量など燃料電池ユニット1の動作条件を変化させた場合、燃料電池32の電圧特性が変化し、燃料電池32での発熱量が変化する。あるいは、燃料電池32が劣化した場合、燃料電池32での発熱量が変化する。このため、燃料電池32の動作条件の変更または燃料電池32の劣化に起因して燃料電池ユニット1から排出される燃焼排ガスの温度が変化してしまう。さらには、燃料電池ユニット1の環境温度など環境条件が変化した場合も、燃料電池ユニット1から排出される燃焼排ガス温度が変化する。

0074

このように、燃料電池ユニット1から排出される燃焼排ガス温度が変化すると、脱硫部8および燃焼触媒部9の動作温度が変化し、所望される温度範囲から外れてしまうことがある。例えば、燃料電池ユニット1から排出される燃焼排ガス温度が定格運転時より高温となった場合、脱硫触媒22および燃焼触媒23は、所望の温度範囲よりも高温で加熱される。このように高温で加熱された場合、脱硫触媒22および燃焼触媒23の触媒成分がシンタリングして劣化する可能性がある。

0075

そこで、実施の形態1に係る燃料電池システム100において、さらに、脱硫部8および燃焼触媒部9に流入する燃焼排ガスの温度を制御できる構成となっていてもよい。以下では、脱硫部8および燃焼触媒部9に流入する燃焼排ガスの温度を制御できる構成をさらに有した燃料電池システムとして実施の形態2に係る燃料電池システム200について図7を参照して説明する。

0076

(実施の形態2)
図7は、本発明の実施の形態2における燃料電池システム200の概略構成の一例を模式的に示すブロック図である。図7に示すように、実施の形態2に係る燃料電池システム200は、実施の形態1に係る燃料電池システム100と比較して、制御部11と、燃焼排ガス温度冷却部12と、脱硫部温度検出部13とをさらに備えた点で異なる。それ以外の構成については、実施の形態1の燃料電池システム100と同様な構成となるので、同一部分の説明は省略する。

0077

燃焼排ガス温度冷却部12は、脱硫部加熱部20に流入する燃焼排ガスの温度を低下させるものであり、本発明の燃焼排ガス温度調整部に相当する。燃焼排ガス温度冷却部12としては、例えば、空気ファンを用いて空冷で冷却する冷却装置が挙げられる。ただし、燃焼排ガス温度冷却部12はこれに限定されるものではなく、空冷による他の冷却装置であってもよいし、冷媒として水を利用した水冷式の冷却装置であってもよい。すなわち、燃焼排ガスの温度を低減できる構成であれば任意である。この燃焼排ガス温度冷却部12は、燃焼排ガスの流通方向において、空気熱交換部6よりも下流側であって脱硫部8よりも上流側となる燃焼排ガス経路4上の位置に設けられている。

0078

脱硫部温度検出部13は、脱硫部8の温度を検出するものであり、脱硫部8における任意の場所に設けられている。脱硫部温度検出部13は、検出した脱硫部8の温度を制御部11に通知する。

0079

制御部11は、燃料電池システム200における各種制御を実行するものであり、例えば、CPUなどにより実現できる。脱硫部温度検出部13から検出された温度の情報が通知された場合、制御部11は、この温度が脱硫部8における上限温度として設定されている脱硫部制御温度を超えているか否か判定する。そして、脱硫部制御温度を超えていると判定した場合、制御部11は、燃焼排ガス温度冷却部12を動作させ、燃焼排ガス温度を低下させるように制御する(脱硫部温度制御処理)。

0080

次に、図8を参照して実施の形態2に係る燃料電池システム200の動作について説明する。実施の形態2に係る燃料電池システム200の動作は、基本的には実施の形態1に係る燃料電池システム100とほぼ同じ動作となるが以下の点で異なる。すなわち、実施の形態2に係る燃料電池システム200は、図8に示す脱硫部温度制御処理を実行する点で実施の形態1に係る燃料電池システム100とは異なる。図8図7に示す実施の形態2に係る燃料電池システム200において実行する脱硫部温度制御処理の一例を示すフローチャートである。

0081

まず、脱硫部8における上限温度としてあらかじめ脱硫部制御温度が設定されており、この脱硫部制御温度は不図示の記憶装置に記憶されている。記憶装置としては、例えば、メインメモリなどが挙げられる。燃料電池システム200が動作すると、制御部11は、脱硫部温度検出部13で検出された温度を所定のタイミングで逐次取得する(ステップS11)。そして、制御部11は、この取得した温度と記憶装置に記憶した脱硫部制御温度とを比較し、取得した温度が脱硫部制御温度を上回るか否か監視する(ステップS12)。

0082

ここで、制御部11が、脱硫部温度検出部13から取得した温度が脱硫部制御温度を上回ると判定した場合(ステップS12において「YES」)、脱硫部加熱部20に流入する燃焼排ガスの温度が脱硫部制御温度以下となるように燃焼排ガス温度冷却部12に指示する。この制御部11からの指示に応じて、燃焼排ガス温度冷却部12は、脱硫部制御温度以下となるように燃焼排ガスの温度を低下させる(ステップS13)。

0083

以上のように実施の形態2に係る燃料電池システム200では、脱硫部温度検出部13で検出された温度と予め設定された脱硫部制御温度とを比較し、検出された温度が脱硫部制御温度を上回る場合、制御部11が燃焼排ガス温度冷却部12に指示して脱硫部8の温度を脱硫部制御温度以下となるように制御させる構成である。

0084

このため、実施の形態2に係る燃料電池システム200では、燃焼排ガス温度が高温となることを防ぎ安定化させることができる。それゆえ、脱硫部8の動作温度、さらには燃焼排ガス経路4において脱硫部8の後段に設けられた燃焼触媒部9の動作温度も安定化することができる。その結果、温度依存性のある脱硫触媒22での脱硫性能や、燃焼触媒23による燃焼ガス中の微量の一酸化炭素などの有害成分除去性能を安定化できる。

0085

なお、予め設定される脱硫部制御温度は、脱硫触媒22の温度特性、ならびに燃焼触媒23の温度特性もそれぞれ考慮して、適宜設定することができる。

0086

上記したように実施の形態2に係る燃料電池システム200では、検出された脱硫部8の温度が脱硫部制御温度を上回るか否かに応じて、燃焼排ガス温度冷却部12を動作させるか否か制御部11が判定する構成であった。しかしながらこのような構成に限定されるものではなく、燃焼触媒部9の温度を基準にして、制御部11が燃焼排ガス温度冷却部12を動作させるか否か判定する構成としてもよい。この構成について実施の形態2の変形例1として以下に図9および図10を参照して説明する。

0087

(実施の形態2の変形例1)
図9は、本発明の実施の形態2の変形例1に係る燃料電池システム200の概略構成の一例を模式的に示すブロック図である。図10は、図9に示す実施の形態2の変形例1に係る燃料電池システム200において実行する燃焼触媒温度制御処理の一例を示すフローチャートである。

0088

図9に示すように、実施の形態2の変形例1に係る燃料電池システム200は、実施の形態2に係る燃料電池システム200と比較して、脱硫部温度検出部13の代わりに燃焼触媒温度検出部(浄化触媒温度検出部)14を備えた点で異なる。それ以外の構成については、実施の形態2の燃料電池システム200と同様な構成となるので、同一部分の説明は省略する。

0089

燃焼触媒温度検出部14は、燃焼触媒部9の温度を検出するものであり、燃焼触媒部9における任意の場所に設けられている。燃焼触媒温度検出部14は、検出した燃焼触媒部9の温度を制御部11に通知する。

0090

また、実施の形態2の変形例1に係る燃料電池システム200の動作は、実施の形態2に係る燃料電池システム200とほぼ同じ動作となるが以下の点でのみ異なる。すなわち、実施の形態2の変形例1に係る燃料電池システム200は、図8に示す脱硫部温度制御処理を実施する代わりに、燃焼触媒温度検出部14で検出された温度に基づき、図10に示す燃焼触媒温度制御処理を実施する点で異なる。

0091

具体的には、燃焼触媒部9における上限温度としてあらかじめ燃焼触媒制御温度(浄化触媒制御温度)が設定されており、この温度は不図示の記憶装置に記憶されている。燃料電池システム200が動作すると、制御部11は、燃焼触媒温度検出部14で検出された温度(検出温度)を所定のタイミングで逐次取得する(ステップS21)。そして、制御部11は、この取得した温度と記憶装置に記憶した燃焼触媒制御温度とを比較し、取得した温度が燃焼触媒制御温度を上回るか否か監視する(ステップS22)。

0092

ここで、制御部11が、燃焼触媒温度検出部14から取得した温度が燃焼触媒制御温度を上回ると判定した場合(ステップS22において「YES」)、燃焼触媒部9に流入する燃焼排ガスの温度を燃焼触媒制御温度まで低下させるように燃焼排ガス温度冷却部12に指示する。この制御部11からの指示に応じて、燃焼排ガス温度冷却部12は、燃焼触媒制御温度以下となるように燃焼排ガスの温度を低下させる(ステップS23)。

0093

以上のように実施の形態2の変形例1に係る燃料電池システム200では、燃焼触媒温度検出部14で検出された温度と予め設定された燃焼触媒制御温度とを比較し、検出された温度が燃焼触媒制御温度を上回る場合、制御部11が燃焼排ガス温度冷却部12に指示して燃焼触媒部9の温度を燃焼触媒制御温度以下となるように動作させる構成である。

0094

このため、実施の形態2の変形例1に係る燃料電池システム200では、燃焼排ガス温度が高温となることを防ぎ安定化させることができる。それゆえ、燃焼触媒部9の温度、さらには燃焼排ガス経路4において燃焼触媒部9の前段(直前)に設けられた脱硫部8の動作温度も安定化させることができる。その結果、温度依存性のある脱硫触媒22での脱硫性能や、燃焼触媒23による燃焼ガス中の微量の一酸化炭素などの有害成分除去性能を安定化できる。

0095

なお、予め設定される燃焼触媒制御温度は、燃焼触媒23の温度特性ならびに脱硫触媒22の温度特性を考慮して、適宜、設定することができる。

0096

ところで、上記した実施の形態2に係る燃料電池システム200の動作開始時点では、燃料電池ユニット1の動作温度が定格時の動作温度よりも低く、そのため燃料電池ユニット1から排出される燃焼排ガスの温度も低くなる。このため、脱硫触媒22および燃焼触媒23が所望の温度範囲まで昇温されず、十分に原料から硫黄成分を取り除くことができないとともに、燃焼排ガスから一酸化炭素などの有害成分を十分に取り除くことができない。特に、燃焼排ガス中に一酸化炭素などの有害成分を含んだままシステム外に排出されることは大きな問題となる。そこで、燃焼触媒23の温度が、その温度特性に応じた温度範囲となるように燃焼触媒加熱ヒータ(浄化触媒加熱ヒータ)21をさらに備えた構成としてもよい。この燃焼触媒加熱ヒータ21をさらに備えた構成について実施の形態2の変形例2として以下に図11を参照して説明する。

0097

(実施の形態2の変形例2)
図11は、本発明の実施の形態2に係る燃料電池システム200の変形例(変形例2)を示すブロック図である。図11に示すように、実施の形態2の変形例2に係る燃料電池システム200は、実施の形態2の変形例1に係る燃料電池システム200の構成において、燃焼触媒加熱ヒータ21をさらに備えた構成となっている。

0098

燃焼触媒加熱ヒータ21は、燃焼触媒部9を加熱するヒータであり、例えば、電気ヒータなどにより実現できる。燃焼触媒加熱ヒータ21は、燃焼触媒部9に供給する燃焼排ガスの温度を昇温させることで燃焼触媒23を加熱させる構成の場合、燃焼排ガス経路4における、燃焼触媒部9への燃焼排ガスの流入口近傍に設けられる。一方、直接、燃焼触媒部9を加熱する構成の場合は、燃焼触媒加熱ヒータ21は、この燃焼触媒部9と接するように設けられる。

0099

この燃焼触媒加熱ヒータ21は、以下のようにして動作する。すなわち、燃焼触媒部9の動作温度として所定の温度範囲が設定されており、その下限温度(例えば、200℃)を不図示の記憶装置に記憶する。燃料電池システム200が動作すると、制御部11は、燃焼触媒温度検出部14で検出された温度(検出温度)を所定のタイミングで逐次取得する。そして、制御部11は、この取得した温度と記憶装置に記憶した下限温度とを比較し、取得した温度が下限温度をより小さいか否か判定する。ここで、制御部11が、燃焼触媒温度検出部14から取得した検出温度が下限温度をより小さいと判定した場合、燃焼触媒部9またはこの燃焼触媒部9に流入する燃焼排ガスの温度を、燃焼触媒23の温度が下限温度以上となるまで加熱させるように燃焼触媒加熱ヒータ21に指示する。この制御部11からの指示に応じて、燃焼触媒加熱ヒータ21は、燃焼触媒23の温度が下限温度以上となるように燃焼触媒部9またはこの燃焼触媒部9に流入する燃焼排ガスを加熱する。

0100

このように、実施の形態2の変形例2に係る燃料電池システム200では、燃焼触媒加熱ヒータ21を備えているため、これにより燃焼触媒部9を加熱して燃焼触媒を速やかに昇温させることができ、燃焼ガス中の微量の一酸化炭素などの有害成分除去を安定して行うことがきる。特に、燃料電池システム200を常温から起動させる場合、燃焼触媒部9が十分に暖められていない。しかしながらこのような場合であっても、燃焼触媒加熱ヒータ21を用いて燃焼触媒部9を加熱することができるため、起動時から燃焼ガス中の微量の一酸化炭素などの有害成分の除去を行うことができる。

0101

ところで、上記した実施の形態2に係る燃料電池システム200では、燃焼排ガス温度冷却部12を動作させて脱硫部8および燃焼触媒部9に流入する燃焼排ガスの温度を調整する構成であった。しかしながら燃焼排ガスの温度調整を実施する構成はこの構成に限定されるものではない。例えば、燃料電池ユニット1の動作温度は、燃料電池ユニット1から排出される燃焼排ガスの温度に影響を及ぼす。燃料電池ユニット1を高温で動作させると、燃焼排ガス温度は高くなり、その結果、脱硫部加熱部20により加熱される脱硫触媒22、ならびに燃焼触媒部9の燃焼触媒23の温度が高くなる。

0102

そこで、本発明の燃焼排ガス温度調整部として、燃料電池ユニット1に投入する空気、原料、または改質水の流量を制御する部材を備え、燃料電池ユニット1から排出される燃焼排ガスの温度を調整する構成について実施の形態3として以下に説明する。

0103

(実施の形態3)
本実施の形態3に係る燃料電池システム300の構成について図12を参照して説明する。図12は、本発明の実施の形態3に係る燃料電池システム300の概略構成の一例を模式的に示すブロック図である。

0104

本実施の形態3に係る燃料電池システム300は、脱硫部8および燃焼触媒部9の温度を安定化させるため、燃料電池ユニット1のカソードへ供給する空気の流量を制御し、燃料電池ユニット1の動作温度が所定の温度範囲に収まるように構成されている。言い換えると、燃料電池ユニット1への空気の供給量を大きくして燃料電池ユニット1を冷却させることで、燃料電池ユニット1の動作温度が所定の温度範囲に収まるように構成されている。

0105

具体的には本実施の形態3に係る燃料電池システム300は、図12に示すように、図7に示す実施の形態2に係る燃料電池システム200の構成と比較して以下の点で相違する。すなわち、脱硫部温度検出部13の代わりに燃焼触媒部9の温度を検出する燃焼触媒温度検出部14を設けた点、燃焼排ガス温度調整部として燃焼排ガス温度冷却部12の代わりにカソード空気供給部16を設けた点、さらに燃料電池温度検出部15を備えた点で異なる。それ以外の点については実施の形態2に係る燃料電池システム200の構成と同様であるため、その説明については省略する。

0106

燃料電池温度検出部15は、燃料電池ユニット1内の温度を検出するものである。燃料電池温度検出部15が燃料電池ユニット1内の温度を検出すると、その検出した温度の情報を制御部11に送出する。燃料電池温度検出部15は燃料電池ユニット1内の任意の位置に設けられるが、特には燃焼排ガスの排出口近傍が好適である。これは、燃料電池ユニット1から排出される際の燃焼排ガス温度を検出することができるからである。

0107

カソード空気供給部16は、燃料電池ユニット1の動作温度を制御するものである。具体的には、燃料電池ユニット1に供給する空気(カソード空気)の供給量を調整することで燃料電池ユニット1の動作温度を制御する。なお、このカソード空気供給部16は、制御部11からの制御指示の下、供給する空気の流量を調整する。すなわち、カソード空気供給部16は、燃料電池ユニット1の動作温度を制御することにより、燃料電池ユニット1から排出される燃焼排ガスの温度を調整する。

0108

次に上記した構成を有する実施の形態3に係る燃料電池システム300の動作について説明する。実施の形態3に係る燃料電池システム300の動作は、実施の形態2に係る燃料電池システム100の動作と比較して、図8に示す脱硫部温度制御処理を実施する代わりに、図13に示す燃料電池温度制御処理を実施する点で異なる。図13図12に示す実施の形態3に係る燃料電池システム300における燃料電池温度制御処理の一例を示すフローチャートである。なお、実施の形態3に係る燃料電池システム300は、上述した燃料電池温度制御処理を実施する以外は、実施形態2に係る燃料電池システム200と同様となるため、その同様な動作についての説明は省略する。

0109

具体的には、燃料電池ユニット1内における上限温度としてあらかじめ燃料電池制御温度が設定されており、この温度は不図示の記憶装置に記憶されている。この燃料電池制御温度は、燃焼触媒部9または脱硫部8における上限温度と対応づけられた、燃料電池ユニット内における上限温度である。

0110

燃料電池システム300が動作すると、制御部11は、燃料電池温度検出部15で検出される温度を所定のタイミングで逐次取得する(ステップS31)。そして、制御部11は、この取得した温度と記憶装置に記憶した燃料電池制御温度とを比較し、取得した温度が燃料電池制御温度を上回るか否か監視する(ステップS32)。

0111

ここで、制御部11が、燃料電池温度検出部15から取得した温度が燃料電池制御温度を上回ると判定した場合(ステップS32において「YES」)、カソード空気供給部16に対して、燃料電池ユニット1の温度を燃料電池制御温度まで低下させるように空気の供給量を大きくするように指示する。この制御部11からの指示に応じてカソード空気供給部16は、燃料電池ユニット1への空気の供給量を大きくする(ステップS33)。

0112

以上のように実施の形態3に係る燃料電池システム300では、燃料電池温度検出部15で検出された温度と予め設定されている燃料電池制御温度とを比較し、検出された温度が燃料電池制御温度を上回る場合、制御部11からの制御指示の下、カソード空気供給部16が、燃料電池ユニット1への空気の供給量を大きくする構成である。

0113

このため、実施の形態3に係る燃料電池システム300では、燃料電池ユニット1の動作温度が高温になることを防ぎ、所定の温度範囲に収まるように安定化させることができる。このため、燃料電池ユニット1から排出される燃焼排ガス温度が高温となり燃焼触媒部9の温度、さらには脱硫部8の温度が所望される温度範囲よりも高くなってしまうことを防ぐことができる。それゆえ、脱硫部8および燃焼触媒部9の動作温度を安定化することができる。その結果、温度依存性のある脱硫触媒22での脱硫性能や、燃焼触媒23による燃焼ガス中の微量の一酸化炭素などの有害成分除去性能を安定化させることができる。

0114

なお、上記では燃料電池ユニット1内の上限温度として設定した燃料電池制御温度を上回る場合に、カソード空気供給部16が空気の供給量を大きくして燃料電池ユニット1内の温度を低下させる構成であった。この構成においてさらに燃料電池システム300が以下のように動作する構成であってもよい。

0115

すなわち、燃料電池ユニット1内の下限温度を設定し、記憶装置に記憶しておく。そして制御部11が燃料電池温度検出部15により検出された温度を取得する。この検出された温度が下限温度を下回ると判定した場合、制御部11は、カソード空気供給部16に空気の供給量を小さくするように制御する構成としてもよい。つまり、カソード空気供給部16は、燃料電池ユニット1へ供給する空気の流量を小さくさせると、燃料電池ユニット1の冷却を抑制し、焼排ガス温度を高くすることができる。

0116

以上のように、本実施の形態3に係る燃料電池システム300では、カソード空気供給部16から燃料電池ユニット1への空気の供給量を調整することで燃料電池ユニット1の温度を制御し、さらには燃焼排ガスの温度を制御することができる。

0117

なお、燃料電池制御温度は、例えば、燃焼触媒温度検出部14での検出された燃焼触媒23の温度と燃料電池温度検出部15で検出された燃料電池ユニット1の温度とを制御部11が取得する。そして、燃焼触媒23の温度と燃料電池ユニット1の温度との相関関係をとり、脱硫部8および燃焼触媒部9の動作が安定するような温度範囲を考慮して、適宜、設定することができる。

0118

あるいは、燃焼触媒温度検出部14の代わりに脱硫部温度検出部13を備え、脱硫部温度検出部13での検出された脱硫触媒22の温度と燃料電池温度検出部15で検出された燃料電池ユニット1の温度とを制御部11が取得する。そして、脱硫触媒22の温度と燃料電池ユニット1の温度との相関関係をとり、脱硫部8および燃焼触媒部9の動作が安定するような温度範囲を考慮して、適宜、設定してもよい。

0119

上記では燃焼排ガス温度調整部としてカソード空気供給部16を備え、燃料電池ユニット1から排出される燃焼排ガスの温度を調整する燃料電池システム300の構成について説明したが、この構成に限定されるものではない。燃料電池システム300は、燃焼排ガス温度調整部としてカソード空気供給部16の代わりに、燃料電池ユニット1への原料の供給量を制御する原料供給部17を備え、燃料電池ユニット1から排出される燃焼排ガスの温度を調整する構成としてもよい。このように、燃焼排ガス温度調整部として原料供給部17を備える燃料電池システム300の構成を、実施の形態3の変形例1として図14を参照して以下に説明する。

0120

(実施の形態3の変形例1)
図14は、本発明の実施の形態3に係る燃料電池システム300の変形例(変形例1)を示すブロック図である。図14に示すように、実施の形態3の変形例1に係る燃料電池システム300は、実施の形態3に係る燃料電池システム300の構成において燃焼排ガス温度調整部として備えられていたカソード空気供給部16の代わりに、原料供給部17を備えた構成となっている。それ以外の構成については、実施の形態3の燃料電池システム300と同様な構成となるので、同一部分の説明は省略する。

0121

原料供給部17は、制御部11からの制御指示の下、燃料電池ユニット1に供給する原料の流量を制御するものであり、原料供給経路5に設けられている。ここで、原料供給部17により燃料電池ユニット1に供給する原料の流量を減少させると、燃料電池ユニット1の燃焼部33において燃焼させる、未利用の燃料(改質ガス)が減少し、その結果、燃焼部33において生成される燃焼排ガスの温度が低下する。

0122

反対に原料供給部17が燃料電池ユニット1に供給する原料の流量を増加させると、燃料電池ユニット1の燃焼部33において燃焼させる、未利用の燃料(改質ガス)が増加し、その結果、燃焼排ガスの温度が上昇する。そこで、実施の形態3の変形例1に係る燃料電池システム300では、この燃焼排ガスの温度が所定の温度範囲内に収まるように、原料供給部17が原料供給量を制御するように構成されている。

0123

具体的には、図13に示すステップS32において制御部11が、燃料電池温度検出部15から取得した温度が燃料電池制御温度を上回ると判定した場合、原料供給部17に対して、燃料電池ユニット1の温度を燃料電池制御温度まで低下させるように原料の供給量を小さくするように指示する。この制御部11からの指示に応じて原料供給部17は、燃料電池ユニット1への原料の供給量を小さくする。

0124

さらには、燃料電池ユニット1内の下限温度を設定している場合は、制御部11が燃料電池温度検出部15により検出された温度がこの下限温度を下回るか否か判定する。そして制御部11が、下限温度を下回ると判定した場合、原料供給部17に原料の供給量を大きくするように制御する構成としてもよい。つまり、原料供給部17は、燃料電池ユニット1へ供給する原料の流量を大きくさせると、焼排ガス温度を高くすることができる。

0125

また、燃料電池システム300は、燃料電池ユニット1への空気の供給量を制御する代わりに改質水の供給量を制御することで燃料電池ユニット1から排出される燃焼排ガスの温度を制御する構成とすることもできる。このように燃料電池ユニット1への改質水の供給量を制御することで燃料電池ユニット1から排出される燃焼排ガスの温度を制御する燃料電池システム300の構成を、実施の形態3の変形例2として図15を参照して以下に説明する。

0126

(実施の形態3の変形例2)
図15は、本発明の実施の形態3に係る燃料電池システム300の変形例(変形例2)を示すブロック図である。図15に示すように、実施の形態3の変形例2に係る燃料電池システム300は、実施の形態3に係る燃料電池システム300の構成において備えられていたカソード空気供給部16の代わりに水供給部18を備え、この水供給部18と燃料電池ユニット1とが改質水経路(不図示)によって接続されている点で異なる。それ以外の構成については、実施の形態3の燃料電池システム300と同様な構成となるので、同一部分の説明は省略する。

0127

水供給部18は、制御部11からに指示の下、燃料電池ユニット1における改質部31に、水蒸気改質で利用するための改質水を、改質水経路を通じて供給するものである。なお、水供給部18により供給される改質水は、外部の水源から供給された水であってもよいし、燃焼排ガスと水熱交換部7との間における熱交換で、降温された燃焼排ガスから得られる凝縮水であってもよい。

0128

ここで、水供給部18により燃料電池ユニット1に供給する改質水の流量を増加させると、燃料電池ユニット1の蒸発器(不図示)において改質水を蒸発させるために必要となる熱量が増加する。このため、この改質水の蒸発に利用される燃焼排ガスが有する熱量が大きくなり、結果として燃料電池ユニット1から排出される燃焼排ガスの温度が低下することとなる。反対に、水供給部18により燃料電池ユニット1に供給する改質水の流量を減少させると、燃料電池ユニット1の蒸発器において改質水を蒸発させるために必要となる熱量が減少する。このため、この改質水の蒸発に利用される燃焼排ガスが有する熱量が小さくなり、結果として燃料電池ユニット1から排出される燃焼排ガスの温度が上昇することとなる。

0129

そこで、実施の形態3の変形例2に係る燃料電池システム300では、供給する改質水の流量に応じて燃焼排ガスの温度が変化する点を利用してこの燃焼排ガスの温度が所定の温度範囲内に収まるように水供給部18による改質水供給量を制御するように構成されている。

0130

具体的には、図13に示すステップS32において制御部11が、燃料電池温度検出部15から取得した温度が燃料電池制御温度を上回ると判定した場合、水供給部18に対して、燃料電池ユニット1の温度を燃料電池制御温度まで低下させるように改質水の供給量を大きくするように指示する。この制御部11からの指示に応じて水供給部18は、燃料電池ユニット1への改質水の供給量を大きくする。

0131

さらには、燃料電池ユニット1内の下限温度を設定している場合は、制御部11が燃料電池温度検出部15により検出された温度がこの下限温度を下回るか否か判定する。そして制御部11が、下限温度を下回ると判定した場合、水供給部18に改質水の供給量を小さくするように制御する構成としてもよい。つまり、水供給部18は、燃料電池ユニット1へ供給する改質水の流量を小さくさせると、焼排ガス温度を高くすることができる。

0132

上述した実施の形態3、ならびにその変形例1、2に係る燃料電池システム300は、燃料電池ユニット1から排出される燃焼排ガスの温度を所定の温度範囲内に収まるようにすることができる。このため、脱硫部8の温度、ならびに燃焼触媒部9の温度をともに所定の温度範囲に収めることができ、温度依存性のある脱硫触媒22の脱硫性能や、燃焼触媒23の燃焼ガス中の微量の一酸化炭素などの有害成分除去性能を安定化させることができる。

0133

本発明に係る燃料電池システムは、原料中の硫黄成分を除去する水添脱硫部と、燃焼排ガスに含まれる一酸化炭素などの有害成分を除去する燃焼触媒部とを備える燃料電池システムにおいて有用である。

0134

1燃料電池ユニット
2カソードガス供給経路
4燃焼排ガス経路
5原料供給経路
6空気熱交換部
7水熱交換部
8脱硫部
9燃焼触媒部
10冷媒供給経路
11 制御部
12燃焼排ガス温度冷却部
13 脱硫部温度検出部
14燃焼触媒温度検出部(浄化触媒温度検出部)
15燃料電池温度検出部
16カソード空気供給部
17原料供給部
18水供給部
19補助空気熱交換部
20 脱硫部加熱部
21 燃焼触媒加熱ヒータ(浄化触媒加熱ヒータ)
22脱硫触媒
23 燃焼触媒
24断熱部材
31改質部
32燃料電池
33燃焼部
40 熱交換部
41不純物除去部
42浄化部
52 不純物除去触媒
53 浄化触媒
100燃料電池システム
200 燃料電池システム
300 燃料電池システム

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