JP2014107186A - 固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】脱硫器の過昇温を防止することができる固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【解決手段】
固体酸化物形燃料電池システムは、燃料と空気とを利用して発電反応により発電する固体酸化物形燃料電池６と、未利用の燃料と空気とを燃焼する燃焼部２３と、原料に含まれる硫黄成分を水添脱硫により除去する脱硫器３と、未利用の燃料の燃焼により生じた排ガスを流通させるともに、経路中に脱硫器３を有する排ガス経路２０と、脱硫器３により脱硫された原料から燃料となる改質ガスを生成する改質器４と、改質器４に供給する改質水を気化させる蒸発器９と、内壁に断熱部２２が設けられ、少なくとも固体酸化物形燃料電池６、燃焼部２３、脱硫器３、排ガス経路２０、改質器４、および蒸発器９を収容する筐体部７を備え、排ガス経路２０が断熱部２２内に配置されており、脱硫器３が配置されている排ガス経路部分２０ａと蒸発器９とが断熱部２２を介して対向する位置に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化水素を含む原料ガス（原燃料ガス、原料）から硫黄成分を除去する脱硫器を備えた固体酸化物形燃料電池システムに関するものである。

原料ガスとして炭化水素を用いる固体酸化物形燃料電池システムでは、この原料ガスを改質するために、例えば水蒸気を用いた水蒸気改質が利用されている。この水蒸気改質を促進するために水蒸気改質触媒が用いられているが、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、これらによってこの水蒸気改質触媒が劣化させられるおそれがある。そこで、水蒸気改質触媒の劣化を防止するために、原料ガス中に含まれる硫黄化合物を低減させる脱硫装置（脱硫器）が利用されている。

このような脱硫器としては、例えば、硫黄化合物を触媒（Ｎｉ−Ｍｏ系、Ｃｏ−Ｍｏ系）上で水素と反応させて硫化水素に変換し、この硫化水素を酸化亜鉛に取り込んで除去する、いわゆる水添脱硫法により脱硫を行なう水添脱硫装置が挙げられる。

水添脱硫装置は、水添脱硫法により脱硫を行なう際に水素を必要とするが、原料ガス中には通常、水素が含まれていない。そこで、水素を水添脱硫装置に供給する構成を有した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、２）。

より具体的には、特許文献１では、図４に示すように、改質器１１０を流通した改質ガスの一部が、リサイクルガス供給経路１１３を通じて、昇圧手段１１１の上流側に戻されるように構成された固体酸化物形燃料電池システムが開示されている。そして、戻された改質ガスは、昇圧手段１１１により昇圧され脱硫器１０２供給されるように構成されている。

また、特許文献２では、図５に示すように、以下に示す構成を有する固体酸化物形燃料電池システムが提案されている。すなわち、特許文献２の固体酸化物形燃料電池システムでは、混合器２２０で混合された水と脱硫後の原燃料ガスとを、蒸発器２２６に供給する。そして、蒸発器２２６から改質器２０６に供給される、水蒸気を含む脱硫後の原燃料ガスの一部が分岐戻し流路２４２を介して燃料ガス供給経路２１６に戻される構成が開示されている。なお、分岐戻し流路２４２の二重管２４４内には炭化水素改質触媒が設けられており、これによって炭化水素を改質して得た水素含有ガスを、昇圧器２１７の上流側に戻すことができる。そして、戻された水素含有ガスを昇圧器２１７で昇圧させ、脱硫器２０４に供給する。

特開２０１１−２１６３０８号公報 特許第４９１１９２７号公報 特許第２９９３５０７号公報

しかしながら、特許文献１、２に開示されている固体酸化物形燃料電池システムでは、脱硫器の過昇温を適切に防止す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、脱硫器の過昇温を防止することができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することにある。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した課題を解決するために、供給された燃料と空気とを利用して発電反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池で未利用の燃料と空気とを燃焼する燃焼部と、供給された原料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、前記燃焼部による未利用の燃料の燃焼により生じた排ガスを流通させるともに、経路中に前記脱硫器を有する排ガス経路と、前記脱硫器により硫黄成分が除去された原料から前記燃料となる改質ガスを生成する改質器と、前記改質器に供給する改質水を気化させるための第１蒸発器と、内壁に断熱部が設けられているとともに、少なくとも前記固体酸化物形燃料電池、前記燃焼部、前記脱硫器、前記排ガス経路、前記改質器、および前記第１蒸発器を収容する筐体部と、を備え、前記排ガス経路が前記断熱部内に配置されており、前記脱硫器が配置されている排ガス経路部分と前記第１蒸発器とが前記断熱部を介して対向する位置に配置されている。

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した課題を解決するために、供給された燃料と空気とを利用して発電反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池で未利用の燃料と空気とを燃焼する燃焼部と、供給された原料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、前記燃焼部による未利用の燃料の燃焼により生じた排ガスを流通させるともに、経路中に前記脱硫器を有する排ガス経路と、前記脱硫器により硫黄成分が除去された原料から前記燃料となる改質ガスを生成する改質器と、前記改質器に供給する改質水を加熱するための加熱器と、前記加熱器によって加熱された改質水を気化させるための蒸発器と、内壁に断熱部が設けられているとともに、少なくとも前記固体酸化物形燃料電池、前記燃焼部、前記脱硫器、前記排ガス経路、前記改質器、前記加熱器、および前記蒸発器を収容する筐体部と、を備え、前記排ガス経路が前記断熱部内に配置されており、前記脱硫器が配置されている排ガス経路部分と前記加熱器とが前記断熱部を介して対向する位置に配置されている。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、以上に説明したように構成され、脱硫器の過昇温を適切に防止することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。 本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。 本発明の実施形態の変形例に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。 従来技術を示すものであり、固体酸化物形燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。 従来技術を示すものであり、固体酸化物形燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。

（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固体酸化物形燃料電池システムに関して鋭意研究したところ、従来の固体酸化物形燃料電池システムでは、例えば、燃焼部等に異常が発生し、固体酸化物形燃料電池システムにおいて筐体に囲まれた内部の温度が必要以上に高温になったとき脱硫器における過昇温を適切に防ぐことができないという問題点が生じる可能性があることを見出した。そして、本発明者はこの問題点に関し、検討を重ねた結果、以下の知見を得た。

すなわち、特許文献１、２に係る固体酸化物形燃料電池システムでは、断熱層内であって、内部筐体の外部に脱硫器が配置され、内部筐体内にある燃焼部の燃焼熱が伝播することでこの脱硫器が加熱される構成であった。このため、内部筐体内の温度が所望の温度よりも高くなってしまった場合は、脱硫器を加熱する温度も比例して高くなり、脱硫器は過昇温となってしまうという問題がある。

これらの知見に基づいて、本発明者らは、蒸発器の配置を工夫することで、脱硫器における過昇温を適切に防止することができることを見出し、本発明に至った。そして、本発明では以下に示す態様を提供する。

本発明の第１の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、供給された燃料と空気とを利用して発電反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池で未利用の燃料と空気とを燃焼する燃焼部と、供給された原料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、前記燃焼部による未利用の燃料の燃焼により生じた排ガスを流通させるともに、経路中に前記脱硫器を有する排ガス経路と、前記脱硫器により硫黄成分が除去された原料から前記燃料となる改質ガスを生成する改質器と、前記改質器に供給する改質水を気化させるための第１蒸発器と、内壁に断熱部が設けられているとともに、少なくとも前記固体酸化物形燃料電池、前記燃焼部、前記脱硫器、前記排ガス経路、前記改質器、および前記第１蒸発器を収容する筐体部と、を備え、前記排ガス経路が前記断熱部内に配置されており、前記脱硫器が配置されている排ガス経路部分と前記第１蒸発器とが前記断熱部を介して対向する位置に配置されている。

上記した構成によると、燃焼部および排ガス経路を備えているため、燃焼部において生成した排ガスを、この排ガス経路内に流通させることができる。また、この排ガス経路中には、脱硫器が設けられているため、排ガス経路を流通する排ガスが保有する熱によりこの脱硫器を加熱することができる。特に、この排ガス経路は、断熱部内に設けられているため、排ガスが保有する熱が放熱により失われるのを低減させることができる。

また、脱硫器が配置されている排ガス経路部分と第１蒸発器とが断熱部を介して対向する位置に配置されている。このため、筐体部内に設けられた燃焼部等からの高温の輻射熱などが、筐体内部から断熱部を介して脱硫器に伝播することを、第１蒸発器により防ぐことができる。

特に蒸発器は、固体酸化物形燃料電池システムにおいて、単位体積あたりで最も熱量を消費する部材である。このため、脱硫器が配置されている排ガス経路部分と断熱部を介して対向する位置に第１蒸発器を配置することで、脱硫器への熱の伝播を効果的に遮断することができる。よって、脱硫器の過昇温を適切に防止することができるという効果を奏する。

また、本発明の第２の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムでは、上記した第１の態様において、前記筐体部内に設けられ、前記第１蒸発器で気化しなかった改質水を気化させるための第２蒸発器をさらに備えるように構成されていてもよい。

また、本発明の第３の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第１または第２の態様において、前記第１蒸発器が前記断熱部と接する面積は、前記脱硫器が配置されている排ガス経路部分が前記断熱部と接する面積以上となるように構成されていてもよい。

上記した構成によると、前記第１蒸発器が前記断熱部と接する面積が、前記脱硫器が配置されている排ガス経路部分が断熱部と接する面積以上となる。このため、第１蒸発器によって、前記脱硫器が配置されている排ガス経路部分に熱が伝播することを防ぐことができる。

また、本発明の第４の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムでは、供給された燃料と空気とを利用して発電反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池で未利用の燃料と空気とを燃焼する燃焼部と、供給された原料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、前記燃焼部による未利用の燃料の燃焼により生じた排ガスを流通させるともに、経路中に前記脱硫器を有する排ガス経路と、前記脱硫器により硫黄成分が除去された原料から前記燃料となる改質ガスを生成する改質器と、前記改質器に供給する改質水を加熱するための加熱器と、前記加熱器によって加熱された改質水を気化させるための蒸発器と、内壁に断熱部が設けられているとともに、少なくとも前記固体酸化物形燃料電池、前記燃焼部、前記脱硫器、前記排ガス経路、前記改質器、前記加熱器、および前記蒸発器を収容する筐体部と、を備え、前記排ガス経路が前記断熱部内に配置されており、前記脱硫器が配置されている排ガス経路部分と前記加熱器とが前記断熱部を介して対向する位置に配置されている。

上記した構成によると、燃焼部および排ガス経路を備えているため、燃焼部において生成した排ガスを、この排ガス経路内に流通させることができる。また、この排ガス経路中には、脱硫器が設けられているため、排ガス経路を流通する排ガスが保有する熱によりこの脱硫器を加熱することができる。特に、この排ガス経路は、断熱部内に設けられているため、排ガスが保有する熱が放熱により失われるのを低減させることができる。

また、脱硫器が配置されている排ガス経路部分と加熱器とが断熱部を介して対向する位置に配置されている。このため、筐体部内に設けられた燃焼部等からの高温の輻射熱などが、筐体内部から断熱部を介して脱硫器に伝播することを、加熱器により防ぐことができる。

また、加熱器により加熱された改質水を蒸発器により気化させる構成である。このため、加熱器により回収した熱も改質水を気化させるための熱として寄与させることができ、熱ロスのない効率の高いシステムを実現することができる。

また、本発明の第５の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第４の態様において、前記加熱器が前記断熱部と接する面積は、前記脱硫器が配置されている排ガス経路部分が前記断熱部と接する面積以上となるように構成されていてもよい。

上記した構成によると、前記加熱器が前記断熱部と接する面積が、前記脱硫器が配置されている排ガス経路部分が断熱部と接する面積以上となる。このため、この加熱器によって、前記脱硫器が配置されている排ガス経路部分に熱が伝播することを防ぐことができる。

また、本発明の第６の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第１の態様から第５の態様のいずれか１つの態様において、前記改質器で改質された改質ガスの一部を原料供給経路へと戻すリサイクル経路を更に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リサイクル経路を更に備えるため、改質ガスの一部を原料供給経路へ戻し、脱硫器へと供給される原料ガスに水素を添加することが可能となる。このため、脱硫器は、この水素を利用して水添脱硫を行うことができる。

また、本発明の第７の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムでは、上記した第６の態様において、前記リサイクル経路に流通する改質ガスの水分を凝縮させる凝縮器をさらに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、凝縮器を備えるため、リサイクル経路を流通する改質ガスが低温化したとき、この凝縮器により水分を回収することができる。このため、結露水による経路内の水つまり等の不具合を抑制することができる。

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および図２を参照して本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。図１および図２は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。図１では、実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムを側部から見たときの構成を模式的に示している。図２では、実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの筐体７内を上から見たときの構成を模式的に示している。

図１および図２に示すように、固体酸化物形燃料電池システムは、原料ガス経路１、脱硫器３、改質器４、空気熱交換器５、固体酸化物形燃料電池６、蒸発器（第１蒸発器）９、空気経路１０、改質水経路１１、改質空気経路１２、脱硫後原料ガス経路１４、燃料ガス供給経路１６、空気供給経路１７、減圧部１８、リサイクル経路１９、排ガス経路２０、および、断熱部（断熱部材）２２を筐体（筐体部）７の内部に配置してなる構成である。また、固体酸化物形燃料電池６の上部には改質器４と対向するように燃焼部２３が設けられている。なお、図１では、排ガス経路２０中に脱硫器３が配置されている状態を分かりやすく示すために、脱硫器３が配置されている排ガス経路２０部分のみ経路の幅を表現した図としている。

固体酸化物形燃料電池システムでは、筐体７の外部から供給された原料ガス（原燃料ガス）を改質器４で改質し、改質された改質ガスと外部から供給された空気とを利用して固体酸化物形燃料電池６が発電反応により発電するように構成されている。

なお、本明細書では、原料ガス経路１を通じて外部から供給されるガスを原料ガス（原料）と称し、原料ガスから硫黄成分が取り除かれ、改質器４において改質反応により改質された改質ガスを燃料ガス（燃料）と称するものとする。

固体酸化物形燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池６の動作時（発電時）には、燃焼部２３にて、発電反応に利用されなかった改質ガスと空気とを燃焼させ、高温の排ガスを生成し、その熱エネルギーを有効に利用することで高効率な運転を実現している。また、固体酸化物形燃料電池システムでは、筐体７の内側に断熱材からなる断熱部（断熱部材）２２が備えられており、筐体７の内部から外部への放熱を可能な限り遮断するように構成されている。

また、固体酸化物形燃料電池システムでは、筐体７の外部に昇圧部２が配置されている。そして、昇圧部２は、原料ガス経路１を通じて供給された原料ガスを昇圧し、筐体７内に配置されている脱硫器３に導入するように構成されている。なお、原料ガス経路１を通じて供給される原料ガスとしては、都市ガスまたは、プロパンガスなどの炭化水素を主成分とするガスを用いることができる。

脱硫器３は、水添脱硫方式により原料ガスに含まれる硫黄成分を除去するためのものであり、排ガス経路２０の経路中に設けられている。実施形態１では図１に示すように、排ガス経路２０は、筐体７の上面側の略中央近傍で筐体７の内部と連通し、上面側の側部（図１では右側部）で筐体７の外部に連通するように断熱部２２内に配置されている。

より具体的には、脱硫器３は、燃焼部２３の上方でかつ対向する位置（すなわち、筐体７の上面側）となる断熱部２２内に配置されている。そして、排ガス経路２０中に設けられた脱硫器３を、この排ガス経路２０を流通する高温の排ガスによって加熱する。なお脱硫器３を加熱する排ガスの流れ、排ガスの温度調整に関する詳細な説明については後述する。

脱硫器３に充填する脱硫剤としては、例えば、銅および亜鉛を含む脱硫剤が挙げられる（例えば、特許文献３）。なお、脱硫剤は、水添脱硫を行うことができればこの脱硫剤に限定されるものではなく、Ｎｉ−Ｍｏ系又はＣｏ−Ｍｏ系触媒と酸化亜鉛との組み合わせであってもよい。Ｎｉ−Ｍｏ系又はＣｏ−Ｍｏ系触媒と酸化亜鉛とを組み合わせた脱硫剤の場合、脱硫器３は３５０〜４００℃の温度範囲にて、原料ガス中の有機硫黄を水添分解する。そして、脱硫器３は、生成したＨ_２Ｓを、３５０〜４００℃の温度範囲にてＺｎＯに吸着させて除去する。

例えば、原料ガスが都市ガスの場合、付臭剤として硫黄化合物であるジメチルスルフィド（dimethl sulfide ;Ｃ_２Ｈ_６Ｓ，ＤＭＳ）が含有されている。このＤＭＳは、脱硫器３において、以下の反応式（式（１）、（２））によるＺｎＳの形、または物理吸着の形で脱硫剤によって除去される。
Ｃ_２Ｈ_６Ｓ＋２Ｈ_２→２ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｓ ・・・（１）
Ｈ_２Ｓ＋ＺｎＯ→Ｈ_２Ｏ＋ＺｎＳ ・・・（２）
なお、付臭剤は、上述したＤＭＳに限定されるものではなく、ＴＢＭ（Ｃ_４Ｈ_１０Ｓ）またはＴＨＴ（Ｃ_４Ｈ_８Ｓ）等の他の硫黄化合物であってもよい。

充填する脱硫剤が銅および亜鉛を含む場合、脱硫器３は、１０〜４００℃程度、好ましくは１５０〜３００℃程度の温度範囲で脱硫を行う。この銅亜鉛系脱硫剤は、水添脱硫能力に加えて物理吸着能力もあり、低温では主に物理吸着、高温では化学吸着（Ｈ_２Ｓ＋ＺｎＯ→Ｈ_２Ｏ＋ＺｎＳ）を行うことができる。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。

このように、脱硫器３において、Ｎｉ−Ｍｏ系又はＣｏ−Ｍｏ系触媒、あるいは銅および亜鉛のいずれかを含む脱硫剤が充填されている場合、単位体積あたりの硫黄成分除去量が大きくなる。それゆえ、上述した脱硫剤を用いる場合、所望の硫黄濃度まで硫黄を除去するために必要となる脱硫剤の量を低減させることができる。

以上のようにして脱硫器３によって脱硫された原料ガスは、脱硫後、改質器４へと供給される。

次に改質器４について説明する。改質器４は、部分酸化改質用として用いられるものであってもよいが、更に高効率な動作を実現するために、部分酸化改質反応だけでなく、水蒸気改質反応も行える仕様にしておくことが有利である。図１に示すように本実施の形態では、改質器４の上流側（脱硫後原料ガス経路１４が配置される側）に蒸発器９を配置し、脱硫された原料ガスに改質水経路１１を通じて供給された水（改質水）を混合させ改質器４に供給することができる構成となっている。

なお、改質器４に充填される改質触媒としては、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）の球体表面にＮｉを含浸し、担持したものや、Ａｌ_２Ｏ_３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。

ところで、固体酸化物形燃料電池システムの起動時では、改質器４において吸熱反応である水蒸気改質反応を行うためには熱エネルギーが不足している。そこで、固体酸化物形燃料電池システムの起動時は、改質水経路１１から蒸発器９に水を供給させずに、改質空気経路１２を通じて改質器４に導入した空気を利用して、改質器４は以下の式（３）で表される部分酸化改質反応を行い、水素ガスおよび一酸化炭素を生成する。
Ｃ_ｎＨ_ｍ ＋ （ｎ／２）Ｏ_２ → ｎ・ＣＯ ＋（ｍ／２）Ｈ_２（ｎ，ｍは任意の自然数）・・・（３）
そして、これらの水素ガスおよび一酸化炭素を、燃料ガス供給経路１６を通じて固体酸化物形燃料電池６に供給し、空気供給経路１７を通じて供給された空気と合わせて、発電反応を行う。

固体酸化物形燃料電池システムが起動して発電が進むにつれ、改質器４の温度が上昇していく。すなわち、上記の式（３）で表される部分酸化改質反応は発熱反応であり、更に、燃焼部２３からの排ガス及び輻射熱により、改質器４の温度が上昇させられる。そして、改質器４の温度が、例えば、４００℃以上になれば以下の式（４）で表される水蒸気改質反応を並行して行うことが可能となる。
Ｃ_ｎＨ_ｍ ＋ ｎ・Ｈ_２Ｏ → ｎ・ＣＯ ＋（ｍ／２＋ ｎ）Ｈ_２（ｎ，ｍは任意の自然数）・・・（４）
上述した式（４）で示される水蒸気改質反応は、式（３）で示される部分酸化改質反応と比較すると、同じ量の炭化水素（Ｃ_ｎＨ_ｍ）から生成できる水素量がより多くなり、その結果、固体酸化物形燃料電池６での発電反応に利用可能な改質ガスの量が多くなる。つまり、水蒸気改質反応の方が効率よく改質ガスを生成することができる。また、式（４）に示す水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、式（３）に示す部分酸化改質反応による発熱と燃焼部２３から排出された排ガスが保有する熱、及び燃焼部２３からの輻射熱を利用し、必要な熱量を補いつつ、水蒸気改質反応を進行させる。そして、改質器４の温度が例えば、６００℃以上になれば、式（４）の水蒸気改質反応に必要な熱量を排ガスの有する熱及び燃焼部２３からの輻射熱だけで補うことが可能となるため、水蒸気改質反応のみの運転に切り替えることができる。

蒸発器９は、改質器４にて水蒸気改質反応を行うために設置したものである。蒸発器９では、燃焼部２３から排出された排ガスの熱及び燃焼部２３からの輻射熱を利用して、改質水経路１１から供給された水（改質水）を気化させ、脱硫器３から供給された脱硫後の原料ガスと混合させる。そして、蒸発器９は、混合後の原料ガスを改質器４へと導入する。なお、実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムでは、蒸発器９が配置される位置に特徴がある。蒸発器９の配置についての詳細は後述する。

空気熱交換器５は固体酸化物形燃料電池６での発電反応に利用される空気（発電用空気）を加熱するためのものであり、燃焼部２３と対向する位置に設けられる。空気熱交換器５は、空気経路１０を通じて外部から供給された空気（発電用空気）を、燃焼部２３での燃焼により生じた排ガス及び燃焼部２３の輻射熱との熱交換により加熱する。例えば、空気熱交換器５を流通した後の空気は４００〜８００℃まで加熱される。そして、この加熱された空気が固体酸化物形燃料電池６へと供給される。なお、詳細は後述するが、空気熱交換器５により空気との熱交換を行って保有する熱の一部が奪われた排ガスは、排ガス経路２０を通じて脱硫器３に導かれるように構成されている。

固体酸化物形燃料電池６は、上述したように燃料ガス供給経路１６を通じて供給された改質ガスと、空気供給経路１７を通じて供給された空気（発電用空気）とを利用して発電反応により発電を行うものである。すなわち、固体酸化物形燃料電池６では、改質ガスが供給される燃料極および発電空気が供給される空気極を有し、該燃料極と該空気極との間で発電反応を行って発電す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いる。なお、固体酸化物形燃料電池６は、更に直列接続したセルスタックを並列に接続させた構成としてもよい。

固体酸化物形燃料電池６を構成する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。

また、実施形態１に係る固体酸化物形燃料電池システムでは、固体酸化物形燃料電池６へ向かう燃料ガス供給経路１６を途中で分岐させ、改質器４から供給される改質ガスの一部を原料ガス経路１に戻すためのリサイクル経路１９が設けられている。このため、原料ガス経路１を流通し、脱硫器３へと供給される原料ガスに水素を添加することが可能となり、脱硫器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ように構成されている。

なお、燃料ガス供給経路１６とリサイクル経路１９との分岐点近傍でかつ、該リサイクル経路１９内に減圧部１８が設けられている。減圧部１８は、リサイクル経路１９内を流通する改質ガスの流量を調整するものであり、例えば、キャピラリチューブなどにより実現できる。すなわち、減圧部１８は、キャピラリチューブなどにより流路を細くし圧力損失を大きくさせることで、リサイクル経路１９内を所望の流量だけ改質ガスが流通するように構成されている。

（蒸発器の配置）
次に実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの特徴的な構成である蒸発器９の配置について説明する。上述したように、実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムは、脱硫器３を排ガス経路２０中に設置することにより、高温の排ガスによって水添脱硫に適した温度まで加熱することができる構成である。そこで、まず、蒸発器９の配置について詳細に説明する前に、燃焼部２３で生成された排ガスの流れについて説明する。具体的には、以下のように排ガスを流通させて脱硫器３の加熱を行う。

燃焼部２３で生成する排ガスの流量およびその温度については、固体酸化物形燃料電池６における改質ガス及び空気（発電空気）の燃料利用率（発電反応により、燃料として固体酸化物形燃料電池６で消費される割合）を調整することにより、制御することが可能である。実施形態では、例えば、燃焼部２３の温度範囲を、約６００〜９００℃になるように、固体酸化物形燃料電池６における改質ガス及び空気の燃料利用率を設定する。

このように温度範囲が設定された燃焼部２３において、未利用の改質ガスと空気とを燃焼して生成された排ガスは、改質器４および蒸発器９を加熱する。これにより排ガスの有する熱の一部が消費される。さらに、熱の一部が消費された排ガスによって空気熱交換器５を加熱する。この空気熱交換器５による空気と排ガスとの熱交換によって、排ガスが有する熱がさらに奪われ、脱硫器３を加熱するのに適切な温度まで低下させられる。このように温度がさらに低下させられた排ガスは、排ガス経路２０を流通して脱硫器３へ供給される。

すなわち、燃焼部２３で生成された排ガスの温度は、例えば約６００℃〜９００℃と高温である。しかし、この排ガスによって改質器４および蒸発器９を加熱し、更に、空気熱交換器５によって空気との熱交換を行いこの空気を加熱すれば、排ガス経路２０に到達するまでに排ガスの温度は低下する。

特に、固体酸化物形燃料電池６を用いて、例えば１ｋＷの発電を行う場合、５０Ｌ／ｍｉｎ以上の空気を外気温から約４００〜８００℃になるまで加熱する必要があるため、空気熱交換器５では大量の熱量が必要となる。そこで、この必要な熱量を排ガスの熱量によって賄う。

以上のように、排ガス経路２０を流通する排ガスの温度は、燃焼部２３で生成する排ガスの流量と温度、改質器４および蒸発器９に吸熱される熱量、および空気熱交換器５に吸熱される熱量などを考慮して所望の値となるように制御されている。そして、排ガス経路２０に到達した排ガスは経路内を流通し、脱硫器３へと流通する。

次に、脱硫器３へ到達した際に所望される排ガス温度について説明する。脱硫器３に銅および亜鉛を含む脱硫剤を充填する構成の場合、脱硫器３に到達した際の排ガス温度が約１５０〜３５０℃となるように、燃焼部２３で生成する排ガスの流量および温度、改質器４にて吸熱される熱量、ならびに空気熱交換器５にて吸熱される熱量等を調整する。

一方、脱硫器３において、Ｎｉ−Ｍｏ系又はＣｏ−Ｍｏ系触媒と酸化亜鉛とを組み合わせた脱硫剤を充填する場合では、脱硫器３に到達した際の排ガス温度が約３５０〜４５０℃になるように、燃焼部２３で生成する排ガスの流量および温度、改質器４にて吸熱される熱量、ならびに空気熱交換器５にて吸熱される熱量を調整する。

このように、排ガス経路２０に脱硫器３を設置することにより、該脱硫器３を、水添脱硫を行うのに適した所望の温度とすることができる。また、脱硫器３を経路中に設けた排ガス経路２０の少なくとも一部が断熱部２２に覆われるように設置する。このようにすれば、脱硫器３からの放熱を防ぐとともに筐体７内の５００〜６００℃の熱に脱硫器３が直接、曝されることを防ぐことができる。

しかしながら、上述のように排ガス経路２０を断熱部２２内に設けた構成とした場合であっても、例えば、燃焼部２３から高温の輻射熱がこの断熱部２２を伝って脱硫器３を加熱してしまう。このため、脱硫器３は過昇温となってしまうことがある。

そこで、実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムでは、図１および図２に示すように脱硫器３が設けられている排ガス経路部分２０ａと蒸発器９とが断熱部（断熱部材）２２を介して対向する位置に配置されるように構成されている。

すなわち、蒸発器９は、固体酸化物形燃料電池システムにおいて、単位体積あたりで最も熱量を消費する部材である。このため、脱硫器３が配置されている排ガス経路部分２０ａと断熱部２２を介して対向する位置に蒸発器９を配置することで、脱硫器３への熱の伝播を効果的に遮断することができる。これにより、脱硫器３の過昇温を適切に防止することができる。さらにまた、筐体７の内部から断熱部２２を介して脱硫器３へ熱が伝播することを防ぐことができるため、脱硫器３はほぼ排ガスが保有する熱でのみ加熱されることとなる。

このため、脱硫器３を加熱する温度は、排ガスの温度のみを考慮すればよく脱硫器３を加熱させる温度の管理が容易となる。

なお、蒸発器９の断熱部２２と接する面積は、脱硫器３が配置されている排ガス経路部分２０ａが断熱部２２と接する面積以上となることが有利である。蒸発器９の断熱部２２に接する面積が大きければ大きいほど燃焼部２３からの輻射熱等の影響をより広い範囲で防ぐことができるが、その一方で大きくしすぎると筐体７のサイズが大きくなったり、他の部材の配置を阻害したりする可能性がある。そこで、筐体７のサイズと、脱硫器３のサイズ等を考慮し蒸発器９を適切なサイズに設定する。

（変形例）
次に、実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの変形例について図３を参照して説明する。図３は実施形態の変形例に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。図３では、実施形態の変形例に係る固体酸化物形燃料電池システムを側部から見たときの構成を模式的に示している。

実施形態の変形例に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上述した固体酸化物形燃料電池システムの構成において、さらに補助蒸発器（第２蒸発器）２１を備えた構成となっている。

補助蒸発器２１は、蒸発器９において気化しなかった改質水を気化させるために、補助的に設けられたものである。すなわち、蒸発器９は、断熱部２２に接するように配置されるため、改質器４および空気熱交換器５などと比べて燃焼部２３から離れた位置に配置される。このため、通常の運転時において排ガス等から得られる熱量が、改質水を十分に気化させることができるほどの熱量でない場合がある。このような場合、補助蒸発器２１により、気化しなかった改質水を気化させる。

なお、補助蒸発器２１は、図３に示すように、改質器４の上流側（脱硫語原料ガス流路１４が配置される側）でかつ、この改質器４と蒸発器９との間に配置されている。図３の例では、補助蒸発器２１は、改質器４の上流側に隣接して配置されている。

以上のように、変形例に係る固体酸化物形燃料電池システムでは、蒸発器９で十分に改質水を気化させることができないような場合であっても、補助蒸発器２１によって確実に改質水を気化させることができる。

なお、上記した変形例に係る固体酸化物形燃料電池システムにおいて、蒸発器９の代わりに改質水を気化させず、例えば、６０℃くらいまで加熱する加熱器を備え、加熱器によって加熱された改質水を補助蒸発器（蒸発器）２１によって気化させる構成としてもよい。このように構成された場合、筐体７内に設けられた燃焼部２３等からの高温の輻射熱などが、筐体７内から断熱部２２を介して脱硫器３に伝播することを、加熱器により防ぐことができる。

また、加熱器により加熱された改質水を補助蒸発器（蒸発器）２１により気化させる構成とすることができるため、加熱器により回収した熱も改質水を気化させるための熱として寄与させることができ、熱ロスのない効率の高いシステムを実現することができる。

また、上述した実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムでは、脱硫器３は、燃焼部２３の上方でかつ対向する位置（すなわち、筐体７の上面側）となる断熱部２２内に配置される構成であった。しかしながら、脱硫器３が配置される位置はこの位置に限定されるものではなく、例えば、筐体７の側面下方の断熱部２２内に配置されていてもよい。なお、脱硫器３が筐体７の側面下方の断熱部２２内に配置される場合、この位置にあわせて蒸発器９の配置も変更される。

また、長時間の運転の後、脱硫器３に充填した脱硫剤の改質触媒が劣化した際には、固体酸化物形燃料電池システム全体の性能が著しく低下する懸念がある。そこで、脱硫器３は筐体７から着脱可能となっている。このため、改質触媒が劣化した脱硫器３を新しい脱硫器３と交換するだけでさらに長時間の運転が可能となる。

また、固体酸化物形燃料電池システムでは、固体酸化物形燃料電池６へ向かう燃料ガス供給経路１６を途中で分岐させ、改質器４から供給される改質ガスの一部を原料ガス経路１に戻すためにリサイクル経路１９が設けられた構成であった。このリサイクル経路１９の途中に凝縮器（不図示）を設けた構成としてもよい。

このように凝縮器を備える構成の場合、リサイクル経路１９を流通する改質ガスが低温化したとき、この凝縮器により水分を回収することができる。このため、結露水による経路内の水つまりや昇圧部２の腐食または破損といった不具合を抑制することができる。

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。

本発明の固体酸化物形燃料電池システムでは、水添脱硫を実施する脱硫器を、適切な温度まで低下させた排ガスにより加熱することができる構成である。このため、原料ガスから水添脱硫により硫黄成分を取り除く燃料電池システムにおいて幅広く適用できる。

１ 原料ガス経路
２ 昇圧部
３ 脱硫器
４ 改質器
５ 空気熱交換器
６ 固体酸化物形燃料電池
７ 筐体
９ 蒸発器
１０ 空気経路
１１ 改質水経路
１２ 改質空気経路
１４ 脱硫後原料ガス経路
１６ 燃料ガス供給経路
１７ 空気供給経路
１８ 減圧部
１９ リサイクル経路
２０ 排ガス経路
２１ 補助蒸発器
２２ 断熱部
２３ 燃焼部

Claims (7)

1. 供給された燃料と空気とを利用して発電反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、
   前記固体酸化物形燃料電池で未利用の燃料と空気とを燃焼する燃焼部と、
   供給された原料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、
   前記燃焼部による未利用の燃料の燃焼により生じた排ガスを流通させるともに、経路中に前記脱硫器を有する排ガス経路と、
   前記脱硫器により硫黄成分が除去された原料から前記燃料となる改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質器に供給する改質水を気化させるための第１蒸発器と、
   内壁に断熱部が設けられているとともに、少なくとも前記固体酸化物形燃料電池、前記燃焼部、前記脱硫器、前記排ガス経路、前記改質器、および前記第１蒸発器を収容する筐体部と、を備え、
   前記排ガス経路が前記断熱部内に配置されており、
   前記脱硫器が配置されている排ガス経路部分と前記第１蒸発器とが前記断熱部を介して対向する位置に配置されている固体酸化物形燃料電池システム。
2. 前記筐体部内に設けられ、前記第１蒸発器で気化しなかった改質水を気化させるための第２蒸発器をさらに備える請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
3. 前記第１蒸発器が前記断熱部と接する面積は、前記脱硫器が配置されている排ガス経路部分が前記断熱部と接する面積以上となる請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
4. 供給された燃料と空気とを利用して発電反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、
   前記固体酸化物形燃料電池で未利用の燃料と空気とを燃焼する燃焼部と、
   供給された原料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、
   前記燃焼部による未利用の燃料の燃焼により生じた排ガスを流通させるともに、経路中に前記脱硫器を有する排ガス経路と、
   前記脱硫器により硫黄成分が除去された原料から前記燃料となる改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質器に供給する改質水を加熱するための加熱器と、
   前記加熱器によって加熱された改質水を気化させるための蒸発器と、
   内壁に断熱部が設けられているとともに、少なくとも前記固体酸化物形燃料電池、前記燃焼部、前記脱硫器、前記排ガス経路、前記改質器、前記加熱器、および前記蒸発器を収容する筐体部と、を備え、
   前記排ガス経路が前記断熱部内に配置されており、
   前記脱硫器が配置されている排ガス経路部分と前記加熱器とが前記断熱部を介して対向する位置に配置されている固体酸化物形燃料電池システム。
5. 前記加熱器が前記断熱部と接する面積は、前記脱硫器が配置されている排ガス経路部分が前記断熱部と接する面積以上となる請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
6. 前記改質器で改質された改質ガスの一部を原料供給経路へと戻すリサイクル経路を更に備えた請求項１から５のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
7. 前記リサイクル経路に流通する改質ガスの水分を凝縮させる凝縮器をさらに備えた請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システム。