JP6034511B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

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。

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の改質触媒、および燃料電池の電極触媒を被毒させ、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、その燃焼熱を回収して、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、燃焼排ガスを外気に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。

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。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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の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）。

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系貴金属触媒をハニカム担体に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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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）。

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は図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。

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）。

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）。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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）。

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）。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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は図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。

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。

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）。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (4)

1. 供給された原料を改質して燃料を生成する改質部と、該燃料と供給された空気とを用いて発電する燃料電池と、該燃料電池で未利用の前記燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼部とを有する燃料電池ユニットと、
   前記燃料電池ユニットから排出された前記燃焼排ガスを流通させる燃焼排ガス経路と、
   前記燃料電池ユニットにおいて前記燃焼部の燃焼により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、
   前記燃焼排ガス経路中に設けられており、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として硫黄化合物を除去する脱硫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、
   前記脱硫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、
   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または前記浄化部の温度を検出する浄化触媒温度検出部と、
   前記脱硫部および前記浄化部を共に覆う断熱部材と、
   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おり、
   前記断熱部材によって形成された空間の外側に、前記燃料電池ユニット、前記空気熱交換部、および前記熱交換部が配置され、
   前記制御部は、
   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、あるいは、
   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燃料電池システム。
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。
3. 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１に記載の燃料電池システム。
4. 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１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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