燃料電池システム
【課題】原料ガスの露点の変化に対応でき、加えて、原料ガスの流量を計測する流量計の保護性を高めた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、カソードガス通路７０と、改質器２Ａと、ガス搬送源６０を有する原料ガス通路６とを有する。原料ガス通路６は、相対的に高温の第１環境に設置され且つ相対的に高露点の原料ガスに対しても脱硫性能をもつ第１脱硫剤を収容する第１脱硫器１００と、第１環境よりも相対的に低温の第２環境に設置され、相対的に低露点の原料ガスに対して脱硫性能をもつと共に、相対的に高露点の原料ガスに対して相対的に低露点の原料ガスよりも脱硫性能を低下させる第２脱硫器２００と、流量計３００とを有する。原料ガス通路６は上流から下流にかけて第１脱硫器１００、第２脱硫器２００および流量計３００をこの順に有する。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、カソードガス通路７０と、改質器２Ａと、ガス搬送源６０を有する原料ガス通路６とを有する。原料ガス通路６は、相対的に高温の第１環境に設置され且つ相対的に高露点の原料ガスに対しても脱硫性能をもつ第１脱硫剤を収容する第１脱硫器１００と、第１環境よりも相対的に低温の第２環境に設置され、相対的に低露点の原料ガスに対して脱硫性能をもつと共に、相対的に高露点の原料ガスに対して相対的に低露点の原料ガスよりも脱硫性能を低下させる第２脱硫器２００と、流量計３００とを有する。原料ガス通路６は上流から下流にかけて第１脱硫器１００、第２脱硫器２００および流量計３００をこの順に有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は原料ガスを脱硫させる脱硫器を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１はLPG用脱硫器を開示する。この脱硫器は常温用脱硫器と高温用(＞１００℃)脱硫器とに２つに分割されている。また、常温用脱硫器は上流側に配置されており、原料ガスに使用されている付臭剤で比較的脱硫させ易いイオウ化合物（TBMやDMS）用とされている。高温用脱硫器は、常温用脱硫器よりも下流側に配置されており、LPG特有のイオウ化合物（COS等）を吸着するためのものであり、Ni等の金属酸化物を使用している。
【０００３】
特許文献２によれば、特許文献１と基本的には同じ構成であり、常温用脱硫器と高温用脱硫器とに２つに分割されている。高温用脱硫器は５０℃以上の運転温度とされている。高温用脱硫器の脱硫剤はLPG用と考えられる。特許文献３によれば、常温脱硫器と水素添加型の脱硫器(高温)との2つの脱硫方法(脱硫器)を組み合わせたものであり、起動時に水素添加による脱硫効果が不足することを、常温脱硫器で補うことを目的とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2006-111766号公報
【特許文献２】特開2006-265480号公報
【特許文献３】特開平5-114414号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１によれば、高温の脱硫部はLPG特有の硫黄化合物を金属酸化物等により、LPG特有の硫黄化合物を吸着除去するものであって、原料ガスに含まれる水蒸気による脱硫剤のダメージの問題を解決するものではない。特許文献３によれば、高温の脱硫器は水素添加脱硫を目的とするものであって、脱硫には水素を必須とする。
【０００６】
ところで、ガス会社から供給される原料ガス（都市ガス）には、水分が含まれる場合がある。脱硫剤は一般的にはゼオライトや活性炭等の多孔質物質を使用し、常温の温度環境で使用され、硫黄化合物を吸着させて脱硫する。しかし、多孔質物質を基材とする脱硫剤は低コストである利点を有するものの、水蒸気が相対的に多く含まれる高露点の原料ガスを脱硫させる場合には、原料ガスに含まれる水蒸気を硫黄化合物よりも優先的に吸着させる性質を有する。結果として、高露点の原料ガスを脱硫させる場合には、原料ガスに含まれる硫黄化合物を吸着させる吸着能力を低下させてしまい、脱硫効果が過剰に低下してしまうおそれがある（図１２参照）。
【０００７】
一般的には、水蒸気が少ない低露点の原料ガスが産業界では供給されている。しかし、ガス工事や配管の影響等で、原料ガスに含まれる水蒸気の量が増加し、原料ガスが高露点となることが間々ある。ここで、露点が高い原料ガスに含まれる水蒸気によって、脱硫剤は原料ガスの硫黄化合物を吸着させる吸着能力を低下させてしまい、脱硫剤の脱硫効果が低下してしまうおそれがある。この問題を回避するために、脱硫剤の使用量を必要以上に増加させることが必要であり、コストが莫大になり、燃料電池システムのサイズが大型化されるので非実用的である。更に、上記した特許文献では、流量計の位置や長寿命化については言及されていない。
【０００８】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、水蒸気が低めの低露点の原料ガスを脱硫させるときにおいても、更には、水蒸気が多く含まれる高露点の原料ガスを脱硫させるときにおいても、原料ガスに含まれる硫黄化合物を良好に脱硫でき、これにより原料ガスの露点の変化に対応でき、加えて、原料ガスの流量を計測する流量計の保護性を高め、流量計の長寿命化に貢献できる燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は燃料電池システム用脱硫装置について鋭意開発を進めている。そして本発明者は、（ｉ）（ｉｉ）に着目した。
（ｉ）産業界では、一般的には、相対的に低露点（例えば−２０℃露点以下）の原料ガスが供給されている。しかしガス工事や配管等の様々な事情で、相対的に高露点の原料ガスが供給されることが間々あること。
（ｉｉ）一般的な脱硫剤は、原料ガスに含まれる水蒸気を吸着させ易く、そのため脱硫剤に存在する吸着サイトが水蒸気に奪われ、原料ガスに含まれる硫黄化合物の吸着が困難になる。しかし、上記したように水蒸気ダメージがある脱硫剤といえども、高温の温度環境（例えば４０℃以上、５０℃以上）では、水蒸気を吸着しにくくなるため、水蒸気の影響が少なくなり、脱硫能力が維持され易い。本発明はかかる着目に基づいて完成されたものである。
【００１０】
（１）すなわち、様相１に係る燃料電池システムは、アノードおよびカソードを有する燃料電池と、燃料電池のカソードにカソードガスを供給するカソードガス通路と、原料ガスを改質させてアノードガスを生成させる改質器と、原料ガスを脱硫させた状態で改質器に供給させるガス搬送源を有する原料ガス通路と、改質器で生成されたアノードガスを燃料電池のアノードに供給させるアノードガス通路とを具備しており、原料ガス通路は、相対的に高温の第１環境に設置され且つ相対的に高露点の原料ガスに対しても脱硫性能をもつ第１脱硫剤を収容する高温設置型の第１脱硫器と、第１環境よりも相対的に低温の第２環境に設置され、相対的に低露点の原料ガスに対して脱硫性能をもつと共に、相対的に高露点の原料ガスに対して相対的に低露点の原料ガスよりも脱硫性能を低下させる低温設置型の第２脱硫器と、原料ガスの流量を計測する流量計とを具備しており、原料ガス通路は、上流から下流にかけて、第１脱硫器、第２脱硫器および流量計をこの順に配置させている。
【００１１】
原料ガスは、通常、低露点のガス（例えば−２０℃露点以下）として供給される。しかしガス工事や配管等の影響で高露点のガスとして（例えば＋２０℃露点以上）供給される可能性が少なからずある。この場合、脱硫剤は短期間で劣化し、原料ガスに腐臭剤として含まれる硫黄化合物が改質器等に流入し、改質器等の耐久性を低下させる可能性がある。これに対し、高温設置型の第１脱硫器は、相対的に高露点の原料ガスに対しても脱硫性能をもつものであるため、高露点の原料ガスが供給される場合であっても、脱硫効果を良好に得ることができる。また、通常的には、低露点の原料ガスが供給されるが、相対的に低露点の原料ガスに対して良好な脱硫性能をもつ低温設置型の第２脱硫器が第１脱硫器と併設されているため、第１脱硫器での不足分については第２脱硫器を設けることで、低露点の原料ガスに対しても脱硫性能を確保することができる。
【００１２】
ここで、高温設置型の高温、低温設置型の低温は、相対的な温度の高低を意味するものである。高温設置型の第１脱硫器は、燃料電池システムの筐体の内部において、一般的には５０℃以上〜２３０℃の温度領域に配置される。低温設置型の第２脱硫器は、燃料電池システムの筐体の内部において、第１脱硫器よりも低温の環境に設置され、一般的には０℃以上〜５０℃未満の温度領域に配置される。
【００１３】
なお、低露点の原料ガスを高温設置型の第１脱硫器のみで脱硫させる場合には、次の不具合があるため、不具合を解消させるため、第１脱硫器の他に、低温設置型の第２脱硫器を設けることが好ましい。低露点の原料ガスを脱硫させる場合には、一般的には脱硫剤の温度が低温ほど、脱硫効率が良い。従って低露点の原料ガスを高温設置型の第１脱硫器のみで脱硫させる場合には、脱硫効率が必ずしも充分ではなく、第１脱硫器の脱硫剤の使用量を増加させる必要がある不具合が生じる。この場合、第１脱硫器からの放熱量が増大し、システムの熱ロスが増大し、排熱回収効率が低下する不具合がある。更に、高温設置型の第１脱硫器に使用される第１脱硫剤は、一般市場には、低温設置型の第２脱硫器に使用される第２脱硫剤に対して高価であることが多い。
【００１４】
しかし様相１の燃料電池システムによれば、第１脱硫器および第２脱硫器の双方を設けている。そして、高露点の原料ガス（水蒸気が相対的に多い）については高温設置型の第１脱硫器で主として分担し、低露点の原料ガス（水蒸気が相対的に少ない）については低温設置型の第２脱硫器で主として分担することで、コストが高い第１脱硫剤の使用量をできるだけ低減でき、コスト低減が図れる。更に、第１脱硫剤および第２脱硫剤の全体としての使用量を低減でき、システムの小型化が可能となる。
【００１５】
また、脱硫剤は、一般的には、温度に対して炭化水素基（例えばメタンやブタン等）の吸着または脱着特性をもつ。このため、システムの起動・停止時や、システムの負荷変動等に伴い、脱硫剤温度が変化すると、脱硫剤温度の変化に伴い、原料ガスの主要成分である炭化水素基が脱硫剤に対して吸着または脱着することがある。殊に、第１脱硫器のように高温域に設置される場合には、その影響が更に大きい。このため、従来技術のように流量計が脱硫器よりも上流にあるときには、流量計で原料ガスの流量を計測したにも拘わらず、脱硫器において炭化水素基（例えばメタンやブタン等）の吸着または脱着が発生し、結果として、改質器に供給される原料ガスの実流量が変動するおそれがある。すなわち、脱硫器において炭化水素基が吸着または脱着し、改質器に実際に供給される原料ガスの実流量の過剰または不足が生じるおそれがある。ここで、原料ガスが不足した場合には、改質器において原料ガスの欠乏による劣化が進行するおそれがある。また、原料ガスが過剰となった場合には、異常高温が発生し、劣化が促進させるおそれがある。そのため、温度によって炭化水素基を吸着または脱着させる特性を持つ第１脱硫器よりも下流に流量計を設置することが好ましい。
【００１６】
しかし、高温設置型の第１脱硫器よりも下流に流量計が設置されている場合には、第１脱硫器を通過した原料ガスは熱をもち、原料ガスの温度は流量計の耐熱温度以上となり易いため、流量計の長寿命化には好ましない。そこで様相１に係る燃料電池システムによれば、第１脱硫器および第２脱硫器の双方よりも下流に流量計を設置させる。このように原料ガスを高温設置型の第１脱硫器→低温設置型の第２脱硫器→流量計の順に流す。これにより高温の第１脱硫器を通過した原料ガスの熱を第２脱硫器で授受し，第２脱硫器において放熱させる。このため流量計へ流入する原料ガスの温度をできるだけ低下させることができ、流量計の耐熱の問題も解消することが可能となり、流量計の長寿命化に有利である。また、第１脱硫器を通過した原料ガスが保有する熱量は小さいため、第２脱硫器における放熱で充分に原料ガスを低温化できる。
【００１７】
前述したように、脱硫剤は、水蒸気を吸着させ易く、そのため吸着サイトが水蒸気に奪われて硫黄化合物の吸着が困難になるという水蒸気ダメージを受け易い性質をもつ。しかし、このような脱硫剤といえども、高温領域（例えば５０℃以上）では、水蒸気を吸着しにくくなるため、水蒸気ダメージを少なくでき、原料ガスに含まれる硫黄化合物を良好に吸着できる。このため脱硫剤の使用量の増加を抑えることができる。上記したように様相１に係る燃料電池システムによれば、水蒸気が少なめの低露点の原料ガスを脱硫させるときにおいても、更には、水蒸気が多く含まれる高露点の原料ガスを脱硫させるときにおいても、良好に脱硫を行うことができる。このように原料ガスの露点が変化するときであっても、高温設置型の第１脱硫器は、原料ガスの脱硫を良好に行うことができる。更に、高温設置型の第１脱硫器→低温設置型の第２脱硫器の順に直列に配置されているため、原料ガスに含まれる水蒸気を第１脱硫器で吸着でき、第２脱硫器への影響を低減できる。なお第１脱硫器は水素添加型でも良い。
【００１８】
(２)様相２に係る燃料電池システムによれば、上記様相において、原料ガス通路は、バッファ室をもつバッファをもち、上流から下流にかけて、第１脱硫器と、第２脱硫器と、流量計と、バッファと、ガス搬送源とをこの順に配置させている。ポンプ等のガス搬送源は、原料ガス通路において原料ガスを改質器に向けて搬送させるものであるが、作動条件によっては、原料ガスの圧力の脈動を発生させるおそれがある。そこで、第１脱硫器、第２脱硫器、流量計、バッファ、ガス搬送源をこの順に直列に配置すれば、流量計とガス搬送源との間に、脈動緩衝用のバッファが介在する。このため、流量計は、ガス搬送源の脈動の影響を受けにくくなり、システムの安定運転に有利である。バッファは中空室であるバッファ室を有する。
【００１９】
（３）様相３に係る燃料電池システムによれば、上記様相において、原料ガス通路は、上流から下流にかけて、ガス搬送源と、第１脱硫器と、第２脱硫器と、流量計とをこの順に配置させている。ポンプ等のガス搬送源と流量計との間には、ガス搬送源による原料ガスの脈動の影響を防止するためにバッファが設けられていることが好ましい。そこで、ポンプ等のガス搬送源を第１脱硫器の上流に設置する。この場合、ガス搬送源と流量計との間に配置された第１脱硫器および第２脱硫器が脱硫作用とバッファ作用と果たすことができる。このように第１脱硫器および第２脱硫器がバッファを兼用するため、専用のバッファを設けることが不要であり、システムの小型化、低コスト化が図れる。なお、ポンプ等のガス搬送源に起因する脈動で流量計の計測値が変動した場合には、システムの制御性が低下することに加えて、流量計の絶対値が真値からずれ、改質器へ供給される原料ガスの流量が過剰または不足したりする可能性があり、システムの劣化要因となり、好ましくない。
【００２０】
（４）様相４に係る燃料電池システムによれば、上記様相において、第１脱硫器は、改質器および／または燃料電池を覆う断熱壁、または、改質器から排出される排ガス通路の熱を受熱する温度環境に設置されている。システムとして熱回収できない放熱分を利用して第１脱硫器を暖める。これにより熱回収効率の過剰低下等を発生させることなく、高温設置型の第１脱硫器を適当な高温環境（例えば５０〜２３０℃）に保持できる。従って、第１脱硫器の機能（高露点の原料ガスに対して良好な脱硫能を有する機能）を良好に果たすことができる。
【００２１】
（５）様相５に係る燃料電池システムによれば、上記様相において、燃料電池システムの発電運転で加熱された温水が通過する貯湯通路と、貯湯通路に連通し貯湯通路から供給された温水を溜める貯湯槽とが設けられており、第１脱硫器は、貯湯通路および貯湯槽のうちの少なくとも一方から受熱する温度環境に設置されている。温水（一般的には７０〜８０℃）と熱交換することにより、第１脱硫器の温度を適温に維持しやすい。更に貯湯通路の水は熱容量が大きいため、第１脱硫器内の温度分布を低減させることが可能となる。これにより第１脱硫器の使用量の低減を図ることが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、水蒸気が低めの低露点の原料ガスを脱硫させるときにおいても、更には、水蒸気が多く含まれる高露点の原料ガスを脱硫させるときにおいても、原料ガスに含まれる硫黄化合物を良好に脱硫でき、これにより原料ガスの露点の変化に対応できる。
【００２３】
加えて、高温設置型の第１脱硫器を通過した原料ガスの熱を低温設置型の第２脱硫器で授受し，第２脱硫器において放熱させる。このため第２脱硫器よりも下流に配置されている流量計へ流入する原料ガスの温度をできるだけ低下させることができ、流量計の耐熱の問題も抑制させることができ、流量計の長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態１に係り、燃料電池システムを示す概念図である。
【図２】実施形態２に係り、燃料電池システムを示す概念図である。
【図３】実施形態３に係り、燃料電池システムを示す概念図である。
【図４】実施形態４に係り、燃料電池システムを示す概念図である。
【図５】実施形態５に係り、燃料電池システムを示す概念図である。
【図６】参考形態１に係り、燃料電池システムを示す概念図である。
【図７】実施形態６に係り、燃料電池システムを示す概念図である。
【図８】実施形態７に係り、発電モジュールに付設されている第１脱硫器を示す概念図である。
【図９】実施形態８に係り、第１脱硫器を示す概念図である。
【図１０】実施形態９に係り、第１脱硫器を示す概念図である。
【図１１】適用形態に係り、燃料電池システムを示す概念図である。
【図１２】脱硫剤で形成された脱硫剤の温度と硫黄吸着能力と原料ガスの露点との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
高温設置型の第１脱硫器および低温設置型の第２脱硫器に収容される脱硫剤の基材として、ゼオライト、遷移金属等の金属を担持したゼオライト、活性炭、アルミナやセリアなどの金属酸化物等の多孔性物質が挙げられる。このよう脱硫剤の吸着原理は物理的吸着であると考えられているが、遷移金属等の金属を含む場合には、物理的吸着の他に化学的吸着も併有する形態でも良い。上記した金属としては、銀、銅、金、ロジウム、パラジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウム、ニッケル、鉄、クロム、モリブデンのうちの少なくとも１種が例示され、更に、これらを２種以上含む合金が例示される。第１脱硫剤は上記した金属を含むことが好ましい。ゼオライトは、アルミノケイ酸塩のなかで結晶構造中に空隙を持つものの総称であり、天然ゼオライトでも人工ゼオライトでも良い。脱硫剤は、原料ガスに含まれる硫黄化合物（例えばメチルメルカプタン、ジメチルサルファイド、ジメチルジサルフィド）だけでなく、原料ガスに含まれる水蒸気やHC等を物理吸着させる。脱硫剤はその吸着能力は水蒸気等の吸着物の種類や脱硫剤の温度により変化し、殊に常温領域では水蒸気によりダメージを受け易い。ここで、脱硫剤において、原料ガスに含まれる硫黄化合物の吸着を妨害する物質のうち、最も影響が大きいのが原料ガスに含まれる水蒸気と考えられている。よって、低露点（例えば０℃以下、−１０℃以下）の原料ガスを脱硫剤で脱硫させる場合には、原料ガスに含まれる水蒸気の含有量が少なく、水蒸気の影響が少ないため、原料ガスに含まれる硫黄化合物を吸着させる能力が効果的に発揮される。しかし、高露点の原料ガスを常温領域の脱硫剤に通過させる場合には、原料ガスに含まれる水蒸気の量が増加しているため、脱硫剤は水蒸気の影響を受け易く、脱硫剤が硫黄化合物を吸着させる能力を激減させる。このような性質を有する脱硫剤といえども、温度環境が高温（例えば、４０℃以上、５０℃以上、２００℃以下）になれば、水蒸気が脱硫剤に吸着されにくくなり、脱硫剤における水蒸気ダメージが激減し、結果として、脱硫剤が硫黄化合物を吸着させる量が良好に確保される。従って高温設置型の第１脱硫器は、高露点の原料ガスに対して有意義である。
【００２６】
図１２は、ゼオライト系の脱硫剤の温度と、脱硫剤の硫黄吸着能力と、脱硫剤で脱硫される原料ガスの露点との関係を示す。図１２において、特性線Ｗ１は、原料ガスの露点が−１８℃の場合を示す。特性線Ｗ２は、原料ガスの露点が−５℃の場合を示す。特性線Ｗ３は、原料ガスの露点が＋２０℃の場合を示す。原料ガスの露点温度が−５℃および−１８℃と低い場合には、原料ガスに含まれる水蒸気量が少ないため、特性線Ｗ１，Ｗ２として示すように、脱硫剤の温度が２０℃以上１２０℃の領域において変化したとしても、硫黄吸着能力は基本的には良好に維持される。これに対して、特性線Ｗ３として示すように、原料ガスの露点温度が＋２０℃と高温の場合には、原料ガスに含まれる水蒸気量が多いため、水蒸気の影響を受け、脱硫剤の硫黄吸着能力は低めとなる。特性線Ｗ３として示すように、脱硫剤の温度が２０℃以上５０℃未満の温度領域に低下すると、脱硫剤の硫黄吸着能力は急激に低下してしまう。このような特性をもつ多孔質物質を基材とする脱硫剤といえども、図１２から理解できるように、脱硫剤の温度が５０℃〜１２０℃と高温領域であれば、原料ガスの露点が＋２０℃の場合であっても、特性線Ｗ３の線部分ＷＡとして示すように、脱硫剤の硫黄吸着能力は、原料ガスの露点が低い場合比較して若干低下するものの、良好に確保される。７０１２０℃〜２００℃であっても同様と考えられる。このように露点が高くて水蒸気が多い原料ガスの場合には、硫黄吸着能力が著しく低下するという特性をもつ脱硫剤といえども、高温の温度環境に設置すれば、高露点で水蒸気量が多い原料ガスに対しても、硫黄吸着能力を良好に確保でき、勿論、低露点で水蒸気が少ない原料ガスに対しても、硫黄吸着能力を良好に確保できる。
【００２７】
（実施形態１）
図１は実施形態１を示し、燃料電池システムは、アノード１０およびカソード１１を有する燃料電池１と、燃料電池１のカソード１１にカソードガス（空気等の酸素含有ガス）を供給するカソードガス通路７０と、原料ガスを改質させてアノードガス（水素含有ガスまたは水素ガス）を生成させる改質器２Ａと、原料ガスを脱硫させた状態で改質器２Ａに供給させるガス搬送源として機能するポンプ６０を有する原料ガス通路６と、改質器２Ａで生成されたアノードガスを燃料電池１のアノード１０に供給させるアノードガス通路７３と、アノードガス通路７３、改質器２Ａおよび燃料電池１を収容する断熱壁１９とを有する。発電モジュール１８は、改質器２Ａ、燃料電池１、断熱壁１９で形成されている。改質用の水または水蒸気が供給させる給水通路８が改質器２Ａに接続されている。
【００２８】
図１に示すように、原料ガス通路６は、遮断弁６９、第１脱硫剤を収容する高温設置型の第１脱硫器１００と、第２脱硫剤を収容する低温設置型の第２脱硫器２００と、第１脱硫器１００および第２脱硫器２００を経た原料ガスの流量を計測する流量計３００とを有する。原料ガス通路６は、上流から下流にかけて、即ち、遮断弁６９から発電モジュール１８にかけて、第１脱硫器１００、第２脱硫器２００および流量計３００をこの順に直列に配置している。具体的には、原料ガス通路６は、上流から下流にかけて、遮断弁６９、露点計５１０、第１脱硫器１００、第２脱硫器２００、流量計３００をこの順に配置している。第１脱硫器１００は、相対的に高温の第１環境（５０℃以上、２００℃以下の温度環境）に設置されており、具体的には、発電モジュール１８の断熱壁１９から受熱（熱伝導、輻射熱の受熱）できるように、断熱壁１９の外壁面に接触または接近状態で隣設されて配置されている。第１脱硫器１００は、相対的に高露点の原料ガスに対しても脱硫性能をもつ第１脱硫剤を収容する。第１脱硫剤としては、ゼオライトが挙げられるが、銀や銅等の金属を担持したゼオライト、活性炭等の多孔質材料でも良い。この第１脱硫剤の平均粒径は特に限定されないが、１〜２ｍｍが例示される。但しこれに限定されるものではない。
【００２９】
第２脱硫器２００は、第１環境よりも相対的に低温（一般的には０〜５０℃未満）の第２環境に設置されており、高温の発電モジュール１８から離間して配置されている。第２脱硫器２００の第２脱硫剤は、相対的に低露点の原料ガスに対して脱硫性能をもつ。第２脱硫器２００では、相対的に高露点の原料ガス（水蒸気が相対的に多い）に対して、相対的に低露点の原料ガス（水蒸気が相対的に少ない）よりも脱硫性能を低下させる（図１２参照）。このような第２脱硫剤としてはゼオライトが挙げられる。この第２脱硫剤の平均粒径は特に限定されないが、１〜２ｍｍが例示される。但しこれに限定されるものではない。原料ガスとしては炭化水素系が例示される。
【００３０】
一般的には、原料ガス（例えば都市ガス（１３Ａ））は低露点（例えば０℃以下、−１０℃以下、−２０℃以下）であり、原料ガスに含有されている水蒸気は微小量である。しかしガス配管工事、配管等の事情により、原料ガスに含まれる水蒸気量が増加し、高露点（例えば＋２０℃露点以上）の原料ガスが供給される可能性が少なからずある。この場合、脱硫剤は短期間で劣化し、原料ガスに腐臭剤として含まれる硫黄化合物が改質器２Ａ等に流入し、改質器２Ａ等の耐久性を低下させる可能性がある。これに対し、高温設置型の第１脱硫器１００は、相対的に高露点の原料ガスに対しても脱硫性能をもつものであるため、高露点の原料ガスが供給される場合であっても、脱硫効果を良好に得ることができる。また、通常的には、低露点の原料ガスが原料ガス通路６に供給されるが、相対的に低露点の原料ガスに対して良好な脱硫性能をもつ第２脱硫器２００が第１脱硫器１００の他に設けられている。このため、第１脱硫器１００での不足分については第２脱硫器２００を設けることで、低露点の原料ガスに対しても脱硫性能を確保することができる。なお、低露点の原料ガスを高温設置型の第１脱硫器１００のみで脱硫させる場合には、次の不具合がある。このような不具合を解消させるため、高温設置型の第１脱硫器１００と低温設置型の第２脱硫器２００との双方を設けることが好ましい。すなわち、低露点の原料ガスを脱硫させる場合には、一般的には、脱硫剤の温度が低温ほど脱硫効率が良いため、低露点の原料ガスを高温設置型の第１脱硫器１００のみで脱硫させる場合には、脱硫効率が充分ではなく、第１脱硫器１００の第１脱硫剤の使用量を過剰に増加させる必要がある不具合がある。しかし第１脱硫器１００および第２脱硫器２００の双方を設けることにより、低露点の原料ガスについては第１脱硫器１００で主として分担し、高露点の原料ガスについては第２脱硫器２００で分担することで、全体としての第１脱硫剤および第２脱硫剤の合計の使用量を低減でき、システムの小型化が可能となる。
【００３１】
また、低露点の原料ガスを高温設置型の第１脱硫器１００のみで脱硫させる場合には、脱硫効率が充分ではないため、高温の第１脱硫器１００に収容する第１脱硫剤の使用量を増大させる必要がある不具合がある。更に、この場合には、第１脱硫器１００からの放熱量が増大し、システムの熱ロスが増大し、排熱回収効率が低下する不具合がある。ここで、高温設置型の第１脱硫器１００に使用される第１脱硫剤は、一般市場に流れている低温設置型の脱硫剤に対し高価である。しかし本実施形態によれば、高温設置型の第１脱硫器１００および低温設置型の第２脱硫器２００の双方を設けている。そして、低露点の原料ガスについては主として第１脱硫器１００で分担し、高露点の原料ガスについては主として第２脱硫器２００で分担することで、高温設置型の第１脱硫器１００に使用されるコスト高の脱硫剤の使用量を低減でき、コスト低減が図れる。
【００３２】
さて、上記構成とした場合には、脱硫剤は、温度に対して炭化水素基（例えばメタンやブタン等）の吸着または脱着特性を持っている。このため、システムの起動・停止時や、システムの負荷変動等に伴い、脱硫剤温度が変化すると、脱硫剤温度の変化に伴い、炭化水素基が脱硫剤に対して吸着または脱着することがある。高温設置型の第１脱硫器１００のように高温域に第１脱硫剤を設置する場合には、その度合が更に大きい。このため、従来技術のように流量計３００が脱硫器よりも上流にあるときには、流量計３００で原料ガスの流量を正確に計測したにも拘わらず、脱硫器において炭化水素基（例えばメタンやブタン等）の吸着または脱着が発生すると、改質器２Ａに供給される原料ガスの流量が変動するおそれがある。すなわち、脱硫器において炭化水素基が吸着または脱着し、改質器に実際に供給される原料ガスの流量の過剰または不足が生じるおそれがある。ここで、原料ガスが不足した場合には、燃料電池において原料ガスの欠乏による劣化が進行するおそれがある。また、原料ガスが過剰となった場合には、異常高温による劣化が促進させるおそれがある。そのため、温度によって炭化水素基を吸着または脱着させる特性を持つ第１脱硫器１００よりも下流に流量計３００を設置することが好ましい。しかし、第１脱硫器１００よりも下流に流量計３００が設置されている場合には、高温設置型の第１脱硫器１００を通過した原料ガスは熱をもち、原料ガスは、流量計３００の耐熱温度以上となり易いため、流量計３００の故障を誘発させるおそれがある。
【００３３】
そこで本実施形態によれば、図１に示すように、原料ガス通路６において第１脱硫器１００および第２脱硫器２００の双方よりも下流に流量計３００を設置し、改質器２Ａ等に安定的に原料ガスを供給可能となる。さらに原料ガスを、高温設置型の第１脱硫器１００→低温設置型の第２脱硫器２００の順に流すことで、第１脱硫器１００を通過した原料ガスの熱を第２脱硫器２００で授受し，第２脱硫器２００において放熱させることができる。このため、熱の影響を受け易い流量計３００へ流入する原料ガスの温度をできるだけ低下させることができる。この場合、流量計３００の耐熱の問題も解消することが可能となる。なお、第１脱硫器１００を通過した原料ガスが保有する熱量は小さいため、第２脱硫器２００における放熱で充分に原料ガスを低温化できる。なおポンプ６０は圧力の脈動を発生させにくいものが好ましい。
【００３４】
（実施形態２）
図２は実施形態２を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同じ構成、同じ作用効果を有する。図２に示すように、原料ガス通路６には、バッファ室４０１をもつバッファ４００が設けられている。原料ガス通路６は、上流から下流にかけて、遮断弁６９、第１脱硫器１００、第２脱硫器２００、流量計３００、バッファ４００と、ポンプ６０とをこの順に直列に配置している。バッファ４００は中空室であるバッファ室４０１を有する。ポンプ６０は、原料ガス通路６において原料ガスを発電モジュール１８の改質器２Ａに向けて搬送させるものであるが、原料ガスの圧力の脈動を発生させるおそれがある。そこで図２に示すように、原料ガス通路６において、第１脱硫器１００、第２脱硫器２００、流量計３００、バッファ４００、ポンプ６０をこの順に直列に配置している。この場合、図２に示すように、バッファ４００は、流量計３００の下流、且つ、ポンプ６０の上流に配置されている。流量計３００は第２脱硫器２００に対して直後の下流に配置されている。すなわち、脈動原因となるポンプ６０と、脈動を受けたくない流量計３００との間には、バッファ４００が介在する。このため流量計３００はポンプ６０の脈動の影響を受けにくくなる。この場合、システムの安定運転に有利である。換言すると、図２に示すように、第１脱硫器１００→第２脱硫器２００→流量計３００→バッファ４００→ポンプ６０の配列が設けられているため、ポンプ６０の脈動をバッファ４００により吸収することができる。このため流量計３００の流量脈動を抑止することができる。これにより流量計３００の出力値が安定し、制御上の安定性が確保されるとともに、脈動による流量計３００の出力値が真値から外れる挙動も抑えることが可能となる。
【００３５】
（実施形態３）
図３は実施形態３を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同じ構成、同じ作用効果を有する。図３に示すように、原料ガス通路６は、上流から下流にかけて、第１脱硫器１００と、第２脱硫器２００と、流量計３００と、バッファ４００と、ポンプ６０と、逆止弁として機能するチャッキ弁５００とをこの順に配置している。ポンプ６０は、原料ガス通路６において原料ガスを改質器２Ａに向けて搬送させるものであるが、原料ガスの圧力の脈動を発生させるおそれがある。チャッキ弁５００は作動により原料ガスの圧力の脈動を発生させるおそれがある。そこで図３に示すように、原料ガス通路６は、第１脱硫器１００、第２脱硫器２００、流量計３００、バッファ４００、ポンプ６０、チャッキ弁５００をこの順に配置している。すなわち、流量計３００とチャッキ弁５００（ポンプ６０）との間にはバッファ４００が介在している。このため、流量計３００とチャッキ弁５００（ポンプ６０）との間にバッファ４００が介在するため、流量計３００は、ポンプ６０およびチャッキ弁５００に起因する脈動の影響を受けにくくなる。この場合、流量計３００が原料ガスの流量を計測させる精度が確保され、システムの安定運転に有利である。
【００３６】
図３に示すように、原料ガス通路６において、第１脱硫器１００→第２脱硫器２００→流量計３００→バッファ４００→昇圧用のポンプ６０→チャッキ弁５００の順に配置されている。第１脱硫器１００は発電モジュール１８の断熱壁１９の外壁面側に接触または近接するように設置されており、規定温度範囲（例えば、６０〜２００℃、または、６０〜１５０℃）に維持されるように設置されている。第２脱硫器２００は、システムの筐体の内部において、発電モジュール１８から離間する相対的に低温の環境（０℃以上、５０℃未満）に設置されている。ここで、原料ガスが第１脱硫器１００を流通することで、原料ガスは昇温され、第２脱硫器２００に供給される。原料ガスの持っている熱量は数Ｗのため、第２脱硫器２００のうちの上流側の温度が若干上昇する。ここで、原料ガスは第２脱硫器２００における放熱にてシステムの筐体の内部温度（例えば、２０〜５０℃）まで低下し、流量計３００、バッファ４００、チャッキ弁５００、発電モジュール１８の改質器２Ａに送られる。これにより、流量計３００に入る原料ガスの温度は５０℃未満または４０℃未満となり、流量計３００の耐熱温度以下となり、流量計３００の故障を招くことなくシステムを運転可能である。
【００３７】
また、システムの起動〜停止までにおける第１脱硫器１００に収容されている第１脱硫剤の温度変化に起因して、第１脱硫器１００において炭化水素基の吸着または脱着が起こり得る。この点について本実施形態によれば、流量計３００が脱硫器１００，２００よりも下流に配置されていることで、発電モジュール１８へ流入する原料ガス（吸着または脱着後の原料ガス）の単位時間あたり流量を正確に把握することができる。この場合、発電モジュール１８におけるガス欠による劣化を抑止することができる。
【００３８】
（実施形態４）
図４は実施形態４を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同じ構成、同じ作用効果を有する。図４に示すように、原料ガス通路６は、上流から下流にかけて、ポンプ６０と、第１脱硫器１００と、第２脱硫器２００と、流量計３００とをこの順に具備する。すなわち、第１脱硫器１００および第２脱硫器２００よりも上流にポンプ６０が配置されている。ポンプ６０は、原料ガスの脈動を発生させるおそれがある。そこで、ポンプ６０を第１脱硫器１００よりも上流に設置する。この場合、ポンプ６０と流量計３００との間に配置された第１脱硫器１００および第２脱硫器２００が、脈動抑制用のバッファとして機能することができる。このように第１脱硫器１００および第２脱硫器２００が脱硫能を発揮しつつバッファを兼用するため、専用のバッファを設けることが不要であり、システムの小型化、低コスト化が図れる。なお、ポンプ６０に起因する脈動で流量計３００の流量値が脈動した場合には、システムの制御性が低下することに加えて、流量計３００の絶対値が真値からずれ、改質器２Ａへ供給される原料ガスの流量が過剰または不足したりする可能性があり、システムの劣化要因となるおそれがある。
【００３９】
（実施形態５）
図５は実施形態５を示す。本実施形態は前記した実施形態４と基本的には同じ構成、同じ作用効果を有する。図５に示すように、原料ガス通路６は、上流から下流にかけて、ポンプ６０、第１脱硫器１００、第２脱硫器２００、冷却部６００、流量計３００をこの順に直列に配置している。ポンプ６０は、原料ガスの脈動を発生させるおそれがある。そこで、ポンプ６０を流量計３００から離間させるべく、第１脱硫器１００よりも上流に設置する。この場合、ポンプ６０と流量計３００との間に配置された第１脱硫器１００および第２脱硫器２００が、脈動抑制用のバッファとして機能することができ、専用のバッファを設けることが不要である。また、流量計３００は熱に弱いが、高温設置型の第１脱硫器１００を通過した原料ガスを第２脱硫器２００および冷却部６００で放熱させることにより、原料ガスを冷却させる。このため低温の原料ガスが流量計３００に供給され、流量計３００が熱から保護される。チャッキ弁５００と流量計３００との間にはバッファ４００が設けられているため、チャッキ弁５００の作動の影響を流量計３００が受けることが抑制される。冷却部６００としては、放熱フィン方式、冷却風が当たる方式、冷却水と熱交換する方式が例示される。
【００４０】
（参考形態１）
図６は参考形態１を示す。本実施形態は前記した実施形態５と基本的には同じ構成、同じ作用効果を有する。図６に示すように、高温設置型の第１脱硫器１００が設けられているものの、常温設置型の第２脱硫器２００が設けられていない。図６に示すように、原料ガス通路６は、遮断弁６９、ポンプ６０、第１脱硫器１００、冷却部６００、流量計３００をこの順に直列に配置させている。第１脱硫器１００と流量計３００との間には冷却部６００が配置されている。冷却部６００としては、放熱フィン方式、冷却風が当たる方式、冷却水と熱交換する方式が例示される。流量計３００は熱に弱いが、高温設置型の第１脱硫器１００を通過した原料ガスを冷却部６００で放熱させることにより、原料ガスを冷却させる。このため流量計３００を熱から保護させ易い。また図６に示すように、原料ガス通路６において、流量計３００、バッファ４００、チャッキ弁５００の順に配置されているため、ポンプ６０が脈動を発生させたとしても、流量計３００は脈動に影響され難い。
【００４１】
（実施形態６）
図７は実施形態６を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同じ構成、同じ作用効果を有する。図７に示すように、原料ガス通路６は、上流から下流にかけて、すなわち、遮断弁６９から発電モジュール１８に向かうにつれて、高温設置型の第１脱硫器１００、低温設置型の第２脱硫器２００、流量計３００、バッファ４００、ポンプ６０、チャッキ弁５００とをこの順に配置している。燃料電池システムの発電運転で発生した排ガスとの熱交換で加熱された温水が通過する貯湯通路７８と、貯湯通路７８に連通し貯湯通路７８から供給された温水を溜める貯湯槽とが設けられている。貯湯通路７８には貯湯ポンプ７９が設けられている。発電モジュール１８における改質器２Ａや燃料電池１から排出された排気ガスは、排ガス通路７５から、排気用の熱交換器７６の通路７５ａを介して外部に排気される。貯湯ポンプ７９が作動すると、貯湯槽７７の水は貯湯槽７７の吐出ポート７７ｐから熱交換器７６の通路７８ａを流れ、排ガス通路７５の高温の排気ガスと熱交換して受熱されて昇温し、更に、第１脱硫器１００の通路１００ａを流れ、帰還ポート７７ｉから貯湯槽７７に帰還する。このように貯湯槽７７の水は温水となる。このように温水は第１脱硫器１００の通路１００ａを流れるため、第１脱硫器１００は５０〜９５℃の温度領域に昇温される。このように第１脱硫器１００は、貯湯通路７８および貯湯槽７７のうちの少なくとも一方から受熱する温度環境に設置されている。温水（一般的には７０〜９５℃）と熱交換することにより、第１脱硫器１００の温度を適温に維持しやすい。更に貯湯通路７８の水は熱容量が大きいため、第１脱硫器１００内の温度分布を低減させることができる。これにより第１脱硫器１００に収容されている第１脱硫剤の使用量の低減させることができる。
【００４２】
（実施形態７）
図８は実施形態７を示す。図８に示すように、上記した発電モジュール１８（加熱源）の断熱壁１９の側面１９ｓ（表面）には、高温設置型の第１脱硫器１００が伝熱可能に接触させつつ、図略の取付具により取り付けられている。断面壁１９の上面または下面に取り付けても良い。第１脱硫器１００の脱硫室１０１には、ゼオライト系の多孔質物質を基材とする粒状の第１脱硫剤が収容されている。発電モジュール１８の熱は高温設置型の第１脱硫器１００に伝熱および輻射熱により伝達される。図８に示すように、第１脱硫器１００の脱硫室１０１は、Ｕターン用の複数の開口１０３を形成する複数の仕切板１０４により仕切られて複数回曲成されている。入口１０１ｉから流入した原料ガスは蛇行するように複数回Ｕターンを繰り返し、脱硫距離を確保し、出口１０１ｐから改質器２Ａに向けて吐出される。第１脱硫器１００の厚みｔｘは発電モジュール１８の幅ｔｙよりも薄く、偏平箱形状をなすことが好ましい。この場合、発電モジュール１８の断熱壁１９の側面１９ｓ（表面）からの受熱面積を増加でき、第１脱硫器１００に収容されている第１脱硫剤の温度ばらつきの低減に有利である。システムを長期間停止していた場合等のように、システムの起動時に発電モジュール１８の断熱壁１９が高温ではないことがある。そこで、図８に示すように、高温設置型の第１脱硫器１００の外壁面に電気ヒータ１０９を設けることが好ましい。システムの起動時には、電気ヒータ１０９により高温設置型の第１脱硫器１００の第１脱硫剤を暖め、５０℃以上の温度環境に設定する。発電モジュール１８の断熱壁１９が高温になったら、電気ヒータ１０９をオフさせれば良い。場合によっては、電気ヒータ１０９を廃止させても良い。なお、各実施形態について、高温設置型の第１脱硫器１００に電気ヒータを設けることが好ましい。
【００４３】
（実施形態８）
図９は実施形態８を示す。図９に示すように、温水が流れる貯湯通路７８の復路７８ｃを形成するパイプ７８ｘに対して、多孔質物質を基材とする第１脱硫剤が収容された高温設置型の第１脱硫器１００は、接合部１２０（例えば溶接部またはろう付け部）で接触されつつ並走されている。貯湯通路７８を流れる温水（例えば５０℃〜９５℃）の熱により第１脱硫器１００は、加熱されて５０℃以上の高温環境に昇温される。パイプ７８ｘの代わりに、改質器や燃料電池等から排出される高温の排ガスが流れる排ガス通路７５としても良い。
【００４４】
（実施形態９）
図１０は実施形態９を示す。図１０に示すように、温水が流れる貯湯通路７８の復路７８ｃを形成するパイプ７８ｘは、第１脱硫剤が収容された高温用の第１脱硫器１００にスパイラル状に巻回されている。貯湯通路７８を流れる温水（例えば５０℃〜９５℃）の熱により第１脱硫器１００は加熱されて５０℃以上の高温環境に昇温される。パイプ７８ｘの代わりに、改質器や燃料電池等から排出される高温の排ガスが流れる排ガス通路７５としても良い。
【００４５】
（適用形態１）
図１１は適用形態１の概念を示す。図１１に示すように、燃料電池システムは、燃料電池１と、液相状の水を蒸発させて水蒸気を生成させる蒸発部２と、蒸発部２で生成された水蒸気を用いて燃料を改質させてアノードガスを形成する改質部３と、蒸発部２に供給される液相状の水を溜めるタンク４と、これらを収容する筐体５とを有する。燃料電池１は、イオン伝導体を挟むアノード１０とカソード１１とをもち、例えば、ＳＯＦＣとも呼ばれる固体酸化物形燃料電池（運転温度：例えば４００℃以上）を適用できる。改質部３は、セラミックス等の担体に改質触媒を担持させて形成されており、蒸発部２に隣設されている。改質部３および蒸発部２は改質器２Ａを構成しており、燃料電池１と共に断熱壁１９で包囲され、発電モジュール１８を形成している。改質部３の内部には、改質部３の温度を検知する温度センサと、燃料を着火させるヒータである着火部が設けられている。着火部は改質部３の燃料に着火できるものであれば何でも良い。温度センサの信号は制御部１００Ｘに入力される。
【００４６】
システムの発電運転時には、改質器２Ａは改質反応に適するように断熱壁１９内において加熱される。発電運転時には、蒸発部２は水を加熱させて水蒸気とさせ得るように加熱される。燃料電池１がＳＯＦＣタイプの場合には、アノード１０側から排出されたアノード排ガスとカソード１１側から排出されたカソード排ガスが燃焼部１０５で燃焼するため、改質部３および蒸発部２は、発電モジュール１８の内部において同時に加熱される。図１１に示すように、原料ガス通路６は、ガス源６３から原料ガスを改質器２Ａに供給させるものであり、ポンプ６０、高温設置型の第１脱硫器１００、低温設置型の第２脱硫器２００、流量計３００、チャッキ弁５００をもつ。
【００４７】
図１１は、あくまでも燃料電池システムの一例の概念的なレイアウトを示すものである。実際には、第１脱硫器１００は、銀等の金属を有するゼオライト系の多孔質物質を基材とする第１脱硫剤を収容しており、発電モジュール１８（加熱源）の断熱壁１９に伝熱可能に接触されている。システムの運転時には、第１脱硫器１００は、発電モジュール１８の断熱壁１９から受熱して５０℃以上２３０℃以下の高温領域に加熱される。第２脱硫器２００は、ゼオライト系の多孔質物質を基材とする第２脱硫剤を収容しており、発電モジュール１８（加熱源）の断熱壁１９から離間しており、常温領域（０℃〜５０℃未満の温度領域）に設置されている。燃料電池１のカソード１１には、カソードガス（空気）をカソード１１に供給させるためのカソードガス通路７０が繋がれている。カソードガス通路７０には、カソードガス搬送用の搬送源として機能するカソードポンプ７１が設けられている。
【００４８】
図１１に示すように、筐体５は外気に連通する吸気口５０と排気口５１とをもち、更に、第１室である上室空間５２と、第２室である下室空間５３とをもつ。燃料電池１は、改質部３および蒸発部２と蒸発部２と改質部３を加熱する燃焼部１０５と、共に、筐体５の上側つまり上室空間５２に収容されている。筐体５の下室空間５３には、改質部３で改質される液相状の水を溜めるタンク４が収容されている。タンク４には、電気ヒータ等の加熱機能をもつ加熱部４０が設けられている。加熱部４０は、タンク４に貯留されている水を加熱させるものであり、電気ヒータ等で形成できる。外気温度等の環境温度が低いとき等には、制御部１００Ｘからの指令に基づいて、タンク４の水は加熱部４０により所定温度（例えば５℃、１０℃、２０℃）以上に加熱され、凍結が抑制される。図１１に示すように、下室空間５３側のタンク４の出口ポート４ｐと上室空間５２側の蒸発部２の入口ポート２ｉとを連通させる給水通路８が、配管として筐体５内に設けられている。図１１に示すように、筐体５内において、タンク４は蒸発部２の下側に配置されているため、給水通路８は基本的には縦方向に沿って延びる。給水通路８は、タンク４内に溜められている水をタンク４から蒸発部２に供給させる通路である。給水通路８には、タンク４内の水を蒸発部２まで搬送させる水搬送源として機能するポンプ８０が設けられている。ポンプ８０を制御するための制御部１００Ｘが設けられている。更に、制御部１００Ｘはポンプ７１，７９，６０を制御する。
【００４９】
システムの運転時において、ポンプ８０が駆動すると、タンク４内の水は、タンク４の出口ポート４ｐから蒸発部２の入口ポート２ｉに向けて給水通路８内を搬送され、蒸発部２で加熱されて水蒸気とされる。水蒸気は原料ガス通路６から供給される原料ガスと共に改質部３に移動する。改質部３において燃料は、水蒸気で改質されてアノードガス（水素含有ガス）となる。なお燃料がメタン系である場合には、水蒸気改質によるアノードガスの生成は、次の（１）式に基づくと考えられている。但し燃料はメタン系に限定されるものではない。
（１）…ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→４Ｈ２＋ＣＯ２
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ
生成されたアノードガスはアノードガス通路７３を介して燃料電池１のアノード１０に供給される。更にカソードガス（酸素含有ガス、筐体５内の空気）がカソードガス通路７０を介して燃料電池１のカソード１１に供給される。これにより燃料電池１が発電する。燃料電池１で排出された高温の排ガスは、排ガス通路７５を介して筐体５の外方に排出される。
【００５０】
排ガス通路７５には、凝縮機能をもつ熱交換器７６が設けられている。貯湯槽７７に繋がる貯湯通路７８および貯湯ポンプ７９が設けられている。貯湯通路７８は往路７８ａおよび復路７８ｃをもつ。貯湯槽７７の低温の水は、貯湯ポンプ７９の駆動により、貯湯槽７７の吐出ポート７７ｐから吐出されて往路７８ａを通過し、熱交換器７６に至り、熱交換器７６の熱交換作用により加熱される。熱交換器７６で加熱された温水は、復路７８ｃを介して帰還ポート７７ｉから貯湯槽７７に帰還する。このようにして貯湯槽７７の水は温水となる。前記した排ガスに含まれていた水蒸気は、熱交換器７６で凝縮されて凝縮水となる。凝縮水は、熱交換器７６から延設された凝縮水通路４２を介して重力等により水精製器４３に供給される。水精製器４３はイオン交換樹脂等の水精製器４３ａを有するため、凝縮水の不純物は除去される。不純物が除去された水は水タンク４に移動し、水タンク４に溜められる。ポンプ８０が駆動すると、水タンク４内の水は給水通路８を介して高温の蒸発部２に供給され、蒸発部２で水蒸気とされて改質部３に供給され、改質部３において燃料を改質させる改質反応として消費される。
【００５１】
（その他）
本発明は上記し且つ図面に示した各実施形態および適用形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。燃料電池は、固体酸化物形燃料電池に限定されず、場合によっては、固体高分子電解質形燃料電池でも良いし、リン酸形燃料電池でも良く、溶融炭酸塩形燃料電池でも良い。要するに、原料ガスを脱硫させる高温設置型の第１脱硫器および低温設置型の第２脱硫器を直列に有する燃料電池システムであれば良い。原料ガスも特に制限されず、硫黄化合物を含むガスが挙げられ、都市ガス、プロパンガス、バイオガス、ＬＰＧガス、ＣＮＧガス等を例示できる。第１脱硫器は水素添加により硫黄化合物を脱硫させる脱硫器でも良い。要するには、原料ガス通路は上流から下流にかけて第１脱硫器、第２脱硫器および流量計をこの順に配置させていれば良い。本明細書の記載から次の技術的思想が把握される。
【００５２】
（付記項１）アノードおよびカソードを有する燃料電池と、前記燃料電池の前記カソードにカソードガスを供給するカソードガス通路と、原料ガスを改質させてアノードガスを生成させる改質器と、前記原料ガスを脱硫させた状態で前記改質器に供給させるガス搬送源を有する原料ガス通路と、前記改質器で生成された前記アノードガスを前記燃料電池の前記アノードに供給させる前記アノードガス通路とを具備しており、前記原料ガス通路は、相対的に高温の環境に設置され且つ相対的に高露点の原料ガスに対しても脱硫性能をもつ脱硫剤を収容する高温設置型の第１脱硫器を具備する燃料電池システム。高露点の原料ガスに対してダメージを受けにくいため、高露点の原料ガスに対して有効である。
【００５３】
（付記項２）付記項１において、原料ガス通路は、遮断弁、ポンプ、第１脱硫器、冷却部、流量計をこの順に直列に配置させている燃料電池システム。第１脱硫器と流量計との間には冷却部が配置されている。流量計は熱に弱い。高温設置型の第１脱硫器を通過した原料ガスを冷却部で放熱させることにより、原料ガスを冷却させる。このため流量計を熱から保護させ易い。
【符号の説明】
【００５４】
１は燃料電池、１０はアノード、１１はカソード、２Ａは改質器、２は蒸発部、３は改質部、１８は発電モジュール、１９は断熱壁、６０はポンプ（ガス搬送源）、７０はカソードガス通路、７３はアノードガス通路、７５は排ガス通路、７６は熱交換器、７７は貯湯槽、７８は貯湯通路、７９は貯湯ポンプ、１００は第１脱硫器、２００は第２脱硫器、６，５００は原料ガス通路、５１０は露点計を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は原料ガスを脱硫させる脱硫器を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１はLPG用脱硫器を開示する。この脱硫器は常温用脱硫器と高温用(＞１００℃)脱硫器とに２つに分割されている。また、常温用脱硫器は上流側に配置されており、原料ガスに使用されている付臭剤で比較的脱硫させ易いイオウ化合物（TBMやDMS）用とされている。高温用脱硫器は、常温用脱硫器よりも下流側に配置されており、LPG特有のイオウ化合物（COS等）を吸着するためのものであり、Ni等の金属酸化物を使用している。
【０００３】
特許文献２によれば、特許文献１と基本的には同じ構成であり、常温用脱硫器と高温用脱硫器とに２つに分割されている。高温用脱硫器は５０℃以上の運転温度とされている。高温用脱硫器の脱硫剤はLPG用と考えられる。特許文献３によれば、常温脱硫器と水素添加型の脱硫器(高温)との2つの脱硫方法(脱硫器)を組み合わせたものであり、起動時に水素添加による脱硫効果が不足することを、常温脱硫器で補うことを目的とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2006-111766号公報
【特許文献２】特開2006-265480号公報
【特許文献３】特開平5-114414号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１によれば、高温の脱硫部はLPG特有の硫黄化合物を金属酸化物等により、LPG特有の硫黄化合物を吸着除去するものであって、原料ガスに含まれる水蒸気による脱硫剤のダメージの問題を解決するものではない。特許文献３によれば、高温の脱硫器は水素添加脱硫を目的とするものであって、脱硫には水素を必須とする。
【０００６】
ところで、ガス会社から供給される原料ガス（都市ガス）には、水分が含まれる場合がある。脱硫剤は一般的にはゼオライトや活性炭等の多孔質物質を使用し、常温の温度環境で使用され、硫黄化合物を吸着させて脱硫する。しかし、多孔質物質を基材とする脱硫剤は低コストである利点を有するものの、水蒸気が相対的に多く含まれる高露点の原料ガスを脱硫させる場合には、原料ガスに含まれる水蒸気を硫黄化合物よりも優先的に吸着させる性質を有する。結果として、高露点の原料ガスを脱硫させる場合には、原料ガスに含まれる硫黄化合物を吸着させる吸着能力を低下させてしまい、脱硫効果が過剰に低下してしまうおそれがある（図１２参照）。
【０００７】
一般的には、水蒸気が少ない低露点の原料ガスが産業界では供給されている。しかし、ガス工事や配管の影響等で、原料ガスに含まれる水蒸気の量が増加し、原料ガスが高露点となることが間々ある。ここで、露点が高い原料ガスに含まれる水蒸気によって、脱硫剤は原料ガスの硫黄化合物を吸着させる吸着能力を低下させてしまい、脱硫剤の脱硫効果が低下してしまうおそれがある。この問題を回避するために、脱硫剤の使用量を必要以上に増加させることが必要であり、コストが莫大になり、燃料電池システムのサイズが大型化されるので非実用的である。更に、上記した特許文献では、流量計の位置や長寿命化については言及されていない。
【０００８】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、水蒸気が低めの低露点の原料ガスを脱硫させるときにおいても、更には、水蒸気が多く含まれる高露点の原料ガスを脱硫させるときにおいても、原料ガスに含まれる硫黄化合物を良好に脱硫でき、これにより原料ガスの露点の変化に対応でき、加えて、原料ガスの流量を計測する流量計の保護性を高め、流量計の長寿命化に貢献できる燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は燃料電池システム用脱硫装置について鋭意開発を進めている。そして本発明者は、（ｉ）（ｉｉ）に着目した。
（ｉ）産業界では、一般的には、相対的に低露点（例えば−２０℃露点以下）の原料ガスが供給されている。しかしガス工事や配管等の様々な事情で、相対的に高露点の原料ガスが供給されることが間々あること。
（ｉｉ）一般的な脱硫剤は、原料ガスに含まれる水蒸気を吸着させ易く、そのため脱硫剤に存在する吸着サイトが水蒸気に奪われ、原料ガスに含まれる硫黄化合物の吸着が困難になる。しかし、上記したように水蒸気ダメージがある脱硫剤といえども、高温の温度環境（例えば４０℃以上、５０℃以上）では、水蒸気を吸着しにくくなるため、水蒸気の影響が少なくなり、脱硫能力が維持され易い。本発明はかかる着目に基づいて完成されたものである。
【００１０】
（１）すなわち、様相１に係る燃料電池システムは、アノードおよびカソードを有する燃料電池と、燃料電池のカソードにカソードガスを供給するカソードガス通路と、原料ガスを改質させてアノードガスを生成させる改質器と、原料ガスを脱硫させた状態で改質器に供給させるガス搬送源を有する原料ガス通路と、改質器で生成されたアノードガスを燃料電池のアノードに供給させるアノードガス通路とを具備しており、原料ガス通路は、相対的に高温の第１環境に設置され且つ相対的に高露点の原料ガスに対しても脱硫性能をもつ第１脱硫剤を収容する高温設置型の第１脱硫器と、第１環境よりも相対的に低温の第２環境に設置され、相対的に低露点の原料ガスに対して脱硫性能をもつと共に、相対的に高露点の原料ガスに対して相対的に低露点の原料ガスよりも脱硫性能を低下させる低温設置型の第２脱硫器と、原料ガスの流量を計測する流量計とを具備しており、原料ガス通路は、上流から下流にかけて、第１脱硫器、第２脱硫器および流量計をこの順に配置させている。
【００１１】
原料ガスは、通常、低露点のガス（例えば−２０℃露点以下）として供給される。しかしガス工事や配管等の影響で高露点のガスとして（例えば＋２０℃露点以上）供給される可能性が少なからずある。この場合、脱硫剤は短期間で劣化し、原料ガスに腐臭剤として含まれる硫黄化合物が改質器等に流入し、改質器等の耐久性を低下させる可能性がある。これに対し、高温設置型の第１脱硫器は、相対的に高露点の原料ガスに対しても脱硫性能をもつものであるため、高露点の原料ガスが供給される場合であっても、脱硫効果を良好に得ることができる。また、通常的には、低露点の原料ガスが供給されるが、相対的に低露点の原料ガスに対して良好な脱硫性能をもつ低温設置型の第２脱硫器が第１脱硫器と併設されているため、第１脱硫器での不足分については第２脱硫器を設けることで、低露点の原料ガスに対しても脱硫性能を確保することができる。
【００１２】
ここで、高温設置型の高温、低温設置型の低温は、相対的な温度の高低を意味するものである。高温設置型の第１脱硫器は、燃料電池システムの筐体の内部において、一般的には５０℃以上〜２３０℃の温度領域に配置される。低温設置型の第２脱硫器は、燃料電池システムの筐体の内部において、第１脱硫器よりも低温の環境に設置され、一般的には０℃以上〜５０℃未満の温度領域に配置される。
【００１３】
なお、低露点の原料ガスを高温設置型の第１脱硫器のみで脱硫させる場合には、次の不具合があるため、不具合を解消させるため、第１脱硫器の他に、低温設置型の第２脱硫器を設けることが好ましい。低露点の原料ガスを脱硫させる場合には、一般的には脱硫剤の温度が低温ほど、脱硫効率が良い。従って低露点の原料ガスを高温設置型の第１脱硫器のみで脱硫させる場合には、脱硫効率が必ずしも充分ではなく、第１脱硫器の脱硫剤の使用量を増加させる必要がある不具合が生じる。この場合、第１脱硫器からの放熱量が増大し、システムの熱ロスが増大し、排熱回収効率が低下する不具合がある。更に、高温設置型の第１脱硫器に使用される第１脱硫剤は、一般市場には、低温設置型の第２脱硫器に使用される第２脱硫剤に対して高価であることが多い。
【００１４】
しかし様相１の燃料電池システムによれば、第１脱硫器および第２脱硫器の双方を設けている。そして、高露点の原料ガス（水蒸気が相対的に多い）については高温設置型の第１脱硫器で主として分担し、低露点の原料ガス（水蒸気が相対的に少ない）については低温設置型の第２脱硫器で主として分担することで、コストが高い第１脱硫剤の使用量をできるだけ低減でき、コスト低減が図れる。更に、第１脱硫剤および第２脱硫剤の全体としての使用量を低減でき、システムの小型化が可能となる。
【００１５】
また、脱硫剤は、一般的には、温度に対して炭化水素基（例えばメタンやブタン等）の吸着または脱着特性をもつ。このため、システムの起動・停止時や、システムの負荷変動等に伴い、脱硫剤温度が変化すると、脱硫剤温度の変化に伴い、原料ガスの主要成分である炭化水素基が脱硫剤に対して吸着または脱着することがある。殊に、第１脱硫器のように高温域に設置される場合には、その影響が更に大きい。このため、従来技術のように流量計が脱硫器よりも上流にあるときには、流量計で原料ガスの流量を計測したにも拘わらず、脱硫器において炭化水素基（例えばメタンやブタン等）の吸着または脱着が発生し、結果として、改質器に供給される原料ガスの実流量が変動するおそれがある。すなわち、脱硫器において炭化水素基が吸着または脱着し、改質器に実際に供給される原料ガスの実流量の過剰または不足が生じるおそれがある。ここで、原料ガスが不足した場合には、改質器において原料ガスの欠乏による劣化が進行するおそれがある。また、原料ガスが過剰となった場合には、異常高温が発生し、劣化が促進させるおそれがある。そのため、温度によって炭化水素基を吸着または脱着させる特性を持つ第１脱硫器よりも下流に流量計を設置することが好ましい。
【００１６】
しかし、高温設置型の第１脱硫器よりも下流に流量計が設置されている場合には、第１脱硫器を通過した原料ガスは熱をもち、原料ガスの温度は流量計の耐熱温度以上となり易いため、流量計の長寿命化には好ましない。そこで様相１に係る燃料電池システムによれば、第１脱硫器および第２脱硫器の双方よりも下流に流量計を設置させる。このように原料ガスを高温設置型の第１脱硫器→低温設置型の第２脱硫器→流量計の順に流す。これにより高温の第１脱硫器を通過した原料ガスの熱を第２脱硫器で授受し，第２脱硫器において放熱させる。このため流量計へ流入する原料ガスの温度をできるだけ低下させることができ、流量計の耐熱の問題も解消することが可能となり、流量計の長寿命化に有利である。また、第１脱硫器を通過した原料ガスが保有する熱量は小さいため、第２脱硫器における放熱で充分に原料ガスを低温化できる。
【００１７】
前述したように、脱硫剤は、水蒸気を吸着させ易く、そのため吸着サイトが水蒸気に奪われて硫黄化合物の吸着が困難になるという水蒸気ダメージを受け易い性質をもつ。しかし、このような脱硫剤といえども、高温領域（例えば５０℃以上）では、水蒸気を吸着しにくくなるため、水蒸気ダメージを少なくでき、原料ガスに含まれる硫黄化合物を良好に吸着できる。このため脱硫剤の使用量の増加を抑えることができる。上記したように様相１に係る燃料電池システムによれば、水蒸気が少なめの低露点の原料ガスを脱硫させるときにおいても、更には、水蒸気が多く含まれる高露点の原料ガスを脱硫させるときにおいても、良好に脱硫を行うことができる。このように原料ガスの露点が変化するときであっても、高温設置型の第１脱硫器は、原料ガスの脱硫を良好に行うことができる。更に、高温設置型の第１脱硫器→低温設置型の第２脱硫器の順に直列に配置されているため、原料ガスに含まれる水蒸気を第１脱硫器で吸着でき、第２脱硫器への影響を低減できる。なお第１脱硫器は水素添加型でも良い。
【００１８】
(２)様相２に係る燃料電池システムによれば、上記様相において、原料ガス通路は、バッファ室をもつバッファをもち、上流から下流にかけて、第１脱硫器と、第２脱硫器と、流量計と、バッファと、ガス搬送源とをこの順に配置させている。ポンプ等のガス搬送源は、原料ガス通路において原料ガスを改質器に向けて搬送させるものであるが、作動条件によっては、原料ガスの圧力の脈動を発生させるおそれがある。そこで、第１脱硫器、第２脱硫器、流量計、バッファ、ガス搬送源をこの順に直列に配置すれば、流量計とガス搬送源との間に、脈動緩衝用のバッファが介在する。このため、流量計は、ガス搬送源の脈動の影響を受けにくくなり、システムの安定運転に有利である。バッファは中空室であるバッファ室を有する。
【００１９】
（３）様相３に係る燃料電池システムによれば、上記様相において、原料ガス通路は、上流から下流にかけて、ガス搬送源と、第１脱硫器と、第２脱硫器と、流量計とをこの順に配置させている。ポンプ等のガス搬送源と流量計との間には、ガス搬送源による原料ガスの脈動の影響を防止するためにバッファが設けられていることが好ましい。そこで、ポンプ等のガス搬送源を第１脱硫器の上流に設置する。この場合、ガス搬送源と流量計との間に配置された第１脱硫器および第２脱硫器が脱硫作用とバッファ作用と果たすことができる。このように第１脱硫器および第２脱硫器がバッファを兼用するため、専用のバッファを設けることが不要であり、システムの小型化、低コスト化が図れる。なお、ポンプ等のガス搬送源に起因する脈動で流量計の計測値が変動した場合には、システムの制御性が低下することに加えて、流量計の絶対値が真値からずれ、改質器へ供給される原料ガスの流量が過剰または不足したりする可能性があり、システムの劣化要因となり、好ましくない。
【００２０】
（４）様相４に係る燃料電池システムによれば、上記様相において、第１脱硫器は、改質器および／または燃料電池を覆う断熱壁、または、改質器から排出される排ガス通路の熱を受熱する温度環境に設置されている。システムとして熱回収できない放熱分を利用して第１脱硫器を暖める。これにより熱回収効率の過剰低下等を発生させることなく、高温設置型の第１脱硫器を適当な高温環境（例えば５０〜２３０℃）に保持できる。従って、第１脱硫器の機能（高露点の原料ガスに対して良好な脱硫能を有する機能）を良好に果たすことができる。
【００２１】
（５）様相５に係る燃料電池システムによれば、上記様相において、燃料電池システムの発電運転で加熱された温水が通過する貯湯通路と、貯湯通路に連通し貯湯通路から供給された温水を溜める貯湯槽とが設けられており、第１脱硫器は、貯湯通路および貯湯槽のうちの少なくとも一方から受熱する温度環境に設置されている。温水（一般的には７０〜８０℃）と熱交換することにより、第１脱硫器の温度を適温に維持しやすい。更に貯湯通路の水は熱容量が大きいため、第１脱硫器内の温度分布を低減させることが可能となる。これにより第１脱硫器の使用量の低減を図ることが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、水蒸気が低めの低露点の原料ガスを脱硫させるときにおいても、更には、水蒸気が多く含まれる高露点の原料ガスを脱硫させるときにおいても、原料ガスに含まれる硫黄化合物を良好に脱硫でき、これにより原料ガスの露点の変化に対応できる。
【００２３】
加えて、高温設置型の第１脱硫器を通過した原料ガスの熱を低温設置型の第２脱硫器で授受し，第２脱硫器において放熱させる。このため第２脱硫器よりも下流に配置されている流量計へ流入する原料ガスの温度をできるだけ低下させることができ、流量計の耐熱の問題も抑制させることができ、流量計の長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態１に係り、燃料電池システムを示す概念図である。
【図２】実施形態２に係り、燃料電池システムを示す概念図である。
【図３】実施形態３に係り、燃料電池システムを示す概念図である。
【図４】実施形態４に係り、燃料電池システムを示す概念図である。
【図５】実施形態５に係り、燃料電池システムを示す概念図である。
【図６】参考形態１に係り、燃料電池システムを示す概念図である。
【図７】実施形態６に係り、燃料電池システムを示す概念図である。
【図８】実施形態７に係り、発電モジュールに付設されている第１脱硫器を示す概念図である。
【図９】実施形態８に係り、第１脱硫器を示す概念図である。
【図１０】実施形態９に係り、第１脱硫器を示す概念図である。
【図１１】適用形態に係り、燃料電池システムを示す概念図である。
【図１２】脱硫剤で形成された脱硫剤の温度と硫黄吸着能力と原料ガスの露点との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
高温設置型の第１脱硫器および低温設置型の第２脱硫器に収容される脱硫剤の基材として、ゼオライト、遷移金属等の金属を担持したゼオライト、活性炭、アルミナやセリアなどの金属酸化物等の多孔性物質が挙げられる。このよう脱硫剤の吸着原理は物理的吸着であると考えられているが、遷移金属等の金属を含む場合には、物理的吸着の他に化学的吸着も併有する形態でも良い。上記した金属としては、銀、銅、金、ロジウム、パラジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウム、ニッケル、鉄、クロム、モリブデンのうちの少なくとも１種が例示され、更に、これらを２種以上含む合金が例示される。第１脱硫剤は上記した金属を含むことが好ましい。ゼオライトは、アルミノケイ酸塩のなかで結晶構造中に空隙を持つものの総称であり、天然ゼオライトでも人工ゼオライトでも良い。脱硫剤は、原料ガスに含まれる硫黄化合物（例えばメチルメルカプタン、ジメチルサルファイド、ジメチルジサルフィド）だけでなく、原料ガスに含まれる水蒸気やHC等を物理吸着させる。脱硫剤はその吸着能力は水蒸気等の吸着物の種類や脱硫剤の温度により変化し、殊に常温領域では水蒸気によりダメージを受け易い。ここで、脱硫剤において、原料ガスに含まれる硫黄化合物の吸着を妨害する物質のうち、最も影響が大きいのが原料ガスに含まれる水蒸気と考えられている。よって、低露点（例えば０℃以下、−１０℃以下）の原料ガスを脱硫剤で脱硫させる場合には、原料ガスに含まれる水蒸気の含有量が少なく、水蒸気の影響が少ないため、原料ガスに含まれる硫黄化合物を吸着させる能力が効果的に発揮される。しかし、高露点の原料ガスを常温領域の脱硫剤に通過させる場合には、原料ガスに含まれる水蒸気の量が増加しているため、脱硫剤は水蒸気の影響を受け易く、脱硫剤が硫黄化合物を吸着させる能力を激減させる。このような性質を有する脱硫剤といえども、温度環境が高温（例えば、４０℃以上、５０℃以上、２００℃以下）になれば、水蒸気が脱硫剤に吸着されにくくなり、脱硫剤における水蒸気ダメージが激減し、結果として、脱硫剤が硫黄化合物を吸着させる量が良好に確保される。従って高温設置型の第１脱硫器は、高露点の原料ガスに対して有意義である。
【００２６】
図１２は、ゼオライト系の脱硫剤の温度と、脱硫剤の硫黄吸着能力と、脱硫剤で脱硫される原料ガスの露点との関係を示す。図１２において、特性線Ｗ１は、原料ガスの露点が−１８℃の場合を示す。特性線Ｗ２は、原料ガスの露点が−５℃の場合を示す。特性線Ｗ３は、原料ガスの露点が＋２０℃の場合を示す。原料ガスの露点温度が−５℃および−１８℃と低い場合には、原料ガスに含まれる水蒸気量が少ないため、特性線Ｗ１，Ｗ２として示すように、脱硫剤の温度が２０℃以上１２０℃の領域において変化したとしても、硫黄吸着能力は基本的には良好に維持される。これに対して、特性線Ｗ３として示すように、原料ガスの露点温度が＋２０℃と高温の場合には、原料ガスに含まれる水蒸気量が多いため、水蒸気の影響を受け、脱硫剤の硫黄吸着能力は低めとなる。特性線Ｗ３として示すように、脱硫剤の温度が２０℃以上５０℃未満の温度領域に低下すると、脱硫剤の硫黄吸着能力は急激に低下してしまう。このような特性をもつ多孔質物質を基材とする脱硫剤といえども、図１２から理解できるように、脱硫剤の温度が５０℃〜１２０℃と高温領域であれば、原料ガスの露点が＋２０℃の場合であっても、特性線Ｗ３の線部分ＷＡとして示すように、脱硫剤の硫黄吸着能力は、原料ガスの露点が低い場合比較して若干低下するものの、良好に確保される。７０１２０℃〜２００℃であっても同様と考えられる。このように露点が高くて水蒸気が多い原料ガスの場合には、硫黄吸着能力が著しく低下するという特性をもつ脱硫剤といえども、高温の温度環境に設置すれば、高露点で水蒸気量が多い原料ガスに対しても、硫黄吸着能力を良好に確保でき、勿論、低露点で水蒸気が少ない原料ガスに対しても、硫黄吸着能力を良好に確保できる。
【００２７】
（実施形態１）
図１は実施形態１を示し、燃料電池システムは、アノード１０およびカソード１１を有する燃料電池１と、燃料電池１のカソード１１にカソードガス（空気等の酸素含有ガス）を供給するカソードガス通路７０と、原料ガスを改質させてアノードガス（水素含有ガスまたは水素ガス）を生成させる改質器２Ａと、原料ガスを脱硫させた状態で改質器２Ａに供給させるガス搬送源として機能するポンプ６０を有する原料ガス通路６と、改質器２Ａで生成されたアノードガスを燃料電池１のアノード１０に供給させるアノードガス通路７３と、アノードガス通路７３、改質器２Ａおよび燃料電池１を収容する断熱壁１９とを有する。発電モジュール１８は、改質器２Ａ、燃料電池１、断熱壁１９で形成されている。改質用の水または水蒸気が供給させる給水通路８が改質器２Ａに接続されている。
【００２８】
図１に示すように、原料ガス通路６は、遮断弁６９、第１脱硫剤を収容する高温設置型の第１脱硫器１００と、第２脱硫剤を収容する低温設置型の第２脱硫器２００と、第１脱硫器１００および第２脱硫器２００を経た原料ガスの流量を計測する流量計３００とを有する。原料ガス通路６は、上流から下流にかけて、即ち、遮断弁６９から発電モジュール１８にかけて、第１脱硫器１００、第２脱硫器２００および流量計３００をこの順に直列に配置している。具体的には、原料ガス通路６は、上流から下流にかけて、遮断弁６９、露点計５１０、第１脱硫器１００、第２脱硫器２００、流量計３００をこの順に配置している。第１脱硫器１００は、相対的に高温の第１環境（５０℃以上、２００℃以下の温度環境）に設置されており、具体的には、発電モジュール１８の断熱壁１９から受熱（熱伝導、輻射熱の受熱）できるように、断熱壁１９の外壁面に接触または接近状態で隣設されて配置されている。第１脱硫器１００は、相対的に高露点の原料ガスに対しても脱硫性能をもつ第１脱硫剤を収容する。第１脱硫剤としては、ゼオライトが挙げられるが、銀や銅等の金属を担持したゼオライト、活性炭等の多孔質材料でも良い。この第１脱硫剤の平均粒径は特に限定されないが、１〜２ｍｍが例示される。但しこれに限定されるものではない。
【００２９】
第２脱硫器２００は、第１環境よりも相対的に低温（一般的には０〜５０℃未満）の第２環境に設置されており、高温の発電モジュール１８から離間して配置されている。第２脱硫器２００の第２脱硫剤は、相対的に低露点の原料ガスに対して脱硫性能をもつ。第２脱硫器２００では、相対的に高露点の原料ガス（水蒸気が相対的に多い）に対して、相対的に低露点の原料ガス（水蒸気が相対的に少ない）よりも脱硫性能を低下させる（図１２参照）。このような第２脱硫剤としてはゼオライトが挙げられる。この第２脱硫剤の平均粒径は特に限定されないが、１〜２ｍｍが例示される。但しこれに限定されるものではない。原料ガスとしては炭化水素系が例示される。
【００３０】
一般的には、原料ガス（例えば都市ガス（１３Ａ））は低露点（例えば０℃以下、−１０℃以下、−２０℃以下）であり、原料ガスに含有されている水蒸気は微小量である。しかしガス配管工事、配管等の事情により、原料ガスに含まれる水蒸気量が増加し、高露点（例えば＋２０℃露点以上）の原料ガスが供給される可能性が少なからずある。この場合、脱硫剤は短期間で劣化し、原料ガスに腐臭剤として含まれる硫黄化合物が改質器２Ａ等に流入し、改質器２Ａ等の耐久性を低下させる可能性がある。これに対し、高温設置型の第１脱硫器１００は、相対的に高露点の原料ガスに対しても脱硫性能をもつものであるため、高露点の原料ガスが供給される場合であっても、脱硫効果を良好に得ることができる。また、通常的には、低露点の原料ガスが原料ガス通路６に供給されるが、相対的に低露点の原料ガスに対して良好な脱硫性能をもつ第２脱硫器２００が第１脱硫器１００の他に設けられている。このため、第１脱硫器１００での不足分については第２脱硫器２００を設けることで、低露点の原料ガスに対しても脱硫性能を確保することができる。なお、低露点の原料ガスを高温設置型の第１脱硫器１００のみで脱硫させる場合には、次の不具合がある。このような不具合を解消させるため、高温設置型の第１脱硫器１００と低温設置型の第２脱硫器２００との双方を設けることが好ましい。すなわち、低露点の原料ガスを脱硫させる場合には、一般的には、脱硫剤の温度が低温ほど脱硫効率が良いため、低露点の原料ガスを高温設置型の第１脱硫器１００のみで脱硫させる場合には、脱硫効率が充分ではなく、第１脱硫器１００の第１脱硫剤の使用量を過剰に増加させる必要がある不具合がある。しかし第１脱硫器１００および第２脱硫器２００の双方を設けることにより、低露点の原料ガスについては第１脱硫器１００で主として分担し、高露点の原料ガスについては第２脱硫器２００で分担することで、全体としての第１脱硫剤および第２脱硫剤の合計の使用量を低減でき、システムの小型化が可能となる。
【００３１】
また、低露点の原料ガスを高温設置型の第１脱硫器１００のみで脱硫させる場合には、脱硫効率が充分ではないため、高温の第１脱硫器１００に収容する第１脱硫剤の使用量を増大させる必要がある不具合がある。更に、この場合には、第１脱硫器１００からの放熱量が増大し、システムの熱ロスが増大し、排熱回収効率が低下する不具合がある。ここで、高温設置型の第１脱硫器１００に使用される第１脱硫剤は、一般市場に流れている低温設置型の脱硫剤に対し高価である。しかし本実施形態によれば、高温設置型の第１脱硫器１００および低温設置型の第２脱硫器２００の双方を設けている。そして、低露点の原料ガスについては主として第１脱硫器１００で分担し、高露点の原料ガスについては主として第２脱硫器２００で分担することで、高温設置型の第１脱硫器１００に使用されるコスト高の脱硫剤の使用量を低減でき、コスト低減が図れる。
【００３２】
さて、上記構成とした場合には、脱硫剤は、温度に対して炭化水素基（例えばメタンやブタン等）の吸着または脱着特性を持っている。このため、システムの起動・停止時や、システムの負荷変動等に伴い、脱硫剤温度が変化すると、脱硫剤温度の変化に伴い、炭化水素基が脱硫剤に対して吸着または脱着することがある。高温設置型の第１脱硫器１００のように高温域に第１脱硫剤を設置する場合には、その度合が更に大きい。このため、従来技術のように流量計３００が脱硫器よりも上流にあるときには、流量計３００で原料ガスの流量を正確に計測したにも拘わらず、脱硫器において炭化水素基（例えばメタンやブタン等）の吸着または脱着が発生すると、改質器２Ａに供給される原料ガスの流量が変動するおそれがある。すなわち、脱硫器において炭化水素基が吸着または脱着し、改質器に実際に供給される原料ガスの流量の過剰または不足が生じるおそれがある。ここで、原料ガスが不足した場合には、燃料電池において原料ガスの欠乏による劣化が進行するおそれがある。また、原料ガスが過剰となった場合には、異常高温による劣化が促進させるおそれがある。そのため、温度によって炭化水素基を吸着または脱着させる特性を持つ第１脱硫器１００よりも下流に流量計３００を設置することが好ましい。しかし、第１脱硫器１００よりも下流に流量計３００が設置されている場合には、高温設置型の第１脱硫器１００を通過した原料ガスは熱をもち、原料ガスは、流量計３００の耐熱温度以上となり易いため、流量計３００の故障を誘発させるおそれがある。
【００３３】
そこで本実施形態によれば、図１に示すように、原料ガス通路６において第１脱硫器１００および第２脱硫器２００の双方よりも下流に流量計３００を設置し、改質器２Ａ等に安定的に原料ガスを供給可能となる。さらに原料ガスを、高温設置型の第１脱硫器１００→低温設置型の第２脱硫器２００の順に流すことで、第１脱硫器１００を通過した原料ガスの熱を第２脱硫器２００で授受し，第２脱硫器２００において放熱させることができる。このため、熱の影響を受け易い流量計３００へ流入する原料ガスの温度をできるだけ低下させることができる。この場合、流量計３００の耐熱の問題も解消することが可能となる。なお、第１脱硫器１００を通過した原料ガスが保有する熱量は小さいため、第２脱硫器２００における放熱で充分に原料ガスを低温化できる。なおポンプ６０は圧力の脈動を発生させにくいものが好ましい。
【００３４】
（実施形態２）
図２は実施形態２を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同じ構成、同じ作用効果を有する。図２に示すように、原料ガス通路６には、バッファ室４０１をもつバッファ４００が設けられている。原料ガス通路６は、上流から下流にかけて、遮断弁６９、第１脱硫器１００、第２脱硫器２００、流量計３００、バッファ４００と、ポンプ６０とをこの順に直列に配置している。バッファ４００は中空室であるバッファ室４０１を有する。ポンプ６０は、原料ガス通路６において原料ガスを発電モジュール１８の改質器２Ａに向けて搬送させるものであるが、原料ガスの圧力の脈動を発生させるおそれがある。そこで図２に示すように、原料ガス通路６において、第１脱硫器１００、第２脱硫器２００、流量計３００、バッファ４００、ポンプ６０をこの順に直列に配置している。この場合、図２に示すように、バッファ４００は、流量計３００の下流、且つ、ポンプ６０の上流に配置されている。流量計３００は第２脱硫器２００に対して直後の下流に配置されている。すなわち、脈動原因となるポンプ６０と、脈動を受けたくない流量計３００との間には、バッファ４００が介在する。このため流量計３００はポンプ６０の脈動の影響を受けにくくなる。この場合、システムの安定運転に有利である。換言すると、図２に示すように、第１脱硫器１００→第２脱硫器２００→流量計３００→バッファ４００→ポンプ６０の配列が設けられているため、ポンプ６０の脈動をバッファ４００により吸収することができる。このため流量計３００の流量脈動を抑止することができる。これにより流量計３００の出力値が安定し、制御上の安定性が確保されるとともに、脈動による流量計３００の出力値が真値から外れる挙動も抑えることが可能となる。
【００３５】
（実施形態３）
図３は実施形態３を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同じ構成、同じ作用効果を有する。図３に示すように、原料ガス通路６は、上流から下流にかけて、第１脱硫器１００と、第２脱硫器２００と、流量計３００と、バッファ４００と、ポンプ６０と、逆止弁として機能するチャッキ弁５００とをこの順に配置している。ポンプ６０は、原料ガス通路６において原料ガスを改質器２Ａに向けて搬送させるものであるが、原料ガスの圧力の脈動を発生させるおそれがある。チャッキ弁５００は作動により原料ガスの圧力の脈動を発生させるおそれがある。そこで図３に示すように、原料ガス通路６は、第１脱硫器１００、第２脱硫器２００、流量計３００、バッファ４００、ポンプ６０、チャッキ弁５００をこの順に配置している。すなわち、流量計３００とチャッキ弁５００（ポンプ６０）との間にはバッファ４００が介在している。このため、流量計３００とチャッキ弁５００（ポンプ６０）との間にバッファ４００が介在するため、流量計３００は、ポンプ６０およびチャッキ弁５００に起因する脈動の影響を受けにくくなる。この場合、流量計３００が原料ガスの流量を計測させる精度が確保され、システムの安定運転に有利である。
【００３６】
図３に示すように、原料ガス通路６において、第１脱硫器１００→第２脱硫器２００→流量計３００→バッファ４００→昇圧用のポンプ６０→チャッキ弁５００の順に配置されている。第１脱硫器１００は発電モジュール１８の断熱壁１９の外壁面側に接触または近接するように設置されており、規定温度範囲（例えば、６０〜２００℃、または、６０〜１５０℃）に維持されるように設置されている。第２脱硫器２００は、システムの筐体の内部において、発電モジュール１８から離間する相対的に低温の環境（０℃以上、５０℃未満）に設置されている。ここで、原料ガスが第１脱硫器１００を流通することで、原料ガスは昇温され、第２脱硫器２００に供給される。原料ガスの持っている熱量は数Ｗのため、第２脱硫器２００のうちの上流側の温度が若干上昇する。ここで、原料ガスは第２脱硫器２００における放熱にてシステムの筐体の内部温度（例えば、２０〜５０℃）まで低下し、流量計３００、バッファ４００、チャッキ弁５００、発電モジュール１８の改質器２Ａに送られる。これにより、流量計３００に入る原料ガスの温度は５０℃未満または４０℃未満となり、流量計３００の耐熱温度以下となり、流量計３００の故障を招くことなくシステムを運転可能である。
【００３７】
また、システムの起動〜停止までにおける第１脱硫器１００に収容されている第１脱硫剤の温度変化に起因して、第１脱硫器１００において炭化水素基の吸着または脱着が起こり得る。この点について本実施形態によれば、流量計３００が脱硫器１００，２００よりも下流に配置されていることで、発電モジュール１８へ流入する原料ガス（吸着または脱着後の原料ガス）の単位時間あたり流量を正確に把握することができる。この場合、発電モジュール１８におけるガス欠による劣化を抑止することができる。
【００３８】
（実施形態４）
図４は実施形態４を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同じ構成、同じ作用効果を有する。図４に示すように、原料ガス通路６は、上流から下流にかけて、ポンプ６０と、第１脱硫器１００と、第２脱硫器２００と、流量計３００とをこの順に具備する。すなわち、第１脱硫器１００および第２脱硫器２００よりも上流にポンプ６０が配置されている。ポンプ６０は、原料ガスの脈動を発生させるおそれがある。そこで、ポンプ６０を第１脱硫器１００よりも上流に設置する。この場合、ポンプ６０と流量計３００との間に配置された第１脱硫器１００および第２脱硫器２００が、脈動抑制用のバッファとして機能することができる。このように第１脱硫器１００および第２脱硫器２００が脱硫能を発揮しつつバッファを兼用するため、専用のバッファを設けることが不要であり、システムの小型化、低コスト化が図れる。なお、ポンプ６０に起因する脈動で流量計３００の流量値が脈動した場合には、システムの制御性が低下することに加えて、流量計３００の絶対値が真値からずれ、改質器２Ａへ供給される原料ガスの流量が過剰または不足したりする可能性があり、システムの劣化要因となるおそれがある。
【００３９】
（実施形態５）
図５は実施形態５を示す。本実施形態は前記した実施形態４と基本的には同じ構成、同じ作用効果を有する。図５に示すように、原料ガス通路６は、上流から下流にかけて、ポンプ６０、第１脱硫器１００、第２脱硫器２００、冷却部６００、流量計３００をこの順に直列に配置している。ポンプ６０は、原料ガスの脈動を発生させるおそれがある。そこで、ポンプ６０を流量計３００から離間させるべく、第１脱硫器１００よりも上流に設置する。この場合、ポンプ６０と流量計３００との間に配置された第１脱硫器１００および第２脱硫器２００が、脈動抑制用のバッファとして機能することができ、専用のバッファを設けることが不要である。また、流量計３００は熱に弱いが、高温設置型の第１脱硫器１００を通過した原料ガスを第２脱硫器２００および冷却部６００で放熱させることにより、原料ガスを冷却させる。このため低温の原料ガスが流量計３００に供給され、流量計３００が熱から保護される。チャッキ弁５００と流量計３００との間にはバッファ４００が設けられているため、チャッキ弁５００の作動の影響を流量計３００が受けることが抑制される。冷却部６００としては、放熱フィン方式、冷却風が当たる方式、冷却水と熱交換する方式が例示される。
【００４０】
（参考形態１）
図６は参考形態１を示す。本実施形態は前記した実施形態５と基本的には同じ構成、同じ作用効果を有する。図６に示すように、高温設置型の第１脱硫器１００が設けられているものの、常温設置型の第２脱硫器２００が設けられていない。図６に示すように、原料ガス通路６は、遮断弁６９、ポンプ６０、第１脱硫器１００、冷却部６００、流量計３００をこの順に直列に配置させている。第１脱硫器１００と流量計３００との間には冷却部６００が配置されている。冷却部６００としては、放熱フィン方式、冷却風が当たる方式、冷却水と熱交換する方式が例示される。流量計３００は熱に弱いが、高温設置型の第１脱硫器１００を通過した原料ガスを冷却部６００で放熱させることにより、原料ガスを冷却させる。このため流量計３００を熱から保護させ易い。また図６に示すように、原料ガス通路６において、流量計３００、バッファ４００、チャッキ弁５００の順に配置されているため、ポンプ６０が脈動を発生させたとしても、流量計３００は脈動に影響され難い。
【００４１】
（実施形態６）
図７は実施形態６を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同じ構成、同じ作用効果を有する。図７に示すように、原料ガス通路６は、上流から下流にかけて、すなわち、遮断弁６９から発電モジュール１８に向かうにつれて、高温設置型の第１脱硫器１００、低温設置型の第２脱硫器２００、流量計３００、バッファ４００、ポンプ６０、チャッキ弁５００とをこの順に配置している。燃料電池システムの発電運転で発生した排ガスとの熱交換で加熱された温水が通過する貯湯通路７８と、貯湯通路７８に連通し貯湯通路７８から供給された温水を溜める貯湯槽とが設けられている。貯湯通路７８には貯湯ポンプ７９が設けられている。発電モジュール１８における改質器２Ａや燃料電池１から排出された排気ガスは、排ガス通路７５から、排気用の熱交換器７６の通路７５ａを介して外部に排気される。貯湯ポンプ７９が作動すると、貯湯槽７７の水は貯湯槽７７の吐出ポート７７ｐから熱交換器７６の通路７８ａを流れ、排ガス通路７５の高温の排気ガスと熱交換して受熱されて昇温し、更に、第１脱硫器１００の通路１００ａを流れ、帰還ポート７７ｉから貯湯槽７７に帰還する。このように貯湯槽７７の水は温水となる。このように温水は第１脱硫器１００の通路１００ａを流れるため、第１脱硫器１００は５０〜９５℃の温度領域に昇温される。このように第１脱硫器１００は、貯湯通路７８および貯湯槽７７のうちの少なくとも一方から受熱する温度環境に設置されている。温水（一般的には７０〜９５℃）と熱交換することにより、第１脱硫器１００の温度を適温に維持しやすい。更に貯湯通路７８の水は熱容量が大きいため、第１脱硫器１００内の温度分布を低減させることができる。これにより第１脱硫器１００に収容されている第１脱硫剤の使用量の低減させることができる。
【００４２】
（実施形態７）
図８は実施形態７を示す。図８に示すように、上記した発電モジュール１８（加熱源）の断熱壁１９の側面１９ｓ（表面）には、高温設置型の第１脱硫器１００が伝熱可能に接触させつつ、図略の取付具により取り付けられている。断面壁１９の上面または下面に取り付けても良い。第１脱硫器１００の脱硫室１０１には、ゼオライト系の多孔質物質を基材とする粒状の第１脱硫剤が収容されている。発電モジュール１８の熱は高温設置型の第１脱硫器１００に伝熱および輻射熱により伝達される。図８に示すように、第１脱硫器１００の脱硫室１０１は、Ｕターン用の複数の開口１０３を形成する複数の仕切板１０４により仕切られて複数回曲成されている。入口１０１ｉから流入した原料ガスは蛇行するように複数回Ｕターンを繰り返し、脱硫距離を確保し、出口１０１ｐから改質器２Ａに向けて吐出される。第１脱硫器１００の厚みｔｘは発電モジュール１８の幅ｔｙよりも薄く、偏平箱形状をなすことが好ましい。この場合、発電モジュール１８の断熱壁１９の側面１９ｓ（表面）からの受熱面積を増加でき、第１脱硫器１００に収容されている第１脱硫剤の温度ばらつきの低減に有利である。システムを長期間停止していた場合等のように、システムの起動時に発電モジュール１８の断熱壁１９が高温ではないことがある。そこで、図８に示すように、高温設置型の第１脱硫器１００の外壁面に電気ヒータ１０９を設けることが好ましい。システムの起動時には、電気ヒータ１０９により高温設置型の第１脱硫器１００の第１脱硫剤を暖め、５０℃以上の温度環境に設定する。発電モジュール１８の断熱壁１９が高温になったら、電気ヒータ１０９をオフさせれば良い。場合によっては、電気ヒータ１０９を廃止させても良い。なお、各実施形態について、高温設置型の第１脱硫器１００に電気ヒータを設けることが好ましい。
【００４３】
（実施形態８）
図９は実施形態８を示す。図９に示すように、温水が流れる貯湯通路７８の復路７８ｃを形成するパイプ７８ｘに対して、多孔質物質を基材とする第１脱硫剤が収容された高温設置型の第１脱硫器１００は、接合部１２０（例えば溶接部またはろう付け部）で接触されつつ並走されている。貯湯通路７８を流れる温水（例えば５０℃〜９５℃）の熱により第１脱硫器１００は、加熱されて５０℃以上の高温環境に昇温される。パイプ７８ｘの代わりに、改質器や燃料電池等から排出される高温の排ガスが流れる排ガス通路７５としても良い。
【００４４】
（実施形態９）
図１０は実施形態９を示す。図１０に示すように、温水が流れる貯湯通路７８の復路７８ｃを形成するパイプ７８ｘは、第１脱硫剤が収容された高温用の第１脱硫器１００にスパイラル状に巻回されている。貯湯通路７８を流れる温水（例えば５０℃〜９５℃）の熱により第１脱硫器１００は加熱されて５０℃以上の高温環境に昇温される。パイプ７８ｘの代わりに、改質器や燃料電池等から排出される高温の排ガスが流れる排ガス通路７５としても良い。
【００４５】
（適用形態１）
図１１は適用形態１の概念を示す。図１１に示すように、燃料電池システムは、燃料電池１と、液相状の水を蒸発させて水蒸気を生成させる蒸発部２と、蒸発部２で生成された水蒸気を用いて燃料を改質させてアノードガスを形成する改質部３と、蒸発部２に供給される液相状の水を溜めるタンク４と、これらを収容する筐体５とを有する。燃料電池１は、イオン伝導体を挟むアノード１０とカソード１１とをもち、例えば、ＳＯＦＣとも呼ばれる固体酸化物形燃料電池（運転温度：例えば４００℃以上）を適用できる。改質部３は、セラミックス等の担体に改質触媒を担持させて形成されており、蒸発部２に隣設されている。改質部３および蒸発部２は改質器２Ａを構成しており、燃料電池１と共に断熱壁１９で包囲され、発電モジュール１８を形成している。改質部３の内部には、改質部３の温度を検知する温度センサと、燃料を着火させるヒータである着火部が設けられている。着火部は改質部３の燃料に着火できるものであれば何でも良い。温度センサの信号は制御部１００Ｘに入力される。
【００４６】
システムの発電運転時には、改質器２Ａは改質反応に適するように断熱壁１９内において加熱される。発電運転時には、蒸発部２は水を加熱させて水蒸気とさせ得るように加熱される。燃料電池１がＳＯＦＣタイプの場合には、アノード１０側から排出されたアノード排ガスとカソード１１側から排出されたカソード排ガスが燃焼部１０５で燃焼するため、改質部３および蒸発部２は、発電モジュール１８の内部において同時に加熱される。図１１に示すように、原料ガス通路６は、ガス源６３から原料ガスを改質器２Ａに供給させるものであり、ポンプ６０、高温設置型の第１脱硫器１００、低温設置型の第２脱硫器２００、流量計３００、チャッキ弁５００をもつ。
【００４７】
図１１は、あくまでも燃料電池システムの一例の概念的なレイアウトを示すものである。実際には、第１脱硫器１００は、銀等の金属を有するゼオライト系の多孔質物質を基材とする第１脱硫剤を収容しており、発電モジュール１８（加熱源）の断熱壁１９に伝熱可能に接触されている。システムの運転時には、第１脱硫器１００は、発電モジュール１８の断熱壁１９から受熱して５０℃以上２３０℃以下の高温領域に加熱される。第２脱硫器２００は、ゼオライト系の多孔質物質を基材とする第２脱硫剤を収容しており、発電モジュール１８（加熱源）の断熱壁１９から離間しており、常温領域（０℃〜５０℃未満の温度領域）に設置されている。燃料電池１のカソード１１には、カソードガス（空気）をカソード１１に供給させるためのカソードガス通路７０が繋がれている。カソードガス通路７０には、カソードガス搬送用の搬送源として機能するカソードポンプ７１が設けられている。
【００４８】
図１１に示すように、筐体５は外気に連通する吸気口５０と排気口５１とをもち、更に、第１室である上室空間５２と、第２室である下室空間５３とをもつ。燃料電池１は、改質部３および蒸発部２と蒸発部２と改質部３を加熱する燃焼部１０５と、共に、筐体５の上側つまり上室空間５２に収容されている。筐体５の下室空間５３には、改質部３で改質される液相状の水を溜めるタンク４が収容されている。タンク４には、電気ヒータ等の加熱機能をもつ加熱部４０が設けられている。加熱部４０は、タンク４に貯留されている水を加熱させるものであり、電気ヒータ等で形成できる。外気温度等の環境温度が低いとき等には、制御部１００Ｘからの指令に基づいて、タンク４の水は加熱部４０により所定温度（例えば５℃、１０℃、２０℃）以上に加熱され、凍結が抑制される。図１１に示すように、下室空間５３側のタンク４の出口ポート４ｐと上室空間５２側の蒸発部２の入口ポート２ｉとを連通させる給水通路８が、配管として筐体５内に設けられている。図１１に示すように、筐体５内において、タンク４は蒸発部２の下側に配置されているため、給水通路８は基本的には縦方向に沿って延びる。給水通路８は、タンク４内に溜められている水をタンク４から蒸発部２に供給させる通路である。給水通路８には、タンク４内の水を蒸発部２まで搬送させる水搬送源として機能するポンプ８０が設けられている。ポンプ８０を制御するための制御部１００Ｘが設けられている。更に、制御部１００Ｘはポンプ７１，７９，６０を制御する。
【００４９】
システムの運転時において、ポンプ８０が駆動すると、タンク４内の水は、タンク４の出口ポート４ｐから蒸発部２の入口ポート２ｉに向けて給水通路８内を搬送され、蒸発部２で加熱されて水蒸気とされる。水蒸気は原料ガス通路６から供給される原料ガスと共に改質部３に移動する。改質部３において燃料は、水蒸気で改質されてアノードガス（水素含有ガス）となる。なお燃料がメタン系である場合には、水蒸気改質によるアノードガスの生成は、次の（１）式に基づくと考えられている。但し燃料はメタン系に限定されるものではない。
（１）…ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→４Ｈ２＋ＣＯ２
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ
生成されたアノードガスはアノードガス通路７３を介して燃料電池１のアノード１０に供給される。更にカソードガス（酸素含有ガス、筐体５内の空気）がカソードガス通路７０を介して燃料電池１のカソード１１に供給される。これにより燃料電池１が発電する。燃料電池１で排出された高温の排ガスは、排ガス通路７５を介して筐体５の外方に排出される。
【００５０】
排ガス通路７５には、凝縮機能をもつ熱交換器７６が設けられている。貯湯槽７７に繋がる貯湯通路７８および貯湯ポンプ７９が設けられている。貯湯通路７８は往路７８ａおよび復路７８ｃをもつ。貯湯槽７７の低温の水は、貯湯ポンプ７９の駆動により、貯湯槽７７の吐出ポート７７ｐから吐出されて往路７８ａを通過し、熱交換器７６に至り、熱交換器７６の熱交換作用により加熱される。熱交換器７６で加熱された温水は、復路７８ｃを介して帰還ポート７７ｉから貯湯槽７７に帰還する。このようにして貯湯槽７７の水は温水となる。前記した排ガスに含まれていた水蒸気は、熱交換器７６で凝縮されて凝縮水となる。凝縮水は、熱交換器７６から延設された凝縮水通路４２を介して重力等により水精製器４３に供給される。水精製器４３はイオン交換樹脂等の水精製器４３ａを有するため、凝縮水の不純物は除去される。不純物が除去された水は水タンク４に移動し、水タンク４に溜められる。ポンプ８０が駆動すると、水タンク４内の水は給水通路８を介して高温の蒸発部２に供給され、蒸発部２で水蒸気とされて改質部３に供給され、改質部３において燃料を改質させる改質反応として消費される。
【００５１】
（その他）
本発明は上記し且つ図面に示した各実施形態および適用形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。燃料電池は、固体酸化物形燃料電池に限定されず、場合によっては、固体高分子電解質形燃料電池でも良いし、リン酸形燃料電池でも良く、溶融炭酸塩形燃料電池でも良い。要するに、原料ガスを脱硫させる高温設置型の第１脱硫器および低温設置型の第２脱硫器を直列に有する燃料電池システムであれば良い。原料ガスも特に制限されず、硫黄化合物を含むガスが挙げられ、都市ガス、プロパンガス、バイオガス、ＬＰＧガス、ＣＮＧガス等を例示できる。第１脱硫器は水素添加により硫黄化合物を脱硫させる脱硫器でも良い。要するには、原料ガス通路は上流から下流にかけて第１脱硫器、第２脱硫器および流量計をこの順に配置させていれば良い。本明細書の記載から次の技術的思想が把握される。
【００５２】
（付記項１）アノードおよびカソードを有する燃料電池と、前記燃料電池の前記カソードにカソードガスを供給するカソードガス通路と、原料ガスを改質させてアノードガスを生成させる改質器と、前記原料ガスを脱硫させた状態で前記改質器に供給させるガス搬送源を有する原料ガス通路と、前記改質器で生成された前記アノードガスを前記燃料電池の前記アノードに供給させる前記アノードガス通路とを具備しており、前記原料ガス通路は、相対的に高温の環境に設置され且つ相対的に高露点の原料ガスに対しても脱硫性能をもつ脱硫剤を収容する高温設置型の第１脱硫器を具備する燃料電池システム。高露点の原料ガスに対してダメージを受けにくいため、高露点の原料ガスに対して有効である。
【００５３】
（付記項２）付記項１において、原料ガス通路は、遮断弁、ポンプ、第１脱硫器、冷却部、流量計をこの順に直列に配置させている燃料電池システム。第１脱硫器と流量計との間には冷却部が配置されている。流量計は熱に弱い。高温設置型の第１脱硫器を通過した原料ガスを冷却部で放熱させることにより、原料ガスを冷却させる。このため流量計を熱から保護させ易い。
【符号の説明】
【００５４】
１は燃料電池、１０はアノード、１１はカソード、２Ａは改質器、２は蒸発部、３は改質部、１８は発電モジュール、１９は断熱壁、６０はポンプ（ガス搬送源）、７０はカソードガス通路、７３はアノードガス通路、７５は排ガス通路、７６は熱交換器、７７は貯湯槽、７８は貯湯通路、７９は貯湯ポンプ、１００は第１脱硫器、２００は第２脱硫器、６，５００は原料ガス通路、５１０は露点計を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードおよびカソードを有する燃料電池と、前記燃料電池の前記カソードにカソードガスを供給するカソードガス通路と、原料ガスを改質させてアノードガスを生成させる改質器と、前記原料ガスを脱硫させた状態で前記改質器に供給させるガス搬送源を有する原料ガス通路と、前記改質器で生成された前記アノードガスを前記燃料電池の前記アノードに供給させる前記アノードガス通路とを具備しており、
前記原料ガス通路は、相対的に高温の第１環境に設置され且つ相対的に高露点の原料ガスに対しても脱硫性能が高い高温設置型の第１脱硫器と、前記第１環境よりも相対的に低温の第２環境に設置され、相対的に低露点の原料ガスに対して脱硫性能が高いと共に、相対的に高露点の原料ガスに対して相対的に低露点の原料ガスよりも脱硫性能を低下させやすい低温設置型の第２脱硫器と、前記原料ガスの流量を計測する流量計とを具備しており、
前記原料ガス通路は、これの上流から下流にかけて、前記第１脱硫器、前記第２脱硫器および前記流量計とをこの順に配置させている燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、前記原料ガス通路は、バッファ室をもつバッファを有しており、上流から下流にかけて、前記第１脱硫器と、前記第２脱硫器と、前記流量計と、前記バッファと、前記ガス搬送源とをこの順に配置させている燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１において、前記原料ガス通路は、これの上流から下流にかけて、前記ガス搬送源と、前記第１脱硫器と、前記第２脱硫器と、前記流量計とをこの順に配置させている燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のうちの一項において、前記第１脱硫器は、前記改質器および／または燃料電池を覆う断熱壁、または、前記改質器から排出される排ガス通路の熱を受熱する温度環境に設置されている燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜３のうちの一項において、前記燃料電池システムの発電運転で加熱された温水が通過する貯湯通路と、前記貯湯通路に連通し前記貯湯通路から供給された温水を溜める貯湯槽とが設けられており、
前記第１脱硫器は、前記貯湯通路および前記貯湯槽のうちの少なくとも一方から受熱する温度環境に設置されている燃料電池システム。
【請求項１】
アノードおよびカソードを有する燃料電池と、前記燃料電池の前記カソードにカソードガスを供給するカソードガス通路と、原料ガスを改質させてアノードガスを生成させる改質器と、前記原料ガスを脱硫させた状態で前記改質器に供給させるガス搬送源を有する原料ガス通路と、前記改質器で生成された前記アノードガスを前記燃料電池の前記アノードに供給させる前記アノードガス通路とを具備しており、
前記原料ガス通路は、相対的に高温の第１環境に設置され且つ相対的に高露点の原料ガスに対しても脱硫性能が高い高温設置型の第１脱硫器と、前記第１環境よりも相対的に低温の第２環境に設置され、相対的に低露点の原料ガスに対して脱硫性能が高いと共に、相対的に高露点の原料ガスに対して相対的に低露点の原料ガスよりも脱硫性能を低下させやすい低温設置型の第２脱硫器と、前記原料ガスの流量を計測する流量計とを具備しており、
前記原料ガス通路は、これの上流から下流にかけて、前記第１脱硫器、前記第２脱硫器および前記流量計とをこの順に配置させている燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、前記原料ガス通路は、バッファ室をもつバッファを有しており、上流から下流にかけて、前記第１脱硫器と、前記第２脱硫器と、前記流量計と、前記バッファと、前記ガス搬送源とをこの順に配置させている燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１において、前記原料ガス通路は、これの上流から下流にかけて、前記ガス搬送源と、前記第１脱硫器と、前記第２脱硫器と、前記流量計とをこの順に配置させている燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のうちの一項において、前記第１脱硫器は、前記改質器および／または燃料電池を覆う断熱壁、または、前記改質器から排出される排ガス通路の熱を受熱する温度環境に設置されている燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜３のうちの一項において、前記燃料電池システムの発電運転で加熱された温水が通過する貯湯通路と、前記貯湯通路に連通し前記貯湯通路から供給された温水を溜める貯湯槽とが設けられており、
前記第１脱硫器は、前記貯湯通路および前記貯湯槽のうちの少なくとも一方から受熱する温度環境に設置されている燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１６９０４５（Ｐ２０１２−１６９０４５Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６６４４（Ｐ２０１１−２６６４４）
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
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