燃料電池システム
【課題】燃料電池システムの耐久性の低下を抑制すると共に、燃料ガスから除去した水分を効率よく処理することのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】再生用燃焼器２２が乾燥器２１を加熱することによって乾燥剤から水分を放出させることで、乾燥剤を再生させることができる。ここで、乾燥剤の再生処理時には、バイパスラインとして機能するラインＬ２によって乾燥器２１と再生用燃焼器２２とが脱硫部２をバイパスして接続され、再生用燃焼器２２が乾燥器２１の乾燥剤から放出された水分を燃焼処理することができる。乾燥剤から放出された水分は、脱硫部２を通ることなく再生用燃焼器２２にて燃焼処理される。従って、乾燥剤から放出された水分に不純物が含まれていた場合であっても、燃料電池システム１の各要素の耐久性に影響を与えることなく、水分を燃焼処理することが可能である。
【解決手段】再生用燃焼器２２が乾燥器２１を加熱することによって乾燥剤から水分を放出させることで、乾燥剤を再生させることができる。ここで、乾燥剤の再生処理時には、バイパスラインとして機能するラインＬ２によって乾燥器２１と再生用燃焼器２２とが脱硫部２をバイパスして接続され、再生用燃焼器２２が乾燥器２１の乾燥剤から放出された水分を燃焼処理することができる。乾燥剤から放出された水分は、脱硫部２を通ることなく再生用燃焼器２２にて燃焼処理される。従って、乾燥剤から放出された水分に不純物が含まれていた場合であっても、燃料電池システム１の各要素の耐久性に影響を与えることなく、水分を燃焼処理することが可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとして、燃料ガス中に含まれる水分を除去するものが知られている。例えば、バイオガスを原燃料とする燃料電池システムであって、脱硫器の上流側において冷却器を用いて原燃料中の水分を除去するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、供給される水分によって脱硫触媒の耐久性が損なわれることを防止しており、更に、冷却器の冷却に燃料電池システムの排熱が利用されている。また、水素含有ガスの水分を除去する除湿装置がセルスタックの上流に設けられた燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献２参照）。この燃料電池システムは、除湿効率を向上させるために、水素含有ガスの温度を選択的に下げる冷却装置を備えている。また、原燃料に含まれている水分を選択的に吸収する脱湿部、及び脱湿部を通過した炭化水素燃料に含まれている硫黄化合物を吸収する脱硫部を備えた燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１９８９２０号公報
【特許文献２】特開２００７−０４２６４９号公報
【特許文献３】特開２００８−２７７３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、脱硫部よりも上流側で水分除去を行った場合、回収された水分には不純物が含まれている可能性がある。このように不純物が含まれている水分を燃料電池システム内で使用した場合、燃料電池システムの耐久性が損なわれる可能性がある。不純物が含まれている水分を燃料電池システム内で利用せずに外部へ排出する場合も、排出の際に処理を行うための装置が別途必要となる。従来の燃料電池システムでは、回収された水分の不純物についての処理が考慮されていないという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、燃料電池システムの耐久性の低下を抑制すると共に、燃料ガスから除去した水分を効率よく処理することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスを脱硫する脱硫部と、燃料ガスを用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部と、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、を備える燃料電池システムであって、脱硫部の上流に設けられて前記燃料ガス中の水分を吸収する乾燥剤を有する乾燥部と、乾燥部を加熱することによって乾燥剤から水分を放出させて当該乾燥剤を再生させる加熱部と、乾燥剤から放出された水分を燃焼処理する燃焼部と、乾燥剤の再生処理時に、脱硫部をバイパスして乾燥部と燃焼部とを接続するバイパスラインと、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムによれば、脱硫部の上流に、燃料ガス中の水分を吸収する乾燥剤を有する乾燥部が設けられている。すなわち、燃料ガス中に水分が含まれている場合であっても、乾燥部にて水分を除去することができるため、脱硫部の脱硫触媒の劣化を防止することができる。更に、加熱部が乾燥部を加熱することによって乾燥剤から水分を放出させることで、乾燥剤を再生させることができる。ここで、乾燥剤の再生処理時には、バイパスラインによって乾燥部と燃焼部が脱硫部をバイパスして接続され、燃焼部が乾燥部の乾燥剤から放出された水分を燃焼処理することができる。すなわち、乾燥剤から放出された水分は、脱硫部を通ることなく燃焼部にて燃焼処理される。従って、乾燥剤から放出された水分に不純物が含まれていた場合であっても、燃料電池システムの各要素の耐久性に影響を与えることなく、水分を燃焼処理することが可能である。以上によって、燃料電池システムの耐久性の低下を抑制すると共に、燃料ガスから除去した水分を効率よく処理することができる。
【０００８】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、加熱部は、燃料ガスを燃焼させる燃焼器で構成されることが好ましい。これによって、発電に用いるための燃料ガスを流用して、再生のための加熱を行うことができる。
【０００９】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、加熱部を構成する燃焼器は、乾燥剤から放出された水分を燃焼処理する燃焼部として機能することが好ましい。このように、燃焼器に乾燥部を加熱する加熱部としての機能と、乾燥剤から放出された水分を燃焼処理する燃焼部としての機能との両方を持たせることにより、加熱部と燃焼部とで個別の装置を用いる必要がない。従って、燃料電池システム内の構成要素を減らし、配管も短くすることが可能となり、燃料電池システムの小型化を図ることができる。
【００１０】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、加熱部は、電気ヒータで構成されることが好ましい。電気ヒータは燃料ガスの供給無しに乾燥部を加熱することができるため、加熱部に対する燃料ガス用の配管を不要とすることができる。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池システムは、乾燥部の温度を検出する温度検出部を更に有することが好ましい。これによって、乾燥部の温度を吸湿処理および再生処理に適した温度に管理することができる。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、複数の乾燥部が、脱硫部に対して並列に設けられていることが好ましい。これによって、一方の乾燥部の再生処理を行っている場合でも、他方の乾燥部にて燃料ガスの水分を除去することが可能となる。従って、燃料電池システムの発電のための運転を止めることなく、再生処理が可能となる。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、乾燥部の冷却を行う冷却部を更に備えることが好ましい。これによって、乾燥剤の吸湿による水分除去効率を高めることができる。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、乾燥剤は、Ａ型シリカゲルであることが好ましい。Ａ型シリカゲルは、表面吸着が強く、低湿度における吸着力が大きいという利点がある（コロイド粒子が密に凝集しており、表面積が大きいため）。また、Ａ型シリカゲルは、低湿度においてＢ型シリカゲルよりも吸湿率が高いという利点がある。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、乾燥剤は、Ｂ型シリカゲルであることが好ましい。Ｂ型シリカゲルは、毛細管凝縮が強く、高湿度における吸着力が大きいという利点がある（凝集が疎であり、且つ、粒子径が大きく、細孔容積が大きいため）。また、Ｂ型シリカゲルは、高湿度においてＡ型シリカゲルよりも吸湿率が高いという利点がある。また、Ｂ型シリカゲルは、再生時にＡ型シリカゲルに比して高温処理が不要であり、再生処理が容易になるという利点がある。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料電池システムの耐久性の低下を抑制すると共に、燃料ガスから除去した水分を効率よく処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の第一実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック構成図である。
【図２】図２は、第一実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック構成図である。
【図３】図３は、第二実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック構成図である。
【図４】図４は、第三実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［第一実施形態］
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１９】
図１に示されるように、燃料電池システム１は、脱硫部２と、水気化部３と、水素発生部４と、セルスタック５と、オフガス燃焼部６と、水素含有燃料供給部７と、除湿部２０と、水供給部８と、酸化剤供給部９と、パワーコンディショナー１０と、制御部１１と、を備えている。燃料電池システム１は、水素含有燃料及び酸化剤を用いて、セルスタック５にて発電を行う。燃料電池システム１におけるセルスタック５の種類は特に限定されず、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ：Phosphoric Acid Fuel Cell）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ：Molten Carbonate Fuel Cell）、及び、その他の種類を採用することができる。なお、セルスタック５の種類、水素含有燃料の種類、及び改質方式等に応じて、図１に示す構成要素を適宜省略してもよい。
【００２０】
本実施形態において、水素含有燃料は、気体状の燃料ガスである。なお、燃料ガスとは、常温・常圧下において気体状となる燃料である。水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガスが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガスが挙げられる。
【００２１】
酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）、酸素富化空気が用いられる。
【００２２】
脱硫部２は、水素発生部４に供給される水素含有燃料に係る燃料ガスの脱硫を行う。脱硫部２は、水素含有燃料に係る燃料ガスに含有される硫黄化合物を除去するための脱硫触媒を有している。脱硫部２の脱硫方式として、例えば、硫黄化合物を吸着して除去する吸着脱硫方式や、硫黄化合物を水素と反応させて除去する水素化脱硫方式が採用される。脱硫部２は、脱硫した水素含有燃料に係る燃料ガスを水素発生部４へ供給する。
【００２３】
水気化部３は、水を加熱し気化させることによって、水素発生部４に供給される水蒸気を生成する。水気化部３における水の加熱は、例えば、水素発生部４の熱、オフガス燃焼部６の熱、あるいは排ガスの熱を回収する等、燃料電池システム１内で発生した熱を用いてもよい。また、別途ヒータ、バーナ等の他熱源を用いて水を加熱してもよい。なお、図１では、一例としてオフガス燃焼部６から水素発生部４へ供給される熱のみ記載されているが、これに限定されない。水気化部３は、生成した水蒸気を水素発生部４へ供給する。
【００２４】
水素発生部４は、脱硫部２からの水素含有燃料を用いて水素リッチガスを発生させる。水素発生部４は、水素含有燃料を改質触媒によって改質する改質器を有している。水素発生部４での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。なお、水素発生部４は、セルスタック５に要求される水素リッチガスの性状によって、改質触媒により改質する改質器の他に性状を調整するための構成を有する場合もある。例えば、セルスタック５のタイプが固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）であった場合、水素発生部４は、水素リッチガス中の一酸化炭素を除去するための構成（例えば、シフト反応部、選択酸化反応部）を有する。水素発生部４は、水素リッチガスをセルスタック５のアノード１２へ供給する。
【００２５】
セルスタック５は、水素発生部４からの水素リッチガス及び酸化剤供給部９からの酸化剤を用いて発電を行う。セルスタック５は、水素リッチガスが供給されるアノード１２と、酸化剤が供給されるカソード１３と、アノード１２とカソード１３との間に配置される電解質１４と、を備えている。セルスタック５は、パワーコンディショナー１０を介して、電力を外部へ供給する。セルスタック５は、発電に用いられなかった水素リッチガス及び酸化剤をオフガスとして、オフガス燃焼部６へ供給する。なお、水素発生部４が備えている燃焼部（例えば、改質器を加熱する燃焼器など）をオフガス燃焼部６と共用してもよい。
【００２６】
オフガス燃焼部６は、セルスタック５から供給されるオフガスを燃焼させる。オフガス燃焼部６によって発生する熱は、水素発生部４へ供給され、水素発生部４での水素リッチガスの発生に用いられる。
【００２７】
水素含有燃料供給部７は、脱硫部２へ水素含有燃料に係る燃料ガスを供給する。水供給部８は、水気化部３へ水を供給する。酸化剤供給部９は、セルスタック５のカソード１３へ酸化剤を供給する。水素含有燃料供給部７、水供給部８、及び酸化剤供給部９は、例えばポンプによって構成されており、制御部１１からの制御信号に基づいて駆動する。
【００２８】
パワーコンディショナー１０は、セルスタック５からの電力を、外部での電力使用状態に合わせて調整する。パワーコンディショナー１０は、例えば、電圧を変換する処理や、直流電力を交流電力へ変換する処理を行う。
【００２９】
制御部１１は、燃料電池システム１全体の制御処理を行う。制御部１１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及び入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイスによって構成される。制御部１１は、水素含有燃料供給部７、水供給部８、酸化剤供給部９、パワーコンディショナー１０、その他、図示されないセンサや補機と電気的に接続されている。制御部１１は、燃料電池システム１内で発生する各種信号を取得すると共に、燃料電池システム１内の各機器へ制御信号を出力する。
【００３０】
脱硫部２に供給される水素含有燃料に係る燃料ガスとして高露点のもの、すなわち水分を含んだものが適用される場合がある。水分を含んだ燃料ガスが供給された場合、脱硫触媒は水分の影響により劣化する場合がある。燃料電池システム１は、燃料ガスに含まれる水分を除去すると共に、当該除去した水分に含まれる不純物を系外に排出することなくシステム内で処理する機能を有している。ただし、燃料電池システム１には、水分を含まない水素含有燃料が供給されてもよい。図１及び図２に示すように、燃料電池システム１は、燃料ガスを除湿する除湿部２０を備えている。
【００３１】
除湿部２０は、燃料ガスを供給する水素含有燃料供給部７として機能するポンプ３１と、脱硫部２との間に設けられている。また、ポンプ３１と除湿部２０との間には燃料ガスの流量を測定する流量計３２が設けられている。除湿部２０は、脱硫部２の上流に設けられて燃料ガス中の水分を吸収する乾燥剤を有する乾燥器２１と、乾燥部を加熱して再生させると共に乾燥剤から放出された水分を燃焼処理する再生用燃焼器２２と、温度を検出する温度検出部２３と、ガスの流れを変更する弁２４と、乾燥剤を冷却する冷却部３３を備えている。
【００３２】
乾燥器２１は、乾燥剤を有しており、通過する燃料ガスに含まれている水分を乾燥剤で吸収することによって、脱硫部２の上流側において除去する。乾燥器２１には、熱電対やサーミスタなどの温度検出部２３が取り付けられている。乾燥剤は、例えば、Ａ型シリカゲル、Ｂ型シリカゲルなどを用いることができる。Ａ型シリカゲルは、表面吸着が強く、低湿度における吸着力が大きいという利点がある（コロイド粒子が密に凝集しており、表面積が大きいため）。また、Ａ型シリカゲルは、低湿度においてＢ型シリカゲルよりも吸湿率が高いという利点がある。Ｂ型シリカゲルは、毛細管凝縮が強く、高湿度における吸着力が大きいという利点がある（凝集が疎であり、且つ、粒子径が大きく、細孔容積が大きいため）。また、Ｂ型シリカゲルは、高湿度においてＡ型シリカゲルよりも吸湿率が高いという利点がある。また、Ｂ型シリカゲルは、再生時にＡ型シリカゲルに比して高温処理が不要であり、再生処理が容易になるという利点がある。
【００３３】
再生用燃焼器２２は、再生処理時に、燃料ガスを燃焼させることで乾燥器２１を加熱する機能を有している。これによって、再生用燃焼器２２は、乾燥器２１を加熱することによって乾燥剤から水分を放出させて当該乾燥剤を再生する機能を有する。また、再生用燃焼器２２は、乾燥器２１の乾燥剤から放出された水分を燃焼処理する機能も有している。すなわち、乾燥剤から放出された水分を含む燃料ガスを燃焼させることで、不純物を含む水分を処理することができる。
【００３４】
弁２４は、乾燥器２１の下流に配置されている。弁２４は、乾燥器２１を通過した燃料ガスを脱硫部２へ導くラインＬ１と、乾燥器２１を通過した燃料ガスを再生用燃焼器２２へ導くラインＬ２と、の間で切り替え可能である。弁２４がラインＬ１側を開いてラインＬ２側を閉じた場合、燃料ガスはラインＬ１を通って脱硫部２へ供給される。弁２４がラインＬ２側を開いてラインＬ１側を閉じた場合、燃料ガスはラインＬ２を通って再生用燃焼器２２へ供給される。当該燃料ガスは再生用燃焼器２２で燃焼され、排気ガスがラインＬ３を通って、セルスタック５からの排気ガスと共に系外へ排出される。このように、ラインＬ２は、再生処理時に、脱硫部２（更に、脱硫部２よりも下流にある水素発生部４やセルスタック５）をバイパスして乾燥器２１と再生用燃焼器２２とを接続するバイパスラインとして機能する。
【００３５】
冷却部３３は、乾燥剤を冷却することによって、乾燥剤での水分除去効率を高める機能を有している。このような冷却部３３として、例えば、蒸気圧縮式冷却サイクル、スターリング冷凍サイクル、ペルチェ冷却器、その他の種類の冷却器が挙げられる。
【００３６】
制御部１１は、セルスタック５で発電を行う通常運転処理部１１０と、乾燥器２１の乾燥剤の再生処理を行う再生処理部１２０と、を備えている。制御部１１は、ポンプ３１、再生用燃焼器２２、弁２４、温度検出部２３、流量計３２、冷却部３３と電気的に接続されており、各要素との間で信号の送信または受信を行う。
【００３７】
このとき、制御部１１の通常運転処理部１１０は、温度検出部２３からの検出結果に基づいて、乾燥器２１の温度が吸湿処理に適した温度となるよう監視する。例えば、通常運転処理部１１０は、温度検出部２３の検出温度が所定の閾値を超える場合、冷却部３３を稼動させることで、乾燥剤を冷却する。燃料ガスに含まれている水分を、乾燥器２１の温度が所定の閾値を超える状態で吸収した場合、乾燥剤での水分除去効率が低下する虞があるが、制御部１１はこれを防止することができる。
【００３８】
次に、燃料電池システム１の動作について説明する。
【００３９】
まず、セルスタック５において発電を行う通常運転処理について説明する。制御部１１の通常運転処理部１１０は、弁２４を制御することでラインＬ１側の経路を開放すると共にラインＬ２側の経路を閉じておき、ポンプ３１を作動させる。これによって、燃料ガスは、乾燥器２１を通過することによって乾燥剤で水分を除去された状態で、ラインＬ１を通って脱硫部２に供給される。脱硫部２に供給された燃料ガスは脱硫された後、水素発生部４にて水素リッチガスの発生に用いられ、セルスタック５での発電に用いられる。このとき、制御部１１の通常運転処理部１１０は、冷却部３３を制御することで乾燥器２１の乾燥剤を冷却する。
【００４０】
次に、乾燥器２１の乾燥剤を再生する再生処理について説明する。燃料電池システム１は、例えば、通常運転を所定時間行ったタイミングで定期的に再生処理を行ってもよく、連続運転を停止するための停止工程時に再生処理を行ってもよい。
【００４１】
制御部１１の再生処理部１２０は、ポンプ３１及び冷却部３３の運転を停止し、弁２４を制御することでラインＬ２側の経路を開放すると共にラインＬ１側の経路を閉じる。再生処理部１２０は、ポンプ３１を再び作動させることによって、ラインＬ２を介して再生用燃焼器２２へ燃料ガスを供給し、再生用燃焼器２２を着火することで、燃料ガスを燃焼させる。これによって、再生用燃焼器２２は、乾燥器２１を加熱することによって乾燥剤から水分を放出させて当該乾燥剤を再生する。乾燥剤から放出された水分は、燃料ガスと共にラインＬ２を介して再生用燃焼器２２へ向かう。これによって、乾燥剤から放出された水分は再生用燃焼器２２にて燃焼処理される。再生用燃焼器２２からの排気ガスはラインＬ３を通って（脱硫部２、水素発生部４、セルスタック５は通らない）、系外へ排出される。すなわち、乾燥剤から放出された水分が不純物を含むものであったとしても、再生用燃焼器２２にて燃焼処理されるため、特別な処理をする必要なく、排気ガスとして系外へ排出することができる。
【００４２】
このとき、制御部１１の再生処理部１２０は、温度検出部２３からの検出結果に基づいて、乾燥器２１の温度が再生処理に適した温度となるよう監視する。例えば、再生処理部１２０は、温度検出部２３の検出温度が所定の閾値を超えた場合、再生用燃焼器２２への燃料ガスの供給量を低減（または停止）させることで、過加熱を回避する。過加熱の状態で乾燥器２１を加熱した場合、エネルギー効率が低下する虞や乾燥剤自体を劣化させる虞があるが、制御部１１は過加熱を防止することができる。
【００４３】
燃料電池システム１は、例えば、再生処理を所定温度にて所定時間行ったタイミングで再生処理を終了し、通常運転処理へ移行する。なお、通常運転処理部１１０は、温度検出部２３の検出結果に基づき、乾燥器２１が燃料ガスの除湿に適した温度になったことを確認した後に、通常運転を開始してもよい。
【００４４】
以上により、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、脱硫部２の上流に、燃料ガス中の水分を吸収する乾燥剤を有する乾燥器２１が設けられている。すなわち、燃料ガス中に水分が含まれている場合であっても、乾燥器２１にて水分を除去することができるため、脱硫部２の脱硫触媒の劣化を防止することができる。更に、再生用燃焼器２２が乾燥器２１を加熱することによって乾燥剤から水分を放出させることで、乾燥剤を再生させることができる。ここで、乾燥剤の再生処理時には、バイパスラインとして機能するラインＬ２によって乾燥器２１と再生用燃焼器２２とが脱硫部２をバイパスして接続され、再生用燃焼器２２が乾燥器２１の乾燥剤から放出された水分を燃焼処理することができる。すなわち、乾燥剤から放出された水分は、脱硫部２（また、脱硫部２よりも下流にある水素発生部４やセルスタック５）を通ることなく再生用燃焼器２２にて燃焼処理される。従って、乾燥剤から放出された水分に不純物が含まれていた場合であっても、燃料電池システム１の各要素の耐久性に影響を与えることなく、水分を燃焼処理することが可能である。以上によって、燃料電池システム1の耐久性の低下を抑制すると共に、燃料ガスから除去した水分を効率よく処理することができる。
【００４５】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１において、乾燥器２１を加熱して再生する加熱部は、燃料ガスを燃焼させる再生用燃焼器２２で構成されている。これによって、発電に用いるための燃料ガスを流用して、再生のための加熱を行うことができる。
【００４６】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１において、乾燥器２１を加熱して再生する再生用燃焼器２２は、乾燥剤から放出された水分を燃焼処理する燃焼部としても機能する。このように、再生用燃焼器２２に乾燥器２１を加熱する加熱部としての機能と、乾燥剤から放出された水分を燃焼処理する燃焼部としての機能との両方を持たせることにより、加熱部と燃焼部とで個別の装置を用いる必要がない。従って、燃料電池システム１内の構成要素を減らし、配管も短くすることが可能となり、燃料電池システム１の小型化を図ることができる。
【００４７】
［第二実施形態］
図３は、第二実施形態に係る燃料電池システム２００のブロック構成を示す図である。第二実施形態に係る燃料電池システム２００は、乾燥器２１を加熱するための加熱部として再生用電気ヒータ２２２を用い、乾燥剤から放出された水分を燃焼処理する燃焼部としてバックアップボイラ４３を用いる点で、第一実施形態に係る燃料電池システム１と主に相違する。
【００４８】
図３に示すように、燃料電池システム２００は、ポンプ３１からセルスタック５へ向かうラインとは別ラインとして、バックアップボイラ用ポンプ４１と、バックアップボイラ用流量計４２と、バックアップボイラ４３と、を備えている。このバックアップボイラ４３は、通常運転時には、セルスタック５の排気ガスなどの熱だけでは貯湯槽（不図示）に対する熱量が不十分な場合に、補助的に貯湯槽へ熱量を供給するための装置である。バックアップボイラ用ポンプ４１が作動することにより、燃料ガスの供給源からラインＬ５を介してバックアップボイラ４３へ燃料ガスが供給される。バックアップボイラ４３は、弁２４とラインＬ４を介して接続されている。また、バックアップボイラ４３は、再生処理時には、ラインＬ４を介して、乾燥剤から放出された水分を燃料ガスと共に燃焼処理する機能を有する。バックアップボイラ用ポンプ４１、バックアップボイラ用流量計４２、及びバックアップボイラ４３は制御部１１と電気的に接続されている。
【００４９】
除湿部２２０は、再生時に乾燥器２１を加熱して乾燥剤を再生させる再生用電気ヒータ２２２を備えている。再生用電気ヒータ２２２は、制御部１１と電気的に接続されている。また、弁２４は、乾燥器２１を通過した燃料ガスを脱硫部２へ導くラインＬ１と、乾燥器２１を通過した燃料ガスをバックアップボイラ４３へ導くラインＬ４と、の間で切り替え可能である。弁２４がラインＬ１側を開いてラインＬ４側を閉じた場合、燃料ガスはラインＬ１を通って脱硫部２へ供給される。弁２４がラインＬ４側を開いてラインＬ１側を閉じた場合、燃料ガスはラインＬ４を通ってバックアップボイラ４３へ供給される。当該燃料ガスはバックアップボイラ４３で燃焼され、排気ガスが系外へ排出される。このように、ラインＬ４は、再生処理時に、脱硫部２をバイパスして乾燥器２１とバックアップボイラ４３とを接続するバイパスラインとして機能する。
【００５０】
次に、燃料電池システム２００の動作について説明する。
【００５１】
まず、セルスタック５において発電を行う通常運転処理について説明する。制御部１１の通常運転処理部１１０は、弁２４を制御することでラインＬ１側の経路を開放すると共にラインＬ４側の経路を閉じておき、ポンプ３１を作動させる。これによって、燃料ガスは、乾燥器２１を通過することによって乾燥剤で水分を除去された状態で、ラインＬ１を通って脱硫部２に供給される。脱硫部２に供給された燃料ガスは脱硫された後、水素発生部４にて水素リッチガスの発生に用いられ、セルスタック５での発電に用いられる。このとき、制御部１１の通常運転処理部１１０は、冷却部３３を制御することで乾燥器２１の乾燥剤を冷却する。なお、通常運転処理部１１０は、貯湯槽の状況に合わせて、バックアップボイラ用ポンプ４１とバックアップボイラ４３を作動させる。
【００５２】
次に、乾燥器２１の乾燥剤を再生する再生処理について説明する。燃料電池システム２００は、例えば、通常運転を所定時間行ったタイミングで定期的に再生処理を行ってもよく、連続運転を停止するための停止工程中に再生処理を行ってもよい。
【００５３】
制御部１１の再生処理部１２０は、ポンプ３１及び冷却部３３の運転を停止し、弁２４を制御することでラインＬ４側の経路を開放すると共にラインＬ１側の経路を閉じる。一方、再生処理部１２０は、再生用電気ヒータ２２２を作動させる。これによって、再生用電気ヒータ２２２は、乾燥器２１を加熱することによって乾燥剤から水分を放出させて当該乾燥剤を再生する。また、再生処理部１２０は、ポンプ３１を再び作動させることによって、ラインＬ４を介してバックアップボイラ４３へ燃料ガスを供給し、バックアップボイラ４３を着火することで、燃料ガスを燃焼させる。このとき、乾燥剤から放出された水分も、燃料ガスと共にバックアップボイラ４３へ向かう。これによって、乾燥剤から放出された水分はバックアップボイラ４３にて燃焼処理される。バックアップボイラ４３からの排気ガスは系外へ排出される。すなわち、乾燥剤から放出された水分が不純物を含むものであったとしても、システム内の既存の装置であるバックアップボイラ４３にて燃焼処理されるため、特別な処理をする必要なく、処理のための特別な装置を設ける必要なく、排気ガスとして系外へ排出することができる。
【００５４】
このとき、制御部１１の再生処理部１２０は、温度検出部２３からの検出結果に基づいて、乾燥器２１の温度が再生処理に適した温度となるよう監視する。例えば、再生処理部１２０は、温度検出部２３の検出温度が所定の閾値を超えた場合、再生用電気ヒータ２２２の出力を低減（または停止）させることで、過加熱を回避する。過加熱の状態で乾燥器２１を加熱した場合、エネルギー効率が低下する虞や乾燥剤自体を劣化させる虞があるが、制御部１１は過加熱を防止することができる。
【００５５】
燃料電池システム２００は、例えば、再生処理を所定温度にて所定時間行ったタイミングで再生処理を終了し、通常運転処理へ移行する。なお、通常運転処理部１１０は、温度検出部２３の検出結果に基づき、乾燥器２１が燃料ガスの除湿に適した温度になったことを確認した後に、通常運転を開始してもよい。
【００５６】
以上により、本実施形態に係る燃料電池システム２００によれば、脱硫部２の上流に、燃料ガス中の水分を吸収する乾燥剤を有する乾燥器２１が設けられている。すなわち、燃料ガス中に水分が含まれている場合であっても、乾燥器２１にて水分を除去することができるため、脱硫部２の脱硫触媒の劣化を防止することができる。更に、再生用電気ヒータ２２２が乾燥器２１を加熱することによって乾燥剤から水分を放出させることで、乾燥剤を再生させることができる。ここで、乾燥剤の再生処理時には、バイパスラインとして機能するラインＬ４によって乾燥器２１とバックアップボイラ４３とが脱硫部２をバイパスして接続され、バックアップボイラ４３が乾燥器２１の乾燥剤から放出された水分を燃焼処理することができる。すなわち、乾燥剤から放出された水分は、脱硫部２（また、脱硫部２よりも下流にある水素発生部４やセルスタック５）を通ることなくバックアップボイラ４３にて燃焼処理される。従って、乾燥剤から放出された水分に不純物が含まれていた場合であっても、燃料電池システム２００の各要素の耐久性に影響を与えることなく、水分を燃焼処理することが可能である。以上によって、燃料電池システム２００の耐久性の低下を抑制すると共に、燃料ガスから除去した水分を効率よく処理することができる。
【００５７】
また、本実施形態に係る燃料電池システム２００において、乾燥器２１を加熱する加熱部は、再生用電気ヒータ２２２で構成されている。再生用電気ヒータ２２２は燃料ガスの供給無しに乾燥器２１を加熱することができるため、加熱部に対する燃料ガス用の配管を不要とすることができる。
【００５８】
［第三実施形態］
図４は、第三実施形態に係る燃料電池システム３００のブロック構成を示す図である。第三実施形態に係る燃料電池システム３００は、一つの脱硫部２に対して二つの除湿部２０Ａ，２０Ｂが並列に設けられている点で第一実施形態に係る燃料電池システム１と主に相違している。
【００５９】
図４に示すように、燃料電池システム３００は、一つの脱硫部２に対して二つの燃料ガス供給ラインが設けられており、一方のラインにはポンプ３１Ａ、流量計３２Ａ、冷却部３３Ａ、除湿部２０Ａが設けられており、他方のラインにはポンプ３１Ｂ、流量計３２Ｂ、冷却部３３Ｂ、除湿部２０Ｂが設けられている。除湿部２０Ａは、乾燥器２１Ａ、再生用燃焼器２２Ａ、温度検出部２３Ａ、弁２４Ａを備えている。除湿部２０Ｂは、乾燥器２１Ｂ、再生用燃焼器２２Ｂ、温度検出部２３Ｂ、弁２４Ｂを備えている。制御部１１は、ポンプ３１Ａ，３１Ｂ、再生用燃焼器２２Ａ，２２Ｂ、弁２４Ａ，２４Ｂ、温度検出部２３Ａ，２３Ｂ、流量計３２Ａ，３２Ｂ、冷却部３３Ａ，３３Ｂと電気的に接続されており、各要素との間で信号の送信または受信を行う。
【００６０】
弁２４Ａは、乾燥器２１Ａを通過した燃料ガスを脱硫部２へ導くラインＬ１Ａと、乾燥器２１Ａを通過した燃料ガスを再生用燃焼器２２Ａへ導くラインＬ２Ａと、の間で切り替え可能である。弁２４ＡがラインＬ１Ａ側を開いてラインＬ２Ａ側を閉じた場合、燃料ガスはラインＬ１Ａを通って脱硫部２へ供給される。弁２４ＡがラインＬ２Ａ側を開いてラインＬ１Ａ側を閉じた場合、燃料ガスはラインＬ２Ａを通って再生用燃焼器２２Ａへ供給される。当該燃料ガスは再生用燃焼器２２Ａで燃焼され、排気ガスがラインＬ３Ａを通って、セルスタック５からの排気ガスと共に系外へ排出される。このように、ラインＬ２Ａは、再生処理時に、脱硫部２をバイパスして乾燥器２１Ａと再生用燃焼器２２Ａとを接続するバイパスラインとして機能する。
【００６１】
弁２４Ｂは、乾燥器２１Ｂを通過した燃料ガスを脱硫部２へ導くラインＬ１Ｂと、乾燥器２１Ｂを通過した燃料ガスを再生用燃焼器２２Ｂへ導くラインＬ２Ｂと、の間で切り替え可能である。弁２４ＢがラインＬ１Ｂ側を開いてラインＬ２Ｂ側を閉じた場合、燃料ガスはラインＬ１Ｂを通って脱硫部２へ供給される。弁２４ＢがラインＬ２Ｂ側を開いてラインＬ１Ｂ側を閉じた場合、燃料ガスはラインＬ２Ｂを通って再生用燃焼器２２Ｂへ供給される。当該燃料ガスは再生用燃焼器２２Ｂで燃焼され、排気ガスがラインＬ３Ｂを通って、セルスタック５からの排気ガスと共に系外へ排出される。このように、ラインＬ２Ｂは、再生処理時に、脱硫部２をバイパスして乾燥器２１Ｂと再生用燃焼器２２Ｂとを接続するバイパスラインとして機能する。
【００６２】
次に、燃料電池システム３００の動作について説明する。
【００６３】
まず、除湿部２０Ａ側で通常運転処理を行い、除湿部２０Ｂ側で再生処理を行う場合について説明する。制御部１１の通常運転処理部１１０は、弁２４Ａを制御することでラインＬ１Ａ側の経路を開放すると共にラインＬ２Ａ側の経路を閉じておき、ポンプ３１Ａを作動させる。これによって、燃料ガスは、乾燥器２１Ａを通過することによって乾燥剤で水分を除去された状態で、ラインＬ１Ａを通って脱硫部２に供給される。脱硫部２に供給された燃料ガスは脱硫された後、水素発生部４にて水素リッチガスの発生に用いられ、セルスタック５での発電に用いられる。このとき、制御部１１の通常運転処理部１１０は、温度検出部２３Ａからの検出結果に基づいて、冷却部３３Ａを制御することで乾燥器２１Ａの乾燥剤を冷却する。
【００６４】
一方、制御部１１の再生処理部１２０は、弁２４Ｂを制御することでラインＬ２Ｂ側の経路を開放すると共にラインＬ１Ｂ側の経路を閉じる。再生処理部１２０は、ポンプ３１Ｂを作動させることによって、ラインＬ２Ｂを介して再生用燃焼器２２Ｂへ燃料ガスを供給し、再生用燃焼器２２Ｂを着火することで、燃料ガスを燃焼させる。これによって、再生用燃焼器２２Ｂは、乾燥器２１Ｂを加熱することによって乾燥剤から水分を放出させて当該乾燥剤を再生する。乾燥剤から放出された水分は、燃料ガスと共にラインＬ２Ｂを介して再生用燃焼器２２Ｂへ向かう。これによって、乾燥剤から放出された水分は再生用燃焼器２２Ｂにて燃焼処理される。再生用燃焼器２２Ｂからの排気ガスはラインＬ３Ｂを通って（脱硫部２、水素発生部４、セルスタック５は通過しない）、系外へ排出される。すなわち、乾燥剤から放出された水分が不純物を含むものであったとしても、再生用燃焼器２２Ｂにて燃焼処理されるため、特別な処理をする必要なく、排気ガスとして系外へ排出することができる。
【００６５】
次に、除湿部２０Ｂ側で通常運転処理を行い、除湿部２０Ａ側で再生処理を行う場合について説明する。制御部１１の通常運転処理部１１０は、弁２４Ｂを制御することでラインＬ１Ｂ側の経路を開放すると共にラインＬ２Ｂ側の経路を閉じておき、ポンプ３１Ｂを作動させる。これによって、燃料ガスは、乾燥器２１Ｂを通過することによって乾燥剤で水分を除去された状態で、ラインＬ１Ｂを通って脱硫部２に供給される。脱硫部２に供給された燃料ガスは脱硫された後、水素発生部４にて水素リッチガスの発生に用いられ、セルスタック５での発電に用いられる。このとき、制御部１１の通常運転処理部１１０は、温度検出部２３Ｂからの検出結果に基づいて、冷却部３３Ｂを制御することで乾燥器２１Ｂの乾燥剤を冷却する。
【００６６】
一方、制御部１１の再生処理部１２０は、弁２４Ａを制御することでラインＬ２Ａ側の経路を開放すると共にラインＬ１Ａ側の経路を閉じる。再生処理部１２０は、ポンプ３１Ａを作動させることによって、ラインＬ２Ａを介して再生用燃焼器２２Ａへ燃料ガスを供給し、再生用燃焼器２２Ａを着火することで、燃料ガスを燃焼させる。これによって、再生用燃焼器２２Ａは、乾燥器２１Ａを加熱することによって乾燥剤から水分を放出させて当該乾燥剤を再生する。乾燥剤から放出された水分は、燃料ガスと共にラインＬ２Ａを介して再生用燃焼器２２Ａへ向かう。これによって、乾燥剤から放出された水分は再生用燃焼器２２Ａにて燃焼処理される。再生用燃焼器２２Ａからの排気ガスはラインＬ３Ａを通って（脱硫部２、水素発生部４、セルスタック５は通過しない）、系外へ排出される。すなわち、乾燥剤から放出された水分が不純物を含むものであったとしても、再生用燃焼器２２Ａにて燃焼処理されるため、特別な処理をする必要なく、排気ガスとして系外へ排出することができる。なお、図４では、除湿部２０Ａ側で再生処理を行い、除湿部２０Ｂ側で通常運転処理を行っているときの様子を示している。
【００６７】
なお、各除湿部２０Ａ，２０Ｂにおける通常運転処理と再生処理の切り替えのタイミングは特に限定されず、どのように切り替えてもよい。
【００６８】
例えば、除湿部２０Ａの乾燥剤の再生が必要になったとき、除湿部２０Ｂの通常運転処理を開始すると共に除湿部２０Ａの再生処理を開始し、除湿部２０Ａの再生処理が終了したら除湿部２０Ａ側のラインの動作を休止しておき、引き続き除湿部２０Ｂ側にて通常運転処理を続行してもよい。次に、除湿部２０Ｂの乾燥剤の再生が必要になったとき、除湿部２０Ａの通常運転処理を開始すると共に除湿部２０Ｂの再生処理を開始してもよい。
【００６９】
あるいは、一方の除湿部をメインとして通常運転処理に用い、他方の除湿部は予備的なものとし、メインの除湿部にて再生処理しているときにのみ通常運転処理を行うようにしてもよい。例えば、除湿部２０Ａの乾燥剤の再生が必要になったとき、除湿部２０Ｂの通常運転処理を開始すると共に除湿部２０Ａの再生処理を開始し、除湿部２０Ａの再生処理が終了したら、当該除湿部２０Ａ側にて再び通常運転処理を開始し、除湿部２０Ｂ側のラインの動作を休止しておいてよい。この場合、除湿部２０Ｂは除湿部２０Ａの予備として用いられるので、乾燥剤の量を除湿部２０Ａのものより減らすことも可能である。
【００７０】
以上によって、本実施形態に係る燃料電池システム３００によれば、複数の乾燥器２１Ａ，２１Ｂが、脱硫部２に対して並列に設けられている。これによって、一方の乾燥部の再生処理を行っている場合でも、他方の乾燥部にて燃料ガスの水分を除去することが可能となる。従って、燃料電池システム３００の発電のための運転を止めることなく、再生処理が可能となる。
【００７１】
本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではない。例えば、第一実施形態に係る燃料電池システム１や第三実施形態に係る燃料電池システム３００に、バックアップボイラ用ポンプやバックアップボイラを設けてもよい。また、第三実施形態では、二つの除湿部を並列に設けた構成について説明したが、更に多くの除湿部を設けてもよい。
【符号の説明】
【００７２】
１，２００，３００…燃料電池システム、２…脱硫部、４…水素発生部、５…セルスタック、２０，２２０，２０Ａ，２０Ｂ…除湿部、２１，２１Ａ，２１Ｂ…乾燥器（乾燥部）、２２，２２Ａ，２２Ｂ…再生用燃焼器（加熱部、燃焼部）、２３，２３Ａ，２３Ｂ…温度検出部、３３，３３Ａ，３３Ｂ…冷却部、４３…バックアップボイラ（燃焼部）、２２２…再生用電気ヒータ（加熱部）、Ｌ２，Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂ，Ｌ４…ライン（バイパスライン）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとして、燃料ガス中に含まれる水分を除去するものが知られている。例えば、バイオガスを原燃料とする燃料電池システムであって、脱硫器の上流側において冷却器を用いて原燃料中の水分を除去するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、供給される水分によって脱硫触媒の耐久性が損なわれることを防止しており、更に、冷却器の冷却に燃料電池システムの排熱が利用されている。また、水素含有ガスの水分を除去する除湿装置がセルスタックの上流に設けられた燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献２参照）。この燃料電池システムは、除湿効率を向上させるために、水素含有ガスの温度を選択的に下げる冷却装置を備えている。また、原燃料に含まれている水分を選択的に吸収する脱湿部、及び脱湿部を通過した炭化水素燃料に含まれている硫黄化合物を吸収する脱硫部を備えた燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１９８９２０号公報
【特許文献２】特開２００７−０４２６４９号公報
【特許文献３】特開２００８−２７７３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、脱硫部よりも上流側で水分除去を行った場合、回収された水分には不純物が含まれている可能性がある。このように不純物が含まれている水分を燃料電池システム内で使用した場合、燃料電池システムの耐久性が損なわれる可能性がある。不純物が含まれている水分を燃料電池システム内で利用せずに外部へ排出する場合も、排出の際に処理を行うための装置が別途必要となる。従来の燃料電池システムでは、回収された水分の不純物についての処理が考慮されていないという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、燃料電池システムの耐久性の低下を抑制すると共に、燃料ガスから除去した水分を効率よく処理することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスを脱硫する脱硫部と、燃料ガスを用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部と、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、を備える燃料電池システムであって、脱硫部の上流に設けられて前記燃料ガス中の水分を吸収する乾燥剤を有する乾燥部と、乾燥部を加熱することによって乾燥剤から水分を放出させて当該乾燥剤を再生させる加熱部と、乾燥剤から放出された水分を燃焼処理する燃焼部と、乾燥剤の再生処理時に、脱硫部をバイパスして乾燥部と燃焼部とを接続するバイパスラインと、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムによれば、脱硫部の上流に、燃料ガス中の水分を吸収する乾燥剤を有する乾燥部が設けられている。すなわち、燃料ガス中に水分が含まれている場合であっても、乾燥部にて水分を除去することができるため、脱硫部の脱硫触媒の劣化を防止することができる。更に、加熱部が乾燥部を加熱することによって乾燥剤から水分を放出させることで、乾燥剤を再生させることができる。ここで、乾燥剤の再生処理時には、バイパスラインによって乾燥部と燃焼部が脱硫部をバイパスして接続され、燃焼部が乾燥部の乾燥剤から放出された水分を燃焼処理することができる。すなわち、乾燥剤から放出された水分は、脱硫部を通ることなく燃焼部にて燃焼処理される。従って、乾燥剤から放出された水分に不純物が含まれていた場合であっても、燃料電池システムの各要素の耐久性に影響を与えることなく、水分を燃焼処理することが可能である。以上によって、燃料電池システムの耐久性の低下を抑制すると共に、燃料ガスから除去した水分を効率よく処理することができる。
【０００８】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、加熱部は、燃料ガスを燃焼させる燃焼器で構成されることが好ましい。これによって、発電に用いるための燃料ガスを流用して、再生のための加熱を行うことができる。
【０００９】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、加熱部を構成する燃焼器は、乾燥剤から放出された水分を燃焼処理する燃焼部として機能することが好ましい。このように、燃焼器に乾燥部を加熱する加熱部としての機能と、乾燥剤から放出された水分を燃焼処理する燃焼部としての機能との両方を持たせることにより、加熱部と燃焼部とで個別の装置を用いる必要がない。従って、燃料電池システム内の構成要素を減らし、配管も短くすることが可能となり、燃料電池システムの小型化を図ることができる。
【００１０】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、加熱部は、電気ヒータで構成されることが好ましい。電気ヒータは燃料ガスの供給無しに乾燥部を加熱することができるため、加熱部に対する燃料ガス用の配管を不要とすることができる。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池システムは、乾燥部の温度を検出する温度検出部を更に有することが好ましい。これによって、乾燥部の温度を吸湿処理および再生処理に適した温度に管理することができる。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、複数の乾燥部が、脱硫部に対して並列に設けられていることが好ましい。これによって、一方の乾燥部の再生処理を行っている場合でも、他方の乾燥部にて燃料ガスの水分を除去することが可能となる。従って、燃料電池システムの発電のための運転を止めることなく、再生処理が可能となる。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、乾燥部の冷却を行う冷却部を更に備えることが好ましい。これによって、乾燥剤の吸湿による水分除去効率を高めることができる。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、乾燥剤は、Ａ型シリカゲルであることが好ましい。Ａ型シリカゲルは、表面吸着が強く、低湿度における吸着力が大きいという利点がある（コロイド粒子が密に凝集しており、表面積が大きいため）。また、Ａ型シリカゲルは、低湿度においてＢ型シリカゲルよりも吸湿率が高いという利点がある。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、乾燥剤は、Ｂ型シリカゲルであることが好ましい。Ｂ型シリカゲルは、毛細管凝縮が強く、高湿度における吸着力が大きいという利点がある（凝集が疎であり、且つ、粒子径が大きく、細孔容積が大きいため）。また、Ｂ型シリカゲルは、高湿度においてＡ型シリカゲルよりも吸湿率が高いという利点がある。また、Ｂ型シリカゲルは、再生時にＡ型シリカゲルに比して高温処理が不要であり、再生処理が容易になるという利点がある。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料電池システムの耐久性の低下を抑制すると共に、燃料ガスから除去した水分を効率よく処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の第一実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック構成図である。
【図２】図２は、第一実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック構成図である。
【図３】図３は、第二実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック構成図である。
【図４】図４は、第三実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［第一実施形態］
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１９】
図１に示されるように、燃料電池システム１は、脱硫部２と、水気化部３と、水素発生部４と、セルスタック５と、オフガス燃焼部６と、水素含有燃料供給部７と、除湿部２０と、水供給部８と、酸化剤供給部９と、パワーコンディショナー１０と、制御部１１と、を備えている。燃料電池システム１は、水素含有燃料及び酸化剤を用いて、セルスタック５にて発電を行う。燃料電池システム１におけるセルスタック５の種類は特に限定されず、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ：Phosphoric Acid Fuel Cell）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ：Molten Carbonate Fuel Cell）、及び、その他の種類を採用することができる。なお、セルスタック５の種類、水素含有燃料の種類、及び改質方式等に応じて、図１に示す構成要素を適宜省略してもよい。
【００２０】
本実施形態において、水素含有燃料は、気体状の燃料ガスである。なお、燃料ガスとは、常温・常圧下において気体状となる燃料である。水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガスが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガスが挙げられる。
【００２１】
酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）、酸素富化空気が用いられる。
【００２２】
脱硫部２は、水素発生部４に供給される水素含有燃料に係る燃料ガスの脱硫を行う。脱硫部２は、水素含有燃料に係る燃料ガスに含有される硫黄化合物を除去するための脱硫触媒を有している。脱硫部２の脱硫方式として、例えば、硫黄化合物を吸着して除去する吸着脱硫方式や、硫黄化合物を水素と反応させて除去する水素化脱硫方式が採用される。脱硫部２は、脱硫した水素含有燃料に係る燃料ガスを水素発生部４へ供給する。
【００２３】
水気化部３は、水を加熱し気化させることによって、水素発生部４に供給される水蒸気を生成する。水気化部３における水の加熱は、例えば、水素発生部４の熱、オフガス燃焼部６の熱、あるいは排ガスの熱を回収する等、燃料電池システム１内で発生した熱を用いてもよい。また、別途ヒータ、バーナ等の他熱源を用いて水を加熱してもよい。なお、図１では、一例としてオフガス燃焼部６から水素発生部４へ供給される熱のみ記載されているが、これに限定されない。水気化部３は、生成した水蒸気を水素発生部４へ供給する。
【００２４】
水素発生部４は、脱硫部２からの水素含有燃料を用いて水素リッチガスを発生させる。水素発生部４は、水素含有燃料を改質触媒によって改質する改質器を有している。水素発生部４での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。なお、水素発生部４は、セルスタック５に要求される水素リッチガスの性状によって、改質触媒により改質する改質器の他に性状を調整するための構成を有する場合もある。例えば、セルスタック５のタイプが固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）であった場合、水素発生部４は、水素リッチガス中の一酸化炭素を除去するための構成（例えば、シフト反応部、選択酸化反応部）を有する。水素発生部４は、水素リッチガスをセルスタック５のアノード１２へ供給する。
【００２５】
セルスタック５は、水素発生部４からの水素リッチガス及び酸化剤供給部９からの酸化剤を用いて発電を行う。セルスタック５は、水素リッチガスが供給されるアノード１２と、酸化剤が供給されるカソード１３と、アノード１２とカソード１３との間に配置される電解質１４と、を備えている。セルスタック５は、パワーコンディショナー１０を介して、電力を外部へ供給する。セルスタック５は、発電に用いられなかった水素リッチガス及び酸化剤をオフガスとして、オフガス燃焼部６へ供給する。なお、水素発生部４が備えている燃焼部（例えば、改質器を加熱する燃焼器など）をオフガス燃焼部６と共用してもよい。
【００２６】
オフガス燃焼部６は、セルスタック５から供給されるオフガスを燃焼させる。オフガス燃焼部６によって発生する熱は、水素発生部４へ供給され、水素発生部４での水素リッチガスの発生に用いられる。
【００２７】
水素含有燃料供給部７は、脱硫部２へ水素含有燃料に係る燃料ガスを供給する。水供給部８は、水気化部３へ水を供給する。酸化剤供給部９は、セルスタック５のカソード１３へ酸化剤を供給する。水素含有燃料供給部７、水供給部８、及び酸化剤供給部９は、例えばポンプによって構成されており、制御部１１からの制御信号に基づいて駆動する。
【００２８】
パワーコンディショナー１０は、セルスタック５からの電力を、外部での電力使用状態に合わせて調整する。パワーコンディショナー１０は、例えば、電圧を変換する処理や、直流電力を交流電力へ変換する処理を行う。
【００２９】
制御部１１は、燃料電池システム１全体の制御処理を行う。制御部１１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及び入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイスによって構成される。制御部１１は、水素含有燃料供給部７、水供給部８、酸化剤供給部９、パワーコンディショナー１０、その他、図示されないセンサや補機と電気的に接続されている。制御部１１は、燃料電池システム１内で発生する各種信号を取得すると共に、燃料電池システム１内の各機器へ制御信号を出力する。
【００３０】
脱硫部２に供給される水素含有燃料に係る燃料ガスとして高露点のもの、すなわち水分を含んだものが適用される場合がある。水分を含んだ燃料ガスが供給された場合、脱硫触媒は水分の影響により劣化する場合がある。燃料電池システム１は、燃料ガスに含まれる水分を除去すると共に、当該除去した水分に含まれる不純物を系外に排出することなくシステム内で処理する機能を有している。ただし、燃料電池システム１には、水分を含まない水素含有燃料が供給されてもよい。図１及び図２に示すように、燃料電池システム１は、燃料ガスを除湿する除湿部２０を備えている。
【００３１】
除湿部２０は、燃料ガスを供給する水素含有燃料供給部７として機能するポンプ３１と、脱硫部２との間に設けられている。また、ポンプ３１と除湿部２０との間には燃料ガスの流量を測定する流量計３２が設けられている。除湿部２０は、脱硫部２の上流に設けられて燃料ガス中の水分を吸収する乾燥剤を有する乾燥器２１と、乾燥部を加熱して再生させると共に乾燥剤から放出された水分を燃焼処理する再生用燃焼器２２と、温度を検出する温度検出部２３と、ガスの流れを変更する弁２４と、乾燥剤を冷却する冷却部３３を備えている。
【００３２】
乾燥器２１は、乾燥剤を有しており、通過する燃料ガスに含まれている水分を乾燥剤で吸収することによって、脱硫部２の上流側において除去する。乾燥器２１には、熱電対やサーミスタなどの温度検出部２３が取り付けられている。乾燥剤は、例えば、Ａ型シリカゲル、Ｂ型シリカゲルなどを用いることができる。Ａ型シリカゲルは、表面吸着が強く、低湿度における吸着力が大きいという利点がある（コロイド粒子が密に凝集しており、表面積が大きいため）。また、Ａ型シリカゲルは、低湿度においてＢ型シリカゲルよりも吸湿率が高いという利点がある。Ｂ型シリカゲルは、毛細管凝縮が強く、高湿度における吸着力が大きいという利点がある（凝集が疎であり、且つ、粒子径が大きく、細孔容積が大きいため）。また、Ｂ型シリカゲルは、高湿度においてＡ型シリカゲルよりも吸湿率が高いという利点がある。また、Ｂ型シリカゲルは、再生時にＡ型シリカゲルに比して高温処理が不要であり、再生処理が容易になるという利点がある。
【００３３】
再生用燃焼器２２は、再生処理時に、燃料ガスを燃焼させることで乾燥器２１を加熱する機能を有している。これによって、再生用燃焼器２２は、乾燥器２１を加熱することによって乾燥剤から水分を放出させて当該乾燥剤を再生する機能を有する。また、再生用燃焼器２２は、乾燥器２１の乾燥剤から放出された水分を燃焼処理する機能も有している。すなわち、乾燥剤から放出された水分を含む燃料ガスを燃焼させることで、不純物を含む水分を処理することができる。
【００３４】
弁２４は、乾燥器２１の下流に配置されている。弁２４は、乾燥器２１を通過した燃料ガスを脱硫部２へ導くラインＬ１と、乾燥器２１を通過した燃料ガスを再生用燃焼器２２へ導くラインＬ２と、の間で切り替え可能である。弁２４がラインＬ１側を開いてラインＬ２側を閉じた場合、燃料ガスはラインＬ１を通って脱硫部２へ供給される。弁２４がラインＬ２側を開いてラインＬ１側を閉じた場合、燃料ガスはラインＬ２を通って再生用燃焼器２２へ供給される。当該燃料ガスは再生用燃焼器２２で燃焼され、排気ガスがラインＬ３を通って、セルスタック５からの排気ガスと共に系外へ排出される。このように、ラインＬ２は、再生処理時に、脱硫部２（更に、脱硫部２よりも下流にある水素発生部４やセルスタック５）をバイパスして乾燥器２１と再生用燃焼器２２とを接続するバイパスラインとして機能する。
【００３５】
冷却部３３は、乾燥剤を冷却することによって、乾燥剤での水分除去効率を高める機能を有している。このような冷却部３３として、例えば、蒸気圧縮式冷却サイクル、スターリング冷凍サイクル、ペルチェ冷却器、その他の種類の冷却器が挙げられる。
【００３６】
制御部１１は、セルスタック５で発電を行う通常運転処理部１１０と、乾燥器２１の乾燥剤の再生処理を行う再生処理部１２０と、を備えている。制御部１１は、ポンプ３１、再生用燃焼器２２、弁２４、温度検出部２３、流量計３２、冷却部３３と電気的に接続されており、各要素との間で信号の送信または受信を行う。
【００３７】
このとき、制御部１１の通常運転処理部１１０は、温度検出部２３からの検出結果に基づいて、乾燥器２１の温度が吸湿処理に適した温度となるよう監視する。例えば、通常運転処理部１１０は、温度検出部２３の検出温度が所定の閾値を超える場合、冷却部３３を稼動させることで、乾燥剤を冷却する。燃料ガスに含まれている水分を、乾燥器２１の温度が所定の閾値を超える状態で吸収した場合、乾燥剤での水分除去効率が低下する虞があるが、制御部１１はこれを防止することができる。
【００３８】
次に、燃料電池システム１の動作について説明する。
【００３９】
まず、セルスタック５において発電を行う通常運転処理について説明する。制御部１１の通常運転処理部１１０は、弁２４を制御することでラインＬ１側の経路を開放すると共にラインＬ２側の経路を閉じておき、ポンプ３１を作動させる。これによって、燃料ガスは、乾燥器２１を通過することによって乾燥剤で水分を除去された状態で、ラインＬ１を通って脱硫部２に供給される。脱硫部２に供給された燃料ガスは脱硫された後、水素発生部４にて水素リッチガスの発生に用いられ、セルスタック５での発電に用いられる。このとき、制御部１１の通常運転処理部１１０は、冷却部３３を制御することで乾燥器２１の乾燥剤を冷却する。
【００４０】
次に、乾燥器２１の乾燥剤を再生する再生処理について説明する。燃料電池システム１は、例えば、通常運転を所定時間行ったタイミングで定期的に再生処理を行ってもよく、連続運転を停止するための停止工程時に再生処理を行ってもよい。
【００４１】
制御部１１の再生処理部１２０は、ポンプ３１及び冷却部３３の運転を停止し、弁２４を制御することでラインＬ２側の経路を開放すると共にラインＬ１側の経路を閉じる。再生処理部１２０は、ポンプ３１を再び作動させることによって、ラインＬ２を介して再生用燃焼器２２へ燃料ガスを供給し、再生用燃焼器２２を着火することで、燃料ガスを燃焼させる。これによって、再生用燃焼器２２は、乾燥器２１を加熱することによって乾燥剤から水分を放出させて当該乾燥剤を再生する。乾燥剤から放出された水分は、燃料ガスと共にラインＬ２を介して再生用燃焼器２２へ向かう。これによって、乾燥剤から放出された水分は再生用燃焼器２２にて燃焼処理される。再生用燃焼器２２からの排気ガスはラインＬ３を通って（脱硫部２、水素発生部４、セルスタック５は通らない）、系外へ排出される。すなわち、乾燥剤から放出された水分が不純物を含むものであったとしても、再生用燃焼器２２にて燃焼処理されるため、特別な処理をする必要なく、排気ガスとして系外へ排出することができる。
【００４２】
このとき、制御部１１の再生処理部１２０は、温度検出部２３からの検出結果に基づいて、乾燥器２１の温度が再生処理に適した温度となるよう監視する。例えば、再生処理部１２０は、温度検出部２３の検出温度が所定の閾値を超えた場合、再生用燃焼器２２への燃料ガスの供給量を低減（または停止）させることで、過加熱を回避する。過加熱の状態で乾燥器２１を加熱した場合、エネルギー効率が低下する虞や乾燥剤自体を劣化させる虞があるが、制御部１１は過加熱を防止することができる。
【００４３】
燃料電池システム１は、例えば、再生処理を所定温度にて所定時間行ったタイミングで再生処理を終了し、通常運転処理へ移行する。なお、通常運転処理部１１０は、温度検出部２３の検出結果に基づき、乾燥器２１が燃料ガスの除湿に適した温度になったことを確認した後に、通常運転を開始してもよい。
【００４４】
以上により、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、脱硫部２の上流に、燃料ガス中の水分を吸収する乾燥剤を有する乾燥器２１が設けられている。すなわち、燃料ガス中に水分が含まれている場合であっても、乾燥器２１にて水分を除去することができるため、脱硫部２の脱硫触媒の劣化を防止することができる。更に、再生用燃焼器２２が乾燥器２１を加熱することによって乾燥剤から水分を放出させることで、乾燥剤を再生させることができる。ここで、乾燥剤の再生処理時には、バイパスラインとして機能するラインＬ２によって乾燥器２１と再生用燃焼器２２とが脱硫部２をバイパスして接続され、再生用燃焼器２２が乾燥器２１の乾燥剤から放出された水分を燃焼処理することができる。すなわち、乾燥剤から放出された水分は、脱硫部２（また、脱硫部２よりも下流にある水素発生部４やセルスタック５）を通ることなく再生用燃焼器２２にて燃焼処理される。従って、乾燥剤から放出された水分に不純物が含まれていた場合であっても、燃料電池システム１の各要素の耐久性に影響を与えることなく、水分を燃焼処理することが可能である。以上によって、燃料電池システム1の耐久性の低下を抑制すると共に、燃料ガスから除去した水分を効率よく処理することができる。
【００４５】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１において、乾燥器２１を加熱して再生する加熱部は、燃料ガスを燃焼させる再生用燃焼器２２で構成されている。これによって、発電に用いるための燃料ガスを流用して、再生のための加熱を行うことができる。
【００４６】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１において、乾燥器２１を加熱して再生する再生用燃焼器２２は、乾燥剤から放出された水分を燃焼処理する燃焼部としても機能する。このように、再生用燃焼器２２に乾燥器２１を加熱する加熱部としての機能と、乾燥剤から放出された水分を燃焼処理する燃焼部としての機能との両方を持たせることにより、加熱部と燃焼部とで個別の装置を用いる必要がない。従って、燃料電池システム１内の構成要素を減らし、配管も短くすることが可能となり、燃料電池システム１の小型化を図ることができる。
【００４７】
［第二実施形態］
図３は、第二実施形態に係る燃料電池システム２００のブロック構成を示す図である。第二実施形態に係る燃料電池システム２００は、乾燥器２１を加熱するための加熱部として再生用電気ヒータ２２２を用い、乾燥剤から放出された水分を燃焼処理する燃焼部としてバックアップボイラ４３を用いる点で、第一実施形態に係る燃料電池システム１と主に相違する。
【００４８】
図３に示すように、燃料電池システム２００は、ポンプ３１からセルスタック５へ向かうラインとは別ラインとして、バックアップボイラ用ポンプ４１と、バックアップボイラ用流量計４２と、バックアップボイラ４３と、を備えている。このバックアップボイラ４３は、通常運転時には、セルスタック５の排気ガスなどの熱だけでは貯湯槽（不図示）に対する熱量が不十分な場合に、補助的に貯湯槽へ熱量を供給するための装置である。バックアップボイラ用ポンプ４１が作動することにより、燃料ガスの供給源からラインＬ５を介してバックアップボイラ４３へ燃料ガスが供給される。バックアップボイラ４３は、弁２４とラインＬ４を介して接続されている。また、バックアップボイラ４３は、再生処理時には、ラインＬ４を介して、乾燥剤から放出された水分を燃料ガスと共に燃焼処理する機能を有する。バックアップボイラ用ポンプ４１、バックアップボイラ用流量計４２、及びバックアップボイラ４３は制御部１１と電気的に接続されている。
【００４９】
除湿部２２０は、再生時に乾燥器２１を加熱して乾燥剤を再生させる再生用電気ヒータ２２２を備えている。再生用電気ヒータ２２２は、制御部１１と電気的に接続されている。また、弁２４は、乾燥器２１を通過した燃料ガスを脱硫部２へ導くラインＬ１と、乾燥器２１を通過した燃料ガスをバックアップボイラ４３へ導くラインＬ４と、の間で切り替え可能である。弁２４がラインＬ１側を開いてラインＬ４側を閉じた場合、燃料ガスはラインＬ１を通って脱硫部２へ供給される。弁２４がラインＬ４側を開いてラインＬ１側を閉じた場合、燃料ガスはラインＬ４を通ってバックアップボイラ４３へ供給される。当該燃料ガスはバックアップボイラ４３で燃焼され、排気ガスが系外へ排出される。このように、ラインＬ４は、再生処理時に、脱硫部２をバイパスして乾燥器２１とバックアップボイラ４３とを接続するバイパスラインとして機能する。
【００５０】
次に、燃料電池システム２００の動作について説明する。
【００５１】
まず、セルスタック５において発電を行う通常運転処理について説明する。制御部１１の通常運転処理部１１０は、弁２４を制御することでラインＬ１側の経路を開放すると共にラインＬ４側の経路を閉じておき、ポンプ３１を作動させる。これによって、燃料ガスは、乾燥器２１を通過することによって乾燥剤で水分を除去された状態で、ラインＬ１を通って脱硫部２に供給される。脱硫部２に供給された燃料ガスは脱硫された後、水素発生部４にて水素リッチガスの発生に用いられ、セルスタック５での発電に用いられる。このとき、制御部１１の通常運転処理部１１０は、冷却部３３を制御することで乾燥器２１の乾燥剤を冷却する。なお、通常運転処理部１１０は、貯湯槽の状況に合わせて、バックアップボイラ用ポンプ４１とバックアップボイラ４３を作動させる。
【００５２】
次に、乾燥器２１の乾燥剤を再生する再生処理について説明する。燃料電池システム２００は、例えば、通常運転を所定時間行ったタイミングで定期的に再生処理を行ってもよく、連続運転を停止するための停止工程中に再生処理を行ってもよい。
【００５３】
制御部１１の再生処理部１２０は、ポンプ３１及び冷却部３３の運転を停止し、弁２４を制御することでラインＬ４側の経路を開放すると共にラインＬ１側の経路を閉じる。一方、再生処理部１２０は、再生用電気ヒータ２２２を作動させる。これによって、再生用電気ヒータ２２２は、乾燥器２１を加熱することによって乾燥剤から水分を放出させて当該乾燥剤を再生する。また、再生処理部１２０は、ポンプ３１を再び作動させることによって、ラインＬ４を介してバックアップボイラ４３へ燃料ガスを供給し、バックアップボイラ４３を着火することで、燃料ガスを燃焼させる。このとき、乾燥剤から放出された水分も、燃料ガスと共にバックアップボイラ４３へ向かう。これによって、乾燥剤から放出された水分はバックアップボイラ４３にて燃焼処理される。バックアップボイラ４３からの排気ガスは系外へ排出される。すなわち、乾燥剤から放出された水分が不純物を含むものであったとしても、システム内の既存の装置であるバックアップボイラ４３にて燃焼処理されるため、特別な処理をする必要なく、処理のための特別な装置を設ける必要なく、排気ガスとして系外へ排出することができる。
【００５４】
このとき、制御部１１の再生処理部１２０は、温度検出部２３からの検出結果に基づいて、乾燥器２１の温度が再生処理に適した温度となるよう監視する。例えば、再生処理部１２０は、温度検出部２３の検出温度が所定の閾値を超えた場合、再生用電気ヒータ２２２の出力を低減（または停止）させることで、過加熱を回避する。過加熱の状態で乾燥器２１を加熱した場合、エネルギー効率が低下する虞や乾燥剤自体を劣化させる虞があるが、制御部１１は過加熱を防止することができる。
【００５５】
燃料電池システム２００は、例えば、再生処理を所定温度にて所定時間行ったタイミングで再生処理を終了し、通常運転処理へ移行する。なお、通常運転処理部１１０は、温度検出部２３の検出結果に基づき、乾燥器２１が燃料ガスの除湿に適した温度になったことを確認した後に、通常運転を開始してもよい。
【００５６】
以上により、本実施形態に係る燃料電池システム２００によれば、脱硫部２の上流に、燃料ガス中の水分を吸収する乾燥剤を有する乾燥器２１が設けられている。すなわち、燃料ガス中に水分が含まれている場合であっても、乾燥器２１にて水分を除去することができるため、脱硫部２の脱硫触媒の劣化を防止することができる。更に、再生用電気ヒータ２２２が乾燥器２１を加熱することによって乾燥剤から水分を放出させることで、乾燥剤を再生させることができる。ここで、乾燥剤の再生処理時には、バイパスラインとして機能するラインＬ４によって乾燥器２１とバックアップボイラ４３とが脱硫部２をバイパスして接続され、バックアップボイラ４３が乾燥器２１の乾燥剤から放出された水分を燃焼処理することができる。すなわち、乾燥剤から放出された水分は、脱硫部２（また、脱硫部２よりも下流にある水素発生部４やセルスタック５）を通ることなくバックアップボイラ４３にて燃焼処理される。従って、乾燥剤から放出された水分に不純物が含まれていた場合であっても、燃料電池システム２００の各要素の耐久性に影響を与えることなく、水分を燃焼処理することが可能である。以上によって、燃料電池システム２００の耐久性の低下を抑制すると共に、燃料ガスから除去した水分を効率よく処理することができる。
【００５７】
また、本実施形態に係る燃料電池システム２００において、乾燥器２１を加熱する加熱部は、再生用電気ヒータ２２２で構成されている。再生用電気ヒータ２２２は燃料ガスの供給無しに乾燥器２１を加熱することができるため、加熱部に対する燃料ガス用の配管を不要とすることができる。
【００５８】
［第三実施形態］
図４は、第三実施形態に係る燃料電池システム３００のブロック構成を示す図である。第三実施形態に係る燃料電池システム３００は、一つの脱硫部２に対して二つの除湿部２０Ａ，２０Ｂが並列に設けられている点で第一実施形態に係る燃料電池システム１と主に相違している。
【００５９】
図４に示すように、燃料電池システム３００は、一つの脱硫部２に対して二つの燃料ガス供給ラインが設けられており、一方のラインにはポンプ３１Ａ、流量計３２Ａ、冷却部３３Ａ、除湿部２０Ａが設けられており、他方のラインにはポンプ３１Ｂ、流量計３２Ｂ、冷却部３３Ｂ、除湿部２０Ｂが設けられている。除湿部２０Ａは、乾燥器２１Ａ、再生用燃焼器２２Ａ、温度検出部２３Ａ、弁２４Ａを備えている。除湿部２０Ｂは、乾燥器２１Ｂ、再生用燃焼器２２Ｂ、温度検出部２３Ｂ、弁２４Ｂを備えている。制御部１１は、ポンプ３１Ａ，３１Ｂ、再生用燃焼器２２Ａ，２２Ｂ、弁２４Ａ，２４Ｂ、温度検出部２３Ａ，２３Ｂ、流量計３２Ａ，３２Ｂ、冷却部３３Ａ，３３Ｂと電気的に接続されており、各要素との間で信号の送信または受信を行う。
【００６０】
弁２４Ａは、乾燥器２１Ａを通過した燃料ガスを脱硫部２へ導くラインＬ１Ａと、乾燥器２１Ａを通過した燃料ガスを再生用燃焼器２２Ａへ導くラインＬ２Ａと、の間で切り替え可能である。弁２４ＡがラインＬ１Ａ側を開いてラインＬ２Ａ側を閉じた場合、燃料ガスはラインＬ１Ａを通って脱硫部２へ供給される。弁２４ＡがラインＬ２Ａ側を開いてラインＬ１Ａ側を閉じた場合、燃料ガスはラインＬ２Ａを通って再生用燃焼器２２Ａへ供給される。当該燃料ガスは再生用燃焼器２２Ａで燃焼され、排気ガスがラインＬ３Ａを通って、セルスタック５からの排気ガスと共に系外へ排出される。このように、ラインＬ２Ａは、再生処理時に、脱硫部２をバイパスして乾燥器２１Ａと再生用燃焼器２２Ａとを接続するバイパスラインとして機能する。
【００６１】
弁２４Ｂは、乾燥器２１Ｂを通過した燃料ガスを脱硫部２へ導くラインＬ１Ｂと、乾燥器２１Ｂを通過した燃料ガスを再生用燃焼器２２Ｂへ導くラインＬ２Ｂと、の間で切り替え可能である。弁２４ＢがラインＬ１Ｂ側を開いてラインＬ２Ｂ側を閉じた場合、燃料ガスはラインＬ１Ｂを通って脱硫部２へ供給される。弁２４ＢがラインＬ２Ｂ側を開いてラインＬ１Ｂ側を閉じた場合、燃料ガスはラインＬ２Ｂを通って再生用燃焼器２２Ｂへ供給される。当該燃料ガスは再生用燃焼器２２Ｂで燃焼され、排気ガスがラインＬ３Ｂを通って、セルスタック５からの排気ガスと共に系外へ排出される。このように、ラインＬ２Ｂは、再生処理時に、脱硫部２をバイパスして乾燥器２１Ｂと再生用燃焼器２２Ｂとを接続するバイパスラインとして機能する。
【００６２】
次に、燃料電池システム３００の動作について説明する。
【００６３】
まず、除湿部２０Ａ側で通常運転処理を行い、除湿部２０Ｂ側で再生処理を行う場合について説明する。制御部１１の通常運転処理部１１０は、弁２４Ａを制御することでラインＬ１Ａ側の経路を開放すると共にラインＬ２Ａ側の経路を閉じておき、ポンプ３１Ａを作動させる。これによって、燃料ガスは、乾燥器２１Ａを通過することによって乾燥剤で水分を除去された状態で、ラインＬ１Ａを通って脱硫部２に供給される。脱硫部２に供給された燃料ガスは脱硫された後、水素発生部４にて水素リッチガスの発生に用いられ、セルスタック５での発電に用いられる。このとき、制御部１１の通常運転処理部１１０は、温度検出部２３Ａからの検出結果に基づいて、冷却部３３Ａを制御することで乾燥器２１Ａの乾燥剤を冷却する。
【００６４】
一方、制御部１１の再生処理部１２０は、弁２４Ｂを制御することでラインＬ２Ｂ側の経路を開放すると共にラインＬ１Ｂ側の経路を閉じる。再生処理部１２０は、ポンプ３１Ｂを作動させることによって、ラインＬ２Ｂを介して再生用燃焼器２２Ｂへ燃料ガスを供給し、再生用燃焼器２２Ｂを着火することで、燃料ガスを燃焼させる。これによって、再生用燃焼器２２Ｂは、乾燥器２１Ｂを加熱することによって乾燥剤から水分を放出させて当該乾燥剤を再生する。乾燥剤から放出された水分は、燃料ガスと共にラインＬ２Ｂを介して再生用燃焼器２２Ｂへ向かう。これによって、乾燥剤から放出された水分は再生用燃焼器２２Ｂにて燃焼処理される。再生用燃焼器２２Ｂからの排気ガスはラインＬ３Ｂを通って（脱硫部２、水素発生部４、セルスタック５は通過しない）、系外へ排出される。すなわち、乾燥剤から放出された水分が不純物を含むものであったとしても、再生用燃焼器２２Ｂにて燃焼処理されるため、特別な処理をする必要なく、排気ガスとして系外へ排出することができる。
【００６５】
次に、除湿部２０Ｂ側で通常運転処理を行い、除湿部２０Ａ側で再生処理を行う場合について説明する。制御部１１の通常運転処理部１１０は、弁２４Ｂを制御することでラインＬ１Ｂ側の経路を開放すると共にラインＬ２Ｂ側の経路を閉じておき、ポンプ３１Ｂを作動させる。これによって、燃料ガスは、乾燥器２１Ｂを通過することによって乾燥剤で水分を除去された状態で、ラインＬ１Ｂを通って脱硫部２に供給される。脱硫部２に供給された燃料ガスは脱硫された後、水素発生部４にて水素リッチガスの発生に用いられ、セルスタック５での発電に用いられる。このとき、制御部１１の通常運転処理部１１０は、温度検出部２３Ｂからの検出結果に基づいて、冷却部３３Ｂを制御することで乾燥器２１Ｂの乾燥剤を冷却する。
【００６６】
一方、制御部１１の再生処理部１２０は、弁２４Ａを制御することでラインＬ２Ａ側の経路を開放すると共にラインＬ１Ａ側の経路を閉じる。再生処理部１２０は、ポンプ３１Ａを作動させることによって、ラインＬ２Ａを介して再生用燃焼器２２Ａへ燃料ガスを供給し、再生用燃焼器２２Ａを着火することで、燃料ガスを燃焼させる。これによって、再生用燃焼器２２Ａは、乾燥器２１Ａを加熱することによって乾燥剤から水分を放出させて当該乾燥剤を再生する。乾燥剤から放出された水分は、燃料ガスと共にラインＬ２Ａを介して再生用燃焼器２２Ａへ向かう。これによって、乾燥剤から放出された水分は再生用燃焼器２２Ａにて燃焼処理される。再生用燃焼器２２Ａからの排気ガスはラインＬ３Ａを通って（脱硫部２、水素発生部４、セルスタック５は通過しない）、系外へ排出される。すなわち、乾燥剤から放出された水分が不純物を含むものであったとしても、再生用燃焼器２２Ａにて燃焼処理されるため、特別な処理をする必要なく、排気ガスとして系外へ排出することができる。なお、図４では、除湿部２０Ａ側で再生処理を行い、除湿部２０Ｂ側で通常運転処理を行っているときの様子を示している。
【００６７】
なお、各除湿部２０Ａ，２０Ｂにおける通常運転処理と再生処理の切り替えのタイミングは特に限定されず、どのように切り替えてもよい。
【００６８】
例えば、除湿部２０Ａの乾燥剤の再生が必要になったとき、除湿部２０Ｂの通常運転処理を開始すると共に除湿部２０Ａの再生処理を開始し、除湿部２０Ａの再生処理が終了したら除湿部２０Ａ側のラインの動作を休止しておき、引き続き除湿部２０Ｂ側にて通常運転処理を続行してもよい。次に、除湿部２０Ｂの乾燥剤の再生が必要になったとき、除湿部２０Ａの通常運転処理を開始すると共に除湿部２０Ｂの再生処理を開始してもよい。
【００６９】
あるいは、一方の除湿部をメインとして通常運転処理に用い、他方の除湿部は予備的なものとし、メインの除湿部にて再生処理しているときにのみ通常運転処理を行うようにしてもよい。例えば、除湿部２０Ａの乾燥剤の再生が必要になったとき、除湿部２０Ｂの通常運転処理を開始すると共に除湿部２０Ａの再生処理を開始し、除湿部２０Ａの再生処理が終了したら、当該除湿部２０Ａ側にて再び通常運転処理を開始し、除湿部２０Ｂ側のラインの動作を休止しておいてよい。この場合、除湿部２０Ｂは除湿部２０Ａの予備として用いられるので、乾燥剤の量を除湿部２０Ａのものより減らすことも可能である。
【００７０】
以上によって、本実施形態に係る燃料電池システム３００によれば、複数の乾燥器２１Ａ，２１Ｂが、脱硫部２に対して並列に設けられている。これによって、一方の乾燥部の再生処理を行っている場合でも、他方の乾燥部にて燃料ガスの水分を除去することが可能となる。従って、燃料電池システム３００の発電のための運転を止めることなく、再生処理が可能となる。
【００７１】
本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではない。例えば、第一実施形態に係る燃料電池システム１や第三実施形態に係る燃料電池システム３００に、バックアップボイラ用ポンプやバックアップボイラを設けてもよい。また、第三実施形態では、二つの除湿部を並列に設けた構成について説明したが、更に多くの除湿部を設けてもよい。
【符号の説明】
【００７２】
１，２００，３００…燃料電池システム、２…脱硫部、４…水素発生部、５…セルスタック、２０，２２０，２０Ａ，２０Ｂ…除湿部、２１，２１Ａ，２１Ｂ…乾燥器（乾燥部）、２２，２２Ａ，２２Ｂ…再生用燃焼器（加熱部、燃焼部）、２３，２３Ａ，２３Ｂ…温度検出部、３３，３３Ａ，３３Ｂ…冷却部、４３…バックアップボイラ（燃焼部）、２２２…再生用電気ヒータ（加熱部）、Ｌ２，Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂ，Ｌ４…ライン（バイパスライン）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを脱硫する脱硫部と、
前記燃料ガスを用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部と、
前記水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、を備える燃料電池システムであって、
前記脱硫部の上流に設けられて前記燃料ガス中の水分を吸収する乾燥剤を有する乾燥部と、
前記乾燥部を加熱することによって前記乾燥剤から水分を放出させて当該乾燥剤を再生させる加熱部と、
前記乾燥剤から放出された水分を燃焼処理する燃焼部と、
前記乾燥剤の再生処理時に、前記脱硫部をバイパスして前記乾燥部と前記燃焼部とを接続するバイパスラインと、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記加熱部は、前記燃料ガスを燃焼させる燃焼器で構成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記加熱部を構成する前記燃焼器は、前記乾燥剤から放出された水分を燃焼処理する前記燃焼部として機能することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記加熱部は、電気ヒータで構成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記乾燥部の温度を検出する温度検出部を更に有することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
複数の前記乾燥部が、前記脱硫部に対して並列に設けられていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記乾燥部の冷却を行う冷却部を更に備えることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記乾燥剤は、Ａ型シリカゲルであることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記乾燥剤は、Ｂ型シリカゲルであることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項記載の燃料電池システム。
【請求項１】
燃料ガスを脱硫する脱硫部と、
前記燃料ガスを用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部と、
前記水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、を備える燃料電池システムであって、
前記脱硫部の上流に設けられて前記燃料ガス中の水分を吸収する乾燥剤を有する乾燥部と、
前記乾燥部を加熱することによって前記乾燥剤から水分を放出させて当該乾燥剤を再生させる加熱部と、
前記乾燥剤から放出された水分を燃焼処理する燃焼部と、
前記乾燥剤の再生処理時に、前記脱硫部をバイパスして前記乾燥部と前記燃焼部とを接続するバイパスラインと、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記加熱部は、前記燃料ガスを燃焼させる燃焼器で構成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記加熱部を構成する前記燃焼器は、前記乾燥剤から放出された水分を燃焼処理する前記燃焼部として機能することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記加熱部は、電気ヒータで構成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記乾燥部の温度を検出する温度検出部を更に有することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
複数の前記乾燥部が、前記脱硫部に対して並列に設けられていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記乾燥部の冷却を行う冷却部を更に備えることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記乾燥剤は、Ａ型シリカゲルであることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記乾燥剤は、Ｂ型シリカゲルであることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−４５７５６（Ｐ２０１３−４５７５６Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８５１７０（Ｐ２０１１−１８５１７０）
【出願日】平成２３年８月２６日（２０１１．８．２６）
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２６日（２０１１．８．２６）
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【Ｆターム（参考）】
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