脱硫システムおよび脱硫システムの制御方法
【課題】 脱硫器の不具合を抑制することができる脱硫システムおよび脱硫システムの制御方法を提供する。
【解決手段】 脱硫システム（１００）は、水素含有ガスに改質される原燃料ガスの水分を吸着する吸着材を備える除湿器（２１）と、除湿器（２１）によって除湿された原燃料ガスを脱硫する脱硫器（２２）と、除湿器（２１）に供給される原燃料ガスよりも水蒸気分圧の低いまたは温度が高い除湿器再生ガスを除湿器（２１）に供給することによって除湿器（２１）を再生させる再生手段（４０）と、再生手段（４０）が除湿器（２１）に除湿器再生ガスを供給する際に、除湿器（２１）から排気される除湿器再生ガスに脱硫器（２２）をバイパスさせる第１バイパス手段（２４）と、を備える。
【解決手段】 脱硫システム（１００）は、水素含有ガスに改質される原燃料ガスの水分を吸着する吸着材を備える除湿器（２１）と、除湿器（２１）によって除湿された原燃料ガスを脱硫する脱硫器（２２）と、除湿器（２１）に供給される原燃料ガスよりも水蒸気分圧の低いまたは温度が高い除湿器再生ガスを除湿器（２１）に供給することによって除湿器（２１）を再生させる再生手段（４０）と、再生手段（４０）が除湿器（２１）に除湿器再生ガスを供給する際に、除湿器（２１）から排気される除湿器再生ガスに脱硫器（２２）をバイパスさせる第１バイパス手段（２４）と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脱硫システムおよび脱硫システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の発電等で消費される水素は、例えば、改質器において生成される。改質器においては、炭化水素等の原燃料ガスと改質水との水蒸気改質反応によって水素が生成される。原燃料ガスには、漏出の早期発見の目的で、硫黄化合物等の付臭剤が微量に含まれている。この硫黄化合物は、改質器の改質効率低下の原因となるため、改質器に供給される前に除去されていることが好ましい。
【０００３】
そこで、脱硫器が設けられることがある。また、原燃料ガス中の水分除去の目的で、脱硫器の前段に除湿器が設けられることがある。特許文献１は、除湿器および脱硫器のセットを複数備え、必要に応じて除湿器および脱硫器を再生させる技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】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】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、除湿器および脱硫器を同時に再生させている。この場合、再生時に除湿器から脱離してきた水蒸気により、脱硫器に不具合が生じることがある。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、脱硫器の不具合を抑制することができる脱硫システムおよび脱硫システムの制御方法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】
【０００７】
本発明に係る脱硫システムは、水素含有ガスに改質される原燃料ガスの水分を吸着する吸着材を備える除湿器と、前記除湿器によって除湿された前記原燃料ガスを脱硫する脱硫器と、前記除湿器に供給される前記原燃料ガスよりも水蒸気分圧の低いまたは温度が高い除湿器再生ガスを前記除湿器に供給することによって前記除湿器を再生させる再生手段と、前記再生手段が前記除湿器に前記除湿器再生ガスを供給する際に、前記除湿器から排気される前記除湿器再生ガスに前記脱硫器をバイパスさせる第１バイパス手段と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る脱硫システムにおいては、除湿器を再生させる際に脱硫器への水分の流入を抑制することができる。それにより、脱硫器の不具合を抑制することができる。
【０００８】
前記再生手段が前記除湿器に前記除湿器再生ガスを供給する際に、前記原燃料ガスを、前記除湿器を経由せずに前記脱硫器に供給する第２バイパス手段を備えていてもよい。前記再生手段は、前記吸着材の温度、前記原燃料ガスの温度、または外気温が所定値を上回る場合に、前記除湿器再生ガスを前記除湿器に供給してもよい。前記再生手段は、前記吸着材の温度上昇率が所定値を下回った場合に、前記除湿器再生ガスを前記除湿器に供給してもよい。前記除湿器再生ガスは、エアとしてもよい。前記除湿器再生ガスは、加熱されたエアとしてもよい。前記第１バイパス流路は、前記除湿器から排気される前記エアを、燃料電池のカソードに供給してもよい。
【０００９】
前記原燃料ガスが前記除湿器および前記脱硫器の順に経由して改質器に供給されかつ前記エアが前記除湿器および前記脱硫器を経由せずに前記燃料電池のカソードに供給される第１流路形態、および、前記原燃料ガスが前記除湿器を経由せずに前記脱硫器を経由して前記改質器に供給されかつ前記エアが前記除湿器を経由して前記脱硫器を経由せずに前記燃料電池のカソードに供給される第２流路形態、のいずれか一方を選択する流路形態選択手段を備えていてもよい。前記流路形態選択手段は、前記第１流路形態を選択した直後の所定期間内の前記吸着材の温度上昇率に基づいて、前記第１流路形態および前記第２流路形態を選択してもよい。
【００１０】
前記再生手段は、前記除湿器に供給される前記原燃料ガスよりも硫黄成分分圧の低い脱硫器再生ガスを、前記除湿器を経由せずに前記脱硫器に供給してもよい。前記脱硫器に前記脱硫器再生ガスが供給される際に、前記脱硫器から排出される前記脱硫器再生ガスを大気に放出するための放出手段を備えていてもよい。前記再生手段は、前記脱硫器から排出される前記原燃料ガスの異臭検出限界以下の条件が成立する範囲で、前記脱硫器再生ガスを前記脱硫器に供給してもよい。前記再生手段は、前記水素含有ガスが供給される燃料電池の要求負荷が所定値を下回る場合に、前記脱硫器再生ガスを前記脱硫器に供給してもよい。前記脱硫器再生ガスは、エアとしてもよい。前記脱硫器再生ガスは、加熱されたエアとしてもよい。
【００１１】
本発明に係る脱硫システムの制御方法は、水素含有ガスに改質される原燃料ガスの水分を吸着する吸着材を備える除湿器と、前記除湿器によって除湿された前記原燃料ガスを脱硫する脱硫器と、を備える脱硫システムにおいて、前記除湿器に供給される前記原燃料ガスよりも水蒸気分圧の低い除湿器再生ガスを前記除湿器に供給することによって前記除湿器を再生させる再生ステップと、前記再生ステップにおいて前記除湿器に前記除湿器再生ガスが供給される際に、前記除湿器から排気される前記除湿器再生ガスに前記脱硫器をバイパスさせるバイパスステップと、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る脱硫システムの制御方法においては、除湿器を再生させる際に脱硫器への水分の流入を抑制することができる。それにより、脱硫器の不具合を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、脱硫器の不具合を抑制することができる脱硫システムおよび脱硫システムの制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１に係る脱硫システムを含む燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池の断面を含む部分斜視図である。
【図３】除湿器再生処理および通常運転の切替を示すフローチャートを示す図である。
【図４】除湿器再生処理および通常運転の切替を示すフローチャートを示す図である。
【図５】除湿器内の温度センサを示す図である。
【図６】除湿器再生処理および通常運転の切替を示すフローチャートを示す図である。
【図７】除湿器再生処理および通常運転の切替を示すフローチャートを示す図である。
【図８】除湿器再生処理および通常運転の切替を示すフローチャートを示す図である。
【図９】バイパス流路の他の例を示す図である。
【図１０】実施例２に係る脱硫システムを含む燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。
【図１１】異臭検出限界に基づいて脱硫器の再生処理開始を判断するフローチャートの一例を示す図である。
【図１２】脱硫器再生処理および通常運転の切替を示すフローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、実施例１に係る脱硫システム２０を含む燃料電池システム１００の全体構成を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、原燃料供給部１０、脱硫システム２０、改質水供給部３０、酸化剤ガス供給部４０、改質器５０、燃焼室６０、燃料電池７０、熱交換部８０、および、制御部９０を備える。
【００１６】
原燃料供給部１０は、炭化水素等の原燃料を改質器５０に供給するための原燃料ポンプである。炭化水素の一例として、都市ガス、天然ガス、液化石油ガス（ＬＰＧ）等を用いることができる。原燃料供給部１０は、後述する切替弁２３と配管を介して接続されている。
【００１７】
脱硫システム２０は、原燃料中の水分を除去する除湿器２１、原燃料中の硫黄成分を除去する脱硫器２２、流路を切り替えるための切替弁２３，２４、原燃料の温度を検出する温度センサ２５、除湿器２１内の吸着材の温度を検出する温度センサ２６、外気温を検出する温度センサ２７、光センサ２８、および水蒸気センサ２９を含む。
【００１８】
除湿器２１は、水蒸気を吸着するための吸着材を備える。除湿器２１の吸着材は、物理吸着材および化学吸着材のいずれか一方または両方を含んでいてもよい。除湿器２１の吸着材として、例えば、ドライアライト、Ａ型ゼオライト、シリカゲル、分子ふるい３Ａ，４Ａ，５Ａ、およびこれらの組み合わせ等を用いることができる。
【００１９】
脱硫器２２は、硫黄または硫黄化合物（以下、硫黄成分と称する。）を吸着するための吸着材を備える。脱硫器２２の吸着材は、物理吸着材および化学吸着材のいずれか一方または両方を含んでいてもよい。脱硫器２２の吸着材として、例えば、疎水性ゼオライトにＡｇ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等を担持させたものを用いることができ、Ｙ型ゼオライト、β型ゼオライト、またはＸ型ゼオライトにＡｇまたはＣｕを担持させたものを用いてもよい。さらに、脱硫器２２の吸着材として、分子ふるい１３Ｘ、銅−亜鉛系脱硫材、多孔質担体に銅を担持させたものを用いてもよい。これらの吸着材は、例えば、貴金属、遷移金属、およびこれらの組合せで構成された郡から選択される金属によってイオン交換されたものであってもよい。
【００２０】
なお、除湿器２１および脱硫器２２の吸着材は、同一であってもよい。ただし、この場合、除湿器２１の吸着材の気孔を脱硫器２２の吸着材の気孔よりも小さくすることによって、主として除湿器２１に除湿させ、主として脱硫器２２に脱硫させることができる。
【００２１】
切替弁２３は、原燃料供給部１０と除湿器２１とを接続する流路の開通と、原燃料供給部１０と脱硫器２２とを接続する流路および酸化剤ガス供給部４０と除湿器２１とを接続する流路の開通と、を切替可能な弁である。切替弁２４は、除湿器２１と脱硫器２２とを接続する流路および酸化剤ガス供給部４０とカソード７１とを接続する流路の開通と、除湿器２１とカソード７１とを接続する流路の開通と、を切替可能な弁である。
【００２２】
光センサ２８は、除湿器２１の吸着材の色相変化を検出するセンサである。水蒸気センサ２９は、除湿器２１から切替弁２４に向かって流動する原燃料ガス中の水蒸気濃度を検出するセンサである。
【００２３】
改質水供給部３０は、改質器５０における水蒸気改質反応に必要な改質水を貯蔵する改質水タンク３１、後述する凝縮水タンク８２から必要な改質水を改質水タンク３１に供給するためのポンプ３２、改質水タンク３１に供給される改質水に対してイオン交換を施すイオン交換器３３、改質水タンク３１に貯蔵された改質水を改質器５０に供給するための流量調節器３４等を含む。
【００２４】
酸化剤ガス供給部４０は、燃料電池７０のカソード７１に酸化剤ガスを供給するためのポンプ等を含む。本実施例においては、酸化剤ガスとして、エアを用いる。酸化剤ガス供給部４０は、切替弁２３および切替弁２４と、配管を介して接続されている。当該配管は、燃料電池７０および改質器５０が配置されるパッケージ６１内を通過するように配置されている。それにより、切替弁２３および切替弁２４に供給される酸化剤ガスは、燃料電池７０の発電に伴って発生する熱および燃焼室６０における燃焼に伴って発生する熱によって加熱される。
【００２５】
改質器５０は、改質水を気化させるための気化部５１、および、水蒸気改質反応によって水素ガスを含む燃料ガスを生成するための改質部５２を含む。気化部５１および改質部５２は、燃焼室６０の燃焼熱を利用できるように、燃焼室６０に隣接している。改質部５２は、改質触媒等を備えている。燃料電池７０は、カソード７１とアノード７２とによって電解質７３が挟持された構造を有する。熱交換部８０は、熱交換器８１および凝縮水タンク８２を含む。熱交換器８１は、燃焼室６０の排気ガスと水道水との熱交換を行うための熱交換器である。凝縮水タンク８２は、熱交換器８１における熱交換によって排気ガスから生じた凝縮水を貯留するタンクである。
【００２６】
制御部９０は、燃料電池システム１００を制御する装置であり、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。制御部９０は、各部の動作を制御する。
【００２７】
図２は、燃料電池７０の断面を含む部分斜視図である。図２に示すように、燃料電池７０は、平板柱状の全体形状を有する。ガス透過性を有する導電性支持体１１の内部に、軸方向（長手方向）に沿って貫通する複数の燃料ガス通路１２が形成されている。導電性支持体１１の外周面における一方の平面上に、燃料極１３、固体電解質１４、および酸素極１５がこの順に積層されている。酸素極１５に対向する他方の平面上には、接合層１６を介してインターコネクタ１７が設けられ、その上に接触抵抗低減用のＰ型半導体層１８が設けられている。燃料極１３が図１のアノード７２として機能し、酸素極１５が図１のカソード７１として機能し、固体電解質１４が図１の電解質７３として機能する。なお、燃料電池７０は、図２に示す単セルが複数積層されたスタック構造を有していてもよい。
【００２８】
燃料ガス通路１２に水素を含む改質ガスが供給されることによって、燃料極１３に水素が供給される。一方、燃料電池７０の周囲に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって、酸素極１５に酸素が供給される。それにより、酸素極１５及び燃料極１３において下記の電極反応が生じることによって発電が行われる。発電反応は、例えば、６００℃〜１０００℃で行われる。
酸素極：１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（固体電解質）
燃料極：Ｏ２−（固体電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
【００２９】
酸素極１５の材料は、耐酸化性を有し、気体の酸素が固体電解質１４との界面に到達できるように多孔質である。固体電解質１４は、酸素極１５から燃料極１３へ酸素イオンＯ２−を移動させる機能を有する。固体電解質１４は、酸素イオン導電性酸化物によって構成される。また、固体電解質１４は、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するため、酸化／還元雰囲気中において安定でありかつ緻密質である。燃料極１３は、還元雰囲気中で安定でありかつ水素との親和性を有する材料によって構成される。インターコネクタ１７は、燃料電池７０同士を電気的に直列に接続するために設けられており、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するために緻密質である。
【００３０】
例えば、酸素極１５は、電子およびイオンの双方の導電性が高いランタンコバルタイト系のペロブスカイト型複合酸化物等から形成される。固体電解質１４は、イオン導電性の高いＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）等によって形成される。燃料極１３は、電子導電性の高いＮｉとＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）との混合物等によって形成される。インターコネクタ１７は、電子導電性の高い、アルカリ土類酸化物を固溶したＬａＣｒＯ３等によって形成される。これらの材料は、熱膨張率が近いものが好適である。
【００３１】
続いて、図１を参照しつつ、燃料電池システム１００の通常運転について説明する。まず、制御部９０は、切替弁２３に、原燃料供給部１０と除湿器２１とを接続する流路を開通させ、切替弁２４に、除湿器２１と脱硫器２２とを接続する流路および酸化剤ガス供給部４０とカソード７１とを接続する流路を開通させる。それにより、原燃料ガスが除湿器２１および脱硫器２２の順に経由して改質器５０に供給されかつエアが燃料電池７０のカソード７１に除湿器２１および脱硫器２２を経由せずに供給される第１流路形態が実現される。
【００３２】
原燃料供給部１０は、制御部９０の指示に従って必要量の原燃料ガスを切替弁２３に向けて流動させる。切替弁２３は、原燃料ガスを除湿器２１に導入する。除湿器２１は、原燃料ガス中の水分を吸着することによって、原燃料ガスに対して除湿する。除湿器２１によって除湿された原燃料ガスは、切替弁２４に向けて流動する。切替弁２４は、除湿された原燃料ガスを脱硫器２２に導入する。脱硫器２２は、除湿された原燃料ガス中の硫黄成分を吸着することによって、原燃料ガスに対して脱硫する。脱硫された原燃料ガスは、改質器５０の気化部５１に供給される。
【００３３】
流量調節器３４は、制御部９０の指示に従って必要量の改質水を改質器５０の気化部５１に供給する。改質水は、気化部５１において燃焼室６０から受け取った熱によって蒸発気化し、改質部５２に供給される。改質部５２においては、燃焼室６０から受け取った熱を用いて、水蒸気と原燃料ガスとの間で水蒸気改質反応が生じる。それにより、水素ガスを含有する燃料ガスが生成される。改質器５０において生成された燃料ガスは、燃料電池７０のアノード７２に供給される。酸化剤ガス供給部４０は、制御部９０の指示に従って、必要量の酸化剤ガスを切替弁２４に流動させる。切替弁２４は、酸化剤ガスをカソード７１に導入する。それにより、燃料電池７０において発電が行われる。
【００３４】
カソード７１から排出された酸化剤オフガスおよびアノード７２から排出された燃料オフガスは、燃焼室６０に流入する。燃焼室６０においては、燃料オフガスの可燃成分が酸化剤オフガス中の酸素によって燃焼する。燃焼によって得られた熱は、改質器５０および燃料電池７０に与えられる。このように、燃料電池システム１００においては、燃料オフガス中に含まれる水素、一酸化炭素等の可燃成分を燃焼室６０において燃焼させることができる。
【００３５】
熱交換器８１は、燃焼室６０から排出された排気ガスと熱交換器８１内を流れる水道水との間で熱交換する。熱交換によって排気ガスから得られた凝縮水は、凝縮水タンク８２に貯蔵される。熱交換によって加熱された水道水は、温水として貯湯槽に貯留される。ポンプ３２は、制御部９０の指示に従って、凝縮水タンク８２に貯留された凝縮水を、イオン交換器３３を経由して改質水タンク３１に供給する。
【００３６】
以上の通常運転により、燃料電池システム１００は、発電を継続する。上記通常運転においては、脱硫器２２において原燃料ガス中の硫黄成分が除去されることから、改質部５２における改質触媒の触媒能低下が抑制される。それにより、改質部５２における改質効率低下が抑制される。また、燃料電池７０における硫黄成分の付着が抑制される。それにより、燃料電池７０の発電性能低下が抑制される。また、凝縮水タンク８２への硫黄成分への混入が抑制される。それにより、イオン交換器３３の耐久性能低下が抑制される。また、除湿器２１において原燃料ガス中の水分が除去されることから、脱硫器２２への水分の流入が抑制される。それにより、脱硫器２２における脱硫能の低下が抑制される。
【００３７】
除湿器２１において水分の吸着量が増えると、除湿器２１の除湿能が低下する。したがって、除湿器２１における水分の吸着量が増える場合には、除湿器２１に再生処理を施すことが好ましい。そこで、本実施例においては、除湿器２１の再生処理が必要となる条件（以下、除湿器再生条件）が成立する場合に、除湿器２１の再生処理を行う。
【００３８】
ここで、除湿器２１の再生処理とは、除湿器２１に原燃料ガスを供給せずに、原燃料ガスよりも水蒸気分圧の低いガスまたは原燃料ガスよりも温度が高いガス（以下、総称して除湿器再生ガス）を除湿器２１に導入する処理である。除湿器再生ガスとして、エア、不活性ガス（Ｎ２，Ｈ２，Ｈｅ等）、燃焼室６０から排気された燃焼ガス、燃焼室６０から排気されかつ熱交換器８１において水道水との熱交換によって水分が除去された燃焼ガス等を用いることができる。本実施例においては、除湿器再生ガスとして、酸化剤ガスとしてのエアを用いる。原燃料ガスよりも水蒸気分圧の低いガスまたは原燃料ガスよりも温度が高いガスを除湿器２１に導入することによって、除湿器２１の吸着材が吸着していた水分が脱離する。その結果、除湿器２１が再生される。
【００３９】
除湿器再生ガスは、原燃料ガスに比較して水蒸気分圧が低いほど高い再生能力を有する。また、除湿器再生ガスは、原燃料ガスに比較して温度が高いほど高い再生能力を有する。例えば、除湿器再生ガスの温度は、燃料電池７０が定格運転を行っている場合に除湿器２１に供給される原燃料ガスの温度よりも高いことが好ましい。また、除湿器再生ガスとして、燃料電池７０、改質部５２、気化部５１、燃焼室６０、燃焼室６０から排出された燃焼ガス等との熱交換によって１００℃以上となった高温ガスを用いることが好ましい。
【００４０】
また、除湿器２１に対して再生処理を施すと、除湿器２１の吸着材が吸着していた水分が短時間で脱離することから、除湿器２１から排出されるガス中の水蒸気濃度が瞬時に高くなる。この水蒸気濃度の高い原燃料ガスが脱硫器２２に供給されると、脱硫器２２に不具合が生じる。そこで、除湿器２１を通過した除湿器再生ガスを、脱硫器２２に流入させないことによって、脱硫器２２への水分流入を抑制する。
【００４１】
本実施例においては、制御部９０は、除湿器再生条件が成立する場合に、切替弁２３に、原燃料供給部１０と脱硫器２２とを接続する流路および酸化剤ガス供給部４０と除湿器２１とを接続する流路を開通させ、切替弁２４に、除湿器２１とカソード７１とを接続する流路を開通させる。それにより、原燃料ガスが除湿器２１を経由せずに脱硫器２２を経由して改質器５０に供給されかつエアが除湿器２１を経由して脱硫器２２を経由せずに燃料電池７０のカソード７１に供給される第２流路形態が実現される。
【００４２】
この場合、原燃料供給部１０からの原燃料ガスは、除湿器２１を経由せずに脱硫器２２に導入される。脱硫器２２を経由した原燃料ガスは、改質器５０の気化部５１に供給される。酸化剤ガス供給部４０からのエアは、切替弁２３を経由して除湿器２１に導入され、切替弁２４を経由してカソード７１に供給される。以上のガス流動によって、除湿器２１に対して再生処理が施される。なお、上述したように、酸化剤ガスとしてのエアは、パッケージ６１内において、燃料電池７０および燃焼室６０によって加熱されている。したがって、除湿器２１の吸着材が吸着している水分を効率よく脱離させることができる。さらに、除湿器２１を経由したエアが脱硫器２２を経由せずにカソード７１に供給されることから、脱硫器２２への水分の流入が抑制される。それにより、脱硫器２２の不具合が抑制される。また、除湿器２１の再生に用いるガスを酸化剤ガスとして用いることができることから、装置の簡素化を図ることができる。
（除湿器再生条件の例１）
【００４３】
続いて、除湿器再生条件の例について説明する。一般的に、吸着材は、温度が高くなると吸着能が低下する。したがって、除湿器２１の吸着材の温度が高くなる場合に、除湿器再生条件が成立するとしてもよい。具体的には、温度センサ２５の検出結果に基づいて、除湿器２１に供給される原燃料ガスの温度が所定値を上回る場合に、除湿器再生条件が成立するとしてもよい。
【００４４】
図３は、この場合に実行されるフローチャートを示す図である。図３のフローチャートは、所定の周期（例えば１秒ごと）に実行される。図３に示すように、制御部９０は、温度センサ２５の検出温度が所定値（例えば、１５℃）を上回るか否かを判定する（ステップＳ１）。ステップＳ１において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部９０は、切替弁２３，２４に、上述した第２流路形態を選択させる。それにより、再生処理が実施される（ステップＳ２）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。
【００４５】
ステップＳ１において「Ｎｏ」と判定された場合、制御部９０は、切替弁２３，２４に、第１流路形態を選択させる。それにより、通常運転が実施される（ステップＳ３）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。
【００４６】
図３のフローチャートに従った制御により、除湿器２１の吸着材の吸着能が低下すると推測される場合に、除湿器２１の再生処理が施される。それにより、除湿器２１の除湿能を向上させることができる。さらに、除湿器２１の再生処理の際に除湿器２１から排出されるガスが脱硫器２２に導入されないことから、脱硫器２２への水分の流入が抑制される。それにより、脱硫器２２の不具合が抑制される。
【００４７】
なお、図３のフローチャートにおいて、再生処理が実施されている場合にはステップＳ１における所定値を低く設定し（例えば１０℃）、通常運転が実施されている場合にはステップＳ１における所定値を高く設定してもよい（例えば１５℃）。それにより、再生処理と通常運転とが頻繁に切り替わることを防止することができる。
【００４８】
また、温度センサ２５の検出温度の代わりに、温度センサ２６または温度センサ２７の検出温度を用いてもよい。特に、温度センサ２６の検出温度を用いることにより、除湿器２１の吸着材の温度を直接検出することができるため、除湿器２１の吸着材の吸着能の低下の推定精度が向上する。
（除湿器再生条件の例２）
【００４９】
原燃料ガスが水分を含有し、かつ除湿器２１の吸着能が低下していなければ、原燃料ガス中の水分が除湿器２１に吸着する。この場合、吸着熱が発生する。ここで、吸着による発熱について説明する。吸着という現象は、吸着対象物質の自由を束縛する反応と定義付けることができる。したがって、吸着対象物質の自由エネルギーは、吸着によって解放されることになる。その結果、シリカゲル等の吸着材が吸着対象物質を吸着することによって、吸着熱が発生することになる。
【００５０】
この吸着熱に着目すれば、除湿器２１の吸着材の吸着能が低下しているか否かを推定することができる。したがって、ここでは、吸着に伴う発熱量の指標値が低下傾向を示す場合に、除湿器再生条件が成立するとする。具体的には、吸着熱の発生に伴って、除湿器２１の温度が上昇する。逆に言えば、原燃料ガスが水分を有しているにもかかわらず、除湿器２１の温度が上昇しないか温度上昇幅が小さい場合には、除湿器２１の吸着能が低下していると判断することができる。以上のことから、除湿器２１の吸着材の温度上昇率が所定値以下である場合に、除湿器再生条件が成立するとしてもよい。
【００５１】
図４は、この場合に実行されるフローチャートを示す図である。図４のフローチャートは、所定の周期（例えば１秒ごと）に実行される。図４に示すように、制御部９０は、温度センサ２６の検出温度の上昇率が所定値（例えば、１／６０（℃／秒））未満であるか否かを判定する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部９０は、切替弁２３，２４に、第２流路形態を選択させる。それにより、再生処理が実施される（ステップＳ１２）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。なお、秒単位での判断では、温度センサ２６の検出温度の上昇率にバラツキが生じ、測定精度が低下するおそれがある。そこで、ステップＳ１１において、例えば１２０秒間の平均上昇率（２℃／１２０秒）を採用してもよい。
【００５２】
ステップＳ１１において「Ｎｏ」と判定された場合、制御部９０は、切替弁２３，２４に、第１流路形態を選択させる。それにより、通常運転が実施される（ステップＳ１３）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。
【００５３】
図４のフローチャートに従った制御により、除湿器２１の吸着材の吸着能が低下すると推測される場合に、除湿器２１の再生処理が施される。それにより、除湿器２１の除湿能を向上させることができる。さらに、除湿器２１の再生処理の際に除湿器２１から排出されるガスが脱硫器２２に導入されないことから、脱硫器２２への水分の流入が抑制される。それにより、脱硫器２２の不具合が抑制される。
【００５４】
なお、吸着に伴う発熱量の指標値として、上記の温度上昇率以外の指標値を用いてもよい。例えば、外気温と除湿器２１の内部との温度差を用いてもよい。具体的には、除湿器２１の温度が外気温に対して所定値以内になった場合に、除湿器２１の吸着材の吸着能が低下していると推測してもよい。例えば、図４のステップＳ１１において、温度センサ２７の検出温度から温度センサ２６の検出温度を差し引いた値が所定値を下回ったか否かを判定してもよい。
【００５５】
また、除湿器２１の内部において、原燃料ガスの流動方向の上流側から吸着反応が進む。したがって、除湿器２１の吸着材の吸着可能量に余裕がある場合には、除湿器２１の内部における上流側の吸着材の温度が下流側の吸着材の温度に比較して高くなる。一方で、除湿器２１の吸着材の吸着可能量に余裕がなくなると、上流側と下流側とで温度差が小さくなる。したがって、吸着に伴う発熱量の指標値として、除湿器２１の内部における原燃料ガスの流動方向の上流側の吸着材と下流側の吸着材との温度差を用いてもよい。
【００５６】
例えば、図５に示すように、除湿器２１の内部において、原燃料ガスの流動方向の上流側に温度センサ２６ａを配置し、下流側に温度センサ２６ｂを配置する。その上で、図４のステップＳ１１において、温度センサ２６ａの検出温度から温度センサ２６ｂの検出温度を差し引いた値が所定値未満であるか否かを判定してもよい。
【００５７】
なお、図４のフローチャートの実行と並行して、図３のフローチャートを実行してもよい。この場合、図４のフローチャートでの除湿器再生条件が成立していなくても、図３のフローチャートの除湿器再生条件が成立すれば、除湿器２１に対する再生処理を実施してもよい。すなわち、図３のフローチャートの除湿器再生条件を優先させてもよい。この場合、除湿器２１の除湿能をより確実に回復させることができる。
【００５８】
また、第２流路形態から第１流路形態に切り替わった直後の所定期間における除湿器２１の吸着材の温度上昇率に基づいて、第１流路形態および第２流路形態の選択操作を行ってもよい。具体的には、第２流路形態から第１流路形態に切り替わった直後においては、除湿器２１の再生処理が完了した直後であるため、原燃料ガス中の水分の吸着反応が進行しやすい。すなわち、除湿器２１の吸着材の温度上昇率が高くなるはずである。それにもかかわらず当該温度上昇率が所定値よりも低いと、原燃料ガス中の水分濃度が低いことになる。したがって、除湿器２１を経由せずに原燃料ガスを脱硫器２２に供給しても、脱硫器２２の脱硫能低下は抑制される。
【００５９】
図６は、具体例を説明するためのフローチャートである。図６のフローチャートは、所定の周期（例えば１秒ごと）に実行される。図６に示すように、制御部９０は、第２流路形態から第１流路形態に切り替わった直後の所定期間における温度センサ２６の検出温度の上昇率が所定値（例えば、５／１２０（℃／秒））を上回ったか否かを判定する（ステップＳ２１）。ステップＳ２１において「Ｙｅｓ」と判定された場合、原燃料ガス中の水蒸気濃度が高いと判断される。したがって、制御部９０は、切替弁２３，２４に、第１流路形態を継続させる。それにより、通常運転が実施される（ステップＳ２２）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。なお、秒単位での判断では、温度センサ２６の検出温度の上昇率にバラツキが生じ、測定精度が低下するおそれがある。そこで、ステップＳ２１において、例えば１２０秒間の平均上昇率（５℃／１２０秒）を採用してもよい。
【００６０】
ステップＳ２１において「Ｎｏ」と判定された場合、原燃料ガス中の水蒸気濃度が低いと判断される。したがって、制御部９０は、切替弁２３，２４に、第２流路形態を選択させる。それにより、再生処理が実施される（ステップＳ２３）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。
【００６１】
図６のフローチャートに従った制御により、原燃料ガス中の水分濃度が低い場合には、除湿器２１を経由せずに原燃料ガスを脱硫器２２に供給し、除湿器２１を再生させることができる。それにより、脱硫器２２の不具合を抑制しつつ、除湿器２１の除湿能を向上させることができる。
【００６２】
また、第２流流路形態から第１流路形態に切り替わった直後の所定期間における除湿器２１の温度上昇率が所定値以下である場合には、再生処理の時間を長くしてもよい。それにより、除湿器２１が十分に再生される。
（除湿器再生条件の例３）
【００６３】
除湿器２１の吸着材は、水分を吸着するにつれて色相が変化する。例えば、シリカゲルは、水分を吸着するにつれてピンク色に変化する。そこで、除湿器２１の吸着材の色相が所定量以上変化した場合に、除湿器再生条件が成立するとしてもよい。
【００６４】
図７は、この場合に実行されるフローチャートを示す図である。図７のフローチャートは、所定の周期（例えば１秒ごと）に実行される。図７に示すように、制御部９０は、光センサ２８の検出結果に基づいて、除湿器２１の吸着材の色相変化量が所定量を上回るか否かを判定する（ステップＳ３１）。ステップＳ３１において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部９０は、切替弁２３，２４に、第２流路形態を選択させる。それにより、再生処理が実施される（ステップＳ３２）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。
【００６５】
ステップＳ３１において「Ｎｏ」と判定された場合、制御部９０は、切替弁２３，２４に、第１流路形態を選択させる。それにより、通常運転が実施される（ステップＳ３３）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。
【００６６】
図７のフローチャートに従った制御により、除湿器２１の吸着材の吸着能が低下すると推測される場合に、除湿器２１の再生処理が施される。それにより、除湿器２１の除湿能を向上させることができる。さらに、除湿器２１の再生処理の際に除湿器２１から排出されるガスが脱硫器２２に導入されないことから、脱硫器２２への水分の流入が抑制される。それにより、脱硫器２２の不具合が抑制される。
（除湿器再生条件の例４）
【００６７】
除湿器２１の吸着材の水分吸着量が多くなるにしたがって、除湿器２１の除湿能が低下する。除湿器２１の除湿能が低下すれば、除湿器２１から排出される原燃料ガス中の水蒸気濃度が上昇する。したがって、除湿器２１から排出される原燃料ガス中の水蒸気濃度が所定値以上になった場合に、除湿器再生条件が成立するとしてもよい。
【００６８】
図８は、この場合に実行されるフローチャートを示す図である。図８のフローチャートは、所定の周期（例えば１秒ごと）に実行される。図８に示すように、制御部９０は、水蒸気センサ２９で検出される水蒸気濃度が所定値を上回るか否かを判定する（ステップＳ４１）。ステップＳ４１において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部９０は、切替弁２３，２４に、第２流路形態を選択させる。それにより、再生処理が実施される（ステップＳ４２）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。
【００６９】
ステップＳ４１において「Ｎｏ」と判定された場合、制御部９０は、切替弁２３，２４に、第１流路形態を選択させる。それにより、通常運転が実施される（ステップＳ４３）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。
【００７０】
図８のフローチャートに従った制御により、除湿器２１の吸着材の吸着能が低下すると推測される場合に、除湿器２１の再生処理が施される。それにより、除湿器２１の除湿能を向上させることができる。さらに、除湿器２１の再生処理の際に除湿器２１から排出されるガスが脱硫器２２に導入されないことから、脱硫器２２への水分の流入が抑制される。それにより、脱硫器２２の不具合が抑制される。
【００７１】
なお、本実施例においては、図９（ａ）に示すように、除湿器２１から排出される除湿器再生ガスのバイパスのために、切替弁２４を用いたが、それに限られない。例えば、図９（ｂ）に示すように、除湿器２１に排出系が別途設けられていてもよい。例えば、切替弁２４の代わりに流量調整弁を設けることができる。この場合、流量調整弁で流量を絞ることによって、除湿器２１から排出される除湿器再生ガスに脱硫器２２をバイパスさせることができる。
【００７２】
また、図９（ｃ）に示すように、除湿器２１と流量調整弁との間に排出系が別途設けられていてもよい。この場合においても、流量調整弁で流量を絞ることによって、除湿器２１から排出される除湿器再生ガスに脱硫器２２をバイパスさせることができる。
【００７３】
なお、本実施例においては、燃料電池システム１００は、温度センサ２５、温度センサ２６、温度センサ２７、光センサ２８、および水蒸気センサ２９を備えていたが、それに限られない。上記の除湿器再生条件の成立を検出するために必要なセンサが設けられていればよい。したがって、上記複数のセンサのうち、少なくともいずれか１つが備わっていればよい。
【００７４】
また、図３、図４、図７、および図８のフローチャートにおいて、除湿器再生条件が不成立となるまで再生処理が実施されているが、それに限られない。例えば、再生処理の実施が開始となってから所定時間（例えば１０分程度）が経過した後に、通常運転が選択されてもよい。
【００７５】
本実施例において、切替弁２４が、除湿器２１から排気される除湿器再生ガスに脱硫器２２をバイパスさせる第１バイパス手段として機能し、酸化剤ガス供給部４０が、除湿器再生ガスを除湿器２１に供給する再生手段として機能し、切替弁２３が、除湿器２１を経由せずに原燃料ガスを脱硫器２２に供給する第２バイパス手段として機能し、切替弁２３，２４が、第１流路形態および第２流路形態のいずれかを選択する流路形態選択手段として機能する。
【実施例２】
【００７６】
図１０は、実施例２に係る脱硫システム２０ａを含む燃料電池システム１００ａの全体構成を示すブロック図である。図１０に示すように、脱硫システム２０ａは、脱硫器２２の代わりに、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂを備える。また、脱硫システム２０ａは、三方弁４１〜４４を備えるとともに、弁４５を備える。
【００７７】
本実施例においては、切替弁２３は、原燃料供給部１０と除湿器２１とを接続する流路の開通と、原燃料供給部１０と三方弁４１とを接続する流路および切替弁２４と除湿器２１とを接続する流路の開通と、を切り替える。切替弁２４は、酸化剤ガス供給部４０とカソード７１とを接続する流路および除湿器２１と弁４５とを接続する流路の開通と、酸化剤ガス供給部４０と弁４５および切替弁２３とを接続する流路および除湿器２１とカソード７１とを接続する流路の開通と、を切り替える。
【００７８】
三方弁４１は、切替弁２３と第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂとを接続する流路と、切替弁２３と第１脱硫器２２ａとを接続する流路と、切替弁２３と第２脱硫器２２ｂとを接続する流路と、を切り替える。三方弁４２は、弁４５と第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂとを接続する流路と、弁４５と第１脱硫器２２ａとを接続する流路と、弁４５と第２脱硫器２２ｂとを接続する流路と、を切り替える。三方弁４３は、第１脱硫器２２ａと改質器５０とを接続する流路と、第１脱硫器２２ａから大気へとつながる流路と、を切り替える。三方弁４４は、第２脱硫器２２ｂと改質器５０とを接続する流路と、第２脱硫器２２ｂから大気へとつながる流路と、を切り替える。
【００７９】
続いて、図１０を参照しつつ、燃料電池システム１００ａの通常運転について説明する。まず、制御部９０は、切替弁２３に、原燃料供給部１０と除湿器２１とを接続する流路を開通させ、切替弁２４に、除湿器２１と弁４５とを接続する流路および酸化剤ガス供給部４０とカソード７１とを接続する流路を開通させ、弁４５を開に制御する。それにより、原燃料ガスが除湿器２１および脱硫器２２の順に経由して改質器５０に供給されかつエアが除湿器２１および脱硫器２２を経由せずに燃料電池７０のカソード７１に供給される第１流路形態が実現される。
【００８０】
原燃料供給部１０は、制御部９０の指示に従って必要量の原燃料ガスを切替弁２３に向けて流動させる。切替弁２３は、原燃料ガスを除湿器２１に導入する。除湿器２１は、原燃料ガス中の水分を吸着することによって、原燃料ガスに対して除湿する。除湿器２１によって除湿された原燃料ガスは、切替弁２４、弁４５および三方弁４２を経由して第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂに流入する。第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂは、原燃料ガス中の硫黄成分を吸着することによって、原燃料ガスに対して脱硫する。脱硫された原燃料ガスは、三方弁４３，４４を経由して改質器５０の気化部５１に供給される。
【００８１】
酸化剤ガス供給部４０は、制御部９０の指示に従って、必要量の酸化剤ガスを切替弁２４に流動させる。切替弁２４は、酸化剤ガスをカソード７１に導入する。それにより、燃料電池７０において発電が行われる。その他の動作は、実施例１と同様である。
【００８２】
以上の通常運転により、燃料電池システム１００ａは、発電を継続する。上記通常運転においては、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂにおいて原燃料ガス中の硫黄成分が除去されることから、改質部５２における改質触媒の触媒能低下が抑制される。それにより、改質部５２における改質効率低下が抑制される。また、燃料電池７０における硫黄成分の付着が抑制される。それにより、燃料電池７０の発電性能低下が抑制される。また、凝縮水タンク８２への硫黄成分への混入が抑制される。それにより、イオン交換器３３の耐久性能低下が抑制される。また、除湿器２１において原燃料ガス中の水分が除去されることから、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂへの水分の流入が抑制される。それにより、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂにおける脱硫能の低下が抑制される。
【００８３】
燃料電池システム１００ａは、実施例１で説明したいずれかの除湿器再生条件が成立する場合に、除湿器２１の再生処理を行う。まず、制御部９０は、切替弁２３に、原燃料供給部１０と三方弁４１とを接続する流路および切替弁２４と除湿器２１とを接続する流路を開通させ、切替弁２４に、酸化剤ガス供給部４０と切替弁２３とを接続する流路を開通させる。また、制御部９０は、三方弁４１に、切替弁２３と第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂとを接続する流路を開通させる。さらに、制御部９０は、弁４５を閉に制御する。また、制御部９０は、三方弁４３に、第１脱硫器２２ａと改質器５０とを接続する流路を開通させ、三方弁４４に、第２脱硫器２２ｂと改質器５０とを接続する流路を開通させる。それにより、原燃料ガスが除湿器２１を経由せずに第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂを経由して改質器５０に供給されかつエアが除湿器２１を経由して第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂを経由せずに燃料電池７０のカソード７１に供給される第２流路形態が実現される。
【００８４】
この場合、原燃料供給部１０からの原燃料ガスは、除湿器２１を経由せずに第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂに導入される。第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂを経由した原燃料ガスは、改質器５０の気化部５１に供給される。酸化剤ガス供給部４０からのエアは、除湿器２１に導入され、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂを経由せずにカソード７１に供給される。以上のガス流動によって、除湿器２１に対して再生処理が施される。除湿器２１を経由したエアが第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂを経由せずにカソード７１に供給されることから、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂへの水分の流入が抑制される。それにより、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの不具合が抑制される。また、除湿器２１の再生に用いるガスを酸化剤ガスとして用いることができることから、装置の簡素化を図ることができる。
【００８５】
第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂにおいて硫黄成分の吸着量が増えると、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの脱硫能が低下する。この場合、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂからの硫黄成分の流出によって、改質器５０および燃料電池７０に不具合が生じるおそれがある。したがって、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの脱硫能が低下する前に、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの再生処理を行うことが好ましい。
【００８６】
ここで、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの再生処理とは、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂに原燃料ガスを供給せずに、原燃料ガスよりも硫黄成分分圧の低いガス（以下、脱硫器再生ガス）を第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂに導入する処理である。本実施例においては、脱硫器再生ガスとして、酸化剤ガスとしてのエアを用いる。原燃料ガスよりも硫黄成分分圧の低いガスを第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂに導入することによって、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの吸着材が吸着していた硫黄成分が脱離する。その結果、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂが再生される。
【００８７】
まず、第２流路形態が選択されている場合において、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂのいずれかに脱硫器再生ガスを供給する場合について説明する。制御部９０は、第２流路形態が選択されている場合において、三方弁４１に、切替弁２３と第２脱硫器２２ｂとを接続する流路を開通させる。また、制御部９０は、弁４５を開に制御し、三方弁４２に、弁４５と第１脱硫器２２ａとを接続する流路を開通させる。さらに、制御部９０は、三方弁４３に、第１脱硫器２２ａから大気へとつながる流路を開通させる。
【００８８】
この場合、除湿器２１に供給されるエアの一部は、第１脱硫器２２ａに供給される。それにより、第１脱硫器２２ａの吸着材が吸着している硫黄成分が脱離する。第１脱硫器２２ａから排出されるエアは、三方弁４３を経由して大気に放出される。それにより、改質器５０および燃料電池７０への硫黄成分の流入が抑制される。
【００８９】
また、制御部９０は、第２流路形態が選択されている場合において、所定のタイミングで、三方弁４１に、切替弁２３と第１脱硫器２２ａとを接続する流路を開通させる。また、制御部９０は、弁４５を開に制御し、三方弁４２に、弁４５と第２脱硫器２２ｂとを接続する流路を開通させる。さらに、制御部９０は、三方弁４４に、第２脱硫器２２ｂから大気へとつながる流路を開通させる。
【００９０】
この場合、除湿器２１に供給されるエアの一部は、第２脱硫器２２ｂに供給される。それにより、第２脱硫器２２ｂの吸着材が吸着している硫黄成分が脱離する。第２脱硫器２２ｂから排出されるエアは、三方弁４４を経由して大気に放出される。それにより、改質器５０および燃料電池７０への硫黄成分の流入が抑制される。
【００９１】
このように、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂに対して交互に再生処理を施すことによって、原燃料ガスの脱硫と、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの再生とを両立することができる。
【００９２】
なお、脱硫器の再生処理に用いたエアを大気に放出する際に、多量の硫黄成分が大気に放出されると、異臭が検知されてしまう場合がある。そこで、脱硫器から放出されるガスの異臭検出限界以下の条件で、脱硫器の再生処理を行うことが好ましい。異臭検出限界は、原燃料ガスの脱硫器への積算供給量、脱硫器の再生処理の際に脱硫器に流す脱硫器再生ガスの流量等から算出することができる。
【００９３】
例えば、原燃料供給部１０から第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂへ供給された原燃料ガスの積算流量が所定量（例えば３ｍ３）未満の場合には、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂに再生処理を実施した場合に第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂから排出されるガス中の硫黄成分濃度が異臭検出限界（例えば０．１ｐｐｍ）未満であると推定することができる。
【００９４】
図１１は、第２流路形態が選択されている場合において、異臭検出限界に基づいて脱硫器の再生処理開始を判断するフローチャートの一例を示す図である。図１１に示すように、制御部９０は、第２流路形態が選択されている場合において、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂに供給された原燃料ガスの積算流量が所定値未満であるか否かを判定する（ステップＳ５１）。
【００９５】
ステップＳ５１において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部９０は、三方弁４２，４３，４４および弁４５を制御して、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂに対する再生処理を交互に実施する（ステップＳ５２）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。ステップＳ５１において「Ｎｏ」と判定された場合、制御部９０は、切替弁２３，２４、三方弁４２，４３，４４、および弁４５に、第１流路形態を選択させる。それにより、通常運転が実施される（ステップＳ５３）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。
【００９６】
図１１のフローチャートによれば、異臭検出限界未満の条件で第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂに対して再生処理を施すことができる。それにより、脱硫器再生ガスを大気に放出することができる。なお、再生処理が実施されれば、上記の原燃料ガスの積算流量はリセットされる。
【００９７】
酸化剤ガス供給部４０からのエアを用いて第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの再生処理を行うと、燃料電池７０の発電に用いる酸素が不足する場合がある。そこで、第２流路形態が選択されている場合において、燃料電池７０に要求される要求負荷が所定値未満の場合に、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの再生処理を実施してもよい。図１２は、この場合に実行されるフローチャートの一例を示す図である。
【００９８】
まず、制御部９０は、第２流路形態が選択されている場合において、前回の再生処理が完了してから所定時間（例えば２０時間）以上経過したか否かを判定する（ステップＳ６１）。ステップＳ６１において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部９０は、燃料電池７０に要求される要求負荷が所定値（例えば、燃料電池７０の定格負荷×０．３）未満であるか否かを判定する（ステップＳ６２）。
【００９９】
ステップＳ６２において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部９０は、三方弁４２，４３，４４および弁４５を制御して、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂに対する再生処理を交互に実施する（ステップＳ６３）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。
【０１００】
ステップＳ６２において「Ｎｏ」と判定された場合、制御部９０は、切替弁２３，２４、三方弁４２，４３，４４、および弁４５に、第１流路形態を選択させる。それにより、通常運転が実施される（ステップＳ６４）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。
【０１０１】
図１２のフローチャートによれば、燃料電池７０の要求負荷が低い場合に第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの再生処理が施される。それにより、酸化剤ガス供給部４０だけで、燃料電池のへのエア供給量を不足させずに、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの除湿能を向上させることができる。したがって、脱硫器再生ガスの供給用の装置をあらたに設けなくてもよい。なお、ステップＳ６１において、所定時刻になったか否かを判定してもよい。この場合、深夜等の一般的に電力需要が低下する場合に、脱硫器の再生処理を実施すべきか否かを判定することができる。
【０１０２】
なお、本実施例においては、第２流路形態が選択されている場合に、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの再生処理を実施したが、それに限られない。例えば、除湿器２１の再生処理とは独立して、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの再生処理を交互に繰り返してもよい。
【０１０３】
本実施例において、切替弁２４が、除湿器２１から排気される除湿器再生ガスに第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂをバイパスさせる第１バイパス手段として機能し、酸化剤ガス供給部４０が、除湿器再生ガスを除湿器２１に供給する再生手段として機能し、切替弁２３が、除湿器２１を経由せずに原燃料ガスを第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂに供給する第２バイパス手段として機能し、切替弁２３，２４が、第１流路形態および第２流路形態のいずれかを選択する流路形態選択手段として機能し、三方弁４３，４４が放出手段として機能する。
【０１０４】
上記実施例は、固体高分子型、固体酸化物型、炭酸溶融塩型等の他のいずれのタイプの燃料電池にも適用可能である。
【符号の説明】
【０１０５】
１０ 原燃料供給部
２０ 脱硫システム
２１ 除湿器
２２ 脱硫器
２３，２４ 切替弁
２５，２６，２７ 温度センサ
２８ 光センサ
２９ 水蒸気センサ
３０ 改質水供給部
３１ 改質水タンク
３２ ポンプ
３３ イオン交換器
３４ 流量調節器
４０ 酸化剤ガス供給部
５０ 改質器
５１ 気化部
５２ 改質部
６０ 燃焼室
６１ パッケージ
７０ 燃料電池
７１ カソード
７２ アノード
７３ 電解質
８０ 熱交換部
８１ 熱交換器
８２ 凝縮水タンク
９０ 制御部
１００ 燃料電池システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脱硫システムおよび脱硫システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の発電等で消費される水素は、例えば、改質器において生成される。改質器においては、炭化水素等の原燃料ガスと改質水との水蒸気改質反応によって水素が生成される。原燃料ガスには、漏出の早期発見の目的で、硫黄化合物等の付臭剤が微量に含まれている。この硫黄化合物は、改質器の改質効率低下の原因となるため、改質器に供給される前に除去されていることが好ましい。
【０００３】
そこで、脱硫器が設けられることがある。また、原燃料ガス中の水分除去の目的で、脱硫器の前段に除湿器が設けられることがある。特許文献１は、除湿器および脱硫器のセットを複数備え、必要に応じて除湿器および脱硫器を再生させる技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】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】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、除湿器および脱硫器を同時に再生させている。この場合、再生時に除湿器から脱離してきた水蒸気により、脱硫器に不具合が生じることがある。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、脱硫器の不具合を抑制することができる脱硫システムおよび脱硫システムの制御方法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】
【０００７】
本発明に係る脱硫システムは、水素含有ガスに改質される原燃料ガスの水分を吸着する吸着材を備える除湿器と、前記除湿器によって除湿された前記原燃料ガスを脱硫する脱硫器と、前記除湿器に供給される前記原燃料ガスよりも水蒸気分圧の低いまたは温度が高い除湿器再生ガスを前記除湿器に供給することによって前記除湿器を再生させる再生手段と、前記再生手段が前記除湿器に前記除湿器再生ガスを供給する際に、前記除湿器から排気される前記除湿器再生ガスに前記脱硫器をバイパスさせる第１バイパス手段と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る脱硫システムにおいては、除湿器を再生させる際に脱硫器への水分の流入を抑制することができる。それにより、脱硫器の不具合を抑制することができる。
【０００８】
前記再生手段が前記除湿器に前記除湿器再生ガスを供給する際に、前記原燃料ガスを、前記除湿器を経由せずに前記脱硫器に供給する第２バイパス手段を備えていてもよい。前記再生手段は、前記吸着材の温度、前記原燃料ガスの温度、または外気温が所定値を上回る場合に、前記除湿器再生ガスを前記除湿器に供給してもよい。前記再生手段は、前記吸着材の温度上昇率が所定値を下回った場合に、前記除湿器再生ガスを前記除湿器に供給してもよい。前記除湿器再生ガスは、エアとしてもよい。前記除湿器再生ガスは、加熱されたエアとしてもよい。前記第１バイパス流路は、前記除湿器から排気される前記エアを、燃料電池のカソードに供給してもよい。
【０００９】
前記原燃料ガスが前記除湿器および前記脱硫器の順に経由して改質器に供給されかつ前記エアが前記除湿器および前記脱硫器を経由せずに前記燃料電池のカソードに供給される第１流路形態、および、前記原燃料ガスが前記除湿器を経由せずに前記脱硫器を経由して前記改質器に供給されかつ前記エアが前記除湿器を経由して前記脱硫器を経由せずに前記燃料電池のカソードに供給される第２流路形態、のいずれか一方を選択する流路形態選択手段を備えていてもよい。前記流路形態選択手段は、前記第１流路形態を選択した直後の所定期間内の前記吸着材の温度上昇率に基づいて、前記第１流路形態および前記第２流路形態を選択してもよい。
【００１０】
前記再生手段は、前記除湿器に供給される前記原燃料ガスよりも硫黄成分分圧の低い脱硫器再生ガスを、前記除湿器を経由せずに前記脱硫器に供給してもよい。前記脱硫器に前記脱硫器再生ガスが供給される際に、前記脱硫器から排出される前記脱硫器再生ガスを大気に放出するための放出手段を備えていてもよい。前記再生手段は、前記脱硫器から排出される前記原燃料ガスの異臭検出限界以下の条件が成立する範囲で、前記脱硫器再生ガスを前記脱硫器に供給してもよい。前記再生手段は、前記水素含有ガスが供給される燃料電池の要求負荷が所定値を下回る場合に、前記脱硫器再生ガスを前記脱硫器に供給してもよい。前記脱硫器再生ガスは、エアとしてもよい。前記脱硫器再生ガスは、加熱されたエアとしてもよい。
【００１１】
本発明に係る脱硫システムの制御方法は、水素含有ガスに改質される原燃料ガスの水分を吸着する吸着材を備える除湿器と、前記除湿器によって除湿された前記原燃料ガスを脱硫する脱硫器と、を備える脱硫システムにおいて、前記除湿器に供給される前記原燃料ガスよりも水蒸気分圧の低い除湿器再生ガスを前記除湿器に供給することによって前記除湿器を再生させる再生ステップと、前記再生ステップにおいて前記除湿器に前記除湿器再生ガスが供給される際に、前記除湿器から排気される前記除湿器再生ガスに前記脱硫器をバイパスさせるバイパスステップと、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る脱硫システムの制御方法においては、除湿器を再生させる際に脱硫器への水分の流入を抑制することができる。それにより、脱硫器の不具合を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、脱硫器の不具合を抑制することができる脱硫システムおよび脱硫システムの制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１に係る脱硫システムを含む燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池の断面を含む部分斜視図である。
【図３】除湿器再生処理および通常運転の切替を示すフローチャートを示す図である。
【図４】除湿器再生処理および通常運転の切替を示すフローチャートを示す図である。
【図５】除湿器内の温度センサを示す図である。
【図６】除湿器再生処理および通常運転の切替を示すフローチャートを示す図である。
【図７】除湿器再生処理および通常運転の切替を示すフローチャートを示す図である。
【図８】除湿器再生処理および通常運転の切替を示すフローチャートを示す図である。
【図９】バイパス流路の他の例を示す図である。
【図１０】実施例２に係る脱硫システムを含む燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。
【図１１】異臭検出限界に基づいて脱硫器の再生処理開始を判断するフローチャートの一例を示す図である。
【図１２】脱硫器再生処理および通常運転の切替を示すフローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、実施例１に係る脱硫システム２０を含む燃料電池システム１００の全体構成を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、原燃料供給部１０、脱硫システム２０、改質水供給部３０、酸化剤ガス供給部４０、改質器５０、燃焼室６０、燃料電池７０、熱交換部８０、および、制御部９０を備える。
【００１６】
原燃料供給部１０は、炭化水素等の原燃料を改質器５０に供給するための原燃料ポンプである。炭化水素の一例として、都市ガス、天然ガス、液化石油ガス（ＬＰＧ）等を用いることができる。原燃料供給部１０は、後述する切替弁２３と配管を介して接続されている。
【００１７】
脱硫システム２０は、原燃料中の水分を除去する除湿器２１、原燃料中の硫黄成分を除去する脱硫器２２、流路を切り替えるための切替弁２３，２４、原燃料の温度を検出する温度センサ２５、除湿器２１内の吸着材の温度を検出する温度センサ２６、外気温を検出する温度センサ２７、光センサ２８、および水蒸気センサ２９を含む。
【００１８】
除湿器２１は、水蒸気を吸着するための吸着材を備える。除湿器２１の吸着材は、物理吸着材および化学吸着材のいずれか一方または両方を含んでいてもよい。除湿器２１の吸着材として、例えば、ドライアライト、Ａ型ゼオライト、シリカゲル、分子ふるい３Ａ，４Ａ，５Ａ、およびこれらの組み合わせ等を用いることができる。
【００１９】
脱硫器２２は、硫黄または硫黄化合物（以下、硫黄成分と称する。）を吸着するための吸着材を備える。脱硫器２２の吸着材は、物理吸着材および化学吸着材のいずれか一方または両方を含んでいてもよい。脱硫器２２の吸着材として、例えば、疎水性ゼオライトにＡｇ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等を担持させたものを用いることができ、Ｙ型ゼオライト、β型ゼオライト、またはＸ型ゼオライトにＡｇまたはＣｕを担持させたものを用いてもよい。さらに、脱硫器２２の吸着材として、分子ふるい１３Ｘ、銅−亜鉛系脱硫材、多孔質担体に銅を担持させたものを用いてもよい。これらの吸着材は、例えば、貴金属、遷移金属、およびこれらの組合せで構成された郡から選択される金属によってイオン交換されたものであってもよい。
【００２０】
なお、除湿器２１および脱硫器２２の吸着材は、同一であってもよい。ただし、この場合、除湿器２１の吸着材の気孔を脱硫器２２の吸着材の気孔よりも小さくすることによって、主として除湿器２１に除湿させ、主として脱硫器２２に脱硫させることができる。
【００２１】
切替弁２３は、原燃料供給部１０と除湿器２１とを接続する流路の開通と、原燃料供給部１０と脱硫器２２とを接続する流路および酸化剤ガス供給部４０と除湿器２１とを接続する流路の開通と、を切替可能な弁である。切替弁２４は、除湿器２１と脱硫器２２とを接続する流路および酸化剤ガス供給部４０とカソード７１とを接続する流路の開通と、除湿器２１とカソード７１とを接続する流路の開通と、を切替可能な弁である。
【００２２】
光センサ２８は、除湿器２１の吸着材の色相変化を検出するセンサである。水蒸気センサ２９は、除湿器２１から切替弁２４に向かって流動する原燃料ガス中の水蒸気濃度を検出するセンサである。
【００２３】
改質水供給部３０は、改質器５０における水蒸気改質反応に必要な改質水を貯蔵する改質水タンク３１、後述する凝縮水タンク８２から必要な改質水を改質水タンク３１に供給するためのポンプ３２、改質水タンク３１に供給される改質水に対してイオン交換を施すイオン交換器３３、改質水タンク３１に貯蔵された改質水を改質器５０に供給するための流量調節器３４等を含む。
【００２４】
酸化剤ガス供給部４０は、燃料電池７０のカソード７１に酸化剤ガスを供給するためのポンプ等を含む。本実施例においては、酸化剤ガスとして、エアを用いる。酸化剤ガス供給部４０は、切替弁２３および切替弁２４と、配管を介して接続されている。当該配管は、燃料電池７０および改質器５０が配置されるパッケージ６１内を通過するように配置されている。それにより、切替弁２３および切替弁２４に供給される酸化剤ガスは、燃料電池７０の発電に伴って発生する熱および燃焼室６０における燃焼に伴って発生する熱によって加熱される。
【００２５】
改質器５０は、改質水を気化させるための気化部５１、および、水蒸気改質反応によって水素ガスを含む燃料ガスを生成するための改質部５２を含む。気化部５１および改質部５２は、燃焼室６０の燃焼熱を利用できるように、燃焼室６０に隣接している。改質部５２は、改質触媒等を備えている。燃料電池７０は、カソード７１とアノード７２とによって電解質７３が挟持された構造を有する。熱交換部８０は、熱交換器８１および凝縮水タンク８２を含む。熱交換器８１は、燃焼室６０の排気ガスと水道水との熱交換を行うための熱交換器である。凝縮水タンク８２は、熱交換器８１における熱交換によって排気ガスから生じた凝縮水を貯留するタンクである。
【００２６】
制御部９０は、燃料電池システム１００を制御する装置であり、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。制御部９０は、各部の動作を制御する。
【００２７】
図２は、燃料電池７０の断面を含む部分斜視図である。図２に示すように、燃料電池７０は、平板柱状の全体形状を有する。ガス透過性を有する導電性支持体１１の内部に、軸方向（長手方向）に沿って貫通する複数の燃料ガス通路１２が形成されている。導電性支持体１１の外周面における一方の平面上に、燃料極１３、固体電解質１４、および酸素極１５がこの順に積層されている。酸素極１５に対向する他方の平面上には、接合層１６を介してインターコネクタ１７が設けられ、その上に接触抵抗低減用のＰ型半導体層１８が設けられている。燃料極１３が図１のアノード７２として機能し、酸素極１５が図１のカソード７１として機能し、固体電解質１４が図１の電解質７３として機能する。なお、燃料電池７０は、図２に示す単セルが複数積層されたスタック構造を有していてもよい。
【００２８】
燃料ガス通路１２に水素を含む改質ガスが供給されることによって、燃料極１３に水素が供給される。一方、燃料電池７０の周囲に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって、酸素極１５に酸素が供給される。それにより、酸素極１５及び燃料極１３において下記の電極反応が生じることによって発電が行われる。発電反応は、例えば、６００℃〜１０００℃で行われる。
酸素極：１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（固体電解質）
燃料極：Ｏ２−（固体電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
【００２９】
酸素極１５の材料は、耐酸化性を有し、気体の酸素が固体電解質１４との界面に到達できるように多孔質である。固体電解質１４は、酸素極１５から燃料極１３へ酸素イオンＯ２−を移動させる機能を有する。固体電解質１４は、酸素イオン導電性酸化物によって構成される。また、固体電解質１４は、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するため、酸化／還元雰囲気中において安定でありかつ緻密質である。燃料極１３は、還元雰囲気中で安定でありかつ水素との親和性を有する材料によって構成される。インターコネクタ１７は、燃料電池７０同士を電気的に直列に接続するために設けられており、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するために緻密質である。
【００３０】
例えば、酸素極１５は、電子およびイオンの双方の導電性が高いランタンコバルタイト系のペロブスカイト型複合酸化物等から形成される。固体電解質１４は、イオン導電性の高いＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）等によって形成される。燃料極１３は、電子導電性の高いＮｉとＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）との混合物等によって形成される。インターコネクタ１７は、電子導電性の高い、アルカリ土類酸化物を固溶したＬａＣｒＯ３等によって形成される。これらの材料は、熱膨張率が近いものが好適である。
【００３１】
続いて、図１を参照しつつ、燃料電池システム１００の通常運転について説明する。まず、制御部９０は、切替弁２３に、原燃料供給部１０と除湿器２１とを接続する流路を開通させ、切替弁２４に、除湿器２１と脱硫器２２とを接続する流路および酸化剤ガス供給部４０とカソード７１とを接続する流路を開通させる。それにより、原燃料ガスが除湿器２１および脱硫器２２の順に経由して改質器５０に供給されかつエアが燃料電池７０のカソード７１に除湿器２１および脱硫器２２を経由せずに供給される第１流路形態が実現される。
【００３２】
原燃料供給部１０は、制御部９０の指示に従って必要量の原燃料ガスを切替弁２３に向けて流動させる。切替弁２３は、原燃料ガスを除湿器２１に導入する。除湿器２１は、原燃料ガス中の水分を吸着することによって、原燃料ガスに対して除湿する。除湿器２１によって除湿された原燃料ガスは、切替弁２４に向けて流動する。切替弁２４は、除湿された原燃料ガスを脱硫器２２に導入する。脱硫器２２は、除湿された原燃料ガス中の硫黄成分を吸着することによって、原燃料ガスに対して脱硫する。脱硫された原燃料ガスは、改質器５０の気化部５１に供給される。
【００３３】
流量調節器３４は、制御部９０の指示に従って必要量の改質水を改質器５０の気化部５１に供給する。改質水は、気化部５１において燃焼室６０から受け取った熱によって蒸発気化し、改質部５２に供給される。改質部５２においては、燃焼室６０から受け取った熱を用いて、水蒸気と原燃料ガスとの間で水蒸気改質反応が生じる。それにより、水素ガスを含有する燃料ガスが生成される。改質器５０において生成された燃料ガスは、燃料電池７０のアノード７２に供給される。酸化剤ガス供給部４０は、制御部９０の指示に従って、必要量の酸化剤ガスを切替弁２４に流動させる。切替弁２４は、酸化剤ガスをカソード７１に導入する。それにより、燃料電池７０において発電が行われる。
【００３４】
カソード７１から排出された酸化剤オフガスおよびアノード７２から排出された燃料オフガスは、燃焼室６０に流入する。燃焼室６０においては、燃料オフガスの可燃成分が酸化剤オフガス中の酸素によって燃焼する。燃焼によって得られた熱は、改質器５０および燃料電池７０に与えられる。このように、燃料電池システム１００においては、燃料オフガス中に含まれる水素、一酸化炭素等の可燃成分を燃焼室６０において燃焼させることができる。
【００３５】
熱交換器８１は、燃焼室６０から排出された排気ガスと熱交換器８１内を流れる水道水との間で熱交換する。熱交換によって排気ガスから得られた凝縮水は、凝縮水タンク８２に貯蔵される。熱交換によって加熱された水道水は、温水として貯湯槽に貯留される。ポンプ３２は、制御部９０の指示に従って、凝縮水タンク８２に貯留された凝縮水を、イオン交換器３３を経由して改質水タンク３１に供給する。
【００３６】
以上の通常運転により、燃料電池システム１００は、発電を継続する。上記通常運転においては、脱硫器２２において原燃料ガス中の硫黄成分が除去されることから、改質部５２における改質触媒の触媒能低下が抑制される。それにより、改質部５２における改質効率低下が抑制される。また、燃料電池７０における硫黄成分の付着が抑制される。それにより、燃料電池７０の発電性能低下が抑制される。また、凝縮水タンク８２への硫黄成分への混入が抑制される。それにより、イオン交換器３３の耐久性能低下が抑制される。また、除湿器２１において原燃料ガス中の水分が除去されることから、脱硫器２２への水分の流入が抑制される。それにより、脱硫器２２における脱硫能の低下が抑制される。
【００３７】
除湿器２１において水分の吸着量が増えると、除湿器２１の除湿能が低下する。したがって、除湿器２１における水分の吸着量が増える場合には、除湿器２１に再生処理を施すことが好ましい。そこで、本実施例においては、除湿器２１の再生処理が必要となる条件（以下、除湿器再生条件）が成立する場合に、除湿器２１の再生処理を行う。
【００３８】
ここで、除湿器２１の再生処理とは、除湿器２１に原燃料ガスを供給せずに、原燃料ガスよりも水蒸気分圧の低いガスまたは原燃料ガスよりも温度が高いガス（以下、総称して除湿器再生ガス）を除湿器２１に導入する処理である。除湿器再生ガスとして、エア、不活性ガス（Ｎ２，Ｈ２，Ｈｅ等）、燃焼室６０から排気された燃焼ガス、燃焼室６０から排気されかつ熱交換器８１において水道水との熱交換によって水分が除去された燃焼ガス等を用いることができる。本実施例においては、除湿器再生ガスとして、酸化剤ガスとしてのエアを用いる。原燃料ガスよりも水蒸気分圧の低いガスまたは原燃料ガスよりも温度が高いガスを除湿器２１に導入することによって、除湿器２１の吸着材が吸着していた水分が脱離する。その結果、除湿器２１が再生される。
【００３９】
除湿器再生ガスは、原燃料ガスに比較して水蒸気分圧が低いほど高い再生能力を有する。また、除湿器再生ガスは、原燃料ガスに比較して温度が高いほど高い再生能力を有する。例えば、除湿器再生ガスの温度は、燃料電池７０が定格運転を行っている場合に除湿器２１に供給される原燃料ガスの温度よりも高いことが好ましい。また、除湿器再生ガスとして、燃料電池７０、改質部５２、気化部５１、燃焼室６０、燃焼室６０から排出された燃焼ガス等との熱交換によって１００℃以上となった高温ガスを用いることが好ましい。
【００４０】
また、除湿器２１に対して再生処理を施すと、除湿器２１の吸着材が吸着していた水分が短時間で脱離することから、除湿器２１から排出されるガス中の水蒸気濃度が瞬時に高くなる。この水蒸気濃度の高い原燃料ガスが脱硫器２２に供給されると、脱硫器２２に不具合が生じる。そこで、除湿器２１を通過した除湿器再生ガスを、脱硫器２２に流入させないことによって、脱硫器２２への水分流入を抑制する。
【００４１】
本実施例においては、制御部９０は、除湿器再生条件が成立する場合に、切替弁２３に、原燃料供給部１０と脱硫器２２とを接続する流路および酸化剤ガス供給部４０と除湿器２１とを接続する流路を開通させ、切替弁２４に、除湿器２１とカソード７１とを接続する流路を開通させる。それにより、原燃料ガスが除湿器２１を経由せずに脱硫器２２を経由して改質器５０に供給されかつエアが除湿器２１を経由して脱硫器２２を経由せずに燃料電池７０のカソード７１に供給される第２流路形態が実現される。
【００４２】
この場合、原燃料供給部１０からの原燃料ガスは、除湿器２１を経由せずに脱硫器２２に導入される。脱硫器２２を経由した原燃料ガスは、改質器５０の気化部５１に供給される。酸化剤ガス供給部４０からのエアは、切替弁２３を経由して除湿器２１に導入され、切替弁２４を経由してカソード７１に供給される。以上のガス流動によって、除湿器２１に対して再生処理が施される。なお、上述したように、酸化剤ガスとしてのエアは、パッケージ６１内において、燃料電池７０および燃焼室６０によって加熱されている。したがって、除湿器２１の吸着材が吸着している水分を効率よく脱離させることができる。さらに、除湿器２１を経由したエアが脱硫器２２を経由せずにカソード７１に供給されることから、脱硫器２２への水分の流入が抑制される。それにより、脱硫器２２の不具合が抑制される。また、除湿器２１の再生に用いるガスを酸化剤ガスとして用いることができることから、装置の簡素化を図ることができる。
（除湿器再生条件の例１）
【００４３】
続いて、除湿器再生条件の例について説明する。一般的に、吸着材は、温度が高くなると吸着能が低下する。したがって、除湿器２１の吸着材の温度が高くなる場合に、除湿器再生条件が成立するとしてもよい。具体的には、温度センサ２５の検出結果に基づいて、除湿器２１に供給される原燃料ガスの温度が所定値を上回る場合に、除湿器再生条件が成立するとしてもよい。
【００４４】
図３は、この場合に実行されるフローチャートを示す図である。図３のフローチャートは、所定の周期（例えば１秒ごと）に実行される。図３に示すように、制御部９０は、温度センサ２５の検出温度が所定値（例えば、１５℃）を上回るか否かを判定する（ステップＳ１）。ステップＳ１において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部９０は、切替弁２３，２４に、上述した第２流路形態を選択させる。それにより、再生処理が実施される（ステップＳ２）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。
【００４５】
ステップＳ１において「Ｎｏ」と判定された場合、制御部９０は、切替弁２３，２４に、第１流路形態を選択させる。それにより、通常運転が実施される（ステップＳ３）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。
【００４６】
図３のフローチャートに従った制御により、除湿器２１の吸着材の吸着能が低下すると推測される場合に、除湿器２１の再生処理が施される。それにより、除湿器２１の除湿能を向上させることができる。さらに、除湿器２１の再生処理の際に除湿器２１から排出されるガスが脱硫器２２に導入されないことから、脱硫器２２への水分の流入が抑制される。それにより、脱硫器２２の不具合が抑制される。
【００４７】
なお、図３のフローチャートにおいて、再生処理が実施されている場合にはステップＳ１における所定値を低く設定し（例えば１０℃）、通常運転が実施されている場合にはステップＳ１における所定値を高く設定してもよい（例えば１５℃）。それにより、再生処理と通常運転とが頻繁に切り替わることを防止することができる。
【００４８】
また、温度センサ２５の検出温度の代わりに、温度センサ２６または温度センサ２７の検出温度を用いてもよい。特に、温度センサ２６の検出温度を用いることにより、除湿器２１の吸着材の温度を直接検出することができるため、除湿器２１の吸着材の吸着能の低下の推定精度が向上する。
（除湿器再生条件の例２）
【００４９】
原燃料ガスが水分を含有し、かつ除湿器２１の吸着能が低下していなければ、原燃料ガス中の水分が除湿器２１に吸着する。この場合、吸着熱が発生する。ここで、吸着による発熱について説明する。吸着という現象は、吸着対象物質の自由を束縛する反応と定義付けることができる。したがって、吸着対象物質の自由エネルギーは、吸着によって解放されることになる。その結果、シリカゲル等の吸着材が吸着対象物質を吸着することによって、吸着熱が発生することになる。
【００５０】
この吸着熱に着目すれば、除湿器２１の吸着材の吸着能が低下しているか否かを推定することができる。したがって、ここでは、吸着に伴う発熱量の指標値が低下傾向を示す場合に、除湿器再生条件が成立するとする。具体的には、吸着熱の発生に伴って、除湿器２１の温度が上昇する。逆に言えば、原燃料ガスが水分を有しているにもかかわらず、除湿器２１の温度が上昇しないか温度上昇幅が小さい場合には、除湿器２１の吸着能が低下していると判断することができる。以上のことから、除湿器２１の吸着材の温度上昇率が所定値以下である場合に、除湿器再生条件が成立するとしてもよい。
【００５１】
図４は、この場合に実行されるフローチャートを示す図である。図４のフローチャートは、所定の周期（例えば１秒ごと）に実行される。図４に示すように、制御部９０は、温度センサ２６の検出温度の上昇率が所定値（例えば、１／６０（℃／秒））未満であるか否かを判定する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部９０は、切替弁２３，２４に、第２流路形態を選択させる。それにより、再生処理が実施される（ステップＳ１２）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。なお、秒単位での判断では、温度センサ２６の検出温度の上昇率にバラツキが生じ、測定精度が低下するおそれがある。そこで、ステップＳ１１において、例えば１２０秒間の平均上昇率（２℃／１２０秒）を採用してもよい。
【００５２】
ステップＳ１１において「Ｎｏ」と判定された場合、制御部９０は、切替弁２３，２４に、第１流路形態を選択させる。それにより、通常運転が実施される（ステップＳ１３）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。
【００５３】
図４のフローチャートに従った制御により、除湿器２１の吸着材の吸着能が低下すると推測される場合に、除湿器２１の再生処理が施される。それにより、除湿器２１の除湿能を向上させることができる。さらに、除湿器２１の再生処理の際に除湿器２１から排出されるガスが脱硫器２２に導入されないことから、脱硫器２２への水分の流入が抑制される。それにより、脱硫器２２の不具合が抑制される。
【００５４】
なお、吸着に伴う発熱量の指標値として、上記の温度上昇率以外の指標値を用いてもよい。例えば、外気温と除湿器２１の内部との温度差を用いてもよい。具体的には、除湿器２１の温度が外気温に対して所定値以内になった場合に、除湿器２１の吸着材の吸着能が低下していると推測してもよい。例えば、図４のステップＳ１１において、温度センサ２７の検出温度から温度センサ２６の検出温度を差し引いた値が所定値を下回ったか否かを判定してもよい。
【００５５】
また、除湿器２１の内部において、原燃料ガスの流動方向の上流側から吸着反応が進む。したがって、除湿器２１の吸着材の吸着可能量に余裕がある場合には、除湿器２１の内部における上流側の吸着材の温度が下流側の吸着材の温度に比較して高くなる。一方で、除湿器２１の吸着材の吸着可能量に余裕がなくなると、上流側と下流側とで温度差が小さくなる。したがって、吸着に伴う発熱量の指標値として、除湿器２１の内部における原燃料ガスの流動方向の上流側の吸着材と下流側の吸着材との温度差を用いてもよい。
【００５６】
例えば、図５に示すように、除湿器２１の内部において、原燃料ガスの流動方向の上流側に温度センサ２６ａを配置し、下流側に温度センサ２６ｂを配置する。その上で、図４のステップＳ１１において、温度センサ２６ａの検出温度から温度センサ２６ｂの検出温度を差し引いた値が所定値未満であるか否かを判定してもよい。
【００５７】
なお、図４のフローチャートの実行と並行して、図３のフローチャートを実行してもよい。この場合、図４のフローチャートでの除湿器再生条件が成立していなくても、図３のフローチャートの除湿器再生条件が成立すれば、除湿器２１に対する再生処理を実施してもよい。すなわち、図３のフローチャートの除湿器再生条件を優先させてもよい。この場合、除湿器２１の除湿能をより確実に回復させることができる。
【００５８】
また、第２流路形態から第１流路形態に切り替わった直後の所定期間における除湿器２１の吸着材の温度上昇率に基づいて、第１流路形態および第２流路形態の選択操作を行ってもよい。具体的には、第２流路形態から第１流路形態に切り替わった直後においては、除湿器２１の再生処理が完了した直後であるため、原燃料ガス中の水分の吸着反応が進行しやすい。すなわち、除湿器２１の吸着材の温度上昇率が高くなるはずである。それにもかかわらず当該温度上昇率が所定値よりも低いと、原燃料ガス中の水分濃度が低いことになる。したがって、除湿器２１を経由せずに原燃料ガスを脱硫器２２に供給しても、脱硫器２２の脱硫能低下は抑制される。
【００５９】
図６は、具体例を説明するためのフローチャートである。図６のフローチャートは、所定の周期（例えば１秒ごと）に実行される。図６に示すように、制御部９０は、第２流路形態から第１流路形態に切り替わった直後の所定期間における温度センサ２６の検出温度の上昇率が所定値（例えば、５／１２０（℃／秒））を上回ったか否かを判定する（ステップＳ２１）。ステップＳ２１において「Ｙｅｓ」と判定された場合、原燃料ガス中の水蒸気濃度が高いと判断される。したがって、制御部９０は、切替弁２３，２４に、第１流路形態を継続させる。それにより、通常運転が実施される（ステップＳ２２）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。なお、秒単位での判断では、温度センサ２６の検出温度の上昇率にバラツキが生じ、測定精度が低下するおそれがある。そこで、ステップＳ２１において、例えば１２０秒間の平均上昇率（５℃／１２０秒）を採用してもよい。
【００６０】
ステップＳ２１において「Ｎｏ」と判定された場合、原燃料ガス中の水蒸気濃度が低いと判断される。したがって、制御部９０は、切替弁２３，２４に、第２流路形態を選択させる。それにより、再生処理が実施される（ステップＳ２３）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。
【００６１】
図６のフローチャートに従った制御により、原燃料ガス中の水分濃度が低い場合には、除湿器２１を経由せずに原燃料ガスを脱硫器２２に供給し、除湿器２１を再生させることができる。それにより、脱硫器２２の不具合を抑制しつつ、除湿器２１の除湿能を向上させることができる。
【００６２】
また、第２流流路形態から第１流路形態に切り替わった直後の所定期間における除湿器２１の温度上昇率が所定値以下である場合には、再生処理の時間を長くしてもよい。それにより、除湿器２１が十分に再生される。
（除湿器再生条件の例３）
【００６３】
除湿器２１の吸着材は、水分を吸着するにつれて色相が変化する。例えば、シリカゲルは、水分を吸着するにつれてピンク色に変化する。そこで、除湿器２１の吸着材の色相が所定量以上変化した場合に、除湿器再生条件が成立するとしてもよい。
【００６４】
図７は、この場合に実行されるフローチャートを示す図である。図７のフローチャートは、所定の周期（例えば１秒ごと）に実行される。図７に示すように、制御部９０は、光センサ２８の検出結果に基づいて、除湿器２１の吸着材の色相変化量が所定量を上回るか否かを判定する（ステップＳ３１）。ステップＳ３１において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部９０は、切替弁２３，２４に、第２流路形態を選択させる。それにより、再生処理が実施される（ステップＳ３２）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。
【００６５】
ステップＳ３１において「Ｎｏ」と判定された場合、制御部９０は、切替弁２３，２４に、第１流路形態を選択させる。それにより、通常運転が実施される（ステップＳ３３）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。
【００６６】
図７のフローチャートに従った制御により、除湿器２１の吸着材の吸着能が低下すると推測される場合に、除湿器２１の再生処理が施される。それにより、除湿器２１の除湿能を向上させることができる。さらに、除湿器２１の再生処理の際に除湿器２１から排出されるガスが脱硫器２２に導入されないことから、脱硫器２２への水分の流入が抑制される。それにより、脱硫器２２の不具合が抑制される。
（除湿器再生条件の例４）
【００６７】
除湿器２１の吸着材の水分吸着量が多くなるにしたがって、除湿器２１の除湿能が低下する。除湿器２１の除湿能が低下すれば、除湿器２１から排出される原燃料ガス中の水蒸気濃度が上昇する。したがって、除湿器２１から排出される原燃料ガス中の水蒸気濃度が所定値以上になった場合に、除湿器再生条件が成立するとしてもよい。
【００６８】
図８は、この場合に実行されるフローチャートを示す図である。図８のフローチャートは、所定の周期（例えば１秒ごと）に実行される。図８に示すように、制御部９０は、水蒸気センサ２９で検出される水蒸気濃度が所定値を上回るか否かを判定する（ステップＳ４１）。ステップＳ４１において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部９０は、切替弁２３，２４に、第２流路形態を選択させる。それにより、再生処理が実施される（ステップＳ４２）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。
【００６９】
ステップＳ４１において「Ｎｏ」と判定された場合、制御部９０は、切替弁２３，２４に、第１流路形態を選択させる。それにより、通常運転が実施される（ステップＳ４３）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。
【００７０】
図８のフローチャートに従った制御により、除湿器２１の吸着材の吸着能が低下すると推測される場合に、除湿器２１の再生処理が施される。それにより、除湿器２１の除湿能を向上させることができる。さらに、除湿器２１の再生処理の際に除湿器２１から排出されるガスが脱硫器２２に導入されないことから、脱硫器２２への水分の流入が抑制される。それにより、脱硫器２２の不具合が抑制される。
【００７１】
なお、本実施例においては、図９（ａ）に示すように、除湿器２１から排出される除湿器再生ガスのバイパスのために、切替弁２４を用いたが、それに限られない。例えば、図９（ｂ）に示すように、除湿器２１に排出系が別途設けられていてもよい。例えば、切替弁２４の代わりに流量調整弁を設けることができる。この場合、流量調整弁で流量を絞ることによって、除湿器２１から排出される除湿器再生ガスに脱硫器２２をバイパスさせることができる。
【００７２】
また、図９（ｃ）に示すように、除湿器２１と流量調整弁との間に排出系が別途設けられていてもよい。この場合においても、流量調整弁で流量を絞ることによって、除湿器２１から排出される除湿器再生ガスに脱硫器２２をバイパスさせることができる。
【００７３】
なお、本実施例においては、燃料電池システム１００は、温度センサ２５、温度センサ２６、温度センサ２７、光センサ２８、および水蒸気センサ２９を備えていたが、それに限られない。上記の除湿器再生条件の成立を検出するために必要なセンサが設けられていればよい。したがって、上記複数のセンサのうち、少なくともいずれか１つが備わっていればよい。
【００７４】
また、図３、図４、図７、および図８のフローチャートにおいて、除湿器再生条件が不成立となるまで再生処理が実施されているが、それに限られない。例えば、再生処理の実施が開始となってから所定時間（例えば１０分程度）が経過した後に、通常運転が選択されてもよい。
【００７５】
本実施例において、切替弁２４が、除湿器２１から排気される除湿器再生ガスに脱硫器２２をバイパスさせる第１バイパス手段として機能し、酸化剤ガス供給部４０が、除湿器再生ガスを除湿器２１に供給する再生手段として機能し、切替弁２３が、除湿器２１を経由せずに原燃料ガスを脱硫器２２に供給する第２バイパス手段として機能し、切替弁２３，２４が、第１流路形態および第２流路形態のいずれかを選択する流路形態選択手段として機能する。
【実施例２】
【００７６】
図１０は、実施例２に係る脱硫システム２０ａを含む燃料電池システム１００ａの全体構成を示すブロック図である。図１０に示すように、脱硫システム２０ａは、脱硫器２２の代わりに、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂを備える。また、脱硫システム２０ａは、三方弁４１〜４４を備えるとともに、弁４５を備える。
【００７７】
本実施例においては、切替弁２３は、原燃料供給部１０と除湿器２１とを接続する流路の開通と、原燃料供給部１０と三方弁４１とを接続する流路および切替弁２４と除湿器２１とを接続する流路の開通と、を切り替える。切替弁２４は、酸化剤ガス供給部４０とカソード７１とを接続する流路および除湿器２１と弁４５とを接続する流路の開通と、酸化剤ガス供給部４０と弁４５および切替弁２３とを接続する流路および除湿器２１とカソード７１とを接続する流路の開通と、を切り替える。
【００７８】
三方弁４１は、切替弁２３と第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂとを接続する流路と、切替弁２３と第１脱硫器２２ａとを接続する流路と、切替弁２３と第２脱硫器２２ｂとを接続する流路と、を切り替える。三方弁４２は、弁４５と第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂとを接続する流路と、弁４５と第１脱硫器２２ａとを接続する流路と、弁４５と第２脱硫器２２ｂとを接続する流路と、を切り替える。三方弁４３は、第１脱硫器２２ａと改質器５０とを接続する流路と、第１脱硫器２２ａから大気へとつながる流路と、を切り替える。三方弁４４は、第２脱硫器２２ｂと改質器５０とを接続する流路と、第２脱硫器２２ｂから大気へとつながる流路と、を切り替える。
【００７９】
続いて、図１０を参照しつつ、燃料電池システム１００ａの通常運転について説明する。まず、制御部９０は、切替弁２３に、原燃料供給部１０と除湿器２１とを接続する流路を開通させ、切替弁２４に、除湿器２１と弁４５とを接続する流路および酸化剤ガス供給部４０とカソード７１とを接続する流路を開通させ、弁４５を開に制御する。それにより、原燃料ガスが除湿器２１および脱硫器２２の順に経由して改質器５０に供給されかつエアが除湿器２１および脱硫器２２を経由せずに燃料電池７０のカソード７１に供給される第１流路形態が実現される。
【００８０】
原燃料供給部１０は、制御部９０の指示に従って必要量の原燃料ガスを切替弁２３に向けて流動させる。切替弁２３は、原燃料ガスを除湿器２１に導入する。除湿器２１は、原燃料ガス中の水分を吸着することによって、原燃料ガスに対して除湿する。除湿器２１によって除湿された原燃料ガスは、切替弁２４、弁４５および三方弁４２を経由して第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂに流入する。第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂは、原燃料ガス中の硫黄成分を吸着することによって、原燃料ガスに対して脱硫する。脱硫された原燃料ガスは、三方弁４３，４４を経由して改質器５０の気化部５１に供給される。
【００８１】
酸化剤ガス供給部４０は、制御部９０の指示に従って、必要量の酸化剤ガスを切替弁２４に流動させる。切替弁２４は、酸化剤ガスをカソード７１に導入する。それにより、燃料電池７０において発電が行われる。その他の動作は、実施例１と同様である。
【００８２】
以上の通常運転により、燃料電池システム１００ａは、発電を継続する。上記通常運転においては、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂにおいて原燃料ガス中の硫黄成分が除去されることから、改質部５２における改質触媒の触媒能低下が抑制される。それにより、改質部５２における改質効率低下が抑制される。また、燃料電池７０における硫黄成分の付着が抑制される。それにより、燃料電池７０の発電性能低下が抑制される。また、凝縮水タンク８２への硫黄成分への混入が抑制される。それにより、イオン交換器３３の耐久性能低下が抑制される。また、除湿器２１において原燃料ガス中の水分が除去されることから、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂへの水分の流入が抑制される。それにより、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂにおける脱硫能の低下が抑制される。
【００８３】
燃料電池システム１００ａは、実施例１で説明したいずれかの除湿器再生条件が成立する場合に、除湿器２１の再生処理を行う。まず、制御部９０は、切替弁２３に、原燃料供給部１０と三方弁４１とを接続する流路および切替弁２４と除湿器２１とを接続する流路を開通させ、切替弁２４に、酸化剤ガス供給部４０と切替弁２３とを接続する流路を開通させる。また、制御部９０は、三方弁４１に、切替弁２３と第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂとを接続する流路を開通させる。さらに、制御部９０は、弁４５を閉に制御する。また、制御部９０は、三方弁４３に、第１脱硫器２２ａと改質器５０とを接続する流路を開通させ、三方弁４４に、第２脱硫器２２ｂと改質器５０とを接続する流路を開通させる。それにより、原燃料ガスが除湿器２１を経由せずに第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂを経由して改質器５０に供給されかつエアが除湿器２１を経由して第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂを経由せずに燃料電池７０のカソード７１に供給される第２流路形態が実現される。
【００８４】
この場合、原燃料供給部１０からの原燃料ガスは、除湿器２１を経由せずに第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂに導入される。第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂを経由した原燃料ガスは、改質器５０の気化部５１に供給される。酸化剤ガス供給部４０からのエアは、除湿器２１に導入され、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂを経由せずにカソード７１に供給される。以上のガス流動によって、除湿器２１に対して再生処理が施される。除湿器２１を経由したエアが第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂを経由せずにカソード７１に供給されることから、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂへの水分の流入が抑制される。それにより、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの不具合が抑制される。また、除湿器２１の再生に用いるガスを酸化剤ガスとして用いることができることから、装置の簡素化を図ることができる。
【００８５】
第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂにおいて硫黄成分の吸着量が増えると、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの脱硫能が低下する。この場合、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂからの硫黄成分の流出によって、改質器５０および燃料電池７０に不具合が生じるおそれがある。したがって、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの脱硫能が低下する前に、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの再生処理を行うことが好ましい。
【００８６】
ここで、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの再生処理とは、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂに原燃料ガスを供給せずに、原燃料ガスよりも硫黄成分分圧の低いガス（以下、脱硫器再生ガス）を第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂに導入する処理である。本実施例においては、脱硫器再生ガスとして、酸化剤ガスとしてのエアを用いる。原燃料ガスよりも硫黄成分分圧の低いガスを第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂに導入することによって、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの吸着材が吸着していた硫黄成分が脱離する。その結果、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂが再生される。
【００８７】
まず、第２流路形態が選択されている場合において、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂのいずれかに脱硫器再生ガスを供給する場合について説明する。制御部９０は、第２流路形態が選択されている場合において、三方弁４１に、切替弁２３と第２脱硫器２２ｂとを接続する流路を開通させる。また、制御部９０は、弁４５を開に制御し、三方弁４２に、弁４５と第１脱硫器２２ａとを接続する流路を開通させる。さらに、制御部９０は、三方弁４３に、第１脱硫器２２ａから大気へとつながる流路を開通させる。
【００８８】
この場合、除湿器２１に供給されるエアの一部は、第１脱硫器２２ａに供給される。それにより、第１脱硫器２２ａの吸着材が吸着している硫黄成分が脱離する。第１脱硫器２２ａから排出されるエアは、三方弁４３を経由して大気に放出される。それにより、改質器５０および燃料電池７０への硫黄成分の流入が抑制される。
【００８９】
また、制御部９０は、第２流路形態が選択されている場合において、所定のタイミングで、三方弁４１に、切替弁２３と第１脱硫器２２ａとを接続する流路を開通させる。また、制御部９０は、弁４５を開に制御し、三方弁４２に、弁４５と第２脱硫器２２ｂとを接続する流路を開通させる。さらに、制御部９０は、三方弁４４に、第２脱硫器２２ｂから大気へとつながる流路を開通させる。
【００９０】
この場合、除湿器２１に供給されるエアの一部は、第２脱硫器２２ｂに供給される。それにより、第２脱硫器２２ｂの吸着材が吸着している硫黄成分が脱離する。第２脱硫器２２ｂから排出されるエアは、三方弁４４を経由して大気に放出される。それにより、改質器５０および燃料電池７０への硫黄成分の流入が抑制される。
【００９１】
このように、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂに対して交互に再生処理を施すことによって、原燃料ガスの脱硫と、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの再生とを両立することができる。
【００９２】
なお、脱硫器の再生処理に用いたエアを大気に放出する際に、多量の硫黄成分が大気に放出されると、異臭が検知されてしまう場合がある。そこで、脱硫器から放出されるガスの異臭検出限界以下の条件で、脱硫器の再生処理を行うことが好ましい。異臭検出限界は、原燃料ガスの脱硫器への積算供給量、脱硫器の再生処理の際に脱硫器に流す脱硫器再生ガスの流量等から算出することができる。
【００９３】
例えば、原燃料供給部１０から第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂへ供給された原燃料ガスの積算流量が所定量（例えば３ｍ３）未満の場合には、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂに再生処理を実施した場合に第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂから排出されるガス中の硫黄成分濃度が異臭検出限界（例えば０．１ｐｐｍ）未満であると推定することができる。
【００９４】
図１１は、第２流路形態が選択されている場合において、異臭検出限界に基づいて脱硫器の再生処理開始を判断するフローチャートの一例を示す図である。図１１に示すように、制御部９０は、第２流路形態が選択されている場合において、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂに供給された原燃料ガスの積算流量が所定値未満であるか否かを判定する（ステップＳ５１）。
【００９５】
ステップＳ５１において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部９０は、三方弁４２，４３，４４および弁４５を制御して、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂに対する再生処理を交互に実施する（ステップＳ５２）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。ステップＳ５１において「Ｎｏ」と判定された場合、制御部９０は、切替弁２３，２４、三方弁４２，４３，４４、および弁４５に、第１流路形態を選択させる。それにより、通常運転が実施される（ステップＳ５３）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。
【００９６】
図１１のフローチャートによれば、異臭検出限界未満の条件で第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂに対して再生処理を施すことができる。それにより、脱硫器再生ガスを大気に放出することができる。なお、再生処理が実施されれば、上記の原燃料ガスの積算流量はリセットされる。
【００９７】
酸化剤ガス供給部４０からのエアを用いて第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの再生処理を行うと、燃料電池７０の発電に用いる酸素が不足する場合がある。そこで、第２流路形態が選択されている場合において、燃料電池７０に要求される要求負荷が所定値未満の場合に、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの再生処理を実施してもよい。図１２は、この場合に実行されるフローチャートの一例を示す図である。
【００９８】
まず、制御部９０は、第２流路形態が選択されている場合において、前回の再生処理が完了してから所定時間（例えば２０時間）以上経過したか否かを判定する（ステップＳ６１）。ステップＳ６１において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部９０は、燃料電池７０に要求される要求負荷が所定値（例えば、燃料電池７０の定格負荷×０．３）未満であるか否かを判定する（ステップＳ６２）。
【００９９】
ステップＳ６２において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部９０は、三方弁４２，４３，４４および弁４５を制御して、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂに対する再生処理を交互に実施する（ステップＳ６３）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。
【０１００】
ステップＳ６２において「Ｎｏ」と判定された場合、制御部９０は、切替弁２３，２４、三方弁４２，４３，４４、および弁４５に、第１流路形態を選択させる。それにより、通常運転が実施される（ステップＳ６４）。その後、制御部９０は、フローチャートの実行を終了する。
【０１０１】
図１２のフローチャートによれば、燃料電池７０の要求負荷が低い場合に第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの再生処理が施される。それにより、酸化剤ガス供給部４０だけで、燃料電池のへのエア供給量を不足させずに、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの除湿能を向上させることができる。したがって、脱硫器再生ガスの供給用の装置をあらたに設けなくてもよい。なお、ステップＳ６１において、所定時刻になったか否かを判定してもよい。この場合、深夜等の一般的に電力需要が低下する場合に、脱硫器の再生処理を実施すべきか否かを判定することができる。
【０１０２】
なお、本実施例においては、第２流路形態が選択されている場合に、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの再生処理を実施したが、それに限られない。例えば、除湿器２１の再生処理とは独立して、第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂの再生処理を交互に繰り返してもよい。
【０１０３】
本実施例において、切替弁２４が、除湿器２１から排気される除湿器再生ガスに第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂをバイパスさせる第１バイパス手段として機能し、酸化剤ガス供給部４０が、除湿器再生ガスを除湿器２１に供給する再生手段として機能し、切替弁２３が、除湿器２１を経由せずに原燃料ガスを第１脱硫器２２ａおよび第２脱硫器２２ｂに供給する第２バイパス手段として機能し、切替弁２３，２４が、第１流路形態および第２流路形態のいずれかを選択する流路形態選択手段として機能し、三方弁４３，４４が放出手段として機能する。
【０１０４】
上記実施例は、固体高分子型、固体酸化物型、炭酸溶融塩型等の他のいずれのタイプの燃料電池にも適用可能である。
【符号の説明】
【０１０５】
１０ 原燃料供給部
２０ 脱硫システム
２１ 除湿器
２２ 脱硫器
２３，２４ 切替弁
２５，２６，２７ 温度センサ
２８ 光センサ
２９ 水蒸気センサ
３０ 改質水供給部
３１ 改質水タンク
３２ ポンプ
３３ イオン交換器
３４ 流量調節器
４０ 酸化剤ガス供給部
５０ 改質器
５１ 気化部
５２ 改質部
６０ 燃焼室
６１ パッケージ
７０ 燃料電池
７１ カソード
７２ アノード
７３ 電解質
８０ 熱交換部
８１ 熱交換器
８２ 凝縮水タンク
９０ 制御部
１００ 燃料電池システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有ガスに改質される原燃料ガスの水分を吸着する吸着材を備える除湿器と、
前記除湿器によって除湿された前記原燃料ガスを脱硫する脱硫器と、
前記除湿器に供給される前記原燃料ガスよりも水蒸気分圧の低いまたは温度が高い除湿器再生ガスを前記除湿器に供給することによって前記除湿器を再生させる再生手段と、
前記再生手段が前記除湿器に前記除湿器再生ガスを供給する際に、前記除湿器から排気される前記除湿器再生ガスに前記脱硫器をバイパスさせる第１バイパス手段と、を備えることを特徴とする脱硫システム。
【請求項２】
前記再生手段が前記除湿器に前記除湿器再生ガスを供給する際に、前記原燃料ガスを、前記除湿器を経由せずに前記脱硫器に供給する第２バイパス手段を備えることを特徴とする請求項１記載の脱硫システム。
【請求項３】
前記再生手段は、前記吸着材の温度、前記原燃料ガスの温度、または外気温が所定値を上回る場合に、前記除湿器再生ガスを前記除湿器に供給することを特徴とする請求項１または２記載の脱硫システム。
【請求項４】
前記再生手段は、前記吸着材の温度上昇率が所定値を下回った場合に、前記除湿器再生ガスを前記除湿器に供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の脱硫システム。
【請求項５】
前記除湿器再生ガスは、エアであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の脱硫システム。
【請求項６】
前記除湿器再生ガスは、加熱されたエアであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の脱硫システム。
【請求項７】
前記第１バイパス流路は、前記除湿器から排気される前記エアを、燃料電池のカソードに供給することを特徴とする請求項５または６記載の脱硫システム。
【請求項８】
前記原燃料ガスが前記除湿器および前記脱硫器の順に経由して改質器に供給されかつ前記エアが前記除湿器および前記脱硫器を経由せずに前記燃料電池のカソードに供給される第１流路形態、および、前記原燃料ガスが前記除湿器を経由せずに前記脱硫器を経由して前記改質器に供給されかつ前記エアが前記除湿器を経由して前記脱硫器を経由せずに前記燃料電池のカソードに供給される第２流路形態、のいずれか一方を選択する流路形態選択手段を備えることを特徴とする請求項７記載の脱硫システム。
【請求項９】
前記流路形態選択手段は、前記第１流路形態を選択した直後の所定期間内の前記吸着材の温度上昇率に基づいて、前記第１流路形態および前記第２流路形態を選択することを特徴とする請求項８記載の脱硫システム。
【請求項１０】
前記再生手段は、前記除湿器に供給される前記原燃料ガスよりも硫黄成分分圧の低い脱硫器再生ガスを、前記除湿器を経由せずに前記脱硫器に供給することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の脱硫システム。
【請求項１１】
前記脱硫器に前記脱硫器再生ガスが供給される際に、前記脱硫器から排出される前記脱硫器再生ガスを大気に放出するための放出手段を備えることを特徴とする請求項１０記載の脱硫システム。
【請求項１２】
前記再生手段は、前記脱硫器から排出される前記原燃料ガスの異臭検出限界以下の条件が成立する範囲で、前記脱硫器再生ガスを前記脱硫器に供給することを特徴とする請求項１０または１１記載の脱硫システム。
【請求項１３】
前記再生手段は、前記水素含有ガスが供給される燃料電池の要求負荷が所定値を下回る場合に、前記脱硫器再生ガスを前記脱硫器に供給することを特徴とする請求項１０または１１記載の脱硫システム。
【請求項１４】
前記脱硫器再生ガスは、エアであることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の脱硫システム。
【請求項１５】
前記脱硫器再生ガスは、加熱されたエアであることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の脱硫システム。
【請求項１６】
水素含有ガスに改質される原燃料ガスの水分を吸着する吸着材を備える除湿器と、前記除湿器によって除湿された前記原燃料ガスを脱硫する脱硫器と、を備える脱硫システムにおいて、
前記除湿器に供給される前記原燃料ガスよりも水蒸気分圧の低い除湿器再生ガスを前記除湿器に供給することによって前記除湿器を再生させる再生ステップと、
前記再生ステップにおいて前記除湿器に前記除湿器再生ガスが供給される際に、前記除湿器から排気される前記除湿器再生ガスに前記脱硫器をバイパスさせるバイパスステップと、を含むことを特徴とする脱硫システムの制御方法。
【請求項１】
水素含有ガスに改質される原燃料ガスの水分を吸着する吸着材を備える除湿器と、
前記除湿器によって除湿された前記原燃料ガスを脱硫する脱硫器と、
前記除湿器に供給される前記原燃料ガスよりも水蒸気分圧の低いまたは温度が高い除湿器再生ガスを前記除湿器に供給することによって前記除湿器を再生させる再生手段と、
前記再生手段が前記除湿器に前記除湿器再生ガスを供給する際に、前記除湿器から排気される前記除湿器再生ガスに前記脱硫器をバイパスさせる第１バイパス手段と、を備えることを特徴とする脱硫システム。
【請求項２】
前記再生手段が前記除湿器に前記除湿器再生ガスを供給する際に、前記原燃料ガスを、前記除湿器を経由せずに前記脱硫器に供給する第２バイパス手段を備えることを特徴とする請求項１記載の脱硫システム。
【請求項３】
前記再生手段は、前記吸着材の温度、前記原燃料ガスの温度、または外気温が所定値を上回る場合に、前記除湿器再生ガスを前記除湿器に供給することを特徴とする請求項１または２記載の脱硫システム。
【請求項４】
前記再生手段は、前記吸着材の温度上昇率が所定値を下回った場合に、前記除湿器再生ガスを前記除湿器に供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の脱硫システム。
【請求項５】
前記除湿器再生ガスは、エアであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の脱硫システム。
【請求項６】
前記除湿器再生ガスは、加熱されたエアであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の脱硫システム。
【請求項７】
前記第１バイパス流路は、前記除湿器から排気される前記エアを、燃料電池のカソードに供給することを特徴とする請求項５または６記載の脱硫システム。
【請求項８】
前記原燃料ガスが前記除湿器および前記脱硫器の順に経由して改質器に供給されかつ前記エアが前記除湿器および前記脱硫器を経由せずに前記燃料電池のカソードに供給される第１流路形態、および、前記原燃料ガスが前記除湿器を経由せずに前記脱硫器を経由して前記改質器に供給されかつ前記エアが前記除湿器を経由して前記脱硫器を経由せずに前記燃料電池のカソードに供給される第２流路形態、のいずれか一方を選択する流路形態選択手段を備えることを特徴とする請求項７記載の脱硫システム。
【請求項９】
前記流路形態選択手段は、前記第１流路形態を選択した直後の所定期間内の前記吸着材の温度上昇率に基づいて、前記第１流路形態および前記第２流路形態を選択することを特徴とする請求項８記載の脱硫システム。
【請求項１０】
前記再生手段は、前記除湿器に供給される前記原燃料ガスよりも硫黄成分分圧の低い脱硫器再生ガスを、前記除湿器を経由せずに前記脱硫器に供給することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の脱硫システム。
【請求項１１】
前記脱硫器に前記脱硫器再生ガスが供給される際に、前記脱硫器から排出される前記脱硫器再生ガスを大気に放出するための放出手段を備えることを特徴とする請求項１０記載の脱硫システム。
【請求項１２】
前記再生手段は、前記脱硫器から排出される前記原燃料ガスの異臭検出限界以下の条件が成立する範囲で、前記脱硫器再生ガスを前記脱硫器に供給することを特徴とする請求項１０または１１記載の脱硫システム。
【請求項１３】
前記再生手段は、前記水素含有ガスが供給される燃料電池の要求負荷が所定値を下回る場合に、前記脱硫器再生ガスを前記脱硫器に供給することを特徴とする請求項１０または１１記載の脱硫システム。
【請求項１４】
前記脱硫器再生ガスは、エアであることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の脱硫システム。
【請求項１５】
前記脱硫器再生ガスは、加熱されたエアであることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の脱硫システム。
【請求項１６】
水素含有ガスに改質される原燃料ガスの水分を吸着する吸着材を備える除湿器と、前記除湿器によって除湿された前記原燃料ガスを脱硫する脱硫器と、を備える脱硫システムにおいて、
前記除湿器に供給される前記原燃料ガスよりも水蒸気分圧の低い除湿器再生ガスを前記除湿器に供給することによって前記除湿器を再生させる再生ステップと、
前記再生ステップにおいて前記除湿器に前記除湿器再生ガスが供給される際に、前記除湿器から排気される前記除湿器再生ガスに前記脱硫器をバイパスさせるバイパスステップと、を含むことを特徴とする脱硫システムの制御方法。
【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２０１２−６２３６７（Ｐ２０１２−６２３６７Ａ）
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０６０５２（Ｐ２０１０−２０６０５２）
【出願日】平成２２年９月１４日（２０１０．９．１４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【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３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１４日（２０１０．９．１４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
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