特許 5904828 燃料電池装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5904828

(24)【登録日】2016年3月25日

(45)【発行日】2016年4月20日

(54)【発明の名称】燃料電池装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04701 20160101AFI20160407BHJP

   H01M 8/0612 20160101ALI20160407BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20160407BHJP

   C01B 3/38 20060101ALI20160407BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20160407BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20160407BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 G

   H01M8/06 G

   H01M8/04 N

   C01B3/38

   !H01M8/10

   !H01M8/12

【請求項の数】4

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2012-54482(P2012-54482)

(22)【出願日】2012年3月12日

(65)【公開番号】特開2013-191280(P2013-191280A)

(43)【公開日】2013年9月26日

【審査請求日】2014年10月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000011

【氏名又は名称】アイシン精機株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000000284

【氏名又は名称】大阪瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100081776

【弁理士】

【氏名又は名称】大川 宏

(72)【発明者】

【氏名】松田 州央

(72)【発明者】

【氏名】桑葉 孝一

(72)【発明者】

【氏名】天野 隆

(72)【発明者】

【氏名】市川 正樹

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 聡

(72)【発明者】

【氏名】曽木 忠幸

(72)【発明者】

【氏名】檜垣 勝己

(72)【発明者】

【氏名】安原 健一郎

【審査官】 清水 康

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−０５９６５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２１６３０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０５４１７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−１０１８２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６５５１７３４（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００ − ８／２４

Ｃ０１Ｂ ３／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

（i）燃料ガスを改質させることにより水素を含むアノードガスを生成させる改質器と、前記改質器で生成されたアノードガスが供給されると共にカソードガスが供給されて発電する燃料電池のスタックと、可燃ガスを燃焼させて前記改質器を加熱させる燃焼部と、前記改質器、前記スタックおよび前記燃焼部を覆う主断熱層とをもつ発電モジュールと、
（ii）前記改質器に供給される燃料ガスを脱硫するように前記改質器の上流に位置して設けられ且つ前記発電モジュールの熱を受熱するように前記主断熱層の外壁面に接触または接近した状態で対面して設けられた脱硫器と、
（iii）脱硫すべき燃料ガスを前記脱硫器に供給させる入口流路と、
（iv）前記脱硫器で脱硫された燃料ガスを前記改質器に供給させる出口流路とを具備し、
前記脱硫器は、前記発電モジュールの前記主断熱層の外壁面に接触または接近した状態で対面すると共に前記発電モジュールから受熱する第１表面と前記主断熱層に対して反対側を向く第２表面をもつ伝熱材料で形成された基板と、前記基板のうち前記第２表面に固定され且つ前記基板に対して脱硫剤が収容される脱硫室を有する伝熱材料で形成された容器と、前記容器の前記脱硫室に収容された脱硫剤とを具備し、
前記容器は、周縁部に前記第２表面に当接する縁フランジ部を備える燃料電池装置。

【請求項2】

請求項１において、前記発電モジュールは、前記発電モルの内部の前記燃焼部を着火させるための着火ヒータに関する器具を具備しており、
前記脱硫器は、前記発電モジュールの前記主断熱層において、前記着火ヒータに関する前記器具を取り付ける領域よりも、高さ方向において下方に配置されている燃料電池装置。

【請求項3】

請求項１または２において、前記発電モジュールは、相対的に高温となる高温部位と相対的に低温となる低温部位を有しており、
前記発電モジュールの前記高温部位から前記基板への伝熱量を相対的に抑制させる伝熱量調整要素が設けられている燃料電池装置。

【請求項4】

請求項１〜３のうちの一項において、前記容器のうち前記主断熱層と反対側は第２断熱層で被覆されており、前記第２断熱層を覆うカバーが前記基板または前記発電モジュールに取り付けられている燃料電池装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は常温領域よりも高い温度領域において脱硫能力を発揮できる脱硫剤を搭載する脱硫器を有する燃料電池装置に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池装置は、燃料を改質させることにより水素を含むアノードガスを生成させる改質器と、改質器で生成されたアノードガスが供給されると共にカソードガスが供給されて発電する燃料電池のスタックと、可燃ガスを燃焼させて改質器を加熱させる燃焼部と、改質器に供給させる燃料ガスを脱硫させる脱硫器とを有する（特許文献１，２，３）。脱硫器は、燃料ガスが流れる流路において改質器の上流に設けられている。更に特許文献１によれば、棒状の熱伝導部材が用いられている。棒状の熱伝導部材の長さ方向の一端部はスタックに接続され、熱伝導部材の長さ方向の中間部は脱硫器を貫通しており、熱伝導部材の長さ方向の他端部は水気化器に接続されている。このものによれば、スタックの熱が棒状の熱伝導部材の長さ方向に伝達され、ひいては脱硫器の脱硫材および水気化器の水に伝達される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９−１３４８９０号公報

【特許文献2】特開２００９−２１７９５２号公報

【特許文献3】特開２００６−８４５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記した特許文献に係る燃料電池装置によれば、脱硫器はスタックからかなり離間して配置されているため、コンパクト性には限界がある。更に、特許文献１のように、スタックの熱を棒状の熱伝導部材を介して脱硫器の脱硫剤に伝達させるとしても、棒状の熱伝導部材の横断面積は小さいため、伝熱には限界があり、脱硫器を効果的に加熱させることができない。

【0005】

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、脱硫器を良好に加熱でき、常温領域よりも高い温度領域において脱硫能力を良好に発揮できる脱硫剤を搭載する脱硫器をコンパクトに設置させるのに有利な燃料電池装置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】

【0006】

本発明の様相１に係る燃料電池装置は、（i）燃料を改質させることにより水素を含むアノードガスを生成させる改質器と、前記改質器で生成されたアノードガスが供給されると共にカソードガスが供給されて発電する燃料電池のスタックと、可燃ガスを燃焼させて改質器を加熱させる燃焼部と、改質器、スタックおよび燃焼部を覆う主断熱層とをもつ発電モジュールと、（ii）改質器に供給される燃料ガスを脱硫するように改質器の上流に位置して設けられ且つ発電モジュールの熱を受熱するように主断熱層の外壁面に対面して設けられた脱硫器と、（iii）脱硫すべき燃料ガスを脱硫器に供給させる入口流路と、（iv）脱硫器で脱硫された燃料ガスを改質器に供給させる出口流路とを具備する。

【0007】

燃焼部は、可燃ガスを燃焼させて改質器を加熱させる。可燃ガスとしては、アノードオフガス、燃料ガスが挙げられる。アノードオフガスはスタックから吐出されたガスであり、発電反応において消費されなかった未反応の水素を含むため、可燃性を示す。燃料電池装置の起動時には、アノードガスが生成されていないため、発電反応後のアノードオフガスが吐出されず、燃料ガスが燃焼部において燃焼することにより改質器を加熱させる。発電運転時には、アノードオフガスが燃焼部において燃焼することにより改質器を加熱させる。

【0008】

本様相によれば、燃焼部における燃焼により改質部が改質反応に適するように加熱される。燃料ガスは脱硫器で脱硫された後、改質器に供給され、改質器でアノードガスに改質される。生成されたアノードガスは燃料電池のスタックのアノードに供給される。カソードガスがスタックのカソードに供給され、スタックは発電する。燃料ガスに含まれる硫黄成分は、改質器やスタックの性能に影響を与えるおそれがあるため、除去されることが好ましい。

【0009】

脱硫器に収容される脱硫剤は、常温領域よりも高い温度領域において脱硫能力を発揮できるものである。脱硫器は、発電モジュールの熱を受熱するように、主断熱層の外壁面に接触または接近した状態で主断熱層の外壁面に対面しつつ設けられている。脱硫器は、発電モジュールから受熱して昇温するため、脱硫器に収容されている脱硫剤についても、常温領域を越える温度領域に昇温し、脱硫能力を向上させることができる。更に、脱硫器は、発電モジュールの熱を受熱するように主断熱層の外壁面に対面して設けられているため、脱硫器と発電モジュールとの一体化を図り得、脱硫器をコンパクトに取り付けることができ、省スペース化を図り得る。

【0010】

（２）本発明の様相２に係る燃料電池装置によれば、上記様相において、脱硫器は、発電モジュールの主断熱層の外壁面に接触または接近した状態で対面すると共に発電モジュールから受熱する第１表面と主断熱層に対して反対側を向く第２表面をもつ伝熱材料で形成された基板と、基板のうち第２表面に固定され且つ基板に対して脱硫剤が収容される脱硫室を有する伝熱材料で形成された容器と、容器の脱硫室に収容された脱硫剤とを具備する。

【0011】

本様相によれば、脱硫器の基板は、第１表面と第２表面とを有する伝熱材料で形成されている。伝熱材料は金属が好ましい。金属としては、炭素鋼、合金鋼、アルミニウム合金、銅合金、チタン合金が例示され、伝熱性および耐食性が良好なものが好ましい。第１表面は、発電モジュールの主断熱層の外壁面に接触または接近した状態で対面する。このため基板は第１表面を介して発電モジュールから受熱して昇温する。基板の第２表面は、主断熱層に対して反対側を向いており、容器を固定している。容器は基板の第２表面に固定されており、脱硫剤を収容する脱硫室を有する。基板はこれの第１表面を介して発電モジュールから受熱して昇温するため、容器内の脱硫剤も常温領域を越える温度領域に昇温し、脱硫能力を向上させる。

【0012】

（３）本発明の様相３に係る燃料電池装置によれば、上記様相において、発電モジュールは、発電モルの内部の燃焼部を着火させるための着火ヒータに関する器具を具備しており、脱硫器を構成する容器は、発電モジュールの主断熱層において、着火ヒータに関する器具を取り付ける領域よりも、高さ方向において下方に配置されている。上記した器具が発電モジュールに搭載されている関係で、脱硫器を燃焼部の高さ位置に合わせて取り付けると、器具と脱硫器とが位置的に干渉するおそれがある。そこで本様相によれば、発電モジュールの主断熱層において、着火ヒータに関する器具を取り付ける領域よりも、脱硫器は高さ方向において下方に配置されている。これにより上記した干渉が回避される。

【0013】

（４）本発明の様相４に係る燃料電池装置によれば、上記様相において、発電モジュールは、相対的に高温となる高温部位と相対的に低温となる低温部位を有しており、発電モジュールの高温部位から基板への伝熱量を相対的に抑制させる伝熱量調整要素が設けられている。発電モジュールは、相対的に高温となる高温部位と相対的に低温となる低温部位を有する。基板の各部位が発電モジュールの主断熱層に同じ程度に接触または接近していると、基板のうち発電モジュールの高温部位に対面する部位が他の部位に比較して相対的に過剰に高温となるおそれがある。この場合、脱硫器において温度ムラを発生させるおそれがある。そこで本様相によれば、発電モジュールの高温部位から基板への伝熱量を相対的に抑制させる伝熱量調整要素が設けられている。このため基板の全体において温度ムラが低減される。ひいては容器内の脱硫剤における温度ムラも低減される。

【0014】

（５）本発明の様相５に係る燃料電池装置によれば、上記様相において、容器のうち主断熱層と反対側は第２断熱層で被覆されており、第２断熱層を覆うカバーが基板または発電モジュールに取り付けられている。第２断熱層により脱硫器、つまり容器からの放熱が抑制される。更にカバーにより第２断熱層の脱落が抑制され、脱硫器の温度維持に貢献できる。

【発明の効果】

【0015】

本発明の様相１に係る燃料電池装置によれば、発電モジュールにおいて回収しきれなかった余熱を有効利用して脱硫器の脱硫剤を加熱できる。従って、燃料ガスが高露点で水蒸気を多めに含む場合であっても、脱硫器は燃料ガスを良好に脱硫させることができる。更に、脱硫器は、発電モジュールの熱を主断熱層から受熱するように、主断熱層の外壁面に接触または接近した状態で主断熱層の外壁面に対面しつつ設けられている。このように脱硫器は、発電モジュールから受熱して昇温するため、脱硫器に収容されている脱硫剤についても、常温領域を越える温度領域に昇温し、脱硫能力を向上させることができる。更に、脱硫器は発電モジュールの主断熱層に対面して取り付けられるため、発電モジュールおよび脱硫器の一体化を図り得、コンパクト化を図り得、省スペース化に貢献できる。加えて主断熱層の肉厚の調整により脱硫器の温度を調整することが可能となる。従って、脱硫剤の材質に応じて主断熱層の肉厚を調整すれば、脱硫器の温度を簡単に調整することができる。

【0016】

本発明の様相２に係る燃料電池装置によれば、脱硫器の基板は第１表面と第２表面とを有する伝熱材料で形成されている。第１表面は、発電モジュールの主断熱層の外壁面に接触または接近した状態で対面する。このため基板は第１表面を介して発電モジュールから受熱して昇温する。基板の第２表面は、主断熱層に対して反対側を向いており、容器を固定している。容器は基板の第２表面に固定されており、脱硫剤を収容する脱硫室を有する。基板はこれの第１表面を介して発電モジュールから受熱して昇温するため、脱硫剤も常温領域を越える温度領域に昇温し、脱硫能力を向上させる。更に、脱硫剤の材質に応じて、主断熱層の肉厚、基板の肉厚および容器の肉厚のうちの少なくとも一方を調整すれば、脱硫器の温度を簡単に調整することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】実施形態１に係り、発電モジュールの主断熱層に脱硫器が取り付けられている状態を示す断面図である。

【図2】実施形態１に係り、発電モジュールの主断熱層に脱硫器が取り付けられる状態を示す水平方向に沿った断面図である。

【図3】実施形態１に係り、発電モジュールの主断熱層に脱硫器が取り付けられている状態を示す側面図である。

【図4】実施形態２に係り、発電モジュールの主断熱層に脱硫器が取り付ける状態を示す断面図である。

【図5】実施形態３に係り、発電モジュールの主断熱層に脱硫器が取り付けられている状態を示す断面図である。

【図6】実施形態４に係り、発電モジュールの主断熱層に脱硫器が取り付けられている状態を示す断面図である。

【図7】適用形態に係り、燃料電池システムを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

（実施形態１）
図１〜図３は実施形態１を示す。本実施形態に係る燃料電池装置は、図１に示すように発電モジュール２００を有する。図１に示すように、発電モジュール２００は、燃料ガスを改質させることにより水素を主要成分（例えば４０モル％以上）として含むアノードガスを生成させる改質器３００と、改質器３００で生成されたアノードガスが供給されると共にカソードガス（一般的に空気）が供給されて発電する燃料電池（固体酸化物形，ＳＯＦＣ）のスタック４００と、アノードオフガス等の可燃ガスを燃焼させて改質器３００を加熱させる燃焼火炎５１０を形成する燃焼部５００と、断熱材料で形成された主断熱層６００とをもつ。主断熱層６００は改質器３００、スタック４００および燃焼部５００を覆っており、層６００ａ，６００ｂ，６００ｃ（図１参照），６００ｄ，６００ｅ，６００ｆ（図２参照）をもつ。

【0019】

図１に示すように、発電モジュール２００内において、燃焼部５００は改質器３００の下方に、且つ、スタック４００の上方に設けられている。燃焼部５００における燃焼により、改質器３００は水蒸気による改質反応に適するように加熱される。図３に示すように、改質器３００には、改質水を供給する給水流路８と、燃料ガスを供給するガス流路６とが繋がれている。

【0020】

燃焼部５００における燃焼により、発電モジュール２００の内部は常温領域よりも高温となる（例えば４００℃以上）。燃料ガスは脱硫器７００で脱硫された後、図略の流路を介して改質器３００に供給され、改質器３００でアノードガスに改質される。改質器３００において生成されたアノードガスは、図略の流路を介して、燃料電池のスタック４００のアノードに供給される。カソードガスがスタック４００のカソードに供給され、スタック４００は発電する。

【0021】

図２に示すように、発電モジュール２００はほぼ直方体形状または立方体形状をなしており、互いに対向すると共に高さ方向（矢印Ｈ方向）に延びる第１側面２０１と、互いに対向すると共に高さ方向に延びる第２側面２０２と、上面２０３と、上面２０３に対向する底面２０４とを有する。発電モジュール２００の第１側面２０１、第２側面２０２、底面２０４には、断熱材料で形成された主断熱層６００が設けられている。

【0022】

第２側面２０２となる主断熱層６００には、脱硫器７００が取り付けられている。脱硫器７００が改質器３００に供給される燃料ガス（例えば炭化水素系）を脱硫するように、脱硫器７００は、燃料ガスの流れ方向において、スタック４００および改質器３００の上流に位置して設けられている。図１に示すように、脱硫器７００は、発電モジュール２００の熱を受熱するように、主断熱層６００の層６００ｃの外壁面６００ｐに対面して設けられている。図２は発電モジュール２００に脱硫器７００を取り付ける前の状態を示す。図２に示すように、発電モジュール２００の隅部には取付部材２０８が設けられている。取付部材２０８は、雄螺子２０９ａで形成された第１取付具２０９をもつ。

【0023】

図２に示すように、脱硫器７００は、伝熱材料としての金属で形成された平坦状の基板７１０と、伝熱材料としての金属で形成された容器７２０とを有する。金属としては、炭素鋼、合金鋼、アルミニウム合金、銅合金、チタン合金が例示され、強度および熱伝導性が良いものが好ましい。基板７１０は、容器７２０に対する基板とされており、容器７２０の開口７２０ｗを閉鎖する蓋として機能させることができる。図２に示すように、基板７１０は、互いに対向する平坦状の第１表面７１１と、平坦状の第２表面７１２とを有する。更に、基板７１０は、雄螺子７１４ａで形成された第２取付具７１４と、取付穴７１５とをもつ。図１から理解できるように、基板７１０の第１表面７１１は、発電モジュール２００の主断熱層６００の層６００ｃの外壁面６００ｐに接触（密接）した状態で対面すると共に、発電モジュール２００から受熱する。ここで、設計時、製造時、メンテナンス等において、脱硫器７００がその脱硫剤７８０に適する温度領域となるように、主断熱層６００のうち脱硫器７００に対面する側の層６００ｃの肉厚ｔｃを調整すれば、発電モジュール２００から脱硫器７００への受熱量を調整でき、ひいては脱硫器７００の脱硫剤７８０の温度を調整できる。従って、主断熱層６００の層６００ｃの肉厚ｔｃ（図１，図２参照）は、層６００ａの肉厚ｔａ、層６００ｂの肉厚ｔｂ、層６００ｄの肉厚ｔｄ、層６００ｅの肉厚ｔｅ、層６００ｆの肉厚ｔｆよりも肉厚とされてもよいし肉薄とされても良い。

【0024】

基板７１０の第２表面７１２は、主断熱層６００の層６００ｃに対して反対側を向いている。図２に示すように、容器７２０は基板７１０の第２表面７１２に配設された状態で、基板７１０のうち第２表面７１２に溶接部７２５で固定されている。容器７２０は、基板７１０の第２表面７１２にあてがわれる脱硫室７２６を有する。

【0025】

脱硫器７００を発電モジュール２００に取り付けるにあたっては、図２から理解できるように、第１基板７１０の第１表面７１１を発電モジュール２００の第１側面２０１側の主断熱層６００に対面させつつ当接させる。その状態で、取付部材２０８の第１取付具２０９と第１取付孔７１５とを互いに挿入させ、更に、雌螺子２０９ｃをもつ第１締結部材２０９ｋを第１取付具２０９に雄螺子２０９ａに螺着させて締結させる。このように脱硫器７００の基板７１０の第１表面７１１を発電モジュール２００の主断熱層６００に接触させた状態で取り付ける。

【0026】

更に、図２から理解できるように、断熱材料で形成されている第２断熱層７５０が容器７２０の外側に配置されている状態で、カバー７６０を脱硫器７００に取り付ける。この場合、基板７１０の雄螺子７１４ａで形成された第２取付具７１４を、カバー７６０の取付穴７６０ｐに挿入させた状態で、雌螺子７１４ｃをもつ第２締結部材７１４ｋを第２取付具７１４に螺着させて締結させる。この結果、基板７１０、容器７２０、第２断熱層７５０、カバー７６０が発電モジュール２００に脱硫器７００に脱着可能に取り付けられる。従ってメンテナンス時に、脱硫器７００を基板７１０ごと新品に交換できる。

【0027】

図１に示すように、容器７２０の脱硫室７２６において、メッシュまたはパンチングメタルで形成されたガス通過板７２６ａ，７２６ｃの間には、脱硫剤７８０が収容されている。脱硫剤７８０は粒状にできるが、場合によっては、ハニカム構造体としても良い。脱硫剤７８０は、容器７２０に接触すると共に基板７１０の第２表面７１２に接触する。基板７１０は、発電モジュール２００から受熱する。基板７１０に接合されている容器７２０も発電モジュール２００から受熱する。このため容器７２０の脱硫室７２６に収容されている脱硫剤７８０は、基板７１０および容器７２０を介して熱伝導により発電モジュール２００から受熱して昇温される。更に脱硫器７００は発電モジュール２００の輻射熱も受ける。

【0028】

上記した脱硫剤７８０としては、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、アルミナやセリア等の金属酸化物等の多孔性物質が例示される。このような脱硫剤７８０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。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７８０は、燃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、燃料ガスに含まれる水蒸気やHC等を物理吸着させる。上記した脱硫剤７８０は常温領域では水蒸気によりダメージを受け易い。このように脱硫剤７８０は燃料ガスに含まれる水蒸気の影響を受け易く、脱硫剤７８０が硫黄化合物を吸着させる能力を低減させる。このような性質を有する脱硫剤７８０といえども、温度環境が高温（例えば、５０℃以上、１５０℃以上）になれば、水蒸気が脱硫剤７８０に吸着されにくくなり、脱硫剤７８０における水蒸気ダメージが激減し、結果として、脱硫剤７８０が硫黄化合物を吸着させる量が良好に確保される。このように脱硫剤７８０は、常温領域よりも高い温度領域において脱硫能力を発揮できる。このため脱硫器７００は発電モジュール２００の熱を受熱するようにされている。なお、ガス配管工事等が行われるとき、雪解け時期、降雨時期等には、燃料ガスが通常よりも高露点となることがあり、水蒸気を多めに含むことがある。なお、脱硫剤７８０としては上記した材質に限定されるものではない。

【0029】

以上説明したように本実施形態によれば、燃料電池装置の運転時には、発電モジュール２００の内部は高温状態に維持される。脱硫器７００の基板７１０は第１表面７１１と第２表面７１２とを有する。第１表面７１１は、発電モジュール２００の主断熱層６００の外壁面６００ｐに接触した状態で対面する。このため基板７１０は発電モジュール２００から受熱して昇温する。基板７１０の第２表面７１２は、主断熱層６００に対して反対側を向いており、容器７２０を固定している。容器７２０は基板７１０の第２表面７１２に固定されており、脱硫剤７８０を収容する脱硫室７２６を有する。上記したように基板７１０はこれの第１表面７１１を介して発電モジュール２００から、主断熱層６００を介して受熱して昇温するため、容器７２０内の脱硫剤７８０も常温領域を越える温度領域に昇温し、脱硫能力を向上させることができる。

【0030】

更に、脱硫剤７８０の材質に応じて脱硫効果を最も発揮できる温度がある。そこで本実施形態によれば、設計時、製造時、メンテナンス時等において、主断熱層６００のうち脱硫器７００に対面する層６００ｃの肉厚ｔｃ、基板７１０の肉厚および容器７２０の肉厚のうちの少なくとも一方を調整すれば、脱硫器７００の脱硫剤７８０の温度を簡単に調整することができる。特に、主断熱層６００のうち脱硫器７００に対面する層６００ｃの肉厚ｔｃを薄くすれば、発電モジュール２００から脱硫器７００が受熱する量を相対的に増加でき、脱硫器７００を高温に維持させ易い。肉厚ｔｃを薄くすれば、発電モジュール２００から脱硫器７００が受熱する量を相対的に減少でき、脱硫器７００の過熱を抑制できる。

【0031】

本実施形態によれば、図３に示すように、容器７２０は、容器７２０の周縁部において外方に延設され且つ基板７１０の第２表面７１２に当接する縁フランジ部７２４をもつ。縁フランジ部７２４の周りを溶接した溶接部７２５（図２参照）で、容器７２０は基板７１０に結合されている。このように容器７２０は基板７１０の第２表面７１２に当接する外鍔状の縁フランジ部７２４を有する。縁フランジ部７２４は、溶接した溶接部７２５で基板７１０に面的に結合され易い利点が得られる。更に、縁フランジ部７２４により基板７１０と容器７２０との接合性およびシール性を向上できる。そればかりか、基板７１０と容器７２０との接合面積を向上させるため、基板７１０から容器７２０へ伝熱させる伝熱面積を確保でき、容器７２０内の脱硫剤７８０の温度ムラの低減に有利である。

【0032】

更に本実施形態によれば、図２に示すように、主断熱層６００と反対側は第２断熱層７５０で被覆されている。第２断熱層７５０を覆うカバー７６０が基板７１０の第２表面７１２に取り付けられている。このため第２断熱層７５０により脱硫器７００つまり容器７２０からの放熱が抑制され、脱硫器７００の脱硫剤７８０の温度を維持させるのに有利である。更にカバー７６０により第２断熱層７５０の脱落が抑制される。カバー７６０は第２断熱層７５０の脱落を防止できるものであれば、形状および構造は問わない。

【0033】

加えて本実施形態によれば、燃焼部５００は、アノードオフガスまたは燃料ガスを燃焼させることにより、燃焼火炎５１０を形成して改質器３００を加熱させる。このため発電モジュール２００の主断熱層６００において、高さ方向（矢印Ｈ方向）において、燃焼部５００の高さ位置に相当する領域Ｈ３（図３参照）が最も温度が高いといえる。このため、発電モジュール２００の主断熱層６００からの受熱により脱硫器７００を効率よく昇温させるためには、脱硫器７００は、発電モジュール２００の第１側面２０１となる主断熱層６００のうち、燃焼部５００の高さ位置に相当する高さ位置の領域Ｈ３に対面するように設けられていることが好ましい。

【0034】

しかし本実施形態によれば、図１，図３に示すように、発電モジュール２００の内部温度を検知するための温度センサ８００に関する配線用の器具８０２が発電モジュール２００の第１側面２０１に設けられている。発電モジュール２００の内部の燃焼部５００を着火させるための着火ヒータ８１０に関する配線用の器具８１２が発電モジュール２００の第１側面２０１に設けられている。発電モジュール２００の内部における有害ガスの漏れを検知するためのガス漏れセンサ８２０に関する配線用の器具８２２が発電モジュール２００の第１側面２０１に設けられている。これらは改質器３００や燃焼部５００の高さ位置に相当する。

【0035】

このため本実施形態によれば、発電モジュール２００の主断熱層６００においては、これの上部領域に脱硫器７００を搭載させるためのスペースが得られない。そこで本実施形態によれば、図１および図３に示すように、発電モジュール２００の主断熱層６００において、温度センサ８００に関する器具８０２、着火ヒータ８１０に関する器具８１２、ガス漏れセンサ８２０に関する器具８２２が取り付けられる領域Ｈ３よりも、脱硫器７００を構成する容器７２０は、高さ方向（矢印Ｈ方向）において下方に配置されている。

【0036】

（実施形態２）
図４は実施形態２を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、作用および効果を有する。発電モジュール２００の主断熱層６００の外壁面６００ｐと脱硫器７００の基板７１０との間には、スペーサ７１９が介在している。これにより発電モジュール２００の主断熱層６００と基板７１０との間には、隙間Ｌがほぼ均等に形成されている。発電モジュール２００の内部の運転温度が脱硫器７００にとって高温過ぎる場合において、発電モジュール２００から脱硫器７００への伝熱量を抑えるのに有効である。スペーサ７１９の肉厚ｔｓ（図４参照）を調整すれば、隙間Ｌの大きさを調整できる。このように発電モジュール２００の主断熱層６００と基板７１０との間隔Ｌを適宜調整できる。よって、燃料電池装置の種類、脱硫剤７８０の材質等に応じて、発電モジュール２００から基板７１０への熱伝達量を調整でき、ひいては脱硫器７００の脱硫剤７８０の温度を調整できる。なおスペーサ７１９の材質は特に限定されない。

【0037】

（実施形態３）
図５は実施形態３を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、作用および効果を有する。発電モジュール２００は、相対的に高温となる高温部位２００ｈと相対的に低温となる低温部位２００ｃを有する。これは主として、改質器３００を加熱させるために高温となる燃焼部５００の高さ位置に基づく。従って、発電モジュール２００において、高温部位２００ｈは、発電モジュール２００の第１側面２０１において燃焼部５００の高さ位置に相当する高領域に該当する。相対的に低温となる低温部位２００ｃは、発電モジュール２００の第１側面２０１において燃焼部５００よりも高さ位置が低い領域に該当する。基板７１０の各部位が発電モジュール２００の主断熱層６００に同じ程度に接触または接近していると、脱硫剤７８０の材質によっては、基板７１０のうち発電モジュール２００の高温部位２００ｈに対面する部位が他の部位に比較して相対的に過剰に高温となるおそれがある。この場合、基板７１０および容器７２０が伝熱性をもつ金属で形成されているとしても、脱硫器７００における温度ムラを発生させるおそれがある。

【0038】

そこで、本実施形態によれば、図５に示すように、発電モジュール２００の高温部位２００ｈから基板７１０への伝熱量を相対的に減少させる伝熱量調整要素８５０が設けられている。具体的には、基板７１０と発電モジュール２００の第１側面２０１との間には、伝熱量調整要素８５０が介在する。このため発電モジュール２００の第１側面２０１に対して脱硫器７００の基板７１０を角度θ１で傾斜させる。このように基板７１０の上端７１０ｕに向かうにつれて、発電モジュール２００の主断熱層６００と基板７１０との間の間隔Ｌが増加するように、基板７１０は傾斜されている。従って、発電モジュール２００のうち相対的に高温となる高温部位２００ｈと基板７１０の第１表面７１１との間には、隙間ＬＡを形成する。同様に、発電モジュール２００のうち相対的に低温となる低温部位２００ｃと基板７１０の第１表面７１１との間には、隙間ＬＢ（ＬＡ＞ＬＢ）を形成する。このため、発電モジュール２００の高温部位２００ｈから基板７１０への伝熱量を相対的に抑制させることができる。ひいては基板７１０の全体において温度ムラが低減され、脱硫器７００の脱硫剤７８０における温度ムラも低減される。本実施形態によれば、発電モジュール２００の温度が脱硫器７００にとって過剰に高温となる場合に適する。

【0039】

（実施形態４）
図６は実施形態４を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、作用および効果を有する。発電モジュール２００は、相対的に高温となる高温部位２００ｈと相対的に低温となる低温部位２００ｃを有する。主断熱層６００のうち脱硫器７００に対面する層６００ｃの肉厚が均一であると、基板７１０のうち発電モジュール２００の高温部位２００ｈに対面する部位が他の部位に比較して相対的に過剰に高温となるおそれがある。この場合、基板７１０および容器７２０が伝熱性をもつ金属で形成されているとしても、脱硫器７００における温度ムラを発生させるおそれがある。そこで本実施形態によれば、図６に示すように、発電モジュール２００の主断熱層６００のうち脱硫器７００に対面する層６００ｃの厚みについて、高温部位２００ｈに対応する領域では肉厚がｔｃ１と厚くされており、低温部位２００ｃに対応する領域では肉厚がｔｃ２と薄くされている。このため、発電モジュール２００の高温部位２００ｈから基板７１０への伝熱量を相対的に抑制させることができる。ひいては基板７１０の全体において温度ムラが低減され、脱硫器７００の脱硫剤７８０における温度ムラも低減される。

【0040】

（適用形態）
図７は適用形態の概念を模式的に示す。図７に示すように、燃料電池システムは、スタック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を有する蒸発器と、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、これらを収容するケース５とを有する。スタック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（ＳＯＦＣ，運転温度：例えば４００℃以上）とされている。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、スタック１と共に主断熱層１９で包囲され、発電モジュール１８（例えば直方体形状）を形成している。発電モジュール１８内には、改質部３，蒸発部２を加熱する燃焼部１０５が設けられている。アノード１０側から排出されたアノードオフガスは、流路１０３を介して燃焼部１０５に供給される。カソード１１側から排出されたカソードオフガスは、流路１０４を介して燃焼部１０５に供給される。起動時には、燃焼部１０５は、アノード１０から供給された改質前のガスを、カソード１１から供給されたカソードガスで燃焼させ、蒸発部２および改質部３を加熱させる。

【0041】

発電運転時には、燃焼部１０５はアノード１０から排出されたアノードオフガスを、カソード１１から排出されたカソードオフガスで燃焼させ、蒸発部２および改質部３を加熱させる。燃焼部１０５には燃焼排ガス路７５が設けられ、燃焼部１０５における燃焼後のガス、未燃焼のガスを含む燃焼排ガスが燃焼排ガス路７５を介して大気中に放出される。改質部３の温度を検出する温度センサ３３が設けられている。着火させるヒータである着火部３５が燃焼部１０５に設けられている。着火部３５は着火できるものであれば何でも良い。外気の温度を検出する外気温度センサ５７が設けられている。温度センサ３３，５７の信号は制御部１００Ｘに入力される。制御部１００Ｘは警報器１０２に警報を出力する。

【0042】

発電運転時には、改質器２Ａは改質反応に適するように主断熱層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。スタック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オフガスとカソード１１側から排出されたカソードオフガスが燃焼部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７に示すように、ガス流路６は、ガス源６３からガスを改質器２Ａに供給させるものであり、ポンプ６０、脱硫器４００をもつ。スタック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流路７０が繋がれている。カソードガス流路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。

【0043】

図７に示すように、ケース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。スタック１は、改質部３および蒸発部２と共に発電モジュール１８を形成し、ケース５の上側つまり上室空間５２に収容されている。ケース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により所定温度以上に加熱され、凍結が抑制される。図７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流路８が、配管としてケース５内に設けられている。給水流路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に供給させる流路である。給水流路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。更に、制御部１００Ｘはポンプ８０，７１，７９，６０を制御する。

【0044】

さて起動時において、ポンプ６０が駆動すると、ガス流路６からガスが蒸発部２，改質部３，アノードガス流路７３，スタック１のアノード１０，流路１０３を介して燃焼部１０５に流れる。カソードポンプ７１によりカソードガス（空気）がカソードガス流路７０、カソード１１，流路１０４を介して燃焼部１０５に流れる。この状態で着火部３５が着火すると、燃焼部１０５において燃焼が発生し、改質部３および蒸発部２が加熱される。このように改質部３および蒸発部２が加熱された状態で、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に向けて給水流路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、ガス流路６から供給されるガスと共に改質部３に移動する。ガスは改質部３において水蒸気で改質されてアノードガス（水素含有ガス）となる。アノードガスはアノードガス流路７３を介してスタック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、ケース５内の空気）がカソードガス流路７０を介してスタック１のカソード１１に供給される。これによりスタック１が発電する。アノード１０から排出されたアノードオフガス、カソード１１から排出されたカソードオフガスは、流路１０３，１０４を通過し、燃焼部１０５に至り、燃焼部１０５で燃焼される。高温の排ガスは、排ガス流路７５を介してケース５の外方に排出される。

【0045】

上記したシステムの発電運転時において、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に向けて給水管８ｗの給水流路８内を搬送され、蒸発部２で加熱されて水蒸気とされる。水蒸気はガス流路６から供給されるガスと共に改質部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）…ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
生成されたアノードガスはアノードガス流路７３を介してスタック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、ケース５内の空気）がカソードガス流路７０を介してスタック１のカソード１１に供給される。これによりスタック１が発電する。スタック１で排出された高温の排ガスは、排ガス流路７５を介してケース５の外方に排出される。

【0046】

排ガス流路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に繋がる貯湯流路７８および貯湯ポンプ７９が設けられている。貯湯流路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流路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剤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内の水は給水流路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。

【0047】

適用形態によれば、図７はあくまでも適用形態の概念図であるため、脱硫器７００は発電モジュール１８から離間して図示されている。しかし本実施形態においても、実際には、脱硫器７００は発電モジュール１８の主断熱層１９を介して発電モジュール１８の熱を受熱できるように、脱硫器７００は発電モジュール１８の主断熱層１９の側面に接触または接近した状態で取り付けられている。また、脱硫器７００を発電モジュール１８の底面または上面に取り付けることにしても良い。

【0048】

（その他）
本発明は上記し且つ図面に示した実施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。燃料電池のスタック４００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。改質器に供給される燃料ガスも特に制限されず、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。

【0049】

上記した実施形態１によれば、脱硫器７００を発電モジュール２００に取り付けるにあたって、発電モジュール２００側の取付部材２０８の第１取付具２０９と第１取付孔７１５とを互いに挿入させ、雌螺子をもつ第１締結部材２０９ｋを第１取付具２０９に螺着させて締結させる。これに限らず、雄螺子および雌螺子を逆の関係としても良い。即ち、発電モジュール２００側の取付部材２０８に、雌螺子をもつ締結部材を設けておき、基板に設けられている雄螺子で形成された取付具を締結部材の雌螺子に螺着させて着脱可能に締結しても良い。場合によっては、発電モジュール２００側の取付部材２０８に、脱硫器の基板を溶接部で結合させても良い。更に、実施形態１によれば、カバー７６０を脱硫器７００に取り付けるにあたり、雄螺子をもつ第２取付具７１４と雌螺子をもつ第２締結部材とを用いるが、雌螺子と雄螺子との関係を逆にしても良い。場合によっては、カバー７６０を廃止することもできる。基板を発電モジュールに取り付ける形態としては、上記した構造に限定されず、溶接で基板を発電モジュールに直接的に取り付けることにしても良い。

【0050】

容器を基板に固定する形態は溶接部に限定されず、ボルトおよびナット等の機械的要素でも良い。容器は1個に限定されず複数個を連結しても良い。

【0051】

本明細書から次の技術的思想が把握できる。
［付記項１］燃料ガスを改質させることにより水素を含むアノードガスを生成させる改質器と、改質器で生成されたアノードガスが供給されると共にカソードガスが供給されて発電する燃料電池のスタックと、可燃ガスを燃焼させて改質器を加熱させる燃焼部と、改質器、スタックおよび燃焼部を覆う主断熱層とをもつ発電モジュールと、改質器に供給される燃料ガスを脱硫するように改質器の上流に位置して設けられた脱硫器とを具備しており、脱硫器は、第１表面および第２表面をもつ基板と、基板のうち第２表面に固定され且つ基板に対して脱硫剤が収容される脱硫室を有する容器と、容器の脱硫室に収容された脱硫剤とを具備する燃料電池装置。脱硫器の基板は、発電モジュールの主断熱層の外壁面に接触または接近した状態で対面すると共に発電モジュールから受熱するように形成できる。脱硫器は発電モジュールから離間していても良い。

【符号の説明】

【0052】

２００は発電モジュール、３００は改質器、４００はスタック、５００は燃焼部、６００は主断熱層、７２０は容器、７１０は基板、７１１は第１表面、７１２は第２表面、７３０は入口流路、７４０は出口流路、７５０は第２断熱層、７６０はカバー、７８０は脱硫剤を示す。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】