特許 6870409 燃料電池システム

(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】6870409

(24)【登録日】2021年4月19日

(45)【発行日】2021年5月12日

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20210426BHJP

   H01M 8/0612 20160101ALI20210426BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20210426BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 Z

   H01M8/0612

   H01M8/12

【請求項の数】6

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2017-54101(P2017-54101)

(22)【出願日】2017年3月21日

(65)【公開番号】特開2018-156884(P2018-156884A)

(43)【公開日】2018年10月4日

【審査請求日】2020年2月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000011

【氏名又は名称】株式会社アイシン

(74)【代理人】

【識別番号】110000017

【氏名又は名称】特許業務法人アイテック国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 真望

【審査官】 橋本 敏行

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０３０３２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１０３３６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２１４６３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１０１２６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１２５３８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１１６６６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０２７３３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１０３３６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／００１５２５９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００−８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、原燃料を改質して前記アノードガスを生成する改質器とを含む燃料電池システムにおいて、
前記原燃料中の硫黄成分を除去する第１脱硫器と、
前記第１脱硫器の下流側かつ前記改質器の上流側に配置されると共に酸素と反応して発熱する除去剤を有し、前記除去剤の存在下で前記原燃料中の前記硫黄成分を化学反応させて該硫黄成分を該除去剤に吸着させる第２脱硫器と、
前記第２脱硫器のガス入口に酸素を供給する酸素供給装置と、
前記第２脱硫器のガス出口側で前記除去剤の温度を検出する温度センサと、
前記酸素供給装置から前記第２脱硫器のガス入口に酸素が供給された際の前記温度センサの検出値に基づいて前記第２脱硫器の前記除去剤の劣化を判定する劣化判定装置と、
を備える燃料電池システム。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記劣化判定装置は、前記温度センサの検出値が予め定められた閾値以上になった場合、前記第２脱硫器の前記除去剤が寿命に達したと判定する燃料電池システム。

【請求項3】

請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記劣化判定装置は、前記温度センサの検出値が前記閾値よりも低い低温側閾値以上になった場合、前記第２脱硫器の前記除去剤の寿命が近いと判定する燃料電池システム。

【請求項4】

請求項１から３の何れか一項に記載の燃料処理システムにおいて、
前記劣化判定装置の判定結果を報知する報知装置を更に備える燃料電池システム。

【請求項5】

請求項１から４の何れか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記原燃料中の炭化水素と前記酸素供給装置からの酸素とを反応させて水素を生成する酸化器を更に備え、
前記第２脱硫器は、前記酸化器からの水素と前記原燃料中の前記硫黄成分とを反応させて該硫黄成分を除去する燃料電池システム。

【請求項6】

請求項１から５の何れか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記劣化判定装置は、前記燃料電池システムの運転に停止に伴って前記燃料電池の温度が低下した際に、前記酸素供給装置から前記第２脱硫器に酸素を供給させて前記除去剤の劣化を判定する燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示の発明は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を含む燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、この種の燃料電池システムとして、炭化水素ガスを改質する改質器と、当該改質器の前段で炭化水素ガス中の硫黄化合物を除去する脱硫器とを含む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、脱硫器にインジケータ機能付き吸着剤が配置されており、吸着剤の色相変化を基に当該該吸着剤の寿命が検知される。また、この種の燃料電池システムとして、脱硫器と改質器とを接続するガス流路に対して空気を供給する空気供給部と、当該空気供給部からの空気が混合される位置よりも下流側かつ改質器の上流側でガス流路に介装された単室型固体電解質型燃料電池とを含むものも知られている（例えば、特許文献２参照）。この燃料電池システムでは、空気供給部により空気を混合させて単室型固体電解質型燃料電池の発電出力を検出することで脱硫器の寿命が判定される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００２−３５８９９２号公報

【特許文献2】特開２０１１−１１３７２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記特許文献１に記載された燃料電池システムでは、吸着剤の色相変化を目視またはカメラ撮影することにより当該吸着剤の寿命が判定される。しかしながら、目視やカメラ撮影により吸着剤の色相変化を適正に把握するのは容易ではなく、特許文献１に記載の燃料電池システムは、吸着剤の寿命判定精度の面で、なお改善の余地を有している。また、燃料電池システムに上記吸着剤を撮影するためのカメラを設置した場合、システム全体のコストアップを招いてしまう。更に、上記特許文献２に記載された燃料電池システムでは、単室型固体電解質型燃料電池の追設によりシステム全体のコストアップを招いてしまう。

【0005】

そこで、本開示は、燃料電池システムのコストアップを抑制しつつ、原燃料中の除去対象成分を除去するための除去剤の劣化を精度よく判定可能にすることを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、原燃料を改質して前記アノードガスを生成する改質器とを含む燃料電池システムにおいて、前記改質器の上流側に配置されると共に酸素と反応して発熱する除去剤を有し、前記除去剤の存在下で前記原燃料中の除去対象成分を化学反応させて該除去対象成分を該除去剤に吸着させる除去装置と、前記除去装置のガス入口に酸素を供給する酸素供給装置と、前記除去装置のガス出口側で前記除去剤の温度を検出する温度センサと、前記酸素供給装置から前記除去装置のガス入口に酸素が供給された際の前記温度センサの検出値に基づいて前記除去装置の前記除去剤の劣化を判定する劣化判定装置とを備えるものである。

【0007】

この燃料電池システムにおいて、除去装置の除去剤は、除去対象成分の吸着によりガス入口側から劣化していき、燃料電池システムの運転時間が長期化するにつれて、劣化していない除去剤の位置は、ガス入口側からガス出口側へと移動していく。そして、酸素供給装置から除去装置に酸素が供給された際には、除去対象成分が吸着しておらず、劣化していない除去剤が酸素と反応して発熱する。従って、酸素供給装置から除去装置への酸素の供給により除去剤が発熱した状態で温度センサによってガス出口側における除去剤の温度を取得することにより、当該温度に基づいて除去剤の劣化の進行度を適正に把握することが可能となる。更に、温度センサの設置によるコストアップは許容され得るものであり、酸素供給装置も他の用途のために設けられるものを兼用することができる。この結果、この燃料電池システムでは、システム全体のコストアップを抑制しつつ、原燃料中の除去対象成分を除去するための除去剤の劣化を精度よく判定することが可能となる。

【0008】

また、前記劣化判定装置は、前記温度センサの検出値が予め定められた閾値以上になった場合、前記除去装置の前記除去剤が寿命に達したと判定してもよい。すなわち、上述のような特性をもった除去剤を有する除去装置のガス出口側に温度センサを設置することで、除去剤の寿命を精度よく検知することが可能となる。

【0009】

更に、前記劣化判定装置は、前記温度センサの検出値が前記閾値よりも低い低温側閾値以上になった場合、前記除去装置の前記除去剤の寿命が近いと判定してもよい。これにより、除去剤の劣化の進行度をより適正に把握することが可能となる。

【0010】

また、前記燃料電池システムは、前記劣化判定装置の判定結果を報知する報知装置を更に備えてもよい。これにより、燃料電池システムのユーザーに除去装置の除去剤の劣化の度合いを報知して当該ユーザーの便に供することが可能となる。

【0011】

更に、前記燃料電池システムは、前記原燃料中の炭化水素と前記酸素供給装置からの酸素とを反応させて水素を生成する酸化器を更に備えてもよく、前記除去装置は、前記酸化器からの水素と前記原燃料中の硫黄成分とを反応させて該硫黄成分を除去する脱硫器であってもよい。このように除去装置がいわゆる水添式の脱硫器である場合には、当該脱硫器のために設けられる酸素供給装置を用いて当該脱硫器の脱硫剤の劣化を判定することができる。これにより、システム全体のコストアップを抑制しつつ、脱硫器の脱硫剤の劣化を精度よく判定することが可能となる。

【0012】

また、前記劣化判定装置は、前記燃料電池システムの運転に停止に伴って前記燃料電池の温度が低下した際に、前記酸素供給装置から前記除去装置に酸素を供給させて前記除去剤の劣化を判定してもよい。これにより、除去剤の劣化判定の実行に伴う燃料電池の酸化による劣化を抑制することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本開示の燃料電池システムを示す概略構成図である。

【図2】本開示の燃料電池システムにおける脱硫器の構造や当該脱硫器に含まれる脱硫剤の劣化の進行状態を示す説明図である。

【図3】本開示の燃料電池システムにおいて実行される脱硫剤劣化判定ルーチンの一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

次に、図面を参照しながら、本開示の発明を実施するための形態について説明する。

【0015】

図１は、本開示の燃料電池システム１０を示す概略構成図である。同図に示す燃料電池システム１０は、アノードガス（燃料ガス）中の水素とカソードガス（酸化剤ガス）中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池ＦＣを有する発電ユニット２０と、湯水を貯留する貯湯タンク１０１を有する給湯ユニット１００と、システム全体を制御する制御装置８０とを含む。また、発電ユニット２０は、燃料電池ＦＣや、断熱性材料により形成された箱型のモジュールケース３１、気化器３２、改質器３３等を含む発電モジュール３０と、発電モジュール３０の気化器３２に例えば天然ガスやＬＰガスといった原燃料ガス（原燃料）を供給するための原燃料ガス供給系統４０と、発電モジュール３０の燃料電池ＦＣにカソードガスとしてのエア（空気）を供給するためのエア供給系統５０と、発電モジュール３０の気化器３２に改質水を供給するための改質水供給系統５５と、発電モジュール３０で発生した排熱を回収するための排熱回収系統６０と、燃料電池ＦＣの出力端子に接続されたパワーコンディショナ７１と、これらを収容する筐体２２とを有する。

【0016】

発電モジュール３０の燃料電池ＦＣは、固体酸化物形燃料電池であり、例えば酸化ジルコニウム等の電解質と当該電解質を挟持するアノード電極およびカソード電極とを含む単セルを図１中左右方向に複数積層することにより構成された複数（本実施形態では、２つ）のセルスタックＣＳを含む。各セルのアノード電極側には、アノードガスを流通させる図示しないアノードガス通路がセルの積層方向と直交する方向（図中上下方向）に延びるように形成されている。また、各セルのカソード電極側には、エアを流通させる図示しないエア通路がセルの積層方向と直交する方向（図中上下方向）に延びるように形成されている。燃料電池ＦＣを構成する２つのセルスタックＣＳは、断熱材を介してモジュールケース３１内に設置されたマニホールド上に並設され、各セルのアノードガス通路は、マニホールドに形成されたアノードガス通路に接続される。また、各セルのエア通路は、モジュールケース３１内の図示しないエア供給通路に接続される。

【0017】

発電モジュール３０の気化器３２および改質器３３は、モジュールケース３１内の複数のセルスタックＣＳの上方に両者と間隔をおいて配設される。２つのセルスタックＣＳと気化器３２および改質器３３との間には、燃料電池ＦＣの作動や、気化器３２および改質器３３での反応に必要な熱を発生させる燃焼部３４が画成されている。燃焼部３４には、点火ヒータ３５が設置されると共に、２つのセルスタックＣＳの一方に近接するように温度センサ３６が設置されている。

【0018】

気化器３２は、燃焼部３４からの熱により原燃料ガス供給系統４０からの原燃料ガスと改質水供給系統５５からの改質水とを加熱し、原燃料ガスを予熱すると共に改質水を蒸発させて水蒸気を生成する。気化器３２により予熱された原燃料ガスは、水蒸気と混ざり合い、予熱された原燃料ガスと水蒸気との混合ガスは、当該気化器３２から改質器３３に導入される。

【0019】

改質器３３は、その内部に充填された例えばＲｕ系またはＮｉ系の改質触媒を有し、燃焼部３４からの熱の存在下で、改質触媒による気化器３２からの混合ガスの反応（水蒸気改質反応）によって水素ガスと一酸化炭素とを生成する。更に、改質器３３は、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気との反応（一酸化炭素シフト反応）によって水素ガスと二酸化炭素とを生成する。これにより、改質器３３によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の原燃料ガス等を含むアノードガスが生成されることになる。

【0020】

改質器３３により生成されたアノードガスは、上記マニホールドやセルスタックＣＳの各セルのアノードガス通路等を介して各セルのアノード電極に供給される。また、セルスタックＣＳの各セルのカソード電極には、各セルのエア通路等を介して酸素を含むカソードガスとしてのエアが供給される。カソード電極では、酸化物イオン（Ｏ₂^-）が生成され、当該酸化物イオンが電解質を透過してアノード電極で水素や一酸化炭素と反応することにより電気エネルギが得られる。また、各セルスタックＣＳにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったアノードガス（以下、「アノードオフガス」という）およびエア（以下、「カソードオフガス」という）は、各セルのアノードガス通路やエア通路から上方の燃焼部３４へと流出する。

【0021】

各セルのアノードガス通路から燃焼部３４に流入したアノードオフガスは、水素や一酸化炭素等の燃料成分を含む可燃性ガスであり、各セルのエア通路から燃焼部３４に流入した酸素を含むカソードオフガスと混ざり合う。以下、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスを「オフガス」という。そして、点火ヒータ３５により点火させられて燃焼部３４でオフガス（アノードオフガス）が着火すると、当該オフガスの燃焼により、燃料電池ＦＣの作動や、気化器３２での原燃料ガスの予熱や水蒸気の生成、改質器３３での水蒸気改質反応等に必要な熱が発生することになる。また、オフガスの燃焼に伴い、燃焼部３４では、水蒸気を含む燃焼排ガスが生成される。

【0022】

図１に示すように、気化器３２に原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給系統４０は、天然ガスやＬＰガスを供給する原燃料供給源１と気化器３２とを結ぶ原燃料ガス供給管４１と、当該原燃料ガス供給管４１に組み込まれた原燃料ガス供給弁（電磁開閉弁）４２，４３および原燃料ガスポンプ４４と、気化器３２と原燃料ガスポンプ４４との間に位置するように原燃料ガス供給管４１に組み込まれた第１脱硫器４５Ａと、気化器３２と第１脱硫器４５Ａとの間に位置するように原燃料ガス供給管４１に組み込まれた第２脱硫器（除去装置）４５Ｂと、第１脱硫器４５Ａと第２脱硫器４５Ｂとの間に位置するように原燃料ガス供給管４１に組み込まれた酸化器４６とを含む。更に、原燃料ガス供給管４１には、当該原燃料ガス供給管４１内の原燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４８や、原燃料ガス供給管４１を流通する原燃料ガスの単位時間あたりの流量を検出する流量センサ４９が設置されている。

【0023】

第１脱硫器４５Ａは、例えばゼオライト等の吸着剤を用いて原燃料ガスから硫黄成分（硫黄化合物）を除去するものである。また、かかる第１脱硫器４５Ａに対する原燃料ガスの供給が開始されると、硫黄成分と共に原燃料ガス中の燃料成分（メタン等の炭化水素）が上記吸着剤に物理的に吸着する。なお、第１脱硫器４５Ａの脱硫方式は、いわゆる常温脱硫式に限られるものではない。第２脱硫器４５Ｂは、図２に示すように、ガス入口４５ｉおよびガス出口４５ｏを有する筐体４５ｃと、当該筐体４５ｃの内部に充填された水添脱硫剤（除去剤）４５ｄｓとを有する、いわゆる水添脱硫器である。本実施形態では、水添脱硫剤４５ｄｓとして、ＣｕＺｎ系触媒が用いられている。第２脱硫器４５Ｂは、水添脱硫剤４５ｄｓの存在下で原燃料ガスの硫黄化合物（ＳＲ）を水素（Ｈ₂）と反応させて硫化水素（Ｈ₂Ｓ）に変換し、除去対象成分としての硫黄を含む硫化水素を当該水添脱硫剤４５ｄｓに吸着させる。

【0024】

本実施形態において、第２脱硫器４５Ｂは、水添脱硫剤４５ｄｓを脱硫反応に適した温度にするために、モジュールケース３１の近傍あるいはその内部に配置される。更に、第２脱硫器４５Ｂには、筐体４５ｃのガス出口４５ｏ側で水添脱硫剤４５ｄｓの温度を検出する温度センサ４５ｔが設置されている。温度センサ４５ｔは、ガス出口４５ｏの近傍、すなわち原燃料ガスの流通方向における筐体４５ｃの中央（図２における一点鎖線参照）とガス出口４５ｏとの間の当該ガス出口４５ｏに近接した位置に設置される。なお、水添脱硫剤４５ｄｓは、酸素と反応して発熱する成分を含むものであれば、例えばＺｎＯ系触媒であってもよい。また、温度センサ４５ｔは、ガス出口４５ｏに設置されてもよい。

【0025】

酸化器４６は、例えばロジウムや白金、パラジウム等の脱酸素触媒を担持したアルミナ等の担体、あるいは脱酸素触媒としてのＣｕやＺｎ等からなる多孔質体を有しており、脱酸素触媒の存在下で原燃料ガス中の炭化水素を燃焼させて脱酸素反応（水素化脱酸素反応）により当該原燃料ガス中の酸素を除去すると共に水素を生成するものである。更に、原燃料ガス供給管４１の第１脱硫器４５Ａのガス出口と酸化器４６のガス入口との間の部分には、エア供給管を介してエアブロワ（酸素供給装置）４７が接続されている。エアブロワ４７を作動させることで、エアフィルタを介して吸入されたエアが当該エアブロワ４７により酸化器４６のガス入口へと圧送（供給）され、酸化器４６に対して燃焼用の酸素が供給される。これにより、燃料電池システム１０の運転中、エアブロワ４７を作動させることで、酸化器４６から第２脱硫器４５Ｂに対して硫黄化合物と反応させる水素を供給することができる。また、酸化器４６も、脱酸素触媒を水素化脱酸素反応に適した温度にするために、モジュールケース３１の近傍あるいはその内部に配置される。

【0026】

エア供給系統５０は、モジュールケース３１内のエア供給通路に接続されるエア供給管５１と、エア供給管５１のエア入口に設置されたエアフィルタ５２と、エア供給管５１に組み込まれたエアブロワ５３とを含む。エアブロワ５３を作動させることで、エアフィルタ５２を介して吸入されたエアが当該エアブロワ５３により燃料電池ＦＣへと圧送（供給）される。また、エア供給管５１には、当該エア供給管５１を流通するエアの単位時間あたりの流量が所定値に達するとオンする流量スイッチ５４が設置されている。

【0027】

改質水供給系統５５は、気化器３２に接続された改質水供給管５６と、改質水供給管５６に接続されると共に改質水を貯留する改質水タンク５７と、改質水供給管５６に組み込まれた改質水ポンプ５８とを含む。改質水ポンプ５８を作動させることで、改質水タンク５７内の改質水が当該改質水ポンプ５８により気化器３２へと圧送（供給）される。また、改質水タンク５７内には、貯留されている改質水を精製する図示しない水精製器が設置されている。

【0028】

排熱回収系統６０は、給湯ユニット１００の貯湯タンク１０１に接続された循環配管６１と、循環配管６１を流通する湯水と発電モジュール３０の燃焼部３４からの燃焼排ガスとを熱交換させる熱交換器６２と、循環配管６１に組み込まれた循環ポンプ６３とを含む。循環ポンプ６３を作動させることで、当該循環ポンプ６３により貯湯タンク１０１に貯留されている湯水を熱交換器６２へと導入し、熱交換器６２で燃焼排ガスから熱を奪って昇温した湯水を貯湯タンク１０１へと返送することができる。

【0029】

また、排熱回収系統６０の熱交換器６２（燃焼排ガスの通路）は、凝縮水供給管６６を介して改質水タンク５７に接続されており、燃焼排ガス中の水蒸気が貯湯タンク１０１からの湯水との熱交換により凝縮することにより得られた凝縮水は、当該凝縮水供給管６６を介して改質水タンク５７内に導入される。更に、熱交換器６２の燃焼排ガスの通路は、排気管６７に接続されている。これにより、発電モジュール３０の燃焼部３４（燃料電池ＦＣ）から排出されて熱交換器６２で水分が除去された排ガスは、排気管６７を介して大気中に排出される。

【0030】

パワーコンディショナ７１は、燃料電池ＦＣの出力端子に接続されて当該燃料電池ＦＣからの直流電力を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータからの直流電力を交流電力に変換するインバータとを有する（何れも図示省略）。パワーコンディショナ７１（インバータ）の出力端子は、系統電源２に接続された電力ライン３に接続される。これにより、燃料電池ＦＣからの直流電力を交流電力に変換して家電製品等の負荷４に供給することが可能となる。更に、燃料電池システム１０は、電力ライン３に接続された電源基板７２を含む。電源基板７２は、系統電源２からの交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータを有しており、原燃料ガス供給弁４２，４３や原燃料ガスポンプ４４、エアブロワ４７，５３、改質水ポンプ５８、循環ポンプ６３といった補機類、温度センサ３６，４５ｔといったセンサ類、更には制御装置８０等に直流電力を供給する。

【0031】

また、パワーコンディショナ７１や電源基板７２等が配置される補機室内には、当該パワーコンディショナ７１や電源基板７２等を冷却するための冷却ファン（図示省略）と、換気ファン２４とが配置されている。図示しない冷却ファンは、パワーコンディショナ７１や電源基板７２の発熱部にエアを送り込み、当該発熱部を冷却して昇温したエアは、換気ファン２４により大気中に排出される。

【0032】

制御装置８０は、ＣＰＵ８１や、各種プログラムを記憶するＲＯＭ８２、データを一時的に記憶するＲＡＭ８３、タイマ８４、何れも図示しない入力ポートおよび出力ポート等を含むコンピュータである。制御装置８０は、温度センサ３６，４５ｔや、圧力センサ４８、流量センサ４９の検出値、流量スイッチ５４からの信号等を入力ポートを介して入力する。また、制御装置８０は、換気ファン２４や、点火ヒータ３５、原燃料ガス供給弁４２，４３のソレノイド、原燃料ガスポンプ４４、エアブロワ４７，５３、改質水ポンプ５８、循環ポンプ６３、パワーコンディショナ７１（ＤＣ／ＤＣコンバータおよびインバータ）、表示パネル９０等への制御信号を出力ポートを介して出力し、これらの機器を制御する。更に、制御装置８０には、無線式または有線式の通信回線を介してリモコン８５が接続されており、制御装置８０は、燃料電池システム１０のユーザーにより操作された当該リモコン８５からの信号に基づいて各種制御を実行する。また、本実施形態において、リモコン８５は、各種情報を表示可能な表示部８５ａを有する。

【0033】

ここで、上述の燃料電池システム１０において、第２脱硫器４５Ｂの水添脱硫剤４５ｄｓは、硫化水素の吸着によりガス入口４５ｉ側から劣化していき、燃料電池システム１０の運転時間が長期化するにつれて、劣化していない水添脱硫剤４５ｄｓの位置は、図２からわかるように、ガス入口４５ｉ側からガス出口４５ｏ側へと移動していく。また、燃料電池システム１０の運転中、第２脱硫器４５Ｂの水添脱硫剤４５ｄｓは、還元されたＣｕを含む状態となり、当該燃料電池システム１０の運転中あるいは運転停止後に水添脱硫剤４５ｄｓに対して酸素が供給されると、Ｃｕが酸化されることにより（２Ｃｕ＋Ｏ₂→２ＣｕＯ）発熱する。この際、図２中破線で示す範囲に位置する硫化水素の吸着により劣化した水添脱硫剤４５ｄｓは発熱せず、当該劣化部に隣接した、硫化水素が吸着していない未劣化の水添脱硫剤４５ｄｓ（Ｃｕ）が酸素と反応して発熱する。従って、第２脱硫器４５Ｂに酸素が供給された際には、酸素と反応した発熱部分で水添脱硫剤４５ｄｓの温度が上昇することになる。これを踏まえて、本実施形態の燃料電池システム１０では、以下に説明するようにして第２脱硫器４５Ｂの水添脱硫剤４５ｄｓの劣化が判定される。

【0034】

図３は、燃料電池システム１０の制御装置８０により実行される脱硫剤劣化判定ルーチンの一例を示すフローチャートである。

【0035】

制御装置８０のＣＰＵ８１は、燃料電池システム１０の運転停止後であって、温度センサ３６により検出される燃料電池ＦＣ（セルスタックＣＳ）の温度が所定温度以下になると、図３のルーチンを開始する。なお、当該所定温度は、燃料電池ＦＣの温度が当該所定温度以下になった際に第２脱硫器４５Ｂの水添脱硫剤４５ｄｓが還元されたＣｕを含む状態となっているように定められる。図３のルーチンの開始に際して、ＣＰＵ８１は、まず、エアブロワ４７を作動させて酸化器４６を介した第２脱硫器４５Ｂのガス入口４５ｉへのエア（酸素）の供給を開始させる（ステップＳ１００）。

【0036】

エアブロワ４７を作動させた後、ＣＰＵ８１は、硫黄成分が吸着していない未劣化の水添脱硫剤４５ｄｓが充分に発熱するまで予め定められた時間だけ待機した後、第２脱硫器４５Ｂの温度センサ４５ｔにより検出された温度Ｔ（検出値）を取得する（ステップＳ１１０）。更に、ＣＰＵ８１は、ステップＳ１１０にて取得した温度Ｔが予め定められた第１閾値（低温側閾値）Ｔｒｅｆ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２０）。本実施形態において、第１閾値Ｔｒｅｆ１は、例えば、酸素と反応して発熱していないときの水添脱硫剤４５ｄｓの温度よりも高くかつ、酸素と反応して発熱した際の水添脱硫剤４５ｄｓの最高温度よりも低く定められた温度である。

【0037】

温度センサ４５ｔにより検出された温度Ｔが第１閾値Ｔｒｅｆ１未満である場合、温度センサ４５ｔの近傍に位置する水添脱硫剤４５ｄｓが酸素との反応により発熱しておらず、第２脱硫器４５Ｂの筐体４５ｃに内部に未劣化の水添脱硫剤４５ｄｓが充分に残されているとみなすことができる。このため、ステップＳ１２０にて温度Ｔが第１閾値Ｔｒｅｆ１未満であると判定した場合（ステップＳ１２０：ＮＯ）、ＣＰＵ８１は、エアブロワ４７の運転を停止させ（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了させる。

【0038】

一方、ステップＳ１２０にて温度Ｔが第１閾値Ｔｒｅｆ１以上であると判定した場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、ＣＰＵ８１は、ステップＳ１１０にて取得した温度Ｔが第１閾値Ｔｒｅｆ１よりも高い第２閾値Ｔｒｅｆ２未満であるか否かを判定する（ステップＳ１３０）、本実施形態において、第２閾値Ｔｒｅｆ２は、例えば、酸素と反応して発熱した際の水添脱硫剤４５ｄｓの最高温度よりも若干低く定められた温度である。

【0039】

温度センサ４５ｔにより検出された温度Ｔが第２閾値Ｔｒｅｆ１未満である場合、温度センサ４５ｔの近傍に位置する水添脱硫剤４５ｄｓが酸素との反応により発熱していないが、温度センサ４５ｔに比較的近接した位置にある水添脱硫剤４５ｄｓが酸素との反応により発熱しているとみなすことができる。このため、ステップＳ１３０にて温度Ｔが第２閾値Ｔｒｅｆ２未満であると判定した場合（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、ＣＰＵ８１は、水添脱硫剤４５ｄｓの寿命が近づいていることを示す警告表示を表示パネル９０に表示させると共に、同様の警告表示を表示部８５ａに表示させるべくリモコン８５に表示指令信号を送信する（ステップＳ１４０）。そして、ＣＰＵ８１は、エアブロワ４７の運転を停止させ（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了させる。

【0040】

また、ステップＳ１３０にて温度Ｔが第２閾値Ｔｒｅｆ２以上であると判定した場合（ステップＳ１３０：ＮＯ）、ＣＰＵ８１は、水添脱硫剤４５ｄｓの寿命が到来したことを示す寿命到来表示（交換要請表示）を表示パネル９０に表示させると共に、同様の寿命到来表示を表示部８５ａに表示させるべくリモコン８５に表示指令信号を送信する（ステップＳ１５０）。そして、ＣＰＵ８１は、エアブロワ４７の運転を停止させ（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了させる。

【0041】

上述のように、燃料電池システム１０では、酸素と反応して発熱する特性をもった水添脱硫剤４５ｄｓを有すると共に当該燃料電池システム１０の運転時間の長期化に伴って劣化していない水添脱硫剤４５ｄｓの位置がガス入口４５ｉ側からガス出口４５ｏ側へと移動する第２脱硫器４５Ｂのガス出口４５ｏ側に温度センサ４５ｔが設置される。そして、燃料電池システム１０では、図３の脱硫剤劣化判定ルーチンの実行により、エアブロワ４７から第２脱硫器４５Ｂへの酸素の供給により水添脱硫剤４５ｄｓが発熱した状態で温度センサ４５ｔによってガス出口４５ｏ側における水添脱硫剤４５ｄｓの温度Ｔが取得され、当該温度Ｔと第１および第２閾値Ｔｒｅｆ１，Ｔｒｅｆ２とが比較される（ステップＳ１１０，Ｓ１２０，Ｓ１３０）。これにより、原燃料ガス中の除去対象成分である硫黄成分を除去する水添脱硫剤４５ｄｓの劣化の進行度や寿命を適正に精度よく把握することが可能となる。また、温度センサ４５ｔの設置によるコストアップは許容され得るものであり、第２脱硫器４５Ｂに酸素を供給する酸素供給装置として酸化器４６への酸素の供給に用いられるエアブロワ４７を兼用することができる。この結果、燃料電池システム１０では、システム全体のコストアップを良好に抑制することが可能となる。

【0042】

また、燃料電池システム１０では、劣化判定装置としての制御装置８０の判定結果が報知装置としてのリモコン８５の表示部８５ａや表示パネル９０上に表示される（ステップＳ１４０，Ｓ１５０）。これにより、燃料電池システム１０のユーザーに第２脱硫器４５Ｂの水添脱硫剤４５ｄｓの劣化の度合いを報知して当該ユーザーの便に供することが可能となる。

【0043】

更に、制御装置８０は、燃料電池システム１０の運転に停止に伴って燃料電池ＦＣの温度が低下した際に、エアブロワ４７から第２脱硫器４５Ｂに酸素を供給させて水添脱硫剤４５ｄｓの劣化を判定する。これにより、水添脱硫剤４５ｄｓの劣化判定の実行に伴う燃料電池ＦＣの酸化による劣化を抑制することが可能となる。

【0044】

以上説明したように、本開示の燃料電池システム１０は、改質器３３の上流側に配置されると共に酸素と反応して発熱する水添脱硫剤４５ｄｓを有し、当該水添脱硫剤４５ｄｓの存在下で原燃料ガス中の硫黄成分を化学反応させて水添脱硫剤４５ｄｓに吸着させる第２脱硫器４５Ｂと、当該第２脱硫器４５Ｂのガス入口４５ｉに酸素を供給するエアブロワ４７と、第２脱硫器４５Ｂのガス出口４５ｏ側で水添脱硫剤４５ｄｓの温度を検出する温度センサ４５ｔと、エアブロワ４７から第２脱硫器４５Ｂのガス入口４５ｉに酸素が供給された際の温度センサ４５ｔの検出値に基づいて水添脱硫剤４５ｄｓの劣化を判定する制御装置８０とを含む。これにより、燃料電池システム１０では、システム全体のコストアップを抑制しつつ、原燃料ガス中の硫黄成分を除去するための水添脱硫剤４５ｄｓの劣化を精度よく判定することが可能となる。

【0045】

なお、燃料電池システム１０では、酸化器４６に酸素を供給するエアブロワ４７が水添脱硫剤４５ｄｓの劣化判定に際して第２脱硫器４５Ｂに酸素を供給する酸素供給装置として兼用されるが、これに限られるものではない。すなわち、燃料電池ＦＣにカソードガスとしてのエアを供給するエア供給系統５０のエアブロワ５３が第２脱硫器４５Ｂに酸素を供給する酸素供給装置として兼用されてもよい。この場合、エアブロワ５３に接続されたエア供給管５１から中途に切替バルブを含む分岐管を分岐させると共に当該分岐管を原燃料ガス供給管４１の第１脱硫器４５Ａのガス出口と酸化器４６のガス入口との間の部分に接続してもよい。また、酸化器４６が省略される場合等には、燃料電池システム１０に対して第２脱硫器４５Ｂに酸素を供給する専用の酸素供給装置が設けられてもよい。

【0046】

更に、上記燃料電池システム１０において、酸化器４６が酸素と反応して発熱する特性をもった脱酸素触媒を有する場合、図１において二点鎖線で示すように、当該酸化器４６にガス出口側で脱酸素触媒の温度を検出する温度センサ４６ｔを設置し、当該温度センサ４６ｔの検出値に基づいて脱酸素触媒の劣化を判定してもよい。この場合も、エアブロワ４７から酸化器４６への酸素の供給により脱酸素触媒が発熱した状態で温度センサ４６ｔによって当該酸化器４６のガス出口側における脱酸素触媒の温度を取得し、取得した温度と予め定められた閾値（第１および第２閾値）と比較すればよい。

【0047】

また、上記燃料電池システム１０において、第１脱硫器４５Ａが酸素と反応して発熱する特性をもった脱硫剤（例えば、水添脱硫剤以外の脱硫剤）を有する場合、図１において二点鎖線で示すように、当該第１脱硫器４５Ａにガス出口側で脱硫剤の温度を検出する温度センサ４５ｔ′を設置し、当該温度センサ４５ｔ′の検出値に基づいて第１脱硫器４５Ａの脱硫剤の劣化を判定してもよい。この場合、図２において二点鎖線で示すように、エアブロワ４７と第１脱硫器４５Ａのガス入口との間に中途に切替バルブを含む分岐管が設置されてもよい。そして、この場合も、エアブロワ４７から第１脱硫器４５Ａへの酸素の供給により脱硫剤が発熱した状態で温度センサ４５ｔ′によって当該第１脱硫器４５Ａのガス出口側における脱硫剤の温度を取得し、取得した温度と予め定められた第１および第２閾値と比較すればよい。

【0048】

更に、図３の脱硫剤劣化判定ルーチンは、ステップＳ１００において所定時間だけエアブロワ４７を作動させるように改変されてもよく、この場合、ステップＳ１６０が省略されてもよい。また、図３の脱硫剤劣化判定ルーチンにおいて、ステップＳ１２０およびＳ１４０の処理が省略されてもよい。

【0049】

そして、本開示の発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示の外延の範囲内において様々な変更をなし得ることはいうまでもない。更に、上記実施形態は、あくまで発明の概要の欄に記載された発明の具体的な一形態に過ぎず、発明の概要の欄に記載された発明の要素を限定するものではない。

【産業上の利用可能性】

【0050】

本開示の発明は、燃料電池システムの製造産業等において利用可能である。

【符号の説明】

【0051】

１ 原燃料供給源、２ 系統電源、３ 電力ライン、４ 負荷、１０ 燃料電池システム、２０ 発電ユニット、２２ 筐体、２４ 換気ファン、３０ 発電モジュール、３１ モジュールケース、３２ 気化器、３３ 改質器、３４ 燃焼部、３５ 点火ヒータ、３６ 温度センサ、４０ 原燃料ガス供給系統、４１ 原燃料ガス供給管、４２，４３ 原燃料ガス供給弁、４４ 原燃料ガスポンプ、４５Ａ 第１脱硫器、４５Ｂ 第２脱硫器、４５ｃ 筐体、４５ｄｓ 水添脱硫剤、４５ｉ ガス入口、４５ｏ ガス出口、４５ｔ，４５ｔ′，４６ｔ 温度センサ、４６ 酸化器、４７ エアブロワ、４８ 圧力センサ、４９ 流量センサ、５０ エア供給系統、５１ エア供給管、５２ エアフィルタ、５３ エアブロワ、５４ 流量スイッチ、５５ 改質水供給系統、５６ 改質水供給管、５７ 改質水タンク、５８ 改質水ポンプ、６０ 排熱回収系統、６１ 循環配管、６２ 熱交換器、６３ 循環ポンプ、６６ 凝縮水供給管、６７ 排気管、７１ パワーコンディショナ、７２ 電源基板、８０ 制御装置、８１ ＣＰＵ、８２ ＲＯＭ、８３ ＲＡＭ、８４ タイマ、８５ リモコン、８５ａ 表示部、９０ 表示パネル、１００ 給湯ユニット、１０１ 貯湯タンク、ＣＳ セルスタック、ＦＣ 燃料電池。

【図1】

【図2】

【図3】