WO2014103111A1 - 水素生成装置及び燃料電池システム - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a hydrogen generator and a fuel cell system.
  • a fuel cell system In the fuel cell system, hydrogen used for fuel during power generation is not established as a general raw material infrastructure. Therefore, a fuel cell system is usually used to generate hydrogen-containing gas from city gas, natural gas, LPG, etc., which are general raw material infrastructures. Equipped with a quality device.
  • a raw material gas such as city gas reacts at a high temperature of about 600 ° C. to 700 ° C. using a reforming catalyst to generate a hydrogen-containing gas containing hydrogen as a main component.
  • the raw material gas contains a sulfur compound, and since this sulfur compound is a poisoning substance of the reforming catalyst, it must be removed.
  • the sulfur compound can be removed from the source gas by hydrodesulfurization, for example, by mixing hydrogen gas and the source gas.
  • Patent Document 1 does not examine the problem of condensed water in an ejector into which a hydrogen-containing gas from a recycle channel flows.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and it has been suggested that there is a possibility that flow path resistance is increased due to condensed water in an ejector into which hydrogen-containing gas from a recycle flow path flows or that flow path blockage occurs. It is an object of the present invention to provide a hydrogen generator and a fuel cell system that can be further reduced.
  • a hydrogen generator of one embodiment of the present invention includes a reformer that generates a hydrogen-containing gas using a raw material gas, a hydrodesulfurizer that removes a sulfur compound in the raw material gas, Provided in a recycle passage for supplying a hydrogen-containing gas to the raw material gas before flowing into the hydrodesulfurizer, and in a raw material gas passage upstream from the hydrodesulfurizer, and from the recycle passage An ejector into which the contained gas flows and a heater for heating the ejector are provided.
  • the hydrogen generation device and the fuel cell system according to one aspect of the present invention have a possibility that flow path resistance may increase due to condensed water or blockage may occur in an ejector into which a hydrogen-containing gas from a recycle flow path flows. It can be reduced.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a hydrogen generator according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a hydrogen generator according to the second embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a hydrogen generator according to a first modification of the second embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a hydrogen generator according to a second modification of the second embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a fuel cell system according to the third embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a fuel cell system according to the fourth embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of a fuel cell system according to the fifth embodiment.
  • Recycled gas contains water vapor, so when it is cooled, condensed water is generated from the recycled gas. For example, when raw material gas lower in temperature than the recycled gas is mixed with the recycled gas, the recycled gas is cooled. Therefore, in the ejector where these gases merge, the flow resistance may increase due to condensed water, or the flow path may be blocked. There is sex.
  • the hydrogen generator of the first embodiment flows into a reformer that generates a hydrogen-containing gas using a raw material gas, a hydrodesulfurizer that removes sulfur compounds in the raw material gas, and a hydrodesulfurizer.
  • a recycle channel for supplying a hydrogen-containing gas to the previous source gas, a feed gas channel upstream of the hydrodesulfurizer, and an ejector into which the hydrogen-containing gas from the recycle channel flows A heater for heating.
  • the ejector is heated by a heater, so even if hydrogen-containing gas flows into the ejector, the possibility of increased flow resistance or blockage of the flow path due to condensed water in the ejector is reduced compared to the conventional case. obtain.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a hydrogen generator according to the first embodiment.
  • the hydrogen generator 100 of this embodiment includes a reformer 1, a hydrodesulfurizer 2, a recycle channel 3, an ejector 5, and a heater 6.
  • the reformer 1 generates a hydrogen-containing gas using the raw material gas. Specifically, in the reforming catalyst section (not shown) in the reformer 1, the raw material gas undergoes a reforming reaction to generate a hydrogen-containing gas.
  • the reforming reaction may take any form, and examples thereof include a steam reforming reaction, an autothermal reaction, and a partial oxidation reaction.
  • equipment required for each reforming reaction is provided as appropriate. For example, if the reforming reaction is a steam reforming reaction, a combustor that heats the reforming catalyst unit, an evaporator that generates steam, and a water supplier that supplies water to the evaporator are provided.
  • the hydrogen generator 100 is further provided with an air supply device that supplies air to the reformer.
  • the source gas contains an organic compound composed of at least carbon and hydrogen, such as city gas mainly composed of methane, natural gas, and LPG.
  • the hydrodesulfurizer 2 removes sulfur compounds in the raw material gas.
  • the hydrodesulfurizer 2 is configured by filling a container with a hydrodesulfurization agent.
  • a hydrodesulfurization agent for example, a CuZn-based catalyst having both a function of converting a sulfur compound into hydrogen sulfide and a function of adsorbing hydrogen sulfide is used.
  • the hydrodesulfurization agent is not limited to this example, and is a CoMo-based catalyst that converts a sulfur compound in the raw material gas into hydrogen sulfide, and a sulfur adsorbent that is provided downstream thereof to adsorb and remove hydrogen sulfide. You may comprise with a ZnO type catalyst or a CuZn type catalyst.
  • the recycle channel 3 is a channel for supplying a hydrogen-containing gas to the raw material gas before flowing into the hydrodesulfurizer 2.
  • the upstream end of the recycle flow path 3 may be connected to any location as long as it is a flow path through which the hydrogen-containing gas sent from the reformer 1 flows.
  • the upstream end of the recycle channel 2 is a flow between the reformer 1 and the CO reducer. It may be connected to a path, may be connected to a CO reducer, or may be connected downstream of the CO reducer.
  • the recycle flow path 3 You may comprise so that the upstream end of may be connected to the flow path between a transformer and a CO remover. Moreover, you may connect the upstream end of the recycle flow path 3 to the flow path downstream of the apparatus (for example, fuel cell etc.) using hydrogen containing gas. Note that the hydrogen generator 100 is not necessarily provided with a CO reducer, and may be omitted as long as necessary performance can be obtained for an apparatus using the hydrogen-containing gas generated by the hydrogen generator 100.
  • the ejector 5 is provided in the raw material gas flow path upstream of the hydrodesulfurizer 2, and the hydrogen-containing gas from the recycle flow path 3 flows in.
  • the ejector 5 is a device that increases the flow rate of the raw material gas by narrowing the cross-sectional area of the raw material gas flow path through which the raw material gas flows, and generates a lower pressure than the low flow rate portion.
  • the source gas channel is a channel through which the source gas supplied to the reformer 1 flows.
  • the recycle channel 3 may be configured to merge with the source gas channel of the ejector 5 at a position where the flow rate of the source gas is maximized. At the position where the flow rate of the raw material gas is maximum, the gas pressure is the lowest. Therefore, when the gas flow path cross-sectional area of the ejector 5 is designed so that this gas pressure is lower than the upstream side of the recycle flow path 3, the hydrogen-containing gas from the recycle flow path 3 is drawn into the ejector 5. Can do. By such an action of drawing the hydrogen-containing gas by the ejector 5, a configuration in which a device (for example, a pressure reducer) for balancing the pressure is not provided in the recycle channel 3 is possible. Thereby, the structure of the hydrogen generator 100 can be simplified and the cost of the hydrogen generator 100 can be reduced.
  • a device for example, a pressure reducer
  • the heater 6 heats the ejector 5.
  • the source gas and the hydrogen-containing gas flow. Since the hydrogen-containing gas contains water vapor, condensed water may be generated from the water vapor when the hydrogen-containing gas is cooled.
  • the hydrogen-containing gas is cooled.
  • the narrowed portion of the source gas flow path in the ejector 5 is likely to cause an increase in flow path resistance or blockage of the flow path due to condensed water.
  • the reformer 1 When the flow resistance increases, a predetermined amount of hydrogen-containing gas cannot be sent to the hydrodesulfurizer 2, and the reformer 1 can be modified without removing the sulfur compound in the raw material gas in the hydrodesulfurizer 2.
  • the quality catalyst may be poisoned by sulfur compounds.
  • a predetermined amount of the raw material gas cannot be flowed, and the hydrogen-containing gas in the reformer 1 may not be generated.
  • the heater 6 heats the ejector 5, thereby suppressing the water vapor of the hydrogen-containing gas from condensing in the ejector 5.
  • Any heat source may be used for the heater 6 as long as the ejector 5 can be heated.
  • the ejector 5 can be heated by the heat generated from the reformer 1.
  • the ejector 5 may be disposed on the surface of the reformer 1, or the ejector 5 may be disposed inside the reformer 1.
  • the ejector 5 can be heated by heat generated from a device that uses a hydrogen-containing gas (for example, a fuel cell).
  • a hydrogen-containing gas for example, a fuel cell
  • the ejector 5 may be disposed inside a hot module of the fuel cell.
  • the hydrogen generator 100 is configured to include a combustor that heats the reformer 1, the ejector 5 can be heated by the heat of the combustion exhaust gas from the combustor.
  • the ejector 5 can be heated using a dedicated heat source (for example, an electric heater).
  • a dedicated heat source for example, an electric heater
  • the raw material gas passes through the hydrodesulfurizer 2 to remove sulfur compounds in the raw material gas.
  • a part of the hydrogen-containing gas generated in the reformer 1 is returned to the raw material gas flow path through the recycle flow path 3, mixed with the raw material gas, and then supplied to the hydrodesulfurizer 2.
  • the hydrodesulfurizer 2 can remove sulfur compounds in the raw material gas by a hydrogenation reaction.
  • the hydrogen-containing gas from the reformer 1 is supplied to the hydrodesulfurizer 2 after being mixed with the raw material gas in the ejector 5 via the recycle channel 3. That is, the mixed gas of the raw material gas and the recycled gas flows through the raw material gas passage downstream of the junction with the recycle passage 3.
  • the cross-sectional area of the raw material gas flow path is gradually narrowed, and the cross-sectional area of the raw material gas flow path is gradually widened downstream of the junction with the recycle flow path 3.
  • the ejector 5 when the recycle gas is drawn into the raw material gas flow path, the ejector 5 is heated using the heater 6.
  • the heating temperature of the ejector 5 may be any temperature as long as it is equal to or higher than the dew point temperature of the recycled gas.
  • the heating of the ejector 5 when the hydrogen generator 100 is started may be started before the recycle gas starts flowing through the recycle flow path 3, for example.
  • Recycled gas contains water vapor, so when it is cooled, condensed water is generated from the recycled gas.
  • the raw material gas and the recycled gas are mixed upstream of the booster, the raw material gas having a temperature lower than the recycled gas is mixed with the recycled gas. Then, since the recycled gas is cooled, the condensed water flows into the booster that is the supply destination. Then, in the booster, flow path resistance increases due to condensed water, or the flow path is blocked, which may cause a problem that an appropriate amount of gas flow cannot be supplied, or a problem that the booster fails.
  • the hydrogen generator of the second embodiment is provided with a booster for supplying the raw material gas to the reformer in the hydrogen generator of the first embodiment, and the ejector is disposed in the raw material gas flow path downstream of the booster. Is provided.
  • the hydrogen generator of this embodiment may be configured in the same manner as the hydrogen generator of the first embodiment except for the above features.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a fuel cell system according to the second embodiment.
  • the hydrogen generator 100 of the present embodiment includes a reformer 1, a hydrodesulfurizer 2, a recycle channel 3, a booster 4, an ejector 5, and a heater 6. Prepare.
  • the booster 4 supplies the raw material gas to the reformer 1.
  • the raw material gas is pressurized using the booster 4. That is, in order to flow a predetermined amount of source gas, the source gas needs to be boosted to a pressure that takes into account the flow path resistance in the equipment downstream of the booster 4.
  • the booster 4 may have any configuration as long as the source gas can be boosted.
  • a diaphragm pump can be used as the booster 4, for example.
  • the source gas is supplied from a source gas supply source.
  • the source gas supply source has a predetermined supply pressure, and examples thereof include a source gas cylinder and a source gas infrastructure.
  • the ejector 5 is provided in the raw material gas flow path downstream of the booster 4. Thereby, the hydrogen-containing gas from the recycle channel 3 flows into the ejector 5 downstream of the booster 4. Therefore, compared with the past, the inflow of the condensed water in the pressure
  • the operation of the hydrogen generator 100 of this embodiment may be the same as that of the first embodiment. Therefore, detailed description is omitted.
  • the hydrogen generator of the 1st modification of 2nd Embodiment is a hydrogen generator of 2nd Embodiment. Said heater heats a recycle channel.
  • Such a configuration can reduce the possibility of an increase in channel resistance or blockage of the channel due to condensed water in the ejector.
  • the possibility of an increase in channel resistance due to condensed water in the recycling channel or a blockage of the channel may be reduced as compared with the conventional case.
  • the hydrogen generator of this modification may be configured in the same manner as the hydrogen generator of the second embodiment except for the above features.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a hydrogen generator according to a first modification of the second embodiment.
  • the hydrogen generator 100 of the present modification includes a reformer 1, a hydrodesulfurizer 2, a recycle channel 3, a booster 4, an ejector 5, and a heater 6 ⁇ / b> A. Prepare.
  • the reformer 1, the hydrodesulfurizer 2, the recycle flow path 3, the booster 4 and the ejector 5 are the same as those in the second embodiment, and thus description thereof is omitted.
  • the heater 6A heats the recycling flow path 3.
  • both the ejector 5 and the recycling flow path 3 are heated by the heater 6A.
  • the heat source of the heater 6A may be the same as the heat source of the heater 6 of the second embodiment. Therefore, detailed description is omitted.
  • the amount of heat obtained from the heater 6A of the present modification may be increased as compared with the amount of heat obtained from the heater 6 of the second embodiment by the amount required to heat the recycle flow path 3, and the heater 6
  • the amount of heat equivalent to the amount of heat obtained from the above may be distributed from the heater 6A to each of the ejector 5 and the recycle flow path 3.
  • the same amount of heat as that obtained from the heater 6 is distributed from the heater 6 ⁇ / b> A to the ejector 5 and the recycle channel 3.
  • the total amount of heat obtained from the heater 6 of the second embodiment is equivalent. This is because it can be considered that the amount of heat is used for heating the gas in the ejector 5.
  • the recycle gas can be maintained at a high temperature and drawn into the ejector 5, and the possibility that the flow path resistance is increased or the flow path is blocked by the condensed water in the ejector 5 can be reduced as compared with the conventional case.
  • the temperature drop of the recycle gas which flows through the recycle flow path 3 can be suppressed, and the possibility that the flow path resistance is increased or the flow path is blocked by the condensed water in the recycle flow path 3 can be reduced as compared with the conventional case.
  • due to the heating action of the recycle flow path 3 it is possible to reduce the size of the condenser even if the recycle flow path 3 is not provided with a condenser or provided. Thereby, the structure of the hydrogen generator 100 can be simplified and the cost of the hydrogen generator 100 can be reduced.
  • the hydrogen generator of the second modification of the second embodiment is the hydrogen generator of any one of the second embodiment and the first modification of the second embodiment.
  • the heater heats the reformer.
  • Such a configuration can reduce the possibility of an increase in channel resistance or blockage of the channel due to condensed water in the ejector.
  • the possibility of an increase in channel resistance due to condensed water in the recycling channel or a blockage of the channel may be reduced as compared with the conventional case.
  • the amount of heat of the heater can be used efficiently.
  • the hydrogen generator of this modification may be configured similarly to the hydrogen generator of any one of the second embodiment and the first modification of the second embodiment, except for the above features.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a hydrogen generator according to a second modification of the second embodiment.
  • the hydrogen generator 100 of this modification includes a reformer 1, a hydrodesulfurizer 2, a recycle channel 3, a booster 4, an ejector 5, and a heater 6 ⁇ / b> B. Prepare.
  • the reformer 1, the hydrodesulfurizer 2, the recycle flow path 3, the booster 4 and the ejector 5 are the same as those in the second embodiment, and thus description thereof is omitted.
  • the heater 6B heats the reformer 1.
  • each of the ejector 5, the recycle flow path 3, and the reformer 1 is heated by the heater 6B.
  • the heat source of the heater 6B the heat of the combustion exhaust gas of the combustor that heats the reformer 1 may be used.
  • the fuel Battery heat may be used.
  • the reformer 1, the recycle channel 3, and the ejector 5 can be heated together.
  • heat necessary for the catalytic reaction for generating the hydrogen-containing gas is obtained.
  • the possibility that the flow path resistance is increased or the flow path is blocked by the condensed water in the ejector 5 due to the heating of the ejector 5 can be reduced as compared with the conventional case.
  • the possibility that the flow path resistance increases due to the condensed water in the recycle flow path or the flow path is blocked by heating the recycle flow path 3 can be reduced as compared with the conventional case.
  • the amount of heat of the heater 6B can be used efficiently.
  • the heat of the combustor that heats the reformer 1 can be used for heating the recycle flow path 3 and the ejector 5, condensation of water vapor in the recycle gas can be efficiently suppressed.
  • the configuration of the hydrogen generator 100 can be simplified. This makes it possible to reduce the cost and size of the hydrogen generator 100.
  • the fuel cell system according to the third embodiment includes the hydrogen generator according to any one of the second embodiment, the first modification and the second modification of the second embodiment, and the hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generator. And a fuel cell for generating electricity.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a fuel cell system according to the third embodiment.
  • the fuel cell system 200 of the present embodiment includes the hydrogen generator 100 according to any one of the second embodiment, the first modified example and the second modified example of the second embodiment, the fuel cell 7, and the like. Is provided.
  • the fuel cell 7 generates power using the hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generator 100.
  • the fuel cell 7 may be any type of fuel cell.
  • a polymer electrolyte fuel cell, a solid oxide fuel cell, or a phosphoric acid fuel cell can be used.
  • the operation of the hydrogen generator 100 of the present embodiment is as follows.
  • the second embodiment, the first modified example of the second embodiment, and the second modified example are the same as those of the hydrogen-using device that uses the hydrogen. Therefore, detailed description is omitted.
  • the fuel cell system according to the fourth embodiment is the same as the fuel cell system according to the third embodiment.
  • the fuel cell is a solid oxide fuel cell, and includes a hot module that includes a reformer and a fuel cell. It is configured to receive heat from the hot module.
  • the heat of the solid oxide fuel cell can be effectively used for heating the ejector, and the hot module can serve as a heater. Therefore, the configuration of the fuel cell system can be simplified. This makes it possible to reduce the cost and size of the fuel cell system.
  • the fuel cell system of this embodiment may be configured in the same manner as the fuel cell system of the third embodiment except for the above features.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a fuel cell system according to the fourth embodiment.
  • the fuel cell system 200 includes a reformer 1, a hydrodesulfurizer 2, a recycle channel 3, a booster 4, an ejector 5, a solid oxide fuel cell 7 ⁇ / b> A, A hot module 9.
  • the reformer 1, the hydrodesulfurizer 2, the recycle flow path 3, the booster 4 and the ejector 5 are the same as those in the third embodiment, and thus description thereof is omitted.
  • the solid oxide fuel cell 7A generates power using the hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generator 100.
  • the solid oxide fuel cell 7A uses ion-conducting ceramics as an electrolyte, and oxide ions purified at the air electrode permeate the electrolyte and react with hydrogen at the fuel electrode. Heat is generated.
  • the operating temperature of the solid oxide fuel cell 7A is as high as about 700 ° C.-1000 ° C. For this reason, in order to suppress the heat radiation of the high temperature part of the fuel cell system 200 and efficiently use the heat of the high temperature part, it is common to modularize only the high temperature part of the fuel cell system 200 and take a heat insulation configuration. It is.
  • the hot module 9 includes the reformer 1 and the solid oxide fuel cell 7A inside as shown in FIG.
  • the solid oxide fuel cell 7A and the reformer 1 are an example of a high-temperature portion of the fuel cell system 200, and these are integrated into a module.
  • the ejector 5 is configured to receive heat from the hot module 9.
  • a hot hot module 9 heats the ejector 5.
  • the possibility that the flow path resistance is increased or the flow path is blocked by the condensed water in the ejector 5 can be reduced as compared with the conventional case.
  • it replaces with said heater 6A, 6B, and the high temperature hot module 9 may heat the recycling flow path 3.
  • FIG. Thereby, the possibility that the flow path resistance is increased due to the condensed water in the recycle flow path 3 or the flow path is blocked can be reduced as compared with the conventional case.
  • the recycling flow path 3 and the ejector 5 are arranged inside the hot module 9. Thereby, the recycle flow path 3 and the ejector 5 become easy to receive the heat from the hot module 9.
  • the booster 4 has low durability under a high temperature environment, and it is necessary to use expensive heat-resistant parts. Therefore, in the present embodiment, the booster 4 is arranged outside the hot module 9 so that it is difficult to receive heat from the hot module 9.
  • FIG. 6 shows an example in which the hydrodesulfurizer 2 is arranged outside the hot module 9, the hydrodesulfurizer 2 may be arranged inside the hot module 9. Thereby, the hydrodesulfurizer 2 can be heated using the hot module 9.
  • the operation of the fuel cell system 200 of the present embodiment may be the same as that of the third embodiment. Therefore, detailed description is omitted.
  • the fuel cell system according to the fifth embodiment is the same as the fuel cell system according to the fourth embodiment, except that the raw material gas flow path between the booster and the ejector includes an opening / closing valve, and this valve is provided outside the hot module.
  • the gas flow between the booster and the ejector can be appropriately blocked using the on-off valve.
  • the fuel cell system of the present embodiment may be configured in the same manner as the fuel cell system of the fourth embodiment except for the above features.
  • the fuel cell system 200 includes a reformer 1, a hydrodesulfurizer 2, a recycle channel 3, a booster 4, an ejector 5, a solid oxide fuel cell 7 ⁇ / b> A, A hot module 9 and an on-off valve 10 are provided.
  • the reformer 1, the hydrodesulfurizer 2, the recycle flow path 3, the booster 4, the ejector 5, the solid oxide fuel cell 7A and the hot module 9 are the same as those in the fourth embodiment, and thus description thereof is omitted. .
  • the on-off valve 10 is provided in the raw material gas flow path between the booster 4 and the ejector 5. Thereby, the flow of the gas between both is interrupted.
  • the on-off valve 10 may have any configuration as long as it can block the gas flow between the booster 4 and the ejector 5.
  • the on-off valve 10 may be, for example, an electromagnetic valve.
  • the on-off valve 10 is provided outside the hot module 9.
  • the on-off valve 10 is arranged outside the hot module 9 so that the on-off valve 10 is less likely to receive heat from the hot module 9.
  • FIG. 7 an example in which the hydrodesulfurizer 2 is disposed outside the hot module 9 is illustrated, but the hydrodesulfurizer 2 may be disposed inside the hot module 9. Thereby, the hydrodesulfurizer 2 can be heated using the hot module 9.
  • the on-off valve 10 is opened. Thereby, the source gas can be sent to the ejector 5 by the booster 4.
  • the on-off valve 10 When the operation of the fuel cell system 200 is stopped, the on-off valve 10 is closed. Then, since the gas flow between the booster 4 and the ejector 5 is blocked by the on-off valve 10, the supply of the raw material gas from the booster 4 to the ejector 5 is stopped. When the on-off valve 10 remains open, even if the operation of the booster 4 stops, residual gas may flow from the booster 4 to the ejector 5 for a while. Therefore, such a possibility can be reduced by closing the on-off valve 10.
  • the gas flow between the booster 4 and the ejector 5 is blocked by the on-off valve 10, the backflow of the gas in the hot module 9 to the booster 4 can be suppressed.
  • the gas in the hot module 9 may flow backward to the booster 4 due to the increase in internal pressure of these devices.
  • the gas in the hot module 9 include raw material gas, recycle gas, hydrogen-containing gas before flowing into the solid oxide fuel cell 7A, and hydrogen-containing gas (off gas) flowing out from the solid oxide fuel cell 7A.
  • the booster 4 may break down, and there is a possibility that flow path resistance increases due to condensed water in the booster 4 or the flow path is blocked. . Therefore, such a possibility can be reduced by closing the on-off valve 10.
  • the opening / closing timing of the opening / closing valve 10 may be linked to the opening / closing timing and the gas supply operation timing of the booster 4.
  • the on-off valve 10 may be opened almost at the same time as the operation start timing by the booster 4 or at an earlier timing, or at the same time as the operation stop timing by the booster 4 or at a timing later than that.
  • the on-off valve 10 may be closed.
  • the operation of the fuel cell system 200 of the present embodiment may be the same as that of the fourth embodiment except for the above.
  • one embodiment of the present invention can be used in, for example, a hydrogen generator, a fuel cell system, and the like.

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Abstract

　水素生成装置（１００）は、原料ガスを用いて水素含有ガスを生成する改質器（１）と、原料ガス中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器（２）と、水添脱硫器（２）に流入する前の原料ガスに水素含有ガスを供給するためのリサイクル流路（３）と、水添脱硫器（２）よりも上流の原料ガス流路に設けられ、リサイクル流路（３）からの水素含有ガスが流入するエジェクター（５）と、エジェクター（５）を加熱する加熱器（６）とを備える。

Description

水素生成装置及び燃料電池システム
　本発明は、水素生成装置及び燃料電池システムに関する。
　燃料電池システムは、発電時の燃料に用いる水素が一般的な原料インフラとして整備されていないため、通常、一般的な原料インフラである都市ガス、天然ガス、ＬＰＧなどから水素含有ガスを生成する改質器を備える。
　改質器では、例えば、都市ガスなどの原料ガスが、改質触媒を用いて、６００℃－７００℃程度の高温で反応し、水素を主成分とした水素含有ガスが生成する。このとき、原料ガスは硫黄化合物を含み、この硫黄化合物は、改質触媒の被毒物質なので除去する必要がある。硫黄化合物は、例えば、水素ガスと原料ガスとを混合させて水添脱硫により原料ガスから除去できる。
　そこで、改質器の改質反応により生成した水素含有ガスの一部を、水添脱硫用の水素として原料ガス流路に戻すことが行われ（以下、「リサイクル」という）、リサイクル流路の凝縮水による流路閉塞を抑制するためにリサイクル流路に凝縮器を設ける装置構成が提案されている（例えば、特許文献１）。
特開２０１１－２１６３０８号公報
　しかし、特許文献１は、リサイクル流路からの水素含有ガスが流入するエジェクターでの凝縮水の問題について検討されていない。
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、リサイクル流路からの水素含有ガスが流入するエジェクターでの凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る水素生成装置及び燃料電池システムを提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明の一態様の水素生成装置は、原料ガスを用いて水素含有ガスを生成する改質器と、前記原料ガス中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、前記水添脱硫器に流入する前の原料ガスに水素含有ガスを供給するためのリサイクル流路と、前記水添脱硫器よりも上流の原料ガス流路に設けられ、前記リサイクル流路からの水素含有ガスが流入するエジェクターと、前記エジェクターを加熱する加熱器とを備える。
　本発明の一態様の水素生成装置及び燃料電池システムは、リサイクル流路からの水素含有ガスが流入するエジェクターでの凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。
図１は第１実施形態の水素生成装置の一例を示す図である。 図２は第２実施形態の水素生成装置の一例を示す図である。 図３は第２実施形態の第１変形例の水素生成装置の一例を示す図である。 図４は第２実施形態の第２変形例の水素生成装置の一例を示す図である。 図５は第３実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。 図６は第４実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。 図７は第５実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
　（第１実施形態）
　本発明者らは、リサイクル流路からの水素含有ガスが流入するエジェクターでの凝縮水の問題について鋭意検討し、以下の知見を得た。
　リサイクルガスには水蒸気が含まれるので冷やされると、リサイクルガスから凝縮水が発生する。例えば、リサイクルガスよりも低温の原料ガスがリサイクルガスと混合すると、リサイクルガスが冷やされるので、これらのガスが合流するエジェクターにおいて、凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞などが生じる可能性がある。
　そこで、第１実施形態の水素生成装置は、原料ガスを用いて水素含有ガスを生成する改質器と、原料ガス中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、水添脱硫器に流入する前の原料ガスに水素含有ガスを供給するためのリサイクル流路と、水添脱硫器よりも上流の原料ガス流路に設けられ、リサイクル流路からの水素含有ガスが流入するエジェクターと、エジェクターを加熱する加熱器とを備える。
　かかる構成により、エジェクターを加熱器で加熱するので、水素含有ガスがエジェクターに流入しても、エジェクターでの凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。
　［装置構成］
　図１は、第１実施形態の水素生成装置の一例を示す図である。
　図１に示す例では、本実施形態の水素生成装置１００は、改質器１と、水添脱硫器２と、リサイクル流路３と、エジェクター５と、加熱器６とを備える。
　改質器１は、原料ガスを用いて水素含有ガスを生成する。具体的には、改質器１内の改質触媒部（図示せず）において、原料ガスが改質反応して、水素含有ガスが生成される。改質反応は、いずれの形態であってもよく、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応などが挙げられる。図１には示されていないが、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、改質触媒部を加熱する燃焼器、水蒸気を生成する蒸発器、及び蒸発器に水を供給する水供給器が設けられる。改質反応がオートサーマル反応であれば、水素生成装置１００には、さらに、改質器に空気を供給する空気供給器が設けられる。なお、原料ガスは、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧなどの少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含有する。
　水添脱硫器２は、原料ガス中の硫黄化合物を除去する。水添脱硫器２は、容器に水添脱硫剤が充填され構成される。水添脱硫剤は、例えば、硫黄化合物を硫化水素に変換する機能と硫化水素を吸着する機能を共に有するＣｕＺｎ系触媒が用いられる。水添脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、原料ガス中の硫黄化合物を硫化水素に変換するＣｏＭｏ系触媒と、その下流に設けられる、硫化水素を吸着除去する硫黄吸着剤であるＺｎＯ系触媒、またはＣｕＺｎ系触媒とで構成しても構わない。
　リサイクル流路３は、水添脱硫器２に流入する前の原料ガスに水素含有ガスを供給するための流路である。リサイクル流路３の上流端は、改質器１より送出された水素含有ガスが流れる流路であれば、いずれの箇所に接続されていても構わない。例えば、改質器１の下流に水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯ低減器を設けた場合、リサイクル流路２の上流端は、改質器１とＣＯ低減器との間の流路に接続されていてもよいし、ＣＯ低減器に接続されていてもよいし、ＣＯ低減器の下流に接続されていてもよい。なお、ＣＯ低減器が、シフト反応により一酸化炭素を低減する変成器と、酸化反応及びメタン化反応の少なくともいずれか一方により一酸化炭素を低減するＣＯ除去器とを備える場合、リサイクル流路３の上流端を変成器とＣＯ除去器との間の流路に接続するよう構成しても構わない。また、リサイクル流路３の上流端を、水素含有ガスを利用する機器（例えば、燃料電池など）の下流の流路に接続しても構わない。なお、水素生成装置１００はＣＯ低減器を必ずしも備える必要はなく、水素生成装置１００にて生成した水素含有ガスを用いる装置に対して必要な性能を出すことができれば、無くても構わない。
　エジェクター５は、水添脱硫器２よりも上流の原料ガス流路に設けられ、リサイクル流路３からの水素含有ガスが流入する。具体的には、エジェクター５は、原料ガスが流れる原料ガス流路の断面積を狭めることによって、原料ガスの流速を増加させ、低流速部に比べて低い圧力を発生する装置である。なお、原料ガス流路は、改質器１に供給される原料ガスが流れる流路である。
　例えば、原料ガスの流速が最大となる位置で、リサイクル流路３が、エジェクター５の原料ガス流路と合流するように構成してもよい。原料ガスの流速が最大となる位置では、ガス圧力が最も低下する。よって、このガス圧力が、リサイクル流路３の上流側よりも低圧力となるように、エジェクター５のガス流路断面積を設計すると、リサイクル流路３からの水素含有ガスをエジェクター５に引き込むことができる。このようなエジェクター５による水素含有ガス引き込みの作用により、圧力バランスを取るための機器（例えば、減圧器など）をリサイクル流路３に設けない構成が可能となる。これにより、水素生成装置１００の構成を簡素化でき、水素生成装置１００のコストを低減できる。
　加熱器６は、エジェクター５を加熱する。エジェクター５では、原料ガス及び水素含有ガスが流れる。水素含有ガスは水蒸気を含むので、水素含有ガスが冷やされると、水蒸気から凝縮水が発生する場合がある。例えば、原料ガスが水素含有ガスよりも低温の場合、水素含有ガスと原料ガスとが混合すると、水素含有ガスは冷やされる。この場合、エジェクター５での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞などが生じる可能性がある。例えば、エジャクター５での原料ガス流路の細くなった部分は、凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起き易い。流路抵抗の増加が起きた場合、水添脱硫器２に水素含有ガスを所定量送れなくなり、水添脱硫器２において、原料ガス中の硫黄化合物を除去仕切れずに、改質器１の改質触媒が、硫黄化合物により被毒する可能性がある。また、流路閉塞が起きた場合、原料ガスを所定量流すことができずに、改質器１での水素含有ガスを生成できない可能性がある。
　そこで、本実施形態では、上記のとおり、加熱器６が、エジェクター５を加熱し、これにより、エジェクター５において、水素含有ガスの水蒸気が凝縮することが抑制されている。
　加熱器６は、エジェクター５を加熱できれば、いかなる熱源を用いても構わない。
　例えば、改質器１から発生する熱によって、エジェクター５を加熱することができる。この場合、エジェクター５を改質器１の表面に配置してもいいし、エジェクター５を改質器１の内部に配置してもいい。
　また、水素含有ガスを利用する機器（例えば、燃料電池など）から発生する熱によって、エジェクター５を加熱することもできる。例えば、固体酸化物形燃料電池の如く、高温で動作する燃料電池の場合、燃料電池のホットモジュールの内部に、エジェクター５を配置してもいい。
　また、水素生成装置１００が、改質器１を加熱する燃焼器を備える構成であれば、燃焼器の燃焼排ガスの熱によって、エジェクター５を加熱することもできる。
　また、専用の熱源（例えば、電気ヒータなど）を用いて、エジェクター５を加熱することもできる。
　［動作］
　以下、水素生成装置１００の動作について図１を用いて説明する。
　水素生成装置１００を運転している時、原料ガスが水添脱硫器２を通過して、原料ガス中の硫黄化合物が除去される。
　改質器１にて生成した水素含有ガスの一部を、リサイクル流路３を通じて、原料ガス流路に戻し、水素含有ガスを原料ガスと混合した後、水添脱硫器２に供給する。水素含有ガスを水添脱硫器２に供給すると、水添脱硫器２は、原料ガス中の硫黄化合物を水添反応により除去できる。
　このとき、本実施形態では、改質器１からの水素含有ガスは、リサイクル流路３を経て、エジェクター５において原料ガスと混合した後、水添脱硫器２に供給される。つまり、リサイクル流路３との合流部よりも下流の原料ガス流路は、原料ガス及びリサイクルガスの混合ガスが流れる。エジェクター５では、上記のとおり、原料ガス流路の断面積が徐々に狭くなり、リサイクル流路３との合流部よりも下流で、原料ガス流路の断面積が徐々に広くなる。これにより、上記の合流部において、原料ガスの流速が最も速くなるので、ガス圧力は最も低下する。そして、合流部のガス圧力が、リサイクル流路の上流側の圧力よりも低くなるように、エジェクター５のガス流路断面積を設計すると、リサイクルガスを原料ガス流路に引き込むことができる。
　そして、本実施形態では、リサイクルガスが原料ガス流路に引き込まれるとき、加熱器６を用いてエジェクター５が加熱されている。エジェクター５の加熱温度としては、リサイクルガスの露点温度以上であれば、いかなる温度であっても構わない。これにより、エジェクター５内の水蒸気の凝縮が抑制され、エジェクター５での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。
　なお、水素生成装置１００の起動時におけるエジェクター５の加熱は、例えば、リサイクルガスがリサイクル流路３を流れ始めるまでに開始してもよい。
　（第２実施形態）
　本発明者らは、改質器に原料ガスを供給する昇圧器での凝縮水の問題について鋭意検討し、以下の知見を得た。
　リサイクルガスには水蒸気が含まれるので冷やされると、リサイクルガスから凝縮水が発生する。ここで、特許文献１記載の燃料電池システムのように、昇圧器の上流で原料ガスとリサイクルガスとを混合するように構成されていると、リサイクルガスよりも低温の原料ガスがリサイクルガスと混合したときに、リサイクルガスが冷やされるので、これらの供給先である昇圧器に凝縮水が流入する。すると、昇圧器において、凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞などが発生し、適量のガス流量を供給できないという問題、または昇圧器が故障するという問題などが生じる可能性がある。
　そこで、第２実施形態の水素生成装置は、第１実施形態の水素生成装置において、改質器に原料ガスを供給する昇圧器を備え、エジェクターは、昇圧器よりも下流の原料ガス流路に設けられている。
　かかる構成により、リサイクル流路からの水素含有ガスは、昇圧器よりも下流のエジェクターに流入する。よって、従来に比べ、改質器に原料ガスを供給する昇圧器での凝縮水の流入を抑制し得る。また、上記のとおり、エジェクターでの凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。
　本実施形態の水素生成装置は、上記特徴以外は、第１実施形態の水素生成装置と同様に構成してもよい。
　［装置構成］
　図２は、第２実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
　図２に示す例では、本実施形態の水素生成装置１００は、改質器１と、水添脱硫器２と、リサイクル流路３と、昇圧器４と、エジェクター５と、加熱器６とを備える。
　改質器１、水添脱硫器２、リサイクル流路３及び加熱器６については、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
　昇圧器４は、改質器１に原料ガスを供給する。改質器１及び水添脱硫器２に原料ガスを供給するために、昇圧器４を用いて原料ガスが昇圧される。つまり、所定量の原料ガスを流すには、昇圧器４の下流側での機器における流路抵抗を考慮した圧力まで、原料ガスが昇圧される必要がある。昇圧器４は、原料ガスを昇圧できれば、いかなる構成であっても構わない。昇圧器４は、例えば、ダイヤフラム式のポンプなどを用いることができる。なお、原料ガスは、原料ガス供給源より供給される。原料ガス供給源は、所定の供給圧を有しており、例えば、原料ガスボンベ、原料ガスインフラなどが挙げられる。
　また、エジェクター５は、昇圧器４よりも下流の原料ガス流路に設けられている。これにより、リサイクル流路３からの水素含有ガスは、昇圧器４よりも下流のエジェクター５に流入する。よって、従来に比べ、改質器１に原料ガスを供給する昇圧器４での凝縮水の流入を抑制し得る。
　本実施形態の水素生成装置１００の動作は、第１実施形態と同様の動作であってもよい。よって、詳細な説明は省略する。
　（第１変形例）
　第２実施形態の第１変形例の水素生成装置は、第２実施形態の水素生成装置において、上記の加熱器は、リサイクル流路を加熱する。
　かかる構成により、エジェクターでの凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。また、リサイクル流路での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。
　本変形例の水素生成装置は、上記特徴以外は、第２実施形態の水素生成装置と同様に構成してもよい。
　［装置構成］
　図３は、第２実施形態の第１変形例の水素生成装置の一例を示す図である。
　図３に示す例では、本変形例の水素生成装置１００は、改質器１と、水添脱硫器２と、リサイクル流路３と、昇圧器４と、エジェクター５と、加熱器６Ａとを備える。
　改質器１、水添脱硫器２、リサイクル流路３、昇圧器４及びエジェクター５については、第２実施形態と同様であるので説明を省略する。
　加熱器６Ａは、リサイクル流路３を加熱する。本変形例では、図３に示すように、加熱器６Ａにより、エジェクター５及びリサイクル流路３の両方が加熱される。
　なお、加熱器６Ａの熱源は、第２実施形態の加熱器６の熱源と同じであってもよい。よって、詳細な説明は省略する。
　また、リサイクル流路３の加熱が必要となった分、第２実施形態の加熱器６から得る熱量に比べて、本変形例の加熱器６Ａから得る熱量を上げても構わないし、加熱器６から得る熱量と同等の熱量を、加熱器６Ａからエジェクター５及びリサイクル流路３のそれぞれに分散して与えても構わない。本変形例では、加熱器６から得る熱量と同等の熱量を、加熱器６Ａからエジェクター５及びリサイクル流路３のそれぞれに分散して与えた。
　後者の場合でも、加熱器６Ａから得る熱量の全てが、エジェクター５及びリサイクル流路３のそれぞれを流れるガスに与えられたと仮定すると、トータルとして、第２実施形態の加熱器６から得る熱量と同等の熱量が、エジェクター５内のガスの加熱に用いられたと見なせるからである。
　以上により、リサイクルガスを高温状態に維持してエジェクター５に引き込むことができ、エジェクター５での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。また、リサイクル流路３を流れるリサイクルガスの温度低下を抑制でき、リサイクル流路３での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。また、リサイクル流路３の加熱の作用により、リサイクル流路３に凝縮器を設けない構成、あるいは、設けるにしても凝縮器の小型化が可能となる。これにより、水素生成装置１００の構成を簡素化でき、水素生成装置１００のコストを低減できる。
　（第２変形例）
　第２実施形態の第２変形例の水素生成装置は、第２実施形態及び第２実施形態の第１変形例のいずれかの水素生成装置において、加熱器は、改質器を加熱する。
　かかる構成により、エジェクターでの凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。また、リサイクル流路での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。また、加熱器の熱量を効率良く利用できる。
　本変形例の水素生成装置は、上記特徴以外は、第２実施形態及び第２実施形態の第１変形例のいずれかの水素生成装置と同様に構成してもよい。
　［装置構成］
　図４は、第２実施形態の第２変形例の水素生成装置の一例を示す図である。
　図４に示す例では、本変形例の水素生成装置１００は、改質器１と、水添脱硫器２と、リサイクル流路３と、昇圧器４と、エジェクター５と、加熱器６Ｂとを備える。
　改質器１、水添脱硫器２、リサイクル流路３、昇圧器４及びエジェクター５については、第２実施形態と同様であるので説明を省略する。
　加熱器６Ｂは、改質器１を加熱する。本変形例では、図４に示すように、加熱器６Ｂにより、エジェクター５、リサイクル流路３及び改質器１のそれぞれが加熱される。例えば、加熱器６Ｂの熱源としては、改質器１を加熱する燃焼器の燃焼排ガスの熱を用いてもいいし、固体酸化物形燃料電池の如く、高温で動作する燃料電池の場合、燃料電池の熱を用いてもいい。
　かかる構成により、改質器１、リサイクル流路３及びエジェクター５を一体で加熱できる。改質器１の加熱により、水素含有ガスを生成するための触媒反応に必要な熱が得られる。また、エジェクター５の加熱により、エジェクター５での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。また、リサイクル流路３の加熱により、リサイクル流路での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。
　また、上記の構成により、加熱器６Ｂの熱量を効率良く利用できる。例えば、改質器１を加熱する燃焼器の熱を、リサイクル流路３及びエジェクター５の加熱に利用できるので、リサイクルガス中の水蒸気の凝縮を効率的に抑制できる。また、水素生成装置１００の設計によっては、加熱器６Ｂから得る熱量を全て、改質器１を加熱する燃焼器の熱で賄うことも可能となる。よって、水素生成装置１００の構成を簡素化できる。これにより、水素生成装置１００の低コスト化、コンパクト化が可能となる。
　（第３実施形態）
　第３実施形態の燃料電池システムは、第２実施形態、第２実施形態の第１変形例及び第２変形例のいずれかの水素生成装置と、この水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える。
　かかる構成により、水素生成装置において、上記のとおり、エジェクターでの凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。また、改質器に原料ガスを供給する昇圧器での凝縮水の流入を抑制し得る。
　［装置構成］
　図５は、第３実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
　図５に示す例では、本実施形態の燃料電池システム２００は、第２実施形態、第２実施形態の第１変形例及び第２変形例のいずれかの水素生成装置１００と、燃料電池７とを備える。
　燃料電池７は、水素生成装置１００より供給される水素含有ガスを用いて発電する。燃料電池７は、いずれの種類の燃料電池であってもよく、例えば、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池またはりん酸形燃料電池などを用いることができる。
　本実施形態の水素生成装置１００の動作は、燃料電池７を、第２実施形態、第２実施形態の第１変形例及び第２変形例のいずれかの水素生成装置１００から生成する水素含有ガスを使用する水素利用機器と考えれば、第２実施形態、第２実施形態の第１変形例及び第２変形例のいずれかと同様である。よって、詳細な説明を省略する。
　（第４実施形態）
　第４実施形態の燃料電池システムは、第３実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池が固体酸化物形燃料電池であり、改質器と燃料電池とを内部に備えるホットモジュールを備え、エジェクターは、ホットモジュールからの熱を受けるよう構成されている。
　かかる構成により、固体酸化物形燃料電池の熱を有効にエジェクターの加熱に利用し、ホットモジュールが加熱器の役割を担うことができる。よって、燃料電池システムの構成を簡素化できる。これにより、燃料電池システムの低コスト化、コンパクト化が可能となる。
　本実施形態の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第３実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。
 ［装置構成］
　図６は、第４実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
　図６に示す例では、燃料電池システム２００は、改質器１と、水添脱硫器２と、リサイクル流路３と、昇圧器４と、エジェクター５と、固体酸化物形燃料電池７Ａと、ホットモジュール９と、を備える。
　改質器１、水添脱硫器２、リサイクル流路３、昇圧器４及びエジェクター５については、第３実施形態と同様であるので説明を省略する。
　固体酸化物形燃料電池７Ａは、水素生成装置１００より供給される水素含有ガスを用いて発電する。具体的には、固体酸化物形燃料電池７Ａは、電解質としてイオン伝導性セラミックスを用い、空気極で精製した酸化物イオンが、電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより、電気及び熱が発生する。固体酸化物形燃料電７Ａの動作温度は、７００℃－１０００℃程度と高い。このため、燃料電池システム２００の高温部の放熱を抑えて、高温部の熱を効率的に活用するため、燃料電池システム２００の高温部のみをまとめてモジュール化し、断熱構成を取るのが一般的である。
　よって、ホットモジュール９は、図６に示すように、改質器１と固体酸化物形燃料電７Ａとを内部に備える。本実施形態では、固体酸化物形燃料電池７Ａ及び改質器１が、燃料電池システム２００の高温部の一例であり、これらが一体でモジュール化されている。高温部を一体にモジュール化することにより、高温で動作する機器同士のガスの移動などによる放熱を抑制し、燃料電池システム２００の熱効率が向上する。また、高温部を一体にモジュール化することにより、熱効率がよい断熱を施すことができる。
　また、エジェクター５は、ホットモジュール９からの熱を受けるよう構成されている。具体的には、上記の加熱器６、６Ａ、６Ｂに代えて、高温のホットモジュール９が、エジェクター５を加熱する。これにより、エジェクター５での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。また、上記の加熱器６Ａ、６Ｂに代えて、高温のホットモジュール９が、リサイクル流路３を加熱してもよい。これにより、リサイクル流路３での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。
　本実施形態では、図６に示すように、リサイクル流路３及びエジェクター５を、ホットモジュール９の内部に配置している。これにより、リサイクル流路３及びエジェクター５は、ホットモジュール９からの熱を受けやすくなる。
　一方、昇圧器４は、高温環境下では耐久性が低下し、耐熱性の高価な部品を使用する必要が生じる。よって、本実施形態では、昇圧器４をホットモジュール９の外部に配置し、ホットモジュール９からの熱を受け難くなるようにしている。
　なお、図６では、水添脱硫器２をホットモジュール９の外部に配置する例が図示されているが、水添脱硫器２はホットモジュール９の内部に配置しても構わない。これにより、ホットモジュール９を用いて、水添脱硫器２を加熱することもできる。
　本実施形態の燃料電池システム２００の動作は、第３実施形態と同様の動作であってもよい。よって、詳細な説明は省略する。
　（第５実施形態）
　第５実施形態の燃料電池システムは、第４実施形態の燃料電池システムにおいて、昇圧器と、エジェクターとの間の原料ガス流路に開閉弁を備え、この弁はホットモジュール外に設けられる。
　かかる構成により、開閉弁を用いて、昇圧器とエジェクターとの間のガスの流れを適切に遮断し得る。
　本実施形態の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第４実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。
 ［装置構成］
　図７に示す例では、燃料電池システム２００は、改質器１と、水添脱硫器２と、リサイクル流路３と、昇圧器４と、エジェクター５と、固体酸化物形燃料電池７Ａと、ホットモジュール９と、開閉弁１０と、を備える。
　改質器１、水添脱硫器２、リサイクル流路３、昇圧器４、エジェクター５、固体酸化物形燃料電池７Ａ及びホットモジュール９については、第４実施形態と同様であるので説明を省略する。
　開閉弁１０は、昇圧器４とエジェクター５との間の原料ガス流路に設けられる。これにより、両者間のガスの流れが遮断される。開閉弁１０は、昇圧器４とエジェクター５との間のガスの流れを遮断できれば、いかなる構成であっても構わない。開閉弁１０は、例えば、電磁弁であってもよい。
　また、開閉弁１０は、ホットモジュール９外に設けられる。高温環境下での開閉弁１０の安定な動作には、大型の開閉弁１０を高価な部材で構成する必要がある。しかし、このような開閉弁１０の使用は、燃料電池システム２００の高コスト化及び大型化を招く可能性がある。よって、本実施形態では、開閉弁１０をホットモジュール９の外部に配置し、開閉弁１０をホットモジュール９からの熱を受け難くなるようにしている。
　なお、図７では、水添脱硫器２をホットモジュール９の外部に配置する例が図示されているが、水添脱硫器２をホットモジュール９の内部に配置しても構わない。これにより、ホットモジュール９を用いて、水添脱硫器２を加熱することもできる。
　［動作］
　以下、燃料電池システム２００の動作について図７を用いて説明する。
　燃料電池システム２００の運転時は、開閉弁１０を開く。これにより、昇圧器４によって原料ガスをエジェクター５に送ることができる。
　燃料電池システム２００の運転を停止するときは、開閉弁１０を閉める。すると、昇圧器４とエジェクター５との間のガスの流れが、開閉弁１０により遮断されるので、昇圧器４からエジェクター５への原料ガスの供給が停止する。開閉弁１０が開いたままの場合、昇圧器４の動作が停止しても、残留ガスが、暫く昇圧器４からエジェクター５に流れ込む可能性がある。そこで、開閉弁１０を閉めることにより、このような可能性を低減できる。
　また、昇圧器４とエジェクター５との間のガスの流れが、開閉弁１０により遮断されるので、ホットモジュール９内のガスの昇圧器４への逆流を抑制できる。例えば、改質器１や固体酸化物形燃料電池７Ａの挙動によっては、これらの機器の内圧上昇により、ホットモジュール９内のガスが昇圧器４に逆流する場合がある。ホットモジュール９内のガスとして、原料ガス、リサイクルガス、固体酸化物形燃料電池７Ａに流入する前の水素含有ガス及び固体酸化物形燃料電池７Ａから流出した水素含有ガス（オフガス）などが例示される。そして、このようなガスが昇圧器４に逆流すると、昇圧器４が故障する可能性があり、昇圧器４での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞などが生じる可能性もある。そこで、開閉弁１０を閉めることにより、このような可能性を低減できる。
　なお、開閉弁１０の開閉タイミングについては、この開閉タイミングと、昇圧器４によるガス供給の動作タイミングと、を連動させてもよい。例えば、昇圧器４による動作開始タイミングとほぼ同時、または、それよりも早いタイミングで開閉弁１０が開いてもいいし、昇圧器４による動作停止タイミングとほぼ同時、または、それよりも遅れたタイミングで開閉弁１０が閉まってもいい。
　なお、本実施形態の燃料電池システム２００の動作は、上記以外は、第４実施形態と同様の動作であってもよい。
　上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
　本発明の一態様によれば、リサイクル流路からの水素含有ガスが流入するエジェクターでの凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。よって、本発明の一態様は、例えば、水素生成装置、燃料電池システムなどに利用できる。
１　    改質器
２　    水添脱硫器
３　    リサイクル流路
４　    昇圧器
５　    エジェクター
６、６Ａ、６Ｂ　加熱器
７　    燃料電池
７Ａ　  固体酸化物形燃料電池
９　    ホットモジュール
１０　  開閉弁
１００　水素生成装置
２００　燃料電池システム
 

Claims (7)

  1. 　原料ガスを用いて水素含有ガスを生成する改質器と、前記原料ガス中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、前記水添脱硫器に流入する前の原料ガスに水素含有ガスを供給するためのリサイクル流路と、前記水添脱硫器よりも上流の原料ガス流路に設けられ、前記リサイクル流路からの水素含有ガスが流入するエジェクターと、前記エジェクターを加熱する加熱器とを備える水素生成装置。
  2. 　前記改質器に原料ガスを供給する昇圧器を備え、
    　前記エジェクターは、前記昇圧器よりも下流の原料ガス流路に設けられている、請求項１記載の水素生成装置。
  3. 　前記加熱器は、前記リサイクル流路を加熱する、請求項２記載の水素生成装置。
  4. 　前記加熱器は、前記改質器を加熱する、請求項２又は３記載の水素生成装置。
  5. 　請求項２－４のいずれかに記載の水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える燃料電池システム。
  6. 　前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池であり、前記改質器と前記燃料電池とを内部に備えるホットモジュールを備え、前記エジェクターは、前記ホットモジュールからの熱を受けるよう構成されている、請求項５記載の燃料電池システム。
  7. 　前記昇圧器と、前記エジェクターとの間の原料ガス流路に開閉弁を備え、前記弁はホットモジュール外に設けられる、請求項６記載の燃料電池システム。
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