(57)【要約】【課題】燃料電池セルスタックの耐久性に優れた燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池セルスタックと、前記第１燃料電池セルスタックから排出された未反応の前記燃料ガスを含むアノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離手段と、前記分離手段の下流に配置され、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離された前記アノードオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池セルスタックと、を備え、前記第１燃料電池セルスタックから排出されたときの前記アノードオフガスの燃料濃度を第１燃料濃度、前記第２燃料電池セルスタックから排出されたときの前記アノードオフガスの燃料濃度を第２燃料濃度としたとき、前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度の値が等しくなるときの値をＣとすると、前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度がそれぞれ０．９Ｃ以上を満たす燃料電池システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池セルスタックと、
前記第１燃料電池セルスタックから排出された未反応の前記燃料ガスを含むアノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離手段と、
前記分離手段の下流に配置され、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離された前記アノードオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池セルスタックと、
を備え、
前記第１燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第１燃料濃度、前記第２燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第２燃料濃度としたとき、前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度の値が等しくなるときの値をＣとすると、前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度がそれぞれ０．９Ｃ以上を満たす燃料電池システム。
【請求項２】
前記分離手段において、二酸化炭素分離率及び水蒸気分離率の一方は、５０％以上９９％以下である請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記分離手段は、前記アノードオフガスから二酸化炭素及び水蒸気を分離し、
前記分離手段において、二酸化炭素分離率及び水蒸気分離率は、ともに５０％以上９９％以下である請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積の合計をα１、前記第２燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積の合計をα２としたとき、α１／α２が２．０超である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第１燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックと前記第２燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックとが同一である場合、第１燃料電池セルスタックにおける燃料電池スタックの数β１、第２燃料電池セルスタックにおける燃料電池スタックの数β２としたとき、β１／β２としたとき、β１／β２が２．０超である請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記分離手段において、二酸化炭素及び水蒸気の一方を分離する場合、前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度がそれぞれ１０％以上である請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記分離手段において、二酸化炭素及び水蒸気を分離する場合、前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度がそれぞれ１１．５％以上である請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器を更に備え、
前記分離手段にて分離した二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を原料ガスの改質に用いる請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システムを用いた発電方法。
【請求項１０】
前記第１燃料電池セルスタック及び前記第２燃料電池セルスタックを等しい電流密度で作動させて発電を行う請求項９に記載の発電方法。
【請求項１１】
前記第１燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積と前記第１燃料電池セルスタックを作動させたときの当該燃料電池セルの電流密度との積の合計をγ１、前記第２燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積と前記第２燃料電池セルスタックを作動させたときの当該燃料電池セルの電流密度との積の合計をγ２としたとき、γ１／γ２を２．０超に調整して発電を行う請求項９又は請求項１０に記載の発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいて、発電効率を向上させるため、燃料電池セルスタックを複数設けて多段式とする手法が知られている。例えば、燃料電池セルスタックを複数設け、前段の燃料電池セルスタックから排出された使用済みの燃料ガス中の未反応の燃料ガスを後段の燃料電池セルスタックで再利用する多段式の燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３１９８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、特許文献１に記載の多段式の燃料電池システムでは、前段及び後段の燃料電池セルスタックから排出されるアノードオフガス中の燃料濃度については何ら検討されていない。多段式の燃料電池システムにおいて、前段及び後段の燃料電池セルスタックから排出されるアノードオフガス中の燃料濃度、すなわち、前段及び後段の燃料電池セルスタックの出口における燃料濃度が低い場合、燃料電池セルスタックの酸化等により燃料電池セルスタックの耐久性が低下するおそれがある。
【０００５】
本発明は、燃料電池セルスタックの耐久性に優れた燃料電池システム、及びこの燃料電池システムを用いた発電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】
【０００６】
上記課題は、例えば以下の手段により解決される。
＜１＞  燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池セルスタックと、前記第１燃料電池セルスタックから排出された未反応の前記燃料ガスを含むアノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離手段と、前記分離手段の下流に配置され、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離された前記アノードオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池セルスタックと、を備え、前記第１燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第１燃料濃度、前記第２燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第２燃料濃度としたとき、前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度の値が等しくなるときの値をＣとすると、前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度がそれぞれ０．９Ｃ以上を満たす燃料電池システム。
【０００７】
本形態の燃料電池システムでは、分離手段により第１燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離され、アノードオフガスが再生されてその燃料濃度が上昇する。そして、燃料濃度が上昇したアノードオフガスが第２燃料電池セルスタックに供給されるため、本形態の燃料電池システムでは高い燃料利用率での運転が可能となり、高い発電効率を得ることができる。
【０００８】
一般的に、多段式の燃料電池システムでは、第１燃料電池セルスタック中でのアノードガスの燃料濃度は、第１燃料電池セルスタックの入口にて最も高く、第１燃料電池セルスタックの出口にて最も低くなる。第２燃料電池セルスタック中でのアノードガスの燃料濃度についても同様である。ここで、第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックにおいて、燃料電池セルスタック中におけるアノードガスの燃料濃度が低下すると、燃料電池セルスタックの酸化等により燃料電池セルスタックの耐久性が低下するおそれがある。そのため、燃料濃度が最も低くなる、第１燃料電池セルスタックの出口及び第２燃料電池セルスタックの出口における燃料濃度を高めて燃料電池セルスタックの酸化（例えば、燃料極の酸化）等を抑制することが好ましい。
【０００９】
そこで、本形態の燃料電池システムでは、分離手段によりアノードオフガスを再生させて燃料濃度を高めるとともに、第１燃料電池セルスタックにおける最低燃料濃度（第１燃料濃度）及び第２燃料電池セルスタックにおける最低燃料濃度（第２燃料濃度）を高めることで、燃料電池セルスタックの酸化等を抑制している。より具体的には、第１燃料濃度及び第２燃料濃度を等しくすることで、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値をともに高い値とすることができ、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れた燃料電池システムを提供することができる。また、第１燃料濃度及び第２燃料濃度が等しいときの値をＣとしたとき、第１燃料濃度及び第２燃料濃度が、０．９Ｃ以上、すなわち、それぞれの濃度が等しいときの９０％以上であれば、第１燃料濃度と第２燃料濃度との差を抑制することができ、また、燃料電池セルスタックの酸化等のリスクを抑制し、燃料電池セルスタックの耐久性に優れた燃料電池システムを提供することができる。
【００１０】
＜２＞  前記分離手段において、二酸化炭素分離率及び水蒸気分離率の一方は、５０％以上９９％以下である＜１＞に記載の燃料電池システム。
【００１１】
本形態の燃料電池システムでは、二酸化炭素分離率及び水蒸気分離率の一方は、上記数値範囲を満たすことにより、アノードオフガスが再生されてその燃料濃度が好適に上昇する。そのため、本形態の燃料電池システムではより高い燃料利用率での運転が可能となり、より高い発電効率を得ることができる。
【００１２】
＜３＞  前記分離手段は、前記アノードオフガスから二酸化炭素及び水蒸気を分離し、
前記分離手段において、二酸化炭素分離率及び水蒸気分離率は、ともに５０％以上９９％以下である＜１＞に記載の燃料電池システム。
【００１３】
本形態の燃料電池システムでは、二酸化炭素分離率及び水蒸気分離率は、上記数値範囲を満たすことにより、アノードオフガスが再生されてその燃料濃度がより好適に上昇する。そのため、本形態の燃料電池システムでは更に高い燃料利用率での運転が可能となり、更に高い発電効率を得ることができる。
【００１４】
＜４＞  前記第１燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積の合計をα１、前記第２燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積の合計をα２としたとき、α１／α２が２．０超である＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
＜５＞  前記第１燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックと前記第２燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックとが同一である場合、第１燃料電池セルスタックにおける燃料電池スタックの数β１、第２燃料電池セルスタックにおける燃料電池スタックの数β２としたとき、β１／β２としたとき、β１／β２が２．０超である＜１＞〜＜４＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【００１５】
本形態の燃料電池システムでは、α１／α２又はβ１／β２が２．０超であることにより、α１／α２又はβ１／β２が２．０以下である場合と比較して、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値をともに高い値とすることができる。そのため、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れた燃料電池システムを提供することができる。
【００１６】
＜６＞  前記分離手段において、二酸化炭素及び水蒸気の一方を分離する場合、前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度がそれぞれ１０％以上である＜１＞〜＜５＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
＜７＞  前記分離手段において、二酸化炭素及び水蒸気を分離する場合、前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度がそれぞれ１１．５％以上である＜１＞〜＜６＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【００１７】
本形態の燃料電池システムでは、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値を上記数値範囲内とすることにより、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れた燃料電池システムを提供することができる。
【００１８】
＜８＞  原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器を更に備え、前記分離手段にて分離した二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を原料ガスの改質に用いる＜１＞〜＜７＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【００１９】
本形態の燃料電池システムでは、原料ガスの改質に用いる二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を外部から改質器に供給する必要がなくなる、あるいは、外部から改質器に供給される二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の量を低減することができる。
【００２０】
＜９＞  ＜１＞〜＜８＞のいずれか１つに記載の燃料電池システムを用いた発電方法。
＜１０＞  前記第１燃料電池セルスタック及び前記第２燃料電池セルスタックを等しい電流密度で作動させて発電を行う＜９＞に記載の発電方法。
【００２１】
本形態の発電方法では、前述の燃料電池システムを用いて発電を行うため、燃料電池セルスタックの耐久性に優れ、長期的に安定した発電が可能となる。
【００２２】
＜１１＞  前記第１燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積と前記第１燃料電池セルスタックを作動させたときの当該燃料電池セルの電流密度との積の合計をγ１、前記第２燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積と前記第２燃料電池セルスタックを作動させたときの当該燃料電池セルの電流密度との積の合計をγ２としたとき、γ１／γ２を２．０超に調整して発電を行う＜９＞又は＜１０＞に記載の発電方法。
【００２３】
本形態の発電方法では、γ１／γ２が２．０超であることにより、γ１／γ２が２．０以下である場合と比較して、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値をともに高い値とすることができる。そのため、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れ、より長期的に安定した発電が可能となる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、燃料電池セルスタックの耐久性に優れた燃料電池システム、及びこの燃料電池システムを用いた発電方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】第２実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図３】Ｈ２Ｏ及びＣＯ２の除去率がともに９５％である場合における、第１燃料電池セルスタックの燃料利用率と、第１燃料濃度及び第２燃料濃度との関係を示すグラフである。
【図４】Ｈ２Ｏ除去率が９５％である場合における、第１燃料電池セルスタックの燃料利用率と、第１燃料濃度及び第２燃料濃度との関係を示すグラフである。
【図５】アノードオフガス中のＨ２Ｏ及びＣＯ２の除去率とスタック比との関係を示すグラフである。
【図６】アノードオフガス中のＨ２Ｏ除去率とスタック比との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
本明細書中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本明細書中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例の一例に示されている値に置き換えてもよい。
【００２７】
［第１実施形態］
以下、本発明の燃料電池システムの一実施形態について図１を用いて説明する。図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。第１実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池セルスタック１１と、第１燃料電池セルスタック１１から排出された未反応の前記燃料ガスを含むアノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜１６と、分離膜１６の下流に配置され、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されたアノードオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池セルスタック１２と、を備え、第１燃料電池セルスタック１１の出口におけるアノードオフガスの燃料濃度を第１燃料濃度、第２燃料電池セルスタック１２の出口におけるアノードオフガスの燃料濃度を第２燃料濃度としたとき、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値が等しくなるときの値をＣとすると、第１燃料濃度及び第２燃料濃度がそれぞれ０．９Ｃ以上を満たす。
さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質部１９及び燃焼反応により改質部１９を加熱する燃焼部１８を有する改質器１４を備えている。
【００２８】
本実施形態の燃料電池システム１０では、分離膜１６により第１燃料電池セルスタック１１から排出されたアノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離され、アノードオフガスが再生されてその燃料濃度が上昇する。そして、燃料濃度が上昇したアノードオフガスが第２燃料電池セルスタック１２に供給されるため、燃料電池システム１０では高い燃料利用率での運転が可能となり、高い発電効率を得ることができる。
【００２９】
一般的に、多段式の燃料電池システムでは、第１燃料電池セルスタック中でのアノードガスの燃料濃度は、第１燃料電池セルスタックの入口にて最も高く、第１燃料電池セルスタックの出口にて最も低くなる。第２燃料電池セルスタック中でのアノードガスの燃料濃度についても同様である。ここで、第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックにおいて、燃料電池セルスタック中のアノードガスの燃料濃度が低下すると、燃料電池セルスタックの酸化等により燃料電池セルスタックの耐久性が低下するおそれがある。そのため、燃料濃度が最も低くなる、第１燃料電池セルスタックの出口及び第２燃料電池セルスタックの出口における燃料濃度を高めて燃料電池セルスタックの酸化等を抑制することが好ましい。
【００３０】
そこで、燃料電池システム１０では、分離手段の一種である分離膜１６によりアノードオフガスを再生させて燃料濃度を高めるとともに、第１燃料電池セルスタック１１における最低燃料濃度（第１燃料濃度）及び第２燃料電池セルスタック１２における最低燃料濃度（第２燃料濃度）を高めることで、燃料電池セルスタックの酸化等を抑制している。より具体的には、第１燃料濃度及び第２燃料濃度を等しくすることで、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値をともに高い値とすることができ、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れたシステムを提供することができる。また、第１燃料濃度及び第２燃料濃度が等しいときの値をＣとしたとき、第１燃料濃度及び第２燃料濃度が、０．９Ｃ以上、すなわち、それぞれの濃度が等しいときの９０％以上であれば、第１燃料濃度と第２燃料濃度との差を抑制することができ、また、燃料電池セルスタックの酸化等のリスクを抑制し、燃料電池セルスタックの耐久性に優れたシステムを提供することができる。
【００３１】
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えば、第１燃料電池セルスタック１１が備える燃料電池セルの有効表面積の合計（α１）に対する第２燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積の合計（α２）の比率（α１／α２）を調整したり、第１燃料電池セルスタック１１が備える燃料電池スタックの数（β１）に対する第２燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックの数（β２）の比率（β１／β２）を調整したり、分離手段における二酸化炭素及び水蒸気の分離の度合いを調整したりする等により、第１燃料濃度及び第２燃料濃度を０．９Ｃ以上に調整することができる。
【００３２】
以下、本実施形態に係る燃料電池システム１０の各構成について説明する。
【００３３】
（原料ガス供給経路）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、分離膜１６の透過側１６Ｂに配置され、分離膜１６により分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方、及び原料ガスを改質器１４に供給する原料ガス供給経路２４を備えている。また、原料ガス供給経路２４には、分離膜１６により分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方、及び原料ガスを改質器１４へ送るためのブロワ２５が設置されている。
【００３４】
原料ガス供給経路２４内を流通する原料ガスとしては、改質可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素ガスが挙げられる。炭化水素ガスとしては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、特にメタンが好ましい。なお、炭化水素ガスとしては、上述した低級炭化水素ガスを２種以上混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスを天然ガス、都市ガス、ＬＰガス等のガスと混合したガスであってもよい。
【００３５】
（改質器）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、原料ガスを改質して改質ガスを生成する改質器１４を備えている。改質器１４は、例えば、バーナ又は燃焼触媒、あるいはこれら両方を配置した燃焼部１８と、改質用触媒を備える改質部１９とにより構成される。
【００３６】
改質部１９は、上流側にて原料ガス供給経路２４と接続しており、下流側にて燃料ガス供給経路４２と接続している。そのため、原料ガス供給経路２４を通じてメタンなどの原料ガスが改質部１９に供給され、改質部１９にて原料ガスを改質した後に、生成された改質ガスが燃料ガス供給経路４２を通じて第１燃料電池セルスタック１１に供給される。
【００３７】
燃焼部１８は、上流側にて空気供給経路４４及びオフガス経路４６と接続しており、下流側にて排気経路４８と接続している。燃焼部１８は、空気供給経路４４を通じて供給された酸素を含むガスと、オフガス経路４６を通じて供給されたオフガスとの混合ガスを燃焼させ、改質部１９内の改質用触媒を加熱する。燃焼部１８からの排気は、排気経路４８を通じて排出される。
【００３８】
排気経路４８及び空気供給経路４４には熱交換器４１が設置されており、熱交換器４１により、排気経路４８内を流通する排気と、空気供給経路４４内を流通する酸素を含むガスと、の間で熱交換を行なう。これにより、排気経路４８内を流通する排気は冷却された後に排出され、空気供給経路４４内を流通する酸素を含むガスは、第１燃料電池セルスタック１１の作動温度に適した温度に加熱された後に第１燃料電池セルスタック１１のカソードに供給される。
【００３９】
改質部１９での改質は大きな吸熱を伴うので、反応の進行のためには外部から熱の供給が必要であり、そのため、燃焼部１８で発生する燃焼熱により改質部１９を加熱することが好ましい。あるいは、燃焼部１８を設置せずに各燃料電池から放出される熱を用いて改質部１９を加熱するか、燃焼熱及び各燃料電池から放出される熱の両方により加熱してもよい。
【００４０】
原料ガスの改質としては、水蒸気改質、二酸化炭素改質、部分酸化改質、シフト反応改質などが挙げられ、改質部１９は、原料ガスの二酸化炭素改質及び水蒸気改質の少なくとも一方を行う構成であってもよく、また、部分酸化改質により燃料ガスを生成する構成であってもよく、改質時にシフト反応を伴うものであってもよい。本実施形態では、原料ガスとして炭化水素ガスＣｎＨｍ（ｎ、ｍはともに正の整数）を用い、改質部１９にてメタンを水蒸気改質し、燃料ガスを生成する構成について以下に説明する。
【００４１】
原料ガスとしてＣｎＨｍ（ｎ、ｍはともに正の整数）で表される炭化水素ガスを水蒸気改質させた場合、改質部１９にて、以下の式（ａ）の反応により一酸化炭素及び水素が生成される。
ＣｎＨｍ＋ｎＨ２Ｏ→ｎＣＯ＋［（ｍ／２）＋ｎ］Ｈ２・・・・（ａ）
【００４２】
また、原料ガスの一例であるメタンを水蒸気改質させた場合、改質部１９にて、以下の式（ｂ）の反応により一酸化炭素及び水素が生成される。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２・・・・（ｂ）
【００４３】
改質部１９内に設置される改質用触媒としては、改質反応の触媒となるものであれば特に限定されないが、Ｎｉ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｅ，Ｃｏ，Ｆｅ及びＭｏの少なくとも一つを触媒金属として含む改質用触媒が好ましい。
【００４４】
改質器１４の改質部１９に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Ｓと、改質器１４の改質部１９に供給される単位時間当たりの原料ガスの炭素原子数Ｃとの比であるスチームカーボン比Ｓ／Ｃは、１．５〜３．５であることが好ましく、２．０〜３．０であることがより好ましく、２．０〜２．５であることがさらに好ましい。スチームカーボン比Ｓ／Ｃがこの範囲にあることにより、原料ガスが効率よく水蒸気改質され、水素及び一酸化炭素を含む燃料ガスが生成される。さらに、燃料電池システム１０内での炭素析出を抑制することができ、燃料電池システム１０の信頼性を高めることができる。
【００４５】
また、燃焼部１８は、水蒸気改質を効率よく行う観点から、改質部１９を、６００℃〜８００℃に加熱することが好ましく、６００℃〜７００℃に加熱することがより好ましい。
【００４６】
本実施形態に係る燃料電池システム（特に、高温型の燃料電池を備える燃料電池システム）では、改質器が第１燃料電池セルスタックの外部に取り付けられている必要はなく、第１燃料電池セルスタックに原料ガス及び水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を直接供給し、第１燃料電池セルスタックの内部で改質（内部改質）を行い、生成された燃料ガスを第１燃料電池セルスタックでの発電に用いる構成であってもよい。特に第１燃料電池セルスタックが高温型の燃料電池である場合、内部での反応温度は６００℃〜８００℃と高温であるため、第１燃料電池セルスタック内で改質を行うことが可能である。
【００４７】
なお、二酸化炭素改質を行う場合、改質部に供給される原料ガス（好ましくはメタン）の炭素原子数（Ａ）と二酸化炭素の分子数（Ｂ）との比（Ａ：Ｂ）は、二酸化炭素改質を効率よく行なう観点から、例えば７００℃なら、１：２．７〜５．０が好ましく、１：２．７〜４．０がより好ましい。さらに、炭素析出を抑制する観点から、水蒸気を一部添加してもよい。
【００４８】
（第１燃料電池セルスタック）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料ガス供給経路４２を通じて改質器１４の改質部１９から供給された燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池セルスタック１１を備えている。第１燃料電池セルスタック１１としては、例えば、空気極（カソード）、電解質及び燃料極（アノード）を備える燃料電池セルを複数積層あるいは複数接続した燃料電池スタックを少なくとも一つ備えた燃料電池セルスタックである。また、第１燃料電池セルスタックとしては、６００℃〜８００℃程度で作動する高温型の燃料電池、例えば、６００℃〜８００℃程度で作動する固体酸化物形燃料電池、６００℃〜７００℃程度で作動する溶融炭酸塩形燃料電池が挙げられる。
【００４９】
第１燃料電池セルスタック１１が固体酸化物形燃料電池の場合、第１燃料電池セルスタック１１のカソード（図示せず）には、空気供給経路４４を通じて空気が供給される。空気がカソードに供給されることにより、以下の式（ｃ）に示す反応が起こり、その際、酸素イオンが固体酸化物電解質（図示せず）の内部を移動する。
Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−・・・・（ｃ）
【００５０】
第１燃料電池セルスタック１１が固体酸化物形燃料電池の場合、第１燃料電池セルスタック１１のアノード（図示せず）には、燃料ガス供給経路４２を通じて水素及び一酸化炭素を含む燃料ガスが供給される。アノードと固体酸化物電解質との界面にて水素及び一酸化炭素が固体酸化物電解質の内部を移動する酸素イオンと反応することにより、以下の式（ｄ）、式（ｅ）に示す反応が起こる。
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−・・・・（ｄ）
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−・・・・（ｅ）
【００５１】
第１燃料電池セルスタック１１が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、第１燃料電池セルスタック１１のカソード（図示せず）には、空気供給経路４４を通じて酸素及び二酸化炭素を含むガスが供給される。酸素及び二酸化炭素を含むガスがカソードに供給されることにより、以下の式（ｆ）に示す反応が起こり、その際、炭酸イオンが電解質（図示せず）の内部を移動する。
Ｏ２＋２ＣＯ２＋４ｅ−→２ＣＯ３２−・・・・（ｆ）
【００５２】
第１燃料電池セルスタック１１が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、第１燃料電池セルスタック１１のアノード（図示せず）には、燃料ガス供給経路４２を通じて水素及び一酸化炭素を含む燃料ガスが供給される。アノードと電解質との界面にて水素及び一酸化炭素が電解質の内部を移動する炭酸イオンと反応することにより、以下の式（ｇ）、式（ｈ）に示す反応が起こる。
Ｈ２＋ＣＯ３２−→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＋２ｅ−・・・・（ｇ）
ＣＯ＋ＣＯ３２−→２ＣＯ２＋２ｅ−・・・・（ｈ）
【００５３】
上記式（ｄ）、式（ｅ）、式（ｇ）及び式（ｈ）に示すように、第１燃料電池セルスタック１１での燃料ガスの電気化学的な反応により、固体酸化物形燃料電池及び溶融炭酸塩形燃料電池では主に水蒸気及び二酸化炭素が生成される。また、アノードで生成された電子は、外部回路を通じてカソードに移動する。このようにして電子がアノードからカソードに移動することにより、第１燃料電池セルスタック１１にて発電が行われる。
【００５４】
カソードから排出されたカソードオフガスは、下流側の空気供給経路４４を通じて、第２燃料電池セルスタック１２のカソード（図示せず）に供給される。
【００５５】
一方、アノードから排出された未反応の燃料ガスを含むアノードオフガスは、オフガス経路５２を通じて分離膜１６の供給側１６Ａへ供給される。ここで、未反応の燃料ガスを含むアノードオフガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気などを含む混合ガスである。
【００５６】
オフガス経路５２及びオフガス経路５４には熱交換器２１が設置されており、熱交換器２１により、オフガス経路５２内を流通するアノードオフガスと、オフガス経路５４内を流通する二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されたアノードオフガスと、の間で熱交換を行う。これにより、オフガス経路５２内を流通するアノードオフガスは、分離膜１６により二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する際に好ましい温度まで冷却され、オフガス経路５４内を流通する二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されたアノードオフガスは、第２燃料電池セルスタック１２の作動温度に適した温度に加熱される。そのため、システム全体の発電効率及び熱効率がより向上する。
【００５７】
（分離膜）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、第１燃料電池セルスタック１１から排出された未反応の燃料ガスを含むアノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜１６を備えている。分離膜１６は、分離手段の一種である。
【００５８】
オフガス経路５２内を流通するアノードオフガスは、分離膜１６の供給側１６Ａに供給され、アノードオフガス中の二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方は、供給側１６Ａから透過側１６Ｂへ矢印Ａ方向に分離膜１６を通過する。二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離した後のアノードオフガスは、供給側１６Ａからオフガス経路５４内を流通し、第２燃料電池セルスタック１２へ供給される。一方、分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方は、原料ガス供給経路２４内を流通する原料ガスと混合され、透過側１６Ｂから原料ガス供給経路２４内を流通し、改質器１４の改質部１９へ供給される。そのため、分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方は、原料ガスの改質に用いられる。したがって、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、原料ガスの改質に用いる二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を外部から改質器１４の改質部１９に供給する必要がなくなる、あるいは、外部から改質器１４の改質部１９に供給される二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の量を低減することができる。
【００５９】
さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、分離膜１６の透過側１６Ｂに原料ガス供給経路２４を配置し、原料ガスを分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方のスイープガスとして機能させている。そのため、分離膜の透過側１６Ｂに空気等のスイープガスを供給するための経路及び空気ブロア又は減圧ポンプを別途設ける必要は無く、システムが簡略化されている。
【００６０】
燃料電池システム１０では、分離膜１６にて二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されるため、第２燃料電池セルスタック１２に供給されるアノードオフガス中の水蒸気濃度及び二酸化炭素濃度の少なくとも一方を低くすることができ、燃料電池システム１０の発電効率を高めることができる。
【００６１】
分離膜は、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を透過する膜であれば特に限定されず、例えば、有機高分子膜、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜、液体膜などが挙げられる。また、分離膜は、ガラス状高分子膜、ゴム状高分子膜、イオン交換樹脂膜、アルミナ膜、シリカ膜、炭素膜、ゼオライト膜、セラミック膜、アミン水溶液膜又はイオン液体膜であることがより好ましい。
【００６２】
分離膜の厚さは、特に限定されないが、機械的強度の観点からは、通常、１０μｍ〜３０００μｍの範囲が好ましく、１０μｍ〜５００μｍの範囲がより好ましく、１５μｍ〜１５０μｍの範囲がさらに好ましい。
【００６３】
また、分離膜としては、アノードオフガスを再生させてその燃料濃度を好適に上昇させる点から、二酸化炭素分離率及び水蒸気分離率の一方が５０％以上９９％以下を満たす膜であることが好ましく、６０％以上９９％以下を満たす膜であることがより好ましく、７０％以上９９％以下を満たす膜であることが更に好ましく、８０％以上９９％以下を満たす膜であることが特に好ましい。アノードオフガスを再生させてその燃料濃度を好適に上昇させることにより、燃料電池システムにおいて、より高い燃料利用率での運転が可能となり、より高い発電効率を得ることができる。
【００６４】
また、分離膜としては、アノードオフガスを再生させてその燃料濃度を好適に上昇させつつ、炭素析出を好適に抑制する点から、水蒸気分離率が５０％以上９９％以下を満たす膜であることが好ましく、６０％以上９９％以下を満たす膜であることがより好ましく、７０％以上９９％以下を満たす膜であることが更に好ましく、８０％以上９９％以下を満たす膜であることが特に好ましい。
【００６５】
なお、分離膜は、多孔質性の支持体に支持されていてもよい。支持体の材質としては、紙、セルロース、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、ポリスルホン、ポリカーボネート、金属、ガラス、セラミックなどが挙げられる。支持体を設けた場合、分離膜の厚さは、二酸化炭素透過性及び水蒸気透過性を好適に確保する点から、１００ｎｍ〜１００μｍの範囲が好ましく、１００ｎｍ〜５０μｍの範囲がより好ましい。
また、支持体の厚さ（分離膜の厚さよりも大きいことが好ましい）は、１０μｍ〜５００μｍの範囲が好ましく、３０μｍ〜３００μｍの範囲がより好ましい。
【００６６】
二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜としては、例えば、「Journal of Membrane Science Vol.320(2008)390-400,The upper bound revisited」等に記載の膜を用いてもよい。また、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜、特に、二酸化炭素を分離する分離膜として、特許第５３２９２０７号公報に記載の高分子膜、特許第４９６５９２８号公報に記載のＣＯ２促進輸送膜、特許第５７４３６３９号公報に記載の分離膜、特許第５７３８７０４号公報に記載の透過膜等を用いてもよい。
【００６７】
二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離した後のアノードオフガスは、供給側１６Ａからオフガス経路５４内を流通し、第２燃料電池セルスタック１２へ供給される。このとき、前述のように、オフガス経路５２及びオフガス経路５４に設置された熱交換器２１により、オフガス経路５４内を流通する二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されたアノードオフガスは、第２燃料電池セルスタック１２の作動温度に適した温度に加熱される。
【００６８】
（第２燃料電池セルスタック）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、分離膜１６の供給側１６Ａの下流に配置され、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されたアノードオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池セルスタック１２を備えている。第２燃料電池セルスタック１２としては、例えば、空気極（カソード）、電解質及び燃料極（アノード）を備える燃料電池セルを複数積層あるいは複数接続した燃料電池スタックを少なくとも一つ備えた燃料電池セルスタックである。なお、第２燃料電池セルスタック１２における電気化学的反応は、上述の第１燃料電池セルスタック１１と同様であるため、その説明は省略する。
【００６９】
燃料電池システム１０では、第２燃料電池セルスタック１２は、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されたアノードオフガスを用いて発電を行う。そのため、第２燃料電池セルスタック１２では、電極間の酸素分圧差に起因する理論電圧が向上するとともに、アノードオフガス中の二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されたことに起因して濃度過電圧が低減され、特に高電流密度時に高い性能を発揮することができる。よって、燃料電池システム１０は、高い発電効率を得ることができる。
【００７０】
＜第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックの好ましい条件＞
本実施形態に係る燃料電池システム１０では、第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度の値が等しくなるときの値をＣとすると、第１燃料濃度及び第２燃料濃度がそれぞれ０．９Ｃ以上を満たしていればよく、好ましくは、第１燃料濃度及び第２燃料濃度がそれぞれ０．９５Ｃ以上を満たしていればよい。なお、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の上限としては特に限定されず、例えば、１．１Ｃ以下であればよい。
【００７１】
本実施形態に係る燃料電池システム１０では、第１燃料電池セルスタック１１が備える燃料電池セルの有効表面積の合計をα１、第２燃料電池セルスタック１２が備える燃料電池セルの有効表面積の合計をα２としたとき、α１／α２が２．０超であることが好ましい。これにより、α１／α２が２．０以下である場合と比較して、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値をともに高い値とすることができるため、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れた燃料電池システムを提供することができる。なお、燃料電池セルの有効表面積が増加すると、燃料ガスの消費量も増加する傾向にある。
α１／α２は、２．５以上であることがより好ましい。
【００７２】
α１／α２は、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値の低下を抑制する、特に、第１燃料濃度の値の低下を抑制する点から、２０．５以下であることが好ましく、１５以下であることがより好ましく、１０以下であることが更に好ましく、８．０以下であることが特に好ましく、６．０以下であることがより一層好ましい。
【００７３】
また、分離手段が二酸化炭素及び水蒸気を分離する場合、α１／α２が２．０超１５以下であることが好ましく、２．０超１０以下であることがより好ましく、２．０５以上６．０以下であることが更に好ましく、２．０５以上５．０以下であることが特に好ましい。
【００７４】
なお、第１燃料電池セルスタック１１及び第２燃料電池セルスタック１２にそれぞれ含まれる燃料電池スタックが同一のものである場合等には、第１燃料電池セルスタック１１における燃料電池スタックの数β１、第２燃料電池セルスタック１２における燃料電池スタックの数β２としたとき、β１／β２が２．０超であることが好ましい。β１／β２の好ましい数値範囲は、上述のα１／α２と同様である。
【００７５】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１０を用いて発電を行う場合、第１燃料電池セルスタック１１及び第２燃料電池セルスタック１２を等しい電流密度で作動させて発電を行うことが好ましい。前述の＜第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックの好ましい条件＞を満たしつつ、第１燃料電池セルスタック１１及び第２燃料電池セルスタック１２を等しい電流密度で作動させて発電を行うことにより、燃料電池セルスタックの耐久性に優れ、長期的に安定した発電が可能となる。
【００７６】
また、第１燃料電池セルスタック１１が備える燃料電池セルの有効表面積と第１燃料電池セルスタック１１を作動させたときの当該燃料電池セルの電流密度との積の合計をγ１、第２燃料電池セルスタック１２が備える燃料電池セルの有効表面積と第２燃料電池セルスタック１２を作動させたときの当該燃料電池セルの電流密度との積の合計をγ２としたとき、γ１／γ２を２．０超に調整して発電を行うことも好ましい。これにより、γ１／γ２が２．０以下である場合と比較して、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値をともに高い値とすることができるため、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れ、より長期的に安定した発電が可能となる。γ１／γ２の好ましい数値範囲は、上述のα１／α２と同様である。
なお、第１燃料電池セルスタック１１が備える特定の燃料電池セルの有効表面積と、この燃料電池セルの電流密度との積を求め、かつ、第１燃料電池セルスタック１１が備える他の燃料電池セルについても同様に積を求めたときの、これらの積の合計値がγ１に対応し、γ２についても同様である。
また、γ１及びγ２は、それぞれ第１燃料電池セルスタック１１及び第２燃料電池セルスタック１２における燃料ガスの消費量と比例関係にある。
【００７７】
分離手段において、二酸化炭素及び水蒸気の一方を分離する場合、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制する点から、第１燃料濃度及び第２燃料濃度がそれぞれ１０％以上であることが好ましく、１２％以上であることがより好ましく、１４％以上であることが更に好ましく、１６％以上であることが特に好ましく、１７％以上であることがより一層好ましい。
【００７８】
分離手段において、二酸化炭素及び水蒸気を分離する場合、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制する点から、第１燃料濃度及び第２燃料濃度がそれぞれ１１．５％以上であることが好ましく、１４％以上であることがより好ましく、１７％以上であることが更に好ましく、１９％以上であることが特に好ましく、２１％以上であることがより一層好ましい。
【００７９】
本実施形態に係る燃料電池システム１０では、燃料利用率が８０％以上であることが好ましく、８５％以上であることがより好ましく、８５％以上９５％以下であることが更に好ましい。本実施形態に係る燃料電池システム１０では、分離手段を設けることにより、燃料利用率を高めるとともに、上記条件を満たすように第１燃料濃度及び第２燃料濃度を調整している。そのため、本実施形態に係る燃料電池システムでは、高い燃料利用率による発電効率の向上と、燃料電池セルスタックの耐久性の向上とを両立している。
【００８０】
第２燃料電池セルスタック１２のカソードから排出されたカソードオフガスは、空気供給経路４４を通じて改質器１４の燃焼部１８へ供給される。同様に、第２燃料電池セルスタック１２のアノードから排出されたアノードオフガスは、オフガス経路４６を通じて改質器１４の燃焼部１８へ供給される。
【００８１】
［第２実施形態］
以下、本発明の燃料電池システムの第２実施形態について図２を用いて説明する。図２は、第２実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。第２実施形態に係る燃料電池システム２０は、第１燃料電池セルスタック１１と第２燃料電池セルスタック１２との間に分離膜１６を設ける代わりに、分離手段の一種である水タンク３６を設け、かつ、水タンク３２に貯留された凝縮水を改質器１４の改質部１９に供給して原料ガスの水蒸気改質に用いる点で、第１実施形態に係る燃料電池システム１０と主に相違する。なお、本実施形態では、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００８２】
原料ガス供給経路２４は、後述する水蒸気供給経路３７と接続しており、水蒸気供給経路３７内を流通する水蒸気が原料ガス供給経路２４に供給される。そして、水蒸気供給経路３７より供給された水蒸気は、原料ガスとともに改質器１４の改質部１９に供給され、原料ガスの水蒸気改質に用いられる。なお、原料ガス供給経路２４は、経路内での水蒸気の凝縮を防ぐ観点から、水蒸気供給経路３７と接続されずに水蒸気が水蒸気供給経路３７を通じて改質器１４の改質部１９に直接供給される構成であってもよい。
【００８３】
また、熱交換器２１により、オフガス経路５２内を流通するアノードオフガスと、オフガス経路５４内を流通する水蒸気が回収されたアノードオフガスと、の間で熱交換を行われた後、オフガス経路５２内を流通するアノードオフガスが水タンク３６に供給される。このとき、オフガス経路５２内を流通するアノードオフガスは冷却され、水タンク３６にて水蒸気が凝縮される温度に近づくとともに、第２燃料電池セルスタック１２に供給される水蒸気が回収されたオフガスは、発電に適した温度に加熱される。
【００８４】
水タンク３６は、オフガス経路５２内を流通するアノードオフガス中に含まれる水蒸気を凝縮して得られた凝縮水を貯留することで、アノードオフガス中に含まれる水蒸気を回収するための容器である。
【００８５】
水タンク３６は、凝縮水供給経路３５を介して水タンク３２と連結している。例えば、水タンク３６に貯留された凝縮水が所定の量となったときに、水タンク３６に貯留された凝縮水が凝縮水供給経路３５を介して水タンク３２に供給される構成となっていてもよい。また、水タンク３６の代わりに、水蒸気を分離する分離膜、水蒸気を吸着する吸着剤等を設けてもよい。水タンクでの水蒸気分離率の好ましい範囲としては、前述の分離膜にて記載した数値範囲と同様である。例えば、水タンクの温度を調整することにより、水蒸気分離率を適宜調整することができる。
【００８６】
本実施形態に係る燃料電池システム２０は、第１燃料電池セルスタック１１と第２燃料電池セルスタック１２との間に、分離手段の一種として、第１燃料電池セルスタック１１から排出されたアノードオフガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去部を備えていてもよい。例えば、二酸化炭素除去部は、図２中のＢ１又はＢ２の位置に配置される。二酸化炭素除去部としては、アノードオフガスに含まれる二酸化炭素を分離できるものであれば特に限定されず、分離膜、吸収材、吸着材などが挙げられる。二酸化炭素除去部における二酸化炭素分離率の好ましい範囲としては、前述の分離膜にて記載した数値範囲と同様である。
【００８７】
燃料電池システム２０では、排気経路４８内を流通する排気は、気化器の役割を有する熱交換器２３にて、改質水供給経路３３内を流通する改質水と熱交換を行う。これにより、排気経路４８内を流通する排気は冷却された後に凝縮器である水タンク３２に供給され、改質水供給経路３３内を流通する改質水は気化された後に水蒸気供給経路３７を通じて原料ガス供給経路２４に供給される。
【００８８】
水タンク３２は、排気経路４８内を流通する排気中に含まれる水蒸気を凝縮して得られた凝縮水を貯留することで、排気中に含まれる水蒸気を回収するための容器である。水タンク３２では、水蒸気以外の排気は外部に排出され、所定量以上の水が貯留された際には、例えばオーバーフローによりドレン排水される。
【００８９】
水タンク３２は、改質水供給経路３３と接続しており、改質水供給経路３３には、改質水ポンプ３４が設けられている。改質水ポンプ３４により、水タンク３２に貯留された水は改質水として、改質水供給経路３３を通じて熱交換器２３に供給される。
【００９０】
なお、排気経路４８内を流通する排気から水蒸気を分離する構成としては、水タンク３２に限定されず、例えば、分離膜により水蒸気と、水蒸気以外のガスとを分離してもよく、吸着剤に水蒸気以外のガスを吸着させて、水蒸気改質用の水蒸気を分離してもよい。
【００９１】
また、排気経路４８内を流通する排気と、改質水供給経路３３内を流通する改質水との間で熱交換を行う熱交換器２３の代わりに、燃焼部１８、第１燃料電池セルスタック１１、第２燃料電池セルスタック１２の内少なくとも一つより放出される熱を利用して、改質水を気化する気化器を設けてもよい。
【００９２】
燃料電池システム２０では、熱交換器２３にて熱交換が行なわれた排気は、熱交換器２２にて、空気供給経路４４内を流通する酸素を含むガスと熱交換を行なう。これにより、排ガスは冷却された後に水タンク３２（凝縮器）に供給され、酸素を含むガスは加熱された後に、第１燃料電池セルスタック１１のカソードに供給されて発電に用いられる。
【００９３】
（変形例）
第１実施形態及び第２実施形態では、空気供給経路４４が直列となっているため、第１燃料電池セルスタック１１に空気を供給した後、第２燃料電池セルスタック１２に第１燃料電池セルスタック１１から排出されたカソードオフガスが供給されるが、空気供給経路４４は並列であってもよい。つまり、空気が流通する空気供給経路４４が分岐し、第１燃料電池セルスタック１１及び第２燃料電池セルスタック１２のカソードに空気をそれぞれ供給する構成であってもよい。
【００９４】
第１実施形態では、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜を一つ設ける構成について説明したが、本発明はこれに限定されず、複数の分離膜を配置する構成であってもよい。例えば、分離膜として二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜及び水蒸気を分離する水蒸気分離膜をそれぞれ別々に配置してもよい。二酸化炭素分離膜及び水蒸気分離膜を厳密に区別する必要は無く、二酸化炭素分離膜が二酸化炭素とともに水蒸気を透過する分離膜であってもよく、水蒸気分離膜が水蒸気とともに二酸化炭素を分離する分離膜であってもよい。また、水蒸気分離膜及び二酸化炭素分離膜の材質としては、前述の分離膜の材質と同様であってもよい。また、二酸化炭素分離膜としては、ＣＯ２促進輸送膜を用いてもよい。
【００９５】
第１実施形態にて、分離膜１６として水蒸気を分離する水蒸気分離膜を配置した場合、燃料電池システム１０は、第１燃料電池セルスタック１１の下流かつ第２燃料電池セルスタック１２の上流にアノードオフガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去部をさらに備えていてもよい。二酸化炭素除去部としては、第２実施形態で用いるものと同様である。
【００９６】
第１実施形態にて、分離膜１６として二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜を配置した場合、燃料電池システム１０は、第１燃料電池セルスタック１１の下流かつ第２燃料電池セルスタック１２の上流にアノードオフガスから水蒸気を除去する水蒸気除去部をさらに備えていてもよい。これにより、第２燃料電池セルスタック１２は水蒸気及び二酸化炭素が分離されたアノードオフガスを用いて発電を行うため、発電効率をより高めることができる。
【００９７】
水蒸気除去部は、アノードオフガスから水蒸気を除去するためのものであり、水蒸気を分離する分離膜、水蒸気を吸着する吸着剤、水蒸気を凝縮する凝縮器などであればよい。
【００９８】
また、第１実施形態において、分離膜１６の透過側に原料ガス供給経路２４を配置して分離された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を原料ガスの改質に用いる構成に限定されない。例えば、分離膜１６の透過側に、空気等のスイープガスを供給する供給経路を設ける構成、カソードガス又はカソードオフガスが流通する空気供給経路４４を設ける構成、排気が流通する排気経路４８を設ける構成等であってもよく、分離膜１６の透過側を減圧する構成等であってもよい。
【００９９】
また、本発明において、改質器は必須の構成ではなく、第１燃料電池セルスタックの上流側に改質器を配置することなく、水素及び一酸化炭素の少なくとも一方を含む燃料ガスを第１燃料電池セルスタックに供給して発電を行う構成であってもよい。
【０１００】
本発明は、前述の第１実施形態、第２実施形態及び変形例に限定されず、本発明の技術的思想内で、当業者によって、前述の各実施形態を組み合わせて実施される。また、熱交換器の設置場所、組み合わせなどについてもこれら実施形態に限定されない。さらに、前述の第１実施形態、第２実施形態及び変形例に記載の燃料電池システムを用いた発電方法も本発明に包含される。
【０１０１】
［本発明の一例］
以下、本発明の一例の燃料電池システムについて検討する。燃料電池システムとしては、第１燃料電池セルスタック、分離手段及び第２燃料電池セルスタックに加えて、第１燃料電池セルスタックの上流に炭化水素ガスの改質を行う改質器を備えるシステムについて検討した。検討における条件は以下の通りである。
＜条件＞
第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタック：固体酸化物形燃料電池
炭化水素ガス：メタン
改質：水蒸気改質
スチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）：２．５
セルの負荷電流：第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックで同じ
全体の燃料利用率：９０（％）
燃料利用率の関係：Ｕf(total)＝［Ｕf(first)＋（１−Ｕf(first)）・Ｕf(second)］（式中、Ｕf(total)は全体の燃料利用率、Ｕf(first)は第１燃料電池セルスタックの燃料利用率及びＵf(second)は第２燃料電池セルスタックの燃料利用率を指す。）
第１燃料電池セルスタックの入口における燃料濃度Ｃ０：７２．７３（％）［（Ｈ２ガス量＋ＣＯガス量）／全ガス量］×１００（％）
＜各パラメータの算出式＞
第２燃料電池セルスタックの燃料利用率：Ｕf(second)＝（Ｕf(total)−Ｕf(first)）／（１−Ｕf(first)）
第２燃料電池セルスタックのスタック数に対する第１燃料電池セルスタックのスタック数の比率（燃料電池セルスタックを構成する燃料電池スタック及び電流密度は全て同じ、β１／β２に対応）：Ｕf(first)／（Ｕf(total)−Ｕf(first)）
第１燃料電池セルスタックの出口におけるアノードオフガスの濃度（第１燃料濃度Ｃ１）：Ｃ０×（１−Ｕf(first)）
第２燃料電池セルスタックの入口における燃料濃度（第３燃料濃度Ｃ３）：Ｃ１／{１−除去率（１−Ｃ１）}
第２燃料電池セルスタックの出口におけるアノードオフガスの濃度（第２燃料濃度Ｃ２）：Ｃ３×（１−Ｕf(second)）
【０１０２】
（検討１）
分離手段にてＨ２Ｏ及びＣＯ２を両方とも除去する場合について説明する。以下、分離手段にてＨ２Ｏ及びＣＯ２をともに９５％除去する場合（前述の算出式における「除去率」が０．９５である場合）の燃料電池システムについて検討する。
【０１０３】
ここで、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２の除去率がともに９５％である場合において、第１燃料電池セルスタックの燃料利用率と、第１燃料濃度及び第２燃料濃度との関係を図３に示す。燃料電池システムの全体の燃料利用率が一定である場合、図３に示すように、第１燃料電池セルスタックの燃料利用率を増加させると、第１燃料濃度Ｃ１が小さくなる。一方、燃料電池システムの全体の燃料利用率が一定の条件にて第１燃料電池セルスタックの燃料利用率が増加した場合、第２燃料電池セルスタックの燃料利用率が低下する効果が大きいため、図３に示すように、第２燃料濃度Ｃ２は大きくなる。そして、図３に示すように、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２が等しくなるときに、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２の最小値が最大となり、燃料濃度の低下によるセルスタック酸化等のリスクを低減することができる。
【０１０４】
分離手段にてＨ２Ｏ及びＣＯ２をともに９５％除去する場合に、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２が等しくなるとき、前述の算出式に基づき、以下の値が算出される。
第１燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(first)：６５．４０％
第２燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(second)：７１．１０％
第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２が等しくなるときの値（最大濃度）：２５．１６％
第２燃料電池セルスタックのスタック数に対する第１燃料電池セルスタックのスタック数の比率（スタック比）：２．６５９
【０１０５】
次に、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２が、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２の最小値が最大となるときの９０％以上、すなわち、２５．１６％の９０％以上であれば、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２をともに高い値とすることができ、第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックにて燃料濃度の低下によるセルスタック酸化等のリスクを低減することができる。そこで、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２の下限値を算出すると２２．６５％となる。
【０１０６】
第１燃料濃度Ｃ１が２２．６５％である場合、前述の算出式に基づき、以下の値が算出される。
第１燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(first)：６８．８６％
第２燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(second)：６７．８８％
第２燃料電池セルスタックのスタック数に対する第１燃料電池セルスタックのスタック数の比率（スタック比）：３．２５８
【０１０７】
また、第２燃料濃度Ｃ２が２２．６５％である場合、前述の算出式に基づき、以下の値が算出される。
第１燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(first)：６０．７５％
第２燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(second)：７４．５２％
第２燃料電池セルスタックのスタック数に対する第１燃料電池セルスタックのスタック数の比率（スタック比）：２．０７７
【０１０８】
したがって、上記条件を満たし、かつ、分離手段にてＨ２Ｏ及びＣＯ２をともに９５％除去する場合、セルスタック酸化等のリスクを低減する点から、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２をともに２２．６５％以上とし、スタック比を２．０７７以上３．２５８以下とすることが好ましい。
【０１０９】
次に、検討１において、分離手段にてＨ２Ｏ及びＣＯ２をともに５０％〜９０％除去する場合における、最大濃度、Ｕf(first)、Ｕf(second)、スタック比、及び９０％濃度（最大濃度の９０％）をそれぞれ算出した。
分離手段にてＨ２Ｏ及びＣＯ２をともに９５％除去する場合とともに結果を表１及び図５に示す。スタック比としては、図５における最大値及び最小値の間の範囲を取ることが好ましい。
【０１１０】
【表１】
2018137080.tif 000003
【０１１１】
（検討２）
分離手段にてＣＯ２は除去せずにＨ２Ｏを除去する場合について説明する。以下、分離手段にてＨ２Ｏを９５％除去する場合（「Ｈ２Ｏ除去率」が０．９５）の燃料電池システムについて検討する。この場合、第２燃料電池セルスタックの入口における燃料濃度（第３燃料濃度Ｃ３）は、検討１と同様にして各パラメータが算出される。
【０１１２】
ここで、Ｈ２Ｏ除去率が９５％である場合において、第１燃料電池セルスタックの燃料利用率と、第１燃料濃度及び第２燃料濃度との関係を図４に示す。図３と同様、図４においても、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２が等しくなるときに、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２の最小値が最大となり、燃料濃度の低下によるセルスタック酸化等のリスクを低減することができる。
【０１１３】
分離手段にてＨ２Ｏを９５％除去する場合に、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２が等しくなるとき、前述の算出式に基づき、以下の値が算出される。
第１燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(first)：７２．５９％
第２燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(second)：６３．５２％
第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２が等しくなるときの値（最大濃度）：１９．９４％
第２燃料電池セルスタックのスタック数に対する第１燃料電池セルスタックのスタック数の比率（スタック比）：４．１６８
【０１１４】
次に、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２が、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２の最小値が最大となるときの９０％以上、すなわち、１９．９４％の９０％以上であれば、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２をともに高い値とすることができ、第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックにて燃料濃度の低下によるセルスタック酸化等のリスクを低減することができる。そこで、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２の下限値を算出すると１７．９４％となる。
【０１１５】
第１燃料濃度Ｃ１が１７．９４％である場合、前述の算出式に基づき、以下の値が算出される。
第１燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(first)：７５．３３％
第２燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(second)：５９．４７％
第２燃料電池セルスタックのスタック数に対する第１燃料電池セルスタックのスタック数の比率（スタック比）：５．１３４
【０１１６】
また、第２燃料濃度Ｃ２が１７．９４％である場合、前述の算出式に基づき、以下の値が算出される。
第１燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(first)：６４．７６％
第２燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(second)：７１．６２％
第２燃料電池セルスタックのスタック数に対する第１燃料電池セルスタックのスタック数の比率（スタック比）：２．５６６
【０１１７】
したがって、上記条件を満たし、かつ、分離手段にてＨ２Ｏを９５％除去する場合、セルスタック酸化等のリスクを低減する点から、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２をともに１７．９４％以上とし、スタック比を２．５６６以上５．１３４以下とすることが好ましい。
【０１１８】
次に、検討２において、分離手段にてＨ２Ｏを５０％〜９０％除去する場合における、最大濃度、Ｕf(first)、Ｕf(second)、スタック比、及び９０％濃度（最大濃度の９０％）をそれぞれ算出した。
分離手段にてＨ２Ｏを９５％除去する場合とともに結果を表２及び図６に示す。スタック比としては、図６における最大値及び最小値の間の範囲を取ることが好ましい。
【０１１９】
【表２】
2018137080.tif 000004
【符号の説明】
【０１２０】
１０、２０…燃料電池システム、１１…第１燃料電池セルスタック、１２…第２燃料電池セルスタック、１４…改質器、１６…分離膜、１６Ａ…供給側、１６Ｂ…透過側、１８…燃焼部、１９…改質部、２１、２２、２３、４１…熱交換器、２４…原料ガス供給経路、２５、２６…ブロワ、３２、３６…水タンク、３３…改質水供給経路、３４…改質水ポンプ、３５…凝縮水供給経路、３７…水蒸気供給経路、４２…燃料ガス供給経路、４４…空気供給経路、４６、５２、５４…オフガス経路、４８…排気経路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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