(57)【要約】【課題】起動時間を効率的に短縮することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１０は、第１燃料電池スタック１８と、第１燃料電池スタック１８に対して離間した状態で第１燃料電池スタック１８の外周を覆うように配置された第２燃料電池スタック２０と、を備える。第１燃料電池スタック１８および第２燃料電池スタック２０のそれぞれは、固体酸化物形燃料電池を有する。第１燃料電池スタック１８は、第１空間Ｓ１に向けて排ガスを排出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１燃料電池スタックと、
前記第１燃料電池スタックに対して離間した状態で前記第１燃料電池スタックの外周を覆うように配置された第２燃料電池スタックと、を備え、
前記第１燃料電池スタックおよび前記第２燃料電池スタックのそれぞれは、固体酸化物形燃料電池を有する、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記第１燃料電池スタックは、前記第１燃料電池スタックと前記第２燃料電池スタックとの間の空間に向けて排ガスを排出する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記第２燃料電池スタックは、前記第１燃料電池スタックから排出された排ガスを用いて発電する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記第１燃料電池スタックと前記第２燃料電池スタックとの間の空間には、前記第１燃料電池スタックを加熱する加熱装置が配置されている、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムであって、
前記加熱装置は、前記排ガスを用いて燃焼する燃焼器を有する、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池システムであって、
前記燃焼器は、前記第１燃料電池スタックの周方向に互いに離間して配設された複数の燃焼部を含む、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記第２燃料電池スタックは、環状に構成されている、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記第１燃料電池スタックを前記第２燃料電池スタックよりも先に起動するように制御する制御部を備える、燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記第１燃料電池スタックと前記第２燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記第１燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、を備え、
前記第２燃料電池スタックは、前記第１燃料電池スタックから排出された酸化剤ガスを含む排ガスと前記燃料ガス供給装置から供給された燃料ガスとを用いて発電する、燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記第２燃料電池スタックの外周側には、前記第２燃料電池スタックを加熱する外側加熱装置が配設されている、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、固体酸化物形燃料電池は、運転温度が比較的高温であるため、起動時間が比較的長くなる。このような固体酸化物形燃料電池の起動時間を短縮するために、特許文献１には、複数の固体酸化物形燃料電池が積層された燃料電池スタックを昇温するためのスタック用加熱器を備えた燃料電池システムが開示されている。スタック用加熱器は、燃料電池スタックの積層方向の一端のエンドプレートに固定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−２０７５１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
固体酸化物形燃料電池では、その動作温度を高温に保持する必要があるため、部分負荷（比較的小さな負荷）で運転する際に燃料利用率が低下して発電効率が低下し易くなる。
【０００５】
本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、起動時間を効率的に短縮することができるとともに部分負荷で運転する際に発電効率の低下を抑えることができる燃料電池システム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】
本発明の一態様は、第１燃料電池スタックと、前記第１燃料電池スタックに対して離間した状態で前記第１燃料電池スタックの外周を覆うように配置された第２燃料電池スタックと、を備え、前記第１燃料電池スタックおよび前記第２燃料電池スタックのそれぞれは、固体酸化物形燃料電池を有する、燃料電池システムである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料電池システムの起動時に第１燃料電池スタックのみを先に起動することができるため、燃料電池スタックの全体（第１燃料電池スタックと第２燃料電池スタックの両方）を起動する場合と比較して熱容量を小さくすることができる。また、第１燃料電池スタックを起動する際に第１燃料電池スタックの放熱を第２燃料電池スタックの昇温に利用することができる。したがって、燃料電池システムの起動時間を効率的に短縮することができる。さらに、部分負荷で運転する際に第１燃料電池スタックおよび第２燃料電池スタックのいずれかのみを運転させることができるため、燃料利用率の低下を抑えることができる。よって、部分負荷で運転する際に発電効率の低下を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの模式的構成図である。
【図２】システム本体の横断面図である。
【図３】第１燃料電池スタックの一部省略縦断面図である。
【図４】第２燃料電池スタックの一部省略縦断面図である。
【図５】図５Ａは変形例に係る第１燃料電池スタックの模式図であり、図５Ｂは他の変形例に係る第１燃料電池スタックの模式図であり、図５Ｃは変形例に係る第２燃料電池スタックの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に係る燃料電池システムについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
【００１０】
本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用などの種々の用途に用いられる。また、燃料電池システム１０は、いわゆるポータブル発電機として用いることもできる。
【００１１】
図１に示すように、燃料電池システム１０は、システム本体１２と、システム本体１２に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給装置１４と、システム本体１２に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給装置１６と、制御部１７とを備える。
【００１２】
図１および図２に示すように、燃料電池システム１０は、第１燃料電池スタック１８、第２燃料電池スタック２０、第１加熱装置２２（加熱装置）、第２加熱装置２４（外側加熱装置）およびケーシング２６を有する。第１燃料電池スタック１８は、互いに積層された複数の第１単位セル２８と、複数の第１単位セル２８の積層方向（図１の矢印Ａ方向）両端に配設された一組の第１エンドプレート３０、３２とを含む。
【００１３】
第１単位セル２８は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池（SOFC：Solid Oxide Fuel Cell）として構成されている。第１燃料電池スタック１８は、複数の第１単位セル２８の積層方向からの平面視で円形状に形成されている（図２参照）。ただし、第１燃料電池スタック１８は、複数の第１単位セル２８の積層方向からの平面視で多角形状、楕円形状、半円形状などの種々の形状に形成することができる。
【００１４】
図１において、一組の第１エンドプレート３０、３２には、複数の第１単位セル２８に積層方向の締め付け力を付与するための図示しない連結部材が設けられている。片方の第１エンドプレート３０には、酸化剤ガス入口部３４および第１燃料ガス入口部３６が設けられている。
【００１５】
第１燃料電池スタック１８には、酸化剤ガス供給連通孔３８と第１燃料ガス供給連通孔４０とが形成されている。酸化剤ガス供給連通孔３８は、各第１単位セル２８を貫通するように複数の第１単位セル２８の積層方向に延在している。酸化剤ガス供給連通孔３８は、酸化剤ガス入口部３４に連通するように片方の第１エンドプレート３０を貫通している。第１燃料ガス供給連通孔４０は、各第１単位セル２８を貫通するように複数の第１単位セル２８の積層方向に延在している。第１燃料ガス供給連通孔４０は、第１燃料ガス入口部３６に連通するように片方の第１エンドプレート３０を貫通している。
【００１６】
図３に示すように、第１単位セル２８は、第１電解質・電極構造体４２と、第１電解質・電極構造体４２を挟持する第１カソードセパレータ４４および第１アノードセパレータ４６とを有する。第１カソードセパレータ４４と第１アノードセパレータ４６とは、表裏一体のバイポーラセパレータとして構成してもよい。第１電解質・電極構造体４２は、板状の第１電解質４８と、第１電解質４８の一方の面に配設された第１カソード電極５０と、第１電解質４８の他方の面に配設された第１アノード電極５２とを含む。第１電解質４８は、例えば、安定化ジルコニアなどの酸化物イオン導電体で構成されている。
【００１７】
第１電解質・電極構造体４２の外周縁部には、酸化剤ガスおよび燃料ガスの進入や排出を阻止するための図示しないバリアー層が形成されている。第１電解質・電極構造体４２のうち酸化剤ガス供給連通孔３８と第１燃料ガス供給連通孔４０を構成する部分には、酸化剤ガスおよび燃料ガスの進入や排出を阻止するための図示しないバリアー層が形成されている。
【００１８】
第１カソードセパレータ４４および第１アノードセパレータ４６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム鋼板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板で構成される。第１カソードセパレータ４４と第１アノードセパレータ４６とは、ろう付け、拡散接合またはレーザ溶接などにより互いに接合されている。
【００１９】
第１カソードセパレータ４４は、第１電解質・電極構造体４２と略同一寸法に設定されている。第１カソードセパレータ４４のうち第１カソード電極５０に対向する面には、第１カソード電極５０に向かって突出した複数の第１突起５６が互いに隙間を空けて設けられている。換言すれば、第１カソードセパレータ４４のうち第１カソード電極５０に対向する面には、複数の第１突起５６の隙間によって第１酸化剤ガス流路５８が形成されている。
【００２０】
第１酸化剤ガス流路５８は、酸化剤ガス供給連通孔３８に連通している。第１カソードセパレータ４４は、第１酸化剤ガス流路５８と第１燃料ガス供給連通孔４０とが互いに連通しないように構成されている。第１カソードセパレータ４４の外周縁部には、第１燃料電池スタック１８の外周側の空間（第１空間Ｓ１）に連通する第１酸化剤ガス排出孔６０が形成されている。第１酸化剤ガス排出孔６０は、第１単位セル２８の発電で消費されなかった余剰の酸化剤ガスを排ガスとして第１酸化剤ガス流路５８から第１空間Ｓ１に排出する。
【００２１】
第１アノードセパレータ４６は、第１電解質・電極構造体４２と略同一寸法（第１カソードセパレータ４４と略同一寸法）に設定されている。第１アノードセパレータ４６のうち第１アノード電極５２に対向する面には、第１アノード電極５２に向かって突出した複数の第２突起６２が互いに隙間を空けて設けられている。換言すれば、第１アノードセパレータ４６のうち第１アノード電極５２に対向する面には、複数の第２突起６２の隙間によって第１燃料ガス流路６４が形成されている。
【００２２】
第１燃料ガス流路６４は、第１燃料ガス供給連通孔４０に連通している。第１アノードセパレータ４６は、第１燃料ガス流路６４と酸化剤ガス供給連通孔３８とが互いに連通しないように構成されている。第１アノードセパレータ４６の外周縁部には、第１燃料ガス流路６４と第１空間Ｓ１とを互いに連通する第１燃料ガス排出孔６６が形成されている。第１燃料ガス排出孔６６は、第１単位セル２８の発電に消費されなかった余剰の燃料ガスを排ガスとして第１燃料ガス流路６４から第１空間Ｓ１に排出する。つまり、第１燃料電池スタック１８は、酸化剤ガスおよび燃料ガスを含む排ガスを第１空間Ｓ１に向けて排出する。
【００２３】
図１および図２に示すように、第２燃料電池スタック２０は、第１燃料電池スタック１８に対して離間した状態で第１燃料電池スタック１８の外周を覆うように配置されている。すなわち、第２燃料電池スタック２０は、円環状に形成されている。ただし、第２燃料電池スタック２０は、円環状に形成された例に限定されず、多角環状に形成されていてもよい。換言すれば、第２燃料電池スタック２０は、内側スタックとしての第１燃料電池スタック１８の外周側に隙間を空けて配置された外側スタックとして構成されている。
【００２４】
第２燃料電池スタック２０は、互いに積層された複数の第２単位セル６８と、複数の第２単位セル６８の積層方向（図１の矢印Ａ方向）両端に配設された一組の第２エンドプレート７０、７２とを含む。複数の第２単位セル６８の積層方向は、複数の第１単位セル２８の積層方向と同一である。第２単位セル６８は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池として構成されている。第２燃料電池スタック２０は、第１燃料電池スタック１８から第１空間Ｓ１に排出された排ガス中の酸化剤ガスを用いて発電する。
【００２５】
一組の円環状の第２エンドプレート７０、７２には、複数の第２単位セル６８に積層方向の締め付け力を付与するための図示しない連結部材が設けられている。片方の第２エンドプレート７０には、第２燃料ガス入口部７４が設けられている。
【００２６】
第２燃料電池スタック２０には、第２燃料ガス供給連通孔７６が形成されている。第２燃料ガス供給連通孔７６は、各第２単位セル６８を貫通するように複数の第２単位セル６８の積層方向に延在している。第２燃料ガス供給連通孔７６は、第２燃料ガス入口部７４に連通するように片方の第２エンドプレート７０を貫通している。
【００２７】
図４に示すように、第２単位セル６８は、第２電解質・電極構造体７８と、第２電解質・電極構造体７８を挟持する第２カソードセパレータ８０および第２アノードセパレータ８２とを有する。第２カソードセパレータ８０と第２アノードセパレータ８２とは、表裏一体のバイポーラセパレータとして構成してもよい。第２電解質・電極構造体７８は、板状の第２電解質８４と、第２電解質８４の一方の面に配設された第２カソード電極８６と、第２電解質８４の他方の面に配設された第２アノード電極８８とを含む。
【００２８】
第２電解質８４は、第１電解質４８と同様に構成されている。第２電解質・電極構造体７８の外周縁部および内周縁部には、酸化剤ガスおよび燃料ガスの進入や排出を阻止するための図示しないバリアー層が形成されている。第２電解質・電極構造体７８のうち第２燃料ガス供給連通孔７６を構成する部分には、酸化剤ガスおよび燃料ガスの進入や排出を阻止するための図示しないバリアー層が形成されている。
【００２９】
第２カソードセパレータ８０および第２アノードセパレータ８２は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム鋼板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板で構成される。第２カソードセパレータ８０と第２アノードセパレータ８２とは、ろう付け、拡散接合またはレーザ溶接などにより互いに接合されている。
【００３０】
第２カソードセパレータ８０は、第２電解質・電極構造体７８と略同一寸法に設定されている。第２カソードセパレータ８０のうち第２カソード電極８６に対向する面には、第２カソード電極８６に向かって突出した複数の第３突起９２が互いに隙間を空けて設けられている。換言すれば、第２カソードセパレータ８０のうち第２カソード電極８６に対向する面には、複数の第３突起９２の隙間によって第２酸化剤ガス流路９４が形成されている。
【００３１】
第２カソードセパレータ８０の内周縁部には、第１空間Ｓ１と酸化剤ガス流路とを互いに連通する酸化剤ガス流入孔９６が形成されている。酸化剤ガス流入孔９６は、第１空間Ｓ１に存在する排ガス（酸化剤ガス）を第２酸化剤ガス流路９４に導く。第２カソードセパレータ８０の外周縁部には、第２燃料電池スタック２０の外周側の空間（第２空間Ｓ２）に連通する第２酸化剤ガス排出孔９８が形成されている。
【００３２】
第２酸化剤ガス排出孔９８は、第２単位セル６８の発電に消費されなかった余剰の酸化剤ガスを排ガスとして第２空間Ｓ２に排出する。なお、第２カソードセパレータ８０は、第２酸化剤ガス流路９４と第２燃料ガス供給連通孔７６とが互いに連通しないように構成されている。
【００３３】
第２アノードセパレータ８２は、第２電解質・電極構造体７８と略同一寸法（第２カソードセパレータ８０と略同一寸法）に設定されている。第２アノードセパレータ８２のうち第２アノード電極８８に対向する面には、第２アノード電極８８に向かって突出した複数の第４突起１００が互いに隙間を空けて設けられている。換言すれば、第２アノードセパレータ８２のうち第２アノード電極８８に対向する面には、複数の第４突起１００の隙間によって第２燃料ガス流路１０２が形成されている。
【００３４】
第２燃料ガス流路１０２は、第２燃料ガス供給連通孔７６に連通している。第２アノードセパレータ８２は、第２燃料ガス流路１０２と第１空間Ｓ１とが互いに連通しないように構成されている。
【００３５】
第２アノードセパレータ８２の外周縁部には、第２燃料ガス流路１０２と第２空間Ｓ２とを互いに連通する第２燃料ガス排出孔１０４が形成されている。第２燃料ガス排出孔１０４は、第２単位セル６８の発電に消費されなかった余剰の燃料ガスを排ガスとして第２燃料ガス流路１０２から第２空間Ｓ２に排出する。つまり、第２燃料電池スタック２０は、酸化剤ガスおよび燃料ガスを含む排ガスを第２空間Ｓ２に向けて排出する。
【００３６】
図１および図２において、第１加熱装置２２は、第１燃料電池スタック１８と第２燃料電池スタック２０との間の空間である第１空間Ｓ１に配置されて第１燃料電池スタック１８および第２燃料電池スタック２０を加熱する。第１加熱装置２２は、第１燃料電池スタック１８から第１空間Ｓ１に向けて排出された排ガス（酸化剤ガスおよび燃料ガス）を用いて燃料する燃焼バーナとしての第１燃焼器１０６を有する。第１燃焼器１０６は、円環状の第１バーナ本体１０８と、第１バーナ本体１０８に周方向に等間隔に設けられた第１燃焼部１１０とを含む。第１バーナ本体１０８は、第１エンドプレート３０を周回するようにケーシング２６に固定されている。
【００３７】
第２加熱装置２４は、第２燃料電池スタック２０とケーシング２６の側壁との間の空間である第２空間Ｓ２に配置されて第２燃料電池スタック２０を加熱する。第２加熱装置２４は、第２燃料電池スタック２０から第２空間Ｓ２に向けて排出された排ガス（酸化剤ガスおよび燃料ガス）を用いて燃焼する燃焼バーナとしての第２燃焼器１１２を有する。第２燃焼器１１２は、円環状の第２バーナ本体１１４と、第２バーナ本体１１４に周方向に等間隔に設けられた第２燃焼部１１６とを含む。第２バーナ本体１１４は、第２エンドプレート７０を周回するようにケーシング２６に固定されている。
【００３８】
第１加熱装置２２および第２加熱装置２４は、燃焼バーナとして構成されていなくてもよい。具体的には、第１加熱装置２２および第２加熱装置２４は、電熱ヒータ、誘導加熱コイルを有していてもよい。第１加熱装置２２としての電熱ヒータおよび誘導加熱コイルは、例えば、第１燃料電池スタック１８の積層方向の全長に亘って第１燃料電池スタック１８を周回するように螺旋状に第１空間Ｓ１に配設するのが好ましい。第１燃料電池スタック１８の全体を均一かつ効率的に加熱することができるからである。第２加熱装置２４としての電熱ヒータおよび誘導加熱コイルは、例えば、第２燃料電池スタック２０の積層方向の全長に亘って第２燃料電池スタック２０を周回するように螺旋状に第２空間Ｓ２に配設するのが好ましい。第２燃料電池スタック２０の全体を均一かつ効率的に加熱することができるからである。
【００３９】
ケーシング２６は、第１燃料電池スタック１８、第２燃料電池スタック２０、第１加熱装置２２および第２加熱装置２４を収容する。ケーシング２６には、第２空間Ｓ２の排気ガスを外部に排出するための図示しない排気孔が設けられている。
【００４０】
図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガスを酸化剤ガス入口部３４に供給する酸化剤ガス供給流路１１８を有する。酸化剤ガスとしては、例えば、空気が用いられる。酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス供給流路１１８に酸化剤ガス（空気）を供給するための図示しない空気ポンプを有する。また、酸化剤ガス供給装置１４は、システム本体１２から排出される排ガスを用いて酸化剤ガス入口部３４に供給される酸化剤ガスを加熱する図示しない熱交換器を有する。
【００４１】
燃料ガス供給装置１６は、第１燃料ガス供給流路１２０、第１開閉弁１２２、第２燃料ガス供給流路１２４および第２開閉弁１２６を備える。第１燃料ガス供給流路１２０は、燃料ガスを第１燃料ガス入口部３６に供給する。第１開閉弁１２２は、第１燃料ガス供給流路１２０に設けられて第１燃料ガス供給流路１２０を開放および閉塞する。第２燃料ガス供給流路１２４は、燃料ガスを第２燃料ガス入口部７４に供給する。第２燃料ガス供給流路１２４は、第１燃料ガス供給流路１２０から分岐している。第２開閉弁１２６は、第２燃料ガス供給流路１２４に設けられて第２燃料ガス供給流路１２４を開放および閉塞する。
【００４２】
燃料ガス供給装置１６は、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と酸化剤ガスとの部分酸化反応により原燃料を改質し、システム本体１２に供給される燃料ガス（例えば、水素ガス）を生成する図示しない部分酸化改質器を有する。燃料ガス供給装置１６は、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質し、システム本体１２に供給される燃料ガスを生成する図示しない水蒸気改質器をさらに有していてもよい。この場合、水蒸気改質器と部分酸化改質器とは直列に接続される。また、燃料ガス供給装置１６は、原燃料を供給するための図示しない原燃料ポンプを有する。
【００４３】
制御部１７は、酸化剤ガス供給装置１４（空気ポンプ）と、燃料ガス供給装置１６（原燃料ポンプ）とを制御する。また、制御部１７は、第１開閉弁１２２と第２開閉弁１２６の駆動を制御する。制御部１７は、第１燃料電池スタック１８を第２燃料電池スタック２０よりも先に起動するように制御する。
【００４４】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００４５】
燃料電池システム１０では、燃料電池システム１０の起動時に第１燃料電池スタック１８のみを先に起動する。すなわち、図１に示すように、制御部１７は、酸化剤ガス供給装置１４の図示しない空気ポンプを駆動して酸化剤ガス供給流路１１８から酸化剤ガス入口部３４を介して第１酸化剤ガス流路５８に酸化剤ガスを供給する。第１酸化剤ガス流路５８に導入された酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路５８に沿って移動することにより第１電解質・電極構造体４２の第１カソード電極５０に供給される。
【００４６】
燃料ガス供給装置１６では、燃料電池システム１０の起動時において、制御部１７は、第１開閉弁１２２を開放するとともに第２開閉弁１２６を閉塞する。そして、制御部１７は、燃料ガス供給装置１６の図示しない原燃料ポンプを駆動して第１燃料ガス供給流路１２０から第１燃料ガス入口部３６を介して第１燃料ガス流路６４に燃料ガスを供給する。第１燃料ガス流路６４に導入された燃料ガスは、第１燃料ガス流路６４に沿って移動することにより第１電解質・電極構造体４２の第１アノード電極５２に供給される。
【００４７】
したがって、各第１電解質・電極構造体４２では、第１アノード電極５２に供給された燃料ガスと第１カソード電極５０に供給された酸化剤ガスとが電気化学反応により消費されて発電が行われる。なお、第１燃料電池スタック１８に供給される酸化剤ガスおよび燃料ガスのそれぞれの量は、第１燃料電池スタック１８の発電に消費される酸化剤ガスおよび燃料ガスの量よりも多い。また、第１燃料電池スタック１８には、燃料ガスに対して酸化剤ガスを余剰に供給している。
【００４８】
第１酸化剤ガス流路５８の余剰の酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス排出孔６０から排ガスとして第１空間Ｓ１に排出される。第１燃料ガス流路６４の余剰の燃料ガスは、第１燃料ガス排出孔６６から排ガスとして第１空間Ｓ１に排出される。
【００４９】
第１燃料電池スタック１８から第１空間Ｓ１に排出された排ガス（酸化剤ガスと燃料ガスとを含む排ガス）は、第１燃焼器１０６の燃料として用いられる。つまり、第１燃焼器１０６は、第１燃料電池スタック１８から第１空間Ｓ１に排出された排ガス中の酸化剤ガスと燃料ガスを用いて燃焼する。そのため、第１燃料電池スタック１８および第２燃料電池スタック２０が加熱される。これにより、第１燃料電池スタック１８が迅速に起動される。
【００５０】
燃料電池システム１０の負荷が比較的小さい場合、第１燃料電池スタック１８のみを運転し、第２燃料電池スタック２０を運転しない。一方、燃料電池システム１０の負荷が増大すると、第１燃料電池スタック１８および第２燃料電池スタック２０の両方を運転する。
【００５１】
この場合、制御部１７は、第１開閉弁１２２を開放した状態のまま第２開閉弁１２６を開放する。これにより、第２燃料ガス供給流路１２４から第２燃料ガス入口部７４を介して第２燃料ガス流路１０２に燃料ガスが供給される。なお、燃料電池システム１０では、第２燃料電池スタック２０で消費される燃料ガスの量よりも多い量の燃料ガスを第２燃料ガス入口部７４に供給する。第２燃料ガス流路１０２に導入された燃料ガスは、第２燃料ガス流路１０２に沿って移動することにより第２電解質・電極構造体７８の第２アノード電極８８に供給される。
【００５２】
一方、第１燃焼器１０６で一部が使用された排ガスは、第２燃料電池スタック２０に導かれる。具体的には、余剰の酸化剤ガスを含む排ガスは、第２燃料電池スタック２０の酸化剤ガス流入孔９６を介して第２酸化剤ガス流路９４に導入され、第２酸化剤ガス流路９４に沿って移動することにより第２電解質・電極構造体７８の第２カソード電極８６に供給される。
【００５３】
したがって、各第２電解質・電極構造体７８では、第２アノード電極８８に供給された燃料ガスと第２カソード電極８６に供給された酸化剤ガスとが電気化学反応により消費されて発電が行われる。そして、第２酸化剤ガス流路９４の余剰の酸化剤ガスは、第２酸化剤ガス排出孔９８から排ガスとして第２空間Ｓ２に排出される。第２燃料ガス流路１０２の余剰の燃料ガスは、第２燃料ガス排出孔１０４から排ガスとして第２空間Ｓ２に排出される。
【００５４】
第２燃料電池スタック２０から第２空間Ｓ２に排出された排ガス（酸化剤ガスと燃料ガスとを含む排ガス）は、第２燃焼器１１２の燃料として用いられる。つまり、第２燃焼器１１２は、第２燃料電池スタック２０から第２空間Ｓ２に排出された排ガス中の酸化剤ガスと燃料ガスを用いて燃焼する。そのため、第２燃料電池スタック２０が加熱される。これにより、第２燃料電池スタック２０が迅速に起動される。
【００５５】
この場合、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、以下の効果を奏する。
【００５６】
燃料電池システム１０は、第１燃料電池スタック１８と、第１燃料電池スタック１８に対して離間した状態で第１燃料電池スタック１８の外周を覆うように配置された第２燃料電池スタック２０とを備える。第１燃料電池スタック１８および第２燃料電池スタック２０のそれぞれは、固体酸化物形燃料電池を有する。
【００５７】
これにより、燃料電池システム１０の起動時に第１燃料電池スタック１８のみを先に起動することができるため、燃料電池スタックの全体（第１燃料電池スタック１８と第２燃料電池スタック２０の両方）を起動する場合と比較して熱容量を小さくすることができる。また、第１燃料電池スタック１８を起動する際に第１燃料電池スタック１８の放熱を第２燃料電池スタック２０の昇温に利用することができる。したがって、燃料電池システム１０の起動時間を効率的に短縮することができる。さらに、部分負荷で運転する際に第１燃料電池スタック１８および第２燃料電池スタック２０のいずれかのみを運転させることができるため、燃料利用率の低下を抑えることができる。よって、部分負荷で運転する際に発電効率の低下を抑えることができる。
【００５８】
第１燃料電池スタック１８は、第１燃料電池スタック１８と第２燃料電池スタック２０との間の空間（第１空間Ｓ１）に向けて排ガスを排出している。これにより、第１燃料電池スタック１８から排出された排ガスにより第２燃料電池スタック２０を昇温することができる。つまり、第２燃料電池スタック２０を暖気状態にしておくことができるため、燃料電池システム１０の負荷が増大した場合に第２燃料電池スタック２０を迅速に運転することができる。
【００５９】
第２燃料電池スタック２０は、第１燃料電池スタック１８から排出された排ガスを用いて発電している。これにより、第２燃料電池スタック２０を効率的に運転させることができる。
【００６０】
第１燃料電池スタック１８と第２燃料電池スタック２０との間の空間（第１空間Ｓ１）には、第１燃料電池スタック１８を加熱する加熱装置（第１加熱装置２２）が配置されている。これにより、加熱装置（第１加熱装置２２）によって第１燃料電池スタック１８を効率的に昇温させることができる。
【００６１】
加熱装置（第１加熱装置２２）は、第１燃料電池スタック１８から排出された排ガスを用いて燃焼する燃焼器（第１燃焼器１０６）を有する。これにより、第１燃料電池スタック１８の起動時間を効率的に短縮することができる。
【００６２】
燃焼器（第１燃焼器１０６）は、第１燃料電池スタック１８の周方向に互いに離間して配設された複数の燃焼部（第１燃焼部１１０）を含んでいる。これにより、第１燃料電池スタック１８の全体を均等に昇温することができる。
【００６３】
第２燃料電池スタック２０は、環状に構成されている。これにより、第２燃料電池スタック２０によって第１燃料電池スタック１８の放熱を効果的に抑えることができる。
【００６４】
燃料電池システム１０は、第１燃料電池スタック１８を第２燃料電池スタック２０よりも先に起動するように制御する制御部１７を備える。これにより、制御部１７によって第１燃料電池スタック１８のみを先に起動させることができる。
【００６５】
第１燃料電池スタック１８と第２燃料電池スタック２０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、第１燃料電池スタック１８に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、を備え、第２燃料電池スタック２０は、第１燃料電池スタック１８から排出された酸化剤ガスを含む排ガスと燃料ガス供給装置１６から供給された燃料ガスとを用いて発電する。このような構成によれば、燃料電池システム１０が部分負荷または低負荷で発電する場合に、第１燃料電池スタック１８および第２燃料電池スタック２０のいずれかのみを運転させることができる。これにより、発電効率の低下を抑制することができる。
【００６６】
第２燃料電池スタック２０の外周側には、第２燃料電池スタック２０を加熱する外側加熱装置（第２加熱装置２４）が配設されている。これにより、第２燃料電池スタック２０を外側加熱装置（第２加熱装置２４）によって加熱することができるため、第２燃料電池スタック２０の起動時間を効率的に短縮することができる。
【００６７】
第１燃料電池スタック１８は、複数の第１単位セル２８が互いに積層されて形成されている。第２燃料電池スタック２０は、複数の第２単位セル６８が複数の第１単位セル２８と同じ方向に互いに積層されて形成されている。第２燃料電池スタック２０は、複数の第１単位セル２８の積層方向と直交する方向に位置している。これにより、燃料電池システム１０をコンパクトに構成することができる。
【００６８】
次に、変形例に係る第１燃料電池スタック１８ａについて図５Ａを参照しながら説明する。本変形例に係る第１燃料電池スタック１８ａでは、上述した第１燃料電池スタック１８と同一の構成については同一の参照符号を付し、その詳細な説明については省略する。後述する他の変形例に係る第１燃料電池スタック１８ｂについても同様である。
【００６９】
図５Ａに示すように、第１燃料電池スタック１８ａの第１単位セル２８ａは、セル本体１３０、ガス導入部１３２および連結部１３４を備える。セル本体１３０は、第１電解質・電極構造体４２を有する。円形状のセル本体１３０には、酸化剤ガス供給連通孔３８が形成されている。円形状のガス導入部１３２には、複数の第１単位セル２８ａの積層方向（図５Ａの紙面と直交する方向）に沿って延在した第１燃料ガス供給連通孔４０が形成されている。連結部１３４は、ガス導入部１３２とセル本体１３０とを互いに連結する。連結部１３４には、第１燃料ガス供給連通孔４０の燃料ガスをセル本体１３０の第１電解質・電極構造体４２に導くためのガス導入路１３６が形成されている。
【００７０】
このような第１燃料電池スタック１８ａによれば、燃料ガスは、第１燃料ガス供給連通孔４０からガス導入路１３６を介して第１電解質・電極構造体４２の第１アノード電極５２に供給される。このような第１燃料電池スタック１８ａであっても、上述した第１燃料電池スタック１８と同様の効果を奏する。
【００７１】
第１燃料電池スタック１８ａでは、セル本体１３０に第１燃料ガス供給連通孔４０を形成するとともにガス導入部１３２に酸化剤ガス供給連通孔３８を形成してもよい。
【００７２】
次に、他の変形例に係る第１燃料電池スタック１８ｂについて図５Ｂを参照しながら説明する。図５Ｂに示すように、第１燃料電池スタック１８ｂの第１単位セル２８ｂは、セル本体１４０、第１ガス導入部１４２、第１連結部１４４、第２ガス導入部１４６および第２連結部１４８を備える。
【００７３】
円形状のセル本体１４０は、第１電解質・電極構造体４２を有する。円形状の第１ガス導入部１４２には、複数の第１単位セル２８ｂの積層方向（図５Ｂの紙面と直交する方向）に沿って延在した第１燃料ガス供給連通孔４０が形成されている。第１連結部１４４は、第１ガス導入部１４２とセル本体１４０とを互いに連結する。第１連結部１４４には、第１燃料ガス供給連通孔４０の燃料ガスをセル本体１４０の第１電解質・電極構造体４２に導くための第１ガス導入路１５０が形成されている。
【００７４】
円形状の第２ガス導入部１４６には、複数の第１単位セル２８ｂの積層方向（図５Ｂの紙面と直交する方向）に沿って延在した酸化剤ガス供給連通孔３８が形成されている。第２連結部１４８は、第２ガス導入部１４６とセル本体１４０とを互いに連結する。第２連結部１４８には、酸化剤ガス供給連通孔３８の酸化剤ガスをセル本体１４０の第１電解質・電極構造体４２に導くための第２ガス導入路１５２が形成されている。第１ガス導入部１４２と第２ガス導入部１４６とは、セル本体１４０を挟んだ反対側に位置している。ただし、第１ガス導入部１４２と第２ガス導入部１４６とは、任意の位置に配置することができる。
【００７５】
このような第１燃料電池スタック１８ｂによれば、燃料ガスは、第１燃料ガス供給連通孔４０から第１ガス導入路１５０を介して第１電解質・電極構造体４２の第１アノード電極５２に供給される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３８から第２ガス導入路１５２を介して第１電解質・電極構造体４２の第１カソード電極５０に供給される。このような第１燃料電池スタック１８ｂであっても、上述した第１燃料電池スタック１８と同様の効果を奏する。
【００７６】
次に、変形例に係る第２燃料電池スタック２０ａについて図５Ｃを参照しながら説明する。本変形例に係る第２燃料電池スタック２０ａでは、上述した第２燃料電池スタック２０と同一の構成については同一の参照符号を付し、その詳細な説明については省略する。
【００７７】
図５Ｃに示すように、第２燃料電池スタック２０ａの第２単位セル６８ａは、セル本体１６０、ガス導入部１６２および連結部１６４を備える。円環状のセル本体１６０は、第２電解質・電極構造体７８を有する。円形状のガス導入部１６２には、複数の第２単位セル６８ａの積層方向（図５Ｃの紙面と直交する方向）に沿って延在した第２燃料ガス供給連通孔７６が形成されている。連結部１６４は、ガス導入部１６２とセル本体１６０とを互いに連結する。連結部１６４には、第２燃料ガス供給連通孔７６の燃料ガスをセル本体１６０に導くためのガス導入路１６６が形成されている。
【００７８】
このような第２燃料電池スタック２０ａによれば、燃料ガスは、第２燃料ガス供給連通孔７６からガス導入路１６６を介して第２電解質・電極構造体７８の第２アノード電極８８に供給される。なお、第１燃料電池スタック１８の排ガスに含まれる酸化剤ガスは、第１空間Ｓ１からセル本体１６０の第２電解質・電極構造体７８の第２カソード電極８６に供給される。このような第２燃料電池スタック２０ａであっても、上述した第２燃料電池スタック２０と同様の効果を奏する。第２燃料電池スタック２０ａは、上述した第１燃料電池スタック１８、１８ａ、１８ｂと適宜組み合わせることができる。
【００７９】
本発明は、上述した構成に限定されない。燃料電池システム１０では、第２燃料電池スタック２０、２０ａの外周側に１つ以上の環状の燃料電池を径方向に重なるように配置してもよい。すなわち、燃料電池システム１０では、燃料電池を径方向に３重以上に重なるように配置してもよい。
【００８０】
第１燃料電池スタック１８、１８ａ、１８ｂは、第２燃料電池スタック２０、２０ａの内側（第１空間Ｓ１）に２つ以上設けられていてもよい。この場合、運転を行う第１燃料電池スタック１８、１８ａ、１８ｂの数を調整することにより、発電量を容易に変更することができる。
【００８１】
第２燃料電池スタックは、複数の第２単位セルの積層方向からの平面視で円弧状に延在していてもよい。この場合、第２燃料電池スタックを複数設けるとともにこれら第２燃料電池スタックを円環状に配置してもよい。第１燃料電池スタック１８、１８ａ、１８ｂには、酸化剤ガスに対して燃料ガスを余剰に供給し、第１空間Ｓ１から第２燃料電池スタック２０、２０ａに余剰の燃料ガスを供給するようにしてもよい。この場合、第２燃料電池スタック２０、２０ａは、第２燃料ガス供給連通孔７６に換えて酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔が形成される。
【００８２】
本発明に係る燃料電池システムは、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【符号の説明】
【００８３】
１０…燃料電池システム                  １４…酸化剤ガス供給装置
１６…燃料ガス供給装置
１８、１８ａ、１８ｂ…第１燃料電池スタック
２０、２０ａ…第２燃料電池スタック      ２２…第１加熱装置（加熱装置）
２４…第２加熱装置（外側加熱装置）      １０６…第１燃焼器
１１０…第１燃焼部                      １１２…第２燃焼器
１１６…第２燃焼部                      Ｓ１…第１空間
Ｓ２…第２空間
【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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