(57)【要約】【課題】プロトン伝導型の固体酸化物を用いた燃料電池を効率よく運転する。【解決手段】燃料電池システム１００は、ＢａＺｒＣｅＹＸＯ３−δ（ただし、Ｘ＝Ｓｃ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｄ、および、Ｙｂのうちいずれか１または複数）で示される固体酸化物を含む固体電解質２１４ｃを有する燃料電池本体２１４と、燃料電池本体２１４を４００℃以上７００℃未満とする温度調整部２３０と、固体電解質の厚みと、燃料電池本体２１４の電流密度との乗算値を１２．５μｍ・Ａ／ｃｍ２以上に維持する制御部１２０と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＢａＺｒＣｅＹＸＯ３−δ（ただし、Ｘ＝Ｓｃ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｄ、および、Ｙｂのうちいずれか１または複数）で示される固体酸化物を含む固体電解質を有する燃料電池本体と、
前記燃料電池本体を４００℃以上７００℃未満とする温度調整部と、
前記固体電解質の厚みと、前記燃料電池本体の電流密度との乗算値を１２．５μｍ・Ａ／ｃｍ２以上に維持する制御部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記Ｘは、ＧｄおよびＹｂのいずれか一方または両方である請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
炭化水素およびアルコールのいずれか一方または両方を水素に改質する改質器をさらに備え、
前記改質器は、前記燃料電池本体によって加熱され、
前記温度調整部は、前記燃料電池本体を５００℃以上７００℃未満とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池本体は、燃料極と、空気極とを有し、
前記制御部は、前記乗算値を１２．５μｍ・Ａ／ｃｍ２以上に維持するように、前記燃料極に供給する水素の量、および、前記温度調整部のいずれか一方または両方を制御する請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロトン伝導型の固体酸化物を用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、酸素イオン（Ｏ２−）を伝導イオンとした固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）が広く利用されている。しかし、従来のＳＯＦＣは、燃料極（アノード）側で水が生成されるため、燃料の濃度が低下してしまうという問題がある。
【０００３】
そこで、プロトン（Ｈ＋）を伝導イオンとしたプロトン伝導型の固体酸化物を固体電解質として採用したプロトン伝導型燃料電池（ＰＣＦＣ：Proton-conducting Ceramic-electrolyte Fuel Cell）が、次世代の燃料電池として注目されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１００１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ＰＣＦＣの効率的な運転条件が解明されていない。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑み、プロトン伝導型の固体酸化物を用いた燃料電池を効率よく運転することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、ＢａＺｒＣｅＹＸＯ３−δ（ただし、Ｘ＝Ｓｃ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｄ、および、Ｙｂのうちいずれか１または複数）で示される固体酸化物を含む固体電解質を有する燃料電池本体と、前記燃料電池本体を４００℃以上７００℃未満とする温度調整部と、前記固体電解質の厚みと、前記燃料電池本体の電流密度との乗算値を１２．５μｍ・Ａ／ｃｍ２以上に維持する制御部と、を備える。
【０００８】
また、前記Ｘは、ＧｄおよびＹｂのいずれか一方または両方であってもよい。
【０００９】
また、炭化水素およびアルコールのいずれか一方または両方を水素に改質する改質器をさらに備え、前記改質器は、前記燃料電池本体によって加熱され、前記温度調整部は、前記燃料電池本体を５００℃以上７００℃未満としてもよい。
【００１０】
また、前記燃料電池本体は、燃料極と、空気極とを有し、前記制御部は、前記乗算値を１２．５μｍ・Ａ／ｃｍ２以上に維持するように、前記燃料極に供給する水素の量、および、前記温度調整部のいずれか一方または両方を制御してもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、プロトン伝導型の固体酸化物を用いた燃料電池を効率よく運転することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】燃料電池システムを説明する図である。
【図２】固体電解質を伝導するイオンを説明する図である。
【図３】酸素分圧に対する、ＢＺＣＹＸ電解質のイオン輸率の変化を説明する図である。
【図４】ＢＺＣＹＸ電解質のイオン導電率の温度依存性を説明する図である。
【図５】燃料電池本体の電流密度と、リーク電流との関係を説明する図である。
【図６】燃料電池本体の電流密度と、燃料利用率との関係を説明する図である。
【図７】燃料電池本体の電流密度と、発電効率η[％]との関係を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１４】
（燃料電池システム１００）
図１は、燃料電池システム１００を説明する図である。なお、図１中、ガスの流れを実線の矢印で示し、制御信号の流れを破線の矢印で示す。
【００１５】
図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池ユニット１１０と、制御部１２０とを含んで構成される。
【００１６】
（燃料電池ユニット１１０）
燃料電池ユニット１１０は、燃料電池モジュール２１０と、ブロワ２２０と、温度調整部２３０とを含んで構成される。燃料電池モジュール２１０は、改質器２１２と、燃料電池本体２１４とを含む。
【００１７】
改質器２１２には、炭化水素の水蒸気改質反応を促進する触媒が収容されている。改質器２１２は、後述する燃料電池本体２１４によって所定温度に加熱される。改質器２１２は、燃料供給管２１２ａが接続され、燃料供給管２１２ａを通じて、炭化水素（ＣｎＨｍ、例えば、都市ガス）および水蒸気が供給される。燃料供給管２１２ａには、流量調整弁２１２ｂが設けられる。
【００１８】
改質器２１２に炭化水素および水蒸気が供給されると、下記反応式（１）および反応式（２）に示す水蒸気改質反応が進行し、炭化水素が水素（Ｈ２）や一酸化炭素（ＣＯ）に改質される。
ＣｎＨｍ  ＋  ｎＨ２Ｏ  →  ｎＣＯ  ＋  （ｍ／２＋ｎ）Ｈ２      …反応式（１）
ＣＯ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２  ＋  Ｈ２      …反応式（２）
【００１９】
このようにして、改質器２１２では、水素（以下、「燃料」と称する）が生成される。そして、改質器２１２で生成された燃料は、燃料電池本体２１４の燃料極２１４ａに供給されることとなる。
【００２０】
ブロワ２２０は、燃料電池本体２１４の空気極２１４ｂに酸素含有ガス（例えば、空気）を供給する。
【００２１】
燃料電池本体２１４（セルスタック）は、プロトン伝導型燃料電池（ＰＣＦＣ）である。燃料電池本体２１４は、燃料極２１４ａと、空気極２１４ｂと、固体電解質２１４ｃとを含んで構成される。
【００２２】
燃料極２１４ａ（アノード）は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）やジルコニア（Ｚｒ）を含んで構成される。空気極２１４ｂ（カソード）は、例えば、ランタンマンガナイト（ＬＳＭ）を含んで構成される。
【００２３】
固体電解質２１４ｃは、プロトン伝導型の固体酸化物を含んで構成される。プロトン伝導型の固体酸化物を含む固体電解質２１４ｃを有する燃料電池本体２１４は、イオンとして主にプロトン（Ｈ＋）を伝導させる。したがって、燃料極２１４ａに燃料が供給されることにより、下記反応式（３）に示す酸化反応が進行し、空気極２１４ｂに空気が供給されることにより、下記反応式（４）に示す還元反応が進行する。そして、プロトンが固体電解質２１４ｃを伝導（移動）することにより、燃料電池本体２１４が発電する。つまり、燃料電池本体２１４は、燃料と酸素によって発電することとなる。
Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−      …反応式（３）
１／２Ｏ２  ＋  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ      …反応式（４）
【００２４】
また、燃料電池本体２１４において、上記反応式（３）、反応式（４）に示す反応が進行し、発電が為されると、熱が発生する。
【００２５】
本実施形態において、プロトン伝導型の固体酸化物は、ＢａＺｒＣｅＹＸＯ３−δ（ただし、Ｘ＝Ｓｃ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｄ、および、Ｙｂのうちいずれか１または複数）で示される酸化物であり、好ましくは、ＸがＧｄおよびＹｂのいずれか一方または両方である。なお、ＢａＺｒＣｅＹＸＯ３−δ（ただし、Ｘ＝Ｓｃ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｄ、および、Ｙｂのうちいずれか１または複数）における各元素（Ｂａ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｙ、Ｓｃ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｄ、Ｙｂ）の含有率に限定はない。
【００２６】
固体電解質２１４ｃが、ＢａＺｒＣｅＹＸＯ３−δ（ただし、Ｘ＝Ｓｃ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｄ、および、Ｙｂのうちいずれか１または複数）を含むことにより、酸化物イオン伝導型の固体酸化物（例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア））を含む固体電解質を備えた従来の燃料電池本体（従来のＳＯＦＣ）と比較して、燃料極２１４ａ中の燃料の濃度低下を防止することができ、発電効率を向上させることが可能となる。
【００２７】
また、固体電解質２１４ｃが、ＢａＺｒＣｅＹＸＯ３−δ（ただし、Ｘ＝Ｓｃ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｄ、および、Ｙｂのうちいずれか１または複数）を含むことにより、従来のＳＯＦＣと比較して低温で発電させることが可能となる。
【００２８】
さらに、プロトン伝導型の固体酸化物として、ＢａＺｒＣｅＹＸＯ３−δ（ただし、Ｘ＝Ｓｃ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｄ、および、Ｙｂのうちいずれか１または複数）を採用することにより、ＢａＺｒＣｅＹＯ３−δと比較して、化学安定性を向上させることができる。
【００２９】
また、固体電解質２１４ｃが、ＢａＺｒＣｅＹＸＯ３−δ（ただし、Ｘ＝Ｇｄ、および、Ｙｂのうちいずれか一方または両方）を含むことにより、発電効率をさらに向上させることができる。
【００３０】
温度調整部２３０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成される。温度調整部２３０は、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出す。温度調整部２３０は、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して、ブロワ２２０を制御する。本実施形態において、温度調整部２３０は、燃料電池本体２１４（燃料電池モジュール２１０）が４００℃以上７００℃未満、好ましくは５００℃以上７００℃未満となるように、ブロワ２２０によって供給される空気の量を調整する。
【００３１】
図２は、固体電解質２１４ｃを伝導するイオンを説明する図である。上記したように、プロトン伝導型の固体酸化物を含む固体電解質２１４ｃは、主にプロトン（Ｈ＋）を伝導させる。また、図２に示すように、固体電解質２１４ｃは、プロトンに加えて、酸素イオン（Ｏ２−）、電子（ｅ−）、ホール（ｈ＋）を伝導させる。ここで、ホール（正孔）の伝導は、固体電解質２１４ｃ内においてリーク電流（漏れ電流）を生じさせるため、燃料電池本体２１４のエネルギー効率や出力を低下させる原因となる。
【００３２】
そこで、ＢａＺｒＣｅＹＸＯ３−δを含む固体電解質（以下、「ＢＺＣＹＸ電解質」と称する）の温度および酸素分圧を変化させて、イオン輸率を導出した。具体的に説明すると、ＢＺＣＹＸ電解質を電気炉に収容して所定の温度（５５０℃、６００℃、７００℃）に維持し、ＢＺＣＹＸ電解質の導電率を測定しながら、電気炉に供給するガスの酸素分圧を変化させた。そして、測定した導電率からイオン輸率を導出した。
【００３３】
図３は、酸素分圧に対する、ＢＺＣＹＸ電解質のイオン輸率の変化を説明する図である。図３（ａ）、図３（ｂ）は、ＢＺＣＹＸ電解質を５５０℃とした場合を示す。図３（ｃ）、図３（ｄ）は、ＢＺＣＹＸ電解質を６００℃とした場合を示す。図３（ｅ）、図３（ｆ）は、ＢＺＣＹＸ電解質を７００℃とした場合を示す。
【００３４】
なお、図３（ａ）、図３（ｃ）、図３（ｅ）中、Ｘ＝Ｇａを黒丸で、Ｘ＝Ｉｎを黒三角で、Ｘ＝Ｙｂを白三角で示す。図３（ｂ）、図３（ｄ）、図３（ｆ）中、Ｘ＝Ｓｃを白四角で、Ｘ＝Ｇｄを白丸で示す。また、図３（ａ）〜図３（ｆ）中、縦軸をイオン輸率とし、横軸を酸素分圧（ｌｏｇ（ＰＯ２[ａｔｍ]））とする。つまり、横軸は、固体電解質２１４ｃの厚み方向に対応し、右側（酸素分圧が大きい側）に向かう方向が空気極２１４ｂに近づく方向であり、左側（酸素分圧が小さい側）に向かう方向が燃料極２１４ａに近づく方向である。
【００３５】
図３（ａ）図３（ｂ）に示すように、５５０℃において、ＢＺＣＹＸ電解質におけるＸがＧａ、Ｓｃ、Ｉｎの場合には、酸素分圧が増加してもイオン輸率はほとんど低下しない。これに対し、ＢＺＣＹＸ電解質におけるＸがＹｂ、Ｇｄの場合には、酸素分圧が増加するに従ってイオン輸率が低下することが分った。
【００３６】
また、図３（ｃ）、図３（ｄ）に示すように、６００℃にすると、ＢＺＣＹＸ電解質におけるＸがＧａ、Ｓｃ、Ｉｎの場合であっても、酸素分圧が増加するに従ってイオン輸率が若干低下することが確認された。また、ＢＺＣＹＸ電解質におけるＸがＹｂ、Ｇｄの場合には、酸素分圧が増加するに従って、ＸがＧａ、Ｓｃ、Ｉｎの場合よりもイオン輸率が低下することが分った。
【００３７】
さらに、図３（ｅ）、図３（ｆ）に示すように、７００℃にすると、ＢＺＣＹＸ電解質におけるＸの元素にかかわらず、酸素分圧が増加するに従ってイオン輸率が急激に低下することが確認された。
【００３８】
以上の実験結果から、ＢＺＣＹＸ電解質は、７００℃以上になるとイオン輸率が著しく低下することが分った。つまり、ＢＺＣＹＸ電解質は、７００℃以上になるとホールの伝導が急激に増加することが確認された。
【００３９】
つまり、燃料電池本体２１４が７００℃以上であると、７００℃未満である場合と比較して、イオン輸率が低下する。したがって、温度調整部２３０が燃料電池本体２１４を７００℃未満とすることにより、燃料電池本体２１４の発電効率を向上させることができる。
【００４０】
また、上記実験結果から温度が低い方がＢＺＣＹＸ電解質のイオン輸率が高いことが確認された。しかし、温度を低くしすぎるとＢＺＣＹＸ電解質のイオン導電率が低下する。そこで、温度を変化させつつ、ＢＺＣＹＸ電解質のイオン導電率を測定した。
【００４１】
図４は、ＢＺＣＹＸ電解質のイオン導電率の温度依存性を説明する図である。図４中、縦軸をイオン導電率（ｌｏｇ（σ[Ｓｃｍ−１]））とし、横軸を温度（１０００／Ｔ[Ｋ]、[℃]）とする。なお、図４では、ＢＺＣＹＸ電解質においてＸがＧｄの場合についてのイオン導電率を示す。
【００４２】
図４に示すように、温度が低下するに従って、ＢＺＣＹＸ電解質のイオン導電率が低下することが分った。また、４００℃であっても、ＢＺＣＹＸ電解質のイオン導電率が、燃料電池本体２１４の高効率運転の指標である５×１０−３Ｓｃｍ−１（≒−２．３（ｌｏｇ（σ[Ｓｃｍ−１]）））以上であることが確認された。
【００４３】
したがって、温度調整部２３０が燃料電池本体２１４を４００℃以上に維持することにより、燃料電池本体２１４の発電効率を所定値以上とすることができる。
【００４４】
また、上記したように、燃料電池本体２１４は、改質器２１２を加熱する。燃料電池本体２１４が５００℃未満である場合には、５００℃以上である場合と比較して、改質器２１２における水蒸気改質反応（上記反応式（１）、反応式（２））の反応効率が低い。したがって、温度調整部２３０が燃料電池本体２１４を５００℃以上とすることにより、改質器２１２における水蒸気改質反応の反応効率を向上させることができる。つまり、改質器２１２において生成される燃料の量を増加させることが可能となる。
【００４５】
（制御部１２０）
図１に戻って説明すると、制御部１２０（パワーコンディショナー）は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成される。制御部１２０は、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出す。制御部１２０は、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して、燃料電池システム１００全体を管理および制御する。制御部１２０は、燃料電池本体２１４から直流電力を取りだし、交流電力に変換して、負荷に供給する。
【００４６】
また、本実施形態において、制御部１２０は、流量調整弁２１２ｂ、および、温度調整部２３０のいずれか一方または両方を制御する。具体的に説明すると、制御部１２０は、燃料電池本体２１４の電流密度が所定値となるように、流量調整弁２１２ｂ、および、温度調整部２３０のいずれか一方または両方を制御する。
【００４７】
燃料電池本体２１４の発電電流の電流密度（以下、単に「電流密度」と称する）を増加させた場合のリーク電流を測定した。また、燃料電池本体２１４の電流密度を増加させた場合の燃料利用率Ｕｆ[％]を算出した。さらに、リーク電流および燃料利用率Ｕｆに基づいて、燃料電池本体２１４の電流密度と、発電効率η[％]との関係を導き出した。なお、燃料電池本体２１４における固体電解質２１４ｃの厚み（燃料極２１４ａと空気極２１４ｂとの間の距離、膜厚）は、２５μｍとした。
【００４８】
図５は、燃料電池本体２１４の電流密度と、リーク電流との関係を説明する図である。図５（ａ）は、燃料電池本体２１４を５５０℃とした場合を示す。図５（ｂ）は、燃料電池本体２１４を６００℃とした場合を示す。図５（ｃ）は、燃料電池本体２１４を７００℃とした場合を示す。図５（ａ）〜図５（ｃ）中、縦軸を発電電流密度に対するリーク電流密度の比（ｉｌｅａｋ／ｉｅｘｔ）とし、横軸を電流密度（ｉｅｘｔ[Ａｃｍ−２]）とする。
【００４９】
図６は、燃料電池本体２１４の電流密度と、燃料利用率Ｕｆとの関係を説明する図である。図６（ａ）は、燃料電池本体２１４を５５０℃とした場合を示す。図６（ｂ）は、燃料電池本体２１４を６００℃とした場合を示す。図６（ｃ）は、燃料電池本体２１４を７００℃とした場合を示す。図６（ａ）〜図６（ｃ）中、縦軸を燃料利用率Ｕｆ[％]とし、横軸を電流密度（ｉｅｘｔ[Ａｃｍ−２]）とする。
【００５０】
図７は、燃料電池本体２１４の電流密度と、発電効率η[％]との関係を説明する図である。図７（ａ）は、燃料電池本体２１４を５５０℃とした場合を示す。図７（ｂ）は、燃料電池本体２１４を６００℃とした場合を示す。図７（ｃ）は、燃料電池本体２１４を７００℃とした場合を示す。図７（ａ）〜図７（ｃ）中、縦軸を発電効率η[％]、横軸を電流密度（ｉｅｘｔ[Ａｃｍ−２]）とする。
【００５１】
なお、図５（ａ）〜図５（ｃ）、図６（ａ）〜図６（ｃ）、図７（ａ）〜図７（ｃ）において、Ｘ＝Ｇａを黒丸で、Ｘ＝Ｓｃを白四角で、Ｘ＝Ｉｎを黒三角で、Ｘ＝Ｙｂを白三角で、Ｘ＝Ｇｄを白丸で示す。また、図６（ａ）〜図６（ｃ）、図７（ａ）〜図７（ｃ）において、ＹＳＺを用いた従来のＳＯＦＣの値を破線で示す。
【００５２】
（リーク電流について）
図５（ａ）〜図５（ｃ）に示すように、燃料電池本体２１４の温度にかかわらず、電流密度を上昇させるに従ってリーク電流が減少することが確認された。
【００５３】
（燃料利用率Ｕｆについて）
燃料電池本体２１４が５５０℃である場合、図６（ａ）に示すように、固体電解質２１４ｃのＢＺＣＹＸ電解質のＸがＳｃ、Ｉｎであると、電流密度にかかわらず、燃料利用率Ｕｆは、従来のＳＯＦＣと同様（７５％程度）であった。一方、固体電解質２１４ｃのＢＺＣＹＸ電解質のＸがＹｂ、Ｇｄであると、電流密度が上昇するに従って、燃料利用率Ｕｆが上昇することが確認された。また、ＸがＹｂである場合には、電流密度が０．３５Ａｃｍ−２以上であると燃料利用率Ｕｆが７０％以上となり、電流密度が０．７５Ａｃｍ−２以上であると従来のＳＯＦＣと同程度の燃料利用率Ｕｆとなることが分った。一方、ＸがＧｄである場合には、電流密度が０．５Ａｃｍ−２以上であると燃料利用率Ｕｆが７０％以上となり、電流密度が１．０Ａｃｍ−２以上であると従来のＳＯＦＣと同程度の燃料利用率Ｕｆとなることが確認された。
【００５４】
燃料電池本体２１４が６００℃である場合、図６（ｂ）に示すように、固体電解質２１４ｃのＢＺＣＹＸ電解質のＸがＧａであると、燃料利用率Ｕｆは、従来のＳＯＦＣと同様（７５％程度）であった。一方、固体電解質２１４ｃのＢＺＣＹＸ電解質のＸがＳｃ、Ｉｎ、Ｙｂ、Ｇｄであると、電流密度が上昇するに従って、燃料利用率Ｕｆが上昇することが確認された。また、ＸがＳｃ、Ｉｎである場合には、電流密度が０．２５Ａｃｍ−２以上であると燃料利用率Ｕｆが７０％以上となり、電流密度が０．３５Ａｃｍ−２以上であると従来のＳＯＦＣと同程度の燃料利用率Ｕｆとなることが分った。一方、ＸがＹｂである場合には、電流密度が０．５Ａｃｍ−２以上であると燃料利用率Ｕｆが７０％以上となり、電流密度が１．０Ａｃｍ−２以上であると従来のＳＯＦＣと同程度の燃料利用率Ｕｆとなることが分った。また、ＸがＧｄである場合には、電流密度が０．７５Ａｃｍ−２以上であると燃料利用率Ｕｆが７０％以上となり、電流密度が１．０Ａｃｍ−２以上であると従来のＳＯＦＣと同程度の燃料利用率Ｕｆとなることが確認された。
【００５５】
また、燃料電池本体２１４が７００℃である場合、図６（ｃ）に示すように、固体電解質２１４ｃのＢＺＣＹＸ電解質のＸがＧａであると、燃料利用率Ｕｆは、従来のＳＯＦＣと同様（７５％程度）であった。一方、固体電解質２１４ｃのＢＺＣＹＸ電解質のＸがＳｃ、Ｉｎ、Ｙｂ、Ｇｄであると、電流密度が上昇するに従って、燃料利用率Ｕｆが上昇することが確認された。また、ＸがＳｃ、Ｉｎである場合には、電流密度が０．５Ａｃｍ−２以上であると燃料利用率Ｕｆが７０％以上となり、電流密度が０．７５Ａｃｍ−２以上であると従来のＳＯＦＣと同程度の燃料利用率Ｕｆとなることが分った。一方、ＸがＹｂである場合には、電流密度が０．７５Ａｃｍ−２以上であると燃料利用率Ｕｆが６０％以上となり、電流密度が１．０Ａｃｍ−２以上であると燃料利用率Ｕｆが６８％程度となることが分った。また、ＸがＧｄである場合には、電流密度が１．０Ａｃｍ−２以上であると燃料利用率Ｕｆが６４％程度となることが確認された。
【００５６】
（発電効率ηについて）
図７（ａ）〜図７（ｃ）に示すように、従来のＳＯＦＣは、電流密度を上昇させると内部抵抗が増加するため発電効率ηが低下する。一方、燃料電池本体２１４は、電流密度を上昇させた場合に、内部抵抗は増加するものの、上記図５（ａ）〜図５（ｃ）に示したようにリーク電流が減少し、上記図６（ａ）〜図６（ｃ）に示したように、燃料利用率Ｕｆが上昇するため、発電効率ηは上昇する。
【００５７】
具体的に説明すると、図７（ａ）に示すように、燃料電池本体２１４が５５０℃である場合、固体電解質２１４ｃのＢＺＣＹＸ電解質のＸがＳｃ、Ｉｎであると、電流密度が上昇するに従って発電効率ηは低下するものの、従来のＳＯＦＣより高い発電効率ηであった。一方、固体電解質２１４ｃのＢＺＣＹＸ電解質のＸがＹｂ、Ｇｄであると、電流密度が約０．５Ａｃｍ−２までは電流密度が上昇するに従って、発電効率ηが上昇し、電流密度が０．５Ａｃｍ−２以上では高い発電効率ηを維持することが確認された。また、電流密度が０．５Ａｃｍ−２以上であると発電効率ηが６８％程度になることが分った。
【００５８】
また、図７（ｂ）に示すように、燃料電池本体２１４が６００℃である場合、固体電解質２１４ｃのＢＺＣＹＸ電解質のＸがＳｃ、Ｉｎであると、電流密度が上昇するに従って発電効率ηは低下するものの、従来のＳＯＦＣより高い発電効率であった。一方、固体電解質２１４ｃのＢＺＣＹＸ電解質のＸがＹｂ、Ｇｄであると、電流密度が約０．５Ａｃｍ−２までは電流密度が上昇するに従って、発電効率ηが上昇し、電流密度が０．５Ａｃｍ−２以上では高い発電効率ηを維持することが確認された。また、電流密度が０．５Ａｃｍ−２以上であると発電効率ηが６８％程度になることが分った。
【００５９】
一方、図７（ｃ）に示すように、燃料電池本体２１４が７００℃である場合、ＸがＧａ、Ｉｎ以外は、電流密度が上昇すると、発電効率ηは上昇するものの、従来のＳＯＦＣより発電効率が低いことが確認された。
【００６０】
以上の実験結果から、制御部１２０は、固体電解質２１４ｃの厚みが２５μｍである場合、燃料電池本体２１４の電流密度（発電電流の電流密度）が０．５Ａ／ｃｍ２以上となるように、流量調整弁２１２ｂ、および、温度調整部２３０のいずれか一方または両方を制御することで、従来のＳＯＦＣより高い発電効率ηを実現することができる。つまり、制御部１２０は、固体電解質２１４ｃの厚みと、燃料電池本体２１４の電流密度（発電電流の電流密度）との乗算値が１２．５μｍ・Ａ／ｃｍ２以上となるように流量調整弁２１２ｂ、および、温度調整部２３０のいずれか一方または両方を制御する。これにより、従来のＳＯＦＣと比較して高い発電効率ηで燃料電池本体２１４を運転させることが可能となる。
【００６１】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００６２】
例えば、上記実施形態において、改質器２１２に炭化水素が供給される構成を例に挙げて説明した。しかし、改質器２１２には、アルコール（例えば、バイオエタノール）が供給されてもよい。この場合、改質器２１２には、アルコールの水蒸気改質を促進する触媒が収容される。
【００６３】
また、上記実施形態において、燃料電池モジュール２１０が改質器２１２を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、改質器２１２は必須の構成ではない。例えば、水素源から燃料電池本体２１４の燃料極２１４ａに直接水素が供給されてもよい。
【００６４】
また、上記実施形態において、温度調整部２３０は、ブロワ２２０を制御して、燃料電池本体２１４の温度を４００℃以上７００℃未満とする構成を例に挙げて説明した。しかし、温度調整部２３０は、空気極２１４ｂに供給される空気（ブロワ２２０から吐出される空気）と、燃料電池本体２１４から排気される排気ガスとを熱交換する熱交換器で構成されてもよい。この場合、温度調整部２３０は、空気を予熱し、排気ガスを冷却することで、燃料電池本体２１４の温度を４００℃以上７００℃未満とする。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、プロトン伝導型の固体酸化物を用いた燃料電池システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１００  燃料電池システム
１１０  燃料電池ユニット
１２０  制御部
２１０  燃料電池モジュール
２１２  改質器
２１４  燃料電池本体
２１４ｃ  固体電解質
２３０  温度調整部
【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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【図７】
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