(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備える第１の燃料電池スタックと、
固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備え、前記第１の燃料電池スタックよりも下流に配置されており、前記第１の燃料電池スタックの燃料極側から排出される排出ガスが、燃料極側に供給される第２の燃料電池スタックと、
前記第１の燃料電池スタックの上流に配置され、炭化水素燃料を改質して改質ガスを生成し、生成された改質ガスを前記第１の燃料電池スタックの燃料極側に供給する第１の改質器と、
前記第１の改質器に炭化水素燃料を供給する第１の燃料供給手段と、
を備え、
前記第１の燃料電池スタックの有効電極面積に対する前記第２の燃料電池スタックの有効電極面積の比、または、前記第１の燃料電池スタックのセル積層数に対する前記第２の燃料電池スタックのセル積層数の比は、０．３５以上０．６以下を満たし、
固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備え、前記第１の改質器よりも上流に配置されており、燃料極側から排出される、水蒸気を含む排出ガスを、前記第１の改質器に供給する第３の燃料電池スタックをさらに備え、
前記第１の燃料電池スタックの有効電極面積に対する前記第３の燃料電池スタックの有効電極面積の比、または、前記第１の燃料電池スタックのセル積層数に対する前記第３の燃料電池スタックのセル積層数の比は、０．１以上０．８以下を満たす、燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１の改質器に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Ｓと、前記第１の改質器に供給される単位時間当たりの炭化水素燃料の炭素原子数Ｃとの比であるスチームカーボン比Ｓ／Ｃは、１．６〜３．５である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
第１の燃料電池スタックおよび第２の燃料電池スタックの合計の燃料利用率は、８０％〜９５％である、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１の燃料電池スタックの有効電極面積に対する前記第２の燃料電池スタックの有効電極面積の比、または、前記第１の燃料電池スタックのセル積層数に対する前記第２の燃料電池スタックのセル積層数の比は、０．４以上０．６以下を満たす、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３の燃料電池スタックの上流に配置され、炭化水素燃料を改質して改質ガスを生成し、生成された改質ガスを前記第３の燃料電池スタックの燃料極側に供給する第２の改質器と、
前記第２の改質器に炭化水素燃料を供給する第２の燃料供給手段と、
をさらに備える、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】
前記第２の改質器に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Ｓと、前記第２の改質器に供給される単位時間当たりの炭化水素燃料の炭素原子数Ｃとの比であるスチームカーボン比Ｓ／Ｃは、１．６〜３．５である、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第１の燃料電池スタックの有効電極面積に対する前記第３の燃料電池スタックの有効電極面積の比、または、前記第１の燃料電池スタックのセル積層数に対する前記第３の燃料電池スタックのセル積層数の比は、０．３５以上０．８以下を満たす、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】
前記第１の燃料電池スタックの有効電極面積に対する前記第３の燃料電池スタックの有効電極面積の比、または、前記第１の燃料電池スタックのセル積層数に対する前記第３の燃料電池スタックのセル積層数の比は、０．４以上０．７以下を満たし、かつ、前記第１の改質器に供給される炭化水素燃料の流量と、前記第２の改質器に供給される炭化水素燃料の流量との比ｒ３は０．６≦ｒ３≦０．９を満たす、請求項５または請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記第１の燃料電池スタックの有効電極面積に対する前記第３の燃料電池スタックの有効電極面積の比、または、前記第１の燃料電池スタックのセル積層数に対する前記第３の燃料電池スタックのセル積層数の比は、０．５以上０．６以下を満たし、かつ、前記第１の改質器に供給される炭化水素燃料の流量と、前記第２の改質器に供給される炭化水素燃料の流量との比ｒ３は０．５≦ｒ３≦１．２を満たす、請求項５または請求項６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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、新たなエネルギー源として、燃料電池発電システムに対する注目が大きくなってきている。燃料電池発電システムに備えられる燃料電池としては、様々なタイプが存在するが中でも、固体酸化物を電解質として利用する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、最も発電効率が高い燃料電池であり有望であることが知られている。
【０００３】
ＳＯＦＣとして、固体酸化物電解質、燃料極、および空気極から構成されている単電池を複数備える燃料電池スタックが用いられる。ＳＯＦＣを用いた発電方法では、例えば、燃料となるメタン（ＣＨ４）および水蒸気を、ＳＯＦＣ外部の改質器に供給して水蒸気改質を行なうことで生成した水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）を、空気極に導入された空気中の酸素が電解質との界面で解離して発生する酸素イオン（Ｏ２−）と、電解質と燃料極との界面で電気化学的に反応させる。この電気化学的な反応により、水および二酸化炭素が生成され、そのときに放出された電子によって発電する。ＳＯＦＣを用いた発電方法では、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーへ直接変換するため、エネルギー変換ロスが小さく、高効率な発電が可能である。
【０００４】
例えば、特許文献１には、燃料電池内部で燃料ガスの通気方法をカスケード化（減数多段直列化）し、さらに複数のセル群間において、燃料ガスの流れる方向を制御することで高効率な燃料電池を提供できることが開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、水蒸気改質方式によるＳＯＦＣの発電効率向上に適した燃料電池システムが開示されており、具体的には、燃料の一部を改質器に供給し残りの一部を第二セルスタックに供給することで、従来の水蒸気改質方式と比較して改質器に供給する水量を削減し、発電効率を向上させることが可能な燃料電池システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２１０４４０号公報
【特許文献２】特開２０１３−２５８００４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載されているようなカスケード型の燃料電池では、より下流側の燃料電池スタック（セル群）に供給される燃料の濃度が低下し、その結果、この燃料電池スタックのセル電圧が低下してしまうおそれがある。燃料電池スタックのセル電圧が低下した場合、電極が酸化しやすくなり、燃料電池スタックの長期耐久性に影響が生じてしまう。
また、複数の燃料電池スタックを備える燃料電池システムでは、上流側の燃料電池スタックと下流側の燃料電池スタックとの燃料消費量の比率によってそれぞれのスタックでの燃料利用率が変化し、発電効率に影響を及ぼす。そのため、高い発電効率を得るためには、上記燃料消費量の比率を規定する必要がある。
【０００８】
さらに、特許文献２に記載されているような燃料電池システムでは、燃料の一部をバイパス配管から第二セルスタックに追加供給しているため、第二セルスタックに燃料を供給する配管内にて炭素の活量が上昇し、配管内あるいは第二セルスタック内部での炭素析出のリスクが高まるという問題が生じる。
【０００９】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、炭素析出が好適に抑制され、燃料電池スタックの長期耐久性に優れ、かつ高い発電効率が得られる燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題は以下の手段により解決される。
＜１＞  固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備える第１の燃料電池スタックと、固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備え、前記第１の燃料電池スタックよりも下流に配置されており、前記第１の燃料電池スタックの燃料極側から排出される排出ガスが、燃料極側に供給される第２の燃料電池スタックと、前記第１の燃料電池スタックの上流に配置され、炭化水素燃料を改質して改質ガスを生成し、生成された改質ガスを前記第１の燃料電池スタックの燃料極側に供給する第１の改質器と、前記第１の改質器に炭化水素燃料を供給する第１の燃料供給手段と、を備え、前記第１の燃料電池スタックでの燃料使用量（燃料が電気化学的に酸化される量）に対する前記第２の燃料電池スタックでの燃料使用量の比ｒ１は、０．３５≦ｒ１≦１．０を満たす、燃料電池システム。
【００１１】
上記比ｒ１が０．３５以上であることにより、第２の燃料電池スタックにおけるセル電圧の値がある程度維持され、第２の燃料電池スタックの電極（燃料極）の酸化が抑制される。そのため、燃料電池スタックの長期耐久性を確保することができる。さらに、上記の燃料電池システムでは、高い発電効率を得ることができる。
【００１２】
上記比ｒ１が１．０以下であることにより、第２の燃料電池スタックにおける燃料利用率が高くなりすぎることが抑制される。これにより、燃料電池スタックの長期安定性を維持するとともに、高い発電効率を得ることができる。
【００１３】
第１の燃料電池スタックから排出された排出ガス（水素、一酸化炭素を含む未反応ガス）を反応させることにより、第２の燃料電池スタックにて発電を行っており、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとの間に炭化水素燃料を追加で供給したりしていない。そのため、燃料電池システム内にて炭素活量の上昇が抑制され、炭素析出が好適に抑制される。
【００１４】
＜２＞  前記第１の改質器に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Ｓと、前記第１の改質器に供給される単位時間当たりの炭化水素燃料の炭素原子数Ｃとの比であるスチームカーボン比Ｓ／Ｃは、１．６〜３．５である、＜１＞に記載の燃料電池システム。
【００１５】
Ｓ／Ｃが上記数値範囲内にあることにより、炭化水素燃料が効率よく改質され、水素および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。
【００１６】
＜３＞  第１の燃料電池スタックおよび第２の燃料電池スタックの合計の燃料利用率は、８０％〜９５％である、＜１＞または＜２＞に記載の燃料電池システム。
【００１７】
合計の燃料利用率が８０％〜９５％であることにより、燃料電池システムにて高い発電効率が得られる。
【００１８】
＜４＞  前記比ｒ１は、０．３５≦ｒ１≦０．６を満たす、＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【００１９】
上記比ｒ１が０．３５以上０．６以下であることにより、第１の燃料電池スタックおよび第２の燃料電池スタックのそれぞれの燃料利用率が高くなりすぎることなく、系全体の高燃料利用率を達成することができるため、燃料電池システムにて、より高い発電効率を得ることができる。
【００２０】
＜５＞固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備え、前記第１の改質器よりも上流に配置されており、燃料極側から排出される、水蒸気を含む排出ガスを、前記第１の改質器に供給する第３の燃料電池スタックをさらに備え、前記第１の燃料電池スタックでの燃料使用量に対する前記第３の燃料電池スタックでの燃料使用量の比ｒ２は、０．１≦ｒ２≦０．８を満たす、＜１＞〜＜４＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【００２１】
上記比ｒ２が０．１以上であることにより、上記燃料電池システムにおいて、高い発電効率が得られる。
【００２２】
上記比ｒ２が０．８以下であることにより、第３の燃料電池スタックにおける燃料利用率の上昇が抑制され、第１の燃料電池スタックに供給される前に消費される燃料の量を抑制することができる。その結果、第３の燃料電池スタックの燃料利用率の上昇と第１の燃料電池スタック入口の閉回路電圧（ＯＣＶＡｉ）の低下とを同時に抑制でき、燃料電池スタックの長期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。
【００２３】
＜６＞  前記第３の燃料電池スタックの上流に配置され、炭化水素燃料を改質して改質ガスを生成し、生成された改質ガスを前記第３の燃料電池スタックの燃料極側に供給する第２の改質器と、前記第２の改質器に炭化水素燃料を供給する第２の燃料供給手段と、をさらに備える、＜５＞に記載の燃料電池システム。
【００２４】
上記構成によれば、第２の改質器にて炭化水素燃料を改質することで水素および一酸化炭素を含む改質ガスが生成され、その改質ガスが第３の燃料電池スタックに供給されて発電が行なわれる。
【００２５】
＜７＞  前記第２の改質器に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Ｓと、前記第２の改質器に供給される単位時間当たりの炭化水素燃料の炭素原子数Ｃとの比であるスチームカーボン比Ｓ／Ｃは、１．６〜３．５である、＜６＞に記載の燃料電池システム。
【００２６】
Ｓ／Ｃが上記数値範囲内にあることにより、炭化水素燃料が効率よく改質され、水素および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。
【００２７】
＜８＞  前記比ｒ２は、０．３５≦ｒ２≦０．８を満たす、＜５＞〜＜７＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【００２８】
比ｒ２が０．４以上であることにより、発電効率の高い燃料電池システムを提供することが可能である。また、比ｒ２が０．８以下であることにより、燃料電池スタックの長期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。
【００２９】
＜９＞  前記比ｒ２は０．４≦ｒ２≦０．７を満たし、かつ、前記第１の改質器に供給される炭化水素燃料の流量と、前記第２の改質器に供給される炭化水素燃料の流量との比ｒ３は０．６≦ｒ３≦０．９を満たす、＜６＞または＜７＞に記載の燃料電池システム。
＜１０＞  前記比ｒ２は０．５≦ｒ２≦０．６を満たし、かつ、前記第１の改質器に供給される炭化水素燃料の流量と、前記第２の改質器に供給される炭化水素燃料の流量との比ｒ３は０．５≦ｒ３≦１．２を満たす、＜６＞または＜７＞に記載の燃料電池システム。
【００３０】
これらの構成によれば、燃料電池スタックの長期耐久性に優れ、かつ発電効率の高い燃料電池システムを提供することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、炭素析出が好適に抑制され、燃料電池スタックの長期耐久性に優れ、かつ高い発電効率が得られる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一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り、（ａ）は、燃料電池システムの全体構成を示す図であり、（ｂ）は、燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックが積層されていることを示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムが備える燃料電池スタックを示す概略分解斜視図である。
【図３】本実施形態において、ｒ１を変化させたときの燃料電池システムの発電効率を示すグラフである。
【図４】本実施形態において、（ａ）は、ｒ１を変化させたときの第１の燃料電池スタックおよび第２の燃料電池スタックの燃料利用率を示すグラフであり、（ｂ）は、ｒ１を変化させたときの第１の燃料電池スタックおよび第２の燃料電池スタックのセル電圧を示すグラフである。
【図５】本発明の他の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り、（ａ）は、燃料電池システムの全体構成を示す図であり、（ｂ）は、燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックが積層されていることを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
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および上限値として含む範囲を意味する。
【００３４】
以下、図１を参照しながら、本発明の一例である実施形態について説明する。図１は、本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り、（ａ）は、燃料電池システムの全体構成を示す図であり、（ｂ）は、燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックが積層されていることを示す図である。
【００３５】
〔燃料電池システム１００〕
本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１００は、固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備える第１の燃料電池スタック５と、固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備え、第１の燃料電池スタック５よりも下流に配置されており、第１の燃料電池スタック５の燃料極側から排出される排出ガスが、燃料極側に供給される第２の燃料電池スタック７と、第１の燃料電池スタック５の上流に配置され、炭化水素燃料を改質して改質ガスを生成し、生成された改質ガスを第１の燃料電池スタック５の燃料極側に供給する第１の改質器３と、第１の改質器３に炭化水素燃料を供給する第１の燃料供給手段と、を備え、第１の燃料電池スタック５での燃料使用量（燃料が電気化学的に酸化される量）に対する第２の燃料電池スタック７での燃料使用量の比ｒ１は、０．３５≦ｒ１≦１．０を満たす。
【００３６】
燃料電池システム１００は、図１（ｂ）に示すとおり、第１の燃料電池スタック５および第２の燃料電池スタック７が積層され、電気的に直列接続された２段構成の燃料電池システムである。電気的に直列接続することで燃料電池システム１００の構造が簡素化され、システムの低コスト化を図ることができる。そして、第１の燃料電池スタック５での燃料使用量に対する第２の燃料電池スタック７での燃料使用量の比ｒ１は、０．３５≦ｒ１≦１．０を満たしている。
【００３７】
上記比ｒ１が０．３５以上であることにより、第２の燃料電池スタック７におけるセル電圧の値がある程度維持され、第２の燃料電池スタック７の電極（燃料極）の酸化が抑制される。そのため、燃料電池スタックの長期耐久性を確保することができる。さらに、上記の燃料電池システム１００では、高い発電効率を得ることができる。
【００３８】
上記比ｒ１が１．０以下であることにより、第２の燃料電池スタック７における燃料利用率が高くなりすぎることを抑制できる。これにより、燃料電池スタックの長期安定性を維持することができる。
【００３９】
第１の燃料電池スタック５の燃料極側から排出された排出ガス（水素および一酸化炭素を含む未反応ガス）が、排出ガス供給管６を介して第２の燃料電池スタック７の燃料極側に供給される。供給されたガスを反応させることにより、第２の燃料電池スタック７にて発電を行っており、第１の燃料電池スタック５と第２の燃料電池スタック７との間に炭化水素燃料を追加で供給したりしていない。そのため、燃料電池システム１００内（例えば、排出ガス供給管６の内部、あるいは第２の燃料電池スタック７の内部）にて炭素活量の上昇が抑制され、炭素析出が好適に抑制される。
【００４０】
第１の燃料電池スタック５での燃料使用量に対する第２の燃料電池スタック７での燃料使用量の比ｒ１が０．３５≦ｒ１≦１．０を満たすようにするためには、単電池（セル）電極面積当たりの電流密度が第１の燃料電池スタック５と第２の燃料電池スタック７とで等しい場合、第１の燃料電池スタック５の有効電極面積に対する第２の燃料電池スタック７の有効電極面積の比、または、第１の燃料電池スタック５のセル積層数に対する第２の燃料電池スタック７のセル積層数の比が、ｒ１に対応するため、この値を０．３５以上１．０以下に調整すればよい。
ここで、第１の燃料電池スタック５の有効電極面積に対する第２の燃料電池スタック７の有効電極面積の比とは、各燃料電池スタックの積層セルの各セル電極面積をそれぞれ合計したときの面積比を意味している。また、第１の燃料電池スタック５のセル積層数に対する第２の燃料電池スタック７のセル積層数の比については、各燃料電池スタックのセルの面積が等しいことを前提としている。
【００４１】
上記ｒ１は、０．３５≦ｒ１≦１．０を満たせばよいが、中でも０．３５≦ｒ１≦０．６を満たすことが好ましく、０．４≦ｒ１≦０．６を満たすことがより好ましい。比ｒ１が０．３５以上０．６以下であることにより、第１の燃料電池スタック５および第２の燃料電池スタック７のそれぞれの燃料利用率が高くなりすぎることなく、系全体の高燃料利用率を達成することができるため、燃料電池システムにて、より高い発電効率を得ることができる。
【００４２】
本実施形態に係る燃料電池システム１００で用いる炭化水素燃料は、第１の改質器３にて改質されるガスである。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、石炭改質ガスや、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、メタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを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含む天然ガス、都市ガス、ＬＰガス等のガスであってもよい。
【００４３】
炭化水素燃料を改質器（第１の改質器、第２の改質器）にて改質する場合、改質方法としては、水蒸気改質、ＣＯ２改質（ドライ改質）などが挙げられる。以下の燃料電池システム１００では、改質方法として水蒸気改質を採用した場合について説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００４４】
炭化水素燃料は、炭化水素燃料供給管２を介して第１の燃料供給源（図示せず）から第１の改質器３に供給される。また、炭化水素燃料の水蒸気改質に用いる改質水は、改質水供給管１を介して改質水供給源（図示せず）から第１の改質器３に供給される。なお、第１の燃料供給手段は、炭化水素燃料供給管２および第１の燃料供給源を備え、炭化水素燃料供給管２は第１の燃料供給手段の一部を構成している。
【００４５】
第１の改質器３は、供給された炭化水素燃料を水蒸気改質することによって、一酸化炭素および水素を含む改質ガスを生成するためのものである。また、第１の改質器３は、第１の燃料電池スタック５の上流に配置され、改質水供給管１および炭化水素燃料供給管２と接続している。
【００４６】
第１の改質器３は、例えば、バーナあるいは燃焼触媒を配置した燃焼部と改質用触媒を備える改質部とにより構成される。改質部には、例えばアルミナ等の担体にＮｉ、Ｒｕ等の金属を担持した改質用触媒が設けられている。
【００４７】
改質部で起こる水蒸気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、燃焼部で発生する燃焼熱により改質部を加熱することが好ましい。あるいは、各燃料電池スタックから放出される熱を用いて加熱してもよい。
【００４８】
炭化水素燃料の一例であるメタンを水蒸気改質させた場合、第１の改質器３の内部において、以下の式（ａ）の反応により一酸化炭素および水素が生成され、以下の式（ｂ）の反応により二酸化炭素および水素が生成される。
【００４９】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２・・・・（ａ）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２・・・・（ｂ）
【００５０】
第１の改質器３に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Ｓと、第１の改質器３に供給される単位時間当たりの炭化水素燃料の炭素原子数Ｃとの比であるスチームカーボン比Ｓ／Ｃは、１．６〜３．５であることが好ましく、２．０〜３．５であることがより好ましく、２．５〜３．０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、炭化水素燃料が効率よく水蒸気改質され、水素および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。さらに、燃料電池システム１００内での炭素析出を抑制することができる。
【００５１】
第１の改質器３で生成された改質ガスは、第１の改質器３と第１の燃料電池スタック５とを連通する改質ガス供給管４を介して、第１の燃料電池スタック５の燃料極側に供給される。
【００５２】
第１の燃料電池スタック５は、固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備え、燃料極側にて、改質ガス供給管４および排出ガス供給管６と接続している。第１の燃料電池スタック５は、改質ガス供給管４から燃料極側に供給された改質ガスと、空気極側に供給された酸素に由来する酸素イオンと、を電気化学的に反応させて発電を行なう。反応後の改質ガスおよび未反応の改質ガスは、排出ガスとして排出ガス供給管６に排出される。なお、燃料電池スタックの構成、固体酸化物電解質、燃料極、および空気極の具体的な構成については、後に説明する。
【００５３】
排出ガスは、第１の燃料電池スタック５の燃料極側から排出され、排出ガス供給管６を介して第２の燃料電池スタック７の燃料極側に供給される。
【００５４】
第２の燃料電池スタック７は、固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備え、第１の燃料電池スタック５よりも下流に配置されており、燃料極側にて排出ガス供給管６と接続している。第２の燃料電池スタック７は、排出ガス供給管６から燃料極側に供給された排出ガスと、空気極側に供給された酸素に由来する酸素イオンと、を電気化学的に反応させて発電を行なう。反応後の排出ガスは、第２の燃料電池スタック７外に排気してもよい。
【００５５】
以下、第１の燃料電池スタック５の構造について、図２を用いて説明する。図２は、本実施形態に係る燃料電池システム１００が備える第１の燃料電池スタック５を示す概略分解斜視図である。第１の燃料電池スタック５は、固体酸化物電解質２０２、燃料極２０４、および空気極２０６を有する単電池２０８を複数備えている。また、図２では、第１の燃料電池スタック５は、単電池を２つ備えているが、この構成に限定されない。つまり、本発明で用いる燃料電池スタックは、複数（ｎ個；ｎは、ｎ≧２を満たす整数）の単電池を備えていてもよい。なお、第２の燃料電池スタック７の構造についても第１の燃料電池スタック５と同様であるため、その説明は省略する。
【００５６】
第１の燃料電池スタック５は、複数の単電池２０８を有するスタック本体と共に、第１の燃料電池スタック５内部において、各単電池２０８の燃料極２０４と改質ガス供給管４（図示せず）とが接続しており、各単電池２０８の燃料極２０４と排出ガス供給管６（図示せず）とが接続している。また、第１の燃料電池スタック５では、各単電池２０８の空気極と酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給管（図示せず）とが接続しており、空気極側の排気ガスを排出する排出口（図示せず）が設けられている。
【００５７】
第１の燃料電池スタック５の単電池２０８は、図２に示すように、層状の固体酸化物電解質２０２と、層状の固体酸化物電解質２０２の一方の面に接合された層状の燃料極２０４と、層状の固体酸化物電解質２０２の一方の面に接合された層状の空気極２０６と、の積層体で構成されている。そして、複数の単電池２０８は、インターコネクタ２１０を介して積層されている。つまり、複数の単電池２０８は、各々、一対のインターコネクタ２１０により挟まれた構造を有している。なお、図示しないが、各単電池２０８とインターコネクタ２１０とは外周縁部においてガスシール体を挟持した状態となっている。
【００５８】
固体酸化物電解質２０２は、例えば、酸化物イオン電導性の固体酸化物の緻密体で構成されている。固体酸化物としては、例えば、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア等が挙げられる。安定化ジルコニアの具体例としては、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等が挙げられる。部分安定化ジルコニアの具体例としては、イットリア部分安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア部分安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等が挙げられる。また、固体酸化物としては、例えば、Ｓｍ、Ｇｄ等がドープされたセリア系酸化物；ＬａＧａＯ３を母体とし、ＬａとＧａとの一部をそれぞれＳｒおよびＭｇで置換したＬａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ（３−δ）等のペロブスカイト型酸化物；なども挙げられる。
【００５９】
燃料極２０４は、アノードである。燃料極２０４では、酸素イオンと改質ガスの燃料とが反応して電子を放出する。燃料極２０４は、例えば、多孔質で、イオン伝導性が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質２０２等と固体間反応を起こしにくいものであることが好ましい。燃料極２０４は、例えば、Ｎｉ、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）・ニッケル金属の多孔質サーメット、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）・ニッケル金属の多孔質サーメット等により構成されることが好ましい。燃料極２０４は、上記材料の２種以上を混合した混合材料により構成されていてもよい。
【００６０】
空気極２０６は、カソードである。空気極２０６では、酸化剤ガスの酸素が電子を取り込んで、酸素イオンが形成される。空気極２０６は、例えば、多孔質で、電子伝導率が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質２０２等と固体間反応を起こしにくいものであることが好ましい。空気極２０６は、例えば、ＰｒＣｏＯ３系酸化物、ＬａＦｅＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物、ＬａＭｎＯ３系酸化物等により構成されることが好ましい。ＬａＭｎＯ３系酸化物の具体例としては、例えば、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３（ＬＳＭ）、Ｌａ０．６Ｃａ０．４ＭｎＯ３（ＬＣＭ）等が挙げられる。ＬａＣｏＯ３系酸化物としては、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３（ＬＳＣＦ）等が挙げられる。空気極２０６は、上記材料の２種以上を混合した混合材料で構成されてもよい。
【００６１】
インターコネクタ２１０には、燃料極２０４又は空気極２０６に対して電子の授受を行うため、電子伝導性の部材で構成されている。そして、インターコネクタ２１０は、燃料極２０４と対向する側の面側に改質ガスを供給するための改質ガス流路形成溝２１０Ａと、空気極２０６と対向する面側に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路形成溝２１０Ｂと、が形成されている。改質ガス流路形成溝２１０Ａと酸化剤ガス流路形成溝２１０Ｂとは、例えば、互いに交差する方向に沿って形成されている。改質ガス流路形成溝２１０Ａは、インターコネクタ２１０が燃料極２０４に密着配置することで、燃料極２０４に改質ガスを供給するための改質ガス流路として機能する。一方、酸化剤ガス流路形成溝２１０Ｂは、インターコネクタ２１０が空気極２０６に密着配置することで、空気極２０６に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路として機能する。
【００６２】
インターコネクタ２１０の構成材料は、特に限定されない。インターコネクタ２１０は、一般的には合金を用いる。例えば、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＺＭＧ２３２（日立金属株式会社製）が挙げられる。インターコネクタ２１０の構成材料としては、電子伝導性を持つ酸化物でもよく、具体的には、ＬａＣｒＯ３系酸化物の緻密体でもよい。
【００６３】
次に、単電池２０８で起こる電気化学反応について説明する。まず、単電池２０８の空気極２０６には、酸素を含む酸化剤ガスが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２０２の内部を移動する。
【００６４】
Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−・・・・（ｃ）
【００６５】
また、燃料極２０４には、一酸化炭素および水素を含む改質ガスが供給され、固体酸化物電解質２０２の内部を移動する酸素イオンから燃料極２０４と固体酸化物電解質２０２との界面にて電子を受け取ることにより、以下の式（ｄ）に示す反応が起こる。
【００６６】
ＣＯ＋３Ｈ２＋４Ｏ２−→ＣＯ２＋３Ｈ２Ｏ＋８ｅ−・・・・（ｄ）
【００６７】
上記式（ｄ）に示すような、単電池での改質ガスの電気化学的な反応により、主に水蒸気および二酸化炭素が生成され、発電が行なわれる。
【００６８】
第１の燃料電池スタック５にて使用されなかった一酸化炭素および水素は、第１の燃料電池スタック５の燃料極側から排出され、排出ガス供給管６を介して、第２の燃料電池スタック７の燃料極側に直接供給されて発電に使用される。そして、前述したように、第１の燃料電池スタック５と第２の燃料電池スタック７との間に炭化水素燃料を追加で供給したりしていないため、燃料電池システム１００内にて炭素活量の上昇が抑制され、炭素析出が好適に抑制される。
【００６９】
次に、スタックが２段構成である燃料電池システム１００では、長期安定性に優れ、かつ、高い発電効率が得られることを以下にて説明する。まず、燃料電池システム１００にて用いる燃料電池スタック（単段スタック）の性能及び条件を以下のように設定する。
【００７０】
〔燃料電池スタックの性能および条件〕
燃料電池スタック（単段スタック）の燃料利用率を７５％としたときに、燃料電池スタックにおけるシステム効率（発電効率）を５５％ＬＨＶ（低位発熱量）、スタックからシステムへの効率変換によるロスを１０％と仮定する。この仮定から、スタック効率は６１．１％であると算出される。電流密度が０．２Ａ／ｃｍ２のとき、燃料電池スタックの内部抵抗（ＡＳＲ）が低燃料利用率時に０．３５１７ｏｈｍ（Ω）・ｃｍ２であればこの性能が得られる。
燃料電池スタックよりも上流に設けた改質器に供給される炭化水素燃料および水蒸気について、スチームカーボン比Ｓ／Ｃを３．０と仮定する。また、燃料電池スタックの燃料極側入口の酸素分圧ＰＯ２（ｉｎ）は３．７７×１０−２１（ａｔｍ）および燃料電池スタックの燃料極側出口の酸素分圧ＰＯ２（ｏｕｔ）は８．９１５×１０−１９（ａｔｍ）とし、スタック内部での反応温度は７５０℃とし、供給される炭化水素燃料はメタンとする。
このとき、スタックの燃料極側入口にて酸素ポテンシャルは空気に対する電位換算で−０．９８９Ｖ、スタックの燃料極側出口にて酸素ポテンシャルは−０．８７７Ｖと求められる。
【００７１】
〔２段構成の燃料電池システム〕
上述したようなシステム効率５５％ＬＨＶである単段スタックを用いて、図１に示すような２段構成の燃料電池スタック（第１の燃料電池スタック５および第２の燃料電池スタック７）を備える燃料電池システム１００を準備する。燃料電池システム１００の全体の燃料利用率（Ｕｆ（ｔｏｔａｌ）、単位％）と、第１の燃料電池スタック５の燃料利用率（Ｕｆ（Ａ）、単位％）および第２の燃料電池スタック７の燃料利用率（Ｕｆ（Ｂ）、単位％）との関係について、以下に説明する。
【００７２】
まず、全体の燃料利用率（Ｕｆ（ｔｏｔａｌ））は、第１の燃料電池スタック５に供給された燃料の量に対する第１の燃料電池スタック５および第２の燃料電池スタック７にて使用された燃料の合計量の割合で算出される。そのため、第１の燃料電池スタック５への供給量をＳ、第１の燃料電池スタック５での燃料使用量をＣｏｎ（Ａ）および第２の燃料電池スタック７での燃料使用量をＣｏｎ（Ｂ）とすると、以下の式（１）で表される関係式が成り立つ。
【００７３】
Ｕｆ（ｔｏｔａｌ）／１００＝（Ｃｏｎ（Ａ）＋Ｃｏｎ（Ｂ））／Ｓ・・・（１）
【００７４】
第１の燃料電池スタック５での燃料使用量に対する第２の燃料電池スタック７での燃料使用量の比ｒ１を用いることにより、第１の燃料電池スタックおよび第２の燃料電池スタックの燃料使用量に関する以下の式（２）が得られる。
【００７５】
Ｃｏｎ（Ｂ）＝ｒ１Ｃｏｎ（Ａ）・・・（２）
【００７６】
そして、第１の燃料電池スタック５における燃料利用率と燃料使用量との関係から、以下の式（３）が得られ、第２の燃料電池スタック７における燃料利用率と燃料使用量との関係から、以下の式（４）が得られる。
【００７７】
Ｕｆ（Ａ）／１００＝Ｃｏｎ（Ａ）／Ｓ・・・（３）
Ｕｆ（Ｂ）／１００＝Ｃｏｎ（Ｂ）／Ｓ（１−Ｕｆ（Ａ）／１００）・・・（４）
【００７８】
以上の式（１）〜（４）より、Ｕｆ（Ａ）およびＵｆ（Ｂ）について以下の式（５）、（６）が成り立つ。
【００７９】
Ｕｆ（Ａ）＝Ｕｆ（ｔｏｔａｌ）／（１＋ｒ１）・・・（５）
Ｕｆ（Ｂ）＝ｒ１Ｕｆ（ｔｏｔａｌ）／（１＋ｒ１−Ｕｆ（ｔｏｔａｌ）／１００）・・・（６）
【００８０】
図４（ａ）は、ｒ１を変化させたときの第１の燃料電池スタック５および第２の燃料電池スタック７の燃料利用率を示すグラフである。このグラフは、上記の式（５）、（６）において、Ｕｆ（ｔｏｔａｌ）＝８５（％）とすることで得られる。図に示すように、ｒ１を小さくすると、第１の燃料電池スタック５の燃料利用率（Ｕｆ（Ａ））が大きくなり、かつ第２の燃料電池スタック７の燃料利用率（Ｕｆ（Ｂ））が小さくなる。一方、ｒ１を大きくすると、第１の燃料電池スタック５の燃料利用率（Ｕｆ（Ａ））が小さくなり、かつ第２の燃料電池スタック７の燃料利用率（Ｕｆ（Ｂ））が大きくなる。
【００８１】
Ｕｆ（Ａ）およびＵｆ（Ｂ）は、７５％を大きく超えると長期耐久性が低下する原因となる。そのため、Ｕｆ（Ａ）およびＵｆ（Ｂ）は、８０％以下であることが好ましく、７５％以下であることがより好ましい。そこで、ｒ１の範囲としては、Ｕｆ（Ａ）およびＵｆ（Ｂ）が８０％以下を満たす０．０６３≦ｒ１≦２．４であることが好ましく、Ｕｆ（Ａ）およびＵｆ（Ｂ）が７５％以下を満たす０．１３４≦ｒ１≦１．１２５であることがより好ましい。さらに、第１燃料電池スタック５および第２燃料電池スタック７の安定性をより長期にわたって維持するには、ｒ１の範囲としては、０．２≦ｒ１≦１．０であることが好ましく、０．３５≦ｒ１≦１．０であることがさらに好ましい。
【００８２】
次に、図４（ｂ）は、ｒ１を変化させたときの第１の燃料電池スタック５および第２の燃料電池スタック７のセル電圧を示すグラフである。なお、図中において、Ｖ（Ａ）は第１の燃料電池スタック５のセル電圧、Ｖ（Ｂ）は第２の燃料電池スタック７のセル電圧、およびＶ（ｍｅａｎ）は、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックの燃料使用量の比を加味したＶ（Ａ）とＶ（Ｂ）の加重平均を示している。これらは、炭化水素燃料としてメタンを使用し、Ｕｆ（ｔｏｔａｌ）＝８５％とすることで得られるセル電圧である。図からわかるように、ｒ１が大きくなるにつれて、Ｖ（Ａ）およびＶ（Ｂ）も大きくなっている。ここで、ｒ１の範囲としては、０．３５≦ｒ１であることが好ましく、０．４≦ｒ１であることがより好ましい。ｒ１がこの範囲を満たすことにより、Ｎｉなどを含む電極を使用した場合に、低いセル電圧（図中０．８０Ｖ未満）に起因する電極の酸化（例えば、Ｎｉの酸化）を抑制することができ、特に、第２の燃料電池スタック７の電極の酸化を抑制できるため好ましい。
【００８３】
図３は、本実施形態において、ｒ１を変化させたときの燃料電池システム１００の発電効率を示すグラフである。すなわち、このグラフは、ｒ１を変化させたときの第１の燃料電池スタック５および第２の燃料電池スタック７からなる２段構成の燃料電池システム１００の発電効率の変化を示している。なお、Ｕｆ（ｔｏｔａｌ）＝８５％としており、電流密度０．２０Ａ／ｃｍ２で動作する場合、スタックの内部抵抗（ＡＳＲ）が０．３５１７Ω・ｃｍ２であると仮定している。
ここで、燃料電池システムの発電効率とは、燃料電池システムに供給した燃料から得られる理論的な発電量に対する実際の発電量の割合（％：低位発熱量基準）をいう。
【００８４】
図３から、ｒ１が０．４〜０．５付近で発電効率が最大値（約６２％）となっていることが分かる。そのため、ｒ１の範囲としては、０．３５≦ｒ１≦０．６であることが好ましく、０．４≦ｒ１≦０．６であることが好ましい。
【００８５】
また、第１の燃料電池スタック５および第２の燃料電池スタック７の全体の燃料利用率（Ｕｆ（ｔｏｔａｌ）、単位％）は、８０％〜９５％であることが好ましい。これにより、高い発電効率を得ることができる。
【００８６】
ここで、Ｕｆ（Ａ）とＵｆ（Ｂ）とが一致する場合、式（５）および式（６）より以下の式（７）が成り立つ。
【００８７】
ｒ１＝（１００−Ｕｆ（ｔｏｔａｌ））１／２／１０・・・・（７）
【００８８】
ｒ１としては、Ｕｆ（Ａ）とＵｆ（Ｂ）とが一致する場合（図４（ａ）に示すようにｒ１＝０．４の近傍）、または、Ｕｆ（Ａ）とＵｆ（Ｂ）とが近い値をとる場合が好ましく、Ｕｆ（ｔｏｔａｌ）が８０％〜９５％であると仮定すると、０．２５≦ｒ１≦０．６であることが好ましく、０．３５≦ｒ１≦０．６であることがより好ましい。Ｕｆ（Ａ）とＵｆ（Ｂ）が一致する範囲から離れるほど、図４に示されるようにＵｆ（Ａ）またはＵｆ（Ｂ）のどちらかが高い値になってしまい劣化リスクを高めてしまう。このため、Ｕｆ（Ａ）とＵｆ（Ｂ）とが同じ値または近い値をとる場合が望ましい。
【００８９】
以上の図３、４に示すグラフおよびＵｆ（Ａ）とＵｆ（Ｂ）とが一致あるいは近い値をとる場合のｒ１の範囲を考慮すると、ｒ１としては、０．３５≦ｒ１≦１．０であることが好ましく、０．３５≦ｒ１≦０．６であることがより好ましい。上述したように、燃料使用量の比ｒ１は第１の燃料電池スタック５の有効電極面積に対する第２の燃料電池スタック７の有効電極面積の比、または、第１の燃料電池スタック５のセル積層数に対する第２の燃料電池スタック７のセル積層数の比に対応することから、０．３５≦ｒ１≦１．０、好ましくは０．３５≦ｒ１≦０．６を満たすように第１の燃料電池スタック５および第２の燃料電池スタック７における有効電極面積あるいはセル積層数を設定すればよい。燃料電池スタック５，７における有効電極面積あるいはセル積層数は、燃料電池システム１００の設計段階等において所望の範囲に設定することができる。これにより、長期安定性に優れ、かつ、高い発電効率を有する燃料電池システム１００が得られる。
【００９０】
〔燃料電池システム２００〕
次に、図５を参照しながら、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システム２００について説明する。図５は、他の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り、（ａ）は、燃料電池システムの全体構成を示す図であり、（ｂ）は、燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックが積層されていることを示す図である。
なお、前述した燃料電池システム１００の各構成と同じ名称の構成については、燃料電池システム１００での説明を援用するものとし、その詳細な説明を省略する。
【００９１】
本発明の他の実施形態に係る燃料電池システム２００は、燃料電池システム１００と同様、第１の燃料電池スタック１５と、第２の燃料電池スタック１７と、第１の改質器１３とを備えている。さらに、燃料電池システム２００は、固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備え、第１の改質器１３よりも上流に配置されており、燃料極側から排出される、水蒸気を含む排出ガスを、第１の改質器１３に供給する第３の燃料電池スタック２５を備え、第１の燃料電池スタック１５での燃料使用量に対する第３の燃料電池スタック２５での燃料使用量の比ｒ２は、０．１≦ｒ２≦０．８を満たす。
【００９２】
燃料電池システム２００は、図５に示すとおり、第１の燃料電池スタック１５、第２の燃料電池スタック１７および第３の燃料電池スタック２５が積層された３段構成の燃料電池システムである。そして、第１の燃料電池スタック１５での燃料使用量に対する第３の燃料電池スタック２５での燃料使用量の比ｒ２は、０．１≦ｒ２≦０．８を満たしている。
【００９３】
上記比ｒ２が０．１以上であることにより、燃料電池システム２００において、高い発電効率が得られる。
【００９４】
上記比ｒ２が０．８以下であることにより、第３の燃料電池スタック２５における燃料利用率の上昇が抑制され、第１の燃料電池スタック１５に供給される前に消費される燃料の量を抑制することができる。その結果、第３の燃料電池スタック２５の燃料利用率の上昇と第１の燃料電池スタック入口の閉回路電圧（ＯＣＶＡｉ）の低下とを同時に抑制できる。
【００９５】
第３の燃料電池スタック２５は、固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備え、第１の改質器１３よりも上流に配置されており、燃料極側にて改質ガス供給管２４および排出ガス供給管１１と接続している。第３の燃料電池スタック２５は、改質ガス供給管２４から燃料極側に供給された改質ガスと、空気極側に供給された酸素に由来する酸素イオンと、を電気化学的に反応させて発電を行なう。そして、発電時の電気化学的な反応（式（ｄ）に示す反応）により生成された水（水蒸気）は、第３の燃料電池スタック２５から排出され、排出ガス供給管１１を介して第１の改質器１３に供給され、炭化水素燃料の水蒸気改質に使用される。なお、第３の燃料電池スタック２５の構造は、前述の第１の燃料電池スタック５と同様であるため、その詳しい説明は省略する。
【００９６】
燃料電池システム２００は、第３の燃料電池スタック２５の上流に配置され、炭化水素燃料を水蒸気改質して改質ガスを生成し、生成された改質ガスを第３の燃料電池スタック２５に供給する第２の改質器（他の改質器）２３と、第２の改質器２３に炭化水素燃料を供給する第２の燃料供給手段と、をさらに備える。
【００９７】
第２の改質器２３は、供給された炭化水素燃料を水蒸気改質することによって、一酸化炭素および水素を含む改質ガスを生成するためのものである。また、第２の改質器２３は、第３の燃料電池スタック２５の上流に配置され、改質水供給管２１および炭化水素燃料供給管２２と接続している。
【００９８】
炭化水素燃料は、炭化水素燃料供給管２２を介して第２の燃料供給源（図示せず）から第２の改質器２３に供給される。また、炭化水素燃料の水蒸気改質に用いる改質水は、改質水供給管２１を介して改質水供給源（図示せず）から第２の改質器２３に供給される。なお、第２の燃料供給手段は、炭化水素燃料供給管２２および第２の燃料供給源を備え、炭化水素燃料供給管２２は第２の燃料供給手段の一部を構成している。
【００９９】
ここで、第２の改質器２３に供給される炭化水素燃料と、第１の改質器１３に供給される炭化水素燃料は、同じであることが好ましい。このとき、第１の改質器１３および第２の改質器２３は炭化水素燃料の供給源が共通している、つまり、第１の燃料供給源と第２の燃料供給源とは同じであることが設備コスト低減の観点から好ましい。ここで、第２の改質器２３に供給される炭化水素燃料としては、メタンであることが好ましい。
【０１００】
第２の改質器２３は、前述の第１の改質器３と同様の構成をとる。第２の改質器２３にて炭化水素燃料を水蒸気改質することで、一酸化炭素および水素を含む改質ガスを生成される。改質ガスは、改質ガス供給管２４を介して第３の燃料電池スタック２５の燃料極側に供給される。
【０１０１】
図５（ａ）に示すように、燃料電池システム２００は、第１の燃料電池スタック１５と、第１の燃料電池スタック１５よりも下流に配置されて第１の燃料電池スタック１５の燃料極側から排出される排出ガスが、燃料極側に直接的に供給される第２の燃料電池スタック１７と、第１の燃料電池スタック１５の上流に配置され、炭化水素燃料を改質して改質ガスを生成し、生成された改質ガスを第１の燃料電池スタック１５の燃料極側に供給する第１の改質器１３と、第１の改質器１３よりも上流に配置されて燃料極側から排出される水蒸気を含む排出ガスを、第１の改質器１３に供給する第３の燃料電池スタック２５と、第３の燃料電池スタック２５の上流に配置され、炭化水素燃料を改質して改質ガスを生成し、生成された改質ガスを第３の燃料電池スタック２５の燃料極側に供給する第２の改質器２３とを備える。
【０１０２】
即ち、燃料電池システム２００は、上述した燃料電池システム１００に第２の改質器２３および第３の燃料電池スタック２５が追加された構成とされている。これにより、第３の燃料電池スタック２５の排出ガスは、燃料電池システム１００の最上流に設けられた第１の改質器１３によって改質されることから、燃料使用量の比ｒ１を適切に設定して高効率化された燃料電池システム１００の駆動条件が確実に維持され、柔軟かつ容易に燃料電池システム１００の拡張（機能、構成の追加）が可能となる。
【０１０３】
第２の改質器２３に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Ｓと、第２の改質器２３に供給される単位時間当たりの炭化水素燃料の炭素原子数Ｃとの比であるスチームカーボン比Ｓ／Ｃは、１．６〜３．５であることが好ましく、２．０〜３．５であることがより好ましく、２．５〜３．０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、炭化水素燃料の水蒸気改質を効率的に行うことができ、かつ、燃料電池システム２００内での炭素析出を抑制することができる。
【０１０４】
なお、燃料電池システム２００では、改質器が第１の燃料電池スタック１５または第２の燃料電池スタック１７の外部に取り付けられている必要はなく、各燃料電池スタックの内部で水蒸気改質（内部改質）を行なう構成であってもよい。燃料電池スタック内部での反応温度は７００℃〜１０００℃と高温であるため、燃料極を構成するニッケルの触媒作用によって、燃料電池スタック内で水蒸気改質を行なうことが可能である。
【０１０５】
〔３段構成の燃料電池システム〕
上述したようなシステム効率５５％ＬＨＶである単段スタックを用いて、図５に示すような３段構成の燃料電池スタック（第１の燃料電池スタック１５、第２の燃料電池スタック１７および第３の燃料電池スタック２５）を備える燃料電池システムを準備する。燃料電池システム２００の全体の燃料利用率（Ｕｆ（ｔｏｔａｌ）、単位％）と、第１の燃料電池スタック１５の燃料利用率（Ｕｆ（Ａ）、単位％）、第２の燃料電池スタック１７の燃料利用率（Ｕｆ（Ｂ）、単位％）および第３の燃料電池スタック２５の燃料利用率（Ｕｆ（Ｃ）、単位％）との関係について以下に説明する。
【０１０６】
なお、燃料電池システム２００の全体の燃料利用率（Ｕｆ（ｔｏｔａｌ）、単位％）はは、前述と同様に、第１の燃料電池スタック１５および第２の燃料電池スタック１７の合計の燃料利用率をさす（第３の燃料電池スタック２５は含まない）。そのため、図５に示す燃料電池システムについても、Ｕｆ（Ａ）およびＵｆ（Ｂ）が上記の式（５）、（６）を満たす。
【０１０７】
次に、３段構成の燃料電池システム２００について、第１の燃料電池スタック１５での燃料使用量に対する第３の燃料電池スタック２５での燃料使用量の比ｒ２、および第１の改質器１３に供給される炭化水素燃料の流量（流量１）と、第２の改質器２３に追加で供給される炭化水素燃料の流量（流量２）との比（質量流量比）ｒ３（流量２／流量１）を変更したときの第１の燃料電池スタック入口の閉回路電圧（ＯＣＶＡｉ）、第１の燃料電池スタック入口の炭素活量（ＡｃｔＣＡｉ）および第３の燃料電池スタックの燃料利用率といった長期安定性の指標となる数値を求め、長期耐久性を評価する。併せて、燃料電池システム２００の発電効率も求める。
【０１０８】
図３に示すように、全体の燃料利用率が８５％を満たすときに、第１の燃料電池スタックでの燃料使用量に対する第２の燃料電池スタックでの燃料使用量の比ｒ１が０．４〜０．５となる場合、２段構成の燃料電池スタックの発電効率が最大となっている。そこで、全体の燃料利用率Ｕｆ（ｔｏｔａｌ）を８５％、ｒ１を０．５に固定して、上述の長期安定性の指標となる数値を求める。このとき、上記式（５）、（６）より、Ｕｆ（Ａ）は５６．７％となり、Ｕｆ（Ｂ）は６５．４％となる。なお、炭化水素燃料としては、メタンを想定している。
【０１０９】
図１に示すような、２段構成の燃料電池システム１００において、第１の燃料電池スタック入口の開回路電圧は０．９９Ｖである。また、図５に示すような、３段構成の燃料電池システム２００において、第１の燃料電池スタック入口の開回路電圧が０．９９Ｖ以上であれば、第２の燃料電池スタック１７のセル電圧が、２段構成における第２の燃料電池スタック７のセル電圧以上となり、第２の燃料電池スタック１７にて電極（燃料極）の酸化が抑制されるため、長期安定性の点から好ましい。そのため、第１の燃料電池スタック入口の開回路電圧（ＯＣＶＡｉ）は０．９９Ｖ以上を基準とする。
【０１１０】
第１の燃料電池スタック入口の炭素活量（ＡｃｔＣＡｉ）は、１．０以上の場合に炭素が析出してスタックが破損するリスクが極めて高くなる。そこで、安全率を考慮し、第１の燃料電池スタック入口の炭素活量は０．２以下を基準とする。
【０１１１】
ここで、第１の燃料電池スタック入口の炭素活量を下げるためには、ｒ３をある程度大きくして、第１の改質器１３に供給される水蒸気量を増やす必要がある。しかし、ｒ３を大きくしすぎると、第１の燃料電池スタック入口のＯＣＶＡｉが低下してしまう。
【０１１２】
次に、ｒ２を大きくすると、第３の燃料電池スタック２５で消費される燃料消費量が増加して第１の燃料電池スタック入口のＯＣＶＡｉが低下する。そのため、ｒ２およびｒ３を大きくすると、第１の燃料電池スタック入口のＯＣＶＡｉが低下し、基準値を下回りやすくなる。そのため、ｒ２およびｒ３には適した範囲が存在する。
【０１１３】
Ｕｆ（Ｃ）は、単段スタック性能の前提である７５％を大きく超えると長期耐久性を低下させる原因となる。そこで、Ｕｆ（Ｃ）は、８０％以下を基準とする。
【０１１４】
以下に示す長期耐久性評価の結果では、ＯＣＶＡｉ、ＡｃｔＣＡｉおよびＵｆ（Ｃ）について、全て基準を満たしている場合を安定性Ａ（安定性良好）とし、一つでも基準を満たしていない場合を安定性Ｂ（安定性不良）とする。
【０１１５】
まず、第１の燃料電池スタック１５での燃料使用量に対する第３の燃料電池スタック２５での燃料使用量の比ｒ２を０．１に固定し、第１の改質器１３に供給される炭化水素燃料の流量と、第２の改質器２３に供給される炭化水素燃料の流量との比ｒ３を１〜２０に変更したときの長期耐久性の指標および発電効率の結果を表１に示す。なお、第１の改質器１３および第２の改質器２３に供給される炭化水素燃料は、ｒ２が０．１〜０．９のいずれにおいても、メタンであり、第１の改質器１３に供給されるメタンの流量を基準として、第２の改質器２３に供給されるメタンの流量を変えることで、ｒ３の値を調整している。
【０１１６】
【表１】
0006556440.tif 000002
【０１１７】
まず、表１に示すように、システム効率（発電効率）５５％ＬＨＶである単段スタックを３つ用いた燃料電池システム２００について、全体の発電効率は６２．５％超であり、単段スタックよりも高い発電効率を示している。
また、表１に示すように、ｒ３が１のとき、ＡｃｔＣＡｉが０．２超となり、ｒ３が２０のとき、ＯＣＶＡｉが０．９９Ｖ未満となっている。そのため、ｒ３が１以下または２０以上のときは、安定性が不良であると判断し、それ以外では安定性が良好であると判断した。
【０１１８】
次に、ｒ２を０．２に固定し、ｒ３を０．５〜７に変更したときの長期耐久性の指標および発電効率の結果を表２に示す。
【０１１９】
【表２】
0006556440.tif 000003
【０１２０】
表２に示すように、ｒ３が０．５のとき、ＡｃｔＣＡｉが０．２超となり、ｒ３が７のとき、ＯＣＶＡｉが０．９９Ｖ未満となっている。そのため、ｒ３が０．５以下または７以上のときは、安定性が不良であると判断し、それ以外は安定性が良好であると判断した。
【０１２１】
次に、ｒ２を０．３に固定し、ｒ３を０．５〜４に変更したときの長期耐久性の指標および発電効率の結果を表３に示す。
【０１２２】
【表３】
0006556440.tif 000004
【０１２３】
表３に示すように、ｒ３が０．５のとき、ＡｃｔＣＡｉが０．２超となり、ｒ３が４のとき、ＯＣＶＡｉが０．９９Ｖ未満となっている。そのため、ｒ３が０．５以下または４以上のときは、安定性が不良であると判断し、それ以外では安定性が良好であると判断した。
【０１２４】
次に、ｒ２を０．４に固定し、ｒ３を０．５〜３に変更したときの長期耐久性の指標および発電効率の結果を表４に示す。
【０１２５】
【表４】
0006556440.tif 000005
【０１２６】
表４に示すように、ｒ３が０．５のとき、ＡｃｔＣＡｉが０．２超となり、ｒ３が３のとき、ＯＣＶＡｉが０．９９Ｖ未満となっている。そのため、ｒ３が０．５以下または３以上のときは、安定性が不良であると判断し、それ以外では、安定性が良好であると判断した。
さらに、ｒ２が０．４である場合には、ｒ３が０．６〜１を満たせば、発電効率が６５％以上を満たし、高い発電効率が得られる。
【０１２７】
次に、ｒ２を０．５に固定し、ｒ３を０．４〜１．７に変更したときの長期耐久性の指標および発電効率の結果を表５に示す。
【０１２８】
【表５】
0006556440.tif 000006
【０１２９】
表５に示すように、ｒ３が０．４のとき、ＡｃｔＣＡｉが０．２超となり、ｒ３が１．７のとき、ＯＣＶＡｉが０．９９Ｖ未満となっている。そのため、ｒ３が０．４以下または１．７以上のときは、安定性が不良であると判断し、それ以外では、安定性が良好であると判断した。
【０１３０】
次に、ｒ２を０．６に固定し、ｒ３を０．４〜１．３に変更したときの長期耐久性の指標および発電効率の結果を表６に示す。
【０１３１】
【表６】
0006556440.tif 000007
【０１３２】
表６に示すように、ｒ３が０．４のとき、Ｕｆ（Ｃ）が８０％超となり、ｒ３が１．３のとき、ＯＣＶＡｉが０．９９Ｖ未満となっている。そのため、ｒ３が０．４以下または１．３以上のときは、安定性が不良であると判断し、それ以外では安定性が良好であると判断した。
【０１３３】
次に、ｒ２を０．７に固定し、ｒ３を０．５〜１に変更したときの長期耐久性の指標および発電効率の結果を表７に示す。
【０１３４】
【表７】
0006556440.tif 000008
【０１３５】
表７に示すように、ｒ３が０．５のとき、Ｕｆ（Ｃ）が８０％超となり、ｒ３が１のとき、ＯＣＶＡｉが０．９９Ｖ未満となっている。そのため、ｒ３が０．５以下または１以上のときは、安定性が不良であると判断し、それ以外では安定性が良好であると判断した。
【０１３６】
次に、ｒ２を０．８に固定し、ｒ３を０．６〜０．８に変更したときの長期耐久性の指標および発電効率の結果を表８に示す。
【０１３７】
【表８】
0006556440.tif 000009
【０１３８】
表８に示すように、ｒ３が０．６のとき、Ｕｆ（Ｃ）が８０％超となり、ｒ３が０．８のとき、ＯＣＶＡｉが０．９９Ｖ未満となっている。そのため、ｒ３が０．６以下または０．８以上のときは、安定性が不良であると判断し、それ以外では安定性が良好であると判断した。
【０１３９】
次に、ｒ２を０．９に固定し、ｒ３を０．７〜０．９に変更したときの長期耐久性の指標および発電効率の結果を表９に示す。
【０１４０】
【表９】
0006556440.tif 000010
【０１４１】
表９に示すように、ｒ３が０．７のとき、Ｕｆ（Ｃ）が８０％超かつＯＣＶＡｉが０．９９Ｖ未満となり、ｒ３が０．８または０．９のとき、ＯＣＶＡｉが０．９９Ｖ未満となっている。そのため、ｒ２を０．９としたときは、ｒ３の数値範囲に関係なく安定性が不良であると判断した。
【０１４２】
以上、表１〜表９に示すように、燃料電池システム２００の長期安定性を確保するためには、第１の燃料電池スタック１５での燃料使用量に対する第３の燃料電池スタック２５での燃料使用量の比ｒ２が０．１≦ｒ２≦０．８を満たすことが好ましい。ここで、この数値範囲を満たすためには、単電池（セル）電極面積当たりの電流密度が第１の燃料電池スタック５と第２の燃料電池スタック７で等しい場合、第１の燃料電池スタック１５の有効電極面積に対する第３の燃料電池スタック２５の有効電極面積の比、または、第１の燃料電池スタック１５のセル積層数に対する第３の燃料電池スタック２５のセル積層数の比が、ｒ２に対応するため、この値を０．１以上０．８以下に調整すればよい。
ここで、第１の燃料電池スタック１５の有効電極面積に対する第３の燃料電池スタック２５の有効電極面積の比とは、各燃料電池スタックの積層セルの各セル電極面積をそれぞれ合計したときの面積比を意味している。また、第１の燃料電池スタック１５のセル積層数に対する第３の燃料電池スタック２５のセル積層数の比については、各燃料電池スタックのセルの面積が等しいことを想定している。
【０１４３】
上記ｒ２は、０．１≦ｒ２≦０．８を満たせばよいが、中でも０．３５≦ｒ２≦０．８を満たすことが好ましく、０．４≦ｒ２≦０．８を満たすことがより好ましい。これにより、最新鋭の大規模集中火力発電と同等以上の発電効率を得ることができ、発電効率のより高い分散型燃料電池システムを提供することが可能である。
【０１４４】
さらに、上記比ｒ２は０．４≦ｒ２≦０．７を満たし、かつ、第１の改質器１３に供給される炭化水素燃料の流量と、第２の改質器２３に供給される炭化水素燃料の流量との比ｒ３は０．６≦ｒ３≦０．９を満たすことが好ましい。他にも、上記比ｒ２は０．５≦ｒ２≦０．６を満たし、かつ、第１の改質器１３に供給される炭化水素燃料の流量と、第２の改質器２３に供給される炭化水素燃料の流量との比ｒ３は０．５≦ｒ３≦１．２を満たすことが好ましい。これらの構成によれば、燃料電池スタックの長期安定性に優れ、かつ発電効率の高い燃料電池システムを提供することができる。
【０１４５】
本発明における燃料電池システムは、２段構成のスタックを有する燃料電池システムおよび３段構成のスタックを有する燃料電池システムに限定されない。そのため、２段構成のスタックを有する燃料電池システムについて、第２の燃料電池スタックの下流側に別の燃料電池スタックを設けて、３段構成以上のスタックを有する燃料電池システムとしてもよく、３段構成のスタックを有する燃料電池システムについて、第２の燃料電池スタックの下流側に別の燃料電池スタックを設けて、４段構成以上のスタックを有する燃料電池システムとしてもよい。
【符号の説明】
【０１４６】
１００、２００        燃料電池システム
１、２１              改質水供給管
２、１２、２２        炭化水素燃料供給管
３、１３              第１の改質器
４、１４、２４        改質ガス供給管
５、１５              第１の燃料電池スタック
６、１１、１６        排出ガス供給管
７、１７              第２の燃料電池スタック
２３                  第２の改質器
２５                  第３の燃料電池スタック
２０２                固体酸化物電解質
２０４                燃料極
２０６                空気極
２０８                単電池
２１０                インターコネクタ
２１０Ａ              改質ガス流路形成溝
２１０Ｂ              酸化剤ガス流路形成溝
【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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