(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質、燃料極および空気極を備える燃料電池スタックが燃料の供給方向に沿って複数設置されており、
前記燃料電池スタックとして、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとを備え、
前記第１の燃料電池スタックは、プロトン導電性電解質を含む電解質、燃料極、および空気極を備え、
前記第２の燃料電池スタックは、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、前記第２の燃料電池スタックの燃料極側に供給され、
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。
【請求項２】
電解質、燃料極および空気極を備える燃料電池スタックが燃料の供給方向に沿って複数設置されており、
前記燃料電池スタックとして、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとを備え、
前記第１の燃料電池スタックは、プロトン導電性電解質を含む電解質、燃料極、および空気極を備え、
前記第２の燃料電池スタックは、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、前記第２の燃料電池スタックの燃料極側に供給され、
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、
プロトン導電性電解質を含む電解質、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と、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＜４．０を満たす、燃料電池システム。
【請求項３】
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、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、
をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
プロトン導電性電解質を含む電解質、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＜４．０を満たす、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項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、請求項２、請求項３および請求項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６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記比ｒ２は、０．５≦ｒ２≦３．０を満たす、請求項２、請求項３および請求項５〜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】
前記比ｒ２は、２．０≦ｒ２≦３．０を満たす、請求項２、請求項３および請求項５〜請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記比ｒ２は１．０≦ｒ２≦３．０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ｒ３≧４を満たす、請求項６または請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
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〜請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記第２の燃料電池スタックの電解質は、プロトン導電性電解質を含む、請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記プロトン導電性電解質は、以下の式（Ｉ）で表される化合物および式（ＩＩ）で表される化合物より選ばれる少なくとも一種である、請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
Ｍ１−δ（Ｃｅ１−ｘ−ｙＺｒｘＲｙ)Ｏ３・・・・（Ｉ）
（Ｌａ２−ｚＣａｚ）Ｃｅ２Ｏ７・・・・（ＩＩ）
（式（Ｉ）中、ＭはＢａまたはＳｒを表し、ＲはＹ、Ｇｄ、ＩｎまたはＹｂを表し、δは−０．１〜０．１、ｘは０〜１、およびｙは０〜０.５を表し、１−ｘ−ｙ≧０を満たす。式（ＩＩ）中、ｚは０〜１を表す。）
【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、酸素イオン導電性電解質、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）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】
また、ＳＯＦＣの中には、空気極側から燃料極側に酸化物イオン（Ｏ２−）が移動する酸素イオン導電性電解質を（固体酸化物）電解質として用いた燃料電池システムだけでなく、燃料極側から空気極側にプロトン（Ｈ＋）が移動するプロトン導電性電解質を（固体酸化物）電解質として用いた燃料電池システムが知られている。より詳細には、複数の燃料電池を有し、前段の燃料電池では（固体酸化物）電解質として酸素イオン導電性電解質を用いており、後段の燃料電池では（固体酸化物）電解質としてプロトン導電性電解質を用いている燃料電池システム（燃料電池発電システム）が知られている（例えば、特許文献１、２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−８７２６２号公報
【特許文献２】特開２０１１−１８１４８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１、２に記載の燃料電池システムは、複数の燃料電池を備え、前段の燃料電池の燃料極側に水蒸気が発生する。そして、燃料極側から発生した水蒸気を用いて燃料を水蒸気改質した後に、後段の燃料電池に改質後の燃料を供給して発電を行なうことにより、発電効率を高めている。しかしながら、これらの燃料電池システムでは、前段の燃料電池の燃料極側で発生した水蒸気が、後段の燃料電池へ供給されるため、後段の燃料電池に供給される燃料の濃度が低下する。その結果、後段の燃料電池の電圧が低下し、燃料電池システム全体について高い発電効率が得られないという問題が生じる。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、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】
【０００８】
上記課題は以下の手段により解決される。
＜１＞  電解質、燃料極および空気極を備える燃料電池が燃料の供給方向に沿って複数設置されており、少なくとも最も上流にある前記燃料電池の電解質がプロトン導電性電解質を含む、燃料電池システム。
【０００９】
上記構成では、最も上流にある燃料電池が備える電解質は、プロトン導電性電解質を含む。その燃料電池では、燃料極側に供給された燃料ガスに含まれる水素に由来するプロトンが電解質を介して空気極側に移動して酸素と反応し発電を行なう。この発電に伴って生成する水蒸気は空気極側で生成し、水蒸気による燃料の希釈化が生じない。そのため、プロトン導電性電解質を含まない燃料電池を最も上流に設けた場合と比較して、発電効率をより高めることができる。
【００１０】
＜２＞  最も上流にある前記燃料電池以外の少なくとも一つの燃料電池の電解質がプロトン導電性電解質を含む、＜１＞に記載の燃料電池システム。
【００１１】
これにより、電解質がプロトン導電性電解質を含む燃料電池におけるセル電圧をより高めることができる。
【００１２】
＜３＞  前記燃料電池として、第１の燃料電池と第２の燃料電池とを備え、前記第１の燃料電池は、プロトン導電性電解質を含む電解質、燃料極、および空気極を備え、前記第２の燃料電池は、電解質、燃料極、および空気極を備え、前記第１の燃料電池よりも下流に配置されており、前記第１の燃料電池の燃料極側から排出される排出ガスが、前記第２の燃料電池の燃料極側に供給される、＜１＞または＜２＞に記載の燃料電池システム。
【００１３】
上記構成では、第１の燃料電池が備える電解質は、プロトン導電性電解質を含む。そして、第１の燃料電池では、燃料極側に供給された燃料ガスに含まれる水素に由来するプロトンが電解質を介して空気極側に移動して酸素と反応し発電を行なう。この発電に伴って生成する水蒸気は空気極側で生成し、水蒸気による燃料の希釈化が生じない。そのため、プロトン導電性電解質を含まない第１の燃料電池スタックを使用した場合と比較して、発電効率をより高めることができる。
【００１４】
＜４＞  第１の燃料電池および第２の燃料電池の合計の燃料利用率は、８０％〜９５％である、＜３＞に記載の燃料電池システム。
【００１５】
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。
【００１６】
＜５＞  前記第２の燃料電池の電解質は、プロトン導電性電解質を含む、＜３＞または＜４＞に記載の燃料電池システム。
【００１７】
第２の燃料電池の電解質がプロトン導電性電解質を含むことにより、第２の燃料電池におけるセル電圧をより高めることができる。
【００１８】
＜６＞  前記第１の燃料電池での燃料使用量に対する前記第２の燃料電池での燃料使用量（燃料が電気化学的に酸化される量）の比ｒ１は、０．３５≦ｒ１≦１．０を満たす、＜３＞〜＜５＞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以上であることにより、第２の燃料電池におけるセル電圧の値がある程度維持され、第２の燃料電池の電極（燃料極）の酸化が抑制される。そのため、燃料電池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。
【００２０】
上記比ｒ１が１．０以下であることにより、第２の燃料電池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。
【００２１】
＜７＞  前記第１の燃料電池の上流に配置され、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、をさらに備える、＜３＞〜＜６＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【００２２】
上記構成によれば、第１の改質器にて炭化水素燃料を改質することで水素を含む改質ガスが生成され、その改質ガスが第１の燃料電池スタックに供給されて発電が行なわれる。
【００２３】
＜８＞  プロトン導電性電解質を含む電解質、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の燃料電池をさらに備え、前記第１の燃料電池での燃料使用量に対する前記第３の燃料電池での燃料使用量の比ｒ２は、０．１≦ｒ２＜４．０を満たす、＜７＞に記載の燃料電池システム。
【００２４】
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。
【００２５】
上記比ｒ２が４．０未満であることにより、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より優れた燃料電池システムを提供することができる。
【００２６】
＜９＞  前記第３の燃料電池の上流に配置され、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、＜８＞に記載の燃料電池システム。
【００２７】
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の燃料電池に供給されて発電が行なわれる。
【００２８】
＜１０＞  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、＜９＞に記載の燃料電池システム。
【００２９】
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、水素を含む改質ガスが生成される。
【００３０】
＜１１＞  前記比ｒ２は、０．５≦ｒ２≦３．０を満たす、＜８＞〜＜１０＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【００３１】
比ｒ２が０．５以上であることにより、発電効率のより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３．０以下であることにより、第１の燃料電池スタック入口の閉回路電圧（ＯＣＶＡｉ）の低下をより抑制でき、燃料電池スタックの長期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。
【００３２】
＜１２＞  前記比ｒ２は、２．０≦ｒ２≦３．０を満たす、＜８＞〜＜１１＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【００３３】
比ｒ２が２．０以上であることにより、発電効率のさらに高い燃料電池システムを提供することが可能である。
【００３４】
＜１３＞  前記比ｒ２は１．０≦ｒ２≦３．０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ｒ３≧４を満たす、＜９＞または＜１０＞に記載の燃料電池システム。
【００３５】
この構成によれば、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。
【００３６】
＜１４＞  壁部が気体透過性を有し、酸素または水素燃料を含む気体が流通し、前記壁部の外周上の少なくとも一部にて、前記気体の流通方向に沿って前記燃料電池が複数並設され、前記気体が前記壁部を透過して前記燃料電池の燃料極側または空気極側に供給される中空基体と、電子伝導性を有し、隣り合う前記燃料電池間の燃料極と空気極とを接続する導電部材と、を備える、＜１＞または＜２＞に記載の燃料電池システム。
【００３７】
＜１５＞  前記中空基体は、流通する水素燃料を含む気体を、前記壁部を透過して前記燃料電池の燃料極側に供給する、＜１４＞に記載の燃料電池システム。
【００３８】
これらの構成によれば、中空基体を流通する酸素または水素燃料を含む気体は、壁部を介して、気体が酸素を含む場合は空気極に供給され、気体が水素燃料を含む場合は燃料極に供給されて発電に使用される。特に、気体が水素燃料を含む場合は、水素燃料に由来するプロトンが電解質を介して空気極側に移動して酸素と反応し、空気極側にて水蒸気が生じる。そのため、中空基体を流通する水素燃料を含む気体について、水蒸気による燃料の希釈化が生じず、プロトン導電性電解質を含まない燃料電池スタックを使用した場合と比較して、発電効率をより高めることができる。
【００３９】
＜１６＞  前記プロトン導電性電解質は、以下の式（Ｉ）で表される化合物および式（ＩＩ）で表される化合物より選ばれる少なくとも一種である、＜１＞〜＜１５＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
Ｍ１−δ（Ｃｅ１−ｘ−ｙＺｒｘＲｙ)Ｏ３・・・・（Ｉ）
（Ｌａ２−ｚＣａｚ）Ｃｅ２Ｏ７・・・・（ＩＩ）
（式（Ｉ）中、ＭはＢａまたはＳｒを表し、ＲはＹ、Ｇｄ、ＩｎまたはＹｂを表し、δは−０．１〜０．１、ｘは０〜１、およびｙは０〜０.５を表し、１−ｘ−ｙ≧０を満たす。式（ＩＩ）中、ｚは０〜１を表す。）
【００４０】
これらの化合物はプロトン導電性電解質として好適に用いることができる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、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】
【００４２】
【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、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。
【図６】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、その断面図であり、（ｂ）は、その上面図である。
【図７】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、その斜視図であり、（ｂ）は、その断面図である。
【図８】比較例において、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。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
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。
【００４４】
本発明に係る燃料電池システムは、電解質、燃料極および空気極を備える燃料電池が燃料の供給方向に沿って複数設置されており、少なくとも最も上流にある前記燃料電池の電解質がプロトン導電性電解質を含む。
上記構成では、最も上流にある燃料電池が備える電解質は、プロトン導電性電解質を含む。その燃料電池では、燃料極側に供給された燃料ガスに含まれる水素に由来するプロトンが電解質を介して空気極側に移動して酸素と反応し発電を行なう。この発電に伴って生成する水蒸気は空気極側で生成し、水蒸気による燃料の希釈化が生じない。そのため、プロトン導電性電解質を含まない燃料電池を最も上流に設けた場合と比較して、発電効率をより高めることができる。
【００４５】
また、本発明に係る燃料電池システムは、最も上流にある前記燃料電池の電解質がプロトン導電性電解質を含んでいればよく、その燃料電池よりも下流に設置される燃料電池の電解質はプロトン導電性電解質を含んでいてもよく、含んでいなくてもよい。下流に設置される燃料電池の電解質がプロトン導電性電解質を含む場合、最も上流にある燃料電池以外の少なくとも一つの燃料電池の電解質がプロトン導電性電解質を含むことが好ましく、全ての燃料電池の電解質がプロトン導電性電解質を含むことがより好ましい。
【００４６】
なお、本発明の燃料電池システムは、燃料電池が少なくとも２つ以上が燃料の供給方向に沿って（列をなして）設置されていればよく、以下に説明する２つの燃料電池（燃料電池スタック）を備える燃料電池システム１００あるいは３つの燃料電池（燃料電池スタック）を備える燃料電池システム２００は本発明の一実施形態にすぎず、本発明はこれらの実施形態に限定されない。
【００４７】
次に、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（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。
【００４８】
〔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、燃料電池として、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とを備え、第１の燃料電池スタック５は、プロトン導電性電解質を含む電解質、燃料極、および空気極を備え、第２の燃料電池スタック７は、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、第２の燃料電池スタック７の燃料極側に直接（即ち、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との間で改質器を介することなく）供給される。さらに、燃料電池システム１００は、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１３に炭化水素燃料を供給する第１の燃料供給手段と、を備えている。
【００４９】
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、中でも水蒸気改質が好ましい。以下の燃料電池システム１００では、好ましい改質方法である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。
【００５０】
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。
【００５１】
燃料電池システム１００では、第１の燃料電池スタック５が備える電解質は、プロトン導電性電解質を含む。そして、第１の燃料電池スタック５では、燃料極側に供給された燃料ガス（改質ガス）に含まれる水素に由来するプロトンが電解質を介して空気極側に移動して酸素と反応し発電を行なう。この発電に伴って生成する水蒸気は空気極側で生成し、水蒸気による燃料の希釈化が生じない。そのため、電解質が酸素イオン導電性電解質であり、かつプロトン導電性電解質を含まない燃料電池スタックを使用した場合と比較して、発電効率をより高めることができる。
【００５２】
また、燃料電池システム１００では、燃料の希釈化が生じないため、下流の燃料電池スタック、つまり第２の燃料電池スタック７のセル電圧の低下が抑制され、燃料電池スタックは長期安定性に優れる。
【００５３】
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、炭素析出が抑制される。
【００５４】
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にて水蒸気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。
【００５５】
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。
【００５６】
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、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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２・・・・（ａ）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２・・・・（ｂ）
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
第１の燃料電池スタック５は、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。さらに、燃料電池システム１００において、第１の燃料電池スタック５の電解質は、プロトン導電性電解質を含んでいる。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中に含まれる水素に由来する水素イオンと、空気極側に供給された酸素と、を電気化学的に反応させて発電を行なう。水素イオンを反応させることにより生成される水蒸気は、空気極側から排出され、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、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。
【００６３】
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。
【００６４】
第２の燃料電池スタック７は、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。本実施形態に係る第２の燃料電池スタック７の電解質は、プロトン導電性電解質を含んでいなくてもよいが、プロトン導電性電解質を含んでいることが好ましい。
【００６５】
第２の燃料電池スタック７の電解質が、プロトン導電性電解質を含んでいない場合、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中に含まれる水素と、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、反応により生じた水蒸気および未反応ガスは燃料極側から排出される。
【００６６】
一方、第２の燃料電池スタック７の電解質が、プロトン導電性電解質を含んでいる場合、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中に含まれる水素に由来する水素イオンと、空気極側に供給された酸素と、を電気化学的に反応させて発電を行なう。そして、反応により生じた水蒸気は空気極側から排出され、未反応ガスは燃料極側から排出される。このような構成によれば、第２の燃料電池スタック７の燃料極側から排出される排出ガスには水蒸気が含まれないことから、未反応ガスが希釈化されず、第２の燃料電池スタック７の後段に更に燃料電池スタックを配置する等、システム構成を柔軟に拡張することが可能となる。
【００６７】
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を満たしていることが好ましい。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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、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。
【００７２】
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。
【００７３】
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、層状の電解質２０２と、層状の電解質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（導電部材）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。
【００７４】
電解質２０２は、プロトン導電性電解質を含む電解質であればよい。プロトン導電性電解質は、プロトン導電性を有する電解質であれば特に限定されないが、例えば、ペロブスカイト構造、パイロクロア構造などを有する電解質が好ましい。プロトン導電性電解質としては、以下の式（Ｉ）で表される化合物（ペロブスカイト構造）および式（ＩＩ）で表される化合物（パイロクロア構造）の少なくとも一方であることが好ましい。
【００７５】
Ｍ１−δ（Ｃｅ１−ｘ−ｙＺｒｘＲｙ)Ｏ３・・・・（Ｉ）
（Ｌａ２−ｚＣｚ）Ｃｅ２Ｏ７・・・・（ＩＩ）
（式（Ｉ）中、ＭはＢａまたはＳｒを表し、ＲはＹ、Ｇｄ、ＩｎまたはＹｂを表し、δは−０．１〜０．１、ｘは０〜１、およびｙは０〜０.５を表し、１−ｘ−ｙ≧０を満たす。式（ＩＩ）中、ＣはＣｏまたはＣａを表し、ｚは０〜１を表す。また、Ｃは、好ましくはＣａである。）
【００７６】
プロトン導電性電解質としては、以下の式（ＩＩＩ）〜式（ＶＩ）で表される化合物の少なくともいずれかであることがより好ましく、安定性を考慮すると、式（Ｖ）、式（ＶＩ）で表される化合物のいずれかであることがさらに好ましい。
【００７７】
Ｂａ１−δ（Ｃｅ１−ｘ−ｙＺｒｘＹｙ）Ｏ３（ＢＣＺＹ）・・・（ＩＩＩ）
Ｂａ１−δ（ＺｒｘＣｅ１−ｘ−ｙＹｙ）Ｏ３（ＢＺＣＹ）・・・（ＩＶ）
Ｂａ１−δ（ＺｒｘＩｎｙ）Ｏ３（ＢＺＩ）・・・（Ｖ）
Ｌａ２−ｚＣａｚＣｅ２Ｏ７（ＬＣＣＯ）・・・（ＶＩ）
（式（ＩＩＩ）〜（ＶＩ）中、δは−０．１〜０．１、ｘは０〜１、ｙは０〜０.５およびｚは０〜１を表し、１−ｘ−ｙ≧０を満たす。ただし、式（ＩＩＩ）では１−２ｘ−ｙ≧０を満たし、式（ＩＶ）では２ｘ＋ｙ−１＜０を満たす。）
【００７８】
さらに、上記ＢＣＺＹとしては、例えば、Ｂａ０．９８Ｃｅ０．６Ｚｒ０．２Ｙ０．２Ｏ３ーｄが好ましく、上記ＢＺＣＹとしては、例えば、ＢａＺｒ０．６Ｃｅ０．４Ｙ０．２Ｏ３−ｄが好ましく、上記ＢＺＩとしては、例えば、ＢａＺｒ０．７Ｉｎ０．３Ｏ３ーｄが好ましく、上記ＬＣＣＯとしては、例えば、Ｌａ１．９５Ｃａ０．０５Ｃｅ２Ｏ７ーｄが好ましい（なお、ｄ≒０）。
【００７９】
電解質２０２は、プロトン導電性電解質からなる電解質であってもよいが、酸素イオン導電性電解質を含む電解質であってもよい。電解質２０２が酸素イオン導電性電解質を含む場合、酸素イオン導電性電解質の含有量は、１０質量％以下であることが好ましい。
【００８０】
酸素イオン導電性電解質は、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。
【００８１】
燃料極２０４は、アノードである。燃料極２０４では、供給された水素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、ＮｉＯ、ＢＣＺＹ−ＮｉＯ、ＢＺＣＹ−ＮｉＯ、ＢＺＩ−ＮｉＯ、ＬＣＣＯ−ＮｉＯなどの材料により構成されていてもよく、ＢＣＺＹ−ＮｉＯ、ＢＺＣＹ−ＮｉＯ、ＢＺＩ−ＮｉＯ、ＬＣＣＯ−ＮｉＯについては、材料全体に対して、５０質量％〜７０質量％のＮｉＯを含んでいることが好ましい。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。
【００８２】
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燃料極側から移動してきたプロトンと反応する際に電子を取り込んで、水（水蒸気）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、ＢＳＣＦ（Ｂａ、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｆｅおよび酸素からなる化合物）、ＢＳＣＦＴ（Ｂａ、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉおよび酸素からなる化合物）、ＰＢＣ（Ｐｒ、Ｂｒ、Ｃｏおよび酸素からなる化合物）、ＢＺＹＰ（Ｂａ、Ｚｒ、Ｙ、Ｆｅ、Ｐｒおよび酸素からなる化合物）、ＬＳＣＦ（Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｆｅおよび酸素からなる化合物）、ＢＳＣＦ−ＢＣＺＹ、ＢＳＣＦＴ−ＢＺＣＹ、ＰＢＣ−ＢＺＹＰ、ＬＳＣＦ−ＬＣＣＯなどの材料により構成されていてもよい。ＢＳＣＦ−ＢＣＺＹ、ＢＳＣＦＴ−ＢＺＣＹ、ＰＢＣ−ＢＺＹＰ、ＬＳＣＦ−ＬＣＣＯについては、材料全体に対して、５０質量％〜７０質量％のＢＳＣＦ、ＢＳＣＦＴ、ＰＢＣ、ＬＳＣＦをそれぞれ含んでいることが好ましい。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。
【００８３】
さらに、上記ＢＳＣＦとしては、例えば、Ｂａ０．５Ｓｒ０．５Ｃｏ０．８Ｆｅ０．２Ｏ３−ｄが好ましく、上記ＢＳＣＦＴとしては、例えば、Ｂａ０．５Ｓｒ０．５（Ｃｏ０．８Ｆｅ０．２）０．９Ｔｉ０．１Ｏ３−ｄが好ましく、上記ＰＢＣとしては、例えば、ＰｒＢｒＣｏ２Ｏ５＋ｄが好ましく、上記ＢＺＹＰとしては、例えば、ＢａＺｒ０．７Ｙ０．２ＦｅＰｒ０．１Ｏ３−ｄが好ましく、上記ＬＳＣＦとしては、例えば、ＬａＳｒ３Ｃｏ１．５Ｆｅ１．５Ｏ１０−ｄが好ましい（なお、ｄ≒０）。
【００８４】
インターコネクタ２１０は、燃料極２０４または空気極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。
【００８５】
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。
【００８６】
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の燃料極２０４には、水素を含む改質ガスが供給され、水素について、以下の式（ｃ）に示す反応が起こり、その際、水素イオン（プロトン）が電解質２０２の内部を移動する。
【００８７】
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−・・・・（ｃ）
【００８８】
また、空気極２０６には、酸素を含む酸化剤ガスが供給される。供給された酸素と、電解質２０２の内部を移動する水素イオンと、が空気極２０６と電解質２０２との界面にて反応する。反応式は以下の式（ｄ）に示すとおりである。
【００８９】
４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ・・・・（ｄ）
【００９０】
上記式（ｄ）に示すような、単電池での水素イオンの電気化学的な反応により、水蒸気が生成され、発電が行なわれる。
【００９１】
第１の燃料電池スタック５にて使用されなかった水素は、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。
【００９２】
なお、第２の燃料電池スタック７は、第１の燃料電池スタック５と同様に電解質にプロトン導電性電解質を含むスタックであってもよく、この場合、第２の燃料電池スタック７の構成は、第１の燃料電池スタック５と同様である。一方、第２の燃料電池スタック７は、電解質にプロトン導電性電解質を含まず、前述の酸素イオン導電性電解質からなる電解質を備えるスタックであってもよい。
【００９３】
第２の燃料電池スタック７が、酸素イオン導電性電解質からなる電解質を備える場合、燃料極は、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することができる。空気極は、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することができる。ＬａＭｎＯ３系酸化物の具体例としては、例えば、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３（ＬＳＭ）や、Ｌａ０．６Ｃａ０．４ＭｎＯ３（ＬＣＭ）等が挙げられる。燃料極および空気極は、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。
【００９４】
次に、図１に示す燃料電池システム１００とは異なる形態の燃料電池システムについて、図６、７を用いて、以下に説明する。図６、７は、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る。なお、前述した第１の燃料電池スタック５の各構成と同じ名称の構成については、第１の燃料電池スタック５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。
【００９５】
図６に示す燃料電池システム３００は、壁部が気体透過性を有し、水素燃料を含む気体が流通する中空基体（支持基体）３０１を備え、前記壁部の外周上の一部にて、前記気体の流通方向に沿って、燃料極３０４、プロトン導電性電解質を含む（あるいはプロトン導電性電解質からなる）電解質３０２、および空気極３０６をこの順に備える燃料電池３０８が複数並設されている。燃料電池３０８については、壁部側から見て、燃料極３０４と、電解質３０２と、空気極３０６と、がこの順に積層されている。なお、本実施形態では、電解質３０２、および空気極３０６をこの順に備える単電池を燃料電池としている。
【００９６】
中空基体３０１は、上流側にて改質ガス供給管（図示せず）と接続し、下流側にて排出ガス供給管と接続しており、改質ガス供給管から供給された改質ガス（水素燃料を含む気体）は、中空基体内部の改質ガス流路３１１を流通する。そして、中空基体３０１の壁部は気体透過性を有し、その壁部の外周上に複数の燃料電池３０８が気体の流通方向に沿って並設されている。そのため、気体透過性を有する壁部を介して、改質ガスが燃料電池３０８の燃料極３０４側に供給され、改質ガスに含まれる水素について、上記の式（ｃ）に示す反応が起こり、その際に水素イオンが電解質３０２の内部を移動する。
【００９７】
また、酸素を含む気体（酸化剤ガス）が燃料電池３０８の空気極３０６側に供給され、供給された酸素と、電解質３０２の内部を移動する水素イオンと、が空気極３０６と電解質３０２との界面にて反応する（上記式（ｄ））。これにより、燃料電池３０８での水素イオンの電気化学的な反応により、水蒸気が生成され、発電が行なわれる。
【００９８】
隣接する燃料電池間の燃料極と空気極とは、電子導電性を有するインターコネクタ３１０を介して接続されている。インターコネクタ３１０は、燃料極３０４又は空気極３０６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。これによって複数の燃料電池３０８は電気的に直列に接続される。インターコネクタ３１０の形状を変えて、複数の燃料電池３０８の燃料極３０４同士を接続するようにし、かつ空気極３０６を覆うようにメッシュ状電極等を接続することで、空気極３０６側で発生する水蒸気の排出を妨げることなく、複数の燃料電池３０８を電気的に並列に接続することも可能である。なお、図６（ｂ）では、インターコネクタ３１０を省略している。
【００９９】
空気極３０６と電解質３０２との界面にて水素イオンの電気化学的な反応が起こるため、発電時に空気極３０６側に水蒸気が生成される。ここで、電解質がプロトン導電性電解質を含まない場合には、発電時に燃料極側に水蒸気が生成され、生成された水蒸気が中空基体３０１の壁部を介して改質ガス流路３１１に供給されることにより、燃料の希釈化が生じるおそれがある。しかし、本形態のように電解質がプロトン導電性電解質を含む場合には、発電時に空気極側に水蒸気が生成されるため、生成された水蒸気が中空基体３０１の壁部を介して改質ガス流路３１１に供給されることが抑制され、燃料の希釈化が生じず、発電効率をより高めることができる。
【０１００】
中空基体３０１は、気体透過性を有する多孔質材料から形成されていることが好ましく、例えば、セラミック材料、金属材料などを好適に用いることができる。また中空基体３０１の形状としては、中空基体３０１の壁部の外周上に燃料電池３０８を設置できる形状であれば特に限定されず、例えば、四角形状、円筒形状などであってもよい。
【０１０１】
燃料電池システム３００では、中空基体３０１の壁部の上部だけに複数の燃料電池３０８を気体の流通方向に沿って並設されているだけでなく、図６（ａ）に示すように、中空基体３０１の壁部の下部にも複数の燃料電池３０８を気体の流通方向に沿って並設されていてもよい。つまり、中空基体３０１の壁部に複数（ｎ’個：ｎ’は２以上の整数）の燃料電池３０８を気体の流通方向に沿って並設させてなる燃料電池群３１２を一列形成してもよく、二列以上形成してもよい。なお、図６（ａ）において、燃料電池３０８が配置された部位を除く中空基体３０１の周面には、燃料ガスの漏出を防ぐ遮蔽部材（図示せず）が設けられている。
【０１０２】
次に、図７に示す燃料電池システム４００は、壁部が気体透過性を有し、水素燃料を含む気体が流通する中空基体４０１を備え、前記壁部の外周上にて、前記気体の流通方向に沿って複数並設され、燃料極４０４、プロトン導電性電解質を含む（あるいはプロトン導電性電解質からなる）電解質４０２、および空気極４０６をこの順に備える燃料電池４０８が複数並設されている。燃料電池４０８については、壁部側から見て、燃料極４０４と、電解質４０２と、空気極４０６とがこの順に積層されている。また、隣接する燃料電池間の燃料極と空気極とは、電子導電性を有するインターコネクタ４１０を介して接続されており、インターコネクタ４１０上には、インターコネクタ４１０を保護する保護膜４１２が設けられている。このインターコネクタ４１０によって複数の燃料電池４０８が電気的に直列に接続される。
【０１０３】
図６に示す燃料電池システム３００では、中空基体３０１の壁部の外周上の一部に四角形状の燃料電池３０８が複数設けられているが、図７に示す燃料電池システム４００では、中空基体４０１の壁部の外周上に環状の燃料電池４０８が複数設けられている点で相違する。
【０１０４】
燃料電池システム３００と同様に、燃料電池システム４００を用いた場合にも、空気極４０６と電解質４０２との界面にて水素イオンの電気化学的な反応が起こるため、発電時に空気極４０６側に水蒸気が生成される。そのため、生成された水蒸気が中空基体４０１の壁部を介して改質ガス流路４１１に供給されることが抑制され、燃料の希釈化が生じず、発電効率をより高めることができる。
【０１０５】
図６に示す燃料電池システム３００および図７に示す燃料電池システム４００について、中空基体の内部を流通する気体としては、水素燃料を含む気体に限定されず、酸素を含む気体（酸化剤ガス）であってもよい。このとき、燃料電池については、中空基体の壁部の外周上には、壁部側から見て、空気極と、電解質と、燃料極と、がこの順に積層されていればよい。この構成により、燃料極側から供給された水素に由来し、電解質の内部を移動する水素イオンと、中空基体の壁部を透過して空気極側に供給された酸素と、が反応して発電が行なわれる。
【０１０６】
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）の性能および条件を以下のように設定する。
【０１０７】
〔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−０．９９Ｖ、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。
【０１０８】
〔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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
Ｕｆ（ｔｏｔａｌ）／１００＝（Ｃｏｎ（Ａ）＋Ｃｏｎ（Ｂ））／Ｓ・・・（１）
【０１１１】
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。
【０１１２】
Ｃｏｎ（Ｂ）＝ｒ１Ｃｏｎ（Ａ）・・・（２）
【０１１３】
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。
【０１１４】
Ｕｆ（Ａ）／１００＝Ｃｏｎ（Ａ）／Ｓ・・・（３）
Ｕｆ（Ｂ）／１００＝Ｃｏｎ（Ｂ）／Ｓ（１−Ｕｆ（Ａ）／１００）・・・（４）
【０１１５】
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。
【０１１６】
Ｕｆ（Ａ）＝Ｕｆ（ｔｏｔａｌ）／（１＋ｒ１）・・・（５）
Ｕｆ（Ｂ）＝ｒ１Ｕｆ（ｔｏｔａｌ）／（１＋ｒ１−Ｕｆ（ｔｏｔａｌ）／１００）・・・（６）
【０１１７】
図４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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
図３は、電解質にプロトン導電性電解質を含む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０．２Ａ／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、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のそれぞれの電解質は、プロトン導電性電解質を含むことを想定している。
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。
【０１２０】
図３から、ｒ１が０．４〜０．７付近で発電効率が最大値（約６９．５％）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≦０．７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。
【０１２１】
次に、比較例の燃料電池システムの発電効率について、図８を用いて説明する。図８は、比較例において、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。比較例の燃料電池システムでは、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について、プロトン導電性電解質を含まずに酸素イオン導電性電解質からなる電解質を用いており、その他の構成については燃料電池システム１００と同様である。なお、Ｕｆ（ｔｏｔａｌ）＝８５％としている。
【０１２２】
図８から、ｒ１が０．４〜０．５付近で発電効率が最大値（約６２％）となっており、図３の結果と比べて、発電効率の値が７％以上小さいことが分かる。そのため、本実施形態の燃料電池システム１００は、電解質としてプロトン導電性電解質を含んでいるため、プロトン導電性電解質を含んでいない比較例の燃料電池システムよりも高い発電効率を得ることができる。また、本実施形態の燃料電池システム１００が、プロトン導電性電解質を含んでいない比較例の燃料電池システムと同じ内部抵抗のスタックを用いている場合でも、電解質にプロトン導電体を含むことで、水蒸気が燃料極側にて発生せず、これにより、多段式の燃料電池システム１００では、発電効率の大幅な上昇が可能となっている。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
ｒ１＝（１００−Ｕｆ（ｔｏｔａｌ））１／２／１０・・・・（７）
【０１２６】
ｒ１としては、Ｕｆ（Ａ）とＵｆ（Ｂ）とが一致する場合（図４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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
〔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。
【０１２９】
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、プロトン導電性電解質を含む電解質、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＜４．０を満たす。
【０１３０】
燃料電池システム２００は、図５（ｂ）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＜４．０を満たしている。さらに、この実施形態では、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の全ての電解質にプロトン導電性電解質が含まれている構成について説明する。
【０１３１】
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。
【０１３２】
上記比ｒ２が４．０未満であることにより、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。
【０１３３】
燃料電池システム２００では、第３の燃料電池スタック２５の電解質がプロトン導電性電解質を含んでいるため、水素イオンが燃料極側から空気極側に移動し、酸素と反応して発電を行なう。そのため、第３の燃料電池スタック２５の内部にて発生する水蒸気は、空気極側から排出され、燃料極側から排出される排出ガスに含まれる水蒸気の量が低減される。よって、水蒸気による燃料濃度の希釈化が生じず、後段の第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のセル電圧の低下を抑制することができ、燃料電池スタックの長期安定性を確保することができる。さらに、燃料電池システム全体についてより高い発電効率を得ることができる。
【０１３４】
第３の燃料電池スタック２５は、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中に含まれる水素に由来する水素イオンと、空気極側に供給された酸素と、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、空気極側から排出される。一方、第３の燃料電池スタック２５の燃料極側に供給された改質ガス中に含まれる、水蒸気（後述する第２の改質器での水蒸気改質で使用されなかった水蒸気）および未反応の水素は、排出ガスとして燃料極側から排出され、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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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、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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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、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。
【０１４０】
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、少なくとも第３の燃料電池スタック２５の電解質がプロトン導電性電解質を含む。
【０１４１】
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が追加された構成であってもよい。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。なお、第３の燃料電池スタック２５が、電解質にプロトン導電性電解質を含むスタックであればよく、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は、電解質にプロトン導電性電解質を含むスタックであってもよく、電解質にプロトン導電性電解質を含まないスタックであってもよい。
【０１４２】
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、２．０〜３．０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。
【０１４３】
なお、本発明において、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は、第３の燃料電池スタックと同様に電解質にプロトン導電性電解質を含むスタックであってもよく、この場合、これらの燃料電池スタックの構成は、第３の燃料電池スタックと同様である。一方、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いずれか一方のスタック、もしくは両方のスタックは、電解質にプロトン導電性電解質を含まず、前述の酸素イオン導電性電解質からなる電解質を備えるスタックであってもよい。
【０１４４】
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。
【０１４５】
〔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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
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０．４〜０．７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５６．６７％となり、Ｕｆ（Ｂ）は６５．３８％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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
さらに、燃料電池システム２００の発電効率を求め、その発電効率を評価する。発電効率が、６８％以下である場合を評価Ｃ、６８％超７４％以下である場合を評価Ｂ、７４％超である場合を評価Ａとする。そして、評価Ｂ以上であれば、高い発電効率が得られていると判断する。
【０１５６】
まず、本実施形態に係る燃料電池システム２００との比較のため、各燃料電池スタックの電解質が酸素イオン導電性電解質であり、プロトン導電性電解質を含まない燃料電池システムについて、長期耐久性および発電効率の評価を行なう。なお、比較対象となる燃料電池システムは、電解質以外の構成については燃料電池システム２００と同様である。比較対象の燃料電池システムについて、第１の燃料電池スタックでの燃料使用量に対する第３の燃料電池スタックでの燃料使用量の比ｒ２を０．５〜０．７とし、第１の改質器に供給される炭化水素燃料の流量（流量１）と、第２の改質器に供給される炭化水素燃料の流量（流量２）との比ｒ３（流量２／流量１）を１または０．８と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の改質器および第２の改質器に供給される炭化水素燃料は、メタンであり、第１の改質器に供給されるメタンの流量を基準として、第２の改質器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。
【０１５７】
【表１】
0006532668.tif 000002
【０１５８】
表１に示すように、比較対象となる燃料電池システムでは、長期耐久性の指標は全て基準を満たしているため、安全性は良好であるが、発電効率が６５％程度であり、発電効率は不十分であった。
【０１５９】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム２００の長期安定性および発電効率を評価した。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１〜４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２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０．１〜５．０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。
【０１６０】
【表２】
0006532668.tif 000003
【０１６１】
表２に示すように、ｒ３が１．０のとき、ＡｃｔＣＡｉが０．２超となっている。そのため、ｒ３が１．０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。また、発電効率が６８％以上であるため、ｒ３の数値に関係なく、高い発電効率が得られたと判断した。
【０１６２】
次に、ｒ２を０．５に固定し、ｒ３を１〜１０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。
【０１６３】
【表３】
0006532668.tif 000004
【０１６４】
表３に示すように、ｒ３が１．０のとき、ＡｃｔＣＡｉが０．２超となっている。そのため、ｒ３が１．０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。また、発電効率が７０％以上であるため、ｒ３の数値に関係なく、高い発電効率が得られたと判断した。
【０１６５】
次に、ｒ２を１．０に固定し、ｒ３を１〜１０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。
【０１６６】
【表４】
0006532668.tif 000005
【０１６７】
表４に示すように、ｒ３が１．０のとき、ＡｃｔＣＡｉが０．２超となっている。そのため、ｒ３が１．０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。また、発電効率が７２％以上であるため、ｒ３の数値に関係なく、高い発電効率が得られたと判断した。
【０１６８】
次に、ｒ２を２．０に固定し、ｒ３を１〜１０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。
【０１６９】
【表５】
0006532668.tif 000006
【０１７０】
表５に示すように、ｒ３が１．０のとき、ＡｃｔＣＡｉが０．２超となっている。そのため、ｒ３が１．０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。また、発電効率が７４％以上であるため、ｒ３の数値に関係なく、非常に高い発電効率が得られたと判断した。
【０１７１】
次に、ｒ２を３．０に固定し、ｒ３を３〜１０００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。
【０１７２】
【表６】
0006532668.tif 000007
【０１７３】
表６に示すように、ｒ３が３．０のとき、Ｕｆ（Ｃ）が８０％超となっている。そのため、ｒ３が３．０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。また、発電効率が７５％以上であるため、ｒ３の数値に関係なく、非常に高い発電効率が得られたと判断した。
【０１７４】
次に、ｒ２を４．０に固定し、ｒ３を４〜２０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７に示す。
【０１７５】
【表７】
0006532668.tif 000008
【０１７６】
表７に示すように、ｒ３が４．０のとき、Ｕｆ（Ｃ）が８０％超となり、ｒ３が４、１０、２０のとき、ＯＣＶＡｉが０．９８９Ｖ未満となっている。そのため、結果を示したｒが４．０のときは、安定性が不良であると判断した。
【０１７７】
次に、ｒ２を５．０に固定し、ｒ３を５〜１００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。
【０１７８】
【表８】
0006532668.tif 000009
【０１７９】
表８に示すように、ｒ３が５．０のとき、Ｕｆ（Ｃ）が８０％超となり、ｒ３が５、１００のとき、ＯＣＶＡｉが０．９９Ｖ未満となっている。そのため、結果を示したｒ１が５．０のときは、安定性が不良であると判断した。
【０１８０】
以上、表１〜表８に示すように、本実施形態の燃料電池システム２００は、各燃料電池スタックにて、電解質としてプロトン導電性電解質を含んでいるため、プロトン導電性電解質を含んでいない比較例の燃料電池システムよりも高い発電効率を得ることができる。また、本実施形態の燃料電池システム２００が、プロトン導電性電解質を含んでいない比較例の燃料電池システムと同じ内部抵抗のスタックを用いている場合であっても、電解質にプロトン導電体を含むことで、水蒸気が燃料極側にて発生せず、これにより、多段式の燃料電池システム２００では、発電効率の大幅な上昇が可能となっている。
【０１８１】
表２〜表８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＜４．０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、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４．０未満に調整すればよい。
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。
【０１８２】
上記ｒ２は、０．１≦ｒ２＜４．０を満たせばよいが、中でも０．５≦ｒ２≦３．０を満たすことが好ましく、２．０≦ｒ２≦３．０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。
【０１８３】
前記比ｒ２は１．０≦ｒ２≦３．０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ｒ３≧４を満たすことが好ましい。この構成によれば、炭素析出が抑制され、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。
【符号の説明】
【０１８４】
１００、２００、３００、４００  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、３０２、４０２        電解質
２０４、３０４、４０４        燃料極
２０６、３０６、４０６        空気極
２０８                        単電池
３０８、４０８                燃料電池
２１０、３１０、４１０        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
３０１、４０１                中空基体
３１１、４１１                改質ガス流路
３１２                        燃料電池群
４１２                        保護膜
【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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【図８】
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