(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一燃料電池スタックと、
前記第一燃料電池スタックの後段に配置された第二燃料電池スタックと、
炭化水素系の原料ガスを部分酸化改質して水素を含む第一改質ガスを生成すると共に、前記第一改質ガスを前記第一燃料電池スタックに供給する部分酸化改質器と、
前記第一燃料電池スタックから排出され水蒸気を含む第一排ガスと、二酸化炭素排出部から排出され二酸化炭素を含む第二排ガスと、外部から供給された炭化水素系の原料ガスとを含む合成ガスを二酸化炭素改質して水素を含む第二改質ガスを生成すると共に、前記第二改質ガスを前記第二燃料電池スタックに供給する二酸化炭素改質器と、
を備え、
前記第一燃料電池スタックは、前記第二燃料電池スタックよりも有効発電面積が小さい、燃料電池システム。
【請求項２】
第一燃料電池スタックと、
前記第一燃料電池スタックの後段に配置された第二燃料電池スタックと、
炭化水素系の原料ガスを部分酸化改質して水素を含む第一改質ガスを生成すると共に、前記第一改質ガスを前記第一燃料電池スタックに供給する部分酸化改質器と、
前記第一燃料電池スタックから排出され水蒸気を含む第一排ガスと、二酸化炭素排出部から排出され二酸化炭素を含む第二排ガスと、外部から供給された炭化水素系の原料ガスとを含む合成ガスを二酸化炭素改質して水素を含む第二改質ガスを生成すると共に、前記第二改質ガスを前記第二燃料電池スタックに供給する二酸化炭素改質器と、
燃焼部と、
前記第一燃料電池スタック、前記第二燃料電池スタック、前記部分酸化改質器、前記二酸化炭素改質器、及び、前記燃焼部を収容し、ホットモジュールを構成するケースと、
前記ホットモジュールの外部に設けられ、前記第二燃料電池スタックから前記二酸化炭素改質器にリサイクルされる前記第二排ガスに含まれる水蒸気を凝縮する気水分離器と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項３】
前記第一燃料電池スタックは、前記第二燃料電池スタックよりも有効発電面積が小さい、
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記二酸化炭素改質器に接続され、前記二酸化炭素改質器に炭化水素系の原料ガスを供給するバイパス路と、
前記気水分離器と前記二酸化炭素改質器とを接続し、一部が前記ホットモジュールの外部を通るリサイクル路と、
前記気水分離器と前記燃焼部とを接続し、一部が前記ホットモジュールの外部を通る燃焼用ガス供給路と、
前記バイパス路に設けられた第一バルブと、
前記リサイクル路の前記一部に設けられた第二バルブと、
前記燃焼用ガス供給路の前記一部に設けられた第三バルブと、
をさらに備える
請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第一排ガスに含まれる二酸化炭素の量を検出する第一センサと、
前記リサイクル路を流れる排ガスに含まれる二酸化炭素の量を検出する第二センサと、
前記第一センサ及び前記第二センサの検出結果に基づいて前記第一バルブ、前記第二バルブ、及び、前記第三バルブを制御する制御部と、
をさらに備え、
前記制御部は、
前記燃料電池システムの起動時には、前記第一バルブ及び前記第三バルブを閉止した状態で前記第二バルブを開放し、
前記燃料電池システムの定常運転時には、前記第一バルブ、前記第二バルブ、及び、前記第三バルブを開放する、
請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御部は、
前記燃料電池システムの起動時には、前記第一バルブ及び前記第三バルブを閉止した状態で前記第二バルブを開放し、
その後、前記第二センサによって検出された二酸化炭素の量と、前記第一センサによって検出された二酸化炭素の量との合計が、前記バイパス路を通じて前記二酸化炭素改質器に投入される炭化水素について予め定められた量以上になった場合には、前記第一バルブを開放し、
続いて、前記第二センサによって検出された二酸化炭素の量と、前記第一センサによって検出された二酸化炭素の量との合計が、前記バイパス路を通じて前記二酸化炭素改質器に投入される炭化水素について予め定められた量の１．５倍以上になった場合には、前記第三バルブを徐々に開放すると共に、前記リサイクル路を流れる排ガスに含まれる二酸化炭素の量が一定になるように前記第三バルブの開度を調整し、前記燃料電池システムを定常運転とする、
請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記気水分離器は、前記第二燃料電池スタックから前記二酸化炭素改質器にリサイクルされる前記第二排ガスと、前記ホットモジュールの外部に設けられた配水路を流れる水との間で熱交換させる、
請求項２〜請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記第二燃料電池スタックと前記気水分離器とを接続するスタック排ガス流路と、
前記ホットモジュールの外部に設けられ、水が流れる配水路と、
前記スタック排ガス流路に設けられ、前記スタック排ガス流路を流れる前記第二排ガスと、前記配水路を流れる水との間で熱交換させる熱交換器と、
をさらに備える、
請求項２〜請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記第一燃料電池スタックは、前記第一燃料電池スタックにて未反応の水素を含む前記第一排ガスを排出する、
請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記第一燃料電池スタックから前記二酸化炭素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、外部から前記二酸化炭素改質器に供給される単位時間当たりの炭化水素系の原料ガスの炭素原子数Ｃとの比であるスチームカーボン比Ｓ／Ｃが２未満に設定されている、
請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記二酸化炭素排出部は、前記第二燃料電池スタックである、
請求項１〜請求項１０のいずれか一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、高温型の燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高温型の燃料電池システムとしては、例えば、固体酸化物型燃料電池システムがある。固体酸化物型燃料電池システムでは、主に原料ガスとして都市ガス（主成分がメタン）が用いられるため、その原料ガスの改質には水蒸気改質法か部分酸化改質法などの手法が採用される。また、近年では、原料ガスの改質に二酸化炭素改質法を用いた固体酸化物型燃料電池システムも提案されている。
【０００３】
これらの改質法を用いた固体酸化物型燃料電池システムでは、次の課題がある。
【０００４】
すなわち、水蒸気改質法の場合（例えば、特許文献１参照）、燃料電池システムには、水ポンプ、イオン交換樹脂、及び、気化器などの水処理用の補器が備えられるため複雑なシステム構成となり、コストアップとなる。しかも、水ポンプが故障した場合には改質が不十分となるため燃料電池システムの運転停止を引き起こす虞がある。
【０００５】
また、原料ガスの改質に部分酸化法のみが用いられた場合（例えば、特許文献２参照）、本来発電に寄与する原料ガスの一部を酸素で燃焼させて水素を生成させることから、発電効率の低下を引き起こし、固体酸化物型燃料電池システムの高効率という特徴を生かすことができなくなる。
【０００６】
また、二酸化炭素改質法の場合（例えば、特許文献３参照）、燃料電池システムの起動時に二酸化炭素が必要となり、その起動方法に課題がある。そこで、二酸化炭素改質法を用いた燃料電池システムにおいて、起動を容易にするために、起動時には部分酸化改質器を用い、定常運転時には二酸化炭素改質器に切り替える燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【０００７】
特許文献４に記載の燃料電池システムでは、二酸化炭素供給と高効率化の観点から、燃料電池スタックからの排ガスがドライガスとして二酸化炭素改質器にリサイクルされるようになっている。つまり、リサイクル路には、気水分離器が設けられており、リサイクルされる排ガスは、ドライガスとされる。ドライガス雰囲気中で二酸化炭素改質器において炭素析出しない理想的な触媒を用いることができれば問題ないが、ドライガス雰囲気中で炭素析出しない理想的な触媒を用いることができない場合、二酸化炭素改質器中の触媒に炭素が析出するコーキングが発生し、燃料電池システムが正常に運転できなくなる虞がある。現在、Ni系などの一般的な材料を用いた触媒ではドライガス雰囲気中で炭素析出してしまうという課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１４−４１８０４号公報
【特許文献２】特開２０１３−２１１１０７号公報
【特許文献３】特開２０１０−１５８６０号公報
【特許文献４】特開２０１４−１０７０５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記種々の課題に鑑みて成されたものであって、低コストで発電効率が高く、且つ、運転停止や長期使用に伴う性能低下と言ったトラブルを防止できる信頼性の高い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】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の燃料電池システムは、第一燃料電池スタックと、前記第一燃料電池スタックの後段に配置された第二燃料電池スタックと、炭化水素系の原料ガスを部分酸化改質して水素を含む第一改質ガスを生成すると共に、前記第一改質ガスを前記第一燃料電池スタックに供給する部分酸化改質器と、前記第一燃料電池スタックから排出され水蒸気を含む第一排ガスと、二酸化炭素排出部としての前記第二燃料電池スタックから排出され二酸化炭素を含む第二排ガスと、外部から供給された炭化水素系の原料ガスとを含む合成ガスを二酸化炭素改質して水素を含む第二改質ガスを生成すると共に、前記第二改質ガスを前記第二燃料電池スタックに供給する二酸化炭素改質器と、を備え、前記第一燃料電池スタックは、前記第二燃料電池スタックよりも有効発電面積が小さい。
【００１１】
この燃料電池システムによれば、第一燃料電池スタック及び第二燃料電池スタックに改質ガスを供給する改質器として、部分酸化改質器及び二酸化炭素改質器が用いられている。従って、水蒸気改質法を使用していないため、水ポンプなどの水処理用の補器が不要である。これにより、システム構成を簡素化することができるので、低コスト化できる。しかも、水ポンプを使用しないため、水蒸気改質法が用いられた場合のように、水ポンプの故障に伴う燃料電池システムの運転停止を回避できる。
【００１２】
また、第一燃料電池スタックに第一改質ガスを供給する改質器として部分酸化改質器が用いられ、第二燃料電池スタックに第二改質ガスを供給する改質器として二酸化炭素改質器が用いられている。従って、例えば、第一燃料電池スタックに改質ガスを供給する改質器に加えて、第二燃料電池スタックに改質ガスを供給する改質器にも部分酸化改質器が用いられる場合に比して、改質ガスの生成のために燃焼される原料ガスの燃焼量が少なくて済む。これにより、原料ガスの燃焼を抑えられる分、発電効率を向上させることができる。
【００１３】
また、二酸化炭素改質器には、第一燃料電池スタックから排出され水蒸気を含む第一排ガスと、二酸化炭素排出部から排出され二酸化炭素を含む第二排ガスと、外部から供給された炭化水素系の原料ガスとを含む合成ガスが供給される。従って、二酸化炭素改質器では、水蒸気を含む合成ガスが二酸化炭素改質されるので、二酸化炭素改質器中の触媒に炭素が析出するコーキングの発生を抑制することができる。これにより、長期使用に伴う性能低下を抑制することができる。
【００１４】
請求項１１に記載の燃料電池システムは、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記二酸化炭素排出部が前記第二燃料電池スタックとされたものである。
【００１５】
この燃料電池システムによれば、第二燃料電池スタックから排出され二酸化炭素を含む第二排ガスが二酸化炭素改質器にリサイクルされるので、第二燃料電池スタックからの第二排ガスに含まれる二酸化炭素を二酸化炭素改質器において有効に活用することができる。
【００１６】
また、第二燃料電池スタックからの第二排ガスには未反応の水素及び一酸化炭素が含まれるので、第二燃料電池スタックから排出され二酸化炭素改質器にリサイクルされた第二排ガスが再び第二燃料電池スタックに供給されることにより、第二燃料電池スタックにおいて未反応の水素及び一酸化炭素を第二燃料電池スタックにおいて再度発電に利用することができる。これにより、発電効率をより向上させることができる。
【００１７】
請求項３に記載の燃料電池システムは、請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記第一燃料電池スタックが前記第二燃料電池スタックよりも有効発電面積が小さくされている。
【００１８】
この燃料電池システムによれば、第一燃料電池スタックの有効発電面積を第二燃料電池スタックの有効発電面積よりも小さくすることにより、第一燃料電池スタックからの第一排ガスに含まれる水蒸気の量、ひいては、第二燃料電池スタックに供給される第一改質ガスに含まれる水蒸気の量を抑えることができる。これにより、二酸化炭素改質器におけるコーキングの発生の抑制と、第二燃料電池スタックにおける発電効率の向上とを両立させることができる。
【００１９】
請求項５に記載の燃料電池システムは、請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記第一燃料電池スタックが前記第一燃料電池スタックにて未反応の水素を含む前記第一排ガスを排出する構成とされている。
【００２０】
この燃料電池システムによれば、第一燃料電池スタックからの第一排ガスには、第一燃料電池スタックにて未反応の水素が含まれる。このように、第一排ガスに未反応の水素が含まれるということは、第一燃料電池スタックにおける水素の利用率が低いという反面、第一燃料電池スタックにて生成される水蒸気の量が少ないということである。従って、このように第一燃料電池スタックからの第一排ガスに含まれる水蒸気の量、ひいては、第二燃料電池スタックに供給される第二改質ガスに含まれる水蒸気の量を最小限に抑えることにより、二酸化炭素改質器におけるコーキングの発生の抑制と、第二燃料電池スタックにおける発電効率の向上とを両立させることができる。
【００２１】
請求項１０に記載の燃料電池システムは、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、前記第一燃料電池スタックから前記二酸化炭素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、外部から前記二酸化炭素改質器に供給される単位時間当たりの炭化水素系の原料ガスの炭素原子数Ｃとの比であるスチームカーボン比Ｓ／Ｃが２未満に設定されたものである。
【００２２】
スチームカーボン比Ｓ／Ｃ＝２は、一般的な水蒸気改質法において最低限必要な水蒸気の量を示す。従って、この燃料電池システムによれば、スチームカーボン比Ｓ／Ｃが２未満に設定されているので、一般的な水蒸気改質法の場合よりも、二酸化炭素改質器に供給される水蒸気の量が少ない。従って、第二燃料電池スタックに供給される第二改質ガスに含まれる水蒸気の量を抑えることで第二燃料電池スタックの作動電圧を上げることができるので、第二燃料電池スタックにおける発電効率を向上させることができる。
【００２３】
請求項２に記載の燃料電池システムは、第一燃料電池スタックと、前記第一燃料電池スタックの後段に配置された第二燃料電池スタックと、炭化水素系の原料ガスを部分酸化改質して水素を含む第一改質ガスを生成すると共に、前記第一改質ガスを前記第一燃料電池スタックに供給する部分酸化改質器と、前記第一燃料電池スタックから排出され水蒸気を含む第一排ガスと、二酸化炭素排出部としての前記第二燃料電池スタックから排出され二酸化炭素を含む第二排ガスと、外部から供給された炭化水素系の原料ガスとを含む合成ガスを二酸化炭素改質して水素を含む第二改質ガスを生成すると共に、前記第二改質ガスを前記第二燃料電池スタックに供給する二酸化炭素改質器と、燃焼部と、前記第一燃料電池スタック、前記第二燃料電池スタック、前記部分酸化改質器、前記二酸化炭素改質器、及び、前記燃焼部を収容し、ホットモジュールを構成するケースと、前記ホットモジュールの外部に設けられ、前記第二燃料電池スタックから前記二酸化炭素改質器にリサイクルされる前記第二排ガスに含まれる水蒸気を凝縮する気水分離器と、を備える。
【００２４】
この燃料電池システムによれば、ホットモジュールの外部に設けられた気水分離器によって、二酸化炭素改質器にリサイクルされる第二排ガス中の水蒸気を凝縮する。従って、第二燃料電池スタックから二酸化炭素改質器にリサイクルされる第二排ガスに水蒸気が含まれることを抑制することができる。これにより、第二燃料電池スタックから二酸化炭素改質器にリサイクルされる第二排ガスに含まれる水蒸気の量を調整するために高温環境下にて第二排ガスのリサイクル率を調整する必要が無いので、コストダウンできる。
【００２５】
請求項４に記載の燃料電池システムは、請求項２または請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記二酸化炭素改質器に接続され、前記二酸化炭素改質器に炭化水素系の原料ガスを供給するバイパス路と、前記気水分離器と前記二酸化炭素改質器とを接続し、一部が前記ホットモジュールの外部を通るリサイクル路と、前記気水分離器と前記燃焼部とを接続し、一部が前記ホットモジュールの外部を通る燃焼用ガス供給路と、前記バイパス路に設けられた第一バルブと、前記リサイクル路の前記一部に設けられた第二バルブと、前記燃焼用ガス供給路の前記一部に設けられた第三バルブと、をさらに備える。
【００２６】
この燃料電池システムによれば、リサイクル路の一部及び燃焼用ガス供給路の一部は、ホットモジュールの外部を通っている。また、第二燃料電池スタックから二酸化炭素改質器にリサイクルされる第二排ガスのリサイクル率を調整するための第二バルブ及び第三バルブは、上述のリサイクル路の一部及び燃焼用ガス供給路の一部にそれぞれ設けられることで、ホットモジュールの外部に位置する。従って、高温環境下にて第二排ガスのリサイクル率を調整する構造になっていないので、コストダウンできる。
【００２７】
請求項５に記載の燃料電池システムは、請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、前記第一排ガスに含まれる二酸化炭素の量を検出する第一センサと、前記リサイクル路を流れる排ガスに含まれる二酸化炭素の量を検出する第二センサと、前記第一センサ及び前記第二センサの検出結果に基づいて前記第一バルブ、前記第二バルブ、及び、前記第三バルブを制御する制御部と、をさらに備え、前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時には、前記第一バルブ及び前記第三バルブを閉止した状態で前記第二バルブを開放し、前記燃料電池システムの定常運転時には、前記第一バルブ、前記第二バルブ、及び、前記第三バルブを開放する。
【００２８】
この燃料電池システムによれば、燃料電池システムの起動時には、第一バルブが閉止されることにより、二酸化炭素改質器に原料ガスが供給されないので、二酸化炭素改質器にて第二改質ガスが生成されず、第二燃料電池スタックを発電させない。これに対し、燃料電池システムの起動時には、部分酸化改質器に原料ガスが供給されるので、部分酸化改質器にて第一改質ガスが生成され、第一燃料電池スタックが発電する。従って、燃料電池システムの起動時には、二酸化炭素改質器が使用されず、部分酸化改質器のみが使用されるので、燃料電池システムを円滑に起動させることができる。
【００２９】
一方、燃料電池システムの定常運転時には、第一バルブが開放されることにより、二酸化炭素改質器に原料ガスが供給されるので、二酸化炭素改質器にて第二改質ガスが生成され、第二燃料電池スタックが発電する。従って、燃料電池システムの定常運転時には、第一燃料電池スタックに加えて、第二燃料電池スタックが発電するので、燃料電池システムの出力を確保することができる。
【００３０】
なお、請求項６に記載の燃料電池システムのように、請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時には、前記第一バルブ及び前記第三バルブを閉止した状態で前記第二バルブを開放し、その後、前記第二センサによって検出された二酸化炭素の量と、前記第一センサによって検出された二酸化炭素の量との合計が、前記バイパス路を通じて前記二酸化炭素改質器に投入される炭化水素について予め定められた量以上になった場合には、前記第一バルブを開放し、続いて、前記第二センサによって検出された二酸化炭素の量と、前記第一センサによって検出された二酸化炭素の量との合計が、前記バイパス路を通じて前記二酸化炭素改質器に投入される炭化水素について予め定められた量の１．５倍以上になった場合には、前記第三バルブを徐々に開放すると共に、前記リサイクル路を流れる排ガスに含まれる二酸化炭素の量が一定になるように前記第三バルブの開度を調整し、前記燃料電池システムを定常運転とすると好適である。
【００３１】
請求項７に記載の燃料電池システムは、請求項２〜請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、前記気水分離器が前記第二燃料電池スタックから前記二酸化炭素改質器にリサイクルされる前記第二排ガスと、前記ホットモジュールの外部に設けられた配水路を流れる水との間で熱交換させる構成とされている。
【００３２】
この燃料電池システムによれば、気水分離器では、第二燃料電池スタックから二酸化炭素改質器にリサイクルされる第二排ガスと配水路を流れる水との間で熱交換が行われる。これにより、第二燃料電池スタックからの第二排ガスの熱を回収して配水路を流れる水を湯にすることができるので、第二排ガスの熱を有効に活用することができる。
【００３３】
また、第二燃料電池スタックからの第二排ガスに含まれる水蒸気を凝縮するための気水分離器を、湯を生成するための熱交換器として利用（兼用）するので、燃料電池システムを小型化することができる。
【００３４】
請求項８に記載の燃料電池システムは、請求項２〜請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、前記第二燃料電池スタックと前記気水分離器とを接続するスタック排ガス流路と、前記ホットモジュールの外部に設けられ、水が流れる配水路と、前記スタック排ガス流路に設けられ、前記スタック排ガス流路を流れる前記第二排ガスと、前記配水路を流れる水との間で熱交換させる熱交換器と、をさらに備える。
【００３５】
この燃料電池システムによれば、熱交換器では、第二燃料電池スタックから二酸化炭素改質器にリサイクルされる第二排ガスと配水路を流れる水との間で熱交換が行われる。これにより、第二燃料電池スタックからの第二排ガスの熱を回収して配水路を流れる水を湯にすることができるので、第二排ガスの熱を有効に活用することができる。
【発明の効果】
【００３６】
以上詳述したように、本発明によれば、低コストで発電効率が高く、且つ、運転停止や長期使用に伴う性能低下と言ったトラブルを防止できる信頼性の高い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】
【００３７】
【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ブロック図である。
【図２】図１に示される制御部の動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの第一変形例を示すブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの第二変形例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。
【００３９】
図１に示されるように、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、第一燃料電池スタック１２と、第二燃料電池スタック１４と、部分酸化改質器１６と、二酸化炭素改質器１８と、燃焼部２０と、気水分離器２２とを備えている。この燃料電池システム１０は、高温型の燃料電池システムであり、第一燃料電池スタック１２及び第二燃料電池スタック１４には、一例として、固体酸化物型の燃料電池（ＳＯＦＣ）が適用されている。以下、第一燃料電池スタック１２及び第二燃料電池スタック１４については、第一スタック１２及び第二スタック１４と称する。
【００４０】
部分酸化改質器１６は、第一スタック１２の前段に配置されている。この部分酸化改質器１６には、原料ガス流路２４及び空気ガス流路２６が接続されている。原料ガス流路２４には、例えば、都市ガス、液化石油ガス、バイオガスなどのメタンを含む炭化水素系の原料ガスが流通する。
【００４１】
部分酸化改質器１６には、外部から原料ガス流路２４を通じて原料ガスが供給されると共に、空気ガス流路２６を通じて空気ガスが供給される。この部分酸化改質器１６は、空気ガスを利用して原料ガスの一部を燃料して原料ガスを部分酸化改質し、水素を含む改質ガス（第一改質ガス）を生成する。原料ガスがメタンガスである場合、この部分酸化改質器１６における部分酸化改質反応は、下記式（１）の通りである。
【００４２】
ＣＨ４＋１／２Ｏ２→ＣＯ＋２Ｈ２・・・（１）
【００４３】
部分酸化改質器１６と第一スタック１２とは、改質ガス供給路２８を介して接続されており、部分酸化改質器１６にて生成された改質ガスは、改質ガス供給路２８を通じて第一スタック１２に供給される。
【００４４】
第一スタック１２は、積層された複数のセルを有している。各セルは、燃料極、電解質層、空気極を有している。各セルの燃料極には、改質ガス供給路２８を通じて改質ガスが供給され、各セルの空気極には、空気ガス流路２６を通じて空気ガスが供給される。
【００４５】
空気極では、下記式（２）で示されるように、空気ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。この酸素イオンは、電解質層を通って燃料極に到達する。
【００４６】
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−・・・（２）
【００４７】
一方、燃料極では、下記式（３）及び式（４）で示されるように、電解質層を通ってきた酸素イオンが改質ガス（燃料ガス）中の水素及び一酸化炭素と反応し、水（水蒸気）及び二酸化炭素と、電子が生成される。燃料極で生成された電子は、外部回路を通って空気極に到達する。そして、このようにして電子が燃料極から空気極に移動することにより、各セルにおいて発電される。また、各セルは、発電時に上記反応に伴って発熱する。
【００４８】
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−・・・（３）
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−・・・（４）
【００４９】
この第一スタック１２からは、上述の空気極から排出されたガス及び燃料極から排出されたガスの合成ガスが排ガスとして排出される。第一スタック１２と後述する二酸化炭素改質器１８とは、スタック排ガス流路３０を介して接続されており、第一スタック１２からの排ガスは、二酸化炭素改質器１８に供給される。
【００５０】
この第一スタック１２から排出された排ガス（第一排ガス）には、燃料極反応にて生成された水蒸気（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）の他に、部分酸化改質器１６にて生成され第一スタック１２にて未反応の水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）が含まれる。
【００５１】
なお、第一スタック１２の排ガスに含まれる水蒸気は、後述する二酸化炭素改質器１８におけるコーキングの発生を抑制するために有効であるが、水蒸気の量が多いと、第一スタック１２の後段に配置された第二スタック１４における発電効率が低下する。そこで、二酸化炭素改質器１８におけるコーキングの発生を抑制するために必要な最低限の水蒸気を得られるように、第一スタック１２の有効発電面積は、第二スタック１４の有効発電面積よりも小さくされている。
【００５２】
また、第一スタック１２の排ガスに含まれる水蒸気の量を抑えるために、本実施形態では、部分酸化改質器１６からの水素の供給量に対して第一スタック１２における水素の反応量が少なくなるように第一スタック１２の有効発電面積が設定されている。このため、上述の第一スタック１２からの排ガスには、第一スタック１２にて未反応の水素が含まれる。
【００５３】
すなわち、下記式（５）で示される第一スタック１２の燃料極反応において、第一スタック１２の排ガスに未反応の水素が含まれるということは、第一スタック１２の燃料極において生成される水蒸気の量が減るということになる。
【００５４】
Ｈ２ ＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ・・・（５）
【００５５】
第二スタック１４は、第一スタック１２の後段に配置されている。この第二スタック１４は、改質ガス供給路３２を介して後述する二酸化炭素改質器１８と接続されている。二酸化炭素改質器１８にて生成された改質ガス（第二改質ガス）は、改質ガス供給路３２を通じて第二スタック１４に供給される。第二スタック１４は、有効発電面積が異なる以外は、上述の第一スタック１２と同様の構造であり、第一スタック１２と同様の反応により発電する。
【００５６】
この第二スタック１４の燃料極から排出された排ガス（第二排ガス）には、燃料極反応にて生成された水蒸気（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）の他に、後述する二酸化炭素改質器１８にて生成され第二スタック１４にて未反応の水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）が含まれる。
【００５７】
第二スタック１４の燃料極と気水分離器２２とは、燃料極排ガス流路３４を介して接続されており、気水分離器２２には、ドライガス流路３６が接続されている。ドライガス流路３６は、本体流路３８と、一対の分岐路４０，４２とを有する。本体流路３８及び一方の分岐路４０は、気水分離器２２と二酸化炭素改質器１８とを接続するリサイクル路４４を構成しており、本体流路３８及び他方の分岐路４２は、気水分離器２２と燃焼部２０とを接続する燃焼用ガス供給路４６を構成している。
【００５８】
燃料極排ガス流路３４を通じて気水分離器２２に投入された第二スタック１４の排ガスに含まれる水蒸気は、気水分離器２２で凝縮される。このため、リサイクル路４４を通じて気水分離器２２から二酸化炭素改質器１８にリサイクルされる排ガス、及び、燃焼用ガス供給路４６を通じて気水分離器２２から燃焼部２０に供給される排ガスは、ドライガスとされる。
【００５９】
本実施形態において、第二スタック１４は、本発明における「二酸化炭素排出部」の一例であり、上述のように、第二スタック１４の燃料極から排出された排ガスは、燃料極排ガス流路３４、気水分離器２２、及び、リサイクル路４４を通じて二酸化炭素改質器１８にリサイクルされる。このリサイクル路４４を通じて二酸化炭素改質器１８にリサイクルされる排ガスには、水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び、二酸化炭素（ＣＯ２）が含まれる。
【００６０】
二酸化炭素改質器１８は、第二スタック１４の前段に配置されている。この二酸化炭素改質器１８には、上述のスタック排ガス流路３０及びリサイクル路４４に加えて、バイパス路４８が接続されている。バイパス路４８には、原料ガス流路２４と同様に、例えば、都市ガス、液化石油ガス、バイオガスなどのメタンを含む炭化水素系の原料ガスが流通しており、二酸化炭素改質器１８には、外部からバイパス路４８を通じて原料ガスが供給される。バイパス路４８を通じて二酸化炭素改質器１８に供給される原料ガスには、メタン（ＣＨ４）が含まれる。
【００６１】
二酸化炭素改質器１８は、第一スタック１２からの排ガスと、リサイクル路４４を通じてリサイクルされた第二スタック１４からの排ガスと、バイパス路４８を通じて供給された原料ガスとを含む合成ガスを二酸化炭素改質して水素を含む改質ガス（第二改質ガス）を生成する。この二酸化炭素改質器１８は、例えば、ニッケル系の触媒を有する。ルテニウムやロジウムなどの貴金属触媒を用いることにより触媒の炭素析出耐性を向上させることができるが、高コストになる。この二酸化炭素改質器１８における二酸化炭素改質反応は、下記式（６）の通りである。
【００６２】
ＣＨ４＋ＣＯ２→２Ｈ２＋２ＣＯ・・・（６）
【００６３】
この二酸化炭素改質器１８は、上述の如く改質ガス供給路３２を介して第二スタック１４と接続されており、二酸化炭素改質器１８にて生成された改質ガスは、改質ガス供給路３２を通じて第二スタック１４に供給される。
【００６４】
ここで、本実施形態では、第一スタック１２から二酸化炭素改質器１８に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Ｓと、外部からバイパス路４８を通じて二酸化炭素改質器１８に供給される単位時間当たりの原料ガスの炭素原子数Ｃとの比であるスチームカーボン比Ｓ／Ｃが２未満（０＜Ｓ／Ｃ）となるように設定されている。
【００６５】
このスチームカーボン比Ｓ／Ｃ＝２は、一般的な水蒸気改質法において最低限必要な水蒸気の量を示す。本実施形態では、上述のようにスチームカーボン比Ｓ／Ｃが２未満に設定されており、一般的な水蒸気改質法の場合よりも、二酸化炭素改質器１８に供給される水蒸気の量が少なくなっている。
【００６６】
以上の燃料電池システム１０の構成要素のうち、第一スタック１２と、第二スタック１４と、部分酸化改質器１６と、二酸化炭素改質器１８と、燃焼部２０とは、断熱性を有するケース５０に収容されている。この第一スタック１２と、第二スタック１４と、部分酸化改質器１６と、二酸化炭素改質器１８と、燃焼部２０と、ケース５０とは、ホットモジュール５２を構成している。
【００６７】
燃焼部２０には、第二スタック１４の空気極に接続された空気極排ガス流路５４を通じて、第二スタック１４の空気極からの排ガス（空気ガス）が供給されると共に、気水分離器２２においてドライガスとされた第二スタック１４の排ガスが燃焼用ガス供給路４６を通じて供給される。第二スタック１４の排ガスには、第二スタック１４にて未反応の水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）が含まれており、燃焼部２０は、空気ガスを利用して第二スタック１４の排ガスを燃焼し、熱を放出する。燃焼部２０には、排ガス路５８が接続されており、燃焼部２０にて燃焼に伴い生成された排ガスは、排ガス路５８からホットモジュール５２の外部に排出される。
【００６８】
気水分離器２２は、ホットモジュール５２の外部に設けられている。この気水分離器２２には、ホットモジュール５２の外部に設けられた配水路５６が貫通して設けられており、気水分離器２２では、第二スタック１４から二酸化炭素改質器１８にリサイクルされる排ガスと、配水路５６を流れる水との間で熱交換が行われる。また、このようにして気水分離器２２において配水路５６を流れる水が加温されることにより、配水路５６から湯が得られるようになっている。
【００６９】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、上記各構成要素に加え、第一バルブ６０と、第二バルブ６２と、第三バルブ６４と、第一センサ６６と、第二センサ６８と、制御部７０とを備えている。
【００７０】
第一バルブ６０は、バイパス路４８に設けられ、第二バルブ６２は、リサイクル路４４に設けられ、第三バルブ６４は、燃焼用ガス供給路４６に設けられている。リサイクル路４４の一部４４Ａ及び燃焼用ガス供給路４６の一部４６Ａは、ホットモジュール５２の外部を通っており、第二バルブ６２及び第三バルブ６４は、上述のリサイクル路４４の一部４４Ａ及び燃焼用ガス供給路４６の一部４６Ａにそれぞれ設けられることで、ホットモジュール５２の外部に位置する。この第一バルブ６０、第二バルブ６２、及び、第三バルブ６４は、通常は閉止した状態とされる。
【００７１】
第一センサ６６は、第一スタック１２と二酸化炭素改質器１８とを接続するスタック排ガス流路３０に設けられている。この第一センサ６６は、スタック排ガス流路３０を流れる排ガスに含まれる二酸化炭素の量を検出し、この二酸化炭素の量に応じた信号を出力する。
【００７２】
第二センサ６８は、リサイクル路４４に設けられている。この第二センサ６８は、リサイクル路４４を通じて二酸化炭素改質器１８にリサイクルされる排ガスに含まれる二酸化炭素の量を検出し、この二酸化炭素の量に応じた信号を出力する。
【００７３】
制御部７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えた電子回路により構成されており、第一センサ６６及び第二センサ６８の検出結果である出力信号に基づいて、第一バルブ６０、第二バルブ６２、及び、第三バルブ６４を制御する。また、制御部７０には、燃料電池システム１０を起動させるための起動スイッチ７２が接続されている。
【００７４】
次に、燃料電池システム１０の動作について説明する。
【００７５】
起動スイッチ７２がオンになると、制御部７０は、図２のフローチャートで示される処理を実行する。以下の説明中における各ステップ番号で示される処理については、図２を適宜参照することにする。
【００７６】
制御部７０は、図２のフローチャートで示される処理を開始すると、先ず、第一バルブ６０及び第三バルブ６４を閉止した状態で第二バルブ６２を開放する（ステップＳ１）。
【００７７】
この燃料電池システム１０の起動時において、部分酸化改質器１６には、外部から原料ガス流路２４を通じて原料ガスが供給されると共に、空気ガス流路２６を通じて空気ガスが供給される。部分酸化改質器１６は、空気ガスを利用して原料ガスの一部を燃料して原料ガスを部分酸化改質し、水素を含む改質ガス（第一改質ガス）を生成する。この部分酸化改質器１６にて生成された改質ガスは、改質ガス供給路２８を通じて第一スタック１２に供給される。
【００７８】
改質ガス供給路２８を通じて第一スタック１２に改質ガスが供給されると共に、空気ガス流路２６を通じて第一スタック１２に空気ガスが供給されると、改質ガスと空気ガスとの反応に伴い、第一スタック１２が発電する。
【００７９】
発電に伴い第一スタック１２から排出される排ガス（第一排ガス）には、燃料極反応にて生成された水蒸気（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）の他に、部分酸化改質器１６にて生成され第一スタック１２にて未反応の水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）が含まれる。第一スタック１２の排ガスに含まれる水蒸気は、二酸化炭素改質器１８におけるコーキングの発生を抑制するために有効に利用される。
【００８０】
燃料電池システム１０の起動時に第一バルブ６０が閉止した状態では、バイパス路４８を通じて二酸化炭素改質器１８に原料ガスが供給されないので、二酸化炭素改質器１８では改質反応が行われず、第一スタック１２からの排ガスは、二酸化炭素改質器１８をそのまま通過する。また、この第一スタック１２からの排ガスは、第二スタック１４もそのまま通過し、気水分離器２２に投入される。
【００８１】
そして、二酸化炭素改質器１８及び第二スタック１４をそのまま通過し気水分離器２２に投入された第一スタック１２の排ガスは、リサイクル路４４を通じて二酸化炭素改質器１８に戻される。
【００８２】
このとき、スタック排ガス流路３０に設けられた第一センサ６６からは、上述の第一スタック１２から排出されスタック排ガス流路３０を流れる排ガスに含まれる二酸化炭素の量に応じた信号が出力される。また、リサイクル路４４に設けられた第二センサ６８からは、リサイクル路４４を流れる排ガスに含まれる二酸化炭素の量に応じた信号が出力される。
【００８３】
続いて、制御部７０は、第一センサ６６及び第二センサ６８の出力信号に基づき、リサイクル路４４を流れる排ガスに含まれる二酸化炭素のモル量Ｍ２と、第一スタック１２からの排ガスに含まれる二酸化炭素のモル量Ｍ１との合計が、バイパス路４８を通じて二酸化炭素改質器１８に投入されるメタン（炭化水素）について予め定められたモル量Ｍ以上であるか否かを判断する（ステップＳ２）。予め定められたモル量Ｍは、制御部７０におけるＲＯＭ等に予め記憶される。
【００８４】
そして、制御部７０は、モル量Ｍ１とモル量Ｍ２との合計が予め定められた量Ｍ以上であると判断した場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）には、第一バルブ６０を開放する（ステップＳ３）。
【００８５】
第一バルブ６０が開放されると、バイパス路４８を通じて二酸化炭素改質器１８にメタン（ＣＨ４）を含む原料ガスが供給され、二酸化炭素改質器１８にて二酸化炭素改質が行われて水素を含む改質ガス（第二改質ガス）が生成される。この二酸化炭素改質器１８にて生成された改質ガスは、改質ガス供給路３２を通じて第二スタック１４に供給される。
【００８６】
改質ガス供給路３２を通じて第二スタック１４に改質ガスが供給されると共に、空気ガス流路２６を通じて第二スタック１４に空気ガスが供給されると、改質ガスと空気ガスとの反応に伴い、第二スタック１４が発電を開始する。
【００８７】
発電に伴い第二スタック１４の燃料極から排出される排ガス（第二排ガス）には、燃料極反応にて生成された水蒸気（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）の他に、二酸化炭素改質器１８にて生成され第二スタック１４にて未反応の水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）が含まれる。
【００８８】
続いて、制御部７０は、第一センサ６６及び第二センサ６８の出力信号に基づき、上述のモル量Ｍ１とモル量Ｍ２との合計が上述の予め定められた量Ｍの１．５倍以上になったか否かを判断する（ステップＳ４）。
【００８９】
そして、制御部７０は、モル量Ｍ１とモル量Ｍ２との合計が上述の予め定められた量Ｍの１．５倍以上になったと判断した場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）には、第三バルブ６４を徐々に開放する。また、このとき、制御部７０は、リサイクル路４４を流れる排ガスに含まれる二酸化炭素のモル量が一定になるように第三バルブ６４の開度を調整し、第二スタック１４から二酸化炭素改質器１８にリサイクルされる排ガスのリサイクル率を調整する（ステップＳ５）。これにより、燃料電池システム１０が定常運転となる。
【００９０】
このようにして燃料電池システム１０が定常運転となったときには、第二スタック１４の燃料極から排出された排ガスが、燃料極排ガス流路３４を通じて気水分離器２２に投入される。そして、気水分離器２２に投入された排ガスに含まれる水蒸気は、気水分離器２２で凝縮される。
【００９１】
これにより、リサイクル路４４を通じて気水分離器２２から二酸化炭素改質器１８にリサイクルされる排ガスは、ドライガスとされる。つまり、リサイクル路４４を通じて二酸化炭素改質器１８にリサイクルされる排ガスには、水蒸気（Ｈ２Ｏ）が含まれずに、水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び、二酸化炭素（ＣＯ２）が含まれる。
【００９２】
そして、二酸化炭素改質器１８では、第一スタック１２からの排ガスと、リサイクル路４４を通じてリサイクルされた第二スタック１４の排ガスと、バイパス路４８を通じて供給された原料ガスとを含む合成ガスが二酸化炭素改質されて水素を含む改質ガス（第二改質ガス）が生成される。
【００９３】
このように燃料電池システム１０が定常運転となったときには、二酸化炭素改質器１８での改質ガスの生成と、この改質ガスによる第二スタック１４での発電と、気水分離器２２での第二スタック１４の排ガスのドライガス化と、このドライガス化された第二スタック１４の排ガスの二酸化炭素改質器１８へのリサイクルとが繰り返し行われる。
【００９４】
また、気水分離器２２でドライガス化された第二スタック１４の排ガスの一部は、燃焼用ガス供給路４６を通じて気水分離器２２から燃焼部２０に供給される。第二スタック１４の排ガスには、第二スタック１４にて未反応の水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）が含まれており、燃焼部２０は、空気極排ガス流路５４を通じて供給された空気ガスを利用して第二スタック１４の排ガスを燃焼し、熱を放出する。これにより、第一スタック１２及び第二スタック１４の発電に伴う発熱に加え、燃焼部２０が熱を放出することにより、ホットモジュール５２の内部が高温になる。
【００９５】
さらに、気水分離器２２では、第二スタック１４から二酸化炭素改質器１８にリサイクルされる排ガスと、配水路５６を流れる水との間で熱交換が行われる。そして、このようにして気水分離器２２において配水路５６を流れる水が加温されることにより、配水路５６から湯が得られる。
【００９６】
次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。
【００９７】
以上詳述したように、本実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、第一スタック１２及び第二スタック１４に改質ガスを供給する改質器として、部分酸化改質器１６及び二酸化炭素改質器１８が用いられている。従って、水蒸気改質法を使用していないため、水ポンプなどの水処理用の補器が不要である。これにより、システム構成を簡素化することができるので、低コスト化できる。しかも、水ポンプを使用しないため、水蒸気改質法が用いられた場合のように、水ポンプの故障に伴う燃料電池システム１０の運転停止を回避できる。
【００９８】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、第二スタック１４に改質ガスを供給する改質器として二酸化炭素改質器１８が用いられている。従って、例えば、第一スタック１２に改質ガスを供給する改質器に加えて、第二スタック１４に改質ガスを供給する改質器にも部分酸化改質器が用いられる場合に比して、改質ガスの生成のために燃焼される原料ガスの燃焼量が少なくて済む。これにより、原料ガスの燃焼を抑えられる分、発電効率を向上させることができる。
【００９９】
さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、第一スタック１２から二酸化炭素改質器１８に供給される排ガスには、水蒸気が含まれる。従って、二酸化炭素改質器１８では、水蒸気を含む合成ガスが二酸化炭素改質されるので、二酸化炭素改質器１８中の触媒に炭素が析出するコーキングの発生を抑制することができる。これにより、長期使用に伴う性能低下を抑制することができる。
【０１００】
このように、本実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、低コストで発電効率を向上させることができると共に、運転停止や長期使用に伴う性能低下と言ったトラブルを防止して信頼性を高めることができる。
【０１０１】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、第二スタック１４から排出され二酸化炭素を含む排ガスが二酸化炭素改質器１８にリサイクルされるので、第二スタック１４からの排ガスに含まれる二酸化炭素を二酸化炭素改質器１８において有効に活用することができる。
【０１０２】
また、第二スタック１４からの排ガスには未反応の水素及び一酸化炭素が含まれるので、第二スタック１４から排出され二酸化炭素改質器１８にリサイクルされた排ガスが再び第二スタック１４に供給されることにより、第二スタック１４において未反応の水素及び一酸化炭素を第二スタック１４において再度発電に利用することができる。これにより、発電効率をより向上させることができる。
【０１０３】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、第一スタック１２の有効発電面積が第二スタック１４の有効発電面積よりも小さいので、例えば、第一スタック１２が第二スタック１４と同じ有効発電面積である場合に比して、第一スタック１２からの排ガスに含まれる水蒸気の量が少なくなる。
【０１０４】
この第一スタック１２からの排ガスに含まれる水蒸気は、上述の通り、二酸化炭素改質器１８におけるコーキングの発生を抑制するために有効である。しかしながら、二酸化炭素改質器１８に供給される排ガスに含まれる水蒸気の量が多くなると、二酸化炭素改質器１８から第二スタック１４に供給される改質ガスに含まれる水蒸気の量も多くなるため、第二スタック１４の作動電圧が下がり、第二スタック１４における発電効率が低下する。
【０１０５】
従って、上述のように、第一スタック１２の有効発電面積を第二スタック１４の有効発電面積よりも小さくして第一スタック１２からの排ガスに含まれる水蒸気の量、ひいては、第二スタック１４に供給される改質ガスに含まれる水蒸気の量を抑えることにより、二酸化炭素改質器１８におけるコーキングの発生の抑制と、第二スタック１４における発電効率の向上とを両立させることができる。
【０１０６】
また、換言すれば、第二スタック１４の有効発電面積が第一スタック１２の有効発電面積よりも大きいので、例えば、第二スタック１４が第一スタック１２と同じ有効発電面積である場合に比して、第二スタック１４における発電効率を向上させることができる。
【０１０７】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、第一スタック１２からの排ガスには、第一スタック１２にて未反応の水素が含まれる。このように、第一スタック１２からの排ガスに未反応の水素が含まれるということは、第一スタック１２における水素の利用率が低いという反面、第一スタック１２にて生成される水蒸気の量が少ないということである。従って、このように第一スタック１２からの排ガスに含まれる水蒸気の量、ひいては、第二スタック１４に供給される改質ガスに含まれる水蒸気の量を最小限に抑えることにより、二酸化炭素改質器１８におけるコーキングの発生の抑制と、第二スタック１４における発電効率の向上とをより効果的に両立させることができる。
【０１０８】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、第一スタック１２から二酸化炭素改質器１８に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Ｓと、外部からバイパス路４８を通じて二酸化炭素改質器１８に供給される単位時間当たりの原料ガスの炭素原子数Ｃとの比であるスチームカーボン比Ｓ／Ｃが２未満に設定されている。
【０１０９】
スチームカーボン比Ｓ／Ｃ＝２は、一般的な水蒸気改質法において最低限必要な水蒸気の量を示す。従って、上述のようにスチームカーボン比Ｓ／Ｃが２未満に設定されていると、一般的な水蒸気改質法の場合よりも、二酸化炭素改質器１８に供給される水蒸気の量が少ないので、第二スタック１４に供給される改質ガスに含まれる水蒸気の量を抑えることで第二スタック１４の作動電圧を上げることができ、第二スタック１４における発電効率を向上させることができる。
【０１１０】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、第二スタック１４から二酸化炭素改質器１８にリサイクルされる排ガスに含まれる水蒸気は、気水分離器２２によって凝縮される。従って、第二スタック１４から二酸化炭素改質器１８にリサイクルされる排ガスに含まれる水蒸気の量が減少する。これにより、第二スタック１４の排ガスを含む合成ガスを利用して二酸化炭素改質器１８にて生成された改質ガスに含まれる水蒸気の量も減少する。
【０１１１】
この二酸化炭素改質器１８にて生成される改質ガスに含まれる水蒸気は、第二スタック１４における発電効率を低下させる要因となる。従って、上述のように第二スタック１４の排ガスに含まれる水蒸気を気水分離器２２によって凝縮させて、二酸化炭素改質器１８にて生成される改質ガスに含まれる水蒸気の量を減少させることにより、第二スタック１４における発電効率をより効果的に向上させることができる。
【０１１２】
ところで、二酸化炭素改質器１８におけるコーキングの発生を抑制するためには、第二スタック１４の排ガスをホットモジュール５２の内部でリサイクルさせて、第二スタック１４にリサイクルされる排ガス中に水蒸気を含ませることも考えられる。
【０１１３】
しかしながら、第二スタック１４の排ガスの全量をリサイクルすると、この排ガス中の水蒸気及び二酸化炭素の濃度が増え続けてしまう。従って、排ガスのリサイクル率を調整する必要が生じるが、排ガスをホットモジュール５２の内部でリサイクルする場合には、高温環境下にて排ガスのリサイクル率を調整することになる。この場合には、高温で使用可能なブロワなどのデバイスが必要になり、コストアップとなる。
【０１１４】
この点、本実施形態では、ホットモジュール５２の外部に設けられた気水分離器２２によって、二酸化炭素改質器１８にリサイクルされる排ガス中の水蒸気を凝縮する。従って、第二スタック１４から二酸化炭素改質器１８にリサイクルされる排ガスに水蒸気が含まれることを抑制することができる。これにより、第二スタック１４から二酸化炭素改質器１８にリサイクルされる排ガスに含まれる水蒸気の量を調整するために高温環境下にて排ガスのリサイクル率を調整する必要が無いので、コストダウンできる。
【０１１５】
また、リサイクル路４４の一部４４Ａ及び燃焼用ガス供給路４６の一部４６Ａは、ホットモジュール５２の外部を通っている。また、第二スタック１４から二酸化炭素改質器１８にリサイクルされる排ガスのリサイクル率を調整するための第二バルブ６２及び第三バルブ６４は、上述のリサイクル路４４の一部４４Ａ及び燃焼用ガス供給路４６の一部４６Ａにそれぞれ設けられることで、ホットモジュール５２の外部に位置する。従って、高温環境下にて排ガスのリサイクル率を調整する構造になっていないので、このことによってもコストダウンできる。
【０１１６】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、燃料電池システム１０の起動時には、第一バルブ６０が閉止されることにより、二酸化炭素改質器１８に原料ガスが供給されないので、二酸化炭素改質器１８にて改質ガスが生成されず、第二スタック１４を発電させない。これに対し、燃料電池システム１０の起動時には、部分酸化改質器１６に原料ガスが供給されるので、部分酸化改質器１６にて改質ガスが生成され、第一スタック１２が発電する。従って、燃料電池システム１０の起動時には、二酸化炭素改質器１８が使用されず、部分酸化改質器１６のみが使用されるので、燃料電池システム１０を円滑に起動させることができる。
【０１１７】
一方、燃料電池システム１０の定常運転時には、第一バルブ６０が開放されることにより、二酸化炭素改質器１８に原料ガスが供給されるので、二酸化炭素改質器１８にて改質ガスが生成され、第二スタック１４が発電する。従って、燃料電池システム１０の定常運転時には、第一スタック１２に加えて、第二スタック１４が発電するので、燃料電池システム１０の出力を確保することができる。
【０１１８】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、気水分離器２２では、第二スタック１４から二酸化炭素改質器１８にリサイクルされる排ガスと配水路５６を流れる水との間で熱交換が行われる。これにより、第二スタック１４からの排ガスの熱を回収して配水路５６を流れる水を湯にすることができるので、第二スタック１４の排ガスの熱を有効に活用することができる。
【０１１９】
また、第二スタック１４からの排ガスに含まれる水蒸気を凝縮するための気水分離器２２を、湯を生成するための熱交換器として利用（兼用）するので、燃料電池システム１０を小型化することができる。
【０１２０】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１０と、比較例に係る燃料電池システムとの比較について行った説明する。
【０１２１】
ここでは、本実施形態に係る燃料電池システムと、第一乃至第六比較例に係る燃料電池システムとについて、ＤＣ発電端効率と、ホットモジュール全体での熱回収効率とを比較する。以下の表１には、比較結果が示されている。また、第一及び第六比較例は、次の通りである。
【０１２２】
第一比較例では、本実施形態の燃料電池システムに対し、燃料電池システムの起動時には部分酸化改質器のみが用いられ、燃料電池システムの定常運転時には二酸化炭素改質器に切り替えられる。このような第一比較例に係る燃料電池システムは、特開２０１４−１０７０５６号公報に開示されている。
【０１２３】
第二比較例では、本実施形態の燃料電池システムに対し、第二スタックから二酸化炭素改質器への排ガスのリサイクルが行われないようになっている。
【０１２４】
本実施形態に係る燃料電池システム、第一及び第二比較例に係る燃料電池システムでは、作動電圧＝０．８Ｖに設定されている。第二スタックから二酸化炭素改質器への排ガスのリサイクル率は、本実施形態に係る燃料電池システムでは、５５％に設定されており、第一比較例に係る燃料電池システムでは、６２％に設定されている。
【０１２５】
第三比較例では、本実施形態の燃料電池システムに対し、第一スタック及び第二スタックに改質ガスを供給する改質器として、いずれも部分酸化改質器が用いられている。このような第三比較例に係る燃料電池システムは、特開２０１３−２１１１０７号公報に開示されている。
【０１２６】
第四比較例は、部分酸化改質器と、この部分酸化改質器にて生成された改質ガスを利用して発電するスタックとをそれぞれ一つずつ備えた燃料電子システムである。
【０１２７】
第五、第六比較例は、水蒸気改質器と、この水蒸気改質器にて生成された改質ガスを利用して発電するスタックとをそれぞれ一つずつ備えた燃料電子システムである。第五比較例に係る燃料電池システムでは、作動電圧＝０．７９Ｖに設定され、第六比較例に係る燃料電池システムでは、作動電圧＝０．７５Ｖに設定されている。
【０１２８】
【表１】
0006291372.tif 000002
【０１２９】
また、表２には、本実施形態に係る燃料電池システムと、第一乃至第六比較例に係る燃料電池システムとについて、メリット及びデメリットが示されている。
【０１３０】
【表２】
0006291372.tif 000003
【０１３１】
表１及び表２より、本実施形態に係る燃料電池システムについては、次のことが言える。
【０１３２】
すなわち、表１に示されるように、本実施形態に係る燃料電池システムは、第二乃至第六比較例に係る燃料電池システムよりも高いＤＣ発電端効率を得ることができる。特に、本実施形態に係る燃料電池システムでは、水供給系を不要にできるので、水供給系を必要とする第五及び第六比較例に比して、コストダウンしつつ、高いＤＣ発電端効率を得ることができる。
【０１３３】
なお、第一比較例に係る燃料電池システムでは、二酸化炭素改質器へリサイクルされるガスがドライガスであるため高効率であり、本実施形態に係る燃料電池システムよりも高いＤＣ発電端効率を得ることができる。しかしながら、表２に示されるように、第一比較例に係る燃料電池システムでは、二酸化炭素改質器においてコーキングが発生すると言う不都合がある。
【０１３４】
これに対し、本実施形態に係る燃料電池システムでは、第一スタックから二酸化炭素改質器へ水蒸気を含む排ガスが供給されるので、二酸化炭素改質器におけるコーキングの発生を抑制することができる。つまり、本実施形態に係る燃料電池システムでは、二酸化炭素改質器におけるコーキングの発生を抑制しつつ、高いＤＣ発電端効率を得ることができる。
【０１３５】
次に、本実施形態の変形例について説明する。
【０１３６】
本実施形態において、第一スタック１２及び第二スタック１４には、一例として、固体酸化物型の燃料電池（ＳＯＦＣ）が適用されていたが、第一スタック１２及び第二スタック１４には、例えば、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）など、種々のタイプの燃料電池が適用されても良い。
【０１３７】
また、原料ガスは、メタンガス以外に、炭化水素ガスでも良い。
【０１３８】
また、燃料電池システム１０は、図３に示されるように、構成されていても良い。すなわち、図３に示される第一変形例において、燃料電池システム１０は、気水分離器２２とは別に、熱交換器８２を備えている。
【０１３９】
熱交換器８２は、本発明における「スタック排ガス流路」の一例である燃料極排ガス流路３４に設けられている。この熱交換器８２には、配水路５６が貫通して設けられており、熱交換器８２では、第二スタック１４から二酸化炭素改質器１８にリサイクルされる排ガスと、配水路５６を流れる水との間で熱交換が行われる。また、このようにして熱交換器８２において配水路５６を流れる水が加温されることにより、配水路５６から湯が得られるようになっている。
【０１４０】
このように構成されていても、第二スタック１４からの排ガスの熱を回収して配水路５６を流れる水を湯にすることができるので、第二スタック１４の排ガスの熱を有効に活用することができる。
【０１４１】
また、燃焼部２０に接続された排ガス路５８に熱交換器が接続され、この熱交換器にて、排ガス路５８を流れる排ガスと、配水路を流れる水との間で熱交換が行われても良い。また、このようにして熱交換器において配水路を流れる水が加温されることにより、排ガス路５８の熱を利用して湯が得られても良い。
【０１４２】
また、図４に示される第二変形例のように、燃料電池システム１０は、例えば工場や焼却炉等の二酸化炭素排出部７４の近くに設置され、二酸化炭素改質器１８には、二酸化炭素排出部７４から排出され二酸化炭素を含む排ガスが供給されても良い。
【０１４３】
また、第二スタック１４から二酸化炭素改質器１８への排ガスのリサイクルが廃止される代わりに、上述の二酸化炭素排出部７４から排出された二酸化炭素が二酸化炭素改質器１８に供給されても良い。
【０１４４】
なお、上記複数の変形例のうち組み合わせ可能な変形例は、適宜組み合わされて実施可能である。
【０１４５】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【０１４６】
１０…燃料電池システム、１２…第一スタック（第一燃料電池スタック）、１４…第二スタック（第二燃料電池スタック）、１６…部分酸化改質器、１８…二酸化炭素改質器、２０…燃焼部、２２…気水分離器、２４…原料ガス流路、２６…空気ガス流路、２８…改質ガス供給路、３０…スタック排ガス流路、３２…改質ガス供給路、３４…燃料極排ガス流路、３６…ドライガス流路、３８…本体流路、４０，４２…分岐路、４４…リサイクル路、４４Ａ…リサイクル路の一部、４６…燃焼用ガス供給路、４６Ａ…燃焼用ガス供給路の一部、４８…バイパス路、５０…ケース、５２…ホットモジュール、５４…空気極排ガス流路、５６…配水路、５８…排ガス路、６０…第一バルブ、６２…第二バルブ、６４…第三バルブ、６６…第一センサ、６８…第二センサ、７０…制御部、７２…起動スイッチ、７４…二酸化炭素排出部、８２…熱交換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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