(57)【要約】【課題】燃料の無駄な消費を抑えつつ発電効率を向上させることができる燃料電池及びその運転方法を提供する。【解決手段】固体電解質型燃料電池において、燃料ガスの上流側と下流側とで２つ以上に分割して形成された複数の発電セルと、前記発電セルごとにそれぞれ異なった電圧で個別に電流を取出す出力回路とを具備する。【選択図】    図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質型燃料電池において、燃料ガスの上流側と下流側とで２つ以上に分割して形成された複数の発電セルと、前記発電セルごとにそれぞれ異なった電圧で個別に電流を取出す出力回路と、を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記複数の発電セルは燃料室および空気室をそれぞれ備え、
前記燃料室は、固体電解質の一方側の面に設けられ前記出力回路の負極側に接続された燃料極と、この燃料極に対して燃料ガスが実質的に均等に供給されるように前記燃料極と対向する位置にて開口する入口と、反応後の燃料ガスが排気されるように適所に開口する出口とを有し、
前記空気室は、固体電解質の他方側の面に設けられ前記出力回路の正極側に接続された空気極と、この空気極に空気が供給されるように適所に開口する入口と、反応後の空気が排気されるように適所に開口する出口とを有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記複数の発電セルは燃料室および空気室をそれぞれ備え、
前記燃料室は、通流する燃料ガスの消費率に応じて上流側から下流側に直列に並べて配置され、それぞれが個別に前記出力回路の負極側に接続された複数の燃料極を有し、
前記空気室は、固体電解質を間に挟んで前記燃料極に対して１対１に対応するところに配置され、それぞれが個別に前記出力回路の正極側に接続された複数の空気極を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
さらに、最上流の発電セルの電圧と最下流の発電セルの電圧との差を０．０３Ｖ以上０．２５Ｖ以下に制御し、最上流の発電セルに対する最下流のセルの平均電流密度比を０．２以上１．２以下に制御する制御手段を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
さらに、最上流の発電セルの電圧と最下流の発電セルの電圧との差を０．０８Ｖ以上０．１９Ｖ以下に制御し、最上流の発電セルに対する最下流のセルの平均電流密度比を０．２５以上０．８以下に制御する制御手段を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
固体電解質型燃料電池の運転方法において、発電セルを燃料ガスの上流側と下流側とで２つ以上に分割して配置し、前記発電セルごとにそれぞれ異なった電圧で個別に電流を取出すことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項７】
電流を取出すときの電圧を、燃料ガスの上流側で高く、下流に向かうに従って順次低くすることを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
最上流の発電セルの電圧と最下流の発電セルの電圧との差を０．０３Ｖ以上０．２５Ｖ以下に制御し、最上流の発電セルに対する最下流のセルの平均電流密度比を０．２以上１．２以下に制御することを特徴とする請求項６又は７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
最上流の発電セルの電圧と最下流の発電セルの電圧との差を０．０８Ｖ以上０．１９Ｖ以下に制御し、最上流の発電セルに対する最下流のセルの平均電流密度比を０．２５以上０．８以下に制御することを特徴とする請求項６又は７のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質型燃料電池（SOFC）の発電効率を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質型燃料電池では、発電反応の生成物が燃料極側で発生し、燃料室に放出される。このため燃料室内のガスの組成は供給された燃料ガスの組成に応じて変化する。非特許文献１には、燃料消費率が高くなると、燃料室内のガス組成の変化も大きくなり、発電セルの出力電圧が急激に低下することが報告されている。
【０００３】
図９は、非特許文献１のＦｉｇ５と実質的に同じ特性を示すものであり、水素を燃料とした場合の燃料消費率と出力電圧との関係の一例を示した特性線図である。図中の数字は発電セルの電極における出力電流密度を示したものであり、特性線Ｐ→Ｑ→Ｒ→Ｓ（0.1A/cm2→0.2A/cm2→0.3A/cm2→0.5A/cm2）のように電流密度が高くなるほど出力電圧は減少して小さな値となる。また、同じ出力電流密度で比較した場合は、燃料消費率が上がると出力電圧は当初緩やかに減少するが、燃料消費率が増すとしだいにその傾きが増大する。さらに燃料消費率が７０〜８０％以上の高率に達すると、出力電圧は急激に低下するようになる。
【非特許文献１】第11回（2002）SOFC研究発表会  講演要旨集  p25-p28,Fig5
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池にとって重要な性能パラメータである発電効率は、発電で得られた電力を供給した燃焼ガスの持つ化学エネルギーで割って求められる。この電力は、発電で得られた電気量と電圧の積として表される。電気量は発電に有効に使われた燃料ガスの量とファラデーの法則で結ばれていることから、電気量を大きくするためには燃料消費率を上げる必要がある。
【０００５】
しかし、図９に示すように燃料消費率を上げると出力電圧が低下して、これが電力を下げる方向に作用する。出力電圧が急激に低下する領域では、燃料消費率を上げると、逆に得られる電力が低下する場合がある。一方、高い出力電圧を得るために燃料消費率を下げると、無駄に捨てる燃料ガスを増やすことになり、やはり高い発電効率は得られなくなる。
【０００６】
燃料電池はこれらの点を考慮した最適条件を見出して運転されることになるが、従来の燃料電池は上述の電流−電圧特性のために十分に高い発電効率を得ることができないでいた。そのため、燃料ガスをより高い電圧で発電反応に使い、かつ発電に使われないで排気される燃料ガスの量を減らすことにより、全体として発電効率の高い燃料電池システムが求められている。
【０００７】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、燃料の無駄な消費を抑えつつ発電効率を向上させることができる燃料電池及びその運転方法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】
【０００８】
本発明に係る燃料電池は、固体電解質型燃料電池において、燃料ガスの上流側と下流側とで２つ以上に分割して形成された複数の発電セルと、前記発電セルごとにそれぞれ異なった電圧で個別に電流を取出す出力回路と、を具備することを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る燃料電池の運転方法は、固体電解質型燃料電池の運転方法において、発電セルを燃料ガスの上流側と下流側とで２つ以上に分割して配置し、前記発電セルごとにそれぞれ異なった電圧で個別に電流を取出すことを特徴とする。
【００１０】
固体電解質燃料電池における燃料室のガス組成の変化について詳しく説明する。  
ここでは燃料ガスが水素である場合について述べる。水素を燃料ガスとする場合に、その反応生成物は水蒸気である。燃料の水素１モルが発電で消費されると、生成物として水蒸気１モルが生成される。消費された水素と同じ体積の水蒸気が生成されるので、燃料室のガスは発電で消費された分だけ水素が水蒸気に置き換わった組成となる。すなわち、水素の分圧が低くなりその分だけ水蒸気の分圧が増加する。
【００１１】
このように発電反応でガスの組成が変化するため、燃料室におけるガスの組成は必ずしも一様になるとは限らない。ここでは典型的な２つのタイプに分けて、それぞれのタイプにおける燃料ガスの状況および発電特性について示す。
【００１２】
最初のタイプはガスの組成が燃料室内で一様なタイプの燃料電池である。図１はこの状況を示したものである。燃料室内の水素分圧は、供給される水素の分圧から発電反応で消費されて水蒸気となる水素の分圧を差し引いた値となる。この組成のガス環境で電気化学反応が進行し、発電が行われる。また、この組成のガスが排気ガスとして排出されることになる。このタイプの燃料室をタイプ１と呼ぶことにする。
【００１３】
もう一つの典型的なタイプは、図２に示すように燃料の水素ガスが燃料口から排気口へ流れながら電気化学反応によって水素が消費され、生成物に置き換わってしだいに水素分圧が低下するものである。発電の電気化学反応はそれぞれの電極位置におけるガス組成の環境で進行することになる。電極はつながっており同電位であることから、それぞれの電極位置におけるガス組成の違いは、それぞれの位置における電流密度の違いとして現れることになる。排気口位置における組成のガスが排気ガスとして排出される。このタイプの燃料室をもつ燃料電池をタイプ２と呼ぶことにする。
【００１４】
ところで、発電セルの電流−電圧特性はガスの組成に依存する。図３は横軸に電流密度（Ａ／ｃｍ2）をとり、縦軸に出力電圧（Ｖ）をとって、発電セルの電流−電圧特性が燃料室の水素分圧によってどのように変化するかを示した特性線図である。図中の数字０．９６，０．８，０．５，０．２は、それぞれの電流−電圧特性曲線Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに対応した水素分圧を示したものである。燃料室ガスの全圧力は１気圧であり、残りは水蒸気の分圧によるものである。
【００１５】
電流−電圧特性曲線Ａ〜Ｄにおいて出力電圧は、運転の初期において電流値が増すとターフェルの式に従って対数関数で減少し、その後に固体電解質等の抵抗の影響が大きくなって直線的な減少傾向を示すようになる。ターフェルの式を下記に示す。
【数１】
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【００１６】
但し、ηは過電圧、Ｅは電位、Ｅｅｑは平衡電位、ａとｂは比例定数、ｌｎは自然対数、ｉは電流（絶対値）である。このターフェルの式（１）において出力電圧は燃料極電位Ｅfと空気極電位Ｅaとの電位差（Ｅf−Ｅa）により与えられる。このため出力電圧は電位Ｅと同様に電流ｉの対数に正比例して増減する。
【００１７】
さらに電流密度が大きくなると水素の拡散による電極への供給量が支配因子となり、急速に出力電圧が減少する。出力電圧がゼロとなる電流密度が水素の拡散限界電流密度である。水素分圧が低下するに従い、出力電圧の低下、特に水素の拡散限界電流密度が大きく減少している点が認められる。
【００１８】
この理由を以下に示す。電気化学の反応速度論によれば、ある電位において単位時間に電気化学反応によって変化する分子の数、言い換えれば取出せる電流の値は、その場所に存在する燃料の分子の数に比例する。すなわち、水素の分圧に比例することになる。これは図３において出力電圧がターフェルの式（１）に従って電流が増大すると対数関数で減少している領域に対応する。対数関数での変化であるために、水素分圧が低下した場合の出力電圧の低下は、それほど顕著な値とはならない。
【００１９】
拡散によって拡散層を通過する分子の数は、拡散層の両側、すなわち電極表面とバルクにおける対象分子の濃度差に比例する。拡散限界の条件では、電極表面における分子の濃度はゼロと見なせることから、拡散限界の状態で拡散層を通過する分子の数はバルクにおける分子の濃度に比例する。すなわち、水素の拡散限界電流密度は燃料室における酸素分圧に比例することになる。図３において電流−電圧特性曲線Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに示すように、水素の拡散限界電流密度が水素分圧の低下に比例して急に小さな値になっているのはこのためである。
【００２０】
ここで説明した電流−電圧特性とその水素分圧依存性を念頭に、改めて燃料電池の動作状況と発電効率について考える。タイプ１の場合には排気ガスと同じ、２０％程度以下の低い水素分圧で発電反応を行うことになるので、図３から明らかなように、同じ電流密度で比較すると、水素分圧が高い条件で発電反応を行う場合に比べて低い出力電圧しか得られない。また、多くの水素ガスが発電反応に使用されず排気される。
【００２１】
そこで、本発明では発電セルを２つ以上に分割し、燃料ガスの流れる方向に直列に配置して、それぞれ異なる条件で動作させることにした。これにより、燃料ガス上流のセルでは高い水素分圧の条件で発電反応を行う事が可能となるので、より高い出力電圧を得ることができる。また、下流の排気口に近いセルでは、より低い出力電圧で動作させることにより、燃料消費率を向上させて排気される水素ガスを低減することができる。燃料消費率を十分に向上させるためには、下流側の出力電圧を上流側に比べて０．１Ｖ以上低くする必要がある。これらの効果により、トータルの発電効率を向上させることが可能となる。
【００２２】
次にタイプ２の燃料電池について説明する。  
タイプ２の燃料電池では場所によって水素分圧が異なり、出力電流密度も異なっている。図４の（ａ）はタイプ２における水素・水蒸気ガス分圧を示す特性線図、図４の（ｂ）はタイプ２における出力電流密度の分布状況を示す特性線図である。水素分圧は燃料口から奥に進むに従い、発電反応で消費されて次第に低下する。水蒸気分圧が逆に水素分圧の低下分だけ増大する。電流密度は水素分圧の高い燃料口付近では大きな値であるが、水素分圧が下がると低下して排気口付近では極めて小さな値となる。排気口に近い下流域では、電極が十分に発電反応に寄与していないと言うことができる。また、上流部では発電セルのトータルとして一定の電流値を得るために過大な電流密度となり、出力電圧が低下しているということができる。
【００２３】
そこで、本発明では発電セルを２つ以上に分割して料ガスの流れる方向に直列に配置して、それぞれ異なる条件で動作させることにした。上流側では出力電流密度を下げることによってより高い出力電圧を得ることができる。また下流側ではより低い出力電圧で動作させ、出力電流密度を向上させることが可能となる。出力電流密度を上げすぎると出力電力が低下して出力電力はかえって小さくなるので、最下流側の出力電力密度は最上流側の出力電流密度の１／２とすることが好ましい。これらの効果により本発明ではトータルの発電効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、出力電圧を低下させることなく燃料消費率を上昇させることができるので、燃料の無駄な消費を抑えることができるとともに高い発電効率を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について添付の図面を参照して説明する。
【００２６】
（第１の実施形態：タイプ１）  
先ず第１の実施形態の燃料電池について図５を参照しながら説明する。
【００２７】
本実施形態のタイプ１では燃料室１１，２１を含めて発電セル１０，２０を最も単純な２分割構造とした。燃料電池１Ａは、複数の発電セルを多段に積み重ねたスタックを２つ直列につないで、上流側のスタックから下流側のスタックへ向けて燃料ガス２および空気３をそれぞれ通流させて発電する固体電解質型の燃料電池である。図５では説明の簡略化のために発電セルの一単位のみを示しているが、実際には上下に隣接する発電セルの相互間には図示しないセパレータがそれぞれ挿入されている。
【００２８】
燃料電池１Ａの上流側には第１の発電セル１０が、下流側には第２の発電セル２０がそれぞれ設けられている。第１の発電セル１０内には固体電解質１８の層を間に挟んで燃料極１７および空気極１９が内部を仕切るように設けられている。燃料極１７側には燃料室１１が形成され、空気極１９側には空気室１２が形成されている。
【００２９】
燃料室１１は、上部中央の入口１３を通って燃料室１１内に導入される燃料ガス２が、燃料室１１の内部全体に均一に分散して反応するように、十分な広さと容積を備えた部屋である。この燃料室１１は、固体電解質１８の一方側の面に設けられ出力回路の負極側リード線３１に接続された燃料極１７と、この燃料極１７に対して燃料ガス２（水素ガス）が実質的に均等に供給されるように燃料極１７と対向する位置にて開口する入口１３と、反応後の燃料ガス２ａが排気されるように適所に開口する出口１４とを有する。燃料室１１の入口１３はポンプＰ１を備えた流路４により水素ガス供給源（図示せず）に連通し、燃料ガス２として水素ガスが燃料室１１に供給されるようになっている。燃料となる水素ガスは、炭化水素ガスを水蒸気添加改質処理して得られたものであってもよいし、その他の処理方法で得られたものであってもよい。なお、燃料室の入口１３は、燃料極１７に対して燃料ガス２ができるだけ均等に供給されるようにし、燃料室１１内で燃料ガス２の濃度をできるだけ均一化させるために、燃料極１７に対向する位置に開口している。
【００３０】
空気室１２は、適当な広さと容積を備えた部屋である。この空気室１２は、固体電解質１８の他方側の面に設けられ出力回路の正極側リード線３２に接続された空気極１９と、この空気極１９に空気３が供給されるように適所に開口する入口１５と、反応後の空気３が排気されるように適所に開口する出口１６とを有する。空気室１２の入口１５はポンプＰ２を備えた流路７により空気供給源（図示せず）に連通し、フィルタ（図示せず）で浄化された空気３が空気室１２に供給されるようになっている。なお、空気室１２の入口１５と出口１６は特定の位置に限定して配置されるものではないが、空気３の自然な流れのために、入口１５を一方側の側面に開口させ、出口１６を入口１５と向き合う他方側の側面に開口させることが好ましい。
【００３１】
第１発電セル１０の出力回路は、正負極リード線３１，３２間に並列接続された電圧計Ｖ１と、正負極リード線３１，３２に直列接続された電流計Ａ１および負荷Ｒ１とを備えている。電圧計Ｖ１は第１発電セル１０から出力される発電電圧を検出し、制御器３０に検出電圧信号を送るようになっている。また、電流計Ａ１は第１発電セル１０から出力される発電電流を検出し、制御器３０に検出電流信号を送るようになっている。制御器３０はこれらの検出信号に基づいて各所のポンプＰ１〜Ｐ５の動作を最適に制御する。
【００３２】
第２の発電セル２０は、第１の発電セル１０と実質的に同じように形成されている。すなわち、燃料室２１は、固体電解質２８の一方側の面に設けられ出力回路の負極側リード線３３に接続された燃料極２７と、この燃料極２７に対して反応後の燃料ガス２ａが実質的に均等に供給されるように燃料極２７と対向する位置にて開口する入口２３と、排気ガス２ｂが排気されるように適所に開口する出口２４とを有する。また、空気室２２は、固体電解質２８の他方側の面に設けられ出力回路の正極側リード線３４に接続された空気極２９と、この空気極２９に空気３が供給されるように適所に開口する入口２５と、反応後の空気３が排気されるように適所に開口する出口２６とを有する。
【００３３】
第１及び第２の発電セル１０，２０間は連通路５，８により連通している。一方の連通路５は、第１の発電セル１０の燃料室１１の出口１４から第２の発電セル２０の燃料室２１の入口２３まで設けられ、ポンプＰ３が設けられている。また、第２発電セルの燃料室２１の出口２４に連通する排気流路６にはポンプＰ４が設けられ、燃料室２１から排気ガス２ｂが吸引排気されるようになっている。
【００３４】
他方の連通路８は、第１の発電セル１０の空気室１２の出口１６から第２の発電セル２０の空気室２１の入口２５まで設けられている。また、第２発電セルの空気室２２の出口２６に連通する排気流路９にはポンプＰ５が設けられ、空気室２２から反応後の空気３が吸引排気されるようになっている。
【００３５】
第２発電セル２０の出力回路は、正負極リード線３３，３４間に並列接続された電圧計Ｖ２と、正負極リード線３３，３４に直列接続された電流計Ａ２および負荷Ｒ２とを備えている。電圧計Ｖ２は第２発電セル２０から出力される発電電圧を検出し、制御器３０に検出電圧信号を送るようになっている。また、電流計Ａ２は第２発電セル２０から出力される発電電流を検出し、制御器３０に検出電流信号を送るようになっている。制御器３０はこれらの入力信号に基づいて各所に配置されたポンプＰ１〜Ｐ５の動作を最適に制御する。
【００３６】
次に、上記燃料電池１Ａの動作について説明する。  
第１の発電セル１０の燃料室１１で発電に使われた部分反応ガス２ａは、連通路５を通って第２の発電セル２０の燃料室２１に送られ、ここで再び燃料ガスとして発電反応に使われる。そして十分に水素が発電反応により消費された状態で排気ガス２ｂとして排出される。第１の発電セル１０の燃料室１１における水素分圧は高いので、第１の発電セル１０は高い出力電圧で運転される。一方、第２の発電セル２０は、燃料消費率を向上させるために第１の発電セル１０よりも低い出力電圧で運転される。
【００３７】
次にタイプ１の実施例について説明する。  
タイプ１を適用した場合の発電効率の改善効果を、従来技術と比較して以下に述べる。燃料は水素ガスとし、発電セルの電極面積は１ｃｍ2という条件で比較した。発電効率は単位面積あたりの燃料の供給量にも依存するので、０．５ミリリットル／分、１ミリリットル／分、２ミリリットル／分の３水準で比較した。この水素供給量は電流に換算するとそれぞれ７２ｍＡ、１４４ｍＡ、２８７ｍＡに相当する。
【００３８】
それぞれの発電形式、水素流量において最も優れた値を示す運転条件の発電効率について比較を行った。
【００３９】
表１はタイプ１の場合の発電効率について比較したものである。本発明を適用した場合の分割した発電セルについては、燃料口に近い側を１段目、排気口側を２段目と表記してある。電極の面積は共に０．５ｃｍ2であり、合計１ｃｍ2となっている。水素流量が０．５ミリリットル／分の場合、従来型では０．８Ｖの出力電圧で運転を行うと発電効率は最大となる。発電効率は４９．３％で、この時の燃料消費率は９１．２％である。本発明のタイプ１では１段目を０．８７７Ｖ、また２段目を０．７４５Ｖの出力電圧で運転すると発電効率は最大となった。上流側セルと下流側セルの出力電圧の差は０．１３２Ｖ、また下流側の出力電流密度は上流側の３９％であった。発電効率および燃料消費率はそれぞれ５４．９％および９６．７％であった。本発明のタイプ１では従来型に比べて発電効率が５．６％向上した。水素流量が１ミリリットル／分、２ミリリットル／分の場合も、発電効率はそれぞれ５．６％および５．５％向上した。
【表１】
2005190670.tif 000004
【００４０】
（第２の実施形態：タイプ２）  
次に、第２の実施形態の燃料電池について図６を参照しながら説明する。
【００４１】
本実施形態の燃料電池１Ｂでは燃料室４１，５１は仕切ることなく同一の連続する部屋とし、発電セル４０，５０のみを分割している。隣接するセルスタックとの間はセパレータ４８で仕切られている。なお、燃料電池１Ｂは、互いに連通する燃料室４１，５１および互いに連通する空気室４２，５２をそれぞれ備えているが、仕切４９を設けて燃料室４１，５１間を仕切るようにしてもよい。
【００４２】
燃料室４１，５１の入口はポンプＰ２１を備えた供給流路により水素ガス供給源（図示せず）に連通し、燃料ガス２として水素ガスが燃料室４１，５１に供給されるようになっている。燃料室４１，５１の出口はポンプＰ２３を備えた排気流路に連通している。また、空気室４２，５２の入口はポンプＰ２２を備えた流路により空気供給源（図示せず）に連通し、フィルタ（図示せず）で浄化された空気３が空気室４２，５２に供給されるようになっている。なお、空気室４２，５２の入口と出口は特定の位置に限定して配置されるものではないが、空気３の自然な流れのために、入口を一方側の側面に開口させ、出口を入口と向き合う他方側の側面に開口させることが好ましい。同様に、燃料室４１，５１の入口と出口は、燃料２の自然な流れのために、入口を一方側の側面に開口させ、出口を入口と向き合う他方側の側面に開口させることが好ましい。
【００４３】
第１及び第２発電セル４０，５０の燃料室４２，５２は連続する流路であり、このなかを通流する燃料ガス２の消費率（水素分圧ｐＨ2＝ｐ１〜ｐｋ，ｐｋ＋１〜ｐｎ）に応じて上流側から下流側に２つの燃料極４４，５４が直列に並んで配置されている。第１発電セルの燃料極４４は出力回路の負極リード線６１に接続され、第２発電セル５０の燃料極５４は別の出力回路の負極リード線６３に接続されている。
【００４４】
第１及び第２発電セルの空気室４２，５２は連続する流路である。空気極４６，５６は、固体電解質４５を間に挟んで燃料極４４，５４に対して１対１に対応するところにそれぞれ配置されている。第１発電セル４０の空気極４６は出力回路の正極リード線６２に接続され、第２発電セルの空気極５６は別の出力回路の正極リード線６４に接続されている。
【００４５】
第１発電セル４０の出力回路は、正負極リード線６１，６２間に並列接続された電圧計Ｖ１と、正負極リード線６１，６２に直列接続された電流計Ａ１および負荷Ｒ１とを備えている。電圧計Ｖ１は第１発電セル４０から出力される発電電圧を検出し、制御器６０に検出電圧信号を送るようになっている。また、電流計Ａ１は第１発電セル４０から出力される発電電流を検出し、制御器６０に検出電流信号を送るようになっている。制御器６０はこれらの検出信号に基づいて各所のポンプＰ２１〜Ｐ２４の動作を最適に制御する。
【００４６】
第２発電セル５０の出力回路は、正負極リード線６３，６４間に並列接続された電圧計Ｖ２と、正負極リード線６３，６４に直列接続された電流計Ａ２および負荷Ｒ２とを備えている。電圧計Ｖ２は第２発電セル５０から出力される発電電圧を検出し、制御器６０に検出電圧信号を送るようになっている。また、電流計Ａ２は第２発電セル５０から出力される発電電流を検出し、制御器６０に検出電流信号を送るようになっている。制御器６０はこれらの検出信号に基づいて各所のポンプＰ２１〜Ｐ２４の動作を最適に制御する。
【００４７】
次に、上記燃料電池１Ｂの動作について説明する。  
第１の発電セル４０の燃料室４１で発電に使われた部分反応ガス２ａは第２の発電セル５０の燃料室５１に送られ、ここで再び燃料ガスとして発電反応に使われる。そして十分に水素が発電反応により消費された状態で排気ガス２ｂとして排出される。第１の発電セル４０は、電極４４上の水素分圧が高いので高い出力電圧で運転する。一方、第２の発電セル５０は、電極５４上の水素分圧が低下した環境で十分な出力電流密度を確保するために、低い出力電圧で運転する。
【００４８】
次にタイプ２に適用した場合の効果について述べる。  
図７はタイプ２に本発明を適用した場合の、水素・水蒸気ガス分圧および出力電流密度の分布状況を示したものである。排気口に向かうに従い、水素分圧の低下によって下がっていた出力電流密度が、出力電圧を０．８５Ｖから０．７Ｖに下げることによって再び増大する。
【００４９】
表２はタイプ２における発電効率について比較したものである。水素流量が１ミリリットル／分の場合、従来型は出力電圧０．８Ｖで運転した場合に最も発電効率が良くなり、発電効率および燃料消費率はそれぞれ５１．５％および９５．５％となる。これに対して本発明を適用した場合は、１段目を０．９Ｖまた２段目を０．７Ｖの出力電圧で運転した場合に最も発電効率が高くなった。発電効率および燃料消費率はそれぞれ５５．８％および９９．４％であった。これは従来型に比べて発電効率で４．３％上昇する結果となった。水素流量２ミリリットル／分の場合においても発電効率は従来型が５１．１％であるのに対して本実施形態では５４．０％に上昇し、従来型に比べて発電効率が２．９％も向上した。
【表２】
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【００５０】
図８は横軸に燃料室の上流側の電位と下流側の電位との電位差（Ｖ）をとり、縦軸に燃料室の下流側の電流密度を上流側の電流密度で除した電流密度比をとって、電極を同面積の二段に分割した時の電圧差−電流密度比分布を示す相関分布図である。図中の数値は発電効率（％）を示す。この図から明らかなように、電圧差を０．０３Ｖ以上０．２５Ｖ以下とし、電流密度比を０．２以上１．２以下とした場合に、発電効率が４％上昇する結果が得られた。また、電圧差を０．０８Ｖ以上０．１９Ｖ以下とし、電流密度比を０．２５以上０．８以下とした場合に、発電効率が５％上昇する結果が得られた。
【００５１】
なお、上記の実施形態では水素ガスを燃料とした場合を例にとって本発明の効果を説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、さらに炭化水素ガスを燃料とする燃料電池にも好適に用いることができ、発電効率を向上させることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、固体酸化物など種々の固体電解質を有する固体電解質型燃料電池において利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】水素ガス分圧が発電セル上のどこでも同じ燃料電池（タイプ１）において、水素を燃料としたときの燃料電池の動作時における燃料ガス分圧の状況を示す断面模式図。
【図２】水素ガスの分圧が発電セル上で下流に行くに従い低くなる燃料電池（タイプ２）において、水素を燃料としたときの燃料電池の動作時における燃料ガス分圧の状況を示す模式図。
【図３】タイプ１における発電セルの電流−電圧特性の水素分圧による変化を示す特性線図。
【図４】（ａ）はタイプ２における水素・水蒸気ガス分圧を示す特性線図、（ｂ）はタイプ２における出力電流密度の分布状況を示す特性線図。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池（タイプ１）を模式的に示す構成ブロック図。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池（タイプ２）を模式的に示す構成ブロック図。
【図７】タイプ２に本発明を適用した場合の、水素・水蒸気ガス分圧および出力電流密度の分布状況。
【図８】本発明の効果を示す特性図。
【図９】水素を燃料とした場合の出力電圧の燃料消費率依存性を示す特性線図。
【符号の説明】
【００５４】
１Ａ…燃料電池（タイプ１）
１Ｂ…燃料電池（タイプ２）
１ａ，１０，２０，４０，５０…発電セル
２…燃料ガス（水素ガス）、２ａ…部分反応ガス、２ｂ…排気ガス
３…空気
４，７…供給路
５，８…連通路
６，９…排気路
１１，２１，４１，５１…燃料室
１２，２２，４２，５２…空気室
１３，１５，２３，２５…入口
１４，１６，２４，２６…出口
１７，２７，４４，５４…燃料極
１８，２８，４５…固体電解質
１９，２９，４６，５６…空気極
３０，６０…制御器
３１〜３４，６１〜６４…出力用リード線
４８…セパレータ
Ｐ１〜Ｐ５，Ｐ２１〜Ｐ２４…ポンプ
Ｖ１，Ｖ２…電流計
Ａ１，Ａ２…電圧計
Ｒ１，Ｒ２…負荷
【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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【図９】
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