特許 5773931 高温型燃料電池システム及びその運転方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5773931

(24)【登録日】2015年7月10日

(45)【発行日】2015年9月2日

(54)【発明の名称】高温型燃料電池システム及びその運転方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20060101AFI20150813BHJP

   H01M 8/06 20060101ALI20150813BHJP

   H01M 8/12 20060101ALI20150813BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 J

   H01M8/06 G

   H01M8/04 P

   H01M8/12

【請求項の数】1

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2012-78809(P2012-78809)

(22)【出願日】2012年3月30日

(65)【公開番号】特開2013-211107(P2013-211107A)

(43)【公開日】2013年10月10日

【審査請求日】2014年2月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000220262

【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107490

【弁理士】

【氏名又は名称】杉原 鉄郎

(72)【発明者】

【氏名】吉田 英樹

【審査官】 清水 康

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１１／０００４９９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−０２０８８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１２３８１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５２５２９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２４７２６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−０４７３９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０４７４７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／００７０５０９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００ − ８／２４

Ｃ０１Ｂ ３／００ − ３／５８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

部分酸化改質方式による高温型燃料電池システム（１）であって、
部分酸化改質触媒を充填した改質器（２）と、
改質器の下流側に第一セルスタック（３）と、
第一セルスタックの下流側に第二セルスタック（４）と、
改質器に炭化水素燃料を供給する主燃料供給手段（５ａ）と、その供給量を制御する主燃料量制御手段（Ｖ１）と、
第二セルスタックに炭化水素燃料を供給する副燃料供給手段（５ｂ）と、その供給量を制御する副燃料量制御手段（Ｖ２）と、
改質器に酸化剤としての空気を供給する改質器空気供給手段（６ａ）と、その供給量を制御する改質器空気量制御手段（Ｖ３）と、
発電時における第一セルスタック及び第二セルスタックの電流値を制御する発電電流値制御手段（１０）と、
要求される電力量に対応する電流値を演算する手段と、
該電流値及び炭素析出が生じない所定の空気比（λ）に基づいて、改質器側燃料供給量（Ｆ１）及び第二セルスタック側燃料供給量（Ｆ２）を演算する手段と、
改質器側燃料供給量（Ｆ１）及び前記所定の空気比（λ）に基づいて、改質器供給空気量（Ａ）を演算する手段と、
演算により決定された前記電流値、改質器側燃料供給量（Ｆ１）、第二セルスタック側燃料供給量（Ｆ２）及び改質器供給空気量（Ａ）となるように、改質器空気量制御手段（Ｖ３）、主燃料量制御手段（Ｖ１）、副燃料量制御手段（Ｖ２）、及び電流値制御手段（１０）全てを制御する手段と、を備え、
改質器、第一セルスタック及び第二セルスタック内において、少なくとも反応に伴う炭素析出が生じない空気比となるように制御可能に構成したことを特徴とする高温型燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は高温型燃料電池システムに係り、特に、部分酸化改質方式による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の発電効率向上に適した燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ＳＯＦＣ等の高温型燃料電池システムにおいては、燃料処理方法として水蒸気改質方式又は部分酸化改質方式が採用されている。
水蒸気改質方式は、改質燃料の発熱量が部分酸化改質方式と比較して高く、システムの発電効率が高いという特徴を有する。しかしながら、改質器への純水供給のために、精密ポンプやタンク等の補機やドレン水浄化用のイオン交換樹脂が必要という問題がある。また、排ガスからのドレン回収が必要なため、排熱利用機器から発電システムへの熱媒戻り温度に制約があり、排熱利用の用途に制約がある。さらに、排ガス中の水分量が多く熱回収し難いため、総合効率が低下するという問題もある。

【0003】

一方、部分酸化改質方式は、完全燃焼より少量の空気（空気比λ0.3程度）を投入して燃料を部分酸化反応させて水素や一酸化炭素に分解するため、改質水系が不要となり、補機数削減による低コスト化と信頼性向上が可能である。さらに、イオン交換樹脂不要になることによるメンテナンス簡素化や、排ガスドレン回収不要による排熱利用範囲が拡大するというメリットもある。
しかしながら、同方式では燃料を部分酸化反応させる際に燃料の発熱量が低下し、この低発熱量改質燃料がセルスタックに供給されるため、発電に取り出せるエネルギー量が少なく、水蒸気改質方式と比較して発電効率が低くなるという問題がある。

【0004】

部分酸化方式において発電効率を高める方法として、改質器に供給される空気を所定の空気比に抑制するとともに、酸化用空気を排熱利用により加温した水に接触させて、改質器に供給される空気を加湿し、供給空気中の水蒸気により燃料ガスの一部を水蒸気改質する技術が提案されている（特許文献１）。

【0005】

また、部分酸化方式において発電効率を高める他の方法として、直列接続された２つの燃料電池スタックを有する燃料電池システムが提案されている（特許文献２）。特許文献２による燃料電池システム１００は、図６に示すように部分酸化改質器１０１、改質器１０１の下流側に第１スタック１０２、第１スタック１０２の下流側に第２スタック１０３を備えている。改質器１０１には燃料及び空気（酸素）が供給される。第１スタック１０２の燃料極には改質器１０１出の改質ガスが供給される。第２スタック１０３の燃料極には、第１スタック出の燃料オフガスに加えて燃料が供給される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００５−３１７４８９号公報

【特許文献2】特表２０１１−５２５２９５号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

一般に部分酸化反応において、空気比（λ）を低くすることにより発電効率低下を抑えることは可能となるが、λが０．３以下では反応に伴い炭素析出を生じてしまい、改質触媒やセルスタックの耐久性が著しく低下するという問題がある。このため、部分酸化方式において高発電効率を確保するためには、空気比の低減と炭素析出回避を両立させることが課題となる。
特許文献２の技術では炭素析出回避のため、第２スタックに追加供給する燃料中の炭素原子量に対して、燃料オフガス中の水分子のモル比が１以上となるように流量等の制御を行うこととしている。しかしながら、燃料オフガス中の水分量は、温度によって平衡状態が変化するため厳密に制御することが困難であり、運転中、常に水分量をセンシングすることが必要となるという問題がある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、ガス成分等のセンシングを必要とせず、確実な制御が可能な技術を提供する。本発明は、以下の内容を要旨とする。すなわち、本発明に係る高温型燃料電池システムは、
（１）部分酸化改質方式による高温型燃料電池システム（１）であって、
部分酸化改質触媒を充填した改質器（２）と、
改質器の下流側に第一セルスタック（３）と、
第一セルスタックの下流側に第二セルスタック（４）と、
改質器に炭化水素燃料を供給する主燃料供給手段（５ａ）と、その供給量を制御する主燃料量制御手段（Ｖ１）と、
第二セルスタックに炭化水素燃料を供給する副燃料供給手段（５ｂ）と、その供給量を制御する副燃料量制御手段（Ｖ２）と、
改質器に酸化剤としての空気を供給する改質器空気供給手段（６ａ）と、その供給量を制御する改質器空気量制御手段（Ｖ３）と、
発電時における第一セルスタック及び第二セルスタックの電流値を制御する発電電流値制御手段（１０）と、
要求される電力量に対応して、改質器空気量制御手段（Ｖ３）、主燃料量制御手段（Ｖ１）、副燃料量制御手段（Ｖ２）、及び電流値制御手段（１０）を適宜制御することにより、改質器、第一セルスタック及び第二セルスタック内において、少なくとも反応に伴う炭素析出が生じない空気比となるように制御可能に構成したことを特徴とする。

【0009】

本発明は、改質器や各スタック入口における混合ガスの空気比の条件が、炭素析出を回避できる条件（λ≧０．３）になるよう、燃料・改質空気・電流を制御する。混合ガスの空気比は、原燃料の組成が定まっていれば、上記３パラメータのみで一義的に定まるため、ガス成分等のセンシング手段が無くとも確実な制御が可能である。
（２）上記発明において、前記燃料オフガス、前記副燃料及び前記第二セルスタック導入前の混合ガスを、炭素析出が生じない温度以下に保持可能に、それぞれの流路を構成したことを特徴とする。

【0010】

（３）上記各発明において、前記混合部と前記第二セルスタックの間に水蒸気改質触媒を充填した予備改質器を、さらに備え、
前記混合ガスを水蒸気改質した後に前記第二セルスタックに導入可能に構成したことを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、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ため、改質器供給空気量を減らすことができる。これにより、その分、低発熱量改質燃料がセルスタックに供給される量が減るため、従来の部分酸化方式（全量改質器に供給）のシステムと比較して発電効率低下を抑制することができる。

【0012】

また、バイパス燃料を第一セルスタックの燃料オフガスと合流させた後に第二セルスタックに投入する構成としたため、バイパス燃料を直接第二セルスタックに投入する場合と比較して、高温環境下での炭素析出を回避できるという効果がある。
また、第二スタックにおいて第一スタックの未利用燃料の一部を利用できるため、燃料の有効利用ができ発電効率が高くなるという効果がある。

【0013】

また、混合部と改質部を有する予備改質器を備え、バイパス燃料供給手段からの燃料と第一セルスタック出の燃料オフガスとを、混合部で合流させる構成の発明においては、混合ガスが混合部で徐々に加熱され予備改質器に投入されるため、特に燃料ガス中のＣ２以上成分の熱分解による炭素析出を回避できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1(a)】第一の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム１の全体構成を示す図である。

【図1(b)】固体酸化物形燃料電池システム１の各構成要素の配置関係を示す図である。

【図2(a)】第二の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システム２０の全体構成を示す図である。

【図2(b)】固体酸化物形燃料電池システム２０の各構成要素の配置関係を示す図である。

【図3(a)】第一の実施形態における燃料・改質空気・電流の制御フローを示す図である。

【図3(b)】要求電力量（Ｐｄ）に対応する各スタックからの取り出し電流値（Ｉ１、Ｉ２）の関係テーブルを概念的に示す図である。

【図4】本発明システムにおける燃料、空気供給量と発電出力の関係例を示す図である。

【図5】従来の部分酸化燃料電池における燃料、空気供給量と発電出力の関係例を示す図である。

【図6】特許文献２の部分酸化燃料電池システム１００の構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施形態について、図１乃至６を参照してさらに詳細に説明する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。

【0016】

＜第一の実施形態＞
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム１（以下、適宜燃料電池システム１又はシステム１と略記）の全体ブロック構成を示す図である。燃料電池システム１は、内部に部分酸化改質用触媒（図示せず）を充填した部分酸化改質器２と、改質器２の下流側に発電セル（図示せず）を積層した第１セルスタック（以下、適宜スタックと略記）３と、第１スタック３の下流側に混合部５ｄを介して第２スタック４と、改質器２及び第２スタック４に燃料であるメタン（ＣＨ４）を主成分とする都市ガスを供給する燃料供給手段５と、改質器２及びスタック３，４に空気（酸素）を供給する空気供給手段６と、を主要構成として備えている。

【0017】

燃料供給手段５は、改質器２に燃料供給する主流路５ａと、ここから分岐して第２スタック４に燃料供給するバイパス流路５ｂと、により構成されている。
空気供給手段６は、改質器２に部分酸化反応のための酸素を供給する流路６ａと、スタック３、４の空気極（図１（ｂ）において３ｂ、４ｂ）に電気化学反応のための酸素を供給する流路６ｂ、６ｃと、により構成されている。
スタック３，４は、酸素イオン透過性電解質を介して空気極、燃料極をインタコネクターで区画したセルを複数枚数積層して構成されている。なお、図１（ｂ）では模式的に空気極、燃料極をまとめて表記している。
第１スタック３と第２スタック４の適切なセル枚数比または反応面積比については、後述する。また、両スタックは電気的に、直列又は並列に接続することもでき、各々個別に外部へ電力供給することもできる。

【0018】

各スタックで取り出した直流電力はパワーコンディショナー１０において交流電力に変換されて負荷側に供給される。パワーコンディショナー１０にはそれぞれ発電出力計測のための電流計Ｓ１、Ｓ２が配設されている。
燃料電池システム１の運転制御は不図示の制御部の指令により行われ、電流計の計測値に基づいて燃料及び空気流路中に配設した流量制御バルブＶ１乃至Ｖ３の開度調整により、後述する改質用触媒やスタックにおける炭素析出回避のための制御を可能に構成されている。

【0019】

図１（ｂ）を参照して、各装置は各部を高温環境に保持するため、断熱処置を施した高温モジュール１ａ内に配置されている。これによりスタック３，４で発生した排熱は、部分酸化改質器２に導入され、利用可能に構成されている。

【0020】

燃料電池システム１は以上のように構成されており、次に本実施形態における燃料処理及び発電の態様について説明する。
改質器２に供給される燃料と空気（酸素）は触媒環境下で部分酸化反応（Ａ）により、反応生成物であるＨ２、ＣＯ及び未燃の炭化水素を含む改質ガスとなり、反応（Ａ）は発熱反応であり、反応温度は７００−１０００℃が望ましい。後述するように触媒等への炭素析出を防止するため、空気比λが０．３程度となるように流量制御弁Ｖ３の開度調整により制御される。
ＣＨ４＋１／２Ｏ２→ＣＯ＋２Ｈ２・・・・（Ａ）

【0021】

改質器２出の改質ガスは、第１スタック３の燃料極３ａに供給される。燃料極内部のガス組成はＣＨ４、ＣＯ，ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等の平衡条件により定まる組成となる。空気極３ｂへの空気供給量は、第１スタック３で消費する酸素量と空気利用率により定まる（第２スタック４についても同様）。
燃料極３ａでは電気化学反応（Ｂ）、（Ｃ）が、空気極３ｂでは電気化学反応（Ｄ）が行われ、その際、酸素イオン（Ｏ^２−）が電解質３ｃ内部を移動する。（Ｂ）、（Ｃ）により放出される電子（ｅ⁻）の両電極間を結ぶ外部配線を介しての移動により電力が取り出される。
Ｈ２＋Ｏ^２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ⁻・・・・（Ｂ）
ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ２＋２ｅ⁻・・・・（Ｃ）
Ｏ２＋４ｅ⁻→２Ｏ^２−・・・・（Ｄ）

【0022】

燃料極３ａ出の燃料オフガスは、混合部５ｄにおいてバイパス流路５ｂを介して供給されるバイパス燃料と混合した後、第２スタック４の燃料極４ａに供給される。ここで第１スタック３と同様の電気化学反応により、電力が取り出される。
第２スタック４の燃料極出口から排出されるオフガスは、空気極出口ガスと混合燃焼し排ガスとなり、排ガス熱交換器（図示せず）において熱回収され、給湯等に利用される。

【0023】

次に、図３(ａ)を参照して、本実施形態における要求電力量に対応する改質器空気量、主燃料量、副燃料量、電流値制御の具体的内容について説明する。
運転開始とともに負荷側の要求電力量（Ｐｄ）を把握する（Ｓ１０１）。次いで、要求電力量に対応する各スタックからの取り出し電流値（Ｉ１、Ｉ２）を、上述のＰｄ−Ｉｄテーブルに基づいて求める（Ｓ１０２）。さらに、上記電流値を取り出し、かつ、炭素析出を回避するために必要な燃料供給量（Ｆ）、供給比（Ｆ１／Ｆ２）、改質器供給空気量（Ａ）を演算する（Ｓ１０３）。演算の具体的内容については後述（実施例１）する。次いで、求めた燃料、空気供給量に対応して流量制御弁Ｖ１乃至Ｖ３の開度を調整する（Ｓ１０４）。

【0024】

電力供給中は現在電力量Ｐ（ｔ）が要求電力量Ｐｄから所定の範囲内（±α）に維持されているかを監視し（Ｓ１０５）、制御範囲を外れたときは（Ｓ１０５においてＮＯ）、取り出し電流値（Ｉ１、Ｉ２）の調整を行い（Ｓ１０６）、さらに燃料供給量、供給比、改質器供給空気量を調整する（Ｓ１０３）。制御範囲内に維持されているときは（Ｓ１０５においてＹＥＳ）、Ｓ１０１に戻って新たな要求電力量（Ｐｄ）に対応して上述のフローを繰り返し行う。

【0025】

なお、本実施形態ではスタックを２段とする例を示したが、３段以上に増段する態様とすることもできる。これによりオフガスが後段のスタックで発電に用いられるため、効率向上に資する。但し、後段にいくほど全体ガスボリュームに対する可燃性ガスの分圧が下がりガス発熱量が低下するため、一定の限度がある。

【0026】

＜第二の実施形態＞
次に、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、第１スタックと第２スタックの間に第二の改質器を配置する態様に関する。
図２（ａ），２（ｂ）を参照して、本実施形態に係るＳＯＦＣ燃料電池システム２０の構成が上述の燃料電池システム１と異なる点は、第１スタック３と第２スタック４の間に第２スタックに投入するガスを予め改質する予備改質器２１を備えていることである。

【0027】

予備改質器２１は混合部２１ｂと改質部２１ａとにより構成されている。混合部２１ｂは高温モジュール１ａの外部に、改質部２１ａはその内部に、それぞれ配置されている。改質部２１ａには改質用触媒が充填されている。第１スタック３出の燃料オフガスは流路２２、またバイパス燃料は流路２３を介してそれぞれ混合部２１ｂに導入されるように構成されている。流路２２、２３はモジュール２０ａ外部を通過するように配置されている。さらに、改質器２１の改質ガスは、配管２４を介して第２スタック４に供給されるように構成されている。
その他の構成については、第一の実施形態と同様であるので、重複説明を省略する。

【0028】

次に、予備改質器２１における燃料処理の態様について説明する。上述したように、混合部２１ｂ及び流路２２、２３がモジュール２０ａ外部に配置されているため、燃料オフガス及びバイパス燃料が比較的低温（１００℃〜４００℃）で混合するため、特に都市ガス中の炭素析出しやすいＣ２以上成分の熱分解反応による炭素析出を回避することができる。低温状態で混合したガスは、改質部２１ａ内において高温（約７００℃）状態で改質反応により一部がＨ２，ＣＯ成分に改質されるとともに、平衡条件により定まる組成で第２スタック４に導入されることになる。
第２スタック４における電気化学反応の態様については、第一の実施形態と同様であるので重複説明を省略する。

【実施例1】

【0029】

以下、上述した要求電力量に対応する改質器空気量、主燃料量、副燃料量 等の演算内容について説明する。
（１）パラメータ設定
まず、システムのパラメータを以下の通り設定する。
要求電力：Pd [W]（スタック１：Pd1、スタック２：Pd2）
スタックセル枚数：S（スタック１：S1、スタック２：S2）
燃料利用率：Uf（スタック１、２とも同値とする）
セル電流：I [A]（スタック１：I1、スタック２：I2）
単セル電圧：Vcell [V]
全燃料流量：F[mol/min]（改質器側流量：F1、バイパス流量：F2）
改質器供給空気量：A[mol/min]
改質器空気比：λ
燃料１mol中の反応電子数：n [mol]

【0030】

制御パラメータであるF1、F2、A、I1、I2 の関係は、以下の各計算式により定まる。
（２）各スタック空気比
改質器に供給されるF1 [mol/min]の燃料を完全燃焼させるのに必要な酸素量は以下で表せる。
完全燃焼酸素量 [mol/min] = n / 4 × F1
改質器における空気比はλであるため、改質用空気投入量は以下式で表される。
改質用空気投入量 [mol/min] = n / 4 × F1 × λ ×100 / 21
改質後燃料中の電子数の内、Ufの分だけスタック１で反応するため、スタック１で空気極から取り込まれる酸素の量は以下式で表される。
スタック１消費酸素量 [mol/min] = n / 4 × F1 × (1 -λ) × Uf
スタック２入口においては、F [mol/min]の燃料に対して、改質器で空気が取り込まれ、スタック1で酸素が取り込まれている。よって、スタック２の空気比は以下式で表される。
スタック２空気比 = 燃料中に取り込まれた酸素量 / 全燃料の完全燃焼に必要な酸素量
= n / 4 × F1 × (λ + (1 - λ) × Uf) / (n / 4 × F)
= F1 / F × (λ + (1 - λ) ×
Uf)
スタック２入口におけるガスの空気比も改質器と同じλになるよう燃料を制御するには、以下式が成り立つ必要がある。
λ = F1 / F × (λ + (1 - λ) × Uf)
F1 / F = λ / (λ + (1 - λ) × Uf)
F2 / F = (1 - λ)
× Uf/ (λ + (1 - λ) × Uf)

【0031】

（３）各スタックの反応面積比
スタック１とスタック２の反応面積比は各スタック入口燃料の電子数の比で表され、以下となる。
スタック１反応面積 / スタック２反応面積 = F1 × (1 - λ) / (F
× (1 - λ))
= λ / (λ + (1 - λ) ×Uf)
上記式より、改質器空気比（例えば0.3）とスタック燃料利用率（例えば75%）の条件を定めれば、スタックの反応面積比は一義的に定まる。

【0032】

（４）各スタックの要求電力、電流値、スタック枚数の関係
反応面積比より、各スタックの要求電力は以下となる。
Pd1 = Pd ×λ / (2
× λ + (1 - λ) × Uf)
Pd2 = Pd × (λ + (1 - λ) × Uf) / (2 × λ + (1 - λ) × Uf)
上記要求電力を満たすよう、各スタックの電流を以下のように設定する必要がある。
I1 = Pd1 / (Vcell× S1)
I2 = Pd2 / (Vcell× S2)
仮に各スタックの単セル反応面積及び電流密度を同じとすると、I1とI2は等しくなる。よってスタック枚数は反応面積比で以下のように決まる。
S1 = S ×λ / (2 ×
λ + (1 - λ) × Uf)
S2 = S × (λ + (1 - λ) × Uf) / (2 × λ + (1 - λ) × Uf)
I = I1 = I2 = Pd / (Vcell× S)

【0033】

（５）主燃料、副燃料、改質用空気供給量（Ｆ１、Ｆ２、Ａ）
スタックにおける反応電子数と電流値の関係から、燃料流量は以下で表される。なお、Rはファラデー定数である。
n × F1 × (1 - λ) × Uf= I1 × 60 × S1 / R
F1 = I × 60 × S1 / (n × (1 - λ) ×
Uf × R)
F2 = I × 60 × S1 / (n × λ × R)
このとき必要な改質用空気量は以下となる。
A = n / 4 × F1 ×
λ × 100 / 21
= I × S1 ×
λ × 500 / 7 / ((1 - λ) × Uf × R)

【実施例2】

【0034】

さらに、燃料、空気供給量と炭素析出、発電効率の関係について試算した結果について説明する。

【0035】

（１）試算条件
解析に際しての前提条件は表１の通りである。

【表1】

（２）試算内容

【0036】

ｂ）各スタック空気比
都市ガス1mol/minを完全燃焼するのに必要な空気量（空気比１）は、
完全燃焼空気量[mol/min] = (1.17 + 4.33 / 4) × 100 / 21 = 10.7 mol
改質器に入る燃料量は0.036mol/minなので、スタック１の空気比を0.3にするための改質用空気投入量は、以下式より0.116 mol/min となる。
改質用空気投入量 = 0.3 / (0.036 × 10.7) = 0.116
また、スタック１で空気極から取り込まれる酸素の量は、以下式より0.043molである（ただしRはファラデー定数：96485C/mol）。
スタック1酸素消費量[mol/min] = 10.2 × 60 × 27
/ (R × 4) = 0.043
スタック２入口においては、0.099mol/minの燃料に対して、改質器で投入される0.116mol/minの空気と、スタック1で取り込まれる0.043mol/minの酸素が混入されたガスが供給される。よって、スタック２の空気比は以下式より0.3となり、炭素が析出しない（λ≧0.3）条件となる。
スタック２空気比 = (0.116 + 0.043 × 100 / 21) / (0.099 × 10.7) = 0.3

【0037】

以上をまとめると、本発明の燃料電池システムにおける燃料供給比，改質器投入空気量，スタック１、スタック２の電流値、発電出力の値は図４の通りである。比較のため、従来の部分酸化方式の燃料電池システムにおいて、同一発電出力を得るための燃料、空気供給量を図５に示す。

【0038】

ｃ）発電効率
本発明システムでは、0.099mol/minの都市ガス燃料で775Wの電気を発電できるため、以下式より発電効率が47％となる（ただしV0は1molの理想気体体積で22.4L/mol）。
本発明システム発電効率[%] = 775 / (0.099 × V0 × 45 × 10³ / 60) = 0.47
一方、従来の部分酸化システムでは以下式より発電効率が34％となる。
従来システム発電効率[%] = 775 / (0.135 × V0 × 45 × 10³ / 60) = 0.34

【0039】

（３）結果
ＤＣ端効率で比較すると、表２に示すように、本発明によるシステムでは４６．７％が得られたのに対して、従来システムでは３４．３％であり、本発明システムの優位性が確認できた。

【表2】

【0040】

本実施例において、バイパス燃料の組成はC1.17H4.33であり、流量は0.063mol/minであるため、この中に含まれている炭素原子量は以下式より0.074mol/minである。
バイパス燃料炭素原子[mol/min]
= 0.063 × 1.17 = 0.074
スタック出口ガス温度を800℃とすると、スタック1の燃料オフガスの組成及び流量は表３の通りであり、0.060mol/minの水分子が含まれている。よって、バイパス燃料の炭素原子に対する水分子のモル比(S/C)は、以下式より0.8程度となり、Ｓ/Ｃ＜１の条件でも炭素析出を回避できることを示している。
Ｓ/Ｃ = 0.060 / 0.074 = 0.8
これに対して、文献２の技術では上述のように水分子モル比が１以上となるように制御している。
Ｓ／Ｃ１以上の条件では、本実施例よりも途中で追加できる燃料が少ない、すなわちバイパス燃料を減らす必要があることを意味する。このため、文献２の技術では改質器を通す燃料が本実施例より多くなり、その分効率が低下することになる。

【0041】

【表3】

【産業上の利用可能性】

【0042】

本発明は、ＳＯＦＣ燃料電池システムのみならず、ＭＣＦＣ、ＰＡＦＣ等の中高温燃料電池システムについても適用可能である。

【符号の説明】

【0043】

１、２０・・・・固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム
１ａ、２０ａ・・・・高温モジュール
２・・・・部分酸化改質器
３・・・・第１スタック
４・・・・第２スタック
３ａ、４ａ・・・・燃料極
３ｂ、４ｂ・・・・空気極
３ｃ・・・・電解質
５・・・・・燃料供給手段
５ａ・・・・主流路
５ｂ・・・・バイパス流路
５ｄ・・・・混合部
６・・・・・空気供給手段
１０・・・・パワーコンディショナー
２１・・・・予備改質器
２１ａ・・・・改質部
２１ｂ・・・・混合部

【図1(a)】

【図1(b)】

【図2(a)】

【図2(b)】

【図3(a)】

【図3(b)】

【図4】

【図5】

【図6】