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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022170259
(43)【公開日】2022-11-10
(54)【発明の名称】燃料電池システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04 20160101AFI20221102BHJP
H01M 8/249 20160101ALI20221102BHJP
H01M 8/2475 20160101ALI20221102BHJP
H01M 8/0606 20160101ALI20221102BHJP
H01M 8/0662 20160101ALI20221102BHJP
H01M 8/00 20160101ALI20221102BHJP
H01M 8/065 20160101ALI20221102BHJP
H01M 50/251 20210101ALI20221102BHJP
H01M 50/249 20210101ALI20221102BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20221102BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04 J
H01M8/249
H01M8/2475
H01M8/0606
H01M8/0662
H01M8/00 A
H01M8/04 Z
H01M8/065
H01M50/251
H01M50/249
H01M8/12 101
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021076280
(22)【出願日】2021-04-28
(71)【出願人】
【識別番号】000128175
【氏名又は名称】株式会社エフ・シー・シー
(71)【出願人】
【識別番号】712006374
【氏名又は名称】ＣＯＮＮＥＸＸ ＳＹＳＴＥＭＳ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002505
【氏名又は名称】特許業務法人航栄特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】猪野 健太郎
(72)【発明者】
【氏名】後藤 丈士
(72)【発明者】
【氏名】上原 和也
(72)【発明者】
【氏名】塚本 壽
【テーマコード（参考）】
5H040
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
5H040AA01
5H040AS02
5H040AS04
5H126BB06
5H127AA07
5H127AB02
5H127AB29
5H127AC15
5H127BA01
5H127BA02
5H127BA05
5H127BA13
5H127BA16
5H127BA18
5H127BA33
5H127BB02
(57)【要約】
【課題】発電効率に優れ、燃料ガスによる発電及び蓄電が可能な小型の燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１０は、第１燃料電池４と、第２燃料電池５と、第１燃料電池４及び第２燃料電池５を収容するケース１と、を備える。第１燃料電池４は、還元性ガスが供給される第１燃料極４０１ａと、酸素が供給される第１空気極４０１ｂと、第１燃料極４０１ａ及び第１空気極４０１ｂの間に介在して第１空気極４０１ｂに供給された酸素イオンを第１燃料極４０１ａに透過させる第１固体電解質４０１ｃと、を有して電力を発生させるセル４０１を備える。第２燃料電池５は、セル４０１と同様の構成と、酸化ガスと反応して還元性ガスを生成して自らは酸化物となる負極燃料物質体５０５と、を有して電力を貯留させるセルを備える。
【選択図】図１
【解決手段】燃料電池システム１０は、第１燃料電池４と、第２燃料電池５と、第１燃料電池４及び第２燃料電池５を収容するケース１と、を備える。第１燃料電池４は、還元性ガスが供給される第１燃料極４０１ａと、酸素が供給される第１空気極４０１ｂと、第１燃料極４０１ａ及び第１空気極４０１ｂの間に介在して第１空気極４０１ｂに供給された酸素イオンを第１燃料極４０１ａに透過させる第１固体電解質４０１ｃと、を有して電力を発生させるセル４０１を備える。第２燃料電池５は、セル４０１と同様の構成と、酸化ガスと反応して還元性ガスを生成して自らは酸化物となる負極燃料物質体５０５と、を有して電力を貯留させるセルを備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１燃料電池と、
第２燃料電池と、
前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池を収容するケースと、を備え、
前記第１燃料電池は、
還元性ガスが供給される第１燃料極と、
酸素が供給される第１空気極と、
前記第１燃料極及び前記第１空気極の間に介在して前記第１空気極に供給された酸素イオンを前記第１燃料極に透過させる第１固体電解質と、
を有して電力を発生させるセルを備え、
前記第２燃料電池は、
還元性ガスが供給される第２燃料極と、
酸素が供給される第２空気極と、
前記第２燃料極及び前記第２空気極の間に介在して前記第２空気極に供給された酸素イオンを前記第２燃料極に透過させる第２固体電解質と、
酸化ガスと反応して前記還元性ガスを生成して自らは酸化物となる負極燃料物質体と、
を有して電力を貯留させるセルを備える、燃料電池システム。
第２燃料電池と、
前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池を収容するケースと、を備え、
前記第１燃料電池は、
還元性ガスが供給される第１燃料極と、
酸素が供給される第１空気極と、
前記第１燃料極及び前記第１空気極の間に介在して前記第１空気極に供給された酸素イオンを前記第１燃料極に透過させる第１固体電解質と、
を有して電力を発生させるセルを備え、
前記第２燃料電池は、
還元性ガスが供給される第２燃料極と、
酸素が供給される第２空気極と、
前記第２燃料極及び前記第２空気極の間に介在して前記第２空気極に供給された酸素イオンを前記第２燃料極に透過させる第２固体電解質と、
酸化ガスと反応して前記還元性ガスを生成して自らは酸化物となる負極燃料物質体と、
を有して電力を貯留させるセルを備える、燃料電池システム。
【請求項2】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
燃料ガスから還元性ガスを取り出す改質器をさらに備え、
前記第１燃料電池の前記第１燃料極には、前記改質器により取り出された還元性ガスが供給される、燃料電池システム。
燃料ガスから還元性ガスを取り出す改質器をさらに備え、
前記第１燃料電池の前記第１燃料極には、前記改質器により取り出された還元性ガスが供給される、燃料電池システム。
【請求項3】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
燃料ガスから硫黄成分を除去する脱硫器をさらに備え、
前記改質器は、前記脱硫器により硫黄成分が除去された燃料ガスから前記還元性ガスを取り出す、燃料電池システム。
燃料ガスから硫黄成分を除去する脱硫器をさらに備え、
前記改質器は、前記脱硫器により硫黄成分が除去された燃料ガスから前記還元性ガスを取り出す、燃料電池システム。
【請求項4】
請求項２又は３に記載の燃料電池システムであって、
前記第１燃料電池の前記第１燃料極及び前記第２燃料電池の前記第２燃料極には、前記改質器により取り出された還元性ガスが供給される、燃料電池システム。
前記第１燃料電池の前記第１燃料極及び前記第２燃料電池の前記第２燃料極には、前記改質器により取り出された還元性ガスが供給される、燃料電池システム。
【請求項5】
請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池と電気的に接続される二次電池をさらに備える、燃料電池システム。
前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池と電気的に接続される二次電池をさらに備える、燃料電池システム。
【請求項6】
請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記第２燃料電池と電気的に接続される自然エネルギー発電器をさらに備える、燃料電池システム。
前記第２燃料電池と電気的に接続される自然エネルギー発電器をさらに備える、燃料電池システム。
【請求項7】
請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記第２燃料電池は、前記第２燃料極及び前記負極燃料物質体が密閉空間に配置され、
前記第１燃料電池の排出ガスにより前記密閉空間が加熱される、燃料電池システム。
前記第２燃料電池は、前記第２燃料極及び前記負極燃料物質体が密閉空間に配置され、
前記第１燃料電池の排出ガスにより前記密閉空間が加熱される、燃料電池システム。
【請求項8】
請求項７に記載の燃料電池システムであって、
前記第１燃料電池の排出ガスが前記第２燃料電池の前記密閉空間に供給される、燃料電池システム。
前記第１燃料電池の排出ガスが前記第２燃料電池の前記密閉空間に供給される、燃料電池システム。
【請求項9】
請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記第１燃料電池の上方に前記第２燃料電池が配置されている、燃料電池システム。
前記第１燃料電池の上方に前記第２燃料電池が配置されている、燃料電池システム。
【請求項10】
請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記第１燃料電池は、複数の第１燃料電池スタックを備え、
前記第２燃料電池は、複数の第２燃料電池スタックを備え、
前記複数の第１燃料電池スタックと前記複数の第２燃料電池スタックとが上下方向に交互に配置されている、燃料電池システム。
前記第１燃料電池は、複数の第１燃料電池スタックを備え、
前記第２燃料電池は、複数の第２燃料電池スタックを備え、
前記複数の第１燃料電池スタックと前記複数の第２燃料電池スタックとが上下方向に交互に配置されている、燃料電池システム。
【請求項11】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記第１燃料電池は、燃料ガスから前記還元性ガスを取り出す改質機能を内蔵している、燃料電池システム。
前記第１燃料電池は、燃料ガスから前記還元性ガスを取り出す改質機能を内蔵している、燃料電池システム。
【請求項12】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記第２燃料電池は、放電時に、
前記第２燃料極が前記還元性ガスを酸化ガスに酸化し、
前記第２空気極が酸素を酸素イオンに還元し、
前記負極燃料物質体が前記酸化ガスと反応して前記還元性ガスを生成して自らは酸化物となり、
前記第２燃料電池は、充電時に、
前記第２燃料極が前記酸化ガスを前記還元性ガスに還元し、
前記第２空気極が酸素イオンを酸素に酸化し、
前記負極燃料物質体の酸化物が前記還元性ガスと可逆的に反応して前記酸化ガスを生成して自らは負極燃料物質体となる、燃料電池システム。
前記第２燃料電池は、放電時に、
前記第２燃料極が前記還元性ガスを酸化ガスに酸化し、
前記第２空気極が酸素を酸素イオンに還元し、
前記負極燃料物質体が前記酸化ガスと反応して前記還元性ガスを生成して自らは酸化物となり、
前記第２燃料電池は、充電時に、
前記第２燃料極が前記酸化ガスを前記還元性ガスに還元し、
前記第２空気極が酸素イオンを酸素に酸化し、
前記負極燃料物質体の酸化物が前記還元性ガスと可逆的に反応して前記酸化ガスを生成して自らは負極燃料物質体となる、燃料電池システム。
【請求項13】
請求項１から１２のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記負極燃料物質体は、リチウム、ナトリウム、マグネシウム、カルシウム、アルミニ
ウム、ケイ素、亜鉛、鉄、鉛、錫、ニッケル及び炭素、ならびにこれらの１種以上の元
素を主体とする物質からなる群から選択される少なくとも１種の物質である、燃料電池システム。
前記負極燃料物質体は、リチウム、ナトリウム、マグネシウム、カルシウム、アルミニ
ウム、ケイ素、亜鉛、鉄、鉛、錫、ニッケル及び炭素、ならびにこれらの１種以上の元
素を主体とする物質からなる群から選択される少なくとも１種の物質である、燃料電池システム。
【請求項14】
請求項１から１３のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記ケースは、
空気を取り込む少なくとも一つの吸気口と、
前記少なくとも一つの吸気口と前記第１燃料電池の前記第１空気極を接続する流路と、
前記少なくとも一つの吸気口と前記第２燃料電池の前記第２空気極を接続する流路と、を備える、燃料電池システム。
前記ケースは、
空気を取り込む少なくとも一つの吸気口と、
前記少なくとも一つの吸気口と前記第１燃料電池の前記第１空気極を接続する流路と、
前記少なくとも一つの吸気口と前記第２燃料電池の前記第２空気極を接続する流路と、を備える、燃料電池システム。
【請求項15】
請求項１から１４のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池は、電気的に接続される、燃料電池システム。
前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池は、電気的に接続される、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、燃料ガスを改質して得られた水素が供給される燃料極と、空気中の酸素が供給される空気極と、燃料極及び空気極の間に介在して空気極で生成された酸素イオンを燃料極に透過させる電解質とを有して電力を発生させるセルを有する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【0002】
水素や炭化水素などを燃料とし、酸素と電気化学反応させることで電力を発生させる燃料電池システムはエネルギー変換効率が高いことが知られており、近年において、種々形態の燃料電池システムが提案されている。ただし、炭化水素を燃料とした場合は、炭化水素から水素を生成する改質反応が必要となり、炭化水素を水と反応させる水蒸気改質により水素を作ることが行われている。この水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、６００℃以上の温度が必要となり、常に６００℃以上の熱を供給し続ける必要がある。特に、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）と称される燃料電池は、６００℃以上の温度で運転され、発電で生じる温度と燃料である炭化水素から水素を生成する改質反応の温度が近似していることから、燃料電池の排熱を利用して炭化水素から水素を生成（改質反応）することが可能とされており、発電効率がより高いものとされている。
【0003】
したがって、従来の固体酸化物型燃料電池では、別個に気化器と改質器が装着されており、外部から水を供給して都市ガスなどの炭化水素から水素を製造し、燃料電池に供給し発電している。その際、発電時に生じた水を再利用し、発電効率を向上させる試みが検討されている。例えば、特許文献１には、燃料極に供給される燃料ガスの流通経路に配設された通気性及び可撓性を有したシート状部材から成るとともに、セルによる発電に伴って燃料極で生じる水蒸気を保持して燃料ガスに混合させる水蒸気保持手段を具備する燃料供給型の燃料電池システムが記載されている。
【0004】
一方で、固体酸化物型燃料電池として独立型の固体酸化物型燃料電池が知られている。例えば、特許文献２には、水素と酸素と電気化学反応させることで電力を発生させる燃料電池システムにおいて、発電により生成される水（水蒸気）と反応して水素を生成し、自らは酸化物となる負極燃料物質体と、負極燃料物質体を所定の温度以上に加熱維持するための加熱部と、を有して電力を貯留させるセルを備える独立型の燃料電池システムが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第６５２４３０９号
【特許文献2】特許第５２１０４５０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上記の燃料供給型の燃料電池システムは、燃料ガスによる発電が可能であるが、単体では蓄電ができない。これに対して、燃料供給型の燃料電池システムに二次電池を組み合わせることが考えられる。しかしながら、燃料供給型の燃料電池システムの運転温度は高温であるため、燃料供給型の燃料電池システムと二次電池とを一つのケースに収容しようとすると燃料電池システムの排熱から二次電池を保護するための断熱構造等が必要となり、装置が大型化するという問題がある。
【0007】
また、独立型の燃料電池システムで蓄電するためには高温で動作させる必要があり、加熱のためにエネルギーを供給する必要があった。
【0008】
本発明は、発電効率に優れ、燃料ガスによる発電及び蓄電が可能な小型の燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明は、
第１燃料電池と、
第２燃料電池と、
前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池を収容するケースと、を備え、
前記第１燃料電池は、
還元性ガスが供給される第１燃料極と、
酸素が供給される第１空気極と、
前記第１燃料極及び前記第１空気極の間に介在して前記第１空気極に供給された酸素イオンを前記第１燃料極に透過させる第１固体電解質と、
を有して電力を発生させるセルを備え、
前記第２燃料電池は、
還元性ガスが供給される第２燃料極と、
酸素が供給される第２空気極と、
前記第２燃料極及び前記第２空気極の間に介在して前記第２空気極に供給された酸素イオンを前記第２燃料極に透過させる第２固体電解質と、
酸化ガスと反応して前記還元性ガスを生成して自らは酸化物となる負極燃料物質体と、
を有して電力を貯留させるセルを備える、燃料電池システムである。
第１燃料電池と、
第２燃料電池と、
前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池を収容するケースと、を備え、
前記第１燃料電池は、
還元性ガスが供給される第１燃料極と、
酸素が供給される第１空気極と、
前記第１燃料極及び前記第１空気極の間に介在して前記第１空気極に供給された酸素イオンを前記第１燃料極に透過させる第１固体電解質と、
を有して電力を発生させるセルを備え、
前記第２燃料電池は、
還元性ガスが供給される第２燃料極と、
酸素が供給される第２空気極と、
前記第２燃料極及び前記第２空気極の間に介在して前記第２空気極に供給された酸素イオンを前記第２燃料極に透過させる第２固体電解質と、
酸化ガスと反応して前記還元性ガスを生成して自らは酸化物となる負極燃料物質体と、
を有して電力を貯留させるセルを備える、燃料電池システムである。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、発電効率に優れ、燃料ガスによる発電及び蓄電が可能な小型の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】
【0011】
【図1】本発明の燃料電池システムの第１実施形態である燃料電池システム１０を示す図である。
【図10】本発明の燃料電池システムの第２実施形態である燃料電池システム１０Ａを示す図である。
【図11】本発明の燃料電池システムの第３実施形態である燃料電池システム１０Ｂを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明の燃料電池システムの各実施形態を、添付図面に基づいて説明する。
【0013】
［第１実施形態］
＜本発明の燃料電池システムの第１実施形態である燃料電池システム１０＞
図１を参照して、本発明の燃料電池システムの第１実施形態である燃料電池システム１０について説明する。燃料電池システム１０は、一例としては家庭用発電機として利用することができる。図１に示すように、燃料電池システム１０は、ケース１と、脱硫器２と、改質器３と、第１燃料電池４と、第２燃料電池５と、を備える。脱硫器２、改質器３、第１燃料電池４、及び第２燃料電池５は、同一のケース１に収容されている。
＜本発明の燃料電池システムの第１実施形態である燃料電池システム１０＞
図１を参照して、本発明の燃料電池システムの第１実施形態である燃料電池システム１０について説明する。燃料電池システム１０は、一例としては家庭用発電機として利用することができる。図１に示すように、燃料電池システム１０は、ケース１と、脱硫器２と、改質器３と、第１燃料電池４と、第２燃料電池５と、を備える。脱硫器２、改質器３、第１燃料電池４、及び第２燃料電池５は、同一のケース１に収容されている。
【0014】
ケース１は、ケース１の内部と外部とが熱的に分離されるように、断熱性を有する部材により形成される。また、図示を省略するが、ケース１には、ケース１の外部から空気を取り込む吸気口や、ケース１の外部から燃料ガスを取り込む吸気口が設けられる。
【0015】
また、図示を省略するが、ケース１には、ケース１の内部の余剰の空気をケース１の外部へ排出する排気口や、第１燃料電池４及び第２燃料電池５からの排出ガスをケース１の外部へ排出する排気口が設けられる。
【0016】
脱硫器２は、ケース１の吸気口から供給される燃料ガスから硫黄成分を除去し、硫黄成分を除去した燃料ガスを改質器３へ供給する。改質器３は、脱硫器２から供給された燃料ガスから水素を取り出し、取り出した水素を第１燃料電池４へ供給する。水素は、本発明において還元性ガスの一例である。
【0017】
第１燃料電池４は、供給された燃料ガスを用いて発電を行う燃料供給型の燃料電池である。具体的には、第１燃料電池４は、固体電解質を有し、水素及び酸素を用いて発電する固定酸化物型の燃料電池である。第１燃料電池４が発電に用いる水素及び酸素は、第１燃料電池４の外部から供給される。第１燃料電池４の外部から供給される水素は、本実施形態においては改質器３から供給される水素である。第１燃料電池４の外部から供給される酸素は、本実施形態においてはケース１の吸気口から供給される空気に含まれる酸素である。
【0018】
第１燃料電池４の発電で生じる熱により、動作中の第１燃料電池４は高温（例えば６００℃以上）になる。第１燃料電池４の高温の排熱は、例えばケース１の内部の空気を介した熱移動によって第２燃料電池５や改質器３に伝わる。また、第１燃料電池４の高温の排熱を第２燃料電池５や改質器３に導くダクトや、第１燃料電池４の熱を第２燃料電池５や改質器３に移動させるヒートパイプ等をケース１に設けてもよい。第１燃料電池４の構成については図２～図６において後述する。
【0019】
第２燃料電池５は、燃料ガスが供給されなくても発電が可能な独立型の燃料電池である。第２燃料電池５は、固体電解質を有し、水素及び酸素を用いて発電する固定酸化物型の燃料電池であるとともに、酸化物となる負極燃料物質体を有し、電力を貯留可能な高温作動型空気蓄電池である。第２燃料電池５が発電に用いる酸素は、第２燃料電池５の外部から供給される。第２燃料電池５の外部から供給される酸素は、本実施形態においてはケース１の吸気口から供給される空気に含まれる酸素である。第２燃料電池５が発電に用いる水素は、第２燃料電池５の負極燃料物質体が水と反応して酸化物となる際に生成される水素である。第２燃料電池５の具体例については図７～図９において後述する。
【0020】
第２燃料電池５においては、動作時に負極燃料物質体を高温（一例としては７００℃）に保つことが求められる。この第２燃料電池５を、第１燃料電池４とともに同一のケース１に収容することにより、第１燃料電池４と第２燃料電池５との間で相互に熱が利用され、第１燃料電池４及び第２燃料電池５を効率よく動作させることができる。
【0021】
例えば、第１燃料電池４の高温の排熱を利用して第２燃料電池５の負極燃料物質体を所定の温度以上に加熱維持することができるため、第２燃料電池５の負極燃料物質体の加熱のために供給されるエネルギー（例えば電力）を低減することができる。また、第２燃料電池５の負極燃料物質体を加熱するための機構（例えば図７，図８に示す加熱部５０７）を簡素化又は省略してもよい。
【0022】
また、例えば、第１燃料電池４及び第２燃料電池５の一方をメンテナンス等で停止させる場合に、動作中の他方の燃料電池の熱により、停止させた燃料電池を保温して、停止させた燃料電池の劣化を抑制することができる。例えば、燃料電池システム１０への燃料ガスの供給を停止して第１燃料電池４の動作を停止させる場合に、動作中の第２燃料電池５の熱により第１燃料電池４を保温して、第１燃料電池４を構成するセラミック等の劣化を抑制することができる。
【0023】
第１燃料電池４及び第２燃料電池５は、例えば電気的に接続される。具体的には、第１燃料電池４は、図１では不図示の、電力の入出力を行う端子（例えば図７に示す燃料極側端子４０２及び空気極側端子４０３）を有している。同様に、第２燃料電池５は、図１では不図示の、電力の入出力を行う端子（例えば図７に示す正極集電体５２２及び負極集電体５２３）を有している。
【0024】
そして、第１燃料電池４及び第２燃料電池５の各端子が互いに電気的に接続されている。本実施形態においては、第１燃料電池４及び第２燃料電池５の各端子がケース１の内部で互いに電気的に接続され、これらの各端子と電気的に接続された外部端子が、ケース１の外部に導出されている。この外部端子に、電力を使用する負荷を接続することにより、燃料電池システム１０を１個の燃料電池として利用することができる。
【0025】
このような構成により、燃料電池システム１０は、燃料ガスを供給して第１燃料電池４により発電することができるとともに、第２燃料電池５により蓄電も可能である。そして、第２燃料電池５は高温（一例としては７００℃）で動作するものであるため、第１燃料電池４の高温の排熱から第２燃料電池５を保護する断熱構造等は不要であり、燃料電池システム１０の大型化を抑制することができる。このため、燃料ガスによる発電及び蓄電が可能な小型の燃料電池システム１０を実現することができる。
【0026】
さらに、上記の通り、第１燃料電池４の高温の排熱を利用して第２燃料電池５の負極燃料物質体５０５を加熱維持することができるため、第２燃料電池５の負極燃料物質体５０５の加熱のために供給されるエネルギーを低減し、第２燃料電池５における発電効率を向上させることができる。また、第２燃料電池５の負極燃料物質体５０５を加熱するための機構を簡素化又は省略してもよく、それにより燃料電池システム１０のさらなる小型化を図ることができる。
【0027】
近年、家庭用の燃料電池システムとして、燃料電池の発熱時の排熱で貯留タンク内のお湯を温める、いわゆる家庭用燃料電池コージェネレーションシステムが知られている。この家庭用燃料電池コージェネレーションシステムでは、燃料電池の発熱時の排熱でお湯を温めるため貯留タンクが必要であり、装置が大型化してしまう。家庭用燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば７００Ｗの発電出力（定格）の場合、典型的には高さ１６００ｍｍ～１７００ｍｍ×幅３５０ｍｍ～４５０ｍｍ×奥行３００ｍｍ～４００ｍｍ程度である。そのため、特に空間の制約が多い都市部では設置したくても設置できない場合が生じ得る。これに対し、燃料電池システム１０は、貯留タンクが不要で小型化でき、例えば、７００Ｗの発電出力（定格）の場合、一例としては高さ８００ｍｍ×幅３５０ｍｍ×奥行１７０ｍｍ程度であり、空間の制約が多い都市部でも設置することができる。
【0028】
燃料電池システム１０の動作の一例について説明する。例えば、燃料電池システム１０の外部端子に接続される負荷の使用電力が少ない（例えば３００Ｗ）場合は、第１燃料電池４から出力される電力（例えば７００Ｗ）のうち余剰な部分（例えば４００Ｗ）が第２燃料電池５に供給され、第２燃料電池５が充電される。また、燃料電池システム１０の外部端子に接続される負荷の使用電力が大きい（例えば８００Ｗ）場合は、第１燃料電池４から出力される電力（例えば７００Ｗ）と、第２燃料電池５から出力される電力（例えば１００Ｗ）と、が外部負荷に出力される。
【0029】
ケース１の内部において、第２燃料電池５は、第１燃料電池４の上方（重力方向の反対）に配置されていてもよい。熱は下から上に伝わりやすいため、このような構成により、第１燃料電池４の熱が第２燃料電池５に効率よく伝わるようにすることができる。
【0030】
第１燃料電池４は、セルを複数組み合わせた複数の第１燃料電池スタックとすることができる。同様に、第２燃料電池５は、セルを複数組み合わせた複数の第２燃料電池スタックとすることができる。このような構成において、複数の第１燃料電池スタックと複数の第２燃料電池スタックとが上下方向（重力と平行な方向）に交互に配置されるようにしてもよい。一例として、下から第１燃料電池４、第２燃料電池５、第１燃料電池４、第２燃料電池５、…の順に必要数の第１燃料電池４及び第２燃料電池５がスタックされる。これにより、複数の第１燃料電池スタック及び複数の第２燃料電池スタックの各温度を均一化することができる。
【0031】
また、図１に示すように、燃料電池システム１０は、太陽光発電部６を備えていてもよい。太陽光発電部６は、本発明において自然エネルギー発電器の一例である。太陽光発電部６は、ケース１の外部に設けられており、第２燃料電池５の端子と電気的に接続されている。そして、太陽光発電部６は、受光によって発電した電力を第２燃料電池５の端子に供給する。これにより、太陽光発電部６の発電による電力を第２燃料電池５に蓄電できるので、自然エネルギーを有効に利用して、燃料ガスを用いた第１燃料電池４による発電を抑制することができる。なお、太陽光発電部６に加えて、又は太陽光発電部６に代えて、風力発電器、水力発電器、地熱発電器、バイオマス発電器などの、光以外の自然エネルギーを用いて発電を行う自然エネルギー発電器を燃料電池システム１０に設けてもよい。
【0032】
第１燃料電池４とは別に改質器３が設けられる構成について説明したが、燃料ガスから水素を取り出す改質機能を第１燃料電池４が内蔵していてもよい。改質機能を内蔵する第１燃料電池４の構成については図２～図６において後述する。
【0033】
図示を省略するが、ケース１の内部には、第１燃料電池４や第２燃料電池５を加熱維持するための加熱装置が設けられてもよい。この加熱装置は、ケース１外から供給される燃料ガスを燃焼させて加熱を行うものであってもよいし、電力を使用して加熱を行うものであってもよい。
【0034】
＜第１燃料電池４の一例＞
図２～図６を参照して、図１に示した第１燃料電池４の一例について説明する。第１燃料電池４は、図２～図６に示すように、セル４０１と、燃料極側端子４０２及び空気極側端子４０３（セパレータ）と、燃料極側集電体４０４と、空気極側集電体４０５と、水蒸気保持手段４０６とを具備している。
図２～図６を参照して、図１に示した第１燃料電池４の一例について説明する。第１燃料電池４は、図２～図６に示すように、セル４０１と、燃料極側端子４０２及び空気極側端子４０３（セパレータ）と、燃料極側集電体４０４と、空気極側集電体４０５と、水蒸気保持手段４０６とを具備している。
【0035】
セル４０１は、図５に示すように、燃料ガスを改質して得られた水素が供給される第１燃料極４０１ａと、空気中の酸素が供給される第１空気極４０１ｂと、第１燃料極４０１ａ及び第１空気極４０１ｂの間に介在して第１空気極４０１ｂで生成された酸素イオンを第１燃料極４０１ａに透過させる第１固体電解質４０１ｃとを有して電力を発生させるものである。なお、本実施形態において、セル４０１は平板型構造の単セルである。
【0036】
セル４０１は、内部改質型の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）である。この場合、図１に示した改質器３は燃料電池システム１０から省いた構成としてもよい。セル４０１は、固体の第１固体電解質４０１ｃを第１燃料極４０１ａ（アノード）及び第１空気極４０１ｂ（カソード）にて挟持した積層構造を有しており、全体が固体から成るものである。なお、セル４０１等の高温型の固体酸化物型燃料電池は、セルの発電で生じる温度と改質反応の温度が近似していることから、燃料電池の排熱を利用して炭化水素から水素を生成（改質反応）することが可能であり、発電効率がより高いものである。
【0037】
セル４０１の第１固体電解質４０１ｃは、セラミック類（ＺｒＯ２、ＣｅＯ２、Ｇａ系酸化物）等の酸素イオン導電性物質から成り、一方の面に第１燃料極４０１ａが接触して形成されるとともに他方の面に第１空気極４０１ｂが接触して形成されている。第１燃料極４０１ａ（アノード）は、例えば第１固体電解質４０１ｃの原料を含み、触媒（ＮｉＯ等）と造孔剤を混ぜて焼成して得られた電極から成るもので、燃料ガスを改質して得られた水素が供給されるとともに、燃料極側集電体４０４及び水蒸気保持手段４０６を介して燃料極側端子４０２（セパレータ）と電気的に接続されている。また、セル４０１の第１空気極４０１ｂ（カソード）は、例えばランタン、ストロンチウム、コバルト等の金属酸化物等を含む電極から成るもので、空気中の酸素が供給されるとともに、空気極側集電体４０５を介して空気極側端子４０３（セパレータ）と電気的に接続されている。
【0038】
これにより、第１空気極４０１ｂにおいては、供給された空気中の酸素と電子から酸素イオンが生成されるとともに、生成された酸素イオンが第１固体電解質４０１ｃを透過して第１燃料極４０１ａに向かうこととなる。一方、第１燃料極４０１ａにおいては、燃料ガスを改質して得られた水素と第１固体電解質４０１ｃを透過した酸素イオンとが反応して水（Ｈ２Ｏ）が生成され、生じた電子が不図示の負荷を通って第１空気極４０１ｂに流れることとなるので、電力を発生させるようになっている。
【0039】
固体酸化物型燃料電池の反応温度は６００℃以上と高温のため、生成された水（Ｈ２Ｏ）は全て水蒸気として発生することとなる。なお、燃料ガスは、都市ガスやＬＰガス（メタン、エタン、プロパン又はブタン）などの炭化水素系ガスから成り、水蒸気保持手段４０６にて担持された改質触媒による触媒反応によって水素を生成するものである。したがって、第１燃料極４０１ａにおいては、水（Ｈ２Ｏ）の他、一酸化炭素（ＣＯ）や二酸化炭素（ＣＯ２）が生成されることとなる。なお、供給する燃料ガスは、炭化水素系ガスの他、アルコール類やエーテル類から成るガスであってもよい。
【0040】
燃料極側端子４０２は、導電性を有した耐熱性の金属板から成り、内側（単セルに対して内側）に燃料を流通させる燃料流路４０２ａが形成されるとともに、第１燃料極４０１ａと電気的に接続されている。燃料流路４０２ａは、燃料極側端子４０２に形成された複数（単数であってもよい）の溝形状から成り、燃料極側端子４０２と水蒸気保持手段４０６とが積層された状態において、燃料が流通可能な流路を形成するようになっている。また、セル４０１と燃料極側端子４０２との間には燃料極側ガスケット４０７が取り付けられており、この燃料極側ガスケット４０７によって燃料流路４０２ａを流通する燃料ガスが外部に漏れるのを抑制している。なお、燃料極側端子４０２の外側には、燃料流路４０２ａと同様の溝形状４０２ｂが形成されており、単セルを積層してスタックさせた場合、隣接する単セルにおける空気流路を構成するようになっている。
【0041】
図２～図６に示す第１燃料電池４は改質機能を内蔵するため、例えば、図１に示した脱硫器２における燃料ガスの排出口と、燃料流路４０２ａと、がダクト等によって接続される。これにより、脱硫器２によって硫黄成分が除去された燃料ガスが、水蒸気保持手段４０６にて担持された後述の改質触媒に供給される。
【0042】
なお、第１燃料電池４とは別に改質器３が設けられる構成においては、例えば、改質器３における水素の排出口と、燃料流路４０２ａと、がダクト等によって接続される。これにより、改質器３によって取り出された水素が第１燃料極４０１ａに供給される。
【0043】
空気極側端子４０３は、導電性を有した耐熱性の金属板から成り、内側（単セルに対して内側）に空気を流通させる空気流路４０３ａが形成されるとともに、第１空気極４０１ｂと電気的に接続されている。空気流路４０３ａは、空気極側端子４０３に形成された複数（単数であってもよい）の溝形状から成り、空気極側端子４０３と空気極側集電体４０５とが積層された状態において、空気が流通可能な流路を形成するようになっている。また、セル４０１と空気極側端子４０３との間には空気極側ガスケット４０８が取り付けられており、この空気極側ガスケット４０８によって空気流路４０３ａを流通する空気が外部に漏れるのを抑制している。なお、空気極側端子４０３の外側には、空気流路４０３ａと同様の溝形状４０３ｂが形成されており、単セルを積層してスタックさせた場合、隣接する単セルにおける燃料流路を構成するようになっている。
【0044】
例えば、図１に示したケース１における空気の吸気口と、空気流路４０３ａと、がダクト等によって接続される。これにより、このダクト等及び空気流路４０３ａによって、ケース１の吸気口と第１空気極４０１ｂとを接続する流路が形成され、ケース１の外部から取り込まれた空気が第１空気極４０１ｂに供給される。
【0045】
燃料極側集電体４０４は、セル４０１の第１燃料極４０１ａと燃料極側端子４０２及び水蒸気保持手段４０６との間に介在した導電性部材から成り、第１燃料極４０１ａと燃料極側端子４０２との間の電気的接続を良好に維持させるためのもので、例えば金属メッシュ、金属スポンジ又は多孔質金属等から成るものである。空気極側集電体４０５は、セル４０１の第１空気極４０１ｂと空気極側端子４０３との間に介在した導電性部材から成り、第１空気極４０１ｂと空気極側端子４０３との間の電気的接続を良好に維持させるためのもので、例えば金属メッシュ、金属スポンジ又は多孔質金属等から成るものである。
【0046】
水蒸気保持手段４０６は、第１燃料極４０１ａに供給される燃料ガスの流通経路（本実施形態においては、燃料極側端子４０２の燃料流路４０２ａとセル４０１の第１燃料極４０１ａとの間）に配設されるとともに、セル４０１による発電に伴って第１燃料極４０１ａで生じる水蒸気を保持して燃料流路４０２ａにて供給された燃料ガスと水蒸気を混合させるものである。本実施形態の水蒸気保持手段４０６は、燃料ガスを反応させて水素を生成する改質触媒を具備し、当該改質触媒による触媒反応にて生成された水素を第１燃料極４０１ａに供給するようになっている。
【0047】
より具体的には、本実施形態の水蒸気保持手段４０６は、通気性及び可撓性を有したシート状部材から成るもので、無機繊維又は有機繊維を有した紙状部材から成るとともに、燃料ガスを反応させて水素を生成する改質触媒を担持して構成されている。例えば、所定量の水にセラミック繊維及びパルプ等の有機繊維及び無機繊維を混合した後、担体となるマグネシウム及びアルミニウムの複合酸化物を投入する。その後、カチオンポリマー、アルミナゾル及び高分子凝集剤を投入した後、抄紙し、プレス及び乾燥することにより通気性及び可撓性を有したシート状部材を得る。そして、得られたシート状部材を６００℃から８５０℃で１時間から２４時間焼成した後、触媒となる金属イオンを含有する水溶液に０．１から４時間含浸し、乾燥後、６００から８００℃で１から２４時間焼成することにより、水蒸気保持手段４０６を得ることができる。触媒となる金属イオンを含有する水溶液としては、硝酸Ｎｉ、硫酸Ｎｉ、塩化Ｎｉ、硝酸Ｒｕ、硫酸Ｒｕ、塩化Ｒｕ、硝酸Ｒｈ、硫酸Ｒｕ、塩化Ｒｈなどから１種類以上を選び作製することができる。シート状部材の焼成温度は好ましくは７００℃から８００℃の範囲であり、シート状部材の焼成時間は好ましくは２時間から１０時間の範囲である。
【0048】
このようにして得られた水蒸気保持手段４０６は、マグネシウム及びアルミニウムの複合酸化物を担体としてＮｉ、Ｒｕ、Ｒｈなどを触媒金属（すなわち、燃料ガスを反応させて水素を生成する改質触媒）として担持した紙状部材（ペーパー状部材）から成り、例えば厚さ０．１から１．０（ｍｍ）程度、気孔率７０～９０（％）程度、触媒金属量２～９．５（ｍｇ／ｃｍ２）程度とされるのが好ましい。気孔率は７０％を下回ると燃料ガスが拡散しにくくなり、圧力損失が増大するため好ましくない。一方で９０％を上回ると触媒と燃料ガスの接触が減って、触媒性能が低下するため好ましくない。触媒金属量は２ｍｇ／ｃｍ２を下回ると十分な触媒性能が得られず、９．５ｍｇ／ｃｍ２を上回ると触媒粒子のシンタリングが起こり、粒子径の増大が発生し、投入触媒金属量に見合った触媒性能が得られないため好ましくない。紙厚は薄いほど第１燃料電池４そのものの体積を小さくできるが、０．１ｍｍ以下とすると気孔率、触媒金属量が不均一となりやすいため好ましくない。一方、１．０ｍｍよりも厚くするとペーパーが占有する体積が大きくなり、第１燃料電池４そのものの体積が大きくなるため好ましくない。
【0049】
本実施形態の第１燃料電池４は、図６に示すように、燃料極側端子４０２の一方の面に燃料極側ガスケット４０７、水蒸気保持手段４０６及び燃料極側集電体４０４を組み付けるとともに、空気極側端子４０３の一方の面に空気極側ガスケット４０８及び空気極側集電体４０５を組み付け、その後、セル４０１を挟んで燃料極側端子４０２の組み付け体及び空気極側端子４０３の組み付け体を組み合わることにより単セルを得た後、必要個数の単セルをスタックすることにより得られる。これにより、セルを複数組み合わせた、上記の複数の第１燃料電池スタックを構成することができる。
【0050】
ところで、水蒸気保持手段４０６は、導電性を有し、燃料極側端子４０２と第１燃料極４０１ａとを電気的に接続させるものが好ましく、メッシュ状に成形して電気的な接続及び通気性をより向上させるようにしてもよい。このように、水蒸気保持手段４０６を燃料極側端子４０２と第１燃料極４０１ａとを電気的に接続させる導電性材料から成るものとすれば、水蒸気保持手段を介して燃料極側端子と燃料極との電気的接続を確実に行わせることができる。また、水蒸気保持手段４０６を燃料極側端子４０２と第１燃料極４０１ａとを電気的に接続させる導電性材料から成るものとすれば、燃料極側集電体４０４を不要とすることができる。
【0051】
図２～図６に示した第１燃料電池４は一例であり、種々の変形が可能である。例えば、第１燃料電池４に、特許文献１に記載された燃料電池システムの各構成を適用することができる。また、第１燃料電池４から水蒸気保持手段４０６を省いた構成としてもよい。
【0052】
＜第２燃料電池５の一例＞
図７及び図８を参照して、図１に示した第２燃料電池５の一例について説明する。図７及び図８に示すように、第２燃料電池５は、外側から順に筒状に形成された第２空気極５０２（正極）、第２固体電解質５０３、第２燃料極５０４（負極）及び負極燃料物質体５０５（及び負極燃料ケース５０６）を備える。また、第２燃料電池５は、負極燃料物質体５０５の中心に加熱部５０７を備える。
図７及び図８を参照して、図１に示した第２燃料電池５の一例について説明する。図７及び図８に示すように、第２燃料電池５は、外側から順に筒状に形成された第２空気極５０２（正極）、第２固体電解質５０３、第２燃料極５０４（負極）及び負極燃料物質体５０５（及び負極燃料ケース５０６）を備える。また、第２燃料電池５は、負極燃料物質体５０５の中心に加熱部５０７を備える。
【0053】
第２空気極５０２、第２固体電解質５０３及び第２燃料極５０４は、それぞれ密着しており、第２燃料極５０４と負極燃料物質体５０５（及び負極燃料ケース５０６）との間には、互いに接触しないように所定の間隙が設けられている。
【0054】
また、筒状の第２固体電解質５０３の一端は閉塞されており、また、他端には、貫通孔５１１を備える蓋部５１２が設置され、貫通孔５１１には加熱部５０７が隙間なく挿通されている。よって、筒状の第２固体電解質５０３は、蓋部５１２及び加熱部５０７によってその内側に密閉空間５１３を形成する。また、第２燃料極５０４及び負極燃料物質体５０５は、密閉空間５１３によって密閉される。ただし、密閉空間５１３の密閉性は完全なものでなくてもよい。例えば、密閉空間５１３の内部の水素等が外部に漏れ出る僅かな隙間が存在していてもよいし、後述のように密閉空間５１３の内部に水素や第１燃料電池４の排出ガスが供給可能な構成となっていてもよい。
【0055】
そして、密閉空間５１３の内圧を所定の範囲に保つために、密閉空間５１３と連絡路５１４によって連絡された圧力吸収部５１５が設置される。
【0056】
なお、第２空気極５０２には正極集電体５２２が、第２燃料極５０４には負極集電体５２３が、それぞれ接続され端子として引き出されている。
【0057】
第２空気極５０２は、例えばＬａ１－ｘＳｒＭｎＯ３、Ｌａ１－ｘＳｒＣｏＯ３（０＜ｘ＜３、好ましくはｘ＝０．１～０．３程度）、Ｓｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３等によって形成され、酸素還元及び酸化反応に対する触媒機能のほか、電子伝導性、ガス透過性、酸化雰囲気での安定性を有する。
【0058】
また、第２固体電解質５０３は、３００℃以上で酸素イオン伝導性を示す無機材料によって形成される。このような無機材料の例としては、例えばフルオライト構造を有する酸化物、ペロブスカイト構造を有する酸化物、アパタイト構造を有する酸化物のいずれか又はその組み合わせが挙げられる。特にフルオライト構造を有する酸化物における好適な材料例は、例えば（ＺｒＯ２）ｘ（Ｙ２Ｏ３）１－ｘ（０＜ｘ＜１）で表されるイットリア安定化ジルコニア、Ｃｅ１－ｘＧｄｘＯ２－ｓ（０＜ｘ＜１、ｓ＜２）で表されるセリウム－ガドリニウム酸化物、あるいはビスマスとバナジウムを含むＢｉ２ＭｘＶ１－ｘＯ５．５－δ（ＭはＭｇ、Ｃｕ等の遷移金属、０＜ｘ＜１、δ＜５．５）で表されるＢＩＭＥＶＯＸ化合物のいずれか又はその組み合わせ等がある。またペロブスカイト構造を有する酸化物における好適な材料は、例えばガリウム酸ランタン、セリウム酸バリウム、もしくはＬａ１－ｘＳｒｘＧａ１－ｙＭｇｙＯ３－δ（ＬＳＧＭ、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、δ＜３）で表される酸化物のいずれか又はその組み合わせ等がある。
【0059】
これらの物質は気密かつ水密であり水を透過させない。なおこれらの物質は常温ではほとんど酸素イオンを伝導しないため、第２固体電解質５０３は、第２燃料電池５の作動時には３００℃超、好ましくは５００℃～９００℃に加熱保持されていることが好ましい。
【0060】
なお、固体電解質体は、一般に還元性ガス、酸化ガスや空気を透過させない気密性を有するが、特に、本発明の第２固体電解質５０３は、ヘリウムリークテストにおいて１×１０－２Ｐａ・ｍ３／ｓｅｃ以上の気密性を有する必要がある。また、第２固体電解質５０３は、酸素イオンの伝導性を向上させるために、その形状が膜状、板状、箔状のいずれか又はその組み合わせであることが好ましい。
【0061】
また、第２燃料極５０４は、例えばニッケルやプラチナによって形成される。第２燃料極５０４は、水素や一酸化炭素などの燃料ガスの酸化及び還元反応に対する触媒機能のほか、電子伝導性、ガス透過性、水蒸気存在下の還元雰囲気での安定性を有する。なおニッケルを単独で第２燃料極５０４に用いる場合、焼結の進行による性能劣化や第２固体電解質５０３との熱膨張率の不一致が問題になるため、イットリア安定化ジルコニアとサーメットを形成して使用することが好ましい。
【0062】
また、負極燃料物質体５０５は、例えばリチウム、ナトリウム、マグネシウム、カルシウム、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、鉄、鉛、錫、ニッケル及び炭素並びにこれらの１種以上の元素を主体とする物質よりなる群から選択される少なくとも１種の粉末等により形成される。また、後述するように上述の粉末等にアルミニウム酸化物、アルミニウム水酸化物及びこれらの混合物等を形態保持材料として混合することにより形成されてもよい。アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属粉末や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、及びマグネシウムの中の１種以上の元素を主体とする合金粉末は、２０℃～３０℃の常温では水と反応しにくいが加熱することにより水との反応が容易となるため、水素を燃料ガスに用いる場合は特に有効である。
【0063】
負極燃料物質体５０５の作動温度は特に限定しないが、還元性ガスとして水素を使った場合、負極燃料物質体５０５内が１００℃以上に加熱保持されていると、第２燃料極５０４において発生した水が水蒸気となって負極燃料物質体５０５の全体に拡散するため、水と負極燃料物質体５０５との反応がより効率的に行われる。また、負極燃料物質体５０５として、例えばアルミニウム、ケイ素、亜鉛、及びマグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、及びマグネシウムの中の１種以上の元素を主体とする合金を用いる場合、負極燃料物質体５０５内が１００℃以上に加熱保持されていると水との反応が容易となるため水素発生反応がより効率的に行われる。
【0064】
負極燃料物質体５０５は、酸化ガスの分圧が還元性ガスの分圧の１／１０００以上において常に酸化状態にあり、かつ融点が１０００℃以上の金属酸化物である形態保持材料により被覆されていることが好ましい。このような形態保持材料を被覆することで、負極燃料物質体の焼結が抑制され、酸化還元反応を繰り返し行うことが可能となる。負極燃料物質体５０５が含有する形態保持材料の質量比は、特に制限はないが、酸化還元速度を抑制しすぎないために、０．１％以上５％以下であることが好ましい。形態保持材料の好適な例としては、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム又はこれらの混合物が挙げられる。これらは融点が特に高く、焼結抑制効果が高い。
【0065】
また、鉄は安価な材料であり、かつ酸化還元が可逆に起こりやすいことから、負極燃料物質体５０５の好適な例である。鉄粉末に、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム又はこれらの混合物からなる形態保持材料を被覆することで、鉄粉末の焼結が抑制され、酸化還元反応を繰り返し行うことが可能となる。鉄に形態保持材料を被覆する方法は特に限定はないが、鉄に酸化アルミニウムを被覆する方法としては、例えば、水やエタノールなどの溶媒に硝酸アルミニウムと鉄又は酸化鉄を加え、撹拌しながら溶媒を加熱蒸発させた後、４００℃～８００℃で２時間程度焼成する方法がある。鉄に二酸化ケイ素を被覆する方法としては、例えば、水やエタノールなどの溶媒にオルトケイ酸テトラエチルと鉄又は酸化鉄を加え、撹拌しながら溶媒を加熱蒸発させた後、２００℃～８００℃で２時間程度焼成する方法がある。
【0066】
負極燃料ケース５０６は、負極燃料物質体５０５を保持する役割を有する。負極燃料物質体５０５と酸化ガスとの反応を促進するため、負極燃料ケース５０６はメッシュ状、あるいは多孔状であることが好ましい。負極燃料ケース５０６の好適な例としては、例えばセラミクスファイバー、セラミクスで被覆された金属メッシュ、低密度多孔性アルミナが挙げられる。負極燃料ケース５０６が多孔状である場合その多孔度は２０％以上であることが好ましい。負極燃料ケース５０６の多孔度により、燃料電池の出力特性は変動し、多孔度が高いほど、出力が向上するためである。
【0067】
負極燃料ケース５０６は、縦方向に細長い円環形状を備え、負極燃料物質体５０５を内部に保持して加熱部５０７の周囲に設置される。
【0068】
加熱部５０７は、発熱体５０８と、発熱体５０８の周囲に形成された発熱体ケース５０９とからなり、発熱体５０８には、配線５１０ａ，５１０ｂが接続される。発熱体５０８は、抵抗発熱体、アーク加熱、誘導加熱、誘電加熱、マイクロ波加熱、ガス加熱、プラズマ加熱、ランプヒーター、赤外線ヒーターからなり、なかでも抵抗発熱体にはＮｉ－Ｃｒ、ＳｉＣ、Ｃ、ＭｏＳｉ２などがある。配線５１０ａ，５１０ｂは電力や温度情報などの伝達線である。また、セラミクスや金属による発熱体ケース５０９は、発熱体５０８を密閉し、発熱体５０８が、水素や水蒸気、その他有害物質やその蒸気と接触劣化することを防ぐ。
【0069】
配線５１０ａ，５１０ｂから電力を供給されることで、発熱体５０８は、８５０℃～１０００℃程度まで発熱することができる。なお、本実施形態において、発熱体５０８は、ニクロム線ヒーターによって構成され、発熱体ケース５０９はステンレススチール鋼によって構成されている。また、配線５１０ａ，５１０ｂは、対になった単数もしくは複数の電線群をしめしており、発熱体へのエネルギーを供給する経路として用いられる１対のパスのみを示している場合と、発熱体付近に設けられた熱電対の信号線を形成する１対のパスをあわせて示している場合がある。
【0070】
また、加熱部５０７は、発熱体５０８を６５０℃～１０００℃程度まで発熱させることで、燃料電池が所定の温度になるよう制御する役割を有する。加熱部５０７は、初期の運転立ち上げにおいて第２固体電解質５０３を所定の温度に加熱保持する。また、燃料電池が定常運転状態になった場合には、加熱部５０７は、燃料電池を加温もしくは冷却するなどして定常運転温度を保ってもよい。なお、加熱部５０７には設定温度などの温度制御条件を外部から設定及び変更することが可能な外部制御装置が付加されていてもよい。また、加熱部５０７には、発熱体５０８の温度を制御するコントローラが付加されていてもよく、これにより燃料電池の反応速度を加熱部５０７の温度によって自律的に制御できる。また、加熱部５０７の例としては、発熱体５０８及び発熱体ケース５０９の組み合わせと、これらと送風機との組み合わせが挙げられる。なお、送風機は冷却器の役割を果たし、発熱体ケース５０９内に送風が行われることで発熱体５０８が冷却し、発熱体５０８の温度を制御する。
【0071】
密閉空間５１３は、一端が封止された筒状の第２固体電解質５０３と、筒状の第２固体電解質５０３の他端に設置され、加熱部５０７の通る貫通孔５１１を備える蓋部５１２と、加熱部５０７の発熱体ケース５０９とによって形成される。
【0072】
蓋部５１２は、エポキシ接着などにより第２固体電解質５０３の他端に気密接合されており、蓋部５１２の貫通孔５１１も発熱体ケース５０９とエポキシ接着などにより気密接合されているため、第２固体電解質５０３の密閉空間５１３は蓋部５１２及び発熱体ケース５０９によって密閉されている。
【0073】
密閉空間５１３内には、第２燃料極５０４及び負極燃料物質体５０５が存在し、密閉空間５１３の気密度は、ヘリウムリークテストにおいて１×１０－２Ｐａ・ｍ３ｓｅｃ以上である必要がある。
【0074】
また、第２燃料電池５には、密閉空間５１３と連通するように連絡路５１４が設けられ、連絡路５１４と圧力吸収部５１５とが接続される。圧力吸収部５１５は、例えば金属製ベローズやダイヤフラムからなり、密閉空間５１３内で発生する水蒸気によって引き起こされる圧力の変動を吸収し、密閉空間５１３内の圧力を所定の範囲に保っている。
【0075】
正極集電体５２２の材料としては、特に制限はないが、酸化雰囲気中での安定性を有する物質が好ましく、例えばチタン、ステンレス、銀やこれを主体とする合金などがある。別の材料例としては、例えばニッケル、チタン、ステンレス、銀やこれを主体とする合金に、白金メッキや金メッキを施したものがある。
【0076】
負極集電体５２３の材料としては、特に制限はないが、酸化ガス分圧を還元ガス分圧で除した値の対数値が４．５以下となる分圧比領域において酸化されない金属が好ましく、例えば銀、プラチナ、金、銅、チタンステンレスやこれを主体とする合金が挙げられる。ここで主体とは、合金全体に対して８０質量％以上、より好ましくは９０質量％以上含有されていることを意味する。
【0077】
図７，図８に示した第２燃料電池５において、例えば、図１に示したケース１における空気の吸気口と、第２空気極５０２の外周面と、が連通した構成とする。これにより、ケース１の吸気口と、第２空気極５０２の外周面と、の間の空間によって、ケース１の吸気口と第２空気極５０２とを接続する流路が形成され、ケース１の外部から取り込まれた空気が第２空気極５０２に供給される。
【0078】
また、図７，図８に示した第２燃料電池５において、例えば、第１燃料電池４からの排出ガスが、発熱体ケース５０９に供給されるように流路が形成されるようにしてもよい。この流路は、例えば、第１燃料電池４のガス排出口と発熱体ケース５０９とを接続するダクト等によって形成される。これにより、第１燃料電池４からの高温の排出ガスにより密閉空間５１３、ひいては第２燃料極５０４及び負極燃料物質体５０５を効率よく加熱することができる。このため、配線５１０ａ，５１０ｂから加熱部５０７に供給される電力を低減したり、加熱部５０７の機構を簡素化又は省略したりすることが可能になる。
【0079】
また、図７，図８に示した第２燃料電池５において、例えば、第１燃料電池４からの排出ガスが、第２燃料極５０４及び負極燃料物質体５０５が存在する第２燃料電池５の密閉空間５１３に供給されるように流路が形成されるようにしてもよい。この流路は、例えば、第１燃料電池４のガス排出口と密閉空間５１３の内部とを接続するダクト等によって形成される。これにより、第１燃料電池４からの高温の排出ガスにより密閉空間５１３、ひいては第２燃料極５０４及び負極燃料物質体５０５を効率よく加熱することができる。このため、配線５１０ａ，５１０ｂから加熱部５０７に供給される電力を低減したり、加熱部５０７の機構を簡素化又は省略したりすることが可能になる。また、第１燃料電池４からの排出ガスに含まれる水素を第２燃料電池５の密閉空間５１３の内部に供給することで、第２燃料電池５の密閉空間５１３から漏れ出る還元性ガスを補充することができる。さらに、第１燃料電池４のガス排出口と密閉空間５１３の内部とを接続するダクト等に、開閉可能な弁を設け、密閉空間５１３の内部への排出ガスの供給時にのみこの弁が開くようにしてもよい。これにより、密閉空間５１３の内部への排出ガスの供給時以外における密閉空間５１３の密閉性を高めることができる。
【0080】
第２燃料電池５の第２空気極５０２、第２固体電解質５０３、第２燃料極５０４、負極燃料物質体５０５、及び負極燃料物質体５０５によって、第２燃料電池５の１つのセルが構成される。このセルを必要個数だけスタックすることにより、上記の複数の第２燃料電池スタックを構成することができる。
【0081】
＜第２燃料電池５の動作＞
図９を参照して、図７に示した第２燃料電池５の動作について説明する。第２燃料電池５は、第２空気極５０２、第２固体電解質５０３、第２燃料極５０４及び負極燃料物質体５０５を備え、第２空気極５０２、第２固体電解質５０３及び第２燃料極５０４は、それぞれが密着して接続され、第２燃料極５０４及び負極燃料物質体５０５は、第２固体電解質５０３によって形成される密閉空間５１３内に設置される。
図９を参照して、図７に示した第２燃料電池５の動作について説明する。第２燃料電池５は、第２空気極５０２、第２固体電解質５０３、第２燃料極５０４及び負極燃料物質体５０５を備え、第２空気極５０２、第２固体電解質５０３及び第２燃料極５０４は、それぞれが密着して接続され、第２燃料極５０４及び負極燃料物質体５０５は、第２固体電解質５０３によって形成される密閉空間５１３内に設置される。
【0082】
図９では図示しない加熱部５０７によって、第２空気極５０２、第２固体電解質５０３、第２燃料極５０４及び負極燃料物質体５０５が、８５０℃～１０００℃程度に加熱されると、外部の空気中の酸素（１／２Ｏ２）が第２空気極５０２に吸収され、第２空気極５０２から第２燃料極５０４まで酸素イオン（Ｏ２－）として第２固体電解質５０３内を移動し、第２燃料極５０４において密閉空間５１３内の水素（Ｈ２）を酸化して水（Ｈ２Ｏ）を生成させる。
【0083】
この反応によって、酸素イオン（Ｏ２－）の電荷２ｅ－が、第２燃料極５０４から配線を通じて第２空気極５０２へ流れることで、第２空気極５０２から第２燃料極５０４へ電流が流れる。
【0084】
なお、生成された水（Ｈ２Ｏ）は、水蒸気として負極燃料物質体５０５（ｘＭ）と反応し、負極燃料物質体５０５（ｘＭ）を酸化させて（ＭｘＯにして）再び水素（Ｈ２）となる。この水素（Ｈ２）は、第２燃料極５０４において再び酸素イオン（Ｏ２－）と反応して水（Ｈ２Ｏ）となるので、負極燃料物質体５０５が酸化され尽くさない限り第２燃料電池５は放電が可能となる。
【0085】
また、充電では、放電の場合と逆の反応が起こる。第２燃料電池５の第２燃料極５０４において水（Ｈ２Ｏ）が電荷を受けて、酸素イオン（Ｏ２－）と水素（Ｈ２）とに分解され、酸素イオン（Ｏ２－）が第２燃料極５０４から第２固体電解質５０３を通って第２空気極５０２に移動するとともに、酸化された負極燃料物質体５０５（ＭｘＯ）が水素（Ｈ２）によって還元され、酸化前の負極燃料物質体５０５（ｘＭ）と水（Ｈ２Ｏ）とに戻る。また、発生した水（Ｈ２Ｏ）は、更に第２燃料極５０４において電荷を受けて酸素イオン（Ｏ２－）と水素（Ｈ２）とに分解されるため、充電中は、酸化された負極燃料物質体５０５（ＭｘＯ）が全て還元されるまで上述の反応が繰り返される。
【0086】
なお、加熱部５０７は、配線５１０ａ，５１０ｂから発熱体５０８へ電力が供給されることで発熱体５０８が発熱し、発熱体ケース５０９の周囲の負極燃料物質体５０５、第２燃料極５０４、第２固体電解質５０３及び第２空気極５０２を加熱する。また、加熱部５０７は所定の温度まで上昇した後、燃料電池の駆動に適した温度を保ち続ける。
【0087】
また、密閉空間５１３は、その内部気圧を図９では図示しない連絡路５１４及び圧力吸収部５１５によって調整しているため、密閉空間５１３内部の気圧が、加熱部５０７による加熱及び第２燃料極５０４における水蒸気の発生によって異常に高くなることがなく、密閉空間５１３の密閉性が保たれている。
【0088】
このように、第２燃料電池５においては、放電時に、第２燃料極５０４が水素（還元性ガス）を水蒸気（酸化ガス）に酸化し、第２空気極５０２が酸素を酸素イオンに還元し、負極燃料物質体５０５が水蒸気と反応して水素を生成して自らは酸化物（ＭｘＯ）となることにより電力が生成される。
【0089】
また、第２燃料電池５においては、充電時に、第２燃料極５０４が水蒸気を水素に還元し、第２空気極５０２が酸素イオンを酸素に酸化し、負極燃料物質体５０５の酸化物が、第２燃料極５０４において還元された水素と可逆的に反応して水蒸気を生成し、自らは酸化前の負極燃料物質体５０５（ｘＭ）となることにより、生成可能な電力を増加させることができる、すなわち蓄電が可能である。
【0090】
【0091】
［第２実施形態］
図１０を参照して、本発明の燃料電池システムの第２実施形態である燃料電池システム１０Ａについて説明する。図１０において、図１に示した部分と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。図１０に示すように、燃料電池システム１０Ａは、図１に示した燃料電池システム１０の構成において、改質器３により取り出された水素が、第２燃料電池５にも供給されるようにしたものである。
図１０を参照して、本発明の燃料電池システムの第２実施形態である燃料電池システム１０Ａについて説明する。図１０において、図１に示した部分と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。図１０に示すように、燃料電池システム１０Ａは、図１に示した燃料電池システム１０の構成において、改質器３により取り出された水素が、第２燃料電池５にも供給されるようにしたものである。
【0092】
例えば、図１に示した改質器３における水素の排出口と、燃料流路４０２ａと、を接続するダクト等を分岐して、第２燃料電池５の密閉空間５１３にも供給される構成とする。これにより、改質器３によって取り出された水素が第２燃料極５０４にも供給される。このため、電力貯留用の第２燃料電池５でも積極的に発電することができ、燃料電池システム１０の発電量を増加させることができる。また、改質器３によって取り出された水素を第２燃料電池５の密閉空間５１３に供給することで、第２燃料電池５の密閉空間５１３から漏れ出る水素を補充することができる。さらに、密閉空間５１３に水素を供給するダクト等に、開閉可能な弁を設け、密閉空間５１３の内部への水素の供給時にのみこの弁が開くようにしてもよい。これにより、密閉空間５１３の内部への水素の供給時以外における密閉空間５１３の密閉性を高めることができる。
【0093】
［第３実施形態］
図１１を参照して、本発明の燃料電池システムの第３実施形態である燃料電池システム１０Ｂについて説明する。図１１において、図１に示した部分と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。図１１に示すように、燃料電池システム１０Ｂは、図１に示した燃料電池システム１０の構成において、さらに二次電池３０を備えたものである。
図１１を参照して、本発明の燃料電池システムの第３実施形態である燃料電池システム１０Ｂについて説明する。図１１において、図１に示した部分と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。図１１に示すように、燃料電池システム１０Ｂは、図１に示した燃料電池システム１０の構成において、さらに二次電池３０を備えたものである。
【0094】
二次電池３０は、第１燃料電池４や第２燃料電池５からの高温の排熱から保護されるようにケース１の外部に設けられている。また、二次電池３０は、第１燃料電池４及び第２燃料電池５と電気的に接続されている。具体的には、二次電池３０は、第１燃料電池４及び第２燃料電池５の各端子と接続された上記の外部端子と電気的に接続されている。
【0095】
このような構成により、第２燃料電池５による蓄電だけでなく、二次電池３０による蓄電も行うことができる。また、二次電池３０のみで蓄電を行う構成に比べて、二次電池３０の蓄電容量を小さくすることができるため、二次電池３０を小型化することができる。このため、小型の燃料電池システム１０Ｂを実現することができる。
【0096】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、燃料電池システム１０，１０Ａ，１０Ｂの用途として家庭用発電機について説明したが、燃料電池システム１０，１０Ａ，１０Ｂは他にも商業施設用発電機や燃料電池自動車など各種の用途に利用することができる。
【0097】
また、脱硫器２や改質器３をケース１の内部に設ける構成について説明したが、脱硫器２や改質器３をケース１の外部に設ける構成とすることも可能である。
【0098】
また、還元性ガスの例として水素について説明したが、本発明における還元性ガスは、例えば、水素、一酸化炭素、一酸化窒素又はこれらの混合ガスとすることができる。
【0099】
また、本明細書には少なくとも以下の事項が記載されている。なお、括弧内には、上記した実施形態において対応する構成要素等を示しているが、これに限定されるものではない。
【0100】
（１） 第１燃料電池（第１燃料電池４）と、
第２燃料電池（第２燃料電池５）と、
前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池を収容するケース（ケース１）と、を備え、
前記第１燃料電池は、
還元性ガスが供給される第１燃料極（第１燃料極４０１ａ）と、
酸素が供給される第１空気極（第１空気極４０１ｂ）と、
前記第１燃料極及び前記第１空気極の間に介在して前記第１空気極に供給された酸素イオンを前記第１燃料極に透過させる第１固体電解質（第１固体電解質４０１ｃ）と、
を有して電力を発生させるセル（セル４０１）を備え、
前記第２燃料電池（第２燃料電池５）は、
還元性ガスが供給される第２燃料極（第２燃料極５０４）と、
酸素が供給される第２空気極（第２空気極５０２）と、
前記第２燃料極及び前記第２空気極の間に介在して前記第２空気極に供給された酸素イオンを前記第２燃料極に透過させる第２固体電解質（第２固体電解質５０３）と、
酸化ガスと反応して前記還元性ガスを生成して自らは酸化物となる負極燃料物質体（負極燃料物質体５０５）と、
を有して電力を貯留させるセルを備える、燃料電池システム（燃料電池システム１０，１０Ａ，１０Ｂ）。
第２燃料電池（第２燃料電池５）と、
前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池を収容するケース（ケース１）と、を備え、
前記第１燃料電池は、
還元性ガスが供給される第１燃料極（第１燃料極４０１ａ）と、
酸素が供給される第１空気極（第１空気極４０１ｂ）と、
前記第１燃料極及び前記第１空気極の間に介在して前記第１空気極に供給された酸素イオンを前記第１燃料極に透過させる第１固体電解質（第１固体電解質４０１ｃ）と、
を有して電力を発生させるセル（セル４０１）を備え、
前記第２燃料電池（第２燃料電池５）は、
還元性ガスが供給される第２燃料極（第２燃料極５０４）と、
酸素が供給される第２空気極（第２空気極５０２）と、
前記第２燃料極及び前記第２空気極の間に介在して前記第２空気極に供給された酸素イオンを前記第２燃料極に透過させる第２固体電解質（第２固体電解質５０３）と、
酸化ガスと反応して前記還元性ガスを生成して自らは酸化物となる負極燃料物質体（負極燃料物質体５０５）と、
を有して電力を貯留させるセルを備える、燃料電池システム（燃料電池システム１０，１０Ａ，１０Ｂ）。
【0101】
（１）によれば、燃料ガスを供給して第１燃料電池により発電することができるとともに、第２燃料電池により蓄電も可能である。そして、第１燃料電池及び第２燃料電池は高温で動作するものであるため、第１燃料電池の高温の排熱から第２燃料電池を保護する断熱構造等は不要であり、燃料電池システムの大型化を抑制することができる。このため、燃料ガスによる発電及び蓄電が可能な小型の燃料電池システムを実現することができる。また、第１燃料電池の高温の排熱を利用して第２燃料電池の負極燃料物質体を加熱維持することができるため、第２燃料電池の負極燃料物質体の加熱のために供給されるエネルギーを低減し、第２燃料電池における発電効率を向上させることができる。また、第２燃料電池の負極燃料物質体を加熱するための機構を簡素化又は省略してもよく、それにより燃料電池システムのさらなる小型化を図ることができる。
【0102】
（２） （１）に記載の燃料電池システムであって、
燃料ガスから還元性ガスを取り出す改質器（改質器３）をさらに備え、
前記第１燃料電池の前記第１燃料極には、前記改質器により取り出された還元性ガスが供給される、燃料電池システム。
燃料ガスから還元性ガスを取り出す改質器（改質器３）をさらに備え、
前記第１燃料電池の前記第１燃料極には、前記改質器により取り出された還元性ガスが供給される、燃料電池システム。
【0103】
（２）によれば、外部から供給される燃料ガスによって持続的に発電を行うことができる。
【0104】
（３） （２）に記載の燃料電池システムであって、
燃料ガスから硫黄成分を除去する脱硫器（脱硫器２）をさらに備え、
前記改質器は、前記脱硫器により硫黄成分が除去された燃料ガスから前記還元性ガスを取り出す、燃料電池システム。
燃料ガスから硫黄成分を除去する脱硫器（脱硫器２）をさらに備え、
前記改質器は、前記脱硫器により硫黄成分が除去された燃料ガスから前記還元性ガスを取り出す、燃料電池システム。
【0105】
（３）によれば、外部から供給される燃料ガスに硫黄成分が含まれていても硫黄成分を除去して燃料として発電に用いることができる。
【0106】
（４） （２）又は（３）に記載の燃料電池システムであって、
前記第１燃料電池の前記第１燃料極及び前記第２燃料電池の前記第２燃料極には、前記改質器により取り出された還元性ガスが供給される、燃料電池システム。
前記第１燃料電池の前記第１燃料極及び前記第２燃料電池の前記第２燃料極には、前記改質器により取り出された還元性ガスが供給される、燃料電池システム。
【0107】
（４）によれば、第１燃料電池に供給される還元性ガスを第２燃料電池にも供給することで、電力貯留用の第２燃料電池でも積極的に発電することができ、燃料電池システムの発電量を増加させることができる。また、第１燃料電池に供給される還元性ガスを第２燃料電池の内部に供給することで、第２燃料電池の内部から漏れ出る還元性ガスを補充することができる。
【0108】
（５） （１）から（４）のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池と電気的に接続される二次電池（二次電池３０）をさらに備える、燃料電池システム。
前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池と電気的に接続される二次電池（二次電池３０）をさらに備える、燃料電池システム。
【0109】
（５）によれば、第２燃料電池による蓄電だけでなく、二次電池による蓄電も行うことができる。また、二次電池のみで蓄電を行う構成に比べて、二次電池の蓄電容量を小さくすることができるため、二次電池を小型化することができる。このため、小型の燃料電池システムを実現することができる。
【0110】
（６） （１）から（５）のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記第２燃料電池と電気的に接続される自然エネルギー発電器（太陽光発電部６）をさらに備える、燃料電池システム。
前記第２燃料電池と電気的に接続される自然エネルギー発電器（太陽光発電部６）をさらに備える、燃料電池システム。
【0111】
（６）によれば、自然エネルギー発電器の発電による電力を第２燃料電池に蓄電できるので、自然エネルギーを有効に利用して燃料ガスを用いた第１燃料電池による発電を抑制できる。
【0112】
（７） （１）から（６）のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記第２燃料電池は、前記第２燃料極及び前記負極燃料物質体が密閉空間（密閉空間５１３）に配置され、
前記第１燃料電池の排出ガスにより前記密閉空間が加熱される、燃料電池システム。
前記第２燃料電池は、前記第２燃料極及び前記負極燃料物質体が密閉空間（密閉空間５１３）に配置され、
前記第１燃料電池の排出ガスにより前記密閉空間が加熱される、燃料電池システム。
【0113】
（７）によれば、第１燃料電池の高温の排熱を、第２燃料極及び負極燃料物質体が配置される密閉空間に供給し、第２燃料極及び負極燃料物質体を加熱維持することができる。
【0114】
（８） （７）に記載の燃料電池システムであって、
前記第１燃料電池の排出ガスが前記第２燃料電池の前記密閉空間の内部に供給される、燃料電池システム。
前記第１燃料電池の排出ガスが前記第２燃料電池の前記密閉空間の内部に供給される、燃料電池システム。
【0115】
（８）によれば、第１燃料電池の高温の排熱を、第２燃料極及び負極燃料物質体が配置される密閉空間の内部に供給し、第２燃料極及び負極燃料物質体を効率よく加熱維持することができる。また、第１燃料電池からの排出ガスに含まれる還元性ガスを第２燃料電池の密閉空間に供給することで、第２燃料電池の密閉空間から漏れ出る還元性ガスを補充することができる。
【0116】
（９） （１）から（８）のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記第１燃料電池の上方に前記第２燃料電池が配置されている、燃料電池システム。
前記第１燃料電池の上方に前記第２燃料電池が配置されている、燃料電池システム。
【0117】
（９）によれば、第１燃料電池の熱が第２燃料電池に効率よく伝わるようにし、第２燃料電池の負極燃料物質体の加熱維持を効率よく行うことができる。
【0118】
（１０） （１）から（８）のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記第１燃料電池は、複数の第１燃料電池スタックを備え、
前記第２燃料電池は、複数の第２燃料電池スタックを備え、
前記複数の第１燃料電池スタックと前記複数の第２燃料電池スタックとが上下方向に交互に配置されている、燃料電池システム。
前記第１燃料電池は、複数の第１燃料電池スタックを備え、
前記第２燃料電池は、複数の第２燃料電池スタックを備え、
前記複数の第１燃料電池スタックと前記複数の第２燃料電池スタックとが上下方向に交互に配置されている、燃料電池システム。
【0119】
（１０）によれば、複数の第１燃料電池スタック及び複数の第２燃料電池スタックの各温度を均一化し、各燃料電池の温度制御を容易に行うことができる。
【0120】
（１１） （１）から（１０）のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記第１燃料電池は、燃料ガスから前記還元性ガスを取り出す改質機能を内蔵している、燃料電池システム。
前記第１燃料電池は、燃料ガスから前記還元性ガスを取り出す改質機能を内蔵している、燃料電池システム。
【0121】
（１１）によれば、第１燃料電池の発電により生じる熱を利用して、燃料ガスから還元性ガスを取り出す改質処理を行うことができる。また、第１燃料電池とは別に改質器を設けなくても改質処理を行うことができるため、燃料電池システムのさらなる小型化を図ることができる。
【0122】
（１２） （１）から（１１）のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記第２燃料電池は、放電時に、
前記第２燃料極が前記還元性ガスを酸化ガスに酸化し、
前記第２空気極が酸素を酸素イオンに還元し、
前記負極燃料物質体が前記酸化ガスと反応して前記還元性ガスを生成して自らは酸化物となり、
前記第２燃料電池は、充電時に、
前記第２燃料極が前記酸化ガスを前記還元性ガスに還元し、
前記第２空気極が酸素イオンを酸素に酸化し、
前記負極燃料物質体の酸化物が前記還元性ガスと可逆的に反応して前記酸化ガスを生成して自らは負極燃料物質体となる、燃料電池システム。
前記第２燃料電池は、放電時に、
前記第２燃料極が前記還元性ガスを酸化ガスに酸化し、
前記第２空気極が酸素を酸素イオンに還元し、
前記負極燃料物質体が前記酸化ガスと反応して前記還元性ガスを生成して自らは酸化物となり、
前記第２燃料電池は、充電時に、
前記第２燃料極が前記酸化ガスを前記還元性ガスに還元し、
前記第２空気極が酸素イオンを酸素に酸化し、
前記負極燃料物質体の酸化物が前記還元性ガスと可逆的に反応して前記酸化ガスを生成して自らは負極燃料物質体となる、燃料電池システム。
【0123】
（１２）によれば、第２燃料電池による充放電が可能であるとともに、第１燃料電池の高温の排熱を利用して、充放電のための反応に適した温度となるように負極燃料物質体を加熱維持することができる。
【0124】
（１３） （１）から（１２）のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記負極燃料物質体は、リチウム、ナトリウム、マグネシウム、カルシウム、アルミニ
ウム、ケイ素、亜鉛、鉄、鉛、錫、ニッケル及び炭素、ならびにこれらの１種以上の元
素を主体とする物質からなる群から選択される少なくとも１種の物質である、燃料電池システム。
前記負極燃料物質体は、リチウム、ナトリウム、マグネシウム、カルシウム、アルミニ
ウム、ケイ素、亜鉛、鉄、鉛、錫、ニッケル及び炭素、ならびにこれらの１種以上の元
素を主体とする物質からなる群から選択される少なくとも１種の物質である、燃料電池システム。
【0125】
（１３）によれば、負極燃料物質体の還元及び酸化により充放電が可能になる。
【0126】
（１４） （１）から（１３）のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記ケースは、
空気を取り込む少なくとも一つの吸気口と、
前記少なくとも一つの吸気口と前記第１燃料電池の前記第１空気極を接続する流路と、
前記少なくとも一つの吸気口と前記第２燃料電池の前記第２空気極を接続する流路と、を備える、燃料電池システム。
前記ケースは、
空気を取り込む少なくとも一つの吸気口と、
前記少なくとも一つの吸気口と前記第１燃料電池の前記第１空気極を接続する流路と、
前記少なくとも一つの吸気口と前記第２燃料電池の前記第２空気極を接続する流路と、を備える、燃料電池システム。
【0127】
（１４）によれば、ケースの外部から取り込んだ空気中の酸素を第１燃料電池及び第２燃料電池の各空気極に供給することができる。
【0128】
（１５） （１）から（１４）のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池は、電気的に接続される、燃料電池システム。
前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池は、電気的に接続される、燃料電池システム。
【0129】
（１５）によれば、第１燃料電池の余剰電力を第２燃料電池に蓄電することができる。
【符号の説明】
【0130】
１ ケース
２ 脱硫器
３ 改質器
４ 第１燃料電池
５ 第２燃料電池
６ 太陽光発電部（自然エネルギー発電器）
１０，１０Ａ，１０Ｂ 燃料電池システム
３０ 二次電池
４０１ セル
４０１ａ 第１燃料極
４０１ｂ 第１空気極
４０１ｃ 第１固体電解質
５０２ 第２空気極
５０３ 第２固体電解質
５０４ 第２燃料極
５０５ 負極燃料物質体
５１３ 密閉空間
２ 脱硫器
３ 改質器
４ 第１燃料電池
５ 第２燃料電池
６ 太陽光発電部（自然エネルギー発電器）
１０，１０Ａ，１０Ｂ 燃料電池システム
３０ 二次電池
４０１ セル
４０１ａ 第１燃料極
４０１ｂ 第１空気極
４０１ｃ 第１固体電解質
５０２ 第２空気極
５０３ 第２固体電解質
５０４ 第２燃料極
５０５ 負極燃料物質体
５１３ 密閉空間
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】