特開 2023-145251 燃料電池システム

(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】P2023145251

(43)【公開日】2023-10-11

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04858 20160101AFI20231003BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20231003BHJP

   H01M 8/249 20160101ALI20231003BHJP

   H01M 8/0444 20160101ALI20231003BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04858

H01M8/12 101

H01M8/249

H01M8/0444

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022052617

(22)【出願日】2022-03-28

(71)【出願人】

【識別番号】000175272

【氏名又は名称】三浦工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110004082

【氏名又は名称】弁理士法人北大阪特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100141092

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 英生

(72)【発明者】

【氏名】安井 賢志

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA07

5H127AB16

5H127BA05

5H127BA13

5H127BA20

5H127BA33

5H127BA34

5H127BA37

5H127BA47

5H127BA57

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB19

5H127BB27

5H127BB37

5H127DB14

5H127DC44

(57)【要約】

【課題】多段式燃料電池システムを構成しつつ、セルスタックの掃引電流をより適切に制御することが可能となる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】固体酸化物形の燃料電池システムであって、燃料ガスが供給される第１燃料極を有し、当該燃料ガスを用いて発電を行う前段側セルスタックと、前記第１燃料極から排出された第１アノードオフガスが供給される第２燃料極を有し、当該第１アノードオフガスを用いて発電を行う後段側セルスタックと、前記第１アノードオフガスに含まれる水素の量を検知する検知装置と、前記検知装置の検知結果に応じて、前記前段側セルスタックおよび／または前記後段側セルスタックの掃引電流を制御する構成とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

固体酸化物形の燃料電池システムであって、
燃料ガスが供給される第１燃料極を有し、当該燃料ガスを用いて発電を行う前段側セルスタックと、
前記第１燃料極から排出された第１アノードオフガスが供給される第２燃料極を有し、当該第１アノードオフガスを用いて発電を行う後段側セルスタックと、
前記第１アノードオフガスに含まれる水素の量を検知する検知装置と、
前記検知装置の検知結果に応じて、前記前段側セルスタックおよび／または前記後段側セルスタックの掃引電流を制御することを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

前記第１アノードオフガスに対してＣＯ変成処理を行う変成器を備え、
前記検知装置は、前記ＣＯ変成処理後の前記第１アノードオフガスに含まれる水素の量を検知することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記変成器を通過後の前記第１アノードオフガスに含まれる水蒸気を凝縮させる凝縮器と、
前記凝縮器を通過後の前記第１アノードオフガスを気水分離し、凝縮水を回収する水タンクと、を備え、
前記検知装置は、前記水タンクで気水分離後の前記第１アノードオフガスに含まれる水素の量を検知することを特徴とする請求項２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、固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、発電効率が良く環境にも優しい電源として、各種方式の燃料電池が開発されている。特に、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は５０％以上の高い発電効率が得られるため、家庭用から産業用まで、広範な出力範囲の燃料電池システムに利用されている。

【0003】

一方で、６０％を超える発電効率を目指して、セルスタックの多段化やアノードオフガス（本願では「オフガス」と略記することがある。）の再循環といった燃料利用率を高める技術開発も進められている。例えば特許文献１には、固体酸化物形燃料電池のセルスタックを多段化するとともに、前段側のセルスタックから排出されたオフガスが後段側のセルスタックへ供給されるようにした多段式燃料電池システムの一例が開示されている。

【0004】

多段式燃料電池システムにおいて、前段側のセルスタックから排出されるオフガスには、当該セルスタックにおいて未反応であった燃料成分が含まれているが、後段側のセルスタックは、この未反応であった燃料成分を利用して発電する。このようにしてシステム全体としての燃料利用率を高めることにより、発電効率の向上が達成される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１５－１３８５７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ここで上述した多段式燃料電池システムにおいて、前段側セルスタックの燃料極から排出されるアノードオフガスに含まれる水素（主に燃料成分）の量は、燃料欠乏による後段側セルスタックの破損を引き起こさないように調整される必要がある。そのため、水素の発電反応量に影響するセルスタックの掃引電流は、この点も考慮して適切に制御されることが望まれる。

【0007】

本発明は上記課題に鑑み、多段式燃料電池システムを構成しつつ、セルスタックの掃引電流をより適切に制御することが可能となる燃料電池システムの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る燃料電池システムは、固体酸化物形の燃料電池システムであって、燃料ガスが供給される第１燃料極を有し、当該燃料ガスを用いて発電を行う前段側セルスタックと、前記第１燃料極から排出された第１アノードオフガスが供給される第２燃料極を有し、当該第１アノードオフガスを用いて発電を行う後段側セルスタックと、前記第１アノードオフガスに含まれる水素の量を検知する検知装置と、前記検知装置の検知結果に応じて、前記前段側セルスタックおよび／または前記後段側セルスタックの掃引電流を制御する構成とする。

【0009】

本構成によれば、多段式燃料電池システムを構成しつつ、第１アノードオフガスに含まれる水素の量に基づいて、セルスタックの掃引電流をより適切に制御することが可能となる。なおここでの「水素の量」には、例えば水素の濃度など、水素の量に対応する各種の概念が含まれる。

【0010】

上記構成としてより具体的には、前記第１アノードオフガスに対してＣＯ変成処理を行う変成器を備え、前記検知装置は、前記ＣＯ変成処理後の前記第１アノードオフガスに含まれる水素の量を検知する構成としても良い。本構成によれば、オフガスに含まれる燃料成分の量を精度良く検知することが可能となる。

【0011】

上記構成としてより具体的には、前記変成器を通過後の前記第１アノードオフガスに含まれる水蒸気を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器を通過後の前記第１アノードオフガスを気水分離し、凝縮水を回収する水タンクと、を備え、前記検知装置は、前記水タンクで気水分離後の前記第１アノードオフガスに含まれる水素の量を検知する構成としても良い。本構成によれば、後段側セルスタックが気水分離後のオフガスを用いて発電を行うようにしておき、後段側セルスタックへ供給される燃料成分の量を精度良く検知することが可能である。

【発明の効果】

【0012】

本発明に係る燃料電池システムによれば、多段式燃料電池システムを構成しつつ、セルスタックの掃引電流をより適切に制御することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】第１実施形態に係る燃料電池システムの概略的な構成図である。

【図2】電力制御ユニット近傍の構成概略の一例を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明の一実施形態について、各図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１の概略的な構成図である。なお図１では流体の経路に関して、燃料ガスに関連する経路（ガス経路）を実線矢印で示し、改質水に関連する経路（水経路）を破線矢印で示し、空気に関連する経路（空気経路）を点線矢印で示し、その他の経路を一点鎖線の矢印で示している。また図１に示す白抜き矢印は、各経路を通る流体を示している。

【0015】

図１に示すように燃料電池システム１は、改質器１１、蒸発器１２、前段側セルスタック１３、水回収装置１４、後段側セルスタック１５、オフガスバーナー１６、変成器１７、および水素濃度センサ１８を備える。このように燃料電池システム１は、前段側セルスタック１３と後段側セルスタック１５を備えた多段式の燃料電池システムとなっている。

【0016】

なお、これらのセルスタック１３，１５は、何れも固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）であり、動作温度は例えば７００℃程度である。固体酸化物形燃料電池は、燃料極（アノード）に水素を含む燃料ガスが供給され、空気極（カソード）に酸素を含む空気が供給されることにより、電気化学反応を発生させて発電することが可能である。

【0017】

本実施形態では説明の便宜上、前段側セルスタック１３の燃料極および空気極を、第１燃料極１３ａおよび第１空気極１３ｂとする。一方、後段側セルスタック１５の燃料極および空気極を、第２燃料極１５ａおよび第２空気極１５ｂとする。本実施形態では一例として、前段側セルスタック１３と後段側セルスタック１５は各々一つだけ設けられているが、これらの両方または一方を並列に複数個設けるようにしても良い。

【0018】

水回収装置１４を除く燃料電池システム１の大部分の要素は、図１に示す断熱領域ＴＡ内に配置されている。断熱領域ＴＡは断熱材等で覆われており、外部への熱放出が極力抑えられるよう配慮されている。これにより燃料電池システム１は、熱自立の点で有利な構成となっている。

【0019】

燃料電池システム１には、原料ガス（本実施形態では一例として、メタンを含む都市ガスとする）を受入れる原料ガス受入部Ｐｇ、および、空気を受入れる空気受入部Ｐａが設けられている。原料ガスや空気は基本的に燃料電池システム１の外部から供給される。

【0020】

原料ガス受入部Ｐｇは、第１ガス経路Ｌｇ１を介して改質器１１に繋がっており、第１ガス経路Ｌｇ１の途中には第１ブロワＢ１が設けられている。第１ガス経路Ｌｇ１における第１ブロワＢ１より後段側の少なくとも一部は、蒸発器１２を通るように配置されている。

【0021】

改質器１１は、第２ガス経路Ｌｇ２を介して第１燃料極１３ａに繋がっている。第１燃料極１３ａは、第３ガス経路Ｌｇ３を介して水回収装置１４に繋がっている。第３ガス経路Ｌｇ３の途中には、変成器１７が設けられている。水回収装置１４は水タンク１４ａ、凝縮器１４ｂ、および冷却用空気経路１４ｃを備えており、第４ガス経路Ｌｇ４を介して第２燃料極１５ａに繋がっている。

【0022】

なお水タンク１４ａは、水経路Ｌｗを介して蒸発器１２に繋がっている。水経路Ｌｗには水ポンプＷ１が設けられており、水タンク１４ａ内の水を改質水Ｗａとして蒸発器１２へ継続的に供給することが可能である。これにより燃料電池システム１は、水自立を実現させることが可能である。水ポンプＷ１は、水タンク１４ａから蒸発器１２（水経路Ｌｗ）への改質水Ｗａの供給量を調節することが可能である。

【0023】

第２燃料極１５ａは、第５ガス経路Ｌｇ５を介して、オフガスバーナー１６に繋がっている。空気受入部Ｐａからは第１空気経路Ｌａ１が伸びており、第１空気経路Ｌａ１の途中には第２ブロワＢ２が設けられている。第１空気経路Ｌａ１は第１空気極１３ｂに繋がっている。

【0024】

第１空気極１３ｂは、第２空気経路Ｌａ２を介して第２空気極１５ｂに繋がっている。また、第２空気極１５ｂは、第３空気経路Ｌａ３を介してオフガスバーナー１６に繋がっている。オフガスバーナー１６からは、燃焼排ガス経路Ｌｘが蒸発器１２を通るように伸びている。

【0025】

さらに燃料電池システム１には、第１熱交換器Ｈ１および第２熱交換器Ｈ２が設けられている。第１熱交換器Ｈ１は自己再熱型熱交換器であり、第３ガス経路Ｌｇ３の所定位置（変成器１７と水回収装置１４の間の位置）を通る流体と第４ガス経路Ｌｇ４の所定位置（水回収装置１４と後段側セルスタック１５の間の位置）を通る流体との間で、熱交換が行われるようにする。

【0026】

第２熱交換器Ｈ２は空気予熱器であり、燃焼排ガス経路Ｌｘの所定位置（蒸発器１２とオフガスバーナー１６の間の位置）を通る流体と第１空気経路Ｌａ１の所定位置（第２ブロワＢ２と前段側セルスタック１３の間の位置）を通る流体との間で、熱交換が行われるようにする。また水素濃度センサ１８（本発明に係る検知装置に相当する）は、第４ガス経路Ｌｇ４を通る流体の水素濃度を検知するように配置されている。

【0027】

本実施形態で利用可能な水素濃度センサは、例えば次の１，２のタイプである。これらのセンサは、アノード側に水素含有ガス（後述する再生オフガスＧｄ）を流通させると共に、カソード側に酸化剤ガス（空気）を流通させると、アノード側の水素分圧によって起電力が変わるので、起電力の値から水素濃度を判定する。

【0028】

〔１〕酸素イオン伝導性の固体電解質膜を触媒電極で挟持したタイプ
ジルコニア（ＺｒＯ_２）や安定化ジルコニア（ＺｒＯ_２＋Ｙ_２Ｏ_３）等の固体酸化物膜を用いたセンサで、ＳＯＦＣの発電原理を応用したものである。このセンサは高温で作動するので、図１のように断熱領域ＴＡ内の第４ガス経路Ｌｇ４に配置される。固体酸化物がジルコニアであるセンサは、例えば特開２００１－２７６２６号公報に記載されている。また、固体酸化物が安定化ジルコニアであるセンサは、例えば特開２０１５－１８５４６０号公報に記載されている。

【0029】

〔２〕水素イオン伝導性の固体電解質膜を触媒電極で挟持したタイプ
フッ素系陽イオン交換膜（例えば、ＤｕＰｏｎｔ社のＮａｆｉｏｎ（ＴＭ）等）に代表される固体高分子膜を用いたセンサで、ＰＥＦＣの発電原理を応用したものである。このセンサは低温で作動するので、水回収装置１４内の第４ガス経路Ｌｇ４に配置される。この種のセンサは、例えば特開２００６－９８３９３号公報に記載されている。

【0030】

次に、燃料電池システム１の動作概要について説明する。原料ガス受入部Ｐｇから第１ガス経路Ｌｇ１内に供給された原料ガスＧａは、第１ブロワＢ１の作用により後段側へ送られ、蒸発器１２に流入する。原料ガスＧａの供給に並行して、水ポンプＷ１によって水タンク１４ａから水経路Ｌｗ内に供給された改質水Ｗａが、蒸発器１２へ流入する。蒸発器１２は、流入した改質水Ｗａを熱交換により加熱して水蒸気（過熱蒸気）を生成し、これを第１ガス経路Ｌｇ１を流れる原料ガスＧａに混合させる。このようにして生成された原料ガスＧａと水蒸気の混合気体は、改質器１１へ流入する。

【0031】

改質器１１は、蒸発器１２から受けた水蒸気を用いて原料ガスＧａを改質し、改質ガスＧｂを生成して後段側へ送出する。改質器１１は、水蒸気改質用の触媒を有しており、原料ガスＧａに含まれるメタンと水蒸気を反応させ、一酸化炭素と水素を含む改質ガスＧｂを生成する。水蒸気改質は吸熱反応であるが、オフガスバーナー１６からの熱供給により、改質器１１は安定的に改質ガスＧｂを生成することが可能である。改質器１１から送出された改質ガスＧｂは、第２ガス経路Ｌｇ２を介して第１燃料極１３ａに流入する。

【0032】

一方、上述した原料ガスＧａおよび改質水Ｗａの供給に並行して、空気受入部Ｐａから第１空気経路Ｌａ１内に空気Ａａが供給される。第１空気経路Ｌａ１内の空気Ａａは、第２ブロワＢ２の作用により後段側へ送られる。この空気Ａａは、第２熱交換器Ｈ２での熱交換によって加熱された後、第１空気極１３ｂに流入する。

【0033】

前段側セルスタック１３は、第１燃料極１３ａに流入した改質ガスＧｂと第１空気極１３ｂに流入した空気Ａａを用いて発電するとともに、第１燃料極１３ａから第１オフガスＧｃ（アノードオフガス）を排出する。第１オフガスＧｃには、第１燃料極１３ａにおいて未反応であった水素等の燃料成分が含まれている。なお第１空気極１３ｂからは、第１空気極１３ｂにおいて未反応であった酸素等を含む残りの空気Ａｂが、第２空気経路Ｌａ２を介して第２空気極１５ｂへ排出される。

【0034】

第１燃料極１３ａから排出された第１オフガスＧｃは、第３ガス経路Ｌｇ３に排出され、変成器１７および第１熱交換器Ｈ１を順に経由して水回収装置１４に流入する。第１オフガスＧｃは変成器１７を通る際に、変成器１７によってＣＯ変成処理が施される。なおＣＯ変成処理は、下記（１）式の反応による変成を実現させる処理として知られている。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２ ・・・（１）

【0035】

変成器１７は（１）式の反応を促進させる変成触媒（例えばＣｕ－Ｚｎ系の触媒）を有しており、第１オフガスＧｃ中の一酸化炭素（ＣＯ）と水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を当該触媒上で反応させて、二酸化炭素（ＣＯ_２）と水素（Ｈ_２）に変換させることが可能である。第１オフガスＧｃには、主要な燃料成分である水素の他に、一酸化炭素や水蒸気等も混在しているが、上述のＣＯ変成処理によって第１オフガスＧｃ中の水素の割合が大幅に高められる。

【0036】

更に第１オフガスＧｃは、第１熱交換器Ｈ１を通る際に、熱交換の処理が施される。第１熱交換器Ｈ１は、第１オフガスＧｃと熱交換させることにより、後述する再生オフガスＧｄの加熱を行うことになる。第１熱交換器Ｈ１における熱交換により、再生オフガスＧｄの温度が上昇するとともに、第１オフガスＧｃの温度が下降する。

【0037】

水回収装置１４において、凝縮器１４ｂは、外部から冷却用空気経路１４ｃに供給された冷却用空気Ａｄと熱交換させることにより、第１オフガスＧｃを露点温度以下まで冷却し、第１オフガスＧｃに含まれる水蒸気を凝縮させる。凝縮器１４ｂにおける熱交換により、冷却用空気Ａｄの温度が上昇するとともに、第１オフガスＧｃの温度が下降する。

【0038】

凝縮器１４ｂを通過した第１オフガスＧｃは水タンク１４ａで気水分離され、凝縮水が水タンク１４ａに回収される一方、凝縮しなかった残りの部分は再生オフガスＧｄとして第４ガス経路Ｌｇ４へ流入する。再生オフガスＧｄは、気水分離の処理を施した第１オフガスＧｃに相当する。なお水回収装置１４は、第１オフガスＧｃからの水蒸気除去を効率良く行うことができるように、断熱領域ＴＡの外部に配置されている。

【0039】

凝縮器１４ｂの冷却用空気の流路は、密閉型であってもよいし、開放型であってもよい。前者の場合、プレート式、シェルアンドプレート式、シェルアンドチューブ式等の熱交換器を使用することができ、ブロワにより冷却用空気を伝熱面に送り込む。後者の場合、空冷式のラジエーターを使用することができ、第１オフガスＧｃが内部流通する熱交換コアの表面にファンにより冷却用空気を通風させる。なお、ラジエーターは、冷却用空気の供給時の圧力損失が低いうえ、空気流量の調節も容易であるので、燃料電池システム１の補機電力を低減できるメリットがある。

【0040】

水タンク１４ａに回収された凝縮水は、先述のとおり水経路Ｌｗを介して蒸発器１２に供給され、改質水Ｗａとして再利用される。なお、第１オフガスＧｃから水蒸気を除去して再生オフガスＧｄを生成することにより、第１オフガスＧｃ中の未反応の燃料成分を後段側セルスタック１５で効率良く利用することが可能となる。

【0041】

第４ガス経路Ｌｇ４に流入した再生オフガスＧｄは、第１熱交換器Ｈ１での熱交換によって加熱された後、第２燃料極１５ａに流入する。なお第４ガス経路Ｌｇ４を通る再生オフガスＧｄの水素濃度は、水素濃度センサ１８によって検知される。またこれに並行して、先述した第２空気経路Ｌａ２を通る空気Ａｂが第２空気極１５ｂに流入する。後段側セルスタック１５は、第２燃料極１５ａに流入した再生オフガスＧｄと第２空気極１５ｂに流入した空気Ａｂを用いて発電するとともに、第２燃料極１５ａから第２オフガスＧｅ（アノードオフガス）を排出する。

【0042】

第２オフガスＧｅには、第２燃料極１５ａにおいて未反応であった燃料成分が含まれている。なお第２空気極１５ｂからは、第２空気極１５ｂにおいて未反応であった酸素等を含む残りの空気Ａｃが排出される。第２オフガスＧｅは第５ガス経路Ｌｇ５を経由してオフガスバーナー１６へ流入し、第２空気極１５ｂから排出された空気Ａｃは、第３空気経路Ｌａ３を通ってオフガスバーナー１６へ流入する。

【0043】

オフガスバーナー１６は、後段側セルスタック１５から排出された空気Ａｃと第２オフガスＧｅの混合気体を燃焼させて熱を発生させるとともに、燃焼によって生じた燃焼排ガスＧｆを燃焼排ガス経路Ｌｘへ排出する。なお、オフガスバーナー１６ａは改質器１１の近傍に配置されており、オフガスバーナー１６から生じる熱は、放射伝熱や対流伝熱により改質器１１へ効率良く伝わるようになっている。

【0044】

燃焼排ガス経路Ｌｘを通る燃焼排ガスＧｆは、第２熱交換器Ｈ２を通過する際に空気Ａａと熱交換される。第２熱交換器Ｈ２における熱交換により、空気Ａａの温度が上昇するとともに、燃焼排ガスＧｆの温度が下降する。

【0045】

燃焼排ガスＧｆは第２熱交換器Ｈ２を通過した後、蒸発器１２を通過する際に改質水Ｗａと熱交換された上で燃料電池システム１の外部へ排出される。蒸発器１２は、燃焼排ガスＧｆとの熱交換により改質水Ｗａを加熱して、先述したとおり水蒸気を生成することになる。

【0046】

なお先述したとおり、第１オフガスＧｃは、変成器１７を通る際にＣＯ変成処理が施され、水素の割合が高められた上で第２燃料極１５ａに流入する。このように本実施形態では、主要な燃料成分である水素の割合を高めた第１オフガスＧｃを用いることにより、後段側セルスタック１５での発電効率等を向上させることが可能である。

【0047】

また上記のＣＯ変成処理によって、第１オフガスＧｃ中の一酸化炭素が大幅に減少することになる。そのため、第１オフガスＧｃや再生オフガスＧｄが外部に漏れ出すといった万一の事態が発生しても、これに含まれる一酸化炭素が人体等に悪影響を及ぼすことは極力抑えられる。このように燃料電池システム１は、安全性の面でも有利となっている。

【0048】

また燃料電池システム１には、水素濃度センサ１８の検知結果に応じて各セルスタック１３，１５の掃引電流を制御する電力制御ユニット２が備えられている。図２は、電力制御ユニット２近傍の構成概略の一例を示すブロック図である。

【0049】

電力制御ユニット２は、コントローラ２０およびパワーコンディショナ２１を有している。コントローラ２０は、水素濃度センサ１８の検知結果（再生オフガスＧｄの水素濃度）の情報を継続的に取得し、当該情報に基づいて電流指令値（各セルスタック１３，１５の掃引電流の目標値）を逐次決定する。

【0050】

より具体的に説明すると、コントローラ２０は、検知された水素濃度が高いほど電流指令値が高くなり、検知された水素濃度が低いほど電流指令値が低くなるように、予め適切に決められた関係式に基づいて電流指令値を決定する。コントローラ２０は、このようにして逐次決定した電流指令値を、リアルタイムでパワーコンディショナ２１へ送信する。

【0051】

パワーコンディショナ２１は、各セルスタック１３，１５から出力された直流電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ（昇圧回路）と、ＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧された直流電圧を系統電源と同期の取れた交流電圧に変換する系統連系インバータ（電圧変換回路）と、各セルスタック１３，１５の出力電流（掃引電流）を制御する出力電流制御部（出力制御回路）と、補機類に駆動電力を供給するための駆動電力供給部（補助回路）を有している。

【0052】

パワーコンディショナ２１は、コントローラ２０から受信した電流指令値に基づいて、各セルスタック１３，１５の掃引電流を制御する。またパワーコンディショナ２１は、各セルスタック１３，１５から得られた直流電力を、交流電力に変換して外部の負荷へ供給する役割も果たす。

【0053】

このように電力制御ユニット２は、水素濃度センサ１８の検知結果に応じて、各セルスタック１３，１５の掃引電流を適切に制御する。なお仮に、水素濃度に対して後段側セルスタック１５の掃引電流が過剰に高いと、燃料欠乏により後段側セルスタック１５の劣化や破損を招く虞があり、逆に水素濃度に対して後段側セルスタック１５の掃引電流が過剰に低いと、未利用燃料が増えて発電効率が低下する虞がある。本実施形態では上記のとおり、水素濃度センサ１８の検知結果に応じて掃引電流が適正化されるため、このような問題を解消させることが可能である。

【0054】

なお電力制御ユニット２について、本実施形態では前段側セルスタック１３と後段側セルスタック１５の両方の掃引電流を制御するようにしているが、これらのうち何れか一方のセルスタックのみの掃引電流を制御するようにしても良い。この場合、他方のセルスタックの掃引電流の制御は、別のユニットにおいて実行されるようにすれば良い。

【0055】

一例としては、後段側セルスタック１５のみの掃引電流を制御するように、電力制御ユニット２を設定することも可能である。この場合、パワーコンディショナ２１は、コントローラ２０から受信した電流指令値に基づいて後段側セルスタック１５の掃引電流を制御するとともに、後段側セルスタック１５から得られた直流電力を交流電力に変換して外部の負荷へ供給する役割を果たす。

【0056】

また本実施形態では、先述のとおりＣＯ変成処理が実行されるため、水素濃度センサ１８によって再生オフガスＧｄに含まれる燃料成分の濃度をより精度良く検知することが可能である。すなわち、仮にＣＯ変成処理が実行されないとすれば、燃料成分として水素と一酸化炭素が再生オフガスＧｄに含まれることになるが、水素濃度センサ１８はこれらのうち水素だけを検知するため、燃料成分の濃度を適切に検知することが難しい。しかし本実施形態ではＣＯ変成処理が実行されることにより、再生オフガスＧｄに含まれる燃料成分は殆ど水素のみとなる。これにより、水素濃度センサ１８は再生オフガスＧｄに含まれる燃料成分の濃度を精度良く検知し、先述した掃引電流の制御をより適切に行うことが可能となっている。なお水素濃度センサ１８は、再生オフガスＧｄの水素濃度を検知し得る種々の位置に配置可能であり、例えば、水タンク１４ａの気相部（好ましくはガス出口付近）の水素濃度を検知できる位置に配置しても良い。

【0057】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の構成は上記実施形態に限られず、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

【産業上の利用可能性】

【0058】

本発明は、固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池システムに利用可能である。

【符号の説明】

【0059】

１ 燃料電池システム
１１ 改質器
１２ 蒸発器
１３ 前段側セルスタック
１３ａ 第１燃料極
１３ｂ 第１空気極
１４ 水回収装置
１４ａ 水タンク
１４ｂ 凝縮器
１４ｃ 冷却用空気経路
１５ 後段側セルスタック
１５ａ 第２燃料極
１５ｂ 第２空気極
１６ オフガスバーナー
１７ 変成器
１８ 水素濃度センサ
２ 電力制御ユニット
２０ コントローラ
２１ パワーコンディショナ
Ａａ 各空気極へ送られる空気
Ａｂ 第１空気極から排出された空気
Ａｃ 第２空気極から排出された空気
Ｂ１ 第１ブロワ
Ｂ２ 第２ブロワ
Ｇａ 原料ガス
Ｇｂ 改質ガス
Ｇｃ 第１オフガス
Ｇｄ 再生オフガス
Ｇｅ 第２オフガス
Ｇｆ 燃焼排ガス
Ｈ１ 第１熱交換器
Ｈ２ 第２熱交換器
Ｌａ１ 第１空気経路
Ｌａ２ 第２空気経路
Ｌａ３ 第３空気経路
Ｌｇ１ 第１ガス経路
Ｌｇ２ 第２ガス経路
Ｌｇ３ 第３ガス経路
Ｌｇ４ 第４ガス経路
Ｌｇ５ 第５ガス経路
Ｌｘ 燃焼排ガス経路
Ｌｗ 水経路
Ｐａ 空気受入部
Ｐｇ 原料ガス受入部
ＴＡ 断熱領域
Ｗ１ 水ポンプ
Ｗａ 改質水

【図1】

【図2】