特許 7568668 燃料電池システム、及び、燃料電池システムの運転方法

(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】

(24)【登録日】2024-10-07

(45)【発行日】2024-10-16

(54)【発明の名称】燃料電池システム、及び、燃料電池システムの運転方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20241008BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20241008BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20241008BHJP

   H01M 8/249 20160101ALI20241008BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 J

H01M8/04746

H01M8/04858

H01M8/249

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2022058146

(22)【出願日】2022-03-31

(65)【公開番号】P2023149529

(43)【公開日】2023-10-13

【審査請求日】2022-07-22

【審判番号】

【審判請求日】2023-03-27

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000785

【氏名又は名称】ＳＳＩＰ弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】久留 長生

(72)【発明者】

【氏名】加藤 芳樹

(72)【発明者】

【氏名】岩田 光由

【合議体】

【審判長】八木 誠

【審判官】河端 賢

【審判官】倉橋 紀夫

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２１－１２５２９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－１４４３３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１２３８１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２５８００４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１８６３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２０１２６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１４７７３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－９６６３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

H01M 8/00- 8/2495

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガスを用いて発電可能な第１燃料電池と、
前記第１燃料電池の排燃料ガスが流れる第１排燃料ガスラインと、
前記第１排燃料ガスラインを介して前記第１燃料電池の下流側に接続され、前記第１排燃料ガスラインを流れる前記排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池と、
前記第１排燃料ガスラインから分岐し、前記第１排燃料ガスラインを流れる前記排燃料ガスの一部を前記第１燃料電池に再循環するための再循環ラインと、
を備え、
前記排燃料ガスのＳ／Ｃ比が予め設定される運転範囲になるように、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の燃料利用率がそれぞれ設定される、燃料電池システム。

【請求項2】

燃料ガス供給源から燃料ガス供給ラインを介して接続され、燃料ガスを用いて発電可能な第１燃料電池と、
前記第１燃料電池の排燃料ガスが流れる第１排燃料ガスラインと、
前記第１排燃料ガスラインを介して前記第１燃料電池の下流側に接続され、前記第１排燃料ガスラインを流れる前記排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池と、
前記燃料ガス供給ラインから分岐し、前記燃料ガスを、前記第１燃料電池をバイパスして前記第１排燃料ガスラインに供給するためのバイパス供給ラインと、
を備え、
前記第１燃料電池に供給される前記燃料ガスの一部が、前記バイパス供給ラインを介して前記第２燃料電池に供給され、
前記第２燃料電池へ供給される燃料ガスのＳ／Ｃ比及びシステム燃料利用率が予め設定される運転範囲になるように、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の燃料利用率及びバイパス率がそれぞれ設定される、燃料電池システム。

【請求項3】

前記再循環ラインの接続箇所より下流側に接続され、前記燃料ガスを前記第１燃料電池をバイパスして前記第２燃料電池に供給するためのバイパス供給ラインと、
を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記第１燃料電池は、前記燃料ガスに対して互いに並列に接続され、且つ、標準化された複数の第１燃料電池モジュールを含み、
前記第２燃料電池は、前記排燃料ガスに対して互いに並列に接続され、且つ、標準化された複数の第２燃料電池モジュールを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記排燃料ガスが流れる排燃料ガスラインに外部から水蒸気が供給されない、請求項１から４の何れか一項に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記排燃料ガスが流れる排燃料ガスラインから水蒸気が回収されない、請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

【請求項7】

燃料ガスを用いて発電可能な第１燃料電池と、
前記第１燃料電池の排燃料ガスが流れる第１排燃料ガスラインと、
前記第１排燃料ガスラインを介して前記第１燃料電池の下流側に接続され、前記第１排燃料ガスラインを流れる前記排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池と、
前記第１排燃料ガスラインから分岐し、前記第１排燃料ガスラインを流れる前記排燃料ガスの一部を前記第１燃料電池に再循環するための再循環ラインと、
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記排燃料ガスのＳ／Ｃ比が予め設定される運転範囲になるように、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の燃料利用率をそれぞれ設定する、燃料電池システムの運転方法。

【請求項8】

燃料ガス供給源から燃料ガス供給ラインを介して接続され、燃料ガスを用いて発電可能な第１燃料電池と、
前記第１燃料電池の排燃料ガスが流れる第１排燃料ガスラインと、
前記第１排燃料ガスラインを介して前記第１燃料電池の下流側に接続され、前記第１排燃料ガスラインを流れる前記排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池と、
前記燃料ガス供給ラインから分岐し、前記燃料ガスを、前記第１燃料電池をバイパスして前記第１排燃料ガスラインに供給するためのバイパス供給ラインと、
を備え、
前記第１燃料電池に供給される前記燃料ガスの一部が、前記バイパス供給ラインを介して前記第２燃料電池に供給される燃料電池システムの運転方法であって、
前記第２燃料電池へ供給される燃料ガスのＳ／Ｃ比及びシステム燃料利用率が予め設定される運転範囲になるように、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の燃料利用率及びバイパス率をそれぞれ設定する、燃料電池システムの運転方法。

【請求項9】

燃料ガス供給源から燃料ガス供給ラインを介して接続され、燃料ガスを用いて発電可能な第１燃料電池と、
前記第１燃料電池の排燃料ガスが流れる第１排燃料ガスラインと、
前記第１排燃料ガスラインを介して前記第１燃料電池の下流側に接続され、前記第１排燃料ガスラインを流れる前記排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池と、
前記燃料ガス供給ラインから分岐し、前記燃料ガスを、前記第１燃料電池をバイパスして前記第１排燃料ガスラインに供給するためのバイパス供給ラインと、
を備え、
前記第１燃料電池に供給される前記燃料ガスの一部が、前記バイパス供給ラインを介して前記第２燃料電池に供給され、
前記第１燃料電池は、前記燃料ガスに対して互いに並列に接続され、且つ、標準化された複数の第１燃料電池モジュールを含み、
前記第２燃料電池は、前記排燃料ガスに対して互いに並列に接続され、且つ、標準化された複数の第２燃料電池モジュールを含む燃料電池システムの運転方法であって、
前記第２燃料電池へ供給される燃料ガスのＳ／Ｃ比及びシステム燃料利用率が予め設定される運転範囲になるように、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の燃料利用率及びバイパス率、並びに、前記複数の第１燃料電池モジュールと前記複数の第２燃料電池モジュールとの出力比をそれぞれ設定する、燃料電池システムの運転方法。

【請求項10】

燃料ガスを用いて発電可能な第１燃料電池と、
前記第１燃料電池の排燃料ガスが流れる第１排燃料ガスラインと、
前記第１排燃料ガスラインを介して前記第１燃料電池の下流側に接続され、前記第１排燃料ガスラインを流れる前記排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池と、
前記第１排燃料ガスラインから分岐し、前記第１排燃料ガスラインを流れる前記排燃料ガスの一部を前記第１燃料電池に再循環するための再循環ラインと、
を備え、
前記第１燃料電池は、前記燃料ガスに対して互いに並列に接続され、且つ、標準化された複数の第１燃料電池モジュールを含み、
前記第２燃料電池は、前記排燃料ガスに対して互いに並列に接続され、且つ、標準化された複数の第２燃料電池モジュールを含む燃料電池システムの運転方法であって、
前記第２燃料電池へ供給される燃料ガスのＳ／Ｃ比及びシステム燃料利用率が予め設定される運転範囲になるように、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の燃料利用率及び再循環率、並びに、前記複数の第１燃料電池モジュールと前記複数の第２燃料電池モジュールとの出力比をそれぞれ設定する、燃料電池システムの運転方法。

【請求項11】

前記運転範囲は、前記第１燃料電池の燃料利用率が８０％以下であることを規定する、請求項７から１０のいずれか一項に記載の燃料電池システムの運転方法。

【請求項12】

前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池を合計したシステム燃料利用率が９０％以上である、請求項１１に記載の燃料電池システムの運転方法。

【請求項13】

前記運転範囲は、前記排燃料ガスのＳ／Ｃ比が１０以下であることを規定する、請求項７から１２のいずれか一項に記載の燃料電池システムの運転方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、燃料電池システム、及び、燃料電池システムの運転方法に関する。

【背景技術】

【0002】

発電デバイスの一つとして固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が知られている。固体酸化物形燃料電池は、ガスタービンや蒸気タービンのような他の発電デバイスと組み合わされることにより、複合発電システムとして利用することでより高効率の発電が可能である。複合発電システムでは、前段の固体酸化物形燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガス（空気）を供給し、発電を行うとともに、固体酸化物形燃料電池から排出される出口燃料ガス（排燃料ガス）と出口酸化剤ガス（排空気）とを混合し、燃焼器で燃焼させて、後段のガスタービンや蒸気タービンに投入することで、これらのタービンに結合した発電機で発電を行う。タービンから排出される排ガスのエネルギは、更に、排気回収システムで回収される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第３９１７８３８号公報

【文献】特許第３９２４２４３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

前段の燃料電池の排燃料ガスを後段の燃料電池に供給するようにカスケード接続された燃料電池システムでは、上記特許文献２のように、前段の燃料電池の排燃料ガスを冷却することで排燃料ガスに含まれる過剰な水分を回収し、排燃料ガスのＳ／Ｃ比が後段の燃料電池に対して適切になるように排燃料ガスに燃料が追加されることがある。このようなシステムでは、前段の燃料電池の運転状態（例えば負荷率や燃料利用率など）によって排燃料ガスに含まれる水分量が変化するため、特に負荷変化時の過渡的な挙動において、後段の燃料電池にとって排燃料ガスのＳ／Ｃ比を適切に調整することが難しい。

【0005】

また固体酸化物形燃料電池では排燃料ガスの温度が数百度にも及び、排燃料ガスに含まれる水分を十分に回収するためには排燃料ガスを一旦約５０～６０℃程度まで冷却する必要があり、冷却及び再加熱用の熱交換器が大型化し冷却水などの冷熱源が必要になる。

【0006】

本開示の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、カスケード接続された後段の燃料電池に対して前段の燃料電池から供給される排燃料ガスのＳ／Ｃ比を簡易な構成で適切に調整し、高効率な燃料電池システム、及び、燃料電池システム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】

【0007】

本開示の一態様に係る燃料電池システムは、
燃料ガスを用いて発電可能な第１燃料電池と、
前記第１燃料電池の排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池と、
前記排燃料ガスの一部を前記第１燃料電池に再循環するための再循環ラインと、
を備える。

【0008】

他の態様に係る燃料電池システムは、
燃料ガスを用いて発電可能な第１燃料電池と、
前記第１燃料電池の排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池と、
前記燃料ガスを、前記第１燃料電池をバイパスして前記第２燃料電池に供給するためのバイパス供給ラインと、
を備える。

【0009】

本開示の一態様に係る燃料電池システムの運転方法は、
燃料ガスを用いて発電可能な第１燃料電池と、
前記第１燃料電池の排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池と、
前記排燃料ガスの一部を前記第１燃料電池に再循環するための再循環ラインと、
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記排燃料ガスのＳ／Ｃ比が予め設定される運転範囲になるように、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の燃料利用率をそれぞれ設定する。

【0010】

他の態様に係る燃料電池システムの運転方法は、
燃料ガスを用いて発電可能な第１燃料電池と、
前記第１燃料電池の排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池と、
前記燃料ガスを、前記第１燃料電池をバイパスして前記第２燃料電池に供給するためのバイパス供給ラインと、
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記第２燃料電池へ供給される燃料ガスのＳ／Ｃ比及びシステム燃料利用率が予め設定される運転範囲になるように、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の燃料利用率及びバイパス率をそれぞれ設定する。

【0011】

他の態様に係る燃料電池システムの運転方法は、
燃料ガスを用いて発電可能な第１燃料電池と、
前記第１燃料電池の排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池と、
前記燃料ガスを、前記第１燃料電池をバイパスして前記第２燃料電池に供給するためのバイパス供給ラインと、
を備え、
前記第１燃料電池は、前記燃料ガスに対して互いに並列に接続され、且つ、標準化された複数の第１燃料電池モジュールを含み、
前記第２燃料電池は、前記排燃料ガスに対して互いに並列に接続され、且つ、標準化された複数の第２燃料電池モジュールを含む燃料電池システムの運転方法であって、
前記第２燃料電池へ供給される燃料ガスのＳ／Ｃ比及びシステム燃料利用率が予め設定される運転範囲になるように、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の燃料利用率及びバイパス率、並びに、前記複数の第１燃料電池モジュールと前記複数の第２燃料電池モジュールとの出力比をそれぞれ設定する。

【0012】

他の態様に係る燃料電池システムの運転方法は、
燃料ガスを用いて発電可能な第１燃料電池と、
前記第１燃料電池の排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池と、
前記排燃料ガスの一部を前記第１燃料電池に再循環するための再循環ラインと、
を備え、
前記第１燃料電池は、前記燃料ガスに対して互いに並列に接続され、且つ、標準化された複数の第１燃料電池モジュールを含み、
前記第２燃料電池は、前記排燃料ガスに対して互いに並列に接続され、且つ、標準化された複数の第２燃料電池モジュールを含む燃料電池システムの運転方法であって、
前記第２燃料電池へ供給される燃料ガスのＳ／Ｃ比及びシステム燃料利用率が予め設定される運転範囲になるように、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の燃料利用率及び再循環率、並びに、前記複数の第１燃料電池モジュールと前記複数の第２燃料電池モジュールとの出力比をそれぞれ設定する。

【発明の効果】

【0013】

本開示の少なくとも一実施形態によれば、カスケード接続された後段の燃料電池に対して前段の燃料電池から供給される排燃料ガスのＳ／Ｃ比を簡易な構成で適切に調整可能な燃料電池システム、及び、燃料電池システムの運転方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

【図2】図１の燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。

【図3】他の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

【図4】図３の燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。

【図5】燃料電池システムの性能試算例を比較例とともに示す図である。

【図6】図５に示される比較例の概略構成図である。

【図7A】他の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

【図7B】他の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

【図7C】他の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

【図7D】他の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

【0016】

図１は一実施形態に係る燃料電池システム１Ａの概略構成図である。燃料電池システム１Ａは、第１燃料電池２及び第２燃料電池４を備える。第１燃料電池２及び第２燃料電池４は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）であり、燃料ガスＧｆ及び酸化剤ガスＧｏを用いた電気化学反応により発電を行う。燃料ガスＧｆは、例えば、メタンガス（天然ガス）又はプロパンガス等の炭化水素ガスであり、酸化剤ガスＧｏは、例えば、空気である。

【0017】

燃料ガスＧｆは、燃料ガス供給源６から燃料ガスライン８を介して第１燃料電池２に供給される。第１燃料電池２は複数の電池セル（不図示）を含んでおり、燃料ガスライン８は分岐することで第１燃料電池２を構成する各電池セルに対して並列に燃料ガスＧｆを供給する。

【0018】

第１燃料電池２の各電池セルから排出される第１排燃料ガスＧｅｆ１は、第１排燃料ガスライン１０を介して、第２燃料電池４に供給される。第２燃料電池４は前述の第１燃料電池２と同様に複数の電池セル（不図示）を含んでおり、第１排燃料ガスライン１０は分岐することで第２燃料電池４を構成する各電池セルに対して並列に第１排燃料ガスＧｅｆ１を供給する。
尚、第１燃料電池２及び第２燃料電池４に含まれる電池セルの数は同じであってもよく、異なってもよく、限定されない。

【0019】

第２燃料電池４から排出される第２排燃料ガスＧｅｆ２は、第２排燃料ガスライン１２を介して外部に排出される。第２排燃料ガスライン１２上には、第２排燃料ガスＧｅｆ２に含まれる未燃分を燃焼するための燃焼器（例えば触媒燃焼器）が設けられていてもよい。

【0020】

酸化剤ガスＧｏは、酸化剤ガス供給源１４から酸化剤ガスライン１６を介して第１燃料電池２に供給される。第１燃料電池２は複数の電池セル（不図示）を含んでおり、酸化剤ガスライン１６は分岐することで第１燃料電池２を構成する各電池セルに対して並列に酸化剤ガスＧｏを供給する。

【0021】

第１燃料電池２の各電池セルから排出される第１排酸化剤ガスＧｅо１は、第１排酸化剤ガスライン１８を介して、第２燃料電池４に供給される。第２燃料電池４は前述の第１燃料電池２と同様に複数の電池セル（不図示）を含んでおり、第１排酸化剤ガスライン１８は分岐することで第２燃料電池４を構成する各電池セルに対して並列に第１排酸化剤ガスＧｅо１を供給する。

【0022】

第２燃料電池４から排出される第２排酸化剤ガスＧｅо２は、第２排酸化剤ガスライン２０を介して外部に排出される。

【0023】

このような燃料電池システム１Ａでは、第１燃料電池２から排出される第１排燃料ガスＧｅｆ１が第２燃料電池４に供給されることで、第２燃料電池４の発電反応に用いられるように、第１燃料電池２及び第２燃料電池４の燃料ガス系統がカスケード接続されている。図１では、第１燃料電池２から排出される第１排酸化剤ガスＧｅｏ１が第２燃料電池４に供給されることで、第２燃料電池４の発電反応に用いられるように、第１燃料電池２及び第２燃料電池４の酸化剤ガス系統もカスケード接続されているが、酸化剤ガス系統はカスケード接続されていなくともよい。

【0024】

上記構成の燃料電池システム１Ａでは、第１燃料電池２からの第１排燃料ガスＧｅｆ１が流れる第１排燃料ガスライン１０には、外部から水分供給及び外部へ水分回収されず、第２燃料電池４では、第１排燃料ガスＧｅｆ１に含まれる水分を用いて改質が行われる。このような構成において、燃料電池システム１Ａは、第１燃料電池２の燃料改質に必要な蒸気を自給するために、第１排燃料ガスライン１０を流れる第１排燃料ガスＧｅｆ１の一部を、燃料ガスライン８に再循環させるための再循環ライン２１を備える。再循環ライン２１には再循環ブロワ２２が設けられており、再循環ブロワ２２の動作状態に応じた流量の第１排燃料ガスＧｅｆ１の一部が第１燃料電池２に再循環される。これにより、再循環ライン２１によって第１燃料電池２に再循環される第１排燃料ガスＧｅｆ１の流量を調整することにより、燃料ガスライン８に対して外部から水分を追加することなく、第１燃料電池２に供給される燃料ガスＧｆに含まれる水分量を、第１燃料電池２の改質反応に必要水分量になるように調整することができる。また、第１燃料電池２の燃料利用率を適正な値に設定することで第２燃料電池４に供給される第１排燃料ガスＧｅｆ１に含まれる水分量を第２燃料電池４の発電反応に適した量に調整することが可能である。
尚、第１排燃料ガスＧｅｆ１の再循環にはエゼクタを用いてもよい。

【0025】

続いて上記構成を有する燃料電池システム１Ａの運転方法について説明する。図２は図１の燃料電池システム１Ａの運転方法を示すフローチャートである。

【0026】

燃料電池システム１Ａについてシステム全体の目標出力Ｐｘが設定される（ステップＳ１００）。目標出力Ｐｘは、燃料電池システム１Ａを運用する際に定常的に出力される仕事量であり、例えば燃料電池システム１Ａの定格出力の設計値である。このような目標出力Ｐｘは、燃料電池システム１Ａが電力系統に電力を供給するために接続されている場合には、電力系統における需給状態に応じて、燃料電池システム１Ａが受信する出力指令に基づいて決定されてもよい。尚、第１燃料電池２と第２燃料電池４の各出力は同じであっても、異なっていても合計の出力が目標出力Ｐｘを達成できればよい。

【0027】

続いて燃料電池システム１Ａに対する燃料ガスＧｆの全体供給量Ｑ０（初期値）及びシステム燃料利用率Ｕｆを設定する（ステップＳ１０１）。そして続いて第１燃料電池２に対する燃料ガスＧｆの供給量Ｑ１、及び、第１燃料電池２の燃料利用率Ｕｆ１に基づいて、第１燃料電池の出力電流値Ｉ１が算出される（ステップＳ１０２）。続いて、ステップＳ１０２で算出された第１燃料電池２の出力電流値Ｉ１に対応する第１燃料電池２の出力電圧値Ｖ１が算出される（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０３における出力電圧値Ｖ１の算出は、予め特定された第１燃料電池２の出力特性（Ｉ－Ｖ特性）に基づいて行われる。続いてステップＳ１０２で算出された第１燃料電池２の出力電流値Ｉ１、及び、ステップＳ１０３で算出された第１燃料電池２の出力電圧値Ｖ１に基づいて、第１燃料電池２の出力Ｐ１（＝Ｉ１×Ｖ１）が算出される（ステップＳ１０４）。

【0028】

続いて第２燃料電池４に対する第１排燃料ガスＧｅｆ１の供給量Ｑ２が算出される（ステップＳ１０５）。具体的には第１排燃料ガスＧｅｆ１の供給量Ｑ２は、ステップＳ１０１で設定された燃料ガスＧｆの全体供給量Ｑ０から、第１燃料電池２で消費される燃料ガスＧｆの流量（＝Ｑ１×Ｕｆ１）を減算することで求められる。

【0029】

続いて、ステップＳ１０５で算出された第１排燃料ガスＧｅｆ１の供給量Ｑ２で第２燃料電池４で発電を行なった場合にシステム燃料利用率Ｕｆが設定された値となるよう第２燃料電池４の燃料利用率Ｕｆ２が算出される（ステップＳ１０６）。ステップＳ１０６では、例えば燃料電池システム１Ａの全体の燃料利用率Ｕｆを用いて、次式により第２燃料電池４の燃料利用率Ｕｆ２が算出される。
Ｕｆ２＝（Ｑ０×Ｕｆ－Ｑ１×Ｕｆ１）／Ｑ２

【0030】

続いてステップＳ１０５で算出された第１排燃料ガスＧｅｆ１の供給量Ｑ２、及び、ステップＳ１０６で算出された第２燃料電池４の燃料利用率Ｕｆ２に基づいて、第２燃料電池４の出力電流値Ｉ２が算出される（ステップＳ１０７）。続いて、ステップＳ１０７で算出された第２燃料電池４の出力電流値Ｉ２に対応する第２燃料電池４の出力電圧値Ｖ２が算出される（ステップＳ１０８）。ステップＳ１０８における出力電圧値Ｖ２の算出は、予め特定された第２燃料電池４の出力特性（Ｉ－Ｖ特性）に基づいて行われる。

【0031】

続いてステップＳ１０７で算出された第２燃料電池４の出力電流値Ｉ２、及び、ステップＳ１０８で算出された第２燃料電池４の出力電圧値Ｖ２に基づいて、第２燃料電池４の出力Ｐ２（＝Ｉ２×Ｖ２）が算出される（ステップＳ１０９）。

【0032】

続いてステップＳ１０４で算出された第１燃料電池２の出力Ｐ１、及び、ステップＳ１０９で算出された第２燃料電池４の出力Ｐ２に基づいて、燃料電池システム１Ａの全体出力Ｐ（＝Ｐ１＋Ｐ２）が算出される（ステップＳ１１０）。そしてステップＳ１１０で算出された全体出力Ｐが、ステップＳ１００で設定された目標出力Ｐｘになっているか否かが判定される（ステップＳ１１１）。その結果、全体出力Ｐが目標出力Ｐｘになっていない場合（ステップＳ１１１：ＮＯ）、ステップＳ１０１で設定した燃料ガスＧｆの全体供給量Ｑを変更し（ステップＳ１１２）、処理をステップＳ１０２に戻すことで一連の演算がやり直される。このような一連の演算は、全体出力Ｐが目標出力Ｐｘになるまで繰り返し実施されることにより、最適な運転条件が探索される（ステップＳ１１１：ＹＥＳ）。このようにして得られた最終的な計算結果は、運転条件として出力される（ステップＳ１１３）。

【0033】

図３は他の実施形態に係る燃料電池システム１Ｂの概略構成図であり、図４は図３の燃料電池システム１Ｂの運転方法を示すフローチャートである。

【0034】

図３に示すように、燃料電池システム１Ｂは、前述の実施形態に係る燃料電池システム１Ａ比べて、バイパスライン３０を更に備える点で異なる。バイパスライン３０は、燃料ガスライン８のうち再循環ライン２１の接続箇所より上流側と、第１排燃料ガスライン１０のうち再循環ライン２１の接続箇所より下流側とを接続することにより、燃料ガスライン８を流れる燃料ガスＧｆの一部が、第１燃料電池２をバイパスして第２燃料電池４に供給されるように構成される。

【0035】

このような構成を有する燃料電池システム１Ｂの設計では、図４に示すステップＳ２００～Ｓ２０１，及び、Ｓ２０３～Ｓ２１４は、前述の図２を参照したフローチャートのステップＳ１００～Ｓ２１３と同様であるが、ステップＳ２０２において、第１燃料電池２に対する燃料ガスＧｆの供給量Ｑ１が、ステップＳ２０１で設定した全体供給量Ｑ０、及び、燃料ガスＧｆのうちバイパスライン３０を介して第１燃料電池２をバイパスして第２燃料電池４に供給される割合（バイパス率Ｒ）に基づいて算出される点で異なる。具体的には、ステップＳ２０２では、第１燃料電池２に対する燃料ガスＧｆの供給量Ｑ１が、次式により求められる。
Ｑ１＝Ｑ０×（１－Ｒ）

【0036】

このように燃料電池システム１Ｂでは、第２燃料電池４には第１燃料電池２からの第１排燃料ガスＧｅｆ１に加えて、バイパスライン３０を介して燃料ガスＧｆの一部が供給される。これにより、システム全体の燃料利用率を９０％以上に高めた場合においても、第２燃料電池４に供給される第１排燃料ガスＧｅｆ１における燃料濃度を高め、Ｓ／Ｃ比を適切な範囲に改善できる。その結果、燃料電池システム１Ｂでは、従来の燃料電池システムに比べて、全体の発電効率を更に向上させることができる。

【0037】

続いて前述の燃料電池システム１Ａ及び１Ｂの具体的な試算例について、図５を参照して説明する。図５は燃料電池システム１Ａ及び１Ｂの試算例を比較例とともに示す図であり、図６は図５に示される比較例の概略構成図である。尚、比較のため各システムの第１燃料電池および第２燃料電池は同一仕様の燃料電池モジュール２台用いるものとする。

【0038】

尚、図５に示される比較例に係る燃料電池システム１Ｃは、前述の燃料電池システム１Ａ及び１Ｂを構成する第１燃料電池２及び第２燃料電池４が、燃料ガスＧｆ及び酸化剤ガスＧｏに対して互いに並列に接続された構成を有する。すなわち比較例に係る燃料電池システム１Ｃは、第１燃料電池２及び第２燃料電池４がカスケード接続されていない点において前述の各実施形態に係る燃料電池システム１Ａ及び１Ｂと基本的構成が異なる。

【0039】

図５の試算結果によれば、燃料電池システム１Ａでは、システム燃料利用率を「９０％」に設定し、第１燃料電池２の燃料利用率Ｕｆ１を「７０％」とした場合に、第２燃料電池の燃料利用率Ｕｆ２は「７４．３％」となるが、Ｓ／Ｃは「７」であり標準的なＳ／Ｃ「３」に対して蒸気供給が過剰となり、燃料濃度が薄くなり発電特性は低下する。それに対して燃料電池システム１Ｂでは、同じくシステム燃料利用率を「９０％」に設定し、第１燃料電池２の燃料利用率Ｕｆ１を「７３％」に設計した場合において、第２燃料電池の燃料利用率Ｕｆ２は「８０．６％」となり、Ｓ／Ｃも「３」と適切な値を維持できている。これにより、燃料電池システム１Ｂでは、バイパスライン３０を介して燃料ガスＧｆの一部を第１燃料電池２をバイパスして第２燃料電池４に直接供給することで、第２燃料電池のＳ／Ｃを適正な値に維持したうえで、システム燃料利用率を高めることが可能である。

【0040】

また燃料電池システム１Ａでは、第１燃料電池２の出力電流値Ｉ１が「１．０２７Ａ」であるのに対して第２燃料電池の出力電流値Ｉ２が「０．２９２Ａ」である。これに対して燃料電池システム１Ｂでは、第１燃料電池２の出力電流値Ｉ１が「０．８２９Ａ」であるのに対して第２燃料電池の出力電流値Ｉ２が「０．４４９Ａ」であり、燃料電池システム１Ａに比べて両者の差が少なくそれぞれを適切な電流域で運転できている。

【0041】

また燃料電池システム１Ａの全体の発電効率は「６７．５％」であり、一般的なシステムである比較例に係る燃料電池システム１Ｃの「６４．２％」に比べて良好である。これは燃料電池システム１Ａでは第１燃料電池２及び第２燃料電池４をカスケード接続して、更に、再循環ライン２１によって第１排燃料ガスＧｅｆ１の一部を第１燃料電池２に再循環させることで、比較例に係る燃料電池システム１Ｃでは達成が困難なレベルまでシステム燃料利用率を向上できたことによるものである。そして燃料電池システム１Ｂでは、全体の発電効率が「６９．７％」を達成しており、更に良好な発電効率が得られている。これは、燃料電池システム１Ｂでは、バイパスライン３０を介して燃料ガスＧｆの一部を第１燃料電池２をバイパスして第２燃料電池４に直接供給することで、第１燃料電池２と第２燃料電池４の出力割合のアンバランスが燃料電池システム１Ａに比べ改善され、同時に第２燃料電池４のＳ／Ｃを適正な値に設定できたことによると考えられる。

【0042】

図７Ａ～図７Ｄは他の実施形態に係る燃料電池システム１Ｄの概略構成図である。燃料電池システム１Ｄは、前述の実施形態と同様に第１燃料電池２及び第２燃料電池４を備えるが、これらの燃料電池は、標準化された少なくとも１つの燃料電池モジュールを含んで構成される。具体的には、第１燃料電池２は、標準化された少なくとも１つの第１燃料電池モジュール４０ａを含んで構成され、第２燃料電池４は、標準化された少なくとも１つの第２燃料電池モジュール４０ｂを含んで構成される。

【0043】

尚、第１燃料電池２に含まれる複数の第１燃料電池モジュール４０ａの上流側は、燃料ガスライン８に対して互いに並列に接続されることにより、燃料ガスライン８からの燃料ガスＧｆが複数の第１燃料電池モジュール４０ａに対して並列に供給されるように構成される。また複数の第１燃料電池モジュール４０ａの下流側は第１排燃料ガスライン１０に対して互いに並列に接続されることにより、複数の第１燃料電池モジュール４０ａからの第１排燃料ガスＧｅｆ１は、第１排燃料ガスライン１０に対して合流して排出されるように構成される。

【0044】

また第２燃料電池４に含まれる複数の第２燃料電池モジュール４０ｂの上流側は、第１排燃料ガスライン１０に対して互いに並列に接続されることにより、第１排燃料ガスライン１０からの第１排燃料ガスＧｅｆ１が複数の第２燃料電池モジュール４０ｂに対して並列に供給されるように構成される。また複数の第２燃料電池モジュール４０ｂの下流側は第２排燃料ガスライン１２に対して互いに並列に接続されることにより、複数の第２燃料電池モジュール４０ｂからの第２排燃料ガスＧｅｆ２は、第２排燃料ガスライン１２に対して合流して排出されるように構成される。

【0045】

尚、図７Ａ～図７Ｄでは燃料電池システム１Ｄの構成を概略的に示すために、前述の再循環ライン２１及び酸化剤ガス側の各ラインに関する構成は省略されている。

【0046】

燃料電池システム１Ｄでは、第１燃料電池２に含まれる第１燃料電池モジュール４０ａの数と、第２燃料電池４に含まれる第２燃料電池モジュール４０ｂの数との比を調整することで、燃料電池システム１Ｄにおけるカスケード比が可変となっている。図７Ａ～図７Ｄには、それぞれ異なるカスケード比に対応する燃料電池システム１Ｄの概略構成の例が示されている。図７Ａでは、第１燃料電池２は１つの第１燃料電池モジュール４０ａを含むとともに、第２燃料電池４が１つの第２燃料電池モジュール４０ｂを含むことにより、カスケード比が「１：１」である構成が示されている。また図７Ｂでは、第１燃料電池２は４つの第１燃料電池モジュール４０ａを含むとともに、第２燃料電池４が３つの第２燃料電池モジュール４０ｂを含むことにより、カスケード比が「４：３」である構成が示されている。また図７Ｃでは、第１燃料電池２は３つの第１燃料電池モジュール４０ａを含むとともに、第２燃料電池４が２つの第２燃料電池モジュール４０ｂを含むことにより、カスケード比が「３：２」である構成が示されている。また図７Ｄでは、第１燃料電池２は２つの第１燃料電池モジュール４０ａを含むとともに、第２燃料電池４が１つの第２燃料電池モジュール４０ｂを含むことにより、カスケード比が「２：１」である構成が示されている。

【0047】

このような燃料電池システム１Ｄにおける第１燃料電池モジュール４０ａの台数、及び、第２燃料電池モジュール４０ｂの台数の比（カスケード比）は、第１排燃料ガスＧｅｆ１の供給量が、第２燃料電池４の燃料利用率が適切な値となるよう設定される。これにより、燃料電池システム１Ｄでは前述の実施形態に比べて、更に発電効率を向上させることができる。また第１燃料電池２及び第２燃料電池４をそれぞれ標準化された燃料電池モジュールを単位とした構成にすることで、要求されたシステム出力に応じてより高効率で自由なシステム構成が可能となる。

【0048】

その他、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態を適宜組み合わせてもよい。

【0049】

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

【0050】

（１）一態様に係る燃料電池システムは、
燃料ガスを用いて発電可能な第１燃料電池と、
前記第１燃料電池の排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池と、
前記排燃料ガスの一部を前記第１燃料電池に再循環するための再循環ラインと、
を備える。

【0051】

上記（１）の態様によれば、再循環ラインによって第１燃料電池の排燃料ガスの一部が第１燃料電池に再循環される。これにより再循環ラインによる排燃料ガスの再循環量を調整することで、外部からの水分供給なしで第１燃料電池に供給される燃料ガスのＳ／Ｃ比を好適に設計範囲に調整できる。

【0052】

（２）他の態様に係る燃料電池システムは、
燃料ガスを用いて発電可能な第１燃料電池と、
前記第１燃料電池の排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池と、
前記燃料ガスを、前記第１燃料電池をバイパスして前記第２燃料電池に供給するためのバイパス供給ラインと、
を備える。

【0053】

上記（２）の態様によれば、第１燃料電池に供給される燃料ガスの一部が、バイパス供給ラインを介して、第２燃料電池にも供給される。これにより、第２燃料電池には第１燃料電池からの排燃料ガスに加えて、燃料ガスの一部が供給される。そのため、バイパス供給ラインを介して第２燃料電池にも供給される燃料ガスの量を調整することで、第２燃料電池に供給される排燃料ガスのＳ／Ｃ比をより好適な条件に調整できる。

【0054】

（３）他の態様では、上記（１）又は（２）の態様において、
前記第１燃料電池は、前記燃料ガスに対して互いに並列に接続され、且つ、標準化された複数の第１燃料電池モジュールを含み、
前記第２燃料電池は、前記排燃料ガスに対して互いに並列に接続され、且つ、標準化された複数の第２燃料電池モジュールを含む。

【0055】

上記（３）の態様によれば、第１燃料電池及び第２燃料電池は、それぞれ標準化された複数の燃料電池モジュールを含んで構成される。第１燃料電池及び第２燃料電池をそれぞれ標準化された燃料電池モジュールを単位とした構成にすることで、要求されたシステム出力に応じてより高効率で自由なシステム構成が可能となる。

【0056】

（４）他の態様では、上記（１）から（３）のいずれか一態様において、
前記排燃料ガスが流れる排燃料ガスラインに外部から水分が供給されない。

【0057】

上記（４）の態様によれば、第１燃料電池からの排燃料ガスが第２燃料電池にとって好適なＳ／Ｃ比を有するため、外部から水分供給を行う必要がない。すなわち、第２燃料電池において改質に必要な水分を、第１燃料電池の排燃料ガスによって良好に賄うことができる（自給できる）。

【0058】

（５）他の態様では、上記（１）から（４）のいずれか一態様において、
前記排燃料ガスが流れる排燃料ガスラインから水蒸気が回収されない。

【0059】

上記（５）の態様によれば、第１燃料電池からの排燃料ガスが第２燃料電池にとって好適なＳ／Ｃ比を有するため、排燃料ガスラインから水蒸気を回収することが不要となる。すなわち、第２燃料電池において改質に必要な水分を、第１燃料電池の排燃料ガスによって良好に賄うことができる（自給できる）。

【0060】

（６）一態様に係る燃料電池システムの運転方法は、
燃料ガスを用いて発電可能な第１燃料電池と、
前記第１燃料電池の排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池と、
前記排燃料ガスの一部を前記第１燃料電池に再循環するための再循環ラインと、
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記排燃料ガスのＳ／Ｃ比が予め設定される運転範囲になるように、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の燃料利用率をそれぞれ設定する。

【0061】

上記（６）の態様によれば、前記排燃料ガスに含まれる水分量が外部からの水分の供給や回収することなく、また前記第２燃料電池の排燃料ガスの再循環によらずに、前記排燃料ガスのＳ／Ｃ比が予め設定される運転範囲になるように、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の燃料利用率がそれぞれ設定される。その結果、システム構成を簡易化できるとともに、負荷の過渡状態においても第２燃料電池のＳ／Ｃの挙動に遅れが生じにくく、第２燃料電池に供給される排燃料ガスのＳ／Ｃ比を好適に維持することができる。

【0062】

（７）他の態様に係る燃料電池システムの運転方法は、
燃料ガスを用いて発電可能な第１燃料電池と、
前記第１燃料電池の排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池と、
前記燃料ガスを、前記第１燃料電池をバイパスして前記第２燃料電池に供給するためのバイパス供給ラインと、
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記第２燃料電池へ供給される燃料ガスのＳ／Ｃ比及びシステム燃料利用率が予め設定される運転範囲になるように、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の燃料利用率及びバイパス率をそれぞれ設定する。

【0063】

上記（７）の態様によれば、第１燃料電池に供給される燃料ガスの一部が、バイパス供給ラインを介して、第２燃料電池にも供給される。これにより、第２燃料電池には第１燃料電池からの排燃料ガスに加えて、燃料ガスの一部が供給される。そのため、バイパス供給ラインを介して第２燃料電池にも供給される燃料ガスの量を調整することで、第２燃料電池に供給される排燃料ガスのＳ／Ｃ比をより好適な条件に調整できる。

【0064】

（８）他の態様に係る燃料電池システムの運転方法は、
燃料ガスを用いて発電可能な第１燃料電池と、
前記第１燃料電池の排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池と、
前記燃料ガスを、前記第１燃料電池をバイパスして前記第２燃料電池に供給するためのバイパス供給ラインと、
を備え、
前記第１燃料電池は、前記燃料ガスに対して互いに並列に接続され、且つ、標準化された複数の第１燃料電池モジュールを含み、
前記第２燃料電池は、前記排燃料ガスに対して互いに並列に接続され、且つ、標準化された複数の第２燃料電池モジュールを含む燃料電池システムの運転方法であって、
前記第２燃料電池へ供給される燃料ガスのＳ／Ｃ比及びシステム燃料利用率が予め設定される運転範囲になるように、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の燃料利用率及びバイパス率、並びに、前記複数の第１燃料電池モジュールと前記複数の第２燃料電池モジュールとの出力比をそれぞれ設定する。

【0065】

上記（８）の態様によれば、第１燃料電池及び第２燃料電池の燃料利用率とともに、第１燃料電池及び第２燃料電池を構成する燃料電池モジュールの出力比を設定することで、排燃料ガスのＳ／Ｃ比が予め設定される運転範囲になるように調整できる。

【0066】

（９）他の態様に係る燃料電池システムの運転方法は、
燃料ガスを用いて発電可能な第１燃料電池と、
前記第１燃料電池の排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池と、
前記排燃料ガスの一部を前記第１燃料電池に再循環するための再循環ラインと、
を備え、
前記第１燃料電池は、前記燃料ガスに対して互いに並列に接続され、且つ、標準化された複数の第１燃料電池モジュールを含み、
前記第２燃料電池は、前記排燃料ガスに対して互いに並列に接続され、且つ、標準化された複数の第２燃料電池モジュールを含む燃料電池システムの運転方法であって、
前記第２燃料電池へ供給される燃料ガスのＳ／Ｃ比及びシステム燃料利用率が予め設定される運転範囲になるように、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の燃料利用率及び再循環率、並びに、前記複数の第１燃料電池モジュールと前記複数の第２燃料電池モジュールとの出力比をそれぞれ設定する。

【0067】

上記（９）の態様によれば、第１燃料電池及び第２燃料電池の燃料利用率とともに、第１燃料電池及び第２燃料電池を構成する燃料電池モジュールの出力比を設定することで、排燃料ガスのＳ／Ｃ比が予め設定される運転範囲になるように調整できる。

【0068】

（１０）他の態様では、上記（６）から（９）のいずれか一態様において、
前記運転範囲は、前記第１燃料電池の燃料利用率が８０％以下であることを規定する。

【0069】

上記（１０）の態様によれば、上記構成によって第１燃料電池の燃料利用率を８０％以下に抑える運転が可能となる。

【0070】

（１１）他の態様では、上記（１０）の態様において、
前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池を合計したシステム燃料利用率が９０％以上である。

【0071】

上記（１１）の態様によれば、上記構成によって第１燃料電池、及び第２燃料電池の燃料利用率をそれぞれ８０％以下に抑制しつつシステム燃料利用率を９０％以上とすることでシステム全体の発電効率を高めた運転が可能となる。

【0072】

（１２）他の態様では、上記（６）から（１１）のいずれか一態様において、
前記運転範囲は、前記排燃料ガスのＳ／Ｃ比が１０以下であることを規定する。

【0073】

上記（１２）の態様によれば、上記構成によって排燃料ガスのＳ／Ｃ比が１０以下に抑える運転が可能となる。

【符号の説明】

【0074】

１ 燃料電池システム
２ 第１燃料電池
４ 第２燃料電池
６ 燃料ガス供給源
８ 燃料ガスライン
１０ 第１排燃料ガスライン
１２ 第２排燃料ガスライン
１４ 酸化剤ガス供給源
１６ 酸化剤ガスライン
１８ 第１排酸化剤ガスライン
２０ 第２排酸化剤ガスライン
２１ 再循環ライン
２２ 再循環ポンプ
３０ バイパスライン
４０ａ 第１燃料電池モジュール
４０ｂ 第２燃料電池モジュール
Ｇｆ 燃料ガス
Ｇｅｆ１ 第１排燃料ガス
Ｇｅｆ２ 第２排燃料ガス
Ｇｏ 酸化剤ガス
Ｇｅо１ 第１排酸化剤ガス
Ｇｅо２ 第２排酸化剤ガス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図7D】