JP2023139726A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システム内で二酸化炭素を濃縮し循環させ、共電解スタック内で二酸化炭素を一酸化炭素と水素に変換して、燃料として使用、および資源化することで、系外における二酸化炭素回収を抑制する。【解決手段】原燃料と水蒸気を反応させ水素を含む改質ガスを生成する改質器３と、空気と改質ガスとの電気化学反応によって電気エネルギを発生させる燃料電池スタック１と、二酸化炭素と水蒸気から生成した酸素をアノード２ａから排出し、水素と一酸化炭素とをカソード２ｃから排出する共電解スタック２を備え、燃料電池スタック１のアノード排ガスを共電解スタック２で生成した酸素で燃焼して改質反応に熱を与える燃焼器５と、燃焼器５の燃焼排ガスの少なくとも一部を共電解スタック２に循環する循環流路を備える。【選択図】図１

Description

本願は、燃料電池システムに関するものである。

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ（ｓｏｌｉｄ－ｏｘｉｄｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ））システムは、エネルギ変換効率が高く環境負荷が少ないことから、民生用、産業用のオンサイト発電装置として盛んに開発が進められている。
燃料電池スタックは、炭化水素系の原料を改質した水素を含む改質ガスと酸化剤を、電解質を介して隔てた状態で電気化学反応を生じさせることで発電する。このとき、アノードから排出される残余の改質ガス（アノード排ガス）には、二酸化炭素の他に水素および一酸化炭素、メタン等、原料として再利用できる成分が含まれている。そこで、アノード排ガスを燃焼器で燃焼し改質器の反応熱に利用する、あるいはアノード排ガスの一部を原料供給側に循環することで、アノード排ガスが有するエネルギを有効利用する。

一方で、アノード排ガスを燃焼した後の排ガス中には二酸化炭素が含まれ、この二酸化炭素はそのまま大気に排出され環境への負荷となるが、このような発電システムにおいて二酸化炭素の排出は、炭化水素系の原料を利用する限りにおいて宿命的なものであった。 固体酸化物形燃料電池システムは、他の発電システムと比較してエネルギ変換効率が高く、その分炭化水素系原料の消費量が少なく二酸化炭素発生量が抑えられるが、それでも一定量の二酸化炭素は排出される。排ガス中の二酸化炭素を大気放出せず回収できることが望ましいが、燃焼の支燃ガスに空気を利用することが一般的であるため、燃焼排ガス中には窒素が多く含まれる。このため、排ガス中の二酸化炭素の濃度が下がることが、排ガス中の二酸化炭素の回収および利用を困難にしている。

温室効果ガス排出抑制の動きを背景に、炭化水素系原料を用いた燃料電池システムにおいて、アノード排ガスおよび燃焼排ガスから二酸化炭素を回収するシステムが考案されている。
燃料電池システムに水電解装置を導入し、水電解装置から得られた酸素をアノードオフガス燃焼に利用することで、排ガスの二酸化炭素を９０％程度に濃縮する方法が開示されている（例えば、特許文献１）。また、燃料電池システムに酸素透過膜を設置し、改質器の燃焼室に酸素透過膜を経た酸素を導入し、アノード排ガスを酸素で燃焼することにより、排ガス中の二酸化炭素濃度を高めて二酸化炭素の回収を容易にする方法が開示されている（例えば、特許文献２）。

特開２０１３―１９６８９０号公報 特開２０１２―１６４４２３号公報

特許文献１、２に開示されたシステムは、いずれも投入される炭化水素系の燃料に含まれる炭素分に相当する二酸化炭素が系外に排出される問題がある。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、共電解スタックを併設することで、系内で効果的に二酸化炭素を濃縮し循環させ、また、共電解スタック内で二酸化炭素を一酸化炭素と水素に変換して、燃料として使用、および資源化することで、系外における二酸化炭素回収を抑制することを目的とする。

本願に開示される燃料電池システムは、炭化水素を含む原燃料と水蒸気を反応させた改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質器と、空気と改質ガスとの電気化学反応によって電気エネルギを発生させる燃料電池スタックと、二酸化炭素と水蒸気から生成した酸素をアノードから排出し、水素と一酸化炭素とをカソードから排出する共電解スタックとを備え、燃料電池スタックのアノード排ガスを共電解スタックで生成した酸素で燃焼して改質反応に熱を与える燃焼器と、燃焼器の燃焼排ガスの少なくとも一部を共電解スタックに循環する循環流路を備えるものである。

本願に開示される燃料電池システムによれば、系内で効果的に二酸化炭素を濃縮し、循環させ、また、共電解スタック内で二酸化炭素を一酸化炭素と水素に変換して、燃料として使用および資源化することで、系外における二酸化炭素回収を抑制できる。

実施の形態１による燃料電池システムのシステム構成図である。 実施の形態２による燃料電池システムのシステム構成図である。 実施の形態３による燃料電池システムのシステム構成図である。 実施の形態４による燃料電池システムのシステム構成図である。 実施の形態４による燃料電池システムのシステム構成図である。 実施の形態５による燃料電池システムのシステム構成図である。 実施の形態６による燃料電池システムのシステム構成図である。 実施の形態７による燃料電池システムのシステム構成図である。

実施の形態１．
実施の形態１は、原燃料と水蒸気を反応させて水素を含む改質ガスを生成する改質器と、空気と改質ガスとの電気化学反応によって電気エネルギを発生させる燃料電池スタックと、二酸化炭素と水蒸気から生成した酸素をアノードから排出し、水素と一酸化炭素とをカソードから排出する共電解スタックとを備え、燃料電池スタックのアノード排ガスを共電解スタックで生成した酸素で燃焼して改質反応に熱を与える燃焼器と、燃焼器の燃焼排ガスの少なくとも一部を共電解スタックに循環する循環流路を備える燃料電池システムに関するものである。

以下、実施の形態１に係る燃料電池システムについて、燃料電池システムのシステム構成図であり、フロー図である図１に基づいて説明する。
なお、燃料電池として高温型燃料電池である固体酸化物形燃料電池を使用することを想定している。

まず、実施の形態１の燃料電池システム１００の主要構成を図１に基づいて説明する。
実施の形態１の燃料電池システム１００は、主要構成機器として、固体酸化物形燃料電池スタック１、共電解スタック２、および改質器３を備える。
固体酸化物形燃料電池スタック１は、改質ガスと酸化剤を電気化学反応させて発電する。共電解スタック２は二酸化炭素と水蒸気を受け入れて酸素および水素と一酸化炭素を生成する。改質器３は、原燃料を改質する。
なお、「固体酸化物形燃料電池」は、各実施の形態の説明および図面において、「ＳＯＦＣ」と記載している。

ここで、図面をわかりやすくするために、簡略化した構成機器の名称を説明する。
図１において、ＳＯＦＣスタック１のアノード１ａを「ＳＡ」、カソード１ｃを「ＳＣ」と記載している。共電解スタック２のアノード２ａを「ＣＡ」、カソード２ｃを「ＣＣ」と記載している。改質器３の改質器３の触媒層４を「ＣＬ」、燃焼器５を「ＢＲ」、カソード排ガス加熱層６を「ＣＨ」と記載している。また、混合器１０を「ＭＸ」と、ガス合成装置１６を「ＧＳＥ」と記載している。

次に実施の形態１の燃料電池システム１００の全体構成、および主要構成機器の構成、機能を図１に基づいて説明する。なお、説明はわかりやすいように燃料の流れに従って説明する。すなわち、主要構成機器の構成、機能説明を改質器３→ＳＯＦＣスタック１→共電解スタック２の順で説明する。その後、全体的な処理および機能を説明する。

改質器３は、改質触媒を充填した触媒層４において、水蒸気を添加した原燃料を受入れて、原燃料中の炭化水素を分解する改質反応が行われ、水素および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。例えば、メタンを原料としたときの代表的な改質反応を式（１）および式（２）に示す。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ ⇔ ＣＯ＋３Ｈ_２ （１）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ ⇔ ＣＯ_２＋Ｈ_２ （２）
改質反応は吸熱反応であるため、改質器３にはＳＯＦＣスタック１のアノード１ａから排出されるのアノード排ガスを燃料とする燃焼器５が設けられ、燃焼によって触媒層４に必要な熱が与えられる。また改質器３には、カソード排ガス加熱層６が設けられており、触媒層４はＳＯＦＣスタック１のカソード１ｃから排出される高温のカソード排ガスによっても加熱される。
燃焼器５の機能は、触媒層４に熱を与えることであり、必ずしも触媒層４と構造が一体である必要はない。例えば、燃焼器５は、バーナ部（図示せず）を別置とし、燃焼ガスが触媒層４を加熱する構造であってもよい。

ＳＯＦＣスタック１は、アノード（負極）１ａ、カソード（正極）１ｃ、および両極が挟む電解質（図示せず）で構成される。ＳＯＦＣスタック１では、改質器３で生成された改質ガス中の水素、および一酸化炭素などの燃料成分と空気中の酸素が電気化学的に反応することで発電が行われる。空気は、空気ブロワ１４から供給される。
ＳＯＦＣスタック１は、例えば６００℃～７００℃で動作し、アノード１ａからは高温のアノード排ガスが、カソード１ｃからは高温のカソード排ガスが排出され、その熱が後流側で利用される。
ＳＯＦＣスタック１の代表的な反応式を式（３）、式（４）に示す。
アノード Ｈ_２＋Ｏ^２－ → Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－ （３）
カソード １／２Ｏ_２＋２ｅ^－ → Ｏ^２－ （４）

共電解スタック２は、通常の水電解とは異なり、水蒸気と二酸化炭素の電解を行って、酸素および水素と一酸化炭素を取り出すものである。
共電解スタック２の基本構造はＳＯＦＣと同じであるが、ＳＯＦＣと逆の反応を行わせるものである。すなわち、共電解スタック２のカソード２ｃに二酸化炭素と水蒸気を供給し、電極間に電流を流すことにより、カソード２ｃより水素と一酸化炭素が取り出される。また。電解反応により、共電解スタック２のアノード２ａからは酸素が取り出される。 共電解スタック２の基本の電解反応式を式（５）～式（７）に示す。
カソード ＣＯ_２＋２ｅ^－ → ＣＯ＋Ｏ^２－ （５）
Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－ → Ｈ_２＋Ｏ^２－ （６）
アノード ２Ｏ^２－ → Ｏ_２＋４ｅ^－ （７）

次に、燃料電池システム１００の構成図であり、フロー図である図１に基づいて、燃料電池システム１００の全体構成、機能を説明する。
都市ガス等の炭化水素系の原燃料は、原燃料供給ライン２１を経て燃料電池システム１００に投入され、混合器１０で水蒸気およびリサイクルガスと混合した後、原燃料ガスライン２２を経由して改質器３の触媒層４に導入される。改質器３の触媒層４では、燃焼器５およびカソード排ガス加熱層６から熱を与えられて、水素および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。
改質ガスは改質ガスライン２５を経由して、ＳＯＦＣスタック１のアノード１ａに導かれ、ここで電気化学反応が行われて水素および一酸化炭素の一部が消費される。

一方、ＳＯＦＣスタック１のカソード１ｃには、空気ブロワ１４からの空気が供給され、ここで電気化学反応により空気中の酸素が一部消費される。カソード１ｃから排出されたカソード排ガスは、カソード排ガスライン６６を経由して、改質器３のカソード排ガス加熱層６に導かれ、ここで触媒層４を加熱した後、排気ライン６７を経由して熱交換器１７で供給空気との熱交換を行った後大気に排出される。

ＳＯＦＣスタック１のアノード１ａから排出されたアノード排ガスは、アノード排ガスライン２６を経由し、さらに水蒸気発生器１１を経由して、一部がバーナ燃焼ライン２８を経由して燃焼器５へ導かれる。その残りがリサイクルライン２７を経由して混合器１０へ導かれる。
アノード排ガスを原燃料ガスライン２２に戻して、燃料のリサイクルを行う方法は、ＳＯＦＣスタックの燃料の消費率を高めて発電効率を向上させる目的があり、燃料電池システムでは良く知られた技術である。
アノード排ガスの成分は、一例として、水素１２％、一酸化炭素３％、二酸化炭素２５％、水蒸気６０％である。

アノード排ガスライン２６の途中に設けた水蒸気発生器１１は、アノード排ガスの熱を利用して改質反応に必要な水蒸気を発生させる目的で設置され、同時にアノード排ガスの温度を下げる機能を合わせ持つ。
アノード排ガスの温度を下げる目的は、アノード排ガス中の水分を凝縮し、系内で水回収を行うことと、アノード排ガスを下流側に循環しやすくするためである。水回収のために、水蒸気発生器１１の下流側にアノード排ガス凝縮器１５が合わせて設置される。水蒸気発生器１１を含むこのシステム構成、機能は、一般的なもので公知であるため説明は省略する。

水蒸気発生器１１では、純水装置（図示せず）からの純水が給水ライン６０から導かれる。水蒸気発生器１１でアノード排ガスから熱を与えられて発生した水蒸気は、水蒸気ライン６１を経由して混合器１０に導かれる。
混合器１０はミキサーおよびエジェクター等が想定され、原燃料とリサイクルガスを混合する。混合器１０にミキサーを用いる場合は、リサイクルライン２７に昇圧ブロワ（図示せず）を設けることが一般的である。原燃料と水蒸気とが混合した原燃料ガスは、リサイクルガスと混合し、改質器３の触媒層４に導かれ、ここで改質反応が行われて水素および一酸化炭素が生成される。

バーナ燃焼ライン２８を経由して燃焼器５に導かれたアノード排ガスは、共電解スタック２の電解で得られた酸素を支燃ガスとして燃焼され、触媒層４に熱が与えられる。アノード２ａ出口の酸素供給ライン４１から排出される酸素が、酸素供給ライン４１を経由して支燃ガスとして燃焼器５に送られ、燃焼に利用される。
このように燃焼器５では、酸素燃焼が行われるため、窒素を含まない、ほぼ二酸化炭素と水蒸気のみで構成される燃焼排ガスが排出される。二酸化炭素と水蒸気で構成される燃焼排ガスは、燃焼排ガスライン３１を経由し、途中、熱交換器１２で原燃料ガスと熱交換される。燃焼排ガスは、熱交換した後、燃焼排ガス凝縮器１３で水蒸気の大半が取り除かれ、濃縮された二酸化炭素が濃縮二酸化炭素排出ライン３３を経由して系外に排出される。

ここで、燃焼排ガス凝縮器１３に入る前の燃焼排ガスの一部は、燃焼排ガスライン３１から分岐して、二酸化炭素還流ライン３２を経由して、共電解スタック２のカソード２ｃに導かれる。ここで燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素と水蒸気が共電解の反応に利用され、アノード２ａからは酸素が、カソード２ｃからは水素と一酸化炭素が取り出される。
なお、二酸化炭素還流ライン３２が循環流路である。

共電解スタック２のアノード２ａで得られた酸素は燃焼に利用する一方、カソード２ｃで得られた水素と一酸化炭素は、水素一酸化炭素供給ライン５１を経由してガス合成装置１６に供給される。ガス合成装置１６では既存技術であるメタネーションおよびフィッシャー・トロプシュ（ＦＴ（Ｆｉｓｃｈｅｒ－Ｔｒｏｐｓｃｈ））反応を利用したガス合成のプロセスによって、汎用的な燃料資源に変換することが可能である。
メタネーションは、水素と一酸化炭素から、改質反応と逆の反応によりメタンＣＨ４を生成するプロセスで、反応式を式（８）に示す。
ＣＯ＋３Ｈ_２ → ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ （８）

一方で、共電解スタック２に利用された残りの二酸化炭素は、燃焼排ガス凝縮器１３を通り、濃縮二酸化炭素排出ライン３３を経由して、濃縮二酸化炭素として系外に排出され回収される。濃縮二酸化炭素は、施設栽培、建設資材、溶接などに利用される他、濃度が高いため、容易に液化することができ、また、ＰＳＡ（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｗｉｎｇ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）を用いて高純度化できる。このため、将来的には食品、冷媒、医療、地中固定化を含めて広く活用されることが期待される。

実施の形態１では、燃料電池システム１００の中で、燃焼排ガスの二酸化炭素と水蒸気を循環させて、濃縮二酸化炭素を取り出すことができる構成とした。さらに、共電解スタック２で生成した水素と一酸化炭素はガス合成装置１６において、メタネーション等によって燃料化することができる。また、システムに投入された原燃料の炭素成分は、一部が利用しやすい濃縮二酸化炭素として回収され、残りがメタンなどの燃料資源として回収される。このため、燃料電池システム１００は、二酸化炭素が大気に放出されることがないカーボンゼロのオンサイト発電を目指すことが可能となる。

なお、ＳＯＦＣスタック１のアノード１ａからの排出ガスであるアノード排ガスの燃焼に必要な酸素量は、アノード排ガスの量に応じて決まる。さらに共電解スタック２において、この酸素量を発生するために必要な二酸化炭素と水蒸気の量が決まり、その一部が二酸化炭素還流ライン３２を経由した燃焼排ガスで供給される。必要酸素量に応じた最小限の容量の共電解スタック２を導入すればよく、この場合、排出される濃縮二酸化炭素と、メタン生成量の関係は必要に応じて柔軟に決めることができる。

例えば、改質器３の燃焼器５を出た燃焼排ガスの成分は、二酸化炭素５０％、水蒸気５０％である。この内、共電解に必要な二酸化炭素と水蒸気の量は、一例ではそれぞれ燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素の量の１６％と水蒸気７２％程度である。したがって、燃焼排ガスの１６％程度を還流して二酸化炭素を共電解スタック２の原料に利用し、残りを濃縮二酸化炭素として回収する。
この場合、燃料電池システム１００に投入された原燃料の炭素に起因する二酸化炭素は１６％がメタン生成に利用され、８４％が濃縮二酸化炭素として回収される。原料として不足する水蒸気は、水蒸気ライン６１から分岐した共電解水蒸気ライン６２を経由して補給される。この場合、水蒸気の給水源は、アノード排ガス凝縮器１５および燃焼排ガス凝縮器１３からの凝縮水を利用することで、系内回収される。

共電解スタック２の容量に応じて、濃縮二酸化炭素とメタン生成量の比を変えることが可能である。例えば、燃焼排ガス中の二酸化炭素の全量を利用できる共電解スタック２の容量を選択すれば、濃縮二酸化炭素の量をほとんど０に抑え、その分メタン生成量を増やすことができる。この場合、アノード２ａで生成される酸素量が、アノード排ガスの燃焼に必要な量を超えるので、その分の酸素は酸素放出ライン４２を利用して系外に放出すればよい。

以上、本実施の形態１の構成によれば、大気に二酸化炭素を放出することなく、濃縮二酸化炭素およびメタンの形で二酸化炭素を回収および資源化できる高効率な発電システムを構築できる。

また、電解効率の高い高温型の共電解スタック２を利用しているため、従来の水電解による方法に比べて少ない電力で効率良く二酸化炭素を濃縮し、メタン生成の原料を生成することが可能であるため、二酸化炭素の回収コストを抑えることができる。

また、高温型のＳＯＦＣスタック１と共電解スタック２は、いずれも動作温度が６００℃～７００℃と高く、温度的な親和性が高いため、プロセス温度の整合を図ることが容易である。ＳＯＦＣスタック１と共電解スタック２を共通の断熱ボックスを用いて同じ温度環境に配置するなど、比較的簡素な構成および配置でシステムを構築できる。

共電解スタック２の原料となる水蒸気は、系内で回収することが可能であり、水電解を利用した従来技術のように水を供給するための特別な純水装置を必要としない。

なお、図１で説明した実施の形態１では、プロセスに必要な水蒸気を得るために、水蒸気発生器１１およびアノード排ガス凝縮器１５を設置した。しかし、元々ＳＯＦＣスタック１のアノード１ａから排出されたアノード排ガスには、電気化学反応で生成した水蒸気が含まれるため、水蒸気発生器１１およびアノード排ガス凝縮器１５の両方、またはいずれかを省くことも可能である。この場合、アノード排ガスが凝縮せずにリサイクルされるため、改質反応に必要な水蒸気の全量をアノード排ガスに含まれる水蒸気量で供給することができる。

また、実施の形態１の図１に示すシステム構成、およびフローは１例を示すものである。例えば、熱交換器の配置はこれに限るものではない。燃焼排ガスライン３１の熱交換器１２は、原燃料ガスライン２２の原燃料ガスと熱交換する代わりに、空気供給ライン６５のカソード供給空気と熱交換させてもよく、系内の熱回収の組み合わせは複数存在する。

実施の形態１において、電解効率の高い共電解スタック２を使用する例を挙げているが、効率は共電解スタックに及ばないが、ＰＥＭ（ｐｏｌｙｍｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）型電解スタックを用いることもできる。

また、燃料電池システム１００の原燃料に、食品廃棄物、畜産廃棄物、下水等の有機物由来のバイオガスを利用することが可能で、この場合でも図１の構成で同じ機能が実現できる。この場合、バイオガスを利用すること自体でカーボンゼロの発電システムとなるが、さらに回収二酸化炭素を地中化および建設資材化などで固定化できれば、カーボンネガティブとなり、非常に社会性の高いシステムを構築できる。

上記説明したように、実施の形態１の燃料電池システムは、原燃料と水蒸気を反応させて水素を含む改質ガスを生成する改質器と、空気と改質ガスとの電気化学反応によって電気エネルギを発生させる燃料電池スタックと、二酸化炭素と水蒸気から生成した酸素をアノードから排出し、水素と一酸化炭素とをカソードから排出する共電解スタックとを備え、燃料電池スタックのアノード排ガスを共電解スタックで生成した酸素で燃焼して改質反応に熱を与える燃焼器と、燃焼器の燃焼排ガスの少なくとも一部を共電解スタックに循環する循環流路を備えるものである。このため、実施の形態１の燃料電池システムは、系内で効果的に二酸化炭素を濃縮し、循環させ、また、共電解スタック内で二酸化炭素を一酸化炭素と水素に変換して、燃料として使用および資源化することで、系外における二酸化炭素回収を抑制できる。

実施の形態２．
実施の形態２の燃料電池システムは、燃焼排ガスの一部を、共電解スタックのアノードにキャリアガスとして導き、アノードの酸化環境を改善する構成にしたものである。

以下、実施の形態２の燃料電池システムについて、燃料電池システムのシステム構成図であり、フロー図である図２に基づいて、実施の形態１との差異を中心に説明する。
実施の形態２のシステム構成図において、実施の形態１と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。
なお、実施の形態１と区別するために。燃料電池システム２００としている。

共電解スタックのアノード（酸素極）は、純酸素の環境下で材料の腐食が問題になることがあり、このため酸素濃度を下げるために、キャリアガスを流すことが望ましい。一方で空気をキャリアガスに利用する事例が見られるが、空気を用いる場合、空気に含まれる窒素の影響で、燃焼排ガスの二酸化炭素の濃度が低下する。

また、酸素でアノード排ガスを燃焼させた場合、理論混合燃焼となるために、燃焼温度が上がり、燃焼器５を過熱してしまう恐れがある。ボイラーおよびガスタービン燃焼器のような通常の燃焼器は、燃焼温度を下げるために理論混合比よりも過剰の空気で燃焼させることが一般的である。しかし、本燃料電池システムの場合は、燃焼により二酸化炭素を濃縮することを目的としているため、過剰に酸素を供給すれば、燃焼排ガスに酸素が含まれて、排ガス中の二酸化炭素の濃度を下げてしまう。

この問題を解決するために、実施の形態２の燃料電池システム２００では、燃焼排ガス凝縮器１３を通過した後の燃焼排ガスの一部を、濃縮二酸化炭素還流ライン４０を経由して共電解スタック２のアノード２ａにキャリアガスとして導き、アノード２ａの酸化環境を抑えるようにした。
燃焼排ガス凝縮器１３を通過した後の燃焼排ガス、即ち、水分を除去し濃縮された二酸化炭素をキャリアガスとして使用することで、燃焼器５の燃焼温度を下げ、過熱を防止する効果が高くなる。また、実施の形態２においては、キャリアガスは二酸化炭素そのものであるため、濃縮された二酸化炭素が希釈されることはない。
なお、濃縮二酸化炭素還流ライン４０が第二循環流路である。

以上説明したように、実施の形態２の燃料電池システムは、燃焼排ガスの一部を、共電解スタックのアノードにキャリアガスとして導き、アノードの酸化環境を改善する構成にしたものである。
したがって、実施の形態２の燃料電池システムは、系内で効果的に二酸化炭素を濃縮し、循環させ、また、共電解スタック内で二酸化炭素を一酸化炭素と水素に変換して、燃料として使用および資源化することで、系外における二酸化炭素回収を抑制できる。さらに、共電解スタックのアノードの酸化環境を改善することができる。

実施の形態３．
実施の形態３の燃料電池システムは、実施の形態２の燃料電池システムに酸素供給ラインの酸素濃度を調整する機能を追加したものである。

以下、実施の形態３の燃料電池システムについて、燃料電池システムのシステム構成図であり、フロー図である図３に基づいて、実施の形態１、２との差異を中心に説明する。
実施の形態３のシステム構成図において、実施の形態１、２と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。
なお、実施の形態１、２と区別するために、燃料電池システム３００としている。

実施の形態２で説明したように、実施の形態２の燃料電池システム２００では、共電解スタック２のアノード２ａの酸化環境を改善するために、濃縮二酸化炭素還流ライン４０を設置し、アノード燃焼排ガスの一部を、アノード２ａにキャリアガスとして導いた。

実施の形態３の燃料電池システム３００では、濃縮二酸化炭素還流ライン４０から分岐して、共電解スタック２のアノード２ａ出口から燃焼器５に通じる酸素供給ライン４１に設置された濃縮二酸化炭素合流部４６に合流させた第二濃縮二酸化炭素還流ライン４５を設けている。
この第二濃縮二酸化炭素還流ライン４５は、酸素供給ライン４１の酸素濃度を調整する機能を有し、この調整機能の追加により濃縮二酸化炭素還流ライン４０のみでは調節が難しい燃焼状態および温度の調節を補助することができる。

以上説明したように、実施の形態３の燃料電池システムは、実施の形態２の燃料電池システムに酸素供給ラインの酸素濃度を調整する機能を追加したものである。
したがって、実施の形態３の燃料電池システムは、系内で効果的に二酸化炭素を濃縮し、循環させ、また、共電解スタック内で二酸化炭素を一酸化炭素と水素に変換して、燃料として使用および資源化することで、系外における二酸化炭素回収を抑制できる。また、燃焼器の燃焼温度を最適化することができる。

実施の形態４．
実施の形態４の燃料電池システムは、共電解スタックのカソードで生成した水素と一酸化炭素を燃料電池システムの燃料として利用する構成としたものである。

以下、実施の形態４の燃料電池システムについて、燃料電池システムのシステム構成図であり、フロー図である図４および図５に基づいて、実施の形態１との差異を中心に説明する。
実施の形態４のシステム構成図において、実施の形態１と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。
なお、実施の形態１と区別するために、燃料電池システム４０１、４０２としている。

実施の形態４の燃料電池システム４０１、４０２において、酸素燃焼により、燃焼排ガス中の二酸化炭素が濃縮され、一部が共電解スタック２の原料として供給され、残りが濃縮二酸化炭素として排出され回収されるのは、実施の形態１の燃料電池システム１００と同じである。
実施の形態４では、共電解スタック２のカソード２ｃで生成した水素と一酸化炭素を燃料電池システム４０１、４０２の燃料として利用する。
実施の形態１の燃料電池システム１００では、共電解スタック２のカソード２ｃで生成された水素と一酸化炭素を水素一酸化炭素供給ライン５１経由ガス合成装置１６に排出していた。実施の形態４では、この水素と一酸化炭素を燃料電池システムの燃料として利用する。

まず、実施の形態４の燃料電池システムの第１の構成である燃料電池システム４０１を図４に基づいて説明する。
図４において、共電解スタック２のカソード２ｃで生成した水素と一酸化炭素は、第二水素一酸化炭素供給ライン５２を経由して、原燃料ガスライン２２に原燃料合流部４７で合流し、改質器３を通過後ＳＯＦＣスタック１の燃料として供給される。水素も一酸化炭素も、改質ガスと同様にＳＯＦＣスタック１の電気化学反応の原料になるため、その分、発電出力の増加することができる。

この場合、燃焼排ガス中の二酸化炭素の濃縮が目的であるため、共電解スタック２は、アノード排ガスの酸素燃焼を可能とするだけの容量を選定すればよい。
１例を示せば、ＳＯＦＣスタック１の出力１０ｋＷに対して、共電解スタック２は１．７ｋＷ程度の電力が必要である。一方、共電解スタック２から得られた水素と一酸化炭素によるＳＯＦＣスタック１の出力増加は１．０ｋＷ程度である。差し引きでシステムとしての出力は０．７ｋＷほどマイナスとなる。この数値は、二酸化炭素削減の電力原単位として、約２２０ｋＷｈ／ｔ―ＣＯ２に相当する。このように、比較的低電力で二酸化炭素の回収が可能であり、共電解スタック２の導入意義は大きい。

共電解スタック２のカソード２ｃで生成した水素と一酸化炭素は、原燃料ガスライン２２に戻すことで、発電出力を増加させると共に、改質器３を通すことで改質ガスの組成が一定になる効果がある。但し、原燃料ガスライン２２に戻す量に応じた十分な水蒸気を供給する必要があり、水蒸気量が足りない場合には改質触媒に損傷を与える恐れがあるため注意が必要である。

次に、実施の形態４の燃料電池システムの第２の構成である燃料電池システム４０２を図５に基づいて説明する。
図５において、共電解スタック２のカソード２ｃで生成した水素と一酸化炭素は、第三水素一酸化炭素供給ライン５３を経由して改質ガスライン２５に合流し、ＳＯＦＣスタック１に燃料として供給される。ＳＯＦＣスタック１は水素のだけではなく一酸化炭素も、改質ガスと同様にＳＯＦＣスタック１の電気化学反応の原料になるため、その分、発電出力の増加することができる。しかしこの場合、ＳＯＦＣスタック１に供給されるガスは共電解スタック２から排出された水素、一酸化炭素が改質ガスに追加されるため組成の変動がＳＯＦＣスタック１に影響を与える可能性がある。
このため、図４の燃料電池システム４０１および図５の燃料電池システム４０２を組み合せた構成とし、ＳＯＦＣスタック１の負荷に応じて原燃料ガスライン２２及び改質ガスライン２５の各々へ流れる水素、一酸化炭素のガス量を調整することが望ましい。

実施の形態４の機能、動作は、ガス合成装置によるメタン生成を除いて、実施の形態１と同じであるため、その説明は省略する。

以上説明したように、実施の形態４の燃料電池システムは、共電解スタックのカソードで生成した水素と一酸化炭素を燃料電池システムの燃料として利用する構成としたものである。
したがって、実施の形態４の燃料電池システムは、系内で効果的に二酸化炭素を濃縮し、循環させ、また、共電解スタック内で二酸化炭素を一酸化炭素と水素に変換して、燃料として使用することで、系外における二酸化炭素回収を抑制できる。さらに、ＳＯＦＣスタックの発電出力の増加することができる。

実施の形態５．
実施の形態５の燃料電池システムは、改質器の燃焼器に触媒燃焼を採用したものである。

以下、実施の形態５の燃料電池システムについて、燃料電池システムのシステム構成図であり、フロー図である図６に基づいて、実施の形態１との差異を中心に説明する。
実施の形態５のシステム構成図において、実施の形態１と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。
なお、実施の形態１と区別するために、燃料電池システム５００としている。

実施の形態２において、酸素燃焼により燃焼器が加熱する恐れがあることを説明した。実施の形態５では、燃焼器として、従来のバーナ燃焼ではなく、触媒燃焼を採用することで、酸素燃焼による過熱を防ぐようにした。触媒燃焼はアルミナおよび活性炭を担体に用いた白金系の触媒が利用され、バーナ燃焼とは異なり比較的穏やかな安定した燃焼が可能である。

燃焼器５に触媒燃焼を採用した実施例を図６に示す。
実施の形態５の燃料電池システム５００と実施の形態１の燃料電池システム１００の差異は燃焼器５の燃焼方式にある。燃料電池システム５００では、燃焼器５において、共電解スタック２のアノード２ａから排出された燃焼用酸素がガスの流れに従い、燃焼触媒に対し１次、２次、３次と分散して導入されるように構成される。これによって、アノード排ガスの燃焼が分散して行われるようになり、過熱部のない安定した燃焼を実現することができる。

実施の形態５では、共電解スタック２のアノード２ａからの燃焼用酸素を３箇所に分散する事例を示したが、分散の数は任意であり、燃焼温度の状況によって決められる。
また、燃焼器へのアノード排ガスの分散投入を行っても良く、同様の効果が見込める。

このように、実施の形態５では、燃焼器５に触媒燃焼を採用したため、共電解スタック２と組み合わせた酸素燃焼を行っても、燃焼器５の過熱の恐れはなく、燃料電池システムの信頼性を向上させることができる。また、燃焼器５の過熱の恐れはないため、共電解スタック２のアノード２ａへのキャリアガス導入を減少させるか、不要にすることができる。

実施の形態５の機能、動作は、燃焼器の触媒燃焼以外は実施の形態１と同じであるため、その説明は省略する。

以上説明したように、実施の形態５の燃料電池システムは、改質器の燃焼器に触媒燃焼を採用したものである。
したがって、実施の形態５の燃料電池システムは、系内で効果的に二酸化炭素を濃縮し、循環させ、また、共電解スタック内で二酸化炭素を一酸化炭素と水素に変換して、燃料として使用および資源化することで、系外における二酸化炭素回収を抑制できる。さらに、燃焼器の過熱の恐れをなくし、システムの信頼性を向上させることができる。

実施の形態６．
実施の形態６は、燃料電池システムの機能、動作に必要な制御装置、調整弁、および流量測定器を追加して、具合的な制御の方法を説明するものである。

以下、実施の形態６の燃料電池システムについて、燃料電池システムのシステム構成図であり、フロー図である図７に基づいて、実施の形態１との差異を中心に説明する。
実施の形態６のシステム構成図において、実施の形態１と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。
なお、実施の形態１と区別するために、燃料電池システム６００としている。
また、図７において、図面をわかりやすくするために、制御装置を「ＣＴＲ」、電源コントローラを「ＰＳ」と簡略化している。

燃料電池システム６００は、制御装置７０を備え、原燃料ガスライン２２に原燃料流量測定器７１、またはバーナ燃焼ライン２８にアノード排ガス流量測定器７２を備える。さらに、燃焼排ガスを還流させる二酸化炭素還流ライン３２に濃縮二酸化炭素流量調節弁８１、水蒸気を供給する共電解水蒸気ライン６２に水蒸気流量調節弁８２、および酸素放出ライン４２に酸素放出量調整弁８３を備える。また、共電解スタック２を制御する電源コントローラ９０を備える。
制御装置７０は各流量測定器、調節弁の間を信号線で連携し、共電解スタック２の電源コントローラ９０とも連携する。

燃料電池システム６００において、二酸化炭素濃縮機能を果たすのに重要なポイントは、改質器３の燃焼器５に対して、アノード排ガスの燃焼に必要な理論混合比の酸素を供給することである。酸素量が不足すると、アノード排ガスの未燃成分が排出されて、燃焼排ガス中の二酸化炭素濃度を下げることになる。また、酸素量が過剰になると、余剰の酸素が排出されて、同様に二酸化炭素の濃度を下げることになる。つまり、アノード排ガスの量に応じて、改質器３の燃焼器５に対し適切に酸素を供給することが重要である。

また、共電解スタック２のアノード２ａから排出される酸素量は、共電解スタック２の入力（消費電力）で決まり、それに応じてカソード２ｃに必要な二酸化炭素の量および水蒸気の量が決まるため、アノード排ガスの量に応じた共電解スタック２の電力、供給ガスの一元的な制御が必要となる。
以下、図７に基づいて、燃料電池システム６００の具体的な制御の方法を説明する。

燃料電池システム６００は、負荷制御装置（図示せず）からＳＯＦＣスタック１に出力指令が出され、所定の負荷で運転され、このとき負荷に応じて原燃料の制御が行われる。
まず、燃料ガスの量を原燃料流量測定器７１で検出する場合を説明する。
ＳＯＦＣスタック１の負荷に応じて供給される原燃料ガスの量が原燃料流量測定器７１で検出される。制御装置７０によって、バーナ燃焼ライン２８を経て燃焼器５に投入されるアノード排ガスの量が算出される。原燃料ガスの量とアノード排ガスの量および組成の関係は、ＳＯＦＣスタック１の負荷、その運転条件、改質器３の運転条件などのパラメータにより一義的に決められる。この算出方法は既存技術の範囲であるため、その説明を省略する。

次に、燃料ガスの量をアノード排ガス流量測定器７２で検出する場合を説明する。
燃焼器５に投入されるアノード排ガスの流量をバーナ燃焼ライン２８に設けたアノード排ガス流量測定器７２により直接計測してもよい。理論酸素量を求めるために、アノード排ガスの流量だけでなく組成も必要であるが、いずれにしてもＳＯＦＣスタック１および改質器３の運転条件に基づく演算で求められる。

制御装置７０は、改質器３の燃焼器５に供給されるアノード排ガスの量、組成の情報から、理論酸素量、つまり必要な酸素量を求める。さらに制御装置７０は、共電解スタック２の性能特性から、電力値、二酸化炭素の量、水蒸気の量を算出し、電源コントローラ９０、濃縮二酸化炭素流量調節弁８１、および水蒸気流量調節弁８２を制御することで共電解スタック２の動作を制御する。
また、酸素量の過剰が予想される場合は、制御装置７０は酸素放出ライン４２の酸素放出量調整弁８３を制御することで、余剰酸素の放出制御を行う。
なお、濃縮二酸化炭素流量調節弁８１が第一流量調節弁、水蒸気流量調節弁８２が第二流量調節弁、酸素放出量調整弁８３が第三流量調節弁である。

実施の形態６では、制御装置７０がＳＯＦＣスタック１および改質器３の運転状況を把握して、共電解スタック２を適切に制御する。このため、ＳＯＦＣスタック１の運転を優先しつつ、ＳＯＦＣスタック１の負荷状況に応じて、常に濃縮二酸化炭素を得ることが可能である。
また、運転状況に応じて共電解スタック２のカソード２ｃから得られた水素と一酸化炭素は、メタネーションの原料に利用するか、実施の形態４で説明したように、原燃料ガスライン２２か改質ガスライン２５に供給し、ＳＯＦＣスタック１の発電出力の増加に利用することができる。ＳＯＦＣスタック１の発電出力の増加に利用する場合は、改質ガスの増量、ＳＯＦＣスタック１の発電出力増加を考慮して、アノード排ガスの量を算出することになる。

以上説明したように、実施の形態６の燃料電池システムは、機能、動作に必要な制御装置、調整弁、および流量測定器を追加して、具合的な制御の方法を説明したものである。 したがって、実施の形態６の燃料電池システムは、系内で効果的に二酸化炭素を濃縮し、循環させ、また、共電解スタック内で二酸化炭素を一酸化炭素と水素に変換して、燃料として使用および資源化することで、系外における二酸化炭素回収を抑制できる。

実施の形態７．
実施の形態７は、濃縮二酸化炭素貯蔵装置を設置して、濃縮二酸化炭素を貯蔵し、メタネーションのデマンドに応じて共電解スタックの出力をコントロールできるようにしたものである。

以下、実施の形態７の燃料電池システムについて、燃料電池システムのシステム構成図であり、フロー図である図８に基づいて、実施の形態１、６との差異を中心に説明する。
実施の形態７のシステム構成図において、実施の形態１、６と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。
なお、実施の形態１、６と区別するために、燃料電池システム７００としている。
また、図８において、図面をわかりやすくするために、濃縮二酸化炭素貯蔵装置を「ＣＳＴ」と簡略化している。

実施の形態７では、濃縮二酸化炭素貯蔵装置９１を設置して、そこに燃焼排ガスライン３１から分岐した濃縮二酸化炭素を貯蔵し、メタネーションのデマンドに応じて共電解スタック２の出力をコントロールできるようにした。つまり燃料電池システム７００は、ＳＯＦＣスタック１の負荷とメタネーションの負荷をそれぞれ独立に制御できるようにしたものである。

燃料電池システム７００は、実施の形態６で説明した制御装置７０、各流量調節弁、流量測定器に加えて、さらに濃縮二酸化炭素貯蔵装置９１の制御に必要な機器を備える。
共電解スタック２のカソード２ｃに二酸化炭素を導入する二酸化炭素還流ライン３２上に濃縮二酸化炭素貯蔵装置９１、圧縮機９２を備える。さらに、二酸化炭素還流ライン３２上に第一濃縮二酸化炭素量調節弁８４、第二濃縮二酸化炭素量調節弁８５、濃縮二酸化炭素排出ライン３３上に濃縮二酸化炭素排出量調節弁８６を備える。また、ＳＯＦＣスタック１の負荷を測定するＳＯＦＣ負荷測定器７３を備える。また、電源コントローラ９０を共電解スタック２の負荷測定器として使用する。
制御装置７０はＳＯＦＣ負荷測定器、電源コントローラ９０、および各調節弁の間を信号線で連携する。

次に燃料電池システム７００の濃縮二酸化炭素貯蔵装置９１の制御動作を中心に説明する。
濃縮二酸化炭素貯蔵装置９１は、メタネーションのデマンドに応じられるように、排出される濃縮二酸化炭素を貯蔵する。ＳＯＦＣスタック１は、電力負荷のデマンドに応じて発電を行うが、実施の形態１では、その結果メタネーション用のガス（水素と一酸化炭素）が運転状況に応じて生成されるため、メタン製造がデマンドに合わないことが予想される。 このために、実施の形態７では発電とメタン製造の両者の負荷調整を行うことを目的に濃縮二酸化炭素貯蔵装置９１を設置した。

濃縮二酸化炭素は、燃焼排ガスライン３１から分岐した後、圧縮機９２で昇圧されて濃縮二酸化炭素貯蔵装置９１に導かれ、ここで一旦二酸化炭素が貯蔵される。ＳＯＦＣ負荷測定器７３で計測されたＳＯＦＣスタック１の負荷、および共電解スタック２の電源コントローラ９０の出力に基づいて、二酸化炭素の貯蔵量が決められる。制御装置７０は、第一濃縮二酸化炭素量調節弁８４と濃縮二酸化炭素排出量調節弁８６を調整することで濃縮二酸化炭素貯蔵装置９１への二酸化炭素の充填量を調整する。
例えば、濃縮二酸化炭素排出量調節弁８６を全閉、第一濃縮二酸化炭素量調節弁８４を全開にすれば、排出される濃縮二酸化炭素の全量が濃縮二酸化炭素貯蔵装置９１に充填される。濃縮二酸化炭素貯蔵装置９１の充填が規定値以上になれば、濃縮二酸化炭素排出量調節弁８６を開放して、系外で濃縮二酸化炭素を回収する。

一方、共電解スタック２のデマンド、つまりメタン製造のデマンドに応じて、二酸化炭素と水蒸気の消費量が決まる。これに対して、制御装置７０は、第二濃縮二酸化炭素量調節弁８５で制御するか、または水蒸気流量調節弁８２で追加水蒸気量を制御する。
濃縮二酸化炭素貯蔵装置９１に貯蔵される二酸化炭素の量は、ＳＯＦＣスタック１の発電とメタン製造の時間的な差を考慮して決められ、それに応じて共電解スタック２の容量も決められる。また、メタン製造を優先して共電解スタック２の運用を行う場合、生成酸素は燃焼に必要な量を上回るため、制御装置７０は、酸素放出量調整弁８３を制御することで、その超過分の酸素は酸素放出ライン４２を経由して、大気に放出される。
なお、第一濃縮二酸化炭素量調節弁８４が第四流量調節弁、第二濃縮二酸化炭素量調節弁８５が第五流量調節弁である。また、ＳＯＦＣ負荷測定器７３が第一負荷検出器、電源コントローラ９０が第二負荷検出器である。

以上、実施の形態７では、濃縮二酸化炭素を共電解スタック２に還流するラインに、濃縮二酸化炭素貯蔵装置９１を設置したため、ＳＯＦＣスタック１の負荷と共電解スタック２の負荷、つまりメタネーションの負荷をそれぞれ独立に制御することが可能である。それぞれのニーズに応じて運用できるため、需要家が燃料電池システムの選択肢を広げることができる。

以上説明したように、実施の形態７の燃料電池システムは、濃縮二酸化炭素貯蔵装置を設置して、濃縮二酸化炭素を貯蔵し、メタネーションのデマンドに応じて共電解スタックの出力をコントロールできるようにしたものである。したがって、実施の形態７の燃料電池システムは、系内で効果的に二酸化炭素を濃縮し、循環させ、また、共電解スタック内で二酸化炭素を一酸化炭素と水素に変換して、燃料として使用および資源化することで、系外における二酸化炭素回収を抑制できる。さらに、ＳＯＦＣスタック１の負荷とメタネーションの負荷をそれぞれ独立に制御できる。

なお、実施の形態１から実施の形態７においては、いずれも燃料電池スタックとして固体酸化物形燃料電池を使用して説明したが、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ（ｍｏｌｔｅｎ ｃａｒｂｏｎａｔｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ））などの高温型燃料電池スタックも利用可能である。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるものではなく、単独で、または様々な組合せで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組合せる場合が含まれるものとする。

１ 固体酸化物形燃料電池スタック、１ａ アノード、１ｃ カソード、
２ 共電解スタック、２ａ アノード、２ｃ カソード、３ 改質器、４ 触媒層、
５ 燃焼器、６ カソード排ガス加熱層、１０ 混合器、１１ 水蒸気発生器、
１２ 熱交換器、１３ 燃焼排ガス凝縮器、１４ 空気ブロワ、
１５ アノード排ガス凝縮器、１６ ガス合成装置、１７ 熱交換器、
２１ 原燃料供給ライン、２２ 原燃料ガスライン、２５ 改質ガスライン、
２６ アノード排ガスライン、２７ リサイクルライン、２８ バーナ燃焼ライン、
３１ 燃焼排ガスライン、３２ 二酸化炭素還流ライン、
３３ 濃縮二酸化炭素排出ライン、４０ 濃縮二酸化炭素還流ライン、
４１ 酸素供給ライン、４２ 酸素放出ライン、４５ 第二濃縮二酸化炭素還流ライン、４６ 濃縮二酸化炭素合流部、４７ 原燃料合流部、５１ 水素一酸化炭素供給ライン、５２ 第二水素一酸化炭素供給ライン、５３ 第三水素一酸化炭素供給ライン、
６０ 給水ライン、６１ 水蒸気ライン、６２ 共電解水蒸気ライン、
６５ 空気供給ライン、６６ カソード排ガスライン、６７ 排気ライン、
７０ 制御装置、７１ 原燃料流量測定器、７２ アノード排ガス流量測定器、
７３ ＳＯＦＣ負荷測定器、８１ 濃縮二酸化炭素流量調節弁、
８２ 水蒸気流量調節弁、８３ 酸素放出量調整弁、
８４ 第一濃縮二酸化炭素量調節弁、８５ 第二濃縮二酸化炭素量調節弁、
８６ 濃縮二酸化炭素排出量調節弁、９０ 電源コントローラ、
９１ 濃縮二酸化炭素貯蔵装置、９２ 圧縮機、
１００，２００，３００，４０１，４０２，５００，６００，７００ 燃料電池システム。

Claims (11)

1. 炭化水素を含む原燃料と水蒸気を反応させた改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質器と、空気と前記改質ガスとの電気化学反応によって電気エネルギを発生させる燃料電池スタックと、二酸化炭素と水蒸気から生成した酸素をアノードから排出し、水素と一酸化炭素とをカソードから排出する共電解スタックとを備え、
   前記燃料電池スタックのアノード排ガスを前記共電解スタックで生成した酸素で燃焼して前記改質反応に熱を与える燃焼器と、前記燃焼器の燃焼排ガスの少なくとも一部を前記共電解スタックに循環する循環流路を備える燃料電池システム。
2. 前記循環流路は、前記共電解スタックの前記カソードに循環する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃焼排ガスの一部を前記共電解スタックの前記アノードに供給する第二循環流路を備える請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記第二循環流路の前記燃焼排ガスの一部が前記共電解スタックのアノード出口の流路に合流する請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記共電解スタックで生成した前記水素と前記一酸化炭素を燃料資源に変換するガス合成装置を備える請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記共電解スタックで生成した前記水素と前記一酸化炭素とが前記改質器を流通する原燃料に合流する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記共電解スタックで生成した前記水素と前記一酸化炭素とを、前記燃料電池スタックに燃料として供給する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃焼器は、燃焼触媒を備え、
   前記共電解スタックで生成した前記酸素、および前記燃料電池スタックの前記アノード排ガスのいずれか一方、または両方を前記燃焼触媒に分散供給する請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 制御装置と、前記循環流路に第一流量調節弁と、前記共電解スタックの前記カソードに水蒸気を供給する水蒸気流路に第二流量調節弁と、前記共電解スタックで生成した酸素を外部に放出する酸素放出流路に第三流量調節弁とを備え、
   原燃料流量を検出する原燃料流量検出器、または前記アノード排ガスの流量を検出するアノード排ガス流量検出器を備え、
   前記原燃料流量検出器からの信号、または前記アノード排ガス流量検出器からの信号に基づき、前記制御装置が前記第一流量調節弁と、前記第二流量調節弁と、第三流量調節弁とを制御する請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記循環流路に、圧縮機と、二酸化炭素貯蔵装置とを備える請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
11. 前記圧縮機の上流側に第四流量調節弁と、前記二酸化炭素貯蔵装置の下流側に第五流量調節弁と、前記燃料電池スタックの第一負荷検出器と、前記共電解スタックの第二負荷検出器とを備え、
    前記第一負荷検出器からの信号および前記第二負荷検出器から信号に基づいて、前記第四流量調節弁および前記第五流量調節弁を制御して前記二酸化炭素貯蔵装置の貯蔵量を制御する請求項１０に記載の燃料電池システム。