JP6993488B1 - 燃料電池発電システム、及び、燃料電池発電システムの制御方法 - Google Patents

燃料電池発電システム、及び、燃料電池発電システムの制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】燃料ガスの流路に対して多段接続された複数の燃料電池のうち後段の燃料電池に対して、効率的な水分供給を行うことにより、良好なシステム効率を達成可能な燃料電池発電システム、及び、燃料電池発電システムの制御方法を提供する。【解決手段】燃料電池発電システムは、第１燃料電池と、第１燃料電池の下流側に排燃料ガスラインを介して接続され、第１燃料電池からの排燃料ガスを用いて、電力を発生可能な第２燃料電池とを備える。排燃料ガスライン上には、排燃料ガスに含まれる水分を回収可能な水分回収器が設けられる。排燃料ガスラインのうち水分回収器の上流側及び下流側はバイパスラインによって連通されており、排燃料ガスライン又はバイパスラインの少なくとも一方には少なくとも一つの流量調整バルブが設けられる。制御装置は、少なくとも一つの流量調整バルブの開度を制御する。【選択図】図４

Description

本開示は、燃料電池発電システム、及び、燃料電池発電システムの制御方法に関する。
燃料ガスと酸化性ガスとを化学反応させることにより発電する燃料電池は、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有している。このうち、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、水素、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、及び炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガス等のガスなどを燃料ガスとして供給して、およそ７００℃～１０００℃の高温雰囲気で反応させて発電を行っている。
このような燃料電池を利用した発電システムの一例として、特許文献１には、第１燃料ガスを用いて発電可能な第１燃料電池と、第１燃料電池からの排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池とを備えた燃料発電装置システムが開示されている。このように複数の燃料電池が多段（カスケード）接続された燃料発電システムでは、燃料ガスの利用率が向上し、システム全体として優れた効率が期待される。また特許文献１では、前段の第１燃料電池からの排燃料ガス中に、第１燃料電池での未利用燃料に加えて、発電反応によって生じた水分が含まれる。このように水分は、後段の第２燃料電池に供給される排燃料ガスの発熱量を低下させる要因となるため、第１燃料電池と第２燃料電池との間に設けられた水分回収器によって回収される。
特許第３９２４２４３号公報
燃料電池で用いられる燃料ガスとして都市ガス等の炭化水素ガスが用いられる場合、燃料電池の発電反応を行う水素（Ｈ２）を、改質反応によって生成する必要がある。例えば燃料ガスとしてメタン（ＣＨ４）を含む炭化水素ガスを用いる場合、改質反応は次式で表される。
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→４Ｈ２＋ＣＯ２
上記特許文献１では、前段の第１燃料電池からの排燃料ガスは、その全量が水分回収器を通過するように構成されており、また水分回収器における水分回収量が管理されていない。そのため、前段の第１燃料電池からの排燃料ガスに含まれる水分は、水分回収器によって回収されてしまう。そのため特許文献１では、水分回収器によって水分が回収された後の第２燃料ガスに対して、後段の第２燃料電池における改質反応に必要な水分を含む燃料ガスを外部から追加供給している。このように水分回収器で一旦回収した水分を再び追加供給することは、余分なエネルギー消費を伴い、システム効率を低下させる要因となっている。
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、燃料ガスの流路に対して多段接続された複数の燃料電池のうち後段の燃料電池に対して、効率的な水分供給を行うことにより、良好なシステム効率を達成可能な燃料電池発電システム、及び、燃料電池発電システムの制御方法を提供することを目的とする。
一態様に係る燃料電池発電システムによれば、上記課題を解決するために、
燃料ガスを用いて、電力を発生可能な第１燃料電池と、
前記第１燃料電池の下流側に排燃料ガスラインを介して接続され、前記第１燃料電池からの排燃料ガスを用いて、電力を発生可能な第２燃料電池と、
前記排燃料ガスライン上に設けられ、前記排燃料ガスに含まれる水分を回収可能な水分回収器と、
前記排燃料ガスラインのうち前記水分回収器の上流側及び下流側を連通するバイパスラインと、
前記排燃料ガスライン又は前記バイパスラインの少なくとも一方に設けられた少なくとも一つの流量調整バルブと、
前記少なくとも一つの流量調整バルブの開度を制御可能な制御装置と、
を備える。
一態様に係る燃料電池発電システムの制御方法によれば、上記課題を解決するために、
燃料ガスを用いて、電力を発生可能な第１燃料電池と、
前記第１燃料電池の下流側に排燃料ガスラインを介して接続され、前記第１燃料電池からの排燃料ガスを用いて、電力を発生可能な第２燃料電池と、
前記排燃料ガスライン上に設けられ、前記排燃料ガスに含まれる水分を回収可能な水分回収器と、
前記排燃料ガスラインのうち前記水分回収器の上流側及び下流側を連通するバイパスラインと、
前記排燃料ガスライン又は前記バイパスラインの少なくとも一方に設けられた少なくとも一つの流量調整バルブと、
を備える、燃料電池発電システムの制御方法であって、
前記排燃料ガスの含有水分量が、前記第２燃料電池の必要水分量になるように、前記少なくとも１つの流量調整バルブの開度を制御する。
本開示の少なくとも一実施形態によれば、燃料ガスの流路に対して多段接続された複数の燃料電池のうち後段の燃料電池に対して、効率的な水分供給を行うことにより、良好なシステム効率を達成可能な燃料電池発電システム、及び、燃料電池発電システムの制御方法を提供できる。
一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの概略図である。 一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールを構成するＳＯＦＣカートリッジの概略的な断面図である。 一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールを構成するセルスタックの概略的な断面図である。 一実施形態に係る燃料電池発電システムの概略構成図である。 図４の燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。
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部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、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。
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて説明した各構成要素の位置関係は、各々鉛直上方側、鉛直下方側を示すものである。また、本実施形態では、上下方向と水平方向で同様な効果を得られるものは、紙面における上下方向が必ずしも鉛直上下方向に限定することなく、例えば鉛直方向に直交する水平方向に対応してもよい。
以下において、燃料電池発電システムを構成する燃料電池として固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ， ＳＯＦＣ）を採用した実施形態について説明するが、幾つかの実施形態では、燃料電池発電システムを構成する燃料電池として、ＳＯＦＣ以外のタイプの燃料電池（例えば溶融炭酸塩型燃料電池（Ｍｏｌｔｅｎ－ｃａｒｂｏｎａｔｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌｓ， ＭＣＦＣ）等）を採用してもよい。
（燃料電池モジュールの構成）
まず、図１～図３を参照して、幾つかの実施形態に係る燃料電池発電システムを構成する燃料電池モジュールについて説明する。図１は、一実施形態に係るＳＯＦＣモジュール（燃料電池モジュール）の概略図である。図２は、一実施形態に係るＳＯＦＣモジュール（燃料電池モジュール）を構成するＳＯＦＣカートリッジ（燃料電池カートリッジ）の概略的な断面図である。図３は、一実施形態に係るＳＯＦＣモジュール（燃料電池モジュール）を構成するセルスタックの概略的な断面図である。
ＳＯＦＣモジュール（燃料電池モジュール）２０１は、図１に示すように、例えば、複数のＳＯＦＣカートリッジ（燃料電池カートリッジ）２０３と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５とを備える。なお、図１には円筒形のＳＯＦＣのセルスタック１０１を例示しているが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。また、燃料電池モジュール２０１は、燃料ガス供給管２０７と、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａ、燃料ガス排出管２０９と、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを備える。また、燃料電池モジュール２０１は、酸化性ガス供給管（不図示）と酸化性ガス供給枝管（不図示）及び酸化性ガス排出管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管（不図示）とを備える。
燃料ガス供給管２０７は、圧力容器２０５の外部に設けられ、燃料電池モジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部（不図示）に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに接続されている。この燃料ガス供給管２０７は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７に接続されると共に、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されている。この燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７から供給される燃料ガスを複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電性能を略均一化させるものである。
燃料ガス排出枝管２０９ａは、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されると共に、燃料ガス排出管２０９に接続されている。この燃料ガス排出枝管２０９ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管２０９に導くものである。また、燃料ガス排出管２０９は、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａに接続されると共に、一部が圧力容器２０５の外部に配置されている。この燃料ガス排出管２０９は、燃料ガス排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器２０５の外部に導くものである。
圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ～約３ＭＰａ、内部の温度が大気温度～約５５０℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばＳＵＳ３０４などのステンレス系材が好適である。
ここで、本実施形態においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されて圧力容器２０５に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されずに圧力容器２０５内に収納される態様とすることもできる。
ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図２に示す通り、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５と、燃料ガス供給ヘッダ２１７と、燃料ガス排出ヘッダ２１９と、酸化性ガス（空気）供給ヘッダ２２１と、酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを備える。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、上部管板２２５ａと、下部管板２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂとを備える。
尚、本実施形態においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給ヘッダ２１７と燃料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とが図２のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタック１０１の内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタック１０１の長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
発電室２１５は、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂとの間に形成された領域である。この発電室２１５は、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置された領域であり、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室２１５のセルスタック１０１長手方向の中央部付近での温度は、温度計測部（例えば熱電対等の温度センサ）で監視され、燃料電池モジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃～１０００℃の高温雰囲気となる。
燃料ガス供給ヘッダ２１７は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの上部に設けられた燃料ガス供給孔２３１ａによって、燃料ガス供給枝管２０７ａと連通されている。また、複数のセルスタック１０１は、上部管板２２５ａとシール部材２３７ａにより接合されており、燃料ガス供給ヘッダ２１７は、燃料ガス供給枝管２０７ａから燃料ガス供給孔２３１ａを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１の発電性能を略均一化させるものである。
燃料ガス排出ヘッダ２１９は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂに備えられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、図示しない燃料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。また、複数のセルスタック１０１は、下部管板２２５ｂとシール部材２３７ｂにより接合されており、燃料ガス排出ヘッダ２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部を通過して燃料ガス排出ヘッダ２１９に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔２３１ｂを介して燃料ガス排出枝管２０９ａに導くものである。
燃料電池モジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給ヘッダ２２１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂと下部断熱体（支持体）２２７ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂの側面に設けられた酸化性ガス供給孔２３３ａによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給ヘッダ２２１は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に導くものである。
酸化性ガス排出ヘッダ２２３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａと上部断熱体（支持体）２２７ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの側面に設けられた酸化性ガス排出孔２３３ｂによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出ヘッダ２２３は、発電室２１５から、後述する酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して酸化性ガス排出ヘッダ２２３に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して図示しない酸化性ガス排出枝管に導くものである。
上部管板２２５ａは、上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとの間に、上部管板２２５ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとが略平行になるように、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また上部管板２２５ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この上部管板２２５ａは、複数のセルスタック１０１の一方の端部をシール部材２３７ａ及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給ヘッダ２１７と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを隔離するものである。
上部断熱体２２７ａは、上部ケーシング２２９ａの下端部に、上部断熱体２２７ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部管板２２５ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また、上部断熱体２２７ａには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２３５ｂを備える。
この上部断熱体２２７ａは、発電室２１５と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを仕切るも のであり、上部管板２２５ａの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板２２５ａ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料からなるが、上部管板２２５ａ等が発電室２１５内の高温に晒されて上部管板２２５ａ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体２２７ａは、発電室２１５を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを通過させて酸化性ガス排出ヘッダ２２３に導くものである。
本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管１０３の内部を通って発電室２１５に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料からなる上部管板２２５ａ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出ヘッダ２２３に供給される。また、燃料ガスは、発電室２１５から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室２１５に供給することができる。
下部管板２２５ｂは、下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとの間に、下部管板２２５ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとが略平行になるように下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また下部管板２２５ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック１０１の他方の端部をシール部材２３７ｂ及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１とを隔離するものである。
下部断熱体２２７ｂは、下部ケーシング２２９ｂの上端部に、下部断熱体２２７ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部管板２２５ｂとが略平行になるように配置され、下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２３５ａを備える。
この下部断熱体２２７ｂは、発電室２１５と酸化性ガス供給ヘッダ２２１とを仕切るものであり、下部管板２２５ｂの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板２２５ｂ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料からなるが、下部管板２２５ｂ等が高温に晒されて下部管板２２５ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体２２７ｂは、酸化性ガス供給ヘッダ２２１に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて発電室２１５に導くものである。
本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管１０３の内部を通って発電室２１５を通過した排燃料ガスは、発電室２１５に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料からなる下部管板２２５ｂ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出ヘッダ２１９に供給される。また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室２１５に供給することができる。
発電室２１５で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル１０５に設けたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜１１５によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電棒（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部へと取り出される。前記集電棒によってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された直流電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、燃料電池モジュール２０１の外部へと導出されて、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置（インバータなど）により所定の交流電力へと変換されて、電力供給先（例えば、負荷設備や電力系統）へと供給される。
図３に示すように、セルスタック１０１は、一例として円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを備える。燃料電池セル１０５は、燃料側電極１０９と固体電解質膜（電解質）１１１と酸素側電極１１３とが積層して形成されている。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端の一端に形成された燃料電池セル１０５の酸素側電極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル１０５の燃料側電極１０９に電気的に接続されたリード膜１１５を備える。
基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、ＣＳＺと酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合物（ＣＳＺ＋ＮｉＯ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４などを主成分とされる。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される燃料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料側電極１０９に拡散させるものである。
燃料側電極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。燃料側電極１０９の厚さは５０μｍ～２５０μｍであり、燃料側電極１０９はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。この場合、燃料側電極１０９は、燃料側電極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を備える。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。また、燃料側電極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質膜１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ２－）とを固体電解質膜１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成するものである。なお、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。
固体酸化物形燃料電池の燃料側電極１０９に供給し利用できる燃料ガスとしては、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、及び石炭などの炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガスなどが挙げられる。
固体電解質膜１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質膜１１１は、酸素側電極で生成される酸素イオン（Ｏ２－）を燃料側電極に移動させるものである。燃料側電極１０９の表面上に位置する固体電解質膜１１１の膜厚は１０μｍ～１００μｍであり固体電解質膜１１１はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。
酸素側電極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成され、酸素側電極１１３はスラリーをスクリーン印刷またはディスペンサを用いて塗布される。この酸素側電極１１３は、固体電解質膜１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ２－）を生成するものである。
酸素側電極１１３は２層構成とすることもできる。この場合、固体電解質膜１１１側の酸素側電極層（酸素側電極中間層）は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。酸素側電極中間層上の酸素側電極層（酸素側電極導電層）は、Ｓｒ及びＣａドープＬａＭｎＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。
酸化性ガスとは，酸素を略１５％～３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。
インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ３系などのＭ１－ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、スラリーをスクリーン印刷する。インターコネクタ１０７は、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の酸素側電極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料側電極１０９とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。
リード膜１１５は、電子伝導性を備えること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材やＳｒＴｉＯ３系などのＭ１－ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタ１０７により直列に接続される複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出するものである。
幾つかの実施形態では、上述のように燃料側電極又は酸素側電極と基体管を別々に設けるのではなく、燃料側電極又は酸素側電極を厚く形成して基体管を兼用するようにしてもよい。また、本実施形態での基体管は円筒形状を用いたもので説明するが、基体管は筒状であればよく、必ずしも断面が円形に限定されなく、例えば楕円形状でもよい。円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒（Ｆｌａｔ ｔｕｂｕｌａｒ）等のセルスタックでもよい。
（燃料電池発電システムの構成）
次に、上記構成を有する燃料電池モジュール２０１を利用した燃料電池発電システム１について説明する。図４は、一実施形態に係る燃料電池発電システム１の概略構成図である。
図４に示すように、燃料電池発電システム１は、第１燃料電池モジュール２０１Ａ及び第２燃料電池モジュール２０１Ｂを含む燃料電池部１０と、燃料電池部１０に燃料ガスＧｆを供給するための燃料ガス供給ライン２０と、第１燃料電池モジュール２０１Ａから排出される第１排燃料ガスＧｅｆ１が流れる第１排燃料ガスライン２２Ａと、第２燃料電池モジュール２０１Ｂから排出される第２排燃料ガスＧｅｆ２が流れる第２排燃料ガスライン２２Ｂと、を備える。尚、図４では図示が省略されているが、燃料電池発電システム１は、燃料電池部１０に酸化性ガス（空気）を供給するための酸化性ガス供給ラインと、第１燃料電池モジュール２０１Ａから排出される第１排酸化性ガスが流れる第１排酸化性ガスラインと、第２燃料電池モジュール２０１Ｂからの第２排酸化性ガスが流れる第２排酸化性ガスラインと、を備える。
第１燃料電池モジュール２０１Ａ及び第２燃料電池モジュール２０１Ｂは、前述したように１以上の燃料電池カートリッジ２０３を備えており、燃料電池カートリッジ２０３は、複数の燃料電池セル１０５をそれぞれ含む複数のセルスタック１０１により構成されている（図１及び図２を参照）。燃料電池セル１０５の各々は、燃料側電極１０９、固体電解質膜１１１及び酸素側電極１１３を含む（図３を参照）。
図４では、燃料電池部１０は、燃料ガス供給ライン２０に対して第１燃料電池モジュール２０１Ａ及び第２燃料電池モジュール２０１Ｂが直列（カスケード）接続されることにより、前段の第１燃料電池モジュール２０１Ａから排出された第１排燃料ガスＧｅｆ１が、第１排燃料ガスライン２２Ａを介して、後段の第２燃料電池モジュール２０１Ｂに供給されるように構成される。後段の第２燃料電池モジュール２０１Ｂからの第２排燃料ガスＧｅｆ２は、第２排燃料ガスライン２２Ｂを介して外部に排出される。
尚、本実施形態では、燃料ガス供給ライン２０に対して２つの燃料電池モジュールが直列（カスケード）接続された場合を例示しているが、直列（カスケード）接続される燃料電池モジュールの数は任意（３以上）でもよい。
尚、燃料ガス供給ライン２０は図１に示す燃料ガス供給管２０７に対応し、第１排燃料ガスライン２２Ａは燃料ガス排出管２０９に対応する。
燃料ガス供給ライン２０上には、燃料電池部１０に対する燃料ガスＧｆの供給量を調整するための燃料ガス供給量調整弁Ｖｆが設けられる。燃料ガス供給量調整弁Ｖｆの開度は、後述の制御装置３８０からの制御信号に基づいて制御可能である。
また第１排燃料ガスライン２２Ａには、第１排燃料ガスＧｅｆ１に含まれる水分（Ｈ２Ｏ）を回収するための水分回収器３０が設けられる。水分回収器３０は、排燃料ガスを冷却することにより排燃料ガスに含まれる過剰な水分を凝縮除去するための水分凝縮器３３と、水分が凝縮除去された排燃料ガスを再加熱する排燃料ガス再生熱交換器３２と、を備える。水分凝縮器３３には冷却水ライン３５と回収水ライン３４が接続されており、凝縮除去した回収水を適宜外部に排出可能である。
また第１排燃料ガスライン２２Ａには、第１排燃料ガスＧｅｆ１に含まれる二酸化炭素（ＣＯ２）を回収するための二酸化炭素回収器４０が設けられる。二酸化炭素回収器４０は例えばＣＯ２分離膜などから構成される。二酸化炭素回収器４０で回収されたＣＯ２水分回収量は、例えば工業用原料や食品用原料、コンクリート注入用などに利用可能である。
バイパスライン５０は、第１排燃料ガスライン２２ＡのうちＨ２Ｏ回収器の上流側及び下流側を連通するように設けられている。第１燃料電池モジュール２０１Ａからの排燃料ガスＧｅｆ１は、第１排燃料ガスライン２２Ａ又はバイパスライン５０の少なくとも一方に設けられた流量調整バルブの開度に応じて、第１排燃料ガスライン２２Ａに沿って水分回収器３０及び二酸化炭素回収器４０を通過する流路と、バイパスライン５０を通過する流路とを選択可能である。これにより、流量調整バルブの開度によって、これら２つの流路を流れる排燃料ガスＧｅｆ１の割合を任意に調整できるように構成されている。
本実施形態では、このような流量調整バルブとして、第１排燃料ガスライン２２Ａ上に設けられた第１流量調整バルブＶ１ａと、バイパスライン５０上に設けられた第２流量調整バルブＶ１ｂとが設けられている。第１流量調整バルブＶ１ａ及び第２流量調整バルブＶ１ｂの開度は、それぞれ後述の制御装置３８０によって制御可能であり、より具体的には、制御装置３８０は、第１流量調整バルブＶ１ａ及び第２流量調整バルブＶ１ｂの開度比を制御することで、上記２つの流路を流れる第１排燃料ガスＧｅｆ１の割合が調整される。
燃料電池発電システム１は、燃料電池発電システム１の各構成を制御するための制御装置３８０を備える。制御装置３８０は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。
制御装置３８０は、図４で機能ブロックとして内部構成が示されているように、第１電流設定値算出部３８２、燃料ガス流量算出部３８４、排燃料ガス流量算出部３８６、成分含有量算出部３８８、第２電流設定値算出部３９０、及び、水分回収量算出部３９２を備える。これらの制御装置３８０の各構成要素は、以下に説明する制御方法に沿って動作する。図５は、図４の燃料電池発電システム１の制御方法を示すフローチャートである。
まず制御装置３８０のうち、第１電流設定値算出部３８２は、外部から取得する出力指令Ｗ１に基づいて、第１燃料電池モジュール２０１Ａの第１電流設定値Ｉ１を算出する（ステップＳ１）。出力指令Ｗ１と電流設定値Ｉ１との関係は予め関数ｆｘ１として規定されており、ステップＳ１では、制御装置３８０が取得した出力指令Ｗ１を関数ｆｘ１に入力することにより、第１燃料電池モジュール２０１Ａの電流設定値Ｉ１が算出される。ステップＳ１で算出された電流設定値Ｉ１は、制御パラメータとして第１燃料電池モジュール２０１Ａに出力されるとともに、以下の演算に用いられる。
続いて燃料ガス流量算出部３８４は、ステップＳ１で算出された電流設定値Ｉ１に基づいて、第１燃料電池モジュール２０１Ａに供給される燃料ガスＧｆの流量Ｆ１を算出する（ステップＳ２）。ステップＳ２において燃料ガス流量算出部３８４は、ステップＳ１で算出された電流設定値Ｉ１に加えて、予め設定されるパラメータである、第１燃料電池モジュール２０１Ａの燃料利用率Ｕｆ１及び燃料ガスＧｆの燃料組成Ｆｃ１を用いて燃料ガスＧｆの流量Ｆ１を算出する。電流設定値Ｉ１、燃料利用率Ｕｆ１及び燃料組成Ｆｃ１と、燃料ガスＧｆの流量Ｆ１との関係は、予め関数ｆｘ２として規定されている。ステップＳ２では、ステップＳ１で算出された電流設定値Ｉ１、並びに、予め設定された燃料利用率Ｕｆ１及び燃料組成Ｆｃ１を関数ｆｘ２に入力することにより、燃料ガスＧｆの流量Ｆ１が算出される。
続いて排燃料ガス流量算出部３８６は、ステップＳ１で算出された電流設定値Ｉ１、及び、ステップＳ２で算出された燃料ガスＧｆの流量Ｆ１、及び、予め設定される燃料組成Ｆｃ１に基づいて、第１燃料電池モジュール２０１Ａからの第１排燃料ガスＧｅｆ１の流量Ｅ１を算出する（ステップＳ３）。燃料ガスＧｆの流量Ｆ１及び燃料組成Ｆｃ１と、第１排燃料ガスＧｅｆ１の流量Ｅ１との関係は、予め関数ｆｘ３として規定されている。ステップＳ３では、ステップＳ２で算出された燃料ガスＧｆの流量Ｆ１、及び、予め設定される燃料組成Ｆｃ１を関数ｆｘ３に入力することにより、第１排燃料ガスＧｅｆ１の流量Ｅ１が算出される。このように算出された第１排燃料ガスＧｅｆ１の流量Ｅ１は、排燃料ガスＧｅｆの流量に関するフィードバック制御に用いられる。
続いて成分含有量算出部３８８は、ステップＳ２で算出された燃料ガスＧｆの流量Ｆ１、及び、予め設定される燃料組成Ｆｃ１に基づいて、第１排燃料ガスＧｅｆ１に含まれる各成分（ＣＨ４／Ｈ２／ＣＯ／Ｈ２Ｏ／ＣＯ２）の含有量Ｅｃ１を算出する（ステップＳ４）。燃料ガスＧｆの流量Ｆ１及び燃料組成Ｆｃ１と、第１排燃料ガスＧｅｆ１における各成分の含有量Ｅｃ１との関係は、予め関数ｆｘ４として規定されている。ステップＳ４では、ステップＳ２で算出された燃料ガスＧｆの流量Ｆ１、及び、予め設定される燃料組成Ｆｃ１を関数ｆｘ４に入力することにより、第１排燃料ガスＧｅｆ１における各成分の含有量Ｅｃ１が算出される。
続いて第２電流設定値算出部３９０は、ステップＳ４で算出された第１排燃料ガスＧｅｆ１における各成分の含有量Ｅｃ１、及び、予め設定された第２燃料電池モジュール２０１Ｂの燃料利用率Ｕｆ２に基づいて、第２燃料電池モジュール２０１Ｂの電流設定値Ｉ２を算出する（ステップＳ５）。第１排燃料ガスＧｅｆ１における各成分の含有量Ｅｃ１及び燃料利用率Ｕｆ２と、電流設定値Ｉ２との関係は、予め関数ｆｘ５として規定されている。ステップＳ５では、ステップＳ４で算出された第１排燃料ガスＧｅｆ１における各成分の含有量Ｅｃ１、及び、予め設定された燃料利用率Ｕｆ２を関数ｆｘ５に入力することにより、電流設定値Ｉ２が算出される。ステップＳ５で算出された電流設定値Ｉ２は、制御パラメータとして第２燃料電池モジュール２０１Ｂに出力される。
続いて水分回収量算出部３９２は、ステップＳ４で算出された第１排燃料ガスＧｅｆ１における各成分の含有量Ｅｃ１、並びに、予め設定された第２燃料電池モジュール２０１Ｂの燃料利用率Ｕｆ２及び第２燃料電池モジュール２０１Ｂの最適Ｓ／Ｃ値（Ｓ／Ｃ２）に基づいて、水分回収器３０における水分回収量Ｄ１を算出する（ステップＳ６）。具体的には、ステップＳ４で算出された第１排燃料ガスＧｅｆ１における各成分の含有量Ｅｃ１に基づいて、第１排燃料ガスＧｅｆ１における現在の水分含有量を算出するとともに、第１排燃料ガスＧｅｆ１における燃料成分の含有量Ｅｃ１、並びに、予め設定された第２燃料電池モジュール２０１Ｂの燃料利用率Ｕｆ２及び第２燃料電池モジュール２０１Ｂの最適Ｓ／Ｃ値（Ｓ／Ｃ２）に基づいて第２燃料電池モジュール２０１Ｂで改質反応に必要な水分の必要量を算出し、両者の差分から水分回収器３０で回収すべき水分量が決定される。水分回収量算出部３９２では、第１排燃料ガスＧｅｆ１における各成分の含有量Ｅｃ１、第２燃料電池モジュール２０１Ｂの燃料利用率Ｕｆ２及び第２燃料電池モジュール２０１Ｂの最適Ｓ／Ｃ値（Ｓ／Ｃ２）と、水分回収量Ｄ１との関係は、予め関数ｆｘ６として規定されている。ステップＳ６では、第１排燃料ガスＧｅｆ１における各成分の含有量Ｅｃ１、第２燃料電池モジュール２０１Ｂの燃料利用率Ｕｆ２及び第２燃料電池モジュール２０１Ｂの最適Ｓ／Ｃ値（Ｓ／Ｃ２）を関数ｆｘ６に入力することにより、水分回収器３０における水分回収量Ｄ１が算出される。
続いて制御装置３８０は、このように算出された水分回収量Ｄ１に基づいて、少なくとも１つの流量調整バルブの開度を制御する（ステップＳ７）。本実施形態では、制御装置３８０は、第１流量調整バルブＶ１ａ及び第２流量調整バルブＶ１ｂの開度比を制御することにより、水分回収器３０を通過する第１排燃料ガスＧｅｆ１の流量を変化させ、水分回収器３０における水分回収量がステップＳ６で算出された水分回収量Ｄ１になるように制御される。これにより、後段の第２燃料電池モジュール２０１Ｂに供給される第１排燃料ガスＧｅｆ１には、第２燃料電池モジュール２０１Ｂにおける改質反応に必要な水分量が適度に含まれることとなる。その結果、水分回収器３０によって第１燃料電池モジュール２０１Ａから排出される余分な水分を回収しながらも、第２燃料電池モジュール２０１Ｂで必要な水分を外部から追加供給することなく確保し、排燃料ガス再生熱交換器３２で水分を除去した排燃料ガスを再加熱することができるため、優れたシステム効率を有する燃料電池発電システム１を実現することができる。
尚、水分回収量算出部３９２は、ステップＳ４で算出された第１排燃料ガスＧｅｆ１における各成分の含有量Ｅｃ１、並びに、予め設定された第２燃料電池モジュール２０１Ｂの燃料利用率Ｕｆ２及び第２燃料電池モジュール２０１Ｂの最適Ｓ／Ｃ値（Ｓ／Ｃ２）に基づいて、二酸化炭素回収器４０における二酸化炭素水分回収量Ｃ１を算出してもよい。この場合、水分回収量算出部３９２では、第１排燃料ガスＧｅｆ１における各成分の含有量Ｅｃ１、第２燃料電池モジュール２０１Ｂの燃料利用率Ｕｆ２及び第２燃料電池モジュール２０１Ｂの最適Ｓ／Ｃ値（Ｓ／Ｃ２）と、二酸化炭素水分回収量Ｃ１との関係は、予め関数ｆｘ７として規定される。第１排燃料ガスＧｅｆ１における各成分の含有量Ｅｃ１、第２燃料電池モジュール２０１Ｂの燃料利用率Ｕｆ２及び第２燃料電池モジュール２０１Ｂの最適Ｓ／Ｃ値（Ｓ／Ｃ２）を関数ｆｘ７に入力することにより、二酸化炭素回収器４０における二酸化炭素水分回収量Ｃ１が算出される。
二酸化炭素回収器４０では、このように算出された二酸化炭素水分回収量Ｃ１に基づいて、第１排燃料ガスＧｅｆ１からの二酸化炭素の回収が行われる。これにより、燃料電池発電システム１から排出される二酸化炭素を削減し、環境性能を向上し、回収した二酸化炭素を他の用途に有効利用することにより、システム効率や運用コストを改善することができる。
以上説明したように上記実施形態によれば、燃料ガスＧｆの流路に対して多段接続された複数の燃料電池のうち後段の第２燃料電池モジュール２０１Ｂに対して、効率的な水分供給を行うことにより、良好なシステム効率を達成可能な燃料電池発電システム１を実現できる。
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。
（１）一態様に係る燃料電池発電システム（例えば上記実施形態の燃料電池発電システム１）は、
燃料ガス（例えば上記実施形態の燃料ガスＧｆ）を用いて、電力を発生可能な第１燃料電池（例えば上記実施形態の第１燃料電池モジュール２０１Ａ）と、
前記第１燃料電池の下流側に排燃料ガスライン（例えば上記実施形態の第１排燃料ガスライン２２Ａ）を介して接続され、前記第１燃料電池からの排燃料ガス（例えば上記実施形態の第１排燃料ガスＧｅｆ１）を用いて、電力を発生可能な第２燃料電池（例えば上記実施形態の第２燃料電池モジュール２０１Ｂ）と、
前記排燃料ガスライン上に設けられ、前記排燃料ガスに含まれる水分を回収可能な水分回収器（例えば上記実施形態の水分回収器３０）と、
前記排燃料ガスラインのうち前記水分回収器の上流側及び下流側を連通するバイパスライン（例えば上記実施形態のバイパスライン５０）と、
前記排燃料ガスライン又は前記バイパスラインの少なくとも一方に設けられた少なくとも一つの流量調整バルブ（例えば上記実施形態の第１流量調整バルブＶ１ａ、第２流量調整バルブＶ１ｂ）と、
前記少なくとも一つの流量調整バルブの開度を制御可能な制御装置（例えば上記実施形態の制御装置３８０）と、
を備える。
上記（１）の態様によれば、第１燃料電池と、第１燃料電池からの排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池とを備える燃料電池発電システムにおいて、排燃料ガスライン上に排燃料ガスに含まれる水分を回収するための水分回収器が設けられる。排燃料ガスラインのうち水分回収器の上流側及び下流側はバイパスラインによって連通しており、排燃料ガスライン又はバイパスラインの少なくとも一方に設けられた流量調整バルブの開度を制御することによって、水分回収器を通過する排燃料ガスの流量を調整することができる。これにより、水分回収器によって排燃料ガスから回収される水分量を調整することで、排燃料ガスに含まれる余分な水分を水分回収器で回収しながらも、第１燃料電池の後段にある第２燃料電池で必要となされる水分量を外部からの供給に頼ることなく適度に確保し、再生熱交換器で熱回収を行うことができ、良好なシステム効率を達成できる。
（２）他の態様では、上記（１）の態様において、
前記少なくとも一つの流量調整バルブは、
前記排燃料ガスライン上に設けられた第１流量調整バルブ（例えば上記実施形態の第１流量調整バルブＶ１ａ）と、
前記バイパスライン上に設けられた第２流量調整バルブ（例えば上記実施形態の第２流量調整バルブＶ１ｂ）と、
を含み、
前記制御装置は、前記第１流量調整バルブ及び前記第２流量調整バルブの開度比を制御する。
上記（２）の態様によれば、第１流量調整バルブと第２流量調整バルブの開度比を制御することにより、水分回収器を通過する排燃料ガスの流量を変化させることができる。これにより、水分回収器による水分回収量を調整することで、排燃料ガスに含まれる余分な水分を水分回収器で回収しながらも、第１燃料電池の後段にある第２燃料電池で必要となされる水分量を適度に確保することができる。
（３）他の態様では、上記（１）又は（２）の態様において、
前記制御装置は、前記第２燃料ガスに供給される前記排燃料ガスの含有水分量が、前記第２燃料電池の必要水分量になるように、前記少なくとも１つの流量調整バルブの開度を制御する。
上記（３）の態様によれば、流量調整バルブの開度制御によって水分回収器を通過する排燃料ガスの流量を変化させることで、水分回収器における水分回収量を調整することで、排燃料ガスに含まれる水分量が、第２燃料電池で必要とされる水分量となる。これにより、排燃料ガスに含まれる余分な水分を回収する一方で、外部からの水分の追加供給を行うことなく、第２燃料電池で必要な水分を確保することができる。
（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、
前記水分回収器は、
前記排燃料ガスを冷却することにより前記排燃料ガスに含まれる過剰な水分を凝縮除去するための水分凝縮器（例えば上記実施形態の水分凝縮器３３）と、
前記水分が凝縮除去された前記排燃料ガスを再加熱する再生熱交換器（例えば上記実施形態の再生熱交換器３２）と、
を備える。
上記（４）の態様によれば、水分凝縮器３３で水分が凝縮除去された排燃料ガスを、再生熱交換器で再加熱することで、第２燃料電池に供給される排燃料ガスの温度を上昇させ、効率を改善できる。
（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、
前記排燃料ガスから二酸化炭素を回収するための二酸化炭素回収器を備える。
上記（５）の態様によれば、排燃料ガスに含まれる二酸化炭素を回収することにより、温室効果ガスとなる二酸化炭素の外部への排出量を削減するとともに、必要に応じて回収した二酸化炭素を資源として利用できる。
（６）他の態様では、上記（１）から（５）のいずれか一態様において、
前記制御装置は、
前記燃料電池発電システムに対する出力指令値に基づいて前記第１燃料電池の第１電流設定値を算出する第１電流設定値算出部（例えば上記実施形態の第１電流設定値算出部３８２）と、
前記第１電流設定値に基づいて、前記第１燃料電池に対する前記燃料ガスの流量を算出する燃料ガス流量算出部（例えば上記実施形態の燃料ガス流量算出部３８４）と、
前記燃料ガスの流量に基づいて、前記排燃料ガスに含有される各成分の含有量を算出する成分含有量算出部（例えば上記実施形態の成分含有量算出部３８８）と
前記成分含油量算出部の算出結果に基づいて前記水分回収器による水分回収量を算出する水分回収量算出部（例えば上記実施形態の水分回収量算出部３９２）と、
を備え、
前記制御装置は、前記水分回収量による水分回収量が前記水分回収量算出部の算出結果になるように、前記少なくとも一つの流量調整バルブの開度を制御する。
上記（６）の態様によれば、燃料電池発電システムに対する出力指令値に基づいて、第１燃料電池の電流設定値、燃料ガスの流量、排燃料ガスに含有される各成分の含有量を順に算出することで、水分回収器による水分回収量が算出される。そして制御装置は、流量調整バルブの開度を調整することで水分回収器を通過する排燃料ガスの流量を変化させることで、水分回収器における水分回収量が算出結果になるように制御する。
（７）一態様に係る燃料電池発電システムの制御方法は、
燃料ガス（例えば上記実施形態の燃料ガスＧｆ）を用いて、電力を発生可能な第１燃料電池（例えば上記実施形態の第１燃料電池モジュール２０１Ａ）と、
前記第１燃料電池の下流側に排燃料ガスライン（例えば上記実施形態の第１排燃料ガスライン２２Ａ）を介して接続され、前記第１燃料電池からの排燃料ガス（例えば上記実施形態の第１排燃料ガスＧｅｆ１）を用いて、電力を発生可能な第２燃料電池（例えば上記実施形態の第２燃料電池モジュール２０１Ｂ）と、
前記排燃料ガスライン上に設けられ、前記排燃料ガスに含まれる水分を回収可能な水分回収器（例えば上記実施形態の水分回収器３０）と、
前記排燃料ガスラインのうち前記水分回収器の上流側及び下流側を連通するバイパスライン（例えば上記実施形態のバイパスライン５０）と、
前記排燃料ガスライン又は前記バイパスラインの少なくとも一方に設けられた少なくとも一つの流量調整バルブ（例えば上記実施形態の第１流量調整バルブＶ１ａ、第２流量調整バルブＶ１ｂ）と、
を備える、燃料電池発電システムの制御方法であって、
前記排燃料ガスの含有水分量が、前記第２燃料電池の必要水分量になるように、前記少なくとも１つの流量調整バルブの開度を制御する。
上記（７）の態様によれば、第１燃料電池と、第１燃料電池からの排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池とを備える燃料電池発電システムにおいて、排燃料ガスライン上に排燃料ガスに含まれる水分を回収するための水分回収器が設けられる。排燃料ガスラインのうち水分回収器の上流側及び下流側はバイパスラインによって連通しており、排燃料ガスライン又はバイパスラインの少なくとも一方に設けられた流量調整バルブの開度を制御することによって、水分回収器を通過する排燃料ガスの流量を調整することができる。これにより、水分回収器によって排燃料ガスから回収される水分量を調整することで、排燃料ガスに含まれる余分な水分を水分回収器で回収しながらも、第１燃料電池の後段にある第２燃料電池で必要となされる水分量を外部からの供給に頼ることなく適度に確保することができ、良好なシステム効率を達成できる。
１ 燃料電池発電システム
１０ 燃料電池部
２０ 燃料ガス供給ライン
２２Ａ 第１排燃料ガスライン
２２Ｂ 第２排燃料ガスライン
３０ 水分回収器
３２ 排燃料ガス再生熱交換器
３３ 水分凝縮器
３４ 回収水ライン
３５ 冷却水ライン
４０ 二酸化炭素回収器
５０ バイパスライン
１０１ セルスタック
１０３ 基体管
１０５ 燃料電池セル
１０７ インターコネクタ
１０９ 燃料側電極
１１１ 固体電解質膜
１１３ 酸素側電極
１１５ リード膜
２０１ 燃料電池モジュール
２０１Ａ 第１燃料電池モジュール
２０１Ｂ 第２燃料電池モジュール
２０３ 燃料電池カートリッジ
２０５ 圧力容器
２０７ 燃料ガス供給管
２０７ａ 燃料ガス供給枝管
２０９ 燃料ガス排出管
２０９ａ 燃料ガス排出枝管
２１５ 発電室
２１７ 燃料ガス供給ヘッダ
２１９ 燃料ガス排出ヘッダ
２２１ 酸化性ガス供給ヘッダ
２２３ 酸化性ガス排出ヘッダ
２２５ａ 上部管板
２２５ｂ 下部管板
２２７ａ 上部断熱体
２２７ｂ 下部断熱体
２２９ａ 上部ケーシング
２２９ｂ 下部ケーシング
２３１ａ 燃料ガス供給孔
２３１ｂ 燃料ガス排出孔
２３３ａ 酸化性ガス供給孔
２３３ｂ 酸化性ガス排出孔
２３５ａ 酸化性ガス供給隙間
２３５ｂ 酸化性ガス排出隙間
２３７ａ，２３７ｂ シール部材
３８０ 制御装置
３８２ 第１電流設定値算出部
３８４ 燃料ガス流量算出部
３８６ 排燃料ガス流量算出部
３８８ 成分含有量算出部
３９０ 第２電流設定値算出部
３９２ 水分回収量算出部
Ｇｆ 燃料ガス
Ｇｅｆ１ 第１排燃料ガス
Ｇｅｆ２ 第２排燃料ガス
Ｖ１ａ 第１流量調整バルブ
Ｖ１ｂ 第２流量調整バルブ
Ｖｆ 燃料ガス供給量調整弁

Claims (8)

  1. 燃料ガスを用いて、電力を発生可能な第１燃料電池と、
    前記第１燃料電池の下流側に排燃料ガスラインを介して接続され、前記第１燃料電池からの排燃料ガスを用いて、電力を発生可能な第２燃料電池と、
    前記排燃料ガスライン上に設けられ、前記排燃料ガスに含まれる水分を回収可能な水分回収器と、
    前記排燃料ガスラインのうち前記水分回収器の上流側及び下流側を連通するバイパスラインと、
    前記排燃料ガスライン又は前記バイパスラインの少なくとも一方に設けられた少なくとも一つの流量調整バルブと、
    前記少なくとも一つの流量調整バルブの開度を制御可能な制御装置と、
    を備え、
    前記制御装置は、前記第２燃料電池に供給される前記排燃料ガスの含有水分量が、前記第２燃料電池の必要水分量になるように、前記少なくとも１つの流量調整バルブの開度を制御し、
    前記必要水分量は、出力指令又は前記第１燃料電池の第１電流設定値、前記第１燃料電池の燃料利用率、及び、前記第２燃料電池の最適Ｓ／Ｃ値に基づいて算出される、燃料電池発電システム。
  2. 前記少なくとも一つの流量調整バルブは、
    前記排燃料ガスライン上に設けられた第１流量調整バルブと、
    前記バイパスライン上に設けられた第２流量調整バルブと、
    を含み、
    前記制御装置は、前記第１流量調整バルブ及び前記第２流量調整バルブの開度比を制御する、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
  3. 前記第１流量調整バルブは、前記排燃料ガスラインのうち前記水分回収器より下流側に設けられる、請求項２に記載の燃料電池発電システム。
  4. 前記排燃料ガスラインには外部から水分を供給するための他のラインが接続されない、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
  5. 前記水分回収器は、
    前記排燃料ガスを冷却することにより前記排燃料ガスに含まれる過剰な水分を凝縮除去するための水分凝縮器と、
    前記水分が凝縮除去された前記排燃料ガスを再加熱する再生熱交換器と、
    を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
  6. 前記排燃料ガスから二酸化炭素を回収するための二酸化炭素回収器を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
  7. 前記制御装置は、
    前記燃料電池発電システムに対する出力指令値に基づいて前記第１燃料電池の第１電流設定値を算出する第１電流設定値算出部と、
    前記第１電流設定値に基づいて、前記第１燃料電池に対する前記燃料ガスの流量を算出する燃料ガス流量算出部と、
    前記燃料ガスの流量に基づいて、前記排燃料ガスに含有される各成分の含有量を算出する成分含有量算出部と
    前記成分含有量算出部の算出結果に基づいて前記水分回収器による水分回収量を算出する水分回収量算出部と、
    を備え、
    前記制御装置は、前記水分回収量による水分回収量が前記水分回収量算出部の算出結果になるように、前記少なくとも一つの流量調整バルブの開度を制御する、請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
  8. 燃料ガスを用いて、電力を発生可能な第１燃料電池と、
    前記第１燃料電池の下流側に排燃料ガスラインを介して接続され、前記第１燃料電池からの排燃料ガスを用いて、電力を発生可能な第２燃料電池と、
    前記排燃料ガスライン上に設けられ、前記排燃料ガスに含まれる水分を回収可能な水分回収器と、
    前記排燃料ガスラインのうち前記水分回収器の上流側及び下流側を連通するバイパスラインと、
    前記排燃料ガスライン又は前記バイパスラインの少なくとも一方に設けられた少なくとも一つの流量調整バルブと、
    を備える、燃料電池発電システムの制御方法であって、
    出力指令又は前記第１燃料電池の電流設定値、前記第１燃料電池の燃料利用率、及び、前記第２燃料電池の最適Ｓ／Ｃ値に基づいて前記第２燃料電池の必要水分量を算出し、前記排燃料ガスの含有水分量が、前記必要水分量になるように、前記少なくとも１つの流量調整バルブの開度を制御する、燃料電池発電システムの制御方法。
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