JP2014110075A - ２次電池型燃料電池システム及びそれを備えた給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】外部から供給される電力の変動を補償することができる安全で且つ高効率な２次電池型燃料電池システムを提供する。
【解決手段】２次電池型燃料電池システムは、電力補償部と、流量制御部と、周波数設定部とを備える。前記電力補償部は、外部から供給される電力の変動を、燃料発生部から供給される燃料ガスを用いて発電を行う発電機能及び前記燃料発生部の再生時に前記燃料発生部から供給される生成物（前記燃料ガスが生成される化学反応の逆反応の生成物）を電気分解する電気分解機能を有する発電・電気分解部の発電電力または前記発電・電気分解部の電気分解に必要な電力によって補償する。前記流量制御部は、前記外部から供給される電力の変動に基づいて前記燃料発生部と前記発電・電気分解部との間で循環させるガスの流量を制御する。前記周波数設定部は、補償に用いる電力の周波数を設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電動作だけでなく充電動作も行える２次電池型燃料電池システム及びそれを備えた給電システムに関する。

近年、地球温暖化防止や化石燃料資源枯渇対策の観点から、風力エネルギーや太陽エネルギーなどの自然エネルギーを用いて発電を行う発電設備（以下、「自然エネルギー発電設備」ともいう。）が電力系統に多数接続されるようになってきている。

自然エネルギー発電設備は、世界各地で盛んに建設されている。また、離島や限られた地域内に電力を供給する小規模配電網であるマイクログリッドに自然エネルギー発電設備を分散型電源として配備することも検討されている。

しかし、自然エネルギーは不規則に変動するため、自然エネルギー発電設備を電力系統に接続すると、電力系統の周波数や電圧が変動するおそれがある。特に、風力エネルギーは不規則であり、風力発電機の出力電力は風速の３乗に比例するため僅かな風速の変動に対しても大きく変動する。このため、風力エネルギーを用いて発電を行う発電設備に接続される電力系統の周波数や電圧は乱れやすい。

また、マイクログリッドに自然エネルギー発電設備を配備した場合、電力系統の規模が小さいため、自然エネルギーの不規則な変動に起因する電力系統の周波数や電圧の変動がより顕著になる。

一方、電力品質の確保に対する需要者からの要求に応えるために、自然エネルギー発電設備に接続される電力系統の周波数や電圧の変動を一定範囲内に収める必要がある。このため、自然エネルギー発電設備の出力変動を蓄電池の充放電によって補償する方法が提案されている。

特開２０１１−１８１２２８号公報

上記の用途で用いられる蓄電池は、安価で大容量であることが必要であり、現在ナトリウム−硫黄電池などが提案されているが（例えば特許文献１参照）、自然エネルギー発電設備の出力変動を補償する際に蓄電池の効率が悪化することや安全性が課題になっている。

本発明は、上記の状況に鑑み、外部から供給される電力の変動を補償することができる安全で且つ高効率な２次電池型燃料電池システム及びそれを備えた給電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る２次電池型燃料電池システムは、化学反応によって燃料ガスを放出することができ、前記燃料ガスが生成される化学反応の逆反応によって再生可能な燃料発生部と、前記燃料発生部から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行う発電機能及び前記燃料発生部の再生時に前記燃料発生部から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する電気分解機能を有する発電・電気分解部とを備え、前記燃料発生部と前記発電・電気分解部との間で前記燃料ガスを含むガスを循環させる２次電池型燃料電池システムであって、外部から供給される電力の変動を、前記発電・電気分解部の発電電力または前記発電・電気分解部の電気分解に必要な電力によって補償する電力補償部と、前記外部から供給される電力の変動に基づいて、前記燃料発生部と前記発電・電気分解部との間で循環させるガスの流量を制御する流量制御部と、前記外部から供給される電力の変動に基づいて、前記発電・電気分解部の発電電力の周波数及び前記発電・電気分解部の電気分解に必要な電力の周波数を設定する周波数設定部とを備える構成（第１の構成）とする。なお、前記発電・電気分解部は、例えば、前記燃料発生部から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行う発電動作と、前記燃料発生部の再生時に前記燃料発生部から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する電気分解動作とを切り替える燃料電池を備える構成であってもよく、また、例えば、前記燃料発生部から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料発生部の再生時に前記燃料発生部から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する電気分解器とを別個に備える構成であってもよい。

また、上記第１の構成の２次電池型燃料電池システムにおいて、前記流量制御部が、前記外部から供給される電力の周波数が前記発電・電気分解部の交流インピーダンス特性のガス拡散抵抗を示す周波数帯域に含まれる場合に、それ以外の場合に比べて、前記燃料発生部と前記発電・電気分解部との間で循環させるガスの流量を増加させる構成（第２の構成）とすることが好ましい。

また、上記第２の構成の２次電池型燃料電池システムにおいて、前記流量制御部が、前記外部から供給される電力の周波数が前記発電・電気分解部の交流インピーダンス特性のガス拡散抵抗を示す周波数帯域に含まれる場合に、前記発電・電気分解部の損失電力と前記流量制御部の消費電力との合計が最小となるように、前記燃料発生部と前記発電・電気分解部との間で循環させるガスの流量を制御することが好ましい。

また、上記目的を達成するために本発明に係る給電システムは、上記いずれかの構成の２次電池型燃料電池システムと、自然エネルギーを用いて発電を行うとともに、前記２次電池型燃料電池システムに電力を供給する発電設備とを備える構成とする。

本発明に係る２次電池型燃料電池システム及びそれを備えた給電システムによると、前記２次電池型燃料電池システムの外部から前記２次電池型燃料電池システムに供給される電力の変動を前記電力補償部によって補償することができ、更に、前記周波数設定部が、前記外部から供給される電力の変動に基づいて前記発電・電気分解部の発電電力の周波数及び前記発電・電気分解部の電気分解に必要な電力の周波数を設定する。このため、前記２次電池型燃料電池システムの外部から前記２次電池型燃料電池システムに供給される電力が不規則に変化する場合にも十分対応できる。

また、ナトリウム−硫黄電池を用いず燃料電池を用いるので、安全である。

また、前記流量制御部が、前記外部から供給される電力の変動に基づいて前記燃料発生部と前記発電・電気分解部との間で循環させるガスの流量を制御するので、前記外部から供給される電力の変動に基づいて前記周波数設定部によって設定される周波数に応じて、前記発電・電気分解部を効率良く動作させることができ、高効率化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る給電システムの概略構成を示す図である。 電力のタイムチャートである。 ２次電池型燃料電池部および流量制御部の構成例を示す模式図である。 燃料電池部の交流インピーダンス特性を示す図である。 燃料電池部の損失電力および流量制御部の消費電力を示す図である。 ２次電池型燃料電池部および流量制御部の変形例を示す模式図である。 ２次電池型燃料電池部および流量制御部の他の変形例を示す模式図である。

本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。なお、本発明は、後述する実施形態に限られない。

本発明の一実施形態に係る給電システムの概略構成を図１に示す。本実施形態に係る給電システムは、例えば風力エネルギーを用いて発電を行う風力発電設備や太陽光エネルギーを用いて発電を行う太陽光発電設備などの自然エネルギー発電設備１００と、２次電池型燃料電池システム２００とを備えており、２次電池型燃料電池システム２００から出力される電力を電力系統へ給電している。

２次電池型燃料電池システム２００は、外部電力制御部１０と、２次電池型燃料電池部２０と、合成部３０と、流量制御部４０と、差分部５０と、電力指示調整部６０と、周波数判断部７０とを備えている。

外部電力制御部１０は、電力指示調整部６０からの指示に従って、自然エネルギー発電設備１００から供給される電力の全てを合成部３０に供給するか、自然エネルギー発電設備１００から供給される電力の一部を合成部３０に供給し残りを２次電池型燃料電池部２０に供給するかのいずれかを行う。

２次電池型燃料電池部２０は、電力指示調整部６０からの指示に従って、発電電力を合成部３０に供給するか、外部電力制御部１０から供給される電力を用いて電気分解を行うことにより燃料発生部材１（図３参照）を再生するかのいずれかを行う。

合成部３０は、外部電力制御部１０から供給される電力と２次電池型燃料電池部２０から供給される電力とを合成し、その合成した電力を電力系統に出力する。

流量制御部４０は、２次電池型燃料電池部２０において燃料発生部材１（図３参照）と燃料電池部２（図３参照）との間を循環しているガスの流量を、周波数判断部７０から出力される周波数に関する情報に基づいて制御する。

差分部５０は、自然エネルギー発電設備１００から出力される電力に関する情報および合成部３０から出力される電力に関する情報を取得し、自然エネルギー発電設備１００から出力される電力の変動と合成部３０から出力される電力の変動との差分を求め、その差分情報を電力指示調整部６０に出力する。

電力指示調整部６０は、差分部５０から出力される差分情報に基づいて、外部電力制御部１０および２次電池型燃料電池部２０に指示を出す。例えば、自然エネルギー発電設備１００から出力される電力が図２（ａ）に示すグラフＧ１である場合、電力系統に出力する電力を図２（ａ）に示すグラフＧ２のように下限値ＬＬを下回らず上限値ＵＬを上回らないようにするために、２次電池型燃料電池部２０が合成部３０に供給する電力および外部電力制御部１０から２次電池型燃料電池部２０に供給される電力を図２（ｂ）に示すグラフＧ３のように変動させる。すなわち、電力指示調整部６０は、差分部５０から出力される差分情報に基づいて、２次電池型燃料電池部２０が合成部３０に供給する電力の周波数および外部電力制御部１０から２次電池型燃料電池部２０に供給される電力の周波数を設定している。なお、２次電池型燃料電池部２０は、複数の２次電池型燃料電池を備えており、出力に対して余力があり、出力する２次電池型燃料電池の数を増減させることにより出力電力を増減することができる構成である。

周波数判断部７０は、差分部５０から出力される差分情報に基づいて、自然エネルギー発電設備１００から出力される電力の周波数を判断し、その判断した周波数に関する情報を流量制御部４０に出力する。なお、図１に示す例とは異なり、周波数判断部７０が、差分部５０から出力される差分情報の代わりに、自然エネルギー発電設備１００から出力される電力の変動に関する情報などを用いるようにしてもよい。

次に、２次電池型燃料電池部２０および流量制御部４０の構成例を図３に示す。図３に示す構成例において、２次電池型燃料電池部２０は、燃料発生部材１と、燃料電池部２と、燃料発生部材１を加熱するヒーター３と、燃料電池部２を加熱するヒーター４と、燃料発生部材１及びヒーター３を収容する容器５と、燃料電池部２及びヒーター４を収容する容器６と、燃料発生部材１と燃料電池部２の間でガスを循環させるための配管７と、スイッチＳ１と、スイッチＳ２とを有する２次電池型燃料電池を複数備えている（図３においては一つの２次電池型燃料電池のみを図示している）。また、図示を省略しているが、２次電池型燃料電池部２０の各２次電池型燃料電池は、ヒーター３と、ヒーター４を制御する温度制御部も備えている。また、必要に応じて、燃料発生部材１や燃料電池部２の周辺に温度センサ等を設けてもよい。図３に示す構成例において、流量制御部４０は、燃料発生部材１と燃料電池部２の間でガスを強制的に循環させるポンプ８と、周波数判断部７０から出力される周波数に関する情報に基づいてポンプ８を制御するポンプ制御部９とを備えている。また、ポンプ８の代わりに、例えばコンプレッサ、ファン、ブロアなどの他の循環器を用いてもよい。

燃料発生部材１としては、例えば、金属を母材として、その表面に金属または金属酸化物が添加されており、酸化性ガス（例えば水蒸気）との酸化反応によって燃料ガス（例えば水素）を発生し、還元性ガス（例えば水素）との還元反応により再生可能なものを用いることができる。母材の金属としては例えば、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｖ、Ｍｇやこれらを基材とする合金が挙げられ、特にＦｅは安価で、加工も容易なので好ましい。また、添加される金属としては、Ａｌ、Ｒｄ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｖ、Ｍｏが挙げられ、添加される金属酸化物としてはＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂が挙げられる。ただし、母材となる金属と、添加される金属は同一の材料ではない。なお、本実施形態においては、燃料発生部材１として、Ｆｅを主体とする燃料発生部材を用いる。

Ｆｅを主体とする燃料発生部材は、例えば、下記の（１）式に示す酸化反応により、酸化性ガスである水蒸気を消費して燃料ガス（還元性ガス）である水素を生成することができる。
４Ｈ₂Ｏ＋３Ｆｅ→４Ｈ₂＋Ｆｅ₃Ｏ₄ …（１）

上記の（１）式に示す鉄の酸化反応が進むと、鉄から酸化鉄への変化が進んで鉄の残量が減っていくが、上記の（１）式の逆反応すなわち下記の（２）式に示す還元反応により、燃料発生部材１を再生することができる。なお、上記の（１）式に示す鉄の酸化反応及び下記の（２）式の還元反応は６００℃未満の低い温度で行うこともできる。
４Ｈ₂＋Ｆｅ₃Ｏ₄→３Ｆｅ＋４Ｈ₂Ｏ …（２）

燃料発生部材１においては、その反応性を上げるために単位体積当りの表面積を大きくすることが望ましい。燃料発生部材１の単位体積当りの表面積を増加させる方策としては、例えば、燃料発生部材１の主体を微粒子化し、その微粒子化したものを成型すればよい。微粒子化の方法は例えばボールミル等を用いた粉砕によって粒子を砕く方法が挙げられる。さらに、機械的な手法などにより微粒子にクラックを発生させることで微粒子の表面積をより一層増加させてもよく、酸処理、アルカリ処理、ブラスト加工などによって微粒子の表面を荒らして微粒子の表面積をより一層増加させてもよい。

燃料発生部材１としては、例えば、微粒子をペレット状の粒に形成してこの粒を多数空間内に埋める形態であってもよく、微粒子をガスが通過する程度の空隙を残して固めたものであってもよい。

燃料電池部２は、図３に示す通り、電解質膜２Ａの両面に燃料極２Ｂと酸化剤極である空気極２Ｃを接合したＭＥＡ構造(膜・電極接合体：Membrane Electrode Assembly)である。なお、図３では、ＭＥＡを１つだけ設けた構造を図示しているが、ＭＥＡを複数設けたり、さらに複数のＭＥＡを積層構造にしたりしてもよい。

電解質膜２Ａの材料としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた固体酸化物電解質を用いることができ、また例えば、ナフィオン（デュポン社の商標）、カチオン導電性ポリマー、アニオン導電性ポリマー等の固体高分子電解質を用いることができるが、これらに限定されることなく、水素イオンを通すものや酸素イオンを通すもの、また、水酸化物イオンを通すもの等、燃料電池の電解質としての特性を満たすものであればよい。なお、本実施形態においては、電解質膜２Ａとして、酸素イオン又は水酸化物イオンを通す電解質、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた固体酸化物電解質を用いる。

電解質膜２Ａは、固体酸化物電解質の場合であれば、電気化学蒸着法（ＣＶＤ−ＥＶＤ法；Chemical Vapor Deposition - Electrochemical Vapor Deposition）等を用いて形成することができ、固体高分子電解の場合であれば、塗布法等を用いて形成することができる。

燃料極２Ｂ、空気極２Ｃはそれぞれ、例えば、電解質膜２Ａに接する触媒層と、その触媒層に積層された拡散電極とからなる構成にすることができる。触媒層としては、例えば白金黒或いは白金合金をカーボンブラックに担持させたもの等を用いることができる。また、燃料極２Ｂの拡散電極の材料としては、例えばカーボンペーパ、Ｎｉ−Ｆｅ系サーメットやＮｉ−ＹＳＺ系サーメット等を用いることができる。また、空気極２Ｃの拡散電極の材料としては、例えばカーボンペーパ、Ｌａ−Ｍｎ−Ｏ系化合物やＬａ−Ｃｏ−Ｃｅ系化合物等を用いることができる。燃料極２Ｂ、空気極２Ｃはそれぞれ、例えば蒸着法等を用いて形成することができる。

以下の説明では、燃料ガスとして水素を用いた場合について説明する。

電力指示調整部６０が外部電力制御部１０に対して自然エネルギー発電設備１００から供給される電力の全てを合成部３０に供給させる指示を与える場合、電力指示調整部６０がスイッチＳ１及びＳ２に対して接点ｂを選択させる指示を与える。スイッチＳ１及びＳ２の接点ｂは合成部３０に接続されており、スイッチＳ１及びＳ２が接点ｂを選択することにより、燃料極２Ｂ−空気極２Ｃ間電圧が合成部３０の入力電圧Ｖ_IN30となり、２次電池型燃料電池部２０が発電動作を行う。燃料電池部２では、２次電池型燃料電池部２０の発電時に、燃料極２Ｂにおいて下記の（３）式の反応が起こる。
Ｈ₂＋Ｏ^2-→Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- …（３）

上記の（３）式の反応によって生成された電子は、合成部３０を通って、空気極２Ｃに到達し、空気極２Ｃにおいて下記の（４）式の反応が起こる。
１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｏ^2- …（４）

そして、上記の（４）式の反応によって生成された酸素イオンは、電解質膜２Ａを通って、燃料極２Ｂに到達する。上記の一連の反応を繰り返すことにより、燃料電池部２が発電動作を行うことになる。また、上記の（３）式から分かるように、２次電池型燃料電池部２０の発電動作時には、燃料極２Ｂ側においてＨ₂が消費されＨ₂Ｏが生成されることになる。

上記の（３）式及び（４）式より、２次電池型燃料電池部２０の発電動作時における燃料電池部２での反応は下記の（５）式の通りになる。
Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ …（５）

一方、燃料発生部材１は、上記の（１）式に示す酸化反応により、２次電池型燃料電池部２０の発電時に燃料電池部２の燃料極２Ｂ側で生成されたＨ₂Ｏを消費してＨ₂を生成する。

上記の（１）式に示す鉄の酸化反応が進むと、鉄から酸化鉄への変化が進んで鉄残量が減っていくが、上記の（２）式に示す還元反応により、燃料発生部材１を再生することができ、２次電池型燃料電池部２０を充電することができる。

電力指示調整部６０が外部電力制御部１０に対して自然エネルギー発電設備１００から供給される電力の一部を合成部３０に供給させ残りを２次電池型燃料電池部２０に供給させる指示を与える場合、電力指示調整部６０がスイッチＳ１及びＳ２に対して接点ａを選択させる指示を与える。スイッチＳ１及びＳ２の接点ａは外部電力制御部１０に接続されており、スイッチＳ１及びＳ２が接点ａを選択することにより、燃料極２Ｂ−空気極２Ｃ間電圧が外部電力制御部１０の出力電圧Ｖ_OUT10となり、２次電池型燃料電池部２０が充電動作を行う。

燃料電池部２では、２次電池型燃料電池部２０の充電時に、上記の（５）式の逆反応である下記の（６）式に示す電気分解反応が起こり、燃料極２Ｂ側においてＨ₂Ｏが消費されＨ₂が生成され、燃料発生部材１では、上記の（２）式に示す還元反応が起こり、燃料電池部２の燃料極２Ｂ側で生成されたＨ₂が消費されＨ₂Ｏが生成される。
Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋１／２Ｏ₂ …（６）

ここで、燃料電池部２の交流インピーダンス特性を図４に示す。図４に実線で示す燃料電池部２の交流インピーダンス特性は、燃料電池部２に一定の基準電流（例えば正弦波電流）を周波数を掃引しながら印加することで求めることができる。実数部は燃料電池部２の実抵抗の大きさを示しており、虚数部はリアクタンスの大きさを示している。

図４の周波数帯域ＦＢ１は燃料ガスまたは電気分解の対象である酸化性ガスの拡散抵抗を示す周波数帯域であり、図４の周波数帯域ＦＢ２は発電反応または電気分解反応による活性化抵抗を示す周波数帯域であり、図４の周波数帯域ＦＢ３は燃料電池部２の電極−電解質間の直流抵抗を示す周波数帯域である。なお、周波数帯域ＦＢ１は１０ｍＨｚ〜数ｋＨｚの周波数帯域である。

図４に実線示す燃料電池部２の交流インピーダンス特性はポンプ８の駆動によって燃料発生部材１と燃料電池部２との間で循環させるガスの流量が一定であるときの特性である。燃料発生部材１と燃料電池部２との間で循環させるガスの流量が一定であれば、自然エネルギー発電設備１００から出力される電力の周波数が周波数帯域ＦＢ１に含まれている場合、電力指示調整部６０での調整により、２次電池型燃料電池部２０が合成部３０に供給する電力の周波数および外部電力制御部１０から２次電池型燃料電池部２０に供給される電力の周波数も周波数帯域ＦＢ１に含まれることになり、自然エネルギー発電設備１００から出力される電力の周波数が周波数帯域ＦＢ１に含まれている場合と比較して、燃料電池部２の損失電力が大幅に増加してしまう。

そこで、本実施形態において、ポンプ制御部９は、自然エネルギー発電設備１００から出力される電力の周波数が周波数帯域ＦＢ１に含まれると判断した場合に、それ以外の場合に比べて、燃料発生部材１と燃料電池部２との間で循環させるガスの流量が増えるようにポンプ８を制御する。これにより、周波数帯域ＦＢ１での燃料電池部２の交流インピーダンスが図４に示す破線のように減少するため、燃料電池部２での発電効率および電気分解効率が向上する。

上記のように、自然エネルギー発電設備１００から出力される電力の周波数が周波数帯域ＦＢ１に含まれる場合に、燃料発生部材１と燃料電池部２との間で循環させるガスの流量を増加させると、燃料電池部２での発電効率および電気分解効率を向上させることができるが、その反面流量制御部４０の消費電力が増加してしまう。このため、ポンプ制御部９が、自然エネルギー発電設備１００から出力される電力の周波数が周波数帯域ＦＢ１に含まれると判断した場合に、燃料電池部２の損失電力と流量制御部４０の消費電力との合計（図５に示す破線参照）が最小となるように、燃料発生部材１と燃料電池部２との間で循環させるガスの流量を制御することが好ましい。

燃料電池部２の損失電力と流量制御部４０の消費電力との合計の特性をポンプ制御部９が内蔵メモリ（不図示）に記憶しておくようにすることで、上記の動作が可能になる。

本実施形態に係る給電システムは、自然エネルギー発電設備１００から２次電池型燃料電池システム２００に供給される電力の変動を、外部電力制御部１０と２次電池型燃料電池部２０と合成部３０とによって補償することができ、更に、電力指示調整部６０が、自然エネルギー発電設備１００から２次電池型燃料電池システム２００に供給される電力の変動に基づいて、２次電池型燃料電池部２０が合成部３０に供給する電力の周波数および外部電力制御部１０から２次電池型燃料電池部２０に供給される電力の周波数を設定する。このため、自然エネルギー発電設備１００から２次電池型燃料電池システム２００に供給される電力が不規則に変化する場合にも十分対応できる。

また、ナトリウム−硫黄電池を用いず燃料電池を用いるので、安全である。

また、本実施形態に係る給電システムは、ナトリウム−硫黄電池を用いず２次電池型燃料電池部２０を用いるので、安全である。

また、本実施形態に係る給電システムは、流量制御部４０が、自然エネルギー発電設備１００から２次電池型燃料電池システム２００に供給される電力の変動に基づいて燃料発生部材１と燃料電池部２との間で循環させるガスの流量を制御するので、電力指示調整部６０において設定される２次電池型燃料電池部２０が合成部３０に供給する電力の周波数および外部電力制御部１０から２次電池型燃料電池部２０に供給される電力の周波数に応じて、燃料電池部２を効率良く動作させることができ、高効率化を図ることができる。

＜その他＞
上述した実施形態においては、燃料電池部２の電解質膜２Ａとして固体酸化物電解質を用いて、発電の際に燃料極２Ｂ側で水を発生させるようにする。この構成によれば、燃料発生部材１が設けられた側で水を発生するため、装置の簡素化や小型化に有利である。一方、特開２００９−９９４９１号公報に開示された燃料電池のように、燃料電池部２の電解質膜２Ａとして水素イオンを通す固体高分子電解質を用いることも可能である。但し、この場合には、発電の際に燃料電池部２の酸化剤極である酸化剤極２Ｃ側で水が発生されることになるため、この水を燃料発生部材１に伝搬する流路を設ければよい。また、上述した実施形態では、１つの燃料電池部２が発電も水の電気分解も行っているが、燃料電池（例えば発電専用の固体酸化物燃料電池）と水の電気分解器（例えば水の電気分解専用の固体酸化物燃料電池）が燃料発生部材１に対してガス流路上並列に接続される構成にしてもよい。

また、上述した実施形態では、ガスを機械的なエネルギーを用いて循環させたが、図６に示すように温度勾配によって循環させても構わない。また、両者を組み合わせても構わない。

図６に示す構成では、流量制御部４０が、第１〜第４ヒーターＨ１〜Ｈ４及び第１〜第４温度センサーＴ１〜Ｔ４と、逆止弁Ｖと、温度制御部ＴＣ１とによって構成されている。なお、図６において、図が煩雑になることを防ぐために、第１〜第４ヒーターＨ１〜Ｈ４及び第１〜第４温度センサーＴ１〜Ｔ４と、温度制御部ＴＣ１との接続線は省略している。また、２次電池型燃料電池部２０のスイッチＳ１及びＳ２の図示も省略している。

第１ヒーターＨ１は燃料発生部材１のガス流出口近傍を加熱し、第１温度センサーＴ１は燃料発生部材１のガス流出口近傍の温度Ｔ₁を検出する。第２ヒーターＨ２は燃料極２Ｂのガス流入口近傍を加熱し、第２温度センサーＴ２は燃料極２Ｂのガス流入口近傍の温度Ｔ₂を検出する。第３ヒーターＨ３は燃料極２Ｂのガス流出口近傍を加熱し、第３温度センサーＴ３は燃料極２Ｂのガス流出口近傍の温度Ｔ₃を検出する。第４ヒーターＨ４は燃料発生部材１のガス流入口近傍を加熱し、第４温度センサーＴ４は燃料発生部材１のガス流入口近傍の温度Ｔ₄を検出する。逆止弁Ｖは、燃料極２Ｂのガス流出口と燃料発生部材１のガス流入口との間の配管７上に配置される。

温度制御部ＴＣ１は、第１〜第４温度センサーＴ１〜Ｔ４の検出温度Ｔ₁〜Ｔ₄を参照しながら、Ｔ₁＞Ｔ₂＞Ｔ₃＞Ｔ₄になるように第１〜第４ヒーターＨ１〜Ｈ４を制御し、尚且つ、検出温度Ｔ₁〜Ｔ₄の目標値を周波数判断部７０から出力される周波数に関する情報に基づいて設定し、検出温度Ｔ₁〜Ｔ₄が目標値になるように第１〜第４ヒーターＨ１〜Ｈ４を制御する。

Ｔ₁＞Ｔ₂であるため、燃料発生部材１のガス流出口近傍に存在するガスが、熱拡散によって燃料極２Ｂのガス流入口近傍に移動する。

また、Ｔ₂＞Ｔ₃であるため、燃料極２Ｂのガス流入口近傍に存在するガスが、熱拡散によって燃料極２Ｂのガス流出口近傍に移動する。

また、Ｔ₃＞Ｔ₄であるため、燃料極２Ｂのガス流出口近傍に存在するガスが、熱拡散によって燃料発生部材１のガス流入口近傍に移動する。

燃料極２Ｂのガス流出口と燃料発生部材１のガス流入口との間の配管７上に逆止弁Ｖが設けられているため、ガスは上述の温度勾配に従って時計回りに循環することになる。

また、上述した実施形態では、燃料発生部材１と燃料電池部２とを別々の容器に収容したが、同一の容器に収容しても構わない。例えば、燃料発生部材１と燃料電池部２とを同一の容器６に収容し、流量制御部４０を、第１〜第４ヒーターＨ１〜Ｈ４及び第１〜第４温度センサーＴ１〜Ｔ４と、逆止弁Ｖと、温度制御部ＴＣ１とによって構成した場合、図７に示すような構成になる。容器６内に設けられている仕切部材ＰＢ１は、図７の紙面手前及び紙面奥において、容器６の内壁に接続されている。

また、上述した実施形態では、燃料電池部２の燃料ガスを水素にしているが、一酸化炭素や炭化水素など水素以外の還元性ガスを燃料電池部２の燃料ガスとして用いても構わない。

１ 燃料発生部材
２ 燃料電池部
２Ａ 電解質膜
２Ｂ 燃料極
２Ｃ 酸化剤極
３、４ ヒーター
５、６ 容器
７ 配管
８ ポンプ
９ ポンプ制御部
１０ 外部電力制御部
２０ ２次電池型燃料電池部
３０ 合成部
４０ 流量制御部
５０ 差分部
６０ 電力指示調整部
７０ 周波数判断部
１００ 自然エネルギー発電設備
２００ ２次電池型燃料電池システム
Ｈ１〜Ｈ４ 第１〜第４ヒーター
ＰＢ１ 仕切部材
Ｓ１、Ｓ２ スイッチ
Ｔ１〜Ｔ４ 第１〜第４温度センサー
ＴＣ１ 温度制御部
Ｖ 逆止弁

Claims (4)

1. 化学反応によって燃料ガスを放出することができ、前記燃料ガスが生成される化学反応の逆反応によって再生可能な燃料発生部と、
   前記燃料発生部から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行う発電機能及び前記燃料発生部の再生時に前記燃料発生部から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する電気分解機能を有する発電・電気分解部とを備え、
   前記燃料発生部と前記発電・電気分解部との間で前記燃料ガスを含むガスを循環させる２次電池型燃料電池システムであって、
   外部から供給される電力の変動を、前記発電・電気分解部の発電電力または前記発電・電気分解部の電気分解に必要な電力によって補償する電力補償部と、
   前記外部から供給される電力の変動に基づいて、前記燃料発生部と前記発電・電気分解部との間で循環させるガスの流量を制御する流量制御部と、
   前記外部から供給される電力の変動に基づいて、前記発電・電気分解部の発電電力の周波数及び前記発電・電気分解部の電気分解に必要な電力の周波数を設定する周波数設定部とを備えることを特徴とする２次電池型燃料電池システム。
2. 前記流量制御部が、
   前記外部から供給される電力の周波数が前記発電・電気分解部の交流インピーダンス特性のガス拡散抵抗を示す周波数帯域に含まれる場合に、それ以外の場合に比べて、前記燃料発生部と前記発電・電気分解部との間で循環させるガスの流量を増加させることを特徴とする請求項１に記載の２次電池型燃料電池システム。
3. 前記流量制御部が、
   前記外部から供給される電力の周波数が前記発電・電気分解部の交流インピーダンス特性のガス拡散抵抗を示す周波数帯域に含まれる場合に、
   前記発電・電気分解部の損失電力と前記流量制御部の消費電力との合計が最小となるように、前記燃料発生部と前記発電・電気分解部との間で循環させるガスの流量を制御することを特徴とする請求項２に記載の２次電池型燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の２次電池型燃料電池システムと、
   自然エネルギーを用いて発電を行うとともに、前記２次電池型燃料電池システムに電力を供給する発電設備とを備えたことを特徴とする給電システム。