JP5494799B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池装置に関し、特に水素発生部材を有する燃料電池装置に関する。

近年、携帯電話、携帯型情報端末、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯型オーディオ、携帯型ビジュアル機器等の携帯用電子機器の多機能化、高性能化が進展するに伴い、その駆動用電池の大容量化に対する要求が高まってきている。従来、このような携帯用電子機器の駆動用電池としては、リチウム電池やニッカド電池が用いられているが、その容量は、限界に近づいており飛躍的な増大は望めない。そこで、リチウム電池やニッカド電池に代わりエネルギー密度が高く大容量化が可能な燃料電池の開発が盛んに行われている。

燃料電池は、水素と酸素から水を生成した際に電力を取り出すものであり、原理的に取り出せる電力エネルギーの効率が高いため、省エネルギーになるだけでなく、発電時の排出物が水のみであるため、環境に優れた発電方式であり、地球規模でのエネルギーや環境問題解決の切り札として期待されている。

このような燃料電池は、典型的には、固体ポリマーイオン交換膜を用いた固体高分子電解質膜、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膜等を、燃料極（アノード）と酸化剤極（カソード）とで両側から挟み込んだものを１つのセル構成としている。そして、燃料極に燃料ガス（例えば水素ガス）を供給する燃料ガス流路と、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば酸素や空気）を供給する酸化剤ガス流路とが設けられ、これらの流路を介して燃料ガス、酸化剤ガスがそれぞれ燃料極、酸化剤極に供給されることにより発電が行われる。

ところが、外部から燃料が供給される燃料電池装置では、燃料（例えば水素）を供給するためのインフラ整備が必要である。また、燃料として比較的入手が容易なメタノールを用いる場合においてもその流通には年月を要するといった問題がある。

そこで、このような問題に対応するため、特許文献１では、水を反応させることで水素を発生する水素発生部材を燃料電池本体に設け、その水素発生部材で発生した水素を燃料極に供給する燃料電池システムが提案されている。この燃料電池システムでは、水素発生のために必要となる水を燃料電池本体内で発電により生成された水から賄うため、水の携行が不要となる。そして、水素発生部材で発生した水素は燃料極に供給され、発電することによって酸化剤極側に水が生成されるといった循環の利用形態になるので、外部から水素を供給することを必要とせず発電動作が可能である。

特開２００９−９９４９１号公報

しかしながら、特許文献１で提案されている燃料電池システムは、発電に伴い、水素発生部材の酸化が進行し、水素発生能力が低下するという問題を有している。例えば、水素発生部材として、鉄（Ｆｅ）を用いた場合、下記の化学反応式（２）に示すように、鉄（Ｆｅ）は水（Ｈ₂Ｏ）との反応により酸化鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）に変化し、水素発生部材に占める鉄（Ｆｅ）の割合が低下する。このため、やがては発電を停止し再起動が困難になる。
４Ｈ₂Ｏ＋３Ｆｅ→４Ｈ₂＋Ｆｅ₃Ｏ₄ …（２）

本発明は、上記の状況に鑑み、外部からの燃料ガスの供給が不要であり、且つ、発電寿命が長い燃料電池装置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燃料電池装置は、燃料電池本体と、還元制御部とを備えた燃料電池装置であって、前記燃料電池本体は、燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極との間に狭持される電解質と、発電により生成された水と反応させることにより水素を発生する水素発生部材とを有し、前記還元制御部は、前記燃料電池装置から供給される電力によって駆動する負荷の回生時に、前記負荷で発生する回生電力を利用して、前記水素発生部材を再生する構成とする。

本発明に係る燃料電池装置によると、前記燃料電池装置が前記水素発生部材を備えているので、外部からの燃料ガスの供給が不要となる。また、本発明に係る燃料電池装置によると、前記還元制御部が、前記燃料電池装置から供給される電力によって駆動する負荷の回生時に、前記負荷で発生する回生電力を利用して、前記水素発生部材を再生するので、発電寿命を長くすることができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池装置の概略構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池装置で行われる発電動作及び再生動作の流れを示す模式図である。 燃料電池本体の等価回路である。 燃料電池本体の電気的特性を示す特性図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池装置と蓄電装置とのハイブリッドシステムの概略構成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。尚、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燃料電池装置の概略構成＞＞
最初に、本発明の一実施形態に係る燃料電池装置の概略構成について図１を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池装置の概略構成を示す模式図である。

本発明の一実施形態に係る燃料電池装置１は、図１に示すように、燃料電池本体１０と、還元制御部２０とを備えている。尚、図１において、燃料電池本体１０は断面模式図で示し、還元制御部２０はブロック図で示す。

燃料電池本体１０は、電解質膜１０１と、燃料極１０２と、酸化剤極である空気極１０３と、水素発生部材１０４と、ヒータ１０５と、温度センサ１０６と、カバー部材１０７とを有している。また、燃料電池本体１０は、電解質膜１０１の両面に燃料極１０２と空気極１０３を接合したＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly；膜・電極接合体）構造である。

そして、燃料極１０２側には燃料極１０２に燃料ガスである水素を供給する水素発生部材１０４が設けられ、空気極１０３側には空気極１０３に酸化剤ガスである空気を供給する空気流路１０８が形成されている。本実施形態では、酸化剤ガスとして空気を用いているが、空気以外の酸素を含有するガスを酸化剤ガスとして用いることも可能である。

電解質膜１０１の材料としては、例えば、安定化イットリアジルコニウム（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１０１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ＹＳＺを用いた固体酸化物電解質を用い、発電時に燃料極１０２側に水を発生させるようにしている。この場合、発電時に燃料極１０２側に発生した水を用いた化学反応によって水素発生部材１０４から水素を発生させることができる。

電解質膜１０１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、固体高分子電解質の場合であれば、塗布法等を用いて形成することができる。

燃料極１０２、空気極１０３はそれぞれ、例えば、電解質膜１０１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１０２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１０３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１０２、空気極１０３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。

水素発生部材１０４としては、化学反応（例えば酸化）によって水素を発生するもの（例えばＦｅやＭｇ合金等）を用いることができるが、本実施形態においては、酸化により水素を発生するＦｅを用いる。また、水素発生部材１０４は、水素を発生させるだけでなく、水素を吸蔵（吸着）できるものとする。これにより、水素発生部材１０４から水素を発生させた後、吸蔵（吸着）作業を行うことで、繰り返し水素発生部材１０４を用いることができる。燃料である水素を吸蔵できる材料としては、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｖ、Ｍｇ等を基材料とする水素吸蔵合金を用いることができる。

ここで、水素発生部材１０４の水素を放出する放出面１０４ａと燃料極１０２の水素が供給される供給面１０２ａとは互いに対向し、図示しないビーズ等のスペーサにより一定の間隔で平行に配置される。水素発生部材１０４の放出面１０４ａは水素を面状に放出し、この水素は燃料極１０２の供給面１０２ａに均一に供給される。

具体的には、水素発生部材１０４の全面（放出面１０４ａを除く）に接して配置されたヒータ１０５により、水素発生部材１０４全体の温度を一様に上昇させることで、放出面１０４ａから水素を面状に放出させることができる。これにより、水素発生部材１０４は、その放出面１０４ａの略全面から水素を燃料極１０２の供給面１０２ａの略全面に向けて放出することができる。

また、水素発生部材１０４の水素発生速度は、放出面１０４ａ上の位置に依らず、略一定になるようにすることが望ましい。具体的には熱化学平衡を用いる。水素発生部材１０４の温度を昇降させると、平衡状態からのずれに応じた水素を発生させることができるので、水素発生部材１０４全体の温度をヒータ１０５を用いて均一にすることで、場所に依らず一定の速度で水素を発生させることができる。

また、化学平衡を用いる場合、燃料極１０２と水素発生部材１０４との間の空間部１１１の電池起動時の水素濃度を場所に依らず一定にしておくことで、水素発生部材１０４の水素発生速度を一定にすることができる。これは、以下のような現象が起こることによるものである。

電池起動時の水素濃度が場所に依らず一定であれば、電極から発生する電力が一定となる。つまり、水素の消費量も場所に依らず一定となる。この場合、消費された水素によって化学平衡がずれ、そのずれ量に応じた水素が新たに水素発生部材１０４から発生する。水素の消費量が場所に依らず一定なので、水素発生部材１０４からの水素発生速度も場所に依らず一定になる。

尚、電池起動時の水素濃度を場所に依らず一定にする方法は、予め燃料極１０２と水素発生部材１０４との間の空間部１１１に水素を封入しておけばよい。封入された水素は、自然に拡散し、封入した空間部１１１内での濃度が一定になるため、水素濃度を場所に依らず一定にすることができる。

上記のように、水素発生部材１０４の水素発生速度を、放出面１０４ａ上の位置に依らず、略一定になるようにすることにより、起電力のばらつきによる出力の低下を抑えることができ、燃料効率を高めることができる。

尚、本実施形態においては、水素発生部材１０４の水素を放出する放出面１０４ａと燃料極１０２の水素が供給される供給面１０２ａとを一定の間隔で平行に配置したが、水素発生部材１０４の水素を放出する放出面１０４ａと燃料極１０２の水素が供給される供給面１０２ａとを重ねて密着させる構成としてもよい。この構成の場合、燃料電池装置の構造の簡素化及び小型化を図ることができる。また、本実施形態においては、水素発生部材１０４を燃料電池本体１０（カバー部材１０７）に内蔵する構成としたが、水素発生部材１０４を燃料電池本体１０の外側に設け、流路で連結する構成を採用してもよい。

カバー部材１０７は燃料電池本体１０のカバー部材１０７以外の構成部品を覆うための容器であり、その空気極１０３側には、空気流路１０８に空気を供給する空気供給口１０９、余剰空気を排出する空気排出口１１０が設けられている。また、ヒータ１０５の空気極１０３側にも、同様に空気供給口１０９及び空気排出口１１０が設けられている。空気供給口１０９から空気を空気流路１０８に通すことで空気極１０３全体に空気が分散供給される。空気供給口１０９及び空気排出口１１０にはそれぞれ、図示しない開閉弁が設置されており、空気供給口１０９及び空気排出口１１０それぞれを遮断状態にすることが可能である。

燃料電池本体１０は、水素発生部材１０４から燃料極１０２に水素を供給し、空気流路１０８から空気極１０３に空気を供給することで生じる電気化学反応によって発電するものである。また、この発電動作時に、水素発生部材１０４である鉄（Ｆｅ）は酸化され酸化鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）へと変化し、水素発生部材１０４に占める鉄（Ｆｅ）の割合が次第に低下していく。尚、発電動作の詳細は後述する。

還元制御部２０は、電圧検出部２０１と、電流検出部２０２と、判定部２０３と、スイッチ部２０４とを有している。還元制御部２０は、燃料電池本体１０の発電動作に伴い酸化が進行した水素発生部材１０４を還元させ再生するものである。具体的には、還元制御部２０は、燃料電池本体１０の発電動作時に生成された水（Ｈ₂Ｏ）を燃料電池本体１０で電気分解することにより生成される水素（Ｈ₂）を、酸化された水素発生部材１０４（酸化鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）が占める割合が増加した水素発生部材１０４）に反応させて、酸化された水素発生部材１０４を還元する。

回生電力発生部３０は、モータ３０１と、双方向インバータ３０２を有している。モータ３０１が電力を要求している場合、本発明の一実施形態に係る燃料電池装置１は発電動作を行い、双方向インバータ３０２は本発明の一実施形態に係る燃料電池装置１から出力される直流電力を交流電力に変換してモータ３０１に供給する。これに対して、モータ３０１が回生電力を発生している場合、本発明の一実施形態に係る燃料電池装置１は再生動作を行い、双方向インバータ３０２はモータ３０１から出力される回生電力（交流電力）を直流電力に変換して本発明の一実施形態に係る燃料電池装置１に供給する。上記のように、モータ３０１の状態に応じて、発電動作と再生動作を切り替える必要があるため、例えば、本発明の一実施形態に係る燃料電池装置１に、モータ３０１の状態に関する情報を受け取り、その情報に応じて本発明の一実施形態に係る燃料電池装置１全体を制御する制御部を設けるようにしてもよい。

＜＜発電動作および再生動作＞＞
次に、本発明の一実施形態に係る燃料電池装置１で行われる発電動作及び再生（還元）動作の詳細について図２を用いて説明する。尚、図２において図１と同一の部分には同一の符号を付す。図２（ａ）〜図２（ｄ）は、本発明の一実施形態に係る燃料電池装置１で行われる発電動作及び再生動作の流れを示す模式図である。

＜発電動作＞
発電動作の前状態では、図２（ａ）に示すように、空気供給口１０９及び空気排出口１１０がともに閉じられており、燃料電池本体１０の空間部１１１には、水素（Ｈ₂）が封入されている。

その後、図２（ｂ）に示すように、空気供給口１０９及び空気排出口１１０を開け、空気流路１０８を介して空気極１０３に空気を供給すると、燃料極１０２では、空間部１１１に封入されている水素（Ｈ₂）と空気極１０３でイオン化し電解質膜１０１を通過した酸素イオン（Ｏ^2-）とで下記の化学反応式（１）に示す反応が生じ、電子（ｅ^-）が発生し蓄積される。すなわち、燃料電池本体１０において起電力が発生し、発電動作が開始される。そして、発電動作時において燃料極１０２と空気極１０３の間に負荷ＬＤ（図１に示す還元制御部２０及び回生電力発生部３０に相当）を接続すると、燃料極１０２に蓄積された電子（ｅ^-）は、負荷ＬＤを経由して空気極１０３に流れる。これにより、負荷ＬＤを駆動することができる。
Ｈ₂＋Ｏ^2-→Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- …（１）

また、発電動作時において、上記の化学反応式（１）で示したように、燃料極１０２では水（Ｈ₂Ｏ）が生成される。生成された水（Ｈ₂Ｏ）は空間部１１１を経由して水素発生部材１０４（Ｆｅ）に供給され、水素発生部材１０４（Ｆｅ）では、供給された水（Ｈ₂Ｏ）により下記の化学反応式（２）に示す酸化反応が生じ、その酸化反応により水素（Ｈ₂）を発生する。そして、発生した水素（Ｈ₂）は空間部１１１を経由して燃料極１０２に供給され、燃料極１０２では、供給された水素（Ｈ₂）を酸化し発電することによって再び水（Ｈ₂Ｏ）が生成されるといった循環の利用形態となり発電動作が持続される。
４Ｈ₂Ｏ＋３Ｆｅ→４Ｈ₂＋Ｆｅ₃Ｏ₄ …（２）

尚、上述した発電動作時には、水素発生部材１０４は、鉄（Ｆｅ）が酸化され酸化鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）へと変化し、水素発生部材１０４に占める鉄（Ｆｅ）の割合が次第に低下していく。

また、図２（ｂ）に示した発電動作状態から、図２（ｃ）に示すように、空気供給口１０９及び空気排出口１１０を閉じ、空気極１０３への空気の供給を停止すると、発電動作を停止させることができる。このとき、空間部１１１には、上記の化学反応式（１）及び化学反応式（２）の反応によりそれぞれ生成された水（Ｈ₂Ｏ）、水素（Ｈ₂）が残留する。

＜再生動作＞
図２（ｃ）に示した発電動作停止状態から、図２（ｄ）に示すように、還元制御部２０により燃料電池本体１０の燃料極１０２と空気極１０３の間に電圧を印加し通電すると、燃料極１０２では、空間部１１１に残留している水（Ｈ₂Ｏ）と通電により供給された電子（ｅ^-）とで下記の化学反応式（３）に示す電気分解が生じ、その電気分解により水素（Ｈ₂）が発生する。
Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-→Ｈ₂＋Ｏ^2- …（３）

そして、燃料極１０２において発生した水素（Ｈ₂）は空間部１１１を経由して水素発生部材１０４に供給され、水素発生部材１０４では、供給された水素（Ｈ₂）により下記の化学反応式（４）に示す還元反応が生じ、その還元反応により水素発生部材１０４中の酸化鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）は還元され鉄（Ｆｅ）へと変化し、水素発生部材１０４に占める鉄（Ｆｅ）の割合が次第に増加し、水素発生部材１０４は再生される。
４Ｈ₂＋Ｆｅ₃Ｏ₄→４Ｈ₂Ｏ＋３Ｆｅ …（４）

また、再生動作時において、上記の化学反応式（４）で示したように、水素発生部材１０４では水（Ｈ₂Ｏ）が生成される。生成された水（Ｈ₂Ｏ）は空間部１１１を経由して燃料極１０２に供給され、燃料極１０２では、供給された水（Ｈ₂Ｏ）を電気分解することによって再び水素（Ｈ₂）が生成されるといった循環の利用形態となり再生動作が持続される。

＜＜還元制御部の還元反応制御＞＞
ところで、上記の再生動作においては、上記の化学反応式（４）に示す還元反応が生じている際に燃料電池本体１０に流れ込む電流の大きさが重要である。

上記の再生動作においては、燃料電池本体１０に流れ込む電流が増加すれば、燃料電池本体１０でのロス（活性化ロス、抵抗ロス、拡散ロス）が増大し、回生電力のエネルギーをロス（熱に変換）してしまい、効率よく回収できなくなる。このため、還元制御部２０は、以下で説明する還元反応制御により、回生電力発生部３０で発生した回生電力を効率よく回収している。

還元制御部２０の還元反応制御について図３及び図４を参照して説明する。図３は燃料電池本体１０の等価回路であり、図４は燃料電池本体１０の電気的特性を示す特性図である。

図３に示す燃料電池本体１０の等価回路は、空気極側端子Ｔ１と、抵抗Ｒ１と、容量Ｃ１と、抵抗Ｒ２と、燃料電池電圧Ｖ_FCと、燃料極側端子Ｔ２とによって構成される。なお、ここでの燃料電池電圧Ｖ_FCとは、還元反応に利用される電圧を意味している。空気極側端子Ｔ１は、抵抗Ｒ１を介して、容量Ｃ１と抵抗Ｒ２の並列回路の一端に接続されている。また、容量Ｃ１と抵抗Ｒ２の並列回路の他端は燃料電池電圧Ｖ_FCの正極側に接続され、燃料電池電圧Ｖ_FCの負極側は燃料極側端子Ｔ２に接続されている。再生動作時には、図３に示すように、空気極側端子Ｔ１に燃料電池電流Ｉ_FCが流れ込む。この場合、空気極側端子Ｔ１には電圧Ｖ_Aが印加されているものとする。

抵抗Ｒ１は、燃料極１０２自体の抵抗成分及び空気極１０３自体の抵抗成分を示している。容量Ｃ１は、電解質膜１０１と燃料極１０２の界面で発生する電気二重層による容量成分及び電解質膜１０１と空気極１０３の界面で発生する電気二重層による容量成分を示している。抵抗Ｒ２は、電解質膜１０１自体の抵抗成分を示している。抵抗Ｒ１、容量Ｃ１、及び抵抗Ｒ２からなる回路部分で再生動作時に消費される電力が、再生動作時における燃料電池本体１０でのロスとなる。

燃料電池電流Ｉ_FCが増加すれば燃料電池本体１０でのロスが増大するので、燃料電池電流Ｉ_FC−燃料電池電圧Ｖ_FC特性は、図４の特性曲線４１に示すように、燃料電池電流Ｉ_FCが増加すれば燃料電池電圧Ｖ_FCが減少する。また、燃料電池電流Ｉ_FC−燃料電池電圧Ｖ_FC特性曲線４１には、図４に示すように、変曲点Ｐ１が存在する。尚、図４中のＶ_Aは、再生動作時に還元制御部２０が燃料電池本体１０の燃料極１０２と空気極１０３の間に印加する印加電圧を示している。また、図４中の４２は燃料電池電流Ｉ_FC−回生電力（Ｉ_FC・Ｖ_A）特性線を示しており、図４中の４３は燃料電池電流Ｉ_FC−回収電力（Ｉ_FC・Ｖ_FC）特性曲線を示している。

図４に示した電気的特性を考慮し、再生動作時の還元制御部２０において、電圧検出部２０１は燃料電池電圧Ｖ_FCを検出し、電流検出部２０２は燃料電池電流Ｉ_FCを検出し、判定部２０３は、電圧検出部２０１及び電流検出部２０２の検出結果を用いて、回収電力（Ｉ_FC・Ｖ_FC）を算出し、燃料電池電流Ｉ_FCが電流限界値Ｉ_LIM（回収電力（Ｉ_FC・Ｖ_FC）が最大となる電流値）に達するまでスイッチ部２０４をＯＮ状態し、燃料電池電流Ｉ_FCが電流限界値Ｉ_LIMを超えた時点でスイッチ部２０４をＯＦＦ状態にして燃料電池電流Ｉ_FCが電流限界値Ｉ_LIMを超えた状態で再生動作が継続されることを防止している。

再生動作時の還元制御部２０が、上記のような還元反応制御を行うことにより、回生電力発生部３０において発生する回生電力を利用した水素発生部材１０４の再生が可能となり、発電寿命を長くすることができる。さらに、再生動作時の還元制御部２０が、上記のような還元反応制御を行うことにより、電力の回収効率を向上させることができる。

尚、スイッチ部２０４がＯＦＦ状態になっている期間において回生電力発生部３０において発生する回生電力を有効利用するために、例えば、図５に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池装置１と蓄電装置５０とのハイブリッドシステムを構築し、スイッチ部２０４とスイッチ部５０１とが相補的にＯＮ／ＯＦＦするようにし、スイッチ部２０４がＯＦＦ状態であるときにスイッチ部５０１をＯＮ状態にして回生電力を蓄電池５０２に蓄えるようにしてもよい。

以下、本実施形態の変形例について説明する。本実施形態においては、電解質膜１０１として固体酸化物電解質を用いて、発電の際に燃料極１０２側で水を発生させるようにする。この構成によれば、水素発生部材１０４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、電解質膜１０１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、発電の際に空気極１０３側で水が発生されることになるため、この水を水素発生部材１０４に伝搬する流路を設ければよい。

本発明に係る燃料電池装置は、例えば、携帯電話、携帯型情報端末、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯型オーディオ、携帯型ビジュアル機器等の携帯用電子機器の駆動用電池として用いることができる。

１ 本発明の一実施形態に係る燃料電池装置
１０ 燃料電池本体
１０１ 電解質膜
１０２ 燃料極
１０２ａ 供給面
１０３ 空気極
１０４ 水素発生部材
１０４ａ 放出面
１０５ ヒータ
１０６ 温度センサ
１０７ カバー部材
１０８ 空気流路
１０９ 空気供給口
１１０ 空気排出口
１１１ 空間部
２０ 還元制御部
２０１ 電圧検出部
２０２ 電流検出部
２０３ 判定部
２０４ スイッチ部
３０ 回生電力発生部
３０１ モータ
３０２ 双方向インバータ
４１ 燃料電池電流−燃料電池電圧特性曲線
４２ 燃料電池電流−回生電力特性線
４３ 燃料電池電流−回収電力特性曲線
５０ 蓄電装置
５０１ スイッチ部
５０２ 蓄電池
Ｃ１ 容量
Ｉ_FC 燃料電池電圧
ＬＤ 負荷
Ｐ１ 変曲点
Ｒ１、Ｒ２ 抵抗
Ｔ１ 空気極側端子
Ｔ２ 燃料極側端子
Ｖ_A 印加電圧
Ｖ_FC 燃料電池電圧

Claims (8)

1. 水との酸化反応により水素を発生し、水素との還元反応により再生可能な水素発生部材と、
   燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極との間に狭持される電解質とを有し、発電動作時には前記水素発生部材から供給される水素を燃料にして発電を行うとともに、再生動作時には前記水素発生部材に供給する水素を生成するための水の電気分解を行う燃料電池本体と、
   前記再生動作時に前記燃料電池本体に供給する電流を制御する還元制御部とを備えた燃料電池装置であって、
   前記還元制御部は、前記燃料電池装置から供給される電力によって駆動する負荷の回生時に、前記負荷で発生する回生電力を利用し、前記燃料電池本体の電圧と前記燃料電池本体に流れ込む電流との積を算出し、前記算出した前記燃料電池本体の電圧と前記燃料電池本体に流れ込む電流との積に基づいて、前記燃料電池本体に供給する電流を制御することを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記還元制御部は、前記燃料電池装置から供給される電力によって駆動する負荷の回生時に、前記燃料電池本体の電圧と前記燃料電池本体に流れ込む電流との積が最大になるまで、前記燃料電池本体に電流を供給し、前記燃料電池本体の電圧と前記燃料電池本体に流れ込む電流との積が最大となる電流限界値を前記燃料電池本体に流れ込む電流が超えた時点で、前記燃料電池本体への電流供給を停止することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記燃料電池本体及び前記水素発生部材を内蔵するカバー部材をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池装置。
4. 前記電解質が固体酸化物電解質であって、発電の際に前記燃料極側で水が生成されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
5. 前記水素発生部材の水素を放出する放出面と前記燃料極の水素が供給される供給面とが互いに対向して平行に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
6. 前記水素発生部材が鉄で構成されていることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の燃料電池装置。
7. 前記水素発生部材を加熱するためのヒータをさらに備えたことを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の燃料電池装置。
8. 請求項１から７の何れか一項に記載の燃料電池装置と、
   蓄電装置と、
   前記燃料電池装置から供給される電力によって駆動する負荷の回生時に、前記負荷で発生する回生電力を、前記燃料電池装置又は前記蓄電装置に選択的に供給するスイッチ部とを備えたことを特徴とするハイブリッドシステム。

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