JP5578294B1 - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

燃料電池システムは、化学反応により燃料ガスを発生する燃料発生部材と、前記燃料発生部材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部と、前記燃料発生部材と前記燃料電池部との間でガスを循環させるためのガス流路と、前記ガス流路上に設けられ、前記燃料発生部材と前記燃料電池部との間でガスを強制的に循環させる循環器と、前記燃料発生部材の前記化学反応をしていない割合に応じて、前記循環器のガス循環量を制御する循環器制御部とを備える。

Description

本発明は、燃料発生部材を備える燃料電池システムに関する。
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）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。
燃料電池は、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、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。
特表平１１−５０１４４８号公報 国際公開第２０１２／０４３２７１号 特開２００６−７３３１６号公報
特許文献１及び特許文献２には、固体酸化物型燃料電池と、酸化反応により水素を発生し、還元反応により再生可能な水素発生部材とを組み合わせた２次電池型燃料電池システムが開示されている。上記２次電池型燃料電池システムでは、システムの発電動作時に水素発生部材が水素を発生し、システムの充電動作時に水素発生部材が再生される。
水素発生部材の形態としては、例えば酸化反応により水素を発生し、還元反応により再生可能な金属を母材とする微粒子をガスが通過する程度の空隙を残して固めた形態や上記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が挙げられる。
水素発生部材の水素発生時に生じる酸化反応は上記微粒子の体積増加を伴うものであり、初めに水素発生部材の表面で酸化性ガスとの酸化反応により上記微粒子の膨張が起こり、水素発生部材の酸化が進むと、水素発生部材の内部で酸化性ガスとの酸化反応が起こるが、上記微粒子の膨張により水素発生部材の内部への酸化性ガスの浸透が妨げられる。
したがって、上記２次電池型燃料電池システムにおいて、固体酸化物型燃料電池と水素発生部材の間のガス循環量を一定値に設定すると、一定値が大きい場合には、水素発生部材の酸化がさほど進んでいないときにガス循環量が必要以上に多くなり、循環器の駆動に無駄なエネルギーが消費されてしまうことになり、逆に一定値が小さい場合には、水素発生部材の酸化が進んだときに循環器のガス循環量が不足して、燃料電池部の発電量が不足してしまうことになる。
なお、特許文献３では燃料電池をコジェネレーションシステムに用いることが開示されている。特許文献３で開示されているシステムは、燃料調整バルブによって燃料電池への燃料ガス供給量が調整されており、ガスを循環させるシステムではないため、未反応の燃料ガスの回収等が課題となる。
本発明は、上記の状況に鑑み、エネルギー効率が高く、かつ安定した発電が可能である燃料電池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燃料電池システムは、化学反応により燃料ガスを発生する燃料発生部材と、前記燃料発生部材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部と、前記燃料発生部材と前記燃料電池部との間でガスを循環させるためのガス流路と、前記ガス流路上に設けられ、前記燃料発生部材と前記燃料電池部との間でガスを強制的に循環させる循環器と、所定の発電量を得るために、前記燃料発生部材の前記化学反応をしていない割合に応じて、前記循環器の駆動により前記燃料発生部材に流入するガス流量を制御する制御部とを備える構成とする。
本発明に係る燃料電池システムによると、循環器の駆動により燃料発生部材に流入するガス流量が、燃料発生部材の化学反応をしていない割合に応じて制御されるので、燃料発生部材の化学反応をしていない割合が多いときに循環器の駆動により燃料発生部材に流入するガス流量が必要以上に多くなり、循環器の駆動に無駄なエネルギーが消費されることをなくすことができ、また、燃料発生部材の化学反応をしていない割合が少ないときに循環器の駆動により燃料発生部材に流入するガス流量が不足して、燃料電池部の発電量が不足することをなくすことができる。すなわち、本発明に係る燃料電池システムによると、エネルギー効率が高く、かつ安定した発電が可能である。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。 燃料発生部材及びそれを収容する容器の一例を示す模式図である。 燃料発生部材の他の例を示す模式図である。 燃料発生部材の酸化の進行具合を示す図である。 燃料発生部材の酸化反応をしていない割合及びポンプのガス循環量と燃料発生部材から発生する水素量との関係を示す図である。 家庭内での電力使用量の推移例を示す図である。 補正前ガス循環量を示す図である。 補正後ガス循環量を示す図である。 サーボ制御されるガス循環量を示す図である。
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燃料電池システムの全体構成を図１に示す。本実施形態に係る燃料電池システムは、家庭用燃料電池コジェネレーションシステムに本発明を適用した例を示すものであるが、本発明に係る燃料電池システムはコジェネレーションシステムに限定されるものではない。
本実施形態に係る燃料電池システムは、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、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、断熱容器９と、燃料電池部２の空気極２Ｃに空気を供給するための配管１０と、燃料電池部２の空気極２Ｃから空気を排出するための配管１１と、熱交換器１２と、システム全体を制御するシステムコントローラ１３とを備えている。断熱容器９は、容器５及び６と、配管７、１０、及び１１それぞれの一部とを収容している。なお、図が煩雑になることを防ぐため、電力を伝送する電力ラインや制御信号を伝送する制御ラインなどの図示は省略している。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。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、Ｒｈ、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。前者の一例を図２に示し、後者の一例を図３に示す。
図２では、燃料発生部材１は複数の球状ペレット１５によって構成されており、容器５はガス流路を長くするための仕切板１６を備えている。図２ではガスの流れを矢印で模式的に示している。なお、図２ではペレットの形状が球状であるが、他の形状であっても構わない。
図３では、燃料発生部材１はガス流路が形成されている成型体１７によって構成されている。なお、図３の例ではガス流路の断面形状が正方形であるが、他の形状であっても構わない。例えばガス流路の断面形状を正六角形にすれば、ハニカム構造の成型体になる。
燃料電池部２は、図１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１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。
本実施形態に係る燃料電池システムの発電時に燃料電池部２はシステムコントローラ１３の制御によって外部負荷（不図示）に電気的に接続される。燃料電池部２では、本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの発電時に、燃料極２Ｂにおいて下記の（３）式の反応が起こる。
Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ- …（３）
上記の（３）式の反応によって生成された電子は、外部負荷（不図示）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-→Ｏ2- …（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、本実施形態に係る燃料電池システムの発電動作時には、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、本実施形態に係る燃料電池システム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、本実施形態に係る燃料電池システム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、本実施形態に係る燃料電池システムを充電することができる。
本実施形態に係る燃料電池システムの充電動作時に燃料電池部２はシステムコントローラ１３の制御によって外部電源（不図示）に接続される。燃料電池部２では、本実施形態に係る燃料電池システムの充電動作時に、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）
熱交換器１２は、燃料電池部２の空気極２Ｃから排出され配管１１内を通過するガスから得た熱を用いて水を加熱する。熱交換器によって加熱された水は、給湯用の湯として給湯タンク１４に蓄えられる。
システムコントローラ１３は、システム全体の制御、例えば、燃料電池部２の発電動作と電気分解動作の切り替えやポンプ８のガス循環量の制御等を行う。
酸化反応をしていない割合が１である燃料発生部材１、すなわち全く酸化していない燃料発生部材１にＨ2Ｏが供給されると、初めに燃料発生部材１の表面（例えば図２に示すペレット１５の表面や図３に示す成型体１７のガス流路表面など）でＨ2Ｏとの酸化反応により鉄微粒子１８が酸化鉄微粒子１９に変化して微粒子の膨張が起こり、燃料発生部材１の酸化が進むと、燃料発生部材１の内部でＨ2Ｏとの酸化反応が起こるが、上記微粒子の膨張により燃料発生部材１の内部へのＨ2Ｏの浸透が妨げられる（図４参照）。
従って、燃料発生部材１の酸化が進んで燃料発生部材１の酸化反応をしていない割合（鉄の残量）が減ると、燃料発生部材１の内部へのＨ2Ｏの浸透が妨げられ、燃料発生部材１での水素発生量は減る（図５参照。図５では鉄の残量がそれぞれ異なる３つのレベルのグラフを示しており、鉄の残量が最も多いグラフを最も太い線（ａ）で示し、鉄の残量が最も少ないグラフを最も細い線（ｃ）で示している。ガス循環量が同じであれば、鉄の残量が最も多いものが水素発生量も最も多く、鉄の残量が最も少ないものが水素発生量も最も少ない）。しかしながら、ポンプ８のガス循環量を増やすと、燃料発生部材１の内部へのＨ2Ｏの浸透が促進されるため、いずれの鉄の残量のグラフ（ａ−ｃ）においても燃料発生部材１での水素発生量は増える（図５参照）。
システムコントローラ１３は、図５に示す関係を考慮したポンプ８のガス循環量制御を行っている。そのガス循環量制御の具体例を次に説明する。
＜ガス循環量制御の第１実施例＞
ここで、家庭内での電力使用量の推移例を図６に示す。平均電力使用量のグラフの形は家族構成や生活スタイルで様々であるが、季節、曜日、時間帯によってある程度決まったパターンを示す。図６に示す平均電力使用量のグラフ２０は、例えば１時間あたりの電力使用量の平均をプロットしたものである。実電力使用量のグラフ２１は、家庭内の各電気機器のオン／オフすなわち負荷の変動に伴い、図６に一部を例示するように数分程度の短期間で大きく変動し得る。
システムコントローラ１３は、家庭内での平均電力使用量を基に、燃料電池部２の発電によって賄うべき時刻に関連した単位時間毎の電力量、すなわち時刻に関連した単位時間毎の電力需要予測値を決定している。本実施例では、図６に示す平均電力使用量のグラフ２０に家庭内の負荷の変動による増加分を含めた電力使用量のグラフ２２の値を、燃料電池部２が発電動作を行う時間帯の時刻に関連した単位時間毎の電力需要予測値として用いる。家庭内での平均電力使用量や家庭内の負荷の変動はシミュレーションや統計データ等を用いてもよいが、時刻に関連した単位時間毎の電力需要予測値の精度を向上させる観点から、家庭内での平均電力使用量や家庭内の負荷の変動あるいはそれらと相関がある物理量を検出する検出器を設けて実測することが好ましい。
燃料電池部２が単位時間毎の電力需要予測値に対応する発電を行ったときの単位時間毎の水素消費量は、時刻に関連した単位時間毎の電力需要予測値に対応する燃料電池部２の放電電流から決まる。システムコントローラ１３は、燃料発生部材１の酸化反応をしていない割合（鉄の残量）が一定であると仮定し、燃料電池部２が単位時間毎の電力需要予測値に対応する発電を行ったときの単位時間毎の水素消費量、及び、図５に示すポンプ８のガス循環量と燃料発生部材１での水素発生量との関係から、時刻に関連した単位時間毎の電力需要予想値の発電を燃料電池部２が行うのに必要なガス循環量の値、すなわち時刻に関連した単位時間毎の必要ガス循環量予想値を求める。なお、図５に示すポンプ８のガス循環量と燃料発生部材１での水素発生量との関係は、燃料発生部材１の温度が所定値であるときのデータであり、燃料発生部材１の温度が変わると、循環ガスにおけるＨ2とＨ2Ｏの分圧比も変わるので、図５に示すポンプ８のガス循環量と燃料発生部材１での水素発生量との関係を燃料発生部材１の温度に応じて補正することが望ましい。また、図５に示すポンプ８のガス循環量と燃料発生部材１での水素発生量との関係に関するデータや燃料発生部材１の温度に応じた補正に関するデータは、システムコントローラ１３の内蔵メモリにあらかじめ記憶させておくとよい。
燃料電池部２の電気分解動作時に関しても同様であり、燃料電池部２が単位時間毎の電力供給予測値に対応する電気分解を行ったときの単位時間毎の水蒸気消費量は、時刻に関連した単位時間毎の電力供給予測値に対応する燃料電池部２の電気分解電流から決まる。そして、燃料発生部材１の酸化反応をしていない割合（鉄の残量）が一定であると仮定し、燃料電池部２が単位時間毎の電力供給予測値に対応する電気分解を行ったときの単位時間毎の水蒸気消費量、及び、ポンプ８のガス循環量と燃料発生部材１での水蒸気発生量との関係から、時刻に関連した単位時間毎の電力供給予想値の電気分解を燃料電池部２が行うのに必要なガス循環量の値、すなわち時刻に関連した単位時間毎の必要ガス循環量予想値が求まる。
図７は、深夜電力を用いて燃料電池部２に電気分解動作をさせて燃料発生部材１を再生し、昼間に燃料電池部２に発電動作をさせる場合のガス循環量の設定例を示す図である。図７に示す例では、９時から２１時までの時間帯は燃料電池部２が発電動作を行い、それ以外の時間帯では例えば電力系統からの電力が家庭内の負荷に供給される。また、図７に示す例では、２３時から５時までの時間帯は燃料電池部２が電気分解動作を行っている。システムコントローラ１３は、時刻に関連した単位時間毎の必要ガス循環量予想値のグラフ２３を上回るように、補正前ガス循環量のグラフ２４を求める。なお、図７に示す例では、補正前ガス循環量は零を含めて４つのレベルから選択するようになっている。
更に、システムコントローラ１３は、各時刻における燃料発生部材１の酸化反応をしていない割合（鉄の残量）を求める。例えば、電力需要予測値から発電電流の積算値を求め、発電電流の積算値に基づいて燃料発生部材１の酸化量を求めればよい。また、電力供給予測値から電気分解電流の積算値を求め、電気分解電流の積算値に基づいて燃料発生部材１の還元量を求めればよい。なお、燃料電池部２を流れる電流を検出する検出器を設け、発電電流の積算値及び電気分解電流の積算値を実測するようにしてもよい。または、燃料発生部材１の重量を検出する検出器を設け、重量変化に基づいて酸化量や還元量を検出してもよいし、燃料発生部材１が本実施形態のように鉄である場合に燃料発生部材１の透磁率を検出する検出器を設け、透磁率変化に基づいて燃料発生部材１の酸化量や還元量を求めてもよい。なお、上記の検出器は、燃料電池システム内に設けてもよく、燃料電池システムの外部に設けてもよい。
そして、システムコントローラ１３は、上述した補正前ガス循環量を、燃料発生部材１の酸化反応をしていない割合（鉄の残量）に応じて補正して、補正後ガス循環量すなわち最終的なガス循環量を決定する。なお、本実施例では、燃料電池部２が発電動作を行っている時間帯においては、燃料発生部材１の酸化反応をしていない割合（鉄の残量）が第１の閾値以上である場合に、補正前ガス循環量に第１の係数（＜１）を乗じて得られた値を補正後ガス循環量とし、燃料発生部材１の酸化反応をしていない割合（鉄の残量）が第２の閾値（＜第１の閾値）以下である場合に、補正前ガス循環量に第２の係数（＞１）を乗じて得られた値を補正後ガス循環量とする。このように、酸化反応をしていない割合が大きいときは、鉄の微粒子の体積膨張が少なく、ガスが燃料発生部材１の内部まで浸透しやすいため、ガス循環量が必要以上に大きくならないように補正している。また、酸化反応をしていない割合が小さいときは、鉄の微粒子の体積膨張が多く、ガスが燃料発生部材１の内部まで浸透しにくいため、ガス循環量が大きくなるよう補正している。
一方、燃料電池部２が電気分解動作を行っている時間帯においては、燃料発生部材１の酸化反応をしていない割合（鉄の残量）が第１の閾値以上である場合に、補正前ガス循環量に第３の係数（＞１）を乗じて得られた値を補正後ガス循環量とし、燃料発生部材１の酸化反応をしていない割合（鉄の残量）が第２の閾値（＜第１の閾値）以下である場合に、補正前ガス循環量に第４の係数（＜１）を乗じて得られた値を補正後ガス循環量としている。
以上のように、燃料電池部２の発電動作時と電気分解動作時とでは、ガス循環量の増減を互いに反対方向に補正している。
ここで、第１の係数と第４の係数とは同一の値であっても互いに異なる値であってもよく、第２の係数と第３の係数とは同一の値であっても互いに異なる値であってもよい。燃料発生部材１の酸化反応をしていない割合（鉄の残量）のグラフ２５及び最終的なガス循環量のグラフ２６を図８に示す。
以上のように、本実施例では、燃料電池部２の電気分解動作時において、ガス循環量の増減を互いに反対方向に補正している。これは、電気分解動作時には、鉄の残量が多いとき（即ち、酸化鉄の残量が少ないとき）は、還元する対象となる材料（酸化鉄）が少ないため、多くのガスを循環させないと還元反応が促進されないからである。反対に、鉄の残量が少ないとき（即ち、酸化鉄の残量が多いとき）は、還元する対象となる材料が多いので、それほど多くのガスを循環させなくても還元反応は十分起きると考えられる。このように、本実施例では、燃料電池部２の電気分解動作時においては、還元材料（酸化鉄）の多少に応じてガス循環量を制御している。
尚、燃料電池部２の電気分解動作時においても、発電動作時と同様、燃料発生部材１の鉄の微粒子の体積増加に応じて制御してもよい。即ち、燃料発生部材１の酸化反応をしていない割合（鉄の残量。燃料発生部材１の還元反応をしている割合とも言い換えられる。）が大きい場合は、ガス循環量を減らす方向に補正し、燃料発生部材１の酸化反応をしていない割合（鉄の残量）が小さい場合は、ガス循環量を増やす方向に補正してもよい。
また、本実施例では、発電動作時と電気分解動作時の両方において、システムコントローラ１３が上述のとおりガス循環量を補正しているが、燃料電池部２が電気分解動作を行っている時間帯においては、システムコントローラ１３がガス循環量を補正しないようにしてもよい。日中の発電動作と異なり、電気分解動作は、夜間の時間を使って比較的ゆっくり行うことができるので、必ずしも充電効率を上げるためガス循環量を制御する必要がない場合もある。
尚、燃料電池部２は、発電機能のみを備えているものでもよい。その場合、燃料発生部材１の鉄の残量が少なくなれば、新しい燃料発生部材１と交換すればよい。
上述したようにガス循環量を補正することにより、燃料発生部材１の酸化反応をしていない割合（鉄の残量）が多いときにポンプ８のガス循環量が必要以上に多くなり、ポンプ８の駆動に無駄なエネルギーが消費されることをなくすことができ、また、燃料発生部材１の酸化反応をしていない割合（鉄の残量）が少ないときにポンプ８のガス循環量が不足して、燃料電池部２の発電量が不足することをなくすことができる。したがって、エネルギー効率が高く、かつ安定した発電を実現することができる。
なお、図７に示す設定例では、ポンプ８の過剰な運転を抑制し、無駄な電力消費や騒音を避けることを狙って、補正前ガス循環量を、必要ガス循環量予想値を上回る最も小さい循環量に設定している。しかしながら、単位時間を長くすると、単位時間より短期の電力変動によって一時的に燃料ガスが不足する可能性が高くなる。このため、補正前ガス循環量を、必要ガス循環量予想値を上回る最も小さい循環量に設定するのではなく、例えば、必要ガス循環量予想値の１．５倍以上になるように設定してもよい。この場合、平均電力使用量自体を時刻に関連した単位時間毎の電力需要予測値として用いてもよい。
＜ガス循環量制御の第２実施例＞
上述した第１実施例では、システムコントローラ１３が、時刻に関連した単位時間毎の電力需要予測値に基づいて燃料電池部２の発電電力及びポンプ８のガス循環量を決定したのに対して、本実施例では、システムコントローラ１３が、燃料電池部２が発電動作を行う時間帯において、リアルタイムの電力需要に基づいてポンプ８の循環ガス流量をリアルタイムで制御する。
本実施例では、システムコントローラ１３は、燃料電池部２が家庭内での実電力使用量に対応する発電を行ったときの燃料電池部２の発電量に応じて、ポンプ８のガス循環量をサーボ制御する。したがって、家庭内での実電力使用量が増加すれば、それに応じてポンプ８のガス循環量が増加し、家庭内での実電力使用量が減少すれば、それに応じてポンプ８のガス循環量が減少する。
家庭内での実電力使用量は数分程度の短期間で大きく変動し得るため、（図６の実電力使用量のグラフ２１参照）、システムコントローラ１３によるサーボ制御は、家庭内での実電力使用量が短期間で変動した場合でもポンプ８のガス循環量を応答よく追従させることが求められる。
サーボ制御では、燃料電池部２が家庭内での実電力使用量に対応する発電を行うために必要なガス循環量（サーボ制御の目標値）に対して比例制御のみならず、積分値、微分値などを用いた制御も行うことによって、精度を高めている。
しかしながら、実電力使用量の短期間での変動が大きい場合、通常のサーボ制御では誤差が発生し、通常のサーボ制御によるガス循環量のグラフ２８において目標ガス循環量のグラフ２７に対する位相遅れやオーバーシュートなどが生じてしまう（図９参照）。これは主に、燃料発生部材１の水素発生量が時々刻々と変化しているにもかかわらず、通常のサーボ制御では燃料発生部材１の水素発生量の変化を考慮していないことに起因する。
上記の誤差は、燃料電池部２の発電量不足やポンプ８での必要以上のガス循環量発生によるエネルギー効率低下につながる。燃料電池部２の発電量不足を発生させないためには余裕量をあらかじめ大きく設定することが考えられるが、その分ポンプ８に投入するエネルギーが大きくなるためエネルギー効率が下がることは明らかである。
そこで、本実施例において、システムコントローラ１３は、燃料発生部材１の酸化反応をしていない割合（鉄の残量）を求める。例えば、燃料電池部２を流れる電流を検出する検出器を設け、発電電流の積算値及び電気分解電流の積算値を実測し、発電電流の積算値に基づいて燃料発生部材１の酸化量を求め、電力供給予測値から電気分解電流の積算値を求め、電気分解電流の積算値に基づいて燃料発生部材１の還元量を求めればよい。
また、本実施例において、システムコントローラ１３は、燃料発生部材１の酸化反応をしていない割合（鉄の残量）の逆数に応じた値をサーボ制御のゲインとして設定する。これにより、各時刻における燃料発生部材１の酸化反応をしていない割合（鉄の残量）に応じた最適なサーボゲインを設定することができる。
本実施例のサーボ制御を実行すると、時間帯によらず、常に最適なサーボ制御を行うことが可能であるので、本実施例のサーボ制御によるガス循環量のグラフ２９は目標ガス循環量のグラフ２７に対して誤差が小さい（図９参照）。これにより、燃料発生部材１の酸化反応をしていない割合（鉄の残量）が多いときにポンプ８のガス循環量が必要以上に多くなり、ポンプ８の駆動に無駄なエネルギーが消費されることをなくすことができ、また、燃料発生部材１の酸化反応をしていない割合（鉄の残量）が少ないときにポンプ８のガス循環量が不足して、燃料電池部２の発電量が不足することをなくすことができる。したがって、エネルギー効率が高く、かつ安定した発電を実現することができる。
なお、燃料電池部２が家庭内での実電力使用量に対応する発電を行うために必要なガス循環量（サーボ制御の目標値）は、ポンプ８の過剰な運転を抑制し、無駄な電力消費や騒音を避けることを狙って、燃料電池部２が家庭内での実電力使用量に対応する発電を行うために必要な最低限のガス循環量に設定してもよいが、燃料電池部２が家庭内での実電力使用量に対応する発電を行うために必要な最低限のガス循環量に所定の余裕量を加えた値を目標値とすることが望ましい。
＜まとめ＞
以上説明した燃料電池システムは、化学反応により燃料ガスを発生する燃料発生部材と、前記燃料発生部材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部と、前記燃料発生部材と前記燃料電池部との間でガスを循環させるためのガス流路と、前記ガス流路上に設けられ、前記燃料発生部材と前記燃料電池部との間でガスを強制的に循環させる循環器と、所定の発電量を得るために、前記燃料発生部材の前記化学反応をしていない割合に応じて、前記循環器の駆動により前記燃料発生部材に流入するガス流量を制御する制御部とを備える構成（第１の構成）である。
また、上記第１の構成の燃料電池システムにおいて、前記燃料発生部材の前記化学反応をしていない割合は、前記燃料電池部の電流値に基づいて算出される構成（第２の構成）としてもよい。
また、上記第１または第２の構成の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料発生部材の前記化学反応をしていない割合が多い場合は、前記ガス流量を少なくするよう制御し、前記燃料発生部材の前記化学反応をしていない割合が少ない場合は、前記ガス流量を多くするように制御する構成（第３の構成）としてもよい。
また、上記第３の構成の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記所定の発電量を満たすために必要なガス流量を上回る所定量を設定し、前記燃料発生部材の前記化学反応をしていない割合が第１の閾値以上である場合は、前記所定量より少なくなるよう前記ガス流量を制御し、前記燃料発生部材の前記化学反応をしていない割合が、前記第１の閾値より小さい値である第２の閾値以下である場合は、前記所定量より多くなるよう前記ガス流量を制御する構成（第４の構成）としてもよい。
また、上記第４の構成の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記所定の発電量を満たすために必要なガス流量を、前記所定の発電量を行ったときの水素消費量及び前記水素消費量を満たす水素を供給するために必要なガス流量に基づき決定する構成（第５の構成）としてもよい。
また、上記第４の構成の燃料電池システムにおいて、前記所定の発電量は、時刻に関連した単位時間毎の電力需要予想値に対応する発電量である構成（第６の構成）としてもよい。
また、上記第１または第２の構成の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料発生部材の前記化学反応をしていない割合の逆数に応じたゲイン値で、前記ガス流量をサーボ制御する構成（第７の構成）としてもよい。
また、上記第１〜上記第７のいずれかの構成の燃料電池システムにおいて、前記燃料発生部材は、前記化学反応の逆反応により再生可能であり、前記燃料電池部は、前記燃料発生部材の再生時に前記燃料発生部材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し、前記制御部は、電気分解時において所定の電気分解量を得るために、前記燃料発生部材の前記逆反応をしていない割合に応じて、前記循環器の駆動により前記燃料発生部材に流入するガス流量を制御する構成（第８の構成）としてもよい。また、上記第８の構成の燃料電池システムにおいて、前記燃料発生部材の前記逆反応をしていない割合は、前記燃料電池部の電気分解電流の積算値に基づいて算出される構成（第９の構成）としてもよい。
また、上記第１〜上記第９のいずれかの構成の燃料電池システムにおいて、前記燃料発生部材は微粒子で形成され、前記微粒子は、前記化学反応により燃料ガスを発生する金属を母材とする構成（第１０の構成）としてもよい。
以上述べた燃料電池システムによると、循環器の駆動により燃料発生部材に流入するガス流量が、燃料発生部材の化学反応をしていない割合に応じて制御されるので、燃料発生部材の化学反応をしていない割合が多いときに循環器の駆動により燃料発生部材に流入するガス流量が必要以上に多くなり、循環器の駆動に無駄なエネルギーが消費されることをなくすことができ、また、燃料発生部材の化学反応をしていない割合が少ないときに循環器の駆動により燃料発生部材に流入するガス流量が不足して、燃料電池部の発電量が不足することをなくすことができる。すなわち、以上述べた燃料電池システムによると、エネルギー効率が高く、かつ安定した発電が可能である。
１ 燃料発生部材
２ 燃料電池部
２Ａ 電解質膜
２Ｂ 燃料極
２Ｃ 空気極２Ｃ
３、４ ヒーター
５、６ 容器
７、１０、１１ 配管
８ ポンプ
９ 断熱容器
１２ 熱交換器
１３ システムコントローラ
１４ 給湯タンク
１５ ペレット
１６ 仕切板
１７ 成型体
１８ 鉄微粒子
１９ 酸化鉄微粒子
２０ 平均電力使用量のグラフ
２１ 実電力使用量のグラフ
２２ 家庭内の負荷の変動による増加分を含めた電力使用量のグラフ
２３ 時刻に関連した単位時間毎の必要ガス循環量予想値のグラフ
２４ 補正前ガス循環量のグラフ
２５ 燃料発生部材の酸化反応をしていない割合のグラフ
２６ 最終的なガス循環量のグラフ
２７ 目標ガス循環量のグラフ
２８ 通常のサーボ制御によるガス循環量のグラフ
２９ 第２実施例のサーボ制御によるガス循環量のグラフ

Claims (10)

  1. 化学反応により燃料ガスを発生する燃料発生部材と、
    前記燃料発生部材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部と、
    前記燃料発生部材と前記燃料電池部との間でガスを循環させるためのガス流路と、
    前記ガス流路上に設けられ、前記燃料発生部材と前記燃料電池部との間でガスを強制的に循環させる循環器と、
    所定の発電量を得るために、前記燃料発生部材の前記化学反応をしていない割合に応じて、前記循環器の駆動により前記燃料発生部材に流入するガス流量を制御する制御部とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記燃料発生部材の前記化学反応をしていない割合は、前記燃料電池部の発電電流の積算値に基づいて算出される請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記制御部は、前記燃料発生部材の前記化学反応をしていない割合が多い場合は、前記ガス流量を少なくするよう制御し、前記燃料発生部材の前記化学反応をしていない割合が少ない場合は、前記ガス流量を多くするように制御する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記制御部は、前記所定の発電量を満たすために必要なガス流量を上回る所定量を設定し、前記燃料発生部材の前記化学反応をしていない割合が第１の閾値以上である場合は、前記所定量より少なくなるよう前記ガス流量を制御し、前記燃料発生部材の前記化学反応をしていない割合が、前記第１の閾値より小さい値である第２の閾値以下である場合は、前記所定量より多くなるよう前記ガス流量を制御する請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記制御部は、前記所定の発電量を満たすために必要なガス流量を、前記所定の発電量を行ったときの水素消費量及び前記水素消費量を満たす水素を供給するために必要なガス流量に基づき決定する請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 前記所定の発電量は、時刻に関連した単位時間毎の電力需要予想値に対応する発電量である請求項４に記載の燃料電池システム。
  7. 前記制御部は、前記燃料発生部材の前記化学反応をしていない割合の逆数に応じたゲイン値で、前記ガス流量をサーボ制御する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃料発生部材は、前記化学反応の逆反応により再生可能であり、
    前記燃料電池部は、前記燃料発生部材の再生時に前記燃料発生部材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し、
    前記制御部は、電気分解時において所定の電気分解量を得るために、前記燃料発生部材の前記逆反応をしていない割合に応じて、前記循環器の駆動により前記燃料発生部材に流入するガス流量を制御する請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  9. 前記燃料発生部材の前記逆反応をしていない割合は、前記燃料電池部の電気分解電流の積算値に基づいて算出される請求項８に記載の燃料電池システム。
  10. 前記燃料発生部材は微粒子で形成され、
    前記微粒子は、前記化学反応により燃料ガスを発生する金属を母材とする請求項１から９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
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