JP5617928B2 - ２次電池型燃料電池システム - Google Patents
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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に関する。
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の効率が高いため、省エネルギになるだけでなく、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や環境問題解決の切り札として期待されている。
燃料電池の利用形態は様々であるが、その一つにＥＶ（electric vehicle）に搭載され、ＥＶの動力源として利用される形態がある。このような利用形態では、ＥＶが移動体であり、移動距離を長くするために、長期間に渡って燃料を供給することが望まれる。
このため、特許文献１や特許文献２は、複数の水素吸蔵合金タンクを備え、これらの水素吸蔵合金タンクを順次使用する燃料電池システムを開示している。
しかしながら、特許文献１や特許文献２で開示された燃料電池システムのいずれも、複数の水素吸蔵合金タンクを順次使用するものであるが、当該タンクからは水素が出力されるだけであり、２次電池として機能するものではない。したがって、発電と充電とをシームレスに行うことはできない。
本発明は、上記の状況に鑑み、発電と充電をシームレスに行うことができる２次電池型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２次電池型燃料電池システムは、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と、前記水素発生部から供給される水素を燃料にして発電を行う発電機能及び前記水素発生部に供給する水素を生成するための水の電気分解を行う電気分解機能を有する発電・電気分解部とを備え、前記水素発生部と前記発電・電気分解部との間で水素及び水蒸気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、前記水素発生部の水蒸気分圧比を設定する水蒸気分圧比設定部を備える構成としている。尚、前記発電・電気分解部は、例えば、前記水素発生部から供給される水素を燃料にして発電を行う発電動作と、前記水素発生部に供給する水素を生成するための水の電気分解を行う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、前記水素発生部から供給される水素を燃料にして発電を行う燃料電池と、前記水素発生部に供給する水素を生成するための水の電気分解を行う電気分解器とを別個に備える構成であってもよい。
本発明によると、発電と充電をシームレスに行うことができる２次電池型燃料電池システムを実現することができる。
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。
＜２次電池型燃料電池システムの構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの全体構成を示す図である。図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、鉄の微粒子圧縮体が収容された水素発生器１を備えている。さらに、図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、水素発生器１を加熱するヒーター２と、水素発生器１の温度を検出する温度センサ３と、水素発生器１の鉄残量を検出する残量センサ４とを備えている。残量センサ４は、例えば、鉄と酸化鉄の重量差を利用して、水素発生器１の重量変化から水素発生器１の鉄残量を検出するものを用いることができる。なお、この鉄残量は、水素発生器１から発生することが可能な水素残量ということができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの全体構成を示す図である。図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、鉄の微粒子圧縮体が収容された水素発生器１を備えている。さらに、図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、水素発生器１を加熱するヒーター２と、水素発生器１の温度を検出する温度センサ３と、水素発生器１の鉄残量を検出する残量センサ４とを備えている。残量センサ４は、例えば、鉄と酸化鉄の重量差を利用して、水素発生器１の重量変化から水素発生器１の鉄残量を検出するものを用いることができる。なお、この鉄残量は、水素発生器１から発生することが可能な水素残量ということができる。
図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、水素を燃料として発電し水を発生する燃料電池の一つである固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）５を備えている。水素発生器１は、ガスを循環できるガス循環経路によってＳＯＦＣ５に接続されている。
上記循環経路には循環器６が設けられている。循環器６は、ブロア又はポンプであって、上記循環経路内のガスを強制循環させる。
コントローラ７は、システム全体の制御を行うものであり、温度センサ３から出力される温度情報及び残量センサ４から出力される残量情報を元に、ヒーター２、循環器６を個別に制御し、水素発生器１の反応条件を設定し、ＳＯＦＣ５に水素を供給してＳＯＦＣ５に発電動作を行わせ、負荷であるモータ８を駆動させる。
また、コントローラ７は、モータ８の回生電力が発生した場合や外部電源入力端子９に外部電源（不図示）からの電力が供給された場合に、ＳＯＦＣ５を電気分解器として作動させ、水素発生器１の再生を行ってシステムの充電を行う。
コントローラ７に接続されているリチウムイオン２次電池１０は、起動時にヒーター２等を動作させるための電力を供給するものであって、ＳＯＦＣ５の発電又は外部電源入力端子９に接続された外部電源（不図示）からの電力により再充電可能である。
＜ＳＯＦＣの構成及び動作＞
ＳＯＦＣ５は、図２に示す通り、Ｏ２−を透過する固体電解質１１を挟み、その両側にそれぞれ酸化剤極１２と燃料極１３が形成されている３層構造をなしている。ＳＯＦＣ５では、発電動作時に、燃料極１３において下記の（１）式の反応が起こる。
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ− …（１）
ＳＯＦＣ５は、図２に示す通り、Ｏ２−を透過する固体電解質１１を挟み、その両側にそれぞれ酸化剤極１２と燃料極１３が形成されている３層構造をなしている。ＳＯＦＣ５では、発電動作時に、燃料極１３において下記の（１）式の反応が起こる。
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ− …（１）
上記の（１）式の反応によって生成された電子は、負荷であるモータ８を通って、酸化剤極１２に到達し、酸化剤極１２において下記の（２）式の反応が起こる。
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２− …（２）
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２− …（２）
そして、上記の（２）式の反応によって生成された酸素イオンは、固体電解質１１を通って、燃料極１３に到達する。上記の一連の反応を繰り返すことにより、ＳＯＦＣ５が発電動作を行うことになる。また、上記の（１）式から分かるように、発電動作時には、燃料極１３側においてＨ２が消費されＨ２Ｏが生成されることになる。
一方、ＳＯＦＣ５では、電気分解器として作動する場合、上記の（１）式及び（２）式の逆反応が起こり、燃料極１３側においてＨ２Ｏが消費されＨ２が生成される。
上記のように燃料極１３側で消費されたり生成されたりするガス（水素ガス、水蒸気ガス）が、ＳＯＦＣ５の燃料極１３側と水素発生器１との間を循環する。
＜水素発生器での反応＞
水素発生器１は、鉄の微粒子圧縮体を収容しているので、下記の（３）式に示す酸化反応により、水素を発生することができる。
３Ｆｅ＋４Ｈ２Ｏ→Ｆｅ３Ｏ４＋４Ｈ２ …（３）
水素発生器１は、鉄の微粒子圧縮体を収容しているので、下記の（３）式に示す酸化反応により、水素を発生することができる。
３Ｆｅ＋４Ｈ２Ｏ→Ｆｅ３Ｏ４＋４Ｈ２ …（３）
上記の（３）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（３）式の逆反応（還元反応）により、水素発生器１を再生することができ、システムを充電することができる。
ここで、鉄（Ｆｅ）と酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）とのエネルギの関係を図３に示す。鉄（Ｆｅ）は酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）よりもエネルギが高いので、鉄（Ｆｅ）が酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）に変化する反応（酸化反応）は外部に熱を放出する発熱反応になり、酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）が鉄（Ｆｅ）に変化する反応（還元反応）は吸熱反応になる。
また、反応が起こるには分子が活性化エネルギＥａ以上のエネルギを持つことが必要であるが、図３から分かるように、酸化反応の活性化エネルギＥａ（Ｆｅ→Ｆｅ３Ｏ４）よりも、逆の還元反応の活性化エネルギＥａ（Ｆｅ３Ｏ４→Ｆｅ）の方が大きい。すなわち、鉄の酸化反応よりも酸化鉄の還元反応の方が反応しにくい。
反応しやすさを示す反応速度定数ｋは、気体定数Ｒ、絶対温度Ｔ、頻度因子Ａ、及び活性化エネルギＥａを用いた下記の（４）式で表すことができる。そして、反応速度定数ｋと濃度との積で反応速度が与えられる。尚、触媒を用いると、活性化エネルギＥａを下げることができる。
ｋ＝Ａexp（−Ｅａ／ＲＴ） …（４）
ｋ＝Ａexp（−Ｅａ／ＲＴ） …（４）
上記の（４）式から分かるように、温度を上げると、指数関数的に反応速度ｋが上がることになる。
触媒なしのＦｅ３Ｏ４の場合Ｅａは約６０ｋＪであり、還元速度として、発明者による実験では、３２０℃でＦｅ１ｇあたりＨ２のモル数換算で約３μｍｏｌ／ｍｉｎが得られている。Ｆｅ３Ｏ４の還元にはＦｅ１ｇあたり０．０２３８ｍｏｌのＨ２が必要であり、実用的な還元時間として１０時間を考えると、Ｆｅ１ｇあたりＨ２のモル数換算で約４０μｍｏｌ／ｍｉｎの還元速度が得られることが望ましい。上述の触媒なしのＦｅ３Ｏ４の場合の還元速度に基づいて、４０μｍｏｌ／ｍｉｎの還元速度が得られるＥａ／Ｔを計算すると０．０７９７ｋＪ／Ｋとなる。したがって、下記の（５）式を満足することが望ましい。触媒として、例えばＡｌを用いるとＥａを約４６ｋＪ、Ｎｉ−Ｃｒを用いるとＥａを約２１．５ｋＪと下げることができ、必要となる温度を低減することができる。
Ｔ＞１２．５５Ｅａ …（５）
Ｔ＞１２．５５Ｅａ …（５）
＜水素発生器内の水蒸気分圧比＞
図４は、水素発生器１内の水蒸気分圧比について説明する図である。水素発生器１内に鉄（Ｆｅ）と酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）が混在する状態で、水素発生器１内に水素ガスと水蒸気ガスの混合気体が存在するとき、鉄の酸化反応の反応速度と酸化鉄の還元反応の反応速度とが一致する平衡状態で安定する。図４に示す曲線はこの平衡状態を示している。したがって、平衡状態における水蒸気分圧比は、高温になるほど高くなる。例えば、３００℃の温度条件下で水蒸気分圧比１０％の混合ガスを水素発生器１に投入すると、平衡状態での水蒸気分圧比は４％（＜１０％）であるので、水蒸気を消費する鉄の酸化反応が優勢になり、最終的に水蒸気分圧比４％で安定する。これに対して、４００℃の温度条件下で水蒸気分圧比４％の混合ガスを水素発生器１に投入すると、平衡状態での水蒸気分圧比は１０％（＞４％）であるので、水蒸気を生成する酸化鉄の還元反応が優勢になり、最終的に水蒸気分圧比１０％で安定する。
図４は、水素発生器１内の水蒸気分圧比について説明する図である。水素発生器１内に鉄（Ｆｅ）と酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）が混在する状態で、水素発生器１内に水素ガスと水蒸気ガスの混合気体が存在するとき、鉄の酸化反応の反応速度と酸化鉄の還元反応の反応速度とが一致する平衡状態で安定する。図４に示す曲線はこの平衡状態を示している。したがって、平衡状態における水蒸気分圧比は、高温になるほど高くなる。例えば、３００℃の温度条件下で水蒸気分圧比１０％の混合ガスを水素発生器１に投入すると、平衡状態での水蒸気分圧比は４％（＜１０％）であるので、水蒸気を消費する鉄の酸化反応が優勢になり、最終的に水蒸気分圧比４％で安定する。これに対して、４００℃の温度条件下で水蒸気分圧比４％の混合ガスを水素発生器１に投入すると、平衡状態での水蒸気分圧比は１０％（＞４％）であるので、水蒸気を生成する酸化鉄の還元反応が優勢になり、最終的に水蒸気分圧比１０％で安定する。
＜２次電池型燃料電池システムの動作＞
次に、図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムをＥＶに搭載し、ＥＶの動力源として利用した場合を例に挙げて、図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの動作について説明する。
次に、図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムをＥＶに搭載し、ＥＶの動力源として利用した場合を例に挙げて、図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの動作について説明する。
ＥＶを走行させるために水素発生器１に水素を発生させて発電を行う場合、コントローラ７は、水素発生器１をヒーター２によって加熱（ここでは３２０℃に加熱）し、循環器６を起動してガスを循環させる。ＳＯＦＣ５は、循環経路内にある水素ガスを消費し水蒸気ガスを発生させながら発電を行う。ここで、ＳＯＦＣ５で発生した水蒸気は、３２０℃での平衡水蒸気分圧比の４．５％よりも分圧比が高くなれば鉄の酸化反応が優勢になり、水素発生器１内で水蒸気ガスが水素ガスに置き換わり、水蒸気分圧比４．５％、水素分圧比９５．５％の状態に戻ろうとする。この水素ガスが、再びＳＯＦＣ５で消費され水蒸気ガスが発生するというサイクルで発電が継続される。
一方、水素発生器１を再生してシステムの充電を行う場合、コントローラ７は、水素発生器１をヒーター２によって加熱（ここでは３２０℃）し、循環器６を起動してガスを循環させる。また、ＳＯＦＣ５を電気分解器として作動させる。この場合、ＳＯＦＣ５は循環経路内にある水蒸気ガスを消費し水素ガスを発生させる。ここで、水素発生器１で発生した水蒸気は、３２０℃での平衡水蒸気分圧比の４．５％よりも分圧比が低ければ酸化鉄の還元反応が優勢になり、水素発生器１内で水素ガスが水蒸気ガスに置き換わり、水蒸気分圧比４．５％、水素分圧比９５．５％の状態に戻ろうとする。この水蒸気ガスが、再びＳＯＦＣ５で消費され水素ガスが発生するというサイクルで水素発生器１が再生されシステムの充電が継続される。
上記の通り水素発生器１では、酸化還元の可逆反応が可能な３２０℃に設定しているだけで、３２０℃での平衡水蒸気分圧比の４．５％に向かうような反応が自然に行われる。したがって、水素発生器１において特別な切り替え動作をせず、さらに設定温度の変更もしなくても、システムの発電充電を短期に繰り返すことができる。
なお、本実施形態では、１つのＳＯＦＣ５が発電も水の電気分解も行っているが、水素発生器１が、燃料電池（例えば発電専用のＳＯＦＣ）と水の電気分解器（例えば水の電気分解専用のＳＯＦＣ）それぞれにガス循環経路上並列に接続される構成にしてもよい。また、水素発生器１の基材料（主成分）は、鉄に限定されず、水で酸化し水素で還元できるもの（例えばマグネシウム合金等）であればよい。
＜２次電池型燃料電池システムの他の動作＞
次に、図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムをＥＶに搭載し、ＥＶの動力源として利用した場合を例に挙げ、図５に示すフローチャートを参照して、図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの他の動作について説明する。
次に、図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムをＥＶに搭載し、ＥＶの動力源として利用した場合を例に挙げ、図５に示すフローチャートを参照して、図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの他の動作について説明する。
発電動作モードでは、発電のために消費される水素ガスが潤沢にあることが望ましく、充電動作モードでは、充電のために消費される水蒸気ガスが潤沢にあることが望ましい。発電動作モードにおいて、水蒸気分圧比の設定を小さくすれば、水素ガスの発生が促進されるので発電電流を大きくすることができる。また、充電動作モードにおいて、水蒸気分圧比の設定を大きくすれば、水蒸気ガスの発生が促進されるので充電電流を大きくすることができる。そこで、図５に示すフローチャートでは、各モードで消費される各ガスがより多く存在するような制御動作を実行している。
図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムが起動すると、図５に示すフローチャート動作が開始する。まず、コントローラ７は、外部電源入力端子９に外部電源が接続されているか否かを判定する（ステップＳ１０）。
外部電源入力端子９に外部電源が接続されていれば（ステップＳ１０のＹＥＳ）、充電動作モードになり、後述するステップＳ６０に移行する。
これに対して、外部電源入力端子９に外部電源が接続されていなければ（ステップＳ１０のＮＯ）、コントローラ７は、ＥＶ本体の制御部からＥＶの運転状態に関する情報を受け取り、当該情報に基づいてＥＶが走行中であるか否かを判定する（ステップＳ２０）。なお、信号待ち等のアイドリング状態である場合は走行中に含めることが望ましいが、所定時間を越える一時停止は走行中から除外するようにしてもよい。
ＥＶが走行中でなければ（ステップＳ２０のＮＯ）、ステップＳ１０に戻り、ＥＶが走行中であれば（ステップＳ２０のＹＥＳ）、発電動作モードになり、ステップＳ３０に移行する。
ステップＳ３０において、コントローラ７は、電力回生可能な設定にするか否かを判定する。例えば、ＥＶが所定の速度以上で走行中の場合は電力回生可能な設定とし、ＥＶが所定の速度未満で走行中の場合は電力回生を行わない設定とすればよい。電力回生可能な設定でなければ（ステップＳ３０のＮＯ）、コントローラ７は、水素発生器１の温度設定を１００℃にし（ステップＳ４０）、その後、ステップＳ１０に戻る。この場合、平衡水蒸気分圧比は０．１％となる。これに対して、電力回生可能な設定であれば（ステップＳ３０のＹＥＳ）、コントローラ７は、水素発生器１の温度設定を３２０℃にし（ステップＳ５０）、その後、ステップＳ１０に戻る。この場合、平衡水蒸気分圧比は４．５％となる。
なお、この発電動作モードにおける温度設定は、ヒーター２を制御するために用いられ、設定された温度になるまでヒーター２をオンし、設定された温度になればヒーター２をオフすればよい。これは、この発電動作モードでは、鉄の酸化反応により水素を発生させる発熱反応が生じるため、ヒーター２によって継続的に加熱する必要はないためである。更に、設定された温度よりも温度センサ３で検出された温度が高くなったとしても、反応が加速されるため冷却する必要はない。
一方、上述した充電動作モードでは、コントローラ７は、高速充電を行う設定（高速充電モード）にするか否かを判定する（ステップＳ６０）。高速充電を行わない設定（通常充電モード）であれば（ステップＳ６０のＮＯ）、コントローラ７は、水素発生器１の温度設定を４００℃にし（ステップＳ７０）、その後、ステップＳ１０に戻る。この場合、平衡水蒸気分圧比は１０％となる。これに対して、高速充電を行う設定であれば（ステップＳ６０のＹＥＳ）、コントローラ７は、水素発生器１の温度設定を６００℃にし（ステップＳ８０）、その後、ステップＳ１０に戻る。この場合、平衡水蒸気分圧比は２０％となる。
なお、この充電動作モードにおける温度設定もまた、ヒーター２を制御するために用いられ、設定された温度に維持するようにヒーター２の駆動制御を行う。この充電動作モードでは、酸化鉄の還元反応により水蒸気を発生させる吸熱反応が生じるため、ヒーター２による加熱を継続的に行う必要がある。したがって、温度センサ３で検出された温度が設定された温度となるようにヒーター２の駆動を制御する。
＜２次電池型燃料電池システムの他の構成＞
図６は、本発明の他の実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの全体構成を示す図である。なお、図６において図１と同一の部分には同一の符号を付す。図６に示す本発明の他の実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、鉄の微粒子圧縮体が収容された水素発生器１を２つ備えている。さらに、図６に示す本発明の他の実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、各水素発生器１を個別に加熱する複数のヒーター２と、各水素発生器１の温度を個別に検出する複数の温度センサ３と、各水素発生器１の鉄残量を個別に検出する残量センサ４とを備えている。残量センサ４は、例えば、鉄と酸化鉄の重量差を利用して、水素発生器１の重量変化から水素発生器１の鉄残量を検出するものを用いることができる。
図６は、本発明の他の実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの全体構成を示す図である。なお、図６において図１と同一の部分には同一の符号を付す。図６に示す本発明の他の実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、鉄の微粒子圧縮体が収容された水素発生器１を２つ備えている。さらに、図６に示す本発明の他の実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、各水素発生器１を個別に加熱する複数のヒーター２と、各水素発生器１の温度を個別に検出する複数の温度センサ３と、各水素発生器１の鉄残量を個別に検出する残量センサ４とを備えている。残量センサ４は、例えば、鉄と酸化鉄の重量差を利用して、水素発生器１の重量変化から水素発生器１の鉄残量を検出するものを用いることができる。
図６に示す本発明の他の実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、水素を燃料として発電し水を発生する燃料電池の一つである固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）５を備えている。各水素発生器１はそれぞれ、ガスを循環できるガス循環経路によってＳＯＦＣ５に並列に接続されている。
上記循環経路には循環器６が設けられている。循環器６は、ブロア又はポンプであって、上記循環経路内のガスを強制循環させる。また、上記循環経路には、各水素発生器１のガス流量を個別に制御する流量制御器１４が設けられている。なお、図中、流量制御器１４は、各水素発生器１の一方側だけに簡略的に図示しているが、循環経路から各水素発生器１を経由するガスの流量を制御するものである。
コントローラ７は、システム全体の制御を行うものであり、本実施形態では、各温度センサ３から出力される各温度情報及び各残量センサ４から出力される各残量情報を元に、ヒーター２、循環器６、流量制御器１４を個別に制御し、各水素発生器１の反応条件を設定し、ＳＯＦＣ５に水素を供給してＳＯＦＣ５に発電動作を行わせ、負荷であるモータ８を駆動させる。
また、コントローラ７は、モータ８の回生電力が発生した場合や外部電源入力端子９に外部電源（不図示）からの電力が供給された場合に、ＳＯＦＣ５を電気分解器として作動させ、水素発生器１の再生を行ってシステムの充電を行う。
コントローラ７に接続されているリチウムイオン２次電池１０は、起動時にヒーター２等を動作させるための電力を供給するものであって、ＳＯＦＣ５の発電又は外部電源入力端子９に外部電源（不図示）からの電力により再充電可能である。
図７は、図６を簡略化して本発明の他の実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの電力回生対応動作を説明する図である。図７において、右側の水素発生器１は高温（例えば４００℃）にし、左側の水素発生器１は低温（例えば１００℃）にしている状態とする。
右側の水素発生器１に流入するガス量と左側の水素発生器１に流入するガス量とが同等であれば、右側の水素発生器１の設定温度に対応する平衡水蒸気分圧比と左側の水素発生器１の設定温度に対応する平衡水蒸気分圧比との平均が、図６及び７に示す本発明の他の実施形態に係る２次電池型燃料電池システムにおいて設定している平衡水蒸気分圧比となる。
この状態で循環経路の水蒸気分圧比が両水素発生器１の温度に基づく平衡水蒸気分圧比の中間の値であれば、高温に設定されている右側の水素発生器１で還元反応が優勢になり、低温に設定されている左側の水素発生器１で酸化反応が優勢になる。したがって、発電動作と充電動作とを同時に行うことが可能となる。一方、発電動作のみを実行する場合には、流量制御器１４を用いて右側の水素発生器１へのガスの循環を停止し、左側の水素発生器１だけを用いればよい。逆に、充電動作のみを実行する場合には、流量制御器１４を用いて左側の水素発生器１へのガスの循環を停止し、右側の水素発生器１だけを用いることができる。このように複数の水素発生器１の温度を異なる値に設定しておくことで、どちらの水素発生器１を用いるかによって水蒸気分圧比の設定値を変更することができる。また、右側の水素発生器１内での酸化鉄の残量、左側の水素発生器１内での鉄の残量がそれぞれ所定量よりも少なくなると、高温と低温の設定を入れ替えるようにすることも可能である。これにより、発電動作及び充電動作に用いる水素発生器１を切り替えることができる。
さらに、コントローラ７が、流量制御器１４を用いて、右側の水素発生器１に流入するガス量と左側の水素発生器１に流入するガス量との比を制御することで、右側の水素発生器１の温度設定及び左側の水素発生器１の温度設定を変更することなく、平衡水蒸気分圧比の設定をスムーズに変更することができる。
１ 水素発生器
２ ヒーター
３ 温度センサ
４ 残量センサ
５ 固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）
６ 循環器
７ コントローラ
８ モータ
９ 外部電源入力端子
１０ リチウムイオン２次電池
１１ 固体電解質
１２ 酸化剤極
１３ 燃料極
１４ 流量制御器
２ ヒーター
３ 温度センサ
４ 残量センサ
５ 固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）
６ 循環器
７ コントローラ
８ モータ
９ 外部電源入力端子
１０ リチウムイオン２次電池
１１ 固体電解質
１２ 酸化剤極
１３ 燃料極
１４ 流量制御器
Claims (6)
- 発電モードと充電モードとを切り替え可能である２次電池型燃料電池システムであって、
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と、
前記水素発生部から供給される水素を燃料にして発電を行う発電機能及び前記水素発生部に供給する水素を生成するための水の電気分解を行う電気分解機能を有する発電・電気分解部とを備え、
前記水素発生部と前記発電・電気分解部との間で水素及び水蒸気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、
前記水素発生部における水素との混合ガス中における水蒸気の平衡分圧比を設定する水蒸気分圧比設定部を備え、
前記水蒸気分圧比設定部は、発電モード時には前記水素発生部における酸化反応が促進するよう、前記平衡分圧比が第１の値となるよう設定し、充電モード時には前記水素発生部における還元反応が促進するよう、前記平衡分圧比が前記第１の値より高い第２の値となるよう設定し、
発電モード時は前記平衡分圧比が前記第１の値に設定された状態の下で、充電モード時は前記平衡分圧比が前記第２の値に設定された状態の下で、それぞれ水素と水蒸気を含む混合ガスを前記水素発生部と前記発電・電気分解部との間で循環させる、２次電池型燃料電池システム。 - 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と、
前記水素発生部から供給される水素を燃料にして発電を行う発電機能及び前記水素発生部に供給する水素を生成するための水の電気分解を行う電気分解機能を有する発電・電気分解部とを備え、
前記水素発生部と前記発電・電気分解部との間で水素及び水蒸気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、
前記水素発生部の水蒸気分圧比を設定する水蒸気分圧比設定部を備え、
通常充電モードと高速充電モードとを有し、
前記高速充電モード時は前記通常充電モード時よりも、前記水蒸気分圧比設定部によって設定される水蒸気分圧比が大きい、２次電池型燃料電池システム。 - 前記水蒸気分圧比設定部が、前記水素発生部の温度を設定する温度設定部であり、
前記温度設定部によって設定される温度に基づいて制御されるヒーターを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の２次電池型燃料電池システム。 - 前記水素発生部における還元反応の活性化エネルギＥａと前記温度設定部によって設定される温度Ｔとが、
Ｔ＞１２．５５Ｅａ
の関係を満たすことを特徴とする請求項３に記載の２次電池型燃料電池システム。 - 前記水素発生部が複数の水素発生器によって構成され、
前記水蒸気分圧比設定部が、前記複数の水素発生器それぞれを個別に温度設定することができる温度設定部を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の２次電池型燃料電池システム。 - 前記水蒸気分圧比設定部が、前記複数の水素発生器それぞれを循環するガスの流量を個別に制御することができる流量制御部を有することを特徴とする請求項５に記載の２次電池型燃料電池システム。
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