JP5679097B1 - ２次電池型燃料電池システム - Google Patents

Abstract

２次電池型燃料電池システムは、燃料発生部材と、発電・電気分解部と、前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間で燃料ガスを含む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、外部電力の供給または前記発電・電気分解部の発電電力の供給により駆動され、前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間でガスを強制的に循環させる循環器と、外部電力の供給または前記発電・電気分解部の発電電力の供給により開状態となり、非通電で自動的に閉状態になる弁と、を備える。前記弁は、前記ガス流路上の、前記発電・電気分解部のガス流出側と前記循環器のガス流入側との間に、配置されている。

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、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。

上記２次電池型燃料電池システムの一利用形態として、例えば、一般住宅、小規模集合住宅、オフィスなどに設置され、安価な夜間電力を利用して上記２次電池型燃料電池システムが充電動作を行い、日中に上記２次電池型燃料電池システムが発電動作を行う利用形態が考えられる。当該利用形態において、停電や電力会社による電力消費制限などにより系統電力が停止した際に、上記２次電池型燃料電池システムが系統連系運転から自立運転に切り替わり、系統電力に代わって電力を必要とする負荷に電力供給を行うことが望ましい。

上記２次電池型燃料電池システムは、基本的に系統電力によってヒーター、ポンプ、システムコントローラなどの補機を駆動する構成である。このため、系統電力が停止すると、バッテリー等の別電源を設けておかない限り補機への電力供給が止まり、系統連系運転から自立運転への切り替わりが行えない。

しかしながら、系統連系運転から自立運転への切り替わりを可能にするために上記２次電池型燃料電池システムにバッテリー等の別電源を設けると、上記２次電池型燃料電池システムの複雑化、大型化、高コスト化を招くという問題がある。

本発明は、上記の状況に鑑み、バッテリー等の別電源を設けることなく、外部電力が停止した際の非自立運転から自立運転への切り替わりが可能な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の一局面に係る２次電池型燃料電池システムは、化学反応により燃料ガスを発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生部材と、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発電機能及び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する発電・電気分解部と、前記燃料発生部材と前記発電・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ためのガス流路と、前記ガス流路上に設けられ、外部電力の供給または前記発電・電気分解部の発電電力の供給により駆動され、前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間でガスを強制的に循環させる循環器と、外部電力の供給または前記発電・電気分解部の発電電力の供給により開状態となり、非通電で自動的に閉状態になる弁と、を備え、前記弁は、前記ガス流路上の、前記発電・電気分解部のガス流出側と前記循環器のガス流入側との間に、配置されている構成としている。

上記目的を達成するために本発明の他の局面に係る２次電池型燃料電池システムは、化学反応により燃料ガスを発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生部材と、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発電機能及び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する発電・電気分解部と、前記燃料発生部材と前記発電・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ためのガス流路と、前記ガス流路上に設けられ、外部電力の供給または前記発電・電気分解部の発電電力の供給により駆動され、前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間でガスを強制的に循環させる循環器と、を備え、前記循環器は、外部電力の供給または前記発電・電気分解部の発電電力の供給により前記循環器のガス流入側と前記循環器のガス流出側とが前記循環器内で連通状態となり、非通電で自動的に前記循環器のガス流入側と前記循環器のガス流出側とが前記循環器内で非連通状態になる構成としている。

本発明の一局面に係る２次電池型燃料電池システムは、ガス流路上に設けられ、発電・電気分解部のガス流出側と循環器のガス流入側との間に配置され、外部電力の供給または発電・電気分解部の発電電力の供給により開状態となり、非通電で自動的に閉状態になる弁を備えるので、外部電力が停止した際に、当該弁が閉状態になって、当該弁と発電・電気分解部のガス流入側との間の燃料ガスを含むガスが拡散によって発電・電気分解部に供給されている期間は発電・電気分解部による発電が可能になる。この発電・電気分解部による発電が可能になっている期間中に自立運転を確立させることで、バッテリー等の別電源を設けることなく、外部電力が停止した際の非自立運転から自立運転への切り替わりが可能になる。

本発明の他の局面に係る２次電池型燃料電池システムは、外部電力の供給または発電・電気分解部の発電電力の供給により駆動され、外部電力の供給または発電・電気分解部の発電電力の供給により循環器のガス流入側と循環器のガス流出側とが循環器内で連通状態となり、非通電で自動的に循環器のガス流入側と循環器のガス流出側とが循環器内で非連通状態になる循環器を備えるので、外部電力が停止した際に、当該循環器のガス流入側と当該循環器のガス流出側とが当該循環器内で非連通状態になって、当該循環器のガス流出側と発電・電気分解部のガス流入側との間の燃料ガスを含むガスが拡散によって発電・電気分解部に供給されている期間は発電・電気分解部による発電が可能になる。この発電・電気分解部による発電が可能になっている期間中に自立運転を確立させることで、バッテリー等の別電源を設けることなく、外部電力が停止した際の非自立運転から自立運転への切り替わりが可能になる。

本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 系統電力が停止した直後の本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池システムにおける電力供給状態を示す模式図である。 自立運転時の本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池システムにおける電力供給状態を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの循環経路を展開した模式図及び当該循環経路の圧力分布を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 拡大室の一構成例を示す模式図である。 本発明の第２実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの循環経路を展開した模式図及び当該循環経路の圧力分布を示す図である。

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。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの概略構成を図１に示す。本実施形態に係る２次電池型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の間で燃料ガスを含む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、燃料電池部２の空気極２Ｃに空気を供給するための配管９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１０と、電力制御部１１と、システム全体を制御するシステムコントローラ１２と、通電により開状態になり非通電で自動的に閉状態になるノーマルクローズ弁１３を備えている。ノーマルクローズ弁１３としては、例えば、非通電で磁力によって閉状態になる電磁弁を挙げることができる。

ポンプ８が動作することにより、配管７内のガスは図１に示す矢印の方向（時計回り）で循環する。

電力制御部１１は、本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの非自立運転時に、系統電力を用いてヒーター３及び４と、ポンプ８と、システムコントローラ１２と、ノーマルクローズ弁１３とに駆動電力を供給する。また、電力制御部１１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動作時に、燃料電池部２の出力電力又は燃料電池部２の出力電力を変換した電力を外部負荷に供給する。さらに、電力制御部１１は、本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの充電動作時に、系統電力を直流電力に変換してから電気分解器として動作する燃料電池部２に供給する。

なお、図１においては、図が煩雑になることを防ぐため、システムコントローラ１２とシステムの各部との間で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を主体とする水素発生部材は、例えば、下記の（１）式や（１）’式に示す酸化反応により、水蒸気を消費して水素を生成することができる。
４Ｈ₂Ｏ＋３Ｆｅ→４Ｈ₂＋Ｆｅ₃Ｏ₄ …（１）
Ｆｅ＋Ｈ₂Ｏ→ＦｅＯ＋Ｈ₂ …（１）’

上記の（１）式や（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）式に示す還元反応や上記の（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）式や（１）’式に示す鉄の酸化反応及び下記の（２）式や（２）’式に示す還元反応は６００℃未満の低い温度で行うこともできる。
４Ｈ₂＋Ｆｅ₃Ｏ₄→３Ｆｅ＋４Ｈ₂Ｏ …（２）
ＦｅＯ＋Ｈ₂→Ｆｅ＋Ｈ₂Ｏ …（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。

燃料電池部２では、システムの発電動作時に、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、電力制御部１１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。
（１／２）Ｏ₂＋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、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、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＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ …（５）

一方、燃料発生部材１は、上記の（１）式や（１）’式に示す酸化反応により、システムの発電動作時に燃料電池部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）式や（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）式や（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、システムを充電することができる。

燃料電池部２では、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）式や（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＋（１／２）Ｏ₂ …（６）

ここで、停電や電力会社による電力消費制限などにより系統電力が停止した直後の本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムにおける電力供給状態を図２に示す。なお、図２中の点線矢印は電力供給が停止していることを表している。

図２に示す通り、系統電力が停止した直後には、系統電力の停止に伴って、電力制御部１１からヒーター３及び４、ポンプ８、並びにノーマルクローズ弁１３への駆動電力の供給が停止する。また、ノーマルクローズ弁１３が非通電により閉状態となる。一方、電力制御部１１は、系統電力が停止すると、系統電力を用いたシステムコントローラ１２への駆動電力の供給から、燃料電池部２の出力電力を用いたシステムコントローラ１２への駆動電力の供給に動作を切り替える。

ノーマルクローズ弁１３を燃料電池部２のガス流出側とポンプ８のガス流入側との間に配置していることにより、ノーマルクローズ弁１３が閉状態になって、ノーマルクローズ弁１３と燃料電池部２のガス流入側との間の燃料ガスを含むガスが拡散によって燃料電池部２に供給されている期間は燃料電池部２による発電が可能になる。この燃料電池部２による発電が可能になっている期間中にシステムコントローラ１２が、燃料電池部２の出力電力を用いたヒーター３及び４、ポンプ８、並びにノーマルクローズ弁１３への駆動電力の供給を行うように電力制御部１１を制御する。燃料電池部２からの給電により、ヒータ−３及び４、ポンプ８は駆動され、ノーマルクローズ弁１３は開状態となり、燃料発生部材１と燃料電池部２との間でガスが循環し、燃料電池部２は発電を継続する。その結果、図３に示す電力供給状態、すなわち、燃料電池部２自身による出力電力を駆動電力として用いて燃料電池部２が発電を行う自立運転を確立させることができる。従ってバッテリー等の別電源を設けることなく、系統電力が停止した際の非自立運転から自立運転への切り替わりが可能になる。

なお、燃料電池部２での発電反応は発熱反応であるため、ヒーター４への通電が不要であれば、ヒーター４に駆動電力を供給しなくてもよい。

次に、本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの循環経路を展開した模式図及び当該循環経路の圧力分布を示した図４を参照して、ノーマルクローズ弁１３を設けている理由について詳細に説明する。

ポンプ８が動作している期間は、循環経路（容器５、容器６、配管７、及び電解質膜２Ａによって囲まれる空間）は閉鎖された空間であるため、ポンプ８のガス流出側が最もガスの圧力が高く、ポンプ８のガス流入側が最もガスの圧力が低くなっている。言い換えると、ポンプ８の動作により、循環経路に圧力分布を発生させ、発生させた圧力分布によってガスの流れを生じさせている。

系統電力が停止すると、ポンプ８が動作状態から停止状態に切り替わる。そうすると、ガス圧力勾配が大きいほどガスの拡散が大きくなり、循環経路内のガス圧力分布が次第に一様化される。このため、閉状態になっているノーマルクローズ弁１３が無ければ、ポンプ８のガス流出側からガス流入側に向かうガスの拡散が最も大きくなり（図４の左向きの太い矢印）、燃料発生部材１の方向へガスが拡散しにくくなる。その結果、燃料発生部材１における反応が促進されず、燃料電池部２に燃料を多く含んだガスを供給することができず、発電が継続されない。

しかしながら、本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムでは、系統電力が停止すると閉状態になるノーマルクローズ弁１３が設けられているため、ポンプ８の流出側から流入側に向かうガスの拡散が抑制され（図４の×マーク）、ノーマルクローズ弁１３から燃料電池部２のガス流入側に向けて燃料ガスを含むガスが拡散し、燃料電池部２に供給される。このノーマルクローズ弁１３と燃料電池部２のガス流入側との間の燃料ガスを含むガスが拡散によって燃料電池部２に供給されている期間においては、系統電力が停止しており且つ本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの自立運転が確立されていない状態であっても、燃料電池部２による発電が可能になる。この発電によって生じた電力を、システムコントローラ１２、ヒーター３及び４、ポンプ８、ノーマルクローズ弁１３に供給することにより、発電を継続することができ、燃料電池部の自立運転が確立される。

なお、ポンプ８及びノーマルクローズ弁１３の代わりに、非通電で自動的に循環器のガス流入側と循環器のガス流出側とが循環器内で非連通状態になる循環器を設けてもよい。非通電で自動的に循環器のガス流入側と循環器のガス流出側とが循環器内で非連通状態になる循環器としては、例えば、ノーマルクローズ弁を用いたダイヤフラムポンプを挙げることができる。循環器においてもポンプ８の場合と同様、循環器が動作している期間は循環経路は閉鎖された空間であるため、循環器のガス流出側が最もガスの圧力が高く、循環器のガス流入側が最もガスの圧力が低くなっている。従って、非通電により循環器内で非連通状態になったとき、循環器の流出側から流入側に向かうガスの拡散が抑制され、循環器から燃料電池部２のガス流入側に向けて燃料ガスを含むガスが拡散し、燃料電池部２に供給される。この循環器と燃料電池部２のガス流入側との間の燃料ガスを含むガスが拡散によって燃料電池部２に供給されている期間においては、系統電力が停止しており且つ本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの自立運転が確立されていない状態であっても、燃料電池部２による発電が可能になる。この発電によって生じた電力を、システムコントローラ１２、ヒーター３及び４、ポンプ８、ノーマルクローズ弁１３に供給することにより、発電を継続することができ、燃料電池部の自立運転が確立される。

尚、ポンプ８及びノーマルクローズ弁１３の配置は、ノーマルクローズ弁１３と燃料電池部２のガス流入側との間の燃料ガスを含むガスの量を多くする観点から、本実施形態のように燃料電池部２のガス流出側と燃料発生部材１のガス流入側との間であることが望ましいが、ノーマルクローズ弁１３がポンプ８の上流側にあればよく、ポンプ８及びノーマルクローズ弁１３の両方又はポンプ８のみを燃料発生部材１のガス流出側と燃料電池部２のガス流入側との間に配置することも可能である。非通電により内部で非連通となる循環器についても、循環器と燃料電池部２のガス流入側との間の燃料ガスを含むガスの量を多くする観点から、燃料電池部２のガス流出側と燃料発生部材１のガス流入側との間であることが望ましいが、燃料発生部材１のガス流出側と燃料電池部２のガス流入側との間に配置することも可能である。

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの概略構成を図５に示す。本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、第１実施形態に係る２次電池型燃料電池システムに拡大部１４を追加した構成である。拡大部１４は、配管７よりも流路断面積が大きく、燃料発生部材１２のガス流出側と燃料電池部２のガス流入側との間に配置されている。

拡大部１４の追加によって、ノーマルクローズ弁１３と燃料電池部２のガス流入側との間の燃料ガスを含むガスの量を多くすることができ、系統電力が停止した際のノーマルクローズ弁１３と燃料電池部２のガス流入側との間の燃料ガスを含むガスが拡散によって燃料電池部２に供給されている期間を長くすることができる。

また、拡大部１４は、例えば図６に示すように、ガス流入側の流路断面積とガス流出側の流路断面積を異ならせることで、所望の圧力損失を発生させることができる。ガス流入側の流路断面積に対するガス流出側の流路断面積の比率を小さくするほど、拡大部１４における圧力損失が大きくなり、ガスを燃料電池部２に供給する時間を長くすることができる。拡大部１４において圧力損失を発生させた場合、本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの循環経路を展開した模式図及び当該循環経路の圧力分布は図７に示すようになる。

拡大部１４の容積及び圧力損失の設定値を調整することで、系統電力が停止した際のノーマルクローズ弁１３と燃料電池部２のガス流入側との間の燃料ガスを含むガスが拡散によって燃料電池部２に供給されている期間を調整することができる。

拡大部１４の配置は、燃料発生部材１を追加した後の水素濃度が高いガスの量を多くする観点から、本実施形態のように燃料発生部材１のガス流出側と燃料電池部２のガス流入側との間であることが望ましいが、燃料電池部２のガス流出側と燃料発生部材１のガス流入側との間に配置することも可能である。

なお、本実施形態についても、第１実施形態で説明した各種の変形を適用することができる。例えば、ポンプ８及びノーマルクローズ弁１３の代わりに、非通電で自動的に循環器のガス流入側と循環器のガス流出側とが循環器内で非連通状態になる循環器を設けてもよい。

また、第１の実施形態および第２の実施形態において、システムの発電動作時に系統電力が停止した場合について説明したが、システムの充電動作時に系統電力が停止した場合についても同様である。

＜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の酸化剤極である空気極２Ｃ側で水が発生されることになるため、この水を燃料電池部２のガス流出側に送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、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。

また、上述した実施形態では、酸化剤ガスに空気を用いているが、空気以外の酸化剤ガスを用いても構わない。

１ 燃料発生部材
２ 燃料電池部
２Ａ 電解質膜
２Ｂ 燃料極
２Ｃ 空気極
３、４ ヒーター
５、６ 容器
７、９、１０ 配管
８ ポンプ
１１ 電力制御部
１２ システムコントローラ
１３ ノーマルクローズ弁
１４ 拡大部

Claims (7)

1. 化学反応により燃料ガスを発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生部材と、
   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発電機能及び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する発電・電気分解部と、
   前記燃料発生部材と前記発電・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ためのガス流路と、
   前記ガス流路上に設けられ、外部電力の供給または前記発電・電気分解部の発電電力の供給により駆動され、前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間でガスを強制的に循環させる循環器と、
   外部電力の供給または前記発電・電気分解部の発電電力の供給により開状態となり、非通電で自動的に閉状態になる弁と、を備え、
   前記弁は、前記ガス流路上の、前記発電・電気分解部のガス流出側と前記循環器のガス流入側との間に、配置されていることを特徴とする２次電池型燃料電池システム。
2. 化学反応により燃料ガスを発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生部材と、
   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発電機能及び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する発電・電気分解部と、
   前記燃料発生部材と前記発電・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ためのガス流路と、
   前記ガス流路上に設けられ、外部電力の供給または前記発電・電気分解部の発電電力の供給により駆動され、前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間でガスを強制的に循環させる循環器と、を備え、
   前記循環器は、外部電力の供給または前記発電・電気分解部の発電電力の供給により前記循環器のガス流入側と前記循環器のガス流出側とが前記循環器内で連通状態となり、非通電で自動的に前記循環器のガス流入側と前記循環器のガス流出側とが前記循環器内で非連通状態になることを特徴とする２次電池型燃料電池システム。
3. 前記発電・電気分解部のガス流出側と前記燃料発生部材のガス流入側との間に、前記循環器を配置していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の２次電池型燃料電池システム。
4. 前記２次電池型燃料電池システムへの外部電力の供給が停止すると、外部電力を用いた非自立運転から前記発電・電気分解部の出力電力を用いた自立運転に自動的に切り替わることを特徴とする請求項１〜請求項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。
5. 前記循環器のガス流出側と前記発電・電気分解部のガス流入側との間に、前記ガス流路の他の部分よりも流路断面積が大きい拡大部を備えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の２次電池型燃料電池システム。
6. 前記拡大部は、前記燃料発生材のガス流出側と前記発電・電気分解部のガス流入側との間に設けられてい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。
7. 前記拡大部は、ガス流入側の流路断面積とガス流出側の流路断面積とが異なることを特徴とする請求項５または６に記載の２次電池型燃料電池システム。

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