JP5729287B2

JP5729287B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5729287B2
Application number: JP2011266753A
Authority: JP
Inventors: 篤広野田
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2011-12-06
Filing date: 2011-12-06
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2031-12-06
Also published as: JP2013120639A

Description

本発明は、燃料発生部と燃料電池部と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。

この燃料電池は、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。

国際公開第２０１１／０７７９６９号国際公開第２０１１／０３０６２５号国際公開第２０１１／０８９８１１号特開２０１０−２３８４３７号公報特開２００８−３０５６９２号公報特開２００６−５９６１４号公報特開２００２−５６８５８号公報

しかしながら、燃料電池での反応が不均一であれば、燃料電池に熱歪などが生じて燃料電池が劣化するという課題がある。なお、特許文献１〜特許文献３で提案されている燃料電池システムのように、発電と充電を繰り返すことができる２次電池型燃料電池システムは、充放電の繰り返しによって使用期間が長くなるため、上記の課題が特に深刻になる。

従来から、燃料電池における電流密度や温度分布の不均一を解消するための工夫が種々提案されており、例えば、特許文献４では燃料電池の電解質の厚みを変化させており、特許文献５では燃料電池の燃料極、空気極のいずれか一方を膜面方向に沿って反応ガス消費率が変化するように形成しており、特許文献６では燃料電池のアノードの高温部に改質触媒の濃度を高めた領域を設けており、特許文献７では燃料電池のアノードを横切る燃料流のための経路を定めるアノードチャンバに多段化プレートを配置して、アノードへの燃料供給量を多段化している。

ところが、特許文献４〜特許文献６において提案されている技術では燃料電池部の構造に制約がかかるという問題がある。また、特許文献７において提案されている技術では燃料電池のアノードを横切る燃料流が必要であり、特許文献１〜特許文献３で提案されている燃料電池システムのように、燃料発生部の燃料放出面と燃料電池部の燃料極の燃料供給面とが対向している構造の燃料電池システムに適用することができないという問題がある。

本発明は、上記の状況に鑑み、技術の豊富化の観点から、燃料電池部での反応の均一化を図ることができる新たな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、燃料極、酸化剤極、及び前記燃料極と前記酸化剤極との間に狭持される電解質を有する燃料電池部と、燃料を発生する燃料発生部とを備え、前記燃料極の燃料が供給される燃料供給面と前記燃料発生部の燃料を放出する燃料放出面とは対向しており、前記燃料発生部が、酸化性ガスとの酸化反応により燃料を発生する燃料発生剤の微粒子を含み、前記燃料発生剤の微粒子が前記燃料発生部内で粗密に分布しており、前記酸化剤極の収容空間から酸化剤ガスが排出される側に対応する部分から前記酸化剤極の収容空間に酸化剤ガスが供給される側に対応する部分に向かうほど前記燃料発生剤の微粒子が粗となるよう分布することにより、前記酸化剤極の収容空間から酸化剤ガスが排出される側から前記酸化剤極の収容空間に酸化剤ガスが供給される側に向かうほど、前記燃料放出面から前記燃料供給面に到達する燃料の量が少ない構成とする。

このような構成によると、酸化剤極の収容空間から酸化剤ガスが排出される側から酸化剤極の収容空間に酸化剤ガスが供給される側に向かうほど、燃料電池部での化学反応の速度が速くなることが解消されるので、燃料電池部での反応の均一化を図ることができる。

上記目的を達成するために本発明に係る他の燃料電池システムは、燃料極、酸化剤極、及び前記燃料極と前記酸化剤極との間に狭持される電解質を有する燃料電池部と、燃料を発生する燃料発生部とを備え、前記燃料極の燃料が供給される燃料供給面と前記燃料発生部の燃料を放出する燃料放出面とは対向しており、前記燃料発生部が、酸化性ガスとの酸化反応により燃料を発生する燃料発生剤の微粒子と、前記燃料発生剤の微粒子に添加されて前記反応を促進する触媒とを含み、前記酸化剤極の収容空間から酸化剤ガスが排出される側に対応する部分から前記酸化剤極の収容空間に酸化剤ガスが供給される側に対応する部分に向かうほど前記燃料発生剤の微粒子に添加する触媒の量が少ないことにより、前記酸化剤極の収容空間から酸化剤ガスが排出される側から前記酸化剤極の収容空間に酸化剤ガスが供給される側に向かうほど、前記燃料放出面から前記燃料供給面に到達する燃料の量が少ない構成とする。

上記目的を達成するために本発明に係る更に他の燃料電池システムは、燃料極、酸化剤極、及び前記燃料極と前記酸化剤極との間に狭持される電解質を有する燃料電池部と、
燃料を発生する燃料発生部とを備え、前記燃料極の燃料が供給される燃料供給面と前記燃料発生部の燃料を放出する燃料放出面とは対向しており、前記燃料発生部の温度を調節するヒーターを備え、前記ヒーターにおいて、前記酸化剤極の収容空間から酸化剤ガスが排出される側に対応する部分から前記酸化剤極の収容空間に酸化剤ガスが供給される側に対応する部分に向かうほど発熱量が少ないことにより、前記酸化剤極の収容空間から酸化剤ガスが排出される側から前記酸化剤極の収容空間に酸化剤ガスが供給される側に向かうほど、前記燃料放出面から前記燃料供給面に到達する燃料の量が少ない構成とする。

本発明に係る燃料電池システムによると、酸化剤極の収容空間から酸化剤ガスが排出される側から酸化剤極の収容空間に酸化剤ガスが供給される側に向かうほど、燃料電池部での化学反応の速度が速くなることが解消されるので、燃料電池部での反応の均一化を図ることができる。

参考例に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。参考例に係る燃料電池システムで用いられるフィルタの斜視図である。本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムで用いられる燃料発生部の一例を示す図である。燃料発生剤の酸化還元反応による体積変化の様子を示す図である。燃料発生剤の微粒子が内部の空間内に配置されている多孔質部材の製造方法の一例を示す図である。燃料発生剤の微粒子が内部の空間内に配置されている多孔質部材の製造方法の他の例を示す図である。本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。燃料発生剤の微粒子に触媒を添加した様子を示す模式図である。本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。

参考例及び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。

＜参考例＞
参考例に係る燃料電池システムの概略構成を図１に示す。参考例に係る燃料電池システムは、燃料発生部１と、燃料電池部２と、フィルタ３と、燃料発生部１の温度を調節するヒーター４と、燃料発生部１、燃料電池部２、フィルタ３、及びヒーター４を収容する容器５とを備えている。また、必要に応じて、燃料電池部２の周辺に燃料電池部２の温度を調節するヒーター等を設けてもよい。

燃料発生部１の材料としては、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、化学反応によって燃料を発生する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、本参考例においては、燃料発生部１として、Ｆｅを主体とする燃料発生部材を用いる。また、本参考例においては、燃料発生部１は燃料放出面６から燃料を均一に放出する。

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（還元性ガス）である水素ガスを生成することができる。
４Ｈ_２Ｏ＋３Ｆｅ→４Ｈ_２＋Ｆｅ_３Ｏ_４ …（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。
４Ｈ_２＋Ｆｅ_３Ｏ_４→３Ｆｅ＋４Ｈ_２Ｏ …（２）

燃料発生部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。また、燃料発生部１としては、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し、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構わない。

フィルタ３は、燃料発生部１をペレット状の粒にした場合にペレット状の粒が燃料発生部１の設置空間から脱落することを防止するなどの目的により、燃料発生部１の燃料を面状に放出する燃料放出面６に接するように配置されている。

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。

燃料極２Ｂの燃料が供給される燃料供給面７と燃料発生部１の燃料を放出する燃料放出面６とは対向しており、一定の間隔で平行に配置される。なお、本参考例においては、フィルタ３と燃料極２Ｂとの間に空間が設けられているが、フィルタ３と燃料極２Ｂの燃料供給面７とを重ねて密着させる構成としてもよい。また、本参考例では、燃料極２Ｂ、燃料発生部１がそれぞれ平板形状であるが、燃料極２Ｂ、燃料発生部１を円筒形状などにして燃料供給面７と燃料放出面６とを対向させてもよい。

また、容器５には、容器５と電解質２Ａとによって形成される空気極２Ｃの収容空間に空気を供給するための空気供給口８が空気極２Ｃの一端側の周辺に設けられ、容器５と電解質２Ａとによって形成される空気極２Ｃの収容空間から空気を排出するための空気排出口９が空気極２Ｃの他端側の周辺に設けられる。すなわち、空気極２Ｃの一端側（図面の左側）が空気が供給される側であり、空気極２Ｃの他端側（図面の右側）が空気が排出される側である。空気の流れは、例えば容器５の外部に設けられるファンなどによって制御するとよい。

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、本参考例においては、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。

容器５と電解質２Ａとによって形成される燃料極２Ｂ、フィルタ３、燃料発生部１、及びヒーター４の収容空間は主に酸化性ガス（例えば水蒸気や二酸化炭素など）を充填してから密閉するが、少量の燃料（例えば水素ガスや一酸化炭素ガスなどの還元性ガス）が混入しても構わない。

例えば燃料を水素にした場合、本参考例では、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、燃料極２Ｂから外部負荷（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。
１／２Ｏ_２＋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。

そして、燃料発生部１は、上記の（１）式に示すＦｅの酸化反応により、燃料電池部２から供給される水蒸気を消費して、水素ガスを発生させ、水素ガスを燃料電池部２に供給する。

なお、図１に示す参考例に係る燃料電池システムは、発電動作のみならず充電動作も行うことができる２次電池型燃料電池システムである。充電時には、燃料電池部２が外部電源（不図示）に接続されて電気分解器として作動して、上記の（３）式及び（４）式の逆反応が起こり、燃料極２Ｂ側において水蒸気が消費され水素ガスが生成され、燃料発生部１は、上記の（２）式に示す還元反応により、酸化鉄から鉄への変化を進めて鉄残量を増やし、すなわち燃料発生部１は再生されて、燃料電池部２から供給される水素ガスを消費して、水蒸気を発生させ、水蒸気を燃料電池部２に供給する。

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。

システムの発電時には、空気極２Ｃにおいて上記の（４）式の反応が起こり空気中の酸素が消費されるので、空気極２Ｃでは、空気が供給される側の方が、空気が排出される側よりも酸素濃度が高くなっている。

このため、燃料極２Ｂの燃料供給面７に燃料が均一に供給されると、空気が供給される側の方が、空気が排出される側よりも、燃料電池部２での化学反応の速度が速くなり、燃料電池部２での反応が不均一になり、燃料電池部２に熱歪などが生じて燃料電池部２が劣化してしまう。また、燃料電池部２の発電量は燃料電池部２での化学反応の速度が遅い部位で決定されることから、燃料電池部２での化学反応の速度が速い部位で無駄が生じることになり、発電効率が低下する。

そこで、参考例及び本発明の各実施形態に係る燃料電池システムでは、空気が供給される側の方が、空気が排出される側よりも、燃料発生部１の燃料放出面６から燃料極２Ｂの燃料供給面７に到達する燃料の量が少なくなるようにしている。これにより、燃料電池部２での反応の均一化を図ることができ、燃料電池部２に熱歪などが生じて燃料電池部２が劣化してしまうことを防止することができる。また、燃料電池部２での反応の均一化により、燃料電池部２での化学反応の速度が揃うため、無駄が生じる部位がなくなり、発電効率が向上する。なお、図１や後述する図３、図８、図１０においては、燃料発生部１の燃料放出面６から燃料極２Ｂの燃料供給面７に到達する燃料の量を、燃料放出面６から燃料供給面７に向かう矢印の太さで模式的に示している。

本参考例では、図２に示す形状のフィルタ３を用いることで、空気が供給される側の方が、空気が排出される側よりも、燃料発生部１の燃料放出面６から燃料極２Ｂの燃料供給面７に到達する燃料の量が少なくなるようにしている。図２に示す形状のフィルタ３では、空気が供給される側に対応する部分の方が、空気が排出される側に対応する部分よりも、開口率が小さく燃料通過量が少なくなっている。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を図３に示す。なお、図３において図１と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。

図３に示す本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムは、フィルタ３の開口率が均一であり、燃料発生部１の燃料放出面６において、空気が供給される側に対応する部分の方が、空気が排出される側に対応する部分よりも、燃料放出量が少なくなっている点を除いて、図１に示す参考例に係る燃料電池システムと同一である。

本実施形態では、燃料発生部１が、酸化性ガスとの酸化反応により燃料を発生する燃料発生剤の微粒子を含み、燃料発生剤の微粒子が燃料発生部１内で粗密に分布しており、空気が供給される側に対応する部分で燃料発生剤の微粒子が粗であり、空気が排出される側に対応する部分で燃料発生剤の微粒子が密であるようにすることで、燃料発生部１の燃料放出面６において、空気が供給される側に対応する部分の方が、空気が排出される側に対応する部分よりも、燃料放出量が少なくなるようにしている。これにより、燃料電池部２での反応の均一化を図ることができ、燃料電池部２に熱歪などが生じて燃料電池部２が劣化してしまうことを防止することができる。また、燃料電池部２での反応の均一化により、燃料電池部２での化学反応の速度が揃うため、無駄が生じる部位がなくなり、発電効率が向上する。

ここで、本実施形態で用いられる燃料発生部１の一例を図４に示す。図４に示す燃料発生部１では、燃酸化性ガスとの酸化反応により燃料を発生する燃料発生剤１０の微粒子が多孔質部材１１の内部に設けられた空間１１Ａ内に配置されている。

燃料発生剤１０の微粒子の還元状態における粒径は、反応性の観点から、５０μｍ以下が好ましく、５μｍ以下がより好ましく、０．５μｍ以下がさらに好ましい。なお、還元状態における粒径の下限は特に限定されず、０．０１μｍ以下のものも使用することができる。さらに、酸化性ガスとの高い反応性を得るために、微粒子の還元状態における平均粒径を０．０５〜０．５μｍにすることが特に好ましい。

多孔質部材１１の平均細孔径は燃料発生剤１０の還元状態における微粒子の平均粒径よりも小さくする。また、燃料発生剤１０の微粒子が多孔質部材１１の内部に設けられた空間１１Ａから多孔質部材１１の細孔に移動することを防止するために、多孔質部材１１の最大細孔径が燃料発生剤１０の還元状態における微粒子の最小粒径よりも小さいことが好ましい。また、多孔質部材１１の平均細孔径は、ガス透過性を十分に確保するために、０．０１μｍ以上であることが好ましい。

以下の説明では、燃料発生剤１０として、Ｆｅを主体とする燃料発生剤を用いる。

システムの発電時には、上記の（１）式に示す酸化反応が起こり、燃料発生剤１の主体であるＦｅが酸化してＦｅ_３Ｏ_４となり、燃料発生剤１０の微粒子の体積が２．１倍となり、多孔質部材１１の内部に設けられた空間１１Ａ内での燃料発生剤１０の微粒子の占有率が高くなる（図５参照）。燃料発生剤１０の主体であるＦｅが酸化してＦｅ_３Ｏ_４となり、燃料発生剤１０の微粒子の体積が増加しても、燃料発生剤１０の各微粒子は多孔質部材１１の各空間１１Ａ内から飛び出すことはなく、他の微粒子に触れることがないため、燃料発生剤１０の微粒子同士が凝集して、その表面積が小さくなり、反応性が低下することはない。したがって、燃料発生部１の性能劣化を抑えることができる。

また、燃料発生剤１０の微粒子が酸化状態になった場合でも燃料発生剤１０の微粒子が多孔質部材１１を圧迫することがないようにするために、多孔質部材１１の空間１１Ａの容積を、燃料発生剤１０の微粒子の酸化状態における体積以上にすることが好ましい。これにより、燃料発生剤１０や多孔質部材１１の機械的な劣化を抑えることができる。

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、燃料発生剤１０の微粒子の周囲にはガス透過性の高い多孔質部材１１が存在するので、燃料発生剤１０の還元状態である微粒子と反応するＨ_２Ｏガスの移動が燃料発生剤１０の微粒子の体積増加によって妨げられることはない。

システムの発電時と同様にシステムの充電時においても燃料発生剤１０の微粒子の体積が変化（充電時は体積減少）するが、燃料発生剤１０の各微粒子は多孔質部材１１の各空間１１Ａ内から飛び出すことはなく、他の微粒子に触れることがないため、燃料発生剤１０の微粒子同士が凝集して、その表面積が小さくなり、反応性が低下することはない。したがって、燃料発生部１の性能劣化を抑えることができる。

次に、燃料発生剤１０の微粒子が内部の空間１１Ａ内に配置されている多孔質部材１１の製造方法の一例について図６を参照して説明する。

まず初めに、酸化鉄微粒子と、多孔質部材１１の材料となるセラミックス微粒子と、多孔質部材１１の細孔を形成するための犠牲材料とを混合して混合物を得る。多孔質部材１１の材料としては、例えば、酸化アルミニウム、シリカ、シリカ−アルミナ、ムライト、コージェライト、ジルコニア、安定化ジルコニア、イットリア安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、アルミナ、マグネシア、ランタンカルシウム、ランタンクロマイト、ランタンストロンチウム、多孔質ガラス等が挙げられる。

次に、多孔質部材１１の形成に用いる方法や装置に適するように、混合物に溶媒などを加え、粘度調整を行う。例えば、シート状の多孔質部材１１を形成する場合にはブレードコートなどで印刷が可能なようにエタノールやトルエンを溶媒として加えて混合物を調整し、印刷によりシート状に形成することができる。また、押し出し装置を用いて円筒状または円柱状などの多孔質部材１１を形成する場合には、混合物を粘土状にする。

調整後の混合物は、印刷法または押し出し装置などを用いて、シート状、円筒状、円柱状などに形成することができる。形成された混合物には、図６（ａ）に示すように酸化鉄微粒子１２と、セラミックス微粒子、犠牲材料、及び溶媒等１３とが含まれている。

次に、シート状、円筒状、円柱状などに形成した混合物を乾燥させ、更にその後焼成する。これにより、溶媒成分及び犠牲材料成分が気化し、図６（ｂ）に示すように酸化鉄微粒子１２を含有している多孔質部材１１が得られる。

最後に、酸化鉄微粒子１２を含有している多孔質部材１１に対して還元処理を行う。還元処理の方法は特に限定されるものではない。還元処理の一例として、酸化鉄微粒子１２を含有している多孔質部材１１を水素雰囲気下に置き、加熱する方法を挙げることができる。この還元処理によって酸化鉄微粒子１１が還元されて鉄微粒子１４となり、図６（ｃ）に示すように鉄微粒子１４（燃料発生剤１０の微粒子の一例）が内部の空間１１Ａ内に配置されている多孔質部材１１を得ることができる。

なお、図６では、酸化鉄微粒子としてＦｅ_２Ｏ_３微粒子を用いたが、図７に示すように酸化鉄微粒子としてＦｅ_３Ｏ_４微粒子を用いて上記の製法を実施して、図７（ｃ）に示すように鉄微粒子１４（燃料発生剤１０の微粒子の一例）が内部の空間１１Ａ内に配置されている多孔質部材１１を得てもよい。Ｆｅ_２Ｏ_３微粒子を用いた場合は、多孔質部材１１の空間１１Ａの容積が燃料発生剤１０の微粒子の酸化状態における体積より大きくなり、Ｆｅ_３Ｏ_４微粒子を用いた場合は、多孔質部材１１の空間１１Ａの容積が燃料発生剤１０の微粒子の酸化状態における体積と同一になる。

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を図８に示す。なお、図８において図１と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。

図８に示す本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムは、フィルタ３の開口率が均一であり、燃料発生部１の燃料放出面６において、空気が供給される側に対応する部分の方が、空気が排出される側に対応する部分よりも、燃料放出量が少なくなっている点を除いて、図１に示す参考例に係る燃料電池システムと同一である。

図９に示すように、酸化性ガスとの酸化反応により燃料を発生する燃料発生剤１０の微粒子の表面に、酸化性ガスと燃料発生剤１０との酸化反応を促進する触媒１５を添加すると、添加量が所定量に達するまでは添加量に比例して酸化性ガスと燃料発生剤１０との酸化反応の反応性が向上する。

そこで、本実施形態では、燃料発生部１が、酸化性ガスとの酸化反応により燃料を発生する燃料発生剤の微粒子を含み、空気が供給される側に対応する部分の方が、空気が排出される側に対応する部分よりも、燃料発生剤の微粒子に添加する触媒の量を少なくすることで、燃料発生部１の燃料放出面６において、空気が供給される側に対応する部分の方が、空気が排出される側に対応する部分よりも、燃料放出量が少なくなるようにしている。これにより、燃料電池部２での反応の均一化を図ることができ、燃料電池部２に熱歪などが生じて燃料電池部２が劣化してしまうことを防止することができる。また、燃料電池部２での反応の均一化により、燃料電池部２での化学反応の速度が揃うため、無駄が生じる部位がなくなり、発電効率が向上する。

なお、燃料発生剤の微粒子が鉄微粒子である場合、添加する触媒としては、例えば、アルミニウム、ニッケル、バナジウム、白金、パラジウム、ロジウムなどを挙げることができる。

＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を図１０に示す。なお、図１０において図１と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。

図１０に示す本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムは、フィルタ３の開口率が均一であり、ヒーター４において、空気が供給される側に対応する部分の方が、空気が排出される側に対応する部分よりも、発熱量が少なくなっている点を除いて、図１に示す参考例に係る燃料電池システムと同一である。

燃料電池部２での発電反応や燃料発生部１での酸化反応は温度が上がるに従って反応性が向上する。

そこで、本実施形態では、ヒーター４において、空気が供給される側に対応する部分の方が、空気が排出される側に対応する部分よりも、発熱量を少なくすることで、燃料発生部１の燃料放出面６において、空気が供給される側に対応する部分の方が、空気が排出される側に対応する部分よりも、燃料放出量が少なくなるようにしている。これにより、燃料電池部２での反応の均一化を図ることができ、燃料電池部２に熱歪などが生じて燃料電池部２が劣化してしまうことを防止することができる。また、燃料電池部２での反応の均一化により、燃料電池部２での化学反応の速度が揃うため、無駄が生じる部位がなくなり、発電効率が向上する。

＜変形例＞
上述した各実施形態においては、燃料電池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（水蒸気）を発生させるようにする。この構成によれば、燃料発生部１側で水蒸気を発生するため、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の空気極２Ｃ側で水蒸気が発生されることになるため、この水蒸気を燃料発生部１に伝搬する流路を設ければよい。

また、上述した各実施形態では、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、上述した各実施形態では、燃料電池部２の燃料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の燃料として用いても構わない。

また、上述した各実施形態では、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
２燃料電池部
２Ａ電解質膜
２Ｂ燃料極
２Ｃ空気極
３フィルタ
４ヒーター
５容器
６燃料放出面
７燃料供給面
８空気供給口
９空気排出口
１０燃料発生剤
１１多孔質部材
１１Ａ空間
１２酸化鉄微粒子
１３セラミックス微粒子、犠牲材料、及び溶媒等
１４鉄微粒子
１５触媒

Claims

燃料極、酸化剤極、及び前記燃料極と前記酸化剤極との間に狭持される電解質を有する燃料電池部と、
燃料を発生する燃料発生部とを備える燃料電池システムであって、
前記燃料極の燃料が供給される燃料供給面と前記燃料発生部の燃料を放出する燃料放出面とは対向しており、
前記燃料発生部が、酸化性ガスとの酸化反応により燃料を発生する燃料発生剤の微粒子を含み、
前記燃料発生剤の微粒子が前記燃料発生部内で粗密に分布しており、前記酸化剤極の収容空間から酸化剤ガスが排出される側に対応する部分から前記酸化剤極の収容空間に酸化剤ガスが供給される側に対応する部分に向かうほど前記燃料発生剤の微粒子が粗となるよう分布することにより、前記酸化剤極の収容空間から酸化剤ガスが排出される側から前記酸化剤極の収容空間に酸化剤ガスが供給される側に向かうほど、前記燃料放出面から前記燃料供給面に到達する燃料の量が少ないことを特徴とする燃料電池システム。
燃料極、酸化剤極、及び前記燃料極と前記酸化剤極との間に狭持される電解質を有する燃料電池部と、
燃料を発生する燃料発生部とを備える燃料電池システムであって、
前記燃料極の燃料が供給される燃料供給面と前記燃料発生部の燃料を放出する燃料放出面とは対向しており、
前記燃料発生部が、酸化性ガスとの酸化反応により燃料を発生する燃料発生剤の微粒子と、前記燃料発生剤の微粒子に添加されて前記反応を促進する触媒とを含み、
前記酸化剤極の収容空間から酸化剤ガスが排出される側に対応する部分から前記酸化剤極の収容空間に酸化剤ガスが供給される側に対応する部分に向かうほど前記燃料発生剤の微粒子に添加する触媒の量が少ないことにより、前記酸化剤極の収容空間から酸化剤ガスが排出される側から前記酸化剤極の収容空間に酸化剤ガスが供給される側に向かうほど、前記燃料放出面から前記燃料供給面に到達する燃料の量が少ないことを特徴とする燃料電池システム。
燃料極、酸化剤極、及び前記燃料極と前記酸化剤極との間に狭持される電解質を有する燃料電池部と、
燃料を発生する燃料発生部とを備える燃料電池システムであって、
前記燃料極の燃料が供給される燃料供給面と前記燃料発生部の燃料を放出する燃料放出面とは対向しており、
前記燃料発生部の温度を調節するヒーターを備え、
前記ヒーターにおいて、前記酸化剤極の収容空間から酸化剤ガスが排出される側に対応する部分から前記酸化剤極の収容空間に酸化剤ガスが供給される側に対応する部分に向かうほど発熱量が少ないことにより、前記酸化剤極の収容空間から酸化剤ガスが排出される側から前記酸化剤極の収容空間に酸化剤ガスが供給される側に向かうほど、前記燃料放出面から前記燃料供給面に到達する燃料の量が少ないことを特徴とする燃料電池システム。