JPWO2013111758A1

JPWO2013111758A1 - ２次電池型燃料電池システム

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Publication number: JPWO2013111758A1
Application number: JP2013528442A
Authority: JP
Inventors: 篤広野田
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
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Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2015-05-11
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Abstract

２次電池型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し、発電において酸化性ガスを発生する燃料電池部と、酸化性ガスとの化学反応により還元性ガスである燃料を発生し、前記化学反応の逆反応により酸化性ガスを発生し再生可能な燃料発生部と、を備える。前記燃料極及び前記燃料発生部を含む密閉又は閉鎖された空間において、前記燃料電池部と前記燃料発生部との間で前記酸化性ガス又は前記還元性ガスを強制循環し、前記燃料極の面に沿って流れるガスの流れ方向を発電動作時と充電動作時とで同一にする。

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。

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。

国際公開第２０１１／０４０１８２号国際公開第２０１１／０５２２８３号

発電および充電が可能な２次電池型燃料電池システムとして、燃料極と燃料発生部材が配置されている空間は密閉されており自然拡散にて反応を促進させるシステムが提案されている（特許文献１および特許文献２参照）。しかしながら、自然拡散では燃料ガスの反応速度が限られるため、高い出力電力が得られない、また出力が安定しないという課題がある。

また、２次電池はサイクル寿命が長いことが望ましいため、２次電池型燃料電池システムもサイクル寿命が長く長期間使用できることが望ましい。

本発明は、上記の状況に鑑み、出力を高くまた安定させることができ、かつ長期間使用できる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、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し、発電において酸化性ガスを発生する燃料電池部と、酸化性ガスとの化学反応により還元性ガスである燃料を発生し、前記化学反応の逆反応により酸化性ガスを発生し再生可能な燃料発生部と、を備え、前記燃料極及び前記燃料発生部を含む密閉又は閉鎖された空間において、前記燃料電池部と前記燃料発生部との間で前記酸化性ガス又は前記還元性ガスを強制循環し、前記燃料極の面に沿って流れるガスの流れ方向を発電動作時と充電動作時とで同一にする構成とする。

本発明に係る２次電池型燃料電池システムによると、出力を高くまた安定させることができ、かつ長期間使用できる。

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概略構成を示す図である。燃料極の燃料供給面の位置と発電動作時の酸化性ガスの濃度と燃料極の酸化度合いとの関係を示す図である。燃料極の燃料供給面の位置と充電動作時の燃料極の酸化度合いと還元性ガスの濃度との関係を示す図である。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図である。本発明の第３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図である。本発明の第４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及び図２に示す。なお、図１及び図２においては、燃料である還元性ガス（例えば水素や一酸化炭素ガスなど）を白塗り矢印で模式的に示し、酸化性ガス（例えば水蒸気や二酸化炭素ガスなど）を黒塗り矢印で模式的に示している。また、それぞれのガスの量を矢印の太さで模式的に示している。

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は、燃料発生部１と、燃料電池部２と、仕切部材３と、ポンプ４と、燃料発生部１及び燃料電池部２の温度を調節するヒーター５と、燃料発生部１、燃料電池部２、仕切部材３、ポンプ４、及びヒーター５を収容する容器６とを備えている。

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、酸化性ガス（例えば水蒸気）との酸化反応によって燃料（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、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、本実施形態においては、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、本実施形態においては、燃料発生部１は燃料放出面Ｆ１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。
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。

燃料電池部２は、図１及び図２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及び図２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Ｆ２と燃料発生部１の燃料を放出する燃料放出面Ｆ１とは対向しており、一定の間隔で平行に配置される。また、本実施形態では、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Ｆ２と燃料放出面Ｆ１とを対向させてもよい。

仕切部材３は、燃料供給面Ｆ２と燃料放出面Ｆ１との間に設けられる。仕切部材３は、図１及び図２の紙面手前及び紙面奥において、容器６の内壁に接続されている。一方、図１及び図２の紙面左右方向において、仕切部材３と容器６の内壁との間に隙間が設けられている。

ポンプ４は、燃料供給面Ｆ２と燃料放出面Ｆ１との間の空間内に存在するガスを強制循環する。なお、ポンプ４の代わりに、他の循環器（例えば、ブロア、コンプレッサ等）を用いてもよい。

容器６は、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と、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とを備えている。空気の流れは、例えば容器６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。なお、空気の流れ方向は、図１及び図２に示す方向に限定されることはなく、図１及び図２に示す方向と逆であってもよい。また、本実施形態では、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。

容器６と燃料電池部２とによって形成される、仕切部材３、燃料発生部１、及びヒーター５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又は閉鎖するが、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。この密閉又は閉鎖された空間において、燃料発生部１から発生する還元性ガスである水素ガスや発電によって発生する酸化性ガスである水蒸気が循環し、発電および酸化反応に利用され、電気分解によって発生する還元性ガスである水素ガスや燃料発生部１から発生する酸化性ガスである水蒸気が循環し、充電および還元反応に利用される。

発電動作時には、図１に示すように、スイッチＳＷ１をオンにし、スイッチＳＷ２をオフにすることで、燃料電池部２を負荷７に電気的に接続する。一方、充電動作時には、図２に示すように、スイッチＳＷ１をオフにし、スイッチＳＷ２をオンにすることで、燃料電池部２を電源８に電気的に接続する。

例えば燃料を水素にした場合、本実施形態では、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から負荷７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^-→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。

また、充電動作時には、燃料電池部２が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の残量を増やし、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。

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では、燃料ガスはポンプ４によって強制循環されるため、自然拡散の場合に比べて流速が速くなり、燃料極２Ｂで反応するための燃料を燃料極２Ｂに十分に供給することができる。そのため、自然拡散の場合に比べて出力が大きくなり、またガスの流れを一定に制御することができるため出力を安定させることができる。

ここで、燃料ガスの強制循環によって、燃料極２Ｂの燃料供給面Ｆ２に沿ってガスが流れるようになった場合、燃料極２Ｂの燃料供給面Ｆ２に沿って流れるガスの上流と下流とでは、燃料ガスの濃度が異なってしまう。発電動作時において、燃料極２Ｂの燃料供給面Ｆ２に沿って流れるガスの上流では、燃料発生部１の酸化により発生した燃料が供給されることから燃料の濃度が高い状態である。これに対して、発電動作時において、燃料極２Ｂの燃料供給面Ｆ２に沿って流れるガスの下流では、上流から下流に至るまでに燃料極２Ｂにおいて燃料が使用され酸化性ガス（例えば燃料が水素である場合には水蒸気）が発生することから、燃料の濃度が低く酸化性ガスの濃度が高い状態である。このように、酸化性ガスと還元性ガスの夫々の濃度が、上流と下流とで異なっている。

燃料電池部２は発電動作時に上記の（３）式及び（４）式の反応が起こるように高温状態で作動させるため、水蒸気の濃度が高い燃料極２Ｂの燃料供給面Ｆ２に沿って流れるガスの下流では、燃料極２Ｂの酸化が進むことになる。つまり、ガスが流れる前の状態である図３Ａの（ａ）のライン（即ち、燃料極が酸化していない状態）から、図３Ａの（ｂ）のラインに示すように、発電動作時に、燃料極２Ｂの燃料供給面Ｆ２に沿って流れるガスの下流では、燃料極２Ｂの燃料供給面Ｆ２に沿って流れるガスの上流に比べて、燃料極２Ｂの酸化が進んでいる状態となる。

酸化された電極部分では、燃料の反応が他の部位に比べ劣るため、燃料電池部２の出力そのものが落ちることとなる。また、その状態で運転を続けると、燃料電池部２の発電反応が発熱反応であるため、酸化された燃料極部位は他の部位よりも発熱量が少なくなって温度が低くなり、燃料電池部２内で温度の不均一が生じる。そして、温度の不均一によって機械的な歪が生じるため、燃料電池部２の劣化が進むことになる。特に電解質がセラミックで形成された固体酸化物形燃料電池では燃料電池本体の僅かな歪でも破損に繋がることとなり、長期間使用することが困難になる。この燃料極の機械的な歪みによる劣化は、燃料極の厚さが均一かつ薄い場合のときに特に影響が大きい。

そこで、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は、燃料極２Ｂの燃料供給面Ｆ２に沿って流れるガスの流れ方向を発電動作時と充電動作時とで同一にしている。本実施形態では、図１及び図２に示すように、発電動作時と充電動作時の両方において、紙面の向かって左側を燃料極２Ｂの燃料供給面Ｆ２に沿って流れるガスの上流側とし、紙面の向かって右側を燃料極２Ｂの燃料供給面Ｆ２に沿って流れるガスの下流側としている。なお、本実施形態では、燃料極２Ｂの燃料供給面と燃料極２Ｂの電解質膜２Ａとの接合面との距離が燃料極２Ｂの全域にわたって均一であるので、燃料極２Ｂの燃料供給面に沿って流れるガスは燃料極２Ｂの電解質膜２Ａとの接合面に沿って流れるガスと言い換えることができる。

一方、充電動作時において、図３Ｂで示されるように、燃料極２Ｂの燃料供給面Ｆ２に沿って流れるガスの上流では、燃料発生部１の還元により発生した酸化性ガス（例えば燃料が水素である場合には水蒸気）が供給されることから酸化性ガスの濃度が高い状態である。これに対して、充電動作時において、燃料極２Ｂの燃料供給面Ｆ２に沿って流れるガスの下流では、上流から下流に至るまでに燃料極２Ｂにおいて酸化性ガスが電気分解反応に使用され還元性ガス（例えば燃料が水素である場合には水素）が発生することから、酸化性ガスの濃度が低く還元性ガスの濃度が高い状態である。下流の方が還元性ガスの濃度が高いため、上流よりも下流において還元が促進され、図３Ｂの（ｂ）のラインから初期値の（ａ）のラインに近づくように、上流から下流までの酸化度合いが均一の状態に戻される。

以上のように、燃料極２Ｂの燃料供給面Ｆ２に沿って流れるガスの流れ方向を発電動作時と充電動作時とで同一にすることにより、発電動作時に酸化が進んでいた燃料極２Ｂの部位（燃料極２Ｂの燃料供給面Ｆ２に沿って流れるガスの下流側）は、充電動作時に還元性ガスの濃度が高い状態になるため、容易に還元される。つまり、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は、燃料極２Ｂの燃料供給面Ｆ２に沿って流れるガスの流れ方向を発電動作時と充電動作時とで同一にすることによって、燃料極２Ｂの酸化度合いに比例した還元性ガスを充電動作時に燃料極２Ｂに供給することができ、その結果、燃料極２Ｂの還元効率が向上し、しかも充電動作終了時の燃料極２Ｂの還元度合いを燃料極２Ｂ全域にわたって均一化することができる。これにより、燃料電池部２内で温度の不均一及び燃料電池部２内で温度の不均一に伴う機械的な歪を抑えることができる。また、還元された燃料極２Ｂは酸化される前と同じように使用することができ、発電（燃料極２Ｂの酸化）→充電（燃料極２Ｂの還元）→発電（燃料極２Ｂの酸化）→・・・というサイクルを繰り返すことができる。したがって、長期間の使用が可能となる。

＜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４に示す。なお、図４において図１及び図２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。また、本発明の第１実施形態において適宜説明した種々の変形例は、特に矛盾のない限り本発明の第２実施形態においても適用してよい。後述する本発明の第３及び第４実施形態においても同様である。

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は、燃料発生部１と、燃料発生部１の温度を調節するヒーター５とが容器９に収容され、燃料電池部２と、燃料電池部２の温度を調節するヒーター５とが容器１０に収容され、燃料発生部１と燃料電池部２との間でガスを循環させるための配管１１を備え、ポンプ４を配管１１上に設けた構成である。つまり、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が燃料発生部１と燃料電池部２とを同一の容器３に収容する構成であるのに対して、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は燃料発生部１と燃料電池部２とを別々の容器（容器９及び１０）に収容する構成である。

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は、燃料極２Ｂの電解質膜２Ａとの接合面に沿って流れるガスの流れ方向を発電動作時と充電動作時とで同一にしている。本実施形態では、発電動作時と充電動作時の両方において、図４に示すように、紙面の向かって左側を燃料極２Ｂの電解質膜２Ａとの接合面に沿って流れるガスの上流側とし、紙面の向かって右側を燃料極２Ｂの電解質膜２Ａとの接合面に沿って流れるガスの下流側としている。

また、燃料極２Ｂとヒーター５との間に空間を設け、その空間に循環経路１１の端部が接続されるようにしてもよい。この場合、燃料極２Ｂの燃料供給面に沿って流れるガスの流れ方向を発電動作時と充電動作時とで同一にする。なお、本実施形態では、燃料極２Ｂの燃料供給面と燃料極２Ｂの電解質膜２Ａとの接合面との距離が燃料極２Ｂの全域にわたって均一であるので、燃料極２Ｂの燃料供給面に沿って流れるガスは燃料極２Ｂの電解質膜２Ａとの接合面に沿って流れるガスと言い換えることができる。

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各部で生じる発電反応及び充電反応は本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの各部で生じる発電反応及び充電反応と同じであるため、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は本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池システムと同様の効果を奏する。

＜第３実施形態＞
本発明の第３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。なお、図５において図１及び図２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。また、図５において、図が煩雑になることを防ぐために、第１〜第４ヒーターＨ１〜Ｈ４及び第１〜第４温度センサーＴ１〜Ｔ４と、温度制御部１２との接続線は省略している。

本発明の第３実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、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からポンプ４を取り除き、その代わりに第１〜第４ヒーターＨ１〜Ｈ４と、第１〜第４温度センサーＴ１〜Ｔ４と、逆止弁Ｖと、温度制御部１２とを備えた構成である。

第１ヒーターＨ１は燃料発生部１の紙面の向かって左側近傍を加熱し、第１温度センサーＴ１は燃料発生部１の紙面の向かって左側近傍の温度Ｔ₁を検出する。第２ヒーターＨ２は燃料極２Ｂの紙面の向かって左側近傍を加熱し、第２温度センサーＴ２は燃料極２Ｂの紙面の向かって左側近傍の温度Ｔ₂を検出する。第３ヒーターＨ３は燃料極２Ｂの紙面の向かって右側近傍を加熱し、第３温度センサーＴ３は燃料極２Ｂの紙面の向かって右側近傍の温度Ｔ₃を検出する。第４ヒーターＨ４は燃料発生部１の紙面の向かって右側近傍を加熱し、第４温度センサーＴ４は燃料発生部１の紙面の向かって右側近傍の温度Ｔ₄を検出する。逆止弁Ｖは、仕切部材３の紙面の向かって右側の流路に配置される。

温度制御部１２は、第１〜第４温度センサーＴ１〜Ｔ４の検出温度Ｔ₁〜Ｔ₄を参照しながら、発電動作時及び充電動作時の両方においてＴ₁＞Ｔ₂＞Ｔ₃＞Ｔ₄になるように第１〜第４ヒーターＨ１〜Ｈ４を制御する。

Ｔ₁＞Ｔ₂であるため、燃料発生部１の紙面の向かって左側近傍に存在するガスが、熱拡散によって燃料極２Ｂの紙面の向かって左側近傍に移動する。

また、Ｔ₂＞Ｔ₃であるため、燃料極２Ｂの紙面の向かって左側近傍に存在するガスが、熱拡散によって燃料極２Ｂの紙面の向かって右側近傍に移動する。

また、Ｔ₃＞Ｔ₄であるため、燃料極２Ｂの紙面の向かって右側近傍に存在するガスが、熱拡散によって燃料発生部１の紙面の向かって右側近傍に移動する。

仕切部材３の紙面の向かって右側には逆止弁Ｖが設けられているため、ガスは上述の温度勾配に従って時計回りに循環することになる。

上記のように、燃料発生部１と燃料電池部２との間でガスを循環させるためのガス流路に温度勾配をつけることで、当該ガス流路を循環するガスを強制循環することができる。

本発明の第３実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの各部で生じる発電反応及び充電反応は本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの各部で生じる発電反応及び充電反応と同じであるため、本発明の第３実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池システムと同様の効果を奏する。

なお、本発明の第１実施形態と本発明の第３実施形態とを組み合わせて実施すること、つまり、燃料発生部１と燃料電池部２との間でガスを強制循環するための循環器と、燃料発生部１と燃料電池部２との間でガスを循環させるためのガス流路に温度勾配をつける加熱装置とを併用することも可能である。

＜第４実施形態＞
本発明の第４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６に示す。なお、図６において図４及び図５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。また、図６において、図が煩雑になることを防ぐために、第１〜第４ヒーターＨ１〜Ｈ４及び第１〜第４温度センサーＴ１〜Ｔ４と、温度制御部１２との接続線は省略している。

本発明の第４実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、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からポンプ４を取り除き、その代わりに第１〜第４ヒーターＨ１〜Ｈ４と、第１〜第４温度センサーＴ１〜Ｔ４と、温度制御部１２とを備えた構成である。温度制御部１２による温度制御は、本発明の第３実施形態と同様であるため、説明を省略する。

本発明の第４実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの各部で生じる発電反応及び充電反応は本発明の第２実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの各部で生じる発電反応及び充電反応と同じであるため、本発明の第４実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは本発明の第２実施形態に係る２次電池型燃料電池システムと同様の効果を奏する。

なお、本発明の第２実施形態と本発明の第４実施形態とを組み合わせて実施すること、つまり、燃料発生部１と燃料電池部２との間でガスを強制循環するための循環器と、燃料発生部１と燃料電池部２との間でガスを循環させるためのガス流路に温度勾配をつける加熱装置とを併用することも可能である。

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仕切部材
４ポンプ
５ヒーター
６、９、１０容器
７負荷
８電源
１１配管
１２温度制御部
Ｆ１燃料放出面
Ｆ２燃料供給面
Ｈ１〜Ｈ４第１〜第４ヒーター
Ｔ１〜Ｔ４第１〜第４温度センサー
ＳＷ１、ＳＷ２スイッチ

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、発電動作及び充電動作が可能な２次電池型燃料電池システムであって、発電動作時に酸化性ガスとの化学反応により還元性ガスである燃料を発生し、充電動作時に前記化学反応の逆反応により前記酸化性ガスを発生し再生可能な燃料発生部と、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し、前記燃料発生部で発生した前記還元性ガスが前記燃料極に供給され酸化剤ガスが前記酸化剤極に供給されることにより発電する発電機能と、前記燃料発生部の再生時に発生した前記酸化性ガスを前記燃料極において外部からの給電により電気分解する機能とを有する燃料電池部と、を備え、前記燃料発生部は、発電動作時に、前記発電によって前記燃料電池部において発生した前記酸化性ガスが供給され、充電動作時に、前記電気分解によって前記燃料電池部において発生した前記還元性ガスが供給され、前記燃料極及び前記燃料発生部を含む密閉又は閉鎖された空間において、前記燃料電池部と前記燃料発生部との間で前記酸化性ガス又は前記還元性ガスを循環させるためのガス流路を形成するとともに、前記ガス流路は前記燃料極の面に沿って延在する部分を含み、前記ガス流路において前記燃料電池部と前記燃料発生部との間で前記酸化性ガス又は前記還元性ガスを強制循環させる循環手段を更に備え、前記循環手段は、前記燃料極の面に沿って流れるガスの流れ方向を発電動作時と充電動作時とで同一にする構成とする。

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し、発電において酸化性ガスを発生する燃料電池部と、
酸化性ガスとの化学反応により還元性ガスである燃料を発生し、前記化学反応の逆反応により酸化性ガスを発生し再生可能な燃料発生部と、
を備え、
前記燃料極及び前記燃料発生部を含む密閉又は閉鎖された空間において、前記燃料電池部と前記燃料発生部との間で前記酸化性ガス又は前記還元性ガスを強制循環し、前記燃料極の面に沿って流れるガスの流れ方向を発電動作時と充電動作時とで同一にすることを特徴とする２次電池型燃料電池システム。
前記燃料電池部を収容する第１の容器と、
前記燃料発生部を収容する第２の容器と、
前記燃料電池部と前記燃料発生部との間で前記酸化性ガス又は前記還元性ガスを循環させるための配管とを備えることを特徴とする請求項１に記載の２次電池型燃料電池システム。
前記燃料極及び前記燃料発生部を含む密閉又は閉鎖された空間において、前記燃料電池部と前記燃料発生部との間で前記酸化性ガス又は前記還元性ガスを循環させるためのガス流路に温度勾配をつける加熱装置を更に備え、
前記温度勾配によって前記燃料電池部と前記燃料発生部との間で前記酸化性ガス又は前記還元性ガスを強制循環することを特徴とする請求項１または２に記載の２次電池型燃料電池システム。
前記燃料極及び前記燃料発生部を含む密閉又は閉鎖された空間において、前記燃料電池部と前記燃料発生部との間で前記酸化性ガス又は前記還元性ガスを強制循環するための循環器を更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の２次電池型燃料電池システム。
前記燃料発生部の燃料放出面と前記燃料極の燃料供給面とは対向配置され、
前記燃料極及び前記燃料発生部を含む密閉又は閉鎖された空間内に、前記燃料放出面に沿って配置される仕切部材を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の２次電池型燃料電池システム。