JPWO2013137033A1

JPWO2013137033A1 - ２次電池型燃料電池システム

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Publication number: JPWO2013137033A1
Application number: JP2014504795A
Authority: JP
Inventors: 篤広野田
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
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Filing date: 2013-03-04
Publication date: 2015-08-03
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Abstract

２次電池型燃料電池システムは、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再生可能な燃料発生部と、前記燃料発生部から供給される前記還元性ガスを用いて発電を行う発電機能及び前記燃料発生部の再生時に前記燃料発生部から供給される前記逆反応の生成物である酸化性ガス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、前記燃料発生部と前記発電・電気分解部との間で前記還元性ガス及び／又は前記酸化性ガスを含むガスを強制的に循環させる循環部と、前記循環部を制御する制御部とを備える。そして、前記制御部が、前記循環部により循環させるガスの流量を発電動作時と充電動作時とで異なるように制御する。

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。そして、この課題を解決する場合に、システム全体としてのエネルギー効率が極力犠牲にならないことが望ましい。

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、かつシステム全体としてのエネルギー効率が良い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、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再生可能な燃料発生部と、前記燃料発生部から供給される前記還元性ガスを用いて発電を行う発電機能及び前記燃料発生部の再生時に前記燃料発生部から供給される前記逆反応の生成物である酸化性ガス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、前記燃料発生部と前記発電・電気分解部との間で前記還元性ガス及び／又は前記酸化性ガスを含むガスを強制的に循環させる循環部と、前記循環部を制御する制御部とを備え、前記制御部が、前記循環部により循環させるガスの流量を発電動作時と充電動作時とで異なるように制御する構成とする。なお、前記発電・電気分解部は、例えば、前記燃料発生部から供給される前記還元ガスを用いて発電を行う発電動作と、前記燃料発生部の再生時に前記燃料発生部から供給される前記逆反応の生成物である酸化性ガスを電気分解する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、前記燃料発生部から供給される前記還元ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料発生部の再生時に前記燃料発生部から供給される前記逆反応の生成物である酸化性ガスを電気分解する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、かつシステム全体としてのエネルギー効率が良くなる。

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図である。ポンプにより循環させるガスの流量の設定例を示すタイムチャートである。ポンプにより循環させるガスの流量の他の設定例を示すタイムチャートである。ポンプにより循環させるガスの流量の更に他の設定例を示すタイムチャートである。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変形例を示す図である。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に示す。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、制御部７とを備えている。なお、図１では、ポンプ４によって生じるガスの流れを矢印で模式的に示している。

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、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ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２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。

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。
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。

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例えば図１に示す矢印の方向で強制循環する。なお、ポンプ４の代わりに、機械的なエネルギーを用いる他の循環器（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に示す方向に限定されることはなく、図１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・充電及び酸化・還元反応に利用される。

発電動作時には、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ＬＤに電気的に接続する。一方、充電動作時には、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。
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋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ＬＤ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。

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。

発電動作時に前記循環部により循環させるガスの流量に関して、発電電力が最大になる範囲での最小値を予め実験や理論計算などで予め求めておく。そして、制御部７は、発電電力が最大になる範囲での最小値あるいはその最小値に若干マージンを持たせた値を内部メモリなどに記憶しておき、発電動作時に、ポンプ４により循環させるガスの流量を発電電力が最大になる範囲での最小値あるいはその最小値に若干マージンを持たせた値に設定してポンプ４を制御する。ここでいうガスの流量とは、例えば、単位時間内に固定した断面を流れるガスの量（体積）をいい、フローメーターで測定することができる。

ここで、急速充電が必要であるなどの特段の事情がなければ、充電時間を短くする必要がない。このため、充電動作時にも、発電動作時と同様に、ポンプ４により循環させるガスの流量を発電電力が最大になる範囲での最小値あるいはその最小値に若干マージンを持たせた値にしてしまうと、必要以上に充電時間が短くなる。必要以上に充電時間が短くなること自体は何ら問題ないが、上記のように、充電動作時にも、発電動作時と同様に、ポンプ４により循環させるガスの流量を発電電力が最大になる範囲での最小値あるいはその最小値に若干マージンを持たせた値にしてしまうと、充電動作時にポンプ４に投入する駆動エネルギーが無駄に多くなるので、システム全体としてのエネルギー効率が悪くなるという問題が生じる。これは一般的に、ポンプに投入する駆動エネルギーを上げていった場合、ポンプの駆動量は正比例して増加せずに、徐々に増加する緩やかなカーブを描き、エネルギー効率が低下していくためである。従って、急速充電が必要であり、ポンプ４に大きな駆動エネルギーを投入することが必要な場合を除いては、ポンプ４に投入する駆動エネルギーを低めに抑える方がシステム全体としてのエネルギー効率がよい状態に保つことができる。

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においては、制御部７が、充電動作時にポンプ４により循環させるガスの流量を、発電動作時にポンプ４により循環させるガスの流量よりも少なくするように、ポンプ４を制御する。これにより、充電動作時にポンプ４に投入する駆動エネルギーが無駄に多くなることを防ぐことができるので、システム全体としてのエネルギー効率が良くなる。

充電動作時にポンプ４により循環させるガスの流量は、確保できる充電時間を考慮して決定すればよい。したがって、充電動作時にポンプ４を図２に示すように動作させてもよく図３に示すように停止させてもよい。充電動作時にポンプ４を停止させると、システム全体としてのエネルギー効率が最も良くなるので、確保できる充電時間が十分に長く充電動作時にポンプ４を停止させることができるのであれば、充電動作時にポンプ４を停止させることが望ましい。ポンプ４を停止させた場合であっても、閉鎖空間内におけるガス（水素ガスと水蒸気の混合気体）の水蒸気分圧比の傾斜により、ガスは緩やかではあるが循環する。

発電期間および充電期間に関しては、例えば、発電期間を日中とし、充電期間を安価な夜間電力が利用可能な夜間とする形態が好適である。なお、図２、図３、及び後述する図４では設けていないが、停止期間（２次電池型燃料電池システムが発電動作も充電動作もしていない期間）を適宜設けてもよい。

また、急速充電が必要であるなどの特段の事情が生じた場合には、図４に示すように、制御部７が、充電動作時にポンプ４により循環させるガスの流量を、発電動作時にポンプ４により循環させるガスの流量よりも多くするように、ポンプ４を制御してもよい。この場合、制御部７は、充電動作時にポンプ４により循環させるガスの流量を、発電動作時にポンプ４により循環させるガスの流量よりも少なくする第１の制御モードと、充電動作時にポンプ４により循環させるガスの流量を、発電動作時にポンプ４により循環させるガスの流量よりも多くする第２の制御モードとを有し、上述した特段の事情の有無などによって制御モードを切り替えるようにすればよい。

また、上述した実施形態では、発電動作時に常に最大出力が可能なようにポンプ４により循環させるガスの流量を発電電力が最大になる範囲で一定にしているが、例えば、制御部７が、負荷ＬＤに必要な電力に関する情報を取得し、負荷ＬＤに必要な電力が変動すれば、その変動に応じて発電動作時にポンプ４により循環させるガスの流量を変更するようにしてもよい。

また、例えば燃料発生部１が所定の割合まで再生されたときに、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充電動作が自動的に充電を終了するように、燃料発生部１の再生状態を検出する検出部からの信号に基づいて燃料発生部１が所定の割合まで再生されたときに、スイッチＳＷ２がオンからオフに切り替わるとともに制御部７がポンプ４を停止させるようにしてもよい。上記検出部としては、例えば燃料発生部１の重量変化に基づいて再生状態を検出する装置や、燃料発生部１が本実施形態のようにＦｅである場合に燃料発生部１の透磁率変化に基づいて再生状態を検出する装置などを挙げることができる。なお、上記検出部は、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。

また、上述した実施形態では、充電動作時にポンプ４により循環させるガスの流量を一定にしているが、例えば、制御部７が、上記検出部からの信号に基づいて燃料発生部１の再生状態に応じて充電動作時にポンプ４により循環させるガスの流量を変更するようにしてもよい。燃料発生部１の再生状態に応じて充電動作時にポンプ４により循環させるガスの流量を変更する例としては、燃料発生部１が再生されている割合が低い場合は、ガスの流量を多くして充電速度を速くすることでいち早く不測の事態（例えば突発的な発電電力の要求）に備えておき、その後ガスの流量を少なくして残りの充電を行う方法を挙げることができる。

また、上述した実施形態では、発電動作時も充電動作時も同一のポンプ４によりガスを強制循環させたが、図５に示すようにポンプ４の代わりに発電動作時専用ポンプ４Ａ及び充電動作時専用ポンプ４Ｂを設け、発電動作時には発電動作時専用ポンプ４Ａによりガスを強制循環させ、発電動作時には発電動作時専用ポンプ４Ａによりガスを強制循環させるようにしてもよい。

＜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６に示す。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。なお、本実施形態では燃料極２Ｂとヒーター５とが接しているが、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。

本実施形態における制御部７の制御内容は、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における制御部７の制御内容と同じであるため、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７に示す。なお、図７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。また、図７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及び制御部７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Ｔ_１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Ｔ_２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Ｔ_３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Ｔ_４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Ｔ_１〜Ｔ_４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Ｔ_４＞Ｔ_１＞Ｔ_２＞Ｔ_３になるように第１〜第４ヒーターＨ１〜Ｈ４を制御する。

Ｔ_４＞Ｔ_１であるため、燃料発生部１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の紙面の向かって左側近傍に移動する。

また、Ｔ_１＞Ｔ_２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、Ｔ_２＞Ｔ_３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。

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、Ｔ_４＞Ｔ_３ではあるが燃料発生部１の紙面の向かって右側近傍に存在するガスが燃料極２Ｂの紙面の向かって右側近傍に移動することはなく、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。また、温度勾配のつけ方によって、ガスの流量を制御することができる。例えば、発電時における温度勾配よりも、充電時における温度勾配を小さくすることによって、発電時に循環するガスの流量よりも充電時に循環するガスの流量を小さくすることができる。

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の制御部７はポンプ４を制御対象にしているのに対して、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温度制御部１２は第１〜第４ヒーターＨ１〜Ｈ４を制御対象にしているが、両者とも最終的にガスの流量を制御しており、そのガスの流量の制御内容を同じにしている。したがって、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、機械的なエネルギーを用いて燃料発生部１と燃料電池部２との間でガスを強制循環させる循環器と、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８に示す。なお、図８において図６及び図７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８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及び制御部７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２実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの制御部７はポンプ４を制御対象にしているのに対して、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温度制御部１２は第１〜第４ヒーターＨ１〜Ｈ４を制御対象にしているが、両者とも最終的にガスの流量を制御しており、そのガスの流量の制御内容を同じにしている。したがって、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、機械的なエネルギーを用いて燃料発生部１と燃料電池部２との間でガスを強制循環させる循環器と、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。

＜変形例＞
上述した各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）が燃料発生部材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仕切部材
４ポンプ
４Ａ発電動作時専用ポンプ
４Ｂ充電動作時専用ポンプ
５ヒーター
６、９、１０容器
７制御部
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
ＬＤ負荷
Ｔ１〜Ｔ４第１〜第４温度センサー
ＳＷ１、ＳＷ２スイッチ

また、上述した実施形態では、発電動作時も充電動作時も同一のポンプ４によりガスを強制循環させたが、図５に示すようにポンプ４の代わりに発電動作時専用ポンプ４Ａ及び充電動作時専用ポンプ４Ｂを設け、発電動作時には発電動作時専用ポンプ４Ａによりガスを強制循環させ、充電動作時には充電動作時専用ポンプ４Ｂによりガスを強制循環させるようにしてもよい。

Claims

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再生可能な燃料発生部と、
前記燃料発生部から供給される前記還元性ガスを用いて発電を行う発電機能及び前記燃料発生部の再生時に前記燃料発生部から供給される前記逆反応の生成物である酸化性ガス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、
前記燃料発生部と前記発電・電気分解部との間で前記還元性ガス及び／又は前記酸化性ガスを含むガスを強制的に循環させる循環部と、
前記循環部を制御する制御部とを備え、
前記制御部が、前記循環部により循環させるガスの流量を発電動作時と充電動作時とで異なるように制御することを特徴とする２次電池型燃料電池システム。
前記制御部が、充電動作時に前記循環部により循環させるガスの流量を、発電動作時に前記循環部により循環させるガスの流量よりも少なくす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。
前記制御部が、充電動作時に前記循環部によるガスの強制的な循環を停止させて、充電動作時に循環するガスの流量を、発電動作時に前記循環部により循環させるガスの流量よりも少なくすることがあ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。
前記制御部が、
充電動作時に前記循環部により循環させるガスの流量を、発電動作時に前記循環部により循環させるガスの流量よりも少なくする第１の制御モードと、
充電動作時に前記循環部により循環させるガスの流量を、発電動作時に前記循環部により循環させるガスの流量よりも多くする第２の制御モードとを有す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。
前記制御部が、発電動作時に、発電量が最大になる範囲での最小値または前記最小値に所定のマージンを持たせたガスの流量を循環させるよう、前記循環部を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の２次電池型燃料電池システム。
前記制御部が、発電動作時に、外部負荷が要求する電力の変動に応じて前記循環部により循環させるガスの流量を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の２次電池型燃料電池システム。
前記燃料発生部の再生状態を検出する検出部を備え、
前記制御部が、前記検出部によって前記燃料発生部が所定の割合まで再生されたと検出されたときに、前記循環部によるガスの循環を停止させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の２次電池型燃料電池システム。
前記燃料発生部の再生状態を検出する検出部を備え、
前記制御部が、前記検出部によって検出された前記燃料発生部の再生状態に応じて、前記循環部によって循環させるガスの流量を変更することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の２次電池型燃料電池システム。
前記制御部が、前記検出部によって検出された前記燃料発生部の再生されている割合が小さい場合は前記循環部によって循環させるガスの流量を多くすることを特徴とする請求項８に記載の２次電池型燃料電池システム。
前記検出部は、前記燃料発生部の重量変化または透磁率変化に基づいて、前記燃料発生部の再生状態を検出することを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載の２次電池型燃料電池システム。
前記燃料発生部を収容する第１の容器と、
前記発電・電気分解部を収容する第２の容器と、
前記燃料発生部と前記発電・電気分解部との間で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１〜１０のいずれか１項に記載の２次電池型燃料電池システム。
前記燃料発生部と前記発電・電気分解部とを収容する容器と、
仕切部材とを備え、
前記燃料発生部と前記発電・電気分解部との間に空間が存在し、前記仕切部材が前記空間内に設けられることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の２次電池型燃料電池システム。
前記循環部が、機械的なエネルギーを用いる循環器を有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の２次電池型燃料電池システム。
前記循環部が、前記燃料発生部と前記発電・電気分解部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を有し、
前記温度勾配によってガスを強制的に循環させることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の２次電池型燃料電池システム。