JPWO2013150946A1 - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
燃料電池システムは、化学反応により燃料を発生する燃料発生部と、前記燃料発生部から供給される前記燃料を用いて発電を行う燃料電池部と、前記燃料発生部と前記燃料電池部との間で燃料又は発電によって生じた生成物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、前記制御部は、前記循環部により循環させるガスの流量を周期的に変動させる。
Description
本発明は、燃料発生部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。
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。
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という課題がある。そして、この課題を解決する場合に、でき得る限り燃料発生効率が高いことが望ましい。
本発明は、上記の状況に鑑み、出力を高くすることができ燃料発生効率も高くすることができる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、化学反応により燃料を発生する燃料発生部と、前記燃料発生部から供給される前記燃料を用いて発電を行う燃料電池部と、前記燃料発生部と前記燃料電池部との間で燃料又は発電によって生じた生成物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、前記制御部は、前記循環部により循環させるガスの流量を周期的に変動させる構成とする。
本発明に係る燃料電池システムによると、出力を高くすることができ燃料発生効率も高くすることができる。
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。なお、本発明は、後述する実施形態に限られない。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を図1に示す。本発明の一実施形態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、循環器3と、燃料電池部2の温度を調節するヒーター4と、燃料発生部1の温度を調節するヒーター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1及びヒーター5を収容する容器7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配管8と、循環器3を制御する制御部9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、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。
4H2O+3Fe→4H2+Fe3O4 …(1)
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)
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。
循環器3は、燃料発生部1と燃料電池部2との間でガスを機械的なエネルギーを用いて図1に示す矢印の方向で強制的に循環させるものであって、例えばコンプレッサ、ファン、ブロア、ポンプなどを用いることができる。
容器6は、燃料極2Bに循環ガスを供給するための循環ガス供給口と、燃料極2Bから循環ガスを排出するための循環ガス排出口と、空気極2Cに空気を供給するための空気供給口と、空気極2C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。
容器7は、燃料発生部1に循環ガスを供給するための循環ガス供給口と、燃料発生部1から循環ガスを排出するための循環ガス排出口とを備えている。
制御部9は、循環器3により循環させるガスの流量を周期的に変動させる。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。本実施形態では、制御部9は、循環器3により循環させるガスの流量を、二種類の流量の交互繰り返しで周期的に変動させる。例えば、循環器3がファンである場合、制御部9は当該ファンをON/OFF制御してもよく、回転速度を2段階で交互に切り替えてもよい。また、例えば、循環器3がダイヤフラム式の循環器である場合、制御部9はダイヤフラムの変形周期を2段階で交互に切り替えてもよい。
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。
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11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+O2−→H2O+2e− …(3)
H2+O2−→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。
1/2O2+2e−→O2− …(4)
1/2O2+2e−→O2− …(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に示す本発明の一実施形態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10に電気的に接続する。この場合、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。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システムでは、燃料ガスは循環器3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る。
また、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムでは、循環器3により循環させるガスの流量が周期的に変動することで、ガスの圧力脈動が生じ、このガスの圧力脈動が循環器3から燃料発生部1に伝搬する。これにより、燃料発生部1の燃料発生効率が向上する。このように燃料発生効率が向上する理由の詳細について図2及び図3を参照して説明する。
図2及び図3はそれぞれ、燃料発生部1及び容器7の一例を示している。図2及び図3では燃料発生部は複数の球状ペレット12によって構成されており、容器7はガス流路を長くするための仕切板13を備えている。図2及び図3ではガスの流れを矢印で模式的に示している。なお、図2及び図3ではペレットの形状が球状であるが、他の形状であっても構わない。
また、本実施形態では、容器7の循環ガス供給口に循環器3からのガスの圧力脈動が伝搬するので、圧力脈動によって生じる圧力差により図2に示すように容器7内の各所においてガス散乱が起こり、流体抵抗が大きい場所にも循環ガスが行き渡る。これにより、燃料発生部において循環ガスが到達せずに未反応になってしまう部分の割合が減少し、その結果、燃料発生効率が向上する。これに対して、容器7の循環ガス排出口又は循環ガス供給口にガスの圧力脈動が伝搬せずに一定流の循環ガスが流入出する場合、図3に示すように流体抵抗が小さい場所にのみ循環ガスが流れ、燃料発生部において循環ガスが到達せずに未反応になってしまう部分の割合が増加し、その結果、燃料発生効率が向上しない。
なお、燃料発生部を複数のペレットによって構成するのではなく、例えば図4に示すようなガス流路が形成されている成型体14によって構成してもよい。なお、図4の例ではガス流路の断面形状が正方形であるが、他の形状であっても構わない。例えばガス流路の断面形状を正六角形にすれば、ハニカム構造の成型体になる。
燃料発生部を構成する成型体14は多孔質体であるので、ガスが内部に浸透することが可能であるが、ガス流路よりも流体抵抗が大きい。このため、燃料発生部1が成型体によって構成されている場合も、本実施形態の構成により、圧力脈動が伝搬することで流体抵抗が大きい成型体内部にガスが浸透し、そこでの反応により燃料発生効率が向上する。
さらに、循環器3により循環させるガスの流量を周期的に変動させるときと循環器3により循環させるガスの流量を一定に設定するときとで同じ量の燃料を発生させる場合を考えると、図5及び図6に示すように循環器3により循環させるガスの流量を周期的に変動させるとき、循環器3に投入するエネルギーE1の総量は、循環器3により循環させるガスの流量を一定に設定するときに循環器3に投入するエネルギーE2の総量よりも小さくすることができる。すなわち、循環器3により循環させるガスの流量を周期的に変動させることで、燃料発生効率が上がり、燃料電池システム全体としてのエネルギー効率を上げることが可能である。なお、図5のエネルギーE1は、循環器3により循環させるガスの流量を交互に繰り返される二種類の流量の一方を流量ゼロにした場合を示しており、図6のエネルギーE1は、循環器3により循環させるガスの流量を交互に繰り返される二種類の流量の双方を流量ゼロにしない場合を示している。
また、循環器3により循環させるガスの流量を一定に設定した場合、上述の通り、図3に示すように流体抵抗が小さい場所にのみ循環ガスが流れるので、設定する一定値を変化させても一定値の変化に対する燃料発生量の変化が小さい。したがって、循環器3により循環させるガスの流量を一定に設定した場合、燃料発生量を精度良く制御することが困難であり、燃料発生効率も低い。
これに対して、循環器3により循環させるガスの流量を周期的に変動させる場合、上述の通り、図2に示すように各所においてガス散乱が起こり、流体抵抗が大きい場所にも循環ガスが行き渡るので、交互に繰り返される二種類の流量の差の変化に対する燃料発生量の変化が大きい。したがって、循環器3により循環させるガスの流量を周期的に変動させる場合、燃料発生量を精度良く制御することが容易であり、燃料発生効率も高い。
次に、制御部9の制御例について説明する。
<第1制御例>
制御部9は、例えば、循環器3により循環させるガスの流量が図7A、図7B、又は図7Cに示すように周期的に変動するように循環器3を制御する。循環器3により循環させるガスの流量の変動周波数は、燃料発生部1の構造等によって適切な範囲が異なるが、例えば0.数Hz〜十数Hzの範囲で設定することが想定される。
制御部9は、例えば、循環器3により循環させるガスの流量が図7A、図7B、又は図7Cに示すように周期的に変動するように循環器3を制御する。循環器3により循環させるガスの流量の変動周波数は、燃料発生部1の構造等によって適切な範囲が異なるが、例えば0.数Hz〜十数Hzの範囲で設定することが想定される。
図7Aと図7Bとは、交互に繰り返される二種類の流量の小さい方を流量ゼロにしている点が共通しているが、流量の大きい方の値及び二種類の流量の時間比率が互いに異なっている。具体的には、流量の大きい方の値は図7Aより図7Bの方が大きいが、流量を大きくする時間は図7Aの方が図7Bより長い。即ち、図7Aの制御例では、流量の大きさはそれ程大きくないが流量を大きくする時間を長くしており、図7Bの制御例では、短時間において流量をかなり大きくしている。また、図7Bと図7Cとは、交互に繰り返される二種類の流量の大きい方の値及び二種類の流量の時間比率が共通しているが、流量の小さい方の値が互いに異なっている。具体的には、図7Bでは、流量の小さい方の値がゼロであるのに対し、図7Cでは流量の小さい方の値がゼロより大きくなっている。従って、流量差は図7Cの方が小さくなっている。
<第2制御例>
燃料発生部1は、上記の(1)式に示す酸化反応と上記の(2)式に示す還元反応が起こる度に体積が変化し、その体積変化に伴ってFeを主体とする微粒子がペレットや成型体等から脱落し、例えば図3に示す点線で囲った領域に溜まってガス流路を塞いでしまうおそれがある。ガス流路が塞がると、燃料発生部1での圧力損失が増大してしまうので、循環器3が同じ能力で運転を続けた場合、ガスの循環流量が少なくなり、燃料電池部2の発電量が減少してしまうという問題が生じる。
燃料発生部1は、上記の(1)式に示す酸化反応と上記の(2)式に示す還元反応が起こる度に体積が変化し、その体積変化に伴ってFeを主体とする微粒子がペレットや成型体等から脱落し、例えば図3に示す点線で囲った領域に溜まってガス流路を塞いでしまうおそれがある。ガス流路が塞がると、燃料発生部1での圧力損失が増大してしまうので、循環器3が同じ能力で運転を続けた場合、ガスの循環流量が少なくなり、燃料電池部2の発電量が減少してしまうという問題が生じる。
そこで、制御部9が、例えば図8に示すように、ある一定間隔で二種類の流量の差を通常よりも大きくする制御を行うようにしてもよい。図8では、流量の大きい方の値を更に大きくすることによって二種類の流量の差を通常より大きくしているが、他の方法によって流量の差を大きくしても構わない。例えば、流量の小さい値がゼロでない場合は、流量の小さい方の値を更に小さくしてもよいし、流量の大きい方の値を更に大きくするとともに流量の小さい方の値を更に小さくしてもよい。あるいは、差が大きくなるようにすれば流量の大きい方の値と流量の小さい方の値の両方を大きくしてもよい。このように二種類の流量の差を通常より大きくするよう制御することにより、燃料発生部1のペレットや成型体等から脱落した微粒子によってガス流路が塞がれることを防止したり、ガス流路を塞いでいる微粒子がガス流路を塞がない場所に移動する確率を高めることができる。
なお、燃料発生部1のペレットや成型体等から脱落した微粒子が燃料電池部2を汚染することを防止するために、図9に示すように、燃料発生部1の循環ガス流出側と燃料電池部2の循環ガス流入側との間に微粒子を捕捉するフィルタ15を設けることがある。制御部9が上述したある一定間隔で二種類の流量差を通常よりも大きくする制御を行うことにより、フィルタ15が目詰まりすることを防止したり、フィルタ15を目詰まり状態から回復させることができる。
<第3制御例>
制御部9が、循環器3により循環させるガスの流量を周期的に変動させる第1の制御モードと、循環器3により循環させるガスの流量を一定に設定する第2の制御モードとを有し、例えば図10に示すように第1の制御モードと第2の制御モードとを切り替えるようにしてもよい。例えば、燃料電池部2の安定出力が要求されているときには、制御部9が第1の制御モードを選択するようにすればよい。
制御部9が、循環器3により循環させるガスの流量を周期的に変動させる第1の制御モードと、循環器3により循環させるガスの流量を一定に設定する第2の制御モードとを有し、例えば図10に示すように第1の制御モードと第2の制御モードとを切り替えるようにしてもよい。例えば、燃料電池部2の安定出力が要求されているときには、制御部9が第1の制御モードを選択するようにすればよい。
<第4制御例>
制御部9が、外部負荷が要求する電力の変動に応じて燃料電池部2の出力を変更することを目的として、二種類の流量の差を変更してもよい。制御部9が二種類の流量の差を変更すると、その変更に追随して燃料発生部1で発生する燃料の量が変化し、その結果、燃料電池部2の出力が変更される(図11参照)。なお、図11の符号16は循環ガスの流量、符号17は燃料電池部2の出力をそれぞれ示している。
制御部9が、外部負荷が要求する電力の変動に応じて燃料電池部2の出力を変更することを目的として、二種類の流量の差を変更してもよい。制御部9が二種類の流量の差を変更すると、その変更に追随して燃料発生部1で発生する燃料の量が変化し、その結果、燃料電池部2の出力が変更される(図11参照)。なお、図11の符号16は循環ガスの流量、符号17は燃料電池部2の出力をそれぞれ示している。
<第5制御例>
燃料発生部1のペレットや成型体等から脱落した微粒子によってガス流路が塞がれた場合、燃料電池部2の出力が短期間で急激に低下する。そこで、制御部9が、燃料電池部2の出力情報を取得し、燃料電池部2の出力が短期間で急激に低下した場合に、二種類の流量差を通常よりも大きくする制御を行い、ガス流路を塞いでいる微粒子がガス流路を塞がない場所に移動して燃料電池部2の出力が回復したら、二種類の流量差を通常に戻す制御を行うようにしてもよい(図12及び図13参照)。なお、図12及び図13の符号16は循環ガスの流量、符号17は燃料電池部2の出力をそれぞれ示している。
燃料発生部1のペレットや成型体等から脱落した微粒子によってガス流路が塞がれた場合、燃料電池部2の出力が短期間で急激に低下する。そこで、制御部9が、燃料電池部2の出力情報を取得し、燃料電池部2の出力が短期間で急激に低下した場合に、二種類の流量差を通常よりも大きくする制御を行い、ガス流路を塞いでいる微粒子がガス流路を塞がない場所に移動して燃料電池部2の出力が回復したら、二種類の流量差を通常に戻す制御を行うようにしてもよい(図12及び図13参照)。なお、図12及び図13の符号16は循環ガスの流量、符号17は燃料電池部2の出力をそれぞれ示している。
図12に示す制御例では、燃料電池部2の出力が短期間で急激に低下した場合に、二種類の流量の大きい方のみを変化させている。一方、図13に示す制御例では、燃料電池部2の出力が短期間で急激に低下した場合に、二種類の流量の双方を変化させて、流量差をより大きくしている。即ち、流量の大きい方をより大きく、流量の小さい方をより小さくなるよう制御している。
本制御例では、制御部9が上記の「短期間」、「急激」を定義する情報(例えば燃料電池部2の出力変化率の閾値)を記憶しておくことが好ましい。例えば、一定期間内において循環器3に投入したエネルギーに対する燃料電池部2の出力の割合が、直前の一定期間内における割合の半分以下になった場合に出力が短期間に急激に低下したとして、二種類の流量差を通常より大きくする制御を行ってもよい。
<第6制御例>
燃料発生部1は燃料残量(酸化していない割合)が減ると、燃料発生効率が低下して燃料発生量が減少する。このため、循環器3によるガス循環量を変更しないまま運転を続けると、燃料電池部2の出力が低下する。そこで、本制御例では、制御部9が、燃料発生部1の燃料残量の減少に応じて、段階的に二種類の流量差を大きくして燃料発生量を増加させ、燃料発生効率の低下を補うようにしている(図14参照)。これにより、燃料発生部1の燃料残量の減少によって燃料電池部2の出力が低下することを抑えることができ、燃料を使い切るまで燃料電池部2の安定した出力を得ることができる。なお、図14の符号16は循環ガスの流量、符号17は燃料電池部2の出力、符号18は燃料発生部1の燃料残量をそれぞれ示している。
燃料発生部1は燃料残量(酸化していない割合)が減ると、燃料発生効率が低下して燃料発生量が減少する。このため、循環器3によるガス循環量を変更しないまま運転を続けると、燃料電池部2の出力が低下する。そこで、本制御例では、制御部9が、燃料発生部1の燃料残量の減少に応じて、段階的に二種類の流量差を大きくして燃料発生量を増加させ、燃料発生効率の低下を補うようにしている(図14参照)。これにより、燃料発生部1の燃料残量の減少によって燃料電池部2の出力が低下することを抑えることができ、燃料を使い切るまで燃料電池部2の安定した出力を得ることができる。なお、図14の符号16は循環ガスの流量、符号17は燃料電池部2の出力、符号18は燃料発生部1の燃料残量をそれぞれ示している。
本実施形態では、制御部9が、燃料発生部1の燃料残量を検知する燃料残量検知部の検知結果を取得すればよい。上記の燃料残量検知部としては、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、上記の燃料残量検知部は、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。
以上のように二種類の流量を交互に繰り返す場合、大きい方の流量は、ガス流量を一定にする場合に設定する値(通常は、要求される燃料を発生するために必要なガス流量に、ある程度のマージンを上乗せした値)よりも大きくするように、また小さい方の流量は、この一定のガス流量の値より小さくするように制御するのが望ましい。
また、以上の実施形態では、二種類の流量を交互に繰り返したが、必ずしも二種類に限定されるものではなく、ガスの圧力脈動を生じさせるのであればそれ以上の種類の組み合わせでもよい。
<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、燃料極2B側で発生した水を燃料発生部1に伝播する流路と燃料発生部1から燃料極2Bに燃料を伝播するための流路のみでよく、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。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に伝搬する流路を別途設ければよい。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。
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、燃料極2B側で発生した水を燃料発生部1に伝播する流路と燃料発生部1から燃料極2Bに燃料を伝播するための流路のみでよく、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。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に伝搬する流路を別途設ければよい。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 ポンプ
4、5 ヒーター
6、7 容器
8 配管
9 制御部
10 電源
11 負荷
12 球状ペレット
13 仕切板
14 成型体
15 フィルタ
SW1、SW2 スイッチ
2 燃料電池部
2A 電解質膜
2B 燃料極
2C 空気極
3 ポンプ
4、5 ヒーター
6、7 容器
8 配管
9 制御部
10 電源
11 負荷
12 球状ペレット
13 仕切板
14 成型体
15 フィルタ
SW1、SW2 スイッチ
Claims (16)
- 化学反応により燃料を発生する燃料発生部と、
前記燃料発生部から供給される前記燃料を用いて発電を行う燃料電池部と、
前記燃料発生部と前記燃料電池部との間で燃料又は発電によって生じた生成物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、
前記制御部は、前記循環部により循環させるガスの流量を周期的に変動させることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記制御部は、前記循環部により循環させるガスの流量を二種類の流量の交互繰り返しで周期的に変動させることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、前記二種類の流量のうち、大きい方の流量の値を、一定のガス流量を循環させる場合に設定する値よりも大きくなるように、小さい方の流量の値を前記一定のガス流量を循環させる場合に設定する値より小さくなるように制御することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、前記二種類の流量のうち、小さい方の流量の値をゼロとするよう制御することを特徴とする請求項2又は3に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、前記循環部により循環させるガスの流量についての周期的な変動の態様を変更することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、前記循環部により循環させるガスの二種類の流量の差を変更することによって前記周期的な変動の態様を変更することを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、前記二種類の流量のうち、流量の大きい方の流量を更に大きくする、又は流量の小さい方の流量を更に小さくすることによって前記二種類の流量の差を変更することを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、前記燃料電池部の出力情報を取得し、前記出力情報に基づき、前記周期的な変動の態様を変更することを特徴とする請求項5から7のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、一定期間内において前記循環部に投入したエネルギーに対する前記燃料電池部の出力の割合が、直前の一定期間内における割合の半分以下になったとき、前記循環部により循環させるガスの二種類の流量の差を大きくするよう制御することを特徴とする請求項8に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、外部負荷が要求する電力の変動に応じて前記燃料電池部の出力を変更するために、前記周期的な変動の態様を変更することを特徴とする請求項5から7のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、前記燃料発生部の燃料残量に応じて、前記周期的な変動の態様を変更することを特徴とする請求項5から7のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料発生部の燃料残量を検知する燃料残量検知部を備え、
前記燃料残量検知部は、前記燃料発生部の重量変化に基づいて、又は前記燃料発生部の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11に記載の燃料電池システム。 - 前記制御部は、前記周期的な変動の態様を段階的に変更することを特徴とする請求項11又は12に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、前記循環部により循環させるガスの流量を周期的に変動させる第1の制御モードと、前記循環部により循環させるガスの流量を一定に設定する第2の制御モードとを有することを特徴とする請求項1から13のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記循環部は、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から14のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料発生部は、複数のペレットによって構成され、又は多孔質体を含む成型体にガス流路が形成されていることを特徴とする請求項1から15のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
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- 2013-03-28 JP JP2014509127A patent/JPWO2013150946A1/ja active Pending
- 2013-03-28 EP EP13771970.4A patent/EP2835853A4/en not_active Withdrawn
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