WO2011158614A1 - 燃料電池装置及びこれを備えた燃料電池システム - Google Patents

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WO2011158614A1
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fuel cell
hydrogen
current
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fuel
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PCT/JP2011/061817
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勝一 浦谷
滋 和田
雅之 上山
暢久 石田
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コニカミノルタホールディングス株式会社
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell device and a fuel cell system including the same, and more particularly to a fuel cell device having a hydrogen generating member and a fuel cell system including the same.
  • Fuel cells take out electric power when water is generated from hydrogen and oxygen, and in principle, the efficiency of electric power energy that can be taken out is high, which not only saves energy, but also produces only water during power generation. Therefore, it is an environmentally friendly power generation method and is expected as a trump card for solving global energy and environmental problems.
  • Such fuel cells typically oxidize a solid polymer electrolyte membrane using a solid polymer ion exchange membrane, a solid oxide electrolyte membrane using yttria-stabilized zirconia (YSZ), and the like with an anode (anode).
  • the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode through these flow paths, respectively, thereby generating electric power.
  • Patent Document 1 an oxidation process in which a metal material and water are reacted to oxidize the metal material to generate hydrogen, and a reduction process in which the metal material and hydrogen are reacted to reduce the metal material.
  • This hydrogen production method detects the oxidation state of the metal material by detecting the total weight of the generated water, the total flow rate of the generated hydrogen gas, the increase / decrease in the weight of the metal material, etc. in the oxidation step and the reduction step. Based on the measured oxidation state of the metal material, switching between the reduction process and the oxidation process is performed.
  • Patent Document 1 when the hydrogen production method proposed in Patent Document 1 is applied to a hydrogen generation member provided in a fuel cell device, the total weight of generated water, the total flow rate of generated hydrogen gas, increase / decrease in the weight of metal material, etc. By detecting this, the oxidation state of the metal material is indirectly measured, which may cause a measurement error. When such a measurement error occurs, even if an efficient power generation operation according to the oxidation state of the metal material is attempted, it cannot be performed correctly, and the power generation life is shortened.
  • an object of the present invention is to provide a fuel cell device that does not require external fuel gas supply and has a long power generation life, and a fuel cell system including the fuel cell device.
  • a fuel cell device is a fuel cell device including a fuel cell body and a current control unit, wherein the fuel cell body includes a fuel electrode, an oxidant electrode, An electrolyte sandwiched between the fuel electrode and the oxidant electrode; and a hydrogen generation member that generates hydrogen by an oxidation reaction with water, wherein the current control unit is configured to generate the fuel cell main body during a power generation operation.
  • a current control value corresponding to the oxidation state of the hydrogen generating member is obtained based on the voltage and the current output from the fuel cell main body, and the current output from the fuel cell main body according to the obtained current control value It is set as the structure which controls.
  • the fuel cell device and the fuel cell system including the fuel cell device according to the present invention since the fuel cell device includes the hydrogen generating member, it is not necessary to supply fuel gas from the outside. Further, according to the fuel cell device and the fuel cell system including the fuel cell device according to the present invention, it is possible to efficiently generate power according to the oxidation state of the hydrogen generating member during power generation operation, and the oxidation state of the hydrogen generating member can be directly controlled. Because there is no measurement error, there is no risk of measurement errors. As a result, the power generation life can be extended.
  • 2 is an equivalent circuit of a fuel cell main body. It is a characteristic view which shows the electrical characteristic of a fuel cell main body when a hydrogen generating member is a certain oxidation state. It is a figure which shows the relationship between the electric current limit value of a fuel cell main body, and the oxidation state of a hydrogen generating member. It is a flowchart which shows operation
  • 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a hybrid system of a fuel cell device and a power storage device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel cell device 1 includes a fuel cell main body 10 and a current control unit 20 as shown in FIG.
  • the fuel cell main body 10 is shown in a schematic sectional view
  • the current control unit 20 is shown in a block diagram.
  • the fuel cell body 10 includes an electrolyte membrane 101, a fuel electrode 102, an air electrode 103 that is an oxidant electrode, a hydrogen generation member 104, a heater 105, a temperature sensor 106, and a cover member 107.
  • the fuel cell main body 10 has an MEA (Membrane Electrode Assembly) structure in which a fuel electrode 102 and an air electrode 103 are bonded to both surfaces of an electrolyte membrane 101.
  • MEA Membrane Electrode Assembly
  • a hydrogen generation member 104 that supplies hydrogen as a fuel gas to the fuel electrode 102 is provided on the fuel electrode 102 side, and an air flow path that supplies air as an oxidant gas to the air electrode 103 on the air electrode 103 side. 108 is formed.
  • air is used as the oxidant gas, but a gas containing oxygen other than air can also be used as the oxidant gas.
  • a solid oxide electrolyte using yttria-stabilized zirconia can be used as a material of the electrolyte membrane 101.
  • YSZ yttria-stabilized zirconia
  • Nafion trademark of DuPont
  • a cationic conductive polymer an anion conductive polymer
  • Solid polymer electrolytes such as, but not limited to, those that pass hydrogen ions, those that pass oxygen ions, and those that pass hydroxide ions can be used as fuel cell electrolytes. Any material satisfying the characteristics may be used.
  • an electrolyte that passes oxygen ions or hydroxide ions for example, a solid oxide electrolyte using YSZ, is used as the electrolyte membrane 101, and chemicals using water generated on the fuel electrode 102 side during power generation are used.
  • Hydrogen can be generated from the hydrogen generating member 104 by the reaction.
  • the electrolyte membrane 101 can be formed by using an electrochemical vapor deposition method (CVD-EVD method; Chemical Vapor Deposition-Electrochemical Vapor Deposition) or the like, and in the case of a solid polymer electrolyte. If there is, it can be formed using a coating method or the like.
  • CVD-EVD method Chemical Vapor Deposition-Electrochemical Vapor Deposition
  • Each of the fuel electrode 102 and the air electrode 103 can be constituted by, for example, a catalyst layer in contact with the electrolyte membrane 101 and a diffusion electrode laminated on the catalyst layer.
  • the catalyst layer for example, platinum black or a platinum alloy supported on carbon black can be used.
  • the material of the diffusion electrode of the fuel electrode 102 for example, carbon paper, Ni—Fe cermet, Ni—YSZ cermet, or the like can be used.
  • As a material for the diffusion electrode of the air electrode 103 for example, carbon paper, La—Mn—O-based compound, La—Co—Ce-based compound, or the like can be used.
  • Each of the fuel electrode 102 and the air electrode 103 can be formed by using, for example, a vapor deposition method.
  • the hydrogen generating member 104 a member that generates hydrogen by an oxidation reaction (for example, Fe or Mg alloy) can be used, but in this embodiment, Fe that generates hydrogen by oxidation is used. Further, the hydrogen generating member 104 may not only generate hydrogen but also be able to occlude (adsorb) hydrogen. In this case, the hydrogen generation member 104 can be repeatedly used by generating the hydrogen from the hydrogen generation member 104 and then performing an occlusion (adsorption) operation. As a material capable of storing hydrogen as a fuel, a hydrogen storage alloy based on Ni, Fe, Pd, V, Mg, or the like can be used.
  • the discharge surface 104a for releasing hydrogen of the hydrogen generating member 104 and the supply surface 102a for supplying hydrogen of the fuel electrode 102 face each other and are arranged in parallel at regular intervals by spacers such as beads (not shown). .
  • the discharge surface 104 a of the hydrogen generation member 104 discharges hydrogen in a planar shape, and this hydrogen is uniformly supplied to the supply surface 102 a of the fuel electrode 102.
  • the temperature of the entire hydrogen generation member 104 is uniformly increased by the heater 105 disposed in contact with the entire surface of the hydrogen generation member 104 (excluding the discharge surface 104a), so that hydrogen is discharged from the discharge surface 104a. It can be released in a planar form. As a result, the hydrogen generating member 104 can release hydrogen from substantially the entire surface of the discharge surface 104 a toward the substantially entire surface of the supply surface 102 a of the fuel electrode 102.
  • the hydrogen generation speed of the hydrogen generation member 104 be substantially constant regardless of the position on the discharge surface 104a.
  • thermochemical equilibrium is used. When the temperature of the hydrogen generating member 104 is increased or decreased, hydrogen corresponding to the deviation from the equilibrium state can be generated. Therefore, by making the temperature of the entire hydrogen generating member 104 uniform by using the heater 105, depending on the location. Therefore, hydrogen can be generated at a constant rate.
  • the hydrogen generation rate of the hydrogen generation member 104 is maintained by keeping the hydrogen concentration at the time of battery activation in the space 111 between the fuel electrode 102 and the hydrogen generation member 104 independent of the location. Can be made constant. This is due to the following phenomenon.
  • the power generated from the electrode is constant. That is, the amount of hydrogen consumption is constant regardless of the location. In this case, chemical equilibrium is shifted due to the consumed hydrogen, and hydrogen corresponding to the shift amount is newly generated from the hydrogen generating member 104. Since the amount of hydrogen consumption is constant regardless of location, the rate of hydrogen generation from the hydrogen generating member 104 is also constant regardless of location.
  • hydrogen may be sealed in advance in the space portion 111 between the fuel electrode 102 and the hydrogen generating member 104.
  • the encapsulated hydrogen diffuses naturally and the concentration in the encapsulated space 111 becomes constant, so that the hydrogen concentration can be made constant regardless of the location.
  • the discharge surface 104a for releasing hydrogen of the hydrogen generation member 104 and the supply surface 102a for supplying hydrogen of the fuel electrode 102 are arranged in parallel at regular intervals.
  • the discharge surface 104a for releasing hydrogen and the supply surface 102a to which hydrogen of the fuel electrode 102 is supplied may be overlapped and brought into close contact with each other.
  • the structure of the fuel cell device can be simplified and downsized.
  • the hydrogen generation member 104 is built in the fuel cell main body 10 (cover member 107). However, the hydrogen generation member 104 is provided outside the fuel cell main body 10 and connected by a flow path. May be adopted.
  • the cover member 107 is a container for covering components other than the cover member 107 of the fuel cell main body 10.
  • An air supply port 109 for supplying air to the air flow path 108 is disposed on the air electrode 103 side, and excess air is discharged.
  • An air discharge port 110 is provided.
  • an air supply port 109 and an air discharge port 110 are provided on the air electrode 103 side of the heater 105. Air is distributedly supplied to the entire air electrode 103 by passing air from the air supply port 109 through the air flow path 108.
  • An open / close valve (not shown) is installed in each of the air supply port 109 and the air discharge port 110, and each of the air supply port 109 and the air discharge port 110 can be shut off.
  • the fuel cell main body 10 generates power by an electrochemical reaction generated by supplying hydrogen from the hydrogen generating member 104 to the fuel electrode 102 and supplying air from the air flow path 108 to the air electrode 103. Further, during this power generation operation, iron (Fe), which is the hydrogen generating member 104, is oxidized and changed to iron oxide (Fe 3 O 4 ), and the proportion of iron (Fe) in the hydrogen generating member 104 gradually decreases. Go. Details of the power generation operation will be described later.
  • the current control unit 20 includes a voltage detection unit 201, a current detection unit 202, a determination unit 203, and a control unit 204.
  • the voltage detector 201 detects the fuel cell voltage (voltage between the fuel electrode 102 and the air electrode 103), and the current detector 202 detects the fuel cell current (current flowing from the air electrode 103 to the external load 30 or the air electrode from the external power source 31). Current) flowing in the signal 103 is detected.
  • the determination unit 203 uses the detection results of the voltage detection unit 201 and the current detection unit 202 to determine the oxidation state of the hydrogen generation member 104, that is, the ratio of iron (Fe) in the hydrogen generation member 104.
  • the control unit 204 controls the fuel cell current according to the determination result of the determination unit 203. Details of the current control of the current control unit 20 will be described later.
  • FIG. 2 the same parts as those in FIG. 2 (a) to 2 (d) are schematic diagrams showing the flow of power generation operation and regeneration operation performed in the fuel cell device 1 according to one embodiment of the present invention.
  • water (H 2 O) is generated at the fuel electrode 102 as shown in the chemical reaction formula (1).
  • the generated water (H 2 O) is supplied to the hydrogen generation member 104 (Fe) via the space 111, and the hydrogen generation member 104 (Fe) uses the supplied water (H 2 O) to perform the following chemistry.
  • the oxidation reaction shown in the reaction formula (2) occurs, and hydrogen (H 2 ) is generated by the oxidation reaction.
  • the generated hydrogen (H 2 ) is supplied to the fuel electrode 102 via the space 111, and the fuel electrode 102 oxidizes the supplied hydrogen (H 2 ) and generates power to generate water (H 2 O again). ) Is generated and the power generation operation is continued.
  • the hydrogen generating member 104 is changed to iron oxide (Fe 3 O 4 ) by oxidation of iron (Fe), and the proportion of iron (Fe) in the hydrogen generating member 104 gradually decreases. To go.
  • the hydrogen generated in the fuel electrode 102 (H 2) is via the space portion 111 is supplied to the hydrogen generating member 104, the hydrogen generating member 104, the following chemical reaction formula by the supplied hydrogen (H 2) ( 4) occurs, and by the reduction reaction, iron oxide (Fe 3 O 4 ) in the hydrogen generating member 104 is reduced to change to iron (Fe), and iron (Fe) in the hydrogen generating member 104 is reduced.
  • the rate gradually increases and the hydrogen generating member 104 is regenerated. 4H 2 + Fe 3 O 4 ⁇ 4H 2 O + 3Fe (4)
  • water (H 2 O) is generated in the hydrogen generating member 104 as shown in the chemical reaction formula (4).
  • the generated water (H 2 O) is supplied to the fuel electrode 102 via the space 111, and the fuel electrode 102 again generates hydrogen (H 2 ) by electrolyzing the supplied water (H 2 O).
  • the reproduction operation is continued in a cyclic usage form in which the image is generated.
  • the threshold value (limit value) changes from moment to moment depending on the oxidation state of the hydrogen generation member 104 (the ratio of iron (Fe) in the hydrogen generation member 104). .
  • the current control unit 20 can efficiently generate power during the above-described power generation operation by current control described below, and can efficiently recover power supplied from the external power supply 31 during the above-described regeneration operation. I am doing so.
  • FIGS. 3 is an equivalent circuit of the fuel cell body 10
  • FIG. 4 is a characteristic diagram showing the electrical characteristics of the fuel cell body 10 when the hydrogen generating member 104 is in an oxidation state
  • FIG. 5 is a fuel cell body.
  • 10 is a diagram showing the relationship between the current limit value (current control value) of 10 and the oxidation state of the hydrogen generating member 104
  • FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the current control unit 20
  • FIG. 4 is a characteristic diagram showing the electrical characteristics of the fuel cell body 10 when the hydrogen generating member 104 is in an oxidation state
  • FIG. 5 is a fuel cell body.
  • 10 is a diagram showing the relationship between the current limit value (current control value) of 10 and the oxidation state of the hydrogen generating member 104
  • FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the current control unit 20
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of a circuit selected by the control unit 204 of the current control unit 20 during a power generation operation
  • FIG. 9 shows current control during a regeneration operation
  • 3 is a diagram illustrating an example of a circuit selected by a control unit 204 of the unit 20.
  • Equivalent circuit of the fuel cell main body 10 shown in FIG. 3 includes a cathode terminal T1, a resistor R1, a capacitor C1, by a resistor R2, and the fuel cell voltage V FC, the fuel electrode terminal T2.
  • the air electrode side terminal T1 is connected to one end of the parallel circuit of the capacitor C1 and the resistor R2 via the resistor R1.
  • the other end of the parallel circuit of the capacitor C1 and the resistor R2 is connected to the positive electrode side of the fuel cell voltage V FC, the anode side of the fuel cell voltage V FC is connected to the fuel electrode terminal T2.
  • the fuel cell current I FC flows out from the air electrode side terminal T1, and during the regeneration operation, the fuel cell current I FC flows into the air electrode side terminal T1.
  • Resistance R1 indicates the resistance component of the fuel electrode 102 itself and the resistance component of the air electrode 103 itself.
  • Capacitance C ⁇ b> 1 indicates a capacitance component due to the electric double layer generated at the interface between the electrolyte membrane 101 and the fuel electrode 102 and a capacitance component due to the electric double layer generated at the interface between the electrolyte membrane 101 and the air electrode 103.
  • the resistor R2 indicates the resistance component of the electrolyte membrane 101 itself.
  • the electric power consumed in the power generation operation or the regeneration operation in the circuit portion including the resistor R1, the capacitor C1, and the resistor R2 is a loss in the fuel cell body 10 during the power generation operation or the regeneration operation.
  • the fuel cell current I FC -fuel cell voltage V FC characteristic is as shown by a characteristic curve 41 in FIG. If I FC increases, the fuel cell voltage V FC decreases. Further, when the fuel cell current I FC exceeds the current limit value (current control value) I LIM , the loss (activation loss, resistance loss, diffusion loss) in the fuel cell main body 10 rapidly increases.
  • the I FC -fuel cell voltage V FC characteristic curve 41 has an inflection point P1 as shown in FIG.
  • a characteristic curve 42 in FIG. 4 shows a fuel cell current I FC -generated power or recovered power (I FC ⁇ V FC ) characteristic curve.
  • the current limit value I LIM during the power generation operation decreases as the proportion of iron (Fe) in the hydrogen generating member 104 decreases as indicated by the characteristic line 51 during the power generation operation shown in FIG.
  • the current limit value I LIM decreases as the proportion of iron (Fe) in the hydrogen generating member 104 increases, as indicated by the characteristic line 52 during the regeneration operation shown in FIG.
  • the current limit value I LIM increases as the material (each of which is iron or iron oxide) subject to oxidation (during power generation operation) or reduction (regeneration operation) increases, and the current limit value I LIM decreases as the material decreases. Becomes lower.
  • the oxidation reaction of the hydrogen generation member 104 proceeds, and the ratio of iron in the hydrogen generation member 104 decreases, so that the current limit value I LIM also decreases.
  • the reduction reaction proceeds and the proportion of iron in the hydrogen generating member 104 increases, so that the current limit value I LIM decreases.
  • the current control unit 20 performs an operation according to the flowcharts shown in FIG. 6 and FIG.
  • step S10 of FIG. 6 the determination unit 203 determines the current limit value I LIM during the power generation operation or the regeneration operation. At the time of determination, the normal power generation operation or regeneration operation is stopped. For detailed procedures of the determination of the current limit I LIM at step S10, it will be described below with reference to FIG.
  • step S20 the control unit 204 sets the current limit value I LIM as the upper limit value (limit) of the current flowing through the fuel cell body 1 in accordance with the determination result in step S10. Thereby, the current limit value I LIM that satisfies the relationship shown in FIG. 5 can be set.
  • step S30 the control unit 204 limits the fuel cell current I FC according to the current limit value I LIM set in step S20, and resumes the normal power generation operation or regeneration operation. Specifically, even if a current exceeding the current limit value I LIM is necessary to supply the power required by the external load 30, the control unit 204 determines that the fuel cell current I FC flowing through the external load 30 is the current. Control is performed so as not to exceed the limit value I LIM .
  • a circuit for determining the current limit value I LIM or controlling the limit will be described later with reference to FIGS.
  • step S ⁇ b> 40 the current control unit 20 determines whether or not the current limit value I LIM needs to be reset according to the oxidation state of iron (Fe) in the hydrogen generation member 104.
  • the hydrogen generation member 104 undergoes an oxidation reaction or a reduction reaction, and the current limit value I LIM decreases.
  • the fuel cell current exceeds the current limit value I LIM , a loss occurs in the fuel cell main body 10, and the power generation or reduction cannot be performed efficiently. Therefore, the current at which the fuel cell current I FC whose inflow / outflow is controlled based on the previously set current limit value ILIM decreases as the oxidation / reduction reaction of iron (Fe) in the hydrogen generating member 104 progresses. It is desirable to reset the current limit value I LIM before the limit value I LIM is exceeded.
  • the timing for resetting may be determined as appropriate. For example, during the power generation operation, the degree of iron oxidation depends on how much power is consumed with respect to the capacity of the fuel cell main body 1 (which is proportional to the amount of iron contained in the hydrogen generating member 104). change. Therefore, resetting is performed when the power (current consumption amount Ah) supplied from the fuel cell main body 1 to the external load 30 with respect to the capacity (Ah) of the fuel cell main body becomes a predetermined value or more, for example, 50% or more. It may be.
  • the predetermined value is 50% or more, but may be 30% or more. The smaller the numerical value, the shorter the re-determination interval, and it is considered that the current value can be controlled with higher accuracy so as not to exceed the current limit value ILIM . Alternatively, it may be simply determined again every predetermined time.
  • the operation of the current control unit 20 described above enables efficient power generation during the power generation operation, and the power supplied from the external power source 31 can be used efficiently during the regeneration operation.
  • step S100 the control unit 204 cancels the limit of the fuel cell current I FC.
  • To release the limit means that if the current limit value I LIM has already been set, the control unit 204 controls so that no more current flows, so that the control is released. .
  • the current limit value I LIM gradually decreases as described above. Therefore, when re-determining, when the fuel cell current I FC is gradually increased, before reaching the current limit I LIM previously set, a new current value lower than its current limit I LIM The limit value I LIM will be determined.
  • step S100 if you are continuing the power generation operation, or when the re-determination while continuing the reduction action, releasing the limit of the fuel cell current I FC is not necessarily required in step S100. However, it is necessary to cancel at least when switching between the power generation operation and the regeneration operation.
  • step S110 the control unit 204 causes the fuel cell current I FC to flow from the air electrode 103 to the external load 30 (during power generation operation), or causes the fuel cell current I FC to flow from the external power source 31 to the air electrode 103 ( During playback), the current is gradually increased.
  • step S120 the current detection unit 202 detects the fuel cell current I FC and the voltage detection unit 201 detects the fuel cell voltage V FC .
  • the voltage does not change and is constant, but actually, as shown by the characteristic curve 41 in FIG. 4, the fuel cell voltage V FC slightly increases as the fuel cell current I FC increases. Decrease.
  • step S130 it is determined whether or not it is the first detection. If it is the first detection, the process proceeds to step S140- (1).
  • step S140- (1) the determination unit 203, based on the detection results of the voltage detection unit 201 and the current detection unit 202, the rate of change (A) of the fuel cell voltage V FC with respect to the increase in the fuel cell current I FC over a predetermined time. Is calculated.
  • step S150- (1) the rate of change (B) of the fuel cell voltage V FC with respect to the increase in the fuel cell current I FC in the next predetermined time is calculated.
  • step S160 It obtains the ratio of the previous rate of change and the current change rate in step S160, when the value exceeds a predetermined percentage (threshold), as exceeding the current limit value I LIM, in step S170, step S140-
  • the maximum value of the fuel cell current I FC at the predetermined time (1) is determined as the current limit value I LIM, and the process returns to the flowchart of FIG. If it is not the first detection in step S130, the rate of change (B) of the fuel cell voltage V FC with respect to the increase in the fuel cell current I FC in a predetermined time is calculated in step 140- (2).
  • step 150- (2) the change rate of the fuel cell voltage V FC with respect to the increase in the fuel cell current I FC in the previous predetermined time is defined as the change rate (A).
  • step 160 the ratio between the previous change rate and the current change rate is obtained, and when the value exceeds a predetermined ratio (threshold value), it is determined that the current limit value ILIM has been exceeded.
  • the highest value of the fuel cell current I FC determines that the current limit I LIM at a given time step S150- (2), the flow returns to the flowchart of FIG.
  • step S140- (1) when the increase in the fuel cell current I FC in a predetermined time is 100 A and the decrease in the fuel cell voltage V FC is ⁇ 50 V, the rate of change (A ) Is -0.5.
  • step S150- (1) when the increase in the fuel cell current I FC is 100 A and the decrease in the fuel cell voltage V FC is ⁇ 100 V, the rate of change (B) is ⁇ 1.0. .
  • step 160 the rate of change (B) / rate of change (A) is 2.0.
  • the predetermined value (k) is 2.0, the process proceeds to the determination of the current limit value I LIM in step S170.
  • the current limit value I LIM is determined by comparing the rate of change of the fuel cell voltage V FC with respect to the change of the fuel cell current I FC for every successive predetermined time.
  • the threshold value of the rate of change is set in advance.
  • the current limit value I LIM may be used when the rate of change within a predetermined period exceeds a threshold value.
  • it may determine the current limit I LIM based on the relationship between the generated power or recovery power and current limit I LIM. In this case, a change represented by the characteristic curve 42 in FIG. 4 is observed, and the current limit value I LIM can be determined by the same method as described above.
  • control unit 204 may include the circuit illustrated in FIG. 8 and the circuit illustrated in FIG. 9, and the circuit illustrated in FIG. 8 may be selected during the power generation operation and the circuit illustrated in FIG. 9 may be selected during the regeneration operation.
  • the circuit shown in FIG. 8 that can be selected by the control unit 20 during the power generation operation includes a comparator COM1 that compares the voltage V * corresponding to the current limit value I LIM and the voltage corresponding to the fuel cell current I FC.
  • the comparator COM1 is operational amplifier and a voltage corresponding to the voltage V * and the fuel cell current I FC corresponding to the current limit value I LIM is controlled to be the same.
  • the current is controlled by opening and closing the gate of the NPN transistor Q1, and the fuel cell main body 10 is controlled so that the fuel cell current I FC exceeding the current limit value I LIM does not flow.
  • power the external load 30 is required, when the range which can be satisfied by the fuel cell current I FC of the range not exceeding the current limit value I LIM, only fuel cell current I FC fuel cell is the request It flows out of the main body 10 and is supplied to the external load 30.
  • the control of the fuel cell current I FC comparators COM1 is supplied to the external load
  • the current limit value I LIM is suppressed to the following. As described above, since the fuel cell current I FC is controlled so as not to exceed the current limit value I LIM , the loss in the fuel cell main body 10 is rapidly increased to prevent inefficient power generation. it can.
  • the current limit value ILIM during the power generation operation can be changed by changing the voltage V * corresponding to the current limit value ILIM .
  • the voltage V * is set excessively (usually a value much larger than the voltage corresponding to the current necessary for supplying the required power), so that in practice as never control of the fuel cell current I FC by NPN transistor Q1 acts, may release the limit of the fuel cell current I FC.
  • the circuit shown in FIG. 9 which may be the control unit 20 is selected during reproducing operation, a comparator COM2 for comparing the voltage corresponding to the voltage V * and the fuel cell current I FC corresponding to the current limit value I LIM, comparison A resistor provided between the non-inverting input terminal of the comparator COM2 and the source of the P-channel MOS transistor Q2 for generating a voltage corresponding to the fuel cell current I FC and the P-channel MOS transistor Q2 controlled by the comparator COM2. R5.
  • the comparator COM2 is an operational amplifier, and controls the current from the external power supply 31 by the P-channel MOS transistor so that the voltage V * corresponding to the current limit value I LIM and the voltage corresponding to the fuel cell current I FC are the same. To do.
  • the fuel cell body 10 is controlled so that no current exceeding the current limit value I LIM flows.
  • the external power source 31 is controlled so that the fuel cell current I FC that is equal to or close to the current limit value ILIM always flows. Is desirable.
  • the current limit value ILIM during the reproducing operation can be changed by changing the voltage V * corresponding to the current limit value ILIM .
  • the voltage V * is set excessively so that the fuel cell current I FC is not actually controlled by the P-channel MOS transistor. it is preferable to release the limit of I FC.
  • the current limit value I LIM is controlled so as not to exceed the current limit value I LIM .
  • the current limit value I LIM is controlled to flow to a certain extent, or the current limit value I LIM is exceeded. It may be controlled so that a certain amount of loss is allowed, for example, by allowing a current to flow within a certain period of time, and the current limit value I LIM is not necessarily an absolute control line.
  • the fuel cell current I FC flowing out from the fuel cell main body 10 passes through the NPN transistor Q1, bypasses the external load 30, and flows to the resistor R4 ( Dotted line).
  • the fuel cell current I FC flowing out from the fuel cell main body 1 is increased (step 110 in FIG. 7), and the changing fuel cell current I FC and the fuel cell voltage V FC are increased.
  • the determination unit 203 determines the current limit value ILIM (from steps S130 to S160 in FIG. 7), and the voltage V * corresponding to the determined current limit value ILIM is set. Similarly, in FIG. 9, by gradually increasing the voltage V * , the fuel cell current I FC flowing from the external power source 31 into the comparator COM2 is increased, and the fuel cell current I FC and the fuel cell voltage V FC are increased. By detecting, current limit value I LIM is determined.
  • a hybrid system (fuel cell system) of a fuel cell device and a power storage device is constructed, and an insufficient amount of power is supplied from the power storage device, so that efficient power generation according to the oxidation state is performed.
  • the power required by the external load 30 can be sufficiently supplied.
  • a hybrid system (fuel cell system) of a fuel cell device 1 and a power storage device 60 according to an embodiment of the present invention is constructed, and a limit is imposed on the fuel cell current I FC during power generation operation.
  • the switch unit 601 may be turned on to supply the output power of the storage battery 602 to the external load 30 as well.
  • a variable resistor may be provided in parallel with the resistor R4 in the circuit shown in FIG. 8, and the resistance value of the variable resistor may be changed according to the ON / OFF state of the switch unit 601.
  • a solid oxide electrolyte is used as the electrolyte membrane 101, and water is generated on the fuel electrode 102 side during power generation. According to this configuration, water is generated on the side where the hydrogen generating member 104 is provided, which is advantageous for simplification and miniaturization of the apparatus.
  • a solid polymer electrolyte that allows hydrogen ions to pass through may be used as the electrolyte membrane 101. In this case, since water is generated on the air electrode 103 side during power generation, a flow path for propagating this water to the hydrogen generation member 104 may be provided.
  • Fuel cell apparatus which concerns on one Embodiment of this invention 10 Fuel cell main body 101 Electrolyte membrane 102 Fuel electrode 102a Supply surface 103 Air electrode 104 Hydrogen generating member 104a Release surface 105 Heater 106 Temperature sensor 107 Cover member 108 Air flow path 109 Air supply Port 110 Air outlet 111 Space portion 20 Current control portion 201 Voltage detection portion 202 Current detection portion 203 Determination portion 204 Control portion 30 External load 31 External power source 41 Fuel cell current-fuel cell voltage characteristic curve 42 Fuel cell current-generated power or recovering power characteristic curve 51 the power generating operation time of the characteristic line 52 reproducing operation when the characteristic line 60 power storage device 601 switch unit 602 battery C1 capacitance COM1 comparator I FC fuel cell current P1 inflection point Q1 NPN transistor Q P-channel MOS transistor R1 ⁇ R5 resistor T1 air electrode side terminal T2 fuel electrode side terminal VR1 variable resistor V A applied voltage V FC fuel cell voltage

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Abstract

　燃料電池装置は、燃料電池本体１０と、電流制御部２０とを備える。燃料電池本体１０は、燃料極１０２と、酸化剤極１０３と、燃料極１０２と酸化剤極１０３との間に狭持される電解質１０１と、水との酸化反応により水素を発生する水素発生部材１０４とを有する。電流制御部２０は、発電動作時に燃料電池本体１０の電圧と燃料電池本体１０から出力される電流とに基づいて前記水素発生部材１０４の酸化状態に応じた電流制御値を求め、求められた電流制御値に応じて燃料電池本体１０から出力される電流を制御する。

Description

燃料電池装置及びこれを備えた燃料電池システム
　本発明は、燃料電池装置及びこれを備えた燃料電池システムに関し、特に水素発生部材を有する燃料電池装置及びこれを備えた燃料電池システムに関する。
　近年、携帯電話、携帯型情報端末、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯型オーディオ、携帯型ビジュアル機器等の携帯用電子機器の多機能化、高性能化が進展するに伴い、その駆動用電池の大容量化に対する要求が高まってきている。従来、このような携帯用電子機器の駆動用電池としては、リチウム電池やニッカド電池が用いられているが、その容量は、限界に近づいており飛躍的な増大は望めない。そこで、リチウム電池やニッカド電池に代わりエネルギー密度が高く大容量化が可能な燃料電池の開発が盛んに行われている。
　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。
　このような燃料電池は、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、このような構成のセルには、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なわれる。
　ところが、外部から燃料が供給される燃料電池装置では、燃料（例えば水素）を供給するためのインフラ整備が必要である。また、燃料として比較的入手が容易なメタノールを用いる場合においてもその流通には年月を要するといった問題がある。
　一方、例えば、特許文献１では、金属材と水とを反応させて上記金属材を酸化し、水素を発生させる酸化工程と、金属材と水素とを反応させて上記金属材を還元する還元工程とを交互に繰り返す水素製造方法が提案されている。この水素製造方法は、上記酸化工程および還元工程において、発生した水の総重量、発生した水素ガスの総流量、上記金属材の重量の増減などを検出することにより、上記金属材の酸化状態を測定し、測定された上記金属材の酸化状態に基づいて、上記還元工程と酸化工程との切り替えを施すことを特徴としている。
特開２００８－１５０２５６号公報
　しかしながら、特許文献１で提案されている水素製造方法を、燃料電池装置に設ける水素発生部材に適応した場合、発生した水の総重量、発生した水素ガスの総流量、金属材の重量の増減などを検出することにより、間接的に金属材の酸化状態を測定することになるため、測定誤差が生じるおそれがある。このような測定誤差が生じると、金属材の酸化状態に応じた効率的な発電動作を実施しようとしても正しく実施できないことになり、発電寿命が短くなってしまう。
　本発明は、上記の状況に鑑み、外部からの燃料ガスの供給が不要であり、且つ、発電寿命が長い燃料電池装置及びこれを備えた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装置は、燃料電池本体と、電流制御部とを備えた燃料電池装置であって、前記燃料電池本体は、燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極との間に狭持される電解質と、水との酸化反応により水素を発生する水素発生部材とを有し、前記電流制御部は、発電動作時に前記燃料電池本体の電圧と前記燃料電池本体から出力される電流とに基づいて前記水素発生部材の酸化状態に応じた電流制御値を求め、求められた電流制御値に応じて前記燃料電池本体から出力される電流を制御する構成とする。
　本発明に係る燃料電池装置及びこれを備えた燃料電池システムによると、前記燃料電池装置が前記水素発生部材を備えているので、外部からの燃料ガスの供給が不要となる。また、本発明に係る燃料電池装置及びこれを備えた燃料電池システムによると、発電動作時に前記水素発生部材の酸化状態に応じて効率よく発電でき、さらに、前記水素発生部材の酸化状態を直接的に測定しているので測定誤差が生じるおそれがない。これにより、発電寿命を長くすることができる。
本発明の一実施形態に係る燃料電池装置の概略構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池装置で行われる発電動作及び再生動作の流れを示す模式図である。 燃料電池本体の等価回路である。 水素発生部材が或る酸化状態であるときの燃料電池本体の電気的特性を示す特性図である。 燃料電池本体の電流限界値と水素発生部材の酸化状態との関係を示す図である。 電流制御部の動作を示すフローチャートである。 電流制御部の動作のうち、電流限界値を判定するステップを示すフローチャートである。 発電動作時に電流制御部の制御部が選択する回路の例を示す図である。 再生動作時に電流制御部の制御部が選択する回路の例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池装置と蓄電装置とのハイブリッドシステムの概略構成を示す模式図である。
　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。尚、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装置の概略構成＞＞
　最初に、本発明の一実施形態に係る燃料電池装置の概略構成について図１を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池装置の概略構成を示す模式図である。
　本発明の一実施形態に係る燃料電池装置１は、図１に示すように、燃料電池本体１０と、電流制御部２０とを備えている。尚、図１において、燃料電池本体１０は断面模式図で示し、電流制御部２０はブロック図で示す。
　燃料電池本体１０は、電解質膜１０１と、燃料極１０２と、酸化剤極である空気極１０３と、水素発生部材１０４と、ヒータ１０５と、温度センサ１０６と、カバー部材１０７とを有している。また、燃料電池本体１０は、電解質膜１０１の両面に燃料極１０２と空気極１０３を接合したＭＥＡ（Membrane　Electrode　Assembly；膜・電極接合体）構造である。
　そして、燃料極１０２側には燃料極１０２に燃料ガスである水素を供給する水素発生部材１０４が設けられ、空気極１０３側には空気極１０３に酸化剤ガスである空気を供給する空気流路１０８が形成されている。本実施形態では、酸化剤ガスとして空気を用いているが、空気以外の酸素を含有するガスを酸化剤ガスとして用いることも可能である。
　電解質膜１０１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１０１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ＹＳＺを用いた固体酸化物電解質を用い、発電時に燃料極１０２側に発生した水を用いた化学反応によって水素発生部材１０４から水素を発生させることができる。
　電解質膜１０１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、固体高分子電解質の場合であれば、塗布法等を用いて形成することができる。
　燃料極１０２、空気極１０３はそれぞれ、例えば、電解質膜１０１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１０２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１０３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１０２、空気極１０３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。
　水素発生部材１０４としては、酸化反応によって水素を発生するもの（例えばＦｅやＭｇ合金等）を用いることができるが、本実施形態においては、酸化により水素を発生するＦｅを用いる。また、水素発生部材１０４は、水素を発生させるだけでなく、水素を吸蔵（吸着）できるものでもよい。この場合、水素発生部材１０４から水素を発生させた後、吸蔵（吸着）作業を行うことで、繰り返し水素発生部材１０４を用いることができる。燃料である水素を吸蔵できる材料としては、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｖ、Ｍｇ等を基材料とする水素吸蔵合金を用いることができる。
　ここで、水素発生部材１０４の水素を放出する放出面１０４ａと燃料極１０２の水素が供給される供給面１０２ａとは互いに対向し、図示しないビーズ等のスペーサにより一定の間隔で平行に配置される。水素発生部材１０４の放出面１０４ａは水素を面状に放出し、この水素は燃料極１０２の供給面１０２aに均一に供給される。
　具体的には、水素発生部材１０４の全面（放出面１０４ａを除く）に接して配置されたヒータ１０５により、水素発生部材１０４全体の温度を一様に上昇させることで、放出面１０４ａから水素を面状に放出させることができる。これにより、水素発生部材１０４は、その放出面１０４ａの略全面から水素を燃料極１０２の供給面１０２ａの略全面に向けて放出することができる。
　また、水素発生部材１０４の水素発生速度は、放出面１０４ａ上の位置に依らず、略一定になるようにすることが望ましい。具体的には熱化学平衡を用いる。水素発生部材１０４の温度を昇降させると、平衡状態からのずれに応じた水素を発生させることができるので、水素発生部材１０４全体の温度をヒータ１０５を用いて均一にすることで、場所に依らず一定の速度で水素を発生させることができる。
　また、化学平衡を用いる場合、燃料極１０２と水素発生部材１０４との間の空間部１１１の電池起動時の水素濃度を場所に依らず一定にしておくことで、水素発生部材１０４の水素発生速度を一定にすることができる。これは、以下のような現象が起こることによるものである。
　電池起動時の水素濃度が場所に依らず一定であれば、電極から発生する電力が一定となる。つまり、水素の消費量も場所に依らず一定となる。この場合、消費された水素によって化学平衡がずれ、そのずれ量に応じた水素が新たに水素発生部材１０４から発生する。水素の消費量が場所に依らず一定なので、水素発生部材１０４からの水素発生速度も場所に依らず一定になる。
　尚、電池起動時の水素濃度を場所に依らず一定にする方法は、予め燃料極１０２と水素発生部材１０４との間の空間部１１１に水素を封入しておけばよい。封入された水素は、自然に拡散し、封入した空間部１１１内での濃度が一定になるため、水素濃度を場所に依らず一定にすることができる。
　上記のように、水素発生部材１０４の水素発生速度を、放出面１０４ａ上の位置に依らず、略一定になるようにすることにより、起電力のばらつきによる出力の低下を抑えることができ、燃料効率を高めることができる。
　尚、本実施形態においては、水素発生部材１０４の水素を放出する放出面１０４ａと燃料極１０２の水素が供給される供給面１０２ａとを一定の間隔で平行に配置したが、水素発生部材１０４の水素を放出する放出面１０４ａと燃料極１０２の水素が供給される供給面１０２ａとを重ねて密着させる構成としてもよい。この構成の場合、燃料電池装置の構造の簡素化及び小型化を図ることができる。また、本実施形態においては、水素発生部材１０４を燃料電池本体１０（カバー部材１０７）に内蔵する構成としたが、水素発生部材１０４を燃料電池本体１０の外側に設け、流路で連結する構成を採用してもよい。
　カバー部材１０７は燃料電池本体１０のカバー部材１０７以外の構成部品を覆うための容器であり、その空気極１０３側には、空気流路１０８に空気を供給する空気供給口１０９、余剰空気を排出する空気排出口１１０が設けられている。また、ヒータ１０５の空気極１０３側にも、同様に空気供給口１０９及び空気排出口１１０が設けられている。空気供給口１０９から空気を空気流路１０８に通すことで空気極１０３全体に空気が分散供給される。空気供給口１０９及び空気排出口１１０にはそれぞれ、図示しない開閉弁が設置されており、空気供給口１０９及び空気排出口１１０それぞれを遮断状態にすることが可能である。
　燃料電池本体１０は、水素発生部材１０４から燃料極１０２に水素を供給し、空気流路１０８から空気極１０３に空気を供給することで生じる電気化学反応によって発電するものである。また、この発電動作時に、水素発生部材１０４である鉄（Ｆｅ）は酸化され酸化鉄（Ｆｅ3Ｏ4）へと変化し、水素発生部材１０４に占める鉄（Ｆｅ）の割合が次第に低下していく。尚、発電動作の詳細は後述する。
　電流制御部２０は、電圧検出部２０１と、電流検出部２０２と、判定部２０３と、制御部２０４とを有している。電圧検出部２０１は燃料電池電圧（燃料極１０２－空気極１０３間電圧）を検出し、電流検出部２０２は燃料電池電流（空気極１０３から外部負荷３０に流出する電流又は外部電源３１から空気極１０３に流入する電流）を検出する。判定部２０３は、電圧検出部２０１及び電流検出部２０２の検出結果を用いて、水素発生部材１０４の酸化状態すなわち水素発生部材１０４に占める鉄（Ｆｅ）の割合を判定する。制御部２０４は、判定部２０３の判定結果に応じて、燃料電池電流を制御する。尚、電流制御部２０の電流制御の詳細は後述する。
＜＜発電動作および再生動作＞＞
　次に、本発明の一実施形態に係る燃料電池装置１で行われる発電動作及び再生（還元）動作の詳細について図２を用いて説明する。尚、図２において図１と同一の部分には同一の符号を付す。図２（ａ）～図２（ｄ）は、本発明の一実施形態に係る燃料電池装置１で行われる発電動作及び再生動作の流れを示す模式図である。
＜発電動作＞
　発電動作の前状態では、図２（ａ）に示すように、空気供給口１０９及び空気排出口１１０がともに閉じられており、燃料電池本体１０の空間部１１１には、水素（Ｈ2）が封入されている。
　その後、図２（ｂ）に示すように、空気供給口１０９および空気排出口１１０を開け、空気流路１０８を介して空気極１０３に空気を供給すると、燃料極１０２では、空間部１１１に封入されている水素（Ｈ2）と空気極１０３でイオン化し電解質膜１０１を通過した酸素イオン（Ｏ2-）とで下記の化学反応式（１）に示す反応が生じ、電子（ｅ-）が発生し蓄積される。すなわち、燃料電池本体１０において起電力が発生し、発電動作が開始される。そして、発電動作時において燃料極１０２と空気極１０３の間に外部負荷３０を接続すると、燃料極１０２に蓄積された電子（ｅ-）は、外部負荷３０を経由して空気極１０３に流れる。これにより、外部負荷３０を駆動することができる。
　Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-　　…（１）
　また、発電動作時において、上記の化学反応式（１）で示したように、燃料極１０２では水（Ｈ2Ｏ）が生成される。生成された水（Ｈ2Ｏ）は空間部１１１を経由して水素発生部材１０４（Ｆｅ）に供給され、水素発生部材１０４（Ｆｅ）では、供給された水（Ｈ2Ｏ）により下記の化学反応式（２）に示す酸化反応が生じ、その酸化反応により水素（Ｈ2）を発生する。そして、発生した水素（Ｈ2）は空間部１１１を経由して燃料極１０２に供給され、燃料極１０２では、供給された水素（Ｈ2）を酸化し発電することによって再び水（Ｈ2Ｏ）が生成されるといった循環の利用形態となり発電動作が持続される。
　４Ｈ2Ｏ＋３Ｆｅ→４Ｈ2＋Ｆｅ3Ｏ4　　…（２）
　尚、上述した発電動作時には、水素発生部材１０４は、鉄（Ｆｅ）が酸化され酸化鉄（Ｆｅ3Ｏ4）へと変化し、水素発生部材１０４に占める鉄（Ｆｅ）の割合が次第に低下していく。
　また、図２（ｂ）に示した発電動作状態から、図２（ｃ）に示すように、空気供給口１０９および空気排出口１１０を閉じ、空気極１０３への空気の供給を停止すると、発電動作を停止させることができる。このとき、空間部１１１には、上記の化学反応式（１）及び化学反応式（２）の反応によりそれぞれ生成された水（Ｈ2Ｏ）、水素（Ｈ2）が残留する。
＜再生動作＞
　図２（ｃ）に示した発電動作停止状態から、図２（ｄ）に示すように、外部電源３１により燃料電池本体１０の燃料極１０２と空気極１０３の間に電圧を印加し通電すると、燃料極１０２では、空間部１１１に残留している水（Ｈ2Ｏ）と通電により供給された電子（ｅ-）とで下記の化学反応式（３）に示す電気分解が生じ、その電気分解により水素（Ｈ2）が発生する。
　Ｈ2Ｏ＋２ｅ-→Ｈ2＋Ｏ2-　　…（３）
　そして、燃料極１０２において発生した水素（Ｈ2）は空間部１１１を経由して水素発生部材１０４に供給され、水素発生部材１０４では、供給された水素（Ｈ2）により下記の化学反応式（４）に示す還元反応が生じ、その還元反応により水素発生部材１０４中の酸化鉄（Ｆｅ3Ｏ4）は還元され鉄（Ｆｅ）へと変化し、水素発生部材１０４に占める鉄（Ｆｅ）の割合が次第に増加し、水素発生部材１０４は再生される。
　４Ｈ2＋Ｆｅ3Ｏ4→４Ｈ2Ｏ＋３Ｆｅ　　…（４）
　また、再生動作時において、上記の化学反応式（４）で示したように、水素発生部材１０４では水（Ｈ2Ｏ）が生成される。生成された水（Ｈ2Ｏ）は空間部１１１を経由して燃料極１０２に供給され、燃料極１０２では、供給された水（Ｈ2Ｏ）を電気分解することによって再び水素（Ｈ2）が生成されるといった循環の利用形態となり再生動作が持続される。
＜＜電流制御部の電流制御＞＞
　ところで、上記の発電動作における上記の化学反応式（２）に示す酸化反応や上記の再生動作における上記の化学反応式（４）に示す還元反応では、燃料電池電流（上記の発電動作では空気極１０３から外部負荷３０に流出する電流、上記の再生動作では外部電源３１から空気極１０３に流入する電流）の大きさが重要である。
　上記の発電動作においては、燃料電池電流が閾値（限界値）を越えると、燃料電池本体１０でのロス（活性化ロス、抵抗ロス、拡散ロス）が急激に増大し、発電電力が減少してしまい、効率よく発電できなくなる。また、上記の再生動作においては、燃料電池電流が閾値（限界値）を越えると、燃料電池本体１０でのロス（活性化ロス、抵抗ロス、拡散ロス）が急激に増大し、外部電源３１から供給される電力を効率よく回収できなくなる。燃料電池本体１０でのロスが発電電力に具体的にどのような影響を与えるかについては、図４を用いて後述する。そして、上記の発電動作中や上記の再生動作中、上記の閾値（限界値）は、水素発生部材１０４の酸化状態（水素発生部材１０４に占める鉄（Ｆｅ）の割合）によって、時々刻々変化する。このため、電流制御部２０は、以下で説明する電流制御により、上記の発電動作中においては効率よく発電できるようにし、上記の再生動作においては外部電源３１から供給される電力を効率よく回収できるようにしている。
　電流制御部２０の電流制御について図３～図９を参照して説明する。図３は燃料電池本体１０の等価回路であり、図４は水素発生部材１０４が或る酸化状態であるときの燃料電池本体１０の電気的特性を示す特性図であり、図５は燃料電池本体１０の電流限界値（電流制御値）と水素発生部材１０４の酸化状態との関係を示す図であり、図６は電流制御部２０の動作を示すフローチャートであり、図７は電流制御部の動作のうち、電流限界値を判定するステップを示すフローチャートであり、図８は発電動作時に電流制御部２０の制御部２０４が選択する回路の例を示す図であり、図９は再生動作時に電流制御部２０の制御部２０４が選択する回路の例を示す図である。
　図３に示す燃料電池本体１０の等価回路は、空気極側端子Ｔ１と、抵抗Ｒ１と、容量Ｃ１と、抵抗Ｒ２と、燃料電池電圧ＶFCと、燃料極側端子Ｔ２とによって構成される。空気極側端子Ｔ１は、抵抗Ｒ１を介して、容量Ｃ１と抵抗Ｒ２の並列回路の一端に接続されている。また、容量Ｃ１と抵抗Ｒ２の並列回路の他端は燃料電池電圧ＶFCの正極側に接続され、燃料電池電圧ＶFCの負極側は燃料極側端子Ｔ２に接続されている。発電動作時には空気極側端子Ｔ１から燃料電池電流ＩFCが流出し、再生動作時には空気極側端子Ｔ１に燃料電池電流ＩFCが流入する。
　抵抗Ｒ１は、燃料極１０２自体の抵抗成分及び空気極１０３自体の抵抗成分を示している。容量Ｃ１は、電解質膜１０１と燃料極１０２の界面で発生する電気二重層による容量成分及び電解質膜１０１と空気極１０３の界面で発生する電気二重層による容量成分を示している。抵抗Ｒ２は、電解質膜１０１自体の抵抗成分を示している。抵抗Ｒ１、容量Ｃ１、及び抵抗Ｒ２からなる回路部分で発電動作時や再生動作時に消費される電力が、発電動作時や再生動作時における燃料電池本体１０でのロスとなる。
　燃料電池電流ＩFCが増加すれば燃料電池本体１０でのロスが増大するので、燃料電池電流ＩFC－燃料電池電圧ＶFC特性は、図４中の特性曲線４１に示すように、燃料電池電流ＩFCが増加すれば燃料電池電圧ＶFCが減少する。また、燃料電池電流ＩFCが電流限界値（電流制御値）ＩLIMを越えると、燃料電池本体１０でのロス（活性化ロス、抵抗ロス、拡散ロス）が急激に増大するので、燃料電池電流ＩFC－燃料電池電圧ＶFC特性曲線４１には、図４に示すように、変曲点Ｐ１が存在する。なお、図４中の特性曲線４２は燃料電池電流ＩFC－発電電力または回収電力（ＩFC・ＶFC）特性曲線を示している。そして、発電動作時の電流限界値ＩLIMは、図５に示す発電動作時の特性線５１のとおり、水素発生部材１０４に占める鉄（Ｆｅ）の割合が低下するにつれて小さくなり、再生動作時の電流限界値ＩLIMは、図５に示す再生動作時の特性線５２のとおり、水素発生部材１０４に占める鉄（Ｆｅ）の割合が増加するにつれて小さくなる。要するに、酸化（発電動作時）または還元（再生動作時）の対象となる材料（各々、鉄または酸化鉄）が多いほど、電流限界値ＩLIMは高くなり、材料が少ないほど電流限界値ＩLIMは低くなる。従って、発電動作を継続または繰り返すと水素発生部材１０４の酸化反応が進み、水素発生部材１０４に占める鉄の割合が減少するため、電流限界値ＩLIMも低下する。同様に、再生動作を継続または繰り返すと還元反応が進み、水素発生部材１０４に占める鉄の割合が増加するため、電流限界値ＩLIMは低下する。
　図４及び図５に示した電気的特性を考慮し、電流制御部２０は図６及び図７に示すフローチャートに沿った動作を行う。
　まず、図６のステップＳ１０において、発電動作時又は再生動作時の電流限界値ＩLIMを、判定部２０３が判定する。判定時には、通常の発電動作又は再生動作を停止している。ステップＳ１０における電流限界値ＩLIMの判定の手順の詳細については、図７を用いて後述する。
　ステップＳ２０において、制御部２０４は、ステップＳ１０での判定結果に応じて、電流限界値ＩLIMを、燃料電池本体１を流れる電流の上限値（リミット）として設定する。これにより、図５に示した関係を満たす電流限界値ＩLIMを設定することができる。
　ステップＳ３０において、制御部２０４は、ステップＳ２０で設定された電流限界値ＩLIMに従って、燃料電池電流ＩFCにリミットをかけ通常の発電動作又は再生動作を再開する。具体的には、外部負荷３０が要求する電力を供給するためには電流限界値ＩLIMを超える電流が必要であっても、制御部２０４は、外部負荷３０に流れる燃料電池電流ＩFCが電流限界値ＩLIMを超えないように制御する。電流限界値ＩLIMを判定し、またはリミットを制御するための回路については、図８及び図９を用いて後述する。
　ステップＳ４０において、電流制御部２０は、水素発生部材１０４中の鉄（Ｆｅ）の酸化状態に応じて、電流限界値ＩLIMを再設定する必要があるかどうかを判定する。
　図５を用いて説明したとおり、発電動作または再生動作を継続または繰り返すうちに、水素発生部材１０４は酸化反応または還元反応が進み、電流限界値ＩLIMは低下していく。その結果、発電動作または還元動作を継続または繰り返すうちに、燃料電池電流が電流限界値ＩLIMを超えてしまい、燃料電池本体１０でのロスが発生し、効率よく発電または還元できなくなる。よって、前回設定した電流限界値ＩLIMに基づき流出入が制御されている燃料電池電流ＩFCが、水素発生部材１０４中の鉄（Ｆｅ）の酸化・還元反応の進行に伴い低下していく電流限界値ＩLIMを超えてしまう前に、電流限界値ＩLIMを再設定することが望ましい。
　どのタイミングで、再設定をするかについては、適宜決めればよい。例えば、発電動作時においては、燃料電池本体１の容量（これは水素発生部材１０４に含まれる鉄の量に比例する）に対して、どれ位の電力が消費されたかによって、鉄の酸化度合いが変わる。よって、燃料電池本体の容量（Ah）に対する燃料電池本体１から外部負荷３０へ供給された電力（消費電流量Ah）が、所定の値以上、例えば50%以上になったときに再設定することにしてもよい。
　具体的な計算例としては、最初の電池容量(Ah)に対して、消費電流量(Ah)が50%に達した時に発電動作を中止し、電流限界値ＩLIMを再度判定する。再判定後、新たな電流限界値ＩLIMを設定し、発電動作を再開する。次に、再開時の電池容量の残量に対して、再開後の消費電流量が50%に達すると、電流限界値ＩLIMを再度判定する。以降、同じ動作を繰り返す。尚、本実施形態では所定の値を50%以上としたが、30%以上としてもよい。数値が小さくなる程、再判定の間隔が短くなり、より精度よく、電流値が電流限界値ＩLIMを超えないようにコントロールすることができると考えられる。また、単純に、所定の時間毎に再判定することでもよい。
　上述した電流制御部２０の動作により、発電動作中においては効率よく発電できるようにし、上記の再生動作においては外部電源３１から供給される電力を効率よく利用できる。
　次に、ステップＳ１０の、電流限界値ＩLIMの判定の手順について図７のフローチャートを用いて詳細に説明する。まず、ステップＳ１００において、制御部２０４は、燃料電池電流ＩFCのリミットを解除する。リミットを解除するというのは、既に電流限界値ＩLIMが設定されている場合、それ以上の電流が流れないように制御部２０４によって制御されているので、その制御を解除する、という意味である。尚、発電動作を継続している場合、又は還元動作を継続している場合は、上述のとおり、電流限界値ＩLIMは徐々に低下していく。そのため、再判定する際に、燃料電池電流ＩFCを徐々に増加させていったとき、前回設定した電流限界値ＩLIMに至る前に、その電流限界値ＩLIMよりも低い値の新たな電流限界値ＩLIMが判定されることになる。よって、発電動作を継続している場合、又は還元動作を継続している間に再判定するときは、ステップＳ１００における燃料電池電流ＩFCのリミットの解除は必ずしも必要ではない。しかし、少なくとも、発電動作と再生動作を切り替えるときには、解除が必要である。
　次に、制御部２０４はステップＳ１１０において空気極１０３から外部負荷３０に燃料電池電流ＩFCを流出させ（発電動作時）、又は外部電源３１から空気極１０３に燃料電池電流ＩFCを流入させ（再生動作時）、電流を徐々に増大していく。ステップＳ１２０において、電流検出部２０２は燃料電池電流ＩFCを検出し、電圧検出部２０１は燃料電池電圧ＶFCを検出する。このとき、理論上は、電圧は変化せず一定となるが、実際には、図４の特性曲線４１に示すように、燃料電池電流ＩFCの増加に伴い、わずかながら燃料電池電圧ＶFCが減少していく。これは、燃料電池本体１０でのロス（活性化ロス、抵抗ロス、拡散ロス）が徐々に発生し、発電電力が減少してしまうことが理由であると考えられる。次に、ステップＳ１３０において、1回目の検出かどうかを判断し、1回目の検出であった場合、ステップＳ１４０－(1)に進む。ステップＳ１４０－(1)では、判定部２０３は、電圧検出部２０１及び電流検出部２０２の検出結果に基づき、所定時間における燃料電池電流ＩFCの増加に対する燃料電池電圧ＶFCの変化率（A）を算出する。そして、ステップＳ１５０－(1)で、次の所定の時間における燃料電池電流ＩFCの増加に対する燃料電池電圧ＶFCの変化率（B）を算出する。ステップＳ１６０で前回の変化率と今回の変化率との比を求め、その値が所定の割合（閾値）を超えたとき、電流限界値ＩLIMを超えたものとして、ステップＳ１７０で、ステップＳ１４０－(1)の所定時間における燃料電池電流ＩFCの最高値を電流限界値ＩLIMと判定し、図６のフローチャートに戻る。ステップＳ１３０で、１回目の検出でない場合は、ステップ１４０－(2)で所定時間における燃料電池電流ＩFCの増加に対する燃料電池電圧ＶFCの変化率（B）を算出する。そして、ステップ１５０－(2)で、前回の所定時間における燃料電池電流ＩFCの増加に対する燃料電池電圧ＶFCの変化率を、変化率（A）とする。ステップ１６０で、同様に、前回の変化率と今回の変化率との比を求め、その値が所定の割合（閾値）を超えたとき、電流限界値ＩLIMを超えたものとして、ステップＳ１７０で、ステップＳ１５０－(2)の所定時間における燃料電池電流ＩFCの最高値を電流限界値ＩLIMと判定し、図６のフローチャートに戻る。具体的な計算例としては、ステップＳ１４０－(1)で、所定時間における燃料電池電流ＩFCの増加が１００Aであり、燃料電池電圧ＶFCの減少が―５０Vであった場合、変化率（A）は―０．５となる。次に、ステップＳ１５０－(1)で、燃料電池電流ＩFCの増加が１００Aであり、燃料電池電圧ＶFCの減少が―１００Vであった場合、変化率（B）は―１．０となる。ステップ１６０で、変化率（B）/変化率（A）は、２．０となり、所定の値（ｋ）が２．０である場合、ステップＳ１７０の電流限界値ＩLIMへの判定に進む。
　本実施形態では、連続する所定の時間毎の燃料電池電流ＩFCの変化に対する燃料電池電圧ＶFCの変化率を比較することで電流限界値ＩLIMを判定したが、予め変化率の閾値を設定して、所定期間内の変化率が閾値を超えた場合を電流限界値ＩLIMとする方法でもよい。また、電流限界値ＩLIMと燃料電池電圧ＶFCとの関係ではなく、電流限界値ＩLIMと発電電力または回収電力との関係に基づき電流限界値ＩLIMを判定してもよい。この場合、図４中の特性曲線４２で表わされるような変化が見られ、上記と同様の方法で、電流限界値ＩLIMを判定することができる。
　次に、ステップＳ２０の電流限界値ＩLIMを設定するための動作を実現するための回路の一例を示す。例えば、制御部２０４が図８に示す回路及び図９に示す回路を有し、発電動作時には図８に示す回路を選択し、再生動作時には図９に示す回路を選択する構成にすればよい。
　発電動作時に制御部２０が選択することのできる図８に示す回路は、電流限界値ＩLIMに対応する電圧Ｖ*と燃料電池電流ＩFCに対応する電圧とを比較する比較器ＣＯＭ１と、比較器ＣＯＭ１によって制御されるＮＰＮトランジスタＱ１と、比較器ＣＯＭ１の出力端子とＮＰＮトランジスタＱ１のベースとの間に設けられる抵抗Ｒ３と、燃料電池電流ＩFCに対応する電圧を生成するための抵抗Ｒ４とを備えている。比較器ＣＯＭ１はオペアンプであり、電流限界値ＩLIMに対応する電圧Ｖ*と燃料電池電流ＩFCに対応する電圧とが同じになるように制御する。即ち、ＮＰＮトランジスタＱ１のゲートの開閉によって電流を制御し、燃料電池本体１０に、電流限界値ＩLIMを越える燃料電池電流ＩFCが流れないように制御する。ここで、外部負荷３０が要求する電力が、電流限界値ＩLIMを越えない範囲の燃料電池電流ＩFCで充足できる範囲内のときは、その要求されるだけの燃料電池電流ＩFCが燃料電池本体１０から流出し、外部負荷３０に供給される。一方、外部負荷３０が要求する電力が電流限界値ＩLIMを超える燃料電池電流ＩFCを必要とする場合であっても、外部負荷に供給される燃料電池電流ＩFCは比較器ＣＯＭ１の制御によって電流限界値ＩLIMに以下に抑制される。このように、燃料電池電流ＩFCが電流限界値ＩLIMを超えないように制御されるため、燃料電池本体１０でのロスが急激に増えて、不効率な発電が行なわれるのを防ぐことができる。
　図８に示す回路では、電流限界値ＩLIMに対応する電圧Ｖ*を変えることで発電動作時の電流限界値ＩLIMを変更することができる。なお、前述の図７ステップＳ１００では、電圧Ｖ*を過大に（通常、要求される電力を供給するために必要な電流に対応した電圧よりはるかに大きい値に）設定することで、実際にはＮＰＮトランジスタＱ１による燃料電池電流ＩFCの制御が働くことがないようにして、燃料電池電流ＩFCのリミットを解除するとよい。
　再生動作時に制御部２０が選択することができる図９に示す回路は、電流限界値ＩLIMに対応する電圧Ｖ*と燃料電池電流ＩFCに対応する電圧とを比較する比較器ＣＯＭ２と、比較器ＣＯＭ２によって制御されるＰチャネルＭＯＳトランジスタＱ２と、燃料電池電流ＩFCに対応する電圧を生成するために比較器ＣＯＭ２の非反転入力端子とＰチャネルＭＯＳトランジスタＱ２のソースとの間に設けられる抵抗Ｒ５とを備えている。比較器ＣＯＭ２はオペアンプであり、電流限界値ＩLIMに対応する電圧Ｖ*と燃料電池電流ＩFCに対応する電圧とが同じになるように、ＰチャンネルＭＯＳトランジスタによって外部電源３１からの電流を制御する。よって、燃料電池本体１０には、電流限界値ＩLIMを越える電流が流れないように制御される。再生動作時は、発電動作時とは異なり、短時間で再生できるのが望ましいので、外部電源３１からは電流限界値ＩLIMと同じかそれに近い燃料電池電流ＩFCが常に流れるように制御するのが望ましい。図９に示す回路では、電流限界値ＩLIMに対応する電圧Ｖ*を変えることで再生動作時の電流限界値ＩLIMを変更することができる。なお、発電動作時と同様、ステップＳ１００では、電圧Ｖ*を過大に設定することで、実際にはＰチャンネルＭＯＳトランジスタによる燃料電池電流ＩFCの制御が働くことがないようにして、燃料電池電流ＩFCのリミットを解除するとよい。
　以上の説明では、電流限界値ＩLIMを超えないように制御したが、例えば、電流限界値ＩLIMをある程度超えた範囲までの電流が流れるように制御したり、あるいは電流限界値ＩLIMを超えてから一定時間内は電流が流れるようにするなど、ある程度のロスは許容されるように制御してもよく、必ずしも電流限界値ＩLIMが絶対的な制御ラインでなくてもよい。
　尚、図８及び図９の回路は、発電動作時又は再生動作時の電流限界値ＩLIMを判定するまでのステップ（図７のステップＳ１１０で開始される燃料電池電流ＩFCの増大制御）においても選択することができる。このステップにおいては、外部負荷３０は必要ないので、図８において、燃料電池本体１０から流出する燃料電池電流ＩFCはＮＰＮトランジスタＱ１を通り、外部負荷３０を迂回して、抵抗Ｒ４へと流れる（点線部）。そして、電圧Ｖ*を徐々に上げることによって、燃料電池本体１から流出する燃料電池電流ＩFCを増大していき（図７のステップ１１０）、変化する燃料電池電流ＩFCと燃料電池電圧ＶFCを、各々、電流検出部２０２と電圧検出部２０１が検出する（図７のステップＳ１２０）。これらの検出結果に基づき、判定部２０３が電流限界値ＩLIMを判定し（図７のステップＳ１３０からＳ１６０まで）、判定された電流限界値ＩLIMに対応する電圧Ｖ*が設定される。同様に、図９においても、電圧Ｖ*を徐々に上げることによって、外部電源３１から比較器ＣＯＭ２に流入する燃料電池電流ＩFCを上げていき、燃料電池電流ＩFCと燃料電池電圧ＶFCを検出することで、電流限界値ＩLIMを判定する。
　ここで、燃料電池装置と蓄電装置とのハイブリッドシステム（燃料電池システム）を構築し、不足分の電力を蓄電装置から供給されるようにすることで、酸化状態に応じた効率的な発電を行ないつつ、外部負荷３０が要求する電力を充分に供給することができる。例えば、図１０に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池装置１と蓄電装置６０とのハイブリッドシステム（燃料電池システム）を構築し、発電動作時において燃料電池電流ＩFCにリミットがかかったときに、スイッチ部６０１をＯＮ状態にして蓄電池６０２の出力電力も外部負荷３０に供給するにすればよい。この場合、例えば、図８に示す回路において抵抗Ｒ４に並列に可変抵抗を設け、スイッチ部６０１のＯＮ／ＯＦＦ状態に応じて当該可変抵抗の抵抗値を変更するようにすればよい。
　以上、本実施形態においては、電解質膜１０１として固体酸化物電解質を用いて、発電の際に燃料極１０２側で水を発生させるようにした。この構成によれば、水素発生部材１０４が設けられた側で水が発生するため、装置の簡素化や小型化に有利である。一方、電解質膜１０１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、発電の際に空気極１０３側で水が発生されることになるため、この水を水素発生部材１０４に伝搬する流路を設ければよい。
　　　１　本発明の一実施形態に係る燃料電池装置
　　　１０　燃料電池本体
　　　１０１　電解質膜
　　　１０２　燃料極
　　　１０２ａ　供給面
　　　１０３　空気極
　　　１０４　水素発生部材
　　　１０４ａ　放出面
　　　１０５　ヒータ
　　　１０６　温度センサ
　　　１０７　カバー部材
　　　１０８　空気流路
　　　１０９　空気供給口
　　　１１０　空気排出口
　　　１１１　空間部
　　　２０　電流制御部
　　　２０１　電圧検出部
　　　２０２　電流検出部
　　　２０３　判定部
　　　２０４　制御部
　　　３０　外部負荷
　　　３１　外部電源
　　　４１　燃料電池電流－燃料電池電圧特性曲線
　　　４２　燃料電池電流－発電電力または回収電力特性曲線
　　　５１　発電動作時の特性線
　　　５２　再生動作時の特性線
　　　６０　蓄電装置
　　　６０１　スイッチ部
　　　６０２　蓄電池
　　　Ｃ１　容量
　　　ＣＯＭ１　比較器
　　　ＩFC　燃料電池電流
　　　Ｐ１　変曲点
　　　Ｑ１　ＮＰＮトランジスタ
　　　Ｑ２　ＰチャネルＭＯＳトランジスタ
　　　Ｒ１～Ｒ５　抵抗
　　　Ｔ１　空気極側端子
　　　Ｔ２　燃料極側端子
　　　ＶＲ１　可変抵抗
　　　ＶA　印加電圧
　　　ＶFC　燃料電池電圧

Claims (12)

  1. 　燃料電池本体と、電流制御部とを備えた燃料電池装置であって、
    　前記燃料電池本体は、燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極との間に狭持される電解質と、水との酸化反応により水素を発生する水素発生部材とを有し、
    　前記電流制御部は、発電動作時に前記燃料電池本体の電圧と前記燃料電池本体から出力される電流とに基づいて前記水素発生部材の酸化状態に応じた電流制御値を求め、求められた電流制御値に応じて前記燃料電池本体から出力される電流を制御することを特徴とする燃料電池装置。
  2. 　前記電流制御部は、前記水素発生部材を還元する再生動作時に前記燃料電池本体の電圧と前記燃料電池本体に流れ込む電流とに基づいて前記水素発生部材の酸化状態に応じた電流制御値を求め、求められた電流制御値に応じて前記燃料電池本体に流れ込む電流を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
  3. 　前記電流制御部は、前記電流制御値に応じて前記電流にリミットをかけることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池装置。
  4. 　前記水素発生部材の酸化状態に応じた電流制御値を求める前に前記リミットを解除することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
  5. 　発電動作と再生動作の切り替え時に前記リミットを解除することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
  6. 　請求項３に記載の前記燃料電池装置と、前記燃料電池装置に電力を供給する蓄電装置とを備えた燃料電池システム。
  7. 前記燃料電池装置は、外部負荷に対して電力を供給することを特徴とし、前記蓄電装置は、前記燃料電池装置において前記リミットがかかることによって、前記燃料電池装置が前記外部負荷から要求される電力を十分に供給できない場合に、不足分の電力を前記外部負荷に対して供給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。
  8. 　前記燃料電池本体は、前記燃料極、前記酸化剤極、前記電解質及び前記水素発生部材を内蔵するカバー部材を備えることを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の燃料電池装置又は燃料電池システム。
  9. 　前記電解質が固体酸化物電解質であって、発電の際に前記燃料極側で水が生成されることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池装置又は燃料電池システム。
  10. 　前記水素発生部材の水素を発生する放出面と前記燃料極の水素が供給される供給面とが互いに対向して平行に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池装置又は燃料電池システム。
  11. 　前記水素発生部材に鉄が含まれていることを特徴とする請求項１から１０の何れか一項に記載の燃料電池装置又は燃料電池システム。
  12. 　前記水素発生部材を加熱するためのヒータをさらに備えたことを特徴とする請求項１から１１の何れか一項に記載の燃料電池装置又は燃料電池システム。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013164983A (ja) * 2012-02-10 2013-08-22 Konica Minolta Inc ２次電池型燃料電池システム
JP2014053133A (ja) * 2012-09-06 2014-03-20 Konica Minolta Inc 燃料電池システム
WO2014045894A1 (ja) * 2012-09-19 2014-03-27 コニカミノルタ株式会社 燃料電池システム
WO2014157319A1 (ja) * 2013-03-27 2014-10-02 コニカミノルタ株式会社 ２次電池型燃料電池システム
JPWO2013150946A1 (ja) * 2012-04-03 2015-12-17 コニカミノルタ株式会社 燃料電池システム

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6505475B1 (en) 1999-08-20 2003-01-14 Hudson Technologies Inc. Method and apparatus for measuring and improving efficiency in refrigeration systems
KR101867917B1 (ko) * 2016-04-12 2018-06-15 현대자동차주식회사 연료전지 스택의 전류를 제어하는 방법 및 이를 적용한 연료전지 시스템
DK4030115T3 (da) 2019-09-09 2023-11-27 Mitsubishi Electric Corp Udendørsenhed og kølekredsløbsindretning

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05290872A (ja) * 1992-04-15 1993-11-05 Sumitomo Electric Ind Ltd 電解液流通型電池の運転方法
JP2006129588A (ja) * 2004-10-28 2006-05-18 Sanyo Electric Co Ltd 二次電池の電力制御方法及び電源装置
JP2006216326A (ja) * 2005-02-02 2006-08-17 Mitsubishi Electric Corp 燃料電池装置
JP2006273609A (ja) * 2005-03-28 2006-10-12 Hitachi Maxell Ltd 水素発生装置およびそれを用いた燃料電池
JP2007095588A (ja) * 2005-09-30 2007-04-12 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池制御装置
JP2009099491A (ja) * 2007-10-19 2009-05-07 Sharp Corp 燃料電池システムおよび電子機器
JP2010003456A (ja) * 2008-06-18 2010-01-07 Aquafairy Kk 燃料電池

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5146898B2 (ja) * 2005-08-10 2013-02-20 トヨタ自動車株式会社 燃料電池電源制御装置、燃料電池システム及び燃料電池電源制御方法
JP5131805B2 (ja) * 2006-06-19 2013-01-30 日立マクセルエナジー株式会社 燃料電池システム

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05290872A (ja) * 1992-04-15 1993-11-05 Sumitomo Electric Ind Ltd 電解液流通型電池の運転方法
JP2006129588A (ja) * 2004-10-28 2006-05-18 Sanyo Electric Co Ltd 二次電池の電力制御方法及び電源装置
JP2006216326A (ja) * 2005-02-02 2006-08-17 Mitsubishi Electric Corp 燃料電池装置
JP2006273609A (ja) * 2005-03-28 2006-10-12 Hitachi Maxell Ltd 水素発生装置およびそれを用いた燃料電池
JP2007095588A (ja) * 2005-09-30 2007-04-12 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池制御装置
JP2009099491A (ja) * 2007-10-19 2009-05-07 Sharp Corp 燃料電池システムおよび電子機器
JP2010003456A (ja) * 2008-06-18 2010-01-07 Aquafairy Kk 燃料電池

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013164983A (ja) * 2012-02-10 2013-08-22 Konica Minolta Inc ２次電池型燃料電池システム
JPWO2013150946A1 (ja) * 2012-04-03 2015-12-17 コニカミノルタ株式会社 燃料電池システム
JP2014053133A (ja) * 2012-09-06 2014-03-20 Konica Minolta Inc 燃料電池システム
WO2014045894A1 (ja) * 2012-09-19 2014-03-27 コニカミノルタ株式会社 燃料電池システム
JP5578294B1 (ja) * 2012-09-19 2014-08-27 コニカミノルタ株式会社 燃料電池システム
WO2014157319A1 (ja) * 2013-03-27 2014-10-02 コニカミノルタ株式会社 ２次電池型燃料電池システム

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