WO2012026219A1 - ２次電池型燃料電池システム - Google Patents

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雅之 上山
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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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Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery type fuel cell system capable of performing not only a power generation operation but also a charging operation.
  • Fuel cells take out power when water is generated from hydrogen and oxygen. In principle, the efficiency of power energy that can be taken out is high, which not only saves energy but also produces only water. Therefore, it is an environmentally friendly power generation method and is expected as a trump card for solving global energy and environmental problems.
  • Fuel cells can be used in various forms, one of which is mounted on an electric vehicle (EV) and used as a power source for the EV.
  • EV electric vehicle
  • the fuel cell since the EV is a mobile body, it is necessary to make the fuel cell not a type to which fuel is supplied from the outside, but a type to which a renewable hydrogen generator is attached (secondary battery type). is there.
  • renewable hydrogen generators examples include hydrogen generators that generate hydrogen by an oxidation reaction with water and that can be regenerated by a reduction reaction with hydrogen.
  • An example of a hydrogen generator that generates hydrogen by an oxidation reaction with water and can be regenerated by a reduction reaction with hydrogen is one in which the base material (main component) is iron.
  • the target of the continuous mileage that EV can travel with one charge is set to 500 km, which is equivalent to that of a general gasoline vehicle
  • the base material (main component) ) Is iron, 100 kg is required in terms of iron oxide, and a large amount of energy is required to heat it to about 80 ° C. or higher or about 300 ° C. or higher. For this reason, the energy saving characteristic of the fuel cell is impaired.
  • the time required for heating becomes long, it takes time to start.
  • Both the fuel cell disclosed in Patent Document 1 and the fuel cell disclosed in Patent Document 2 sequentially use a plurality of hydrogen storage alloy tanks, but hydrogen is output from the tanks. It does not function as a secondary battery.
  • an object of the present invention is to provide a secondary battery type fuel cell system with high energy efficiency.
  • a secondary battery type fuel cell system includes a hydrogen generation unit that generates hydrogen by an oxidation reaction with water and can be regenerated by a reduction reaction with hydrogen.
  • a power generation / electrolysis unit having a power generation function for generating electricity using hydrogen supplied as fuel and an electrolysis function for electrolyzing water for generating hydrogen to be supplied to the hydrogen generation unit, the hydrogen generation
  • a secondary battery type fuel cell system in which a gas containing hydrogen and water vapor is circulated between a power generation unit and the power generation / electrolysis unit, wherein the hydrogen generation unit includes a plurality of hydrogen generators, It is set as the structure provided with the temperature control part which can carry out temperature control of each generator separately.
  • an energy efficient secondary battery type fuel cell system can be realized.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the operation of the secondary battery type fuel cell system according to the present invention by simplifying FIG. 7.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the operation of the secondary battery type fuel cell system according to the present invention by simplifying FIG. 7.
  • FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a secondary battery type fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
  • 2 battery fuel cell system according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 1 is a hydrogen generator 1 the microparticles compressed body is stored in the iron comprises five.
  • the secondary battery type fuel cell system according to one embodiment of the present invention shown in FIG. 1 individually detects a plurality of heaters 2 that individually heat each hydrogen generator 1 and the temperature of each hydrogen generator 1.
  • a remaining amount sensor 4 for individually detecting the remaining amount of unoxidized iron oxide or iron oxide in each hydrogen generator 1.
  • the remaining amount sensor 4 uses, for example, a sensor that detects the remaining amount of unoxidized iron or iron oxide in the hydrogen generator 1 from the change in the weight of the hydrogen generator 1 by utilizing the weight difference between unoxidized iron and iron oxide. be able to.
  • the secondary battery type fuel cell system according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 1 also includes a solid oxide fuel cell (SOFC) 5 that is one of fuel cells that generate water using hydrogen as fuel and generate water. ing.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • Each hydrogen generator 1 is connected in parallel to the SOFC 5 by a gas circulation path through which gas can be circulated.
  • a solid oxide fuel cell (SOFC) is used as the fuel cell, but other fuel cells such as a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) may be used.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • PEFC polymer electrolyte fuel cell
  • a circulator 6 is provided in the circulation path.
  • the circulator 6 is a blower or a pump, and forcibly circulates the gas in the circulation path in a desired direction.
  • a flow rate controller 7 for individually controlling the gas flow rate to each hydrogen generator 1 is provided in the circulation path on both sides of each hydrogen generator 1. Under the control of the flow rate controller 7, on / off switching of gas inflow / outflow and adjustment of the gas flow rate are performed. The flow rate controller 7 on the downstream side of each hydrogen generator 1 in the circulation path may be omitted.
  • the controller 8 controls the entire system. Based on each temperature information output from each temperature sensor 3 and each remaining amount information output from each remaining amount sensor 4, the heater 2, the circulator 6, The flow rate controller 7 is individually controlled, the reaction conditions such as the heating temperature and gas flow rate of each hydrogen generator 1 are set, hydrogen is supplied to the SOFC 5 to cause the SOFC 5 to perform a power generation operation, and the motor 9 as a load is turned on. Drive.
  • controller 8 operates the SOFC 5 as an electrolyzer when regenerative power of the motor 9 is generated or when power from an external power source (not shown) is supplied to the external power input terminal 10 (that is, during charging). Then, the hydrogen generator 1 is regenerated to charge the system.
  • the lithium ion secondary battery 11 connected to the controller 8 supplies electric power for operating the heater 2 and the like at the start-up, and the external power source (not shown) is supplied to the power generation or external power input terminal 10 of the SOFC 5. It can be recharged by supplying power from.
  • the SOFC 5 has a three-layer structure in which a solid electrolyte 12 that transmits O 2 ⁇ is sandwiched and an oxidant electrode 13 and a fuel electrode 14 are formed on both sides.
  • the following reaction (1) occurs at the fuel electrode 14 during the power generation operation.
  • Electrons generated by the reaction of the above formula (1) pass through the motor 9 as a load and reach the oxidant electrode 13, and the reaction of the following formula (2) occurs at the oxidant electrode 13. 1 / 2O 2 + 2e ⁇ ⁇ O 2 ⁇ (2)
  • the oxygen ions generated by the reaction of the above formula (2) pass through the solid electrolyte 12 and reach the fuel electrode 14.
  • the SOFC 5 performs a power generation operation.
  • H 2 is H 2 O is consumed it will be produced in the fuel electrode 14 side.
  • gas hydrogen gas, water vapor
  • iron (Fe) is the energy higher than that of iron oxide (Fe 3 O 4)
  • the reaction iron (Fe) is changed to iron oxide (Fe 3 O 4) (oxidation) is an exothermic reaction which releases heat to the outside
  • the reaction (reduction reaction) in which iron oxide (Fe 3 O 4 ) changes to iron (Fe) becomes an endothermic reaction.
  • the molecule needs to have an energy higher than the activation energy Ea, but as can be seen from FIG. 3, the activation energy Ea (Fe ⁇ Fe 3 O 4 ) of the oxidation reaction
  • the activation energy Ea (Fe 3 O 4 ⁇ Fe) of the reverse reduction reaction is larger. That is, the iron oxide reduction reaction is less likely to react than the iron oxidation reaction.
  • the reaction rate constant k indicating the ease of reaction can be expressed by the following equation (4) using the gas constant R, the absolute temperature T, the frequency factor A, and the activation energy Ea.
  • the reaction rate is given by the product of the reaction rate constant k and the concentration.
  • the activation energy Ea can be lowered.
  • k Aexp ( ⁇ Ea / RT) (4)
  • the reaction rate k increases exponentially.
  • the iron oxidation reaction has a higher activation energy of about 80 ° C. or higher in the iron oxidation reaction. It is necessary to bring the temperature to about 300 ° C. or higher in the reduction reaction.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the steam partial pressure ratio in the hydrogen generator 1.
  • a mixed gas of hydrogen gas and water vapor exists in the hydrogen generator 1 in a state where iron (Fe) and iron oxide (Fe 3 O 4 ) are mixed in the hydrogen generator 1
  • the reaction rate of the oxidation reaction of iron Is stable in an equilibrium state in which the reaction rate of the reduction reaction of iron oxide coincides.
  • the curve shown in FIG. 4 shows this equilibrium state.
  • the water vapor partial pressure ratio in the equilibrium state increases as the temperature increases.
  • the water vapor partial pressure ratio in an equilibrium state is 4% ( ⁇ 10%).
  • the oxidation reaction becomes dominant and finally becomes stable at a water vapor partial pressure ratio of 4%.
  • the water vapor partial pressure ratio in the equilibrium state is 10% (> 4%).
  • the reduction reaction of the produced iron oxide becomes dominant and finally stabilizes at a water vapor partial pressure ratio of 10%.
  • the hydrogen generator 1 the oxidation or reduction reaction of iron proceeds so that an equilibrium state is maintained.
  • a lithium ion secondary battery is used as a power source for EVs, but due to various restrictions due to the characteristics of the lithium ion secondary battery, a short traveling distance in one charge is a problem.
  • the amount of iron that secures the hydrogen generation amount sufficient to achieve the target of the EV continuous mileage is reduced to five hydrogen generations. The above-mentioned problem can be solved by taking over the entire device 1.
  • FIG. 5A is a diagram for explaining the operation of the secondary battery type fuel cell system according to an embodiment of the present invention by simplifying FIG.
  • the five hydrogen generators 1 as a whole contain about 100 kg of iron in terms of iron oxide. This amount of iron is an amount necessary to secure the total amount of hydrogen generation corresponding to the amount of electric power, assuming that the energy required for continuous running with an EV of 500 km is 50 kWh.
  • Each of the hydrogen generators 1 has an iron amount that secures a hydrogen generation amount per unit time necessary for power generation of the maximum instantaneous power necessary for EV (which varies depending on the EV specification, but about 50 kW as an example here). Have. Depending on the reaction rate, if the maximum instantaneous power required for EV is about 50 kW, if there is about 10 kg of iron in terms of iron oxide, the unit time required for power generation of the maximum instantaneous power required for EV The amount of hydrogen generated per hit can be secured. In this embodiment, since five hydrogen generators 1 are provided, each hydrogen generator 1 accommodates about 20 kg of iron in terms of iron oxide.
  • the controller 8 causes one hydrogen generator 1 to be heated to 80 ° C. or higher (for example, power generation by the heater 2 corresponding to the hydrogen generator). Then, the flow rate controller 7 corresponding to the hydrogen generator is opened, and the circulator 6 is activated to circulate the gas.
  • the SOFC 5 generates power while consuming hydrogen gas in the circulation path and generating water vapor.
  • the water vapor partial pressure ratio is higher than the equilibrium curve shown in FIG. 4, the iron oxidation reaction becomes dominant, and the water vapor is replaced with hydrogen gas in the one hydrogen generator 1. Power generation is continued in a cycle in which this hydrogen gas is consumed again by the SOFC 5 and steam is generated.
  • the remaining four hydrogen generators 1 are at room temperature and do not circulate water vapor or hydrogen gas.
  • the controller 8 causes the one hydrogen generator 1 to be regenerated to be heated to 300 ° C. or higher (for example, charged by the heater 2 corresponding to the hydrogen generator). Then, the flow rate controller 7 corresponding to the hydrogen generator is opened and the circulator 6 is activated to circulate the gas. Further, the SOFC 5 is operated as an electrolyzer. In this case, the SOFC 5 consumes water vapor in the circulation path and generates hydrogen gas.
  • the water vapor partial pressure ratio is lower than the equilibrium curve shown in FIG. 4, the reduction reaction of iron oxide becomes dominant, and hydrogen gas is replaced with water vapor in one hydrogen generator 1 to be regenerated.
  • the heating hydrogen generator is each remaining amount of unoxidized iron (Fe) or iron oxide (Fe 3 O 4) may hopefully sequentially switches to another hydrogen generator 1 greater than a predetermined amount.
  • the remaining amount may be detected for each of the hydrogen generators 1, and when any of the hydrogen generators 1 is fully charged, if it is memorized, the hydrogen generator 1 is renewed. It is not necessary to detect the remaining amount.
  • the hydrogen generators 1 that are larger than the predetermined amount, which hydrogen generator 1 is switched to may be switched to the hydrogen generator 1 that is arranged closest to the hydrogen generator 1, or unoxidized iron (Fe) or iron oxide ( Fe 3 O 4 remaining amount of) may be switched to the most frequently hydrogen generator 1. If the hydrogen generator 1 is arranged nearby, it is warmed to some extent by the heat released from the heated hydrogen generator 1 to the outside, so that energy for heating can be saved.
  • the predetermined amount may be the same value during power generation and during charging or may be a different value.
  • the target continuous running distance (maximum 500 km) is achieved without charging with a total amount of iron of 100 kg. You can travel.
  • the remaining amount of iron oxide Fe 3 O 4
  • the hydrogen generator 1 to be heated is sequentially switched, the fuel that can travel up to 500 km can be regenerated.
  • charging may be performed at an appropriate time during traveling.
  • each hydrogen generator 1 can be controlled by pressurizing with the circulator 6. By increasing the pressure in the hydrogen generator 1, the reaction rate of the iron oxidation reaction or the iron oxide reduction reaction can be increased.
  • each hydrogen generator 1 has an iron amount that can secure a hydrogen generation amount per unit time necessary for power generation of the maximum instantaneous power necessary for EV. Does not always require the maximum power of the instantaneous power, so the amount of iron in each hydrogen generator 1 is ensured by the amount of hydrogen generated per unit time necessary for the power generation of the maximum instantaneous power required for EV.
  • the number of hydrogen generators to be heated at the same time may be adjusted according to the operating condition of the EV.
  • each of the plurality of hydrogen generators 1 includes a fuel cell (for example, a SOFC dedicated to power generation) and water. You may make it the structure connected in parallel on a gas circulation path
  • the base material (main component) of the hydrogen generator 1 is not limited to iron, but may be any material that can be oxidized with water and reduced with hydrogen (for example, a magnesium alloy).
  • a fuel cell is used for power generation
  • the water electrolyzer is not necessarily a fuel cell, and any device that can electrolyze water can be used.
  • the hydrogen generator 1 to be heated when the EV is running with the hydrogen generator 1 to be heated at about 80 to 100 ° C. during the power generation operation as described above, the secondary battery type fuel cell system is charged using regenerative power.
  • the hydrogen generator 1 to be heated When the necessity arises, the hydrogen generator 1 to be heated must be further heated to 300 ° C. or more, and a single hydrogen generator 1 may contain a relatively large amount of iron. The temperature of the hydrogen generator 1 to be heated cannot follow the sudden change in generation / extinction.
  • the reaction rate of the reduction reaction of iron oxide (Fe 3 O 4 ) is sufficiently high, for example, if the temperature of the hydrogen generator 1 to be heated is maintained at 300 ° C. or higher, iron oxide (Fe 3 O 4).
  • the oxidation reaction of iron (Fe) can be performed at a sufficient reaction rate.
  • the temperature is fixed at 300 ° C.
  • the oxidation reaction of iron (Fe) proceeds when the steam partial pressure ratio in the circulation path becomes 4% or more due to the power generation operation of SOFC5, and the circulation path is caused by the electrolysis operation of SOFC5 using regenerative power. If the water vapor partial pressure ratio falls below 4%, the reduction reaction of iron oxide (Fe 3 O 4 ) proceeds (see FIG.
  • an operation mode for maintaining the temperature of the hydrogen generator 1 to be heated at 300 ° C. or higher is provided and when necessary (for example, when traveling on a mountain road) It is preferable that the acceleration / deceleration operation mode can be manually or automatically selected by the vehicle driver.
  • the temperature is set to a high temperature only when necessary, it is not always necessary to supply energy for setting the high temperature, and since an oxidation reaction of iron (Fe), that is, an exothermic reaction occurs during power generation, one hydrogen generator When power generation and charging are performed at 1, the heating by the heater 2 can maintain a high temperature without much.
  • Fe iron
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the power regeneration compatible operation of the secondary battery type fuel cell system according to the embodiment of the present invention by simplifying FIG.
  • power generation / charging is not performed by one hydrogen generator 1, but a plurality of hydrogen generators 1 are used and one of them can be oxidized by iron (Fe) as described below.
  • the temperature and the other are set to a temperature at which iron oxide (Fe 3 O 4 ) can be reduced, and control is performed to select the hydrogen generator 1 that circulates the mixed gas mainly during power generation and charging. May be.
  • the controller 8 controls the heater 2 of the hydrogen generator 1 so that the right hydrogen generator 1a has a temperature at which iron (Fe) can be oxidized (eg, 80 to 100 ° C. or more). And the hydrogen generator 1b on the left side is maintained at a temperature (for example, 300 ° C.) at which iron oxide (Fe 3 O 4 ) can be reduced.
  • the controller 8 focuses on the hydrogen generator 1a on the right side when the water vapor partial pressure ratio in the circulation path becomes higher than a predetermined value by the power generation operation, and on the hydrogen generator 1b on the left side if it becomes lower than the predetermined value by the charging operation.
  • the flow rate controller 7 is controlled so that the mixed gas rotates.
  • the water vapor partial pressure ratio may be detected by providing a water vapor sensor (for example, an aluminum oxide sensor that detects a change in water vapor pressure as a change in impedance), but a method of monitoring the current of the SOFC 5 and estimating it from the integrated value. May be implemented.
  • a water vapor sensor for example, an aluminum oxide sensor that detects a change in water vapor pressure as a change in impedance
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the operation of the secondary battery type fuel cell system according to the present invention by simplifying FIG.
  • the remaining amount sensor 4 detects that the amount of unoxidized iron (Fe) in the right hydrogen generator 1a is less than a predetermined amount during power generation
  • the right hydrogen generator 1a immediately turns into the left hydrogen generator.
  • the hydrogen generator 1a and the hydrogen generator 1b may be connected in series as shown in FIG. Thereby, the gas whose temperature has been raised by the exothermic reaction of the hydrogen generator 1a can be supplied to the hydrogen generator 1b and heat can be transferred to the hydrogen generator 1b, so that the heating energy by the heater 2 can be reduced. Can do.
  • the controller 8 controls the switching valve 15 again to connect the hydrogen generator 1a and the hydrogen generator 1b in parallel.
  • the flow rate controller 7 may be controlled so that the gas flows only into the hydrogen generator 1b.
  • FIG. 9 is also a diagram for explaining the operation of the secondary battery type fuel cell system according to the present invention by simplifying FIG.
  • two hydrogen generators 1 are temporarily connected in series when switching from one to the other.
  • two hydrogen generators 1 having different set temperatures are connected in series. Continue power generation or charging.
  • the right hydrogen generator 1a is set to a temperature at which an oxidation reaction can be performed (for example, 80 to 100 ° C. or more), the left hydrogen generator 1b is set to a temperature at which a reduction reaction can be performed (for example, 300 ° C.).
  • the disassembly operation is performed.
  • the SOFC 5 is electrolyzed, that is, charged, to reduce the iron oxide in the left hydrogen generator 1b, the steam partial pressure ratio must be well below 4% at 300 ° C. (See FIG. 4).
  • the electrolysis in the SOFC 5 is not sufficiently performed or the efficiency is low, the mixed gas flows into the hydrogen generator 1b on the left side without sufficiently decreasing the steam partial pressure ratio.
  • the entire hydrogen generator 1a on the right side and the hydrogen generator 1b on the left side perform the reduction of iron oxide corresponding to the water vapor consumed by the electrolysis in the SOFC 5, so that the electricity in the SOFC 5
  • the power generation efficiency can be similarly increased by connecting the hydrogen generator 1 at a temperature capable of a reduction reaction in series between the SOFC 5 and the hydrogen generator 1 at a temperature capable of an oxidation reaction. .

Abstract

　２次電池型燃料電池システムは、水との酸化反応により水素を発生し、水素との還元反応により再生可能な水素発生部と、発電機能及び水の電気分解機能を有する発電・電気分解部とを備え、前記水素発生部と前記発電・電気分解部との間で水素及び水蒸気を含むガスを循環させる２次電池型燃料電池システムであって、前記水素発生部が複数の水素発生器１によって構成され、複数の水素発生器１それぞれを個別に温度制御することができる温度制御部を備える。

Description

２次電池型燃料電池システム
　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、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の効率が高いため、省エネルギになるだけでなく、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や環境問題解決の切り札として期待されている。
　燃料電池の利用形態は様々であるが、その一つに電気自動車ＥＶ（electric　vehicle）に搭載され、ＥＶの動力源として利用される形態がある。このような利用形態では、ＥＶが移動体であるため、燃料電池を、外部から燃料が供給されるタイプではなく、再生可能な水素発生器を附属するタイプ（２次電池型）にする必要がある。
　再生可能な水素発生器としては、水との酸化反応により水素を発生し水素との還元反応により再生可能な水素発生器が挙げられる。そして、水との酸化反応により水素を発生し水素との還元反応により再生可能な水素発生器としては例えば基材料（主成分）が鉄であるものが挙げられる。
特開２００１－２９５９９６号公報 特開２００７―２６６８３号公報
　基材料（主成分）が鉄である水素発生器に水を加えて水素を発生させるときの化学反応すなわち鉄の酸化反応が起こるためには、触媒を利用しても約８０℃以上の加熱が必要である。また、基材料（主成分）が鉄（水素発生に伴って酸化鉄に変化）である水素発生器に水素を加えて再生するときの化学反応すなわち酸化鉄の還元反応が起こるためには、触媒を利用しても約３００℃以上の加熱が必要である。
　一方、ＥＶが１回の充電で走行できる連続走行距離の目標を一般のガソリン車と同等の５００ｋｍとした場合、その目標を達成できるだけの水素発生量を確保するためには、基材料（主成分）が鉄である水素発生器は、酸化鉄換算で１００ｋｇ必要であり、これを約８０℃以上や約３００℃以上に加熱するには大きなエネルギが必要となる。このため、燃料電池の省エネルギ特性が減損してしまう。また、加熱に要する時間が長くなることになるため、起動にも時間がかかる。
　なお、特許文献１で開示されている燃料電池、特許文献２で開示されている燃料電池のいずれも、複数の水素吸蔵合金タンクを順次使用するものであるが、当該タンクからは水素が出力されるだけであり、２次電池として機能するものではない。
　本発明は、上記の状況に鑑み、エネルギ効率の高い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、水との酸化反応により水素を発生し、水素との還元反応により再生可能な水素発生部と、前記水素発生部から供給される水素を燃料にして発電を行う発電機能及び前記水素発生部に供給する水素を生成するための水の電気分解を行う電気分解機能を有する発電・電気分解部とを備え、前記水素発生部と前記発電・電気分解部との間で水素及び水蒸気を含むガスを循環させる２次電池型燃料電池システムであって、前記水素発生部が複数の水素発生器によって構成され、前記複数の水素発生器それぞれを個別に温度制御することができる温度制御部を備える構成としている。
　本発明によると、エネルギ効率の高い２次電池型燃料電池システムを実現することができる。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の概略構成を示す模式図である。 鉄と酸化鉄とのエネルギの関係を示す図である。 水素発生器内の水蒸気分圧比について説明する図である。 図１を簡略化して本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの動作を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの変形例を示す模式図である。 図１を簡略化して本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの電力回生対応動作を説明する図である。 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に直列循環経路と切り替えバルブを追加した構成を示す図である。 図７を簡略化して本発明に係る２次電池型燃料電池システムの動作を説明する図である。 図７を簡略化して本発明に係る２次電池型燃料電池システムの動作を説明する図である。
　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。
＜２次電池型燃料電池システムの構成＞
　図１は、本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの全体構成を示す図である。図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、鉄の微粒子圧縮体が収容された水素発生器１を５つ備えている。さらに、図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、各水素発生器１を個別に加熱する複数のヒーター２と、各水素発生器１の温度を個別に検出する複数の温度センサ３と、各水素発生器１の未酸化鉄または酸化鉄の残量を個別に検出する残量センサ４とを備えている。残量センサ４は、例えば、未酸化鉄と酸化鉄の重量差を利用して、水素発生器１の重量変化から水素発生器１の未酸化鉄または酸化鉄の残量を検出するものを用いることができる。
　図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、水素を燃料として発電し水を発生する燃料電池の一つである固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）５も備えている。各水素発生器１はそれぞれ、ガスを循環できるガス循環経路によってＳＯＦＣ５に並列に接続されている。尚、本実施形態では、燃料電池として固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いたが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）など、他の燃料電池であってもよい。
　上記循環経路には循環器６が設けられている。循環器６は、ブロア又はポンプであって、上記循環経路内のガスを所望の方向へ強制循環させる。また、各水素発生器１の両側の上記循環経路には、各水素発生器１へのガス流量を個別に制御する流量制御器７が設けられている。流量制御器７の制御によって、ガスの流出入のオン・オフの切り替えと、ガスの流量の調整が行なわれる。尚、上記循環経路にある各水素発生器１の下流側の流量制御器７は省略してもよい。
　コントローラ８は、システム全体の制御を行うものであり、各温度センサ３から出力される各温度情報及び各残量センサ４から出力される各残量情報を元に、ヒーター２、循環器６、流量制御器７を個別に制御し、各水素発生器１の加熱温度、ガス流量などの反応条件を設定し、ＳＯＦＣ５に水素を供給してＳＯＦＣ５に発電動作を行わせ、負荷であるモータ９を駆動させる。
　また、コントローラ８は、モータ９の回生電力が発生した場合や外部電源入力端子１０に外部電源（不図示）からの電力が供給された場合（すなわち充電時）に、ＳＯＦＣ５を電気分解器として作動させ、水素発生器１の再生を行ってシステムの充電を行う。
　コントローラ８に接続されているリチウムイオン２次電池１１は、起動時にヒーター２等を動作させるための電力を供給するものであって、ＳＯＦＣ５の発電又は外部電源入力端子１０に外部電源（不図示）から電力が供給されることにより再充電可能である。
＜ＳＯＦＣの構成及び動作＞
　ＳＯＦＣ５は、図２に示す通り、Ｏ２－を透過する固体電解質１２を挟み、両側にそれぞれ酸化剤極１３と燃料極１４が形成されている３層構造をなしている。ＳＯＦＣ５では、発電動作時に、燃料極１４において下記の（１）式の反応が起こる。
　　Ｈ２＋Ｏ２－→Ｈ２Ｏ＋２ｅ－　…（１）
　上記の（１）式の反応によって生成された電子は、負荷であるモータ９を通って、酸化剤極１３に到達し、酸化剤極１３において下記の（２）式の反応が起こる。
　　１／２Ｏ２＋２ｅ－→Ｏ２－　…（２）
　そして、上記の（２）式の反応によって生成された酸素イオンは、固体電解質１２を通って、燃料極１４に到達する。上記の一連の反応を繰り返すことにより、ＳＯＦＣ５が発電動作を行うことになる。また、上記の（１）式から分かるように、発電動作時には、燃料極１４側においてＨ２が消費されＨ２Ｏが生成されることになる。
　一方、ＳＯＦＣ５では、電気分解器として作動する場合、上記の（１）式及び（２）式の逆反応が起こり、燃料極１４側においてＨ２Ｏが消費されＨ２が生成される。
　上記のように燃料極１４側で消費されたり生成されたりするガス（水素ガス、水蒸気）が、ＳＯＦＣ５の燃料極１４側と水素発生器１との間を循環する。
＜水素発生器での反応＞
　水素発生器１は、鉄の微粒子圧縮体を収容しているので、下記の（３）式に示す酸化反応により、水素を発生することができる。
　　３Ｆｅ＋４Ｈ２Ｏ→Ｆｅ３Ｏ４＋４Ｈ２　…（３）
　上記の（３）式に示す鉄の酸化反応が進むと、鉄から酸化鉄への変化が進んで鉄残量が減っていくが、上記の（３）式の逆反応（還元反応）により、水素発生器１を再生することができ、システムを充電することができる。
　ここで、鉄（Ｆｅ）と酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）とのエネルギの関係を図３に示す。鉄（Ｆｅ）は酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）よりもエネルギが高いので、鉄（Ｆｅ）が酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）に変化する反応（酸化反応）は外部に熱を放出する発熱反応になり、酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）が鉄（Ｆｅ）に変化する反応（還元反応）は吸熱反応になる。
　また、反応が起こるには分子が活性化エネルギＥａ以上のエネルギを持つことが必要であるが、図３から分かるように、酸化反応の活性化エネルギＥａ（Ｆｅ→Ｆｅ３Ｏ４）よりも、逆の還元反応の活性化エネルギＥａ（Ｆｅ３Ｏ４→Ｆｅ）の方が大きい。すなわち、鉄の酸化反応よりも酸化鉄の還元反応の方が反応しにくい。
　反応しやすさを示す反応速度定数ｋは、気体定数Ｒ、絶対温度Ｔ、頻度因子Ａ、及び活性化エネルギＥａを用いた下記の（４）式で表すことができる。そして、反応速度定数ｋと濃度との積で反応速度が与えられる。尚、周知の通り触媒を用いると、活性化エネルギＥａを下げることができる。
　　ｋ＝Ａexp（－Ｅａ／ＲＴ）　…（４）
　上記の（４）式から分かるように、温度を上げると、指数関数的に反応速度ｋが上がることになる。実際上、水蒸気による鉄の酸化反応、水素ガスによる酸化鉄の還元反応が起きるためには、現在得られている触媒では、鉄の酸化反応で約８０℃以上、活性化エネルギがより大きい酸化鉄の還元反応で約３００℃以上の温度にすることが必要とされている。
＜水素発生器内の水蒸気分圧比＞
　図４は、水素発生器１内の水蒸気分圧比について説明する図である。水素発生器１内に鉄（Ｆｅ）と酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）が混在する状態で、水素発生器１内に水素ガスと水蒸気の混合気体が存在するとき、鉄の酸化反応の反応速度と酸化鉄の還元反応の反応速度とが一致する平衡状態で安定する。図４に示す曲線はこの平衡状態を示している。この図が示すとおり、平衡状態における水蒸気分圧比は、高温になるほど高くなる。例えば、３００℃の温度条件下で水蒸気分圧比１０％の混合ガスを水素発生器１に投入すると、平衡状態での水蒸気分圧比は４％（＜１０％）であるので、水蒸気を消費する鉄の酸化反応が優勢になり、最終的に水蒸気分圧比４％で安定する。これに対して、４００℃の温度条件下で水蒸気分圧比４％の混合ガスを水素発生器１に投入すると、平衡状態での水蒸気分圧比は１０％（＞４％）であるので、水蒸気を生成する酸化鉄の還元反応が優勢になり、最終的に水蒸気分圧比１０％で安定する。このように、水素発生器１内では、平衡状態が保たれるよう、鉄の酸化反応または還元反応が進む。発電時にはＳＯＦＣ５で水素が消費され水蒸気が生成されるので、水蒸気分圧比の高い混合ガスが水素発生器１に流入する。水素発生器１内の混合ガスの水蒸気分圧比が平衡状態より高くなれば、水蒸気を消費する鉄の酸化反応が進み、その結果、水蒸気分圧比が下がり、平衡状態に近づく。一方、充電時には、ＳＯＦＣ５で水蒸気の電気分解が行なわれ水素が発生するので、水蒸気分圧比の低い混合ガスが水素発生器１に流入する。水素発生器１内の混合ガスの水蒸気分圧比が平衡状態よりも低くなると、水蒸気を生成する鉄の還元反応が促進され、その結果、水蒸気分圧比が上がり、平衡状態に近づく。このように化学平衡のずれによって、発電動作又は充電動作が継続して行なわれる。同じ温度においては、このずれ、すなわち平衡曲線との乖離が大きいほど、鉄の酸化反応または還元反応の速度は速くなる。
＜２次電池型燃料電池システムの動作＞
　次に、図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムをＥＶに搭載し、ＥＶの動力源として利用した場合を例に挙げて、図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの動作について説明する。
　ＥＶの動力源には現在リチウムイオン２次電池が用いられているが、リチウムイオン２次電池の特性による各種制約から、１回の充電での走行距離の短いことが課題になっている。これに対して、図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムでは、ＥＶの連続走行距離の目標を達成できるだけの水素発生量を確保する鉄量を５つの水素発生器１全体で担うことで、上記の課題を解決することができる。
　図５Ａは、図１を簡略化して本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの動作を説明する図である。５つの水素発生器１は全体として、酸化鉄換算で約１００ｋｇの鉄を収容している。この鉄量は、ＥＶが５００ｋｍの連続走行するのに必要なエネルギを５０ｋＷｈとして、その電力量に相当する総水素発生量を確保するために必要な量である。
　個々の水素発生器１は、ＥＶに必要な瞬間電力最大値（ＥＶの仕様により異なるが、ここでは一例として約５０ｋＷとする）の発電に必要な単位時間当たり水素発生量を確保する鉄量を持つ。反応速度に依存するが、ＥＶに必要な瞬間電力最大値が約５０ｋＷである場合、酸化鉄換算で１０ｋｇ程度の鉄量があれば、ＥＶに必要な瞬間電力最大値の発電に必要な単位時間当たり水素発生量を確保することができる。本実施形態では、水素発生器１を５つ設けているので、個々の水素発生器１は、酸化鉄換算で約２０ｋｇの鉄を収容している。
　ＥＶを走行させるために水素発生器１に水素を発生させて発電を行う場合、コントローラ８は、１つの水素発生器１を、その水素発生器に対応するヒーター２によって８０℃以上（例えば、発電動作時設定温度１００℃）に加熱し、さらに、その水素発生器に対応する流量制御器７を開き、循環器６を起動してガスを循環させる。ＳＯＦＣ５は、循環経路内にある水素ガスを消費し水蒸気を発生させながら発電を行う。ここで、水蒸気分圧比が図４に示す平衡曲線より高ければ鉄の酸化反応が優勢になり、上記１つの水素発生器１内で水蒸気が水素ガスに置き換わる。この水素ガスが、再びＳＯＦＣ５で消費され水蒸気が発生するというサイクルで発電が継続される。尚、残り４つの水素発生器１は常温であり、水蒸気や水素ガスを循環させない。
　一方、水素発生器１を再生してシステムの充電を行う場合、コントローラ８は、再生対象である１つの水素発生器１を、その水素発生器に対応するヒーター２によって３００℃以上（例えば、充電動作時設定温度３２０℃）に加熱し、さらに、その水素発生器に対応する流量制御器７を開き、循環器６を起動してガスを循環させる。また、ＳＯＦＣ５を電気分解器として作動させる。この場合、ＳＯＦＣ５は循環経路内にある水蒸気を消費し水素ガスを発生させる。ここで、水蒸気分圧比が図４に示す平衡曲線より低ければ酸化鉄の還元反応が優勢になり、上記再生対象である１つの水素発生器１内で水素ガスが水蒸気に置き換わる。この水蒸気が、再びＳＯＦＣ５で消費され水素ガスが発生するというサイクルで上記再生対象である１つの水素発生器が再生されシステムの充電が継続される。尚、残り４つの水素発生器１は常温であり、水蒸気や水素ガスを循環させない。
　このように、５つの水素発生器１全体を加熱するのでなく、１つの水素発生器１のみを加熱するようにし、さらに、発電動作時の加熱設定温度と充電動作時の加熱設定温度とを異なるようにしているので、加熱に要するエネルギを抑えることができ、エネルギ効率を高くすることができる。また、無駄な加熱を防止することができ、水素発生器１の温度サイクル数が無駄に増えないので、水素発生器１の耐久年数が向上する。
　残量センサ４によって、発電時は未酸化の鉄（Ｆｅ）が、充電時は酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）が所定量より少なくなったことが検知されれば、加熱する水素発生器を、各々、未酸化の鉄（Ｆｅ）または酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）の残量が所定量より多い別の水素発生器１に順次切り替えていけばよい。残量は、水素発生器１の各々について検知してもよいし、水素発生器１のいずれかが満充電された時はそれを記憶するようにしておけば、その水素発生器１については改めて残量を検知しなくてもよい。所定量より多い水素発生器１の内のどの水素発生器１に切り替えるかは、最も近くに配置されている水素発生器１に切り替えてもよいし、未酸化の鉄（Ｆｅ）または酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）の残量が最も多い水素発生器１に切り替えてもよい。近くに配置された水素発生器１であれば、加熱されていた水素発生器１から外部に放出される熱によって、ある程度温められているので、加熱するエネルギが節約できる。尚、前記所定量は発電時と充電時とで同じ値であっても良く異なる値であっても良い。
　このように未酸化の鉄（Ｆｅ）の残量を検知し、加熱する水素発生器１を順次切り替えていくことにより、１００ｋｇの鉄総量で目標とする連続走行距離（最長５００ｋｍ）を充電なしに走行することができる。同様に、酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）の残量を検知し、加熱する水素発生器１を順次切り替えていけば、最長５００ｋｍ走行できるだけの燃料を再生することができる。勿論、走行の途中で、適時、充電を行なってもよい。
　尚、不図示の圧力制御弁を各水素発生器１の出口側に設ければ、循環器６で加圧することで個々の水素発生器１内の圧力を制御することもできる。水素発生器１内の圧力を上げることで、鉄の酸化反応や酸化鉄の還元反応の反応速度を上げることができる。
　また、本実施形態では、個々の水素発生器１は、ＥＶに必要な瞬間電力最大値の発電に必要な単位時間当たり水素発生量を確保することができる鉄量を有しているが、ＥＶは瞬間電力最大値の電力を常時必要とするわけではないので、個々の水素発生器１の鉄量を、ＥＶに必要な瞬間電力最大値の発電に必要な単位時間当たり水素発生量を確保することができる量より少なくし、ＥＶの運転状況に応じて同時に加熱する水素発生器の個数を調整するようにしてもよい。
　また、本実施形態では、１つのＳＯＦＣ５が発電も水の電気分解も行っているが、図５Ｂのように、複数の水素発生器１それぞれが、燃料電池（例えば発電専用のＳＯＦＣ）と水の電気分解器（例えば水の電気分解専用のＳＯＦＣ）それぞれにガス循環経路上並列に接続される構成にしてもよい。また、水素発生器１の基材料（主成分）は、鉄に限定されず、水で酸化し水素で還元できるもの（例えばマグネシウム合金等）であればよい。尚、発電用には燃料電池を用いるが、水の電気分解器は必ずしも燃料電池でなくてもよく、水を電気分解できる装置であれば何でもよい。
＜２次電池型燃料電池システムの電力回生対応動作＞
　次に、図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの加減速対応動作について説明する。ＥＶに搭載された燃料電池の充電は、車の使用者が意図的に外部電源につないで充電するだけでなく、走行中の減速時や下り坂走行時等でモータを発電機とし、車両の運動エネルギを電力として回生することもできる。このように車では加減速が比較的頻繁に繰り返されため、ＥＶにおける回生電力の発生・消滅も比較的頻繁に繰り返される。
　しかしながら、上述した動作のように発電動作時に加熱対象の水素発生器１を８０～１００℃程度にしてＥＶを走行していると、回生電力を用いて２次電池型燃料電池システムの充電を行う必要が生じたとき、加熱対象の水素発生器１をさらに３００℃以上まで加熱しなければならず、１つの水素発生器１でも比較的大量の鉄を収容していることもあって回生電力の発生・消滅の急な変化に加熱対象の水素発生器１の温度を追従させることができない。
　そこで、酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）の還元反応の反応速度が十分大きくなる条件、例えば加熱対象の水素発生器１の温度を３００℃以上に維持しておけば、酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）の還元反応、鉄（Ｆｅ）の酸化反応ともに十分な反応速度での反応が可能になる。例えば、３００℃に固定すると、ＳＯＦＣ５の発電動作により循環経路内の水蒸気分圧比が４％以上になれば鉄（Ｆｅ）の酸化反応が進み、回生電力を用いたＳＯＦＣ５の電気分解動作により循環経路内の水蒸気分圧比が４％を下回れば酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）の還元反応が進むことになり（図４参照）、加減速が頻繁に繰り返されても回生電力を利用することができる。そこで、発電動作時であっても、加熱対象の水素発生器１の温度を３００℃以上に維持しておく動作モード（加減速対応動作モード）を設けておき、必要なとき（例えば山道走行時）に前記加減速対応動作モードを車の運転者が手動あるいは自動で選択できるようにすることが好ましい。このように、必要時のみ高温に設定すれば、高温設定のためのエネルギを常時与える必要はなく、また発電時は鉄（Ｆｅ）の酸化反応、即ち発熱反応が起こるため、１つの水素発生器１で発電も充電も行なう場合、ヒーター２による加熱はそれ程しなくても高温を維持することができる。
　図６は、図１を簡略化して本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの電力回生対応動作を説明する図である。上述のように、１つの水素発生器１によって発電・充電を行なうのではなく、以下に説明するように、複数の水素発生器１を使用し、一方を鉄（Ｆｅ）の酸化反応が可能な温度、他方を酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）の還元反応が可能な温度に設定しておき、発電時と充電時とで重点的に混合ガスを循環させる水素発生器１を選択する制御を行なってもよい。
　具体的には、図６において、コントローラ８が水素発生器１のヒーター２を制御することにより、右側の水素発生器１ａは鉄（Ｆｅ）の酸化反応が可能な温度（例えば８０～１００℃以上）に維持し、左側の水素発生器１ｂは酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）の還元反応が可能な温度（例えば３００℃）に維持する。また、コントローラ８は、発電動作によって循環経路内の水蒸気分圧比が所定値より高くなれば右側の水素発生器１ａへ、充電動作によって所定値より低くなれば左側の水素発生器１ｂへ重点的に混合ガスが回るように、流量制御器７を制御する。このようにすると、各々の反応が可能な温度に維持された水素発生器１へガスが重点的に回るため、発電・充電を効率よく行なうことができる。また、発電用と充電用の水素発生器１を分けることにより、同一の水素発生器１で発電・充電を繰り返すサイクル数を少なくし、耐久年数を向上させることができる。尚、水蒸気分圧比の検出は、水蒸気センサ（例えば、水蒸気圧の変化をインピーダンスの変化として検出する酸化アルミニウムセンサ）を設けてもよいが、ＳＯＦＣ５の電流をモニタし、その積算値から推定する方法によって実施してもよい。
＜２次電池型燃料電池システムの直列接続動作＞
　図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムに、水素発生器１同士を直列に接続するための直列循環経路と、循環経路を切り替えるための切り替えバルブ１５を追加した構成を図７に示す。図７に示す構成では、コントローラ８が切り替えバルブ１５を制御して、水素発生器１同士を直列に接続することができる。
　図８は、図７を簡略化して本発明に係る２次電池型燃料電池システムの動作を説明する図である。残量センサ４によって、発電時に右側の水素発生器１ａの未酸化の鉄（Ｆｅ）が所定量より少なくなったことが検知されると、すぐに右側の水素発生器１ａから左側の水素発生器１ｂに切り替えずに、図８に示すように、水素発生器１ａと水素発生器１ｂとを直列接続するとよい。これにより、水素発生器１ａの発熱反応によって温度上昇しているガスを水素発生器１ｂに供給して、水素発生器１ｂに熱を伝達することができるので、ヒーター２による加熱エネルギを少なくすることができる。水素発生器１ｂが酸化反応が可能な温度に達したことを温度センサ３が検知すれば、コントローラ８が切り替えバルブ１５を再び制御して、水素発生器１ａと水素発生器１ｂとを並列接続に戻し、水素発生器１ｂのみにガスが流入するよう流量制御器７を制御すればよい。
　図９も、図７を簡略化して本発明に係る２次電池型燃料電池システムの動作を説明する図である。図８では、２つの水素発生器１を、一方から他方に切り替える際に一時的に直列に接続したが、図９では、設定温度の異なる２つの水素発生器１を直列につないだ状態で、発電動作又は充電動作を継続する。
　図９において、右側の水素発生器１ａは酸化反応が可能な温度（例えば８０～１００℃以上）にし、左側の水素発生器１ｂは還元反応が可能な温度（例えば３００℃）にし、ＳＯＦＣ５は電気分解動作をしている状態とする。通常、ＳＯＦＣ５が電気分解をする場合、すなわち充電する場合、左側の水素発生器１ｂ内の酸化鉄を還元するには、３００℃であれば水蒸気分圧比は４％を十分下回るようにしなければならない（図４参照）。しかし、ＳＯＦＣ５での電気分解が十分行なわれない、あるいは効率が低い場合を想定すると、水蒸気分圧比が十分下がらないまま、左側の水素発生器１ｂに混合ガスが流入する。その結果、左側の水素発生器１ｂでの酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）の還元反応が促進されず、水蒸気が十分発生しないため、ＳＯＦＣ５での電気分解も促進されない、といった悪循環が生まれる可能性がある。
　そこで、ＳＯＦＣ５と左側の水素発生器１ｂとの間に、右側の水素発生器１ａを直列に接続し、ＳＯＦＣ５での電気分解において混合ガスの水蒸気分圧比が４％を十分下回らなかった場合でも、右側の水素発生器１ａでの鉄の酸化反応により水蒸気を消費させ、水蒸気分圧比が４％を十分下回る混合ガスを左側の水素発生器１ｂに供給するようにすれば、水素発生器１ｂでの酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）の還元反応が促進され、水蒸気分圧比の高い混合ガスがＳＯＦＣ５に供給され、ＳＯＦＣ５での電気分解が促進されるという好循環が生まれる。
　以上のように、右側の水素発生器１ａ及び左側の水素発生器１ｂ全体としては、ＳＯＦＣ５での電気分解により消費された水蒸気に相当するだけの酸化鉄の還元が行われるので、ＳＯＦＣ５での電気分解の効率を向上させることにより、システム全体として再生効率が向上する。尚、発電時は、ＳＯＦＣ５と酸化反応が可能な温度の水素発生器１の間に還元反応が可能な温度の水素発生器１を直列に接続することにより、同様に発電効率を上げることができる。
　図８、図９のいずれの場合も、加熱対象の１つの水素発生器１のみをＳＯＦＣ５に対して並列に接続し直せば、加熱対象の１つの水素発生器１のみにおいて鉄の酸化反応あるいは酸化鉄の還元反応を行うことができる。
　以上の本実施形態において、複数の水素発生器１を並列または直列に接続することによって、加熱エネルギを節約し、エネルギ効率の高い２次電池型燃料電池システムを提供することができる。
　　　１　水素発生器
　　　２　ヒーター
　　　３　温度センサ
　　　４　残量センサ
　　　５　固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）
　　　６　循環器
　　　７　流量制御器
　　　８　コントローラ
　　　９　モータ
　　　１０　外部電源入力端子
　　　１１　リチウムイオン２次電池
　　　１２　固体電解質
　　　１３　酸化剤極
　　　１４　燃料極
　　　１５　切り替えバルブ

Claims (12)

  1. 　水との酸化反応により水素を発生し、水素との還元反応により再生可能な水素発生部と、
    　前記水素発生部から供給される水素を燃料にして発電を行う発電機能及び前記水素発生部に供給する水素を生成するための水の電気分解を行う電気分解機能を有する発電・電気分解部とを備え、
    　前記水素発生部と前記発電・電気分解部との間で水素及び水蒸気を含むガスを循環させる２次電池型燃料電池システムであって、
    　前記水素発生部が複数の水素発生器によって構成され、
    　前記複数の水素発生器それぞれを個別に温度制御することができる温度制御部を備えることを特徴とする２次電池型燃料電池システム。
  2. 　前記温度制御部は、前記複数の水素発生器のうちの少なくとも一つを、酸化反応に適した温度または還元反応に適した温度となるよう選択的に制御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。
  3. 　前記複数の水素発生器それぞれが、前記発電・電気分解部に対してガス循環経路上並列に接続されており、
    　前記複数の水素発生器それぞれへガスを循環させるか否か、および循環させる場合のガス流量を個別に制御することができる流量制御部を備え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。
  4. 　前記水素発生部は、水との酸化反応により水素を発生し、水素との還元反応により再生可能な金属を含み、
    　前記金属の残量を測定する検知部を更に備え、
    　前記流量制御部は、ガスを循環させている前記水素発生器における前記金属の残量が所定の値を下回ったと前記検知部が検知したときに該水素発生器へのガスの循環を停止し、他の前記水素発生器のいずれかへガスの循環を開始するよう制御することを特徴とする請求項３に記載の２次電池型燃料電池システム。
  5. 　前記流量制御部は、少なくとも二つの前記水素発生器へガスを循環させるよう制御し、
    　前記温度制御部は、ガスを循環させる前記水素発生器のいずれかを酸化反応に適した温度となるよう制御し、他の前記水素発生器を還元反応に適した温度となるよう制御し、
    　前記流量制御部は、発電時には、酸化反応に適した温度となるよう制御された前記水素発生器にガスを重点的に循環させ、充電時には、還元反応に適した温度となるよう制御された前記水素発生器にガスを重点的に循環させるよう制御することを特徴とする請求項３に記載の２次電池型燃料電池システム。
  6. 　前記温度制御部は、発電時または充電時に拘わらず、ガスを循環させる前記水素発生器の温度を還元反応に適した温度となるよう制御することを特徴とする請求項３に記載の２次電池型燃料電池システム。
  7. 　前記水素発生器同士を直列に接続するための直列循環経路と、
    　前記直列循環経路の使用と不使用とを切り替える切り替え部とを備えることを特徴とする請求項３に記載の２次電池型燃料電池システム。
  8. 　前記水素発生器は、水との酸化反応により水素を発生し、水素との還元反応により再生可能な金属を含み、
    　未酸化の前記金属または酸化した前記金属の残量を測定する検知部を更に備え、
    　ガスを循環させている前記水素発生器において前記残量が所定の量を下回ったことを前記検知部が検知したとき、前記切り替え部の切り替えによって前記直列循環経路を使用し、直列接続された前記水素発生器同士の一方から他方へガスが供給されることを特徴とする請求項７に記載の２次電池型燃料電池システム。
  9. 　前記金属は鉄を含むことを特徴とする請求項４または８に記載の２次電池型燃料電池システム。
  10. 　前記直列循環経路の使用時に、直列接続された前記水素発生器同士の一方から他方へガスが供給され、
    　前記温度制御部は、前記直列接続された水素発生器同士の一方では酸化反応が可能な温度となるよう制御し、他方の水素発生器では還元反応が可能な温度となるよう制御することを特徴とする請求項７に記載の２次電池型燃料電池システム。
  11. 　前記発電・電気分解部は、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挟持される固体電解質とを備え、前記固体電解質は固体酸化物電解質であることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の２次電池型燃料電池システム。
  12. 　前記発電・電気分解部は、前記発電機能を有する発電部と、前記電気分解機能を有する電気分解部とが別々に設けられており、少なくとも前記発電部は、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挟持される固体電解質とを備え、前記固体電解質は固体酸化物電解質であることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の２次電池型燃料電池システム。
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