WO2014188904A1

WO2014188904A1 - 給電システム

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Publication number: WO2014188904A1
Application number: PCT/JP2014/062648
Authority: WO
Inventors: 篤広野田
Original assignee: コニカミノルタ株式会社
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2014-05-13
Publication date: 2014-11-27

Abstract

　給電システムは、２次電池型燃料電池装置と、出力が変動する電力源とを備える。給電システムは、運転モードとして、給電中に２次電池型燃料電池装置の発電・電気分解部が発電を行う第１モードと、給電中に２次電池型燃料電池装置の発電・電気分解部が電気分解を行う第２モードと、給電中に２次電池型燃料電池装置の発電・電気分解部が発電も電気分解も行わない第３モードとを少なくとも有する。第３モード時に、２次電池型燃料電池装置の循環器を動作させて２次電池型燃料電池装置の燃料発生部材と２次電池型燃料電池装置の発電・電気分解部との間で燃料ガスを含むガスを循環させる。

Description

給電システム

　本発明は、２次電池型燃料電池装置と、出力が変動する電力源とを備える給電システムに関する。

　燃料電池は、典型的には、固体ポリマーイオン交換膜を用いた固体高分子電解質膜、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた固体酸化物電解質膜等を、燃料極（アノード）と酸化剤極（カソード）とで両側から挟み込んだものを１つのセル構成としている。そして、燃料極に燃料ガス（例えば水素）を供給する燃料ガス流路と、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば酸素や空気）を供給する酸化剤ガス流路とが設けられ、これらの流路を介して燃料ガス、酸化剤ガスがそれぞれ燃料極、酸化剤極に供給されることにより発電が行われる。

　燃料電池は、原理的に取り出せる電力エネルギーの効率が高いため、省エネルギーになるだけでなく、環境に優れた発電方式であり、地球規模でのエネルギーや環境問題解決の切り札として期待されている。

特表平１１－５０１４４８号公報国際公開第２０１２／０４３２７１号

　特許文献１及び特許文献２には、固体酸化物型燃料電池と、酸化反応により水素を発生し、還元反応により再生可能な水素発生部材とを組み合わせた２次電池型燃料電池装置が開示されている。上記２次電池型燃料電池装置では、装置の発電動作時に水素発生部材が水素を発生し、装置の充電動作時に水素発生部材が再生される。

　上記２次電池型燃料電池装置の一利用形態として、自然エネルギー発電設備（太陽光発電設備、風力発電設備など）導入時の系統電力安定化手段として用いる利用形態が考えられる。この利用形態の場合、自然エネルギー発電設備の発電量が所定値を下回ると、その下回った分の電力（不足電力）を２次電池型燃料電池装置が発電して補い、自然エネルギー発電設備の発電量が所定値を上回ると、その上回った分の電力（余剰電力）を２次電池型燃料電池装置が充電することになる。自然エネルギーの発電量は変動するので、２次電池型燃料電池装置の発電動作と充電動作とを頻繁に切り替える必要がある。なお、自然エネルギー発電設備の発電量が所定値と同等であるときは、２次電池型燃料電池装置が発電動作も充電動作も行わないようにする。

　２次電池型燃料電池装置の動作が発電動作に切り替わった直後において、固体酸化物型燃料電池への水素供給量が不足していると、２次電池型燃料電池装置が十分に発電できないので、系統電力が減少する要因となる。また、２次電池型燃料電池装置の動作が充電動作に切り替わった直後において、固体酸化物型燃料電池への水蒸気供給量が不足していると、２次電池型燃料電池装置が十分に充電できないので、系統電力が増加する要因となる。

　本発明は、上記の状況に鑑み、給電電力の安定化を向上させることができる給電システム、当該システムに用いられる２次電池型燃料電池装置、及び発電電力と充電電力の応答性を向上させることができる２次電池型燃料電池装置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の一側面を反映した給電システムは、２次電池型燃料電池装置と、出力が変動する電力源とを備え、安定した電力を給電する給電システムであって、前記２次電池型燃料電池装置は、化学反応により燃料ガスを発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生部材と、前記燃料発生部材から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行う発電機能及び前記燃料発生部材の再生時に前記燃料発生部材から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する電気分解機能を有する発電・電気分解部と、前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間で前記燃料ガスを含むガスを循環させるためのガス流路と、前記ガス流路上に設けられ、前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間でガスを強制的に循環させる循環器とを有し、前記給電システムは、運転モードとして、給電中に前記発電・電気分解部が発電を行う第１モードと、給電中に前記発電・電気分解部が電気分解を行う第２モードと、給電中に前記発電・電気分解部が発電も電気分解も行わない第３モードとを少なくとも有し、前記第３モード時に、前記循環器を動作させて前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間で前記燃料ガスを含むガスを循環させる構成とする。

　上記目的を達成するために本発明の他の側面を反映した２次電池型燃料電池装置は、化学反応により燃料ガスを発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生部材と、前記燃料発生部材から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行う発電機能及び前記燃料発生部材の再生時に前記燃料発生部材から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する電気分解機能を有する発電・電気分解部と、前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間で前記燃料ガスを含むガスを循環させるためのガス流路と、前記ガス流路上に設けられ、前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間でガスを強制的に循環させる循環器とを有する２次電池型燃料電池装置であって、前記燃料電池装置は、出力が変動する電力源とともに給電に用いられ、前記発電・電気分解部が発電を行う第１モードと、前記発電・電気分解部が電気分解を行う第２モードと、前記発電・電気分解部が発電も電気分解も行わない第３モードとを少なくとも有し、前記発電・電気分解部は、前記出力が変動する動力源による発電量が所定の値を下回ったとき前記第１モードで運転し、前記出力が変動する動力源による発電量が所定の値を上回ったとき前記第２モードで運転し、前記出力が変動する動力源による発電量が所定の値と同等のとき前記第３モードで運転し、前記第３モード時に、前記循環器を動作させて前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間で前記燃料ガスを含むガスを循環させる構成とする。

　上記目的を達成するために本発明の更に他の側面を反映した２次電池型燃料電池装置は、化学反応により燃料ガスを発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生部材と、前記燃料発生部材から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行う発電機能及び前記燃料発生部材の再生時に前記燃料発生部材から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する電気分解機能を有する発電・電気分解部と、前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間で前記燃料ガスを含むガスを循環させるためのガス流路と、前記ガス流路上に設けられ、前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間でガスを強制的に循環させる循環器とを有する２次電池型燃料電池装置であって、前記発電・電気分解部が発電を行う第１モードと、前記発電・電気分解部が電気分解を行う第２モードと、前記発電・電気分解部が発電も電気分解も行わない第３モードとを少なくとも有し、前記第３モード時に、前記循環器を動作させて前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間で前記燃料ガスを含むガスを循環させる構成とする。

　本発明の一側面を反映した給電システム及び本発明の他の側面を反映した２次電池型燃料電池装置は、発電・電気分解部が発電も電気分解も行わない第３モード時に循環器を動作させ、第３モード時における閉空間（燃料発生部材、発電・電気分解部、及びガス流路を含む閉空間）内の燃料ガスを含むガスの濃度ムラを低減し、第３モードから発電・電気分解部が発電を行う第１モードに切り替わった後の発電電力の応答性を向上させ、第３モードから発電・電気分解部が電気分解を行う第２モードに切り替わった後の充電電力の応答性を向上させている。これにより、給電電力の安定化を向上させることができる。

　本発明の更に他の側面を反映した２次電池型燃料電池装置は、発電・電気分解部が発電も電気分解も行わない第３モード時に循環器を動作させ、第３モード時における閉空間（燃料発生部材、発電・電気分解部、及びガス流路を含む閉空間）内の燃料ガスを含むガスの濃度ムラを低減し、第３モードから発電・電気分解部が発電を行う第１モードに切り替わった後の発電電力の応答性を向上させ、第３モードから発電・電気分解部が電気分解を行う第２モードに切り替わった後の充電電力の応答性を向上させている。すなわち、発電電力と充電電力の応答性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る給電システムの概略構成を示す模式図である。自然エネルギー発電設備の出力と２次電池型燃料電池装置の理想的な発電電力及び充電電力を示すタイムチャートである。第１モード又は第２モードにおいてポンプを動作させている場合の水蒸気濃度分布を示す模式図である。第３モードにおいてポンプを停止させている場合の水蒸気濃度分布を示す模式図である。２次電池型燃料電池装置の発電電力及び充電電力を示すタイムチャートである。ポンプの第１制御例を実行した場合のタイムチャートである。ポンプの第２制御例を実行した場合のタイムチャートである。ポンプの第３制御例を実行した場合のタイムチャートである。ポンプの第４制御例を実行した場合のタイムチャートである。ポンプの第５制御例を実行した場合のタイムチャートである。ポンプの第６制御例を実行した場合のタイムチャートである。

　本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。なお、本発明は、後述する実施形態に限られない。

　本発明の一実施形態に係る給電システムの概略構成を図１に示す。給電システム１００は、例えば風力エネルギーを用いて発電を行う風力発電設備や太陽光エネルギーを用いて発電を行う太陽光発電設備などの自然エネルギー発電設備２００と、２次電池型燃料電池装置３００とを備えており、２次電池型燃料電池装置３００から出力される電力を電力系統へ給電している。

　２次電池型燃料電池装置３００は、燃料発生部材１と、燃料電池部２と、燃料発生部材１を加熱するヒーター３と、燃料電池部２を加熱するヒーター４と、燃料発生部材１及びヒーター３を収容する容器５と、燃料電池部２及びヒーター４を収容する容器６と、燃料発生部材１と燃料電池部２の間で燃料ガスを含むガスを循環させるための配管７と、燃料発生部材１と燃料電池部２の間でガスを強制的に循環させるポンプ８と、燃料電池部２の空気極２Ｃに空気を供給するための配管９と、燃料電池部２の空気極２Ｃから空気を排出するための配管１０と、発電充電制御部１１と、２次電池型燃料電池装置３００全体を制御するコントローラ１２とを備えている。

　ポンプ８が動作することにより、配管７内のガスは図１に示す矢印の方向（時計回り）で循環する。

　発電充電制御部１１は、２次電池型燃料電池装置３００の発電動作時において、燃料電池部２の出力と自然エネルギー発電設備２００の出力を合成し、その合成出力を電力系統に適合する周波数の交流出力に変換してから電力系統に出力する。また、発電充電制御部１１は、２次電池型燃料電池装置３００の充電動作時において、自然エネルギー発電設備２００の出力の一部を平滑化（自然エネルギー発電設備２００の出力が交流出力である場合には整流平滑化）して燃料電池部２に供給し、自然エネルギー発電設備２００の出力の残部を電力系統に適合する周波数の交流出力に変換してから電力系統に出力する。

　なお、図１においては、図が煩雑になることを防ぐため、コントローラ１２と２次電池型燃料電池装置３００の各部との間で制御信号を伝送する制御ラインなどの図示は省略している。また、必要に応じて、燃料発生部材１や燃料電池部２の周辺に温度センサ等を設けてもよい。また、ポンプ８の代わりに、例えばコンプレッサ、ファン、ブロアなどの他の循環器を用いてもよい。

　燃料発生部材１としては、例えば、金属を母材として、その表面に金属または金属酸化物が添加されており、酸化性ガス（例えば水蒸気）との酸化反応によって燃料ガス（例えば水素）を発生し、還元性ガス（例えば水素）との還元反応により再生可能なものを用いることができる。母材の金属としては例えば、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｖ、Ｍｇやこれらを基材とする合金が挙げられ、特にＦｅは安価で、加工も容易なので好ましい。また、添加される金属としては、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｖ、Ｍｏが挙げられ、添加される金属酸化物としてはＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂が挙げられる。ただし、母材となる金属と、添加される金属は同一の材料ではない。なお、本実施形態においては、燃料発生部材１として、Ｆｅを主体とする燃料発生部材を用いる。

　Ｆｅを主体とする燃料発生部材は、例えば、下記の（１）式や（１）’式に示す酸化反応により、水蒸気を消費して水素を生成することができる。
　　４Ｈ₂Ｏ＋３Ｆｅ→４Ｈ₂＋Ｆｅ₃Ｏ₄　…（１）
　　Ｆｅ＋Ｈ₂Ｏ→ＦｅＯ＋Ｈ₂　…（１）’

　上記の（１）式や（１）’式に示す鉄の酸化反応が進むと、鉄から酸化鉄への変化が進んで鉄の残量が減っていくが、上記の（１）式の逆反応すなわち下記の（２）式に示す還元反応や上記の（１）’式の逆反応すなわち下記の（２）’式に示す還元反応により、燃料発生部材１を再生することができる。なお、上記の（１）式や（１）’式に示す鉄の酸化反応及び下記の（２）式や（２）’式に示す還元反応は６００℃未満の低い温度で行うこともできる。
　　４Ｈ₂＋Ｆｅ₃Ｏ₄→３Ｆｅ＋４Ｈ₂Ｏ　…（２）
　　ＦｅＯ＋Ｈ₂→Ｆｅ＋Ｈ₂Ｏ　…（２）’

　燃料発生部材１においては、その反応性を上げるために単位体積当りの表面積を大きくすることが望ましい。燃料発生部材１の単位体積当りの表面積を増加させる方策としては、例えば、燃料発生部材１の主体を微粒子化し、その微粒子化したものを成型すればよい。微粒子化の方法は例えばボールミル等を用いた粉砕によって粒子を砕く方法が挙げられる。さらに、機械的な手法などにより微粒子にクラックを発生させることで微粒子の表面積をより一層増加させてもよく、酸処理、アルカリ処理、ブラスト加工などによって微粒子の表面を荒らして微粒子の表面積をより一層増加させてもよい。

　燃料発生部材１としては、例えば、微粒子をペレット状の粒に形成してこの粒を多数空間内に埋める形態であってもよく、微粒子をガスが通過する程度の空隙を残して固めたものであってもよい。

　燃料電池部２は、図１に示す通り、電解質膜２Ａの両面に燃料極２Ｂと酸化剤極である空気極２Ｃを接合したＭＥＡ構造(膜・電極接合体：Membrane　Electrode　Assembly)である。なお、図１では、ＭＥＡを１つだけ設けた構造を図示しているが、ＭＥＡを複数設けたり、さらに複数のＭＥＡを積層構造にしたりしてもよい。

　電解質膜２Ａの材料としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた固体酸化物電解質を用いることができ、また例えば、ナフィオン（デュポン社の商標）、カチオン導電性ポリマー、アニオン導電性ポリマー等の固体高分子電解質を用いることができるが、これらに限定されることなく、水素イオンを通すものや酸素イオンを通すもの、また、水酸化物イオンを通すもの等、燃料電池の電解質としての特性を満たすものであればよい。なお、本実施形態においては、電解質膜２Ａとして、酸素イオン又は水酸化物イオンを通す電解質、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた固体酸化物電解質を用いる。

　電解質膜２Ａは、固体酸化物電解質の場合であれば、電気化学蒸着法（ＣＶＤ－ＥＶＤ法；Chemical　Vapor　Deposition　-　Electrochemical　Vapor　Deposition）等を用いて形成することができ、固体高分子電解の場合であれば、塗布法等を用いて形成することができる。

　燃料極２Ｂ、空気極２Ｃはそれぞれ、例えば、電解質膜２Ａに接する触媒層と、その触媒層に積層された拡散電極とからなる構成にすることができる。触媒層としては、例えば白金黒或いは白金合金をカーボンブラックに担持させたもの等を用いることができる。また、燃料極２Ｂの拡散電極の材料としては、例えばカーボンペーパ、Ｎｉ－Ｆｅ系サーメットやＮｉ－ＹＳＺ系サーメット等を用いることができる。また、空気極２Ｃの拡散電極の材料としては、例えばカーボンペーパ、Ｌａ－Ｍｎ－Ｏ系化合物やＬａ－Ｃｏ－Ｃｅ系化合物等を用いることができる。燃料極２Ｂ、空気極２Ｃはそれぞれ、例えば蒸着法等を用いて形成することができる。

　以下の説明では、燃料ガスとして水素を用いた場合について説明する。

　燃料電池部２では、２次電池型燃料電池装置３００の発電時に、燃料極２Ｂにおいて下記の（３）式の反応が起こる。
　Ｈ₂＋Ｏ^2-→Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-　…（３）

　上記の（３）式の反応によって生成された電子は、発電充電制御部１１を通って、空気極２Ｃに到達し、空気極２Ｃにおいて下記の（４）式の反応が起こる。
　（１／２）Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｏ^2-　…（４）

　そして、上記の（４）式の反応によって生成された酸素イオンは、電解質膜２Ａを通って、燃料極２Ｂに到達する。上記の一連の反応を繰り返すことにより、燃料電池部２が発電動作を行うことになる。また、上記の（３）式から分かるように、２次電池型燃料電池装置３００の発電動作時には、燃料極２Ｂ側においてＨ₂が消費されＨ₂Ｏが生成されることになる。

　上記の（３）式及び（４）式より、２次電池型燃料電池装置３００の発電動作時における燃料電池部２での反応は下記の（５）式の通りになる。
　Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ　…（５）

　一方、燃料発生部材１は、上記の（１）式や（１）’式に示す酸化反応により、２次電池型燃料電池装置３００の発電時に燃料電池部２の燃料極２Ｂ側で生成されたＨ₂Ｏを消費してＨ₂を生成する。

　上記の（１）式や（１）’式に示す鉄の酸化反応が進むと、鉄から酸化鉄への変化が進んで鉄残量が減っていくが、上記の（２）式や（２）’式に示す還元反応により、燃料発生部材１を再生することができ、２次電池型燃料電池装置３００を充電することができる。

　燃料電池部２では、２次電池型燃料電池装置３００の充電時に、上記の（５）式の逆反応である下記の（６）式に示す電気分解反応が起こり、燃料極２Ｂ側においてＨ₂Ｏが消費されＨ₂が生成され、燃料発生部材１では、上記の（２）式や（２）’式に示す還元反応が起こり、燃料電池部２の燃料極２Ｂ側で生成されたＨ₂が消費されＨ₂Ｏが生成される。
　Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂　…（６）

　自然エネルギーは複雑に変化することが知られている。例えば太陽光エネルギーであれば雲の動きによる日射量の短期的な変化や季節による日射量の長周期的な変化が起こり、風力エネルギーであれば突発的な変化が頻繁に起こる。

　そこで、給電システム１００では、自然エネルギー発電設備２００の発電量が所定値を下回ると、その下回った分の電力（不足電力）を２次電池型燃料電池装置３００が発電し、自然エネルギー発電設備２００の発電量が所定値を上回ると、その上回った分の電力（余剰電力）を２次電池型燃料電池装置３００が充電し、自然エネルギー発電設備２００の発電量が所定値と一致すると、２次電池型燃料電池装置３００が発電及び充電を停止するようにしている。すなわち、給電システム１００は、運転モードとして、燃料電池部２が発電を行う第１モードと、燃料電池部２が電気分解（充電）を行う第２モードと、燃料電池部２が発電も電気分解も行わない第３モードとを有している。このように２次電池型燃料電池装置３００が電力系統へ電力を出力することにより、給電システム１００が電力系統へ出力する電力を所定値に保つことができ、電力系統が不安定になることを防ぐことができる。なお、上述した所定値にある程度の幅を持たせ、所定範囲としてもよい。この所定値は、例えば、負荷が要求する電力の値とすることができる。負荷が家庭内の電化製品である場合、所定値は日中が高くなり、夜間は低くなる。

　以上から、自然エネルギー発電設備２００の出力と２次電池型燃料電池装置３００の理想的な発電電力及び充電電力は、図２に示すタイムチャートのようになる。尚、図２では、第１モードと第２モードが交互に瞬間的に切り替わっているが、実際には、上述したように、自然エネルギーの発電電力は複雑に変化するので、第１モード、第２モード、第３モードが様々な形で連続する。また、第１モードから第２モードに、またはその逆に切り替えると変化が大きく、機器への負担が大きくなるため、意図的に、切り替え時に第３モードを一定期間運転させるよう制御することも考えられる。

　ここで、２次電池型燃料電池装置３００において燃料発生部材１と燃料電池部２との間を循環しているガスの水蒸気濃度について説明する。例えば、第１モードにおいてポンプ８を動作させている場合、燃料電池部２の発電により水蒸気が発生し、水蒸気濃度が高いガスが燃料発生部材１に送られる。そして、燃料発生部材１において水蒸気との酸化反応により水素を発生し、水素濃度が高い（即ち水蒸気濃度が低い）ガスが燃料電池部２に送られる。従って、第１モードにおいては、図３に示すように燃料発生部材１と燃料電池部２とを境に水蒸気濃度（図３において色が濃いほど水蒸気濃度が高い）が異なる分布となる。また、例えば、第２モードにおいてポンプ８を動作させている場合、燃料電池部２が水蒸気を電気分解し、それによって発生した水素が燃料発生部材１に送られる。そして、酸化した燃料発生部材１が水素によって還元され、それにより発生した水蒸気が燃料電池部２に送られる。従って、第２モードにおいては、図３に示すように燃料発生部材１と燃料電池部２とを境に水蒸気濃度（図３において色が濃いほど水蒸気濃度が低い）が異なる分布となる。

　第１モード又は第２モードにおいてポンプ８を動作させている状態から運転モードを第３モードに切り替えるとともにポンプ８を停止させると、燃料発生部材１では滞留したガスにより局所的に反応が進み、それ以外の部分では圧力損失の小さい空間を中心にガスの濃度拡散が発生する。例えば、第１モードから第３モードに切り替えてポンプ８を停止させた場合、ガスの濃度拡散により燃料発生部材１の酸化反応が進み、発生した水素が燃料発生部材１の両端から配管へかけて拡散する。その結果、例えば、図４に示すような水蒸気濃度（図４において色が濃いほど水蒸気濃度が高い）の分布となる。一方、第２モードから第３モードに切り替えてポンプ８を停止させた場合、ガスの濃度拡散による燃料発生部材１の還元反応が進み、発生した水蒸気が燃料発生部材１の両端から配管へかけて拡散する。その結果、例えば、図４に示すような水蒸気濃度（図４において色が濃いほど水蒸気濃度が低い）の分布となる。この状態から第１モード又は第２モードに移行する場合、図４に示す濃度分布の状態から第１モード又は第２モードにおけるガスの濃度分布（図３に示す状態）になるまでに或る程度の時間が必要となる。

　つまり、第３モードにおいてポンプ８を停止させていると、例えば図５に示すように、第３モードから第１モードに切り替わった後の理想的な発電電力（図５中の点線参照）と比較して、第３モードから第１モードに切り替わった後の実際の発電電力（図５中の実線参照）は応答性が悪くなっている。第３モードから第２モードの切り替わった後の実際の充電電力も同様に応答性が悪くなる。

　そこで、給電システム１００は、第３モード時にもポンプ８を動作させ、第３モード時における閉空間（容器５、容器６、配管７、及び電解質膜２Ａによって囲まれる閉空間）内の水素及び水蒸気からなる混合ガスの濃度ムラを低減し、第３モードから第１モードに切り替わった後の発電電力の応答性を向上させ、また、第３モードから第２モードに切り替わった後の充電電力の応答性を向上させている。これにより、給電システム１００から電力系統へ出力される電力（給電電力）の安定化を向上させることができる。以下、本実施形態におけるポンプ８の具体的な制御例について説明する。

＜ポンプの第１制御例＞
　本制御例では、第３モード時において、閉空間（容器５、容器６、配管７、及び電解質膜２Ａによって囲まれる閉空間）内を循環するガスの流量が第１モード時と同等になるように、コントローラ１２がポンプ８を動作させる（図６参照）。なお、図６は、第２モード、第３モード、第１モードの順に運転モードを切り替えている場合のタイムチャートであるが、第１モード、第３モード、第２モードの順に運転モードを切り替えている場合、第１モード、第３モード、第１モードの順に運転モードを切り替えている場合、及び第２モード、第３モード、第２モードの順に運転モードを切り替えている場合についても同様の制御を行うようにする。即ち、第３モード時において、第３モードに入る前の運転モードと反対の運転モード時と同等のガス循環量となるようポンプ８を動作させる（例えば、第１モードから第３モードに入る場合は、第３モード時において第２モード時と同様にポンプを動作させる。）

＜ポンプの第２制御例＞
　本制御例では、第３モード時において、閉空間（容器５、容器６、配管７、及び電解質膜２Ａによって囲まれる閉空間）内を循環するガスの流量が第２モード時と同等になるように、コントローラ１２がポンプ８を動作させる（図７参照）。ここでは第３モード時に、第３モードに入る前の運転モード時と同等のガス循環量となるようポンプを動作させている。なお、図７は、第２モード、第３モード、第１モードの順に運転モードを切り替えている場合のタイムチャートであるが、第１モード、第３モード、第２モードの順に運転モードを切り替えている場合、第１モード、第３モード、第１モードの順に運転モードを切り替えている場合、及び第２モード、第３モード、第２モードの順に運転モードを切り替えている場合についても同様の制御を行うようにする。

　本制御例では、第３モード時におけるガスの循環量を、第３モード時の前のモード時のガス循環量と同等となるように制御しているため、ポンプの動作の切り替えの回数を減らし、その分、コントローラ１２によるポンプ８の制御が簡単になる。また、ガス循環量を変化させる回数が減るため、ガス循環量の変化による上記閉空間内の圧力変化によって起きる機器への影響（耐久性の低下）を低減することができる。

＜ポンプの第３制御例＞
　本制御例では、第３モード時において、閉空間（容器５、容器６、配管７、及び電解質膜２Ａによって囲まれる閉空間）内を循環するガスの流量が第１モード時及び第２モード時よりも少なくなるように、コントローラ１２がポンプ８を動作させる（図８参照）。本制御例では、第１制御例及び第２制御例と比べて、第３モード時にポンプ８に供給する電力を小さくすることができるので、給電システム１００のエネルギー効率を向上させることができる。なお、図８は、第２モード、第３モード、第１モードの順に運転モードを切り替えている場合のタイムチャートであるが、第１モード、第３モード、第２モードの順に運転モードを切り替えている場合、第１モード、第３モード、第１モードの順に運転モードを切り替えている場合、及び第２モード、第３モード、第２モードの順に運転モードを切り替えている場合についても同様の制御を行うようにする。

＜ポンプの第４制御例＞
　本制御例では、第１モード時、第２モード時、及び第３モード時において、閉空間（容器５、容器６、配管７、及び電解質膜２Ａによって囲まれる閉空間）内を循環するガスの流量が同等になるように、コントローラ１２がポンプ８を動作させる（図９参照）。本制御例では、ガスの循環量を変化させないので、コントローラ１２によるポンプ８の制御が簡易になる。また、ガス循環量の変化による閉空間内の圧力変化から起きる機器への影響（耐久性の低下）を低減することができる。なお、図９は、第２モード、第３モード、第１モードの順に運転モードを切り替えている場合のタイムチャートであるが、第１モード、第３モード、第２モードの順に運転モードを切り替えている場合、第１モード、第３モード、第１モードの順に運転モードを切り替えている場合、及び第２モード、第３モード、第２モードの順に運転モードを切り替えている場合についても同様の制御を行うようにする。

＜ポンプの第５制御例＞
　本制御例では、コントローラ１２が、第１モード時において発電電力を監視して発電電力の絶対値が徐々に減少して閾値ΔＷ以下になると、もうすぐ自然エネルギー発電設備２００の発電量が所定値になると予測して、閉空間（容器５、容器６、配管７、及び電解質膜２Ａによって囲まれる閉空間）内を循環するガスの流量が第２モード時と同等になるように、コントローラ１２がポンプ８を動作させる。また、第２モード時において充電電力を監視して充電電力の絶対値が徐々に減少して閾値ΔＷ以下になると、もうすぐ自然エネルギー発電設備２００の発電量が所定値になると予測して、閉空間（容器５、容器６、配管７、及び電解質膜２Ａによって囲まれる閉空間）内を循環するガスの流量が第１モード時と同等になるように、コントローラ１２がポンプ８を動作させる（図１０参照）。なお、図１０は、第２モード、第３モード、第１モードの順に運転モードを切り替えている場合のタイムチャートであるが、第１モード、第３モード、第２モードの順に運転モードを切り替えている場合、第１モード、第３モード、第１モードの順に運転モードを切り替えている場合、及び第２モード、第３モード、第２モードの順に運転モードを切り替えている場合についても同様の制御を行うようにする。このように、実際に発電電力又は充電電力が零になると予測される少し前に、即ち、第３モードに入る少し前に、第３モードの後に続くと予測されるモードと同等のガス循環量となるようにポンプの動作を制御する。尚、第３モードの後に続くモードの予測については、第３モードに入る前の燃料電池部２による発電量又は充電量の変化や、天候による短期的な変化や季節による長周期的な変化など様々な要因に基づき行われる。

＜ポンプの第６制御例＞
　本制御例では、コントローラ１２が、第３モードを継続している時間を監視して第３モードを継続している時間が所定時間ΔＴ以上になると、もうすぐ自然エネルギー発電設備２００の発電量が所定値になると予測して、閉空間（容器５、容器６、配管７、及び電解質膜２Ａによって囲まれる閉空間）内を循環するガスの流量が第１モード及び第２モードのうち第３モードに切り替わる直前の運転モードとは異なる運転モード時と同等になるように、コントローラ１２がポンプ８を動作させる（図１１参照）。なお、図１１は、第３モードに切り替わる直前の運転モードが第２モードである場合のタイムチャートであるが、第３モードに切り替わる直前の運転モードが第１モードである場合についても同様の制御を行うようにする。ここでの所定時間ΔＴは、第５制御例と同様、様々な要因に基づき予測される。

　以上の第５、第６制御例では、自然エネルギー発電設備２００の発電量の変化を予測し、２次電池型燃料電池装置３００の運転モードの切り替えが行われるよりも早くにポンプ８によるガス循環量を切り替えている。これは、２次電池型燃料電池装置３００のポンプ８の動作を切り替えても、すぐに所望のガス循環量ひいては発電量・充電量を発生させることが難しい場合、早めに運転モードを切り替えることでタイムラグを少なくすることができるからである。

＜その他＞
　上述した実施形態では、２次電池型燃料電池装置が自然エネルギー発電設備とともに用いられる場合について記載したが、自然エネルギー発電設備以外の出力が変動する電力源とともに用いられてもよい。また、第１モード、第２モードの、第３モードの切り替えが行われる２次電池型燃料電池装置であれば、必ずしも出力が変動する動力源とともに用いられなくてもよく、単体で使用されてもよい。例えば、家庭用電力源として用いられる場合、日中は発電、夜間は充電というパターンだけではなく、日中であっても発電が必要ない時間はこまめに充電するという使い方も想定される。その場合、第１モードと第２モードの切り替えの間に、第３モードを設け、第３モード時にもガスを循環させるよう制御すればよい。

　上述した実施形態においては、燃料電池部２の電解質膜２Ａとして固体酸化物電解質を用いて、発電の際に燃料極２Ｂ側で水を発生させるようにする。この構成によれば、燃料発生部材１が設けられた側で水を発生するため、装置の簡素化や小型化に有利である。一方、特開２００９－９９４９１号公報に開示された燃料電池のように、燃料電池部２の電解質膜２Ａとして水素イオンを通す固体高分子電解質を用いることも可能である。但し、この場合には、発電の際に燃料電池部２の酸化剤極である空気極２Ｃ側で水が発生されることになるため、この水を燃料電池部２のガス流出側に送る流路を設ければよい。

　また、上述した実施形態では、１つの燃料電池部２が発電も水の電気分解も行っているが、燃料電池（例えば発電専用の固体酸化物燃料電池）と水の電気分解器（例えば水の電気分解専用の固体酸化物燃料電池）が燃料発生部材１に接続される構成にしてもよい。

　また、上述した実施形態では、燃料電池部２の燃料ガスを水素にしているが、一酸化炭素や炭化水素など水素以外の還元性ガスを燃料電池部２の燃料ガスとして用いても構わない。

　また、上述した実施形態では、酸化剤ガスに空気を用いているが、空気以外の酸化剤ガスを用いても構わない。

　また、ポンプ８の各制御例は適宜組み合わせて実施しても良い。

　　　１　燃料発生部材
　　　２　燃料電池部
　　　２Ａ　電解質膜
　　　２Ｂ　燃料極
　　　２Ｃ　空気極
　　　３、４　ヒーター
　　　５、６　容器
　　　７、９、１０　配管
　　　８　ポンプ
　　　１１　発電充電制御部
　　　１２　コントローラ
　　　１００　給電システム
　　　２００　自然エネルギー発電設備
　　　３００　２次電池型燃料電池装置

Claims

　２次電池型燃料電池装置と、
　出力が変動する電力源とを備え、安定した電力を給電する給電システムであって、
　前記２次電池型燃料電池装置は、
　化学反応により燃料ガスを発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生部材と、
　前記燃料発生部材から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行う発電機能及び前記燃料発生部材の再生時に前記燃料発生部材から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する電気分解機能を有する発電・電気分解部と、
　前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間で前記燃料ガスを含むガスを循環させるためのガス流路と、
　前記ガス流路上に設けられ、前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間でガスを強制的に循環させる循環器とを有し、
　前記給電システムは、運転モードとして、
　給電中に前記発電・電気分解部が発電を行う第１モードと、給電中に前記発電・電気分解部が電気分解を行う第２モードと、給電中に前記発電・電気分解部が発電も電気分解も行わない第３モードとを少なくとも有し、
　前記第３モード時に、前記循環器を動作させて前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間で前記燃料ガスを含むガスを循環させることを特徴とする給電システム。
　前記第３モード時に前記循環器によって強制的に循環させるガスの循環量は、前記第１モード時に前記循環器によって強制的に循環させるガスの循環量以下であり、前記第２モード時に前記循環器によって強制的に循環させるガスの循環量以下であることを特徴とする請求項１に記載の給電システム。
　前記第３モード時に前記循環器によって強制的に循環させるガスの循環量は、前記第３モードへの切り替わり直前の運転モード時に前記循環器によって強制的に循環させるガスの循環量と同等であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の給電システム。
　前記第３モード時に前記循環器によって強制的に循環させるガスの循環量は、前記第１モード及び前記第２モードのうち前記第３モードに切り替わる直前の運転モードとは異なる運転モード時に前記循環器によって強制的に循環させるガスの循環量と同等であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の給電システム。
　前記第３モードに切り替わる直前の運転モード中に、ガスの循環量を、前記第３モードへの切り替わり直前の運転モード時に前記循環器によって強制的に循環させるガスの循環量から、前記第３モード時に前記循環器によって強制的に循環させるガスの循環量に切り替える請求項１又は請求項２に記載の給電システム。
　前記第３モード中に、ガスの循環量を、前記第３モード時に前記循環器によって強制的に循環させるガスの循環量から、前記第１モード及び前記第２モードのうち前記第３モードに切り替わる直前の運転モードとは異なる運転モード時に前記循環器によって強制的に循環させるガスの循環量に切り替える請求項１～請求項５のいずれか一項に記載の給電システム。
　前記ガスの循環量を切り替えるタイミングは、前記第３モードの開始から所定時間経過後とする請求項６に記載の給電システム。
　前記出力が変動する電力源は、自然エネルギーを用いて発電を行う発電設備である請求項１～請求項７のいずれか一項に記載の給電システム。
　前記発電・電気分解部は、前記出力が変動する動力源による発電量が所定の値を下回った場合に、前記第１モードで運転することにより下回った分の電力を発電し、前記出力が変動する動力源による発電量が所定の値を上回った場合に、前記第２モードで運転することにより上回った分の電力を充電し、前記出力が変動する動力源による発電量が所定の値と同等の場合に、前記第３モードで運転する、請求項１～８のいずれか一項に記載の給電システム。
　前記所定の値は、負荷が要求する電力の値である請求項９に記載の給電システム。
　化学反応により燃料ガスを発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生部材と、
　前記燃料発生部材から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行う発電機能及び前記燃料発生部材の再生時に前記燃料発生部材から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する電気分解機能を有する発電・電気分解部と、
　前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間で前記燃料ガスを含むガスを循環させるためのガス流路と、
　前記ガス流路上に設けられ、前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間でガスを強制的に循環させる循環器とを有する２次電池型燃料電池装置であって、
　前記燃料電池装置は、出力が変動する電力源とともに給電に用いられ、
　前記発電・電気分解部が発電を行う第１モードと、前記発電・電気分解部が電気分解を行う第２モードと、前記発電・電気分解部が発電も電気分解も行わない第３モードとを少なくとも有し、
　前記発電・電気分解部は、前記出力が変動する動力源による発電量が所定の値を下回ったとき前記第１モードで運転し、前記出力が変動する動力源による発電量が所定の値を上回ったとき前記第２モードで運転し、前記出力が変動する動力源による発電量が所定の値と同等のとき前記第３モードで運転し、
　前記第３モード時に、前記循環器を動作させて前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間で前記燃料ガスを含むガスを循環させることを特徴とする２次電池型燃料電池装置。
　化学反応により燃料ガスを発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生部材と、
　前記燃料発生部材から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行う発電機能及び前記燃料発生部材の再生時に前記燃料発生部材から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する電気分解機能を有する発電・電気分解部と、
　前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間で前記燃料ガスを含むガスを循環させるためのガス流路と、
　前記ガス流路上に設けられ、前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間でガスを強制的に循環させる循環器とを有する２次電池型燃料電池装置であって、
　前記発電・電気分解部が発電を行う第１モードと、前記発電・電気分解部が電気分解を行う第２モードと、前記発電・電気分解部が発電も電気分解も行わない第３モードとを少なくとも有し、
　前記第３モード時に、前記循環器を動作させて前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間で前記燃料ガスを含むガスを循環させることを特徴とする２次電池型燃料電池装置。