(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と空気極と前記燃料極と前記空気極との間に配される電解質膜とを備えた燃料電池と、発電時に前記燃料極で生じた水との反応により水素を発生する水素吸蔵体を内蔵するとともに内部条件を調整する温度調整機構を備えた反応容器とを有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池と前記反応容器とは前記燃料極の水素が供給される供給面と前記水素吸蔵体の水素を放出する放出面とを対向配置して接続することができるとともに前記供給面と前記放出面とを分離して開放することができることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池は、前記燃料極と前記空気極と前記電解質膜とを支持する支持部材を備え、前記支持部材は前記空気極側に空気室を形成するとともに前記供給面が開放されるように配置され、前記反応容器は前記放出面のみが開放され、
前記支持部材と前記反応容器の開放された開口部同士を分離可能に接続することができることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池は、前記燃料極に負の電圧を印加し、前記空気極に正の電圧を印加したとき前記燃料極で発生する水素を前記反応容器内に供給することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池は、前記燃料極に負の電圧を印加し、前記空気極に正の電圧を印加するための電圧印加部を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記温度調整機構は、ヒ―タを備えることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記反応容器または前記支持部材は、断熱構造を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池と前記反応容器とを接続した状態において、前記燃料極と前記水素吸蔵体とが空間を介して対向配置されることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記水素吸蔵体は、鉄を含むことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記水素吸蔵体は、鉄微粒子を含むことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に水素吸蔵体を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の高性能化に伴い、電池の大容量化及び長寿命化に対する要求が高まっている。従来のリチウムイオン電池はその容量において、容積あたりのエネルギー密度が理論限界に近づきつつあり、これ以上の大幅な性能向上は望めなくなりつつある。そんな中、その容積あたりのエネルギー密度が従来の電池に比べて大幅に優れ、大容量化が可能な燃料電池に注目が集まっている。【０００３】
例えば、特許文献１では、充電可能な燃料電池システムが記載されており、この燃料電池システムは燃料電池と水素吸蔵体とが一体的に構成され、燃料電池には固体高分子型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ、以下ＰＥＦＣという）が用いられている。図６は発電時のＰＥＦＣの反応機構を示す模式図であり、図７は充電時のＰＥＦＣの反応機構を示す模式図である。ＰＥＦＣ２２０は、燃料極２２１と空気極２２２と電解質膜２２３とで構成され、発電時、燃料極２２１では、水素からプロトンと電子が発生し、空気極２２２では、燃料極２２１から移動してきたプロトンと酸素から生成した酸素イオンとが反応して水を生成する。
燃料極：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
空気極：４Ｈ+＋Ｏ2＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ【０００４】
充電時、燃料極２２１及び空気極２２２に逆電圧を印加すると、燃料極２２１及び空気極２２２で、発電時と逆の反応が起こる。
燃料極：２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2
空気極：２Ｈ2Ｏ→４Ｈ+＋Ｏ2＋４ｅ-【０００５】
特許文献１に記載の燃料電池システム内には水素を生成する水素吸蔵体が設けられ、発電時、水素吸蔵体から水素を燃料極に供給し、充電時、燃料極で発生した水素を水素吸蔵体に吸蔵させて水素を貯蔵することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１５１０９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、一般に水素吸蔵体から水素を生成する又は水素吸蔵体に水素を貯蔵するためには、水素吸蔵体を加熱して反応を促進させる必要がある。しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは反応調整機構について検討されておらず、持続的に充放電を繰り返すことができないと考えられる。【０００８】
そこで、本願発明は、このような課題を解決すべく、持続的に再生が可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明は、燃料極と、空気極と、燃料極と空気極との間に配される電解質膜とを備えた燃料電池と、燃料極に水素を供給するための水素吸蔵体と、水素吸蔵体を内蔵し、内部条件を調整するための温度調整機構を備えた反応容器とを有し、燃料電池は発電時に前記燃料極で水を生成し、その水を反応容器内部に供給することを特徴とする。【００１０】
この構成によれば、反応容器の内部条件を温度調整機構により調節し、水素吸蔵体の反応開始条件及び反応停止条件を制御することができる。これにより、発電時、水素吸蔵体から水素を安定して放出させることができ、充電時、水素吸蔵体に安定して水素を貯蔵することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、持続的に再生可能な燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】発電時の第１実施形態に係る燃料電池システムの模式図である。
【図２】充電時の第１実施形態に係る燃料電池システムの模式図である。
【図３】発電時のＳＯＦＣの反応機構を示す図である。
【図４】充電時のＳＯＦＣの反応機構を示す図である。
【図５】第１実施形態に係る燃料電池システムの模式図である。
【図６】発電時のＰＥＦＣの反応機構を示す図である。
【図７】充電時のＰＥＦＣの反応機構を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る燃料電池システムについて図面を参照しつつ詳細に説明する。
（第１実施形態）
【００１４】
図１及び図２は、第１実施形態に係る燃料電池システムの模式図であり、図１は発電時、図２は充電時の状態を示している。図１及び図２に示すように、燃料電池システム１０１は固体酸化物型燃料電池１２０（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ、以下ＳＯＦＣという）と反応容器１０３とで構成されている。ＳＯＦＣ１２０は燃料極１２１と電解質膜１２３と空気極１２２とで構成されている。また、ＳＯＦＣ１２０の空気極１２２側には空気室１２４が形成され、燃料極１２１側には燃料室１２８が形成されている。燃料室１２８は、燃料極１２１とこの燃料極１２１と隣接して設けられた反応容器１０３の内部との間の空間により形成される。反応容器１０３はＳＯＦＣ１２０に対して第１接続部１１２及び第２接続部１１３を介して互いが通電しないように取り付けられている。
【００１５】
反応容器１０３内部には鉄微粒子が水素吸蔵体１０６として所定位置に設けられている。反応容器１０３は外壁と内壁の間に空洞１７０を有する断熱構造を備え、反応容器１０３内部を加熱するための第１ヒーター１１４を有している。なお、図示しないが、燃料極１２１表面には燃料拡散層が形成され、燃料極１２１に水素を均一に供給することができ、空気極１２２表面には空気拡散層が形成され、空気極１２２に空気を均一に供給することができる。
【００１６】
一方、空気室１２４は酸素供給ライン１２５及び酸素排出ライン１２７と連絡しており、酸素供給ライン１２５を介して空気室１２４内部へ酸素を含む空気が供給される。また、酸素供給ライン１２５には弁１２５ａ及び酸素排出ライン１２７には弁１２７ａが設けられ、空気室１２４内への空気の供給を制御することができる。
【００１７】
水素吸蔵体１０６は鉄微粒子で構成され、反応容器１０３内で以下の酸化還元反応を行うことができる。
酸化反応：３Ｆｅ＋４Ｈ2Ｏ→Ｆｅ3Ｏ4＋４Ｈ2
還元反応：Ｆｅ3Ｏ4＋４Ｈ2→３Ｆｅ＋４Ｈ2Ｏ
【００１８】
この反応により、水素吸蔵体１０６は発電時、鉄の酸化反応により水素を放出し、充電時、酸化鉄の還元反応により水素を貯蔵する。水素吸蔵体１０６の還元反応は吸熱反応であり反応温度が高いが、第１ヒーター１１４で反応容器１０３の内部温度を調整することにより、水素吸蔵体１０６の反応を制御することができる。
【００１９】
図３は発電時のＳＯＦＣ１２０の反応機構を示す模式図であり、図４は充電時のＳＯＦＣ１２０の反応機構を示す模式図である。図３及び図４に示すように、ＳＯＦＣ１２０では、発電時、燃料極１２１及び空気極１２２で以下の反応が起こり、燃料極１２１では、水素からプロトンと電子が発生し、空気極１２２では、酸素から酸素イオンが発生する。このとき、空気極１２２から移動してきた酸素イオンとプロトンが反応して燃料極１２１で水が生成する。
燃料極：Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-
空気極：Ｏ2＋４ｅ-→２Ｏ2-
【００２０】
また、充電時、燃料極１２１及び空気極１２２に逆電圧を印加すると、燃料極１２１及び空気極１２２で、発電時と逆の以下の反応が起こり、燃料極１２１から水素が発生する。この燃料極１２１から発生した水素を水素貯蔵部に貯蔵することにより、ＳＯＦＣ１２０を充電可能な二次電池として使用することができる。
燃料極：Ｈ2Ｏ＋２ｅ-→Ｈ2＋Ｏ2-
空気極：２Ｏ2-→Ｏ2＋４ｅ-
【００２１】
次に燃料電池システム１０１の動作方法について説明する。発電時、第１接続部１１２及び第２接続部１１３を閉じて反応容器１０３内を密封した上で、第１ヒーター１１４により内部を加熱することにより、反応容器１０３内で水素吸蔵体１０６である鉄が酸化反応して水素を発生し、燃料極１２１に供給される。なお、第１接続部１１２及び第２接続部１１３は、ＳＯＦＣ１２０に反応容器１０３が取り付けられた状態においては、常時閉鎖されていても構わない。
【００２２】
一方、空気室１２４では酸素供給ライン１２５の弁１２５ａ及び酸素排出ライン１２７の弁１２７ａを開いて、空気極１２２に酸素を供給しながら、第２ヒーター１２６により内部を加熱する。これにより、ＳＯＦＣ１２０が電気化学反応により発電する。このとき、燃料極１２１で生成した水は反応容器１０３内部で水素吸蔵体１０６に供給され、水素吸蔵体１０６の水素生成反応を促す。
【００２３】
したがって、水素吸蔵体１０６の水素生成反応に用いる水を燃料極１２１から直接供給することができるため、燃料電池システム１０１内で発生した水の利用を効率的に行うことができ、燃料電池システム１０１全体の小型化を図り、容積あたりのエネルギー密度を高めることができる。
【００２４】
燃料電池システム１０１を停止する場合、第１ヒーター１１４による加熱を止め水素吸蔵体１０６の反応を停止するとともに、酸素供給ライン１２５の弁１２５ａを閉じて酸素の供給を停止し、第２ヒーター１２６による加熱を止めることで、ＳＯＦＣ１２０の電気化学反応を停止することができる。
【００２５】
また、燃料電池システム１０１を充電する場合、第１接続部１１２及び第２接続部１１３を閉じて反応容器１０３内を密封した上で、第１ヒーター１１４により反応容器１０３内部を加熱し、酸素供給ライン１２５の弁１２５ａを閉じて酸素排出ライン１２７の弁１２７ａを開き、第２ヒーター１２６により空気室１２４内部を加熱する。また、燃料極１２１に負の電圧を印加し、空気極１２２に正の電圧を印加する。これにより、ＳＯＦＣ１２０では発電時と逆の反応がおこり、燃料極１２１から水素が生成し、空気極１２２から酸素が生成する。このとき、燃料極１２１から生成した水素は反応容器１０３内で酸化鉄を還元して水素吸蔵体１０６に貯蔵される。また、空気極１２２から生成した酸素は酸素排出ライン１２７から排出される。
【００２６】
以上より、燃料電池システム１０１において発電、停止、充電の運転は反応容器１０３及び空気室１２４内の温度調整により制御することができる。また、ＳＯＦＣ１２０の燃料極１２１が水供給源及び水素供給源として機能するため、燃料極１２１に隣接して反応容器１０３を設けることができ、燃料電池システム１０１全体を小型化し、容積あたりのエネルギー密度を高めることができる。
【００２７】
なお、燃料電池１２０はＳＯＦＣ以外にも発電時、燃料極１２１で水を生成する燃料電池であれば用いることができる。
【００２８】
水素吸蔵体１０６に用いられる鉄は鉄微粒子であり実表面積拡大のための粉砕処理の後、水素脆化により微小クラックが形成され、この微小クラック内へ液相堆積法（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によるシンタリング材の添加処理が施されている。この処理により鉄と水との酸化還元反応性が促進され、反応容器１０３内における水素の放出及び吸蔵が安定化される。
【００２９】
また、本実施形態では再生可能な水素吸蔵体１０６として鉄を用いたが、鉄以外の金属微粒子を用いて水素の放出及び吸蔵をおこなうことも可能であり、アルミニウム又はマグネシウムを用いて同様の反応を得ることができる。
【００３０】
また、図５に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１０１においては、ＳＯＦＣ１２０から反応容器１０３が脱着可能である。これにより、反応容器１０３内の水素吸蔵体１０６の水素生成量が減少し、燃料電池１２１の出力が低下したとき、水素吸蔵体１０６を反応容器１０３ごと交換することにより、燃料電池１２１の出力を回復することができる。これにより、ＳＯＦＣ１２０の燃料極１２１に負の電圧を印加し、空気極１２２に正の電圧を印加して充電しなくても、水素が十分貯蔵された水素吸蔵体１０６を有する反応容器１０３を充電用カートリッジとして交換すれば、燃料電池システム１０１を再生して使用することができる。また、水素吸蔵体１０６を有する反応容器１０３は別装置を用いて充電することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、電子機器の電源として使用形態を限定することなく、好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１０１    燃料電池システム
１０３    反応容器
１０６    水素吸蔵体
１１２    第１接続部
１１３    第２接続部
１１４    第１ヒーター
１２０    燃料電池
１２１    燃料極
１２２    空気極
１２３    電解質膜
１２４    空気室
１２５    酸素供給ライン
１２５ａ  酸素供給ライン上の弁
１２６    第２ヒーター
１２７    酸素排出ライン
１２７ａ  酸素排出ライン上の弁
１２８    燃料室
１７０    空洞
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0005382142.tif 000007
【図７】
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