(57)【要約】【課題】発電動作から充電動作に切り替わった直後の応答性を向上させることができる２次電池型燃料電池システムを提供する。【解決手段】２次電池型燃料電池システムは、水素発生部と、前記水素発生部から供給される水素を用いて発電を行う発電機能及び前記水素発生部の再生時に前記水素発生部から供給される水蒸気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ためのガス流路と、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強制的に循環させる循環部と、前記ガス流路を制御するガス流路制御部とを備える。前記ガス流路制御部は、システムの動作が発電動作から充電動作に切り替わる際に、前記ガス流路によるガスの循環を抑制するように前記ガス流路を制御する。【選択図】図１
2014216062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化反応によって水素を放出することができ、還元反応によって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用いて発電を行う発電機能及び前記水素発生部の再生時に前記水素発生部から供給される水蒸気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ためのガス流路と、
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強制的に循環させる循環部と、
前記ガス流路を制御するガス流路制御部とを備える２次電池型燃料電池システムであって、
前記ガス流路制御部は、システムの動作が発電動作から充電動作に切り替わる際に、前記ガス流路によるガスの循環を抑制するように前記ガス流路を制御することを特徴とする２次電池型燃料電池システム。
【請求項２】
前記ガス流路制御部は、前記ガス流路上であって、前記発電・電気分解部のガス流出側の下流に配置されるバルブを含む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。
【請求項３】
システムの動作が発電動作から充電動作に切り替わる際に、前記バルブの開度を一時的に小さくすることを特徴とする請求項２に記載の２次電池型燃料電池システム。
【請求項４】
システムの動作が発電動作から充電動作に切り替わる際に、前記バルブの開度を一時的に小さくしている間、前記循環部によって強制的に循環させるガスの循環量を低下させ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。
【請求項５】
前記発電・電気分解部は、前記水素発生部から供給される水素を用いて発電を行う燃料電池部と、前記水素発生部の再生時に前記水素発生部から供給される水蒸気を電気分解する電気分解器とを有し、
前記電気分解器は、前記燃料電池部のガス流出側の下流に配置される請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の２次電池型燃料電池システム。
【請求項６】
前記発電・電気分解部のガス流出側とガス流入側との間で前記水素発生部を経由せずに水素及び水蒸気を含むガスを循環させるためのバイパスガス流路を備え、
前記ガス流路制御部は、前記バイパスガス流路を制御するバルブを含む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。
【請求項７】
システムの動作が発電動作から充電動作に切り替わる際に、前記バルブは一時的に前記バイパスガス流路を開通させることを特徴とする請求項６に記載の２次電池型燃料電池システム。
【請求項８】
前記循環部は、前記ガス流路上であって、前記発電・電気分解部のガス流出側と前記バイパスガス流路のガス流入側との間、又は、前記バイパスガス流路のガス流出側と前記発電・電気分解部のガス流入側との間に配置されることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の２次電池型燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の２次電池型燃料電池システムと、
自然エネルギーを用いて発電を行うとともに、前記２次電池型燃料電池システムに電力を供給する発電設備とを備えたことを特徴とする給電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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及びそれを備えた給電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表平１１−５０１４４８号公報
【特許文献２】国際公開第２０１２／０９８９４５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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次電池型燃料電池システムが開示されている。上記２次電池型燃料電池システムでは、システムの発電動作時に水素発生部材が水素を発生し、システムの充電動作時に水素発生部材が再生される。
【０００６】
特許文献１で開示されている２次電池型燃料電池システムは、燃料電池部の燃料極と水素発生部材とを封じた空間が閉空間になっておらず、常に水の補給を必要とするシステムである。
【０００７】
これに対して、特許文献２で開示されている２次電池型燃料電池システムは、燃料電池部の燃料極と水素発生部材とを封じた空間が閉空間になっており、その閉空間内に存在する水素と水蒸気との混合ガスを用いてシステムの発電動作及びシステムの充電動作を行うため、基本的に水の補給を必要としないシステムである。
【０００８】
特許文献２で開示されている２次電池型燃料電池システムでは、水素発生部材の平衡反応で発生するガスが、システムの発電動作時における発電反応及びシステムの充電動作時における電気分解反応で用いられる。システムの発電動作時、充電動作時のいずれにおいても、水素発生部材の平衡反応で発生するガスの組成は一定である（例えば、水素発生部材が鉄を主体とする部材であり、６００℃に加熱されている場合、水素：水蒸気＝３：１）。
【０００９】
このため、システムの発電動作時には、発電反応で用いられる水素が水素発生部材から十分に供給されていても、システムの充電動作時には、電気分解反応で用いられる水蒸気が水素発生部材から十分に供給されていないことになる。
【００１０】
システムの充電動作時にシステムの発電動作時と比べて水素発生部材の温度を上げたりガス循環量を増やしたりすることで、水素発生部材からの水蒸気供給量を増加させることができるが、水素発生部材の温度を上げたりガス循環量を増やしたりしてから実際に水素発生部材からの水蒸気供給量が増加するにはしばらく時間がかかる。
【００１１】
例えば、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、特許文献２で開示されている２次電池型燃料電池システムを用いる場合、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）を特許文献２で開示されている２次電池型燃料電池システムが発電し、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）を特許文献２で開示されている２次電池型燃料電池システムが充電することになる。
【００１２】
この場合、特許文献２で開示されている２次電池型燃料電池システムの発電動作から充電動作に切り替わった直後においては、特許文献２で開示されている２次電池型燃料電池システムが余剰電力を十分に充電できないので、余剰電力の一部が熱となって無駄に消費されたり、系統電力が変動したりする。
【００１３】
本発明は、上記の状況に鑑み、発電動作から充電動作に切り替わった直後の応答性を向上させることができる２次電池型燃料電池システム及びそれを備えた給電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】
【００１４】
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、酸化反応によって水素を放出することができ、還元反応によって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用いて発電を行う発電機能及び前記水素発生部の再生時に前記水素発生部から供給される水蒸気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ためのガス流路と、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強制的に循環させる循環部と、前記ガス流路を制御するガス流路制御部とを備える２次電池型燃料電池システムであって、前記ガス流路制御部は、システムの動作が発電動作から充電動作に切り替わる際に、前記ガス流路によるガスの循環を抑制するように前記ガス流路を制御する構成（第１の構成）としている。なお、前記発電・電気分解部は、例えば、前記水素発生部から供給される水素を用いて発電を行う発電動作と、前記水素発生部の再生時に前記水素発生部から供給される水蒸気を電気分解する電気分解動作とを切り替える燃料電池を備える構成であってもよく、また、例えば、前記水素発生部から供給される水素を用いて発電を行う燃料電池と、前記水素発生部の再生時に前記水素発生部から供給される水蒸気を電気分解する電気分解器とを別個に備える構成であってもよい。
【００１５】
上記第１の構成の２次電池型燃料電池システムにおいて、前記ガス流路制御部は、前記ガス流路上であって、前記発電・電気分解部のガス流出側の下流に配置されるバルブを含む構成（第２の構成）としてもよい。
【００１６】
上記第２の構成の２次電池型燃料電池システムにおいて、システムの動作が発電動作から充電動作に切り替わる際に、前記バルブの開度を一時的に小さくする構成（第３の構成）としてもよい。
【００１７】
上記第３の構成の２次電池型燃料電池システムにおいて、システムの動作が発電動作から充電動作に切り替わる際に、前記バルブの開度を一時的に小さくしている間、前記循環部によって強制的に循環させるガスの循環量を低下させる構成（第４の構成）としてもよい。
【００１８】
上記第１〜第４のいずれかの構成の２次電池型燃料電池システムにおいて、前記発電・電気分解部は、前記水素発生部から供給される水素を用いて発電を行う燃料電池部と、前記水素発生部の再生時に前記水素発生部から供給される水蒸気を電気分解する電気分解器とを有し、前記電気分解器は、前記燃料電池部のガス流出側の下流に配置される構成（第５の構成）としてもよい。
【００１９】
上記第１の構成の２次電池型燃料電池システムにおいて、前記発電・電気分解部のガス流出側とガス流入側との間で前記水素発生部を経由せずに水素及び水蒸気を含むガスを循環させるためのバイパスガス流路を備え、前記ガス流路制御部は、前記バイパスガス流路を制御するバルブを含む構成（第６の構成）としてもよい。
【００２０】
上記第６の構成の２次電池型燃料電池システムにおいて、システムの動作が発電動作から充電動作に切り替わる際に、前記バルブは一時的に前記バイパスガス流路を開通させる構成（第７の構成）としてもよい。
【００２１】
上記第６又は上記第７の構成の２次電池型燃料電池システムにおいて、前記循環部は、前記ガス流路上であって、前記発電・電気分解部のガス流出側と前記バイパスガス流路のガス流入側との間、又は、前記バイパスガス流路のガス流出側と前記発電・電気分解部のガス流入側との間に配置される構成（第８の構成）としてもよい。
【００２２】
また、上記目的を達成するために本発明に係る給電システムは、上記第１〜第８のいずれかの構成の２次電池型燃料電池システムと、自然エネルギーを用いて発電を行うとともに、前記２次電池型燃料電池システムに電力を供給する発電設備とを備える構成（第９の構成）とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によると、２次電池型燃料電池システムの動作が発電動作から充電動作に切り替わる際に、水素発生部と発電・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ためのガス流路によるガスの循環が抑制されるので、２次電池型燃料電池システムの発電動作時に発電・電気分解部で発生した水蒸気が、２次電池型燃料電池システムの充電動作時に切り替わって電気分解を行っている発電・電気分解部に水素発生部を経由せずに供給されることを促進することができる。これにより、２次電池型燃料電池システムの動作が発電動作から充電動作に切り替わった直後に発電・電気分解部に供給される水蒸気を増加させることができ、発電動作から充電動作に切り替わった直後の応答性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１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。
【図２】第１実施形態に係るバルブの動作を示すタイムチャートである。
【図３】２次電池型燃料電池システムの発電動作時におけるガスの流れを示す図である。
【図４】２次電池型燃料電池システムの発電動作から充電動作に切り替わった直後におけるガスの流れを示す図である。
【図５】第１実施形態に係るバルブの他の動作を示すタイムチャートである。
【図６】第１実施形態に係るバルブの他の動作を示すタイムチャートである。
【図７】第１実施形態に係るバルブの他の動作を示すタイムチャートである。
【図８】本発明の第２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。
【図９】第２実施形態に係るバルブの動作を示すタイムチャートである。
【図１０】本発明の第３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。
【図１１】第３実施形態に係るバルブの動作を示すタイムチャートである。
【図１２】本発明の第４実施形態に係る燃料電池部の概略構成を示す模式図である。
【図１３】本発明の第４実施形態に係る燃料電池部の概略構成を示す模式図である。
【図１４】本発明の第５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。
【図１５】本発明の第６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。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。例えば、複数の実施形態を適宜組み合わせて実施しても良く、或る実施形態で説明した例示や変形例を他の実施形態に適用してもよく、同一の実施形態で説明した例示や変形例を適宜組み合わせて実施しても良い。
【００２６】
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る給電システムの概略構成を図１に示す。本実施形態に係る給電システムは、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１００と、２次電池型燃料電池システム２００とを備えており、２次電池型燃料電池システム２００から出力される電力を電力系統へ給電している。
【００２７】
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。
【００２８】
そこで、本発明に係る給電システムでは、自然エネルギー発電設備１００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次電池型燃料電池システム２００が発電し、自然エネルギー発電設備１００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次電池型燃料電池システム２００が充電し、自然エネルギー発電設備１００の発電量が所定値と一致すると、２次電池型燃料電池システム２００が発電及び充電を停止するようにしている。これにより、２次電池型燃料電池システム２００が電力系統へ出力する電力を所定値に保つことができ、２次電池型燃料電池システム２００が電力系統へ出力する電力によって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。
【００２９】
２次電池型燃料電池システム２００は、水素発生部材１と、燃料電池部２と、水素発生部材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、水素発生部材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、水素発生部材１と燃料電池部２の間で水素及び水蒸気を含むガスを循環させるための配管７と、水素発生部材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、バルブ９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１０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１１と、発電充電制御部１２と、２次電池型燃料電池システム２００全体を制御するシステムコントローラ１３とを備えている。
【００３０】
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。バルブ９は、配管７上にあって、燃料電池部２のガス流出側の下流に配置されている。
【００３１】
発電充電制御部１２は、２次電池型燃料電池システム２００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１００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１２は、２次電池型燃料電池システム２００の充電動作時において、自然エネルギー発電設備１００の出力の一部を平滑化（自然エネルギー発電設備１００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１００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。
【００３２】
なお、図１においては、図が煩雑になることを防ぐため、システムコントローラ１３と２次電池型燃料電池システム２００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、水素発生部材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。
【００３３】
水素発生部材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、水蒸気との酸化反応によって水素を発生し、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、水素発生部材１として、Ｆｅを主体とする水素発生部材を用いる。
【００３４】
Ｆｅを主体とする水素発生部材は、下記の（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）
【００３５】
上記の（１）式に示す鉄の酸化反応が進むと、鉄から酸化鉄への変化が進んで鉄の残量が減っていくが、上記の（１）式の逆反応すなわち下記の（２）式に示す還元反応により、水素発生部材１を再生することができる。なお、上記の（１）式に示す鉄の酸化反応及び下記の（２）式の還元反応は６００℃未満の低い温度で行うこともできる。
４Ｈ2＋Ｆｅ3Ｏ4→３Ｆｅ＋４Ｈ2Ｏ  …（２）
【００３６】
水素発生部材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。水素発生部材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、水素発生部材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。
【００３７】
水素発生部材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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
燃料電池部２では、２次電池型燃料電池システム２００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＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-  …（３）
【００４３】
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１２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-→Ｏ2-  …（４）
【００４４】
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次電池型燃料電池システム２００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。
【００４５】
上記の（３）式及び（４）式より、２次電池型燃料電池システム２００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）
【００４６】
一方、水素発生部材１は、上記の（１）式に示す酸化反応により、２次電池型燃料電池システム２００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。
【００４７】
上記の（１）式に示す鉄の酸化反応が進むと、鉄から酸化鉄への変化が進んで鉄残量が減っていくが、上記の（２）式に示す還元反応により、水素発生部材１を再生することができ、２次電池型燃料電池システム２００を充電することができる。
【００４８】
燃料電池部２では、２次電池型燃料電池システム２００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、水素発生部材１では、上記の（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）
【００４９】
次に、バルブ９の動作について図２〜図４を参照して説明する。なお、図３及び図４において、黒塗り矢印は水素の流れを示しており、白塗り矢印は水蒸気の流れを示しており、黒塗り矢印及び白塗り矢印の太さは太いほど対応しているガスの濃度が高いことを示している。
【００５０】
システムコントローラ１３は通常バルブ９を全開状態にしている。これにより、水素発生部材１と燃料電池部２との間でガスが循環する。
【００５１】
またシステムコントローラ１３は、図２に示すように、２次電池型燃料電池システム２００の動作が発電動作から充電動作に切り替わると、バルブ９を一時的に全閉状態にする。すなわち、システムコントローラ１３は、２次電池型燃料電池システム２００の動作が発電動作から充電動作に切り替わると、バルブ９を全開状態から全閉状態に切り替え、その後２次電池型燃料電池システム２００の動作が充電動作から発電動作に切り替わるか２次電池型燃料電池システム２００の充電動作が一定時間（図２中のＴ１）継続するかすると、バルブ９を全閉状態から全開状態に切り替える。
【００５２】
なお、２次電池型燃料電池システム２００の動作が発電動作から充電動作に切り替わる際に、バルブ９を一時的に全閉状態にしている間は、配管７の圧力上昇を抑える観点から、ポンプ８を停止させるかポンプ８を通常よりも低出力で運転させることが望ましい。
【００５３】
また、本実施形態では、上記の一定時間を図２中のＴ１に固定しているが、上記の一定時間を例えば自然エネルギー発電設備１００の余剰電力や燃料電池部２内の水蒸気濃度などに応じて変更してもよい。例えば、燃料電池部２内の水蒸気濃度を検出するセンサを設け、燃料電池部２内の水蒸気濃度が水素発生部材の平衡反応で発生するガスの水蒸気濃度と同じになったときを、上記の一定時間の終了時点としたり、燃料電池部２内の水蒸気濃度が水素発生部材の平衡反応で発生するガスの水蒸気濃度と同じになるまでにかかる時間を自然エネルギー発電設備１００の余剰電力に応じて予めシステムコントローラ１３が記憶しておき、その記憶内容と自然エネルギー発電設備１００の余剰電力の値とに応じて上記の一定時間の終了時点を決定したりすればよい。
【００５４】
また、本実施形態では、２次電池型燃料電池システム２００の動作が発電動作から充電動作に切り替わると、バルブ９を全閉状態にしているが、自然エネルギー発電設備１００の出力傾向を演算予測し、余剰電力が生じる直前、すなわち２次電池型燃料電池システム２００の動作が発電動作から充電動作に切り替わる直前に、予めバルブ９を全閉状態にしてもよい。
【００５５】
２次電池型燃料電池システム２００が発電動作を行っているときは、上記の（５）式の反応によって燃料電池部２のガス流出側では水蒸気濃度が高くなっている（図３参照）。そして、２次電池型燃料電池システム２００の動作が発電動作から充電動作に切り替わった時点で、バルブ９が全閉状態になって、燃料電池部２のガス流出側に存在している水蒸気濃度の高いガスがバルブ９よりも上流側に閉じ込められ（図４参照）、電気分解を開始した燃料電池部２に水蒸気濃度の高いガスが迅速に供給される。これにより、発電動作から充電動作に切り替わった直後の２次電池型燃料電池システム２００の応答性が向上する。すなわち、本実施形態では、２次電池型燃料電池システム２００の動作が発電動作から充電動作に切り替わった直後においても、燃料電池部２に水蒸気が十分に供給されるため、充電電力（＝燃料電池部２が電気分解で消費する電力）の余剰電力に対する応答性が良く、２次電池型燃料電池システム２００が余剰電力を十分に充電できる。また、本実施形態では、２次電池型燃料電池システム２００の動作が発電動作から充電動作に切り替わった直後において、一定量の水蒸気を燃料電池部２に移動させるために必要なエネルギーがバルブ９を全開状態にしているよりも少なくてよいため、２次電池型燃料電池システム２００のエネルギー効率も向上する。
【００５６】
また、バルブ９を一時的に全閉状態にしている間に、例えばポンプ８を高出力で運転させたり、燃料発生部材１の温度を上げたりすることで、燃料発生部材１から燃料電池部２に供給される水蒸気を増加させることもできる。
【００５７】
本実施形態とは異なりバルブ９を常時全開状態にした場合、２次電池型燃料電池システム２００の動作が発電動作から充電動作に切り替わった直後においては、水素発生部材１から燃料電池部２に水蒸気が十分に供給されないため、充電電力（＝燃料電池部２が電気分解で消費する電力）の余剰電力に対する応答性が悪く（図２の太点線参照）、２次電池型燃料電池システム２００が余剰電力を十分に充電できない。
【００５８】
次に、バルブ９の他の動作について図５を参照して説明する。
【００５９】
図５に示すバルブ９の動作例では、システムコントローラ１３は通常バルブ９の全開状態と全閉状態を一定周期で繰り返している。これにより、２次電池型燃料電池システム２００の発電動作中常に短時間であるが水蒸気濃度の高いガスを燃料電池部２内に滞留させることができる。
【００６０】
またシステムコントローラ１３は、図５に示すように、２次電池型燃料電池システム２００の動作が発電動作から充電動作に切り替わると、バルブ９を一時的に全閉状態にする。すなわち、システムコントローラ１３は、２次電池型燃料電池システム２００の動作が発電動作から充電動作に切り替わると、バルブ９の全閉状態から全開状態への切り替わりを停止し、その後２次電池型燃料電池システム２００の動作が充電動作から発電動作に切り替わるか２次電池型燃料電池システム２００の充電動作が一定時間（図２中のＴ１）継続するかすると、バルブ９の全閉状態から全開状態への切り替わりの停止を解除して、バルブ９の全開状態と全閉状態を一定周期で繰り返す動作を再開させる。
【００６１】
図５に示すバルブ９の動作例は、２次電池型燃料電池システム２００の発電動作中常に短時間であるが水蒸気濃度の高いガスを燃料電池部２内に滞留させているので、図２に示すバルブ９の動作例が奏する効果に加え、予想できない突発的な余剰電力の発生にも対応することができる。
【００６２】
次に、バルブ９の他の動作について図６を参照して説明する。
【００６３】
図６に示すバルブ９の動作例は、基本的に図２に示すバルブ９の動作例と同じ動作であるが、２次電池型燃料電池システム２００の短時間且つ小発電電力の発電動作と短時間且つ小充電電力の充電動作が繰り返される期間はバルブ９を全閉状態にする点で異なっている。これにより、２次電池型燃料電池システム２００の短時間且つ小発電電力の発電動作と短時間且つ小充電電力の充電動作が繰り返される期間は、燃料電池部２において、発電反応で発生した水蒸気をその直後の電気分解反応に用い、電気分解反応で発生した水素をその直後の発電反応に用いることが繰り返され、燃料発生部材１からのガス供給を必要としない。このため、２次電池型燃料電池システム２００の短時間且つ小発電電力の発電動作と短時間且つ小充電電力の充電動作が繰り返される期間は、ポンプ８の運転を停止することができ、２次電池型燃料電池システム２００のエネルギー効率を向上させることができる。
【００６４】
次に、バルブ９の他の動作について図７を参照して説明する。
【００６５】
図７に示すバルブ９の動作例では、２次電池型燃料電池システム２００の動作が発電動作から充電動作に切り替わる際に、バルブ９の開度を一時的に小さくしている時間は毎回同じにし、バルブ９の開度を変更している。バルブ９の開度を変更することで、燃料電池部２内に滞留する水蒸気濃度の高いガス量を調節することができる。バルブ９を全閉状態にしないので、配管７内の圧力が急激に上昇することがなく、２次電池型燃料電池システム２００の劣化を防ぐことができる。
【００６６】
図７に示すバルブ９の動作例では、例えば、２次電池型燃料電池システム２００の動作が発電動作から充電動作に切り替わる直前の発電電力の変化率に応じて、２次電池型燃料電池システム２００の動作が発電動作から充電動作に切り替わる際に一時的に小さくするバルブ９の開度を決定することができる。また、図７に示すバルブ９の動作例とは異なり、例えば、燃料電池部２内の水蒸気濃度を検出するセンサを設け、バルブ９の開度を一時的に小さくしている時間内において、燃料電池部２内の水蒸気濃度変化に応じてバルブ９の開度を変更してもよい。
【００６７】
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る給電システムの概略構成を図８に示す。本実施形態に係る給電システムは、自然エネルギー発電設備１００と、２次電池型燃料電池システム２０１とを備えている。
【００６８】
２次電池型燃料電池システム２０１は、第１実施形態に係る給電システムが備える２次電池型燃料電池システム２００からバルブ９を取り除き、燃料電池部２のガス流出側とガス流入側との間で水素発生部材１を経由せずにガスを循環させるためのバイパス配管１４と、バイパス配管１４上に配置されるバルブ１５とを追加した構成である。
【００６９】
バルブ１５が開くと、バイパス配管１１が開通し、燃料電池部２のガス流出側から流れ出たガスを、水素発生部材１を経由せずに燃料電池部２のガス流入側に供給することができる。
【００７０】
本実施形態では、バルブ１５の全開状態でバイパス配管１１の流路抵抗が水素発生部材１側の流路抵抗よりも十分に小さくなるように設計している。そして、ポンプ８が、配管７上であって、燃料電池部２のガス流出側とバイパス配管１４のガス流入側との間に配置されている。これにより、バルブ１５の開閉切り替えのみによって、ガスが流れる流路をバイパス配管１１側と水素発生部材１側とに切り替えることができる。
【００７１】
なお、本実施形態とは異なり、ポンプ８を、配管７上であって、バイパス配管１４のガス流出側と燃料電池部２のガス流入側との間に配置してもよい。
【００７２】
次に、バルブ１５の動作について図９を参照して説明する。
【００７３】
システムコントローラ１３は通常バルブ１５を全閉状態にしている。これにより、水素発生部材１と燃料電池部２との間でガスが循環する。
【００７４】
またシステムコントローラ１３は、図９に示すように、２次電池型燃料電池システム２００の動作が発電動作から充電動作に切り替わると、バルブ１５を一時的に全開状態にする。すなわち、システムコントローラ１３は、２次電池型燃料電池システム２００の動作が発電動作から充電動作に切り替わると、バルブ９を全閉状態から全開状態に切り替え、その後２次電池型燃料電池システム２００の動作が充電動作から発電動作に切り替わるか２次電池型燃料電池システム２００の充電動作が一定時間（図９中のＴ１）継続するかすると、バルブ１５を全開状態から全閉状態に切り替える。
【００７５】
図９に示すバルブ１５の動作例を実施することで、第１実施形態において図２に示すバルブ９の動作例を実施した場合と同様の効果を得ることができる。
【００７６】
＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態に係る給電システムの概略構成を図１０に示す。本実施形態に係る給電システムは、自然エネルギー発電設備１００と、２次電池型燃料電池システム２０２とを備えている。
【００７７】
２次電池型燃料電池システム２０２は、第２実施形態に係る給電システムが備える２次電池型燃料電池システム２０１からバルブ１５を取り除き、配管７とバイパス配管１４のガス流入側との接続箇所に三方バルブ１６を追加した構成である。
【００７８】
三方バルブ１６により、配管７のポンプ８側とバイパス配管１４のガス流入側との連通と、配管７のポンプ８側と水素発生部材１側との連通とを切り替えることができる。したがって、図１１に示す三方バルブ１６の動作例を実施することで、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７９】
＜第４実施形態＞
本発明の第４実施形態に係る給電システムは、燃料電池部２の周辺部分が第１実施形態と異なっており、それ以外は第１実施形態と同一である。本実施形態に係る給電システムにおける燃料電池部２の周辺部分を図１２に示す。
【００８０】
本実施形態に係る給電システムは、複数の燃料電池部２を備えている。バルブ９は、配管７上であって、複数の燃料電池部２のガス流出側が１つの流路にまとまった箇所の下流に配置されている。本実施形態に係る給電システムは、バルブ９の動作を第１実施形態で説明したバルブ９の各動作例と同様にすることで、第１実施形態と同様の効果を奏する。
【００８１】
なお、図１３に示すように、本実施形態に係る給電システムがバルブ９を複数備え、各バルブ９が、配管７上であって、複数の燃料電池部２のガス流出側が１つの流路にまとまった箇所の上流に配置されるようにしてもよい。
【００８２】
＜第５実施形態＞
本発明の第５実施形態に係る給電システムの概略構成を図１４に示す。本実施形態に係る給電システムは、自然エネルギー発電設備１００と、２次電池型燃料電池システム２０３とを備えている。
【００８３】
２次電池型燃料電池システム２０３は、第１実施形態に係る給電システムが備える２次電池型燃料電池システム２００に電気分解器１７を追加し、２次電池型燃料電池システムの充電動作時に発電充電制御部１２が燃料電池部２ではなく電気分解器１７に電力を供給する構成である。電気分解器１７は燃料電池部２のガス流出側とバルブ９との間に配置されている。本実施形態に係る給電システムは、バルブ９の動作を第１実施形態で説明したバルブ９の各動作例と同様にすることで、第１実施形態と同様の効果を奏する。
【００８４】
＜第６実施形態＞
本発明の第６実施形態に係る給電システムの概略構成を図１５に示す。本実施形態に係る給電システムは、自然エネルギー発電設備１００と、２次電池型燃料電池システム２０４とを備えている。
【００８５】
２次電池型燃料電池システム２０４は、第２実施形態に係る給電システムが備える２次電池型燃料電池システム２０１に電気分解器１７を追加し、２次電池型燃料電池システムの充電動作時に発電充電制御部１２が燃料電池部２ではなく電気分解器１７に電力を供給する構成である。電気分解器１７はバイパス配管１４のガス流出側と燃料電池部２のガス流入側との間に配置されている。本実施形態に係る給電システムは、バルブ１５の動作を第２実施形態で説明したバルブ１５の動作例と同様にすることで、第２実施形態と同様の効果を奏する。
【００８６】
なお、電気分解器１７は燃料電池部２のガス流出側とバイパス配管１４のガス流入側との間に配置されてもよい。
【００８７】
＜その他＞
上述した各実施形態においては、燃料電池部２の電解質膜２Ａとして固体酸化物電解質を用いて、発電の際に燃料極２Ｂ側で水を発生させるようにする。この構成によれば、水素発生部材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。
【符号の説明】
【００８８】
１  水素発生部材
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、１０、１１  配管
８  ポンプ
９、１５  バルブ
１２  発電充電制御部
１３  システムコントローラ
１４  バイパス配管
１００  自然エネルギー発電設備
２００〜２０４  ２次電池型燃料電池システム
【図２】
2014216062.tif 000003
【図５】
2014216062.tif 000004
【図６】
2014216062.tif 000005
【図７】
2014216062.tif 000006
【図９】
2014216062.tif 000007
【図１１】
2014216062.tif 000008
【図１】
2014216062.tif 000009
【図３】
2014216062.tif 000010
【図４】
2014216062.tif 000011
【図８】
2014216062.tif 000012
【図１０】
2014216062.tif 000013
【図１２】
2014216062.tif 000014
【図１３】
2014216062.tif 000015
【図１４】
2014216062.tif 000016
【図１５】
2014216062.tif 000017