(57)【要約】  燃料電池システムは、化学反応により燃料を発生する燃料発生部と、前記燃料発生部から供給される前記燃料を用いて発電を行う燃料電池部と、前記燃料発生部と前記燃料電池部との間で燃料又は発電によって生じた生成物を含むガスを強制的に循環させる循環部と、前記循環部を制御する制御部とを備える。そして、前記制御部は、前記循環部により循環させるガスの流量を周期的に変動させる。
2013150946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学反応により燃料を発生する燃料発生部と、
前記燃料発生部から供給される前記燃料を用いて発電を行う燃料電池部と、
前記燃料発生部と前記燃料電池部との間で燃料又は発電によって生じた生成物を含むガスを強制的に循環させる循環部と、
前記循環部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記循環部により循環させるガスの流量を周期的に変動させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記循環部により循環させるガスの流量を二種類の流量の交互繰り返しで周期的に変動させ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】
前記制御部は、前記二種類の流量のうち、大きい方の流量の値を、一定のガス流量を循環させる場合に設定する値よりも大きくなるように、小さい方の流量の値を前記一定のガス流量を循環させる場合に設定する値より小さくなるように制御す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４】
前記制御部は、前記二種類の流量のうち、小さい方の流量の値をゼロとするよう制御することを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御部は、前記循環部により循環させるガスの流量についての周期的な変動の態様を変更することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御部は、前記循環部により循環させるガスの二種類の流量の差を変更することによって前記周期的な変動の態様を変更することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御部は、前記二種類の流量のうち、流量の大きい方の流量を更に大きくする、又は流量の小さい方の流量を更に小さくすることによって前記二種類の流量の差を変更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。
【請求項８】
前記制御部は、前記燃料電池部の出力情報を取得し、前記出力情報に基づき、前記周期的な変動の態様を変更することを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御部は、一定期間内において前記循環部に投入したエネルギーに対する前記燃料電池部の出力の割合が、直前の一定期間内における割合の半分以下になったとき、前記循環部により循環させるガスの二種類の流量の差を大きくするよう制御することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御部は、外部負荷が要求する電力の変動に応じて前記燃料電池部の出力を変更するために、前記周期的な変動の態様を変更することを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御部は、前記燃料発生部の燃料残量に応じて、前記周期的な変動の態様を変更することを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料発生部の燃料残量を検知する燃料残量検知部を備え、
前記燃料残量検知部は、前記燃料発生部の重量変化に基づいて、又は前記燃料発生部の透磁率変化に基づいて、前記燃料発生部の再生状態を検出することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記制御部は、前記周期的な変動の態様を段階的に変更することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記制御部は、前記循環部により循環させるガスの流量を周期的に変動させる第１の制御モードと、前記循環部により循環させるガスの流量を一定に設定する第２の制御モードとを有することを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記循環部は、機械的なエネルギーを用いる循環器を有することを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記燃料発生部は、複数のペレットによって構成され、又は多孔質体を含む成型体にガス流路が形成されていることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項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、燃料発生部を備える燃料電池システムに関する。
【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】国際公開第２０１１／０４０１８２号
【特許文献２】国際公開第２０１１／０５２２８３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発電および充電が可能な２次電池型燃料電池システムとして、燃料極と燃料発生部材が配置されている空間は密閉されており自然拡散にて反応を促進させるシステムが提案されている（特許文献１および特許文献２参照）。しかしながら、自然拡散では燃料ガスの反応速度が限られるため、高い出力電力が得られないという課題がある。そして、この課題を解決する場合に、でき得る限り燃料発生効率が高いことが望ましい。【０００６】
本発明は、上記の状況に鑑み、出力を高くすることができ燃料発生効率も高くすることができる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】
【０００７】
上記目的を達成するために本発明に係る燃料電池システムは、化学反応により燃料を発生する燃料発生部と、前記燃料発生部から供給される前記燃料を用いて発電を行う燃料電池部と、前記燃料発生部と前記燃料電池部との間で燃料又は発電によって生じた生成物を含むガスを強制的に循環させる循環部と、前記循環部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記循環部により循環させるガスの流量を周期的に変動させる構成とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムによると、出力を高くすることができ燃料発生効率も高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】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図である。
【図２】燃料発生部及びそれを収容する容器の一例を示す図である。
【図３】燃料発生部及びそれを収容する容器の一例を示す図である。
【図４】燃料発生部の他の例を示す図である。
【図５】循環器に投入するエネルギーを示すタイムチャートである。
【図６】循環器に投入するエネルギーを示すタイムチャートである。
【図７Ａ】制御部の第１制御例を示すタイムチャートである。
【図７Ｂ】制御部の第１制御例を示すタイムチャートである。
【図７Ｃ】制御部の第１制御例を示すタイムチャートである。
【図８】制御部の第２制御例を示すタイムチャートである。
【図９】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図である。
【図１０】制御部の第３制御例を示すタイムチャートである。
【図１１】制御部の第４制御例を示すタイムチャートである。
【図１２】制御部の第５制御例を示すタイムチャートである。
【図１３】制御部の第５制御例を示すタイムチャートである。
【図１４】制御部の第６制御例を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
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は、燃料発生部１と、燃料電池部２と、循環器３と、燃料電池部２の温度を調節するヒーター４と、燃料発生部１の温度を調節するヒーター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１及びヒーター５を収容する容器７と、燃料発生部１と燃料電池部２との間でガスを循環させるための配管８と、循環器３を制御する制御部９とを備えている。
【００１２】
燃料発生部１の材料としては、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（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１として、Ｆｅを主体とする燃料発生部材を用いる。
【００１３】
Ｆｅを主体とする燃料発生部材は、例えば、下記の（１）式に示す酸化反応により、酸化性ガスである水蒸気を消費して燃料（還元性ガス）である水素ガスを生成することができる。
４Ｈ２Ｏ＋３Ｆｅ→４Ｈ２＋Ｆｅ３Ｏ４  …（１）
【００１４】
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、燃料発生部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）
【００１５】
燃料発生部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。また、燃料発生部１としては、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し、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構わない。
【００１６】
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。
【００１７】
循環器３は、燃料発生部１と燃料電池部２との間でガスを機械的なエネルギーを用いて図１に示す矢印の方向で強制的に循環させるものであって、例えばコンプレッサ、ファン、ブロア、ポンプなどを用いることができる。
【００１８】
容器６は、燃料極２Ｂに循環ガスを供給するための循環ガス供給口と、燃料極２Ｂから循環ガスを排出するための循環ガス排出口と、空気極２Ｃに空気を供給するための空気供給口と、空気極２Ｃから空気を排出するための空気排出口とを備えている。空気の流れは、例えば容器６の外部に設けられるファンなどによって制御するとよい。なお、空気の流れ方向は、図１に示す方向に限定されることはなく、図１に示す方向と逆であってもよい。また、本実施形態では、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よい。
【００１９】
容器７は、燃料発生部１に循環ガスを供給するための循環ガス供給口と、燃料発生部１から循環ガスを排出するための循環ガス排出口とを備えている。
【００２０】
制御部９は、循環器３により循環させるガスの流量を周期的に変動させる。ここでいうガスの流量とは、例えば、単位時間内に、固定した断面を流れるガスの量（体積）をいい、フローメーターで測定することができる。本実施形態では、制御部９は、循環器３により循環させるガスの流量を、二種類の流量の交互繰り返しで周期的に変動させる。例えば、循環器３がファンである場合、制御部９は当該ファンをＯＮ／ＯＦＦ制御してもよく、回転速度を２段階で交互に切り替えてもよい。また、例えば、循環器３がダイヤフラム式の循環器である場合、制御部９はダイヤフラムの変形周期を２段階で交互に切り替えてもよい。
【００２１】
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。
【００２２】
発電動作時には、スイッチＳＷ１をオンにし、スイッチＳＷ２をオフにすることで、燃料電池部２を負荷１１に電気的に接続する。
【００２３】
例えば燃料を水素にした場合、本実施形態では、発電動作時に、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）
【００２４】
上記の（３）式の反応によって生成された電子は、燃料極２Ｂから負荷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。
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−  …（４）
【００２５】
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。
【００２６】
そして、燃料発生部１は、上記の（１）式に示すＦｅの酸化反応により、燃料電池部２から供給される水蒸気を消費して、水素ガスを発生させ、水素ガスを燃料電池部２に供給する。
【００２７】
なお、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は、発電動作のみならず充電動作も行うことができる２次電池型燃料電池システムである。充電動作時には、スイッチＳＷ１をオフにし、スイッチＳＷ２をオンにすることで、燃料電池部２を電源１０に電気的に接続する。この場合、燃料電池部２が電気分解器として作動して、上記の（３）式及び（４）式の逆反応が起こり、燃料極２Ｂ側において水蒸気が消費され水素ガスが生成され、燃料発生部１は、上記の（２）式に示す還元反応により、酸化鉄から鉄への変化を進めて鉄の残量を増やし、すなわち燃料発生部１は再生されて、燃料電池部２から供給される水素ガスを消費して、水蒸気を発生させ、水蒸気を燃料電池部２に供給する。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
本発明の一実施形態に係る燃料電池システムでは、燃料ガスは循環器３によって強制循環されるため、自然拡散の場合に比べて流速が速くなり、燃料極２Ｂで反応するための燃料を燃料極２Ｂに十分に供給することができる。そのため、自然拡散の場合に比べて出力が大きくなる。
【００３１】
また、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムでは、循環器３により循環させるガスの流量が周期的に変動することで、ガスの圧力脈動が生じ、このガスの圧力脈動が循環器３から燃料発生部１に伝搬する。これにより、燃料発生部１の燃料発生効率が向上する。このように燃料発生効率が向上する理由の詳細について図２及び図３を参照して説明する。
【００３２】
図２及び図３はそれぞれ、燃料発生部１及び容器７の一例を示している。図２及び図３では燃料発生部は複数の球状ペレット１２によって構成されており、容器７はガス流路を長くするための仕切板１３を備えている。図２及び図３ではガスの流れを矢印で模式的に示している。なお、図２及び図３ではペレットの形状が球状であるが、他の形状であっても構わない。
【００３３】
また、本実施形態では、容器７の循環ガス供給口に循環器３からのガスの圧力脈動が伝搬するので、圧力脈動によって生じる圧力差により図２に示すように容器７内の各所においてガス散乱が起こり、流体抵抗が大きい場所にも循環ガスが行き渡る。これにより、燃料発生部において循環ガスが到達せずに未反応になってしまう部分の割合が減少し、その結果、燃料発生効率が向上する。これに対して、容器７の循環ガス排出口又は循環ガス供給口にガスの圧力脈動が伝搬せずに一定流の循環ガスが流入出する場合、図３に示すように流体抵抗が小さい場所にのみ循環ガスが流れ、燃料発生部において循環ガスが到達せずに未反応になってしまう部分の割合が増加し、その結果、燃料発生効率が向上しない。
【００３４】
なお、燃料発生部を複数のペレットによって構成するのではなく、例えば図４に示すようなガス流路が形成されている成型体１４によって構成してもよい。なお、図４の例ではガス流路の断面形状が正方形であるが、他の形状であっても構わない。例えばガス流路の断面形状を正六角形にすれば、ハニカム構造の成型体になる。
【００３５】
燃料発生部を構成する成型体１４は多孔質体であるので、ガスが内部に浸透することが可能であるが、ガス流路よりも流体抵抗が大きい。このため、燃料発生部１が成型体によって構成されている場合も、本実施形態の構成により、圧力脈動が伝搬することで流体抵抗が大きい成型体内部にガスが浸透し、そこでの反応により燃料発生効率が向上する。
【００３６】
さらに、循環器３により循環させるガスの流量を周期的に変動させるときと循環器３により循環させるガスの流量を一定に設定するときとで同じ量の燃料を発生させる場合を考えると、図５及び図６に示すように循環器３により循環させるガスの流量を周期的に変動させるとき、循環器３に投入するエネルギーＥ１の総量は、循環器３により循環させるガスの流量を一定に設定するときに循環器３に投入するエネルギーＥ２の総量よりも小さくすることができる。すなわち、循環器３により循環させるガスの流量を周期的に変動させることで、燃料発生効率が上がり、燃料電池システム全体としてのエネルギー効率を上げることが可能である。なお、図５のエネルギーＥ１は、循環器３により循環させるガスの流量を交互に繰り返される二種類の流量の一方を流量ゼロにした場合を示しており、図６のエネルギーＥ１は、循環器３により循環させるガスの流量を交互に繰り返される二種類の流量の双方を流量ゼロにしない場合を示している。
【００３７】
また、循環器３により循環させるガスの流量を一定に設定した場合、上述の通り、図３に示すように流体抵抗が小さい場所にのみ循環ガスが流れるので、設定する一定値を変化させても一定値の変化に対する燃料発生量の変化が小さい。したがって、循環器３により循環させるガスの流量を一定に設定した場合、燃料発生量を精度良く制御することが困難であり、燃料発生効率も低い。
【００３８】
これに対して、循環器３により循環させるガスの流量を周期的に変動させる場合、上述の通り、図２に示すように各所においてガス散乱が起こり、流体抵抗が大きい場所にも循環ガスが行き渡るので、交互に繰り返される二種類の流量の差の変化に対する燃料発生量の変化が大きい。したがって、循環器３により循環させるガスの流量を周期的に変動させる場合、燃料発生量を精度良く制御することが容易であり、燃料発生効率も高い。
【００３９】
次に、制御部９の制御例について説明する。
【００４０】
＜第１制御例＞
制御部９は、例えば、循環器３により循環させるガスの流量が図７Ａ、図７Ｂ、又は図７Ｃに示すように周期的に変動するように循環器３を制御する。循環器３により循環させるガスの流量の変動周波数は、燃料発生部１の構造等によって適切な範囲が異なるが、例えば０．数Ｈｚ〜十数Ｈｚの範囲で設定することが想定される。
【００４１】
図７Ａと図７Ｂとは、交互に繰り返される二種類の流量の小さい方を流量ゼロにしている点が共通しているが、流量の大きい方の値及び二種類の流量の時間比率が互いに異なっている。具体的には、流量の大きい方の値は図７Ａより図７Ｂの方が大きいが、流量を大きくする時間は図７Ａの方が図７Ｂより長い。即ち、図７Ａの制御例では、流量の大きさはそれ程大きくないが流量を大きくする時間を長くしており、図７Ｂの制御例では、短時間において流量をかなり大きくしている。また、図７Ｂと図７Ｃとは、交互に繰り返される二種類の流量の大きい方の値及び二種類の流量の時間比率が共通しているが、流量の小さい方の値が互いに異なっている。具体的には、図７Ｂでは、流量の小さい方の値がゼロであるのに対し、図７Ｃでは流量の小さい方の値がゼロより大きくなっている。従って、流量差は図７Ｃの方が小さくなっている。
【００４２】
＜第２制御例＞
燃料発生部１は、上記の（１）式に示す酸化反応と上記の（２）式に示す還元反応が起こる度に体積が変化し、その体積変化に伴ってＦｅを主体とする微粒子がペレットや成型体等から脱落し、例えば図３に示す点線で囲った領域に溜まってガス流路を塞いでしまうおそれがある。ガス流路が塞がると、燃料発生部１での圧力損失が増大してしまうので、循環器３が同じ能力で運転を続けた場合、ガスの循環流量が少なくなり、燃料電池部２の発電量が減少してしまうという問題が生じる。
【００４３】
そこで、制御部９が、例えば図８に示すように、ある一定間隔で二種類の流量の差を通常よりも大きくする制御を行うようにしてもよい。図８では、流量の大きい方の値を更に大きくすることによって二種類の流量の差を通常より大きくしているが、他の方法によって流量の差を大きくしても構わない。例えば、流量の小さい値がゼロでない場合は、流量の小さい方の値を更に小さくしてもよいし、流量の大きい方の値を更に大きくするとともに流量の小さい方の値を更に小さくしてもよい。あるいは、差が大きくなるようにすれば流量の大きい方の値と流量の小さい方の値の両方を大きくしてもよい。このように二種類の流量の差を通常より大きくするよう制御することにより、燃料発生部１のペレットや成型体等から脱落した微粒子によってガス流路が塞がれることを防止したり、ガス流路を塞いでいる微粒子がガス流路を塞がない場所に移動する確率を高めることができる。
【００４４】
なお、燃料発生部１のペレットや成型体等から脱落した微粒子が燃料電池部２を汚染することを防止するために、図９に示すように、燃料発生部１の循環ガス流出側と燃料電池部２の循環ガス流入側との間に微粒子を捕捉するフィルタ１５を設けることがある。制御部９が上述したある一定間隔で二種類の流量差を通常よりも大きくする制御を行うことにより、フィルタ１５が目詰まりすることを防止したり、フィルタ１５を目詰まり状態から回復させることができる。
【００４５】
＜第３制御例＞
制御部９が、循環器３により循環させるガスの流量を周期的に変動させる第１の制御モードと、循環器３により循環させるガスの流量を一定に設定する第２の制御モードとを有し、例えば図１０に示すように第１の制御モードと第２の制御モードとを切り替えるようにしてもよい。例えば、燃料電池部２の安定出力が要求されているときには、制御部９が第１の制御モードを選択するようにすればよい。
【００４６】
＜第４制御例＞
制御部９が、外部負荷が要求する電力の変動に応じて燃料電池部２の出力を変更することを目的として、二種類の流量の差を変更してもよい。制御部９が二種類の流量の差を変更すると、その変更に追随して燃料発生部１で発生する燃料の量が変化し、その結果、燃料電池部２の出力が変更される（図１１参照）。なお、図１１の符号１６は循環ガスの流量、符号１７は燃料電池部２の出力をそれぞれ示している。
【００４７】
＜第５制御例＞
燃料発生部１のペレットや成型体等から脱落した微粒子によってガス流路が塞がれた場合、燃料電池部２の出力が短期間で急激に低下する。そこで、制御部９が、燃料電池部２の出力情報を取得し、燃料電池部２の出力が短期間で急激に低下した場合に、二種類の流量差を通常よりも大きくする制御を行い、ガス流路を塞いでいる微粒子がガス流路を塞がない場所に移動して燃料電池部２の出力が回復したら、二種類の流量差を通常に戻す制御を行うようにしてもよい（図１２及び図１３参照）。なお、図１２及び図１３の符号１６は循環ガスの流量、符号１７は燃料電池部２の出力をそれぞれ示している。
【００４８】
図１２に示す制御例では、燃料電池部２の出力が短期間で急激に低下した場合に、二種類の流量の大きい方のみを変化させている。一方、図１３に示す制御例では、燃料電池部２の出力が短期間で急激に低下した場合に、二種類の流量の双方を変化させて、流量差をより大きくしている。即ち、流量の大きい方をより大きく、流量の小さい方をより小さくなるよう制御している。
【００４９】
本制御例では、制御部９が上記の「短期間」、「急激」を定義する情報（例えば燃料電池部２の出力変化率の閾値）を記憶しておくことが好ましい。例えば、一定期間内において循環器３に投入したエネルギーに対する燃料電池部２の出力の割合が、直前の一定期間内における割合の半分以下になった場合に出力が短期間に急激に低下したとして、二種類の流量差を通常より大きくする制御を行ってもよい。
【００５０】
＜第６制御例＞
燃料発生部１は燃料残量（酸化していない割合）が減ると、燃料発生効率が低下して燃料発生量が減少する。このため、循環器３によるガス循環量を変更しないまま運転を続けると、燃料電池部２の出力が低下する。そこで、本制御例では、制御部９が、燃料発生部１の燃料残量の減少に応じて、段階的に二種類の流量差を大きくして燃料発生量を増加させ、燃料発生効率の低下を補うようにしている（図１４参照）。これにより、燃料発生部１の燃料残量の減少によって燃料電池部２の出力が低下することを抑えることができ、燃料を使い切るまで燃料電池部２の安定した出力を得ることができる。なお、図１４の符号１６は循環ガスの流量、符号１７は燃料電池部２の出力、符号１８は燃料発生部１の燃料残量をそれぞれ示している。
【００５１】
本実施形態では、制御部９が、燃料発生部１の燃料残量を検知する燃料残量検知部の検知結果を取得すればよい。上記の燃料残量検知部としては、例えば燃料発生部１の重量変化に基づいて再生状態を検出する装置や、燃料発生部１が本実施形態のようにＦｅである場合に燃料発生部１の透磁率変化に基づいて再生状態を検出する装置などを挙げることができる。なお、上記の燃料残量検知部は、燃料電池システム内に設けてもよく、燃料電池システムの外部に設けてもよい。
【００５２】
以上のように二種類の流量を交互に繰り返す場合、大きい方の流量は、ガス流量を一定にする場合に設定する値（通常は、要求される燃料を発生するために必要なガス流量に、ある程度のマージンを上乗せした値）よりも大きくするように、また小さい方の流量は、この一定のガス流量の値より小さくするように制御するのが望ましい。
【００５３】
また、以上の実施形態では、二種類の流量を交互に繰り返したが、必ずしも二種類に限定されるものではなく、ガスの圧力脈動を生じさせるのであればそれ以上の種類の組み合わせでもよい。
【００５４】
＜変形例＞
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、燃料極２Ｂ側で発生した水を燃料発生部１に伝播する流路と燃料発生部１から燃料極２Ｂに燃料を伝播するための流路のみでよく、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。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、この水を燃料発生部１に伝搬する流路を別途設ければよい。また、上述した各実施形態では、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１に対してガス流路上並列に接続される構成にしてもよい。
【００５５】
また、上述した各実施形態では、燃料電池部２の燃料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の燃料として用いても構わない。
【００５６】
また、上述した各実施形態では、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。
【符号の説明】
【００５７】
１  燃料発生部
２  燃料電池部
２Ａ  電解質膜
２Ｂ  燃料極
２Ｃ  空気極
３  ポンプ
４、５  ヒーター
６、７  容器
８  配管
９  制御部
１０  電源
１１  負荷
１２  球状ペレット
１３  仕切板
１４  成型体
１５  フィルタ
ＳＷ１、ＳＷ２  スイッチ
【図５】
2013150946.tif 000003
【図６】
2013150946.tif 000004
【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
2013150946.tif 000006
【図７Ｃ】
2013150946.tif 000007
【図８】
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【図１０】
2013150946.tif 000009
【図１１】
2013150946.tif 000010
【図１２】
2013150946.tif 000011
【図１３】
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【図１４】
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【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９】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年9月24日(2014.9.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気との酸化反応により燃料を発生する燃料発生部と、
前記燃料発生部から供給される前記燃料を用いて発電を行う燃料電池部と、
前記燃料発生部と前記燃料電池部との間で燃料又は発電によって生じた生成物である水蒸気を含むガスを強制的に循環させる循環部と、
前記循環部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記循環部により循環させるガスの流量を周期的に変動させることにより前記燃料発生部に供給されるガスに圧力変化を生じさせることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記循環部により循環させるガスの流量を二種類の流量の交互繰り返しで周期的に変動させ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】
前記制御部は、前記二種類の流量のうち、大きい方の流量の値を、一定のガス流量を循環させる場合に設定する値よりも大きくなるように、小さい方の流量の値を前記一定のガス流量を循環させる場合に設定する値より小さくなるように制御す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４】
前記制御部は、前記二種類の流量のうち、小さい方の流量の値をゼロとするよう制御することを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御部は、前記循環部により循環させるガスの流量についての周期的な変動の態様を変更することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御部は、前記循環部により循環させるガスの二種類の流量の差を変更することによって前記周期的な変動の態様を変更することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御部は、前記二種類の流量のうち、流量の大きい方の流量を更に大きくする、又は流量の小さい方の流量を更に小さくすることによって前記二種類の流量の差を変更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。
【請求項８】
前記制御部は、前記燃料電池部の出力情報を取得し、前記出力情報に基づき、前記周期的な変動の態様を変更することを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御部は、一定期間内において前記循環部に投入したエネルギーに対する前記燃料電池部の出力の割合が、直前の一定期間内における割合の半分以下になったとき、前記循環部により循環させるガスの二種類の流量の差を大きくするよう制御することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御部は、外部負荷が要求する電力の変動に応じて前記燃料電池部の出力を変更するために、前記周期的な変動の態様を変更することを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御部は、前記燃料発生部の燃料残量に応じて、前記周期的な変動の態様を変更することを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料発生部の燃料残量を検知する燃料残量検知部を備え、
前記燃料残量検知部は、前記燃料発生部の重量変化に基づいて、又は前記燃料発生部の透磁率変化に基づいて、前記燃料発生部の再生状態を検出することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記制御部は、前記周期的な変動の態様を段階的に変更することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記制御部は、前記循環部により循環させるガスの流量を周期的に変動させる第１の制御モードと、前記循環部により循環させるガスの流量を一定に設定する第２の制御モードとを有することを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記循環部は、機械的なエネルギーを用いる循環器を有することを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記燃料発生部は、複数のペレットによって構成され、又は多孔質体を含む成型体にガス流路が形成されていることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【国際調査報告】
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