(57)【要約】【課題】メディエータの酸化反応の反応速度を高めるのに有利な燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システム１ａは、燃料電池１０と、再生器２０と、循環経路１５と、分解装置３０と、第一供給路２５とを備える。燃料電池１０は、アノード１２とカソード１１とを有し、カソード１１においてメディエータを還元させる。再生器２０は、カソード１１において還元されたメディエータを酸化させる。循環経路１５は、燃料電池１０におけるカソード１１と再生器２０とを連通させている。循環経路１５は、カソード１１から排出されたメディエータを再生器２０に供給するとともに再生器２０において酸化したメディエータをカソード１１に戻す。分解装置３０は、水を分解して、酸素ガスを生成する。第一供給路２５は、分解装置３０から再生器２０まで延びており、酸素ガスを再生器２０に導く。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードとカソードとを有し、前記カソードにおいてメディエータを還元させることによって電力を生成する燃料電池と、
前記カソードにおいて還元された前記メディエータを酸化させる再生器と、
前記燃料電池における前記カソードと前記再生器とを連通させ、前記カソードから排出された前記メディエータを前記再生器に供給するとともに前記再生器において酸化した前記メディエータを前記カソードに戻す循環経路と、
水を分解して、水素ガス及び酸素ガスを生成する分解装置と、
前記分解装置から前記再生器まで延びており、前記分解装置で生成された前記酸素ガスを前記再生器に導く第一供給路と、を備えた、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記分解装置から前記燃料電池まで延びており、前記燃料電池における前記アノードに前記分解装置で生成された前記水素ガスを導く第二供給路をさらに備えた、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記再生器の内部を加熱するヒータをさらに備えた、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記再生器は、前記再生器の内部に存在するガスを前記再生器の外部に排出する第一排出口を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第一供給路上に配置され、前記酸素ガスを貯留するタンクをさらに備えた、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記再生器は、前記再生器の内部に存在するガスを前記再生器の外部に排出する第一排出口を有し、
前記第一排出口と前記タンクとを接続し、前記第一排出口を通過した前記ガスを前記タンクに導く第一排出経路をさらに備えた、
請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記タンクは水を貯留しており、
前記第一排出経路の下流端は、前記タンクに貯留された水の中に配置されている、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記第一排出経路上に配置された逆止弁をさらに備えた、請求項６又は７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記タンクは、前記タンクの内部に存在するガスを前記第一供給路の外部に向かって通過させる第二排出口を有する、請求項５〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記第二排出口から前記タンクの外部に延びている第二排出経路と、
前記第二排出経路上に配置された弁と、をさらに備えた、請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記分解装置は、水を電気分解する電解装置である、請求項１〜１０のいずれか１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】
本開示は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池のカソードにメディエータを含む溶液を供給し、カソードによって還元されたメディエータを酸化剤と反応させることによって再生する技術が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、レドックスメディエータを含むカソライト溶液がカソードを通る燃料電池が記載されている。レドックスメディエータは、錯化された多座の大環式N-ドナー配位子を含む。この燃料電池において、カソライト溶液がカソードを通るときにレドックスメディエータが還元され、その後カソードガス反応チャンバーに戻される。カソードガス反応チャンバーには、空気が酸化剤として供給されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１１−５１０４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の技術は、メディエータの酸化反応の反応速度を高める観点から改良の余地を有する。そこで、本開示は、メディエータの酸化反応の反応速度を高めるのに有利な燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示は、
アノードとカソードとを有し、前記カソードにおいてメディエータを還元させることによって電力を生成する燃料電池と、
前記カソードにおいて還元された前記メディエータを酸化させる再生器と、
前記燃料電池における前記カソードと前記再生器とを連通させ、前記カソードから排出された前記メディエータを前記再生器に供給するとともに前記再生器において酸化した前記メディエータを前記カソードに戻す循環経路と、
水を分解して、水素ガス及び酸素ガスを生成する分解装置と、
前記分解装置から前記再生器まで延びており、前記分解装置で生成された前記酸素ガスを前記再生器に導く第一供給路と、を備えた、
燃料電池システムを提供する。
【発明の効果】
【０００７】
上記の燃料電池システムは、メディエータの酸化反応の反応速度を高めるのに有利である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本開示の燃料電池システムの一例を示す図である。
【図２】図２は、本開示の燃料電池システムの別の一例を示す図である。
【図３】図３は、本開示の燃料電池システムのさらに別の一例を示す図である。
【図４】図４は、本開示の燃料電池システムのさらに別の一例を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、図４に示す燃料電池システムの一部を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図４に示す燃料電池システムの変形例を示す図である。
【図６】図６は、本開示の燃料電池システムのさらに別の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（本開示の基礎となった知見）
燃料電池のカソード及びアノードの少なくとも一方における電極反応に、メディエータを介した反応を利用することが考えられる。固体高分子型燃料電池等の燃料電池のカソードにおける酸素の還元反応の反応速度は遅く、このことは燃料電池における発電のための反応の効率を低下させる主たる要因である。このため、燃料電池において、アノードに水素ガスを供給しつつ、カソードにメディエータを含む溶液を供給することが考えられる。この場合、カソードにおいて白金を不要にできる。加えて、例えば、メディエータを含む溶液によって燃料電池を冷却すれば、燃料電池を冷却するための構成を簡素にできる。
【００１０】
カソードにおいて還元されたメディエータは、酸化剤によって酸化されることによって再生され、カソードに再度供給できる。これにより、メディエータの還元とメディエータの再生とを繰り返し行うことができる。特許文献１に記載の技術によれば、メディエータの再生のための酸化剤として空気が用いられている。しかし、本発明者らの検討によれば、空気中の酸素濃度は低いので、メディエータと酸素とが接触しにくく、特許文献１に記載の技術はメディエータの酸化反応の反応速度を高めにくい。その結果、燃料電池による発電に十分な量の再生されたメディエータをカソードに供給できない可能性がある。そこで、本発明者らは、メディエータの酸化反応の速度を高めるのに有利な技術について日夜検討を重ねた。その結果、本発明者らは、水の分解により生成された酸素ガスをメディエータの再生のための酸化剤として用いれば、酸化剤の酸素ガスの濃度が極めて高く、メディエータの酸化反応の反応速度が高まることを新たに見出した。本発明者らは、この新たな知見に基づいて本開示の燃料電池システムを案出した。なお、メディエータの再生のための酸化剤として空気を用いると、空気中に含まれる塵を取り除くフィルタ等の機構又は空気中の酸素以外の成分とメディエータとの反応を抑制する機構が必要となる場合があり、システムの構成が複雑である。
【００１１】
（本開示に係る態様の概要）
本開示の第１態様に係る燃料電池システムは、
アノードとカソードとを有し、前記カソードにおいてメディエータを還元させることによって電力を生成する燃料電池と、
前記カソードにおいて還元された前記メディエータを酸化させる再生器と、
前記燃料電池における前記カソードと前記再生器とを連通させ、前記カソードから排出された前記メディエータを前記再生器に供給するとともに前記再生器において酸化した前記メディエータを前記カソードに戻す循環経路と、
水を分解して、水素ガス及び酸素ガスを生成する分解装置と、
前記分解装置から前記再生器まで延びており、前記分解装置で生成された前記酸素ガスを前記再生器に導く第一供給路と、を備える。
【００１２】
第１態様によれば、分解装置によって生成された酸素ガスが第一供給路を通って再生器に供給される。このため、酸素ガスの濃度が極めて高い酸化剤が再生器に供給され、メディエータの酸化反応の速度が高まりやすい。加えて、メディエータの酸化反応に不要な成分が再生器に供給されることを防止できる。しかも、水の分解によって酸素ガスが生成されるので、宇宙空間等の無酸素空間においても燃料電池システムを運転できる。
【００１３】
本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係る燃料電池システムは、前記分解装置から前記燃料電池まで延びており、前記燃料電池における前記アノードに前記分解装置で生成された前記水素ガスを導く第二供給路をさらに備える。第２態様によれば、分解装置における水の分解によって生成された水素ガスを燃料電池に燃料ガスとして供給できる。
【００１４】
本開示の第３態様において、例えば、第１態様又は第２態様に係る燃料電池システムは、前記再生器の内部を加熱するヒータをさらに備える。第３態様によれば、ヒータによって再生器の内部を加熱することによって、メディエータの再生に伴い生成される水が蒸発し、その水を再生器の外部へ取り出しやすい。これにより、再生器におけるメディエータの濃度の低下を防止でき、ひいては燃料電池における発電効率の低下を防止できる。加えて、再生器の内部の温度を所望の温度に保ちやすく、メディエータの酸化反応の反応速度を高めやすい。
【００１５】
本開示の第４態様において、例えば、第１態様〜第３態様のいずれか１つに係る燃料電池システムでは、前記再生器は、前記再生器の内部に存在するガスを前記再生器の外部に排出する第一排出口を有する。第４態様によれば、例えば、再生器の内部に存在するガスを再生器から排出でき、再生器の内部の圧力を所望の範囲に調整しやすい。その結果、再生器に要求される耐圧性のレベルを低減でき、燃料電池システムの製造コストを低減できる。また、第４態様によれば、再生器の内部に存在する未反応の酸素ガスを回収できる。
【００１６】
本開示の第５態様において、例えば、第１態様〜第４態様のいずれか１つに係る燃料電池システムは、前記第一供給路上に配置され、前記酸素ガスを貯留するタンクをさらに備える。第５態様によれば、分解装置における水の分解により生成された酸素ガスをタンクによって貯留できるので、燃料電池における発電の開始直後に所定量の酸素ガスを再生器に供給できる。
【００１７】
本開示の第６態様において、例えば、第５態様に係る燃料電池システムでは、前記再生器は、前記再生器の内部に存在するガスを前記再生器の外部に排出する第一排出口を有する。加えて、例えば、第５態様に係る燃料電池システムは、前記第一排出口と前記タンクとを接続し、前記第一排出口を通過した前記ガスを前記タンクに導く第一排出経路をさらに備える。第６態様によれば、再生器の内部に存在する未反応の酸素ガスが第一排出経路を通過してタンクに導かれる。これにより、分解装置における水の分解により生成された酸素ガスを有効に利用できる。
【００１８】
本開示の第７態様において、例えば、第６態様に係る燃料電池システムでは、前記タンクは水を貯留しており、前記第一排出経路の下流端は、前記タンクに貯留された水の中に配置されている。第７態様によれば、第一排出経路の出口がタンクに貯留された水の中に配置されているので、タンクの内部に存在するガスが第一排出口に向かって第一排出経路を流れることを防止できる。
【００１９】
本開示の第８態様において、例えば、第６態様又は第７態様に係る燃料電池システムは、前記第一排出経路上に配置された逆止弁をさらに備える。第８態様によれば、逆止弁の働きにより、タンクの内部に存在するガスが第一排出口に向かって第一排出経路を流れることを防止できる。
【００２０】
本開示の第９態様において、例えば、第５態様〜第８態様のいずれか１つの態様に係る燃料電池システムでは、前記タンクは、前記タンクの内部に存在するガスを前記第一供給路の外部に向かって通過させる第二排出口を有する。第９態様によれば、タンクの内部に存在するガスをタンクの外部に排出でき、タンクの内部の圧力を所望の範囲に調整しやすい。このため、タンクに要求される耐圧性のレベルを低減でき、燃料電池システムの製造コストを低減できる。
【００２１】
本開示の第１０態様において、例えば、第９態様に係る燃料電池システムは、前記第二排出口から前記タンクの外部に延びている第二排出経路と、前記第二排出経路上に配置された弁と、をさらに備える。第１０態様によれば、弁の働きにより、タンクの内部に存在するガスをタンクの外部に適切な時期に排出でき、タンクの内部の圧力を所望の範囲に調整しやすい。
【００２２】
本開示の第１１態様において、例えば、第１態様〜第１０態様のいずれか１つの態様に係る燃料電池システムでは、前記分解装置は、水を電気分解する電解装置である。
【００２３】
（実施形態）
以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は例示に過ぎず、本開示の燃料電池システムは以下の実施形態に限定されない。
【００２４】
図１に示す通り、燃料電池システム１ａは、燃料電池１０と、再生器２０と、循環経路１５と、分解装置３０と、第一供給路２５とを備えている。燃料電池１０は、アノード１２とカソード１１とを有し、カソード１１においてメディエータを還元させることによって電力を生成する。再生器２０は、カソード１１において還元されたメディエータを酸化させる。循環経路１５は、燃料電池１０におけるカソード１１と再生器２０とを連通させている。循環経路１５によって、カソード１１から排出されたメディエータが再生器２０に供給され、再生器２０において酸化したメディエータがカソード１１に戻る。分解装置３０は、水を分解して水素ガス及び酸素ガスを生成する。第一供給路２５は、分解装置３０から再生器２０まで延びており、分解装置３０で生成された酸素ガスを再生器２０に導く。図１において、実線の矢印はメディエータの流れを示し、破線の矢印は酸素ガスの流れを示し、一点鎖線の矢印は水素ガスの流れを示している。
【００２５】
燃料電池システム１ａにおいて、燃料及びメディエータを再生するための酸化剤は、特に限定されない。燃料電池システム１ａにおいて、例えば、燃料として水素が用いられ、酸化剤として酸素が用いられる。
【００２６】
燃料電池１０は、例えば、固体高分子形燃料電池である。カソード１１の電極の材料は、固体高分子形燃料電池のカソードの電極の材料として公知の材料でありうる。なお、カソード１１の電極は、通常の固体高分子形燃料電池のカソードの電極に含まれている白金を含んでいなくてもよい。なぜなら、メディエータは、カソード１１において酸素よりも還元しやすく、酸化剤を活性化させる触媒が不要だからである。アノード１２の電極の材料は、固体高分子形燃料電池のアノードの電極の材料として公知の材料でありうる。燃料電池１０は、典型的には、電解質膜１３をさらに備える。電解質膜１３は、カソード１１とアノード１２との間に配置され、プロトン伝導性を有する。電解質膜１３によってアノード１１とカソード１２とが仕切られている。電解質膜１３の材料は、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子形燃料電池の電解質の材料として公知の材料でありうる。
【００２７】
燃料電池１０の運転期間中に、アノード１２には、例えば、水素ガスを含む燃料ガスが供給される。水素は、アノード１２においてプロトンＨ+と電子ｅ-とに分離される。その後、プロトンは電解質膜１３を伝ってカソード１１に移動し、電子ｅ-は外部回路を通ってカソード１１に移動する。燃料電池１０の運転期間中に、カソード１１には、例えば、メディエータを含む溶液が供給される。この溶液において、メディエータは酸化体Ｍｅｄoxの状態である。メディエータの酸化体Ｍｅｄoxはカソード１１において還元され、メディエータは還元体Ｍｅｄredに変化し、燃料電池１０の外部に移動する。メディエータの還元体Ｍｅｄredを含む溶液は、循環経路１５を通って再生器２０に供給される。再生器２０において、酸素等の酸化剤によってメディエータの還元体Ｍｅｄredが酸化され、メディエータは酸化体Ｍｅｄoxに変化する。これにより、メディエータが再生される。
【００２８】
空気中の酸素の濃度は体積基準で約２１％に過ぎず、空気中の残りの成分は酸化作用を示さない不活性なガスである。このため、メディエータの再生のための酸化剤として空気を用いると、酸素とメディエータとが接触しにくく、メディエータの酸化反応の反応速度が小さい。一方、燃料電池システム１ａによれば、メディエータの再生のための酸化剤における酸素の濃度が高いので、酸素とメディエータとが格段に接触しやすく、メディエータの酸化反応の反応速度が高まりやすい。また、メディエータの再生のための酸化剤として空気を用いる場合、再生器の外部の空気を再生器に供給する必要がある。外部の空気には塵及びＣＯ2等のメディエータの酸化に寄与しない成分が多く含まれている。このため、燃料電池システムを長期間にわたって運転する場合、これらの成分を除去するプロセス又はこれらの成分を除去する機構が必要である。しかし、このようなプロセス又は機構の導入は、燃料電池システムの製造コスト及びランニングコストを増加させるとともに、燃料電池システムを大型化させやすいので、望ましくない。一方、燃料電池システム１ａによれば、分解装置３０における水の分解によって高濃度の酸素ガスが生成されるので、メディエータの酸化に寄与しない成分が酸化剤にほとんど含まれない。このため、メディエータの酸化に寄与しない成分と、メディエータとの意図しない反応を防止できる。
【００２９】
燃料電池システム１ａは、例えば、第二供給路３５をさらに備えている。第二供給路３５は、分解装置３０から燃料電池１０まで延びており、燃料電池１０におけるアノード１２に、分解装置３０において水を分解して生成された水素ガスを導く。この場合、燃料電池１０に供給される燃料及びメディエータの再生のための酸化剤が燃料電池システム１ａの外部から供給される必要がなく、燃料の生成を含めた燃料電池システム１ａを小型化しやすい。なお、アノード１２には、分解装置３０以外の水素ガス供給源から水素ガスが供給されてもよい。
【００３０】
メディエータは、酸素ガスよりも還元されやすく、還元と酸化とを繰り返すことができる物質である限り、特に制限されない。メディエータは、例えば、ポリオキソメタレート（ＰＯＭ）、金属イオン、又は金属錯体である。ポリオキソメタレートとして、リンモリブデン酸、リンバナジウム酸、リンタングステン酸などを使用できる。ポリオキソメタレートは、例えば、バナジウム、モリブデン、タングステンなどの金属を有している。金属錯体として、（ｉ）ポルフィリン、（ii）ＴＥＭＰＯ（2,2,6,6-テトラメチルピペリジン 1-オキシル）、（iii）ガラクトースオキシダーゼ、ビルブリンオキシダーゼ、及びグルコースオキシダーゼ等のオキシダーゼ、又は（iv）(iii)のオキシダーゼと同等の金属錯体を使用できる。
【００３１】
メディエータは、典型的には、溶液に含まれた状態でカソード１１と再生器２０との間を循環する。溶液には、複数種類のメディエータが含まれていてもよい。溶液におけるメディエータの濃度が高いほど、カソード１１においてメディエータが還元される反応の反応速度が高くなる。メディエータの溶液がＰＯＭ水溶液であるとき、ＰＯＭ水溶液におけるＰＯＭの濃度は、例えば０．０５Ｍ以上であり、望ましくは０．１Ｍ以上である。このため、水等の所定の溶媒に対して、メディエータが使用温度において高い溶解度を示すことが有利である。メディエータの溶液における溶媒は例えば水であり、メディエータの溶液には、硫酸及びリン酸などの酸成分が含まれていてもよい。
【００３２】
図１に示す通り、循環経路１５は、例えば、第一経路１５ａと第二経路１５ｂとを含む。第一経路１５ａは、燃料電池１０におけるメディエータの溶液の出口と、再生器２０におけるメディエータの溶液の入口とを接続している流路である。第二経路１５ｂは、再生器２０におけるメディエータの溶液の出口と、燃料電池１０におけるメディエータの溶液の入口とを接続している流路である。燃料電池システム１ａは、例えば、ポンプ１９をさらに備えている。ポンプ１９は、例えば、第二経路１５ｂに配置されている。ポンプ１９は、第一経路１５ａに配置されていてもよい。ポンプ１９は、例えば、ピストンポンプ、プランジャポンプ、ギヤポンプ、及びベーンポンプ等の容積式ポンプである。ポンプ１９の作動により、メディエータの溶液は、第一経路１５ａを通って再生器２０に供給され、第二経路１５ｂを通ってカソード１１に戻される。
【００３３】
分解装置３０において水を分解する方法は特定の方法に限定されない。分解装置３０は、例えば、水を電気分解する電解装置であり、水の電気分解により、水素ガス及び酸素ガスを生成する。この場合、分解装置３０は、水を電気分解する電解装置であり、例えば、酸素発生極、水素発生極、及び電解質膜を備え、酸素発生極と水素発生極との間に電解質膜が配置されている。電解質膜は、例えば、ナフィオン（登録商標）等の高分子でできた電解質膜である。分解装置３０には電解液が入っており、酸素発生極及び水素発生極が電解液に浸っている。酸素発生極と水素発生極とは電源を含む外部回路によって接続されている。電源から電力が供給されると、酸素発生極において酸素ガスが発生し、水素発生極において水素ガスが発生する。電解装置の酸素発生極で生成された酸素ガスは、第一供給路２５を通って再生器２０に供給される。この場合、電解装置の酸素発生極と再生器２０とは、第一供給路２５によって接続されている。電解装置の水素発生極で生成された水素ガスは、第二供給路３５を通って燃料電池１０のアノード１２に供給される。この場合、電解装置の水素発生極と燃料電池１０のアノード１２とは、第二供給路３５によって接続されている。図１に示す通り、例えば、再生器２０にはメディエータの溶液が貯留されており、第一供給路２５の出口はメディエータの溶液の中に配置されている。これにより、再生器２０において、メディエータの溶液に酸素ガスが吹き込まれ、酸素ガスがメディエータと接触する。水素ガスは、例えば、第二供給路３５を通ってアノード１２に燃料ガスとして供給され、燃料電池１０のアノード１２において消費される。なお、分解装置３０において、酸素ガス及び水素ガスの生成により電解液中の水が消費されるので、分解装置３０には水が補給される。分解装置３０の電源から供給される電力として、（ｉ）太陽光、風力、及び水力等の再生可能なエネルギーによって得られた電力、（ii）燃料電池１０において生成された余剰電力、並びに（iii）系統電力等の電力が利用可能である。
【００３４】
分解装置３０は、例えば、光触媒への光の照射により水を分解する装置であってもよい。
【００３５】
再生器２０は、メディエータの還元体を含む溶液と酸素ガスとを接触させることができる限り、特定の形態に限定されない。再生器２０は、槽型の反応器として構成されていてもよいし、管型の反応器として構成されていてもよい。再生器２０において、メディエータの溶液は、噴流又は微細な液滴（ミスト）として存在していてもよい。この場合、例えば、メディエータの溶液の噴流又は微細な液滴に向かって第一供給路２５の出口から酸素ガスが吹き出される。これにより、メディエータの溶液と再生器２０の内部に存在するガスとの界面の面積が大きくなり、酸素ガスがメディエータと接触しやすい。
【００３６】
第一供給路２５上には、酸素ガスの再生器２０への流量を調整するためのファン、ブロワ、又はレギュレータ（図示省略）が配置されていてもよい。第二供給路３５上には、水素ガスのアノード１２への流量を調整するためのファン、ブロワ、又はレギュレータ（図示省略）が配置されていてもよい。
【００３７】
図１に示す通り、燃料電池システム１ａは、例えば、リザーバー６０をさらに備えている。リザーバー６０は第二供給路３５上に配置されており、分解装置３０において生成された水素ガスがリザーバー６０に貯留される。これにより、燃料電池１０の運転期間に分解装置３０の運転が停止しても、所定量の水素ガスをリザーバー６０から供給できる。
【００３８】
燃料電池システム１ａは、様々な観点から変更可能である。燃料電池システム１ａは、図２に示す燃料電池システム１ｂ、図３に示す燃料電池システム１ｃ、図４に示す燃料電池システム１ｄ、又は図６に示す燃料電池システム１ｅのように変更されてもよい。燃料電池システム１ｂ〜１ｅは、特に説明する場合を除き、燃料電池システム１ａと同様に構成されている。燃料電池システム１ａの構成要素と同一又は対応する燃料電池システム１ｂ〜１ｅの構成要素には、同一の符号を付し詳細な説明を省略する。燃料電池システム１ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、燃料電池システム１ｂ〜１ｅにも当てはまる。
【００３９】
図２に示す通り、燃料電池システム１ｂにおいて、再生器２０は、例えば第一排出口２１を有する。第一供給路２５を通って再生器２０に供給された酸素ガスがメディエータの還元体と反応すると、水が生成される。生成された水の一部は、再生器２０の内部において水蒸気として存在しうる。また、再生器２０の内部には未反応の酸素ガスも存在しうる。第一排出口２１は、再生器２０の内部に存在するガスを再生器２０の外部に排出する。この場合、再生器２０の内部の圧力を所望の範囲に調整しやすい。このため、再生器２０に要求される耐圧性のレベルを低減できる。例えば、再生器２０に要求される耐圧性を１０気圧以下に低減できる。
【００４０】
第一排出口２１から再生器２０の外部に延びる流路には、例えば、逃し弁等の弁が配置されていてもよい。これにより、簡素な構成で、再生器２０の内部の圧力を所望の範囲に調整できる。
【００４１】
図３に示す通り、燃料電池システム１ｃは、例えば、再生器２０の内部を加熱するヒータ２３をさらに備えている。ヒータ２３によって再生器２０の内部を加熱することにより、メディエータの還元体と酸素ガスとの反応により生成された水が蒸発しやすい。なお、メディエータは通常揮発しない。これにより、再生器２０から水を排出でき、再生器２０の内部のメディエータの溶液におけるメディエータの濃度の低下を防止できる。その結果、燃料電池１０における発電効率の低下を防止できる。また、再生器２０の内部が所望の範囲（例えば、４０〜８０℃）に保たれ、メディエータの酸化反応の反応速度が高まる。
【００４２】
ヒータ２３の構成は、再生器２０の内部を加熱できる限り特に制限されない。ヒータ２３は、例えば、抵抗加熱式の電気ヒータ又は加熱用の熱媒体の流路を有するヒータであり得る。ヒータ２３は、例えば、再生器２０の外面に取り付けられている。例えば、ヒータ２３は、再生器２０の外面の少なくとも一部を覆っている。ヒータ２３は、再生器２０の外面の少なくとも一部を取り囲んでいてもよい。ヒータ２３は、再生器２０の内部に配置されていてもよい。燃料電池システム１ｃは、撹拌機（図示省略）をさらに備えていてもよい。この場合、撹拌機は、再生器２０の内部のメディエータの溶液を撹拌する。これにより、再生器２０の内部のメディエータの溶液の温度が空間的に均一に保たれやすい。
【００４３】
ヒータ２３は、再生器２０においてメディエータの酸化がなされている期間中に常に発熱している必要はない。メディエータの酸化は、多くの場合発熱反応である。メディエータの酸化に伴う発熱により、メディエータの溶液におけるメディエータの濃度の低下を防止する観点から、再生器２０の内部の温度が適切に保たれているのであれば、ヒータ２３は停止していてもよい。一方、例えば、外気温の低下等の理由により、再生器２０の内部の温度が所望の範囲に保つことが難しい場合には、ヒータ２３が発熱する。燃料電池システム１ｃは、温度センサ（図示省略）をさらに備えていてもよい。この温度センサは、例えばサーミスタを利用した温度センサ又は熱電対を利用した温度センサであり、再生器２０の内部の温度を検出する。例えば、温度センサによって検出された温度に基づいて、ヒータ２３の発熱が制御される。
【００４４】
再生器に供給される酸化剤が空気であると、メディエータの酸化に伴い発生した熱が空気中の窒素等の不活性ガスに吸収されてしまう。このため、メディエータの酸化に伴い発生した熱を水の蒸発に有効に利用できない。しかし、燃料電池システム１ｃによれば、再生器２０に供給される酸化剤の酸素濃度が高く、不活性ガスの濃度が低いので、メディエータの酸化に伴い発生する熱が水の蒸発に有効に利用される。加えて、再生器２０への酸化剤の流量に対してメディエータの酸化に伴う発熱量が大きくなる。その結果、メディエータの酸化に伴い発生する熱によって、より有効に水を加熱できる。
【００４５】
図４に示す通り、燃料電池システム１ｄは、例えば、タンク４０をさらに備えている。タンク４０は、第一供給路２５上に配置されており、分解装置３０において生成された酸素ガスを貯留する。例えば、燃料電池１０の停止期間に分解装置３０において生成された酸素ガスはタンク４０に貯留される。これにより、燃料電池１０における発電の開始直後にも所定量の酸素ガスをタンク４０から再生器２０に供給できる。
【００４６】
例えば、第一供給路２５において第一供給路２５の出口とタンク４０との間には、電磁弁等の弁（図示省略）が配置されている。酸素ガスを再生器２０に供給せずタンク４０に貯留するときには、例えば、この弁が閉じられる。一方、タンク４０に貯留された酸素ガスを再生器２０に供給するときにはこの弁が開かれる。
【００４７】
燃料電池システム１ｄは、例えば第一排出経路４５をさらに備えている。第一排出経路４５は、第一排出口２１とタンク４０とを接続しており、第一排出口２１を通過したガスをタンク４０に導く。このため、再生器２０の内部に存在する未反応の酸素ガスが第一排出経路４５を通過してタンク４０に導かれる。これにより、分解装置３０において水の分解により生成された酸素ガスを有効に利用できる。
【００４８】
図５Ａに示す通り、タンク４０は、例えば水を貯留している。メディエータの還元体と酸素ガスとの反応により発生した水に由来する水蒸気が第一排出経路４５を通ってタンク４０に導かれる。タンク４０において水蒸気の凝縮により生成された水がタンク４０に貯留される。第一排出経路４５の下流端４５ｅは、例えば、タンク４０に貯留された水の中に配置されている。これにより、タンク４０の内部に存在するガスが第一排出口２１に向かって第一排出経路４５を流れることを防止できる。
【００４９】
図５Ｂに示す通り、第一排出経路４５上には逆止弁４７が配置されていてもよい。逆止弁４７は、タンク４０に向かって流体の通過を許容し、第一排出口２１に向かって流体が第一排出経路４５を逆流することを阻止する。この場合にも、タンク４０の内部に存在するガスが第一排出口２１に向かって第一排出経路４５を流れることを防止できる。また、図５Ｂに示す通り、第一排出経路４５上には逆止弁４７が配置されているが、逆止弁４７が電動弁等の調整弁又は電磁弁等の開閉弁に置換されてもよい。この場合、再生器２０の圧力に応じて、適宜、水蒸気又は酸化剤をタンク４０に供給できる。
【００５０】
タンク４０は酸素ガスを貯留するので、タンク４０の製造コストが高くなりやすい。このため、タンク４０の内部の容積は小さいことが望ましい。例えば、再生器２０とタンク４０との間で酸素ガスを循環させることにより、タンク４０の内部の容積を小さくできる。タンク４０は、場合によっては省略されてもよい。これにより、燃料電池システムの製造コストを低減できる。
【００５１】
図６に示す通り、燃料電池システム１ｅは、例えば、タンク４０をさらに備えており、タンク４０は、第二排出口４３を有する。第二排出口４３は、タンク４０の内部に存在するガスを第一供給路２５の外部に向かって通過させる。燃料電池システム１ｅによれば、タンク４０の内部に存在するガスを、第二排出口４３を通過させて第一供給路２５の外部に導くことができ、タンク４０の内部の圧力を所望の範囲に調整しやすい。これにより、タンク４０に要求される耐圧性のレベルを低減でき、タンク４０の製造コスト、ひいては燃料電池システム１ｅの製造コストを低減できる。
【００５２】
燃料電池システム１ｅは、例えば、第二排出経路４６と、弁４９とをさらに備えている。第二排出経路４６は、第二排出口４３からタンク４０の外部に延びている。弁４９は、第二排出経路４６上に配置されている。この場合、弁４９の働きにより、適切な時期にタンク４０の内部に存在するガスをタンク４０の外部に排出でき、タンク４０の内部の圧力を所望の範囲に調整しやすい。
【００５３】
弁４９は、例えば、逃し弁である。例えば、タンク４０の内部には圧力センサが配置されており、この圧力センサによって検出された圧力が所定の閾値以上である場合に、弁４９が開かれてもよい。この場合、弁４９は電磁弁でありうる。
【００５４】
燃料電池システム１ｂ〜１ｅにおいて、第一排出口２１は、酸素ガスを貯蔵するタンク４０とは異なるタンクに接続されていてもよいし、分解装置３０において電解液が貯留されている空間と接続されていてもよい。
【００５５】
上記の通り、再生器２０の内部には、未反応の酸素ガス及び水蒸気が存在しうる。分解装置３０において電解液が貯留されている空間に第一排出口２１が接続されていると、メディエータの還元体と酸素ガスとの反応により生成された水を分解装置３０に供給できる。メディエータの還元体のすべてが酸素ガスによって酸化されると、分解装置３０で消費された水の物質量と同一の物質量の水蒸気が再生器２０において発生し、その水蒸気に由来する水が分解装置３０に供給される。このため、燃料電池システムの外部から燃料電池システムに補給すべき水の量が低減される。場合によっては、燃料電池システムの外部から燃料電池システムに水を補給せずに燃料電池システムを連続運転できる。すなわち、水自立が実現された燃料電池システムを供給できる。このため、酸化剤として空気の使用が不要である点も考慮すると、宇宙空間等の無酸素かつ無水の空間において特に有用な燃料電池システムを提供できる。加えて、分解装置３０において、水の供給機構及び純化機構を省略できるので、分解装置３０の小型化及び分解装置３０の製造コストの低減が可能である。
【００５６】
燃料電池システム１ａ〜１ｅにおいて、再生器２０の内部のメディエータの溶液を濾過して水を回収し、回収された水を、分解装置３０において電解液が貯留されている空間に供給してもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１ａ〜１ｅ        燃料電池システム
１０              燃料電池
１１              カソード
１２              アノード
１５              循環経路
２０              再生器
２１              第一排出口
２３              ヒータ
２５              第一供給路
３０              分解装置
３５              第二供給路
４０              タンク
４３              第二排出口
４５              第一排出経路
４５ｅ            下流端
４６              第二排出経路
４７              逆止弁
４９              弁
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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