(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池の耐用期間を延ばす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１ｃは、燃料電池１０と、再生器２０と、第一経路２１と、第二経路２２とを備えている。燃料電池１０は、カソード１１及びアノード１２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によって還元されたメディエータを酸化させる。第一経路２１は、カソード１１と再生器２０とを連通させており、カソード１１から排出されたメディエータを再生器２０に導く。第二経路２２は、再生器２０とカソード１１とを連通させており、再生器２０において酸化されたメディエータをカソード１１に戻す。燃料電池システム１ｃは、さらに、第一経路２１におけるメディエータを含む第一流体と、第二経路２２におけるメディエータを含む第二流体とを熱交換させる第一熱交換器５１とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード及びアノードを有し、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、
前記カソードによっ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導く第一経路と、
前記再生器と前記カソードとを連通させ、前記再生器において酸化された前記メディエータを前記カソードに戻す第二経路と、
前記第一経路における前記メディエータを含む第一流体と、前記第二経路における前記メディエータを含む第二流体とを熱交換させる第一熱交換器とを備えた、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記第二経路から１秒間に放出される熱量は、前記第一経路から１秒間に放出される熱量よりも大きい、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第二経路の少なくとも一部は、前記第一経路を形成する材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料で形成されている、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第一経路の少なくとも一部を覆う断熱材をさらに備えた、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】
前記再生器に酸化剤を供給する酸化剤供給経路と、
前記酸化剤供給経路における前記酸化剤と、前記第二経路における前記メディエータを含む第二流体とを熱交換させる第二熱交換器と、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】
前記第二経路上に配置され、前記再生器において酸化された前記メディエータを貯留するタンクをさらに備えた、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記タンクに接続され、前記メディエータを希釈する液体を前記タンクに供給する給液経路と、
前記給液経路における前記液体の流量を調整する制御器と、をさらに備えた、
請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記第二経路は、前記再生器と前記タンクとを接続している上流経路を含み、
前記上流経路は、前記再生器から前記タンクまで延びている第一部位と、前記メディエータを前記第一部位の少なくとも一部を迂回させつつ冷却させる第二部位と、を有し、
前記制御器は、前記第一部位における前記メディエータの流量及び前記第二部位における前記メディエータの流量を調整する、
請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記再生器の少なくとも一部を覆う断熱材をさらに備えた、請求項１〜８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１〜９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、酸化還元対を含有している陰極液を用いた燃料電池システムが知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、燃料電池スタック及び再生セクションを備えた燃料電池アセンブリが記載されている。燃料電池スタックは膜電極アセンブリを備え、膜電極アセンブリはアノード及びカソードを備えている。酸化還元対を含有している陰極液は、燃料電池スタックに供給され、膜電極アセンブリのカソードに流動接触した後、再生セクションに供給される。再生セクションには、供給デバイスによって酸化剤が供給される。陰極液中の酸化還元対は、カソードにおける反応によって還元される。陰極液は、カソードで反応した後、カソードから遠ざかり再生セクションに向かう。再生セクションに供給された酸化剤は、陰極液中の酸化還元対を少なくとも部分的に酸化させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１７−５００６９２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、燃料電池の耐用期間を延ばす観点から改良の余地を有する。そこで、本開示は、燃料電池の耐用期間を延ばす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、
カソード及びアノードを有し、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、
前記カソードによっ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導く第一経路と、
前記再生器と前記カソードとを連通させ、前記再生器において酸化された前記メディエータを前記カソードに戻す第二経路と、
前記第一経路における前記メディエータを含む第一流体と、前記第二経路における前記メディエータを含む第二流体とを熱交換させる第一熱交換器と、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、燃料電池の耐用期間を延ばすのに有利である。
【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５】図５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。
【図７】図６の燃料電池システムにおける処理を示すフローチャートである。
【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）
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、還元されやすいメディエータを含む溶液をカソードに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。
【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。一方、メディエータの酸化に伴う発熱により、カソードに向かって流れる、酸化されたメディエータを含む溶液は高温になりやすい。燃料電池には、高分子電解質膜等の構成要素が含まれる。本発明者らは、カソードに供給されるメディエータを含む溶液の温度が高いと、高分子電解質膜等の構成要素が熱によって劣化しやすく、燃料電池の耐用期間が延びにくいことを新たに見出した。そこで、本発明者らは、メディエータを用いつつ燃料電池の耐用期間を延ばす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、酸化されたメディエータをカソードに導く経路に関する工夫を新たに見出し、本開示の燃料電池システムを案出した。
【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、
カソード及びアノードを有し、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、
前記カソードによっ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導く第一経路と、
前記再生器と前記カソードとを連通させ、前記再生器において酸化された前記メディエータを前記カソードに戻す第二経路と、
前記第一経路における前記メディエータを含む第一流体と、前記第二経路における前記メディエータを含む第二流体とを熱交換させる第一熱交換器と、を備える。
【００１２】
第１態様によれば、第二経路は、再生器において酸化されたメディエータをカソードに戻す。このため、カソードに供給されるメディエータの温度が低減され、燃料電池の構成要素が劣化しにくい。これにより、燃料電池システムにおいて、燃料電池の耐用期間が延びやすい。
【００１３】
具体的には、第二経路におけるメディエータを含む第二流体の温度は、再生器におけるメディエータの酸化に伴う発熱により、第一経路におけるメディエータを含む第一流体の温度より高い。このため、第一熱交換器における第一流体と第二流体との熱交換により第二流体が冷却される。その結果、カソードに供給されるメディエータの温度が低下し、燃料電池の耐用期間が延びやすい。加えて、第一熱交換器における第一流体と第二流体との熱交換により第一流体が加熱され、再生器に供給されるメディエータの温度が高まりやすい。このため、再生器の内部の温度が所望の温度に保たれやすく、メディエータの酸化反応の反応速度を高めることができる。
【００１４】
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では、前記第二経路から１秒間に放出される熱量は、前記第一経路から１秒間に放出される熱量よりも大きい。第２態様によれば、第二経路から放出される熱量が大きく、第二経路においてメディエータが適切に冷却されやすい。これにより、カソードに供給されるメディエータの温度がより確実に低下し、燃料電池の耐用期間が延びやすい。加えて、第一経路から放出される熱量が少なく、再生器に供給されるメディエータの温度が低下しにくい。これにより、再生器の内部の温度が所望の温度に保たれやすく、メディエータの酸化反応の反応速度を高めることができる。
【００１５】
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では、前記第二経路の少なくとも一部は、前記第一経路を形成する材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料で形成されている。第３態様によれば、第二経路におけるメディエータの熱が第二経路の外部に伝わりやすく、第二経路におけるメディエータが冷却されやすい。これにより、カソードに供給されるメディエータの温度がより確実に低減され、燃料電池の耐用期間が延びやすい。
【００１６】
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つの態様に係る燃料電池システムは、前記第一経路の少なくとも一部を覆う断熱材をさらに備える。第４態様によれば、断熱材によって、第一経路においてメディエータの温度が低下しにくい。その結果、再生器の内部の温度が所望の温度に保たれやすく、メディエータの酸化反応の反応速度を高めることができる。
【００１７】
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つの態様に係る燃料電池システムは、前記再生器に酸化剤を供給する酸化剤供給経路と、前記酸化剤供給経路における前記酸化剤と、前記第二経路における前記メディエータを含む第二流体とを熱交換させる第二熱交換器と、をさらに備える。多くの場合、酸化剤供給経路を通って再生器に供給される酸化剤（例えば、空気）の温度は、第二経路におけるメディエータを含む第二流体の温度より低い。このため、第二熱交換器における酸化剤と第二流体との熱交換により第二流体が冷却される。その結果、カソードに供給されるメディエータの温度が低下し、燃料電池の耐用期間が延びやすい。加えて、第二熱交換器における酸化剤と第二流体との熱交換により酸化剤が加熱され、再生器に供給される酸化剤の温度を高めることができる。このため、再生器の内部の温度が所望の温度に保たれやすく、メディエータの酸化反応の反応速度を高めることができる。
【００１８】
本開示の第６態様において、例えば、第１態様〜第５態様のいずれか１つの態様に係る燃料電池システムは、前記第二経路上に配置され、前記再生器において酸化された前記メディエータを貯留するタンクをさらに備える。第６態様によれば、再生器において酸化されたメディエータをタンクに貯留できるので、再生器を小型化しやすい。これにより、再生器の内部を所望の温度に保つために再生器の外部から供給すべきエネルギー量が少なくて済み、燃料電池システムの効率を高めることができる。
【００１９】
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は、前記タンクに接続され、前記メディエータを希釈する液体を前記タンクに供給する給液経路と、前記給液経路における前記液体の流量を調整する制御器と、をさらに備える。第７態様によれば、必要に応じて給液経路によってタンクに供給された液体によってメディエータを希釈できるので、メディエータの濃度を所望の範囲に調整できる。加えて、タンクにおけるメディエータの温度を所望の範囲に調整できる。
【００２０】
本開示の第８態様において、例えば、第７態様に係る燃料電池システムでは、前記第二経路は、前記再生器と前記タンクとを接続している上流経路を含み、前記上流経路は、前記再生器から前記タンクまで延びている第一部位と、前記メディエータを前記第一部位の少なくとも一部を迂回させつつ冷却させる第二部位と、を有し、前記制御器は、前記第一部位における前記メディエータの流量及び前記第二部位における前記メディエータの流量を調整する。第８態様によれば、第一部位におけるメディエータの流量及び第二部位におけるメディエータの流量の調整により、タンクに供給されるメディエータの温度を所望の範囲に調整できる。
【００２１】
本開示の第９態様において、例えば、第１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は、前記再生器の少なくとも一部を覆う断熱材をさらに備える。第９態様によれば、断熱材によって再生器の内部が所望の温度に保たれやすい。加えて、再生器の内部を所望の温度に保つために再生器の外部から供給すべきエネルギー量が少なくて済み、燃料電池システムの効率が高まりやすい。
【００２２】
本開示の第１０態様において、例えば、第１態様〜第９態様のいずれか１つの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１０態様によれば、必要に応じてヒータを発熱させることによって、再生器の内部を所望の温度に保つことができる。
【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、第一経路２１と、第二経路２２とを備えている。燃料電池１０は、カソード１１及びアノード１２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によって還元されたメディエータを酸化させる。第一経路２１は、カソード１１と再生器２０とを連通させており、カソード１１から排出されたメディエータを再生器２０に導く。第二経路２２は、再生器２０とカソード１１とを連通させており、再生器２０において酸化されたメディエータを冷却させながらカソード１１に戻す。
【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、酸化剤として空気が用いられる。図１において、実線の矢印は燃料の流れを示し、破線の矢印はメディエータの流れを示し、一点鎖線の矢印は酸化剤の流れを示す。
【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の電極の材料は、通常の固体高分子形燃料電池のカソードの電極の材料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によってカソード１１とアノード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（図示省略）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、第一経路２１を通って再生器２０に供給される。再生器２０において、酸化剤の有効成分である酸素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。再生器２０において再生されたメディエータは、第二経路２２を通ってカソード１１に供給される。
【００２８】
メディエータの還元体Ｍｅｄredの酸化は、典型的には発熱反応である。このため、再生器２０の内部の温度は高温（例えば、１００℃）になりやすい。このため、仮に、再生器２０において再生されたメディエータを含む溶液の温度が保たれたままその溶液がカソード１１に供給されると、電解質膜１３等の燃料電池１０の構成要素が劣化しやすい。しかし、燃料電池システム１ａの第二経路２２は、再生器２０において酸化されたメディエータを冷却させながらカソード１１に導く。このため、カソード１１に供給されるメディエータを含む溶液の温度が所定の温度（例えば、８０℃以下）に低下し、燃料電池１０の構成要素が劣化しにくい。その結果、燃料電池システム１ａにおいて、燃料電池１０の耐用期間が延びやすい。また、メディエータを含む溶液によって燃料電池１０を冷却することも可能である。
【００２９】
例えば、燃料電池システム１ａにおいて、第二経路２２から１秒間に放出される熱量は、第一経路２１から１秒間に放出される熱量よりも大きい。これにより、第二経路２２がより適切に冷却され、カソード１１に供給されるメディエータを含む溶液の温度が適切な温度になりやすい。その結果、燃料電池１０の耐用期間が延びやすい。再生器２０においてメディエータの酸化の反応速度を高める観点から、再生器２０の内部の温度が高いことが有利である。燃料電池システム１ａの通常運転において第一経路２１から放出される熱量が少ないので、再生器２０に供給されるメディエータを含む溶液の温度が低下しにくく、再生器２０の内部の温度が所望の温度に保たれやすい。その結果、再生器２０においてメディエータの酸化反応の反応速度が高まりやすい。例えば、燃料電池システム１ａの通常運転において、第二経路２２から１秒間に放出される熱量は、第一経路２１から１秒間に放出される熱量よりも大きい。なお、燃料電池システム１ａの通常運転において、所定の出力（例えば、１００Ｗ以上）での発電が所定期間継続される。
【００３０】
燃料電池システム１ａにおいて、例えば、第二経路２２の少なくとも一部は、第一経路２１を形成する材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料で形成されている。これにより、第二経路２２におけるメディエータを含む溶液の熱が第二経路２２の外部に伝わりやすく、メディエータを含む溶液が第二経路２２において冷却されやすい。これにより、カソード１１に供給されるメディエータの温度がより確実に低減され、燃料電池１０の耐用期間が延びやすい。なお、第一経路２１を定める管の材料の熱伝導率及び第二経路２２を定める管の材料の熱伝導率のそれぞれは、例えば、２５℃における値を意味する。
【００３１】
燃料電池システム１ａにおいて、例えば、第二経路２２の長さは、第一経路２１の長さよりも長い。この場合、第二経路２２において、メディエータを含む溶液から放出される熱量が大きくなりやすく、第二経路２２においてメディエータを含む溶液が適切に冷却されやすい。例えば、第二経路２２を定める管の表面積は、第一経路２１を定める管の表面積よりも大きい。この場合も、第二経路２２において、メディエータを含む溶液から放出される熱量が大きくなりやすい。第二経路２２を定める管は金属材料でできていてもよい。第二経路２２を定める管にはフィンが取り付けられていてもよい。第二経路２２を定める管の少なくとも一部は、空気が通過可能な空間と接していてもよい。例えば、燃料電池システム１ａは、吸気口及び排気口を有する筐体（図示省略）を備え、第二経路２２を定める管の少なくとも一部がその筐体の吸気口から排気口に延びる空気の流路に接していてもよい。燃料電池システム１ａは、例えば、ファン又はブロワ（図示省略）をさらに備えていてもよい。例えば、ファン又はブロワの作動により、第二経路２２を定める管の少なくとも一部を横切る空気の流れが生じる。
【００３２】
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、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。また、ポリオキソメタレートは、例えば、バナジウム、モリブデン、及びタングステン等の金属を有している。金属錯体としては、ポルフィリン金属錯体、ＴＥＭＰＯ（2,2,6,6-テトラメチルピペリジン 1-オキシル）を配位子として有する金属錯体、オキシダーゼ又はその誘導体を配位子として有する金属錯体などが挙げられる。オキシダーゼとしては、ガラクトースオキシダーゼ、ビリルビンオキシダーゼ、グルコースオキシダーゼなどが挙げられる。
【００３３】
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。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。複数の種類のメディエータがメディエータ溶液に含まれていてもよい。溶媒の種類も特に限定されない。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。メディエータの溶液のｐＨは酸性であってもよい。メディエータの溶液に適切な電解質が含まれていてもよい。
【００３４】
図１に示す通り、燃料電池システム１ａは、例えば、ポンプ３０をさらに備えている。ポンプ３０の作動により、メディエータを含む溶液が第一経路２１を通って再生器２０に導かれ、かつ、メディエータを含む溶液が第二経路２２を通ってカソード１１に戻る。ポンプ３０は、例えば、第二経路２２上に配置されている。ポンプ３０は、第一経路２１上に配置されてもよい。ポンプ３０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。第一経路２１又は第二経路２２上には、メディエータの流量を調整するためのレギュレータが配置されていてもよい。
【００３５】
燃料電池システム１ａは、例えば、送り路１５ａ及び回収路１５ｂをさらに備えている。送り路１５ａ及び回収路１５ｂのそれぞれはアノード１２に接続されている。送り路１５ａを通って水素を含む燃料がアノード１２に供給され、未反応の燃料が回収路１５ｂを通って燃料電池１０から回収される。
【００３６】
燃料電池システム１ａは、例えば、酸化剤供給経路４５をさらに備えている。酸化剤供給経路４５によって、再生器２０に酸化剤が導かれる。燃料電池システム１ａは、例えば、ブロワ４０をさらに備え、ブロワ４０によって送り出された空気が酸化剤供給経路４５を通って再生器２０に供給される。例えば、ブロワ４０の作動により、外気が取り込まれ、酸化剤供給経路４５に送り出される。
【００３７】
再生器２０は、メディエータの還元体を含む溶液と酸化剤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、例えば、メディエータを含む溶液が貯留されている。この場合、酸化剤供給経路４５を通過した空気は、例えば、再生器２０に貯留されたメディエータを含む溶液中に吹き込まれる。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酸化剤供給経路４５の出口から空気が吹き出される。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、メディエータの酸化の反応速度が高まりやすい。
【００３８】
燃料電池システム１ａは、例えば、ガス排出経路４７をさらに備えている。再生器２０では、メディエータの酸化に伴い水が生成される。上記の通り、再生器２０の内部は比較的高い温度に保たれうるので、生成された水の一部は蒸発して水蒸気になる。再生器２０における水蒸気は、再生器２０から排出され、ガス排出経路４７を流れる。これにより、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。ガス排出経路４７を通じて、未反応の酸化剤が再生器２０の外部へと排出されてもよい。
【００３９】
図１に示す通り、燃料電池システム１ａは、例えばヒータ２５をさらに備えている。ヒータ２５は、再生器２０の内部を加熱する。ヒータ２５によって再生器２０の内部を加熱することにより、メディエータの酸化に伴い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阻止できる。また、再生器２０の内部の温度が所望の範囲に保たれ、メディエータの酸化反応の反応速度が高まる。
【００４０】
ヒータ２５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２５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うる。ヒータ２５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２５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２５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２５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１ａは、例えば、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。
【００４１】
ヒータ２５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２５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２５が発熱する。燃料電池システム１ａ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２５の発熱が制御される。場合によっては、ヒータ２５は省略可能である。
【００４２】
燃料電池システム１ａは、様々な観点から変更可能である。例えば、燃料電池システム１ａは、酸化剤供給経路４５を流れる酸化剤とガス排出経路４７を流れるガスとを熱交換させる熱交換器をさらに備えるように変更されてもよい。酸化剤供給経路４５を流れる酸化剤とガス排出経路４７を流れるガスとの熱交換により、酸化剤供給経路４５を流れる酸化剤を加熱でき、再生器２０に供給される酸化剤の温度を高めることができる。その結果、メディエータの酸化反応の反応速度が高まりやすい。加えて、酸化剤供給経路４５を流れる酸化剤とガス排出経路４７を流れるガスとの熱交換により、ガス排出経路４７を流れるガスが冷却され、このガスを安全に燃料電池システム１ａの外部に排出できる。この場合、熱交換器と再生器２０との間で酸化剤供給経路４５の少なくとも一部を覆う断熱材が設けられていてもよく、再生器２０と熱交換器の間でガス排出経路４７の少なくとも一部を覆う断熱材が設けられていてもよい。例えば、燃料電池システム１ａは、この熱交換器とともに、酸化剤供給経路４５を流れる酸化剤を加熱するヒータをさらに備えていてもよい。この場合、このヒータは、例えば、熱交換器における酸化剤の出口と第一経路の出口との間を流れる酸化剤を加熱する。
【００４３】
ガス排出経路４７を流れるガスには水蒸気が含まれる。このため、上記の変形例によれば、熱交換器において凝縮水が生成されうる。このように、熱交換器は、凝縮器として機能しうる。例えば、熱交換器には排水経路が接続されており、凝縮水は排水経路を通って熱交換器の外部に排出される。凝縮水は、燃料電池システム１ａにおける所定のプロセスに利用されてもよい。
【００４４】
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、図５に示す燃料電池システム１ｅ、又は図６に示す燃料電池システム１ｆのように変更されてもよい。燃料電池システム１ｂ〜１ｆ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〜１ｆ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〜１ｆにも当てはまる。
【００４５】
図２に示す通り、燃料電池システム１ｂは、第一断熱材２６をさらに備えている。第一断熱材２６は、第一経路２１の少なくとも一部を覆っている。空気層をなす中空の部材も第一断熱材２６に該当しうる。第一断熱材２６によって、第一経路２１においてメディエータを含む溶液の温度が低下しにくい。その結果、再生器２０の内部の温度が所望の温度に保たれやすく、メディエータの酸化反応の反応速度が高まりやすい。加えて、再生器２０の内部を所望の温度に保つために再生器２０の外部から供給すべきエネルギー量が少なくて済み、燃料電池システム１ｂの効率が高まりやすい。第一断熱材２６は、第一経路２１の全体を覆っていてもよい。ここで、「覆っている」は、断熱材が第一経路２１をなす部材と接して断熱される構成と、断熱材が空間又は部材を介して第一経路２１を覆う構成とを含みうる。
【００４６】
図２に示す通り、燃料電池システム１ｂは、例えば、第二断熱材２７をさらに備えている。第二断熱材２７は、再生器２０の少なくとも一部を覆っている。空気層をなす中空の部材も第二断熱材２７に該当しうる。第二断熱材２７によって再生器２０の内部が所望の温度に保たれやすい。加えて、再生器２０の内部を所望の温度に保つために再生器２０の外部から供給すべきエネルギー量が少なくて済み、燃料電池システム１ｂの効率が高まりやすい。第二断熱材２７は、再生器２０の全体を覆っていてもよい。ここで、「覆っている」は、断熱材が再生器２０と接して断熱される構成と、断熱材が空間又は部材を介して再生器を覆う構成とを含みうる。
【００４７】
断熱材の材料は特に限定されない。断熱材の材料としては、樹脂、金属、ガラス、セラミックなどが挙げられる。断熱材の構成も特に限定されない。断熱材の構成としては、発泡体、繊維集合体などが挙げられる。
【００４８】
図３に示す通り、燃料電池システム１ｃは、第一熱交換器５１をさらに備えている。第一熱交換器５１は、第一経路２１におけるメディエータを含む第一流体と、第二経路２２におけるメディエータを含む第二流体とを熱交換させる。第二経路２２におけるメディエータを含む第二流体の温度は、典型的には、再生器２０におけるメディエータの酸化に伴う発熱により、第一経路２１におけるメディエータを含む第一流体の温度より高い。このため、第一熱交換器５１における第一流体と第二流体との熱交換により第二流体が冷却される。その結果、カソード１１に供給されるメディエータの温度が低くなりやすく、燃料電池１０の耐用期間が延びやすい。加えて、第一熱交換器５１における第一流体と第二流体との熱交換により第一流体が加熱され、再生器２０に供給されるメディエータを含む溶液の温度が高まりやすい。このため、再生器２０の内部の温度が所望の温度に保たれやすく、メディエータの酸化反応の反応速度が高まりやすい。
【００４９】
燃料電池システム１ｃは、例えば、断熱材２４をさらに備えている。断熱材２４は、再生器２０と第一熱交換器５１における第二流体の入口との間において第二経路２２を覆っている。これにより、第一熱交換器５１に供給される第二流体の温度が高く保たれる。このため、第一熱交換器５１に供給される第二流体の温度が第一熱交換器５１に供給される第一流体の温度よりも高く、第一熱交換器５１における第一流体と第二流体との温度差が大きくなりやすい。これにより、第一熱交換器５１における第一流体と第二流体との熱交換の効率が高まる。なお、第一熱交換器５１を通過した第二流体は、第一熱交換器５１における第二流体の出口とカソード１１との間の第二経路２２においてさらに冷却される。このため、適切に冷却されたメディエータがカソード１１に供給される。例えば、第一熱交換器５１における第二流体の入口と再生器２０との間の第二経路２２の長さは、第一熱交換器５１における第二流体の出口とカソード１１との間の第二経路２２の長さよりも短い。この場合、第一熱交換器５１における第一流体と第二流体との温度差が大きくなるとともに、第一熱交換器５１における第二流体の出口とカソード１１との間の第二経路２２においてメディエータが適切に冷却される。ここで、「覆っている」は、断熱材２４が第二経路２２をなす部材と接して断熱される構成と、断熱材２４が空間又は部材を介して第二経路２２を覆う構成とを含みうる。
【００５０】
第一熱交換器５１は、第一流体と第二流体との熱交換が可能である限り、制限されない。第一熱交換器５１は、例えば、以下の（ｉ）〜(iii)の少なくとも１つの特徴を有する。第一熱交換器５１は、例えば、プレート式熱交換器、二重管式熱交換器、又はシェルアンドチューブ式熱交換器でありうる。
（ｉ）第二経路２２が第一経路２１の近傍に配置されている。
（ii）第二経路２２をなす部材が第一経路２１をなす部材と接触している。
（iii）第二経路２２と第一経路２１とが熱交換の観点から適切な部材によって仕切られている。
【００５１】
燃料電池システム１ｃは、例えば、第一断熱材２６及び第二断熱材２７を備えている。一方、例えば、第一熱交換器５１における第一流体と第二流体との熱交換により、第一流体が十分に加熱されるのであれば、第一断熱材２６及び第二断熱材２７の少なくとも一つは省略されてもよい。
【００５２】
図４に示す通り、燃料電池システム１ｄは、第二熱交換器５２をさらに備えている。第二熱交換器５２は、酸化剤供給経路４５における酸化剤と、第二経路２２におけるメディエータを含む第二流体とを熱交換させる。典型的には、酸化剤供給経路４５を通って再生器２０に供給される酸化剤（例えば、空気）の温度は、第二経路２２におけるメディエータを含む第二流体の温度より低い。このため、第二熱交換器５２における酸化剤と第二流体との熱交換により第二流体が冷却される。その結果、カソード１１に供給されるメディエータの温度が低くなりやすく、燃料電池１０の耐用期間が延びやすい。加えて、第二熱交換器５２における酸化剤と第二流体との熱交換により酸化剤が加熱され、再生器２０に供給される酸化剤の温度が高まりやすい。このため、再生器２０の内部の温度が所望の温度に保たれやすく、メディエータの酸化反応の反応速度が高まりやすい。
【００５３】
第二熱交換器５２は、酸化剤と第二流体との熱交換が可能である限り、制限されない。第二熱交換器５２は、例えば、以下の（Ｉ）〜(III)の少なくとも１つの特徴を有する。
第二熱交換器５２は、例えば、プレート式熱交換器又はフィンチューブ式熱交換器でありうる。
（Ｉ）第二経路２２が酸化剤供給経路４５の近傍に配置されている。
（II）第二経路２２をなす部材が酸化剤供給経路４５をなす部材と接触している。
（III）第二経路２２と酸化剤供給経路４５とが熱交換の観点から適切な部材によって仕切られている。
【００５４】
図５に示す通り、燃料電池システム１ｅは、タンク２９をさらに備えている。タンク２９は、第二経路２２上に配置され、再生器２０において酸化されたメディエータを貯留する。このため、再生器２０を小型化しやすい。これにより、再生器２０の内部を所望の温度に保つために再生器２０の外部から供給すべきエネルギー量が少なくて済み、燃料電池システム１ｅの効率が高まりやすい。タンク２９は、例えば、第二経路２２において再生器２０とポンプ３０との間に配置されている。タンク２９は、第二経路２２においてポンプ３０とカソード１１との間に配置されていてもよい。
【００５５】
燃料電池システム１ｅは、例えば、弁２８をさらに備えている。弁２８は、例えば、第二経路２２上に配置されている。弁２８は、例えば、第二経路２２において再生器２０とタンク２９との間に配置されている。弁２８は、例えば、電磁弁等の開閉弁又は電動弁等の流量調節弁でありうる。弁２８の制御により、第二経路２２におけるメディエータを含む溶液の流れを調節できる。
【００５６】
燃料電池システム１ｅにおいて、例えば、第一熱交換器５１における第一流体と第二流体との熱交換により、第一流体が十分に加熱されるのであれば、第一断熱材２６及び第二断熱材２７の少なくとも一つは省略されてもよい。また、燃料電池システム１ｅにおいて、例えば、再生器２０が十分に小さいのであれば、第一熱交換器５１は省略されてもよい。
【００５７】
図６に示す燃料電池システム１ｆは、特に説明する場合を除き、燃料電池システム１ｅと同様に構成されている。燃料電池システム１ｆは、給液経路６０と、制御器７０とをさらに備えている。給液経路６０は、タンク２９に接続されており、メディエータを希釈する液体をタンクに供給する。メディエータを希釈する液体は、例えば水である。制御器７０は、給液経路６０における液体の流量を調整する。
【００５８】
燃料電池システム１ｆが安定的に運転されるために、カソード１１に供給されるメディエータの溶液におけるメディエータの濃度は所定の範囲に保たれていることが望ましい。上記の通り、再生器２０においてメディエータの溶液のメディエータの濃度が低下することを防止するために、メディエータの溶液の溶媒の一部が蒸発するように再生器２０の内部の温度が高く保たれている。このため、再生器２０から排出されたメディエータの溶液におけるメディエータの濃度が高くなりすぎる可能性がある。燃料電池システム１ｆによれば、タンク２９において、給液経路６０を通過してタンク２９に供給された液体によってメディエータを希釈できるので、メディエータの濃度を所望の範囲に調整できる。
【００５９】
燃料電池システム１ｆは、例えば、弁６４をさらに備えている。弁６４は、例えば、給液経路６０上に配置されている。弁６４は、例えば、電磁弁等の開閉弁又は電動弁等の流量調節弁でありうる。制御器７０が弁６４を制御することにより、給液経路６０における液体の流量が調整される。例えば、制御器７０は、所定のプログラムが実行可能に格納されたデジタルコンピュータであり、制御器７０と弁６４とは、制御器７０から送信された制御信号を弁６４が受信できるように有線又は無線によって接続されている。
【００６０】
燃料電池システム１ｆは、例えば、センサ２９ａをさらに備えている。センサ２９ａは、タンク２９に貯留されたメディエータ溶液のｐＨ、静電ポテンシャル、及びメディエータの濃度からなる群より選ばれる少なくとも１つを検出する。例えば、センサ２９ａは、制御器７０と有線又は無線によって接続されており、制御器７０は、センサ２９ａによる検出値を示す情報を取得できる。制御器７０は、センサ２９ａによる検出値を示す情報に基づいて、タンク２９に供給されるべき液体の量を決定する。さらに、制御器７０は、その決定結果に基づいて弁６４を制御するための制御信号を生成し、弁６４に向かって送信する。
【００６１】
給液経路６０を流れる液体は、メディエータを希釈できる限り特に制限されない。給液経路６０を流れる液体は、例えば、水である。給液経路６０を流れる液体の供給源は特に制限されない。例えば、ガス排出経路４７を流れる水蒸気を凝縮させて得られた凝縮水を給液経路６０によってタンク２９に供給してもよい。この場合、凝縮水をメディエータの希釈のために有効に利用できる。
【００６２】
燃料電池システム１ｆにおいて、第二経路２２は、例えば、上流経路２２ｕを含んでいる。上流経路２２ｕは、再生器２０とタンク２９とを接続している。上流経路２２ｕは、第一部位２２ｆと、第二部位２２ｓとを有する。第一部位２２ｆは、再生器２０からタンクまで延びている。第二部位２２ｓは、メディエータを第一部位２２ｆの少なくとも一部を迂回させつつ冷却させる。制御器７０は、例えば、第一部位２２ｆにおけるメディエータの流量及び第二部位２２ｓにおけるメディエータの流量を調整する。
【００６３】
第一部位２２ｆにおけるメディエータの流量及び第二部位２２ｓにおけるメディエータの流量を調整することにより、上流経路２２ｕにおけるメディエータの溶液からの放熱量を調整できる。このため、タンク２９に供給されるメディエータの溶液の温度を調整できる。例えば、第一部位２２ｆにおけるメディエータの流量が第二部位２２ｓにおけるメディエータの流量より大きいと、これらの流量が逆の関係にある場合に比べて、タンク２９に供給されるメディエータの溶液の温度が高くなりやすい。給液経路６０を通ってタンク２９に供給される液体の温度は、例えば、所望の温度より低くなる可能性がある。燃料電池システム１ｆによれば、給液経路６０を通ってタンク２９に供給される液体の温度に合わせて、タンク２９に供給されるメディエータの溶液の温度を調整できる。その結果、タンク２９に貯留されたメディエータの溶液の温度を所望の範囲に調整できる。
【００６４】
図６に示す通り、第二部位２２ｓは、例えば、第一部位２２ｆの一部を迂回して延びている。また、第二部位２２ｓの一部は、例えば、第一熱交換器５１に配置されている。この場合、第二部位２２ｓにおけるメディエータの溶液と第一経路２１におけるメディエータの溶液との熱交換により、第二部位２２ｓにおけるメディエータが冷却される。なお、燃料電池システム１ｆにおいて、第一熱交換器５１は省略されてもよい。
【００６５】
図６に示す通り、第一部位２２ｆの少なくとも一部は、断熱材によって覆われていてもよい。これにより、第一部位２２ｆを流れるメディエータの溶液が保温される。この場合、第一部位２２ｆではメディエータの溶液が保温され、第二部位２２ｓではメディエータの溶液が冷却される。このため、タンク２９に供給されるメディエータの溶液の温度の調整可能なレンジが広い。なお、第一部位２２ｆは、断熱材によって覆われていなくてもよい。
【００６６】
燃料電池システム１ｆは、例えば、温度センサ２９ｂ及び温度センサ６２をさらに備えている。温度センサ２９ｂは、タンク２９におけるメディエータ溶液の温度を検出する。温度センサ２９ｂは、例えば、タンク２９の内部に配置されている。温度センサ６２は、メディエータを希釈するための液体の温度を検出する。温度センサ６２は、例えば、給液経路６０上に配置されている。温度センサ６２は、メディエータを希釈するための液体が貯留されたタンク（図示省略）に配置されていてもよい。温度センサ２９ｂ及び温度センサ６２のそれぞれは、制御器７０と有線又は無線によって接続されており、制御器７０は、温度センサ２９ｂ及び温度センサ６２による検出温度を示す情報を取得できる。これにより、制御器７０は、温度センサ２９ｂ及び温度センサ６２による検出温度に基づいて、第一部位２２ｆにおけるメディエータの流量及び第二部位２２ｓにおけるメディエータの流量を調整できる。例えば、制御器７０は、弁２８を制御することにより、第一部位２２ｆにおけるメディエータの流量及び第二部位２２ｓにおけるメディエータの流量を調整する。
【００６７】
燃料電池システム１ｆにおいて、弁２８は、例えば、第一部位２２ｆ上に配置されている。弁２８は、第二部位２２ｓに配置されていてもよい。また、弁２８は、第一部位２２ｆと第二部位２２ｓとを接続していてもよい。この場合、弁２８は、三方弁でありうる。
【００６８】
燃料電池システム１ｆにおいて、タンク２９の少なくとも一部は断熱材によって覆われていてもよい。なお、タンク２９は、断熱材によって覆われていなくてもよい。例えば、タンク２９とカソード１１との間の第二経路２２の長さが短い場合には、タンク２９は、断熱材によって覆われていなくてもよい。また、タンク２９とカソード１１との間の第二経路２２における放熱量を考慮して制御器７０が動作する場合には、タンク２９は、断熱材によって覆われていなくてもよい。
【００６９】
燃料電池システム１ｆのタンク２９においてメディエータの溶液のメディエータの濃度及び温度を調整するための処理の一例を説明する。例えば、燃料電池システム１ｆの運転中に、図７に示す処理が定期的に実行される。ステップＳ１において、制御器７０は、センサ２９ａによる検出値Ｖｄを取得する。次に、ステップＳ２において、制御器７０は、検出値Ｖｄが所定値以上であるか否かを判断する。この所定値は、カソード１１に供給されるのに適した、メディエータの溶液におけるメディエータの濃度の上限に対応している。ステップＳ２における判断結果が肯定的であると、ステップＳ３に進み、制御器７０は、給液経路６０における液体の流量が増加するように弁６４を制御する。例えば、制御器７０は、弁６４の開度を増加させる。次に、ステップＳ４に進み、制御器７０は、温度センサ２９ｂによる検出温度Ｔｔ及び温度センサ６２による検出温度Ｔｓを取得する。次に、ステップＳ５に進み、制御器７０は、検出温度Ｔｔ及び検出温度Ｔｓに基づいて、弁２８を制御する。例えば、制御器７０は、検出温度Ｔｔが目標温度に近づくように、弁２８の開度を調整する。ステップＳ５の後、一連の処理が終了する。
【００７０】
ステップＳ２における判断結果が否定的であると、ステップＳ６に進み、制御器７０は、給液経路６０における液体の流量が減少するように弁６４を制御する。例えば、制御器７０は、弁６４の開度を減少させる。次に、ステップＳ７に進み、制御器７０は、温度センサ２９ｂによる検出温度Ｔｔ及び温度センサ６２による検出温度Ｔｓを取得する。次に、ステップＳ８に進み、制御器７０は、検出温度Ｔｔ及び検出温度Ｔｓに基づいて、弁２８を制御する。例えば、制御器７０は、検出温度Ｔｔが目標温度に近づくように、弁２８の開度を調整する。その後、一連の処理が終了する。
【００７１】
燃料電池システム１ａ〜燃料電池システム１ｆにおける各構成要素は、技術的に矛盾しない限り組み合わせ可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ  燃料電池システム
１０                                燃料電池
１１                                カソード
１２                                アノード
２０                                再生器
２１                                第一経路
２２                                第二経路
２５                                ヒータ
２６                                第一断熱材
２７                                第二断熱材
２９                                タンク
５１                                第一熱交換器
５２                                第二熱交換器
【図１】
2019216090.tif 000003
【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】
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【図７】
2019216090.tif 000009