(57)【要約】【課題】  金属空気電池と水素燃料電池とを含み、所要の水素流量を確保するのに適した電力発生装置を提供する。【解決手段】  金属空気電池が、主反応で発電し、副反応で水素を発生する。水素燃料電池が、外部から水素の供給を受けて発電する。圧力変換装置が、金属空気電池で発生した水素の圧力を上昇させて水素燃料電池に供給する。【選択図】  図１
2015133268.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主反応で発電し、副反応で水素を発生する金属空気電池と、
外部から水素の供給を受けて発電する水素燃料電池と、
前記金属空気電池で発生した水素の圧力を上昇させて前記水素燃料電池に供給する圧力変換装置と
を有する電力発生装置。
【請求項２】
さらに、前記水素燃料電池に供給される水素の流量を、前記水素燃料電池が要求する一定の範囲内に調整する流量調整機構を有する請求項１に記載の電力発生装置。
【請求項３】
さらに、
前記圧力変換装置から前記水素燃料電池までのガス輸送ラインに挿入されたバルブと、
前記バルブを制御する制御装置と
を有し、
前記圧力変換装置は水素を貯蔵する機能を有し、
前記制御装置は、前記圧力変換装置で圧力が上昇した水素の圧力が、予め決められている供給停止閾値より低いとき、前記バルブを閉じて、前記圧力変換装置に水素を貯蔵させ、前記圧力変換装置で圧力が上昇した水素の圧力が、予め決められている供給開始閾値以上になったことを検出すると、前記バルブを開いて前記水素燃料電池に水素を供給する請求項１または２に記載の電力発生装置。
【請求項４】
前記圧力変換装置は、水素を一時的に貯蔵するバッファタンクを含み、前記バッファタンクによって、水素を貯蔵する機能が実現される請求項３に記載の電力発生装置。
【請求項５】
前記圧力変換装置は、水素吸蔵合金と、前記水素吸蔵合金を加熱するヒータとを含み、前記水素吸蔵合金によって水素を貯蔵する機能が実現され、前記水素吸蔵合金を前記ヒータで加熱して、前記水素吸蔵合金に貯蔵されている水素を放出させることにより、水素の圧力を上昇させる機能が実現される請求項３に記載の電力発生装置。
【請求項６】
さらに、前記水素燃料電池による発電で発生した水を前記金属空気電池に輸送する水輸送ラインを有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電力発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属空気電池と水素燃料電池とを含む電力発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属空気電池では、主反応である放電反応が進行するに従って、副反応として電解液の分解が生じ、その結果水素が発生する。例えば、マグネシウム空気電池から発生した水素ガスを燃料電池に供給する技術が提案されている（特許文献１）。これにより、水素を有効に利用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２３９２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
水素燃料電池で効率的な発電を行うためには、水素燃料電池が要求する所定の水素流量を確保することが好ましい。マグネシウム空気電池と水素燃料電池とをガス輸送ラインで接続しただけでは、水素燃料電池に求められる十分な水素流量を確保することが困難である。本発明の目的は、副反応で水素を発生する金属空気電池と水素燃料電池とを含み、所要の水素流量を確保するのに適した電力発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一観点によると、
主反応で発電し、副反応で水素を発生する金属空気電池と、
外部から水素の供給を受けて発電する水素燃料電池と、
前記金属空気電池で発生した水素の圧力を上昇させて前記水素燃料電池に供給する圧力変換装置と
を有する電力発生装置が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
金属空気電池で発生した水素の圧力を上昇させて、水素燃料電池に供給することにより、水素燃料電池で要求される所要の流量の水素を水素燃料電池に供給することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、実施例による電力発生装置の概略図である。
【図２】図２Ａは、他の実施例による電力発生装置の概略図であり、図２Ｂは、水素ガスの圧力と流量との時間変化を示すグラフである。
【図３】図３は、さらに他の実施例による電力発生装置の概略図である。
【図４】図４は、図３に示した実施例による電力発生装置のバルブの開閉、ヒータのオンオフのタイミングチャート、及び水素ガスの流量及び圧力の時間変化を示すグラフである。
【図５】図５は、さらに他の実施例による電力発生装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１に、実施例による電力発生装置の概略図を示す。電力発生装置は、副反応によって水素が発生する金属空気電池１０、水素燃料電池２０、水素分離器１８、圧力変換装置３
０、及び流量調整機構４０を含む。
【０００９】
以下、金属空気電池１０の構造について説明する。筐体１１内に金属極１２及び空気極（酸素極）１３が、相互に間隔を隔てて配置されている。空気極１３は、筐体１１に設けられた開口部を通じて外部に露出している。筐体１１内に電解液１４が収容されている。金属極１２には、例えば導体層と負極活物質層とを含む積層体が用いられる。負極活物質層には、例えばマグネシウムまたはマグネシウム合金が用いられる。
【００１０】
空気極１３は、導体層、絶縁性多孔質層、及び網状支持層を含む積層体が用いられる。網状支持層が最も外側に配置され、導体層が最も内側に配置される。導体層は、例えば発泡ニッケルからなる集電体に導電材料スラリーを塗布した後、乾燥及び焼成することにより形成される。一例として、導電材料スラリーの導電材料として、ケッチェンブラックが用いられ、バインダとしてポリテトラフルオロエチレンが用いられる。絶縁性多孔質層は、酸素を透過させ、水分を透過させない。網状支持体は、絶縁性多孔質層及び導体層を支持する。電解液１４には、例えば塩化ナトリウム水溶液（食塩水）が用いられる。
【００１１】
負極端子１５が金属極１２に電気的に接続され、正極端子１６が空気極１３の導体層に電気的に接続されている。
【００１２】
金属極１２では、下記の主反応が生じる。
Ｍｇ→Ｍｇ２＋＋２ｅ−
さらに、下記の副反応が生じる。
Ｍｇ＋２Ｈ２Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）２＋Ｈ２
空気極１３では、下記の反応が生じる。
Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４（ＯＨ）−
金属極１２の主反応で発生する電子が、負極端子１５と正極端子１６とに接続される外部回路を流れて、空気極１３で消費される。これにより、外部回路に電流が流れる。上述のように、金属空気電池１０は、主反応で発電し、副反応で水素を発生する。
【００１３】
金属極１２の副反応で発生する水素、及び空気極１３を通って筐体１１内に取り込まれる空気が、ガス輸送ラインを通って水素分離器１８に導入される。水素分離器１８は、空気から水素を分離する。分離された水素が圧力変換装置３０に導入される。圧力変換装置３０は、例えば加圧ポンプ３１を含み、金属空気電池１０で発生した水素の圧力を上昇させて、水素燃料電池２０に供給する。
【００１４】
圧力変換装置３０から水素燃料電池２０までのガス輸送ラインに、圧力計Ｐ及び流量調整機構４０が取り付けられている。圧力計Ｐは、圧力変換装置３０で上昇された水素の圧力を測定する。
【００１５】
流量調整機構４０は、バルブＶ１、流量計Ｆ、及び制御装置４１を含む。バルブＶ１として、水素ガス流を遮断、及び流量を調整することができるものが用いられる。制御装置４１は、流量計Ｆで測定される流量が、水素燃料電池２０で要求される一定の範囲内に収まるように、バルブＶ１を制御する。このように、流量調整機構４０は、圧力変換装置３０から水素燃料電池２０に供給される水素ガスの流量を、水素燃料電池２０が要求する一定の範囲内に調整する。
【００１６】
水素燃料電池２０は、燃料極２１、空気極２２、電解質２３、水素流路２４、及び空気流路（酸素流路）２５を含む。燃料極２１に負極端子２６が電気的に接続されており、空気極２２に正極端子２７が電気的に接続されている。圧力変換装置３０から輸送された水素ガスが、水素燃料電池２０の水素流路２４を流れる。燃料極２１で下記の反応が生じる
。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
空気極２２で下記の反応が生じる。
２Ｈ＋＋（１／２）Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
【００１７】
水素流路２４を流れる水素が燃料極２１で消費され、水素イオンと電子が発生する。燃料極２１で発生した水素イオンは、電解質２３内を通って空気極２２まで輸送される。燃料極２１で発生した電子は、負極端子２６と正極端子２７とに接続される外部回路を流れて、空気極２２に達する。
【００１８】
電解質２３内を輸送された水素イオン、空気流路２５を流れる酸素、及び外部回路を通って空気極２２に到達した電子が反応して水（水蒸気）が発生する。発生した水蒸気は、空気流路２５を通って外部に排出される。
【００１９】
図１に示した実施例においては、金属空気電池１０で発生した水素ガスが水素燃料電池２０まで輸送される途中に、水素ガスの圧力を上昇させているため、金属空気電池１０から水素燃料電池２０に、効率的に水素を輸送することができる。また、水素の流量が目標範囲内に収まるように調整されているため、水素燃料電池２０による発電を安定させることができる。
【００２０】
図２Ａ及び図２Ｂを参照して、他の実施例について説明する。以下、図１に示した実施例との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。
【００２１】
図２Ａに、実施例による電力発生装置の概略図を示す。この実施例では、圧力変換装置３０が、加圧ポンプ３１及びバッファタンク３２を含む。圧力計Ｐが、バッファタンク３２内の圧力を測定する。加圧ポンプ３１から送り出された水素が、バッファタンク３２を経由して水素燃料電池２０に供給される。バッファタンク３２は水素を一時的に貯蔵する機能を有する。制御装置４１は、圧力計Ｐ及び流量計Ｆの測定結果に基づいて、バルブＶ１を制御する。
【００２２】
図２Ｂに、圧力計Ｐ及び流量計Ｆで測定される圧力及び流量の時間波形の一例を示す。時刻ｔ０において、金属空気電池１０による発電が開始され、水素が発生する。この時点で、バルブＶ１は閉じられている。発生した水素が加圧ポンプ３１を経由してバッファタンク３２に貯蔵される。このため、バッファタンク３２内の圧力が時間の経過とともに上昇する。
【００２３】
時刻ｔ１において、バッファタンク３２内の圧力が供給開始閾値ＰＵに達する。圧力が供給開始閾値ＰＵに達したことを、制御装置４１が検出すると、制御装置４１はバルブＶ１を開く。また、制御装置４１は、流量計Ｆで検出される流量が一定値ＦＨになるように、バルブＶ１を制御する。
【００２４】
単位時間あたりにバッファタンク３２から水素燃料電池２０に供給される水素の量（モル数）が、金属空気電池１０から発生する水素の量（モル数）より少ない場合、バッファタンク３２内の圧力が時間の経過とともに低下する。時刻ｔ２において、圧力が、供給停止閾値ＰＬまで低下する。圧力が供給停止閾値ＰＬ以下になったことを、制御装置４１が検出すると、バルブＶ１を閉じる。これにより、バッファタンク３２への水素の貯蔵が再開される。時間の経過とともに、バッファタンク３２内の圧力が上昇し、時刻ｔ３において、圧力が供給開始閾値ＰＵに達する。時刻ｔ３以降は、時刻ｔ１以降の処理と同じ処理が繰り返される。
【００２５】
上述のように、図２Ａ及び図２Ｂに示した実施例では、バッファタンク３２内の圧力が供給停止閾値ＰＬ以下になると、水素燃料電池２０への水素の供給が停止される。すなわち、水素燃料電池２０に水素が供給されている期間は、バッファタンク３２内の圧力が供給停止閾値ＰＬよりも高い状態が維持される。これにより、金属空気電池１０からの水素の発生速度が十分ではない場合でも、水素燃料電池２０が要求する水素の流量を確保することが可能になる。
【００２６】
図３及び図４を参照して、さらに他の実施例について説明する。以下、図１に示した実施例との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。
【００２７】
図３に、実施例による電力発生装置の概略図を示す。この実施例では、圧力変換装置３０が、水素吸蔵合金３５を収容する水素貯蔵室３４、及びヒータ３６を含む。ヒータ３６は、水素吸蔵合金３５を加熱する。金属空気電池１０から発生する水素が、バッファタンク３７及びバルブＶ５を経由して、水素貯蔵室３４に導入される。水素貯蔵室３４内に導入された水素は、水素吸蔵合金３５に吸蔵される。水素以外のガス、例えば酸素及び窒素は、バルブＶ４を通って排出される。
【００２８】
水素貯蔵室３４から水素燃料電池２０に向かうガス輸送ラインに、バルブＶ３、Ｖ２、及びＶ１がこの順番に挿入されている。圧力計Ｐが、バルブＶ３とＶ２との間のガス輸送ライン内の圧力を測定する。制御装置４１が、圧力計Ｐで測定された圧力、及び流量計Ｆで測定された流量に基づき、バルブＶ１〜Ｖ５、及びヒータ３６を制御する。
【００２９】
ヒータ３６がオフのとき、金属空気電池１０で発生した水素が水素貯蔵室３４内の水素吸蔵合金３５に吸蔵される。ヒータ３６をオンにすると、水素吸蔵合金３５に吸蔵されている水素が放出される。水素吸蔵合金３５からの水素の放出速度を調整することにより、水素貯蔵室３４から送り出される水素の圧力を上昇させることができる。このように、水素吸蔵合金３５及びヒータ３６は、金属空気電池１０で発生した水素の圧力を上昇させる圧力変換装置３０として機能する。
【００３０】
バルブＶ５を閉じると、金属空気電池１０で発生した水素がバッファタンク３７に一時的に貯蔵される。バルブＶ２、Ｖ４、Ｖ５を閉じて、バルブＶ３を開けることにより、圧力計Ｐで水素貯蔵室３４内の圧力を測定することができる。バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３を開くことにより、水素貯蔵室３４から水素燃料電池２０に水素を供給することができる。
【００３１】
図４に、バルブＶ１の開度、バルブＶ２〜Ｖ５の開閉状態、及びヒータ３６のオンオフ状態のタイミングチャート、流量計Ｆで測定される水素の流量、及び圧力計Ｐで測定される圧力の時間変化の一例を示す。
【００３２】
時刻ｔ１０においてバルブＶ１〜Ｖ３が閉じられ、バルブＶ４及びＶ５が開かれている。ヒータ３６はオフ状態である。この状態で、金属空気電池１０で発生した水素がバッファタンク３７及びバルブＶ５を通して水素貯蔵室３４に導入される。これにより、水素吸蔵合金３５に水素が貯蔵される。
【００３３】
時刻ｔ１１において、バルブＶ３を開き、バルブＶ４、Ｖ５を閉じるとともに、ヒータ３６をオンにする。水素吸蔵合金３５から水素が放出され、水素貯蔵室３４内の圧力が上昇する。水素貯蔵室３４内の圧力は、圧力計Ｐで測定される。
【００３４】
時刻ｔ１２において、水素貯蔵室３４内の圧力が供給開始閾値ＰＵ以上であるか否かを判定する。図４では、時刻ｔ１２において、水素貯蔵室３４内の圧力が供給開始閾値ＰＵ以上である場合を示している。水素貯蔵室３４内の圧力が供給開始閾値ＰＵ以上である場
合、バルブＶ１、Ｖ２を開くことにより、水素貯蔵室３４から水素燃料電池２０への水素の供給を開始する。水素燃料電池２０に水素が供給されている期間は、水素の流量が一定になるように、バルブＶ１の開度が調節される。水素吸蔵合金３５から水素が放出されるに従って、水素の放出速度が徐々に低下する。このため、水素貯蔵室３４内の圧力が徐々に低下する。金属空気電池１０で発生した水素は、バッファタンク３７に蓄積される。
【００３５】
時刻ｔ１３において、水素貯蔵室３４内の圧力が供給停止閾値ＰＬまで低下する。水素貯蔵室３４内の圧力が供給停止閾値ＰＬまで低下したことが検出されると、バルブＶ１〜Ｖ３を閉じ、バルブＶ４、Ｖ５を開くとともに、ヒータ３６をオフにする。水素燃料電池２０への水素の供給が停止し、圧力計Ｐで測定される圧力は、供給停止閾値ＰＬとほぼ等しい値に維持される。バッファタンク３７に一時的に蓄積されていた水素、及び金属空気電池１０で発生した水素が水素貯蔵室３４に導入され、水素吸蔵合金３５への水素の吸蔵が開始される。
【００３６】
時刻ｔ１４において、バルブＶ３を開き、バルブＶ４、Ｖ５を閉じるとともに、ヒータ３６をオンにする。水素吸蔵合金３５からの水素の放出が開始され、圧力計Ｐで測定される圧力が徐々に上昇する。時刻ｔ１５において、水素貯蔵室３４内の圧力が供給開始閾値ＰＵ以上か否かを判定する。図４では、時刻ｔ１４における水素貯蔵室３４内の圧力が供給開始閾値ＰＵよりも低い場合を示している。
【００３７】
水素貯蔵室３４内の圧力が供給開始閾値ＰＵよりも低い場合、バルブＶ３を閉じ、バルブＶ４、Ｖ５を開くとともに、ヒータ３６をオフにする。これにより、水素吸蔵合金３５への水素の吸蔵が再開する。
【００３８】
図３及び図４に示した実施例では、水素吸蔵合金３５による水素の吸蔵量が不十分のとき、水素吸蔵合金３５からの水素の放出を行わず、水素の吸蔵が継続される。水素吸蔵合金３５による水素の吸蔵量が十分であることが確認されたら、水素吸蔵合金３５から水素を放出させ、水素燃料電池２０へ水素の供給を行う。このため、水素燃料電池２０に、十分な流量の水素を、安定して供給することができる。
【００３９】
図５に、さらに他の実施例による電力発生装置の概略図を示す。以下、図１に示した実施例による電力発生装置との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。
【００４０】
水素燃料電池２０で発生した水（水蒸気）が、水輸送ライン５０を経由して金属空気電池１０に輸送される。金属空気電池１０では、副反応が生じることによって電解液１４中の水が減少する。水素燃料電池２０で発生した水を金属空気電池１０に輸送することにより、電解液１４に水を補充することができる。
【００４１】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００４２】
１０  金属空気電池
１１  筐体
１２  金属極
１３  空気極（酸素極）
１４  電解液
１５  負極端子
１６  正極端子
１８  水素分離器
２０  水素燃料電池
２１  燃料極（水素極）
２２  空気極（酸素極）
２３  電解質
２４  水素流路
２５  空気流路（酸素流路）
２６  負極端子
２７  正極端子
３０  圧力変換装置
３１  加圧ポンプ
３２  バッファタンク
３４  水素貯蔵室
３５  水素吸蔵合金
３６  ヒータ
３７  バッファタンク
４０  流量調整機構
４１  制御装置
５０  水輸送ライン
Ｖ１〜Ｖ５  バルブ
Ｆ  流量計
ＦＨ  水素流量の一定値
Ｐ  圧力計
ＰＵ  供給開始閾値
ＰＬ  供給停止閾値
【図１】
2015133268.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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