(57)【要約】  ２次電池型燃料電池システムは、燃料発生部材と、発電・電気分解部とを備え、燃料発生部材と発電・電気分解部との間でガスを循環させる。そして、システムの運転を開始する起動モード、システムの通常運転を行う通常運転モード、及びシステムの運転を停止する停止モードのうち少なくとも通常運転モードにおいて、発電・電気分解部が発電を行っているときに発電・電気分解部から出力される電力の値、及び／又は、発電・電気分解部が電気分解を行っているときに発電・電気分解部に供給される電力の値を時間的に変化させる。
2014157319.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学反応により燃料ガスを発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生部材と、
酸化剤ガスと前記燃料発生部材から供給される前記燃料ガスとを用いて発電を行う発電機能及び前記燃料発生部材の再生時に前記燃料発生部材から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する電気分解機能を有する発電・電気分解部とを備え、
前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間でガスを循環させる２次電池型燃料電池システムであって、
システムの運転を開始する起動モード、システムの通常運転を行う通常運転モード、及びシステムの運転を停止する停止モードのうち少なくとも前記通常運転モードにおいて、
前記発電・電気分解部が発電を行っているときに前記発電・電気分解部から出力される電力の値、及び／又は、前記発電・電気分解部が電気分解を行っているときに前記発電・電気分解部に供給される電力の値を時間的に変化させ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】
前記発電・電気分解部から出力される電力を平滑化する平滑部を備え、
前記起動モード、前記通常運転モード、及び前記停止モードのうち少なくとも前記通常運転モードにおいて、
前記発電・電気分解部が発電を行っているときに、前記発電・電気分解部から出力される電力の値を、外部負荷の要求電力よりも大きい値と小さい値とに時間的に変化させる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】
前記発電・電気分解部が発電を行っているときに、要求電力の値が時間的に変化する外部負荷と前記発電・電気分解部とを、両者の間に直流電力を時間的に値が変化する電力に変換する第１電力変換部を設けずに接続する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４】
前記発電・電気分解部が発電を行っているときに、要求電力の値が時間的に変化する外部負荷と前記発電・電気分解部とを、両者の間に時間的に値が変化する電力を時間的に値が変化する他の電力に変換する第２電力変換部を設けずに接続す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】
外部電源から供給される直流電力を時間的に値が変化する電力に変換する第３電力変換部を備え、
前記起動モード、前記通常運転モード、及び前記停止モードのうち少なくとも前記通常運転モードにおいて、
前記発電・電気分解部が電気分解を行っているときに、前記第３電力変換部から出力される電力を、前記発電・電気分解部に供給することを特徴とする請求項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・電気分解部が電気分解を行っているときに、時間的に値が変化する電力を電力供給先に供給する外部電源と前記発電・電気分解部とを、両者の間に時間的に値が変化する電力を直流電力に変換する第４電力変換部を設けずに接続することを特徴とする請求項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７】
前記発電・電気分解部が電気分解を行っているときに、時間的に値が変化する電力を電力供給先に供給する外部電源と前記発電・電気分解部とを、両者の間に時間的に値が変化する電力を時間的に値が変化する他の電力に変換する第５電力変換部を設けずに接続す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】
前記発電・電気分解部が発電を行っているときに前記発電・電気分解部から出力される電力の値、及び／又は、前記発電・電気分解部が電気分解を行っているときに前記発電・電気分解部に供給される電力の値が時間的に変化する周期は、１Ｈｚ以上１ｋＨｚ未満であることを特徴とする請求項１〜請求項６までのいずれか一項に記載の２次電池型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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】特開２００５―８５０８８号公報
【特許文献３】特表２００７―５０７８５６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（鉄）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（鉄）が水との酸化反応により水素を発生し、水素発生部材（鉄）で発生した水素が固体酸化物型燃料電池の発電反応に用いられ、システムの充電動作時に酸化している水素発生部材（酸化鉄）が水素との還元反応により水を発生し、酸化している水素発生部材（酸化鉄）で発生した水が固体酸化物型燃料電池の電気分解反応に用いられる。したがって、水素発生部材（鉄）での反応が不十分であると、燃料電池の反応に用いられるガスの燃料電池への供給が不十分になってしまう。具体的には、例えばシステムの発電動作時の場合、水素発生部材（鉄）での酸化反応が不十分であると、燃料電池の反応に用いられる水素の燃料電池への供給が不十分になってしまう。【０００６】
ここで、システムの発電動作時において、燃料電池の動作電圧ＶOPEは、下記の（１）式の通り、燃料電池での発電反応Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏに伴うギブスの自由エネルギー変化から算出される理論的な電圧ＶTHに対して、電圧損失ＶLOSSの分だけ小さくなる。
ＶOPE＝ＶTH−ＶLOSS    ・・・（１）【０００７】
この電圧損失ＶLOSSと動作電流ＩOPEとの積ＷLOSSは電気エネルギーではなく、熱エネルギーとなって消失するため、電圧損失ＶLOSSが大きいほどシステムの発電効率が低下する。【０００８】
ここで、システムの発電動作時における電圧損失ＶLOSSは下記の（２）式で表される。
【数１】
2014157319.tif 000003
【０００９】
上記の（２）式右辺の第１項は回路の抵抗成分ｒと動作電流ＩOPEとから算出される値であり、上記の（２）式右辺の第２項はネルンストの式に従って燃料電池に供給される各ガスの分圧によって算出される値である。なお、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度、Ｆはファラデー定数、ＰH2は水素の分圧、ＰH2Оは水蒸気の分圧、ＰО2は酸素の分圧である。【００１０】
システムの発電動作時に水素発生部材（鉄）での酸化反応が不十分であると、水素の分圧ＰH2が低くなると同時に水蒸気の分圧ＰH2Оが高くなるため、上記の（２）式より電圧損失ＶLOSSが増加し、システムの発電効率が低下する。【００１１】
また、システムの充電動作時において、燃料電池の動作電圧ＶOPEは、下記の（３）式の通り、燃料電池での電気分解反応Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋（１／２）Ｏ2に伴うギブスの自由エネルギー変化から算出される理論的な電圧ＶTHに対して、電圧損失ＶLOSSの分だけ大きくなる。
ＶOPE＝ＶTH＋ＶLOSS    ・・・（３）【００１２】
この電圧損失ＶLOSSと動作電流ＩOPEとの積ＷLOSSは燃料電池に電気分解反応を行わせるために、余分に投入しなければいけない電気エネルギーとなるため、電圧損失ＶLOSSが大きいほどシステムの充電効率が低下する。【００１３】
ここで、システムの充電動作時における電圧損失ＶLOSSは下記の（４）式で表される。
【数２】
2014157319.tif 000004
【００１４】
上記の（４）式右辺の第１項は回路の抵抗成分ｒと動作電流ＩOPEとから算出される値であり、上記の（４）式右辺の第２項はネルンストの式に従って燃料電池に供給される各ガスの分圧によって算出される値である。【００１５】
システムの充電動作時に水素発生部材（鉄）での還元反応が不十分であると、水蒸気の分圧ＰH2Оが低くなると同時に水素の分圧ＰH2が高くなるため、上記の（４）式より電圧損失ＶLOSSが増加し、システムの充電効率が低下する。【００１６】
なお、特許文献２では、燃料電池の直流出力を電力変換装置（インバータ）がＰＷＭ信号を用いて交流出力に電力変換する構成において、電力変換効率の改善を図っているだけであり、上述した２次電池型燃料電池システムの効率を向上させる技術は開示されていない。【００１７】
また、特許文献３においては、触媒等の劣化を防ぐために燃料電池を起動、停止時に間欠駆動しているだけであり、上述した２次電池型燃料電池システムの効率を向上させる技術は開示されていない。【００１８】
本発明は、上記の状況に鑑み、効率が高い２次電池型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】
【００１９】
上記目的を達成するために本発明の一側面を反映した２次電池型燃料電池システムは、化学反応により燃料ガスを発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生部材と、酸化剤ガスと前記燃料発生部材から供給される前記燃料ガスとを用いて発電を行う発電機能及び前記燃料発生部材の再生時に前記燃料発生部材から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する電気分解機能を有する発電・電気分解部とを備え、前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間でガスを循環させる２次電池型燃料電池システムであって、システムの運転を開始する起動モード、システムの通常運転を行う通常運転モード、及びシステムの運転を停止する停止モードのうち少なくとも前記通常運転モードにおいて、前記発電・電気分解部が発電を行っているときに前記発電・電気分解部から出力される電力の値、及び／又は、前記発電・電気分解部が電気分解を行っているときに前記発電・電気分解部に供給される電力の値を時間的に変化させる構成とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の一側面を反映した２次電池型燃料電池システムによると、少なくとも通常運転モードにおいて、発電・電気分解部が発電を行っているときに発電・電気分解部から出力される電力の値、及び／又は、発電・電気分解部が電気分解を行っているときに発電・電気分解部に供給される電力の値が時間的に変化する。そのため、システムの発電動作時および充電動作時の少なくとも一方で、燃料発生部材に供給されるガスの組成比が変化し、燃料発生部材内でのガスの拡散が促進される。これにより、システムの発電動作時および充電動作時の少なくとも一方で、燃料発生部材での反応性が向上し、発電・電気分解部での反応に用いられるガスの発電・電気分解部への供給が増加する。その結果、２次電池型燃料電池システムの効率が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】発電回路部の一構成例を示す図である。
【図３】充電回路部の一構成例を示す図である。
【図４】ＰＷＭスイッチング部の一構成例を示す図である。
【図５Ａ】ＰＷＭスイッチング部の各部電圧波形を示す図である。
【図５Ｂ】ＰＷＭスイッチング部の各部電圧波形を示す図である。
【図６】平滑部の一構成例を示す図である。
【図７】燃料電池部の燃料極から燃料発生部材に向かうガスの組成比の分布を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図９】燃料電池部からの出力電力の値の時間的変化の周期を表す図である。
【図１０】燃料電池部からの出力電力の値の時間的変化の周期を表す図である。
【図１１】燃料電池部からの出力電力の値の時間的変化の周期を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの概略構成を図１に示す。本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、酸化反応により燃料ガスを発生する燃料発生部材１と、酸素を含む酸化剤ガスと燃料発生部材１から供給される燃料ガスとの反応により発電を行う燃料電池部２と、燃料発生部材１を収容する容器３と、燃料電池部２を収容する容器４と、燃料発生部材１と燃料電池部２の燃料極２Ｂとの間でガスが流通するように容器３と容器４の間に設けられる配管５とを備えている。
【００２４】
なお、必要に応じて、燃料発生部材１や燃料電池部２の周辺に温度を調節するヒータや温度を検出する温度センサ等を設けてもよい。また、ガスを強制的に流動させるためのポンプやブロア等を、配管５、燃料電池部２の酸化剤極２Ｃに酸化剤ガスである空気を供給するための配管、燃料電池部２の酸化剤極２Ｃからガスを排出するための配管に配置してもよい。
【００２５】
燃料発生部材１としては、例えば、基材料（主成分）が鉄である微粒子圧縮体からなる燃料発生部材を用いることができる。また、燃料電池部２としては、例えば、Ｏ2-を透過する固体電解質を挟み、両側にそれぞれ燃料極と酸化剤極が形成されているＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly；膜・電極接合体）構造をなす固体酸化物燃料電池部を用いることができる。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。
【００２６】
以下の説明では、燃料発生部材１として基材料（主成分）が鉄である微粒子圧縮体からなる燃料発生部材を用い、燃料電池部２として固体酸化物燃料電池部を用い、燃料ガスとして水素を用いた場合について説明する。
【００２７】
本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの発電時に燃料電池部２は外部負荷９に電気的に接続される。燃料電池部２では、本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの発電時に、燃料極２Ｂにおいて下記の（５）式の反応が起こる。
Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-  …（５）
【００２８】
上記の（５）式の反応によって生成された電子は、外部負荷９を通って、酸化剤極２Ｃに到達し、酸化剤極２Ｃにおいて下記の（６）式の反応が起こる。
１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｏ2-  …（６）
【００２９】
そして、上記の（６）式の反応によって生成された酸素イオンは、固体電解質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（５）式から分かるように、本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの発電動作時には、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。
【００３０】
上記の（５）式及び（６）式より、本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの発電動作時における燃料電池部２での反応は下記の（７）式の通りになる。
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ  …（７）
【００３１】
一方、燃料発生部材１は、下記の（８）式に示す酸化反応により、本実施形態に係る２次電池型燃料電池システム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。
３Ｆｅ＋４Ｈ2Ｏ→Ｆｅ3Ｏ4＋４Ｈ2  …（８）
【００３２】
上記の（８）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（８）式の逆反応（還元反応）により、燃料発生部材１を再生することができ、本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムを充電することができる。
【００３３】
本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの充電時に燃料電池部２は外部電源１０に接続される。燃料電池部２では、本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの充電時に、上記の（７）式の逆反応である下記の（９）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、燃料発生部材１では、上記の（８）式に示す酸化反応の逆反応である下記（１０）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  …（９）
Ｆｅ3Ｏ4＋４Ｈ2→３Ｆｅ＋４Ｈ2Ｏ  …（１０）
【００３４】
また、本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、スイッチ部６と、発電回路部７と、充電回路部８とを備えている。スイッチ部６は、システムの発電動作時に燃料電池部２と発電回路部７とを電気的に接続し、システムの充電動作時に燃料電池部２と充電回路部８とを電気的に接続する。
【００３５】
発電回路部７は、システムの発電動作時に、燃料電池部２から出力される電力の値を、外部負荷９の要求電力よりも大きい値と小さい値とに時間的に変化させる。
【００３６】
ここで、発電回路部７の一構成例を図２に示す。図２に示す構成例では、発電回路部７は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）スイッチング部７１と、平滑部７２と、電力測定部７３と、電力監視部７４と、制御部７５とを備えている。
【００３７】
ＰＷＭスイッチング部７１は、制御部７５からの指示に基づいて、ＰＷＭ電力を平滑部７２に出力する。これにより、ＰＷＭスイッチング部７１の入力側に接続されている燃料電池部２の出力電力もＰＷＭ電力になる。
【００３８】
平滑部７２は、ＰＷＭスイッチング部７１から出力されるＰＷＭ電力を平滑化して直流電力に変換して、外部負荷９に供給する。
【００３９】
電力測定部７３は、平滑部７２から外部負荷９に供給される直流電力の値を測定し、測定結果を電力監視部７４に伝える。なお、電力測定部７３が、平滑部７２から外部負荷９に供給される直流電流および直流電圧の各値を測定結果として電力監視部７４に伝えるようにしてもよい。
【００４０】
電力監視部７４は、平滑部７２から外部負荷９に供給される直流電力の値と、外部負荷９の要求電力の値とを比較し、その比較結果に応じてＰＷＭ制御におけるデューティ比を調整する。外部負荷９の要求電力の値に関する情報を電力監視部７４がどのように取得するかは特に限定されない。例えば、外部負荷９が当該情報を電力監視部７４に伝達する形態、外部負荷９の要求電力の値が常に一定であり、電力監視部７４が外部負荷９の要求電力の値を予め記憶する形態などが考えられる。
【００４１】
充電回路部８は、システムの充電動作時に、外部電源１０から供給される直流電力を、時間的に値が変化する電力に変換して燃料電池部２に供給する。
【００４２】
ここで、充電回路部８の一構成例を図３に示す。図３に示す構成例では、充電回路部８は、電力測定部８１と、ＰＷＭスイッチング部８２と、電力監視部８３と、制御部８４とを備えている。
【００４３】
電力測定部８１は、外部電源１０からＰＷＭスイッチング部８２に供給される直流電力の値を測定し、測定結果を電力監視部８３に伝える。なお、電力測定部８１が、外部電源１０からＰＷＭスイッチング部８２に供給される直流電流および直流電圧の各値を測定結果として電力監視部８３に伝えるようにしてもよい。
【００４４】
ＰＷＭスイッチング部８２は、制御部８４からの指示に基づいて、外部電源１０から直流電力をＰＷＭ電力に変換して出力する。したがって、ＰＷＭスイッチング部８２の出力側に接続されている燃料電池部２に供給される電力はＰＷＭ電力になる。
【００４５】
電力監視部８３は、外部電源１０からＰＷＭスイッチング部８２に供給される直流電力の値と、設定されている充電電力の値とを比較し、その比較結果に応じてＰＷＭ制御におけるデューティ比を調整する。設定されている充電電力の値に関する情報を電力監視部８３がどのように取得するかは特に限定されない。例えば、外部電源１０が自己の電力供給能力に関する情報を電力監視部８３に伝達し、外部電源１０から伝達されてきた情報に基づいて電力監視部８３が充電電力の値を設定する形態、電力監視部８３がシステムの充電動作時に設定する充電電力の値を予め記憶する形態などが考えられる。
【００４６】
なお、上述した各ＰＷＭスイッチング部７１または８２は、例えば図４に示す回路で構成することができる。図４に示す構成例のＰＷＭスイッチング部は、クロック信号発生回路１１と、積分回路１２と、比較回路１３と、スイッチング素子１４とを備えている。
【００４７】
クロック信号発生回路１１は、デューティ比５０％のクロック信号（方形波信号）を発生させる。
【００４８】
積分回路１２は、抵抗と、コンデンサと、演算増幅器とによって構成される回路であり、クロック信号発生回路１１から出力されるクロック信号を積分して、三角波信号を生成する。なお、積分回路１２に設けられている演算増幅器の非反転入力端子にはバイアス電圧ＶBが供給される。
【００４９】
比較回路１３は、演算増幅器と、抵抗とによって構成される回路であり、積分回路１２から出力される三角波信号Ｖ12と、制御部７５または８４から送られてくる制御電圧ＶCとを比較し、比較結果を示すＰＷＭ信号Ｖ13をスイッチング素子１４の制御端子に出力する。したがって、制御電圧ＶCの値に応じてＰＷＭ信号Ｖ13のデューティ比が変化する。例として、ＰＷＭ信号Ｖ13のデューティ比が２５％になる場合の三角波信号Ｖ12、制御電圧ＶC、及びＰＷＭ信号Ｖ13を図５Ａに示し、ＰＷＭ信号Ｖ13のデューティ比が７５％になる場合の三角波信号Ｖ12、制御電圧ＶC、及びＰＷＭ信号Ｖ13を図５Ｂに示す。
【００５０】
また、上述した平滑部７２は、例えば図６に示す回路で構成することができる。図６に示す構成例の平滑部は、抵抗と、コンデンサと、演算増幅器とによって構成されるローパスフィルタ回路である。例えば、燃料電池部２から出力される電力が数十Ｈｚ程度の周期で変化する場合、図６に示す構成例の平滑部に設けられる各抵抗の抵抗値と各コンデンサの容量をそれぞれ１ｋΩ程度と１００μＦ程度に設定すると、例えば１０Ｈｚで３０ｄＢ程度の減衰特性を得ることができ、十分な平滑効果を得ることができる。
【００５１】
以上説明した本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、システムの発電動作時に、燃料電池部２から出力される電力の値を、外部負荷９の要求電力よりも大きい値と小さい値とに時間的に変化させ、システムの充電動作時に、外部電源１０から供給される直流電力を、時間的に値が変化する電力に変換して燃料電池部２に供給するので、システムの発電動作時およびシステムの充電動作時の双方において、燃料電池部２の燃料極２Ｂから燃料発生部材１に向かうガスの組成比に図７に示すような分布ができる。図７では、ガスが燃料電池部２から燃料発生部材１に向かって流れている配管内の或る瞬間におけるガスの組成比を濃淡で示している。濃い部分が水素の分圧が高く水蒸気の分圧が低い領域であり、薄い部分が水素の分圧が低く水蒸気の分圧が高い領域である。
【００５２】
図７に示すような分布ができるため、燃料発生部材１に供給されるガスの組成比が変化し、燃料発生部材１内でのガスの拡散が促進される。具体的には、発電動作時において、燃料電池部２から出力されるＰＷＭ電力の値が外部負荷９の要求電力よりも大きい値のときは、燃料極２Ｂ側において発電によって消費される水素の量及び発生する水蒸気の量が多いため、燃料発生部材１に送られるガスの水素の分圧は低くなる（図７の薄い部分）。一方、燃料電池部２から出力されるＰＷＭ電力の値が、外部負荷９の要求電力よりも小さい値のときは、燃料極２Ｂ側において消費される水素の量も発生する水蒸気の量も少ないため、燃料電池部２から出力されるＰＷＭ電力の値が外部負荷９の要求電力よりも大きい値のときよりも、燃料発生部材１に送られるガスの水素の分圧が高くなる（図７の濃い部分）。また、充電動作時において、外部電源１０から供給される直流電力の値が大きいときは、燃料極２Ｂ側において電気分解される水蒸気の量及び電気分解によって発生する水素の量が多いため、水素の分圧が高くなる。一方、外部電源１０から供給される直流電力の値が小さいときは、燃料極２Ｂ側において分解される水蒸気の量も発生する水素の量も少ないため、外部電源１０から供給される直流電力の値が大きいときよりも、燃料発生部材１に供給される水素の分圧は低くなる。このように、水素と水蒸気の組成比が変化する混合ガスが燃料発生部材１に供給されることにより、燃料発生部材１内のガスの濃度に不均衡が生じ、ガスが濃度を均一にする方向に拡散する。その結果、燃料発生部材１内にガスが行き亘り、燃料発生部材１での反応性が向上する。
【００５３】
以上のように、システムの発電動作時および充電動作時の双方で、燃料発生部材１での反応性が向上し、システムの発電動作時には燃料電池部２での発電反応に用いられる水素の燃料電池部２への供給が増加し、システムの充電動作時には燃料電池部２での電気分解反応に用いられる水蒸気の燃料電池部２への供給が増加する。その結果、燃料電池システムの発電効率および充電効率が高くなる。
【００５４】
燃料電池部２から出力される電力の値および燃料電池部２に供給される電力の値が時間的に変化する周期は、ガスの拡散効果を高くするために、１Ｈｚ以上１ｋＨｚ未満が好ましく、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度がより好ましい。また、本実施形態では、システムの発電動作時に、燃料電池部２から出力される電力の値を、外部負荷９の要求電力よりも大きい値と小さい値とに短周期で時間的に変化させたが、燃料電池部２から出力される電力の値を時間的に変化させるのであれば、必ずしもこの形態に限らない。例えば、ある時間範囲においては外部負荷９の要求電力より大きい値の範囲で変化させ、他の時間範囲においては外部負荷９の要求電力よりも小さい値の範囲で変化させてよい。なお、この例では、長周期でみると、燃料電池部２から出力される電力の値は、外部負荷９の要求電力よりも大きい値の範囲と小さい値の範囲とに時間的に変化している。
【００５５】
また、本実施形態では、燃料電池部２から出力される電力の値および燃料電池部２に供給される電力の値を時間的に変化させるために、ＰＷＭ制御を用いたが、他の方法で燃料電池部２から出力される電力の値および燃料電池部２に供給される電力の値を時間的に変化させても構わない。
【００５６】
なお、本実施形態とは異なり、システムの発電動作時に、燃料電池部２から出力される電力の値を、外部負荷９の要求電力よりも大きい値と小さい値とに時間的に変化させること、システムの充電動作時に、外部電源１０から供給される直流電力を、時間的に値が変化する電力に変換して燃料電池部２に供給することのいずれか一方のみを実施しても、従来に比べてシステムの効率を高くすることができる。
【００５７】
また、本実施形態では、システムが動作している期間は常に、燃料電池部２から出力される電力の値を、外部負荷９の要求電力よりも大きい値と小さい値とに時間的に変化させる、又は、外部電源１０から供給される直流電力を、時間的に値が変化する電力に変換して燃料電池部２に供給する。しかしながら、本実施形態とは異なり、システムの通常運転を行う通常運転モードのときのみ、燃料電池部２から出力される電力の値を、外部負荷９の要求電力よりも大きい値と小さい値とに時間的に変化させる、又は、外部電源１０から供給される直流電力を、時間的に値が変化する電力に変換して燃料電池部２に供給するようにし、システムの運転を開始する起動モード及びシステムの運転を停止する停止モードは必ずしも電力の値を時間的に変化さなくてもよい。これは、システムの運転の開始時、停止時、及び発電―充電の切り替え時は、積極的に制御しなくても、ガスの分圧比がある程度自然に変化するからである。
【００５８】
また、システムの運転を開始する起動モード、システムの通常運転を行う通常運転モード、及びシステムの運転を停止する停止モードに加えて、従来の燃料電池システムでの通常運転に相当する直流運転モードを設けても構わない。直流運転モードでは、システムの発電動作時に燃料電池部２から直流電力が出力され、システムの充電動作時に燃料電池部２に直流電力が供給される。
【００５９】
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの概略構成を図８に示す。本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、発電回路部７及び充電回路部８を備えておらず、システムの発電動作時にスイッチ部６が燃料電池部２と変動外部負荷１５とを接続し、システムの充電動作時にスイッチ部６が燃料電池部２と変動外部電源１６とを接続する以外は第１実施形態に係る２次電池型燃料電池システムと同様の構成である。
【００６０】
変動外部負荷１５は、要求電力の値が時間的に変化する外部負荷であり、例えば蛍光灯等の一般的な商用電源の交流出力電力で直接動作する負荷を挙げることができる。
【００６１】
変動外部電源１６は、時間的に値が変化する電力を電力供給先に供給する外部電源であり、例えば風力発電装置や太陽光発電装置等の自然エネルギー発電装置を挙げることができる。
【００６２】
本実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、第１実施形態に係る２次電池型燃料電池システムと同様の効果を奏するとともに、第１実施形態に比べて回路構成を簡単にすることができる。即ち、変動外部負荷１５又は変動外部電源１６が時間的に変化する値の電力を要求又は供給するので、燃料電池部２は該変化する電力の値に応じて、燃料電池部２が出力する電力の値、又は供給される電力の値は時間的に変化する。その結果、燃料発生部材１に供給されるガスの分圧比が変化する。従って、第１実施形態におけるPWMスイッチング部７１及び平滑部７２等を、本実施形態において省略することができる。このように外部負荷が要求する電力の値が時間的に変化する場合、一般的には、燃料電池部２と変動外部負荷１５との間にインバータを設ける構成を採用すると思われるが、本実施形態においては、このようなインバータを設けずに、より簡単な回路構成にすることができる。
【００６３】
なお、変動外部負荷１５の要求電力の値の時間的な変化の周期又は振幅が、ガスの拡散効果を高くするのに適さない場合は、スイッチ部６と変動外部負荷１５との間に、「時間的に値が変化する電力を時間的に値が変化する他の電力に変換する電力変換部（例えば、電力周波数変更回路、電力振幅変更回路など）」を設けてもよい。
【００６４】
また、変動外部電源１６の燃料電池部２に供給する電力の値の時間的な変化の周期又は振幅が、ガスの拡散効果を高くするのに適さない場合は、スイッチ部６と変動外部電源１６との間に、「時間的に値が変化する電力を時間的に値が変化する他の電力に変換する電力変換部（例えば、電力周波数変更回路、電力振幅変更回路など）」を設けてもよい。
【００６５】
図９は、発電時を例として、変動外部負荷１５の要求電力の値の時間的な変化の周期ａと、電力周波数変更回路を設けた場合の燃料電池部２からの出力電力の値の時間的変化の周期ｂを表している。図１０は、同様に、変動外部負荷１５の要求電力の値の時間的な変化の周期ａと、電力振幅変更回路を設けた場合の燃料電池部２からの出力電力の値の時間的変化の周期ｂを比較した図である。尚、燃料電池部２からの出力電力と変動外部負荷１５の要求電力との差分電力は、例えば、変動外部負荷１５以外の負荷に供給したり、蓄電装置に蓄えたりすればよい。
【００６６】
このように、電力変換部を設けることによって、燃料電池部２からの出力電力の値の時間的な変化の周期を、ガスの拡散効果を高くするのに適したレベルに制御することができる。
【００６７】
尚、燃料電池部２から変動外部負荷１５に供給する電力を、変動外部負荷１５の要求電力に追随させたとき、ガスの分圧比の変化が要求電力の値の時間的変化に対して時間的にズレたり、要求電力の値の時間的変化の割合に対してガスの分圧比変化の割合が緩やかになる等により、要求電力の値の時間的変化に対して実際に出力される電力の値に時間的又は量的なズレが生じる場合がある。このようなズレを改善すべく、燃料電池部２からの出力電力の値を、要求電力より各振幅の立ち上がりを早く、かつ大きくなるように回路内で変換するなどによって、発電時に変動外部負荷１５に供給される電力の値の時間的変化が、要求電力の値の時間的変化にできるだけ近づくようにしてもよい。図１１は、変動外部負荷１５の要求電力の値の時間的な変化の周期ａと、燃料電池部２からの出力電力の値の時間的変化ｂを表している。
【００６８】
また、変動外部電源１６として風力発電装置や太陽光発電装置等の自然エネルギー発電装置を用いた場合、変動外部電源１６の出力電力の時間的変化は不規則かつ予測困難であることが多い。その場合、たとえ電力変換部を設けたとしても、燃料電池部２からの出力電力の値の時間的な変化の周期を、ガスの拡散効果を高くするのに適したレベルに制御することが困難になる場合がある。その場合の解決策としては、例えば次のような構成を採用すればよい。変動外部電源１６の出力電力の供給先を切り替えることができる構成とし、変動外部電源１６の出力電力の周期及び振幅が所定範囲内であれば、変動外部電源１６の出力電力を直接あるいは電力変換部を介して燃料電池部２に供給し、変動外部電源１６の出力電力の周期及び振幅の少なくとも一つが所定範囲外であれば、変動外部電源１６の出力電力を燃料電池部２以外の負荷や蓄電装置に供給する。尚、変動外部電源１６の出力電圧の周期及び振幅の少なくとも一つが所定範囲外であった場合、変動に応じて適宜、燃料電池へ供給される電力の大きさやタイミングを調整してもよい。
【００６９】
＜その他＞
上述した実施形態においては、燃料電池部２の固体電解質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の固体電解質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に伝搬する流路を設ければよい。
【００７０】
また、上述した実施形態では、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）が燃料発生部材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。
【００７１】
また、上述した実施形態では、燃料電池部２の燃料ガス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の燃料ガスとして用いても構わない。
【００７２】
また、上述した実施形態では、燃料発生部材１と燃料電池部２とを別個の容器に収容しているが、同一の容器に収容しても構わない。さらに、燃料発生部材１と燃料電池部２との間に空間を設けずに、燃料発生部材１と燃料電池部２の燃料極２Ｂとが接していても構わない。この場合でも、燃料発生部材１内にガスが流れていく際にガスの拡散が生じるからである。
【００７３】
また、上述した各実施形態同士は、矛盾のない限り適宜部分的に組み合わせて実施しても構わない。例えば、本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池システムから充電回路８を取り除き、スイッチ部６が変動外部電源１６に接続されるようにすることが考えられる。また、上述した各実施形態において説明した変形例は矛盾のない限り他の実施形態において適用しても構わない。
【符号の説明】
【００７４】
１  燃料発生部材
２  燃料電池部
２Ａ  固体電解質
２Ｂ  燃料極
２Ｃ  酸化剤極
３、４  容器
５  配管
６  スイッチ部
７  発電回路部
８  充電回路部
９  外部負荷
１０  外部電源
１１  クロック信号発生回路
１２  積分回路
１３  比較回路
１４  スイッチング素子
１５  変動外部負荷
１６  変動外部電源
７１、８２  ＰＷＭスイッチング部
７２  平滑部
７３、８１  電力測定部
７４、８３  電力監視部
７５、８４  制御部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図７】
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【国際調査報告】
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