(57)【要約】【課題】外部から供給するエネルギーを低減することができる燃料発生装置を提供する。【解決手段】化学反応により水素を含む燃料を発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生器（例えば、燃料発生部材９を収容している容器８）を複数備え、前記複数の燃料発生器の少なくとも２つが熱的に接続可能（例えば、隣接する容器８同士を、接触部材１０を介して熱的に接続）である燃料発生装置。【選択図】図３Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学反応により水素を含む燃料を発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生器を複数備え、
前記複数の燃料発生器の少なくとも２つが熱的に接続可能であることを特徴とする燃料発生装置。
【請求項２】
前記複数の燃料発生器の少なくとも２つが熱的に接続されている状態と熱的に接続されていない状態とを切り替えるための切替手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料発生装置。
【請求項３】
前記切替手段が、温度によって形状が変化する形状変化部材を有することを特徴とする請求項２に記載の燃料発生装置。
【請求項４】
前記形状変化部材が、バイメタルまたは形状記憶合金であることを特徴とする請求項３に記載の燃料発生装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料発生装置と、
前記燃料発生装置から供給される燃料に用いて発電を行う燃料電池装置とを備え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６】
前記燃料発生装置が水素を発生する水素発生装置であり、
前記燃料電池装置が固体酸化物燃料電池であり、
前記燃料発生装置と前記燃料電池装置との間でガスを循環させる循環経路を備えることを特徴とする請求項５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、化学反応により水素を含む燃料を発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生装置及びそれを備えた２次電池型燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素から水を生成した際に電気を取り出す燃料電池の開発が近年盛んに行われている。燃料電池は、原理的には二酸化炭素を排出しないため、クリーンなエネルギー源として注目を浴びているだけでなく、原理的に取り出せる電力エネルギーの効率が高いため、省エネルギーになり、さらに、発電時に発生する熱を回収することにより、熱エネルギーをも利用することができるといった特徴を有しており、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。
【０００３】
このような燃料電池は、例えば、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）とで両側から挟みこみ、さらにその外側を一対のセパレータで挟持して形成されたものを１つのセル構成としている。そして、このような構成のセルには、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。
【０００４】
燃料電池の利用形態は様々であるが、その一つにＥＶ（electric vehicle）に搭載され、ＥＶの動力源として利用される形態がある。このような利用形態では、ＥＶが移動体であるため、燃料電池を、外部から燃料が供給されるタイプではなく、再生可能な燃料発生装置を附属するタイプ（２次電池型）にする必要がある。
【０００５】
再生可能な燃料発生装置としては、化学反応により水素を含む燃料を発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生装置が挙げられる。そして、化学反応により水素を含む燃料を発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生装置としては、例えば基材料（主成分）が鉄であって、水との酸化反応により水素を発生し水素との還元反応により再生可能な水素発生装置が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００６−５０３４１４号公報（要約）
【特許文献２】特開２００９―９９４９１号公報（要約）
【特許文献３】特開２００１―２９５９９６号公報（要約）
【特許文献４】特開２００７―２６６８３号公報（要約）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
基材料（主成分）が鉄である水素発生装置は、下記の（１）式に示す酸化反応により、水素を発生することができる。下記の（１）式に示す酸化反応により１molのＦｅ３Ｏ４を生成するのに必要なエネルギーであるエンタルピ変化ΔＨＯが負の値（例えば５００℃の条件下では−１１５［kJ/mol］）であるため、下記の（１）式に示す酸化反応は発熱反応である。
３Ｆｅ＋４Ｈ２Ｏ→Ｆｅ３Ｏ４＋４Ｈ２    ΔＨＯ＜０  …（１）
【０００８】
また、基材料（主成分）が鉄である水素発生装置は、下記の（２）式に示す還元反応により、再生することができる。下記の（２）式に示す還元反応により１molのＦｅ３Ｏ４を還元するのに必要なエネルギーであるエンタルピ変化ΔＨＲが正の値（例えば５００℃の条件下では１１５［kJ/mol］）であるため、下記の（２）式に示す還元反応は吸熱反応である。したがって、再生時には外部から水素発生装置にエネルギーを供給する必要があり、このエネルギー供給が電池の効率を低下させる要因になってしまっていた。
Ｆｅ３Ｏ４＋４Ｈ２→３Ｆｅ＋４Ｈ２Ｏ    ΔＨＲ＞０  …（２）
【０００９】
なお、特許文献１〜４には、燃料発生装置を附属する燃料電池システムが開示されているが、再生可能な燃料発生装置を附属するタイプ（２次電池型）の燃料電池システムではない。
【００１０】
本発明は、上記の状況に鑑み、外部から供給するエネルギーを低減することができる燃料発生装置及びそれを備えた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】
【００１１】
上記目的を達成するために本発明に係る燃料発生装置は、化学反応により水素を含む燃料を発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生器を複数備え、前記複数の燃料発生器の少なくとも２つが熱的に接続可能である構成とする。
【００１２】
このような構成によると、或る燃料発生器において発熱反応で発生した熱を、或る燃料発生器に熱的に接続されている別の燃料発生器に伝えておき、別の燃料発生器で吸熱反応を起こす際に、その伝えた熱を利用することができるので、吸熱反応を起こすために外部から上記別の燃料発生器に供給するエネルギーを低減することができる。なお、「化学反応」、「前記化学反応の逆反応」のいずれか一方が発熱反応となり、他方が吸熱反応となる。
【００１３】
また、前記複数の燃料発生器の少なくとも２つが熱的に接続されている状態と熱的に接続されていない状態とを切り替えるための切替手段を備えるようにしてもよい。これにより、熱を伝えたい場合にのみ熱的に接続されている状態にすることが可能になるので、効率良く熱の伝達を行うことができる。
【００１４】
また、前記切替手段が、温度によって形状が変化する形状変化部材を有するようにしてもよい。これにより、駆動機構を設けずに前記切替手段を実現することが可能になるので、簡単に効率良く熱の伝達を行うことができる。
【００１５】
なお、前記形状変化部材には、例えばバイメタルや形状記憶合金を用いることができる。
【００１６】
上記目的を達成するために本発明に係る２次電池型燃料電池システムは、上記いずれかの構成の燃料発生装置と、前記燃料発生装置から供給される燃料を用いて発電を行う燃料電池装置とを備える構成とする。
【００１７】
また、前記燃料発生装置が水素を発生する水素発生装置であり、前記燃料電池装置が固体酸化物燃料電池であり、前記燃料発生装置と前記燃料電池装置との間でガスを循環させる循環経路を備えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によると、外部から供給するエネルギーを低減することができる燃料発生装置及びそれを備えた２次電池型燃料電池システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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模式図である。
【図２】固体酸化物型燃料電池の概略構成を示す模式図である。
【図３Ａ】燃料発生装置の第１実施例の概略構成を示す縦断面図である。
【図３Ｂ】燃料発生装置の第１実施例の概略構成を示す縦断面図である。
【図４Ａ】燃料発生装置の第２実施例の概略構成を示す縦断面図である。
【図４Ｂ】燃料発生装置の第２実施例の概略構成を示す縦断面図である。
【図５Ａ】燃料発生装置の第３実施例の概略構成を示す縦断面図である。
【図５Ｂ】燃料発生装置の第３実施例の概略構成を示す縦断面図である。
【図６Ａ】燃料発生装置の第４実施例の概略構成を示す縦断面図である。
【図６Ｂ】燃料発生装置の第４実施例の概略構成を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。尚、本発明は、後述する実施形態に限られない。
【００２１】
＜２次電池型燃料電池システムの構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの全体構成を示す図である。図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、化学反応により水素を含む燃料を発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生器を複数有する燃料発生装置１と、酸素を含む酸化剤と燃料発生装置１から供給される水素を含む燃料との反応により発電を行う燃料電池装置２と、燃料発生装置１と燃料電池装置２との間でガスを循環させる循環経路３とを備えている。さらに、図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの燃料発生装置１、燃料電池装置２、及び循環経路３には必要に応じて、温度を調節するヒーター、循環経路３内のガスを循環させるためのポンプ、水素を含む燃料ガスの漏洩を検知するセンサー、各燃料発生器へのガス流量を個別に制御する流量制御器等を設けてもよい。なお、本実施形態では、後述するように１つの燃料電池装置２が発電も水の電気分解も行っているが、複数の燃料発生器それぞれが、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）それぞれにガス循環経路上並列に接続される構成にしてもよい。
【００２２】
＜燃料電池装置の構成及び動作＞
燃料電池装置２としては、例えば、図２に示す通り、Ｏ２−を透過する固体電解質４を挟み、両側にそれぞれ酸化剤極５と燃料極６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を用いることができる。なお、図２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。固体酸化物燃料電池では、発電動作時に、燃料極６において下記の（３）式の反応が起こる。
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  …（３）
【００２３】
上記の（３）式の反応によって生成された電子は、外部負荷７を通って、酸化剤極５に到達し、酸化剤極５において下記の（４）式の反応が起こる。
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−  …（４）
【００２４】
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、固体電解質４を通って、燃料極６に到達する。上記の一連の反応を繰り返すことにより、固体酸化物燃料電池が発電動作を行うことになる。また、上記の（３）式から分かるように、発電動作時には、燃料極６側においてＨ２が消費されＨ２Ｏが生成されることになる。
【００２５】
一方、固体酸化物燃料電池では、電気分解器として作動する場合、上記の（３）式及び（４）式の逆反応が起こり、燃料極６側においてＨ２Ｏが消費されＨ２が生成される。
【００２６】
したがって、燃料電池装置２に固体酸化物燃料電池を用いた場合、上記のように燃料極６側で消費されたり生成されたりするガス（水素ガス、水蒸気ガス）が、燃料電池装置２の燃料極６側と燃料発生装置１との間を循環することになる。
【００２７】
＜燃料発生装置での反応＞
燃料電池装置２に固体酸化物燃料電池を用いた場合、例えば、燃料発生装置１の各燃料発生器に鉄の微粒子圧縮体を収容するとよい。かかる構成の燃料発生装置１は、上述した（１）式に示す酸化反応により、水素を発生することができる。
【００２８】
上述した（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残量が減っていくが、上述した（２）式に示す還元反応（上述した（１）式に示す酸化反応の逆反応）により、燃料発生装置１を再生することができ、システムを充電することができる。
【００２９】
＜燃料発生装置の第１実施例＞
第１実施例に係る燃料発生装置１では、図３Ａに示すように、容器８が複数の隔壁を有しており、当該隔壁によって区切られた各区画に燃料発生部材（ここでは鉄の微粒子圧縮体）９を収容している。このような構造により、第１実施例に係る燃料発生装置１は、複数の燃料発生器を有することになり、各燃料発生器は上記隔壁によって熱的に接続されている。ここで、「熱的に接続されている」とは、燃料発生装置１周囲の雰囲気（通常は空気であり、室温付近での熱伝導率は約０．０２６Ｗ／（ｍ・Ｋ）である）を媒体とした熱伝導よりも良好な熱伝導が実現されている状態をいう。なお、容器８の隔壁の材質としては、熱伝導率０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属、金属酸化物、合金（例えば、ＳＵＳ（約１５Ｗ／（ｍ・Ｋ））、ガラス（約１Ｗ／（ｍ・Ｋ））、インコネル（約１５Ｗ／（ｍ・Ｋ））等）が好適である。
【００３０】
第１実施例に係る燃料発生装置１では、或る燃料発生器で発生した燃料を用いて燃料電池装置２が発電を行っている際には、或る燃料発生器において鉄の酸化反応で発生した熱を、或る燃料発生器に熱的に接続されている別の燃料発生器に伝えておき、例えばＥＶでのブレーキ時に発生する回生電力や外部電源から供給される電力を用いて図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの充電を行う際に、その伝えた熱を利用して、上記別の燃料発生器において酸化鉄の還元反応（鉄の酸化反応の逆反応）を起こすことが可能になる。したがって、吸熱反応である酸化鉄の還元反応を起こすために外部から上記別の燃料発生器に供給するエネルギーを低減することができる。これにより、外部からの供給エネルギーを少なくしても、図１に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの充電が可能となり、当該電池システムの効率が向上する。
【００３１】
なお、図３Ａのように容器８に複数の隔壁を設ける構成とせず、図３Ｂに示すように複数の容器８を設け、複数の容器８それぞれに燃料発生部材９を収容し、隣接する燃料発生器同士の間に接触部材１０を設けることで各燃料発生器を熱的に接続する構成にしても、同様の効果を得ることができる。この場合、接触部材１０の材質としては、容器８の隔壁の材質と同様に、熱伝導率０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属、金属酸化物、合金（例えば、ＳＵＳ（約１５Ｗ／（ｍ・Ｋ））、ガラス（約１Ｗ／（ｍ・Ｋ））、インコネル（約１５Ｗ／（ｍ・Ｋ））等）が好適である。
【００３２】
＜燃料発生装置の第２実施例＞
第２実施例に係る燃料発生装置１には、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、複数の容器８が設けられており、複数の容器８それぞれに燃料発生部材（ここでは鉄の微粒子圧縮体）９が収容されている。このような構造により、第２実施例に係る燃料発生装置１は、複数の燃料発生器を有することになる。また、隣接する燃料発生器同士は、接触部材１０を介して熱的に接続可能である。なお、容器８の材質、接触部材１０の材質としては、それぞれ熱伝導率０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属、金属酸化物、合金（例えば、ＳＵＳ（約１５Ｗ／（ｍ・Ｋ））、ガラス（約１Ｗ／（ｍ・Ｋ））、インコネル（約１５Ｗ／（ｍ・Ｋ））等）が好適である。
【００３３】
第２実施例に係る燃料発生装置１には、接触部材駆動機構１１も設けられている。接触部材駆動機構１１は、隣接する燃料発生器同士の間に接触部材１０を挿入して、隣接する燃料発生器同士を熱的に接続させる状態と、隣接する燃料発生器同士の間から接触部材１０を抜き出して、隣接する燃料発生器同士を熱的に接続させない状態との切り替えが可能なように、接触部材１０を駆動する。
【００３４】
第２実施例に係る燃料発生装置１では、例えば発熱反応が著しい燃料発生器から、優先的に吸熱反応を促進したい燃料発生器に熱を伝えたい場合、その２つの燃料発生器のみを熱的に接続することが可能であるので（図４Ｂ参照）、その２つの燃料発生器間で効率良く熱の伝達を行うことができる。なお、接触部材１０の形状や駆動の形態を図４Ａ及び図４Ｂに示す形態から変形することで、隣接する燃料発生器同士の熱的接続のみならず、任意の２つの燃料発生器同士の熱的接続も可能である。
【００３５】
＜燃料発生装置の第３実施例＞
第３実施例に係る燃料発生装置１には、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、複数の容器８が設けられており、複数の容器８それぞれに燃料発生部材（ここでは鉄の微粒子圧縮体）９が収容されている。このような構造により、第３実施例に係る燃料発生装置１は、複数の燃料発生器を有することになる。なお、容器８の材質としては、熱伝導率０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属、金属酸化物、合金（例えば、ＳＵＳ（約１５Ｗ／（ｍ・Ｋ））、ガラス（約１Ｗ／（ｍ・Ｋ））、インコネル（約１５Ｗ／（ｍ・Ｋ））等）が好適である。
【００３６】
第３実施例に係る燃料発生装置１の各燃料発生器には、バイメタルや形状記憶合金等の温度によって形状が変化する形状変化部材１２が接続されている。このような構成によると、例えば或る燃料発生器の温度が所定温度以上になった際に、或る燃料発生器に接続されている形状変化部材１２の変形によって、或る燃料発生器とそれに隣接する別の燃料発生器とを熱的に接続することが可能であるので（図５Ｂ参照）、発熱反応が著しい燃料発生器とそれに隣接する別の燃料発生器とを自動的に熱的に接続することができ、上述した第２実施例のような駆動機構が不要となるため、２つの燃料発生器間での熱の伝達を簡単に行うことができる。
【００３７】
上述したバイメタルとは、線膨張係数の異なる２種類の導電性材料が接合された構造を有している形状変化部材である。例えば、線膨張係数が１７×１０―６／℃であるステンレス材料と、線膨張係数が９×１０―６／℃であるチタン合金とが接合された構造とすることができる。線膨張係数の異なる２種類の導電性材料が接合された構造を有するバイメタルは、加熱されると、線膨張係数の大きい金属材料側に凸状に湾曲する。
【００３８】
ここで、金属材料の線膨張係数の参考値を小さい順に示す。上述した設計条件を満たすように、下記に列挙された金属あるいはその他の金属から線膨張係数の異なる２種を選択すればよい。
Ｃｒ：６．５×１０―６／℃，Ｔｉ：８．９×１０―６／℃，Ｐｔ：９．０×１０―６／℃，ＳＵＳ４３０：１０．４×１０―６／℃，Ｃｏ：１２．５×１０―６／℃，Ｎｉ：１３．３×１０―６／℃，Ａｕ：１４．１×１０―６／℃，ＳＵＳ３１０：１５．８×１０―６／℃，Ｍｏ：１６．０×１０―６／℃，ＳＵＳ３１６：１６．０×１０―６／℃，ＳＵＳ３０１：１６．９×１０―６／℃，Ｃｕ：１７．０×１０―６／℃，ＳＵＳ３０４：１７．３×１０―６／℃，Ａｇ：１９．１×１０―６／℃，Ｍｎ：２３．０×１０―６／℃，Ｐｂ：２９．０×１０―６／℃
【００３９】
＜燃料発生装置の第４実施例＞
第４実施例に係る燃料発生装置１には、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、複数の断熱容器（例えば真空断熱構造を有する容器）１３が設けられており、複数の断熱容器１３それぞれに燃料発生部材（ここでは鉄の微粒子圧縮体）９が収容されている。このような構造により、第４実施例に係る燃料発生装置１は、複数の燃料発生器を有することになる。なお、断熱容器１３の内壁および外壁の材質、接触部材１０の材質としては、熱伝導率０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属、金属酸化物、合金（例えば、ＳＵＳ（約１５Ｗ／（ｍ・Ｋ））、ガラス（約１Ｗ／（ｍ・Ｋ））、インコネル（約１５Ｗ／（ｍ・Ｋ））等）が好適である。
【００４０】
各断熱容器１３には、バイメタルや形状記憶合金等の温度によって形状が変化する形状変化部材１２が設けられている。このような構成によると、或る断熱容器内の温度が所定温度以上になった際に、その断熱容器に設けられている形状変化部材１２の変形によって、その断熱容器の内外が熱的に接続される（図６Ｂ参照）。すなわち、通常は断熱容器の断熱構造によって、熱を断熱容器内にとどめておき、必要なときだけ断熱容器内の熱を断熱容器の外に伝えることができる。これにより、より一層効率良く熱の伝達を行うことができる。
【００４１】
図６Ａ及び図６Ｂに示す形態では、断熱容器１３間の熱の伝達は、接触部材１０を介して行われるが、接触部材１０の代わりに他の熱伝達用部材（例えば、バイメタルや形状記憶合金等の温度によって形状が変化する形状変化部材等）を設けても良く、複数の断熱容器１３の外壁を物理的に接触させても良く、複数の断熱容器１３の外壁を一体的に成形しても良い。
【符号の説明】
【００４２】
１  燃料発生装置
２  燃料電池装置
３  循環経路
４  固体電解質
５  酸化剤極
６  燃料極
７  外部負荷
８  容器
９  燃料発生部材
１０  接触部材
１１  接触部材駆動機構
１２  形状変化部材
１３  断熱容器
【図１】
2012082102.tif 000003
【図２】
2012082102.tif 000004
【図３Ａ】
2012082102.tif 000005
【図３Ｂ】
2012082102.tif 000006
【図４Ａ】
2012082102.tif 000007
【図４Ｂ】
2012082102.tif 000008
【図５Ａ】
2012082102.tif 000009
【図５Ｂ】
2012082102.tif 000010
【図６Ａ】
2012082102.tif 000011
【図６Ｂ】
2012082102.tif 000012