(57)【要約】【課題】２次電池型燃料電池システムにおいて水素ガスが漏れた場合に電池性能が低下することを抑える。【解決手段】本発明に係る２次電池型燃料電池システムは、水蒸気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第１の水素発生部材１と、第１の水素発生部材１から供給される水素を燃料にして発電を行う発電機能及び第１の水素発生部材１に供給する水素を生成するための水蒸気の電気分解を行う電気分解機能を有する発電・電気分解部（例えば、燃料電池部２）と、あらかじめ水素を取り込んだ水素吸蔵合金からなる第２の水素発生部材３とを備える。システムの発電時において、第１の水素発生部材１の酸化還元反応の平衡状態で決まる水素分圧が、前記水素吸蔵合金の水素平衡圧力以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気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第１の水素発生部材と、
前記第１の水素発生部材から供給される水素を燃料にして発電を行う発電機能及び前記第１の水素発生部材に供給する水素を生成するための水蒸気の電気分解を行う電気分解機能を有する発電・電気分解部とを備え、
前記第１の水素発生部材と前記発電・電気分解部との間で水素と水蒸気を含む混合ガスを循環させる２次電池型燃料電池システムであって、
あらかじめ水素を取り込んだ水素吸蔵合金からなる第２の水素発生部材を備え、
システムの発電時において、前記第１の水素発生部材の酸化還元反応の平衡状態で決まる水素分圧が、前記水素吸蔵合金の水素平衡圧力以下であ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・電気分解部が固体酸化物燃料電池であ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】
前記水素吸蔵合金がウラン、チタン、またはこれらの各合金のいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の２次電池型燃料電池システム。
【請求項４】
前記水素吸蔵合金が、水素を透過し、水蒸気の透過を妨げる水素透過材料で覆われていることを特徴とする請求項１〜３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５】
前記水素吸蔵合金があらかじめ水素を最大限取り込んでおり、
システムの発電時において、前記第１の水素発生部材の酸化還元反応の平衡状態で決まる水素分圧が、前記水素吸蔵合金の水素平衡圧力より小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に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ことにより発電が行われる。
【０００３】
この燃料電池は、水素と酸素から水を生成した際に電力を取り出すものであり、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、発電時の排出物が水のみであるため、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】国際公開第２０１１／０３０６２５号
【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、水蒸気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部材と、前記水素発生部材から供給される水素を燃料にして発電を行う発電機能及び前記水素発生部材に供給する水素を生成するための水蒸気の電気分解を行う電気分解機能を有する発電・電気分解部とを備え、前記水素発生部材と前記発電・電気分解部との間で水素と水蒸気を含む混合ガスを循環させる２次電池型燃料電池システムが開示されている。
【０００６】
特許文献１で開示されている２次電池型燃料電池システムにおいて、水素は、前記発電・電気分解部の一部（例えば、燃料電池部の燃料極）と前記水素発生部材とを封じた密閉空間内に蓄えられ、前記水素発生部材と前記発電・電気分解部との間を循環するものであるため、基本的には追加の必要がないものである。
【０００７】
しかしながら、特許文献１で開示されている２次電池型燃料電池システムには、経年劣化等によって前記密閉空間の密閉度が低下して前記密閉空間内に充填した水素ガスが漏れてしまうと、前記発電・電気分解部への水素供給量が減少するので、電池性能が低下し、最悪の場合電池としての利用ができなくなってしまうという課題がある。
【０００８】
本発明は、上記の状況に鑑み、水素ガスが漏れた場合に電池性能が低下することを抑えることができる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】
【０００９】
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、水蒸気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第１の水素発生部材と、前記第１の水素発生部材から供給される水素を燃料にして発電を行う発電機能及び前記第１の水素発生部材に供給する水素を生成するための水蒸気の電気分解を行う電気分解機能を有する発電・電気分解部とを備え、前記第１の水素発生部材と前記発電・電気分解部との間で水素と水蒸気を含む混合ガスを循環させる２次電池型燃料電池システムであって、あらかじめ水素を取り込んだ水素吸蔵合金からなる第２の水素発生部材を備え、システムの発電時において、前記第１の水素発生部材の酸化還元反応の平衡状態で決まる水素分圧が、前記水素吸蔵合金の水素平衡圧力以下である構成（第１の構成）とする。
【００１０】
このような構成によると、水素と水蒸気を含む混合ガスが循環している密閉空間から水素が漏れ、上記密閉空間内の水素分圧が前記水素吸蔵合金の水素平衡圧力を下回った場合には、前記水素吸蔵合金から前記発電・電気分解部に水素が供給され、上記密閉空間内の水素分圧は前記水素吸蔵合金の水素平衡圧力まで回復する。これにより、水素ガスが漏れた場合に電池性能が低下することを抑えることができる
【００１１】
また、発電の際に燃料極側で水蒸気を発生させるために、上記第１の構成の２次電池型燃料電池システムにおいて、前記発電・電気分解部が固体酸化物燃料電池である構成（第２の構成）にすることが望ましい。
【００１２】
また、製造時に室温で水素を大気圧で充填した場合に、５００℃から８００℃において水素吸蔵合金の水素平衡圧力を第１の水素発生部材の酸化還元反応の平衡状態から決まる水素分圧以下にすることができるように、上記第２の構成の２次電池型燃料電池システムにおいて、前記水素吸蔵合金がウラン、チタン、またはこれらの各合金のいずれかである構成（第３の構成）にすることが望ましい。
【００１３】
また、水素吸蔵合金の劣化を抑えるために、上記第１〜第３のいずれかの構成の２次電池型燃料電池システムにおいて、前記水素吸蔵合金が、水素を透過し、水蒸気の透過を妨げる水素透過材料で覆われている構成（第４の構成）にすることが望ましい。
【００１４】
また、水素が漏れていないときに水素吸蔵合金が水素を放出することを防止するために、上記第１〜第４のいずれかの構成の２次電池型燃料電池システムにおいて、前記水素吸蔵合金があらかじめ水素を最大限取り込んでおり、システムの発電時において、前記第１の水素発生部材の酸化還元反応の平衡状態で決まる水素分圧が、前記水素吸蔵合金の水素平衡圧力より小さい構成にすることが望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る２次電池型燃料電池システムによると、水素と水蒸気を含む混合ガスが循環している密閉空間から水素が漏れ、上記密閉空間内の水素分圧が前記水素吸蔵合金の水素平衡圧力を下回った場合には、前記水素吸蔵合金から前記発電・電気分解部に水素が供給され、上記密閉空間内の水素分圧は前記水素吸蔵合金の水素平衡圧力まで回復するので、水素ガスが漏れた場合に電池性能が低下することを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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】燃料極と第１の水素発生部材とを封じた密閉空間内の水素分圧比を示す図である。
【図３】燃料極と第１の水素発生部材とを封じた密閉空間内の水素分圧を示す図である。
【図４】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変形例を示す図である。
【図５】温度一定の環境下での水素吸蔵合金の水素平衡圧力特性を示す図である。
【図６】水素吸蔵合金の水素平衡圧力の温度による変化を示す図である。
【図７】密閉空間内の水素分圧の時間変化例を示す図である。
【図８】密閉空間内の水素分圧の他の時間変化例を示す図である。
【図９】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１０】本発明の第３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１１】本発明の第４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。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
＜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は、水蒸気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第１の水素発生部材１と、システムの発電時に第１の水素発生部材１から供給される水素を燃料にして発電を行いシステムの充電時に第１の水素発生部材１に供給する水素を生成するための水蒸気の電気分解を行う燃料電池部２と、水素吸蔵合金からなる第２の水素発生部材３と、第１の水素発生部材１、燃料電池部２、及び第２の水素発生部材３の温度を調節するヒーター４と、第１の水素発生部材１、燃料電池部２、第２の水素発生部材３、及びヒーター４を収容する容器５とを備えている。なお、容器５は断熱容器であることが望ましい。
【００１９】
第１の水素発生部材１としては、例えば、金属を母材として、その表面に金属または金属酸化物が添加されており、水蒸気との酸化反応によって水素を発生するものを用いることができる。母材の金属としては例えば、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｖ、Ｍｇやこれらを基材とする合金が挙げられ、特にＦｅは安価で、加工も容易なので好ましい。また、添加される金属としては、Ａｌ、Ｒｄ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｖ、Ｍｏが挙げられ、添加される金属酸化物としてはＳｉＯ２、ＴｉＯ２が挙げられる。ただし、母材となる金属と、添加される金属とは同一の材料ではない。なお、本実施形態においては、第１の水素発生部材１として、Ｆｅを主体とする水素発生部材を用いる。
【００２０】
また、第１の水素発生部材１においては、その反応性を上げるために単位体積当りの表面積を大きくすることが望ましい。第１の水素発生部材１の単位体積当りの表面積を増加させる方策としては、例えば、第１の水素発生部材１の主体を微粒子化し、その微粒子化したものを成型すればよい。微粒子化の方法は例えばボールミル等を用いた粉砕によって粒子を砕く方法が挙げられる。さらに、機械的な手法などにより微粒子にクラックを発生させることで微粒子の表面積をより一層増加させてもよく、酸処理、アルカリ処理、ブラスト加工などによって微粒子の表面を荒らして微粒子の表面積をより一層増加させてもよい。また、第１の水素発生部材１としては、微粒子をガスが通過する程度の空隙を残して固めたものであってもよいし、ペレット状の粒に形成してこの粒を多数空間内に埋める形態であっても構わない。
【００２１】
燃料電池部２は、図１に示す通り、電解質膜６を挟み、その両側にそれぞれ燃料極７と酸化剤極８が形成されているＭＥＡ構造(膜・電極接合体：Membrane Electrode Assembly)である。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。
【００２２】
電解質膜６の材料としては、例えば、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を用いることができ、また例えば、ナフィオン（デュポン社の商標）、カチオン導電性ポリマー、アニオン導電性ポリマー等の固体高分子電解質を用いることができるが、これらに限定されることなく、水素イオンを通すものや酸素イオンを通すもの、また、水酸化物イオンを通すもの等、燃料電池の電解質としての特性を満たすものであればよい。なお、本実施形態においては、電解質膜６として、酸素イオン又は水酸化物イオンを通す電解質、例えば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を用い、システムの発電時に燃料極７側に水（水蒸気）を発生させるようにしている。この場合、システムの発電時に燃料極７側に発生した水蒸気と第１の水素発生部材１との酸化反応によって第１の水素発生部材１から水素を発生させることができる。
【００２３】
電解質膜６は、固体酸化物電解質の場合であれば、電気化学蒸着法（ＣＶＤ−ＥＶＤ法；Chemical Vapor Deposition -Electrochemical Vapor Deposition）等を用いて形成することができ、固体高分子電解質の場合であれば、塗布法等を用いて形成することができる。
【００２４】
燃料極７、酸化剤極８はそれぞれ、例えば、電解質膜６に接する触媒層と、その触媒層に積層された拡散電極とからなる構成にすることができる。触媒層としては、例えば白金黒或いは白金合金をカーボンブラックに担持させたもの等を用いることができる。また、燃料極７の拡散電極の材料としては、例えばカーボンペーパ、Ｎｉ−Ｆｅ系サーメットやＮｉ−ＹＳＺ系サーメット等を用いることができる。また、酸化剤極８の拡散電極の材料としては、例えばカーボンペーパ、Ｌａ−Ｍｎ−Ｏ系化合物やＬａ−Ｃｏ−Ｃｅ系化合物等を用いることができる。
【００２５】
燃料極７、酸化剤極８はそれぞれ、例えば蒸着法等を用いて形成することができる。
【００２６】
システムの発電時に燃料電池部２は外部負荷に接続され、燃料極７において下記の（１）式の反応が起こる。
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  …（１）
【００２７】
上記の（１）式の反応によって生成された電子は、外部負荷を通って、酸化剤極８に到達し、酸化剤極８において下記の（２）式の反応が起こる。
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−  …（２）
【００２８】
そして、上記の（２）式の反応によって生成された酸素イオンは、電解質膜６を通って、燃料極７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（１）式から分かるように、発電動作時には、燃料極７側においてＨ２が消費されＨ２Ｏが生成されることになる。
【００２９】
上記の（１）式及び（２）式より、発電動作時における燃料電池部２での反応は下記の（３）式の通りになる。
Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ  …（３）
【００３０】
一方、第１の水素発生部材１は、下記の（４）式に示す酸化反応により、システムの発電時に燃料電池部２の燃料極７側で生成されたＨ２Ｏを消費してＨ２を生成することができる。
３Ｆｅ＋４Ｈ２Ｏ→Ｆｅ３Ｏ４＋４Ｈ２  …（４）
【００３１】
このとき、燃料電池部２の燃料極７と第１の水素発生部材１とを封じた密閉空間（電解質膜６と容器５の内壁とによって囲まれる空間）内の水素分圧比（水素分圧と水蒸気分圧との和に対する水素分圧の比率）は図２に示すような値となる。そして、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を温度２０℃の環境下で製造し、上記密閉空間に水素を１atmで充填した場合、上記密閉空間内の水素分圧は図３に示すような値となる。
【００３２】
上記の（４）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、上記の（４）式の逆反応（還元反応）により、水素発生装置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。
【００３３】
システムの充電時に燃料電池部２は外部電源に接続され、上記の（３）式の逆反応である下記の（５）式に示す電気分解反応が起こり、燃料極７側においてＨ２Ｏが消費されＨ２が生成され、第１の水素発生部材１では、上記の（４）式に示す酸化反応の逆反応である下記（６）式に示す還元反応が起こり、燃料電池部２の燃料極７側で生成されたＨ２が消費されＨ２Ｏが生成される。
Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋１／２Ｏ２  …（５）
Ｆｅ３Ｏ４＋４Ｈ２→３Ｆｅ＋４Ｈ２Ｏ  …（６）
【００３４】
水素吸蔵合金からなる第２の水素発生部材３は、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製造時に、あらかじめ水素を吸蔵した状態で容器５内に収容され、燃料電池部２の燃料極７と第１の水素発生部材１とを封じた密閉空間内に配置される。なお、第１の水素発生部材１と第２の水素発生部材３とは必ずしも分離して配置する必要はないので、第１の水素発生部材１及び第２の水素発生部材３を配置する代わりに、図４に示すように第１の水素発生部材と第２の水素発生部材との混合体９を配置してもよい。第１の水素発生部材と第２の水素発生部材との混合体９としては、例えば、Ｆｅの粉体と水素吸蔵合金の粉体を混ぜ合わせたものや水素吸蔵合金の粉末の表面にＦｅを配置したものが挙げられる。
【００３５】
水素吸蔵合金は、あらかじめ水素を吸蔵させておいた場合、温度一定（Ｔ１）の環境下で図５に示すような水素平衡圧力特性を有する。水素吸蔵合金の水素平衡圧力は水素吸蔵合金が保有する水素量すなわち水素吸蔵合金の水素濃度によって決まる。そして、図５に示すように、水素吸蔵合金の水素濃度の変化に対して水素平衡圧力がほぼ一定値（Ｐ１）を示す水素濃度領域Ｒ１が存在する。また、水素を吸蔵し、図水素濃度領域Ｒ１中の或る水素濃度（例えばＤ１）を有する水素吸蔵合金の水素平衡圧力は、図６に示すように温度によって変化する。
【００３６】
水素吸蔵合金は、水素吸蔵合金周辺の水素圧力が水素平衡圧力より大きければ水素を吸蔵し、水素吸蔵合金周辺の水素圧力が水素平衡圧力より小さければ水素を放出する。水素吸蔵合金周辺の水素圧力が水素平衡圧力と一致している場合は平衡状態であり、見かけ上水素吸蔵合金からの水素の出入りはないように見える。
【００３７】
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では、システムの発電時において、第２の水素発生部材３として用いる水素吸蔵合金の水素平衡圧力が、第１の水素発生部材１として用いるＦｅの酸化還元反応の平衡状態から決まる水素分圧以下になるようにしている。これにより、通常は、第１の水素発生部材１から燃料電池部２に水素が供給され、その水素を用いて燃料電池部２が発電を行って水（水蒸気）を生成し、その水蒸気が第１の水素発生部材１と反応して第１の水素発生部材１が再度水素を発生するという循環を行うことができる。一方、燃料電池部２の燃料極７と第１の水素発生部材１とを封じた密閉空間から水素が漏れ、上記密閉空間内の水素分圧が第２の水素発生部材３として用いる水素吸蔵合金の水素平衡圧力を下回った場合には、第２の水素発生部材３として用いる水素吸蔵合金から燃料電池部２に水素が供給され、上記密閉空間内の水素分圧は第２の水素発生部材３として用いる水素吸蔵合金の水素平衡圧力まで回復する。なお、第１の水素発生部材１と第２の水素発生部材３とを個別に温度制御する必要がないため、温度制御を簡素化できる。
【００３８】
第２の水素発生部材３として用いる水素吸蔵合金の材料は特に限定されるものではないが、燃料電池部２として固体酸化物燃料電池を用いる場合には例えばウラン、チタン、ナトリウム、マグネシウムまたはこれらの各合金のいずれかを用いることができる。ウラン、チタンまたはこれらの各合金のいずれかを用いると、製造時に室温で上記密閉空間内に水素を大気圧で充填した場合に、５００℃から８００℃において水素吸蔵合金の水素平衡圧力をＦｅの酸化還元反応の平衡状態から決まる水素分圧以下にすることができるので、ウラン、チタンまたはこれらの各合金のいずれかを用いることが好ましい。また、水素吸蔵合金の劣化を抑える観点から、第２の水素発生部材３として用いる水素吸蔵合金が、水素を透過し、水蒸気の透過を妨げる水素透過材料で覆われていることがより好ましい。水素を透過し、水蒸気の透過を妨げる水素透過材料としては、例えば、セラミック薄膜、ゼオライト薄膜などの無機多孔質膜、および、パラジウム、バナジウム、チタン、ジルコニウム、ニッケル、ルテニウム、ニオブ、タンタルのうち少なくとも一種の材料からなる金属又は合金薄膜を用いることができる。より具体的な例としては、アモルファスシリカ膜や、パラジウム金属膜やＡｇＰｄなどのパラジウム合金膜、非パラジウム系としてバナジウム、タンタル、ニオブ薄膜やそれらの合金膜としてバナジウムに、ニッケル、コバルト、モリブデンを添加したＶ合金、ニオブにパラジウム、チタン、ニッケル、ルテニウム、タングステン、モリブデンを添加したＮｂ合金、また、ジルコニウムとニッケルを主成分とする合金を挙げることができる。
【００３９】
次に、水素吸蔵合金の水素平衡圧力及び上記密閉空間内の水素分圧の第１設定例として、第２の水素発生部材３として用いる水素吸蔵合金の水素濃度がＤ１（図５参照）となるように、第２の水素発生部材３として用いる水素吸蔵合金にあらかじめ水素を最大限吸蔵させておき、システムの発電時の環境を温度Ｔ１、上記密閉空間内の水素分圧Ｐ１として、水素吸蔵合金の水素平衡圧力がＰ１（図５参照）で発電を行う場合を考える。温度Ｔ１において発電を行っているときには、上記密閉空間内の水素分圧Ｐ１は第２の水素発生部材３として用いる水素吸蔵合金の水素平衡圧力Ｐ１と同じであるので、見かけ上第２の水素発生部材３として用いる水素吸蔵合金からの水素の出入りはないように見える。一方、第１の水素発生部材１として用いるＦｅは、燃料電池部２が生成した水蒸気との酸化反応により水素を燃料電池部２に供給し、その水素を用いて燃料電池部２が発電を行って水蒸気を再度生成する。これにより、安定的に発電が行われる。
【００４０】
そして、経年劣化によって上記密閉空間から水素が漏れ上記密閉空間内の水素分圧が下がり始めると、もし２次電池型燃料電池システムが水素吸蔵合金からなる第２の水素発生部材３を備えていない場合には図７中の一点鎖線で示すように水素が漏れ始めた時間ｔ１から上記密閉空間内の水素分圧が徐々に下がり続けてしまって電池性能が低下するのに対して、本実施形態のように２次電池型燃料電池システムが水素吸蔵合金からなる第２の水素発生部材３を備えている場合には、水素吸蔵合金からなる第２の水素発生部材３から水素が放出され、上記密閉空間内の水素分圧が図７中の実線で示すように直ちに元の状態であるＰ１に戻るので電池性能の低下を抑えることができる。
【００４１】
次に、水素吸蔵合金の水素平衡圧力及び上記密閉空間内の水素分圧の第２設定例として、第２の水素発生部材３として用いる水素吸蔵合金の水素濃度がＤ１（図５参照）となるように、第２の水素発生部材３として用いる水素吸蔵合金にあらかじめ水素を最大限吸蔵させておき、システムの発電時の環境を温度Ｔ１、上記密閉空間内の水素分圧Ｐ２（＞Ｐ１）として、水素吸蔵合金の水素平衡圧力がＰ１（図５参照）で発電を行う場合を考える。温度Ｔ１において発電を行っている間は、上記密閉空間内の水素分圧Ｐ２は第２の水素発生部材３として用いる水素吸蔵合金の水素平衡圧力Ｐ１より大きいが、第２の水素発生部材３として用いる水素吸蔵合金は既に水素を最大限（許容値の１００％）吸貯しているため、それ以上水素を貯蔵することができず、第２の水素発生部材３として用いる水素吸蔵合金の水素平衡圧力はＰ１で安定する。このため、見かけ上第２の水素発生部材３として用いる水素吸蔵合金からの水素の出入りはないように見える。一方、第１の水素発生部材１として用いるＦｅは、燃料電池部２が生成した水蒸気との酸化反応により水素を燃料電池部２に供給し、その水素を用いて燃料電池部２が発電を行って水蒸気を再度生成する。これにより、安定的に発電が行われる。
【００４２】
そして、経年劣化によって上記密閉空間から水素が漏れ上記密閉空間内の水素分圧が下がり始めると、もし２次電池型燃料電池システムが水素吸蔵合金からなる第２の水素発生部材３を備えていない場合には図８中の一点鎖線で示すように水素が漏れ始めた時間ｔ１から上記密閉空間内の水素分圧が徐々に下がり続けてしまって電池性能が低下するのに対して、本実施形態のように２次電池型燃料電池システムが水素吸蔵合金からなる第２の水素発生部材３を備えている場合には、図８中の実線で示すように、水素が漏れ始めた時間ｔ１から上記密閉空間内の水素分圧がＰ１になる時間ｔ２までの間は上記密閉空間内の水素分圧が下がり、時間ｔ２より後は水素吸蔵合金からなる第２の水素発生部材３から水素が放出され、上記密閉空間内の水素分圧がＰ１に保たれるので電池性能の低下を抑えることができる。
【００４３】
＜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９に示す。図９に示す本発明の第２実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、第２の水素発生部材３、並びに、容器５の内壁及び電解質膜６で囲まれる密閉空間と第２の水素発生部材３とを連通する配管を容器５の壁内部に設けた点を除いて、図１に示す本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池システムと同一である。
【００４４】
＜第３実施形態＞
本発明の第３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１０に示す。図１０に示す本発明の第３実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、容器５の代わりに２つの容器１０及び１１を備え、容器１０の内部に燃料電池部２を配置し、容器１１の内部に第１の水素発生部材１、第２の水素発生部材３、及びヒーター４を配置し、さらに、容器１０の内壁及び電解質膜６で囲まれる密閉空間と、容器１１の内壁で囲まれる密閉空間とを連通する配管を備えた点を除いて、図１に示す本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池システムと同一である。尚、図４に示す変形例と同様に、図１０に示す本発明の第３実施形態に係る２次電池型燃料電池システムにおいて、第１の水素発生部材１及び第２の水素発生部材３の代わりに、第１の水素発生部材及び第２の水素発生部材の混合体を設けるようにしてもよい。
【００４５】
＜第４実施形態＞
本発明の第４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１０に示す。図１０に示す本発明の第３実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、容器５に仕切り壁１２を設け、仕切り壁１２によって二つに分けられた容器５の内部空間の一方に燃料電池部２及び第２の水素発生部材３を設け他方に第１の水素発生部材１及びヒーター４を設け、容器５の二つの内部空間を連通した点を除いて、図１に示す本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池システムと同一である。
【００４６】
＜実施例＞
上述した図１に示す本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池システムについて三つの実施例を以下に説明する。
【００４７】
（実施例１）
水素吸蔵合金からなる第２の水素発生部材３にウランを用い、製造時に、燃料電池部２の燃料極７と第１の水素発生部材１とを封じた密閉空間内に水素を１atm、２０℃で充填する。そして、システムの発電時に５４０℃で動作させると、第１の水素発生部材１として用いられるＦｅの酸化還元反応の平衡状態から決まる水素分圧と、第２の水素発生部材３として用いられる水素吸蔵合金の水素平衡圧力とがともに２．２２atmとなる。すなわち、システムの発電時に、第１の水素発生部材１として用いられるＦｅの酸化還元反応の平衡状態から決まる水素分圧と、第２の水素発生部材３として用いられる水素吸蔵合金の水素平衡圧力とを合わせることができる。
【００４８】
これにより、上記密閉空間から水素が漏れた場合においても、第２の水素発生部材３として用いられる水素吸蔵合金に水素が十分貯蔵されている間は、システムの発電時に上記密閉空間内の水素分圧が２．２２atmに維持され、安定的な発電を行うことができる。
【００４９】
（実施例２）
水素吸蔵合金からなる第２の水素発生部材３にウランを用い、製造時に、燃料電池部２の燃料極７と第１の水素発生部材１とを封じた密閉空間内に水素を１atm、２０℃で充填する。そして、システムの発電時に５００℃で動作させると、第１の水素発生部材１として用いられるＦｅの酸化還元反応の平衡状態から決まる水素分圧が２．２０atmとなり、第２の水素発生部材３として用いられる水素吸蔵合金の水素平衡圧力が２atmになる。すなわち、システムの発電時に、第２の水素発生部材３として用いられる水素吸蔵合金の水素平衡圧力が、第１の水素発生部材１として用いられるＦｅの酸化還元反応の平衡状態から決まる水素分圧より小さくなる。
【００５０】
これにより、上記密閉空間から水素が漏れた場合においても、第２の水素発生部材３として用いられる水素吸蔵合金に水素が十分貯蔵されている間は、システムの発電時に上記密閉空間内の水素分圧が２．０atmに維持され、安定的な発電を行うことができる。
【００５１】
（実施例３）
水素吸蔵合金からなる第２の水素発生部材３にチタンを用い、製造時に、燃料電池部２の燃料極７と第１の水素発生部材１とを封じた密閉空間内に水素を０．６atm、２０℃で充填する。そして、システムの発電時に７００℃で動作させると、第１の水素発生部材１として用いられるＦｅの酸化還元反応の平衡状態から決まる水素分圧が１．１３atmとなり、第２の水素発生部材３として用いられる水素吸蔵合金の水素平衡圧力が１．０atmになる。すなわち、システムの発電時に、第２の水素発生部材３として用いられる水素吸蔵合金の水素平衡圧力が、第１の水素発生部材１として用いられるＦｅの酸化還元反応の平衡状態から決まる水素分圧より小さくなる。
【００５２】
これにより、上記密閉空間から水素が漏れた場合においても、第２の水素発生部材３として用いられる水素吸蔵合金に水素が十分貯蔵されている間は、システムの発電時に上記密閉空間内の水素分圧が１．０atmに維持され、安定的な発電を行うことができる。
【００５３】
＜変形例＞
上述した各実施形態においては、燃料電池２の電解質膜６として固体酸化物電解質を用いて、発電の際に燃料極７側で水（水蒸気）を発生させるようにする。この構成によれば、第１の水素発生部材１あるいは第１の水素発生部材と第２の水素発生部材との混合体９が設けられた側で水蒸気を発生するため、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の電解質膜６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８側で水蒸気が発生されることになるため、この水蒸気を第１の水素発生部材１あるいは第１の水素発生部材と第２の水素発生部材との混合体９に伝搬する流路を設ければよい。
【００５４】
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。
【符号の説明】
【００５５】
１  第１の水素発生部材
２  燃料電池部
３  第２の水素発生部材
４  ヒーター
５、１０、１１  容器
６  電解質膜
７  燃料極
８  酸化剤極
９  第１の水素発生部材と第２の水素発生部材との混合体
１２  仕切り壁
【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１】
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【図４】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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