(57)【要約】【課題】２次電池型燃料電池において電池出力を向上し、充電時間を短縮する。【解決手段】本発明に係る２次電池型燃料電池は、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部材１と、酸素を含む酸化剤と燃料発生部材１から供給される燃料との反応により発電を行う発電機能及び燃料発生部材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、両者を連通する第１，２のガス流通経路５及び６と、第１のガス流通経路５に設けられ、水素を透過し、水蒸気の透過を妨げ、燃料発生部材１から前記発電・電気分解部に向かう方向とその逆方向の双方向に水素の透過量を制御可能な水素透過部７とを備える。第２のガス流通経路６によって燃料発生部材１と前記発電・電気分解部との間で水蒸気の移動が可能である。【選択図】図１
2013054868.tif 000002
【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部材と、
酸素を含む酸化剤と前記燃料発生部材から供給される燃料との反応により発電を行う発電機能及び前記燃料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、
前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部とを連通する第１のガス流通経路及び第２のガス流通経路と、
前記第１のガス流通経路に設けられ、水素を透過し、水蒸気の透過を妨げ、前記燃料発生部材から前記発電・電気分解部に向かう方向とその逆方向の双方向に水素の透過量を制御可能な水素透過部とを備え、
前記第２のガス流通経路によって前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間で水蒸気の移動が可能であることを特徴とする２次電池型燃料電池。
【請求項２】
前記水素透過部には、水素透過部材としてプロトン導電性の電解質を備えた水素透過膜が設けられており、前記電解質を挟持する電極に電圧を印加することで水素の透過量を制御する請求項１に記載の２次電池型燃料電池。
【請求項３】
第１のガス流通経路と第２のガス流通経路とを繋ぐバイパス経路と、
前記バイパス経路に設けられ、前記第２のガス流通経路から前記第１のガス流通経路に向かう方向に水素を透過し、水蒸気の透過を妨げるバイパス経路用水素透過部とを備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の２次電池型燃料電池。
【請求項４】
前記バイパス経路用水素透過部には、水素透過部材としてプロトン導電性の電解質を備えた水素透過膜が設けられており、前記電解質を挟持する電極に電圧を印加することで水素の透過量を制御する請求項３に記載の２次電池型燃料電池。
【請求項５】
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１〜４のいずれか一項に記載の２次電池型燃料電池。
【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
【特許文献２】特開２００９−９９４９１号公報
【特許文献３】特開２０１１−２９１４９号公報
【特許文献４】特開２０１１−２３２２６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、燃料電池部と、化学反応により還元性物質である燃料を発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生部材とを備える２次電池型燃料電池が開示されている。特許文献１で開示されている２次電池型燃料電池では、燃料電池部の燃料極と燃料発生部材とを封じた空間が閉空間になっており、その閉空間内に燃料ガスが存在する。
【０００６】
特許文献１で開示されている２次電池型燃料電池において、例えば、燃料電池部として固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）を用い、燃料発生部材として鉄を用いた場合、発電時の燃料電池部では下記の（１）式の反応が起こる。燃料電池部として用いられているＳＯＦＣは、燃料極で水素を消費し、酸化剤極で酸素を消費して発電を行う。そして、燃料極側で生成された水蒸気は燃料発生部材に供給される。
Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ  …（１）
【０００７】
また、発電時の燃料発生部材では下記の（２）式の反応が起こる。燃料発生部材として用いられている鉄は、燃料電池部から供給された水蒸気を消費して水素を生成し、その生成した水素を燃料電池部へと供給する。
３Ｆｅ＋４Ｈ２Ｏ→Ｆｅ３Ｏ４＋４Ｈ２  …（２）
【０００８】
しかしながら、上記の（１）式および（２）式の各反応はいずれも化学反応であるため、化学平衡状態が存在し、生成ガスと反応ガスが混在した混合ガスが燃料電池部の燃料極と燃料発生部材とを封じた閉空間内に残存する。すなわち、例えば上記の（１）式であれば、1molの水素と0.5molの酸素のみを燃料電池部に供給して発電させたとしても、その全てが反応して1molの水蒸気が生成するまで反応は継続しないため、燃料極側には水素と水蒸気が混在した混合ガスが残存する。そして、その混合ガスが燃料発生部材へと供給されて上記の（２）式の反応が起こるが、化学平衡論より、鉄の酸化反応（上記の（２）式の右側に向かう反応）の速度は水蒸気濃度が高いほど速く、酸化鉄の還元反応（上記の（２）式の左側に向かう反応）の速度は水素濃度が高いほど速い。すなわち、燃料発生部材に純粋な水蒸気を供給するほど、上記の（２）式の反応速度は速くなるが、前述した通り、上記の（１）式の化学平衡によって水素と水蒸気の混合ガスが燃料電池部から燃料発生部材へと供給されるため、上記の（２）式の反応速度が低下する。一方、燃料発生部材において鉄の酸化反応が起こっても、上記の（２）式の化学平衡によって、水素と水蒸気の混合ガスが燃料発生部材から燃料電池部へと供給されるため、同様に上記の（１）式の反応速度も低下する。
【０００９】
以上、燃料電池部としてＳＯＦＣを用い、燃料発生部材として鉄を用いた２次電池型燃料電池の発電時に起こる現象について説明したが、充電時においても、上記の（１）式および（２）式の反応方向が逆転するだけであり、同様に水素と水蒸気が混在した混合ガスが燃料電池部や燃料発生部材に供給される。したがって、充電時には、水蒸気の電気分解反応（上記の（１）式の左側に向かう反応）の速度や酸化鉄の還元反応（上記の（２）式の左側に向かう反応）の速度が低下する。
【００１０】
上記のように燃料電池部および燃料発生部材それぞれにおいて起こる各化学反応の反応速度が低下することで、発電時には電池出力の低下、また、充電時には充電時間の長時間化を招いてしまう。
【００１１】
なお、高濃度な燃料ガスを燃料電池に供給する方法として、例えば特許文献２及び特許文献３においては、水素分離膜を設けて、混合ガスから水素のみを分離して燃料電池に供給している。しかしながら、特許文献２及び特許文献３に記載の水素分離膜は圧力差などによって受動的に水素を透過するため、燃料電池に供給する水素の流量を制御できず、燃料電池に接続されている負荷の変動等に対応して燃料電池に供給する水素の量を調節することができない。また、特許文献２及び特許文献３に記載のシステム構成では、特許文献１で開示されている２次電池型燃料電池とは異なり、燃料極側に水素しか流せないため、燃料電池部の燃料極側に水蒸気を供給する必要がある充電動作を行うことができない。すなわち、特許文献２及び特許文献３に記載のシステム構成では、２次電池型燃料電池を実現することができない。
【００１２】
また、特許文献４においては、燃料電池の燃料極から排出されるガスから水素を電気化学的水素ポンプによって分離して再度燃料電池の燃料極へと供給することで、水素の利用率を向上させている。しかしながら、特許文献４に記載のシステム構成は、特許文献２及び特許文献３に記載のシステム構成と同様に、２次電池としての使用が考慮されていない。
【００１３】
本発明は、上記の状況に鑑み、電池出力の向上および充電時間の短縮を図ることができる２次電池型燃料電池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】
【００１４】
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部材と、酸素を含む酸化剤と前記燃料発生部材から供給される燃料との反応により発電を行う発電機能及び前記燃料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、前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部とを連通する第１のガス流通経路及び第２のガス流通経路と、前記第１のガス流通経路に設けられ、水素を透過し、水蒸気の透過を妨げ、前記燃料発生部材から前記発電・電気分解部に向かう方向とその逆方向の双方向に水素の透過量を制御可能な水素透過部とを備え、前記第２のガス流通経路によって前記燃料発生部材と前記発電・電気分解部との間で水蒸気の移動が可能である構成（第１の構成）とする。
【００１５】
このような構成によると、発電時は前記水素透過部が前記燃料発生部材から前記水素透過部へと供給される水素と水蒸気の混合ガスから水素を分離して前記発電・電気分解部へと供給することで、前記発電・電気分解部に高濃度の水素が供給されて上記の（１）式の反応速度が速くなるとともに、前記発電・電気分解部から前記第２のガス流通経路を経由して前記燃料発生部材へと供給される水蒸気も高濃度になるため上記の（２）式の反応速度も速くなる。また逆に、充電時は前記水素透過部が前記発電・電気分解部から前記水素透過部へと供給される水素と水蒸気の混合ガスから水素を分離して前記燃料発生部材へと供給することで、前記燃料発生部材に高濃度の水素が供給されて上記の（２）式の逆反応の反応速度が速くなるとともに、前記燃料発生部材から前記第２のガス流通経路を経由して前記発電・電気分解部へと供給される水蒸気も高濃度になるため上記の（１）式の逆反応の反応速度も速くなる。その結果、発電時には電池出力の向上が可能となり、充電時には充電時間の短縮が可能となる。なお、前記第１のガス流通経路は複数に分割して配置してもよく、前記第２のガス流通経路も前記第１のガス流通経路と同様に複数に分割して配置してもよく、前記第１のガス流通経路と前記第２のガス流通経路とが一部の流路を共有していても構わない（図１０参照）。また、前記第１のガス流通経路と前記第２のガス流通経路とはパイブ壁等の部材によって区分けされていなくても構わない（図１９参照）。
【００１６】
また、前記水素透過部には、水素透過部材としてプロトン導電性の電解質を備えた水素透過膜が設けられており、前記電解質を挟持する電極に電圧を印加することで水素の透過量を制御する構成（第２の構成）にしてもよい。
【００１７】
また、発電時に電池出力をより一層向上させ、充電時に充電時間をより一層短縮させるために、前記第１のガス流通経路と前記第２のガス流通経路とを繋ぐバイパス経路と、前記バイパス経路に設けられ、前記第２のガス流通経路から前記第１のガス流通経路に向かう方向に水素を透過し、水蒸気の透過を妨げるバイパス経路用水素透過部とを備える構成（第３の構成）にしてもよい。
【００１８】
また、前記バイパス経路用水素透過部には、水素透過部材としてプロトン導電性の電解質を備えた水素透過膜が設けられており、前記電解質を挟持する電極に電圧を印加することで水素の透過量を制御する構成（第４の構成）にしてもよい。
【００１９】
また、発電の際に燃料極側で水を発生させるために、上記第１〜４のいずれかの構成の２次電池型燃料電池において、前記発電・電気分解部を固体酸化物燃料電池にすることが望ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る２次電池型燃料電池によると、電池出力の向上および充電時間の短縮を図ることができる。
【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次電池型燃料電池の概略構成を示す図である。
【図２】水素透過膜の概略構成を示す図である。
【図３Ａ】本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池の発電時における水素透過膜への電圧印加状態を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池の充電時における水素透過膜への電圧印加状態を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る２次電池型燃料電池の概略構成を示す図である。
【図５Ａ】本発明の第２実施形態に係る２次電池型燃料電池の発電時における水素透過膜への電圧印加状態を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の第２実施形態に係る２次電池型燃料電池の充電時における水素透過膜への電圧印加状態を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る２次電池型燃料電池の変形例を示す図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る２次電池型燃料電池の概略構成を示す図である。
【図８Ａ】本発明の第３実施形態に係る２次電池型燃料電池の発電時における水素透過膜への電圧印加状態を示す図である。
【図８Ｂ】本発明の第３実施形態に係る２次電池型燃料電池の充電時における水素透過膜への電圧印加状態を示す図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る２次電池型燃料電池の変形例を示す図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る２次電池型燃料電池の他の変形例を示す図である。
【図１１】本発明の第４実施形態に係る２次電池型燃料電池の概略構成を示す図である。
【図１２Ａ】本発明の第４実施形態に係る２次電池型燃料電池の発電時におけるガスの状態を示す図である。
【図１２Ｂ】本発明の第４実施形態に係る２次電池型燃料電池の充電時におけるガスの状態を示す図である。
【図１３】本発明の第５実施形態に係る２次電池型燃料電池の要部分解斜視図である。
【図１４】本発明の第５実施形態に係る２次電池型燃料電池の上面図である。
【図１５】本発明の第５実施形態に係る２次電池型燃料電池の側面断面図である。
【図１６】本発明の第５実施形態に係る２次電池型燃料電池の変形例の上面図である。
【図１７】本発明の第５実施形態に係る２次電池型燃料電池の変形例の側面断面図である。
【図１８】本発明の第５実施形態に係る２次電池型燃料電池の他の変形例の側面断面図である。
【図１９】本発明の第６実施形態に係る２次電池型燃料電池の要部斜視図である。
【図２０】本発明の第６実施形態に係る２次電池型燃料電池の上面図である。
【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部材１と、酸素を含む酸化剤と燃料発生部材１から供給される燃料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とを連通する第１のガス流通経路５及び第２のガス流通経路６と、第１のガス流通経路５に設けられ、水素を透過し、水蒸気の透過を妨げ、燃料発生部材１から燃料電池部２に向かう方向とその逆方向の双方向に水素の透過量を制御可能な水素透過部７とを備えている。第２のガス流通経路６は、燃料発生部材１と燃料電池部２との間で水蒸気の移動を可能にしている。
【００２４】
なお、容器３の内部空間は、第１のガス流通経路５の一部及び第２のガス流通経路６の一部として機能する。同様に、容器４の容器内壁と燃料電池部２の燃料極９とで囲まれる内部空間も、第１のガス流通経路５の一部及び第２のガス流通経路６の一部として機能する。
【００２５】
第１のガス流通経路５や第２のガス流通経路６には必要に応じて、ブロアやポンプ等の循環器を設けてもよい。また、燃料発生部材１の周辺や燃料電池部２の周辺には必要に応じて、温度を調節するヒーター等を設けてもよい。
【００２６】
燃料発生部材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、化学反応によって燃料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、添加される金属は同一の材料ではない。なお、本実施形態においては、燃料発生部材１として、Ｆｅを主体とする水素発生部材を用いる。
【００２７】
また、燃料発生部材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。燃料発生部材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、燃料発生部材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、燃料発生部材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。
【００２８】
燃料電池部２は、図１に示す通り、電解質膜８の両面に燃料極９と酸化剤極である空気極１０を接合した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。
【００２９】
電解質膜８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８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、発電時に燃料極９側に水を発生させるようにしている。この場合、発電時に燃料極９側に発生した水を用いた化学反応によって燃料発生部材１から水素を発生させることができる。
【００３０】
電解質膜８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。
【００３１】
燃料極９、空気極１０はそれぞれ、例えば、電解質膜８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９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、空気極１０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。
【００３２】
燃料極９、空気極１０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。
【００３３】
水素透過部７としては、例えば、プロトン導電性の電解質を２つの電極で挟み込んだ水素透過膜を用いることができ、図２に示すように、２つの電極７１及び７３間に電圧を印加することによって、水素分子は陽極である電極７３側でプロトンとなって電解質７２内を陰極である電極７１側へと移動し、陰極である電極７１側で再び水素分子となる。プロトン導電性の電解質には、例えばナフィオン（デュポン社の商標）等の固体高分子電解質を用いることもできるが、強度や耐熱性等の観点からＳｒＣｅＯ３等のＣｅやＺｒを基材としたセラミクス系の固体電解質を用いることが好ましい。
【００３４】
上記の水素透過膜は、２つの電極間に印加する電圧の大きさや向きによって水素の透過量や透過方向を制御することが可能である。したがって、水素透過部７として上記の水素透過膜を用いた場合、例えば図３Ａ及び図３Ｂに示すように本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池にスイッチ１１及び出力電圧値の調整が可能な電圧源１２を設け、スイッチ１１の切り替えによって水素の透過方向を制御し、電圧源１２の出力電圧値調整によって水素の透過量を制御するとよい。
【００３５】
例えば発電時は水素透過膜の２つの電極間に図３Ａに示す向きに電圧を印加することによって、水素透過部７が燃料発生部材１から水素透過部７へと供給される水素と水蒸気の混合ガスから水素を分離して燃料電池部２へと供給するので、燃料電池部２に高濃度の水素が供給されて上記の（１）式の反応速度が速くなるとともに、燃料電池部２から第２のガス流通経路６を経由して燃料発生部材１へと供給される水蒸気も高濃度になるため上記の（２）式の反応速度も速くなる。また逆に、例えば充電時は水素透過膜の２つの電極間に図３Ｂに示す向きに電圧を印加することによって、水素透過部７が燃料電池部２から水素透過部７へと供給される水素と水蒸気の混合ガスから水素を分離して燃料発生部材１へと供給するので、燃料発生部材１に高濃度の水素が供給されて上記の（２）式の逆反応の反応速度が速くなるとともに、燃料発生部材１から第２のガス流通経路６を経由して燃料電池部２へと供給される水蒸気も高濃度になるため上記の（１）式の逆反応の反応速度も速くなる。その結果、発電時には電池出力の向上が可能となり、充電時には充電時間の短縮が可能となる。
【００３６】
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る２次電池型燃料電池の概略構成を図４に示す。なお、図４において図１と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。本発明の第２実施形態に係る２次電池型燃料電池は、本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池に対して、第１のガス流通経路５の形状及び水素透過部７の構成が異なっている。
【００３７】
図４に示す通り、本発明の第２実施形態に係る２次電池型燃料電池においては、第１のガス流通経路５内に２つに分かれた分岐流路を設け、一方の分岐流路に第１の水素透過部材７Ａを設け、他方の分岐流路に第２の水素透過部材７Ｂを設け、水素透過部７を第１の水素透過部材７Ａと第２の水素透過部材７Ｂとで構成している。そして、水素透過部材７Ａが水素を透過する方向を、燃料発生部材１から燃料電池部２へと向かう方向のみとし、水素透過部材７Ｂが水素を透過する方向を、燃料電池部２から燃料発生部材１へと向かう方向のみとしている。
【００３８】
例えば、第１の水素透過部材７Ａと第２の水素透過部材７Ｂそれぞれに、プロトン導電性の電解質を２つの電極で挟み込んだ水素透過膜を用いた場合、各々の水素透過部材に印加する電圧の方向は１方向だけとなるため、本発明の第２実施形態に係る２次電池型燃料電池に比べて、電圧の制御や電圧印加手段を簡単・簡素化することができる。
【００３９】
第１の水素透過部材７Ａと第２の水素透過部材７Ｂそれぞれに上記の水素透過膜を用いた場合、例えば図５Ａ及び図５Ｂに示すように本発明の第２実施形態に係る２次電池型燃料電池に第１のスイッチ１１Ａ、第２のスイッチ１１Ｂ、出力電圧値の調整が可能な第１の電圧源１２Ａ、及び出力電圧値の調整が可能な第２の電圧源１２Ｂを設け、第１のスイッチ１１ＡのＯＮ／ＯＦＦによって第１の水素透過部材７Ａの水素透過動作のＯＮ／ＯＦＦを切り替え、第１の電圧源１２Ａの出力電圧値調整によって第１の水素透過部材７Ａの水素の透過量を制御し、第２のスイッチ１１ＢのＯＮ／ＯＦＦによって第２の水素透過部材７Ｂの水素透過動作のＯＮ／ＯＦＦを切り替え、第２の電圧源１２Ｂの出力電圧値調整によって第２の水素透過部材７Ｂの水素の透過量を制御するとよい。
【００４０】
例えば発電時は図５Ａに示すように第１のスイッチ１１ＡをＯＮにし、第２のスイッチ１１ＢをＯＦＦにすることによって、第１の水素透過部材７Ａの水素透過動作がＯＮになり、第２の水素透過部材７Ｂの水素透過動作がＯＦＦになって、水素透過部７が燃料発生部材１から水素透過部７へと供給される水素と水蒸気の混合ガスから水素を分離して燃料電池部２へと供給するので、燃料電池部２に高濃度の水素が供給されて上記の（１）式の反応速度が速くなるとともに、燃料電池部２から第２のガス流通経路６を経由して燃料発生部材１へと供給される水蒸気も高濃度になるため上記の（２）式の反応速度も速くなる。また逆に、例えば充電時は図５Ｂに示すように第１のスイッチ１１ＡをＯＦＦにし、第２のスイッチ１１ＢをＯＮにすることによって、第１の水素透過部材７Ａの水素透過動作がＯＦＦになり、第２の水素透過部材７Ｂの水素透過動作がＯＮになって、水素透過部７が燃料電池部２から水素透過部７へと供給される水素と水蒸気の混合ガスから水素を分離して燃料発生部材１へと供給するので、燃料発生部材１に高濃度の水素が供給されて上記の（２）式の逆反応の反応速度が速くなるとともに、燃料発生部材１から第２のガス流通経路６を経由して燃料電池部２へと供給される水蒸気も高濃度になるため上記の（１）式の逆反応の反応速度も速くなる。その結果、発電時には電池出力の向上が可能となり、充電時には充電時間の短縮が可能となる。
【００４１】
また、図６に示すように、第１の水素透過部材７Ａに隣接して一方の分岐流路に第１のバルブ１３Ａを設け、第２の水素透過部材７Ｂに隣接して他方の分岐流路に第２のバルブ１３Ｂを設け、発電時は第１のバルブ１３Ａを開けて第２のバルブ１３Ｂを閉じ、充電時は第１のバルブ１３Ａを閉じて第２のバルブ１３Ｂを開けることで、第１のガス流通経路５及び第２のガス流通経路６におけるガスの流れ方向をより確実に規定することができる。
【００４２】
＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態に係る２次電池型燃料電池の概略構成を図７に示す。なお、図７において図１と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。本発明の第３実施形態に係る２次電池型燃料電池は、本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池に対して、第１のガス流通経路５の形状及び水素透過部７の構成が異なっており、尚かつ、第３のバルブ１４Ａ及び第４のバルブ１４Ｂが追加されている。
【００４３】
図７に示す通り、本発明の第３実施形態に係る２次電池型燃料電池においては、第１のガス流通経路５内に２つに分かれた分岐流路を２組設け、１組目の分岐流路において一方の分岐流路に第１の水素透過部材７Ａを設け、他方の分岐流路に第３のバルブ１４Ａを設け、２組目の分岐流路において一方の分岐流路に第４のバルブ１４Ｂを設け、他方の分岐流路に第２の水素透過部材７Ｂを設け、水素透過部７を第１の水素透過部材７Ａと第２の水素透過部材７Ｂとで構成している。そして、水素透過部材７Ａが水素を透過する方向を、燃料発生部材１から燃料電池部２へと向かう方向のみとし、水素透過部材７Ｂが水素を透過する方向を、燃料電池部２から燃料発生部材１へと向かう方向のみとしている。
【００４４】
例えば、第１の水素透過部材７Ａと第２の水素透過部材７Ｂそれぞれに、プロトン導電性の電解質を２つの電極で挟み込んだ水素透過膜を用いた場合、各々の水素透過部材に印加する電圧の方向は１方向だけとなるため、本発明の第２実施形態に係る２次電池型燃料電池に比べて、電圧の制御や電圧印加手段を簡単・簡素化することができる。
【００４５】
第１の水素透過部材７Ａと第２の水素透過部材７Ｂそれぞれに上記の水素透過膜を用いた場合、例えば本発明の第２実施形態に係る２次電池型燃料電池と同様に図８Ａ及び図８Ｂに示すように本発明の第３実施形態に係る２次電池型燃料電池に第１のスイッチ１１Ａ、第２のスイッチ１１Ｂ、出力電圧値の調整が可能な第１の電圧源１２Ａ、及び出力電圧値の調整が可能な第２の電圧源１２Ｂを設け、第１のスイッチ１１ＡのＯＮ／ＯＦＦによって第１の水素透過部材７Ａの水素透過動作のＯＮ／ＯＦＦを切り替え、第１の電圧源１２Ａの出力電圧値調整によって第１の水素透過部材７Ａの水素の透過量を制御し、第２のスイッチ１１ＢのＯＮ／ＯＦＦによって第２の水素透過部材７Ｂの水素透過動作のＯＮ／ＯＦＦを切り替え、第２の電圧源１２Ｂの出力電圧値調整によって第２の水素透過部材７Ｂの水素の透過量を制御するとよい。
【００４６】
例えば発電時は図８Ａに示すように第１のスイッチ１１ＡをＯＮにし、第２のスイッチ１１ＢをＯＦＦにすることによって、第１の水素透過部材７Ａの水素透過動作がＯＮになり、第２の水素透過部材７Ｂの水素透過動作がＯＦＦになり、さらに、第３のバルブ１４Ａを閉じて第４のバルブ１４Ｂを開けることで、水素透過部７が燃料発生部材１から水素透過部７へと供給される水素と水蒸気の混合ガスから水素を分離して燃料電池部２へと供給するので、燃料電池部２に高濃度の水素が供給されて上記の（１）式の反応速度が速くなるとともに、燃料電池部２から第２のガス流通経路６を経由して燃料発生部材１へと供給される水蒸気も高濃度になるため上記の（２）式の反応速度も速くなる。また逆に、例えば充電時は図８Ｂに示すように第１のスイッチ１１ＡをＯＦＦにし、第２のスイッチ１１ＢをＯＮにすることによって、第１の水素透過部材７Ａの水素透過動作がＯＦＦになり、第２の水素透過部材７Ｂの水素透過動作がＯＮになり、さらに、第３のバルブ１４Ａを開けて第４のバルブ１４Ｂを閉じることで、水素透過部７が燃料電池部２から水素透過部７へと供給される水素と水蒸気の混合ガスから水素を分離して燃料発生部材１へと供給するので、燃料発生部材１に高濃度の水素が供給されて上記の（２）式の逆反応の反応速度が速くなるとともに、燃料発生部材１から第２のガス流通経路６を経由して燃料電池部２へと供給される水蒸気も高濃度になるため上記の（１）式の逆反応の反応速度も速くなる。その結果、発電時には電池出力の向上が可能となり、充電時には充電時間の短縮が可能となる。
【００４７】
また、本発明の第２実施形態に係る２次電池型燃料電池と同様に図９に示すように、１組目の分岐流路において第１の水素透過部材７Ａに隣接して一方の分岐流路に第１のバルブ１３Ａを設け、２組目の分岐流路において第２の水素透過部材７Ｂに隣接して他方の分岐流路に第２のバルブ１３Ｂを設け、発電時は第１のバルブ１３Ａを開けて第２のバルブ１３Ｂを閉じ、充電時は第１のバルブ１３Ａを閉じて第２のバルブ１３Ｂを開けることで、第１のガス流通経路５及び第２のガス流通経路６におけるガスの流れ方向をより確実に規定することができる。
【００４８】
また、図７に示す構成では、２つに分かれた分岐流路を２組とも第１のガス流通経路５内に設けたが、例えば、図１０に示す構成のように、第１のガス流通経路５内に２つに分かれた分岐流路を１組のみ設け、もう１組の２つに分かれた分岐流路を第２のガス流通経路６内に設ける等、複数組の分岐流路を分散させて配置してもよい。
【００４９】
また、図７に示す構成では、２つに分かれた分岐流路を設けたが、双方向への水素透過量の制御が可能であれば３つ以上に分かれた分岐経路をもうけてもよい。
【００５０】
＜第４実施形態＞
本発明の第４実施形態に係る２次電池型燃料電池の概略構成を図１１に示す。なお、図１１において図１と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。本発明の第４実施形態に係る２次電池型燃料電池は、本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池に対して、第１のガス流通経路５と第２のガス流通経路６とを繋ぐバイパス経路１５と、バイパス経路１５に設けられるバイパス経路用水素透過部１６とが追加されている。バイパス経路用水素透過部１６は、前記第２のガス流通経路から前記第１のガス流通経路に向かう方向に水素を透過し、水蒸気の透過を妨げる。なお、バイパス経路用水素透過部１６は、水蒸気の透過量が制御可能であることが望ましい。バイパス経路用水素透過部１６は、例えば、プロトン導電性の電解質を２つの電極で挟み込んだ水素透過膜を用いることができる。
【００５１】
水素透過部７の具体的な制御例は、本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００５２】
発電時には、図１２Ａに示すように、水素透過部７が燃料発生部材１から水素透過部７へと供給される水素と水蒸気の混合ガスから水素を分離して燃料電池部２へと供給する。さらに、バイパス経路用水素透過部１６が燃料電池部２からバイパス経路１５へと供給される水素と水蒸気の混合ガスから水素を分離して燃料電池部２へ戻す。このため、本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池に比べて、より高濃度の水素が燃料電池部２に供給される。
【００５３】
また逆に、充電時には、図１２Ｂに示すように、水素透過部７が燃料電池部２から水素透過部７へと供給される水素と水蒸気の混合ガスから水素を分離して燃料発生部材１へと供給する。さらに、バイパス経路用水素透過部１６が燃料電池部２からバイパス経路１５へと供給される水素と水蒸気の混合ガスから水素を分離して水素透過部７へと供給する。このため、本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池に比べて、より高濃度の水素が燃料発生部材１に供給される。
【００５４】
その結果、本発明の第４実施形態に係る２次電池型燃料電池は、本発明の第１実施形態に係る２次電池型燃料電池に比べて、発電時には電池出力がより一層向上し、充電時には充電時間がより一層短縮する。
【００５５】
＜第５実施形態＞
本発明の第５実施形態に係る２次電池型燃料電池について図１３〜図１５を参照して説明する。図１３は本発明の第５実施形態に係る２次電池型燃料電池の要部分解斜視図であり、図１４は本発明の第５実施形態に係る２次電池型燃料電池の上面図であり、図１５は本発明の第５実施形態に係る２次電池型燃料電池の側断面図である。なお、図１３〜図１５において図１と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。
【００５６】
本発明の第５実施形態に係る２次電池型燃料電池は、本発明の第１〜４実施形態に係る２次電池型燃料電池と異なり、燃料発生部材１と燃料電池部２を一つの容器１７（図１３においては不図示）に収容している。
【００５７】
本発明の第５実施形態に係る２次電池型燃料電池では、本発明の第１〜４実施形態に係る２次電池型燃料電池における第１のガス流通経路５に相当する経路及び第２のガス流通経路６に相当する経路を形成するために、燃料電池部２が嵌め込まれた第１の金属枠１８や水素透過部７が嵌め込まれた第２の金属枠１９で容器１７内の空間を仕切っている。なお、必要に応じて燃料電池部２と第１の金属枠１８を絶縁するための絶縁部材や水素透過部７と第２の金属枠１９を絶縁するための絶縁部材を設けてもよい。
【００５８】
本発明の第５実施形態に係る２次電池型燃料電池では、第１の金属枠１８、第２の金属枠１９、及び燃料発生部材１を固定用支柱２０によって固定しており、図１５において紙面左、紙面右、紙面手前、紙面奥のいずれにも第２のガス流通経路６に相当する経路が形成されているが、例えば図１６及び図１７に示すように第１の金属枠１８、第２の金属枠１９、及び燃料発生部材１を固定板２１によって固定して、図１７において紙面手前及び紙面奥にのみ第２のガス流通経路６に相当する経路が形成されるようにしてもよい。また、図１８に示すようにガスを透過する多孔質体２２を設置し、多孔質体２２によって第１の金属枠１８、第２の金属枠１９、及び燃料発生部材１を固定してもよい。
【００５９】
＜第６実施形態＞
本発明の第６実施形態に係る２次電池型燃料電池について図１９及び図２０を参照して説明する。図１９は本発明の第６実施形態に係る２次電池型燃料電池の要部斜視図であり、図２０は本発明の第６実施形態に係る２次電池型燃料電池の側面断面図である。なお、図１９及び図２０において図１と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。
【００６０】
本発明の第６実施形態に係る２次電池型燃料電池は、本発明の第１〜４実施形態に係る２次電池型燃料電池と異なり、燃料発生部材１と燃料電池部２を一つの容器１３（図１９においては不図示）に収容している。また、本発明の第６実施形態に係る２次電池型燃料電池では、燃料発生部材１が円柱状であり、水素透過部７、多孔質体２４、及び燃料電池部２がそれぞれ円筒状であり、燃料発生部材１、水素透過部７、多孔質体２４、及び燃料電池部２の各中心軸が重なっている。なお、燃料発生部材１を水素透過部７、多孔質体２４、及び燃料電池部２と同様に円筒状にしてもよい。
【００６１】
本発明の第６実施形態に係る２次電池型燃料電池では、燃料発生部材１、水素透過部７、及び燃料電池部２を多孔質体２４によって固定しているが、本発明の第５実施形態に係る２次電池型燃料電池やその変形例と同様に、固定用支柱や固定板等によって固定してもよい。
【００６２】
＜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８として固体酸化物電解質を用いて、発電の際に燃料極９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の電解質膜８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の酸化剤極である空気極１０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に伝搬する流路を設ければよい。
【００６３】
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】
【００６４】
１  燃料発生部材
２  燃料電池部
３、４  容器
５  第１のガス流通経路
６  第２のガス流通経路
７  水素透過部
７Ａ  第１の水素透過部材
７Ｂ  第２の水素透過部材
８  電解質膜
９  燃料極
１０  空気極
１１  スイッチ
１１Ａ  第１のスイッチ
１１Ｂ  第２のスイッチ
１２  電圧源
１２Ａ  第１の電圧源
１２Ｂ  第２の電圧源
１３Ａ  第１のバルブ
１３Ｂ  第２のバルブ
１４Ａ  第３のバルブ
１４Ｂ  第３のバルブ
１５  バイパス経路
１６  バイパス経路用水素透過部
１７  容器
１８  第１の金属枠
１９  第２の金属枠
２０  固定用支柱
２１  固定板
２２  多孔質体
２３  容器
２４  多孔質体
７１、７３  電極
７２  プロトン導電性の電解質
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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