燃料電池装置及び２次電池型燃料電池システム
【課題】過熱を防止することができる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池と、前記燃料電池を収納する二重壁容器とを備え、前記二重壁容器の二重壁内の空間に接触部材（バイメタル１１）を設け、前記接触部材が前記二重壁容器の内壁８と外壁９の両方に接触している第１の状態と、前記接触部材が前記二重壁容器の内壁８と外壁９のいずれか一方のみに接触している第２の状態との切り替えが可能であり、前記第１の状態の方が前記第２の状態よりも前記二重壁容器の二重壁間の熱伝導率が高い燃料電池装置。
【解決手段】燃料電池と、前記燃料電池を収納する二重壁容器とを備え、前記二重壁容器の二重壁内の空間に接触部材（バイメタル１１）を設け、前記接触部材が前記二重壁容器の内壁８と外壁９の両方に接触している第１の状態と、前記接触部材が前記二重壁容器の内壁８と外壁９のいずれか一方のみに接触している第２の状態との切り替えが可能であり、前記第１の状態の方が前記第２の状態よりも前記二重壁容器の二重壁間の熱伝導率が高い燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置及び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】
近年、携帯電話、携帯型情報端末、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯型オーディオ、携帯型ビジュアル機器等の携帯用電子機器の多機能化、高性能化が進展するに伴い、その駆動用電池の大容量化に対する要求が高まってきている。従来、このような携帯用電子機器の駆動用電池としては、リチウム電池やニッカド電池が用いられているが、その容量は、限界に近づいており飛躍的な増大は望めない。そこで、リチウム電池やニッカド電池に代わりエネルギー密度が高く大容量化が可能な燃料電池の開発が盛んに行われている。
【０００３】
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。
【０００４】
このような燃料電池は、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み、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。
【０００５】
ところが、外部から燃料が供給される燃料電池装置では、燃料（例えば水素）を供給するためのインフラ整備が必要である。また、燃料として比較的入手が容易なメタノールを用いる場合においてもその流通には年月を要するといった問題がある。
【０００６】
このような問題を解決するためのシステムとして、再生可能な燃料発生装置と、その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２次電池型燃料電池システムが考えられる。
【０００７】
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】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０―１５１１３６号公報（段落００２１、００２３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。
３Ｆｅ＋４Ｈ２Ｏ→Ｆｅ３Ｏ４＋４Ｈ２ …（１）
【００１０】
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。
Ｆｅ３Ｏ４＋４Ｈ２→３Ｆｅ＋４Ｈ２Ｏ …（２）
【００１１】
燃料電池装置としては、例えば、図１に示す通り、Ｏ２−を透過する固体電解質１を挟み、両側にそれぞれ酸化剤極２と燃料極３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。固体酸化物燃料電池では、発電動作時に、燃料極３において下記の（３）式の反応が起こる。
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ− …（３）
【００１２】
上記の（３）式の反応によって生成された電子は、外部負荷４を通って、酸化剤極２に到達し、酸化剤極２において下記の（４）式の反応が起こる。
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２− …（４）
【００１３】
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１を通って、燃料極３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３側においてＨ２が消費されＨ２Ｏが生成されることになる。
【００１４】
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３側においてＨ２Ｏが消費されＨ２が生成される。
【００１５】
上記の（３）式の反応では、ΔＳが負の値を取るため、反応熱ＴΔＳも負の値を取る（Ｓ：エントロピー、Ｔ：絶対温度）。つまり、上記の（３）式の反応では、反応により発熱が起こる。また、固体電解質１に電流が流れるため、固体電解質１においてジュール熱も発生する。したがって、固体酸化物燃料電池では発電動作時に高温になる。また、固体酸化物燃料電池以外の燃料電池装置においても一般的に発電動作時に高温になる。
【００１６】
燃料電池装置は、高温になることで、材料自体の劣化、酸化剤極と電解質あるいは燃料極と電解質の熱膨張係数の違いによる熱応力の発生、起動停止サイクルによる熱疲労の増大、燃料ガスを封止する封止材料の劣化などによるクラックが発生してしまうという問題を有している。
【００１７】
また、上記の（１）式の反応では、ΔＳが負の値を取るため、反応熱ＴΔＳも負の値を取る（Ｓ：エントロピー、Ｔ：絶対温度）。つまり、上記の（１）式の反応では、反応により発熱が起こる。したがって、基材料（主成分）が鉄である水素発生装置では水素発生時に高温になる。また、基材料（主成分）が鉄である水素発生装置以外の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においても燃料発生時と再生時のいずれか一方で必ず発熱反応が起こり高温になる。
【００１８】
燃料発生装置では、一般的に、反応速度を上げるために燃料発生部材を微粒子にしているが、高温になることで、粒子同士が凝集（シンタリング）して燃料発生部材の表面積が減少してしまい反応速度が下がってしまうという問題があった。
【００１９】
なお、特許文献１には、熱伝導率を大きく変化させることができる熱伝導構造が開示されているが、当該熱伝導構造の適用例としては、車両のエンジンと排気パイプや水冷ラジエータとの間あるいは保温ポットの内壁と外壁との間に設けることしか示されておらず、上述した燃料電池装置や燃料発生装置での問題点やその問題点を解決する手段は開示も示唆もされていない。
【００２０】
本発明は、上記の状況に鑑み、過熱を防止することができる燃料電池装置及び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】
【００２１】
上記目的を達成するために本発明に係る燃料電池装置は、燃料電池と、前記燃料電池を収納する二重壁容器とを備え、前記二重壁容器の二重壁内の空間に接触部材を設け、前記接触部材が前記二重壁容器の内壁と外壁のいずれか一方のみに接触している第１の状態と、前記接触部材が前記二重壁容器の内壁と外壁の両方に接触している第２の状態との切り替えが可能であり、前記第２の状態の方が前記第１の状態よりも前記二重壁容器の二重壁間の熱伝導率が高い構成とする。
【００２２】
このような構成によると、第２の状態にすることで、燃料電池の過熱を防止することができる。
【００２３】
また、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、再生可能な燃料発生装置と、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とを備え、前記燃料発生装置及び前記燃料電池の少なくとも一方を二重壁容器に収納し、前記二重壁容器の二重壁内の空間に接触部材を設け、前記接触部材が前記二重壁容器の内壁と外壁のいずれか一方のみに接触している第１の状態と、前記接触部材が前記二重壁容器の内壁と外壁の両方に接触している第２の状態との切り替えが可能であり、前記第２の状態の方が前記第１の状態よりも前記二重壁容器の二重壁間の熱伝導率が高い構成とする。
【００２４】
このような構成によると、第２の状態にすることで、燃料発生装置及び燃料電池の少なくとも一方の過熱を防止することができる。
【００２５】
また、上記構成の燃料電池装置または上記構成の２次電池型燃料電池システムにおいて、前記接触部材が、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。この場合、前記形状変化部材をバイメタルまたは形状記憶合金にしてもよい。
【００２６】
また、上記構成の燃料電池装置または上記構成の２次電池型燃料電池システムにおいて、前記接触部材が球状部材であり、前記二重壁容器の二重壁間の間隔が少なくとも２種類あるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によると、過熱を防止することができる燃料電池装置及び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】
【００２８】
【図１】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２】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３】一般的な二重壁容器の概略構成を断面図である。
【図４】平板の定常熱伝導を説明するための図である。
【図５】本発明に用いる二重壁容器の第１実施形態の概略構成を断面図である。
【図６】本発明に用いる二重壁容器の第２実施形態の概略構成を断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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。
【００３０】
＜＜２次電池型燃料電池システムの構成＞＞
図２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２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少なくとも一つ有する燃料発生装置５と、酸素を含む酸化剤と燃料発生装置５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６と、燃料発生装置５と燃料電池装置６との間でガスを循環させる循環経路７とを備えている。さらに、図２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５、燃料電池装置６、及び循環経路７には必要に応じて、温度を調節するヒーター、循環経路７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、燃料電池装置６を固体酸化物燃料電池とし、１つの燃料電池装置６が発電も水の電気分解も行っているが、燃料発生装置５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。また、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。
【００３１】
本実施形態では、燃料電池装置６を固体酸化物燃料電池としているので、燃料極３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６の燃料極３側と燃料発生装置５との間を循環することになる。
【００３２】
また、本実施形態では、燃料発生装置５に鉄の微粒子圧縮体を収容しているので、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。
【００３３】
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５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。
【００３４】
＜＜二重壁容器の構成＞＞
図２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では、燃料発生装置５と燃料電池装置６がそれぞれ二重壁容器に収容されている。なお、燃料発生装置５が複数の燃料発生器を有する場合は、燃料発生器毎に別個の二重壁容器を設けることが好ましい。
【００３５】
＜一般的な二重壁容器＞
まず、一般的な二重壁容器の構成を図３に示す。図３に示す二重壁容器は、内壁８と外壁９とを有しており、二重壁内を熱伝導率の低い状態にすることによって断熱性能を高めている。また、図３に示す二重壁容器は、二重壁構造を固定するために内壁８を支持する支持部１０も有している。
【００３６】
二重壁内を熱伝導率の低い状態にする方法としては、二重壁内の空間を気密空間にして真空状態にする方法、二重壁内の空間を気密空間にして熱伝導率の低い気体を充填する方法、二重壁内の空間にガラスウールなどの熱伝導率の低い部材を充填する方法などが挙げられる。熱伝導率をできるだけ低くするという観点から、二重壁内の空間を気密空間にして真空状態にする方法が好ましい。
【００３７】
内壁８及び外壁９の材料には、耐高温の材料であるガラスや金属などを用いるとよい。また、支持部１０の材料には、耐高温であり尚かつ熱伝導率が低い材料であるガラスなどを用いるとよい。
【００３８】
内壁８から外壁９への熱の伝達は主として支持部１０を経由して起こる。ここで、図４を参照して平板の定常熱伝導について考える。平板（熱伝導率ｋ、長さＬ、断面積Ａ）の両端間に温度差ΔＴがある場合、平板内の伝熱量Ｑは、下記の（５）式で表わされる。
Ｑ＝ｋＡΔＴ／Ｌ ・・・（５）
したがって、図３に示す二重壁容器の断熱性能を高めるためには、支持部１０の材料に熱伝導率を小さい材料を用いる、支持部１０の断面積を小さくする、支持部１０の長さ（内壁８と外壁９との距離）を長くするなどの方法がある。
【００３９】
＜本発明に用いる二重壁容器の第１実施形態＞
次に、図２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で用いる二重壁容器の第１実施形態の構成を図５に示す。
【００４０】
図５に示す第１実施形態に係る二重壁容器は、図３に示す一般的な二重壁容器にバイメタル１１を追加した構成である。図５に示す構成において、バイメタル１１は、内壁８には固定されているが、外壁９には固定されていない。なお、バイメタル１１を外壁９に固定し内壁８に固定しないようにする構成も考えられるが、外壁９よりも内壁９の方が容器内の温度変化に追随する速度が速いため、バイメタル１１を固定するのは内壁８の方が好ましい。
【００４１】
図５に示す第１実施形態に係る二重壁容器では、バイメタル１１が所定の温度未満である場合は、バイメタル１１と外壁９とが非接触状態であり、容器内が高温になりバイメタル１１が所定の温度以上になっている場合は、バイメタル１１の変形によってバイメタル１１と外壁９とが接触状態になるように、バイメタル１１の形状を設計しておく。バイメタル１１の形状としては、例えば、立方体、Ｕ字型、らせん状などが挙げられる。バイメタル１１と外壁９とが接触状態になることで、バイメタル１１と外壁９とが非接触状態である場合よりも、二重壁間の熱伝導率が高くなり、容器内の過熱を防止することができる。
【００４２】
バイメタル１１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。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を有するバイメタルを用いることができる。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。
【００４３】
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／℃
【００４４】
なお、バイメタル１１の代わりに、バイメタル以外の温度によって形状が変化する形状変化部材（例えば形状記憶合金）を用いてもよい。
【００４５】
＜本発明に用いる二重壁容器の第２実施形態＞
次に、図２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で用いる二重壁容器の第２実施形態の構成を図６に示す。
【００４６】
図６に示す第２実施形態に係る二重壁容器は、図３に示す一般的な二重壁容器に熱伝導球１２を追加し、二重壁間の間隔を面によって変えている構成である。熱伝導球１２の材料には、耐高温であり尚かつ熱伝導率が高い材料である金属などを用いるとよい。なお、図６に示す第２実施形態に係る二重壁容器は、支持部１０があっても熱伝導球１２が二重壁間の間隔がａである場所と二重壁間の間隔がｂである場所とを相互に移動可能な構造にしておく。
【００４７】
図６（ａ）に示す状態では、二重壁間の間隔がａである場所に熱伝導球１２が位置しており、熱伝導球１２が内壁８には接触しているが、外壁９には接触していない。一方、図６（ａ）に示す状態から９０°回転している図６（ｂ）に示す状態では、二重壁間の間隔がｂである場所に熱伝導球１２が位置しており、熱伝導球１２が内壁８にも外壁９にも接触している。図６（ａ）に示す状態と図６（ｂ）に示す状態との切り替えは、例えば図６に示す第２実施形態に係る二重壁容器のみの回転あるいは図６に示す第２実施形態に係る二重壁容器を含む燃料電池システム全体の回転などによって実現することができる。なお、二重壁間の間隔ａ、ｂと熱伝導球１２の直径φとが次の関係を満たすようにすればよい。
ａ＞ｂ≒φ
【００４８】
図６（ｂ）に示す状態になることで、図６（ａ）に示す状態である場合よりも、二重壁間の熱伝導率が高くなり、容器内の過熱を防止することができる。したがって、燃料電池システムの運転状態や図６に示す第２実施形態に係る二重壁容器の内部状態に応じて、図６（ａ）に示す状態と図６（ｂ）に示す状態とを切り替えるようにし、図６に示す第２実施形態に係る二重壁容器内の過熱を防止する必要があるときに、図６（ｂ）に示す状態に切り替わるようにすればよい。
【００４９】
＜本発明に用いる二重壁容器が奏する効果＞
本発明に用いる二重壁容器が奏する効果について、（比較例１）、（実施例１）、（比較例２）、（比較例２）、（実施例３）の５種類のサンプルを作製して検証した。
【００５０】
（比較例１）
比較例１で用いる二重壁容器は、図３に示す構成であり、内壁８及び外壁９にはステンレス板を用い、支持部１０にはガラスを用い、内壁８と外壁９との間隔を５ｍｍとし、二重壁間の空間を気密空間にして真空にひいた。また、内壁８の内側は金属被膜により熱線反射構造とした。ガラスを用いた支持部１０とステンレス板を用いた内壁８及び外壁９とは陽極接合で接続し、真空状態を維持できるよう気密性を高めた。
【００５１】
上記のような構成である二重壁容器内に、固体酸化物燃料電池とヒーターを配置した。ヒーターにより二重壁容器内を２００℃まで加温し、固体酸化物燃料電池の燃料極側に水素を供給し、固体酸化物燃料電池の空気極側に空気を供給することで、固体酸化物燃料電池を起動させ、発電反応を開始させた。低温時には発電効率が低いため、大きなジュール熱が発生し、固体酸化物燃料電池の温度が上昇した。６００℃以上の高温になると、発電効率が上がりジュール熱は少なくなったが、発電反応自体が発熱反応であるため、固体酸化物燃料電池の温度は上昇し続け、最高温度は１０７０℃に達した。起動・停止サイクルを３回繰り返したのち、二重壁容器内から固体酸化物燃料電池を取り出して観察したところ、クラックが１２箇所で発生していた。
【００５２】
（実施例１）
実施例１で用いる二重壁容器は、図５に示す構成であり、内壁８及び外壁９にはステンレス板を用い、支持部１０にはガラスを用い、内壁８と外壁９との間隔を５ｍｍとし、二重壁間の空間を気密空間にして真空にひいた。また、内壁８の内側は金属被膜により熱線反射構造とした。ガラスを用いた支持部１０とステンレス板を用いた内壁８及び外壁９とは陽極接合で接続し、真空状態を維持できるよう気密性を高めた。さらに、バイメタル１１の形状をＵ字形とし、高温となった時に端部の間隔が開いて、バイメタル１１と外壁９とが接触するように構成した。
【００５３】
上記のような構成である二重壁容器内に、固体酸化物燃料電池とヒーターを配置した。ヒーターにより二重壁容器内を２００℃まで加温し、固体酸化物燃料電池の燃料極側に水素を供給し、固体酸化物燃料電池の空気極側に空気を供給することで、固体酸化物燃料電池を起動させ、発電反応を開始させた。低温時には発電効率が低いため、大きなジュール熱が発生し、固体酸化物燃料電池の温度が上昇した。６００℃以上の高温になると、発電効率が上がりジュール熱は少なくなったが、発電反応自体が発熱反応であるため、固体酸化物燃料電池の温度は上昇し続けた。バイメタル１１の温度が７００℃に達すると、バイメタル１１と外壁９とが接触し、二重壁容器内の熱がバイメタル１１を経由して容器外部へ放熱され始めた。これにより、固体酸化物燃料電池は７００℃を大きく上回ることがなかった。起動・停止サイクルを３回繰り返したのち、二重壁容器内から固体酸化物燃料電池を取り出して観察したところ、クラックは発生していなかった。
【００５４】
（実施例２）
実施例２で用いる二重壁容器は、図６に示す構成であり、内壁８及び外壁９にはステンレス板を用い、支持部１０にはガラスを用い、内壁８と外壁９との間隔を５ｍｍと７ｍｍの２種類とし、二重壁間の空間を気密空間にして真空にひいた。また、内壁８の内側は金属被膜により熱線反射構造とした。ガラスを用いた支持部１０とステンレス板を用いた内壁８及び外壁９とは陽極接合で接続し、真空状態を維持できるよう気密性を高めた。さらに、熱伝導球１２の直径を５ｍｍとした。
【００５５】
上記のような構成である二重壁容器内に、固体酸化物燃料電池とヒーターを配置した。二重壁間の間隔が７ｍｍである場所に熱伝導球１２が位置するようにし、ヒーターにより二重壁容器内を２００℃まで加温し、固体酸化物燃料電池の燃料極側に水素を供給し、固体酸化物燃料電池の空気極側に空気を供給することで、固体酸化物燃料電池を起動させ、発電反応を開始させた。低温時には発電効率が低いため、大きなジュール熱が発生し、固体酸化物燃料電池の温度が上昇した。６００℃以上の高温になると、発電効率が上がりジュール熱は少なくなったが、発電反応自体が発熱反応であるため、固体酸化物燃料電池の温度は上昇し続けた。固体酸化物燃料電池の温度が７００℃に達した時点で、二重壁容器を９０°回転させて、二重壁間の間隔が５ｍｍである場所に熱伝導球１２を移動させた。これにより、固体酸化物燃料電池は７００℃を大きく上回ることがなかった。起動・停止サイクルを３回繰り返したのち、二重壁容器内から固体酸化物燃料電池を取り出して観察したところ、クラックは発生していなかった。
【００５６】
上記（比較例１）、（実施例１）、（実施例２）の評価結果をまとめると、以下の表１のようになる。
【００５７】
【表１】
【００５８】
（比較例２）
比較例２で用いる二重壁容器は、比較例１で用いた二重壁容器と同一である。比較例２では、二重壁容器内に、鉄の微粒子圧縮体とヒーターを配置した。
【００５９】
ヒーターにより二重壁容器内を１２０℃まで加温したところで、二重壁容器内に水蒸気を供給し、水素の発生を開始させた。その後、鉄の酸化反応での発熱によって二重壁容器内の温度は上昇し続け、最高温度は２８０℃に達した。起動・停止サイクルを３回繰り返したのち、二重壁容器内から鉄の微粒子圧縮体を取り出して表面積を測定したところ、初期状態の表面積に比べて５０％も減少してしまった。
【００６０】
（実施例３）
実施例３で用いる二重壁容器は、実施例１で用いた二重壁容器とほぼ同一であるが、バイメタル１１の温度が１６０℃に達すると、バイメタル１１と外壁９とが接触する点のみが実施例１で用いた二重壁容器と異なっている。実施例３では、二重壁容器内に、鉄の微粒子圧縮体とヒーターを配置した。
【００６１】
ヒーターにより二重壁容器内を１２０℃まで加温したところで、二重壁容器内に水蒸気を供給し、水素の発生を開始させた。その後、鉄の酸化反応での発熱によって二重壁容器内の温度は上昇した。バイメタル１１の温度が１６０℃に達すると、バイメタル１１と外壁９とが接触し、二重壁容器内の熱がバイメタル１１を経由して容器外部へ放熱され始めた。そのとき、別途準備した固体酸化物燃料電池を収納している二重壁容器と実施例３で用いる二重壁容器とを接触させ、実施例３で用いる二重壁容器からの放熱を固体酸化物燃料電池の加温に利用した。これにより、鉄の微粒子圧縮体は１６０℃を大きく上回ることがなかった。起動・停止サイクルを３回繰り返したのち、二重壁容器内から鉄の微粒子圧縮体を取り出して表面積を測定したところ、初期状態の表面積に比べて５％しか減少していなかった。
【００６２】
上記（比較例２）、（実施例３）の評価結果をまとめると、以下の表２のようになる。
【００６３】
【表２】
【符号の説明】
【００６４】
１ 固体電解質
２ 酸化剤極
３ 燃料極
４ 外部負荷
５ 燃料発生装置
６ 燃料電池装置
７ 循環経路
８ 内壁
９ 外壁
１０ 支持部
１１ バイメタル
１２ 熱伝導球
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置及び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】
近年、携帯電話、携帯型情報端末、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯型オーディオ、携帯型ビジュアル機器等の携帯用電子機器の多機能化、高性能化が進展するに伴い、その駆動用電池の大容量化に対する要求が高まってきている。従来、このような携帯用電子機器の駆動用電池としては、リチウム電池やニッカド電池が用いられているが、その容量は、限界に近づいており飛躍的な増大は望めない。そこで、リチウム電池やニッカド電池に代わりエネルギー密度が高く大容量化が可能な燃料電池の開発が盛んに行われている。
【０００３】
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。
【０００４】
このような燃料電池は、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み、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。
【０００５】
ところが、外部から燃料が供給される燃料電池装置では、燃料（例えば水素）を供給するためのインフラ整備が必要である。また、燃料として比較的入手が容易なメタノールを用いる場合においてもその流通には年月を要するといった問題がある。
【０００６】
このような問題を解決するためのシステムとして、再生可能な燃料発生装置と、その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２次電池型燃料電池システムが考えられる。
【０００７】
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】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０―１５１１３６号公報（段落００２１、００２３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。
３Ｆｅ＋４Ｈ２Ｏ→Ｆｅ３Ｏ４＋４Ｈ２ …（１）
【００１０】
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。
Ｆｅ３Ｏ４＋４Ｈ２→３Ｆｅ＋４Ｈ２Ｏ …（２）
【００１１】
燃料電池装置としては、例えば、図１に示す通り、Ｏ２−を透過する固体電解質１を挟み、両側にそれぞれ酸化剤極２と燃料極３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。固体酸化物燃料電池では、発電動作時に、燃料極３において下記の（３）式の反応が起こる。
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ− …（３）
【００１２】
上記の（３）式の反応によって生成された電子は、外部負荷４を通って、酸化剤極２に到達し、酸化剤極２において下記の（４）式の反応が起こる。
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２− …（４）
【００１３】
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１を通って、燃料極３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３側においてＨ２が消費されＨ２Ｏが生成されることになる。
【００１４】
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３側においてＨ２Ｏが消費されＨ２が生成される。
【００１５】
上記の（３）式の反応では、ΔＳが負の値を取るため、反応熱ＴΔＳも負の値を取る（Ｓ：エントロピー、Ｔ：絶対温度）。つまり、上記の（３）式の反応では、反応により発熱が起こる。また、固体電解質１に電流が流れるため、固体電解質１においてジュール熱も発生する。したがって、固体酸化物燃料電池では発電動作時に高温になる。また、固体酸化物燃料電池以外の燃料電池装置においても一般的に発電動作時に高温になる。
【００１６】
燃料電池装置は、高温になることで、材料自体の劣化、酸化剤極と電解質あるいは燃料極と電解質の熱膨張係数の違いによる熱応力の発生、起動停止サイクルによる熱疲労の増大、燃料ガスを封止する封止材料の劣化などによるクラックが発生してしまうという問題を有している。
【００１７】
また、上記の（１）式の反応では、ΔＳが負の値を取るため、反応熱ＴΔＳも負の値を取る（Ｓ：エントロピー、Ｔ：絶対温度）。つまり、上記の（１）式の反応では、反応により発熱が起こる。したがって、基材料（主成分）が鉄である水素発生装置では水素発生時に高温になる。また、基材料（主成分）が鉄である水素発生装置以外の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においても燃料発生時と再生時のいずれか一方で必ず発熱反応が起こり高温になる。
【００１８】
燃料発生装置では、一般的に、反応速度を上げるために燃料発生部材を微粒子にしているが、高温になることで、粒子同士が凝集（シンタリング）して燃料発生部材の表面積が減少してしまい反応速度が下がってしまうという問題があった。
【００１９】
なお、特許文献１には、熱伝導率を大きく変化させることができる熱伝導構造が開示されているが、当該熱伝導構造の適用例としては、車両のエンジンと排気パイプや水冷ラジエータとの間あるいは保温ポットの内壁と外壁との間に設けることしか示されておらず、上述した燃料電池装置や燃料発生装置での問題点やその問題点を解決する手段は開示も示唆もされていない。
【００２０】
本発明は、上記の状況に鑑み、過熱を防止することができる燃料電池装置及び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】
【００２１】
上記目的を達成するために本発明に係る燃料電池装置は、燃料電池と、前記燃料電池を収納する二重壁容器とを備え、前記二重壁容器の二重壁内の空間に接触部材を設け、前記接触部材が前記二重壁容器の内壁と外壁のいずれか一方のみに接触している第１の状態と、前記接触部材が前記二重壁容器の内壁と外壁の両方に接触している第２の状態との切り替えが可能であり、前記第２の状態の方が前記第１の状態よりも前記二重壁容器の二重壁間の熱伝導率が高い構成とする。
【００２２】
このような構成によると、第２の状態にすることで、燃料電池の過熱を防止することができる。
【００２３】
また、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、再生可能な燃料発生装置と、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とを備え、前記燃料発生装置及び前記燃料電池の少なくとも一方を二重壁容器に収納し、前記二重壁容器の二重壁内の空間に接触部材を設け、前記接触部材が前記二重壁容器の内壁と外壁のいずれか一方のみに接触している第１の状態と、前記接触部材が前記二重壁容器の内壁と外壁の両方に接触している第２の状態との切り替えが可能であり、前記第２の状態の方が前記第１の状態よりも前記二重壁容器の二重壁間の熱伝導率が高い構成とする。
【００２４】
このような構成によると、第２の状態にすることで、燃料発生装置及び燃料電池の少なくとも一方の過熱を防止することができる。
【００２５】
また、上記構成の燃料電池装置または上記構成の２次電池型燃料電池システムにおいて、前記接触部材が、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。この場合、前記形状変化部材をバイメタルまたは形状記憶合金にしてもよい。
【００２６】
また、上記構成の燃料電池装置または上記構成の２次電池型燃料電池システムにおいて、前記接触部材が球状部材であり、前記二重壁容器の二重壁間の間隔が少なくとも２種類あるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によると、過熱を防止することができる燃料電池装置及び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】
【００２８】
【図１】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２】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３】一般的な二重壁容器の概略構成を断面図である。
【図４】平板の定常熱伝導を説明するための図である。
【図５】本発明に用いる二重壁容器の第１実施形態の概略構成を断面図である。
【図６】本発明に用いる二重壁容器の第２実施形態の概略構成を断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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。
【００３０】
＜＜２次電池型燃料電池システムの構成＞＞
図２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２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少なくとも一つ有する燃料発生装置５と、酸素を含む酸化剤と燃料発生装置５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６と、燃料発生装置５と燃料電池装置６との間でガスを循環させる循環経路７とを備えている。さらに、図２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５、燃料電池装置６、及び循環経路７には必要に応じて、温度を調節するヒーター、循環経路７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、燃料電池装置６を固体酸化物燃料電池とし、１つの燃料電池装置６が発電も水の電気分解も行っているが、燃料発生装置５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。また、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。
【００３１】
本実施形態では、燃料電池装置６を固体酸化物燃料電池としているので、燃料極３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６の燃料極３側と燃料発生装置５との間を循環することになる。
【００３２】
また、本実施形態では、燃料発生装置５に鉄の微粒子圧縮体を収容しているので、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。
【００３３】
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５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。
【００３４】
＜＜二重壁容器の構成＞＞
図２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では、燃料発生装置５と燃料電池装置６がそれぞれ二重壁容器に収容されている。なお、燃料発生装置５が複数の燃料発生器を有する場合は、燃料発生器毎に別個の二重壁容器を設けることが好ましい。
【００３５】
＜一般的な二重壁容器＞
まず、一般的な二重壁容器の構成を図３に示す。図３に示す二重壁容器は、内壁８と外壁９とを有しており、二重壁内を熱伝導率の低い状態にすることによって断熱性能を高めている。また、図３に示す二重壁容器は、二重壁構造を固定するために内壁８を支持する支持部１０も有している。
【００３６】
二重壁内を熱伝導率の低い状態にする方法としては、二重壁内の空間を気密空間にして真空状態にする方法、二重壁内の空間を気密空間にして熱伝導率の低い気体を充填する方法、二重壁内の空間にガラスウールなどの熱伝導率の低い部材を充填する方法などが挙げられる。熱伝導率をできるだけ低くするという観点から、二重壁内の空間を気密空間にして真空状態にする方法が好ましい。
【００３７】
内壁８及び外壁９の材料には、耐高温の材料であるガラスや金属などを用いるとよい。また、支持部１０の材料には、耐高温であり尚かつ熱伝導率が低い材料であるガラスなどを用いるとよい。
【００３８】
内壁８から外壁９への熱の伝達は主として支持部１０を経由して起こる。ここで、図４を参照して平板の定常熱伝導について考える。平板（熱伝導率ｋ、長さＬ、断面積Ａ）の両端間に温度差ΔＴがある場合、平板内の伝熱量Ｑは、下記の（５）式で表わされる。
Ｑ＝ｋＡΔＴ／Ｌ ・・・（５）
したがって、図３に示す二重壁容器の断熱性能を高めるためには、支持部１０の材料に熱伝導率を小さい材料を用いる、支持部１０の断面積を小さくする、支持部１０の長さ（内壁８と外壁９との距離）を長くするなどの方法がある。
【００３９】
＜本発明に用いる二重壁容器の第１実施形態＞
次に、図２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で用いる二重壁容器の第１実施形態の構成を図５に示す。
【００４０】
図５に示す第１実施形態に係る二重壁容器は、図３に示す一般的な二重壁容器にバイメタル１１を追加した構成である。図５に示す構成において、バイメタル１１は、内壁８には固定されているが、外壁９には固定されていない。なお、バイメタル１１を外壁９に固定し内壁８に固定しないようにする構成も考えられるが、外壁９よりも内壁９の方が容器内の温度変化に追随する速度が速いため、バイメタル１１を固定するのは内壁８の方が好ましい。
【００４１】
図５に示す第１実施形態に係る二重壁容器では、バイメタル１１が所定の温度未満である場合は、バイメタル１１と外壁９とが非接触状態であり、容器内が高温になりバイメタル１１が所定の温度以上になっている場合は、バイメタル１１の変形によってバイメタル１１と外壁９とが接触状態になるように、バイメタル１１の形状を設計しておく。バイメタル１１の形状としては、例えば、立方体、Ｕ字型、らせん状などが挙げられる。バイメタル１１と外壁９とが接触状態になることで、バイメタル１１と外壁９とが非接触状態である場合よりも、二重壁間の熱伝導率が高くなり、容器内の過熱を防止することができる。
【００４２】
バイメタル１１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。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を有するバイメタルを用いることができる。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。
【００４３】
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／℃
【００４４】
なお、バイメタル１１の代わりに、バイメタル以外の温度によって形状が変化する形状変化部材（例えば形状記憶合金）を用いてもよい。
【００４５】
＜本発明に用いる二重壁容器の第２実施形態＞
次に、図２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で用いる二重壁容器の第２実施形態の構成を図６に示す。
【００４６】
図６に示す第２実施形態に係る二重壁容器は、図３に示す一般的な二重壁容器に熱伝導球１２を追加し、二重壁間の間隔を面によって変えている構成である。熱伝導球１２の材料には、耐高温であり尚かつ熱伝導率が高い材料である金属などを用いるとよい。なお、図６に示す第２実施形態に係る二重壁容器は、支持部１０があっても熱伝導球１２が二重壁間の間隔がａである場所と二重壁間の間隔がｂである場所とを相互に移動可能な構造にしておく。
【００４７】
図６（ａ）に示す状態では、二重壁間の間隔がａである場所に熱伝導球１２が位置しており、熱伝導球１２が内壁８には接触しているが、外壁９には接触していない。一方、図６（ａ）に示す状態から９０°回転している図６（ｂ）に示す状態では、二重壁間の間隔がｂである場所に熱伝導球１２が位置しており、熱伝導球１２が内壁８にも外壁９にも接触している。図６（ａ）に示す状態と図６（ｂ）に示す状態との切り替えは、例えば図６に示す第２実施形態に係る二重壁容器のみの回転あるいは図６に示す第２実施形態に係る二重壁容器を含む燃料電池システム全体の回転などによって実現することができる。なお、二重壁間の間隔ａ、ｂと熱伝導球１２の直径φとが次の関係を満たすようにすればよい。
ａ＞ｂ≒φ
【００４８】
図６（ｂ）に示す状態になることで、図６（ａ）に示す状態である場合よりも、二重壁間の熱伝導率が高くなり、容器内の過熱を防止することができる。したがって、燃料電池システムの運転状態や図６に示す第２実施形態に係る二重壁容器の内部状態に応じて、図６（ａ）に示す状態と図６（ｂ）に示す状態とを切り替えるようにし、図６に示す第２実施形態に係る二重壁容器内の過熱を防止する必要があるときに、図６（ｂ）に示す状態に切り替わるようにすればよい。
【００４９】
＜本発明に用いる二重壁容器が奏する効果＞
本発明に用いる二重壁容器が奏する効果について、（比較例１）、（実施例１）、（比較例２）、（比較例２）、（実施例３）の５種類のサンプルを作製して検証した。
【００５０】
（比較例１）
比較例１で用いる二重壁容器は、図３に示す構成であり、内壁８及び外壁９にはステンレス板を用い、支持部１０にはガラスを用い、内壁８と外壁９との間隔を５ｍｍとし、二重壁間の空間を気密空間にして真空にひいた。また、内壁８の内側は金属被膜により熱線反射構造とした。ガラスを用いた支持部１０とステンレス板を用いた内壁８及び外壁９とは陽極接合で接続し、真空状態を維持できるよう気密性を高めた。
【００５１】
上記のような構成である二重壁容器内に、固体酸化物燃料電池とヒーターを配置した。ヒーターにより二重壁容器内を２００℃まで加温し、固体酸化物燃料電池の燃料極側に水素を供給し、固体酸化物燃料電池の空気極側に空気を供給することで、固体酸化物燃料電池を起動させ、発電反応を開始させた。低温時には発電効率が低いため、大きなジュール熱が発生し、固体酸化物燃料電池の温度が上昇した。６００℃以上の高温になると、発電効率が上がりジュール熱は少なくなったが、発電反応自体が発熱反応であるため、固体酸化物燃料電池の温度は上昇し続け、最高温度は１０７０℃に達した。起動・停止サイクルを３回繰り返したのち、二重壁容器内から固体酸化物燃料電池を取り出して観察したところ、クラックが１２箇所で発生していた。
【００５２】
（実施例１）
実施例１で用いる二重壁容器は、図５に示す構成であり、内壁８及び外壁９にはステンレス板を用い、支持部１０にはガラスを用い、内壁８と外壁９との間隔を５ｍｍとし、二重壁間の空間を気密空間にして真空にひいた。また、内壁８の内側は金属被膜により熱線反射構造とした。ガラスを用いた支持部１０とステンレス板を用いた内壁８及び外壁９とは陽極接合で接続し、真空状態を維持できるよう気密性を高めた。さらに、バイメタル１１の形状をＵ字形とし、高温となった時に端部の間隔が開いて、バイメタル１１と外壁９とが接触するように構成した。
【００５３】
上記のような構成である二重壁容器内に、固体酸化物燃料電池とヒーターを配置した。ヒーターにより二重壁容器内を２００℃まで加温し、固体酸化物燃料電池の燃料極側に水素を供給し、固体酸化物燃料電池の空気極側に空気を供給することで、固体酸化物燃料電池を起動させ、発電反応を開始させた。低温時には発電効率が低いため、大きなジュール熱が発生し、固体酸化物燃料電池の温度が上昇した。６００℃以上の高温になると、発電効率が上がりジュール熱は少なくなったが、発電反応自体が発熱反応であるため、固体酸化物燃料電池の温度は上昇し続けた。バイメタル１１の温度が７００℃に達すると、バイメタル１１と外壁９とが接触し、二重壁容器内の熱がバイメタル１１を経由して容器外部へ放熱され始めた。これにより、固体酸化物燃料電池は７００℃を大きく上回ることがなかった。起動・停止サイクルを３回繰り返したのち、二重壁容器内から固体酸化物燃料電池を取り出して観察したところ、クラックは発生していなかった。
【００５４】
（実施例２）
実施例２で用いる二重壁容器は、図６に示す構成であり、内壁８及び外壁９にはステンレス板を用い、支持部１０にはガラスを用い、内壁８と外壁９との間隔を５ｍｍと７ｍｍの２種類とし、二重壁間の空間を気密空間にして真空にひいた。また、内壁８の内側は金属被膜により熱線反射構造とした。ガラスを用いた支持部１０とステンレス板を用いた内壁８及び外壁９とは陽極接合で接続し、真空状態を維持できるよう気密性を高めた。さらに、熱伝導球１２の直径を５ｍｍとした。
【００５５】
上記のような構成である二重壁容器内に、固体酸化物燃料電池とヒーターを配置した。二重壁間の間隔が７ｍｍである場所に熱伝導球１２が位置するようにし、ヒーターにより二重壁容器内を２００℃まで加温し、固体酸化物燃料電池の燃料極側に水素を供給し、固体酸化物燃料電池の空気極側に空気を供給することで、固体酸化物燃料電池を起動させ、発電反応を開始させた。低温時には発電効率が低いため、大きなジュール熱が発生し、固体酸化物燃料電池の温度が上昇した。６００℃以上の高温になると、発電効率が上がりジュール熱は少なくなったが、発電反応自体が発熱反応であるため、固体酸化物燃料電池の温度は上昇し続けた。固体酸化物燃料電池の温度が７００℃に達した時点で、二重壁容器を９０°回転させて、二重壁間の間隔が５ｍｍである場所に熱伝導球１２を移動させた。これにより、固体酸化物燃料電池は７００℃を大きく上回ることがなかった。起動・停止サイクルを３回繰り返したのち、二重壁容器内から固体酸化物燃料電池を取り出して観察したところ、クラックは発生していなかった。
【００５６】
上記（比較例１）、（実施例１）、（実施例２）の評価結果をまとめると、以下の表１のようになる。
【００５７】
【表１】
【００５８】
（比較例２）
比較例２で用いる二重壁容器は、比較例１で用いた二重壁容器と同一である。比較例２では、二重壁容器内に、鉄の微粒子圧縮体とヒーターを配置した。
【００５９】
ヒーターにより二重壁容器内を１２０℃まで加温したところで、二重壁容器内に水蒸気を供給し、水素の発生を開始させた。その後、鉄の酸化反応での発熱によって二重壁容器内の温度は上昇し続け、最高温度は２８０℃に達した。起動・停止サイクルを３回繰り返したのち、二重壁容器内から鉄の微粒子圧縮体を取り出して表面積を測定したところ、初期状態の表面積に比べて５０％も減少してしまった。
【００６０】
（実施例３）
実施例３で用いる二重壁容器は、実施例１で用いた二重壁容器とほぼ同一であるが、バイメタル１１の温度が１６０℃に達すると、バイメタル１１と外壁９とが接触する点のみが実施例１で用いた二重壁容器と異なっている。実施例３では、二重壁容器内に、鉄の微粒子圧縮体とヒーターを配置した。
【００６１】
ヒーターにより二重壁容器内を１２０℃まで加温したところで、二重壁容器内に水蒸気を供給し、水素の発生を開始させた。その後、鉄の酸化反応での発熱によって二重壁容器内の温度は上昇した。バイメタル１１の温度が１６０℃に達すると、バイメタル１１と外壁９とが接触し、二重壁容器内の熱がバイメタル１１を経由して容器外部へ放熱され始めた。そのとき、別途準備した固体酸化物燃料電池を収納している二重壁容器と実施例３で用いる二重壁容器とを接触させ、実施例３で用いる二重壁容器からの放熱を固体酸化物燃料電池の加温に利用した。これにより、鉄の微粒子圧縮体は１６０℃を大きく上回ることがなかった。起動・停止サイクルを３回繰り返したのち、二重壁容器内から鉄の微粒子圧縮体を取り出して表面積を測定したところ、初期状態の表面積に比べて５％しか減少していなかった。
【００６２】
上記（比較例２）、（実施例３）の評価結果をまとめると、以下の表２のようになる。
【００６３】
【表２】
【符号の説明】
【００６４】
１ 固体電解質
２ 酸化剤極
３ 燃料極
４ 外部負荷
５ 燃料発生装置
６ 燃料電池装置
７ 循環経路
８ 内壁
９ 外壁
１０ 支持部
１１ バイメタル
１２ 熱伝導球
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池を収納する二重壁容器とを備え、
前記二重壁容器の二重壁内の空間に接触部材を設け、
前記接触部材が前記二重壁容器の内壁と外壁のいずれか一方のみに接触している第１の状態と、前記接触部材が前記二重壁容器の内壁と外壁の両方に接触している第２の状態との切り替えが可能であり、
前記第２の状態の方が前記第１の状態よりも前記二重壁容器の二重壁間の熱伝導率が高いことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記接触部材が、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１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
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２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記接触部材が球状部材であり、
前記二重壁容器の二重壁間の間隔が少なくとも２種類あることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
再生可能な燃料発生装置と、
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とを備え、
前記燃料発生装置及び前記燃料電池の少なくとも一方を二重壁容器に収納し、
前記二重壁容器の二重壁内の空間に接触部材を設け、
前記接触部材が前記二重壁容器の内壁と外壁のいずれか一方のみに接触している第１の状態と、前記接触部材が前記二重壁容器の内壁と外壁の両方に接触している第２の状態との切り替えが可能であり、
前記第２の状態の方が前記第１の状態よりも前記二重壁容器の二重壁間の熱伝導率が高いことを特徴とする２次電池型燃料電池システム。
【請求項６】
前記接触部材が、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５に記載の２次電池型燃料電池システム。
【請求項７】
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６に記載の２次電池型燃料電池システム。
【請求項８】
前記接触部材が球状部材であり、
前記二重壁容器の二重壁間の間隔が少なくとも２種類あ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。
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池を収納する二重壁容器とを備え、
前記二重壁容器の二重壁内の空間に接触部材を設け、
前記接触部材が前記二重壁容器の内壁と外壁のいずれか一方のみに接触している第１の状態と、前記接触部材が前記二重壁容器の内壁と外壁の両方に接触している第２の状態との切り替えが可能であり、
前記第２の状態の方が前記第１の状態よりも前記二重壁容器の二重壁間の熱伝導率が高いことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記接触部材が、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１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
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２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記接触部材が球状部材であり、
前記二重壁容器の二重壁間の間隔が少なくとも２種類あることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
再生可能な燃料発生装置と、
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とを備え、
前記燃料発生装置及び前記燃料電池の少なくとも一方を二重壁容器に収納し、
前記二重壁容器の二重壁内の空間に接触部材を設け、
前記接触部材が前記二重壁容器の内壁と外壁のいずれか一方のみに接触している第１の状態と、前記接触部材が前記二重壁容器の内壁と外壁の両方に接触している第２の状態との切り替えが可能であり、
前記第２の状態の方が前記第１の状態よりも前記二重壁容器の二重壁間の熱伝導率が高いことを特徴とする２次電池型燃料電池システム。
【請求項６】
前記接触部材が、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５に記載の２次電池型燃料電池システム。
【請求項７】
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６に記載の２次電池型燃料電池システム。
【請求項８】
前記接触部材が球状部材であり、
前記二重壁容器の二重壁間の間隔が少なくとも２種類あ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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図４】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−８４３６６（Ｐ２０１２−８４３６６Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２９１５３（Ｐ２０１０−２２９１５３）
【出願日】平成２２年１０月８日（２０１０．１０．８）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月８日（２０１０．１０．８）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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