特許 7236696 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-03-02

(45)【発行日】2023-03-10

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20230303BHJP

   H01M 8/04014 20160101ALI20230303BHJP

   H01M 8/04029 20160101ALI20230303BHJP

   H01M 8/04186 20160101ALI20230303BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20230303BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 N

H01M8/04014

H01M8/04029

H01M8/04186

H01M8/10 101

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2019090927

(22)【出願日】2019-05-13

(65)【公開番号】P2019216091

(43)【公開日】2019-12-19

【審査請求日】2022-04-14

(31)【優先権主張番号】P 2018111806

(32)【優先日】2018-06-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107641

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 耕一

(74)【代理人】

【識別番号】100163463

【弁理士】

【氏名又は名称】西尾 光彦

(72)【発明者】

【氏名】フアヨル マリン

(72)【発明者】

【氏名】田村 聡

(72)【発明者】

【氏名】北沢 暢祐

(72)【発明者】

【氏名】林 隆夫

【審査官】加藤 昌人

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１２－５２６３４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／０１６２４９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１０－５１８５５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－９５７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１－３０７１７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１５－５２２９１３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０４－８／０６６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

カソード及びアノードを有し、前記カソードにおいてメディエータを還元させることによって電力を生成する燃料電池と、
前記カソードによって還元された前記メディエータを酸化剤によって酸化させる再生器と、
前記再生器に前記酸化剤を供給する酸化剤供給経路と、
前記再生器の内部に存在するガスを前記再生器の外部に排出するガス排出経路と、
前記酸化剤供給経路を流れる前記酸化剤と前記ガス排出経路を流れる前記ガスとを熱交換させて前記酸化剤を加熱する熱交換器と、を備えた、
燃料電池システム。

【請求項2】

前記カソードと前記再生器とを連通させ、前記カソードから排出された前記メディエータを前記再生器に導くとともに、前記再生器において酸化された前記メディエータを前記カソードに戻す循環経路をさらに備えた、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記熱交換器と前記再生器との間で前記酸化剤供給経路の少なくとも一部を覆う断熱材をさらに備えた、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記再生器と前記熱交換器との間で前記ガス排出経路の少なくとも一部を覆う断熱材をさらに備えた、請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記酸化剤供給経路を流れる前記酸化剤を加熱するヒータをさらに備えた、請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記ヒータは、前記熱交換器における前記酸化剤の出口と酸化剤供給経路の出口との間を流れる前記酸化剤を加熱する、請求項５に記載の燃料電池システム。

【請求項7】

前記再生器の内部を加熱するヒータをさらに備えた、請求項１～６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

【請求項8】

前記熱交換器は凝縮器であり、
前記熱交換器に接続され、前記熱交換器における前記酸化剤と前記ガスとの熱交換により生じる凝縮水を前記熱交換器の外部に排出する排水経路をさらに備えた、請求項１～７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、酸化還元対を含有している陰極液を用いた燃料電池システムが知られている。

【0003】

例えば、特許文献１には、燃料電池スタック及び再生セクションを備えた燃料電池アセンブリが記載されている。燃料電池スタックは膜電極アセンブリを備え、膜電極アセンブリはアノード及びカソードを備えている。酸化還元対を含有している陰極液は、燃料電池スタックに供給され、膜電極アセンブリのカソードに流動接触した後、再生セクションに供給される。再生セクションには、供給デバイスによって酸化剤が供給される。陰極液中の酸化還元対は、カソードにおける反応によって還元される。陰極液は、カソードで反応した後、カソードから遠ざかり再生セクションに向かう。再生セクションに供給された酸化剤は、陰極液中の酸化還元対を少なくとも部分的に酸化させる。再生セクションにおける反応中に生成される熱及び水蒸気などの副産物は、再生セクションから排気される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特表２０１７－５００６９２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において、再生セクションから排気された熱及び水蒸気等の副産物の取り扱いについて具体的には検討されていない。そこで、本開示は、再生器の内部に存在するガスを安全に排出できるとともに再生器におけるメディエータの酸化反応の反応速度を高める観点から有利な燃料電池システムを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示は、
カソード及びアノードを有し、前記カソードにおいてメディエータを還元させることによって電力を生成する燃料電池と、
前記カソードによって還元された前記メディエータを酸化剤によって酸化させる再生器と、
前記再生器に前記酸化剤を供給する酸化剤供給経路と、
前記再生器の内部に存在するガスを前記再生器の外部に排出するガス排出経路と、
前記酸化剤供給経路を流れる前記酸化剤と前記ガス排出経路を流れる前記ガスとを熱交換させて前記酸化剤を加熱する熱交換器と、を備えた、
燃料電池システムを提供する。

【発明の効果】

【0007】

上記の燃料電池システムによれば、再生器の内部に存在するガスを安全に排出できる。加えて、上記の燃料電池システムは、再生器におけるメディエータの酸化反応の反応速度を高めるのに有利である。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、本開示の燃料電池システムの一例を示す図である。

【図2】図２は、本開示の燃料電池システムの別の一例を示す図である。

【図3】図３は、本開示の燃料電池システムのさらに別の一例を示す図である。

【図4】図４は、本開示の燃料電池システムのさらに別の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

（本開示の基礎となった知見）
固体高分子型燃料電池等の燃料電池のカソードにおける酸素の還元反応の反応速度は遅く、このことは燃料電池における発電のための反応の効率を低下させる主たる要因である。このため、燃料電池において、還元されやすいメディエータを含む溶液をカソードに供給することが考えられる。この場合、カソードにおいて白金を不要にできる。

【0010】

カソードにおいて還元されたメディエータは、酸化剤によって酸化されることによって再生され、カソードに再度供給できる。これにより、メディエータの還元とメディエータの再生とを繰り返し行うことができる。メディエータの酸化反応は、発熱反応である。このため、メディエータの酸化反応に伴う発熱によりメディエータの溶液の溶媒の一部が蒸発して蒸気になる。これにより、メディエータの再生のための再生器の内部には比較的高温のガスが存在しうる。このガスには未反応の酸化剤も含まれうる。本発明者らは、再生器の内部に存在するガスを燃料電池システムの外部に排出すると、そのガスは高温であるので、安全上の問題が生じる可能性があることを新たに見出した。加えて、本発明者らは、再生器に供給される酸化剤の温度が比較的低温（例えば、２０～４０℃）であると、メディエータの酸化反応の反応速度を高めにくいことを知った。そこで、本発明者らは、これらの問題を解決すべく日夜検討を重ねた。その結果、本発明者らは、再生器に供給される酸化剤と再生器から排出されたガスとの熱交換により酸化剤を加熱することが上記の課題を解決するうえで有利であることを新たに見出した。この新たな知見に基づいて、本発明者らは、本開示に係る燃料電池システムを案出した。

【0011】

（本開示に係る態様の概要）
本開示の第１態様に係る燃料電池システムは、
カソード及びアノードを有し、前記カソードにおいてメディエータを還元させることによって電力を生成する燃料電池と、
前記カソードによって還元された前記メディエータを酸化剤によって酸化させる再生器と、
前記再生器に前記酸化剤を供給する酸化剤供給経路と、
前記再生器の内部に存在するガスを前記再生器の外部に排出するガス排出経路と、
前記酸化剤供給経路を流れる前記酸化剤と前記ガス排出経路を流れる前記ガスとを熱交換させて前記酸化剤を加熱する熱交換器と、を備える。

【0012】

第１態様によれば、熱交換器において酸化剤供給経路を流れる酸化剤とガス排出経路を流れるガスとが熱交換し、酸化剤が加熱される。換言すると、熱交換器においてガス排出経路を流れるガスは冷却される。これにより、再生器から燃料電池システムの外部に排出されるガスの温度を低減でき、再生器の内部に存在するガスを燃料電池システムの外部に安全に排出できる。加えて、熱交換器において酸化剤が加熱されるので、再生器に供給される酸化剤の温度が高くなりやすい。これにより、再生器におけるメディエータの酸化反応の反応速度を高めることができる。

【0013】

本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係る燃料電池システムは、前記カソードと前記再生器とを連通させ、前記カソードから排出された前記メディエータを前記再生器に導くとともに、前記再生器において酸化された前記メディエータを前記カソードに戻す循環経路をさらに備える。第２態様によれば、循環経路によって、カソードと再生器との間でメディエータを循環させることができる。

【0014】

本開示の第３態様において、例えば、第１態様又は第２態様に係る燃料電池システムは、前記熱交換器と前記再生器との間で前記酸化剤供給経路の少なくとも一部を覆う断熱材をさらに備える。第３態様によれば、熱交換器において加熱された酸化剤の温度が断熱材によって高く保たれ、高温の酸化剤を再生器に供給できる。その結果、再生器におけるメディエータの酸化反応の反応速度を高めることができる。

【0015】

本開示の第４態様において、例えば、第１態様～第３態様のいずれか１つの態様に係る燃料電池システムは、前記再生器と前記熱交換器との間で前記ガス排出経路の少なくとも一部を覆う断熱材をさらに備える。第４態様によれば、再生器から排出されたガスの温度が断熱材によって高く保たれ、熱交換器において酸化剤が高温に加熱されやすい。その結果、より確実に、再生器におけるメディエータの酸化反応の反応速度が高まりやすい。

【0016】

本開示の第５態様において、例えば、第１態様～第４態様のいずれか１つの態様に係る燃料電池システムは、前記酸化剤供給経路を流れる前記酸化剤を加熱するヒータをさらに備える。第５態様によれば、ヒータによって酸化剤が加熱されることにより、再生器に供給される酸化剤の温度をより確実に高めることができる。その結果、再生器におけるメディエータの酸化反応の反応速度を高めることができる。

【0017】

本開示の第６態様において、例えば、第５態様に係る燃料電池システムでは、前記ヒータは、前記熱交換器における前記酸化剤の出口と酸化剤供給経路の出口との間を流れる前記酸化剤を加熱する。第６態様によれば、熱交換器において加熱された酸化剤がヒータによって加熱されるので、ヒータに要求される発熱量が少なくて済み、燃料電池システムの効率を高めることができる。

【0018】

本開示の第７態様において、例えば、第１態様～第６態様のいずれか１つの態様に係る燃料電池システムは、前記再生器の内部を加熱するヒータをさらに備える。第７態様によれば、必要に応じてヒータを発熱させることによって再生器の内部を所望の温度に保ち、メディエータの酸化反応の反応速度を高めることができる。

【0019】

本開示の第８態様において、例えば、第１態様～第７態様のいずれか１つの態様に係る燃料電池システムでは、前記熱交換器は凝縮器であり、前記熱交換器に接続され、前記熱交換器における前記酸化剤と前記ガスとの熱交換により生じる凝縮水を前記熱交換器の外部に排出する排水経路をさらに備える。第８態様によれば、排水経路によって凝縮水を熱交換器の内部から熱交換器の外部へ排出することができる。

【0020】

（実施形態）
以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は例示に過ぎず、本開示の燃料電池システムは以下の実施形態に限定されない。

【0021】

図１に示す通り、燃料電池システム１ａは、燃料電池１０と、再生器２０と、酸化剤供給経路３１と、ガス排出経路３２と、熱交換器３５とを備えている。燃料電池１０は、カソード１１及びアノード１２を有し、カソード１１によってメディエータを還元させることによって電力を生成する。再生器２０は、カソード１１によって還元されたメディエータを酸化剤によって酸化させる。酸化剤供給経路３１は、再生器２０に酸化剤を供給する流路である。ガス排出経路３２は、再生器２０の内部に存在するガスを再生器２０の外部に排出する流路である。

【0022】

燃料電池システム１ａにおいて、燃料及びメディエータを再生するための酸化剤は、特に限定されない。燃料電池システム１ａにおいて、例えば、燃料として水素が用いられ、酸化剤として空気が用いられる。図１において、実線の矢印は燃料の流れを示し、破線の矢印はメディエータの流れを示し、一点鎖線の矢印は酸化剤の流れを示し、二点鎖線の矢印は再生器から排出されたガスの流れを示す。

【0023】

燃料電池１０は、例えば、固体高分子形燃料電池である。カソード１１の電極の材料は、固体高分子形燃料電池のカソードの電極の材料として公知の材料でありうる。なお、カソード１１の電極の材料は、通常の固体高分子形燃料電池のカソードの電極の材料に含まれている白金を含んでいなくてもよい。なぜなら、メディエータは、カソード１１において酸素よりも還元されやすいからである。アノード１２の電極の材料は、固体高分子形燃料電池のアノードの電極の材料として公知の材料でありうる。燃料電池１０は、典型的には、電解質膜１３をさらに備える。電解質膜１３は、カソード１１とアノード１２との間に配置され、プロトン伝導性を有する。電解質膜１３によってカソード１１とアノード１２とが仕切られている。電解質膜１３の材料は、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子形燃料電池の電解質の材料として公知の材料でありうる。

【0024】

燃料電池１０の運転期間中に、アノード１２には、例えば、水素ガスを含む燃料ガスが供給される。水素は、アノード１２においてプロトンＨ⁺と電子ｅ^-とに分離される。その後、プロトンは電解質膜１３を伝ってカソード１１に移動し、電子ｅ^-は外部回路（図示省略）を通ってカソード１１に移動する。

【0025】

図１に示す通り、燃料電池システム１ａは、例えば循環経路１４をさらに備えている。循環経路１４は、カソード１１と再生器２０とを連通させており、カソード１１から排出されたメディエータを再生器２０に導くとともに、再生器２０において酸化されたメディエータをカソード１１に戻す流路である。

【0026】

循環経路１４は、例えば、第一経路１４ａ及び第二経路１４ｂを含む。第一経路１４ａは、カソード１１におけるメディエータの出口と再生器２０におけるメディエータの入口とを接続している。第二経路１４ｂは、再生器２０におけるメディエータの出口とカソード１１におけるメディエータの入口とを接続している。燃料電池１０の運転期間中に、カソード１１には、例えば、メディエータを含む溶液が供給される。この溶液において、メディエータは酸化体Ｍｅｄ_oxの状態である。メディエータの酸化体Ｍｅｄ_oxはカソード１１において還元され、メディエータは還元体Ｍｅｄ_redに変化し、燃料電池１０の外部に
移動する。メディエータの還元体Ｍｅｄ_redを含む溶液は、第一経路１４ａを通って再生器２０に供給される。再生器２０において、酸化剤の有効成分である酸素によってメディエータの還元体Ｍｅｄ_redが酸化され、メディエータは酸化体Ｍｅｄ_oxに変化する。これにより、メディエータが再生される。再生器２０において再生されたメディエータは、第二経路１４ｂを通ってカソード１１に供給される。

【0027】

メディエータの還元体Ｍｅｄ_redの酸化は、典型的には発熱反応である。このため、再生器２０の内部の温度は高温（例えば、１００℃）になりやすい。これにより、メディエータの溶液の溶媒（例えば、水）の一部が蒸発して、再生器２０の内部に高温のガスが存在する。再生器２０の内部のガスには未反応の酸化剤も含まれうる。メディエータの酸化により水が生成される。この水の一部は、メディエータの酸化に伴う発熱により蒸発する。再生器２０の内部のガスは、ガス排出経路３２を通って再生器２０の外部に排出される。これにより、再生器２０の内部のメディエータの溶液におけるメディエータの濃度の低下を防止できる。その結果、燃料電池１０における発電効率の低下を防止できる。ガス排出経路３２を通って、未反応の酸化剤が再生器２０の外部に排出されてもよい。一方、再生器２０には、酸化剤（例えば、外部空気）が酸化剤供給経路３１を通って供給される。

【0028】

熱交換器３５において、酸化剤供給経路３１を流れる酸化剤とガス排出経路３２を流れるガスとの熱交換により、酸化剤供給経路３１を流れる酸化剤が加熱される。一方、ガス排出経路３２を流れるガスは冷却される。このため、再生器２０から燃料電池システム１ａの外部に排出されるガスの温度が低く、再生器２０の内部に存在するガスを燃料電池システム１ａの外部に安全に排出できる。ガス排出経路３２を流れるガスには、例えば水蒸気が含まれる。このため、熱交換器３５において凝縮水が生成されうる。熱交換器３５は、例えば、凝縮器として機能しうる。メディエータの酸化の反応速度を高める観点から、再生器２０に供給される酸化剤の温度が高いことが有利である。熱交換器３５において酸化剤が加熱されるので、再生器２０に供給される酸化剤の温度が高くなり、再生器２０におけるメディエータの酸化反応の反応速度を高めることができる。

【0029】

熱交換器３５は、酸化剤供給経路３１を流れる酸化剤とガス排出経路３２を流れるガスとの熱交換が可能である限り、特定の熱交換器に制限されない。熱交換器３５は、例えば、以下の（ｉ）～(iii)の少なくとも１つの特徴を有する。熱交換器３５は、例えば、プレート式熱交換器又はフィンチューブ式熱交換器でありうる。
（ｉ）酸化剤供給経路３１がガス排出経路３２の近傍に配置されている。
（ii）酸化剤供給経路３１をなす部材がガス排出経路３２をなす部材と接触している。
（iii）酸化剤供給経路３１とガス排出経路３２とが熱交換の観点から適切な部材によって仕切られている。

【0030】

メディエータは、酸素ガスよりも還元されやすく、還元と酸化とを繰り返すことができる物質である限り、特に制限されない。メディエータは、例えば、ポリオキソメタレート、金属イオン、又は金属錯体である。ポリオキソメタレートとして、リンモリブデン酸、リンバナジウム酸、リンタングステン酸などを使用できる。ポリオキソメタレートは、例えば、バナジウム、モリブデン、タングステンなどの金属を有している。金属錯体としては、ポルフィリン金属錯体、ＴＥＭＰＯ（2,2,6,6-テトラメチルピペリジン 1-オキシル）を配位子として有する金属錯体、オキシダーゼ又はその誘導体を配位子として有する金属錯体などが挙げられる。オキシダーゼとしては、ガラクトースオキシダーゼ、ビリルビンオキシダーゼ、グルコースオキシダーゼなどが挙げられる。複数種類のメディエータがメディエータ溶液に含まれていてもよい。

【0031】

メディエータは、典型的には、溶液に含まれた状態でカソード１１と再生器２０との間を循環する。溶液におけるメディエータの濃度が高いほど、カソード１１においてメディエータが還元される反応の反応速度が高くなる。このため、水等の所定の溶媒に対して、メディエータが使用温度において高い溶解度を示すことが有利である。メディエータの溶液における溶媒は例えば水であり、メディエータの溶液には、硫酸及びリン酸などの酸成分が含まれていてもよい。メディエータの溶液のｐＨは酸性であってもよい。メディエータの溶液に適切な電解質が含まれていてもよい。

【0032】

図１に示す通り、燃料電池システム１ａは、例えば、ポンプ１６をさらに備えている。ポンプ１６の作動により、メディエータを含む溶液が第一経路１４ａを通って再生器２０に導かれ、かつ、メディエータを含む溶液が第二経路１４ｂを通ってカソード１１に導かれる。ポンプ１６は、例えば、第二経路１４ｂ上に配置されている。ポンプ１６は、第一経路１４ａ上に配置されていてもよい。ポンプ１６は、例えば、ピストンポンプ、プランジャポンプ、ギヤポンプ、及びベーンポンプ等の容積式ポンプである。第一経路１４ａ又は第二経路１４ｂ上には、メディエータの流量を調整するためのレギュレータが配置されていてもよい。

【0033】

例えば、第二経路１４ｂにおいてメディエータを含む溶液が冷却されながらカソード１１に導かれる。これにより、カソード１１に供給されるメディエータを含む溶液の温度が低く、電解質膜１３等の燃料電池１０の構成要素が劣化しにくい。このため、燃料電池１０の耐用期間が延びやすい。例えば、第二経路１４ｂから１秒間に放出される熱量は、第一経路１４ａから１秒間に放出される熱量よりも大きい。例えば、燃料電池システム１ａの通常運転においてこの関係が満たされる。なお、燃料電池システム１ａの通常運転において、所定の出力（例えば、１００Ｗ以上）での発電が所定期間継続される。

【0034】

燃料電池システム１ａにおいて、例えば、第二経路１４ｂの少なくとも一部は、第一経路１４ａを定める管の材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料でできた管によって定められている。これにより、第二経路１４ｂにおけるメディエータを含む溶液の熱が第二経路１４ｂの外部に伝わりやすく、メディエータを含む溶液が第二経路１４ｂにおいて冷却されやすい。第一経路１４ａを定める管の材料の熱伝導率及び第二経路１４ｂを定める管の材料の熱伝導率のそれぞれは、例えば２５℃における値を意味する。

【0035】

燃料電池システム１ａにおいて、例えば、第二経路１４ｂの長さは、第一経路１４ａの長さよりも長い。この場合、第二経路１４ｂにおいて、メディエータを含む溶液から放出される熱量が大きくなりやすく、第二経路１４ｂにおいてメディエータを含む溶液が適切に冷却されやすい。例えば、第二経路１４ｂを定める管の表面積は、第一経路１４ａを定める管の表面積よりも大きい。この場合も、第二経路１４ｂにおいて、メディエータを含む溶液から放出される熱量が大きくなりやすい。第二経路１４ｂを定める管は金属材料でできていてもよい。第二経路１４ｂを定める管にはフィンが取り付けられていてもよい。第二経路１４ｂを定める管の少なくとも一部は、空気が通過可能な空間と接していてもよい。例えば、燃料電池システム１ａは、吸気口及び排気口を有する筐体（図示省略）を備え、第二経路１４ｂを定める管の少なくとも一部がその筐体の吸気口から排気口に延びる空気の流路に設けられていてもよい。燃料電池システム１ａは、例えば、ファン又はブロワ（図示省略）をさらに備えていてもよい。例えば、ファン又はブロワの作動により、第二経路１４ｂを定める管の少なくとも一部を横切る空気の流れが生じる。

【0036】

燃料電池システム１ａは、例えば、燃料ガス供給経路１５ａ及びアノードオフガス排出経路１５ｂをさらに備えている。燃料ガス供給経路１５ａ及びアノードオフガス排出経路１５ｂのそれぞれはアノード１２に接続されている。燃料ガス供給経路１５ａを通って水素を含む燃料がアノード１２に供給され、未反応の燃料（すなわち、アノードオフガス）がアノードオフガス排出経路１５ｂを通って燃料電池１０から回収される。

【0037】

燃料電池システム１ａは、例えば、ブロワ４０をさらに備え、ブロワ４０によって送り出された空気が酸化剤供給経路３１を通って再生器２０に供給される。例えば、ブロワ４０の作動により、外気が取り込まれ、酸化剤供給経路３１に送り出される。

【0038】

再生器２０は、メディエータの還元体を含む溶液と酸化剤とを接触させることができる限り、特定の形態に限定されない。再生器２０は、槽型の反応器として構成されていてもよいし、管型の反応器として構成されていてもよい。再生器２０において、例えば、メディエータを含む溶液が貯留されている。この場合、酸化剤供給経路３１を通過した酸化剤は、例えば、再生器２０に貯留されたメディエータを含む溶液中に吹き込まれる。メディエータの溶液は、噴流又は微細な液滴（ミスト）として存在していてもよい。この場合、例えば、メディエータの溶液の噴流又は微細な液滴に向かって酸化剤供給経路３１の出口３１ｅから空気が吹き出される。これにより、メディエータの溶液と再生器２０の内部に存在するガスとの界面の面積が大きくなり、メディエータの酸化の反応速度が高まりやすい。

【0039】

図１に示す通り、燃料電池システム１ａは、例えばヒータ２５（第二ヒータ）をさらに備えている。ヒータ２５は、再生器２０の内部を加熱する。ヒータ２５によって再生器２０の内部を加熱することにより、メディエータの酸化に伴い生成された水が蒸発しやすい。なお、メディエータは通常揮発しない。これにより、再生器２０から水を排出でき、再生器２０の内部のメディエータの溶液におけるメディエータの濃度の低下を防止できる。また、再生器２０の内部の温度が所望の範囲に保たれ、メディエータの酸化反応の反応速度が高まる。

【0040】

ヒータ２５の構成は、再生器２０の内部を加熱できる限り特に制限されない。ヒータ２５は、例えば、抵抗加熱式の電気ヒータ又は加熱用の熱媒体の流路を有するヒータでありうる。ヒータ２５は、例えば、再生器２０の外面に取り付けられている。例えば、ヒータ２５は、再生器２０の外面の少なくとも一部を覆っている。ヒータ２５は、再生器２０の外面の少なくとも一部を取り囲んでいてもよい。ヒータ２５は、再生器２０の内部に配置されていてもよい。燃料電池システム１ａは、例えば、撹拌機（図示省略）をさらに備えていてもよい。この場合、撹拌機は、再生器２０の内部のメディエータの溶液を撹拌する。これにより、再生器２０の内部のメディエータの溶液の温度が空間的に均一に保たれやすい。

【0041】

ヒータ２５は、再生器２０においてメディエータの酸化がなされている期間中に常に発熱している必要はない。メディエータの酸化は、多くの場合発熱反応である。メディエータの酸化に伴う発熱により、メディエータの溶液におけるメディエータの濃度の低下を防止する観点から、再生器２０の内部の温度が適切に保たれているのであれば、ヒータ２５は停止していてもよい。一方、例えば、外気温の低下等の理由により、再生器２０の内部の温度が所望の範囲に保つことが難しい場合には、ヒータ２５が発熱する。燃料電池システム１ａは、温度センサ（図示省略）をさらに備えていてもよい。この温度センサは、例えばサーミスタを利用した温度センサ又は熱電対を利用した温度センサであり、再生器２０の内部の温度を検出する。例えば、温度センサによって検出された温度に基づいて、ヒータ２５の発熱が制御される。場合によっては、ヒータ２５は省略可能である。

【0042】

燃料電池システム１ａは、例えば、第一経路１４ａの少なくとも一部を覆う断熱材（図示省略）をさらに備えていてもよい。この断熱材により、第一経路１４ａにおいてメディエータを含む溶液の温度が低下しにくい。その結果、再生器２０の内部の温度が所望の温度に保たれやすく、メディエータの酸化反応の反応速度が高まりやすい。なお、この断熱材は、空気層をなす中空の部材であってもよい。第一経路１４ａの全体が断熱材によって覆われていてもよい。ここで、「覆う」とは、断熱材が第一経路１４ａをなす部材と接して断熱される構成と、断熱材が空間又は部材を介して第一経路１４ａを覆う構成とを含みうる。

【0043】

燃料電池システム１ａは、例えば、再生器２０の少なくとも一部を覆う断熱材（図示省略）をさらに備えていてもよい。この断熱材により、再生器２０の内部が所望の温度に保たれやすい。加えて、再生器２０の内部を所望の温度に保つために再生器２０の外部から供給すべきエネルギー量が少なくて済む。なお、この断熱材は、空気層をなす中空の部材であってもよい。再生器２０の全体が断熱材によって覆われていてもよい。ここで、「覆う」とは、断熱材が再生器２０と接して断熱される構成と、断熱材が空間又は部材を介して再生器２０を覆う構成とを含みうる。

【0044】

断熱材の材料は特に限定されない。断熱材の材料としては、樹脂、金属、ガラス、セラミックなどが挙げられる。断熱材の構成も特に限定されない。断熱材の構成としては、発泡体、繊維集合体などが挙げられる。

【0045】

燃料電池システム１ａは、様々な観点から変更可能である。例えば、燃料電池システム１ａは、第一経路１４ａを流れるメディエータ溶液と、第二経路１４ｂを流れるメディエータ溶液とを熱交換させる熱交換器を備えるように変更されてもよい。第二経路１４ｂにおけるメディエータ溶液は、典型的には、再生器２０におけるメディエータの酸化に伴う発熱により、第一経路１４ａにおけるメディエータ溶液の温度より高い。このため、第一経路１４ａを流れるメディエータ溶液と第二経路１４ｂを流れるメディエータ溶液との熱交換により、カソード１１に供給されるメディエータの温度が低くなりやすい。その結果、燃料電池１０の耐用期間が延びやすい。加えて、第一経路１４ａを流れるメディエータ溶液と第二経路１４ｂを流れるメディエータ溶液との熱交換により、第一経路１４ａを流れるメディエータ溶液が加熱される。このため、再生器２０の内部の温度が所望の温度に保たれやすく、メディエータの酸化反応の反応速度が高まりやすい。

【0046】

例えば、燃料電池システム１ａは、第二経路１４ｂを流れるメディエータ溶液と酸化剤供給経路３１を流れる酸化剤とを熱交換させる熱交換器を備えるように変更されてもよい。典型的には、酸化剤供給経路３１を流れる酸化剤の温度は、第二経路１４ｂを流れるメディエータ溶液の温度より低い。このため、第二経路１４ｂを流れるメディエータ溶液と酸化剤供給経路３１を流れる酸化剤との熱交換により第二経路１４ｂを流れるメディエータ溶液が冷却される。その結果、カソード１１に供給されるメディエータの温度が低くなりやすく、燃料電池１０の耐用期間が延びやすい。加えて、第二経路１４ｂを流れるメディエータ溶液と酸化剤供給経路３１を流れる酸化剤との熱交換により酸化剤が加熱され、再生器２０に供給される酸化剤の温度が高まりやすい。このため、メディエータの酸化反応の反応速度が高まりやすい。

【0047】

燃料電池システム１ａは、例えば、第二経路１４ｂ上に配置され、再生器２０において酸化されたメディエータを貯留するタンクをさらに備えるように変更されてもよい。この場合、再生器２０を小型化しやすい。加えて、再生器２０の内部を所望の温度に保つために再生器２０の外部から供給すべきエネルギー量が少なくて済み、燃料電池システム１ａの効率が高まりやすい。このタンクは、第二経路１４ｂにおいて再生器２０とポンプ３０との間に配置されてもよいし、第二経路１４ｂにおいてポンプ３０とカソード１１との間に配置されてもよい。

【0048】

燃料電池システム１ａは、図２に示す燃料電池システム１ｂ、図３に示す燃料電池システム１ｃ、又は図４に示す燃料電池システム１ｄのように変更されてもよい。燃料電池システム１ｂ～１ｄは、特に説明する場合を除き、燃料電池システム１ａと同様に構成されている。燃料電池システム１ａの構成要素と同一又は対応する燃料電池システム１ｂ～１ｄの構成要素には、同一の符号を付し詳細な説明を省略する。燃料電池システム１ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、燃料電池システム１ｂ～１ｄにも当てはまる。

【0049】

図２に示す通り、燃料電池システム１ｂは、例えば、第一断熱材５１をさらに備えている。第一断熱材５１は、熱交換器３５と再生器２０との間で酸化剤供給経路３１の少なくとも一部を覆っている。これにより、熱交換器３５において加熱された酸化剤の温度が第一断熱材５１によって高く保たれ、高温の酸化剤を再生器２０に供給できる。その結果、再生器２０におけるメディエータの酸化反応の反応速度が高まりやすい。なお、第一断熱材５１は、空気層をなす中空の部材であってもよい。第一断熱材５１は、熱交換器３５と再生器２０との間で酸化剤供給経路３１の全体を覆っていてもよい。

【0050】

図２に示す通り、燃料電池システム１ｂは、例えば、第二断熱材５２をさらに備えている。第二断熱材５２は、再生器２０と熱交換器３５との間でガス排出経路３２の少なくとも一部を覆っている。これにより、再生器２０から排出されたガスの温度が第二断熱材５２によって高く保たれ、熱交換器３５において酸化剤が高温に加熱されやすい。その結果、再生器２０におけるメディエータの酸化反応の反応速度が高まりやすい。なお、第二断熱材５２は、空気層をなす中空の部材であってもよい。第二断熱材５２は、熱交換器３５と再生器２０との間でガス排出経路３２の全体を覆っていてもよい。

【0051】

第一断熱材５１及び第二断熱材５２は一体的に構成されていてもよい。換言すると、燃料電池システム１ｂは、第一断熱材５１及び第二断熱材５２の双方として機能する単一の断熱材を備えていてもよい。

【0052】

図３に示す通り、燃料電池システム１ｃは、例えば、ヒータ５５（第一ヒータ）をさらに備えている。ヒータ５５は、酸化剤供給経路３１を流れる酸化剤を加熱する。これにより、酸化剤を所望の温度で再生器２０に供給でき、再生器２０におけるメディエータの酸化反応の反応速度が高まりやすい。

【0053】

ヒータ５５は、例えば、熱交換器３５における酸化剤の出口３５ｅと酸化剤供給経路３１の出口３１ｅとの間を流れる酸化剤を加熱する。これにより、熱交換器３５において加熱された酸化剤がヒータ５５によって加熱されるので、ヒータ５５に要求される発熱量が少なくて済み、燃料電池システム１ｃの効率を高めやすい。

【0054】

ヒータ５５の構成は、酸化剤供給経路３１を流れる酸化剤を加熱できる限り特に制限されない。ヒータ５５は、例えば、抵抗加熱式の電気ヒータ又は加熱用の熱媒体の流路を有するヒータでありうる。ヒータ５５は、例えば、酸化剤供給経路３１を定める管の外面に取り付けられている。例えば、ヒータ５５は、熱交換器３５と再生器２０との間で酸化剤供給経路３１を定める管の外面の少なくとも一部を覆っている。ヒータ５５は、酸化剤供給経路３１を定める管の内部に配置されていてもよい。ここで、「覆っている」とは、ヒータ５５が酸化剤供給経路３１を定める管の外面に接触している構成と、ヒータ５５が空間又は部材を介して酸化剤供給経路３１を定める管の外面を覆っている構成とを含みうる。

【0055】

ヒータ５５は、再生器２０においてメディエータの酸化がなされている期間中に常に発熱している必要はない。熱交換器３５における酸化剤供給経路３１を流れる酸化剤とガス排出経路３２を流れるガスとの熱交換により、酸化剤が十分に加熱されるのであれば、ヒータ５５は停止していてもよい。一方、外気温の低下等の理由により、熱交換器３５における酸化剤供給経路３１を流れる酸化剤とガス排出経路３２を流れるガスとの熱交換のみによって再生器２０に供給される酸化剤を所望の温度に加熱することが難しい場合、ヒータ５５が発熱する。なお、燃料電池システム１ｃは、温度センサ（図示省略）をさらに備えていてもよい。この温度センサは、例えばサーミスタを利用した温度センサ又は熱電対を利用した温度センサであり、酸化剤供給経路３１を流れる酸化剤の温度を検出する。例えば、温度センサによって検出された温度に基づいて、ヒータ５５の発熱が制御される。

【0056】

図４に示す通り、燃料電池システム１ｄは、例えば、排水経路５７をさらに備えている。燃料電池システム１ｄにおいて、熱交換器３５は凝縮器である。排水経路５７は、熱交換器３５に接続されている。排水経路５７は、熱交換器３５における酸化剤とガスとの熱交換により生じる凝縮水を熱交換器３５の外部に排出する流路である。排水経路５７を通過した凝縮水は、燃料電池システム１ｄから排出されてもよいし、燃料電池システム１ｄにおける所定のプロセスに利用されてもよい。

【0057】

燃料電池システム１ａ～１ｄにおける各構成要素は、技術的に矛盾しない限り組み合わせ可能である。

【符号の説明】

【0058】

１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１１ カソード
１２ アノード
１４ 循環経路
２０ 再生器
２５ ヒータ
３１ 酸化剤供給経路
３２ ガス排出経路
３５ 熱交換器
５１ 第一断熱材
５２ 第二断熱材
５５ ヒータ
５７ 排水経路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】