JP2004296366A

JP2004296366A - 発電装置

Info

Publication number: JP2004296366A
Application number: JP2003089910A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Ikui; 孝樹生井
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】水素分離膜を配設せずに改質ガス中から純度の高い水素を取り出す。
【解決手段】本発明に係る発電装置は、燃料を改質して二酸化炭素及び水素を含む改質ガスを生成する改質器４２と、改質ガス中の二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去器４３と、改質ガス中の水素を用いて発電する燃料電池と、を備えている。そして、二酸化炭素除去器４３の内部には、改質ガス中の二酸化炭素を選択的に透過させて改質ガス中から二酸化炭素を分離する中空糸膜７２を有する二酸化炭素除去モジュール７１と、改質ガス中の二酸化炭素を選択的に吸着する二酸化炭素吸着剤７６とが配設されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池式の発電装置に係り、特に、水素と二酸化炭素を含む混合気（改質ガス）から純度の高い水素を取り出して発電する発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
今日では、一次電池及び二次電池の代替えのために、燃料電池式の発電システムについての研究・開発が盛んにおこなわれている。この発電システムというのは、燃料と大気中の酸素とを電気化学的に反応させて化学エネルギーから電気エネルギーを直接取り出すものであって、将来性に富む有望な発電システムであると位置付けられている。
【０００３】
燃料電池式の発電システムのなかには、燃料を二酸化炭素と水素とに改質して改質ガス中の水素を選択的に取り出し、取り出した水素を用いて発電する燃料改質型のものがある（例えば特許文献１参照。）。具体的に特許文献１の発電システムでは、改質器（１０）と燃料電池（３０）との間に水素分離膜（２０）を介在させ、改質器で生成された改質ガスのうち水素分離膜を透過した成分（水素）だけを改質器から燃料電池に供給するようになっている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１１８５９４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の発電システムでは、水素分離膜の温度や膜厚、膜の内側と外側との圧力差等の各種条件を最適化しなければ水素分離膜の性能を充分に発揮させることができず、水素分離膜の性能を引き出すための各種条件の維持・管理に手間がかかる。
【０００６】
本発明の課題は、水素分離膜を配設しなくても改質ガス中から純度の高い水素を取り出すことができる発電装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明の発電装置は、
燃料を改質して二酸化炭素及び水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガス中の二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去器と、
前記改質ガス中の水素を用いて発電する燃料電池と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項１に記載の発明では、二酸化炭素除去器を備えるため、改質器で生成された改質ガス中から二酸化炭素を除去することができ、改質ガス中に占める二酸化炭素の割合を低減することができる。これにより、水素分離膜を配設しなくても改質ガス中から純度の高い水素を取り出すことができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、
請求項１に記載の発電装置において、
前記二酸化炭素除去器は、前記改質ガス中から二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜を有することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、二酸化炭素除去器が二酸化炭素分離膜を有するため、二酸化炭素分離膜により改質ガス中から二酸化炭素を分離させることができ、改質ガス中に占める二酸化炭素の割合を低減することができる。これにより、改質ガス中から純度の高い水素を取り出すことができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、
請求項２に記載の発電装置において、
前記二酸化炭素分離膜は、酢酸セルロース、ポリイミド又はポリスルホン酸から構成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、二酸化炭素分離膜が、二酸化炭素に対して高透過性を有する酢酸セルロース、ポリイミド又はポリスルホン酸からなる高分子膜で構成されているため、改質ガス中から多量の二酸化炭素を分離させることができる。さらに、二酸化炭素分離膜が上記高分子膜で構成されているため、二酸化炭素分離膜そのものの乾燥による劣化・機能低下を防止することができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、
請求項２又は３に記載の発電装置において、
前記二酸化炭素除去器は、前記二酸化炭素分離膜を介在させた一方の空間と他方の空間との間に圧力差を生じさせることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明では、二酸化炭素除去器が、二酸化炭素分離膜を介在させた一方の空間と他方の空間との間に圧力差を生じさせるため、改質ガス中の二酸化炭素に二酸化炭素分離膜を確実に透過させることができる。これにより、改質ガス中から二酸化炭素を確実に分離させることができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電装置において、
前記二酸化炭素除去器は、前記改質ガス中の二酸化炭素を吸着する二酸化炭素吸着剤を備えることを特徴とする発電装置。
【００１６】
請求項５に記載の発明では、二酸化炭素除去器が二酸化炭素吸着剤を備えるため、二酸化炭素吸着剤により改質ガス中の二酸化炭素を吸着することができ、改質ガス中に占める二酸化炭素の割合を低減することができる。これにより、改質ガス中から純度の高い水素を取り出すことができる。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、
請求項５に記載の発電装置において、
前記二酸化炭素吸着剤は、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、ゼオライト又は活性炭から構成されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項６に記載の発明では、二酸化炭素吸着剤が、二酸化炭素に対して高吸着性を有する酸化カルシウム、水酸化カルシウム、ゼオライト又は活性炭から構成されているため、多量の二酸化炭素を吸着させることができる。
【００１９】
請求項７に記載の発明は、
請求項５又は６に記載の発電装置において、
前記二酸化炭素吸着剤は着脱自在に備えられていることを特徴とする。
【００２０】
請求項７に記載の発明では、二酸化炭素吸着剤が着脱自在に備えられているため、所定期間の使用により二酸化炭素吸着剤が二酸化炭素を吸着して飽和したら、新規の二酸化炭素吸着剤に取り替えることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の具体的な態様について説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されない。
始めに、図１を参照しながら本発明に係る発電装置について説明する。図１は発電装置１の一部破断斜視図である。
【００２２】
図１に示す発電装置１は燃料電池を用いて発電する燃料電池式発電装置であって、燃料９９を貯蔵する燃料貯蔵モジュール２と、燃料貯蔵モジュール２に貯蔵された燃料９９を用いて発電をおこなう発電モジュール３と、を備えている。
【００２３】
燃料貯蔵モジュール２は略円筒状の筐体４を有しており、筐体４が発電モジュール３に対して着脱自在に取り付けられるようになっている。筐体４の頭頂部には円形の貫通孔５が形成されており、筐体４の外周側には、発電モジュール３で生成された副生成物の水を流通させるための第一排水管６が形成されている。燃料貯蔵モジュール２の底部には、排水用の水を貯留する排水容器７（図示略）が配設されており、排水容器に上記第一排水管６が接続されている。
【００２４】
筐体４の内部には燃料タンク８が着脱自在に収納されており、燃料タンク８の外周面の一部が筐体４の外部に露出している。燃料タンク８の内部には液体の燃料９９が貯蔵されている。燃料タンク８は、内部空間を有した透明又は半透明な略円筒状の容器であって、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、アクリル、生分解性プラスチック等の材料から構成されている。「生分解性プラスチック」としては、石油系又は植物系原料から合成される化学合成型の有機化合物を含む高分子材料（ポリ乳酸、脂肪族系ポリエステル、共重合ポリエステル等），微生物産生型のバイオポリエステル，トウモロコシやサトウキビ等の植物系原料から抽出されるデンプン、セルロース、キチン、キトサン等からなる天然物利用型の高分子材料等を適用できる。
【００２５】
このように燃料貯蔵モジュール２では、燃料タンク８の外周面の一部が筐体４の外部に露出するとともに燃料タンク８が透明又は半透明な容器から構成されているため、燃料タンク８の燃料９９の有無及び残量を容易に確認できるようになっている。また、燃料タンク８が着脱自在に筐体４の内部に収納されているため、燃料タンク８内の燃料９９が無くなったら、燃料９９を貯蔵した新規の燃料タンク８に容易に取り替えることができる。さらに、燃料タンク８を生分解性プラスチックで構成した場合には、燃料タンク８を自然界に投棄しても大気や水質、土壌等を汚染することはないし、生分解性プラスチックそのものの熱量が低いので、燃料タンク８を焼却処理したとしても環境・焼却施設に与える負荷を大幅に抑えることができる。
【００２６】
燃料９９は、液状の化学燃料と水との混合物であり、化学燃料としてはメタノール，エタノール等のアルコール類やガソリン等の炭化水素の混合物が適用可能である。本実施形態では、燃料９９としてメタノールと水とを等モルで均一に混合した混合液を用いている。
【００２７】
燃料タンク８の頭頂部には、燃料９９を発電モジュール３に供給するための供給口１０が突出して筐体４の貫通孔５にまで挿入されるように配設されており、供給口１０の内部には、供給口１０全体を閉塞する閉塞膜１１が配設されている。燃料タンク８の内部には、図１において上下方向に延在して供給口１０に挿入された供給管１２が配設されている。供給管１２は、燃料タンク８の底部から供給口１０内の閉塞膜９のすぐ下方にまで延在している。燃料タンク８では、閉塞膜１１により供給口１０を閉塞し、燃料９９が燃料タンク８の外部に漏出するのを防止できる構造となっている。
【００２８】
次に、発電モジュール３について説明する。
図１に示す通り、発電モジュール３は略円筒状の筐体３０を有している。筐体３０の内部には、気化器４１、改質器４２及び二酸化炭素除去器４３の三つの反応器が配設されている。発電モジュール３では、気化器４１、改質器４２及び二酸化炭素除去器４３を取り囲むように燃料電池４４が配設されている。燃料電池４４は、触媒微粒子を含有又は付着させた燃料極（カソード）と、触媒微粒子を含有又は付着させた空気極（アノード）とを有し、燃料極と空気極との間にフィルム状のイオン伝導膜が介在した構造を有している。
【００２９】
燃料電池４４の外側であって筐体３０の外周面には、外気中の酸素を吸気するための複数のスリット３１，３１，…が互いに平行に並んだ状態で形成されている。筐体３０の頭頂部には、外部のデバイスに電気エネルギーを供給するための端子３２が配設されており、端子３２の周囲であって筐体３０の頭頂部には、副生成物の二酸化炭素等を排気するための複数の通気孔３３，３３，…が形成されている。
【００３０】
筐体３０の外周側には第二排水管３４が配設されている。第二排水管３４は、筐体３０の底部から下方に突出し、燃料貯蔵モジュール２の第一排水管６に対応する位置に配されている。第二排水管３４は燃料電池４４で生成された副生成物の水を流通させるためのものであり、燃料電池４４で生成された副生成物の水は第二排水管３４及び第一排水管６を通じて排水容器へ排水・貯留されるようになっている。
【００３１】
筐体３０の底部であってその中央部には、吸入ニップル部３７が下方に突出するように配設されている。吸入ニップル部３７には、先端から中心線に沿って貫通する流路が形成されている。吸入ニップル部３７は、燃料貯蔵モジュール２の貫通孔５に対応する位置に配されており、燃料タンク８から燃料９９を吸入するためのものである。
【００３２】
以上のような燃料貯蔵モジュール２及び発電モジュール３において、燃料タンク８を収納した燃料貯蔵モジュール２を発電モジュール３に取り付ける（接続する）と、両モジュール２，３の接続箇所の外周側では、燃料貯蔵モジュール２の第一排水管６が発電モジュール３の第二排水管３４に接続される。これにより、第一排水管６と第二排水管３４とが互いに通じ合い、発電モジュール３の燃料電池４４で生成された副生成物の水を、第二排水管３４から第一排水管６へと流通させて排水容器７に排水可能な状態となる。
【００３３】
一方、両モジュール２，３の接続箇所の中央部では、発電モジュール３の吸入ニップル部３７が燃料貯蔵モジュール２の貫通孔５及び燃料タンク８の供給口１０に挿入され、供給口１０の閉塞膜１１を突き破る。これにより、吸入ニップル部３７が燃料タンク８の供給管１２と通じ合い、燃料タンク８に貯蔵された燃料９９を供給管１２から吸入ニップル部３７へと供給可能な状態となる。
【００３４】
続いて、図２及び図３を参照しながら上記気化器４１、改質器４２及び二酸化炭素除去器４３の各反応器について詳細に説明する。図２は、気化器４１、改質器４２及び二酸化炭素除去器４３の各反応器の断面図である。
【００３５】
図２に示す通り、気化器４１の上部に改質器４２が積み重ねられ、改質器４２の上方に二酸化炭素除去器４３が配設されている。気化器４１及び改質器４２の各反応器は、内部空間を形成した断熱パッケージ４５を有している。各断熱パッケージ４５はともに、ガラス等の比較的熱伝導率の低い断熱材から構成されており、各断熱パッケージ４５の内壁には、Ａｕ，Ａｇ，Ａｌ等で形成された輻射反射膜（図示略）が成膜されている。
【００３６】
輻射反射膜は、赤外線を含む電磁波に対して高い反射率を有しており、各断熱パッケージ４５の内部で発された電磁波を反射するようになっている。したがって、気化器４１及び改質器４２の各反応器においては、断熱パッケージ４５に熱がほとんど伝熱されず、各反応器内で発生する熱損失を抑えることができるようになっている。
【００３７】
また、各断熱パッケージ４５の内部は完全に密閉された空間とされており、真空とされているか、又はフッ素を含むメタン若しくはエタンの多ハロゲン化誘導体ガス（フレオン（商品名）ガス）又は炭酸ガスで置換されている。フッ素を含むメタン又はエタンの多ハロゲン化誘導体ガスとしては、トリクロロフルオロメタン，ジクロロジフルオロメタン等がある。
【００３８】
各断熱パッケージ４５の内壁の各入隅には支持体４６，４６，…がそれぞれ配設されており、小型反応器５１が、各支持体４６に支持された状態で気化器４１及び改質器４２の各反応器毎に一つずつ配設されている。
【００３９】
各小型反応器５１は、シリコン結晶，アルミニウム，ガラス等の材料で構成された二枚の基板５３，５４を互いに重ね合わせて接合した構造を有している。
【００４０】
図３には、各小型反応器５１の一方の基板５４の断面図（中段）と、基板５４の上面の平面図（上段）と、基板５４の下面の平面図（下段）とが図示されている。図３の上段に示す通り、基板５４の上面（他方の基板５３との接合面の反対の面）には、葛折り状のヒータ５５が配設されている。ヒータ５５は、電気抵抗性発熱体，半導体性発熱体等を薄膜状に成膜したものであり、電流が流れたり電圧が印加されたりすることで発熱するものである。ヒータ５５は、後述のマイクロ流路５６に対向していることが好ましいが、必ずしも葛折り状に蛇行していなくてもよい。
【００４１】
ヒータ５５の両端部には、断熱パッケージ４５を貫通して断熱パーケージ４５の外部にまで延出するリード線（図示略）がそれぞれ接続されており、各リード線を介してヒータ５５に電気エネルギーが供給されるようになっている。また、各リード線が断熱パッケージ４５を貫通している箇所は完全に密閉されており、断熱パッケージ４５の内部空間と外部との間で気体が出入りしない構造になっている。
【００４２】
図３の下段に示す通り、基板５４の下面（他方の基板５３との接合面）には、葛折り状のマイクロ流路５６が形成されている。図３の中段に示す通り、マイクロ流路５６は、断面視したときの形状が弓形状を呈した溝であって、具体的には基板５４の下面にフォトリソグラフィー，エッチング等を適宜施すことによって形成されたものである。またマイクロ流路５６は、一端部５６ａから他端部５６ｂにかけて同様の幅を有しながら延在している。
【００４３】
特に改質器４２の小型反応器５１においては、図２に示す通り、マイクロ流路５６の内壁に沿う円弧状の触媒６０がマイクロ流路５６に配設されている。具体的に触媒６０は、一又は複数種類の無機担体に一又は複数種類の金属種又は金属酸化物を担持した不均一系触媒である。改質器４２の小型反応器５１においては、触媒６０は一種類の触媒で形成されていてもよいし、複数種類の触媒で形成されていてもよいし、マイクロ流路５６内の配置箇所によって触媒の種類が異なっていてもよい。
【００４４】
図２に示す通り、二酸化炭素除去器４３は、内部空間を形成したパッケージ７０を有している。パッケージ７０の内部は完全に密閉された空間とされており、パッケージ７０の内部には、混合気（二酸化炭素を含む。）中から二酸化炭素を選択的に分離する二酸化炭素除去モジュール７１が配設されている。二酸化炭素除去モジュール７１は、パッケージ７０の内部に配設された支持体（図示略）により支持されている。
【００４５】
具体的に、二酸化炭素除去モジュール７１は、略円筒状を呈した中空糸膜７２の両端部を一対の略円板状の蓋体７３，７４で閉じた構造を有している。二酸化炭素分離膜としての中空糸膜７２は、二酸化炭素に対して高透過係数を有する高分子膜であって、酢酸セルロース，ポリイミド，ポリスルホン酸等の高分子や無機キセロゲルから構成された膜である。中空糸膜７２を構成する高分子として酢酸セルロースを適用する場合には、酢化度５５％（置換度２．４）のセルロースジアセテートや酢化度６１％（置換度２．９）のセルローストリアセテート等を適用するのが好ましい。
【００４６】
本実施形態では、中空糸膜７２に対する二酸化炭素の透過量が、中空糸膜７２の内側と外側との圧力差や中空糸膜７２の膜面積に比例し、中空糸膜７２の膜厚に反比例するようになっているため、中空糸膜７２の膜厚を薄くすることにより、中空糸膜７２に対する二酸化炭素の透過量（混合気中からの二酸化炭素の除去量）を向上させることができる。
【００４７】
二酸化炭素除去モジュール７１の一方の蓋体７４には、中空糸膜７２の内側に通じる排気管７５が接続されている。排気管７５は、二酸化炭素除去器７３のパッケージ７０を貫通した状態で上記各通気孔３３に通じており、中空糸膜７２を外側から内側に透過した二酸化炭素を各通気孔３３から排気できるようになっている。また、二酸化炭素除去器４３には、流入管６１に流入する流体のうち、二酸化炭素除去モジュール７１により二酸化炭素が除去されて残った水素を、燃料電池４４に供給する流出管６２が設けられている。
【００４８】
パッケージ７０の底壁には、二酸化炭素吸着剤７６が着脱自在に配設されている。二酸化炭素吸着剤７６は、混合気（二酸化炭素を含む。）中から二酸化炭素を選択的に吸着するものであって、酸化カルシウム（生石灰），水酸化カルシウム（消石灰），ゼオライト，活性炭等から構成されている。本実施形態では、図２に示す通り、二酸化炭素吸着剤７６はパッケージ７０の底壁に配設されているが、パッケージ７０の内部の上壁や側壁に配設されてもよい。また本実施形態では、パッケージ７０は開閉自在な容器とされており、パッケージ７０を開けることで、二酸化炭素を吸着して飽和した二酸化炭素吸着剤７６を新規の二酸化炭素吸着剤７６に適宜取り替える（交換する）ことができるようになっている。
【００４９】
上記構成を具備する気化器４１、改質器４２及び二酸化炭素除去器４３の各反応器においては、図２に示す通り、流入管６１と流出管６２とが断熱パッケージ４５及びパッケージ７０を貫通した状態で一本ずつ配設されている。
【００５０】
気化器４１の流入管６１は、上記吸入ニップル部３７と小型反応器５１のマイクロ流路５６の一端部５６ａとに通じており、燃料タンク８に貯蔵された燃料９９が吸入ニップル部３７及び流入管６１を通じてマイクロ流路５６に供給されるようになっている。ただし、気化器４１の流入管６１と吸入ニップル部３７との間にはポンプ６３が介在しており、ポンプ６３によって気化器４１の流入管６１に流入する燃料９９の流量を調節できるようになっている。気化器４１の流出管６２は、小型反応器５１のマイクロ流路５６の他端部５６ｂと改質器４２の流入管６１とに通じている。
【００５１】
改質器４２の流入管６１は、気化器４１の流出管６２と小型反応器５１のマイクロ流路５６の他端部５６ｂとに通じている。改質器４２の流出管６２は、小型反応器５１のマイクロ流路５６の一端部５６ａと二酸化炭素除去器４３の流入管６１とに通じている。ただし、改質器４２の流出管６２と二酸化炭素除去器４３の流入管６１との間にはポンプ６４が介在しており、ポンプ６４によって二酸化炭素除去器４３の流入管６１に流入する流体の流量を調節できるようになっている。
【００５２】
二酸化炭素除去器４３の流入管６１は、改質器４２の流出管６２とパッケージ７０の内部とに通じている。二酸化炭素除去器４３の流出管６２は、パッケージ７０の内部と上記燃料電池４４の燃料極とに通じている。ただし、流出管７８の途中には流量制御弁７７が配設されており、二酸化炭素除去器４３の流出管６２から流出する水素の流量が規制されるようになっている。そして、上記ポンプ６４によるパッケージ７０への流体の流入量の調節と流量制御弁７７による流体の流量規制とによって、パッケージ７０の内部圧（中空糸膜７２の外側の圧力）が常に中空糸膜７２の内側の圧力よりも高く維持することができるようになっている。
【００５３】
次に、発電装置１における発電システムについて説明する。
燃料タンク８に貯蔵された燃料９９は、まず気化器４１に供給される。気化器４１では、供給された燃料９９が加熱されて気化（蒸発）し、メタノール及び水（水蒸気）の混合気（混合気体）となって改質器４２に供給される。
【００５４】
改質器４２では、気化器４１で気化した燃料９９から水素及び二酸化炭素が生成される。具体的には、化学反応式（１）のように、気化器４１で混合気とされたメタノールと水蒸気が反応して二酸化炭素及び水素が生成される。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ_２ … （１）
改質器４２で生成された二酸化炭素及び水素は二酸化炭素除去器４３に供給される。
【００５５】
二酸化炭素除去器４３では、改質器４２より供給された二酸化炭素及び水素の混合気が二酸化炭素と水素とに分離される。混合気から分離された二酸化炭素は副生成物として各通気孔３３を通じて外気中に排気され、混合気から分離された水素は燃料電池４４の燃料極に供給される。
【００５６】
燃料電池４４では、電気化学反応式（２）に示すように、二酸化炭素除去器４３から供給された水素が、燃料極の触媒微粒子の作用を受けて水素イオンと電子とに分離する。水素イオンはイオン伝導膜を通じて空気極に伝導し、電子は燃料極により取り出される。
３Ｈ_２→６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ … （２）
【００５７】
さらに燃料電池４４では、上記各スリット３１を介して外気中の酸素が取り込まれ、この酸素が空気極に供給される。そして、電気化学反応式（３）に示すように、外気中から取り込まれた酸素と、イオン伝導膜を通過した水素イオンと、燃料極により取り出された電子とが反応して水が副生成物として生成される。生成された副生成物としての水は、第二排水管３４及び第一排水管６を通じて排水容器に排水・貯留される。
６Ｈ^＋＋３／２Ｏ_２＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ … （３）
【００５８】
以上のように、発電装置１では、燃料電池４４で上記（２），（３）に示す電気化学反応が起こることにより電気エネルギーが生成される。
【００５９】
続いて、発電装置１の動作について説明する。
発電装置１が起動すると発電装置１の発電システムが機能し始め、気化器４１及び改質器４２の各反応器のヒータ５５が発熱する。これと同時に、各ポンプ６３，６４等の部材が作動し、燃料タンク８に貯蔵された燃料９９が、吸入ニップル部３７からポンプ６３に吸引され、ポンプ６３から気化器４１の流入管６１に流入して気化器４１の小型反応器５１のマイクロ流路５６に供給されるとともに、外気中の酸素が各スリット３１から吸引されて燃料電池４４の空気極に供給される。
【００６０】
気化器４１に供給された燃料９９は、マイクロ流路５６の内部を一端部５６ａから５６ｂに向けて流動しながらヒータ５５の熱を受けて気化し、メタノールと水蒸気の混合気（以下「第一混合気」という。）に相変化する。すると、マイクロ流路５６の内部圧が上昇して対流が生じ、第一混合気は、気化器４１の流出管６２から改質器４２の流入管６１に流入して改質器４２に供給される。
【００６１】
改質器４２では、第一混合気が、小型反応器５１のマイクロ流路５６の内部を他端部５６ｂから一端部５６ａに向けて流動する。このとき、第一混合気は、ヒータ５５により加熱されながら触媒６０の触媒作用を受けて上記化学反応式（１）のような反応を起こし、第一混合気から水素及び二酸化炭素を含む改質ガスが生成される。生成された改質ガスとしての混合気（以下「第二混合気」という。）は、改質器４２の流出管６２からポンプ６４に吸引され、ポンプ６４から二酸化炭素除去器４３の流入管６１に流入して二酸化炭素除去器４３に供給される。
【００６２】
二酸化炭素除去器４３では、第二混合気がパッケージ７０の内部に順次貯留されるとともに流量制御弁７７により二酸化炭素除去器４３の流出管６２を流動する流体の流量が規制されるため、中空糸膜７２の内側と外側とで圧力差が生じ、パッケージ７０の内部圧（中空糸膜７２の外側の圧力）が中空糸膜７２の内側の圧力より常に高くなる。
【００６３】
この状態において、第二混合気中の二酸化炭素が中空糸膜７２を外側から内側に透過して、第二混合気中から二酸化炭素が分離される。さらに、第二混合気中の二酸化炭素は二酸化炭素吸着剤７６にも吸着される。中空糸膜７２を透過した二酸化炭素は副生成物として、排気管７５を通じて各通気孔３３から外気中に排気される。そして、第二混合気中から二酸化炭素が分離・吸着された混合気（水素）が、気化器４１、改質器４２及び二酸化炭素除去器４３の各反応器を経て生成された主生成物として、二酸化炭素除去器４３の流出管６２及び流量制御弁７７を通じて燃料電池４４の燃料極に供給される。
【００６４】
燃料電池４４では、二酸化炭素除去器４３から供給された水素が、燃料極で上記電気化学反応式（２）に示すような反応を起こして水素イオンと電子とに分離する。水素イオンはイオン伝導膜を通じて空気極に伝導し、電子は燃料極により取り出される。また燃料電池４４では、上記各スリット３１を介して外気中の酸素が取り込まれて、この酸素が空気極に供給される。そして、外気中から取り込まれた酸素と、イオン伝導膜を通過した水素イオンと、燃料極により取り出された電子とが、空気極で上記電気化学反応式（３）に示すような反応を起こし、副生成物としての水が生成される。
【００６５】
燃料電池４４では、上記電気化学反応式（２），（３）のような電気化学反応が起こることにより電気エネルギーが生成される。生成された電気エネルギーは、端子３２を通じて外部デバイス（図示略）に供給されたり、各ヒータ５５、各ポンプ６３，６４その他の部材を駆動するためのエネルギーとして利用されたり、発電装置１の内部に蓄電されたりする。また、燃料電池４４の空気極で生成された水は副生成物として、第二排水管３４及び第一排水管６を通じて排水容器に排水・貯留される。
【００６６】
以上のような発電装置１では、二酸化炭素除去器４３に二酸化炭素除去モジュール７１が配設されてパッケージ７０の内部圧が中空糸膜７２の内側より高く維持されるため、第二混合気中から二酸化炭素を分離・除去することができ、改質ガスとしての第二混合気中に占める二酸化炭素の割合を低減できるようになっている。さらに発電装置１では、二酸化炭素除去器４３に二酸化炭素吸着剤７６が配設されているため、第二混合気中から二酸化炭素を吸着・除去することもできるようになっている。したがって、従来のような水素分離膜を配設しなくても、改質ガスとしての第二混合気中から純度の高い水素を取り出すことができ、取り出された水素を二酸化炭素除去器４３の流出管６２から燃料電池４４に供給することができる。
【００６７】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の改良及び設計の変更をおこなってもよい。
【００６８】
例えば本実施形態では、ポンプ６４と流量制御弁７７との作用により中空糸膜７２の外側から内側に向かって加圧する（パッケージ７０の内部圧を中空糸膜７２の内側より高くする）構成としたが、図２に示す通り、排気管７５の途中にポンプ８０を配設してポンプ８０により中空糸膜７２の内側を減圧し、中空糸膜７２の内側と外側とに圧力差を生じさせる構成にしてもよい。また、二酸化炭素除去モジュール７１の中空糸膜７２や蓋体７３，７４の形状は、それぞれ略円筒状、略円板状に限らず適宜異なる形状でもよい。
【００６９】
ところで、上記化学反応式（１）の反応は可逆反応であるため、第二混合気中から二酸化炭素をできるだけ速やかに分離することが望ましい。上記実施形態では、改質器４２と二酸化炭素除去器４３とが流入管６１及び流出管６２で連結されているため、流入管６１や流出管６２の内部で上記化学反応式（１）の可逆反応が起こり、第二混合気中の一部の水素及び二酸化炭素が元の燃料９９の成分になってしまう可能性がある。そこで、図４に示す通り、改質器４２の内部に二酸化炭素除去器８１を配設することでこれを回避するようにしてもよい。
【００７０】
二酸化炭素除去器８１は、改質器４２の基板５４に形成された空間部８２を有しており、空間部８２には、改質器４２のマイクロ流路５６の端部が連結している。二酸化炭素除去器８１の空間部８２には、図２に示す二酸化炭素除去モジュール７１と略同様の二酸化炭素除去モジュール８３が支持体（図示略）に支持された状態で配設されている。二酸化炭素除去モジュール８３は、上記中空糸膜７２と同様の中空糸膜８４の両端部を略円板状の蓋体８５，８６で閉じた構造を有している。一方の蓋体８６には、中空糸膜８４の内側に通じる排気管８７が接続されており、排気管８７は、改質器４２の基板５４及び断熱パッケージ４５を貫通した状態で各通気孔３３に通じている。また、二酸化炭素除去器８１には水素流出管８８が配設されており、水素流出管８８は、改質器４２の基板５４及び断熱パッケージ４５を貫通した状態で燃料電池４４の燃料極と空間部８２とに連結している。水素流出管８８の途中には上記流体制御弁７７が配設されている。
【００７１】
なお、空間部８２には、水素流出管８８の端部と改質器４２のマイクロ流路５６の端部とが互いに離間した状態で連結しているが、二酸化炭素除去器８１では、二酸化炭素除去モジュール８３が、空間部８２に連結した改質器４２のマイクロ流路５６の端部と、空間部８２に連結した水素流出管８８の端部との間に介在するように配置されている。そのため、マイクロ流路５６の端部から空間部８２に流入した流体（つまり第二混合気）は、二酸化炭素除去モジュール８３の近傍を通過して水素流出管８８に至るようになっている。
【００７２】
このような構成を具備する二酸化炭素除去器８１では、改質器４２で生成された第二混合気が、マイクロ流路５６の端部から空間部８２に流入し、二酸化炭素除去モジュール８３の近傍を通過しながら空間部８２に順次貯留される。ここで、二酸化炭素除去器８１の水素流出管８８には流量制御弁７７が配設されており、水素流出管８８を流動する流体の流量が規制されるため、空間部８２への第二混合気の流入に伴い中空糸膜８４の内側と外側とで圧力差が生じ、空間部８２の内部圧（中空糸膜８４の外側の圧力）が中空糸膜８４の内側の圧力よりも常に高くなる。
【００７３】
この状態において、第二混合気中の二酸化炭素が中空糸膜８４を外側から内側に透過して、第二混合気中から二酸化炭素が分離される。中空糸膜８４を透過した二酸化炭素は、排気管８７を通じて各通気孔３３から外気中に排気され、第二混合気中から二酸化炭素が分離された混合気（水素）は、水素流出管８８及び流体制御弁７７を介して燃料電池４４の燃料極に供給される。このような構成により、二酸化炭素除去器８１では、第二混合気中の二酸化炭素を選択的に中空糸膜８４を透過させて第二混合気を水素と二酸化炭素とに分離することができる。また上記構成では、二酸化炭素除去器８１が改質器４２のマイクロ流路５６に直結されているため、第二混合気中から即座に二酸化炭素を分離することができ、上記化学反応式（１）の可逆反応が起こるのを防止することができる。
【００７４】
なお、図２に示す二酸化炭素除去器４３と同様に、上記二酸化炭素除去器８１でも、排気管８７の途中にポンプ８０を配設してポンプ８０により中空糸膜８４の内側を減圧し、中空糸膜８４の内側と外側とに圧力差を生じさせる構成にしてもよい。また、二酸化炭素除去モジュール８３の中空糸膜８４や蓋体８５，８６の形状は、それぞれ略円筒状、略円板状に限らず適宜異なる形状でもよい。
【００７５】
【発明の効果】
本発明によれば、改質器で生成された改質ガス中から二酸化炭素を除去することができ、改質ガス中に占める二酸化炭素の割合を低減することができる。これにより、水素分離膜を配設しなくても改質ガス中から純度の高い水素を取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発電装置の一部破断斜視図である。
【図２】気化器、改質器及び二酸化炭素除去器の各反応器の断面図である。
【図３】気化器及び改質器に配設された各小型反応器の一方の基板を示す図面であって、（上段）基板の上面を示す平面図であり、（中段）基板の断面図であり、（下段）基板の下面を示す平面図である。
【図４】図２の気化器、改質器及び二酸化炭素除去器の変形例を示す気化器、改質器及び二酸化炭素除去器の断面図である。
【符号の説明】
１…発電装置２…燃料貯蔵モジュール３…発電モジュール４…筐体５…貫通孔６…第一排水管８…燃料タンク１０…供給口１１…閉塞膜１２…供給管３０…筐体３１…スリット３２…端子３３…通気孔３４…第二排水管３７…吸入ニップル部４１…気化器４２…改質器４３，８１…二酸化炭素除去器４４…燃料電池４５…断熱パッケージ４６…支持体５１…小型反応器５３，５４…基板５５…ヒータ５６…マイクロ流路５６ａ…一端部５６ｂ…他端部６１…流入管６２…流出管６３，６４，８０…ポンプ７０…パッケージ７１，８３…二酸化炭素除去モジュール７２，８４…中空糸膜（二酸化炭素分離膜）７３，７４，８５，８６…蓋体７５，８７…排気管７６…二酸化炭素吸着剤７７…流量制御弁８２…空間部８８…水素流出管９９…燃料

Claims

燃料を改質して二酸化炭素及び水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガス中の二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去器と、
前記改質ガス中の水素を用いて発電する燃料電池と、
を備えることを特徴とする発電装置。
請求項１に記載の発電装置において、
前記二酸化炭素除去器は、前記改質ガス中から二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜を有することを特徴とする発電装置。
請求項２に記載の発電装置において、
前記二酸化炭素分離膜は、酢酸セルロース、ポリイミド又はポリスルホン酸から構成されていることを特徴とする発電装置。
請求項２又は３に記載の発電装置において、
前記二酸化炭素除去器は、前記二酸化炭素分離膜を介在させた一方の空間と他方の空間との間に圧力差を生じさせることを特徴とする発電装置。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電装置において、
前記二酸化炭素除去器は、前記改質ガス中の二酸化炭素を吸着する二酸化炭素吸着剤を備えることを特徴とする発電装置。
請求項５に記載の発電装置において、
前記二酸化炭素吸着剤は、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、ゼオライト又は活性炭から構成されていることを特徴とする発電装置。
請求項５又は６に記載の発電装置において、
前記二酸化炭素吸着剤は着脱自在に備えられていることを特徴とする発電装置。