JP2008171707A - 反応装置及びそれを備える発電装置並びに反応装置の動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化され、消費電力も少ない反応装置及びそれを備える発電装置並びに反応装置の動作方法を提供する。
【解決手段】発電装置１は、気化器２１に混合液を送る燃料ポンプ１１と、送られた混合液を気化させる気化器２１と、気化器２１から送られたガスから水素ガスを生成する改質器２２と、改質器２２のガスから一酸化炭素ガスを除去する一酸化炭素除去器２３と、一酸化炭素除去器２３から送られた水素から電力を取り出す発電セル７０と、発電セル７０から送られた水素を触媒によって燃焼させる触媒燃焼器２４と、一酸化炭素除去器２３用の電気ヒータ兼温度センサ２５と、改質器２２用の電気ヒータ兼温度センサ２６と、電気ヒータ兼温度センサ２６の検知温度に基づき燃料ポンプ１１を制御する制御部７６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体材料を気化する気化器と、その気化器から供給された気体の反応を起こす化学反応器を備える反応装置及びそれを備える発電装置に関するとともに、その反応装置を動作させる動作方法に関する。

近年、エネルギー変換効率の高いクリーンな電源として燃料電池が注目され、携帯電話機やノート型パーソナルコンピュータなどといった携帯型電子機器においても、燃料電池による電源の実用化が検討されている。一般的に燃料と水は液体の状態でタンクに貯留されているので、その燃料と水を気化器で気化し、気化器で気化したガスを改質器で水素に改質し、生成された水を燃料電池に供給している（例えば、特許文献１）。気化器における気化及び改質器における改質反応では吸熱が起こるので、気化器や改質器に熱エネルギーを供給するため、電気ヒータや燃焼器が用いられる。

気化器から改質器に送られるガスの流量を制御するために、気化器の前段に流量計を設け、気化器に送られる燃料と水の流量を流量計により検知し、その検知値に基づいて気化器に送られる燃料と水の流量を制御するように構成される。このような構成は、例えば、特許文献２に記載されている。
特開２００１−３３８６６５号公報 特開平７−２２７５３５号公報

ところで、気化器に送られる燃料と水の流量を制御するために気化器の前段に流量計を設けるようにした場合、流量計が必要になることにより、装置の小型化が困難である。また、流量計の出力を増幅するアンプ等も必要となり、制御システムが大型化して、消費電力も増えてしまう。
そこで、本発明は、上記のような問題点を解決しようとしてなされたものであり、小型化され、消費電力も少ない反応装置及びそれを備える発電装置並びに反応装置の動作方法を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、反応装置において、
液体材料を気化させる気化器と、
前記液体材料を前記気化器に供給するとともにその供給流量を調整可能な供給器と、
加熱され、その熱が前記気化器に伝導するとともに、該気化器で気化された気体が供給されて反応を起こす化学反応器と、
前記化学反応器の温度を検知する温度センサと、
前記温度センサによって検知された温度に基づき前記供給器から前記気化器への前記供給器による前記液体材料の供給流量を制御して、前記化学反応器の温度を所定の設定温度に維持させる制御部と、を備えることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の反応装置において、
前記制御部は、前記温度センサによって検知された温度が前記設定温度を超えている場合に前記供給器による供給流量を増加させ、前記温度センサによって検知された温度が前記設定温度未満である場合に前記供給器による供給流量を減少させ、前記温度センサによって検知された温度が前記設定温度に等しい場合に、前記供給器による供給流量を維持することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の反応装置において、
前記化学反応器は、前記気化器で気化された気体から改質反応によって水素を生成する改質器を有することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１に記載の反応装置において、
前記反応装置は、投入された電力により発熱するとともにその熱を前記化学反応器及び前記気化器に伝導するように設けられた電気ヒータを更に備え、
前記制御部は、前記電気ヒータへの供給電力を一定にした状態で前記温度センサによって検知された温度に基づき前記供給器による供給流量を制御して、前記化学反応器の温度を前記設定温度に維持させることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載の反応装置において、
前記制御部は前記電気ヒータへの供給電力を調整するごとに、前記温度センサによって検知された温度に基づいて前記供給器による供給流量を制御して、前記化学反応器の温度を前記設定温度に維持させることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項４又は５に記載の反応装置において、
前記電気ヒータが前記温度センサを兼ねていることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項４に記載の反応装置において、
前記化学反応器で生成された燃料ガスは、該燃料ガスに含まれる水素を用いて電力を取り出す発電セルに供給され、
前記反応装置は、更に、前記発電セルから排出されるオフガス中の水素を燃焼させ、その燃焼熱を前記化学反応器及び前記気化器に伝導するように設けられた燃焼器を備え、
前記制御部は、前記燃焼器において所定量の燃焼熱が生成されている状態で、前記電気ヒータへの供給電力を一定にした状態で、前記温度センサによって検知された温度に基づき前記供給器による供給流量を制御して、前記化学反応器の温度を前記設定温度に維持させることを特徴とする。

請求項８に係る発明は、発電装置において、
液体材料を気化させる気化器と、
前記液体材料を前記気化器に供給するとともにその供給流量を調整可能な供給器と、
加熱され、その熱が前記気化器に伝導するとともに、該気化器で気化された気体が供給されて反応を起こす化学反応器と、
前記化学反応器で生成された燃料ガスが供給され、その燃料ガスに含まれる水素を用いて電力を取り出す発電セルと、
前記化学反応器の温度を検知する温度センサと、
前記温度センサによって検知された温度に基づき前記供給器から前記気化器への前記供給器による前記液体材料の供給流量を制御して、前記化学反応器の温度を所定の設定温度に維持させる制御部と、を備えることを特徴とする。

請求項９に係る発明は、請求項８に記載の発電装置において、
前記制御部は、前記温度センサによって検知された温度が前記設定温度を超えている場合に前記供給器による供給流量を増加させ、前記温度センサによって検知された温度が前記設定温度未満である場合に前記供給器による供給流量を減少させ、前記温度センサによって検知された温度が前記設定温度に等しい場合に、前記供給器による供給流量を維持することを特徴とする。

請求項１０に係る発明は、請求項８に記載の発電装置において、
前記発電装置は、投入された電力により発熱するとともにその熱を前記化学反応器及び前記気化器に伝導するように設けられた電気ヒータを更に備え、
前記化学反応器は、前記発電セルから排出されるオフガス中の水素を燃焼させ、その燃焼熱を前記化学反応器及び前記気化器に伝導するように設けられた燃焼器を備え、
前記制御部は、前記電気ヒータへの供給電力を一定にした状態で前記温度センサによって検知された温度に基づき前記供給器による供給流量を制御して、前記化学反応器の温度を前記設定温度に維持させることを特徴とする。

請求項１１に係る発明は、液体材料を気化させる気化器と、加熱され、その熱が前記気化器に伝導するとともに、該気化器で気化された気体が供給されて反応を起こす化学反応器と、を備える反応装置を動作させる方法であって、
前記化学反応器の温度を温度センサによって検知し、検知した温度に基づき前記気化器への前記液体材料の供給流量を供給器によって制御して、前記化学反応器の温度を所定の設定温度に維持させることを特徴とする。

請求項１２に係る発明は、請求項１１に記載の反応装置の動作方法において、
前記温度センサによって検知された温度が前記設定温度を超えている場合に前記気化器への前記液体材料の供給流量を前記供給器によって増加させ、前記温度センサによって検知された温度が前記設定温度未満である場合に前記気化器への前記液体材料の供給流量を前記供給器によって減少させ、前記温度センサによって検知された温度が前記設定温度に等しい場合に前記気化器への前記液体材料の供給流量を前記供給器によって維持させることを特徴とする。

請求項１３に係る発明は、請求項１１又は１２に記載の反応装置の動作方法において、
前記化学反応器が前記気化器で気化された気体から改質反応によって水素を生成する改質器を有することを特徴とする。

請求項１４に係る発明は、請求項１１に記載の反応装置の動作方法において、
投入された電力により発熱するとともにその熱を前記化学反応器及び前記気化器に伝導するように設けられた電気ヒータに対する供給電力を一定にした状態で、前記温度センサによって検知された温度に基づき前記気化器への前記液体材料の供給流量を前記供給器によって制御して、前記化学反応器の温度を前記設定温度に近づけることを特徴とする。

請求項１５に係る発明は、請求項１４に記載の発電装置の動作方法において、
前記電気ヒータへの供給電力を調整するごとに、前記温度センサによって検知された温度に基づいて前記気化器への前記液体燃料の供給流量を前記供給器によって制御して、前記化学反応器の温度を前記設定温度に近づけることを特徴とする。

請求項１６に係る発明は、請求項１４又は１５に記載の発電装置の動作方法において、
前記電気ヒータが前記温度センサを兼ねていることを特徴とする。

本発明によれば、液体材料を気化する気化器と、加熱されて、気化器で気化された気体の反応を起こす化学反応器とを備え、化学反応器の熱が気化器に伝導して気化器が加熱されるように構成され、気化器から化学反応器に送られる気体の流量は化学反応器における反応の量に関係して、反応によって生じる熱によって化学反応器の温度と関係を持つ。これによって、供給器により気化器に送られる液体材料の流量は化学反応器の温度と関係を持つ。温度センサによって検知された化学反応器の温度に基づき供給器の供給流量を制御することは、気化器に送られる液体材料の流量に基づき供給器の供給流量を制御することと同等の効果を得られる。そのため、気化器の前段等に流量計を設けずともすみ、発電装置の小型化を図ることができる。更に、流量計を設けていないので、制御システムを小型化することができ、消費電力も抑えることができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

図１は、本発明の実施形態における発電装置１の全体構成を示したブロック図であり、図２は、本実施形態における発電装置１が搭載された電子機器の一例の外観を示した図面である。
この発電装置１は、例えば図２に示すような電子機器２に搭載されている。ここで、電子機器２は、例えば携帯型の電子機器であって、特にノート型パーソナルコンピュータである。図２(ａ)は電子機器２の上面図、図２（ｂ）は電子機器２の右側面図であり、図２（ｃ）は電子機器２の背面図である。

電子機器２は、キーボード等を備え付けた操作部本体３と、液晶ディスプレイ等を備え付けた表示部本体４とを備える。表示部本体４はヒンジ部５によって操作部本体３に回動可能に連結されており、表示部本体４を操作部本体３に重ねてキーボードに液晶ディスプレイを相対させた状態で電子機器２を折り畳むことができるように構成されている。操作部本体３の背面部には、２つの燃料タンク１０が設けられている。燃料タンク１０には燃料と水が別々に又は混合した状態で収容され、燃料タンク１０が操作部本体３に対して着脱可能に設けられている。燃料タンク１０に収容される燃料としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル等の液体燃料である。

図１に示すように、この発電装置１は燃料タンク１０、発電セル７０及び反応装置等を備える。そして、反応装置は、燃料タンク１０内の燃料と水を吸引して送液する燃料ポンプ１１と、燃料ポンプ１１から送液されてきた燃料と水を気化させる気化器２１と、燃料ポンプ１１と気化器２１の間に介在したバルブ１２と、加熱され、その熱が気化器２１に伝導するとともに、気化器２１で気化されて気化器２１から送られた燃料と水の混合気を反応させて、水素等を生成する化学反応器２０と、化学反応器２０に内蔵されて化学反応器２０を加熱する電気ヒータ兼温度センサ２５，２６と、化学反応器２０に内蔵され、化学反応器２０で生成された水素等を発電セル７０を経由して取り込み（発電セル７０から排出された水素を含むガスをオフガスという。）、取り込んだオフガス中の水素を燃焼（酸化）させてその燃焼熱により化学反応器２０を加熱する触媒燃焼器２４と、燃料電気ヒータ兼温度センサ２５，２６、燃料ポンプ１１、バルブ１２及び電気ヒータ兼温度センサ２５等を制御する制御部７６と、を備える。制御部７６は、発電装置１の制御部と、反応装置の制御部とを兼ねている。燃料ポンプ１１はその供給流量を調整可能なものである。

化学反応器２０は、気化器２１から送られた気化された燃料と水の混合気から主に水素を含む燃料ガス（水素ガスの他、二酸化炭素ガス、一酸化炭素ガス等を含む混合気）を生成する改質器２２と、改質器２２で生成された燃料ガスに含まれる一酸化炭素ガスを酸化により除去する一酸化炭素除去器２３と、改質器２２、一酸化炭素除去器２３及び触媒燃焼器２４を内側に収容する真空断熱パッケージ２７と、を備える。なお、触媒燃焼器２４及び電気ヒータ兼温度センサ２５，２６も真空断熱パッケージ２７に収容されている。

図３（ａ）は化学反応器２０の真空断熱パッケージ２７を破断した状態で化学反応器２０を示した側面図であり、図３（ｂ）は化学反応器２０の下面図である。

真空断熱パッケージ２７の内側が密閉された空間となっており、真空断熱パッケージ２７内に改質器２２、一酸化炭素除去器２３、触媒燃焼器２４、電気ヒータ兼温度センサ２５及び電気ヒータ兼温度センサ２６が収容されている。そして、改質器２２、一酸化炭素除去器２３、触媒燃焼器２４、電気ヒータ兼温度センサ２５及び電気ヒータ兼温度センサ２６が一体とされ、これらの間で熱伝導が起きるようになっている。

気化器２１は真空断熱パッケージ２７を貫通し、気化器２１の一部が真空断熱パッケージ２７内に突出し、気化器２１の他の一部が真空断熱パッケージ２７の外に突出し、一酸化炭素除去器２３に接続されている。更に、真空断熱パッケージ２７をパイプ３１〜３６が貫通している。真空断熱パッケージ２７内の空間は真空圧とされて、真空断熱構造とされて、化学反応器２０の熱損失を低減するように構成される。また、真空断熱パッケージ２７の内面には、外部への放熱を抑制するために、赤外線反射性金属膜を成膜するようにしてもよい。

触媒燃焼器２４の上に改質器２２が搭載され、触媒燃焼器２４で発生した燃焼熱が改質器２２に伝導するようになっている。触媒燃焼器２４と改質器２２の間に電気ヒータ兼温度センサ２６が設けられ、電気ヒータ兼温度センサ２６には配線２６ａが接続され、配線２６ａが真空断熱パッケージ２７を貫通して外まで延出している。電気ヒータ兼温度センサ２６は電気抵抗と温度に相関関係をもつ電熱材を有し、そのため電気ヒータ兼温度センサ２６はその電熱材の電熱特性によりヒータとして機能し、更にその電熱材の電気抵抗−温度特性により温度センサとして機能する。そのため、電気ヒータ兼温度センサ２６は、改質器２２の温度を検知して検知温度を電気信号に変換するとともに、改質器２２を加熱する。電気ヒータ兼温度センサ２６で検知された温度は電気信号として制御部７６（図１に図示）に出力される。なお、電気ヒータ兼温度センサ２６が電気ヒータと温度センサを兼ねているものであるが、電気ヒータと温度センサを別々にし、電気ヒータと温度センサを触媒燃焼器２４と改質器２２の間に設けても良い。

改質器２２の内部には流路が形成され、その流路に改質触媒が担持されている。触媒燃焼器２４の内部にも流路が形成され、その流路に燃焼触媒が担持されている。

また、流路基板２８の上に一酸化炭素除去器２３が搭載され、流路基板２８と一酸化炭素除去器２３との間に電気ヒータ兼温度センサ２５が設けられている。電気ヒータ兼温度センサ２５には配線２５ａが接続され、配線２５ａが真空断熱パッケージ２７を貫通して外まで延出している。電気ヒータ兼温度センサ２５は電気抵抗と温度に相関関係をもつ電熱材を有する。そのため、電気ヒータ兼温度センサ２５は、一酸化炭素除去器２３の温度を検知して検知温度を電気信号に変換するとともに、一酸化炭素除去器２３を加熱する。
電気ヒータ兼温度センサ２５で検知された温度は電気信号として制御部７６（図１に図示）に出力される。なお、電気ヒータ兼温度センサ２５が電気ヒータと温度センサを兼ねているものであるが、電気ヒータと温度センサを別々にし、電気ヒータと温度センサを流路基板２８と一酸化炭素除去器２３の間に設けても良い。

一酸化炭素除去器２３の内部には流路が形成され、その流路に選択酸化触媒が担持されている。流路基板２８の下に気化器２１及びパイプ３１〜３６が連結されている。更に、触媒燃焼器２４と流路基板２８はブリッジ２９を介して連結されている。そのため、触媒燃焼器２４の燃焼熱がブリッジ２９を通じて流路基板２８、気化器２１及び一酸化炭素除去器２３にも伝導する。また、流路基板２８には流路が設けられている。

また、パイプ３４及びパイプ３５は空気を取り込むものである。パイプ３４を通じて取り込まれた空気は流路基板２８及びブリッジ２９を通って触媒燃焼器２４に送られる。パイプ３５を通じて取り込まれた空気は流路基板２８を通って一酸化炭素除去器２３に送られる。

気化器２１は管材２１ａの内側に海綿状又は多孔質状の吸液材２１ｂを充填させてなるものであり、吸液材２１ｂに燃料と水の混合液が吸液され、吸液材２１ｂに吸液された混合液が触媒燃焼器２４の燃焼熱や電気ヒータ兼温度センサ２５，２６の電熱により気化されて、その混合気が吸液材２１ｂから蒸散する。この気化動作は気化熱を吸収する吸熱作用を有する。
気化器２１で気化された混合気は流路基板２８及びブリッジ２９を通って改質器２２に送られ、改質器２２において主に水素を含む燃料ガスが生成される。燃料タンク１０内の燃料がメタノールの場合、改質器２２では反応式（１）、（２）で示すような改質反応が起きる。この改質反応は吸熱反応である。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂ …（１）
Ｈ₂＋ＣＯ₂→Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ …（２）

改質器２２で生成された燃料ガスはブリッジ２９及び流路基板２８を通って一酸化炭素除去器２３に送られる。そして、一酸化炭素除去器２３において空気と燃料ガスが混合し、一酸化炭素が選択的に酸化されて、除去される。

一酸化炭素除去器２３で一酸化炭素が除去された水素を含む燃料ガスは流路基板２８及びパイプ３１を通って発電セル７０の燃料極に送られる。発電セル７０の燃料極で使用されなかった水素を含む燃料ガスは、オフガスとしてパイプ３２、流路基板２８及びブリッジ２９を通って触媒燃焼器２４に送られる。触媒燃焼器２４において水素と空気が混合し、触媒により燃焼が生じる。触媒燃焼器２４で生成された排ガスはブリッジ２９及びパイプ３３を通って排出される。

図１に示すように、空気ポンプ６２は、外部の空気を、フィルタ６１を通じて吸引して、バルブ６３，６５，６７へ送る。フィルタ６１には空気中の塵埃が捕捉される。バルブ６３は、空気ポンプ６２からパイプ３５を通じて一酸化炭素除去器２３へ送られる空気の流量を調整するものである。流量計６４は、バルブ６３から一酸化炭素除去器２３へ送られる空気の流量を検知して電気信号に変換するものである。流量計６４により検知された流量の電気信号はドライバ・アンプ７５によって制御部７６に出力される。

バルブ６５は、空気ポンプ６２からパイプ３４を通じて触媒燃焼器２４へ送られる空気の流量を調整するものである。流量計６６は、バルブ６５から触媒燃焼器２４へ送られる空気の流量を検知して電気信号に変換するものである。流量計６６により検知された流量の電気信号はドライバ・アンプ７５によって制御部７６に出力される。

バルブ６７は、空気ポンプ６２から発電セル７０の酸素極へ送られる空気の流量を調整するものである。流量計６８は、バルブ６７から発電セル７０へ送られる空気の流量を検知して電気信号に変換するものである。流量計６８により検知された流量の電気信号は制御部７６に出力される。

発電セル７０は、燃料極と、酸素極と、燃料極と酸素極の間に挟持された電解質膜とを備える。燃料極に送られたガス中の水素と、酸素極に送られた空気中の酸素が、電解質膜を介して電気化学反応をすることにより、発電セル７０において電力が取り出される。なお、電解質膜が水素イオン透過性の電解質膜（例えば、固体高分子電解質膜）の場合には、燃料極では次式（３）のような反応が起き、燃料極で生成された水素イオンが電解質膜を透過し、酸素極では次式（４）のような反応が起こる。
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（３）
２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ …（４）

ＤＣ／ＤＣコンバータ７２は、発電セル７０により取り出された電気エネルギーを適切な電圧に変換したのちに電子機器２の各部（制御部７６、ドライバ、バルブ、センサ等）に供給する。更に、ＤＣ／ＤＣコンバータ７２は、発電セル７０により取り出された電気エネルギーを２次電池７３に充電したり、２次電池７３に蓄電された電気エネルギーを電子機器２の各部に供給したりする。

制御部７６は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を有したマイクロコンピュータである。制御部７６は、ＲＯＭに格納されたプログラムをＣＰＵで実行することによって燃料ポンプ１１、バルブ１２、空気ポンプ６２、バルブ６３、バルブ６５、バルブ６７，電気ヒータ兼温度センサ２６、電気ヒータ兼温度センサ２５及びＤＣ／ＤＣコンバータ７２を制御する。

ドライバ１３は、制御部７６の制御信号を増幅して燃料ポンプ１１を駆動するものである。ドライバ６９は、制御部７６の制御信号を増幅して空気ポンプ６２を駆動するものである。ドライバ・アンプ７５は、電気ヒータ兼温度センサ２５で検知された温度の電気信号を増幅して制御部７６に出力するとともに、制御部７６の制御信号を増幅して電気ヒータ兼温度センサ２５に電力を供給して電気ヒータ兼温度センサ２５を発熱させるものである。ドライバ・アンプ７４は、電気ヒータ兼温度センサ２６で検知された温度の電気信号を増幅して制御部７６に出力するとともに、制御部７６の制御信号を増幅して電気ヒータ兼温度センサ２６に電力を供給して電気ヒータ兼温度センサ２６を発熱させるものである。

次に、図４〜図５に示されたフローチャートを用いて、気化器２１に供給される燃料と水の混合液の流量の制御に係わる、制御部７６の制御による発電装置１の動作について説明する。ここで、図４〜図５は、本実施形態における発電装置１に備わる制御部７６による処理の流れを示したフローチャートである。また、図６は、温度制御ルーチンの処理の流れを示したフローチャートであり、図７は、燃料と水の混合液の供給流量の制御ルーチンの処理の流れを示したフローチャートである。
まず、制御部７６は電気ヒータ兼温度センサ２５，２６により改質器２２及び一酸化炭素除去器２３の温度制御を行う（ステップＳ１）。ステップＳ１においては、制御部７６が図６に示すようなサブルーチンを実行する。即ち、図６に示すように、制御部７６はドライバ・アンプ７４，７５により電気ヒータ兼温度センサ２５，２６に電力を供給しつつ、電気ヒータ兼温度センサ２５，２６よって検知された温度をフィードバックしながら電気ヒータ兼温度センサ２５，２６への供給電力を増減する（ステップＳ５１）。これにより、制御部７６は、改質器２２（電気ヒータ兼温度センサ２６）及び一酸化炭素除去器２３（電気ヒータ兼温度センサ２５）を設定温度になるように制御する。改質器２２及び一酸化炭素除去器２３が設定温度になったら（ステップＳ５３：Ｙｅｓ）、制御部７６は図６に示すサブルーチンを終了する。なお、改質器２２の設定温度は一酸化炭素除去器２３の設定温度よりも高い。

続いて、制御部７６が空気ポンプ６２を稼働させると（ステップＳ３）、一酸化炭素除去器２３及び発電セル７０に空気が送られる。続いて、制御部７６は、カウンタ値Ｎを１にセットする（ステップＳ５）。そして、制御部７６は、電気ヒータ兼温度センサ２５，２６の供給電力をＮ／１０に対応した電力に設定する（ステップＳ７）。続いて、制御部７６は、燃料ポンプ１１を制御して、燃料タンク１０から気化器２１へ供給される混合液の流量を制御する（ステップＳ９）。燃料タンク１０から気化器２１へ混合液が供給されることで、気化器２１においては混合液が気化し、改質器２２においては水素等が生成され（上述の化学反応式（１）、（２）参照）、一酸化炭素除去器２３においては一酸化炭素が酸化により除去される。

ステップＳ９においては、制御部７６が図７に示すようなサブルーチンを実行する。まず、制御部７６は例えば１００ｍｓ待ち（ステップＳ６１）、電気ヒータ兼温度センサ２５，２６により測定された改質器２２・一酸化炭素除去器２３の測定温度を設定温度と比較する（ステップＳ６３、ステップＳ６５）。改質器２２・一酸化炭素除去器２３の測定温度が設定温度に等しい場合には（ステップＳ６３：Ｎｏ、ステップＳ６５：Ｎｏ）、制御部７６は燃料ポンプ１１による混合液の供給流量を維持し、サブルーチンが終了する。

一方、改質器２２・一酸化炭素除去器２３の測定温度が設定温度未満である場合には（ステップＳ６３：Ｙｅｓ）、制御部７６が燃料ポンプ１１を制御して所定量の例えば１００分の１だけ流量を減らす（ステップＳ６７）。また、改質器２２・一酸化炭素除去器２３の測定温度が設定温度を超えている場合には（ステップＳ６３：Ｎｏ、ステップＳ６５：Ｙｅｓ）、制御部７６が燃料ポンプ１１を制御して所定量の１００分の１だけ流量を増やす（ステップＳ６９）。ここで、燃料タンク１０から気化器２１へ供給される混合液の流量を減らした場合、気化器２１において気化される混合液の量が減少し、気化動作における吸熱量が減少して温度が上昇する。また、改質器２２に供給される気化された燃料と水の混合気の量が減少して、改質器２２における改質反応の量が減少し、改質反応は吸熱反応であるために改質器２２の温度が上昇し、一酸化炭素除去器２３の温度もこれに応じて上昇する。一方、燃料タンク１０から気化器２１へ供給される混合液の流量を増やした場合、気化器２１において気化される混合液の量が増加し、気化動作における吸熱量が増加して温度が低下する。また、改質器２２に供給される気化された燃料と水の混合気の量が増加して、改質器２２における改質反応の量が増加し、改質反応は吸熱反応であるために改質器２２の温度が低下し、一酸化炭素除去器２３の温度もこれに応じて低下する。制御部７６は混合液の供給流量を増減した後（ステップＳ６７、ステップＳ６９の後）、燃料ポンプ１１による混合液の推定流量がそのときの規定量の８０〜１２０％の範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ７１）。燃料ポンプ１１による混合液の推定流量がそのときの規定量の８０〜１２０％の範囲内である場合には（ステップＳ７１：Ｙｅｓ）、制御部７６の処理がステップＳ６１に戻る。燃料ポンプ１１による混合液の推定流量がそのときの規定量の８０〜１２０％の範囲内でない場合には（ステップＳ７１：Ｎｏ）、制御部７６は燃料流量エラー通知を行い（ステップＳ７３）、サブルーチンが終了する。このような図７に示したサブルーチンによって、所望の流量（そのときの規定量）の混合液が気化器２１に送り込まれる状態が実現し、改質器２２・一酸化炭素除去器２３の温度も設定温度に収束していく。以上のようなステップＳ９において図７に示すサブルーチンが行われるに際して、制御部７６はステップＳ７において設定した電気ヒータ兼温度センサ２５，２６の供給電力を一定に維持している。

次いで、制御部７６は、カウンタ値Ｎが１０であるか否かを判定する（ステップＳ１１）カウンタ値Ｎが１０でない場合（ステップＳ１１：Ｎｏ）、制御部７６はカウンタ値Ｎに１を加算して（ステップＳ１３）、制御部７６の処理がステップＳ７に戻り、カウンタ値Ｎが１０である場合（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、制御部７６の処理がステップＳ１５に移行する。以上のステップＳ１１及びステップＳ１３の処理によって、カウンタ値Ｎが１ずつ加算されてカウンタ値Ｎが１０になるまで、ステップＳ７及びステップＳ９の処理が繰り返される。ここで、本実施形態の発電装置１においては、燃料ポンプ１１から供給される混合液の供給流量を直接検出する流量計等を有していないが、燃料ポンプ１１の駆動量（駆動電圧、駆動時間）に基づいて、大まかな供給量を算出することができる。

制御部７６の処理がステップＳ１５に移行するまでは、触媒燃焼器２４において水素の燃焼が未だに起こっていないので、気化器２１及び改質器２２に要するエネルギーは、電気ヒータ兼温度センサ２５，２６によって供給されている。一方、制御部７６の処理がステップＳ１５に移行する時点で、改質器２２、一酸化炭素除去器２３を経て発電セル７０に水素を含む燃料ガスが送られ、発電セル７０において電力が取り出される（上述の電気化学反応式（３）、（４）を参照。）

次に、図５に示すように、制御部７６はバルブ６５を制御して、触媒燃焼器２４に供給する空気の流量を所定量の例えば１０分の１にする（ステップＳ１５）。続いて、制御部７６は、カウンタ値Ｍを１にセットする（ステップＳ１７）。そして、制御部７６はバルブ６５を制御して、触媒燃焼器２４に供給する空気の流量を所定量のＭ／１０にする（ステップＳ１９）。この時、触媒燃焼器２４における燃焼による単位時間の発熱量は、供給する空気の流量によって定まる。

続いて、制御部７６は電気ヒータ兼温度センサ２５，２６により改質器２２及び一酸化炭素除去器２３の温度制御を行う（ステップＳ２１）。即ち、図６に示すように、制御部７６はドライバ・アンプ７４，７５により電気ヒータ兼温度センサ２５，２６に電力を供給しつつ、電気ヒータ兼温度センサ２５，２６よって検知された温度をフィードバックしながら電気ヒータ兼温度センサ２５，２６への供給電力を増減する（ステップＳ５１）。これにより、制御部７６は、改質器２２及び一酸化炭素除去器２３を設定温度になるように制御する。なお、ステップＳ５１においては、触媒燃焼器２４による熱によって改質器２２及び一酸化炭素除去器２３が加熱されているので、ステップＳ５１においては、制御部７６は、電気ヒータ兼温度センサ２５，２６の供給電力の減少を主に行う。

電気ヒータ兼温度センサ２５，２６による改質器２２及び一酸化炭素除去器２３の測定温度が設定温度になったら（ステップＳ５３）、制御部７６は、カウンタ値Ｍが１０であるか否かを判定する（ステップＳ２３）。カウンタ値Ｍが１０でない場合（ステップＳ２３：Ｎｏ）、制御部７６はカウンタ値Ｍに１を加算して（ステップＳ２５）、制御部７６の処理がステップＳ１９に戻り、カウンタ値Ｍが１０である場合（ステップＳ２３：Ｙｅｓ）、制御部７６の処理がステップＳ２７に移行する。以上のステップＳ２３及びステップＳ２５の処理によって、カウンタ値Ｍが１ずつ加算されてカウンタ値Ｍが１０になるまで、ステップＳ１９及びステップＳ２１の処理が繰り返される。このような処理の繰り返しによって、触媒燃焼器２４による発熱量が増えていき、電気ヒータ兼温度センサ２５，２６による供給電力（発熱量）が減少する。

制御部７６の処理がステップＳ２７に移行した時点では、改質器２２、一酸化炭素除去器２３及び気化器２１に必要な単位時間当たりの熱量の約９０％は、触媒燃焼器２４における発熱量で賄われ、残りの１０％は電気ヒータ兼温度センサ２５，２６の発熱量によって賄われている。そのため、エネルギーの利用効率が非常に高い。

続いて、制御部７６は電気ヒータ兼温度センサ２５，２６の供給電力を、設定流量に応じた所定量に設定する（ステップＳ２７）。続いて、制御部７６は、電気ヒータ兼温度センサ２５，２６によって検知された温度に基づき、燃料ポンプ１１を制御して混合液の供給流量を制御する（ステップＳ２９）。ここでの燃料ポンプ１１の制御処理は、図７に示したサブルーチンと同じである。

以上により、発電装置１の起動直後における制御部７６の処理が終了する。以上の起動直後においては、電気ヒータ兼温度センサ２５，２６への供給電力、燃料ポンプ１１の駆動速度（混合液の供給流量）、バルブ６５の開度（触媒燃焼器２４への空気の供給流量）を急に増加させずに少しずつ増加させて、改質器２２・一酸化炭素除去器２３の温度が上昇しすぎないようにして、改質器２２・一酸化炭素除去器２３の触媒の劣化などが起こらないようにしている。

発電装置１の起動直後における制御部７６の処理が終了した後、発電装置１は定常状態で動作する。定常動作においては、制御部７６が図７に示したルーチンを定期的に行う。このように、図７に示すように制御部７６が電気ヒータ兼温度センサ２５，２６による改質器２２・一酸化炭素除去器２３の測定温度をフィードバックして燃料ポンプ１１による供給流量を制御することによって、改質器２２・一酸化炭素除去器２３が所定の設定温度に保たれる。

本実施形態によれば、気化器２１の温度を測定する温度センサや、気化器２１に送られる混合液の流量を測定する流量計がなくとも、改質器２２に投入するエネルギーを一定にして、測定温度を一定に保つよう混合液の流量を制御する事により規定量の燃料供給が可能となり、高効率で安定したシステム動作が実現できる。

また、気化器２１に前段等に流量計を設けていないので、発電装置１の小型化を図ることができる。更に、流量計を設けていないので、制御システムを小型化することができ、消費電力も抑えることができる。

また、電気ヒータ兼温度センサ２５，２６によって検知された改質器２２・一酸化炭素除去器２３の温度に基づき燃料ポンプ１１の供給流量を制御することは、気化器２１に送られる液体材料の流量に基づき燃料ポンプ１１の供給流量を制御することと同等の効果を得られる。そのため、気化器２１用の流量計やヒータを設置せずとも、混合液の供給流量の制御を行うことができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行っても良い。

燃料タンク１０の燃料と水の混合液を気化器２１に供給するとともにその供給流量を調整可能な供給器は燃料ポンプ１１を有するものであるが、更にその供給器がバルブ１２を有するものとし、燃料ポンプ１１の駆動速度及びバルブ１２の開度を制御部７６によって調整することによって、気化器２１への供給流量を調整するようにしても良い。

空気ポンプ６２を一酸化炭素除去器２３、触媒燃焼器２４、発電セル７０について共通化し、触媒燃焼器２４への空気供給器は空気ポンプ６２及びバルブ６５を有するものとしているが、一酸化炭素除去器２３、触媒燃焼器２４及び発電セル７０に空気ポンプを個別に用意しても良い。一酸化炭素除去器２３、触媒燃焼器２４及び発電セル７０に対して空気ポンプを個別にした場合、バルブ６５，６３，６７を設けずに、それぞれの空気ポンプの駆動速度を制御部７６によって調整することによって、一酸化炭素除去器２３、触媒燃焼器２４及び発電セル７０に供給する空気の流量を調整しても良い。この場合、触媒燃焼器２４に個別に用意された空気ポンプが空気供給器となる。勿論、一酸化炭素除去器２３、触媒燃焼器２４及び発電セル７０に対して空気ポンプを個別にした場合、バルブ６５，６３，６７を設けても良い。

本発明に係る発電装置の一実施形態を示すブロック図である。 本実施形態における発電装置が搭載された電子機器の一例の外観を示した図面である。 本実施形態における発電装置に備わる化学反応器を示した図面である。 本実施形態における発電装置に備わる制御部による処理の流れを示したフローチャートである。 図４の続きの処理の流れを示したフローチャートである。 図４、図５に示された温度制御ルーチンの処理の流れを示したフローチャートである。 図４、図５に示された混合液の供給流量の制御ルーチンの処理の流れを示したフローチャートである。

符号の説明

１ 発電装置
１１ 燃料ポンプ（供給器）
２０ 化学反応器
２１ 気化器
２２ 改質器
２４ 触媒燃焼器
２６ 電気ヒータ兼温度センサ（電気ヒータ、温度センサ）
７０ 発電セル（発電セル）
７６ 制御部

Claims (16)

1. 液体材料を気化させる気化器と、
   前記液体材料を前記気化器に供給するとともにその供給流量を調整可能な供給器と、
   加熱され、その熱が前記気化器に伝導するとともに、該気化器で気化された気体が供給されて反応を起こす化学反応器と、
   前記化学反応器の温度を検知する温度センサと、
   前記温度センサによって検知された温度に基づき前記供給器から前記気化器への前記供給器による前記液体材料の供給流量を制御して、前記化学反応器の温度を所定の設定温度に維持させる制御部と、を備えることを特徴とする反応装置。
2. 前記制御部は、前記温度センサによって検知された温度が前記設定温度を超えている場合に前記供給器による供給流量を増加させ、前記温度センサによって検知された温度が前記設定温度未満である場合に前記供給器による供給流量を減少させ、前記温度センサによって検知された温度が前記設定温度に等しい場合に、前記供給器による供給流量を維持することを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
3. 前記化学反応器は、前記気化器で気化された気体から改質反応によって水素を生成する改質器を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の反応装置。
4. 前記反応装置は、投入された電力により発熱するとともにその熱を前記化学反応器及び前記気化器に伝導するように設けられた電気ヒータを更に備え、
   前記制御部は、前記電気ヒータへの供給電力を一定にした状態で前記温度センサによって検知された温度に基づき前記供給器による供給流量を制御して、前記化学反応器の温度を前記設定温度に維持させることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
5. 前記制御部は前記電気ヒータへの供給電力を調整するごとに、前記温度センサによって検知された温度に基づいて前記供給器による供給流量を制御して、前記化学反応器の温度を前記設定温度に維持させることを特徴とする請求項４に記載の反応装置。
6. 前記電気ヒータが前記温度センサを兼ねていることを特徴とする請求項４又は５に記載の反応装置。
7. 前記化学反応器で生成された燃料ガスは、該燃料ガスに含まれる水素を用いて電力を取り出す発電セルに供給され、
   前記反応装置は、更に、前記発電セルから排出されるオフガス中の水素を燃焼させ、その燃焼熱を前記化学反応器及び前記気化器に伝導するように設けられた燃焼器を備え、
   前記制御部は、前記燃焼器において所定量の燃焼熱が生成されている状態で、前記電気ヒータへの供給電力を一定にした状態で、前記温度センサによって検知された温度に基づき前記供給器による供給流量を制御して、前記化学反応器の温度を前記設定温度に維持させることを特徴とする請求項４に記載の反応装置。
8. 液体材料を気化させる気化器と、
   前記液体材料を前記気化器に供給するとともにその供給流量を調整可能な供給器と、
   加熱され、その熱が前記気化器に伝導するとともに、該気化器で気化された気体が供給されて反応を起こす化学反応器と、
   前記化学反応器で生成された燃料ガスが供給され、その燃料ガスに含まれる水素を用いて電力を取り出す発電セルと、
   前記化学反応器の温度を検知する温度センサと、
   前記温度センサによって検知された温度に基づき前記供給器から前記気化器への前記供給器による前記液体材料の供給流量を制御して、前記化学反応器の温度を所定の設定温度に維持させる制御部と、を備えることを特徴とする発電装置。
9. 前記制御部は、前記温度センサによって検知された温度が前記設定温度を超えている場合に前記供給器による供給流量を増加させ、前記温度センサによって検知された温度が前記設定温度未満である場合に前記供給器による供給流量を減少させ、前記温度センサによって検知された温度が前記設定温度に等しい場合に、前記供給器による供給流量を維持することを特徴とする請求項８に記載の発電装置。
10. 前記発電装置は、投入された電力により発熱するとともにその熱を前記化学反応器及び前記気化器に伝導するように設けられた電気ヒータを更に備え、
    前記化学反応器は、前記発電セルから排出されるオフガス中の水素を燃焼させ、その燃焼熱を前記化学反応器及び前記気化器に伝導するように設けられた燃焼器を備え、
    前記制御部は、前記電気ヒータへの供給電力を一定にした状態で前記温度センサによって検知された温度に基づき前記供給器による供給流量を制御して、前記化学反応器の温度を前記設定温度に維持させることを特徴とする請求項８に記載の発電装置。
11. 液体材料を気化させる気化器と、加熱され、その熱が前記気化器に伝導するとともに、該気化器で気化された気体が供給されて反応を起こす化学反応器と、を備える反応装置を動作させる方法であって、
    前記化学反応器の温度を温度センサによって検知し、検知した温度に基づき前記気化器への前記液体材料の供給流量を供給器によって制御して、前記化学反応器の温度を所定の設定温度に維持させることを特徴とする反応装置の動作方法。
12. 前記温度センサによって検知された温度が前記設定温度を超えている場合に前記気化器への前記液体材料の供給流量を前記供給器によって増加させ、前記温度センサによって検知された温度が前記設定温度未満である場合に前記気化器への前記液体材料の供給流量を前記供給器によって減少させ、前記温度センサによって検知された温度が前記設定温度に等しい場合に前記気化器への前記液体材料の供給流量を前記供給器によって維持させることを特徴とする請求項１１に記載の反応装置の動作方法。
13. 前記化学反応器が前記気化器で気化された気体から改質反応によって水素を生成する改質器を有することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の反応装置の動作方法。
14. 投入された電力により発熱するとともにその熱を前記化学反応器及び前記気化器に伝導するように設けられた電気ヒータに対する供給電力を一定にした状態で、前記温度センサによって検知された温度に基づき前記気化器への前記液体材料の供給流量を前記供給器によって制御して、前記化学反応器の温度を前記設定温度に近づけることを特徴とする請求項１１に記載の反応装置の動作方法。
15. 前記電気ヒータへの供給電力を調整するごとに、前記温度センサによって検知された温度に基づいて前記気化器への前記液体燃料の供給流量を前記供給器によって制御して、前記化学反応器の温度を前記設定温度に近づけることを特徴とする請求項１４に記載の反応装置の動作方法。
16. 前記電気ヒータが前記温度センサを兼ねていることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の反応装置の動作方法。

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