JP2008247688A - 気化装置及びその駆動制御方法並びにそれを備える発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の気化動作における脈動の発生を抑制することができる気化装置及びその駆動制御方法、並びに、これを備えて安定した発電性能を得ることのできる発電装置を提供する。
【解決手段】発電装置１００は、液体燃料及び水が供給されて加熱により気化する気化装置３と、気化装置３に水を供給する水用ポンプＰ１と、気化装置３に液体燃料を供給する燃料用ポンプＰ２と、水用ポンプＰ１及び燃料用ポンプＰ２の供給動作を制御する制御部６と、気化装置３の温度を検出する温度センサＦ１と、水用ポンプＰ１によって気化装置３に供給される水の流量を検出する第一の流量計Ｆ１と、を備える。制御部６は、温度センサ３７によって、予め加熱された気化装置３の検出温度が水の気化温度に適する所定温度以上となった後に、水の供給動作を開始させ、その後、水の流量が所定流量で一定となったときに、液体燃料の供給動作を開始させ、気化した水及び液体燃料を利用して発電させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体の水及び液体燃料を加熱して気化する気化装置及びその駆動制御方法に関するとともに、気化装置によって気化した水及び燃料を用いて発電する発電セルを備える発電装置に関する。

近年、ノート型ＰＣや携帯電話等の携帯機器に搭載が期待される発電装置が開発されている。発電装置には、メタノールと水とが混合された燃料を貯留する燃料タンクと、燃料と水とを加熱して気化する気化装置と、気化した水及び燃料を化学反応させて水素ガスを生成する反応装置と、反応装置により生成された水素ガスを基に発電を行う発電セル等が設けられている。反応装置には、気化装置で気化した蒸気燃料を改質し水素ガスを生成する改質器や、改質器で副生成物として生成された一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器等を備えている。
ここで、従来の気化装置としては、例えば特許文献１に示すように、原料を通過させる多孔質体の充填層を内蔵し、この充填層の外套に加熱源を具備するとともに、温度を制御する温度制御器を有している。そして、加熱源を熱することで、長手方向に向かって気液の相変化を行うように構成されている。また、安定的に液体燃料を気化させる手段として、上記構成の気化装置を二台以上直列に接続し、各気化装置の温度制御器は独立して温度を制御できるようになっている。
特開２００２−３４６３７２号公報

ところで、発電装置においては、燃料の安定供給が重要な課題であり、特に改質器は化学反応のプロセスであるので、改質器に供給する燃料ガスの供給が不安定になると、発電セルに供給する水素ガスの生成量や組成比が不安定となり、発電性能が安定しなくなるという問題がある。つまり、未気化燃料である液体が改質器に供給されると、改質器で急激に気化して脈動が生じるという問題がある。そのため、改質器には安定して蒸気燃料を供給することが要求されており、気化装置において液体燃料を十分に気化することが必要である。
そこで、上述の特許文献１に示すような加熱した多孔質体に燃料を充填し気化させる構造の気化装置においては、予め気化装置内の多孔質体を予熱しておき、多孔質体の加熱側先端を燃料の沸点を超える十分な温度に保つことで、起動時の燃料投入の際に未気化燃料が液滴として吐出する挙動を回避することが一般的である。
このような未気化燃料の吐出を回避する場合の起動時のフローチャートの一例として図６に示す。まず、加熱源である電源をＯＮにし（ステップＦ２１）、気化装置の温度を所定温度まで昇温させる（ステップＦ２２）。次いで、気化装置が目標温度に予熱されたか否かを判断し（ステップＦ２３）、目標温度に到達した後に液体ポンプを作動させて液体燃料を気化装置に供給する（ステップＦ２４）。

しかしながら、液体燃料が充填されていない多孔質体を加熱すると、加熱先端側（下流側）だけではなく燃料供給側（上流側）の多孔質体部位も高温となってしまう。そして、高温となっている多孔質体に向かって液体燃料を供給すると、液体燃料が多孔質体に接触した瞬間に沸騰による気体の発生と膨張が起こり、液面は上流側に押し下げられる。そして、次第に気体の凝縮と上流側からの送液ポンプによる流路内圧力の上昇によって液面は再び下流側へ進行し始めるという動作を繰り返すことが観察される。この現象は、多孔質体を介して熱伝達を行い、液体の気化を行う気化装置では共通に発生する挙動であり、上記特許文献１に示す気化装置においても同様に発生するという問題がある。そして、この接液による気体の膨張と凝縮によって、燃料流量は大きく変動し、下流側の改質器に供給される蒸気燃料にも脈動が発生し、改質器と接続しているときにこのような挙動を示した場合、燃料供給が不安定となる。その結果、さらに下流側の発電セルに供給する水素ガスの生成量や組成比が不安定となり、発電性能が不安定となるという問題がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、燃料の気化動作における脈動の発生を抑制することができる気化装置及びその駆動制御方法、並びに、これを備えて安定した発電性能を得ることのできる発電装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、
液体燃料及び水が供給され、供給された前記液体燃料及び水を加熱して気化する加熱部を有する気化部と、
前記気化部に水を供給する水供給部と、
前記気化部に前記液体燃料を供給する燃料供給部と、
前記水供給部及び前記燃料供給部の供給動作を制御する制御部と、
前記加熱部の温度を検出する温度検出部と、
前記水供給部によって前記気化部に供給される水の流量を検出する流量検出部と、を備え、
前記制御部は、前記水供給部における水の供給動作を開始させた後、前記流量検出部によって検出した水の流量が所定時間継続して目標流量に対する所定範囲内となったときに、前記燃料供給部における前記液体燃料の供給動作を開始させる手段を備えることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の気化装置において、
前記制御部は、前記水供給部によって前記気化部に初期的に供給する際の水の初期流量を、定常状態における目標流量以上とし、前記流量検出部によって検出した水の流量が前記目標流量に対する所定範囲内となったときに、前記気化部に供給する水の流量を、前記初期流量から前記目標流量に変更するように制御する手段を備えることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１に記載の気化装置において、
前記制御部は、まず前記加熱部の加熱を開始し、前記温度検出部による前記加熱部の検出温度が水の気化温度に適する所定温度以上となった後に、前記水供給部による水の供給動作を開始させることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れか１項に記載の気化装置において、
前記流量検出部によって検出した水の流量が、少なくとも１秒間継続して、前記目標流量の±１０％以内となったときに、前記流量検出部によって検出した水の流量が前記目標流量で一定となったとして、前記燃料供給部における前記液体燃料の供給動作を開始させることを特徴とする。
請求項５の発明は、気化部に供給された液体燃料及び水を気化する気化装置の駆動制御方法であって、
前記気化部への水の供給を開始し、
前記気化部に供給される水の流量を検出して、検出された水の流量が所定時間継続して目標流量に対する所定範囲内となったときに、前記気化部への前記液体燃料の供給を開始するように制御することを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項５に記載の駆動制御方法において、
前記気化部に供給された前記液体燃料及び水を加熱して気化する加熱部の加熱を開始し、前記加熱部の温度を検出し、前記加熱部の温度が水の気化温度に適する所定温度以上となった後に、前記気化部への水の供給を開始することを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項５又は６に記載の駆動制御方法において、
前記気化部への水の供給動作において、前記気化部に初期的に供給する水の初期流量を、定常状態における目標流量以上とし、
前記検出された水の流量が前記目標流量に対する所定範囲内となったときに、前記気化部に供給する水の流量を、前記初期流量から前記目標流量に変更するように制御することを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項５乃至７の何れか１項に記載の駆動制御方法において、
前記検出された水の流量が、少なくとも１秒間継続して、前記目標流量の±１０％以内となったときに、該検出された水の流量が前記目標流量で一定となったと判断することを特徴とする。
請求項９の発明は、発電装置において、
供給された液体燃料及び水を気化した混合ガスを生成する気化装置と、
前記混合ガスが供給されて反応を起こし、発電用ガスを生成する化学反応器と、
前記化学反応器で生成された発電用ガスが供給され、該発電用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、
を備え、
前記気化装置は、
前記液体燃料及び水が供給され、供給された前記液体燃料及び水を加熱して気化する加熱部を有する気化部と、
前記気化部に水を供給する水供給部と、
前記気化部に前記液体燃料を供給する燃料供給部と、
前記加熱部の温度を検出する温度検出部と、
前記水供給部によって前記気化部に供給される水の流量を検出する流量検出部と、
前記水供給部における水の供給動作を開始させ、その後、前記流量検出部によって検出した水の流量が目標流量に対する所定範囲内となったときに、前記燃料供給部における前記液体燃料の供給動作を開始させる制御部と、
を備えることを特徴とする。
請求項１０の発明は、請求項９に記載の発電装置において、
前記制御部は、前記水供給部によって前記気化部に初期的に供給する際の水の初期流量を、定常状態における目標流量以上とし、前記目標流量に対する所定範囲内となったときに、前記気化部に供給する水の流量を、前記初期流量から前記目標流量に変更するように制御する手段を備えることを特徴とする。
請求項１１の発明は、請求項９に記載の発電装置において、
前記制御部は、まず前記加熱部の加熱を開始し、前記温度検出部による前記気化部の検出温度が水の気化温度に適する所定温度以上となった後に、前記水供給部による水の供給動作を開始させることを特徴とする。
請求項１２の発明は、請求項９乃至１１の何れか１項に記載の発電装置において、
前記流量検出部によって検出した水の流量が、少なくとも１秒間継続して、前記目標流量の±１０％以内となったときに、前記流量検出部によって検出した水の流量が前記目標流量で一定となったとして、前記燃料供給部における前記液体燃料の供給動作を開始させることを特徴とする。
請求項１３の発明は、請求項９乃至１２の何れか１項に記載の発電装置において、
前記化学反応器は、
前記混合ガスが供給され、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部と、
前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去して前記発電用ガスを生成する一酸化炭素除去部と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、液体の水及び液体燃料を確実に気化させて化学反応器に安定的に供給することができ、また、これにより安定した発電性能を得ることのできる発電装置を提供することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、発電装置１００の基本構成を示したブロック図である。
発電装置１００は、発電用の水を貯留する水タンク１と、発電用の液体燃料を貯留する燃料タンク２と、水タンク１及び燃料タンク２から供給された水及び液体燃料を気化する気化装置（気化部）３と、水タンク１から気化装置３に水を供給する水用ポンプ（水供給部）Ｐ１と、燃料タンク２から気化装置３に液体燃料を供給する燃料用ポンプＰ２（燃料供給部）と、気化装置３で気化された水及び液体燃料の混合ガスから改質ガスを生成する反応装置４と、反応装置４で生成した改質ガスを利用して発電を行う発電セル５、発電装置１００全体を制御する制御部６等、を備えている。
液体燃料は、化学燃料単体、あるいは化学燃料と水との混合物であり、化学燃料としては、例えばメタノール、エタノール等のアルコール類やジメチルエーテル等のエーテル類、ガソリンといった水素原子を含む化合物を使用することができる。本実施の形態では、メタノール等の化学燃料を用いるものとする。なお、化学燃料と水との混合物としては、例えばメタノールと水とが均一に混合した混合物が化学反応材料として用いられる。

水タンク１には、送出用の水用ポンプＰ１が連結されるとともに、その下流側には水用ポンプＰ１から送り出される水の流量を検出する第一の流量計（流量検出部）Ｆ１及び第一のバルブＶ１が設けられている。燃料タンク２には、送出用の燃料用ポンプＰ２が連結されるとともに、その下流側には燃料用ポンプＰ２から送り出される液体燃料の流量を検出する第二の流量計Ｆ２及び第二のバルブＶ２が設けられている。第一及び第二の流量計Ｆ１，Ｆ２の下流側には上流側から順番に、混合器７、気化装置３、反応装置４及び発電セル５が設けられている。

混合器７は、水タンク１及び燃料タンク２から供給された水と液体燃料を混合するものであり、第一及び第二の流量計Ｆ１，Ｆ２に連結されている。

図２は、気化装置３の概略構成を示す断面図である。
気化装置３は、予め加熱しておき、所定温度以上となったときに液体の水が供給され、水の脈動が収縮して目標流量となり、その目標流量で安定した時点でメタノール等の液体燃料を供給し、このようにして供給した水及びメタノール等の液体燃料を加熱して気化し、混合ガスを生成するものである。
気化装置３は、吸液部３１、収縮性チューブ３２、排出部３３、弾性チューブ３４、加熱部３５、断熱ケース３６及び温度センサ（温度検出部）３７を備えている。
気化装置３は、水用ポンプＰ１及び燃料用ポンプＰ２から弾性チューブ３４を介して吸液部３１に水及び液体燃料が供給され、排出部３３において加熱部３５の熱により吸液部３１内の水及び液体燃料を加熱し、気化した液体燃料及び水蒸気を排出部３３の排出口３３２から排出して、反応装置４（図１参照）に供給するものである。そして、反応装置４で水素ガスが生成されて、発電セル５（図１参照）に供給される。

吸液部３１は、棒状、具体的には例えば円柱状に形成された多孔質体からなる芯材であり、排出部３３の嵌入部３３１に挿入されている。吸液部３１は、図１に示す水用ポンプＰ１及び燃料用ポンプＰ２から弾性チューブ３４を介して供給される液体状の水及び液体燃料を吸収し、排出部３３の排出口３３２側へ浸透させるものである。多孔質体としては、例えば、アクリル系繊維等の無機繊維又は有機繊維を結合材（例えばエポキシ樹脂）で固めたものや、無機粉末を焼結したもの、無機粉末を結合材で固めたもの、グラファイトとグラッシーカーボンの混合体、無機繊維又は有機繊維からなる多数本の糸材を束ねて結合材で固めたものなどを適用することができる。また、上記の材料を複数種類混合したものを多孔質体として用いることも可能である。

収縮性チューブ３２は、その内部に吸液部３１が嵌入されていて、収縮性チューブ３２の内周面と吸液部３１の外周面とが密着している。収縮性チューブ３２の長さは、吸液部３１の長さよりも短く、吸液部３１の下流側端部（加熱先端側の端部）が収縮性チューブ３２の下流側端部から突き出た位置に配置されている。収縮性チューブ３は、加熱前に熱収縮性を有する材料（例えばポリオレフィン、ポリフッ化ビニリデン等）により形成されている。加熱前に予め収縮性チューブ３２内に吸液部３１を挿入してから加熱することで、収縮性チューブ３２を収縮させ、収縮性チューブ３２と吸液部３１とを隙間なく密着させている。なお、上記において、吸液部３１は円柱状としたが、これに限らず、例えば四角柱、六角柱等の角柱状であってもよい。

排出部３３は、吸液部３１の下流側端部側に設けられ、後述する発熱体３５１の熱を吸液部３１に伝導する。この排出部３３は、例えば金属により形成されていて、吸液部３１の収縮性チューブ３２により覆われていない部分を覆うように、吸液部３１が嵌入されている。この排出部３３には、吸液部３１が嵌入される嵌入部３３１と、嵌入部３３１に連なって下流側端部に位置する排出口３３２と、嵌入部３３１及び排出口３３２の継ぎ目外縁から突出したフランジ部３３３とが一体的に設けられており、吸液部３１の嵌入部３３１の下流側へ浸透した液体燃料が加熱部３５によって加熱され、気化されて排出口３３２から排出される。嵌入部３３１は吸液部３１が嵌入されるよう筒状に形成されていている。排出口３３２は、嵌入部３３１の下流側略中央に形成されており、嵌入部３３１の内径よりも小さい直径となっている。フランジ部３３３には、温度センサ３７が挿入される挿入穴３３４が径方向に沿って形成されている。なお、上記において、排出部３３は金属により形成されるとしたが、排出部３３は嵌入された吸液部３１に加熱部３５による熱を供給するとともに、挿入穴３３４に挿入される温度センサ３７に吸液部３１の温度を良好に伝熱する役割を有しており、金属の他、熱伝導率が比較的高い材料で形成するようにしてもよい。

弾性チューブ３４は、その一端部の内部に排出部３３の上流側端部（燃料導入側端部）及び収縮性チューブ３２が嵌入されていて、排出部３３の上流側端部及び収縮性チューブ３２の外周面と弾性チューブ３４の内周面とが密着している。そして、弾性チューブ３４の他端部は、収縮性チューブ３２の上流側端部から延出していて、水が送出される水用ポンプＰ１及び液体燃料が送出される燃料用ポンプＰ２に連結されている。

加熱部３５は、排出部３３における嵌入部３３１の下流側端部を覆い、吸液部３１の嵌入部３３１の下流側へ浸透した液体燃料を加熱するように配置されている。加熱部３５は、例えば加熱コイルからなる発熱体３５１と、発熱体３５１を被覆する耐熱性の接着剤３５２とから構成されている。発熱体３５１は嵌入部３３１の下流側端部周囲に巻かれており、接着剤３５２によって被覆されている。なお、上記において、加熱部３５は加熱コイルからなる発熱体３５１と接着剤３５２とからなるとしたが、嵌入部３３１を加熱して排出部３３に嵌入された吸液部３１を加熱する機能を有するものであればよく、例えばシート状の発熱体を嵌入部３３１に巻き付けた構成を有するものであってもよい。

断熱ケース３６は、例えば樹脂からなり、内部の温度を維持するために、弾性チューブ３４の下流側端部及び排出部３３の上流側（一端側）を覆って、加熱部３５を覆っている。これにより、断熱ケース３６の先端部からは弾性チューブ３４の先端部が突出していて、断熱ケース３６の下流側端部からは排出部３３の排出口３３２が露出している。また、断熱ケース３６には、フランジ部３３３の挿入穴３３４と連通する連通口３６１が形成されている。

温度センサ３７は、熱電対、サーミスタ又は測温抵抗体であり、断熱ケース３６の連通口３６１を介して排出部３３の挿入穴３３４に埋め込まれている。温度センサ３７には、温調器３７１が接続されており、温調器３７１は加熱コイルからなる発熱体３５１を発熱させる電源３７２（図１参照）に接続され、温調器３７１により排出部３３のフランジ部３３３を介して伝わる吸液部３１の先端部分の温度を検出するようになっている。

図１に示す反応装置４は、化学反応式（１）に示すように気化装置３で気化した水と液体燃料とを加熱することで、水素を含有するガスに改質させる改質器４１と、発電セル５の燃料極から供給された発電に使用されずに余った水素ガス及びエアポンプから供給された空気を基に改質器４１を加熱する燃焼器４２と、化学反応式（１）に次いで逐次的に起こる化学反応式（２）によって微量に生成される一酸化炭素を、化学反応式（３）に示すように、改質器４１から供給されたガス及びエアポンプから供給された空気を基に酸化させて除去して水素ガスを抽出する一酸化炭素除去器４３と、が備えられている。燃焼器４２から排出された排気ガスは、外部に排気されるようになっている。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ_２・・・（１）
Ｈ_２＋ＣＯ_２→Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ・・・（２）
２ＣＯ＋Ｏ_２→２ＣＯ_２・・・（３）

発電セル５は、一酸化炭素除去器４３から供給され、加湿器（図示しない）により加湿され燃料極に供給された水素ガスを、電気化学反応式（４）に示すように燃料極の触媒微粒子の作用により水素イオンと電子とに分離する。水素イオンは固体高分子電解質膜を通じて酸素極に伝導し、電子は燃料極により電気エネルギー（発電電力）として取り出される。一方、エアポンプＰ３から供給されて加湿器（図示しない）により加湿された酸素極に供給された空気は、電気化学反応式（５）に示すように、酸素極に移動した電子と、空気中の酸素と、固体高分子電解質膜を通過した水素イオンとが反応して水が生成される。そして、発電に使用されずに余った水素ガスは発電セル５の燃料極から燃焼器４２に送られて、当該燃焼器４２の燃焼に用いられる。また、発電セル５の酸素極から排出された排気ガスは、外部に排気されるようになっている。
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻・・・（４）
２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ・・・（５）

制御部６は、例えば汎用のＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等から構成されているものである。制御部６には、水用ポンプＰ１、燃料用ポンプＰ２及びエアポンプＰ３が図示しないドライバを介して電気的に接続され、これら水用ポンプ１、燃料用ポンプＰ２及びエアポンプＰ３の各ポンピング動作（送出量の調整を含む）を制御している。
また、制御部６には、第一及び第二のバルブＶ１，Ｖ２が図示しないドライバを介して電気的に接続され、第一及び第二の流量計Ｆ１，Ｆ２も電気的に接続されている。制御部６は、第一及び第二の流量計Ｆ１，Ｆ２の測定結果を受けて水及び液体燃料の流量を認識でき、第一及び第二のバルブＶ１，Ｖ２の開閉動作（開き量の調整を含む）を制御している。
そして、制御部６は、気化装置３、改質器４１、燃焼器４２及び一酸化炭素除去器４３を加熱する発熱体がドライバを介して電気的に接続され、制御部６は、発熱体の発熱量とその停止とを制御するとともに、温度によって変化する発熱体の抵抗値を計測することによって気化装置３、改質器４１、燃焼器４２及び一酸化炭素除去器４３の各反応器の温度を検出することができるようになっている。発熱体は、発電装置１００の起動時に気化装置３、改質器４１、燃焼器４２及び一酸化炭素除去器４３をそれぞれ適正な温度に加熱するものであって、燃焼器４２が燃焼を開始して安定して加熱できるようになったら、停止あるいは熱量を低減させても良い。

また、制御部６は、気化装置３の起動時に、まず、気化装置３の温度が所定温度（例えば、水の沸点）以上であるか否か（目標温度に予熱されたか否か）を判断し、所定温度以上であれば、水用ポンプＰ１を作動させ第一のバルブＶ１を開放して水のみを気化装置３に供給する。なお、初期的に供給する水の流量は、定常状態における目標流量と等しい量とする。ここで、予め吸液部３１を所定温度以上まで加熱することによって、蒸発潜熱を得られない水が蒸発しきれずに液滴の状態で改質器４１に投入されることを防止することができる。また、予め加熱しておいた吸液部３１に、水を供給することで高温となった上流側の吸液部３１の温度を下げることができる。初期的には水の流量は変動するものの、液体燃料となるメタノールは供給されないので、下流側の改質器４１に未改質メタノールの供給がなされない。
ただし、液体である水が充填されていない吸液部３１を予め加熱すると、加熱先端側だけでなく水の供給側も高温となり、その吸液部３１に向かって水を供給すると、水が吸液部３１に接触した瞬間に沸騰による気体の発生と膨張が起こり、吸液部３１の液面が上流側に押し下げられる。その後、膨張した気体は、次第に温度の低下による気体の凝縮と上流側からの水用ポンプＰ１による流路内の圧力の上昇によって、液面が下流側へと進行し、再び吸液部３１に接液する。このように吸液部３１への接液による気体の膨張と凝縮が発生すると、液体である水の流量が大きく変動し、それに伴って下流側にある改質器４１に供給される蒸気にも流量変動が発生し、改質反応が不安定となり、生成される水素及び発電性能が不安定となる。

そこで、制御部６は、さらに、第一の流量計Ｆ１の値が目標流量に対する所定の範囲内に収まって、一定量になったとみなせる状態となったことを判断したら、燃料用ポンプＰ２も作動させて第二のバルブＶ２を開放し液体燃料の供給も行う。
第一の流量計Ｆ１の値が一定量になったとみなせる状態になったか否かの判断として、例えば、第一の流量計Ｆ１の値が所定時間（例えば１秒間）継続して目標流量の±１０％となったときに、一定量であると判断させるように設定すれば良く、具体的には、目標流量よりも１０％多い流量を第一の閾値とし、目標流量よりも１０％少ない流量を第二の閾値とし、所定の時間（例えば１秒間）、第一の流量計Ｆ１を流れる水の流量が第一の閾値と第二の閾値との間であることを検出したときに、第一の流量計Ｆ１の値が一定量になったと判断する。

ここで、所定時間の間、目標流量の±１０％となったときに、水の流量が一定量になったとみなしてよいと根拠として、例えば図３に示すように、水の目標流量値を２１．７μl/minとした場合、±１０％の範囲は１９．５μl/min〜２３．８μl/minであり、水の供給開始から約１７秒後に、概ね１秒間以上、上記目標流量値の１０％の範囲内の流量値になっていることが認められる。なお、図３中に示したメタノールの目標流量値は２１．７μl/min、このときの±１０％の範囲は３６．４μl/min〜４４．５μl/minである。そして、この水の流量値が一定量となったとみなした時点からメタノールの供給を開始することによって、メタノールの流量は送液を開始してから目標流量の±１０％の範囲内の流量に収束していることが認められる。
なお、水の流量は、実際には、特に気化装置３への供給開始直後では非常に短い周期で大きく変動し、その後も細かく変動しているものであるが、流量計では、通常、このような短い周期での流量の変動は検出されないため、図３に示しているような流量値及びその変化は、実際には流量の平均レベルを示している。すなわち、本発明における水の流量が一定量になったか否かの判断は、水の流量の平均レベルに対して行うものである。
このように予め水を気化装置３に供給しておき、気化装置３の温度が充分に高くなり、かつ、第一の流量計Ｆ１による流量が目標流量で一定となったことで、吸液部３１の上流側が十分に冷却されたと判断し、ここで液体燃料を気化装置３に供給することによって、気化装置３で気化した水及び液体燃料からなる混合ガスを改質器４１に定量的に送ることができる。

なお、気化装置３の起動時とは、気化装置３へ液体の供給が停止している状態から液体を供給し蒸気を吐出させ定常状態へ移動するまでのことを示し、液体を気化装置３に供給している間は、必ずしも気化装置３が所定温度（沸点）を超える温度に保たれている必要はない。また、気化装置３の起動動作は発電装置１００の起動とは別に考えられるものであり、発電装置１００の作動中に、気化装置３への液体供給が絶たれ、再度供給される過程でも、上述したような気体の膨張及び凝縮といった現象が生じるため、このような場合も気化装置３の起動とみなすことができる。

次に、発電装置１００の動作について、図１及び図４を参照して詳細に説明する。図３は、発電装置１００における気化装置３の起動動作を示したフローチャートである。
まず、外部電子機器から通信用端子、通信用電極を介して制御部６に作動信号が入力されることによって発電装置１００が作動する。これにより制御部６が、エアポンプＰ３を作動させ、気化装置３の加熱部３５の電源３７２をＯＮにし（ステップＳ１）、温調器３７１によって吸液部３１の温度を検出し、検出結果に基づいて所定温度となるように温度制御を行う（ステップＳ２）。また、改質器４１、燃焼器４２、及び一酸化炭素除去器４３の各発熱体も同様に発熱させ、所定温度となるように温度制御する。
そして、ステップＳ３において、制御部６は、気化装置３が所定温度（水が気化するのに充分な温度）以上であれば、水用ポンプＰ１の作動及び第一のバルブＶ１の切替動作を行う（ステップＳ４）。このように気化装置３の起動時には、水用ポンプＰ１のみ作動し、気化装置３において水が蒸発されて、第一の流量計Ｆ１の流量が目標流量で一定となったことを検出すると（ステップＳ５）、燃料用ポンプＰ２を作動し、液体燃料も気化装置３に供給する（ステップＳ６）。
以上のようにして気化装置３に供給された液体燃料及び水は加熱されて気化（蒸発）し、燃料ガス及び水蒸気の混合ガスとなって改質器４１に供給される。

改質器４１では、気化装置３から供給された混合ガス中のメタノールと水蒸気が触媒により反応して二酸化炭素及び水素が生成される（上記化学反応式（１）参照））。また、改質器４１では、化学反応式（１）についで逐次的に一酸化炭素が生成される（上記化学反応式（２）参照）。そして、改質器４１で生成された一酸化炭素、二酸化炭素及び水素等からなる混合気が一酸化炭素除去器４３に供給される。

一酸化炭素除去器４３では、改質器４１から供給された混合気中の一酸化炭素と水蒸気から二酸化炭素及び水素が生成されたり、混合気の中から特異的に選択された一酸化炭素と、エアポンプから供給された空気に含まれる酸素とが反応して二酸化炭素が生成されたり（上記化学反応式（３）参照）して、混合気中の一酸化炭素が除かれる。

このように気化装置３、改質器４１及び一酸化炭素除去器４３を経て二酸化炭素と水素が生成される。生成された改質ガス（二酸化炭素及び水素等）は、加湿器により加湿され、発電セル５の燃料極に供給される。
発電セル５では、燃料極に供給された水素ガスと、エアポンプＰ３から供給されて加湿器により加湿された酸素極に供給された空気とを基に発電し、電力を外部に供給する。

以上のように、予め気化装置３の吸液部３１を加熱しておき、水の気化温度に適する所定温度以上となった後で、水用ポンプＰ１を作動させて気化装置３に水を供給する。予め吸液部３１を所定温度以上まで加熱することによって、供給した水が蒸発せずに液滴の状態で改質器４１へ供給されることを防止できる。そして、改質器４１内部の温度低下、消費電力の上昇、転化率の減少など、改質器４１における改質ガスの流量・組成比の不安定にする要因をなくすことができる。また、液体燃料よりも先に水を吸液部３１に供給することで、予め加熱しておいた吸液部３１の上流側端部の温度を低下させることができる。
また、第一の流量計Ｆ１によって水の流量が目標流量で一定となったときに、燃料用ポンプＰ２を作動させて気化装置３に液体燃料を供給するので、吸液部３１に液体燃料を安定して送ることができる。その結果、気化装置３において水及び液体燃料を確実に気化させて、気化した水及び液体燃料による混合ガスを改質器４１に安定して送ることができ、改質器４１における安定した改質反応によって、さらに下流側の発電セル５における発電性能の安定化を図ることができる。

次に、実施例について説明する。
（比較例）
図２に示す気化装置を160℃に加熱し、40μl/min相当（水：14.4μl/min、メタノール：27.0μl/min）のメタノール水溶液（60wt%）を、従来の図６に示すフローチャートに従い供給した結果、メタノール水溶液を供給後、吸液部に接液した時点で液面が押し下げられるとき、流量が4μl/minまで落ち込み、その後急激に流量が増加して最大76μl/minの流量が流れる。このような流量の増減を数度繰り返し、接液から約30秒後に目標流量に収束する挙動が見られた。なお、使用した吸液部（多孔質体）の径は、約１．５ｍｍ、長さは約４ｍｍである。
（本発明例１）
比較例と同様に図２に示す気化装置を160℃に加熱した。そして、40μl/min相当（水：14.4μl/min、メタノール：27.0μl/min）のメタノール水溶液（60wt%）を、図４に示すフローチャートに従い供給した結果、初期的に水の流量は79.6μl/minまで上昇し、その後振動しながら振幅は小さくなり、接液から約80秒後に目標流量に収束した。次いで、メタノールを気化装置に供給すると、その後約20秒で目標流量まで上昇した。液体燃料であるメタノールの流量は送液を開始してから目標流量よりも多く流れることはなく安定的に目標流量まで上昇させることができた。

図５は、発電装置１００における気化装置３の起動動作のフローチャートとして変形例を示したものである。図５に示すように、気化装置３の起動動作として、制御部６は、気化装置３の起動時に供給する水の初期流量Ｌ２を定常状態での目標流量Ｌ１よりも多く供給するように制御する。具体的に説明すると、ステップＳ１１〜ステップＳ１３は、上述の図４に示すステップＳ１〜ステップＳ３と同様であり、ステップＳ１３で気化装置３が所定温度以上であれば、ステップＳ１４で水用ポンプＰ１を作動させて水の供給を開始する。このときに供給する水の初期流量Ｌ２を定常状態における目標流量Ｌ１よりも多くし、第一の流量計Ｆ１の流量が目標流量Ｌ１で一定となったことを検出すると（ステップＳ１５）、燃料用ポンプＰ２を作動し、液体燃料も気化装置３に供給する（ステップＳ１６）。その後、水用ポンプＰ１から供給する水の流量を初期流量Ｌ２から目標流量Ｌ１に変更する（ステップＳ１７）。このように起動時に供給する水の初期流量Ｌ２を定常状態の目標流量Ｌ１よりも多く供給することで、初期的な気化潜熱量が減少することなく、水の供給時から流量変動が収束するまでの時間を短縮することができる。その結果、液体燃料の気化装置３への安定供給をより早く行うことができる。

（本発明例２）
図５に示すフローチャートの一例として、上記本発明例１と同様に、図２に示す気化装置を160℃に加熱し、40μl/min相当（水：14.4μl/min、メタノール：27.0μl/min）のメタノール水溶液（60wt%）を、図５に示すフローチャートに従って、起動時に供給する水の初期流量Ｌ２を目標流量Ｌ１の2倍にして供給すると、水が脈動していた時間が約３４秒であった。さらに、起動時に供給する水の初期流量Ｌ２を目標流量Ｌ１の３倍にして供給すると、水が脈動していた時間は約１８秒であった。
この結果から、上述の本発明例１のように起動時に供給する水の初期流量を目標流量と等しい流量とした場合（図４参照）は、脈動していた時間が約80秒であったのに対して、本発明例２のように水の初期流量Ｌ２を目標流量Ｌ１よりも多くすることによって（図５参照）、短時間で多くの吸熱を与えることができ、水が吸液部に接液してから流量変動が収束するまでの時間を約34秒や約18秒のように短縮できることが認められる。

発電装置１００の基本構成を示したブロック図である。 気化装置３の概略構成を示す断面図である。 水及びメタノールの流量と時間との関係を示したグラフである。 発電装置１００における気化装置３の起動動作を示したフローチャートである。 発電装置１００における気化装置３起動動作のフローチャートとして変形例を示したものである。 従来の発電装置における気化装置の起動動作を示したフローチャートである。

符号の説明

３ 気化装置（気化部）
５ 発電セル
６ 制御部
３７ 温度センサ（温度検出部）
４１ 改質器（改質部）
４３ 一酸化炭素除去器（一酸化炭素除去部）
１００ 発電装置
Ｐ１ 水用ポンプ（水供給部）
Ｐ２ 燃料用ポンプ（燃料供給部）
Ｆ１ 第一の流量計（流量検出部）
Ｌ１ 目標流量
Ｌ２ 初期流量

Claims (13)

1. 液体燃料及び水が供給され、供給された前記液体燃料及び水を加熱して気化する加熱部を有する気化部と、
   前記気化部に水を供給する水供給部と、
   前記気化部に前記液体燃料を供給する燃料供給部と、
   前記水供給部及び前記燃料供給部の供給動作を制御する制御部と、
   前記加熱部の温度を検出する温度検出部と、
   前記水供給部によって前記気化部に供給される水の流量を検出する流量検出部と、を備え、
   前記制御部は、前記水供給部における水の供給動作を開始させた後、前記流量検出部によって検出した水の流量が所定時間継続して目標流量に対する所定範囲内となったときに、前記燃料供給部における前記液体燃料の供給動作を開始させる手段を備えることを特徴とする気化装置。
2. 前記制御部は、前記水供給部によって前記気化部に初期的に供給する際の水の初期流量を、定常状態における目標流量以上とし、前記流量検出部によって検出した水の流量が前記目標流量に対する所定範囲内となったときに、前記気化部に供給する水の流量を、前記初期流量から前記目標流量に変更するように制御する手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の気化装置。
3. 前記制御部は、まず前記加熱部の加熱を開始し、前記温度検出部による前記加熱部の検出温度が水の気化温度に適する所定温度以上となった後に、前記水供給部による水の供給動作を開始させることを特徴とする請求項１に記載の気化装置。
4. 前記流量検出部によって検出した水の流量が、少なくとも１秒間継続して、前記目標流量の±１０％以内となったときに、前記流量検出部によって検出した水の流量が前記目標流量で一定となったとして、前記燃料供給部における前記液体燃料の供給動作を開始させることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の気化装置。
5. 気化部に供給された液体燃料及び水を気化する気化装置の駆動制御方法であって、
   前記気化部への水の供給を開始し、
   前記気化部に供給される水の流量を検出して、検出された水の流量が所定時間継続して目標流量に対する所定範囲内となったときに、前記気化部への前記液体燃料の供給を開始するように制御することを特徴とする駆動制御方法。
6. 前記気化部に供給された前記液体燃料及び水を加熱して気化する加熱部の加熱を開始し、前記加熱部の温度を検出し、前記加熱部の温度が水の気化温度に適する所定温度以上となった後に、前記気化部への水の供給を開始することを特徴とする請求項５に記載の駆動制御方法。
7. 前記気化部への水の供給動作において、前記気化部に初期的に供給する水の初期流量を、定常状態における目標流量以上とし、
   前記検出された水の流量が前記目標流量に対する所定範囲内となったときに、前記気化部に供給する水の流量を、前記初期流量から前記目標流量に変更するように制御することを特徴とする請求項５又は６に記載の駆動制御方法。
8. 前記検出された水の流量が、少なくとも１秒間継続して、前記目標流量の±１０％以内となったときに、該検出された水の流量が前記目標流量で一定となったと判断することを特徴とする請求項５乃至７の何れか１項に記載の駆動制御方法。
9. 供給された液体燃料及び水を気化した混合ガスを生成する気化装置と、
   前記混合ガスが供給されて反応を起こし、発電用ガスを生成する化学反応器と、
   前記化学反応器で生成された発電用ガスが供給され、該発電用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、
   を備え、
   前記気化装置は、
   前記液体燃料及び水が供給され、供給された前記液体燃料及び水を加熱して気化する加熱部を有する気化部と、
   前記気化部に水を供給する水供給部と、
   前記気化部に前記液体燃料を供給する燃料供給部と、
   前記加熱部の温度を検出する温度検出部と、
   前記水供給部によって前記気化部に供給される水の流量を検出する流量検出部と、
   前記水供給部における水の供給動作を開始させ、その後、前記流量検出部によって検出した水の流量が目標流量に対する所定範囲内となったときに、前記燃料供給部における前記液体燃料の供給動作を開始させる制御部と、
   を備えることを特徴とする発電装置。
10. 前記制御部は、前記水供給部によって前記気化部に初期的に供給する際の水の初期流量を、定常状態における目標流量以上とし、前記目標流量に対する所定範囲内となったときに、前記気化部に供給する水の流量を、前記初期流量から前記目標流量に変更するように制御する手段を備えることを特徴とする請求項９に記載の発電装置。
11. 前記制御部は、まず前記加熱部の加熱を開始し、前記温度検出部による前記気化部の検出温度が水の気化温度に適する所定温度以上となった後に、前記水供給部による水の供給動作を開始させることを特徴とする請求項９に記載の発電装置。
12. 前記流量検出部によって検出した水の流量が、少なくとも１秒間継続して、前記目標流量の±１０％以内となったときに、前記流量検出部によって検出した水の流量が前記目標流量で一定となったとして、前記燃料供給部における前記液体燃料の供給動作を開始させることを特徴とする請求項９乃至１１の何れか１項に記載の発電装置。
13. 前記化学反応器は、
    前記混合ガスが供給され、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部と、
    前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去して前記発電用ガスを生成する一酸化炭素除去部と、
    を備えることを特徴とする請求項９乃至１２の何れか１項に記載の発電装置。

Images