JP2009123430A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を減らして小型化及びコスト削減を図ることのできる発電システムを提供する。
【解決手段】発電システム３００は、燃料３を貯蔵する複数の燃料容器１００Ａ，１００Ｂと、複数の燃料容器１００Ａ，１００Ｂから供給される燃料３を用いて発電する発電セル２２０と、複数の燃料容器１００Ａ、１００Ｂ内に圧力を加えることによって発電セル２２０に燃料３を送液する燃料送液手段（燃料送液管２５１Ａ，２５１Ｂ、送液ポンプＰ１）と、複数の燃料容器１００Ａ，１００Ｂのうち、燃料送液手段によって圧力を加える所定の燃料容器１００Ａ，１００Ｂを選択する加圧選択手段（第一、第二のバルブＶ１，Ｖ２）と、を備える。そして、各燃料容器１００Ａ，１００Ｂ内の圧力に応じて、複数の燃料容器１００Ａ，１００Ｂのうち所定の燃料容器（１００Ａ又は１００Ｂ）から発電セル２２０に燃料３を送液する。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の燃料容器から燃料が送液されることにより発電する発電システムに関する。

近年では、携帯電話機、ノート型パーソナルコンピュータ、デジタルカメラ、腕時計、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）、電子手帳等といった小型電子機器がめざましい進歩・発展を遂げている。電子機器の電源として、アルカリ乾電池、マンガン乾電池といった一次電池又はニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池、リチウムイオン電池といった二次電池が用いられている。今日では、高いエネルギー利用効率を実現できる燃料電池についての研究・開発が盛んに行われている。

燃料電池は、燃料と酸素とを電気化学的に反応させて化学エネルギーを電気エネルギーに変換するものであり、このような燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料カートリッジを搭載しているものがある。燃料カートリッジを搭載した燃料電池システムにおいて、内部の残量に応じて燃料カートリッジを交換できるような構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−３４７０４０号公報

一方、燃料電池では、燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する電気化学反応を利用しているので、該反応において副生成物として水等が生成される。水は電気化学反応される燃料の量に応じて生成されるので量的に無視できず、全てを水蒸気として外部に排出する場合、水蒸気となる熱量を発生する熱源を要し、また排出する際にシステム自体が濡れやすくなり扱いにくかった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池等で生成される副生成物を効率的に回収することのできる発電システム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、
燃料を貯蔵する燃料容器と、
前記燃料容器から供給される燃料を用いて発電する発電部と、
前記燃料容器内に圧力を加えることによって前記発電部に燃料を送液する燃料送液部と、
前記燃料送液部によって圧力を加える所定の燃料容器を選択する加圧選択部と、を備えることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発電システムにおいて、
前記燃料容器は複数あり、
前記燃料送液部は、
各燃料容器の下流側と前記発電部の上流側とをそれぞれ連結する燃料送液路と、
前記燃料送液路に設けられた送液ポンプと、を備え、
前記送液ポンプの数は、送液が可能な燃料容器の数より少ないことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項２に記載の発電システムにおいて、
前記燃料送液部は、
前記燃料送液路のうち、前記送液ポンプの上流側で、各燃料容器に対してそれぞれ設けられ、前記燃料送液路の前記燃料容器側から前記送液ポンプ側への燃料の流出を許容し、前記送液ポンプ側から前記燃料容器側への燃料の流入を阻止する一方向弁、を備えることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電システムにおいて、
前記燃料送液部は、前記発電部による発電によって排出される排出物を前記燃料容器内に導入し、導入した排出物中の気体によってもたらされる圧力損失を利用して、前記燃料容器内に圧力を加えることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電システムにおいて、
前記燃料容器は複数あり、
前記複数の燃料容器のうち、燃料の残量の少ない方の燃料容器を選択するよう前記加圧選択部を制御する制御部を備えることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発電システムにおいて、
前記燃料容器は複数あり、
前記加圧選択部は、前記発電部の下流側と前記燃料容器の上流側とをそれぞれ連結し、前記発電部から排出される排出物を前記燃料容器に導入する排出物導入路と、
前記排出物導入路のうち、各燃料容器に対してそれぞれ設けられた複数のバルブと、を備えることを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の発電システムにおいて、
前記燃料容器に、前記発電部から排出される排出物中の気体を燃料容器内に導入してから前記燃料容器の外部に排出する気体排出部が設けられ、
前記気体排出部に、前記排出物中の気体と液体をそれぞれ分離する気液分離膜が設けられていることを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項１〜７のいずれか一項に記載の発電システムにおいて、
前記燃料容器に、前記発電部から排出される排出物中の気体を導入してから前記燃料容器の外部に排出するキャピラリが設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池等で生成される副生成物を効率的に回収することができる。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されないものとする。
まず、本発明の発電システム３００で用いられる燃料容器１００の構造について説明する。
図１は、燃料容器１００の長手方向に沿って切断した際の側断面図である。
燃料容器１００は、後述の発電部２００と連結自在であって、燃料３を貯蔵する燃料貯蔵部１と、燃料貯蔵部１から供給される燃料３に基づいて発電する発電セル（発電部）２２０から排出された水蒸気及び水４等を含む排出物を冷却して液化された状態で回収する回収部２とを備えている。

燃料容器１００は、内部に空洞からなる燃料貯蔵部１を有する例えば円筒状をなし、燃料貯蔵部１に燃料３が貯蔵されている。燃料３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ガソリンといった水素原子を組成に含む化合物を使用することができる。なお、燃料容器１００は、透明又は半透明で、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、アクリル等の材料から構成されている。
燃料容器１００の長手方向一端面（前面）１００aには、その端面１００aを貫通して、発電部２００に燃料３を送液する燃料送液部１１が凸状に形成されている。

燃料送液部１１には、燃料貯蔵部１内の燃料３を送液するための貫通孔である燃料送液口１２が凸状頭頂部に設けられ、燃料送液部１１を通って燃料貯蔵部１の内から外に不要に燃料３が排出するのを阻止する逆止弁１３が嵌め込まれている。具体的には、逆止弁１３は可撓性・弾性を有する材料をダックビル状に形成したダックビル弁であり、逆止弁１３はそのダックビル状の先端を燃料貯蔵部１の内側に向けた状態で燃料送液部１１に嵌め込まれている。可撓性・弾性を有する材料としては、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）やブチルゴム等が挙げられ、一般的にブチルゴムは高分子の弾性材料の中では低いガス透過性を示すため、より小さいサイズの部品を作るためには実用においてブチルゴムを選択することが好ましい。また、逆止弁１３は機械的な複雑構造を持たないため、容積を小さくすることができ、低コスト化を図ることができる。なお、逆止弁１３には、後述の発電部２００側に設けられた燃料送液管２５１Ａ，２５１Ｂ（図２参照）が挿入される際に燃料貯蔵部１の内と外を連通する挿入孔が予め設けられていても良く、また燃料送液管２５１Ａ，２５１Ｂを挿入することによって初めて挿入孔が形成されるような構造であっても良い。挿入孔が予め設けられている場合、燃料貯蔵部１内に燃料３が充填されていれば、逆止弁１３が燃料貯蔵部１の内部は燃料３の内圧によって、挿入孔の周囲では挿入孔を閉じる方向に力が加わるよう設計され、また弾性復元力のために元の形状に戻ろうとするため挿入孔に挿入された燃料送液管２５１Ａ，２５１Ｂの周囲に隙間が作られないので燃料３が挿入孔から不要に燃料貯蔵部１の外に漏洩することがない。

また、燃料送液路となる燃料送液管２５１Ａ，２５１Ｂ（燃料送液手段）内には、後述するが一方向弁２５２Ａ，２５２Ｂ（燃料送液手段）(図２参照)が設けられ、これら一方向弁２５２Ａ，２５２Ｂの下流側に送液ポンプＰ１（燃料送液手段）が接続されている。
そして、発電部２００の燃料送液管２５１Ａ，２５１Ｂが挿入されることにより、燃料貯蔵部１から燃料送液部１１、燃料送液管（２５１Ａ又は２５１Ｂ）、一方向弁（２５２Ａ又は２５２Ｂ）及び送液ポンプＰ１を介して燃料電池である発電セル２２０側へと燃料３が排出される。

回収部２は、燃料容器１００内に末端仕切材１４が燃料３の末端に接するように収容されることによって形成される燃料容器１００の左側の空間部分とされている。すなわち、末端仕切材１４によって燃料容器１００内が燃料３の貯蔵された領域（燃料貯蔵部１）と燃料３の貯蔵されていない領域（回収部２）とに仕切られている。末端仕切材１４は、高粘性液体であり、ずれ応力（又は、ずれ速度）が増大する見かけの応力が現象する構造粘性流体（異常粘性流体）の性質を有していると良い。具体的には、ポリブテン、流動パラフィン、スピンドル油、その他の鉱油類、ジメチルシリコン油、メチルフェニルシリコン油、その他のシリコン油類、これらの組み合わせを末端仕切材１４として用いることができる。このような末端仕切材１４は、燃料３が燃料送液部１１側を介して燃料容器１００の外部に排出される際、燃料３の排出量に応じて燃料３の末端との間に隙間ができないように燃料送液部１１の方向に追従することが可能である。そのため、末端仕切材１４と燃料容器１００とによって囲まれた空間には、燃料３があるかぎり常に末端仕切材１４と燃料容器１００とによって囲まれた空間には隙間なく燃料３が充填されているため、燃料送液口１２から安定して燃料３を排出することができ、さらに燃料３の揮発を抑えることができる。そして、燃料貯蔵部１内の燃料３が減少するにつれて燃料貯蔵部１内の容積は小さくなるので、相対的に末端仕切材１４の後ろに位置する空間の回収部２の容積が大きくなり、その容積分の水４を含む発電セル２２０及び後述する燃料触媒器２１３からの副生成物を回収することができるようになっている。回収された水４や気体によって回収部２内の圧力は一時的に上昇し、この圧力が末端仕切材１４を介して燃料３にかかり、燃料３が燃料送液口１２から排出しやすい状態となる。また、回収部２には予め水４が少量入れられており、回収部２内に回収されるときの状態が水蒸気であっても予め入っている水４によって冷却されて液化し収縮するので回収部２の容積を抑えながら効率的に水回収を促進している。なお、冷却用として、水４以外の液体や、塩化カルシウム等の薬剤を含む固体であっても構わない。

燃料容器１００の上面で回収部２に面する位置には、その上面１００bを貫通するとともに、燃料容器１００内の回収部２に連通し、後述の発電セル２２０で排出された排出物が導入される排出物導入部１５が、燃料容器１００の上面１００b内に埋設して設けられている。
排出物導入部１５には、回収部２内に発電セル２２０及び燃料触媒器２１３からの排出物が導入されるための貫通孔である排出物導入口１６が設けられ、排出物導入部１５を通って一旦、回収部２の内に供給された排出物のうちの液体が排出物導入部１５から逆流しないよう燃料容器１００の上面１００bに設けられている。また、排出物導入部１５には、回収部２内に排出物を導入するための排出物導入路となる排出物導入管２５３Ａ，２５３Ｂ(図２参照)が挿入されている。

燃料容器１００の長手方向他端面（後面）１００cには、回収部２内に連通する矩形状に開口した気体排出部１７が形成されている。そして、この気体排出部１７を覆うように気液分離機能を有する疎水性多孔質膜を含む気液分離膜１８が貼り付けられている。気体を透過させ且つ液体を透過させない気液分離膜１８は、矩形状の薄膜で、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレート、セルロースアセテートやセルローストリアセテートなどのセルロース系樹脂、ポリエーテルスルホンやポリスルホンなどのポリスルホン系樹脂等からなるものが挙げられる。よって、発電セル２２０及び燃料触媒器２１３から排出された気体のうち、回収部２で冷却されても液化されなかった気体成分（二酸化炭素等）は、気液分離膜１８を介して回収部２の内側と外側とを気体が通過でき、一方、発電セル２２０及び燃料触媒器２１３から排出された水蒸気は回収部２で冷却されて水４として回収部２に留まり、気液分離膜１８を通過して外部に排出されないようになっている。同様に、発電セル２２０及び燃料触媒器２１３から排出された水４も気液分離膜１８を通過しないようになっている。そのため、外部に水４が漏れることがない。

さらに、燃料容器１００には、燃料３の残量を検出する残量検出器１０１Ａ，１０１Ｂ（図２参照）が設けられている。残量検出器１０１Ａ，１０１Ｂとしては、例えば、ＬＥＤとＬＥＤの光を検知するフォトセンサの組みを燃料容器１００を介して両側面に互いに対向するように備え付け、ＬＥＤが出射する光が燃料３を透過してフォトセンサで受光する光量と、末端仕切材１４或いは末端仕切材１４の後方の気体を透過してフォトセンサで受光する光量との差を検知するによって末端仕切材１４の位置、換言すれば燃料の残量を相関的に測定できるように構成したものが挙げられる。

上述の燃料容器１００において、燃料貯蔵部１内の燃料３は、燃料送液部１１を介して後述の発電セル２２０に供給され、この燃料３を利用して電気エネルギーが取り出される。また、発電セル２２０や燃料触媒器２１３で生じた排出物は、排出物導入部１５を介して回収部２に送り込まれる。排出物中の気体内の水蒸気は回収部２内の水４に冷却されて、凝縮されて水４となり、回収部２に回収される。凝縮されなかった気体は、気液分離膜１８を通過して外部へ放出され、水４は液体のために気液分離膜１８を通過できないので回収部２に貯留される。

次に、上述の燃料容器１００と同様の構成をなした第一の燃料容器１００Ａ及び第二の燃料容器１００Ｂと、発電セル２２０を有する発電部２００とを備えた発電システム３００について説明する。図２は、発電システム３００の概略構成を示したブロック図である。なお、以下の説明において、第一の燃料容器１００Ａ及び第二の燃料容器１００Ｂを構成する各構成部分は、上述の燃料容器１００の各構成部分と対応しているので、第一の燃料容器１００Ａについて同様の数字に英字Ａを付し、第二の燃料容器１００Ｂについても、同様の数字に英字Ｂを付している。
また、発電システム３００は、第一及び第二の燃料容器１００Ａ，１００Ｂと、燃料送液管２５１Ａ、２５１Ｂと、一方向弁２５２Ａ、２５２Ｂと、第一のバルブＶ１及び第二のバルブＶ２と、発電部２００と、制御部２３０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０と、２次電池２４１と、第一の燃料容器１００Ａ内の燃料３及び第二の燃料容器１００Ｂ内の燃料３を選択的に発電部２００の気化器２１１に送液する送液ポンプＰ１と、外気から発電システム３００中に空気を導入する空気ポンプＰ２と、を備えている。
発電部２００は、第一及び第二の燃料容器１００Ａ，１００Ｂから送液された燃料３を用いて水素を生成する反応装置２１０と、水素の電気化学反応により電気エネルギーを生成する燃料電池である発電セル２２０と、反応装置２１０で生成された水素を含む改質ガスを加湿して発電セル２２０のアノードに供給する第一の加湿器２２１と、燃料発電セル２２０のカソードに供給する空気を加湿する第二の加湿器２２２と、を備えている。
発電セル２２０の電解質膜は、第一の加湿器２２１及び第二の加湿器２２２によって加湿された空気及び改質ガスにより加湿された状態となっている。第一の改質器２２１及び第二の加湿器２２２への水の供給の開始時期は、反応装置２１０による水素の生成を開始する時期と同時であることが好ましい。このとき反応器２１０で生成される水素は第一の加湿器２２１を通過することによって加湿され、その後発電セルのアノードを通過し、触媒燃焼器２１３に到達する。ここで反応器２１０に投入される燃料の流量は反応器２１０にて生成される水素量が触媒燃焼器２１３で完全に燃焼反応を行える程度の流量に設定されている。制御部２３０は触媒燃焼器２１３での水素の燃焼反応が安定した後に、発電セル２２０による発電を開始する。このような過程を経ることによって、発電セル２２０が発電を行う直前までに電解質膜を良好に加湿することができる。
また発電セル２２０が発電する際に生じる水が電解質膜全体に浸透し続けるのであれば、発電を開始する直前のみであってもよい。

反応装置２１０は、第一の燃料容器１００Ａ又は第二の燃料容器１００Ｂから送液された燃料３を気化させて燃料ガス（気化された燃料と水蒸気の混合気）を生成する気化器２１１と、化学反応式（１）に示すように気化器２１１から供給された燃料ガスを改質して改質ガスを生成する改質器２１２と、化学反応式（１）についで逐次的に起こる化学反応式（２）によって微量に副成される一酸化炭素を、化学反応式（３）に示すように酸化させて除去する一酸化炭素除去器２１４と、化学反応式（１）、（３）の反応及び気化器２１１での気化を良好に行うために必要な温度に設定する燃料触媒器２１３と、を備えている。また、気化器２１１、触媒燃焼器２１３及び一酸化炭素除去器２１４を加熱する電気ヒータとして機能するとともにこれらの温度を測定する温度計としても機能するヒータ兼温度計（図示しない）とを備えている。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ_２・・・（１）
Ｈ_２＋ＣＯ_２→Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ・・・（２）
２ＣＯ＋Ｏ_２→２ＣＯ_２・・・（３）

第一の加湿器２２１は、一酸化炭素除去器２１４から生成された改質ガスを加湿して、発電セル２２０のアノードに供給する。
第二の加湿器２２２は、空気ポンプＰ２から供給された空気を加湿して、発電セル２２０のカソードに供給する。

発電セル２２０は、触媒微粒子を担持したアノードと、触媒微粒子を担持したカソードと、アノードとカソードとの間に介在されたフィルム状の固体高分子電解室膜とを備えている。発電セル２２０のアノードには、一酸化炭素除去器２１４から供給された水素が供給され、発電セル２２０のカソードには、後述の空気ポンプＰ２によって外部から空気が供給される。アノードにおいては、混合気中の水素が、電気化学反応式（４）に示すように、アノード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。水素イオンは固体高分子電解質膜を通じてカソードに伝導し、電子はアノードにより電気エネルギー（発電電力）として取り出される。カソードにおいては、電気化学反応式（５）に示すように、カソードに移動した電子と、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、アノードで未反応の水素を含むオフガスは触媒燃焼器２１３に送られ、触媒燃焼器２１３でさらに余剰の排出物は、第一又は第二の燃料容器１００Ａ，１００Ｂに送られる。また、カソードで生成された水や未反応の空気も排出物として、第一又は第二の燃料容器１００Ａ，１００Ｂに送られる。
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻・・・（４）
２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ・・・（５）

送液ポンプＰ１と第一の燃料容器１００Ａとの間を接続し燃料送液路となる燃料送液管２５１Ａ内に、上記逆支弁１３と逆向きとなるように一方向弁２５２Ａが設けられており、一方向弁２５２Ａはその開閉動作で第一の燃料容器１００Ａから送液ポンプＰ１への燃料３の流通を遮断又は許容するようになっている。また、送液ポンプＰ１と第二の燃料容器１００Ｂとの間を接続し燃料送液路となる燃料送液管２５１Ｂ内にも、上記逆支弁１３と逆向きとなるように一方向弁２５２Ｂが設けられており、一方向弁２５２Ｂはその開閉動作で第二の燃料容器１００Ｂから送液ポンプＰ１への燃料３の流通を遮断又は許容するようになっている。二つの燃料送液管２５１Ａ，２５１Ｂは、一方向弁２５２Ａ，２５２Ｂの下流側で合流した後、送液ポンプＰ１に接続されている。

送液ポンプＰ１は、送液ポンプＰ１の上流側を減圧して下流側を加圧する動作を行い、二つの燃料容器１００Ａ，１００Ｂのうち、各燃料容器１００Ａ，１００Ｂと送液ポンプＰ１との間の圧力差が大きい方の燃料容器(１００Ａ又は１００Ｂ)から燃料３の送液を行う。例えば、第一の燃料容器１００Ａと送液ポンプＰ１との間の圧力差が、第二の燃料容器１００Ｂと送液ポンプＰ１との間の圧力差よりも大きい場合に、一方向弁２５２Ａの挿入孔を開放する方向に力が加わって送液され、一方向弁２５２Ｂは、その挿入孔を閉じる方向に力が加わって送液されない。反対に、第二の燃料容器１００Ｂと送液ポンプＰ１との間の圧力差が、第一の燃料容器１００Ａと送液ポンプＰ１との間の圧力差よりも大きい場合に、一方向弁２５２Ｂの挿入孔を開放する方向に力が加わって送液され、一方向弁２５２Ａは、その挿入孔を閉じる方向に力が加わって送液されない。このように一方向弁２５２Ａ及び一方向弁２５２Ｂが圧力差にしたがって複数の燃料容器１００Ａ，１００Ｂの一方から選択的に燃料が送出されるよう制御されているので複数の燃料容器１００Ａ，１００Ｂに対して送液ポンプＰ１は１つにすることができる。つまり燃料容器の数と同じだけの送液ポンプを持たなくてよい。また一方向弁２５２Ａ及び一方向弁２５２Ｂを電気的に制御しなくてもよいので信号配線の引き回し等の制約がなくなる。
また、一方向弁２５２Ａ，２５２Ｂは、上述した圧力差で自動的に動作するもの以外にも、燃料容器１００Ａ，１００Ｂそれぞれの燃料の残量に応じて制御部２３０が電気的に動作制御するようにしてもよい。このとき、制御部２３０は、後述する第一のバルブＶ１及び第二のバルブＶ２の動作に合わせて一方向弁２５２Ａ，２５２Ｂを動作させる。具体的には、制御部２３０は、一方向弁２５２Ａを開き、一方向弁２５２Ｂを閉じさせている場合、第一のバルブＶ１を開放して第二のバルブＶ２を閉鎖させ、一方向弁２５２Ｂを開き、一方向弁２５２Ａを閉じさせている場合、第二のバルブＶ２を開放して第一のバルブＶ１を閉鎖させる。
すなわち、一方向弁２５２Ａ，２５２Ｂが圧力差に応じて機械的に動作する場合でも、電気的に動作する場合であっても、燃料容器１００Ａ，１００Ｂのうちの一方から燃料を供給している間は、燃料を供給している方の回収部に発電セル２２０及び燃料触媒器２１３からの排出物を一方的に排出する。

また、送液ポンプＰ１と気化器２０１との間には流量計Ｆが接続されている。流量計Ｆは、送液ポンプＰ１を通過した燃料３の流量を測定し、その測定結果となる電気信号を制御部２３０に出力する。

空気ポンプＰ２は、一酸化炭素除去器２１４、発電セル２２０に接続される第二の加湿器２２２、触媒燃焼器２１３に図示しないバルブを介して接続され、バルブは、その開閉動作で空気ポンプＰ２から一酸化炭素除去器２１４、第二の加湿器２２２や触媒燃焼器２１３にそれぞれ空気の流通を遮断又は流量調整を行うようになっている。

触媒燃焼器２１３及び発電セル２２０のカソードと第一の燃料容器１００Ａとの間には、第一のバルブＶ１を介して排出物導入路となる排出物導入管２５３Ａが接続されており、第一のバルブＶ１の開閉動作で触媒燃焼器２１３及び発電セル２２０のカソードから第一の燃料容器１００Ａの回収部２への排出物を遮断又は許容するようになっている。
触媒燃焼器２１３及び発電セル２２０のカソードと第二の燃料容器１００Ｂとの間には、第二のバルブＶ２を介して排出物導入路となる排出物導入管２５３Ｂが接続されており、第二のバルブＶ２の開閉動作で触媒燃焼器２１３及び発電セル２２０のカソードから第二の燃料容器１００Ｂの回収部２への排出物を遮断又は許容するようになっている。

制御部２３０には、送液ポンプＰ１及び空気ポンプＰ２がドライバを介して電気的に接続されている。制御部２３０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、送液ポンプＰ１及び空気ポンプＰ２に制御信号を送信し、送液ポンプＰ１及び空気ポンプＰ２の各ポンピング動作（送出量の調整を含む。）を制御するようになっている。

また、制御部２３０には、第一のバルブＶ１及び第二のバルブＶ２がドライバを介して電気的に接続され、また、流量計Ｆも電気的に接続されている。制御部２３０は、流量計Ｆの測定結果を受けて燃料３の流量を認識することができる。

また、制御部２３０には、第一の燃料容器１００Ａに設けられた第一の残量検出器１０１Ａ及び第二の燃料容器１００Ｂに設けられた第二の燃料残量検出器１０１Ｂが電気的に接続されている。制御部２３０は、第一及び第二の燃料容器１００Ａ，１００Ｂの装着の有無を判断して、第一の残量検出器１０１Ａで測定された残量や第二の残量検出器１０１Ｂで測定された残量を検出して、各残量が燃料を供給可能な所定量未満であれば、発電システム３００を起動しない又は動作を停止し、残量が燃料を供給可能な所定量以上であれば、発電システム３００を起動する又は動作を維持するよう制御している。
また、発電システム３００が起動すると、制御部２３０は、第一及び第二の残量検出器１０１Ａ，１０１Ｂともに燃料の残量が燃料を供給可能な所定量以上と測定された場合、残量の少ない方の燃料容器（例えば、第一の燃料容器１００Ａ）に接続されたバルブ（例えば、第一のバルブＶ１）を開放し、他方のバルブ（例えば、第二のバルブＶ２）を閉鎖して、発電セル２２０等から排出された排出物を開放したバルブ（例えば、第一のバルブＶ１）を介して燃料容器（例えば、第一の燃料容器１００Ａ）内に排出物を回収するように第一及び第二のバルブＶ１，Ｖ２を制御している。具体的には、第一及び第二の残量検出器１０１Ａ，１０１Ｂの残量がともに燃料を供給可能な所定量以上の場合、残量の少ない方に対応するバルブを開いて対応する回収部に発電セル２２０及び燃料触媒器２１３からの排出物を排出し、多い方に対応するバルブを閉じる。また、第一及び第二の残量検出器１０１Ａ，１０１Ｂのうち一方のみの残量が燃料を供給可能な所定量以上の場合、当該一方に対応するバルブを開いて対応する回収部に発電セル２２０及び燃料触媒器２１３からの排出物を排出し、他方に対応するバルブを閉じる。

さらに、制御部２３０には、気化器２１１、触媒燃焼器２１３及び一酸化炭素除去器２１４を加熱する電気ヒータがドライバを介して電気的に接続されている。制御部２３０は、電気ヒータ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電気ヒータの抵抗値を計測することによって気化器２１１、触媒燃焼器２１３及び一酸化炭素除去器２１４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。電気ヒータは、反応装置２１０の起動時に気化器２１１、触媒燃焼器２１３及び一酸化炭素除去器２１４を加熱し、触媒燃焼器２１３が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よい。

発電セル２２０には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０が接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０には外部電源、つまり発電システム３００から電力の供給を受けて作動可能な外部電子機器（負荷）２４２が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０は発電セル２２０から出力された電圧を外部電子機器２４２の規格に応じて所定の電圧に変換して外部電子機器２４２に出力する装置であり、制御部２３０に接続され、制御部２３０は発電セル２２０からＤＣ／ＤＣコンバータ２４０に入力される入力電力を検出することができるようになっている。
さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０には２次電池２４１が接続されている。そして、例えば発電セル２２０で得た余剰の電気エネルギーを蓄え、発電セル２２０での電気エネルギーの生成が停止している場合に発電セル２２０の代替として外部電子機器２４２に電力を供給できるようになっている。制御部２３０や、各ドライバ、各センサ、反応装置２１０の電気ヒータは、起動時において、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０を介して２次電池２４１の出力の一部によって電気的に駆動され、発電セル２２０の出力が定常状態になったら、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０を介して発電セル２２０の出力の一部によって電気的に駆動される。

上記構成を具備する発電システム３００は、例えば、デスクトップ型パーソナルコンピュータ、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機、ＰＤＡ(Personal Digital Assistant)、電子手帳、腕時計、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、ゲーム機器、遊技機、家庭用電気機器その他の電子機器（外部電子機器）内に備え付けられるものであり、外部電子機器２４２を作動させるための電源として用いられる。

次に、発電システム３００の動作について説明する。
外部電子機器２４２から通信用端子、通信用電極を介して制御部２３０に作動信号が入力されることによって発電システム３００が作動する。これにより制御部２３０が、空気ポンプＰ２を作動させ、さらにドライバを介して電気ヒータを発熱させる。そして、発電システム３００の作動中、制御部２３０は、各電気ヒータからフィードバックされた温度のデータに基づき、各電気ヒータが所定温度になるように温度制御を行う。

また、制御部２３０は、以下のようにして第一又は第二のバルブＶ１，Ｖ２の開閉動作を行う。図３は、第一又は第二のバルブＶ１，Ｖ２の開閉動作処理を示すフローチャートである。
まず、制御部２３０は第一の燃料容器１００Ａ及び第二の燃料容器１００Ｂの装着有無の確認を行う（ステップＳ１）。少なくとも一方の燃料容器（１００Ａ又は１００Ｂ）が装着されているか否かを判断し（ステップＳ２）、少なくとも一方の燃料容器（１００Ａ又は１００Ｂ）が装着されていない場合には、「燃料容器無し」のエラー通知を行う（ステップＳ３）。少なくとも一方の燃料容器（１００Ａ又は１００Ｂ）が装着されている場合には、装着されている燃料容器の残量検出器１０１Ａ，１０１Ｂによって燃料３の残量検出を行う（ステップＳ４）。このとき、第一の燃料容器１００Ａ及び第二の燃料容器１００Ｂのうち装着されていない方は、残量が燃料を供給可能な量（所定量）未満とみなす。
そして、第一及び第二の燃料容器１００Ａ，１００Ｂの両方の残量が所定量未満であるか否かを判断する（ステップＳ５）。第一及び第二の燃料容器１００Ａ，１００Ｂの両方の残量が所定量未満の場合には、「燃料容器の交換」のエラー通知を行う（ステップＳ６）。少なくとも一方の燃料容器（１００Ａ又は１００Ｂ）の残量が所定量未満でない場合には、第一の燃料容器１００Ａの残量が所定量未満か否かの判断を行う（ステップＳ７）。第一の燃料容器１００Ａの残量が所定量未満（第一の燃料容器１００Ａが装着されない場合を含む）である場合には、「第一の燃料容器」のエラー通知を行い（ステップＳ８）、第一のバルブＶ１を閉鎖し、第二のバルブＶ２を開放する（ステップＳ９）。

ステップＳ７において、第一の燃料容器１００Ａの残量が所定量未満でない場合には、第二の燃料容器１００Ｂの残量が所定量未満か否かの判断を行う（ステップＳ１０）。第二の燃料容器１００Ｂの残量が所定量未満でない場合には、第一の燃料容器１００Ａの残量が第二の燃料容器１００Ｂの残量以下であるか否かを判断する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１で第一の燃料容器１００Ａの残量の方が第二の燃料容器１００Ｂの残量よりも多い場合には、第一のバルブＶ１を閉鎖し、第二のバルブＶ２を開放する（ステップＳ９）。
ステップＳ１１で第一の燃料容器１００Ａの残量が第二の燃料容器１００Ｂの残量以下である場合には、第一のバルブＶ１を開放し、第二のバルブＶ２を閉鎖する（ステップＳ１２）。
ステップＳ１０において、第二の燃料容器１００Ｂの残量が所定量未満である場合には、「第二の燃料容器」のエラー通知を行った後（ステップＳ１３）、第一のバルブＶ１を開放し、第二のバルブＶ２を閉鎖する（ステップＳ１２）。

以上のように、制御部２３０は図３のフローを周期的に実行しており、第一及び第二の燃料容器１００Ａ，１００Ｂの装着の有無を監視し、各燃料容器１００Ａ，１００Ｂの残量に基づいて、第一のバルブＶ１及び第二のバルブＶ２の開閉動作を行い、一方の燃料容器（１００Ａ又は１００Ｂ）からの燃料３の供給及び排出物の回収を行い、他方の燃料容器（１００Ｂ又は１００Ａ）からの燃料３の供給が停止或いは起動せず且つ排出物の回収が停止或いは起動しないよう排他的に動作される。そして、一方の燃料容器（例えば、第一の燃料容器１００Ａ）の燃料３が供給できる程度の残量未満になるまで上記フローを繰り返したら、一方の燃料容器からの燃料３の供給を停止し、他方の燃料容器（例えば、第二の燃料容器１００Ｂ）から燃料３の供給を行うように切り替えて、同様にこの他方の燃料容器（例えば、第二の燃料容器１００Ｂ）の燃料３がなくなるまで上記フローを繰り返し、両方の燃料容器１００Ａ，１００Ｂの燃料３が供給できる程度の残量未満になったら燃料容器交換のエラー通知がなされて、発電システム３００の作動が停止する。そして、新たな燃料容器に交換されると、発電システム３００が作動して上記フローが実行され、連続動作が可能となっている。

続いて、第一又は第二のバルブＶ１，Ｖ２による開閉動作が行われた後の動作について説明する。
なお、以下の説明では、説明の都合上、第一の燃料容器１００Ａ及び第二の燃料容器１００Ｂがともに発電システム３００に装着され、第一の燃料容器１００Ａの残量が第二の燃料容器１００Ｂの残量以下で且つ供給できる程度の量であることを残量検出器１０１Ａ，１０１Ｂが検出し、この検出結果に従って制御部２３０が第一のバルブＶ１を開放し、第二のバルブＶ２を閉鎖する場合を例に挙げて説明する。
上述のフローによって第一のバルブＶ１が開放され、第二のバルブＶ２が閉鎖されると、空気ポンプＰ２からの空気が発電セル２２０や触媒燃焼器２１３を介して第一のバルブＶ１に送出され、この空気は第一のバルブＶ１から第一の燃料容器１００Ａの回収部２に供給される。このとき、第一の燃料容器１００Ａ内のある一定の透過係数を持っているため、すぐには透過せずに回収部２内の圧力を上昇させる。回収部２内の圧力上昇にしたがって第一の燃料容器１００Ａの燃料貯蔵部１から燃料３が押し出され、燃料送液口１２から送出されて、一方向弁２５２Ａの上流と下流との間の圧力差が増大し、燃料３が一方向弁２５２Ａを送液ポンプＰ１に向けて送出する。送液ポンプ３は一方向弁２５２Ａからの燃料３を、流量計Ｆを介して反応装置２１０の気化器２１１に送る。このため、送液ポンプＰ１の上流、つまり一方向弁２５２Ａの下流は圧力が低くなろうとしているため、第一のバルブＶ１が開放され続ける限り一方向弁２５２Ａの上流と下流の圧力差が生じた状態が続く。さらに、空気ポンプＰ２が作動によって、外気の空気が触媒燃焼器２１３と、一酸化炭素除去器２１４と、発電セル２２０のカソード側に設けられた第二の加湿器２２２とに送られる。ここで、制御部２３０は、流量計Ｆからフィードバックされた流量のデータに基づき、所定の流量となるように送液ポンプＰ１を制御する。

気化器２１１では、供給された燃料３及び水が加熱されて気化（蒸発）し、メタノール及び水（水蒸気）の混合気となって改質器２１２に供給される。
改質器２１２では、気化器２１１から供給された混合気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２１２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２１２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２１４に供給される。

一酸化炭素除去器２１４では、改質器２１２から供給された混合気中の一酸化炭素とが選択的に、空気ポンプＰ２から供給された空気に含まれる酸素と反応して二酸化炭素が生成される（上記化学反応式（３）参照）。

このように、反応装置２１０の気化器２１１、改質器２１２及び一酸化炭素除去器２１４を経た燃料３から二酸化炭素と水素が生成される。反応装置２１０で生成された改質ガス（二酸化炭素及び水素等）は、第一の加湿器２２１に供給される。第一の加湿器２２１は、供給された改質ガスを加湿した後、発電セル２２０のアノードに供給する。
発電セル２２０のアノードに供給された改質ガスは、改質ガス中の水素が上記化学反応式（４）に示すように水素イオンと電子とに分離する。

一方、空気ポンプＰ２を介して第二の加湿器２２２に空気が供給される。第二の加湿器２２２では、空気を通過させることで加湿した後、発電セル２２０のカソードに供給する。
発電セル２２０のカソードに供給された空気は、空気中の酸素が上記化学反応式（５）に示すように水素イオンと電子と反応し、副生成物として水が生成される。

ここで、アノード側では未反応の水素はオフガスとして触媒燃焼器２１３に送られて燃焼されて、反応装置２１０を適宜加熱するエネルギーとして利用される。触媒燃焼器２１３で燃焼されて得られる排気ガスは、残量の少ない方の第一の燃料容器１００Ａ側に設けられた第一のバルブＶ１を介して、第一の燃料容器１００Ａ内に選択的に送られる。その後、冷却されて、水４は第一の燃料容器１００Ａ内で回収され、気体は疎水性膜を含む気液分離膜１８から放出される。
カソード側では、供給された空気が排出物である水や水蒸気とともに排出され、残量の少ない方の第一の燃料容器１００Ａ側に設けられた第一のバルブＶ１を介して、第一の燃料容器１００Ａ内に選択的に送られる。その後、冷却されて気体の一部（水蒸気）が液化された後、液状の水は第一の燃料容器１００Ａ内で回収され、二酸化炭素を含む液化されずに残った気体は気液分離膜１８を介して放出される。

発電セル２２０によって生成された電気エネルギーは、２次電池２４１に充電される。さらには、生成された電気エネルギーは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０に供給され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０によって直流電流の所定電圧に変換され、外部電子機器２４２に供給される。外部電子機器２４２は、供給された電気エネルギーにより動作する。

なお、第一の燃料容器１００Ａの残量が第二の燃料容器１００Ｂの残量よりも多く、第一のバルブＶ１が閉鎖され、第二のバルブＶ２が開放される場合についても、第二の燃料容器１００Ｂから燃料３が供給されて、第二の燃料容器１００Ｂに選択的に排出物が排出される点が異なるのみで、その他は上述した動作と同じであるのでその説明を省略する。
また上記実施形態では、複数の燃料容器を２つとしたが、１つの送液ポンプＰ１で動作できればこれに限らず３つ以上であってもよい。

以上のように、発電システム３００によれば、第一のバルブＶ１又は第二のバルブＶ２の一方（例えば、第一のバルブＶ１）を開放して他方（例えば、第二のバルブＶ２）を閉鎖し、開放したバルブＶ１を介して燃料容器（例えば、第一の燃料容器１００Ａ）の回収部２に排出物を回収し、回収された排出物中の気体によって燃料容器１００Ａ内に圧力を上昇させることにより、各燃料容器１００Ａ，１００Ｂ内の圧力に応じて、一方の燃料容器１００Ａから燃料３を発電部２００へと送液するように選択することができる。そのため、各燃料容器１００Ａ，１００Ｂの数だけの送液ポンプを設けることなく、また、送液ポンプの送液能力のみによって燃料を送液する必要がないので送液ポンプを小型にすることができる。その結果、小型化及びコスト削減を図ることができる。
第一のバルブＶ１及び第二のバルブＶ２は、燃料３の残量の少ない方の燃料容器（例えば、第一の燃料容器１００Ａ）を選択するように開閉動作が制御されるので、燃料容器１００Ａ内に排出物を確実に回収でき、回収された排出物により圧力を発生させることができる。また、各バルブＶ１，Ｖ２の制御も容易である。
燃料送液路となる燃料送液管２５１Ａ，２５１Ｂと、一つの送液ポンプＰ１と、二つの一方向弁２５２Ａ，２５２Ｂと、を備えるので、送液ポンプＰ１を燃料容器１００Ａ，１００Ｂ毎に設ける必要がなく、小型化及び部品コストの削減を図ることができる。
排出物導入路となる排出物導入管２５３Ａ，２５３Ｂと、各燃料容器１００Ａ，１００Ｂに対してそれぞれ設けられた複数のバルブＶ１，Ｖ２とを備えるので、各バルブＶ１，Ｖ２の開閉動作を行うことによって、排出物を燃料容器１００Ａ，１００Ｂ内に容易に導入させることができる。
燃料容器１００の気体排出部１７に気液分離膜１８が設けられているので、容易に圧力損失を持たせることができ、新たに加圧装置を必要としないため、小型化を図ることができる。

図４は、燃料容器４００の変形例を示したもので、燃料容器４００を長手方向に沿って切断した際の側断面図である。この燃料容器４００は、長手方向他端面４００bに、微細な孔４２０を有するキャピラリ４１９が貫通し、回収部４０２に連通するように設けられ、キャピラリ４１９の回収部４０２に露出する端部に気液分離膜４１８が設けられている点で、上述した図１の燃料容器１００と異なる。キャピラリ４１９は、気液分離膜４１８より排出する気体がキャピラリ４１９内を移動して外部に排出する際に圧力損失を生じさせて、回収部４０２内の圧力をより高く維持するものである。その他、長手方向一端面４００aには燃料送液部４１１、燃料送液口４１２が形成され、さらに、逆支弁４１３が嵌め込まれている。また、末端仕切材４１４、排出物導入部４１５、排出物導入口４１６等は、上述した図１に示す燃料容器１００と同様である。
このようにキャピラリ４１９を配置することによって、気液分離膜４１８のみを設ける場合に比して、より圧力損失を持たせることができ送液効率に優れる。

燃料容器１００の長手方向に沿って切断した際の側断面図である。 発電システム３００の概略構成を示したブロック図である。 第一又は第二のバルブＶ１，Ｖ２の開閉動作処理を示すフローチャートである。 燃料容器４００の変形例を示したもので、燃料容器４００を長手方向に沿って切断した際の側断面図である。

符号の説明

３ 燃料
４ 水
１７ 気体排出部
１８ 気液分離膜
１００ 燃料容器
１００Ａ 第一の燃料容器
１００Ｂ 第二の燃料容器
２００ 発電部
２２０ 発電セル
２３０ 制御部
２５１Ａ，２５１Ｂ 燃料送液管（燃料送液路、燃料送液手段）
２５２Ａ，２５２Ｂ 一方向弁（燃料送液手段）
２５３Ａ，２５３Ｂ 排出物導入管（排出物導入路）
３００ 発電システム
４１９ キャピラリ
Ｐ１ 送液ポンプ（燃料送液手段）
Ｖ１ 第一のバルブ（加圧選択手段）
Ｖ２ 第二のバルブ（加圧選択手段）

Claims (8)

1. 燃料を貯蔵する燃料容器と、
   前記燃料容器から供給される燃料を用いて発電する発電部と、
   前記燃料容器内に圧力を加えることによって前記発電部に燃料を送液する燃料送液部と、
   前記燃料送液部によって圧力を加える所定の燃料容器を選択する加圧選択部と、を備えることを特徴とする発電システム。
2. 前記燃料容器は複数あり、
   前記燃料送液部は、
   各燃料容器の下流側と前記発電部の上流側とをそれぞれ連結する燃料送液路と、
   前記燃料送液路に設けられた送液ポンプと、を備え、
   前記送液ポンプの数は、送液が可能な燃料容器の数より少ないことを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
3. 前記燃料送液部は、
   前記燃料送液路のうち、前記送液ポンプの上流側で、各燃料容器に対してそれぞれ設けられ、前記燃料送液路の前記燃料容器側から前記送液ポンプ側への燃料の流出を許容し、前記送液ポンプ側から前記燃料容器側への燃料の流入を阻止する一方向弁、を備えることを特徴とする請求項２に記載の発電システム。
4. 前記燃料送液部は、前記発電部による発電によって排出される排出物を前記燃料容器内に導入し、導入した排出物中の気体によってもたらされる圧力損失を利用して、前記燃料容器内に圧力を加えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電システム。
5. 前記燃料容器は複数あり、
   前記複数の燃料容器のうち、燃料の残量の少ない方の燃料容器を選択するよう前記加圧選択部を制御する制御部を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電システム。
6. 前記燃料容器は複数あり、
   前記加圧選択部は、前記発電部の下流側と前記燃料容器の上流側とをそれぞれ連結し、前記発電部から排出される排出物を前記燃料容器に導入する排出物導入路と、
   前記排出物導入路のうち、各燃料容器に対してそれぞれ設けられた複数のバルブと、を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の発電システム。
7. 前記燃料容器に、前記発電部から排出される排出物中の気体を燃料容器内に導入してから前記燃料容器の外部に排出する気体排出部が設けられ、
   前記気体排出部に、前記排出物中の気体と液体をそれぞれ分離する気液分離膜が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の発電システム。
8. 前記燃料容器に、前記発電部から排出される排出物中の気体を導入してから前記燃料容器の外部に排出するキャピラリが設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の発電システム。

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