JP2009163935A - 発電システム及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】起動時には加湿器内の中空糸膜や発電セル内の電解質膜を湿潤状態に保つことができ、停止時における凍結による中空糸膜や電解質膜の破損を防ぐことができる発電システム及び電子機器を提供する。
【解決手段】発電システム３００は、燃料３９を貯留する燃料貯留部３と、水４９を貯留する水貯留部４と、燃料貯留部３から供給される燃料３９を用いて発電を行う発電モジュール３００と、を備える。そして、起動時毎に、水貯留部４から水４９を発電モジュール２００に供給して加湿し、停止時毎に、発電モジュール２００への水の供給を停止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電用燃料及び水が供給されて電気化学反応により発電する発電システム及びそれを備えた電子機器に関する。

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、一次電池及び二次電池の代替えのために、高いエネルギー容量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を電気エネルギーに変換するものである。このような燃料電池に燃料を供給するための燃料容器（燃料カートリッジ）として、燃料容器の中に燃料と水をそれぞれ独立した容器に入れて、水は燃料電池システム内の加湿器へ起動用として用いている技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、燃料容器の中に二つの可撓性を有する燃料貯蔵領域と、廃棄物貯蔵領域とを備え、燃料貯蔵領域に燃料を貯蔵し、廃棄物貯蔵領域に燃料電池の動作によって生成された廃棄物が貯蔵されるように構成されたものがある（例えば、特許文献２参照）。
さらに、剛体からなる本体容器と、本体容器の内部に設けられて燃料が充填された柔軟性のある袋状容器とを備えた二重構造に構成されたものがある（例えば、特許文献３参照）。
特開２００６−７９５５号公報 特開２００３−１４２１３５号公報 特開２００６−４９０３２号公報

上記特許文献１では、燃料容器内に燃料と水を独立した容器に貯蔵しており、起動時に燃料電池システム内の電解質膜へ必要な水を供給している。そして、固体高分子型電解質膜における水素イオン伝導には水分が介在する必要があり、一般的に電力発生の動作においては加湿器により電解質膜付近の雰囲気を水蒸気飽和の状態にしなければならない。燃料電池を電子機器に組み込んだ一番初期の段階に、加湿器に前途した水を供給することで、初期状態でも安定した動作を可能にしている。しかしながら、燃料電池システムを動作させていない場合で、長時間の放置や低湿度環境に晒された場合に、液体あるいは気体の入出口から水分が蒸発してしまい、電解質膜が乾燥して電力発生の機能を得られなくなるという問題がある。
また、燃料電池システムを稼働させない場合は、液体あるいは気体の入出口を密閉するバルブを配置したことにより加湿器の気密性を保ち、常に湿潤状態にしていることも明記されているが、ユーザの使用勝手によっては零下となる環境下になる場合もあり、その際に電解質膜を含水させておくと氷化して膜組織を破壊してしまうという問題もある。
一方、上記特許文献２や特許文献３では、燃料と、燃料電池システムからの生成物を別々に収容する技術であり、上述の特許文献１のように起動時に加湿器に供給する水を保有することは開示されていない。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、起動時における加湿器内の中空糸膜や発電セル内の電解質膜を湿潤状態に保つことができ、停止時における凍結による中空糸膜や電解質膜の破損を防ぐことができる発電システム及び電子機器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、燃料を貯留する燃料貯留部と、
水を貯留する水貯留部と、
前記燃料貯留部から供給される燃料を用いて発電を行う発電モジュールと、を備えた発電システムにおいて、
起動時毎に、前記水貯留部から水を前記発電モジュールに供給して加湿し、
停止時毎に、前記発電モジュールへの水の供給を停止す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、
前記発電モジュールに有する発電セル及び加湿器を乾燥させる乾燥手段をさらに備え、前記発電システム停止時毎に、前記乾燥手段によって発電セル及び加湿器を乾燥させることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の発電システムにおいて、
前記燃料貯留部及び前記水貯留部は、前記発電モジュールに着脱自在に設けられた燃料容器内に備えられていることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１又は２に記載の発電システムにおいて、
前記燃料貯留部は、前記発電モジュールに着脱自在に設けられた燃料容器内に備えられ、
前記水貯留部は、前記発電モジュール内に備えられてい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、
前記発電モジュールから生成された生成物を回収する第一の回収部を備え、
前記第一の回収部は、前記生成物中の液体と気体とを分離する第一の気液分離膜を有し、
前記第一の気液分離膜によって分離された前記生成物中の水を前記水貯留部に回収することを特徴とする。
請求項６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、
前記発電モジュールから生成された生成物を回収する第一の回収部を備え、
前記第一の回収部は、前記生成物中の液体と気体とを分離する第一の気液分離膜を有し、
前記第一の気液分離膜によって分離された前記生成物中の水を前記発電モジュールの加湿に利用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に記載の発電システムにおいて、
前記燃料容器は、前記第一の気液分離膜によって分離された前記生成物中の気体を回収する第二の回収部を備え、
前記第二の回収部は、回収した気体を凝縮して得られた液体と、凝縮しない気体とを分離する第二の気液分離膜を有していることを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項７に記載の発電システムにおいて、
前記第二の回収部において、回収した気体のうち凝縮して得られた水を前記発電モジュールの加湿に利用することを特徴とする。
請求項９の発明は、電子機器において、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の発電システムと、
前記発電システムにより発生された電気エネルギーによって動作する電子機器本体と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、起動時毎に加湿器内の中空糸膜や発電セル内の電解質膜を湿潤させることができる。また、停止時には中空糸膜や電解質膜の水分を除去でき、凍結による中空糸膜や電解質膜の破損を防ぐことができる。

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。
［第一の実施の形態］
図１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。
発電システム３００は、二つの燃料容器１a，１bと、発電モジュール２００とを備え、発電モジュール２００は、燃料容器１a，１bから供給された燃料と水から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発電セル２２０と、を備えている。また、発電モジュール２００は、反応装置２１０で生成された水素を加湿して発電セル２２０のアノードに供給したり、カソードに供給する空気を加湿する加湿器２２１を備えている。発電セル２２０の電解質膜は、加湿器２２１によって加湿された空気及び改質ガスにより加湿されており、電解質膜内の水素イオンが移動しやすい状態となっている。
さらに、発電モジュール２００は、二次電池２４１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０及び制御部２３０等を備えている。

（燃料容器）
図２は、燃料容器１の概略を示した側断面図である。なお、ここでは上記二つの燃料容器１a，１bと同様の構造の燃料容器１について説明する。
燃料容器１は、内部空間が形成された容器本体２と、容器本体２の内側に収容された燃料貯留部３と、容器本体２の内側に収容された水貯留部４と、を備える。
容器本体２は全体として箱状を成しており、容器本体２の内側に空間が形成されている。容器本体２は透明又は半透明な部材であって、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なる。なお、容器本体２がＡＢＳといった不透明な樹脂からなるものでも良いし、マグネシウムやステンレス等の金属からなるものでも良い。
容器本体２は、第一ケース２１と第二ケース２２とを備えている。第一ケース２１は下面が開口した上向きに凸状をなし、第二ケース２２は上面が開口した下向きに凸状に形成されている。そして、これら第一ケース２１と第二ケース２２とを、各開口を互いに向き合わせて嵌め合わせることによって、内側に空間を有する容器本体２が構成される。嵌め合わせ面にはシール材（図示しない）でシールされて気密性が確保されている。

第一ケース２１の右壁２１aには、右壁２１aを貫通して燃料貯留部３に連通する燃料排出口２３が外側に突出して形成されている。燃料排出口２３には逆止弁２４が嵌め込まれており、逆止弁２４には後述する燃料貯留部３が接続されている。この逆止弁２４は燃料排出口２３を通って燃料貯留部３の内から外に不要に燃料３９が排出するのを阻止するものであり、この逆止弁２４に挿入材（図示しない）が挿入されることによって逆止弁２４が開き、これにより燃料貯留部３内の燃料３９が燃料排出口２３を通って外へ流れるのが許容される。具体的には、この逆止弁２４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、この逆止弁２４はそのダックビル状の先端を燃料貯留部３の内側に向けた状態で燃料排出口２３に嵌め込まれている。

また、第一ケース２１の左壁２１bには、左壁２１bを貫通して容器本体２の内側の空間に連通する排気孔部２５が上下に二カ所形成されている。排気孔部２５を形成する容器本体２の内壁面には気液分離膜５が設けられ、排気孔部２５が気液分離膜５によって閉塞されている。気液分離膜５は、その膜の表面に接触される液体に対してその膜の厚み方向への透過させない液体遮断性を有するとともに、その膜の表面に接触される気体に対してその膜の厚み方向へ透過させる気体透過性を有する。気液分離膜５としては、疎水性多孔質膜が好適であり具体的には、ゴアテックス（登録商標）やポアフロン（登録商標）、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。

第二ケース２２の右壁２２aには、右壁２２aを貫通して容器本体２の内側空間である、後述の液体回収空間２０に連通する生成物導入口２６が外側に突出して形成されている。生成物導入口２６には、後述の発電モジュール２００に燃料３９が供給されることによって生成された生成物が導入される。この生成物導入口２６には逆止弁２７が嵌め込まれており、生成物導入口２６を通って液体回収空間２０の内から外に不要に生成物が排出するのを阻止している。この逆止弁２７に挿入材（図示しない）が挿入されることによって逆止弁２７が開き、これにより液体回収空間２０の外から内へと生成物が流れるのが許容される。逆止弁２７としては、上述した燃料排出口２３に嵌め込まれた逆止弁２４と同様のものを使用することができる。
また、第二ケース２２の右壁２２aで生成物導入口２６の下側には、右壁２２aを貫通して水貯留部４に連通する水排出口２８が外側に突出して形成されている。この水排出口２８にも逆止弁２９が嵌め込まれており、水排出口２８を通って水貯留部４の内から外に不要に水４９が排出するのを阻止している。この逆止弁２９に挿入材（図示しない）が挿入されることによって逆止弁２９が開き、これにより水貯留部４の内から外へと水４９が流れるのが許容される。逆止弁２９としては、上述した燃料排出口２３に嵌め込まれた逆止弁２４と同様のものを使用することができる。

容器本体２の内側には、燃料貯留部３と水貯留部４とが収容されている。燃料貯留部３及び水貯留部４は袋状を成しており、例えば、レトルト食品などに用いられている袋状容器で、ポリエチレン、ナイロン、アルミニウムなどが積層されたラミネートフィルムから形成されており、透過や蒸発を防いでいる。なお、ラミネートフィルム以外にも水が容易に蒸発しないガスバリア性を持った単独材料のものであっても良い。
そして、容器本体２の内部空間が、これら燃料貯留部３及び水貯留部４によって燃料貯留部３の内側の燃料貯留空間３１と、水貯留部４の内側の水貯留空間４１と、燃料貯留部３１及び水貯留部４１の外側であって容器本体２の内側の液体回収空間２０とに区画されている。これにより、燃料貯留空間３１、水貯留空間４１、液体回収空間２０が燃料貯留部３及び水貯留部４によって仕切られている。

液体回収空間２０は、燃料貯留部４の外側であって容器本体２内の空間部分とされている。また、液体回収空間２０には予め液体（図示しない）が少量注入されている。なお、予め貯留されている液体は水であっても良いし、水以外の液体であっても良いし、更には液体の代わりに吸湿性の塩化カルシウム等の薬剤を含む固体が液体回収空間２０に収容されていても良い。

燃料貯留部３内には燃料３９が貯留されている。燃料貯留部３が可撓性を有しており、内部の燃料３９の量の増減に応じて燃料貯留部３が収縮し、燃料貯留部３の内容積が増減する。

燃料３９は、液体状の化学燃料又は液体状の化学燃料と水の混合液である。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ジメチルエーテル等のエーテル類、ガソリンといった化学組成に水素原子を含む化合物である。

水貯留部４内には水４９が貯留されている。水貯留部４が可撓性を有しており、内部の水４９の量の増減に応じて水貯留部４が収縮し、水貯留部４の内容積が増減する。

ここで、上述の燃料容器１の動作について説明する。
燃料容器１において、燃料貯留部３内の燃料３９は燃料排出口２３を介して後述の発電モジュール２００に供給され、また、水貯留部４内の水４９は水排出口２８を介して発電モジュール２００に供給される。よって、燃料貯留部３内の燃料３９及び水貯留部４内の水４９が減少するにつれて燃料貯留空間３１及び水貯留空間４１の体積が小さくなるので、逆に液体回収空間２０の容積が大きくなり、その容積分の水等の液体を回収することができる。

発電モジュール２００では、供給された燃料３９及び水４９から生成物（水蒸気その他の気体を含む）が生成される。発電モジュール２００で生成された生成物が生成物導入口２６に導入され、液体回収空間２０に回収される。

回収された生成物は、例えば予め液体回収空間２０内に貯留されていた水等によって放熱されて、これにより生成物中の水蒸気が凝縮して液化する。凝縮した水は、気液分離膜５を通過せずに液体として液体回収空間２０に貯留される。液体回収空間２０に導入された生成物中のうち凝縮しなかった気体は気液分離膜５を通過して容器本体１の外側へと放出される。

（反応装置）
反応装置２１０は、燃料容器１から供給された燃料３９と水４９を混合して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、改質器２１２を加熱して化学反応式（１）の反応を良好に行うために必要な温度に設定する触媒燃焼器２１３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ＣＯ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、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）

加湿器２２１は、一酸化炭素除去器２１４で一酸化炭素が除去された改質ガスを、水によって加湿して発電セル２２０のアノードに供給し、また、空気ポンプＰ２から供給された空気を水によって加湿して、発電セル２２０のカソードに供給する。

（発電セル）
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質膜とセパレーターをユニット化した燃料電池である。発電セル２２０のアノードには、一酸化炭素除去器２１４を通った改質ガスが供給され、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、改質ガス中の水素が、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、カソードで生成された水や未反応の空気は生成物として、水回収器２５０に送られるようになっている。また、加湿器からの排水も水回収器２５０に送られるようになっている。
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻・・・（４）
２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ・・・（５）

（水回収器）
図３は、水回収器２５０の概略を示した側断面図である。
水回収器２５０は、内部空間が形成された水タンク２５１と、水タンク２５１の内部に取り付けられた気液分離膜２５２と、水タンク２５１に取り付けられた熱交換器２６０と、を備える。そして、発電セル２２０のカソード及び加湿器２２１から送り込まれた生成物を熱交換器２６０で放熱させ、凝縮した液体は水となって水タンク２５１内に貯留される。水タンク２５１内に貯留された水は、生成水ポンプＰ４から第三の可変バルブＶ１３、第四のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ４及び第五のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ５を介して気化器２１１や加湿器２２１、水貯留部４aに送り込まれて再利用される。一方、熱交換器２６０により凝縮しない気体は、さらに気液分離膜２５２を通過した後、後述の第四の三方向弁Ｂ４を介して燃料容器１aの液体回収空間２０aに送り込まれる。

水タンク２５１は全体として箱状をなしており、水タンク２５１の内側に空間が形成されている。水タンク２５１の内側には、気液分離膜２５２が水タンク２５１の上下面に対して水平となるように固定されており、気液分離膜２５２によって水タンク２５１の内部空間が上下に区画されている。内部空間のうち、気液分離膜２５２によって区画された下側の空間２５０aには気液分離膜２５２を通過しない液体である純水が貯留され、上側の空間２５０bには気液分離膜２５２を通過した水蒸気を含む気体が流通するようになっている。
また、水タンク２５１の右壁２５１aには発電セル２２０のカソードや加湿器２２１から送り込まれて熱交換器２６０で放熱された生成物を導入する生成物導入路２５３が形成されている。この生成物導入路２５３は、水タンク２５１の下側空間２５０aを形成する右壁２５１aから上面に向けて延在しており、水タンク２５１の上面で開口している。そして、生成物導入路２５３の上端開口は後述する熱交換器２６０の冷却流路２６１に連通している。
また、下側空間２５０aには、凝縮して回収された液体を外部に排出する液体排出管２５４が連結され、この液体排出管２５４は水タンク２５１の下壁２５１cを貫通して底面において開口し、後述の生成水ポンプＰ４に連結されている。
さらに、水タンク２５１の上側空間２５０bには、気液分離膜２５２で分離された気体を外部に排出する気体排出管２５５が連結され、この気体排出管２５５は水タンク２５１の上側空間２５０bを形成する左壁２５１bを貫通して水タンク２５１の左側面において開口し、後述の第四の三方向弁Ｂ４に連結されている。
なお、気液分離膜２５２としては、上述した燃料容器１に設けられた気液分離膜５と同様のものを使用することができる。

熱交換器２６０は、水タンク２５１の外側上面に取り付けられており、生成物（気体及び液体）を流通させる冷却流路２６１を有する冷却板２６２と冷却板２６２を冷却するファン（図示しない）とを備え、生成物は冷却流路２６１内を流れることによって放熱されて凝縮するようになっている。なお、図３中、冷却流路２６１は図面の関係上簡略化している。

また、図１に示すように、発電システム３００は、二つの燃料容器１a,１b、反応装置２１０及び発電セル２２０等の他に、各燃料容器１a,１bの燃料貯留部３a,３b内の燃料を気化器２１１に供給する燃料ポンプＰ１と、各燃料容器１a,１bの水貯留部４a,４b内の水を気化器２１１に供給する水ポンプＰ３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。また、空気ポンプＰ２には、エアフィルタが設けられている。
燃料ポンプＰ１には、第一の三方向弁Ｂ１が接続され、第一の三方向弁Ｂ１はそれぞれ二つの燃料容器１a,１bの燃料貯留部３a,３bに接続されている。また、燃料ポンプＰ１には、第一のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ１が接続され、第一のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ１にはミキサーを介して気化器２１１が接続されている。第一のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ１は、燃料ポンプＰ１と気化器２１１との間に設けられており、その開閉動作で燃料ポンプＰ１から気化器２１１への燃料の流通を遮断又は許容するようになっている。
また、燃料ポンプＰ１と燃料容器１a,１bとの間には、燃料容器１a,１bに貯蔵された燃料の残量検出を行う燃料残量センサ（図示しない）がそれぞれ設けられている。燃料残量センサは、燃料貯留部３に貯蔵された燃料の残量を測定し、その測定結果となる電気信号を制御部２３０に出力する。

水ポンプＰ３には、第二の三方向弁Ｂ２が接続され、第二の三方向弁Ｂ２はそれぞれ二つの燃料容器１a,１bの水貯留部４a,４bに接続されている。また、水ポンプＰ３には、第二のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ２が接続され、第二のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ２にはミキサーを介して気化器２１１が接続されている。第二のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ２は、その開閉動作で水ポンプＰ３から気化器２１１への水の流通を遮断又は許容するようになっている。なお、ミキサーでは燃料ポンプＰ１から送られた燃料と、水ポンプＰ３から送られた水とを混合して気化器２１１に送るようになっている。
また、水ポンプＰ３には、第三のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ３が接続され、第三のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ３には加湿器２２１が接続されている。第三のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ３は、その開閉動作で水ポンプＰ３から加湿器２２１への水の流通を遮断又は許容するようになっている。

また、水回収器２５０と気化器２１１との間には、生成水ポンプＰ４が接続され、生成水ポンプＰ４には第三の可変バルブＶ１３、第四〜第五のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ４，Ｖ５が接続されている。第三の可変バルブＶ１３には第三の流量計Ｆ３を介してミキサーに接続されている。第三の可変バルブＶ１３は、その開閉動作で生成水ポンプＰ４からミキサーへの水の流通を遮断又は許容するようになっている。第三の流量計Ｆ３は第三の可変バルブＶ１３とミキサーとの間に設けられており、第三の可変バルブＶ１３を通過した水の流量を測定するようになっている。
第四のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ４には、第三の三方向弁Ｂ３が接続されている。第四のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ４は、その開閉動作で生成水ポンプＰ４から第三の三方向弁Ｂ３を介して一方の燃料容器１aの水貯留部４a又は他方の燃料容器１bの水貯留部４bへの生成水の流通を遮断又は許容するようになっている。
第五のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ５には、加湿器２２１が接続されており、その開閉動作で生成水ポンプＰ４から加湿器２２１への生成水の流通を遮断又は許容するようになっている。
また、水回収器２５０には第四の三方向弁Ｂ４が接続されており、第四の三方向弁Ｂ４は、各燃料容器１a,１bの液体回収空間２０a,２０bに接続されている。そして、水回収器２５０の気液分離膜２５２を通過した気体は、第四の三方向弁Ｂ４を介して各燃料容器１a,１bの液体回収空間２０a,２０bに送り込まれるようになっている。

空気ポンプＰ２には、第一の可変バルブＶ１１、第二の可変バルブＶ１２及び加湿器２２１が接続されている。第二の可変バルブＶ１２は、空気ポンプＰ２と触媒燃焼器２１３との間に設けられており、第二の可変バルブＶ１２と触媒燃焼器２１３との間には第二の流量計Ｆ２が設けられている。そして、第二の可変バルブＶ１２は、その開閉動作で、空気ポンプＰ２から触媒燃焼器２１３への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。第一の可変バルブＶ１１は、空気ポンプＰ２と一酸化炭素除去器２１４との間に設けられており、第一の可変バルブＶ１１と一酸化炭素除去器２１４との間には第一の流量計Ｆ１が設けられている。そして、第一の可変バルブＶ１１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への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。

制御部２３０には、燃料ポンプＰ１、空気ポンプＰ２、水ポンプＰ３及び生成水ポンプＰ４がドライバ（図示しない）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、燃料ポンプＰ１、空気ポンプＰ２、水ポンプＰ３及び生成水ポンプＰ４に制御信号を送信し、燃料ポンプＰ１、空気ポンプＰ２、水ポンプＰ３及び生成水ポンプＰ４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〜第五のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ１〜Ｖ５、第一〜第三の可変バルブＶ１１〜Ｖ１３がドライバ（図示しない）を介して電気的に接続され、また、第一の流量計Ｆ１〜第三の流量計Ｆ３も電気的に接続されている。制御部２３０は、第一の流量計Ｆ１〜第三の流量計Ｆ３の測定結果を受けて燃料及び水の流量を認識することができるとともに、第一〜第五のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ１〜Ｖ５や第一〜第三の可変バルブＶ１１〜Ｖ１３の開閉動作（開き量の調整を含む。）を制御することができるようになっている。

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をそれぞれ加熱する電気ヒータがドライバ（図示しない）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等の電気的特性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。

また、制御部２３０には、燃料残量センサ（図示しない）が電気的に接続されている。制御部２３０は、燃料残量センサで測定された残量が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。

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には外部機器（負荷）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の規格に応じて所定の電圧に変換して外部電子機器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が不足している場合に発電セル２２０の補助として外部電子機器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、燃料残量センサ、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。
発電システム３００が作動し、制御部２３０が水ポンプ、燃料ポンプＰ１及び空気ポンプＰ２を作動させ、さらに電気ヒータを発熱させる。ここで、発電システム３００の作動は、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２３０に作動信号が入力されることによって開始する。

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。
燃料ポンプＰ１が作動すると、一方の燃料容器１aの燃料貯留部４a内の燃料が第一の三方向弁Ｂ１、第一のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ１を介してミキサーに送られ、また、水ポンプＰ３が作動すると、一方の燃料容器１aの水貯留部４a内の水が第二の三方向弁Ｂ２、第二のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ２を介してミキサーに送られて、ミキサーで燃料と水とが混合されたのち、反応装置２１０の気化器２１１に向けて送られると同時に第三のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ３を介して加湿器２２１に送られて、中空糸膜が湿潤状態とされる。
空気ポンプＰ２が作動すると、外気の空気が第二の可変バルブＶ１２を介して触媒燃焼器２１３に送られ、第一の可変バルブＶ１１を介して一酸化炭素除去器２１４に送られる。また、空気ポンプＰ２の作動により、外気の空気が加湿器２２１に送られる。ここで、制御部２３０は、第一〜第三の流量計Ｆ１〜Ｆ３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第一〜第五のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ１〜Ｖ５、第一〜第三の可変バルブＶ１１〜Ｖ１３を制御する。

気化器２１１では、供給された燃料が加熱されて気化（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から供給された改質ガス中の一酸化炭素と、第四のバルブＶ４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を経た燃料から水素と二酸化炭素が生成される。反応装置２１０で生成された改質ガス（水素及び二酸化炭素等）は、第一の加湿器２２１に供給される。第一の加湿器２２１は、中空糸膜の一方に外部から供給された水を通流するとともに他方に改質ガスを通流し中空糸膜を介して水分子を移動させることで、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を介して加湿器２２２に空気が供給される。加湿器２２２は、中空糸膜の外側に外部から供給された水を通流するとともに内側に空気を通流し中空糸膜を介して水分子を移動させることで、空気を加湿した後、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、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、改質反応及び蒸発のエネルギーとして利用された後、水回収器２５０に送られる。
カソード側では、供給された空気が生成物である水とともに排出され、水回収器２５０に送られ、また、加湿器２２１における使用後の水も水回収器２５０に送られる。
水回収器２５０では、凝縮された水は水タンク２５１に貯留された後、生成水ポンプＰ４から、第三の可変バルブＶ１３及び第五のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ５にそれぞれ送られる。第三の可変バルブＶ１３を通った水は、ミキサーに送られて、再び燃料と混合されて気化器２１１に送られて再利用される。第五のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ５を通った水は、加湿器２２１に送られて再利用される。
一方、水回収器２５０で凝縮されない気体は気液分離膜２５２を介して第四の三方向弁Ｂ４に送られて、一方の燃料容器１aの液体回収空間２０aに回収される。そして、放熱により凝縮された液体はそのまま液体回収空間２０aに貯留されて、燃料容器１aの交換とともに廃棄される。また、凝縮しなかった気体は気液分離膜５aを介して燃料容器１aの外部へ放出される。

そして、発電セル２２０によって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、外部電子機器に供給されるとともに二次電池２４１にも充電される。外部電子機器は、供給された電気エネルギーにより動作する。

また、発電システム３００の停止時には、水ポンプＰ３の作動を停止させることにより加湿器２２１への水の供給を止める。そして、水回収器２５０の水タンク２５１で回収した水を、第四のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ４、第三の三方向弁Ｂ３を介して一方の燃料容器１aの水貯留部４a内に回収する。
その後、再び発電システム３００の起動時には水貯留部４a内から水を送り、気化器２１１や加湿器２２１で再利用する。

以上のようにして、起動時毎に水ポンプＰ３が作動して一方の燃料容器１aの水貯留部４aから水が加湿器２２１へと送られて、発電セル２２０のカソードで生成された生成物や加湿器２２１で使用後の水が水回収器２５０に回収される。そして、停止時毎に、まず、水ポンプＰ３の作動を停止させることにより、空気ポンプＰ２から送られた空気によって加湿器２２１の中空糸膜及び発電セル２２０の電解質膜が乾燥される。また、停止時には、水回収器２５０の水タンク２５１で回収した水を水貯留部４aへと回収して次回の起動時のために充填する。そして、一方の燃料容器１aの燃料貯留部３a内の燃料が無くなった場合には、他方の燃料容器１bの燃料貯留部３b内の燃料及び水貯留部４b内の水が使用され、水回収器２５０で回収された水や気体は、他方の燃料容器１bの水貯留部４bや液体回収空間２０bに回収される。

本実施の形態の発電システム３００によれば、起動時毎に一方の燃料容器１aの水貯留部４aから水を加湿器２２１に供給して発電セル２２０を加湿するので、加湿器２２１内の中空糸膜や発電セル２２０内の電解質膜を湿潤させることができる。また、停止時毎に発電セル２２０及び加湿器２２１への水の供給を停止して、空気のみを供給するので、中空糸膜や電解質膜の水分を除去でき、凍結による中空糸膜や電解質膜の破損を防ぐことができる。
また、停止時毎に、水回収器２５０の水タンク２５１で回収した水を、第三の三方向弁Ｂ３を介して水貯留部４aに充填するので、次回起動用の水を補充することができ、新たに水貯留部４aに水を充填する手間を省くことができる。
さらに、可撓性の袋状の水貯留部４aに貯留された水は、透過や蒸発を防ぐフィルムで覆われているので、最小限の容積で燃料容器１aの燃料搭載量を大幅に減らすことは無い。
また、燃料貯留部３及び水貯留部４は、燃料容器１内に備えられているので、燃料容器１の燃料３９の補充とともに水貯留部４内に水４９を充填することができる。
さらに、発電セル２２０のカソードや加湿器２２１から送り出された生成物を回収する水回収器２５０を備え、水回収器２５０は気液分離膜２５２を有し、気液分離膜２５２によって分離された生成物中の水を第三の可変バルブＶ１３や第五のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ５を介して気化器２１１や加湿器２２１に供給して再利用するので、水を循環利用でき、コスト低減を図れる。

なお、上記第一の実施の形態において、停止時に水回収器２５０で回収した水を水貯留部４aに充填するとしたが、これに限らず、燃料容器１aの液体回収空間２０aで回収した水を水貯留部４aに充填するように構成して、気化器２１１や加湿器２２１に供給して再利用しても良い。これによって水を循環利用でき、水貯留部４aから供給する水量を減らすことができ、コスト低減に繋がる。
また、上述の発電システム３００では、一方の燃料容器１a内の燃料及び水が無くなった場合に、他方の燃料容器１b内の燃料及び水を使用するとしたが、これに限らず、両方の燃料容器１a,１b内の燃料及び水を同時に使用するように制御しても構わない。
また、加湿器２２１の中空糸膜や発電セル２２０の電解質膜の乾燥手段として、上記実施の形態では、空気ポンプＰ２による空気を流通させることによって行ったが、これに限らず例えば、加湿器２２１に薄膜ヒータなどを設けて、加熱乾燥させることで、強制的に余分な水分を取り除き、温風を発電セル２２０の電解質膜に流し、電解質膜の水分除去を行っても良い。
さらに、停止時に水貯留部４aに水を充填するとしたが、起動中に充填するようにしても良い。

次に、上記発電システム３００を電子機器４００に適用した場合を説明する。
図４は、電子機器１００の上面側を主に示した斜視図であり、図５は、電子機器１００の下面側を主に示した斜視図である。
この電子機器１００は、下本体１０１と、上本体１０２と、を有する。下本体１０１の上面には、タッチパッド１０３及びキーボード装着部１０４が設けられ、キーボード装着部１０４にはキーボードが装着される。下本体１０１の背面部がヒンジ結合を介して上本体１０２に結合されている。上本体１０２にはディスプレイ１０５が設けられ、上本体１０２が下本体１０１に重ねられてこれらが閉じると、ディスプレイ１０５がキーボード装着部１０４に対向する。

下本体１０１の背面部には、発電モジュール２００が設けられている。この発電モジュール２００は下本体１０１に対して着脱可能とされている。

［第二の実施の形態］
図６は、発電システム３００Ａの概略構成を示したブロック図である。
第二の実施の形態の発電システム３００Ａでは、第一の実施の形態の発電システム３０と異なり、燃料容器１a,１b内に設けられていた水貯留部４a,４bが、発電モジュール２００Ａ内に収容されている。なお、第一の実施の形態と同様の構成部分については同様の数字に英字Ａを付してその説明を省略し、異なる部分のみについて説明する。
第四のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ４には、発電モジュール２００Ａに収容された水貯留部４Ａに直接接続されており、水貯留部４Ａには水ポンプＰ２が接続されている。
したがって、起動時に水ポンプＰ２が作動すると、発電モジュール２００Ａに収容された水貯留部４Ａ内の水が第二のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ２を介してミキサーに送られて、ミキサーで燃料容器１aＡの燃料貯留部４aＡから送られた燃料と水とが混合された後、反応装置３００Ａの気化器２１１Ａに向けて送られる。さらに、水ポンプＰ２によって水貯留部４Ａ内から加湿器２２１Ａに水が送られる。
一方、発電セル２２０Ａのカソード側と加湿器２２１から水回収器２５０Ａに送られた生成物のうち、水回収器２５０Ａで凝縮された水は水タンクに貯留された後、生成水ポンプＰ４から、第三の可変バルブＶ１３及び第五のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ５にそれぞれ送られる。第三の可変バルブＶ１３及び第五のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ５を通った水は、第一の実施の形態と同様の経路で再利用される。
また、停止時には、まず水ポンプＰ２の作動を停止させて、加湿器２２１Ａへの水の供給を停止し、水回収器２５０Ａで回収した水を生成水ポンプＰ４、第四のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ４を介して一方の燃料容器１aＡの水貯留部４aＡに水を送り込んで充填させることによって、加湿器２２１Ａの中空糸膜及び発電セル２２０Ａの電解質膜を乾燥させる。その後も同様に、起動時毎に水貯留部４aＡの水を加湿器２２１Ａに供給して循環利用する。そして、一方の燃料容器１aＡの燃料が無くなった場合には、他方の燃料容器１bＡの燃料及び水を使用する。

本実施の形態の発電システム３００Ａによれば、第一の実施の形態の発電システム３００と異なり、燃料貯留部３aＡ，３bＡは燃料容器１aＡ，１bＡ内にそれぞれ備えられ、水貯留部４Ａは発電モジュール２００Ａ内に備えられており、燃料容器１aＡ，１bＡ内に水貯留部４Ａを備えないので、燃料貯留部４Ａの容積を大きく確保することができる。また、燃料容器１aＡ，１bＡ自体を小型化することができる。
また、起動時毎に発電モジュール２００Ａ内の水貯留部４Ａから水を加湿器２２１Ａに供給して発電セル２２０Ａを加湿するので、加湿器２２１Ａ内の中空糸膜や発電セル２２０Ａ内の電解質膜を湿潤させることができる。また、停止時毎に発電セル２２０Ａ及び加湿器２２１Ａへの水の供給を停止して、空気のみを供給するので、中空糸膜や電解質膜の水分を除去でき、凍結による中空糸膜や電解質膜の破損を防ぐことができる。
また、停止時毎に、水回収器２５０Ａの水タンク２５１Ａで回収した水を、第三の三方向弁Ｂ３を介して水貯留部４Ａに充填するので、次回起動用の水を補充することができる。
さらに、発電セル２２０Ａのカソードや加湿器２２１Ａから送り出された生成物を回収する水回収器２５０Ａを備え、水回収器２５０Ａは気液分離膜２５２Ａを有し、気液分離膜２５２Ａによって分離された生成物中の水を第三の可変バルブＶ１３や第五のＯＮ−ＯＦＦバルブＶ５を介して気化器２１１Ａや加湿器２２１Ａに供給して再利用するので、水を循環利用でき、コスト低減を図れる。

なお、上記第二の実施の形態において、水貯留部４Ａに薄膜ヒータなどを設けて、温度センサの制御により凍結防止を行う構造を設けても良い。
上述の発電システム３００Ａでは、一方の燃料容器１aＡ内の燃料及び水が無くなった場合に、他方の燃料容器１bＡ内の燃料及び水を使用するとしたが、第二の実施の形態においても、両方の燃料容器１aＡ,１bＡ内の燃料及び水を同時に使用するように制御しても構わない。
また、停止時に水回収器２５０Ａで回収した水を水貯留部４Ａに充填するとしたが、これに限らず、燃料容器１aＡの液体回収空間２０aＡで回収した水を水貯留部４aＡに充填するように構成しても良い。
さらに、停止時に水貯留部４aＡに水を充填するとしたが、起動中に充填するようにしても良い。

発電システム３００の概略構成を示したブロック図である。 燃料容器１の概略を示した側断面図である 水回収器２５０の概略を示した側断面図である。 電子機器１００の上面側を主に示した斜視図である。 電子機器１００の下面側を主に示した斜視図である。 発電システム３００Ａの概略構成を示したブロック図である。

符号の説明

１，１a，１b，１aＡ，１bＡ 燃料容器
３，３a，３b，３aＡ，３bＡ 燃料貯留部
４，４a，４b，４aＡ，４bＡ 水貯留部
５，５a，５b，５aＡ，５bＡ 気液分離膜（第二の気液分離膜）
２０，２０a，２０b，２０aＡ，２０bＡ 液体回収空間（第二の回収部）
３９ 燃料
４９ 水
１００ 電子機器
２００，２００Ａ 発電モジュール
２５０，２５０Ａ 水回収器（第一の回収部）
２５２，２５２Ａ 気液分離膜（第一の気液分離膜）
３００，３００Ａ 発電システム

Claims (9)

1. 燃料を貯留する燃料貯留部と、
   水を貯留する水貯留部と、
   前記燃料貯留部から供給される燃料を用いて発電を行う発電モジュールと、を備えた発電システムにおいて、
   起動時毎に、前記水貯留部から水を前記発電モジュールに供給して加湿し、
   停止時毎に、前記発電モジュールへの水の供給を停止することを特徴とする発電システム。
2. 前記発電モジュールに有する発電セル及び加湿器を乾燥させる乾燥手段をさらに備え、
   前記発電システム停止時毎に、前記乾燥手段によって発電セル及び加湿器を乾燥させることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
3. 前記燃料貯留部及び前記水貯留部は、前記発電モジュールに着脱自在に設けられた燃料容器内に備えられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電システム。
4. 前記燃料貯留部は、前記発電モジュールに着脱自在に設けられた燃料容器内に備えられ、
   前記水貯留部は、前記発電モジュール内に備えられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電システム。
5. 前記発電モジュールから生成された生成物を回収する第一の回収部を備え、
   前記第一の回収部は、前記生成物中の液体と気体とを分離する第一の気液分離膜を有し、
   前記第一の気液分離膜によって分離された前記生成物中の水を前記水貯留部に回収す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. 前記発電モジュールから生成された生成物を回収する第一の回収部を備え、
   前記第一の回収部は、前記生成物中の液体と気体とを分離する第一の気液分離膜を有し、
   前記第一の気液分離膜によって分離された前記生成物中の水を前記発電モジュールの加湿に利用す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。
7. 前記燃料容器は、前記第一の気液分離膜によって分離された前記生成物中の気体を回収する第二の回収部を備え、
   前記第二の回収部は、回収した気体を凝縮して得られた液体と、凝縮しない気体とを分離する第二の気液分離膜を有していることを特徴とする請求項５又は６に記載の発電システム。
8. 前記第二の回収部において、回収した気体のうち凝縮して得られた水を前記発電モジュールの加湿に利用することを特徴とする請求項７に記載の発電システム。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の発電システムと、
   前記発電システムにより発生された電気エネルギーによって動作する電子機器本体と、を備えることを特徴とする電子機器。

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