JP3867528B2 - Power generation components - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源システムに用いられる発電用部材に関し、特に、エネルギーの利用効率が高い可搬型の電源システムに用いられる発電用部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、民生用や産業用のあらゆる分野において、様々な化学電池が使用されている。例えば、アルカリ乾電池やマンガン乾電池等の一次電池は、時計やカメラ、玩具、携帯型の音響機器等に多用されており、我が国に限らず、世界的な観点からも最も生産数量が多く、安価かつ入手が容易という特徴を有している。
【０００３】
一方、ニッケル・カドミウム蓄電池やニッケル・水素蓄電池、リチウムイオン電池等の二次電池は、近年普及が著しい携帯電話や携帯情報端末（ＰＤＡ）、デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の携帯機器に多用されており、繰り返し充放電ができることから経済性に優れた特徴を有している。また、二次電池のうち、鉛蓄電池は、車両や船舶の起動用電源、あるいは、産業設備や医療設備における非常用電源等として利用されている。
【０００４】
ところで、近年、環境問題やエネルギー問題への関心の高まりに伴い、上述したような化学電池の使用後の廃棄に関する問題やエネルギー変換効率の問題がクローズアップされている。
とくに、一次電池においては、上述したように、製品価格が安価で入手が容易なうえ、電源として利用する機器も多く、しかも、基本的に一度放電されると電池容量を回復することができない、一回限りの利用（いわゆる、使い捨て）しかできないため、年間の廃棄量が数百万トンに上っている。ここで、化学電池全体では、リサイクルにより回収される比率は、概ね２０％程度に過ぎず、残りの８０％程度が自然界に投棄または埋め立て処理されている、とする統計資料もあり、このような未回収の電池に含まれる水銀やインジウム等の重金属による環境破壊や、自然環境の美観の悪化が懸念されている。
【０００５】
また、エネルギー資源の利用効率の観点から上記化学電池を検証すると、一次電池においては、放電可能エネルギーの概ね３００倍のエネルギーを使用して生産されているため、エネルギー利用効率が１％にも満たない。これに対して、繰り返し充放電が可能で経済性に優れた二次電池であっても、家庭用電源（コンセント）等から充電を行う場合、発電所における発電効率や送電損失等により、エネルギー利用効率が概ね１２％程度にまで低下してしまうため、必ずしもエネルギー資源の有効利用が図られているとは言えなかった。
【０００６】
そこで、近年、環境への影響が少なく、かつ、３０〜４０％程度の極めて高いエネルギー利用効率を実現することができる、いわゆる、燃料電池が注目され、車両用の駆動電源や家庭用のコジェネレーションシステム等への適用を目的として、あるいは、上述したような化学電池の代替えを目的として、実用化のための研究、開発が盛んに行われている。なお、燃料電池の具体的な構成等については、発明の詳細な説明において詳述する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、今後、燃料電池等のエネルギー利用効率が高い発電用部材を小型軽量化して、可搬型又は携帯型のポータブル電源、例えば、上述したような化学電池の代替え（互換品）として適用するためには、さまざまな問題がある。
【０００８】
具体的には、水素を吸蔵する合金から水素を放出させ、この水素により発電する発電システムでは、水素吸蔵合金の単位体積当たりの発電能力（パワー密度）やエネルギーが低い、という問題点があった。また有機系化学燃料を、直接燃料電池に供給する従来の燃料直接型発電システムでも、パワー密度や出力が低い、という問題点があった。
【０００９】
一方、メタノールやメタンガス等の有機系化学燃料から水素を生成する燃料改質器から水素を燃料電池に供給する燃料改質型発電システムは上記水素吸蔵合金型発電システムや燃料直接型発電システムに比べて、燃料容器の単位容量当たりのエネルギー量が高いという利点がある。しかし、上記水蒸気燃料改質器と酸素−水素燃料電池を組み合わせた燃料改質方式の発電システムでは、トータルのパワー密度とエネルギー利用効率において、両者の利点を十分に活かすことができなかった。
【００１０】
すなわち、有機系化学燃料は燃料改質器によって水素ガス以外に二酸化炭素ガス等の副生成物が生じてしまい、水素ガス及び二酸化炭素ガスを主成分とする混合ガスを単に燃料電池に供給したのでは発電に寄与する水素ガスの濃度が低いために発電効率が低下するという問題点がある。また、混合ガスには少量ながら一酸化炭素ガスが副生成物として含まれており、この一酸化炭素ガスが燃料電池の特性に大きな悪影響をもたらすという問題点もある。
【００１１】
さらに、水蒸気燃料改質器自体の体積も相俟って、従来知られている前記発電システムは、可搬型又は携帯型のポータブル電源とするには十分なパワー密度が得られなかった。
【００１２】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑み、燃料電池を用いた発電用部材をポータブル電源として適用する場合に、十分なパワー密度とエネルギー利用効率を安価で得られる発電用部材を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る発電用部材は、（ａ）水素を含む液体もしくは気体を有する発電用燃料が封入された燃料容器を備えた燃料封入部、（ｂ）該燃料封入部から供給される前記発電用燃料を、水素ガス及び二酸化炭素ガスを主成分として含有する第一のガスに変換する改質手段と、第一のガスに含有された水素ガスを用いて電気エネルギーを発生する燃料電池と、を有する発電モジュール、（ｃ）該発電モジュールに対して前記燃料封入部を交換自在に接続する接続部、を備え、さらに前記改質手段から送出された第一のガスに含有される二酸化炭素ガスを選択的に吸収して、前記第一のガスより二酸化炭素濃度が低められた第二のガスを前記燃料電池側に送出するための二酸化炭素吸収手段とを備え、前記燃料封入部に前記二酸化炭素吸収手段が配置され、前記接続部に前記改質手段から送出される第一のガスを前記発電モジュールから前記燃料封入部に送出する経路と、前記二酸化炭素吸収手段から送出される第二のガスを前記燃料封入部から前記発電モジュールに送出する経路とを有することを特徴としている。
【００１４】
すなわち、電源システムにおいて、燃料封入部に封入、充填された水素を含む発電用燃料は、まず、改質手段で水素（Ｈ2）−二酸化炭素（ＣＯ2）混合ガス（第一のガス）に変換される。この第一のガスは、二酸化炭素吸収手段で二酸化炭素ガスが吸収、除去されて水素ガスを主成分とする第二のガスとなり、この第二のガスが水素−酸素燃料電池（燃料電池）へ供給される。第二のガスは水素ガス濃度が高いために、この燃料電池の発電効率は発電用部材が二酸化炭素吸収手段を有さない場合よりも大いに改善される。よって、この燃料電池を、パワー密度とエネルギー利用効率が高く、且つ、制御の容易な、可搬型又は携帯型のポータブル電源として適用することができる。また、副生成物が燃料封入部、発電モジュール、或いは接続部内に保持されて、発電用部材外部への排出、又は漏出が抑制されるので、副生成物によるデバイスの動作不良や劣化等を防止することができる。
【００１５】
ここで、二酸化炭素吸収手段を、二酸化炭素吸着後も無害であり、そのまま自然界に廃棄しても、環境に負担を与えない二酸化炭素吸収剤で構成してもよい。これにより、この二酸化炭素吸収手段を、使用後にそのまま自然界に廃棄しても、自然環境の破壊もしくは汚染を引き起こすことがない。
【００１６】
また、燃料封入部が、発電モジュールに対して着脱可能に構成され、かつ、交換可能に構成されていることにより、燃料封入部に封入された発電用燃料がなくなった（又は、少なくなった）ときに、燃料封入部を発電モジュールから取り外して新たな燃料封入部に交換することができるので、燃料封入部をあたかも汎用の化学電池のように簡便に使用することができる。
【００１７】
請求項１記載の発明は、特に、前記燃料封入部に前記二酸化炭素吸収手段が配置され、前記接続部に前記改質手段から送出される第一のガスを前記発電モジュールから前記燃料封入部に送出する経路と、前記二酸化炭素吸収手段から送出される第二のガスを前記燃料封入部から前記発電モジュールに送出する経路とを有している。
【００１８】
これにより、発電用燃料がなくなった（又は、少なくなった）燃料封入部を新しい燃料封入部と交換することで、同時に二酸化炭素吸着量の上限に達した（又は、二酸化炭素吸着能力が低下した）二酸化炭素吸収手段を交換することができる。
【００１９】
さらに、前記二酸化炭素吸収手段は、選択的に二酸化炭素（ＣＯ2)を吸収する二酸化炭素吸収剤として酸化カルシウム（ＣａＯ）もしくは水酸化カルシウム（Ｃａ(ＯＨ)2)を有することを特徴としてもよい。
【００２０】
これにより、二酸化炭素吸着手段をきわめて安価に作製することができるとともに、二酸化炭素の吸収、除去を簡便に行なうことができる。また、この二酸化炭素吸収手段を使用後に自然界へ投棄しても、自然環境を破壊もしくは汚染することはない。
【００２１】
また、前記二酸化炭素吸収手段は、発熱反応により二酸化炭素を化学的に吸収するものとされ、前記改質手段における前記発電用燃料の第一のガスへの変換が加熱を必要とするものとされ、前記二酸化炭素吸収手段で発生する熱を前記改質手段に供給することしてもよい。
【００２２】
すなわち、本発明に係る発電用部材では、二酸化炭素の吸収で発生した反応熱を、改質手段における第一のガス発生に利用してもよい。これにより、発電用部材自体の消費エネルギーを削減できるので、発電用部材全体の実質的な出力とエネルギー利用効率を大幅に改善することができる。
【００２３】
さらに、前記改質手段における発電用燃料の第一のガスへの変換が水素ガスを発生する反応と、前記反応とともに発生する一酸化炭素を二酸化炭素に変換する反応とからなり、これら反応の間に、前記二酸化炭素吸収手段による二酸化炭素ガスの吸収を行なうこととしてもよい。
【００２４】
燃料電池に供給される水素ガスに副生成物として一酸化炭素が混入していると、燃料電池の燃料極の触媒が被毒して燃料電池の発電特性に悪影響が及ぶ。よって、改質手段でこの一酸化炭素を二酸化炭素に変換すれば、燃料極の被毒が回避され、発電用部材の出力及びエネルギー利用効率が大幅に向上する。また、上記水素を発生する反応と上記一酸化炭素を二酸化炭素に変換する反応の間で二酸化炭素の吸収を行なえば、一酸化炭素の変換を効率良く行なえるので、さらに発電用部材の出力及びエネルギー利用効率が向上するとともに、改質手段を簡素化することができる。なお、第一のガスから二酸化炭素を吸収後、一酸化炭素を二酸化炭素に変換した場合の第二のガスの二酸化炭素濃度はきわめて低いので、この二酸化炭素が燃料電池の発電効率を低下させることはない。
【００２５】
また、前記燃料電池から排出される排出物のうち少なくとも水を選択的に吸収する選択的排出物吸収剤を有する排出物回収手段を備え、前記選択的排出物吸収剤が酸化カルシウムとされ、該酸化カルシウムが水と反応して水酸化カルシウムとなることにより水を吸収するとともに、前記水酸化カルシウムを前記二酸化炭素吸収手段の前記二酸化炭素吸収剤として用いることとしてもよい。
【００２６】
すなわち、水素ガス（Ｈ2)と酸素ガス（Ｏ2)の電気化学的反応により、燃料電池の空気極で生成した廃棄物のうち、水（Ｈ2Ｏ)が排出物回収手段で酸化カルシウム（ＣａＯ）と反応することにより回収されて水酸化カルシウム（Ｃａ(ＯＨ)2)となる。この水酸化カルシウムは二酸化炭素吸収手段の二酸化炭素吸収剤として利用される。
【００２７】
酸化カルシウムで上記水を回収することで、排出物回収手段を簡素、かつ安価に作製することができる。また、選択的排出物吸収剤を二酸化炭素吸収剤として再利用することで、発電システム全体をコンパクトに作製することができる。
【００２８】
さらに、前記排出物回収手段により回収されて送出される水を選択的に吸収する水吸収剤で水を保持する排出物保持手段を備え、前記二酸化炭素吸収手段の水酸化カルシウムに第一のガスを接触させて、二酸化炭素ガスと水酸化カルシウムとを反応させて炭酸カルシウムと水とを生成させるとともに、該水を第二のガスとともに、前記排出物保持手段に送出し、該排出物保持手段に水を吸収させて第二のガスを燃料電池に送出することとしてもよい。
【００２９】
すなわち、第一のガスが二酸化炭素吸収手段に導入されることで、第一のガスは水素ガスを主成分とする第二のガスと水の混合物となり、排出物保持手段でこの混合物から水が除去されて第二のガスだけが燃料電池へと送出される。ここで、二酸化炭素吸収の際に生成する水は、上述のように、燃料電池の空気極で生成した水に由来している。
【００３０】
これによれば、燃料電池の空気極で生成した水は、排出物回収手段と二酸化炭素吸収手段を経て、最終的に燃料電池の燃料極と接続した排出物保持手段で保持される。これにより、上記水を確実に保持することで、水が発電用部材の外部に漏出することを防止できる。
【００３１】
これに加えて、前記燃料封入部に、前記排出物保持手段、前記排出物回収手段、前記二酸化炭素吸収手段及び前記燃料容器がそれぞれ体積を変更可能に順番に並んで配置され、前記燃料容器は、燃料を前記発電モジュールの改質手段に送出する送出部を有し、前記燃料容器に隣接して前記二酸化炭素吸収手段が配置され、かつ、該二酸化炭素吸収手段は、水酸化カルシウム層と、該水酸化カルシウム層に前記改質手段から送出される第一のガスを導入する混合ガス導入部と、水酸化カルシウムと二酸化炭素ガスが反応した際に生成する水と第二のガスとを導出する水・水素ガス導出部とを有し、前記二酸化炭素吸収手段の水酸化カルシウム層に隣接して前記排出物回収手段が配置され、かつ、該排出物回収手段は、前記水酸化カルシウム層に隣接するように配置される酸化カルシウム層と、該酸化カルシウム層に前記燃料電池から排出される水を導入する水導入部とを有し、前記排出物回収手段に隣接して前記排出物保持手段が配置され、かつ、該排出物保持手段は、前記水吸収剤と、該水吸収剤に前記水・水素ガス導出部から送出された水及び第二のガスを導入する水・水素ガス導入部とを有し、前記排出物保持手段が水を吸収することにより膨張して、前記排出物回収手段及び前記二酸化炭素吸収手段を前記燃料容器側に押して前記燃料容器からの燃料送出を補助するとともに、前記酸化カルシウム層の未反応領域を前記水導入部側に押し出し、前記水酸化カルシウムの未反応領域を前記混合ガス導入部側に押し出すこととしてもよい。
【００３２】
すなわち、排出物保持手段が水を吸収して膨張することにより、排出物回収手段の酸化カルシウム層と、二酸化炭素吸収手段の水酸化カルシウム層とを燃料容器側へ押し出すために、燃料容器が押圧される。これにより、燃料容器に充填、封入された発電用燃料は送出部を通じて効果的に発電モジュールへ送出される。
【００３３】
また、排出部回収手段の水酸化カルシウム層側にある酸化カルシウム（ＣａＯ）は水導入部から導入された水（Ｈ2Ｏ)を吸収して水酸化カルシウム（Ｃａ(ＯＨ)2)に変化した後、廃棄物回収手段の膨張によって、すみやかに二酸化炭素吸収手段の水酸化カルシウム層へ押し出される。これにより、排出物回収手段の酸化カルシウムを効率良く水の回収に利用できるとともに、水の回収で生成した水酸化カルシウムを効率良く二酸化炭素吸着手段へ移行することができる。
【００３４】
さらに、第一のガスが水酸化カルシウム層の燃料容器側の端部で水酸化カルシウム（Ｃａ(ＯＨ)2)と触れることで二酸化炭素ガス（ＣＯ2)を除去することができる。また、二酸化炭素ガスの吸着で生成した炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3)は、排出物回収手段の膨張によって燃料容器側へ押し出され、燃料容器を押圧する。これにより、二酸化炭素吸収手段に予め充填された水酸化カルシウムと、排出物回収手段で生成した水酸化カルシウムを効率良く二酸化炭素ガスの吸収、除去に利用することができる。
【００３５】
また、二酸化炭素除去で生成した水と第二のガスを導出する水・水素ガス導出部を、混合ガス導入部と同一直線上に、かつ、最短距離をおいて設けることにより、水素ガスが燃料封入部内に拡散することなく、二酸化炭素の除去を効率良く行なうことができる。
【００３６】
また、水の吸収が発熱反応とされ、発生する熱を前記燃料電池から排出される水の経路の凍結防止に利用することとしてもよい。
【００３７】
これにより、発電システム自体の消費するエネルギーを増加させることなく水の経路の凍結を防ぐことができるので、発電システム自体の消費するエネルギーを抑制して、発電システムの出力とエネルギー利用効率をさらに向上させることができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる電源システムに用いられる発電用部材の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
＜第一の実施形態＞
図１は、本発明に係る発電用部材を含むの第一の実施形態を示すブロック図である。本実施形態に係る発電用部材は、図１に示すように、大別して、発電用燃料（燃料）等が封入された燃料パック（燃料封入部）１０と、燃料パック１０に対して着脱自在に接続され、この燃料パック１０から供給された燃料を用いて電気エネルギーを発生（発電)する発電モジュール２０等から構成される。前記燃料パック１０には燃料容器１１、二酸化炭素吸収手段１２、排出物保持手段１３、接続部１４等が設けられている。また、前記発電モジュール２０には、燃料電池２１、動作制御部２２、改質手段２３、空気制御部２４、副電源部２５、排出物回収手段２６等により構成される。
【００３９】
以下、各構成について、具体的に説明する。
（Ａ）燃料パック（燃料封入部）１０
燃料容器１１は、メタノールやブタンのように、その組成に水素を含んだ液体（又は、液化）化合物又は気体化合物、並びに水を有する燃料が充填、封入された密閉性の高い燃料貯蔵容器であって、上記発電モジュール２０に対して、着脱可能に結合された構造を有している。燃料容器１１に封入された発電用燃料は、燃料パック１０が発電モジュール２０に結合された状態でのみ、改質手段２３を介して、燃料電池２１により負荷３４に出力される電気エネルギーを生成するために必要な所定の供給量が取り込まれる。
【００４０】
二酸化炭素吸収手段１２は、後述する改質手段２３で、燃料容器１１より導入された燃料が化学的に変換されて生成した水素（Ｈ2）−二酸化炭素（ＣＯ2）混合ガス（第一のガス）から、選択的に二酸化炭素ガスのみを除去する。具体的には、燃料パック１０が発電モジュール２０に接続された状態でのみ、改質手段２３で発生した第一のガスを導入し、この第一のガスから二酸化炭素（ＣＯ2）を除去することで抽出された水素ガス（Ｈ2）を主成分とする第二のガスを、燃料電池２１へ送出するように構成されている。
【００４１】
また、二酸化炭素吸収手段１２には、二酸化炭素吸収剤が充填されている。二酸化炭素吸収剤としては、改質手段２３で発生した水素−二酸化炭素混合ガスから選択的に、二酸化炭素のみを吸着するとともに、二酸化炭素を吸着することで、自然界に投棄、埋め立て、もしくは焼却しても有害物質や環境汚染物質を発生することのない物質へ変化する物質を用いる。
【００４２】
上記二酸化炭素吸収剤としては、例えば酸化カルシウム（ＣａＯ）若しくは水酸化カルシウム（Ｃａ(ＯＨ)2）を用いる。これらの物質は、反応化学式（１）若しくは（２）に示す反応によって、上記混合ガスから選択的に二酸化炭素を除去する。
ＣａＯ＋ＣＯ2→ＣａＣＯ3 ・・・（１）
Ｃａ(ＯＨ)2+ＣＯ2→ＣａＣＯ3+Ｈ2Ｏ ・・・（２）
【００４３】
酸化カルシウム（ＣａＯ）、及び水酸化カルシウム（Ｃａ(ＯＨ)2）はきわめて安価な物質である。また、これらの物質を用いた二酸化炭素吸収手段は、二酸化炭素ガス（ＣＯ2）の吸着に際して、高温、高圧等の条件を必要としない。したがって、これらの物質を二酸化炭素吸収剤として用いることにより、本実施形態に係る燃料パック１０をきわめて安価、且つコンパクトに作製することができる。
【００４４】
また、反応化学式（１）、（２）に示す反応で生成する炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3)は、人体や自然環境に対して無害な物質であるとともに、自然界に投棄、埋め立て、若しくは焼却しても有害な物質を発生しない。したがって、酸化カルシウム、又は水酸化カルシウムを有した二酸化炭素吸収手段１２を備えた燃料パック１０は、使用後、環境に悪影響を及ぼすことなく処理することができる。
【００４５】
なお、反応化学式（１）及び（２）に示す反応は発熱反応であるので、二酸化炭素吸収手段１２は、二酸化炭素吸着に伴なって発生した熱を、後述する改質手段２３等に供給する構造を有してもよい。これにより、本実施形態に係る発電用部材のエネルギー利用効率をより高めることができる。
【００４６】
排出物保持手段（排出物保持手段）１３は、後述する発電モジュール２０において電気エネルギーを発生する際に生成し、排出される副生成物のうち、排出物回収手段２６により分離、回収された特定の成分又は物質のみを保持する。具体的には、後述するが、燃料パック１０が発電モジュール２０に結合された状態でのみ、発電モジュール２０の燃料電池２１における電気化学反応で電気エネルギーが発生する際に生成する水（Ｈ2Ｏ）や場合によってはごく微量の窒素酸化物（ＮＯx）、硫黄酸化物（ＳＯx）等の副生成物（特定の成分又は物質）の全て、又は、これらの一部が、排出物保持手段１３（又は、燃料パック１０）の外部に漏出又は排出しないように、不可逆的に保持するよう構成されている。
【００４７】
ここで、水（Ｈ2Ｏ）は常温常圧下では液体なので、排出物保持手段１３及び燃料パック１０の気圧を高めて液化するための手段は特に必要ない。しかし、ガソリン等の燃料を適用して電気エネルギーを発生する際に生成する恐れのある窒素酸化物（ＮＯx）及び硫黄酸化物（ＳＯx）の気化点は、常圧で概ね常温よりもきわめて低いので、これらの副生成物ガスの量が多く、排出物保持手段１３内で回収した水に溶けきれない分が排出物保持手段１３の容積を超える恐れがある場合には、排出物保持手段１３及び排出物回収手段２６内の気圧を高くすることによりこれらの副生成物ガスを液化し、副生成物の体積を縮小することで排出物保持手段１３に収容する。
【００４８】
したがって、排出物保持手段１３に適用される構成としては、上記特定の成分又は物質を不可逆的に吸収、吸着固定、定着等することができるように、水吸収剤（例えば、吸収ポリマー）や逆止弁等を備えていることが好ましい。
【００４９】
接続部１４は、燃料パック１０及び発電モジュール２０を着脱可能に結合する構成を有する。また、接続部１４は、燃料パック１０及び発電モジュール２０が、接続部１４を介して結合されている状態でのみ、燃料パック１０から発電モジュール２０に発電用燃料が供給されるとともに、発電モジュール２０から燃料パック１０へ電気エネルギー発生に伴なって生成する副生成物の特定の成分が排出され、燃料パック１０と発電モジュール２０の間でガスの授受が行なわれる。具体的には、例えば、燃料パック１０側に設けられた後述する送出口１４Ａ、水導入部１４Ｂ、混合ガス導入部１５Ａ及び水・水素ガス送出口１５Ｂが、非可逆、又は可逆に封密されており、発電モジュール２０の接続に伴なってこれらの封密が解除される（破れる）構成を適用することにより、発電モジュール２０との結合前、あるいは、使用途中での結合解除時における燃料や廃棄物の漏出を防止でき、より安全な発電用部材を実現することができる。送出口１４Ａは、燃料パック１０内に挿入されている送出管（図示せず）に連結されており、燃料パック１０を発電モジュール２０に装着すると毛細管現象により送出管及び送出口１４Ａを経て動作制御部２２及び副電源部２５に燃料を送出しようとするが、燃料電池２１が駆動していない場合は、動作制御部２２のバルブが閉じられており、副電源部２５のみに燃料が供給される。そして、負荷３４が待機（オフ）状態からメイン機能の起動する状態へのシフトにともない変位する電位を電源システムの正極及び負極を介してモニタリング手段１７が検知し、動作制御部２２に起動信号を送信すると、動作制御部２２が副電源部２５の電力により起動して送出口１４Ａのバルブを開放し燃料が供給され、改質手段２３への所定量の燃料の送出を開始するように設定されている。
【００５０】
なお、燃料容器１１、二酸化炭素吸収手段１２、排出物保持手段１３、送出口１４Ａ、水導入部１４Ｂ、混合ガス導入部１５Ａ、水素送出口１５Ｂの具体的な構成及び作用については、後述する。
【００５１】
上述の燃料パック１０の具体的な外形形状としては、例えば、図２に示すようにシート状に形成したものをロール状に巻いたものとする。この場合、後述するように発電用部材を汎用の化学電池とほぼ同じ外形形状に形成することが容易となる。
なお、本発明に係る燃料パック１０の外形形状は上記の形状に限らない。
【００５２】
ここで、燃料パック１０は、人為的な加熱・焼却処理や薬品・化学処理等を行なった場合でも、有機塩素化合物（ダイオキシン類；ポリ塩化ジベンゾパラジオキシン、ポリ塩化ジベンゾフラン）や塩化水素ガス、重金属等の有害物質、環境汚染物質の発生が少ない、又は、抑制された材料により構成されているものであってもよい。
【００５３】
また、本実施形態に係る発電用部材に用いられる発電用燃料としては、少なくとも、発電用の燃料が封入された上記燃料パック１０が、自然界に投棄又は埋め立て処理されて、大気中や土壌中、水中に漏れ出した場合であっても、自然環境に対して汚染物質とならず、かつ、後述する発電モジュール２０の燃料電池２１において、高いエネルギー変換効率で電気エネルギーを発生することができる燃料、具体的には、メタノール、エタノール、ブタノール等のアルコールからなる液体化合物や、ジメチルエーテル、イソブタン、天然ガス（ＬＰＧ）等の炭化水素ガス、水素ガス等の気体化合物を良好に適用することができる。
【００５４】
このような構成を有する燃料パック１０及び発電用燃料によれば、本実施形態に係る発電用部材において電気エネルギーを発生する際に生成する副生成物が、燃料パック１０内に設けられた排出物保持手段１３に不可逆的に保持されるので、仮に、自然環境や、発電用部材が接続されるデバイスに対して有害な副生成物（ＮＯx、ＳＯx、Ｈ2Ｏ等）が生成した場合であっても、該副生成物が発電用部材の外部に排出されることがないので、大気汚染、地球温暖化等の環境への影響や、デバイスの漏電による電子部品の劣化、接触不良等の発生を抑えることができる。
【００５５】
（Ｂ）発電モジュール２０
図３は本実施形態に係る発電モジュールに適用される改質手段２３の構成例を示すブロック図であり、図４は、本実施形態に係る発電モジュール２０に適用される燃料電池２１の構成例を示す概略構成図である。
発電モジュール２０は、図１に示すように、待機状態（オフ状態）の負荷３４に待機電力を供給する副電源部２５と、副電源部２５の電力で駆動し、利用者が負荷３４の起動スイッチをオンすることにより変位する電位を電源システムの正極及び負極を介して検知するモニタリング手段１７と、負荷３４が待機状態から起動状態に移行するときにモニタリング手段１７から送信される起動信号を受信すると送出口１４Ａとの間のバルブを開放して燃料パック１０から燃料が供給され、改質手段２３への所定量の燃料及び副電源部２５からの電力の一部を供給開始する動作制御部２２と、表面に活性触媒が付着され、延在方向に対して直行する方向の断面での縦横の長さがともに５００μｍ以下の蛇行した形状であって、気化した燃料が導通する流路、及び動作制御部２２から供給された電力により流路内の燃料を過熱するためのヒータを備え、ヒータの熱及び活性触媒により燃料から改質された水素と副生成物として生じた二酸化炭素とを二酸化炭素吸収手段１２に供給する改質手段２３と、燃料パック１０の二酸化炭素吸収手段１２から供給される水素ガスを用いて、電気化学反応により、少なくとも、発電用部材に接続された負荷３４に対して、駆動電源（電圧／電流）となる電気エネルギーを発生し出力する燃料電池２１と、発電燃料の電気化学反応に要する空気を大気から取り込んで、燃料電池２１等に供給する空気制御部２４と、燃料電池２１における電気エネルギー発生の際に生成する副生成物のうち、特定の成分又は物質のみを燃料パック１０内に設けられた排出物保持手段１３に不可逆的に回収、保持する排出物回収手段２６と、を有して構成されている。
【００５６】
動作制御部２２は、例えば副電源部２５で発生する電気エネルギー（動作電源）により動作し、モニタリング手段１７により得られる、本実施形態に係る電源システムに接続された負荷３４の駆動状態に関する情報（負荷駆動情報）に基づいて、後述する燃料電池２１の発電状態を制御する。具体的には、燃料電池２１が駆動していない状態で、負荷３４を起動する信号を検出した場合には、改質手段２３の内部のヒータを加熱するための電力を改質手段２３に供給するとともに、送出口１４Ａとの間のバルブを開放して燃料容器１１からの燃料が毛細管現象により自動的に供給されるようにして、所定量の燃料を噴霧して改質手段２３に供給する。また、動作制御部２２は、燃料電池２１が駆動している状態で、利用者が駆動停止スイッチを押すことで負荷３４が駆動状態から待機状態に変位する際に伴なう電位変化をモニタリング手段１７が検知して出力する停止信号を受けて改質手段２３に対して、燃料及び電力の供給を停止する。
【００５７】
一方、燃料電池２１が駆動している状態で、モニタリング手段１７が負荷３４の駆動状態の変動を検出した場合には、燃料電池２１及び改質手段２３に対して、燃料電池２１から負荷に供給される電気エネルギーが負荷の駆動状態に対応した適切な値となるように、モニタリング手段１７が燃料電池２１における電気エネルギーの発生量（発電量）を調整するための動作制御信号を動作制御部２２に出力する。
【００５８】
ここで、動作制御部２２において検出される指令等の負荷３４の駆動状態に関する情報（負荷駆動情報）とは、周辺機器（負荷３４）側から、その駆動状態（起動／変動）に応じて出力される特定の情報信号であってもよいし、汎用の化学電池のように正（＋）極と負（−）極のみにより負荷と電気的に接続された構成にあっては、例えば、後述する待機状態において、正（＋）極と負（−）極を介し、負荷に対して常時モニタ電圧を供給して、その変動を常時監視することにより、負荷の変動を検知するものであってもよい。
【００５９】
副電源部２５は、燃料パック１０から供給される混合液を用いて電気化学反応によって所定の電気エネルギーを常時、自立的に発生して、負荷３４が待機（オフ）状態に、モニタリング手段１７にモニタリング電力を出力するとともに負荷３４に待機電力を供給し、そして負荷３４が起動しようとすると、加えて燃料電池２１、動作制御部２２、改質手段２３、及び空気制御部２４に駆動するための電力を供給する。
【００６０】
ここで、副電源部２５における電気エネルギーの発生方法は、例えば、燃料容器１１から供給される発電用燃料を直接内部の発電セルに供給して発電する直接燃料型の燃料電池を良好に適用することができるほか、燃料容器１１に封入された発電用燃料が気化する際の充填圧力を用いてタービン（発電機）を回転させて電気エネルギーを発生する力学的なエネルギー変換作用等によるもの、又、発電モジュール内に、太陽電池や生物電池、震動発電機等を備え、これらにより電気エネルギーを発生するもの、さらには、後述する燃料電池２１により生成した電気エネルギーの一部を充電池やコンデンサ等の電気エネルギー蓄積手段に蓄積し、常時、自立的に電気エネルギーを放出（放電）したもの等であってもよい。
【００６１】
改質手段２３は、図３に示すように、燃料容器１１から供給された発電用燃料を気化する燃料気化器２３ａと、燃料気化器２３ａで気化した発電用燃料をヒータで加熱して水素（Ｈ2）−二酸化炭素（ＣＯ2）混合ガス（第一のガス）に変換する水蒸気改質反応器（燃料改質器）２３ｂと、この混合ガスに微量の副生成物として含まれている一酸化炭素ガス（ＣＯ）を二酸化炭素ガス（ＣＯ2)に変換する水性シフト反応器２３ｃ及び選択酸化反応器２３ｄと、を有している。
【００６２】
燃料気化器２３ａは、燃料容器１１から導入された燃料を加熱して気化し、後述する水蒸気改質反応器２３ｂへ送出する。燃料気化器２３ａは、能率よく燃料を気化するため、後述するヒータや、水性シフト反応器２３ｃ、選択酸化反応器２３ｄ、若しくは二酸化炭素吸収手段１２等における反応熱を能率よく導入する構造と、この熱を外部に漏らさない断熱構造とを有する。
【００６３】
水蒸気改質反応器２３ｂは、燃料容器１１から、燃料気化器２３ａを介して導入された発電用燃料を水素（Ｈ2）ガスに変換する。具体的には、例えば、アルコール系の液体燃料であるメタノール（ＣＨ3ＯＨ）が、メタノールに対して等モル量の水（Ｈ2Ｏ）と、均一に混合された状態で、燃料容器１１から燃料燃料気化器２３ａを介して水蒸気改質反応器２３ｂに供給され、この混合物が水蒸気改質反応器２３ｂ内で化学反応式（３）に示す反応により、第一のガスへと変換される。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2+ＣＯ2 ・・・（３）
【００６４】
水蒸気改質反応器２３ｂは、メタノール及び水を改質するための、進行方向に直行する断面の縦、横の長さが５００μｍ以下の細い流路からなるマイクロリアクタであり、反応化学式（３）に示した反応を能率よく進行させるための周知の触媒が流路の表面に担持されている。また、反応化学式（３）に示した反応は吸熱反応であるので、水蒸気改質反応器２３ｂは、この反応を能率よく進行させるため、後述するヒータ若しくは二酸化炭素吸収手段１２等から熱を能率よく導入する構造と、この熱を外部に漏らさない断熱構造とを有する。
【００６５】
反応化学式（３）に示した反応で生じる副生成物である二酸化炭素ガス（ＣＯ2）は、変換後、上記二酸化炭素吸収手段１２で吸着、除去される。また、化学式（３）に示されない反応により、微量な副生成物として生じる一酸化炭素ガス（ＣＯ）は、後述する一酸化炭素除去手段である水性シフト反応器２３ｃ及び選択酸化反応器２３ｄにより、除去される。
【００６６】
一酸化炭素除去手段の１つである水性シフト反応器２３ｃは、水蒸気改質反応器２３ｂから導入した水素と二酸化炭素を主成分とする混合ガスに含まれる微量の副生成物のうち、後述する燃料電池２１の発電特性に悪影響を及ぼす一酸化炭素ガス（ＣＯ）を除去するため、この一酸化炭素ガスを反応化学式（４）に示す反応で水素ガス（Ｈ2）と二酸化炭素ガス（ＣＯ2）に変換する。また、水性シフト反応器２３ｃの内部には、反応化学式（４）に示した反応を能率よく進行させるための周知の触媒が担持されている。また、反応化学式（４）に示す反応は発熱反応であるので、この反応熱を排出するための図示しない放熱手段を水性シフト反応器２３ｃに設置する。
ＣＯ+Ｈ2Ｏ→Ｈ2+ＣＯ2 ・・・（４）
【００６７】
なお、反応化学式（４）の反応に要する水（Ｈ2Ｏ）には燃料容器１１から発電用燃料として供給される水のうち、水蒸気改質反応器２３ｂで反応し残った水が充当されるが、この水が混合ガス中の一酸化炭素ガスに対して十分な量でない場合は、不足した分の水を水性シフト反応器２３ｃに供給する構造を付け加えてもよい。また、水性シフト反応器２３ｃは、化学式（４）の反応で発生した熱を、放熱手段から排出するかわりに、燃料気化器２３ａ及び水蒸気改質反応器２３ｂへ供給するものとしてもよい。
【００６８】
もう１つの一酸化炭素除去手段である選択酸化反応器２３ｄは、反応化学式（５）で示す反応により、一酸化炭素ガス（ＣＯ）を二酸化炭素（ＣＯ2）ガスへ変換する。これにより、上記混合ガスから、水性シフト反応器２３ｃで除去し切れなかった一酸化炭素（ＣＯ）ガスを除去して、上記混合ガス中の一酸化炭素ガス濃度を、燃料電池２１の発電特性に悪影響が及ばない領域まで低める。
２ＣＯ+Ｏ2→２ＣＯ2 ・・・（５）
【００６９】
選択酸化反応器２３ｄの内部には、水性シフト反応器２３ｃから導入された混合ガスに含有されている水素ガス（Ｈ2）を消費することなく、一酸化炭素ガス（ＣＯ）のみを選択的に反応化学式（５）に示す反応で酸化するための周知の触媒が担持されている。
【００７０】
なお、反応化学式（５）に示す反応に要する酸素（Ｏ2)ガスは、水性シフト反応器２３ｃから導入された混合ガスに微量に含まれている大気由来の酸素ガスを充当するが、この酸素ガスが混合ガス中の一酸化炭素ガスに対して少ない場合は、不足した分の酸素ガスを後述する空気制御部２４等から取り入れる構造を選択酸化反応器２３ｄに付け加えてもよい。また、選択酸化反応器２３ｄは、化学式（５）の反応で発生した熱を、放熱手段から排出するかわりに、燃料気化器２３ａ及び水蒸気改質反応器２３ｂへ供給するものとしてもよい。
【００７１】
動作制御部２２は、燃料電池２１が、所定の電気エネルギーを生成、出力するために必要な量の水素ガス（Ｈ2）に相当した量の燃料や水等を燃料容器１１から改質手段２３へ供給し、水素ガスに変換して、後述する燃料電池２１（図４）の燃料極３１に供給するための制御を行なう。
【００７２】
空気制御部２４は、燃料電池２１の空気極３２に供給する酸素ガス（Ｏ2）の量を制御する。動作制御部２２及び空気制御部２４による燃料電池２１への水素（Ｈ2）ガス及び酸素ガス（Ｏ2）の供給量を制御することにより、燃料電池２１における電気化学反応の進行状態が制御され、電気エネルギーの発生量（発電量）が制御される。
【００７３】
ここで、空気制御部２４は、燃料電池２１における単位時間当たりの酸素の最大消費量に相当する空気（大気）を供給できるものであれば、燃料電池２１の空気極３２に供給する酸素ガスの量を制御することなく、駆動時（定常状態）に常に供給するように設定されていてもよい。すなわち、電気化学反応の進行状態を上記動作制御部２２のみで制御し、空気制御部２４の代わりに通気孔を設け、燃料電池２１における電気化学反応に用いられる最大消費量以上の量の空気がこの通気孔を介して、常時供給されるように構成されているものであってもよい。
【００７４】
燃料電池２１は水素−酸素燃料電池であり、図４に示すように、大別して、例えば白金や白金−ルテニウム合金等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなる燃料極(カソード)３１と、白金等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなる空気極(アノード)３２と、燃料極３１と空気極３２の間に介装されたフィルム状の周知のイオン導電膜(交換膜)３３と、を有して構成されている。ここで、燃料極３１には、上述した改質手段２３及び二酸化炭素吸収手段１２を介して抽出された水素ガス（Ｈ2）を主成分とする第二のガスが供給され、一方、空気極３２には大気中の酸素ガス（Ｏ2）が供給されることにより、電気化学反応が進行して発電が行なわれ、負荷３４に対して所定の駆動電源（電圧／電流）となる電気エネルギーが供給される。
【００７５】
具体的には、燃料極３１に水素ガス（Ｈ2）が供給されると、次の化学反応式(６)に示すように、上記触媒により電子（ｅ-）が分離した水素イオン(プロトン；Ｈ+）が発生し、イオン導電膜３３を介して空気極３２に透過するとともに、燃料極３１を構成する炭素電極により電子（ｅ-）が取り出されて負荷３４へ供給される。
３Ｈ2→６Ｈ+＋６ｅ- ・・・（６）
【００７６】
一方、空気極３２に空気が供給されると、化学反応式（７）に示すように、上記触媒により負荷３４を経由した電子（ｅ-）とイオン導電膜３３を通過した水素イオン（Ｈ+）と空気中の酸素ガス（Ｏ2）ガスが反応して水（Ｈ2Ｏ）が生成する。
６Ｈ+＋３／２Ｏ2+６ｅ-→３Ｈ2Ｏ ・・・（７）
【００７７】
このような一連の電気化学反応（（６）式及び(７)式）は概ね６０〜８０℃という比較的低温の環境下で進行する。なお、上記反応式（６）及び（７）には記載していないが、副生成物として、水の他に燃料中に存在する微量の窒素、硫黄成分から生成する窒素酸化物（ＮＯx）及び硫黄酸化物（ＳＯx）が生じることがある。
【００７８】
なお、上述したような電気化学反応により負荷３４に供給される駆動電源（電圧／電流）は、燃料電池２１の燃料極３１に供給される水素ガス（Ｈ2）の量に依存する。したがって、動作制御部２２によって、燃料電池２１の燃料極３１に供給される水素ガス（Ｈ2）の量を制御することにより、負荷に供給される電気エネルギーを任意に調節することができる。
【００７９】
そして、排出物回収手段２６は、上述した改質手段２３及び燃料電池２１において、電力エネルギーを発生するための一連の化学反応に伴なって生成する副生成物のうち、少なくとも１種類またはそれ以上の、特定の成分または物質を分離して、上記燃料パック１０に設けられた排出物保持手段１３に送出する。
【００８０】
具体的には、本実施形態に係る発電用部材においては、改質手段２３の水蒸気改質反応器２３ｂにおける水蒸気改質反応（化学反応式（３））に伴なって、水素ガスとともに生成する二酸化炭素ガス（ＣＯ2）、および、燃料電池２１における電気化学反応（化学反応式（６）及び（７））に伴なって、電気エネルギーの発生とともに生成する水（Ｈ2Ｏ）が、改質手段２３及び燃料電池２１から排出される。しかし、二酸化炭素（ＣＯ2）は、改質手段２３から燃料電池２１に導入されることなくその大部分が燃料パック１０に設けられた二酸化炭素吸収手段１２によって吸着、除去されるため、水（Ｈ2Ｏ）等が排出物回収手段２６により回収されて排出物保持手段１３に送出され、不可逆的に保持される。
【００８１】
ここで、燃料電池２１における電気化学反応（化学反応式（６）及び（７））は、概ね常温〜９０℃程度で進行するため、燃料電池２１において生成する水（Ｈ2Ｏ）は、ほぼ水蒸気（気体）の状態で排出される。そこで、排出物回収手段２６は、例えば、燃料電池２１から排出される水蒸気を冷却あるいは加圧することにより、水（Ｈ2Ｏ）のみを液化して、他の成分から分離、回収する。
なお、排出物回収手段２６は、発電モジュール２０内ではなく、燃料パック１０内に設けるものとしてもよい。
【００８２】
この様に、本実施形態に係る発電用部材によれば、まず、燃料パック１０から発電モジュール２０に供給された燃料は、水蒸気改質反応器２３ｂで第一のガスに変換される。次に、第一のガスに不純物として微量に含まれる一酸化炭素ガス（ＣＯ）が、水性シフト反応器２３ｃ、及び選択酸化反応器２３ｄで二酸化炭素ガス（ＣＯ2)に変換され、除去される。さらに、この混合ガスは二酸化炭素吸収手段１２で導入され、二酸化炭素ガスが吸収、除去されて第二のガスとなり、燃料電池２１に供給される。
【００８３】
最終的に燃料電池に供給される第二のガスはきわめて高濃度の水素ガス（Ｈ2)である。よって、第一のガスが直接燃料電池に供給される従来の発電用部材に比べて燃料電池２１の発電効率が向上するので、パワー密度、及びエネルギー利用効率が高く、ポータブル電源として適用可能な電源システムに用いられる発電用部材を提供することができる。また、第二のガスでは燃料電池２１の燃料極３１の触媒に対して触媒毒として作用する一酸化炭素ガスの濃度がきわめて低いので、燃料電池２１の発電効率をさらに向上させることができる。さらに、上記二酸化炭素吸収手段１２、水性シフト反応器２３ｃ、及び選択酸化反応器２３ｄは、高温、高圧な動作条件を要さないため、本実施形態に係る発電用部材を安価、且つコンパクトに作製することができる。
【００８４】
さらに、発電モジュール２０により電気エネルギーを発生する際に生成する副生成物、例えば、二酸化炭素（ＣＯ2）、水（Ｈ2Ｏ）等のうち、少なくとも２成分が燃料パック１０内に設けられた二酸化炭素吸収手段１２及び排出物保持手段１３に保持されることにより、副生成物が燃料パック１０内に不可逆的に保持されて、発電用部材外部への排出または漏出が抑制されるので、副生成物（二酸化炭素）による自然環境の汚染や地球温暖化等を防止することができる。また、窒素酸化物（ＮＯx）、硫黄酸化物（ＳＯx）が生成する場合についても、水（Ｈ2Ｏ）とは別の排出物保持手段１３に回収するようにしてもよい。
【００８５】
それに加えて、本実施形態に係る発電用部材においては、発電用部材に接続される負荷（デバイス）３４の駆動状態（負荷駆動情報）に応じて、所定の駆動電源となる電気エネルギーの供給、停止制御、及び、電気エネルギーの発生量の調整制御を行なうことができるので、燃料電池２１の発電用燃料を効率的に消費することができる。したがって、所定の電気的特性を実現しつつ、エネルギーの利用効率が極めて高い電源システムのための発電用部材を提供することができる。
【００８６】
また、本実施形態に係る発電用部材においては、後述するように、本実施形態に係る発電用部材（発電モジュール）を、半導体制御技術を適用して小型軽量化し、規格化された汎用の化学電池と同等の形状になるように構成することにより、外形形状及び電気的特性（電圧／電流特性）のいずれにおいても汎用の化学電池との高い互換性を実現することができ、既存の電池市場における普及を一層容易なものとすることができる。これにより、環境問題やエネルギー利用効率等の点で課題が多い既存の化学電池に替えて、燃料電池を用いた発電用部材を容易に普及させることができるので、環境への影響を抑制しつつ、高いエネルギー利用効率を実現することができる。
【００８７】
次に、本実施形態に係る燃料パック１０の具体的な構成と、各構成要素相互の関係について、図面を参照して説明する。
図５は、本実施形態に係る燃料パック１０の燃料容器１１、排出物保持手段１３と二酸化炭素吸収手段１２との関係を示す概略図である。
【００８８】
図５（ａ）に示すように、本実施形態に係る燃料パック１０は、一定の容積を有し、上述したような分解性を有する高分子材料（プラスチック）により構成されているとともに、例えば、メタノール等の発電用燃料が充填された燃料容器１１と、燃料容器１１と隔絶するようにして設けられ、改質手段２３で発電用燃料が変換されて生成した水素（Ｈ2）−二酸化炭素（ＣＯ2）混合ガスのうち、二酸化炭素を選択的に吸着、除去するための二酸化炭素吸収剤が充填された二酸化炭素吸収手段１２と、排出物回収手段２６から送出される水等の副生成物（特定の成分または物質）を保持するとともに、後述するように、燃料容器１１の容積を相対的に可変する袋状体である排出物保持手段１３と、燃料容器１１に封入された発電用燃料を動作制御部２２に供給する送出口１４Ａと、改質手段２３で生成した第一のガスを二酸化炭素吸収手段１２に導入するための経路である混合ガス導入部１５Ａと、第一のガスから二酸化炭素を除去した後の水素ガス（Ｈ2）を主成分とするガス（第二のガス）を燃料電池２１へ送出するための経路である水素送出口１５Ｂと、排出物回収手段２６から送出される副生成物を排出物保持手段１３に取り込むための水導入部１４Ｂと、を有して構成されている。
【００８９】
ここで、送出口１４Ａ及び水導入部１４Ｂは、いずれも、燃料パック１０が発電モジュール２０に結合された状態でのみ、発電用燃料の供給や、副生成物の取込が可能となるように、逆止弁が設けられている。これにより、燃料パック１０が発電用モジュール２０から取り外された状態においては、燃料容器１１に封入された発電用燃料、及び排出物保持手段１３に保持された副生成物は、燃料パック１０の外部に漏出することがない。なお、水導入部１４Ｂに逆止弁の機能を設ける替わりに、排出物保持手段１３に吸収（吸水）ポリマー等を充填した構造を有するものであってもよい。
【００９０】
このような構成を有する燃料パック１０において、燃料容器１１に封入された発電用燃料が送出口１４Ａを介して発電モジュール２０（燃料電池２１）に供給されることにより、所定の電気エネルギーを発生する動作が実行されるとともに、電気エネルギーの発生に伴なって生成した副生成物のうち、特定の成分または物質（例えば水）のみが排出物回収手段２６により回収されて、水導入部１４Ｂを介して排出物保持手段１３に取込、保持される。
【００９１】
これにより、燃料容器１１に封入された発電用燃料の容積が減少するとともに、相対的に、排出物保持手段１３に保持される特定の成分又は物質の容積が増大する。このとき、排出物保持手段１３に水吸収剤として吸収ポリマー等を充填した構成を適用することにより、回収され、取り込まれた副生成物の実質的な容積に比較して、より大きな容積を有するように排出物保持手段１３の容積を制御することができる。
【００９２】
したがって、燃料容器１１が占める空間と、排出物保持手段１３が占める空間の関係は、発電モジュール２０における電気エネルギーの発生（発電）動作に伴なって、単に、相対的に増減するだけでなく、排出物保持手段１３に保持された副生成物の量に応じて、図５（ｂ）に示すように、所定の圧力で排出物保持手段１３に内圧を掛けることにより、燃料容器１１に封入された発電用燃料が加圧されることになるので、発電モジュール２０への発電用燃料の供給を適切に行なうことができ、図５（ｃ）に示すように、排出物保持手段１３に保持される副生成物により、燃料容器１１に封入された発電用燃料をほぼ完全になくなるまで供給することができる。
【００９３】
ここで、上記反応化学式（３）、（６）、及び（７）により、１molのメタノール（ＣＨ3ＯＨ）及び１molの水（Ｈ2Ｏ）に対して、３molの水（Ｈ2Ｏ）の水が生成するが、液体の状態で１molのメタノール（ＣＨ3ＯＨ）は４０．５６ｃｍ3であるのに対して、１molの水（Ｈ2Ｏ）は、１８．０２ｃｍ3であるので、燃料容器１１に初期状態で封入されたメタノールをＭｃｍ3とすると、燃料容器１１内で液体燃料（メタノール（ＣＨ3ＯＨ）と水（Ｈ2Ｏ）との混合物）が占める容積は１．４４４Ｍｃｍ3となる。
【００９４】
そして、すべてのメタノール（ＣＨ3ＯＨ）が反応すると、副生成物の水（Ｈ2Ｏ）の体積は１．３３３Ｍｃｍ3となり、初期状態の液体燃料（メタノール（ＣＨ3ＯＨ）と水（Ｈ2Ｏ）との混合物）との体積比が９２．３１％程度になるので、副生成物の容積のほとんどを水が占める場合、副生成物が生成するにしたがって、燃料パック１０の燃料容器１１が占める空間の容積と排出物保持手段１３が占める空間の容積の和は減少するため、予め液体燃料が入らない副生成物用の空間を設ける必要がない。よって、初期状態で燃料容器１１内のほとんどに液体燃料を充填することができる。
【００９５】
次に、本実施形態に係る発電モジュールに適用される改質手段２３の他の構成例について、図面を参照して説明する。
図６は、本実施形態に係る改質手段２３の第二の構成例を示すブロック図である。ここでは、上述した発電用部材を含む電源システムの構成（図１）を参照しながら説明する。
【００９６】
上述した改質手段２３では、水蒸気改質反応器（燃料改質器）２３ｂで発生した第一のガスは、一酸化炭素除去手段である水性シフト反応器２３ｃ及び選択酸化反応器２３ｄを経て、燃料パック１０内に設置された二酸化炭素吸収手段１２へ導入される。これに対し、第二の構成例においては、水蒸気改質反応器２３ｂで発生した第一のガスはまず、二酸化炭素吸収手段１２へ導入され、二酸化炭素が吸収、除去されて第二のガスとなる。第二のガスは改質手段２３へ戻され、一酸化炭素除去手段である水性シフト反応器２３ｃ及び選択酸化反応器２３ｄにおいて、微量に含まれた一酸化炭素ガス（ＣＯ）が変換、除去されてから燃料電池２１へ送出される。
【００９７】
第二の構成例の改質手段２３によれば、第一のガスを一酸化炭素除去手段へ導入する前に二酸化炭素ガス（ＣＯ2）の大部分を除去するので、水性シフト反応器２３ｃにおいて、反応化学式（４）に示す二酸化炭素ガス（ＣＯ2）の発生を伴なう反応が容易に進行するようになり、一酸化炭素ガス（ＣＯ）の変換、除去をより効率よく行なうことができる。また、第二の構成例の改質手段２３の水性シフト反応器２３ｃのみで、混合ガス中の一酸化炭素ガス濃度を燃料電池２１の発電特性に悪影響を及ぼさない領域まで低めることができる場合には、改質手段２３から選択酸化反応器２３ｄを省くことで、改質手段２３を簡略化し、小型化することができる。
【００９８】
ところで、第二の実施例では、一酸化炭素ガス除去の結果生成した二酸化炭素ガスが第二のガスに混入して燃料電池２１に取りこまれることになる。しかし、この場合、第二のガス中の二酸化炭素ガスの濃度は１％に満たないので、本発明に係る発電用部材を含む電源システムの出力及びエネルギー効率を低下させることにはならない。
【００９９】
なお、上記二酸化炭素吸収手段１２は、燃料パック１０内に設けられるものとは限らず、発電モジュール２０内に設けてもよいし、接続部１４内に設けてもよい。また、接続部１４は、燃料パック１０は、燃料パック１０に設けられるものとは限らず、発電モジュール２０に設けてもよいし、燃料パック１０、及び発電モジュール２０とは別個独立して設けられるものであってもよい。
【０１００】
＜第二の実施形態＞
次に、本発明に係る発電用部材の第二の実施形態について、図面を参照して説明する。
図７は、本発明に係る発電用部材を含む電源システムの第二の実施形態を示すブロック図である。ここで、上述した実施形態と同等の構成については、同一の名称及び符号を付して、その説明を簡略化又は省略する。
【０１０１】
本実施形態における発電用部材は、大別して、発電用燃料が封入された燃料パック（燃料封入部）１０と、該燃料パック１０から供給される発電用燃料に基づいて、電気エネルギーを発生する発電モジュール２０と、を有して構成される。
【０１０２】
ここで、燃料モジュール２０は、排出物回収手段２６を有さない点を除いて、第一の実施形態に示したもの（図１、３、４及び６を参照）と同様の構成を有しているので、その説明を省略する。
【０１０３】
第二の実施形態の燃料パック１０は、第一の実施形態の場合と同様、分解性を有する高分子材料（プラスチック）により、構成されている。また、燃料パック１０は、図７に示すように、燃料容器１１と、二酸化炭素吸収手段１２と、排出物保持手段１３と、接続部１４と、排出物回収手段１６と、を有して構成される。
【０１０４】
図８（ａ）は、燃料パック１０の初期状態を示す。図８（ａ）に示すように、燃料容器１１は、燃料パック１０内の一端に設けられ、発電用燃料（例えば、メタノール（ＣＨ3ＯＨ）と水（Ｈ2Ｏ）を等モル比で混合したもの）が封入された、例えば、袋状体であり、送出口１４Ａが設置されている。燃料容器１１は、送出口１４Ａを介して封入された発電用燃料を発電モジュール２０へ送出する。燃料容器１１は、燃料の送出にしたがって、その容積を相対的に変化させる。
【０１０５】
二酸化炭素吸収手段１２は、改質手段２３から導入された第一のガスから二酸化炭素ガスを選択的に吸収、除去し、第二のガスとして排出物保持手段１３へ送出する。二酸化炭素吸収手段１２は、燃料パック１０内に、燃料容器１１と隣接して設けられており、二酸化炭素吸収剤である水酸化カルシウム（Ｃａ(ＯＨ)2)からなる水酸化カルシウム層１２Ａ等により、構成されている。又、後述するように二酸化炭素を吸収、除去するのに伴って、燃料容器１１側に新たに炭酸カルシウム層１２Ｂが形成される。
【０１０６】
二酸化炭素吸収手段１２の、燃料容器１１側の一端には、発電モジュール２０から燃料パック１０へ第一のガスを送出する経路である混合ガス導入部１５Ａと、水・水素ガス導出部１５Ｂが設けられている。また、第二のガスを燃料パック１０から発電モジュール２０へ送出する経路は、水・水素ガス導出部１５Ｂ、水・水素ガス導入部１５Ｃ、排出物保持手段１３、及び水素送出口１５Ｄ等で構成される。二酸化炭素吸収剤である水酸化カルシウムは、改質手段２３で発生した第一のガスから化学反応式（２）に示す反応で選択的に二酸化炭素ガス（ＣＯ2)のみを選択的に吸着、除去し、第二のガスと水の混合物として水・水素ガス導出部１５Ｂから後述する排出物回収手段１３へ送出する。ここで、混合ガス導入部１５Ａ及び水・水素ガス１５Ｂは、燃料モジュール２０から第一のガス中に含まれた状態で導入された水素ガスを燃料パック１０内に拡散させることなく、効率良く二酸化炭素を吸収、除去して、排出物保持部１３へ送出するよう、同一直線上に最短距離をおいて設置される。
【０１０７】
排出物回収手段１６は、燃料電池２１における電気エネルギー発生の際に生成する副生成物のうち、水（Ｈ2Ｏ）を分離、回収する。排出物回収手段１６は、燃料パック１０内の、二酸化炭素吸収手段１２と、排出物保持手段１３との間の空間に設けられており、選択的排出物吸収剤である酸化カルシウム（ＣａＯ）からなる酸化カルシウム層１６Ａ等で構成されている。選択的排出物吸収剤である酸化カルシウムは、反応化学式（８）で示す反応により、水を吸着して水酸化カルシウムに変化する。また、排出物回収手段１６の、二酸化炭素吸収手段側の一端には水導入部１４Ｂと、排気口１４Ｃが設けられている。
ＣａＯ+Ｈ2Ｏ → Ｃａ(ＯＨ)2 ・・・（８）
【０１０８】
ここで、上述のように、選択的排出物吸収剤である酸化カルシウム（ＣａＯ）は、水と反応して水酸化カルシウム（Ｃａ(ＯＨ)2）に変化する。さらに、この水酸化カルシウムは二酸化炭素吸収剤として再利用されて最終的に炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）へ変化する。この炭酸カルシウムは無害な物質であり、焼却したり自然界へ廃棄したりしても環境破壊や汚染の原因とはならない。
【０１０９】
また、反応化学式（２）及び（８）に示した反応は発熱を伴なうので、二酸化炭素吸収手段１２で二酸化炭素ガスを吸着、除去し、排出物回収手段１６で水を吸着、除去した際に発生した熱を、改質手段２３における気化及び燃料改質反応や、発電システム内の一連の反応で生成した水（Ｈ2Ｏ）を移送する経路の凍結防止に利用することで、本実施形態に係る発電用部材のエネルギー利用効率を高めることができる。
【０１１０】
さらに、酸化カルシウム（ＣａＯ）と水酸化カルシウム（Ｃａ(ＯＨ)2）を用いることで、本実施形態に係る燃料パック１０もまた、第一の実施形態に係る燃料パック１０と同様、きわめて安価、且つコンパクトに作製することができる。
【０１１１】
排出物保持手段１３は、燃料パック１０内に、排出物回収手段１６と隣接して設けられる袋状体である。排出物保持手段１３には水・水素ガス導入部１５Ｃと、水素ガス送出部１５Ｄが設置されている。また、水・水素ガス導入部１５Ｃは二酸化炭素吸収手段１２の水・水素ガス導出部１５Ｂと接続されている。排出物保持手段１３は、二酸化炭素吸収手段１２から導入された水素（Ｈ2）ガスを主成分とする第二のガスと水（Ｈ2Ｏ）の混合物を水・水素ガス導入部１５Ｃから導入し、該混合物から選択的に水（Ｈ2Ｏ）を保持して、第二のガスを、水素ガス送出部１５Ｄから燃料電池２１へ送出する。排出物保持手段１３は、水の除去の際、水を不可逆的に保持し、水の保持に伴なって、その容積を相対的に変化させる。また、排出物保持手段１３には、上述のようにして水を除去、保持するため、水吸収剤として、例えば、吸収（吸水）ポリマー等が充填されている。このとき、水吸収剤としては、水を吸着、保持するのに伴ない、後述するようにして排出物回収手段１６、二酸化炭素吸収手段１２及び燃料容器１１を適切に押圧することのできる材質が適宜選択される。
【０１１２】
接続部１４は、第一の実施形態の場合と同様、燃料パック１０及び発電モジュール２０を着脱可能に結合する構成を有する。また、接続部１４は、燃料パック１０及び発電モジュール２０が、接続部１４を介して結合されている状態でのみ、燃料パック１０から発電モジュール２０に発電用燃料が供給されるとともに、発電モジュール２０から燃料パック１０へ電気エネルギー発生に伴なって生成する水が排出され、燃料パック１０と発電モジュール２０の間でガスの授受が行なわれる。
【０１１３】
次に、図７、８を参照して、第二の実施形態の発電用部材が電気エネルギーを発生する際の動作を説明する。
まず、燃料容器１１に封入された発電用燃料（例えばメタノール（ＣＨ3ＯＨ）と水（Ｈ2Ｏ）を等モル比で混合した混合物）は送出口１４Ａから発電モジュール２０内の改質手段２３へと送出され、反応化学式（３）に示す反応で第一のガスへ変換される。さらに、改質手段２３内において、この混合ガスから、微量な副生成物として含まれている一酸化炭素ガス（ＣＯ）が反応化学式（４）、（５）に示す反応で変換、除去される。改質手段２３から排出された第一のガスは、混合ガス導入部１５Ａから、燃料パック１０内の二酸化炭素吸収手段１２へ取り込まれる。
【０１１４】
二酸化炭素吸収剤として水酸化カルシウム（Ｃａ(ＯＨ)2）が充填された二酸化炭素吸収手段１２内では、反応化学式（２）に示す反応により、第一のガスから二酸化炭素（ＣＯ2）が吸収、除去され、第二のガスと水の混合物となって水・水素ガス導出部１５Ｂから、水・水素ガス導入部１５Ｃへ送出され、排出物保持手段１３へ取り込まれる。
【０１１５】
排出物保持手段１３では、上記混合物のうち、水（Ｈ2Ｏ）が選択的に除去され、水素ガス（Ｈ2）を主成分とする第二のガスが水素ガス送出部１５Ｄから燃料電池２１の燃料極３１へと送出される。
【０１１６】
水素ガス（Ｈ2）が燃料極３１へ供給された燃料電池２１では、第一の実施例と同様に、反応化学式（６）、（７）にしたがって電気エネルギーを発生する。空気極３２からは、電気エネルギーの発生に伴なって生成した水（Ｈ2Ｏ）を主成分とする廃棄物と、空気制御部２４から導入され、反応に関与しなかった空気とが排出され、水導入部１４Ｂから、排出物回収手段１６へと導入される。排出物回収手段１６では、反応化学式（８）に示す反応によって、廃棄物の主成分である水を吸着、除去する。このとき、選択的排出物吸収剤である酸化カルシウム（ＣａＯ）は水酸化カルシウム（Ｃａ(ＯＨ)2）へ変化する。水以外の廃棄物と空気は、排気口１４Ｃから発電用部材外部へ排出される。
【０１１７】
発電モジュール２０（燃料電池２１）における電気エネルギーの発生によって、燃料容器１１の容積が減少するとともに、排出物保持手段１３の容積が増大する。これに伴なって、図８（ｂ）に示すように、酸化カルシウム層１６Ａ及び、水酸化カルシウム層１２Ａが、排出物保持手段１３によって押し出され、図８において左から右へと移動する。
【０１１８】
これと併行して、排出物回収手段１６では、二酸化炭素吸収手段１２側の端部にある選択的排出物吸収剤（酸化カルシウム（ＣａＯ））が燃料電池２１から送出された廃棄物と接触し、この廃棄物の成分の１つである水（Ｈ2Ｏ）を吸着、除去して水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）2）に変化する。この水酸化カルシウムは、排出物保持手段１３の膨張によって、水酸化カルシウム層１２Ａへ押し出されて、二酸化炭素吸収剤として再利用される。また、排出物保持手段１３の膨張により、水導入部１４Ｂ近傍に酸化カルシウム層１６Ａの未反応領域が押し出されて、引き続き水が吸収される。
【０１１９】
二酸化炭素吸収手段１２では、燃料容器１１側端部の二酸化炭素吸収剤（水酸化カルシウム（Ｃａ(ＯＨ)2））が、改質手段２３から導入された第一のガスと接触し、二酸化炭素ガス（ＣＯ2）を吸着除去して炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）に変化するとともに、水（Ｈ2Ｏ）を生成する。この炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）は、炭酸カルシウム層１２Ｂを形成して、燃料容器１１側へ押し出される。これによって、燃料容器１１が加圧され、発電用燃料が発電モジュール２０へ送出される。また、同時に水酸化カルシウム層１２Ａの未反応領域が混合ガス導入部１５Ａ及び水・水素ガス導出部１５Ｂの近傍に押し出されて、引き続き二酸化炭素の吸収、除去が行われる。そして、図８（ｃ）に示すように、燃料容器１１に封入された発電用燃料がほぼ完全になくなるまで、燃料容器１１への加圧は続けられる。また、上記水（Ｈ2Ｏ）は、水素ガス（Ｈ2）を主成分とする第二のガスとともに排出物保持手段１３へ送出される。
【０１２０】
ここで、電気エネルギーの発生により、空気極３２で生成した水（Ｈ2Ｏ）は、まず排出物回収手段１６で吸着されて、水素化カルシウム（Ｃａ(ＯＨ)2））へ変化し、二酸化炭素吸収手段１２を経て再び水（Ｈ2Ｏ）となり、最終的に燃料電池２１の燃料極３１と接続された排出物保持手段１３で不可逆的に保持される。
【０１２１】
燃料電池２１は、大気中から空気を取り込む空気極３２側よりも、燃料極３１側の方が、構造的に液体が漏出しづらい。よって、電気エネルギー発生の副生成物である水（Ｈ2Ｏ）を、最終的に燃料極３１側で保持することで、より確実にこの水が発電システム外へ漏出することを防ぐことができる。
【０１２２】
また、排出物保持手段１３が水を吸着、保持するのに伴なって、排出物回収手段１６、二酸化炭素保持部１２、及び燃料容器１１を押圧することにより、第一の実施形態同様、燃料容器１１から発電用燃料を適切に発電モジュール２０へ送出できるとともに、選択的排出物吸収剤（酸化カルシウム（ＣａＯ））が水（Ｈ2Ｏ）を吸着して生成した二酸化炭素吸収剤（水素化カルシウム（Ｃａ(ＯＨ)2））を、適切に水酸化カルシウム層１２Ａへ押し出すことができる。
【０１２３】
なお、第二の実施形態に係る燃料パック１０もまた、第一の実施形態の場合と同様、図２に示すように、ロール状に形成して、後述する汎用の化学電池とほぼ同じ形態を有した発電システムに適用することができる。これにより、後述するようにして本実施形態に係る発電用部材を汎用の化学電池等と同じ形状に形成することが容易になる。
【０１２４】
また、第二の実施形態では、第一の実施形態と同様、発電モジュール２０の改質手段２３を、図５に示すように、水蒸気反応改質器２３ｂと水性シフト反応器２３ｃの間に二酸化炭素吸収手段１２等を介した構造としてもよい。この場合、水蒸気改質反応器２３ｂは、混合ガス導入部１５Ａを介して二酸化炭素吸収手段１２と接続し、水性シフト反応器２３ｃは水素ガス送出部１５Ｄを介して排出物保持手段１３と接続する。この場合も、第一の実施形態の場合と同様、第一のガス中の一酸化炭素ガスを効率良く除去できるとともに、改質手段２３の構造を簡略化することができる。
【０１２５】
次に、本発明に係る発電用部材の適用される外形形状について、図面を参照して説明する。
図９は、本発明に係る発電用部材に適用される外形形状の具体例を示す概略構成図であり、図１０は、本発明に係る発電用部材に適用される外形形状と、汎用の化学電池の外形形状との対応関係を示す概略構成図である。
【０１２６】
上述したような構成を有する発電用部材において、燃料パック１０を発電モジュール２０に結合した状態、又は、一体的に構成した状態における外形形状は、例えば、図９に示すように、規格化された汎用の化学電池に多用されている円筒形電池７１、７２、７３や、特殊形状の電池（非円筒形電池）８１、８２、８３の規格に則って、これらのいずれかと同等の形状及び寸法を有するように形成されているとともに、例えば、図３に示した発電モジュールの燃料電池２１の燃料極３１及び空気極３２が、図９に示す各電池形状の正（＋）極及び（−）極に各々対応するように、電気的に構成されている。
【０１２７】
ここで、円筒形電池７１、７２、７３は具体的には、市販のマンガン乾電池やアルカリ乾電池、ニッケル・カドミウム電池、リチウム電池等にも多用され、対応する機器も多いシリンダ型（円筒形：図９（ａ））や、腕時計等に利用されるボタン型（図９（ｂ））、カメラや電子手帳等に利用されるコイン型（図９（ｃ））などの外形形状を有している。
【０１２８】
一方、非円形電池８１、８２、８３は、具体的には、コンパクトカメラやデジタルスチルカメラ等、使用する機器の形状等に対応して設計（カスタマイズ）された特殊形状型（図９（ｄ））や、形態音響機器や携帯電話等の小型薄型化に対応した角型（図９（ｅ））、平型（図９（ｆ））等の外形形状を有している。
【０１２９】
なお、上述したように、本発明に係る発電用部材に搭載される発電モジュール２０（燃料電池２１、動作制御部２２、改質手段２３、空気制御部２４、副電源部２５、排出物回収手段２６）は、既存の半導体技術を適用することにより、例えば、数ミクロンオーダーにマイクロチップ化、あるいは、マイクロプラント化することができる。また、発電モジュール２０の発電部として、高いエネルギー利用効率を実現することができる水素−酸素燃料電池を適用することにより、既存の化学電池と同等（又は、それ以上）の電池容量を実現するために必要となる発電用燃料の量を比較的少量に抑制することができる。
【０１３０】
したがって、本実施形態に係る発電用部材において、図９に示した既存の電池形状を良好に実現することができ、例えば、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、燃料パック１０Ａを発電モジュール２０Ａに結合した状態における外形寸法（例えば、長さＬａ、直径Ｄａ）が、図１０（ｃ）に示すような汎用の化学電池９１の外形寸法（例えば、長さＬｐ、直径Ｄｐ）と略同等になるように構成することができる。
【０１３１】
これにより、汎用の化学電池と同一又は同等の電気的特性を有する電気エネルギーを供給することができるとともに、外形形状においても同等の形状及び寸法を備えた完全互換の発電用部材を実現することができるので、既存の形態機器等のデバイスに対して、汎用の化学電池とまったく同様に、動作電源として適用することができる。特に、発電モジュールとして燃料電池を備えた構成を適用し、かつ、燃料パックとして電気エネルギーの発生に伴なう副生成物を回収、保持する手段を備え、上述した分解性プラスチック等の材料からなる構成を適用することにより、自然環境やデバイスへの悪影響を抑制しつつ、高いエネルギー利用効率を実現することができるので、既存の化学電池の投棄や埋め立て処理による環境問題やエネルギー利用効率の問題等を良好に解決することができる。
【０１３２】
なお、図９に示した外形形状はいずれも、日本国内で市販、又は、デバイスに付属して流通、販売されている化学電池の一例であって、本発明の適用が可能な構成例のごく一部を示したものに過ぎない。すなわち、本発明に係る発電用部材に適用可能な外形形状は、上記具体例以外であってもよく、例えば、世界各国で流通、販売されている化学電池、あるいは、小題実用化が予定されている化学電池の形状に合致し、さらには、電気的特性をも合致するように設計することができることはいうまでもない。
【０１３３】
なお、上述した実施形態においては、図示を省略したが、燃料パック１０に残存する発電用燃料の量（残量）を監視するための残量検出手段を備え、該発電用燃料の残量に基づいて、燃料電池２１により生成する電気エネルギー（特に、駆動電圧）を徐々に変化（低下）させるものであってもよい。このような構成によれば、本発明に係る発電用部材から出力される電気エネルギー（駆動電圧）を、化学電池における啓示的な電圧変化に対応させて変化させることができるので、化学電池を動作電源とする各種デバイスに標準的に搭載されている電池残量の通知機能を良好に動作させることができ、化学電池との互換性を一層高めることができる。
【０１３４】
なお、上述した各実施の形態においては、燃料としてガソリン等を用いた化学反応により生成する窒素酸化物（ＮＯx）、硫黄酸化物（ＳＯx）を回収する構成を示したが、窒素酸化物（ＮＯx）や硫黄酸化物（ＳＯx）の生成量がごく少量であるか、あるいは、発電モジュール２０に窒素酸化物（ＮＯx）、硫黄酸化物（ＳＯx）を無毒な物質に分解又は改質する触媒を設ければ、排出物保持手段１３に保持することなく、発電用部材の外にそのまま排気するようにしてもよい。
【０１３５】
この場合、燃料パック１０（排出物保持手段１３を含む）は、上記燃料貯蔵容器としての機能を有しつつ、特定の環境下において、元来自然界に存在し、かつ、自然を構成する物質への変換が可能な材料により構成されていることが好ましい。すなわち、燃料パック１０は、例えば、自然界に投棄又は埋め立て処理された場合であっても、土壌中の微生物や酵素等の働き、あるいは、太陽光線の照射、雨水や大気等により、自然界に無害な物質（元来自然界に存在し、かつ、自然を構成する物質、例えば水と二酸化炭素等）に変換される各種の分解反応、例えば、生分解性や光分解性、酸化分解性等の分解性を有し、かつ、封入される燃料との接触により、少なくとも短期間で分解される恐れがなく、また、封入される燃料を、少なくとも短期間で燃料としての利用が不可能になるほど変質させるものではなく、さらに、外的な物理適応力に対して十分な強度を有する特性を備えた高分子材料（プラスチック）により構成することができる。
【０１３６】
なお、上述したように、化学電池のリサイクルによる回収率は、僅か２０％程度に過ぎず、残りの８０％程度が自然界に投棄又は埋め立て処理されている現状を鑑みると、燃料パック１０の材料としては、生分解性プラスチックを適用することが望ましく、具体的には、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）や、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でんぷんやセルロース、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良好に適用することができる。
【０１３７】
また、燃料パック１０が分解性を有する高分子材料により構成され、かつ、発電用材料としてアルコールや炭化水素等の自然界に存在する無害な物質に分解しやすい物質を適用することにより、仮に、自然界に投棄又は埋め立て処理された場合や、人為的な焼却処分や薬品処理等された場合であっても、自然界に対して大気や土壌、水質の汚染、あるいは、人体に対する環境ホルモンの生成等の悪影響を及ぼすことを大幅に抑制することができる。
【０１３８】
【発明の効果】
以上説明したように、燃料封入部に封入、充填された水素を含む発電用燃料は、まず、改質手段で水素−二酸化炭素混合ガス（第一のガス）に変換される。この第一のガスは、二酸化炭素吸収手段で二酸化炭素ガスの濃度が低められて第二のガスとなり、この第二のガスが燃料電池へ供給される。
【０１３９】
これにより、発電モジュール（燃料電池）の発電効率は大いに改善される。よって、この燃料電池を、パワー密度とエネルギー利用効率が高く、且つ、制御の容易な、可搬型又は携帯型のポータブル電源として適用することができる。
【０１４０】
また、二酸化炭素吸収手段は、燃料封入部内に設けているので、発電用燃料がなくなった（又は、少なくなった）燃料封入部を新しい燃料封入部と交換することで、同時に二酸化炭素吸着量の上限に達した（又は、二酸化炭素吸着能力が低下した）二酸化炭素吸収手段を交換することができる。
【０１４１】
さらに、前記二酸化炭素吸収手段は、選択的に二酸化炭素（ＣＯ2)を吸収する二酸化炭素吸収剤として酸化カルシウム（ＣａＯ）もしくは水酸化カルシウム（Ｃａ(ＯＨ)2)を有することとしてもよい。
【０１４２】
これにより、二酸化炭素吸着手段をきわめて安価に作製できるとともに、二酸化炭素の吸収、除去を簡便に行える。また、この二酸化炭素吸収手段を使用後に自然界へ投棄しても、自然環境を破壊もしくは汚染することはない。
【０１４３】
また、二酸化炭素の吸収で発生した反応熱を、改質手段における第一のガス発生に利用してもよい。
これにより、発電用部材自体の消費エネルギーを削減できるので、発電用部材全体の実質的な出力とエネルギー利用効率を大幅に改善することができる。
【０１４４】
さらに、改質手段における発電用燃料の第一のガスへの変換が水素ガスを発生する反応と、上記反応で発生する一酸化炭素を二酸化炭素に変換する反応とからなり、これら反応の間に、二酸化炭素吸収手段による二酸化炭素ガスの吸収を行なうこととしてもよい。
これにより、発電システムの出力及びエネルギー効率をさらに向上できるとともに、改質手段を簡素化することができる。
【０１４５】
これに加えて、燃料電池の空気極で生成した廃棄物のうち、水が排出物回収手段で酸化カルシウムと反応することにより生成した水酸化カルシウムを、二酸化炭素吸収手段の二酸化炭素吸収剤として利用してもよい。
これにより、排出物回収手段を簡素、かつ安価に作製できるとともに、発電モジュール全体をコンパクトに作製することができる。
【０１４６】
さらに、第一のガスが二酸化炭素吸収手段に導入されることで、第一のガスは水素ガスを主成分とする第二のガスと水の混合物となるとともに、排出物保持手段でこの混合物から水が除去されて第二のガスだけが燃料電池へと送出されることとしてもよい。
これにより、燃料電池で生成した水の発電用部材の外部への漏出を確実に防止できる。
【０１４７】
これに加えて、排出物保持手段が水を吸収して膨張することで、排出物回収手段の酸化カルシウム層と、二酸化炭素吸収手段の水酸化カルシウム層とを燃料容器側へ押し出して、燃料パックが押圧されることとしてもよい。
【０１４８】
これにより、燃料容器に充填、封入された燃料は送出部を通じて効果的に発電モジュールへ送出される。さらに、排出部回収手段の酸化カルシウムと、二酸化炭素の吸収手段の水酸化カルシウムを効率良く利用できる。
【０１４９】
また、水の吸収の際に発生する熱を前記燃料電池から排出される水の経路の凍結防止に利用することとしてもよい。
これにより、発電システムの出力とエネルギー利用効率をさらに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る発電用部材を含む電源システムの第一の実施形態を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る発電用部材に適用される燃料パックの外形形状の一例を示す概略構成図である。
【図３】本発明に係る発電用部材に適用される改質手段の一実施形態を示すブロック図である。
【図４】本発明に係る発電用部材に適用される燃料電池の構成例を示す概略構成図である。
【図５】第一の実施形態に適用される燃料封入部内の燃料容器、排出物保持手段、及び二酸化炭素保持部の関係を示す概略図である。
【図６】本発明に係る発電用部材に適用される改質手段の他の実施形態を示すブロック図である。
【図７】本発明に係る発電用部材を含む電源システムの第二の実施形態を示すブロック図である。
【図８】第二の実施形態に適用される燃料封入部内の燃料容器、排出物保持手段、二酸化炭素保持部、及び排出物回収手段の関係を示す概略図である。
【図９】本発明に係る発電用部材に適用される外形形状の具体例を示す概略構成図である。
【図１０】本発明に係る発電用部材に適用される外形形状と、汎用の化学電池の外形形状の対応関係を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１０ 燃料パック（燃料封入部）
１１ 燃料容器
１２ 二酸化炭素吸収手段
１３ 排出物保持手段
１４ 接続部
１６、２６ 排出物回収手段
２０ 発電モジュール
２１ 燃料電池
２３ 改質手段
２３ａ 燃料気化器
２３ｂ 水蒸気改質反応器
２３ｃ 水性シフト反応器
２３ｄ 選択酸化反応器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power generation member used in a power supply system, and more particularly to a power generation member used in a portable power supply system with high energy use efficiency.
[0002]
[Prior art]
In recent years, various chemical batteries have been used in all fields for consumer and industrial use. For example, primary batteries such as alkaline dry batteries and manganese dry batteries are widely used in watches, cameras, toys, portable audio equipment, etc. It is easy to obtain.
[0003]
On the other hand, secondary batteries such as nickel / cadmium storage batteries, nickel / hydrogen storage batteries, and lithium ion batteries are widely used in portable devices such as mobile phones, personal digital assistants (PDAs), digital video cameras, and digital still cameras, which have been popular in recent years. In addition, since it can be repeatedly charged and discharged, it has a feature that is excellent in economic efficiency. Among secondary batteries, lead-acid batteries are used as power sources for starting vehicles and ships, or as emergency power sources for industrial facilities and medical facilities.
[0004]
By the way, in recent years, with increasing interest in environmental problems and energy problems, the above-mentioned problems related to disposal after use of chemical batteries and the problem of energy conversion efficiency have been highlighted.
In particular, in the primary battery, as described above, the product price is inexpensive and easy to obtain, and many devices are used as a power source, and the battery capacity cannot be recovered basically once discharged. Since only one-time use (so-called disposable) is possible, the annual disposal amount is several million tons. Here, in the entire chemical battery, there are statistical materials that the ratio of recovered by recycling is only about 20%, and the remaining 80% is dumped or landfilled in nature. There are concerns about environmental destruction caused by heavy metals such as mercury and indium contained in unrecovered batteries, and deterioration of the aesthetics of the natural environment.
[0005]
In addition, when the above-described chemical battery is verified from the viewpoint of energy resource utilization efficiency, the primary battery is produced using approximately 300 times the energy that can be discharged, so that the energy utilization efficiency is less than 1%. Absent. On the other hand, even if it is a secondary battery that can be charged and discharged repeatedly and has excellent economic efficiency, when it is charged from a household power source (outlet), etc., the energy usage depends on the power generation efficiency and transmission loss at the power plant. Since the efficiency drops to about 12%, it cannot be said that effective use of energy resources is necessarily achieved.
[0006]
Therefore, in recent years, so-called fuel cells have been attracting attention because they have little impact on the environment and can realize extremely high energy use efficiency of about 30 to 40%, and drive power supplies for vehicles and cogeneration for home use. Research and development for practical use have been actively conducted for the purpose of application to systems and the like, or for the purpose of replacing the above-described chemical battery. The specific configuration of the fuel cell will be described in detail in the detailed description of the invention.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the future, in order to reduce the size and weight of power generation members with high energy use efficiency such as fuel cells, and to apply them as alternatives (compatible products) of portable or portable portable power sources such as the above-described chemical cells There are various problems.
[0008]
Specifically, in a power generation system in which hydrogen is released from an alloy that stores hydrogen and power is generated using this hydrogen, there is a problem that the power generation capacity (power density) and energy per unit volume of the hydrogen storage alloy are low. . The conventional direct fuel power generation system that supplies organic chemical fuel directly to the fuel cell also has a problem of low power density and output.
[0009]
On the other hand, a fuel reforming power generation system that supplies hydrogen to a fuel cell from a fuel reformer that generates hydrogen from organic chemical fuels such as methanol and methane gas is compared to the above hydrogen storage alloy power generation system and direct fuel power generation system. Thus, there is an advantage that the amount of energy per unit capacity of the fuel container is high. However, in the fuel reforming power generation system that combines the steam fuel reformer and the oxygen-hydrogen fuel cell, the advantages of both cannot be fully utilized in the total power density and energy utilization efficiency.
[0010]
In other words, organic chemical fuel produced byproducts such as carbon dioxide gas in addition to hydrogen gas by the fuel reformer, and simply supplied a mixed gas mainly composed of hydrogen gas and carbon dioxide gas to the fuel cell. However, there is a problem that the power generation efficiency is lowered because the concentration of hydrogen gas contributing to power generation is low. In addition, a small amount of carbon monoxide gas is contained as a by-product in the mixed gas, and this carbon monoxide gas also has a problem that it has a great adverse effect on the characteristics of the fuel cell.
[0011]
Furthermore, due to the volume of the steam fuel reformer itself, the power generation system known in the prior art cannot obtain a sufficient power density for a portable or portable portable power source.
[0012]
In view of the above-described problems, the present invention provides a power generation member that can obtain a sufficient power density and energy utilization efficiency at a low cost when a power generation member using a fuel cell is applied as a portable power source. With the goal.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The power generation member according to the present invention includes: (a) a fuel sealing portion including a fuel container in which a power generation fuel having a liquid or gas containing hydrogen is sealed; and (b) the power generation portion supplied from the fuel sealing portion. A reforming means for converting the fuel into a first gas containing hydrogen gas and carbon dioxide gas as a main component; and a fuel cell that generates electric energy using the hydrogen gas contained in the first gas. A power generation module having, (c) a connection portion for connecting the fuel sealing portion to the power generation module in a replaceable manner; The A carbon dioxide gas contained in the first gas sent from the reforming means is selectively absorbed, and a second gas having a carbon dioxide concentration lower than that of the first gas is used as the fuel. With carbon dioxide absorption means for delivery to the battery side The carbon dioxide absorbing means is disposed in the fuel sealing portion, and a path for sending the first gas sent from the reforming means to the connecting portion to the fuel sealing portion from the power generation module, and the carbon dioxide absorption And a path for delivering the second gas delivered from the means to the power generation module from the fuel enclosure. It is characterized by that.
[0014]
That is, in the power supply system, the power generation fuel containing hydrogen sealed and filled in the fuel sealing portion is first converted into hydrogen (H 2 ) -Carbon dioxide (CO 2 ) Converted to a mixed gas (first gas). This first gas is absorbed and removed by the carbon dioxide absorption means to become a second gas mainly composed of hydrogen gas, and this second gas becomes a hydrogen-oxygen fuel cell (fuel cell). Supplied. Since the second gas has a high hydrogen gas concentration, the power generation efficiency of the fuel cell is greatly improved as compared with the case where the power generation member does not have the carbon dioxide absorbing means. Therefore, this fuel cell can be applied as a portable or portable portable power source that has high power density and energy utilization efficiency and is easy to control. In addition, by-products are held in the fuel enclosure, power generation module, or connection section, so that discharge or leakage to the outside of the power generation member is suppressed, preventing malfunction or deterioration of the device due to by-products. can do.
[0015]
Here, the carbon dioxide absorbing means may be composed of a carbon dioxide absorbent that is harmless after carbon dioxide adsorption and that is discarded as it is in nature or does not give a burden to the environment. Thereby, even if this carbon dioxide absorption means is discarded as it is after use, it does not cause destruction or contamination of the natural environment.
[0016]
Further, since the fuel sealing part is configured to be detachable from the power generation module and replaceable, the power generation fuel sealed in the fuel sealing part is eliminated (or decreased). Sometimes, the fuel enclosure can be removed from the power generation module and replaced with a new fuel enclosure so that the fuel enclosure can be used simply as if it were a general-purpose chemical cell.
[0017]
In particular, the invention of claim 1 The carbon dioxide absorbing means is disposed in the fuel sealing portion, and a path for sending the first gas sent from the reforming means to the connecting portion to the fuel sealing portion from the power generation module, and the carbon dioxide absorbing means And a path for delivering the second gas delivered from the fuel enclosure to the power generation module. is doing .
[0018]
As a result, the upper limit of the carbon dioxide adsorption amount was reached at the same time (or the carbon dioxide adsorption capacity decreased) by exchanging the fuel enclosure where the power generation fuel ran out (or decreased) with a new fuel enclosure. ) Carbon dioxide absorption means can be replaced.
[0019]
Further, the carbon dioxide absorbing means selectively contains carbon dioxide (CO 2 ) As a carbon dioxide absorbent to absorb calcium oxide (CaO) or calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ).
[0020]
As a result, the carbon dioxide adsorbing means can be produced at a very low cost, and carbon dioxide can be easily absorbed and removed. Moreover, even if this carbon dioxide absorbing means is discarded to the natural world after use, the natural environment is not destroyed or contaminated.
[0021]
Further, the carbon dioxide absorbing means is configured to chemically absorb carbon dioxide by an exothermic reaction, and the conversion of the power generation fuel into the first gas in the reforming means requires heating. The heat generated by the carbon dioxide absorbing means may be supplied to the reforming means.
[0022]
That is, in the power generation member according to the present invention, the reaction heat generated by the absorption of carbon dioxide may be used for the first gas generation in the reforming means. Thereby, since the energy consumption of the power generation member itself can be reduced, the substantial output and energy utilization efficiency of the entire power generation member can be greatly improved.
[0023]
Further, the conversion of the fuel for power generation into the first gas in the reforming means includes a reaction that generates hydrogen gas, and a reaction that converts carbon monoxide generated together with the reaction into carbon dioxide. Further, carbon dioxide gas may be absorbed by the carbon dioxide absorbing means.
[0024]
When carbon monoxide is mixed as a by-product in the hydrogen gas supplied to the fuel cell, the catalyst of the fuel electrode of the fuel cell is poisoned, and the power generation characteristics of the fuel cell are adversely affected. Therefore, if this carbon monoxide is converted into carbon dioxide by the reforming means, poisoning of the fuel electrode is avoided, and the output of the power generation member and the energy utilization efficiency are greatly improved. In addition, if carbon dioxide is absorbed between the reaction for generating hydrogen and the reaction for converting the carbon monoxide to carbon dioxide, the conversion of carbon monoxide can be efficiently performed. The energy utilization efficiency can be improved and the reforming means can be simplified. Note that the carbon dioxide concentration of the second gas when carbon monoxide is converted to carbon dioxide after absorbing carbon dioxide from the first gas is extremely low, so this carbon dioxide reduces the power generation efficiency of the fuel cell. There is no.
[0025]
Further, it comprises an exhaust collection means having a selective exhaust absorbent that selectively absorbs at least water out of the exhaust discharged from the fuel cell, wherein the selective exhaust absorbent is calcium oxide, While calcium oxide reacts with water and becomes calcium hydroxide to absorb water, the calcium hydroxide may be used as the carbon dioxide absorbent of the carbon dioxide absorbing means.
[0026]
That is, hydrogen gas (H 2 ) And oxygen gas (O 2 ) Of the waste generated at the air electrode of the fuel cell by the electrochemical reaction of 2 O) is recovered by reacting with calcium oxide (CaO) in the waste collection means, and calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ). This calcium hydroxide is used as a carbon dioxide absorbent for carbon dioxide absorption means.
[0027]
By collecting the water with calcium oxide, the waste collection means can be produced simply and inexpensively. Moreover, the entire power generation system can be made compact by reusing the selective emission absorbent as the carbon dioxide absorbent.
[0028]
Further, the apparatus further comprises waste holding means for holding water with a water absorbent that selectively absorbs water collected and sent out by the waste collecting means, and the first gas is added to the calcium hydroxide of the carbon dioxide absorbing means. The carbon dioxide gas and calcium hydroxide are reacted to produce calcium carbonate and water, and the water is sent together with the second gas to the discharge holding means, and the discharge holding means It is also possible to absorb the water and send the second gas to the fuel cell.
[0029]
That is, when the first gas is introduced into the carbon dioxide absorption means, the first gas becomes a mixture of the second gas mainly containing hydrogen gas and water, and water is discharged from this mixture by the discharge holding means. Only the second gas is removed and delivered to the fuel cell. Here, the water produced | generated in the case of carbon dioxide absorption originates in the water produced | generated by the air electrode of the fuel cell as mentioned above.
[0030]
According to this, the water produced | generated by the air electrode of the fuel cell is hold | maintained by the discharge | emission holding | maintenance means finally connected with the fuel electrode of the fuel cell through the waste collection | recovery means and a carbon dioxide absorption means. Thereby, it can prevent that water leaks outside the member for electric power generation by hold | maintaining the said water reliably.
[0031]
In addition, the waste holding means, the waste collection means, the carbon dioxide absorption means, and the fuel container are arranged in order in the fuel enclosure so that the volume thereof can be changed. The carbon dioxide absorbing means is disposed adjacent to the fuel container, and the carbon dioxide absorbing means includes a calcium hydroxide layer, A mixed gas introduction part for introducing the first gas delivered from the reforming means into the calcium hydroxide layer, water generated when the calcium hydroxide and carbon dioxide gas react, and the second gas are derived. A water / hydrogen gas lead-out section that is disposed adjacent to the calcium hydroxide layer of the carbon dioxide absorption means, and the waste collection means is disposed on the calcium hydroxide layer. A calcium oxide layer disposed so as to be in contact with the calcium oxide layer, and a water introduction portion for introducing water discharged from the fuel cell into the calcium oxide layer, wherein the waste holding means is adjacent to the waste collection means. And the discharge holding means includes the water absorbent, and a water / hydrogen gas introduction section for introducing water and a second gas sent from the water / hydrogen gas lead-out section to the water absorbent. The discharge holding means expands by absorbing water, and pushes the discharge collection means and the carbon dioxide absorption means to the fuel container side to assist the fuel delivery from the fuel container, The unreacted region of the calcium oxide layer may be pushed out to the water introduction part side, and the unreacted region of the calcium hydroxide may be pushed out to the mixed gas introduction part side.
[0032]
That is, when the discharge holding means absorbs water and expands, the fuel container is pressed to push the calcium oxide layer of the discharge collection means and the calcium hydroxide layer of the carbon dioxide absorption means to the fuel container side. Is done. Thereby, the fuel for power generation filled and sealed in the fuel container is effectively sent to the power generation module through the delivery part.
[0033]
In addition, calcium oxide (CaO) on the calcium hydroxide layer side of the discharge part collecting means is water introduced from the water introduction part (H 2 O) absorbs calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ), The waste recovery means expands and is immediately pushed out to the calcium hydroxide layer of the carbon dioxide absorption means. As a result, the calcium oxide of the waste collection means can be efficiently used for water recovery, and the calcium hydroxide generated by the water recovery can be efficiently transferred to the carbon dioxide adsorption means.
[0034]
Further, the first gas is calcium hydroxide (Ca (OH)) at the end of the calcium hydroxide layer on the fuel container side. 2 ) Carbon dioxide gas (CO 2 ) Can be removed. In addition, calcium carbonate (CaCO generated by the adsorption of carbon dioxide gas) Three ) Is pushed to the fuel container side by the expansion of the discharge collecting means, and presses the fuel container. Thereby, the calcium hydroxide previously filled in the carbon dioxide absorbing means and the calcium hydroxide generated by the discharge collecting means can be efficiently used for absorption and removal of carbon dioxide gas.
[0035]
Further, by providing a water / hydrogen gas deriving section for deriving water and second gas generated by carbon dioxide removal on the same straight line as the mixed gas introducing section at a shortest distance, Carbon dioxide can be efficiently removed without diffusing into the enclosing portion.
[0036]
Alternatively, the absorption of water may be an exothermic reaction, and the generated heat may be used for preventing freezing of the water path discharged from the fuel cell.
[0037]
As a result, freezing of the water path can be prevented without increasing the energy consumed by the power generation system itself, so that the power consumed by the power generation system itself can be suppressed to further improve the power generation system output and energy utilization efficiency. Can be made.
[0038]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a power generation member used in a power supply system according to the present invention will be described with reference to the drawings.
<First embodiment>
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment including a power generation member according to the present invention. As shown in FIG. 1, the power generation member according to the present embodiment is roughly divided into a fuel pack (fuel sealing portion) 10 in which power generation fuel (fuel) and the like are sealed, and is detachable from the fuel pack 10. The power generation module 20 is connected and generates electric power using the fuel supplied from the fuel pack 10 (power generation). The fuel pack 10 is provided with a fuel container 11, carbon dioxide absorption means 12, emission holding means 13, connection portion 14, and the like. The power generation module 20 includes a fuel cell 21, an operation control unit 22, a reforming unit 23, an air control unit 24, a sub power source unit 25, an exhaust collection unit 26, and the like.
[0039]
Each configuration will be specifically described below.
(A) Fuel pack (fuel enclosure) 10
The fuel container 11 is a highly airtight fuel storage container filled and sealed with a liquid (or liquefied) compound or gas compound containing hydrogen in its composition, such as methanol or butane, and a fuel containing water. Thus, the power generation module 20 is detachably coupled. The power generation fuel sealed in the fuel container 11 generates electrical energy output to the load 34 by the fuel cell 21 via the reforming means 23 only when the fuel pack 10 is coupled to the power generation module 20. A predetermined supply amount necessary for this is taken in.
[0040]
The carbon dioxide absorption means 12 is a reforming means 23 (to be described later), which is produced by the chemical conversion of the fuel introduced from the fuel container 11 (H 2 ) -Carbon dioxide (CO 2 ) Only carbon dioxide gas is selectively removed from the mixed gas (first gas). Specifically, the first gas generated by the reforming means 23 is introduced only when the fuel pack 10 is connected to the power generation module 20, and carbon dioxide (CO 2) is introduced from the first gas. 2 ) To remove hydrogen gas (H 2 ) As a main component is sent to the fuel cell 21.
[0041]
Further, the carbon dioxide absorbing means 12 is filled with a carbon dioxide absorbent. As the carbon dioxide absorbent, selectively adsorbing only carbon dioxide from the hydrogen-carbon dioxide mixed gas generated in the reforming means 23 and adsorbing carbon dioxide, so that it is dumped, landfilled or incinerated in nature. However, use substances that change to substances that do not generate harmful substances or environmental pollutants.
[0042]
Examples of the carbon dioxide absorbent include calcium oxide (CaO) or calcium hydroxide (Ca (OH)). 2 ) Is used. These substances selectively remove carbon dioxide from the mixed gas by the reaction shown in the reaction chemical formula (1) or (2).
CaO + CO 2 → CaCO Three ... (1)
Ca (OH) 2 + CO 2 → CaCO Three + H 2 O (2)
[0043]
Calcium oxide (CaO) and calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ) Is a very inexpensive substance. Carbon dioxide absorption means using these substances is carbon dioxide gas (CO 2 ) Does not require conditions such as high temperature and high pressure. Therefore, by using these substances as a carbon dioxide absorbent, the fuel pack 10 according to the present embodiment can be manufactured extremely inexpensively and compactly.
[0044]
In addition, calcium carbonate (CaCO) produced by the reactions shown in the reaction chemical formulas (1) and (2) Three ) Is harmless to the human body and the natural environment, and does not generate harmful substances when it is dumped, landfilled or incinerated in nature. Therefore, the fuel pack 10 provided with the carbon dioxide absorbing means 12 having calcium oxide or calcium hydroxide can be processed without adversely affecting the environment after use.
[0045]
Since the reactions shown in the reaction chemical formulas (1) and (2) are exothermic reactions, the carbon dioxide absorption means 12 supplies the heat generated by the carbon dioxide adsorption to the reforming means 23 and the like described later. It may have a structure. Thereby, the energy utilization efficiency of the member for electric power generation concerning this embodiment can be raised more.
[0046]
The waste holding means (exhaust holding means) 13 is generated when electric power is generated in the power generation module 20 described later, and among the by-products to be discharged, the waste is separated and recovered by the waste recovery means 26 Only the components or substances are retained. Specifically, as will be described later, only when the fuel pack 10 is coupled to the power generation module 20, water generated when electric energy is generated by an electrochemical reaction in the fuel cell 21 of the power generation module 20 (H 2 O) or, in some cases, a very small amount of by-products (specific components or substances) such as nitrogen oxides (NOx) and sulfur oxides (SOx), or a part of them, is contained in the waste holding means 13. (Or the fuel pack 10) is configured to be held irreversibly so as not to leak or discharge to the outside.
[0047]
Where water (H 2 Since O) is a liquid at normal temperature and normal pressure, means for increasing the pressure of the discharge holding means 13 and the fuel pack 10 to liquefy is not particularly required. However, the vaporization points of nitrogen oxides (NOx) and sulfur oxides (SOx) that may be generated when applying fuel such as gasoline to generate electrical energy are extremely lower than normal temperatures at normal pressure. When the amount of these by-product gases is large and there is a possibility that the amount of the by-product gas that cannot be dissolved in the water collected in the discharge holding means 13 exceeds the volume of the discharge holding means 13, the discharge holding means 13 and These by-product gases are liquefied by increasing the atmospheric pressure in the waste collection means 26, and the volume of the by-products is reduced and accommodated in the waste holding means 13.
[0048]
Therefore, as a configuration applied to the discharge holding means 13, a water absorbent (for example, an absorption polymer) or reverse is used so that the specific component or substance can be irreversibly absorbed, adsorbed, fixed, or fixed. It is preferable to provide a stop valve or the like.
[0049]
The connection part 14 has the structure which couple | bonds the fuel pack 10 and the electric power generation module 20 so that attachment or detachment is possible. In addition, the connection unit 14 supplies the power generation fuel from the fuel pack 10 to the power generation module 20 only when the fuel pack 10 and the power generation module 20 are coupled via the connection unit 14. A specific component of a by-product generated with the generation of electric energy is discharged from the fuel pack 10 to the fuel pack 10, and gas is exchanged between the fuel pack 10 and the power generation module 20. Specifically, for example, a later-described delivery port 14A, a water introduction unit 14B, a mixed gas introduction unit 15A, and a water / hydrogen gas delivery port 15B provided on the fuel pack 10 side are sealed irreversibly or reversibly. By applying a configuration in which these seals are released (breaked) with the connection of the power generation module 20, the fuel or the fuel before the connection with the power generation module 20 or when the connection is released during use The leakage of waste can be prevented and a safer power generation member can be realized. The delivery port 14A is connected to a delivery pipe (not shown) inserted in the fuel pack 10, and when the fuel pack 10 is attached to the power generation module 20, the operation is controlled via the delivery pipe and the delivery port 14A by capillary action. If the fuel cell 21 is not driven, the valve of the operation control unit 22 is closed, and the fuel is supplied only to the sub power unit 25. . Then, the monitoring means 17 detects the potential that changes with the shift of the load 34 from the standby (off) state to the state where the main function is activated via the positive and negative electrodes of the power supply system, and sends an activation signal to the operation control unit 22. When the transmission is performed, the operation control unit 22 is activated by the power of the sub power supply unit 25 to open the valve of the outlet 14A to supply the fuel, and to start sending a predetermined amount of fuel to the reforming means 23. ing.
[0050]
The specific configurations and operations of the fuel container 11, the carbon dioxide absorption unit 12, the discharge holding unit 13, the delivery port 14A, the water introduction unit 14B, the mixed gas introduction unit 15A, and the hydrogen delivery port 15B will be described later.
[0051]
As a specific external shape of the fuel pack 10 described above, for example, a sheet formed as shown in FIG. 2 is wound into a roll. In this case, as will be described later, it becomes easy to form the power generation member in substantially the same outer shape as a general-purpose chemical battery.
The outer shape of the fuel pack 10 according to the present invention is not limited to the above shape.
[0052]
Here, even if the fuel pack 10 is subjected to artificial heating / incineration processing, chemical / chemical processing, etc., organic chlorine compounds (dioxins; polychlorinated dibenzopararadixin, polychlorinated dibenzofuran), hydrogen chloride gas, heavy metals The generation of harmful substances such as the above and environmental pollutants may be small, or may be made of a suppressed material.
[0053]
Further, as the power generation fuel used for the power generation member according to the present embodiment, at least the fuel pack 10 in which the power generation fuel is sealed is dumped or landfilled in the natural world, in the atmosphere or in the soil, A fuel that does not become a pollutant with respect to the natural environment and can generate electrical energy with high energy conversion efficiency in the fuel cell 21 of the power generation module 20 described later, even if it leaks into water, Specifically, liquid compounds composed of alcohols such as methanol, ethanol, and butanol, hydrocarbon gases such as dimethyl ether, isobutane, and natural gas (LPG), and gaseous compounds such as hydrogen gas can be favorably applied.
[0054]
According to the fuel pack 10 and the fuel for power generation having such a configuration, the by-product generated when generating electric energy in the power generation member according to the present embodiment is an emission provided in the fuel pack 10. Since it is irreversibly held by the holding means 13, it is assumed that byproducts (NOx, SOx, H which are harmful to the natural environment and the device to which the power generation member is connected). 2 O) is generated, the by-product is not discharged to the outside of the power generation member. Therefore, the environmental effects such as air pollution and global warming, and the electrons due to the leakage of the device It is possible to suppress the occurrence of component deterioration, contact failure, and the like.
[0055]
(B) Power generation module 20
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration example of the reforming unit 23 applied to the power generation module according to the present embodiment. FIG. 4 illustrates a configuration example of the fuel cell 21 applied to the power generation module 20 according to the present embodiment. It is a schematic block diagram which shows.
As shown in FIG. 1, the power generation module 20 is driven by the power of the sub power source 25 that supplies standby power to the load 34 in the standby state (off state) and the power of the sub power source 25, and the user activates the load 34. A monitoring unit 17 that detects a potential that is displaced by turning on the switch via the positive and negative electrodes of the power supply system, and an activation signal that is transmitted from the monitoring unit 17 when the load 34 shifts from the standby state to the activated state. Then, the valve between the outlet 14A is opened, fuel is supplied from the fuel pack 10, and an operation control unit that starts supplying a predetermined amount of fuel to the reforming means 23 and part of the electric power from the sub power supply unit 25. 22 and an active catalyst is attached to the surface, and the length and width of the cross section in the direction perpendicular to the extending direction are both meandering shapes of 500 μm or less, and the vaporized fuel is conducted. A heater for heating the fuel in the flow path by the flow path and the electric power supplied from the operation control unit 22 is provided. Hydrogen reformed from the fuel by the heat of the heater and the active catalyst and the dioxide generated as a by-product It was connected to at least a power generation member by an electrochemical reaction using reforming means 23 for supplying carbon to the carbon dioxide absorption means 12 and hydrogen gas supplied from the carbon dioxide absorption means 12 of the fuel pack 10. A fuel cell 21 that generates and outputs electrical energy as a driving power source (voltage / current) for the load 34, and air that is supplied to the fuel cell 21 and the like by taking in air required for an electrochemical reaction of the power generation fuel from the atmosphere Of the by-products generated during the generation of electrical energy in the control unit 24 and the fuel cell 21, only specific components or substances are stored in the exhaust pack provided in the fuel pack 10. The holding means 13 includes an effluent collecting means 26 that irreversibly collects and holds.
[0056]
The operation control unit 22 is operated by, for example, electrical energy (operation power supply) generated by the sub power supply unit 25, and is obtained by the monitoring unit 17 and is related to the drive state of the load 34 connected to the power supply system according to the present embodiment ( Based on the load drive information), the power generation state of the fuel cell 21 described later is controlled. Specifically, when a signal for starting the load 34 is detected in a state where the fuel cell 21 is not driven, electric power for heating the heater inside the reforming unit 23 is supplied to the reforming unit 23. At the same time, the valve between the outlet 14A is opened and the fuel from the fuel container 11 is automatically supplied by capillary action so that a predetermined amount of fuel is sprayed and supplied to the reforming means 23. . Further, the operation control unit 22 monitors the potential change caused when the load 34 is displaced from the driving state to the standby state when the user presses the driving stop switch while the fuel cell 21 is driven. In response to the stop signal detected and output by 17, the supply of fuel and power to the reforming means 23 is stopped.
[0057]
On the other hand, when the monitoring unit 17 detects a change in the driving state of the load 34 while the fuel cell 21 is driven, the fuel cell 21 and the reforming unit 23 are supplied from the fuel cell 21 to the load. The operation control unit 22 outputs an operation control signal for the monitoring means 17 to adjust the generation amount (power generation amount) of the electric energy in the fuel cell 21 so that the electric energy to be obtained becomes an appropriate value corresponding to the driving state of the load. Output to.
[0058]
Here, the information (load drive information) relating to the drive state of the load 34 such as a command detected by the operation control unit 22 is output from the peripheral device (load 34) side according to the drive state (startup / variation). For example, in a configuration in which the information signal is electrically connected to the load only by the positive (+) pole and the negative (−) pole as in a general-purpose chemical battery, for example, In the standby state, the fluctuation of the load is detected by constantly supplying the monitor voltage to the load via the positive (+) pole and the negative (-) pole and constantly monitoring the fluctuation. Also good.
[0059]
The sub power supply unit 25 always generates a predetermined electric energy autonomously by an electrochemical reaction using the liquid mixture supplied from the fuel pack 10, and the load 34 is in a standby (off) state. When monitoring power is output and standby power is supplied to the load 34, and the load 34 is to be activated, the fuel cell 21, the operation control unit 22, the reforming unit 23, and the air control unit 24 are driven. Supply power.
[0060]
Here, as a method for generating electric energy in the sub power supply unit 25, for example, a direct fuel type fuel cell that generates electricity by directly supplying the power generation fuel supplied from the fuel container 11 to the internal power generation cell is preferably applied. In addition to the mechanical energy conversion action that generates electrical energy by rotating the turbine (generator) using the filling pressure when the fuel for power generation sealed in the fuel container 11 is vaporized, The power generation module includes solar cells, biological cells, vibration generators, etc., which generate electrical energy, and further, a part of the electrical energy generated by the fuel cell 21 described later is a rechargeable battery, a capacitor, etc. The electric energy storage means may be used, and the electric energy may be released (discharged) autonomously at all times.
[0061]
As shown in FIG. 3, the reforming means 23 includes a fuel vaporizer 23 a that vaporizes the power generation fuel supplied from the fuel container 11, and the power generation fuel vaporized by the fuel vaporizer 23 a is heated by a heater (hydrogen ( H 2 ) -Carbon dioxide (CO 2 ) Steam reforming reactor (fuel reformer) 23b for converting to a mixed gas (first gas), and carbon monoxide gas (CO) contained as a small amount of by-product in this mixed gas is carbon dioxide Gas (CO 2 ), And a selective oxidation reactor 23d.
[0062]
The fuel vaporizer 23a heats and vaporizes the fuel introduced from the fuel container 11, and sends it to a steam reforming reactor 23b described later. In order to efficiently vaporize the fuel, the fuel vaporizer 23a efficiently introduces reaction heat in a heater, an aqueous shift reactor 23c, a selective oxidation reactor 23d, or the carbon dioxide absorption means 12 described later, And a heat insulating structure that does not leak heat to the outside.
[0063]
The steam reforming reactor 23b converts power generation fuel introduced from the fuel container 11 through the fuel vaporizer 23a into hydrogen (H 2 ) Convert to gas. Specifically, for example, methanol (CH Three OH) is an equimolar amount of water (H 2 O) in a state of being uniformly mixed, is supplied from the fuel container 11 to the steam reforming reactor 23b through the fuel fuel vaporizer 23a, and this mixture is converted into a chemical reaction formula (3) in the steam reforming reactor 23b. ) Is converted into the first gas.
CH Three OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2 ... (3)
[0064]
The steam reforming reactor 23b is a microreactor composed of a narrow channel with a vertical and horizontal length of 500 μm or less perpendicular to the traveling direction for reforming methanol and water. A well-known catalyst for efficiently carrying out the reaction shown is supported on the surface of the flow path. In addition, since the reaction shown in the reaction chemical formula (3) is an endothermic reaction, the steam reforming reactor 23b efficiently advances heat from the heater or the carbon dioxide absorption means 12 described later in order to efficiently advance this reaction. The structure to introduce and the heat insulation structure which does not leak this heat outside.
[0065]
Carbon dioxide gas (CO 2) which is a by-product generated by the reaction shown in the reaction chemical formula (3) 2 ) Is adsorbed and removed by the carbon dioxide absorbing means 12 after conversion. In addition, carbon monoxide gas (CO) generated as a small amount of by-product due to a reaction not represented by the chemical formula (3) is converted by an aqueous shift reactor 23c and a selective oxidation reactor 23d, which are carbon monoxide removal means described later. Removed.
[0066]
The aqueous shift reactor 23c, which is one of the carbon monoxide removal means, will be described later, among trace amounts of by-products contained in the mixed gas mainly composed of hydrogen and carbon dioxide introduced from the steam reforming reactor 23b. In order to remove carbon monoxide gas (CO) that adversely affects the power generation characteristics of the fuel cell 21, this carbon monoxide gas is converted into hydrogen gas (H 2 ) And carbon dioxide gas (CO 2 ). A well-known catalyst for efficiently carrying out the reaction shown in the reaction chemical formula (4) is supported inside the aqueous shift reactor 23c. Further, since the reaction shown in the reaction chemical formula (4) is an exothermic reaction, a heat radiating means (not shown) for discharging the reaction heat is installed in the aqueous shift reactor 23c.
CO + H 2 O → H 2 + CO 2 ... (4)
[0067]
It should be noted that water required for the reaction of the reaction chemical formula (4) (H 2 O) is filled with water remaining as a fuel for power generation from the fuel container 11 and remaining in the steam reforming reactor 23b. This water is used for the carbon monoxide gas in the mixed gas. If the amount is not sufficient, a structure for supplying the insufficient amount of water to the aqueous shift reactor 23c may be added. Further, the aqueous shift reactor 23c may supply the heat generated by the reaction of the chemical formula (4) to the fuel vaporizer 23a and the steam reforming reactor 23b instead of exhausting from the heat radiating means.
[0068]
The selective oxidation reactor 23d, which is another carbon monoxide removal means, converts carbon monoxide gas (CO) to carbon dioxide (CO) by the reaction shown by the reaction chemical formula (5). 2 ) Convert to gas. As a result, carbon monoxide (CO) gas that could not be completely removed by the aqueous shift reactor 23 c is removed from the mixed gas, and the carbon monoxide gas concentration in the mixed gas is converted into the power generation characteristics of the fuel cell 21. Lower to an area where there is no adverse effect.
2CO + O 2 → 2CO 2 ... (5)
[0069]
Inside the selective oxidation reactor 23d is hydrogen gas (H contained in the mixed gas introduced from the aqueous shift reactor 23c). 2 A known catalyst for selectively oxidizing only carbon monoxide gas (CO) by the reaction shown in the reaction chemical formula (5) without consuming (1) is supported.
[0070]
Note that oxygen (O) required for the reaction shown in the reaction chemical formula (5) 2 ) When the gas introduced from the aqueous shift reactor 23c is filled with a small amount of oxygen-derived oxygen gas contained in the mixed gas, the oxygen gas is less than the carbon monoxide gas in the mixed gas. Alternatively, a structure for taking in the insufficient oxygen gas from the air control unit 24 or the like, which will be described later, may be added to the selective oxidation reactor 23d. Further, the selective oxidation reactor 23d may supply the heat generated by the reaction of the chemical formula (5) to the fuel vaporizer 23a and the steam reforming reactor 23b instead of exhausting from the heat radiating means.
[0071]
The operation control unit 22 is configured so that the fuel cell 21 generates hydrogen gas (H) in an amount necessary for generating and outputting predetermined electric energy. 2 ) Is supplied from the fuel container 11 to the reforming means 23, converted to hydrogen gas, and supplied to a fuel electrode 31 of a fuel cell 21 (FIG. 4) described later. Do.
[0072]
The air controller 24 supplies oxygen gas (O) supplied to the air electrode 32 of the fuel cell 21. 2 ) To control the amount. Hydrogen to the fuel cell 21 by the operation control unit 22 and the air control unit 24 (H 2 ) Gas and oxygen gas (O 2 ) Is controlled, the progress of the electrochemical reaction in the fuel cell 21 is controlled, and the amount of electric energy generated (power generation amount) is controlled.
[0073]
Here, if the air control unit 24 can supply air (atmosphere) corresponding to the maximum consumption amount of oxygen per unit time in the fuel cell 21, the oxygen control unit 24 supplies oxygen gas to the air electrode 32 of the fuel cell 21. You may set so that it may always supply at the time of a drive (steady state), without controlling quantity. In other words, the progress of the electrochemical reaction is controlled only by the operation control unit 22, and a ventilation hole is provided instead of the air control unit 24, so that an amount of air exceeding the maximum consumption used for the electrochemical reaction in the fuel cell 21 It may be configured so as to be constantly supplied through this vent hole.
[0074]
The fuel cell 21 is a hydrogen-oxygen fuel cell. As shown in FIG. 4, the fuel cell 21 is roughly divided into a fuel electrode (cathode) 31 composed of a carbon electrode to which catalyst fine particles such as platinum and platinum-ruthenium alloy are attached, platinum, etc. An air electrode (anode) 32 composed of a carbon electrode to which the catalyst fine particles are attached, and a well-known film-like ion conductive film (exchange membrane) 33 interposed between the fuel electrode 31 and the air electrode 32. Configured. Here, the hydrogen gas (H) extracted through the reforming means 23 and the carbon dioxide absorption means 12 described above is provided in the fuel electrode 31. 2 ) As a main component, and the air electrode 32 is supplied with oxygen gas (O 2 ) Is supplied and electric power is generated by advancing electrochemical reaction, and electric energy to be a predetermined driving power source (voltage / current) is supplied to the load 34.
[0075]
Specifically, hydrogen gas (H 2 ) Is supplied, as shown in the following chemical reaction formula (6), electrons (e - ) Separated hydrogen ions (protons; H + ) Is generated, and is transmitted to the air electrode 32 through the ion conductive film 33, and electrons (e - ) Is taken out and supplied to the load 34.
3H 2 → 6H + + 6e - ... (6)
[0076]
On the other hand, when air is supplied to the air electrode 32, as shown in the chemical reaction formula (7), electrons (e - ) And hydrogen ions (H + ) And oxygen gas (O 2 ) Gas reacts with water (H 2 O) is produced.
6H + + 3 / 2O 2 + 6e - → 3H 2 O (7)
[0077]
Such a series of electrochemical reactions (formulas (6) and (7)) proceed in a relatively low temperature environment of 60 to 80 ° C. Although not described in the above reaction formulas (6) and (7), as a by-product, in addition to water, a small amount of nitrogen present in the fuel, nitrogen oxide (NOx) generated from a sulfur component, and Sulfur oxide (SOx) may be formed.
[0078]
Note that the driving power supply (voltage / current) supplied to the load 34 by the electrochemical reaction as described above is hydrogen gas (H / H) supplied to the fuel electrode 31 of the fuel cell 21. 2 ) Depending on the amount. Therefore, the hydrogen gas (H) supplied to the fuel electrode 31 of the fuel cell 21 by the operation controller 22 2 ) Can be arbitrarily adjusted to control the electric energy supplied to the load.
[0079]
And the waste collection | recovery means 26 is at least 1 type or more among the by-products produced | generated with the series of chemical reaction for generating electric power energy in the reforming means 23 and the fuel cell 21 mentioned above. These specific components or substances are separated and sent to the discharge holding means 13 provided in the fuel pack 10.
[0080]
Specifically, in the power generation member according to the present embodiment, it is generated together with hydrogen gas along with the steam reforming reaction (chemical reaction formula (3)) in the steam reforming reactor 23b of the reforming means 23. Carbon dioxide gas (CO 2 ) And water (H generated along with the generation of electrical energy in association with the electrochemical reaction in the fuel cell 21 (chemical reaction formulas (6) and (7)). 2 O) is discharged from the reforming means 23 and the fuel cell 21. However, carbon dioxide (CO 2 ) Is adsorbed and removed by the carbon dioxide absorption means 12 provided in the fuel pack 10 without being introduced into the fuel cell 21 from the reforming means 23, so that water (H 2 O) and the like are collected by the discharge collecting means 26 and sent to the discharge holding means 13 to be held irreversibly.
[0081]
Here, since the electrochemical reaction (chemical reaction formulas (6) and (7)) in the fuel cell 21 proceeds at about room temperature to about 90 ° C., the water (H 2 O) is discharged almost in the state of water vapor (gas). Therefore, the waste collection means 26, for example, cools or pressurizes water vapor discharged from the fuel cell 21 to produce water (H 2 Only O) is liquefied and separated and recovered from other components.
Note that the waste collection means 26 may be provided in the fuel pack 10 instead of in the power generation module 20.
[0082]
Thus, according to the power generation member according to this embodiment, first, the fuel supplied from the fuel pack 10 to the power generation module 20 is converted into the first gas by the steam reforming reactor 23b. Next, carbon monoxide gas (CO) contained in the first gas in a small amount as an impurity is converted into carbon dioxide gas (CO) in the aqueous shift reactor 23c and the selective oxidation reactor 23d. 2 ) And removed. Further, this mixed gas is introduced by the carbon dioxide absorbing means 12, and the carbon dioxide gas is absorbed and removed to become a second gas, which is supplied to the fuel cell 21.
[0083]
The second gas finally supplied to the fuel cell is a very high concentration hydrogen gas (H 2 ). Therefore, since the power generation efficiency of the fuel cell 21 is improved as compared with the conventional power generation member in which the first gas is directly supplied to the fuel cell, the power density and the energy utilization efficiency are high, and the power source applicable as a portable power source A power generation member used in the system can be provided. Further, since the concentration of the carbon monoxide gas acting as a catalyst poison for the catalyst of the fuel electrode 31 of the fuel cell 21 is extremely low in the second gas, the power generation efficiency of the fuel cell 21 can be further improved. Furthermore, since the carbon dioxide absorption means 12, the aqueous shift reactor 23c, and the selective oxidation reactor 23d do not require high-temperature and high-pressure operating conditions, the power generation member according to this embodiment is manufactured inexpensively and compactly. can do.
[0084]
Further, by-products generated when generating electric energy by the power generation module 20, such as carbon dioxide (CO 2 ), Water (H 2 O) and the like are retained in the carbon dioxide absorption means 12 and the exhaust gas retention means 13 provided in the fuel pack 10 so that the by-products are irreversibly retained in the fuel pack 10. In addition, since the discharge or leakage to the outside of the power generation member is suppressed, it is possible to prevent pollution of the natural environment, global warming, and the like due to by-products (carbon dioxide). Further, when nitrogen oxide (NOx) and sulfur oxide (SOx) are generated, water (H 2 You may make it collect | recover in the discharge | emission holding | maintenance means 13 different from O).
[0085]
In addition, in the power generation member according to the present embodiment, the supply of electrical energy serving as a predetermined drive power supply according to the drive state (load drive information) of the load (device) 34 connected to the power generation member, Since stop control and adjustment control of the generation amount of electric energy can be performed, the fuel for power generation of the fuel cell 21 can be consumed efficiently. Therefore, it is possible to provide a power generation member for a power supply system that achieves predetermined electrical characteristics and has extremely high energy utilization efficiency.
[0086]
Further, in the power generation member according to the present embodiment, as described later, the power generation member (power generation module) according to the present embodiment is reduced in size and weight by applying a semiconductor control technology, and is a standardized general-purpose chemical. By configuring the battery so that it has the same shape as the battery, it is possible to achieve high compatibility with general-purpose chemical batteries in both the outer shape and electrical characteristics (voltage / current characteristics). Can be more easily spread. This makes it possible to easily disseminate power generation members using fuel cells in place of existing chemical cells that have many problems in terms of environmental problems and energy utilization efficiency, etc., while suppressing the impact on the environment. High energy utilization efficiency can be realized.
[0087]
Next, the specific configuration of the fuel pack 10 according to the present embodiment and the relationship between the components will be described with reference to the drawings.
FIG. 5 is a schematic diagram showing the relationship among the fuel container 11, the discharge holding means 13 and the carbon dioxide absorbing means 12 of the fuel pack 10 according to the present embodiment.
[0088]
As shown in FIG. 5 (a), the fuel pack 10 according to the present embodiment is made of a polymer material (plastic) having a certain volume and having decomposability as described above. A fuel container 11 filled with a power generation fuel such as methanol is provided so as to be isolated from the fuel container 11, and hydrogen generated by conversion of the power generation fuel by the reforming means 23 (H 2 ) -Carbon dioxide (CO 2 ) Among the mixed gas, carbon dioxide absorbing means 12 filled with a carbon dioxide absorbent for selectively adsorbing and removing carbon dioxide, and by-products such as water sent from the waste collecting means 26 (specification) The discharge holding means 13 that is a bag-like body that relatively changes the volume of the fuel container 11 and the power generation fuel sealed in the fuel container 11 are operated as will be described later. The outlet 14A supplied to the control unit 22, the mixed gas introduction unit 15A which is a path for introducing the first gas generated by the reforming unit 23 into the carbon dioxide absorption unit 12, and carbon dioxide from the first gas After removing the hydrogen gas (H 2 ) As a main component (second gas) to the fuel cell 21, and the by-products sent from the waste collection means 26 to the hydrogen delivery port 15 B and the waste holding means 13. And a water introduction part 14B for taking in.
[0089]
Here, both the outlet 14A and the water introduction part 14B can supply fuel for power generation and take in by-products only when the fuel pack 10 is coupled to the power generation module 20. A check valve is provided. Thereby, in a state where the fuel pack 10 is removed from the power generation module 20, the power generation fuel sealed in the fuel container 11 and the by-product held in the discharge holding means 13 are outside the fuel pack 10. There is no leakage. Instead of providing the check valve function in the water introduction part 14B, the discharge holding means 13 may have a structure filled with an absorption (water absorption) polymer or the like.
[0090]
In the fuel pack 10 having such a configuration, the power generation fuel sealed in the fuel container 11 is supplied to the power generation module 20 (fuel cell 21) via the outlet 14A, thereby generating predetermined electrical energy. As the operation is performed, only a specific component or substance (for example, water) among the by-products generated with the generation of electric energy is recovered by the discharge recovery means 26, and is passed through the water introduction part 14B. Are taken in and held by the discharge holding means 13.
[0091]
As a result, the volume of the power generation fuel sealed in the fuel container 11 is reduced, and the volume of the specific component or substance held in the discharge holding means 13 is relatively increased. At this time, by applying a configuration in which the discharge holding means 13 is filled with an absorption polymer or the like as a water absorbent, it has a larger volume than the substantial volume of the by-product collected and taken in. Thus, the volume of the discharge holding means 13 can be controlled.
[0092]
Therefore, the relationship between the space occupied by the fuel container 11 and the space occupied by the discharge holding means 13 not only increases and decreases relatively with the generation (power generation) operation of the electric energy in the power generation module 20, Depending on the amount of by-products held in the discharge holding means 13, as shown in FIG. 5B, the internal pressure is applied to the discharge holding means 13 at a predetermined pressure, so that the fuel container 11 is sealed. Since the power generation fuel is pressurized, the power generation fuel can be appropriately supplied to the power generation module 20 and is held by the discharge holding means 13 as shown in FIG. By the by-product, the power generation fuel sealed in the fuel container 11 can be supplied until it is almost completely eliminated.
[0093]
Here, according to the reaction chemical formulas (3), (6), and (7), 1 mol of methanol (CH Three OH) and 1 mol of water (H 2 O) 3 mol of water (H 2 O) water is produced, but in the liquid state, 1 mol of methanol (CH Three OH) is 40.56 cm Three 1 mol of water (H 2 O) is 18.02 cm Three Therefore, the methanol sealed in the fuel container 11 in the initial state is Mcm. Three Then, liquid fuel (methanol (CH Three OH) and water (H 2 The volume occupied by the mixture with O) is 1.444 Mcm Three It becomes.
[0094]
And all methanol (CH Three OH) reacts with the by-product water (H 2 The volume of O) is 1.333 Mcm Three Liquid fuel in the initial state (methanol (CH Three OH) and water (H 2 The volume ratio of the mixture to O) is about 92.31%, so that when water occupies most of the volume of the by-product, the fuel container 11 of the fuel pack 10 is increased as the by-product is generated. Since the sum of the volume of the space occupied and the volume of the space occupied by the discharge holding means 13 decreases, it is not necessary to provide a space for a by-product that does not contain liquid fuel in advance. Therefore, almost all of the fuel container 11 can be filled with the liquid fuel in the initial state.
[0095]
Next, another configuration example of the reforming unit 23 applied to the power generation module according to the present embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 6 is a block diagram illustrating a second configuration example of the reforming unit 23 according to the present embodiment. Here, it demonstrates, referring the structure (FIG. 1) of the power supply system containing the member for electric power generation mentioned above.
[0096]
In the reforming means 23 described above, the first gas generated in the steam reforming reactor (fuel reformer) 23b passes through the aqueous shift reactor 23c and the selective oxidation reactor 23d, which are carbon monoxide removal means, The carbon dioxide absorption means 12 installed in the fuel pack 10 is introduced. On the other hand, in the second configuration example, the first gas generated in the steam reforming reactor 23b is first introduced into the carbon dioxide absorbing means 12, and the carbon dioxide is absorbed and removed to form the second gas. Become. The second gas is returned to the reforming means 23, and the carbon monoxide gas (CO) contained in a trace amount is converted and removed in the aqueous shift reactor 23c and the selective oxidation reactor 23d which are carbon monoxide removing means. And then sent to the fuel cell 21.
[0097]
According to the reforming means 23 of the second configuration example, before introducing the first gas into the carbon monoxide removing means, carbon dioxide gas (CO 2 ) In the aqueous shift reactor 23c, the carbon dioxide gas (CO) represented by the reaction chemical formula (4) is removed. 2 ) Can easily proceed, and conversion and removal of carbon monoxide gas (CO) can be performed more efficiently. In addition, when only the aqueous shift reactor 23c of the reforming means 23 of the second configuration example can reduce the carbon monoxide gas concentration in the mixed gas to a region where the power generation characteristics of the fuel cell 21 are not adversely affected. By omitting the selective oxidation reactor 23d from the reforming means 23, the reforming means 23 can be simplified and downsized.
[0098]
By the way, in the second embodiment, carbon dioxide gas generated as a result of carbon monoxide gas removal is mixed into the second gas and taken into the fuel cell 21. However, in this case, since the concentration of the carbon dioxide gas in the second gas is less than 1%, the output and energy efficiency of the power supply system including the power generation member according to the present invention are not reduced.
[0099]
The carbon dioxide absorbing means 12 is not necessarily provided in the fuel pack 10, and may be provided in the power generation module 20 or in the connection portion 14. The connecting portion 14 is not limited to the fuel pack 10 provided in the fuel pack 10 but may be provided in the power generation module 20 or provided separately from the fuel pack 10 and the power generation module 20. It may be a thing.
[0100]
<Second Embodiment>
Next, a second embodiment of the power generation member according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 7 is a block diagram showing a second embodiment of a power supply system including a power generation member according to the present invention. Here, about the structure equivalent to embodiment mentioned above, the same name and code | symbol are attached | subjected and the description is simplified or abbreviate | omitted.
[0101]
The power generation member in the present embodiment is broadly divided into a fuel pack (fuel sealing portion) 10 in which power generation fuel is sealed, and power generation that generates electrical energy based on the power generation fuel supplied from the fuel pack 10. And a module 20.
[0102]
Here, the fuel module 20 has the same configuration as that shown in the first embodiment (see FIGS. 1, 3, 4 and 6) except that it does not have the waste collection means 26. The description thereof is omitted.
[0103]
As in the case of the first embodiment, the fuel pack 10 of the second embodiment is made of a polymer material (plastic) having decomposability. Further, as shown in FIG. 7, the fuel pack 10 includes a fuel container 11, a carbon dioxide absorption unit 12, an emission holding unit 13, a connection portion 14, and an emission collection unit 16. Is done.
[0104]
FIG. 8A shows an initial state of the fuel pack 10. As shown in FIG. 8 (a), the fuel container 11 is provided at one end in the fuel pack 10, and generates power (for example, methanol (CH Three OH) and water (H 2 O) is mixed in an equimolar ratio, for example, a bag-like body, and a delivery port 14A is provided. The fuel container 11 sends the power generation fuel enclosed through the outlet 14 </ b> A to the power generation module 20. The volume of the fuel container 11 is relatively changed as the fuel is delivered.
[0105]
The carbon dioxide absorption means 12 selectively absorbs and removes carbon dioxide gas from the first gas introduced from the reforming means 23 and sends the carbon dioxide gas to the exhaust gas holding means 13 as a second gas. The carbon dioxide absorbing means 12 is provided in the fuel pack 10 adjacent to the fuel container 11 and is calcium hydroxide (Ca (OH)) which is a carbon dioxide absorbent. 2 ), And the like. As will be described later, as the carbon dioxide is absorbed and removed, a new calcium carbonate layer 12B is formed on the fuel container 11 side.
[0106]
At one end of the carbon dioxide absorption means 12 on the fuel container 11 side, a mixed gas introduction part 15A that is a path for sending the first gas from the power generation module 20 to the fuel pack 10 and a water / hydrogen gas lead-out part 15B are provided. It has been. Further, the path for sending the second gas from the fuel pack 10 to the power generation module 20 is constituted by a water / hydrogen gas lead-out portion 15B, a water / hydrogen gas introduction portion 15C, an emission holding means 13, a hydrogen delivery port 15D, and the like. Is done. Calcium hydroxide, which is a carbon dioxide absorbent, is selectively converted into carbon dioxide gas (CO 2) from the first gas generated by the reforming means 23 by the reaction shown in the chemical reaction formula (2). 2 ) Are selectively adsorbed and removed, and are sent as a mixture of the second gas and water from the water / hydrogen gas deriving unit 15B to the discharge collecting means 13 described later. Here, the mixed gas introduction part 15A and the water / hydrogen gas 15B are efficiently oxidized without diffusing the hydrogen gas introduced from the fuel module 20 in the state contained in the first gas into the fuel pack 10. It is installed at the shortest distance on the same straight line so as to absorb and remove the carbon and send it to the discharge holding part 13.
[0107]
The waste collection means 16 is water (H 2 O) is separated and recovered. The waste collection means 16 is provided in the space between the carbon dioxide absorption means 12 and the waste holding means 13 in the fuel pack 10 and is made of calcium oxide (CaO) which is a selective waste absorbent. It consists of a calcium oxide layer 16A and the like. Calcium oxide, which is a selective effluent absorbent, absorbs water and changes to calcium hydroxide by the reaction shown in the reaction chemical formula (8). Further, a water introduction part 14B and an exhaust port 14C are provided at one end of the exhaust gas collection means 16 on the carbon dioxide absorption means side.
CaO + H 2 O → Ca (OH) 2 ... (8)
[0108]
Here, as described above, calcium oxide (CaO), which is a selective effluent absorbent, reacts with water to produce calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ). Furthermore, this calcium hydroxide is reused as a carbon dioxide absorbent, and finally calcium carbonate (CaCO Three ). This calcium carbonate is a harmless substance, and even if it is incinerated or disposed of in nature, it does not cause environmental destruction or pollution.
[0109]
In addition, since the reactions shown in the reaction chemical formulas (2) and (8) are accompanied by heat generation, the carbon dioxide gas is adsorbed and removed by the carbon dioxide absorbing means 12, and the water is adsorbed and removed by the discharge collecting means 16. The water generated during the vaporization and fuel reforming reaction in the reforming means 23 and a series of reactions in the power generation system (H 2 By utilizing this for preventing freezing of the route for transferring O), the energy utilization efficiency of the power generation member according to the present embodiment can be increased.
[0110]
In addition, calcium oxide (CaO) and calcium hydroxide (Ca (OH)) 2 ), The fuel pack 10 according to the present embodiment can also be manufactured extremely inexpensively and compactly, like the fuel pack 10 according to the first embodiment.
[0111]
The discharge holding means 13 is a bag-like body provided in the fuel pack 10 adjacent to the discharge collection means 16. The discharge holding means 13 is provided with a water / hydrogen gas introduction part 15C and a hydrogen gas delivery part 15D. Further, the water / hydrogen gas inlet 15C is connected to the water / hydrogen gas outlet 15B of the carbon dioxide absorber 12. The discharge holding means 13 is configured to supply hydrogen (H 2 ) Second gas and water (H 2 The mixture of O) is introduced from the water / hydrogen gas introduction part 15C, and water (H 2 O) is held, and the second gas is sent from the hydrogen gas delivery unit 15D to the fuel cell 21. The discharge holding means 13 holds the water irreversibly when removing the water, and relatively changes the volume as the water is held. Further, the discharge holding means 13 is filled with, for example, an absorption (water absorption) polymer or the like as a water absorbent in order to remove and hold water as described above. At this time, as the water absorbent, a material capable of appropriately pressing the discharge collection means 16, the carbon dioxide absorption means 12 and the fuel container 11 as will be described later as water is adsorbed and retained. It is selected appropriately.
[0112]
The connection part 14 has the structure which couple | bonds the fuel pack 10 and the electric power generation module 20 so that attachment or detachment is possible similarly to the case of 1st embodiment. In addition, the connection unit 14 supplies the power generation fuel from the fuel pack 10 to the power generation module 20 only when the fuel pack 10 and the power generation module 20 are coupled via the connection unit 14. From the fuel pack 10, water generated as electric energy is generated is discharged, and gas is exchanged between the fuel pack 10 and the power generation module 20.
[0113]
Next, with reference to FIGS. 7 and 8, the operation when the power generating member of the second embodiment generates electrical energy will be described.
First, a power generation fuel (for example, methanol (CH Three OH) and water (H 2 The mixture obtained by mixing O) at an equimolar ratio is sent from the outlet 14A to the reforming means 23 in the power generation module 20, and converted into the first gas by the reaction shown in the reaction chemical formula (3). Further, in the reforming means 23, carbon monoxide gas (CO) contained as a minute by-product is converted and removed from the mixed gas by the reactions shown in the reaction chemical formulas (4) and (5). . The first gas discharged from the reforming unit 23 is taken into the carbon dioxide absorbing unit 12 in the fuel pack 10 from the mixed gas introduction unit 15A.
[0114]
Calcium hydroxide (Ca (OH) as a carbon dioxide absorbent 2 In the carbon dioxide absorbing means 12 filled with), carbon dioxide (CO 2) is converted from the first gas by the reaction shown in the reaction chemical formula (2). 2 ) Is absorbed and removed, and is sent to the water / hydrogen gas introduction section 15C from the water / hydrogen gas lead-out section 15B as a mixture of the second gas and water, and taken into the discharge holding means 13.
[0115]
In the discharge holding means 13, water (H 2 O) is selectively removed and hydrogen gas (H 2 ) Is sent from the hydrogen gas delivery unit 15D to the fuel electrode 31 of the fuel cell 21.
[0116]
Hydrogen gas (H 2 ) Is supplied to the fuel electrode 31, as in the first embodiment, electric energy is generated according to the reaction chemical formulas (6) and (7). From the air electrode 32, water (H 2 The waste mainly composed of O) and the air introduced from the air control unit 24 and not involved in the reaction are discharged and introduced from the water introduction unit 14B to the waste collection means 16. The waste collection means 16 adsorbs and removes water, which is the main component of waste, by the reaction shown in the reaction chemical formula (8). At this time, calcium oxide (CaO) which is a selective effluent absorbent is calcium hydroxide (Ca (OH)). 2 ). Waste and air other than water are discharged from the exhaust port 14C to the outside of the power generation member.
[0117]
Due to the generation of electrical energy in the power generation module 20 (fuel cell 21), the volume of the fuel container 11 decreases and the volume of the discharge holding means 13 increases. Along with this, as shown in FIG. 8B, the calcium oxide layer 16A and the calcium hydroxide layer 12A are pushed out by the discharge holding means 13, and move from left to right in FIG.
[0118]
At the same time, in the waste collection means 16, the selective waste absorbent (calcium oxide (CaO)) at the end on the carbon dioxide absorption means 12 side comes into contact with the waste delivered from the fuel cell 21. , One of the components of this waste, water (H 2 O) adsorbs and removes calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ). The calcium hydroxide is pushed out to the calcium hydroxide layer 12A by the expansion of the discharge holding means 13 and reused as a carbon dioxide absorbent. Further, due to the expansion of the discharge holding means 13, the unreacted region of the calcium oxide layer 16A is pushed out in the vicinity of the water introduction portion 14B, and water is continuously absorbed.
[0119]
In the carbon dioxide absorption means 12, the carbon dioxide absorbent (calcium hydroxide (Ca (OH) 2 )) Comes into contact with the first gas introduced from the reforming means 23, and carbon dioxide gas (CO 2 ) By adsorbing and removing calcium carbonate (CaCO Three ) And water (H 2 O). This calcium carbonate (CaCO Three ) Forms a calcium carbonate layer 12B and is pushed out to the fuel container 11 side. As a result, the fuel container 11 is pressurized, and power generation fuel is sent to the power generation module 20. At the same time, the unreacted region of the calcium hydroxide layer 12A is pushed out in the vicinity of the mixed gas introduction part 15A and the water / hydrogen gas lead-out part 15B, and carbon dioxide is continuously absorbed and removed. And as shown in FIG.8 (c), the pressurization to the fuel container 11 is continued until the fuel for electric power generation enclosed with the fuel container 11 is almost completely lose | eliminated. The water (H 2 O) is hydrogen gas (H 2 ) Together with the second gas having the main component.
[0120]
Here, the water (H 2 O) is first adsorbed by the waste collection means 16 to form calcium hydride (Ca (OH)). 2 )), And again through the carbon dioxide absorption means 12, water (H 2 O), and is finally held irreversibly by the discharge holding means 13 connected to the fuel electrode 31 of the fuel cell 21.
[0121]
In the fuel cell 21, the liquid is structurally difficult to leak on the fuel electrode 31 side than on the air electrode 32 side that takes in air from the atmosphere. Therefore, water (H 2 O) is finally held on the fuel electrode 31 side, so that this water can be more reliably prevented from leaking out of the power generation system.
[0122]
Further, as the discharge holding means 13 adsorbs and holds water, the discharge collection means 16, the carbon dioxide holding unit 12, and the fuel container 11 are pressed, so that the fuel is the same as in the first embodiment. The fuel for power generation can be appropriately sent from the container 11 to the power generation module 20, and the selective waste absorbent (calcium oxide (CaO)) is water (H 2 Carbon dioxide absorbent produced by adsorbing O) (calcium hydride (Ca (OH) 2 )) Can be appropriately extruded to the calcium hydroxide layer 12A.
[0123]
As in the case of the first embodiment, the fuel pack 10 according to the second embodiment is also formed in a roll shape as shown in FIG. 2 and has substantially the same form as a general-purpose chemical cell described later. It can be applied to the power generation system that it has. Thereby, as described later, it becomes easy to form the power generation member according to the present embodiment in the same shape as a general-purpose chemical battery or the like.
[0124]
In the second embodiment, as in the first embodiment, the reforming means 23 of the power generation module 20 is disposed between the steam reaction reformer 23b and the aqueous shift reactor 23c as shown in FIG. It is good also as a structure via the carbon absorption means 12 grade | etc.,. In this case, the steam reforming reactor 23b is connected to the carbon dioxide absorption means 12 via the mixed gas introduction part 15A, and the aqueous shift reactor 23c is connected to the emission holding means 13 via the hydrogen gas delivery part 15D. . Also in this case, as in the case of the first embodiment, the carbon monoxide gas in the first gas can be efficiently removed, and the structure of the reforming means 23 can be simplified.
[0125]
Next, the outer shape to which the power generating member according to the present invention is applied will be described with reference to the drawings.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram showing a specific example of the outer shape applied to the power generation member according to the present invention, and FIG. 10 shows the outer shape applied to the power generation member according to the present invention and general-purpose chemicals. It is a schematic block diagram which shows the correspondence with the external shape of a battery.
[0126]
In the power generation member having the above-described configuration, the outer shape in a state in which the fuel pack 10 is coupled to the power generation module 20 or a state in which the fuel pack 10 is integrally formed is standardized as illustrated in FIG. 9, for example. In accordance with the standards of cylindrical batteries 71, 72, 73 commonly used for general-purpose chemical batteries and specially shaped batteries (non-cylindrical batteries) 81, 82, 83, the same shape and dimensions as any of these are provided. For example, the fuel electrode 31 and the air electrode 32 of the fuel cell 21 of the power generation module shown in FIG. 3 have the positive (+) electrode and the (−) electrode of each battery shape shown in FIG. Are electrically configured so as to correspond to each.
[0127]
Here, the cylindrical batteries 71, 72, 73 are specifically used in commercially available manganese dry batteries, alkaline dry batteries, nickel-cadmium batteries, lithium batteries, and the like, and are cylinder type (cylindrical: figure) with many corresponding devices. 9 (a)), a button type used for a wristwatch or the like (FIG. 9B), and a coin type used for a camera or an electronic notebook (FIG. 9C). .
[0128]
On the other hand, the non-circular batteries 81, 82, 83 are specifically designed (customized) corresponding to the shape of the equipment used, such as a compact camera or a digital still camera (FIG. 9D). ), A rectangular shape (FIG. 9 (e)), a flat shape (FIG. 9 (f)), and the like corresponding to a small and thin type such as a morphological acoustic device and a mobile phone.
[0129]
As described above, the power generation module 20 (the fuel cell 21, the operation control unit 22, the reforming unit 23, the air control unit 24, the sub power source unit 25, the exhaust collection unit) mounted on the power generation member according to the present invention. 26), by applying existing semiconductor technology, for example, a microchip can be formed on the order of several microns, or a microplant can be formed. Further, by applying a hydrogen-oxygen fuel cell capable of realizing high energy use efficiency as the power generation unit of the power generation module 20, to achieve a battery capacity equivalent to (or more than) an existing chemical battery. Therefore, the amount of fuel for power generation required can be reduced to a relatively small amount.
[0130]
Therefore, in the power generation member according to the present embodiment, the existing battery shape shown in FIG. 9 can be satisfactorily realized. For example, as shown in FIGS. The external dimensions (for example, length La and diameter Da) in a state coupled to the power generation module 20A are the same as the external dimensions (for example, length Lp and diameter Dp) of the general-purpose chemical battery 91 as shown in FIG. It can comprise so that it may become substantially equivalent.
[0131]
As a result, it is possible to supply electric energy having the same or equivalent electrical characteristics as a general-purpose chemical battery, and to realize a completely compatible power generation member having the same shape and dimensions in the outer shape. Therefore, it can be applied to an existing device such as a form device as an operation power source just like a general-purpose chemical battery. In particular, a structure including a fuel cell is applied as a power generation module, and a fuel pack is provided with a means for collecting and holding by-products accompanying the generation of electric energy, and is made of a material such as the above-described degradable plastic. By applying the configuration, it is possible to achieve high energy use efficiency while suppressing adverse effects on the natural environment and devices, so environmental problems and energy use efficiency problems caused by disposal or landfill treatment of existing chemical batteries, etc. Can be solved satisfactorily.
[0132]
Note that each of the external shapes shown in FIG. 9 is an example of a chemical battery that is commercially available in Japan, or that is distributed and sold with a device, and is an example of a configuration example to which the present invention can be applied. It is only a part of it. That is, the outer shape applicable to the power generation member according to the present invention may be other than the above specific examples. For example, chemical batteries that are distributed and sold in various countries around the world, or small-scale practical use is planned. Needless to say, it can be designed to match the shape of the chemical cell, and also to match the electrical characteristics.
[0133]
In the above-described embodiment, although not shown in the drawings, a remaining amount detecting means for monitoring the amount (remaining amount) of power generation fuel remaining in the fuel pack 10 is provided, and the remaining amount of power generation fuel is calculated. Based on this, the electric energy (particularly the drive voltage) generated by the fuel cell 21 may be gradually changed (decreased). According to such a configuration, the electrical energy (driving voltage) output from the power generation member according to the present invention can be changed in response to the revelation voltage change in the chemical battery, so that the chemical battery is operated. The battery remaining capacity notification function that is normally installed in various devices as power supplies can be operated satisfactorily, and compatibility with chemical batteries can be further enhanced.
[0134]
In each of the above-described embodiments, a configuration for recovering nitrogen oxide (NOx) and sulfur oxide (SOx) generated by a chemical reaction using gasoline or the like as a fuel is shown. ) And sulfur oxide (SOx) are generated in a very small amount, or the power generation module 20 is provided with a catalyst for decomposing or reforming nitrogen oxide (NOx) and sulfur oxide (SOx) into non-toxic substances. In this case, the gas may be exhausted as it is outside the power generation member without being held in the discharge holding means 13.
[0135]
In this case, the fuel pack 10 (including the discharge holding means 13) has a function as the fuel storage container, and is a natural substance that originally exists in nature and constitutes nature under a specific environment. It is preferable that it is made of a material that can be converted. That is, the fuel pack 10 is harmless to nature due to the action of microorganisms, enzymes, etc. in the soil, irradiation with sunlight, rainwater, the atmosphere, etc., even when dumped or landfilled in nature. Various decomposition reactions that are converted into substances (naturally existing and natural substances such as water and carbon dioxide), such as biodegradability, photodegradability, oxidative degradability, etc. And there is no fear of being decomposed in at least a short period of time by contact with the fuel to be enclosed, and the encapsulated fuel is altered so that it cannot be used as a fuel in at least a short period of time. Instead, it can be made of a polymer material (plastic) having a characteristic that has sufficient strength against external physical adaptability.
[0136]
In addition, as mentioned above, the recovery rate by recycling of the chemical battery is only about 20%, and in view of the current situation that the remaining 80% is dumped or landfilled in nature, as a material of the fuel pack 10 It is desirable to apply biodegradable plastics, specifically, polymer materials containing polysynthetic organic compounds synthesized from petroleum-based or plant-based materials (polylactic acid, aliphatic polyester, copolymer) Polyesters, etc.), bio-polyesters produced by microorganisms, starch-derived materials extracted from plant materials such as corn and sugarcane, cellulose, chitin, chitosan, and other natural-product-based polymer materials, etc. it can.
[0137]
Further, the fuel pack 10 is made of a polymer material having decomposability, and by applying a substance that easily decomposes to a harmless substance existing in nature such as alcohol or hydrocarbon as a power generation material, Even if it is dumped or landfilled, or artificially incinerated or treated with chemicals, it will adversely affect the natural environment, such as air, soil, water pollution, or the production of environmental hormones to the human body. Can be greatly suppressed.
[0138]
【The invention's effect】
As described above, the power generation fuel containing hydrogen sealed and filled in the fuel sealing portion is first converted into a hydrogen-carbon dioxide mixed gas (first gas) by the reforming means. This first gas is reduced in concentration of carbon dioxide gas by the carbon dioxide absorption means to become the second gas, and this second gas is supplied to the fuel cell.
[0139]
Thereby, the power generation efficiency of the power generation module (fuel cell) is greatly improved. Therefore, this fuel cell can be applied as a portable or portable portable power source that has high power density and energy utilization efficiency and is easy to control.
[0140]
The carbon dioxide absorption means is provided in the fuel enclosure. Because Carbon dioxide that has reached the upper limit of carbon dioxide adsorption (or reduced in carbon dioxide adsorption capacity) at the same time by replacing the fuel enclosure with no new fuel generation (or less) with a new fuel enclosure The absorption means can be exchanged.
[0141]
Further, the carbon dioxide absorbing means selectively contains carbon dioxide (CO 2 ) As a carbon dioxide absorbent to absorb calcium oxide (CaO) or calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ).
[0142]
As a result, the carbon dioxide adsorbing means can be produced at a very low cost, and carbon dioxide can be easily absorbed and removed. Moreover, even if this carbon dioxide absorbing means is discarded to the natural world after use, the natural environment is not destroyed or contaminated.
[0143]
Moreover, the reaction heat generated by the absorption of carbon dioxide may be used for the first gas generation in the reforming means.
Thereby, since the energy consumption of the power generation member itself can be reduced, the substantial output and energy utilization efficiency of the entire power generation member can be greatly improved.
[0144]
Furthermore, the conversion of the power generation fuel into the first gas in the reforming means includes a reaction that generates hydrogen gas and a reaction that converts carbon monoxide generated in the above reaction into carbon dioxide, and during these reactions, Further, carbon dioxide gas may be absorbed by the carbon dioxide absorbing means.
Thereby, the output and energy efficiency of the power generation system can be further improved, and the reforming means can be simplified.
[0145]
In addition, among the waste generated at the air electrode of the fuel cell, calcium hydroxide generated by the water reacting with calcium oxide in the waste collection means is used as the carbon dioxide absorbent for the carbon dioxide absorption means. May be.
Thereby, the waste collection means can be produced simply and inexpensively, and the entire power generation module can be produced in a compact manner.
[0146]
Furthermore, the first gas is introduced into the carbon dioxide absorption means, so that the first gas becomes a mixture of the second gas mainly composed of hydrogen gas and water, and the exhaust gas retaining means removes the mixture from the mixture. The water may be removed and only the second gas may be delivered to the fuel cell.
Thereby, it is possible to reliably prevent leakage of water generated by the fuel cell to the outside of the power generation member.
[0147]
In addition to this, the discharge holding means absorbs water and expands, thereby pushing out the calcium oxide layer of the discharge collection means and the calcium hydroxide layer of the carbon dioxide absorption means to the fuel container side, and the fuel pack. May be pressed.
[0148]
Thereby, the fuel filled and sealed in the fuel container is effectively sent to the power generation module through the sending part. Furthermore, the calcium oxide of the discharge part collection means and the calcium hydroxide of the carbon dioxide absorption means can be used efficiently.
[0149]
Moreover, it is good also as utilizing for the freezing prevention of the path | route of the water discharged | emitted from the said fuel cell for the heat which generate | occur | produces in the case of absorption of water.
Thereby, the output and energy utilization efficiency of the power generation system can be further improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of a power supply system including a power generation member according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an example of an outer shape of a fuel pack applied to a power generation member according to the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing an embodiment of reforming means applied to the power generation member according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a configuration example of a fuel cell applied to a power generation member according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic view showing a relationship among a fuel container, an emission holding unit, and a carbon dioxide holding unit in a fuel enclosure applied to the first embodiment.
FIG. 6 is a block diagram showing another embodiment of the reforming means applied to the power generation member according to the present invention.
FIG. 7 is a block diagram showing a second embodiment of a power supply system including a power generation member according to the present invention.
FIG. 8 is a schematic view showing a relationship among a fuel container, an emission holding unit, a carbon dioxide holding unit, and an emission collection unit in a fuel sealing unit applied to the second embodiment.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram showing a specific example of an outer shape applied to the power generation member according to the present invention.
FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing the correspondence between the outer shape applied to the power generation member according to the present invention and the outer shape of a general-purpose chemical battery.
[Explanation of symbols]
10 Fuel pack (fuel enclosure)
11 Fuel container
12 Carbon dioxide absorption means
13 Waste holding means
14 connections
16, 26 Waste collection means
20 Power generation module
21 Fuel cell
23 Modification means
23a Fuel vaporizer
23b Steam reforming reactor
23c aqueous shift reactor
23d selective oxidation reactor

Claims (8)

発電用燃料により発電する発電システムに用いられる発電用部材において、
前記発電用部材は、
（ａ）水素を含む液体もしくは気体を有する前記発電用燃料が封入された燃料容器を備えた燃料封入部、
（ｂ）該燃料封入部から供給される前記発電用燃料を、水素ガス及び二酸化炭素ガスを主成分として含有する第一のガスに変換する改質手段と、第一のガスに含有された水素ガスを用いて電気エネルギーを発生する燃料電池と、を有する発電モジュール、
（ｃ）該発電モジュールに対して前記燃料封入部を交換自在に接続する接続部、
を備え、
さらに前記改質手段から送出された第一のガスに含有される二酸化炭素ガスを選択的に吸収して、前記第一のガスより二酸化炭素濃度が低められた第二のガスを前記燃料電池側に送出するための二酸化炭素吸収手段を備え、
前記燃料封入部に前記二酸化炭素吸収手段が配置され、前記接続部に前記改質手段から送出される第一のガスを前記発電モジュールから前記燃料封入部に送出する経路と、前記二酸化炭素吸収手段から送出される第二のガスを前記燃料封入部から前記発電モジュールに送出する経路とを有することを特徴とする発電用部材。In a power generation member used in a power generation system that generates power using power generation fuel,
The power generating member is:
(A) a fuel sealing portion including a fuel container in which the power generation fuel having a liquid or gas containing hydrogen is sealed;
(B) reforming means for converting the power generation fuel supplied from the fuel sealing portion into a first gas containing hydrogen gas and carbon dioxide gas as main components, and hydrogen contained in the first gas A fuel cell that generates electric energy using gas, and a power generation module,
(C) a connecting portion that replaceably connects the fuel sealing portion to the power generation module;
With
Further, the carbon dioxide gas contained in the first gas sent from the reforming means is selectively absorbed, and the second gas having a lower carbon dioxide concentration than the first gas is supplied to the fuel cell side. It includes carbon dioxide absorption means for delivering to,
The carbon dioxide absorbing means is disposed in the fuel sealing portion, and a path for sending the first gas sent from the reforming means to the connecting portion from the power generation module to the fuel sealing portion, and the carbon dioxide absorbing means And a path for sending the second gas delivered from the fuel enclosure to the power generation module . 前記二酸化炭素吸収手段は、選択的に二酸化炭素を吸収する二酸化炭素吸収剤として酸化カルシウムもしくは水酸化カルシウムを有することを特徴とする請求項１記載の発電用部材。It said carbon dioxide absorption means, the power generating element according to claim 1, wherein a calcium oxide or calcium hydroxide as the carbon dioxide absorbent which selectively absorbs carbon dioxide. 前記二酸化炭素吸収手段は、発熱反応により二酸化炭素を化学的に吸収するものとされ、
前記改質手段における前記発電用燃料の前記第一のガスへの変換が加熱を必要とするものとされ、
前記二酸化炭素吸収手段で発生する熱を前記改質手段に供給することを特徴とする請求項１または２記載の発電用部材。The carbon dioxide absorbing means is configured to chemically absorb carbon dioxide by an exothermic reaction,
The conversion to the first gas in the power generation fuel in the reforming unit is assumed to require heating,
The power generation member according to claim 1 or 2 , wherein heat generated by the carbon dioxide absorption means is supplied to the reforming means. 前記改質手段における発電用燃料の反応が、水素ガスを発生する反応と、前記反応とともに発生する一酸化炭素を二酸化炭素に変換する反応とからなり、これら反応の間に、前記二酸化炭素吸収手段による二酸化炭素ガスの吸収を行なうことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の発電用部材。The reaction of the power generating fuel in the reforming means includes a reaction that generates hydrogen gas and a reaction that converts carbon monoxide generated together with the reaction into carbon dioxide, and the carbon dioxide absorption means is between these reactions. power generating element according to any one of claims 1-3, characterized in that performing the absorption of carbon dioxide gas by. 前記燃料電池から排出される排出物のうち少なくとも水を選択的に吸収する選択的排出物吸収剤を有する排出物回収手段を備え、
前記選択的排出物吸収剤が酸化カルシウムとされ、該酸化カルシウムが水と反応して水酸化カルシウムとなることにより水を吸収するとともに、前記水酸化カルシウムを前記二酸化炭素吸収手段の前記二酸化炭素吸収剤として用いることを特徴とする請求項２記載の発電用部材。An emission collection means having a selective emission absorbent that selectively absorbs at least water out of the emission discharged from the fuel cell;
The selective effluent absorbent is calcium oxide, and the calcium oxide reacts with water to become calcium hydroxide, thereby absorbing water and absorbing the calcium hydroxide in the carbon dioxide absorbing means. The power generation member according to claim 2 , wherein the power generation member is used as an agent. 前記排出物回収手段により回収されて送出される水を選択的に吸収する水吸収剤で水を保持する排出物保持手段を備え、
前記二酸化炭素吸収手段の水酸化カルシウムに前記第一のガスを接触させて、前記第一のガス中の二酸化炭素ガスと水酸化カルシウムとを反応させて炭酸カルシウムと水とを生成させるとともに、該水を前記第二のガスとともに、前記排出物保持手段に送出し、該排出物保持手段に水を吸収させて前記第二のガスを燃料電池に送出することを特徴とする請求項５記載の発電用部材。A discharge holding means for holding water with a water absorbent that selectively absorbs the water collected and delivered by the discharge collection means;
Wherein the calcium hydroxide of carbon dioxide absorption means first contacting the gas with to produce calcium carbonate and water is reacted with carbon dioxide gas with calcium hydroxide of the first gas, the water together with the second gas, is sent to the effluent holding means, by absorbing the water effluent holding means according to claim 5, wherein the sending the second gas to the fuel cell Power generation member. 前記燃料封入部に、前記排出物保持手段、前記排出物回収手段、前記二酸化炭素吸収手段及び前記燃料容器がそれぞれ体積を変更可能に順番に並んで配置され、
前記燃料容器は、燃料を前記発電モジュールの前記改質手段に送出する送出部を有し、
前記燃料容器に隣接して前記二酸化炭素吸収手段が配置され、かつ、該二酸化炭素吸収手段は、水酸化カルシウム層と、該水酸化カルシウム層に前記改質手段から送出される前記第一のガスを導入するガス導入部と、水酸化カルシウムと前記第一のガス中の二酸化炭素ガスが反応した際に生成する水と前記第二のガスとを導出する水・水素ガス導出部とを有し、
前記二酸化炭素吸収手段の水酸化カルシウム層に隣接して前記排出物回収手段が配置され、かつ、該排出物回収手段は、前記水酸化カルシウム層に隣接するように配置される酸化カルシウム層と、該酸化カルシウム層に前記燃料電池から排出される水を導入する水導入部とを有し、
前記排出物回収手段に隣接して前記排出物保持手段が配置され、かつ、該排出物保持手段は、前記水吸収剤と、該水吸収剤に前記水・水素ガス導出部から送出された前記水及び前記第二のガスを導入する水・水素ガス導入部とを有し、前記排出物保持手段が前記水を吸収することにより膨張して、前記排出物回収手段及び前記二酸化炭素吸収手段を前記燃料容器側に押して前記燃料容器からの燃料送出を補助するとともに、前記酸化カルシウム層の未反応領域を前記水導入部側に押し出し、前記水酸化カルシウムの未反応領域を前記ガス導入部側に押し出すことを特徴とする請求項６記載の発電用部材。In the fuel sealing portion, the waste holding means, the waste collection means, the carbon dioxide absorption means, and the fuel container are arranged in order so that the respective volumes can be changed,
The fuel container has a delivery unit that delivers fuel to the reforming means of the power generation module,
The fuel container adjacent said carbon dioxide absorbing means is arranged, and the carbon dioxide absorbing means, the calcium hydroxide layer, the first gas delivered from the reforming unit to the calcium hydroxide layer a gas inlet for introducing a has a calcium hydroxide and said first water-hydrogen gas outlet portion of carbon dioxide gas to derive the water produced during reacted with said second gas in the gas ,
The waste collection means is disposed adjacent to the calcium hydroxide layer of the carbon dioxide absorption means, and the waste collection means is a calcium oxide layer disposed so as to be adjacent to the calcium hydroxide layer; A water introduction part for introducing water discharged from the fuel cell into the calcium oxide layer,
Wherein the effluent holding means adjacent to the effluent recovering means are arranged, and effluent holding means, and the water absorbing agent was sent from the water-hydrogen gas outlet section to the water absorbent the and a water and the water-hydrogen gas inlet for introducing a second gas, the effluent holding means is expanded by absorbing the water, the effluent recovering means and said carbon dioxide absorbing means While pushing to the fuel container side to assist the fuel delivery from the fuel container, the unreacted area of the calcium oxide layer is pushed out to the water introduction part side, and the unreacted area of the calcium hydroxide is brought to the gas introduction part side The power generation member according to claim 6 , wherein the power generation member is extruded. 水の吸収が発熱反応とされ、発生する熱を前記燃料電池から排出される水の経路の凍結防止に利用することを特徴とする請求項５〜７のいずれか一つに記載の発電用部材。The power generation member according to any one of claims 5 to 7 , wherein absorption of water is an exothermic reaction, and the generated heat is used to prevent freezing of a path of water discharged from the fuel cell. .
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