JP4876627B2 - 気化装置、電子機器及び気化方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体を気化させる気化装置、気化装置を備える電子機器及び気化方法に関する。

近年、エネルギー変換効率の高いクリーンな電源として燃料電池が注目されるようになり、燃料電池自動車や電化住宅などに幅広く実用化されてきている。また、急速に小型化の研究、開発が進められている携帯電話機やノート型パーソナルコンピュータなどといった携帯型電子機器においても、燃料電池による電源の実用化が検討されている。

燃料電池は改質方式と燃料直接方式の２つに分類される。改質方式は、燃料を改質して水素を生成し、この水素を燃料電池に供給する方式であり、燃料直接方式は、燃料を改質せずに直接燃料電池の燃料極に供給する方式である。改質方式では、例えば液体の状態で貯留された燃料を気化させた後に、その燃料を改質器に供給している。そのため、燃料等を気化させる気化装置が必要であり、そのような気化装置についての研究・開発が燃料電池の開発にあわせて行われている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
特開２００４−４７２６０号公報 特開２００１−２６３６４９号公報

ところで、気化装置によって燃料や水が気化する際に、気化エネルギーとして熱エネルギーが加えられるが、過熱されると燃料と水が突沸し、送出する蒸気の量が不安定になったり、或いは蒸気に液滴が混じってしまう。特に小型の気化器では、送出される液量が少ないので過熱されやすかった。
或いは、気化装置から発生した気体が気化装置内を逆流してしまい燃料の供給側に気泡が生じると、気泡が障害となって燃料の送出能力が下がってしまう恐れがあった。
そこで、本発明は、上記のような問題点を解決しようとしてなされたものであり、気化量を安定することができる気化装置、気化装置を備える電子機器を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、請求項１に記載の気化装置において、
一端側から液体を毛細管現象で吸液する多孔質体からなる吸液部と、
前記吸液部を加熱して他端側から前記液体を気化させる発熱体と、
前記吸液部の前記一端側の圧力と前記他端側の圧力との差を、前記吸液部の前記一端側の端面で気泡が発生する圧力差に対応する第１閾値未満であり、且つ、前記吸液部の前記他端側の端面で液滴が発生する圧力差に対応する第２閾値より大きい値に維持するように調整する圧力調整器と、
を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の気化装置において、
前記吸液部の前記一端側に前記液体を供給する供給器と、
前記吸液部の前記一端側の圧力と前記吸液部の前記他端側の圧力との差を、第１閾値未満であり、且つ、前記第２閾値より大きい値に維持するように前記供給器の前記液体の供給量を制御するコントローラと、
を備えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の気化装置において、
前記圧力調整器は、
前記吸液部の前記他端側の圧力と前記吸液部の前記一端側の圧力との差が前記第１閾値以上である場合に、前記供給器の液体の供給量を増加させるよう制御することを特徴とする。
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の気化装置において、
前記コントローラは、
前記吸液部の前記他端側の圧力と前記吸液部の前記一端側の圧力との差を、前記第１閾値と比較する第１比較器を備え、
前記コントローラは、前記第１比較器による比較の結果、前記吸液部の前記他端側の圧力と前記吸液部の前記一端側の圧力との差が前記第１閾値以上である場合に、前記供給器の液体の供給量を増加させるよう制御することを特徴とする。

請求項５に記載の発明では、請求項２に記載の気化装置において、
前記圧力調整器は、
前記吸液部の前記他端側の圧力と前記吸液部の前記一端側の圧力との差が前記第２閾値以下である場合に、前記供給器の液体の供給量を低下又は供給を停止させるよう制御することを特徴とする。
請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の気化装置において、
前記コントローラは、
前記吸液部の前記他端側の圧力と前記吸液部の前記一端側の圧力との差を、前記第２閾値と比較する第２比較器を備え、
前記コントローラは、前記第２比較器による比較の結果、前記吸液部の前記他端側の圧力と前記吸液部の前記一端側の圧力との差が前記第２閾値以下である場合に、前記供給器の液体の供給量を低下又は供給を停止させるよう制御することを特徴とする。

請求項７に記載の発明では、請求項２〜６の何れかに記載の気化装置において、
前記コントローラは、
前記吸液部の前記他端側の圧力と前記吸液部の前記一端側の圧力との差が、前記第１閾値未満であり、且つ、前記第２閾値を越えている場合に、前記供給器の液体の供給量を維持する集積回路としての維持器を備えることを特徴とする。

請求項８に記載の発明では、請求項１に記載の気化装置において、
前記吸液部が前記一端側で吸収した液体を毛細管現象により前記他端側に吸い上げて、その液体が気化した気体を前記他端側から蒸散させ、
前記圧力調整器が、
前記吸液部の前記一端側に液体を供給する供給器と、
前記供給器によって前記吸液部の前記一端側に供給される液体の圧力を測定する第１の圧力センサと、
前記吸液部の前記他端側から蒸散した気体の圧力を測定する第２の圧力センサと、
前記第１の圧力センサによる測定圧力及び前記第２の圧力センサによる測定圧力に基づき前記供給器を制御するコントローラと、を有し、
前記コントローラが、前記第２の圧力センサによる測定圧力と前記第１の圧力センサによる測定圧力との差を前記第１閾値及び前記第２閾値と比較し、
比較の結果、前記差が前記第１閾値以上である場合、前記コントローラが前記供給器の液体の供給量を増加させるよう制御し、
比較の結果、前記差が前記第２閾値以下である場合、前記コントローラが前記供給器の液体の供給量を低下させ、又は前記供給器の液体の供給を停止させるよう制御し、
比較の結果、前記差が前記第１閾値未満、前記第２閾値超である場合、前記コントローラが前記供給器の液体の供給量を維持させるよう制御することを特徴とする。

請求項９に記載の気化装置において、
多孔質体からなり、一端及び前記一端の反対側の他端を有し、前記一端側から液体を毛細管現象で吸液し、前記一端側で吸収した液体を毛細管現象により前記他端側に吸い上げて、その液体が気化した気体を前記他端側から蒸散させる吸液部と、
前記吸液部を加熱する発熱体と、
前記吸液部の前記一端側に液体を供給する供給器と、
前記供給器によって前記吸液部の前記一端側に供給される液体の圧力を測定する第１の圧力センサと、
前記吸液部の前記他端側から蒸散した気体の圧力を測定する第２の圧力センサと、
前記第１の圧力センサによる測定圧力及び前記第２の圧力センサによる測定圧力に基づき前記供給器を制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラが、前記第２の圧力センサによる測定圧力と前記第１の圧力センサによる測定圧力との差を第１閾値（前記第１閾値は、前記吸液部の前記一端側の端面で気泡が発生する圧力差に対応する値である。）及び第２閾値（前記第２閾値は、前記吸液部の前記他端側の端面で液滴が発生する圧力差に対応する値である。）と比較し、
比較の結果、前記差が前記第１閾値以上である場合、前記コントローラが前記供給器の液体の供給量を増加させるよう前記供給器を制御し、
比較の結果、前記差が前記第２閾値以下である場合、前記コントローラが前記供給器の液体の供給量を低下させ、又は前記供給器の液体の供給を停止させるよう制御し、
比較の結果、前記差が前記第１閾値未満、前記第２閾値超である場合、前記コントローラが前記供給器の液体の供給量を維持させるよう制御することを特徴とする。

請求項１０に記載の発明では、請求項１から９の何れか一項に記載の気化装置において、前記第２閾値がゼロよりも大きく、前記第１閾値が前記第２閾値よりも大きいことを特徴とする。

そして請求項１１に記載の発明では、電子機器において、請求項１〜請求項１０の何れかに記載の気化装置と、前記気化装置によって気化された燃料によりエネルギーを発生する燃料電池と、前記燃料電池によって発生されたエネルギーにより動作する電子機器本体と、を備えることを特徴とする。

請求項１２に記載の気化方法では、
多孔質体からなる吸液部で一端側から液体を毛細管現象で吸液するステップと、
前記吸液部の他端側から前記液体を気化させるように前記吸液部を加熱するステップと、
前記吸液部の前記一端側の圧力と前記他端側の圧力との差を、前記吸液部の前記一端側の端面で気泡が発生する圧力差に対応する第１閾値未満であり、且つ、前記吸液部の前記他端側の端面で液滴が発生する圧力差に対応する第２閾値より大きい値に維持するように調整するステップと、
を含むことを特徴とする。

本発明によれば、気化量を安定することができる。

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

図１は、気化装置１の本体部分の縦断面図である。図２は、気化装置１の本体部分の分解斜視図である。

図１、図２に示すように、この気化装置１は、吸液部２、内チューブ３、外チューブ４、インレットソケット５、アウトレットソケット６、インレットケース７、アウトレットケース８及び発熱体９を備える。

吸液部２は、棒状、具体的には円柱状に形成された芯材である。吸液部２は、内部に微小空間が形成された多孔質体であり、毛細管現象で液体を吸収し得るものである。吸液部２は、液体を吸液する端面２ａと、端面２ａと反対側に位置し吸液された液体が、吸液部２内で気化されて放出する端面２ｂとを備え、無機繊維又は有機繊維を結合材（例えば、エポキシ樹脂）で固めたものであったり、無機粉末を焼結したものであったり、無機粉末を結合材（例えば、エポキシ樹脂）で固めたものであったり、グラファイトとグラッシーカーボンの混合体であってもよく、また、吸液部２は、無機繊維又は有機繊維からなる多数本の糸材を束ねて結合材で固めたものでも良い。例えば、吸液部２としては、アクリル系繊維束芯を用いることができる。また、上記材料を複数種混合してもよい。このような多孔質体は一部に沸石にも利用されるように突沸を抑える効果がある。

この吸液部２が筒状の内チューブ３内に挿入されて、吸液部２の外周面が内チューブ３に密接している。吸液部２の長さは内チューブ３の長さよりも長く、吸液部２の吸液側の端面２ａが内チューブ３の後端に揃っており、吸液部２の気化側の端面２ｂは内チューブ３の先端から突き出た位置にある。内チューブ３は、好ましくはゴム弾性を有し、或いは吸液部２が挿入される前の状態で熱収縮性を有し、吸液部２が挿入されてから熱収縮されている。また、内チューブ３に吸液部２が挿入されていない自然状態では内チューブ３の内径が吸液部２の径よりも小さく、吸液部２が挿入されることで内チューブ３が拡径することが好ましい。このようにすることで、吸液部２の内チューブ３で覆われた部分は隙間なく密着できる。

吸液部２は内チューブ３を介在した状態で外チューブ４内に挿入され、外チューブ４が内チューブ３に密接している。吸液部２の吸液側の端面２ａは外チューブ４の吸液側の後端４ａよりも外チューブ４の先端４ｂ側に入り込んだ位置にあり、吸液部２の気化側の端面２ｂは外チューブ４の先端４ｂから突き出た位置にある。この外チューブ４はゴム弾性を有するものであり、先端４ｂが、吸液部２の端面２ｂが後端６ａ内に挿入されたアウトレットソケット６の後端６ａを覆うことで、吸液部２とアウトレットソケット６を互いに固定している。なお、吸液部２が内チューブ３を介して外チューブ４に挿入されているが、吸液部２が内チューブ３を用いずに直接外チューブ４に挿入されていても良いが、この場合には、外チューブ４が熱収縮性を有することが好ましい。

外チューブ４の後端４ａ内には、管状のインレットソケット５の一部が嵌め込まれ、外チューブ４内でインレットソケット５が吸液部２から離れており、インレットソケット５の先端面５ａと吸液部２の端面２ａとの間に内部空間１２が形成されている。内部空間１２は、吸液部２が液体に接するための空間である。インレットソケット５のうち外チューブ４に嵌められた部分の外径は、吸液部２と内チューブ３を合わせた外径にほぼ等しく、内部空間１２の径（外チューブ４の内径）にもほぼ等しい。また、内部空間１２の径が内チューブ３のぶんだけ吸液部２の径よりもやや大きく、吸液部２の端面２ａに平行な内部空間１２の断面の面積が吸液部２の一端面の面積よりも大きい。

インレットソケット５にはその中心軸に沿うように導入孔１５が形成され、その導入孔１５がインレットソケット５の先端面５ａからその反対側の後端面５ｂにかけて貫通している。導入孔１５の径が内部空間１２の径よりも小さく且つ吸液部２の径よりも小さく、吸液部２の一端面に平行な内部空間１２の断面の面積が導入孔１５の断面積よりも小さい。導入孔１５内には、気化される液体が取り込まれ、内部空間１２に液体を送り込む。このインレットソケット５は、液体に接触することによって腐蝕や変形をしなければ、樹脂製であっても良いし、金属製であっても良いし、セラミック製であっても良い。

吸液部２の内チューブ３から突き出た部分が、管状のアウトレットソケット６の後端６ａからアウトレットソケット６内に嵌め込まれている。吸液部２の端面２ｂは、アウトレットソケット６の内底６ｂまで到達せずに離間している。このため、端面２ｂと内底６ｂとの間には内部空間１７が形成されている。内部空間１７は、吸液部２の端面２ｂから液体を気化した蒸気を放出するための空間である。内チューブ３の一部もアウトレットソケット６に挿入され、その部分がアウトレットソケット６と吸液部２との間に挟まれている。また、アウトレットソケット６の内チューブ３及び吸液部２が挿入された部分は、外チューブ４の先端４ｂから外チューブ４内に挿入されている。そのため、外チューブ４は吸液部２を介してアウトレットソケット６とインレットソケット５を連結している。

アウトレットソケット６にはその中心軸に沿うように排出孔１６が形成され、その排出孔１６がアウトレットソケット６の先端６ｃから内底６ｂにまで達し、吸液部２が挿入された内部空間１７にまで通じている。排出孔１６は、内部空間１７内に放出された蒸気を先端６ｃから排出する。また、アウトレットソケット６の吸液部２が嵌め込まれた部分は、フランジ状に形成されている。

アウトレットソケット６の吸液部２が嵌め込まれた部分には、発熱体９がコイル状に巻かれている。この発熱体９は電熱材からなり、電気により発熱するものである。例えば、酸化被膜処理を施したニッケル−コバルト線を発熱体９として用いることができる。発熱体９は、アウトレットソケット６から巻かれている部分の両端がそれぞれ引き回し配線９ａ及び９ｂに接続されている。引き回し配線９ａ及び９ｂは発熱体９と一体的に形成されていることが好ましい。

引き回し配線９ａ及び９ｂから発熱体９に電圧が印加されることよってアウトレットソケット６が加熱され、その熱によって吸液部２の端部も加熱される。発熱体９の熱を吸液部２に伝導しやすくするために、アウトレットソケット６が黄銅、銅等の金属といった高熱伝導率材料製であることが好ましく、さらには内部空間１７に放出される蒸気に対して耐腐食性があることが好ましい。

外チューブ４、内チューブ３、吸液部２及びインレットソケット５が管状のインレットケース７内の中空に嵌入され、インレットケース７とインレットソケット５との間に外チューブ４の一部が挟まれ、インレットケース７と吸液部２との間に外チューブ４及び内チューブ３の一部が挟まれている。インレットケース７の端面７ａには中空に通じる小孔７ｂが形成され、インレットソケット５の後端面５ｂ側がその小孔７ｂを貫通し、インレットケース７の端面７ａから外に突出している。外チューブ４は、密着性を向上するために弾性体であるために応力が加わると、内部空間１２部分で曲がりやすくなってしまう。外チューブ４が曲がると、内部空間１２の容積が変化し、気化装置１の気化特性が不安定になってしまう。また、インレットソケット５は、外チューブ４に挟み込まれているが、引き抜かれやすい構造になっている。しかし、インレットソケット５が外チューブ４から引く抜かれる方向に応力がかかったときにインレットケース７における小孔７ｂの周囲の内底７ｃがストッパーの役目をする。

外チューブ４、内チューブ３、吸液部２及び発熱体９が管状のアウトレットケース８の中空に嵌入し、インレットケース７の内筒７ｄがアウトレットケース８に挿入され、インレットケース７とアウトレットケース８が互いに嵌合している。アウトレットケース８の端面８ａには中空に通じる小孔８ｂが形成され、アウトレットソケット６の先端面６ｃ側がその小孔８ｂを貫通し、アウトレットケース８の端面８ａから外に突出している。アウトレットソケット６はフランジ部がアウトレットケース８の内底８ｃに当接している。また、アウトレットケース８は、引き回し配線９ａ及び９ｂが外部に引き回される貫通孔を有し、引き回し配線９ａ及び９ｂが挿入された貫通孔は耐熱性接着剤により封止されている。外チューブ４は、密着性を向上するために弾性体であるために応力が加わると、アウトレットソケット６が引き抜かれやすい構造になっている。しかし、アウトレットソケット６が外チューブ４から引く抜かれる方向に応力がかかったときにアウトレットケース８における小孔８ｂの周囲の内底８ｃがストッパーの役目をする。

インレットケース７及びアウトレットケース８は、発熱体９で発した熱が外部へ放熱することを抑えるために、低熱伝導率及び耐熱性を有する、例えば多孔質のセラミック等の部材で形成されていることが好ましい。なお、本実施形態において、管状部材は内チューブ３、外チューブ４、インレットソケット５、アウトレットソケット６、インレットケース７及びアウトレットケース８を有しているが、適宜上記部材の省略、或いは部材の追加があってもよい。

図３は、気化装置１をカートリッジ１０１、改質器１０２、一酸化炭素除去器１０３、燃料電池１０４及び燃焼器１０５とともに示した燃料電池システムのブロック図である。このような燃料電池システムはノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、電子手帳、デジタルカメラ、携帯電話機、腕時計、レジスタ、プロジェクタといった電子機器に搭載され、燃料電池１０４が電子機器の電源として用いられる。

図３に示すように、気化装置１は、図１、図２に示された本体に加えて、吸液部２の吸液側端面２ａに面する内部空間１２に供給される液体の圧力を、吸液部２の排出側端面２ｂに面する内部空間１７に蒸散した気体の圧力よりも低くする圧力調整器を備える。この圧力調整器は、吸液部２の吸液側端面２ａに面した内部空間１２に気泡が移動せず、且つ吸液部２の排出側端面２ｂに液体が排出されないように、内部空間１２に供給される液体の圧力と内部空間１７に蒸散した気体の圧力との間の圧力差を制御するものである。圧力調整器は、供給手段としてのポンプ２０と、第１測定手段としての圧力センサ２１と、第２測定手段としての圧力センサ２２と、制御手段としてのコントローラ２４とを備える。

インレットソケット５にはポンプ２０が接続され、更にこのポンプ２０がカートリッジ１０１に接続されている。このカートリッジ１０１には、液体燃料（例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル）と水が混合した状態又は別々に貯留され、或いは液体燃料のみが貯留され、ポンプ２０によって液体燃料と水の混合液、或いは液体燃料がインレットソケット５の導入孔１５に送られる。ポンプ２０には、シリンジポンプや電気浸透流ポンプを用いることができる。

また、インレットソケット５には配管２３を介して圧力センサ２１が接続され、ポンプ２０からインレットソケット５に供給される液体の圧力が圧力センサ２１によって測定されて電気信号に変換される。圧力センサ２１の測定圧力を表した信号はコントローラ２４に出力される。

アウトレットソケット６には配管２５を介して改質器１０２が接続され、アウトレットソケット６から排出された燃料と水の混合気或いは気化された燃料が改質器１０２に供給される。また、アウトレットソケット６には配管２５を介して圧力センサ２２が接続され、アウトレットソケット６から排出される混合気の圧力或いは気化された燃料の圧力が圧力センサ２２によって測定されて電気信号に変換される。圧力センサ２２の測定圧力を表した信号はコントローラ２４に出力される。

コントローラ２４は、プログラムを記憶した記憶部と、記憶部に記憶されたプログラムを読み取ってそのプログラムを実行するマイクロコンピュータ（以下、マイコンと略称する。）とを有する。マイクロコンピュータのプログラム実行によって、コントローラ２４は圧力センサ２１の測定圧力Ｐ１と圧力センサ２２の測定圧力Ｐ２をフィードバックし、そのフィードバックした測定圧力Ｐ１が測定圧力Ｐ２よりも低くなるようにポンプ２０を制御する。具体的には、コントローラ２４は、マイクロコンピュータのプログラム実行により次のような機能を持つ。

即ち、コントローラ２４は、圧力センサ２２の測定圧力Ｐ２と圧力センサ２１の測定圧力Ｐ１の差（Ｐ２−Ｐ１）を、目標とする所定圧力差Ｐｃ（但し、Ｐｃ＞０（単位；ｋＰａ））より高い圧力の第１閾値Ｐｍａｘ（但し、Ｐｍａｘ＞０）と比較する第１比較手段として機能する。また、コントローラ２４は、圧力センサ２１の測定圧力Ｐ１と圧力センサ２２の測定圧力Ｐ２の差（Ｐ２−Ｐ１）を、目標とする所定圧力差Ｐｃより低い圧力の第２閾値Ｐｍｉｎ（但し、Ｐｍａｘ＞Ｐｍｉｎ＞０）と比較する第２比較手段として機能する。
また、コントローラ２４は、圧力差（Ｐ２−Ｐ１）と第１閾値Ｐｍａｘの比較の結果、圧力差（Ｐ２−Ｐ１）が第１閾値Ｐｍａｘ以上である場合に、ポンプ２０の液体の供給量を増加させる増加手段として機能する。また、コントローラ２４は、圧力差（Ｐ２−Ｐ１）と第２閾値Ｐｍｉｎの比較の結果、圧力差（Ｐ２−Ｐ１）が第２閾値Ｐｍｉｎ以下である場合に、ポンプ２０の液体の供給量を低下または供給の停止を行うポンプ圧力低下手段として機能する。このように圧力差（Ｐ２−Ｐ１）は、ポンプ２０での液体の供給量で制御することができる。
また、コントローラ２４は、圧力差（Ｐ２−Ｐ１）と第１閾値Ｐｍａｘの比較の結果、圧力差（Ｐ２−Ｐ１）が第１閾値Ｐｍａｘ未満であり、且つ、圧力差（Ｐ２−Ｐ１）と第２閾値Ｐｍｉｎの比較の結果、差（Ｐ２−Ｐ１）が第２閾値Ｐｍｉｎより高い場合に、圧力差（Ｐ２−Ｐ１）がこの圧力範囲内であることを維持するようにポンプ２０の液体の供給量を維持する維持手段として機能する。ここでポンプ２０の押し出し方向と逆方向に作用する第１閾値Ｐｍａｘによる液体の戻し力及び第２閾値Ｐｍｉｎによる液体の戻し力は、いずれも、吸液部２の液体の毛管現象による液体の引っ張る力未満に設定されているため、上記範囲であれば、ポンプ２０の押し出し方向と逆方向に作用する圧力差Ｐｃによる液体の戻し力は、吸液部２の液体の毛管現象による液体の引っ張る力未満に設定されている。このように、ポンプ２０の押し出し方向と逆の力が液体に適切に働くことによってこの吸液部２の液体の毛管力の引っ張り力が緩和されるので、吸液部２の排出側端面２ｂから液体が漏れ出すことがなく、液体が排出側端面２ｂから安定して気化される。第１閾値Ｐｍａｘは、吸液部２の吸液側の端面２ａで気泡が発生する圧力差であり、第２閾値Ｐｍｉｎは、吸液部２の気化側の端面２ｂで液滴が発生する圧力差と設定してもよい。

ここで、所定圧力差Ｐｃ、第１閾値Ｐｍａｘ、第２閾値Ｐｍｉｎは、吸液部２、内チューブ３、外チューブ４、インレットソケット５、アウトレットソケット６、インレットケース７、アウトレットケース８及び発熱体９等の設計により定まる定数である。従って、吸液部２、内チューブ３、外チューブ４、インレットソケット５、アウトレットソケット６、インレットケース７、アウトレットケース８及び発熱体９等が設計変更（例えば、素材変更、サイズ変更）されれば、所定圧力差Ｐｃ、第１閾値Ｐｍａｘ及び第２閾値Ｐｍｉｎの値も変わる。

なお、上記コントローラ２４の機能は、マイクロコンピュータのプログラム実行により実現せずに、種々の回路によって実現しても良い。例えば、第１比較手段として機能する比較回路（コンパレータ）用い、第２比較手段として機能する比較回路（コンパレータ）を用い、維持手段、増加手段及び低下手段の機能を持つ集積回路を用いても良い。

改質器１０２は、起動時には図示しない薄膜発熱抵抗体層によって所望の温度に加熱され、定常状態になると後述する燃焼器１０５によって所望の温度に加熱され、アウトレットソケット６から供給された気化された燃料等を触媒反応させて、燃料電池１０４に供給する水素ガスを生成するものである。また、改質器１０２では微量の一酸化炭素も生成される。発熱抵抗体層は、電圧が印加されると発熱する発熱材料で形成され、金属酸化物でもよく、金（Ａｕ）であってもよい。金は、温度に応じて抵抗率が変位するため温度センサを兼ねることができるため、別途温度センサを設ける必要がなく、配線構造を簡略化できる。
また、発熱抵抗体層を積層する基板が導電性であれば、基板上に絶縁膜を被覆し、この絶縁膜上に発熱抵抗体層を被膜すればよい。このとき発熱抵抗体層が金であれば、絶縁膜との密着性を改善するためのチタン（Ｔｉ）やタンタル（Ｔａ）等の下地層、金が熱拡散を防止するためのタングステン（Ｗ）等の高融点金属からなる熱拡散防止層を、絶縁膜と発熱抵抗体層との間に、この順に積層してもよい。なお、カートリッジ１０１に貯留された液体燃料がメタノールの場合、改質器１０２では次式（１）、（２）に示すような反応が起こる。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂ …（１）
２ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→５Ｈ₂＋ＣＯ＋ＣＯ₂ …（２）

改質器１０２で生成された生成物の混合気は微量の一酸化炭素を含んだまま一酸化炭素除去器１０３に供給され、更にエアポンプによって空気が一酸化炭素除去器１０３に供給される。一酸化炭素除去器１０３では、起動時には図示しない薄膜発熱抵抗体層によって所望の温度に加熱され、定常状態になると後述する燃焼器１０５によって所望の温度に加熱され、混合気中の一酸化炭素が触媒によって選択されて、一酸化炭素が優先的に酸化され、水素等は酸化されない。

燃料電池１０４は、触媒微粒子を担持した燃料極１０４ａと、触媒微粒子を担持した空気極１０４ｂと、燃料極１０４ａと空気極１０４ｂとの間に介在された電解質膜１０４ｃとを備える。燃料極１０４ａには、一酸化炭素除去器１０３から混合気が供給され、空気極１０４ｂには、空気がエアポンプによって供給される。燃料極１０４ａと空気極１０４ｂのうちの一方の電極でイオンが生成され、イオンが電解質膜１０４ｃを透過し、他方の電極で水が生成され、これにより燃料極１０４ａと空気極１０４ｂの間で電力が生じる。なお、電解質膜１０４ｃが水素イオン透過性の電解質膜（例えば、固体高分子電解質膜）の場合には、燃料極１０４ａでは次式（３）のような反応が起き、空気極１０４ｂでは次式（４）のような反応が起こる。
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（３）
２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ …（４）

燃料極１０４ａで反応しなかった余剰の水素ガス等を含むオフガスが燃焼器１０５に供給されるように定常状態になると、エアポンプによって空気が燃焼器１０５に供給される。燃焼器１０５においては、空気中の酸素と未反応の水素とが触媒により反応し、燃焼熱が発生する。燃焼熱は、改質器１０２及び一酸化炭素除去器１０３の反応に用いられる。燃焼器１０５での燃焼熱で十分に改質器１０２及び一酸化炭素除去器１０３をそれぞれの所望の温度に加熱するできるようになったら、薄膜発熱抵抗体層の発熱を停止、又は低減してもよい。

次に、気化装置１の動作及び気化装置１を用いた気化方法について説明する。
発熱体９に電圧が印加されると、発熱体９が発熱する。この状態でコントローラ２４がポンプ２０を駆動すると、カートリッジ１０１からインレットソケット５へ水と液体燃料の混合液が供給され、インレットソケット５の導入孔１５に供給された液体が内部空間１２に貯まり、吸液部２の端面２ａにおいて混合液が吸液部２の毛細管現象によって吸液部２に吸収される。吸液部２に吸収された混合液は毛細管現象により反対側の端面まで吸い上げられ、発熱体９の発熱によって吸液部２の排出側端面２ｂ側が加熱され、排出側端面２ｂから混合液が蒸発する。吸液部２の排出側端面２ｂから蒸散した混合気はアウトレットソケット６の排出孔１６を通って排出される。

アウトレットソケット６の排出孔１６から排出された混合気は改質器１０２、一酸化炭素除去器１０３、燃料電池１０４の燃料極１０４ａを経由して燃焼器１０５に送られる。改質器１０２においては燃料と水が反応して、水素等が生成される。一酸化炭素除去器１０３においては、改質器１０２から送られた混合気中の一酸化炭素が空気中の酸素と反応し、二酸化炭素が生成される。燃料電池１０４では電解質膜１０４ｃを介した水素と酸素の電気化学反応によって電力が生じる。燃焼器１０５では、燃料電池１０４の燃料極１０４ａから送られた余剰の水素が空気中の酸素と反応し、燃焼熱が生じ、その燃焼熱が改質器１０２及び一酸化炭素除去器１０３の反応熱に用いられる。

以上のようにポンプ２０によって混合液がインレットソケット５の導入孔１５に供給されている時に、圧力センサ２２の測定圧力Ｐ２と圧力センサ２１の測定圧力Ｐ１とがコントローラ２４にフィードバックされ、コントローラ２４が圧力センサ２２の測定圧力Ｐ２と圧力センサ２１の測定圧力Ｐ１に基づきフィードバック制御を行っている。このように圧力差（Ｐ２−Ｐ１）を正値にすることで、つまり圧力Ｐ２を基準（０ｋＰａ）とした場合に圧力Ｐ１を負圧（０ｋＰａ未満）にすることで吸液部２での毛管力による液体の吸い込みを緩和して気化装置１での突沸を抑え、安定して下流に蒸散された気体を供給することができるので、下流に位置する改質器１０２の改質処理量を超えるような大量の気体が気化装置１から排出されることがないので、燃料電池システム全体を安定に制御することができる。

具体的には、図４に示すような処理をコントローラ２４が行っている。まず、コントローラ２４は、ポンプ２０の供給量Ｖ（変数）を所定の初期値Ｖ０にする（ステップＳ１）。供給量Ｖが増大すれば、配管２３内の圧力Ｐ１をより高くすることができる。そして、コントローラ２４は、吸液部２の吸液側の端面２ａに達して吸液部２が毛管力を発現してから圧力センサ２１の測定圧力Ｐ１と圧力センサ２２の測定圧力Ｐ２を読み込む（ステップＳ２）。そして、コントローラ２４は、圧力センサ２２の測定圧力Ｐ２と圧力センサ２１の測定圧力Ｐ１の差（Ｐ２−Ｐ１）を第１閾値Ｐｍａｘ及び第２閾値Ｐｍｉｎと比較する（ステップＳ３、ステップＳ４）。

ここで、差（Ｐ２−Ｐ１）が第１閾値Ｐｍａｘ以上である場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、コントローラ２４がポンプ２０の液体の供給量Ｖを単位供給量Ｖｓだけ増加させ（ステップＳ５）、コントローラ２４の処理がステップＳ２に戻る。これにより、ポンプ２０が液体の押し出し力を増加し、インレットソケット５に供給される混合液の圧力が上昇する。そのため、アウトレットソケット６から排出される混合気の圧力とインレットソケット５に供給される混合液の圧力の差が小さくなる。

また、圧力差（Ｐ２−Ｐ１）が第２閾値Ｐｍｉｎ以下である場合（ステップＳ４：Ｎｏ）、コントローラ２４がポンプ２０の液体の供給量Ｖを単位供給量Ｖｓだけ減少させ（ステップＳ６）、コントローラ２４の処理がステップＳ２に戻る。これにより、ポンプ２０が液体の押し出し力を低下又は０ｋＰａにし、インレットソケット５に供給される混合液の圧力が下降する。そのため、アウトレットソケット６から排出される混合気の圧力とインレットソケット５に供給される混合液の圧力Ｐ１の差が大きくなる。

また、圧力差（Ｐ２−Ｐ１）が第２閾値Ｐｍｉｎを越え第１閾値ｍａｘ未満である場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ、ステップＳ４：Ｙｅｓ）、コントローラ２４がポンプ２０の液体の供給量Ｖを変えずに維持させ（ステップＳ７）、コントローラ２４の処理がステップＳ２に戻る。

以上のようなコントローラ２４のフィードバック制御により、アウトレットソケット６から排出される気体の圧力とインレットソケット５に供給される液体の圧力Ｐ１との差は、第２閾値Ｐｍｉｎより高く、第１閾値Ｐｍａｘ未満となるように調整され、アウトレットソケット６から排出される気体の圧力とインレットソケット５に供給される液体の圧力との差は所定圧力差Ｐｃにほぼ保たれ、インレットソケット５に供給される液体の圧力がアウトレットソケット６から排出される気体の圧力よりも常に低くなる。このような圧力制御は、液体が吸液部２の吸液側の端面２ａに達してから行われないと、吸液部２が毛細管現象による引っ張り力が発現されない恐れがあるが、導入孔１５又は配管２３の径等を設定してこれらの少なくともいずれか一方に毛細管現象を発現させ、この毛管力が圧力差（Ｐ２−Ｐ１）による戻し力より大きいように設定されていれば、ポンプ２０から送られた液体は負圧にかかわらず自然に吸液部２の吸液側の端面２ａに達するので、液体が吸液部２の吸液側の端面２ａに達する前に圧力制御を行ってもよい。またポンプ２０がシリンジポンプであれば、圧力差（Ｐ２−Ｐ１）に関わらず定量的に液体を供給することができるので、起動時から上述したステップのフローを開始してもよい。

コントローラ２４は、ポンプ２０の液体の供給量Ｖを吸液部２の端面２ｂから自然に吸収される液体の単位時間当たりの量よりも低くなるように制御した上で、上記のようにポンプ２０の液体の供給量Ｖを増減させて吸液部２の液体の毛管力の引っ張り力が緩和している。
一般に燃料が液滴の状態で燃料電池の燃料極に到達すると触媒を被毒し、発電特性を劣化させてしまうことがあるが、本実施形態によれば、インレットソケット５に供給される液体の圧力がアウトレットソケット６から排出される気体の圧力よりも低く設定しているので、インレットソケット５に供給される液体は、ポンプ２０が適正な圧力で燃料が供給され、ポンプでの押し出し圧力の影響がなく、抑えられた吸液部２の毛細管現象によって少しずつ吸液部２に液体を吸収させているから、吸収された液体が液体のまま吸液部２の排出側端面２ｂから滲みでない。そのため、気化した気体が吸液部２の排出側端面２ｂから蒸散するに際して、蒸散する気体に液滴が混じらず且つ気化量も安定になるので燃料電池システムの特性を維持することができる。

さらに多孔体内の微小空間が形成された吸液部２の内部で液体が蒸発するので、液体の突沸を抑えやすい構造となっている。

圧力センサ２１の測定圧力Ｐ１と圧力センサ２２の測定圧力Ｐ２がコントローラ２４にフィードバックされ、コントローラ２４によってポンプ２０をフィードバック制御しているので、インレットソケット５に供給される液体の圧力やアウトレットソケット６から排出される気体の圧力が外乱により変化したものとしても、インレットソケット５に供給される液体の圧力がアウトレットソケット６から排出される気体の圧力よりも低い状態を常に保つことができる。外乱は、気化装置１を備えたシステムが動作中に、システムを持ち運び等で移動している際に生じる慣性力等の負荷や、改質器１０２、一酸化炭素除去器１０３、燃料電池１０４及び燃焼器１０５の動作状態の変更や流体経路の切替等のように圧力変動をもたらす外的要因を指す。

また、インレットソケット５への液体の送液量が少な過ぎて、アウトレットソケット６から排出される気体の圧力とのインレットソケット５に供給される液体の圧力との差が大きくなりすぎると、吸液部２も毛管力を上回ってしまい、吸液部２内で生じる気体が吸液側の端面２ａまで移動して内部空間１２に気泡が生じてしまい、気泡が吸液部２への液体の吸収の妨げになる。ところが、本実施形態では、アウトレットソケット６から排出される気体の圧力とのインレットソケット５に供給される液体の圧力との差を第２閾値Ｐｍｉｎより高く、第１閾値Ｐｍａｘ未満となるように制御し、内部空間１２で気泡が極力生じないようにしている。そのため、吸液部２への吸液阻害を防止することができる。

なお、上記実施形態では、ポンプ２０の液体の供給量Ｖを単位供給量Ｖｓずつ段階的に調整したが、ポンプ２０の液体の供給量Ｖを無段階的に調整しても良い。
また、ポンプ２０自体が供給量一定で動作する場合には、ポンプ２０の排出側に可変バルブを備え付け、コントローラ２４によってその可変バルブを制御することによって、ポンプ２０によって供給される液体の供給量を調整しても良い。この場合には可変バルブとポンプ２０の組み合わせが供給手段になる。
また上記実施形態では、気体の圧力を圧力センサ２２により測定していたが、吸液部２の毛管力のみによって吸液部２が自発的に送液する液量（μｌ／ｍｉｎ）がポンプ２０の送液する最大液量よりも多いように設定されていれば、必然的に圧力差（Ｐ２−Ｐ１）が０（ｋＰａ）より高くなるので正常に動作していれば圧力センサによる圧力検出は必ずしも必要がないが、安全に運転されているかどうかを確認するためには圧力センサを設けていたほうが好ましい。
上述の燃料電池システムは改質型であったが、これに限らず固体酸化物型燃料電池システムに適用してもよい。

以下、実施例を挙げることによって、本発明について更に具体的に説明する。
吸液部２として、直径３ｍｍ、長さ１０ｍｍ、気孔率６８％のアクリル系繊維束芯を用いた。そして、アウトレットソケット６の排出孔１６を大気に開放して圧力Ｐ２をほぼ１００ｋＰａとし、発熱体９での印加電圧４Ｖ、２．８Ａで加熱温度を１２０℃とした状態で、ポンプ２０によりメタノール（６０ｗｔ％）と水（４０ｗｔ％）の混合液を移動し、インレットソケット５に供給する混合液の圧力を測定した。そして、ポンプ２０の供給量を変化させて、排出孔１６から排出される気体や内部空間１２の気泡の様子を観察した。また比較例として上記と同条件で液体の移動源としてポンプ２０を設けずに吸液部２の毛管力だけで混合液を移動したときの気泡の様子も合わせてその結果を表１に示す。

表１に示すように、吸液側にポンプ２０を設けずに吸液を妨げないように接液させて吸液部２の毛管力だけで混合液を移動した場合、圧力差（Ｐ２−Ｐ１）はほぼ０ｋＰａとなり、移動量が１５０μｌ／ｍｉｎであった。このとき、吸液部２の毛管力による混合液の移動の妨げがないため、逆流せずに吸液部２の吸液側の端面２ａでは気泡が発生しなかったが、吸液部２の毛管力による混合液の移動量が気化装置１の気化量を超えてしまったため、吸液部２の気化側の端面２ｂでは、液滴が発生してしまっていた。

また、ポンプ２０としてシリンジポンプを設けた場合、ポンプ２０を動作しない状態、或いはポンプ２０での送液量が吸液部２の毛管力での移動量（１５０μｌ／ｍｉｎ）未満の場合、圧力差（Ｐ２−Ｐ１）は正値になる。このように液体の押し出す側での圧力Ｐ１を押し出されて気化される側での圧力Ｐ２に対して負圧にすると、吸液部２の毛管力の液体の引っ張り方向と反対側の方向に力が加わる。圧力差（Ｐ２−Ｐ１）が０．８ｋＰａでは、移動量が７０μｌ／ｍｉｎに減り、気化側の端面２ｂｓでは液滴が確認できなかったが、吸液部２の毛管力の引っ張り方向と反対側の方向への力が強すぎて、吸液側の端面２ａでは逆流してしまい気泡が確認された。圧力差（Ｐ２−Ｐ１）が０．７ｋＰａでは、移動量が７０μｌ／ｍｉｎに減り、吸液部２の毛管力の引っ張り方向と負圧による反対側の方向への力のバランスがよく、気化側、吸液側にはそれぞれ気泡、液滴が確認されなかった。
このように、圧力差（Ｐ２−Ｐ１）は高すぎても低すぎても悪く、気化装置１に設計に応じて適宜第１閾値Ｐｍａｘ、第２閾値Ｐｍｉｎを最適化すればよい。

吸液部２として、アクリル系繊維束芯（直径３ｍｍ、長さ２０ｍｍ、気孔率６８％、結合材：エポキシ系樹脂、繊維径約２０μｍ）を用いた。そして、アウトレットソケット６の排出孔１６を大気に開放して圧力Ｐ２をほぼ１００ｋＰａとし、発熱体９での印加電圧４Ｖ、２．８Ａとした状態で、内部空間１２にメタノール（６０ｗｔ％）と水（４０ｗｔ％）の混合液を充填した。その状態で、内部空間１２の圧力を測定しながら、排出孔１６から排出される気体を観察した。その結果を表３に示す。

気化装置の本体部分の縦断面図である。 気化装置の一部分の分解斜視図である。 気化装置をカートリッジ、改質器、一酸化炭素除去器、燃料電池及び燃焼器とともに示したブロック図である。 制御手段であるコントローラの処理の流れを示したフローチャートである。

符号の説明

１ 気化装置
２ 吸液部
３ 内チューブ
４ 外チューブ
５ インレットソケット
６ アウトレットソケット
７ インレットケース
８ アウトレットケース
９ 発熱体
２０ ポンプ
２１ 圧力センサ
２２ 圧力センサ
２４ コントローラ

Claims (12)

1. 一端側から液体を毛細管現象で吸液する多孔質体からなる吸液部と、
   前記吸液部を加熱して他端側から前記液体を気化させる発熱体と、
   前記吸液部の前記一端側の圧力と前記他端側の圧力との差を、前記吸液部の前記一端側の端面で気泡が発生する圧力差に対応する第１閾値未満であり、且つ、前記吸液部の前記他端側の端面で液滴が発生する圧力差に対応する第２閾値より大きい値に維持するように調整する圧力調整器と、
   を備えることを特徴とする気化装置。
2. 前記圧力調整器は、
   前記吸液部の前記一端側に前記液体を供給する供給器と、
   前記吸液部の前記一端側の圧力と前記吸液部の前記他端側の圧力との差を、第１閾値未満であり、且つ、前記第２閾値より大きい値に維持するように前記供給器の前記液体の供給量を制御するコントローラと、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の気化装置。
3. 前記圧力調整器は、
   前記吸液部の前記他端側の圧力と前記吸液部の前記一端側の圧力との差が前記第１閾値以上である場合に、前記供給器の液体の供給量を増加させるよう制御することを特徴とする請求項２に記載の気化装置。
4. 前記コントローラは、
   前記吸液部の前記他端側の圧力と前記吸液部の前記一端側の圧力との差を、前記第１閾値と比較する第１比較器を備え、
   前記コントローラは、前記第１比較器による比較の結果、前記吸液部の前記他端側の圧力と前記吸液部の前記一端側の圧力との差が前記第１閾値以上である場合に、前記供給器の液体の供給量を増加させるよう制御することを特徴とする請求項３に記載の気化装置。
5. 前記圧力調整器は、
   前記吸液部の前記他端側の圧力と前記吸液部の前記一端側の圧力との差が前記第２閾値以下である場合に、前記供給器の液体の供給量を低下又は供給を停止させるよう制御することを特徴とする請求項２に記載の気化装置。
6. 前記コントローラは、
   前記吸液部の前記他端側の圧力と前記吸液部の前記一端側の圧力との差を、前記第２閾値と比較する第２比較器を備え、
   前記コントローラは、前記第２比較器による比較の結果、前記吸液部の前記他端側の圧力と前記吸液部の前記一端側の圧力との差が前記第２閾値以下である場合に、前記供給器の液体の供給量を低下又は供給を停止させるよう制御することを特徴とする請求項５に記載の気化装置。
7. 前記コントローラは、
   前記吸液部の前記他端側の圧力と前記吸液部の前記一端側の圧力との差が、前記第１閾値未満であり、且つ、前記第２閾値を越えている場合に、前記供給器の液体の供給量を維持する集積回路としての維持器を備えることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の気化装置。
8. 前記吸液部が前記一端側で吸収した液体を毛細管現象により前記他端側に吸い上げて、その液体が気化した気体を前記他端側から蒸散させ、
   前記圧力調整器が、
   前記吸液部の前記一端側に液体を供給する供給器と、
   前記供給器によって前記吸液部の前記一端側に供給される液体の圧力を測定する第１の圧力センサと、
   前記吸液部の前記他端側から蒸散した気体の圧力を測定する第２の圧力センサと、
   前記第１の圧力センサによる測定圧力及び前記第２の圧力センサによる測定圧力に基づき前記供給器を制御するコントローラと、を有し、
   前記コントローラが、前記第２の圧力センサによる測定圧力と前記第１の圧力センサによる測定圧力との差を前記第１閾値及び前記第２閾値と比較し、
   比較の結果、前記差が前記第１閾値以上である場合、前記コントローラが前記供給器の液体の供給量を増加させるよう制御し、
   比較の結果、前記差が前記第２閾値以下である場合、前記コントローラが前記供給器の液体の供給量を低下させ、又は前記供給器の液体の供給を停止させるよう制御し、
   比較の結果、前記差が前記第１閾値未満、前記第２閾値超である場合、前記コントローラが前記供給器の液体の供給量を維持させるよう制御することを特徴とする請求項１に記載の気化装置。
9. 多孔質体からなり、一端及び前記一端の反対側の他端を有し、前記一端側から液体を毛細管現象で吸液し、前記一端側で吸収した液体を毛細管現象により前記他端側に吸い上げて、その液体が気化した気体を前記他端側から蒸散させる吸液部と、
   前記吸液部を加熱する発熱体と、
   前記吸液部の前記一端側に液体を供給する供給器と、
   前記供給器によって前記吸液部の前記一端側に供給される液体の圧力を測定する第１の圧力センサと、
   前記吸液部の前記他端側から蒸散した気体の圧力を測定する第２の圧力センサと、
   前記第１の圧力センサによる測定圧力及び前記第２の圧力センサによる測定圧力に基づき前記供給器を制御するコントローラと、を備え、
   前記コントローラが、前記第２の圧力センサによる測定圧力と前記第１の圧力センサによる測定圧力との差を第１閾値（前記第１閾値は、前記吸液部の前記一端側の端面で気泡が発生する圧力差に対応する値である。）及び第２閾値（前記第２閾値は、前記吸液部の前記他端側の端面で液滴が発生する圧力差に対応する値である。）と比較し、
   比較の結果、前記差が前記第１閾値以上である場合、前記コントローラが前記供給器の液体の供給量を増加させるよう前記供給器を制御し、
   比較の結果、前記差が前記第２閾値以下である場合、前記コントローラが前記供給器の液体の供給量を低下させ、又は前記供給器の液体の供給を停止させるよう制御し、
   比較の結果、前記差が前記第１閾値未満、前記第２閾値超である場合、前記コントローラが前記供給器の液体の供給量を維持させるよう制御することを特徴とする気化装置。
10. 前記第２閾値がゼロよりも大きく、前記第１閾値が前記第２閾値よりも大きいことを特徴とする請求項１から９の何れかに記載の気化装置。
11. 請求項１〜請求項１０の何れかに記載の気化装置と、前記気化装置によって気化された燃料によりエネルギーを発生する燃料電池と、前記燃料電池によって発生されたエネルギーにより動作する電子機器本体と、を備えることを特徴とする電子機器。
12. 多孔質体からなる吸液部で一端側から液体を毛細管現象で吸液するステップと、
    前記吸液部の他端側から前記液体を気化させるように前記吸液部を加熱するステップと、
    前記吸液部の前記一端側の圧力と前記他端側の圧力との差を、前記吸液部の前記一端側の端面で気泡が発生する圧力差に対応する第１閾値未満であり、且つ、前記吸液部の前記他端側の端面で液滴が発生する圧力差に対応する第２閾値より大きい値に維持するように調整するステップと、
    を含むことを特徴とする気化方法。

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