JP2009217968A

JP2009217968A - 発電装置及び電子機器

Info

Publication number: JP2009217968A
Application number: JP2008057718A
Authority: JP
Inventors: Kimiyasu Mifuji; 仁保美藤
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2009-09-24

Abstract

【課題】起動時における消費電力を大幅に低減できるとともに二次電池の放電レートの低減及び小型化、また、高速起動に優れた発電装置及び電子機器を提供する。
【解決手段】発電装置３００は、燃料を改質することによって改質ガスを生成する改質器２１２と、改質器２１２で生成した改質ガスが供給されて、電気化学反応により電力を取り出す発電セル２２０と、水素を発生させる水素発生容器２７０と、を備える。起動時に水素発生容器２７０で発生した水素の少なくとも一部を、改質器２１２の昇温又は温度維持に用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電用燃料及び水が供給されて電気化学反応により発電する発電装置及びそれを備える電子機器に関する。

近年では、携帯電話機、ノート型パーソナルコンピュータ、デジタルカメラ、腕時計、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）、電子手帳等といった携帯型の電子機器がめざましい進歩・発展を遂げている。このような電子機器における消費電力の増加に対応して、その電源として、燃料電池を用いたものが提案されている。燃料電池には直接型と改質型があり、直接型は、アルコール類等の燃料を直接燃料電池の燃料極に供給して発電させるものであり、改質型は液体燃料を水素に改質してその水素リッチガスを燃料極に供給するものである。
改質型の燃料電池では、燃料を水素に改質するためにリアクタを備えており、定置型の燃料電池システムでは都市ガスやプロパンガスなどの燃料ガスが使えるため、起動時には上記ガスをバーナーなどで燃焼させてリアクタの改質器などを昇温していた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−１９９５４３号公報

しかしながら、携帯機器用燃料電池においては、上記ガスを供給しないため、電気ヒータに二次電池の電力を供給して改質器などを昇温したり、ある程度まで昇温した後、液体燃料のメタノール等を気化した後、燃焼したりしていた。そのため、起動時に燃料電池システムの起動のために大きな電力を必要とするので、大きな二次電池を搭載しなければならなかった。もしくは、投入電力を制限して起動時間が長くなってしまっていた。
一方、直接水素型の燃料電池では、水素ボンベや水素吸蔵合金、ケミカル・ハイドライト等で燃料電池システムを構成した場合、重いだけでなく、燃料としてのエネルギー密度が液体燃料に比べて低く、メタノールの１／５位しかないので、同じ大きさでは持続時間が短くなり、同じ持続時間とするためにはサイズが著しく大きくなってしまう他、再充填がし辛いだけでなく、水素や未反応物質が残ってしまうことがあった。
また、金属微粉末だけで燃料電池システムを構成した場合も、危険な反応生成物質や未反応物質が残ってしまうことがあった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、起動時における消費電力を大幅に低減できるとともに二次電池の放電レートの低減及び小型化、また、高速起動に優れた発電装置及び電子機器を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、燃料を改質することによって改質ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成した改質ガスが供給されて、電気化学反応により電力を取り出す発電セルと、
水素を発生させる水素発生部と、を備え、
起動時に前記水素発生部で発生した水素の少なくとも一部を、前記改質部の昇温又は温度維持に用いることを特徴とする。

請求項２の発明は、燃料を改質することによって改質ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成した改質ガスが供給されて、電気化学反応により電力を取り出す発電セルと、
水素を発生させる水素発生部と、を備え、
起動時に前記水素発生部で発生した水素の少なくとも一部を、前記改質ガスに代えて前記発電セルに供給して発電に用いることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の発電装置において、
前記改質部で生成した改質ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部を備え、
起動時に前記水素発生部で発生した水素の少なくとも一部を、前記一酸化炭素除去部の昇温又は温度維持に用いることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電装置において、
燃料を気化させる気化部を備え、
起動時に前記水素発生部で発生した水素の少なくとも一部を、前記気化部の昇温又は温度維持に用いることを特徴とする。

請求項５の発明は、燃料を改質することによって改質ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成した改質ガスが供給されて、電気化学反応により電力を取り出す発電セルと、
水素を発生させる水素発生部と、を備え、
前記水素発生部で発生した水素の少なくとも一部を、前記改質ガスに代えて前記発電セルに供給して前記発電セルの触媒の回復に用いることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項５に記載の発電装置において、
前記発電セルの劣化が検出された時に、前記水素発生部で発生した水素の少なくとも一部を、前記改質ガスに代えて前記発電セルに供給して前記発電セルの触媒の回復に用いることを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項５に記載の発電装置において、
次回の起動時に、前記水素発生部で発生した水素の少なくとも一部を、前記改質ガスに代えて前記発電セルに供給して前記発電セルの触媒の回復に用いることを特徴とする。

請求項８の発明は、燃料を改質することによって改質ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成した改質ガスが供給されて、電気化学反応により電力を取り出す発電セルと、
水素を発生させる水素発生部と、
電力を蓄電可能な蓄電部と、を備え、
前記水素発生部で発生した水素の少なくとも一部を、前記改質ガスに代えて前記蓄電部に供給して前記蓄電部の充電のために用いることを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項８に記載の発電装置において、
停止動作時に、前記水素発生部で発生した水素の少なくとも一部を、前記改質ガスに代えて前記発電セルに供給して、前記蓄電部への充電とともに前記発電セルの触媒の回復に用いることを特徴とする。
請求項１０の発明は、請求項８に記載の発電装置において、
停止状態時で前記蓄電部の充電が所定値以下となった場合に、前記水素発生部で発生した水素の少なくとも一部を、前記改質ガスに代えて前記発電セルに供給して、前記蓄電部への充電とともに前記発電セルの触媒の回復に用いることを特徴とする。
請求項１１の発明は、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の発電装置において、
前記水素発生部は、金属と水との反応により水素を発生させることを特徴とする。

請求項１２の発明は、電子機器において、
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の発電装置と、
前記発電装置により発生された電気エネルギーによって動作する電子機器本体と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、起動時の消費電力を低減することができ、また、二次電池の放電レートの低減と小型化、発電装置の小型化及び大容量化を実現することができる。さらに、起動時の電力制限などをしなくて良いので高速起動に優れる。

以下、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。
［第一の実施形態］
図１は、発電装置３００の概略構成を示したブロック図である。
発電装置３００は、燃料容器１と、発電モジュール２００とを備え、発電モジュール２００は、燃料容器１から供給された燃料と水から水素を生成する反応装置２１０と、水素の電気化学反応により電気エネルギーを生成する発電セル２２０と、を備えている。また、発電モジュール２００は、反応装置２１０で生成された水素を加湿して発電セル２２０のアノードに供給する第一の加湿器２２１、発電セル２２０のカソードに供給する空気を加湿する第二の加湿器２２２を備えている。発電セル２２０の電解質膜は、第一の加湿器２２１及び第二の加湿器２２２によって加湿された空気及び改質ガスにより加湿されており、電解質膜内の水素イオンが移動しやすい状態となっている。第一の加湿器２２１及び第二の加湿器２２２への水の供給の開始時期は、発電セル２２０が発電を開始する直前が好ましく、水供給期間は、発電セル２２０が発電している間供給されていてもよく、また発電セル２２０が発電する際に生じる水と排出される水がバランスしたら停止してもよい。
さらに、発電モジュール２００は、二次電池２４１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０及び制御部２３０、水回収器２６０及び水素発生容器２７０等を備えている。

（燃料容器）
図２(a)は燃料容器１の上面図、(b)は切断線II−IIに沿って切断した際の矢視断面図である。
燃料容器１は、内部空間が形成された容器本体２と、容器本体２の内側に収容された燃料貯留部４と、容器本体２の外側上面に外装された金属板６と、容器本体２に取り付けられた気液分離膜８と、を備える。
容器本体２は全体として箱状を成しており、容器本体２の内側に空間が形成されている。容器本体２は透明又は半透明な部材であって、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、アクリル等の材料からなる。なお、容器本体２がＡＢＳといった不透明な樹脂からなるものでも良いし、金属からなるものでも良い。

容器本体２の下面左端部には、係合部２８が設けられている。係合部２８は容器本体２の下面から下方に突出し、係合部２８を左右方向に見て係合部２８はＴ字型を成している。

容器本体２の内側には、燃料貯留部４が収容されている。燃料貯留部４は袋状を成しており、容器本体２の内部空間がこの燃料貯留部４によって燃料貯留部４の内側の燃料貯留空間４１と、燃料貯留部４の外側であって容器本体２の内側の液体回収空間２１とに区画されている。これにより、燃料貯留空間４１と液体回収空間２１が燃料貯留部４によって仕切られている。

液体回収空間２１は、燃料貯留部４の外側であって容器本体２内の空間部分とされている。また、液体回収空間２１には予め液体９９が少量注入されている。なお、予め貯留されている液体９９は水であっても良いし、水以外の液体であっても良いし、更には液体９９の代わりに吸湿性の塩化カルシウム等の薬剤を含む固体が液体回収空間２１に収容されていても良い。

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

燃料４９は、液体状の化学燃料又は液体状の化学燃料と水の混合液である。化学燃料としては、メタノール、エタノール等のアルコール類やジメチルエーテル等のエーテル類、ガソリンといった化学組成に水素原子を含む化合物である。
燃料貯留部４には燃料排出管４２が連結され、この燃料排出管４２が容器本体２の右壁２２を貫通して容器本体２の外に突出している。燃料排出管４２には逆止弁（図示しない）が嵌め込まれている。この逆止弁は燃料排出管４２を通って燃料貯留部４の内から外に不要に燃料が排出するのを阻止するものであり、この逆止弁に挿入材が挿入されることによって逆止弁が開き、これにより燃料貯留部４の内の燃料が燃料排出管４２を通って外へ流れるのが許容される。具体的には、この逆止弁は可撓性・弾性を有する材料をダックビル状に形成したダックビル弁であり、この逆止弁はそのダックビル状の先端を燃料貯留部４の内側に向けた状態で燃料排出管４２に嵌め込まれている。

容器本体２の右壁２２には、後述の発電モジュール２００に燃料４９が供給されることによって生成された生成物が導入される生成物導入路２３が形成されている。生成物導入路２３の一端２４が容器本体２の右端面において開口するとともに、生成物導入路２３がその開口から右壁２２の内部を通って容器本体２の上面に至って、生成物導入路２３の他端２５が容器本体２の上面において開口している。生成物導入路２３には逆止弁が設けられており、その逆止弁によって他端２５から一端２４に向かった流体の流れが阻止され、その逆の流れは許容される。生成物導入路２３に設けられた逆止弁は、燃料排出管４２に設けられた逆止弁と同様のものを使用することができる。

容器本体２の上面左端部には、小孔２７及び排気孔部２６が形成されている。小孔２７は容器本体２の上壁を貫通し液体回収空間２１まで通じており、排気孔部２６は容器本体２の上壁及び左壁に跨って切り欠かれ、液体回収空間２１に通じている。

排気孔部２６には気液分離膜８が設けられ、排気孔部２６が気液分離膜８によって閉塞されている。気液分離膜８は、その膜の表面に接触される液体に対してその膜の厚み方向へ透過させない液体遮断性を有するとともに、その膜の表面に接触される気体に対してその膜の厚み方向へ透過させる気体透過性を有する。気液分離膜８としては、疎水性多孔質膜が好適であり具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレート、セルロースアセテートやセルローストリアセテートなどのセルロース系樹脂、ポリエーテルスルホンやポリスルホンなどのポリスルホン系樹脂等からなるものが挙げられる。

金属板６の熱伝導率は容器本体２の熱伝導率よりも高く、金属板６には、熱伝導率の高い熱伝導性の金属を使用することが好ましい。例えば、金属板６には、アルミニウム（熱伝導率２３７Ｗ／ｍ・Ｋ）、銅（熱伝導率３９８Ｗ／ｍ・Ｋ）、マグネシウム（熱伝導率１５６Ｗ／ｍ・Ｋ）その他単体金属（チタン、SUS等）やこれらの合金を使用することができる。また、その熱伝導率が高か充分に薄ければ、樹脂からなるものでも良い。

金属板６の下面であって容器本体２の外側上面に対向する面には、気体を液体回収空間２１に流入させる冷却流路６１が冷却溝部として凹設されている。冷却流路６１は、金属板６の右端部から左端部にかけて葛折り状に蛇行した形状を成している。

金属板６の左端部で気液分離膜８の上方に当たる箇所には、金属板６の上下面に貫通する矩形状の開口部６３が形成されている。開口部６３は冷却流路６１と連通しておらず、独立している。

金属板６はその下面を容器本体２の上面に対向させた状態で、容器本体２の上面に貼着され、これによって冷却溝部である冷却流路６１が容器本体２の上面によって蓋をされる。そして、冷却流路６１の右端部が生成物導入路２３の他端２５に重なり、冷却流路６１が生成物導入路２３を介して外部に通じ、冷却流路６１の左端部が小孔２７に重なり、液体回収空間２１に通じている。金属板６の開口部６３は容器本体２の換気孔部２６に重なっている。そして、排気孔部２６は気液分離膜８により閉塞されている。

ここで、上述の燃料容器１の動作について説明する。
燃料容器１において、燃料貯留部４内の燃料４９は、燃料排出口４２を介して後述の発電モジュール２００に供給される。よって、燃料貯留部４内の燃料４９が減少するにつれて燃料貯留空間４１の体積が小さくなるので、逆に液体回収空間２１の容積が大きくなり、その容積分の水等の液体９９を回収することができる。

発電モジュール２００では、供給された燃料４９から生成物（水蒸気その他の気体を含む）が生成される。発電モジュール２００で生成された生成物が生成物導入路２３に導入され、冷却流路６１を生成物導入路２３側から小孔２７へと流れる。

生成物が冷却流路６１を流れている間、生成物の熱が金属板６に吸収され、さらに金属板６から外部に放熱される。これにより生成物が放熱され、生成物中の水蒸気が凝縮して液化する。

冷却流路６１を流れた生成物が凝縮した水とともに小孔２７を通って液体回収空間２１に導入される。凝縮した水は、液体回収空間２１に貯留される。液体回収空間２１に導入された生成物中のうち凝縮しなかった水蒸気はさらに液体９９によって冷却されて液化するので、液体回収空間２１の容積を抑えながら効率的に水回収を促進している。

液体回収空間２１に導入された生成物のうち凝縮しなかった気体は気液分離膜８を通過し、水等の液体は気液分離膜８を通過せずに液体９９として液体回収空間２１に貯留される。気液分離膜８を通過した気体は容器本体１の外側へと放出される。

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

第一の加湿器２２１は、一酸化炭素除去器２１４で一酸化炭素が除去された改質ガスを、水によって加湿して発電セル２２０のアノードに供給する。
第二の加湿器２２２は、空気ポンプＰ２から供給された空気を水によって加湿して、発電セル２２０のカソードに供給する。

（発電セル）
発電セル２２０は、触媒微粒子を担持したアノードと、触媒微粒子を担持したカソードと、アノードとカソードとの間に介在されたフィルム状の固体高分子電解質膜とセパレーターをユニット化した燃料電池である。発電セル２２０のアノードには、一酸化炭素除去器２１４を通った改質ガスが供給され、発電セル２２０のカソードには、後述の空気ポンプＰ２によって外部から空気が供給される。アノードにおいては、改質ガス中の水素が、電気化学反応式（４）に示すように、アノードの触媒の作用を受けて水素イオンと電子とに分離する。水素イオンは固体高分子電解質膜を通過してカソードに伝導し、電子はアノードにより電気エネルギー（発電電力）として取り出される。カソードにおいては、電気化学反応式（５）に示すように、カソードに移動した電子と、空気中の酸素と、固体高分子電解質膜を通過した水素イオンとが反応して水が生成される。
そして、アノードで未反応の水素を含むオフガスは触媒燃焼器２１３に送られ、カソードで生成された水や未反応の空気は生成物として、水回収器２６０に送られるようになっている。
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻・・・（４）
２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ・・・（５）

（水回収器）
水回収器２６０は、内部空間が形成された水タンク２６３と、水タンク２６３の内部に取り付けられた気液分離膜２６２と、水タンク２６３に取り付けられた冷却器２６１と、を備える。水タンク２６３には水が貯留され、水タンク２６３内の水は第一の水ポンプＰ３によって反応装置２１０の気化器２１１に供給され、さらに第二の水ポンプＰ４によって第一及び第二の加湿器２２１，２２２に供給される。また、水タンク２６３内の水は、第三の水ポンプＰ５によって水素発生容器２７０に供給される。また、後述するように発電セル２２０のカソードで生成された水や未反応の空気は排出物として、その内の水蒸気が冷却器２６１で凝縮され水となって水タンク２６３内に貯留される。冷却器２６１により凝縮しない気体は、さらに気液分離膜２６２を透過した後、燃料容器１へと送られるようになっている。
また、水タンク２６３には水量を検出する水位検出器２６４が設けられており、水タンク２６３内の水量が所定量以上となった場合に後述の第五のバルブＶ５を閉鎖し、水タンク２６３内の水量が所定量未満である場合には第五のバルブＶ５を開放するようになっている。水位検出器２６４としては、例えばＬＥＤとフォトセンサー等を用いて空気と水の屈折率の違いにより水の有無を検出する光学式水検出器等が利用できる。

また、図１に示すように、発電装置３００は、燃料容器１、反応装置２１０及び発電セル２２０等の他に、燃料容器１内の燃料を気化器２１１に供給する燃料ポンプＰ１と、外気から発電装置３００中に空気を導入する空気ポンプＰ２とを備えている。また、空気ポンプＰ２には、エアフィルタが設けられている。
燃料ポンプＰ１には、第一のバルブＶ１が接続され、第一のバルブＶ１には第一の流量計Ｆ１が接続されている。第一のバルブＶ１は、燃料ポンプＰ１と気化器２１１との間に設けられており、その開閉動作で燃料ポンプＰ１から気化器２１１への燃料の流通を遮断又は許容するようになっている。第一の流量計Ｆ１は第一のバルブＶ１と気化器２１１との間に設けられており、第一のバルブＶ１を通過した燃料の流量を測定し制御部２３０に送り、制御部２３０はその信号により燃料ポンプＰ１を制御して所望量の燃料を反応装置２１０に送り込む。
また、燃料ポンプＰ１と燃料容器１との間には、燃料容器１と発電モジュール２００とを連結する燃料容器インターフェース５０３及び燃料容器１に貯蔵された燃料の残量検出を行う燃料残量センサＳ１が設けられている。燃料残量センサＳ１は、燃料貯留部４に貯蔵された燃料の残量を測定し、その測定結果となる電気信号を制御部２３０に出力する。
また、水タンク２６３と気化器２１１との間には、第一の水ポンプＰ３が接続され、第一の水ポンプＰ３には第六のバルブＶ６及び第四の流量計Ｆ４が接続されている。第六のバルブＶ６は、その開閉動作で第一の水ポンプＰ３から気化器２１１への水の流通を遮断又は許容するようになっている。第四の流量計Ｆ４は第六のバルブＶ６と気化器２１１との間に設けられており、第六のバルブＶ６を通過した水の流量を測定し制御部２３０に送り、制御部２３０はその信号により燃料ポンプＰ１を制御して所望量の水を反応装置２１０に送り込む。
さらに、水タンク２６３と第二の加湿器２２２との間には第二の水ポンプＰ４が接続されており、水タンク２６３で回収した水を第二の加湿器２２２や第一の加湿器２２１に送られて加湿に利用されるようになっている。

燃料容器１と水回収器２６０との間には、第二のバルブＶ２が接続されている。この第二のバルブＶ２は、第五のバルブＶ５を介して第二の加湿器２２２にも接続されている。さらに、第二のバルブＶ２は触媒燃焼器２１３にも接続されている。そして、第二のバルブＶ２の開閉動作で、発電セル２２０のカソードから燃料容器１への生成物（水蒸気、空気を含む気体等）の流通を遮断又は許容、触媒燃焼器２１３におけるオフガス等、及び加湿器からの水の流通を遮断又は許容するようになっている。
第五のバルブＶ５は、第二の加湿器２２２から排出された水の流通を遮断又は許容するようになっており、水タンク２６３に設けられた水位検出器２６４によって水タンク２６３内の水が所定量未満である場合には、水タンク２６３側への流路を開放し燃料容器１側を閉鎖して水を循環し、水タンク２６３内の水が所定量以上である場合には、水タンク２６３側への流路を閉鎖して燃料容器１側を開放し排水する。

水回収器２６０の水タンク２６３には、第三の水ポンプＰ５及び第五の流量計Ｆ５を介して水素発生容器（水素発生部）２７０が接続されている。さらに、水素発生容器２７０には、水素発生容器インターフェース２７１を介して触媒燃焼器２１３が接続されている。
水素発生容器２７１内には、例えば、Ｌｉ，Ｎａ，Ａｌ，Ｆｅ，Ｚｎ等の金属微粉末が収容されている。そして、水タンク２６３で回収した水が、第三の水ポンプＰ５によって水素発生容器２７０に送られて、水素発生容器２７０内の金属微粉末と水とが反応することによって水素が生成され、生成された水素が触媒燃焼器２１３に送られるようになっている。
なお、金属微粉末以外に、水素を発生することができるものであれば、Ｌｉ，Ｎａ，Ａｌ，Ｆｅ，Ｚｎ等の金属や合金、金属化合物、水素吸蔵合金、ケミカル・ハイドライド、金属と酸などのであっても良い。

空気ポンプＰ２には、第三のバルブＶ３、第四のバルブＶ４及び第二の加湿器２２２が接続されている。第三のバルブＶ３は、空気ポンプＰ２と触媒燃焼器２１３との間に設けられており、第三のバルブＶ３と触媒燃焼器２１３との間には第二の流量計Ｆ２が設けられている。そして、第三のバルブＶ３は、その開閉動作で、空気ポンプＰ２から触媒燃焼器２１３への空気の流通を遮断又は流量調整を行なうようになっている。第四のバルブは、空気ポンプＰ２と一酸化炭素除去器２１４との間に設けられており、第四のバルブＶ４と一酸化炭素除去器２１４との間には第三の流量計Ｆ３が設けられている。そして、第四のバルブＶ４は、その開閉動作で、空気ポンプＰ２から一酸化炭素除去器２１４への空気の流通を遮断又は流量調整を行なうようになっている。

制御部２３０には、燃料ポンプＰ１、空気ポンプＰ２、第一〜第三の水ポンプＰ３〜Ｐ５がドライバＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５を介して電気的に接続されている。制御部２３０は、例えば汎用のＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等から構成されているもので、燃料ポンプＰ１、空気ポンプＰ２、第一〜第三の水ポンプＰ３〜Ｐ５に制御信号を送信し、燃料ポンプＰ１、空気ポンプＰ２、第一〜第三の水ポンプＰ３〜Ｐ５の各ポンピング動作（送出量の調整を含む。）を制御するようになっている。

また、制御部２３０には、第一〜第六のバルブＶ１〜Ｖ６がドライバＤ１１〜Ｄ１６を介して電気的に接続され、また、第一の流量計Ｆ１〜第五の流量計Ｆ５も電気的に接続されている。制御部２３０は、第一の流量計Ｆ１〜第四の流量計Ｆ４の測定結果を受けて燃料及び水の流量を認識することができるとともに、第一〜第六のバルブＶ１〜Ｖ６の開閉動作（開き量の調整を含む。）を制御することができるようになっている。

さらに、制御部２３０には、気化器２１１、改質器２１２、触媒燃焼器２１３及び一酸化炭素除去器２１４をそれぞれ加熱する電気ヒータがドライバＤ２１を介して電気的に接続されている。制御部２３０は、電気ヒータの発熱量とその停止とを制御するとともに、温度によって変化する電気ヒータの抵抗値等の電気的特性を計測することによって気化器２１１、改質器２１２、触媒燃焼器２１３及び一酸化炭素除去器２１４の各反応器の温度を検出することができるようになっている。
また、反応装置２１０の起動時には、後述するが、水素発生容器２７０から触媒燃焼器２１３に水素が送られることによって触媒燃焼器２１３を加熱させ、これによって改質器２１２及び一酸化炭素除去器２１４を所定温度まで昇温させる。そして、これら反応器２１２，２１４が所定温度となったら各反応温度を維持できるように、反応器２１２，２１４のそれぞれの電気ヒータによる加熱に切り替えるようになっている。

また、制御部２３０には、燃料残量センサＳ１が電気的に接続されている。制御部２３０は、燃料残量センサＳ１で測定された残量が所定量未満であれば、発電装置３００を起動しない又は動作を停止し、残量が所定量以上であれば、発電装置３００を起動する又は動作を維持するよう制御している。
さらに、制御部２３０には、水位検出器２６４が電気的に接続されている。制御部２３０は、水位検出器２６４で検出された水タンク２６３内の水量が所定量未満であれば、第五のバルブＶ５を水タンク２６３側のみ開放し循環し、水量が所定量以上であれば、第五のバルブＶ５を燃料容器１側のみ開放して排水するよう制御する。

発電セル２２０には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０が接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０には外部機器（負荷）が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０は発電セル２２０から出力された電圧を外部電子機器の規格に応じて所定の電圧に変換して外部電子機器に出力する装置であり、制御部２３０に接続され、制御部２３０は発電セル２２０からＤＣ／ＤＣコンバータ２４０に入力される入力電力を検出することができるようになっている。
さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０には二次電池（蓄電部）２４１が接続されている。そして、例えば発電セル２２０で得た余剰の電気エネルギーを蓄え、発電セル２２０での電気エネルギーが不足している場合に発電セル２２０の補助として外部電子機器に電力を供給できるようになっている。制御部２３０や、各ドライバＤ１，Ｄ２，Ｄ１１〜Ｄ１６，Ｄ２１、燃料残量センサＳ１、反応装置２１０の電気ヒータは、起動時において、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０を介して二次電池２４１の出力の一部によって電気的に駆動され、発電セル２２０の出力が定常状態になったら、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０を介して発電セル２２０の出力の一部によって電気的に駆動される。
上記構成を具備する発電装置３００は、例えば、デスクトップ型パーソナルコンピュータ、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機、ＰＤＡ(Personal Digital Assistant)、電子手帳、腕時計、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、ゲーム機器、遊技機、家庭用電気機器その他の電子機器（外部電子機器）内に備え付けられるものであり、外部電子機器を作動させるための電源として用いられる。

次に、発電装置３００の動作について説明する。
「電子機器本体４０１」から起動信号が来たら、「二次電池２１４」から電力を供給しながら、制御部２３０は第三の水ポンプＰ５を第五の流量計Ｆ５の水量に基づいて、水タンク２６３から所定量の水を水素発生容器２７０に送るように制御する。これによって、水素発生容器２７０に送られた水が金属微粉末と反応して水素が発生する。発生した水素は触媒燃焼器２１３に送られる。
一方、制御部２３０がドライバＤ２を介して空気ポンプＰ２を作動させる。空気ポンプＰ２を作動させ、燃焼に充分な量の外気の空気を第三のバルブＶ３を介して触媒燃焼器２１３に送る。制御部２３０は、電気ヒータ兼温度センサで改質器２１２及び一酸化炭素除去器２１４の温度を検知しながら改質器２１２、一酸化炭素除去器２１４及び気化器２１１を所定温度まで昇温する。

改質器２１２、一酸化炭素除去器２１４が所定温度となったら、第三の水ポンプＰ５を停止して、水素発生容器２７０への水の供給を停止した後、改質器２１２と一酸化炭素除去器２１４の温度制御を電気ヒータに切り替える。ここで、水素発生容器２７０への水の供給を停止しても水素の発生はすぐには止まらず、暫くは水素が供給されるので、電気ヒータへ供給する電力の急激な増加は無い。そして、電気ヒータによる改質器２１２及び一酸化炭素除去器２１４の温度制御は、ドライバＤ２１を介して電気ヒータを発熱させ、各電気ヒータからフィードバックされた温度のデータに基づき、各電気ヒータが所定温度になるように制御を行う。

その後、発電システム３００の起動シーケンスに沿って、第一の水ポンプＰ３、燃料ポンプＰ１を作動させる。第一の水ポンプＰ３を動作させると水が、燃料ポンプＰ１を作動させると、燃料容器１の燃料貯留部４内の燃料が燃料排出管１１から第一のバルブＶ１、第一の流量計Ｆ１を介して反応装置２１０の気化器２１１に向けて送られる。さらに、第一及び第二の加湿器２２１，２２２に第二の水ポンプＰ４を駆動して水を送る。

気化器２１１では、供給された燃料と水が加熱されて気化（蒸発）し、メタノール及び水（水蒸気）の混合気となって改質器２１２に供給される。
改質器２１２では、気化器２１１から供給されたメタノール蒸気と水蒸気が触媒により反応して水素及び二酸化炭素が生成される（上記化学反応式（１）参照））。また、改質器２１２では、化学反応式（１）についで逐次的に一酸化炭素が生成される（上記化学反応式（２）参照）。そして、改質器２１２で生成された一酸化炭素、二酸化炭素及び水素等からなる改質ガスが一酸化炭素除去器２１４に供給される。

一酸化炭素除去器２１４では、改質器２１２から供給された改質ガス中の一酸化炭素と、第四のバルブＶ４から供給された空気に含まれる酸素とが反応して二酸化炭素が生成される（上記化学反応式（３）参照）。

このように、反応装置２１０の気化器２１１、改質器２１２及び一酸化炭素除去器２１４を経て燃料と水から水素と二酸化炭素を主成分とする改質ガスが生成される。反応装置２１０で生成された改質ガス（水素及び二酸化炭素等）は、第一の加湿器２２１に供給される。第一の加湿器２２１は、中空糸膜の外側に供給された水を通流するとともに中空糸膜の内側に改質ガスを通流し中空糸膜を介して水分子を移動させることで、改質ガスを加湿した後、発電セル２２０のアノードに供給する。
発電セル２２０のアノードに供給された改質ガス中の水素が上記化学反応式（４）に示すように水素イオンと電子とに分離する。

一方、空気ポンプＰ２から第二の加湿器２２２に空気が供給される。第二の加湿器２２２は、中空糸膜の外側に外部から供給された水を通流するとともに内側に空気を通流し中空糸膜を介して水分子を移動させることで、空気を加湿した後、発電セル２２０のカソードに供給する。
発電セル２２０のカソードに供給された空気は、空気中の酸素が上記化学反応式（５）に示すように水素イオンと電子と反応し、水が生成される。

ここで、アノード側では未反応の水素はオフガスとして触媒燃焼器２１３に送られて燃焼されて、改質反応及び蒸発のエネルギーとして利用された後、燃料容器１の冷却流路６１に送られる。そして、冷却流路６１で凝縮された後、水は液体回収空間２１で回収され、気体は気液分離膜８から燃料容器１外へと放出される。
カソード側では、供給された空気が副生成物である水とともに排出され、水回収器２６に送られて、冷却器２６１で凝縮されて液体となった水は水タンク２６３に回収され、
冷却器２６１で液体とならなかった気体はさらに気液分離膜２６２を通過して第二のバルブＶ２を介して燃料容器１の冷却流路６１へと送られる。
また、第一及び第二の加湿器２２１，２２２における使用後の水は、第五のバルブＶ５を介して水タンク２６３内に回収される。このとき、水位検出器２６４で検出された水量が所定量未満である場合には第五のバルブＶ５を水タンク２６３側に開放し、所定量以上となった場合には第五のバルブＶ５を燃料容器１側に開放して、燃料容器１へと送られる。
上述のように、冷却器２６０で液体とされ水タンク２６３で回収された水及び加湿器２２１，２２２から水タンク２６３に回収された水は、その後、第一の水ポンプＰ３、第六のバルブＶ６を介して気化器２１１に送られるか、あるいは、第二の水ポンプＰ４を介して加湿器２２１，２２２へと送られるか、又は、第三の水ポンプＰ５を介して水素発生容器２７０へと送られて再利用される。

そして、発電セル２２０によって生成された電気エネルギーは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０に供給され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０によって所定電圧に変換され、外部電子機器に供給されるとともに二次電池２４１にも充電される。外部電子機器は、供給された電気エネルギーにより動作する。

次に、上記発電装置３００を電子機器４００に適用した場合を説明する。特に、携帯型の電子機器であって、ノート型パーソナルコンピュータに適用した場合である。
図３(a)は、電子機器４００の上面図、(b)は(a)における電子機器４００を前側から見た際の前面図、(c)は(a)における電子機器４００を左側から見た際の左側面図である。なお、以下の説明において、前面及び背面、左右方向とは、図３(a)から見た場合を基準に説明する。
電子機器４００は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、その他の電子部品から構成された演算処理回路を内蔵した本体４０１と、本体４０１に対して着脱自在の発電装置３００とを備える。
発電装置３００は、上述した図３に示すように、筐体５０１内に収納自在な燃料容器１と、燃料容器１の燃料を用いて発電を行う発電モジュール２００とを備え、生成した電気エネルギーを本体４０１に供給することにより本体４０１を駆動する。なお、燃料容器１及び発電モジュール２００の構成や動作は上述と同様のためその説明を省略する。

本体４０１は、キーボードを備え付けた下筐体４０２と、液晶等のディスプレイパネルを備え付けた上筐体４０３とを備える。上筐体４０３は下筐体４０２にヒンジ４０６で結合されており、上筐体４０３を下筐体４０２に重ねてキーボードにディスプレイパネルを相対させた状態で本体４０１を折り畳むことができるように構成されている。
発電装置３００は、下筐体４０２の前側で露出した形で電子機器４００に電力を供給するように下筐体４０２に連結されている。発電装置３００は下筐体４０２から取り外し自在に設定されているので、電子機器４００は発電装置３００及び発電装置３００と同サイズ、同型状のリチウムイオンバッテリのいずれに対しても装着可能であり、これらから出力される電力によって動作することが可能である。

以上の発電装置３００によれば、改質器２１２と発電セル２２０と水素発生容器２７０とを備え、起動時に水素発生容器２７０内の金属微粉末に水を注入して水素を発生させ、その水素を触媒燃焼器２１３に供給して燃焼させることによって、改質器２１２及び一酸化炭素除去器２１４の昇温又は温度維持に用いるので、起動時の消費電力を半減することができる。その結果、二次電池２４１の放電レートの低減と小型化、また、発電装置３００の小型化及び大容量化を実現することができる。さらに、起動時の電力制限などをしなくて良いので高速起動に優れる。
また、水素発生容器２７０には金属微粉末が収容されており、この水素発生容器２７０に水を注入するだけで容易に水素を発生させることができ、簡易な構成で小型化を図ることができる。

なお、上記実施の形態において、起動時に改質器２１２や一酸化炭素除去器２１４を電気ヒータを用いずに昇温したが、余剰電力があれば電気ヒータと併用して昇温起動しても良い。
また、金属微粉末を収容した水素発生容器２７０と、メタノール等の燃料を貯蔵した燃料容器１とを個別の容器とし交換可能としたが、これら水素発生容器２７０と燃料容器１とを一体型として、より交換し易くしても良い。
さらに、上記気化器２１１は起動時に水素燃焼で昇温したが、電気ヒータにより昇温させて金属微粉末の消費量を抑えても良い。

［第二の実施の形態］
図４は、発電装置３００Ａの概略構成を示したブロック図である。
第二の実施の形態では、第一の実施の形態と異なり、水素発生容器２７０Ａで発生した水素は、発電セル２２０Ａに供給され発電に利用された後、発電セル２２０Ａの電流を制御して所定量の水素を残し、その後、触媒燃焼器２１３Ａに送って燃焼して、改質器２１２Ａ及び一酸化炭素除去器２１４Ａを昇温する。
具体的には、水素発生容器２７０Ａは、水素発生容器インターフェース２７１Ａを介して発電セル２２０Ａに接続されている。なお、その他は第一の実施の形態の発電装置３００と同様の構成であるので、同様の構成部分については同様の数字に英字Ａを付してその説明を省略する。

上述のように、第二の実施の形態では、起動時に水素発生容器２７０Ａ内の金属微粉末に水を注入して水素を発生させ、その水素を発電セル２２０Ａに供給することによって発電セル２２０Ａの発電を行い、さらに、余剰の水素を触媒燃焼器２１３Ａに供給することによって改質器２１２Ａ及び一酸化炭素除去器２１４Ａの昇温又は温度維持に用いるので、第一の実施の形態と同様に少しの電力で発電装置３００Ａの起動を行うことができ、しかも、起動と同時に発電を開始することができる。また、純水素で発電するため、高効率の発電を行え、起動時の電力の大部分を賄えるので、二次電池２４１Ａを第一の実施の形態よりも非常に小型にすることができる。

［第三の実施の形態］
第三の実施の形態では、何らかの原因により発電装置の定常時に発電セルの触媒が一酸化炭素により被毒し性能が低下した時に触媒の回復動作を行う場合であって、水素発生容器に水を送り込んで水素を発生させ、改質ガスと切り替えて、水素発生容器で発生させた水素を発電セルに供給することにより発電セルの触媒の劣化を回復させる。ここで、発電装置の構成は図４の発電装置３００Ａと同様であるので図示を省略し、以下の説明では図４と同様の符号を付して説明する。
第三の実施の形態の発電装置３００Ａでは、燃料ポンプＰ１が正常に動作しており、第一の流量計Ｆ１からの燃料流量も正常で、さらに第一の水ポンプＰ３が正常に動作し、第二の流量計Ｆ３からの水量も正常で、改質器２１２Ａ及び一酸化炭素除去器２１４Ａの温度も正常であるにもかかわらず、発電セル２２０Ａの出力が一定値より低下した場合、制御部２３０Ａは発電セル２２０Ａの触媒の一酸化炭素被毒などによる劣化と判断して、触媒の回復動作を実行する。

具体的な回復動作としては、まず、燃料ポンプＰ１及び第一の水ポンプＰ３を停止して気化器２１１Ａや改質器２１２Ａ等への燃料及び水の供給を停止する。次に、第五の流量計Ｆ５の計測値で第三の水ポンプＰ５を制御して所定量の水を水素発生容器２７０Ａに供給し、所定量の水素を発生させ、発生した水素を発電セル２２０Ａに供給して発電を行う。この時、一時的に水素量が減少して発電電力が低下しても二次電池２４１Ａで補完されている。発電セル２２０Ａの発電性能が一定値以上に回復するか、一定時間以上を経過したら第三の水ポンプＰ５を停止して、再び燃料ポンプＰ１及び第一の水ポンプＰ３を作動させて気化器２１１Ａや改質器２１２Ａへの燃料の供給を再開する。

以上のように発電セル２２０Ａの性能劣化を検出した場合に、水素発生容器２７０Ａ内の金属微粉末に水を注入して発生した水素を発電セル２７０Ａに供給することによって、発電セル２７０Ａの触媒の回復を簡単に行うことができる。すなわち、従来、発電セルの電極触媒が一酸化炭素により被毒し性能が低下した場合には、特開2003-132923号公報のように燃料ガスに酸化剤ガスを添加したり、特開2004-342406号公報や特開2006-128016号公報のようにセル電圧を所定電圧に下げることで回復を行っていた。しかしながら、上記特開2003-132923号公報のように燃料ガスに酸化剤ガスを添加する場合、水素が燃焼して局所的に高温になったりするため触媒や膜を傷めることがあった。また、特開2004-342406号公報や特開2006-128016号公報のようにセル電圧を極端に下げて回復を図ると、触媒を担持しているカーボンが燃焼してしまい、触媒の脱落やカーボンの脱落が生じ、永久的劣化となってしまうことがあった。さらに、水素ボンベや水素吸蔵合金、ケミカル・ハイドライト等から純粋な水素を供給して回復させることも可能であるが、重く、かつ、大型化する他、再充填の環境が整備されていない等の問題があり実用化することができなかったが、本実施の形態のように水素発生容器２７０Ａに水を供給して、発生した水素を発電セル２２０Ａに供給することにより、発電セル２２０Ａの触媒の回復を簡単に行うことができる。

なお、上記第三の実施の形態では、発電セル２２０Ａの被毒が確認されたらすぐに上記回復動作を行うとしたが、次回の起動時に回復動作を行うようにすれば、同時に起動時の電力を節約することができる点で、より好ましい。

また、電子機器が停止し、発電装置３００Ａの停止動作を行っている時に、水素発生容器２７０Ａで発生した水素を二次電池２４１Ａ及び発電セル２２０Ａに供給して、二次電池２４１Ａの充電を兼ねて回復動作を行うようにしても良い。
さらに、電子機器及び発電装置３００Ａが停止している状態の時で、二次電池２４１Ａの蓄電量が一定値以下になった場合に、水素発生容器２７０Ａで発生した水素を二次電池２４１Ａ及び発電セル２２０Ａに供給して、二次電池２４１Ａの充電を兼ねて回復動作を行っても良い。上述のように発電装置３００Ａの停止動作時や停止状態時に、二次電池２４１Ａの充電と発電セル２２０Ａの回復動作の両方を行う場合、改質器２１２Ａ等を昇温起動させずに、水素を発生させて発電して充電も行えるため、迅速かつ効率良く行うことができる点で好ましい。

発電装置３００の概略構成を示したブロック図である。 (a)は燃料容器１の上面図、(b)は切断線II−IIに沿って切断した際の矢視断面図である。 (a)は、電子機器４００の上面図、(b)は(a)における電子機器４００を前側から見た際の前面図、(c)は(a)における電子機器４００を左側から見た際の左側面図である。発電装置３００Ａの概略構成を示したブロック図である。

符号の説明

２１１，２１１Ａ気化器（気化部）
２１２，２１２Ａ改質器（改質部）
２１４，２４１Ａ一酸化炭素除去器（一酸化炭素除去部）
２２０，２２０Ａ発電セル
２４１，２４１Ａ二次電池（蓄電部）
２７０，２７０Ａ水素発生容器（水素発生部）
３００，３００Ａ発電装置
４００電子機器
４０１，４０１Ａ電子機器本体

Claims

燃料を改質することによって改質ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成した改質ガスが供給されて、電気化学反応により電力を取り出す発電セルと、
水素を発生させる水素発生部と、を備え、
起動時に前記水素発生部で発生した水素の少なくとも一部を、前記改質部の昇温又は温度維持に用いることを特徴とする発電装置。
燃料を改質することによって改質ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成した改質ガスが供給されて、電気化学反応により電力を取り出す発電セルと、
水素を発生させる水素発生部と、を備え、
起動時に前記水素発生部で発生した水素の少なくとも一部を、前記改質ガスに代えて前記発電セルに供給して発電に用いることを特徴とする発電装置。
前記改質部で生成した改質ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部を備え、
起動時に前記水素発生部で発生した水素の少なくとも一部を、前記一酸化炭素除去部の昇温又は温度維持に用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電装置。
燃料を気化させる気化部を備え、
起動時に前記水素発生部で発生した水素の少なくとも一部を、前記気化部の昇温又は温度維持に用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電装置。
燃料を改質することによって改質ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成した改質ガスが供給されて、電気化学反応により電力を取り出す発電セルと、
水素を発生させる水素発生部と、を備え、
前記水素発生部で発生した水素の少なくとも一部を、前記改質ガスに代えて前記発電セルに供給して前記発電セルの触媒の回復に用いることを特徴とする発電装置。
前記発電セルの劣化が検出された時に、前記水素発生部で発生した水素の少なくとも一部を、前記改質ガスに代えて前記発電セルに供給して前記発電セルの触媒の回復に用いることを特徴とする請求項５に記載の発電装置。
次回の起動時に、前記水素発生部で発生した水素の少なくとも一部を、前記改質ガスに代えて前記発電セルに供給して前記発電セルの触媒の回復に用いることを特徴とする請求項５に記載の発電装置。
燃料を改質することによって改質ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成した改質ガスが供給されて、電気化学反応により電力を取り出す発電セルと、
水素を発生させる水素発生部と、
電力を蓄電可能な蓄電部と、を備え、
前記水素発生部で発生した水素の少なくとも一部を、前記改質ガスに代えて前記蓄電部に供給して前記蓄電部の充電のために用いることを特徴とする発電装置。
停止動作時に、前記水素発生部で発生した水素の少なくとも一部を、前記改質ガスに代えて前記発電セルに供給して、前記蓄電部への充電とともに前記発電セルの触媒の回復に用いることを特徴とする請求項８に記載の発電装置。
停止状態時で前記蓄電部の充電が所定値以下となった場合に、前記水素発生部で発生した水素の少なくとも一部を、前記改質ガスに代えて前記発電セルに供給して、前記蓄電部への充電とともに前記発電セルの触媒の回復に用いることを特徴とする請求項８に記載の発電装置。
前記水素発生部は、金属と水との反応により水素を発生させることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の発電装置。
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の発電装置と、
前記発電装置により発生された電気エネルギーによって動作する電子機器本体と、を備えることを特徴とする電子機器。