JP2009199984A - 発電装置及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】発電セルで生成された液体が混在した排気から不純物を含まない純水を容易に得ることができ、これを再利用して良好な改質反応を行うことができる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、燃料を用いて発電を行う発電セル２２０と、発電セル２２０によって生成された気体と液体から、気体のみと、一部の気体を含む液体とに分離する気液分離器２５０と、気液分離器２５０によって分離した気体のみを凝縮して得られた水を回収する水回収器２６０と、を備える。そして、水回収器２６０によって回収した水を改質反応に利用する。
【選択図】図１
【解決手段】発電装置３００は、燃料を用いて発電を行う発電セル２２０と、発電セル２２０によって生成された気体と液体から、気体のみと、一部の気体を含む液体とに分離する気液分離器２５０と、気液分離器２５０によって分離した気体のみを凝縮して得られた水を回収する水回収器２６０と、を備える。そして、水回収器２６０によって回収した水を改質反応に利用する。
【選択図】図１
Description
本発明は、発電用燃料及び水が供給されて電気化学反応により発電する発電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小型電子機器がめざましい進歩・発展を遂げている。電子機器の電源として、アルカリ乾電池、マンガン乾電池といった一次電池又はニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池、リチウムイオン電池といった二次電池が用いられている。今日では、一次電池及び二次電池の代替えのために、高いエネルギー利用効率を実現できる燃料電池についての研究・開発が盛んに行われている。
燃料電池は、燃料と大気中の酸素とを電気化学的に反応させて化学エネルギーを電気エネルギーに変換するものであり、燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する電気化学反応を利用しているので、該反応に副生成物が生成され排出される。このような副生成物は、大半は水であり、その他に二酸化炭素も生成されることがあり、また、未反応の水素や空気等が排出される。このような排出物は燃料電池システム（発電装置）に搭載された燃料カートリッジ内に回収する場合がある。
従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池の燃料極で化学反応した後の廃燃料は、希釈水に混合されて再利用され、空気極で生成された水を含む液体や気体は回収された後、そのまま希釈水として再利用されていた（例えば、特許文献１参照）。
また、空気極で生成された水を再利用する場合には、逆浸透膜装置、イオン交換樹脂装置、電気透析装置等の脱塩処理手段によって脱塩処理して不純物等を浄化してから用いていた（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５−２６７９９４号公報
特開２０００−３３１７０３号公報
従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池の燃料極で化学反応した後の廃燃料は、希釈水に混合されて再利用され、空気極で生成された水を含む液体や気体は回収された後、そのまま希釈水として再利用されていた（例えば、特許文献１参照）。
また、空気極で生成された水を再利用する場合には、逆浸透膜装置、イオン交換樹脂装置、電気透析装置等の脱塩処理手段によって脱塩処理して不純物等を浄化してから用いていた（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら、上記特許文献１のような燃料電池システムにおいては、水回収する際に発電セルから出てきた液体と気体をそのまま水回収器に入れて水を回収していたので、発電セルから液体とともに流出してくるカーボンや白金触媒、白金ルテニウム触媒、硫酸基を含んでしまい、そのままで改質用の水として再利用することはできず、メッシュのフィルターやケミカル・フィルター、また、上記特許文献２のような脱塩処理手段によりそれらを除去してから使用せざるを得なかった。
しかし、これらのフィルターや脱塩処理手段は体積が大きく、効率の低下やエネルギーの低下、また、大型化し重量が増加するなど携帯機器に使用するには不向きであった。また、フィルターの交換も必要なため、コンシューマ製品には搭載が困難であった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、発電セルで生成された液体が混在した排気から不純物を含まない純水を容易に得ることができ、これを再利用して良好な改質反応を行うことができる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。
しかし、これらのフィルターや脱塩処理手段は体積が大きく、効率の低下やエネルギーの低下、また、大型化し重量が増加するなど携帯機器に使用するには不向きであった。また、フィルターの交換も必要なため、コンシューマ製品には搭載が困難であった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、発電セルで生成された液体が混在した排気から不純物を含まない純水を容易に得ることができ、これを再利用して良好な改質反応を行うことができる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、燃料を用いて発電を行う発電セルと、
前記発電セルによって生成された気体と液体から、気体のみと、一部の気体を含む液体とに分離する気液分離手段と、
前記気液分離手段によって分離した気体のみを凝縮して得られた水を回収する回収手段と、を備え、
前記回収手段によって回収した水を前記発電セルの発電のために利用することを特徴とする。
前記発電セルによって生成された気体と液体から、気体のみと、一部の気体を含む液体とに分離する気液分離手段と、
前記気液分離手段によって分離した気体のみを凝縮して得られた水を回収する回収手段と、を備え、
前記回収手段によって回収した水を前記発電セルの発電のために利用することを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の発電装置において、
前記燃料が供給されて前記燃料の改質反応を起こすことによって改質ガスを生成し、前記改質ガスを前記発電セルに供給する改質器を備え、
前記回収手段によって回収した水を、前記改質器における改質ガスの生成又は前記発電セルの加湿の少なくとも一方に利用す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、
前記気液分離手段を保温又は加熱することを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項３に記載の発電装置において、
前記気液分離手段を、前記発電セルの発熱を利用して保温又は加熱することを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電装置において、
前記気液分離手段によって分離された一部の気体を含む液体を、前記発電セルの加湿に利用することを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項２に記載の発電装置において、
前記気液分離手段によって分離された気体のみから前記回収手段によって回収した水と、
前記気液分離手段によって分離された一部の気体を含む液体から回収された水とを用途に応じて使い分けることを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項６に記載の発電装置において、
前記気液分離手段によって分離された気体のみから前記回収手段によって回収した水を前記改質器における改質ガスの生成に利用し、
前記気液分離手段によって分離された一部の気体を含む液体から回収された水を前記発電セルの加湿に利用することを特徴とする。
請求項８の発明は、電子機器において、
請求項１〜７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。
前記燃料が供給されて前記燃料の改質反応を起こすことによって改質ガスを生成し、前記改質ガスを前記発電セルに供給する改質器を備え、
前記回収手段によって回収した水を、前記改質器における改質ガスの生成又は前記発電セルの加湿の少なくとも一方に利用す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、
前記気液分離手段を保温又は加熱することを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項３に記載の発電装置において、
前記気液分離手段を、前記発電セルの発熱を利用して保温又は加熱することを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電装置において、
前記気液分離手段によって分離された一部の気体を含む液体を、前記発電セルの加湿に利用することを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項２に記載の発電装置において、
前記気液分離手段によって分離された気体のみから前記回収手段によって回収した水と、
前記気液分離手段によって分離された一部の気体を含む液体から回収された水とを用途に応じて使い分けることを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項６に記載の発電装置において、
前記気液分離手段によって分離された気体のみから前記回収手段によって回収した水を前記改質器における改質ガスの生成に利用し、
前記気液分離手段によって分離された一部の気体を含む液体から回収された水を前記発電セルの加湿に利用することを特徴とする。
請求項８の発明は、電子機器において、
請求項１〜７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、発電セルで生成された液体が混在した排気から、触媒やカーボン、硫酸基などの不純物を含まない純水を簡単に得ることができ、これを再利用して良好な改質反応を行うことができる。
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。
［第一の実施の形態］
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等を備えている。
［第一の実施の形態］
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等を備えている。
（燃料容器）
図２(a)は燃料容器１を上面から見た際の透視図、(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。
図２(a)は燃料容器１を上面から見た際の透視図、(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。
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の透過させない液体遮断性を有するとともに、その膜の表面に接触される気体に対してその膜の厚み方向へ透過させる気体透過性を有する。気液分離膜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を閉塞した気液分離膜８は開口部６３に収まっている。
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、燃料排出管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。
燃料容器１において、燃料貯留部４内の燃料４９は、燃料排出管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水及び気体は気液分離膜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２１１と、化学反応式（１）に示すように気化器２１１から供給された燃料ガスを改質して改質ガスを生成する改質器２１２と、改質器２１２を加熱して化学反応式（１）の反応を良好に行うために必要な温度に設定する触媒燃焼器２１３と、化学反応式（１）についで逐次的に起こる化学反応式（２）によって微量に副成される一酸化炭素ＣＯを、化学反応式（３）に示すように酸化させて除去する一酸化炭素除去器２１４とを備えている。また、気化器２１１、触媒燃焼器２１３及び一酸化炭素除去器２１４を加熱する電気ヒータとして機能するとともにこれらの温度を測定する温度計としても機能するヒータ兼温度計（図示しない）とを備えている。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ２・・・（１）
Ｈ２＋ＣＯ２→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ・・・（２）
ＣＯ＋1/2Ｏ２→ＣＯ２・・・（３）
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２１１と、化学反応式（１）に示すように気化器２１１から供給された燃料ガスを改質して改質ガスを生成する改質器２１２と、改質器２１２を加熱して化学反応式（１）の反応を良好に行うために必要な温度に設定する触媒燃焼器２１３と、化学反応式（１）についで逐次的に起こる化学反応式（２）によって微量に副成される一酸化炭素ＣＯを、化学反応式（３）に示すように酸化させて除去する一酸化炭素除去器２１４とを備えている。また、気化器２１１、触媒燃焼器２１３及び一酸化炭素除去器２１４を加熱する電気ヒータとして機能するとともにこれらの温度を測定する温度計としても機能するヒータ兼温度計（図示しない）とを備えている。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ２・・・（１）
Ｈ２＋ＣＯ２→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ・・・（２）
ＣＯ＋1/2Ｏ２→ＣＯ２・・・（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。
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、アノードの触媒微粒子の作用を受けて水素イオンと電子とに分離する。水素イオンは固体高分子電解質膜を通じてカソードに伝導し、電子はアノードにより電気エネルギー（発電電力）として取り出される。カソードにおいては、電気化学反応式（５）に示すように、カソードに移動した電子と、空気中の酸素と、固体高分子電解質膜を通過した水素イオンとが反応して水が生成される。
そして、アノードで未反応の水素を含むオフガスは触媒燃焼器２１３に送られ、カソードで生成された水や未反応の空気は生成物として、気液分離器２５０に送られるようになっている。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−・・・（４）
２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ・・・（５）
発電セル２２０の周囲には気液分離器２５０が設けられている。
発電セル２２０は、触媒微粒子を担持したアノードと、触媒微粒子を担持したカソードと、アノードとカソードとの間に介在されたフィルム状の固体高分子電解質膜とセパレーターをユニット化した燃料電池である。発電セル２２０のアノードには、一酸化炭素除去器２１４を通った改質ガスが供給され、発電セル２２０のカソードには、後述の空気ポンプＰ２によって外部から空気が供給される。アノードにおいては、改質ガス中の水素が、電気化学反応式（４）に示すように、アノードの触媒微粒子の作用を受けて水素イオンと電子とに分離する。水素イオンは固体高分子電解質膜を通じてカソードに伝導し、電子はアノードにより電気エネルギー（発電電力）として取り出される。カソードにおいては、電気化学反応式（５）に示すように、カソードに移動した電子と、空気中の酸素と、固体高分子電解質膜を通過した水素イオンとが反応して水が生成される。
そして、アノードで未反応の水素を含むオフガスは触媒燃焼器２１３に送られ、カソードで生成された水や未反応の空気は生成物として、気液分離器２５０に送られるようになっている。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−・・・（４）
２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ・・・（５）
発電セル２２０の周囲には気液分離器２５０が設けられている。
（気液分離器）
図３(a)は気液分離器２５０を上面から見た際の透視図、(b)は気液分離器２５０を正面から見た際の透視図、図４は発電セル２２０と気液分離器２５０の概略側面図である。
気液分離器２５０は、内部空間が形成された分離器本体２５１と、分離器本体２５１の内部に取り付けられた気液分離膜２５２と、を備える。そして、気液分離膜２５２によって発電セル２２０のカソードで生成された生成物（水）と排気を気体と液体とに分離する。気液分離膜２５２で分離された水蒸気を含む気体は、後述する水回収器２６０へと送られ、気液分離膜２５２で分離された液体及び一部の気体は、燃料容器１へと送られるようになっている。
分離器本体２５１は全体として箱状を成しており、分離器本体２５１の内側に空間が形成されている。分離器本体２５１の内側には、気液分離膜２５２が分離器本体２５１の上下面に対して水平となるように固定されており、気液分離膜２５２によって分離器本体２５１の内部空間が上下に区画されている。内部空間のうち、気液分離膜２５２によって区画された下側の空間２５１aには気液分離膜２５２を通過しない液体と一部の気体が貯留され、上側の空間２５１bには気液分離膜２５２を通過した気体が流通するようになっている。
また、下側の空間２５１aには発電セル２２０のカソードから排出された液体及び気体が導入される気液導入管２５６が連結され、この気液導入管２５６は分離器本体２５１の空間を形成する右側の内壁を貫通して分離器本体２５１の上面において開口している。そして、この気液導入管２５６の開口端部が発電セル２２０のカソードに繋がっている。
さらに、分離器本体２５１の底面には下側の空間２５１aに貯留された液体及び一部の気体が外部に排出される排出口２５３a，２５３bが左右に二箇所形成されており、分離器本体２５１の上面には上側の空間２５１bを流通する気体が外部に排出される排出口２５４a，２５４bが左右に二箇所形成されている。これら排出口２５３a，２５３b，２５４a，２５４bは先端部が上側又は下側を向くように円錐状に形成されている。
なお、気液分離膜２５２としては、上述した燃料容器１に設けられた気液分離膜８と同様のものを使用することができる。
このような気液分離器２５０は、図４に示すように、その側面を発電セル２２０に接触して設けられており、発電セル２２０の発熱により気液分離器２５０が保温又は加熱されるようになっている。また、気液分離器２５０の発電セル２２０と反対側の側面には流路基板２５５が設けられている。
図３(a)は気液分離器２５０を上面から見た際の透視図、(b)は気液分離器２５０を正面から見た際の透視図、図４は発電セル２２０と気液分離器２５０の概略側面図である。
気液分離器２５０は、内部空間が形成された分離器本体２５１と、分離器本体２５１の内部に取り付けられた気液分離膜２５２と、を備える。そして、気液分離膜２５２によって発電セル２２０のカソードで生成された生成物（水）と排気を気体と液体とに分離する。気液分離膜２５２で分離された水蒸気を含む気体は、後述する水回収器２６０へと送られ、気液分離膜２５２で分離された液体及び一部の気体は、燃料容器１へと送られるようになっている。
分離器本体２５１は全体として箱状を成しており、分離器本体２５１の内側に空間が形成されている。分離器本体２５１の内側には、気液分離膜２５２が分離器本体２５１の上下面に対して水平となるように固定されており、気液分離膜２５２によって分離器本体２５１の内部空間が上下に区画されている。内部空間のうち、気液分離膜２５２によって区画された下側の空間２５１aには気液分離膜２５２を通過しない液体と一部の気体が貯留され、上側の空間２５１bには気液分離膜２５２を通過した気体が流通するようになっている。
また、下側の空間２５１aには発電セル２２０のカソードから排出された液体及び気体が導入される気液導入管２５６が連結され、この気液導入管２５６は分離器本体２５１の空間を形成する右側の内壁を貫通して分離器本体２５１の上面において開口している。そして、この気液導入管２５６の開口端部が発電セル２２０のカソードに繋がっている。
さらに、分離器本体２５１の底面には下側の空間２５１aに貯留された液体及び一部の気体が外部に排出される排出口２５３a，２５３bが左右に二箇所形成されており、分離器本体２５１の上面には上側の空間２５１bを流通する気体が外部に排出される排出口２５４a，２５４bが左右に二箇所形成されている。これら排出口２５３a，２５３b，２５４a，２５４bは先端部が上側又は下側を向くように円錐状に形成されている。
なお、気液分離膜２５２としては、上述した燃料容器１に設けられた気液分離膜８と同様のものを使用することができる。
このような気液分離器２５０は、図４に示すように、その側面を発電セル２２０に接触して設けられており、発電セル２２０の発熱により気液分離器２５０が保温又は加熱されるようになっている。また、気液分離器２５０の発電セル２２０と反対側の側面には流路基板２５５が設けられている。
（水回収器）
図５(a)は水回収器２６０を上面から見た際の透視図、(b)は水回収器２６０を左側面から見た際の透視図、(c)は水回収器２６０を右側面から見た際の透視図、(d)は水回収器２６０を正面から見た際の 透視図である。図６(a)は冷却器２６１の上面図、(b)は切断線VI−VIに沿って切断した際の矢視断面図である。
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。そして、気液分離器２５０で分離された気体のみを冷却器２６１で凝縮させ、凝縮された液体が純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、後述するが水タンク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。
図５(a)は水回収器２６０を上面から見た際の透視図、(b)は水回収器２６０を左側面から見た際の透視図、(c)は水回収器２６０を右側面から見た際の透視図、(d)は水回収器２６０を正面から見た際の 透視図である。図６(a)は冷却器２６１の上面図、(b)は切断線VI−VIに沿って切断した際の矢視断面図である。
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。そして、気液分離器２５０で分離された気体のみを冷却器２６１で凝縮させ、凝縮された液体が純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、後述するが水タンク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。
水タンク２６３は全体として箱状をなしており、水タンク２６３の内側に空間が形成されている。水タンク２６３の内側には、気液分離膜２６２が水タンク２６３の上下面に対して水平となるように固定されており、気液分離膜２６２によって水タンク２６３の内部空間が上下に区画されている。内部空間のうち、気液分離膜２６２によって区画された下側の空間２６３aには気液分離膜２６２を通過しない液体である純水が貯留され、上側の空間２６３bには気液分離膜２６２を通過した水蒸気を含む気体が流通するようになっている。
また、水タンク２６３の右側の内壁には気液分離器２５０から送り込まれた気体を冷却器２６１に導入する気体導入管２６６が埋設されている。この気体導入管２６６は、水タンク２６３の底面及び上面に開口しており、気体導入管２６６の上端開口は水タンク２６３の上面に設けられた冷却器２６１の冷却流路２６９に連通し、下端開口は気液分離器２５０に連結されている。
また、下側の空間２６３aには冷却器２６１で冷却された気体及び液体が導入される気液導入管２６５が連結され、この気液導入管２６５は水タンク２６３の下側の空間２６３aを形成する右側の内壁を貫通して水タンク２６３の上面において開口し、冷却器２６１の冷却流路２６９と連通している。
さらに、下側の空間２６３aには、回収された液体を外部に排出する二つの液体排出管２６４a，２６４bが左右にそれぞれ連結され、これら液体排出管２６４a，２６４bは水タンク２６３の下側の空間２６３aを形成する左右の内壁をそれぞれ貫通して水タンク２６３の底面において開口し、後述の第一の水ポンプＰ３や第二の水ポンプＰ４に連結されている。
また、水タンク２６３の上側の空間２６３bには、気液分離膜２６２で分離された気体を外部に排出する気体排出管２６７が連結され、この気体排出管２６７は水タンク２６３の左側の内壁を貫通して水タンク２６３の底面において開口し、後述の第二のバルブＶ２に連結されている。
なお、気液分離膜２６２としては、上述した燃料容器１に設けられた気液分離膜８と同様のものを使用することができる。
さらに、下側の空間２６３aで気液分離膜２６２の下面には、水タンク２６３の側面に水位検出器２６８が設けられている。水位検出器２６８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、水タンク２６３の右側の内壁には気液分離器２５０から送り込まれた気体を冷却器２６１に導入する気体導入管２６６が埋設されている。この気体導入管２６６は、水タンク２６３の底面及び上面に開口しており、気体導入管２６６の上端開口は水タンク２６３の上面に設けられた冷却器２６１の冷却流路２６９に連通し、下端開口は気液分離器２５０に連結されている。
また、下側の空間２６３aには冷却器２６１で冷却された気体及び液体が導入される気液導入管２６５が連結され、この気液導入管２６５は水タンク２６３の下側の空間２６３aを形成する右側の内壁を貫通して水タンク２６３の上面において開口し、冷却器２６１の冷却流路２６９と連通している。
さらに、下側の空間２６３aには、回収された液体を外部に排出する二つの液体排出管２６４a，２６４bが左右にそれぞれ連結され、これら液体排出管２６４a，２６４bは水タンク２６３の下側の空間２６３aを形成する左右の内壁をそれぞれ貫通して水タンク２６３の底面において開口し、後述の第一の水ポンプＰ３や第二の水ポンプＰ４に連結されている。
また、水タンク２６３の上側の空間２６３bには、気液分離膜２６２で分離された気体を外部に排出する気体排出管２６７が連結され、この気体排出管２６７は水タンク２６３の左側の内壁を貫通して水タンク２６３の底面において開口し、後述の第二のバルブＶ２に連結されている。
なお、気液分離膜２６２としては、上述した燃料容器１に設けられた気液分離膜８と同様のものを使用することができる。
さらに、下側の空間２６３aで気液分離膜２６２の下面には、水タンク２６３の側面に水位検出器２６８が設けられている。水位検出器２６８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。
冷却器２６１は、図５に示すように、水タンク２６３の外側上面に取り付けられており、金属板２７０からなる。
金属板２７０の熱伝導率は水タンク２６３の熱伝導率よりも高く、金属板２７０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２７０には、燃料容器１に備えられた金属板８と同様に、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、その熱伝導率が高ければ、樹脂からなるものでも良い。
金属板２７０の熱伝導率は水タンク２６３の熱伝導率よりも高く、金属板２７０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２７０には、燃料容器１に備えられた金属板８と同様に、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、その熱伝導率が高ければ、樹脂からなるものでも良い。
金属板２７０の下面であって水タンク２６３の外側上面に対向する面には、気体を水タンク２６３の下側の空間２６３aに流入させる冷却流路２６９が冷却溝部２７１として凹設されている。冷却流路２６９は、金属板２７０の長手方向における一方の側面の右端部から長手方向における他方の側面の右端部にかけて葛折り状に蛇行した形状を成している。
冷却溝部２７１の一端部２７１aは気体導入管２６６に連結されている。また、冷却溝部２７１の他端部２７１bも気液導入管２６５に連結されている。
金属板２７０はその下面を水タンク２６３の上面に対向させた状態で、水タンク２６３の上面に貼着され、これによって冷却溝部２７１である冷却流路２６９が水タンク２６３の上面によって蓋をされる。そして、冷却流路２６９の一端部２６９aが気体導入管２６６の上端部に連通し、冷却流路２６９の他端部２６９bが気液導入管２６５の上端部に連通している。
なお、金属板２７０と、水タンク２６３とは、発電セル２２０の筐体２２３に、筐体２２３側から順に金属板２７０、水タンク２６３の順に重ねられてネジＮにより締結されている。
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するようになっている。
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するようになっている。
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に送られて再利用されるようになっている。
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するようになっている。
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するようになっている。
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に送られて再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、気液分離器２５０にも接続され、また、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、燃料電池停止時や燃料容器取り外し時等に第二のバルブ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、水蒸気を含む気体、オフガス等）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。
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。
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、第一の水ポンプＰ３及び第二の水ポンプＰ４がドライバＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４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、第一の水ポンプＰ３及び第二の水ポンプＰ４に制御信号を送信し、燃料ポンプＰ１、空気ポンプＰ２、第一の水ポンプＰ３及び第二の水ポンプＰ４の各ポンピング動作（送出量の調整を含む。）を制御するようになっている。
また、制御部２３０には、第一〜第六のバルブ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〜第四の流量計Ｆ４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、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、触媒燃焼器２１３及び一酸化炭素除去器２１４の各反応器の温度を検出することができるようになっている。電気ヒータは、反応装置２１０の起動時に気化器２１１、触媒燃焼器２１３及び一酸化炭素除去器２１４を加熱し、触媒燃焼器２１３が安定して加熱できるようになったら、停止あるいは熱量を低減させてもよい。
また、制御部２３０には、燃料残量センサ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。
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２次電池２４１が接続されている。そして、例えば発電セル２２０で得た余剰の電気エネルギーを蓄え、発電セル２２０での電気エネルギーが不足している場合に発電セル２２０の補助として外部電子機器に電力を供給できるようになっている。制御部２３０や、各ドライバ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２次電池２４１の出力の一部によって電気的に駆動され、発電セル２２０の出力が定常状態になったら、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０を介して発電セル２２０の出力の一部によって電気的に駆動される。
さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０には２次電池２４１が接続されている。そして、例えば発電セル２２０で得た余剰の電気エネルギーを蓄え、発電セル２２０での電気エネルギーが不足している場合に発電セル２２０の補助として外部電子機器に電力を供給できるようになっている。制御部２３０や、各ドライバ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２次電池２４１の出力の一部によって電気的に駆動され、発電セル２２０の出力が定常状態になったら、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０を介して発電セル２２０の出力の一部によって電気的に駆動される。
上記構成を具備する発電装置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。
発電装置３００が作動し、制御部２３０がドライバＤ２１を介して電気ヒータを発熱させる。ここで、発電装置３００の作動は、外部電子機器から通信用端子、通信用電極を介して制御部２３０に作動信号が入力されることによって開始する。
発電装置３００が作動し、制御部２３０がドライバＤ２１を介して電気ヒータを発熱させる。ここで、発電装置３００の作動は、外部電子機器から通信用端子、通信用電極を介して制御部２３０に作動信号が入力されることによって開始する。
発電装置３００の作動中、制御部２３０は、各電気ヒータからフィードバックされた温度のデータに基づき、各電気ヒータが所定温度になるように温度制御を行う。
燃料ポンプＰ１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に水が送られる。
空気ポンプＰ２を作動させて、外気の空気が第三のバルブＶ３を介して触媒燃焼器２１３に送られ、第四のバルブＶ４を介して一酸化炭素除去器２１４に送られる。また、空気ポンプＰ２の作動により、外気の空気が第二の加湿器２２２に送られる。ここで、制御部２３０は、各流量計Ｆ１〜Ｆ３からフィードバックされた流量のデータに基づき、所定の流量となるように各バルブＶ１〜Ｖ４を制御する。
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に水が送られる。
空気ポンプＰ２を作動させて、外気の空気が第三のバルブＶ３を介して触媒燃焼器２１３に送られ、第四のバルブＶ４を介して一酸化炭素除去器２１４に送られる。また、空気ポンプＰ２の作動により、外気の空気が第二の加湿器２２２に送られる。ここで、制御部２３０は、各流量計Ｆ１〜Ｆ３からフィードバックされた流量のデータに基づき、所定の流量となるように各バルブＶ１〜Ｖ４を制御する。
気化器２１１では、供給された燃料が加熱されて気化（蒸発）し、メタノール及び水（水蒸気）の混合気となって改質器２１２に供給される。
改質器２１２では、気化器２１１から供給された混合気中のメタノールと水蒸気が触媒により反応して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混合気が一酸化炭素除去器２１４に供給される。
改質器２１２では、気化器２１１から供給された混合気中のメタノールと水蒸気が触媒により反応して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混合気が一酸化炭素除去器２１４に供給される。
一酸化炭素除去器２１４では、改質器２１２から供給された改質ガス中の一酸化炭素と、第四のバルブＶ４から供給された空気に含まれる酸素とが反応して二酸化炭素が生成される（上記化学反応式（３）参照）。
このように、反応装置２１０の気化器２１１、改質器２１２及び一酸化炭素除去器２１４を経た燃料から水素と二酸化炭素が生成される。反応装置２１０で生成された改質ガス（水素及び二酸化炭素等）は、第一の加湿器２２１に供給される。第一の加湿器２２１は、中空糸膜の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。
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。
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、気液分離器２５０に送られる。そして、気液分離膜２５２を通過しない液体及び一部の気体は、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。その後、冷却流路６１で凝縮されて液体となった水は液体回収空間２１で回収され、液体とならなかった気体は気液分離膜８を介して燃料容器１外へ放出される。
一方、気液分離器２５０の気液分離膜２５２を通過した気体は水回収器２６０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側に開放し循環し、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で回収された純水及び加湿器２２１，２２２から水タンク２６３に回収された純水は、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へと送られて再利用される。
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、気液分離器２５０に送られる。そして、気液分離膜２５２を通過しない液体及び一部の気体は、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。その後、冷却流路６１で凝縮されて液体となった水は液体回収空間２１で回収され、液体とならなかった気体は気液分離膜８を介して燃料容器１外へ放出される。
一方、気液分離器２５０の気液分離膜２５２を通過した気体は水回収器２６０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側に開放し循環し、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で回収された純水及び加湿器２２１，２２２から水タンク２６３に回収された純水は、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によって直流電流の所定電圧に変換され、外部電子機器に供給されるとともに二次電池２４１にも充電される。外部電子機器は、供給された電気エネルギーにより動作する。
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７(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７(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７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。
図７(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７(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７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。
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、発電セル２２０と、気液分離器２５０と、水回収器２６０とを備え、発電セル２２０のカソード側で生成された液体が混在した排気のうち、気液分離器２５０の気液分離膜２５２によって分離された気体のみを水回収器２６０によって回収し、さらに冷却器２６１で凝縮することによって、触媒やカーボン、硫酸基などの不純物を含まない純水を得ることができる。そして、このような不純物を含まない純水を発電セル２２０の発電のために改質反応に利用するので、良好な改質反応を行うことができる。また、この純水を加湿器２２１，２２２でも再利用するので、加湿器２２１，２２２に新たに供給する水の量を減らすことができる。
一方、触媒やカーボン、硫酸基などの不純物を含む液体は、燃料容器１に設けられた金属板８により凝縮されて、回収された後、燃料容器１の交換とともに廃棄される。
さらに、気液分離器２５０を発電セル２２０に密着させて、発電セル２２０の発熱を利用して保温又は加熱するので、気体及び純水の回収率を向上させることができる。また、発電セル２２０の結露を防止することができる。
一方、触媒やカーボン、硫酸基などの不純物を含む液体は、燃料容器１に設けられた金属板８により凝縮されて、回収された後、燃料容器１の交換とともに廃棄される。
さらに、気液分離器２５０を発電セル２２０に密着させて、発電セル２２０の発熱を利用して保温又は加熱するので、気体及び純水の回収率を向上させることができる。また、発電セル２２０の結露を防止することができる。
なお、上記実施の形態では、気液分離器２５０を発電セル２２０に密着させることにより温度を維持し、純水の回収率を向上させていたが、例えば図８に示すように発電セルの外周を電気ヒータ兼温度計で覆うことにより気液分離器の保温又は加熱を行っても良いし、図示しないが発電セルからの風を気液分離器の周囲に循環させることにより保温又は加熱を行っても良い。この場合、気液分離器の配置や設計の自由度を向上させることができる。
また、例えば図９に示すように、発電セルで生成された液体状の水と一部水蒸気も発電セルに供給する空気の加湿のために再利用するように第三の加湿器をさらに追加しても良い。このように発電セルで生成された液体状の水と一部の水蒸気を再利用することにより、気液分離器に送り込まれる液体及び気体の量が減少するとともに、第一及び第二の加湿器に別途供給する水の量も減少するので、気液分離器及び水回収器の小型化を図ることができる。また、液体の量と気体の量が減るので圧損が減り、空気ポンプの電力低減と小型化が図れるほか、循環水の量も減るため水ポンプの小型化にも役立つ。
また、例えば図９に示すように、発電セルで生成された液体状の水と一部水蒸気も発電セルに供給する空気の加湿のために再利用するように第三の加湿器をさらに追加しても良い。このように発電セルで生成された液体状の水と一部の水蒸気を再利用することにより、気液分離器に送り込まれる液体及び気体の量が減少するとともに、第一及び第二の加湿器に別途供給する水の量も減少するので、気液分離器及び水回収器の小型化を図ることができる。また、液体の量と気体の量が減るので圧損が減り、空気ポンプの電力低減と小型化が図れるほか、循環水の量も減るため水ポンプの小型化にも役立つ。
さらに、上記実施の形態では水回収器２６０の冷却器２６１としてアルミニウム等の金属板２７０に冷却溝部２７１を設けて、それを発電セル２２０の筐体２２５に密着することにより冷却していたが、筐体２２５内に空気の流れがある場合や、ファンなどで冷却している場合には、図１０に示すような金属板２７０Ａの外側上面にフィン２７３Ａを設けた構造や、図１１に示すように水タンク２６３Ｂの外側上面にパイプ２７５Ｂを蛇行させて設け、パイプ２７５Ｂの長手方向に対して交差する方向から空気を流すことによって冷却させる構造としても良い。このように図１０や図１１の構造とすることによって熱交換が良く小型化することができる。なお、図１０において図６と同様の構成部分については同様の数字に英字Ａを付しており、図１１において図５と同様の構成部分については同様の数字に英字Ｂを付している。
また、図１１に示すように、水タンク２６３Ｂの下側の空間２６３aＢを吸水性のある繊維２７６Ｂで満たし、なおかつ底面に、水タンク２６３Ｂ外に水を排出させる液体ポンプ２７７Ｂを設置しても良い。このような構成することによって、少々の傾きや振動を伴う移動中の使用においても問題なく動作させることができる。
また、図１１に示すように、水タンク２６３Ｂの下側の空間２６３aＢを吸水性のある繊維２７６Ｂで満たし、なおかつ底面に、水タンク２６３Ｂ外に水を排出させる液体ポンプ２７７Ｂを設置しても良い。このような構成することによって、少々の傾きや振動を伴う移動中の使用においても問題なく動作させることができる。
［第二の実施の形態］
図１２は、発電装置３００Ｃの概略構成を示したブロック図である。
第二の実施の形態の発電装置３００Ｃは、第一の実施の形態の発電装置３００と異なり、燃料容器１Ｃの気液分離膜８Ｃで分離された液体を、第三の水ポンプＰ５を介して第一及び第二の加湿器２２１Ｃ，２２２Ｃ用の水として再利用する構成となっている。
また、第一の実施の形態とは異なり、第二の加湿器２２２Ｃから排出された水は、水タンク２６３Ｃには送られることなく、第二のバルブＶ２を介して燃料容器１へと送り込まれるようになっている。
さらに、水回収器２６０Ｃの水タンク２６３Ｃに回収された純水は、反応装置２００Ｃの改質反応用として利用し、余剰の純水は第二の水ポンプＰ４５を介して燃料容器１Ｃ側へと送り込まれる。そして、燃料容器１Ｃへと送り込まれた純水は、上述のように第一及び第二の加湿器２２１Ｃ，２２２Ｃ用の水として再利用される。
その他、発電装置３００Ｃの構成は、第一の実施の形態の発電装置３００と同様の構成であるため、同様の構成部分には同様の数字に英字Ｃを付してその説明を省略する。
図１２は、発電装置３００Ｃの概略構成を示したブロック図である。
第二の実施の形態の発電装置３００Ｃは、第一の実施の形態の発電装置３００と異なり、燃料容器１Ｃの気液分離膜８Ｃで分離された液体を、第三の水ポンプＰ５を介して第一及び第二の加湿器２２１Ｃ，２２２Ｃ用の水として再利用する構成となっている。
また、第一の実施の形態とは異なり、第二の加湿器２２２Ｃから排出された水は、水タンク２６３Ｃには送られることなく、第二のバルブＶ２を介して燃料容器１へと送り込まれるようになっている。
さらに、水回収器２６０Ｃの水タンク２６３Ｃに回収された純水は、反応装置２００Ｃの改質反応用として利用し、余剰の純水は第二の水ポンプＰ４５を介して燃料容器１Ｃ側へと送り込まれる。そして、燃料容器１Ｃへと送り込まれた純水は、上述のように第一及び第二の加湿器２２１Ｃ，２２２Ｃ用の水として再利用される。
その他、発電装置３００Ｃの構成は、第一の実施の形態の発電装置３００と同様の構成であるため、同様の構成部分には同様の数字に英字Ｃを付してその説明を省略する。
以上の発電装置３００Ｃによれば、発電セル２２０Ｃと、気液分離器２５０Ｃと、水回収器２６０Ｃとを備え、発電セル２２０Ｃのカソード側で生成された液体が混在した排気のうち、気液分離器２５０Ｃの気液分離膜２５２Ｃによって分離された気体のみを水回収器２６０Ｃによって回収し、さらに冷却器２６１Ｃで凝縮して不純物が除去された純水を改質反応に利用するので、良好な改質反応を行うことができる。また、余剰の純水を加湿器２２１Ｃ，２２２Ｃでも再利用する。
一方、触媒やカーボン、硫酸基などの不純物を含む液体は、燃料容器１に設けられた金属板８により凝縮されて、回収された後、さらに加湿器２２１Ｃ，２２２Ｃに送られて加湿に利用するので、純水の使用量が減り、第一の実施の形態の場合よりも、水回収器２６０Ｃをより小型化することができる。
一方、触媒やカーボン、硫酸基などの不純物を含む液体は、燃料容器１に設けられた金属板８により凝縮されて、回収された後、さらに加湿器２２１Ｃ，２２２Ｃに送られて加湿に利用するので、純水の使用量が減り、第一の実施の形態の場合よりも、水回収器２６０Ｃをより小型化することができる。
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
２１２，２１２Ｃ 改質器
２２０，２２０Ｃ 発電セル
２５０，２５０Ｃ 気液分離器（気液分離手段）
２６０，２６０Ｃ 水回収器（回収手段）
３００，３００Ｃ 発電装置
４００ 電子機器
４０１ 電子機器本体
２２０，２２０Ｃ 発電セル
２５０，２５０Ｃ 気液分離器（気液分離手段）
２６０，２６０Ｃ 水回収器（回収手段）
３００，３００Ｃ 発電装置
４００ 電子機器
４０１ 電子機器本体
Claims (8)
- 燃料を用いて発電を行う発電セルと、
前記発電セルによって生成された気体と液体から、気体のみと、一部の気体を含む液体とに分離する気液分離手段と、
前記気液分離手段によって分離した気体のみを凝縮して得られた水を回収する回収手段と、を備え、
前記回収手段によって回収した水を前記発電セルの発電のために利用することを特徴とする発電装置。 - 前記燃料が供給されて前記燃料の改質反応を起こすことによって改質ガスを生成し、前記改質ガスを前記発電セルに供給する改質器を備え、
前記回収手段によって回収した水を、前記改質器における改質ガスの生成又は前記発電セルの加湿の少なくとも一方に利用することを特徴とする請求項１に記載の発電装置。 - 前記気液分離手段を保温又は加熱することを特徴とする請求項１又は２に記載の発電装置。
- 前記気液分離手段を、前記発電セルの発熱を利用して保温又は加熱することを特徴とする請求項３に記載の発電装置。
- 前記気液分離手段によって分離された一部の気体を含む液体を、前記発電セルの加湿に利用することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電装置。
- 前記気液分離手段によって分離された気体のみから前記回収手段によって回収した水と、
前記気液分離手段によって分離された一部の気体を含む液体から回収された水とを用途に応じて使い分けることを特徴とする請求項２に記載の発電装置。 - 前記気液分離手段によって分離された気体のみから前記回収手段によって回収した水を、前記改質器における改質ガスの生成に利用し、
前記気液分離手段によって分離された一部の気体を含む液体から回収された水を、前記発電セルの加湿に利用することを特徴とする請求項６に記載の発電装置。 - 請求項１〜７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。
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- 2008-02-25 JP JP2008042692A patent/JP2009199984A/ja active Pending
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