JP5051049B2

JP5051049B2 - 電源システム

Info

Publication number: JP5051049B2
Application number: JP2008199205A
Authority: JP
Inventors: 雅治塩谷
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2008-08-01
Filing date: 2008-08-01
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2021-01-24
Also published as: JP2009021253A

Description

本発明は、電源システムに関し、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関する。

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。

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。

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。
特に、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又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。

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。

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。

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電源システムを小型軽量化して、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、様々な問題を解決する必要がある。

具体的には、燃料電池等においては、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、該反応に伴って、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（Ｈ_２Ｏ）であり、その他に、二酸化炭素（ＣＯ_２）、二酸化窒素（ＮＯ_２）等も生成されることがある。

ここで、ポータブル電源として燃料電池を適用する場合にあっては、生成された水（又は、水分）を外部に排出したり、あるいは、漏出が生じたりすると、燃料電池が接続、又は、装着された機器本体や周辺機器（以下、「デバイス」と総称する）において、漏電や電気部品の劣化、接触不良等を生じるという問題を有していた。また、二酸化炭素や二酸化窒素等についても、微量ながらも外部に排出することにより、地球温暖化等の環境への悪影響を及ぼすという問題を有していた。

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑み、燃料電池等の電源システムをポータブル電源に適用する場合に、電気エネルギーの発生時に生成される副生成物によるデバイスや自然環境への影響を極力抑制した電源システムを提供することを目的とする。

本発明に係る電源システムは、発電用燃料が封入された所定の容積を有する燃料封入部と、該封入部が着脱可能に構成され、かつ、前記燃料封入部から供給される前記発電用燃料を用いて電気エネルギーを発生する発電モジュールと、を備える電源システムであって、前記発電モジュールは、少なくとも前記燃料から水素を生成する改質部と、前記水素から発電する燃料電池と、前記電気エネルギーを発生する際に前記改質部及び前記燃料電池から生成される副生成物のうち、少なくとも特定の成分を分離、回収する分離回収手段と、を有し、少なくとも前記分離回収手段により回収された前記特定の成分を、前記燃料封入部内に保持する保持手段と、を備えたことを特徴としている。

すなわち、燃料封入部（燃料パック）に充填、封入された液体又は気体からなる発電用燃料（又は、該発電用燃料から供給される特定の燃料成分）を用いて発電を行う発電モジュール（発電器）を備えたポータブル型の電源システムにおいて、発電モジュールにより電気エネルギーを発生する際に生成される副生成物、例えば、二酸化炭素（ＣＯ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）、硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）、酸素（Ｏ_２）等のうち、少なくとも１成分が燃料封入部内に設けられた保持手段に保持される。

これにより、副生成物が燃料封入部内に保持されて、電源システム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。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とともに、燃料封入部に保持された副生成物を自然環境に負担を与えない方法で適切に処理することができるので、副生成物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、上記発電モジュールは、前記発電用燃料が直接的又は間接的に供給される燃料極と、空気中の酸素が供給される空気極と、を備え、燃料極及び空気極における電気化学反応により、電気エネルギーを発生する発電手段を有するように構成されているものであってもよく、さらに、発電用燃料が直接的又は間接的に供給され、該発電用燃料の燃焼反応に基づいて、電気エネルギーを発生する発電手段を有するように構成されているものであってもよい。

すなわち、発電モジュール（発電手段）における電気エネルギーの発生方法（発電方法）は、発電用燃料を用いた電気化学反応によるもの、例えば、発電手段を構成する燃料極（カソード）に供給される発電用燃料（水素）と、空気極（アノード）に供給される酸素による電気化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池を良好に適用することができるし、発電用燃料を用いた燃焼反応によるもの、例えば、ガス燃焼型タービン発電器やゼーベック効果を利用した温度差発電器によるものを良好に適用することもできる。

この場合、上記発電モジュールは、電気エネルギーが供給される負荷の駆動状態に応じて、発電手段への発電用燃料の供給量を制御して、電気エネルギーの発生量を制御するように構成されているものであってもよい。
これにより、汎用の化学電池に比較して、極めてエネルギー利用効率の高い燃料電池やガス燃焼型タービン発電器等の発電手段を適用して、かつ、発電手段に供給される発電用燃料の量を調整制御することにより、負荷の駆動状態に応じた適切な電気エネルギーを発生、出力することができるので、電気エネルギーの効率的な発生（発電）を行うことができ、化石燃料等のエネルギー資源の消費量を削減して有効な利用を図ることができる。

また、上記発電モジュールは、発電用燃料及び分離回収手段により分離、回収された特定の成分を用いて、電気エネルギーを発生するように構成された発電手段を有するものであってもよく、特に、上記特定の成分は、少なくとも、電気化学反応又は燃焼反応により生成される水であってもよい。

これにより、副生成物のうち、特定の成分、例えば、水（Ｈ_２Ｏ）を発電用燃料の水蒸気改質反応や燃料電池のイオン交換膜の保水に適用したり、酸素ガス（Ｏ_２）を電気化学反応における反応ガスとして供給したり、あるいは、燃焼反応における酸素ガスリッチの燃料として供給するようにして、発電手段における電気エネルギーの発生（発電）の際に、直接的又は間接的に適用（再利用）することができ、さらに、副生成物の特定の成分を回収する保持手段を小型にすることができる。また、水（Ｈ_２Ｏ）等の副生成物が、電源システムの外部に排出されることなく、燃料封入部内に設けられた保持手段に保持されるので、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。

また、上記分離回収手段により分離、回収され、保持手段に保持される特定の成分は、少なくとも、電気化学反応又は前記燃焼反応により生成される地球温暖化物質であってもよい。
これにより、二酸化炭素（ＣＯ_２）や窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）、硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）等の地球温暖化物質と目される副生成物が、電源システムの外部に排出されることなく、燃料封入部内に設けられた保持手段に保持されるので、発電用燃料の使用後、燃料封入部のみを取り外して回収することにより、自然環境に負担を与えない処理方法により、上記地球温暖化物質を適切に処理することができ、自然環境の汚染や地球温暖化を抑制することができる。

ここで、上記燃料封入部は、少なくとも自然界において自然を構成する１乃至複数の物質へ変換可能な分解性を示す材料により構成されているものであってもよい。
すなわち、上記発電手段における電気エネルギーの発生に伴って生成される副生成物を保持した燃料封入部が、自然界において生分解性や光分解性等の分解性を示す高分子材料（プラスチック）等により構成されている。

これにより、上記水（Ｈ_２Ｏ）や酸素ガス（Ｏ_２）等の副生成物が保持された状態の燃料封入部や、上記二酸化炭素（ＣＯ_２）や窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）、硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）等の副生成物が適切に処理された後の燃料封入部が、仮に自然界に投棄又は埋め立て処理された場合であっても、元来自然界を構成する１乃至複数の物質に分解され、自然界に有害な物質を排出することなく、また、長期にわたって自然の美観を損ねることがないので、自然環境への負担を大幅に軽減することができる。

さらに、上記燃料封入部は、発電用燃料が封入された第１の空間と、保持手段により特定の成分が保持される第２の空間とを有し、第２の空間に保持される特定の成分の量に応じて、第１の空間に封入された発電用燃料を所定の圧力で押圧するように構成されていてもよい。

これにより、発電手段において電気エネルギーを発生する際に生成される副生成物のうち、特定の成分が分離、回収されて保持手段に保持され、かつ、燃料封入部は所定（一定）の容積を有しているので、該保持された特定の成分の量に応じた所定の圧力で発電用燃料を押し出すことができ、発電手段への発電用燃料の供給を適切に行うことができる。

加えて、上記燃料封入部又は発電モジュールの少なくともいずれか一方は、燃料封入部及び発電モジュールが結合された状態で、燃料封入部に封入された発電用燃料が発電モジュールに供給されるとともに、分離回収手段により分離、回収された特定の成分が保持手段に保持されるように構成されているものであってもよい。

すなわち、発電モジュールに燃料封入部が結合された状態においてのみ、燃料封入部の封密が解かれて（破れて）、第１の空間から発電用燃料が発電モジュールに供給され、電気エネルギーが発生される。また、上記結合状態においてのみ、発電モジュールにおける電気エネルギーの発生に際して生成された副生成物（特定の成分）が保持手段に供給されて第２の空間に保持される。
これにより、燃料封入部及び発電モジュールの結合が解除された状態では、燃料封入部から発電用燃料及び特定の成分が漏出することがないので、安全かつ簡易に燃料封入部を交換して、燃料の供給及び副生成物の回収を行うことができる。

なお、本発明に係る電源システムは、発電モジュールにより発生される電気エネルギーが、各種汎用の化学電池のうちの１種と同等の電気的特性を示すように構成され、さらに、燃料封入部及び発電モジュールを組み合わせた物理的外形形状が、汎用の化学電池のうちの１種の形状及び寸法と同等に構成されているものであってもよく、これによれば、電気的特性及び外形形状において、汎用の化学電池との互換性を有することになるので、極めてエネルギー変換効率の高い電源システムを既存の電池の市場に支障なく普及させることができる。

本発明によれば、燃料封入部（燃料パック）に充填、封入された液体又は気体からなる発電用燃料（又は、該発電用燃料から供給される特定の燃料成分）を用いて発電を行う発電モジュール（発電器）を備えたポータブル型の電源システムにおいて、発電モジュールにより電気エネルギーを発生する際に生成される副生成物、例えば、二酸化炭素（ＣＯ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）、硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）、酸素（Ｏ_２）等のうち、少なくとも１成分が燃料封入部内に設けられた保持手段に保持される。

これにより、副生成物が燃料封入部内に保持されて、電源システム外部への排出又は漏出が抑制されるので、副生成物による周辺機器の動作不良や劣化等を防止することができる。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とともに、燃料封入部に保持された副生成物を自然環境に負担を与えない方法で適切に処理することができるので、副生成物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、上記発電モジュールは、発電用燃料及び分離回収手段により分離、回収された特定の成分を用いて、電気エネルギーを発生する発電手段を有するように構成されているものであってもよく、特に、上記特定の成分は、少なくとも、電気化学反応又は燃焼反応により生成される水であってもよい。

これにより、副生成物のうち、特定の成分、例えば、水（Ｈ_２Ｏ）を発電用燃料の水蒸気改質反応や燃料電池のイオン交換膜の保水に適用したり、酸素ガス（Ｏ_２）を電気化学反応における反応ガスとして供給したり、あるいは、燃焼反応における酸素ガスリッチの燃料として供給するようにして、発電手段における電気エネルギーの発生（発電）の際に、直接的又は間接的に適用（再利用）することができ、さらに、副生成物の特定の成分を回収する保持手段を小型にすることができる。また、水（Ｈ_２Ｏ）等の副生成物が、電源システムの外部に排出されることなく、燃料封入部内に設けられた保持手段に保持されるので、副生成物による周辺機器の動作不良や劣化等を防止することができる。

さらに、上記燃料封入部は、発電用燃料が封入された第１の空間と、保持手段により特定の成分が保持される第２の空間とを有し、第２の空間に保持される特定の成分の量に応じて、第１の空間に封入された発電用燃料を所定の圧力で押圧するように構成されていてもよい。
これにより、発電手段において電気エネルギーを発生する際に生成される副生成物のうち、特定の成分が分離、回収されて保持手段に保持され、かつ、燃料封入部は所定（一定）の容積を有しているので、該保持された特定の成分の量に応じた所定の圧力で発電用燃料が押し出されるので、発電手段への発電用燃料の供給を適切に行うことができる。

以下、本発明に係る電池システムの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明に係る電源システムの第１の実施形態を示すブロック図である。ここで、本実施形態に係る電源システムにおいては、発電モジュールを構成する発電部の例として、燃料改質方式を採用した固体高分子型の燃料電池を有しているものとして説明する。

本実施形態に係る電源システムは、図１に示すように、大別して、発電用燃料が封入された燃料パック１０（燃料封入部）と、該燃料パック１０が着脱可能に結合され、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（発電）する発電モジュール２０と、を有して構成され、燃料パック１０には回収保持部１１（保持手段）が設けられ、また、発電モジュール２０には発電部２１（発電手段）、動作制御部２２、出力制御部２３、分離回収部２４（分離回収手段）が設けられている。

以下、各構成について、具体的に説明する。
（Ａ）燃料パック１０
燃料パック１０は、その組成に水素を含有する液体（又は、液化）燃料又は気体燃料が、充填、封入された密閉性の高い一定容積の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成を有している。燃料パック１０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、出力制御部２３を介して、発電部２１により負荷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。

また、燃料パック１０の内部、又は、その一部に、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、排出される副生成物のうち、分離回収部２４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ための回収保持部１１が設けられている。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１０の発電部２１における電気化学反応や燃焼反応等により電気エネルギーが発生する際に生成される水（Ｈ_２Ｏ）や窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）、硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）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、回収保持部１１（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に構成されている。

ここで、水（Ｈ_２Ｏ）は常温常圧下で液体であるので、回収保持部１１内及び燃料パック１０の気圧を高めて液化するための手段は特に必要はないが、電気エネルギーを発生する際に生成される恐れのある窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）及び硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）の気化点は、常圧で概ね常温未満であり、これらの副生成物ガスの量が多く、回収保持部１１内で回収した水に溶けきれない分が回収保持部１１の容積を越える恐れがある場合、回収保持部１１内及び分離回収部２４内の気圧を高くすることにより液化して副生成物の体積を縮小して回収保持部１１に収容させる。

したがって、回収保持部１１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、吸収ポリマーや逆止弁等を備えていることが好ましい。なお、燃料パック１０及び回収保持部１１の具体的な構成例及び作用については、後述する。

また、燃料パック１０は、人為的な加熱・焼却処理や薬品・化学処理等を行った場合であっても、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。

また、本実施形態に係る電源システム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の主発電部２１Ａにおいて、高いエネルギー変換効率で電気エネルギーを生成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燃料や、ジメチルエーテル、イソブタン、天然ガス（ＣＮＧ）等の炭化水素物からなる液化ガス、水素ガス等の気体燃料を良好に適用することができる。

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、本実施形態に係る電源システムにおいて電気エネルギーを発生する際に生成される副生成物が、燃料パック１０内に設けられた回収保持部１１に不可逆的に保持されるので、仮に、自然環境や、電源システムが接続又は装着されるデバイスに対して有害な副生成物（ＮＯ_Ｘ、ＳＯ_Ｘ、Ｈ_２Ｏ等）が生成された場合であっても、該副生成物が電源システム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、デバイスの漏電や電気部品の劣化、接触不良等の発生を抑制することができる。

また、燃料パック１０を発電モジュール２０に対して、着脱可能に構成することにより、封入された発電用燃料の残量が減少、又は、なくなった場合には、燃料パック１０への発電用燃料の補充や燃料パック１０の再利用（リサイクル）を行うことができるので、燃料パック１０や発電モジュール２０の廃棄量を大幅に削減することができる。ここで、単一の発電モジュール２０に対して、新たな燃料パックを交換して取り付けることができるので、汎用の化学電池と同様に、簡便な使用形態を提供することができる。
また、発電用燃料がなくなった燃料パック１０を回収することにより、回収保持部１１に保持された副生成物を自然環境に負担を与えない方法で適切に処理することができるので、副生成物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。

（Ｂ）発電モジュール２０
図２は、本実施形態に係る電源システムに適用される発電モジュールの一実施形態の要部構成を示すブロック図であり、図３は、本実施形態に係る発電モジュールに適用される発電部の第１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、燃料パック１０から供給される発電用燃料を用いて、電気化学反応や燃焼反応等により、少なくとも、電源システムに接続された負荷（図示を省略）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する発電部２１と、負荷の駆動状態（負荷駆動情報）に基づいて、動作制御信号を出力して、発電部２１の動作状態を制御する動作制御部２２と、動作制御部２２からの動作制御信号に基づいて、発電部２１における起動動作や電気エネルギーの発生量（発電量）等の発電状態を制御する出力制御部２３と、発電部２１における電気エネルギーの発生の際に生成される副生成物のうち、特定の成分又は物質を分離して、当該特定の成分又は物質のみを燃料パック１０内に設けられた回収保持部１１に不可逆的に回収、保持させる分離回収部２４と、を有して構成されている。

動作制御部２２は、発電モジュール２０の内部で生成、あるいは、発電モジュール２０の外部から供給される電気エネルギー（動作電源）により動作し、本実施形態に係る電源システムに接続された負荷（図示を省略）の駆動状態に関する情報（負荷駆動情報）に基づいて、後述する発電部２１の発電状態を制御する。具体的には、発電部２１が駆動していない状態で、負荷を起動する指令を検出した場合には、後述する出力制御部２３に対して、発電部２１を起動させるための動作制御信号を出力し、また、発電部２１が駆動している状態で、負荷を停止する指令を検出した場合には、出力制御部２３に対して、発電部２１を停止させるための動作制御信号を出力する。

一方、発電部２１が駆動している状態で、負荷の駆動状態の変動を検出した場合には、出力制御部２３に対して、発電部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、発電部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出力する。

ここで、動作制御部２２において検出される指令等の負荷の駆動状態に関する情報（負荷駆動情報）とは、負荷となる周辺機器側から、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（＋）極及び負（−）極を介して、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、負荷の起動状態を検出し、また、後述する定常状態において、正（＋）極及び負（−）極を介して、負荷に供給される駆動電源となる電気エネルギー（特に、駆動電圧）の変動を常時監視することにより、負荷の変動状態を検出するものであってもよい。

出力制御部２３は、図２に示すように、上記動作制御部２２からの動作制御信号に基づいて、発電部２１を駆動状態に移行（起動）する制御を行う起動部２３ａと、発電部２１への発電用燃料（水素ガス）の供給量を制御する燃料制御部２３ｂと、発電部２１への空気（酸素ガス）の供給量を制御する空気制御部２３ｃと、発電用燃料を改質して、発電用燃料に含有される水素をガス化して供給する改質部２３ｄと、を有して構成されている。

ここで、起動部２３ａは、発電部２１が駆動していない状態で、動作制御部２２から発電部２１を起動させるための動作制御信号を受け取ると、少なくとも、燃料制御部２３ｂ及び空気制御部２３ｃ（燃料制御部２３ｂのみの場合もある）を制御して、発電部２１に水素ガス（Ｈ_２）及び酸素ガス（Ｏ_２）を供給することにより、発電部２１を起動させて、所定の電気エネルギーを発生する動作状態（定常状態）に移行させる。

また、発電部２１が駆動している状態で、動作制御部２２から発電部２１を停止させるための動作制御信号を受け取ると、少なくとも、燃料制御部２３ｂ（燃料制御部２３ｂ及び空気制御部２３ｃの場合もある）を制御して、発電部２１への水素ガス（Ｈ_２）の供給を停止することにより、発電部２１における電気エネルギーの発生（発電）を停止させて、待機状態に移行させる。

燃料制御部２３ｂは、起動部２３ａを介して、動作制御部２２から出力される動作制御信号に基づいて、発電部２１において、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（Ｈ_２）となる分の燃料や水等を燃料パック１０から供給して、改質部２３ｄにより水素ガス（Ｈ_２）に改質して、後述する発電部２１（図３参照）の燃料極３１に供給する制御を行い、また、空気制御部２３ｃは、発電部２１（図３参照）の空気極３２に供給する酸素ガス（Ｏ_２）の量を制御する。これらの制御部２３ｂ、２３ｃによる発電部２１への水素ガス（Ｈ_２）及び酸素ガス（Ｏ_２）の供給量を調整することにより、発電部（燃料電池本体）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。

ここで、空気制御部２３ｃは、発電部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、発電部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、出力制御部２３は、電気化学反応の進行状態を燃料制御部２３ｂのみで制御し、空気制御部２３ｃの代わりに通気孔を設け、発電部２１における電気化学反応に用いられる最低限以上の量の空気が通気孔を介して、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。

また、改質部２３ｄは、上述したように、燃料パック１０に封入された発電用燃料に含まれる水素成分を抽出してガス化し、発電部２１に供給する。具体的には、燃料パック１０内の発電用燃料は、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）の他に、メタノールと等モルの水（Ｈ_２Ｏ）が混合され、メタノールと均一に混合された状態で燃料パック１０から出力制御部２３に供給され、これらのメタノール等の水素を含む液体燃料（アルコール類）と水との混合物が、次の化学反応式（１）に示すように、水蒸気改質反応を引き起こして、水素ガス（Ｈ_２）を生成する。なお、この改質反応により生成される水素以外の微量の生成物（主に、ＣＯ_２）は、大気中に排出される。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ３Ｈ_２＋ＣＯ_２・・・（１）

また、発電部２１は、図３に示すように、大別して、例えば、白金や白金・ルテニウム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、上述した改質部２３ｄを介して抽出された水素ガス（Ｈ_２）が供給され、一方、空気極３２には大気中の酸素ガス（Ｏ_２）が供給されることにより、電気化学反応により発電が行われ、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。

具体的には、燃料極３１に水素ガス（Ｈ_２）が供給されると、次の化学反応式（２）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側に通過するとともに、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に供給される。
３Ｈ_２ → ６Ｈ＋＋６ｅ⁻ ・・・（２）

一方、空気極３２に空気が供給されると、次の化学反応式（３）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（Ｏ_２）が反応して水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。
６Ｈ^＋＋３／２Ｏ_２＋６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ・・・（３）
このような一連の電気化学反応（（２）式及び（３）式）は、概ね６０〜８０℃の比較的低温の環境下で進行する。なお、上記化学反応式（１）〜（３）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、硫黄成分から合成される窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）、硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）が生じることがある。

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、発電部２１の燃料極３１に供給される水素ガス（Ｈ_２）の量に依存する。したがって、燃料制御部２３ｂによって、発電部２１の燃料極３１に供給される水素ガス（Ｈ_２）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整することができる。

そして、分離回収部２４は、上述した出力制御部２３及び発電部２１において、電気エネルギーを発生するための一連の化学反応に伴って生成される副生成物のうち、少なくとも１種類又はそれ以上の、特定の成分又は物質を分離して、上記燃料パック１０に設けられた回収保持部１１に送出する。

具体的には、本実施形態に係る電源システムにおいては、出力制御部２３の改質部２３ｄにおける水蒸気改質反応（化学反応式（１））に伴って、水素ガスとともに生成される二酸化炭素（ＣＯ_２）、及び、発電部２１における電気化学反応（化学反応式（２）、（３））に伴って、電気エネルギーの発生とともに生成される水（Ｈ_２Ｏ）が、改質部２３ｄ及び発電部２１から排出されるが、二酸化炭素（ＣＯ_２）は極めて微量であり、デバイスへの影響もほとんどないため、非回収物質として電源システム外に排出され、一方、水（Ｈ_２Ｏ）等が分離回収部２４により回収されて回収保持部１１に送出され、不可逆的に保持される。

ここで、発電部２１における電気化学反応（化学反応式（２）、（３））は、概ね６０〜９０℃程度で進行するため、発電部２１において生成される水（Ｈ_２Ｏ）は、ほぼ水蒸気（気体）の状態で排出される。そこで、分離回収部２４は、例えば、発電部２１から排出される水蒸気を冷却することにより、あるいは、圧力を加えることにより、水（Ｈ_２Ｏ）の成分のみを液化して、他の成分から分離、回収する。

なお、本実施形態においては、発電用燃料としてメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）を適用した場合を示したので、電気エネルギーの発生に伴う副生成物は、大半が水（Ｈ_２Ｏ）であって、微量の二酸化炭素（ＣＯ_２）を電源システム外に排出する態様を採用することにより、分離回収部２４における特定の成分又は物質（すなわち、水）の分離、回収を比較的簡易な構成により実現することができるが、発電用燃料として他の物質を適用した場合には、水（Ｈ_２Ｏ）とともに比較的大量の二酸化炭素（ＣＯ_２）等が生成される場合もある。

このような場合には、分離回収部２４により、例えば、水（Ｈ_２Ｏ）と、その他の大量に生成される特定の成分又は物質（二酸化炭素）を分離した後、燃料パック１０に設けた単一又は複数の回収保持部１１に、合一又は個別に保持するように構成してもよい。

このように、本実施形態に係る電源システムによれば、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される副生成物、例えば、二酸化炭素（ＣＯ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）等のうち、少なくとも１成分が燃料パック１０内に設けられた回収保持部１１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、電源システム外部への排出又は漏出が抑制されるので、副生成物（水）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とともに、燃料封入部に保持された副生成物を自然環境に負担を与えない方法で適切に処理することができるので、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（ＮＯ_Ｘ）、硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）についても、水（Ｈ_２Ｏ）とは別の回収保持部１１に回収するようにしてもよい。

また、本実施形態に係る電源システムにおいては、電源システムに接続される負荷（デバイス）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うことができるので、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を提供することができる。

さらに、本実施形態に係る電源システムにおいては、後述するように、本実施形態に係る電源システム（発電モジュール）を、半導体製造技術を適用して小型軽量化し、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、燃料電池を用いた電源システム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。

次に、本実施形態に係る燃料パックの具体的な構成と、燃料パックと回収保持部との関係について、図面を参照して説明する。
図４は、本実施形態に係る燃料パックと回収保持部との関係を示す概略図である。

図４（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空間１２Ａ（第１の空間）と、分離回収部２４から送出される水等の副生成物（特定の成分又は物質）が保持される空間１２Ｂ（第２の空間）と、後述するように、空間１２Ｂの容積を相対的に可変し、空間１２Ｂを空間１２Ａから隔絶する回収袋１３と、空間１２Ａに封入された発電用燃料を燃料制御部２３ｂに供給する燃料供給弁１４Ａと、分離回収部２４から送出される副生成物を空間１２Ｂに取り込むための副生成物取込弁１４Ｂと、を有して構成されている。

ここで、燃料供給弁１４Ａ及び副生成物取込弁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、副生成物の取り込み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が発電モジュール２０から取り外された状態においては、空間１２Ａに封入された発電用燃料及び空間１２Ｂ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、副生成物取込弁１４Ｂに逆止弁の機能を設ける替わりに、空間１２Ｂに吸収（吸水）ポリマー等を充填した構成を有するものであってもよい。

このような構成を有する燃料パック１０において、空間１２Ａに封入された発電用燃料が燃料供給弁１４Ａを介して発電モジュール２０（発電部２１）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、上記分離回収部２４により電気エネルギーの発生に伴って生成された副生成物のうち、特定の成分又は物質（例えば、水）のみが回収されて、副生成物取込弁１４Ｂを介して空間１２Ｂに取込、保持される。

これにより、空間１２Ａ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、空間１２Ｂ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、空間１２Ｂに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空間１２Ｂの容積を制御することができる。

したがって、空間１２Ａと１２Ｂ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）動作に伴って、単に、相対的に増減するだけでなく、空間１２Ｂに保持された副生成物の量に応じて、図４（ｂ）に示すように、所定の圧力で回収袋１３を押圧することにより、空間１２Ａに封入された発電用燃料に圧力が印加されることがなるので、発電モジュール２０への発電用燃料の供給を適切に行うことができ、図４（ｃ）に示すように、空間１２Ｂに保持される副生成物により、空間１２Ａ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。

ここで、上記（１）式〜（３）式により、１molのメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）及び１molの水（Ｈ_２Ｏ）に対して、３molの割合で水（Ｈ_２Ｏ）が生成されるが、液体の状態で１molのメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）は、４０．５６ｃｍ^３程度であるのに対して、１molの水（Ｈ_２Ｏ）は、１８．０２ｃｍ^３程度であるので、燃料パック１０の空間１２Ａに初期状態で封入されたメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）をＭｃｍ^３とすると、空間１２Ａは水を含めて１．４４４Ｍｃｍ^３の容積となる。

そして、すべてのメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）が反応すると、副生成物の水（Ｈ_２Ｏ）は１．３３３Ｍｃｍ^３となり、初期状態の液体燃料（メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）と水（Ｈ_２Ｏ）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、副生成物が生成されるにしたがって、燃料パック１０の空間１２Ａ内の発電用燃料の容積と空間１２Ｂ内の副生成物の容積と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１２Ｂを大きく設ける必要がないので、初期状態で燃料パック１０内のほとんどに液体燃料を充填することができる。

次に、本実施形態に係る発電モジュールに適用される発電部の他の構成例について、図面を参照して説明する。
図５は、本実施形態に係る発電モジュールに適用される発電部の第２の構成例を示す概略構成図である。ここでは、必要に応じて、上述した電源システムの構成（図１乃至図３）を参照しながら説明する。

上述した第１の構成例（図３）においては、発電モジュール２０に適用される発電部２１として、燃料改質方式を利用した固体高分子型の燃料電池を示して説明したが、第２の構成例においては、発電部の例として、燃料直接供給方式を採用した固体高分子型の燃料電池の構成を有している。

図５に示すように、第２の構成例に係る発電部２１Ｘは、所定の触媒微粒子が付着した炭素電極からなる燃料極４１と、所定の触媒微粒子が付着した炭素電極からなる空気極４２と、燃料極４１と空気極４２の間に介装されたイオン導電膜４３と、を有して構成されている。ここで、燃料極４１には、第１の構成例に示したような改質部２３ｄを介すことなく、燃料パック１０に封入された発電用燃料（例えば、メタノール等のアルコール類）が直接供給され、一方、空気極４２には大気中の酸素ガス（Ｏ_２）が供給される。

この発電部（燃料電池）２１Ｘにおける電気化学反応は、具体的には、燃料極４１に発電用燃料であるメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）が直接供給されると、次の化学反応式（４）に示すように、触媒反応により電子（ｅ⁻）が分離して水素イオン（プロトン；Ｈ^＋）が発生し、イオン導電膜４３を介して空気極４２側に通過するとともに、燃料極４１を構成する炭素電極により電子（ｅ⁻）が取り出されて負荷４４に供給される。なお、この触媒反応により生成される水素以外の微量の生成物（主に、ＣＯ_２）は、燃料極４１側から大気中に排出される。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ６Ｈ^＋＋６ｅ⁻＋ＣＯ_２・・・（４）

一方、空気極４２には空気が供給されることにより、上述した化学反応式（３）と同様に、触媒により負荷４４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（Ｏ_２）が反応して水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。
なお、このような一連の電気化学反応（（４）式及び（３）式）は、概ね室温程度の比較的低温の環境下で進行する。

このような構成を有する発電部２１Ｘによれば、上述した燃料改質型の燃料電池を備えた発電モジュールに比較して、改質部を必要としないので、装置構成を極めて簡素化して小型化することができるとともに、継続的に電気化学反応により電気エネルギーを発生することができるので、常時電気エネルギーを生成、供給する必要がある構成、例えば、携帯電話等のように常時待機電力を必要とする機器に良好に適用することができる。

次に、本実施形態に係る発電モジュールに適用される発電部のさらに他の構成例について、図面を参照して説明する。
図６は、本実施形態に係る電源システムに適用される発電モジュールの他の実施形態の要部構成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、同一の符号を付して、その説明を省略する。
また、図７は、本実施形態に係る発電モジュールに適用される発電部の第３の構成例を示す概略構成図であり、図８は、本実施形態に係る発電モジュールに適用される発電部の第４の構成例を示す概略構成図である。

上述した実施形態においては、発電部２１、２１Ｘとして、燃料電池を適用した構成を示したため、図２に示したように、起動部２３ａにより燃料制御部２３ｂを制御して、発電部２１、２１Ｘへの発電用燃料の供給を制御することにより、発電部２１の動作状態を制御することができるが、本構成例に係る内燃機関型や外燃機関型等の発電部を適用する場合には、図６に示すように、起動部２３ａにより燃料制御部２３ｂに加えて、発電部２１をも起動／停止（燃焼起動／停止）させる制御を行うものであってもよい。

図７（ａ）、（ｂ）に示すように、第３の構成例に係る発電部２１Ｙは、複数の羽根が円周に沿って配列され、自在に回転する可動羽根５２ａと、可動羽根５２ａの回転中心に直結された発電器５５と、可動羽根５２ａの外周側に複数の羽根が配列された固定羽根５２ｂと、可動羽根５２ａと固定羽根５２ｂとからなるガスタービン５２への気化された発電用燃料（燃料ガス）の供給を制御する吸気制御部５３と、燃焼後の排気ガスの排出を制御する排気制御部５４と、を有して構成されている。ここで、ガスタービン５２、吸気制御部５３及び排気制御部５４からなる発電部２１Ｙの構成は、半導体製造技術を適用することにより、例えば、単一のシリコンチップ５１上に微細化して形成することができる。

このような発電部２１Ｙにおいて、吸気制御部５３を介してガスタービン５２の燃焼室に燃料ガスを取り込み、所定のタイミングで該燃料ガスを点火、燃焼することにより、燃焼室の圧力が上昇して力学エネルギーに変換されて、可動羽根５２ａを回転させて発電器５５を駆動し、電気エネルギーを発生する。そして、燃焼後の排気ガスは、排気制御部５４により所定のタイミングで排出される。ここで、発電部２１Ｙの起動動作は、図６に示したように、上述した起動部２３ａにより燃料ガスの供給動作とともに制御され、また、燃料ガスの吸気、点火動作、排気ガスの排出動作は、所定の動作電源に基づいて動作する吸気制御部５３、ガスタービン５２、排気制御部５４により制御される。

すなわち、本構成例における発電モジュールは、上述した各構成例に示したような燃料電池に替えて、燃料ガスの燃焼反応により生じる熱膨張（圧力差）に基づく力学エネルギーにより発電器を回転させて電気エネルギーを生成するガス燃焼型タービン発電器を備えた構成を有している。この場合、発電部２１Ｙにおける電気エネルギーの発生に伴って、二酸化炭素（ＣＯ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）、硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）等の副生成物が大量に生成される。

したがって、本構成例における発電モジュールを適用した電源システムにおいても、発電モジュール２０に設けられた分離回収部２４により、発電部２１Ｙにおける電気エネルギーの発生に伴って生成される副生成物のうち、少なくとも１種以上の特定の成分又は物質が分離、回収されて、燃料パック１０に設けられた回収保持部１１に不可逆的に保持される。

これにより、特に、地球温暖化物質や大気汚染物質と目される特定の成分又は物質、具体的には、二酸化炭素（ＣＯ_２）、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）、硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）等を回収、保持することにより、これらの成分又は物質が電源システムの外部に排出することが防止、抑制されるので、燃料封入部に保持された副生成物を自然環境に負担を与えない方法で適切に処理することにより、副生成物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、デバイスに影響を及ぼす水（Ｈ_２Ｏ）等の特定の成分又は物質を回収、保持することにより、これらの成分又は物質が電源システムの外部に排出することが防止、抑制されるので、デバイスの動作不良や劣化等を防止することができる。

また、本構成例における発電モジュールを適用した電源システムにおいても、上述した電源システムと同様に、出力制御部２３により、ガスタービン５２の起動、停止、及び、燃料ガスの供給量を調整することにより、負荷の駆動状態に応じた適切な電気エネルギーを生成、供給することができるので、発電用燃料を効率的に消費することができ、エネルギーの利用効率が高い電源システムを提供することができる。

さらに、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、第４の構成例に係る発電部２１Ｚは、燃料ガスを触媒燃焼させて熱を発生させる触媒燃焼器６１と、概ね一定の温度を保持する定温部６２と、触媒燃焼器６１を第１の温度端、定温部６２を第２の温度端として、第１及び第２の温度端間に生じた温度差により、ゼーベック効果に基づく熱電子を放出させて電気エネルギーを生成する温度差発電器６３と、を有して構成されている。ここで、触媒燃焼器６１、定温部６２及び温度差発電器６３からなる発電部２１Ｚの構成は、上述した各構成例と同様に、半導体製造技術を適用することにより、微細化して形成することができる。

このような発電部２１Ｚにおいて、上述した出力制御部２３（燃料制御部２３ｂ）を介して触媒燃焼器６１に燃料ガスが供給されると、該燃料ガスが触媒燃焼反応により発熱して、触媒燃焼器６１の温度が上昇する。一方、定温部６２の温度はほぼ一定に設定されているので、触媒燃焼器６１と定温部６２との間には温度勾配（熱傾斜）が発生する。そして、この温度勾配により熱エネルギーが温度差発電器６３を移動することにより、ゼーベック効果に基づく熱電子が放出されて電気エネルギーが発生する。この場合においても、発電部２１Ｚにおける電気エネルギーの発生に伴って、二酸化炭素（ＣＯ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）、硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）等の副生成物が生成される。

したがって、本構成例における発電モジュールを適用した電源システムにおいても、上述した電源システムと同様に、発電モジュール２０に設けられた分離回収部２４により、発電部２１Ｚにおける電気エネルギーの発生に伴って生成される副生成物のうち、少なくとも１種以上の特定の成分又は物質が分離、回収されて、燃料パック１０に設けられた回収保持部１１に不可逆的に保持されるので、二酸化炭素（ＣＯ_２）、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）、硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）等の地球温暖化物質や大気汚染物質と目される特定の成分又は物質が電源システムの外部に排出することが防止、抑制され、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、本構成例における発電モジュールを適用した電源システムにおいても、上述した電源システムと同様に、出力制御部２３により、触媒燃焼器６１に供給される燃料ガスの供給量を調整することにより、温度差発電器６３に生じる温度差を制御して、負荷の駆動状態に応じた適切な電気エネルギーを生成、供給することができるので、発電用燃料を効率的に消費することができ、エネルギーの利用効率が高い電源システムを提供することができる。

なお、上述した各構成は、発電モジュール２０に適用される発電部の一例を示したに過ぎず、本発明に係る電源システムの構成を何ら限定するものではない。要するに、本発明に適用される発電部２１は、燃料パック１０に封入された液体燃料又は気体燃料が直接又は間接的に供給されることにより、発電部内部で電気化学反応や燃焼反応等により電気エネルギーを発生することができるものであれば、他の構成を有するものであってもよく、例えば、ガス燃焼タービンに替えて、ロータリーエンジンやスターリングエンジン、パルス燃焼エンジン等の内燃機関又は外燃機関（エンジン）と電磁誘導や圧電変換による発電器とを組み合わせたもの、熱音響効果による外力発生手段と電磁誘導や圧電変換による発電器とを組み合わせたもの、あるいは、電磁流体力学（ＭＨＤ）発電器等を良好に適用することができる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明に係る電源システムの第２の実施形態について、図面を参照して説明する。
図９は、本発明に係る電源システムの第２の実施形態を示すブロック図であり、図１０は、本実施形態に係る電源システムに適用される発電モジュールの一実施形態の要部構成を示すブロック図である。図１１は、本実施形態に係る電源システムに適用される発電モジュールの他の実施形態の要部構成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、同一の符号を付して、その説明を簡略化又は省略する。

本実施形態に係る電源システムは、図９に示すように、大別して、発電用燃料が封入された燃料パック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、燃料パック１０には回収保持部１１が設けられ、また、発電モジュール２０には主発電部２１Ａ（発電手段）、副発電部２１Ｂ、動作制御部２２、出力制御部２３、分離回収部２４が設けられている。

ここで、燃料パック１０は、上述した第１の実施形態（図１、図４参照）と同等の構成を有し、また、発電モジュール２０に設けられた主発電部２１Ａは、上述した第１の実施形態に示した発電部２１（図３、図５、図７、図８参照）と同等の構成を有しているので、その説明を省略する。ただし、上記化学反応式（１）〜（３）のように、化学反応に水が必要で、かつ、副生成物として水が生じる場合、後述するように、発電用燃料として液体燃料と等モルの水は必要なく、反応の初期に必要な量の水だけ含まれていればよい。なお、本実施形態においても、主発電部２１Ａとして、燃料改質方式を採用した固体高分子型の燃料電池を適用した場合について説明する。

発電モジュール２０に設けられた副発電部２１Ｂは、電源システムの外部からの燃料供給に依存することなく、電源システムの内部において、常時、所定の電気エネルギーを自立的に発生して、発電モジュール２０の各構成（本実施形態においては、動作制御部２２、出力制御部２３）に対して、動作電源（電圧／電流）となる電気エネルギーを供給する。

ここで、副発電部２１Ｂにおける電気エネルギーの発生方法は、例えば、上述した第１の実施形態に示した発電部２１と同様に、燃料パック１０から供給される発電用燃料を用いた電気化学反応や燃焼反応によるもの（図３、図５、図７、図８参照）を良好に適用することができるほか、燃料パック１０に封入された発電用燃料の充填圧力（又は、吐出圧力）を用いてタービン（発電器）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、また、発電モジュール内に、太陽電池や生物電池、振動発電器等を備え、これらにより電気エネルギーを発生するもの、さらには、上述した発電部２１と同等の構成を有する主発電部２１Ａにより生成され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）させるようにしたもの等であってもよい。

したがって、副発電部２１Ｂとして、燃料パック１０から供給される発電用燃料を用いて、電気化学反応や燃焼反応、力学的なエネルギー変換作用等により、電気エネルギーを発生する構成を適用する場合には、発電モジュール２０の各構成（動作制御部２２、出力制御部２３）に対する動作電源となる電気エネルギーを生成するために必要な最低限の量の発電用燃料が、燃料パック１０から副発電部２１Ｂに常時供給される。

また、動作制御部２２は、上述した副発電部２１Ｂから供給される電気エネルギー（動作電源）により動作し、上述した第１の実施形態と同様に、電源システムに接続された負荷の駆動状態に関する情報（負荷駆動情報）に基づいて、後述する主発電部２１Ａの発電状態を制御する。

出力制御部２３は、図１０に示すように、上述した第１の実施形態と同様に、上記動作制御部２２からの動作制御信号に基づいて、主発電部２１Ａを駆動状態に移行（起動）する制御を行う起動部２３ａと、主発電部２１Ａへの発電用燃料（水素ガス）の供給量を制御する燃料制御部２３ｂと、主発電部２１Ａへの空気（酸素ガス）の供給量を制御する空気制御部２３ｃと、発電用燃料を改質して、発電用燃料に含有される水素をガス化して供給する改質部２３ｄと、を有して構成されている。ここで、少なくとも、起動部２３ａ及び燃料制御部２３ｂには、副発電部２１Ｂからの電気エネルギーが動作電源として供給されている。

また、分離回収部２４は、出力制御部２３及び主発電部２１Ａ（さらに、副発電部２１Ｂを含むものであってもよい）において、電気エネルギーを発生するための一連の化学反応に伴って生成される副生成物のうち、少なくとも１種類又はそれ以上の、特定の成分又は物質を分離して、上記燃料パック１０に設けられた回収保持部１１に送出するとともに、該回収された特定の成分又は物質の一部を燃料制御部２３ｂに供給する。

具体的には、本実施形態においては、主発電部２１Ａとして、燃料改質方式を採用した固体高分子型の燃料電池を適用しているので、化学反応初期において、上述した第１の実施形態に示したものと同様に、改質部２３ｄにおける水蒸気改質反応（化学反応式（１））に伴って、燃料パック１０内に含まれた水（Ｈ_２Ｏ）及びメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）から二酸化炭素（ＣＯ_２）が生成され、また、主発電部２１Ａにおける電気化学反応（化学反応式（２）、（３））に伴って、水（Ｈ_２Ｏ）が生成されるが、これらの副生成物のうち、分離回収部２４により、例えば、水（Ｈ_２Ｏ）が回収されて回収保持部１１に送出され、不可逆的に保持される。そして、化学反応の初期を過ぎると、分離回収部２４により回収した水（Ｈ_２Ｏ）の一部が化学反応式（１）の左辺のＨ_２Ｏとして利用され、燃料制御部２３ｂを介して、改質部２３ｄにおける発電用燃料の水蒸気改質反応（化学反応式（１））や、水素ガス（Ｈ_２）の加湿に利用される。

なお、主発電部２１Ａにおける電気化学反応（化学反応式（２）、（３））において、空気極３２に供給された後、残存した酸素ガス（Ｏ_２）を上記副生成物として回収して、主発電部２１Ａ（又は、副発電部２１Ｂ）における電気化学反応に反応ガスとして再利用するようにしてもよい。

また、１molの水（Ｈ_２Ｏ）及び１molのメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）から３molの水（Ｈ_２Ｏ）が生成され、生成された水（Ｈ_２Ｏ）うち、１／３程度が化学反応式（１）の左辺のＨ_２Ｏとなるため、分離回収部２４から燃料制御部２３ｂに送出され、残り２／３程度が分離回収部２４から回収保持部１１に送出される。したがって、発電用燃料として液体燃料と等モルの水を必要としないため、燃料パック１０の容積当たりの液体燃料の充填率を高くすることができる。

このように、本実施形態に係る電源システムによれば、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される副生成物、例えば、二酸化炭素（ＣＯ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）等のうち、少なくとも１成分が燃料パック１０内に設けられた回収保持部１１に不可逆的に保持されて、電源システム外部への排出又は漏出が抑制されるとともに、回収された副生成物の一部が電気エネルギーの発生（発電）の際に、直接的又は間接的に再利用される。したがって、副生成物による自然環境やデバイスへの悪影響を抑制しつつ、副生成物循環型の電源システムを実現することができる。

なお、本実施形態においては、主発電部２１Ａとして、燃料電池を適用した構成を示したが、上述した各構成例に示したような内燃機関型や外燃機関型等の発電部（図７、図８）を適用する場合には、図１１に示すように、主発電部２１Ａにおける電気エネルギーの発生に伴って生成される二酸化炭素（ＣＯ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）、硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）、残存酸素ガス（Ｏ_２）等の副生成物のうち、少なくとも、１種以上の特定の成分又は物質を分離、回収して、燃料パック１０に設けられた回収保持部１１に不可逆的に保持することができるとともに、例えば、残存酸素ガス（Ｏ_２）を燃料制御部２３ｂに供給することにより、燃料パック１０から供給される発電用燃料を酸素ガスリッチの燃料に改質して、燃焼反応により電気エネルギーを発生する主発電部２１Ａに供給することができ、よりエネルギーの利用効率が高い電源システムを実現することができる。

次に、本発明に係る電源システムに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１２は、本発明に係る電源システム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１３は、本発明に係る電源システム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。

上述したような構成を有する電源システムにおいて、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１２に示すように、汎用の化学電池に多用されている円形電池７１、７２、７３や、特殊形状の電池（非円形電池）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、図５に示した発電モジュール２０の発電部２１、２１Ｘの燃料極３１、４１及び空気極３２、４２、図１２に示す各電池形状の正（＋）極及び負（−）極に各々対応するように、電気的に構成されている。

ここで、円形電池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、リチウム電池等に最も多用され、対応する機器も多いシリンダ型（円筒型：図１２（ａ））や、腕時計等に利用されるボタン型（図１２（ｂ））、カメラや電子手帳等に利用されるコイン型（図１２（ｃ））等の外形形状を有している。

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１２（ｄ））や、携帯音響機器や携帯電話等の小型薄型化に対応した角形（図１２（ｅ））、平型（図１２（ｆ））等の外形形状を有している。

なお、上述したように、本発明に係る電源システムに搭載される発電モジュール２０（発電部２１、主発電部２１Ａ、副発電部２１Ｂ、動作制御部２２、出力制御部２３、分離回収部２４）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。

したがって、本実施形態に係る電源システムにおいて、図１２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１３（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１３（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。

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電源システムを実現することができるので、既存の携帯機器等のデバイスに対して、汎用の化学電池と全く同様に、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。

なお、図１２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、本発明に係る電源システム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、将来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。

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、発電部２１又は主発電部２１Ａにより生成される電気エネルギー（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、本発明に係る電源システムから出力される電気エネルギー（駆動電圧）を、化学電池における経時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。

なお、上述した各実施の形態においては、化学反応により生成される窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）、硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）を回収する構成を示したが、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）や硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）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（ＮＯ_Ｘ）、硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）を無毒な物質に分解又は改質する触媒を設ければ、回収保持部１１に保持することなく、電源システムの外にそのまま排気するようにしてもよい。

この場合、燃料パック１０（回収保持部１１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、加水分解性、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と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。

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。

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、発電用燃料としてアルコールや炭化水素等の自然界において、元来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、自然環境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。

本発明に係る電源システムの第１の実施形態を示すブロック図である。第１の実施形態に係る電源システムに適用される発電モジュールの一実施形態の要部構成を示すブロック図である。第１の実施形態に係る発電モジュールに適用される発電部の第１の構成例を示す概略構成図である。第１の実施形態に係る燃料パックと回収保持部との関係を示す概略図である。第１の実施形態に係る発電モジュールに適用される発電部の第２の構成例を示す概略構成図である。第１の実施形態に係る電源システムに適用される発電モジュールの他の実施形態の要部構成を示すブロック図である。第１の実施形態に係る発電モジュールに適用される発電部の第３の構成例を示す概略構成図である。第１の実施形態に係る発電モジュールに適用される発電部の第４の構成例を示す概略構成図である。本発明に係る電源システムの第２の実施形態を示すブロック図である。第２の実施形態に係る電源システムに適用される発電モジュールの一実施形態の要部構成を示すブロック図である。第２の実施形態に係る電源システムに適用される発電モジュールの他の実施形態の要部構成を示すブロック図である。本発明に係る電源システム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。本発明に係る電源システム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。

符号の説明

１０、１０Ａ燃料パック
１１回収保持部
２０、２０Ａ発電モジュール
２１発電部
２１Ａ主発電部
２１Ｂ副発電部
２２動作制御部
２３出力制御部
２３ａ起動部
２３ｂ燃料制御部
２３ｃ空気制御部
２３ｄ改質部
２４分離回収部
３１、４１燃料極
３２、４２空気極
３３、４３イオン導電膜
３４、４４負荷

Claims

発電用燃料が封入された所定の容積を有する燃料封入部と、
該封入部が着脱可能に構成され、かつ、前記燃料封入部から供給される前記発電用燃料を用いて電気エネルギーを発生する発電モジュールと、
を備える電源システムであって、
前記発電モジュールは、少なくとも前記燃料から水素を生成する改質部と、前記水素から発電する燃料電池と、前記電気エネルギーを発生する際に前記改質部及び前記燃料電池から生成される副生成物のうち、少なくとも特定の成分を分離、回収する分離回収手段と、
を有し、
少なくとも前記分離回収手段により回収された前記特定の成分を、前記燃料封入部内に保持する保持手段を備えたことを特徴とする電源システム。
前記発電モジュールは、前記発電用燃料及び前記分離回収手段により分離、回収された前記特定の成分を用いて、前記電気エネルギーを発生する発電手段を有することを特徴とする請求項１記載の電源システム。
前記分離回収手段により分離、回収され、前記保持手段に保持される前記特定の成分は、少なくとも、前記発電モジュールで生成される水であることを特徴とする請求項１又は２記載の電源システム。
前記燃料封入部は、前記発電用燃料が封入された第１の空間と、前記保持手段により前記特定の成分が保持される第２の空間とを有し、
前記第２の空間に保持される前記特定の成分の量に応じて、前記第１の空間に封入された前記発電用燃料を所定の圧力で押圧することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電源システム。
前記燃料封入部又は前記発電モジュールの少なくともいずれか一方は、前記燃料封入部及び前記発電モジュールが結合された状態で、前記燃料封入部に封入された前記発電用燃料が前記発電モジュールに供給されるとともに、前記分離回収手段により分離、回収された前記特定の成分が前記保持手段に保持されるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電源システム。