(57)【要約】【課題】燃料電池や燃料改質器などへ供給される液体燃料の一部が気化し、気液二相流となって流量調整手段に流入する場合においても、燃料の供給流量を安定化させることが可能な小型の燃料供給システムを提供する。【解決手段】燃料供給システムは、燃料容器1と、燃料容器から燃料電池または燃料改質器までの間に設けられた燃料流路3a,3b,3cと、燃料流路を通流する燃料の流量を調整する流量調整手段4と、流量調整手段に流入する前にＰｆｕｅｌ（Ｔａ）＞Ｐｂｕｂｂｌｅ（Ｔｂ）の関係を満たすように燃料を冷却する冷却部19を有し、前記冷却部を通過した燃料を液相の単相流として前記流量調整手段に流入させる冷却手段14,14A,14B,14Cと、を具備する。但し、Ｐｆｕｅｌ（Ｔａ）は室温Ｔａにおける燃料容器の内圧、Ｐｂｕｂｂｌｅ（Ｔｂ）は冷却温度Ｔｂにおける液体燃料中の気化成分の飽和蒸気圧をそれぞれ示す。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を収容する燃料容器と、
前記燃料容器から燃料電池および燃料改質器の少なくとも一方までの間に設けられた燃料流路と、
前記燃料流路を通流する燃料の流量を調整する流量調整手段と、
前記流量調整手段に流入する前に下式を満たすように燃料を冷却する冷却部を有し、前記冷却部を通過した燃料を液相の単相流として前記流量調整手段に流入させる冷却手段と、
を具備することを特徴とする燃料電池用燃料供給システム。
Ｐｆｕｅｌ（Ｔａ）＞Ｐｂｕｂｂｌｅ（Ｔｂ）
但し、Ｐｆｕｅｌ（Ｔａ）は室温Ｔａにおける燃料容器の内圧、Ｐｂｕｂｂｌｅ（Ｔｂ）は冷却温度Ｔｂにおける液体燃料中の気化成分の飽和蒸気圧をそれぞれ示す。
【請求項２】
前記流量調整手段が流動抵抗の大きいオリフィス流路であることを特徴とする請求項１記載の燃料供給システム。
【請求項３】
前記オリフィス流路の出口側に設けられ、前記オリフィス流路を通過した燃料を断熱膨張させるとともに前記冷却部との間で熱交換させる断熱膨張部をさらに有することを特徴とする請求項２記載の燃料供給システム。
【請求項４】
放熱側が前記断熱膨張部に熱交換可能であり、吸熱側が前記冷却部に熱交換可能であるペルチェ素子と、
前記ペルチェ素子への給電を制御する制御部と、
をさらに有することを特徴とする請求項２記載の燃料供給システム。
【請求項５】
前記燃料流路を取り囲む断熱部材をさらに有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料供給システム。
【請求項６】
前記液体燃料は加圧された液化ガス成分を含み、該液化ガス成分は室温Ｔａでの飽和蒸気圧が高いことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃料供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池や燃料改質器などへ液体燃料を供給する燃料電池用燃料供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、携帯機器の電源として利用可能な小型の燃料電池について種々のものが提案されている。携帯用燃料電池に関しては、メタノールをアノードに直接供給することで発電する直接型メタノール燃料電池や有機燃料を改質器により水素ガスに改質し、その水素ガスにより発電するものなどが提案されている。
【０００３】
燃料電池システムの運転において、燃料電池もしくは燃料改質器に供給する燃料の流量を調整し、安定化させることは非常に重要である。従来、流量を調整する手段として例えば、圧電アクチュエータや電磁アクチュエータなどによるバルブの開閉変位や開閉時間の制御を行うものなどが提案されている。例えば非特許文献１では、流量を調整するために、流動抵抗の大きいオリフィス流路の温度を制御することが提案されている。
【非特許文献１】機械技術研究所研究発表会  基礎機械技術分野  平成１２年６月        「ＤＲＩＥにより作成した双方向バルブレスマイクロポンプ」        松本壮平、前田龍太郎
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来システムの流量調整手段においては、供給される液体燃料の一部が気化し、気液二相流となって流れてくる場合、気相と液相との粘性係数等の違いにより、燃料の供給流量に非常に大きな変動を生じる。燃料流量が変動すると、反応系が不安定になり、発電出力にばらつきを生じるようになる。
【０００５】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池や燃料改質器などへ供給される液体燃料の一部が気化し、気液二相流となって流量調整手段に流入する場合においても、燃料の供給流量を安定化させることが可能な小型の燃料供給システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る燃料電池用燃料供給システムは、燃料容器と、前記燃料容器から燃料電池および燃料改質器の少なくとも一方までの間に設けられた燃料流路と、前記燃料流路を通流する燃料の流量を調整する流量調整手段と、前記流量調整手段に流入する前に下式を満たすように燃料を冷却する冷却部を有し、前記冷却部を通過した燃料を液相の単相流として前記流量調整手段に流入させる冷却手段と、を具備することを特徴とする。
【０００７】
Ｐｆｕｅｌ（Ｔａ）＞Ｐｂｕｂｂｌｅ（Ｔｂ）
但し、Ｐｆｕｅｌ（Ｔａ）は室温Ｔａにおける燃料容器の内圧、Ｐｂｕｂｂｌｅ（Ｔｂ）は冷却温度Ｔｂにおける液体燃料中の気化成分の飽和蒸気圧をそれぞれ示す。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、供給される液体燃料の一部が気化し、気液二相流となって流量調整手段に流入する場合においても、供給流量を安定化させることが可能な小型の燃料供給流量調整システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の燃料供給システムでは、液体燃料として、加圧された液化ガス成分を含む流体、例えばジメチルエーテル（ＤＭＥ）、メタノール、天然ガス、プロパン、ブタンおよびその他に改質して水素を生じうる炭化水素を用いることができる。この液体燃料中の液化ガス成分は、室温Ｔａでの飽和蒸気圧が高く、流路を流れているうちに気化して気泡を生成しやすいものである。例えばＤＭＥ単体の液体燃料では、図１４に示すように、例えば温度２５〜３０℃での飽和蒸気圧が０．５ＭＰａを超える。このようにＤＭＥの飽和蒸気圧は、ＤＭＥの他に水とメタノールを含む液体燃料の飽和蒸気圧よりも高いため、同じ温度ではＤＭＥ気泡の圧力のほうが高くなり、図１３（ｂ）に示すように気泡は潰れずに液中に消滅しないで存在することができる。すなわち、次に示すヤング・ラプラスの式（１）より、液体の表面張力の影響で、気泡は気泡内部の圧力Ｐｂｕｂｂｌｅ（Ｔａ）が周囲流体の圧力（Ｐｆｕｅｌ（Ｔａ））よりもΔＰだけ高い状態で安定して存在することができるため、この釣合いがとれる径で気泡の核３３が存在しうる。このＤＭＥ気泡の核３３の内圧は、図１４中に示すＰｂｕｂｂｌｅ（Ｔａ）点にあたる。ここで、図１５に気泡径ｄ（μｍ）と気泡内外の圧力差ΔＰ（ｋＰａ）との関係を示す。ただし、液体の表面張力はメタノールの値を利用している。
【数１】
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【００１０】
このように、ＤＭＥ気泡を生じると、その気泡が潰れずに流量調整手段４に供給され、燃料の供給流量に無視できないほどの非常に大きな変動を生じる。そこで、冷却手段１４により、燃料２を冷却して温度を下げることで液相の単相流にするメカニズムを同様に図１３〜図１５を用いて説明する。図１３の冷却手段１４により燃料２を冷却温度Ｔｂ（例えば１３℃）に冷却する。この場合も、燃料容器１内の圧力は、前記と同様の室温Ｔａ（例えば３０℃）での値（４５０ｋＰａ）のままである。これは図１４のＰｆｕｅｌ（Ｔｂ）点にあたる。
【００１１】
一方、冷却手段１４によって温度が下げられた領域での、ＤＭＥ気泡内の圧力は、冷却温度Ｔｂ（例えば１３℃）におけるＤＭＥの飽和蒸気圧になる。しかし、これは、図１４のＰｂｕｂｂｌｅ（Ｔｂ）点にあたり、燃料容器１内の圧力（４５０ｋＰａ）よりも低い３００ｋＰａにあたる。したがって、ＤＭＥ濃度が高い領域でＤＭＥ気泡の核３３が生成されたとしても、周囲燃料２の圧力のほうが高く、気泡は安定に存在することができず、潰れて消滅することになる。以上により、燃料流路内において燃料２の液相単相流が実現される。
【００１２】
本発明では、流量調整手段として流動抵抗が大きいオリフィス流路を用いることができる。ここで「流動抵抗」とは、流体が流路を流れるときの圧力損失を表すパラメータをいい、単位時間に流れる流体体積を体積流量Ｑ（ｍ3／ｓ）とし、流体が流路を流れることによる圧力損失をΔＰ（Ｐａ）とするときに、流体抵抗Ｒ（Ｎ・ｓ／ｍ5）はΔＰ／Ｑで与えられる（Ｒ＝ΔＰ／Ｑ）。但し、Ｐａはパスカル（圧力単位）、Ｎはニュートン（力の単位）、ｓは秒（時間単位）、ｍはメートル（長さ単位）である。
【００１３】
ハーゲン・ポアズイユ流れを仮定したとき、流動抵抗Ｒは、流路の断面形状に応じて次の（i）（ii）のように種々変化する。
【００１４】
（i）半径ａ（ｍ）、長さｌ（ｍ）の円筒管流路の場合、流動抵抗Ｒは次式（２）により与えられる。
【数２】
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【００１５】
（ii）辺の長さが縦２ａ（ｍ）、横２ｂ（ｍ）の長方形断面を持つ長さｌ（ｍ）の角形管流路の場合、流動抵抗Ｒは次式（３）により与えられる。
【数３】
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【００１６】
このように流動抵抗の大きなオリフィス流路の出口側に断熱膨張部をさらに取り付け、オリフィス流路を通過した燃料を断熱膨張させるとともに、上流側の冷却部との間で熱交換させて冷却すると、Ｐｆｕｅｌ（Ｔａ）＞Ｐｂｕｂｂｌｅ（Ｔｂ）の関係がさらに成立しやすくなり、気泡の発生を未然に防止することができ、また一旦発生した気泡の核３３であってもこれを確実に消滅させることができる。
【００１７】
以下、本発明を実施するための種々の実施の形態について添付の図面を参照して説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）  
本発明の第１の実施形態を図１〜図３を用いて説明する。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１０は、燃料容器１、冷却手段１４、流量調整手段４、ファン１３および燃料流路３ａ，３ｂ，３ｃを備えている。燃料容器１には加圧液化された液体燃料２が収容されている。燃料容器１は樹脂や金属などの材料を用いてつくられている。液体燃料２は液化ガス（例えばジメチルエーテル等）と水、メタノールとの混合液で、所定の圧力を有するものである。ジメチルエーテル（ＤＭＥ）と水との混合比率はモル比で１：３〜１：４の範囲が望ましい。また、ＤＭＥと水とを混合する際に、少量のメタノールを添加することができる。少量のメタノールを添加することによって、ＤＭＥと水との相溶性が向上し、燃料容器１内においてＤＭＥと水の液相が均一になる。この場合、メタノールは、混合物の重量比で５〜１０％となるように添加することが望ましい。このようにメタノールを少量添加しても、混合物の圧力は大気圧より高く、常温で約３〜５気圧（約３００〜５００ｋＰａ）の飽和蒸気圧が得られる。燃料容器１と冷却手段１４とは燃料流路３ａにより接続されている。燃料容器１の下部に開閉弁１ａが取り付けられ、図示しない制御手段により開閉弁１ａはＯＮ／ＯＦＦ制御されるようになっている。開閉弁１ａを開けると、燃料容器１内の圧力によって液体燃料２が燃料容器１から燃料流路３ａを通って冷却手段１４に導入される。
【００１９】
図１に示すように、冷却手段１４は、ペルチェ素子１６の放熱側にフィン１５を配置し、ペルチェ素子１６の吸熱側に燃料２が通流する燃料流路３ａを配置した構成である。図示しない制御手段によりペルチェ素子１６を通電制御し、ファン１３により放熱側のフィン１５を空冷することにより、吸熱側を通流する燃料２が冷却される。冷却手段１４を通過した燃料２は、流路３ｂを通って流量調整手段４に送られ、流量調整手段４によって流量を調整された後に、流路３ｃを通って図示しない燃料電池や燃料改質器に供給される。
【００２０】
図２に示すように、流量調整手段４は、流動抵抗の大きなオリフィス流路５の配管を熱伝導率の高い材料（例えばアルミニウム）の一対のカバープレート７の間に挟み込むようにして構成されている。放熱側のカバープレート７には熱電対（又はサーミスタ）６が取り付けられ、吸熱側のカバープレート７にはセラミックヒータ８のような温度制御素子が取り付けられている。オリフィス流路５は、上流側の燃料流路３ａおよび下流側の燃料流路３ｂよりも内径が小さい。オリフィス流路５を構成する配管は熱伝導率が高く耐腐食性を有する材料であることが望ましいが、金属、ガラス、樹脂などのいずれの材料であってもよい。
【００２１】
流量調整手段の変形例として、図３に示すように、オリフィス流路プレート１１ａ、フィルタープレート１１ｂ、カバープレート１１ｃを積層してなる三層構造の流量調整手段４Ａを用いることができる。オリフィス流路プレート１１ａは、エッチングや機械加工などにより形成されたオリフィス流路５を有している。フィルタープレート１１ｂは、エッチングや機械加工などにより形成され、オリフィス流路５の内径よりも小さな孔を多数有するフィルタ１２ｂを有している。カバープレート１１ｃは、パターニングされた薄膜マイクロヒータ９および薄膜マイクロ温度センサ１２ｃを有している。
【００２２】
この変形例ではセラミックヒータ８や薄膜マイクロヒータ９をそれぞれ通電制御することにより、オリフィス流路５を一定の温度に制御することができる。また、流量調整手段４は、図示しない圧電アクチュエータや電磁アクチュエータなどによりバルブの開閉変位や開閉時間の制御を行う構造のものでもよい。
【００２３】
このような変形例の流量調整手段４Ａをもつ燃料供給システムとすることにより、燃料容器１内の燃料２が流量調整手段４Ａに供給される過程で、供給される液体燃料の一部が気化し、気液二相流の流れが生じた場合においても、冷却手段１４により再び液相の単相流にしてから流量調整手段４Ａに流入させることができる。
【００２４】
図９は横軸に経過時間Ｔ（分）をとり、縦軸にＤＭＥ流量Ｑ（sccm）をとって、流量Ｑの経時変化について実施例と比較例を対比して示す特性線図である。燃料２が気液二相流となって流量調整手段に流入する比較例の場合は、気相と液相との違いにより流体抵抗が変化して、特性線Ｂに示すように供給流量Ｑに非常に大きな変動を生じてしまう。これに対して、冷却手段１４により液相の単相流として燃料２を流量調整手段４，４Ａに流入させる実施例の場合は、特性線Ａに示すように供給流量Ｑが一定量のレベルに安定しており、燃料電池や燃料改質器に供給する燃料の流量を安定化させることができる。
【００２５】
実際に冷却手段１４を設置し、燃料２を冷却することで、液相単相流として流量調整手段４，４Ａに流入させ、燃料供給流量の安定化を図る実験を行った。図１１に実験に用いた装置の構成を示す。燃料容器１から供給される燃料２を、氷水２８による冷却部１９を通過させて温度を低下させた後に、流量調整手段４に流入させた。さらに、流量調整手段４を通過した燃料２を、トラップ３１に通した後に、マスフローメータ３２により流量を測定した。なお、符号２７は圧力計、符号３１はトラップ、符号２９は透明チューブである。
【００２６】
図１２は横軸に経過時間Ｔ（分）をとり、縦軸に燃料容器内の圧力Ｐ（ｋＰａ）とＤＭＥ流量Ｑ（sccm）と温度Ｔ（℃）をそれぞれとって、圧力変化、流量変化、温度変化をそれぞれ実験により調べた結果を示す複合特性線図である。図中の特性線Ｃは燃料容器内の圧力変化を、特性線ＤはＤＭＥ流量Ｑの変化を、特性線ＥはＤＭＥの温度変化をそれぞれ示す。
【００２７】
冷却手段１４により燃料２を冷却し、燃料２の温度を室温Ｔａから約１３℃まで降下させた。このように燃料を冷却することにより、燃料は液相単相流となって流量調整手段４に流入した。この結果、特性線Ｄに示すように、ＤＭＥ流量Ｑを約５５ｓｃｃｍに安定化させることができた。
【００２８】
次に、燃料２が気液二相流となるメカニズムについて図１３〜図１５を用いて説明する。
【００２９】
燃料２としてジメチルエーテル（ＤＭＥ）と水とメタノールの混合液を想定する。ジメチルエーテル（ＤＭＥ）と水との混合比率はモル比で１：３〜１：４の範囲が望ましい。また、ＤＭＥと水とを混合する際に、少量のメタノールを添加することができる。少量のメタノールを添加することによって、ＤＭＥと水との相溶性が向上し、燃料容器１内においてＤＭＥと水の液相が均一になる。この場合、メタノールは、混合物の重量比で５〜１０％となるように添加することが望ましい。このようにメタノールを少量添加しても、混合物の圧力は大気圧より高く、常温で約３〜５気圧（約３００〜５００ｋＰａ）の飽和蒸気圧が得られる。
【００３０】
図１４は、横軸に燃料の温度Ｔ（℃）をとり、縦軸に燃料容器内のゲージ圧力Ｐ（ＭＰａ）をとって、ＤＭＥ単体の飽和蒸気圧と燃料容器内の圧力と温度と気泡の存否との関係を示す温度−蒸気圧特性線図である。図中の特性線ＦはＤＭＥ単体の温度−飽和蒸気圧（ＤＭＥ気泡内圧）特性曲線を示し、特性線Ｇは燃料容器内の温度−圧力特性曲線を示す。燃料容器内の圧力は実測値である。
【００３１】
図１５は、横軸にＤＭＥ気泡径ｄ（μｍ）をとり、縦軸に気泡の内外圧力差ΔＰ（ｋＰａ）をとって、気泡径と気泡内外圧力差との関係を示す特性線図である。
【００３２】
室温Ｔａ（例えば３０℃）では、燃料２が充填された燃料容器１の内圧は、ＤＭＥと水とメタノールの混合液の飽和蒸気圧とＤＭＥの飽和蒸気圧との中間の値となる。特に気液界面ではＤＭＥリッチの状態になっていると考えられ、ＤＭＥの飽和蒸気圧に近いがそれより少し低い値（４５０ｋＰａ）となる。これは図１４のＰｆｕｅｌ（Ｔａ）点にあたる。
【００３３】
図１３の（ａ）に示すように、配管３ａを通して燃料２を供給した場合、燃料２の流れの中でＤＭＥの濃度が高い領域が生じることがある。ＤＭＥ濃度が高い領域において、ＤＭＥガスによる気泡の核３３が形成されると、これまでの説明のように、ＤＭＥの蒸気圧は、燃料２の蒸気圧よりも高いため、同じ温度ではＤＭＥ気泡の圧力のほうが高くなり、気泡は潰れることなく消滅しないで液中に存在しつづける。また、上式（１）のヤング・ラプラスの式より、液体の表面張力の影響で、気泡内部の圧力は周囲流体の圧力（Ｐｆｕｅｌ（Ｔａ））よりもΔＰだけ高い状態で安定して存在することができるため、この釣合いが取れる径で気泡が存在する。このＤＭＥ気泡内の圧力は、図１４中に示したＰｂｕｂｂｌｅ（Ｔａ）点にあたる。ここで、図１５に気泡径による気泡内外の圧力差ΔＰの変化を示す。ただし、液体の表面張力はメタノールの値を利用している。
【００３４】
このように、配管３ａ内でＤＭＥ気泡が発生すると、その気泡が潰れずに流量調整手段４に供給されてしまい、供給流量に非常に大きな変動を生じさせることになる。そこで、本発明システムでは冷却手段１４を用いて流路内を通流する燃料２を冷却し、燃料２の温度を下げることで燃料２を液相の単相流にする。そのメカニズムを図１３〜図１５を参照して説明する。
【００３５】
図１３の（ｂ）に示すように、冷却手段１４により燃料２を温度Ｔｂ（例えば１３℃）に冷却する。この場合も、燃料容器１内の圧力は、上述と同様の室温Ｔａ（例えば３０℃）での値（４５０ｋＰａ）のままである。これは図１４のＰｆｕｅｌ（Ｔｂ）点にあたる。一方で、冷却手段１４によって温度が下げられた領域での、ＤＭＥ気泡内の圧力は、冷却温度Ｔｂ（例えば１３℃）におけるＤＭＥの蒸気圧になる。しかしこれは、図１４中のＰｂｕｂｂｌｅ（Ｔｂ）点にあたり、燃料容器１内の圧力（４５０ｋＰａ）よりも低い３００ｋＰａにあたる。したがって、ＤＭＥ濃度が高い領域でＤＭＥ気泡の核３３が生成されたとしても、周囲燃料２の圧力のほうが高く、図１３（ｃ）に示すように気泡は液相中に安定に存在することができず、潰れて消滅することになる。以上により、燃料２の液相単相流が実現される。
【００３６】
（第２の実施形態）  
次に図４と図５を参照して本発明の第２の実施形態を説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。
【００３７】
本実施形態の燃料電池システム１０Ａでは、冷却手段１４Ａが断熱膨張部１７を備えている。断熱膨張部１７は、径が漸次拡大する断熱膨張流路２１が内部に形成され、流量調整手段４のオリフィス流路５を通過した直後に燃料２を断熱膨張させるものである。断熱膨張部１７は、放熱面が冷却部１９の吸熱面と熱交換できるように接している。さらに、断熱膨張部１７の入口と出口には断熱継手１８がそれぞれ取り付けられ、断熱継手１８を介してオリフィス流路５および下流側流路３ｃにそれぞれ接続されている。
【００３８】
燃料電池システム１０Ａの全体は制御部４２によって統括的に制御されるようになっている。制御部４２は、各種のプロセスデータを保有し、図示しない複数のセンサから送られてくる各種の検出信号（例えば、発電出力検出信号、セル温度検出信号）とプロセスデータとに基づいて開閉弁１ａ、送風ファン１３、ポンプ（図示せず）の操作量をそれぞれコントロールする。
【００３９】
本実施形態システム１０Ａにおいて、燃料２は配管３ａを通過した後、冷却手段１４Ａに供給される。冷却手段１４Ａを通過して冷却された燃料２は、流量調整手段４により流量を調整され、図示しない燃料電池や燃料改質器へと供給される。流量調整手段４は主に流動抵抗の大きなオリフィス流路５を備えている。圧力を有する燃料２が流量調整手段４のオリフィス流路５を通過した直後に、圧力が大気圧程度にまで低下する。そのため、オリフィス流路５の直後に配置された断熱膨張流路２１において、燃料２の断熱膨張や気化が生じ、断熱膨張部１７の温度が低下する。
【００４０】
この温度低下についての実験結果の一例を図１０に示す。冷却手段１４Ａは、流量調整手段４より上流の位置に配置された冷却部１９と前記断熱膨張部１７との間において熱交換を行うことにより、構成される。このような燃料供給システムの構成にすることで、燃料容器１の中の燃料２が流量調整手段４に供給される過程で、供給される液体燃料の一部が気化し、気液二相流の流れが生じた場合においても、冷却手段１４Ａにより再び液相の単相流にしてから流量調整手段４に流入させることができる。
【００４１】
図９は横軸に時間Ｔ（分）をとり、縦軸にジメチルエーテル（ＤＭＥ）の流量Ｑ（sccm）をとって、燃料の流量変化について実施例を比較例と対比して示す特性線図である。図中の特性線Ａは実施例の流量変化、特性線Ｂは比較例の流量変化をそれぞれ示す。
【００４２】
比較例では、特性線Ｂに示すように、燃料２が気液二相流となって流量調整手段４に流入する場合、気相と液相との違いにより供給流量に非常に大きな変動が生じてしまう。これに対して実施例では、特性線Ａに示すように、燃料２を冷却手段１４Ａにより冷却し、液相の単相流として流量調整手段４に流入させることで、燃料電池や燃料改質器に供給する燃料の流量を安定化させることができる。
【００４３】
（第３の実施形態）  
次に図６と図７を参照して本発明の第３の実施形態を説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。
【００４４】
本実施形態の燃料電池システム１０Ｂでは、冷却手段１４Ｂがさらにペルチェ素子１６を備えている。ペルチェ素子１６は、断熱膨張部１７と冷却部１９との間に挟みこまれている。ペルチェ素子１６の電源４３は制御部４２により制御されるようになっている。温度センサ４１が燃料流路３ｂの適所に取り付けられている。制御部４３は、温度センサ４１からの燃料温度の検出信号を受信すると、それに基づいてペルチェ素子１６への給電量を制御するようになっている。
【００４５】
本実施形態システム１０Ｂにおいて、燃料２は配管３ａを通過した後、冷却手段１４Ｂに供給される。冷却手段１４Ｂを通過して冷却された燃料２は、流量調整手段４により流量を調整して、燃料電池や燃料改質器へと供給される。流量調整手段４は主に流動抵抗の大きなオリフィス流路５により構成される。圧力を有する燃料２が流量調整手段４のオリフィス流路５を通過した直後に、圧力が大気圧程度にまで低下する。そのため、オリフィス流路５の直後に配置された断熱膨張流路２１において、燃料２の断熱膨張や気化が生じ、断熱膨張部１７の温度が低下する。この温度低下についての実験結果の一例を図１０に示す。冷却手段１４Ｂは、ペルチェ素子１６の放熱側に前記断熱膨張部１７を、吸熱側に流量調整手段４より上流の位置にある冷却部１９を配置した構成である。断熱膨張部１７によりペルチェ素子１６の放熱側を冷却することにより、ペルチェ素子１６を通電制御した場合における吸熱性能が向上する。この高い吸熱性能により、低消費電力で冷却手段１４Ｂを作動させることができる。
【００４６】
このような燃料供給システム１０Ｂの構成にすることで、燃料容器１の中の燃料２が流量調整手段４に供給される過程で、供給される液体燃料の一部が気化し、気液二相流の流れが生じた場合においても、冷却手段１４Ｂにより再び液相の単相流にしてから流量調整手段４に流入させることができる。比較例では、図９の特性線Ｂに示すように、燃料２が気液二相流となって流量調整手段４に流入する場合、気相と液相との違いにより供給流量に非常に大きな変動が生じてしまう。これに対して実施例では、冷却手段１４Ｂにより液相の単相流として流量調整手段４に流入させることで、図９の特性線Ａに示すように、燃料電池や燃料改質器に供給する燃料の流量を安定化させることができる。
【００４７】
（第４の実施形態）  
次に図８を参照して本発明の第４の実施形態を説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。
【００４８】
図８は燃料電池付き冷蔵・冷凍庫１０Ｃの概略構造を示す模式図である。燃料電池部２３で発電した電力により、冷蔵・冷凍庫部２２の各部品の駆動を行う。冷蔵・冷凍庫部２２において、庫内を循環する冷媒はコンプレッサー２５で圧縮され、高温高圧のガス冷媒に変化し、凝縮器２６で放熱しながら液化する。液化した冷媒は減圧され、冷却器２４で気化し、周囲から熱を奪う。役目が終わった冷媒はコンプレッサーへ戻り再び圧縮されるサイクルを繰り返している。また、燃料電池部２３においては、燃料容器１の中に燃料２が充填されている。燃料容器１の材質は樹脂材料や金属材料などで構成される。燃料２は液化ガス（例えばジメチルエーテル等）と水、メタノールとの混合液で、圧力を有する。燃料２は配管３ａを通過した後、冷却手段１４Ｃに供給される。冷却手段１４Ｃを通過して冷却された燃料２は、流量調整手段４により流量を調整して、燃料電池や燃料改質器へと供給される。流量調整手段４は主に流動抵抗の大きなオリフィス流路５により構成される。また、圧電アクチュエータや電磁アクチュエータなどによるバルブの開閉変位や開閉時間の制御を行う構造のものでも構わない。流量調整手段４より上流の位置に配置された冷却部１９と前記冷蔵・冷凍庫部２２にある冷却器２４との間において熱交換を行うことにより、冷却手段１４Ｃは構成される。
【００４９】
このような燃料供給システム１０Ｃの構成にすることで、燃料容器１の中の燃料２が流量調整手段４に供給される過程で、供給される液体燃料の一部が気化し、気液二相流の流れが生じた場合においても、冷却手段１４Ｃにより再び液相の単相流にしてから流量調整手段４に流入させることができる。
【００５０】
図９に示すように、燃料２が気液二相流となって流量調整手段４に流入する場合、気相と液相との違いにより供給流量に非常に大きな変動が生じてしまうが、冷却手段１４Ｃにより液相の単相流として流量調整手段４に流入させることで、燃料電池や燃料改質器に供給する燃料の流量を安定化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用燃料供給システムの構成を示す斜視図。
【図２】オリフィス流路からなる流量調整手段の構造を示す概略斜視図。
【図３】オリフィス流路からなる流量調整手段の構造を示す分解斜視図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用燃料供給システムの構成を示す斜視図。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用燃料供給システムの構成・流路を示す斜視図。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用燃料供給システムの構成を示す斜視図。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用燃料供給システムの構成・流路を示す斜視図。
【図８】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池用燃料供給システムの構成を示す斜視図。
【図９】気液二相流と液相単相流との違いによるオリフィス流路通過後の供給流量の変動を測定した実験結果を示す特性線図。
【図１０】オリフィス流路通過後の気化・断熱膨張による温度低下を測定した実験結果を示す特性線図。
【図１１】燃料冷却による流量安定化の効果を確認するための実験装置を示す概略構成図。
【図１２】燃料冷却による流量安定化の実験結果を示す複合特性線図。
【図１３】（ａ）は気液二相流となるメカニズムを説明するための全体模式図、（ｂ）は消滅しない気泡が存在する気液二相流となるときの模式図、（ｃ）は気泡が消滅する安定した液相単相流となるときの模式図。
【図１４】ＤＭＥ単体の飽和蒸気圧と燃料容器内の圧力と温度と気泡の存否との関係を説明するための温度−蒸気圧特性線図。
【図１５】気泡径と気泡内外圧力差との関係を示す特性線図。
【符号の説明】
【００５２】
１…燃料容器または燃料カートリッジ、１ａ…開閉弁、
２…加圧封入された液体燃料、３ａ，３ｂ，３ｃ…配管、
４，４Ａ…流量調整手段、
５…オリフィス流路（流動抵抗が大きい流路）、６…熱電対（又はサーミスタ）、
７…カバープレート、８…セラミックヒータ、９…薄膜マイクロヒータ、
１０，１０Ａ，１０Ｂ…燃料電池システム、１０Ｃ…冷蔵庫（燃料電池システム）、
１１ａ…オリフィス流路プレート、１１ｂ…フィルタープレート、
１１ｃ…カバープレート、
１２ｂ…フィルタ、１２ｃ…薄膜マイクロ温度センサ、
１３…ファン、
１４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ…冷却手段、１５…フィン、
１６…ペルチェ素子、
１７…断熱膨張部、
１８…断熱材継手（断熱部材）、
１９…冷却部、２０…冷却流路、
２１…断熱膨張流路、
２２…冷蔵・冷凍庫部、２３…燃料電池部、２４…冷却器、２５…コンプレッサー、
２６…凝縮器、２７…圧力計、２８…氷水、２９…可視化（透明）チューブ、
３０…フィルタ、３１…トラップ、３２…マスフローメータ、
３３…ＤＭＥ気泡の核、
４１…温度センサ、４２…制御部、４３…電源、
Ｔａ…室温（環境温度）、
Ｔｂ…冷却温度、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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