JP2003048701A - 蒸発装置、改質装置及び燃料電池システム - Google Patents

蒸発装置、改質装置及び燃料電池システム

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 課題は、燃料電池を用いた燃料電池システム
を小型化することである。 【解決手段】 マイクロ改質反応器２５１には、空洞２
５８が設けられており、この空洞２５８に蒸発用ヒータ
２５６が設けられている。更に、空洞２５８に燃料噴射
手段５８が設けられており、この燃料噴射手段５８はメ
タノールと水との混合液を滴状にして蒸発用ヒータ２５
６に噴射する。噴射された混合液は、蒸発用ヒータ２５
６に加熱されて、蒸発する。混合液が気化してなるガス
は、マイクロ流路２６０へと流れて、マイクロ流路２６
０に設けられた改質触媒２６０に促進されて、水素と二
酸化炭素に改質される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、液状の改質原料を
蒸発させる蒸発装置、この蒸発装置を具備する改質装置
及び燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】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。
【０００３】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（ＰＤ
Ａ）、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。
【０００４】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。とくに、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が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、年間の排気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
然界に投棄また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。
【０００５】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。
【０００６】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。
【０００７】固体高分子型の燃料電池は、アノード及び
カソードで高分子電解質膜を挟んでなるもので、アノー
ドに水素、カソードに酸素をそれぞれ供給して電気化学
反応を起こして発電するようになっている。また、燃料
電池の水素供給源としては、燃料改質装置が用いられて
いる。この燃料改質装置は、アルコール系の燃料と水を
蒸発させる蒸発器と、これを改質触媒を用いて改質する
ことにより、水素を含む改質ガスを生成する改質器とを
備えている。このような燃料電池と燃料改質装置によ
り、燃料電池システムが構成される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、今後、
エネルギー利用効率が高い燃料電池を用いた燃料電池シ
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。即ち、効率的に電力を発生させるために、
小型化された蒸発器で定量的な燃料や水の供給を制御す
る必要がある。
【０００９】本発明の課題は、燃料電池を用いた燃料電
池システムを小型化することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに、請求項１記載の発明は、例えば図５に示すよう
に、液状の改質原料を改質するための改質装置（マイク
ロ連続槽反応器５１）に用いられる蒸発装置において、
空洞となる室（凹部５５ａ）と、改質原料を滴状にして
前記室内に噴射する噴射手段（燃料噴射手段５８）と、
前記室に設けられるとともに、前記噴射手段によって噴
射された改質原料を加熱して蒸発させるための加熱手段
（薄膜ヒータ５７）と、を備え、前記噴射手段が前記加
熱手段に向けて改質原料を噴射することを特徴としてい
る。
【００１１】請求項１記載の発明では、液状の改質原料
が噴射手段によって滴状に噴射され、滴状の改質原料が
加熱手段によって加熱されて蒸発される。このように、
噴射手段によって改質原料を加熱手段に対して供給する
ことが可能となる。そして、噴射手段が改質原料を噴射
した際には改質原料が滴状であるため、改質原料の体積
に対する表面積の割合が大きくなるから、改質原料が効
率よく蒸発する。改質原料が効率よく蒸発するから、加
熱手段の発熱量を大きくするために加熱手段を大型化す
る必要がなく、蒸発装置の小型化が図られる。そのた
め、例えば、蒸発装置を具備した燃料電池システムも小
型化が図られ、この燃料電池システムを可搬型又は携帯
型のポータブル電源として適用するのに適している。
【００１２】また、噴射手段が室内に改質原料を噴射す
るため、噴射された改質原料は室内にて蒸発する。改質
原料が蒸発することで、室内の圧力が上昇する。例え
ば、気化した改質原料を水蒸気改質反応させる改質部が
室に通じていれば、室内の圧力が上昇することで、気化
した改質原料が改質部へと流れる。従って、気化した改
質原料を改質部へと流すための手段を設ける必要がな
く、蒸発装置の小型化が図られる。
【００１３】請求項２記載の発明は、請求項１記載の蒸
発装置において、前記加熱手段の表面が撥水処理されて
いることを特徴としている。
【００１４】請求項２記載の発明では、加熱手段の表面
が撥水処理されているため、滴状の改質原料は加熱手段
の表面で滑りやすくなる。また、滴状の改質原料は噴射
手段によって噴射されるため、滴状の改質原料は運動エ
ネルギーを付与されていることになる。従って、滴状の
改質原料は加熱手段の表面で非常によく滑る。ところ
で、滴状の改質原料が加熱手段によって加熱されること
で、加熱手段の表面と接している界面において気泡が発
生し、膜沸騰が起こる。気泡が発生することで、改質原
料と加熱手段との接触面積が減少してしまい、改質原料
に熱が十分に伝導しないことがあり得るが、滴状の改質
原料が滑るため、気泡は滴状の改質原料内に留まらず、
発生後すぐに改質原料内から周囲へ発散される。従っ
て、加熱手段から改質原料への熱伝導が阻害されず、改
質原料が効率よく蒸発される。そして、改質原料が効率
よく蒸発するから、加熱手段の発熱量を大きくするため
に加熱手段を大型化する必要がなく、蒸発装置の小型化
が図られる。
【００１５】請求項３記載の発明は、請求項１記載の蒸
発装置において、前記加熱手段の表面が親水処理されて
いることを特徴としている。
【００１６】請求項３記載の発明では、加熱手段の表面
に親水処理が施されているため、噴射された改質原料は
加熱手段に対して濡れやすくなる。そのため、接触角が
小さくなり、滴状の改質原料は、加熱手段の表面に広が
って、全体的に薄くなる。従って、滴状の改質原料が全
体として沸騰し、改質原料と加熱手段との界面で気泡が
発生せず、改質原料は膜沸騰しない。従って、加熱手段
から改質原料への熱伝導が阻害されず、改質原料が効率
よく蒸発される。
【００１７】請求項４記載の発明は、請求項１から３の
いずれかに記載の蒸発装置において、前記改質原料がメ
タノールと水との混合液であることを特徴としている。
【００１８】請求項４記載の発明では、改質原料がメタ
ノールと水との混合液であるため、メタノール及び水の
それぞれに対して噴射手段を設ける必要がなくなり、蒸
発装置の小型化が図られる。また、メタノール及び水の
それぞれに対して噴射手段を設ける必要がないため、メ
タノールや水それぞれの物性値に応じて噴射手段を設計
しなくても済み、混合液の物性値に対してのみ噴射手段
を設計すれば良い。従って、噴射手段の設計に係る手間
が省け、蒸発装置の製造コストの肥大化が抑制される。
【００１９】請求項５記載の発明は、請求項１から４の
いずれかに記載の蒸発装置において、前記噴射手段は、
サーマルジェット方式、ピエゾ式、及び静電式のいずれ
かから選択されることを特徴としており、請求項５記載
の発明によれば、改質原料の噴射量を微小な単位で良好
に制御することができる。
【００２０】また、請求項６記載の発明は、例えば図２
に示すように、前記噴射手段を制御する制御手段（制御
部９）を備え、前記制御手段は、前記噴射手段から噴射
される改質原料の単位時間あたりの噴射量を調整するよ
うに前記噴射手段を制御することを特徴としている。
【００２１】請求項６記載の発明では、制御手段が噴射
手段を制御することによって、単位時間当たりの改質原
料の噴射量が調整され、単位時間当たりの改質原料の蒸
発量が調整される。
【００２２】請求項７記載の発明は、例えば図４に示す
ように、請求項１から６のいずれかに記載の蒸発装置を
備える改質装置において、前記室内に配置される改質触
媒（改質触媒５９）を備え、蒸発された改質原料を前記
室内にて改質することを特徴としている。
【００２３】請求項７記載の発明では、加熱手段が室内
に配置されているため、加熱手段は滴状の改質原料を加
熱するだけでなく、蒸発した改質原料も加熱し、更に、
室内に改質触媒が配置されているため、蒸発した改質原
料は熱と改質触媒に促進されて、室内にて例えば水素等
の生成物に改質され、加えて改質された生成物も加熱に
より蒸発することができる。従って、室は、改質原料を
蒸発するための蒸発室と、改質原料を改質するための改
質室と、さらには改質された生成物を蒸発させる蒸発室
とを兼ねているため、他の改質室が蒸発装置に設けられ
ずとも、改質装置が構成される。他の改質室を設けずと
も済むため、改質装置の小型化が図られる。
【００２４】請求項８記載の発明は、例えば図１４に示
すように、請求項１から６のいずれかに記載の蒸発装置
を備える改質装置において、前記室内に通ずる流路（マ
イクロ流路２５９）と、前記流路内に配置され、前記流
路を通過する蒸発された改質原料を加熱する第二加熱手
段（流路用ヒータ２５７）と、前記流路内に配置される
改質触媒（改質触媒２６０）と、を備え、蒸発された改
質原料を前記流路内にて改質することを特徴としてい
る。
【００２５】請求項８記載の発明では、改質原料が蒸発
すると、室内の圧力が上昇して、気化した改質原料が流
路へと流れる。そして、流路内に改質触媒が配置されて
いるとともに、気化した改質原料が第二加熱手段によっ
て加熱されるため、気化した改質原料は熱と改質触媒に
促進されて、流路内にて例えば水素等の生成物に改質さ
れる。
【００２６】請求項９記載の発明に係る燃料電池システ
ムは、例えば図２に示すように、請求項７又は８記載の
改質装置と、前記改質装置によって生成された水素と酸
素とを反応させて発電を行う燃料電池（主発電部６）
と、を備えることを特徴としている。
【００２７】
【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る蒸発装置、
改質装置及び燃料電池システムについて、図面を用いて
具体的な態様を説明する。ただし、発明の範囲を図示例
に限定するものではない。
【００２８】〔第一の実施の形態〕図１（ａ），（ｂ）
には、本発明に係る燃料電池システムを円筒電池に適用
した場合の外観の一例が示されており、図１（ｃ）に
は、化学電池を汎用円筒電池に適用した場合の外観が示
されている。また、図２には、本発明に係る燃料電池シ
ステムの基本構成を示す機能ブロック図が示されてい
る。
【００２９】図１（ａ），（ｂ）及び図２に示すよう
に、燃料電池システム１は、大別して、燃料を含有する
混合液（改質原料）が封入された燃料パック２と、燃料
パック２から供給される混合液に基づいて発電を行うた
めの発電モジュール３とを備えており、外部の負荷３４
に電力を供給するものであり、基本的には負荷３４に対
して着脱自在である。
【００３０】燃料パック２は、密閉性の高い燃料貯蔵容
器であり、発電モジュール３に対して着脱自在に結合さ
れた構成となっている。なお、燃料パック２は、発電モ
ジュール３に対して一体的に結合された構成であっても
良い。
【００３１】この例では、燃料パック２に負極２ａが設
けられているとともに発電モジュール３に正極３ａが設
けられているが、逆に、燃料パック２に負極が設けられ
るとともに発電モジュール３に正極が設けられていても
良い。
【００３２】そして、燃料パック２が発電モジュール３
に結合された状態における外形寸法（例えば、長さＬ
ａ、直径Ｄａ）が、日本工業規格（JIS）で規格化され
た汎用の化学電池１００（例えば単三型）の外形寸法
（例えば、長さＬｐ、直径Ｄｐ）と略同等になってい
る。
【００３３】まず、燃料パック２について詳細に説明す
る。燃料パック２に対して人為的な過熱・焼却処理や薬
品・化学処理等が行われた場合であっても、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材料により
燃料パック２が構成されている。例えば、燃料パック２
は、生分解性や光分解性のプラスチックにより構成され
ており、具体的には、石油系原料から合成される脂肪族
系の有機化合物を含む高分子材料や、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ポリ
乳酸からなる高分子材料等により構成されている。
【００３４】また、燃料電池システム１に用いられる燃
料は、その燃料を含有する混合液の封入された燃料パッ
ク２が自然界に投棄又は埋め立て処理されてその混合液
が大気中や土壌中、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ないような燃料であ
る。更に、燃料電池システム１に用いられる燃料は、発
電モジュールにおいて高いエネルギー変換効率で電気エ
ネルギーを生成できることができる燃料である。具体的
には、燃料は、メタノール（ＣＨ3ＯＨ）やエタノール
（Ｃ2Ｈ5ＯＨ）等のアルコール類や、ガソリン等の液体
燃料である。本実施の形態では、燃料パック２に封入さ
れた混合液は、メタノール及び水（Ｈ2Ｏ）が等しいｍ
ｏｌで均一に混合されたものである。また、燃料パック
２内には、封入された混合液を毛細管現象により副発電
部４及びマイクロリアクタ５に自動的に送出する送出管
（図示せず）及び後述する主発電部６で生成される副生
成物のうちの水を回収する回収管（図示せず）が設けら
れている。
【００３５】このような構成を有する燃料パック２及び
混合液においては、燃料パック２を含む燃料電池システ
ム１が自然界に投棄、又は、埋め立て処理、焼却処分、
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、汎用の化学電
池に比較して、大幅に抑制することができる。
【００３６】また、燃料パック２が発電モジュール３に
対して着脱可能であることによって、封入された混合液
の残量が減少、又は、なくなった場合には、燃料パック
２への混合液の補充や、新たな燃料パックへの交換を行
うことができる。そのため、燃料パック２や発電モジュ
ール３の廃棄量を大幅に削減することができるととも
に、仮に、使用済みの燃料パック２が投棄された場合で
あっても、自然環境への悪影響が大幅に削減される。
【００３７】次に、発電モジュール３について説明す
る。図２に示すように、発電モジュール３は、発電モジ
ュール３の各構成の動作電源となる電気エネルギーを発
生するための副発電部４と、燃料パック２から供給され
る混合液を改質するためのマイクロリアクタ５と、マイ
クロリアクタ５により改質された燃料を用いて駆動電力
となる電気エネルギーを発生し、外部の負荷３４に対し
て電力を出力するための主発電部６と、主発電部６を起
動させることを検知するための負荷駆動検知部７と、主
発電部６により発生された電力を検知するための電力検
知部８と、発電モジュール３の各構成を制御するための
制御部９とを備える。
【００３８】副発電部４は、燃料パック２から供給され
る混合液を用いて電気化学反応によって電気エネルギー
を発生し、発電モジュール３の他の構成（制御部９やマ
イクロリアクタ５等）に電力を供給するとともにメイン
機能がオフ時の負荷３４に待機電力を供給するものであ
る。
【００３９】図３には、副発電部４の一例が示されてい
る。この副発電部４は、燃料直接供給方式を採用した固
体高分子型の燃料電池である。即ち、副発電部４は、所
定の触媒微粒子が付着された炭素電極から燃料極４１
と、所定の触媒が付着された炭素電極からなる空気極４
２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。燃料パック２に
封入された混合液が直接供給され、空気極４２には大気
中の酸素ガス（Ｏ2）が供給される。
【００４０】具体的には、混合液に含まれるメタノール
（ＣＨ3ＯＨ）及び水（Ｈ2Ｏ）が燃料極４１に直接供給
されると、次の化学反応式（１）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+）が発生する。そして、水素イオンがイオン導
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、制御部９やマイクロリアクタ５等に電子が供
給される。 ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→６Ｈ+＋６ｅ-＋ＣＯ2 …（１）
【００４１】一方、空気極４２に空気が供給されること
により、次の化学反応式（２）に示すように、触媒によ
り制御部９やマイクロリアクタ５等を経由した電子（ｅ
-）とイオン導電膜４３を通過した水素イオン（Ｈ+）と
空気中の酸素（Ｏ2）とが反応して水（Ｈ2Ｏ）が生成さ
れる。 ６Ｈ+３／２Ｏ2＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ …（２） 生成された水は、回収管を介し燃料パック２内の所定の
回収手段に回収される。
【００４２】このような一連の電気化学反応（（１）式
及び（２）式）は、概ね室温程度の比較的低温度の環境
下で進行する。したがって副発電部４はヒータ等の加熱
手段がなくても化学反応が進行するので、装着された燃
料パック２内に蓄積された混合液が完全に消費されるま
で或いは燃料パック２を発電モジュール３から取り外す
まで、主発電部６の駆動の有無にかかわらず毛細管現象
により燃料が供給され続け、その間常時発電しているよ
うに設定されている。
【００４３】次に、マイクロリアクタ５について説明す
る。図４に示すように、マイクロリアクタ５は、混合液
（メタノール及び水）を蒸発させるととも、メタノール
ガス及び水蒸気を水素ガス（Ｈ2）と二酸化炭素ガス
（ＣＯ2）に改質するためのマイクロ連続槽反応器５１
と、マイクロ連続槽反応器５１で微量に発生した一酸化
炭素（ＣＯ）を水性シフト反応により除去するための水
性シフト反応器５２と、マイクロ連続槽反応器５１で微
量に発生した一酸化炭素を選択酸化反応により無害な物
質に化学変化させるための選択酸化反応器５３と、水性
シフト反応器５２及び選択酸化反応器５３の各反応によ
り生じる熱を放熱するための放熱フィン５４とを備えて
いる。
【００４４】マイクロ連続槽反応器５１は、本発明に係
る蒸発装置及び改質装置が適用されたものであり、以下
のように構成されている。図５（ａ）には、マイクロ連
続槽反応器５１の断面が示されており、図５（ｂ）に
は、図５（ａ）におけるＢ部が拡大して示されている。
図５に示すように、マイクロ連続槽反応器５１は、基本
構成として、上基板５５と、下基板５６と、薄膜ヒータ
５７と、燃料噴射手段５８と、改質触媒５９とを有して
構成されている。
【００４５】上基板５５は、アルミニウム等の金属で形
成された基板である。そして、上基板５５には、半導体
製造技術（例えば、エッチング）を適用して凹部５５ａ
が形成されている。凹部５５ａの表面には、改質触媒５
９が形成されている。改質触媒５９は、メタノール及び
水に対して化学反応を促進する作用を有し、メタノール
及び水から水素ガス及び二酸化炭素ガスを生成する機能
を有するものである。なお、上基板５５は単結晶シリコ
ンで形成された基板であっても良く、この場合凹部５５
ａはサンドブラスト法によって形成される。
【００４６】下基板５６は、ガラスで形成された基板で
ある。下基板５６上には、電気的な抵抗（例えば、Ｔａ
ＳｉＯx又はＴａＳｉＯxＮ）で構成される薄膜ヒータ５
７が設けられている。薄膜ヒータ５７には副発電部４に
て発電された電力が配線８０を介して供給されており、
薄膜ヒータ５７は電力により発熱するものである。更
に、薄膜ヒータ５７及び配線８０上に、酸化シリコン
（ＳｉＯx）又は窒化シリコン（ＳｉxＮy）で形成され
た絶縁膜８１が被膜されている。なお、絶縁膜８１上に
改質触媒５９が被膜されていても良い。
【００４７】そして、凹部５５ａが上基板５５及び下基
板５６（薄膜ヒータ５７）により囲まれる空洞（室）に
なるように、上基板５５が下基板５６に接合しており、
凹部５５ａが反応槽となる。また、上基板５５には、凹
部５５ａから水性シフト反応器５２へと通ずる排出路５
５ｂが形成されている。
【００４８】更に、上基板５５には、燃料パック２に封
入された混合液を薄膜ヒータ５７に噴射するための燃料
噴射手段５８が設けられている。図６には、燃料噴射手
段５８の断面図が示されている。図６に示すように、燃
料噴射手段５８は、サーマルジェット方式の液滴噴射装
置（例えば、既存の、いわゆるプリンタのサーマルジェ
ット式インクジェットヘッドを適用したものである。）
であり、ノズル６０と、発熱体６１とを備えている。ノ
ズル６０の先端部に形成された吐出孔６０ａが薄膜ヒー
タ５７に向くようにして、ノズル６０が上基板５５に設
けられている。ノズル６０には燃料パック２から混合液
が供給されており、ノズル６０に混合液が充填されるよ
うになっている。発熱体６１は、ノズル６０内に設けら
れており、ノズル６０に充填された混合液を加熱するも
のである。発熱体６１には、副発電部４にて発電された
電力が供給されるようになっている。
【００４９】以上のように構成されるマイクロ連続槽反
応器５１の作用を説明する。発熱体６１がノズル６０に
充填された混合液を加熱すると、ノズル６０内に気泡６
２が発生し（発熱体６１において混合液が膜沸騰し）、
ノズル６０に充填された混合液に圧力が加わる。これに
より、吐出孔６０ａから滴状の混合液が吐出され、混合
液の液滴が薄膜ヒータ５７に噴射される。燃料噴射手段
５８によって混合液の液滴が噴射される一回の動作が、
繰り返されることによって、混合液の液滴が断続的に噴
射される。
【００５０】そして、薄膜ヒータ５７が混合液の液滴を
加熱すると、混合液が蒸発する（気化する）。混合液の
気化したガス（メタノールガス及び水蒸気が混合したガ
ス、原料ガスと述べる。）は次の化学反応式（３）に示
すような水蒸気改質反応をして、水素ガス及び二酸化炭
素ガスが凹部５５ａ内にて生成される。 ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2 …（３） 水蒸気改質反応は、原料ガスが薄膜ヒータ５７により加
熱されることによって、また、改質触媒５９によって促
進される。
【００５１】なお、微量の原料ガスが次の化学反応式
（４）に示すような反応をし、微量ながら一酸化炭素ガ
スが生成される。 ２ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→５Ｈ2＋ＣＯ＋ＣＯ2 …（４）
【００５２】生成されたガス（水素ガス、二酸化炭素、
一酸化炭素等）は、物質拡散及び対流によって排出路５
５ｂへと拡散し、凹部５５ａ内の気圧差によって排出路
５５ｂを通じて水性シフト反応器５２へと排出される。
【００５３】なお、燃料噴射手段５８は、サーマルジェ
ット方式のものとしたが、図７に示すような既存のピエ
ゾ式の液滴噴射装置（例えば、いわゆるプリンタのピエ
ゾ式インクジェットヘッドを適用したものである。）が
適用されても良い。図７に示すように、別の例の燃料噴
射手段５８は、燃料パック２から混合液が供給されるノ
ズル６０と、電圧が印加されると変形するピエゾ素子
（電歪素子）６３とを備えている。ノズル６０の先端部
に形成された吐出孔６０ａが薄膜ヒータ５７に向くよう
にして、ノズル６０が上基板５５に設けられている。ピ
エゾ素子６３の先端が、ノズル６０内に通ずる挿入孔に
挿入されており、シール材６４でシールされている。ピ
エゾ素子６３には、副発電部４にて発電された電力（電
圧、電流）が供給されるようになっている。
【００５４】以上のように構成される燃料噴射手段５８
では、ピエゾ素子６３に電圧が印加されると、ピエゾ素
子６３が変形する。ピエゾ素子６３の変形動作によって
ノズル６０内の混合液に圧力が加わり、吐出孔６０ａか
ら混合液の液滴が吐出され、混合液の液滴が薄膜ヒータ
５７に噴射される。以上の動作が繰り返されることによ
って、吐出孔６０ａから混合液の液滴が断続的に噴射さ
れる。
【００５５】また、燃料噴射手段５８は、静電力を用い
て混合液を噴射するヘッドでも良い。この場合、図８に
示すように、燃料噴射手段５８は、三枚の基板６５，６
６，６７を重ねて接合した積層構造となっている。三枚
の基板６５，６６，６７は、上基板５５に設けられてい
る。中間の基板６６には、吐出孔６８、吐出室６９、流
路７０及びキャビティ７１を構成するために溝が形成さ
れている。基板６６に基板６５が接合することによっ
て、吐出孔６８、吐出室６９、流路７０及びキャビティ
７１が構成される。そして、混合液が、燃料パック２か
らキャビティ７１及び流路７０を介して、吐出室６９に
供給されて、キャビティ７１、流路７０及び吐出室６９
に混合液が充填されるようになっている。
【００５６】下側の基板６７には、隙間７３を構成する
ための溝が形成されており、基板６６に基板６７が接合
されることによって、隙間７３が形成される。また、下
側の基板６７上には対向電極７４が形成されており、対
向電極７４上には絶縁膜７５が形成されている。対向電
極７４及び絶縁膜７５は、吐出室６９の底壁（以下、振
動板７２と述べる。）に対向している。対向電極７４及
び振動板７２には、副発電部４により発電された電力に
よって電圧（電位差）が印加されるようになっている。
【００５７】以上のように構成される燃料噴射手段５８
では、振動板７２と対向電極７４との間に電圧が印加さ
れると、クーロン力によって振動板７２が対向電極７４
に向けて撓む。その後、振動板７２と対向電極７４との
間の電圧が消去すると、振動板７２が復元する。従っ
て、吐出室６９内の圧力が急激に上昇し、吐出孔６８か
ら混合液の液滴が吐出され、混合液の液滴が薄膜ヒータ
５７に噴射される。以上の動作が繰り返されることによ
って、吐出孔６８から混合液の液滴が断続的に噴射され
る。
【００５８】以上のように構成されるマイクロ連続槽反
応器５１によれば、燃料噴射手段５８が設けられている
ため、燃料パック２から供給される混合液を滴状にして
薄膜ヒータ５７全面に広範囲に噴射することが可能とな
る。また、混合液が滴状で噴射されるため、混合液の体
積に対する薄膜ヒータ５７と混合液との接触面積が大き
くなるから、薄膜ヒータ５７において混合液が効率よく
蒸発する。そのため、蒸発用ヒータ２５６において混合
液を蒸発させるためのエネルギーの浪費が抑えられる。
【００５９】また、混合液が効率よく蒸発するから、薄
膜ヒータ５７の発熱量を大きくするために薄膜ヒータ５
７を大型化する必要がなく、マイクロ連続槽反応器５１
の小型化が図られる。また、燃料噴射手段５８は、サー
マルヘッド式、ピエゾ式或いは静電式の液滴噴射装置で
あり、液滴噴射装置として応用されるインクジェットヘ
ッドにおいてはマイクロオーダでの小型化技術が確立さ
れている。従って、マイクロ連続槽反応器５１の小型化
が図られる。
【００６０】また、メタノールと水の混合された状態の
混合液が燃料噴射手段５８によって噴射されるため、混
合液の原料毎（メタノール及び水）に噴射手段を設ける
必要がなくなり、マイクロ連続槽反応器５１の製造コス
トの膨大化を抑えられる。即ち、原料毎に噴射手段を設
けるとしたら、原料の物性値に応じて噴射手段を設計し
なければならないが（例えば、ノズル形状や材料などを
原料毎に設計しなければならない）、上記実施の形態で
は混合された状態の混合液が燃料噴射手段５８によって
噴射されるために、混合された状態の混合液に対しての
み燃料噴射手段５８を設計すれば済む。
【００６１】次に、水性シフト反応器５２及び選択酸化
反応器５３について、図９を参照して説明する。図９に
示すように、水性シフト反応器５２及び選択酸化反応器
５３には、葛折りとなったマイクロ流路７６が設けられ
ている。また、水性シフト反応器５２及び選択酸化反応
器５３は一体となっており、具体的には以下のように構
成されている。
【００６２】図１０には、図９のＡ−Ａ断面が示されて
いる。図１０に示すように、水性シフト反応器５２及び
選択酸化反応器５３は、上基板７７と下基板７８とを重
ねて接合した積層構造となっている。上基板７７及び下
基板７８は、それぞれアルミニウム合金、ガラスで形成
された基板である。上基板７７には、マイクロ流路７６
を構成するための溝７７ａが、半導体製造技術（例え
ば、エッチング）を適用して形成されている。上基板７
７に下基板７８が接合されることによって、溝７７ａに
よるマイクロ流路７６が形成される。また、下基板７８
には、マイクロ連続槽反応器５１の排出路５５ｂに通じ
る吸入路７８ａが形成されており、この吸入路７８ａは
水性シフト反応器５２側のマイクロ流路７６の端部に通
じている。そして、マイクロ連続槽反応器５１にて生成
されたガス（水素や一酸化炭素、二酸化炭素等）は、吸
入路７８ａを通じてマイクロ流路７６へと流れるように
なっている。また、マイクロ流路７６の他方の端部は、
後述する主発電部６の燃料極３１（図１１に図示）に通
じており、マイクロ連続槽反応器５１にて生成されたガ
スがマイクロ流路７６を流れて、燃料極３１へと流れる
ようになっている。更に、上基板７７に放熱フィン５４
が設けられており、マイクロ流路７６で発生する熱が放
熱フィン５４によって放熱されるようになっている。
【００６３】水性シフト反応器５２の溝７７ａには、水
性シフト反応用触媒７７ｂが形成されており、選択酸化
反応器５３の溝７７ａには、選択酸化反応用触媒７７ｃ
が形成されている。水性シフト反応用触媒７７ｂは、一
酸化炭素及び水に対して化学反応を促進する作用を有
し、一酸化炭素及び水から水素及び二酸化炭素を生成す
る機能を有するものである。選択酸化反応用触媒７７ｃ
は、水素過剰条件において、水素より一酸化炭素を優先
して酸化させる作用を有するものである。マイクロ流路
７６（溝７７ａ）の断面幅ｗは、水性シフト反応用触媒
７７ｂ及び選択参加反応用触媒７７ｃが被膜された状態
で１００〔μｍ〕以下であるのが望ましく、マイクロ流
路７６の断面深さｄは、水性シフト反応用触媒７７ｂ及
び選択酸化反応用触媒７７ｃが被膜された状態で５００
〔μｍ〕以下であるのが望ましい。
【００６４】以上のように構成される水性シフト反応器
５２及び選択酸化反応器５３の作用を説明する。マイク
ロ連続槽反応器５１で生成されたガスがマイクロ流路７
６を通過している間に、水性シフト反応器５２におい
て、一酸化炭素が水性シフト反応用触媒７７ｂによって
促進されて、次の化学反応式（５）に示すような水性シ
フト反応をする。 ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2 …（５） なお、マイクロ連続槽反応器５１において未反応だった
水が、水性シフト反応における水として用いられること
になる。
【００６５】選択酸化反応器５３においては、マイクロ
流路７６を通過するガスに含まれる一酸化炭素が選択酸
化反応用触媒７７ｃによって選択されて、一酸化炭素が
次の化学反応式（６）に示すような選択酸化反応をす
る。また、マイクロ流路７６に選択酸化反応用触媒７７
ｃが形成されているため、ガスに含まれる水素はほとん
ど酸化しない。 ２ＣＯ＋Ｏ2→２ＣＯ2 …（６） なお、大気中の酸素が、選択酸化反応における酸素とし
て用いられる。
【００６６】以上のように、マイクロ連続槽反応器５
１、水性シフト反応器５２及び選択酸化反応器５３から
構成されるマイクロリアクタ５によれば、マイクロ連続
槽反応器５１において微量ながら一酸化炭素が生成され
るが、水性シフト反応器５２及び選択酸化反応器５３に
おいて一酸化炭素が水素や二酸化炭素に変換されるた
め、一酸化炭素がほとんど生成されない。
【００６７】次に、主発電部６について図１１を参照し
て説明する。主発電部６は、燃料改質方式を採用した固
体高分子型の燃料電池である。即ち、主発電部６は、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）３
２と、燃料極３１と空気極３２と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。燃料極３１が、図１に示す負極２ａに接続さ
れているとともに、空気極３２が、図１に示す正極３ａ
に接続されている。
【００６８】ここで、燃料極３１には、上記マイクロリ
アクタ５において生成された水素ガスが供給され、一
方、空気極３２には、大気中の酸素ガス（Ｏ2）が供給
されることにより、主発電部６において電気化学反応に
より所定の電気エネルギーが生成（発電）され、負荷３
４に対しての駆動電力（電圧・電流）となる電気エネル
ギーが生成される。
【００６９】具体的には、燃料極３１に水素ガスが供給
されると、次の化学反応式（７）に示すように、燃料極
３１に付着した触媒により電子の分離した水素イオンが
発生し、イオン導電膜３３を介して空気極３２側に水素
イオンが通過するとともに、燃料極３１を構成する炭素
電極により電子が取り出されて負荷３４に供給される。 ３Ｈ2→６Ｈ+＋６ｅ- …（７）
【００７０】一方、空気極３２に酸素ガスが供給される
と、上記化学反応式（２）に示すように、触媒により負
荷３４を経由した電子とイオン導電膜３３を通過した水
素イオンと空気中の酸素ガスとが反応して、水が生成さ
れる。
【００７１】主発電部６における電気化学反応は概ね６
０〜８０℃の比較的低温の温度条件で進行するため、燃
料極３１に僅かな一酸化炭素が供給された場合でも燃料
極３１に吸着被毒して活性が低下し易いが、マイクロリ
アクタ５において生成されるガスには一酸化炭素がほと
んど含まれていないから燃料極３１に吸着被毒しない。
従って、長時間燃料電池システム１が使用された場合で
も、主発電部６により発生する駆動電力の低下を招かな
い。
【００７２】次に、負荷駆動検知部７、電力検知部８及
び制御部９について説明する。負荷駆動検知部７、電力
検知部８及び制御部９は、既存の半導体製造技術を適用
することにより、数ミクロンオーダーにマイクロチップ
化されたものである。
【００７３】負荷駆動検知部７は、主発電部６を起動さ
せる旨を検知するものであり、具体的には、主発電部６
に負荷３４が接続されたことを検知するセンサ（例え
ば、燃料電池システム１に対する負荷３４の位置を検知
する位置センサ等）や、使用者等が負荷３４の操作ボタ
ン等を押下した時の負荷の容量変化に伴う電位の変化を
検知するセンサである。そして、負荷駆動検知部７は、
検知した場合に、検知した旨の信号を制御部９に出力す
るようになっている。
【００７４】電力検知部８は、主発電部６において発生
された駆動電力の値を検知するものであり、具体的に
は、主発電部６から負荷３４に流れる電流の値を検知す
る電流計や、主発電部６から負荷３４に負荷される電圧
の値を検知する電圧計等である。そして、電力検知部８
は、主発電部６において発生された駆動電力の値を示す
信号を制御部９に出力するようになっている。
【００７５】制御部９は、専用の論理回路もしくは、Ｃ
ＰＵ（central processing unit）等を有する演算処理
装置であり、負荷３４が待機状態からメイン機能の起動
する状態へのシフトにともない変位する電位を燃料パッ
ク２の正極３ａ及び負極２ａを介して検知した負荷駆動
検知部７から入力される信号に基づいて主発電部６を起
動させることを判定し、主発電部６を起動させると判定
した場合に、マイクロリアクタ５に作動を指示する信号
を出力するようになっている。具体的には、制御部９
は、マイクロリアクタ５に設けられる燃料噴射手段５８
に対して作動を指示する作動信号を出力するようになっ
ている。これにより、燃料噴射手段５８が混合液を噴射
しはじめ、マイクロリアクタ５において水素ガスが生成
されはじめ、主発電部６が起動して、主発電部６から駆
動電力が発電される。一方、制御部９は、メイン機能が
駆動している状態から待機状態へのシフトにともない変
位する電位を燃料パック２の正極３ａ及び負極２ａを介
して検知した負荷駆動検知部７から入力される信号に基
づいて主発電部６を停止すると判定した場合に、マイク
ロリアクタ５に停止を指示する停止信号を出力するよう
になっている。具体的には、制御部９は、マイクロリア
クタ５に設けられる燃料噴射手段５８に対して停止を支
持する停止信号を出力するようになっている。これによ
り、燃料噴射手段５８が混合液を噴射することを停止
し、マイクロリアクタ５において水素ガスが発生されな
いため、主発電部６が停止し、主発電部６から駆動電力
が発電されない。
【００７６】例えば、燃料噴射手段５８が図６に示すよ
うな場合、制御部９が燃料噴射手段５８の発熱体６１に
対して作動信号を出力する（副発電部４で発電された電
力を供給する）ことによって、副発電部４から供給され
た電力により発熱体６１が発熱し、燃料噴射手段５８か
ら混合液が噴射される。また、燃料噴射手段５８が図７
に示すような場合、制御部９が燃料噴射手段５８のピエ
ゾ素子６３に対して作動信号を出力する（副発電部４で
発電された電力を供給する）ことによって、ピエゾ素子
６３が変形し、燃料噴射手段５８から混合液が噴射され
る。また、燃料噴射手段５８が図８に示すような場合、
制御部９が振動板７２及び対向電極７４に対して作動信
号を出力する（副発電部４で発電された電圧を振動板７
２と対向電極７４との間に印可した後に電圧を消去す
る）ことによって、振動板７２が撓んでから復元し、燃
料噴射手段５８から混合液が噴射される。
【００７７】更に、主発電部６が起動している場合に、
制御部９は、電力検知部８から入力される信号に基づい
て、主発電部６の駆動電力の値を判定し、判定した駆動
電力の値に基づいてマイクロリアクタ５を制御するよう
になっている。これにより、マイクロリアクタ５から生
成される水素ガスの生成量が調節される。即ち、制御部
９は、マイクロリアクタ５に設けられる燃料噴射手段５
８を制御する。これにより、燃料噴射手段５８から噴射
される混合液の噴射量（単位時間当たりの噴射量、例え
ば、燃料噴射手段５８が燃料を噴射するインターバル）
が制御部９によって制御され、マイクロリアクタ５から
生成される水素ガスの生成量が調整され、結果として主
発電部６から発電される駆動電力（電圧、電位、電気エ
ネルギー）が調整される。具体的には、燃料噴射手段５
８が一回混合液を噴射した後に次回に再び混合液を噴射
するまでの時間的間隔を、制御部９が制御することによ
って、水素ガスの生成量が調整される。更に、制御部９
は、電力検知部８から入力される信号に基づいて、主発
電部６から発電される駆動電力等が一定になるように
（例えば、負荷３４に印可される電圧が一定の１．５
〔Ｖ〕となるように）、燃料噴射手段５８を制御するよ
うになっている。
【００７８】即ち、以上の燃料電池システム１では、燃
料噴射手段５８が設けられており、この燃料噴射手段５
８から噴射される混合液の噴射量が制御部９によって調
整されることによって、水素ガスの生成量が容易に制御
することができる。また、負荷駆動検知部７が検知した
場合のみに、燃料噴射手段５８から混合液が噴射され、
主発電部６から電力が発電されるため、電力を必要とし
ないとき（例えば、負荷３４が燃料電池システム１に接
続されていないとき）には混合液が噴射されない。従っ
て、混合液の浪費が抑えられる。
【００７９】次に、上記燃料電池システム１の使用方法
及び作用について説明する。まず、混合液が充填された
燃料パック２を発電モジュール３に取り付ける。次に、
燃料パック２が取り付けられた状態の燃料電池システム
１を負荷３４に接続する。そして、負荷駆動検知部７に
おいて検知した場合に、マイクロリアクタ５で水素ガス
が生成されて、主発電部６において駆動電力が発電され
る。これにより、駆動電力が負荷３４に対して供給され
る。この際、制御部９が、マイクロリアクタ５から発生
される水素ガスの量を調節することにより、主発電部６
において発電される電力が調整される。
【００８０】〔第二の実施の形態〕第二の実施の形態に
おける燃料電池システムは、上記第一の実施の形態にお
ける燃料電池システム１とほぼ同一の構成をしており、
マイクロリアクタの構成が異なっている。従って、第二
の実施の形態における燃料電池システムの構成について
は、第一の実施の形態における燃料電池システム１と異
なる構成について主に説明する。
【００８１】第二の実施の形態において、マイクロリア
クタ５は、図５に示すマイクロ連続槽反応器５１に代え
て、図１２に示すようなマイクロ回分反応器１５１を備
えている。
【００８２】マイクロ回分反応器１５１は、本発明に係
る蒸発装置及び改質装置が適用されたものであり、基本
構成として、上基板５５と、下基板５６と、薄膜ヒータ
５７と、燃料噴射手段５８と、改質触媒５９と、マイク
ロバルブ１５２とを有して構成されている。この上基板
５５及び下基板５６が接合されることで凹部５５ａによ
る空洞（室）が形成されている。上基板５５、下基板５
６、薄膜ヒータ５７、燃料噴射手段５８、改質触媒５
９、配線８０及び絶縁膜８１は、上記マイクロ連続槽反
応器５１の場合とほぼ同様の構成をしているため、詳細
な説明を省略する。
【００８３】マイクロバルブ１５２は、上基板５５に形
成された排出路５５ｂに設けられており、排出路５５ｂ
を開閉するものである。マイクロバルブ１５２は、副発
電部４で発電された電力によって開閉動作するようにな
っている。更に、マイクロバルブ１５２は、制御部９に
よって開閉動作を制御されるようになっている。
【００８４】以上のように構成されるマイクロ回分反応
器１５１の作用を説明する。まず、制御部９がマイクロ
バルブ１５２を制御することによって、マイクロバルブ
１５２が閉動作して、排出路５５ｂが塞がれる。そし
て、上記マイクロ連続槽反応器５１の場合と同様に、燃
料噴射手段５８が制御部９によって制御されて、混合液
の液滴が薄膜ヒータ５７に噴射される。そして、薄膜ヒ
ータ５７が混合液の液滴を加熱すると、混合液が蒸発す
る（気化する）。そして、原料ガス（メタノールガス及
び水蒸気）が改質触媒５９によって促進されて上記化学
反応式（３）及び上記化学反応式（４）に示すような反
応をして、水素ガス、二酸化炭素ガス及び微量の一酸化
炭素ガスが生成される。水素ガス、二酸化炭素ガス及び
一酸化炭素ガスが生成されることによって、凹部５５ａ
の圧力が上昇する。
【００８５】そして、所定時間経過後（この間に、燃料
噴射手段５８が所定回数だけ混合液を噴射する動作を繰
り返しても良い。）、制御部９がマイクロバルブ１５２
を制御することによって、マイクロバルブ１５２が開動
作する。マイクロバルブ１５２が開くと、生成されたガ
スは凹部５５ａの圧力差によって排出路５５ｂへと流れ
て、水性シフト反応器５２のマイクロ流路７６へと流れ
る。
【００８６】その後同様に、マイクロバルブ１５２が閉
動作し、燃料噴射手段５８が混合液を滴状に噴射し、マ
イクロバルブ１５２が開動作することが繰り返されるこ
とによって、断続的に生成ガスが水性シフト反応器５２
のマイクロ流路７６へと流れる。
【００８７】以上の第二の実施の形態においても、マイ
クロ回分反応器１５１に燃料噴射手段５８が設けられて
いるため、燃料パック２から供給される混合液を滴状に
して薄膜ヒータ５７に噴射することが可能となる。ま
た、混合液が滴状で噴射されるため、薄膜ヒータ５７に
おいて混合液が効率よく蒸発する。即ち、薄膜ヒータ５
７において混合液を蒸発させるためのエネルギーの浪費
が抑えられる。
【００８８】〔第三の実施の形態〕第三の実施の形態に
おける燃料電池システムは、上記第一の実施の形態にお
ける燃料電池システム１とほぼ同一の構成をしており、
マイクロリアクタの構成が異なっている。従って、第三
の実施の形態における燃料電池システムの構成について
は、第一の実施の形態における燃料電池システム１と異
なる構成について主に説明する。
【００８９】第三の実施の形態において、マイクロリア
クタ５は、図５に示すマイクロ連続槽反応器５１に代え
て、図１３及び図１４に示すようなマイクロ改質反応器
２５１を備えている。マイクロ改質反応器２５１は、大
きく分けて、混合液を蒸発させるためのマイクロ蒸発部
２５２と、マイクロ蒸発部２５２において気化したメタ
ノールガス及び水蒸気を水素ガスと二酸化炭素ガスに改
質するためのマイクロ流路反応部２５３とが一体となっ
て構成されており、マイクロ蒸発部２５２には空洞２５
８が設けられており、マイクロ流路反応部２５３にはマ
イクロ流路２５９が設けられている。
【００９０】詳細に説明すると、マイクロ改質反応器２
５１は、上基板２５４と、下基板２５５と、蒸発用ヒー
タ２５６と、流路用ヒータ２５７と、燃料噴射手段５８
とを有して構成されている。上基板２５４は、空洞２５
８を構成するための凹部２５４ａと、マイクロ流路２５
９を構成するための溝２５４ｂとが、半導体製造技術を
適用して上基板２５４に形成されている。そして、上基
板２５４に下基板２５５が接合されることによって、凹
部２５４ａによる空洞２５８が形成され、溝２５４ｂに
よるマイクロ流路２５９が形成される。また、溝２５４
ｂは凹部２５４ａに連なって形成されているため、マイ
クロ流路２５９の一端は空洞２５８に通じている。一
方、マイクロ流路２５９の他端は水性シフト反応器５３
の吸入路７８ａ（図１０に図示）に通じている。
【００９１】また、溝２５４ｂの表面には、改質触媒２
６０が形成されている。改質触媒２６０は、メタノール
及び水に対して化学反応を促進する作用を有し、メタノ
ール及び水から水素ガス及び二酸化炭素ガスを生成する
機能を有するものである。
【００９２】また、溝２５４ｂ（マイクロ流路２５９）
の断面幅Ｗは、改質触媒２６０が被膜された状態で１０
０〔μｍ〕以下であるのが望ましく、溝２５４ｂの断面
深さＤは、改質触媒２６０が被膜された状態で５００
〔μｍ〕以下であるのが望ましい。
【００９３】更に、下基板２５５はガラスで形成された
基板であり、下基板２５５における上基板２５４側の面
には、電気的な抵抗（例えば、ＴａＳｉＯx又はＴａＳ
ｉＯxＮ）で構成される蒸発用ヒータ２５６及び流路用
ヒータ２５７が設けられている。蒸発用ヒータ２５６に
は副発電部４にて発電された電力が配線２６２を介して
供給されており、流路用ヒータ２５７には副発電部４に
て発電された電力が配線２６３を介して供給される。蒸
発用ヒータ２５６及び流路用ヒータ２５７は電力により
発熱するものである。蒸発用ヒータ２５６が空洞２５８
の面となるように、また流路用ヒータ２５７がマイクロ
流路２５９の内面となるように、上基板２５４に下基板
２５５が接合されている。なお、流路用ヒータ２５７に
改質触媒２６０が被膜されていても良い。また、蒸発用
ヒータ２５６、流路用ヒータ２５７及び配線２６２，２
６３上に、酸化シリコン（ＳｉＯx）又は窒化シリコン
（ＳｉxＮy）で形成された絶縁膜２６４が被膜されてい
ても良い。
【００９４】上基板２５４には、燃料パック２に封入さ
れた混合液を蒸発用ヒータ２５６に噴射するための燃料
噴射手段５８が設けられており、この燃料噴射手段５８
は第一の実施の形態における燃料噴射手段５８と同様な
構成をしている。
【００９５】以上のように構成されるマイクロ改質反応
器２５１の作用を説明する。まず、上記マイクロ連続槽
反応器５１の場合と同様に、燃料噴射手段５８が制御部
９によって制御されて、混合液の液滴が蒸発用ヒータ２
５６に噴射される。そして、蒸発用ヒータ２５６が混合
液の液滴を加熱すると、混合液が蒸発する（気化す
る）。混合液が気化することによって空洞２５８の圧力
が上昇し、原料ガス（メタノールガス及び水蒸気）が圧
力によって空洞２５８からマイクロ流路２５９へと流れ
る。そして、原料ガスがマイクロ流路２５９を流れてい
る間に、原料ガスは改質触媒２６０に促進されるととも
に流路用ヒータ２５７によって加熱されて、上記化学反
応式（３）及び上記化学反応式（４）に示すような反応
をする。これにより、水素ガス、二酸化炭素ガス及び一
酸化炭素ガスが生成される。そして、生成されたガス
（水素ガス、二酸化炭素ガス及び一酸化炭素ガス）は、
水性シフト反応器５３のマイクロ流路７６へと流れ出
る。
【００９６】以上の第三の実施の形態においても、マイ
クロ蒸発部２５２に燃料噴射手段５８が設けられている
ため、燃料パック２から供給される混合液を滴状にして
蒸発用ヒータ２５６に噴射することが可能となる。ま
た、混合液が滴状で噴射されるため、蒸発用ヒータ２５
６において混合液が効率よく蒸発する。そのため、蒸発
用ヒータ２５６において混合液を蒸発させるためのエネ
ルギーの浪費が抑えられる。
【００９７】また、マイクロ改質反応器２５１は、マイ
クロ連続槽反応器５１より薄い構造とすることができ
る。その理由は以下による。即ち、マイクロ連続槽反応
器５１は開いた系であるから、原料ガスが十分に（例え
ば、９０％以上）水素や二酸化炭素に改質されるため
に、薄膜ヒータ５７と排出路５５ｂとの距離ｓ（図５に
図示）を十分に大きくする必要がある。ところが、マイ
クロ改質反応器２５１では、マイクロ蒸発部２５２（空
洞２５８）は開いた系であるが、マイクロ蒸発部２５２
において混合液が水素や二酸化炭素に改質されるのでは
なくマイクロ流路反応部２５３において混合液が改質さ
れるため、空洞２５８の高さＳ（図１４に図示）は距離
ｓに比較して小さくても良い。
【００９８】また、マイクロ改質反応器２５１における
改質に係る反応速度は、マイクロ回分反応器１５１にお
ける改質に係る反応速度より高い。その理由は以下によ
る。即ち、マイクロ回分反応器１５１では、原料ガスが
十分に（例えば、９０％以上）水素や二酸化炭素に改質
されるためにマイクロバルブ１５２が閉じてマイクロ回
分反応器１５１が閉じた系となるから、マイクロバルブ
１５２が閉じている間は生成されたガスがマイクロ回分
反応器１５１から流れでない。このため原料ガスが拡散
しにくく、比較的広い空間で原料ガスが十分改質触媒に
接触し改質されるためには時間がかかってしまう。一
方、マイクロ改質反応器２５１では、原料ガスがマイク
ロ流路２５９を流れている間に十分に水素や二酸化炭素
に改質されるため、マイクロ蒸発部２５２（空洞２５
８）を閉じた系とする必要がない。そのため、連続的に
原料ガスがマイクロ蒸発部２５２からマイクロ流路２５
９へと流れ、水素や二酸化炭素がマイクロ改質反応器２
５１から連続的に流れ出るためにこれら原料ガスが極め
て細いマイクロ流路２５９を流動しながら通過するので
原料ガスが単位時間当たりに改質触媒と接触する確率が
むらなく均等で且つ高くなる。従って、マイクロ回分反
応器１５１よりマイクロ改質反応器２５１の方が効率よ
く混合液を改質できる。更に、混合液が水素や二酸化炭
素に改質されている際、マイクロ回分反応器１５１では
原料ガスは空洞２５８において停留しており、マイクロ
改質反応器２５１では原料ガスがマイクロ流路２５９が
流れている。そのため、原料ガスに対して熱を伝達する
効率は、マイクロ回分反応器１５１よりマイクロ改質反
応器２５１の方が高く、マイクロ改質反応器２５１の方
が改質に係る反応速度が高い。
【００９９】ところで、マイクロ流路反応部２５３（マ
イクロ流路２５９）において、原料ガスの改質効率（単
位時間当たりの水素の生成される量）を高めるために、
マイクロ流路２５９を流れるガス（メタノールガスや水
蒸気、生成された水素ガス、二酸化炭素ガス）の平均流
速を大きくする必要がある。しかしながら、マイクロ流
路２５９を流れるガスの平均流速が大きくしすぎると、
原料ガスが十分に改質されない場合がある。そこで、第
三の実施の形態において、流路用ヒータ２５７から発せ
られる熱流束を５００〔Ｗ／ｍ2〕以上と大きくするこ
とによって、水蒸気改質反応に係る反応速度を高めてい
る。
【０１００】以下、具体的なデータを示して、流路用ヒ
ータ２５７の熱流束と、混合液が改質された率（転化
率）との関係を説明する。表１は、マイクロ流路反応部
２５３における各数値を示すものである。条件（１）で
は、マイクロ流路２５９の断面幅Ｗを５２０〔μｍ〕と
し、断面深さＤを３６０〔μｍ〕とし、マイクロ流路２
５９の長さを３００〔ｍｍ〕とした条件である。条件
（２）では、マイクロ流路２５９の断面幅Ｗを２２０
〔μｍ〕とし、断面深さＤを４１０〔μｍ〕とし、マイ
クロ流路２５９の長さを３００〔ｍｍ〕とした条件であ
る。
【０１０１】
【表１】
【０１０２】条件（１）において、マイクロ流路２５９
を流れるガスの平均流速を０．９４〔ｍ／ｓｅｃ〕と
し、流路用ヒータ２５７の熱流束を６００〔Ｗ／ｍ2〕
とした場合、１００％の混合液が改質された。
【０１０３】また、条件（２）において、マイクロ流路
２５９を流れるガスの平均流速を１．９６とし、流路用
ヒータ２５７の熱流束を１３００〔Ｗ／ｍ2〕とした場
合、９４．３％の混合液が改質された。なお、条件
（１）でも、条件（２）でも流路の温度は３００℃とな
っている。
【０１０４】以上のように、流路用ヒータ２５７から発
せられる熱流束を５００〔Ｗ／ｍ2〕以上と大きくする
ことによって、メタノールガスや水蒸気が水素や二酸化
炭素ガスに十分に改質される。従って、マイクロ流路２
５９を流れるガスの平均流速を速くすることができ、マ
イクロ流路反応部２５３における改質効率を高めること
ができる。なお、他の燃料（例えば、ガソリン）の場
合、熱流束を１００〔Ｗ／ｍ2〕以上で十分な転化率が
得られた。
【０１０５】また、マイクロ改質反応器５１を小型化す
るためには、マイクロ流路２５９の体積を小さくすれば
良い。しかしながら、マイクロ流路２５９の体積を小さ
くしすぎると、マイクロ改質反応器５１の改質効率が低
くなってしまうが、上述したように流路用ヒータ２５７
の熱流束を５００〔Ｗ／ｍ2〕以上と大きくすることに
よってマイクロ改質反応器５１の改質効率が向上するか
ら、マイクロ流路２５９の体積を小さくすることができ
る。そのため、マイクロ改質反応器５１の小型化が図れ
る。
【０１０６】また、マイクロ流路２５９の体積を小さく
するためには、マイクロ流路２５９の断面積を小さくす
る必要がある。マイクロ流路２５９の断面幅Ｗを小さく
して、ある程度断面深さＤを確保すれば、マイクロ流路
２５９の断面積が小さくなり、マイクロ改質反応器５１
のサイズが小型化される。そのため、マイクロ流路２５
９の断面幅Ｗを断面深さＤより小さくして、断面幅Ｗが
１００〔μｍ〕以下であるのが望ましく、断面深さＤが
５００〔μｍ〕以下であるのが望ましい。また、マイク
ロ流路２５９の断面積が小さくなることによって、流路
用ヒータ２５７の熱が原料ガスに拡散する時間が小さく
なり、原料ガスの反応速度が速くなる。上記各実施の形
態における噴射手段は、既存のプリンタにおけるサーマ
ルジェット方式、ピエゾ式、及び静電式のインクジェッ
トヘッドのいずれかを採用したのでピコリットルレベル
の噴霧が可能となるため、容易に主発電部６での発電さ
れる電力を制御することができる。
【０１０７】なお、本発明は、上記各実施の形態に限定
されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲におい
て、種々の改良並びに設計の変更を行っても良い。
【０１０８】また、上記各実施の形態において、燃料噴
射手段５８は一つに限らず、複数設けられていても良
い。そして、制御部９が、電力検知部８から入力される
信号に基づいて、複数の燃料噴射手段５８の中から作動
させる燃料噴射手段の数を決定し、決定した数だけ燃料
噴射手段５８から混合液を噴射させるように制御しても
良い。これにより、マイクロリアクタ５において生成さ
れる水素の量が調整されて、結果として主発電部６から
発電される駆動電力（電圧、電流）が調整される。
【０１０９】また、上記各実施の形態において、燃料電
池システム１の外形は図１に示すような円筒形状に限ら
ず、例えば、ボタン型或いはコイン型等の円形型であっ
ても良いし、特殊形状型、角形或いは平型等の非円形型
であっても良い。
【０１１０】また、第一及び第二実施の形態において、
薄膜ヒータ５７の表面（絶縁膜８１の表面）にポリテト
ラフルオロエチレン等の低表面エネルギー材を被膜する
ことによって、薄膜ヒータ５７の表面に撥水処理を施し
ても良い。第三の実施の形態において、蒸発用ヒータ２
５６の表面（絶縁膜２６４の表面）に低表面エネルギー
材を被覆することによって、蒸発用ヒータ２５６の表面
に撥水処理を施しても良い。薄膜ヒータ５７や蒸発用ヒ
ータ２５６の表面が撥水処理されていることで、薄膜ヒ
ータ５７や蒸発用ヒータ２５６の表面に噴射された混合
液の液滴が効率よく蒸発する。その理由は、以下によ
る。
【０１１１】即ち、図１５に示すように、混合液の液滴
２７０が薄膜ヒータ５７や蒸発用ヒータ２５６の表面に
噴射されると、液滴２７０と薄膜ヒータ５７や蒸発用ヒ
ータ２５６との界面で気泡（気化したガス）が発生する
（膜沸騰が起こる）。気泡が発生することによって、薄
膜ヒータ５７や蒸発用ヒータ２５６と液滴２７０との接
触面積が減少し、且つ気泡が熱伝導性の良好でない媒体
であるため、液滴２７０に対して熱が十分に伝導しな
い。しかしながら、燃料噴射手段５８によって薄膜ヒー
タ５７や蒸発用ヒータ２５６の表面に噴射された液滴２
７０は、運動エネルギーを付与されて内部で容易に流動
しやすい状態であり、更に、液滴２７０の接触角θが１
４０〔ｄｅｇ〕以上となるように薄膜ヒータ５７や蒸発
用ヒータ２５６における液滴２７０と接触する部材に撥
水処理を施すと噴射された液滴２７０は薄膜ヒータ５７
や蒸発用ヒータ２５６上で非常に良く滑る。そのため、
気泡は、液滴２７０内に留まらず、発生後すぐに液滴２
７０内から周囲へ発散されるので接触面積の著しい低下
現象が発生しない。そのため、薄膜ヒータ５７や蒸発用
ヒータ２５６から液滴２７０へ熱が効率よく伝導し、液
滴２７０が効率よく蒸発する。
【０１１２】また、第一及び第二の実施の形態におい
て、薄膜ヒータ５７の表面（絶縁膜８１の表面）に親水
処理を施しても良いし、第三の実施の形態において、蒸
発用ヒータ２５６の表面（絶縁膜２６４の表面）に親水
処理を施しても良い。薄膜ヒータ５７や蒸発用ヒータ２
５６の表面が親水処理されていることで、薄膜ヒータ５
７や蒸発用ヒータ２５６の表面に噴射された混合液の液
滴が効率よく蒸発する。その理由は、以下による。
【０１１３】即ち、薄膜ヒータ５７や蒸発用ヒータ２５
６に親水処理が施されているため、図１６に示すよう
に、噴射された混合液の液滴２７２は薄膜ヒータ５７や
蒸発用ヒータ２５６に対して濡れやすくなる。そのた
め、接触角θが２０〔ｄｅｇ〕以下と小さくなり、液滴
２７２は、薄膜ヒータ５７や蒸発用ヒータ２５６との界
面に広がって、全体的に薄くなる。従って、液滴２７２
が全体として沸騰し、薄膜ヒータ５７や蒸発用ヒータ２
５６と液滴２７２との界面で気泡が発生しても、液滴２
７２の接触面積が相対的に大きい。そのため、薄膜ヒー
タ５７や蒸発用ヒータ２５６から液滴２７２へ熱が効率
よく伝導し、液滴２７２が効率よく蒸発する。
【０１１４】また、第三の実施の形態において、流路用
ヒータ２５７が下基板２５５上に形成されていたが、別
の箇所に形成されていても良い。例えば、図１７に示す
ように、別の例のマイクロ改質反応器２５１Ａは、上基
板２８１と、中基板２８０と、下基板２５５と、蒸発用
ヒータ２５６と、流路用ヒータ２８２と、燃料噴射手段
５８とを有して構成されている。
【０１１５】中基板２８０は単結晶シリコンで形成され
た基板であり、空洞２５８を構成するための凹部２８０
ａと、マイクロ流路２５９を構成するための溝２８０ｂ
とが、サンドブラス法によって形成されている。そし
て、中基板２５８に下基板が接合されることによって、
凹部２８０ａによる空洞２５８が形成され、溝２８０ｂ
によるマイクロ流路２５９が形成される。また、溝２８
０ｂの表面には、改質触媒２６０が形成されている。中
基板２８０には、燃料パック２に封入された混合液を蒸
発用ヒータ２５６に噴射するための燃料噴射手段５８が
設けられている。また、中基板２８０上には電気的な抵
抗で構成される流路用ヒータ２８２が設けられている。
流路用ヒータ２８２には、副発電部４にて発電された電
力が配線２８３を介して供給される。単結晶シリコンで
形成された中基板２８０は熱伝導性が高いため、蒸発用
ヒータ２５６で発せられた熱がマイクロ流路２５９へと
伝導する。
【０１１６】下基板２５５はガラスで形成された基板で
あり、下基板２５５における中基板２５４側の面には、
電気的な抵抗で構成される蒸発用ヒータ２５６が設けら
れている。流路用ヒータ２８２及び配線２８３が被覆さ
れるようにして、上基板２８１が中基板２８１上に接合
されている。上基板２８１は、ガラスで形成された基板
である。なお、マイクロ改質反応器２５１Ａについて
は、マイクロリアクタ２５１と同様の構成要素に同様の
符号を付してその詳細な説明を省略する。
【０１１７】また、薄膜ヒータ５７、蒸発用ヒータ２５
６、流路用ヒータ２５７及び流路用ヒータ２８２は、電
気抵抗でなくても良く、例えば、熱流体等の熱を発して
加熱する加熱手段であっても良い。また上記各実施の形
態では、燃料としてメタノールを用いたが、吸熱反応に
より水素を発生させるものであればその他の液化燃料で
もよく、ブタン等の常温、常圧下で気化する燃料であれ
ばより好ましい。なお、上記各実施の形態では、燃料電
池について説明したが、これに限らず、上述したＤＮＡ
等の遺伝子の同定、合成のように所定の物質を化学反応
させる超小型反応プラントとしてマイクロリアクタを適
用することも可能である。
【０１１８】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、液状の
改質原料が噴射手段によって滴状に噴射され、滴状の改
質原料が加熱手段によって加熱されて蒸発される。噴射
手段によって改質原料を加熱手段に対して供給すること
が可能となり、滴状の改質原料が加熱手段によって蒸発
する。そして、噴射手段が改質原料を噴射した際には改
質原料が滴状であるため、改質原料の体積に対する表面
積の割合が大きくなるから、改質原料が効率よく蒸発す
る。改質原料が効率よく蒸発するから、加熱手段の発熱
量を大きくするために加熱手段を大型化する必要がな
く、蒸発装置の小型化が図られる。そのため、蒸発装置
を具備した燃料電池システムも小型化が図られ、この燃
料電池システムを可搬型又は携帯型のポータブル電源と
して適用するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システム及び従来の化学
電池の外形が示されている斜視図である。
【図２】上記燃料電池システムの機能ブロック図が示さ
れている図面である。
【図３】上記燃料電池システムに設けられる燃料電池の
構成例が概略的に示されている図面である。
【図４】上記燃料電池システムに設けられるマイクロリ
アクタの構成例が示されている図面である。
【図５】上記マイクロリアクタに設けられるマイクロ連
続槽反応器が示されている図面であり、図５（ａ）は該
マイクロ連続槽反応器の断面図であり、図５（ｂ）は図
５（ａ）におけるＢ部の拡大図である。
【図６】上記マイクロ連続反応器に設けられる噴射手段
が示されている断面図である。
【図７】上記燃料噴射手段とは別の例の噴射手段が示さ
れている断面図である。
【図８】上記燃料噴射手段とは別の例の噴射手段が示さ
れている断面図である。
【図９】上記マイクロリアクタに設けられる水性シフト
反応器及び選択酸化反応器が示されている図面である。
【図１０】上記水性シフト反応器及び上記選択酸化反応
器が示されている断面図である。
【図１１】上記燃料電池システムに設けられる燃料電池
の構成が概略的に示されている図面である。
【図１２】上記マイクロリアクタとは別の例のマイクロ
リアクタに設けられるマイクロ回分反応器が示されてい
る図面であり、図１２（ａ）は該マイクロ回分反応器の
断面図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）におけるＣ
部の拡大図である。
【図１３】上記マイクロリアクタとは別の例のマイクロ
リアクタに設けられるマイクロ改質反応器が示されてい
る斜視図である。
【図１４】上記マイクロ改質反応器が示されている図面
であり、図１４（ａ）は該マイクロ改質反応器の断面図
であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）におけるＥ部の拡
大図であり、図１４（ｃ）は図１４（ａ）におけるＣ部
の拡大図である。
【図１５】上記燃料噴射手段に噴射された改質原料の状
態が示されている図面である。
【図１６】上記燃料噴射手段に噴射された改質原料の状
態が示されている図面である。
【図１７】上記マイクロ改質反応器とは別の例のマイク
ロ改質反応器が示されている断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池システム ５ マイクロリアクタ ６ 主発電部（燃料電池） ９ 制御部（制御手段） ５１ マイクロ連続槽反応器（蒸発装置、改質装
置） ５５ａ 凹部（室） ５７ 薄膜ヒータ（加熱手段） ５８ 燃料噴射手段（噴射手段） ５９ 改質触媒 １５１ マイクロ回分反応器（蒸発装置、改質装
置） ２５１ マイクロ改質反応器（改質装置） ２５２ マイクロ蒸発部（蒸発装置） ２５３ マイクロ流路反応部 ２５６ 蒸発用ヒータ（加熱手段） ２５７ 流路用ヒータ（第二加熱手段） ２５８ 空洞（室） ２５９ マイクロ流路（流路） ２６０ 改質触媒
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G040 EA02 EA06 EB03 EB23 EB46 5H027 AA02 AA06 AA08 BA01 BA03 BA13 BA17 DD01

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】液状の改質原料を改質するための改質装置
    に用いられる蒸発装置において、 空洞となる室と、 改質原料を滴状にして前記室内に噴射する噴射手段と、 前記室に設けられるとともに、前記噴射手段によって噴
    射された改質原料を加熱して蒸発させるための加熱手段
    と、を備え、 前記噴射手段が前記加熱手段に向けて改質原料を噴射す
    ることを特徴とする蒸発装置。
  2. 【請求項２】請求項１記載の蒸発装置において、 前記加熱手段の表面が撥水処理されていることを特徴と
    する蒸発装置。
  3. 【請求項３】請求項１記載の蒸発装置において、 前記加熱手段の表面が親水処理されていることを特徴と
    する蒸発装置。
  4. 【請求項４】請求項１から３のいずれかに記載の蒸発装
    置において、 前記改質原料がメタノールと水との混合液であることを
    特徴とする蒸発装置。
  5. 【請求項５】請求項１から４のいずれかに記載の蒸発装
    置において、 前記噴射手段は、サーマルジェット方式、ピエゾ式、及
    び静電式のいずれかから選択される前記噴射手段を制御
    する制御手段を備えることを特徴とする蒸発装置。
  6. 【請求項６】請求項１から５のいずれかに記載の蒸発装
    置において、 前記噴射手段を制御する制御手段を備え、前記制御手段
    は、前記噴射手段から噴射される改質原料の単位時間あ
    たりの噴射量を調整するように前記噴射手段を制御する
    ことを特徴とする蒸発装置。
  7. 【請求項７】請求項１から６のいずれかに記載の蒸発装
    置を備える改質装置において、 前記室内に配置される改質触媒を備え、 蒸発された改質原料を前記室内にて改質することを特徴
    とする改質装置。
  8. 【請求項８】請求項１から６のいずれかに記載の蒸発装
    置を備える改質装置において、 前記室内に通ずる流路と、 前記流路内に配置され、前記流路を通過する蒸発された
    改質原料を加熱する第二加熱手段と、 前記流路内に配置される改質触媒と、を備え、 蒸発された改質原料を前記流路内にて改質することを特
    徴とする改質装置。
  9. 【請求項９】請求項７又は８記載の改質装置と、 前記改質装置によって生成された水素と酸素とを反応さ
    せて発電を行う燃料電池と、を備えることを特徴とする
    燃料電池システム。
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