JP2003290652A - 化学反応装置および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリコン基板の一面に形成された微小な流路
内に設けられた反応触媒層に熱エネルギーを供給する化
学反応装置において、熱エネルギーの損失を低減する。 【解決手段】 両シリコン基板１１、１２は互いに接着
されている。主シリコン基板１１の一面に形成された蛇
行した微小な流路１３内には反応触媒層１５が設けら
れ、主ガラス基板１７で覆われている。燃焼用シリコン
基板１２の他面に形成された蛇行した微小な流路１４内
には燃焼触媒層１５が設けられ、燃焼用ガラス基板１８
で覆われている。そして、流路１４内に供給された燃焼
用ガスを燃焼触媒層１５上で燃焼反応により燃焼させ、
この燃焼により発生した熱エネルギーで流路１３内を加
熱し、流路１４を覆っている燃焼用ガラス基板１８によ
り、流路１４内で燃焼反応により発生した熱エネルギー
の拡散を抑制することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は化学反応装置およ
びこの化学反応装置を具備する燃料電池システムに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】化学反応の技術分野では、流体化された
混合物質を流路内に設けられた触媒による化学反応（触
媒反応）により、所望の流体物質を生成する化学反応装
置が知られている。従来のこのような化学反応装置に
は、半導体集積回路などの半導体製造技術で蓄積された
微細加工技術を用いて、シリコン基板上にミクロンオー
ダーあるいはミリメートルオーダーの流路を形成したも
のがある。

【０００３】図１２は従来のこのような化学反応装置の
一例の透過平面図を示し、図１３はそのＢ−Ｂ線に沿う
断面図を示したものである。この化学反応装置はシリコ
ン基板１を備えている。シリコン基板１の一面には、半
導体製造技術で蓄積された微細加工技術を用いて、蛇行
した微小な流路２が形成されている。流路２の内壁面に
は触媒層３が設けられている。

【０００４】シリコン基板１の一面には蓋となるガラス
板４が接合されている。ガラス板４の流路２の両端部に
対応する所定の２箇所には流入口５および流出口６が設
けられている。シリコン基板１の他面には蛇行した薄膜
ヒータ７が設けられている。薄膜ヒータ７は、この化学
反応装置における化学反応（触媒反応）が所定の熱条件
による吸熱反応を伴うとき、化学反応時に流路２内の触
媒層３に所定の熱エネルギーを供給するためのものであ
る。

【０００５】次に、上記構成の化学反応装置の使用例に
ついて説明する。例えば、近年、実用化に向けて研究開
発が目覚ましい燃料改質型の燃料電池を用いた燃料電池
システムでは、上記構成の化学反応装置を用いて、例え
ばメタノール水溶液を蒸発（気化）させて得られた発電
用燃料ガス（ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ）から水素を生成して燃
料電池に供給するように構成することがある。

【０００６】すなわち、薄膜ヒータ７の発熱により流路
２内が所定の温度となるように加熱した状態において、
上記発電用燃料ガス（ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ）が流入口５を
介して流路２内に供給されると、流路２内の触媒層３に
よる吸熱反応が生じて、水素と副生成物としての二酸化
炭素が生成される。そして、この生成物のうち、二酸化
炭素を水素から分離して除去すると、水素のみを生成す
ることができ、これを燃料電池に供給して発電を行うよ
うにすることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
化学反応装置では、薄膜ヒータ７に電力を供給して発熱
させて流路２内を加熱するようにしていたため、加熱の
ために比較的大きな電力を要するという問題があった。
また、薄膜ヒータ７はシリコン基板１の他面側に設けら
れているため、シリコン基板１を介して流路２内の触媒
層３に熱エネルギーを供給するとともに周囲へも放熱さ
れてしまい、熱エネルギーの損失が大きく、エネルギー
の利用効率が悪いという問題があった。そこで、この発
明は、所定の流路内を加熱するに要するエネルギーを削
減し、且つ、熱エネルギーの損失を低減して、エネルギ
ーの利用効率を良くすることができる化学反応装置を提
供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、第１基板と、該第１基板の一面および他面にそれぞ
れ接合された第２基板および第３基板と、前記第１基板
と前記第２基板との間に設けられた微小な第１流路と、
前記第１基板と前記第３基板との間に設けられた微小な
第２流路と、該第２流路内の少なくとも一部に設けられ
た燃焼触媒とを備え、前記第１流路に第１の流体が供給
され、前記第２の流路に燃焼用流体が供給され、前記第
２流路内に供給された前記燃焼用流体を前記燃焼触媒上
で燃焼反応により燃焼させ、この燃焼により発生した熱
エネルギーで前記第１流路内を加熱することを特徴とす
るものである。請求項２に記載の発明は、請求項１に記
載の発明において、前記第１流路内の少なくとも一部に
反応触媒層が設けられていることを特徴とするものであ
る。請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載
の発明において、前記第２基板の前記第１流路の一端部
と他端部に対応する箇所に設けられた流入口および流出
口と、前記第３基板の前記第２流路の一端部と他端部に
対応する箇所に設けられた流入口および流出口とを備え
ることを特徴とするものである。請求項４に記載の発明
は、請求項３に記載の発明において、前記第２基板の流
入口には前記第１の流体が供給され、前記第３基板の流
入口には前記第１の流体および、酸素を含む第２の流体
が供給されることを特徴とするものである。請求項５に
記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記第
２基板の流入口には前記第１の流体が供給され、前記第
３基板の流入口には、酸素を含む第２の流体、および前
記第２基板の流出口から流出される流体から水素を分離
除去した第３の流体が供給されることを特徴とするもの
である。請求項６に記載の発明は、請求項１または２に
記載の発明において、前記第２基板の前記第１流路の一
端部と他端部に対応する箇所に設けられた流入口および
流出口と、前記第３基板の前記第２流路の一端部と他端
部に対応する箇所に設けられた流入口および流出口と、
前記第１流路の他端部と前記第２基板の流出口との間に
設けられた、水素を選択透過する分離膜と、前記第１流
路の他端部と前記第２流路の一端部との間における前記
第１基板に設けられた連通孔とを備え、前記第２基板の
流入口には前記第１の流体が供給され、前記第３基板の
流入口には酸素を含む第２の流体が供給され、前記連通
孔には前記第１流路の他端部から流出する流体から水素
を分離除所した第３の流体が供給されることを特徴とす
るものである。請求項７に記載の発明は、請求項１また
は２に記載の発明において、前記第２基板の前記第１流
路の一端部に対応する箇所に設けられた流入口と、前記
第３基板の前記第２流路の一端部および他端部に対応す
る箇所に設けられた流入口および流出口と、前記第１流
路の他端部と前記第２流路の一端部との間における前記
第１基板に設けられた連通孔とを備え、前記第２基板の
流入口には前記第１の流体が供給され、前記連通孔には
前記第１流路の他端部から流出する流体が供給され、前
記第３基板の流入口には酸素を含む第２の流体が供給さ
れることを特徴とするものである。請求項８に記載の発
明は、請求項１または２に記載の発明において、前記第
２基板の前記第１流路の一端部および他端部に対応する
箇所に設けられた流入口および流出口と、前記第３基板
の前記第２流路の他端部に対応する箇所に設けられた流
入口と、前記第１流路の他端部と前記第２基板の流出口
との間に設けられた、水素を選択透過する分離膜と、前
記第１流路の他端部と前記第２流路の一端部との間にお
ける前記第１基板に設けられた連通孔とを備え、前記第
２基板の流入口には前記第１の流体が供給され、前記第
２流路の一端部には、前記連通孔を介して前記第１流路
の他端部から流出する流体から水素が分離除去された第
３の流体が供給されることを特徴とするものである。請
求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれかに記載
の発明において、前記第１基板は１枚であることを特徴
とするものである。請求項１０に記載の発明は、請求項
９に記載の発明において、前記第１流路は前記第２基板
の前記第１基板との対向面に設けられ、前記第２流路は
前記第３基板の前記第１基板との対向面に設けられてい
ることを特徴とするものである。請求項１１に記載の発
明は、請求項１〜８のいずれかに記載の発明において、
前記第１基板は積層された２枚の基板からなることを特
徴とするものである。請求項１２に記載の発明は、請求
項１１に記載の発明において、前記第１流路は前記第１
基板の前記第２基板との対向面に設けられ、前記第２流
路は前記第１基板の前記第３基板との対向面に設けられ
ていることを特徴とするものである。請求項１３に記載
の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１流
路内の加熱により前記第１の流体を前記第１流路内で蒸
発させることを特徴とするものである。請求項１４に記
載の発明は、請求項１〜１２のいずれかに記載の発明に
おいて、前記反応触媒は改質触媒であって、前記第１の
流体を前記第１流路において改質することで水素を精製
することを特徴とするものである。請求項１５に記載の
発明は、請求項１〜１２のいずれかに記載の発明におい
て、前記反応触媒は選択酸化触媒であって、前記第１の
流体中の一酸化炭素を前記第１流路において二酸化炭素
および水素に変換することを特徴とするものである。請
求項１６に記載の発明は、請求項１４の化学反応装置
と、該化学反応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
とするものである。そして、この発明によれば、第１基
板の他面側に設けられた第２流路内に供給された燃焼用
流体を燃焼触媒上で燃焼反応により燃焼させ、この燃焼
により発生した熱エネルギーで第１基板の一面側に設け
られた第１流路内を加熱するようにしているので、第１
流路を加熱するために電力を供給することを不要とする
ことができる。また、第２流路を実質的に形成するため
に第１基板の他面に接合された第３基板により、第２流
路内で発生した熱エネルギーの拡散を抑制することがで
き、したがって第１流路内を加熱する際の熱エネルギー
の損失を低減することができる。更に、この化学反応装
置を、燃料改質型の燃料電池を用いた燃料電池システム
における燃料蒸発部や改質部、または一酸化炭素除去部
に良好に適用することができ、発電動作のための加熱に
要するエネルギーを削減し、且つ、熱エネルギーの損失
を低減して、発電動作に係わるエネルギーの利用効率を
良くして小型化することができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の一実施形態とし
ての化学反応装置の透過平面図を示し、図２はそのＡ−
Ａ線に沿う断面図を示したものである。この化学反応装
置は主シリコン基板１１および燃焼用シリコン基板１２
を備えている。両シリコン基板１１、１２は、接着剤
（図示せず）を介して接着されているが、ただ単に密接
されていてもよい。両シリコン基板１１、１２の寸法
は、一例として、長さ１５〜３５ｍｍ程度、幅１０〜２
５ｍｍ程度、厚さ０．４〜１．０ｍｍ程度である。

【００１０】主シリコン基板１１の一面および燃焼用シ
リコン基板１２の他面には、それぞれ、半導体製造技術
で蓄積された微細加工技術を用いて、蛇行した微小な流
路１３、１４が形成されている。両流路１３、１４の寸
法は、一例として、幅０．２〜０．８ｍｍ程度、深さ
０．２〜０．６ｍｍ程度であり、全長は３０〜１０００
ｍｍ程度である。

【００１１】主シリコン基板１１の流路１３の内壁面に
は反応触媒層１５が設けられている。この反応触媒層１
５は流路１３の内壁面全体に設けられていてもよいし、
部分的に設けられていてもよい。燃焼用シリコン基板１
２の流路１４の内壁面には燃焼触媒層１６が設けられて
いる。この燃焼触媒層１６は流路１４の内壁面全体に設
けられていてもよいし、部分的に設けられていてもよ
い。ここで、燃焼触媒層１６は、例えばＰｔ、Ａｕ、Ａ
ｇなどからなっている。

【００１２】主シリコン基板１１の一面および燃焼用シ
リコン基板１２の他面には、それぞれ、蓋となる厚さ
０．７ｍｍ程度の主ガラス基板１７および燃焼用ガラス
基板１８が陽極接合処理により接合されている。

【００１３】ここで、代表として、主シリコン基板１１
の一面に主ガラス基板１７を接合する陽極接合処理につ
いて説明する。主シリコン基板１１の一面に主ガラス基
板１７を重ね合わせ、主シリコン基板１１側を陽極と
し、主ガラス基板１７側を陰極とする。そして、主シリ
コン基板１１および主ガラス基板１７を４００〜６００
℃程度に加熱した状態で、両極間に１ｋＶ程度の直流電
圧を印加する。

【００１４】すると、主ガラス基板１７内の不純物であ
る陽イオンが主シリコン基板１１から離れる方向に移動
し、主ガラス基板１７の主シリコン基板１１側の界面に
酸素イオンの濃度の高い層が現れる。すると、主シリコ
ン基板１１の主ガラス基板１７側の界面のシリコン原子
と主ガラス基板１７の主シリコン基板１１側の界面の酸
素イオンとが結合し、強固な接合界面が得られる。

【００１５】この場合、主シリコン基板１１および主ガ
ラス基板１７を４００〜６００℃程度に加熱し、両極間
に１ｋＶ程度の直流電圧を印加するのは、主ガラス基板
１７内の不純物である陽イオンが主シリコン基板１１か
ら離れる方向に移動する速度を高くするためである。

【００１６】主ガラス基板１７の流路１３の両端部に対
応する所定の２箇所には流入口１９および流出口２０が
設けられている。燃焼用ガラス基板１８の流路１４の両
端部に対応する所定の２箇所には流入口２１および流出
口２２が設けられている。この場合、主ガラス基板１７
の流入口１９および流出口２０の配置と燃焼用ガラス基
板１８の流入口２１および流出口２２の配置とは互いに
逆となっている。ここで、両流路１３、１４は、図１で
は平面的に一致しているが、例えば図３に示すように、
一致していなくてもよく、要は、両流路１３、１４が多
くの部分で平面的に重なっていればよい。

【００１７】次に、この発明に係る化学反応装置を燃料
改質型の燃料電池を用いた燃料電池システムに適用した
場合について説明する。図４は燃料電池システム３０の
要部のブロック図を示したものである。この燃料電池シ
ステム３０は、発電用燃料部３１、燃焼用流体部３２、
燃料蒸発部３３、改質部３４、一酸化炭素除去部３５、
発電部３６、充電部３７などを備えている。

【００１８】発電用燃料部３１は、発電用燃料（例えば
メタノール水溶液）が封入された燃料パックなどからな
り、発電用燃料を燃料蒸発部３３に供給する。燃焼用流
体部３２は、燃焼用ガス（例えば水素ガス）が封入され
たボンベなどからなり、燃焼用ガスを燃料蒸発部３３、
改質部３４および一酸化炭素除去部３５に供給する。な
お、後述するように、発電用燃料に基づくガスの一部を
燃焼用ガスとして用いて、燃焼用流体部３２を備えない
ようにしてもよい。

【００１９】燃料蒸発部３３は、一例として、図１およ
び図２に示すような構造となっている。ただし、この場
合、主シリコン基板１１の流路１３内には反応触媒層１
５は設けられていない。そして、燃料蒸発部３３では、
まず、燃焼用流体部３２からの燃焼用ガスおよび大気中
から逆止弁を介して取り込まれた酸素（空気）（第２の
流体）からなる燃焼用流体が燃焼用ガラス基板１８の流
入口２１を介して燃焼用シリコン基板１２の流路１４内
に供給されると、この供給された燃焼用流体が燃料触媒
層１６上で燃焼反応により燃焼し、この燃焼により熱エ
ネルギーが発生する。燃焼ガスは燃焼用ガラス基板１８
の流出口２２から大気中に放出される。

【００２０】次に、燃料蒸発部３３では、発電用燃料部
３１からの発電用燃料（第１の流体、例えばメタノール
水溶液）が主ガラス基板１７の流入口１９を介して主シ
リコン基板１１の流路１３内に少量供給されると、流路
１３内において、燃焼用シリコン基板１３の流路１４内
で発生した熱エネルギーの供給を受けて、発電用燃料を
蒸発（気化）させ、この発電用燃料が気化された発電用
燃料ガス（例えば発電用燃料がメタノール水溶液の場
合、ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ）を主ガラス基板１７の流出口２
０から流出させる。

【００２１】このように、燃料蒸発部３３では、燃焼用
シリコン基板１２の流路１４内に供給された燃焼用ガス
および酸素を燃焼触媒１６上で燃焼反応により燃焼さ
せ、この燃焼により発生した熱エネルギーで主シリコン
基板１１の流路１３内を加熱するようにしているので、
流路１３を加熱するためのヒータを備えず、加熱のため
に電力を供給することを不要とすることができる。ま
た、燃焼用シリコン基板１２の他面に接合された燃焼用
ガラス基板１８により、流路１４内で発生した熱エネル
ギーの拡散をある程度防止することができる。したがっ
て、主シリコン基板１１の流路１３内を加熱する際の熱
エネルギーの損失を低減することができる。なお、以下
の改質部３４および一酸化炭素除去部３５の場合も同様
である。これらにより、発電動作に係わるエネルギーの
利用効率を良くして小型化することができる。

【００２２】次に、燃料蒸発部３３で発電用燃料が気化
された発電用燃料ガス（ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ）は改質部３
４に供給される。この場合、改質部３４も、一例とし
て、図１および図２に示すような構造となっている。た
だし、この場合、主シリコン基板１１の流路１３内には
反応触媒層１５が設けられ、反応触媒層１５は、例えば
Ｃｕ、ＺｎＯ、Ａｌ₂Ｏ₃などの改質触媒からなってい
る。そして、改質部３４では、まず、上記の場合と同様
に、燃焼用流体部３２からの燃焼用ガスおよび大気中か
ら逆止弁を介して取り込まれた酸素の供給により、燃焼
用シリコン基板１２の流路１４内において熱エネルギー
が発生し、燃焼ガスは燃焼用ガラス基板１８の流出口２
２から大気中に放出される。

【００２３】次に、改質部３４では、燃料蒸発部３３か
らの発電用燃料ガス（ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ）が主ガラス基
板１７の流入口１９を介して主シリコン基板１１の流路
１３内に供給されると、流路１３内において、燃焼用シ
リコン基板１２の流路１４内で発生した熱エネルギーの
供給を受けて、次の式（１）に示すような吸熱反応を引
き起こし、水素と副生成物の二酸化炭素とを生成する。 ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂……（１）

【００２４】上記式（１）の左辺における水（Ｈ₂Ｏ）
は、反応の初期では、発電用燃料部３１の燃料に含まれ
ているものでよいが、後述する発電部３６の発電に伴い
生成される水を回収して改質部３４に供給することが可
能である。発電部３６の発電中の上記式（１）の左辺の
おける水（Ｈ₂Ｏ）の供給源は、発電部３６のみでもよ
く、発電部３６および発電用燃料部３１でも、また発電
用燃料部３１のみでもよい。なお、このとき微量ではあ
るが、一酸化炭素が改質部３４内で生成されることがあ
る。

【００２５】そして、上記式（１）の右辺の生成物（水
素、二酸化炭素）および微量の一酸化炭素は改質部３４
の主ガラス基板１７の流出口２０から流出される。改質
部３４の主ガラス基板１７の流出口２０から流出された
生成物のうち、気化状態の水素および一酸化炭素は一酸
化炭素除去部３５に供給され、二酸化炭素は分離されて
大気中に放出される。

【００２６】次に、一酸化炭素除去部３５も、一例とし
て、図１および図２に示すような構造となっている。た
だし、この場合、反応触媒層１５は、例えばＰｔ、Ａｌ
₂Ｏ₃などの選択酸化触媒からなっている。そして、一酸
化炭素除去部３５では、まず、上記の場合と同様に、燃
焼用流体部３２からの燃焼用ガスおよび大気中から逆止
弁を介して取り込まれた酸素の供給により、燃焼用シリ
コン基板１２の流路１４内において熱エネルギーが発生
し、燃焼ガスは燃焼用ガラス基板１８の流出口２２から
大気中に放出される。

【００２７】次に、一酸化炭素除去部３５では、改質部
３４からの気化状態の水素および一酸化炭素が主ガラス
基板１７の流入口１９を介して主シリコン基板１１の流
路１３内に供給されると、燃焼用シリコン基板１２の流
路１４内で発生した熱エネルギーの供給を受けて、流路
１３内に供給された水素、一酸化炭素、水のうち、一酸
化炭素と水とが反応し、次の式（２）に示すように、水
素と副生成物の二酸化炭素とが生成される。 ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂……（２）

【００２８】上記式（２）の左辺における水（Ｈ₂Ｏ）
は反応の初期では、発電用燃料部３１の燃料に含まれて
いるものでよいが、発電部３６の発電に伴い生成される
水を回収して一酸化炭素除去部３５を供給することが可
能である。また、一酸化炭素除去部３５における反応式
（２）の左辺のおける水の供給源は、発電部３６のみで
もよく、発電部３６および発電用燃料部３１でも、また
発電用燃料部３１のみでもよい。

【００２９】そして、最終的に一酸化炭素除去部３５の
主ガラス基板１７の流出口２０に到達する流体はそのほ
とんどが水素、二酸化炭素となる。なお、一酸化炭素除
去部３５の主ガラス基板１７の流出口２０に到達する流
体に極微量の一酸化炭素が含まれている場合、残存する
一酸化炭素を大気中から逆止弁を介して取り込まれた酸
素に接触させることで、次の式（３）に示すように、二
酸化炭素が生成され、これにより一酸化炭素が確実に除
去される。 ＣＯ＋（１／２）Ｏ₂→ＣＯ₂……（３）

【００３０】上記一連の反応後の生成物は水素および二
酸化炭素（場合によって微量の水を含む）で構成される
が、これらの生成物のうち、二酸化炭素は水素から分離
されて大気中に放出される。したがって、一酸化炭素除
去部３５から発電部３６には水素のみが供給される。な
お、一酸化炭素除去部３５は、燃料蒸発部３３と改質部
３４との間に設けてもよい。

【００３１】次に、発電部３６は、図５に示すように、
周知の固体高分子型の燃料電池からなっている。すなわ
ち、発電部３６は、Ｐｔ、Ｃなどの触媒が付着された炭
素電極からなるカソード４１と、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃなどの
触媒が付着された炭素電極からなるアノード４２と、カ
ソード４１とアノード４２との間に介在されたフィルム
状のイオン導電膜４３と、を有して構成され、カソード
４１とアノード４２との間に設けられた２次電池やコン
デンサなどからなる充電部３７に電力を供給するもので
ある。

【００３２】この場合、カソード４１の外側には空間部
４４が設けられている。この空間部４４内には一酸化炭
素除去部３５からの水素が供給され、カソード４１に水
素が供給される。また、アノード４２の外側には空間部
４５が設けられている。この空間部４５内には大気中か
ら逆止弁を介して取り込まれた酸素が供給され、アノー
ド４２に酸素が供給される。

【００３３】そして、カソード４１側では、次の式
（４）に示すように、水素から電子（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
４３を介してアノード４２側に通過するとともに、カソ
ード４１により電子（ｅ^-）が取り出されて充電部３７
に供給される。 ３Ｈ₂→６Ｈ⁺＋６ｅ^-……（４）

【００３４】一方、アノード４２側では、次の式（５）
に示すように、充電部３７を経由して供給された電子
（ｅ^-）とイオン導電膜４３を通過した水素イオン
（Ｈ⁺）と酸素とが反応して副生成物の水が生成され
る。 ６Ｈ⁺＋（３／２）Ｏ₂＋６ｅ^-→３Ｈ₂Ｏ……（５）

【００３５】以上のような一連の電気化学反応（式
（４）および式（５））は概ね室温〜８０℃程度の比較
的低温の環境下で進行し、電力以外の副生成物は、基本
的に水のみとなる。発電部３６で生成された電力は充電
部３７に供給され、これにより充電部３７が充電され
る。

【００３６】発電部３６で生成された副生成物としての
水は回収される。この場合、上述の如く、発電部３６で
生成された水の少なくとも一部を改質部３４に供給する
ようにすると、発電用燃料部３１内に当初封入される水
の量を減らすことができ、また回収される水の量を減ら
すことができる。

【００３７】ところで、現在、研究開発が行われている
燃料改質方式の燃料電池に適用されている燃料として
は、少なくとも、水素元素を含む液体燃料又は液化燃料
又は気体燃料であって、発電部３６により、比較的高い
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
できる燃料であればよく、上記のメタノールの他、例え
ば、エタノール、ブタノールなどのアルコール系の液体
燃料や、ジメチルエーテル、イソブタン、天然ガス（Ｃ
ＮＧ）などの常温常圧で気化される炭化水素からなる液
体燃料、あるいは、水素ガスなどの気体燃料などを良好
に適用することができる。

【００３８】次に、この発明に係る化学反応装置による
改質部３４のさらに他の第１〜第６の例について説明す
る。図６はこの発明に係る改質部３４のさらに他の第１
の例を示す図２同様の断面図である。この例では、発電
用燃料ガス（例えばＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ）が燃焼用ガス
（例えば水素）を含んでいる場合に、発電用燃料ガスが
主ガラス基板１７の流入口１９に供給されるとともに、
燃焼用ガラス基板１８の流入口２１にも、この発電用燃
料ガスと大気中から逆止弁を介して取り込まれた酸素と
が供給される。このようにした場合には、燃料用ガス部
３２を別に用意する必要はない。

【００３９】次に、図７はこの発明に係る改質部３４の
さらに他の第２の例を示す図２同様の断面図である。こ
の例では、外部に分離部５１を備え、主ガラス基板１７
の流出口２０から流出された発電用生成物が燃焼可能な
成分（例えば未反応の発電用燃料）を含んでいる場合
に、この発電用生成物が分離部５１に供給されて、取り
出したい発電用生成物(水素）と燃焼可能な成分とに分
離され、燃焼用ガラス基板１８の流入口２１にこの分離
された燃焼可能な成分と大気中から逆止弁を介して取り
込まれた酸素とが供給される。

【００４０】この場合、分離方法としては、取り出した
い発電用生成物と燃焼可能な成分とのうちのいずれかが
常温以上で液化し、両者の沸点に差がある場合には、液
化分離法を使用することができる。また、選択透過性を
有する膜例えばＨ２を選択透過させるＰｂ膜などの分離
膜で分離する方法もある。

【００４１】次に、図８はこの発明に係る改質部３４の
さらに他の第３の例を示す図２同様の断面図である。こ
の例では、主シリコン基板１１の流路１３の流出口２０
のシリコン基板１７側の部分に分離膜５３が設けられる
とともに、流出口２０と燃焼用シリコン基板１２の流路
１４の流入口２１との間における両シリコン基板１１、
１２に連通孔５２が設けられている。分離膜５３は、例
えばＨ２を選択透過させるＰｂ膜などからなっている。

【００４２】そして、この例では、主シリコン基板１１
の流路１３の流出口２０の部分において、発電用生成物
のうち、水素は分離膜５３を透過するため、流出口２０
から流出する。一方、発電用生成物のうちの水素以外の
成分は連通孔５２内に導入されて、燃焼用シリコン基板
１２の流路１４の流入口２１の部分に導入され、大気中
から逆止弁および燃焼用ガラス基板１８の流入口２１を
介して取り込まれた酸素と混合される。すなわち、この
構成は実質的に上記図７における分離部５１を分離膜５
３によって代用したものであり、この場合、図７に示す
分離部５１を必要としないので、装置を簡素化、小型化
することができる。

【００４３】次に、図９はこの発明に係る改質部３４の
さらに他の第４の例を示す図２同様の断面図である。こ
の例では、図８と同様に主シリコン基板１１の流路１３
の流出口２０と燃焼用シリコン基板１２の流路１４の流
入口２１との間に連通孔５２が設けられているが、主ガ
ラス基板１７の流出口２０および分離膜５３は設けられ
ていない。そして、この例では、主シリコン基板１１の
流路１３から連通孔５２を介して燃焼用ガラス基板１８
の流路１４の流入口２１の部分に発電用生成物が導入さ
れ、発電用生成物が燃焼可能な成分（例えば未反応の発
電用燃料）を含んでいる場合に、この発電用生成物の一
部および大気中から逆止弁および燃焼用ガラス基板１８
の流入口２１を介して取り込まれた酸素が燃料触媒層１
６上で燃焼反応により燃焼し、発電用生成物および燃焼
ガスが燃焼用ガラス基板１８の流出口２２から流出され
る。この流出流体のうちの少なくとも燃焼ガスは分離さ
れて大気中に放出される。この場合も、図７の構成に比
し、装置を簡素化し小型化することができる。

【００４４】次に、図１０はこの発明に係る改質部３４
のさらに他の第５の例を示す図２同様の断面図である。
この例では、図８と同様に主シリコン基板１１の流路１
３の流出口２０のシリコン基板１７側の部分に分離膜５
３が設けられるとともに、主シリコン基板１１の流路１
３の流出口２０と燃焼用シリコン基板１２の流路１４の
流入口２１との間に連通孔５２が設けられているが、燃
料用ガラス基板１８の流入口２１が設けられていない。
そして、この例では、主ガラス基板１７の流入口１９に
発電用燃料ガスおよび大気中から逆止弁を介して取り込
まれた酸素が供給され、主ガラス基板１７の流出口２０
から発電用生成物のうち分離膜５３を透過した水素が流
出され、発電用生成物のうちの水素以外の成分は連通孔
５２内に導入され、燃焼用シリコン基板１２の流路１４
に導入され、燃焼ガスが燃焼用ガラス基板１８の流出口
２２から流出される。この場合も、図７の構成に比し、
装置を簡素化し小型化することができる。

【００４５】次に、図１１はこの発明に係る改質部３４
のさらに他の第６の例を示す図２同様の断面図である。
この例では、図２に示す主シリコン基板１１の流路１３
形成面がガラス基板６１の一面に接合され、図２に示す
燃焼用シリコン基板１２の流路１４形成面が同ガラス基
板６１の他面に接合されている。この場合、主シリコン
基板１１の流路１３の両端部に対応する所定の２箇所に
は流入口１９および流出口２０が設けられている。燃焼
用シリコン基板１２の流路１４の両端部に対応する所定
の２箇所には流入口２１および流出口２２が設けられて
いる。そして、この例では、ガラス基板６１は１枚であ
るので、装置を薄型化することができる。

【００４６】ところで、シリコン基板１１、１２の代わ
りに、ガラス基板やアルミニウム基板などを用いるよう
にしてもよい。また、ガラス基板１７、１８、６１の代
わりに、アルミニウム基板などを用いるようにしてもよ
い。そして、特に、図１１に示す例の場合には、１枚の
基板６１の材質や厚さを変えることにより、燃焼用基板
１２の流路１４から主基板１１の流路１３への伝熱性を
制御することができる。なお、図６〜図１０にそれぞれ
示す各例の場合にも、図１１に示すような３層構造とし
てもよいことはもちろんである。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、第１基板の他面側に設けられた第２流路内に供給さ
れた燃焼用流体を燃焼触媒上で燃焼反応により燃焼さ
せ、この燃焼により発生した熱エネルギーで第１基板の
一面側に設けられた第１流路内を加熱するようにしてい
るので、第１流路を加熱するために電力を供給すること
を不要とすることができる。また、第２流路を実質的に
形成するために第１基板の他面に接合された第３基板に
より、第２流路内で発生した熱エネルギーの拡散を抑制
することができ、したがって第１流路内を加熱する際の
熱エネルギーの損失を低減することができる。更に、こ
の反応装置を燃料改質型の燃料電池を用いた燃料電池シ
ステムにおける燃料蒸発部や改質部、または一酸化炭素
除去部に良好に適用することができ、発電動作のための
加熱に要するエネルギーを削減し、且つ、熱エネルギー
の損失を低減して、発電動作に係わるエネルギーの利用
効率を良くして小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態としての化学反応装置の
透過平面図。

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図。

【図３】この発明に係る化学反応装置の他の例の図１同
様の透過平面図。

【図４】この発明に係る化学反応装置を備えた燃料電池
システムの一例の要部のブロック図。

【図５】図４に示す燃料電池システムの発電部の概略構
成図。

【図６】この発明に係る化学反応装置のさらに他の第１
の例の図２同様の断面図。

【図７】この発明に係る化学反応装置のさらに他の第２
の例の図２同様の断面図。

【図８】この発明に係る化学反応装置のさらに他の第３
の例の図２同様の断面図。

【図９】この発明に係る化学反応装置のさらに他の第４
の例の図２同様の断面図。

【図１０】この発明に係る化学反応装置のさらに他の第
５の例の図２同様の断面図。

【図１１】この発明に係る化学反応装置のさらに他の第
６の例の図２同様の断面図。

【図１２】従来の化学反応装置の一例の透過平面図。

【図１３】図１１のＢ−Ｂ線に沿う断面図。

【符号の説明】

１１ 主シリコン基板 １２ 燃焼用シリコン基板 １３、１４ 流路 １５ 反応触媒層 １６ 燃焼触媒層 １７ 主ガラス基板 １８ 燃焼用ガラス基板 １９、２１ 流入口 ２０、２２ 流出口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 五十嵐 哲 埼玉県さいたま市内谷６−３−５−111 Ｆターム(参考） 4G075 AA03 BA01 BD14 CA02 CA13 CA54 CA66 EA05 EB22 EE05 EE12 FA12 4G140 EA02 EA06 EB11 EB32 EB35 EB48 5H027 BA01 BA16 BA17

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１基板と、該第１基板の一面および他
   面にそれぞれ接合された第２基板および第３基板と、前
   記第１基板と前記第２基板との間に設けられた微小な第
   １流路と、前記第１基板と前記第３基板との間に設けら
   れた微小な第２流路と、該第２流路内の少なくとも一部
   に設けられた燃焼触媒層とを備え、前記第１流路に第１
   の流体が供給され、前記第２の流路に燃焼用流体が供給
   され、前記第２流路内に供給された前記燃焼用流体を前
   記燃焼触媒層上で燃焼反応により燃焼させ、この燃焼に
   より発生した熱エネルギーで前記第１流路内を加熱する
   ことを特徴とする化学反応装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の発明において、前記第
   １流路内の少なくとも一部に反応触媒層が設けられてい
   ることを特徴とする化学反応装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の発明におい
   て、前記第２基板の前記第１流路の一端部と他端部に対
   応する箇所に設けられた流入口および流出口と、前記第
   ３基板の前記第２流路の一端部と他端部に対応する箇所
   に設けられた流入口および流出口とを備えることを特徴
   とする化学反応装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の発明において、前記第
   ２基板の流入口には前記第１の流体が供給され、前記第
   ３基板の流入口には前記第１の流体および、酸素を含む
   第２の流体が供給されることを特徴とする化学反応装
   置。
5. 【請求項５】 請求項３に記載の発明において、前記第
   ２基板の流入口には前記第１の流体が供給され、前記第
   ３基板の流入口には、酸素を含む第２の流体、および前
   記第２基板の流出口から流出される流体から水素を分離
   除去した第３の流体が供給されることを特徴とする化学
   反応装置。
6. 【請求項６】 請求項１または２に記載の発明におい
   て、前記第２基板の前記第１流路の一端部と他端部に対
   応する箇所に設けられた流入口および流出口と、 前記第３基板の前記第２流路の一端部と他端部に対応す
   る箇所に設けられた流入口および流出口と、 前記第１流路の他端部と前記第２基板の流出口との間に
   設けられた、水素を選択透過する分離膜と、 前記第１流路の他端部と前記第２流路の一端部との間に
   おける前記第１基板に設けられた連通孔とを備え、前記
   第２基板の流入口には前記第１の流体が供給され、前記
   第３基板の流入口には酸素を含む第２の流体が供給さ
   れ、前記連通孔には前記第１流路の他端部から流出する
   流体から水素を分離除所した第３の流体が供給されるこ
   とを特徴とする化学反応装置。
7. 【請求項７】 請求項１または２に記載の発明におい
   て、前記第２基板の前記第１流路の一端部に対応する箇
   所に設けられた流入口と、前記第３基板の前記第２流路
   の一端部および他端部に対応する箇所に設けられた流入
   口および流出口と、前記第１流路の他端部と前記第２流
   路の一端部との間における前記第１基板に設けられた連
   通孔とを備え、前記第２基板の流入口には前記第１の流
   体が供給され、前記連通孔には前記第１流路の他端部か
   ら流出する流体が供給され、前記第３基板の流入口には
   酸素を含む第２の流体が供給されることを特徴とする化
   学反応装置。
8. 【請求項８】 請求項１または２に記載の発明におい
   て、前記第２基板の前記第１流路の一端部および他端部
   に対応する箇所に設けられた流入口および流出口と、前
   記第３基板の前記第２流路の他端部に対応する箇所に設
   けられた流出口と、前記第１流路の他端部と前記第２基
   板の流出口との間に設けられた、水素を選択透過する分
   離膜と、前記第１流路の他端部と前記第２流路の一端部
   との間における前記第１基板に設けられた連通孔とを備
   え、前記第２基板の流入口には前記第１の流体が供給さ
   れ、前記第２流路の一端部には、前記連通孔を介して前
   記第１流路の他端部から流出する流体から水素が分離除
   去された第３の流体が供給されることを特徴とする化学
   反応装置。
9. 【請求項９】 請求項１〜８のいずれかに記載の発明に
   おいて、前記第１基板は１枚であることを特徴とする化
   学反応装置。
10. 【請求項１０】 請求項９に記載の発明において、前記
    第１流路は前記第２基板の前記第１基板との対向面に設
    けられ、前記第２流路は前記第３基板の前記第１基板と
    の対向面に設けられていることを特徴とする化学反応装
    置。
11. 【請求項１１】 請求項１〜８のいずれかに記載の発明
    において、前記第１基板は積層された２枚の基板からな
    ることを特徴とする化学反応装置。
12. 【請求項１２】 請求項１１に記載の発明において、前
    記第１流路は前記第１基板の前記第２基板との対向面に
    設けられ、前記第２流路は前記第１基板の前記第３基板
    との対向面に設けられていることを特徴とする化学反応
    装置。
13. 【請求項１３】 請求項１に記載の発明において、前記
    第１流路内の加熱により前記第１の流体を前記第１流路
    内で蒸発させることを特徴とする化学反応装置。
14. 【請求項１４】 請求項１〜１２のいずれかに記載の発
    明において、前記反応触媒は改質触媒であって、前記第
    １の流体を前記第１流路において改質することで水素を
    精製することを特徴とする化学反応装置。
15. 【請求項１５】 請求項１〜１２のいずれかに記載の発
    明において、前記反応触媒は選択酸化触媒であって、前
    記第１の流体中の一酸化炭素を前記第１流路において二
    酸化炭素および水素に変換することを特徴とする化学反
    応装置。
16. 【請求項１６】 請求項１４の化学反応装置と、該化学
    反応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。