JP2004075480A - 熱処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱処理が行われる炉内に電力を供給できつつ、更に、炉内の温度を測定できつつ、炉からの熱損失を低減すること。
【解決手段】水蒸気改質反応器３２の内部にはマイクロ流路４３が形成されている。マイクロ流路４３の内壁及び天井に改質触媒膜４６が形成されており、マイクロ流路４３の床に発熱抵抗膜４７が形成されている。発熱抵抗膜４７から外部の電源部６０へリード線４８，４９が導かれており、電源部６０からリード線４８，４９を通じて発熱抵抗膜４７に電力が供給される。発熱抵抗膜４７は、温度に電気抵抗が依存している。そして、発熱抵抗膜４７に印加される電圧及び電流が電源部６０によって測定され、測定電圧及び測定電流から発熱抵抗膜４７の電気抵抗を求めることができ、結果として、マイクロ流路４３の温度を測定することができる。
【選択図】 図６
【解決手段】水蒸気改質反応器３２の内部にはマイクロ流路４３が形成されている。マイクロ流路４３の内壁及び天井に改質触媒膜４６が形成されており、マイクロ流路４３の床に発熱抵抗膜４７が形成されている。発熱抵抗膜４７から外部の電源部６０へリード線４８，４９が導かれており、電源部６０からリード線４８，４９を通じて発熱抵抗膜４７に電力が供給される。発熱抵抗膜４７は、温度に電気抵抗が依存している。そして、発熱抵抗膜４７に印加される電圧及び電流が電源部６０によって測定され、測定電圧及び測定電流から発熱抵抗膜４７の電気抵抗を求めることができ、結果として、マイクロ流路４３の温度を測定することができる。
【選択図】 図６
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炉内において熱処理を行う熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年では、携帯型電話機、ノート型パソコン、デジタルカメラ、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）及び電子手帳等といった小型の電子機器が進歩・発展を遂げている。小型の電子機器の電源としては、アルカリ乾電池及びマンガン乾電池等の一次電池並びにニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池及びリチウムイオン電池等の二次電池が用いられている。エネルギーの利用効率の観点から一次電池及び二次電池を検証すると、エネルギーの有効利用が図られているとは必ずしも言えなかった。
【０００３】
そこで、燃料電池は高いエネルギー利用効率を実現することができるため、一次電池及び二次電池の代替えのために燃料電池について研究・開発が盛んに行われている。燃料電池は、燃料と大気中の酸素を電気化学的に反応させて、化学エネルギーから電気エネルギーを直接取り出す装置である。燃料電池に用いる燃料としては水素が挙げられるが、常温で気体であることによる取り扱い・貯蔵に問題がある。アルコール類及びガソリンといった液体燃料を用いれば、液体燃料と高温の水蒸気を反応させることによって、発電に必要な水素を取り出す改質器が必要であるが、液体燃料を貯蔵するためのシステムが比較的小型でよい。
【０００４】
改質型の燃料電池を小型の電子機器の電源として用いる場合には、燃料電池だけでなく改質器も小型化する必要がある。改質器は高温の状態で燃料を改質する場合があり、燃料の改質の程度を制御するために温度センサが必要となるが、温度センサとして熱電対を用いると一方の接点を一定の温度にしなければならず、小型の電源として設計が困難であった。
【０００５】
図７は、従来の小型な改質器を用いた熱処理装置を示した図面である。図７に示すように、改質器１００の内部にはチャンバー１０１が形成されており、チャンバー１０１内に触媒（図示略）及び発熱体１０２が設けられており、リード線１０３，１０４によって電源部１０５から発熱体１０２に通電している。また、抵抗体温度センサ１０８がチャンバー１０１内に配設され、抵抗体温度センサ１０８の配線１０９，１１０が温度測定部１１１に接続され、温度測定部１１１で熱起電力を測定することによってチャンバー１０１内の温度が測定される。
【０００６】
リード線１０３，１０４を通じて電源部１０５から発熱体１０２に電力が供給され、発熱体１０２が発熱すると、供給管１０６を通じて供給された水と燃料が発熱体１０２によって加熱されて、水と燃料が触媒によって反応し、水素が生成される。また、水と燃料が反応する場合には適温があるため、温度測定部１１１で測定された温度を表す信号が制御部１１２に入力され、入力した信号に基づき制御部１１２が電源部１０５の電力を制御することで、チャンバー１０１内が適温に保たれている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、発熱体１０２で発生した熱エネルギーが全て水と燃料の反応に利用されるのが望ましいが、リード線１０３，１０４及び配線１０９，１１０は低抵抗の導電体であるために少なくとも部分的に金属を含むが金属は熱伝導性がよく、チャンバー１０１内の熱が改質器１００外へ伝導してしまい、チャンバー１０１内の熱エネルギーが損失する。改質器１００自体が大きければ、リード線１０３，１０４及び配線１０９，１１０における熱損失は無視できるほど小さいが、改質器１００が小さくなるにつれてリード線１０３，１０４及び配線１０９，１１０における熱損失の割合が大きくなっていく。従って、エネルギーの利用効率の良い小型の改質器１００を提供するためにも、リード線１０３，１０４及び配線１０９，１１０による熱損失を十分に考慮しなければならない。仮にリード線１０３，１０４を省けば発熱体１０２に電力を供給できない。仮に配線１０９，１１０を省けば、チャンバー１０１の温度を測定することができないため、チャンバー１０１の温度を制御することが困難となってしまう。
そこで、本発明の課題は、改質器１００のように熱処理が行われる炉内に電力を供給でき、更に、炉内の温度を測定できつつ、炉からの熱損失を低減することである。
【０００８】
【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に記載の発明に係る熱処理装置は、例えば図３、図４及び図６に示すように、
被熱処理原料が供給される内部空間（例えば、マイクロ流路４３）を形成した熱処理炉（例えば、水蒸気改質反応器３２）と、
電力の付与によって発熱し、電気抵抗が温度に依存し、前記内部空間に配された発熱抵抗体（例えば、発熱抵抗膜４７）と、
前記発熱抵抗体に電力を供給する電力供給手段（例えば、電源部６０）と、
前記電力供給手段から前記発熱抵抗体に供給される電力によって前記発熱抵抗体に流れる電流又は前記発熱抵抗体に印加された電圧のうちの少なくとも一方を測定することによって前記発熱抵抗体の電気抵抗を検知する測定手段（例えば、電源部６０）と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項１に記載の発明では、電力供給手段から発熱抵抗体に電力が供給されると、発熱抵抗体が発熱して、熱処理炉の内部空間に供給された被熱処理原料が発熱抵抗体によって加熱される。そのため、被熱処理原料に対して熱処理が行われる。熱処理としては、被熱処理原料を相変化させることでも良いし、被熱処理原料を化学反応させることでも良いし、被熱処理原料の機械的特性・電気的特性を変化させることでも良い。
【００１０】
発熱抵抗体の電気抵抗が温度に依存するため、発熱抵抗体の温度が変化すれば、発熱抵抗体の電気抵抗も変化する。従って、発熱抵抗体の電気抵抗を測定できれば、発熱抵抗体の温度を求めることができ、結果として、熱処理炉内の内部温度を求めることができる。そこで、発熱抵抗体に流れる電流及び発熱抵抗体に印加される電圧が測定手段によって測定されると、発熱抵抗体の電気抵抗を検知することができる。なお、電力供給手段が定電圧で電力を供給するのであれば、発熱抵抗体に流れる電流のみが測定手段によって測定されても、発熱抵抗体の電気抵抗を検知することができ、電力供給手段が定電流で電力を供給するのであれば、発熱抵抗体に印加される電圧のみが測定手段によって測定されても、発熱抵抗体の電気抵抗を検知することができる。発熱抵抗体の電気抵抗が検知されることで、発熱抵抗体の温度を求めることができるため、熱処理炉の内部空間に温度測定専用の素子を熱処理炉の内部空間に設ける必要がなく、更に、温度測定専用の配線を熱処理炉から外部へ導く必要がない。従って、従来に比較しても、熱処理炉の内部空間から外部へ導き出ている配線が少なくなり、熱処理炉からの熱損失が低減する。
【００１１】
請求項２に記載の熱処理装置は、例えば図６に示すように、請求項１に記載の熱処理装置において、
前記測定手段によって検知された電気抵抗に基づき、前記電力供給手段から前記発熱抵抗体に供給する電力を制御する制御手段（例えば、制御部７０）を更に備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明では、発熱抵抗体に供給する電力が制御手段によって制御されることで、発熱抵抗体の発熱エネルギーを制御することができ、発熱抵抗体の温度及び熱処理炉の内部空間の温度を調整することができる。
【００１３】
請求項３に記載の熱処理装置は、請求項１又は２に記載の熱処理装置において、
前記発熱抵抗体は、ｋ℃から１００℃上昇したときの電気抵抗の温度係数Ｒ（ｋ＋１００）／Ｒ（ｋ）の変化率が−２％〜−７％であるか又は３％以上であることを特徴とする。
なお、温度Ｔ℃における発熱抵抗体の電気抵抗をＲ（Ｔ）として表している。
【００１４】
請求項３に記載の発明では、発熱抵抗体の電気抵抗率の変化率が大きくなりすぎる場合には、発熱抵抗膜に与える電力を調整することで内部空間の温度を調整することが難しく、電気抵抗の変化率が小さすぎる場合には、発熱抵抗体で内部空間近傍の正確な温度を測定することが難しいが上述の範囲内であれば適切に温度を検知することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を用いて本発明の具体的な態様について説明する。ただし、発明の範囲を図示例に限定するものではない。
【００１６】
図１は、本発明に係る熱処理装置が適用された発電システム１の基本構成を示したブロック図であり、図２は、発電システム１を部分的に破断して内部構成を概略的に示した斜視図である。
発電システム１は、燃料容器２と、燃料容器２と着脱自在である発電モジュール５と、を備える。発電モジュール５は、化学燃料を改質する改質手段３と、改質手段３により改質された燃料により発電する燃料電池４と、燃料電池４で発電された電力を蓄電し必要に応じて出力する蓄電部６と、蓄電部６から供給された電力により発電モジュール５全体に電力を分配する電源部６０と、これら改質手段３、燃料電池４、蓄電部６、電源部６０を電子制御する制御部７０と、を有する。
【００１７】
燃料容器２は、化学燃料と水が混合してなる燃料９を貯蔵するものである。化学燃料としては、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）及びエタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）等といったアルコール類並びにガソリン等のように水素元素を含む化合物が含まれている。本実施形態では、燃料容器２に貯蔵された燃料９は、メタノール及び水が等モルで均一に混合されたものである。
【００１８】
発電モジュール５は、蓄電部６からの電気出力を外部に伝達する端子１４を頭部に備え、また、燃料容器２との間で水のやりとりを行う管３７を連結するための突起７と、燃料容器２の燃料９を供給する供給管１１から燃料を取り込む突起８とを燃料容器２と対向する位置に備え、突起７及び突起８を燃料容器２に噛み合わせることによって燃料容器２に連結される。燃料容器２が発電モジュール５に連結されると、突起８が供給管１１の先端にある封止膜１２を破り、燃料９が供給管１１内で毛細管現象等により発電モジュール５に供給される。
【００１９】
改質手段３は、気化器３１と、水蒸気改質反応器３２と、水性シフト反応器３３と、選択酸化反応器３４と、から構成されている。気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３及び選択酸化反応器３４はシリコン、アルミニウム合金やガラスなどからなる小型の基板に形成された溝に流体を流してこの流体を気化させるか或いは流体の少なくとも一部に化学反応を引き起こすマイクロリアクタとして機能するものである。
【００２０】
気化器３１は、燃料容器２から供給された燃料９に対する熱処理が行われる炉である。つまり、気化器３１は、燃料容器２から供給された燃料９を加熱することで、燃料９を蒸発させるものである。気化器３１で気化した混合気は、水蒸気改質反応器３２へ供給される。
【００２１】
水蒸気改質反応器３２は、気化器３１から供給された混合気に対する熱処理が行われる反応炉である。水蒸気改質反応器３２内において熱処理が行われることで、化学反応式（１）のように、気化器３１から供給された混合気が改質触媒で水素ガスと二酸化炭素ガスに改質する。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ２ …（１）
また、気化器３１から供給された混合気が完全に水素ガスと二酸化炭素ガスに改質されない場合もあり、化学反応式（２）のように、水蒸気改質反応器３２で微量の一酸化炭素ガスが生成される。
２ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→５Ｈ２＋ＣＯ＋ＣＯ２ …（２）
水蒸気改質反応器３２で生成された水素ガス、二酸化炭素ガス及び一酸化炭素に加えて未反応の水蒸気は、水性シフト反応器３３へ供給される。なお、水蒸気改質反応器３２の詳細については後述する。
【００２２】
水性シフト反応器３３は、水蒸気改質反応器３２から供給された混合気（水素ガス、二酸化炭素ガス、水蒸気及び一酸化炭素ガス）に対しての熱処理が行われる反応炉である。つまり、水性シフト反応器３３は、化学反応式（３）のように、水蒸気改質反応器３２から供給された混合気のうち一酸化炭素ガスを触媒で水性シフト反応させるものである。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ …（３）
水蒸気改質反応器３２において未反応だった水蒸気は水性シフト反応に用いられ、混合気の水蒸気及び一酸化炭素ガス濃度は非常に希薄になる。水性シフト反応器３３から選択酸化反応器３４へ混合気（水素ガス、二酸化炭素ガス及び一酸化炭素ガス等を含む）が選択酸化反応器３４へ供給される。
上述の化学反応式（１）及び化学反応式（２）の各左辺の水は、予め燃料容器２のボトル３９に封入されている燃料９に含まれているが、化学反応式（３）の左辺の水は、燃料９内に含まれる化学反応式（２）で未反応の水を利用してもよく、また後述する燃料電池４で生成された水をバルブ３６で制御された水導入管３８を介して水性シフト反応器３３に導入させてもよく、またボトル３９とは隔離された燃料容器２に溜まっている水を管３７から水導入管３８に毛細管現象等を利用して導入させることにより得ることもできる。
なお、燃料９に含有した化学燃料の濃度を高くするために化学反応式（２）の左辺の水として燃料電池４で生成された水をバルブ３６で制御された水導入管３８を介して水蒸気改質反応器３２に導入させてもよく、またボトル３９とは隔離された燃料容器２に溜まっている水を管３７から水導入管３８に毛細管現象等を利用して導入させることにより得ることもできる。
【００２３】
選択酸化反応器３４は、水性シフト反応器３３から供給された混合気（水素ガス、二酸化炭素ガス、水蒸気及び一酸化炭素ガス）に対しての熱処理が行われる反応炉である。つまり、選択酸化反応器３４は、水性シフト反応器３３から供給された混合気のうち一酸化炭素ガスを触媒によって選択し、化学反応式（４）のように一酸化炭素ガスを酸化させるものである。
２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２ …（４）
なお、化学反応式（４）の左辺の酸素は、発電モジュール５の通気孔３５を介して大気中から選択酸化反応器３４に取り込まれる。また、選択酸化反応器３４には、化学反応式（４）の化学反応を選択的に促進する触媒が形成されているため、混合気に含まれる水素はほとんど酸化しない。選択酸化反応器３４から燃料電池４へ混合気が供給されるが、その混合気には一酸化炭素ガスが殆ど含まれず、水素ガス及び二酸化炭素ガスの純度が非常に高い。選択酸化反応器３４に水素とそれ以外の無害の副生成物とに分離できる機構が設けられていれば通気孔３５からその副生成物を排出するようにしてもよい。
【００２４】
燃料電池４は、発電モジュール５の周側面側に設けられている。燃料電池４は、触媒微粒子が付着した燃料極（カソード）と、触媒微粒子が付着した空気極（アノード）と、燃料極と空気極との間に介装されたフィルム状のイオン伝導膜とを具備する。燃料極には、選択酸化反応器３４からの混合気が供給され、空気極には、発電モジュール５の外周に設けられたスリット１３を介して大気中の酸素ガスが供給される。
【００２５】
電気化学反応式（５）に示すように、燃料極に水素ガスが供給されると、燃料極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、水素イオンがイオン伝導膜を通じて空気極へ伝導し、燃料極より電子が取り出される。なお、選択酸化反応器３４から供給された混合気のうち二酸化炭素ガスは、反応せずに外部に放出される。
３Ｈ２→６Ｈ＋＋６ｅ− …（５）
一方、電気化学反応式（６）に示すように、空気極に酸素ガスが供給されると、イオン導電膜を通過した水素イオンと、酸素ガスと、電子とが反応して、水が生成される。
６Ｈ＋＋３／２Ｏ２＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ …（６）
燃料電池４で以上のような電気化学反応が起こることによって、電気エネルギーが生成される。
【００２６】
次に、熱制御機構について詳細に説明する。
図３は、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４を示した斜視図であり、図４は、図３におけるＺ−Ｚで破断して示した断面図である。図３及び図４に示すように、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３及び選択酸化反応器３４それぞれは、二つの基板４１，４２が重なり合って接合された構造となっており、これら基板４１，４２の接合部には葛折りとなったマイクロ流路４３が形成されている。マイクロ流路４３は、葛折りとなった溝が一方の面に形成された基板４１を基板４２に貼り合わせることによって形成される。溝は、基板４１の一方の面にフォトリソグラフィー法、エッチング法等を適宜施すことによって形成される。基板４１の寸法は、一例として、長さ１５〜３５ｍｍ程度、幅１０〜２５ｍｍ程度、厚さ０．４〜１ｍｍ程度であり、基板４１の一面に設けられた葛折りの溝の寸法は、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３０〜１０００ｍｍ程度である。
【００２７】
マイクロ流路４３の一方の端部には供給管４４の端が連結しており、マイクロ流路４３の他方の端部には排出管４５の端が連結している。ここで、気化器３１の供給管４４は燃料容器２に通じており、気化器３１の排出管４５は水蒸気改質反応器３２の供給管４４に通じている。また、水蒸気改質反応器３２の排出管４５は、水性シフト反応器３３の供給管４４に通じている。水性シフト反応器３３の排出管４５は、選択酸化反応器３４の供給管４４に通じている。選択酸化反応器３４の排出管４５は、燃料電池４の燃料極に通じている。
【００２８】
マイクロ流路４３の内壁及び天井には改質触媒膜４６がマイクロ流路４３の一端から他端までマイクロ流路４３に沿って形成されており、マイクロ流路４３の床には発熱抵抗膜４７がマイクロ流路４３の一端から他端までマイクロ流路４３に沿うように形成されている。改質触媒膜４６は、化学燃料を改質して水素を生成することを促進するものである。ここで、水蒸気改質反応器３２の場合には、上記化学反応式（１）で示された化学反応が改質触媒膜４６によって促進され、水性シフト反応器３３の場合には、上記化学反応式（３）で示された化学反応が改質触媒膜４６によって促進され、選択酸化反応器３４の場合には、上記化学反応式（４）で示された化学反応が改質触媒膜４６によって促進される。つまり、改質触媒膜４６の成分・種類などは、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４の間で異なっていても良い。また、気化器３１の場合には、改質触媒膜４６が成膜されていなくても良い。
【００２９】
発熱抵抗膜４７に電力が供給されると、発熱抵抗膜４７が発熱する。発熱抵抗膜４７に供給される電力をＰとし、その電力により発熱抵抗膜４７に印加される電圧をＶとし、その電力により発熱抵抗膜４７に流れる電流をＩとし、発熱抵抗膜４７の電気抵抗をＲとしたら、Ｖ＝Ｉ・Ｒ、Ｐ＝Ｖ・Ｉ＝Ｉ２・Ｒとなる。
【００３０】
発熱抵抗膜４７の成分元素には、少なくともＴａ、Ｓｉ、Ｏ及びＮが含まれており、例えばＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の酸化物及びＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ−Ｈ系の酸化物がある。発熱抵抗膜４７の物性としては、電気抵抗が温度に依存する。
発熱抵抗膜４７をヒータ兼温度センサとして用いるためには、発熱抵抗膜４７に電力を供給する配線の抵抗がノイズになるため、発熱抵抗膜４７の抵抗は配線の抵抗に対して少なくとも１桁以上望ましくは２桁以上高い方が望ましく、例えば１００Ω以上が好ましい。また発熱抵抗膜４７をマイクロリアクタとして十分薄い厚さに実装するために２００ｎｍ程度に設定すると、抵抗率が２ｍΩ・ｃｍ以上であることが好ましく、温度０℃の時の発熱抵抗膜４７の電気抵抗Ｒ（０）に対する温度Ｔの時の電気抵抗Ｒ（Ｔ）の割合である温度係数Ｒ（Ｔ）／Ｒ（０）が温度の上昇に伴い低減する場合、１００℃単位当たりの変化率が−２％〜−７％の範囲の材料が望ましく、温度係数Ｒ（Ｔ）／Ｒ（０）が温度の上昇に伴い増大する場合、１００℃単位当たりの変化率が３％以上であればよい。つまりｋ℃から１００℃上昇したときの電気抵抗の温度係数Ｒ（ｋ＋１００）／Ｒ（ｋ）の変化率が−２％〜−７％であるか又は３％以上であればよい。
【００３１】
図５には、発熱抵抗膜４７の温度と、電気抵抗との関係を測定した結果を示したグラフである。測定に用いた試験体として、発熱抵抗膜４７と同成分の抵抗体が形成された基板を二種類準備した。一方の基板に形成された抵抗体αの成分を測定したら、全体に対する組成比で、Ｔａが２１．４％、Ｓｉが２０．０％、Ｏが４０．３％、Ｎが１２．０％であり、その抵抗率の測定値は室温で２．７ｍΩ・ｃｍであった。他方の基板に形成された抵抗体βの成分を測定したら、全体に対する組成比で、Ｔａが２８．４％、Ｓｉが２２．５％、Ｏが３０．０％、Ｎが１２．０％であり、その抵抗率の測定値は室温で４．５ｍΩ・ｃｍであった。そして、二種類の基板について、抵抗体α，βを定電流の直流電源に直列に接続し、基板に一方の極が０℃に維持されるように設定された熱電対の接点を貼り付け、輻射シールドとしてアルミニウム膜を基板に巻きつけ、アルミニウム膜ごと基板を真空断熱装置内にセットした。熱電対はデジタルボルトメータに接続されている。そして、真空雰囲気で基板を加熱し、熱電対で熱起電力を測定することで抵抗体α，βの温度を算出し、直流電源での電圧を測定することで抵抗体の電気抵抗を算出した。なお、図５の縦軸の電気抵抗については、ゼロ℃の時の電気抵抗で無次元化している。
【００３２】
図５に示すように、どちらの抵抗体α，βでも、温度Ｔ℃（Ｔ＞０）での温度係数Ｒ（Ｔ）／Ｒ（０）が低下する特性を持っている。また、どちらの抵抗体α，βでも、０℃から約３００℃に温度が変化した場合に、ｋ℃から１００℃上昇したときの抵抗の温度係数Ｒ（ｋ＋１００）／Ｒ（ｋ）の変化率が−２％〜−７％の範囲内である。この測定結果に基づいて、抵抗体αについて温度と電気抵抗の関係を近似式で表すと、式（７）のようになり、抵抗体βについて温度と電気抵抗の関係を近似式で表すと式（８）のようになる。
Ｒα（Ｔ）／Ｒα（０）＝１−４．０５×１０−４×Ｔ＋２．２３×１０−７×Ｔ２ …（７）
（但し、Ｒα（Ｔ）はＴ℃の時の抵抗体αの電気抵抗）
Ｒβ（Ｔ）／Ｒβ（０）Ｒ／Ｒβ０＝１−４．１４×１０−４×Ｔ＋２．２３×１０−７×Ｔ２ …（８）
（但し、Ｒβ（Ｔ）はＴ℃の時の抵抗体βの電気抵抗）
抵抗率が陰イオンの量に大きく依存するため、Ｔａ、Ｓｉ、Ｏ及びＮを含む発熱抵抗膜４７は、全体に対するＯの組成比をｚ％とし、全体に対するＮの組成比をｗ％としたら、ｚ＋ｗ＞４０であれば温度変化に対する電気抵抗の変化が顕著になり、電気抵抗の変化を読み取ることで温度を測定する温度センサとして用いることが容易になるとともに図５に示すように組成比の多少の違いによって生じる抵抗率の違いに対する温度係数Ｒ（Ｔ）／Ｒ（０）の差がほとんど見られず、温度センサとしての製造ロット間の精度が高く且つ良好な薄膜ヒータとして利用することもできる。
【００３３】
以上のような特性を持つ発熱抵抗膜４７に電力を供給するために、マイクロ流路４３の一端において発熱抵抗膜４７にリード線４８が接続されており、マイクロ流路４３の他端において発熱抵抗膜４７にリード線４９が接続されている。各リード線４８，４９は、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４の外部に導き出ている。各リード線４８，４９は、発熱抵抗膜４７に比較しても電気抵抗が無視してよいほど非常に低い。
【００３４】
気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４はそれぞれ箱体５０内の中空５０ａに支持体５０ｂに支持されながら収められている。箱体５０の内壁には輻射シールド膜５１が形成されており、輻射シールド膜５１は電磁波に対して高い反射性を有している。箱体５０の外壁にも輻射シールド膜５２が形成されている。輻射シールド膜５１，５２が箱体５０に形成されているため、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４で発した電磁波がそれぞれ箱体５０外へほとんど伝播せずに、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４へ反射し、熱輻射が抑えられている。
【００３５】
箱体５０内の中空５０ａは、気圧が非常に低く、真空圧となっている。中空５０ａが真空圧となっているため、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４から箱体５０外へ放熱することが抑えられている。また、中空５０ａが真空となっているため、中空５０ａに対流が生じず、熱が気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４から伝達することが抑えられている。
【００３６】
気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４から導き出た各リード線４８，４９は箱体５０を貫通し、箱体５０の外部へと導き出ている。更に、管４４，４５も箱体５０を貫通し、箱体５０の外部へと導き出ている。図４では、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４は、各支持体５０ｂによってそれぞれ支持されて、それぞれの箱体５０の内壁から離れている。気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４からそれぞれの箱体５０の内壁が離れているため、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４からそれぞれの箱体５０へ熱伝導することが抑えられている。
【００３７】
次に、図６を用いて、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４を駆動するための電気系統について説明する。図６は、本発明に係る熱処理装置について具体的態様を示した全体図である。
直流の電源部６０が箱体５０の外部に設けられており、リード線４８，リード線４９が電源部６０の端子に接続されており、電源部６０は、リード線４８，４９を通じて発熱抵抗膜４７に電力を供給するものである。また、電源部６０は、制御部７０からの制御信号に応じて発熱抵抗膜４７に供給する電力を変更できる機能を有している。例えば、電源部６０によって印加される電圧が一定であれば、電源部６０はリード線４８，４９に流す電流を変更でき、電源部６０によって流れる電流が一定であれば、電源部６０はリード線４８−リード線４９に印加する電圧を変更できる。もちろん、電源部６０が、電圧と電流の両方を変更できても良い。
【００３８】
また、電源部６０によって発熱抵抗膜４７に印加される電圧が一定であれば、電源部６０は発熱抵抗膜４７に流す電流を測定し、電源部６０によって流れる電流が一定であれば、電源部６０は発熱抵抗膜４７に印加する電圧を測定する。もちろん、電源部６０が、電圧とともに電流を測定しても良い。
【００３９】
電源部６０から発熱抵抗膜４７に印加する電圧及び発熱抵抗膜４７に流れる電流が測定されると、電源部６０において発熱抵抗膜４７の電気抵抗を検知することができる。発熱抵抗膜４７の電気抵抗が温度に依存するため、電源部６０によって測定された電圧及び電流から発熱抵抗膜４７の温度を算出することができ、結果としてマイクロ流路４３の温度を算出することができる。
【００４０】
電源部６０の電力は制御部７０によって制御されるが、電源部６０によって流れる電流が一定である場合には制御部７０は電源部６０の電圧のみを制御し、電源部６０によって印加される電圧が一定であれば制御部７０が電源部６０の電流のみを制御することで抵抗を測定する。
【００４１】
また、電源部６０で検知された電気抵抗が制御部７０にフィードバックされるが、電源部６０によって流れる電流が一定であれば、測定された電圧のみが制御部７０にフィードバックされても良いし、電源部６０によって印加される電圧が一定であれば、測定された電流のみが制御部７０にフィードバックされても良い。電圧のみがフィードバックする場合には、制御部７０においては電源部６０の定電流のレベルが記憶されており、電流のみがフィードバックする場合には、制御部７０においては電源部６０の定電圧のレベルが記憶されている。これにより、制御部７０において発熱抵抗膜４７の電気抵抗が認識され、結果として発熱抵抗膜４７の温度が認識される。
【００４２】
この制御部７０は、基本的には、電源部６０で測定された電流及び電圧を表す信号に基づき、電源部６０の電力を調整するが、汎用のＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）等からなる演算処理装置、又は、専用の論理回路を有し、電源部６０からの信号を処理して電源部６０を制御するものである。また、制御部７０は、フィードバックした電流及び電圧からオームの法則より発熱抵抗膜４７の電気抵抗を算出する処理を行え、更に、発熱抵抗膜４７の電気抵抗から発熱抵抗膜４７の温度を算出する処理を行える。発熱抵抗膜４７とマイクロ流路４３が熱平衡となっていれば、発熱抵抗膜４７の温度がマイクロ流路４３内の温度に等しい。
【００４３】
次に、発電システム１の動作の一例について説明する。
まず、制御部７０から改質手段３を駆動するための制御信号が電源部６０に入力されると、電源部６０から気化器３１の発熱抵抗膜４７、水蒸気改質反応器３２の発熱抵抗膜４７、水性シフト反応器３３の発熱抵抗膜４７、選択酸化反応器３４の発熱抵抗膜４７それぞれには、加熱するための電力がそれぞれのリード線４８，４９を介して供給され、それぞれの発熱抵抗膜４７が所定の温度になるように発熱する。電源部６０においては、これら全ての発熱抵抗膜４７に印加する電圧及び発熱抵抗膜４７に流れる電流が常に測定され（但し、電源部６０が定電圧であれば電流のみでも良いし、電源部６０が定電流であれば電圧のみでも良い。）、測定された電圧及び電流を表す信号が電源部６０から制御部７０へ常に入力される。
【００４４】
またこのとき、燃料容器２から気化器３１に燃料９が供給され、気化器３１において燃料９が蒸発し、気化器３１内の気圧が大きくなって、対流が生じる。従って、メタノールと水の混合気が、気化器３１から水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４、燃料電池４の順に自然に流れる。
【００４５】
水蒸気改質反応器３２においては、混合気が供給管４４から排出管４５へとマイクロ流路４３を流れる。混合気がマイクロ流路４３を流れている時には、混合気が発熱抵抗膜４７で加熱される。そして、混合気が改質触媒膜４６によって促進されて、混合気が上記化学反応式（１）・（２）のような反応を起こす。上記化学反応式（１）は吸熱反応であるため、混合気が発熱抵抗膜４７によって加熱されることで、その反応速度が非常に速い。
【００４６】
水性シフト反応器３３においては、混合気が発熱抵抗体４７で加熱されて上記化学反応式（３）のような反応を起こし、選択酸化反応器３４においても同様に、混合気が発熱抵抗膜４７によって加熱されて上記化学反応式（４）のような反応を起こす。そして、改質手段３で改質されて得た水素が供給された燃料電池４で電気化学反応が起きて、電気エネルギーが生成される。
【００４７】
制御部６０は、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３及び選択酸化反応器３４を別個に温度制御する。
【００４８】
詳細には、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３及び選択酸化反応器３４の何れでも、発熱抵抗膜４７の電圧及び電流を表す信号が電源部６０から制御部７０に適宜入力されているから、制御部７０においては気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４それぞれの発熱抵抗膜４７の電気抵抗が認識され、結果としてそれぞれの発熱抵抗膜４７の温度が制御部７０において認識される。つまり、気化器３１の発熱抵抗膜４７の抵抗を含む情報はリード線４８，４９を介して電源部６０に伝達され、測定信号として制御部７０に入力され、水蒸気改質反応器３２の発熱抵抗膜４７の抵抗を含む情報はリード線４８，４９を介して電源部６０に伝達されるとともに測定信号として制御部７０に入力され、水性シフト反応器３３の発熱抵抗膜４７の抵抗を含む情報はリード線４８，４９を介して電源部６０に伝達されるとともに測定信号として制御部７０に入力され、選択酸化反応器３４の発熱抵抗膜４７の抵抗を含む情報はリード線４８，４９を介して電源部６０に伝達されるとともに測定信号として制御部７０に入力される。このように気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４それぞれが所定の温度で安定するように、適宜測定信号がフィードバッグされる。
【００４９】
そして、制御部７０はそれぞれの発熱抵抗膜４７の温度を調整する処理を行う。例えば、発熱抵抗膜４７の温度が上閾値温度より高くなった場合、電源部６０から発熱抵抗膜４７に供給される電力を現在の電力より小さくなるように制御部７０が電源部６０を制御し、発熱抵抗膜４７の温度が下閾値温度（但し、上閾値温度以下である。）より低くなった場合には、電源部６０から発熱抵抗膜４７に供給される電力を現在の電力より大きくなるように制御部７０が電源部６０を制御する。電源部６０から発熱抵抗膜４７に供給される電力が制御部７０によって調整されることで、発熱抵抗膜４７の温度が下閾値温度と上閾値温度との間に保たれる。制御部７０は、このような制御を気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４それぞれ別個に行う。つまり、水蒸気改質反応器３２の場合には、化学反応式（１）の反応速度が最も速くなるときの温度が、上閾値温度と下閾値温度との間になっているように、上閾値温度と下閾値温度が制御部７０に設定されている。水性シフト反応器３３の場合には、化学反応式（３）の反応速度が最も速くなるときの温度が、上閾値温度と下閾値温度との間になっているように、上閾値温度と下閾値温度が制御部７０に設定されている。選択酸化反応器３４の場合には、化学反応式（４）の反応速度が最も速くなるときの温度が、上閾値温度と下閾値温度との間になっているように、上閾値温度と下閾値温度が制御部７０に設定されている。なお、発熱抵抗膜４７の温度を、発熱抵抗膜４７に流れる電流（但し、電源部６０が定電圧）で換算しても良いし、発熱抵抗膜４７に印加される電圧（但し、電源部６０が定電流）で換算しても良いし、電圧と電流の両方で換算しても良い。
【００５０】
以上のように本実施形態では、発熱抵抗膜４７の温度状態に応じた電流及び電圧を測定して発熱抵抗膜４７の電気抵抗を算出し、電気抵抗から一義的に定まる温度と所望の適温との間に差が生じた場合は、発熱抵抗膜４７に流れる電流及び印加される電圧を変化させて適温範囲に制御するように、発熱抵抗膜４７が加熱手段と温度センサを兼ねているので発熱抵抗膜４７から露出された配線がリード線４８，４９のみで動作できる。つまり、電源部６０から発熱抵抗膜４７に電力がリード線４８，４９を通じて供給されるとともに、発熱抵抗膜４７に印加された電圧及び発熱抵抗膜４７に流れる電流がリード線４８，４９を通じて測定される。リード線４８，４９が電力供給用の配線と、発熱抵抗膜４７の温度測定用の配線を兼ねているから、マイクロ流路４３内の温度測定用の配線を別途設けてマイクロ流路４３内から箱体５０の外部へ導く必要がない。従って、本実施形態では従来に比較しても熱伝導性のよい配線を少なくすることができ、配線を通じての熱損失が低減する。
【００５１】
また、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４が小さくなるにつれて配線を通じての熱損失の割合が大きくなるが、本実施の形態ではマイクロ流路４３から箱体５０の外部へ導き出た配線がリード線４８，４９のみであるため、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４を小型化してもリード線４８，４９を通じての熱損失の割合がそれ程大きくならない。従って、熱損失の観点から、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４は小型化するのに適している。
【００５２】
また、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４それぞれの発熱抵抗膜４７が、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４それぞれのマイクロ流路４３内の混合気を加熱することと、それぞれのマイクロ流路４３内の温度を測定することを兼ねているため、温度測定用の素子をマイクロ流路４３内に設ける必要がない。そのため、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４の製造工程が簡略化される。
【００５３】
また、熱電対は二つの接点の温度差を測定するものであるため、反対側の接点を零点補正しなければならない。そのため、従来では温度測定部１１１の回路構成が複雑であるが、本実施形態では零点補正をせずともマイクロ流路４３内の温度を測定することができるから、電源部６０において電圧又は電流を測定するための回路構成が温度測定部１１１の回路構成に比較しても簡略である。
【００５４】
また、発熱抵抗膜４７の成分元素にＴａ、Ｓｉ、Ｏ及びＮが含まれているため、発熱抵抗膜４７が非常に高抵抗で発熱体として機能する。また、発熱抵抗膜４７の成分元素にＴａ、Ｓｉ、Ｏ及びＮが含まれているため、０℃から約３００℃の範囲ではｋ℃から１００℃上昇したときの抵抗の温度係数Ｒ（ｋ＋１００）／Ｒ（ｋ）の変化率が−２％〜−７％の範囲内にあり温度センサとして適している。電気抵抗率の変化率が大きくなりすぎると、発熱抵抗膜４７に与える電力を調整することでマイクロ流路４３の温度を調整することが難しく、電気抵抗の変化率が小さすぎると、発熱抵抗膜４７でマイクロ流路４３の正確な温度を測定することが難しい。
【００５５】
なお、本発明は、上記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。
例えば、改質手段３で熱処理して反応させる混合気がメタノールと水蒸気であったが、水素元素を含むものであればよく、その他のアルコール類と水蒸気の混合気であっても良いし、ガソリンと水の混合気であっても良い。但し、混合気の種類に応じて、改質触媒膜４６の種類も変更するのが望ましい。
【００５６】
また、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４内に形成された内部空間がマイクロ流路４３であったが、単に空洞状のチャンバーであっても良い。
【００５７】
また、上記実施形態では、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４のそれぞれを箱体５０で封止して積層しているため、供給管４４及び排出管４５が計八本露出し、そこから外に熱が漏れることになるが、一組の基板４１，４２に気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４を全て設けて一つの箱体５０内に封止すれば、改質手段３全体で箱体５０から露出される供給管４４及び排出管４５を計二本でよい。また気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４が積層した状態で一つの箱体５０で封止してもよい。
また上記実施形態では副生成物である一酸化炭素を除去する手段として水性シフト反応器３３と選択酸化反応器３４との両方を適用したが、一酸化炭素の濃度を十分に毒性が低い程度にすることができるのであれば、いずれか一方のみでもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、電力供給手段によって発熱抵抗体に流れる電流と、電力供給手段によって発熱抵抗体に印加される電圧とが測定手段によって測定されると、発熱抵抗体の電気抵抗を検知ことができる。発熱抵抗体の電気抵抗が温度に依存するため、発熱抵抗体の電気抵抗から発熱抵抗体の温度を求めることができ、結果として、内部空間の温度を測定することができる。従って、熱処理炉の内部空間に温度測定専用の素子を熱処理炉の内部空間に設ける必要がなく、更に、温度測定専用の配線を熱処理炉から外部へ導く必要がない。そのため、従来に比較しても、熱処理炉の内部空間から外部へ導き出ている配線が少なくなり、熱処理炉からの熱損失が低減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱処理装置を適用した発電システム１の基本構成を示したブロック図。
【図２】発電システム１の略内部構造を示す斜視図。
【図３】前記発電システムに備わった気化器、水蒸気改質反応器、水性シフト反応器、選択酸化反応器を示した斜視図。
【図４】前記気化器、前記水蒸気改質反応器、前記水性シフト反応器、前記選択酸化反応器を示した断面図。
【図５】前記気化器、前記水蒸気改質反応器、前記水性シフト反応器、前記選択酸化反応器に備わった発熱抵抗膜の電気抵抗と温度との関係を示したグラフ。
【図６】本実施形態における熱処理装置を示したブロック図。
【図７】従来の改質器を示した図面。
【符号の説明】
１ 発電システム（熱処理装置）
３１ 気化器（熱処理炉）
３２ 水蒸気改質反応器（熱処理炉）
３３ 水性シフト反応器（熱処理炉）
３４ 選択酸化反応器（熱処理炉）
４３ マイクロ流路（内部空間）
４７ 発熱抵抗膜（発熱抵抗体）
４８，４９ リード線
６０ 電源部（電力供給手段、測定手段）
７０ 制御部（制御手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、炉内において熱処理を行う熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年では、携帯型電話機、ノート型パソコン、デジタルカメラ、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）及び電子手帳等といった小型の電子機器が進歩・発展を遂げている。小型の電子機器の電源としては、アルカリ乾電池及びマンガン乾電池等の一次電池並びにニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池及びリチウムイオン電池等の二次電池が用いられている。エネルギーの利用効率の観点から一次電池及び二次電池を検証すると、エネルギーの有効利用が図られているとは必ずしも言えなかった。
【０００３】
そこで、燃料電池は高いエネルギー利用効率を実現することができるため、一次電池及び二次電池の代替えのために燃料電池について研究・開発が盛んに行われている。燃料電池は、燃料と大気中の酸素を電気化学的に反応させて、化学エネルギーから電気エネルギーを直接取り出す装置である。燃料電池に用いる燃料としては水素が挙げられるが、常温で気体であることによる取り扱い・貯蔵に問題がある。アルコール類及びガソリンといった液体燃料を用いれば、液体燃料と高温の水蒸気を反応させることによって、発電に必要な水素を取り出す改質器が必要であるが、液体燃料を貯蔵するためのシステムが比較的小型でよい。
【０００４】
改質型の燃料電池を小型の電子機器の電源として用いる場合には、燃料電池だけでなく改質器も小型化する必要がある。改質器は高温の状態で燃料を改質する場合があり、燃料の改質の程度を制御するために温度センサが必要となるが、温度センサとして熱電対を用いると一方の接点を一定の温度にしなければならず、小型の電源として設計が困難であった。
【０００５】
図７は、従来の小型な改質器を用いた熱処理装置を示した図面である。図７に示すように、改質器１００の内部にはチャンバー１０１が形成されており、チャンバー１０１内に触媒（図示略）及び発熱体１０２が設けられており、リード線１０３，１０４によって電源部１０５から発熱体１０２に通電している。また、抵抗体温度センサ１０８がチャンバー１０１内に配設され、抵抗体温度センサ１０８の配線１０９，１１０が温度測定部１１１に接続され、温度測定部１１１で熱起電力を測定することによってチャンバー１０１内の温度が測定される。
【０００６】
リード線１０３，１０４を通じて電源部１０５から発熱体１０２に電力が供給され、発熱体１０２が発熱すると、供給管１０６を通じて供給された水と燃料が発熱体１０２によって加熱されて、水と燃料が触媒によって反応し、水素が生成される。また、水と燃料が反応する場合には適温があるため、温度測定部１１１で測定された温度を表す信号が制御部１１２に入力され、入力した信号に基づき制御部１１２が電源部１０５の電力を制御することで、チャンバー１０１内が適温に保たれている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、発熱体１０２で発生した熱エネルギーが全て水と燃料の反応に利用されるのが望ましいが、リード線１０３，１０４及び配線１０９，１１０は低抵抗の導電体であるために少なくとも部分的に金属を含むが金属は熱伝導性がよく、チャンバー１０１内の熱が改質器１００外へ伝導してしまい、チャンバー１０１内の熱エネルギーが損失する。改質器１００自体が大きければ、リード線１０３，１０４及び配線１０９，１１０における熱損失は無視できるほど小さいが、改質器１００が小さくなるにつれてリード線１０３，１０４及び配線１０９，１１０における熱損失の割合が大きくなっていく。従って、エネルギーの利用効率の良い小型の改質器１００を提供するためにも、リード線１０３，１０４及び配線１０９，１１０による熱損失を十分に考慮しなければならない。仮にリード線１０３，１０４を省けば発熱体１０２に電力を供給できない。仮に配線１０９，１１０を省けば、チャンバー１０１の温度を測定することができないため、チャンバー１０１の温度を制御することが困難となってしまう。
そこで、本発明の課題は、改質器１００のように熱処理が行われる炉内に電力を供給でき、更に、炉内の温度を測定できつつ、炉からの熱損失を低減することである。
【０００８】
【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に記載の発明に係る熱処理装置は、例えば図３、図４及び図６に示すように、
被熱処理原料が供給される内部空間（例えば、マイクロ流路４３）を形成した熱処理炉（例えば、水蒸気改質反応器３２）と、
電力の付与によって発熱し、電気抵抗が温度に依存し、前記内部空間に配された発熱抵抗体（例えば、発熱抵抗膜４７）と、
前記発熱抵抗体に電力を供給する電力供給手段（例えば、電源部６０）と、
前記電力供給手段から前記発熱抵抗体に供給される電力によって前記発熱抵抗体に流れる電流又は前記発熱抵抗体に印加された電圧のうちの少なくとも一方を測定することによって前記発熱抵抗体の電気抵抗を検知する測定手段（例えば、電源部６０）と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項１に記載の発明では、電力供給手段から発熱抵抗体に電力が供給されると、発熱抵抗体が発熱して、熱処理炉の内部空間に供給された被熱処理原料が発熱抵抗体によって加熱される。そのため、被熱処理原料に対して熱処理が行われる。熱処理としては、被熱処理原料を相変化させることでも良いし、被熱処理原料を化学反応させることでも良いし、被熱処理原料の機械的特性・電気的特性を変化させることでも良い。
【００１０】
発熱抵抗体の電気抵抗が温度に依存するため、発熱抵抗体の温度が変化すれば、発熱抵抗体の電気抵抗も変化する。従って、発熱抵抗体の電気抵抗を測定できれば、発熱抵抗体の温度を求めることができ、結果として、熱処理炉内の内部温度を求めることができる。そこで、発熱抵抗体に流れる電流及び発熱抵抗体に印加される電圧が測定手段によって測定されると、発熱抵抗体の電気抵抗を検知することができる。なお、電力供給手段が定電圧で電力を供給するのであれば、発熱抵抗体に流れる電流のみが測定手段によって測定されても、発熱抵抗体の電気抵抗を検知することができ、電力供給手段が定電流で電力を供給するのであれば、発熱抵抗体に印加される電圧のみが測定手段によって測定されても、発熱抵抗体の電気抵抗を検知することができる。発熱抵抗体の電気抵抗が検知されることで、発熱抵抗体の温度を求めることができるため、熱処理炉の内部空間に温度測定専用の素子を熱処理炉の内部空間に設ける必要がなく、更に、温度測定専用の配線を熱処理炉から外部へ導く必要がない。従って、従来に比較しても、熱処理炉の内部空間から外部へ導き出ている配線が少なくなり、熱処理炉からの熱損失が低減する。
【００１１】
請求項２に記載の熱処理装置は、例えば図６に示すように、請求項１に記載の熱処理装置において、
前記測定手段によって検知された電気抵抗に基づき、前記電力供給手段から前記発熱抵抗体に供給する電力を制御する制御手段（例えば、制御部７０）を更に備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明では、発熱抵抗体に供給する電力が制御手段によって制御されることで、発熱抵抗体の発熱エネルギーを制御することができ、発熱抵抗体の温度及び熱処理炉の内部空間の温度を調整することができる。
【００１３】
請求項３に記載の熱処理装置は、請求項１又は２に記載の熱処理装置において、
前記発熱抵抗体は、ｋ℃から１００℃上昇したときの電気抵抗の温度係数Ｒ（ｋ＋１００）／Ｒ（ｋ）の変化率が−２％〜−７％であるか又は３％以上であることを特徴とする。
なお、温度Ｔ℃における発熱抵抗体の電気抵抗をＲ（Ｔ）として表している。
【００１４】
請求項３に記載の発明では、発熱抵抗体の電気抵抗率の変化率が大きくなりすぎる場合には、発熱抵抗膜に与える電力を調整することで内部空間の温度を調整することが難しく、電気抵抗の変化率が小さすぎる場合には、発熱抵抗体で内部空間近傍の正確な温度を測定することが難しいが上述の範囲内であれば適切に温度を検知することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を用いて本発明の具体的な態様について説明する。ただし、発明の範囲を図示例に限定するものではない。
【００１６】
図１は、本発明に係る熱処理装置が適用された発電システム１の基本構成を示したブロック図であり、図２は、発電システム１を部分的に破断して内部構成を概略的に示した斜視図である。
発電システム１は、燃料容器２と、燃料容器２と着脱自在である発電モジュール５と、を備える。発電モジュール５は、化学燃料を改質する改質手段３と、改質手段３により改質された燃料により発電する燃料電池４と、燃料電池４で発電された電力を蓄電し必要に応じて出力する蓄電部６と、蓄電部６から供給された電力により発電モジュール５全体に電力を分配する電源部６０と、これら改質手段３、燃料電池４、蓄電部６、電源部６０を電子制御する制御部７０と、を有する。
【００１７】
燃料容器２は、化学燃料と水が混合してなる燃料９を貯蔵するものである。化学燃料としては、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）及びエタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）等といったアルコール類並びにガソリン等のように水素元素を含む化合物が含まれている。本実施形態では、燃料容器２に貯蔵された燃料９は、メタノール及び水が等モルで均一に混合されたものである。
【００１８】
発電モジュール５は、蓄電部６からの電気出力を外部に伝達する端子１４を頭部に備え、また、燃料容器２との間で水のやりとりを行う管３７を連結するための突起７と、燃料容器２の燃料９を供給する供給管１１から燃料を取り込む突起８とを燃料容器２と対向する位置に備え、突起７及び突起８を燃料容器２に噛み合わせることによって燃料容器２に連結される。燃料容器２が発電モジュール５に連結されると、突起８が供給管１１の先端にある封止膜１２を破り、燃料９が供給管１１内で毛細管現象等により発電モジュール５に供給される。
【００１９】
改質手段３は、気化器３１と、水蒸気改質反応器３２と、水性シフト反応器３３と、選択酸化反応器３４と、から構成されている。気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３及び選択酸化反応器３４はシリコン、アルミニウム合金やガラスなどからなる小型の基板に形成された溝に流体を流してこの流体を気化させるか或いは流体の少なくとも一部に化学反応を引き起こすマイクロリアクタとして機能するものである。
【００２０】
気化器３１は、燃料容器２から供給された燃料９に対する熱処理が行われる炉である。つまり、気化器３１は、燃料容器２から供給された燃料９を加熱することで、燃料９を蒸発させるものである。気化器３１で気化した混合気は、水蒸気改質反応器３２へ供給される。
【００２１】
水蒸気改質反応器３２は、気化器３１から供給された混合気に対する熱処理が行われる反応炉である。水蒸気改質反応器３２内において熱処理が行われることで、化学反応式（１）のように、気化器３１から供給された混合気が改質触媒で水素ガスと二酸化炭素ガスに改質する。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ２ …（１）
また、気化器３１から供給された混合気が完全に水素ガスと二酸化炭素ガスに改質されない場合もあり、化学反応式（２）のように、水蒸気改質反応器３２で微量の一酸化炭素ガスが生成される。
２ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→５Ｈ２＋ＣＯ＋ＣＯ２ …（２）
水蒸気改質反応器３２で生成された水素ガス、二酸化炭素ガス及び一酸化炭素に加えて未反応の水蒸気は、水性シフト反応器３３へ供給される。なお、水蒸気改質反応器３２の詳細については後述する。
【００２２】
水性シフト反応器３３は、水蒸気改質反応器３２から供給された混合気（水素ガス、二酸化炭素ガス、水蒸気及び一酸化炭素ガス）に対しての熱処理が行われる反応炉である。つまり、水性シフト反応器３３は、化学反応式（３）のように、水蒸気改質反応器３２から供給された混合気のうち一酸化炭素ガスを触媒で水性シフト反応させるものである。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ …（３）
水蒸気改質反応器３２において未反応だった水蒸気は水性シフト反応に用いられ、混合気の水蒸気及び一酸化炭素ガス濃度は非常に希薄になる。水性シフト反応器３３から選択酸化反応器３４へ混合気（水素ガス、二酸化炭素ガス及び一酸化炭素ガス等を含む）が選択酸化反応器３４へ供給される。
上述の化学反応式（１）及び化学反応式（２）の各左辺の水は、予め燃料容器２のボトル３９に封入されている燃料９に含まれているが、化学反応式（３）の左辺の水は、燃料９内に含まれる化学反応式（２）で未反応の水を利用してもよく、また後述する燃料電池４で生成された水をバルブ３６で制御された水導入管３８を介して水性シフト反応器３３に導入させてもよく、またボトル３９とは隔離された燃料容器２に溜まっている水を管３７から水導入管３８に毛細管現象等を利用して導入させることにより得ることもできる。
なお、燃料９に含有した化学燃料の濃度を高くするために化学反応式（２）の左辺の水として燃料電池４で生成された水をバルブ３６で制御された水導入管３８を介して水蒸気改質反応器３２に導入させてもよく、またボトル３９とは隔離された燃料容器２に溜まっている水を管３７から水導入管３８に毛細管現象等を利用して導入させることにより得ることもできる。
【００２３】
選択酸化反応器３４は、水性シフト反応器３３から供給された混合気（水素ガス、二酸化炭素ガス、水蒸気及び一酸化炭素ガス）に対しての熱処理が行われる反応炉である。つまり、選択酸化反応器３４は、水性シフト反応器３３から供給された混合気のうち一酸化炭素ガスを触媒によって選択し、化学反応式（４）のように一酸化炭素ガスを酸化させるものである。
２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２ …（４）
なお、化学反応式（４）の左辺の酸素は、発電モジュール５の通気孔３５を介して大気中から選択酸化反応器３４に取り込まれる。また、選択酸化反応器３４には、化学反応式（４）の化学反応を選択的に促進する触媒が形成されているため、混合気に含まれる水素はほとんど酸化しない。選択酸化反応器３４から燃料電池４へ混合気が供給されるが、その混合気には一酸化炭素ガスが殆ど含まれず、水素ガス及び二酸化炭素ガスの純度が非常に高い。選択酸化反応器３４に水素とそれ以外の無害の副生成物とに分離できる機構が設けられていれば通気孔３５からその副生成物を排出するようにしてもよい。
【００２４】
燃料電池４は、発電モジュール５の周側面側に設けられている。燃料電池４は、触媒微粒子が付着した燃料極（カソード）と、触媒微粒子が付着した空気極（アノード）と、燃料極と空気極との間に介装されたフィルム状のイオン伝導膜とを具備する。燃料極には、選択酸化反応器３４からの混合気が供給され、空気極には、発電モジュール５の外周に設けられたスリット１３を介して大気中の酸素ガスが供給される。
【００２５】
電気化学反応式（５）に示すように、燃料極に水素ガスが供給されると、燃料極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、水素イオンがイオン伝導膜を通じて空気極へ伝導し、燃料極より電子が取り出される。なお、選択酸化反応器３４から供給された混合気のうち二酸化炭素ガスは、反応せずに外部に放出される。
３Ｈ２→６Ｈ＋＋６ｅ− …（５）
一方、電気化学反応式（６）に示すように、空気極に酸素ガスが供給されると、イオン導電膜を通過した水素イオンと、酸素ガスと、電子とが反応して、水が生成される。
６Ｈ＋＋３／２Ｏ２＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ …（６）
燃料電池４で以上のような電気化学反応が起こることによって、電気エネルギーが生成される。
【００２６】
次に、熱制御機構について詳細に説明する。
図３は、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４を示した斜視図であり、図４は、図３におけるＺ−Ｚで破断して示した断面図である。図３及び図４に示すように、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３及び選択酸化反応器３４それぞれは、二つの基板４１，４２が重なり合って接合された構造となっており、これら基板４１，４２の接合部には葛折りとなったマイクロ流路４３が形成されている。マイクロ流路４３は、葛折りとなった溝が一方の面に形成された基板４１を基板４２に貼り合わせることによって形成される。溝は、基板４１の一方の面にフォトリソグラフィー法、エッチング法等を適宜施すことによって形成される。基板４１の寸法は、一例として、長さ１５〜３５ｍｍ程度、幅１０〜２５ｍｍ程度、厚さ０．４〜１ｍｍ程度であり、基板４１の一面に設けられた葛折りの溝の寸法は、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３０〜１０００ｍｍ程度である。
【００２７】
マイクロ流路４３の一方の端部には供給管４４の端が連結しており、マイクロ流路４３の他方の端部には排出管４５の端が連結している。ここで、気化器３１の供給管４４は燃料容器２に通じており、気化器３１の排出管４５は水蒸気改質反応器３２の供給管４４に通じている。また、水蒸気改質反応器３２の排出管４５は、水性シフト反応器３３の供給管４４に通じている。水性シフト反応器３３の排出管４５は、選択酸化反応器３４の供給管４４に通じている。選択酸化反応器３４の排出管４５は、燃料電池４の燃料極に通じている。
【００２８】
マイクロ流路４３の内壁及び天井には改質触媒膜４６がマイクロ流路４３の一端から他端までマイクロ流路４３に沿って形成されており、マイクロ流路４３の床には発熱抵抗膜４７がマイクロ流路４３の一端から他端までマイクロ流路４３に沿うように形成されている。改質触媒膜４６は、化学燃料を改質して水素を生成することを促進するものである。ここで、水蒸気改質反応器３２の場合には、上記化学反応式（１）で示された化学反応が改質触媒膜４６によって促進され、水性シフト反応器３３の場合には、上記化学反応式（３）で示された化学反応が改質触媒膜４６によって促進され、選択酸化反応器３４の場合には、上記化学反応式（４）で示された化学反応が改質触媒膜４６によって促進される。つまり、改質触媒膜４６の成分・種類などは、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４の間で異なっていても良い。また、気化器３１の場合には、改質触媒膜４６が成膜されていなくても良い。
【００２９】
発熱抵抗膜４７に電力が供給されると、発熱抵抗膜４７が発熱する。発熱抵抗膜４７に供給される電力をＰとし、その電力により発熱抵抗膜４７に印加される電圧をＶとし、その電力により発熱抵抗膜４７に流れる電流をＩとし、発熱抵抗膜４７の電気抵抗をＲとしたら、Ｖ＝Ｉ・Ｒ、Ｐ＝Ｖ・Ｉ＝Ｉ２・Ｒとなる。
【００３０】
発熱抵抗膜４７の成分元素には、少なくともＴａ、Ｓｉ、Ｏ及びＮが含まれており、例えばＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の酸化物及びＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ−Ｈ系の酸化物がある。発熱抵抗膜４７の物性としては、電気抵抗が温度に依存する。
発熱抵抗膜４７をヒータ兼温度センサとして用いるためには、発熱抵抗膜４７に電力を供給する配線の抵抗がノイズになるため、発熱抵抗膜４７の抵抗は配線の抵抗に対して少なくとも１桁以上望ましくは２桁以上高い方が望ましく、例えば１００Ω以上が好ましい。また発熱抵抗膜４７をマイクロリアクタとして十分薄い厚さに実装するために２００ｎｍ程度に設定すると、抵抗率が２ｍΩ・ｃｍ以上であることが好ましく、温度０℃の時の発熱抵抗膜４７の電気抵抗Ｒ（０）に対する温度Ｔの時の電気抵抗Ｒ（Ｔ）の割合である温度係数Ｒ（Ｔ）／Ｒ（０）が温度の上昇に伴い低減する場合、１００℃単位当たりの変化率が−２％〜−７％の範囲の材料が望ましく、温度係数Ｒ（Ｔ）／Ｒ（０）が温度の上昇に伴い増大する場合、１００℃単位当たりの変化率が３％以上であればよい。つまりｋ℃から１００℃上昇したときの電気抵抗の温度係数Ｒ（ｋ＋１００）／Ｒ（ｋ）の変化率が−２％〜−７％であるか又は３％以上であればよい。
【００３１】
図５には、発熱抵抗膜４７の温度と、電気抵抗との関係を測定した結果を示したグラフである。測定に用いた試験体として、発熱抵抗膜４７と同成分の抵抗体が形成された基板を二種類準備した。一方の基板に形成された抵抗体αの成分を測定したら、全体に対する組成比で、Ｔａが２１．４％、Ｓｉが２０．０％、Ｏが４０．３％、Ｎが１２．０％であり、その抵抗率の測定値は室温で２．７ｍΩ・ｃｍであった。他方の基板に形成された抵抗体βの成分を測定したら、全体に対する組成比で、Ｔａが２８．４％、Ｓｉが２２．５％、Ｏが３０．０％、Ｎが１２．０％であり、その抵抗率の測定値は室温で４．５ｍΩ・ｃｍであった。そして、二種類の基板について、抵抗体α，βを定電流の直流電源に直列に接続し、基板に一方の極が０℃に維持されるように設定された熱電対の接点を貼り付け、輻射シールドとしてアルミニウム膜を基板に巻きつけ、アルミニウム膜ごと基板を真空断熱装置内にセットした。熱電対はデジタルボルトメータに接続されている。そして、真空雰囲気で基板を加熱し、熱電対で熱起電力を測定することで抵抗体α，βの温度を算出し、直流電源での電圧を測定することで抵抗体の電気抵抗を算出した。なお、図５の縦軸の電気抵抗については、ゼロ℃の時の電気抵抗で無次元化している。
【００３２】
図５に示すように、どちらの抵抗体α，βでも、温度Ｔ℃（Ｔ＞０）での温度係数Ｒ（Ｔ）／Ｒ（０）が低下する特性を持っている。また、どちらの抵抗体α，βでも、０℃から約３００℃に温度が変化した場合に、ｋ℃から１００℃上昇したときの抵抗の温度係数Ｒ（ｋ＋１００）／Ｒ（ｋ）の変化率が−２％〜−７％の範囲内である。この測定結果に基づいて、抵抗体αについて温度と電気抵抗の関係を近似式で表すと、式（７）のようになり、抵抗体βについて温度と電気抵抗の関係を近似式で表すと式（８）のようになる。
Ｒα（Ｔ）／Ｒα（０）＝１−４．０５×１０−４×Ｔ＋２．２３×１０−７×Ｔ２ …（７）
（但し、Ｒα（Ｔ）はＴ℃の時の抵抗体αの電気抵抗）
Ｒβ（Ｔ）／Ｒβ（０）Ｒ／Ｒβ０＝１−４．１４×１０−４×Ｔ＋２．２３×１０−７×Ｔ２ …（８）
（但し、Ｒβ（Ｔ）はＴ℃の時の抵抗体βの電気抵抗）
抵抗率が陰イオンの量に大きく依存するため、Ｔａ、Ｓｉ、Ｏ及びＮを含む発熱抵抗膜４７は、全体に対するＯの組成比をｚ％とし、全体に対するＮの組成比をｗ％としたら、ｚ＋ｗ＞４０であれば温度変化に対する電気抵抗の変化が顕著になり、電気抵抗の変化を読み取ることで温度を測定する温度センサとして用いることが容易になるとともに図５に示すように組成比の多少の違いによって生じる抵抗率の違いに対する温度係数Ｒ（Ｔ）／Ｒ（０）の差がほとんど見られず、温度センサとしての製造ロット間の精度が高く且つ良好な薄膜ヒータとして利用することもできる。
【００３３】
以上のような特性を持つ発熱抵抗膜４７に電力を供給するために、マイクロ流路４３の一端において発熱抵抗膜４７にリード線４８が接続されており、マイクロ流路４３の他端において発熱抵抗膜４７にリード線４９が接続されている。各リード線４８，４９は、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４の外部に導き出ている。各リード線４８，４９は、発熱抵抗膜４７に比較しても電気抵抗が無視してよいほど非常に低い。
【００３４】
気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４はそれぞれ箱体５０内の中空５０ａに支持体５０ｂに支持されながら収められている。箱体５０の内壁には輻射シールド膜５１が形成されており、輻射シールド膜５１は電磁波に対して高い反射性を有している。箱体５０の外壁にも輻射シールド膜５２が形成されている。輻射シールド膜５１，５２が箱体５０に形成されているため、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４で発した電磁波がそれぞれ箱体５０外へほとんど伝播せずに、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４へ反射し、熱輻射が抑えられている。
【００３５】
箱体５０内の中空５０ａは、気圧が非常に低く、真空圧となっている。中空５０ａが真空圧となっているため、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４から箱体５０外へ放熱することが抑えられている。また、中空５０ａが真空となっているため、中空５０ａに対流が生じず、熱が気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４から伝達することが抑えられている。
【００３６】
気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４から導き出た各リード線４８，４９は箱体５０を貫通し、箱体５０の外部へと導き出ている。更に、管４４，４５も箱体５０を貫通し、箱体５０の外部へと導き出ている。図４では、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４は、各支持体５０ｂによってそれぞれ支持されて、それぞれの箱体５０の内壁から離れている。気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４からそれぞれの箱体５０の内壁が離れているため、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４からそれぞれの箱体５０へ熱伝導することが抑えられている。
【００３７】
次に、図６を用いて、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４を駆動するための電気系統について説明する。図６は、本発明に係る熱処理装置について具体的態様を示した全体図である。
直流の電源部６０が箱体５０の外部に設けられており、リード線４８，リード線４９が電源部６０の端子に接続されており、電源部６０は、リード線４８，４９を通じて発熱抵抗膜４７に電力を供給するものである。また、電源部６０は、制御部７０からの制御信号に応じて発熱抵抗膜４７に供給する電力を変更できる機能を有している。例えば、電源部６０によって印加される電圧が一定であれば、電源部６０はリード線４８，４９に流す電流を変更でき、電源部６０によって流れる電流が一定であれば、電源部６０はリード線４８−リード線４９に印加する電圧を変更できる。もちろん、電源部６０が、電圧と電流の両方を変更できても良い。
【００３８】
また、電源部６０によって発熱抵抗膜４７に印加される電圧が一定であれば、電源部６０は発熱抵抗膜４７に流す電流を測定し、電源部６０によって流れる電流が一定であれば、電源部６０は発熱抵抗膜４７に印加する電圧を測定する。もちろん、電源部６０が、電圧とともに電流を測定しても良い。
【００３９】
電源部６０から発熱抵抗膜４７に印加する電圧及び発熱抵抗膜４７に流れる電流が測定されると、電源部６０において発熱抵抗膜４７の電気抵抗を検知することができる。発熱抵抗膜４７の電気抵抗が温度に依存するため、電源部６０によって測定された電圧及び電流から発熱抵抗膜４７の温度を算出することができ、結果としてマイクロ流路４３の温度を算出することができる。
【００４０】
電源部６０の電力は制御部７０によって制御されるが、電源部６０によって流れる電流が一定である場合には制御部７０は電源部６０の電圧のみを制御し、電源部６０によって印加される電圧が一定であれば制御部７０が電源部６０の電流のみを制御することで抵抗を測定する。
【００４１】
また、電源部６０で検知された電気抵抗が制御部７０にフィードバックされるが、電源部６０によって流れる電流が一定であれば、測定された電圧のみが制御部７０にフィードバックされても良いし、電源部６０によって印加される電圧が一定であれば、測定された電流のみが制御部７０にフィードバックされても良い。電圧のみがフィードバックする場合には、制御部７０においては電源部６０の定電流のレベルが記憶されており、電流のみがフィードバックする場合には、制御部７０においては電源部６０の定電圧のレベルが記憶されている。これにより、制御部７０において発熱抵抗膜４７の電気抵抗が認識され、結果として発熱抵抗膜４７の温度が認識される。
【００４２】
この制御部７０は、基本的には、電源部６０で測定された電流及び電圧を表す信号に基づき、電源部６０の電力を調整するが、汎用のＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）等からなる演算処理装置、又は、専用の論理回路を有し、電源部６０からの信号を処理して電源部６０を制御するものである。また、制御部７０は、フィードバックした電流及び電圧からオームの法則より発熱抵抗膜４７の電気抵抗を算出する処理を行え、更に、発熱抵抗膜４７の電気抵抗から発熱抵抗膜４７の温度を算出する処理を行える。発熱抵抗膜４７とマイクロ流路４３が熱平衡となっていれば、発熱抵抗膜４７の温度がマイクロ流路４３内の温度に等しい。
【００４３】
次に、発電システム１の動作の一例について説明する。
まず、制御部７０から改質手段３を駆動するための制御信号が電源部６０に入力されると、電源部６０から気化器３１の発熱抵抗膜４７、水蒸気改質反応器３２の発熱抵抗膜４７、水性シフト反応器３３の発熱抵抗膜４７、選択酸化反応器３４の発熱抵抗膜４７それぞれには、加熱するための電力がそれぞれのリード線４８，４９を介して供給され、それぞれの発熱抵抗膜４７が所定の温度になるように発熱する。電源部６０においては、これら全ての発熱抵抗膜４７に印加する電圧及び発熱抵抗膜４７に流れる電流が常に測定され（但し、電源部６０が定電圧であれば電流のみでも良いし、電源部６０が定電流であれば電圧のみでも良い。）、測定された電圧及び電流を表す信号が電源部６０から制御部７０へ常に入力される。
【００４４】
またこのとき、燃料容器２から気化器３１に燃料９が供給され、気化器３１において燃料９が蒸発し、気化器３１内の気圧が大きくなって、対流が生じる。従って、メタノールと水の混合気が、気化器３１から水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４、燃料電池４の順に自然に流れる。
【００４５】
水蒸気改質反応器３２においては、混合気が供給管４４から排出管４５へとマイクロ流路４３を流れる。混合気がマイクロ流路４３を流れている時には、混合気が発熱抵抗膜４７で加熱される。そして、混合気が改質触媒膜４６によって促進されて、混合気が上記化学反応式（１）・（２）のような反応を起こす。上記化学反応式（１）は吸熱反応であるため、混合気が発熱抵抗膜４７によって加熱されることで、その反応速度が非常に速い。
【００４６】
水性シフト反応器３３においては、混合気が発熱抵抗体４７で加熱されて上記化学反応式（３）のような反応を起こし、選択酸化反応器３４においても同様に、混合気が発熱抵抗膜４７によって加熱されて上記化学反応式（４）のような反応を起こす。そして、改質手段３で改質されて得た水素が供給された燃料電池４で電気化学反応が起きて、電気エネルギーが生成される。
【００４７】
制御部６０は、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３及び選択酸化反応器３４を別個に温度制御する。
【００４８】
詳細には、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３及び選択酸化反応器３４の何れでも、発熱抵抗膜４７の電圧及び電流を表す信号が電源部６０から制御部７０に適宜入力されているから、制御部７０においては気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４それぞれの発熱抵抗膜４７の電気抵抗が認識され、結果としてそれぞれの発熱抵抗膜４７の温度が制御部７０において認識される。つまり、気化器３１の発熱抵抗膜４７の抵抗を含む情報はリード線４８，４９を介して電源部６０に伝達され、測定信号として制御部７０に入力され、水蒸気改質反応器３２の発熱抵抗膜４７の抵抗を含む情報はリード線４８，４９を介して電源部６０に伝達されるとともに測定信号として制御部７０に入力され、水性シフト反応器３３の発熱抵抗膜４７の抵抗を含む情報はリード線４８，４９を介して電源部６０に伝達されるとともに測定信号として制御部７０に入力され、選択酸化反応器３４の発熱抵抗膜４７の抵抗を含む情報はリード線４８，４９を介して電源部６０に伝達されるとともに測定信号として制御部７０に入力される。このように気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４それぞれが所定の温度で安定するように、適宜測定信号がフィードバッグされる。
【００４９】
そして、制御部７０はそれぞれの発熱抵抗膜４７の温度を調整する処理を行う。例えば、発熱抵抗膜４７の温度が上閾値温度より高くなった場合、電源部６０から発熱抵抗膜４７に供給される電力を現在の電力より小さくなるように制御部７０が電源部６０を制御し、発熱抵抗膜４７の温度が下閾値温度（但し、上閾値温度以下である。）より低くなった場合には、電源部６０から発熱抵抗膜４７に供給される電力を現在の電力より大きくなるように制御部７０が電源部６０を制御する。電源部６０から発熱抵抗膜４７に供給される電力が制御部７０によって調整されることで、発熱抵抗膜４７の温度が下閾値温度と上閾値温度との間に保たれる。制御部７０は、このような制御を気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４それぞれ別個に行う。つまり、水蒸気改質反応器３２の場合には、化学反応式（１）の反応速度が最も速くなるときの温度が、上閾値温度と下閾値温度との間になっているように、上閾値温度と下閾値温度が制御部７０に設定されている。水性シフト反応器３３の場合には、化学反応式（３）の反応速度が最も速くなるときの温度が、上閾値温度と下閾値温度との間になっているように、上閾値温度と下閾値温度が制御部７０に設定されている。選択酸化反応器３４の場合には、化学反応式（４）の反応速度が最も速くなるときの温度が、上閾値温度と下閾値温度との間になっているように、上閾値温度と下閾値温度が制御部７０に設定されている。なお、発熱抵抗膜４７の温度を、発熱抵抗膜４７に流れる電流（但し、電源部６０が定電圧）で換算しても良いし、発熱抵抗膜４７に印加される電圧（但し、電源部６０が定電流）で換算しても良いし、電圧と電流の両方で換算しても良い。
【００５０】
以上のように本実施形態では、発熱抵抗膜４７の温度状態に応じた電流及び電圧を測定して発熱抵抗膜４７の電気抵抗を算出し、電気抵抗から一義的に定まる温度と所望の適温との間に差が生じた場合は、発熱抵抗膜４７に流れる電流及び印加される電圧を変化させて適温範囲に制御するように、発熱抵抗膜４７が加熱手段と温度センサを兼ねているので発熱抵抗膜４７から露出された配線がリード線４８，４９のみで動作できる。つまり、電源部６０から発熱抵抗膜４７に電力がリード線４８，４９を通じて供給されるとともに、発熱抵抗膜４７に印加された電圧及び発熱抵抗膜４７に流れる電流がリード線４８，４９を通じて測定される。リード線４８，４９が電力供給用の配線と、発熱抵抗膜４７の温度測定用の配線を兼ねているから、マイクロ流路４３内の温度測定用の配線を別途設けてマイクロ流路４３内から箱体５０の外部へ導く必要がない。従って、本実施形態では従来に比較しても熱伝導性のよい配線を少なくすることができ、配線を通じての熱損失が低減する。
【００５１】
また、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４が小さくなるにつれて配線を通じての熱損失の割合が大きくなるが、本実施の形態ではマイクロ流路４３から箱体５０の外部へ導き出た配線がリード線４８，４９のみであるため、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４を小型化してもリード線４８，４９を通じての熱損失の割合がそれ程大きくならない。従って、熱損失の観点から、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４は小型化するのに適している。
【００５２】
また、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４それぞれの発熱抵抗膜４７が、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４それぞれのマイクロ流路４３内の混合気を加熱することと、それぞれのマイクロ流路４３内の温度を測定することを兼ねているため、温度測定用の素子をマイクロ流路４３内に設ける必要がない。そのため、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４の製造工程が簡略化される。
【００５３】
また、熱電対は二つの接点の温度差を測定するものであるため、反対側の接点を零点補正しなければならない。そのため、従来では温度測定部１１１の回路構成が複雑であるが、本実施形態では零点補正をせずともマイクロ流路４３内の温度を測定することができるから、電源部６０において電圧又は電流を測定するための回路構成が温度測定部１１１の回路構成に比較しても簡略である。
【００５４】
また、発熱抵抗膜４７の成分元素にＴａ、Ｓｉ、Ｏ及びＮが含まれているため、発熱抵抗膜４７が非常に高抵抗で発熱体として機能する。また、発熱抵抗膜４７の成分元素にＴａ、Ｓｉ、Ｏ及びＮが含まれているため、０℃から約３００℃の範囲ではｋ℃から１００℃上昇したときの抵抗の温度係数Ｒ（ｋ＋１００）／Ｒ（ｋ）の変化率が−２％〜−７％の範囲内にあり温度センサとして適している。電気抵抗率の変化率が大きくなりすぎると、発熱抵抗膜４７に与える電力を調整することでマイクロ流路４３の温度を調整することが難しく、電気抵抗の変化率が小さすぎると、発熱抵抗膜４７でマイクロ流路４３の正確な温度を測定することが難しい。
【００５５】
なお、本発明は、上記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。
例えば、改質手段３で熱処理して反応させる混合気がメタノールと水蒸気であったが、水素元素を含むものであればよく、その他のアルコール類と水蒸気の混合気であっても良いし、ガソリンと水の混合気であっても良い。但し、混合気の種類に応じて、改質触媒膜４６の種類も変更するのが望ましい。
【００５６】
また、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４内に形成された内部空間がマイクロ流路４３であったが、単に空洞状のチャンバーであっても良い。
【００５７】
また、上記実施形態では、気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４のそれぞれを箱体５０で封止して積層しているため、供給管４４及び排出管４５が計八本露出し、そこから外に熱が漏れることになるが、一組の基板４１，４２に気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４を全て設けて一つの箱体５０内に封止すれば、改質手段３全体で箱体５０から露出される供給管４４及び排出管４５を計二本でよい。また気化器３１、水蒸気改質反応器３２、水性シフト反応器３３、選択酸化反応器３４が積層した状態で一つの箱体５０で封止してもよい。
また上記実施形態では副生成物である一酸化炭素を除去する手段として水性シフト反応器３３と選択酸化反応器３４との両方を適用したが、一酸化炭素の濃度を十分に毒性が低い程度にすることができるのであれば、いずれか一方のみでもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、電力供給手段によって発熱抵抗体に流れる電流と、電力供給手段によって発熱抵抗体に印加される電圧とが測定手段によって測定されると、発熱抵抗体の電気抵抗を検知ことができる。発熱抵抗体の電気抵抗が温度に依存するため、発熱抵抗体の電気抵抗から発熱抵抗体の温度を求めることができ、結果として、内部空間の温度を測定することができる。従って、熱処理炉の内部空間に温度測定専用の素子を熱処理炉の内部空間に設ける必要がなく、更に、温度測定専用の配線を熱処理炉から外部へ導く必要がない。そのため、従来に比較しても、熱処理炉の内部空間から外部へ導き出ている配線が少なくなり、熱処理炉からの熱損失が低減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱処理装置を適用した発電システム１の基本構成を示したブロック図。
【図２】発電システム１の略内部構造を示す斜視図。
【図３】前記発電システムに備わった気化器、水蒸気改質反応器、水性シフト反応器、選択酸化反応器を示した斜視図。
【図４】前記気化器、前記水蒸気改質反応器、前記水性シフト反応器、前記選択酸化反応器を示した断面図。
【図５】前記気化器、前記水蒸気改質反応器、前記水性シフト反応器、前記選択酸化反応器に備わった発熱抵抗膜の電気抵抗と温度との関係を示したグラフ。
【図６】本実施形態における熱処理装置を示したブロック図。
【図７】従来の改質器を示した図面。
【符号の説明】
１ 発電システム（熱処理装置）
３１ 気化器（熱処理炉）
３２ 水蒸気改質反応器（熱処理炉）
３３ 水性シフト反応器（熱処理炉）
３４ 選択酸化反応器（熱処理炉）
４３ マイクロ流路（内部空間）
４７ 発熱抵抗膜（発熱抵抗体）
４８，４９ リード線
６０ 電源部（電力供給手段、測定手段）
７０ 制御部（制御手段）
Claims (3)
- 被熱処理原料が供給される内部空間を形成した熱処理炉と、
電力の付与によって発熱し、電気抵抗が温度に依存し、前記内部空間に配された発熱抵抗体と、
前記発熱抵抗体に電力を供給する電力供給手段と、
前記電力供給手段から前記発熱抵抗体に供給される電力によって前記発熱抵抗体に流れる電流又は前記発熱抵抗体に印加された電圧のうちの少なくとも一方を測定することによって前記発熱抵抗体の電気抵抗を検知する測定手段と、を備えることを特徴とする熱処理装置。 - 前記測定手段によって検知された電気抵抗に基づき、前記電力供給手段から前記発熱抵抗体に供給する電力を制御する制御手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。
- 前記発熱抵抗体は、ｋ℃から１００℃上昇したときの電気抵抗の温度係数Ｒ（ｋ＋１００）／Ｒ（ｋ）の変化率が−２％〜−７％であるか又は３％以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱処理装置。
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