JP2005103399A - 反応装置及び反応方法 - Google Patents

Abstract

【課題】流路を流れる反応物の反応に対して、発生させた熱量を効率よく用いることができる反応装置及び反応方法を提供すること。
【解決手段】第二の反応装置１４は、三枚の基板２１〜２３を接合した本体を有する。基板２２と基板２３との接合部には、葛折り状のマイクロ流路２４が形成され、基板２１と基板２２との接合部にも、葛折り状のマイクロ流路２５が形成されている。基板２２の両面の間の中間面に関し、マイクロ流路２４とマイクロ流路２５が互いに面対称に形成されている。マイクロ流路２４の入口である貫通孔２６は、マイクロ流路２５の入口である貫通孔２８に対して、中間面に関し対称配置されている。マイクロ流路２５の出口である貫通孔２７は、マイクロ流路２８の出口である貫通孔２９に対して、中間面に関し対称配置されている。マイクロ流路２４，２５には触媒３０，３１がそれぞれ成膜されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料の触媒燃焼により発した熱で反応物を反応させる反応装置及び反応方法に関する。

近年では、高いエネルギー利用効率を実現できる燃料電池についての研究・開発が盛んにおこなわれている。燃料電池は、燃料と大気中の酸素と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ものであり、将来性に富む有望な電池であると位置付けられている。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。そこで、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を貯蔵するためのシステムが比較的小型になるが、液体燃料と水蒸気を高温に加熱して反応させることによって発電に必要な水素を生成する改質装置を必要とする。燃料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装置も小型化する必要がある。

一方、複数の基板を接合してなる小型のケミカルマイクロリアクタを用いることによって微量の化学反応を行うことが特許文献１に記載されており、特許文献１に記載されたケミカルマイクロリアクタを改質装置に用いる研究・開発も行われている。特許文献１に記載されたマイクロリアクタについて簡単に説明すると、まず一方の面に流路となる溝が形成されたポリスチレン製の第一の基板を準備し、この溝に蓋をするように第二の基板を第一の基板に紫外線硬化樹脂で接着することによって、これら二枚の基板の接合部に流路を形成している。
特開２００２−１０２６８１号公報

ところで、ケミカルマイクロリアクタの流路に反応物を流せば、反応物が反応することにより、目的とする生成物又は中間生成物が生成される。反応物の反応が常温で起こりにくいため、ケミカルマイクロリアクタを加熱する必要がある。ケミカルマイクロリアクタを加熱する方法は特許文献１に記載されているが、その加熱方法は加熱した金属をケミカルリアクタの外面に接触させるだけである。これでは、加熱した金属の熱がケミカルリアクタ以外にも伝導・伝達してしまうので、反応物の反応に要する熱量を効率よく供給することができない上、加熱した金属の熱量を有効利用することができない。
そこで、本発明は、上記のような問題点を解決しようとしてなされたものであり、流路を流れる反応物の反応に対して、発生させた熱量を効率よく用いることができる反応装置及び反応方法を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、本発明の反応装置は、本体と、燃料を燃焼させる燃焼触媒と、を有し、反応物が流れる第一の流路及び燃料が流れる第二の流路が前記本体を通った所定の面に関して互いに面対称となるように前記本体の内部に形成され、前記燃焼触媒が前記第二の流路の壁面に形成されていることを特徴とする。

また、反応物が前記第一の流路を流れる方向は燃料が前記第二の流路を流れる方向と同じであることが好ましい。

また、前記第一の流路の一端部にまで通じる第一の入口と、前記第二の流路の一端部にまで通じる第二の入口とが前記本体に形成され、前記所定の面に関して前記第一の入口と第二の入口が互いに対称配置されていることが好ましい。

また、前記第一の流路の他端部にまで通じる第一の出口と、前記第二の流路の他端部にまで通じる第二の出口とが前記本体に形成され、前記所定の面に関して前記第第一の出口と前記第二の出口が互いに対称配置されていることが好ましい。

また、前記燃焼触媒の厚さが前記第二の流路の一端部から他端部にかけて不均一であることが好ましい。

また、反応物を反応させる反応触媒が前記第一の流路の壁面に形成されていても良いし、前記反応触媒が反応物としてのメタノールと水を水素と二酸化炭素に反応させる触媒であっても良い。

また、前記燃焼触媒が燃料としてのメタノールを燃焼させる触媒であることが好ましい。

また、発熱する電熱膜が前記本体の外面に形成されていることが好ましい。

本発明の反応方法は、上記反応装置を用い、反応物を前記第一の流路に流すとともに、その反応物が前記第一の流路を流れる方向と同じとなるように燃料を前記第二の流路に流す方法である。

本発明では、第二の流路に燃料を流すと、燃焼触媒により燃料が燃焼し、燃焼熱が発する。また、第一の流路に反応物を流すと、反応物が燃焼熱により反応する。ここで、第一の流路が所定の面に関し第二の流路と面対称であり、反応物の流動方向が燃料の流動方向と同じであるから、反応物の反応に対して熱量をより必要とするところでは、燃料の燃焼熱量をより多く発生させることができ、反応物の気化熱量をあまり必要としないところでは、燃料の燃焼熱量をより少なく発生させることができる。従って、反応物の反応に要する熱量を燃料の燃焼熱により過不足無く供給することができる。
なお、反応物の反応とは反応物の化学変化を伴う化学反応のみならず、反応物の状態変化を伴う反応でも良い。

本発明によれば、反応物の反応に要する熱量を第二の流路における燃料の触媒燃焼熱により過不足無く供給することができるから、発生させた燃焼熱を効率よく反応物の反応に用いることができる。そのため、反応装置においてエネルギー利用効率が向上する。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

図１は、発電装置１を示した図面である。
この発電装置１は、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機、ＰＤＡ、電子手帳、腕時計、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、ゲーム機器、遊技機、家庭用電気機器、その他の電子機器に備え付けられたものであり、電子機器本体を動作させるための電源として用いられる。

発電装置１は、発電の源となる燃料としての反応物を貯留した第一の燃料容器２と、燃料を貯留した第二の燃料容器４と、第一の燃料容器２から供給された反応物を気化させる第一の気化器３と、第一の燃料容器２から反応物を吸引するとともに吸引した反応物を第一の気化器３に供給する第一の燃料ポンプ７と、第二の燃料容器２から供給された燃料を気化させる第二の気化器１５と、第二の燃料容器４から燃料を吸引するとともに吸引した燃料を第二の気化器１５に供給する第二の燃料ポンプ８と、第二の気化器１５から供給された燃料を触媒により燃焼させる第一の燃焼器５及び第二の燃焼器６と、第一の気化器３から供給された燃料の混合気を水素に改質させる改質器９と、改質器９から供給された混合気から一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器１０と、一酸化炭素除去器１０から供給された混合気のうち水素と外気の酸素との電気化学反応により電気エネルギーを生成する燃料電池１１と、外気の空気を吸引するとともに吸引した空気を第一の燃焼器５、第二の燃焼器６、一酸化炭素除去器１０及び燃料電池１１に供給する空気ポンプ１２と、を備える。

第一の気化器３、第一の燃焼器５、第二の燃焼器６、第一の燃料ポンプ７、第二の燃料ポンプ８、改質器９、一酸化炭素除去器１０、燃料電池１１、空気ポンプ１２及び第二の気化器１５は、電子機器本体に搭載されている。それに対し、第一の燃料容器２及び第二の燃料容器４は、電子機器本体に対して着脱自在となるように設けられている。第一の気化器３と第一の燃焼器５は組み付けられており、第一の気化器３と第一の燃焼器５から第一の反応装置１３が構成される。同様に、改質器９と第二の燃焼器６が組み付けられており、改質器９と第二の燃焼器６から第二の反応装置１４が構成される。

第一の燃料容器２に貯留された反応物は、液状の化学燃料と水の混合液であり、化学燃料としてはメタノール，エタノール等のアルコール類やガソリンといった水素元素を含む化合物が適用可能である。本実施形態では、反応物としてメタノールと水の混合液を用いている。第二の燃料容器４に貯留された燃料は、メタノール，エタノール等のアルコール類やガソリンといった水素元素を含む化合物である。本実施形態では、燃料としてメタノールを用いている。

第二の気化器１５は接合した二枚の基板からなる本体を有し、一方の基板の接合面には葛折り状の溝としての流路が形成され、本体の外面に電熱膜が成膜されている。第二の気化器１５では、第二の燃料ポンプ８によって供給された燃料が電熱膜により加熱されて気化する。

第一の燃焼器５及び第二の燃焼器６では、第二の気化器１５から供給された燃料と、空気ポンプ１２によって供給された空気中の酸素とが酸化することにより、燃焼熱が発生する。ここで、燃料の燃焼は燃焼触媒により促進される。第一の燃焼器５及び第二の燃焼器６において生成された生成物は、外部に排出される。

第一の燃料ポンプ７によって第一の気化器３に供給された反応物が第一の燃焼器５における燃焼熱等により加熱されて気化し、メタノールと水（水蒸気）の混合気が生成される。第一の気化器３において生成された混合気は、改質器９に供給される。

改質器９では、第一の気化器３で気化した反応物の混合気から水素及び二酸化炭素が生成される。具体的には、化学反応式（１）のように、混合気中のメタノールと水蒸気が反応して二酸化炭素と水素が生成される。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂ … （１）

また、改質器９では、メタノールと水蒸気が完全に二酸化炭素及び水素に改質されない場合もあり、この場合、化学反応式（２）のように、メタノールと水蒸気が反応して二酸化炭素及び一酸化炭素が生成される。
２ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→５Ｈ₂＋ＣＯ＋ＣＯ₂ … （２）
改質器９で生成された一酸化炭素、二酸化炭素及び水素等の混合気は一酸化炭素除去器１０に供給される。

一酸化炭素除去器１０は接合した二枚の基板からなる本体を有し、一方の基板の接合面には葛折り状の溝としての流路が形成され、その流路の壁面に触媒の膜が形成されている。

一酸化炭素除去器１０では、改質器９から供給された混合気に含まれる一酸化炭素と水蒸気から二酸化炭素及び水素が生成される。具体的には、化学反応式（３）のように、一酸化炭素と水が反応して二酸化炭素及び水素が生成される。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ … （３）

更に、一酸化炭素除去器１０では、改質器９から供給された混合気に含まれる一酸化炭素を選択的に酸化させて混合気中から一酸化炭素が除去される。具体的には、化学反応式（３）のように、改質器９から供給された混合気のなかから特異的に選択された一酸化炭素と、空気ポンプ１２によって供給された空気中の酸素とが反応して二酸化炭素が生成される。
２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂ … （４）
そして、一酸化炭素除去器１０から混合気が燃料電池１１に供給される。

燃料電池１１は、触媒微粒子及び担体微粒子からなるガス拡散層としての燃料極と、触媒微粒子及び担体微粒子からなるガス拡散層としての空気極と、燃料極と空気極との間に挟持された水素イオン伝導性の固体高分子電解質膜と、を具備する。

燃料電池１１の燃料極には、混合気が一酸化炭素除去器１０から供給され、電気化学反応式（５）に示すように、混合気のうち水素ガスが燃料極の触媒微粒子の作用を受けて水素イオンと電子とに分離される。水素イオンは固体高分子電解質膜を通じて空気極に伝導し、電子は燃料極により取り出される。
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- … （５）
燃料電池１１の燃料極に供給された混合気のうち、電気化学反応に寄与しない生成物（二酸化炭素等）は、外部に排出される。

燃料電池１１の空気極には、空気が空気ポンプ１２から供給され、電気化学反応式（６）に示すように、空気中の酸素と、固体高分子電解質膜を通過した水素イオンと、燃料極により取り出された電子とが反応して水が生成物として生成される。
２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ … （６）
燃料電池１１の空気極に供給された空気のうち電気化学反応に寄与しないガス（窒素等）と、生成水は、外部に排出される。

以上のように、この発電装置１では、燃料電池１１において上記（５）、（６）に示す電気化学反応が起こることにより電気エネルギーが生成される。

次に、本発明の反応装置を適用した実施形態における第二の反応装置１４について図２〜図６を用いて説明する。ここで、図２は第二の反応装置１４の斜視図であり、図３は図２の切断線III−IIIに沿った断面図であり、図４は図３の切断線IV−IVに沿った断面図であり、図５は図３の切断線V−Vに沿った断面図であり、図６は図５、図６の切断線VI−VIに沿った断面図である。

図２、図３、図６に示すように、第二の反応装置１４はシリコン結晶、アルミニウム、ガラス等の中から選択された一又は複数の材料で形成された三枚の基板２１，２２，２３を備え、これら三枚の基板２１〜２３が積み重ねて接合されたものが第二の反応装置１４の本体となる。ここで、第二の燃焼器６の本体は、下側の下基板２１と、挟持された中基板２２とから構成され、改質器９の本体は、上側の上基板２３と、中基板２２とから構成され、中基板２２が第二の燃焼器６と改質器９に共通している。なお、図３、図６では下基板２１と上基板２３を中基板２２よりも厚く図示しているが、実際には基板２１〜２３は互いに同じ厚さであっても良い。また、基板２１〜２３はそれぞれ均一な厚さであるのが望ましい。また、基板２１〜２３は合板であっても良いし、多層基板であっても良いし、単板であっても良い。

図３〜図６に示すように、上基板２３との中基板２２との接合部には、接合面に沿った葛折り状の第一マイクロ流路２４が形成されており、下基板２１と中基板２２との接合部には、接合面に沿った葛折り状の第二マイクロ流路２５が形成されている。

上基板２３の中基板２２との接合面（図３において上基板２３の下面）には、葛折り状の溝が形成されており、この溝は上基板２３と中基板２２との接合前にフォトリソグラフィー、エッチング等を適宜施すことによって形成されたものである。この溝を覆うようにして上基板２３を中基板２２に接合することによって、溝が第一マイクロ流路２４となっている。第一マイクロ流路２４は、一端部から他端部にかけて一様な幅、一様な深さを有しながら延在している。この第一マイクロ流路２４は、改質器９の流路である。

第一マイクロ流路２４の一端部では、上基板２３の接合面から接合面の反対面（図３において上基板２３の上面）まで貫通した入口用の貫通孔２６が形成されており、第一マイクロ流路２４の他端部では、上基板２３の接合面から反対面まで貫通した出口用の貫通孔２７が形成されている。貫通孔２６は管を介して第一の気化器３の出口に通じており、貫通孔２７は別の管を介して一酸化炭素除去器１０の入口に通じている。

第一マイクロ流路２４の壁面特に、上基板２３に形成された溝の底及び側面には、反応触媒としての改質触媒３０が形成されている。改質触媒３０は、メタノールと水を水素と二酸化炭素に改質する（上記化学反応式（１）参照）触媒であって、担体としてのアルミニウム酸化物に銅及び亜鉛を担持させたＣｕＯ−ＺｎＯ系触媒（ＣｕＯ／ＺｎＯ／Ａｌ₂Ｏ₃）である。改質触媒３０の膜厚は第一マイクロ流路２４の一端部（入口）から他端部（出口）にかけて一様である。なお、改質触媒３０の膜厚は第一マイクロ流路２４の一端部（入口）から他端部（出口）にかけて連続的又は段階的に厚くなっていっても良い。

下基板２１の中基板２２との接合面（図３において下基板２１の上面）にも、葛折り状の溝が形成されており、下基板２１が中基板２２に接合されることによって溝が第二マイクロ流路２５となっている。第二マイクロ流路２５は、一端部から他端部にかけて一様な幅、一様な深さを有しながら延在している。この第二マイクロ流路２５は、第二の燃焼器６の流路である。

また、中基板２２の両方の接合面と平行であり且つ両方の接合面の中間にある中間面に関して、第一マイクロ流路２４と第二マイクロ流路２５が互いに面対称になるように第一マイクロ流路２４及び第二マイクロ流路２５が形状加工されている。つまり、図３における上から下に向かって第二の反応装置１４を見た（第二の反応装置１４を平面視した）場合、第一マイクロ流路２４が第二マイクロ流路２５に重なっている。

第二マイクロ流路２５の一端部では、下基板２１の接合面から接合面の反対面（図３において下基板２１の下面）まで貫通した入口用の貫通孔２８が形成されており、第二マイクロ流路２５の他端部には、下基板２１の接合面から反対面まで貫通した出口用の貫通孔２９が形成されている。貫通孔２８は管を介して第二の気化器１５に通じており、貫通孔２９は別の管を介して発電装置１の外に通じている。

また、中基板２２の両方の接合面と平行であり且つ両方の接合面の中間にある中間面に関して、貫通孔２６が貫通孔２８に対して対称配置されており、同様にその中間面に関して、貫通孔２７が貫通孔２９に対称配置されている。

第二マイクロ流路２５の壁面特に、下基板２１に形成された溝の底及び側面には、燃焼触媒３１が形成されている。燃焼触媒３１は、メタノールの酸化を促進する燃焼触媒であり、具体的には担体に白金を担持させたＰｔ系触媒（Ｐｔ／Ａｌ₂Ｏ₃）である。担体は多孔質であり、特に多孔質金属酸化物が好ましく、多孔質金属酸化物として酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化セリウム等を用いることができる。これら酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化セリウム等のうち二種以上を用いても良い。燃焼触媒３１は、燃焼触媒３１の膜厚は第二マイクロ流路２５の一端部（入口）から他端部（出口）にかけて連続的又は段階的に厚くなっていく。

上基板２３の接合面とは反対側の面（図３において上基板２３の上面）には、葛折り状に呈した電熱ヒータ３２が配設されている。電熱ヒータ３２は、電気抵抗性発熱体，半導体性発熱体等を薄膜状に成膜したものであり、電流が流れたり電圧が印加されたりすることによって電気エネルギーで発熱するものである。

第一の反応装置１３について図７を用いて説明する。図７は、第一の反応装置１３の断面図である。図７に示すように、第一の反応装置１３において、第二の反応装置１４のいずれかの部分と対応する部分に対して、下二桁が同じとなる符号を付す。

第一の反応装置１３は、第二の反応装置１４とほぼ同様の構成となっている。つまり、第一の反応装置１３は、下基板１２１、中基板１２２及び上基板１２３をこの順に積み重ねて接合した本体を有する。第一の反応装置１３と第二の反応装置１４の異なる点としては、第二の反応装置１４では第一マイクロ流路２４の壁面に改質触媒３０が形成されているのに対し、第一の反応装置１３では、上基板１２３と中基板１２２との接合部に形成された第一マイクロ流路１２４の壁面には触媒が形成されていないことである。この第一マイクロ流路１２４が第一の気化器３の流路であり、下基板１２１と中基板１２２との接合部に形成された第二マイクロ流路１２５が第一の燃焼器５の流路である。更には、第一マイクロ流路１２４の一端部に通じる入口用の貫通孔は、管を介して第一の燃料ポンプ７に通じており、第一マイクロ流路１２４の他端部に通じる出口用の貫通孔は、別の管を介して第二の反応装置１４の入口用の貫通孔２６に通じている。以上のことを除いて、第一の反応装置１３は第二の反応装置１４と同じに構成されており、第一の反応装置１３においては、第二の反応装置１４のいずれかの部分と対応する部分についての説明は省略する。

次に、発電装置１の動作、第一の反応装置１３を用いた反応方法、第二の反応装置１４を用いた反応方法について説明する。
まず、反応物が充填された第一の燃料容器２を電子機器本体に装着するとともに、燃料が充填された第二の燃料容器４を電子機器本体に装着する。次いで、第一の燃料ポンプ７、第二の燃料ポンプ８及び空気ポンプ１２を作動させ、電熱ヒータ３２，１３２に電圧を印加して、電熱ヒータ３２，１３２を発熱させる。

第二の燃料ポンプ８が作動すると、第二の燃料容器４内の燃料が第二の気化器１５に供給され、第二の気化器１５中で燃料が気化する。気化した燃料は、空気ポンプ１２によって取り込まれた空気と混合して第一の燃焼器５、第二の燃焼器６それぞれに供給される。

第一の燃焼器５では、燃料と空気の混合気が、第二マイクロ流路１２５の一端部に通じる入口用の貫通孔から第二マイクロ流路１２５に流入する。第二マイクロ流路１２５に流入した燃料と空気の混合気は、第二マイクロ流路１２５の他端部に向かって流動する。ここで、燃料と空気の混合気が燃焼触媒１３１によって燃焼する。これにより燃料が酸化し、燃焼熱が発生する。第二マイクロ流路１２５の中で生成された生成物は、第二マイクロ流路１２５の他端部に通じる出口用の貫通孔から外部に排出される。

第二の燃焼器６でも同様に、燃料と空気の混合気が入口用の貫通孔２８から第二マイクロ流路２５に流入する。第二マイクロ流路２５に流入した混合気が第二マイクロ流路２５の他端部に向かって流動し、その混合気が流動中に燃焼触媒３１によって燃焼する。これにより、燃料が酸化し、燃焼熱が発生する。第二マイクロ流路２５の中で生成された生成物は、出口用の貫通孔２９から外部に排出される。

一方、第一の燃料ポンプ７が作動すると、第一の燃料容器２内の反応物が第一の気化器３に供給される。第一の気化器３では、反応物が、第一マイクロ流路１２４の一端部に通じる入口用の貫通孔から第一マイクロ流路１２４に流入する。第一マイクロ流路１２４に流入した反応物は、第一マイクロ流路１２４の他端部に向かって流動する。ここで、第一マイクロ流路１２４を流動中の反応物は、電熱ヒータ１３２で発した熱及び第一の燃焼器５で発した燃焼熱により加熱されて気化する。第一マイクロ流路１２４の中で気化した反応物は、第一マイクロ流路１２４の他端部に通じる出口用の貫通孔から改質器９に供給される。

改質器９では、気化した反応物が入口用の貫通孔２６から第一マイクロ流路２４に流入する。第一マイクロ流路２４に流入した反応物が第一マイクロ流路２４の他端部に向かって流動し、その混合気が流動中に電熱ヒータ３２で発した熱及び第二の燃焼器６で発した燃焼熱により加熱される。これにより、反応物が、改質触媒３０の作用を受けて二酸化炭素と水素に改質される。第一マイクロ流路２４の中で生成された生成物は、出口用の貫通孔２７から一酸化炭素除去器１０に供給される。

一酸化炭素除去器１０では、改質器９から供給された混合気中の一酸化炭素が除去される。そして、一酸化炭素除去器１０から燃料電池１１の燃料極に混合気が供給され、空気ポンプ１２によって空気が燃料電池１１の空気極に供給され、燃料電池１１における水素と酸素の電気化学反応により電気エネルギーが生成される。なお、一酸化炭素除去器１０では、燃焼器が設けられていないが、反応に熱を要する場合、第三の燃焼器を設けてもよい。

ここで、第一の反応装置１３に着目すると、中基板１２２の両接合面の間の中間面に関して、第一マイクロ流路１２４と第二マイクロ流路１２５が互いに面対称である。更に、第一マイクロ流路１２４の入口の貫通孔と第二マイクロ流路１２５の入口の貫通孔が中間面に関して対称配置されており、第一マイクロ流路１２４の出口の貫通孔と第二マイクロ流路１２５の出口の貫通孔が中間面に関して対称配置されている。従って、第一マイクロ流路１２４に沿って反応物が流動する方向は、第二マイクロ流路１２５に沿って燃料と空気の混合気が流動する方向と同じである。

ところで、反応物が第一マイクロ流路１２４を進むにつれて、液体成分が減っていき気体成分が多くなるので、第一マイクロ流路１２４の出口側では入口側よりも反応物の気化に要する熱量が少なくても済む。そして、燃料が第二マイクロ流路１２５を進むにつれて、燃料の割合が減っていき生成物の割合が増えていくので、第二マイクロ流路１２５の出口側では入口側よりも燃焼熱量が小さい。第一マイクロ流路１２４が中間面に関し第二マイクロ流路１２５と面対称であり、反応物の流動方向が燃料の流動方向と同じであるから、反応物の気化熱量をより必要とするところでは、燃料の燃焼熱量をより多く発生させ、反応物の気化熱量をあまり必要としないところでは、燃料の燃焼熱量をより少なく発生させている。従って、気化により吸収する熱量を第一の燃焼器５で過不足無く供給することができる。そのため、電熱ヒータ１３２による供給熱量を少なくすることができ、発電装置１全体のエネルギー効率が向上する。

第二の反応装置１４に着目しても、中基板２２の両接合面の間の中間面に関して、第一マイクロ流路２４と第二マイクロ流路２５が互いに面対称である。更に、入口の貫通孔２６と貫通孔２８が中間面に関して対称配置されており、出口の貫通孔２７と貫通孔２９が中間面に関して対称配置されている。従って、第一マイクロ流路２４に沿った反応物の流動方向は、第二マイクロ流路２５に沿った燃料の流動方向と同じである。そのため、反応物の改質に要する吸熱量をより必要とするところでは、燃料の燃焼熱量をより多く発生させ、反応物の改質に要する吸熱量をあまり必要としないところでは、燃料の燃焼熱量をより少なく発生させている。従って、改質により吸収する熱量を第二の燃焼器６で過不足無く供給することができる。そのため、電熱ヒータ３２による供給熱量を少なくすることができ、発電装置１全体のエネルギー効率が向上する。

また、燃焼触媒３１の膜厚が第二マイクロ流路２５の入口から出口にかけて一様ではなく、入口から出口にかけて厚くなっているので、対応する位置においては、反応物の改質による吸熱量と第二燃焼の燃焼による発熱量が同じとなる。そのため、改質により吸収する熱量を第二の燃焼器６で過不足無く供給することができる。

なお、上記実施形態における第二の反応装置１４の代わりに、図８に示すような第二の反応装置２１４を発電装置１に設けても良い。別の第二の反応装置２１４について図８を用いて説明する。図８は、第二の反応装置２１４の断面図である。図８に示すように、第二の反応装置２１４において、上記第二の反応装置１４のいずれかの部分と対応する部分に対して、下二桁が同じとなる符号を付す。

別の第二の反応装置２１４は、上記第二の反応装置１４とほぼ同様の構成となっている。つまり、別の第二の反応装置２１４は下基板２２１、中基板２２２及び上基板２２３をこの順に積み重ねて接合した本体を有し、下基板２２１と中基板２２２を接合したものが第二の燃焼器２０６の本体であり、中基板２２２と上基板２２３を接合したものが改質器２０９の本体であり、中基板２２２が第二の燃焼器２０６と改質器２０９に共通している。

この第二の反応装置２１４と上記第二の反応装置１４の異なる点としては、上記第二の反応装置１４では、第二マイクロ流路２５となる溝が下基板２１の接合面に形成されているとともに第一マイクロ流路２４となる溝が上基板２３の接合面に形成されているのに対し、この第二の反応装置２１４では中基板２２２の両面にそれぞれ第一マイクロ流路２２４の溝と第二マイクロ流路２２５の溝が形成されている。

以上のことを除いて、この第二の反応装置２１４は上記第二の反応装置１４と同じに構成されている。つまり、第一マイクロ流路２２４の壁面に改質触媒２３０が形成され、第二マイクロ流路２２５の壁面に燃焼触媒２３１が形成され、中基板２２２の両接合面の間の中間面に関し、第一マイクロ流路２２４と第二マイクロ流路２２５が互いに面対称であり、第一マイクロ流路２２４の入口の貫通孔が中間面に関して第二マイクロ流路２２５の入口の貫通孔と対称配置され、第一マイクロ流路２２４の出口の貫通孔が中間面に関して第二マイクロ流路２２５の出口の貫通孔と対称配置されている。従って、気化した反応物が第一マイクロ流路２２４を流れる方向が気化した燃料が第二マイクロ流路２２５を流れる方向と同じである。なお、図８において、中基板２２２を下基板２２１及び上基板２２３よりも厚く図示しているが、実際には基板２２１〜２２３は同じ厚さであるのが望ましい。

以下に、実施例を挙げることにより、本発明について更に具体的に説明する。
第二の反応装置１４の吸熱量及び発熱量をシミュレーションによって求めた。
ここで、マイクロ流路２４，２５の入口から出口までの長さを２３３ｍｍ、マイクロ流路２４，２５の深さを０．５ｍｍ、マイクロ流路２４，２５の幅を０．６ｍｍとし、改質触媒３０及び燃焼触媒３１の膜厚を一様として、第二の反応装置１４をモデリングした。そして、上記実施形態のように、反応物としてのメタノールと水の混合気を１．４８ｍｌ／ｈの供給量で第一マイクロ流路２４を流動させ、燃料としてメタノールの気体を０．６ｍｌ／ｈの供給量で第二マイクロ流路２５を流動させた場合に、第一マイクロ流路２４の各点での吸熱量と第二マイクロ流路２５の各点での吸熱量をシミュレーションにより求めた。第一マイクロ流路２４における反応物の流動方向が第二マイクロ流路２５における燃料の流動方向と同じである場合、つまり、反応物及び燃料をそれぞれの第一マイクロ流路２４の入口から出口に向かって流動させた場合の結果を図９に示す。一方、第一マイクロ流路２４における反応物の流動方向が第二マイクロ流路２５における燃料の流動方向と逆である場合、つまり、反応物は第一マイクロ流路２４の入口から出口に向かって流動させ、燃料は逆に第二マイクロ流路２５の出口から入口に向かって流動させた場合の結果を図１０に示す。

図９，１０において、縦軸は熱量を表し、横軸はマイクロ流路２４，２５それぞれの入口の位置をゼロとした場合、入口からの長さ（流路位置）を表す。
反応物と燃料を同じ方向に流動させた場合、図９に示すように、改質器９における吸熱量は第一マイクロ流路２４の入口側で大きく、出口側で小さく、第二の燃焼器６における発熱量は第二マイクロ流路２５の入口側で大きく、出口側で小さいことがわかる。従って、対応する位置において、反応物の改質により吸収する熱量を第二の燃焼器６で過不足無く供給することができることがわかる。

また、反応物と燃料を逆方向に流動させた場合、図１０に示すように、改質器９における吸熱量は第一マイクロ流路２４の入口側で大きく、出口側で小さいが、第二の燃焼器６における発熱量は第二マイクロ流路２５の入口側で小さく、出口側で大きいことがわかる。

また、図９に示すように、発熱量の流路位置に対する減少が第二マイクロ流路２５に沿った中央付近で急峻であり、改質器９の吸熱量は同じ位置における第二の燃焼器６の発熱量と等しくない。これは、燃料の燃焼反応のメタノール濃度次数が、反応物の改質反応の次数に比較して大きいためである。そこで、図１１に示すように燃焼触媒３１の膜厚を第二マイクロ流路２５の入口から出口にかけて段階的に厚くしたら、第一マイクロ流路２４に沿った温度分布は図１２のようになった。このようにすることによって、改質器９の吸熱量は同じ位置における第二の燃焼器６の発熱量と等しくすることができ、位置毎に異なる改質器９の吸熱量によって温度の低下を、第二マイクロ流路２５内での位置毎に燃焼反応の程度を変えることで補償するために、第一マイクロ流路２４内が常に均等な温度に設定できるので、第一マイクロ流路２４内が冷えることによって或いは過熱することによって反応の進行が遅れたり、本来第一マイクロ流路２４内で必要な反応と異なる反応を引き起こすことを抑制できる。ここで、図１１において、縦軸は燃焼触媒３１の厚さを表し、横軸は第二マイクロ流路２５の入口からの長さ（流路位置）を表す。図１２において、縦軸は温度を表し、横軸は第二マイクロ流路２５の入口からの長さ（流路位置）を表す。

発電装置１のブロック図である。 本発明の実施の形態における第二の反応装置１４の斜視図である。 図２に示した切断線III−IIIに沿った断面図である。 図３に示した切断線IV−IVに沿った断面図である。 図３に示した切断線V−Vに沿った断面図である。 図４、図５に示した切断線VI−VIに沿った断面図である。 本発明の実施の形態における第一の反応装置１３の断面図である。 本発明の実施の形態における第二の反応装置２１４の断面図である。 反応物と燃料を同一方向に流した場合、流路の位置と熱量との関係を示したグラフである。 反応物と燃料を逆方向に流した場合、流路の位置と熱量との関係を示したグラフである。 流路の位置と燃焼触媒の厚さとの関係を示したグラフである。 流路の位置と温度との関係を示したグラフである。

符号の説明

１３ … 第一の反応装置
１４ … 第二の反応装置
２２〜２３ … 基板（本体）
２４ … 第一マイクロ流路（第一流路）
２５ … 第二マイクロ流路（第二流路）
２６ … 貫通孔（第一の入口）
２７ … 貫通孔（第一の出口）
２８ … 貫通孔（第二の入口）
２９ … 貫通孔（第二の出口）
３０ … 改質触媒（反応触媒）
３１ … 燃焼触媒
３２ … 電熱ヒータ（電熱膜）
１２１〜１２３ … 基板（本体）
１２４ … 第一マイクロ流路（第一流路）
１２５ … 第二マイクロ流路（第二流路）
１３１ … 燃焼触媒
１３２ … 電熱ヒータ
２１４ … 第二の反応装置
２２１〜２２３ … 基板（本体）
２２４ … 第一マイクロ流路（第一流路）
２２５ … 第二マイクロ流路（第二流路）
２３０ … 改質触媒（反応触媒）
２３１ … 燃焼触媒
２３２ … 電熱ヒータ（電熱膜）

Claims (10)

1. 本体と、燃料を燃焼させる燃焼触媒と、を有し、
   反応物が流れる第一の流路及び燃料が流れる第二の流路が前記本体を通った所定の面に関して互いに面対称となるように前記本体の内部に形成され、前記燃焼触媒が前記第二の流路の壁面に形成されていることを特徴とする反応装置。
2. 反応物が前記第一の流路を流れる方向は燃料が前記第二の流路を流れる方向と同じであることを特徴とする請求項２に記載の反応装置。
3. 前記第一の流路の一端部にまで通じる第一の入口と、前記第二の流路の一端部にまで通じる第二の入口とが前記本体に形成され、前記所定の面に関して前記第一の入口と第二の入口が互いに対称配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の反応装置。
4. 前記第一の流路の他端部にまで通じる第一の出口と、前記第二の流路の他端部にまで通じる第二の出口とが前記本体に形成され、前記所定の面に関して前記第第一の出口と前記第二の出口が互いに対称配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の反応装置。
5. 前記燃焼触媒の厚さが前記第二の流路の一端部から他端部にかけて不均一であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の反応装置。
6. 反応物を反応させる反応触媒が前記第一の流路の壁面に形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の反応装置。
7. 前記反応触媒が反応物としてのメタノールと水を水素と二酸化炭素に反応させる触媒であることを特徴とする請求項６に記載の反応装置。
8. 前記燃焼触媒が燃料としてのメタノールを燃焼させる触媒であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の反応装置。
9. 発熱する電熱膜が前記本体の外面に形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の反応装置。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の反応装置を用い、
    反応物を前記第一の流路に流すとともに、その反応物が前記第一の流路を流れる方向と同じとなるように燃料を前記第二の流路に流すことを特徴とする反応方法。
    

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