JP2007176760A - 反応装置および反応装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 反応装置12は、第一基板3〜第五基板7の表裏面、凹凸、穴および切欠部によって互いに一体に形成される反応装置本体部2および中空パッケージ部15を備える。反応装置本体部2は、改質器20と、一酸化炭素除去器21と、連結部100とを有し、中空パッケージ部15は、密閉空間を介して反応装置本体部2を内部に収容する包囲部16と、包囲部16および反応装置本体部2の一端部を接続して当該反応装置本体部2を支持する支持部17とを有し、この支持部17は、反応装置本体部2での反応に用いられる反応物を包囲部16の外部から当該反応装置本体部2に供給するとともに、反応装置本体部2内での反応により生じる生成物を包囲部16の外部に排出する給排部18を有する。
【選択図】図4
Description
この図に示すように、発電装置1は、燃料容器10と、気化器11と、本発明に係る反応装置(マイクロリアクタ)12と、燃料電池13とを備えている。
CH3OH+H2O→3H2+CO2・・・(1)
2CH3OH+H2O→5H2+CO+CO2・・・(2)
2CO+O2→2CO2・・・(3)
H2→2H++e-・・・(4)
2H++1/2O2+e-→H2O・・・(5)
図2,図3に示すように、反応装置12は複数の基板を積層して構成されて平板状に形成されており、内部に反応装置本体部2を備えている。
穴50は第三基板5の周縁部に沿って略C字状に形成されており、第三基板5の他端部の側で開口している。つまり、穴50は、第三基板5の他端部の側の一部領域を除いて、第三基板5の周縁部に沿って設けられている。また、穴51は第三基板5の中央部において矩形状に形成されている。これらの穴50,51は、第二基板4の穴40,41にそれぞれ対応しており、第二基板4と第三基板5とが重ね合わされるときに、穴40,41と連通するようになっている。これら穴50,51の内周面に、断熱効果を有する輻射防止膜(図示せず)を設けるようにしてもよい。なお、この輻射防止膜は、例えばアルミニウムなどの金属によって形成されている。
まず、各基板の製造方法について説明する。第一基板3〜第五基板7を製造するには、まず、平面視矩形状をなしたガラス基板であって、表裏面が平坦でかつ互いに平行なものを5枚準備する。
次に、各基板の接合方法について説明する。図6は、第二基板4と第三基板5との接合方法を説明する図であり、図7は、第三基板5と第四基板6との接合方法を説明する図であり、図8は、第四基板6と第五基板7との接合方法を説明する図であり、図9は、第二基板4と第一基板3との接合方法を説明する図である。まず、図6に示すように、第二基板4の裏面と第三基板5の表面とを対向させて重ね合わせた後、これら第二基板4および第三基板5を陽極接合装置にセッティングして陽極接合する。ここで、第三基板5裏面に設けられた金属膜が接合中に酸化されるのを防止するために、接合雰囲気は不活性ガスまたは真空中で行うことが好ましい。より詳細には、第二基板4および第三基板5を加熱した後、第三基板5の裏面に陰極K2を接触させるとともに、第三基板5の切欠部541を介して露出する第二基板4の前記金属膜に陽極K1を接触させて、所定の接合温度に設定して、第二基板4と第三基板5との間に高電圧を印加する。これにより、第二基板4の金属膜と第三基板5とが化学結合して、第二基板4と第三基板5とが接合され、その結果、図3〜図5に示すように、溝部46および溝部56が改質器20の改質反応室200になり、溝部48および溝部58が一酸化炭素除去器21の一酸化炭素除去流路210になる。また、図5に示すように、溝部47aおよび溝部57aが改質反応室200に通じる流路80になり、溝部47bおよび溝部57bが一酸化炭素除去流路210の端部と改質反応室200とを連通する連通流路89になる。
次に、図7に示すように、第二基板4および第三基板5の接合体の裏面、つまり第三基板5の裏面と第四基板6の表面とを向かい合わせた後、第四基板6の通電溝65に電線55aを通した状態で、これら第四基板6および接合体を陽極接合する。ここで、第四基板6裏面に設けられた金属膜が接合中に酸化されるのを防止するために、接合雰囲気は不活性ガスまたは真空中が好ましい。より詳細には、接合体および第四基板6を加熱した後、第四基板6の裏面に陰極K2を接触させるとともに、第四基板6の穴60を介して露出する第三基板5の前記金属膜に陽極K1を接触させて、所定の接合温度に設定して、第三基板5と第四基板6との間に高電圧を印加する。これにより、第三基板5の金属膜と第四基板6とが化学結合して、第三基板5と第四基板6とが接合され、その結果、図3〜図5に示すように、溝部66が燃焼器22の燃焼反応室220になり、図5に示すように、溝部67a,67bが燃焼反応室220に通じる流路82,83にそれぞれなる。また、図2,図5に示すように、反応装置12の外面において、溝部49a,69aおよび切欠部59aの端が燃料供給口26として開口し、溝部49b,69bおよび切欠部59bの端が燃料酸素供給口27として開口し、溝部49c,69cおよび切欠部59cの端が酸素補助供給口24として開口し、溝部49d,69dおよび切欠部59dの端が反応排出口25として開口し、溝部49e,69eおよび切欠部59eの端が反応供給口23として開口し、溝部49f,69fおよび切欠部59fの端が燃料排出口28として開口する。また、図3〜図5に示すように、穴40,50,60によって断熱室92が形成され、穴41,51,61によって断熱室93が形成される。
まず、燃料(例えば、メタノール等の炭化水素系の液体燃料)および水が燃料容器10から気化器11に供給されて、気化器11において気化する。
次に、気化器11で気化した燃料および水蒸気の混合気が給排部18の反応供給口23および流路80を通じて改質反応室200に流入すると、改質触媒201によって水素等が生成される。このとき、改質反応室200には、薄膜ヒータ55で発生する熱や、燃焼反応室220で発生する反応熱(燃焼熱)などが加えられるとともに、反応装置12の内側から外側へ向かう熱線を第一基板3および第五基板7の赤外線反射膜が内部に反射する結果、改質反応室200は比較的高温となり、改質触媒201は200〜400℃、本実施の形態においては約300℃に加熱される。なお、改質反応室200における改質反応は、本実施の形態においては水蒸気改質法によって行われるが、部分酸化改質法によって行われることとしても良い。また、改質反応室200には、燃料および水が気化器11から反応供給口23を介して供給される他、燃焼反応室220から第三基板5を介して供給されることとしても良い。
3 第一基板(上基板)
4 第二基板(中間基板)
5 第三基板(中間基板)
6 第四基板(中間基板)
7 第五基板(下基板)
12 反応装置
16 包囲部
17 支持部
18 給排部
20 改質器(第1の反応部)
21 一酸化炭素除去器(第2の反応部)
22 燃焼器(加熱部)
23 反応供給口
24 酸素補助供給口
25 反応排出口
32,42 ゲッター材
55 薄膜ヒータ(加熱部)
55a 電線
65 通電溝
93 断熱室
100 連結部
Claims (27)
- 反応物の反応を起こす反応装置であって、
密閉空間を形成する凹部を有する一対の上基板および下基板と、
少なくとも開口部と反応部形成用溝部と該反応部形成用溝部に連通する流路形成用溝部とを有する複数の中間基板と、からなる複数の基板を有し、
前記複数の基板の各々の側面の少なくとも一部は互いに面一であり、
前記複数の中間基板は、前記流路形成用溝部の端部を一端部側に有し、
前記開口部と前記密閉空間とが連通し、該開口部および該密閉空間を介して、前記反応部形成用溝部により形成される反応部を有する反応装置本体部を内部に収容するとともに、前記流路形成用溝部の端部を外面に有する包囲部を形成するように、前記複数の基板が積層されてなることを特徴とする反応装置。 - 請求項1記載の反応装置において、更に、
前記包囲部と前記反応装置本体部の一端部とを接続して当該反応装置本体部を支持する支持部を有し、
前記支持部は、前記反応物を前記包囲部の外部から当該反応装置本体部に供給するとともに、前記反応装置本体部内での反応により生じる生成物を前記包囲部の外部に排出するための前記流路形成用溝部により形成される複数の流路を具備することを特徴とする反応装置。 - 請求項2記載の反応装置において、
前記包囲部は、前記支持部が具備する前記複数の流路の端部を外面に有し、
前記流路の端部は、前記反応物を外部から供給する供給口および前記生成物を外部に排出する排出口を有する給排部をなすことを特徴とする反応装置。 - 請求項3記載の反応装置において、
前記反応装置本体部は、
前記反応部形成用溝部により形成される、第1の温度に設定される第1の反応部および前記第1の温度より低い第2の温度に設定される第2の反応部と、
前記流路形成用溝部により形成される複数の流路を有して前記第1の反応部と前記第2の反応部とを連通する連結部と、
を有することを特徴とする反応装置。 - 請求項4記載の反応装置において、
前記支持部は、前記反応装置本体部の前記第2の反応部側の一端部に設けられることを特徴とする反応装置。 - 請求項4記載の反応装置において、
前記反応装置本体部は、更に、前記第1の反応部に熱を供給し、前記第1の反応部を前記第1の温度に設定する加熱部を有することを特徴とする反応装置。 - 請求項6記載の反応装置において、
前記加熱部は、前記連結部を介して前記第2の反応部を前記第2の温度に設定することを特徴とする反応装置。 - 請求項4記載の反応装置において、
前記反応装置本体部は、更に、前記第1の反応部と前記第2の反応部との間に、前記開口部により形成される断熱室を有することを特徴とする反応装置。 - 請求項4記載の反応装置において、
前記第1の反応部は、反応物として気化された炭化水素系の液体燃料が供給され、該反応物から水素を含むガスを反応生成物として生成する改質器であり、
前記第2の反応部は、反応物として前記反応生成物が供給され、該反応生成物に含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器であることを特徴とする反応装置。 - 請求項9記載の反応装置において、
前記給排部は、少なくとも、
前記改質器に前記気化された液体燃料を供給する反応供給口と、
前記一酸化炭素除去器に酸素を供給する酸素供給口と、
前記一酸化炭素除去器内の気体を排出する反応排出口と、
を有することを特徴とする反応装置。 - 請求項1〜10の何れか一項に記載の反応装置において、
前記複数の基板は、ガラス製であることを特徴とする反応装置。 - 請求項1〜11の何れか一項に記載の反応装置において、
前記密閉空間内および前記開口部内は、真空圧とされていることを特徴とする反応装置。 - 請求項1〜12の何れか一項に記載の反応装置において、
前記複数の基板は、陽極接合によって互いに接合されていることを特徴とする反応装置。 - 請求項1〜13の何れか一項に記載の反応装置において、
前記包囲部の内面の一部と、前記反応装置本体部の外面の一部との少なくとも一方には、加熱により活性化して周囲のガスを吸着するゲッター材が設けられていることを特徴とする反応装置。 - 複数の基板を積層して製造する反応装置の製造方法であって、
前記複数の基板は各々の側面の少なくとも一部が互いに面一であり、密閉空間を形成する凹部を有する一対の上基板および下基板と、少なくとも開口部とと該反応部形成用溝部に連通する流路形成用溝部とを有する複数の中間基板とを含み、
前記複数の中間基板は、前記流路形成用溝部の端部を一端部側に有し、
前記上基板と前記複数の中間基板と前記下基板とを積層して接合し、前記開口部と前記密閉空間とを連通させ、前記反応部形成用溝部により形成される反応部を有する反応装置本体部と、該開口部および該密閉空間を介して前記反応装置本体部を内部に収容する包囲部とを互いに一体に形成し、前記流路形成用溝部の端部からなる給排部を前記包囲部の外面に形成する工程を含むことを特徴とする反応装置の製造方法。 - 請求項15記載の反応装置の製造方法において、更に、
前記包囲部と前記反応装置本体部の一端部とを接続して当該反応装置本体部を支持するとともに、前記溝部による複数の流路を形成して、前記反応装置本体部での反応に用いられる反応物を前記包囲部の外部から当該反応装置本体部に供給するとともに、前記反応装置本体部内での反応により生じる生成物を前記包囲部の外部に排出するための前記流路形成用溝部により形成される複数の流路を具備する支持部を前記反応装置本体部と一体に形成する工程を含むことを特徴とする反応装置の製造方法。 - 請求項16記載の反応装置の製造方法において、
前記反応部形成用溝部により、前記反応部として、第1の温度に設定される第1の反応部と前記第1の温度より低い第2の温度に設定される第2の反応部とを形成し、前記流路形成用溝部により、前記第1の反応部と前記第2の反応部とを連通する複数の流路を有する連結部を形成する工程を含むことを特徴とする反応装置の製造方法。 - 請求項17記載の反応装置の製造方法において、
前記支持部を、前記反応装置本体部の前記第2の反応部側の一端部に形成することを特徴とする反応装置の製造方法。 - 請求項17記載の反応装置の製造方法において、更に、
前記第1の反応部に熱を供給し、前記第1の反応部を前記第1の温度に設定する加熱部を形成する工程を含むことを特徴とする反応装置の製造方法。 - 請求項17記載の反応装置の製造方法において、更に、
前記第1の反応部と前記第2の反応部との間に前記開口部による断熱室を形成する工程を含むことを特徴とする反応装置の製造方法。 - 請求項17記載の反応装置の製造方法において、
前記第1の反応部として、気化された炭化水素系の液体燃料が第1の反応物として供給され、該第1の反応物から水素を含むガスを生成する改質器を形成し、
前記第2の反応部として、前記反応生成物が第2の反応物として供給され、該反応生成物に含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器を形成することを特徴とする反応装置の製造方法。 - 請求項21記載の反応装置の製造方法において、
前記給排部として、
前記複数の流路に接続される、前記改質器に前記気化された前記液体燃料を供給する反応供給口と、
前記一酸化炭素除去器に酸素を供給する酸素供給口と、
前記一酸化炭素除去器内の気体を排出する反応排出口と、を前記包囲部の外面に形成することを特徴とする反応装置の製造方法。 - 請求項15〜22の何れか一項に記載の反応装置の製造方法において、
前記複数の基板として、ガラス製の基板を用いることを特徴とする反応装置の製造方法。 - 請求項15〜23の何れか一項に記載の反応装置の製造方法において、
前記複数の基板を、真空中で陽極接合して接合し、前記密閉空間内を真空圧とする工程を含むことを特徴とする反応装置の製造方法。 - 請求項24記載の反応装置の製造方法において、
前記複数の基板の少なくとも1つを、前記包囲部の外側と内側との間で電線を通す通電溝を有する通電用基板とし、
前記複数の基板の互いに接合される2つの接合面の一方に陽極接合用の金属膜を設けた状態で、前記基板を順に積層して真空中で陽極接合していき、
前記通電用基板の前記通電溝に前記電線を通した状態で前記通電用基板の前記通電溝側の面に対して他の前記基板を真空中で陽極接合して基板積層体とし、
前記通電溝の端部を封着材で埋めてから、前記基板積層体に対して、大気中での仮焼成を行い、次いで、真空中又は窒素雰囲気中での本焼成を行う工程を含むことを特徴とする反応装置の製造方法。 - 請求項25記載の反応装置の製造方法において、
前記本焼成の後に、前記陽極接合用の金属膜の設けられた前記基板を前記基板積層体に対して真空中にて陽極接合する工程を含むことを特徴とする反応装置の製造方法。 - 請求項24〜26の何れか一項に記載の反応装置の製造方法において、
積層によって前記包囲部の内面となる前記基板の面と、前記反応装置本体部の外面となる前記基板の面との少なくとも一方に対し、加熱により活性化して周囲のガスを吸着するゲッター材を設けた後、前記ゲッター材の活性温度以上の温度に加熱した状態で、前記複数の基板を真空中にて陽極接合により接合する工程を含むことを特徴とする反応装置の製造方法。
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