JP2007246313A - 反応装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】反応物の反応を起こす反応容器を備える反応装置500Aである。反応容器は、天板512の外縁に沿って側板513〜516が設けられ下部に開口を有する箱体511と、天板512の下面に対して交差するように配置されて天板512の下面に接合される交差仕切板521〜527と、箱体511に仕切板521〜527が接合された状態で開口を閉塞する底板530とを備える。仕切板521〜527を天板512に接合することで天板512を補強することができ、内部が減圧された断熱容器791内に反応容器を収容したときの反応容器の内外圧力差による変形を抑制しながら、反応容器の壁厚を薄くすることができる。
【選択図】図7
Description
なお、マイクロリアクタモジュール600は、後述する図11に示すように、内部が減圧された断熱パッケージ791内に収容される。
給排部602では断熱パーケージの外部からマイクロリアクタモジュール600への反応物の供給や、マイクロリアクタモジュール600から断熱パーケージ791の外部への生成物の排出が行われる。給排部602には図2に示すように、気化器610、第一燃焼器612が設けられる。第一燃焼器612には空気と気体燃料(例えば、水素ガス、メタノールガス等)がそれぞれ別々にあるいは混合気として供給され、これらの触媒燃焼によって熱が発する。気化器610には水と液体燃料(例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、ブタン、ガソリン)がそれぞれ別々にあるいは混合された状態で燃料容器から供給され、第一燃焼器612における燃焼熱によって水と液体燃料が気化器610内において気化する。
CH3OH+H2O→3H2+CO2 …(1)
2CH3OH+H2O→5H2+CO+CO2 …(2)
以下、マイクロリアクタモジュール600の具体的な構成について図1、図3〜図8を用いて説明する。図3は、本実施形態におけるマイクロリアクタモジュール600の分解斜視図であり、図4は、図1の切断線IV−IVに沿った面の矢視断面図であり、図5は、図1の切断線V−Vに沿った面の矢視断面図であり、図6は、本実施形態のマイクロリアクタモジュール600における改質器400の分解斜視図であり、図7は、本実施形態のマイクロリアクタモジュール600における一酸化炭素除去器500Aの分解斜視図であり、図8は、図1の切断線VIII−VIIIに沿った面の矢視断面図である。
図1、図3に示すように、基体部638は、ベースプレート642、絶縁プレート640、板材690を積層してなり、高温反応部604、低温反応部606及び連結部608の共通の基体となる。ベースプレート642の一方の面に絶縁プレート640が設けられ、他方の面に板材690が設けられている。基体部638はベースプレート642が充分に厚いこと及びその積層構造により充分な強度が得られるため、内部が減圧された断熱パッケージ791にマイクロリアクタモジュール600が収容された場合でも、ほとんど変形することがない。
管材626,628,630,632,634はそれらのフランジ部でベース部662の下面部に接合されている。ここで、管材626が貫通孔671に通じ、管材628が貫通孔672に通じ、管材630が貫通孔673に通じ、管材632が貫通孔674に通じ、管材634が貫通孔675に通じている。
板材690はベースプレート642の絶縁プレート640と反対側の面に溶接または蝋付けにより接合されている。板材690はベースプレート642と接合されることにより補強されるので、内部が減圧された断熱パッケージ791に収容された場合の板材690の変形を防止することができる。
板材690は改質器400の一部となる底板430と、一酸化炭素除去器500Aの一部となる底板530とが連結蓋680によって連結された状態で一体形成されており、連結蓋680において括れた状態とされている。
改質燃料供給流路702、連通流路704、空気供給流路706、混合室708、燃焼燃料供給流路710、燃焼室712、排ガス流路714、燃焼燃料供給流路716、排気室718は、板材690がベースプレート642に接合されることによって蓋される。
燃焼室712は、ベース部654の中央部においてC字状の底面711によって形成されている。板材690の下面及び底板711の上面を含む燃焼室712の壁面には、燃焼混合気を燃焼させる燃焼用触媒が担持されている。この燃焼室712が第二燃焼器614に相当する。
図3、図4、図5に示すように、液体燃料導入管622は貫通孔678に通じており、フランジ部でベース部662の下面部に接合されている。液体燃料導入管622は気化器610に相当し、内部には吸液材623が充填されている。吸液材623は液体を吸収するものであり、吸液材623としては無機繊維又は有機繊維を結合材で固めたものでもよく、無機粉末を焼結したものや、無機粉末を結合材で固めたものでもよく、グラファイトとグラッシーカーボンの混合体でもよい。具体的には、フェルト材、セラミック多孔質材、繊維材、カーボン多孔質材といったものが吸液材623として用いられる。
図3、図4、図5に示すように、燃焼器プレート624は液体燃料導入管622の上端部において液体燃料導入管622を囲むように設けられ、低温反応部606の下面に接合されている。燃焼器プレート624の燃焼用流路625の一端部が貫通孔676に通じ、燃焼用流路625の他端部が貫通孔677に通じている。燃焼器プレート624は例えば蝋付けによって液体燃料導入管622及び低温反応部606と接合されており、蝋剤としては、液体燃料導入管622や燃焼器プレート624を流れる流体の温度のうちの最高温度よりも高い融点であり、好ましくは融点が700度以上の、金に、銀、銅、亜鉛、カドミウムを含有した金蝋や、金、銀、亜鉛、ニッケルを主成分とした蝋、或いは金、パラジウム、銀主成分とした蝋が特に好ましい。燃焼器プレート624は、液体燃料導入管622が低温反応部606に接合されるためのフランジとしても機能する。
図3に示すように、低温反応部606の下面つまり絶縁プレート640の下面には、電熱線720が蛇行した状態にパターニングされ、低温反応部606から連結部608を通って高温反応部604にかけてこれらの下面には、電熱線722が蛇行した状態にパターニングされている。低温反応部606の下面から燃焼器プレート624の表面を通って液体燃料導入管622の側面にかけて電熱線724がパターニングされている。ここで、液体燃料導入管622の側面及び燃焼器プレート624の表面には、窒化シリコン、酸化シリコン等の絶縁膜が成膜され、その絶縁膜の表面に電熱線724が形成されている。絶縁膜又は絶縁プレート640に電熱線720,722,724をパターニングすることで、印加しようとする電圧が金属材料製のベースプレート642、液体燃料導入管622、燃焼器プレート624等にほとんど掛かることがなく、電熱線720,722,724に供給されるので電熱線720,722,724の発熱効率を向上させることができる。
改質器400はベース部654上に設けられている。図6、図8に示すように、この改質器400は、箱体411と、5枚の仕切板421〜425と、底板430とからなる。箱体411、仕切板421〜425は、底板430と同様に、例えばステンレス鋼等の金属板からなる。
一酸化炭素除去器500Aはベース部652上に設けられている。図7、図8に示すように、この一酸化炭素除去器500Aは、箱体511と、7枚の仕切板521〜527と、底板530とからなる。箱体511、仕切板521〜527は、底板530と同様に、例えばステンレス鋼等の金属板からなる。
仕切板521〜527の下端部は、底板530と接する。なお、更に、仕切板521〜527の下端部を底板530と接合するようにしてもよい。
図9は、本実施形態のマイクロリアクタモジュール600において、気体燃料と空気からなる燃焼混合気が供給されてから、生成物である水蒸気等がマイクロリアクタモジュール600から排出されるまでの経路を示した図であり、図10は、本実施形態のマイクロリアクタモジュール600において、液体燃料と水が供給されてから、生成物である水素ガスがマイクロリアクタモジュール600から排出されるまでの経路を示した図である。
図11は、本実施形態のマイクロリアクタモジュール600を覆う断熱パッケージ791の分解斜視図である。図11に示すように、このマイクロリアクタモジュール600は断熱パッケージ791を具備し、高温反応部604、低温反応部606及び連結部608が断熱パッケージ791に収容されている。断熱パッケージ791は、下面が開口した長方形状のケース792と、ケース792の下面開口を閉塞したプレート793とから構成され、プレート793がケース792に接合されている。断熱パッケージ791は、マイクロリアクタモジュール600からの熱輻射を反射して断熱パッケージ791の外に伝搬することを抑制する。断熱パッケージ791は内圧が1Pa以下になるように、マイクロリアクタモジュール600との間の内部空間が減圧排気されている。給排部602の水素ガス用排出路となる管材634は、断熱パッケージ791から露出されており、後述する発電セル808の燃料極に連結され、液体燃料導入管622は流量制御ユニット806を介して燃料容器804に連結されている。
液体燃料導入管622、管材626,628,630,632,634並びにリード線732,731,733,734,736,735,737,738においてそれぞれ断熱パッケージ791から露出している部分から断熱パッケージ791内に外気が侵入して内圧が上がるような隙間が生じないように、液体燃料導入管622、管材626,628,630,632,634並びにリード線732,731,733,734,736,735,737,738は断熱パッケージ791のベースプレート793に金属蝋、ガラス材又は絶縁封止材で接合されている。断熱パッケージ791は金属性なので導電性を示すが、リード線732,731,733,734,736,735,737,738が高融点絶縁体で被覆されているので、リード線732,731,733,734,736,735,737,738が断熱パッケージ791とそれぞれ導通することはない。断熱パッケージ791の内部空間の内圧を低く維持できるので、マイクロリアクタモジュール600が発する熱を伝搬する媒体が希薄になり、内部空間でのまた熱対流が抑えられるのでマイクロリアクタモジュール600の保温効果が増える。
以下、断熱パッケージ及び反応容器についての検討結果を示す。
図12は、本実施形態のマイクロリアクタモジュール600における改質器または一酸化炭素除去器として用いる反応容器と断熱パッケージの内壁面との距離(真空層厚)による熱損失を計算した結果を示すグラフである。また、図13は、本実施形態のマイクロリアクタモジュール600における反応容器と断熱パッケージの内壁面との距離(真空層厚)による断熱パッケージの表面温度を計算した結果を示すグラフである。
なお、反応容器及び断熱パッケージの材料をステンレス(SUS304)、反応容器の寸法を23mm×16mm×5.2mm、反応容器の初期温度を380℃、外部温度を20℃とし、断熱パッケージ内の圧力を0.033Paとして計算した。
装置の小型化を図るためには反応容器と断熱パッケージの内壁面との距離をできるだけ小さくしたい。そこで、断熱パッケージの内壁面との距離を1mmとした場合、断熱パッケージの内壁面との距離が0.75mmより小さくならないようにするために、反応容器の変形量は、0.25mm(=1mm−0.75mm)程度までに抑える必要がある。
101325Pa(大気圧)、断熱パッケージ内の圧力を0.033Paとして計算した。
天板の厚さを0.2mmとしたときは、天板の変形量は0.13mmとなった。
天板の厚さを0.1mmとしたときは、天板の変形量は1mmとなった。
天板の厚さを0.05mmとしたときは、天板の変形量は1mm以上となると考えられる。
(2) 天板と仕切板とを接合した場合
天板の厚さを0.05mmとしたときは、天板の変形量は0.13mmとなった。
天板の厚さを0.1mmとしたときは、天板の変形量は0.02mmとなった。
天板の厚さを0.2mmとしたときは、天板の変形量は0.02mm以下になり、実質的にはほとんど変形しないと考えられる。
図15に、本実施形態のマイクロリアクタモジュール600における反応容器の天板の厚さを0.2mm、0.1mm、0.005mmとした場合の反応容器の熱容量比を計算した結果を示す。なお、反応容器及び断熱パッケージの材料をステンレス(SUS304)、反応容器の寸法を23mm×16mm×5.2mm、仕切板の厚さを0.1mm、仕切板の枚数を7枚として計算した。
したがって、天板の厚さを0.05mmにすると、天板の厚さを0.2mmとした場合と比較して、反応容器の熱容量を半減させることができる。このため、起動時にヒータで反応容器を加熱する場合に、所定温度に達するまでの起動時間を、天板の厚さを0.2mmとした場合に対して半減することができる。このように、本実施形態における天板と仕切板とを接合する構造によれば、天板と仕切板とを接合しない構造に対して、変形量を同程度とすれば、天板の厚さを1/4程度に薄くすることができる。これにより、反応容器の強度を維持しながら、反応容器の重量を大幅に軽減することができ、また、反応容器の熱容量が減少することにより、反応容器を加熱して所定温度に設定するまでの起動時間を大幅に短縮することができる。
以下、マイクロリアクタモジュール600の動作について説明する。
まず、リード線737,738の間に電圧が印加されると、ゲッター材728がヒータによって加熱され、ゲッター材728が活性化される。これにより、断熱パッケージ791内のガス等の圧力を上げる要因がゲッター材728に吸着され、断熱パッケージ791内の減圧度が高まり、断熱効率が高まる。
図16は本実施形態におけるマイクロリアクタモジュール600を備える発電ユニット801の一例を示す斜視図である。図16に示すように、以上のようなマイクロリアクタモジュール600は、発電ユニット801に組み付けて用いることができる。この発電ユニット801は、例えば、フレーム802と、フレーム802に対して着脱可能な燃料容器804と、流路、ポンプ、流量センサ及びバルブ等を有する流量制御ユニット806と、断熱パッケージ791に収容された状態のマイクロリアクタモジュール600と、燃料電池、加湿器及び回収器等を有する発電セル808と、エアポンプ810と、二次電池、DC−DCコンバータ及び外部インターフェース等を有する電源ユニット812とを具備する。流量制御ユニット806によって燃料容器804内の水と液体燃料の混合気がマイクロリアクタモジュール600に供給されることで、上述のように水素ガスが生成され、水素ガスが発電セル808の燃料電池に供給され、生成された電気が電源ユニット812の二次電池に蓄電される。
図17は、発電ユニット801を電源として用いる電子機器851の一例を示す斜視図である。図15に示すように、この電子機器851は、携帯型の電子機器であって、特にノート型パーソナルコンピュータである。電子機器851は、CPU、RAM、ROM、その他の電子部品から構成された演算処理回路を内蔵するとともにキーボード852を備え付けた下筐体854と、液晶ディスプレイ856を備え付けた上筐体858と、を備える。下筐体854と上筐体858はヒンジ結合されており、上筐体858を下筐体854に重ねてキーボード852に液晶ディスプレイ856を相対させた状態で折り畳むことができるように構成されている。下筐体854の右側面から底面にかけて、発電ユニット801を装着するための装着部860が凹設され、装着部860に発電ユニット801を装着すると、発電ユニット801の電気によって電子機器851が動作する。
以下に、本発明の上記実施形態におけるマイクロリアクタモジュール600(反応装置)の第1の変形例について説明する。なお、以下に説明する一酸化炭素除去器500B、及びベースプレート642の一部以外は第1実施形態と同様であるので説明を割愛する。
側板514側から2,4番目の仕切板542,544には、側板513側の下側の端部側に、仕切板542,544を貫通する接続口108,116が設けられている。
側板514側から6番目の仕切板546には、側板515側の端部側に、仕切板546を貫通する上下2つの接続口122,130が設けられている。
側板514側から7番目の仕切板547には、側板513側の上下両方の端部側に、仕切板547を貫通する接続口124,128がそれぞれ設けられている。
各仕切板541,542,543,544,545,546,547の上端部は、天板512と、溶接または蝋付けにより接合される。
すなわち、床板549により一酸化炭素除去器500B内は上段(床板549と天板512との間)と下段(底板530と床板549との間)とに分割されている。上段は、図21に示すように、仕切板541,542,543,544,545,546,547により、8個の反応室103,105,111,113,119,121,123,125に分割されている。また、下段は、図20に示すように、仕切板541,542,543,544,545,546,547により、8個の反応室101,107,109,115,117,131,129,127に分割されている。
また、第1の変形例によれば、一酸化炭素除去器500B内を仕切り材540により16個の反応室101,103,105,107,109,111,113,115,117,119,121,123,125,127,129,131に仕切り、仕切り材540に設けた接続口102,104,106,108,110,112,114,116,118,120,122,124,126,128,130によりこれらの反応室は隣接するいずれか2つの反応室と通じており、一酸化炭素除去器500Bに設けた導入口532から排出口534までが1つの流路として通じているので、流路の断面寸法を小さくし、流路表面に設けた触媒までの反応物の拡散時間を短くすることができるとともに、流路長を長くして反応時間を長くすることができる。
次に、本発明におけるマイクロリアクタモジュール600(反応装置)の第2の変形例について説明する。なお、以下に説明する一酸化炭素除去器500C以外は第1の変形例と同様であるので説明を割愛する。
仕切板561,562,563,564,565,566,567は側板514,516と平行に設けられ、一酸化炭素除去器500C内を8列に分割する。
補強板560,568及び仕切板561,562,563,564,565,566,567にはそれぞれ、高さ方向の中央位置に、側板513側から切り込み560a,561a,562a,563a,564a,565a,566a,567a,568aが床板569と平行に設けられている。この切り込み560a,561a,562a,563a,564a,565a,566a,567a,568aの高さは、床板569の厚さに等しい。補強板560,568及び仕切板561,562,563,564,565,566,567の側板513側の端部は切り込み560a,561a,562a,563a,564a,565a,566a,567a,568aにより上下に2分割されている。
側板514側から2,4番目の仕切板562,564には、側板513側の下側の端部側に、仕切板562,564を貫通する接続口108,116が設けられている。
側板514側から6番目の仕切板566には、側板515側の端部側に、仕切板566を貫通する上下2つの接続口122,130が設けられている。
側板514側から7番目の仕切板567には、側板513側の上下両方の端部側に、仕切板567を貫通する接続口124,128がそれぞれ設けられている。
仕切壁551の上端部は、天板512と、溶接または蝋付けにより接合される。
床板569の側板514側及び側板516側の両端部には、側板513側に、補強板560,568の切り込み560a,568aに挟持される凸部560b,568bが設けられている。
床板569には、図29に示すように、側板515側から7個の切り込み561b,562b,563b,564b,565b,566b,567bが仕切板561,562,563,564,565,566,567と平行に等間隔に設けられている。この切り込み561b,562b,563b,564b,565b,566b,567bの幅は、それぞれ仕切板561,562,563,564,565,566,567の厚さに等しい。
すなわち、床板569により一酸化炭素除去器500C内は上段(床板569と天板512との間)と下段(底板530と床板569との間)とに分割されている。上段は、図28に示すように、仕切板561,562,563,564,565,566,567により、8個の反応室103,105,111,113,119,121,123,125に分割されている。また、下段は、図27に示すように、仕切板561,562,563,564,565,566,567により、8個の反応室101,107,109,115,117,131,129,127に分割されている。
なお、上記第2の変形例においては、仕切り材550が、仕切壁551と床板569とからなり、床板569によって一酸化炭素除去器500C内が上下2分割される構成としたが、これに限るものではなく、床板569を備えず、一酸化炭素除去器500C内が上下に分割されない構成であってもよい。
次に、本発明におけるマイクロリアクタモジュール600(反応装置)の第3の変形例について説明する。なお、以下に説明する一酸化炭素除去器500D以外は第1,第2の変形例と同様であるので説明を割愛する。
床板250は箱体511の中腹部まで嵌め込まれ、仕切板220の他方の折返し稜線が床板250に線接触する。このように箱体511内の天板512と床板250との間の空間内に仕切板220が収容されることで、その空間が仕切板220によって複数の反応室218,218,…に区画される。
なお、上記第3の変形例においては、仕切板220と、仕切板240と、床板250とを有し、床板250によって一酸化炭素除去器500D内が上下2分割される構成としたが、これに限るものではなく、床板250を備えず、一酸化炭素除去器500D内が上下に分割されない構成であってもよい。
500A,500B,500C,500D 一酸化炭素除去器(反応装置)
411,511 箱体
412,512 天板
413〜416,513〜516 側板
220,240,421〜425,521〜527 仕切板(交差仕切板)
421a〜425a,521a〜527a 接合部
430,530 底板
250,549,569 床板(水平仕切板)
551 仕切壁(交差仕切板)
642 ベースプレート
791 断熱パッケージ(断熱容器)
Claims (10)
- 反応物の反応を起こす反応容器を備える反応装置において、
前記反応容器は、
天板の外縁に沿って側板が設けられ下部に開口を有する箱体と、
前記天板の下面に接合され、前記箱体内の空間を仕切るように配置される仕切板と、
前記箱体に前記仕切板が接合された状態で前記開口を閉塞する底板と、
を備えることを特徴とする反応装置。 - 前記仕切板の前記天板側の端部には、前記天板と平行な接合部が設けられ、
前記接合部と前記天板とが溶接または蝋付けにより接合されることを特徴とする請求項1に記載の反応装置。 - 前記箱体、前記仕切板及び前記底板は、板状の金属材料によって形成されることを特徴とする請求項1または2に記載の反応装置。
- 前記底板を補強するベースプレートが前記底板に接合されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の反応装置。
- 前記仕切板は、矩形波形状の波形板であり、その波高方向が前記天板と平行であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の反応装置。
- 前記仕切板は、三角波形状の波形板であり、その波高方向が前記天板と垂直であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の反応装置。
- 前記反応容器内において前記天板に対して平行に配置された平行仕切板をさらに備え、
前記反応容器の内部空間内が前記仕切板及び前記平行仕切板によって仕切られて、反応物が流れる反応流路が形成されることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の反応装置。 - 前記反応容器は内部が減圧された断熱容器内に収容されることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の反応装置。
- 前記反応装置は、
第1の温度に設定され、反応物の反応を起こす第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、反応物の反応を起こす第2の反応部と、
前記第1の反応部と前記第2の反応部との間で反応物及び生成物を送る連結管と、を備え、
前記第1の反応部及び第2の反応部の少なくとも一方は、前記反応容器を備えることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の反応装置。 - 前記第1の反応部には、第1の反応物が供給されて第1の生成物を生成し、
前記第2の反応部には、前記第1の生成物が供給されて第2の生成物を生成し、
前記第1の反応物は水と炭化水素系の液体燃料が気化された混合気であって、前記第1の反応部は、前記第1の反応物の改質反応を起こす改質器であり、前記第1の生成物には水素及び一酸化炭素が含まれ、
前記第2の反応部は、前記第1の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請求項9に記載の反応装置。
Priority Applications (5)
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---|---|---|---|
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