JP2008007367A

JP2008007367A - 反応装置

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Publication number: JP2008007367A
Application number: JP2006178674A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Terasaki; 努寺崎
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2006-06-28
Filing date: 2006-06-28
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2026-06-28
Also published as: JP5045004B2

Abstract

【課題】反応装置の反応部からの熱損失を低減する。
【解決手段】高温反応部１１及び低温反応部１２と、両反応部を接続する接続部と、これらを収容する断熱容器１８と、高温反応部１１の内部に設けられ、両端の端子３２，３３が接続部内を通して低温反応部１２内まで引き回された第１の反応部用電熱線３１と、高温反応部用電熱線３１の端子３２，３３に接続されて断熱容器１８を貫通して外部に引き出され、高温反応部用電熱線３１に電圧を印加する高温反応部用リード線４２，４３と、を備える反応装置１０である。第１の反応部用電熱線３１の端子３２，３３が接続部内を通して低温反応部１２内まで引き回されているので、高温反応部用リード線４２，４３を高温反応部１１から直接引き出すのに比べてリード線の両端間の温度差を低減して熱損失を低減することができ、反応装置１０全体の熱損失を低減することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、反応装置に関する。

近年では、マイクロリアクタと呼ばれる小型反応器が開発されている。マイクロリアクタは、例えば複数種類の原料や試薬、燃料などの反応物を互いに混合させながら反応させる小型反応器である。

マイクロリアクタには、例えば所定パターンの溝を形成した基板同士を貼り合わせて気体や液体の反応物を流動させる流路を形成し、例えば流路内に触媒を設けて反応物を流し、反応物を適当な反応温度に加熱することで反応物の反応を起こさせるリアクタ（反応槽）などの反応容器が形成されたものがある。

一方、エネルギー変換効率の高いクリーンな電源として、水素と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が近年、注目されるようになり、また、燃料電池を小型化することによって、携帯電話、ＰＤＡやノート型パソコン等の携帯型電子機器にも燃料電池を搭載するための研究、開発が進められている。ここで、燃料電池に用いる水素は、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る場合、液体燃料を気化させる気化器、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、改質反応の副生成物である一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器等の複数の反応器が必要となる（例えば、特許文献１参照）。そこで、これらの反応器を、上述のマイクロリアクタによって形成することによって、燃料電池を含む発電装置を小型化するための研究・開発が進められている。

ところで、マイクロリアクタにおける反応物を所定温度に加熱するために、マイクロリアクタを形成する基板に薄膜ヒーターを設けることがある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５−１３２７１２号公報特開２００３−２９０６５１号公報

上記のようにマイクロリアクタによって、改質器、一酸化炭素除去器等の複数の反応器を形成する場合、各反応器の適正動作温度は異なり、改質器に必要な温度が最も高く、一酸化炭素除去器に必要な温度はそれより低い。そして、改質器においては少なくとも２００℃以上の温度にする必要があるため、マイクロリアクタを断熱容器内に設けて、真空断熱構造とする場合がある。ここで、各反応器を所定の温度に設定するために、各反応器を形成する基板に薄膜ヒーターを設ける場合には、薄膜ヒーターに電流を供給するためのリード線を設ける必要がある。このとき、薄膜ヒーターに電流を供給するリード線は断熱容器を介して引き出さねばならない。このためにリード線による熱損失が生じ、特に設定温度が高い側の反応器での熱損失が大きくなるという問題があった。

本発明の課題は、反応器からの熱損失を低減することである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、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の反応部とを接続する接続部と、密閉された断熱室を介して内部に前記第１の反応部、前記第２の反応部および前記接続部を収容する断熱容器と、前記第１の反応部の内部に設けられ、両端の端子が前記接続部内を通して前記第２の反応部内まで引き回された第１の反応部用電熱線と、前記第１の反応部用電熱線の両端の端子に接続されて、前記断熱容器を貫通して外部に引き出され、前記第１の反応部用電熱線に電圧を印加する第１の反応部用リード線と、を備えることを特徴とする反応装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の反応装置であって、前記第２の反応部の内部に設けられた第２の反応部用電熱線と、前記第２の反応部用電熱線の両端子に接続されて、前記断熱容器を貫通して外部に引き出され、前記第２の反応部用電熱線に電圧を印加する第２の反応部用リード線と、を備えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の反応装置において、前記断熱室は、内部が真空圧とされていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の反応装置において、前記第１の反応部、前記第２の反応部および前記接続部は、少なくとも反応部形成用溝部が形成されて積層された複数の基板からなることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の反応装置において、前記複数の基板は、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、少なくとも前記反応部形成用溝部および前記密閉空間に連通する開口部を有する複数の中間基板と、を有し、前記断熱容器は、前記上基板および下基板と、前記複数の中間基板の前記開口部より外側の外周部とよりなることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１に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。

本発明によれば、反応装置が、第１の温度に設定される第１の反応部と、第１の温度より低い第２の温度に設定される第２の反応部とを有し、第１の反応部用電熱線の端子が第１の反応部より温度が低い第２の反応部内まで引き回されているので、第１の反応部用電熱線に接続されて断熱容器の外部に引き出される第１の反応部用リード線を第１の反応部から直接引き出すのに比べ、リード線の両端間の温度差を低減して、熱損失を低減することができる。したがって、反応装置全体の熱損失を低減することができる。

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。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明が適用される反応装置１０が用いられる発電装置１のブロック図である。この発電装置１は、例えばノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、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、その他の電子機器に備え付けられるものであり、これらの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、燃料容器２と、改質燃料気化器３と、反応装置１０と、発電セル５と、を備える。燃料容器２は、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）と水を別々に又は混合した状態で貯留し、図示しないマイクロポンプ等により燃料及び水の混合液を改質燃料気化器３経由で、反応装置１０に供給する。

反応装置１０は、所定の温度（第１の温度：本実施形態においては２５０℃〜４００℃）に設定される高温反応部（第１の反応部）１１と、高温反応部１１より低い温度（第２の温度：本実施形態においては１２０℃〜２００℃）に設定される低温反応部（第２の反応部）１２とを有し、図１に図示しない断熱容器１８に収納される。高温反応部１１は改質器１３、燃焼器１５及び高温側ヒーター（第１の反応部用電熱線）１７を有し、低温反応部１２はＣＯ除去器１４、及び低温側ヒーター（第２の反応部用電熱線）１６を有する。

燃料容器２から改質燃料気化器３に供給された燃料と水は、改質燃料気化器３により気化され、改質器１３に供給される。改質器１３では、水蒸気と気化された燃料から水素ガス等が触媒反応により生成され、更に微量ながら一酸化炭素ガスが生成される。燃料がメタノールの場合には、次式（１）、（２）のような化学反応が起こる。なお、水素が生成される反応は吸熱反応であって、燃焼器１５の燃焼熱が用いられる。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂ …（１）
Ｈ₂＋ＣＯ₂→Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ …（２）

ＣＯ除去器１４は、化学反応式（１）についで逐次的に起こる化学反応式（２）のような式によって微量に副生される一酸化炭素を酸化させることで混合気体から除去する。以下、この一酸化炭素を除去した混合気体を改質ガスという。改質ガスは発電セル５の燃料極側に供給される。

発電セル５の燃料極側にはＣＯ除去器１４から改質ガスが供給される。改質ガスのうちの水素ガスは電気化学反応式（３）に示すように、燃料極に設けられた触媒により水素イオンと電子とに分離される。水素イオンは電解質膜を通過して酸素極側へ移動し、電子は外部回路を経て酸素極に移動する。酸素極側では、電気化学反応式（４）に示すように、電解質膜を通過した水素イオンと、外部回路を経て酸素極から供給される電子と、外気から供給される酸素ガスとの化学反応により水を生成する。この燃料極と酸素極の電極電位の差から電気エネルギーを取り出すことができる。

Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（３）
２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ …（４）

燃焼器１５は、発電セル５において上記電気化学反応をせずに残った水素ガス（オフガス）と酸素を混合させて触媒反応により燃焼し、燃焼熱によって高温反応部１１を所定の温度に加熱する。
低温側ヒーター１６は、起動時に低温反応部１２を１２０℃〜２００℃、さらに好ましくは１４０℃〜１８０℃に加熱する。
高温側ヒーター１７は、起動時に高温反応部１１を低温反応部１２より高い温度、具体的には２５０℃〜４００℃、好ましくは３００℃〜３８０℃に加熱する。

〔反応装置の具体的構成〕
次に、反応装置１０の具体的構成について説明する。図２は、本実施形態の反応装置１０の鉛直断面図であり、図３は図２のIII−III矢視断面図である。
反応装置１０は、例えば複数枚の基板を貼り合わせて形成される。各基板の加工はフォトリソグラフィー、サンドブラスト法等により行うことができ、各基板の貼り合わせは、例えば陽極接合により行うことができる。

図２、図３に示すように、反応装置１０は、高温反応部１１及び低温反応部１２（反応容器）と、断熱容器１８とを有する。
図２、図３において、高温反応部１１と低温反応部１２とは、短手方向の両端部で接続されている。また、低温反応部１２と断熱容器１８とは、反応装置１０の長手方向の端部で接続されている。

高温反応部１１の内部には、改質器１３となる改質反応室２１、燃焼器１５となる燃焼反応室２２が設けられている。図２、図３に示すように、改質反応室２１の内部には高温側ヒーター１７となる電熱線パターン３１が設けられている。

高温反応部１１と低温反応部１２との接続部には、燃料供給流路２３や、混合流路２４が設けられている。燃料供給流路２３は、低温反応部１２から高温反応部１１の改質反応室２１へ燃料と水を供給する。混合流路２４は、改質反応後のガスを空気供給流路２５より供給された酸素と混合して低温反応部１２のＣＯ除去反応室２６へ供給する。

電熱線パターン３１の両端部は、接続部を通って引き回され、低温反応部１２側に両端部の端子３２，３３が配置される。

また、高温反応部１１と低温反応部１２との接続部には、図示しないが、燃焼反応室２２に燃料を供給する流路や排ガスを搬出する流路が設けられる。

低温反応部１２の内部にはＣＯ除去器１４となるＣＯ除去反応室２６が設けられている。図２、図３に示すように、ＣＯ除去反応室２６の内部には低温側ヒーター１６となる電熱線パターン３４が設けられている。
なお、電熱線パターン３４の両端部には端子３５，３６が設けられ、端子３５，３６は低温反応部１２と断熱容器１８との接続部の近傍に配置される。

低温反応部１２と断熱容器１８との接続部には、図示しないが、高温反応部１１や低温反応部１２の断熱容器１８外からの反応物を供給する流路や断熱容器１８外への生成物を搬出する流路が設けられる。

高温反応部１１及び低温反応部１２と断熱容器１８との間には、断熱室１９が設けられている。また、高温反応部１１と低温反応部１２との間には、断熱室１９と一体となったスリット１９ａが設けられている。断熱室１９及びスリット１９ａの内部は減圧されており、真空断熱構造が形成されて、断熱室１９により高温反応部１１及び低温反応部１２から断熱容器１８への熱伝導が低減され、スリット１９ａにより高温反応部１１から低温反応部１２への熱伝導が低減される。

なお、断熱室１９及びスリット１９ａの壁面には、高温反応部１１及び低温反応部１２から放射される熱線を反射する赤外線反射膜（図示せず）を設けてもよい。
また、断熱室１９またはスリット１９ａの壁面の一部に、ゲッター材（図示せず）を設けるようにしてもよい。ゲッター材は、加熱により活性化して周囲のガスや微粒子を吸着するものであり、断熱室１９またはスリット１９ａの内部に存在するガスを吸着して、断熱室１９内の真空度を高める、あるいは維持することができる。

電熱線パターン３１の端子３２，３３には、リード線（第１の反応部用リード線）４２，４３が接続され、電熱線パターン３４の端子３５，３６には、リード線（第２の反応部用リード線）４５，４６が接続される。リード線４２，４３，４５，４６は断熱容器１８を貫通して外部に引き出される。具体的には、リード線４２，４３，４５，４６は、断熱室１９側より低温反応部１２内に先端が挿入され、その先端において端子３２，３３，３５，３６と重なるように配置され、例えば抵抗溶接により端子３２，３３，３５，３６と接続される。

このような構成の反応装置１０では、電熱線パターン３１，３４に電圧を印加するリード線４２，４３，４５，４６が低温反応部１２側に集中しているため、高温反応部１１から直接リード線４２，４３を引き出すのに比べ、リード線４２，４３の両端間の温度差を低減することができる。

一般に、リード線による熱の移動量は、リード線の断面積に比例し、長さに反比例するとともに、温度差に比例する。したがって、リード線４２，４３の両端間の温度差を低減することにより、リード線４２，４３による熱損失を低減し、反応装置１０全体の熱損失を低減することができる。

＜変形例＞
なお、上記実施形態においては、電熱線パターン３１を改質反応室２１の内部に設けたが、例えば図４に示すように、燃焼反応室２２に設けてもよい。同様に、電熱線パターン３４をＣＯ除去反応室２６に設けずに、低温反応部１２内の任意の位置に設けてもよい。

反応装置１０が用いられる発電装置１のブロック図である。反応装置１０の鉛直断面図である。図２のIII−III矢視断面図である。反応装置１０の変形例を示す鉛直断面図である。

符号の説明

１０反応装置
１１高温反応部
１２低温反応部
１８断熱容器
１９断熱室
３１電熱線パターン（第１の反応部用電熱線）
３４電熱線パターン（第２の反応部用電熱線）
３２，３３，３５，３６端子
４２，４３リード線（第１の反応部用リード線）
４５，４６リード線（第２の反応部用リード線）

Claims

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の反応部とを接続する接続部と、
密閉された断熱室を介して内部に前記第１の反応部、前記第２の反応部および前記接続部を収容する断熱容器と、
前記第１の反応部の内部に設けられ、両端の端子が前記接続部内を通して前記第２の反応部内まで引き回された第１の反応部用電熱線と、
前記第１の反応部用電熱線の両端の端子に接続されて、前記断熱容器を貫通して外部に引き出され、前記第１の反応部用電熱線に電圧を印加する第１の反応部用リード線と、
を備えることを特徴とする反応装置。
前記第２の反応部の内部に設けられた第２の反応部用電熱線と、
前記第２の反応部用電熱線の両端子に接続されて、前記断熱容器を貫通して外部に引き出され、前記第２の反応部用電熱線に電圧を印加する第２の反応部用リード線と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
前記断熱室は、内部が真空圧とされていることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
前記第１の反応部、前記第２の反応部および前記接続部は、少なくとも反応部形成用溝部が形成されて積層された複数の基板からなることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
前記複数の基板は、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、少なくとも前記反応部形成用溝部および前記密閉空間に連通する開口部を有する複数の中間基板と、を有し、
前記断熱容器は、前記上基板および下基板と、前記複数の中間基板の前記開口部より外側の外周部とよりなることを特徴とする請求項４に記載の反応装置。
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請求項１に記載の反応装置。