JP2008063170A - 反応装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来と比較して製造を容易化するとともに燃料電池を備える発電装置を小型化することができる反応装置を提供する。
【解決手段】反応装置１０は基板３０，４０，５０を接合したものである。基板３０の下面には、改質器１５用の溝３０ｃと一酸化炭素除去器１６用の溝３０ｅが凹設され、基板４０の上面には、改質器１５用の溝４０ｃと一酸化炭素除去器１６用の溝４０ｅが凹設されている。基板３０と基板４０が接合されることで、溝３０ｃ，４０ｃが改質器１５の流路となり、溝３０ｅ，４０ｅが一酸化炭素除去器１６の流路となる。基板５０の上面には凹部５１ａが凹設され、凹部５１ａの底にリブ５１ｂ〜５１ｉが立設され、リブ５１ｂ〜５１ｉの間が溝５２ａ〜５２ｉとなっている。基板４０と基板５０が接合されることで、溝５２ａ〜５２ｉや凹部５１ａが気化器１４の流路になる。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数の基板を積層してこれらを接合した接合体を有する反応装置に関する。

近年、エネルギー変換効率の高いクリーンな電源として燃料電池が注目されるようになり、燃料電池自動車や電化住宅などへの実用化が進められてきている。また、モバイル手段として小型化、高機能化が進められている携帯電話機やノート型パソコンなどにおいても、電源として燃料電池を備えた発電装置を搭載するための研究、開発が進められている。

ここで、燃料電池とは、水素と酸素との電気化学反により電気エネルギーを生成する装置であり、このような燃料電池には、例えば燃料と水との混合気から水素を生成する反応装置が接続されている。この反応装置は、例えば独立して配設された改質器や一酸化炭素除去器を連結パイプ等で連結することで構成されており、気化されたアルコール類やガソリン等の液体燃料と高温の水蒸気とを比較的高温に設定された改質器において改質反応させて水素を取り出すとともに、改質反応の副生成物である一酸化炭素を、比較的低温に設定された一酸化炭素除去器において除去するようになっている（例えば、特許文献１参照）。

また、改質器と一酸化炭素除去器を一体化した反応装置が開発されている（例えば、特許文献２参照）。具体的には、反応装置は複数の基板の接合体からなり、各基板の接合面に溝が形成され、溝の壁面に触媒が担持され、各基板が接合されて溝が基板で蓋されることによって溝が改質器や一酸化炭素除去器の流路となっている。

また、反応装置には、燃料と水を気化した状態で供給しなければならないので、燃料として液体燃料を用いる場合、液体燃料と水を気化させる気化器を備えることが必要となる。
特開２００３−４８７０２号公報 特開２００５−３１４２０７号公報

しかしながら、以上のような反応装置と気化器は独立して配設されていたため、反応装置と気化器を連結パイプ等で連結することが必要であった。このため、反応装置と気化器を別々に有する分、燃料電池を備えた発電装置のサイズが増大し、また、反応装置と気化器を別々に製造する分、それらの製造工程が複雑となり、低コスト化することが難しいという問題があった。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、従来と比較して製造を容易化するとともに、燃料電池を備える発電装置を小型化することができる反応装置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、請求項１に係る発明は、反応物の反応を起こす反応装置において、複数の基板が積層されて接合された接合体を有し、前記接合体は、反応物が流れる流路を有する第１の反応器と、前記第１の反応器に対応して形成され、該第１の反応器を加熱する加熱部と、前記加熱部と並置され、液体状の反応物が供給され、前記加熱部よ
り供給された熱量に基づいて前記反応物を加熱して気化し、気化された前記反応物を前記第１の反応器に供給する気化器と、を具備することを特徴とする反応装置である。

請求項２に係わる発明は、請求項１に記載の反応装置において、前記加熱部と前記気化器は、同一基板上に形成されることを特徴とする。

請求項３に係わる発明は、請求項１に記載の反応装置において、前記加熱部は、気体燃料を燃焼させる燃焼器を有することを特徴とする。

請求項４に係わる発明は、請求項１に記載の反応装置において、前記気化器は、前記基板に形成された凹部内に形成され、該凹部内に、一端部から前記液体状の反応物が流れ込み、他端部にメニスカスが形成される複数の溝を有していることを特徴とする。

請求項５に係わる発明は、請求項４に記載の反応装置において、前記複数の溝は、前記加熱部と前記気化器の配列方向に直交する方向に互いに平行に設けられ、前記複数の溝の各々の前記一端部から前記他端部までの長さは、前記加熱部に近づくにつれて順に短く設定されていることを特徴とする。

請求項６に係わる発明は、請求項４に記載の反応装置において、前記複数の溝は、前記凹部の底部に、前記加熱部と前記気化器の配列方向に直交する方向に互いに平行な複数の凸部が立設されて形成されていることを特徴とする。

請求項７に係わる発明は、請求項１に記載の反応装置において、前記反応装置は、更に、反応物が流れる流路を有し、前記第１の反応器と離間して配置される第２の反応器と、複数の流路を有して前記第１の反応器と前記第２の反応器とを連通する連結部と、前記第１の反応器、前記第２の反応器および前記連結部に囲まれた領域に設けられ、前記複数の基板を積層方向に貫通する断熱室と、を有することを特徴とする。

請求項８に係わる発明は、請求項７に記載の反応装置において、前記気化器は、前記加熱部より前記連結部を介して供給された熱量に基づいて、前記反応物を気化することを特徴とする。

請求項９に係わる発明は、請求項７に記載の反応装置において、前記反応装置は、前記第１の反応器および前記第２の反応器に設けられ、該第１の反応器および該第２の反応器を加熱する薄膜ヒータを有することを特徴とする。

請求項１０に係わる発明は、請求項７に記載の反応装置において、前記気化器は、前記第２の反応器に対応した位置に形成されることを特徴とする。

請求項１１に係わる発明は、請求項７に記載の反応装置において、前記気化器は、前記基板に形成された凹部内に形成され、該凹部内に、一端部から前記液体状の反応物が流れ込み、他端部にメニスカスが形成される複数の溝を有し、前記複数の溝は、前記第１の反応器と前記第２の反応器の配列方向に直交する方向に設けられ、前記複数の溝の各々の長さは、前記断熱室に近づくにつれて順に短く設定されていることを特徴とする。

請求項１２に係わる発明は、請求項１に記載の反応装置において、前記第１の反応器は第１の温度に設定され、前記第２の反応部は、前記第１の温度より低い第２の温度に設定され、前記第１の反応部は、反応物として前記気化器によって気化された水と組成に水素原子を含む燃料の混合気体が供給され、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１３に係わる発明は、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の反応装置において、前記反応装置は、更に、前記第１の反応器、前記第２の反応器、前記連結部、前記断熱室、前記加熱部および前記気化器の全体を覆い、内部空間が大気圧より低い気圧とされる断熱容器を有することを特徴とする。

本発明によれば、複数の基板が積層されて接合された接合体によって、反応器と、該反応器を加熱する加熱部と、加熱部より供給された熱量に基づいて反応物を加熱して気化する気化器とを一体的に形成することができるので、反応装置を小型化することができるとともに、複数の基板を積層することにより簡単に製造することができ、その製造コストを抑えることができる。また、反応器及び加熱部と気化器とを一体化したので、これらに用いる熱源を共通化することができ、熱利用効率を向上させることができる。また、気化器が加熱部と並置されていることにより、加熱部と気化器の間に適度な温度差を生じさせて、気化器における気化動作を良好に行わせることができる。

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。
〔反応装置を用いた発電装置〕
図１は、本発明に係わる実施形態の反応装置１０を適用した発電装置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、反応装置１０と、燃料電池型発電セル５と、を備える。燃料容器２には、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）と水が別々に又は混合した状態で貯留されている。図示しないポンプによって燃料と水が混合した状態で反応装置１０に供給される。なお、図１では、燃料容器２内の燃料がメタノールであるものとしている。

反応装置１０は、例えば２５０〜４００℃の比較的高い温度で動作する高温反応部１１と、高温反応部１１よりも低い温度（例えば９０〜１４０℃）で動作する低温反応部１２とを有する。この反応装置１０は、例えば、熱損失低減のために後述する断熱容器１３に収納される。高温反応部１１は改質器１５、燃焼器（加熱部）１７及び高温用ヒータ１９を有し、低温反応部１２は気化器１４、一酸化炭素除去器１６及び低温用ヒータ１８を有する。

燃料容器２から反応装置１０に供給される燃料と水は、まず、気化器１４に送られる。燃料と水が気化器１４により気化され、燃料と水の混合気が改質器１５に送られる。改質器１５は、気化した水と燃料から水素ガス等を触媒反応により生成し、更に微量ながら一酸化炭素ガスを生成する。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改質器１５で起こる。なお、水素が生成される反応は吸熱反応であって、燃焼器１７の燃焼熱や高温用ヒータ１９の熱が用いられる。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂ …（１）
Ｈ₂＋ＣＯ₂→Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ …（２）
改質器１５で生成された水素ガス等は一酸化炭素除去器１６に送られ、更に外部の空気が一酸化炭素除去器１６に送られる。一酸化炭素除去器１６は、副生された一酸化炭素を触媒により優先的に酸化させることで、一酸化炭素を選択的に除去する。以下、一酸化炭素を除去した混合気体を改質ガスという。なお、一酸化炭素が酸化する反応は、発熱反応である。

燃料電池型発電セル５は、燃料極２０と、酸素極２１と、燃料極２０と酸素極２１との間に挟まされた電解質膜２２とから構成される。一酸化炭素除去器１６から送られた改質ガスは燃料電池型発電セル５の燃料極２０に供給され、更に外部の空気が酸素極２１に送られる。そして、燃料極２０に供給された改質ガス中の水素が、電解質膜２２を介して、酸素極２１に供給された空気中の酸素と電気化学反応することによって、燃料極２０と酸素極２１との間で電力が生じる。燃料極２０と酸素極２１は負荷（例えば、モータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ、二次電池等）に接続され、燃料電池型発電セル５で取り出された電力により負荷が動作する。

電解質膜２２が水素イオン透過性の電解質膜（例えば、固体高分子電解質膜）の場合には、燃料極２０では次式（３）のような反応が起き、燃料極２０で生成された水素イオンが電解質膜２２を透過し、酸素極２１では次式（４）のような反応が起こる。

Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（３）
２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ …（４）
燃料極２０で電気化学反応せずに残った水素ガス等が燃焼器１７に送られる。更に、外部の空気が燃焼器１７に送られる。燃焼器１７は、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させる。
〔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は本実施形態における反応装置１０を示す斜視図であり、図３は本実施形態における反応装置１０の接合体を分解した状態を示す分解斜視図であり、図４は図２の切断線IV−IVに沿った面の矢視断面図である。反応装置１０は、図２、図３、図４に示すように、基板３０、基板４０及び基板５０を積層してこれらを接合して形成される。各基板３０，４０，５０の接合は、陽極接合により行うことができる。なお、以下の説明では、便宜上、基板３０側を上側、基板５０側を下側として説明し、基板３０を上基板３０と称し、基板４０を中基板４０といい、基板５０を下基板５０という。

基板３０，４０，５０は、本実施の形態ではガラス製の基板であり、より詳細には、可動イオンとなるＮａやＬｉを含有したガラス基板である。このようなガラス基板としては、耐熱性ガラス、例えばパイレックス（登録商標）基板を使用することができる。

これらの基板３０，４０，５０の接合体の略中央部には断熱室６１が接合体の上面から下面に貫通している。基板３０，４０，５０の接合体のうち、断熱室６１よりも図４において左側の部分が高温反応部１１であり、断熱室６１よりも右側の部分が低温反応部１２であり、高温反応部１１と低温反応部１２との間に連結部６２及び連結部６３が設けられている。すなわち、断熱室６１は高温反応部１１、低温反応部１２、連結部６２及び連結部６３によって囲まれている。

基板３０，４０，５０の接合体の長手方向の側面には、酸素導入口６４が形成されている。基板３０，４０，５０の接合体の、図４における右側面には、水素ガス導入口６５、液体燃料導入口６６、酸素導入口６７、生成物排出口６８及び排ガス口６９が形成されている。

上基板３０の両面のうち中基板４０との接合面（下面）には溝が凹部として形成され、中基板４０の両面のうち上基板３０との接合面（上面）には、上基板３０の下面に形成される溝に対応する溝が凹部として形成され、上基板３０と中基板４０を接合することによって溝が改質器１５や一酸化炭素除去器１６の流路となる。下基板５０の両面のうち中基板４０との接合面（上面）には溝が凹部として形成され、中基板４０と下基板５０を接合することによって下基板５０の上面に形成される溝が中基板４０の下面により蓋をされて、気化器１４や燃焼器１７の流路になる。以下、図５〜図７を用いて基板３０，４０，５０について説明する。ここで、図５は図４の切断線V−Vに沿った面の矢視断面図であり、図６は図４の切断線VI−VIに沿った面の矢視断面図であり、図７は図４の切断線VII−VIIに沿った面の矢視断面図である。なお、図５〜図７に示された切断線IV−IVに沿った面の矢視断面図が図４に対応する。また、便宜上、図５〜図７における図面上の左右を各基板の左右とし、図面の上下を各基板の前後とする。
〔上基板〕
図５に示すように、上基板３０は全体として略矩形状に形成され、上基板３０の左前の角部が切り落とされている。上基板３０の略中央部には矩形状の貫通孔３０ａが形成されている。貫通孔３０ａは断熱室６１の一部を形成する。

上基板３０の中基板４０との接合面（上基板３０の下面）には溝３０ｂ〜溝３０ｆが凹部として形成されている。Ｌ字状の溝３０ｂが上基板３０の低温反応部１２から連結部６２を経由して高温反応部１１にかけて形成され、葛折り状の溝３０ｃが上基板３０の高温反応部１１に形成され、溝３０ｂと溝３０ｃが通じている。溝３０ｄが上基板３０の連結部６３に形成され、溝３０ｄと溝３０ｃが通じている。葛折り状の溝３０ｅが上基板３０の低温反応部１２に形成され、溝３０ｅの一端が溝３０ｄに通じ、溝３０ｅの他端が上基板３０の右縁まで至る。溝３０ｆが低温反応部１２に形成され、溝３０ｆの一端が溝３０ｄと溝３０ｅの合流部に通じ、溝３０ｆの他端が上基板３０の右縁まで至る。

図５に示すように、凹部３０ｇ〜３０ｊが上基板３０の低温反応部１２側の端面側に形成されている。溝３０ｅ及び溝３０ｆの端部並びに凹部３０ｇ〜３０ｉは上基板３０の右前角部の近傍に集まって形成されており、溝３０ｅ及び溝３０ｆの端部並びに凹部３０ｈ〜３０ｊは上基板３０の右側の端面に形成され、凹部３０ｇはその右前角部を挟んだ隣りの側面に形成されている。
〔中基板〕
図６に示すように、中基板４０は全体として略矩形状に形成されている。中基板４０の略中央部には矩形状の貫通孔４０ａが形成されている。この貫通孔４０ａは上基板３０と中基板４０の接合面に関して上基板３０の貫通孔３０ａの面対称となっており、貫通孔４０ａは断熱室６１の一部を形成する。

中基板４０の上基板３０との接合面（中基板４０の上面）には、溝４０ｂ〜溝４０ｆが凹部として形成されている。上基板３０と中基板４０の接合面に関して、溝４０ｂが溝３０ｂに、溝４０ｃが溝３０ｃに、溝４０ｄが溝３０ｄに、溝４０ｅが溝３０ｅに、溝４０ｆが溝３０ｆにそれぞれ面対称になっており、溝４０ｃ及び溝４０ｅは葛折り状の形状を有している。但し、溝４０ｆの端部は中基板４０の右側の端面まで至らず、中基板４０の右側の端面に形成された切欠き４０ｋの近傍に溝４０ｆの端部があり、溝４０ｅの端部は中基板４０の右側の端面まで至らず、中基板４０の右側の端面に形成された切欠き４０ｍの近傍に溝４０ｅの端部がある。ここで、切欠き４０ｋは、上基板３０と中基板４０の接合面に関して、溝３０ｆの端部の面対称の位置にあり、切欠き４０ｍは、溝３０ｅの端部の面対称の位置にある。また、溝４０ｂの端部の底には貫通孔４０ｒが形成され、その貫通孔４０ｒが中基板４０の反対面（下面）まで貫通している。

切欠き４０ｇ〜４０ｊが中基板４０の低温反応部１２側の端面に形成されている。切欠き４０ｇ，４０ｈ，４０ｉ，４０ｋ，４０ｍは中基板４０の右前角部の近傍に集まって形成されており、切欠き４０ｈ，４０ｉ，４０ｊ，４０ｋ，４０ｍは中基板４０の右側の端面に形成され、切欠き４０ｇはその右前角部を挟んだ隣りの端面に形成されている。

また、中基板４０の上基板３０との接合面（中基板４０の上面）には、凹部４０ｎ，４０ｐ，４０ｑが形成されている。凹部４０ｐ，４０ｑは溝４０ｃよりも左側にあり、凹部４０ｐ，４０ｑは溝４０ｃに通じているとともにスリット７８、７９を介して中基板４０の左側の端部まで至っている。凹部４０ｎは溝４０ｅよりも右側にあり、凹部４０ｎは溝４０ｅに通じているとともにスリット８０、８１を介して中基板４０の右側の端部まで至っている。
〔下基板〕
図７に示すように、下基板５０は全体として略矩形状に形成され、下基板５０の左後ろの角部が切り落とされている。下基板５０の略中央部には矩形状の貫通孔５０ａが形成されている。この貫通孔５０ａは中基板４０と下基板５０の接合面に関して中基板４０の貫通孔４０ａの面対称となっており、貫通孔５０ａは断熱室６１の一部を形成する。

下基板５０の中基板４０との接合面（下基板５０の上面）には、溝５０ｂ〜５０ｅが凹部として形成されている。中基板４０と下基板５０の接合面に関して、溝５０ｃが溝４０ｃに面対称になっている。溝５０ｂは下基板５０の右側の端面から連結部６２を経由して高温反応部１１にかけて形成され、溝５０ｂと溝５０ｃが通じている。溝５０ｂの端部は、中基板４０と下基板５０の接合面に関して、切欠き４０ｊの面対称の位置にある。溝５０ｄは下基板５０の右側の端面から連結部６３を経由して高温反応部１１にかけて形成され、溝５０ｄと溝５０ｃが通じている。溝５０ｄの端部は、中基板４０と下基板５０の接合面に関して、切欠き４０ｈの面対称の位置にある。溝５０ｅは溝５０ｄに通じ、更に溝５０ｅは下基板５０の前側の端面に至っている。溝５０ｅは、中基板４０と下基板５０の接合面に関して、切欠き４０ｇの面対称の位置にある。

また、中基板４０との接合面には、略矩形状の凹部５１ａが形成されている。この凹部５１ａは下基板５０の低温反応部１２に対応する位置あり、凹部５１ａの左後ろの角部は、中基板４０と下基板５０の接合面に関して、中基板４０の貫通孔４０ｒと面対称の位置にある。また、凹部５１ａは、中基板４０の溝４０ｅに重なる位置にある。

凹部５１ａの底にはリブ（凸部）５１ｂ〜５１ｉが立設され、リブ５１ｂ〜５１ｉの高さは凹部５１ａの深さに等しいか又はその深さよりも小さい。リブ５１ｂ〜５１ｉは互いに平行となっているとともに、凹部５１ａの左右の壁面に対して平行になっている。最も右にあるリブ５１ｂは、凹部５１ａの右の壁面から離れており、最も左にあるリブ５１ｉは、凹部５１ａの左の壁面から離れている。

また、リブ５１ｂ〜５１ｉの前端は凹部５１ａの前側の壁面から離れており、リブ５１ｂ〜５１ｉの前端は互いに揃った位置にあり、リブ５１ｂ〜５１ｉから凹部５１ａの前側の壁面までの距離が何れも等しい。リブ５１ｂ〜５１ｉは右から左へ配列され、リブ５１ｂ〜５１ｉの前後方向の長さが、リブ５１ｂ〜５１ｉの順に短くなっている。

このようなリブ５１ｂ〜５１ｉが配列されることによって、これらの間に溝５２ｂ〜５２ｈが形成され、リブ５１ｂと凹部５１ａの右壁面の間に溝５２ａが形成され、リブ５１ｉと凹部５１ａの左側面の間に溝５２ｉが形成されている。溝５２ａ〜５２ｉはこれらの順に右から左へ配列されている。そして、リブ５１ｂ〜５１ｉの前後方向の長さが上述のように順に短くなるように設定されているので、溝５２ａ〜５２ｉの前後方向の長さも順に短くなっており、溝５２ａの前後方向の長さが最も長く、溝５２ｉの前後方向の長さが最も短くなっている。

ここで、溝５２ａ〜５２ｉの幅は、例えば２５〜３０μｍであり、凹部５１ａ及び溝５２ａ〜５２ｉの深さは、例えば２５〜３０μｍあるいは１２０〜１５０μｍである。

また、下基板５０の中基板４０との接合面（上面）には、溝５０ｆが凹部として形成されている。この溝５０ｆの一端部凹部５１ａの右前の角部に通じ、溝５０ｆの他端部が下基板５０の右側の端面に至り、この他端部が中基板４０と下基板５０の接合面に関して、中基板４０の切欠き４０ｉの面対称の位置にある。

凹部５０ｇ〜５０ｈが下基板５０の右側の端面に形成されている。凹部５０ｇは、中基板５４と下基板５０の接合面に関して、切欠き４０ｋの面対称の位置にあり、凹部５０ｈは、切欠き４０ｍの面対称の位置にある。
〔ヒータ〕
図４、図６に示すように、溝４０ｃの底には、葛折り状の溝４０ｃの形状に沿って葛折り状の形状を有する高温用ヒータ１９が形成されている。高温用ヒータ１９の一端部が凹部４０ｐの底にあり、高温用ヒータ１９の他端部が凹部４０ｑの底にあり、高温用ヒータ１９の一端部から他端部にかけては交差せずに溝４０ｃの底に張り巡らされている。この高温用ヒータ１９は例えば金といった電熱材（電気抵抗材）を蛇行した形状にパターニングしたものである。高温用ヒータ１９はその温度に依存してその電気抵抗が変化する特性を持ち、高温用ヒータ１９が電気抵抗値から温度を読み取る温度センサとしても機能する。この高温用ヒータ１９はＳｉＯ₂等の絶縁膜７１によって被覆されている。

図４、図６に示すように、溝４０ｅの底には、葛折り状の溝４０ｅの形状に沿って葛折り状の形状を有する低温用ヒータ１８が形成されている。低温用ヒータ１８の両端部が凹部４０ｎの底にあり、低温用ヒータ１８の一端部から他端部にかけては交差せずに溝４０ｅの底に張り巡らされている。この低温用ヒータ１８は例えば金といった電熱材（電気抵抗材）を蛇行した形状にパターニングしたものである。低温用ヒータ１８も電気抵抗値から温度を読み取る温度センサとしても機能する。低温用ヒータ１８がＳｉＯ₂等の絶縁膜７０によって被覆されている。
〔配線〕
図２、図６に示すように、高温用ヒータ１９の両端部にはリード線７４，７５がそれぞれ接続されており、低温用ヒータ１８の両端部にはリード線７６，７７がそれぞれ接続されている。リード線７４〜７７はそれぞれの凹部４０ｐ，４０ｑ，４０ｎのスリットを通って外部に導き出されており、それらスリットが充填材７８，７９，８０，８１によってそれぞれ閉塞されている。
〔陽極接合のための金属膜〕
図６に示すように、中基板４０の上面（溝等が形成された部分を除く。）及び下面には、タンタル等の陽極接合用の金属膜７２，７３がそれぞれ成膜されている。金属膜７２は上基板３０と中基板４０の間に介在し、この金属膜７２を介して上基板３０と中基板４０とが陽極接合される。金属膜７３は中基板４０と下基板５０の間に介在し、この金属膜７３を介して中基板４０と下基板５０とが陽極接合される。
〔改質器の触媒〕
図４に示すように、溝３０ｃの壁面には改質用触媒８２が形成され、溝４０ｃの壁面にも改質用触媒８３が形成されている。改質用触媒８２，８３は、例えばアルミナ等を担体として触媒成分（例えば、燃料がメタノールの場合、Ｃｕ／ＺｎＯ系触媒）を担持したものである。
〔改質器等の流路〕
上基板３０の溝３０ｃと中基板４０の溝４０ｃが重なるようにして、上基板３０と中基板４０が接合されることで、溝３０ｃ及び溝４０ｃが改質器１５の流路を形成する。また
、溝３０ｂと溝４０ｂが重なることで、溝３０ｂ及び溝４０ｂが流路を形成し、この流路は気化器１４から改質器１５に通じる流路である。溝３０ｄと溝４０ｄが重なるようにして、上基板３０と中基板４０が接合されることで、溝３０ｄ及び溝４０ｄが流路を形成し、この流路は改質器１５から一酸化炭素除去器１６に通じる流路である。
〔一酸化炭素除去器の触媒〕
図４に示すように、溝３０ｅの壁面には選択酸化用触媒８４が形成され、溝４０ｅの壁面にも選択酸化用触媒８５が形成されている。選択酸化用触媒８４，８５は、例えばアルミナ等を担体として触媒成分（例えば、白金）を担持したものである。
〔一酸化炭素除去器等の流路〕
溝３０ｅと溝４０ｅが重なるようにして、上基板３０と中基板４０が接合されることで、溝３０ｅ及び溝４０ｅが一酸化炭素除去器１６の流路を形成する。溝３０ｅの端部、切欠き４０ｍ及びと凹部５０ｈが重なり、これらが生成物排出口６８を形成する。生成物排出口６８には図示しない配管が嵌め込まれて外部に延出される。

また、溝３０ｆと溝４０ｆが重なることで、溝３０ｆ及び溝４０ｆが反応装置１０の外部から一酸化炭素除去器１６に通じる流路を形成する。また、基板３０，４０，５０が接合されると、溝３０ｆの端部と切欠き４０ｋと凹部５０ｇが重なり、これらが酸素導入口６７を形成する。酸素導入口６７には図示しない配管が嵌め込まれて外部に延出される。〔燃焼器の触媒〕
図４に示すように、溝５０ｃの壁面には燃焼用触媒８６が形成されている。燃焼用触媒８６は、アルミナ等を担体として触媒成分（例えば、白金）を担持したものである。
〔燃焼器の流路〕
中基板４０と下基板５０が接合されることで、溝５０ｃが中基板４０の下面によって塞がれ、溝５０ｃが燃焼器１７の流路を形成する。中基板４０と下基板５０の接合により、溝５０ｄが外部から燃焼器１７に通じる流路を形成し、溝５０ｄがその流路に合流する流路を形成し、溝５０ｂが外部から燃焼器１７に通じる流路を形成する。溝５０ｅの端部と切欠き４０ｇと凹部３０ｇが重なり、これらが酸素導入口６４を形成する。溝５０ｄの端部と切欠き４０ｈと凹部３０ｈが重なり、これらが水素ガス導入口６５を形成する。溝５０ｂの端部と切欠き４０ｊと凹部３０ｊが重なり、これらが排ガス口６９を形成する。酸素導入口６４、水素ガス導入口６５、排ガス口６９にはそれぞれ図示しない配管が嵌め込まれて外部に延出される。
〔気化器等の流路〕
中基板４０と下基板５０が接合されることで、凹部５１ａや溝５２ａ〜５２ｈが中基板４０の下面によって塞がれ、凹部５１ａや溝５２ａ〜５２ｈが気化器１４の流路を形成する。凹部５１ａの左後ろ角部が中基板４０の貫通孔４０ｒに重なり、凹部５１ａが溝３０ｂ及び溝４０ｂによる流路に通じる。また、中基板４０と下基板５０の接合により、溝５０ｆが外部から気化器１４に通じる流路を形成する。溝５０ｆの端部と切欠き４０ｉと凹部３０ｉが重なり、これらが液体燃料導入口６６を形成する。液体燃料導入口６６にはそれぞれ図示しない配管が嵌め込まれて外部に延出される。
〔反応装置の製造方法〕
反応装置１０の製造方法の概要の一例について説明する。

まず、矩形状をなし表裏面が平坦かつ互いに平行なガラス基板を３枚準備する。次いで、各ガラス基板から上基板３０、中基板４０、下基板５０を製造する。具体的には、上基板３０形成用のガラス基板を洗浄し、上基板３０の下面となる面にドライフィルムを貼り付け、そのドライフィルムをフォトリソグラフィー法によりパターニングし、残留したドライフィルムをマスクとして、微細紛を含んだ圧縮エアーを吹き付けてサンドブラストを行う。このようなサンドブラスト法により、貫通孔３０ａ、溝３０ｂ〜３０ｅ及び凹部３０ｇ〜３０ｊをガラス基板上に加工して形成する。その後、剥離液によりドライフィルムを剥離し、洗浄し、ダイサーにより所望の形状に切り出すことにより上基板３０を形成する。

次に、中基板４０形成用のガラス基板を洗浄し、ガラス基板の上面及び下面にタンタル等の陽極接合用の金属膜７２，７３をスパッタにより成膜する。次いで、中基板４０の上面となる面にドライフィルムを貼り付け、そのドライフィルムをフォトリソグラフィー法によりパターニングする。残留したドライフィルムをマスクとしてサンドブラスト法を行うことによって、貫通孔４０ａ、溝４０ｂ〜４０ｅ、凹部４０ｎ，４０ｐ，４０ｑ、切欠き４０ｇ〜４０ｊ及び貫通孔４０ｒをガラス基板に加工して形成し、その後ドライフィルムを剥離液により除去する。次に、気相成長法（例えば、スパッタリング法、蒸着法）、フォトレジストリー法、エッチング法を経て、低温用ヒータ１８、高温用ヒータ１９及び金属膜７２をパターニングする。そして、低温用ヒータ１８及び高温用ヒータ１９（但し、両端部を除く。）を被覆するように絶縁膜７０，７２を形成してパターニングする。次に、ダイサーにより所望の形状に切り出すことにより中基板４０を形成する。

次に、下基板５０形成用のガラス基板を洗浄し、下基板５０の上面となる面にドライフィルムを貼り付け、そのドライフィルムをフォトリソグラフィー法によりパターニングする。残留したドライフィルムをマスクとしてサンドブラスト法を行うことによって、貫通孔５０ａ、溝５０ｂ〜５０ｅ及び凹部５０ｇ〜５０ｈをガラス基板に加工して形成し、ドライフィルムを剥離液により除去する。次に、凹部５１ａに対応する部分以外をドライフィルムでマスクし、例えばイオンエッチング法（例えば、高速加工レートで微細加工を行えるDEEP RIE法）、機械切削法（例えば、先端部が直径約２μｍ程の超硬合金製マイクロツールを備えたマイクロツール加工機を用いて深掘加工できるマイクロツール加工法）又はレーザ法（例えば、加工の際に溝の幅は不変であって、走査回数を増やすのみで深さ方向の加工が可能なフェムトム秒レーザ法）により加工し、凹部５１ａ、溝５２ａ〜５２ｉを形成する。その後剥離液によりドライフィルムを剥離し、洗浄し、ダイサーにより所望の形状に切り出すことにより下基板５０を形成する。

次いで、上基板３０の溝３０ｃ，３０ｅ，中基板４０の溝４０ｃ，４０ｅ，下基板５０の溝５０ｃにアルミナゾルを塗布した後、溝３０ｃ及び４０ｃには改質用触媒８２，８３の触媒成分を例えばウォッシュコート法により担持させ、溝３０ｅ及び溝４０ｅには選択酸化用触媒８４，８５の触媒成分を担持させ、溝５０ｃには燃焼用触媒８６の触媒成分を担持させる。

次いで、中基板４０の高温用ヒータ１９の両端部にリード線７４，７５をそれぞれボンディングし、低温用ヒータ１８の両端部にリード線７６，７７をそれぞれボンディングする。

次に、上基板３０側を陰極とし、陽極接合用の金属膜７２を陽極として、上基板３０及び中基板４０の全体を２５０〜５００℃に加熱し、上基板３０を中基板４０に陽極接合する。次に、下基板５０側を陰極とし、陽極接合用の金属膜７３を陽極として、下基板５０及び中基板４０の全体を２５０〜５００℃に加熱し、下基板５０を中基板４０に陽極接合する。ここで、上基板３０の左前角部や下基板５０の左後ろ角部が切り落とされているので、電極を金属膜７２や金属膜７３に接して、金属膜７２や金属膜７３を陽極として電圧を印加することができる。

次に、リード線７４〜７７が中基板４０を貫通した箇所を低融点ガラスで封止する。そして、酸素導入口６４、水素ガス導入口６５、液体燃料導入口６６、酸素導入口６７、生成物排出口６８及び排ガス口６９にそれぞれ配管を嵌め込む。これにより反応装置１０が製造される。

以上のように、基板３０，４０，５０を接合すれば改質器１５、一酸化炭素除去器１６、燃焼器１７及び気化器１４を構成することができるので、反応装置１０を簡単に製造することができ、その製造コストを抑えることができる。

［断熱容器］
次に、本実施形態における反応装置１０の熱損失を低減するための構成について説明する。図９は、本実施形態における反応装置１０を断熱容器１３に収納した状態の図４に対応する縦断面図である。この場合、断熱容器１３内を真空排気して内部空間を大気圧より低い気圧とすることにより、真空断熱構造を形成する。図９に示すように、水素ガス導入口６５、液体燃料導入口６６、酸素導入口６７、生成物排出口６８及び排ガス口６９に内部に配管部を有する接続部材９０が嵌め込まれ、その接続部材９０が断熱容器１３を貫通して、配管部が断熱容器１３の外に延出している。また、リード線７４〜７７は断熱容器１３を貫通して断熱容器１３の外に導き出される。

なお、上記においては、反応装置１０、接続部材９０、断熱容器１３を、それぞれ別部材として組み合わせる構成としたが、例えば、これら全てをガラス基板により一体的に形成するようにしてもよい。
〔反応装置の動作〕
次に、反応装置１０の動作について説明する。図８は、本実施形態における気化器１４の動作を説明するための図であり、図７に示す下基板５０の上面図の一部を拡大して示した図である。まず、低温用ヒータ１８及び高温用ヒータ１９によって反応装置１０が加熱されている状態で、燃料容器２の水と燃料が液体燃料導入口６６から溝５０ｆに供給されると、図８に示すように、液体燃料と水の混合液が凹部５１ａに流れ込み、溝５２ａ〜５２ｉの前端側から後端側に向けて流れる。そして、溝５２ａ〜５２ｉの後端部寄りで混合液が気化される。各溝５２ａ〜５２ｉの後端部においては、凹状メニスカス９９が形成されるために、単位体積当たりの混合液の表面積が増大するので、混合液の気相との界面面積が増大し混合液は気化されやすくなる。したがって、溝５２ａ〜５２ｉに流入した混合液が気化する際に、特に凹状メニスカス９９のうち周縁部のインターライン領域９８において速い気化速度で安定した気化が生じる。そのため、気化器１４内での突沸を抑えることができ、気化された燃料と水の混合気の圧力変動を抑えることができる。

ここで、本実施形態においては、上述のように、気化器１４の凹部５１ａにおけるリブ５１ｂ〜５１ｉの前後方向の長さがリブ５１ｂ〜５１ｉの順に短くされて、溝５２ａ〜５２ｉの前後方向の長さが溝５２ａ〜５２ｉの順に短くされている理由について説明する。反応装置１０において、高温反応部１１は例えば２５０〜４００℃の温度に設定され、この温度が主に連結部６２及び連結部６３を介して低温反応部１２に熱伝導する。一方、燃料容器２から供給される水と燃料はほぼ常温であり、この水と燃料が供給される液体燃料導入口６６は反応装置１０の右前側に設けられている。また、酸素導入口６４、水素ガス導入口６５、酸素導入口６７も反応装置１０の右前角部近傍に集まっているので、低温反応部１２には温度勾配が生じている。すなわち、凹部５１ａにおける、高温反応部１１に近接し、連結部６２に近接した側（図８における凹部５１ａの左前側）の温度が最も高く、高温反応部１１から離れ、液体燃料導入口６６が設けられた側（図８における凹部５１ａの右後側）の温度が最も低くなっている。このため、仮に各リブ５１ｂ〜５１ｉの前後方向の長さを均一として、各溝５２ａ〜５２ｉの前後方向の長さを均一とした場合、各溝５２ａ〜５２ｉの後端部における温度が均一でなくなり、混合液の気化に適した温度より高くなると突沸が生じ、気化された燃料と水の混合気に圧力変動が生じてしまうことになる。そこで、低温反応部１２における温度勾配に合わせて、各溝５２ａ〜５２ｉの後端部における温度が混合液の気化に適した適正な温度になるようにして、突沸が発生しないようにするために、各溝５２ａ〜５２ｉの前後方向の長さを変えて、各溝５２ａ〜５２ｉの後端部が均一な温度になり、各溝５２ａ〜５２ｉの後端部で凹状メニスカスが均一に形成されるようにしているのである。なお、図７、図８においては、各リブ５１ｂ〜５１ｉの前後方向の長さを一定の比率で順に短くする形態としたが、これに限るものではなく、低温反応部１２に生じる温度勾配（温度分布）に合わせて適宜設定することが好ましい。

気化器１４の凹部５１ａにおいて気化された混合気が貫通孔４０ｒ、溝３０ｂ，４０ｂを通って改質器１５の溝３０ｃ、４０ｃに送られる。混合気が溝３０ｃ，４０ｃを流動している時に、触媒反応により改質され、水素、二酸化炭素、一酸化炭素等が生成される（メタノールの場合、化学反応式（１）、（２）参照。）。

溝３０ｃ，４０ｃで生成された水素等は溝３０ｄ，４０ｄを通って一酸化炭素除去器１６の溝３０ｅ，４０ｅに送られる。また、外部の空気が酸素導入口６７へ供給されて、溝３０ｆ，４０ｆを通って溝３０ｅ，４０ｅに送られる。そして、水素等と空気が混合されて溝３０ｅ，４０ｅを流動し、一酸化炭素が優先的に酸化されて除去される。一酸化炭素が除去された改質ガスが生成物排出口６８から排出されて、燃料電池型発電セル５の燃料極２０に供給される。

燃料極２０で電気化学反応せずに残った水素ガス等が水素ガス導入口６５に導入され、溝５０ｄを通って溝５０ｃに送られる。また、外部の空気が酸素導入口６４へ供給されて、溝５０ｄを通って溝５０ｃに送られる。そして、水素等と空気の混合気が溝５０ｃを流動し、水素が燃焼する。生成された排ガスが溝５０ｂを通って排ガス口６９から排出される。

以上のように燃料と水が反応装置１０に供給され続けると、燃焼器１７の燃焼熱によって高温反応部１１と低温反応部１２が加熱される。燃焼器１７の燃焼熱は連結部６２及び連結部６３を通じて低温反応部１２に伝熱し、高温反応部１１と低温反応部１２の間で温度差が生じる。ここで、低温反応部１２と高温反応部１１の間に断熱室６１が形成され、熱伝導の経路が連結部６２と連結部６３に限られているので、低温反応部１２と高温反応部１１の温度差を大きくすることができ、低温反応部１２及び高温反応部１１を所望の温度で動作させることができる。低温反応部１２が所望の温度（９０〜１４０℃）を超えたら、低温用ヒータ１８を止め、高温反応部１１が所望の温度（２５０〜４００℃）を越えたら、高温用ヒータ１９を止める。

この反応装置１０においては、改質器１５、一酸化炭素除去器１６及び燃焼器１７の流路に加えて気化器１４の流路も基板３０，４０，５０の接合体に設けられている。そのため、反応装置１０を用いた発電装置１全体を小型化することができる。

また、低温用ヒータ１８、高温用ヒータ１９及び燃焼器１７の熱源を改質器１５、一酸化炭素除去器１６の反応だけでなく、気化器１４における気化に用いられるので、エネルギー利用効率が向上する。そのうえ、一酸化炭素除去器１６における水素の選択酸化反応が発熱反応であり、一酸化炭素除去器１６の溝３０ｅ，４０ｅに気化器１４の凹部５１ａが重なっているので、水素の選択酸化反応の熱が気化器１４における気化に有効に用いられる。

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。

上記実施形態では、低温用ヒータ１８が溝３０ｅの底にパターニングされているが、低温用ヒータ１８を中基板４０の下面にパターニングして形成して、気化器１４の凹部５１ａに露出するようにしてもよい。この場合、リブ５１ｂ〜５１ｉの高さを低温用ヒータ１８の厚みの分だけ低くすると、中基板４０と下基板５０の密着性が向上する。

また、上記実施形態では連結部６２と連結部６３の断面積をほぼ等しくしたが、連結部６２の断面積を連結部６３の断面積よりも大きくしてもよい。この場合、連結部６２が連結部６３よりも熱伝導し易くなる。そのため、凹部５１ａの左後側の高温側の温度をより高くするとともに、その温度をより安定させることができる。これにより、各溝５２ａ〜５２ｉの後端部における凹状メニスカスの形成をより安定させて、気化器１４における気化動作をより安定させることができる。

また、連結部６２の外周面に金属膜を成膜して、連結部６３の外周面には金属膜を成膜せず、連結部６２における熱伝導を連結部６３よりも良好として、上記と同様に、凹部５１ａの左後側の高温側の温度をより高くするとともに、その温度をより安定させ、これにより、各溝５２ａ〜５２ｉの後端部における凹状メニスカスの形成をより安定させて、気化器１４における気化動作をより安定させるようにしてもよい。

本発明に係わる実施形態の反応装置を適用した発電装置のブロック図である。 本実施形態における反応装置を示す斜視図である。 本実施形態における反応装置の接合体を分解した状態を示す分解斜視図である。 図２の切断線IV−IVに沿った面の矢視断面図である。 図４の切断線V−Vに沿った面の矢視断面図である。 図４の切断線VI−VIに沿った面の矢視断面図である。 図４の切断線VII−VIIに沿った面の矢視断面図である。 本実施形態における気化器の動作を説明するための図であり、図７に示す断面図の一部を拡大して示した図である。 本実施形態における反応装置を断熱容器に収納した状態の縦断面図である。

符号の説明

１０ 反応装置
１４ 気化器
１５ 改質器
１６ 一酸化炭素除去器
１７ 燃焼器
３０ｃ，４０ｃ 改質器用の溝
３０ｅ，４０ｅ 一酸化炭素除去器用の溝
５０ｃ 燃焼器用の溝
５０ａ，５０ｂ，５０ｃ 貫通孔
５１ａ 燃焼器用の凹部
５１ｂ〜５１ｉ リブ
５２ａ〜５２ｉ 燃焼器用の溝
６１ 断熱室

Claims (13)

1. 反応物の反応を起こす反応装置において、
   複数の基板が積層されて接合された接合体を有し、
   前記接合体は、
   反応物が流れる流路を有する第１の反応器と、
   前記第１の反応器に対応して形成され、該第１の反応器を加熱する加熱部と、
   前記加熱部と並置され、液体状の反応物が供給され、前記加熱部より供給された熱量に基づいて前記反応物を加熱して気化し、気化された前記反応物を前記第１の反応器に供給する気化器と、を具備することを特徴とする反応装置。
2. 前記加熱部と前記気化器は、同一基板上に形成されることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
3. 前記加熱部は、気体燃料を燃焼させる燃焼器を有することを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
4. 前記気化器は、前記基板に形成された凹部内に形成され、該凹部内に、一端部から前記液体状の反応物が流れ込み、他端部にメニスカスが形成される複数の溝を有していることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
5. 前記複数の溝は、前記加熱部と前記気化器の配列方向に直交する方向に互いに平行に設けられ、前記複数の溝の各々の前記一端部から前記他端部までの長さは、前記加熱部に近づくにつれて順に短く設定されていることを特徴とする請求項４に記載の反応装置。
6. 前記複数の溝は、前記凹部の底部に、前記加熱部と前記気化器の配列方向に直交する方向に互いに平行な複数の凸部が立設されて形成されていることを特徴とする請求項４に記載の反応装置。
7. 前記反応装置は、更に、反応物が流れる流路を有し、前記第１の反応器と離間して配置される第２の反応器と、複数の流路を有して前記第１の反応器と前記第２の反応器とを連通する連結部と、前記第１の反応器、前記第２の反応器および前記連結部に囲まれた領域に設けられ、前記複数の基板を積層方向に貫通する断熱室と、を有することを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
8. 前記気化器は、前記加熱部より前記連結部を介して供給された熱量に基づいて、前記反応物を気化することを特徴とする請求項７に記載の反応装置。
9. 前記反応装置は、前記第１の反応器および前記第２の反応器に設けられ、該第１の反応器および該第２の反応器を加熱する薄膜ヒータを有することを特徴とする請求項７に記載の反応装置。
10. 前記気化器は、前記第２の反応器に対応した位置に形成されることを特徴とする請求項７に記載の反応装置。
11. 前記気化器は、前記基板に形成された凹部内に形成され、該凹部内に、一端部から前記液体状の反応物が流れ込み、他端部にメニスカスが形成される複数の溝を有し、前記複数の溝は、前記第１の反応器と前記第２の反応器の配列方向に直交する方向に設けられ、前記複数の溝の各々の長さは、前記断熱室に近づくにつれて順に短く設定されていることを特徴とする請求項７に記載の反応装置。
12. 前記第１の反応器は第１の温度に設定され、前記第２の反応部は、前記第１の温度より低い第２の温度に設定され、前記第１の反応部は、反応物として前記気化器によって気化された水と組成に水素原子を含む燃料の混合気体が供給され、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。
13. 前記反応装置は、更に、前記第１の反応器、前記第２の反応器、前記連結部、前記断熱室、前記加熱部および前記気化器の全体を覆い、内部空間が大気圧より低い気圧とされる断熱容器を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の反応装置。

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