JP2009107927A - 反応装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】反応装置本体を備える断熱パッケージの温度を監視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、燃料と水から水素を生成する反応装置本体31と、反応装置本体31の表面に設けられた薄膜ヒータ32,33と、反応装置本体31及び薄膜ヒータ32,33を収容した断熱パッケージ34と、断熱パッケージ34の表面に設けられた薄膜温度センサ35と、薄膜ヒータ32,33及び薄膜温度センサ35を監視する監視回路36とを備える。薄膜温度センサ35は、密着層35a、拡散防止層35b、抵抗層35cを下層から順に積層したものである。薄膜ヒータ32,33も、密着層、拡散防止層、抵抗層を下層から順に積層したものである。
【選択図】 図3

Description

本発明は、燃料と水から水素を生成する反応装置に関する。
近年では、エネルギー変換効率の高いクリーンな電源としての燃料電池を自動車や携帯機器などに搭載するため、燃料電池やその周辺技術の開発が進められている。燃料電池は、燃料と大気中の酸素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装置である。
燃料電池に用いる燃料としては水素単体が挙げられるが、常温、常圧で気体であることによる取り扱いに問題がある。これに対して、アルコール類及びガソリンといった燃料を改質して、生成された水素を用いる改質型燃料電池では、燃料を液体の状態で容易に保存することができる。このような燃料電池においては、液体燃料及び水を気化させる気化器、気化された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を備えた反応装置が必要となる。
反応装置が高温で動作し、その熱効利用率を高めるために種々の対策が講じられている。例えば特許文献1に記載されているように、流路内の流体を化学的に反応させる反応装置本体(構造体21)に薄膜ヒータ(20)を設け、反応装置本体を内面に反射膜(26)が形成された断熱パッケージ(22,24,7,15等)内に収容し、断熱パッケージ内を減圧状態にしている。断熱パッケージ内が減圧状態になっているので、薄膜ヒータの熱がに伝わりにくいので、薄膜ヒータの熱が反応装置本体に効率よく用いられる。
特開2004−356003号公報
ところで、断熱パッケージ等にガスリークが生じた場合や反応装置本体が熱暴走した場合には、断熱パッケージが高温になってしまい、反応装置の周辺装置が断熱パッケージの熱の影響を受けてしまうので、そのような異常が生じた場合には反応装置を迅速に停止する必要がある。しかしながら、断熱パッケージに温度センサが設けられていないので、断熱パッケージ自体の温度を測定して、断熱パッケージが高温になったか否かを監視することができない。
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、反応装置本体を備える断熱パッケージの温度を監視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、
燃料と水から水素を生成する反応装置本体と、
前記反応装置本体を内部に収容した断熱パッケージと、
前記断熱パッケージの内面又は外面に形成された輻射反射性の温度センサと、を備えることを特徴とする。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の反応装置において、
前記温度センサが、電気抵抗が温度によって変化する抵抗層と、前記抵抗層と前記断熱パッケージの内面又は外面との間に介在して前記ヒータと前記断熱パッケージとの間の密着性を向上させる密着層と、前記密着層と前記抵抗層との間に介在して前記密着層と前記抵抗層との間の熱による拡散を抑える拡散防止層と、を有することを特徴とする。
請求項3に係る発明は、請求項1に記載の反応装置において、
前記反応装置本体を加熱するヒータを更に備えることを特徴とする。
請求項4に係る発明は、請求項3に記載の反応装置において、
前記ヒータが、前記抵抗層と前記反応装置本体との間に介在し、前記ヒータと前記反応装置本体との間の密着性を向上させる密着層と、前記密着層と前記抵抗層との間に介在し、前記密着層と前記抵抗層との間の熱による拡散を抑える拡散防止層と、を有することを特徴とする。
請求項5に係る発明は、
燃料と水から水素を生成する反応装置本体と、
前記反応装置本体を内部に収容した断熱パッケージと、
前記断熱パッケージの内面に形成された金属反射膜と、
前記金属反射膜を被覆した絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成された温度センサと、を備えることを特徴とする。
請求項6に係る発明は、請求項3に記載の反応装置において、
赤外線の波長をλとし、前記絶縁膜の屈折率をnとし、前記絶縁膜の厚さをdとした場合、λ>2dnを満たすことを特徴とする。
請求項1〜4に係る発明によれば、反応装置本体を内部に収容した断熱パッケージの内面又は外面に輻射反射性の温度センサを備えるので、断熱パッケージ自体の温度が温度センサによって測定することができ、断熱パッケージが高温になって異常状態であることを迅速に検出することができる。
請求項5又は6に係る発明によれば、反応装置本体を内部に収容した断熱パッケージの内面に金属反射膜と絶縁膜と温度センサとを備えるので、断熱パッケージが高温になって異常状態であることを迅速に検出することができる。
本発明を適用した第1実施形態における反応装置を用いた発電装置が示されたブロック図である。 本発明を適用した第1実施形態における反応装置が分解した状態で示された斜視図である。 上記反応装置の断熱パッケージの部分断面図である。 上記断熱パッケージに形成された温度センサの温度と電気抵抗の関係を表したグラフである。 上記温度センサの抵抗層の厚さと抵抗率の関係を表したグラフである。 上基板の平断面図である。 中基板の平断面図である。 下基板の平断面図である。 監視回路を示した回路図である。 本発明を適用した第2実施形態における反応装置が分解した状態で示された斜視図である。 上記第2実施形態における反応装置の断熱パッケージの部分断面図である。 上記第2実施形態における反応装置の断熱パッケージの部分断面図である。
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の実施の形態>
〔反応装置を用いた発電装置〕
図1は、本発明を適用した反応装置10を用いた発電装置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、気化器14と、反応装置10と、燃料電池型発電セル5と、を備える。反応装置10は、250〜400℃の高温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(90〜140℃)で動作する低温反応部12とを有する。高温反応部11は改質器15及び燃焼器17を有し、低温反応部12は一酸化炭素除去器16を有する。
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。図示しないマイクロ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。
燃料容器2の燃料と水は気化器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の燃焼熱等が用いられる。
CH3OH+H2O→3H2+CO2 …(1)
2+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。
2→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(以下、オフガスという。)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は反応装置10の分解斜視図である。
図2に示すように、反応装置10は、燃料と水から水素を生成する反応装置本体31と、反応装置本体31の表面に形成された薄膜ヒータ32,33と、反応装置本体31及び薄膜ヒータ32,33を収容した断熱パッケージ34と、断熱パッケージ34の表面に形成された薄膜温度センサ35と、薄膜ヒータ32,33及び薄膜温度センサ35を監視する監視回路36(図9に図示)とを備える。
〔断熱パッケージ〕
断熱パッケージ34は、矩形枠状の枠体41と、枠体41を挟み込むようにして枠体41の開口を塞いだ蓋材42,43とを備える。枠体41及び蓋材42,43はガラスといった断熱材又はステンレス鋼といった金属材料からなり、枠体41及び蓋材42,43は同種の材料からなる。断熱パッケージ34の内側は真空とされている。この断熱パッケージ34の内面には、アルミニウム、金、銀、銅といった金属反射膜34a(図3に図示)が成膜され、反応装置本体31や薄膜ヒータ32,33から発した熱線・電磁波が金属反射膜34aによって反射され、このような反射によって輻射による熱損失が抑制されている。なお、金属反射膜34aが金であって断熱パッケージ34がガラスである場合には、クロム又はチタンを下地にすることで、金属反射膜34aの密着性が向上する。
〔温度センサ〕
薄膜温度センサ35は、断熱パッケージ34の上面(蓋材42の表面)と断熱パッケージ34の下面(蓋材43の表面)のうちの一方又は両方に形成されている。薄膜温度センサ35は気相成長法、フォトリソグラフィー法、エッチング法等によって葛折り状にパターニングされたものである。
図3に示すように、薄膜温度センサ35は、密着層35a、拡散防止層35b、抵抗層35cを下層から順に積層したものである。密着層35aは断熱パッケージ34の表面に対して密着性のある材料(例えば、Ta、Mo、Ti、Cr、TiNのうちの少なくとも何れか1つ)からなる。この密着層35aによって薄膜温度センサ35と断熱パッケージ34との間の密着性が高まる。
拡散防止層35bは、熱による層間の原子拡散を抑えるための層であり、比較的融点が高く且つ反応性が低い材料(例えば、W)からなる。拡散防止層35bによって密着層35aから抵抗層35cへの熱による原子拡散又は抵抗層35cから密着層35aへの熱による原子拡散が抑えられる。
抵抗層35cは、その電気抵抗が温度に一対一対応で比例する材料(例えば、Au)からなる。薄膜温度センサ35の抵抗層35cについて、変数である温度Tによって抵抗R(T)を表すと、次式のような関係が成り立ち、予めαやR(273)を実験やシミュレーションにより求めておくと、薄膜温度センサ35の電気抵抗から温度を求めることができる。薄膜温度センサ35を温度電気変換素子として用いることができる。ここで、αは比例定数であり、R(273)はゼロ℃(273K)のときの電気抵抗である。
R(T)=R(273)×(1+α(T−273)) …(5)
図4は、Tiからなる50nm厚の密着層、Wからなる50nm厚の拡散防止層、Au200nm厚の抵抗層を下層から順に基板上に積層した場合、温度TとR(T)/R(273)との関係を表したグラフである。図4から明らかなように、温度ゼロ℃から400℃まで温度Tと抵抗R(T)が正比例の関係にあることがわかる。拡散防止層が50nm厚のTi又はTaである場合、温度が250℃を越える領域では、電気抵抗R(T)が急激に上昇する現象が起こり、上記(5)式を満たさなくなった。これは、TiやTaの原子が熱エネルギーによって抵抗層に拡散したものと考察される。従って、薄膜温度センサ35の拡散防止層35bがWであることが望ましい。
Wが断熱パッケージ34に対して密着しにくいので、拡散防止層35bの構成物質としてWを用いた場合には、Wよりも高反応性のTa、Mo、Ti、Cr、TiNのうちの少なくとも何れか1つを薄膜温度センサ35の密着層35aの構成物質としている。
図5は、温度一定の条件下において、Auの電気抵抗率ρと膜厚の関係を示したグラフである。Auの膜厚が50nmの場合、ρは5.7μΩ・cmとなり、膜厚が100nmでρが5.2μΩ・cm、膜厚が300nm、ρが4.7μΩ・cmとなり、膜厚が300nmを超えると、ρはほぼ一定の値となる。ここでρの値が小さくなるほど、ρが単位量(1.0μΩ・cm)変化した場合におけるρの変化率は大きくなる。例えば、ρが10μΩ・cmから11μΩ・cmまで1μΩ・cm変化した場合における変化率は11/10=1.1となるが、ρが3μΩ・cmから4μΩ・cmまで1μΩ・cm変化した場合における変化率は4/3=1.33となる。従って、ρを可能な限り小さく且つ温度Tの変化によってρが大きく変わる材料を用いたほうが電気抵抗R(T)の変化を検出しやすくなり、結果的に温度Tの測定精度を向上することができる。そして、実験結果より、膜厚が100nmよりも小さい場合には、電気抵抗率ρが大きくなりすぎ、温度Tの測定精度が低下することが分かった。また、膜厚が700nmを超えると、抵抗層35c(Au層)と拡散防止層35bもしくは密着層35aとの密着強度を十分に確保できず、抵抗層35cにひび割れ等の不具合が生じるおそれがあることが分かった。以上より、抵抗層35c(Au層)の膜厚は100〜700nmの範囲内とすることが望ましい。
薄膜温度センサ35の拡散防止層35bの厚さを50〜100nmの範囲内とすることが好ましい。拡散防止層35bの厚さが50nm未満であると、拡散防止層35bを真空蒸着法、スパッタ法等といった気相成長法により形成することが困難となり、厚さが100nmを超えても、拡散防止性があまり変わらなかったためである。
薄膜温度センサ35の密着層35aの厚さを50nm以上とすることが好ましい。密着層35aの厚さが50nm未満であると、密着層35aを真空蒸着法、スパッタ法等といった気相成長法により形成することが困難となるためである。
図2に示すように、薄膜温度センサ35の両端にはリード線35d,35eがそれぞれ抵抗溶接等により接続され、リード線35d,35eが監視回路36(図9に図示)に接続されている。
〔反応装置本体〕
図2に示すように、反応装置本体31は、基板50、基板60及び基板70を積層してこれらを接合して形成される。各基板50,60,70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50側を上側、基板70側を下側として説明し、基板50を上基板50と称し、基板60を中基板60といい、基板70を下基板70という。
基板50,60,70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50,60,70の接合体の中央部には断熱室81が接合体の上面から下面に貫通している。図2の斜視図での位置関係において、基板50,60,70の接合体のうち断熱室81よりも右側の部分が高温反応部11であり、断熱室81よりも左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が断熱室81を挟んで相対向している。また、基板50,60,70の接合体のうち断熱室81よりも手前側の部分(以下、架橋部82という。)と後ろ側の部分(以下、架橋部83という。)が高温反応部11と低温反応部12との間に架設され、断熱室81が高温反応部11、低温反応部12、架橋部82及び架橋部83によって囲まれている。
上基板50の両面のうち中基板60との接合面(下面)には溝が凹設され、中基板60の両面のうち上基板50との接合面(上面)には溝が凹設され、上基板50と中基板60を接合することによって溝が流路51〜56となる。
具体的には、図6及び図7に示すようになる。図6は接合面に平行な上基板50の断面を示した図であり、図7は接合面に平行な中基板60の断面を示した図である。
高温反応部11においては改質器15の流路52が形成されている。上基板50と中基板60の接合面に関して対称な溝が上基板50と中基板60のそれぞれに凹設され、上基板50と中基板60との接合により、それら対称な溝が重なり合って流路52が形成される。低温反応部12においては一酸化炭素除去器16の流路55が形成され、この流路55も上基板50と中基板60のそれぞれに凹設された対称な溝が重なり合うことで形成されたものである。
流路51は反応装置本体31の左側面から架橋部83を通って流路52の一端部にまで通じる流路であり、上基板50の接合面に凹設された溝が上基板50と中基板60の接合によって流路51となる。流路53は流路52の他端部から架橋部82を通って流路55の一端部にまで通じる流路であり、上基板50の接合面に凹設された溝が上基板50と中基板60の接合によって流路53となる。流路54は反応装置本体31の左側面から流路55の一端部にまで通じて流路55及び流路53に合流する流路であり、上基板50の接合面に凹設された溝が上基板50と中基板60の接合によって流路54となる。流路56は流路55の他端部から反応装置本体31の左側面にまで通じる流路であり、上基板50の接合面に凹設された溝が上基板50と中基板60の接合によって流路56となる。
流路52の壁面には改質用触媒が形成されている。改質用触媒は、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。
流路55の壁面には選択酸化用触媒が形成されている。選択酸化用触媒は、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。
図8は接合面に平行な下基板70の断面を示した図である。下基板70の両面のうち中基板60との接合面(上面)には溝が凹設され、下基板70と中基板60を接合することによって溝が流路71,72,73となる。流路72は燃焼器17の流路であり、高温反応部11においては流路72が葛折り状に形成されている。流路71は、反応装置本体31の左側面から架橋部83を通って流路72の一端部にまで通じる流路である。流路73は、流路72の他端部から架橋部82を通って反応装置本体31の左側面にまで通じる流路である。
流路72の壁面には燃焼用触媒が形成されている。燃焼用触媒は、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。
図2に示すように、反応装置本体31の左側面には配管91〜96が連結されている。配管91は流路51の端部開口に嵌め込まれ、気化器14から配管91を通じて流路51へ燃料と水の混合気が導入される。配管92は流路56の端部開口に嵌め込まれ、改質器15や一酸化炭素除去器16で生成された水素ガス等が配管92を通じて燃料電池型発電セル5の燃料極20に導入される。配管93は流路71の端部開口に嵌め込まれ、燃料極20からのオフガスと外部の空気が混合されて配管93を通じて流路71に導入される。配管94は流路72の端部開口に嵌め込まれ、燃焼器17で生成された水等のガスが配管94を通じて外部に排出される。配管95は流路54の端部開口に嵌め込まれ、外部の空気が配管95を通じて流路54に導入される。これら配管91〜96は断熱パッケージ34を貫通して断熱パッケージ34の外に延出している。
〔ヒータ〕
図2に示すように、薄膜ヒータ32は反応装置本体31の表面のうち高温反応部11の上面に形成され、薄膜ヒータ33は低温反応部12の上面に形成されている。薄膜ヒータ32,33は気相成長法、フォトリソグラフィー法、エッチング法等によって葛折り状にパターニングされたものである。なお、反応装置本体31の基板50,60,70が導電性を有する場合には、反応装置本体31の表面に絶縁膜が形成されたうえで、その絶縁膜上に薄膜ヒータ32,33が形成されている。
薄膜ヒータ32,33は、薄膜温度センサ35と同様に、密着層(例えば、Ta、Mo、Ti、Cr、TiNのうちの少なくとも何れか1つ)、拡散防止層(例えば、W)、抵抗層(例えば、Au)を下層から順に積層したものであり、薄膜ヒータ32,33においては、特に抵抗層が電熱材となる。この密着層によって薄膜ヒータ32,33と反応装置本体31との間の密着性が高まり、拡散防止層によって密着層から抵抗層への熱による原子拡散又は抵抗層から密着層への熱による原子拡散が抑えられる。
また、薄膜ヒータ32,33、特に抵抗層の電気抵抗対温度特性(温度が電気抵抗に比例する。)のため、薄膜ヒータ32,33が温度センサとして機能する。
薄膜ヒータ32の両端にはリード線32a,32bがそれぞれ接続され、リード線32a,32bが断熱パッケージ34を貫通して断熱パッケージ34の外に延出している。薄膜ヒータ33の両端にもリード線33a,33bがそれぞれ接続され、リード線33a,33bが断熱パッケージ34を貫通して断熱パッケージ34の外に延出している。
〔監視回路〕
リード線32a,32b,33a,33bが監視回路36(図9に図示)に接続されている。図9に示すように、監視回路36は、電流源36aと、電圧計36bと、スイッチング素子36cとを備える。電流源36aは電流を制御するものである。スイッチング素子36cは、薄膜ヒータ32,33又は薄膜温度センサ35の何れかに選択的に接続し、電流源36aの電流の流れる経路を薄膜ヒータ32,33又は薄膜温度センサ35の何れかから選択するものである。電圧計36bは、薄膜ヒータ32,33、薄膜温度センサ35のうちスイッチング素子36cによって選択されたものに印加される電圧を測定するものである。
この監視回路36は、電流源36aによって指定された電流の値と、電圧計36bによって測定された電圧の値とから薄膜ヒータ32,33又は薄膜温度センサ35の電気抵抗を監視する。また、薄膜ヒータ32,33、薄膜温度センサ35の電気抵抗が上述したように温度に比例するので、監視回路36は、同時に、薄膜ヒータ32,33、薄膜温度センサ35の温度を監視する。
なお、薄膜温度センサ35としてのパターンは、監視回路36等で都合の良い電極間電圧となるような形状に設計する。例えば、薄膜温度センサ35がパターニングされている面の面積が12cm2で、薄膜温度センサ35の温度を監視するための電流が1mAであり、電圧計36bでは0Vから1Vまでの電圧として温度を監視しようとしているシステムの場合を考える。薄膜温度センサ35の抵抗層35cの膜厚が300nmであれば、抵抗率4.7μΩ・cmであり、パターン幅0.2cm、パターン間隔0.04cmであるような葛折り形状とすれば、12cm2の全面では薄膜温度センサ35の両端間長さはおよそ48cmとすることができ、薄膜温度センサ35が37Ω程度の抵抗パターンとなる。これにより電流1mAを流したときに室温での両端間電圧が0.37V、断熱パッケージ34の温度が異常であるとみなせる100℃においても、図4の抵抗変化より0.37×1.2=0.44V程度の電圧としてその温度をモニターできる機能が得られる。
〔反応装置の動作〕
まず、薄膜ヒータ32及び薄膜ヒータ33によって反応装置本体31が加熱されている状態で、燃料容器2の水と燃料が気化器14によって加熱されて配管91に導入されると、水と燃料の混合気が改質器15の流路52に送られる。混合気が流路52を流動している時に、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。)。
流路52で生成された水素等は一酸化炭素除去器16の流路55に送られる。また、外部の空気が配管95へ導入されて流路55に送られる。そして、水素等と空気が混合されて流路55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配管92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(オフガス)が空気と混合されて配管93に導入され、燃焼器17の流路72に送られる。そして、水素等と空気の混合気が流路72を流動し、水素が燃焼する。生成された排ガスが配管94から排出される。
以上のように燃料と水が反応装置本体31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の燃焼熱は架橋部83及び架橋部82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81が形成され、熱伝導の経路が架橋部83と架橋部82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℃)で動作しているか否かを薄膜ヒータ33及び監視回路36によって監視し、高温反応部11が所望の温度(250〜400℃)で動作しているか否かを監視回路36によって監視する。また、断熱パッケージ34が所定の温度になっているか否かを監視回路36によって監視する。
以上のように、本実施形態においては、断熱パッケージ34の温度を監視することで、断熱パッケージ34の真空度に異常が生じたか否かを確認することができる。つまり、反応装置本体31、配管91〜96、断熱パッケージ34の破損によってガスリークが発生した場合、断熱パッケージ34の真空度が低下し、断熱パッケージ34の断熱効果が弱まり、断熱パッケージ34に熱が伝わりやすくなるので、薄膜温度センサ35による断熱パッケージ34の測定温度が所定の温度よりも高くなったら、断熱パッケージ34の真空度に異常が発生したと確認することができる。
また、反応装置本体31で温度が異常に上昇すると、薄膜温度センサ35による断熱パッケージ34の測定温度も所定の通常温度よりも高くなり、そのことを薄膜温度センサ35で検知することができる。
断熱パッケージ34の温度異常において、薄膜温度センサ35による測定温度に基づいて、反応装置10の停止や供給燃料の調整、薄膜ヒータ32,33や燃焼器17へのフィードバック制御を行うことによって、周辺装置や使用者を保護するための対応につなげることが可能となる。
さらに、薄膜ヒータ32,33と薄膜温度センサ35とが同じ積層構造を有しているうえ、薄膜ヒータ32,33と薄膜温度センサ35が同じ電気抵抗対温度特性を有しているので、電流源36a及び電圧計36bを薄膜ヒータ32,33と薄膜温度センサ35のどちらにも共通化させることができる。このため、監視回路36を薄膜ヒータ32,33の温度監視と薄膜温度センサ35の温度監視の両方に用いることができるという簡便さがあり、反応装置10を小型な機器に用いるのに都合が良い。
<第2の実施の形態>
第1実施形態では、薄膜温度センサ35が断熱パッケージ34の外面に形成されていたが、第2実施形態では、図10に示すように、薄膜温度センサ35が断熱パッケージ34の内面に形成されている。
ここで、図11に示すように、断熱パッケージ34の内面に金属反射膜34aが成膜され、その金属反射膜34aがAu以外のAl、Ag又はCuである場合にはその金属反射膜34aにSiO2等の絶縁膜34bが成膜され、その絶縁膜34bの上に薄膜温度センサ35がパターニングされている。金属反射膜34aがAu以外であると、絶縁膜34bと金属反射膜34aの密着性が向上し、絶縁膜34bによって金属反射膜34aと薄膜温度センサ35を絶縁することができる。
また、金属反射膜34aによって赤外線を反射させるため、絶縁膜34bが透明である。絶縁膜34bに関しては、金属反射膜34aで反射したい赤外線の波長であるλ=1.5μm以上の光が多重反射を起こさないような膜厚としなければならない。そのため、SiO2からなる絶縁膜34bの屈折率をn=1.5とすると、その膜厚をdは次式を満たすようにすれば良い。
λ>2dn
従って、絶縁膜34bの膜厚d<500nmの厚みの膜とすればよい。絶縁膜34bのSiO2自体の赤外線の吸収は、その主な要因である分子・原子振動の吸収係数が小さいため、無視できる。
薄膜温度センサ35の抵抗層35cにAu、Al、Ag又はCuを用いれば、この抵抗層35c自体も熱輻射を反射するため、金属反射膜34aが薄膜温度センサ35によって被覆されていても、熱輻射の反射による断熱性能に影響を及ぼさない。
一方、図12に示すように、断熱パッケージ34の内面に金属反射膜が成膜されていない場合には絶縁膜も必要とせず、薄膜温度センサ35が断熱パッケージ34の内面に直接パターニングされている。ここで、薄膜温度センサ35がその抵抗層35cによって反射膜として機能する。そのため、反応装置本体31や薄膜ヒータ32,33から発した熱線・電磁波が薄膜温度センサ35によって反射されるので、輻射による熱損失を抑えることができ、薄膜温度センサ35とは別の金属反射膜がないので、反応装置の製造コストを抑えることができる。
薄膜温度センサ35の抵抗層35cによる反射を出来る限り広範で行えるようにするため、断熱パッケージ34の内面が出来る限り露出しないように薄膜温度センサ35を多く残すようパターニングする。例えば、薄膜温度センサ35のパターニングを施す部分の面積が12cm2であり、温度をモニターするための電流が1mAであり、監視回路36では0Vから1Vまでの電圧として温度をモニターしようとしているシステムの場合を考えると、抵抗層35cの膜厚が300nmであれば、抵抗率は4.7μΩ・cmであり、薄膜温度センサ35のパターン幅0.2cm、パターン間隔0.04cmであるような葛折り形状とすれば、12cm2全面で両端間長さはおよそ48cmとすることができ、この場合、薄膜温度センサ35が形成された面と、薄膜温度センサ35の面積との比が0.2/(0.2+0.04)=8.3であり、薄膜温度センサ35が37Ω程度の抵抗パターンとなる。
つまり、金属反射膜を断熱パッケージ34の内面に成膜せずに、以上のような薄膜温度センサ35を断熱パッケージ34の内面に用意すれば、薄膜温度センサ35を金属反射膜の代わりとして8割以上の面積を残しつつ、電流1mAを流したときに室温での両端間電圧が0.37V、断熱パッケージ34の温度が異常であるとみなせる100℃においても、図4の抵抗変化より0.37×1.2=0.44V程度の電圧としてその温度をモニターできる機能が得られる。
第2実施形態の反応装置は、上述したことを除いて、第1実施形態の反応装置10と同様に構成されているので、第2実施形態の反応装置についての詳細な説明を省略する。また、第2実施形態の反応装置と第1実施形態の反応装置10との間で互いに対応する部分に同一の符号を付す。
第2実施形態においても、薄膜ヒータ32,33と薄膜温度センサ35とが同じ積層構造を有しているうえ、薄膜ヒータ32,33と薄膜温度センサ35が同じ電気抵抗対温度特性を有しているので、電流源36a及び電圧計36bを薄膜ヒータ32,33と薄膜温度センサ35のどちらにも共通化させることができる。このため、上述の第1実施形態と同様に、監視回路36を薄膜ヒータ32,33の温度監視と薄膜温度センサ35の温度監視の両方に用いることができるという簡便さがあり、反応装置10を小型な機器に用いるのに都合が良い。
なお、本発明は上記各実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の改良及び設計の変更をおこなっても良い。
上記実施形態では薄膜ヒータ32,33が反応装置本体31の表面に設けられていたが、薄膜ヒータ32が反応装置本体31の内部において改質器15の流路52又は燃焼器17の流路72に露出するように設けられ、薄膜ヒータ33が反応装置本体31の内部において一酸化炭素除去器16の流路55に露出するように設けられていても良い。
10 反応装置
31 反応装置本体
32、33 薄膜ヒータ
34 断熱パッケージ
34a 金属反射膜
34b 絶縁膜
35 温度センサ
35a 密着層
35b 拡散防止層
35c 抵抗層

Claims (6)

  1. 燃料と水から水素を生成する反応装置本体と、
    前記反応装置本体を内部に収容した断熱パッケージと、
    前記断熱パッケージの内面又は外面に形成された輻射反射性の温度センサと、を備えることを特徴とする反応装置。
  2. 前記温度センサが、電気抵抗が温度によって変化する抵抗層と、前記抵抗層と前記断熱パッケージの内面又は外面との間に介在して前記ヒータと前記断熱パッケージとの間の密着性を向上させる密着層と、前記密着層と前記抵抗層との間に介在して前記密着層と前記抵抗層との間の熱による拡散を抑える拡散防止層と、を有することを特徴とする請求項1に記載の反応装置。
  3. 前記反応装置本体を加熱するヒータを更に備えることを特徴とする請求項1に記載の反応装置。
  4. 前記ヒータが、前記抵抗層と前記反応装置本体との間に介在し、前記ヒータと前記反応装置本体との間の密着性を向上させる密着層と、前記密着層と前記抵抗層との間に介在し、前記密着層と前記抵抗層との間の熱による拡散を抑える拡散防止層と、を有することを特徴とする請求項3に記載の反応装置。
  5. 燃料と水から水素を生成する反応装置本体と、
    前記反応装置本体を内部に収容した断熱パッケージと、
    前記断熱パッケージの内面に形成された金属反射膜と、
    前記金属反射膜を被覆した絶縁膜と、
    前記絶縁膜上に形成された温度センサと、を備えることを特徴とする反応装置。
  6. 赤外線の波長をλとし、前記絶縁膜の屈折率をnとし、前記絶縁膜の厚さをdとした場合、λ>2dnを満たすことを特徴とする請求項3に記載の反応装置。
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