JP2009107927A

JP2009107927A - 反応装置

Info

Publication number: JP2009107927A
Application number: JP2009031106A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Nomura; 雅俊野村
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2009-02-13
Filing date: 2009-02-13
Publication date: 2009-05-21

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）
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（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

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。
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。
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。
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。
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。
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。