JP2009179525A - Reactor, method for manufacturing reactor, and power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、反応物の反応を起こす反応器、反応器の製造方法及び発電システムに関する。 The present invention relates to a reactor that causes reaction of reactants, a method for manufacturing the reactor, and a power generation system.
近年、地球環境問題から高効率でクリーンなエネルギー源として高いエネルギー利用効率を実現できる燃料電池についての研究・開発が盛んに行われている。燃料電池は、燃料と大気中の酸素と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ものであり、将来性に富む有望な電池であると位置づけられている。
燃料電池に用いる燃料としての水素は、常温で気体であるため、取り扱いや貯蔵に問題がある。そこで、アルコール類及びガソリンといった燃料を用いれば液体燃料を貯蔵するためのシステムが比較的小型になるが、燃料改質型の燃料電池を小型の電子機器の電源として用いる場合には、燃料電池だけでなく改質器も小型化する必要がある。
燃料電池へ水素を供給するための小型の改質器として、Siやガラスに代表される基板で微細な反応流路を形成し、さらに触媒を付与した流路内でメタノール水溶液等を原料として水素を得るような小規模の化学反応を起こさせる小型の化学反応装置(マイクロ改質器)がある。マイクロ改質器を含め、容積当たりの表面積が大きい微小空間で反応を行うことにより、従来よりも格段に精密に濃度や温度を制御できる小型の化学反応器はマイクロリアクターと呼ばれており、大量の反応生成物を得るために、従来の化学プラントでは反応容器をスケールアップすることによって実現してきたが、このマイクロリアクターの利点を活かすために、小型のものを複数並べることで生成物の量を稼ぐシステムが考えられている。
In recent years, research and development have been actively conducted on fuel cells capable of realizing high energy use efficiency as a highly efficient and clean energy source due to global environmental problems. BACKGROUND ART A fuel cell is a promising battery that is promising and promising because it can directly extract electric energy from chemical energy by electrochemically reacting fuel and oxygen in the atmosphere.
Since hydrogen as a fuel used in a fuel cell is a gas at normal temperature, there is a problem in handling and storage. Therefore, when fuels such as alcohols and gasoline are used, the system for storing liquid fuel becomes relatively small. However, when a fuel reforming fuel cell is used as a power source for small electronic devices, only the fuel cell is used. In addition, the reformer must be downsized.
As a small reformer for supplying hydrogen to the fuel cell, a fine reaction flow path is formed with a substrate typified by Si or glass, and a methanol aqueous solution or the like is used as a raw material in the flow path provided with a catalyst. There is a small chemical reaction device (micro reformer) that causes a small-scale chemical reaction to obtain the above. A small chemical reactor that can control the concentration and temperature much more precisely than before by performing the reaction in a micro space with a large surface area per volume, including a micro reformer, is called a microreactor. In order to obtain the reaction products of conventional chemical plants, it has been realized by scaling up the reaction vessel, but in order to take advantage of this microreactor, the amount of products can be reduced by arranging multiple small reactors. A system to earn is considered.
改質器や一酸化炭素除去器内の反応を安定化させるために多孔質体を用いた例として、
改質器や一酸化炭素除去器において、各触媒層のガス流路よりも小径の孔を有する圧損板を、触媒層の下流側に配置して、被反応ガスの流速面分布を均一化したことで反応を安定化すると同時に、剥がれた触媒のフィルターとしても機能させるという技術がある(例えば、特許文献1参照)。この圧損板には、SUSなどの金属板に複数の孔を穿孔した多孔板を用いている。
In the reformer and carbon monoxide remover, a pressure loss plate having a hole with a smaller diameter than the gas flow path of each catalyst layer is arranged on the downstream side of the catalyst layer to make the flow velocity surface distribution of the reaction gas uniform. Thus, there is a technique of stabilizing the reaction and simultaneously functioning as a filter for the catalyst that has been peeled off (see, for example, Patent Document 1). As the pressure loss plate, a perforated plate in which a plurality of holes are formed in a metal plate such as SUS is used.
現在、マイクロ改質器では、微小流路内に反応に適した触媒を搭載し、燃料ガスとの接触作用により、燃料を改質させるという方法があるが、反応流路前後での反応ガスの圧力制御は容易ではない。反応中に圧力変化が生じると、反応が不安定になるのは勿論のこと、特に、マイクロ改質器の後段に接続した燃料電池反応の大きな負荷変動やガス流路の切り替え時、さらには流路とその他の部分(例えば、燃料電池など)を接続する配管に不慮の破損や脱離等が起こった場合など、そこで急激に生じる圧力変化は触媒の剥がれの原因となる。従来の圧力を制御する手段として、上述のように圧損板を改質器の内部に備えていたが、マイクロ改質器に適用しようとした場合、改質器が大型化したり、それにより熱容量が増大して熱効率が悪くなるなど、不都合が生じる。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、小型化を図れるとともに、反応ガスの流量変動を安定化させて良好な改質反応を起こすことができる反応器、反応器の製造方法及び発電システムを提供することを目的としている。
Currently, in a micro reformer, there is a method in which a catalyst suitable for reaction is mounted in a micro-channel and the fuel is reformed by contact action with the fuel gas. Pressure control is not easy. If a pressure change occurs during the reaction, the reaction becomes unstable. In particular, when a large load fluctuation of the fuel cell reaction connected to the subsequent stage of the micro reformer or switching of the gas flow path occurs, the flow is further increased. When the pipe connecting the passage and other parts (for example, a fuel cell, etc.) is accidentally damaged or detached, the pressure change that occurs suddenly causes the catalyst to peel off. As a conventional means for controlling the pressure, the pressure loss plate is provided inside the reformer as described above. However, when applying to the micro reformer, the reformer becomes larger and the heat capacity is thereby increased. Inconveniences such as increase and deterioration of thermal efficiency occur.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and can reduce the size and stabilize the flow rate fluctuation of the reaction gas to cause a good reforming reaction, a method for producing the reactor, and power generation The purpose is to provide a system.
上記課題を解決するため、請求項1の発明は、複数の基板で形成され、反応物の反応を起こす反応器において、
前記複数の基板の少なくとも一つの基板であって、少なくとも片側の面に形成された溝を有する第一の基板と、
前記第一の基板の前記片側の面と接合して、前記溝を覆うことによって反応流路を形成する第二の基板と、を備え、
前記第二の基板の前記反応流路の入口側及び出口側を形成する位置の少なくとも一方に、前記第二の基板の前記第一の基板と接合する面側と前記接合する面と反対の面側とが貫通する微細孔が設けられていることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the invention of
A first substrate having at least one substrate of the plurality of substrates and having a groove formed on at least one surface;
A second substrate that is bonded to the one side surface of the first substrate and forms a reaction channel by covering the groove; and
At least one of the positions where the inlet side and the outlet side of the reaction channel of the second substrate are formed, the surface side of the second substrate to be bonded to the first substrate and the surface opposite to the surface to be bonded It is characterized in that a fine hole penetrating the side is provided.
請求項2の発明は、請求項1に記載の反応器において、
前記微細孔は多孔質体であることを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項2に記載の反応器において、
前記第二の基板はシリコン基板であり、前記多孔質体は、陽極化成法又は深堀エッチング法によって形成されていることを特徴とする。
請求項4の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の反応器において、
燃料を供給することによって改質ガスを生成する改質器であることを特徴とする。
請求項5の発明は、複数の基板で形成され、反応物の反応を起こす反応器の製造方法において、
前記複数の基板の少なくとも一つの基板である第一の基板の少なくとも片側の面に溝を形成し、
前記第一の基板と前記片側の面と接合して、前記溝を覆うことによって前記反応を起こす反応流路を形成する第二の基板の、前記第一の基板と接合することによって前記反応流路の入口側及び出口側を形成する位置の少なくとも一方に、前記第二の基板の前記第一の基板と接合する面側と前記接合する面と反対の面側とが貫通する微細孔を形成することを特徴とする。
請求項6の発明は、発電システムにおいて、
請求項1〜4のいずれか一項に記載の反応器と、
電気化学反応により発電する発電セルと、を備えたことを特徴とする。
Invention of
The micropores are porous bodies.
The invention according to claim 3 is the reactor according to
The second substrate is a silicon substrate, and the porous body is formed by an anodizing method or a deep etching method.
Invention of Claim 4 is a reactor as described in any one of Claims 1-3,
It is a reformer that generates reformed gas by supplying fuel.
The invention of claim 5 is a method of manufacturing a reactor which is formed of a plurality of substrates and causes reaction of reactants.
Forming a groove on at least one surface of the first substrate which is at least one of the plurality of substrates;
The reaction flow by joining the first substrate to the first substrate of the second substrate that forms a reaction flow path for causing the reaction by joining the first substrate and the surface on one side. At least one of the positions forming the inlet side and the outlet side of the path is formed with a fine hole through which the surface side of the second substrate to be bonded to the first substrate and the surface side opposite to the surface to be bonded penetrate. It is characterized by doing.
The invention of claim 6 is the power generation system,
Reactor according to any one of
And a power generation cell that generates power by an electrochemical reaction.
本発明によれば、小型化を図れるとともに、反応ガスの流量変動を安定化させて良好な改質反応を起こすことができる。 According to the present invention, it is possible to reduce the size and stabilize the fluctuation of the flow rate of the reaction gas to cause a good reforming reaction.
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されないものとする。
[反応器]
図1(a)は、第一の蓋基板2の上面図、図1(b)は、第一の蓋基板2の下面図、図2(a)は、流路基板1の上面図、図2(b)は、流路基板1の下面図、図3は、切断線I−I、切断線II−IIに沿って切断した際の、第一の蓋基板2、流路基板1及び第二の蓋基板3の矢視断面図、図4は、反応器10の断面図である。
図4に示すように、反応器10は、流路基板1と、流路基板1の上部に設けられた第一の蓋基板2と、流路基板1の下部に設けられた第二の蓋基板3と、を備えている。
流路基板1としては、例えば、シリコン基板、特にn型シリコン基板等を使用することが好ましい。また、厚さは600μm程度が好ましい。流路基板1には、上下面1a,1bに貫通する流路溝18a,18bが二カ所に形成されている。これら流路溝18a,18bの上端部には、多孔質部11a,11bが平面視矩形状にそれぞれ設けられており、多孔質部11a,11bは流路基板1の上下面1a,1bに露出している。多孔質部11a,11bは後述する陽極化成法によって形成することができる。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the scope of the invention is not limited to the illustrated examples.
[Reactor]
1A is a top view of the
As shown in FIG. 4, the
As the
二つの流路溝18a,18bのうち一方の流路溝18aは、第一の蓋基板2と流路基板1とを接合した際に、後述する流路溝21の端部21aに対応する位置に形成され、他方の流路溝18bは流路溝21の端部21bに対応する位置に形成されている。図2(b)に示すように、流路溝18aの下端部は、流路基板1の一方の側面に貫通し、後述の混合気を反応流路12内に供給する供給口19aに連通している。さらに、流路溝18bの下端部は、流路基板1の供給口19aとは反対側の側面に貫通し、反応流路12内に供給して反応した混合気を排出する排出口19bに連通している。
One of the two
第一の蓋基板2としては、例えば、ガラス基板やシリコン基板等を使用することができる。第一の蓋基板2の下面2bには、蛇行した流路溝21が形成されている。流路溝21は、第一の蓋基板2の上面2aには貫通していない。そして、流路溝21の内壁面には触媒層22が担持されている。触媒層22としては、例えば、Cu/ZnO系触媒やPd/ZnO系触媒等が挙げられる。
また、第一の蓋基板2の上面2aには電気抵抗体からなる薄膜ヒータ23が流路溝21に沿って蛇行して形成されている。薄膜ヒータ23の両端部には、電極配線部であるAu膜25を介して、コバール線24が接続されており、電圧が印加されることによって吸熱反応である改質反応時に熱源となるとともに、触媒層22の焼成時に用いられたりする。
第二の蓋基板3としては、例えば、ガラス基板やシリコン基板等を使用することができる。
For example, a glass substrate or a silicon substrate can be used as the
A
For example, a glass substrate or a silicon substrate can be used as the second lid substrate 3.
そして、上記第一の蓋基板2、流路基板1及び第二の蓋基板3が接合されることによって流路溝21、流路溝18a,18bが反応流路12となり、この反応流路12に供給口19a及び排出口19bが連通している。そして、反応流路12の供給口19a側及び排出口19b側に多孔質部11a,11bが設けられている。なお各基板の接合は、流路基板1がシリコン基板で、第一の蓋基板2及び第二の蓋基板3がガラス基板の場合、陽極接合が好ましい。
このように構成された反応器10においては、例えば後述するように、供給口19aから反応物が供給されて反応流路12内を流れて触媒層22と反応した後、生成物として排出口19bから排出される。ここで、反応流路12の供給口19a側や排出口19b側で圧力損失が急激に変化した場合であっても、反応流路12内を流れる反応物は、圧力損失となる多孔質体11によって、流量変動が緩和される。そのため反応流路内12での反応に対して、反応物流量は安定し、適切な反応が行われる。また反応流路内の急激な流量変動、圧力変動が起こらないため、流体による触媒への物理的負荷も低減でき触媒層22の剥がれも防止できる。
Then, by joining the
In the
次に、反応器10の製造方法について説明する。
図5(a)〜(h)は、流路基板1の製造方法を示した工程図である。
まず、図5(a)の基板13の上面13aにスパッタリングによりSiO2膜14を形成する(図5(b)参照)。次いで、SiO2膜14の上面及び基板13の下面13bにドライフィルムフォトレジスト15を貼り付け、フォトリソグラフィー法により、ドライフィルムフォトレジスト15の、上述の第一の蓋基板2の流路溝21の両端部21a,21bに対応する位置が開口するように、レジストパターニングを行い、CF4を用いて両端部21a,21bに対応する位置のSiO2膜14を除去する(図5(c)参照)。この状態で、フッ化水素、エタノール及び水を用いて基板13を陽極酸化すると、ドライフィルムフォトレジスト15をパターニングしていない部分だけが多孔質化して多孔質部11a,11bが形成される(図5(d)参照)。多孔質部11a,11bの厚さは15μm程度が好ましい。さらに、ドライフィルムフォトレジスト15剥離後、CF4を用いて基板13の上面13a及び下面13bに残っているSiO2膜14を除去する(図5(e)参照)。次いで、基板13の上面13a及び多孔質部11a,11bの下面に当たる部分以外の流路基板13の下面13bに、ドライフィルムフォトレジスト17を貼り付ける(図5(f)参照)。そして、水酸化テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)水溶液中で湿式異方性エッチングを行う(図5(g)参照)。その後、再びドライフィルムフォトレジスト17を除去することによって、流路内に多孔質部11a,11bを備えた流路基板1が形成される(図5(h)参照)。
Next, the manufacturing method of the
5A to 5H are process diagrams showing a method for manufacturing the
First, the SiO 2 film 14 is formed by sputtering on the
一方、第一の蓋基板2は以下の手順で製造する。
図示しないが、例えば、まず基板の上面(流路溝と反対側の面)に薄膜ヒータ23をフォトリソグラフィー法にて形成する。その後ガラス基板等の下面に、予めサンドブラスト等で所定の形状に流路溝21を形成しておき、流路溝21が設けられている下面にドライフィルムフォトレジストを貼り付ける。次に、フォトリソグラフィー法によりドライフィルムフォトレジストの流路溝21に対応する部分を除去する。次いで、触媒層22を基板の上面に形成する。触媒層22は、例えば、Pd/ZnO触媒からなる触媒粒子を分散媒に分散させた触媒溶液を基板の上面にコーティングすることによって形成される。分散媒には必要に応じて、触媒粒子を分散性を高めるための分散剤や、分散した触媒粒子が凝集し沈降しないようにする増粘剤等を用いても良い。
コーティングした触媒溶液が乾燥したら、ピーリング(引き剥がし)法を用いてドライフィルムフォトレジストとともにその上面に付着した触媒層を基板から剥離する。このとき、流路溝21の内壁に担持されている触媒は触媒層22として残る。剥離後は必要があればピーリング法により残ったドライフィルムフォトレジストのわずかな残渣(スカム)をプラズマアッシングにより除去する(ディスカム)。このようにして第一の蓋基板2を形成する。
On the other hand, the
Although not shown, for example, first, the
When the coated catalyst solution is dried, the catalyst layer attached to the upper surface of the dry film photoresist is peeled off from the substrate using a peeling (peeling) method. At this time, the catalyst supported on the inner wall of the
上述のようにして形成した流路基板1の上面1aに、図4に示すように、第一の蓋基板2を接合させ、流路基板1の下面1bに第二の蓋基板3を接合させることによって反応器10を製造する。流路基板1と第一の蓋基板2及び流路基板1と第二の蓋基板3との接合は、例えば陽極接合や蝋付け等の接合方法により行うことができる。
As shown in FIG. 4, the
(変形例)
流路基板は上述した流路基板1に限らず、以下に示す手順によって製造した流路基板1Aとしても良い。図6(a)〜(g)は、流路基板1Aの製造方法を示した工程図である。
この流路基板1Aは、図6(g)に示すように、上記流路基板1と異なり、圧損部材として多孔質部11a,11bの代わりに多数の微細孔17A,17A,…を有する構成となっている。このような流路基板1Aとしては、シリコン基板を用いることが好ましく、上記流路基板1のようにn型シリコン基板でなくとも良い。また、厚さとしては例えば600μm程度が好ましい。
流路基板1Aの製造方法としては、まず、図6(a)のように基板13Aの上面13aAにドライフィルムフォトレジスト15Aを貼り付け、フォトリソグラフィー法によりパターニングを行う(図6(b)参照)。その後、Deep RIE(Reactive Ion Etching)によって基板13Aの上面13aAの一部を図6(c)のように深堀エッチングを行う。これによって微細孔17A,17A,…が形成される。次いで、ドライフィルムレジスト15Aを除去する(図6(d)参照)。次いで、基板13Aの上面13aA及び下面13bAに、再度ドライフィルムフォトレジスト16Aを貼り付け、下面13bAの微細孔17A,17A,…に対応した位置が開口するようにレジストパターニングをおこなった後(図6(e)参照)、水酸化テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)水溶液中で湿式異方性エッチングを行う(図6(f)参照)。その後、再び上下面13aA,13bAのドライフィルムレジスト16Aを除去することによって流路内に多数の微細孔17A,17A,…を備えた流路基板1Aが形成される(図6(g)参照)。
(Modification)
The flow path substrate is not limited to the
As shown in FIG. 6 (g), the
As a manufacturing method of the
[発電システム]
次に、反応器10を用いた発電システム200について説明する。
図7は、発電システム200の概略構成を示したブロック図である。
この発電システム200は、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たものであり、電子機器本体210を動作させるための電源として用いられる。
[Power generation system]
Next, the
FIG. 7 is a block diagram illustrating a schematic configuration of the
The
発電システム200は、メタノール等の燃料と水を別々に又は混合した状態で貯留した燃料容器201と、燃料容器201から供給された燃料と水を気化させる気化器202と、気化器202から供給された燃料と水の混合気から下記化学反応式(1)によって水素を含む改質ガスを生成する改質器(反応器)203と、改質器203から供給された改質ガス中の副生成物の一酸化炭素を下記化学反応式(2)のように酸化させることで改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器204と、一酸化炭素除去器204から後述の第三のON−OFFバルブV3を介して供給された生成ガス(一酸化炭素除去器204で、一酸化炭素除去された改質ガス)に含まれる水素ガスと外気の酸素ガスとの電気化学反応により電気エネルギーを生成する発電セル205と、改質器203、一酸化炭素除去器204を加熱して化学反応式(1)、(2)の反応を良好に行うために必要な温度に設定する燃焼触媒が設けられた触媒燃焼器206と、外気の空気を吸引するとともに吸引した空気を一酸化炭素除去器204及び燃料電池型発電セル205に供給するエアポンプP2を備える。
The
CH3OH+H2O→3H2+CO2 …(1)
2CO+O2→2CO2 …(2)
CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2 (1)
2CO + O 2 → 2CO 2 (2)
上記化学反応式(1)で示される反応が生じる改質器203として、上述の反応器10を用いることができる。
The
なお、燃料容器201に貯留された燃料は、メタノールの代わりに、エタノール等のアルコール類やジメチルエーテル等のエーテル類やガソリン等の炭化水素といった水素原子を含む有機化合物が適用可能である。
As the fuel stored in the
発電セル205は、図示しないが、触媒微細粒子を担持した燃料極と、触媒微粒子を担持した空気極と、燃料極と空気極との間に介在されたフィルム状の固体高分子電解質膜と、を備えている。発電セル205の燃料極には、一酸化炭素除去器204から第三のON−OFFバルブV3を介して、生成ガスが供給されており、発電セル205の空気極には、エアポンプP2から空気が供給されている。燃料極において、電気化学反応式(3)に示すように、生成ガス中の水素は、燃料極の触媒粒子の作用を受けて水素イオンと電子とに分離される。水素イオンは、固体高分子電解質膜を通じて酸素極に伝導し、電子は燃料極により取り出される。酸素極において、電気化学反応式(4)に示すように、固体高分子電解質膜を通過した水素イオンと、外部回路を通って燃料極から酸素極に移動した電子と、空気中の酸素とが反応して水が生成される。このときの電子の移動が電気エネルギーとなる。
なお、燃料極側では未反応の多くの水素はオフガスとして触媒燃焼器206に送られて燃焼される。
H2→2H++2e-・・・(3)
2H++1/2O2+2e-→H2O・・・(4)
Although not shown, the
On the fuel electrode side, a lot of unreacted hydrogen is sent to the
H 2 → 2H + + 2e − (3)
2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O (4)
また、燃料容器201と気化器202との間には、燃料容器201から気化器202に燃料を送り込む燃料ポンプP1、流量センサS及び第一のON−OFFバルブV1が順に接続され、一酸化炭素除去器204と触媒燃焼器206との間には第二のON−OFFバルブV2が接続され、一酸化炭素除去器204と発電セル205との間には第三のON−OFFバルブV3が接続されている。さらに、発電セル205や一酸化炭素除去器204、触媒燃焼器206に空気を供給するエアポンプP2を備え、エアポンプP2と一酸化炭素除去器204との間には第一の可変バルブV11、エアポンプP2と触媒燃焼器206との間には第二の可変バルブV12が接続されている。
第一のON−OFFバルブV1は、その開閉動作で燃料容器201から気化器202への燃料の流通を遮断又は許容するようになっており、発電システム200の起動時に開放して燃料を流通させ、停止時に閉鎖して燃料の流通を遮断する。
第二のON−OFFバルブV2は、その開閉動作で一酸化炭素除去器204から触媒燃焼器206への水素ガスの流通を遮断又は許容するようになっており、発電システム200の起動時に閉鎖して水素ガスの流通を遮断し、停止時に開放して水素ガスを流通させる。
第三のON−OFFバルブV3は、その開閉動作で一酸化炭素除去器204から発電セル205への水素ガスの流通を遮断又は許容するようになっており、発電システム200の起動時に開放して水素ガスを流通させ、停止時に閉鎖して水素ガスの流通を遮断する。
また、第一の可変バルブV11は、その開閉動作でエアポンプP2から一酸化炭素除去器204への空気の流通を遮断又は流量調整を行っており、第二の可変バルブV12は、その開閉動作でエアポンプP2から発電セル205への空気の流通を遮断又は流量調整を行っている。
Further, between the
The first ON-OFF valve V1 is configured to shut off or allow the flow of fuel from the
The second ON-OFF valve V2 is configured to shut off or permit the flow of hydrogen gas from the
The third ON-OFF valve V3 is configured to shut off or permit the flow of hydrogen gas from the
Also, the first variable valve V11 shuts off or adjusts the flow of air from the air pump P2 to the
なお、燃料ポンプP1、エアポンプP2はドライバを介して制御部209に電気的に接続されている。制御部209は、例えば汎用のCPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)等から構成されているもので、燃料ポンプP1、エアポンプP2に制御信号を送信し、燃料ポンプP1及びエアポンプP2の各ポンピング動作(送出量の調整を含む。)を制御するようになっている。
また、制御部209には、第一〜第三のON−OFFバルブV1〜V3、第一及び第二の可変バルブV11,V12がドライバを介して電気的に接続され、流量センサSも電気的に接続されている。制御部209は流量センサSの測定結果を受けて燃料及び水の流量を認識することができるとともに、第一〜第三のON−OFFバルブV1〜V3、第一及び第二の可変バルブV11,V12の開閉動作(開き量の調整を含む。)を制御することができるようになっている。
さらに、制御部209には、気化器202、改質器203、一酸化炭素除去器204及び触媒燃焼器206をそれぞれ加熱する電気ヒータがドライバを介して電気的に接続され、電気ヒータの発熱量とその停止とを制御するとともに、温度によって変化する電気ヒータの抵抗値等の電気的特性を計測することによって各反応器202,203,204,206の温度を検出している。
The fuel pump P1 and the air pump P2 are electrically connected to the
The
Furthermore, an electric heater for heating the
また、発電システム200は、発電セル205により生成された電気エネルギーを適切な電圧に変換するDC/DCコンバータ207と、DC/DCコンバータ207に接続される2次電池208も備える。これらDC/DCコンバータ207及び2次電池208は制御部209に接続されて、電子機器本体210に安定して電気エネルギーが供給されるように制御されている。
DC/DCコンバータ207は発電セル205により生成された電気エネルギーを適切な電圧に変換したのちに電子機器本体210に供給する機能の他に、発電セル205により生成された電気エネルギーを2次電池208に充電し、発電セル205側が運転されていない時に、電子機器本体210に2次電池208側から電気エネルギーを供給する機能も果たせるようになっている。
The
The DC /
次に、発電システム200の動作について説明する。
発電システム200が作動し、制御部209が燃料ポンプP1及びエアポンプP2を作動させ、さらに電気ヒータを発熱させる。ここで、発電システム200の作動は外部電子機器から通信用端子、通信用電極を介して制御部209に作動信号が入力されることによって開始する。
Next, the operation of the
The
燃料ポンプP1が作動すると、第一のON−OFFバルブV1を介して燃料容器201内の燃料が気化器202に向けて送られた後、気化器202で供給された燃料が加熱されて気化(蒸発)し、メタノール及び水(水蒸気)の混合気となって改質器203に供給される。改質器203では、混合気中のメタノールと水蒸気が触媒により反応して二酸化炭素及び水素を含む改質ガスが生成される(上記化学反応式(1)参照)。また、改質器203では、化学反応式(1)についで逐次的に一酸化炭素が生成される(上記化学反応式(2)参照)。そして、改質器203で生成された一酸化炭素、二酸化炭素及び水素等からなる改質ガスが一酸化炭素除去器204に供給される。
When the fuel pump P1 is operated, the fuel in the
一酸化炭素除去器204では、改質器203から供給された改質ガス中の一酸化炭素と、第一の可変バルブV11を介して供給された空気に含まれる酸素とが反応して二酸化炭素が生成される(上記化学反応式(3)参照)。
In the
このように気化器202、改質器203及び一酸化炭素除去器204を経て水素と二酸化炭素等を含む生成ガスが生成され、生成ガスは、開放された第三のON−OFFバルブV3を介して、図示しない加湿器によって加湿された後、発電セル205の燃料極に供給される。
発電セル205の燃料極に供給された生成ガス中の水素が上記電気化学反応式(4)に示すように水素イオンと電子とに分離する。
In this way, a product gas containing hydrogen, carbon dioxide and the like is generated through the
Hydrogen in the product gas supplied to the fuel electrode of the
一方、エアポンプP2を介して図示しない加湿器によって加湿された空気が発電セル205の酸素極に供給される。酸素極に供給された空気は、空気中の酸素が上記電気化学反応式(5)に示すように水素イオンと電子と反応し、水が生成される。
On the other hand, air humidified by a humidifier (not shown) is supplied to the oxygen electrode of the
ここで、燃料極側では未反応の水素はオフガスとして触媒燃焼器206に送られて燃焼されて外部に排出される。
酸素極側では、供給された空気が副生成物である水とともに外部に排出される。
そして、発電セル205によって生成された電気エネルギーはDC/DCコンバータ207に供給され、DC/DCコンバータ207によって直流電流の所定電圧に変換され、外部電子機器に供給されるとともに二次電池208にも充電される。外部電子機器は、供給された電気エネルギーにより動作する。
Here, on the fuel electrode side, unreacted hydrogen is sent to the
On the oxygen electrode side, the supplied air is discharged to the outside together with water as a by-product.
The electric energy generated by the
一方、発電システム200の停止時には、第一のON−OFFバルブV1を閉鎖して燃料の供給を停止するとともに、第三のON−OFFバルブV3を閉鎖して第二のON−OFFバルブV2を開放する。これによって一酸化炭素除去器204から発電セル205に送られる生成ガスの流通が遮断されて触媒燃焼器206へと送られる。発電セル205にはエアポンプP2からの空気のみが供給される。
On the other hand, when the
以上のように、流路基板1と、第一及び第二の蓋基板2,3とを備え、流路基板1、第一及び第二の蓋基板2,3を接合することによって形成される反応流路12の供給口19a及び排出口19b側に多孔質部11a,11bが設けられているので、発電システム200の停止時に燃料の供給を停止させて、第三のON−OFFバルブV3を閉鎖するとともに第二のON−OFFバルブV2を開放することによって、生成ガスを触媒燃焼器206に送り込んだ場合に、改質器203の後段側の圧力損失が急激に減少しても、排出口19b側の多孔質部11bによって圧力変動を緩和することができ、改質ガスの急激な流速変化を低減することができる。その結果、改質反応は安定し、また改質器203内の触媒層22の剥離を防止することができる。
また、定常運転中に改質器203の前段側の圧力損失が急激に減少しても、供給口19a側の多孔質部11aによって圧力変動を緩和することができ、改質ガスの急激な流速変化を低減することができる。その結果、気化器202の脈動を緩和でき、改質反応が安定し、また、改質ガスの流量変動が安定することから触媒層22の剥離を防止することができる。
すなわち、反応器10を用いる反応の前段及び後段で発生した流体の圧力や流量などの急激な変動が起こっても、反応器10内の触媒反応を安定して行うことができ、また触媒層22の剥離を防止できる。
さらに、反応流路12内の供給口19a側及び排出口19b側に陽極化成法によって多孔質部11a,11bを設け、このような多孔質部11a,11bを設けた流路基板1と、第一及び第二の蓋基板2,3を接合することによって、容易に反応器10を製造することができるとともに、従来のように大型化することなく小型化も図れる。
As described above, the
Further, even if the pressure loss on the front stage side of the
That is, even if a sudden change occurs in the pressure or flow rate of the fluid generated before and after the reaction using the
Furthermore,
なお、反応器10を改質器203に適用した発電システムで詳述したが、もちろんこれに限定されず、例えば一酸化炭素除去器204、触媒燃焼器206にも適用できる。反応器10の供給口19a側及び排出口19b側に相当する部分に多孔質部11a、11bを形成したが、例えば、反応器10の後段に流体の急激な圧力変化、流量変化、流速変化を生じさせることが無ければ、供給口19a側の多孔質部11aだけでもよく、反応器10の前段に流体の急激な圧力変化、流量変化、流速変化を生じさせることが無ければ、供給口19b側の多孔質部11bだけでもよく、すなわち多孔質部11a、11bどちらか一方でも構わない。さらに発電システム200は、固体高分子型燃料電池システムで詳述したが、固体酸化物型燃料電池システムに用いても構わない。
In addition, although it explained in full detail in the electric power generation system which applied the
1 流路基板
2 第一の蓋基板
3 第二の蓋基板
10 反応器
11a,11b 多孔質部
12 反応流路
13 基板
1a,13a 上面
1b,13b 下面
17A 微細孔
18,21 流路溝
19a 供給口(入口)
19b 排出口(出口)
200 発電システム
203 改質器
205 発電セル
DESCRIPTION OF
19b Discharge port (exit)
200
Claims (6)
前記複数の基板の少なくとも一つの基板であって、少なくとも片側の面に形成された溝を有する第一の基板と、
前記第一の基板の前記片側の面と接合して、前記溝を覆うことによって反応流路を形成する第二の基板と、を備え、
前記第二の基板の前記反応流路の入口側及び出口側を形成する位置の少なくとも一方に、前記第二の基板の前記第一の基板と接合する面側と前記接合する面と反対の面側とが貫通する微細孔が設けられていることを特徴とする反応器。 In a reactor formed of multiple substrates and causing reaction of reactants,
A first substrate having at least one substrate of the plurality of substrates and having a groove formed on at least one surface;
A second substrate that is bonded to the one side surface of the first substrate and forms a reaction channel by covering the groove; and
At least one of the positions where the inlet side and the outlet side of the reaction channel of the second substrate are formed, the surface side of the second substrate to be bonded to the first substrate and the surface opposite to the surface to be bonded A reactor characterized by being provided with micropores through which the side passes.
前記複数の基板の少なくとも一つの基板である第一の基板の少なくとも片側の面に溝を形成し、
前記第一の基板と前記片側の面と接合して、前記溝を覆うことによって前記反応を起こす反応流路を形成する第二の基板の、前記第一の基板と接合することによって前記反応流路の入口側及び出口側を形成する位置の少なくとも一方に、前記第二の基板の前記第一の基板と接合する面側と前記接合する面と反対の面側とが貫通する微細孔を形成することを特徴とする反応器の製造方法。 In a method of manufacturing a reactor formed of a plurality of substrates and causing reaction of reactants,
Forming a groove on at least one surface of the first substrate which is at least one of the plurality of substrates;
The reaction flow by joining the first substrate to the first substrate of the second substrate that forms a reaction flow path for causing the reaction by joining the first substrate and the surface on one side. At least one of the positions forming the inlet side and the outlet side of the path is formed with a fine hole through which the surface side of the second substrate to be bonded to the first substrate and the surface side opposite to the surface to be bonded penetrate. A process for producing a reactor characterized by comprising:
電気化学反応により発電する発電セルと、を備えたことを特徴とする発電システム。 Reactor according to any one of claims 1 to 4,
A power generation system comprising: a power generation cell that generates power by an electrochemical reaction.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2008021215A JP2009179525A (en) | 2008-01-31 | 2008-01-31 | Reactor, method for manufacturing reactor, and power generation system |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013066885A (en) * | 2011-09-23 | 2013-04-18 | Imec | Method and device for thermal insulation of micro-reactors |
WO2013136970A1 (en) * | 2012-03-15 | 2013-09-19 | アルプス電気株式会社 | Flow path chip |
-
2008
- 2008-01-31 JP JP2008021215A patent/JP2009179525A/en active Pending
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