JP2015209576A - Reactor, operation method of reactor and reactor system - Google Patents
Reactor, operation method of reactor and reactor system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2015209576A JP2015209576A JP2014092806A JP2014092806A JP2015209576A JP 2015209576 A JP2015209576 A JP 2015209576A JP 2014092806 A JP2014092806 A JP 2014092806A JP 2014092806 A JP2014092806 A JP 2014092806A JP 2015209576 A JP2015209576 A JP 2015209576A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- reactor
- heat generating
- flow path
- solid electrolyte
- electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
Description
本願は、固体電解質を備える反応器に関する。本願は、固体電解質を備える反応器の運転方法にも関している。 The present application relates to a reactor comprising a solid electrolyte. The present application also relates to a method of operating a reactor comprising a solid electrolyte.
近年、クリーンなエネルギ源として水素が注目されている。水素を利用するデバイスとして、水素を用いて発電する燃料電池が知られている。よく知られているように、燃料電池は、アノードおよびカソードと、これらの間に挟まれた電解質とを備えている。電解質としては、例えばプロトン(水素イオン)を伝導可能な固体電解質を用いることができ、このような固体電解質として、ナフィオン(登録商標)などの固体高分子膜、ペロブスカイト型酸化物などが知られている。 In recent years, hydrogen has attracted attention as a clean energy source. As a device using hydrogen, a fuel cell that generates power using hydrogen is known. As is well known, a fuel cell includes an anode and a cathode and an electrolyte sandwiched therebetween. As the electrolyte, for example, a solid electrolyte capable of conducting protons (hydrogen ions) can be used. As such a solid electrolyte, a solid polymer film such as Nafion (registered trademark), a perovskite oxide, and the like are known. Yes.
また、ヒーターを備える燃料電池が知られている。特許文献1は、金属酸化物を焼結することによって形成されたヒーターを有する燃料電池を開示している(図1参照)。特許文献1に開示される燃料電池は、電解質膜として固体高分子膜を有している。特許文献1に開示される燃料電池では、酸素が供給される流路内をヒーターで加熱することによって、いわゆるフラッディング(flooding)の発生を抑制している。
In addition, a fuel cell including a heater is known.
燃料電池などの、固体電解質を有するデバイスにおいては、固体電解質の損傷を抑制してデバイスの信頼性を向上させることが求められている。 In a device having a solid electrolyte, such as a fuel cell, it is required to suppress the damage of the solid electrolyte and improve the reliability of the device.
本開示の例示的な実施形態として以下のものが提供される。 The following are provided as exemplary embodiments of the present disclosure.
第1流路および第2流路を有する反応器であって、前記反応器は、第1面および第2面を有する固体電解質と、前記第1面上に設けられた第1電極であって、第1触媒を有する第1電極と、前記第2面上に設けられた第2電極であって、第2触媒を有する第2電極と、一主面上に第1凹部を有する第1基板と、一主面上に第2凹部を有する第2基板と、複数の発熱部を有する発熱体とを備え、前記第1流路は、前記第1凹部が前記第1電極と対向するように前記第1基板を前記第1面上に配置することによって形成された流路であり、前記第2流路は、前記第2凹部が前記第2電極と対向するように前記第2基板を前記第2面上に配置することによって形成された流路であり、前記反応器の周辺部における発熱密度は、前記反応器の中心部における発熱密度よりも大きい、反応器。 A reactor having a first channel and a second channel, wherein the reactor comprises a solid electrolyte having a first surface and a second surface, and a first electrode provided on the first surface. A first electrode having a first catalyst; a second electrode provided on the second surface, the second electrode having a second catalyst; and a first substrate having a first recess on one main surface. And a second substrate having a second recess on one main surface, and a heating element having a plurality of heating portions, wherein the first flow path is arranged such that the first recess faces the first electrode. A flow path formed by disposing the first substrate on the first surface, wherein the second flow path is configured so that the second recess faces the second electrode so that the second recess faces the second electrode. A flow path formed by disposing on the second surface, and the heat generation density at the periphery of the reactor is at the center of the reactor. Greater than kicking heat density, reactor.
本開示の他の例示的な実施形態として以下のものが提供される。 Other exemplary embodiments of the present disclosure are provided as follows.
第1流路および第2流路を有する反応器の運転方法であって、前記第1流路および前記第2流路に、それぞれ、第1媒体および第2媒体を導入する工程と、前記第1媒体および前記第2媒体の導入の開始後に、前記反応器の周辺部および前記反応器の中心部を順に加熱する工程とを含む、反応器の運転方法。 A method of operating a reactor having a first channel and a second channel, the step of introducing a first medium and a second medium into the first channel and the second channel, respectively, And a step of sequentially heating the peripheral portion of the reactor and the central portion of the reactor after the introduction of the first medium and the second medium is started.
本開示のさらに他の例示的な実施形態として以下のものが提供される。 The following are provided as still other exemplary embodiments of the present disclosure.
第1流路および第2流路を有する反応器の運転方法であって、前記反応器の周辺部および中心部を加熱する工程と、前記第1流路への第1媒体の導入、および前記第2流路への第2媒体の導入を停止する工程と、前記第1媒体および前記第2媒体の導入の停止後に、前記反応器の中心部の加熱および前記反応器の周辺部の加熱を順に停止する工程とを含む、反応器の運転方法。 A method of operating a reactor having a first flow path and a second flow path, the step of heating a peripheral portion and a central portion of the reactor, introduction of a first medium into the first flow path, and After stopping the introduction of the second medium into the second flow path, and after stopping the introduction of the first medium and the second medium, heating of the central part of the reactor and heating of the peripheral part of the reactor are performed. A method of operating the reactor, including a step of sequentially stopping.
本開示によれば、固体電解質の損傷を抑制し得る反応器を提供することができる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a reactor that can suppress damage to a solid electrolyte.
本開示を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。 Before explaining the present disclosure, the knowledge on which the present disclosure is based will be described.
よく知られているように、固体電解質を備える反応器は、水蒸気、水素ガス、酸素ガス、メタノール、トルエンなどの反応物質が導入される流路を内部に有している。例えば燃料電池は、水素ガス、水蒸気などを導入するための流路と、酸素ガスを導入するための流路とを有している。これら2つの流路は、一般に、固体電解質を介して対向するように配置されている。また、前述したように、ヒーターを備える反応器が知られている。このような反応器においては、動作時、反応器全体がヒーターによって加熱される。これにより、流路内の反応物質も加熱される。 As is well known, a reactor equipped with a solid electrolyte has a flow path into which a reactant such as water vapor, hydrogen gas, oxygen gas, methanol, and toluene is introduced. For example, a fuel cell has a flow path for introducing hydrogen gas, water vapor, and the like, and a flow path for introducing oxygen gas. These two flow paths are generally arranged so as to face each other with a solid electrolyte interposed therebetween. Further, as described above, a reactor equipped with a heater is known. In such a reactor, in operation, the entire reactor is heated by a heater. Thereby, the reactant in the flow path is also heated.
しかしながら、反応器の温度分布が一様でないために、固体電解質を介して対向する一方の流路内の圧力と他方の流路内の圧力との間に大きな差が生じることがある。2つの流路間の圧力差が大きいと、流路間に配置された固体電解質に過度の応力が加わり、固体電解質が損傷することがある。特に、いずれかの流路内において反応物質の状態変化が生じると、流路内の圧力に急激な変化が生じるために、固体電解質が損傷を受け、反応器の信頼性が低下する。 However, since the temperature distribution in the reactor is not uniform, there may be a large difference between the pressure in one channel facing through the solid electrolyte and the pressure in the other channel. When the pressure difference between the two flow paths is large, an excessive stress is applied to the solid electrolyte disposed between the flow paths, and the solid electrolyte may be damaged. In particular, when a change in the state of the reactant occurs in any of the flow paths, a rapid change occurs in the pressure in the flow path, so that the solid electrolyte is damaged and the reliability of the reactor is lowered.
本願発明者は、流路内の圧力変化に起因する固体電解質の損傷を抑制すべく検討した。その過程において、反応器の中心部と周辺部との間の温度差に着目した。 The inventor of the present application studied to suppress the damage of the solid electrolyte due to the pressure change in the flow path. In the process, attention was paid to the temperature difference between the central part and the peripheral part of the reactor.
一般に、反応器の周辺部は、外気と接触する面積が大きく、反応器の中心部と比較して温度が低下しやすい。また、反応器の周辺部には、反応物質を導入するための流体入口および反応物質を排出するための流体出口が設けられることから、反応器の周辺部では、反応物質の導入および排出に伴う温度低下が生じやすい。反応器の周辺部における温度が低いと、流路の端部、すなわち流体入口近傍または流体出口近傍の温度が低下する。流路の端部における温度が低下すると、流路の端部において反応物質の凝縮または凝固が起こり、流路が閉塞することがある。なお、本明細書における「閉塞」には、流路が完全にふさがれた状態だけではなく、流路の断面積が減少した状態も含まれる。流路の閉塞によって気体状態の反応物質が流路の中心部に閉じ込められたまま反応器が加熱されると、気体状態の反応物質の膨張によって、流路内の圧力が上昇する。このような圧力上昇による2つの流路間の圧力差の拡大は、固体電解質の破損を引き起こす。なお、本明細書において、「流路の中心部」または「流路の中心付近」は、流路の端部を除いた部分を意味する。 In general, the peripheral part of the reactor has a large area in contact with the outside air, and the temperature tends to decrease compared to the central part of the reactor. In addition, a fluid inlet for introducing the reactant and a fluid outlet for discharging the reactant are provided in the peripheral portion of the reactor, so that the reactant is introduced and discharged in the peripheral portion of the reactor. Temperature drop is likely to occur. If the temperature at the periphery of the reactor is low, the temperature at the end of the flow path, that is, near the fluid inlet or near the fluid outlet is lowered. When the temperature at the end of the flow path decreases, the reactants may condense or solidify at the end of the flow path, and the flow path may be blocked. Note that “blocking” in this specification includes not only a state where the flow path is completely blocked, but also a state where the cross-sectional area of the flow path is reduced. When the reactor is heated while the gaseous reactant is confined in the center of the channel due to the blockage of the channel, the pressure in the channel increases due to the expansion of the gaseous reactant. The expansion of the pressure difference between the two flow paths due to such a pressure increase causes damage to the solid electrolyte. In this specification, “the center of the channel” or “near the center of the channel” means a portion excluding the end of the channel.
本願発明者は、さらに、上記のような流路内の圧力変化に起因する固体電解質の損傷が、反応器の動作時だけではなく、反応器の運転開始時および運転停止時にも生じ得ることを見出した。 Further, the inventor of the present application shows that the damage of the solid electrolyte due to the pressure change in the flow path as described above can occur not only when the reactor is operated, but also when the reactor is started and stopped. I found it.
反応器の運転開始時、必要な温度に達するまで反応器全体の加熱が行われる。このとき、流路内に液体状態または固体状態の反応物質が存在していると、流路内の圧力に急激な変化が生じることがある。例えば流路の端部と比較して流路の中心部の温度上昇が早いと、流路の端部に存在する反応物質が液体状態または固体状態のまま、流路の中心部に存在する反応物質が気化する。すなわち、液体状態または固体状態の反応物質によって閉塞された流路の内部の圧力が急激に上昇する。したがって固体電解質に過度の応力が加わり、固体電解質が損傷を受けることがある。 At the start of the reactor operation, the entire reactor is heated until the required temperature is reached. At this time, if a reactant in a liquid state or a solid state is present in the flow path, a rapid change may occur in the pressure in the flow path. For example, if the temperature rises faster at the center of the flow path compared to the end of the flow path, the reaction substance present at the end of the flow path remains in a liquid or solid state and remains in the center of the flow path. The substance vaporizes. That is, the pressure inside the channel blocked by the liquid or solid reactant is rapidly increased. Therefore, excessive stress is applied to the solid electrolyte, and the solid electrolyte may be damaged.
反応器の運転停止後、反応器全体の温度は、室温まで低下する。このとき、例えば流路の中心部と比較して流路の端部の温度低下が早いと、流路の中心部に存在する反応物質が気体状態のまま、流路の端部に存在する反応物質が凝縮または凝固する。その後、流路の中心部の温度の低下により、流路の中心部に存在する反応物質が凝縮または凝固すると、液体状態または固体状態の反応物質によって閉塞された流路の内部の圧力が急激に減少する。したがって固体電解質に過度の応力が加わり、固体電解質が損傷を受けることがある。 After shutting down the reactor, the temperature of the entire reactor drops to room temperature. At this time, for example, if the temperature drop at the end of the flow path is faster than that at the center of the flow path, the reaction substance present at the center of the flow path remains in the gaseous state and the reaction present at the end of the flow path. The substance condenses or solidifies. After that, when the reactant at the center of the channel condenses or solidifies due to a decrease in the temperature at the center of the channel, the pressure inside the channel blocked by the liquid or solid reactant rapidly increases. Decrease. Therefore, excessive stress is applied to the solid electrolyte, and the solid electrolyte may be damaged.
以上に説明したように、反応器における温度ばらつきが大きいと、一方の流路内の圧力と他方の流路内の圧力との間に大きな差が生じ、固体電解質が損傷を受けることがある。特に、固体電解質の一方の主面側に導入される反応物質の沸点(または融点)と、他方の主面側に導入される反応物質の沸点(または融点)とが大きく異なっていると、前述の固体電解質の損傷が生じやすい。また、反応器の運転開始時および運転停止時の温度変化は、数百度に及ぶこともあり、反応器の運転開始時および運転停止時における固体電解質の損傷を抑制することが望ましい。なお、上述したような事情から、従来、固体電解質を薄膜化することは困難であった。 As described above, if the temperature variation in the reactor is large, a large difference occurs between the pressure in one flow path and the pressure in the other flow path, and the solid electrolyte may be damaged. In particular, if the boiling point (or melting point) of the reactant introduced into one main surface side of the solid electrolyte is greatly different from the boiling point (or melting point) of the reactant introduced into the other principal surface side, The solid electrolyte is easily damaged. Further, the temperature change at the start and stop of the reactor can reach several hundred degrees, and it is desirable to suppress damage to the solid electrolyte at the start and stop of the reactor. Note that it has been difficult to reduce the thickness of the solid electrolyte from the above-described circumstances.
本願発明者は、上記の知見に基づき、固体電解質の損傷を抑制すべく鋭意検討を行った。その結果、固体電解質の損傷を抑制し得る、信頼性の向上された反応器を見出した。 Based on the above findings, the present inventor has intensively studied to suppress damage to the solid electrolyte. As a result, the inventors have found a highly reliable reactor that can suppress damage to the solid electrolyte.
まず、本発明の一態様の概要を説明する。 First, an overview of one embodiment of the present invention will be described.
本発明の一態様である反応器は、第1流路および第2流路を有する反応器であって、反応器は、第1面および第2面を有する固体電解質と、第1面上に設けられた第1電極と、第2面上に設けられた第2電極と、一主面上に第1凹部を有する第1基板と、一主面上に第2凹部を有する第2基板と、複数の発熱部を有する発熱体とを備える。第1電極は、第1触媒を有する。第2電極は、第2触媒を有する。第1流路は、第1凹部が第1電極と対向するように第1基板を第1面上に配置することによって形成された流路である。第2流路は、第2凹部が第2電極と対向するように第2基板を第2面上に配置することによって形成された流路である。反応器の周辺部における発熱密度は、反応器の中心部における発熱密度よりも大きい。 A reactor which is one embodiment of the present invention is a reactor having a first flow path and a second flow path, the reactor including a solid electrolyte having a first surface and a second surface, and a first surface on the first surface. A first electrode provided; a second electrode provided on a second surface; a first substrate having a first recess on one main surface; and a second substrate having a second recess on one main surface; And a heating element having a plurality of heating parts. The first electrode has a first catalyst. The second electrode has a second catalyst. The first channel is a channel formed by disposing the first substrate on the first surface so that the first recess faces the first electrode. The second channel is a channel formed by disposing the second substrate on the second surface so that the second recess faces the second electrode. The exothermic density at the periphery of the reactor is greater than the exothermic density at the center of the reactor.
ある態様において、複数の発熱部は、第1面と略平行な面内において順に隣接するように配列された第1、第2および第3発熱部を含む。第1発熱部と第2発熱部との間の間隔は、第2発熱部と第3発熱部との間の間隔と異なっていてもよい。 In one embodiment, the plurality of heat generating portions include first, second, and third heat generating portions arranged so as to be adjacent in order in a plane substantially parallel to the first surface. The distance between the first heat generating part and the second heat generating part may be different from the distance between the second heat generating part and the third heat generating part.
ある態様において、第1発熱部は、第2発熱部よりも中心部に近い位置に配置されている。また、第3発熱部は、第2発熱部よりも中心部から遠い位置に配置されている。第3発熱部と第2発熱部との間の間隔は、第1発熱部と第2発熱部との間の間隔よりも小さくてもよい。 In a certain aspect, the 1st heat generating part is arrange | positioned in the position nearer the center part than the 2nd heat generating part. Further, the third heat generating part is arranged at a position farther from the center than the second heat generating part. The distance between the third heat generating part and the second heat generating part may be smaller than the distance between the first heat generating part and the second heat generating part.
ある態様において、複数の発熱部は、第1面と略平行な面内において互いに隣接するように配列された第1および第2発熱部を含む。第1発熱部の幅は、第2発熱部の幅と異なっていてもよい。 In one embodiment, the plurality of heat generating portions include first and second heat generating portions arranged so as to be adjacent to each other in a plane substantially parallel to the first surface. The width of the first heat generating part may be different from the width of the second heat generating part.
ある態様において、第1発熱部は、第2発熱部よりも中心部に近い位置に配置されている。第2発熱部の幅は、第1発熱部の幅よりも小さくてもよい。 In a certain aspect, the 1st heat generating part is arrange | positioned in the position nearer the center part than the 2nd heat generating part. The width of the second heat generating part may be smaller than the width of the first heat generating part.
ある態様において、複数の発熱部は、第1面と略平行な面内において互いに隣接するように配列された第1および第2発熱部を含む。第1発熱部の電気抵抗率は、第2発熱部の電気抵抗率と異なっていてもよい。 In one embodiment, the plurality of heat generating portions include first and second heat generating portions arranged so as to be adjacent to each other in a plane substantially parallel to the first surface. The electrical resistivity of the first heat generating part may be different from the electrical resistivity of the second heat generating part.
ある態様において、第1発熱部は、第2発熱部よりも中心部に近い位置に配置されている。第2発熱部の電気抵抗率は、第1発熱部の電気抵抗率よりも大きくてもよい。 In a certain aspect, the 1st heat generating part is arrange | positioned in the position nearer the center part than the 2nd heat generating part. The electrical resistivity of the second heat generating part may be larger than the electrical resistivity of the first heat generating part.
複数の発熱部は、第1基板の主面のうち第1面と対向する側とは反対側の主面上に設けられていてもよい。 The plurality of heat generating portions may be provided on a main surface opposite to the side facing the first surface of the main surface of the first substrate.
複数の発熱部は、第1凹部の表面上に設けられていてもよい。 The plurality of heat generating portions may be provided on the surface of the first recess.
複数の発熱部は、第1面と、第1基板の第1凹部を有する主面の第1凹部以外の部分との間に設けられていてもよい。 The plurality of heat generating portions may be provided between the first surface and a portion other than the first concave portion of the main surface having the first concave portion of the first substrate.
ある態様において、反応器は、第1流路内に配置されたセンサをさらに備える。センサは、温度センサ、圧力センサまたは変形センサであり得る。 In certain embodiments, the reactor further comprises a sensor disposed in the first flow path. The sensor can be a temperature sensor, a pressure sensor or a deformation sensor.
センサは、第1面上に配置されていてもよい。 The sensor may be disposed on the first surface.
センサは、第1流路の端部近傍に配置されていてもよい。 The sensor may be disposed near the end of the first flow path.
本発明の他の一態様である反応器の運転方法は、第1流路および第2流路を有する反応器の運転方法であって、第1流路および第2流路に、それぞれ、第1媒体および第2媒体を導入する工程と、第1媒体および第2媒体の導入の開始後に、反応器の周辺部および反応器の中心部を順に加熱する工程とを含む。 A reactor operating method according to another aspect of the present invention is a reactor operating method having a first flow path and a second flow path, wherein the first flow path and the second flow path are respectively connected to the first flow path and the second flow path. A step of introducing the first medium and the second medium, and a step of sequentially heating the peripheral portion of the reactor and the central portion of the reactor after the start of introduction of the first medium and the second medium.
本発明のさらに他の一態様である反応器の運転方法は、第1流路および第2流路を有する反応器の運転方法であって、反応器の周辺部および中心部を加熱する工程と、第1流路への第1媒体の導入、および第2流路への第2媒体の導入を停止する工程と、第1媒体および第2媒体の導入の停止後に、反応器の中心部の加熱および反応器の周辺部の加熱を順に停止する工程とを含む。 A reactor operating method according to still another aspect of the present invention is a reactor operating method having a first flow path and a second flow path, the step of heating a peripheral portion and a central portion of the reactor; A step of stopping the introduction of the first medium into the first flow path and the introduction of the second medium into the second flow path, and after stopping the introduction of the first medium and the second medium, Heating and heating the periphery of the reactor in turn.
反応器の運転方法は、センサの出力値を取得する工程と、出力値に応じた電力を発熱体に供給する工程とを含んでいてもよい。 The operation method of the reactor may include a step of acquiring an output value of the sensor and a step of supplying electric power corresponding to the output value to the heating element.
本発明のさらに他の一態様である反応器システムは、上記のいずれかに記載の反応器と、センサの出力値に応じて発熱体に供給する電力を制御する制御部とを備える。 The reactor system which is another one aspect | mode of this invention is equipped with the reactor in any one of said, and the control part which controls the electric power supplied to a heat generating body according to the output value of a sensor.
ある態様において、反応器システムは、基準値を格納するメモリをさらに備える。制御部は、出力値と基準値とを比較し、比較結果に基づいて、発熱体に供給する電力の大きさを変更してもよい。 In certain embodiments, the reactor system further comprises a memory that stores the reference value. The control unit may compare the output value with the reference value and change the magnitude of the power supplied to the heating element based on the comparison result.
以下、図面を参照しながら、本発明の例示的な実施形態を説明する。以下の説明において、実質的に同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、説明を省略することがある。 Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, components having substantially the same function are denoted by common reference numerals, and description thereof may be omitted.
(実施の形態1)
図1および図2は、本発明の実施の形態1における反応器の模式的な断面図である。参考のため、図1および図2には、互いに直交するX軸、Y軸およびZ軸が示されている。図1および図2は、それぞれ、ZX面に平行な面で反応器を切断したときの断面およびXY面に平行な面で反応器を切断したときの断面を示している。図1は、図2のB−B’線断面図である。なお、他の図においても、X軸、Y軸およびZ軸を示すことがある。
(Embodiment 1)
1 and 2 are schematic cross-sectional views of the reactor according to
図1に示す反応器100は、固体電解質101と、第1電極103aと、第2電極103bと、上側基板102aと、下側基板102bと、発熱体105および106とを備える。図1に例示する構成では、発熱体105は、上側基板102aの2つの主面のうち、固体電解質101の一方の主面S1と対向する側とは反対側の主面Sc上に設けられている。図示するように、典型的には、発熱体105の厚さ(図のZ方向に沿った高さ)は、概ね均一である。また、発熱体106は、下側基板102bの2つの主面のうち、固体電解質101の他方の主面S2と対向する側とは反対側の主面Sd上に設けられている。典型的には、発熱体106の厚さは、概ね均一である。
A
図1に例示する構成において、第1電極103aは、固体電解質101の主面S1上に設けられている。第2電極103bは、固体電解質101の主面S2上に設けられている。上側基板102aは、一主面上に凹部107aを有しており、上側基板102aは、凹部107aが第1電極103aと対向するようにして固体電解質101の主面S1上に配置されている。これにより、反応器100の内部に第1流路104aが形成されている。すなわち、第1流路104aは、第1電極103aを内部に有する流路である。同様に、下側基板102bは、一主面上に凹部107bを有しており、下側基板102bは、凹部107bが第2電極103bと対向するようにして固体電解質101の主面S2上に配置されている。これにより、反応器100の内部に第2流路104bが形成されている。第2流路104bは、第2電極103bを内部に有する流路である。第1流路104aおよび第2流路104bのそれぞれは、その内部に導入される物質の反応のための空間であるということができる。
In the configuration illustrated in FIG. 1, the
図2は、図に示すZ軸方向から見たときの第1流路104aおよび第1電極103aの例示的な形状を模式的に示している。図示する例では、反応器100内において、第1流路104aは、メアンダ状に形成されている。また、第1電極103aは、第1流路104aと同様にメアンダ状に形成されている。第1流路104aの両端部には、第1流路104aに連通する開口部108aおよび108bが形成されている。開口部108aおよび108bは、それぞれ、流体入口および流体出口として機能する。つまり、開口部108aを介して、第1流路104a内(ここでは上側基板102aと固体電解質101の主面S1との間に形成された空間内)に、水素ガス、水蒸気などの流体を導入することができる。また、開口部108bを介して、第1流路104a内の流体を反応器100の外部に排出することができる。流体入口および流体出口の配置は前述の例に限定されず、例えば開口部108aおよび108bを、それぞれ、流体出口および流体入口として機能させてもよい。
FIG. 2 schematically shows exemplary shapes of the
なお、反応器100では、第2流路104bは、固体電解質101を介して第1流路104aと対向するように形成されている(図1参照)。すなわち、ここでは、第2流路104bは、第1流路104aと同様のメアンダ状に形成されており、その両端部に開口部(不図示)を有している。第2電極103bも、第2流路104bと同様にメアンダ状に形成されている。
In the
後に詳しく説明するように、第1電極103aは、触媒を有する電極である。また、第2電極103bも、触媒を有する電極である。反応器100は、例えば燃料電池として機能することができる。反応器100が例えば燃料電池として機能するとき、第1電極103aおよび第2電極103bは、それぞれ、例えばカソードおよびアノードとして機能する。以下では、第1電極103aおよび第2電極103bを、それぞれ、カソード103aおよびアノード103bと呼ぶことがある。
As will be described in detail later, the
図3は、反応器100の模式的な上面図である。図3のB−B’線断面は、図1に示す断面と同様である。前述したように、反応器100は、発熱体105を備えている。なお、図1に示す発熱体106(図3において不図示)は、発熱体105と同様の構成を有し得る。重複を避けるため、以下では発熱体106の説明を省略することがある。
FIG. 3 is a schematic top view of the
図3に例示する構成において、発熱体105は、図のY方向に沿って延びる複数の発熱部(ここでは発熱部105a、105bおよび105c)を有している。図3に示すように、ここでは、上側基板102の上面から見たときの発熱部の間隔は、不等間隔である。図示する構成において、複数の発熱部は、反応器100の周辺部において、中心部と比較してより密に配置されている。言い換えれば、反応器100の周辺部における発熱密度は、反応器100の中心部における発熱密度よりも大きい。本明細書における「発熱密度」は、固体電解質の主面と垂直な方向から反応器を見たときの単位面積あたりにおける単位時間あたりに発生する熱量を意味する。本明細書における「発熱密度」が定義される領域は、発熱体上の領域に限定されず、発熱体とその外側の周辺部分も含む領域であり得る。
In the configuration illustrated in FIG. 3, the
本開示では、反応器の周辺部における発熱密度が、反応器の中心部における発熱密度よりも大きくなるように設定されている。後に詳しく説明するように、本開示によれば、反応器における温度ばらつきを抑制して、流路内の圧力変化に伴う固体電解質の損傷を抑制することが可能である。 In the present disclosure, the heat generation density in the peripheral part of the reactor is set to be larger than the heat generation density in the central part of the reactor. As will be described in detail later, according to the present disclosure, it is possible to suppress the temperature variation in the reactor and to suppress the damage of the solid electrolyte accompanying the pressure change in the flow path.
以下、本発明の例示的な実施形態における各部の構成および反応器の動作をより詳細に説明する。 Hereinafter, the structure of each part and operation | movement of a reactor in exemplary embodiment of this invention are demonstrated in detail.
<固体電解質>
固体電解質101の例は、プロトン伝導性を有する有機膜または固体酸化物である。例えば、固体電解質として、プロトン伝導性を有するペロブスカイト型酸化物(一般に、ABO3の化学式で表される)を用いることができる。立方晶の頂点に位置するAサイトに、Ba、SrおよびCaからなる群から選ばれる少なくとも一つのアルカリ土類金属、立方晶の体心に位置するBサイトに、Zr、Hf、Y、La、Ce、Gd、In、Ga、AlおよびRuからなる群から選ばれる少なくとも一つの元素、立方晶の面心に位置するサイトに、O(酸素)をそれぞれ配置することにより、良好なプロトン伝導体を得ることができる。BaZrO3を骨格に、Bサイトの一部をY(イットリウム)などで置換したペロブスカイト型酸化物を用いてもよい。ここでは、固体電解質101として、プロトン伝導性を有するペロブスカイト型酸化物を例示する。ただし、固体電解質101は、プロトン伝導体に限定されず、固体酸化物などから形成された酸素イオン導電体であってもよい。例えばイットリウム安定化ジルコニア(YSZ)などの固体酸化物を用いてもよい。固体電解質中のキャリアは、プロトンに限定されず、酸素イオンであってもよい。
<Solid electrolyte>
An example of the
固体電解質101の形成には、例えばスパッタリング法を用いることができる。固体電解質101の形成方法は、スパッタリング法に限定されず、PLD(Pulsed Laser Deposition)法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、またはMBE(Molecular Beam Epitaxy)などを用いることができる。
For example, a sputtering method can be used to form the
固体電解質101は、例えば、0.5μm以上2μm以下の範囲を有する。固体電解質101の厚さを0.5μm程度以上に設定することにより、固体電解質への欠陥の発生を抑制し得る。したがって、反応物質のリークの発生を抑制しつつ、十分なイオン伝導度を得ることが可能である。また、固体電解質101の厚さを2μm程度以下に設定することにより、膜厚が極端に大きい場合と比較して、成膜時の応力によるクラックなどの発生を抑制できる。
The
本開示によれば、流路内の圧力変化に伴う固体電解質の損傷を抑制することが可能であるので、前述の範囲の厚さを有する固体電解質を用いることも比較的容易である。固体電解質を薄膜化することにより、プロトン伝導率を向上させ得、例えば反応器100を燃料電池として用いる場合における発電効率を向上させ得る。
According to the present disclosure, it is possible to suppress the damage of the solid electrolyte accompanying the pressure change in the flow path, and therefore it is relatively easy to use the solid electrolyte having the thickness in the above range. By reducing the thickness of the solid electrolyte, proton conductivity can be improved. For example, power generation efficiency can be improved when the
<第1電極および第2電極>
第1電極103aおよび第2電極103bは、それぞれ、触媒を有している。例えば、反応器100を燃料電池として動作させる場合、第1電極103aは、酸素を還元する触媒を有し、カソードとして機能する。また、第2電極103bは、水素を酸化する触媒を有し、アノードとして機能する。
<First electrode and second electrode>
Each of the
第1電極103aは、例えば、プロトン透過性(伝導性)、電子伝導性および触媒機能を有する材料から構成される。このような材料の例は、白金(Pt)などの金属、SrRuO3などの固体酸化物などである。ここでは、メアンダ状にパターニングされた、厚さ20nmのPt膜を例示する。第1電極103aの幅(図1および図2中、矢印「w1」で示す幅)は、例えば150μmである。第1電極103aは、金属および固体酸化物の積層構造を有していてもよい。なお、第1電極103aは、プロトン透過性、電子伝導性および触媒機能の全てを備える単一の材料から形成されていなくてもよく、例えば、電子伝導性を備える電極と触媒との積層構造によって形成されてもよい。第2電極103bも、第1電極103aと同様の材料を用いて形成することができる。第1電極103aおよび第2電極103bに用いる材料は、反応器100の用途によって適宜変更することができる。第2電極103bは、第1電極103aと完全に同一の構成を有している必要はない。
The
<上側基板および下側基板>
上側基板102aの材料の例は、シリコン(Si)、ガラス、石英などである。上側基板102aは、固体電解質101の主面上に、PVD(Physical Vapor Deposition)、CVD、電鋳などにより形成された、酸化物(例えばSiO2)、窒化物(例えばSiN)、または金属(例えばニッケル(Ni))からなる層であってもよい。下側基板102bも上側基板102aと同様の材料を用いることができる。上側基板102aおよび下側基板102bの形状は、図1に例示されるようなプレート状に限定されず、段差、屈曲などを有する形状であり得る。
<Upper board and lower board>
Examples of the material of the
図1を参照して説明したように、反応器100は、第1流路104aおよび第2流路104bを有している。第1流路104aは、例えば、凹部107aを有する上側基板102aと固体電解質101とを接合することにより形成することができる。同様に、第2流路104bは、凹部107bを有する下側基板102bと固体電解質101とを接合することにより形成することができる。例えば上側基板102aまたは下側基板102bにシリコン基板を用いる場合、凹部(107aまたは107b)は、ドライエッチング、ウエットエッチングなどにより容易に形成できる。凹部とともに、流体入口および流体出口を形成してもよい。
As described with reference to FIG. 1, the
ここでは、上側基板102aおよび下側基板102bとして、厚さ1μmの熱酸化膜が形成された単結晶Si基板(厚さ約500μm)を用いる。上側基板102a上の凹部107aおよび下側基板102b上の凹部107bは、例えば、深掘りドライエッチング(Deep-RIE(Reactive Ion Etching))によって形成することができる。ドライエッチングにより凹部107aおよび凹部107bを形成する場合、図1に示すように、凹部107aおよび凹部107bの断面は矩形である。凹部107aおよび/または凹部107bの形成には、ウエットエッチングを用いてもよく、したがって、凹部107aおよび/または凹部107bの断面は、テーパ形状であってもよい。
Here, as the
凹部107aおよび凹部107bの幅(図1中、矢印「w2」で示す幅)および深さ(図1中、矢印「t」で示す深さ)は、それぞれ、例えば200μmおよび50μmである。つまり、図1に示す例では、第1流路104aおよび第2流路104bの幅は、200μmに設定されている。反応器100における流路のサイズは、反応器100の用途に応じて適宜選択される。ただし、第1電極103a、固体電解質101および第2電極103bの積層体の機械的強度を考慮して、反応器100における流路の幅を積層体の総厚の500倍程度以下に設定することが有益である。
The width (width indicated by the arrow “w2” in FIG. 1) and depth (depth indicated by the arrow “t” in FIG. 1) of the
上側基板102aおよび固体電解質101の接合には、陽極接合を用い得る。上側基板102aおよび固体電解質101の接合においては、凹部107aが第1電極103aと対向するようにして固体電解質101の主面S1上に上側基板102aを配置する。さらに、上側基板102aおよび固体電解質101を加熱および電圧印加しながら加圧する。これは、酸化物である固体電解質とSi基板表面に予め形成された熱酸化膜(図示せず)との間の拡散接合であり得る。接合表面の清浄性、平坦性が良好な場合には、このような直接接合を行い得る。下側基板102bおよび固体電解質101の接合も同様に行い得る。
Anodic bonding can be used for bonding the
なお、有機膜、酸化膜、金属層、ガラス層、メタライズされたセラミック層などから形成された接合層を介して、上側基板102aおよび/または下側基板102bと固体電解質101との間の接合を行ってもよい。例えば、接合の前に、上側基板102a(もしくは下側基板102b)または固体電解質101上にエポキシ樹脂、ガラス粉末(ガラスフリット)などを付与しておくことにより、接合層を介した接合を行うことができる。接合層を設けることにより、より強固な接合を行い得る。接合層の材料として絶縁材料を用いることにより、第1電極103aおよび第2電極103bと外部電源とを接続するための配線の設計の自由度も向上する。
Note that the bonding between the
第1流路104aおよび第2流路104bの形状は、メアンダ状に限定されない。第1流路104aおよび第2流路104bは、図2に例示するような連続した単一の流路として構成されていなくてもよい。
The shapes of the
図4は、独立した複数の第1流路を有する反応器100Aの構成の一例を示す模式的な上面図である。図4に示す反応器100Aは、2次元的に配置された複数の第1流路104Aを有する。また、反応器100Aは、複数の第1電極103Aを有している。第1電極103Aのそれぞれは、対応する第1流路104Aの内部において露出している。図示する例では、複数の第1流路104Aは、互いに独立した第1流路104xおよび第1流路104yを含んでいる。また、複数の第1電極103Aは、第1電極103xおよび第1電極103yを含んでいる。第1流路104xは、内部に第1電極103xを有し、第1流路104yは、内部に第1電極103yを有している。第1電極103A間は、典型的には、不図示の配線によって互いに接続される。第1流路104Aのそれぞれには、不図示の流体入口および流体出口が設けられる。第1流路104Aのそれぞれは、気密および水密が保たれており、各流路に導入される流体が互いに混じり合わないように構成されている。各第1流路の内部では、内部に導入された物質の反応が独立して進行する。図4のC−C’線断面は、図1に示す断面と同様であり得る。
FIG. 4 is a schematic top view showing an example of the configuration of a
<発熱体>
図1に示す発熱体105および106は、反応器100を加熱するヒーターである。発熱体105は、典型的には、電流の印加によって比較的大きな熱を発生させことのできる電気抵抗である。発熱体105の例は、多結晶シリコン、NiおよびCrを含有する合金などから形成された配線である。上側基板102aとしてSi基板などの導電体を用いる場合には、例えば発熱体105と上側基板102aとの間に、電気的短絡を防止するための電気絶縁体が配置され得る。ここでは、上側基板102aの熱酸化膜によって、発熱体105と上側基板102aとが電気的に分離されている。
<Heating element>
図3を参照する。前述したように、発熱体105は、複数の発熱部を有する。図3に例示する構成において、複数の発熱部は、図のX方向にこの順で隣接して配列された3つの発熱部105a、105bおよび105cを含む。図3に示す例では、発熱部105a、105bおよび105cのそれぞれは、独立した発熱体である。発熱部105a、105bおよび105cのそれぞれを構成する材料、幅および厚さは共通であり、ここでは、発熱部105a、105bおよび105cのそれぞれは、外部電源に電気的に並列に接続されている。なお、図3において、発熱体105に電力を供給する電源、および電源と発熱体105との間の接続線の図示は省略されている。他の図面においても、電源および接続線の図示を省略する。なお、発熱体105が有する複数の発熱部のそれぞれは、後に図を示して説明するように、単一の発熱体の一部分であり得る。
Please refer to FIG. As described above, the
反応器100の中心部に位置する発熱部と、反応器100の周辺部に位置する発熱部とが、互いに独立して制御可能に構成されていてもよい。例えば、反応器100の中心部に位置する発熱部と、反応器100の周辺部に位置する発熱部とが、別個のスイッチング素子に接続されていてもよい。すなわち、反応器100は、反応器100の中心部の加熱と、反応器100の周辺部の加熱とを独立して制御可能な構成を有し得る。
The heat generating part located in the central part of the
ここでは、複数の発熱部を有する発熱体105は、上側基板102aの主面Sc上に設けられている(図1参照)。つまり、複数の発熱部は、典型的には、固体電解質101の主面(例えば主面S1)に概ね平行な面内に配置される。発熱部105a、105bおよび105cのうち、発熱部105aは、反応器100の中心部に最も近い。ここで、発熱部105bと発熱部105cとの間の間隔(図3中、矢印「d23」で示す距離)は、発熱部105aと発熱部105bとの間の間隔(図3中、矢印「d12」で示す距離)よりも小さい。すなわち、反応器100の周辺部における発熱密度は、反応器100の中心部における発熱密度よりも大きい。そのため、例えば反応物質の流出入に伴う反応器100の周辺部の相対的な温度低下を抑制することができる。
Here, the
このように、反応器100の周辺部における発熱密度を、反応器100の中心部における発熱密度よりも大きくすることにより、反応器100における温度ばらつきを低減し得る。したがって、本開示によれば、第1流路104aおよび第2流路104bのうちの少なくとも一方の流路に気体状態の反応物質が導入される場合であっても、液体状態または固体状態の反応物質による流路の閉塞を抑制することができ、固体電解質に局所的な応力が加わることによる損傷の発生を抑制できる。また、反応器における温度ばらつきが低減されることにより、流路内の位置による反応効率のばらつきが低減され、より効率的な反応を実現することができる。
As described above, by making the heat generation density in the peripheral portion of the
<反応器の動作>
ここで、反応器100の動作および運転方法の一例を説明する。
<Reactor operation>
Here, an example of the operation and operation method of the
反応器100は、用いるカソード103aおよびアノード103bの組み合わせにより、種々の用途に使用することができる。反応器100は、燃料電池のほか、水素化装置、脱水素化装置、水素センサなどに使用することができる。ここでは、反応器100を用いて水蒸気の電解および被水素化物の水素化を行う例を説明する。以下では、水蒸気の電解および被水素化物の水素化に用いる装置を「水蒸気電解水素化装置」または簡単に「電解水素化装置」と呼ぶことがある。
The
反応器100を電解水素化装置として用いる場合には、水を含有する気体中の水素を酸化する触媒を含むアノードと、水素化触媒を含むカソードとを用いる。水を含有する気体中の水素を酸化する触媒、および水素化触媒の例は、Ptを含む金属または合金である。
When the
ここでは、水蒸気の電解によって得られる水素を用いてトルエン(C6H5CH3)を水素化する例を説明する。なお、第1流路104aの一方の開口部(流体入口)は、反応器100の外部において、反応物質(ここではトルエン)の貯蔵容器と接続されている。また、第2流路104bの一方の開口部(流体入口)は、反応器100の外部において、反応物質(ここでは水)の貯蔵容器と接続されている。
Here, an example of hydrogenating toluene (C 6 H 5 CH 3 ) using hydrogen obtained by electrolysis of steam will be described. Note that one opening (fluid inlet) of the
まず、第2流路104bに反応物質として例えば水蒸気を導入する。また、第1流路104aに例えばトルエンを導入する。さらに、カソード103aおよびアノード103bに外部電源を接続し、アノード−カソード間に電位差(例えば1.5V)を与える。アノード−カソード間に電位差が与えられることにより、固体電解質101は、例えばプロトンなどのキャリアをより効率的に伝導させる。
First, for example, water vapor is introduced as a reactant into the
第2流路104b内において水蒸気をアノード103bに接触させることにより、水蒸気(水)からプロトンが引き抜かれる。アノード103bにおいて生成したプロトンは、固体電解質101中を移動する。固体電解質101中のプロトンは、その濃度勾配、第2流路104bと第2流路104bに対向する第1流路104aとの間の(水素の)分圧差、またはアノード103bとカソード103aとの間に印加される電圧差の少なくともいずれかにより、カソード103aに到達する。トルエンをカソード103aに接触させることより、トルエンが水素化される。これにより、第1流路104a内にメチルシクロヘキサン(C6H11CH3)を得ることができる。
Protons are extracted from water vapor (water) by bringing water vapor into contact with the
水蒸気およびトルエンの導入後、電解水素化装置を加熱する。電解水素化装置の動作時、電解水素化装置の全体は、およそ300℃に保持される。電解水素化装置の加熱においては、電解水素化装置の周辺部および中心部をこの順に加熱する。その理由は以下のとおりである。 After the introduction of water vapor and toluene, the electrolytic hydrogenation apparatus is heated. During operation of the electrolytic hydrogenation apparatus, the entire electrolytic hydrogenation apparatus is maintained at approximately 300 ° C. In the heating of the electrolytic hydrogenation apparatus, the peripheral part and the central part of the electrolytic hydrogenation apparatus are heated in this order. The reason is as follows.
トルエン(およびメチルシクロヘキサン)は常温において液体である。例えば点検などのために電解水素化装置の運転を停止した後、運転を再開する場合、液体状態のトルエン(またはメチルシクロヘキサン)が第1流路104a内に残存していることがある。電解水素化装置の中心部を先に加熱すると、第1流路104aの中心付近のトルエン(およびメチルシクロヘキサン)が先に気化する。すなわち、液体状態のトルエン(またはメチルシクロヘキサン)によって第1流路104aの中心部に閉じ込められたトルエン(およびメチルシクロヘキサン)が気化することにより、第1流路104a内部の圧力が急激に上昇する。そうすると、第1流路104a内部の急激な圧力変化によって、固体電解質101が損傷するおそれがある。
Toluene (and methylcyclohexane) is a liquid at room temperature. For example, when the operation of the electrolytic hydrogenation apparatus is stopped for inspection or the like and then restarted, liquid toluene (or methylcyclohexane) may remain in the
本開示では、電解水素化装置の周辺部および中心部を順に加熱する。これにより、第1流路104aの中心部に気体状態のトルエン(またはメチルシクロヘキサン)が閉じ込められることがなく、固体電解質101の損傷を防止できる。
In the present disclosure, the peripheral part and the central part of the electrolytic hydrogenation apparatus are heated in order. As a result, gaseous toluene (or methylcyclohexane) is not confined in the central portion of the
電解水素化装置を停止する際には、まず、第1流路104aへのトルエンの導入と、第2流路104bへの水蒸気の導入を停止する。その後、電解水素化装置の中心部の加熱および電解水素化装置の周辺部の加熱をこの順に停止する。電解水素化装置の温度の低下に伴い、第1流路104a内部に存在するメチルシクロヘキサン(およびトルエン)は凝縮する。このとき、電解水素化装置の周辺部の加熱を先に停止すると、第1流路104aの端部においてメチルシクロヘキサン(およびトルエン)が凝縮し、第1流路104aが閉塞されるおそれがある。第1流路104aが閉塞された状態で、第1流路104aの中心部に存在する気体状態のメチルシクロヘキサン(およびトルエン)が凝縮すると、負圧が生じることにより、固体電解質101が損傷するおそれがある。電解水素化装置の中心部の加熱および電解水素化装置の周辺部の加熱を順に停止することにより、第1流路104aの中心部に気体状態のメチルシクロヘキサン(またはトルエン)が閉じ込められることがなく、固体電解質101の損傷を防止できる。
When stopping the electrolytic hydrogenation apparatus, first, the introduction of toluene into the
上記の運転方法を適用することにより、電解水素化装置の運転開始時および/または運転停止時における第2流路104b内部の圧力の急激な変化も防止し得る。このように、本開示によれば、反応器を加熱または冷却する過程において、液体または固体と、気体とが流路内に混在することを防止し得る。したがって、反応器の運転開始時または運転停止時における、気体状態の反応物質または反応生成物の流路への閉じ込めを防止し得、反応器の運転開始時または運転停止時における固体電解質の損傷を抑制することができる。
By applying the above operation method, it is possible to prevent a sudden change in the pressure inside the
なお、上述したような水素化反応は、一般に発熱反応である。流路内に反応物質(ここであトルエン)を流すことにより反応生成物(ここではメチルシクロヘキサン)を得る構成では、流路の端部と比較して、流路の中心付近において温度が上昇しやすい傾向がある。例えば流体出口の近傍では未反応の物質の割合が低く、流路の中心付近と比較して、水素化によって発生する反応熱の量は少ない。言い換えれば、流路の端部の温度が低下しやすく、流路の閉塞が生じやすいといえる。本開示によれば、反応器の周辺部における発熱密度が、反応器の中心部における発熱密度よりも大きくなるように設定されているので、流路内において生じる反応が発熱反応である場合に、より有利な効果が得られる。もちろん、流路内において生じる反応が吸熱反応であっても、固体電解質の損傷を抑制することができることに変わりはない。 The hydrogenation reaction as described above is generally an exothermic reaction. In a configuration in which a reaction product (here, methylcyclohexane) is obtained by flowing a reactant (here, toluene) through the channel, the temperature rises near the center of the channel compared to the end of the channel. It tends to be easy. For example, the ratio of unreacted substances is low near the fluid outlet, and the amount of reaction heat generated by hydrogenation is small compared to the vicinity of the center of the flow path. In other words, it can be said that the temperature at the end of the flow path is likely to decrease, and the flow path is likely to be blocked. According to the present disclosure, since the exothermic density in the peripheral part of the reactor is set to be larger than the exothermic density in the central part of the reactor, when the reaction occurring in the flow path is an exothermic reaction, A more advantageous effect can be obtained. Of course, even if the reaction occurring in the flow path is an endothermic reaction, damage to the solid electrolyte can be suppressed.
固体酸化物を固体電解質として用いた反応器においては、通常、トルエンの水素化は、400℃から800℃の温度域で達成される。これに対し、本発明の例示的な実施形態によれば、例えば300℃程度の温度において反応器を作動させてメチルシクロヘキサンなどのいわゆる有機ハイドライドを得ることも可能である。上述したように、本発明の例示的な実施形態によれば、反応器における温度ばらつきを低減して、液体または固体による流路の閉塞を効果的に抑制できる。したがって、流路内の急激な圧力変化による固体電解質101の損傷が抑制されるので、例えば数μm程度の厚さの固体電解質薄膜を用いることもできる。数μm程度の厚さの固体電解質を用いることにより、より高いイオン伝導率を得ることができる。したがって、反応器の運転温度を従来よりも低く設定することが可能である。
In a reactor using a solid oxide as a solid electrolyte, toluene hydrogenation is usually achieved in a temperature range of 400 ° C to 800 ° C. In contrast, according to an exemplary embodiment of the present invention, a so-called organic hydride such as methylcyclohexane can be obtained by operating the reactor at a temperature of about 300 ° C., for example. As described above, according to the exemplary embodiment of the present invention, the temperature variation in the reactor can be reduced, and the blockage of the flow path due to the liquid or solid can be effectively suppressed. Therefore, damage to the
<反応器の変形例>
以下、図5〜図9を参照して、反応器の変形例を説明する。
<Modification of reactor>
Hereinafter, modified examples of the reactor will be described with reference to FIGS.
前述したように、発熱体105が有する複数の発熱部のそれぞれは、単一の発熱体の一部分であり得る。図5は、上側基板102a上に設けられた単一の発熱体105Bを有する反応器100Bの模式的な上面図である。
As described above, each of the plurality of heat generating parts included in the
図5に示す構成において、発熱体105Bは、メアンダ状に形成されており、図のY方向に延びる複数の部分を有している。より詳細には、発熱体105Bは、図のX方向に隣接して配列された3つの発熱部105d、105eおよび105fを有している。発熱部105dは、発熱部105eよりも反応器100Bの中心部に近い位置に配置されている。発熱部105fは、発熱部105eよりも反応器100Bの中心部から遠い位置に配置されている。ここで、発熱部105eと発熱部105fとの間の間隔は、発熱部105dと発熱部105eとの間の間隔よりも小さい。つまり、図5のB−B’線断面は、図1に示す断面と同様であり、反応器100Bの周辺部における発熱密度は、反応器100Bの中心部における発熱密度よりも大きい。このような構成によっても、固体電解質101の損傷を抑制する効果が得られる。
In the configuration shown in FIG. 5, the
図6は、上側基板102a上に設けられた単一の発熱体105Cを有する反応器100Cの模式的な上面図である。図6に示す構成において、発熱体105Cは、らせん状に形成されている。図示するように、発熱体105Cの螺旋形状は、図のX方向に延びる複数の部分と、図のY方向に延びる複数の部分とから形成されている。ここで、図のX方向に延びる複数の部分は、反応器100Cの中心部よりも周辺部において密に配置されている。図のY方向に延びる複数の部分も同様に、反応器100Cの中心部よりも周辺部において密に配置されている。したがって、反応器100Cの周辺部における発熱密度は、反応器100Cの中心部における発熱密度よりも大きい。図6に示すように、複数の発熱部の配置の間隔を2次元的に変化させてもよい。
FIG. 6 is a schematic top view of a
次に、発熱体105の配置の例を説明する。図1〜図3を参照して説明した構成では、発熱体105は、上側基板102aの主面Sc(外表面)上に設けられている。上側基板102aに対する発熱体105の配置は、この例に限定されず、種々の配置が可能である。
Next, an example of the arrangement of the
図7は、発熱体の配置の他の例を示す模式的な断面図である。図7に示す反応器100Dでは、複数の発熱部を有する発熱体105は、第1流路104aの内部に配置されている。図示するように、複数の発熱部は、凹部107aの表面上に配置されている。図示する例では、発熱体106も、発熱体105と同様に、第2流路104bの内部に配置されている。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing another example of the arrangement of the heating elements. In the
複数の発熱部を凹部の表面上に配置することにより、流路内の流体を直接的に加熱することができ、流路の閉塞をより効果的に抑制し得る。ただし、上側基板102aの外表面上に発熱体を形成する方が、複数の発熱部の形成プロセスが複雑とならないので、第1流路104aの形状および配置の自由度は高い。
By disposing the plurality of heat generating portions on the surface of the recess, the fluid in the flow channel can be directly heated, and blockage of the flow channel can be more effectively suppressed. However, forming the heating element on the outer surface of the
図8は、発熱体の配置のさらに他の例を示す模式的な断面図である。図8に示す反応器100Eでは、複数の発熱部を有する発熱体105Eは、固体電解質101および上側基板102aの接合部分に設けられている。より詳細には、図8に示すように、発熱体105Eは、固体電解質101の主面S1と、上側基板102aの凹部107aを有する主面Saにおける凹部107a以外の部分との間に設けられている。図示する例では、固体電解質101の主面S2側の発熱体106Eも、発熱体105Eと同様に、固体電解質101および下側基板102bの接合部分に設けられている。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing still another example of the arrangement of the heating elements. In the
図8に示すように、上側基板102aおよび/または下側基板102bと、固体電解質101とを接合するための接合層を発熱体として利用してもよい。この場合、図示するように、固体電解質101の主面S1(または主面S2)に垂直な断面における流路の配置を不等間隔とすることにより、複数の発熱部を不等間隔に配置できる。
As shown in FIG. 8, a bonding layer for bonding the
図示する例において、発熱体105Eは、互いに隣接する発熱部105gおよび105hを有している。発熱部105gおよび105hは、典型的には、同一の材料から形成される。ここで、発熱部105gの幅は、発熱部105hの幅と異なっている。より詳細には、発熱部105hの幅(図7中、矢印「w4」で示す幅)は、発熱部105hよりも反応器100Eの中心部に近い位置にある発熱部105gの幅(図7中、矢印「w3」で示す幅)よりも小さい。したがって、反応器100Eの周辺部における発熱密度は、反応器100Eの中心部における発熱密度よりも大きい。
In the illustrated example, the
上側基板102a(または下側基板102b)と固体電解質101との間の接合部分に複数の発熱部を配置することにより、流路内の流体を効果的に加熱することができる。図8に例示する構成のように、複数の発熱部の幅を制御することにより、反応器における発熱密度を制御してもよい。複数の発熱部の幅は、材料の電気抵抗率を考慮して適宜設定することが可能である。
By disposing a plurality of heat generating portions at the junction between the
以上に説明した構成では、複数の発熱部の密度(間隔といってもよい。)または幅(形状といってもよい。)を変化させることによって、反応器の中心部における発熱密度と、反応器の周辺部における発熱密度とを異ならせている。言い換えれば、上側基板102a(または下側基板102b)の上面から見たときに、複数の発熱部が上側基板102a(または下側基板102b)に対して占める面積の割合は、反応器の中心部と周辺部との間で異なっている。なお、以下に説明するように、複数の発熱部の電気抵抗率を変化させることによって、反応器の中心部における発熱密度と、反応器の周辺部における発熱密度とを異ならせてもよい。
In the configuration described above, by changing the density (may be referred to as an interval) or the width (may be referred to as a shape) of a plurality of exothermic parts, the exothermic density in the central part of the reactor and the reaction The heat generation density in the peripheral part of the vessel is different. In other words, when viewed from the upper surface of the
図9は、電気抵抗率の異なる複数の発熱部を有する反応器100Fの構成の一例を示す模式的な断面図である。図9に例示する構成において、反応器100Fは、上側基板102aの主面Sc上に設けられた発熱体105Fを備える。発熱体105Fは、例えば図のY方向に沿って延びる複数の発熱部を有している。図示するように、複数の発熱部は、図のX方向に沿って等間隔である。ここでは、下側基板102bの主面Sd上に設けられた発熱体106Fも、発熱体105Fと同様の構成を有している。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of a
発熱体105Fは、互いに隣接して配置された発熱部105mおよび105nを含む。図示するように、発熱部105mは、発熱部105nよりも反応器100Fの中心部に近い位置に配置されている。ここで、発熱部105mの電気抵抗率は、発熱部105nの電気抵抗率と異なる。図9に例示する構成では、発熱部105nの電気抵抗率は、発熱部105mの電気抵抗率よりも大きい。このように、反応器の周辺部に位置する発熱部の電気抵抗率を、反応器の中心部の近くに位置する発熱部の電気抵抗率よりも大きく設定することによっても、反応器における発熱密度を制御することができる。
図9を参照して説明したように、発熱体が配置される面内において複数の発熱部の電気抵抗率を変化させることによっても、発熱部における発熱量を制御することができる。すなわち、複数の発熱部の密度、幅、厚さまたは電気抵抗率の少なくともいずれかを適宜調整することにより、反応器における発熱密度を調整して、所望の温度分布を実現することが可能である。 As described with reference to FIG. 9, the amount of heat generated in the heat generating portion can also be controlled by changing the electrical resistivity of the plurality of heat generating portions in the plane where the heat generating element is disposed. That is, by appropriately adjusting at least one of the density, width, thickness, and electrical resistivity of the plurality of heat generating portions, it is possible to adjust the heat generation density in the reactor to achieve a desired temperature distribution. .
なお、図2に例示するように、反応器内の流路が単一の連続した流路である場合には、図5に示す発熱体105Bのように、反応器の中心部から流路の端部(流体入口、流体出口)に向けて、複数の発熱部の間隔を徐々に狭めていってもよい。なお、図4に例示するように、独立した複数の流路が2次元的に配置されている場合には、反応器の中心部から周辺部に向けて、複数の発熱部の間隔を徐々に狭めていってもよい。例えば図6に示すような発熱体105Cを用いてもよい。このとき、反応器の上面から見たときに、流路と重なる発熱部が等間隔であると、各流路内における温度分布を一定にすることができるので有益である。
As illustrated in FIG. 2, when the flow path in the reactor is a single continuous flow path, the flow path from the center of the reactor to the
上述したような種々の構成により、反応器の中心部よりも反応器の周辺部における発熱密度を大きくし得る。すなわち、本開示によれば、簡易な構成により、反応器の信頼性を向上し得る。 With the various configurations described above, the heat generation density in the peripheral portion of the reactor can be made larger than that in the central portion of the reactor. That is, according to the present disclosure, the reliability of the reactor can be improved with a simple configuration.
(実施の形態2)
図10は、本発明の他の例示的な実施形態による反応器200の模式的な断面図である。図10に示す反応器200は、図1に示す反応器100と同様に、固体電解質101と、第1電極103aと、第2電極103bと、上側基板102aと、下側基板102bと、発熱体105および106とを備える。反応器200は、さらに、第1流路104a内にセンサ109aを有している。図示する例において、センサ109aは、固体電解質101の主面S1上に設置されている。
(Embodiment 2)
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a
センサ109aは、例えば、ピエゾ抵抗効果を利用した圧力センサである。第1流路104a内に圧力センサを設置しておくことにより、第1流路104a内の圧力変化を検出することができる。例えば、第1流路104aの両端部が閉塞した状態で反応器200の中心部が加熱されると、第1流路104a内の流体が膨張し、第1流路104a内の圧力が上昇する。そのため、第1流路104a内の圧力の上昇を監視することによって、第1流路104aにおいて閉塞が発生しているか否かを検出することができる。第1流路104aにおいて閉塞が発生していると判断した場合には、例えば反応器200の周辺部を加熱して閉塞を取り除くことにより、第1流路104a内の圧力上昇に起因する固体電解質101の損傷を防止することが可能である。
The
センサ109aは、圧力センサに限定されず、温度センサであってもよい。例えば第1流路104aの端部(流体入口および/または流体出口)の近傍にセンサ109aを配置し、反応器200の周辺部における温度低下を監視することにより、第1流路104aにおける閉塞の発生を検出することが可能である。第1流路104aにおける閉塞の発生が予想される程度に反応器200の周辺部の温度が低下している場合には、反応器200の周辺部を加熱することにより、閉塞の発生を防止することができる。また、第1流路104aの中心付近にもセンサを設置しておくことにより、反応器200の中心部と周辺部との間の温度差を監視してもよい。
The
図示する例では、第2流路104b内にもセンサ109bが配置されている。センサ109bは、固体電解質101の主面S2上に設置されている。固体電解質101の両主面側にセンサを設置することにより、第1流路104a側の圧力分布および/または温度分布に関する情報と、第2流路104b側の圧力分布および/または温度分布に関する情報とを得ることができる。これにより、例えば、上側基板102a側の発熱体105に供給する電力と、下側基板102b側の発熱体106に供給する電力とを個別に調整することも可能である。このような態様によれば、より細かな温度調整が可能である。すなわち、第1流路104aに導入される流体の融点(または沸点)と、第2流路104bに導入される流体の融点(または沸点)とが大きく異なる場合であっても、第1流路104a内の圧力と第2流路104b内の圧力との差を低減できる。したがって、第1流路104aと第2流路104bとの間の極端な圧力差に起因して、固体電解質101に過度の応力が加わることを抑制できる。
In the illustrated example, the
圧力センサは、ピエゾ抵抗効果を利用したセンサに限定されず、また、温度センサの検出の方式も特定の方式に限定されない。流路内の圧力分布および/または温度分布が推定できれば、センサの設置場所は、図10を参照して説明した例に限定されない。例えば、上側基板102aの凹部107aの表面上にセンサ109aを配置してもよい。第1流路104aに連通するスロットを上側基板102aに形成しておき、スロットを介して反応器の外部からセンサを挿入してもよい。
The pressure sensor is not limited to a sensor using the piezoresistance effect, and the detection method of the temperature sensor is not limited to a specific method. As long as the pressure distribution and / or temperature distribution in the flow path can be estimated, the installation location of the sensor is not limited to the example described with reference to FIG. For example, the
図11は、センサを備える反応器の他の例を示す模式的な断面図である。図11に示す反応器200Aは、図10に示す反応器200と同様に、第1流路104a内にセンサ110aを有している。ここでは、センサ110aは、ひずみゲージなどの、固体電解質101の変形を検出する変形センサである。図11に例示する構成において、センサ110aは、固体電解質101の主面S1上に設置されている。図示するように、センサ110aが、固体電解質101の主面S1上、かつ流路の幅方向(図11に例示する構成においてはX方向)の中央に配置されていると、固体電解質101の変形を検出しやすい。
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing another example of a reactor including a sensor. A
図11に例示する構成のように、固体電解質101の主面上に変形センサを設置することにより、固体電解質101に極端な変形が生じているかどうかを検出することができる。固体電解質101の極端な変形が検出された場合、例えば第1流路104aにおいて閉塞が発生しており、第1流路104aにおいて意図しない圧力増加が発生していると考えられる。このような場合には、例えば反応器200Aの周辺部を加熱して閉塞を取り除くことにより、固体電解質101の損傷を防止することができる。なお、図11に示すように、固体電解質101を介してセンサ110aと対向するように、固体電解質101の主面S2上にセンサ110bを設置してもよい。固体電解質101の両主面上に対向するようにセンサを設置することにより、より確実に固体電解質101の変形を検出することができる。
As in the configuration illustrated in FIG. 11, by installing a deformation sensor on the main surface of the
図10および図11を参照して説明したように、反応器が有するセンサの出力値を取得して、その出力値に応じた電力を発熱体に供給してもよい。このような運転方法は、以下に説明するように、制御部の指示に基づいて制御されることにより実行されてもよい。 As described with reference to FIGS. 10 and 11, an output value of a sensor included in the reactor may be acquired, and power corresponding to the output value may be supplied to the heating element. Such an operation method may be executed by being controlled based on an instruction from the control unit as described below.
図12を参照して、本発明の例示的な実施形態による反応器システムを説明する。図12は、本発明の例示的な実施形態による反応器システム300の構成を示すブロック図である。図12において、矢印r1、r2、p1およびp2は、それぞれ、第1流路に導入される反応物質の流れ、第2流路に導入される反応物質の流れ、第1流路から排出される反応生成物の流れ、および第2流路から排出される反応生成物の流れを模式的に示している。
With reference to FIG. 12, a reactor system according to an exemplary embodiment of the present invention will be described. FIG. 12 is a block diagram illustrating a configuration of a
反応器システム300は、流路内にセンサを有する反応器(ここでは図10を参照して説明した反応器200)と、制御部150とを備える。制御部150は、コンピュータなどから構成されている。制御部150は、反応器200が有するセンサ(ここではセンサ109a)の出力値に応じて、発熱体(ここでは発熱体105)に供給する電力を制御する。なお、制御部150は、反応器200が有するセンサおよび発熱体と有線または無線の方式により接続されていればよく、反応器200と一体的に配置されていなくてもよい。
The
ここで、反応器システム300における制御の一例を説明する。図12に模式的に示すように、制御部150は、センサ109aからの出力値を取得する。センサ109aからの出力は、反応器200の流路(ここでは第1流路104a)内の圧力分布または温度分布に関する情報を含み得る。次に、制御部150は、センサ109aから取得された出力値に基づいて、不図示の電源から発熱体105に供給される電流または電圧の大きさを制御する。より詳細には、制御部150は、センサ109aからの出力値と、あらかじめ設定された基準値との比較を行う。基準値は、例えば、制御部150に接続された、RAM、ROMなどのメモリ160に格納されている。
Here, an example of control in the
例えば、センサ109aからの出力値が流路内の圧力の大きさを示すとする。このとき、出力値が基準値を超える場合には、流路内の圧力が意図せず上昇しており、固体電解質101が損傷する可能性が高いと判断できる。したがって、出力値が基準値を超えると判定された場合には、制御部150は、発熱体105に供給する電力を増大させる。反応器200においては、反応器200の周辺部における発熱密度が、反応器200の中心部における発熱密度よりも大きくなるように発熱体105が構成されている。そのため、発熱体105に供給する電力を増大させることにより、反応器200の周辺部を効果的に加熱することができる。これにより、流路の閉塞を解消し得る。出力値が基準値を超えないと判定された場合には、制御部150は、発熱体105に供給する電力を維持するか、必要に応じて減少させる。
For example, it is assumed that the output value from the
なお、基準値の設定によっては、出力値が基準値を超えないと判定された場合に、発熱体105に供給する電力を増大させてもよい。例えば、センサ109aからの出力値が流路の端部における温度を示すとする。このとき、出力値が基準値を超えない場合には、流路の端部において閉塞が発生して固体電解質101が損傷する可能性が高いと判断できる。したがって、この場合には、制御部150は、発熱体105に供給する電力を増大させる。
Depending on the setting of the reference value, the power supplied to the
このように、例えば流路内に設置されたセンサの信号に基づいて、発熱体に印加する電流または電圧を制御することにより、固体電解質101への損傷の発生を防止することが可能である。なお、反応器の中心部に位置する発熱部と、反応器の周辺部に位置する発熱部とが、互いに独立して制御可能に構成されている場合には、反応器の運転開始時において反応器の周辺部および中心部を順に加熱する運転方法を制御部に実行させてもよい。反応器の運転停止時において反応器の中心部の加熱および周辺部の加熱を順に停止する運転方法を制御部に実行させてもよい。
As described above, for example, by controlling the current or voltage applied to the heating element based on the signal of the sensor installed in the flow path, it is possible to prevent the
前述した種々の態様は、矛盾が生じない限り互いに組み合わせることが可能である。また、発熱体の配置、ならびに発熱体が有する複数の発熱部の密度、幅、厚さおよび電気抵抗率などは反応器内の反応の種類に応じて適宜設定可能である。固体電解質101の主面S1側の発熱体の構成と、主面S2側の発熱体の構成とは、同一でなくてもよい。反応器は、前述の発熱体の他に、反応器の全体を加熱するためのヒーターをさらに備えていてもよい。また、反応器は、反応器の周辺部に、前述の発熱体と独立して制御可能に構成された補助ヒーターをさらに備えていてもよい。補助ヒーターを用いることにより、より細かな温度制御を実現し得る。なお、固体電解質101は、上側基板と下側基板とが一体とされた収納容器に収容されていてもよい。
The various aspects described above can be combined with each other as long as no contradiction occurs. In addition, the arrangement of the heating elements, and the density, width, thickness, electrical resistivity, and the like of the plurality of heating parts included in the heating elements can be appropriately set according to the type of reaction in the reactor. The configuration of the heating element on the main surface S1 side of the
以上に説明したように、本開示によれば、流路内の圧力変化に伴う固体電解質の損傷を抑制することができ、反応器の信頼性を向上させることができる。また、本開示によれば、固体電解質の損傷が抑制されるので、固体電解質を薄膜化することが比較的容易である。したがって、固体電解質を薄膜化することにより、イオンの伝導率を向上させ得、従来よりも反応器の運転温度を低下させることが可能である。 As described above, according to the present disclosure, it is possible to suppress the damage of the solid electrolyte due to the pressure change in the flow path, and to improve the reliability of the reactor. Moreover, according to this indication, since damage to a solid electrolyte is suppressed, it is relatively easy to reduce the thickness of the solid electrolyte. Therefore, by reducing the thickness of the solid electrolyte, the ion conductivity can be improved, and the operating temperature of the reactor can be lowered as compared with the conventional case.
本開示による反応器は、燃料電池、水素化装置、脱水素化装置、水蒸気電解装置、水蒸気電解水素化装置などに利用可能である。 The reactor according to the present disclosure can be used for a fuel cell, a hydrogenation device, a dehydrogenation device, a steam electrolysis device, a steam electrolysis hydrogenation device, and the like.
100、200 反応器
101 固体電解質
102a 上側基板(第1基板)
102b 下側基板(第2基板)
103a 第1電極
103b 第2電極
104a 第1流路
104b 第2流路
105、106 発熱体
109、110 センサ
150 制御部
160 メモリ
300 反応器システム
100, 200
102b Lower substrate (second substrate)
103a
Claims (18)
前記反応器は、
第1面および第2面を有する固体電解質と、
前記第1面上に設けられた第1電極であって、第1触媒を有する第1電極と、
前記第2面上に設けられた第2電極であって、第2触媒を有する第2電極と、
一主面上に第1凹部を有する第1基板と、
一主面上に第2凹部を有する第2基板と、
複数の発熱部を有する発熱体と
を備え、
前記第1流路は、前記第1凹部が前記第1電極と対向するように前記第1基板を前記第1面上に配置することによって形成された流路であり、
前記第2流路は、前記第2凹部が前記第2電極と対向するように前記第2基板を前記第2面上に配置することによって形成された流路であり、
前記反応器の周辺部における発熱密度は、前記反応器の中心部における発熱密度よりも大きい、反応器。 A reactor having a first flow path and a second flow path,
The reactor is
A solid electrolyte having a first surface and a second surface;
A first electrode provided on the first surface, the first electrode having a first catalyst;
A second electrode provided on the second surface, the second electrode having a second catalyst;
A first substrate having a first recess on one main surface;
A second substrate having a second recess on one main surface;
A heating element having a plurality of heating parts,
The first flow path is a flow path formed by disposing the first substrate on the first surface so that the first recess faces the first electrode.
The second channel is a channel formed by disposing the second substrate on the second surface so that the second recess faces the second electrode,
The reactor, wherein the exothermic density at the periphery of the reactor is greater than the exothermic density at the center of the reactor.
前記第1発熱部と前記第2発熱部との間の間隔は、前記第2発熱部と前記第3発熱部との間の間隔と異なる、請求項1に記載の反応器。 The plurality of heat generating portions include first, second, and third heat generating portions arranged in order to be adjacent to each other in a plane substantially parallel to the first surface,
2. The reactor according to claim 1, wherein an interval between the first heat generating unit and the second heat generating unit is different from an interval between the second heat generating unit and the third heat generating unit.
前記第3発熱部は、前記第2発熱部よりも前記中心部から遠い位置に配置されており、
前記第3発熱部と前記第2発熱部との間の間隔は、前記第1発熱部と前記第2発熱部との間の間隔よりも小さい、請求項2に記載の反応器。 The first heat generating part is disposed at a position closer to the central part than the second heat generating part,
The third heat generating part is disposed at a position farther from the central part than the second heat generating part,
The reactor according to claim 2, wherein an interval between the third heat generating unit and the second heat generating unit is smaller than an interval between the first heat generating unit and the second heat generating unit.
前記第1発熱部の幅は、前記第2発熱部の幅と異なる、請求項1に記載の反応器。 The plurality of heat generating portions include first and second heat generating portions arranged to be adjacent to each other in a plane substantially parallel to the first surface,
The reactor according to claim 1, wherein a width of the first heat generating part is different from a width of the second heat generating part.
前記第2発熱部の幅は、前記第1発熱部の幅よりも小さい、請求項4に記載の反応器。 The first heat generating part is disposed at a position closer to the central part than the second heat generating part,
The reactor according to claim 4, wherein a width of the second heat generating part is smaller than a width of the first heat generating part.
前記第1発熱部の電気抵抗率は、前記第2発熱部の電気抵抗率と異なる、請求項1に記載の反応器。 The plurality of heat generating portions include first and second heat generating portions arranged to be adjacent to each other in a plane substantially parallel to the first surface,
The reactor according to claim 1, wherein an electrical resistivity of the first heat generating part is different from an electric resistivity of the second heat generating part.
前記第2発熱部の電気抵抗率は、前記第1発熱部の電気抵抗率よりも大きい、請求項6に記載の反応器。 The first heat generating part is disposed at a position closer to the central part than the second heat generating part,
The reactor according to claim 6, wherein an electrical resistivity of the second heat generating part is larger than an electric resistivity of the first heat generating part.
前記センサは、温度センサ、圧力センサまたは変形センサである、請求項1から10のいずれかに記載の反応器。 A sensor disposed in the first flow path;
The reactor according to any one of claims 1 to 10, wherein the sensor is a temperature sensor, a pressure sensor, or a deformation sensor.
前記第1流路および前記第2流路に、それぞれ、第1媒体および第2媒体を導入する工程と、
前記第1媒体および前記第2媒体の導入の開始後に、前記反応器の周辺部および前記反応器の中心部を順に加熱する工程と
を含む、反応器の運転方法。 A method of operating a reactor having a first channel and a second channel,
Introducing the first medium and the second medium into the first flow path and the second flow path, respectively;
And a step of sequentially heating a peripheral portion of the reactor and a central portion of the reactor after the introduction of the first medium and the second medium is started.
前記反応器の周辺部および中心部を加熱する工程と、
前記第1流路への第1媒体の導入、および前記第2流路への第2媒体の導入を停止する工程と、
前記第1媒体および前記第2媒体の導入の停止後に、前記反応器の中心部の加熱および前記反応器の周辺部の加熱を順に停止する工程と
を含む、反応器の運転方法。 A method of operating a reactor having a first channel and a second channel,
Heating the periphery and center of the reactor;
Stopping the introduction of the first medium into the first flow path and the introduction of the second medium into the second flow path;
And a step of sequentially stopping heating of the central portion of the reactor and heating of the peripheral portion of the reactor after the introduction of the first medium and the second medium is stopped.
前記センサの出力値を取得する工程と、
前記出力値に応じた電力を前記発熱体に供給する工程と
を含む、反応器の運転方法。 A method for operating a reactor according to any one of claims 11 to 13, comprising:
Obtaining an output value of the sensor;
And supplying the electric power corresponding to the output value to the heating element.
前記センサの出力値に応じて前記発熱体に供給する電力を制御する制御部と
を備える、反応器システム。 A reactor according to any of claims 11 to 13,
And a control unit that controls electric power supplied to the heating element according to an output value of the sensor.
前記制御部は、前記出力値と前記基準値とを比較し、比較結果に基づいて、前記発熱体に供給する電力の大きさを変更する、請求項17に記載の反応器システム。 A memory for storing a reference value;
The reactor system according to claim 17, wherein the control unit compares the output value with the reference value, and changes a magnitude of electric power supplied to the heating element based on a comparison result.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014092806A JP2015209576A (en) | 2014-04-28 | 2014-04-28 | Reactor, operation method of reactor and reactor system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014092806A JP2015209576A (en) | 2014-04-28 | 2014-04-28 | Reactor, operation method of reactor and reactor system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2015209576A true JP2015209576A (en) | 2015-11-24 |
Family
ID=54612022
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014092806A Pending JP2015209576A (en) | 2014-04-28 | 2014-04-28 | Reactor, operation method of reactor and reactor system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2015209576A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2022083098A (en) * | 2020-11-24 | 2022-06-03 | 本田技研工業株式会社 | Control method of hydrogen/oxygen production system and hydrogen/oxygen production system |
US20220333515A1 (en) * | 2020-03-26 | 2022-10-20 | Hitachi, Ltd. | Fuel production device |
-
2014
- 2014-04-28 JP JP2014092806A patent/JP2015209576A/en active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20220333515A1 (en) * | 2020-03-26 | 2022-10-20 | Hitachi, Ltd. | Fuel production device |
US11732624B2 (en) * | 2020-03-26 | 2023-08-22 | Hitachi, Ltd. | Fuel production device |
JP2022083098A (en) * | 2020-11-24 | 2022-06-03 | 本田技研工業株式会社 | Control method of hydrogen/oxygen production system and hydrogen/oxygen production system |
JP7108010B2 (en) | 2020-11-24 | 2022-07-27 | 本田技研工業株式会社 | Hydrogen/oxygen production system control method and hydrogen/oxygen production system |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6462660B2 (en) | High efficiency fuel cell | |
JP4508212B2 (en) | Reaction apparatus and electronic equipment | |
JP2002222659A (en) | Single cell for fuel cell, and solid electrolyte fuel cell | |
JP2008541410A (en) | Fuel cell apparatus and method | |
JP5731357B2 (en) | Solid oxide fuel cell system and startup control method thereof | |
EP3001492B1 (en) | Fuel cell module and fuel cell device | |
CN107615539B (en) | Solid oxide fuel cell | |
EP3076467B1 (en) | Cell stack device, module, and module housing device | |
JP2015520497A (en) | Solid oxide fuel cell or solid oxide electrolytic cell and method of operating these cells | |
US20150308002A1 (en) | Reactor and method for activating reactor | |
TWI750185B (en) | Soec system with heating ability | |
JP2015209576A (en) | Reactor, operation method of reactor and reactor system | |
JP2013030359A (en) | Fuel cell device | |
WO2013069632A1 (en) | Method and device for stopping solid-oxide fuel cell system | |
US9660284B2 (en) | Power conversion system | |
JPWO2005013405A1 (en) | FUEL CELL STACK, FUEL CELL SYSTEM, AND METHOD FOR PRODUCING FUEL CELL STACK | |
EP3136491A1 (en) | Cell stack device, module, and module housing device | |
JP2010251011A (en) | Fuel cell module | |
KR20110044657A (en) | Supported flat-tubular solid oxide fuel cell | |
JP2018181448A (en) | Fuel cell | |
US20220399558A1 (en) | Fuel Battery Cell and Method for Manufacturing Fuel Battery Cell | |
JP5488810B2 (en) | Fuel cell device | |
JP2008269878A (en) | Fuel cell | |
JP7121855B2 (en) | Fuel cell, fuel cell system, leak detection method | |
JP5278050B2 (en) | Fuel cell |