JP4258554B2 - 改質装置の封止方法 - Google Patents

Description

本発明は、改質装置の封止方法に関するものである。

近年では、携帯型電話機、ノート型パソコン、デジタルカメラ、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）及び電子手帳等といった小型の電子機器が進歩・発展を遂げている。小型の電子機器の電源としては、アルカリ乾電池及びマンガン乾電池等の一次電池並びにニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池及びリチウムイオン電池等の二次電池が用いられている。エネルギーの利用効率の観点から一次電池及び二次電池を検証すると、エネルギーの有効利用が図られているとは必ずしも言えなかった。

そこで、燃料電池は高いエネルギー利用効率を実現することができるため、一次電池及び二次電池の代替えのために燃料電池について研究・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が挙げられるが、常温で気体であることによる取り扱い・貯蔵に問題がある。燃料としてアルコール類及びガソリンといった液体燃料を用いた燃料電池には、液体燃料と高温の水蒸気を反応させることで発電に必要な水素を取り出す改質型や直接燃料電池に燃料を供給する直接型がある。

そして、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。そこで、「マイクロリアクタ」と呼ばれる小型の改質器が近年開発されている。図６に、従来のマイクロリアクタの概略断面図を示す。

図６に示す通り、マイクロリアクタ１００の内部にはチャンバー１０１が形成されており、チャンバー１０１内には、燃料と水を化学反応させて水素等に改質する流体移動部１０２が設けられている。流体移動部１０２は、二枚の基板１０２ａ，１０２ｂを貼り合わせて構成されており、一方の基板の張り合わせ面には、供給管１０６の端から排出管１０７の端まで基板面を周回するように溝（図示略）が形成され、この溝に沿って発熱体（図示略）と改質触媒（図示略）とが設けられている。発熱体は、リード線１０３，１０４を介して電源部１０５に電気的に接続されている。また、熱電対の接点（図示略）が流体移動部１０２内に配設され、熱電対の配線１０９，１１０が温度測定部１１１に接続され、温度測定部１１１で熱起電力を測定することによって流体移動部１０２内の温度が測定される。

リード線１０３，１０４を通じて電源部１０５から流体移動部１０２内の発熱体に電力が供給され、発熱体が発熱すると、供給管１０６を通じて供給された水と燃料とが発熱体によって加熱されて、水と燃料が改質触媒によって反応し、水素が生成して排出管１０７から排出される。また、水と燃料が反応する場合には適温があるため、温度測定部１１１で測定された温度を表す信号が制御部１１２に入力され、入力した信号に基づき制御部１１２が電源部１０５を制御することで、流体移動部１０２内が適温に保たれている。

ところで、マイクロリアクタ１００は、常温、常圧の大気雰囲気下で、流体移動部１０２を封入容器１１３内に封入して形成してあるために、チャンバー１０１内は空気が封入されている。この場合、流体移動部１０２は封入容器１１３内に収容された状態で空気環境下に置かれ、これにより断熱された構成となっている。流体移動部１０２で発生した熱は、封入容器１１３内の空気を媒体として封入容器１１３に伝搬し、流体移動部１０２外へ流失する。

またマイクロリアクタ１００の封入容器１１３内では、空気のみならず空気中の水分等が流体移動部１０２の周囲及び封入容器１１３の内壁等に吸着しているので、化学反応の促進のためにマイクロリアクタ１００を高温環境下に置いた場合に、マイクロリアクタ１００の温度上昇に伴い水分等の吸着成分が気化、膨張して、チャンバー１０１内の圧力が上がる。この場合、チャンバー１０１内の対流による熱の流失が起こって流体移動部１０２の断熱効率が低下する。従い、流体移動部１０２内を適温に保つために発熱体に供給する電力量が増え、供給電力量を抑えた状態でマイクロリアクタ１００を高温環境下で作動させることは難しい。

また、上記流体移動部１０２は、上記の通り二枚の基板１０２ａ，１０２ｂからなるが、基本的に、所謂「陽極接合」といわれる接合技術によって、半導体を含む導電性基板とガラス等の絶縁性基板とを張り合わせて作製される。「陽極接合」とは、高温環境下で高電圧を印加して各基板間に大きな静電引力を発生させ、二枚の基板間の界面で化学結合させるという技術である。そして、流体移動部１０２を構成する絶縁性基板として、流体移動部１０２の化学反応に対して耐侵食性に優れたホウケイ酸ガラスを用いることがある。

上述したような小型携帯機器の電源として燃料電池及びマイクロリアクタ１００を適用した場合、燃料電池及びマイクロリアクタ１００の動作に必要な消費電力をできるだけ抑えるために、改質しているときとそうでないときとでの流体移動部１０２に加える温度を急峻に変化させる場合がある。このホウケイ酸基板は、陽極接合には適するが、急峻な温度変化に対する熱膨張の歪みにより破損することがある。

本発明の課題は、改質装置の封止方法を提供することである。

請求項１に記載の発明に係る改質装置の封止方法は、チャンバー内に改質装置と入り口が開いた状態の真空容器とを配置させた後、空気吸引手段で前記チャンバー内を真空雰囲気にするとともに前記チャンバー内に設けられた加熱器で加熱してから、前記真空容器の入り口から前記改質装置を挿入して、前記真空容器の入り口を封止することを特徴とする。

請求項１に記載の発明では、良好に改質装置を封止することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の改質装置の封止方法において、前記改質装置は、水素改質器、気化器、水性シフト反応器、選択酸化反応器のいずれかを含むことを特徴とする。

請求項２に記載の発明では、前記改質装置は、水素改質器、気化器、水性シフト反応器、選択酸化反応器のいずれかに適用することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１記載の改質装置の封止方法において、前記空気吸引手段で真空雰囲気にした後、前記加熱器で加熱することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１記載の改質装置の封止方法において、前記加熱器で加熱した後、前記空気吸引手段で真空雰囲気にすることを特徴とする。

請求項３又は４に記載の発明では、真空雰囲気、加熱を順番に行うことによって改質装置を封止することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１記載の改質装置の封止方法において、前記空気吸引手段で真空雰囲気にすると同時に前記加熱器で加熱することを特徴とする。

請求項５に記載の発明では、真空雰囲気、加熱を同時に行うことによって効率よく改質装置を封止することができる。

請求項６に記載の発明に係る改質装置の封止方法は、チャンバー内に、発熱抵抗体を備えた改質装置と入り口が開いた状態の真空容器とを配置させた後、空気吸引手段で前記チャンバー内を真空雰囲気にするとともに前記発熱抵抗体で加熱してから、前記真空容器の入り口から前記改質装置を挿入して、前記真空容器の入り口を封止することを特徴とする。

請求項６に記載の発明では、前記発熱抵抗体で加熱することによって良好に改質装置を封止することができる。

請求項７に記載の発明は、請求項６記載の改質装置の封止方法において、前記改質装置は、水素改質器、気化器、水性シフト反応器、選択酸化反応器のいずれかを含むことを特徴とする。

請求項７に記載の発明では、前記改質装置は、水素改質器、気化器、水性シフト反応器、選択酸化反応器のいずれかに適用することができる。

請求項８に記載の発明は、請求項６記載の改質装置の封止方法において、前記空気吸引手段で真空雰囲気にした後、前記発熱抵抗体で加熱することを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項６記載の改質装置の封止方法において、前記発熱抵抗体で加熱した後、前記空気吸引手段で真空雰囲気にすることを特徴とする。

請求項８又は９に記載の発明では、真空雰囲気、加熱を順番に行うことによって改質装置を封止することができる。

請求項１０に記載の発明は、請求項６記載の改質装置の封止方法において、前記空気吸引手段で真空雰囲気にすると同時に前記発熱抵抗体で加熱することを特徴とする。

請求項１０に記載の発明では、真空雰囲気、加熱を同時に行うことによって効率よく改質装置を封止することができる。

請求項１１に記載の発明は、請求項６記載の改質装置の封止方法において、前記発熱抵抗体の発熱温度は、前記改質装置により被改質原料を気化する際或いは被改質原料を改質する際の前記発熱抵抗体の発熱温度よりも高いことを特徴とする。

本発明では、良好に改質装置を封止することができる。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されない。

［第一の実施の形態］
図１（ａ）は、本発明に係る改質装置３を用いた発電システム１の基本構成を示したブロック図であり、図１（ｂ）は、発電システム１の内部構造を示した概略斜視図である。図１に示す通り、発電システム１は、燃料容器２と、燃料容器２に対して着脱自在である発電モジュール６と、を備える。

燃料容器２は、水素元素で構成された炭化水素化合物と水の混合液である燃料１９を貯留するものである。炭化水素化合物としては、メタノール（ＣＨ₃ＯＨ）及びエタノール（Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ）等といったアルコール類や或いはガソリン等の芳香族といった液体燃料である。本実施形態では、燃料容器２に封入された燃料１９は、メタノール及び水が混合されたものである。

発電モジュール６は、化学燃料を改質する改質装置３と、改質装置３により改質された燃料により発電する燃料電池４と、燃料電池４で発電された電力を蓄電し必要に応じて出力する蓄電部７と、蓄電部７から供給された電力により発電モジュール６内に電力を分配する電源部８と、これら改質装置３、燃料電池４、蓄電部７、電源部８を電子制御する制御部９と、を有する。

改質装置３は、気化器５と、マイクロリアクタ１０とから構成されている。

気化器５は、燃料容器２から供給された燃料１９を加熱することで、気化させるものである。気化器５で気化した混合気は、マイクロリアクタ１０へ供給される。

マイクロリアクタ１０は、燃料１９から水素を生成する水素改質器１１と、水素改質器１１で生成された副生成物である一酸化炭素を水と反応させて二酸化炭素にする水性シフト反応器１２と、除去しきれない一酸化炭素を酸素と反応させて二酸化炭素にする選択酸化反応器１３と、を有している。

気化器５、水素改質器１１、水性シフト反応器１２及び選択酸化反応器１３はこの順に下から積層され、互いに隣接する各部材間では、各部材の内部に設けられている流路同士が、後述する供給管２４、排出管２５により連結するように配置されている。

発電モジュール６は、外側に、蓄電部７からの電気出力を外部に伝達する端子１４を備える。この発電モジュール６は、燃料容器２との対向する位置に、燃料容器２との間で水のやりとりを行う管１６を連結するための突起１７と、燃料容器２の燃料１９を供給する供給管１８から燃料を取り込む突起１５と、を備え、突起１５及び突起１７を燃料容器２に噛み合わせて燃料容器２と連結される。発電モジュール６と燃料容器２とを噛み合わせると、突起１５が供給管１８の先端にある封止膜２８を破り、燃料１９が供給管１８内で毛細管現象等により発電モジュール６に供給される。

気化器５、水素改質器１１、水性シフト反応器１２及び選択酸化反応器１３はシリコン、アルミニウム合金等からなる微小基板とガラスなどからなる微小基板を接合してなるものであり、一方の基板に形成された溝に流体を流して、この流体を気化させるか或いは流体の少なくとも一部に化学反応を引き起こすものである。

水素改質器１１は、化学反応式（１）のように、気化器５から供給された混合気を改質触媒で水素ガスと二酸化炭素ガスとに改質するものである。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂ …（１）
マイクロリアクタ１０で生成された水素ガス及び二酸化炭素ガスは、燃料電池４に供給される。なお、マイクロリアクタ１０の詳細については後述する。

燃料電池４は、触媒微粒子が付着した燃料極（カソード）と、触媒微粒子が付着した空気極（アノード）と、燃料極と空気極との間に介装されたフィルム状のイオン伝導膜とを備える。燃料極には、マイクロリアクタ１０からの混合気が供給され、空気極には、発電モジュール６の外周に設けられたスリット２９を介して大気中の酸素ガスが供給される。

電気化学反応式（２）に示すように、燃料極に水素ガスが供給されると、燃料極に付着した触媒により電子の分離した水素イオンが発生し、水素イオンがイオン伝導膜を通じて空気極へ伝導し、燃料極より電子が取り出される。なお、マイクロリアクタ１０から供給された混合気のうち二酸化炭素ガスは、反応せずに外部に放出される。
３Ｈ₂→６Ｈ⁺＋６ｅ^- …（２）
一方、電気化学反応式（３）に示すように、空気極に酸素ガスが供給されると、イオン導電膜を通過した水素イオンと、酸素ガスと、電子とが反応して、水が生成される。
６Ｈ⁺＋３／２Ｏ₂＋６ｅ^-→３Ｈ₂Ｏ …（３）
燃料電池４で以上のような電気化学反応が起こることによって、電気エネルギーが生成される。

次に、本発明に係る改質装置３の一例として水素改質器１１について詳細に説明するが、水素改質器１１、水性シフト反応器１２及び選択酸化反応器１３は基本構造が同じなので、供給管２４から供給される成分や触媒の種類が異なることを除いて、以下に説明する水素改質器１１を、水性シフト反応器１２及び選択酸化反応器１３の各反応器１２，１３に置き換えることができる。また気化器５は、供給管２４から供給される成分や改質触媒が設けられている点を除いて、以下に説明する水素改質器１１に置き換えることができる。

図２は水素改質器１１の断面図を示す。図２に示す通り、水素改質器１１は、上記化学反応式（１）に従い気化器５（図１参照）から供給された混合気を改質触媒で水素ガスに改質する流体移動部２０と、流体移動部２０を完全に収容した状態で流体移動部２０を真空環境下に置くための真空容器６０と、を具備する。図３に、流体移動部２０の斜視図を示す。

図２及び図３に示す通り、流体移動部２０は、二枚の基板２１，２２を上下に重ね合わせた構造を有するものである。上側に配置された上基板２１は、アルミニウム等の金属で形成された導電性基板である。上基板２１には葛折りとされた溝が下基板２２との接触面に形成されており、上基板２１と下基板２２とを貼り合わせることによってマイクロ流路２３が形成される。上基板２１に形成された溝は、上基板２１の一方の面にフォトリソグラフィー法、エッチング法等を適宜施すことによって形成される。なお、上基板２１は単結晶シリコンで形成された半導体基板でもあってもよく、この場合、マイクロ流路２３を形成するための溝はサンドブラスト法によって形成される。

下基板２２は、耐熱性を有する絶縁性基板、具体的には、石英ガラス、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃の単結晶）及びアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃の燒結体）のうちのいずれか一の材料からなる絶縁性基板である。下基板２２のうちの上基板２１との接触面には、Ｙ₂Ｏ₃、Ｇｄ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｏ₃、Ｅｒ₂Ｏ₃及びＹｂ₂Ｏ₃のうちのいずれか一の酸化物が成膜されている。Ｙ₂Ｏ₃、Ｇｄ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｏ₃、Ｅｒ₂Ｏ₃及びＹｂ₂Ｏ₃の各酸化物には水素が含まれており、水素が含まれることで、各酸化物を含む下基板２２はイオン伝導性を有する。なお、石英ガラスは、熱膨張しにくく歪みが小さいので、改質装置の基板に要求される温度変化が激しい環境下においても、破損しにくいといった効果をもたらす。

水素改質器１１のマイクロ流路２３の一方の端部には供給管２４の端が連結しており、この供給管２４の他端は、真空容器６０を貫通して気化器５（図１参照）に連結している。水素改質器１１のマイクロ流路２３の他方の端部には排出管２５の端が連結しており、この排出管２５の他端は、真空容器６０を貫通して水性シフト反応器１２（図１参照）に連結している。

マイクロ流路２３の内壁及び天井には、改質触媒を成膜した改質触媒膜２６がマイクロ流路２３の一端から他端までマイクロ流路２３に沿うように形成されており、マイクロ流路２３の床には発熱抵抗体２７がマイクロ流路２３の一端から他端までマイクロ流路２３に沿うように形成されている。水素改質器１１の改質触媒は、メタノールと水から水素と二酸化炭素に改質することを促進するものである。

上記構成を具備する流体移動部２０では、マイクロ流路２３の一端において発熱抵抗体２７に配線３１が接続されており、マイクロ流路２３の他端において発熱抵抗体２７に配線３２が接続されている。これら配線３１，３２は、基板２１，２２を貫通して流体移動部２０の外部に導き出され、更に真空容器６０を貫通して、水素改質器１１の外部の電源部８に接続されている。電源部８は、配線３１，３２を介して発熱抵抗体２７に電力を供給するものである。

また、流体移動部２０には熱電対の接点が配設されており、熱電対の配線４１，４２が、流体移動部２０から真空容器６０を貫通して水素改質器１１の外部の温度測定部４０に接続されている。温度測定部４０は、熱電対の熱起電力を測定することで流体移動部２０の温度を測定するものである。

なお、選択酸化反応器１３で消費される酸素は、発電モジュール６の通気孔３３を介して大気中から選択酸化反応器１３に取り込まれる。また、選択酸化反応器１３には、一酸化炭素の酸化を選択的に促進する触媒が形成されているため、混合気に含まれる水素はほとんど酸化しない。そして選択酸化反応器１３から燃料電池４へ混合気が供給されるが、その混合気には一酸化炭素ガスが殆ど含まれず、水素ガス及び二酸化炭素ガスの純度が非常に高い。なお、選択酸化反応器１３に水素とそれ以外の無害の副生成物とに分離できる機構を設けて、通気孔３３からその副生成物を排出するようにしてもよい。

電源部８及び温度測定部４０は、水素改質器１１の外部で制御部９に接続されている。制御部９は、汎用のＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等からなる演算処理装置又は専用の論理回路を有し、温度測定部４０からの入力信号を処理して電源部８を制御するものである。すなわち、制御部９には、温度測定部４０で測定された温度を表す温度測定信号が入力され、制御部９は、この温度測定信号に基づいた制御信号を電源部８に出力して、電源部８から流体移動部２０に供給する電力量を制御する。

流体移動部２０は、中空部６１を有する真空容器６０内に収められており、真空容器６０の内部と外部との間の熱の出入りが遮られている。真空容器６０の内壁及び外壁には輻射シールド膜（図示略）が形成されている。輻射シールド膜は電磁波に対して高い反射性を有している。輻射シールド膜が真空容器６０に形成されているため、流体移動部２０で発した電磁波が、真空容器６０外へ伝播せずに流体移動部２０へ反射し、熱輻射が抑えられている。

真空容器６０内の中空部６１は、気圧が非常に低く真空となっている。中空部６１が真空となっているため、流体移動部２０から真空容器６０外へ放熱することが抑えられている。また、中空部６１が真空となっているため、中空部６１に対流が生じず、熱が流体移動部２０から真空容器６０外へ伝達することが抑えられている。

なお、流体移動部２０の周囲が、真空容器６０内に設けられた支持体３０によって支持され、更に流体移動部２０の周囲の中空部６１が、一般に固体よりも熱伝導率の低い気体で覆われかつ減圧雰囲気とされて中空部６１の熱伝導媒体が希薄になっている。これにより、流体移動部２０から真空容器６０へ熱伝導することが抑えられている。

ここで、改質装置の封止方法の一例として水素改質器１１の封止方法について説明する。まずチャンバー内に流体移動部２０及び入り口が開いた状態の真空容器６０を配置させた後、チャンバー内に接続された、空気を吸引する吸引手段（図示略。例えば、真空ポンプ）を作動させることでチャンバー内を真空雰囲気にする。このとき、マイクロ流路２３内は、供給管２４及び排出管２５を介してチャンバー内と等圧になっている。引き続きこの状態でチャンバー内に設けられた加熱器で加熱してチャンバー内の水等を揮発させ、同時にマイクロ流路２３内の水等を揮発させる。チャンバー内の流体移動部２０及び真空容器６０を充分乾燥させたら、真空容器６０の入り口から流体移動部２０を挿入して支持体３０で流体移動部２０を支持させた後、真空容器６０の入り口を封止することで中空部６１及びマイクロ流路２３内を乾燥且つ真空雰囲気で保持する。なお気化器５、水性シフト反応器１２、選択酸化反応器１３についても同様に製造することができる。

第一の実施の形態では、チャンバー内を真空雰囲気にした後で乾燥させたが、乾燥させてから真空雰囲気にしてもよく、真空引きと乾燥を同時に行ってもよい。また、チャンバー内の加熱器で加熱して中空部６１及びマイクロ流路２３内を乾燥させたが、配線３１，３２を介して電源部８または外部電源から発熱抵抗体２７に電力を供給して発熱抵抗体２７を発熱させてマイクロ流路２３内を乾燥させてもよい。乾燥後に別途チャンバー内を真空乾燥させて真空容器６０で水素改質器１１を封止することで中空部６１及びマイクロ流路２３内を真空乾燥することができる。このとき、水素改質器１１を実際に駆動させるときよりも高い温度で発熱抵抗体２７が発熱するように、電源部８からの電力供給量が設定されることが好ましい。

例えば、水素改質器１１を駆動させたときに発熱抵抗体２７の発熱温度を３００℃に制御する場合には、真空容器６０内を真空とする際の発熱抵抗体２７の発熱温度を３５０℃に制御した状態で１０分間発熱させる。勿論、真空容器６０内を真空にする際の発熱抵抗体２７の発熱温度は適宜変更可能であって、水素改質器１１を駆動させる際の発熱抵抗体２７の発熱温度並びに水素改質器１１を構成する各種部材の耐熱性、容積及び表面積等を考慮して設定される。

なお、真空容器６０内を真空にする際の発熱抵抗体２７の発熱温度について、水素改質器１１を駆動させる際の発熱温度よりもはるかに高く設定した場合には、発熱抵抗体２７を短時間発熱させれば足りるが、逆に、水素改質器１１を駆動させる際の発熱温度と同じかそれよりもやや高めに設定した場合には、発熱抵抗体２７をなるべく長い時間をかけて発熱させることが好ましい。

次に、本発明に係る改質装置３の製造方法、詳しくは流体移動部２０の製造方法、更に詳しくは下基板２２に上記した各酸化物を成膜する成膜方法について説明する。

まず、（ｉ）絶縁性基板にＹ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｅｒ又はＹｂをスパッタリング、真空蒸着等により１０００Å〜３０００Åの膜厚で成膜する。その後、（ｉｉ）成膜物を含む絶縁性基板を、水素を含む低酸素雰囲気下で加熱（例えば、４００℃）する。この工程により得られる成膜物は、水素化イットリウム、水素化ガドリニウム、水素化サマリウム、水素化エルビウム又は水素化イッテルビウムである。なお、各水素化物において、イットリウム、ガドリニウム、サマリウム、エルビウム又はイッテルビウムの価数が、二価となっていてもよいし三価となってもいてもよい。その後、（ｉｉｉ）（ｉｉ）の工程を経た成膜物を含む絶縁性基板を真空中で加熱し、成膜物中の不要な水素を取り出す。この工程においては、７００℃未満の温度で水素を含む成膜物は酸化成膜物に変わるが、この酸化成膜物には水素が少なからず残存し、この水素がイオン伝導性を司る元素となる。

なお、絶縁性基板としての石英ガラス基板に水素を含むＳｉＯ₂の酸化膜を成膜してもよいのだが、絶縁性基板にＹ₂Ｏ₃、Ｇｄ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｏ₃、Ｅｒ₂Ｏ₃又はＹｂ₂Ｏ₃を成膜するのは次の理由による。

一つ目の理由として、この場合の石英ガラス基板も酸化膜中に水素を含むからイオン伝導性を有し陽極接合には適するが、上記石英ガラス基板は、劈開性を具備するために加工性に劣る。

二つ目の理由として、これら各酸化物の融点はＳｉＯ₂の融点よりも高い。ＳｉＯ₂の融点が約１８００℃であるのに対して、例えば、Ｙ₂Ｏ₃の融点は約２４１５℃であり、Ｇｄ₂Ｏ₃の融点は約２３４０℃である。つまり、Ｙ₂Ｏ₃及びＧｄ₂Ｏ₃等を絶縁性基板に成膜すると、ＳｉＯ₂を成膜した場合に比べて高温環境下で流体移動部２０を作動させることができる。

三つ目の理由として、上記（ｉ）の工程において絶縁性基板にＳｉを成膜する際にはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を行う必要があり、スパッタリング装置等に比べ高価な上に取扱いの困難なＣＶＤ装置を用いなければならない。つまり、上記（ｉ）の工程において、ＳｉではなくＹ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｅｒ又はＹｂを成膜することで、上記ＣＶＤ装置の使用を回避できる。

なお、上記の通り、スパッタリングによりＳｉを絶縁性基板に成膜することも可能ではあるが、Ｓｉのスパッタリングに要する時間は、例えばＹのそれに要する時間に比して数分の一程度であり、Ｓｉのスパッタリングの処理効率はよくない。これも上記理由の一つになっている。

また、上記（ｉ）〜（ｉｉｉ）からなる成膜方法を、Ｙ及びランタノイド系列元素の全てに適用できるが、絶縁性基板に成膜する元素としては、次の理由からＹ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｅｒ又はＹｂを適用するのが好ましい。すなわち、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｔｂは、取扱いが難しい上に極端に酸化され易いため好ましくない。Ｃｅ、Ｐｒ、Ｔｂは、Ｒ₂Ｏ₃（Ｒは元素）以外の非化学量論組成をとり易く、イオン伝導性以外の性質としてキャリヤー伝導性を有する可能性もあるため好ましくない。Ｄｙ、Ｈｏは、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｔｂと同様である上に酸化物が無色でない（つまり有色である。）ため好ましくない。Ｔｍ、Ｌｕは、原理的には適用可能であるが、高価であり実用性に欠ける。

そして、上記の理由から下基板２２の所定の面に水素を含んだ、Ｙ₂Ｏ₃、Ｇｄ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｏ₃、Ｅｒ₂Ｏ₃及びＹｂ₂Ｏ₃のいずれか一の酸化物が成膜されるとともに、下基板２２のうちのこれら各酸化物を成膜した面と上基板２１のうちの溝を形成した面とを対向させた状態で、上基板２１及び下基板２２が互いに陽極接合される。

次に、発電システム１の動作について説明する。
まず、制御部９が電源部８にオン信号を出力すると、電源部８から気化器５、水素改質器１１、水性シフト反応器１２、選択酸化反応器１３の各発熱抵抗体２７に電力が供給され、これら発熱抵抗体２７が発熱する。温度測定部４０は、気化器５、水素改質器１１、水性シフト反応器１２、選択酸化反応器１３のそれぞれの配線４１，４２を通じて得た温度情報を制御部９にフィードバックし、制御部９は、気化器５、水素改質器１１、水性シフト反応器１２、選択酸化反応器１３がそれぞれの適温となるように電源部８に制御信号を出力する。温度情報は、発熱抵抗体２７に印加する電圧及び発熱抵抗体２７に流れる電流を含むが、電源部８が定電圧であれば電流のみでも良いし、電源部８が定電流であれば電圧のみでも良い。

一方、燃料容器２から気化器５に燃料１９が供給されると、気化器５において燃料１９が蒸発し、気化器５内の気圧が上昇して対流が生じる。これにより、メタノールと水の混合気が、気化器５からマイクロリアクタ１０の水素改質器１１内に流入する。

マイクロリアクタ１０の水素改質器１１においては、混合気が供給管２４からマイクロ流路２３を通って排出管２５へと流れる。そして同様に水素改質器１１の排出管２５から流れてきた流体は、水性シフト反応器１２の供給管２４に入りマイクロ流路２３を通って排出管２５を経由して選択酸化反応器１３の供給管２４に入りマイクロ流路２３を通って最終的に選択酸化反応器１３の排出管２５から排出される。混合気がマイクロ流路２３を流れているとき、各発熱抵抗体２７は、電源部８からの電力供給量に応じて所定温度で発熱しており、混合気を加熱する。発熱抵抗体２７が発熱すると、マイクロリアクタ１０の各真空容器６０内の温度は上昇する。

図４に、改質装置の駆動時間と改質装置の流体移動部２０内の温度との関係について、従来のものと本第一の実施形態のものとを示した。なお、発熱抵抗体２７に供給した電力は、従来の流体移動部１０２（図６参照）における発熱体に供給した電力と同じである。図４に示す通り、同じ電力を供給しても、本第一の実施形態に係る流体移動部２０内の温度は、従来の流体移動部１０２に比較して常に高い。つまり、本第一の実施形態では、流体移動部２０の外部に流失する熱量が従来より少ないことがわかる。

また、水素改質器１１では発熱抵抗体２７の発熱と同時に、混合気が改質触媒膜２６によって化学反応式（１）に従う化学反応を促進される。なお、化学反応式（１）は吸熱反応であるため、混合気が発熱抵抗体２７によって加熱されることでその反応速度は促進される。

マイクロリアクタ１０で生成された水素ガス及び二酸化炭素ガスのうち、水素ガスは燃料電池４に供給され、二酸化炭素ガスは発電モジュール６の外部に放出される。そして、燃料電池４で化学反応式（２）（３）に従う化学反応が起こり、電気エネルギーが生成される。以後、燃料容器２から改質装置３に混合液が供給されている間は、上記の動作が繰り返し行われることで、燃料電池４から電気エネルギーが順次生成される。

以上のように本第一の実施形態では、気化器５及びマイクロリアクタ１０の各流体移動部２０において、下基板２２に水素を含んだ、Ｙ₂Ｏ₃、Ｇｄ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｏ₃、Ｅｒ₂Ｏ₃及びＹｂ₂Ｏ₃のいずれか一の酸化物を成膜して、上基板２１と下基板２２とを陽極接合したので、下基板２２として、従来使用していたガラス基板及び酸化膜（ＳｉＯ₂）を成膜した石英ガラス基板を適用した場合に比べ、気化器５及びマイクロリアクタ１０を高温環境下で作動させることができる。

また、本第一の実施形態では、気化器５及びマイクロリアクタ１０を実際に作動させる前に、気化器５及びマイクロリアクタ１０を駆動させる際の各発熱温度より高い温度に発熱抵抗体２７を予め発熱させたりして真空容器６０内を真空にして封止したから、マイクロリアクタ１０の実際の作動時には、真空容器６０の内壁及び流体移動部２０の周囲等に吸着している成分（例えば、水分）が既に気化しており、真空容器６０内の熱を伝導する媒体を減少させることができる。これにより、真空容器６０内での対流による熱の流失を抑えることができる上、発熱抵抗体２７に供給する電力を抑えた状態で気化器５及びマイクロリアクタ１０を高温環境下で作動させることができる。

［第二の実施の形態］
第二の実施の形態における燃料電池システムは、上記第一の実施の形態における発電システム１と略同一の構成を具備するものであり、改質装置の一部の構成が異なっている。従って、第二の実施の形態における発電システムにおいては、改質装置についてのみ説明する。図５は、第二の実施の形態に係る改質装置７０を示す概略断面図である。なお、図５に示す改質装置７０において、上記第一の実施の形態で説明した部材と同様の部材には、図２と同様の符号を付しその部材の詳細な説明を省略する。

図５に示す通り、改質装置７０では、吸着成分担持体７１が各真空容器６０の内壁にそれぞれ設けられている。各吸着成分担持体７１は、各真空容器６０の内壁及び各流体移動部２０の周辺に存する水分等の成分を吸着するものであって、ポリイミドからなる「ポリイミド発泡体」に被吸着成分を吸着する吸着成分を担持させたものである。ポリイミド発泡体は、ポリイミドに由来して耐熱性に優れており、発泡構造を有するが故に自己の表面積も大きい。従い、各吸着成分担持体７１は、真空容器６０内の中空部６１の至る箇所に設けずとも、比較的小容積のまま真空容器６０内の一又は複数箇所に設けても充分に被吸着成分を吸着できる。

なお、各吸着成分担持体７１に担持させる吸着成分について、改質装置７０を作動させる際に各発熱抵抗体２７を発熱させる設定温度、各真空容器６０内を真空にする際の真空度及び真空環境とされる各中空部６１の容積等に応じて、所望の吸着成分がポリイミド発泡体に担持される。

また、図５に示す改質装置７０では、図２に示す水素改質器１１と同様に中空部６１は真空環境とされているが、中空部６１を真空とする場合に、各発熱抵抗体２７を発熱させずに吸引手段により各中空部６１が真空環境とされる。従い、改質装置７０を実際に作動させる前の状態では、各真空容器６０の内壁及び各流体移動部２０の周囲等に水分等の成分が残存している可能性が高い。

次に、改質装置７０の作用を説明する。改質装置７０の作動時において、各発熱抵抗体２７に電力が供給されると、各発熱抵抗体２７は発熱し、各真空容器６０の内部の温度は急速に上昇する。各真空容器６０内の温度が所定温度を超えると、各真空容器６０の内壁及び各流体移動部２０の周囲等に残存していた水分等の成分が気化する。気化した成分は、各吸着成分担持体７１によりそれぞれ吸着される。

以上のように本第二の実施の形態では、改質装置７０の実際の作動時において、各真空容器６０内に残存する成分が気化して一時的に各真空容器６０内の真空度が低下する可能性はあるが、各吸着成分担持体７１により気化成分を吸着するので、各真空容器６０内の真空度が低下するのを抑制できる。これにより、各真空容器６０内での対流による熱の流失を抑えることができる上、各発熱抵抗体２７に供給する電力を抑えた状態で、気化器５及びマイクロリアクタ１０を高温環境下で作動させることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更を行っても良い。
例えば、流体移動部２０で熱処理して反応させる混合気がメタノールと水蒸気であったが、メタノール以外のアルコール類と水蒸気の混合気であっても良いし、ガソリンと水の混合気であっても良い。但し、混合気の種類に応じて、改質触媒膜２６の種類も変更するのが望ましい。

また、流体移動部２０内に形成された内部空間がマイクロ流路２３であったが、単に空洞状のチャンバーであっても良い。

また、流体移動部２０内に発熱抵抗体２７が設けられているが、この構成に代えて又は加えて、流体移動部２０の外部に発熱体を設けてもよい。この場合、流体移動部２０内のマイクロ流路２３に熱が伝導しやすいように、発熱体を流体移動部２０の外壁に密着させた状態で設けることが好ましい。

また、第二の実施形態において、真空容器６０内を真空環境とする際に発熱抵抗体２７を発熱させない構成としたが、第一の実施形態と同様に発熱抵抗体２７を発熱させながら真空容器６０内を真空にしてもよい。この場合、真空容器６０内に残存する水分等の成分の気化を抑えられ、吸着成分担持体７１により真空容器６０内の真空度の低下を確実に抑制できる。

また、上記各実施の形態では電圧が印加されることで発熱する発熱抵抗体２７により流体移動部２０を加熱したが、燃料容器２からの燃料を燃焼することで発熱する燃焼器を用いても又は併用してもよい。

第一の実施の形態に係る発電システムの概略を示す図である。 第一の実施の形態に係る改質装置を示す概略断面図である。 第一の実施の形態に係る流体移動部を示す斜視図である。 前記改質装置を駆動させた際の前記改質装置の駆動時間と前記流体移動部内の温度との関係を示す図である。 第二の実施の形態に係る改質装置を示す概略断面図である。 従来のマイクロリアクタを示す概略断面図である。

符号の説明

１ 発電システム
２ 燃料容器（貯留手段）
３，７０ 改質装置
４ 燃料電池（生成手段）
５ 気化器
６ 発電モジュール
７ 蓄電部
８ 電源部
９ 制御部
１０ マイクロリアクタ
１９ 燃料（被改質原料）
２０ 流体移動部
２１ 上基板（導電性基板）
２２ 下基板（絶縁性基板）
２３ マイクロ流路
２４ 供給管
２５ 排出管
２６ 改質触媒膜
２７ 発熱抵抗体（発熱体）
４０ 温度測定部
６０ 真空容器（容器）
６１ 中空部
７１ 吸着成分担持体

Claims (11)

1. チャンバー内に改質装置と入り口が開いた状態の真空容器とを配置させた後、空気吸引手段で前記チャンバー内を真空雰囲気にするとともに前記チャンバー内に設けられた加熱器で加熱してから、前記真空容器の入り口から前記改質装置を挿入して、前記真空容器の入り口を封止することを特徴とする改質装置の封止方法。
2. 前記改質装置は、水素改質器、気化器、水性シフト反応器、選択酸化反応器のいずれかを含むことを特徴とする請求項１記載の改質装置の封止方法。
3. 前記空気吸引手段で真空雰囲気にした後、前記加熱器で加熱することを特徴とする請求項１記載の改質装置の封止方法。
4. 前記加熱器で加熱した後、前記空気吸引手段で真空雰囲気にすることを特徴とする請求項１記載の改質装置の封止方法。
5. 前記空気吸引手段で真空雰囲気にすると同時に前記加熱器で加熱することを特徴とする請求項１記載の改質装置の封止方法。
6. チャンバー内に、発熱抵抗体を備えた改質装置と入り口が開いた状態の真空容器とを配置させた後、空気吸引手段で前記チャンバー内を真空雰囲気にするとともに前記発熱抵抗体で加熱してから、前記真空容器の入り口から前記改質装置を挿入して、前記真空容器の入り口を封止することを特徴とする改質装置の封止方法。
7. 前記改質装置は、水素改質器、気化器、水性シフト反応器、選択酸化反応器のいずれかを含むことを特徴とする請求項６記載の改質装置の封止方法。
8. 前記空気吸引手段で真空雰囲気にした後、前記発熱抵抗体で加熱することを特徴とする請求項６記載の改質装置の封止方法。
9. 前記発熱抵抗体で加熱した後、前記空気吸引手段で真空雰囲気にすることを特徴とする請求項６記載の改質装置の封止方法。
10. 前記空気吸引手段で真空雰囲気にすると同時に前記発熱抵抗体で加熱することを特徴とする請求項６記載の改質装置の封止方法。
11. 前記発熱抵抗体の発熱温度は、前記改質装置により被改質原料を気化する際或いは被改質原料を改質する際の前記発熱抵抗体の発熱温度よりも高いことを特徴とする請求項６記載の改質装置の封止方法。

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