JP4400012B2

JP4400012B2 - 蒸発装置、改質装置及び燃料電池システム

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Publication number: JP4400012B2
Application number: JP2001233780A
Authority: JP
Inventors: 忠夫山本; 雅治塩谷
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2001-08-01
Filing date: 2001-08-01
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2021-08-01
Also published as: JP2003048701A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液状の改質原料を蒸発させる蒸発装置、この蒸発装置を具備する改質装置及び燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、民生用や産業用のあらゆる分野において、様々な化学電池が使用されている。例えば、アルカリ乾電池やマンガン乾電池等の一次電池は、時計やカメラ、玩具、携帯型の音響機器等に多用されており、我が国に限らず、世界的な観点からも最も生産数量が多く、安価かつ入手が容易という特徴を有している。
【０００３】
一方、ニッケル・カドミウム蓄電池やニッケル・水素蓄電池、リチウムイオン電池等の二次電池は、近年普及が著しい携帯電話や携帯情報端末（ＰＤＡ）、デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の携帯機器に多用されており、繰り返し充放電ができることから経済性に優れた特徴を有している。また、二次電池のうち、鉛蓄電池は、車両や船舶の起動用電源、あるいは、産業設備や医療設備における非常用電源等として利用されている。
【０００４】
ところで、近年、環境問題やエネルギー問題への関心の高まりに伴い、上述したような化学電池の使用後の廃棄に関する問題やエネルギー変換効率の問題がクローズアップされている。
とくに、一次電池においては、上述したように、製品価格が安価で入手が容易なうえ、電源として利用する機器も多く、しかも、基本的に一度放電されると電池容量が回復することができない、一回限りの利用（いわゆる、使い捨て）しかできないため、年間の排気量が数百万トンに上っている。ここで、化学電池全体では、リサイクルにより回収される比率は、概ね２０％程度に過ぎず、残りの８０％程度が自然界に投棄または埋め立て処理されているとする統計資料もあり、このような未回収の電池に含まれる水銀やインジウム等の重金属による環境破壊や、自然環境の美観の悪化が懸念されている。
【０００５】
また、エネルギー資源の利用効率の観点から上記化学電池を検証すると、一次電池においては、放電可能エネルギーの概ね３００倍のエネルギーを使用して生産されているため、エネルギー利用効率が１％にも満たない。これに対して、繰り返し充放電が可能で経済性に優れた二次電池であっても、家庭用電源（コンセント）等から充電を行う場合、発電所における発電効率や送電損失等により、エネルギー利用効率が概ね１２％程度にまで低下してしまうため、必ずしもエネルギー資源の有効利用が図られているとは言えなかった。
【０００６】
そこで、近年、環境への影響が少なく、かつ、３０〜４０％程度の極めて高いエネルギー利用効率を実現することができる、いわゆる、燃料電池が注目され、車両用の駆動電源や家庭用のコジェネレーションシステム等への適用を目的として、あるいは、上述したような化学電池の代替えを目的として、実用化のための研究、開発が盛んに行われている。
【０００７】
固体高分子型の燃料電池は、アノード及びカソードで高分子電解質膜を挟んでなるもので、アノードに水素、カソードに酸素をそれぞれ供給して電気化学反応を起こして発電するようになっている。また、燃料電池の水素供給源としては、燃料改質装置が用いられている。この燃料改質装置は、アルコール系の燃料と水を蒸発させる蒸発器と、これを改質触媒を用いて改質することにより、水素を含む改質ガスを生成する改質器とを備えている。このような燃料電池と燃料改質装置により、燃料電池システムが構成される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、今後、エネルギー利用効率が高い燃料電池を用いた燃料電池システムを小型軽量化して、可搬型又は携帯型のポータブル電源、例えば、上述したような化学電池の代替え（互換品）として適用するためには、様々な問題を解決する必要がある。即ち、効率的に電力を発生させるために、小型化された蒸発器で定量的な燃料や水の供給を制御する必要がある。
【０００９】
本発明の課題は、燃料電池を用いた燃料電池システムを小型化することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、例えば図５に示すように、液状の改質原料を改質するための改質装置（マイクロ連続槽反応器５１）に用いられる蒸発装置において、
空洞となる室（凹部５５ａ）と、
改質原料を滴状にして前記室内に噴射する噴射手段（燃料噴射手段５８）と、
表面が撥水処理され、前記室に設けられるとともに、前記噴射手段によって噴射された改質原料を加熱して蒸発させるための加熱手段（薄膜ヒータ５７）と、を備え、
前記噴射手段が前記加熱手段に向けて改質原料を噴射することを特徴としている。
【００１１】
請求項１記載の発明では、液状の改質原料が噴射手段によって滴状に噴射され、滴状の改質原料が加熱手段によって加熱されて蒸発される。このように、噴射手段によって改質原料を加熱手段に対して供給することが可能となる。そして、噴射手段が改質原料を噴射した際には改質原料が滴状であるため、改質原料の体積に対する表面積の割合が大きくなるから、改質原料が効率よく蒸発する。改質原料が効率よく蒸発するから、加熱手段の発熱量を大きくするために加熱手段を大型化する必要がなく、蒸発装置の小型化が図られる。そのため、例えば、蒸発装置を具備した燃料電池システムも小型化が図られ、この燃料電池システムを可搬型又は携帯型のポータブル電源として適用するのに適している。
【００１２】
また、噴射手段が室内に改質原料を噴射するため、噴射された改質原料は室内にて蒸発する。改質原料が蒸発することで、室内の圧力が上昇する。例えば、気化した改質原料を水蒸気改質反応させる改質部が室に通じていれば、室内の圧力が上昇することで、気化した改質原料が改質部へと流れる。従って、気化した改質原料を改質部へと流すための手段を設ける必要がなく、蒸発装置の小型化が図られる。
【００１３】
請求項１記載の発明は、前記加熱手段の表面が撥水処理されていることを特徴としている。
【００１４】
請求項１記載の発明では、加熱手段の表面が撥水処理されているため、滴状の改質原料は加熱手段の表面で滑りやすくなる。また、滴状の改質原料は噴射手段によって噴射されるため、滴状の改質原料は運動エネルギーを付与されていることになる。従って、滴状の改質原料は加熱手段の表面で非常によく滑る。ところで、滴状の改質原料が加熱手段によって加熱されることで、加熱手段の表面と接している界面において気泡が発生し、膜沸騰が起こる。気泡が発生することで、改質原料と加熱手段との接触面積が減少してしまい、改質原料に熱が十分に伝導しないことがあり得るが、滴状の改質原料が滑るため、気泡は滴状の改質原料内に留まらず、発生後すぐに改質原料内から周囲へ発散される。従って、加熱手段から改質原料への熱伝導が阻害されず、改質原料が効率よく蒸発される。そして、改質原料が効率よく蒸発するから、加熱手段の発熱量を大きくするために加熱手段を大型化する必要がなく、蒸発装置の小型化が図られる。
【００１５】
請求項２記載の発明は、
液状の改質原料を改質するための改質装置に用いられる蒸発装置において、
空洞となる室と、
改質原料を滴状にして前記室内に噴射する噴射手段と、
表面が親水処理され、前記室に設けられるとともに、前記噴射手段によって噴射された改質原料を加熱して蒸発させるための加熱手段と、を備え、
前記噴射手段が前記加熱手段に向けて改質原料を噴射することを特徴としている。
【００１６】
請求項２記載の発明では、加熱手段の表面に親水処理が施されているため、噴射された改質原料は加熱手段に対して濡れやすくなる。そのため、接触角が小さくなり、滴状の改質原料は、加熱手段の表面に広がって、全体的に薄くなる。従って、滴状の改質原料が全体として沸騰し、改質原料と加熱手段との界面で気泡が発生せず、改質原料は膜沸騰しない。従って、加熱手段から改質原料への熱伝導が阻害されず、改質原料が効率よく蒸発される。
【００１７】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の蒸発装置において、
前記改質原料がメタノールと水との混合液であることを特徴としている。
【００１８】
請求項３記載の発明では、改質原料がメタノールと水との混合液であるため、メタノール及び水のそれぞれに対して噴射手段を設ける必要がなくなり、蒸発装置の小型化が図られる。また、メタノール及び水のそれぞれに対して噴射手段を設ける必要がないため、メタノールや水それぞれの物性値に応じて噴射手段を設計しなくても済み、混合液の物性値に対してのみ噴射手段を設計すれば良い。従って、噴射手段の設計に係る手間が省け、蒸発装置の製造コストの肥大化が抑制される。
【００１９】
請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の蒸発装置において、
前記噴射手段は、サーマルジェット方式、ピエゾ式、及び静電式のいずれかから選択されることを特徴としており、請求項４記載の発明によれば、改質原料の噴射量を微小な単位で良好に制御することができる。
【００２０】
また、請求項５記載の発明は、例えば図２に示すように、
前記噴射手段を制御する制御手段（制御部９）を備え、前記制御手段は、前記噴射手段から噴射される改質原料の単位時間あたりの噴射量を調整するように前記噴射手段を制御することを特徴としている。
【００２１】
請求項５記載の発明では、制御手段が噴射手段を制御することによって、単位時間当たりの改質原料の噴射量が調整され、単位時間当たりの改質原料の蒸発量が調整される。
【００２２】
請求項６記載の発明は、例えば図４に示すように、請求項１から５のいずれかに記載の蒸発装置を備える改質装置において、
前記室内に配置される改質触媒（改質触媒５９）を備え、
蒸発された改質原料を前記室内にて改質することを特徴としている。
また、請求項８に記載の発明は、空洞となる室と、液状の改質原料を滴状にして前記室内に噴射する噴射手段と、前記室に設けられるとともに、前記噴射手段によって噴射された改質原料を加熱して蒸発させるための加熱手段と、を有し、前記噴射手段が前記加熱手段に向けて改質原料を噴射する蒸発装置と、
前記室内に配置される改質触媒と、を備え、
蒸発された改質原料を前記室内にて改質することを特徴としている。
【００２３】
請求項６、８記載の発明では、加熱手段が室内に配置されているため、加熱手段は滴状の改質原料を加熱するだけでなく、蒸発した改質原料も加熱し、更に、室内に改質触媒が配置されているため、蒸発した改質原料は熱と改質触媒に促進されて、室内にて例えば水素等の生成物に改質され、加えて改質された生成物も加熱により蒸発することができる。従って、室は、改質原料を蒸発するための蒸発室と、改質原料を改質するための改質室と、さらには改質された生成物を蒸発させる蒸発室とを兼ねているため、他の改質室が蒸発装置に設けられずとも、改質装置が構成される。他の改質室を設けずとも済むため、改質装置の小型化が図られる。
【００２４】
請求項７記載の発明は、例えば図１４に示すように、請求項１から５のいずれかに記載の蒸発装置を備える改質装置において、
前記室内に通ずる流路（マイクロ流路２５９）と、
前記流路内に配置され、前記流路を通過する蒸発された改質原料を加熱する第二加熱手段（流路用ヒータ２５７）と、
前記流路内に配置される改質触媒（改質触媒２６０）と、を備え、
蒸発された改質原料を前記流路内にて改質することを特徴としている。
請求項９記載の発明は、空洞となる室と、液状の改質原料を滴状にして前記室内に噴射する噴射手段と、前記室に設けられるとともに、前記噴射手段によって噴射された改質原料を加熱して蒸発させるための加熱手段と、を有し、前記噴射手段が前記加熱手段に向けて改質原料を噴射する蒸発装置と、
前記室内に通ずる流路と、
前記流路内に配置され、前記流路を通過する蒸発された改質原料を加熱する第二加熱手段と、
前記流路内に配置される改質触媒と、を備え、
蒸発された改質原料を前記流路内にて改質することを特徴としている。
【００２５】
請求項７、９記載の発明では、改質原料が蒸発すると、室内の圧力が上昇して、気化した改質原料が流路へと流れる。そして、流路内に改質触媒が配置されているとともに、気化した改質原料が第二加熱手段によって加熱されるため、気化した改質原料は熱と改質触媒に促進されて、流路内にて例えば水素等の生成物に改質される。
【００２６】
請求項１０記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図２に示すように、請求項６から９の何れかに記載の改質装置と、前記改質装置によって生成された水素と酸素とを反応させて発電を行う燃料電池（主発電部６）と、を備えることを特徴としている。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る蒸発装置、改質装置及び燃料電池システムについて、図面を用いて具体的な態様を説明する。ただし、発明の範囲を図示例に限定するものではない。
【００２８】
〔第一の実施の形態〕
図１（ａ），（ｂ）には、本発明に係る燃料電池システムを円筒電池に適用した場合の外観の一例が示されており、図１（ｃ）には、化学電池を汎用円筒電池に適用した場合の外観が示されている。また、図２には、本発明に係る燃料電池システムの基本構成を示す機能ブロック図が示されている。
【００２９】
図１（ａ），（ｂ）及び図２に示すように、燃料電池システム１は、大別して、燃料を含有する混合液（改質原料）が封入された燃料パック２と、燃料パック２から供給される混合液に基づいて発電を行うための発電モジュール３とを備えており、外部の負荷３４に電力を供給するものであり、基本的には負荷３４に対して着脱自在である。
【００３０】
燃料パック２は、密閉性の高い燃料貯蔵容器であり、発電モジュール３に対して着脱自在に結合された構成となっている。なお、燃料パック２は、発電モジュール３に対して一体的に結合された構成であっても良い。
【００３１】
この例では、燃料パック２に負極２ａが設けられているとともに発電モジュール３に正極３ａが設けられているが、逆に、燃料パック２に負極が設けられるとともに発電モジュール３に正極が設けられていても良い。
【００３２】
そして、燃料パック２が発電モジュール３に結合された状態における外形寸法（例えば、長さＬａ、直径Ｄａ）が、日本工業規格（JIS）で規格化された汎用の化学電池１００（例えば単三型）の外形寸法（例えば、長さＬｐ、直径Ｄｐ）と略同等になっている。
【００３３】
まず、燃料パック２について詳細に説明する。燃料パック２に対して人為的な過熱・焼却処理や薬品・化学処理等が行われた場合であっても、有機塩素化合物（ダイオキシン類；ポリ塩化ジベンゾパラジオキシン、ポリ塩化ジベンゾフラン）や塩化水素ガス、重金属等の有害物質、環境汚染物質の発生が少ない材料により燃料パック２が構成されている。例えば、燃料パック２は、生分解性や光分解性のプラスチックにより構成されており、具体的には、石油系原料から合成される脂肪族系の有機化合物を含む高分子材料や、トウモロコシやサトウキビ等の植物系原料から抽出されるでんぷんやポリ乳酸からなる高分子材料等により構成されている。
【００３４】
また、燃料電池システム１に用いられる燃料は、その燃料を含有する混合液の封入された燃料パック２が自然界に投棄又は埋め立て処理されてその混合液が大気中や土壌中、水中に漏れ出した場合であっても、自然環境に対して汚染物質とならないような燃料である。更に、燃料電池システム１に用いられる燃料は、発電モジュールにおいて高いエネルギー変換効率で電気エネルギーを生成できることができる燃料である。具体的には、燃料は、メタノール（ＣＨ₃ＯＨ）やエタノール（Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ）等のアルコール類や、ガソリン等の液体燃料である。本実施の形態では、燃料パック２に封入された混合液は、メタノール及び水（Ｈ₂Ｏ）が等しいｍｏｌで均一に混合されたものである。また、燃料パック２内には、封入された混合液を毛細管現象により副発電部４及びマイクロリアクタ５に自動的に送出する送出管（図示せず）及び後述する主発電部６で生成される副生成物のうちの水を回収する回収管（図示せず）が設けられている。
【００３５】
このような構成を有する燃料パック２及び混合液においては、燃料パック２を含む燃料電池システム１が自然界に投棄、又は、埋め立て処理、焼却処分、薬品処理等された場合であっても、自然環境に対して大気や土壌、水質の汚染、あるいは、人体に対する環境ホルモンの生成等の悪影響を及ぼすことを、汎用の化学電池に比較して、大幅に抑制することができる。
【００３６】
また、燃料パック２が発電モジュール３に対して着脱可能であることによって、封入された混合液の残量が減少、又は、なくなった場合には、燃料パック２への混合液の補充や、新たな燃料パックへの交換を行うことができる。そのため、燃料パック２や発電モジュール３の廃棄量を大幅に削減することができるとともに、仮に、使用済みの燃料パック２が投棄された場合であっても、自然環境への悪影響が大幅に削減される。
【００３７】
次に、発電モジュール３について説明する。図２に示すように、発電モジュール３は、発電モジュール３の各構成の動作電源となる電気エネルギーを発生するための副発電部４と、燃料パック２から供給される混合液を改質するためのマイクロリアクタ５と、マイクロリアクタ５により改質された燃料を用いて駆動電力となる電気エネルギーを発生し、外部の負荷３４に対して電力を出力するための主発電部６と、主発電部６を起動させることを検知するための負荷駆動検知部７と、主発電部６により発生された電力を検知するための電力検知部８と、発電モジュール３の各構成を制御するための制御部９とを備える。
【００３８】
副発電部４は、燃料パック２から供給される混合液を用いて電気化学反応によって電気エネルギーを発生し、発電モジュール３の他の構成（制御部９やマイクロリアクタ５等）に電力を供給するとともにメイン機能がオフ時の負荷３４に待機電力を供給するものである。
【００３９】
図３には、副発電部４の一例が示されている。この副発電部４は、燃料直接供給方式を採用した固体高分子型の燃料電池である。即ち、副発電部４は、所定の触媒微粒子が付着された炭素電極から燃料極４１と、所定の触媒が付着された炭素電極からなる空気極４２と、燃料極４１と空気極４２の間に介装されたイオン導電膜４３とを有して構成されている。燃料パック２に封入された混合液が直接供給され、空気極４２には大気中の酸素ガス（Ｏ₂）が供給される。
【００４０】
具体的には、混合液に含まれるメタノール（ＣＨ₃ＯＨ）及び水（Ｈ₂Ｏ）が燃料極４１に直接供給されると、次の化学反応式（１）に示すように、触媒反応により電子（ｅ^-）が分離して、水素イオン（プロトン；Ｈ⁺）が発生する。そして、水素イオンがイオン導電膜４３を介して空気極４２側に通過するとともに、燃料極４１を構成する炭素電極により電子（ｅ^-）が取り出されて、制御部９やマイクロリアクタ５等に電子が供給される。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→６Ｈ⁺＋６ｅ^-＋ＣＯ₂ …（１）
【００４１】
一方、空気極４２に空気が供給されることにより、次の化学反応式（２）に示すように、触媒により制御部９やマイクロリアクタ５等を経由した電子（ｅ^-）とイオン導電膜４３を通過した水素イオン（Ｈ⁺）と空気中の酸素（Ｏ₂）とが反応して水（Ｈ₂Ｏ）が生成される。
６Ｈ⁺３／２Ｏ₂＋６ｅ^-→３Ｈ₂Ｏ …（２）
生成された水は、回収管を介し燃料パック２内の所定の回収手段に回収される。
【００４２】
このような一連の電気化学反応（（１）式及び（２）式）は、概ね室温程度の比較的低温度の環境下で進行する。
したがって副発電部４はヒータ等の加熱手段がなくても化学反応が進行するので、装着された燃料パック２内に蓄積された混合液が完全に消費されるまで或いは燃料パック２を発電モジュール３から取り外すまで、主発電部６の駆動の有無にかかわらず毛細管現象により燃料が供給され続け、その間常時発電しているように設定されている。
【００４３】
次に、マイクロリアクタ５について説明する。図４に示すように、マイクロリアクタ５は、混合液（メタノール及び水）を蒸発させるととも、メタノールガス及び水蒸気を水素ガス（Ｈ₂）と二酸化炭素ガス（ＣＯ₂）に改質するためのマイクロ連続槽反応器５１と、マイクロ連続槽反応器５１で微量に発生した一酸化炭素（ＣＯ）を水性シフト反応により除去するための水性シフト反応器５２と、マイクロ連続槽反応器５１で微量に発生した一酸化炭素を選択酸化反応により無害な物質に化学変化させるための選択酸化反応器５３と、水性シフト反応器５２及び選択酸化反応器５３の各反応により生じる熱を放熱するための放熱フィン５４とを備えている。
【００４４】
マイクロ連続槽反応器５１は、本発明に係る蒸発装置及び改質装置が適用されたものであり、以下のように構成されている。図５（ａ）には、マイクロ連続槽反応器５１の断面が示されており、図５（ｂ）には、図５（ａ）におけるＢ部が拡大して示されている。図５に示すように、マイクロ連続槽反応器５１は、基本構成として、上基板５５と、下基板５６と、薄膜ヒータ５７と、燃料噴射手段５８と、改質触媒５９とを有して構成されている。
【００４５】
上基板５５は、アルミニウム等の金属で形成された基板である。そして、上基板５５には、半導体製造技術（例えば、エッチング）を適用して凹部５５ａが形成されている。凹部５５ａの表面には、改質触媒５９が形成されている。改質触媒５９は、メタノール及び水に対して化学反応を促進する作用を有し、メタノール及び水から水素ガス及び二酸化炭素ガスを生成する機能を有するものである。なお、上基板５５は単結晶シリコンで形成された基板であっても良く、この場合凹部５５ａはサンドブラスト法によって形成される。
【００４６】
下基板５６は、ガラスで形成された基板である。下基板５６上には、電気的な抵抗（例えば、ＴａＳｉＯ_x又はＴａＳｉＯ_xＮ）で構成される薄膜ヒータ５７が設けられている。薄膜ヒータ５７には副発電部４にて発電された電力が配線８０を介して供給されており、薄膜ヒータ５７は電力により発熱するものである。更に、薄膜ヒータ５７及び配線８０上に、酸化シリコン（ＳｉＯ_x）又は窒化シリコン（Ｓｉ_xＮ_y）で形成された絶縁膜８１が被膜されている。なお、絶縁膜８１上に改質触媒５９が被膜されていても良い。
【００４７】
そして、凹部５５ａが上基板５５及び下基板５６（薄膜ヒータ５７）により囲まれる空洞（室）になるように、上基板５５が下基板５６に接合しており、凹部５５ａが反応槽となる。また、上基板５５には、凹部５５ａから水性シフト反応器５２へと通ずる排出路５５ｂが形成されている。
【００４８】
更に、上基板５５には、燃料パック２に封入された混合液を薄膜ヒータ５７に噴射するための燃料噴射手段５８が設けられている。図６には、燃料噴射手段５８の断面図が示されている。図６に示すように、燃料噴射手段５８は、サーマルジェット方式の液滴噴射装置（例えば、既存の、いわゆるプリンタのサーマルジェット式インクジェットヘッドを適用したものである。）であり、ノズル６０と、発熱体６１とを備えている。ノズル６０の先端部に形成された吐出孔６０ａが薄膜ヒータ５７に向くようにして、ノズル６０が上基板５５に設けられている。ノズル６０には燃料パック２から混合液が供給されており、ノズル６０に混合液が充填されるようになっている。発熱体６１は、ノズル６０内に設けられており、ノズル６０に充填された混合液を加熱するものである。発熱体６１には、副発電部４にて発電された電力が供給されるようになっている。
【００４９】
以上のように構成されるマイクロ連続槽反応器５１の作用を説明する。発熱体６１がノズル６０に充填された混合液を加熱すると、ノズル６０内に気泡６２が発生し（発熱体６１において混合液が膜沸騰し）、ノズル６０に充填された混合液に圧力が加わる。これにより、吐出孔６０ａから滴状の混合液が吐出され、混合液の液滴が薄膜ヒータ５７に噴射される。燃料噴射手段５８によって混合液の液滴が噴射される一回の動作が、繰り返されることによって、混合液の液滴が断続的に噴射される。
【００５０】
そして、薄膜ヒータ５７が混合液の液滴を加熱すると、混合液が蒸発する（気化する）。混合液の気化したガス（メタノールガス及び水蒸気が混合したガス、原料ガスと述べる。）は次の化学反応式（３）に示すような水蒸気改質反応をして、水素ガス及び二酸化炭素ガスが凹部５５ａ内にて生成される。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂ …（３）
水蒸気改質反応は、原料ガスが薄膜ヒータ５７により加熱されることによって、また、改質触媒５９によって促進される。
【００５１】
なお、微量の原料ガスが次の化学反応式（４）に示すような反応をし、微量ながら一酸化炭素ガスが生成される。
２ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→５Ｈ₂＋ＣＯ＋ＣＯ₂ …（４）
【００５２】
生成されたガス（水素ガス、二酸化炭素、一酸化炭素等）は、物質拡散及び対流によって排出路５５ｂへと拡散し、凹部５５ａ内の気圧差によって排出路５５ｂを通じて水性シフト反応器５２へと排出される。
【００５３】
なお、燃料噴射手段５８は、サーマルジェット方式のものとしたが、図７に示すような既存のピエゾ式の液滴噴射装置（例えば、いわゆるプリンタのピエゾ式インクジェットヘッドを適用したものである。）が適用されても良い。図７に示すように、別の例の燃料噴射手段５８は、燃料パック２から混合液が供給されるノズル６０と、電圧が印加されると変形するピエゾ素子（電歪素子）６３とを備えている。ノズル６０の先端部に形成された吐出孔６０ａが薄膜ヒータ５７に向くようにして、ノズル６０が上基板５５に設けられている。ピエゾ素子６３の先端が、ノズル６０内に通ずる挿入孔に挿入されており、シール材６４でシールされている。ピエゾ素子６３には、副発電部４にて発電された電力（電圧、電流）が供給されるようになっている。
【００５４】
以上のように構成される燃料噴射手段５８では、ピエゾ素子６３に電圧が印加されると、ピエゾ素子６３が変形する。ピエゾ素子６３の変形動作によってノズル６０内の混合液に圧力が加わり、吐出孔６０ａから混合液の液滴が吐出され、混合液の液滴が薄膜ヒータ５７に噴射される。以上の動作が繰り返されることによって、吐出孔６０ａから混合液の液滴が断続的に噴射される。
【００５５】
また、燃料噴射手段５８は、静電力を用いて混合液を噴射するヘッドでも良い。この場合、図８に示すように、燃料噴射手段５８は、三枚の基板６５，６６，６７を重ねて接合した積層構造となっている。三枚の基板６５，６６，６７は、上基板５５に設けられている。中間の基板６６には、吐出孔６８、吐出室６９、流路７０及びキャビティ７１を構成するために溝が形成されている。基板６６に基板６５が接合することによって、吐出孔６８、吐出室６９、流路７０及びキャビティ７１が構成される。そして、混合液が、燃料パック２からキャビティ７１及び流路７０を介して、吐出室６９に供給されて、キャビティ７１、流路７０及び吐出室６９に混合液が充填されるようになっている。
【００５６】
下側の基板６７には、隙間７３を構成するための溝が形成されており、基板６６に基板６７が接合されることによって、隙間７３が形成される。また、下側の基板６７上には対向電極７４が形成されており、対向電極７４上には絶縁膜７５が形成されている。対向電極７４及び絶縁膜７５は、吐出室６９の底壁（以下、振動板７２と述べる。）に対向している。対向電極７４及び振動板７２には、副発電部４により発電された電力によって電圧（電位差）が印加されるようになっている。
【００５７】
以上のように構成される燃料噴射手段５８では、振動板７２と対向電極７４との間に電圧が印加されると、クーロン力によって振動板７２が対向電極７４に向けて撓む。その後、振動板７２と対向電極７４との間の電圧が消去すると、振動板７２が復元する。従って、吐出室６９内の圧力が急激に上昇し、吐出孔６８から混合液の液滴が吐出され、混合液の液滴が薄膜ヒータ５７に噴射される。以上の動作が繰り返されることによって、吐出孔６８から混合液の液滴が断続的に噴射される。
【００５８】
以上のように構成されるマイクロ連続槽反応器５１によれば、燃料噴射手段５８が設けられているため、燃料パック２から供給される混合液を滴状にして薄膜ヒータ５７全面に広範囲に噴射することが可能となる。また、混合液が滴状で噴射されるため、混合液の体積に対する薄膜ヒータ５７と混合液との接触面積が大きくなるから、薄膜ヒータ５７において混合液が効率よく蒸発する。そのため、蒸発用ヒータ２５６において混合液を蒸発させるためのエネルギーの浪費が抑えられる。
【００５９】
また、混合液が効率よく蒸発するから、薄膜ヒータ５７の発熱量を大きくするために薄膜ヒータ５７を大型化する必要がなく、マイクロ連続槽反応器５１の小型化が図られる。また、燃料噴射手段５８は、サーマルヘッド式、ピエゾ式或いは静電式の液滴噴射装置であり、液滴噴射装置として応用されるインクジェットヘッドにおいてはマイクロオーダでの小型化技術が確立されている。従って、マイクロ連続槽反応器５１の小型化が図られる。
【００６０】
また、メタノールと水の混合された状態の混合液が燃料噴射手段５８によって噴射されるため、混合液の原料毎（メタノール及び水）に噴射手段を設ける必要がなくなり、マイクロ連続槽反応器５１の製造コストの膨大化を抑えられる。即ち、原料毎に噴射手段を設けるとしたら、原料の物性値に応じて噴射手段を設計しなければならないが（例えば、ノズル形状や材料などを原料毎に設計しなければならない）、上記実施の形態では混合された状態の混合液が燃料噴射手段５８によって噴射されるために、混合された状態の混合液に対してのみ燃料噴射手段５８を設計すれば済む。
【００６１】
次に、水性シフト反応器５２及び選択酸化反応器５３について、図９を参照して説明する。図９に示すように、水性シフト反応器５２及び選択酸化反応器５３には、葛折りとなったマイクロ流路７６が設けられている。また、水性シフト反応器５２及び選択酸化反応器５３は一体となっており、具体的には以下のように構成されている。
【００６２】
図１０には、図９のＡ−Ａ断面が示されている。図１０に示すように、水性シフト反応器５２及び選択酸化反応器５３は、上基板７７と下基板７８とを重ねて接合した積層構造となっている。上基板７７及び下基板７８は、それぞれアルミニウム合金、ガラスで形成された基板である。上基板７７には、マイクロ流路７６を構成するための溝７７ａが、半導体製造技術（例えば、エッチング）を適用して形成されている。上基板７７に下基板７８が接合されることによって、溝７７ａによるマイクロ流路７６が形成される。また、下基板７８には、マイクロ連続槽反応器５１の排出路５５ｂに通じる吸入路７８ａが形成されており、この吸入路７８ａは水性シフト反応器５２側のマイクロ流路７６の端部に通じている。そして、マイクロ連続槽反応器５１にて生成されたガス（水素や一酸化炭素、二酸化炭素等）は、吸入路７８ａを通じてマイクロ流路７６へと流れるようになっている。また、マイクロ流路７６の他方の端部は、後述する主発電部６の燃料極３１（図１１に図示）に通じており、マイクロ連続槽反応器５１にて生成されたガスがマイクロ流路７６を流れて、燃料極３１へと流れるようになっている。更に、上基板７７に放熱フィン５４が設けられており、マイクロ流路７６で発生する熱が放熱フィン５４によって放熱されるようになっている。
【００６３】
水性シフト反応器５２の溝７７ａには、水性シフト反応用触媒７７ｂが形成されており、選択酸化反応器５３の溝７７ａには、選択酸化反応用触媒７７ｃが形成されている。水性シフト反応用触媒７７ｂは、一酸化炭素及び水に対して化学反応を促進する作用を有し、一酸化炭素及び水から水素及び二酸化炭素を生成する機能を有するものである。選択酸化反応用触媒７７ｃは、水素過剰条件において、水素より一酸化炭素を優先して酸化させる作用を有するものである。マイクロ流路７６（溝７７ａ）の断面幅ｗは、水性シフト反応用触媒７７ｂ及び選択参加反応用触媒７７ｃが被膜された状態で１００〔μｍ〕以下であるのが望ましく、マイクロ流路７６の断面深さｄは、水性シフト反応用触媒７７ｂ及び選択酸化反応用触媒７７ｃが被膜された状態で５００〔μｍ〕以下であるのが望ましい。
【００６４】
以上のように構成される水性シフト反応器５２及び選択酸化反応器５３の作用を説明する。
マイクロ連続槽反応器５１で生成されたガスがマイクロ流路７６を通過している間に、水性シフト反応器５２において、一酸化炭素が水性シフト反応用触媒７７ｂによって促進されて、次の化学反応式（５）に示すような水性シフト反応をする。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ …（５）
なお、マイクロ連続槽反応器５１において未反応だった水が、水性シフト反応における水として用いられることになる。
【００６５】
選択酸化反応器５３においては、マイクロ流路７６を通過するガスに含まれる一酸化炭素が選択酸化反応用触媒７７ｃによって選択されて、一酸化炭素が次の化学反応式（６）に示すような選択酸化反応をする。また、マイクロ流路７６に選択酸化反応用触媒７７ｃが形成されているため、ガスに含まれる水素はほとんど酸化しない。
２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂ …（６）
なお、大気中の酸素が、選択酸化反応における酸素として用いられる。
【００６６】
以上のように、マイクロ連続槽反応器５１、水性シフト反応器５２及び選択酸化反応器５３から構成されるマイクロリアクタ５によれば、マイクロ連続槽反応器５１において微量ながら一酸化炭素が生成されるが、水性シフト反応器５２及び選択酸化反応器５３において一酸化炭素が水素や二酸化炭素に変換されるため、一酸化炭素がほとんど生成されない。
【００６７】
次に、主発電部６について図１１を参照して説明する。主発電部６は、燃料改質方式を採用した固体高分子型の燃料電池である。即ち、主発電部６は、白金や白金・ルテニウム等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなる燃料極（カソード）３１と、白金等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなる空気極（アノード）３２と、燃料極３１と空気極３２との間に介装されたフィルム状のイオン導電膜（交換膜）３３とを有して構成されている。燃料極３１が、図１に示す負極２ａに接続されているとともに、空気極３２が、図１に示す正極３ａに接続されている。
【００６８】
ここで、燃料極３１には、上記マイクロリアクタ５において生成された水素ガスが供給され、一方、空気極３２には、大気中の酸素ガス（Ｏ₂）が供給されることにより、主発電部６において電気化学反応により所定の電気エネルギーが生成（発電）され、負荷３４に対しての駆動電力（電圧・電流）となる電気エネルギーが生成される。
【００６９】
具体的には、燃料極３１に水素ガスが供給されると、次の化学反応式（７）に示すように、燃料極３１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、イオン導電膜３３を介して空気極３２側に水素イオンが通過するとともに、燃料極３１を構成する炭素電極により電子が取り出されて負荷３４に供給される。
３Ｈ₂→６Ｈ⁺＋６ｅ^- …（７）
【００７０】
一方、空気極３２に酸素ガスが供給されると、上記化学反応式（２）に示すように、触媒により負荷３４を経由した電子とイオン導電膜３３を通過した水素イオンと空気中の酸素ガスとが反応して、水が生成される。
【００７１】
主発電部６における電気化学反応は概ね６０〜８０℃の比較的低温の温度条件で進行するため、燃料極３１に僅かな一酸化炭素が供給された場合でも燃料極３１に吸着被毒して活性が低下し易いが、マイクロリアクタ５において生成されるガスには一酸化炭素がほとんど含まれていないから燃料極３１に吸着被毒しない。従って、長時間燃料電池システム１が使用された場合でも、主発電部６により発生する駆動電力の低下を招かない。
【００７２】
次に、負荷駆動検知部７、電力検知部８及び制御部９について説明する。
負荷駆動検知部７、電力検知部８及び制御部９は、既存の半導体製造技術を適用することにより、数ミクロンオーダーにマイクロチップ化されたものである。
【００７３】
負荷駆動検知部７は、主発電部６を起動させる旨を検知するものであり、具体的には、主発電部６に負荷３４が接続されたことを検知するセンサ（例えば、燃料電池システム１に対する負荷３４の位置を検知する位置センサ等）や、使用者等が負荷３４の操作ボタン等を押下した時の負荷の容量変化に伴う電位の変化を検知するセンサである。そして、負荷駆動検知部７は、検知した場合に、検知した旨の信号を制御部９に出力するようになっている。
【００７４】
電力検知部８は、主発電部６において発生された駆動電力の値を検知するものであり、具体的には、主発電部６から負荷３４に流れる電流の値を検知する電流計や、主発電部６から負荷３４に負荷される電圧の値を検知する電圧計等である。そして、電力検知部８は、主発電部６において発生された駆動電力の値を示す信号を制御部９に出力するようになっている。
【００７５】
制御部９は、専用の論理回路もしくは、ＣＰＵ（central processing unit）等を有する演算処理装置であり、負荷３４が待機状態からメイン機能の起動する状態へのシフトにともない変位する電位を燃料パック２の正極３ａ及び負極２ａを介して検知した負荷駆動検知部７から入力される信号に基づいて主発電部６を起動させることを判定し、主発電部６を起動させると判定した場合に、マイクロリアクタ５に作動を指示する信号を出力するようになっている。具体的には、制御部９は、マイクロリアクタ５に設けられる燃料噴射手段５８に対して作動を指示する作動信号を出力するようになっている。これにより、燃料噴射手段５８が混合液を噴射しはじめ、マイクロリアクタ５において水素ガスが生成されはじめ、主発電部６が起動して、主発電部６から駆動電力が発電される。一方、制御部９は、メイン機能が駆動している状態から待機状態へのシフトにともない変位する電位を燃料パック２の正極３ａ及び負極２ａを介して検知した負荷駆動検知部７から入力される信号に基づいて主発電部６を停止すると判定した場合に、マイクロリアクタ５に停止を指示する停止信号を出力するようになっている。具体的には、制御部９は、マイクロリアクタ５に設けられる燃料噴射手段５８に対して停止を支持する停止信号を出力するようになっている。これにより、燃料噴射手段５８が混合液を噴射することを停止し、マイクロリアクタ５において水素ガスが発生されないため、主発電部６が停止し、主発電部６から駆動電力が発電されない。
【００７６】
例えば、燃料噴射手段５８が図６に示すような場合、制御部９が燃料噴射手段５８の発熱体６１に対して作動信号を出力する（副発電部４で発電された電力を供給する）ことによって、副発電部４から供給された電力により発熱体６１が発熱し、燃料噴射手段５８から混合液が噴射される。また、燃料噴射手段５８が図７に示すような場合、制御部９が燃料噴射手段５８のピエゾ素子６３に対して作動信号を出力する（副発電部４で発電された電力を供給する）ことによって、ピエゾ素子６３が変形し、燃料噴射手段５８から混合液が噴射される。また、燃料噴射手段５８が図８に示すような場合、制御部９が振動板７２及び対向電極７４に対して作動信号を出力する（副発電部４で発電された電圧を振動板７２と対向電極７４との間に印可した後に電圧を消去する）ことによって、振動板７２が撓んでから復元し、燃料噴射手段５８から混合液が噴射される。
【００７７】
更に、主発電部６が起動している場合に、制御部９は、電力検知部８から入力される信号に基づいて、主発電部６の駆動電力の値を判定し、判定した駆動電力の値に基づいてマイクロリアクタ５を制御するようになっている。これにより、マイクロリアクタ５から生成される水素ガスの生成量が調節される。即ち、制御部９は、マイクロリアクタ５に設けられる燃料噴射手段５８を制御する。これにより、燃料噴射手段５８から噴射される混合液の噴射量（単位時間当たりの噴射量、例えば、燃料噴射手段５８が燃料を噴射するインターバル）が制御部９によって制御され、マイクロリアクタ５から生成される水素ガスの生成量が調整され、結果として主発電部６から発電される駆動電力（電圧、電位、電気エネルギー）が調整される。具体的には、燃料噴射手段５８が一回混合液を噴射した後に次回に再び混合液を噴射するまでの時間的間隔を、制御部９が制御することによって、水素ガスの生成量が調整される。更に、制御部９は、電力検知部８から入力される信号に基づいて、主発電部６から発電される駆動電力等が一定になるように（例えば、負荷３４に印可される電圧が一定の１．５〔Ｖ〕となるように）、燃料噴射手段５８を制御するようになっている。
【００７８】
即ち、以上の燃料電池システム１では、燃料噴射手段５８が設けられており、この燃料噴射手段５８から噴射される混合液の噴射量が制御部９によって調整されることによって、水素ガスの生成量が容易に制御することができる。また、負荷駆動検知部７が検知した場合のみに、燃料噴射手段５８から混合液が噴射され、主発電部６から電力が発電されるため、電力を必要としないとき（例えば、負荷３４が燃料電池システム１に接続されていないとき）には混合液が噴射されない。従って、混合液の浪費が抑えられる。
【００７９】
次に、上記燃料電池システム１の使用方法及び作用について説明する。
まず、混合液が充填された燃料パック２を発電モジュール３に取り付ける。次に、燃料パック２が取り付けられた状態の燃料電池システム１を負荷３４に接続する。そして、負荷駆動検知部７において検知した場合に、マイクロリアクタ５で水素ガスが生成されて、主発電部６において駆動電力が発電される。これにより、駆動電力が負荷３４に対して供給される。この際、制御部９が、マイクロリアクタ５から発生される水素ガスの量を調節することにより、主発電部６において発電される電力が調整される。
【００８０】
〔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燃料電池システム１とほぼ同一の構成をしており、マイクロリアクタ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燃料電池システムの構成については、第一の実施の形態における燃料電池システム１と異なる構成について主に説明する。
【００８１】
第二の実施の形態において、マイクロリアクタ５は、図５に示すマイクロ連続槽反応器５１に代えて、図１２に示すようなマイクロ回分反応器１５１を備えている。
【００８２】
マイクロ回分反応器１５１は、本発明に係る蒸発装置及び改質装置が適用されたものであり、基本構成として、上基板５５と、下基板５６と、薄膜ヒータ５７と、燃料噴射手段５８と、改質触媒５９と、マイクロバルブ１５２とを有して構成されている。この上基板５５及び下基板５６が接合されることで凹部５５ａによる空洞（室）が形成されている。上基板５５、下基板５６、薄膜ヒータ５７、燃料噴射手段５８、改質触媒５９、配線８０及び絶縁膜８１は、上記マイクロ連続槽反応器５１の場合とほぼ同様の構成をしているため、詳細な説明を省略する。
【００８３】
マイクロバルブ１５２は、上基板５５に形成された排出路５５ｂに設けられており、排出路５５ｂを開閉するものである。マイクロバルブ１５２は、副発電部４で発電された電力によって開閉動作するようになっている。更に、マイクロバルブ１５２は、制御部９によって開閉動作を制御されるようになっている。
【００８４】
以上のように構成されるマイクロ回分反応器１５１の作用を説明する。
まず、制御部９がマイクロバルブ１５２を制御することによって、マイクロバルブ１５２が閉動作して、排出路５５ｂが塞がれる。そして、上記マイクロ連続槽反応器５１の場合と同様に、燃料噴射手段５８が制御部９によって制御されて、混合液の液滴が薄膜ヒータ５７に噴射される。そして、薄膜ヒータ５７が混合液の液滴を加熱すると、混合液が蒸発する（気化する）。そして、原料ガス（メタノールガス及び水蒸気）が改質触媒５９によって促進されて上記化学反応式（３）及び上記化学反応式（４）に示すような反応をして、水素ガス、二酸化炭素ガス及び微量の一酸化炭素ガスが生成される。水素ガス、二酸化炭素ガス及び一酸化炭素ガスが生成されることによって、凹部５５ａの圧力が上昇する。
【００８５】
そして、所定時間経過後（この間に、燃料噴射手段５８が所定回数だけ混合液を噴射する動作を繰り返しても良い。）、制御部９がマイクロバルブ１５２を制御することによって、マイクロバルブ１５２が開動作する。マイクロバルブ１５２が開くと、生成されたガスは凹部５５ａの圧力差によって排出路５５ｂへと流れて、水性シフト反応器５２のマイクロ流路７６へと流れる。
【００８６】
その後同様に、マイクロバルブ１５２が閉動作し、燃料噴射手段５８が混合液を滴状に噴射し、マイクロバルブ１５２が開動作することが繰り返されることによって、断続的に生成ガスが水性シフト反応器５２のマイクロ流路７６へと流れる。
【００８７】
以上の第二の実施の形態においても、マイクロ回分反応器１５１に燃料噴射手段５８が設けられているため、燃料パック２から供給される混合液を滴状にして薄膜ヒータ５７に噴射することが可能となる。また、混合液が滴状で噴射されるため、薄膜ヒータ５７において混合液が効率よく蒸発する。即ち、薄膜ヒータ５７において混合液を蒸発させるためのエネルギーの浪費が抑えられる。
【００８８】
〔第三の実施の形態〕
第三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燃料電池システム１とほぼ同一の構成をしており、マイクロリアクタの構成が異なっている。従って、第三の実施の形態における燃料電池システムの構成については、第一の実施の形態における燃料電池システム１と異なる構成について主に説明する。
【００８９】
第三の実施の形態において、マイクロリアクタ５は、図５に示すマイクロ連続槽反応器５１に代えて、図１３及び図１４に示すようなマイクロ改質反応器２５１を備えている。マイクロ改質反応器２５１は、大きく分けて、混合液を蒸発させるためのマイクロ蒸発部２５２と、マイクロ蒸発部２５２において気化したメタノールガス及び水蒸気を水素ガスと二酸化炭素ガスに改質するためのマイクロ流路反応部２５３とが一体となって構成されており、マイクロ蒸発部２５２には空洞２５８が設けられており、マイクロ流路反応部２５３にはマイクロ流路２５９が設けられている。
【００９０】
詳細に説明すると、マイクロ改質反応器２５１は、上基板２５４と、下基板２５５と、蒸発用ヒータ２５６と、流路用ヒータ２５７と、燃料噴射手段５８とを有して構成されている。上基板２５４は、空洞２５８を構成するための凹部２５４ａと、マイクロ流路２５９を構成するための溝２５４ｂとが、半導体製造技術を適用して上基板２５４に形成されている。そして、上基板２５４に下基板２５５が接合されることによって、凹部２５４ａによる空洞２５８が形成され、溝２５４ｂによるマイクロ流路２５９が形成される。また、溝２５４ｂは凹部２５４ａに連なって形成されているため、マイクロ流路２５９の一端は空洞２５８に通じている。一方、マイクロ流路２５９の他端は水性シフト反応器５３の吸入路７８ａ（図１０に図示）に通じている。
【００９１】
また、溝２５４ｂの表面には、改質触媒２６０が形成されている。改質触媒２６０は、メタノール及び水に対して化学反応を促進する作用を有し、メタノール及び水から水素ガス及び二酸化炭素ガスを生成する機能を有するものである。
【００９２】
また、溝２５４ｂ（マイクロ流路２５９）の断面幅Ｗは、改質触媒２６０が被膜された状態で１００〔μｍ〕以下であるのが望ましく、溝２５４ｂの断面深さＤは、改質触媒２６０が被膜された状態で５００〔μｍ〕以下であるのが望ましい。
【００９３】
更に、下基板２５５はガラスで形成された基板であり、下基板２５５における上基板２５４側の面には、電気的な抵抗（例えば、ＴａＳｉＯ_x又はＴａＳｉＯ_xＮ）で構成される蒸発用ヒータ２５６及び流路用ヒータ２５７が設けられている。蒸発用ヒータ２５６には副発電部４にて発電された電力が配線２６２を介して供給されており、流路用ヒータ２５７には副発電部４にて発電された電力が配線２６３を介して供給される。蒸発用ヒータ２５６及び流路用ヒータ２５７は電力により発熱するものである。蒸発用ヒータ２５６が空洞２５８の面となるように、また流路用ヒータ２５７がマイクロ流路２５９の内面となるように、上基板２５４に下基板２５５が接合されている。なお、流路用ヒータ２５７に改質触媒２６０が被膜されていても良い。また、蒸発用ヒータ２５６、流路用ヒータ２５７及び配線２６２，２６３上に、酸化シリコン（ＳｉＯ_x）又は窒化シリコン（Ｓｉ_xＮ_y）で形成された絶縁膜２６４が被膜されていても良い。
【００９４】
上基板２５４には、燃料パック２に封入された混合液を蒸発用ヒータ２５６に噴射するための燃料噴射手段５８が設けられており、この燃料噴射手段５８は第一の実施の形態における燃料噴射手段５８と同様な構成をしている。
【００９５】
以上のように構成されるマイクロ改質反応器２５１の作用を説明する。
まず、上記マイクロ連続槽反応器５１の場合と同様に、燃料噴射手段５８が制御部９によって制御されて、混合液の液滴が蒸発用ヒータ２５６に噴射される。そして、蒸発用ヒータ２５６が混合液の液滴を加熱すると、混合液が蒸発する（気化する）。混合液が気化することによって空洞２５８の圧力が上昇し、原料ガス（メタノールガス及び水蒸気）が圧力によって空洞２５８からマイクロ流路２５９へと流れる。そして、原料ガスがマイクロ流路２５９を流れている間に、原料ガスは改質触媒２６０に促進されるとともに流路用ヒータ２５７によって加熱されて、上記化学反応式（３）及び上記化学反応式（４）に示すような反応をする。これにより、水素ガス、二酸化炭素ガス及び一酸化炭素ガスが生成される。そして、生成されたガス（水素ガス、二酸化炭素ガス及び一酸化炭素ガス）は、水性シフト反応器５３のマイクロ流路７６へと流れ出る。
【００９６】
以上の第三の実施の形態においても、マイクロ蒸発部２５２に燃料噴射手段５８が設けられているため、燃料パック２から供給される混合液を滴状にして蒸発用ヒータ２５６に噴射することが可能となる。また、混合液が滴状で噴射されるため、蒸発用ヒータ２５６において混合液が効率よく蒸発する。そのため、蒸発用ヒータ２５６において混合液を蒸発させるためのエネルギーの浪費が抑えられる。
【００９７】
また、マイクロ改質反応器２５１は、マイクロ連続槽反応器５１より薄い構造とすることができる。その理由は以下による。即ち、マイクロ連続槽反応器５１は開いた系であるから、原料ガスが十分に（例えば、９０％以上）水素や二酸化炭素に改質されるために、薄膜ヒータ５７と排出路５５ｂとの距離ｓ（図５に図示）を十分に大きくする必要がある。ところが、マイクロ改質反応器２５１では、マイクロ蒸発部２５２（空洞２５８）は開いた系であるが、マイクロ蒸発部２５２において混合液が水素や二酸化炭素に改質されるのではなくマイクロ流路反応部２５３において混合液が改質されるため、空洞２５８の高さＳ（図１４に図示）は距離ｓに比較して小さくても良い。
【００９８】
また、マイクロ改質反応器２５１における改質に係る反応速度は、マイクロ回分反応器１５１における改質に係る反応速度より高い。その理由は以下による。即ち、マイクロ回分反応器１５１では、原料ガスが十分に（例えば、９０％以上）水素や二酸化炭素に改質されるためにマイクロバルブ１５２が閉じてマイクロ回分反応器１５１が閉じた系となるから、マイクロバルブ１５２が閉じている間は生成されたガスがマイクロ回分反応器１５１から流れでない。このため原料ガスが拡散しにくく、比較的広い空間で原料ガスが十分改質触媒に接触し改質されるためには時間がかかってしまう。一方、マイクロ改質反応器２５１では、原料ガスがマイクロ流路２５９を流れている間に十分に水素や二酸化炭素に改質されるため、マイクロ蒸発部２５２（空洞２５８）を閉じた系とする必要がない。そのため、連続的に原料ガスがマイクロ蒸発部２５２からマイクロ流路２５９へと流れ、水素や二酸化炭素がマイクロ改質反応器２５１から連続的に流れ出るためにこれら原料ガスが極めて細いマイクロ流路２５９を流動しながら通過するので原料ガスが単位時間当たりに改質触媒と接触する確率がむらなく均等で且つ高くなる。従って、マイクロ回分反応器１５１よりマイクロ改質反応器２５１の方が効率よく混合液を改質できる。更に、混合液が水素や二酸化炭素に改質されている際、マイクロ回分反応器１５１では原料ガスは空洞２５８において停留しており、マイクロ改質反応器２５１では原料ガスがマイクロ流路２５９が流れている。そのため、原料ガスに対して熱を伝達する効率は、マイクロ回分反応器１５１よりマイクロ改質反応器２５１の方が高く、マイクロ改質反応器２５１の方が改質に係る反応速度が高い。
【００９９】
ところで、マイクロ流路反応部２５３（マイクロ流路２５９）において、原料ガスの改質効率（単位時間当たりの水素の生成される量）を高めるために、マイクロ流路２５９を流れるガス（メタノールガスや水蒸気、生成された水素ガス、二酸化炭素ガス）の平均流速を大きくする必要がある。しかしながら、マイクロ流路２５９を流れるガスの平均流速が大きくしすぎると、原料ガスが十分に改質されない場合がある。そこで、第三の実施の形態において、流路用ヒータ２５７から発せられる熱流束を５００〔Ｗ／ｍ²〕以上と大きくすることによって、水蒸気改質反応に係る反応速度を高めている。
【０１００】
以下、具体的なデータを示して、流路用ヒータ２５７の熱流束と、混合液が改質された率（転化率）との関係を説明する。表１は、マイクロ流路反応部２５３における各数値を示すものである。条件（１）では、マイクロ流路２５９の断面幅Ｗを５２０〔μｍ〕とし、断面深さＤを３６０〔μｍ〕とし、マイクロ流路２５９の長さを３００〔ｍｍ〕とした条件である。条件（２）では、マイクロ流路２５９の断面幅Ｗを２２０〔μｍ〕とし、断面深さＤを４１０〔μｍ〕とし、マイクロ流路２５９の長さを３００〔ｍｍ〕とした条件である。
【０１０１】
【表１】

【０１０２】
条件（１）において、マイクロ流路２５９を流れるガスの平均流速を０．９４〔ｍ／ｓｅｃ〕とし、流路用ヒータ２５７の熱流束を６００〔Ｗ／ｍ²〕とした場合、１００％の混合液が改質された。
【０１０３】
また、条件（２）において、マイクロ流路２５９を流れるガスの平均流速を１．９６とし、流路用ヒータ２５７の熱流束を１３００〔Ｗ／ｍ²〕とした場合、９４．３％の混合液が改質された。なお、条件（１）でも、条件（２）でも流路の温度は３００℃となっている。
【０１０４】
以上のように、流路用ヒータ２５７から発せられる熱流束を５００〔Ｗ／ｍ²〕以上と大きくすることによって、メタノールガスや水蒸気が水素や二酸化炭素ガスに十分に改質される。従って、マイクロ流路２５９を流れるガスの平均流速を速くすることができ、マイクロ流路反応部２５３における改質効率を高めることができる。なお、他の燃料（例えば、ガソリン）の場合、熱流束を１００〔Ｗ／ｍ²〕以上で十分な転化率が得られた。
【０１０５】
また、マイクロ改質反応器５１を小型化するためには、マイクロ流路２５９の体積を小さくすれば良い。しかしながら、マイクロ流路２５９の体積を小さくしすぎると、マイクロ改質反応器５１の改質効率が低くなってしまうが、上述したように流路用ヒータ２５７の熱流束を５００〔Ｗ／ｍ²〕以上と大きくすることによってマイクロ改質反応器５１の改質効率が向上するから、マイクロ流路２５９の体積を小さくすることができる。そのため、マイクロ改質反応器５１の小型化が図れる。
【０１０６】
また、マイクロ流路２５９の体積を小さくするためには、マイクロ流路２５９の断面積を小さくする必要がある。マイクロ流路２５９の断面幅Ｗを小さくして、ある程度断面深さＤを確保すれば、マイクロ流路２５９の断面積が小さくなり、マイクロ改質反応器５１のサイズが小型化される。そのため、マイクロ流路２５９の断面幅Ｗを断面深さＤより小さくして、断面幅Ｗが１００〔μｍ〕以下であるのが望ましく、断面深さＤが５００〔μｍ〕以下であるのが望ましい。また、マイクロ流路２５９の断面積が小さくなることによって、流路用ヒータ２５７の熱が原料ガスに拡散する時間が小さくなり、原料ガスの反応速度が速くなる。
上記各実施の形態における噴射手段は、既存のプリンタにおけるサーマルジェット方式、ピエゾ式、及び静電式のインクジェットヘッドのいずれかを採用したのでピコリットルレベルの噴霧が可能となるため、容易に主発電部６での発電される電力を制御することができる。
【０１０７】
なお、本発明は、上記各実施の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、種々の改良並びに設計の変更を行っても良い。
【０１０８】
また、上記各実施の形態において、燃料噴射手段５８は一つに限らず、複数設けられていても良い。そして、制御部９が、電力検知部８から入力される信号に基づいて、複数の燃料噴射手段５８の中から作動させる燃料噴射手段の数を決定し、決定した数だけ燃料噴射手段５８から混合液を噴射させるように制御しても良い。これにより、マイクロリアクタ５において生成される水素の量が調整されて、結果として主発電部６から発電される駆動電力（電圧、電流）が調整される。
【０１０９】
また、上記各実施の形態において、燃料電池システム１の外形は図１に示すような円筒形状に限らず、例えば、ボタン型或いはコイン型等の円形型であっても良いし、特殊形状型、角形或いは平型等の非円形型であっても良い。
【０１１０】
また、第一及び第二実施の形態において、薄膜ヒータ５７の表面（絶縁膜８１の表面）にポリテトラフルオロエチレン等の低表面エネルギー材を被膜することによって、薄膜ヒータ５７の表面に撥水処理を施しても良い。第三の実施の形態において、蒸発用ヒータ２５６の表面（絶縁膜２６４の表面）に低表面エネルギー材を被覆することによって、蒸発用ヒータ２５６の表面に撥水処理を施しても良い。薄膜ヒータ５７や蒸発用ヒータ２５６の表面が撥水処理されていることで、薄膜ヒータ５７や蒸発用ヒータ２５６の表面に噴射された混合液の液滴が効率よく蒸発する。その理由は、以下による。
【０１１１】
即ち、図１５に示すように、混合液の液滴２７０が薄膜ヒータ５７や蒸発用ヒータ２５６の表面に噴射されると、液滴２７０と薄膜ヒータ５７や蒸発用ヒータ２５６との界面で気泡（気化したガス）が発生する（膜沸騰が起こる）。気泡が発生することによって、薄膜ヒータ５７や蒸発用ヒータ２５６と液滴２７０との接触面積が減少し、且つ気泡が熱伝導性の良好でない媒体であるため、液滴２７０に対して熱が十分に伝導しない。しかしながら、燃料噴射手段５８によって薄膜ヒータ５７や蒸発用ヒータ２５６の表面に噴射された液滴２７０は、運動エネルギーを付与されて内部で容易に流動しやすい状態であり、更に、液滴２７０の接触角θが１４０〔ｄｅｇ〕以上となるように薄膜ヒータ５７や蒸発用ヒータ２５６における液滴２７０と接触する部材に撥水処理を施すと噴射された液滴２７０は薄膜ヒータ５７や蒸発用ヒータ２５６上で非常に良く滑る。そのため、気泡は、液滴２７０内に留まらず、発生後すぐに液滴２７０内から周囲へ発散されるので接触面積の著しい低下現象が発生しない。そのため、薄膜ヒータ５７や蒸発用ヒータ２５６から液滴２７０へ熱が効率よく伝導し、液滴２７０が効率よく蒸発する。
【０１１２】
また、第一及び第二の実施の形態において、薄膜ヒータ５７の表面（絶縁膜８１の表面）に親水処理を施しても良いし、第三の実施の形態において、蒸発用ヒータ２５６の表面（絶縁膜２６４の表面）に親水処理を施しても良い。薄膜ヒータ５７や蒸発用ヒータ２５６の表面が親水処理されていることで、薄膜ヒータ５７や蒸発用ヒータ２５６の表面に噴射された混合液の液滴が効率よく蒸発する。その理由は、以下による。
【０１１３】
即ち、薄膜ヒータ５７や蒸発用ヒータ２５６に親水処理が施されているため、図１６に示すように、噴射された混合液の液滴２７２は薄膜ヒータ５７や蒸発用ヒータ２５６に対して濡れやすくなる。そのため、接触角θが２０〔ｄｅｇ〕以下と小さくなり、液滴２７２は、薄膜ヒータ５７や蒸発用ヒータ２５６との界面に広がって、全体的に薄くなる。従って、液滴２７２が全体として沸騰し、薄膜ヒータ５７や蒸発用ヒータ２５６と液滴２７２との界面で気泡が発生しても、液滴２７２の接触面積が相対的に大きい。そのため、薄膜ヒータ５７や蒸発用ヒータ２５６から液滴２７２へ熱が効率よく伝導し、液滴２７２が効率よく蒸発する。
【０１１４】
また、第三の実施の形態において、流路用ヒータ２５７が下基板２５５上に形成されていたが、別の箇所に形成されていても良い。例えば、図１７に示すように、別の例のマイクロ改質反応器２５１Ａは、上基板２８１と、中基板２８０と、下基板２５５と、蒸発用ヒータ２５６と、流路用ヒータ２８２と、燃料噴射手段５８とを有して構成されている。
【０１１５】
中基板２８０は単結晶シリコンで形成された基板であり、空洞２５８を構成するための凹部２８０ａと、マイクロ流路２５９を構成するための溝２８０ｂとが、サンドブラス法によって形成されている。そして、中基板２５８に下基板が接合されることによって、凹部２８０ａによる空洞２５８が形成され、溝２８０ｂによるマイクロ流路２５９が形成される。また、溝２８０ｂの表面には、改質触媒２６０が形成されている。中基板２８０には、燃料パック２に封入された混合液を蒸発用ヒータ２５６に噴射するための燃料噴射手段５８が設けられている。また、中基板２８０上には電気的な抵抗で構成される流路用ヒータ２８２が設けられている。流路用ヒータ２８２には、副発電部４にて発電された電力が配線２８３を介して供給される。単結晶シリコンで形成された中基板２８０は熱伝導性が高いため、蒸発用ヒータ２５６で発せられた熱がマイクロ流路２５９へと伝導する。
【０１１６】
下基板２５５はガラスで形成された基板であり、下基板２５５における中基板２５４側の面には、電気的な抵抗で構成される蒸発用ヒータ２５６が設けられている。流路用ヒータ２８２及び配線２８３が被覆されるようにして、上基板２８１が中基板２８１上に接合されている。上基板２８１は、ガラスで形成された基板である。なお、マイクロ改質反応器２５１Ａについては、マイクロリアクタ２５１と同様の構成要素に同様の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【０１１７】
また、薄膜ヒータ５７、蒸発用ヒータ２５６、流路用ヒータ２５７及び流路用ヒータ２８２は、電気抵抗でなくても良く、例えば、熱流体等の熱を発して加熱する加熱手段であっても良い。
また上記各実施の形態では、燃料としてメタノールを用いたが、吸熱反応により水素を発生させるものであればその他の液化燃料でもよく、ブタン等の常温、常圧下で気化する燃料であればより好ましい。
なお、上記各実施の形態では、燃料電池について説明したが、これに限らず、上述したＤＮＡ等の遺伝子の同定、合成のように所定の物質を化学反応させる超小型反応プラントとしてマイクロリアクタを適用することも可能である。
【０１１８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、液状の改質原料が噴射手段によって滴状に噴射され、滴状の改質原料が加熱手段によって加熱されて蒸発される。噴射手段によって改質原料を加熱手段に対して供給することが可能となり、滴状の改質原料が加熱手段によって蒸発する。そして、噴射手段が改質原料を噴射した際には改質原料が滴状であるため、改質原料の体積に対する表面積の割合が大きくなるから、改質原料が効率よく蒸発する。改質原料が効率よく蒸発するから、加熱手段の発熱量を大きくするために加熱手段を大型化する必要がなく、蒸発装置の小型化が図られる。そのため、蒸発装置を具備した燃料電池システムも小型化が図られ、この燃料電池システムを可搬型又は携帯型のポータブル電源として適用するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システム及び従来の化学電池の外形が示されている斜視図である。
【図２】上記燃料電池システムの機能ブロック図が示されている図面である。
【図３】上記燃料電池システムに設けられる燃料電池の構成例が概略的に示されている図面である。
【図４】上記燃料電池システムに設けられるマイクロリアクタの構成例が示されている図面である。
【図５】上記マイクロリアクタに設けられるマイクロ連続槽反応器が示されている図面であり、図５（ａ）は該マイクロ連続槽反応器の断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）におけるＢ部の拡大図である。
【図６】上記マイクロ連続反応器に設けられる噴射手段が示されている断面図である。
【図７】上記燃料噴射手段とは別の例の噴射手段が示されている断面図である。
【図８】上記燃料噴射手段とは別の例の噴射手段が示されている断面図である。
【図９】上記マイクロリアクタに設けられる水性シフト反応器及び選択酸化反応器が示されている図面である。
【図１０】上記水性シフト反応器及び上記選択酸化反応器が示されている断面図である。
【図１１】上記燃料電池システムに設けられる燃料電池の構成が概略的に示されている図面である。
【図１２】上記マイクロリアクタとは別の例のマイクロリアクタに設けられるマイクロ回分反応器が示されている図面であり、図１２（ａ）は該マイクロ回分反応器の断面図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）におけるＣ部の拡大図である。
【図１３】上記マイクロリアクタとは別の例のマイクロリアクタに設けられるマイクロ改質反応器が示されている斜視図である。
【図１４】上記マイクロ改質反応器が示されている図面であり、図１４（ａ）は該マイクロ改質反応器の断面図であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）におけるＥ部の拡大図であり、図１４（ｃ）は図１４（ａ）におけるＣ部の拡大図である。
【図１５】上記燃料噴射手段に噴射された改質原料の状態が示されている図面である。
【図１６】上記燃料噴射手段に噴射された改質原料の状態が示されている図面である。
【図１７】上記マイクロ改質反応器とは別の例のマイクロ改質反応器が示されている断面図である。
【符号の説明】
１燃料電池システム
５マイクロリアクタ
６主発電部（燃料電池）
９制御部（制御手段）
５１マイクロ連続槽反応器（蒸発装置、改質装置）
５５ａ凹部（室）
５７薄膜ヒータ（加熱手段）
５８燃料噴射手段（噴射手段）
５９改質触媒
１５１マイクロ回分反応器（蒸発装置、改質装置）
２５１マイクロ改質反応器（改質装置）
２５２マイクロ蒸発部（蒸発装置）
２５３マイクロ流路反応部
２５６蒸発用ヒータ（加熱手段）
２５７流路用ヒータ（第二加熱手段）
２５８空洞（室）
２５９マイクロ流路（流路）
２６０改質触媒

Claims

液状の改質原料を改質するための改質装置に用いられる蒸発装置において、
空洞となる室と、
改質原料を滴状にして前記室内に噴射する噴射手段と、
表面が撥水処理され、前記室に設けられるとともに、前記噴射手段によって噴射された改質原料を加熱して蒸発させるための加熱手段と、を備え、
前記噴射手段が前記加熱手段に向けて改質原料を噴射することを特徴とする蒸発装置。
液状の改質原料を改質するための改質装置に用いられる蒸発装置において、
空洞となる室と、
改質原料を滴状にして前記室内に噴射する噴射手段と、
表面が親水処理され、前記室に設けられるとともに、前記噴射手段によって噴射された改質原料を加熱して蒸発させるための加熱手段と、を備え、
前記噴射手段が前記加熱手段に向けて改質原料を噴射することを特徴とする蒸発装置。
請求項１又は２記載の蒸発装置において、
前記改質原料がメタノールと水との混合液であることを特徴とする蒸発装置。
請求項１から３のいずれかに記載の蒸発装置において、
前記噴射手段は、サーマルジェット方式、ピエゾ式、及び静電式のいずれかから選択されることを特徴とする蒸発装置。
請求項１から４のいずれかに記載の蒸発装置において、
前記噴射手段を制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、前記噴射手段から噴射される改質原料の単位時間あたりの噴射量を調整するように前記噴射手段を制御することを特徴とする蒸発装置。
請求項１から５の何れかに記載の蒸発装置を備える改質装置において、
前記室内に配置される改質触媒を備え、
蒸発された改質原料を前記室内にて改質することを特徴とする改質装置。
請求項１から５の何れかに記載の蒸発装置を備える改質装置において、
前記室内に通ずる流路と、
前記流路内に配置され、前記流路を通過する蒸発された改質原料を加熱する第二加熱手段と、
前記流路内に配置される改質触媒と、を備え、
蒸発された改質原料を前記流路内にて改質することを特徴とする改質装置。
空洞となる室と、液状の改質原料を滴状にして前記室内に噴射する噴射手段と、前記室に設けられるとともに、前記噴射手段によって噴射された改質原料を加熱して蒸発させるための加熱手段と、を有し、前記噴射手段が前記加熱手段に向けて改質原料を噴射する蒸発装置と、
前記室内に配置される改質触媒と、を備え、
蒸発された改質原料を前記室内にて改質することを特徴とする改質装置。
空洞となる室と、液状の改質原料を滴状にして前記室内に噴射する噴射手段と、前記室に設けられるとともに、前記噴射手段によって噴射された改質原料を加熱して蒸発させるための加熱手段と、を有し、前記噴射手段が前記加熱手段に向けて改質原料を噴射する蒸発装置と、
前記室内に通ずる流路と、
前記流路内に配置され、前記流路を通過する蒸発された改質原料を加熱する第二加熱手段と、
前記流路内に配置される改質触媒と、を備え、
蒸発された改質原料を前記流路内にて改質することを特徴とする改質装置。
請求項６から９の何れかに記載の改質装置と、
前記改質装置によって生成された水素と酸素とを反応させて発電を行う燃料電池と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。