JP4400273B2

JP4400273B2 - 燃焼器及び反応装置

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Publication number: JP4400273B2
Application number: JP2004085037A
Authority: JP
Inventors: 直嗣小椋
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2024-03-23
Also published as: JP2005273954A

Description

本発明は、燃料と水素を燃焼させて燃焼熱を発する燃焼器に関するとともに、燃料と水素を燃焼させてその燃焼熱により反応を行う反応装置に関する。

近年では、高いエネルギー利用効率を実現できる燃料電池についての研究・開発が盛んにおこなわれている。燃料電池は、燃料と大気中の酸素とを電気化学的に反応させて化学エネルギーから電気エネルギーを直接取り出すものであり、将来性に富む有望な電源であると位置付けられている。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。そこで、アルコール類及びガソリンといった液体燃料を用いれば液体燃料を貯蔵するためのシステムが比較的小型になるが、水を加えた燃料を改質させることによって発電に必要な水素を生成する必要がある。

燃料と水から水素を生成するためには、蒸発器により燃料と水を気化させた後、蒸発器から供給された燃料と水の混合気を改質反応器により水素に改質する。改質反応器を加熱するために、改質反応器の加熱室に、蒸発器を加熱する燃焼器からの燃焼ガスを供給して燃焼ガスの未燃焼成分を燃焼したり、燃料電池スタックのオフガスを供給して燃焼させたりすることが行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１８３５７号公報

このように特許文献１の加熱室では、燃焼ガスの未燃焼成分を燃焼するばかりではなく、水素分離膜で水素と分離されたアノードオフガスを燃焼触媒で燃焼させていることによって改質原料の未反応分が発生しないことになっている。つまりアノードオフガスは改質反応器で改質されなかった燃料成分を有し、この燃焼成分は燃焼器で燃焼する燃料成分と一致することになるので加熱室で燃焼される成分は単一種となる。
ところで、改質された水素は化学反応を起こし燃料電池のアノード極とカソード極の間をプロトンとして移動する際に電気を発生するが、一部の水素は上記化学反応しないまま残存することがある。水素を燃焼するのに適した燃焼触媒は、燃料を燃焼するのに適した燃焼触媒と組成成分比や組成成分自体が異なり、更には、水素の燃焼速度が、燃料の燃焼速度と異なる。この残存した水素を燃焼して得られた燃焼熱を改質器に供給しようとすると、特許文献１の加熱室では、十分水素が燃焼されなかったり、水素と燃料を同一箇所の同一種の燃焼触媒で燃焼させたりしているため、水素と燃料の両方を効率的に燃焼させることが難しい。

そこで、本発明は、上記のような問題点を解決しようとしてなされたものであり、水素と燃料の両方を効率的に燃焼させることを目的とする。

以上の課題を解決するために、本発明の燃焼器は、流路を形成した燃焼器本体と、前記流路の一部に形成された水素用燃焼触媒と、前記流路の別の一部に形成された燃料用燃焼触媒と、を備え、前記流路は、燃料を取り込む燃料取込口から合流部までの燃料経路と、水素を取り込む水素取込口から前記合流部までの水素経路と、前記合流部から排出口までの混合経路とからなり、前記水素用燃焼触媒を前記水素経路に形成し、前記燃料用燃焼触媒を前記混合経路と前記燃料経路とのうちの少なくとも一方に形成したことを特徴とする。

本発明によれば、水素用燃焼触媒及び燃料用燃焼触媒を流路の別々の部分に形成したので、水素と燃料を流路に流した場合に、水素用燃焼触媒において水素が効率よく燃焼し、燃料用燃焼触媒において燃料が効率よく燃焼する。そのため、流路に水素と燃料を流しても、水素と燃料の両方を効率的に燃焼させることができる。さらに、水素取込口から取り込まれた水素が水素経路を流れている時に水素が水素用燃焼触媒により燃焼する。一方、燃料取込口から取り込まれた燃料が燃料経路又は混合経路を流れている時に燃料が燃焼する。また、水素が水素経路を流れている時は水素に燃料が混合されていないので、水素が効率よく燃焼する。燃料経路に燃料用燃焼触媒が形成されている場合には、燃料が燃料経路を流れている時は燃料に水素が混合されていないので、燃料が効率よく燃焼する。一方、混合経路に燃料用燃焼触媒が形成されている場合には、水素は燃焼して水に化学変化した状態で、合流部で燃料の混合をするから、燃料が混合経路を流れている時は燃料に水素自体が混合されていないから、燃料が効率よく燃焼する。このように、水素と燃料を別々に燃焼させているので、水素と燃料の両方を効率的に燃焼させることができる。

また、空気取込口から流路に空気が取り込まれ、空気が燃料や水素と混合し、水素や燃料を燃焼させることができる。

また、燃料や水素の燃焼熱が反応器に伝播し、反応器において燃料と水の反応が効率よく起こる。
なお、反応器における燃料と水の反応とは、化学変化を伴う化学反応のみならず、状態変化を伴う反応も含む意味である。

本発明によれば、燃料と水素を別々に燃焼させることができ、水素と燃料の両方を効率的に燃焼させることができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

〔第１の実施の形態〕
図１は、発電装置１のブロック図である。
発電装置１は、燃料と水を貯留した燃料容器２と、燃料容器２から供給された燃料と水から水素を生成する超小型反応炉であるマイクロリアクタ３と、マイクロリアクタ３で生成された水素の電気化学反応により電気エネルギーを生成する燃料電池４と、を備える。

発電装置１は、デジタルカメラ、携帯電話機、ノート型パーソナルコンピュータ、腕時計、ＰＤＡ、電子計算機、その他の電子機器に搭載されたものである。特に、マイクロリアクタ３及び燃料電池４は電子機器本体に内蔵され、燃料容器２は電子機器本体に対して着脱可能に設けられている。燃料容器２が電子機器本体に装着された場合、燃料容器２内の燃料及び水がポンプによってマイクロリアクタ３に供給されるようになっている。

燃料容器２内に貯留された燃料は、メタノール、エタノール等のアルコール類やガソリンといった水素元素を含む化合物が適用可能である。本実施形態では、燃料としてメタノールを用いている。燃料と水は別々で燃料容器２に貯蔵されても良いし、混合された状態で燃料容器２に貯蔵されても良い。

マイクロリアクタ３は、燃料容器２から供給された燃料及び燃料電池４から供給された水素を酸化させることにより燃焼熱を発する燃焼器５，６と、燃料容器２から供給された燃料と水を気化させる反応器としての気化器７と、化学反応式（１）、（２）に示すように気化器７から供給された燃料と水の混合気を水素に改質する反応器としての改質器８と、化学反応式（３）に示すように改質器８で生成された生成物の混合気中の一酸化炭素を酸化させることによって一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器９と、を備える。なお、本発明に係る燃焼器を燃焼器５，６に適用している。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂ …（１）
２ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→５Ｈ₂＋ＣＯ＋ＣＯ₂ …（２）
２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂ …（３）
気化器７は、燃料と水を効率的に気化するために１００〜１２０℃に加熱することが好ましく、改質器８は、上記改質反応を効率的に引き起こすために２５０℃以上に加熱することが好ましく、一酸化炭素除去器９は、上記一酸化炭素除去反応を効率的に引き起こすために１５０〜１８０℃に加熱することが好ましい。

改質器８及び燃焼器６は一体化して設けられており、燃焼器６で発生した燃焼熱が改質器８に伝導して改質器８における反応に用いられ、気化器７及び燃焼器５は一体化して設けられており、燃焼器５で発生した燃焼熱が気化器７に伝導して気化器７における蒸発に用いられるよう設けられている。

なお、燃焼器５、６と燃料容器２との間に燃焼燃料用気化器を設け、燃料容器２から燃料が該気化器に供給され、その燃料が該気化器で気化し、気化した燃料が燃焼器５，６に供給されても良い。

燃料電池４は、触媒微粒子を担持した燃料極と、触媒微粒子を担持した酸素極と、燃料極と酸素極との間に介在されたフィルム状の固体高分子電解質膜と、を備える。燃料電池４の燃料極には、一酸化炭素除去器９から生成物の混合気が供給され、燃料電池４の酸素極には、外部から空気が供給される。燃料極においては、電気化学反応式（４）に示すように、混合気中の水素が燃料極の触媒微粒子の作用を受けて水素イオンと電子とに分離する。水素イオンは固体高分子電解質膜を通じて酸素極に伝導し、電子は燃料極により取り出される。酸素極においては、電気化学反応式（５）に示すように、酸素極に移動した電子と、空気中の酸素と、固体高分子電解質膜を通過した水素イオンとが反応し、水が生成される。
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（４）
２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ …（５）

燃料電池４の燃料極では、効果的に発電させるために継続的に水素が供給されることになり、燃料極に水素が滞留している時間が制限されるため全ての水素が上記のように反応するわけではなく、反応しない水素もある。未反応の水素は二酸化炭素等の生成物とともに燃料極から排気されるが、燃料電池４の燃料極が流路を介して燃焼器５，６に通じており、排気された水素が燃焼器５，６に供給されるよう設けられている。

燃料の燃焼に適した触媒の成分が水素の燃焼に適した触媒の成分と異なったり、燃料の燃焼反応速度が水素の燃焼反応速度と異なったりするため、燃焼器５，６は燃料の燃焼であっても水素の燃焼であっても不完全燃焼を抑えるよう設計されている。

図２、図３、図４を用いて、燃焼器６と改質器８を一体化した反応装置１０について詳細に説明する。図２は、反応装置１０の斜視図であり、図３は、図２の面IIIに沿った断面図であり、図４は、図３の面IVに沿った断面図である。

反応装置１０はシリコン結晶、アルミニウム、ガラス、セラミック等の中から選択された一又は複数の材料で形成された三枚の基板１１，１２，１３を備え、これら三枚の基板１１〜１３を積み重ねて接合したものが反応装置１０の本体となる。ここで、燃焼器６の本体は、上側の上基板１１と、挟持された中基板１２とから構成され、改質器８の本体は、下側の下基板１３と、中基板１２とから構成され、中基板１２が燃焼器６及び改質器８の両方に共通している。基板１１〜１３は合板であっても良いし、多層基板であっても良いし、単板であっても良い。

図３に示すように、下基板１３における中基板１２との接合面側（図３において下基板１３の上面）には、葛折り状の溝が形成されており、この溝は下基板１３と中基板１２との接合前にサンドブラスト法等を施すことによって形成されたものである。この溝を覆うようにして下基板１３を中基板１２に接合することによって、溝が接合面に沿った葛折り状の反応用マイクロ流路１４となる。反応用マイクロ流路１４は一端部から他端部にかけて一様な幅、一様な深さを有しながら延在しており、その幅及び深さが２ｍｍ以下、望ましくは１．８ｍｍ以下が望ましい。この反応用マイクロ流路１４は、改質器８の流路である。

図２に示すように、反応用マイクロ流路１４の一端部が取込口１７として下基板１３の側面に面しており、反応用マイクロ流路１４の他端部が排出口１８として反対側の側面に面している。取込口１７には管等を介して気化器７に接続され、気化器７で気化した燃料と水の混合気が取込口１７から反応用マイクロ流路１４に流入する。排出口１８には管等を介して一酸化炭素除去器９に接続され、混合気が反応用マイクロ流路１４から排出口１８を通じて一酸化炭素除去器９に供給される。

反応用マイクロ流路１４の壁面、特に下基板１３に形成された溝の底及び側面には、改質用触媒１６が形成されている。改質用触媒１６は、メタノールと水を水素と二酸化炭素に改質する（上記化学反応式（１）参照）触媒であって、担体としてのアルミナに銅及び酸化亜鉛を担持させたＣｕ／ＺｎＯ系触媒（Ｃｕ／ＺｎＯ／Ａｌ₂Ｏ₃）である。

図３に示すように、上基板１１における中基板１２との接合面側（図３において上基板１１の下面）には、溝が形成されており、この溝は上基板１１と中基板１２との接合前にサンドブラスト法等を施すことによって形成されたものである。この溝を覆うようにして上基板１１を中基板１２に接合することによって、溝が接合面に沿った燃焼用マイクロ流路１５となる。燃焼用マイクロ流路１５は一様な幅、一様な深さを有し、その幅及び深さが２ｍｍ以下、望ましくは１．８ｍｍ以下が望ましい。この燃焼用マイクロ流路１５は、燃焼器６の流路である。

図４に示すように、燃焼用マイクロ流路１５は分岐しており、５つの端部を有する。燃焼用マイクロ流路１５の５つの端部のうち、第１端部〜第４端部がそれぞれ取込口１９〜２２として上基板１１の側面に面しており、第５端部が排出口２３として反対側の側面に面している。空気取込口１９には管等を介して外部に通じており、空気（酸化剤として酸素を含む。）が空気取込口１９から燃焼用マイクロ流路１５に流入する。燃料取込口２０には管等を介して燃料容器２に通じており、燃料容器２の燃料が燃料取込口２０から燃焼用マイクロ流路１５に流入する。水素取込口２１には管等を介して燃料電池４の燃料極に通じており、燃料電池４の燃料極から水素等が水素取込口２１から燃焼用マイクロ流路１５に流入する。空気取込口２２には管等を介して外部に通じており、外部の空気が空気取込口２２から燃焼用マイクロ流路１５に流入する。排出口２３には管等を介して外部に通じており、生成物が燃焼用マイクロ流路１５から排出口２３を通じて外部に排出される。

燃焼用マイクロ流路１５の経路について説明する。合流部２４においては、燃料取込口２０から合流部２４までの燃料経路２５と、空気取込口１９から合流部２４までの空気経路２６と、合流部２４から合流部３２までの燃料経路２７とが合流している。合流部３０においては、水素取込口２１から合流部３０までの水素経路２９と、空気取込口２２から合流部３０までの空気経路２８と、合流部３０から合流部３２までの水素経路３１とが合流している。合流部３２においては、合流部２４から合流部３２までの燃料経路２７と、合流部３０から合流部３２までの水素経路３１と、合流部３２から排出口２３までの混合経路３３とが合流している。なお、燃焼用マイクロ流路１５のうち、水素経路３１及び混合経路３３が葛折り状に形成されている。

合流部３０から合流部３２までの水素経路３１のうちその中間部（図４において塗りつぶした領域）の壁面には、水素用燃焼触媒３４が形成され、合流部３２から排出口２３までの混合経路３３の壁面には、燃料用燃焼触媒３５が形成されている。水素用燃焼触媒３４は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を担体として白金（Ｐｔ）を担持させたものであり、水素の酸化（燃焼）に適するよう白金の担持量が１ｗｔ％以下、好ましくは０．１〜０．５ｗｔ％が望ましい。燃料用燃焼触媒３５は、アルミナを担体として白金を担持させたものであり、燃料（メタノール）の酸化に適するよう白金の担持量が３〜６ｗｔ％であるのが望ましい。このように水素用燃焼触媒３４及び燃料用燃焼触媒３５は互いに組成成分比が異なる。

なお、合流部２４から合流部３２までの燃料経路２７の壁面に、燃料燃焼用触媒が形成されても良い。また、燃料経路２７に燃料用燃焼触媒が形成されている場合には、混合経路３３に燃料用燃焼触媒３５が形成されていなくても良い。即ち、燃料経路２７と混合経路３３の少なくとも一方に、燃料用燃焼触媒が形成されていれば良い。

図３に示すように、下基板１３の下面には、所定形状にパターニングされた薄膜ヒータ３６が形成されている。薄膜ヒータ３６は、その電気的特性（例えば、抵抗率）が温度に依存する発熱抵抗体、発熱半導体等の電熱材料からなる。薄膜ヒータ３６に電力を供給すれば、薄膜ヒータ３６が発熱するが、薄膜ヒータ３６の電気抵抗率は温度に依存するため薄膜ヒータ３６の電流・電圧等を測定すれば、薄膜ヒータ３６に接している改質器８の温度、すなわち、改質器８の反応用マイクロ流路１４の温度が算出でき、改質器８での改質反応温度をモニタリングすることが可能となっている。なお、図２では、図を見やすくするために薄膜ヒータ３６の図示を省略する。燃焼器６は、熱効率の観点から改質器８の改質反応の主たる熱源として利用され、薄膜ヒータ３６は、改質器８が所定の温度になるように微調整するための補助熱源として利用される。特に発電装置１の発電初期時に迅速に改質器８を所定の温度に到達させたり、或いは燃焼器６が定常状態の燃焼を引き起こしたりするために薄膜ヒータ３６の温度を制御することが好ましい。

図１に示した気化器７と燃焼器５とからなる反応装置５０も、反応装置１０とほぼ同様に構成されているので、反応装置５０については反応装置１０のいずれかの部分と同一の部分に対して同一の符号を付し、同一の部分についての説明は省略する。異なる部分としては、反応装置１０の場合、反応用マイクロ流路１４の壁面に改質用触媒１６が形成されているが、反応装置５０の場合、反応用マイクロ流路１４の壁面には触媒が形成されていない。更に、反応装置５０の場合、反応用マイクロ流路１４の取込口１７が管を介して燃料容器２に接続され、反応用マイクロ流路１４の排出口１８は管を介して反応装置１０つまり改質器８の取込口１７に接続されている。なお、気化器７の反応用マイクロ流路１４の壁面には、燃焼器５や薄膜ヒータ３６等の熱を効率よく吸収し、放熱するために燃料や水に対して不活性で気化反応以外の化学反応を引き起こさない熱伝導性の良い金属又は合金を有する薄膜が形成されていてもよい。

なお、反応装置１０及び反応装置５０は、ガラス等の断熱材からなる断熱パッケージ内に収容されている。

次に、反応装置１０及び反応装置５０の作用について説明する。
燃料電池４の燃料極から水素等が燃焼器５，６の水素取込口２１に流入し、燃料容器２から燃料が燃焼器５，６の燃料取込口２０に流入し、外部から空気が燃焼器５，６の空気取込口１９，２２に流入する。燃焼用マイクロ流路１５においては、水素取込口２１からの水素等と空気取込口２２からの空気が合流部３０で混合され、その混合気が水素経路３１を流れている間、合流部３２に到達する前に水素用燃焼触媒３４に接することによって水素が燃焼し（酸化し）、燃焼熱が発する。また、燃料取込口２０からの燃料と空気取込口１９からの空気が合流部２４で混合し、これら燃料と空気の混合気が水素経路３１を流れてきた混合気と合流部３２で混合され、その混合気が混合経路３３を流れている時に燃料用燃焼触媒３５に接することによって、混合気中の燃料が燃焼し（酸化し）、燃焼熱が発し、これら水素燃焼及び燃料燃焼による排気ガスが排出口２３から排出される。なお、薄膜ヒータ３６が発熱することによって、燃料や水素の反応速度が向上する。

気化器７の取込口１７に取り込まれた燃料容器２から燃料と水が気化器７の反応用マイクロ流路１４を流動している時に燃焼器５の燃焼用マイクロ流路１５において発生した燃料や水素の燃焼熱によって気化する。気化した燃料と水の混合気は排出口１８から排出され、改質器８の取込口１７に流入する。燃料と水の混合気は、改質器８の反応用マイクロ流路１４を流動している時に燃焼器６の燃焼用マイクロ流路１５において発生した燃料の燃焼熱や水素の燃焼熱と改質用触媒１６の作用を受けて、水素に改質される（上記化学反応式（１）、（２）参照）。

以上のように本実施形態によれば、水素用燃焼触媒３４と燃料用燃焼触媒３５が燃焼用マイクロ流路１５のうち別々の経路３１，３３に形成されており、水素経路３１には燃料が流れずに水素等と空気が流れるので、水素が水素用燃焼触媒３４によって効率よく燃焼する。また、水素が燃焼して水に化学変化した状態で合流部３２で燃料の混合するから、燃料が混合経路３３を流れている時は燃料に水素が混合されていないから、燃料用燃焼触媒３５によって燃料が効率よく燃焼する。以上のように、水素と燃料を別々に燃焼させているので、水素と燃料の両方を簡単に完全燃焼させることができる。したがって、燃料電池４の燃料極から燃焼器５、６に供給される水素の量がそれぞれ気化器７、改質器８での反応を引き起こすのに十分でなくても、燃焼器５、６には燃料容器２から燃焼するための燃料が供給されるので、気化器７、改質器８は反応を引き起こすのに十分な温度に設定することができ、また、燃料電池４の燃料極から燃焼器５、６に燃焼するための水素が供給されるので、燃料容器２からの燃料の消費量を抑えることができる。

〔第２の実施の形態〕
図５を用いて第２の実施形態における反応装置について説明する。この反応装置が第１の実施形態の反応装置１０，５０と異なる点は、燃焼器５，６の空気取込口１９及び空気経路２６が設けられていないことである。その他については、第１の実施の反応装置１０，５０と同じであるため、第２の実施形態の反応装置については第１の実施形態の反応装置１０のいずれかの部分と同一の部分に対して同一の符号を付し、同一の部分についての説明は省略する。ここで、図５は、第２の実施形態における反応装置の上基板１１における中基板１２との接合面側を示した平面図である。

この第２の実施形態の反応装置では、空気取込口２２から取り込まれる空気中の酸素が水素の酸化に要する量よりも過剰となっており、過剰に取り込まれ水素の燃焼に用いられなかった空気と燃料が合流部３２で合流して混合経路３３を流動しているときに燃料用燃焼触媒３５よって反応し、燃焼熱が発する。

なお、第２の実施形態の反応装置を第１の実施の反応装置１０，５０に置き換えて用いることができる。第２の実施形態の反応装置を反応装置５０に置き換えて用いる場合には、反応用マイクロ流路１４の壁面に改質用触媒１６が形成されていない。

第２の実施形態でも、水素と燃料を別々の経路３１，３３の燃焼触媒３４，３５で燃焼させているので、水素と燃料の両方を簡単に完全燃焼させることができる。

〔第３の実施の形態〕
図６を用いて第３の実施形態における反応装置について説明する。
第１の実施の反応装置１０，５０では、水素と燃料が同じ燃焼用マイクロ流路１５を流れているが、第３の実施形態の反応装置では、水素と燃料が別々のマイクロ流路を流れる。第３の実施形態の反応装置については第１の実施形態の反応装置１０，５０のいずれかの部分と同一の部分に対して同一の符号を付し、同一の部分についての説明は省略する。ここで、図６は、第２の実施形態における反応装置の上基板１１１（第１の実施形態における上基板１１に対応する）の中基板１２との接合面を示した平面図である。

第３の実施形態の反応装置においては、図６に示すように、上基板１１１の接合面には、第１マイクロ流路１３３のために形成された溝１３３ａと、第２マイクロ流路１３１のために形成された溝１３１ａと、が形成されている。図２に示された上基板１１の代わりに上基板１１１を中基板１２に接合して、溝１３１ａ，１３３ａを中基板１２で覆うことによって、溝１３１ａ，１３３ａがマイクロ流路１３１，１３３となる。なお、燃焼器本体は、上基板１１１と中基板１２とを接合したものである。

第１マイクロ流路１３３は、分岐して３つの端部を有する。第１マイクロ流路１３３の３つの端部のうち、第１端部、第２端部がそれぞれ取込口１１９，１２０として上基板１１１の側面に面しており、第３端部が排出口１２３として反対側の側面に面している。第１空気取込口１１９には管等を介して外部に通じており、空気が第１空気取込口１１９から第１マイクロ流路１３３に流入する。燃料取込口１２０には管等を介して燃料容器２に通じており、燃料が燃料取込口１２０から第１マイクロ流路１３３に流入する。第１マイクロ流路１３３の合流部１２４においては、第１空気取込口１１９から合流部１２４までの経路と、燃料取込口１２０から合流部１２４までの経路と、合流部１２４から排出口１２３までの経路とが合流している。第１マイクロ流路１３３のうち合流部１２４から排出口１２３までの経路は葛折り状に設けられており、その経路の壁面に燃料用燃焼触媒１３５が形成されている。第１空気取込口１１９から流入した空気と、燃料取込口１２０から流入した燃料は合流部１２４で混合され、その混合気が排出口１２３に到達するまでに燃料が燃料用燃焼触媒１３５に接触することによって燃料が燃焼する。排出口１２３には管等を介して外部に通じており、生成物が排出口１２３から外部に排出される。

第２マイクロ流路１３１は、第１マイクロ流路１３３に交わらず、分岐して３つの端部を有する。第２マイクロ流路１３１の３つの端部のうち、第１端部、第２端部がそれぞれ取込口１２１，１２２として上基板１１１の側面に面しており、第３端部が排出口１３２として反対側の側面に面している。水素取込口１２１には管等を介して図１に示された燃料電池４の燃料極に通じており、水素等が水素取込口１２１から第２マイクロ流路１３１に流入する。第２空気取込口１２２には管等を介して外部に通じており、外部の空気が第２空気取込口１２２から第２マイクロ流路１３１に流入する。第２マイクロ流路１３１の合流部１３０においては、水素取込口１２１から合流部１３０までの経路と、第２空気取込口１２２から合流部１３０までの経路と、合流部から排出口１３２までの経路とが合流している。第２マイクロ流路１３１のうち合流部１３０から排出口１３２までの経路は上基板１１１の中央部を通っており、水素用燃焼触媒１３４がその経路のうち中央部の壁面に形成され、その部分において第２マイクロ流路１３１の幅が他の部分よりも広く形成されている。第２空気取込口１２２から流入した空気と、水素取込口１２１から流入した水素等は合流部１３０で混合され、その混合気が排出口１３２まで流動している時に水素が水素用燃焼触媒１３４に接触することによって水素が燃焼する。排出口１３２には管等を介して外部に通じており、生成物が排出口１３２から外部に排出される。

なお、第３の実施形態の反応装置を第１の実施の反応装置１０，５０に置き換えて用いることができる。

以上のように本実施形態によれば、水素用燃焼触媒１３４と燃料用燃焼触媒１３５が別々のマイクロ流路１３１，１３３に形成されている。そして、第１マイクロ流路１３３には水素が流れずに燃料と空気が流れるので、燃料が効率よく燃焼し、第２マイクロ流路１３１には燃料が流れずに水素等と空気が流れるので、水素が効率よく燃焼する。以上のように、水素と燃料を別々に燃焼させているので、水素と燃料の両方を簡単に完全燃焼させることができる。

また、酸化反応速度の早い水素を酸化させ水素用燃焼触媒１３４が上基板１１１の中央に形成されているから、熱効率が良くなる。

〔第４の実施の形態〕
図７を用いて、第４の実施形態における発電装置２０１について説明する。図７は、第４の実施形態における発電装置２０１のブロック図である。

発電装置２０１は、燃料と水を貯留した燃料容器２０２と、燃料容器２０２から供給された燃料と水から水素を生成するマイクロリアクタ２０３と、マイクロリアクタ２０３で生成された水素の電気化学反応により電気エネルギーを生成する燃料電池２０４と、を備える。

発電装置２０１は、デジタルカメラ、携帯電話機、ノート型パーソナルコンピュータ、腕時計、ＰＤＡ、電子計算機、その他の電子機器に搭載されたものである。特に、マイクロリアクタ２０３及び燃料電池２０４は電子機器本体に内蔵され、燃料容器２０２は電子機器本体に対して着脱可能に設けられている。燃料容器２０２が電子機器本体に装着された場合、燃料容器２０２内の燃料及び水がポンプによってマイクロリアクタ２０３に供給されるようになっている。

燃料容器２０２、燃料電池２０４は、それぞれ、第１の実施形態における燃料容器２、燃料電池４と同様に設けられている。

マイクロリアクタ２０３は、燃料容器２０２から供給された燃料を酸化させることにより燃焼熱を発する第１燃焼器２９５，２９６と、燃料電池２０４から供給された水素を酸化させることにより燃焼熱を発する第２燃焼器２０５，２０６と、燃料容器２０２から供給された燃料と水を気化させる反応器としての気化器２０７と、化学反応式（１）、（２）に示すように気化器２０７から供給された燃料と水の混合気を水素に改質する反応器としての改質器２０８と、化学反応式（３）に示すように改質器２０８で生成された生成物の混合気中の一酸化炭素を酸化させることによって一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器２０９と、を備える。なお、改質器２０８及び燃焼器２０６，２９６は一体化して設けられており、燃焼器２０６，２９６で発生した燃焼熱が改質器２０８に伝導して改質器２０８における反応に用いられ、気化器２０７及び燃焼器２０５，２９５は一体化して設けられており、燃焼器２０５，２９５で発生した燃焼熱が気化器２０７に伝導して気化器２０７における蒸発に用いられるよう設けられている。

図８、図９、図１０を用いて、燃焼器２０６，２９６と改質器２０８を一体化した反応装置２１０について説明する。図８は、反応装置２１０の斜視図であり、図９は、図８の面IXに沿った接合面における断面図であり、図１０は、図８の面X−Xに沿った接合面における断面図である。なお、本発明に係る反応装置を反応装置２１０に適用している。

反応装置２１０は四枚の基板２１１〜２１４を備え、これら四枚の基板２１１〜２１４を積み重ねて接合したものが反応装置２１０の本体となる。ここで、第２燃焼器２０６の本体は、上基板２１１と中基板２１２とから構成され、改質器２０８の本体は、中基板２１２，２１３から構成され、第１燃焼器２９６は中基板２１３と下基板２１４とから構成され、中基板２１２が第２燃焼器２０６と改質器２０８に共通し、中基板２１３が第１燃焼器２９６と改質器２０８に共通している。

中基板２１２，２１３との接合部には、接合面に沿って葛折り状に設けられたマイクロ流路が設けられており、マイクロ流路の一端部が取込口２１７として中基板２１２，２１３の側面に形成され、マイクロ流路の他端部が排出口２１８として反対面に形成されている。マイクロ流路の壁面には、Ｃｕ／ＺｎＯ系触媒といった改質用触媒が形成されている。また、取込口２１７には管等を介して気化器２０７に接続され、気化器２０７で気化した燃料と水の混合気が取込口２１７からマイクロ流路に流入する。燃料と水の混合気はマイクロ流路を流動している時に上記化学反応式（１）、（２）のように反応する。排出口２１８には管等を介して一酸化炭素除去器２０９に接続され、生成物の混合気がマイクロ流路から排出口２１８を通じて一酸化炭素除去器２０９に供給される。

図９に示すように、下基板２１４における中基板２１３との接合面側には、溝２３０ａが形成されており、この溝２３０ａは下基板２１４と中基板２１３との接合前にサンドブラスト法等を施すことによって形成されたものである。この溝２３０ａを覆うようにして下基板２１４を中基板２１３に接合することによって、溝２３０ａが接合面に沿った第１マイクロ流路２３０となる。第１マイクロ流路２３０は一様な幅、一様な深さを有し、その幅及び深さが２ｍｍ以下、望ましくは１．８ｍｍ以下が望ましい。この第１マイクロ流路２３０は、第１燃焼器２９６の流路である。

第１マイクロ流路２３０は分岐しており、３つの端部を有する。第１マイクロ流路２３０の３つの端部のうち、第１端部、第２端部がそれぞれ取込口２３１，２３２として下基板２１４の側面に面しており、第３端部が排出口２３３として反対側の側面に面している。第１空気取込口２３１には管等を介して外部に通じており、空気（酸化剤として酸素を含む。）が第１空気取込口２３１から第１マイクロ流路２３０に流入する。燃料取込口２３２には管等を介して燃料容器２０２に通じており、燃料容器２０２から燃料が燃料取込口２３２から第１マイクロ流路２３０に流入する。排出口２３３には管等を介して外部に通じており、生成物が第１マイクロ流路２３０から排出口２３３を通じて外部に排出される。

第１マイクロ流路２３０の経路について説明する。合流部２３４においては、第１空気取込口２３１から合流部２３４までの経路２３５と、燃料取込口２３２から合流部２３４までの経路２３６と、合流部２３４から排出口２３３までの経路２３７とが合流している。なお、第１マイクロ流路２３０のうち、経路２３７が葛折り状に形成されている。

合流部２３４から排出口２３３までの経路２３７のほぼ全域にわたってその壁面には、燃料用燃焼触媒２３８が形成されている。燃料用燃焼触媒２３８は、アルミナを担体として白金を担持させたものであり、燃料（メタノール）の酸化に適するよう白金の担持量が５ｗｔ％であるのが望ましい。

図１０に示すように、上基板２１１の中基板２１２との接合面には、溝２１９ａが形成されており、この溝２１９ａは上基板２１１と中基板２１２との接合前にサンドブラスト法等を施すことによって形成されたものである。この溝２１９ａを覆うようにして上基板２１１を中基板２１２に接合することによって、溝２１９ａが接合面に沿った第２マイクロ流路２１９となる。第２マイクロ流路２１９は一様な幅、一様な深さを有し、その幅及び深さが２ｍｍ以下、望ましくは１．８ｍｍ以下が望ましい。この第２マイクロ流路２１９は、第２燃焼器２０６の流路である。

第２マイクロ流路２１９は分岐しており、３つの端部を有する。第２マイクロ流路２１９の３つの端部のうち、第１端部、第２端部がそれぞれ取込口２２０，２２１として上基板２１１の側面に面しており、第３端部が排出口２２２として反対側の側面に面している。第２空気取込口２２０には管等を介して外部に通じており、空気（酸化剤として酸素を含む。）が第２空気取込口２２０から第２マイクロ流路２１９に流入する。水素取込口２２１には管等を介して燃料電池２０４の燃料極に通じており、燃料電池２０４の燃料極から水素等が水素取込口２２１から第２マイクロ流路２１９に流入する。排出口２２２には管等を介して外部に通じており、生成物が第２マイクロ流路２１９から排出口２２２を通じて外部に排出される。

第２マイクロ流路２１９の経路について説明する。合流部２２３においては、第２空気取込口２２０から合流部２２３までの経路２２４と、水素取込口２２１から合流部２２３までの経路２２５と、合流部２２３から排出口２２２までの経路２２６とが合流している。なお、第２マイクロ流路２１９のうち、経路２２６が葛折り状に形成されている。また、経路２２６は上基板２１１の中央部を通っている。

合流部２２３から排出口２２２までの経路２２６のうちその中間部（図４において塗りつぶした領域）の壁面には、水素用燃焼触媒２２７が形成されている。水素用燃焼触媒２２７は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を担体として白金（Ｐｔ）を担持させたものであり、水素の酸化（燃焼）に適するよう白金の担持量が１ｗｔ％以下、好ましくは０．１〜０．５ｗｔ％が望ましい。

気化器２０７と燃焼器２０６，２９６とからなる反応装置２５０に対しても、本発明に係る反応装置を適用している。反応装置２５０は、反応装置２１０とほぼ同様に構成されているので、反応装置２５０については反応装置２１０のいずれかの部分と同一の部分に対して同一の符号を付し、同一の部分についての説明は省略する。反応装置２５０の場合、気化器２０７の本体が中基板２１２，２１３から構成され、第２燃焼器２０６の本体が上基板２１１と中基板２１２から構成され、第１燃焼器２９６の本体が中基板２１３と下基板２１４から構成される。また、反応装置２５０の場合、気化器２０７のマイクロ流路の壁面には触媒が形成されていない。更に、反応装置２５０の場合、気化器２０７の取込口２１７が管を介して燃料容器２０２に接続され、気化器２０７の排出口２３３が改質器２０８の取込口２１７に接続さている。

なお、反応装置２１０及び反応装置２５０は、ガラス等の断熱材からなる断熱パッケージ内に収容されている。

次に、反応装置２１０及び反応装置２５０の作用について説明する。
燃料電池２０４の燃料極から水素等が第２燃焼器２０５，２０６の水素取込口２２１に流入し、燃料容器２０２から燃料が第１燃焼器２９５，２９６の燃料取込口２３２に流入し、外部から空気が燃焼器２０５，２０６，２９５，２９６の取込口２２０，２３１に流入する。第２マイクロ流路２１９においては、水素等と空気が合流部２２３で混合され、その混合気が第２マイクロ流路２１９を流れている時に水素が水素用燃焼触媒２２７に接することによって水素が燃焼し、燃焼熱が発する。また、第１マイクロ流路２３０においては、燃料と空気が合流部２３４で混合し、燃料と空気の混合気が第１マイクロ流路２３０を流れている時に燃料が燃料用燃焼触媒２３８に接することによって、燃料が燃焼し、燃焼熱が発する。

燃料容器２０２から燃料と水が気化器２０７の取込口２１７に流入し、燃料と水が気化器２０７のマイクロ流路を流動している時に燃焼器２０５，２９５で発生した燃焼熱によって気化する。気化した燃料と水の混合気は気化器２０７の排出口２１８から排出され、改質器２０８の取込口２１７に流入する。燃料と水の混合気は、改質器２０８のマイクロ流路を流動している時に燃焼器２０６，２９６で発生した燃焼熱と改質用触媒の作用を受けて、水素に改質される（上記化学反応式（１）、（２）参照）。

以上のように、水素用燃焼触媒２２７と燃料用燃焼触媒２３８が別々のマイクロ流路２１９，２３０に形成されている。そして、第１マイクロ流路２３０には水素が流れずに燃料と空気が流れるので、燃料が効率よく燃焼し、第２マイクロ流路２１９には燃料が流れずに水素等と空気が流れるので、水素が効率よく燃焼する。以上のように、水素と燃料を別々に燃焼させているので、水素と燃料の両方を簡単に完全燃焼させることができる。

また、酸化反応速度の早い水素を酸化させ水素用燃焼触媒２２７が上基板２１１の中央に形成されているから、熱効率が良くなる。

したがって、燃料電池２０４の燃料極から燃焼器２０５、２０６に供給される水素の量がそれぞれ気化器２０７、改質器２０８での反応を引き起こすのに十分でなくても、燃焼器２０５、２０６には燃料容器２０２から燃焼するための燃料が供給されるので、気化器２０７、改質器２０８は反応を引き起こすのに十分な温度に設定することができ、また、燃料電池２０４の燃料極から燃焼器２０５、２０６に燃焼するための水素が供給されるので、燃料容器２０２からの燃料の消費量を抑えることができる。

なお上記各実施形態では、一酸化炭素除去器９には、気化器、改質器のように燃焼器が設けられていないが、同様な構造の燃焼器を設けてもよい。

また上記各実施形態では、燃料を燃焼する酸素源として空気取込口から空気を取り込んだが、これに限らず発電装置１内に蓄えられた過酸化マンガン等の酸化剤より生じた酸素をこれら取込口に取り込むようにしてもよい。このように外部の空気を取り込む箇所を制限することで燃焼器で燃焼される熱気が空気を熱媒体として外部に漏洩しないようにすることができる。

第１の実施形態における発電装置１のブロック図である。反応装置１０の斜視図である。図２の面IIIに沿った断面図である。図３の面IVに沿った断面図である。第２の実施形態における上基板１１の接合面の平面図である。第３の実施形態における上基板１１１の接合面の平面図である。第４の実施形態における発電装置２０１のブロック図である。反応装置２１０の斜視図である。図８の面IXに沿った断面図である。図８の面Xに沿った断面図である。

符号の説明

５，６燃焼器
７気化器（反応器）
８改質器（反応器）
１１上基板（燃焼器本体の一部）
１２中基板（燃焼器本体の一部）
１５マイクロ流路（流路）
１９，２２空気取込口
２０燃料取込口
２１水素取込口
２５，２７燃料経路
２９，３１水素経路
３３混合経路
３４水素用燃焼触媒
３５燃料用燃焼触媒
１１９第１空気取込口
１２２第２空気取込口
１２０燃料取込口
１２１水素取込口
１３１第２マイクロ流路（第２流路）
１３３第１マイクロ流路（第１流路）
１３４水素用燃焼触媒
１３５燃料用燃焼触媒
２０７気化器（反応器）
２０８改質器（反応器）
２１０，２５０反応装置
２１１上基板（第２燃焼器本体の一部）
２１２中基板（第２燃焼器本体の一部）
２１３中基板（第１燃焼器本体の一部）
２１４下基板（第１燃焼器本体の一部）
２１９第２マイクロ流路（第２流路）
２２０第２空気取込口
２２１水素取込口
２２７水素用燃焼触媒
２３０第１マイクロ流路（第１流路）
２３１第１空気取込口
２３２燃料取込口
２３８燃料用燃焼触媒

Claims

流路を形成した燃焼器本体と、
前記流路の一部に形成された水素用燃焼触媒と、
前記流路の別の一部に形成された燃料用燃焼触媒と、
を備え、
前記流路は、燃料を取り込む燃料取込口から合流部までの燃料経路と、水素を取り込む水素取込口から前記合流部までの水素経路と、前記合流部から排出口までの混合経路とからなり、
前記水素用燃焼触媒を前記水素経路に形成し、前記燃料用燃焼触媒を前記混合経路と前記燃料経路とのうちの少なくとも一方に形成したことを特徴とする燃焼器。
前記流路に空気を取り込む空気取込口を前記燃焼器本体に形成したことを特徴とする請求項１に記載の燃焼器。
前記空気取込口は、少なくとも前記水素経路に通じていることを特徴とする請求項２に記載の燃焼器。
燃料と水の反応を起こさせる反応器に前記燃焼器本体を一体化して設けたことを特徴とする請求項１又は３に記載の燃焼器。
請求項1から４の何れか一項に記載の燃焼器を具備する反応装置。