JP4605180B2 - 小型化学反応装置 - Google Patents

Description

この発明は小型化学反応装置に関する。

化学反応の技術分野では、流体化された混合物質を流路内に設けられた触媒による化学反応（触媒反応）により、所望の流体物質を生成する化学反応装置が知られている。従来のこのような化学反応装置には、半導体集積回路等の半導体製造技術で蓄積された微細加工技術を用いて、小型の基板上にミクロンオーダーあるいはミリメートルオーダーの流路を形成した小型のものがあり、中には、基板に並列した複数の細い流路を設けて反応温度のばらつきを解消させるものがある（例えば特許文献１参照。）。

特表２００１−５２４０１９号公報

ところで、上記従来の小型化学反応装置では、１つの小型の基体に複数の流路を設けて並行して１つの化学反応を行うので、複数の異なる化学反応を連続して行う場合、複数の小型化学反応装置を必要としていた。このため、複数の異なる化学反応を行う複数の流路を１つの小型の基体が備える場合に、各流路間の基体を介した伝熱を調整することができないという問題があった。
そこで、この発明は、基体に設けられた流路のうち互いに異なる化学反応が行われる複数の部位間の基体を介した伝熱を調整することができる小型化学反応装置を提供することを利点とする。

請求項１に記載の発明は、内部に流路が設けられた基体を有する小型の流路構造体を含み、前記流路は異なる化学反応が行われる少なくとも３種類の部位が連続してなるとともに前記少なくとも３種類の部位の間に前記基体よりも熱伝導率の低い低効率熱伝導部が設けられ、前記少なくとも３種類の部位のうちの第１流路で発電用燃料の供給を受けて該発電用燃料を気化させて発電用燃料ガスを生成し、第２流路で前記発電用燃料ガスの供給を受けて該発電用燃料ガスを改質して発電用燃料改質ガスを生成し、第３流路で前記発電用燃料改質ガスの供給を受けてそのうちの一酸化酸素の濃度を低くすることを特徴とするものである。
そして、この発明によれば、内部に流路が設けられた基体を有する小型の流路構造体を含み、前記流路は異なる化学反応が行われる少なくとも３種類の部位が連続してなるとともに前記少なくとも３種類の部位の間に前記基体よりも熱伝導率の低い低効率熱伝導部が設けられているので、基体に設けられた流路のうち互いに異なる化学反応が行われる少なくとも３種類の部位間の基体を介した伝熱を調整することができる。

以上説明したように、この発明によれば、小型の流路構造体の内部に流路が設けられた基体を含み、前記流路は異なる化学反応が行われる複数の部位が連続してなるとともに前記複数の部位の間に前記基体よりも熱伝導率の低い低効率熱伝導部が設けられているので、基体に設けられた流路のうち互いに異なる化学反応が行われる複数の部位間の基体を介した伝熱を調整することができる。

次に、この発明の一実施形態としての小型化学反応装置を燃料改質型の燃料電池を用いた燃料電池システムに適用した場合について説明する。図１は燃料電池システム１の一例の要部のブロック図を示したものである。この燃料電池システム１は、発電用燃料部２、燃焼用燃料部３、小型化学反応装置４、発電部５、充電部６等を備えている。

発電用燃料部２は、発電用燃料（例えばメタノール水溶液）が封入された発電用燃料貯蔵容器からなり、発電用燃料を小型化学反応装置４に供給する。燃焼用燃料部３は、燃焼用燃料（例えばメタノール）が封入された燃焼用燃料貯蔵容器からなり、燃焼用燃料を小型化学反応装置４に供給する。小型化学反応装置４は、燃料気化部７、改質部８、一酸化炭素除去部９、燃焼部１０、薄膜ヒータ１１等を備えている。

次に、図２は小型化学反応装置４の要部の斜視図を示したものである。この小型化学反応装置４は、互いに積層された小型の第１〜第３基板１２〜１４を備えている。第１〜第３基板１２〜１４は、互いに接合された第１と第２外装板１５、１６からなる外装体内に収容されている。すなわち、第１及び第２外装板１５、１６の互いに対向する面には凹部１７、１８が形成され、これらの凹部１７、１８内には第１〜第３基板１２〜１４が収容されている。第１〜第３基板１２〜１４及び第１、第２外装板１５、１６の材料は一例としてガラスであるが、後述する流路が形成されている第１基板１２及び第３基板１４は加工性に優れたシリコン、セラミック、金属（例えばアルミニウム）等であってもよい。

第１外装板１５の所定の３箇所には発電用燃料供給用細管２１、発電用生成物排出用細管２２及び酸素供給用細管２３の各一端部が挿通される円孔２４、２５、２６が設けられている。第２外装板１６の所定の３箇所には燃焼用燃料供給用細管２７、燃焼ガス排出用細管２８及び酸素供給用細管２９の各一端部が挿通される円孔３０、３１、３２が設けられている。第１外装板１５の所定の箇所には複数本の丸棒状の電極３３の各一端部が挿通される円孔３４が設けられている。電極３３は、後述する発電用燃料噴射器４６や小型化学反応装置４の燃料気化部７、改質部８を加熱する薄膜ヒータ１１等を電気的に制御するための信号配線や小型化学反応装置４内の温度を検知するための配線で構成されている。

次に、図３は図２のＸ−Ｘ線（参考のため図４のＸ−Ｘ線）に沿う断面図を示し、図４は第１基板１２の部分の透過平面図を示し、図５は第２基板１３の部分の透過平面図を示し、図６は第３基板１４の部分の透過平面図を示したものである。第１、第２外装板１５、１６の凹部１７、１８の内壁面において、図２に示す円孔２４、２５、２６、３０、３１、３２、３４に対応する部分を除く部分には、熱線反射率の高いＡｕ、Ａｇ、Ａｌ等の金属からなる放熱防止膜３５が設けられている。

第１〜第３基板１２〜１４の最外面つまり第１基板１の外面（第２基板１３と対向する側とは反対側の面）と側面、第２基板１３の側面及び第３基板の外面（第２基板１３と対向する側とは反対側の面）と側面において、図２に示す円孔２４、２５、２６、３０、３１、３２、３４に対応する部分及び後述するスリット５６に対応する部分を除く部分には、上記と同様の材料からなる放熱防止膜３６が設けられている。

第１〜第３基板１２〜１４の最外面に設けられた放熱防止膜３５と第１及び第２外装体１５、１６の内面に設けられた放熱防止膜３６との間には隙間３７が設けられている。隙間３７の所定の複数箇所には、この隙間３７を保持するための耐圧スペーサ３８が設けられている。

隙間３７は、第１〜第３基板１２〜１４で後述の如く発生する熱の大気中への放熱を抑制するためのものであり、真空または低熱伝導率の気体（空気、炭酸ガス、フロンガス、不活性ガス等）が充満されている。放熱防止膜３５、３６は、第１〜第３基板１２〜１４の最外面からの放熱を抑制するためのものであり、いずれか一方の放熱防止膜のみとしてもよい。

図４に示すように、第１基板１２の内面には、連続した流路の複数の部位として第１〜第３流路４１〜４３が設けられている。第１基板１２の内面（第２基板１３と対向する側の面）周辺部には第１流路４１が左下隅から時計方向に約１周半にわたって、計１ｃｍ以上１０ｃｍ以下の長さで設けられている。第１基板１２の内面中央部には、斜線（ハッチング）で示すように、蛇行する第２流路４２が第１流路４１に連続して計３ｃｍ以上２０ｃｍ以下の長さで設けられている。第１基板１２の内面において周辺部及び中央部を除く部分には、適宜に蛇行する第３流路４３が第２流路４２に連続して計３ｃｍ以上２０ｃｍ以下の長さで設けられている。第１〜第３流路４１〜４３の幅及び深さは、一例として、共に５００μｍ程度以下となっている。

そして、第１流路４１により、図１に示す燃料気化部７の反応炉が構成されている。この場合、第１流路４１内には反応触媒は何ら設けられていない。また、第２流路４２により、図１に示す改質部８の反応炉が構成されている。この場合、第２流路４２内にはＣｕ、ＺｎＯ、Ａｌ₂Ｏ₃等からなる改質触媒層４４（図３参照）が設けられている。さらに、第３流路４３により、図１に示す一酸化炭素除去部９の反応炉が構成されている。この場合、第３流路４３内にはＰｔ、Ａｌ₂Ｏ₃等からなる選択酸化触媒層４５（図３参照）が設けられている。

第１基板１２の内面の左下隅の所定の箇所には発電用燃料噴射器４６が設けられている。発電用燃料噴射器４６には、図１に示す発電用燃料部２から発電用燃料が、図２に示す発電用燃料供給用細管２１を介して、毛細管現象により自動的に供給されるようになっている。発電用燃料噴射器４６は、燃料電池システム１の制御回路から電極３３等を介して供給される信号に応じて、第１流路４１の始端部に発電用燃料をその噴射量を制御して噴射するようになっている。

すなわち、発電用燃料噴射器４６は、超小型でノズルから液体を粒子状に且つその噴射量を制御して噴射させるものであり、ノズル内の液体を加熱して膜沸騰によりノズル内に発生した気泡による圧力でノズル内の液体を粒子状に噴射させる噴射器、電歪素子（ピエゾ素子）の変形によりノズル内に発生した圧力波でノズル内の液体を粒子状に噴射させる噴射器（いわゆるピエゾジェット方式）、ノズル内の振動板の静電力による振動によりノズル内の液体を粒子状に噴射させる噴射器（いわゆる静電ジェット方式）等からなっている。後述の燃焼用燃料噴射器５５も同様である。

第３流路４３の始端部の近傍の所定の箇所４３ａには、図２に示す酸素供給用細管２３の一端部が接続されている。そして、小型化学反応装置４の外部に設けられた第１マイクロポンプ（図示せず）の駆動により、大気中の酸素（空気）が酸素供給用細管２３を介して第３流路４３の始端部の近傍の所定の箇所４３ａに供給されるようになっている。第１マイクロポンプは、燃料電池システム１の制御回路から供給される信号に応じて、酸素の供給量を制御するようになっている。第３流路４３の終端部には、図２に示す発電用生成物排出用細管２２の一端部が接続されている。

図３及び図５に示すように、第２基板１３の第１基板１２との対向面において第２流路４２と対向する部分にはＴａＳｉＯｘやＴａＳｉＯｘＮ等の抵抗体薄膜からなる薄膜ヒータ１１が設けられている。薄膜ヒータ１１は、第２流路４２内に配置され、第２流路４２内の加熱温度を制御するためのものであり、同時に化学反応の初期状態で第１流路４１等を加熱するためのものである。すなわち、後述するように、第２流路４２内の加熱は、主に図１に示す燃焼部１０（その詳細は後で説明する。）で発生する熱エネルギーによって行われ、薄膜ヒータ１１による加熱は補助的に用いるものである。薄膜ヒータ１１は、燃料電池システム１の制御回路から電極３３等を介して供給される信号に応じて、適温に制御されるようになっている。

第２流路４２の近傍には薄膜サーミスタや半導体薄膜熱電対等からなる薄膜温度センサ（図示せず）が設けられている。薄膜温度センサは、第２流路４２内の温度を検出し、その温度検出信号を電極３３等を介して燃料電池システム１の制御回路に供給するようになっている。そして、燃料電池システム１の制御回路は、この温度検出信号に基づいて、第２流路４２内の温度が適温となるように、薄膜ヒータ１１の発熱を制御するようになっている。高密度実装のために薄膜ヒータ１１が加熱温度ｔに対し比較的リニアな抵抗変化を示すのであれば、薄膜温度センサとして薄膜ヒータ１１の抵抗ｒ（ｔ）を測定する少なくとも２つの端子を別途に設け、これらを電極３３に接続させて制御回路に抵抗ｒ（ｔ）から第２流路４２内の温度を計測することができる。

図６に示すように、第３基板１４の内面（第２基板１３と対向する側の面）周辺部には第１基板１２の第１流路４１に沿うように第４流路５１が左下隅から時計方向に約１周半にわたって設けられている。第３基板１４の内面中央部には、斜線（ハッチング）で示すように、蛇行する第５流路５２が第１基板１２の第２流路４２に沿うように第４流路５１に連続して設けられている。第３基板１４の内面中央部の左下には直線状の第６流路５３が第５流路５２に連続して設けられている。そして、第４〜第６流路５１〜５３により、図１に示す燃焼部１０の反応炉が構成されているが、図３に示すように、このうちの第５流路５２内にのみＰｔ、Ａｕ、Ａｇ等からなる燃焼触媒層５４が設けられている。第４〜第６流路５１〜５３の幅及び深さは、一例として、共に５００μｍ程度以下となっている。

第３基板１４の内面の左下隅の所定の箇所には燃焼用燃料噴射器５５が設けられている。燃焼用燃料噴射器５５には、図１に示す燃焼用燃料部３から燃焼用燃料が、図２に示す燃焼用燃料供給用細管２７を介して、毛細管現象により自動的に供給されるようになっている。燃焼用燃料噴射器５５は、燃料電池システム１の制御回路から電極３３等を介して供給される信号に応じて、第４流路５１の始端部に燃焼用燃料をその噴射量を制御して噴射するようになっている。

第４流路５１の終端部の近傍の所定の箇所５１ａには、図２に示す酸素供給用細管２９の一端部が接続されている。そして、小型化学反応装置４の外部に設けられた第２マイクロポンプ（図示せず）の駆動により、大気中の酸素（空気）が酸素供給用細管２９を介して第４流路５１の終端部の近傍の所定の箇所５１ａに供給されるようになっている。第２マイクロポンプは、燃料電池システム１の制御回路から供給される信号に応じて、酸素の供給量を制御するようになっている。第６流路５３の終端部には、図２に示す燃焼ガス排出用細管２８の一端部が接続されている。燃焼ガス排出用細管２８の他端部は大気中に開放されている。

ここで、図３〜図６に示すように、第２流路４２、薄膜ヒータ１１及び第５流路５２は、平面的に見て、同一の位置に配置されている。薄膜ヒータ１１は第２流路４２内に収容できるように第２流路４２より幅狭になっている。そして、これらの配置領域の周囲における第１〜第３基板１２〜１４には、４つのスリット５６が設けられている。スリット５６は、第１〜第３基板１２〜１４よりも熱伝導率の低い低効率熱伝導部を構成して、第５流路５２及び薄膜ヒータ１１で後述の如く発生する熱エネルギーの第１〜第３基板１２〜１４を介しての第３流路４３内及び第１流路４１内への伝熱を調整するためのものであり、真空または低熱伝導率の気体（空気、炭酸ガス、フロンガス、不活性ガス等）が充満されている。

次に、上記構成の小型化学反応装置４の動作について説明する。まず、燃焼用燃料噴射器５５から液状の燃焼用燃料（例えばメタノール）が第４流路５１の始端部に供給されると、このとき薄膜ヒータ１１の初期だけの発熱による熱エネルギーが第１〜第３基板１２〜１４を介して第４流路５１内に伝熱され、第４流路５１内が所定温度に加熱されていることにより、第４流路５１内で燃焼用燃料を気化させ、燃焼用燃料ガス（例えば燃焼用燃料がメタノールの場合、ＣＨ₃ＯＨ）を生成する。

この生成された燃焼用燃料ガス（ＣＨ₃ＯＨ）は、第４流路５１の終端部の近傍の所定の箇所５１ａにおいて、大気中から酸素供給用細管２９を介して供給された酸素（空気）と混合される。そして、この混合ガス（ＣＨ₃ＯＨ＋Ｏ₂）が燃焼触媒層５４を有する第５流路５２内に供給されると、この供給された混合ガスが燃焼触媒層５４上で次の式（１）に示す燃焼反応により燃焼し、この燃焼により熱エネルギーが発生する。
ＣＨ₃ＯＨ＋（３／２）Ｏ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ……（１）

この熱エネルギーは、主として第２流路４２内を加熱し、次いで第１〜第３基板１２〜１４を伝熱し、第３流路４３内及び第１流路４１内を加熱する。また、この後、薄膜ヒータ１１は初期だけの発熱を停止し、以後の発熱は燃料電池システム１の制御回路により薄膜温度センサの温度検出信号に基づいて制御される。一方、上記式（１）の右辺の燃焼ガス（ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ）は第５流路５３及び燃焼ガス排出用細管２８を介して大気中に放出される。

ここで、第２流路４２により構成される改質部８の反応炉内の必要加熱温度は２００〜３００℃程度であり、第３流路４３により構成される一酸化炭素除去部９の反応炉内の必要加熱温度はそれよりも低く１２０〜２００℃程度であり、第１流路４１により構成される燃料気化部７の反応炉内の必要加熱温度はさらに低く１００〜１８０℃程度である。

そこで、上述の如く、第１〜第３基板１２〜１４の中央部に熱源である第５流路５２及び薄膜ヒータ１１を配置するとともに、同中央部に必要加熱温度（２００〜３００℃程度）が最も高い第２流路４２を配置し、その外側に必要加熱温度（１２０〜２００℃程度第）がそれよりも低い第３流路４３を配置し、さらにその外側に必要加熱温度（１００〜１８０℃程度第）がさらに低い第１流路４１を配置すると、基本的には、第１〜第３流路４１〜４３内をそれぞれ効率良く加熱することができる。

ところで、薄膜ヒータ１１は加熱温度制御が容易なのに対して第５流路５２内の燃焼反応の制御では、第２流路４２内の加熱温度を精密に制御するのは困難である。そこで、第５流路５２内で燃焼反応により発生した熱エネルギーのみによる第２流路４２内の加熱温度は必要加熱温度２００〜３００℃程度よりもやや低い、例えば概ね１９０〜２９０℃程度となるようにする。そして、制御回路が第２流路４２内の温度情報を電極３３から受けて薄膜ヒータ１１に供給する電力をフィードバックすることで速やかに必要温度に達し、また必要温度を継続的に維持するような細かい温度制御が可能になり、第２流路４２内の加熱温度が必要加熱温度２００〜３００℃程度とすることができる。

また、第１〜第３基板１２〜１４の材料がガラス、シリコン、セラミック、金属等であると、その熱伝導率が空気に比べて格段に大きいため、何ら対策を講じない場合には、第１〜第３基板１２〜１４の温度がその全体にわたってほぼ同一となる。そこで、上述の如く、第５流路５２、薄膜ヒータ１１及び第２流路４２の配置領域の周囲における第１〜第３基板１２〜１４に４つのスリット５６を設け、これらのスリット５６を真空または低熱伝導率の気体（空気、炭酸ガス、フロンガス等）を充満させると、第５流路５２及び薄膜ヒータ１１で発生する熱エネルギーの第１〜第３基板１２〜１４を介しての第３流路４２内及び第１の流路４１内への伝熱を調整することができる。なお、スリット５６内にセラミック等からなる多孔質構造体を収容してもよい。

さらに、第１〜第３基板１２〜１４のみの場合には、そのサイズが小さく、表面積対体積比が大きくなるため、大気中に放熱される熱エネルギーが大きくなり、熱エネルギーの利用効率が悪くなる。そこで、上述の如く、第１〜第３基板１２〜１４を第１、第２外装板１５、１６で覆い、その間に隙間３７を設け、この隙間３７を真空または低熱伝導率の気体（空気、炭酸ガス、フロンガス、不活性ガス等）を充満させると、大気中への放熱を抑制することができ、熱エネルギーの利用効率を良くすることができる。

ところで、第１〜第３基板１２〜１４を第１、第２外装板１５、１６で覆い、大気中への放熱を抑制したところ、第２外装板１５、１６内の温度が上がり過ぎ、スリット５６による伝熱調整を行っても、第１〜第３基板１２〜１４内の温度分布を所期の値に維持するのが困難となる場合は、複数の耐圧スペーサ３８の全部または一部を金属やガラス等の熱伝導率の高い材料によって形成し、この耐圧スペーサ３８を介して小型化学反応装置４の外に適度に放熱し、第１〜第３基板１２〜１４内の温度分布を所期の値とすることができる。また、このような耐圧スペーサ３８によれば、薄膜ヒータ１１や燃焼部１０の発熱を停止したときに、第２外装板１５、１６内の温度を速やかに下げることができる。

このように、耐圧スペーサ３８を介しての大気中への放熱を調整することにより、第１〜第３基板１２〜１４内の温度分布を所期の値を維持ることができたが、さらに第１、第２外装板１５、１６の内面及び第１〜第３基板１２〜１４の最外面に放熱防止膜３５、３６を設けると、所期の温度分布を確保した上、小型化学反応装置４の外への放熱を最小限に抑制することができる。

ここで、第５流路５２内で発生した熱エネルギーと薄膜ヒータ１１の発熱による熱エネルギーとで加熱し、第１〜第３流路４１〜４３内の各加熱温度の経時変化について調べたところ、図７に示す結果が得られた。この図７において、実線は第２流路１３内の加熱温度を示し、点線は第３流路１４内の加熱温度を示し、一点鎖線は第１流路１２内の加熱温度を示す。

この図７から明らかなように、加熱を開始してから４０ｓｅｃ程度経過すると、各加熱温度がほぼ安定し、実線で示す第２流路１３内の加熱温度は３００℃程度となり、点線で示す第３流路１４内の加熱温度は２００℃程度となり、一点鎖線で示す第１流路１２内の加熱温度は１４０℃程度となる。

このようにして、第５流路５２内で発生した熱エネルギーと薄膜ヒータ１１の発熱による熱エネルギーとによる加熱により、第２流路４２により構成される改質部８の反応炉内の加熱温度を必要加熱温度２００〜３００℃程度とし、第３流路４３により構成される一酸化炭素除去部９の反応炉内の加熱温度を必要加熱温度１２０〜２００℃程度でとし、第１流路４１により構成される燃料気化部７の反応炉内の加熱温度を必要加熱温度１００〜１８０℃程度とする。

そして、発電用燃料噴射器４６から発電用燃料（例えばメタノール水溶液）が第１流路４１の始端部に供給されると、第１流路４１内が必要加熱温度１００〜１８０℃程度に加熱されていることにより、第１流路４１内で発電用燃料を気化させ、発電用燃料ガス（例えば発電用燃料がメタノール水溶液の場合、ＣＨ₃ＯＨ（ｇ）＋Ｈ₂Ｏ（ｇ））を生成する。すなわち、燃料気化部７では発電用燃料ガス（ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ）が生成される。

この生成された発電用燃料ガス（ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ）は第２流路４２内に供給される。すなわち、燃料気化部７で生成された発電用燃料ガス（ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ）は改質部８に供給される。そして、発電用燃料ガス（ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ）が改質触媒層４４を有する第２流路４２内に供給されると、第２流路４２内が必要加熱温度２００〜３００℃程度に加熱されていることにより、第２流路４２内で次の式（２）に示すような吸熱反応を引き起こし、水素と副生成物の二酸化炭素とを生成する。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂……（２）

なお、このとき微量ではあるが、第２流路４２内で一酸化炭素が生成されることがある。そして、これらの生成物（水素、二酸化炭素、微量の一酸化炭素）は第３流路４３内に供給される。すなわち、改質部８で生成された水素、二酸化炭素、微量の一酸化炭素は一酸化炭素除去部９に供給される。そして、これらの生成物（水素、二酸化炭素、微量の一酸化炭素）は、第３流路４３の始端部の近傍の所定の箇所４３ａにおいて、大気中から酸素供給用細管２３を介して供給された酸素（空気）と混合される。

この混合物（水素、二酸化炭素、微量の一酸化炭素、酸素）が選択酸化触媒層４５を有する第３流路４３内に供給されると、第３流路４３内が必要加熱温度１２０〜２００℃程度に加熱されていることにより、第３流路４３内で一酸化炭素と酸素とが反応し、次の式（３）に示すように、二酸化炭素が生成される。
ＣＯ＋（１／２）Ｏ₂→ＣＯ₂……（３）

そして、最終的に一酸化炭素除去部９の反応炉を構成する第３流路４３の終端部に到達する流体はそのほとんどが水素、二酸化炭素となる。これらの生成物は発電用生成物排出用細管２２を介して外部に排出されるが、そのうちの二酸化炭素は水素から分離されて大気中に放出される。したがって、一酸化炭素除去部９から発電部５には水素のみが供給される。

以上のように、上記構成の小型化学反応装置４では、第１基板１２の内面に、燃料気化部７の反応炉を構成する第１流路４１、改質部７の反応炉を構成する第２流路４２及び一酸化炭素除去部７の反応炉を構成する第３流路４３を一筆書き状に連続して設けられているので、３種類の第１〜第３流路４１〜４３で３つの化学反応を連続して行うことができ、装置全体を簡素化及び小型化することができる。

また、第１〜第３基板１２〜１４の中央部に熱源である第５流路５２及び薄膜ヒータ１１を配置するとともに、同中央部に必要加熱温度（２００〜３００℃程度）が最も高い第２流路４２を配置し、その外側に必要加熱温度（１２０〜２００℃程度第）がそれよりも低い第３流路４３を配置し、さらにその外側に必要加熱温度（１００〜１８０℃程度第）がさらに低い第３流路４３を配置し、スリット５６により伝熱調整を行っているので、第１〜第３流路４１〜４３内をそれぞれ効率良く加熱して発電用燃料を改質することができる。

次に、発電部５及び充電部６について説明する。発電部５は、図８に示すように、周知の固体高分子型の燃料電池からなっている。すなわち、発電部５は、Ｐｔ、Ｃ等の触媒が付着された炭素電極からなるカソード６１と、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃ等の触媒が付着された炭素電極からなるアノード６２と、カソード６１とアノード６２との間に介在されたフィルム状のイオン導電膜６３と、を有して構成され、カソード６１とアノード６２との間に設けられた２次電池やコンデンサ等からなる充電部６に電力を供給するものである。

この場合、カソード６１の外側には空間部６４が設けられている。この空間部６４内には一酸化炭素除去部９からの水素が供給され、カソード６１に水素が供給される。また、アノード６２の外側には空間部６５が設けられている。この空間部６５内には大気中からマイクロポンプを介して取り込まれた酸素が供給され、アノード６２に酸素が供給される。

そして、カソード６１側では、次の式（４）に示すように、水素から電子（ｅ^-）が分離した水素イオン（プロトン；Ｈ⁺）が発生し、イオン導電膜６３を介してアノード６２側に通過するとともに、カソード６１により電子（ｅ^-）が取り出されて充電部６に供給される。
３Ｈ₂→６Ｈ⁺＋６ｅ^-……（４）

一方、アノード６２側では、次の式（５）に示すように、充電部６を経由して供給された電子（ｅ^-）とイオン導電膜６３を通過した水素イオン（Ｈ⁺）と酸素とが反応して副生成物の水が生成される。
６Ｈ⁺＋（３／２）Ｏ₂＋６ｅ^-→３Ｈ₂Ｏ……（５）

以上のような一連の電気化学反応（式（４）及び式（５））は概ね室温〜８０℃程度の比較的低温の環境下で進行し、電力以外の副生成物は、基本的に水のみとなる。発電部５で生成された電力は充電部６に供給され、これにより充電部６が充電される。発電部５で生成された副生成物としての水は回収される。

ところで、現在、研究開発が行われている燃料改質方式の燃料電池に適用されている燃料としては、少なくとも、水素元素を含む液体燃料または液化燃料または気体燃料であって、発電部５により、比較的高いエネルギー変換効率で電気エネルギーを生成することができる燃料であればよく、上記のメタノールの他、例えば、エタノール、ブタノール等のアルコール系の液体燃料や、ジメチルエーテル、イソブタン、天然ガス（ＣＮＧ）等の液化ガス等の常温常圧で気化される炭化水素からなる液体燃料、あるいは、水素ガス等の気体燃料等を良好に適用することができる。

ここで、上記構成の小型化学反応装置４では、互いに積層された第１〜第３基板１２〜１４を互いに接合された第１、第２外装板１５、１６内に収納しているので、省スペース化することができ、燃料電池システム１自体の寸法並びに形状を、乾電池等の汎用の化学電池の寸法並びに形状と一致するように設計することができる。

なお、上記実施形態では、熱源の一部として薄膜ヒータ１１を用いた場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図９及び図１０に示すこの発明の他の実施形態のようにしてもよい。すなわち、図９はこの発明の他の実施形態としての小型化学反応装置の要部の図３同様の断面図を示し、図１０は第４基板の部分の透過平面図を示したものである。

この場合、第１基板１２と第２基板１３との間には第４基板７１が設けられている。第２基板１３の第４基板４１との対向面の中央部には薄膜ヒータは設けられていない。その代わりに、第４基板７１の第２基板１３との対向面の中央部には熱流体流路７２が第２流路４２及び第５流路５２と同じように蛇行して設けられている。熱流体流路７２の流入側には流入側流路７３が設けられ、流出側には流出側流路７４が設けられている。

流入側流路７３の流入側端部は、図４に示す第１流路４１の終端部と重合しない位置に配置され、図示していないが、第１外装板１５及び第１基板１２の所定の箇所に設けられた円孔に挿通された熱流体供給用細管の一端部に接続されている。流出側流路７４の流出側端部は、図４に示す第３流路４３の始端部と重合しない位置に配置され、図示していないが、第１外装板１５及び第１基板１２の他の所定の箇所に設けられた円孔に挿通された熱流体排出用細管の一端部に接続されている。

熱流体供給用細管の他端部及び熱流体排出用細管の他端部は、図示していないが、小型化学反応装置４の外部に設けられた、マイクロポンプ及びヒータを有する熱流体回路の両端部に接続されている。そして、熱流体として、シリコンオイル等の液体、あるいは、水蒸気、空気、窒素等の気体を熱流体流路７２内に供給し、この供給された熱流体による熱エネルギーで第１〜第３流路４１〜４３内を加熱する。ただし、この場合も、第５流路５２内での触媒燃焼反応による燃焼により発生した熱エネルギーでの加熱を主とし、熱流体による熱エネルギーでの加熱は補助的なものとする。

また上記実施形態では、第１基板１２及び第３基板１４に、溝を設け、流路を形成したが、図１１に示すように、第２基板１３に溝を形成することで第１流路４１、第２流路４２、第３流路４３、第４流路５１、第５流路５２及び第６流路５３を形成してもよい。なお図１１は図２のＸ−Ｘ線同様の線に沿う断面図であり、図中の発電用燃料供給用細管２１、酸素供給用細管２３、燃焼用燃料供給用細管２７、電極３３及び第６流路５３の記載を省略している。第２基板１３を、加工性に優れ且つ比較的熱伝導率の高いシリコンとし、その周囲の第１基板１２及び第３基板１４をシリコンよりも熱伝導率が低いガラスとすることで第１流路４１、第２流路４２、第３流路４３を熱しやすく、また熱が極端に外に逃げないように蓄熱できる構造にすることができる。改質触媒層４４、選択酸化触媒層４５は、溝の３面に形成されたが、少なくとも一面以上に形成されていればよい。

上記各実施形態では、一酸化炭素除去部９が上記式（３）に示す反応式で一酸化炭素を酸化させたが、次の式（６）に示す水性シフト反応により酸化させてもよく、また式（６）と式（３）の化学反応を引き起こす部位の両方を第３流路４３に設けてもよい。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂……（６）

なお、一酸化炭素を水性シフトさせる水は、発電用燃料部２中に含まれ、上記式（２）で未反応だった水を用いることで可能となる。式（６）の反応では水素が生成されるため、燃料電池の発電部５に供給する水素の量を増やすことができるので式（６）の部位は、式（３）の部位よりも第３流路４３の始端部の近傍の所定の箇所４３ａ側に設けることが好ましい。

上記各実施形態では、スリット５６が第１基板１２、第２基板１３及び第３基板１４に連続して設けられたが、強度を向上するため、第１基板１２、第２基板１３及び第３基板１４にそれぞれ隣り合って設けられたスリットを重ならないようにずらして配置させてもよい。

この発明の一実施形態としての小型化学反応装置を備えた燃料電池システムの一例の要部のブロック図。 図１に示す小型化学反応装置の要部の斜視図。 図２のＸ−Ｘ線（参考のため図４のＸ−Ｘ線）に沿う断面図。 図３に示す第１基板の部分の透過平面図。 図３に示す第２基板の部分の透過平面図。 図３に示す第３基板の部分の透過平面図。 第１〜第３流路内の各加熱温度の経時変化を示す図。 図１に示す発電部及び充電部の概略構成図。 この発明の他の実施形態としての小型化学反応装置の要部の図３同様の断面図。 図９に示す第４基板の部分の透過平面図。 この発明のさらに他の実施形態としての小型化学反応装置の要部の図３同様の断面図。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 発電用燃料部
３ 燃焼用燃料部
４ 小型化学反応装置
５ 発電部
６ 充電部
７ 燃料気化部
８ 改質部
９ 一酸化炭素除去部
１０ 燃焼部
１１ 薄膜ヒータ
１２ 第１基板
１３ 第２基板
１４ 第３基板
１５ 第１外装板
１６ 第２外装板
２１ 発電用燃料供給用細管
２２ 発電用生成物排出用細管
２３ 酸素供給用細管
２７ 燃焼用燃料供給用細管
２８ 燃焼ガス排出用細管
２９ 酸素供給用細管
３５、３６ 放熱防止膜
３７ 隙間
３８ 耐圧スペーサ
４１ 第１流路
４２ 第２流路
４３ 第３流路
４４ 改質触媒層
４５ 選択酸化触媒層
４６ 発電用燃料噴射器
５１ 第４流路
５２ 第５流路
５３ 第６流路
５４ 燃焼触媒層
５５ 燃焼用燃料噴射器
５６ スリット
７１ 第４基板
７２ 熱流体流路

Claims (17)

1. 内部に流路が設けられた基体を有する小型の流路構造体を含み、前記流路は異なる化学反応が行われる少なくとも３種類の部位が連続してなるとともに前記少なくとも３種類の部位の間に前記基体よりも熱伝導率の低い低効率熱伝導部が設けられ、前記少なくとも３種類の部位のうちの第１流路で発電用燃料の供給を受けて該発電用燃料を気化させて発電用燃料ガスを生成し、第２流路で前記発電用燃料ガスの供給を受けて該発電用燃料ガスを改質して発電用燃料改質ガスを生成し、第３流路で前記発電用燃料改質ガスの供給を受けてそのうちの一酸化酸素の濃度を低くすることを特徴とする小型化学反応装置。
2. 請求項１に記載の発明において、前記流路構造体には化学反応を促進する熱源が設けられていることを特徴とする小型化学反応装置。
3. 請求項２に記載の発明において、前記流路は、反応温度の最も高く設定される部位が前記熱源から最も近くに設けられ、反応温度の最も低く設定される部位が前記熱源から最も離れて設けられていることを特徴とする小型化学反応装置。
4. 請求項１に記載の発明において、前記流路は、反応温度のより低く設定される部位が、反応温度のより高く設定される部位の外側に配置されることを特徴とする小型化学反応装置。
5. 請求項１に記載の発明において、前記流路構造体では、前記第３流路は前記第２流路の外側に設けられ、前記第１流路はさらにその外側に設けられていることを特徴とする小型化学反応装置。
6. 請求項５に記載の発明において、前記流路構造体には熱源が設けられ、前記第１流路、前記第２流路及び前記第３流路の中で前記第２流路が前記熱源に最も近接することを特徴とする小型化学反応装置。
7. 請求項６に記載の発明において、前記流路構造体は第１基板、第２基板及び第３基板を有し、前記熱源は薄膜ヒータと燃焼反応により発熱する触媒燃焼流路とを含み、前記第１基板の一面には前記第２、第３基板がこの順で積層され、前記第１基板の前記第２基板との対向面に前記第１〜第３流路が設けられ、前記第２基板の前記第１基板との対向面の中央部に前記薄膜ヒータが設けられ、前記第３基板の前記第２基板との対向面の中央部に前記触媒燃焼流路が設けられ、前記触媒燃焼流路内に供給された燃焼用燃料を触媒燃焼反応により燃焼させ、この燃焼により発生した熱エネルギーと、前記薄膜ヒータの発熱による熱エネルギーとで前記第１〜第３流路内を加熱することを特徴とする小型化学反応装置。
8. 請求項６に記載の発明において、前記流路構造体は前記基体としての第１基板と、第２基板、第３基板及び第４基板とを有し、前記熱源は熱流体が供給される熱流体流路と燃焼反応により発熱する触媒燃焼流路とを含み、前記第１基板の一面には第４基板、第２基板及び第３基板がこの順で積層され、前記第１基板の前記第４基板との対向面に前記第１〜第３流路が設けられ、前記第４基板の前記第２基板との対向面の中央部に前記熱流体流路が設けられ、前記第３基板の前記第２基板との対向面の中央部に前記触媒燃焼流路が設けられ、前記触媒燃焼流路内に供給された燃焼用燃料を触媒燃焼反応により燃焼させ、この燃焼により発生した熱エネルギーと、前記熱流体流路内に供給された熱流体による熱エネルギーとで前記第１〜第３流路内を加熱することを特徴とする小型化学反応装置。
9. 請求項６に記載の発明において、前記流路構造体は第１基板、第２基板及び第３基板を有し、前記第２基板に形成された溝を前記第１基板で覆うことにより前記第１〜第３流路が設けられていることを特徴とする小型化学反応装置。
10. 請求項７乃至９のいずれかに記載の発明において、前記第１基板、第２基板及び第３基板の少なくとも１つに、前記低効率熱伝導部が設けられていることを特徴とする小型化学反応装置。
11. 請求項１０に記載の発明において、前記低効率熱伝導部は真空または前記各基板よりも熱伝導率の低い気体が充満されたスリットからなることを特徴とする小型化学反応装置。
12. 請求項１０に記載の発明において、前記低効率熱伝導部は多孔質構造体が収容されたスリットからなることを特徴とする小型化学反応装置。
13. 請求項７乃至９のいずれかに記載の発明において、前記すべての基板の最外面の少なくとも一部に放熱防止膜が設けられていることを特徴とする小型化学反応装置。
14. 請求７乃至９のいずれかに記載の発明において、前記すべての基板は外装体でその間に隙間をおいて覆われ、前記隙間の複数箇所に当該隙間を保持するための耐圧スペーサが設けられていることを特徴とする小型化学反応装置。
15. 請求項１４に記載の発明において、前記耐圧スペーサは前記低効率熱伝導部よりも熱伝導率の高い材料からなることを特徴とする小型化学反応装置。
16. 請求項１４に記載の発明において、前記隙間は真空または前記各基板よりも熱伝導率の低い気体が充満されていることを特徴とする小型化学反応装置。
17. 請求項１４に記載の発明において、前記すべての基板の最外面の少なくとも一部と、前記外装体の内面の少なくとも一部とのうちの少なくとも一方に放熱防止膜が設けられていることを特徴とする小型化学反応装置。

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