JP5082535B2 - 反応装置 - Google Patents
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Description
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、異なる温度に設定された複数の反応部の熱輻射を抑制し、複数の反応部間の温度差を確保することができる反応装置を提供することである。
各面が全て正方形または長方形の平行六面体の筐体を有し、該筐体内で前記高温反応部よりも低温で反応物の反応を起こす低温反応部と、
前記高温反応部及び前記低温反応部を収容し、内部空間が減圧状態の断熱パッケージと、を備え、
前記高温反応部の筐体の表面における赤外線反射率が前記低温反応部の筐体の表面における赤外線反射率よりも高いことを特徴とする。
前記高温反応部の筐体の表面に前記低温反応部の筐体の表面よりも赤外線反射率の高い赤外線反射膜が設けられていることを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項1に記載の反応装置において、
前記低温反応部の筐体の表面に前記高温反応部の筐体の表面よりも赤外線反射率の低い赤外線反射膜が設けられていることを特徴とする。
請求項4の発明は、請求項1に記載の反応装置において、
前記高温反応部の筐体の表面に赤外線反射膜が設けられ、
前記低温反応部の筐体の表面に前記高温反応部の赤外線反射膜よりも赤外線反射率の低い赤外線反射膜が設けられていることを特徴とする。
請求項5の発明は、請求項2又は4に記載の反応装置において、
前記高温反応部の筐体の表面に設けられた前記赤外線反射膜は、Au膜であることを特徴とする。
請求項6の発明は、請求項3又は4に記載の反応装置において、
前記低温反応部の筐体の表面に設けられた前記赤外線反射膜は、Al膜であることを特徴とする。
請求項7の発明は、請求項1〜6のいずれか一項に記載の反応装置において、
前記断熱パッケージの内壁面のうち、前記高温反応部側を向く面は、前記低温反応部側を向く面よりも赤外線反射率が高いことを特徴とする。
図1は、マイクロリアクタモジュール600の側面図である。このマイクロリアクタモジュール600は、ノート型パーソナルコンピュータ、PDA、電子手帳、デジタルカメラ、携帯電話機、腕時計、レジスタ、プロジェクタといった電子機器に内蔵され、燃料電池に使用する水素ガスを生成するものである。
なお、燃料電池がマイクロリアクタモジュール600から供給された水素ガスによって電気化学反応を発生した後に燃料電池から排出されたオフガス中に未反応の水素ガスが含まれている場合があり、第一燃焼器612及び第二燃焼器614の少なくともいずれか一方は、この未反応の水素ガスを、酸素を含んだ空気等の気体で燃焼して熱を発するようにしても良い。勿論、第一燃焼器612及び第二燃焼器614の少なくともいずれか一方は、燃料容器に貯留されている液体燃料(例えば、メタノール、エタノール、ブタン、ジメチルエーテル、ガソリン等)を、別の気化器によって気化し、その気化した燃料を、酸素を含んだ空気等の気体で燃焼するようにしても良い。
この改質器400には気化器610から水と燃料の混合気が供給され、改質器400が第二燃焼器614によって所定温度に加熱される。加熱された改質器400では水と燃料から水素ガス等が触媒反応により生成され、更に微量ながら一酸化炭素ガスが生成される。燃料がメタノールの場合には、次式(1)、(2)のような化学反応が起こる。なお、水素が生成される反応は吸熱反応であり、第二燃焼器614の燃焼熱が用いられる。
CO+1/2O2→CO2 …(3)
一酸化炭素が除去された状態の水素を主体とする混合気が燃料電池の燃料極に供給される。
図3は、マイクロリアクタモジュール600の分解斜視図であり、図4は、改質器400の分解斜視図であり、図5は、一酸化炭素除去器500の分解斜視図であり、図6は、図1の切断線VI−VIに沿った面の矢視断面図であり、図7は、図1の切断線VII−VIIに沿った面の矢視断面図であり、図8は、図1の切断線VIII−VIIIに沿った面の矢視断面図であり、図9は、図1の切断線IX−IXに沿った面の矢視断面図である。
O3・2SiO2,線膨張係数5.0×10-6/℃)を、反応容器材料としてコバール(FeNiCo合金、線膨張係数5.16×10-6/℃)を用いる組み合わせが挙げられるが、これに限られない。
また波形板420の折返し部426は側板416に面した状態で当接し、好ましくは折返し部426が側板416に蝋付けにより接合されている。したがって各折返し部426は、カップ体410の側板416を補強する補強部材として機能する。このため、側板416に応力が生じた場合であっても容易に変形しにくい構造となる。
また、波形板520の折返し部526は側板516に面した状態で当接し、好ましくは折返し部526が側板516に蝋付けにより接合されている。したがって各折返し部526は、カップ体510の側板516を補強する補強部材として機能する。このため、側板516に応力が生じた場合であっても容易に変形しにくい構造となる。
電熱線720,722,724は、絶縁プレート640側から密着層、拡散防止層、発熱層の順に積層したものである。発熱層は3層の中で最も低い抵抗率の材料(例えば、Au)であり、電熱線720,722,724に電圧が印加されると電流が集中的に流れて発熱する。拡散防止層には、発熱層の材料が拡散防止層や密着層に対して拡散しないように比較的融点が高く且つ反応性が低い物質(例えば、W)を用いることが好ましい。密着層は、拡散防止層が絶縁プレート640に対して密着性が優れていない場合に用いられるものであり、拡散防止層に対しても絶縁プレート640に対しても密着性に優れた材料(例えば、Ta、Mo、Ti、Cr)からなる。電熱線720は、起動時に低温反応部606を加熱し、電熱線722は、起動時に高温反応部604及び連結部608を加熱し、電熱線724は、パイプ群602の気化器502及び第一燃焼器612を加熱する。この後、マイクロリアクタモジュール600から排出された水素ガスによって発電する燃料電池から、電気化学反応に用いられずに残った水素を含むオフガスが排気される。このオフガスを第二燃焼器614に導入して燃焼させたら、電熱線722は第二燃焼器614の補助として高温反応部604及び連結部608を加熱する。同様に、燃料電池からの水素を含むオフガスが第一燃焼器612で燃焼される場合、電熱線720及び電熱線724は第一燃焼器612の補助として低温反応部606及びパイプ群602を加熱する。
また、電熱線720,722,724は温度の変化に応じて電気抵抗が変化するので、所定の印加電圧又は電流に対する抵抗値から温度を読み取ることができる温度センサとしても機能する。具体的には、電熱線720,722,724の温度は電気抵抗に比例する。
具体的には、高温反応部604の表面に低温反応部606の表面よりも赤外線反射率の高い赤外線反射膜605が設けられている。赤外線反射率の高い材料としては、例えばAu、ITOナノ粒子等が挙げられ、このような赤外線反射膜605は高温反応部604の表面(上面、下面、側面)にメッキを施すことによって形成する。詳細には、高温反応部604を構成するカップ体410の上面及び側面、ベースプレート642のベース部654の下面及び側面に赤外線反射膜605が設けられている。
また、その他、図14に示すように、高温反応部604の表面に赤外線反射膜605Aを設け、低温反応部606の表面に赤外線反射膜605Aよりも赤外線反射率の低い赤外線反射膜607Aを設けても良い。赤外線反射率の低い材料としては、例えば、Al、黒色の塗料が塗布された材料等が挙げられ、このような赤外線反射膜607Aも低温反応部606の表面(上面、下面、側面)にメッキを施すことによって形成する。詳細には、低温反応部606を構成するカップ体510の上面及び側面、ベースプレート642のベース部652の下面及び側面に赤外線反射膜607Aが設けられている。なお、図14中、図13と同様の構成部分については同様の符号を付している。
さらに、図示しないが、高温反応部604の表面には赤外線反射膜を設けずに、低温反応部606のみに赤外線反射率の低い赤外線反射膜を設けても構わない。
断熱パッケージ791は、パイプ群602、高温反応部604、低温反応部606及び連結部608からの熱輻射を反射して断熱パッケージ791の外に伝搬することを抑制する。
また、図13に示すように、断熱パッケージ791のケース792の内壁面及びプレート793の上面には、高温反応部604、低温反応部606及び連結部680等からの輻射による熱損失を防止するために、赤外線を反射する赤外線反射膜790が設けられている。赤外線反射膜790によって、断熱パッケージ719外部への熱損失が抑制される。赤外線反射膜790の材料としては、例えば、AlやAu等が挙げられる。
特に、断熱パッケージ791の高温反応部604側に面する内壁面791aには、低温反応部606側に面する内壁面791bに比して赤外線反射率が高くなるように赤外線反射膜790を形成することが好ましい。具体的には、断熱パッケージ791の高温反応部604側に面する内壁面791aの全面に赤外線反射膜790を設け、低温反応部606側に面する内壁面791bのうち一部(高温反応部604の近傍)のみに赤外線反射膜790を設けることによって、断熱パッケージ791の高温反応部604側と低温反応部606側とで赤外線反射率を変える。
また、図14に示すように、赤外線反射膜790Aは、断熱パッケージ791Aの内壁面全面(ケース792Aの内壁面及びプレート793Aの上面)に設けても良い。
また、上述の図13では、低温反応部606側に面する内壁面791bの一部にのみ赤外線反射膜790を設けるとしたが、低温反応部606側に面する内壁面791bに赤外線反射膜を全く設けなくとも良い(図示しない)。
さらに、図示しないが、高温反応部604側に面する内壁面791aと、低温反応部606側に面する内壁面791bとで、内壁面791a側の赤外線反射率が高くなるように、反射率の異なる赤外線反射膜をそれぞれ設けるようにしても良い。
リード線732,731,733,734,736,735,737,738を有する配線群739は、一部が断熱パッケージ791から露出されている。液体燃料導入管622並びにリード線732,731,733,734,736,735,737,738においてそれぞれ断熱パッケージ791から露出している部分から断熱パッケージ791内に外気が侵入して内圧が上がるような隙間が生じないように、液体燃料導入管622並びにリード線732,731,733,734,736,735,737,738は断熱パッケージ791のベースプレート793に金属蝋、ガラス材又は絶縁封止材で接合されている。断熱パッケージ791は金属性なので導電性を示すが、リード線732,731,733,734,736,735,737,738が高融点絶縁体で被覆されているので、リード線732,731,733,734,736,735,737,738が断熱パッケージ791とそれぞれ導通することはない。断熱パッケージ791の内部空間の内圧を低く維持できるので、マイクロリアクタモジュール600が発する熱を伝搬する媒体が希薄になり、内部空間でのまた熱対流が抑えられるのでマイクロリアクタモジュール600の保温効果が増える。
そして、断熱パッケージ791で封止された空間において、マイクロリアクタモジュール600の高温反応部604及び低温反応部606の間には所定の距離の連結部608が介在しているが、連結部608の容積は高温反応部604及び低温反応部606の容積に対して極めて小さいので、連結部608による高温反応部604から低温反応部606への熱の伝搬は抑えられ、高温反応部604と低温反応部606との間では、反応に必要な温度勾配を維持できるとともに高温反応部604内の温度を均等にしやすく、低温反応部606内の温度を均等にしやすくすることができる。
仮に液体燃料導入管622、パイプ群602、配線群739が高温反応部604に設けられている場合、高温反応部604は動作時に高温に保持する必要があるため、液体燃料導入管622、パイプ群602、配線群739まで高温になってしまい、液体燃料導入管622、パイプ群602、配線群739から断熱パッケージ200に伝熱して逃げる熱量が大きくなってしまうが、液体燃料導入管622、パイプ群602、配線群739は低温反応部606に設けられているので、液体燃料導入管622、パイプ群602、配線群739から断熱パッケージ791に伝熱して逃げる熱量が小さく、液体燃料導入管622、パイプ群602、配線群739において断熱パッケージ791の外部に露出している部分から放熱される熱量も少なくて済み、速やかに高温反応部604、低温反応部606を加熱でき、且つ加熱温度を安定して保持することが容易となる。
まず、リード線737,738の間に電圧が印加されると、ゲッター材728がヒータによって加熱され、ゲッター材728が活性化される。これにより、断熱パッケージ791内のガス等の圧力を上げる要因がゲッター材728に吸着され、断熱パッケージ791内の減圧度が高まり、断熱効率が高まる。
ここで、高温反応部604は低温反応部606よりも高温に保持しなければならないので、第二燃焼器614での単位時間あたりのオフガスの水素供給量を第一燃焼器612での単位時間あたりのオフガスの水素供給量より多くするか、第一燃焼器612での冷媒となる酸素(空気)の単位時間あたりの供給量を第二燃焼器614での酸素(空気)の単位時間あたりの供給量より多くするようにしてもよい。
この発電ユニット801は、フレーム802と、フレーム802に対して着脱可能な燃料容器804と、流路、ポンプ、流量センサ及びバルブ等を有する流量制御ユニット806と、断熱パッケージ791に収容された状態のマイクロリアクタモジュール600と、燃料電池、加湿器及び回収器等を有する発電セル808と、エアポンプ810と、二次電池、DC−DCコンバータ及び外部インターフェース等を有する電源ユニット812とを具備する。流量制御ユニット806によって燃料容器804内の水と液体燃料の混合気がマイクロリアクタモジュール600に供給されることで、上述のように水素ガスが生成され、水素ガスが発電セル808の燃料電池に供給され、生成された電気が電源ユニット812の二次電池に蓄電される。
また、高温反応部604の表面に赤外線反射率の高い赤外線反射膜605を設け、低温反応部606の表面に赤外線反射率の低い赤外線反射膜607を設けることによって、高温反応部604及び低温反応部606間における温度差を容易に確保することができる。
さらに、断熱パッケージ791の内壁面のうち、高温反応部604側を向く内壁面791aが、低温反応部606側を向く内壁面791bよりも赤外線反射率が低いので、高温反応部606からの輻射熱は、低温反応部604からの輻射熱に比して断熱パッケージ791の内壁面791aによって反射されて熱損失を軽減することができ、この点においても高温反応部604及び低温反応部606間における温度差の確保を図ることができる。
また、高温反応部604又は低温反応部606のいずれか一方のみに赤外線反射膜605,607を設ける場合には、コストを削減することができる。
604 高温反応部
606 低温反応部
605,605A,607A,790,790A 赤外線反射膜
791,791A 断熱パッケージ
791a 高温反応部側を向く内壁面
791b 低温反応部側を向く内壁面
Claims (7)
- 各面が全て正方形または長方形の平行六面体の筐体を有し、該筐体内で反応物の反応を起こす高温反応部と、
各面が全て正方形または長方形の平行六面体の筐体を有し、該筐体内で前記高温反応部よりも低温で反応物の反応を起こす低温反応部と、
前記高温反応部及び前記低温反応部を収容し、内部空間が減圧状態の断熱パッケージと、を備え、
前記高温反応部の筐体の表面における赤外線反射率が前記低温反応部の筐体の表面における赤外線反射率よりも高いことを特徴とする反応装置。 - 前記高温反応部の筐体の表面に前記低温反応部の筐体の表面よりも赤外線反射率の高い赤外線反射膜が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の反応装置。
- 前記低温反応部の筐体の表面に前記高温反応部の筐体の表面よりも赤外線反射率の低い赤外線反射膜が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の反応装置。
- 前記高温反応部の筐体の表面に赤外線反射膜が設けられ、
前記低温反応部の筐体の表面に前記高温反応部の赤外線反射膜よりも赤外線反射率の低い赤外線反射膜が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の反応装置。 - 前記高温反応部の筐体の表面に設けられた前記赤外線反射膜は、Au膜であることを特徴とする請求項2又は4に記載の反応装置。
- 前記低温反応部の筐体の表面に設けられた前記赤外線反射膜は、Al膜であることを特徴とする請求項3又は4に記載の反応装置。
- 前記断熱パッケージの内壁面のうち、前記高温反応部側を向く面は、前記低温反応部側を向く面よりも赤外線反射率が高いことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の反応装置。
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