JP5168751B2 - 気化装置、反応装置及び発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、気化装置、反応装置及び発電装置に係り、特に電気的エネルギーを生成するために液体燃料を気化させる気化装置、反応装置及び発電装置に関する。

従来、携帯電話機、ノート型パーソナルコンピュータ、デジタルカメラ、腕時計、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）、電子手帳等に代表される携帯型電子機器には、電源としてアルカリ乾電池、マンガン乾電池といった１次電池、またはニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池、リチウムイオン電池といった２次電池が用いられている。しかし、近年、高いエネルギー利用効率を実現できる燃料電池が将来性に富む有望な電池であると位置付けられ、研究、開発が盛んに行われている。

燃料電池は、例えば、特許文献１に示すように、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る。使用される燃料には、代表的な物質として水素が挙げられるが、常温で気体であるために取り扱い及び貯蔵方法に問題があり、液体燃料であるアルコール類又はガソリン等が検討されている。しかし、液体燃料を利用する場合には、液体燃料から発電に必要な水素を生成するための改質装置だけでなく、液体燃料を効果的に改質装置で改質させるために液体燃料を気化させるための蒸発器が必要とされ、上述した携帯型電子機器の電源として用いる場合には、改質装置と共に蒸発器の小型化を図る必要が生じる。

一方、微量の化学反応を行うことができる小型の化学反応装置、いわゆるマイクロリアクターが備えられており、近年、図１０に示すように、複数の基板を接合させる構造を有するマイクロリアクターが開発されている。このマイクロリアクターは、一方の面に蛇行した溝が形成された第一の基板１０２に、第二の基板を接合させることで、溝からなる流路１０１が第一及び第二の基板の接合部に形成されており、この流路１０１に流入された流体が、流路１０１を進んでいる間に化学反応を引き起こし、目的とする生成物又は中間生成物が生成されるようになっている。

そこで、このような構造のマイクロリアクターを蒸発器に応用して小型化を図ろうとすると、図１１に示すように、流路１０３に流入された液相の燃料溶液を含む液体１０４が、外部から熱を吸収することで蒸発され、完全に気化した状態で流出口に到達し、後続の改質装置に移送されるような構造になっている。

しかしながら、ここで、マイクロリアクターの構造を応用した気化装置では、流路１０３内の液体１０４と、液体１０４が気化されて膨張した気相の燃料を含む気体１０５との界面１０７で気化されることになるが、微小な寸法に形成された流路１０３では、流路自体が微細なために、界面１０７の面積が小さくなってしまい、液体１０４全体に加えられた熱量に対して界面１０７の面積が不十分であると、界面以外の液体１０４内で気泡１０６が不規則的に生成される。さらに、水はその状態が液体１０４から気体１０５に変化する際に、体積が約１７００倍に増加するので、液体１０４の内部に生じた気泡１０６は、急激に膨張し流れの進行方向Ａの前方に存在する液体１０５を吹き飛ばし、流路１０３の流れに突発的な脈動を生じさせる。この現象が頻繁に生じると、この微小気化装置に連結された後続の改質装置に、気化された燃料を一定の速度で供給することが困難になるという問題が生じている。

本発明は前記した点に鑑みてなされたもので、液体を効率的に気化することができる気化装置、反応装置及び発電装置を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明に係る気化装置は、マイクロリアクターを構成する気化装置であって、溝が形成された平面状の一対の基板を、前記溝を対向するように上下に重ねて形成される気化装置であって、燃料を含む液体が流入される流入端と、前記液体の気化によって発生した気体が流出される流出端と、に連結されるとともに、前記流入端の断面積より大きな断面積を持つ前記溝によって形成された空間部と、前記空間部を加熱するための加熱部材と、を有し、流入した液体が表面張力によって左右の壁面に沿って移動する前記空間部において、前記流入端と前記流出端とを結ぶ線に対して対称となる位置に二つの円弧状の気液界面を形成する界面保持手段を設け、前記空間部内を、前記加熱部材により気化される前の液体が充填される液体充填部と前記液体の気化によって発生した気体が流れる流路とを所定の位置で分離するようにしたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明に係る気化装置は、請求項１に記載の気化装置において、前記空間部は、平面的に略長方形状であることを特徴とする。
請求項３に記載の発明に係る気化装置は、請求項１又は請求項２に記載の気化装置において、前記界面保持手段は、前記空間部に設けられた柱であることを特徴とする。
請求項４に記載の発明に係る気化装置は、請求項３に記載の気化装置において、前記柱は所定の間隔で複数設けられていることを特徴とする。
請求項５に記載の発明に係る気化装置は、請求項４に記載の気化装置において、前記柱は、等間隔に設けられていることを特徴とする。
請求項６に記載の発明に係る気化装置は、請求項３〜５の何れかに記載の気化装置において、前記柱は、前記液体との間でメニスカスを形成していることを特徴とする。
請求項７に記載の発明に係る気化装置は、請求項１〜６の何れかに記載の気化装置において、前記空間部内は前記加熱部材によって前記液体が気化する程度に加熱されていることを特徴とする。
請求項８に記載の発明に係る気化装置は、請求項１〜６の何れかに記載の気化装置において、前記空間部内では前記加熱部材によって前記液体に含まれる燃料が化学反応を引き起こさずに気化されていることを特徴とする。
請求項９に記載の発明に係る気化装置は、請求項１〜８の何れかに記載の気化装置において、前記加熱部材は、前記１対の基板に接合される薄膜ヒータであることを特徴とする。
請求項１０に記載の発明に係る気化装置は、請求項１〜９の何れかに記載の気化装置において、前記加熱部材は、当該加熱部材の厚さより深い深さの凹部が形成されている前記一対の基板とは別の基板によって、内部空間を介するように囲繞されていることを特徴とする。
請求項１１に記載の発明に係る気化装置は、請求項１０に記載の気化装置において、前記内部空間は、１Ｐａ以下の低圧雰囲気になっていることを特徴とする。
請求項１２に記載の発明に係る気化装置は、請求項１〜１１の何れかに記載の気化装置において、前記流出端より後ろ側に前記空間部と連結される蛇行した流路を更に備え、前記蛇行した流路は、前記一対の基板に前記空間部を構成する前記溝と一体に形成されている溝によって構成されていることを特徴とする。
請求項１３に記載の発明に係る気化装置は、請求項１２に記載の気化装置において、前記蛇行した流路は、前記空間部より幅狭であることを特徴とする。
請求項１４に記載の発明に係る気化装置は、請求項１〜１３の何れかに記載の気化装置において、前記流入端と前記流出端とを結ぶ線に直交する方向における前記左右の壁面に形成される気液界面間の最大距離が前記流入端の径より長くなるような幅を前記空間部が有することを特徴とする。
請求項１５に記載の発明に係る気化装置は、請求項１〜１４の何れかに記載の気化装置において、前記液体は、アルコール類またはガソリンといった組成に水素を含む化合物と、水の混合溶液であることを特徴とする。

請求項１６に記載の発明に係る反応装置は、
請求項１〜１５の何れかに記載の気化装置と、
前記気化装置から供給された気体から水素を改質する改質装置と、
を備えることを特徴とする。

請求項１７に記載の発明に係る発電装置は、
請求項１〜１５の何れかに記載の気化装置と、
前記気化装置から供給された気体から水素を改質する改質装置と、
前記改質装置から供給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と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、気液界面を安定して形成することができ、液体を効率よく気化できる。

以下、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。

図１から図６を参照しながら、本発明に係る気化装置、反応装置及び発電装置を説明する。
図２に示すように、本実施形態における発電装置１は、液体燃料を貯留する燃料容器２と、燃料容器２に貯留された液体燃料から電気エネルギーを生成するための発電モジュール３とを備えて構成されている。また、この発電装置１は、燃料容器２及び発電モジュール３の他に、燃料容器２を発電モジュール３に着脱自在に取り付けるための取り付け構造（図示せず）を有している。

燃料容器２は、発電モジュール３に対して着脱自在となっており、貯留される液体燃料は、液状の化学燃料と水の混合液であり、本実施形態では、液体燃料としてメタノールと、水との混合液が用いられている。なお、化学燃料は、メタノールに限定されず、エタノール等のアルコール類又はガソリンといった組成に水素を含む化合物が適用可能である。

次に、発電モジュール３について説明する。
発電モジュール３は、ポンプ４と、気化装置５、改質装置６及び一酸化炭素除去装置７からなる反応装置８と、燃料電池９とを備えて構成されている。

気化装置５は、３枚の基板を接合した構造を有し、燃料容器２から供給された液体燃料を加熱するための加熱部材である薄膜ヒータ１７が設けられている。この加熱部材によりメタノール及び水（水蒸気）の混合気が生成されるようになっている。また、気化装置５において生成された混合気は、その後からポンプ４により送出された液体燃料が気化装置５で気化された混合気の圧力に押し出されて改質装置６に供給されるようになっている。なお、気化装置５の構成については、後で詳細に説明する。

改質装置６は、２枚の基板を接合した構造を有し、少なくとも一方の基板の接合面には、壁面に水蒸気改質触媒が形成された蛇行した形状の流路が形成されている。この改質装置６では、化学反応式（１）のように、気化装置５により気化されることで混合気とされたメタノール及び水蒸気を、担体であるＡｌ₂Ｏ₃にＣｕ及びＺｎＯを担持させたＣｕ／ＺｎＯ系触媒（Ｃｕ／ＺｎＯ／Ａｌ₂Ｏ₃化合物）等の水蒸気改質触媒により反応させて、二酸化炭素及び水素が生成されるようになっている。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂ … （１）

また、改質装置６では、気化装置５により混合気とされたメタノール及び水蒸気が、完全に二酸化炭素及び水素に改質されない場合に、化学反応式（２）のように、メタノールと水蒸気を反応させて、二酸化炭素及び一酸化炭素が生成されるようになっている。
２ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→５Ｈ₂＋ＣＯ＋ＣＯ₂ … （２）
さらに、改質装置６において生成された混合気は、その後から改質装置６で生成される混合気の圧力により押し出されて一酸化炭素除去装置７に供給されるようになっている。

一酸化炭素除去装置７は、２枚の基板を接合した構造を有し、少なくとも一方の基板の接合面には、壁面に選択酸化触媒が形成された蛇行した形状の流路が形成されている。この一酸化炭素除去装置７では、改質装置６から供給された水素、一酸化炭素及び二酸化炭素の混合気から特異的に一酸化炭素を選択し、化学反応式（３）に示すように、選択酸化触媒により外部から取り込まれた空気中の酸素と反応させて、二酸化炭素が生成されるようになっている。
２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂ … （３）
また、一酸化炭素除去装置７において生成された混合気は、後から一酸化炭素除去装置７で生成される混合気の圧力により押し出されて燃料電池９に供給されるようになっている。

燃料電池９は、燃料極と、固体高分子電解質膜と、空気極（いずれも図示せず）とを備えて構成されている。燃料電池９の燃料極は、電気化学反応式（４）に示すように、燃料極の触媒微粒子の作用により一酸化炭素除去装置７から供給された混合気中の水素ガスを、水素イオンと、電子とに分離させ、さらに、分離された電子を取り出すようになっている。
３Ｈ₂→６Ｈ⁺＋６ｅ^- … （４）
また、固体高分子電解質膜は、分離された水素イオンを透過させて、空気極に伝導させるようになっている。

燃料電池９の空気極には、外部から取り込まれた空気が供給され、電気化学反応式（５）に示すように、空気中の酸素と、イオン伝導膜を透過した水素イオンと、燃料極により取り出された電子とが反応して水が副生成物として生成されるようになっている。
６Ｈ⁺＋３／２Ｏ₂＋６ｅ^-→３Ｈ₂Ｏ … （５）

次に、図１、図３から図６を参照しながら、気化装置について詳細に説明する。図３〜図５は、線III−IIIを気化装置の厚さ方向に沿って切ったときに矢印方向から見た
断面図である。

上述した発電モジュール３に具備された気化装置には、図３に示すように、シリコン基板やガラス基板等からなる平面状の第一の基板としての第一基板１０が備えられている。この第一基板１０の一方の面１０ａには、幅１０μｍ〜１ｍｍ、深さが１０μｍ〜１ｍｍの蛇行した断面形状凹状の溝１１が形成されており、この溝１１の一端には、第一基板１０を厚さ方向に貫通する流出口１３が穿設され、他端部には溝１１と同等の深さで且つ幅が溝１１より十分大きい直方体（平面的には矩形）の溝２３の一端と連結され、溝２３の他端には、溝１１と同等の幅及び深さの溝２５を介して第一基板１０を厚さ方向に貫通する流入口１２が穿設されている。溝２３内には、所定の間隔をおいて面１０ａと同等の高さの複数の円柱２３ａ、２３ａ、…が二つの円弧状の軌跡に沿って設けられている。

シリコン基板やガラス基板等からなる第三基板１６は、図４に示すように、第一基板１０の溝１１と対向する面１６ａに溝１１の形状と一致する蛇行形状に形成された溝１９が形成されており、溝１９の一端には、第一基板１０の溝２３の形状と一致する直方体の溝２４の一端と連結され、溝２４の他端は、第一基板１０の流入口１２に至る溝２５に対向する溝２６と連結されている。溝２４には、溝２３の柱２３ａに対応するように複数の円柱２４ａ、２４ａ、…が二つの円弧状の軌跡に沿って設けられている。そして第三基板１６の溝１９が設けられている面１６ａと反対側の面１６ｂには、溝１９の大部分及び溝２４と平面的に重なるように薄膜ヒータ１７が配設されている。薄膜ヒータ１７は、例えば、ＴａＳｉＯ_xＮ又はＴａＳｉＯ_xＮＨ等の電気的な高抵抗体からなり、電圧の印加により適宜発熱する。この薄膜ヒータ１７には、酸化シリコン（ＳｉＯ_x）又は窒化シリコン（ＳｉＮ_x）で形成された絶縁膜（図示せず）が被膜されている。

第一基板１０及び第三基板１６は、図５に示すように、溝１１と溝１９とが重なり、複数の柱２３ａの位置と複数の柱２４ａの位置が一致するように溝２３と溝２４とが重なり、溝２５と溝２６とが重なるようにそれぞれの面１０ａ、面１６ａを貼り合わせ接合されている。

第三基板１６の薄膜ヒータ１７が形成された面１６ｂには、ガラスにより平面状に成形された第二基板１４が接合されて設けられている。この第二基板１４の第一基板１０と対向する面の中央部は、薄膜ヒータ１７に電圧を印加する引き回し配線１７ａ、１７ａを除いて薄膜ヒータ１７と重なり合う位置に薄膜ヒータ１７より広い面積であって且つ薄膜ヒータ１７の厚さより十分深い深さの凹部１５が座ぐり加工により形成されている。このため、薄膜ヒータ１７は、第二基板１４に接触していない。なお、本実施形態における薄膜ヒータ１７は、蛇行した溝１１、１９、２３、２４と平面的に一致していないが、一致させるように配置してもよい。

また、第三基板１６と、第二基板１４とが接合することで、第三基板１６と、第二基板１４における凹部１５に囲繞された内部空間である空洞１８が形成され、この空洞１８は、断熱性能を向上させるために、１Ｐａ以下の低圧雰囲気になっているため、薄膜ヒータ１７の熱は第二基板１４を介して外部に伝搬する程度が極めて低い。また低圧雰囲気でなくても、空気（熱伝導率０．０３６Ｗ／ｍ・Ｋ）又は炭酸ガス（ＣＯ₂、熱伝導率０．０１７Ｗ／ｍ・Ｋ）等の気体が充填されていても断熱効果をもたらすことができる。

また、空洞１８に充填される気体は、空気又は炭酸ガスに限定されず、ガス状のフレオン（デュポン社製）が空洞１８に充填されていてもよい。ここで、フレオンとは、フッ素を含むメタン若しくはエタンの多ハロゲン化誘導体であって、例えば、ジクロロジフルオロメタン（ＣＣｌ₂Ｆ₂、フレオン１２、熱伝導率０．０１０Ｗ／ｍ・Ｋ）、クロロジフルオロメタン（ＣＨＣｌＦ₂、フレオン２２、熱伝導率０．０１１Ｗ／ｍ・Ｋ）等である。

第一基板１０及び第三基板１６は、図５に示すように、溝１１と溝１９とが重なり、溝２３と溝２４とが重なり、溝２５と溝２６とが重なるようにそれぞれの面１０ａ、面１６ａを貼り合わせ接合されている。また、第一基板１０及び第三基板１６における溝２３、２４が互いに重なり合うことによって、図１及び図６に示すような平面的に略長方形状の空間部２１が気化装置５として形成され、溝２３の複数の柱２３ａと溝２４の複数の柱２４ａとで構成された円柱状の複数の界面保持手段２２、２２、…が二つの円弧状の軌跡に沿って等間隔に設けられている。

溝２３、２４による深さは０．０１ｍｍ〜１．００ｍｍ程度、溝２３または溝２４の外周２０ｍｍ以上、溝２３または溝２４の底面の面積は３１．８ｍｍ²以上の寸法で設けられている。溝２５、２６によって構成された流路２８は、幅０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ、高さ０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の微細な流路であり、流路２８に連結される流入口１２は縦０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ、横０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの径になっている。溝１１と溝１９とによって構成された蛇行形状の流路２０及び流路２０と流出口１３とを連結するための流路２９は、ともに幅０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ、高さ０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の微細な流路であり、流出口１３は縦０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ、横０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの径になっている。

空間部２１は、流入端２１ａによって流路２８と連結され、流出端２１ｂによって流路２０に連結されている。流入端２１ａは、大きさ、断面形状がそれぞれ流路２８の大きさ、断面と等しく、空間部２１に供給される燃料等の液体３１の単位時間辺りの流入量を定量的に制御するために微細な径となっている。流出端２１ｂは、大きさ、断面形状がそれぞれ流路２０の大きさ、断面と等しく、空間部２１から供給される燃料等の気体の単位時間辺りの流出量を定量的に制御するために微細な径となっている。空間部２１は、厚さ方向に切った断面積が流入口１２の径の断面積並びに流路２８の径の断面積よりも広く設定されている。

流入端２１ａから流入される液体３１は、その表面張力によって空間部２１の壁２１に沿って流入することになり、壁２１に囲まれた液体充填部２１ｄに充填される。そして気化装置５である空間部２１内は薄膜ヒータ１７等によって加熱されているので、空間部２１に移送された液体３１は気化されて図６中の矢印の方向に沿って送出されることになる。このとき、複数の界面保持手段２２、２２、…がない場合でも、空間部２１の空間が十分小さければ、或いは壁での液体３１の濡れ性が低ければ、液体３１の表面張力によって安定したメニスカスが形成され、図７に示すように、流入端２１ａと流出端２１ｂを結ぶ線２７に対して略対称となる二つの円弧状の気液界面３０が形成されるが、空間部２１の空間が十分大きいか或いは壁での液体３１の濡れ性が高ければ、メニスカスは容易に壊れてしまい、図８に示すように、空間部２１内の空間に液体３１が占有する割合が高くなり、気液界面３０が狭まるために、ますます液体３１の気化量が少なくなる。そしてついには空間部２１内が液体３１で満たされてしまい、細い径の流路２０に気液界面３０が移動してしまうので、液体３１の突沸により流出口１３から排出される気体の量が不規則になってしまう恐れがある。

本実施形態では、図６に示すように、空間部２１内の壁に沿った液体３１がメニスカスが形成されやすいように、気液界面となるべき二つの円弧に沿って柱状の界面保持手段２２、２２、…が設けられている。つまり、空間部２１は、壁２１と液体３１との間の濡れ性や寸法に応じて不安定な液体３１のメニスカスを保持するために、界面保持手段２２、２２、…が設けられることによって、壁２１ｅと界面保持手段２２、２２、…とに囲まれた領域を液体３１が充填される液体充填部２１ｄ、２１ｄとし、液体充填部２１ｄ、２１ｄ間つまり界面保持手段２２、２２、…で囲まれた領域を流入端２１ａの径より幅広の径の拡張流路２１ｃとしているので、液体充填部２１ｄ拡張流路２１ｃとの間の所定の位置に所定の大きさの気液界面３０を形成することができる構造となっている。このように界面保持手段２２、２２、…が液体充填部２１ｄ、２１ｄと拡張流路２１ｃとを所定の位置で分離させたので、界面保持手段２２、２２、…間の気液界面３０、３０、…の長さは常に一定となり、液体の流動性によって界面面積がばらつくことを抑制できる。界面保持手段２２、２２、…間の距離は、図９に示すように、十分メニスカスができる程度に短く設定されているので、空間部２１の容積が十分大きくても、また界面保持手段２２と壁２１ｅとの間の濡れ性が高くても、界面保持手段２２、２２、…間の気液界面３０、３０、…でのメニスカスが破壊されることはない。

また空間部２１の中央の拡張流路２１ｃには、空間部２１の流入端２１ａと流出端２１ｂとの接続部を互いに結ぶ線２７に対して略対称となる円弧状の気液界面３０、３０…が形成されるように空間部２１の縦横の長さが設定されている。一つの円弧からなる気液界面３０、３０…の全長は、少なくとも流入端２１ａの径より長く、好ましくは流出端２１ｂの径より長く、より好ましくは、空間部２１の流入端２１ａと流出端２１ｂを結ぶ線２７より長い。

したがって、液体３１を気化する気液界面３０、３０、…の面積が十分広いので加えられた熱量に対して液体が十分気化できるだけの面積が確保でき、空間部２１を高温に熱しても高効率に気化して拡張流路２１ｃに送出できるとともに速やかに矢印に示すように気化された流体が流路２０に移動する。このため、流出口１３から改質装置６に気相の流体を一定量供給できるので、流体の供給量過剰による改質装置６での未改質や、流体の供給量低下による空焚きを低減できる。

さらに、柱状部材２２の間にメニスカスが形成されることにより気液界面２３が拡大されることで、薄膜ヒータ１７の熱を液体燃料の気化に効率よく利用することが可能となり、これによって、熱効率の向上を図ることができる。

また第一基板１０の部材及び第三基板１６の部材でできている界面保持手段２２、２２、…は熱伝導性が気体や液体よりもよいので速やかに液体３１を加温でき気化速度を向上することができる。

なお、流路２０は、空間部２１で気化されなかった微量の液体が流出口１３に到達されるまでに薄膜ヒータ１７等により十分に気化させるものであるが、空間部２１のみで十分気化できるのであれば特に設ける必要もないので、流路２０の溝１１、１９の表面に燃料を水素に改質する触媒を設けて改質装置６として機能させるようにしてもよい。

なお、気液界面３０、３０…の面積を十分確保するためには、空間部２１において、流入端２１ａと流出端２１ｂとを結ぶ線２７に直交する方向に切断された空間部２１の断面の面積が、流入端２１ａにおいて、流入端２１ａの径に沿って切断された断面の面積より大きくなければならない。つまり、流入端２１ａの深さと空間部２１の深さが同一であれば、線２７に直交した線であって且つ気液界面３０、２２を結ぶ線のうち最大の長さである距離Ｌ１が流入端２１ａの径よりも長くなければならない。

なお、本実施形態における空間部２１は、気化装置５の主たる気化領域に相当し、その形状は略長方形状に形成されているが、これに限定されず、上記外周及び面積の寸法を満たしていれば、どのような形状であってもよい。また、空間部２１の寸法は、外周２０ｍｍ以上、面積３１．８ｍｍ²以上としたが、流入される液体燃料の表面張力若しくは流入速度、液体から気体に状態が変化する際の体積膨張率、流出口１３における圧力、加熱温度等に応じて適宜変更可能である。

また、界面保持手段２２、２２、…の大きさ、間隔の長さ、形状、数、配置形態は、気液界面３０、３０…の位置及び形状が一定である限りにおいて本実施形態の記載に限定されず、流入される液体燃料の表面張力若しくは流入速度、液体から気体に状態が変化する際の体積膨張率、流出口１３における圧力、加熱温度、基板の材質等に応じて適宜変更可能である。

すなわち、界面保持手段２２、２２、…は、円柱以外にも、横方向断面が多角形や楕円形等の柱でもよい。

また界面保持手段２２、２２、…は、第一基板１０の複数の円柱２３ａ、２３ａ、…と第三基板１６の複数の円柱２４ａ、２４ａ…とで構成されているが、いずれか一方でもよい。

さらに界面保持手段２２、２２、…は、空間部２１の上下の壁のいずれか一方のみに設けられ他方に接していない突起であってもよい。

また第一基板１０の複数の円柱２３ａ、２３ａ、…と第三基板１６の複数の円柱２４ａ、２４ａ…とがそれぞれ互いに重なるように設けたが、ずれていてもよい。

また、空間部２１を第一基板１０の溝２３及び第二基板１０の溝２４で構成したが、一方の溝のみで構成してもよい。

次に、本実施形態の気化装置５を備えた発電装置１の動作例について説明する。
発電装置１の電源が入れられると、薄膜ヒータ１７が通電することにより発熱し、小型の反応装置８を構成する気化装置５、改質装置６及び一酸化炭素除去装置７が、それぞれ所定の温度になるように加熱される。この状態で、ポンプ４が作動して、燃料容器２に貯留されたメタノール及び水の混合液からなる液体燃料が気化装置５における流路に供給され、供給された液体燃料が流路を流動する際に、薄膜ヒータ１７の熱により気化されることでメタノール及び水蒸気からなる混合気が生成される。このとき、気化装置５、改質装置６及び一酸化炭素除去装置７を加熱する加熱手段として薄膜ヒータ１７のような電気抵抗体でなく、燃料を酸化燃焼することで発熱する燃焼器を用いても、また薄膜ヒータ１７と燃焼器とを混在させてもよい。なお、薄膜ヒータ１７を用いなければ、第二基板１４は必要ない。また改質装置６も気化装置５の流路２０と同様に微細な径の蛇行した溝が形成された基板からなり、流出口１３からの流体が改質装置６の微細な溝で構成された流路を通る。この流路の幅は少なくとも流路２１より幅狭であり、深さも流路の深さと同程度に設定されている。

空間部２１を有する気化装置５は、空間部２１内で界面保持手段２２、２２、…間の気液界面３０、３０…で気化されたことで高圧になった混合気は拡張流路２１ｃから流出口１３を介して、相対的に低圧である改質装置６の流路に供給され、流路において混合気が流動して、水蒸気改質触媒に接触する。これにより、メタノール及び水蒸気が水蒸気改質触媒の作用を受けて、上記化学反応式（１）のような水蒸気改質反応が起こる。また、流路において、メタノール及び水蒸気が完全に二酸化炭素及び水素に改質されない場合があり、この場合は、上記化学反応式（２）のように、水素、一酸化炭素及び二酸化炭素が生成される。

改質装置６で生成された水素、一酸化炭素及び二酸化炭素の混合気は、一酸化炭素改質装置７の流路に供給されると共に、外部の空気が流路に取り込まれ、流路において選択酸化触媒の作用を受けて、上記化学反応式（３）のように、一酸化炭素が特異的に酸化され、生成された混合気は燃料電池９の燃料極に供給される。

燃料極においては、上記電気化学反応式（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空気極に伝導され、電子は燃料極により取り出される。また、空気極においては、上記電気化学反応式（５）に示すように、外部から取り込まれた空気中の酸素と、固体高分子電解質膜を通過した水素イオンと、燃料極により取り出された電子とが反応して水が生成される。この間の電子の移動によって発電され、この電力は発電装置１内部の二次電池に蓄電してもよい。

上述のような小型の気化装置５を備える発電装置１は、携帯電話機、ノート型パーソナルコンピュータ、デジタルカメラ、腕時計、ＰＤＡ、電子手帳等に代表される携帯型電子機器の電源として利用することができる。

さらに、以下に実施例を挙げて、本発明に係る気化装置の作用について詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。

気化装置５に、流入口１２と幅０．６ｍｍ、高さ０．４３ｍｍの寸法の流路２０との間にを形成し、その流路の中途部であって流入口の近傍に、縦５．６ｍｍ、横７．０ｍｍの寸法で空間部を設け、さらにこの空間部の内部に、直径０．３ｍｍの円柱からなる複数の界面保持手段を、流路との接続部を互いに結ぶ直線に対して略対称となる円弧状の曲線に沿って０．７ｍｍの間隔を離間させて配置した。
この気化装置にメタノール及び水の混合溶液（モル比 メタノール：水＝１：１．２）からなる液体燃料を、流速１．９４ｍｌ／ｈの速度で供給し、薄膜ヒータの熱により液体内部に発生する気泡に起因する突発的な脈動が生じるか否かを観察した。
その結果、８０〜１０２℃の範囲で、液体燃料の突発的な脈動が確認されず、流出口における気体の流れは安定していた。

［比較例］
気化装置に幅０．６ｍｍ、高さ０．４３ｍｍの寸法で流路を形成し、その流路の中途部であって流入口の近傍に、縦５．６ｍｍ、横７．０ｍｍの寸法で空間部を設けた。
この気化装置にメタノール及び水の混合溶液（モル比 １：１．２）からなる液体燃料を、流速１．９４ｍｌ／ｈの速度で供給し、薄膜ヒータ１７の熱により液体内部に発生する気泡に起因する突発的な脈動が生じるか否かを観察した。
その結果、８０〜９２．３℃の範囲で、液体燃料の突発的な脈動が確認されず、流出口における気体の流れは安定していたが９２．３℃を越えると不安定になった。

なお、本発明に係る気化装置は、液体燃料を液体から気体に変換させることで気化装置５の周辺の熱を吸収し、気化装置４の周辺温度を低減させる熱交換システムに備えられていてもよい。

本発明に係る気化装置を示す平面図である。 本発明に係る気化装置を備えた発電装置の基本構成を示すブロック図である。 本発明に係る気化装置の第一基板を示す側面図である。 本発明に係る気化装置の第二基板を示す側面図である。 本発明に係る気化装置を示す側面図である。 本発明に係る気化装置の空間部の気化の様子を示す拡大図である。 界面保持手段２２のない気化装置に設けられた空間部の内部の様子を示す拡大図である。 界面保持手段２２のない気化装置に設けられた空間部の内部の様子を示す拡大図である。 本発明に係る気化装置における空間部に配置された界面保持手段の様子を示す拡大図である。 従来技術におけるマイクロリアクターを示す平面図である。 従来技術における気化装置の流路内部の様子を示す拡大断面図である。

符号の説明

１ 発電装置
５ 気化装置
６ 改質装置
８ 反応装置
９ 燃料電池
１０ 第一基板
１１、１９ 溝
１２ 流入口
１３ 流出口
１６ 第三基板
１７ 薄膜ヒータ
２１ 空間部
２２ 界面保持手段

Claims (17)

1. マイクロリアクターを構成する気化装置であって、
   溝が形成された平面状の一対の基板を、前記溝を対向するように上下に重ねて形成される気化装置であって、
   燃料を含む液体が流入される流入端と、前記液体の気化によって発生した気体が流出される流出端と、に連結されるとともに、前記流入端の断面積より大きな断面積を持つ前記溝によって形成された空間部と、
   前記空間部を加熱するための加熱部材と、
   を有し、
   流入した液体が表面張力によって左右の壁面に沿って移動する前記空間部において、前記流入端と前記流出端とを結ぶ線に対して対称となる位置に二つの円弧状の気液界面を形成する界面保持手段を設け、
   前記空間部内を、前記加熱部材により気化される前の液体が充填される液体充填部と前記液体の気化によって発生した気体が流れる流路とを所定の位置で分離するようにしたことを特徴とする気化装置。
2. 前記空間部は、平面的に略長方形状であることを特徴とする請求項１に記載の気化装置。
3. 前記界面保持手段は、前記空間部に設けられた柱であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の気化装置。
4. 前記柱は所定の間隔で複数設けられていることを特徴とする請求項３に記載の気化装置。
5. 前記柱は、等間隔に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の気化装置。
6. 前記柱は、前記液体との間でメニスカスを形成していることを特徴とする請求項３〜５の何れかに記載の気化装置。
7. 前記空間部内は前記加熱部材によって前記液体が気化する程度に加熱されていることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の気化装置。
8. 前記空間部内では前記加熱部材によって前記液体に含まれる燃料が化学反応を引き起こさずに気化されていることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の気化装置。
9. 前記加熱部材は、前記１対の基板に接合される薄膜ヒータであることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の気化装置。
10. 前記加熱部材は、当該加熱部材の厚さより深い深さの凹部が形成されている前記一対の基板とは別の基板によって、内部空間を介するように囲繞されていることを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の気化装置。
11. 前記内部空間は、１Ｐａ以下の低圧雰囲気になっていることを特徴とする請求項１０に記載の気化装置。
12. 前記流出端より後ろ側に前記空間部と連結される蛇行した流路を更に備え、
    前記蛇行した流路は、前記一対の基板に前記空間部を構成する前記溝と一体に形成されている溝によって構成されていることを特徴とする請求項１〜１１の何れかに記載の気化装置。
13. 前記蛇行した流路は、前記空間部より幅狭であることを特徴とする請求項１２に記載の気化装置。
14. 前記流入端と前記流出端とを結ぶ線に直交する方向における前記左右の壁面に形成される気液界面間の最大距離が前記流入端の径より長くなるような幅を前記空間部が有することを特徴とする請求項１〜１３の何れかに記載の気化装置。
15. 前記液体は、アルコール類またはガソリンといった組成に水素を含む化合物と、水の混合溶液であることを特徴とする請求項１〜１４の何れかに記載の気化装置。
16. 請求項１〜１５の何れかに記載の気化装置と、
    前記気化装置から供給された気体から水素を改質する改質装置と、
    を備えることを特徴とする反応装置。
17. 請求項１〜１５の何れかに記載の気化装置と、
    前記気化装置から供給された気体から水素を改質する改質装置と、
    前記改質装置から供給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と、
    を備えて構成されることを特徴とする発電装置。

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