JP5413585B2

JP5413585B2 - 反応装置

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Publication number: JP5413585B2
Application number: JP2009197624A
Authority: JP
Inventors: 忠夫山本; 啓之竹山
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2024-09-29
Also published as: JP2010030890A

Description

本発明は、反応装置に係り、特に燃料電池に搭載するマイクロ反応装置に関する。

近年、環境への影響が少なく、比較的高いエネルギ効率を再現できる燃料電池が注目されるようになり、燃料電池自動車や電化住宅などに、幅広く実用化されてきている。また、モバイル手段として急速に小型化の研究、開発が進められている携帯電話やノート型パソコンなどにおいても、燃料電池による実用化が検討されている。

現在、すでに実用化されている燃料電池自動車などは、発電の要求出力は大きいものの、燃料電池の水素供給源の装置や燃料改質装置などの配置場所を、自動車のエンジン装置周辺や車体外部にまたは屋外に容易に確保できるために、大掛かりな装置となっても支障が少ない。一方で、モバイル手段として研究、開発が進められてきている携帯電話などの小型電子機器は、すでに様々な小型機器装置が効率よく配置されているために、もともと燃料電池の発電装置を組み込むことのできる配置場所は非常に少ない。さらに、現段階において発電エネルギ効率では、必要な発電量を得るため、燃料電池の発電装置自体が大きくなってしまい、モバイル手段としての小型電子機器の利用価値が大きく損なわれてしまう。

しかし、半導体、マイクロマシンなどの微細加工技術が急速に発展しており、さらに今後のマンガン電池等の代替としての燃料電池による発電は重要性が増していることから、小型電子機器に搭載することのできる燃料電池の発電装置の小型に形成することは重要な位置を占めることとなる。

ここで、比較的交換が容易で発電に必要な水素を確保できるメタノールを用いた燃料電池の発電装置では、必要な発電量を確保するため、蒸発器、改質器、特許文献１に示すような一酸化炭素除去器などのこれらの反応器がそれぞれ独立して配設されており、さらにこれらの反応器を連結パイプなどで連結することによって構成されている。

特開２００３−４８７０２号公報

しかしながら、それぞれの反応器が独立しており、これら独立している反応器を連結流路で連結する発電装置であるために、小型に形成することは困難であるという問題がある。また、それぞれの反応器が独立していることによって、発電装置におけるシステム全体の熱損失が大きくなり発電の効率を高めることにならないという問題がある。特に、燃料電池の反応装置を積層することによって、発電の要求出力を求めつつ小型に形成することは困難であるという問題がある。従って、より小型に形成することが要求される携帯電話機器、ノート形パソコンなどへの実装が困難であるという問題がある。

本発明は、前記した点に鑑みてなされたものであり、反応装置全体の熱損失を軽減して熱効率を高めることができる反応装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明の反応装置は、凹凸又は穴を有する複数の基板を積層することによって、前記凹凸又は前記穴からなる、燃料から水素を生成する改質器と、一酸化炭素を二酸化炭素に生成する一酸化炭素除去器と、前記改質器に熱を供給する燃焼器と、前記改質器と前記一酸化炭素除去器とを連通する連通流路と、前記改質器と前記一酸化炭素除去器との間に設けられた断熱室と、を内部に形成した反応装置本体部と、前記凹凸又は前記穴からなる密閉空間に該反応装置本体部を収納して該反応装置本体部を包囲した中空パッケージ部と、を一体形成し、前記連通流路の端部の開口部を前記中空パッケージ部の外面に面することを特徴とする。

この請求項１に記載の発明によれば、中空パッケージ部と反応装置本体部を一体形成し、流路の端の開口部が中空パッケージ部に面しているため、中空パッケージ部内の密閉空間であって反応装置本体部の外側であって中空パッケージ部の内側の密閉空間をより高い密閉状態で保つことができる。

本発明によれば、中空パッケージ部内の密閉空間であって反応装置本体部の外側であって中空パッケージ部の内側の密閉空間をより高い密閉状態で保つことができ、反応装置の熱損失を低減することができる。

本発明に係る反応装置４を適用する発電装置１を示すブロック図である。反応装置４を示す斜視図である。反応装置４のIII−III線に沿った面の断面図である。反応装置４のIV−IV線に沿った面の断面図である。反応装置４のV−V線に沿った面の断面図である。反応装置３１に示す透過斜視図である。反応装置３１のVII−VII線に沿った面の断面図である。反応装置４を積層し、側面に断熱室を設ける反応装置３５に示す透過斜視図である。反応装置３５のIX−IX線に沿った面の断面図である。反応装置１０４の外観斜視図である。反応装置１０４の外観斜視図である。反応装置１０４の分解斜視図である。第一基板１９１、第五基板１９５の平面図である。第二基板１９２の上面図である。第三基板１９３の上面図である。第四基板１９４の上面図である。反応装置１０４の断面図である。反応装置１０４を用いた発電装置１０１のブロック図である。反応装置３１を積層する反応装置３６の中央線に沿った面の断面図である。反応装置３１をスペーサ４０を介して積層する反応装置３７の中央線に沿った面の断面図である。

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。

〔第一の実施形態〕
図１は、発電装置１のブロック図である。図１に示すように、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を気化させる気化器３と、気化器３から供給された燃料と水の混合気から水素を生成する反応装置(マイクロリアクタ）４と、反応装置４で生成された水素の電気化学反応により電気エネルギを生成する燃料電池（フュエールセル）５と、を備えている。

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

気化器３は二枚の基板を接合した構造を有しており、これらの各基板のうちいずれか一方または両方の基板の接合面には、葛折り状のマイクロ流路が形成されている。この接合された二枚の基板の外壁面には、電圧が印加されることによって発熱する発熱抵抗体、発熱半導体といった電熱材からなる薄膜ヒータが成膜されている。この薄膜ヒータにより、燃料容器２から燃料と水が気化器３内のマイクロ流路に供給される場合には、燃料および水が加熱されて蒸発するようになっている。

反応装置４は、化学反応式（１）、（２）に示すように気化器３から供給された燃料と水の混合気を水素に改質する改質器（第一の反応器）６と、化学反応式（３）に示すように改質器６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て、一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器（第二の反応器）７と、燃料容器２から供給される燃料を酸化させることにより燃焼熱を発する燃焼器８と、を備えている。反応装置４の詳細については後述するが、反応装置４は、改質器６、一酸化炭素除去器７および燃焼器８を組み付けて一体化されたものであり、この燃焼器８で発生する燃焼熱が改質器６及び一酸化炭素除去器７の触媒反応に用いられるように構成されている。なお、燃焼容器２と燃焼器８との間に別に気化器が介在し、燃料容器２の燃料が気化器によって気化されて燃焼器８に供給されても良い。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂・・・（１）
２ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→５Ｈ₂＋ＣＯ＋ＣＯ₂・・・（２）
２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂・・・（３）

燃料電池５は、触媒微細粒子を担持した燃料極と、触媒微粒子を担持した空気極と、燃料極と空気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、を備えている。燃料電池５の燃料極には、一酸化炭素除去器７から生成物の混合気が供給されており、燃料電池５の空気極には、外部からの空気が供給されている。燃料極において、電気化学反応式（４）に示すように、混合気中の水素は、燃料極の触媒粒子の作用を受けて水素イオンと電子とに分離されている。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ている。酸素極において、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て水が生成されている。
Ｈ₂→２Ｈ＋＋ｅ^-・・・（４）
２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋ｅ^-→Ｈ₂Ｏ・・・（５）

上記の発電装置１は、デジタルカメラ、携帯電話機器、ノート型パソコン、腕時計、ＰＤＡ，電子計算機、その他の電子機器本体に搭載されたものである。特に、気化器３、反応装置４、及び燃料電池５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は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気化器３に供給され、燃焼容器２内の燃料が反応装置４の燃焼器８に供給されるようになっている。

次に、図２から図６を参照して、本発明を適用した実施形態としての反応装置４についてさらに詳細に説明する。

図２は、反応装置４の斜視図である。図２に示すように、反応装置４は、下基板１２、中基板１１、上基板１０から構成されている。この下基板１２の外部には、燃焼器８で燃焼されるメタノール等の水素を含む化合物などを流入させる燃料供給口１５及び酸素を流入させる燃料酸素供給口１６が形成されており、燃料供給口１５及び燃料酸素供給口１６には、それぞれ燃料容器２及び流体を移送させるポンプ装置（図示せず）などが接続されている。上基板１０の外部には、改質器６において水素に改質させるメタノール等の水素を含む化合物および水を流入させる反応供給口２１が形成されており、この反応供給口２１には、燃料容器２が接続されている。

図３は、III−III線に沿った面の矢視断面図であり、図４は、IV−IV線に沿った面の矢視断面図であり、図５は、V−V線に沿った面の矢視断面図である。図３及び図５に示すように、この下基板１２には、一方の面に燃料供給口１５、燃料酸素供給口１６、燃焼器８の燃焼反応室１４、燃焼によって生成される二酸化酸素および水を排出する燃料排出口１７が形成されており、燃料供給口１５、燃料酸素供給口１６、燃焼反応室１４、燃料排出口１７は、一体の溝として流路を構成している。燃料供給口１５、燃料酸素供給口１６、燃料排出口１７は、下基板１２の周縁端部で開口している。また下基板１２には、一方の面から他方の面にかけて貫通した貫通孔からなる断熱室２７、断熱室３３が形成されている。中基板１１にも一方の面から他方の面にかけて貫通した貫通孔からなる断熱室２７、断熱室３３が形成されている。中基板１１及び下基板１２の断熱室２７、断熱室３３はともに断熱効果を高める輻射防止膜２８が備えられている。なお、図面を見やすくするために、図３においては輻射防止膜２８の図示を省略する。

図４及び図５に示すように、この上基板１０には、下基板１２との対向面に、反応供給口２１、改質器６である改質反応室１８、連通流路２２、酸素補助供給口２３、一酸化炭素除去器７の一酸化炭素除去反応炉である一酸化炭素除去流路２４、改質触媒反応および一酸化炭素除去触媒反応によって生成される二酸化炭素および水を排出する反応排出口２６が形成されている。これら反応供給口２１、改質反応室１８、連通流路２２、酸素補助供給口２３、一酸化炭素除去流路２４、反応排出口２６は、一体の溝として流路を構成しており、この改質反応室１８と一酸化炭素除去流路２４との間には、一酸化炭素を酸化する酸素を一酸化炭素除去流路２４に供給する酸素補助供給口２３を備えて改質反応室１８と一酸化炭素除去流路２４とを連通する連通流路２２が形成されている。酸素補助供給口２３及び連通流路２２は、溝として流路を構成している。反応供給口２１、酸素補助供給口２３、反応排出口２６は、上基板１０の周縁端部で開口している。また、上基板１０には、中基板１１との対向面から他方の面にかけて貫通した貫通孔からなる断熱室２７、断熱室３０、３０が形成されている。上基板１０の断熱室２７、断熱室３０、３０はともに断熱効果を高める輻射防止膜２８が備えられている。なお、図面を見やすくするために、図４においては輻射防止膜２８の図示を省略する。

図３及び図５に示すように、下基板１２には、燃焼器８である燃焼反応室１４が形成されており、この燃焼反応室１４の内壁面には、燃料触媒３４が備え付けられている。燃料触媒３４は、燃焼反応室１４内に流入されるメタノール等の水素を含む化合物を燃焼した発熱反応を効率よく引き起こすための触媒である。この下基板１２の上部には中基板１１が接合されており、この中基板１１の上部には上基板１０接合されており、中基板１１と上基板１０との間には薄膜ヒータ２０が接合されている。薄膜ヒータ２０は、電圧が印加されることによって発熱する発熱抵抗体、発熱半導体といった電熱材を有し、薄膜ヒータ２０の上方には、上基板１０に設けられた改質反応室１８と蛇行状の一酸化炭素除去流路２４とが連通流路２２を介して凹状に形成されている。

上基板１０の断熱室２７、中基板１１の断熱室２７及び下基板１２の断熱室２７は、互いに同一形状、同一寸法で、上基板１０、中基板１１、下基板１２をこの順で貼り合わせたときに断熱室２７同士が同一位置で重ね合わさるように設けられている。

中基板１１の断熱室３３及び下基板１２の断熱室３３は、互いに同一形状、同一寸法で、上基板１０、中基板１１、下基板１２をこの順で貼り合わせたときに、断熱室３３同士が同一位置で重ね合わされ、且つこれら断熱室３３が上基板１０の断熱室３０、３０と重なるように設けられている。

この改質反応室１８の内壁面には、気化器３から反応供給口２１に供給されて改質反応室１８に供給されるメタノール等の水素を含む化合物および水と、燃焼反応室１４から中基板１１と薄膜ヒータ２０を介して移送されるメタノールおよび水と、を水素に改質触媒反応する改質触媒１９が備え付けられている。この改質触媒１９は、この改質触媒１９の改質反応を促進するために燃焼器８及び薄膜ヒータ２０から発する熱によって加熱されている。

このとき、改質器６と燃焼器８とは、中基板１１と薄膜ヒータ２０とを介在させて一体とする改質器−燃焼器８を構成する。

燃焼器８で発した熱は改質器６に伝導されるが、極めて熱伝搬性の低い断熱室２７、断熱室３０及び断熱室３３が、改質器６と一酸化炭素除去器７との間、燃焼器８と一酸化炭素除去器７との間に介在し、一酸化炭素除去器７と改質器６では温度差が生じるように設定されている。

この一酸化炭素除去器７である一酸化炭素除去流路２４の内部には、改質触媒１９によって生成される水素、水のほかに僅かに生成される一酸化炭素を、連通流路２２の酸素補助供給口２３から供給される酸素によって酸化させて一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去触媒２５が備えられている。

改質器６に用いられる改質触媒１９は、銅／酸化鉛系の触媒であって、アルミナを担体としてアルミナに銅／酸化鉛を担持させたものである。また、一酸化炭素除去器７である一酸化炭素除去流路２４に備えられている一酸化炭素除去触媒２５は、白金系の触媒であって、アルミナに白金または白金及びルテニウムを担持させたものである。

また、断熱室２７の内部は、１Ｐａ以下の圧力に減圧するほかに、アルゴン、ヘリウムなどの希ガスなどの断熱効果のあるガスを充填することもできる。輻射防止膜２８の材料は、アルミニウムなどの金属である。

以下に、反応装置４の作用について説明する。
薄膜ヒータ２０により改質反応室１８及び燃焼反応室１４を設定温度まで昇温させて燃焼器８での燃焼を開始させた後、主熱源を燃焼器８に切り替え、補助的に薄膜ヒータ２０を用い、燃焼触媒１４の燃焼反応により改質触媒１９の設定値温度を維持する。この場合、改質触媒１９の設定値温度は、２５０℃から２９０℃である。このとき、燃焼器８では、設定値温度まで、燃料供給口１５からメタノール、水素及び燃料酸素供給口１６から酸素がそれぞれ流入し、燃焼反応室１４での燃焼反応によって昇温され、燃焼された際の副生成物である二酸化炭素は燃料排出口１７から排出される。

次に、燃料容器２から供給された液体の状態の燃料、例えばメタノール及び水を気化器３にて気化しこの燃料ガスを改質器の反応供給口２１から流入させ、改質反応室１８に備えられている改質触媒１９により改質反応が促進される。これによって水素、及び二酸化炭素、僅かな不完全酸化の一酸化炭素が生成される。

生成された水素、二酸化炭素、一酸化炭素は、改質反応室１８から連通流路２２を介して一酸化炭素除去流路２４に移送され、このうち一酸化炭素は、連通流路２２の酸素補助供給口２３から流入した酸素と混合して、一酸化炭素除去流路２４に備えられている一酸化炭素除去触媒１７によって、二酸化炭素に反応させられる。この場合、一酸化炭素除去触媒１７の設定値は１６０℃から１８０℃である。そして一酸化炭素除去流路２４内の水素及び二酸化炭素は反応排出口２６から排出され、このうちの水素が燃料電池５の燃料極で上述の電気化学反応を引き起こして電気エネルギが生成され、空気極では水が生成される。

なお、昇温後、改質触媒１９または一酸化炭素除去触媒１７の設定温度は、断熱室を改質器及び一酸化炭素除去器の間の基板または、外部に近接する部分の基板内に設けるため、反応装置からの生じる輻射熱によって、メタノール、水素、酸素の燃焼器への流入量や薄膜ヒータの使用エネルギを抑えながら設定温度に維持する。

以上のことより、燃焼器８の熱が改質器６の改質反応室１８及び改質触媒１９に伝搬し、吸熱反応である改質反応を引き起こすが、改質器６での反応に要する温度は２５０℃以上であることが好ましく、一酸化炭素除去器７での反応に要する温度は１６０℃から１８０℃であることが好ましいが、断熱室２７、３０、３３が改質器６と一酸化炭素除去器７との間の基板に設けることによって、改質器６に伝搬された熱が基板１０、１１、１２から一酸化炭素除去器７に伝搬することを抑制するので、改質器６での保温性が向上するとともに改質器６及び一酸化炭素除去器７のそれぞれを反応適温にすることができる。すなわち、基板に断熱室を設けるだけで改質器６及び一酸化炭素除去器７のそれぞれの温度制御を電子的に複雑に制御する必要がないので、反応装置を小型に形成することができるとともに改質器−燃焼器および一酸化炭素除去器を一体化することができる。

〔第二の実施形態〕
次に、第二実施形態について図６、図７を参照して説明する。なお、第一の実施形態と異なる構成、作用、効果について説明する。第二実施形態の反応装置３１と第一の実施形態の反応装置４とは、改質器６、一酸化炭素除去器７の周囲及び燃焼器８の周囲を囲むように上基板１０、中基板１１、下基板１２に断熱室２９が設けられていることで異なる。断熱室２９の内壁には輻射防止膜２８が設けられている。

また図６及び図７に示すように、本実施形態の反応装置３１の上基板１０、中基板１１、下基板１２の周囲は断熱パッケージ３２で覆われている。断熱パッケージ３２は、下基板１２の角部と上基板１０の角部で支持部材４２によって上基板１０、中基板１１、下基板１２を支持している。上基板１０、中基板１１、下基板１２と断熱パッケージ３２との間には、空隙４１が断熱室として設けられている。上基板１０、中基板１１、下基板１２の外壁及び断熱パッケージ３２の内壁には輻射防止膜２８が設けられている。空隙４１は１Ｐａ以下の圧力に減圧するか、アルゴン、ヘリウムなどの希ガスなどの断熱効果のあるガスを充填することもできる。

本第二実施形態の反応装置３１の作用について説明する。
燃焼器８及び薄膜ヒータ２０により発生した熱を、改質器６、一酸化炭素除去器７の周囲及び燃焼器８の周囲の断熱室２９が断熱するので横方向への放熱を抑制でき、また断熱パッケージ３２により上基板１０、中基板１１、下基板１２との間に断熱性の高い空隙４１を設け、さらに上基板１０、中基板１１、下基板１２の外壁及び断熱パッケージ３２の内壁に輻射防止膜２８を設けているので上下方向への放熱を抑制でき、反応装置３１の熱は安定し、このことによって、燃焼器８及び薄膜ヒータ２０による加熱を抑える。

そして、燃焼器８の熱が改質器６の改質反応室１８及び改質触媒１９に伝搬し、吸熱反応である改質反応を引き起こすが、改質器６での反応に要する温度は２５０℃以上であることが好ましく、一酸化炭素除去器７での反応に要する温度は１６０℃から１８０℃であることが好ましいが、断熱室２７、３０、３３が改質器６と一酸化炭素除去器７との間の基板に設けることによって、改質器６に伝搬された熱が基板１０、１１、１２から一酸化炭素除去器７に伝搬することを抑制するので、改質器６での保温性が向上するとともに改質器６及び一酸化炭素除去器７のそれぞれを反応適温にすることができる。すなわち、基板に断熱室を設けるだけで改質器６及び一酸化炭素除去器７のそれぞれの温度制御を電子的に複雑に制御する必要がないので、反応装置を小型に形成することができるとともに改質器−燃焼器および一酸化炭素除去器を一体化することができる。

〔第三の実施形態〕
次に、第三の実施形態について、図８及び図９を参照して説明する。第一の実施形態と異なる構成、作用、効果について説明する。なお、第一の実施形態とは、第二の実施形態の反応装置を複数積層し、断熱パッケージ３２がこの積層体を最上部の基板の角部と最下部の基板の角部を支持部材４２で支持していることで異なる。

反応装置３５は、各反応装置の断熱室２７が互いに重なって上下方向に貫通し、空隙４１と連通するように設けられ、各反応装置の断熱室３０、３３が互いに重なって上下方向に貫通し、空隙４１と連通するように設けられ、各反応装置の断熱室２９が互いに重なって上下方向に貫通し、空隙４１と連通するように設けられている。

以下に作用を説明する。
燃焼器８の熱が改質器６の改質反応室１８及び改質触媒１９に伝搬し、吸熱反応である改質反応を引き起こすが、改質器６での反応に要する温度は２５０℃以上であることが好ましく、一酸化炭素除去器７での反応に要する温度は１６０℃から１８０℃であることが好ましいが、断熱室２７、３０、３３が改質器６と一酸化炭素除去器７との間の基板に設けることによって、改質器６に伝搬された熱が基板１０、１１、１２から一酸化炭素除去器７に伝搬することを抑制するので、改質器６での保温性が向上するとともに改質器６及び一酸化炭素除去器７のそれぞれを反応適温にすることができる。すなわち、基板に断熱室を設けるだけで改質器６及び一酸化炭素除去器７のそれぞれの温度制御を電子的に複雑に制御する必要がないので、反応装置を小型に形成することができるとともに改質器−燃焼器および一酸化炭素除去器を一体化することができる。

また断熱パッケージ３２により各上基板１０、各中基板１１、各下基板１２との間に断熱性の高い空隙４１を設け、さらに各上基板１０、各中基板１１、各下基板１２の外壁及び断熱パッケージ３２の内壁に輻射防止膜２８を設けているので上下方向への放熱を抑制でき、反応装置３５の熱は安定し、このことによって、燃焼器８及び薄膜ヒータ２０による加熱を抑えて、反応装置の熱損失率を少なくして発電の効率に高めることができる。

なお図示していないが、第二の実施形態に示す、改質器６、一酸化炭素除去器７の周囲及び燃焼器８の周囲を囲むように各上基板１０、各中基板１１、各下基板１２に断熱室２９が設けられるようにすれば、燃焼器８及び薄膜ヒータ２０により発生した熱を、改質器６、一酸化炭素除去器７の周囲及び燃焼器８の周囲の断熱室２９が断熱するので横方向への放熱を抑制できる。

また上記各実施形態の反応装置は、携帯電話やノート型パソコンなどの小型機器に実装ができるという効果を奏する。

〔第四の実施形態〕
図１０及び図１１は、本発明を適用した第四実施形態としての反応装置１０４の斜視図であり、図１２は、反応装置１０４の分解斜視図である。

図１０〜図１２に示すように、反応装置１０４は、第一基板１９１、第二基板１９２、第三基板１９３、第四基板１９４及び第五基板１９５を上からこれらの順に積層したものである。以下では、基板１９１〜１９５がセラミック製であるとして説明するが、セラミック製に限定されず、ガラス製であっても良いし、金属製であっても良い。

何れの基板１９１〜１９５も、平面視して外縁に沿った形状が同一の四角形状に設けられ、外縁に沿った寸法が同一寸法である。

図１３は、第一基板１９１（第五基板１９５も第一基板１９１と上下が逆であること以外同一構造）の平面図である。第一基板１９１の上下両面のうち第二基板１９２との接合面（下面）には、四角形状の凹部１６１が凹設されており、凹部１６１の壁面に金等の金属メッキが輻射防止膜として施されている。この第一基板１９１はセラミック積層体であり、多数枚のセラミックグリーンシートを積層してその積層体を焼成・脱脂することによって第一基板１９１が形成される。第五基板１９５の上下両面のうち第四基板１９４との接合面（上面）には、四角形状の凹部１５８が凹設されており、凹部１５８の壁面に金等の金属メッキが施されている。この第五基板１９５はセラミック積層体であり、多数枚のセラミックグリーンシートを積層してその積層体を焼成・脱脂することによって第五基板１９５が形成される。

図１４は、第二基板１９２の上面図である。図１４に示すように、６つの穴１６２〜１６７が第二基板１９２の一方の面から他方の面に貫通している。穴１６２は第二基板１９２の四つ角のうち第一角部に沿ってＬ字状に形成され、穴１６３は第二角部に沿ってＬ字状に形成され、穴１６４は第三角部から第四角部に沿って鉤状に形成されている。穴１６５は第二基板１９２の中央部において矩形状に形成され、穴１６６は穴１６２と穴１６５との間において矩形状に形成され、穴１６７は穴１６３と穴１６５との間において矩形状に形成されている。

第二基板１９２の両面のうち第三基板１９３との接合面には、四角形状の凹部１６８、葛折り状の溝１６９、長溝１７０及び長溝１７１が凹設されている。凹部１６８は、穴１６２、穴１６６、穴１６５及び穴１６４によって囲まれた領域に形成されている。長溝１７０は、第二基板１９２の短い縁から穴１６２と穴１６４との間を通って凹部１６８にまで形成されている。溝１６９は、穴１６３、穴１６４、穴１６５及び穴１６７によって囲まれた領域において蛇行し、対側の縁にまで形成されている。長溝１７１は、凹部１６８から溝１６９の端部にまで形成されている。長溝１７２は、第二基板１９２の長い縁から穴１６２と穴１６３との間を通って長溝１７１の中途部にまで形成されている。

この第二基板１９２はセラミック積層体であり、多数枚のセラミックグリーンシートを積層してその積層体を焼成・脱脂することによって第二基板１９２が形成される。

図１５は、第三基板１９３の上面図である。図１５に示すように、６つの穴１５２〜１５７が第三基板１９３の一方の面から他方の面に貫通している。穴１５２は第三基板１９３の四つ角のうち第一角部に沿ってＬ字状に形成され、穴１５３は第二角部に沿ってＬ字状に形成され、穴１５４は第三角部から第四角部に沿って鉤状に形成されている。穴１５５は第三基板１９３の中央部において矩形状に形成され、穴１５６は穴１５２と穴１５５との間において矩形状に形成され、穴１５７は穴１５３と穴１５５との間において矩形状に形成されている。第三基板１９３と第二基板１９２の間では、穴１５２〜１５７が穴１６２〜１６７にそれぞれ対応している。

この第三基板１９３はセラミック積層体であり、多数枚のセラミックグリーンシートを積層してその積層体を焼成・脱脂することによって第三基板１９３が形成される。

図１６は、第四基板１９４の上面図である。図１６に示すように、６つの穴１８２〜１８７が第四基板１９４の一方の面から他方の面に貫通している。穴１８２は第四基板１９４の四つ角のうち第一角部に沿ってＬ字状に形成され、穴１８３は第二角部に沿ってＬ字状に形成され、穴１８４は第三角部から第四角部に沿って鉤状に形成されている。穴１８５は第四基板１９４の中央部において矩形状に形成され、穴１８６は穴１８２と穴１８５との間において矩形状に形成され、穴１８７は穴１８３と穴１８５との間において矩形状に形成されている。第四基板１９４と第二基板１９２の間では、穴１８２〜１８７が穴１６２〜１６７にそれぞれ対応している。

第四基板１９４の両面のうち第三基板１９３との接合面には、四角形状の凹部１８１、長溝１８８、長溝１８９及び長溝１５１が凹設されている。凹部１８１は、穴１８２、穴１８６、穴１８５及び穴１８４によって囲まれた領域に形成されている。長溝１８８は、第四基板１９４の短い縁から穴１８２と穴１８４との間を通って凹部１８１にまで形成されている。長溝１８９は、第四基板１９４の短い縁から穴１８２と穴１８４との間を通って長溝１８８に合流し、凹部１８１にまで形成されている。長溝１５１は、凹部１８１から穴１８６と穴１８５の間を通って、対側の縁にまで形成されている。

この第四基板１９４はセラミック積層体であり、多数枚のセラミックグリーンシートを積層してその積層体を焼成・脱脂することによって第四基板１９４が形成される。

図１０〜図１２に示すように、上から第一基板１９１、第二基板１９２、第三基板１９３、第四基板１９４及び第五基板１９５の順に積層することで、反応装置１０４が形成される。この場合、第三基板１９３と同一の平面形状のセラミックグリーンシート又は基板１９１〜１９５と同じ材質の懸濁液を基板１９１〜１９５のそれぞれの間に挟んで、その積層体を焼成・脱脂することで、各基板１９１〜１９５が接合される。なお、第二基板１９２と第三基板１９３の間に電熱材からなる薄膜ヒータを挟持しても良いし、薄膜ヒータがなくても良い。

第一基板１９１と第二基板１９２が接合されることによって凹部１６１が断熱室１４１になり、第四基板１９４と第五基板１９５が接合されることによって凹部１５８が断熱室１４２になる。このため、反応装置１０４内の熱が外部に伝搬しにくくなっている。また断熱室１４１は、第一基板１９１及び第二基板１９２の２枚のみによって封止され、断熱室１４２は、第四基板１９４及び第五基板１９５の２枚のみによって封止されているので気密性に優れ、断熱室１４１及び断熱室１４２は１Ｐａ以下の圧力に減圧している場合、断熱室１４１及び断熱室１４２内の圧力が上昇しにくく、断熱室１４１及び断熱室１４２内にアルゴン、ヘリウムなどの希ガスなどの断熱効果のあるガスを充填している場合、このガスが外部に漏洩しにくい構造となっている。

第二基板１９２と第三基板１９３が接合されることによって凹部１６８が第一反応室１１８になり、溝１６９が蛇行流路１２４になり、長溝１７０が第一反応室１１８に通じる流路１４４になり、長溝１７１が蛇行流路１２４の端部と第一反応室１１８とを連通する連通流路１２２になり、長溝１７２が連通流路１２２の中途部に通じる流路１４５になる。溝１６９、長溝１７０及び長溝１７２が第二基板１９２の縁にまで形成されているので、長溝１７０、長溝１７２及び溝１６９それぞれの端が反応装置１０４の外面において開口部１２１，１２３，１２６として開口している。

第三基板１９３と第四基板１９４が接合されることによって凹部１８１が第二反応室１１４になり、長溝１８８、長溝１８９及び長溝１５１が第二反応室１１４に通じる流路１４６、流路１４７及び流路１４８にそれぞれなる。長溝１８８、長溝１８９及び長溝１５１が第四基板１９４の縁にまで形成されているので、長溝１８８、長溝１８９及び長溝１５１それぞれの端が反応装置１０４の外面において開口部１１５，１１６，１１７として開口している。

第二基板１９２と第三基板１９３と第四基板１９４が接合されることによって、穴１５２，１６２，１８２が互いに重なって断熱室１２９が形成される。同様に、穴１５３，１６３，１８３が互いに重なって断熱室１３０が形成され、穴１５４，１６４，１８４が互いに重なって断熱室１３１が形成され、穴１５５，１６５，１８５が互いに重なって断熱室１２７が形成され、穴１５６，１６６，１８６が互いに重なって断熱室１３３が形成され、穴１５７，１６７，１８７が互いに重なって断熱室１３４が形成される。

断熱室１２７、断熱室１２９〜１３１及び断熱室１３３〜１３４は、断熱室１４１と断熱室１４２の間に介在し、断熱室１４１及び断熱室１４２に連通し、断熱室１２７、断熱室１２９〜１３１、断熱室１３３〜１３４、断熱室１４１及び断熱室１４２が一体となって密閉空間を形成している。また、基板１９１〜１９５を接合する時の雰囲気を１Ｐａ以下にすることによって、断熱室１２７、断熱室１２９〜１３１、断熱室１３３〜１３４、断熱室１４１及び断熱室１４２による密閉空間を大気圧よりも十分低くする。その他に、基板１９１〜１９５を接合する時の雰囲気をアルゴン、ヘリウムなどの希ガス雰囲気にすることによって、断熱室１２７、断熱室１２９〜１３１、断熱室１３３〜１３４、断熱室１４１及び断熱室１４２による密閉空間に希ガスを充填しても良い。

この反応装置１０４においては、気体又は液体といった一種類又は複数種類の流体原料を開口部１２１，１２３，１２６の何れから内部に取り込み、流体原料が流路１４４、第一反応室１１４、蛇行流路１２４、流路１２２及び流路１４５を流動し又は滞留している時に、反応が起こる。流体原料の反応によって生成された生成物が開口部１２１，１２３，１２６のうちの別の開口部から排出される。同様に、一種類又は複数種類の流体原料を開口部１１５，１１６，１１７の何れから内部に取り込み、流体原料が第二反応室１１４、流路１４６、流路１４７、流路１４８を流動し又は滞留している時に、反応が起こり、生成物が開口部１１５，１１６，１１７のうちの別の開口部から排出される。

断熱室１２９、断熱室１３１、断熱室１２７、断熱室１３３、断熱室１４１及び断熱室１４２によって第一反応室１１８及び第二反応室１１４が包囲されることにより、第一反応室１１８及び第二反応室１１４が反応装置１０４の外部から断熱されている。また。断熱室１２７、断熱室１３０、断熱室１３１、断熱室１３４、断熱室１４１及び断熱室１４２によって葛折り状の蛇行流路１２４が包囲されることにより、蛇行流路１２４が反応装置１０４の外部から断熱されている。従って、第一反応室１１８、第二反応室１１４及び蛇行流路１２４における流体原料の反応が効率よく起こる。

また、第一反応室１１８及び第二反応室１１４と蛇行流路１２４との間に断熱室１２７が介在することにより、第一反応室１１８及び第二反応室１１４と蛇行流路１２４との間で温度差が生じるように設けられている。そのため、第一反応室１１８及び第二反応室１１４における反応温度と蛇行流路１２４における反応温度を異ならせることができる。すなわち、断熱室１２７を設けるだけで第一反応室１１８及び第二反応室１１４のそれぞれの温度制御を電子的に複雑に制御する必要がないので、反応装置１０４を小型に形成することができる。

この反応装置１０４においては、第一基板１９１、第二基板１９２、第三基板１９３、第四基板１９４及び第五基板１９５の順に積層することで、又は多数枚のセラミックグリーンシートを積層することで、第一反応室１１８、蛇行流路１２４、流路１４４、流路１２２、流路１４５、第二反応室１１４、流路１４６、流路１４７及び流路１４８とともに断熱室１２７、断熱室１２９〜１３１、断熱室１３３〜１３４、断熱室１４１及び断熱室１４２による密閉空間をまとめて形成している。そのため、断熱室１２７、断熱室１２９〜１３１、断熱室１３３〜１３４、断熱室１４１及び断熱室１４２による密閉空間を高い密閉状態で保つことができる。

仮に反応装置本体として第一反応室１１８、蛇行流路１２４、流路１４４、流路１２２、流路１４５、第二反応室１１４、流路１４６、流路１４７及び流路１４８を形成した後に、その反応装置本体とは別体の中空パッケージにその反応装置本体を収容するものとした場合（第二実施形態、第三実施形態の場合が該当する。）、中空パッケージに管を挿入してその管を蛇行流路１２４、流路１４４、流路１４５、流路１４６、流路１４７及び流路１４８の入口や出口に挿入する必要があるので、中空パッケージと管との隙間から気体が漏洩してしまう。

それに対して、この反応装置１０４では、反応装置１０４自体の外面に蛇行流路１２４、流路１４４、流路１４５、流路１４６、流路１４７及び流路１４８の開口部１２６、開口部１２１、開口部１２３、開口部１１５、開口部１１６、開口部１１７が形成され、反応装置１０４自体によって断熱室１２７、断熱室１２９〜１３１、断熱室１３３〜１３４、断熱室１４１及び断熱室１４２による密閉空間が形成されている。即ち、この反応装置１０４は、第一反応室１１８、流路１４４、連通流路１２２、蛇行流路１２４、流路１４５、第二反応室１１４、流路１４６、流路１４７及び流路１４８を内部に形成した反応装置本体部と、断熱室１２９、断熱室１３０、断熱室１３１、断熱室１４１及び断熱室１４２による密閉空間にこの反応装置本体部を収納して反応装置本体部を包囲した中空パッケージ部と、を一体形成し、開口部１２６、開口部１２１、開口部１２３、開口部１１５、開口部１１６及び開口部１１７を中空パッケージ部の外面に面したものである。そのため、この反応装置１０４では、断熱室１２７、断熱室１２９〜１３１、断熱室１３３〜１３４、断熱室１４１及び断熱室１４２による密閉空間を高い密閉状態で保つことができる。そのため、反応装置１０４の熱損失を低減することができる。

なお、流体原料の反応を促進させたり、特異的な反応を起こさせたりするために、適宜、第一反応室１１８、連通流路１２２、蛇行流路１２４、流路１４４、流路１４５、流路１４６、流路１４７、流路１４８及び第二反応室１１４の壁面に担持させても良い。

例えば、図１７に示すようにしても良い。ここで、図１７は、図１２〜図１３に示された反応装置１０４の応用例である。図１７に示すように、第一反応室１１８の壁面に水蒸気改質触媒１１９を担持させ、蛇行流路１２４の壁面に一酸化炭素除去触媒１２５を担持させ、第二反応室１１４の壁面に燃焼触媒１７４を担持させる。これにより、第一反応室１１８が改質器の反応室になり、蛇行流路１２４が一酸化炭素除去器の一酸化炭素除去流路になり、第二反応室１１４が燃焼器の反応室になる。

具体的には、第二基板１９２の凹部１６８の内壁面には、第一反応室１１８に供給されるメタノール等の水素を含む化合物および水を水素に改質触媒反応する改質触媒１１９が備え付けられている。この第二基板１９２と第三基板１９３との間には薄膜ヒータ１２０が接合されている。薄膜ヒータ１２０は、電圧が印加されることによって発熱する発熱抵抗体、発熱半導体といった電熱材であり、薄膜ヒータ１２０の上方には、第二基板１９２に設けられた第一反応室１１８と蛇行流路１２４とが後述する連通流路１２２を介して凹状に形成されている。第四基板１９４の凹部１８１の内壁面には、燃焼触媒１７４が備え付けられている。燃焼触媒１７４は、後述する燃焼反応室１１４内に流入されるメタノール等の水素を含む化合物を燃焼した発熱反応を効率よく引き起こすための触媒である。また、穴１８２〜１８７における第四基板１９４の内壁及び第四基板１９４における第五基板１９５との接合部を除く第五基板１９５との対向面には、輻射防止膜１２８を設けているので、第四基板１９４から後述する断熱室１４２や穴１８２〜１８７への熱輻射を防止でき、反応装置の熱損失率を少なくして発電の効率に高めることができる。また、第二基板１９２と第三基板１９３の間に電熱材からなる薄膜ヒータ１２０を挟持している。

このような触媒を担持した場合、反応装置１０４を図１８に示すような発電装置１０１に用いることができる。

図１８に示すように、発電装置１０１は、燃料容器１０２と、気化器１０３と、反応装置１０４と、燃料電池１０５とから構成される。そして、第一反応室１１８が改質器（第一の反応器）１０６の反応室になり、蛇行流路１２４が一酸化炭素除去器（第二の反応器）１０７の一酸化炭素除去流路になり、第二反応室１１４が燃焼器１０８の反応室になる。また、開口部１２１が反応供給口として気化器１０３に連通し、開口部１２３が酸素補助供給口として外部に露出し、開口部１２６が反応排出路として燃料電池１０５の燃料極に連通し、開口部１１５が燃料供給口として燃料電池１０５の燃料極に連通し、開口部１１６が燃料酸素供給口として外部に露出し、開口部１１７が燃料排出口として外部に露出している。

このような発電装置１０１の場合、燃料（例えば、メタノール）と水が燃料容器１０２から気化器１０３に供給され、メタノールと水が気化器１０３において気化する。気化器１０３で気化したメタノールと水の混合気が開口部１２１及び流路１４４を通じて第一反応室１１８に流動すると、水蒸気改質触媒によって水素等が生成される。第一反応室１１８の水蒸気改質反応に用いられる熱は、後述するように第二反応室１１４において発生した反応熱（燃焼熱）である。この場合、第一反応室１１８はおおよそ３００℃に加熱される。

水素等の生成物が、開口部１２３から流入した空気と連通流路１２２において混合され、水素と空気等の混合気が蛇行流路１２４を流動している時に、その混合気中の一酸化炭素が一酸化炭素除去触媒によって酸化・除去される。蛇行流路１２４の一酸化炭素除去反応に用いられる熱は、第二反応室１１４において発生した反応熱である。この場合、蛇行流路１２４はおおよそ１８５℃に加熱される。

そして、水素等の混合気が開口部１２６から排出され、燃料電池１０５の燃料極に供給される。一方、燃料電池１０５の酸素極に空気が供給されると、燃料電池１０５において電気エネルギが生成される。そして、燃料電池１０５の燃料極において未反応となった水素を含む混合気が開口部１１５及び流路１４６を通じて、第二反応室１１４に流入する。一方、外部から空気が開口部１１６及び流路１４７を通じて、第二反応室１１４に流入する。第二反応室１１４において水素が燃焼し、燃焼熱が発し、水、二酸化炭素等の生成物が開口部１２６から外部に排出される。

なお、第一反応室１１８の壁面に担持する水蒸気改質触媒１１９としては、Ｃｕ／ＺｎＯ系触媒を担持させたものである。第二反応室１１４の壁面に担持する一酸化炭素除去触媒１２５としては、白金系の触媒であって、Ｐｔ／ＡｌＯ₂系触媒を用いることができる。

以下の実施例でさらに詳細に説明をする。ただし、本発明の実施形態は、以下の実施例に限定されない。

このときの計算条件は以下の通りである。
上基板、中基板、下基板：ガラス（３層合計２．４ｍｍ）
パッケージ：ガラス（４７ｍｍ×２７ｍｍ×６．４ｍｍ）
真空度：１Ｐａ
断熱室２７：４ｍｍ×１７ｍｍ×２．４ｍｍ
断熱室３０：２．４ｍｍ×１．１ｍｍ×２．４ｍｍ
輻射防止膜：Ａｕ

〔実施例１〕
上述の図９に示す第二の実施形態の反応装置３５において、断熱室２９を設けた構造では、上述のシミュレーション条件により、熱損失の測定を行った。

〔実施例２〕
上述の第二の実施形態の反応装置３５において、断熱室２９を設けた構造では、各反応装置４の燃焼器からの発熱を想定し、それぞれに均一な０．８Ｗの発熱エネルギ−を与えた。それぞれの積層の改質器６と一酸化炭素除去器７の温度の測定を５回行い、これらの温度のばらつきの平均値を求めた。

〔実施例３〕
上述の第二の実施形態の反応装置３５において、断熱室２９を設けた構造では、各反応装置４の燃焼器からの発熱を想定し、最下部の１基の反応装置９に０．９Ｗ、中部の３基の反応装置４、４、４に０．６３Ｗ、最上部の１基の反応装置４に１．２Ｗの発熱エネルギを与えた。反応装置４の改質器６と一酸化炭素除去器７の温度の測定を５回行い、これら温度のばらつきの平均値を求めた。

〔実施例４〕
図１９に示すように、上述の第二の実施形態の反応装置３５を５基直接接合させて積層して配設させ、加えて断熱室２９を設けた反応装置３６を用いた。上述の反応装置３６は、上記実施例と同条件により、熱損失の測定を行った。

〔実施例５〕
図２０に示すように、上述の反応装置３１の４角にスペーサ４０（３ｍｍ）を介在させて５基積層して配置させ、加えて断熱室２９を設けた反応装置３７を用いた。上述の反応装置３７は、上記実施例と同条件により熱損失の測定を行った。

実施例１、実施例４、及び実施例５の結果より、実施例１の熱損失は４Ｗであり、実施例４の熱損失の８Ｗ、実施例５２の熱損失８．５Ｗよりも、熱損失が小さかった。このことにより、改質器を積層させるときには、改質器の基板面を直接接合させるとともに、その外部に近接する基板などに断熱室を設けることにより、より熱損失を抑えることができるとともに小型に形成することできることが認められた。また、改質器の接合する部分の基板を薄くすることによって、この熱損失より小さく、かつ小型に形成することできることが考えられた。

実施例２の結果は、改質器のばらつきは、２５．４℃であり、一酸化炭素除去器のばらつきは、４．３℃であった。また、実施例３の結果は、改質器のばらつきは、１４．８℃であり、一酸化炭素除去器のばらつきは、４．５℃であった。

実施例２及び実施例３の結果より、最上部及び最下部の発熱エネルギを高くすることにより、改質器の温度のばらつきは軽減された。この理由として、最上部及び最下部の改質器は、他の改質器との接する面が片面であるため、温度ばらつきが発生していると考えられた。従って、最上部及び最下部の発熱エネルギを与えることによって、改質器の温度のばらつきを抑えることができ、安定的に改質触媒の化学反応及び一酸化炭除去触媒の化学反応させることができることを認められた。

以上の結果より、反応装置を積層させる場合において、反応装置を直接接合させると同時に改質装置と一酸化酸素除去器との間の基板に断熱室を設けると共に、積層させた反応装置４の外部に断熱室を設けることによって、熱損失を少なくし、触媒反応を良好にすることができる。

４，３１，３５，１０４反応装置
２７，２９，３０，３６，３７，３８，４１断熱室
２８輻射防止膜
１４燃焼反応室
１８改質反応室
２０薄膜ヒータ
２２連通流路
２３補助酸素供給口
２４一酸化炭素除去流路
１１４第二反応室
１１５〜１１７開口部
１１８第一反応室
１２１，１２２，１２６開口部
１２２連通流路
１２４蛇行流路
１２７，１２９，１３０，１３１，１３３，１３４断熱室
１４４，１４５，１４６，１４７，１４８流路
１５８，１６１，１６８，１８１凹部
１５１，１７０，１７１，１７２，１８８，１８９長溝
１５２〜１５７，１６２〜１６７，１８２〜１８７穴
１９１〜１９５基板

Claims

凹凸又は穴を有する複数の基板を積層することによって、
前記凹凸又は前記穴からなる、燃料から水素を生成する改質器と、一酸化炭素を二酸化炭素に生成する一酸化炭素除去器と、前記改質器に熱を供給する燃焼器と、前記改質器と前記一酸化炭素除去器とを連通する連通流路と、前記改質器と前記一酸化炭素除去器との間に設けられた断熱室と、を内部に形成した反応装置本体部と、
前記凹凸又は前記穴からなる密閉空間に該反応装置本体部を収納して該反応装置本体部を包囲した中空パッケージ部と、
を一体形成し、
前記連通流路の端部の開口部を前記中空パッケージ部の外面に面することを特徴とする反応装置。