JP4075435B2

JP4075435B2 - 化学反応装置および燃料電池システム

Info

Publication number: JP4075435B2
Application number: JP2002094272A
Authority: JP
Inventors: 義裕河村; 直嗣小椋
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: CN1750871A; CN100551517C; JP2003290651A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は化学反応装置およびこの化学反応装置を具備する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、半導体集積回路などの半導体製造技術で蓄積された微細加工技術を用いて、シリコン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ものがある。
【０００３】
図１２は従来のこのような化学反応装置の一例の透過平面図を示し、図１３はそのＢ−Ｂ線に沿う断面図を示したものである。この化学反応装置はシリコン基板１を備えている。シリコン基板１の一面には、半導体製造技術で蓄積された微細加工技術を用いて、蛇行した微小な流路２が形成されている。流路２の内壁面には触媒層３が設けられている。
【０００４】
シリコン基板１の一面には蓋となるガラス板４が接合されている。ガラス板４の流路２の両端部に対応する所定の２箇所には流入口５および流出口６が設けられている。シリコン基板１の他面には蛇行した薄膜ヒータ７が設けられている。薄膜ヒータ７は、この化学反応装置における化学反応（触媒反応）が所定の熱条件による吸熱反応を伴うとき、化学反応時に流路２内の触媒層３に所定の熱エネルギーを供給するためのものである。
【０００５】
次に、上記構成の化学反応装置の使用例について説明する。例えば、近年、実用化に向けて研究開発が目覚ましい燃料改質型の燃料電池を用いた燃料電池システムでは、上記構成の化学反応装置を用いて、例えばメタノール水溶液を蒸発（気化）させて得られた発電用燃料ガス（ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ）から水素を生成して燃料電池に供給するように構成することがある。
【０００６】
すなわち、薄膜ヒータ７の発熱により流路２内が所定の温度となるように加熱した状態において、上記発電用燃料ガス（ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ）が流入口５を介して流路２内に供給されると、流路２内の触媒層３による吸熱反応が生じて、水素と副生成物としての二酸化炭素が生成される。そして、この生成物のうち、二酸化炭素を水素から分離して除去すると、水素のみを生成することができ、これを燃料電池に供給して発電を行うようにすることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の化学反応装置では、薄膜ヒータ７に電力を供給して発熱させて流路２内を加熱するようにしていたため、薄膜ヒータ７に供給する電力を制御することによって流路２内の加熱温度を制御することは比較的容易であったが、加熱のために比較的大きな電力を要するという問題があった。また、薄膜ヒータ７はシリコン基板１の他面側に設けられているため、シリコン基板１を介して流路２内の触媒層３に熱エネルギーを供給するとともに周囲へも放熱されてしまい、熱エネルギーの損失が大きく、エネルギーの利用効率が悪いという問題があった。
そこで、この発明は、所定の流路内の加熱温度を精密に制御するとともに、加熱するに要するエネルギーを削減し、且つ、熱エネルギーの損失を低減してエネルギーの利用効率を良くすることができる化学反応装置およびこれを具備する燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、第１基板と、該第１基板の一面および他面にそれぞれ接合された第２基板および第３基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に設けられた微小な第１流路と、前記第１基板と前記第３基板との間に設けられた微小な第２流路と、該第２流路内の少なくとも一部に設けられた燃焼触媒層と、前記第２基板と前記第３基板とのうちの少なくとも一方の外面に設けられた薄膜ヒータとを備え、前記第１流路に第１の流体が供給され、前記第２の流路に燃焼用流体が供給され、前記第２流路内に供給された前記燃焼用流体を前記燃焼触媒層上で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流路内を加熱することを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１流路内の少なくとも一部に反応触媒層が設けられていることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記第２基板の前記第１流路の一端部に対応する箇所に設けられた流入口と、前記第２基板の前期第１流路の他端部に対応する箇所に設けられた流出口と、前記第３基板の前記第２流路の一端部に対応する箇所に設けられた流入口と、前記第３基板の前期第２流路の他端部に対応する箇所に設けられた流出口とを備え、前記第２基板の流入口が、前記第３基板における前記第３基板の流出口の位置に対応するように、前記第２基板に有し、前記第２基板の流出口が、前記第３基板における前記第３基板の流入口の位置に対応するように、前記第２基板に有することを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記第２基板の流入口には前記第１の流体が供給され、前記第３基板の流入口には前記第１の流体および、酸素を含む第２の流体が供給されることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記第２基板の流入口には前記第１の流体が供給され、前記第３基板の流入口には、酸素を含む第２の流体、および前記第２基板の流出口から流出される流体から水素を分離除去した第３の流体が供給されることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記第２基板の前記第１流路の一端部に対応する箇所に設けられた流入口と、前記第２基板の前期第１流路の他端部に対応する箇所に設けられた流出口と、前記第３基板の前記第２流路の一端部に対応する箇所に設けられた流入口と、前記第３基板の前期第２流路の他端部に対応する箇所に設けられた流出口とを備え、前記第２基板の流入口が、前記第３基板における前記第３基板の流出口の位置に対応するように、前記第２基板に有し、前記第２基板の流出口が、前記第３基板における前記第３基板の流入口の位置に対応するように、前記第２基板に有し、前記第１流路の他端部と前記第２基板の流出口との間に設けられた、水素を選択透過する分離膜と、前記第１流路の他端部と前記第２流路の一端部との間における前記第１基板に設けられた連通孔とを備え、前記第２基板の流入口には前記第１の流体が供給され、前記第３基板の流入口には酸素を含む第２の流体が供給され、前記連通孔には前記第１流路の他端部から流出する流体から水素を分離除去した第３の流体が供給されることを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記第２基板の前記第１流路の一端部に対応する箇所に設けられた流入口と、前記第３基板の前記第２流路の一端部に対応する箇所に設けられた流入口と、前記第３基板の前期第２流路の他端部に対応する箇所に設けられた流出口とを備え、前記第２基板の流入口が、前記第３基板における前記第３基板の流出口の位置に対応するように、前記第２基板に有し、前記第１流路の他端部と前記第２流路の一端部との間における前記第１基板に設けられた連通孔とを備え、前記第２基板の流入口には前記第１の流体が供給され、前記連通孔には前記第１流路の他端部から流出する流体が供給され、前記第３基板の流入口には酸素を含む第２の流体が供給されることを特徴とするものである。
請求項８に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記第２基板の前記第１流路の一端部に対応する箇所に設けられた流入口と、前記第２基板の前期第１流路の他端部に対応する箇所に設けられた流出口と、前記第３基板の前記第２流路の他端部に対応する箇所に設けられた流出口とを備え、前記第２基板の流入口が、前記第３基板における前記第３基板の流出口の位置に対応するように、前記第２基板に有し、前記第１流路の他端部と前記第２基板の流出口との間に設けられた、水素を選択透過する分離膜と、前記第１流路の他端部と前記第２流路の一端部との間における前記第１基板に設けられた連通孔とを備え、前記第２基板の流入口には前記第１の流体および酸素を含む第２の流体が供給され、前記第２流路の一端部には、前記連通孔を介して前記第１流路の他端部から流出する流体から水素が分離除去された第３の流体が供給されることを特徴とするものである。
請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれかに記載の発明において、前記第１基板は１枚であることを特徴とするものである。
請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の発明において、前記第１流路は前記第２基板の前記第１基板との対向面に設けられ、前記第２流路は前記第３基板の前記第１基板との対向面に設けられていることを特徴とするものである。
請求項１１に記載の発明は、請求項１〜８のいずれかに記載の発明において、前記第１基板は積層された２枚の基板からなることを特徴とするものである。
請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の発明において、前記第１流路は前記第１基板の前記第２基板との対向面に設けられ、前記第２流路は前記第１基板の前記第３基板との対向面に設けられていることを特徴とするものである。
請求項１３に記載の発明は、請求項１〜１２のいずれかに記載の発明において、前記薄膜ヒータは、該薄膜ヒータとの対向面中央部に凹部を有する蓋板で覆われていることを特徴とするものである。
請求項１４に記載の発明は、請求項１３に記載の発明において、前記蓋板の凹部内は真空となっていることを特徴とするものである。
請求項１５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１流路内の加熱により前記第１の流体を前記第１流路内で蒸発させることを特徴とするものである。
請求項１６に記載の発明は、請求項１〜１４のいずれかに記載の発明において、前記第１流路内の少なくとも一部に改質触媒を有し、前記第１の流体を前記第１流路において改質することで水素を精製することを特徴とするものである。
請求項１７に記載の発明は、請求項１〜１４のいずれかに記載の発明において、前記第１流路内の少なくとも一部に選択酸化触媒を有し、前記第１の流体中に含まれる一酸化炭素を前記第１流路において二酸化炭素に酸化することを特徴とするものである。
請求項１８に記載の発明は、請求項１６の化学反応装置と、該化学反応装置によって生成された水素と酸素とを反応させて発電を行う燃料電池と、を備え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、第１基板の他面側に設けられた第２流路内に供給された燃焼用流体を燃焼触媒上で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薄膜ヒータの発熱による熱エネルギーで第１基板の一面側に設けられた第１流路内を加熱するようにしているので、第１流路内を加熱するために薄膜ヒータに供給する電力を削減することができ、また、第２流路を実質的に形成するために第１基板の他面に接合された第３基板により、第２流路内で発生した熱エネルギーの拡散を抑制することができ、したがって第１流路内を加熱する際の熱エネルギーの損失を低減することができる。更に、この化学反応装置を、燃料改質型の燃料電池を用いた燃料電池システムにおける燃料蒸発部や改質部、または一酸化炭素除去部に良好に適用することができ、発電動作のための加熱に要するエネルギーを削減し、且つ、熱エネルギーの損失を低減して、発電動作に係わるエネルギーの利用効率を良くして小型化することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施形態としての化学反応装置の透過平面図を示し、図２はそのＡ−Ａ線に沿う断面図を示したものである。この化学反応装置は主シリコン基板１１および燃焼用シリコン基板１２を備えている。両シリコン基板１１、１２は、接着剤（図示せず）を介して接着されているが、ただ単に密接されていてもよい。両シリコン基板１１、１２の寸法は、一例として、長さ１５〜３５ｍｍ程度、幅１０〜２５ｍｍ程度、厚さ０．４〜１ｍｍ程度である。
【００１０】
主シリコン基板１１の一面および燃焼用シリコン基板１２の他面には、それぞれ、半導体製造技術で蓄積された微細加工技術を用いて、蛇行した微小な流路１３、１４が形成されている。両流路１３、１４の寸法は、一例として、幅０．２〜０．８ｍｍ程度、深さ０．２〜０．６ｍｍ程度であり、全長は３０〜１０００ｍｍ程度である。
【００１１】
主シリコン基板１１の流路１３の内壁面には反応触媒層１５が設けられている。この反応触媒層１５は流路１３の内壁面全体に設けられていてもよいし、部分的に設けられていてもよい。燃焼用シリコン基板１２の流路１４の内壁面には燃焼触媒層１６が設けられている。この燃焼触媒層１６は流路１４の内壁面全体に設けられていてもよいし、部分的に設けられていてもよい。ここで、燃焼触媒層１６は、例えばＰｔ、Ａｕ、Ａｇなどからなっている。
【００１２】
主シリコン基板１１の一面および燃焼用シリコン基板１２の他面には、それぞれ、蓋となる厚さ０．７ｍｍ程度の主ガラス基板１７および燃焼用ガラス基板１８が陽極接合処理により接合されている。
【００１３】
ここで、代表として、主シリコン基板１１の一面に主ガラス基板１７を接合する陽極接合処理について説明する。主シリコン基板１１の一面に主ガラス基板１７を重ね合わせ、主シリコン基板１１側を陽極とし、主ガラス基板１７側を陰極とする。そして、主シリコン基板１１および主ガラス基板１７を４００〜６００℃程度に加熱した状態で、両極間に１ｋＶ程度の直流電圧を印加する。
【００１４】
すると、主ガラス基板１７内の不純物である陽イオンが主シリコン基板１１から離れる方向に移動し、主ガラス基板１７の主シリコン基板１１側の界面に酸素イオンの濃度の高い層が現れる。すると、主シリコン基板１１の主ガラス基板１７側の界面のシリコン原子と主ガラス基板１７の主シリコン基板１１側の界面の酸素イオンとが結合し、強固な接合界面が得られる。
【００１５】
この場合、主シリコン基板１１および主ガラス基板１７を４００〜６００℃程度に加熱し、両極間に１ｋＶ程度の直流電圧を印加するのは、主ガラス基板１７内の不純物である陽イオンが主シリコン基板１１から離れる方向に移動する速度を高くするためである。
【００１６】
主ガラス基板１７の流路１３の両端部に対応する所定の２箇所には流入口１９および流出口２０が設けられている。燃焼用ガラス基板１８の流路１４の両端部に対応する所定の２箇所には流入口２１および流出口２２が設けられている。この場合、主ガラス基板１７の流入口１９および流出口２０の配置と燃焼用ガラス基板１８の流入口２１および流出口２２の配置とは互いに逆となっている。ここで、両流路１３、１４は、図１では平面的に一致しているが、例えば図３（後述する薄膜ヒータ２３は図示せず）に示すように、一致していなくてもよく、要は、両流路１３、１４が多くの部分で平面的に重なっていればよい。
【００１７】
燃焼用ガラス基板１８の外面にはＴａＳｉＯｘやＴａＳｉＯｘＮなどの抵抗体薄膜からなる薄膜ヒータ２３が設けられている。薄膜ヒータ２３は、主シリコン基板１１の流路１３内の加熱温度を制御するためのものであり、基本的には図１２、１３に示した薄膜ヒータ７と同様のものであるが、後述するように、流路１３内の加熱は、主に燃焼用流体が燃料触媒層１６上で燃焼反応により燃焼することによって発生する熱エネルギーによって行われ、薄膜ヒータ２３による加熱は補助的に用いるものであって、従来の場合よりも印加電力を低くすることができる。ここで、薄膜ヒータ２３は、図１に示すように、蛇行した流路１３、１５に沿った形状としてもよいし、流路１３、１５全面を覆うようなべた状としてもよい。
【００１８】
燃焼用ガラス基板１８の外面には、一面の薄膜ヒータ２３に対応する領域に座ぐり加工により凹部２５が形成された厚さ０．７ｍｍ程度のガラス板（蓋板）２４の周辺部が接着されている。ガラス板２４は、薄膜ヒータ２３を保護するほかに、薄膜ヒータ２３の熱拡散を防止し、熱効率を良くするためのものである。また、凹部２５内は、断熱性能を高めるため、ほぼ真空としてもよい。ガラス板２４の燃焼用ガラス基板１８の流入口２１および流出口２２に対応する所定の２箇所には流入口２６および流出口２７が設けられている。
【００１９】
なお、上記図２においては、燃焼用ガラス基板１８の外面に薄膜ヒータ２３が設けられる構成としたが、本発明はこれに限るものではなく、主シリコン基板１１の外面に薄膜ヒータ２３を設けるようにしてもよい。この場合、上記ガラス板２４と同様の蓋板を主シリコン基板１１の外面に設けるようにしてもよい。更には、薄膜ヒータ２３を両ガラス基板１７、１８の外面に設けてもよい。この場合、上記ガラス板２４と同様の蓋板を両ガラス基板１７、１８の外面に設けるようにしてもよい。
【００２０】
次に、この発明に係る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４は燃料電池システム３０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３０は、発電用燃料部３１、燃焼用流体部３２、燃料蒸発部３３、改質部３４、一酸化炭素除去部３５、発電部３６、充電部３７などを備えている。
【００２１】
発電用燃料部３１は、発電用燃料（例えばメタノール水溶液）が封入された燃料パックなどからなり、発電用燃料を燃料蒸発部３３に供給する。燃焼用流体部３２は、燃焼用ガス（例えば水素ガス）が封入されたボンベなどからなり、燃焼用ガスを燃料蒸発部３３、改質部３４および一酸化炭素除去部３５に供給する。なお、後述するように、発電用燃料に基づくガスの一部を燃焼用ガスとして用いて、燃焼用流体部３２を備えないようにしてもよい。
【００２２】
燃料蒸発部３３は、一例として、図１および図２に示すような構造となっている。ただし、この場合、主シリコン基板１１の流路１３内には反応触媒層１５は設けられていない。そして、燃料蒸発部３３では、まず、燃焼用流体部３２からの燃焼用ガスおよび大気中から逆止弁を介して取り込まれた酸素（空気）（第２の流体）からなる燃焼用流体がガラス板２４および燃焼用ガラス基板１８の流入口２６、２１を介して燃焼用シリコン基板１２の流路１４内に供給されると、この供給された燃焼用流体が燃料触媒層１６上で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。燃焼ガスは燃焼用ガラス基板１８およびガラス板２４の流出口２２、２７から大気中に放出される。
【００２３】
次に、燃料蒸発部３３では、発電用燃料部３１からの発電用燃料（第１の流体、例えばメタノール水溶液）が主ガラス基板１７の流入口１９を介して主シリコン基板１１の流路１３内に少量供給されると、流路１３内において、燃焼用シリコン基板１２の流路１４内で発生した熱エネルギーおよび薄膜ヒータ２３の発熱による熱エネルギーの供給を受けて、発電用燃料を蒸発（気化）させ、この発電用燃料が気化された発電用燃料ガス（例えば発電用燃料がメタノール水溶液の場合、ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ）を主ガラス基板１７の流出口２０から流出させる。
【００２４】
このように、燃料蒸発部３３では、主として、燃焼用シリコン基板１２の流路１４内に供給された燃焼用ガスおよび酸素を燃焼触媒１６上で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で主シリコン基板１１の流路１３内を加熱するようにしているので、燃焼用シリコン基板１２の他面に接合された燃焼用ガラス基板１８により、流路１４内で発生した熱エネルギーの拡散をある程度防止することができる。したがって、主シリコン基板１１の流路１３内を加熱する際の熱エネルギーの損失を低減することができる。なお、以下の改質部３４および一酸化炭素除去部３５の場合も同様である。これらにより、発電動作に係わるエネルギーの利用効率を良くして小型化することができる。
【００２５】
ところで、化学反応装置における化学反応（触媒反応）が所定の熱条件による吸熱反応を伴う場合には、反応成績は温度依存性が高い場合がほとんどであるから、加熱温度は精密に制御することが望ましい。例えば燃料蒸発部３３でメタノール水溶液を発電用燃料とした場合、主シリコン基板１１の流路１３内の加熱温度は、メタノール水溶液を蒸発（気化）させる関係から、１２０℃程度が最適である。しかしながら、燃焼用シリコン基板１２の流路１４内で燃焼反応により発生した熱エネルギーのみでは、燃料蒸発部３３の主シリコン基板１１の流路１３内の加熱温度を精密に制御するのは困難である。
【００２６】
そこで、燃焼用シリコン基板１２の流路１４内で燃焼反応により発生した熱エネルギーのみによる主シリコン基板１１の流路１３内の加熱温度は必要加熱温度１２０℃程度よりもやや低い、例えば１１０〜１１５℃程度となるようにする。そして、薄膜ヒータ２３の発熱による熱エネルギーを主シリコン基板１１の流路１３内に供給し、薄膜ヒータ２３へ供給する電力を制御することにより、主シリコン基板１１の流路１３内の加熱温度が必要加熱温度１２０℃程度となるように制御する。
【００２７】
この場合、流路１３内の主な加熱は燃焼用流体の燃焼反応による熱エネルギーによって行われるため、薄膜ヒータ２３に供給する電力は、従来の薄膜ヒータのみによって加熱する場合と比べて低くすることができる。また、薄膜ヒータ２３をガラス板２４で覆い、ガラス板２４の凹部２５内をほぼ真空とすれば、薄膜ヒータ２３から外部への放熱を抑制することができ、熱エネルギーの損失を低減して薄膜ヒータ２３に供給する電力を更に低減することができる。なお、以下の改質部３４および一酸化炭素除去部３５の場合も同様である。
【００２８】
次に、燃料蒸発部３３で発電用燃料が気化された発電用燃料ガス（ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ）は改質部３４に供給される。この場合、改質部３４も、一例として、図１および図２に示すような構造となっている。ただし、この場合、主シリコン基板１１の流路１３内には反応触媒層１５が設けられ、反応触媒層１５は、例えばＣｕ、ＺｎＯ、Ａｌ₂Ｏ₃などの改質触媒からなっている。そして、改質部３４では、まず、上記の場合と同様に、燃焼用流体部３２からの燃焼用ガスおよび大気中から逆止弁を介して取り込まれた酸素の供給により、燃焼用シリコン基板１２の流路１４内において熱エネルギーが発生し、燃焼ガスは燃焼用ガラス基板１８およびガラス板２４の流出口２２、２７から大気中に放出される。
【００２９】
次に、改質部３４では、燃料蒸発部３３からの発電用燃料ガス（ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ）が主ガラス基板１７の流入口１９を介して主シリコン基板１１の流路１３内に供給されると、流路１３内において、燃焼用シリコン基板１２の流路１４内で発生した熱エネルギーおよび後述する薄膜ヒータ２３の低温発熱による熱エネルギーの供給を受けて、次の式（１）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……（１）
【００３０】
ところで、改質部３４において、主シリコン基板１１の流路１３内の加熱温度は、上記式（１）に示すような吸熱反応を引き起こさせる関係から、２８０℃程度が最適である。そこで、燃焼用シリコン基板１２の流路１４内で燃焼反応により発生した熱エネルギーのみによる主シリコン基板１１の流路１３内の加熱温度は必要加熱温度２８０℃程度よりもやや低い、例えば２７０〜２７５℃程度となるようにする。そして、薄膜ヒータ２３の発熱による熱エネルギーを主シリコン基板１１の流路１３内に供給し、薄膜ヒータ２３へ供給する電力を制御することにより、主シリコン基板１１の流路１３内の加熱温度がほぼ必要加熱温度２８０℃程度となるように制御する。
【００３１】
また、上記式（１）の左辺における水（Ｈ₂Ｏ）は、反応の初期では、発電用燃料部３１の燃料に含まれているものでよいが、後述する発電部３６の発電に伴い生成される水を回収して改質部３４に供給することが可能である。発電部３６の発電中の上記式（１）の左辺のおける水（Ｈ２Ｏ）の供給源は、発電部３６のみでもよく、発電部３６および発電用燃料部３１でも、また発電用燃料部３１のみでもよい。なお、このとき微量ではあるが、一酸化炭素が改質部３４内で生成されることがある。
【００３２】
そして、上記式（１）の右辺の生成物（水素、二酸化炭素）および微量の一酸化炭素は改質部３４の主ガラス基板１７の流出口２０から流出される。改質部３４の主ガラス基板１７の流出口２０から流出された生成物のうち、気化状態の水素および一酸化炭素は一酸化炭素除去部３５に供給され、二酸化炭素は分離されて大気中に放出される。
【００３３】
次に、一酸化炭素除去部３５も、一例として、図１および図２に示すような構造となっている。ただし、この場合、反応触媒層１５は、例えばＰｔ、Ａｌ₂Ｏ₃などの選択酸化触媒からなっている。そして、一酸化炭素除去部３５では、まず、上記の場合と同様に、燃焼用流体部３２からの燃焼用ガスおよび大気中から逆止弁を介して取り込まれた酸素の供給により、燃焼用シリコン基板１２の流路１４内において熱エネルギーが発生し、燃焼ガスは燃焼用ガラス基板１８およびガラス板２４の流出口２２、２７から大気中に放出される。
【００３４】
次に、一酸化炭素除去部３５では、改質部３４からの気化状態の水素および一酸化炭素が主ガラス基板１７の流入口１９を介して主シリコン基板１１の流路１３内に供給されると、燃焼用シリコン基板１２の流路１４内で発生した熱エネルギーおよび後述する薄膜ヒータ２３の低温発熱による熱エネルギーの供給を受けて、流路１３内に供給された水素、一酸化炭素、水のうち、一酸化炭素と水とが反応し、次の式（２）に示すように、水素と副生成物の二酸化炭素とが生成される。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂……（２）
【００３５】
ところで、一酸化炭素除去部３５において、主シリコン基板１１の流路１３内の加熱温度は、上記式（２）に示すような反応を引き起こさせる関係から、１８０℃程度が最適である。そこで、燃焼用シリコン基板１２の流路１４内で燃焼反応により発生した熱エネルギーのみによる主シリコン基板１１の流路１３内の加熱温度は必要加熱温度１８０℃程度よりもやや低い、例えば１７０〜１７５℃程度となるようにする。そして、薄膜ヒータ２３の発熱による熱エネルギーを主シリコン基板１１の流路１３内に供給し、薄膜ヒータ２３へ供給する電力を制御することにより、主シリコン基板１１の流路１３内の加熱温度がほぼ必要加熱温度１８０℃程度となるように制御する。
【００３６】
また、上記式（２）の左辺における水（Ｈ₂Ｏ）は反応の初期では、発電用燃料部３１の燃料に含まれているものでよいが、発電部３６の発電に伴い生成される水を回収して一酸化炭素除去部３５に供給することが可能である。また、一酸化炭素除去部３５における反応式（２）の左辺のおける水の供給源は、発電部３６のみでもよく、発電部３６および発電用燃料部３１でも、また発電用燃料部３１のみでもよい。
【００３７】
そして、最終的に一酸化炭素除去部３５の主ガラス基板１７の流出口２０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。なお、一酸化炭素除去部３５の主ガラス基板１７の流出口２０に到達する流体に極微量の一酸化炭素が含まれている場合、残存する一酸化炭素を大気中から逆止弁を介して取り込まれた酸素に接触させることで、次の式（３）に示すように、二酸化炭素が生成され、これにより一酸化炭素が確実に除去される。
ＣＯ＋（１／２）Ｏ₂→ＣＯ₂……（３）
【００３８】
上記一連の反応後の生成物は水素および二酸化炭素（場合によって微量の水を含む）で構成されるが、これらの生成物のうち、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３５から発電部３６には水素のみが供給される。なお、一酸化炭素除去部３５は、燃料蒸発部３３と改質部３４との間に設けてもよい。
【００３９】
次に、発電部３６は、図５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３６は、Ｐｔ、Ｃなどの触媒が付着された炭素電極からなるカソード４１と、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃなどの触媒が付着された炭素電極からなるアノード４２と、カソード４１とアノード４２との間に介在されたフィルム状のイオン導電膜４３と、を有して構成され、カソード４１とアノード４２との間に設けられた２次電池やコンデンサなどからなる充電部３７に電力を供給するものである。
【００４０】
この場合、カソード４１の外側には空間部４４が設けられている。この空間部４４内には一酸化炭素除去部３５からの水素が供給され、カソード４１に水素が供給される。また、アノード４２の外側には空間部４５が設けられている。この空間部４５内には大気中から逆止弁を介して取り込まれた酸素が供給され、アノード４２に酸素が供給される。
【００４１】
そして、カソード４１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４３を介してアノード４２側に通過するとともに、カソード４１により電子（ｅ^-）が取り出されて充電部３７に供給される。
３Ｈ₂→６Ｈ⁺＋６ｅ^-……（４）
【００４２】
一方、アノード４２側では、次の式（５）に示すように、充電部３７を経由して供給された電子（ｅ^-）とイオン導電膜４３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）
【００４３】
以上のような一連の電気化学反応（式（４）および式（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３６で生成された電力は充電部３７に供給され、これにより充電部３７が充電される。
【００４４】
発電部３６で生成された副生成物としての水は回収される。この場合、上述の如く、発電部３６で生成された水の少なくとも一部を改質部３４に供給するようにすると、発電用燃料部３１内に当初封入される水の量を減らすことができ、また回収される水の量を減らすことができる。
【００４５】
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又は液化燃料又は気体燃料であって、発電部３６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、ブタノールなど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）など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、水素ガスなどの気体燃料などを良好に適用することができる。
【００４６】
次に、この発明に係る化学反応装置による改質部３４のさらに他の第１〜第６の例について説明する。図６はこの発明に係る改質部３４のさらに他の第１の例を示す図２同様の断面図である。この例では、発電用燃料ガス（例えばＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ）が燃焼用ガス（例えば水素）を含んでいる場合に、発電用燃料ガスが主ガラス基板１７の流入口１９に供給されるとともに、ガラス板２４および燃焼用ガラス基板１８の流入口２６、２１にも、この発電用燃料ガスと大気中から逆止弁を介して取り込まれた酸素とが供給される。このようにした場合には、燃料用ガス部３２を別に用意する必要はない。
【００４７】
次に、図７はこの発明に係る改質部３４のさらに他の第２の例を示す図２同様の断面図である。この例では、外部に分離部５１を備え、主ガラス基板１７の流出口２０から流出された発電用生成物が燃焼可能な成分（例えば未反応の発電用燃料）を含んでいる場合に、この発電用生成物が分離部５１に供給されて、取り出したい発電用生成物（水素）と燃焼可能な成分とに分離され、ガラス板２４および燃焼用ガラス基板１８の流入口２１にこの分離された燃焼可能な成分と大気中から逆止弁を介して取り込まれた酸素とが供給される。
【００４８】
この場合、分離方法としては、取り出したい発電用生成物と燃焼可能な成分とのうちのいずれかが常温以上で液化し、両者の沸点に差がある場合には、液化分離法を使用することができる。また、選択透過性を有する膜例えばＨ２を選択透過させるＰｂ膜などの分離膜で分離する方法もある。
【００４９】
次に、図８はこの発明に係る改質部３４のさらに他の第３の例を示す図２同様の断面図である。この例では、主シリコン基板１１の流路１３の流出口２０のシリコン基板１７側の部分に分離膜５３が設けられるとともに、流出口２０と燃焼用シリコン基板１２の流路１４の流入口２１の近傍との間における両シリコン基板１１、１２に連通孔５２が設けられている。分離膜５３は、例えばＨ２を選択透過させるＰｂ膜などからなっている。
【００５０】
そして、この例では、主シリコン基板１１の流路１３の流出口２０の部分において、発電用生成物のうち、水素は分離膜５３を透過するため、流出口２０から流出する。一方、発電用生成物のうちの水素以外の成分は連通孔５２内に導入されて、燃焼用シリコン基板１２の流路１４の流入口２１の近傍に導入され、大気中から逆止弁、ガラス板２４および燃焼用ガラス基板１８の流入口２６、２１を介して取り込まれた酸素と混合される。すなわち、この構成は実質的に上記図７における分離部５１を分離膜５３によって代用したものであり、この場合、図７に示す分離部５１を必要としないので、装置を簡素化、小型化することができる。
【００５１】
次に、図９はこの発明に係る改質部３４のさらに他の第４の例を示す図２同様の断面図である。この例では、図８と同様に主シリコン基板１１の流路１３の流出口２０と燃焼用シリコン基板１２の流路１４の流入口２１の近傍との間に連通孔５２が設けられているが、主ガラス基板１７の流出口２０および分離膜５３は設けられていない。そして、この例では、主シリコン基板１１の流路１３から連通孔５２を介して燃焼用ガラス基板１８の流路１４の流入口２１の近傍に発電用生成物が導入され、発電用生成物が燃焼可能な成分（例えば未反応の発電用燃料）を含んでいる場合には、この発電用生成物の一部および大気中から逆止弁、ガラス板２４および燃焼用ガラス基板１８の流入口２６、２１を介して取り込まれた酸素が燃料触媒層１６上で燃焼反応により燃焼し、発電用生成物および燃焼ガスが燃焼用ガラス基板１８およびガラス板２４の流出口２２、２７から流出される。この流出された流体のうちの少なくとも燃焼ガスは分離されて大気中に放出される。この場合も、図７の構成に比し、装置を簡素化し小型化することができる。
【００５２】
次に、図１０はこの発明に係る改質部３４のさらに他の第５の例を示す図２同様の断面図である。この例では、図８と同様に主シリコン基板１１の流路１３の流出口２０のシリコン基板１７側の部分に分離膜５３が設けられるとともに、主シリコン基板１１の流路１３の流出口２０と燃焼用シリコン基板１２の流路１４の流入口２１の近傍との間に連通孔５２が設けられているが、燃料用ガラス基板１８およびガラス板２４の流入口２１、２６が設けられていない。そして、この例では、主ガラス基板１７の流入口１９に発電用燃料ガスおよび大気中から逆止弁を介して取り込まれた酸素が供給され、主ガラス基板１７の流出口２０から発電用生成物のうち分離膜５３を透過した水素が流出され、発電用生成物のうちの水素以外の成分は連通孔５２内に導入され、燃焼用シリコン基板１２の流路１４に導入され、燃焼ガスが燃焼用ガラス基板１８およびガラス板２４の流出口２２、２７から流出される。この場合も、図７の構成に比し、装置を簡素化し小型化することができる。
【００５３】
次に、図１１はこの発明に係る改質部３４のさらに他の第６の例を示す図２同様の断面図である。この例では、図２に示す主シリコン基板１１の流路１３形成面がガラス基板６１の一面に接合され、図２に示す燃焼用シリコン基板１２の流路１４形成面が同ガラス基板６１の他面に接合されている。この場合、主シリコン基板１１の流路１３の両端部に対応する所定の２箇所には流入口１９および流出口２０が設けられている。燃焼用シリコン基板１２の流路１４の両端部に対応する所定の２箇所には流入口２１および流出口２２が設けられている。
【００５４】
また、燃焼用シリコン基板１２の外面には薄膜ヒータ２３が設けられている。燃焼用シリコン基板１２の外面には、一面の薄膜ヒータ２３に対応する領域に凹部２５が形成されたガラス板２４の周辺部が接着されている。ガラス板２４の燃焼用シリコン基板１２の流入口２１および流出口２２に対応する所定の２箇所には流入口２６および流出口２７が設けられている。そして、この例では、ガラス基板６１は１枚であるので、装置を薄型化することができる。
【００５５】
ところで、シリコン基板１１、１２の代わりに、ガラス基板やアルミニウム基板などを用いるようにしてもよい。また、ガラス基板１７、１８、６１の代わりに、アルミニウム基板などを用いるようにしてもよい。そして、特に、図１１に示す例の場合には、１枚の基板６１の材質や厚さを変えることにより、燃焼用基板１２の流路１４から主基板１１の流路１３への伝熱性を制御することができる。なお、図６〜図１０にそれぞれ示す各例の場合にも、図１１に示すような４層構造としてもよいことはもちろんである。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、第１基板の他面側に設けられた第２流路内に供給された燃焼用流体を燃焼触媒上で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薄膜ヒータの発熱による熱エネルギーで第１基板の一面側に設けられた第１流路内を加熱するようにしているので、第１流路内の加熱温度を精密に制御することができるとともに、第１流路内を加熱するために薄膜ヒータに供給する電力を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態としての化学反応装置の透過平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図３】この発明に係る化学反応装置の他の例の図１同様の透過平面図。
【図４】この発明に係る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５】図４に示す燃料電池システムの発電部の概略構成図。
【図６】この発明に係る化学反応装置のさらに他の第１の例の図２同様の断面図。
【図７】この発明に係る化学反応装置のさらに他の第２の例の図２同様の断面図。
【図８】この発明に係る化学反応装置のさらに他の第３の例の図２同様の断面図。
【図９】この発明に係る化学反応装置のさらに他の第４の例の図２同様の断面図。
【図１０】この発明に係る化学反応装置のさらに他の第５の例の図２同様の断面図。
【図１１】この発明に係る化学反応装置のさらに他の第６の例の図２同様の断面図。
【図１２】従来の化学反応装置の一例の透過平面図。
【図１３】図１１のＢ−Ｂ線に沿う断面図。
【符号の説明】
１１主シリコン基板
１２燃焼用シリコン基板
１３、１４流路
１５反応触媒層
１６燃焼触媒層
１７主ガラス基板
１８燃焼用ガラス基板
１９、２１流入口
２０、２２流出口
２３薄膜ヒータ
２４ガラス板
２５凹部
２６流入口
２７流出口

Claims

第１基板と、該第１基板の一面および他面にそれぞれ接合された第２基板および第３基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に設けられた微小な第１流路と、前記第１基板と前記第３基板との間に設けられた微小な第２流路と、該第２流路内の少なくとも一部に設けられた燃焼触媒層と、前記第２基板と前記第３基板とのうちの少なくとも一方の外面に設けられた薄膜ヒータとを備え、前記第１流路に第１の流体が供給され、前記第２の流路に燃焼用流体が供給され、前記第２流路内に供給された前記燃焼用流体を前記燃焼触媒層上で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流路内を加熱することを特徴とする化学反応装置。
請求項１に記載の発明において、前記第１流路内の少なくとも一部に反応触媒層が設けられていることを特徴とする化学反応装置。
請求項１または２に記載の発明において、前記第２基板の前記第１流路の一端部に対応する箇所に設けられた流入口と、前記第２基板の前期第１流路の他端部に対応する箇所に設けられた流出口と、前記第３基板の前記第２流路の一端部に対応する箇所に設けられた流入口と、前記第３基板の前期第２流路の他端部に対応する箇所に設けられた流出口とを備え、前記第２基板の流入口が、前記第３基板における前記第３基板の流出口の位置に対応するように、前記第２基板に有し、前記第２基板の流出口が、前記第３基板における前記第３基板の流入口の位置に対応するように、前記第２基板に有することを特徴とする化学反応装置。
請求項３に記載の発明において、前記第２基板の流入口には前記第１の流体が供給され、前記第３基板の流入口には前記第１の流体および、酸素を含む第２の流体が供給されることを特徴とする化学反応装置。
請求項３に記載の発明において、前記第２基板の流入口には前記第１の流体が供給され、前記第３基板の流入口には、酸素を含む第２の流体、および前記第２基板の流出口から流出される流体から水素を分離除去した第３の流体が供給されることを特徴とする化学反応装置。
請求項１または２に記載の発明において、前記第２基板の前記第１流路の一端部に対応する箇所に設けられた流入口と、前記第２基板の前期第１流路の他端部に対応する箇所に設けられた流出口と、前記第３基板の前記第２流路の一端部に対応する箇所に設けられた流入口と、前記第３基板の前期第２流路の他端部に対応する箇所に設けられた流出口とを備え、前記第２基板の流入口が、前記第３基板における前記第３基板の流出口の位置に対応するように、前記第２基板に有し、前記第２基板の流出口が、前記第３基板における前記第３基板の流入口の位置に対応するように、前記第２基板に有し、前記第１流路の他端部と前記第２基板の流出口との間に設けられた、水素を選択透過する分離膜と、前記第１流路の他端部と前記第２流路の一端部との間における前記第１基板に設けられた連通孔とを備え、前記第２基板の流入口には前記第１の流体が供給され、前記第３基板の流入口には酸素を含む第２の流体が供給され、前記連通孔には前記第１流路の他端部から流出する流体から水素を分離除去した第３の流体が供給されることを特徴とする化学反応装置。
請求項１または２に記載の発明において、前記第２基板の前記第１流路の一端部に対応する箇所に設けられた流入口と、前記第３基板の前記第２流路の一端部に対応する箇所に設けられた流入口と、前記第３基板の前期第２流路の他端部に対応する箇所に設けられた流出口とを備え、前記第２基板の流入口が、前記第３基板における前記第３基板の流出口の位置に対応するように、前記第２基板に有し、前記第１流路の他端部と前記第２流路の一端部との間における前記第１基板に設けられた連通孔とを備え、前記第２基板の流入口には前記第１の流体が供給され、前記連通孔には前記第１流路の他端部から流出する流体が供給され、前記第３基板の流入口には酸素を含む第２の流体が供給されることを特徴とする化学反応装置。
請求項１または２に記載の発明において、前記第２基板の前記第１流路の一端部に対応する箇所に設けられた流入口と、前記第２基板の前期第１流路の他端部に対応する箇所に設けられた流出口と、前記第３基板の前記第２流路の他端部に対応する箇所に設けられた流出口とを備え、前記第２基板の流入口が、前記第３基板における前記第３基板の流出口の位置に対応するように、前記第２基板に有し、前記第１流路の他端部と前記第２基板の流出口との間に設けられた、水素を選択透過する分離膜と、前記第１流路の他端部と前記第２流路の一端部との間における前記第１基板に設けられた連通孔とを備え、前記第２基板の流入口には前記第１の流体および酸素を含む第２の流体が供給され、前記第２流路の一端部には、前記連通孔を介して前記第１流路の他端部から流出する流体から水素が分離除去された第３の流体が供給されることを特徴とする化学反応装置。
請求項１〜８のいずれかに記載の発明において、前記第１基板は１枚であることを特徴とする化学反応装置。
請求項９に記載の発明において、前記第１流路は前記第２基板の前記第１基板との対向面に設けられ、前記第２流路は前記第３基板の前記第１基板との対向面に設けられていることを特徴とする化学反応装置。
請求項１〜８のいずれかに記載の発明において、前記第１基板は積層された２枚の基板からなることを特徴とする化学反応装置。
請求項１１に記載の発明において、前記第１流路は前記第１基板の前記第２基板との対向面に設けられ、前記第２流路は前記第１基板の前記第３基板との対向面に設けられていることを特徴とする化学反応装置。
請求項１〜１２のいずれかに記載の発明において、前記薄膜ヒータは、該薄膜ヒータとの対向面中央部に凹部を有する蓋板で覆われていることを特徴とする化学反応装置。
請求項１３に記載の発明において、前記蓋板の凹部内は真空となっていることを特徴とする化学反応装置。
請求項１に記載の発明において、前記第１流路内の加熱により前記第１の流体を前記第１流路内で蒸発させることを特徴とする化学反応装置。
請求項１〜１４のいずれかに記載の発明において、前記第１流路内の少なくとも一部に改質触媒を有し、前記第１の流体を前記第１流路において改質することで水素を精製することを特徴とする化学反応装置。
請求項１〜１４のいずれかに記載の発明において、前記第１流路内の少なくとも一部に選択酸化触媒を有し、前記第１の流体中に含まれる一酸化炭素を前記第１流路において二酸化炭素に酸化することを特徴とする化学反応装置。
請求項１６の化学反応装置と、該化学反応装置によって生成された水素と酸素とを反応させて発電を行う燃料電池と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。