JP4428322B2 - Reactor - Google Patents
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Description
本発明は、液体燃料から水素を生成する反応装置、特に燃料電池に供給する水素を生成する反応装置に関する。 The present invention relates to a reactor that generates hydrogen from liquid fuel, and more particularly to a reactor that generates hydrogen to be supplied to a fuel cell.
近年では、エネルギー変換効率の高いクリーンな電源としての燃料電池を自動車や携帯機器等に搭載するため開発が進められている。燃料電池というのは、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的に取り出すものである。 In recent years, development has been progressing in order to mount a fuel cell as a clean power source with high energy conversion efficiency in an automobile or a portable device. A fuel cell is one in which electric energy is directly extracted from chemical energy by electrochemically reacting fuel and oxygen in the atmosphere.
当該燃料電池に用いる出発燃料としては水素が適用されるが、水素は常温、常圧で気体であるが故にその取扱い問題を有している。水素吸蔵合金によって水素を貯蔵する試みもあるが、単位体積当たりの水素の貯蔵量が少なく、特に携帯電子機器のような小型の電子機器の電源の燃料貯蔵手段としては不十分であった。これに対して、アルコール類やガソリンといった水素原子を有する炭化水素系の液体燃料を改質して水素を生成する改質型燃料電池では、燃料を液体の状態で容易に保存できる。このような燃料電池においては液体燃料を気化し、気化された液体燃料を改質して主に水素を含む改質ガスを生成し、その改質ガス中の水素を燃料電池に送り込むように構成される。 Although hydrogen is applied as a starting fuel used in the fuel cell, hydrogen has a problem in handling because it is a gas at normal temperature and pressure. Although there is an attempt to store hydrogen using a hydrogen storage alloy, the amount of hydrogen stored per unit volume is small, and it is insufficient as a fuel storage means for a power source of a small electronic device such as a portable electronic device. On the other hand, in a reformed fuel cell that generates hydrogen by reforming a hydrocarbon-based liquid fuel having hydrogen atoms such as alcohols and gasoline, the fuel can be easily stored in a liquid state. In such a fuel cell, the liquid fuel is vaporized, the vaporized liquid fuel is reformed to generate a reformed gas mainly containing hydrogen, and the hydrogen in the reformed gas is sent to the fuel cell. Is done.
このようなシステムでは、主に、気化された液体燃料を改質反応によって改質する改質器、改質反応で生じた副産物である一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器等の反応装置が必要となる。(例えば特許文献1参照)また、このような改質型燃料電池を小型化するため、改質器及び一酸化炭素除去器を積み重ねたマイクロリアクタの開発が進められている(例えば特許文献2参照)。特許文献2に記載の構成においては、気化器、改質器、一酸化炭素除去器は何れも、溝が形成された2枚の金属基板を接合したものであり、その溝が流路となっている。
上記反応装置では、一酸化炭素除去器の動作温度が200℃未満であるのに対し改質器の動作温度が250℃以上であり、改質器と一酸化炭素除去器とで動作可能な温度環境が異なっているから、改質器と一酸化炭素除去器とを別体で構成して各反応器同士を連結部材で繋ぎ合わせ、断熱性のパッケージ内をほぼ真空に保つことでその温度差を維持する。しかし、改質器や一酸化炭素除去器は複数の部材を接合して構成する為、もし接合不良箇所があればそこから反応部内のガスが断熱パッケージ内真空層に漏出し、真空層の断熱性が保たれなくなる。これにより反応に最適な温度分布を反応部に作り出すことが不可能となる問題がある In the above reactor, the operating temperature of the carbon monoxide remover is less than 200 ° C., whereas the operating temperature of the reformer is 250 ° C. or higher, and the temperature at which the reformer and the carbon monoxide remover can operate Because the environment is different, the reformer and the carbon monoxide remover are configured separately, and the reactors are connected by connecting members, and the temperature difference is maintained by keeping the inside of the heat insulating package almost vacuum. To maintain. However, since the reformer and carbon monoxide remover are configured by joining multiple members, if there is a joint failure, the gas in the reaction section leaks from there to the vacuum layer in the heat insulation package, and the vacuum layer is insulated. Sex will not be maintained. This makes it impossible to create the optimal temperature distribution for the reaction in the reaction zone.
本発明の目的は、反応物の反応を起こして反応生成物を生成する反応部を備える反応装置において、反応部から外部への反応物または反応生成物の漏出を防止することである。 An object of the present invention is to prevent leakage of a reaction product or reaction product from the reaction unit to the outside in a reaction apparatus including a reaction unit that generates a reaction product by causing reaction of the reaction product.
以上の課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、反応物の反応を起こして反応生成物を生成する反応部を備える反応装置において、前記反応装置は液体燃料から水素を生成する反応装置であって、前記反応部は、少なくとも、第1の温度に設定され、内部に反応流路が形成される少なくとも一つの第1の反応器と、前記第1の反応器を加熱して前記第1の温度に設定する加熱部と、前記第1の反応器及び前記加熱部の外壁を覆う第1の箱体と、を備える第1の反応部と、前記第1の温度より低い第2の温度に設定され、内部に反応流路が形成される少なくとも一つの第2の反応器と、前記第2の反応器の外壁を覆う第2の箱体とを備える第2の反応部と、の複数の反応部を具備し、前記反応装置は、更に、前記第1の反応部と前記第2の反応部との間に架設され、前記第1の反応部で反応される反応原料である反応物を前記第1の反応部へ送り、前記第1の反応部で反応した反応生成物を前記第2の反応部へ送る連結管と、前記第2の反応部に接続され、前記第1の反応部へ供給される前記第1の反応部の反応原料である反応物と、前記第2の反応部から排出される前記第2の反応部の反応生成物と、が流通する外部流通管と、を備えることを特徴とする。
In order to solve the above-described problems, the invention according to
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の反応装置において、前記第1及び第2の反応部における前記第1及び第2の反応器及び前記加熱部反応器の外壁及び前記第1及び第2の反応器のそれぞれの前記反応流路と、前記第1及び第2の箱体とは、板状の金属材料を接合してそれぞれ形成されることを特徴とする。
The invention according to
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の反応装置において、前記加熱部は、内部に設けられた空間を流れる気体燃料の燃焼を起こす燃焼器を備えることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the reaction apparatus according to the first aspect, the heating unit includes a combustor that causes combustion of gaseous fuel flowing in a space provided therein.
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の反応装置において、前記燃焼器は前記気体燃料を流通させる燃焼用流路を有し、前記気体燃料の燃焼反応を促進する燃焼用触媒が前記燃焼用流路の底面及び側面に塗布されていることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the reactor according to the third aspect , wherein the combustor has a combustion flow path through which the gaseous fuel is circulated, and a combustion catalyst that promotes a combustion reaction of the gaseous fuel. It is applied to the bottom and side surfaces of the combustion channel.
請求項5に記載の発明は、請求項1に記載の反応装置において、前記反応装置は、更に、前記ベースプレートと前記第1の反応部と前記第2の反応部及び前記連結管の全体を覆い、内部空間が真空圧とされる断熱容器を備えることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the reaction apparatus according to the first aspect, the reaction apparatus further covers the base plate, the first reaction section, the second reaction section, and the entire connecting pipe. The interior space is provided with a heat insulating container whose vacuum pressure is set.
請求項6に記載の発明は、請求項1に記載の反応装置において、前記加熱部は、前記連結部を介して前記第2の反応部を前記第2の温度に設定することを特徴とする。
請求項7に記載の発明は、請求項1に記載の反応装置において、前記第1の反応部には、第1の反応物が供給されて第1の反応生成物を生成し、前記第2の反応部には、前記第1の反応生成物が供給されて第2の反応生成物を生成し、前記第1の反応物は気化された炭化水素系の液体燃料であって、前記第1の反応部は、前記第1の反応物の改質反応を起こす改質器であり、前記第1の反応生成物に一酸化炭素が含まれ、前記第2の反応部は、前記第1の反応生成物に含まれる一酸化炭素を選択酸化によって除去する一酸化炭素除去器であることを特徴とする。
The invention according to
The invention according to
本発明に係わる反応装置によれば、反応部の外壁を覆う箱体を備えて、反応部から外部
への反応物または反応生成物の漏出を防止することができる。これにより、断熱容器を設けて真空断熱構造とした場合、断熱容器内の真空度を維持することができ、反応部から断熱容器外への熱伝導を抑え、反応部の温度分布を反応に最適な温度に維持することが可能となる。
According to the reaction apparatus concerning this invention, the box which covers the outer wall of a reaction part is provided, and the leakage of the reaction material or reaction product to the exterior from a reaction part can be prevented. As a result, when a heat insulating container is provided and a vacuum heat insulating structure is used, the degree of vacuum in the heat insulating container can be maintained, heat conduction from the reaction part to the outside of the heat insulating container is suppressed, and the temperature distribution in the reaction part is optimal for the reaction. It is possible to maintain a proper temperature.
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。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. However, although various technically preferable limitations for implementing the present invention are given to the embodiments described below, the scope of the invention is not limited to the following embodiments and illustrated examples.
図1は、本発明に係わる反応装置の実施形態におけるマイクロリアクタモジュール1を機能ごとに分けた場合の概略側面図である。なお、このマイクロリアクタモジュール1は、例えば、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反応装置である。マイクロリアクタモジュール1は、反応物の供給や生成物の排出が行われる給排部2と、比較的高温に設定されて改質反応が起こる高温反応部(第1の反応部)4と、高温反応部4の設定温度より低い温度に設定されて選択酸化反応が起きる低温反応部(第2の反応部)6と、高温反応部4と低温反応部6との間で反応物や生成物の流入又は流出を行うための連結部8とを具備する。
FIG. 1 is a schematic side view when the
図1に示すように、給排部2には主に気化器502及び第一燃焼器504が設けられている。第一燃焼器504には空気と気体燃料(例えば、水素ガス、メタノールガス等)がそれぞれ別々にあるいは混合気として供給され、これらの触媒燃焼によって熱が発する。気化器502には水と液体燃料(例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、ブタン、ガソリン)がそれぞれ別々にあるいは混合された状態で燃料容器から供給され、第一燃焼器504における燃焼熱によって水と液体燃料が気化器502内において気化する。
As shown in FIG. 1, the supply /
高温反応部4には主に第一改質器(第1の反応器)506、第二燃焼器(加熱部)508及び第二改質器(第2の反応器)510が設けられている。例えば、第一改質器506が下側となり、第二改質器510が上側となり、第二燃焼器508が第一改質器506と第二改質器510の間に挟まれているおり、第一改質器506と第二改質器510とは互いに連通する構造になっている。
The high
第二燃焼器508には空気と気体燃料(例えば、水素ガス、メタノールガス等)がそれぞれ別々にあるいは混合気として供給され、これらの触媒燃焼によって熱が発する。なお、燃料電池では水素ガスの電気化学反応により電気が生成され、燃料電池から排出されたオフガスに含まれる未反応の水素ガスが空気と混合した状態で第一燃焼器504及び第二燃焼器508に供給されても良い。勿論、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、ジメチルエーテル、ブタン、ガソリン)が別の気化器によって気化されて、その気化した燃料と空気の混合気が第一燃焼器504及び第二燃焼器508に供給されるよいにしても良い。
Air and gaseous fuel (for example, hydrogen gas, methanol gas, etc.) are supplied to the
第一改質器506及び第二改質器510には気化器502から水と液体燃料が気化された混合気(第1の反応物)が供給され、第一改質器506及び第二改質器510が第二燃焼器508によって加熱される。第一改質器506及び第二改質器510では水蒸気と気化された液体燃料から水素ガス等(第1の反応生成物)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って、第二燃焼器508の燃焼熱が用いられる。
CH3OH+H2O→3H2+CO2 …(1)
2CH3OH+H2O→5H2+CO+CO2 …(2)
The
CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2 (1)
2CH 3 OH + H 2 O → 5H 2 + CO + CO 2 (2)
低温反応部6には主に一酸化炭素除去器512が設けられている。一酸化炭素除去器512は、第一燃焼器504によって加熱され、第一改質器506及び第二改質器510から水素ガス及び上記(2)の化学反応によって生成された微量の一酸化炭素ガス等を含む混合気(第2の反応物)が供給されるとともに、更に空気が供給される。一酸化炭素除去器512では混合気のうち一酸化炭素が選択的に酸化され、これにより一酸化炭素が除去される。一酸化炭素が除去された状態の混合気(第2の反応生成物:水素リッチガス)が燃料電池の燃料極に供給される。
The low
以下、給排部2、高温反応部4、低温反応部6及び連結部8の具体的な構成について図2〜図12を用いて説明する。ここで、図2は本実施形態におけるマイクロリアクタモジュール1の分解斜視図であり、図3は本実施形態におけるマイクロリアクタモジュール1の側面図である。また、図4、図5は後述するガスリーク防止パッケージ(箱体)を取り外したマイクロリアクタモジュール1を示す図であり、図4は斜め上から見た斜視図、図5は斜め下から見た斜視図である。
また、図6は図3の切断線VI−VIから後述する燃焼器プレート12の平面方向に沿って切断した矢視断面図であり、図7は図3の切断線VII−VIIから後述するベースプレート28及びベースプレート102の平面方向に沿って切断した矢視断面図であり、図8は図3の切断線VIII−VIIIから後述する下部枠30及び下部枠104の平面方向に沿って切断した矢視断面図であり、図9は図3の切断線IX−IXから後述する中部枠32及び中部枠106の平面方向に沿って切断した矢視断面図であり、図10は図3の切断線X−Xから後述する上部枠34及び上部枠110の平面方向に沿って切断した矢視断面図であり、図11は図3の切断線XI−XIに沿った面の矢視断面図であり、図12は図3の切断線XII−XIIから連結管8の連通方向と直交する面方向に沿って切断した矢視断面図である。
また、図13は後述するガスリーク防止パッケージを斜め下から見た斜視図であり、図14は図3の切断線VII−VIIに沿う部材の斜視図であり、図15は図3の切断線VIII−VIIIに沿う部材の斜視図である。
また、図16は本実施形態のマイクロリアクタモジュール1における、液体燃料と水が供給されてから、生成物である水素リッチガスが排出されるまでの経路を示した図であり、図17は本実施形態のマイクロリアクタモジュール1における、気体燃料と空気からなる燃焼混合気が供給されてから、生成物である水等が排出されるまでの経路を示した図である。
Hereinafter, specific configurations of the supply /
6 is a cross-sectional view taken along the plane direction of the
FIG. 13 is a perspective view of a gas leak prevention package, which will be described later, as seen obliquely from below, FIG. 14 is a perspective view of a member along the cutting line VII-VII in FIG. 3, and FIG. 15 is a cutting line VIII in FIG. It is a perspective view of the member in alignment with -VIII.
FIG. 16 is a diagram showing a path from the supply of liquid fuel and water to the discharge of the product rich hydrogen gas in the
図2、図3、図6に示すように、給排部2は、例えばステンレス鋼等の板状の金属材料からなる外部流通管10と、外部流通管10の周りにおいて積層された三枚の燃焼器プレート12とを具備し、接合してなる。
As shown in FIGS. 2, 3, and 6, the supply /
外部流通管10は、マイクロリアクタモジュール1内の各流体をそれぞれマイクロリアクタモジュール1の外部に流通するための複数の流路を有する管であり、外部流通管10には、気化用導入路14、空気用導入路16、燃焼混合気導入路18、排ガス排出路20、燃焼混合気導入路22及び水素排出路24が互いに平行となるよう設けられている。気化用導入路14、空気用導入路16、燃焼混合気導入路18、排ガス排出路20、燃焼混合気導入路22及び水素排出路24は、外部流通管10の隔壁によって仕切られている。なお、気化用導入路14、空気用導入路16、燃焼混合気導入路18、排ガス排出路20、燃焼混合気導入路22及び水素排出路24が1つの外部流通管10に設けられているが、これらの流路14,16,18,20,22,24が別々の管材に設けられ、これら管材が束ねられた状態とされていても良い。
The
気化用導入路14には、フェルト材、セラミック多孔質材、繊維材、カーボン多孔質材等の吸液材が充填されている。吸液材は液体を吸収するものであり、吸液材は、例えば、無機繊維又は有機繊維を結合材で固めたもの、無機粉末を焼結したもの、無機粉末を結合材で固めたもの、グラファイトとグラッシーカーボンの混合体、等からなる。
The
燃焼器プレート12も例えばステンレス鋼等の板状の金属材料からなる。燃焼器プレート12の中央部に貫通孔が形成され、その貫通孔に外部流通管10が嵌め込まれ、外部流通管10と燃焼器プレート12が接合されている。ここで、外部流通管10は、例えば蝋付けによって燃焼器プレート12と接合される。蝋剤としては、外部流通管10や燃焼器プレート12を流れる流体の温度のうちの最高温度よりも高い融点であり、融点が700度以上の、金に、銀、銅、亜鉛、カドミウムを含有した金蝋や、金、銀、亜鉛、ニッケルを主成分とした蝋、或いは金、パラジウム、銀主成分とした蝋が特に好ましい。また、燃焼器プレート12の一方の面には隔壁が突出するように設けられている。隔壁は一部が燃焼器プレート12の外縁全周に亘って設けられ、他の一部が径方向に亘って設けられ、三枚の燃焼器プレート12が外部流通管10の周囲で接合により積層され、更に一番上の燃焼器プレート12が低温反応部6の下面に接合されることによって、他の燃焼器12またはベースプレート28により上部が蓋された燃焼用流路26が形成される。燃焼用流路26の一端部が燃焼混合気導入路22に通じ、燃焼用流路26の他端部が排ガス排出路20に通じている。燃焼用流路26の壁面には、燃焼混合気を燃焼させる燃焼用触媒が担持されている。燃焼用触媒としては、例えば白金が挙げられる。なお、外部流通管10内の吸液材は燃焼器プレート12の位置まで充填されている。
The
図2、図3に示すように、低温反応部6は、ベースプレート28、下部枠30、中部枠32、上部枠34及び蓋プレート36を下からこれらの順に積層し、接合したものであり、直方体状に呈している。ベースプレート28、下部枠30、中部枠32、上部枠34及び蓋プレート36は例えばステンレス鋼等の板状の金属材料からなる。
As shown in FIGS. 2 and 3, the low-
ベースプレート28の幅方向中央部において、外部流通管10及び最上の燃焼器プレート12がベースプレート28の下面に接合されている。図7に示すように、ベースプレート28の上面に隔壁が突出するように設けられることで、混合ガス流路38、混合流路40、一酸化炭素除去用流路42、葛折り状の一酸化炭素除去用流路44、コ字状の一酸化炭素除去用流路46、燃焼混合気流路48及び排ガス流路50に区分けされている。混合ガス流路38の端部において貫通孔52が形成され、混合ガス流路38が貫通孔52を介して外部流通管10の気化用導入路14に通じている。一酸化炭素除去用流路46は貫通孔52を囲繞し、一酸化炭素除去用流路46の端部において貫通孔54が形成され、一酸化炭素除去用流路46が貫通孔54を介して水素排出路24に通じている。燃焼混合気流路48の端部において貫通孔58が形成され、燃焼混合気流路48が貫通孔58を介して燃焼混合気導入路18に通じている。排ガス流路50の端部において貫通孔56が形成され、排ガス流路50が貫通孔56を介して排ガス排出路20に通じている。混合流路40の端部において貫通孔60が形成され、混合流路40が貫通孔60を介して空気用導入路16に通じている。
The
図8に示すように、下部枠30の内側に隔壁が設けられることで、下部枠30の内側が葛折り状の一酸化炭素除去用流路62、渦巻き状の一酸化炭素除去用流路64、吹抜け孔66、燃焼混合気流路68及び排ガス流路70に区分けされている。一酸化炭素除去用流路64、燃焼混合気流路68及び排ガス流路70においては底板72が設けられ、ベースプレート28の上に下部枠30が蝋付け等により接合されるとその底板72によって上部が蓋された混合ガス流路38、混合流路40、一酸化炭素除去用流路46、燃焼混合気流路48及び排ガス流路50が形成される。また、一酸化炭素除去用流路64の一方の端部が一酸化炭素除去用流路62に通じ、一酸化炭素除去用流路64の中途部においてはベースプレート28の一酸化炭素除去用流路42に通じる吹抜け孔74が形成され、一酸化炭素除去用流路64の他方の端部においてはベースプレート28の一酸化炭素除去用流路46に通じる吹抜け孔76が形成されている。一酸化炭素除去用流路62はベースプレート28の一酸化炭素除去用流路44に重なり、一酸化炭素除去用流路62と一酸化炭素除去用流路44が連通した状態とされている。吹抜け孔66はベースプレート28の混合流路40の上に位置している。燃焼混合気流路68には吹抜け孔69が形成され、燃焼混合気流路68が吹抜け孔69を介してベースプレート28の燃焼混合気流路48に通じている。排ガス流路70には吹抜け孔71が形成され、排ガス流路70が吹抜け孔71を介してベースプレート28の排ガス流路50に通じている。なお、平面視して、外部流通管10は一酸化炭素除去用流路64の一部に重なり、一酸化炭素除去用流路64が外部流通管10の周りを渦巻くように構成される。
As shown in FIG. 8, by providing a partition wall inside the
図9に示すように、中部枠32の内側に隔壁が設けられることで、中部枠32の内側が葛折り状の一酸化炭素除去用流路78、渦巻き状の一酸化炭素除去用流路80及び吹抜け孔82に区分けされている。一酸化炭素除去用流路80の一部においては底板83が設けられ、下部枠30に中部枠32が蝋付け等により接合されると、その底板83によって上部が蓋された下部枠30の燃焼混合気流路68及び排ガス流路70が形成される。
As shown in FIG. 9, by providing a partition wall inside the
一酸化炭素除去用流路78は下部枠30の一酸化炭素除去用流路62に重なり、一酸化炭素除去用流路78と一酸化炭素除去用流路62が連通した状態とされている。一酸化炭素除去用流路80は下部枠30の一酸化炭素除去用流路64に重なり、一酸化炭素除去用流路80と一酸化炭素除去用流路64が連通した状態とされている。吹抜け孔82が下部枠30の吹抜け孔66に重なり、吹抜け孔82と吹抜け孔66が連通した状態とされている。
The carbon
ここで、図14に示すように、ベースプレート28に設けられた隔壁のうち、一酸化炭素除去用流路44を形成する四枚の隔壁29はその他の隔壁より高くなっている。図7〜図9に示すように、隔壁29はベースプレート28から下部枠30を経て中部枠32にまでわたっている。ベースプレート28、下部枠30、中部枠32、及び上部枠34が蝋付け等により接合されることにより、葛折り状の一酸化炭素除去用流路44,62,78が一体に形成されている。
Here, as shown in FIG. 14, among the partition walls provided on the
また、図15に示すように、下部枠30に設けられた隔壁のうち、一酸化炭素除去用流路64を形成する底板72上の隔壁73もその他の隔壁より高くなっており、図8、図9に示すように、隔壁73が下部枠30から中部枠32にまでわたっている。ベースプレート28、下部枠30、中部枠32、及び上部枠34が蝋付け等により接合されることにより、上部枠34により上部が蓋された渦巻き状の一酸化炭素除去用流路64,80が一体に形成される。
As shown in FIG. 15, among the partition walls provided in the
図10に示すように、上部枠34の内側に隔壁が設けられることで、上部枠34の内側に葛折り状の一酸化炭素除去用流路84が形成されている。また、上部枠34の内側全体に底板86が設けられ、中部枠32に上部枠34が蝋付け等により接合されるとその底板86によって上部が蓋されて、中部枠32の一酸化炭素除去用流路78及び一酸化炭素除去用流路80が形成される。また、一酸化炭素除去用流路84の一端部においては吹抜け孔88が形成され、一酸化炭素除去用流路84の他端部においては吹抜け孔90が形成されている。吹抜け孔88は中部枠32の吹抜け孔82に重なり、一酸化炭素除去用流路84が吹抜け孔88、吹抜け孔82及び吹抜け孔66を介して混合流路40に通じている。吹抜け孔90が中部枠32の一酸化炭素除去用流路78の端部の上に位置し、一酸化炭素除去用流路84が吹抜け孔90を通じて一酸化炭素除去用流路78に通じている。
As shown in FIG. 10, the partition wall is provided on the inner side of the
図2に示すように、上部枠34の上に蓋プレート36が蝋付け等により接合されることで、蓋プレート36により上部が蓋されて、一酸化炭素除去用流路84が形成される。
ここで、一酸化炭素除去用流路42,44,46,46,62,64,78,80,84の壁面全体には、一酸化炭素を選択的に酸化させる一酸化炭素選択酸化用触媒が担持されている。一酸化炭素選択酸化用触媒としては例えば白金が挙げられる。
As shown in FIG. 2, the
Here, a carbon monoxide selective oxidation catalyst that selectively oxidizes carbon monoxide is formed on the entire wall surfaces of the carbon monoxide
図2、図3に示すように、高温反応部4は、ベースプレート102、下部枠104、中部枠106、燃焼器プレート108、上部枠110及び蓋プレート112を下からこれらの順に積層し、接合したものであり、直方体状に呈している。ベースプレート102、下部枠104、中部枠106、燃焼器プレート108、上部枠110及び蓋プレート112は例えばステンレス鋼等の板状の金属材料からなる。
As shown in FIG. 2 and FIG. 3, the high
図7に示すように、ベースプレート102の上面に隔壁が突出するように設けられることで、供給流路114、葛折り状の改質用流路116及び排出流路115に区分けされている。供給流路114は改質用流路116に連なっているが、排出流路115は供給流路114及び改質用流路116から独立している。
As shown in FIG. 7, partition walls are provided on the upper surface of the
図8に示すように、下部枠104の内側に複数の隔壁が設けられることで、下部枠104の内側が葛折り状の改質用流路118、燃焼混合気流路120、排ガス流路122及び吹抜け孔124に区分けされている。燃焼混合気流路120及び排ガス流路122においては底板126が設けられ、ベースプレート102に下部枠104が蝋付け等により接合されることで、底板126により上部が蓋された供給流路114及び排出流路115が形成される。改質用流路118はベースプレート102の改質用流路116に重なり、改質用流路118と改質用流路116が連通した状態とされている。
As shown in FIG. 8, by providing a plurality of partition walls inside the
図9に示すように、中部枠106の内側に複数の隔壁が設けられることで、中部枠106の内側が葛折り状の改質用流路128、吹抜け孔130、吹抜け孔132及び吹抜け孔134に区分けされている。また、中部枠106には底板136が設けられ、中部枠106が下部枠104に蝋付け等により接合されることで、底板136によって上部が蓋された下部枠104の燃焼混合気流路120及び排ガス流路122が形成される。改質用流路128は下部枠104の改質用流路118に重なり、改質用流路128と改質用流路118が連通した状態とされている。吹抜け孔130は下部枠104の吹抜け孔124に重なり、吹抜け孔130と吹抜け孔124が連通した状態とされている。吹抜け孔132は燃焼混合気流路120の端部の上に位置し、吹抜け孔134が排ガス流路122の端部の上に位置している。
As shown in FIG. 9, by providing a plurality of partition walls inside the
ここで、図15に示すように、ベースプレート102に設けられた隔壁のうち、改質用流路116を形成する四枚の隔壁117はその他の隔壁より高くなっている。図7〜図9に示すように、隔壁117はベースプレート102から下部枠104を経て中部枠106にまでわたっている。ベースプレート102、下部枠104、中部枠106、及び燃焼器プレート108が接合されることにより、燃焼器プレート108により上部が蓋されて、葛折り状の改質用流路116,118,128が一体に形成される。
Here, as shown in FIG. 15, among the partition walls provided on the
図11に示すように、燃焼器プレート108の上面に隔壁が突出するように設けられることで、燃焼室138、燃焼室140、吹抜け孔142及び吹抜け孔144に区分けされている。燃焼室138の端部において吹抜け孔146が形成され、その吹抜け孔146が中部枠106の吹抜け孔132の上に位置し、燃焼室138が吹抜け孔146及び吹抜け孔132を介して下部枠104の燃焼混合気流路120に通じている。燃焼室138は燃焼室140に通じている。また、燃焼室140の端部において吹抜け孔148が形成され、その吹抜け孔148が中部枠106の吹抜け孔134の上に位置し、燃焼室140が吹抜け孔148及び吹抜け孔134を介して排ガス流路122に通じている。吹抜け孔142は中部枠106の改質用流路128の端部の上に位置し、吹抜け孔142が改質用流路128に通じている。吹抜け孔144は中部枠106の吹抜け孔130の上に位置し、吹抜け孔144が吹抜け孔130に通じている。燃焼室138及び燃焼室140の底面及び側面には、燃焼混合気を燃焼させる燃焼用触媒が担持されている。燃焼用触媒としては、例えば白金等が挙げられる。
As shown in FIG. 11, a partition wall is provided on the upper surface of the
図10に示すように、上部枠110の内側に複数の隔壁が設けられることで、上部枠110の内側に葛折り状の改質用流路150が形成されている。また、上部枠110に底板152が設けられ、上部枠110が燃焼器プレート108の上に蝋付け等により接合されることで、上部枠110により上部が蓋されて、燃焼器プレート108の燃焼室138及び燃焼室140が形成される。改質用流路150の一端部においては吹抜け孔154が形成され、改質用流路150の他端部においては吹抜け孔156が形成されている。吹抜け孔154は燃焼器プレート108の吹抜け孔142の上に位置し、改質用流路150が吹抜け孔154及び吹抜け孔142を介して中部枠106の改質用流路128に通じている。吹抜け孔156は燃焼器プレート108の吹抜け孔144の上に位置し、改質用流路150が吹抜け孔156、吹抜け孔144、吹抜け孔130及び吹抜け孔124を介して排出流路115に通じている。
As shown in FIG. 10, by providing a plurality of partition walls inside the
図2に示すように、上部枠110の上に蓋プレート112が蝋付け等により接合されることで、蓋プレート112によって上部が蓋されて、改質用流路150が形成される。ここで、供給流路114、排出流路115、改質用流路116,118,128,150の壁面には、燃料を改質して水素を生成する改質用触媒が担持されている。メタノールの改質に用いられる改質用触媒としては、例えばCu/ZnO系触媒、Pt/ZnO系触媒が挙げられる。
As shown in FIG. 2, the
連結部8は、図2、図3、図13に示すように、第一連結部161、第二連結部165、底板169からなる。連結部8は高温反応部4の幅及び低温反応部6の幅よりも狭く、高温反応部4及び低温反応部6のいずれの高さよりも低い。
As shown in FIGS. 2, 3, and 13, the connecting
第一連結部161は高温反応部4と低温反応部6との間に架設されており、図2、図7、図14に示すように、例えば、高温反応部4と低温反応部6との各幅方向中央部において基体としてのベースプレート28,102と一体に成形されている。第一連結部161の下面は高温反応部4の下面つまりベースプレート102の下面に対して面一になっているとともに、更に低温反応部6の下面つまりベースプレート28の下面に対して面一になっている。
The first connecting
第二連結部165も高温反応部4と低温反応部6との間に架設されており、図2、図8、図15に示すように、例えば、高温反応部4と低温反応部6との各幅方向中央部において枠体としての下部枠30,104と一体に成形されている。
The second connecting
図7に示すように、第一連結部161には連結流路162及び連結流路164が互いに平行となるように設けられている。連結流路162及び連結流路164は第一連結部161の隔壁によって仕切られ、隔壁が第二連結部165と接合されることにより形成されている。
図8に示すように、第二連結部165には連結流路166及び連結流路168が互いに平行となるように設けられている。連結流路166及び連結流路168は第二連結部165の隔壁によって仕切られ、隔壁が底板169と蝋付け等により接合されることにより形成されている。ている。
図9に示すように、中部枠32と中部枠106とは、例えば底板136と一体に形成された底板169により接続されている。
As shown in FIG. 7, the
As shown in FIG. 8, a
As shown in FIG. 9, the
連結流路162の一端が混合ガス流路38に通じ、連結流路162の他端が供給流路114に通じている。連結流路164の一端が排出流路115に通じ、他端が混合流路40に通じている。連結流路166の一端が燃焼混合気流路68に通じ、他端が燃焼混合気流路120に通じている。連結流路168の一端が排ガス流路122に通じ、他端が排ガス流路70に通じている。
なお、上述した構成では、連結部8をなす第一連結部161がベースプレート28,102と一体に成形され、第二連結部165が下部枠30,104と一体に成形され、底板169が中部枠32と中部枠106と一体に形成されるとしたが、これに限るものではなく、連結部8が高温反応部4及び低温反応部6とは別体に、例えば角柱状に形成され、高温反応部4の幅方向中央部において高温反応部4に接合され、低温反応部6の幅方向中央部において低温反応部6に接合されるものであってもよい。
One end of the
In the above-described configuration, the first connecting
給排部2、高温反応部4、低温反応部6及び連結部8の内側に設けられた流路の経路は図16、図17に示すようになる。ここで図16、図17と図1の対応関係について説明すると、気化用導入路14が気化器502の流路に相当し、改質用流路116,118,128が第一改質器506の流路に相当し、改質用流路150が第二改質器510の流路に相当し、一酸化炭素除去用流路84の始端から一酸化炭素除去用流路46の終端までが一酸化炭素除去器512の流路に相当し、燃焼用流路26が第一燃焼器504の流路に相当し、燃焼室138,140が第二燃焼器508の流路に相当する。
The paths of the flow paths provided inside the supply /
図2、図5に示すように、低温反応部6の下面つまりベースプレート28の下面、高温反応部4の下面つまりベースプレート102の下面、及び連結管8の下面には例えば窒化シリコン、酸化シリコン等の図示しない絶縁膜が全面に形成され、低温反応部6側の絶縁膜の下面には電熱線170が蛇行した状態にパターニングされている。また、低温反応部6から連結部8を通って高温反応部4にかけた絶縁膜の下面には、電熱線172が蛇行した状態にパターニングされている。外部流通管10の側面、燃焼器プレート12の表面にも、窒化シリコン、酸化シリコン等の図示しない絶縁膜が形成されており、低温反応部6の下面から燃焼器プレート12の表面を通って外部流通管10の側面にかけて電熱線174がパターニングされている。電熱線170,172,174は、絶縁膜側から拡散防止層、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170,172,174に電圧が印加されると電流が集中的に流れて発熱する。拡散防止層は、電熱線170,172,174が発熱しても発熱層の材料が拡散防止層に熱拡散されにくく、且つ拡散防止層の材料が発熱層に熱拡散しにくい材料であり、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。また、拡散防止層が絶縁膜に対して密着性が低く剥離しやすい場合には、更に、絶縁膜と拡散防止層の間に密着層を設けるようにしてもよく、密着層としては拡散防止層に対しても絶縁膜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170は、起動時に低温反応部6を加熱し、電熱線172は、起動時に高温反応部4及び連結管8を加熱し、電熱線174は、給排部2の気化器502及び第一燃焼器504を加熱する。この後、燃料電池からの水素を含むオフガスで第二燃焼器508が燃焼されたら、電熱線172は第二燃焼器508の補助として高温反応部4及び連結管8を加熱する。同様に、燃料電池からの水素を含むオフガスで第一燃焼器504が燃焼される場合、電熱線170は第一燃焼器504の補助として低温反応部6を加熱する。
As shown in FIGS. 2 and 5, the lower surface of the low
また、電熱線170,172,174は温度に依存して電気抵抗が変化するため、抵抗値の変化から温度の変化を読み取る温度センサとしても機能する。具体的には、電熱線170,172,174の温度は電気抵抗に比例する。
Further, since the electric resistance of the
電熱線170,172,174の何れの端部もベースプレート28の下面に位置し、これら端部が燃焼器プレート12を囲むように配列されている。電熱線170の両端部にはそれぞれリード線176,178が接続され、電熱線172の両端部にはそれぞれリード線180,182が接続され、電熱線174の両端部にはそれぞれリード線184,186が接続されている。なお、図3においては、図面を見やすくするために、電熱線170,172,174及びリード線176,178,180,182,184,186の図示を省略する。
Any end portions of the
本実施形態のマイクロリアクタモジュール1においては、高温反応部4、低温反応部6に、図2、図3、図6〜図12に示すように、ガスリーク防止パッケージ(箱体)3,5が覆い被せられている。図13に示すように、ガスリーク防止パッケージ3,5は例えばステンレス鋼等の板状の金属材料からなる箱体であり、下部に開口7,9を有し、内部にそれぞれ高温反応部4、低温反応部6とほぼ同じ形、大きさの空間が設けられている。ガスリーク防止パッケージ3,5は当該開口7,9からそれぞれマイクロリアクタモジュール1の高温反応部4及び低温反応部6に覆い被せられている。なお、ガスリーク防止パッケージ3,5の側面には、開口7,9と連続する切欠き11,13が設けられている。切欠き11,13は連結部8の位置に対応しており、ガスリーク防止パッケージ3,5を高温反応部4及び低温反応部6に覆い被せたときに連結部8が切欠き11,13部分から突出する。
In the
ガスリーク防止パッケージ3,5の開口7,9に沿った内周面は、それぞれベースプレート102,28の外周面に接合される。また、ガスリーク防止パッケージ3,5の切欠き11,13に沿った内周面は、それぞれ第一連結部161、第二連結部165、底板169の両端部に接合される。
The inner peripheral surfaces along the
これにより、ベースプレート102、下部枠104、中部枠106、燃焼器プレート108、上部枠110及び蓋プレート112の接合不良が万が一あった場合、または、ベースプレート28、下部枠30、中部枠32、上部枠34及び蓋プレート36の接合不良が万が一あった場合にも、ガスリーク防止パッケージ3,5により、高温反応部4または低温反応部6の内部の反応ガスが外部へ漏出することをより確実に防止することができる。
As a result, in the unlikely event that the
また、図2、図3に示すように、低温反応部6を覆うガスリーク防止パッケージ5の表面にゲッター材188を設けるようにしてもよい。このゲッター材188には電熱材等のヒータが設けられ、このヒータには配線190が接続されている。配線190の両端部は燃焼器プレート12の周囲においてベースプレート28の下面に位置し、配線190の両端部にはそれぞれリード線192,194が接続されている。ゲッター材188は加熱されることで活性化して吸着作用をもつものであり、後述する断熱パッケージ200の内部空間に残留する気体や、マイクロリアクタモジュール1から断熱パッケージ200の内部空間に漏洩した気体や、外部から断熱パッケージ200内に侵入した気体を吸着することにより、断熱パッケージ200の内部空間に気体が浸入し、真空度が悪化して断熱効果が低下することを抑えるものである。ゲッター材188の材料としては例えばジルコニウム、バリウム又はチアニウムを主成分とした合金が挙げられる。なお、図3においては、図面を見やすくするために、配線190、リード線192,194の図示を省略する。
Further, as shown in FIGS. 2 and 3, a
次いで、このマイクロリアクタモジュール1の熱損失を抑制するための断熱構造について説明する。図18は本実施形態におけるマイクロリアクタモジュール1を覆う断熱パッケージ(断熱容器)200の分解斜視図であり、図19は、断熱パッケージ200を斜め下から示した斜視図である。図18に示すように、断熱パッケージ200はマイクロリアクタモジュール1の全体を覆うように構成され、高温反応部4、低温反応部6、連結部8が断熱パッケージ200内に収容される。
Next, a heat insulating structure for suppressing heat loss of the
断熱パッケージ200は、下面が開口した長方形状の箱体202と、箱体202の下面開口を閉塞するための閉塞板204とから構成され、図19に示すように閉塞板204が箱体202に接合され、例えばガラス材又は絶縁封止材で封止されている。箱体202及び閉塞板204は例えばステンレス鋼等の板状の金属材料からなる。また、箱体202及び閉塞板204の内側となる面にアルミニウム、金、銀等からなる金属反射膜を成膜するようにしてもよい。このような金属反射膜が成膜されていると、給排部2、高温反応部4、低温反応部6及び連結部8からの輻射による熱損失を抑制することができる。
The
閉塞板204を複数の通し孔が貫通し、外部流通管10及びリード線176,178,180,182,184,186,192,194がそれぞれの通し孔に挿通された状態で一部が断熱パッケージ200から外部に露出される。この外部に露出している部分から断熱パッケージ200内に外気が侵入しないように、外部流通管10、リード線176,178,180,182,184,186と閉塞板204の貫通孔とは、例えばガラス材又は絶縁封止材で接合、封止されている。断熱パッケージ200の内部空間は密閉され、内圧が1Torr以下になるように真空排気され、その内部空間が真空圧とされて真空断熱構造とされる。これによって、マイクロリアクタモジュール1の各部の熱が外部に伝搬してしまうことを抑えて、熱損失を低減することができる。
A plurality of through holes penetrate through the blocking
外部流通管10は断熱パッケージ200の内側にも外側にも突出した状態とされている。そのため、断熱パッケージ200の内側においては外部流通管10が支柱として閉塞板204に対して立った状態とされ、高温反応部4、低温反応部6及び連結部8が外部流通管10に支持されて、高温反応部4、低温反応部6及び連結部8が断熱パッケージ200の内面から離れている。
The
また、外部流通管10は、平面視して高温反応部4、低温反応部6及び連結部8全体の重心において低温反応部6の下面に連結していることが望ましい。
このように真空断熱構造としてマイクロリアクタモジュール1の熱損失を抑制するようにした場合、高温反応部4または低温反応部6の内部の反応ガスが漏出して断熱パッケージ200の内部空間に入ると、この内部空間の真空度が低下して断熱性が低下して熱損失が増加するとともに、高温反応部4や低温反応部6の熱が外部に漏れてしまうという問題が発生するが、前述のようにガスリーク防止パッケージ3,5を設けることにより、高温反応部4または低温反応部6の内部の反応ガスが断熱パッケージ200の内部空間に漏出することを防止して真空度を保ち、熱損失の増加や高温反応部4や低温反応部6の熱が外部に漏れてしまうことを防ぐことができる。
In addition, it is desirable that the
As described above, when the heat loss of the
なお、上記においては、ゲッター材188を低温反応部6に覆い被せられたガスリーク防止パッケージ5の表面に設けるとしたが、ゲッター材188の設ける位置はガスリーク防止パッケージ3,5の外側でありかつ断熱パッケージ200の内側であれば特に限定されるものではない。
In the above description, the
次に、マイクロリアクタモジュール1の動作について説明する。
Next, the operation of the
まず、リード線192,194の間に電圧が印加されると、ゲッター材188がヒータによって加熱され、ゲッター材188が活性化される。これにより、断熱パッケージ200内の残留ガスがゲッター材188に吸着され、断熱パッケージ200内の真空度が高まり、断熱効率が高まる。
First, when a voltage is applied between the
また、リード線176,178の間に電圧が印加されると、電熱線170が発熱し、低温反応部6が加熱される。リード線180,182の間に電圧が印加されると、電熱線172が発熱し、高温反応部4が加熱される。リード線184,186の間に電圧が印加されると、電熱線174が発熱し、給排部2主に外部流通管10の上部が加熱される。給排部2、高温反応部4、低温反応部6及び連結部8が金属材料からなるため、これらの間で熱伝導しやすい。なお、電熱線170,172,174の電流・電圧が制御装置によって測定されることで、給排部2、高温反応部4及び低温反応部6の温度が測定され、測定温度が制御装置にフィードバックされ、制御装置によって電熱線170,172,174の電圧が制御され、これにより給排部2、高温反応部4及び低温反応部6の温度制御がなされる。
Further, when a voltage is applied between the
電熱線170,172,174によって給排部2、高温反応部4及び低温反応部6が加熱された状態において、気化用導入路14に液体燃料と水の混合液が外部のポンプ等によって連続的又は断続的に供給されると、混合液が吸液材に吸収され、毛細管現象により混合液が気化用導入路14の上に向かって浸透する。吸液材が燃焼器プレート12の高さまで充填されているから、吸液材内の混合液が気化し、燃料と水の混合気が吸液材から蒸散する。吸液材内にて混合液が気化するから、突沸を抑えることができ、安定して気化することができる。
In a state where the supply /
そして、吸液材から蒸散した混合気は貫通孔52、混合ガス流路38、連結流路162、供給流路114を通って第一改質器506(改質用流路116,118,128)に流れ込む。その後、混合気は第二改質器510(改質用流路150)に流れ込む。混合気が改質用流路116,118,128,150を流れている際には、混合気が加熱されて触媒反応することによって、水素ガス等が生成される(燃料がメタノールの場合には、上記化学反応式(1)、(2)を参照)。
Then, the air-fuel mixture evaporated from the liquid absorbing material passes through the through-
第一改質器506及び第二改質器510で生成された混合気(水素ガス、二酸化炭素ガス、一酸化炭素ガス等を含む。)が吹抜け孔156,144,130,124、排出流路115及び連結流路164を通って混合流路40へと流れ込む。一方、空気がポンプ等によって空気用導入路16に供給され、混合流路40へ流れ込み、水素ガス等の混合気と空気が混合される。
The air-fuel mixture (including hydrogen gas, carbon dioxide gas, carbon monoxide gas, etc.) generated by the
そして、空気、水素ガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス等を含む混合気が混合流路40から吹抜け孔66,82,88を通って一酸化炭素除去器512(一酸化炭素除去用流路84から一酸化炭素除去用流路46まで)へ流れ込む。混合気が一酸化炭素除去用流路84から一酸化炭素除去用流路46へ流れている時に、混合気中の一酸化炭素ガスが選択的に酸化され、一酸化炭素ガスが除去される。ここで、一酸化炭素ガスは一酸化炭素除去用流路84から一酸化炭素除去用流路46までの間で均一的に反応するのではなく、一酸化炭素除去用流路84から一酸化炭素除去用流路46までの経路のうち下流(主に、一酸化炭素除去用流路80から一酸化炭素除去用流路46にかけて)において一酸化炭素ガスの反応速度が高くなる。一酸化炭素ガスの酸化反応は発熱反応であるので、主に一酸化炭素除去用流路80から一酸化炭素除去用流路46までの部分で熱が発生する。この部分の下に外部流通管10が位置するので、一酸化炭素ガスの酸化反応による熱が第一燃焼器504の熱とあいまって気化器502での水と燃料の気化熱に効率よく用いられる。
An air-fuel mixture containing air, hydrogen gas, carbon monoxide gas, carbon dioxide gas, etc. passes through the blowout holes 66, 82, 88 from the mixing
そして、一酸化炭素が除去された状態の混合気が貫通孔54及び水素排出路24を通って燃料電池の燃料極等に供給される。燃料電池では水素排出路24から供給される水素ガスの電気化学反応により電気が生成され、未反応の水素ガス等を含むオフガスが燃料電池から排出される。
Then, the air-fuel mixture from which carbon monoxide has been removed is supplied to the fuel electrode of the fuel cell through the through
以上の動作は初期段階の動作であり、以後の発電動作中は、混合液が気化用導入路14に供給され続ける。そして、燃料電池から排出されたオフガスに空気が混合され、その混合気(以下、燃焼混合気という。)が燃焼混合気導入路22及び燃焼混合気導入路18に供給される。燃焼混合気導入路22に供給された燃焼混合気は第一燃焼器504の燃焼用流路26に流れ込み、燃焼混合気が燃焼し、燃焼熱が発する。燃焼用流路26が低温反応部6の下側において外部流通管10を周回しているため、燃焼熱によって外部流通管10が加熱されるとともに低温反応部6が加熱される。そのため、電熱線170,174に供給する電力を小さくすることができ、エネルギーの利用効率が高まる。
The above operation is an initial stage operation, and the mixed liquid continues to be supplied to the
一方、燃焼混合気導入路18に供給された燃焼混合気は燃焼室138,140へ流れ込み、燃焼混合気が燃焼する。これにより燃焼熱が発するが、燃焼室138,140の下に第一改質器506が配置され、燃焼室138,140の上に第二改質器510が配置されているので、燃焼熱によって第一改質器506及び第二改質器510が加熱される。第2燃焼器508は上下に第一改質器506及び第二改質器510に挟まれているので、面方向に効率的に熱伝搬できるとともに断熱パッケージ200で封止されている空間に露出している部分が少ないので熱損失が少ない。また、これにより、電熱線172に供給する電力を小さくすることができ、エネルギーの利用効率が高まる。
On the other hand, the combustion mixture supplied to the combustion
なお、燃料容器に貯留されている液体燃料の一部が気化されて、その気化した燃料と空気の燃焼混合気が燃焼混合気導入路18,22に供給されるようにしても良い。
A part of the liquid fuel stored in the fuel container may be vaporized, and the vaporized fuel / air combustion mixture may be supplied to the combustion
混合液が気化用導入路14に供給された状態であって、燃焼混合気が燃焼混合気導入路18,22に供給された状態において、制御装置が電熱線170,172,174の抵抗値によって温度を測定しながら、電熱線170,172,174の印加電圧を制御するとともに、ポンプ等を制御する。制御装置によってポンプが制御されると、燃焼混合気導入路18,22に供給される燃焼混合気の流量が制御され、これにより燃焼器504,508の燃焼熱量が制御される。このように制御装置が電熱線170,172,174及びポンプを制御することによって、それぞれ、給排部2、高温反応部4及び低温反応部6の温度制御がなされる。ここで、高温反応部4が250℃〜400℃、好ましくは300℃〜380℃、低温反応部6が高温反応部4より低い温度、具体的には120℃〜200℃、さらに好ましくは140℃〜180℃となるよう、温度制御を行う。
In a state where the mixed liquid is supplied to the
次に、本発明における反応装置の各部の具体的な寸法及び構成材料の一例について説明する。高温反応部4は、例えば、幅が16mm、長さが10mm、高さが6mm程度の大きさに形成される。ここで、第二燃焼器燃焼器の高さは、例えば0.3mm程度に形成される。連結管8は、例えば、長さが3mm、高さ及び幅が1mm程度の大きさに形成される。低温反応部6は、例えば、幅が16mm、長さが23mm、高さが6mm程度の大きさに形成される。給排部2における外部流通管10は、例えば、長さが7〜8mm、縦横が2〜3mmで形成される。そして、ガスリーク防止パッケージ3,5は、それぞれ高温反応部4及び低温反応部6とほぼ同じ大きさの空間を有する箱体に形成される。また、断熱パッケージ200は、例えば、高さが9〜10mm、幅が20mm、長さが40mm程度に形成される。そして、高温反応部4、低温反応部6、連結管8、外部流通管10、燃焼器プレート12、ガスリーク防止パッケージ3,5等を形成する金属材料は、例えば、肉厚が0.1mm〜0.2mm程度のステンレス鋼SUS304からなる。また、断熱パッケージ200は、例えば、肉厚が0.5mm程度のステンレス鋼SUS304からなる。このように構成した場合、電熱線170の電力を15W、電熱線172の電力を25Wとしたとき、9〜10秒程度で高温反応部4を375℃、低温反応部6を150℃とすることができ、比較的短時間で起動することができる。
Next, specific dimensions and examples of constituent materials of each part of the reaction apparatus in the present invention will be described. The high
次いで、本実施形態におけるマイクロリアクタモジュール1を備える発電ユニット601の概略構成について説明する。図20は本実施形態におけるマイクロリアクタモジュール1を備える発電ユニット601の一例を示す斜視図である。図20に示すように、以上のようなマイクロリアクタモジュール1は、発電ユニット601に組み付けて用いることができる。この発電ユニット601は、例えば、フレーム602と、フレーム602に対して着脱可能な燃料容器604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606と、断熱パッケージ200に収容された状態のマイクロリアクタモジュール1と、燃料電池、燃料電池を加湿する加湿器及び燃料電池で生成された副生成物を回収する回収器等を有する発電モジュール608と、マイクロリアクタモジュール1及び発電モジュール608に空気(酸素)を供給するエアポンプ610と、二次電池、DC−DCコンバータ及び発電ユニット601の出力で駆動する外部の機器と電気的に接続するための外部インターフェース等を有する電源ユニット612とを具備して構成される。流量制御ユニット606によって燃料容器604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1に供給されることで、上述のように水素リッチガスが生成され、水素リッチガスが発電モジュール608の燃料電池に供給され、生成された電気が電源ユニット612の二次電池に蓄電される。
Next, a schematic configuration of the
図21は、発電ユニット601を電源として用いる電子機器701の一例を示す斜視図である。図21に示すように、この電子機器701は、携帯型の電子機器であって、例えばノート型パーソナルコンピュータである。電子機器701は、CPU、RAM、ROM、その他の電子部品から構成された演算処理回路を内蔵するとともにキーボード702を備え付けた下筐体704と、液晶ディスプレイ706を備え付けた上筐体708と、を備える。下筐体704と上筐体708はヒンジ部で結合されており、上筐体708を下筐体704に重ねてキーボード702に液晶ディスプレイ706を相対させた状態で折り畳むことができるように構成されている。下筐体704の右側面から底面にかけて、発電ユニット601を装着するための装着部710が凹設され、装着部710に発電ユニット601を装着すると、発電ユニット601の電気によって電子機器701が動作する。
FIG. 21 is a perspective view illustrating an example of an
以上のように本実施の形態によれば、断熱パッケージ200の内部空間が断熱空間となっており、高温反応部4が低温反応部6から離れ、高温反応部4から低温反応部6までの間隔が連結部8の長さ分となっている。従って、高温反応部4から低温反応部6への伝熱の経路が連結部8に限られ、高温を要しない低温反応部6への伝熱が限定される。特に、連結部8の高さ及び幅は高温反応部4と低温反応部6の高さ及び幅よりも小さいから、連結部8を通じた熱伝導も極力抑えられている。そのため、高温反応部4の熱損失を抑えることができるとともに、低温反応部6が設定温度以上に昇温することも抑えることができる。即ち、1つの断熱パッケージ200内に高温反応部4と低温反応部6を収容した場合でも、高温反応部4と低温反応部6の間で温度差を発生することができる。
As described above, according to the present embodiment, the internal space of the
また、連結流路162,164,166,168を1箇所の連結部8にまとめた状態とされているので、ガスリーク防止パッケージ3,5に設ける切欠き11,13が1箇所ですみ、接合箇所を減らすことができる。すなわち、開口7,9をベースプレート102,28と、切欠き11,13を連結部8の両端と接合することで、反応ガスの漏出をより確実に防止することができる。したがって断熱パッケージ200内の真空度を保ち、高温反応部4と低温反応部6の間の温度差を維持することができる。
Further, since the connecting
外部流通管10、リード線176,178,180,182,184,186,192,194は断熱パッケージ200の外側に延出しているが、これらは全て低温反応部6に連結されている。そのため、高温反応部4から断熱パッケージ200外への直接の伝熱を抑えることができ、高温反応部4の熱損失を抑えることができる。従って、1つの断熱パッケージ200内に高温反応部4と低温反応部6を収容した場合でも、高温反応部4と低温反応部6の間で温度差を発生することができる。特に、気化用導入路14、空気用導入路16、燃焼混合気導入路18、排ガス排出路20、燃焼混合気導入路22及び水素排出路24が1本の外部流通管10に設けられているから、高温反応部4から断熱パッケージ200外への伝熱を抑えることができ、熱損失を抑えることができる。
The
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の改良及び設計の変更を行っても良い。例えば、ガスリーク防止パッケージ3,5のいずれか一方のみを使用してもよい。また、第一燃焼器504の外周部に第一燃焼器504を覆う別のガスリーク防止パッケージを設けてもよい。これにより、燃焼器プレート12からの燃焼ガスの漏出を確実に防止することができる。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various improvements and design changes may be made without departing from the spirit of the present invention. For example, only one of the gas
また、連結部8の外周部に連結部8を覆う別のガスリーク防止パッケージを設け、連結部8からのガスの漏出を防止してもよい。あるいは、連結部8を一体の連結管とし、連結管の両端部にガスリーク防止パッケージ3,5の切欠き11,13を接合してもよい。連結部8を一体の連結管とすることで、連結部8からのガスの漏出を確実に防止することができる。
Further, another gas leak prevention package that covers the connecting
1 マイクロリアクタモジュール
2 給排部
3,5 ガスリーク防止パッケージ(封止材)
4 高温反応部
6 低温反応部
8 連結部
10 外部流通管(流路)
12 燃焼器プレート(部材)
14 気化用導入路(流路)
16 空気用導入路(流路)
18,22 燃焼混合気導入路(流路)
20 排ガス排出路(流路)
24 水素排出路(流路)
26 燃焼用流路(流路)
28,102 ベースプレート(部材)
30,104 下部枠(部材)
32,106 中部枠(部材)
34,110 上部枠(部材)
36,112 蓋プレート(部材)
38 混合ガス流路(反応流路)
40 混合流路(反応流路)
42,44,46,62,64,78,80,84 一酸化炭素除去用流路(反応流路)
48,68 燃焼混合気流路(反応流路)
50,70 排ガス流路(反応流路)
108 燃焼器プレート(部材)
114 供給流路(反応流路)
115 排出流路(反応流路)
116,118,128,150 改質用流路(反応流路)
120 燃焼混合気流路(反応流路)
122 排ガス流路(反応流路)
138,140 燃焼室(反応流路)
1
4 High
12 Combustor plate (member)
14 Introduction path (flow path) for vaporization
16 Air introduction path (flow path)
18,22 Combustion mixture introduction path (flow path)
20 Exhaust gas discharge path (flow path)
24 Hydrogen discharge path (flow path)
26 Combustion flow path (flow path)
28,102 Base plate (member)
30,104 Lower frame (member)
32,106 Middle frame (member)
34,110 Upper frame (member)
36,112 Lid plate (member)
38 Mixed gas channel (reaction channel)
40 Mixing channel (reaction channel)
42, 44, 46, 62, 64, 78, 80, 84 Carbon monoxide removal flow path (reaction flow path)
48, 68 Combustion mixture flow path (reaction flow path)
50, 70 Exhaust gas channel (reaction channel)
108 Combustor plate (member)
114 Supply channel (reaction channel)
115 discharge channel (reaction channel)
116, 118, 128, 150 Reforming channel (reaction channel)
120 Combustion gas mixture channel (reaction channel)
122 Exhaust gas channel (reaction channel)
138,140 Combustion chamber (reaction channel)
Claims (7)
前記反応装置は液体燃料から水素を生成する反応装置であって、
前記反応部は、少なくとも、第1の温度に設定され、内部に反応流路が形成される少なくとも一つの第1の反応器と、前記第1の反応器を加熱して前記第1の温度に設定する加熱部と、前記第1の反応器及び前記加熱部の外壁を覆う第1の箱体と、を備える第1の反応部と、前記第1の温度より低い第2の温度に設定され、内部に反応流路が形成される少なくとも一つの第2の反応器と、前記第2の反応器の外壁を覆う第2の箱体とを備える第2の反応部と、の複数の反応部を具備し、
前記反応装置は、更に、
前記第1の反応部と前記第2の反応部との間に架設され、前記第1の反応部で反応される反応原料である反応物を前記第1の反応部へ送り、前記第1の反応部で反応した反応生成物を前記第2の反応部へ送る連結管と、
前記第2の反応部に接続され、前記第1の反応部へ供給される前記第1の反応部の反応原料である反応物と、前記第2の反応部から排出される前記第2の反応部の反応生成物と、が流通する外部流通管と、
を備えることを特徴とする反応装置。 In a reaction apparatus including a reaction unit that causes a reaction of a reactant to generate a reaction product,
The reactor is a reactor that generates hydrogen from liquid fuel,
The reaction unit is set to at least a first temperature, and at least one first reactor in which a reaction channel is formed, and the first reactor is heated to the first temperature. A first reaction section comprising a heating section to be set, a first box covering the outer wall of the first reactor and the heating section, and a second temperature lower than the first temperature. A plurality of reaction units comprising: a second reaction unit including at least one second reactor in which a reaction channel is formed; and a second box covering an outer wall of the second reactor. Comprising
The reactor further includes:
A reaction material that is installed between the first reaction unit and the second reaction unit and is reacted in the first reaction unit is sent to the first reaction unit. A connecting pipe for sending the reaction product reacted in the reaction section to the second reaction section;
A reactant which is connected to the second reaction section and is supplied to the first reaction section and which is a reaction raw material of the first reaction section; and the second reaction discharged from the second reaction section. an external circulation pipe and a reaction product of parts, flows,
A reaction apparatus comprising:
前記気体燃料の燃焼反応を促進する燃焼用触媒が前記燃焼用流路の底面及び側面に塗布されていることを特徴とする請求項3に記載の反応装置。 The combustor has a combustion flow path for circulating the gaseous fuel,
The reaction apparatus according to claim 3 , wherein a combustion catalyst for promoting a combustion reaction of the gaseous fuel is applied to a bottom surface and a side surface of the combustion channel.
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