説明

反応装置

【課題】 ヒータなどの加熱装置の発熱量を小さくすることができる反応装置を提供する。
【解決手段】 反応前の原料流体は、供給路3を介して反応装置1外部から反応器2内へと供給された後、反応器2内部にて反応し、原料流体よりも高温の生成物流体となる。高温の生成物流体は、排出路4から反応装置1の外部へと排出される際に排出路4の温度を上げることになる。排出路4は、その少なくとも一部を反応器2の外表面における少なくとも一平面または外周面に接するように設けることにより、一定の発熱量では、反応器2内部の温度を高くすることができ、また、反応器2内部を一定の温度に保持する場合に、発熱量を小さくすることができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、供給された原料流体に反応を施して排出する反応装置に関する。
【背景技術】
【0002】
たとえば、燃料電池に使用される燃料改質器では、CHOH+HO→CO+3Hで表される水蒸気改質反応が行われる。この反応は吸熱反応であるため、一般的に、反応が進むと反応器内の温度が低下し、反応率が低下する。
【0003】
従来の反応装置では、このような温度の低下を防止するために様々な試みが成されている。
【0004】
たとえば、燃料改質器を収容する収容容器の外壁を2重構造にしてその内外壁間を真空にする、あるいはその内外壁間に断熱材を充填することにより、収容容器内の熱が外部へ伝導して燃料改質器の温度が低下することを抑制している(たとえば、特許文献1参照)。
【0005】
【特許文献1】特開2003−2602号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上述のように燃料改質器等を利用した燃料電池システムでは、反応後の流体を安定して燃料電池へと供給する必要があることから、反応率(改質器の場合は、改質率)をある程度高い状態で維持するためにヒータ等で反応器内を加熱し、反応温度を一定に保つことが求められる。
【0007】
従来のシステムでは、反応後の高温流体が、燃料改質器の排出路から排出される際に、熱が奪われるため、反応器内の温度がさらに低下することになる。したがって、反応器内の温度を一定に保つためには、ヒータなど加熱装置の発熱量を大きくしなければならない問題がある。
【0008】
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、ヒータなどの加熱装置の発熱量を小さくすることができる反応装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記問題を解決するため、本発明の反応装置は、
反応器と、
前記反応器に接続され、外部から前記反応器内に反応前の原料流体を供給する供給路と、
少なくとも一部が前記反応器の外表面における少なくとも一平面または外周面に接して設けられるとともに、前記反応器の内部から反応後の生成物流体を排出する排出路とを備えることを特徴とする。
【0010】
好ましくは、前記の反応装置において、前記反応器は、基体と該基体に接続され、反応空間である第1空間を形成する第1蓋体とで構成され、
前記第1蓋体から離間して該第1蓋体を覆うように、前記基体に接続され、前記第1蓋体との間に第2空間を形成する第2蓋体を備え、
前記供給路は、前記基体に設けられ、前記反応器の外部と、前記第1空間とを連通する流路であり、
前記排出路は、
前記基体に設けられ、前記第2空間と、前記第1空間とを連通する第1排出路と、
前記第2空間で構成される第2排出路と、
前記基体に設けられ、前記第2空間と前記反応器の外部とを接続する第3排出路とを有する。
【0011】
好ましくは、前記の反応装置において、平面視したときに、前記第1排出路の前記第2空間に臨む開口と、前記第3排出路の前記第2空間に臨む開口とが、前記第1空間を挟んで対向する位置に設けられている。
【0012】
好ましくは、前記第2蓋体の前記第2空間に臨む面の少なくとも一部に、前記第2空間に向かって突出する突起が設けられている。
【0013】
好ましくは、前記第2蓋体から離間して該第2蓋体を覆うように前記基体に接続された第3蓋体を備え、前記基体と前記第2蓋体と前記第3蓋体とで形成される第3空間を真空状態にする。
【0014】
好ましくは、前記基体は、前記第3空間に臨むように上面に開口する穴部を備える。
好ましくは、前記第3蓋体が接続された前記基体の表面とは反対側の面に接続された第4蓋体を備え、
前記基体は、前記第3空間と、前記基体と前記第4蓋体とで形成される第4空間とを連通する貫通孔を備える。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、反応前の原料流体は、供給路を介して反応装置外部から反応器内へと供給された後、反応器内部にて反応し、原料流体よりも高温の生成物流体となる。高温の生成物流体は、排出路から反応装置の外部へと排出される。ここで、排出路が、その少なくとも一部を反応器の外表面における少なくとも一平面または外周面に接するように設けることにより、たとえば反応器の外表面に接することなく生成物流体を排出するような排出路に比べて、ヒータなどの加熱装置の発熱量が一定の場合には、反応器内部の温度を高くすることができ、また、反応器内部を一定の温度に保持する場合に、ヒータなどの加熱装置の発熱量を小さくすることができる。
これにより、ヒータなどの加熱装置の発熱量を小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づき具体的に説明する。図1は、本発明の第1実施形態である反応装置1の構成を示す断面図である。
【0017】
図1に示されるように、本実施の形態による反応装置1は、反応器2と、反応器2に接続され、反応装置1の外部から反応器2内に対して、反応前の原料流体を供給する供給路3と、反応器2内で原料流体が反応して得られた生成物流体を、反応装置1外部へと排出するための排出路4と、反応器2の内部を加熱するためのヒータ5とを備えており、排出路4は、その少なくとも一部が反応器2の外表面における少なくとも一平面または外周面に接するように設けられる。
【0018】
なお、本実施形態において、原料生成物は、原料気体、原料液体のいずれかを含み、さらに固体原料や、触媒などの反応によって消費されない化合物を含んでいてもよく、生成物流体は、反応器2内での反応によって生成した生成物気体、生成物液体のいずれかを含み、さらに固体生成物や、触媒などの反応によって生成されない化合物を含んでいてもよい。
【0019】
反応前の原料流体は、供給路3を介して反応装置1外部から反応器2内へと供給された後、反応器2内部にて反応し、原料流体よりも高温の生成物流体となる。高温の生成物流体は、排出路4から反応装置1の外部へと排出される際に排出路4の温度を上げることになる。
【0020】
ここで、排出路4が、その少なくとも一部を反応器2の外表面における少なくとも一平面または外周面に接するように設けることにより、たとえば反応器2の外表面に接することなく生成物流体を排出するような排出路に比べて、ヒータなどの加熱装置の発熱量が一定の場合には、反応器2内部の温度を高くすることができ、また、反応器2内部を一定の温度に保持する場合に、ヒータなどの加熱装置の発熱量を小さくすることができる。
【0021】
本実施形態では、反応器2は箱型形状であり、その側壁底部に排出路4への連通孔2aが形成されている。排出路4は、連通孔2aが形成された反応器2の側壁面、上面および反対側の側壁面に沿って設けられ、これら3面を介して、反応器2との熱交換を行うように構成されている。
【0022】
本実施形態のような構成の排出路4の有無による熱量の移動の違いを説明する。
本実施形態のような構成の排出路4ではなく、反応器2内の熱が生成物流体とともに、即座に外部へ放出される場合、反応器2を加熱するヒータなどの加熱装置の発熱量をQ1、反応器2の壁を伝わる熱量をQ2、生成物流体により反応器2外部へ放出される熱量をQ3とすると、Q1=Q2+Q3となる。このうち、反応器2内の温度を上げる熱量は、Q2のみである。壁による上昇温度ΔTは、壁の熱伝導率をλ、壁の厚みをd、壁の面積をSとすると、ΔT=Q2・d/(λ・S)で表される。
【0023】
これに対して、本実施形態のような構成の排出路4が設けられる場合、上記のQ3は、排出路4の壁を伝わる熱量Q4と、生成物流体により反応器2外部へ放出される熱量Q5とに分かれる。つまり、Q3=Q4+Q5であり、反応器を加熱するヒータなどの加熱装置の発熱量Q1は、Q1=Q2+Q4+Q5となる。このうち、反応器2内の温度を上げる熱量は、Q2とQ4である。
【0024】
以上のことより、同じ発熱量Q1である場合、本実施形態のような構成の排出路4を備えることにより、反応器2内の温度を上げる熱量は、排出路4が無い場合に比べて、Q4だけ大きいため、その分反応器2内部の温度を高くすることができ、また、反応器2内部を一定温度にする場合は、ヒータなどの加熱装置の発熱量を小さくすることができる。
【0025】
反応器2の壁(上面を含む)は、排出路4の反応器2と接する壁と一体的に形成されていてもよく、別体に形成されていてもよく、排出路4内を流れる生成物流体と、反応器2内の流体(原料流体、生成物流体を含む)との間で熱交換されやすいように、熱抵抗の低い部材、たとえば金属やセラミックスなどで形成されていればよい。
【0026】
また、排出路4の流路体積を調整することで、流速を自由に調整することができ、所望の発熱量の低減効果を得ることができる。
【0027】
図2は、第2の実施形態である反応装置1の構成を示す断面図である。
反応装置1は、基体8を備え、反応器2内部の第1空間が、基体8を覆うようにして設けられた第1蓋体6と基体8とで囲まれて形成される。
【0028】
供給路3は、反応器2内部の第1空間と連通するように、基体8を厚み方向に貫通するように形成される。
【0029】
さらに、第1蓋体6を覆うように第2蓋体が設けられ、第2蓋体と基体8とで囲まれた空間内に第1蓋体6、すなわち反応器2が配置される。また、排出路の一部は、第1蓋体6と第2蓋体7とで囲まれた第2空間9として設けられる。具体的には、排出路4は、第1排出路4a、第2排出路4b、第3排出路4cからなり、第1排出路4aは、基体8の第1蓋体6を設ける側の面(以下では「上面」という)にあって、反応器2内部の第1空間に臨む開口と、同じく上面にあって、第2空間9に臨む開口とを、基体8内部で連結するように設けられる。第2排出路4bは、第2空間9が相当する。第3排出路4cは、第1排出路4aと、反応器2を挟んで反対側に、第2空間9と装置外部とが連通するように基体8を厚み方向に貫通する貫通孔として形成される。したがって、反応器2から排出される生成物流体は、第1排出路4a、第2排出路4b、第3排出路4cの順に通過して、装置外部に排出される。
【0030】
このように本実施形態の反応装置1は、供給路および排出路となる孔が形成された基体8と第1蓋体6および第2蓋体7の2つの蓋体との少ない部材数で構成することができる。
【0031】
次に、反応器2内部の第1空間における反応を具体例に基づき説明する。燃料電池に使用される水素発生装置では、水蒸気改質反応CHOH+HO→CO+3Hが行われる。供給路3を介して反応器2内に流入した気体状態のメタノール(CHOH)と水(HO)とは、第1空間において、ヒータ5により加熱された状況下で触媒により反応し、COとHに改質される。
【0032】
第1排出路4aは、第1空間内の反応によって生成されたCOおよびHを反応器2内から排出する。ここで、反応器2内の反応が不十分である場合には、第2排出路4bを流れる生成物流体に、反応前の原料流体であるCHOHおよびHOが多量に含まれる。反応器2内の反応は吸熱反応であることから、反応器2内の温度を上昇させることにより、反応器2内の反応率を高めることができる。
【0033】
次に、本実施形態の反応装置1の製造方法を説明する。第1排出路4a等の流路及びヒーター5は、基体8内に形成される。基体8としては、たとえばセラミック基板が挙げられる。セラミック基板は、酸化アルミニウム質焼結体(アルミナセラミックス)、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体、炭化珪素質焼結体等のセラミックから成り、たとえば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム(Al)、酸化珪素(SiO)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化カルシウム(CaO)等に有機溶剤、溶媒を添加混合して泥漿物(スラリー)を得、次にスラリーを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等を採用してテープ状に成形してセラミックグリーンシート(セラミック生シート)を得る。そして、所定のセラミックグリーンシートの一部を打ち抜く等により流路を形成する。さらに、セラミックグリーンシートの所望の位置にヒータの抵抗体ペーストをスクリーン印刷法により印刷する。ヒータの抵抗体ペーストは、3次元に配置することが可能であることから、長さ、面積の調整、すなわち抵抗値の調整が容易である。
【0034】
また、グリーンシートを基体8の厚み方向に貫通させ、ペーストを充填することにより、ヒータ5に電力を供給するための基体8の表面の配線およびセラミック層間の配線の電気的接続が可能となる。しかる後、セラミックグリーンシートを複数枚積層し、レーザー加工法等により、断面が長方形の流路形状に加工する。その後、これを高温(約1600℃)で焼成することにより、基体8が得られる。
【0035】
また、基体8は、炭化珪素質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体等から成っていてもよい。基体8が炭化珪素質焼結体から成る場合は、高温で高強度であることから、流路を高温で使用する場合に信頼性が高いものとなる。また、基体8が窒化アルミニウム質焼結体から成る場合、その窒化アルミニウム質焼結体としては、たとえば窒化アルミニウム含有量が97〜99重量%であり、Al等の酸化物を1〜3重量%の範囲で含むもの、または窒化アルミニウム含有量が91〜99重量%であり、Y,Yb,又はEr等の希土類元素酸化物を1〜9重量%の範囲で含むものが挙げられる。
【0036】
また、第1蓋体6および第2蓋体7は、金属板をプレス加工することにより、作製される。基体8上面における第1蓋体6および第2蓋体7との接合部には、基体8上面に導体配線(図示せず)を形成することにより、この導体配線と蓋体との間での溶接やロウ材等の接合が可能となる。たとえば、基体8上面に形成された導体配線に、基体8上面における第1蓋体6を設置し、電子ビーム溶接により、基体8と基体8上面における第1蓋体6とが溶接される。
【0037】
図3は、第2の実施形態である反応装置1の平面透視図である。
平面視したときに、第1排出路4aの第2空間9に臨む開口と第3排出路4cの第2空間に臨む開口とが、反応器2を挟んで対向する位置に設けられている。これにより、反応後の高温生成物流体は、第1排出路4aに排出され、第2空間9で構成される第2排出路4bを十分に長い時間かけて流れ、第3排出路4cから排出される。そのため、第2排出路4bである第2空間9内での滞留時間が長く、第2空間9内の温度をより高くすることができる。よって、ヒータなどの加熱装置の発熱量が一定の場合では、反応器2内の温度をより高くすることができ、また、反応器2内を一定温度に保持する場合は、発熱量をより小さくすることができる。
【0038】
図4は、第3の実施形態である反応装置1の構成を示す断面図である。本実施形態は、第2の実施形態に類似の構成であり、第2実施形態と同じ部位については同じ参照符号を付して、説明を省略する。
【0039】
本実施形態の特徴となる構成は、第2蓋体7の第2空間9、すなわち第2排出路4bに臨む面の少なくとも一部に、第2排出路4bに向かって突出する突起10が設けられていることである。反応後の高温生成物流体は、第1排出路4aに排出され、第2空間9で構成される第2排出路4bで突起10表面に接触するように流れ、第3排出路4cから排出される。そのため、反応後の高温生成物流体の熱が突起10表面を介して第2蓋体7に伝熱されることになり、第2空間9の温度をより高くすることができる。よって、ヒータなどの加熱装置の発熱量を一定とする場合は、反応器2内の温度をより高くすることができ、また、反応器2内を一定温度にする場合には、発熱量をより小さくすることができる。また、突起10は、生成物流体よりも温度の低い第2蓋体7に設置することで、生成物流体の熱量が第2蓋体7に移動し、第2空間9の温度が上昇する。
【0040】
図4では、上面に1つの突起10が、生成物流体の流れ方向に沿って延びるように設けられているが、発熱量の低減効果をさらに大きくするために、突起10の数を複数にしたり、側面に設置してもかまわない。
【0041】
また、生成物流体の熱量が、第2蓋体7に移動しやすいように、突起10は、第2蓋体7と同じ材料で、一体的に形成されることが好ましい。
【0042】
図5は、第4の実施形態である反応装置1の構成を示す断面図である。本実施形態は、第2の実施形態に類似の構成であり、第2実施形態と同じ部位については同じ参照符号を付して、説明を省略する。
【0043】
本実施形態では、第2蓋体7から離間して第2蓋体7を覆うように基体8に接続された第3蓋体11を備え、基体8と第2蓋体7と第3蓋体11とにより形成される第3空間12を真空状態にしている。これにより、第2蓋体7の熱は、真空状態の第3空間12により、気体の熱伝導や熱伝達で熱が伝わらない。つまり、第3蓋体11内部は、真空断熱されることになり、第2空間9の温度の低下を抑制することができるので、第2空間9の温度を高くすることができる。よって、ヒータなどの加熱装置の発熱量を一定とする場合では、反応器2内の温度をより高くすることができ、また、反応器2内を一定温度にする場合には、発熱量をより小さくすることができる。
【0044】
図6は、第5の実施形態である反応装置1の構成を示す断面図である。本実施形態は、第4の実施形態に類似の構成であり、第4実施形態と同じ部位については同じ参照符号を付して、説明を省略する。
【0045】
本実施形態では、基体8の、第1排出路4a近傍にあって、第3空間に臨むように上面に開口する穴部13が設けられる。この穴部13を設けることによって、第2蓋体7から基体8介して第3蓋体11へ伝わる熱の伝熱経路において、基体8内部の伝熱方向の断面積を小さくすることができるので、伝熱抵抗が大きくなり、第2蓋体7と第3蓋体11との温度差が大きくなる。これにより、第2空間9の温度をより高くすることができる。よって、ヒータなどの加熱装置の発熱量を一定とする場合では、反応器2内の温度をより高くすることができ、また、反応器2内を一定温度にする場合には、発熱量をより小さくすることができる。
【0046】
また、図6では、基体8の1部に穴部13が形成されているが、基体8の、第3空間12に臨む上面に開口する穴部を連続して形成し、第2蓋体を平面方向に囲むような溝形状としてもよい。
【0047】
図7は、第6の実施形態である反応装置1の構成を示す断面図である。本実施形態は、第5の実施形態に類似の構成であり、第5実施形態と同じ部位については同じ参照符号を付して、説明を省略する。
【0048】
本実施形態では、第3蓋体11が設けられた基体8の上面とは反対側の面(以下では「下面」という)に設けられた第4蓋体14を備え、第4蓋体14と基体8とで囲まれた第4空間15が形成される。さらに、第3空間12と第4空間15とを連通する貫通孔16が、基体8を上面から下面にかけて厚み方向に貫通するように設けられ、第3空間12と同様に、第4空間15も真空状態とする。この貫通孔16によって、第2蓋体7から基体8を介して第3蓋体11へ伝わる熱の伝熱経路において、基体8内部の伝熱方向の断面積をより小さくすることができるので、伝熱抵抗がさらに大きくなり、第2蓋体7と第3蓋体11との温度差がさらに大きくなる。これにより、第2空間9の温度をより高くすることができる。よって、ヒータなどの加熱装置の発熱量を一定とする場合では、反応器2内の温度をより高くすることができ、また、反応器2内を一定温度にする場合には、発熱量をより小さくすることができる。
【0049】
第4蓋体14と基体8とで囲まれた第4空間15を真空状態とすることにより、基体8に形成した貫通孔16により、第3空間12が真空状態で無くなることを防いでいる。
【0050】
また、供給路3および第3排出路4cは、基体8を貫通するのではなく、基体8の上面の開口を介して、原料流体の供給、生成物流体の排出を行うように、基体8の内部に、屈曲路として形成される。
【0051】
また、図7では、基体8の一部に貫通孔16が形成されているが、基体8の、第3空間12に臨む上面に開口する貫通孔を連続して形成し、分割形状としてもかまわない。
【0052】
以上のように、本発明により、反応器2内の温度をより高くすることができ、また、反応器2内を一定温度にする場合には、ヒータなどの加熱装置の発熱量をより小さくすることができる反応装置1は、たとえば携帯電話やノートパソコンに使用され、発熱量(消費電力)の影響が大きい小型の燃料改質器を利用した反応システム等に適用する場合に特に有効である。
【0053】
さらに、本実施形態の反応装置1においては、ヒータ5を基体8の内部に形成し、反応器2の反応空間である第1空間に近接させてヒータ5を配置できることから、比較的短時間に温度負荷を与えることができ、必要最小限の温度負荷で、反応器2内の温度を変化させることができる。
【0054】
また、反応器2を複数設けることにより、各反応器で異なる段階の反応を実施することができ、1つの反応装置1において、多段式の反応を行うこともできる。
【0055】
なお、本発明の反応装置は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。
【図面の簡単な説明】
【0056】
【図1】本発明の第1実施形態である反応装置1の構成を示す断面図である。
【図2】第2の実施形態である反応装置1の構成を示す断面図である。
【図3】第2の実施形態である反応装置1の平面透視図である。
【図4】第3の実施形態である反応装置1の構成を示す断面図である。
【図5】第4の実施形態である反応装置1の構成を示す断面図である。
【図6】第5の実施形態である反応装置1の構成を示す断面図である。
【図7】第6の実施形態である反応装置1の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【0057】
1 反応装置
2 反応器
3 供給路
4 排出路
5 ヒータ
6 第1蓋体
7 第2蓋体
8 基体
10 突起
11 第3蓋体
13 穴部
14 第4蓋体
16 貫通孔

【特許請求の範囲】
【請求項1】
反応器と、
前記反応器に接続され、外部から前記反応器内に反応前の原料流体を供給する供給路と、
少なくとも一部が前記反応器の外表面における少なくとも一平面または外周面に接して設けられるとともに、前記反応器の内部から反応後の生成物流体を排出する排出路とを備えることを特徴とする反応装置。
【請求項2】
前記反応器は、基体と該基体に接続され、反応空間である第1空間を形成する第1蓋体とで構成され、
前記第1蓋体から離間して該第1蓋体を覆うように、前記基体に接続され、前記第1蓋体との間に第2空間を形成する第2蓋体を備え、
前記供給路は、前記基体に設けられ、前記反応器の外部と、前記第1空間とを連通する流路であり、
前記排出路は、
前記基体に設けられ、前記第2空間と、前記第1空間とを連通する第1排出路と、
前記第2空間で構成される第2排出路と、
前記基体に設けられ、前記第2空間と前記反応器の外部とを接続する第3排出路とを有することを特徴とする請求項1記載の反応装置。
【請求項3】
平面視したときに、前記第1排出路の前記第2空間に臨む開口と、前記第3排出路の前記第2空間に臨む開口とが、前記第1空間を挟んで対向する位置に設けられていることを特徴とする請求項2記載の反応装置。
【請求項4】
前記第2蓋体の前記第2空間に臨む面の少なくとも一部に、前記第2空間に向かって突出する突起が設けられていることを特徴とする請求項2または3記載の反応装置。
【請求項5】
前記第2蓋体から離間して該第2蓋体を覆うように前記基体に接続された第3蓋体を備え、前記基体と前記第2蓋体と前記第3蓋体とで形成される第3空間を真空状態にしたことを特徴とする請求項2〜4のいずれか1つに記載の反応装置。
【請求項6】
前記基体は、前記第3空間に臨むように上面に開口する穴部を備えることを特徴とする請求項5記載の反応装置。
【請求項7】
前記第3蓋体が接続された前記基体の表面とは反対側の面に接続された第4蓋体を備え、
前記基体は、前記第3空間と、前記基体と前記第4蓋体とで形成される第4空間とを連通する貫通孔を備えることを特徴とする請求項5記載の反応装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2009−203136(P2009−203136A)
【公開日】平成21年9月10日(2009.9.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−48877(P2008−48877)
【出願日】平成20年2月28日(2008.2.28)
【出願人】(000006633)京セラ株式会社 (13,660)
【Fターム(参考)】