反応装置
【課題】触媒の剥がれ等が生じることなく、触媒の搭載面積を大きくし、かつ、小型化を図ることのできる反応装置を提供する。
【解決手段】改質器４００は、下方が開口したカップ体４１０と、カップ体４１０の開口を塞ぐ底板４３０と、カップ体４１０内に収容されて底板４３０上に立設された複数の棒材４２０，４２０，…と、を備える。
【解決手段】改質器４００は、下方が開口したカップ体４１０と、カップ体４１０の開口を塞ぐ底板４３０と、カップ体４１０内に収容されて底板４３０上に立設された複数の棒材４２０，４２０，…と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数段階の反応を経て液体燃料から水素を生成する反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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などに搭載するため開発が進められている。燃料電池は、燃料と大気中の酸素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装置である。
【０００３】
燃料電池に用いる燃料としては水素単体が挙げられるが、常温、常圧で気体であることによる取り扱いに問題がある。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、アルコール類及び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、液体燃料及び水を気化させる気化器、気化された液体燃料と高温の水蒸気を反応させることによって、発電に必要な水素を取り出す改質器、改質反応の副生成物である一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器等が必要となることがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このような改質型燃料電池を小型化するために、気化器、改質器、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、溝が形成された金属基板を接合したものであり、その溝が流路となる。また、各流路には反応を促進させるための触媒が形成されている。
【特許文献１】特開２００２−３５６３１０号公報
【特許文献２】特開２００５−１３２７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述のようなマクロリアクタは、携帯機器への実装のため、システムとして小型化することが要求されている。また、システム全体の熱損失が大きく、高効率にならないという問題があった。さらに、マイクロリアクタを小型化した場合、触媒の搭載面積が小さくなり設計値通りの触媒量を搭載するためには、触媒層を厚くしなければならず、触媒層を厚くすると触媒の剥がれ等の問題が生じていた。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、触媒の剥がれ等が生じることなく、触媒の搭載面積を大きくし、かつ、小型化を図ることのできる反応装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、反応物の反応を起こす反応器を備える反応装置において、
前記反応器は、
下方が開口した箱体と、
前記箱体の開口を塞ぐ底板と、
前記底板によって前記箱体の開口を塞いで形成される空間内に反応原料を導入する導入口と、前記空間内に導入された反応原料が反応した後、反応物を前記反応器の外に排出する排出口と、
前記箱体内に収容されて前記底板上に立設された複数の棒材と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の反応装置において、
前記複数の棒材のうち前記排出口側の棒材は、前記導入口側の棒材よりも密に配置されていることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１に記載の反応装置において、
前記複数の棒材のうち前記排出口側の棒材は、前記導入口側の棒材よりも長さが長いことを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の反応装置において、
前記棒材の断面が円形状であることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の反応装置において、
前記棒材の断面が多角形状であることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の反応装置において、
前記棒材の表面に触媒が担持されていることを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の反応装置において、
前記反応器が、アルコールや炭化水素系の物質を含む燃料を改質して、水素を主成分とする気体を生成する改質反応器であることを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の反応装置において、
前記反応器が、一酸化炭素を含有する気体の一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させる、一酸化炭素除去器であることを特徴とする。
請求項９の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の反応装置において、
前記反応装置は、反応物に反応を起こす高温反応部と、
前記高温反応部よりも低温で反応物の反応を起こす低温反応部と、
前記高温反応部と前記低温反応部との間で反応物及び生成物を送る連結部と、を備え、
前記高温反応部及び前記低温反応部の少なくとも一方は、前記反応器を備えることを特徴とする。
請求項１０の発明は、請求項９に記載の反応装置において、
前記高温反応部は、アルコールや炭化水素系の物質を含む燃料を改質して、水素を主成分とする気体を生成する改質反応部で、
前記低温反応部は、一酸化炭素を含有する気体の一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させる、一酸化炭素除去部であることを特徴とする。
請求項１１の発明は、請求項１〜９のいずれか一項に記載の反応装置において、
前記反応装置は、更に、前記反応器の全体を覆い、内部が大気に対して減圧とされる断熱容器を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、触媒の剥がれ等が生じることなく、触媒の搭載面積を大きくできるとともに小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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の技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を実施形態及び図示例に限定するものではない。
図１は、マイクロリアクタモジュール６００の側面図である。このマイクロリアクタモジュール６００は、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ものである。
【００１０】
図１に示すように、このマイクロリアクタモジュール（反応装置）６００は、反応物の供給や生成物の排出が行われるパイプ群６０２と、動作に要する適正な温度が高温な改質反応が起こる高温反応部６０４と、動作適正温度が高温反応部６０４の動作適正温度よりも低温な選択酸化反応が起きる低温反応部６０６と、高温反応部６０４と低温反応部６０６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６０８とを具備する。
【００１１】
図２は、マイクロリアクタモジュール６００を機能ごとに分けた場合の概略側面図である。図２に示すように、パイプ群６０２には主に気化器６１０及び第一燃焼器６１２が設けられている。第一燃焼器６１２には、少なくとも一部が気化されている燃料（例えば、水素ガス、メタノールガス等）と、この燃料を燃焼するための酸素を含む空気等の酸素源となる気体と、がそれぞれ別々に或いは混合された流体として供給され、これらの流体が第一燃焼器６１２内の触媒によって燃焼して熱を発する。気化器６１０には水と液体燃料（例えば、メタノール、エタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル等のエーテル類、ガソリン等の化石燃料）がそれぞれ別々に或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６１２における燃焼熱が気化器６１０内に伝搬することによって水と液体燃料が気化器６１０内において気化する。
【００１２】
高温反応部６０４には主に第二燃焼器６１４と、第二燃焼器６１４の上に設けられた改質器（反応器）４００とが設けられている。第二燃焼器６１４には、少なくとも一部が気化されている燃料（例えば、水素ガス、例えば、メタノール、エタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル等のエーテル類、ガソリン等の化石燃料等）と、この燃料を燃焼するための酸素を含む空気等の酸素源となる気体と、がそれぞれ別々に或いは混合された流体として供給され、流体の触媒燃焼によって熱が発する。
なお、燃料電池がマイクロリアクタモジュール６００から供給された水素ガスによって電気化学反応を発生した後に燃料電池から排出されたオフガス中に未反応の水素ガスが含まれている場合があり、第一燃焼器６１２及び第二燃焼器６１４の少なくともいずれか一方は、この未反応の水素ガスを、酸素を含んだ空気等の気体で燃焼して熱を発するようにしても良い。勿論、第一燃焼器６１２及び第二燃焼器６１４の少なくともいずれか一方は、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、ブタン、ジメチルエーテル、ガソリン等）を、別の気化器によって気化し、その気化した燃料を、酸素を含んだ空気等の気体で燃焼するようにしても良い。
【００１３】
第二燃焼器６１４が、燃料電池から排出されたオフガスを燃焼する場合、まず起動時に、改質器４００が後述する電熱線７２２によって加熱されて水素を生成し、この水素が供給される燃料電池から水素を含むオフガスが定常的に排出されてきたら、第二燃焼器６１４はオフガス中の水素を燃焼して改質器４００を加熱する。電熱線７２２は、第二燃焼器６１４が主熱源になると、補助的な熱源に切り替わるよう印加電圧を低くする。
この改質器４００には気化器６１０から水と燃料の混合気が供給され、改質器４００が第二燃焼器６１４によって所定温度に加熱される。加熱された改質器４００では水と燃料から水素ガス等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り、第二燃焼器６１４の燃焼熱が用いられる。
【００１４】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2 …（１）
【００１５】
２ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→５Ｈ2＋ＣＯ＋ＣＯ2 …（２）
【００１６】
低温反応部６０６には主に一酸化炭素除去器（反応器）５００が設けられている。一酸化炭素除去器５００は、第一燃焼器６１２によって加熱された状態で、改質器４００から水素ガス、一酸化炭素ガス等を含む混合気が供給され、更に空気等の酸素源が供給される。一酸化炭素除去器５００では混合気のうち一酸化炭素が選択的に酸化され、これにより次式（３）のような化学反応が起こり、一酸化炭素が除去される。
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２ …（３）
一酸化炭素が除去された状態の水素を主体とする混合気が燃料電池の燃料極に供給される。
【００１７】
マイクロリアクタモジュール６００の具体的な構成について図１、図３〜図８を用いて説明する。図３は、マイクロリアクタモジュール６００の分解斜視図であり、図４は、改質器４００の分解斜視図であり、図５は、一酸化炭素除去器５００の分解斜視図であり、図６は、図１の切断線VI−VIに沿った面の矢視断面図であり、図７は、図１の切断線VII
−VIIに沿った面の矢視断面図であり、図８は、図１の切断線VIII−VIIIに沿った面の矢
視断面図である。
【００１８】
図１、図３、図６に示すように、パイプ群６０２は、コバール（ＮｉＦｅＣｏ合金）からなる液体燃料導入管６２２と、液体燃料導入管６２２の上端部において液体燃料導入管６２２を囲むように設けられたコバール（ＮｉＦｅＣｏ合金）からなる燃焼器プレート６２４と、液体燃料導入管６２２の周囲に配列されたコバール（ＮｉＦｅＣｏ合金）からなる５本の管材６２６，６２８，６３０，６３２，６３４とを具備する。燃焼器プレート６２４は硬蝋付けによって液体燃料導入管６２２及び低温反応部６０６と接合されており、蝋剤としては、液体燃料導入管６２２や燃焼器プレート６２４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、好ましくは融点が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。燃焼器プレート６２４は、液体燃料導入管６２２が低温反応部６０６に接合されるためのフランジとしても機能する。
【００１９】
液体燃料導入管６２２内には吸液材６２３が充填されている。吸液材６２３は液体を吸収するものであり、吸液材６２３としては無機繊維又は有機繊維を結合材で固めたものでもよく、無機粉末を焼結したものであったり、無機粉末を結合材で固めたものでもよく、グラファイトとグラッシーカーボンの混合体でもよい。具体的には、フェルト材、セラミック多孔質材、繊維材、カーボン多孔質材といったものが吸液材６２３として用いられる。
【００２０】
燃焼器プレート６２４の中央部６２４Ａに貫通孔が形成され、その貫通孔に液体燃料導入管６２２が嵌め込まれ、液体燃料導入管６２２と燃焼器プレート６２４が接合されている。また、燃焼器プレート６２４の一方の面には隔壁６２４Ｂが凸設されている。隔壁６２４Ｂは一部が燃焼器プレート６２４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、燃焼器プレート６２４が低温反応部６０６の下面に接合されることによって、接合面に燃焼用流路６２５が形成され、液体燃料導入管６２２が燃焼用流路６２５によって囲繞されている。燃焼用流路６２５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、白金が挙げられる。なお、液体燃料導入管６２２内の吸液材６２３は燃焼器プレート６２４の位置まで充填されている。
【００２１】
図１、図３に示すように、高温反応部６０４、低温反応部６０６及び連結部６０８は、ベースプレート６４２を共通の基体としている。ベースプレート６４２の一方の面上に板材６９０、棒材４２０，５２０、カップ体４１０，５１０が設けられ、これらにより高温反応部６０４、低温反応部６０６及び連結部６０８といった反応容器が形成されている。この反応容器を形成するベースプレート６４２の他方の面に、絶縁プレート６４０が設けられている。
【００２２】
ベースプレート６４２は、コバール（ＮｉＦｅＣｏ合金）からなり、低温反応部６０６の基体となるベース部６５２と、高温反応部６０４の基体となるベース部６５４と、連結部６０８の基体となる連結ベース部６５６とを備える。ベースプレート６４２は、ベース部６５２とベース部６５４と連結ベース部６５６とを一体形成したものであり、連結ベース部６５６において括れた状態とされている。
【００２３】
絶縁プレート６４０は、低温反応部６０６の基体となるベース部６６２と、高温反応部６０４の基体となるベース部６６４と、連結部６０８の基体となる連結ベース部６６６とからなる。絶縁プレート６４０は、ベース部６６２とベース部６６４と連結ベース部６６６とを一体形成したものであり、連結ベース部６６６において括れた状態とされている。この絶縁プレート６４０は、セラミック等の電気絶縁体からなる。
【００２４】
ここで、絶縁プレート６４０を形成する電気絶縁体の線膨張係数は、カップ体４１０，５１０、棒材４２０，５２０、板材６９０、ベースプレート６４２等の反応容器を形成する金属材料の線膨張係数の７０〜１３０％であることが好ましく、９０〜１１０％であることがより好ましく、等しいことが最も好ましい。
【００２５】
このような絶縁プレート６４０となる電気絶縁体と絶縁プレート６４０に接するベースプレート６４２となる反応容器材料としては、例えば、電気絶縁体にムライト（３Ａｌ2
Ｏ3・２ＳｉＯ2，線膨張係数５．０×１０-6／℃）を、反応容器材料としてコバール（ＦｅＮｉＣｏ合金、線膨張係数５．１６×１０-6／℃）を用いる組み合わせが挙げられるが、これに限られない。
【００２６】
図３、図７に示すように、ベースプレート６４２に絶縁プレート６４０を接合した状態で、貫通孔６７１〜６７８がベースプレート６４２のベース部６５２及び絶縁プレート６４０のベース部６６２を貫通している。図１、図３に示すように、絶縁プレート６４０のベース部６６２が低温反応部６０６の下面部となり、低温反応部６０６の下面に管材６２６，６２８，６３０，６３２，６３４及び液体燃料導入管６２２がそれらのフランジ部で接合されている。ここで、管材６２６が貫通孔６７１に通じ、管材６２８が貫通孔６７２に通じ、管材６３０が貫通孔６７３に通じ、管材６３２が貫通孔６７４に通じ、管材６３４が貫通孔６７５に通じ、液体燃料導入管６２２が貫通孔６７８に通じている。また、図３、図６、図７に示すように、燃焼器プレート６２４が低温反応部６０６の下面に接合されており、燃焼器プレート６２４の燃焼用流路６２５の一端部が貫通孔６７６に通じ、燃焼用流路６２５の他端部が貫通孔６７６に通じている。
【００２７】
図７に示すように、ベースプレート６４２には、一方の面に改質燃料供給流路７０２と、連通流路７０４と、空気供給流路７０６と、混合室７０８と、燃焼燃料供給流路７１０と、第二燃焼器６１４となる燃焼室７１２と、排ガス流路７１４と、燃焼燃料供給流路７１６と、排気室７１８となる溝が形成されるように、これらの溝よりも高さが一段高くなっているステージ６４１及びステージ６４３がそれぞれベース部６５２及びベース部６５４に設けられている。
【００２８】
改質燃料供給流路７０２は、低温反応部６０６の貫通孔６７８から連結部６０８の連結ベース部６５６を通って高温反応部６０４のベース部６５４の角部にまで至るよう形成されている。
【００２９】
連通流路７０４は、高温反応部６０４のベース部６５４の角部から連結ベース部６５６を通って混合室７０８まで至るように形成されている。空気供給流路７０６は、低温反応部６０６の貫通孔６７５から混合室７０８及び連通流路７０４の合流部まで至るように形成されている。
【００３０】
燃焼室７１２は、ベース部６５４の中央部においてＣ字状の底面７１１によって形成されている。板材６９０の下面及び底板７１１の上面を含む燃焼室７１２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。
【００３１】
燃焼燃料供給流路７１０は、貫通孔６７２から連結ベース部６５６を通って燃焼室７１２まで至るように形成されている。排ガス流路７１４は、貫通孔６７７から貫通孔６７３に至るように形成されているとともに、燃焼室７１２から連結ベース部６５６を通って貫通孔６７３に至るように形成されている。燃焼燃料供給流路７１６は、ベース部６５２において貫通孔６７４から貫通孔６７６に至るように形成されている。排気室７１８は、ベース部６５２においてステージ６４１より一段低い矩形状の凹部として形成され、排気室７１８の角部に貫通孔６７１が通じている。
【００３２】
ベース部６５４上に改質器４００が設けられている。図４、図８に示すように、この改質器４００は、下面で開口したカップ体（箱体）４１０と、カップ体４１０内に収容された複数の棒材４２０，４２０，…と、カップ体４１０の下側開口を閉塞した底板４３０とを備える。
【００３３】
カップ体４１０は、正方形又は長方形に成した天板４１２と、天板４１２の四つの辺のうち相対する二辺において天板４１２に対して垂直に連なった状態で接続された一対の側板４１４，４１４と、天板４１２の別の相対する二辺において天板４１２に対して垂直に連なった状態で接続された一対の側板４１６，４１６とを有する。側板４１４は側板４１６に対して垂直に連なった状態で接続され、これら四枚の側板４１４，４１４，４１６，４１６によって正方形枠状又は長方形枠状に設けられている。
【００３４】
底板４３０が天板４１２と平行となるよう底板４３０の縁部が側板４１４，４１４，４１６，４１６の下辺部に接合されている。このようにカップ体４１０の下面開口が底板４３０によって閉塞されることで、中空を有する平行六面体状の箱体が構成される。
【００３５】
図９は、一本の棒材４２０と底板４３０とを示した斜視図である。
棒材４２０は、ｓｕｓ３０４（もしくはコバール材、３０４以外のＳＵＳ材等）からなり、断面視略矩形状の棒状部材であって、その下端部が底板４３０に固定されるように拡径したフランジ部４２１を有している。なお、図９以外の図面では図面の関係上、フランジ部４２１の図示を省略している。そして、棒材４２０，４２０，…のフランジ部４２１が底板４３０の上面に蝋付けにより接合されている。図３及び図８に示すように、複数の棒材４２０，４２０，…は、底板４３０上に、板材６９０の幅方向に沿って等間隔に一直線上に配置され、さらにこの幅方向に沿って並べられた列４２２が、板材６９０の長手方向に沿って等間隔に複数段配置されている。長手方向に沿って互いに隣接する列４２２，４２２同士は、各列４２２，４２２の両端部に位置する棒材４２０，４２０同士が長手方向に沿って一直線上ではなく、互い違いにジグザグ状となるように配置されている。
また、棒材４２０の上端部はカップ体４１０の天板４１２に当接しても当接しなくとも良い。当接する場合、好ましくは蝋付けにより接合されている。
【００３６】
このように複数の棒材４２０，４２０，…がカップ体４１０に収容されているので、カップ体４１０と底板４３０とによる中空が複数の棒材４２０，４２０，…の列４２２，４２２，…によって複数の空間４１８，４１８，…に区画されている。これら複数の空間４１８，４１８，…のうち、底板５３０と反対側にある空間４１８に通じる導入口４３２が底板４３０に形成され、底板５３０側にある空間４１８に通じる排出口４３４が底板４３０に形成されている。そのため、カップ体４１０と底板４３０とによる中空が導入口４３２から排出口４３４までの流路となる。
【００３７】
図１、図３に示すように、改質器４００の底板４３０がベース部６５４の上面に位置するステージ６４３に接合されている。底板４３０によって、改質燃料供給流路７０２の一部と、排ガス流路７１４の一部と、燃焼燃料供給流路７１０の一部と、連通流路７０４の一部と、燃焼室７１２とが蓋される。底板４３０に形成された導入口４３２は改質燃料供給流路７０２の端部７０３の上に位置され、底板４３０に形成された排出口４３４は連通流路７０４の端部７０５の上に位置されている。
【００３８】
この改質器４００においては、カップ体４１０と底板４３０の内面や棒材４２０に改質触媒（例えば、Ｃｕ／ＺｎＯ系触媒やＰｄ／ＺｎＯ系触媒）が担持されている。
【００３９】
ベース部６５２上に一酸化炭素除去器５００が設けられている。この一酸化炭素除去器５００は、下面で開口したカップ体（箱体）５１０と、カップ体４１０の下側開口を閉塞した底板５３０と、カップ体５１０内に収容された複数の棒材５２０，５２０，…と、を備える。
【００４０】
カップ体４１０，５１０、棒材４２０，５２０及び底板４３０，５３０は、コバール（ＮｉＦｅＣｏ合金）からなるものが好ましく、後述する絶縁プレート６４０を形成する電気絶縁体の線膨張係数の７０〜１３０％であることが好ましく、９０〜１１０％であることがより好ましい。
【００４１】
カップ体５１０は、正方形状又は長方形状の天板５１２と、天板５１２の四つの辺のうち相対する二辺において天板５１２に対して垂直に連なった状態で接続された一対の側板５１４，５１４と、天板５１２の別の相対する二辺において天板５１２に対して垂直に連なった状態で接続された一対の側板５１６，５１６とを有する。側板５１４は側板５１６に対して垂直に連なった状態で接続されて.いる。
【００４２】
底板５３０が天板５１２と平行となるよう底板５３０の縁部が側板５１４，５１４，５１６，５１６の下辺部に接合され、中空を有する平行六面体状の箱体が構成されている。セパレート板５５０は、底板５３０及び天板５１２と平行となるようカップ体５１０内に収容され、セパレート板５５０の縁が側板５１４，５１４，５１６，５１６の上下中腹部に接合されている。
【００４３】
棒材５２０も、棒材４２０（図９参照）と同様に、同一材料、略同一形状となっており、断面視略矩形状の棒状部材であって、その下端部が底板５３０に固定されるように拡径したフランジ部（図示しない）を有している。そして、複数の棒材５２０，５２０，…の各フランジ部が底板５３０の上面に蝋付けにより接合されている。図３及び図８に示すように、複数の棒材５２０，５２０，…は、底板５３０上に、板材６９０の幅方向に沿って一直線上に配置され、さらにこの幅方向に沿って並べられた列５２２が、板材６９０の長手方向に沿って等間隔に複数段配置されている。長手方向に沿って互いに隣接する列５２２，５２２同士は、各列５２２，５２２の両端部に位置する棒材５２０，５２０同士が長手方向に沿って一直線上ではなく、互い違いにジグザグ状となるように配置されている。
【００４４】
このように複数の棒材５２０，５２０，…がカップ体５１０に収容されているので、カップ体５１０と底板５３０とによる中空が複数の列５２２，５２２によって複数の空間５１８，５１８，…に区画されている。これら複数の空間５１８，５１８，…のうち、底板４３０と反対側にある空間５１８に通じる導入口５３２が底板５３０に形成され、底板４３０側にある空間に通じる排出口５３４が底板５３０に形成されている。そのため、カップ体５１０と底板５３０とによる中空が導入口５３２から排出口５３４までの流路となる。
【００４５】
図１、図３に示すように、一酸化炭素除去器５００の底板５３０がベース部６５２の上面に接合されている。底板５３０によって、改質燃料供給流路７０２の一部と、排ガス流路７１４の一部と、燃焼燃料供給流路７１０の一部と、連通流路７０４の一部と、空気供給流路７０６と、混合室７０８と、燃焼燃料供給流路７１６と、排気室７１８とが蓋される。底板５３０に形成された導入口５３２は混合室７０８の角部７０９の上に位置され、底板５３０に形成された排出口５３４は排気室７１８の角部７１９の上に位置されている。
【００４６】
この一酸化炭素除去器５００においては、カップ体５１０と底板５３０の内面や棒材５２０に一酸化炭素選択酸化触媒（例えば、白金等）が担持されている。
【００４７】
図３に示すように、改質器４００の底板４３０と一酸化炭素除去器５００の底板５３０とは連結蓋６８０によって連結された状態で一体形成されている。底板４３０と底板５３０と連結蓋６８０とを一体にした板材６９０は、連結蓋６８０において括れた状態とされている。この板材６９０がベースプレート６４２に接合されているが、板材６９０の連結蓋６８０はベースプレート６４２の連結ベース部６５６に接合され、これにより連結部６０８が構成される。この連結部６０８においては、改質燃料供給流路７０２の一部と、排ガス流路７１４の一部と、燃焼燃料供給流路７１０の一部と、連通流路７０４の一部とが連結蓋６８０によって蓋される。
【００４８】
図１等に示すように、連結部６０８の外形は角柱状とされ、連結部６０８の幅が高温反応部６０４の幅及び低温反応部６０６の幅よりも狭く、連結部６０８の高さも高温反応部６０４及び低温反応部６０６の高さよりも低い。そのため、高温反応部６０４の適正温度及び低温反応部６０６の適正温度の差を保持でき、さらに高温反応部６０４の熱損失を抑えることができるとともに、低温反応部６０６が設定温度以上に昇温することも抑えることができる。そして、連結部６０８は高温反応部６０４と低温反応部６０６との間に架設されているが、連結部６０８は高温反応部６０４の幅方向中央部において高温反応部６０４に連結しているとともに低温反応部６０６の幅方向中央部において低温反応部６０６に連結している。そのため、高温反応部６０４の適正温度及び低温反応部６０６の適正温度の差によって生じる熱膨張の差に基づく連結部６０８への応力を最小限に抑え、連結部６０８から流体が漏洩することを防止できる。しかし、このように連結部６０８は小さいために応力に対して十分強い剛性を有していない。
【００４９】
なお、上述したように、連結部６０８には、改質燃料供給流路７０２、連通流路７０４、燃焼燃料供給流路７１０及び排ガス流路７１４が設けられている。
【００５０】
パイプ群６０２、高温反応部６０４、低温反応部６０６及び連結部６０８の内側に設けられた流路の経路は図１０、図１１に示すようになる。ここで図１０、図１１と図２の対応関係について説明すると、液体燃料導入管６２２が気化器６１０に相当し、燃焼用流路６２５が第一燃焼器６１２に相当し、燃焼室７１２が第二燃焼器６１４に相当する。
【００５１】
図３に示すように、低温反応部６０６の下面つまり絶縁プレート６４０の下面には、電熱線７２０が蛇行した状態にパターニングされ、低温反応部６０６から連結部６０８を通って高温反応部６０４にかけてこれらの下面には、電熱線７２２が蛇行した状態にパターニングされている。低温反応部６０６の下面から燃焼器プレート６２４の表面を通って液体燃料導入管６２２の側面にかけて電熱線７２４がパターニングされている。ここで、液体燃料導入管６２２の側面及び燃焼器プレート６２４の表面には、窒化シリコン、酸化シリコン等の絶縁膜が成膜され、その絶縁膜の表面に電熱線７２４が形成されている。絶縁膜又は絶縁プレート６４０に電熱線７２０，７２２，７２４をパターニングすることで、印加しようとする電圧が金属材料製のベースプレート６４２、液体燃料導入管６２２、燃焼器プレート６２４等にほとんど掛かることがなく、電熱線７２０，７２２，７２４に供給されるので電熱線７２０，７２２，７２４の発熱効率を向上させることができる。
電熱線７２０，７２２，７２４は、絶縁プレート６４０側から密着層、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７２０，７２２，７２４に電圧が印加されると電流が集中的に流れて発熱する。拡散防止層には、発熱層の材料が拡散防止層や密着層に対して拡散しないように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。密着層は、拡散防止層が絶縁プレート６４０に対して密着性が優れていない場合に用いられるものであり、拡散防止層に対しても絶縁プレート６４０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７２０は、起動時に低温反応部６０６を加熱し、電熱線７２２は、起動時に高温反応部６０４及び連結部６０８を加熱し、電熱線７２４は、パイプ群６０２の気化器５０２及び第一燃焼器６１２を加熱する。この後、マイクロリアクタモジュール６００から排出された水素ガスによって発電する燃料電池から、電気化学反応に用いられずに残った水素を含むオフガスが排気される。このオフガスを第二燃焼器６１４に導入して燃焼させたら、電熱線７２２は第二燃焼器６１４の補助として高温反応部６０４及び連結部６０８を加熱する。同様に、燃料電池からの水素を含むオフガスが第一燃焼器６１２で燃焼される場合、電熱線７２０及び電熱線７２４は第一燃焼器６１２の補助として低温反応部６０６及びパイプ群６０２を加熱する。
また、電熱線７２０，７２２，７２４は温度の変化に応じて電気抵抗が変化するので、所定の印加電圧又は電流に対する抵抗値から温度を読み取ることができる温度センサとしても機能する。具体的には、電熱線７２０，７２２，７２４の温度は電気抵抗に比例する。
【００５２】
電熱線７２０，７２２，７２４の何れの端部も低温反応部６０６の下面に位置し、これら端部が燃焼器プレート６２４を囲むように配列されている。電熱線７２０の両端部にはそれぞれリード線７３１，７３２が接続され、電熱線７２２の両端部にはそれぞれリード線７３３，７３４が接続され、電熱線７２４の両端部にはそれぞれリード線７３５，７３６が接続されている。なお、図１においては、図面を見やすくするために、電熱線７２０，７２２，７２４及びリード線７３１〜７３６の図示を省略する。
【００５３】
図１２に示すように、このマイクロリアクタモジュール６００は断熱パッケージ（断熱容器）７９１を具備し、高温反応部６０４、低温反応部６０６及び連結部６０８が断熱パッケージ７９１に収容されている。断熱パッケージ７９１は、下面が開口した長方形状のケース７９２と、ケース７９２の下面開口を閉塞したプレート７９３とから構成され、プレート７９３がケース７９２に接合されている。ケース７９２及びプレート７９３のどちらもステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）等の合金板からなる。断熱パッケージ７９１は、パイプ群６０２、高温反応部６０４、低温反応部６０６及び連結部６０８からの熱輻射を反射して断熱パッケージ７９１の外に伝搬することを抑制する。断熱パッケージ７９１は内圧が１Ｐａ以下になるように、マイクロリアクタモジュール６００との間の内部空間が減圧排気されている。パイプ群６０２の水素ガス用排出路となる管材６３４は、断熱パッケージ７９１から露出されており、後述する発電セル８０８の燃料極に連結され、液体燃料導入管６２２は流量制御ユニット８０６を介して燃料容器８０４に連結されている。
リード線７３２，７３１，７３３，７３４，７３６，７３５，７３７，７３８を有する配線群７３９は、一部が断熱パッケージ７９１から露出されている。液体燃料導入管６２２並びにリード線７３２，７３１，７３３，７３４，７３６，７３５，７３７，７３８においてそれぞれ断熱パッケージ７９１から露出している部分から断熱パッケージ７９１内に外気が侵入して内圧が上がるような隙間が生じないように、液体燃料導入管６２２並びにリード線７３２，７３１，７３３，７３４，７３６，７３５，７３７，７３８は断熱パッケージ７９１のベースプレート７９３に金属蝋、ガラス材又は絶縁封止材で接合されている。断熱パッケージ７９１は金属性なので導電性を示すが、リード線７３２，７３１，７３３，７３４，７３６，７３５，７３７，７３８が高融点絶縁体で被覆されているので、リード線７３２，７３１，７３３，７３４，７３６，７３５，７３７，７３８が断熱パッケージ７９１とそれぞれ導通することはない。断熱パッケージ７９１の内部空間の内圧を低く維持できるので、マイクロリアクタモジュール６００が発する熱を伝搬する媒体が希薄になり、内部空間でのまた熱対流が抑えられるのでマイクロリアクタモジュール６００の保温効果が増える。
そして、断熱パッケージ７９１で封止された空間において、マイクロリアクタモジュール６００の高温反応部６０４及び低温反応部６０６の間には所定の距離の連結部６０８が介在しているが、連結部６０８の容積は高温反応部６０４及び低温反応部６０６の容積に対して極めて小さいので、連結部６０８による高温反応部６０４から低温反応部６０６への熱の伝搬は抑えられ、高温反応部６０４と低温反応部６０６との間では、反応に必要な温度勾配を維持できるとともに高温反応部６０４内の温度を均等にしやすく、低温反応部６０６内の温度を均等にしやすくすることができる。
【００５４】
低温反応部６０６の表面には、経時的にマイクロリアクタモジュール６００から漏洩し得る流体、経時的にマイクロリアクタモジュール６００から発生する流体、またケース７９２とベースプレート７９３との接合時に十分な減圧排気ができずに残存する外気の一部、経時的に断熱パッケージ７９１内に侵入する外気といった断熱パッケージ７９１の内部空間の圧力を上げる要因を吸着することで断熱パッケージ７９１の内部空間から除去するゲッター材７２８が設けられ、ゲッター材７２８には電熱材等のヒータが設けられ、このヒータには配線７３０が接続されている。配線７３０の両端部は燃焼器プレート６２４の周囲においてベースプレート２８の下面に位置し、配線７３０の両端部にはそれぞれリード線７３７，７３８が接続されている。ゲッター材７２８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、ゲッター材７２８の材料としてはジルコニウム、バリウム、チタニウム又はバナジウムを主成分とした合金が挙げられる。リード線７３７，７３８は、一部が断熱パッケージ７９１から露出されており、露出している部分から断熱パッケージ７９１内に外気が侵入して内圧が上がるような隙間が生じないように、リード線７３７，７３８は断熱パッケージ７９１のベースプレート７９３に金属、ガラス材又は絶縁封止材で接合されている。配線群７３９は、各リード線同士の間隔が均等となるよう離間していることが望ましく、液体燃料導入管６２２の周囲に配置されることが望ましい。連結部６０８また、この断熱パッケージ７９１（ケース７９２、プレート７９３）の厚さは０．１ｍｍ〜０．２ｍｍであり、断熱パッケージ７９１の各面にかかる応力に対する金属特有の柔軟性を備えている。
【００５５】
このようにプレート７９３を複数の通し孔７９５が貫通し、管材６２６，６２８，６３０，６３２，６３４、液体燃料導入管６２２及びリード線７３１〜７３８がそれぞれの通し孔７９５に挿通された状態でこれら貫通孔７９５が金属又はガラス材で封止されている。断熱パッケージ７９１の内部空間は密閉されているが、その内部空間が減圧とされているので、断熱効果が高いものとされている。そのため、熱損失を抑えることができる。
【００５６】
管材６２６，６２８，６３０，６３２，６３４及び液体燃料導入管６２２は断熱パッケージ７９１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７９１の内側においては管材６２６，６２８，６３０，６３２，６３４及び液体燃料導入管６２２が支柱としてプレート７９３に対して立った状態とされ、高温反応部６０４、低温反応部６０６及び連結部６０８が管材６２６，６２８，６３０，６３２，６３４及び液体燃料導入管６２２に支持されて、高温反応部６０４、低温反応部６０６及び連結部６０８が断熱パッケージ７９１の内面から離れている。
【００５７】
また、液体燃料導入管６２２は、平面視して高温反応部６０４、低温反応部６０６及び連結部６０８全体の重心において低温反応部６０６の下面に連結していることが望ましい。
仮に液体燃料導入管６２２、パイプ群６０２、配線群７３９が高温反応部６０４に設けられている場合、高温反応部６０４は動作時に高温に保持する必要があるため、液体燃料導入管６２２、パイプ群６０２、配線群７３９まで高温になってしまい、液体燃料導入管６２２、パイプ群６０２、配線群７３９から断熱パッケージ２００に伝熱して逃げる熱量が大きくなってしまうが、液体燃料導入管６２２、パイプ群６０２、配線群７３９は低温反応部６０６に設けられているので、液体燃料導入管６２２、パイプ群６０２、配線群７３９から断熱パッケージ７９１に伝熱して逃げる熱量が小さく、液体燃料導入管６２２、パイプ群６０２、配線群７３９において断熱パッケージ７９１の外部に露出している部分から放熱される熱量も少なくて済み、速やかに高温反応部６０４、低温反応部６０６を加熱でき、且つ加熱温度を安定して保持することが容易となる。
【００５８】
なお、ゲッター材７２８は低温反応部６０６の表面に設けられているが、ゲッター材７２８の設ける位置は断熱パッケージ７９１の内側であれば特に限定されない。
【００５９】
次に、マイクロリアクタモジュール６００の動作について説明する。
まず、リード線７３７，７３８の間に電圧が印加されると、ゲッター材７２８がヒータによって加熱され、ゲッター材７２８が活性化される。これにより、断熱パッケージ７９１内のガス等の圧力を上げる要因がゲッター材７２８に吸着され、断熱パッケージ７９１内の減圧度が高まり、断熱効率が高まる。
【００６０】
また、リード線７３１，７３２の間に電圧が印加されると、電熱線７２０が発熱し、低温反応部６０６が加熱される。リード線７３３，７３４の間に電圧が印加されると、電熱線７２２が発熱し、高温反応部６０４が加熱される。リード線７３５，７３６の間に電圧が印加されると、電熱線７２４が発熱し、液体燃料導入管６２２の上部が加熱される。液体燃料導入管６２２、高温反応部６０４、低温反応部６０６及び連結部６０８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７２０，７２２，７２４の電流・電圧が制御装置によって測定されることで、液体燃料導入管６２２、高温反応部６０４及び低温反応部６０６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７２０，７２２，７２４の電圧が制御され、これにより液体燃料導入管６２２、高温反応部６０４及び低温反応部６０６の温度制御がなされる。
【００６１】
電熱線７２０，７２２，７２４によって液体燃料導入管６２２、高温反応部６０４及び低温反応部６０６が加熱された状態において、液体燃料導入管６２２に液体燃料と水の混合液が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６２３に吸収され、毛細管現象により混合液が液体燃料導入管６２２内の上に向かって浸透する。そして、混合液が吸液材６２３内で加熱されて気化し、燃料と水の混合気が吸液材から蒸散する。多孔質の吸液材６２３では、微細な孔に仕切られた多数の微細な液面から気化されていく。このため、各孔にはそれぞれ少量の混合液しかないので、過剰に熱量が加えられても突沸することなく定量的に安定して気化することができる。
【００６２】
そして、吸液材６２３から蒸散した混合気は貫通孔６７８、改質燃料供給流路７０２、導入口４３２を通って改質器４００内に流れ込む。その後、混合気は改質器４００内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。）。
【００６３】
改質器４００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。）が排出口４３４及び連通流路７０４を通って混合室７０８へと流れ込む。一方、空気がポンプ等によって管材６３４に供給され、貫通孔６７５及び空気供給流路７０６を通って混合室７０８へ流れ込み、水素ガス等の混合気と空気が混合される。
【００６４】
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室７０８から導入口５３２を通って一酸化炭素除去器５００内へ流れ込む。混合気が一酸化炭素除去器５００内を流れている時に、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。
【００６５】
そして、一酸化炭素が除去された状態の混合気が排出口５３４から排気室７１８、貫通孔６７１、管材６２６を経由して、燃料電池の燃料極等に供給される。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、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。
【００６６】
以上の動作は初期段階の動作であるが、その後も続けて混合液が液体燃料導入管６２２に供給される。そして、燃料電池から排出されたオフガスに酸素（空気でもよい）が混合され、その混合気（以下、燃焼混合気という。）が管材６３２及び管材６２８に供給される。管材６３２に供給された燃焼混合気は貫通孔６７４、燃焼燃料供給流路７１６、貫通孔６７６を通って燃焼用流路６２５に流れ込み、燃焼混合気が燃焼用流路６２５において触媒燃焼する。これにより燃焼熱が発するが、燃焼用流路６２５が低温反応部６０６の下側において液体燃料導入管６２２を周回しているため、燃焼熱によって液体燃料導入管６２２つまり気化器６１０が加熱されるとともに低温反応部６０６が加熱される。そのため、電熱線７２０，７２４の消費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。
【００６７】
一方、管材６２８に供給された燃焼混合気は貫通孔６７２、燃焼燃料供給流路７１０を通って燃焼室７１２へ流れ込み、燃焼混合気が燃焼室７１２において触媒燃焼する。これにより燃焼熱が発するが、燃焼熱によって改質器４００が加熱される。そのため、電熱線７２２の消費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。
ここで、高温反応部６０４は低温反応部６０６よりも高温に保持しなければならないので、第二燃焼器６１４での単位時間あたりのオフガスの水素供給量を第一燃焼器６１２での単位時間あたりのオフガスの水素供給量より多くするか、第一燃焼器６１２での冷媒となる酸素（空気）の単位時間あたりの供給量を第二燃焼器６１４での酸素（空気）の単位時間あたりの供給量より多くするようにしてもよい。
【００６８】
なお、燃料容器８０４に貯留されている液体燃料が気化されて、その気化した燃料と空気の燃焼混合気が管材６２８，６３２に供給されるようにしても良い。
【００６９】
混合液が液体燃料導入管６２２に供給された状態であって、燃焼混合気が管材６２８，６３２に供給された状態において、制御装置が電熱線７２０，７２２，７２４によって温度を測定しながら、電熱線７２０，７２２，７２４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、管材６２８，６３２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６１２，６１４の燃焼熱量が制御される。このように制御装置が電熱線７２０，７２２，７２４及びポンプを制御することによって、液体燃料導入管６２２、高温反応部６０４及び低温反応部６０６の温度制御がなされる。ここで、高温反応部６０４が３７５℃、低温反応部６０６が１５０℃となるよう、温度制御を行う。
【００７０】
このとき、絶縁プレート６４０の線膨張係数と、カップ体４１０，５１０、棒材４２０，５２０、板材６９０、ベースプレート６４２等の反応容器の線膨張係数の差が大きいと、高温反応部６０４及び低温反応部６０６の温度上昇に伴い、両者の貼り合わせ部分に熱応力が作用し、線膨張係数が低い方へ反るなどの変形が生じるおそれがある。特に、絶縁プレート６４０には、熱源として電熱線７２０，７２２，７２４や燃焼器プレート６２４が直接設けられているので、高温になりやすく、熱応力が発生しやすい。本実施の形態では、反応容器と、絶縁プレート６４０との線膨張係数が近似するように材料を選択している。
【００７１】
図１３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６００は、発電ユニット８０１に組み付けて用いることができる。図１３は、発電ユニット８０１の斜視図である。
この発電ユニット８０１は、フレーム８０２と、フレーム８０２に対して着脱可能な燃料容器８０４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８０６と、断熱パッケージ７９１に収容された状態のマイクロリアクタモジュール６００と、燃料電池、加湿器及び回収器等を有する発電セル８０８と、エアポンプ８１０と、二次電池、ＤＣ−ＤＣコンバータ及び外部インターフェース等を有する電源ユニット８１２とを具備する。流量制御ユニット８０６によって燃料容器８０４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６００に供給されることで、上述のように水素ガスが生成され、水素ガスが発電セル８０８の燃料電池に供給され、生成された電気が電源ユニット８１２の二次電池に蓄電される。
【００７２】
図１４は、発電ユニット８０１を電源として用いた電子機器８５１の斜視図である。図１４に示すように、この電子機器８５１は、携帯型の電子機器であって、特にノート型パーソナルコンピュータである。電子機器８５１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８５２を備え付けた下筐体８５４と、液晶ディスプレイ８５６を備え付けた上筐体８５８と、を備える。下筐体８５４と上筐体８５８はヒンジ結合されており、上筐体８５８を下筐体８５４に重ねてキーボード８５２に液晶ディスプレイ８５６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８５４の右側面から底面にかけて、発電ユニット８０１を装着するための装着部８６０が凹設され、装着部８６０に発電ユニット８０１を装着すると、発電ユニット８０１の電気によって電子機器８５１が動作する。
【００７３】
ここで、反応器である改質器４００を、上述のようにカップ体４１０と、カップ体４１０内に収容された複数の棒材４２０，４２０，…と、カップ体４１０の下側開口を閉塞した底板４３０とを備えた場合の効果についてシミュレーション結果を示して説明する。
図１５(a)に示す改質器１４００は、外形16mm×10mm×5.7mmであり、0.2mm角の棒材１４２０がカップ体１４１０の内部に135本収容されている。棒材１４２０の材料はコバールであり、カップ体１４１０の内壁面、棒材１４２０の表面及び底板１４３０の表面に改質用触媒が搭載されている。一方、図１６(a)に示す改質器２４００は、外形16mm×10mm×5.7mmであり、流路をカップ体２４１０と、板材２４２０と、底板２４３０とによって構成した場合である。なお、図１５(a)及び図１６(a)に示すカップ体１４１０，２４１０は、いずれも下面に鍔部１４１１，２４１１が形成されているが、特に鍔部１４１１，２４１１を形成しなくても良い。
図１５(a)に示す改質器１４００においてメタノール改質反応をシミュレーションした際のメタノール濃度分布図が図１５(b)であり、図１６(a)に示す改質器２４００を使用してシミュレーションした際のメタノール濃度分布図が図１６(b)である。シミュレーションでは、図１５(a)の改質器１４００の触媒厚を50μm、図１６(a)の改質器２４００の触媒厚を100μmとして計算を行い、メタノール転化率は図１５(a)の改質器１４００が98.58%、図１６(a)の改質器２４００は97.73%とほぼ同等である。なお、図１５(b)、図１６(b)中、符号Ａの範囲のメタノール濃度は0.518mol/m3、Ｂのメタノール濃度は1.127 mol/m3、Ｃのメタノール濃度は1.734mol/m3、Ｄのメタノール濃度は2.345mol/m3、Ｅのメタノール濃度は2.954mol/m3、Ｆのメタノール濃度は3.563mol/m3、Ｇのメタノール濃度は4.172mol/m3、Ｈのメタノール濃度は4.781mol/m3、Ｉのメタノール濃度は5.390mol/m3、Ｊのメタノール濃度は5.99mol/m3、Ｋのメタノール濃度は6.607mol/m3、Ｌのメタノール濃度は7.216mol/m3、Ｍのメタノール濃度は7.825mol/m3、Ｎのメタノール濃度は8.434mol/m3である。
したがって、いずれの改質器１４００，２４００も外形が同等の大きさであるので、触媒層の厚さが薄く、触媒層の剥がれの可能性が低い図１５(a)に示す本実施形態の改質器１４００に優位性があると言える。
【００７４】
以上のように、本実施の形態によれば、改質器４００及び一酸化炭素除去器５００は、それぞれカップ体４１０，５１０と、底板４３０，５３０と、カップ体４１０，５１０内に収容されて底板４１０，５１０上に立設される複数の棒材４２０，４２０，…、５２０，５２０，…と、を備えるので、触媒搭載面積が増加するとともに触媒層の厚さを薄くすることができる。その結果、触媒層の剥がれ等を防止することができる。また、小型化を図れ、反応効率の向上も図ることができる。また、各棒材４２０，５２０を底板４３０，５３０に蝋付けすれば良く、製造も容易である。
【００７５】
［変形例］
図１７は、一酸化炭素除去器５００Ａの変形例であり、(a)は底板５３０Ａに棒材５２０Ａが接合された状態を示した斜視図、(b)は(a)の平面図である。
この一酸化炭素除去器５００Ａは、上述の一酸化炭素除去器５００における棒材５２０と比べて、棒材５２０Ａの配置が異なっている。具体的には、上述の複数の棒材５２０，５２０，…はいずれも等間隔で設けるとしたが、図１７に示すように、底板５３０Ａに形成された導入口５３２Ａ側の各棒材５２０Ａ，５２０Ａ間を排出口５３４Ａ側の各棒材５２０Ａ，５２０Ａ間よりも疎となるように設ける。
このように排出口５３４Ａ側の各棒材５２０Ａ，５２０Ａ間を導入口５３２Ａ側よりも密に配置することによって、導入口５３２Ａ側では反応ガスは一酸化炭素濃度が高い組成となっており、この場合に棒材５２０Ａの間隔を広くすることによって一酸化炭素が気体拡散する中で、触媒表面上における一酸化炭素濃度を低くすることができ、その結果、急速に反応を促進させることができる。一方、排出口５３４Ａ側では一酸化炭素濃度がある程度低くなっており、気体拡散により触媒表面に一酸化炭素が達しにくい状態となっているが、排出口５３４Ａ側の棒材５２０Ａを密にすることで一酸化炭素濃度が低くても触媒に確実に達することができ、その結果、反応を促進させることができる。
【００７６】
その他、図示しないが、導入口側から排出口側に向けて棒材の高さを高くしても良い。この場合も、棒材の高さを変えることによって、導入口側では反応ガスは一酸化炭素濃度が高い組成となっており、この場合に棒材の長さを短くすることによって一酸化炭素が気体拡散する中で、触媒表面上における一酸化炭素濃度を低くすることができ、その結果、急速に反応を促進させることができる。一方、排出口側では一酸化炭素濃度がある程度低くなっており、気体拡散により触媒表面に一酸化炭素が達しにくい状態となっているが、排出口側の棒材の長さを長くすることで一酸化炭素濃度が低くても触媒に確実に達することができ、その結果、反応を促進させることができる。
【００７７】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、棒材４２０，５２０は、断面視矩形状であるとしたが、例えば図１８に示すように円形状の棒材４２０Ｂであっても良いし、触媒面積をより大きくするため多角形状であっても良く、その他三角形状等であっても構わない。さらに、棒材は、コイル状、螺旋状や表面に凹凸を有するものであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】マイクロリアクタモジュール６００の側面図である。
【図２】マイクロリアクタモジュール６００を機能ごとに分けた場合の概略側面図である。
【図３】マイクロリアクタモジュール６００の分解斜視図である。
【図４】改質器４００の分解斜視図である。
【図５】一酸化炭素除去器５００の分解斜視図である。
【図６】図１の切断線VI−VIに沿った面の矢視断面図である。
【図７】図１の切断線VII−VIIに沿った面の矢視断面図である。
【図８】図１の切断線VIII−VIIIに沿った面の矢視断面図である。
【図９】一本の棒材４２０と底板４３０とを示した斜視図である。
【図１０】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面である。
【図１１】液体燃料と水が供給されてから、生成物である水素ガスが排出されるまでの経路を示した図面である。
【図１２】断熱パッケージ７９１の分解した状態の斜視図である。
【図１３】発電ユニット８０１の斜視図である。
【図１４】電子機器８５１の斜視図である。
【図１５】(a)は、棒材１４２０を使用した改質器１４００の分解斜視図、(b)は、(a)の改質器１４００を使用してシミュレーションした際のメタノール濃度分布図である。
【図１６】(a)は、板材２４２０を使用した改質器２４００の分解斜視図、(b)は、(a)の改質器２４００を使用してシミュレーションした際のメタノール濃度分布図である。
【図１７】一酸化炭素除去器５００Ａの変形例であり、(a)は底板５３０Ａに棒材５２０Ａが接合された状態を示した斜視図、(b)は(a)の平面図である。
【図１８】棒材４２０Ｂの変形例を示した斜視図である。
【符号の説明】
【００７９】
４００ 改質器（反応器）
５００ 一酸化炭素除去器（反応器）
４１０，５１０ カップ体（箱体）
４２０，５２０，５２０Ａ，４２０Ｂ 棒材
４３０，５３０，５３０Ａ 底板
４３２，５３２，５３２Ａ 導入口
４３４，５３４，５３４Ａ 排出口
６００ マイクロリアクタモジュール(反応装置)
６０４ 高温反応部
６０６ 低温反応部
６０８ 連結部
７９１ 断熱パッケージ（断熱容器）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数段階の反応を経て液体燃料から水素を生成する反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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などに搭載するため開発が進められている。燃料電池は、燃料と大気中の酸素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装置である。
【０００３】
燃料電池に用いる燃料としては水素単体が挙げられるが、常温、常圧で気体であることによる取り扱いに問題がある。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、アルコール類及び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、液体燃料及び水を気化させる気化器、気化された液体燃料と高温の水蒸気を反応させることによって、発電に必要な水素を取り出す改質器、改質反応の副生成物である一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器等が必要となることがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このような改質型燃料電池を小型化するために、気化器、改質器、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、溝が形成された金属基板を接合したものであり、その溝が流路となる。また、各流路には反応を促進させるための触媒が形成されている。
【特許文献１】特開２００２−３５６３１０号公報
【特許文献２】特開２００５−１３２７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述のようなマクロリアクタは、携帯機器への実装のため、システムとして小型化することが要求されている。また、システム全体の熱損失が大きく、高効率にならないという問題があった。さらに、マイクロリアクタを小型化した場合、触媒の搭載面積が小さくなり設計値通りの触媒量を搭載するためには、触媒層を厚くしなければならず、触媒層を厚くすると触媒の剥がれ等の問題が生じていた。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、触媒の剥がれ等が生じることなく、触媒の搭載面積を大きくし、かつ、小型化を図ることのできる反応装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、反応物の反応を起こす反応器を備える反応装置において、
前記反応器は、
下方が開口した箱体と、
前記箱体の開口を塞ぐ底板と、
前記底板によって前記箱体の開口を塞いで形成される空間内に反応原料を導入する導入口と、前記空間内に導入された反応原料が反応した後、反応物を前記反応器の外に排出する排出口と、
前記箱体内に収容されて前記底板上に立設された複数の棒材と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の反応装置において、
前記複数の棒材のうち前記排出口側の棒材は、前記導入口側の棒材よりも密に配置されていることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１に記載の反応装置において、
前記複数の棒材のうち前記排出口側の棒材は、前記導入口側の棒材よりも長さが長いことを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の反応装置において、
前記棒材の断面が円形状であることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の反応装置において、
前記棒材の断面が多角形状であることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の反応装置において、
前記棒材の表面に触媒が担持されていることを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の反応装置において、
前記反応器が、アルコールや炭化水素系の物質を含む燃料を改質して、水素を主成分とする気体を生成する改質反応器であることを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の反応装置において、
前記反応器が、一酸化炭素を含有する気体の一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させる、一酸化炭素除去器であることを特徴とする。
請求項９の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の反応装置において、
前記反応装置は、反応物に反応を起こす高温反応部と、
前記高温反応部よりも低温で反応物の反応を起こす低温反応部と、
前記高温反応部と前記低温反応部との間で反応物及び生成物を送る連結部と、を備え、
前記高温反応部及び前記低温反応部の少なくとも一方は、前記反応器を備えることを特徴とする。
請求項１０の発明は、請求項９に記載の反応装置において、
前記高温反応部は、アルコールや炭化水素系の物質を含む燃料を改質して、水素を主成分とする気体を生成する改質反応部で、
前記低温反応部は、一酸化炭素を含有する気体の一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させる、一酸化炭素除去部であることを特徴とする。
請求項１１の発明は、請求項１〜９のいずれか一項に記載の反応装置において、
前記反応装置は、更に、前記反応器の全体を覆い、内部が大気に対して減圧とされる断熱容器を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、触媒の剥がれ等が生じることなく、触媒の搭載面積を大きくできるとともに小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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の技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を実施形態及び図示例に限定するものではない。
図１は、マイクロリアクタモジュール６００の側面図である。このマイクロリアクタモジュール６００は、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ものである。
【００１０】
図１に示すように、このマイクロリアクタモジュール（反応装置）６００は、反応物の供給や生成物の排出が行われるパイプ群６０２と、動作に要する適正な温度が高温な改質反応が起こる高温反応部６０４と、動作適正温度が高温反応部６０４の動作適正温度よりも低温な選択酸化反応が起きる低温反応部６０６と、高温反応部６０４と低温反応部６０６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６０８とを具備する。
【００１１】
図２は、マイクロリアクタモジュール６００を機能ごとに分けた場合の概略側面図である。図２に示すように、パイプ群６０２には主に気化器６１０及び第一燃焼器６１２が設けられている。第一燃焼器６１２には、少なくとも一部が気化されている燃料（例えば、水素ガス、メタノールガス等）と、この燃料を燃焼するための酸素を含む空気等の酸素源となる気体と、がそれぞれ別々に或いは混合された流体として供給され、これらの流体が第一燃焼器６１２内の触媒によって燃焼して熱を発する。気化器６１０には水と液体燃料（例えば、メタノール、エタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル等のエーテル類、ガソリン等の化石燃料）がそれぞれ別々に或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６１２における燃焼熱が気化器６１０内に伝搬することによって水と液体燃料が気化器６１０内において気化する。
【００１２】
高温反応部６０４には主に第二燃焼器６１４と、第二燃焼器６１４の上に設けられた改質器（反応器）４００とが設けられている。第二燃焼器６１４には、少なくとも一部が気化されている燃料（例えば、水素ガス、例えば、メタノール、エタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル等のエーテル類、ガソリン等の化石燃料等）と、この燃料を燃焼するための酸素を含む空気等の酸素源となる気体と、がそれぞれ別々に或いは混合された流体として供給され、流体の触媒燃焼によって熱が発する。
なお、燃料電池がマイクロリアクタモジュール６００から供給された水素ガスによって電気化学反応を発生した後に燃料電池から排出されたオフガス中に未反応の水素ガスが含まれている場合があり、第一燃焼器６１２及び第二燃焼器６１４の少なくともいずれか一方は、この未反応の水素ガスを、酸素を含んだ空気等の気体で燃焼して熱を発するようにしても良い。勿論、第一燃焼器６１２及び第二燃焼器６１４の少なくともいずれか一方は、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、ブタン、ジメチルエーテル、ガソリン等）を、別の気化器によって気化し、その気化した燃料を、酸素を含んだ空気等の気体で燃焼するようにしても良い。
【００１３】
第二燃焼器６１４が、燃料電池から排出されたオフガスを燃焼する場合、まず起動時に、改質器４００が後述する電熱線７２２によって加熱されて水素を生成し、この水素が供給される燃料電池から水素を含むオフガスが定常的に排出されてきたら、第二燃焼器６１４はオフガス中の水素を燃焼して改質器４００を加熱する。電熱線７２２は、第二燃焼器６１４が主熱源になると、補助的な熱源に切り替わるよう印加電圧を低くする。
この改質器４００には気化器６１０から水と燃料の混合気が供給され、改質器４００が第二燃焼器６１４によって所定温度に加熱される。加熱された改質器４００では水と燃料から水素ガス等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り、第二燃焼器６１４の燃焼熱が用いられる。
【００１４】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2 …（１）
【００１５】
２ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→５Ｈ2＋ＣＯ＋ＣＯ2 …（２）
【００１６】
低温反応部６０６には主に一酸化炭素除去器（反応器）５００が設けられている。一酸化炭素除去器５００は、第一燃焼器６１２によって加熱された状態で、改質器４００から水素ガス、一酸化炭素ガス等を含む混合気が供給され、更に空気等の酸素源が供給される。一酸化炭素除去器５００では混合気のうち一酸化炭素が選択的に酸化され、これにより次式（３）のような化学反応が起こり、一酸化炭素が除去される。
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２ …（３）
一酸化炭素が除去された状態の水素を主体とする混合気が燃料電池の燃料極に供給される。
【００１７】
マイクロリアクタモジュール６００の具体的な構成について図１、図３〜図８を用いて説明する。図３は、マイクロリアクタモジュール６００の分解斜視図であり、図４は、改質器４００の分解斜視図であり、図５は、一酸化炭素除去器５００の分解斜視図であり、図６は、図１の切断線VI−VIに沿った面の矢視断面図であり、図７は、図１の切断線VII
−VIIに沿った面の矢視断面図であり、図８は、図１の切断線VIII−VIIIに沿った面の矢
視断面図である。
【００１８】
図１、図３、図６に示すように、パイプ群６０２は、コバール（ＮｉＦｅＣｏ合金）からなる液体燃料導入管６２２と、液体燃料導入管６２２の上端部において液体燃料導入管６２２を囲むように設けられたコバール（ＮｉＦｅＣｏ合金）からなる燃焼器プレート６２４と、液体燃料導入管６２２の周囲に配列されたコバール（ＮｉＦｅＣｏ合金）からなる５本の管材６２６，６２８，６３０，６３２，６３４とを具備する。燃焼器プレート６２４は硬蝋付けによって液体燃料導入管６２２及び低温反応部６０６と接合されており、蝋剤としては、液体燃料導入管６２２や燃焼器プレート６２４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、好ましくは融点が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。燃焼器プレート６２４は、液体燃料導入管６２２が低温反応部６０６に接合されるためのフランジとしても機能する。
【００１９】
液体燃料導入管６２２内には吸液材６２３が充填されている。吸液材６２３は液体を吸収するものであり、吸液材６２３としては無機繊維又は有機繊維を結合材で固めたものでもよく、無機粉末を焼結したものであったり、無機粉末を結合材で固めたものでもよく、グラファイトとグラッシーカーボンの混合体でもよい。具体的には、フェルト材、セラミック多孔質材、繊維材、カーボン多孔質材といったものが吸液材６２３として用いられる。
【００２０】
燃焼器プレート６２４の中央部６２４Ａに貫通孔が形成され、その貫通孔に液体燃料導入管６２２が嵌め込まれ、液体燃料導入管６２２と燃焼器プレート６２４が接合されている。また、燃焼器プレート６２４の一方の面には隔壁６２４Ｂが凸設されている。隔壁６２４Ｂは一部が燃焼器プレート６２４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、燃焼器プレート６２４が低温反応部６０６の下面に接合されることによって、接合面に燃焼用流路６２５が形成され、液体燃料導入管６２２が燃焼用流路６２５によって囲繞されている。燃焼用流路６２５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、白金が挙げられる。なお、液体燃料導入管６２２内の吸液材６２３は燃焼器プレート６２４の位置まで充填されている。
【００２１】
図１、図３に示すように、高温反応部６０４、低温反応部６０６及び連結部６０８は、ベースプレート６４２を共通の基体としている。ベースプレート６４２の一方の面上に板材６９０、棒材４２０，５２０、カップ体４１０，５１０が設けられ、これらにより高温反応部６０４、低温反応部６０６及び連結部６０８といった反応容器が形成されている。この反応容器を形成するベースプレート６４２の他方の面に、絶縁プレート６４０が設けられている。
【００２２】
ベースプレート６４２は、コバール（ＮｉＦｅＣｏ合金）からなり、低温反応部６０６の基体となるベース部６５２と、高温反応部６０４の基体となるベース部６５４と、連結部６０８の基体となる連結ベース部６５６とを備える。ベースプレート６４２は、ベース部６５２とベース部６５４と連結ベース部６５６とを一体形成したものであり、連結ベース部６５６において括れた状態とされている。
【００２３】
絶縁プレート６４０は、低温反応部６０６の基体となるベース部６６２と、高温反応部６０４の基体となるベース部６６４と、連結部６０８の基体となる連結ベース部６６６とからなる。絶縁プレート６４０は、ベース部６６２とベース部６６４と連結ベース部６６６とを一体形成したものであり、連結ベース部６６６において括れた状態とされている。この絶縁プレート６４０は、セラミック等の電気絶縁体からなる。
【００２４】
ここで、絶縁プレート６４０を形成する電気絶縁体の線膨張係数は、カップ体４１０，５１０、棒材４２０，５２０、板材６９０、ベースプレート６４２等の反応容器を形成する金属材料の線膨張係数の７０〜１３０％であることが好ましく、９０〜１１０％であることがより好ましく、等しいことが最も好ましい。
【００２５】
このような絶縁プレート６４０となる電気絶縁体と絶縁プレート６４０に接するベースプレート６４２となる反応容器材料としては、例えば、電気絶縁体にムライト（３Ａｌ2
Ｏ3・２ＳｉＯ2，線膨張係数５．０×１０-6／℃）を、反応容器材料としてコバール（ＦｅＮｉＣｏ合金、線膨張係数５．１６×１０-6／℃）を用いる組み合わせが挙げられるが、これに限られない。
【００２６】
図３、図７に示すように、ベースプレート６４２に絶縁プレート６４０を接合した状態で、貫通孔６７１〜６７８がベースプレート６４２のベース部６５２及び絶縁プレート６４０のベース部６６２を貫通している。図１、図３に示すように、絶縁プレート６４０のベース部６６２が低温反応部６０６の下面部となり、低温反応部６０６の下面に管材６２６，６２８，６３０，６３２，６３４及び液体燃料導入管６２２がそれらのフランジ部で接合されている。ここで、管材６２６が貫通孔６７１に通じ、管材６２８が貫通孔６７２に通じ、管材６３０が貫通孔６７３に通じ、管材６３２が貫通孔６７４に通じ、管材６３４が貫通孔６７５に通じ、液体燃料導入管６２２が貫通孔６７８に通じている。また、図３、図６、図７に示すように、燃焼器プレート６２４が低温反応部６０６の下面に接合されており、燃焼器プレート６２４の燃焼用流路６２５の一端部が貫通孔６７６に通じ、燃焼用流路６２５の他端部が貫通孔６７６に通じている。
【００２７】
図７に示すように、ベースプレート６４２には、一方の面に改質燃料供給流路７０２と、連通流路７０４と、空気供給流路７０６と、混合室７０８と、燃焼燃料供給流路７１０と、第二燃焼器６１４となる燃焼室７１２と、排ガス流路７１４と、燃焼燃料供給流路７１６と、排気室７１８となる溝が形成されるように、これらの溝よりも高さが一段高くなっているステージ６４１及びステージ６４３がそれぞれベース部６５２及びベース部６５４に設けられている。
【００２８】
改質燃料供給流路７０２は、低温反応部６０６の貫通孔６７８から連結部６０８の連結ベース部６５６を通って高温反応部６０４のベース部６５４の角部にまで至るよう形成されている。
【００２９】
連通流路７０４は、高温反応部６０４のベース部６５４の角部から連結ベース部６５６を通って混合室７０８まで至るように形成されている。空気供給流路７０６は、低温反応部６０６の貫通孔６７５から混合室７０８及び連通流路７０４の合流部まで至るように形成されている。
【００３０】
燃焼室７１２は、ベース部６５４の中央部においてＣ字状の底面７１１によって形成されている。板材６９０の下面及び底板７１１の上面を含む燃焼室７１２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。
【００３１】
燃焼燃料供給流路７１０は、貫通孔６７２から連結ベース部６５６を通って燃焼室７１２まで至るように形成されている。排ガス流路７１４は、貫通孔６７７から貫通孔６７３に至るように形成されているとともに、燃焼室７１２から連結ベース部６５６を通って貫通孔６７３に至るように形成されている。燃焼燃料供給流路７１６は、ベース部６５２において貫通孔６７４から貫通孔６７６に至るように形成されている。排気室７１８は、ベース部６５２においてステージ６４１より一段低い矩形状の凹部として形成され、排気室７１８の角部に貫通孔６７１が通じている。
【００３２】
ベース部６５４上に改質器４００が設けられている。図４、図８に示すように、この改質器４００は、下面で開口したカップ体（箱体）４１０と、カップ体４１０内に収容された複数の棒材４２０，４２０，…と、カップ体４１０の下側開口を閉塞した底板４３０とを備える。
【００３３】
カップ体４１０は、正方形又は長方形に成した天板４１２と、天板４１２の四つの辺のうち相対する二辺において天板４１２に対して垂直に連なった状態で接続された一対の側板４１４，４１４と、天板４１２の別の相対する二辺において天板４１２に対して垂直に連なった状態で接続された一対の側板４１６，４１６とを有する。側板４１４は側板４１６に対して垂直に連なった状態で接続され、これら四枚の側板４１４，４１４，４１６，４１６によって正方形枠状又は長方形枠状に設けられている。
【００３４】
底板４３０が天板４１２と平行となるよう底板４３０の縁部が側板４１４，４１４，４１６，４１６の下辺部に接合されている。このようにカップ体４１０の下面開口が底板４３０によって閉塞されることで、中空を有する平行六面体状の箱体が構成される。
【００３５】
図９は、一本の棒材４２０と底板４３０とを示した斜視図である。
棒材４２０は、ｓｕｓ３０４（もしくはコバール材、３０４以外のＳＵＳ材等）からなり、断面視略矩形状の棒状部材であって、その下端部が底板４３０に固定されるように拡径したフランジ部４２１を有している。なお、図９以外の図面では図面の関係上、フランジ部４２１の図示を省略している。そして、棒材４２０，４２０，…のフランジ部４２１が底板４３０の上面に蝋付けにより接合されている。図３及び図８に示すように、複数の棒材４２０，４２０，…は、底板４３０上に、板材６９０の幅方向に沿って等間隔に一直線上に配置され、さらにこの幅方向に沿って並べられた列４２２が、板材６９０の長手方向に沿って等間隔に複数段配置されている。長手方向に沿って互いに隣接する列４２２，４２２同士は、各列４２２，４２２の両端部に位置する棒材４２０，４２０同士が長手方向に沿って一直線上ではなく、互い違いにジグザグ状となるように配置されている。
また、棒材４２０の上端部はカップ体４１０の天板４１２に当接しても当接しなくとも良い。当接する場合、好ましくは蝋付けにより接合されている。
【００３６】
このように複数の棒材４２０，４２０，…がカップ体４１０に収容されているので、カップ体４１０と底板４３０とによる中空が複数の棒材４２０，４２０，…の列４２２，４２２，…によって複数の空間４１８，４１８，…に区画されている。これら複数の空間４１８，４１８，…のうち、底板５３０と反対側にある空間４１８に通じる導入口４３２が底板４３０に形成され、底板５３０側にある空間４１８に通じる排出口４３４が底板４３０に形成されている。そのため、カップ体４１０と底板４３０とによる中空が導入口４３２から排出口４３４までの流路となる。
【００３７】
図１、図３に示すように、改質器４００の底板４３０がベース部６５４の上面に位置するステージ６４３に接合されている。底板４３０によって、改質燃料供給流路７０２の一部と、排ガス流路７１４の一部と、燃焼燃料供給流路７１０の一部と、連通流路７０４の一部と、燃焼室７１２とが蓋される。底板４３０に形成された導入口４３２は改質燃料供給流路７０２の端部７０３の上に位置され、底板４３０に形成された排出口４３４は連通流路７０４の端部７０５の上に位置されている。
【００３８】
この改質器４００においては、カップ体４１０と底板４３０の内面や棒材４２０に改質触媒（例えば、Ｃｕ／ＺｎＯ系触媒やＰｄ／ＺｎＯ系触媒）が担持されている。
【００３９】
ベース部６５２上に一酸化炭素除去器５００が設けられている。この一酸化炭素除去器５００は、下面で開口したカップ体（箱体）５１０と、カップ体４１０の下側開口を閉塞した底板５３０と、カップ体５１０内に収容された複数の棒材５２０，５２０，…と、を備える。
【００４０】
カップ体４１０，５１０、棒材４２０，５２０及び底板４３０，５３０は、コバール（ＮｉＦｅＣｏ合金）からなるものが好ましく、後述する絶縁プレート６４０を形成する電気絶縁体の線膨張係数の７０〜１３０％であることが好ましく、９０〜１１０％であることがより好ましい。
【００４１】
カップ体５１０は、正方形状又は長方形状の天板５１２と、天板５１２の四つの辺のうち相対する二辺において天板５１２に対して垂直に連なった状態で接続された一対の側板５１４，５１４と、天板５１２の別の相対する二辺において天板５１２に対して垂直に連なった状態で接続された一対の側板５１６，５１６とを有する。側板５１４は側板５１６に対して垂直に連なった状態で接続されて.いる。
【００４２】
底板５３０が天板５１２と平行となるよう底板５３０の縁部が側板５１４，５１４，５１６，５１６の下辺部に接合され、中空を有する平行六面体状の箱体が構成されている。セパレート板５５０は、底板５３０及び天板５１２と平行となるようカップ体５１０内に収容され、セパレート板５５０の縁が側板５１４，５１４，５１６，５１６の上下中腹部に接合されている。
【００４３】
棒材５２０も、棒材４２０（図９参照）と同様に、同一材料、略同一形状となっており、断面視略矩形状の棒状部材であって、その下端部が底板５３０に固定されるように拡径したフランジ部（図示しない）を有している。そして、複数の棒材５２０，５２０，…の各フランジ部が底板５３０の上面に蝋付けにより接合されている。図３及び図８に示すように、複数の棒材５２０，５２０，…は、底板５３０上に、板材６９０の幅方向に沿って一直線上に配置され、さらにこの幅方向に沿って並べられた列５２２が、板材６９０の長手方向に沿って等間隔に複数段配置されている。長手方向に沿って互いに隣接する列５２２，５２２同士は、各列５２２，５２２の両端部に位置する棒材５２０，５２０同士が長手方向に沿って一直線上ではなく、互い違いにジグザグ状となるように配置されている。
【００４４】
このように複数の棒材５２０，５２０，…がカップ体５１０に収容されているので、カップ体５１０と底板５３０とによる中空が複数の列５２２，５２２によって複数の空間５１８，５１８，…に区画されている。これら複数の空間５１８，５１８，…のうち、底板４３０と反対側にある空間５１８に通じる導入口５３２が底板５３０に形成され、底板４３０側にある空間に通じる排出口５３４が底板５３０に形成されている。そのため、カップ体５１０と底板５３０とによる中空が導入口５３２から排出口５３４までの流路となる。
【００４５】
図１、図３に示すように、一酸化炭素除去器５００の底板５３０がベース部６５２の上面に接合されている。底板５３０によって、改質燃料供給流路７０２の一部と、排ガス流路７１４の一部と、燃焼燃料供給流路７１０の一部と、連通流路７０４の一部と、空気供給流路７０６と、混合室７０８と、燃焼燃料供給流路７１６と、排気室７１８とが蓋される。底板５３０に形成された導入口５３２は混合室７０８の角部７０９の上に位置され、底板５３０に形成された排出口５３４は排気室７１８の角部７１９の上に位置されている。
【００４６】
この一酸化炭素除去器５００においては、カップ体５１０と底板５３０の内面や棒材５２０に一酸化炭素選択酸化触媒（例えば、白金等）が担持されている。
【００４７】
図３に示すように、改質器４００の底板４３０と一酸化炭素除去器５００の底板５３０とは連結蓋６８０によって連結された状態で一体形成されている。底板４３０と底板５３０と連結蓋６８０とを一体にした板材６９０は、連結蓋６８０において括れた状態とされている。この板材６９０がベースプレート６４２に接合されているが、板材６９０の連結蓋６８０はベースプレート６４２の連結ベース部６５６に接合され、これにより連結部６０８が構成される。この連結部６０８においては、改質燃料供給流路７０２の一部と、排ガス流路７１４の一部と、燃焼燃料供給流路７１０の一部と、連通流路７０４の一部とが連結蓋６８０によって蓋される。
【００４８】
図１等に示すように、連結部６０８の外形は角柱状とされ、連結部６０８の幅が高温反応部６０４の幅及び低温反応部６０６の幅よりも狭く、連結部６０８の高さも高温反応部６０４及び低温反応部６０６の高さよりも低い。そのため、高温反応部６０４の適正温度及び低温反応部６０６の適正温度の差を保持でき、さらに高温反応部６０４の熱損失を抑えることができるとともに、低温反応部６０６が設定温度以上に昇温することも抑えることができる。そして、連結部６０８は高温反応部６０４と低温反応部６０６との間に架設されているが、連結部６０８は高温反応部６０４の幅方向中央部において高温反応部６０４に連結しているとともに低温反応部６０６の幅方向中央部において低温反応部６０６に連結している。そのため、高温反応部６０４の適正温度及び低温反応部６０６の適正温度の差によって生じる熱膨張の差に基づく連結部６０８への応力を最小限に抑え、連結部６０８から流体が漏洩することを防止できる。しかし、このように連結部６０８は小さいために応力に対して十分強い剛性を有していない。
【００４９】
なお、上述したように、連結部６０８には、改質燃料供給流路７０２、連通流路７０４、燃焼燃料供給流路７１０及び排ガス流路７１４が設けられている。
【００５０】
パイプ群６０２、高温反応部６０４、低温反応部６０６及び連結部６０８の内側に設けられた流路の経路は図１０、図１１に示すようになる。ここで図１０、図１１と図２の対応関係について説明すると、液体燃料導入管６２２が気化器６１０に相当し、燃焼用流路６２５が第一燃焼器６１２に相当し、燃焼室７１２が第二燃焼器６１４に相当する。
【００５１】
図３に示すように、低温反応部６０６の下面つまり絶縁プレート６４０の下面には、電熱線７２０が蛇行した状態にパターニングされ、低温反応部６０６から連結部６０８を通って高温反応部６０４にかけてこれらの下面には、電熱線７２２が蛇行した状態にパターニングされている。低温反応部６０６の下面から燃焼器プレート６２４の表面を通って液体燃料導入管６２２の側面にかけて電熱線７２４がパターニングされている。ここで、液体燃料導入管６２２の側面及び燃焼器プレート６２４の表面には、窒化シリコン、酸化シリコン等の絶縁膜が成膜され、その絶縁膜の表面に電熱線７２４が形成されている。絶縁膜又は絶縁プレート６４０に電熱線７２０，７２２，７２４をパターニングすることで、印加しようとする電圧が金属材料製のベースプレート６４２、液体燃料導入管６２２、燃焼器プレート６２４等にほとんど掛かることがなく、電熱線７２０，７２２，７２４に供給されるので電熱線７２０，７２２，７２４の発熱効率を向上させることができる。
電熱線７２０，７２２，７２４は、絶縁プレート６４０側から密着層、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７２０，７２２，７２４に電圧が印加されると電流が集中的に流れて発熱する。拡散防止層には、発熱層の材料が拡散防止層や密着層に対して拡散しないように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。密着層は、拡散防止層が絶縁プレート６４０に対して密着性が優れていない場合に用いられるものであり、拡散防止層に対しても絶縁プレート６４０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７２０は、起動時に低温反応部６０６を加熱し、電熱線７２２は、起動時に高温反応部６０４及び連結部６０８を加熱し、電熱線７２４は、パイプ群６０２の気化器５０２及び第一燃焼器６１２を加熱する。この後、マイクロリアクタモジュール６００から排出された水素ガスによって発電する燃料電池から、電気化学反応に用いられずに残った水素を含むオフガスが排気される。このオフガスを第二燃焼器６１４に導入して燃焼させたら、電熱線７２２は第二燃焼器６１４の補助として高温反応部６０４及び連結部６０８を加熱する。同様に、燃料電池からの水素を含むオフガスが第一燃焼器６１２で燃焼される場合、電熱線７２０及び電熱線７２４は第一燃焼器６１２の補助として低温反応部６０６及びパイプ群６０２を加熱する。
また、電熱線７２０，７２２，７２４は温度の変化に応じて電気抵抗が変化するので、所定の印加電圧又は電流に対する抵抗値から温度を読み取ることができる温度センサとしても機能する。具体的には、電熱線７２０，７２２，７２４の温度は電気抵抗に比例する。
【００５２】
電熱線７２０，７２２，７２４の何れの端部も低温反応部６０６の下面に位置し、これら端部が燃焼器プレート６２４を囲むように配列されている。電熱線７２０の両端部にはそれぞれリード線７３１，７３２が接続され、電熱線７２２の両端部にはそれぞれリード線７３３，７３４が接続され、電熱線７２４の両端部にはそれぞれリード線７３５，７３６が接続されている。なお、図１においては、図面を見やすくするために、電熱線７２０，７２２，７２４及びリード線７３１〜７３６の図示を省略する。
【００５３】
図１２に示すように、このマイクロリアクタモジュール６００は断熱パッケージ（断熱容器）７９１を具備し、高温反応部６０４、低温反応部６０６及び連結部６０８が断熱パッケージ７９１に収容されている。断熱パッケージ７９１は、下面が開口した長方形状のケース７９２と、ケース７９２の下面開口を閉塞したプレート７９３とから構成され、プレート７９３がケース７９２に接合されている。ケース７９２及びプレート７９３のどちらもステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）等の合金板からなる。断熱パッケージ７９１は、パイプ群６０２、高温反応部６０４、低温反応部６０６及び連結部６０８からの熱輻射を反射して断熱パッケージ７９１の外に伝搬することを抑制する。断熱パッケージ７９１は内圧が１Ｐａ以下になるように、マイクロリアクタモジュール６００との間の内部空間が減圧排気されている。パイプ群６０２の水素ガス用排出路となる管材６３４は、断熱パッケージ７９１から露出されており、後述する発電セル８０８の燃料極に連結され、液体燃料導入管６２２は流量制御ユニット８０６を介して燃料容器８０４に連結されている。
リード線７３２，７３１，７３３，７３４，７３６，７３５，７３７，７３８を有する配線群７３９は、一部が断熱パッケージ７９１から露出されている。液体燃料導入管６２２並びにリード線７３２，７３１，７３３，７３４，７３６，７３５，７３７，７３８においてそれぞれ断熱パッケージ７９１から露出している部分から断熱パッケージ７９１内に外気が侵入して内圧が上がるような隙間が生じないように、液体燃料導入管６２２並びにリード線７３２，７３１，７３３，７３４，７３６，７３５，７３７，７３８は断熱パッケージ７９１のベースプレート７９３に金属蝋、ガラス材又は絶縁封止材で接合されている。断熱パッケージ７９１は金属性なので導電性を示すが、リード線７３２，７３１，７３３，７３４，７３６，７３５，７３７，７３８が高融点絶縁体で被覆されているので、リード線７３２，７３１，７３３，７３４，７３６，７３５，７３７，７３８が断熱パッケージ７９１とそれぞれ導通することはない。断熱パッケージ７９１の内部空間の内圧を低く維持できるので、マイクロリアクタモジュール６００が発する熱を伝搬する媒体が希薄になり、内部空間でのまた熱対流が抑えられるのでマイクロリアクタモジュール６００の保温効果が増える。
そして、断熱パッケージ７９１で封止された空間において、マイクロリアクタモジュール６００の高温反応部６０４及び低温反応部６０６の間には所定の距離の連結部６０８が介在しているが、連結部６０８の容積は高温反応部６０４及び低温反応部６０６の容積に対して極めて小さいので、連結部６０８による高温反応部６０４から低温反応部６０６への熱の伝搬は抑えられ、高温反応部６０４と低温反応部６０６との間では、反応に必要な温度勾配を維持できるとともに高温反応部６０４内の温度を均等にしやすく、低温反応部６０６内の温度を均等にしやすくすることができる。
【００５４】
低温反応部６０６の表面には、経時的にマイクロリアクタモジュール６００から漏洩し得る流体、経時的にマイクロリアクタモジュール６００から発生する流体、またケース７９２とベースプレート７９３との接合時に十分な減圧排気ができずに残存する外気の一部、経時的に断熱パッケージ７９１内に侵入する外気といった断熱パッケージ７９１の内部空間の圧力を上げる要因を吸着することで断熱パッケージ７９１の内部空間から除去するゲッター材７２８が設けられ、ゲッター材７２８には電熱材等のヒータが設けられ、このヒータには配線７３０が接続されている。配線７３０の両端部は燃焼器プレート６２４の周囲においてベースプレート２８の下面に位置し、配線７３０の両端部にはそれぞれリード線７３７，７３８が接続されている。ゲッター材７２８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、ゲッター材７２８の材料としてはジルコニウム、バリウム、チタニウム又はバナジウムを主成分とした合金が挙げられる。リード線７３７，７３８は、一部が断熱パッケージ７９１から露出されており、露出している部分から断熱パッケージ７９１内に外気が侵入して内圧が上がるような隙間が生じないように、リード線７３７，７３８は断熱パッケージ７９１のベースプレート７９３に金属、ガラス材又は絶縁封止材で接合されている。配線群７３９は、各リード線同士の間隔が均等となるよう離間していることが望ましく、液体燃料導入管６２２の周囲に配置されることが望ましい。連結部６０８また、この断熱パッケージ７９１（ケース７９２、プレート７９３）の厚さは０．１ｍｍ〜０．２ｍｍであり、断熱パッケージ７９１の各面にかかる応力に対する金属特有の柔軟性を備えている。
【００５５】
このようにプレート７９３を複数の通し孔７９５が貫通し、管材６２６，６２８，６３０，６３２，６３４、液体燃料導入管６２２及びリード線７３１〜７３８がそれぞれの通し孔７９５に挿通された状態でこれら貫通孔７９５が金属又はガラス材で封止されている。断熱パッケージ７９１の内部空間は密閉されているが、その内部空間が減圧とされているので、断熱効果が高いものとされている。そのため、熱損失を抑えることができる。
【００５６】
管材６２６，６２８，６３０，６３２，６３４及び液体燃料導入管６２２は断熱パッケージ７９１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７９１の内側においては管材６２６，６２８，６３０，６３２，６３４及び液体燃料導入管６２２が支柱としてプレート７９３に対して立った状態とされ、高温反応部６０４、低温反応部６０６及び連結部６０８が管材６２６，６２８，６３０，６３２，６３４及び液体燃料導入管６２２に支持されて、高温反応部６０４、低温反応部６０６及び連結部６０８が断熱パッケージ７９１の内面から離れている。
【００５７】
また、液体燃料導入管６２２は、平面視して高温反応部６０４、低温反応部６０６及び連結部６０８全体の重心において低温反応部６０６の下面に連結していることが望ましい。
仮に液体燃料導入管６２２、パイプ群６０２、配線群７３９が高温反応部６０４に設けられている場合、高温反応部６０４は動作時に高温に保持する必要があるため、液体燃料導入管６２２、パイプ群６０２、配線群７３９まで高温になってしまい、液体燃料導入管６２２、パイプ群６０２、配線群７３９から断熱パッケージ２００に伝熱して逃げる熱量が大きくなってしまうが、液体燃料導入管６２２、パイプ群６０２、配線群７３９は低温反応部６０６に設けられているので、液体燃料導入管６２２、パイプ群６０２、配線群７３９から断熱パッケージ７９１に伝熱して逃げる熱量が小さく、液体燃料導入管６２２、パイプ群６０２、配線群７３９において断熱パッケージ７９１の外部に露出している部分から放熱される熱量も少なくて済み、速やかに高温反応部６０４、低温反応部６０６を加熱でき、且つ加熱温度を安定して保持することが容易となる。
【００５８】
なお、ゲッター材７２８は低温反応部６０６の表面に設けられているが、ゲッター材７２８の設ける位置は断熱パッケージ７９１の内側であれば特に限定されない。
【００５９】
次に、マイクロリアクタモジュール６００の動作について説明する。
まず、リード線７３７，７３８の間に電圧が印加されると、ゲッター材７２８がヒータによって加熱され、ゲッター材７２８が活性化される。これにより、断熱パッケージ７９１内のガス等の圧力を上げる要因がゲッター材７２８に吸着され、断熱パッケージ７９１内の減圧度が高まり、断熱効率が高まる。
【００６０】
また、リード線７３１，７３２の間に電圧が印加されると、電熱線７２０が発熱し、低温反応部６０６が加熱される。リード線７３３，７３４の間に電圧が印加されると、電熱線７２２が発熱し、高温反応部６０４が加熱される。リード線７３５，７３６の間に電圧が印加されると、電熱線７２４が発熱し、液体燃料導入管６２２の上部が加熱される。液体燃料導入管６２２、高温反応部６０４、低温反応部６０６及び連結部６０８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７２０，７２２，７２４の電流・電圧が制御装置によって測定されることで、液体燃料導入管６２２、高温反応部６０４及び低温反応部６０６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７２０，７２２，７２４の電圧が制御され、これにより液体燃料導入管６２２、高温反応部６０４及び低温反応部６０６の温度制御がなされる。
【００６１】
電熱線７２０，７２２，７２４によって液体燃料導入管６２２、高温反応部６０４及び低温反応部６０６が加熱された状態において、液体燃料導入管６２２に液体燃料と水の混合液が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６２３に吸収され、毛細管現象により混合液が液体燃料導入管６２２内の上に向かって浸透する。そして、混合液が吸液材６２３内で加熱されて気化し、燃料と水の混合気が吸液材から蒸散する。多孔質の吸液材６２３では、微細な孔に仕切られた多数の微細な液面から気化されていく。このため、各孔にはそれぞれ少量の混合液しかないので、過剰に熱量が加えられても突沸することなく定量的に安定して気化することができる。
【００６２】
そして、吸液材６２３から蒸散した混合気は貫通孔６７８、改質燃料供給流路７０２、導入口４３２を通って改質器４００内に流れ込む。その後、混合気は改質器４００内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。）。
【００６３】
改質器４００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。）が排出口４３４及び連通流路７０４を通って混合室７０８へと流れ込む。一方、空気がポンプ等によって管材６３４に供給され、貫通孔６７５及び空気供給流路７０６を通って混合室７０８へ流れ込み、水素ガス等の混合気と空気が混合される。
【００６４】
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室７０８から導入口５３２を通って一酸化炭素除去器５００内へ流れ込む。混合気が一酸化炭素除去器５００内を流れている時に、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。
【００６５】
そして、一酸化炭素が除去された状態の混合気が排出口５３４から排気室７１８、貫通孔６７１、管材６２６を経由して、燃料電池の燃料極等に供給される。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、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。
【００６６】
以上の動作は初期段階の動作であるが、その後も続けて混合液が液体燃料導入管６２２に供給される。そして、燃料電池から排出されたオフガスに酸素（空気でもよい）が混合され、その混合気（以下、燃焼混合気という。）が管材６３２及び管材６２８に供給される。管材６３２に供給された燃焼混合気は貫通孔６７４、燃焼燃料供給流路７１６、貫通孔６７６を通って燃焼用流路６２５に流れ込み、燃焼混合気が燃焼用流路６２５において触媒燃焼する。これにより燃焼熱が発するが、燃焼用流路６２５が低温反応部６０６の下側において液体燃料導入管６２２を周回しているため、燃焼熱によって液体燃料導入管６２２つまり気化器６１０が加熱されるとともに低温反応部６０６が加熱される。そのため、電熱線７２０，７２４の消費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。
【００６７】
一方、管材６２８に供給された燃焼混合気は貫通孔６７２、燃焼燃料供給流路７１０を通って燃焼室７１２へ流れ込み、燃焼混合気が燃焼室７１２において触媒燃焼する。これにより燃焼熱が発するが、燃焼熱によって改質器４００が加熱される。そのため、電熱線７２２の消費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。
ここで、高温反応部６０４は低温反応部６０６よりも高温に保持しなければならないので、第二燃焼器６１４での単位時間あたりのオフガスの水素供給量を第一燃焼器６１２での単位時間あたりのオフガスの水素供給量より多くするか、第一燃焼器６１２での冷媒となる酸素（空気）の単位時間あたりの供給量を第二燃焼器６１４での酸素（空気）の単位時間あたりの供給量より多くするようにしてもよい。
【００６８】
なお、燃料容器８０４に貯留されている液体燃料が気化されて、その気化した燃料と空気の燃焼混合気が管材６２８，６３２に供給されるようにしても良い。
【００６９】
混合液が液体燃料導入管６２２に供給された状態であって、燃焼混合気が管材６２８，６３２に供給された状態において、制御装置が電熱線７２０，７２２，７２４によって温度を測定しながら、電熱線７２０，７２２，７２４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、管材６２８，６３２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６１２，６１４の燃焼熱量が制御される。このように制御装置が電熱線７２０，７２２，７２４及びポンプを制御することによって、液体燃料導入管６２２、高温反応部６０４及び低温反応部６０６の温度制御がなされる。ここで、高温反応部６０４が３７５℃、低温反応部６０６が１５０℃となるよう、温度制御を行う。
【００７０】
このとき、絶縁プレート６４０の線膨張係数と、カップ体４１０，５１０、棒材４２０，５２０、板材６９０、ベースプレート６４２等の反応容器の線膨張係数の差が大きいと、高温反応部６０４及び低温反応部６０６の温度上昇に伴い、両者の貼り合わせ部分に熱応力が作用し、線膨張係数が低い方へ反るなどの変形が生じるおそれがある。特に、絶縁プレート６４０には、熱源として電熱線７２０，７２２，７２４や燃焼器プレート６２４が直接設けられているので、高温になりやすく、熱応力が発生しやすい。本実施の形態では、反応容器と、絶縁プレート６４０との線膨張係数が近似するように材料を選択している。
【００７１】
図１３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６００は、発電ユニット８０１に組み付けて用いることができる。図１３は、発電ユニット８０１の斜視図である。
この発電ユニット８０１は、フレーム８０２と、フレーム８０２に対して着脱可能な燃料容器８０４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８０６と、断熱パッケージ７９１に収容された状態のマイクロリアクタモジュール６００と、燃料電池、加湿器及び回収器等を有する発電セル８０８と、エアポンプ８１０と、二次電池、ＤＣ−ＤＣコンバータ及び外部インターフェース等を有する電源ユニット８１２とを具備する。流量制御ユニット８０６によって燃料容器８０４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６００に供給されることで、上述のように水素ガスが生成され、水素ガスが発電セル８０８の燃料電池に供給され、生成された電気が電源ユニット８１２の二次電池に蓄電される。
【００７２】
図１４は、発電ユニット８０１を電源として用いた電子機器８５１の斜視図である。図１４に示すように、この電子機器８５１は、携帯型の電子機器であって、特にノート型パーソナルコンピュータである。電子機器８５１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８５２を備え付けた下筐体８５４と、液晶ディスプレイ８５６を備え付けた上筐体８５８と、を備える。下筐体８５４と上筐体８５８はヒンジ結合されており、上筐体８５８を下筐体８５４に重ねてキーボード８５２に液晶ディスプレイ８５６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８５４の右側面から底面にかけて、発電ユニット８０１を装着するための装着部８６０が凹設され、装着部８６０に発電ユニット８０１を装着すると、発電ユニット８０１の電気によって電子機器８５１が動作する。
【００７３】
ここで、反応器である改質器４００を、上述のようにカップ体４１０と、カップ体４１０内に収容された複数の棒材４２０，４２０，…と、カップ体４１０の下側開口を閉塞した底板４３０とを備えた場合の効果についてシミュレーション結果を示して説明する。
図１５(a)に示す改質器１４００は、外形16mm×10mm×5.7mmであり、0.2mm角の棒材１４２０がカップ体１４１０の内部に135本収容されている。棒材１４２０の材料はコバールであり、カップ体１４１０の内壁面、棒材１４２０の表面及び底板１４３０の表面に改質用触媒が搭載されている。一方、図１６(a)に示す改質器２４００は、外形16mm×10mm×5.7mmであり、流路をカップ体２４１０と、板材２４２０と、底板２４３０とによって構成した場合である。なお、図１５(a)及び図１６(a)に示すカップ体１４１０，２４１０は、いずれも下面に鍔部１４１１，２４１１が形成されているが、特に鍔部１４１１，２４１１を形成しなくても良い。
図１５(a)に示す改質器１４００においてメタノール改質反応をシミュレーションした際のメタノール濃度分布図が図１５(b)であり、図１６(a)に示す改質器２４００を使用してシミュレーションした際のメタノール濃度分布図が図１６(b)である。シミュレーションでは、図１５(a)の改質器１４００の触媒厚を50μm、図１６(a)の改質器２４００の触媒厚を100μmとして計算を行い、メタノール転化率は図１５(a)の改質器１４００が98.58%、図１６(a)の改質器２４００は97.73%とほぼ同等である。なお、図１５(b)、図１６(b)中、符号Ａの範囲のメタノール濃度は0.518mol/m3、Ｂのメタノール濃度は1.127 mol/m3、Ｃのメタノール濃度は1.734mol/m3、Ｄのメタノール濃度は2.345mol/m3、Ｅのメタノール濃度は2.954mol/m3、Ｆのメタノール濃度は3.563mol/m3、Ｇのメタノール濃度は4.172mol/m3、Ｈのメタノール濃度は4.781mol/m3、Ｉのメタノール濃度は5.390mol/m3、Ｊのメタノール濃度は5.99mol/m3、Ｋのメタノール濃度は6.607mol/m3、Ｌのメタノール濃度は7.216mol/m3、Ｍのメタノール濃度は7.825mol/m3、Ｎのメタノール濃度は8.434mol/m3である。
したがって、いずれの改質器１４００，２４００も外形が同等の大きさであるので、触媒層の厚さが薄く、触媒層の剥がれの可能性が低い図１５(a)に示す本実施形態の改質器１４００に優位性があると言える。
【００７４】
以上のように、本実施の形態によれば、改質器４００及び一酸化炭素除去器５００は、それぞれカップ体４１０，５１０と、底板４３０，５３０と、カップ体４１０，５１０内に収容されて底板４１０，５１０上に立設される複数の棒材４２０，４２０，…、５２０，５２０，…と、を備えるので、触媒搭載面積が増加するとともに触媒層の厚さを薄くすることができる。その結果、触媒層の剥がれ等を防止することができる。また、小型化を図れ、反応効率の向上も図ることができる。また、各棒材４２０，５２０を底板４３０，５３０に蝋付けすれば良く、製造も容易である。
【００７５】
［変形例］
図１７は、一酸化炭素除去器５００Ａの変形例であり、(a)は底板５３０Ａに棒材５２０Ａが接合された状態を示した斜視図、(b)は(a)の平面図である。
この一酸化炭素除去器５００Ａは、上述の一酸化炭素除去器５００における棒材５２０と比べて、棒材５２０Ａの配置が異なっている。具体的には、上述の複数の棒材５２０，５２０，…はいずれも等間隔で設けるとしたが、図１７に示すように、底板５３０Ａに形成された導入口５３２Ａ側の各棒材５２０Ａ，５２０Ａ間を排出口５３４Ａ側の各棒材５２０Ａ，５２０Ａ間よりも疎となるように設ける。
このように排出口５３４Ａ側の各棒材５２０Ａ，５２０Ａ間を導入口５３２Ａ側よりも密に配置することによって、導入口５３２Ａ側では反応ガスは一酸化炭素濃度が高い組成となっており、この場合に棒材５２０Ａの間隔を広くすることによって一酸化炭素が気体拡散する中で、触媒表面上における一酸化炭素濃度を低くすることができ、その結果、急速に反応を促進させることができる。一方、排出口５３４Ａ側では一酸化炭素濃度がある程度低くなっており、気体拡散により触媒表面に一酸化炭素が達しにくい状態となっているが、排出口５３４Ａ側の棒材５２０Ａを密にすることで一酸化炭素濃度が低くても触媒に確実に達することができ、その結果、反応を促進させることができる。
【００７６】
その他、図示しないが、導入口側から排出口側に向けて棒材の高さを高くしても良い。この場合も、棒材の高さを変えることによって、導入口側では反応ガスは一酸化炭素濃度が高い組成となっており、この場合に棒材の長さを短くすることによって一酸化炭素が気体拡散する中で、触媒表面上における一酸化炭素濃度を低くすることができ、その結果、急速に反応を促進させることができる。一方、排出口側では一酸化炭素濃度がある程度低くなっており、気体拡散により触媒表面に一酸化炭素が達しにくい状態となっているが、排出口側の棒材の長さを長くすることで一酸化炭素濃度が低くても触媒に確実に達することができ、その結果、反応を促進させることができる。
【００７７】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、棒材４２０，５２０は、断面視矩形状であるとしたが、例えば図１８に示すように円形状の棒材４２０Ｂであっても良いし、触媒面積をより大きくするため多角形状であっても良く、その他三角形状等であっても構わない。さらに、棒材は、コイル状、螺旋状や表面に凹凸を有するものであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】マイクロリアクタモジュール６００の側面図である。
【図２】マイクロリアクタモジュール６００を機能ごとに分けた場合の概略側面図である。
【図３】マイクロリアクタモジュール６００の分解斜視図である。
【図４】改質器４００の分解斜視図である。
【図５】一酸化炭素除去器５００の分解斜視図である。
【図６】図１の切断線VI−VIに沿った面の矢視断面図である。
【図７】図１の切断線VII−VIIに沿った面の矢視断面図である。
【図８】図１の切断線VIII−VIIIに沿った面の矢視断面図である。
【図９】一本の棒材４２０と底板４３０とを示した斜視図である。
【図１０】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面である。
【図１１】液体燃料と水が供給されてから、生成物である水素ガスが排出されるまでの経路を示した図面である。
【図１２】断熱パッケージ７９１の分解した状態の斜視図である。
【図１３】発電ユニット８０１の斜視図である。
【図１４】電子機器８５１の斜視図である。
【図１５】(a)は、棒材１４２０を使用した改質器１４００の分解斜視図、(b)は、(a)の改質器１４００を使用してシミュレーションした際のメタノール濃度分布図である。
【図１６】(a)は、板材２４２０を使用した改質器２４００の分解斜視図、(b)は、(a)の改質器２４００を使用してシミュレーションした際のメタノール濃度分布図である。
【図１７】一酸化炭素除去器５００Ａの変形例であり、(a)は底板５３０Ａに棒材５２０Ａが接合された状態を示した斜視図、(b)は(a)の平面図である。
【図１８】棒材４２０Ｂの変形例を示した斜視図である。
【符号の説明】
【００７９】
４００ 改質器（反応器）
５００ 一酸化炭素除去器（反応器）
４１０，５１０ カップ体（箱体）
４２０，５２０，５２０Ａ，４２０Ｂ 棒材
４３０，５３０，５３０Ａ 底板
４３２，５３２，５３２Ａ 導入口
４３４，５３４，５３４Ａ 排出口
６００ マイクロリアクタモジュール(反応装置)
６０４ 高温反応部
６０６ 低温反応部
６０８ 連結部
７９１ 断熱パッケージ（断熱容器）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応物の反応を起こす反応器を備える反応装置において、
前記反応器は、
下方が開口した箱体と、
前記箱体の開口を塞ぐ底板と、
前記底板によって前記箱体の開口を塞いで形成される空間内に反応原料を導入する導入口と、
前記空間内に導入された反応原料が反応した後、反応物を前記反応器の外に排出する排出口と、
前記箱体内に収容されて前記底板上に立設された複数の棒材と、を備えることを特徴とする反応装置。
【請求項２】
前記複数の棒材のうち前記排出口側の棒材は、前記導入口側の棒材よりも密に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項３】
前記複数の棒材のうち前記排出口側の棒材は、前記導入口側の棒材よりも長さが長いことを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項４】
前記棒材の断面が円形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項５】
前記棒材の断面が多角形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項６】
前記棒材の表面に触媒が担持されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項７】
前記反応器が、アルコールや炭化水素系の物質を含む燃料を改質して、水素を主成分とする気体を生成する改質反応器であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項８】
前記反応器が、一酸化炭素を含有する気体の一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させる、一酸化炭素除去器であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項９】
前記反応装置は、反応物に反応を起こす高温反応部と、
前記高温反応部よりも低温で反応物の反応を起こす低温反応部と、
前記高温反応部と前記低温反応部との間で反応物及び生成物を送る連結部と、を備え、
前記高温反応部及び前記低温反応部の少なくとも一方は、前記反応器を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項１０】
前記高温反応部は、アルコールや炭化水素系の物質を含む燃料を改質して、水素を主成分とする気体を生成する改質反応部で、
前記低温反応部は、一酸化炭素を含有する気体の一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させる、一酸化炭素除去部であることを特徴とする請求項９に記載の反応装置。
【請求項１１】
前記反応装置は、更に、前記反応器の全体を覆い、内部が大気に対して減圧とされる断熱容器を備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項１】
反応物の反応を起こす反応器を備える反応装置において、
前記反応器は、
下方が開口した箱体と、
前記箱体の開口を塞ぐ底板と、
前記底板によって前記箱体の開口を塞いで形成される空間内に反応原料を導入する導入口と、
前記空間内に導入された反応原料が反応した後、反応物を前記反応器の外に排出する排出口と、
前記箱体内に収容されて前記底板上に立設された複数の棒材と、を備えることを特徴とする反応装置。
【請求項２】
前記複数の棒材のうち前記排出口側の棒材は、前記導入口側の棒材よりも密に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項３】
前記複数の棒材のうち前記排出口側の棒材は、前記導入口側の棒材よりも長さが長いことを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項４】
前記棒材の断面が円形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項５】
前記棒材の断面が多角形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項６】
前記棒材の表面に触媒が担持されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項７】
前記反応器が、アルコールや炭化水素系の物質を含む燃料を改質して、水素を主成分とする気体を生成する改質反応器であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項８】
前記反応器が、一酸化炭素を含有する気体の一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させる、一酸化炭素除去器であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項９】
前記反応装置は、反応物に反応を起こす高温反応部と、
前記高温反応部よりも低温で反応物の反応を起こす低温反応部と、
前記高温反応部と前記低温反応部との間で反応物及び生成物を送る連結部と、を備え、
前記高温反応部及び前記低温反応部の少なくとも一方は、前記反応器を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項１０】
前記高温反応部は、アルコールや炭化水素系の物質を含む燃料を改質して、水素を主成分とする気体を生成する改質反応部で、
前記低温反応部は、一酸化炭素を含有する気体の一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させる、一酸化炭素除去部であることを特徴とする請求項９に記載の反応装置。
【請求項１１】
前記反応装置は、更に、前記反応器の全体を覆い、内部が大気に対して減圧とされる断熱容器を備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の反応装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００９−６６４８２（Ｐ２００９−６６４８２Ａ）
【公開日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３５５１０（Ｐ２００７−２３５５１０）
【出願日】平成１９年９月１１日（２００７．９．１１）
【出願人】（０００００１４４３）カシオ計算機株式会社 (8,748)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月１１日（２００７．９．１１）
【出願人】（０００００１４４３）カシオ計算機株式会社 (8,748)
【Ｆターム（参考）】
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