(57)【要約】【課題】真空断熱構造における真空度を高めて、熱損失を低減することができ、また、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】マイクロリアクタモジュール１は、断熱パッケージ２００と、断熱パッケージ２００内に収容され、改質器５０６，５１０及び燃焼器５０８を有する低温反応部６と、低温反応部６と高温反応部４との間に架設された連結管８とを備えている。そして、断熱パッケージ２００の内部空間２０１のうち、高温反応部４と低温反応部６との間にゲッター材１８８が設けられ、内部空間２０１が真空状態とされている。【選択図】      図１７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の温度に設定され、反応物の反応を起こす第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、反応物の反応を起こす第２の反応部と、
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の反応部と前記第２の反応部との間で反応物及び反応により生成される反応生成物を送る連結管と、
前記第１の反応部及び前記第２の反応部と前記連結管との全体を覆い、内部空間が真空圧とされる断熱容器と、
前記断熱容器の内部空間のうちの前記第１の反応部と前記第２の反応部との間に設けられたゲッター材と、を備えることを特徴とする反応装置。
【請求項２】
前記第１の反応部、前記第２の反応部及び前記断熱容器は直方体形状を有し、前記ゲッター材は、少なくとも、前記第１の反応部と前記第２の反応部との間に位置する前記断熱容器の内面、前記第１の反応部の側面のうち前記第２の反応部と対向する側面及び前記第２の反応部の側面のうち前記第１の反応部と対向する側面、の何れかの箇所に設けら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】
前記ゲッター材は複数設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の反応装置。
【請求項４】
前記ゲッター材を活性化するための配線が、前記第２の反応部を形成する下面から前記断熱容器の外部に引き出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５】
前記ゲッター材を活性化した後に、前記ゲッター材を活性化するための配線を、前記第２の反応部を形成する下面と前記断熱容器の内面との間で切断する手段を備えることを特徴とする請求項４に記載の反応装置。
【請求項６】
前記切断手段は、前記配線に過電流を流して焼き切る手段からなることを特徴とする請求項５に記載の反応装置。
【請求項７】
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請求項１に記載の反応装置。
【請求項８】
前記第１の反応部、前記第２の反応部は、箱体の内に隔壁を設けることにより反応物が流れる流路が形成されることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項９】
前記箱体及び前記隔壁は、板状の金属材料を接合して形成されることを特徴とする請求項８に記載の反応装置。
【請求項１０】
前記断熱容器は、板状の金属材料を接合して形成される箱体からなることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項１１】
前記連結管は、板状の金属材料を接合して形成され、前記第１の反応部及び前記第２の反応部に接合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１２】
前記第１の反応部は、反応物が流れる流路が形成される少なくとも一つの反応器と、該反応器を加熱して前記第１の温度に設定する加熱部と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項１３】
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１２に記載の反応装置。
【請求項１４】
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請求項１２に記載の反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【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】
また、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３５６３１０号公報
【特許文献２】特開２００５−１３２７１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、気化器や一酸化炭素除去器の動作温度は２００℃未満であり、改質器の動作温度は２５０℃以上であり、改質器や一酸化炭素除去器の熱が外部に漏れないようにして安全性を高めるとともに、熱エネルギーの損失を低減して熱効率を向上させるために、これら改質器及び一酸化炭素器の周囲を真空状態とする容器を設けて真空断熱構造とする場合がある。
しかしながら、このような真空断熱構造において、例えば、使用中に、何らかの製造上生じた隙間等を介して漏れが生じ、外部から空気が入り込んでしまった場合、改質器や一酸化炭素器の周囲の真空度が低下して断熱性が低下し、外部に熱が漏れるとともに熱損失が大きくなってしまうという問題がある。
一方、このような真空容器において、内部の真空度を高めるためにゲッター材を使用することが知られている。しかし、ゲッター材の実装にはある程度の容積が必要とされるため、反応装置が大きくなってしまうという問題があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、真空断熱構造における真空度を高めつつ、小型化することが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】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、第１の温度に設定され、反応物の反応を起こす第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、反応物の反応を起こす第２の反応部と、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の反応部と前記第２の反応部との間で反応物及び反応により生成される反応生成物を送る連結管と、前記第１の反応部及び前記第２の反応部と前記連結管との全体を覆い、内部空間が真空圧とされる断熱容器と、前記断熱容器の内部空間のうちの前記第１の反応部と前記第２の反応部との間に設けられたゲッター材と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
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の反応部、前記第２の反応部及び前記断熱容器は直方体形状を有し、前記ゲッター材は、少なくとも、前記第１の反応部と前記第２の反応部との間に位置する前記断熱容器の内面、前記第１の反応部の側面のうち前記第２の反応部と対向する側面及び前記第２の反応部の側面のうち前記第１の反応部と対向する側面、の何れかの箇所に設けられていることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の反応装置において、前記ゲッター材は複数設けられていることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の反応装置において、前記ゲッター材を活性化するための配線が、前記第２の反応部を形成する下面から前記断熱容器の外部に引き出されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の反応装置において、前記ゲッター材を活性化した後に、前記ゲッター材を活性化するための配線を、前記第２の反応部を形成する下面と前記断熱容器の内面との間で切断する手段を備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の反応装置において、前記切断手段は、前記配線に過電流を流して焼き切る手段からなることを特徴とする。
【００１３】
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。
【００１４】
請求項８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、前記第２の反応部は、箱体の内に隔壁を設けることにより前記反応物が流れる流路が形成されることを特徴とする。
【００１５】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の反応装置において、前記箱体及び前記隔壁は、板状の金属材料を接合して形成されることを特徴とする。
【００１６】
請求項１０に記載の発明は、請求項１に記載の反応装置において、前記断熱容器は、板状の金属材料を接合して形成される箱体からなることを特徴とする。
【００１７】
請求項１１に記載の発明は、請求項１に記載の反応装置において、前記連結管は、板状の金属材料を接合して形成され、前記第１の反応部及び前記第２の反応部に接合されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項１２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の反応部は、反応物が流れる流路が形成される少なくとも一つの反応器と、該反応器を加熱して前記第１の温度に設定する加熱部と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
請求項１３に記載の発明は、請求項１２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。
【００２０】
請求項１４に記載の発明は、請求項１２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。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る反応装置によれば、真空断熱構造における真空度を高めて熱エネルギーの損失を低減するとともに、小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】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を斜め上から示した斜視図である。
【図２】本実施形態におけるマイクロリアクタモジュールを斜め下から示した斜視図である。
【図３】本実施形態におけるマイクロリアクタモジュールの側面図である。
【図４】本実施形態におけるマイクロリアクタモジュールを機能ごとに分けた場合の概略側面図である。
【図５】本実施形態におけるマイクロリアクタモジュールの分解斜視図である。
【図６】図３の切断線VI−VIに沿った面の矢視断面図である。
【図７】図３の切断線VII−VIIに沿った面の矢視断面図である。
【図８】図３の切断線VIII−VIIIに沿った面の矢視断面図である。
【図９】図３の切断線IX−IXに沿った面の矢視断面図である。
【図１０】図３の切断線X−Xに沿った面の矢視断面図である。
【図１１】図３の切断線XI−XIに沿った面の矢視断面図である。
【図１２】図３の切断線XII−XIIに沿った面の矢視断面図である。
【図１３】本実施形態のマイクロリアクタモジュールにおける、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る。
【図１４】本実施形態のマイクロリアクタモジュールにおける、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。
【図１５】本実施形態におけるマイクロリアクタモジュールを覆う断熱パッケージの分解斜視図である。
【図１６】断熱パッケージを斜め下から示した斜視図である。
【図１７】本実施形態のマイクロリアクタモジュールにおけるゲッター材の取り付け状態の一例を示す側断面図である。
【図１８】図１９におけるゲッター材の他の取り付け状態を示す側断面図である。
【図１９】図１９におけるゲッター材の他の取り付け状態を示す側断面図である。
【図２０】図１９におけるゲッター材の他の取り付け状態を示す側断面図である。
【図２１】本実施形態におけるマイクロリアクタモジュールを備える発電ユニットの一例を示す斜視図である。
【図２２】発電ユニットを電源として用いる電子機器の一例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
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を斜め上から示した斜視図であり、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を斜め下から示した斜視図であり、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。
【００２５】
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管８とを具備する。
【００２６】
図４は、本実施形態におけるマイクロリアクタモジュール１を機能ごとに分けた場合の概略側面図である。図４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。
【００２７】
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の間に挟まれるように構成される。
【００２８】
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に供給されるようにしても良い。
【００２９】
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。液体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）
【００３０】
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。
【００３１】
以下、給排部２、高温反応部４、低温反応部６及び連結管８の具体的な構成について図３、図５〜図１２を用いて説明する。ここで、図５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から後述する燃焼器プレート１０８の平面方向に沿って切断した矢視断面図であり、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１４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。
【００３２】
図３、図５、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とを具備する。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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、これら接合面に燃焼用流路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。
【００３６】
図３、図５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。
【００３７】
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。
【００３８】
図８に示すように、下部枠３０の内側に複数の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の上部が蓋される。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の排ガス流路５０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。
【００３９】
図９に示すように、中部枠３２の内側に複数の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が接合されるとその底板８３によって下部枠３０の燃焼混合気流路６８及び排ガス流路７０の上部が蓋される。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。
【００４０】
図１０に示すように、上部枠３４の内側に複数の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の上部が蓋される。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。
【００４１】
図５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、一酸化炭素除去用流路８４の上部が蓋プレート３６によって蓋されている。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。
【００４２】
図３、図５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。
【００４３】
図７に示すように、ベースプレート１０２の上面に複数の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。
【００４４】
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によりベースプレート１０２の供給流路１１４及び排出流路１１５の上部が蓋される。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。
【００４５】
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によって下部枠１０４の燃焼混合気流路１２０及び排ガス流路１２２の上部が蓋される。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。
【００４６】
図３、図５に示すように、燃焼器プレート１０８が中部枠１０６の上に蝋付け等により接合されることで、中部枠１０６の改質用流路１２８の上部が燃焼器プレート１０８によって蓋される。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。
【００４７】
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、燃焼器プレート１０８の燃焼室１３８及び燃焼室１４０の上部が蓋される。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。
【００４８】
図５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、改質用流路１５０の上部が蓋プレート１１２によって蓋されている。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。
【００４９】
図３、図４に示すように、連結管８の外形は角柱状とされ、連結管８の幅が高温反応部４の幅及び低温反応部６の幅よりも狭く、連結管８の高さも高温反応部４及び低温反応部６のいずれの高さよりも低い。連結管８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、連結管８は高温反応部４の幅方向中央部において高温反応部４に蝋付け等により接合されているとともに低温反応部６の幅方向中央部において低温反応部６に蝋付け等により接合されている。また、連結管８の下面が高温反応部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。
【００５０】
図７、図８、図１２に示すように、連結管８には、連結流路１６２、連結流路１６４、連結流路１６６及び連結流路１６８が互いに平行となるよう設けられている。連結流路１６２、連結流路１６４、連結流路１６６及び連結流路１６８は連結管８の隔壁によって仕切られている。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、連結流路１６２，１６４，１６６，１６８が１つの連結管８に設けられているが、これらの流路１６２，１６４，１６６，１６８が別々の管材に設けられ、これら管材が束ねられていても良い。また、連結管８は、気密性の観点から接合しているベースプレート２８、下部枠３０、ベースプレート１０２、下部枠１０４と同じ材質であることが好ましい。
【００５１】
給排部２、高温反応部４、低温反応部６及び連結管８の内側に設けられた流路の経路は図１３、図１４に示すようになる。ここで図１３、図１４と図４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。
【００５２】
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から連結管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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
次に、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１５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１６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１５、図１６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及び連結管８が断熱パッケージ２００内に収容される。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、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の内側となる面には例えばアルミニウム、金、銀等の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及び連結管８からの輻射による熱損失を抑制することができる。
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２０１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。
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及び連結管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及び連結管８が断熱パッケージ２００の内面から離れている。すなわち、高温反応部４、低温反応部６及び連結管８の表面８aのうち、断熱パッケージ２００の内面に対向する面と、断熱パッケージ２００の内面との距離Ｂは約１ｍｍに設定されている。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及び連結管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。
【００５６】
次に、本実施形態におけるマイクロリアクタモジュール１においては、上記断熱パッケージ２００の内部空間の真空度を高めるためのゲッター材１８８を断熱パッケージ２００内に設けることを特徴とする。ここで、ゲッター材１８８は加熱されることで活性化して周囲の微粒子を吸着する吸着作用をもつものであり、断熱パッケージ２００内の内部空間に残留するガスや、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して、断熱パッケージ２００内の内部空間の真空度を高めるものである。図１７は本実施形態のマイクロリアクタモジュール１におけるゲッター材１８８の取り付け状態の一例を示す側断面図であり、また、図１８〜図２０は、ゲッター材１８８の取り付け状態の他の例を示す側断面図である。
図３、図５、図１７に示すように、ゲッター材１８８は、例えば、高温反応部４と低温反応部６との間でかつ低温反応部６の側面のうち、高温反応部４と対向する側面６aに設けられる。このゲッター材１８８は、連結管８の上方に位置している。ここで、高温反応部４と低温反応部６との間の距離（連結管８の長さ）Ａは、例えば約３ｍｍとされている。
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は、プリント基板により、低温反応部６の側面６aに沿って下方に形成されて、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、その両端部にはそれぞれリード線１９２，１９４が接続されている。
【００５７】
このようなゲッター材１８８の材料としては、例えばジルコニウム、バリウム、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。また、配線１９０の両端部は、ゲッター材１８８のヒータ及びリード線１９２，１９４に接続されている。なお、図３においては、図面を見やすくするために、リード線１９２，１９４の図示を省略する。
上記においては、ゲッター材１８８を低温反応部６の上記側面６aに設けるとしたが、ゲッター材１８８を設ける位置は断熱パッケージ２００の内部空間２０１のうち低温反応部６と高温反応部４との間であれば特に限定されるものではない。例えば、図１８に示すように、ゲッター材１８８を、高温反応部４の側面のうち低温反応部６との対向する側４aに設けるようにしてもよい。この場合、配線１９０は、例えば、高温反応部４の側面４aに沿って下方に延出し、連結管８の表面８aを通ってベースプレート２８まで形成すれば良い。
【００５８】
また、図１９及び図２０に示すように、ゲッター材１８８を、高温反応部４と低温反応部６との間における断熱パッケージ２００の上側内面（箱体２０２の内面）２０２aに設けるようにしてもよい。この場合、予めゲッター材１８８を断熱パッケージ２００に設けておくことができるため、作業面で優れる。図１９に示す構成においては、ゲッター材１８８の配線１９０は、低温反応部６の側面６aに沿わずに、ゲッター材１８８の下側から連結管８の表面８aを通って、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、リード線１９２，１９４に接続されるように構成される。また、図２０に示す構成においては、ゲッター材１８８の配線１９０は、断熱パッケージ２００の内部空間２０１に配されずに、断熱パッケージ２００の外部に直接引き出されている。この場合、配線作業が容易となる。
また、図示しないが、ゲッター材１８８を複数設けても良い。複数設けておけば、内部空間２０１の真空度が低下した場合に未使用のゲッター材１８８を活性化させることにより、再度真空度を高めることができる点で好ましい。ゲッター材１８８の配置については、断熱パッケージ２００の内部空間２０１で、高温反応部４と低温反凹部６との間であれば特に限定するものではない。
【００５９】
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。
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。
ここで、ゲッター材１８８を一度活性化して断熱パッケージ２００内の真空度を高めた後、その後はゲッター材１８８を用いない構成とする場合には、配線１９０からリード線１９２，１９４を介して高温反応部４や低温反応部６の熱エネルギーが外部に放出されることを防ぐために、配線１９０を低温反応部６の下面であるベースプレート２８と、断熱パッケージ２００の閉塞板２０４の内面２０４bとの間で切断しておくことが好ましい（図示略）。この場合、切断方法としては、例えば過電流を配線１９０に流して加熱することによって焼き切る方法が用いられる。
【００６０】
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及び連結管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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。）。
【００６３】
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。
【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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
一方、燃焼混合気導入路１８に供給された燃焼混合気は第２燃焼器５０８の燃焼室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生する。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。
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。これにより、高温反応部４と低温反応部６の間には３ｍｍ程度の空間が形成され、この空間を用いてゲッター材１８８が設けられる。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。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。
【００７０】
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２１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２１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の燃料電池の燃料極に供給され、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。
【００７１】
図２２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２２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。
【００７２】
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２０１のうち、高温反応部６と低温反応部４との間にゲッター材１８８が設けられているので、ゲッター材１８８の吸着作用により内部空間２０１のガスを吸着することができる。よって、真空度が高められ、高温反応部４や低温反応部６で発生する熱損失を低減することができる。また、ゲッター材１８８を配置するスペースを新たに設ける必要がなく、断熱パッケージ２００内のスペースを有効利用でき、小型化を図ることができる。
さらに、ゲッター材１８８が低温反応部６の側面のうち高温反応部４と対向する側面６aに設けられ、配線１９０が低温反応部６の側面６aに沿って形成され、ベースプレート２８の下面から引き出されているので、ゲッター材１８８や配線１９０を低温反応部６の熱により加熱することができ、熱効率が良い。
【００７３】
また、本発明の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までの間隔が連結管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管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、連結管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、連結管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。
【００７４】
また、連結流路１６２，１６４，１６６，１６８を１本の連結管８にまとめた状態とされているので、連結管８等に発生する応力を小さくすることができる。つまり、高温反応部４と低温反応部６との間には温度差があるから、低温反応部６よりも高温反応部４のほうがより膨張するが、高温反応部４が連結管８との連結部以外は自由端となっているので、連結管８等に発生する応力を抑えることができる。特に、連結管８は高さや幅が高温反応部４や低温反応部６よりも小さく、更に連結管８は高温反応部４及び低温反応部６の幅方向中央部において高温反応部４及び低温反応部６に連結しているから、連結管８、高温反応部４及び低温反応部６の応力発生を抑えることができる。
低温反応部６と断熱パッケージ２００との間においても一本の外部流通管１０が連結されているから、外部流通管１０等に発生する応力を小さくすることができる。
なお、仮に流路１６２，１６４，１６６，１６８を別々の連結用管材として設け、これら連結用管材を離した状態で高温反応部４と低温反応部６との間に架設すると、低温反応部６と高温反応部４の変位差によってこれら連結用管材、低温反応部６、高温反応部４に応力が発生してしまう。また、高温反応部４の高温時と低温時との温度差が、低温反応部６の高温時と低温時との温度差よりも大きいために、高温反応部４側に外部流通管材を配置すると、管材の熱膨張、収縮が、低温反応部６側に外部流通管材を配置したときの管材の熱膨張、収縮よりも大きくなるので、断熱パッケージ２００内の気密性が損なわれやすくなる。本実施形態では、そのような応力の発生を抑え、気密性を良好に保持することができる。
【００７５】
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、外部に露出している表面面積が抑えられ、断熱パッケージ２００外への放熱を抑えることができ、熱損失を抑えることができる。
【００７６】
連結管８の下面、高温反応部４の下面及び低温反応部６の下面が面一となっているため、電熱線１７２を比較的簡単にパターニングすることができ、電熱線１７２の断線を抑えることができる。
【００７７】
また、外部流通管１０の気化用導入路１４に吸液材を充填させて、気化用導入路１４を気化器５０２としたので、マイクロリアクタモジュール１の小型化・簡略化を図りつつ、混合液の気化に必要な温度状態（例えば気化用導入路１４の上部が１２０℃となる状態）とすることができる。
【００７８】
また、燃焼器プレート１２は外部流通管１０の上端部において外部流通管１０の周囲に設けられているので、更に気化用導入路１４内の吸液材が燃焼器プレート１２の高さの位置まで充填されているから、第一燃焼器５０４における燃焼熱を混合液の気化に効率よく用いることができる。
【００７９】
また、第一改質器５０６と第二改質器５１０との間に第二燃焼器５０８を挟んだ構造としているため、第二燃焼器５０８の燃焼熱が第一改質器５０６と第二改質器５１０に均等に伝導し、第一改質器５０６と第二改質器５１０との間に温度差が生じない。
【００８０】
給排部２、高温反応部４、低温反応部６及び連結管８のどの部分においても、流路を仕切る隔壁が比較的薄くされているので、これらの熱容量を小さくすることができ、動作の初期段階において給排部２、高温反応部４、低温反応部６及び連結管８を室温から高温にすぐに温めることができる。更に、電熱線１７０，１７２，１７４に供給する電力も下げることができる。
【符号の説明】
【００８１】
１  マイクロリアクタモジュール
４  高温反応部
４a  高温反応部の側面
６  低温反応部
６a  低温反応部の側面
８  連結管
２８  ベースプレート
１８８  ゲッター材
１９０  配線
２００  断熱パッケージ
２０２a  断熱パッケージの内面
２０１  内部空間
【図１】
2010215502.tif 000003
【図２】
2010215502.tif 000004
【図３】
2010215502.tif 000005
【図４】
2010215502.tif 000006
【図５】
2010215502.tif 000007
【図６】
2010215502.tif 000008
【図７】
2010215502.tif 000009
【図８】
2010215502.tif 000010
【図９】
2010215502.tif 000011
【図１０】
2010215502.tif 000012
【図１１】
2010215502.tif 000013
【図１２】
2010215502.tif 000014
【図１３】
2010215502.tif 000015
【図１４】
2010215502.tif 000016
【図１５】
2010215502.tif 000017
【図１６】
2010215502.tif 000018
【図１７】
2010215502.tif 000019
【図１８】
2010215502.tif 000020
【図１９】
2010215502.tif 000021
【図２０】
2010215502.tif 000022
【図２１】
2010215502.tif 000023
【図２２】
2010215502.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成22年6月11日(2010.6.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、第１の温度に設定され、水と液体燃料が気化された混合気が供給されて、該混合気の改質反応によって、水素ガス及び該水素ガスよりも微量な一酸化炭素を生成する改質部と、前記第１の温度より低い第２の温度に設定され、前記水素ガス及び微量前記一酸化炭素の混合気と空気が供給されて、該一酸化炭素を酸化させる一酸化炭素除去部と、前記改質部と前記一酸化炭素除去部との間に架設され、前記改質部と前記一酸化炭素除去部との間で、前記水と液体燃料が気化された混合気及び前記水素ガスと該水素ガスよりも微量な一酸化炭素を送る連結管と、前記改質部及び前記一酸化炭素除去部と前記連結管との全体を覆い、内部空間が真空圧とされる断熱容器と、前記断熱容器の内部空間のうちの架設された前記連結管を介して前記改質部と前記一酸化炭素除去部とが対向する空間に設けられた、前記断熱容器の内部空間に存在する気体の少なくとも一部を吸着して、該内部空間の真空度を高めるゲッター材と、を備え、前記ゲッター材を活性化するための配線が、前記一酸化炭素除去部を形成する下面を介して前記断熱容器の外部に引き出されていることを特徴とする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
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、前記改質部、前記一酸化炭素除去部及び前記断熱容器は直方体形状を有し、前記ゲッター材は、少なくとも、前記改質部と前記一酸化炭素除去部との間に位置する前記断熱容器の内面、前記改質部の側面のうち前記一酸化炭素除去部と対向する側面及び前記一酸化炭素除去部の側面のうち前記改質部と対向する側面、の何れかの箇所に設けられていることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の反応装置において、前記改質部、前記一酸化炭素除去部は、箱体の内に隔壁を設けることにより、前記改質部には前記水と液体燃料が気化された混合気が流れる流路が、前記一酸化炭素除去部には前記水素ガス及び該水素ガスよりも微量な一酸化炭素が流れる流路が、それぞれ形成されることを特徴とする。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の反応装置において、前記箱体及び前記隔壁は、板状の金属材料を接合して形成されることを特徴とする。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
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、前記断熱容器は、板状の金属材料を接合して形成される箱体からなることを特徴とする。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
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、前記連結管は、板状の金属材料を接合して形成され、前記改質部及び前記一酸化炭素除去部に接合されていることを特徴とする。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
請求項８に記載の発明は、請求項１に記載の反応装置において、前記改質部は、前記水と液体燃料が気化された混合気が流れる流路が形成される少なくとも一つの反応器と、該反応器を加熱して前記第１の温度に設定する加熱部と、を備えることを特徴とする。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
請求項９に記載の発明は、請求項８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一酸化炭素除去部を前記第２の温度に設定することを特徴とする。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
請求項１０に記載の発明は、請求項８に記載の反応装置において、前記加熱部は、前記断熱容器の外部から気体燃料が供給され、該気体燃料が流れる空間が内部に設けられて該空間を流れる気体燃料の燃焼を起こし、燃焼後の排ガスを前記断熱容器の外部に排出する燃焼器を備えることを特徴とする。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の温度に設定され、水と液体燃料が気化された混合気が供給されて、該混合気の改質反応によって、水素ガス及び該水素ガスよりも微量な一酸化炭素を生成する改質部と、
前記第１の温度より低い第２の温度に設定され、前記水素ガス及び微量前記一酸化炭素の混合気と空気が供給されて、該一酸化炭素を酸化させる一酸化炭素除去部と、
前記改質部と前記一酸化炭素除去部との間に架設され、前記改質部と前記一酸化炭素除去部との間で、前記水と液体燃料が気化された混合気及び前記水素ガスと該水素ガスよりも微量な一酸化炭素を送る連結管と、
前記改質部及び前記一酸化炭素除去部と前記連結管との全体を覆い、内部空間が真空圧とされる断熱容器と、
前記断熱容器の内部空間のうちの架設された前記連結管を介して前記改質部と前記一酸化炭素除去部とが対向する空間に設けられた、前記断熱容器の内部空間に存在する気体の少なくとも一部を吸着して、該内部空間の真空度を高めるゲッター材と、を備え、
前記ゲッター材を活性化するための配線が、前記一酸化炭素除去部を形成する下面を介して前記断熱容器の外部に引き出されていることを特徴とする反応装置。
【請求項２】
前記改質部、前記一酸化炭素除去部及び前記断熱容器は直方体形状を有し、前記ゲッター材は、少なくとも、前記改質部と前記一酸化炭素除去部との間に位置する前記断熱容器の内面、前記改質部の側面のうち前記一酸化炭素除去部と対向する側面及び前記一酸化炭素除去部の側面のうち前記改質部と対向する側面、の何れかの箇所に設けら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】
前記ゲッター材は複数設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の反応装置。
【請求項４】
前記改質部、前記一酸化炭素除去部は、箱体の内に隔壁を設けることにより、前記改質部には前記水と液体燃料が気化された混合気が流れる流路が、前記一酸化炭素除去部には前記水素ガス及び該水素ガスよりも微量な一酸化炭素が流れる流路が、それぞれ形成されることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項５】
前記箱体及び前記隔壁は、板状の金属材料を接合して形成されることを特徴とする請求項４に記載の反応装置。
【請求項６】
前記断熱容器は、板状の金属材料を接合して形成される箱体からなることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項７】
前記連結管は、板状の金属材料を接合して形成され、前記改質部及び前記一酸化炭素除去部に接合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８】
前記改質部は、前記水と液体燃料が気化された混合気が流れる流路が形成される少なくとも一つの反応器と、該反応器を加熱して前記第１の温度に設定する加熱部と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項９】
前記加熱部は、前記連結部を介して前記一酸化炭素除去部を前記第２の温度に設定することを特徴とする請求項８に記載の反応装置。
【請求項１０】
前記加熱部は、前記断熱容器の外部から気体燃料が供給され、該気体燃料が流れる空間が内部に設けられて該空間を流れる気体燃料の燃焼を起こし、燃焼後の排ガスを前記断熱容器の外部に排出する燃焼器を備えることを特徴とする請求項８に記載の反応装置。