(57)【要約】【課題】流路内の圧力変化に伴う固体電解質の損傷が抑制された反応器を提供する。【解決手段】本開示の反応器は、第１面および第２面を有する固体電解質と、第１面上に設けられた第１電極と、第２面上に設けられた第２電極と、一主面上に第１凹部を有する第１基板と、一主面上に第２凹部を有する第２基板と、複数の発熱部を有する発熱体とを備える。第１電極および第２電極は、それぞれ、第１触媒および第２触媒を有する。反応器は、第１凹部が第１電極と対向するように第１基板を第１面上に配置することによって形成された第１流路と、第２凹部が第２電極と対向するように第２基板を第２面上に配置することによって形成された第２流路とを有する。反応器の周辺部における発熱密度は、反応器の中心部における発熱密度よりも大きい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流路および第２流路を有する反応器であって、
前記反応器は、
第１面および第２面を有する固体電解質と、
前記第１面上に設けられた第１電極であって、第１触媒を有する第１電極と、
前記第２面上に設けられた第２電極であって、第２触媒を有する第２電極と、
一主面上に第１凹部を有する第１基板と、
一主面上に第２凹部を有する第２基板と、
複数の発熱部を有する発熱体と
を備え、
前記第１流路は、前記第１凹部が前記第１電極と対向するように前記第１基板を前記第１面上に配置することによって形成された流路であり、
前記第２流路は、前記第２凹部が前記第２電極と対向するように前記第２基板を前記第２面上に配置することによって形成された流路であり、
前記反応器の周辺部における発熱密度は、前記反応器の中心部における発熱密度よりも大きい、反応器。
【請求項２】
前記複数の発熱部は、前記第１面と略平行な面内において順に隣接するように配列された第１、第２および第３発熱部を含み、
前記第１発熱部と前記第２発熱部との間の間隔は、前記第２発熱部と前記第３発熱部との間の間隔と異なる、請求項１に記載の反応器。
【請求項３】
前記第１発熱部は、前記第２発熱部よりも前記中心部に近い位置に配置されており、
前記第３発熱部は、前記第２発熱部よりも前記中心部から遠い位置に配置されており、
前記第３発熱部と前記第２発熱部との間の間隔は、前記第１発熱部と前記第２発熱部との間の間隔よりも小さい、請求項２に記載の反応器。
【請求項４】
前記複数の発熱部は、前記第１面と略平行な面内において互いに隣接するように配列された第１および第２発熱部を含み、
前記第１発熱部の幅は、前記第２発熱部の幅と異なる、請求項１に記載の反応器。
【請求項５】
前記第１発熱部は、前記第２発熱部よりも前記中心部に近い位置に配置されており、
前記第２発熱部の幅は、前記第１発熱部の幅よりも小さい、請求項４に記載の反応器。
【請求項６】
前記複数の発熱部は、前記第１面と略平行な面内において互いに隣接するように配列された第１および第２発熱部を含み、
前記第１発熱部の電気抵抗率は、前記第２発熱部の電気抵抗率と異なる、請求項１に記載の反応器。
【請求項７】
前記第１発熱部は、前記第２発熱部よりも前記中心部に近い位置に配置されており、
前記第２発熱部の電気抵抗率は、前記第１発熱部の電気抵抗率よりも大きい、請求項６に記載の反応器。
【請求項８】
前記複数の発熱部は、前記第１基板の主面のうち前記第１面と対向する側とは反対側の主面上に設けられている、請求項１から７のいずれかに記載の反応器。
【請求項９】
前記複数の発熱部は、前記第１凹部の表面上に設けられている、請求項１から７のいずれかに記載の反応器。
【請求項１０】
前記複数の発熱部は、前記第１面と、前記第１基板の前記第１凹部を有する主面の前記第１凹部以外の部分との間に設けられている、請求項１から７のいずれかに記載の反応器。
【請求項１１】
前記第１流路内に配置されたセンサをさらに備え、
前記センサは、温度センサ、圧力センサまたは変形センサである、請求項１から１０のいずれかに記載の反応器。
【請求項１２】
前記センサは、前記第１面上に配置されている、請求項１１に記載の反応器。
【請求項１３】
前記センサは、前記第１流路の端部近傍に配置されている、請求項１１または１２に記載の反応器。
【請求項１４】
第１流路および第２流路を有する反応器の運転方法であって、
前記第１流路および前記第２流路に、それぞれ、第１媒体および第２媒体を導入する工程と、
前記第１媒体および前記第２媒体の導入の開始後に、前記反応器の周辺部および前記反応器の中心部を順に加熱する工程と
を含む、反応器の運転方法。
【請求項１５】
第１流路および第２流路を有する反応器の運転方法であって、
前記反応器の周辺部および中心部を加熱する工程と、
前記第１流路への第１媒体の導入、および前記第２流路への第２媒体の導入を停止する工程と、
前記第１媒体および前記第２媒体の導入の停止後に、前記反応器の中心部の加熱および前記反応器の周辺部の加熱を順に停止する工程と
を含む、反応器の運転方法。
【請求項１６】
請求項１１から１３のいずれかに記載の反応器の運転方法であって、
前記センサの出力値を取得する工程と、
前記出力値に応じた電力を前記発熱体に供給する工程と
を含む、反応器の運転方法。
【請求項１７】
請求項１１から１３のいずれかに記載の反応器と、
前記センサの出力値に応じて前記発熱体に供給する電力を制御する制御部と
を備える、反応器システム。
【請求項１８】
基準値を格納するメモリをさらに備え、
前記制御部は、前記出力値と前記基準値とを比較し、比較結果に基づいて、前記発熱体に供給する電力の大きさを変更する、請求項１７に記載の反応器システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、固体電解質を備える反応器に関する。本願は、固体電解質を備える反応器の運転方法にも関している。
【背景技術】
【０００２】
近年、クリーンなエネルギ源として水素が注目されている。水素を利用するデバイスとして、水素を用いて発電する燃料電池が知られている。よく知られているように、燃料電池は、アノードおよびカソードと、これらの間に挟まれた電解質とを備えている。電解質としては、例えばプロトン（水素イオン）を伝導可能な固体電解質を用いることができ、このような固体電解質として、ナフィオン（登録商標）などの固体高分子膜、ペロブスカイト型酸化物などが知られている。
【０００３】
また、ヒーターを備える燃料電池が知られている。特許文献１は、金属酸化物を焼結することによって形成されたヒーターを有する燃料電池を開示している（図１参照）。特許文献１に開示される燃料電池は、電解質膜として固体高分子膜を有している。特許文献１に開示される燃料電池では、酸素が供給される流路内をヒーターで加熱することによって、いわゆるフラッディング（flooding）の発生を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１４６５９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池などの、固体電解質を有するデバイスにおいては、固体電解質の損傷を抑制してデバイスの信頼性を向上させることが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の例示的な実施形態として以下のものが提供される。
【０００７】
第１流路および第２流路を有する反応器であって、前記反応器は、第１面および第２面を有する固体電解質と、前記第１面上に設けられた第１電極であって、第１触媒を有する第１電極と、前記第２面上に設けられた第２電極であって、第２触媒を有する第２電極と、一主面上に第１凹部を有する第１基板と、一主面上に第２凹部を有する第２基板と、複数の発熱部を有する発熱体とを備え、前記第１流路は、前記第１凹部が前記第１電極と対向するように前記第１基板を前記第１面上に配置することによって形成された流路であり、前記第２流路は、前記第２凹部が前記第２電極と対向するように前記第２基板を前記第２面上に配置することによって形成された流路であり、前記反応器の周辺部における発熱密度は、前記反応器の中心部における発熱密度よりも大きい、反応器。
【０００８】
本開示の他の例示的な実施形態として以下のものが提供される。
【０００９】
第１流路および第２流路を有する反応器の運転方法であって、前記第１流路および前記第２流路に、それぞれ、第１媒体および第２媒体を導入する工程と、前記第１媒体および前記第２媒体の導入の開始後に、前記反応器の周辺部および前記反応器の中心部を順に加熱する工程とを含む、反応器の運転方法。
【００１０】
本開示のさらに他の例示的な実施形態として以下のものが提供される。
【００１１】
第１流路および第２流路を有する反応器の運転方法であって、前記反応器の周辺部および中心部を加熱する工程と、前記第１流路への第１媒体の導入、および前記第２流路への第２媒体の導入を停止する工程と、前記第１媒体および前記第２媒体の導入の停止後に、前記反応器の中心部の加熱および前記反応器の周辺部の加熱を順に停止する工程とを含む、反応器の運転方法。
【発明の効果】
【００１２】
本開示によれば、固体電解質の損傷を抑制し得る反応器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１における反応器の模式的な断面図
【図２】本発明の実施の形態１における反応器の模式的な断面図
【図３】反応器１００の模式的な上面図
【図４】独立した複数の第１流路を有する反応器１００Ａの構成の一例を示す模式的な上面図
【図５】上側基板１０２ａ上に設けられた単一の発熱体１０５Ｂを有する反応器１００Ｂの模式的な上面図
【図６】上側基板１０２ａ上に設けられた単一の発熱体１０５Ｃを有する反応器１００Ｃの模式的な上面図
【図７】発熱体の配置の他の例を示す模式的な断面図
【図８】発熱体の配置のさらに他の例を示す模式的な断面図
【図９】電気抵抗率の異なる複数の発熱部を有する反応器１００Ｆの構成の一例を示す模式的な断面図
【図１０】本発明の他の例示的な実施形態による反応器２００の模式的な断面図
【図１１】センサを備える反応器の他の例を示す模式的な断面図
【図１２】本発明のさらに他の例示的な実施形態による反応器システム３００の構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本開示を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。
【００１５】
よく知られているように、固体電解質を備える反応器は、水蒸気、水素ガス、酸素ガス、メタノール、トルエンなどの反応物質が導入される流路を内部に有している。例えば燃料電池は、水素ガス、水蒸気などを導入するための流路と、酸素ガスを導入するための流路とを有している。これら２つの流路は、一般に、固体電解質を介して対向するように配置されている。また、前述したように、ヒーターを備える反応器が知られている。このような反応器においては、動作時、反応器全体がヒーターによって加熱される。これにより、流路内の反応物質も加熱される。
【００１６】
しかしながら、反応器の温度分布が一様でないために、固体電解質を介して対向する一方の流路内の圧力と他方の流路内の圧力との間に大きな差が生じることがある。２つの流路間の圧力差が大きいと、流路間に配置された固体電解質に過度の応力が加わり、固体電解質が損傷することがある。特に、いずれかの流路内において反応物質の状態変化が生じると、流路内の圧力に急激な変化が生じるために、固体電解質が損傷を受け、反応器の信頼性が低下する。
【００１７】
本願発明者は、流路内の圧力変化に起因する固体電解質の損傷を抑制すべく検討した。その過程において、反応器の中心部と周辺部との間の温度差に着目した。
【００１８】
一般に、反応器の周辺部は、外気と接触する面積が大きく、反応器の中心部と比較して温度が低下しやすい。また、反応器の周辺部には、反応物質を導入するための流体入口および反応物質を排出するための流体出口が設けられることから、反応器の周辺部では、反応物質の導入および排出に伴う温度低下が生じやすい。反応器の周辺部における温度が低いと、流路の端部、すなわち流体入口近傍または流体出口近傍の温度が低下する。流路の端部における温度が低下すると、流路の端部において反応物質の凝縮または凝固が起こり、流路が閉塞することがある。なお、本明細書における「閉塞」には、流路が完全にふさがれた状態だけではなく、流路の断面積が減少した状態も含まれる。流路の閉塞によって気体状態の反応物質が流路の中心部に閉じ込められたまま反応器が加熱されると、気体状態の反応物質の膨張によって、流路内の圧力が上昇する。このような圧力上昇による２つの流路間の圧力差の拡大は、固体電解質の破損を引き起こす。なお、本明細書において、「流路の中心部」または「流路の中心付近」は、流路の端部を除いた部分を意味する。
【００１９】
本願発明者は、さらに、上記のような流路内の圧力変化に起因する固体電解質の損傷が、反応器の動作時だけではなく、反応器の運転開始時および運転停止時にも生じ得ることを見出した。
【００２０】
反応器の運転開始時、必要な温度に達するまで反応器全体の加熱が行われる。このとき、流路内に液体状態または固体状態の反応物質が存在していると、流路内の圧力に急激な変化が生じることがある。例えば流路の端部と比較して流路の中心部の温度上昇が早いと、流路の端部に存在する反応物質が液体状態または固体状態のまま、流路の中心部に存在する反応物質が気化する。すなわち、液体状態または固体状態の反応物質によって閉塞された流路の内部の圧力が急激に上昇する。したがって固体電解質に過度の応力が加わり、固体電解質が損傷を受けることがある。
【００２１】
反応器の運転停止後、反応器全体の温度は、室温まで低下する。このとき、例えば流路の中心部と比較して流路の端部の温度低下が早いと、流路の中心部に存在する反応物質が気体状態のまま、流路の端部に存在する反応物質が凝縮または凝固する。その後、流路の中心部の温度の低下により、流路の中心部に存在する反応物質が凝縮または凝固すると、液体状態または固体状態の反応物質によって閉塞された流路の内部の圧力が急激に減少する。したがって固体電解質に過度の応力が加わり、固体電解質が損傷を受けることがある。
【００２２】
以上に説明したように、反応器における温度ばらつきが大きいと、一方の流路内の圧力と他方の流路内の圧力との間に大きな差が生じ、固体電解質が損傷を受けることがある。特に、固体電解質の一方の主面側に導入される反応物質の沸点（または融点）と、他方の主面側に導入される反応物質の沸点（または融点）とが大きく異なっていると、前述の固体電解質の損傷が生じやすい。また、反応器の運転開始時および運転停止時の温度変化は、数百度に及ぶこともあり、反応器の運転開始時および運転停止時における固体電解質の損傷を抑制することが望ましい。なお、上述したような事情から、従来、固体電解質を薄膜化することは困難であった。
【００２３】
本願発明者は、上記の知見に基づき、固体電解質の損傷を抑制すべく鋭意検討を行った。その結果、固体電解質の損傷を抑制し得る、信頼性の向上された反応器を見出した。
【００２４】
まず、本発明の一態様の概要を説明する。
【００２５】
本発明の一態様である反応器は、第１流路および第２流路を有する反応器であって、反応器は、第１面および第２面を有する固体電解質と、第１面上に設けられた第１電極と、第２面上に設けられた第２電極と、一主面上に第１凹部を有する第１基板と、一主面上に第２凹部を有する第２基板と、複数の発熱部を有する発熱体とを備える。第１電極は、第１触媒を有する。第２電極は、第２触媒を有する。第１流路は、第１凹部が第１電極と対向するように第１基板を第１面上に配置することによって形成された流路である。第２流路は、第２凹部が第２電極と対向するように第２基板を第２面上に配置することによって形成された流路である。反応器の周辺部における発熱密度は、反応器の中心部における発熱密度よりも大きい。
【００２６】
ある態様において、複数の発熱部は、第１面と略平行な面内において順に隣接するように配列された第１、第２および第３発熱部を含む。第１発熱部と第２発熱部との間の間隔は、第２発熱部と第３発熱部との間の間隔と異なっていてもよい。
【００２７】
ある態様において、第１発熱部は、第２発熱部よりも中心部に近い位置に配置されている。また、第３発熱部は、第２発熱部よりも中心部から遠い位置に配置されている。第３発熱部と第２発熱部との間の間隔は、第１発熱部と第２発熱部との間の間隔よりも小さくてもよい。
【００２８】
ある態様において、複数の発熱部は、第１面と略平行な面内において互いに隣接するように配列された第１および第２発熱部を含む。第１発熱部の幅は、第２発熱部の幅と異なっていてもよい。
【００２９】
ある態様において、第１発熱部は、第２発熱部よりも中心部に近い位置に配置されている。第２発熱部の幅は、第１発熱部の幅よりも小さくてもよい。
【００３０】
ある態様において、複数の発熱部は、第１面と略平行な面内において互いに隣接するように配列された第１および第２発熱部を含む。第１発熱部の電気抵抗率は、第２発熱部の電気抵抗率と異なっていてもよい。
【００３１】
ある態様において、第１発熱部は、第２発熱部よりも中心部に近い位置に配置されている。第２発熱部の電気抵抗率は、第１発熱部の電気抵抗率よりも大きくてもよい。
【００３２】
複数の発熱部は、第１基板の主面のうち第１面と対向する側とは反対側の主面上に設けられていてもよい。
【００３３】
複数の発熱部は、第１凹部の表面上に設けられていてもよい。
【００３４】
複数の発熱部は、第１面と、第１基板の第１凹部を有する主面の第１凹部以外の部分との間に設けられていてもよい。
【００３５】
ある態様において、反応器は、第１流路内に配置されたセンサをさらに備える。センサは、温度センサ、圧力センサまたは変形センサであり得る。
【００３６】
センサは、第１面上に配置されていてもよい。
【００３７】
センサは、第１流路の端部近傍に配置されていてもよい。
【００３８】
本発明の他の一態様である反応器の運転方法は、第１流路および第２流路を有する反応器の運転方法であって、第１流路および第２流路に、それぞれ、第１媒体および第２媒体を導入する工程と、第１媒体および第２媒体の導入の開始後に、反応器の周辺部および反応器の中心部を順に加熱する工程とを含む。
【００３９】
本発明のさらに他の一態様である反応器の運転方法は、第１流路および第２流路を有する反応器の運転方法であって、反応器の周辺部および中心部を加熱する工程と、第１流路への第１媒体の導入、および第２流路への第２媒体の導入を停止する工程と、第１媒体および第２媒体の導入の停止後に、反応器の中心部の加熱および反応器の周辺部の加熱を順に停止する工程とを含む。
【００４０】
反応器の運転方法は、センサの出力値を取得する工程と、出力値に応じた電力を発熱体に供給する工程とを含んでいてもよい。
【００４１】
本発明のさらに他の一態様である反応器システムは、上記のいずれかに記載の反応器と、センサの出力値に応じて発熱体に供給する電力を制御する制御部とを備える。
【００４２】
ある態様において、反応器システムは、基準値を格納するメモリをさらに備える。制御部は、出力値と基準値とを比較し、比較結果に基づいて、発熱体に供給する電力の大きさを変更してもよい。
【００４３】
以下、図面を参照しながら、本発明の例示的な実施形態を説明する。以下の説明において、実質的に同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、説明を省略することがある。
【００４４】
（実施の形態１）
図１および図２は、本発明の実施の形態１における反応器の模式的な断面図である。参考のため、図１および図２には、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸が示されている。図１および図２は、それぞれ、ＺＸ面に平行な面で反応器を切断したときの断面およびＸＹ面に平行な面で反応器を切断したときの断面を示している。図１は、図２のＢ−Ｂ’線断面図である。なお、他の図においても、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を示すことがある。
【００４５】
図１に示す反応器１００は、固体電解質１０１と、第１電極１０３ａと、第２電極１０３ｂと、上側基板１０２ａと、下側基板１０２ｂと、発熱体１０５および１０６とを備える。図１に例示する構成では、発熱体１０５は、上側基板１０２ａの２つの主面のうち、固体電解質１０１の一方の主面Ｓ１と対向する側とは反対側の主面Ｓｃ上に設けられている。図示するように、典型的には、発熱体１０５の厚さ（図のＺ方向に沿った高さ）は、概ね均一である。また、発熱体１０６は、下側基板１０２ｂの２つの主面のうち、固体電解質１０１の他方の主面Ｓ２と対向する側とは反対側の主面Ｓｄ上に設けられている。典型的には、発熱体１０６の厚さは、概ね均一である。
【００４６】
図１に例示する構成において、第１電極１０３ａは、固体電解質１０１の主面Ｓ１上に設けられている。第２電極１０３ｂは、固体電解質１０１の主面Ｓ２上に設けられている。上側基板１０２ａは、一主面上に凹部１０７ａを有しており、上側基板１０２ａは、凹部１０７ａが第１電極１０３ａと対向するようにして固体電解質１０１の主面Ｓ１上に配置されている。これにより、反応器１００の内部に第１流路１０４ａが形成されている。すなわち、第１流路１０４ａは、第１電極１０３ａを内部に有する流路である。同様に、下側基板１０２ｂは、一主面上に凹部１０７ｂを有しており、下側基板１０２ｂは、凹部１０７ｂが第２電極１０３ｂと対向するようにして固体電解質１０１の主面Ｓ２上に配置されている。これにより、反応器１００の内部に第２流路１０４ｂが形成されている。第２流路１０４ｂは、第２電極１０３ｂを内部に有する流路である。第１流路１０４ａおよび第２流路１０４ｂのそれぞれは、その内部に導入される物質の反応のための空間であるということができる。
【００４７】
図２は、図に示すＺ軸方向から見たときの第１流路１０４ａおよび第１電極１０３ａの例示的な形状を模式的に示している。図示する例では、反応器１００内において、第１流路１０４ａは、メアンダ状に形成されている。また、第１電極１０３ａは、第１流路１０４ａと同様にメアンダ状に形成されている。第１流路１０４ａの両端部には、第１流路１０４ａに連通する開口部１０８ａおよび１０８ｂが形成されている。開口部１０８ａおよび１０８ｂは、それぞれ、流体入口および流体出口として機能する。つまり、開口部１０８ａを介して、第１流路１０４ａ内（ここでは上側基板１０２ａと固体電解質１０１の主面Ｓ１との間に形成された空間内）に、水素ガス、水蒸気などの流体を導入することができる。また、開口部１０８ｂを介して、第１流路１０４ａ内の流体を反応器１００の外部に排出することができる。流体入口および流体出口の配置は前述の例に限定されず、例えば開口部１０８ａおよび１０８ｂを、それぞれ、流体出口および流体入口として機能させてもよい。
【００４８】
なお、反応器１００では、第２流路１０４ｂは、固体電解質１０１を介して第１流路１０４ａと対向するように形成されている（図１参照）。すなわち、ここでは、第２流路１０４ｂは、第１流路１０４ａと同様のメアンダ状に形成されており、その両端部に開口部（不図示）を有している。第２電極１０３ｂも、第２流路１０４ｂと同様にメアンダ状に形成されている。
【００４９】
後に詳しく説明するように、第１電極１０３ａは、触媒を有する電極である。また、第２電極１０３ｂも、触媒を有する電極である。反応器１００は、例えば燃料電池として機能することができる。反応器１００が例えば燃料電池として機能するとき、第１電極１０３ａおよび第２電極１０３ｂは、それぞれ、例えばカソードおよびアノードとして機能する。以下では、第１電極１０３ａおよび第２電極１０３ｂを、それぞれ、カソード１０３ａおよびアノード１０３ｂと呼ぶことがある。
【００５０】
図３は、反応器１００の模式的な上面図である。図３のＢ−Ｂ’線断面は、図１に示す断面と同様である。前述したように、反応器１００は、発熱体１０５を備えている。なお、図１に示す発熱体１０６（図３において不図示）は、発熱体１０５と同様の構成を有し得る。重複を避けるため、以下では発熱体１０６の説明を省略することがある。
【００５１】
図３に例示する構成において、発熱体１０５は、図のＹ方向に沿って延びる複数の発熱部（ここでは発熱部１０５ａ、１０５ｂおよび１０５ｃ）を有している。図３に示すように、ここでは、上側基板１０２の上面から見たときの発熱部の間隔は、不等間隔である。図示する構成において、複数の発熱部は、反応器１００の周辺部において、中心部と比較してより密に配置されている。言い換えれば、反応器１００の周辺部における発熱密度は、反応器１００の中心部における発熱密度よりも大きい。本明細書における「発熱密度」は、固体電解質の主面と垂直な方向から反応器を見たときの単位面積あたりにおける単位時間あたりに発生する熱量を意味する。本明細書における「発熱密度」が定義される領域は、発熱体上の領域に限定されず、発熱体とその外側の周辺部分も含む領域であり得る。
【００５２】
本開示では、反応器の周辺部における発熱密度が、反応器の中心部における発熱密度よりも大きくなるように設定されている。後に詳しく説明するように、本開示によれば、反応器における温度ばらつきを抑制して、流路内の圧力変化に伴う固体電解質の損傷を抑制することが可能である。
【００５３】
以下、本発明の例示的な実施形態における各部の構成および反応器の動作をより詳細に説明する。
【００５４】
＜固体電解質＞
固体電解質１０１の例は、プロトン伝導性を有する有機膜または固体酸化物である。例えば、固体電解質として、プロトン伝導性を有するペロブスカイト型酸化物（一般に、ＡＢＯ3の化学式で表される）を用いることができる。立方晶の頂点に位置するＡサイトに、Ｂａ、ＳｒおよびＣａからなる群から選ばれる少なくとも一つのアルカリ土類金属、立方晶の体心に位置するＢサイトに、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｇｄ、Ｉｎ、Ｇａ、ＡｌおよびＲｕからなる群から選ばれる少なくとも一つの元素、立方晶の面心に位置するサイトに、Ｏ（酸素）をそれぞれ配置することにより、良好なプロトン伝導体を得ることができる。ＢａＺｒＯ3を骨格に、Ｂサイトの一部をＹ（イットリウム）などで置換したペロブスカイト型酸化物を用いてもよい。ここでは、固体電解質１０１として、プロトン伝導性を有するペロブスカイト型酸化物を例示する。ただし、固体電解質１０１は、プロトン伝導体に限定されず、固体酸化物などから形成された酸素イオン導電体であってもよい。例えばイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの固体酸化物を用いてもよい。固体電解質中のキャリアは、プロトンに限定されず、酸素イオンであってもよい。
【００５５】
固体電解質１０１の形成には、例えばスパッタリング法を用いることができる。固体電解質１０１の形成方法は、スパッタリング法に限定されず、ＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、またはＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）などを用いることができる。
【００５６】
固体電解質１０１は、例えば、０．５μｍ以上２μｍ以下の範囲を有する。固体電解質１０１の厚さを０．５μｍ程度以上に設定することにより、固体電解質への欠陥の発生を抑制し得る。したがって、反応物質のリークの発生を抑制しつつ、十分なイオン伝導度を得ることが可能である。また、固体電解質１０１の厚さを２μｍ程度以下に設定することにより、膜厚が極端に大きい場合と比較して、成膜時の応力によるクラックなどの発生を抑制できる。
【００５７】
本開示によれば、流路内の圧力変化に伴う固体電解質の損傷を抑制することが可能であるので、前述の範囲の厚さを有する固体電解質を用いることも比較的容易である。固体電解質を薄膜化することにより、プロトン伝導率を向上させ得、例えば反応器１００を燃料電池として用いる場合における発電効率を向上させ得る。
【００５８】
＜第１電極および第２電極＞
第１電極１０３ａおよび第２電極１０３ｂは、それぞれ、触媒を有している。例えば、反応器１００を燃料電池として動作させる場合、第１電極１０３ａは、酸素を還元する触媒を有し、カソードとして機能する。また、第２電極１０３ｂは、水素を酸化する触媒を有し、アノードとして機能する。
【００５９】
第１電極１０３ａは、例えば、プロトン透過性（伝導性）、電子伝導性および触媒機能を有する材料から構成される。このような材料の例は、白金（Ｐｔ）などの金属、ＳｒＲｕＯ3などの固体酸化物などである。ここでは、メアンダ状にパターニングされた、厚さ２０ｎｍのＰｔ膜を例示する。第１電極１０３ａの幅（図１および図２中、矢印「ｗ１」で示す幅）は、例えば１５０μｍである。第１電極１０３ａは、金属および固体酸化物の積層構造を有していてもよい。なお、第１電極１０３ａは、プロトン透過性、電子伝導性および触媒機能の全てを備える単一の材料から形成されていなくてもよく、例えば、電子伝導性を備える電極と触媒との積層構造によって形成されてもよい。第２電極１０３ｂも、第１電極１０３ａと同様の材料を用いて形成することができる。第１電極１０３ａおよび第２電極１０３ｂに用いる材料は、反応器１００の用途によって適宜変更することができる。第２電極１０３ｂは、第１電極１０３ａと完全に同一の構成を有している必要はない。
【００６０】
＜上側基板および下側基板＞
上側基板１０２ａの材料の例は、シリコン（Ｓｉ）、ガラス、石英などである。上側基板１０２ａは、固体電解質１０１の主面上に、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）、ＣＶＤ、電鋳などにより形成された、酸化物（例えばＳｉＯ2）、窒化物（例えばＳｉＮ）、または金属（例えばニッケル（Ｎｉ））からなる層であってもよい。下側基板１０２ｂも上側基板１０２ａと同様の材料を用いることができる。上側基板１０２ａおよび下側基板１０２ｂの形状は、図１に例示されるようなプレート状に限定されず、段差、屈曲などを有する形状であり得る。
【００６１】
図１を参照して説明したように、反応器１００は、第１流路１０４ａおよび第２流路１０４ｂを有している。第１流路１０４ａは、例えば、凹部１０７ａを有する上側基板１０２ａと固体電解質１０１とを接合することにより形成することができる。同様に、第２流路１０４ｂは、凹部１０７ｂを有する下側基板１０２ｂと固体電解質１０１とを接合することにより形成することができる。例えば上側基板１０２ａまたは下側基板１０２ｂにシリコン基板を用いる場合、凹部（１０７ａまたは１０７ｂ）は、ドライエッチング、ウエットエッチングなどにより容易に形成できる。凹部とともに、流体入口および流体出口を形成してもよい。
【００６２】
ここでは、上側基板１０２ａおよび下側基板１０２ｂとして、厚さ１μｍの熱酸化膜が形成された単結晶Ｓｉ基板（厚さ約５００μｍ）を用いる。上側基板１０２ａ上の凹部１０７ａおよび下側基板１０２ｂ上の凹部１０７ｂは、例えば、深掘りドライエッチング（Deep-RIE（Reactive Ion Etching））によって形成することができる。ドライエッチングにより凹部１０７ａおよび凹部１０７ｂを形成する場合、図１に示すように、凹部１０７ａおよび凹部１０７ｂの断面は矩形である。凹部１０７ａおよび／または凹部１０７ｂの形成には、ウエットエッチングを用いてもよく、したがって、凹部１０７ａおよび／または凹部１０７ｂの断面は、テーパ形状であってもよい。
【００６３】
凹部１０７ａおよび凹部１０７ｂの幅（図１中、矢印「ｗ２」で示す幅）および深さ（図１中、矢印「ｔ」で示す深さ）は、それぞれ、例えば２００μｍおよび５０μｍである。つまり、図１に示す例では、第１流路１０４ａおよび第２流路１０４ｂの幅は、２００μｍに設定されている。反応器１００における流路のサイズは、反応器１００の用途に応じて適宜選択される。ただし、第１電極１０３ａ、固体電解質１０１および第２電極１０３ｂの積層体の機械的強度を考慮して、反応器１００における流路の幅を積層体の総厚の５００倍程度以下に設定することが有益である。
【００６４】
上側基板１０２ａおよび固体電解質１０１の接合には、陽極接合を用い得る。上側基板１０２ａおよび固体電解質１０１の接合においては、凹部１０７ａが第１電極１０３ａと対向するようにして固体電解質１０１の主面Ｓ１上に上側基板１０２ａを配置する。さらに、上側基板１０２ａおよび固体電解質１０１を加熱および電圧印加しながら加圧する。これは、酸化物である固体電解質とＳｉ基板表面に予め形成された熱酸化膜（図示せず）との間の拡散接合であり得る。接合表面の清浄性、平坦性が良好な場合には、このような直接接合を行い得る。下側基板１０２ｂおよび固体電解質１０１の接合も同様に行い得る。
【００６５】
なお、有機膜、酸化膜、金属層、ガラス層、メタライズされたセラミック層などから形成された接合層を介して、上側基板１０２ａおよび／または下側基板１０２ｂと固体電解質１０１との間の接合を行ってもよい。例えば、接合の前に、上側基板１０２ａ（もしくは下側基板１０２ｂ）または固体電解質１０１上にエポキシ樹脂、ガラス粉末（ガラスフリット）などを付与しておくことにより、接合層を介した接合を行うことができる。接合層を設けることにより、より強固な接合を行い得る。接合層の材料として絶縁材料を用いることにより、第１電極１０３ａおよび第２電極１０３ｂと外部電源とを接続するための配線の設計の自由度も向上する。
【００６６】
第１流路１０４ａおよび第２流路１０４ｂの形状は、メアンダ状に限定されない。第１流路１０４ａおよび第２流路１０４ｂは、図２に例示するような連続した単一の流路として構成されていなくてもよい。
【００６７】
図４は、独立した複数の第１流路を有する反応器１００Ａの構成の一例を示す模式的な上面図である。図４に示す反応器１００Ａは、２次元的に配置された複数の第１流路１０４Ａを有する。また、反応器１００Ａは、複数の第１電極１０３Ａを有している。第１電極１０３Ａのそれぞれは、対応する第１流路１０４Ａの内部において露出している。図示する例では、複数の第１流路１０４Ａは、互いに独立した第１流路１０４ｘおよび第１流路１０４ｙを含んでいる。また、複数の第１電極１０３Ａは、第１電極１０３ｘおよび第１電極１０３ｙを含んでいる。第１流路１０４ｘは、内部に第１電極１０３ｘを有し、第１流路１０４ｙは、内部に第１電極１０３ｙを有している。第１電極１０３Ａ間は、典型的には、不図示の配線によって互いに接続される。第１流路１０４Ａのそれぞれには、不図示の流体入口および流体出口が設けられる。第１流路１０４Ａのそれぞれは、気密および水密が保たれており、各流路に導入される流体が互いに混じり合わないように構成されている。各第１流路の内部では、内部に導入された物質の反応が独立して進行する。図４のＣ−Ｃ’線断面は、図１に示す断面と同様であり得る。
【００６８】
＜発熱体＞
図１に示す発熱体１０５および１０６は、反応器１００を加熱するヒーターである。発熱体１０５は、典型的には、電流の印加によって比較的大きな熱を発生させことのできる電気抵抗である。発熱体１０５の例は、多結晶シリコン、ＮｉおよびＣｒを含有する合金などから形成された配線である。上側基板１０２ａとしてＳｉ基板などの導電体を用いる場合には、例えば発熱体１０５と上側基板１０２ａとの間に、電気的短絡を防止するための電気絶縁体が配置され得る。ここでは、上側基板１０２ａの熱酸化膜によって、発熱体１０５と上側基板１０２ａとが電気的に分離されている。
【００６９】
図３を参照する。前述したように、発熱体１０５は、複数の発熱部を有する。図３に例示する構成において、複数の発熱部は、図のＸ方向にこの順で隣接して配列された３つの発熱部１０５ａ、１０５ｂおよび１０５ｃを含む。図３に示す例では、発熱部１０５ａ、１０５ｂおよび１０５ｃのそれぞれは、独立した発熱体である。発熱部１０５ａ、１０５ｂおよび１０５ｃのそれぞれを構成する材料、幅および厚さは共通であり、ここでは、発熱部１０５ａ、１０５ｂおよび１０５ｃのそれぞれは、外部電源に電気的に並列に接続されている。なお、図３において、発熱体１０５に電力を供給する電源、および電源と発熱体１０５との間の接続線の図示は省略されている。他の図面においても、電源および接続線の図示を省略する。なお、発熱体１０５が有する複数の発熱部のそれぞれは、後に図を示して説明するように、単一の発熱体の一部分であり得る。
【００７０】
反応器１００の中心部に位置する発熱部と、反応器１００の周辺部に位置する発熱部とが、互いに独立して制御可能に構成されていてもよい。例えば、反応器１００の中心部に位置する発熱部と、反応器１００の周辺部に位置する発熱部とが、別個のスイッチング素子に接続されていてもよい。すなわち、反応器１００は、反応器１００の中心部の加熱と、反応器１００の周辺部の加熱とを独立して制御可能な構成を有し得る。
【００７１】
ここでは、複数の発熱部を有する発熱体１０５は、上側基板１０２ａの主面Ｓｃ上に設けられている（図１参照）。つまり、複数の発熱部は、典型的には、固体電解質１０１の主面（例えば主面Ｓ１）に概ね平行な面内に配置される。発熱部１０５ａ、１０５ｂおよび１０５ｃのうち、発熱部１０５ａは、反応器１００の中心部に最も近い。ここで、発熱部１０５ｂと発熱部１０５ｃとの間の間隔（図３中、矢印「ｄ２３」で示す距離）は、発熱部１０５ａと発熱部１０５ｂとの間の間隔（図３中、矢印「ｄ１２」で示す距離）よりも小さい。すなわち、反応器１００の周辺部における発熱密度は、反応器１００の中心部における発熱密度よりも大きい。そのため、例えば反応物質の流出入に伴う反応器１００の周辺部の相対的な温度低下を抑制することができる。
【００７２】
このように、反応器１００の周辺部における発熱密度を、反応器１００の中心部における発熱密度よりも大きくすることにより、反応器１００における温度ばらつきを低減し得る。したがって、本開示によれば、第１流路１０４ａおよび第２流路１０４ｂのうちの少なくとも一方の流路に気体状態の反応物質が導入される場合であっても、液体状態または固体状態の反応物質による流路の閉塞を抑制することができ、固体電解質に局所的な応力が加わることによる損傷の発生を抑制できる。また、反応器における温度ばらつきが低減されることにより、流路内の位置による反応効率のばらつきが低減され、より効率的な反応を実現することができる。
【００７３】
＜反応器の動作＞
ここで、反応器１００の動作および運転方法の一例を説明する。
【００７４】
反応器１００は、用いるカソード１０３ａおよびアノード１０３ｂの組み合わせにより、種々の用途に使用することができる。反応器１００は、燃料電池のほか、水素化装置、脱水素化装置、水素センサなどに使用することができる。ここでは、反応器１００を用いて水蒸気の電解および被水素化物の水素化を行う例を説明する。以下では、水蒸気の電解および被水素化物の水素化に用いる装置を「水蒸気電解水素化装置」または簡単に「電解水素化装置」と呼ぶことがある。
【００７５】
反応器１００を電解水素化装置として用いる場合には、水を含有する気体中の水素を酸化する触媒を含むアノードと、水素化触媒を含むカソードとを用いる。水を含有する気体中の水素を酸化する触媒、および水素化触媒の例は、Ｐｔを含む金属または合金である。
【００７６】
ここでは、水蒸気の電解によって得られる水素を用いてトルエン（Ｃ6Ｈ5ＣＨ3）を水素化する例を説明する。なお、第１流路１０４ａの一方の開口部（流体入口）は、反応器１００の外部において、反応物質（ここではトルエン）の貯蔵容器と接続されている。また、第２流路１０４ｂの一方の開口部（流体入口）は、反応器１００の外部において、反応物質（ここでは水）の貯蔵容器と接続されている。
【００７７】
まず、第２流路１０４ｂに反応物質として例えば水蒸気を導入する。また、第１流路１０４ａに例えばトルエンを導入する。さらに、カソード１０３ａおよびアノード１０３ｂに外部電源を接続し、アノード−カソード間に電位差（例えば１．５Ｖ）を与える。アノード−カソード間に電位差が与えられることにより、固体電解質１０１は、例えばプロトンなどのキャリアをより効率的に伝導させる。
【００７８】
第２流路１０４ｂ内において水蒸気をアノード１０３ｂに接触させることにより、水蒸気（水）からプロトンが引き抜かれる。アノード１０３ｂにおいて生成したプロトンは、固体電解質１０１中を移動する。固体電解質１０１中のプロトンは、その濃度勾配、第２流路１０４ｂと第２流路１０４ｂに対向する第１流路１０４ａとの間の（水素の）分圧差、またはアノード１０３ｂとカソード１０３ａとの間に印加される電圧差の少なくともいずれかにより、カソード１０３ａに到達する。トルエンをカソード１０３ａに接触させることより、トルエンが水素化される。これにより、第１流路１０４ａ内にメチルシクロヘキサン（Ｃ6Ｈ11ＣＨ3）を得ることができる。
【００７９】
水蒸気およびトルエンの導入後、電解水素化装置を加熱する。電解水素化装置の動作時、電解水素化装置の全体は、およそ３００℃に保持される。電解水素化装置の加熱においては、電解水素化装置の周辺部および中心部をこの順に加熱する。その理由は以下のとおりである。
【００８０】
トルエン（およびメチルシクロヘキサン）は常温において液体である。例えば点検などのために電解水素化装置の運転を停止した後、運転を再開する場合、液体状態のトルエン（またはメチルシクロヘキサン）が第１流路１０４ａ内に残存していることがある。電解水素化装置の中心部を先に加熱すると、第１流路１０４ａの中心付近のトルエン（およびメチルシクロヘキサン）が先に気化する。すなわち、液体状態のトルエン（またはメチルシクロヘキサン）によって第１流路１０４ａの中心部に閉じ込められたトルエン（およびメチルシクロヘキサン）が気化することにより、第１流路１０４ａ内部の圧力が急激に上昇する。そうすると、第１流路１０４ａ内部の急激な圧力変化によって、固体電解質１０１が損傷するおそれがある。
【００８１】
本開示では、電解水素化装置の周辺部および中心部を順に加熱する。これにより、第１流路１０４ａの中心部に気体状態のトルエン（またはメチルシクロヘキサン）が閉じ込められることがなく、固体電解質１０１の損傷を防止できる。
【００８２】
電解水素化装置を停止する際には、まず、第１流路１０４ａへのトルエンの導入と、第２流路１０４ｂへの水蒸気の導入を停止する。その後、電解水素化装置の中心部の加熱および電解水素化装置の周辺部の加熱をこの順に停止する。電解水素化装置の温度の低下に伴い、第１流路１０４ａ内部に存在するメチルシクロヘキサン（およびトルエン）は凝縮する。このとき、電解水素化装置の周辺部の加熱を先に停止すると、第１流路１０４ａの端部においてメチルシクロヘキサン（およびトルエン）が凝縮し、第１流路１０４ａが閉塞されるおそれがある。第１流路１０４ａが閉塞された状態で、第１流路１０４ａの中心部に存在する気体状態のメチルシクロヘキサン（およびトルエン）が凝縮すると、負圧が生じることにより、固体電解質１０１が損傷するおそれがある。電解水素化装置の中心部の加熱および電解水素化装置の周辺部の加熱を順に停止することにより、第１流路１０４ａの中心部に気体状態のメチルシクロヘキサン（またはトルエン）が閉じ込められることがなく、固体電解質１０１の損傷を防止できる。
【００８３】
上記の運転方法を適用することにより、電解水素化装置の運転開始時および／または運転停止時における第２流路１０４ｂ内部の圧力の急激な変化も防止し得る。このように、本開示によれば、反応器を加熱または冷却する過程において、液体または固体と、気体とが流路内に混在することを防止し得る。したがって、反応器の運転開始時または運転停止時における、気体状態の反応物質または反応生成物の流路への閉じ込めを防止し得、反応器の運転開始時または運転停止時における固体電解質の損傷を抑制することができる。
【００８４】
なお、上述したような水素化反応は、一般に発熱反応である。流路内に反応物質（ここであトルエン）を流すことにより反応生成物（ここではメチルシクロヘキサン）を得る構成では、流路の端部と比較して、流路の中心付近において温度が上昇しやすい傾向がある。例えば流体出口の近傍では未反応の物質の割合が低く、流路の中心付近と比較して、水素化によって発生する反応熱の量は少ない。言い換えれば、流路の端部の温度が低下しやすく、流路の閉塞が生じやすいといえる。本開示によれば、反応器の周辺部における発熱密度が、反応器の中心部における発熱密度よりも大きくなるように設定されているので、流路内において生じる反応が発熱反応である場合に、より有利な効果が得られる。もちろん、流路内において生じる反応が吸熱反応であっても、固体電解質の損傷を抑制することができることに変わりはない。
【００８５】
固体酸化物を固体電解質として用いた反応器においては、通常、トルエンの水素化は、４００℃から８００℃の温度域で達成される。これに対し、本発明の例示的な実施形態によれば、例えば３００℃程度の温度において反応器を作動させてメチルシクロヘキサンなどのいわゆる有機ハイドライドを得ることも可能である。上述したように、本発明の例示的な実施形態によれば、反応器における温度ばらつきを低減して、液体または固体による流路の閉塞を効果的に抑制できる。したがって、流路内の急激な圧力変化による固体電解質１０１の損傷が抑制されるので、例えば数μｍ程度の厚さの固体電解質薄膜を用いることもできる。数μｍ程度の厚さの固体電解質を用いることにより、より高いイオン伝導率を得ることができる。したがって、反応器の運転温度を従来よりも低く設定することが可能である。
【００８６】
＜反応器の変形例＞
以下、図５〜図９を参照して、反応器の変形例を説明する。
【００８７】
前述したように、発熱体１０５が有する複数の発熱部のそれぞれは、単一の発熱体の一部分であり得る。図５は、上側基板１０２ａ上に設けられた単一の発熱体１０５Ｂを有する反応器１００Ｂの模式的な上面図である。
【００８８】
図５に示す構成において、発熱体１０５Ｂは、メアンダ状に形成されており、図のＹ方向に延びる複数の部分を有している。より詳細には、発熱体１０５Ｂは、図のＸ方向に隣接して配列された３つの発熱部１０５ｄ、１０５ｅおよび１０５ｆを有している。発熱部１０５ｄは、発熱部１０５ｅよりも反応器１００Ｂの中心部に近い位置に配置されている。発熱部１０５ｆは、発熱部１０５ｅよりも反応器１００Ｂの中心部から遠い位置に配置されている。ここで、発熱部１０５ｅと発熱部１０５ｆとの間の間隔は、発熱部１０５ｄと発熱部１０５ｅとの間の間隔よりも小さい。つまり、図５のＢ−Ｂ’線断面は、図１に示す断面と同様であり、反応器１００Ｂの周辺部における発熱密度は、反応器１００Ｂの中心部における発熱密度よりも大きい。このような構成によっても、固体電解質１０１の損傷を抑制する効果が得られる。
【００８９】
図６は、上側基板１０２ａ上に設けられた単一の発熱体１０５Ｃを有する反応器１００Ｃの模式的な上面図である。図６に示す構成において、発熱体１０５Ｃは、らせん状に形成されている。図示するように、発熱体１０５Ｃの螺旋形状は、図のＸ方向に延びる複数の部分と、図のＹ方向に延びる複数の部分とから形成されている。ここで、図のＸ方向に延びる複数の部分は、反応器１００Ｃの中心部よりも周辺部において密に配置されている。図のＹ方向に延びる複数の部分も同様に、反応器１００Ｃの中心部よりも周辺部において密に配置されている。したがって、反応器１００Ｃの周辺部における発熱密度は、反応器１００Ｃの中心部における発熱密度よりも大きい。図６に示すように、複数の発熱部の配置の間隔を２次元的に変化させてもよい。
【００９０】
次に、発熱体１０５の配置の例を説明する。図１〜図３を参照して説明した構成では、発熱体１０５は、上側基板１０２ａの主面Ｓｃ（外表面）上に設けられている。上側基板１０２ａに対する発熱体１０５の配置は、この例に限定されず、種々の配置が可能である。
【００９１】
図７は、発熱体の配置の他の例を示す模式的な断面図である。図７に示す反応器１００Ｄでは、複数の発熱部を有する発熱体１０５は、第１流路１０４ａの内部に配置されている。図示するように、複数の発熱部は、凹部１０７ａの表面上に配置されている。図示する例では、発熱体１０６も、発熱体１０５と同様に、第２流路１０４ｂの内部に配置されている。
【００９２】
複数の発熱部を凹部の表面上に配置することにより、流路内の流体を直接的に加熱することができ、流路の閉塞をより効果的に抑制し得る。ただし、上側基板１０２ａの外表面上に発熱体を形成する方が、複数の発熱部の形成プロセスが複雑とならないので、第１流路１０４ａの形状および配置の自由度は高い。
【００９３】
図８は、発熱体の配置のさらに他の例を示す模式的な断面図である。図８に示す反応器１００Ｅでは、複数の発熱部を有する発熱体１０５Ｅは、固体電解質１０１および上側基板１０２ａの接合部分に設けられている。より詳細には、図８に示すように、発熱体１０５Ｅは、固体電解質１０１の主面Ｓ１と、上側基板１０２ａの凹部１０７ａを有する主面Ｓａにおける凹部１０７ａ以外の部分との間に設けられている。図示する例では、固体電解質１０１の主面Ｓ２側の発熱体１０６Ｅも、発熱体１０５Ｅと同様に、固体電解質１０１および下側基板１０２ｂの接合部分に設けられている。
【００９４】
図８に示すように、上側基板１０２ａおよび／または下側基板１０２ｂと、固体電解質１０１とを接合するための接合層を発熱体として利用してもよい。この場合、図示するように、固体電解質１０１の主面Ｓ１（または主面Ｓ２）に垂直な断面における流路の配置を不等間隔とすることにより、複数の発熱部を不等間隔に配置できる。
【００９５】
図示する例において、発熱体１０５Ｅは、互いに隣接する発熱部１０５ｇおよび１０５ｈを有している。発熱部１０５ｇおよび１０５ｈは、典型的には、同一の材料から形成される。ここで、発熱部１０５ｇの幅は、発熱部１０５ｈの幅と異なっている。より詳細には、発熱部１０５ｈの幅（図７中、矢印「ｗ４」で示す幅）は、発熱部１０５ｈよりも反応器１００Ｅの中心部に近い位置にある発熱部１０５ｇの幅（図７中、矢印「ｗ３」で示す幅）よりも小さい。したがって、反応器１００Ｅの周辺部における発熱密度は、反応器１００Ｅの中心部における発熱密度よりも大きい。
【００９６】
上側基板１０２ａ（または下側基板１０２ｂ）と固体電解質１０１との間の接合部分に複数の発熱部を配置することにより、流路内の流体を効果的に加熱することができる。図８に例示する構成のように、複数の発熱部の幅を制御することにより、反応器における発熱密度を制御してもよい。複数の発熱部の幅は、材料の電気抵抗率を考慮して適宜設定することが可能である。
【００９７】
以上に説明した構成では、複数の発熱部の密度（間隔といってもよい。）または幅（形状といってもよい。）を変化させることによって、反応器の中心部における発熱密度と、反応器の周辺部における発熱密度とを異ならせている。言い換えれば、上側基板１０２ａ（または下側基板１０２ｂ）の上面から見たときに、複数の発熱部が上側基板１０２ａ（または下側基板１０２ｂ）に対して占める面積の割合は、反応器の中心部と周辺部との間で異なっている。なお、以下に説明するように、複数の発熱部の電気抵抗率を変化させることによって、反応器の中心部における発熱密度と、反応器の周辺部における発熱密度とを異ならせてもよい。
【００９８】
図９は、電気抵抗率の異なる複数の発熱部を有する反応器１００Ｆの構成の一例を示す模式的な断面図である。図９に例示する構成において、反応器１００Ｆは、上側基板１０２ａの主面Ｓｃ上に設けられた発熱体１０５Ｆを備える。発熱体１０５Ｆは、例えば図のＹ方向に沿って延びる複数の発熱部を有している。図示するように、複数の発熱部は、図のＸ方向に沿って等間隔である。ここでは、下側基板１０２ｂの主面Ｓｄ上に設けられた発熱体１０６Ｆも、発熱体１０５Ｆと同様の構成を有している。
【００９９】
発熱体１０５Ｆは、互いに隣接して配置された発熱部１０５ｍおよび１０５ｎを含む。図示するように、発熱部１０５ｍは、発熱部１０５ｎよりも反応器１００Ｆの中心部に近い位置に配置されている。ここで、発熱部１０５ｍの電気抵抗率は、発熱部１０５ｎの電気抵抗率と異なる。図９に例示する構成では、発熱部１０５ｎの電気抵抗率は、発熱部１０５ｍの電気抵抗率よりも大きい。このように、反応器の周辺部に位置する発熱部の電気抵抗率を、反応器の中心部の近くに位置する発熱部の電気抵抗率よりも大きく設定することによっても、反応器における発熱密度を制御することができる。
【０１００】
図９を参照して説明したように、発熱体が配置される面内において複数の発熱部の電気抵抗率を変化させることによっても、発熱部における発熱量を制御することができる。すなわち、複数の発熱部の密度、幅、厚さまたは電気抵抗率の少なくともいずれかを適宜調整することにより、反応器における発熱密度を調整して、所望の温度分布を実現することが可能である。
【０１０１】
なお、図２に例示するように、反応器内の流路が単一の連続した流路である場合には、図５に示す発熱体１０５Ｂのように、反応器の中心部から流路の端部（流体入口、流体出口）に向けて、複数の発熱部の間隔を徐々に狭めていってもよい。なお、図４に例示するように、独立した複数の流路が２次元的に配置されている場合には、反応器の中心部から周辺部に向けて、複数の発熱部の間隔を徐々に狭めていってもよい。例えば図６に示すような発熱体１０５Ｃを用いてもよい。このとき、反応器の上面から見たときに、流路と重なる発熱部が等間隔であると、各流路内における温度分布を一定にすることができるので有益である。
【０１０２】
上述したような種々の構成により、反応器の中心部よりも反応器の周辺部における発熱密度を大きくし得る。すなわち、本開示によれば、簡易な構成により、反応器の信頼性を向上し得る。
【０１０３】
（実施の形態２）
図１０は、本発明の他の例示的な実施形態による反応器２００の模式的な断面図である。図１０に示す反応器２００は、図１に示す反応器１００と同様に、固体電解質１０１と、第１電極１０３ａと、第２電極１０３ｂと、上側基板１０２ａと、下側基板１０２ｂと、発熱体１０５および１０６とを備える。反応器２００は、さらに、第１流路１０４ａ内にセンサ１０９ａを有している。図示する例において、センサ１０９ａは、固体電解質１０１の主面Ｓ１上に設置されている。
【０１０４】
センサ１０９ａは、例えば、ピエゾ抵抗効果を利用した圧力センサである。第１流路１０４ａ内に圧力センサを設置しておくことにより、第１流路１０４ａ内の圧力変化を検出することができる。例えば、第１流路１０４ａの両端部が閉塞した状態で反応器２００の中心部が加熱されると、第１流路１０４ａ内の流体が膨張し、第１流路１０４ａ内の圧力が上昇する。そのため、第１流路１０４ａ内の圧力の上昇を監視することによって、第１流路１０４ａにおいて閉塞が発生しているか否かを検出することができる。第１流路１０４ａにおいて閉塞が発生していると判断した場合には、例えば反応器２００の周辺部を加熱して閉塞を取り除くことにより、第１流路１０４ａ内の圧力上昇に起因する固体電解質１０１の損傷を防止することが可能である。
【０１０５】
センサ１０９ａは、圧力センサに限定されず、温度センサであってもよい。例えば第１流路１０４ａの端部（流体入口および／または流体出口）の近傍にセンサ１０９ａを配置し、反応器２００の周辺部における温度低下を監視することにより、第１流路１０４ａにおける閉塞の発生を検出することが可能である。第１流路１０４ａにおける閉塞の発生が予想される程度に反応器２００の周辺部の温度が低下している場合には、反応器２００の周辺部を加熱することにより、閉塞の発生を防止することができる。また、第１流路１０４ａの中心付近にもセンサを設置しておくことにより、反応器２００の中心部と周辺部との間の温度差を監視してもよい。
【０１０６】
図示する例では、第２流路１０４ｂ内にもセンサ１０９ｂが配置されている。センサ１０９ｂは、固体電解質１０１の主面Ｓ２上に設置されている。固体電解質１０１の両主面側にセンサを設置することにより、第１流路１０４ａ側の圧力分布および／または温度分布に関する情報と、第２流路１０４ｂ側の圧力分布および／または温度分布に関する情報とを得ることができる。これにより、例えば、上側基板１０２ａ側の発熱体１０５に供給する電力と、下側基板１０２ｂ側の発熱体１０６に供給する電力とを個別に調整することも可能である。このような態様によれば、より細かな温度調整が可能である。すなわち、第１流路１０４ａに導入される流体の融点（または沸点）と、第２流路１０４ｂに導入される流体の融点（または沸点）とが大きく異なる場合であっても、第１流路１０４ａ内の圧力と第２流路１０４ｂ内の圧力との差を低減できる。したがって、第１流路１０４ａと第２流路１０４ｂとの間の極端な圧力差に起因して、固体電解質１０１に過度の応力が加わることを抑制できる。
【０１０７】
圧力センサは、ピエゾ抵抗効果を利用したセンサに限定されず、また、温度センサの検出の方式も特定の方式に限定されない。流路内の圧力分布および／または温度分布が推定できれば、センサの設置場所は、図１０を参照して説明した例に限定されない。例えば、上側基板１０２ａの凹部１０７ａの表面上にセンサ１０９ａを配置してもよい。第１流路１０４ａに連通するスロットを上側基板１０２ａに形成しておき、スロットを介して反応器の外部からセンサを挿入してもよい。
【０１０８】
図１１は、センサを備える反応器の他の例を示す模式的な断面図である。図１１に示す反応器２００Ａは、図１０に示す反応器２００と同様に、第１流路１０４ａ内にセンサ１１０ａを有している。ここでは、センサ１１０ａは、ひずみゲージなどの、固体電解質１０１の変形を検出する変形センサである。図１１に例示する構成において、センサ１１０ａは、固体電解質１０１の主面Ｓ１上に設置されている。図示するように、センサ１１０ａが、固体電解質１０１の主面Ｓ１上、かつ流路の幅方向（図１１に例示する構成においてはＸ方向）の中央に配置されていると、固体電解質１０１の変形を検出しやすい。
【０１０９】
図１１に例示する構成のように、固体電解質１０１の主面上に変形センサを設置することにより、固体電解質１０１に極端な変形が生じているかどうかを検出することができる。固体電解質１０１の極端な変形が検出された場合、例えば第１流路１０４ａにおいて閉塞が発生しており、第１流路１０４ａにおいて意図しない圧力増加が発生していると考えられる。このような場合には、例えば反応器２００Ａの周辺部を加熱して閉塞を取り除くことにより、固体電解質１０１の損傷を防止することができる。なお、図１１に示すように、固体電解質１０１を介してセンサ１１０ａと対向するように、固体電解質１０１の主面Ｓ２上にセンサ１１０ｂを設置してもよい。固体電解質１０１の両主面上に対向するようにセンサを設置することにより、より確実に固体電解質１０１の変形を検出することができる。
【０１１０】
図１０および図１１を参照して説明したように、反応器が有するセンサの出力値を取得して、その出力値に応じた電力を発熱体に供給してもよい。このような運転方法は、以下に説明するように、制御部の指示に基づいて制御されることにより実行されてもよい。
【０１１１】
図１２を参照して、本発明の例示的な実施形態による反応器システムを説明する。図１２は、本発明の例示的な実施形態による反応器システム３００の構成を示すブロック図である。図１２において、矢印ｒ１、ｒ２、ｐ１およびｐ２は、それぞれ、第１流路に導入される反応物質の流れ、第２流路に導入される反応物質の流れ、第１流路から排出される反応生成物の流れ、および第２流路から排出される反応生成物の流れを模式的に示している。
【０１１２】
反応器システム３００は、流路内にセンサを有する反応器（ここでは図１０を参照して説明した反応器２００）と、制御部１５０とを備える。制御部１５０は、コンピュータなどから構成されている。制御部１５０は、反応器２００が有するセンサ（ここではセンサ１０９ａ）の出力値に応じて、発熱体（ここでは発熱体１０５）に供給する電力を制御する。なお、制御部１５０は、反応器２００が有するセンサおよび発熱体と有線または無線の方式により接続されていればよく、反応器２００と一体的に配置されていなくてもよい。
【０１１３】
ここで、反応器システム３００における制御の一例を説明する。図１２に模式的に示すように、制御部１５０は、センサ１０９ａからの出力値を取得する。センサ１０９ａからの出力は、反応器２００の流路（ここでは第１流路１０４ａ）内の圧力分布または温度分布に関する情報を含み得る。次に、制御部１５０は、センサ１０９ａから取得された出力値に基づいて、不図示の電源から発熱体１０５に供給される電流または電圧の大きさを制御する。より詳細には、制御部１５０は、センサ１０９ａからの出力値と、あらかじめ設定された基準値との比較を行う。基準値は、例えば、制御部１５０に接続された、ＲＡＭ、ＲＯＭなどのメモリ１６０に格納されている。
【０１１４】
例えば、センサ１０９ａからの出力値が流路内の圧力の大きさを示すとする。このとき、出力値が基準値を超える場合には、流路内の圧力が意図せず上昇しており、固体電解質１０１が損傷する可能性が高いと判断できる。したがって、出力値が基準値を超えると判定された場合には、制御部１５０は、発熱体１０５に供給する電力を増大させる。反応器２００においては、反応器２００の周辺部における発熱密度が、反応器２００の中心部における発熱密度よりも大きくなるように発熱体１０５が構成されている。そのため、発熱体１０５に供給する電力を増大させることにより、反応器２００の周辺部を効果的に加熱することができる。これにより、流路の閉塞を解消し得る。出力値が基準値を超えないと判定された場合には、制御部１５０は、発熱体１０５に供給する電力を維持するか、必要に応じて減少させる。
【０１１５】
なお、基準値の設定によっては、出力値が基準値を超えないと判定された場合に、発熱体１０５に供給する電力を増大させてもよい。例えば、センサ１０９ａからの出力値が流路の端部における温度を示すとする。このとき、出力値が基準値を超えない場合には、流路の端部において閉塞が発生して固体電解質１０１が損傷する可能性が高いと判断できる。したがって、この場合には、制御部１５０は、発熱体１０５に供給する電力を増大させる。
【０１１６】
このように、例えば流路内に設置されたセンサの信号に基づいて、発熱体に印加する電流または電圧を制御することにより、固体電解質１０１への損傷の発生を防止することが可能である。なお、反応器の中心部に位置する発熱部と、反応器の周辺部に位置する発熱部とが、互いに独立して制御可能に構成されている場合には、反応器の運転開始時において反応器の周辺部および中心部を順に加熱する運転方法を制御部に実行させてもよい。反応器の運転停止時において反応器の中心部の加熱および周辺部の加熱を順に停止する運転方法を制御部に実行させてもよい。
【０１１７】
前述した種々の態様は、矛盾が生じない限り互いに組み合わせることが可能である。また、発熱体の配置、ならびに発熱体が有する複数の発熱部の密度、幅、厚さおよび電気抵抗率などは反応器内の反応の種類に応じて適宜設定可能である。固体電解質１０１の主面Ｓ１側の発熱体の構成と、主面Ｓ２側の発熱体の構成とは、同一でなくてもよい。反応器は、前述の発熱体の他に、反応器の全体を加熱するためのヒーターをさらに備えていてもよい。また、反応器は、反応器の周辺部に、前述の発熱体と独立して制御可能に構成された補助ヒーターをさらに備えていてもよい。補助ヒーターを用いることにより、より細かな温度制御を実現し得る。なお、固体電解質１０１は、上側基板と下側基板とが一体とされた収納容器に収容されていてもよい。
【０１１８】
以上に説明したように、本開示によれば、流路内の圧力変化に伴う固体電解質の損傷を抑制することができ、反応器の信頼性を向上させることができる。また、本開示によれば、固体電解質の損傷が抑制されるので、固体電解質を薄膜化することが比較的容易である。したがって、固体電解質を薄膜化することにより、イオンの伝導率を向上させ得、従来よりも反応器の運転温度を低下させることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１１９】
本開示による反応器は、燃料電池、水素化装置、脱水素化装置、水蒸気電解装置、水蒸気電解水素化装置などに利用可能である。
【符号の説明】
【０１２０】
１００、２００    反応器
１０１    固体電解質
１０２ａ    上側基板（第１基板）
１０２ｂ    下側基板（第２基板）
１０３ａ    第１電極
１０３ｂ    第２電極
１０４ａ    第１流路
１０４ｂ    第２流路
１０５、１０６    発熱体
１０９、１１０    センサ
１５０    制御部
１６０    メモリ
３００    反応器システム
【図１】
2015209576.tif 000003
【図２】
2015209576.tif 000004
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2015209576.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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