(57)【要約】【課題】反応熱効率に優れ、製造が容易で、安全性にも優れる小型の化学反応装置、水素発生装置および燃料電池システムを提供する。【解決手段】化学反応装置は、陽極酸化された内外面に触媒が担持された複数の管2,3を有する流路構造体1と、前記流路構造体の少なくとも一部に隣接して配置される加熱源5,5a,5b,5c,5gと、前記流路構造体を構成する前記複数の管を束ねて一体に保持し、前記加熱源からの熱を前記管に伝える伝熱部材4,4B,4C,4D,4E,4Fとを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極酸化された内外面に触媒が担持された複数の管を有する流路構造体と、
前記流路構造体の少なくとも一部に隣接して配置される加熱源と、
前記流路構造体を構成する前記複数の管を束ねて一体に保持し、前記加熱源からの熱を前記管に伝える伝熱部材と、
を具備することを特徴とする化学反応装置。
【請求項２】
前記管の一部に担持された吸熱反応に寄与する第１の触媒と、前記管の他の一部に担持された発熱反応に寄与する第２の触媒とを有することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
有機物原料および水のうち少なくとも一方を気化する気化器と、
前記有機物原料を加熱して触媒と反応させ、水素を含む改質ガスを生成する化学反応装置と、
前記化学反応装置を取り囲む断熱容器と、
前記有機物原料を前記化学反応装置に供給する燃料供給手段と、
を具備する水素発生装置であって、
前記化学反応装置は、
陽極酸化された内外面に触媒が担持された複数の管を有する流路構造体と、
前記流路構造体の少なくとも一部に隣接して配置される加熱源と、
前記流路構造体を構成する前記複数の管を束ねて一体に保持し、前記加熱源からの熱を前記管に伝える伝熱部材と、
を有することを特徴とする水素発生装置。
【請求項４】
請求項３記載の水素発生装置と、
前記水素発生装置により生成された水素を用いて発電する燃料電池発電部と、
前記燃料電池発電部から排出される水素含有オフガスを燃焼させ、前記化学反応装置の加熱に利用される燃焼熱を生成する燃焼器と、
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
前記加熱源は、前記燃焼器または前記燃焼器からの燃焼ガスが流通する配管であることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記流路構造体の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段により検出した検出温度に基づいて前記加熱源を制御する制御器と、をさらに有することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒反応を生じさせる触媒が担持されたマイクロチャネル構造を有する化学反応装置、および、その化学反応装置によって改質された水素含有ガスを生成する水素発生装置に係り、さらに水素発生装置により生成された水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素発生装置や燃料電池システムをモバイル機器等の小型電源に利用するために、反応器等や連結部材の小型化要求が高まってきている。その中でも特に高出力とする用途向けに改質型燃料電池の開発が進められている。
【０００３】
改質型燃料電池では、内部を数百℃（具体的にはＣｕ/ＺｎＯ系の触媒を用いた場合には２００〜３００℃、Ｐｔ/Ａｌ２０３系を用いた場合には３００〜４００℃）にした改質反応器で燃料が水と反応し、水素が製造される。製造された水素は、固体高分子膜や固体電解質膜を備えた燃料電池において酸化剤と反応され、電気を得る。
【０００４】
これまで、本発明者らは、特許文献１に示すマイクロチャネルを作製し、これを矩形箱状の容器に収容し、小型の改質反応器を試作することに成功している。このようなマイクロチャネルは、金属材料を機械加工することにより作製できることから製造コストを低廉にできる利点がある。
【０００５】
改質反応は上記のように高温であるため、改質反応器を取り扱うユーザーが火傷などを負わないようにする必要があり、容器に対して安全性を確保することが要求される。このため、改質反応器全体を真空断熱容器のなかに収納する方策がとられる。
【０００６】
一般に真空断熱容器などの圧力容器は、その形状を矩形箱状とするよりも円筒状とするほうが、製作のしやすさや耐圧性能の観点からも好ましい。特許文献２には円筒形状の化学反応装置が提案されている。
【０００７】
また、化学反応装置をコンパクトにするという観点から、特許文献３にはハニカム構造の化学反応装置が提案されている。
【特許文献１】特開２００６−２６５１０号公報
【特許文献２】特開２００５−２８８４４１号公報
【特許文献３】特開２００５−２３８０９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２の化学反応装置は、大型のプラントを対象とするものであり、外部に熱媒体を有する付帯設備が必要になるため、これを小型化するには多くの問題点がある。
【０００９】
一般に反応効率は面積に依存するため、反応に寄与する触媒担持部位の面積を大きくしたいという要求がある。しかし、特許文献３のハニカム構造の反応器を用いると、平面的に大きくなるため、反応器が占める体積（空間占有率）が大きくなる。かりにハニカムを積層した場合、機械加工の精度や触媒担持時の製作ムラから表面に凹凸ができてしまい、これが圧力損失の原因となる。
【００１０】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、反応熱効率に優れ、製造が容易で、安全性にも優れる小型の化学反応装置、水素発生装置および燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る化学反応装置は、陽極酸化された内外面に触媒が担持された複数の管を有する流路構造体と、前記流路構造体の少なくとも一部に隣接して配置される加熱源と、前記流路構造体を構成する前記複数の管を束ねて一体に保持し、前記加熱源からの熱を前記管に伝える伝熱部材と、を具備することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る水素発生装置は、有機物原料および水のうち少なくとも一方を気化する気化器と、前記有機物原料を加熱して触媒と反応させ、水素を含む改質ガスを生成する化学反応装置と、前記化学反応装置を取り囲む断熱容器と、前記有機物原料を前記化学反応装置に供給する燃料供給手段と、を具備する水素発生装置であって、前記化学反応装置は、上記の複数の管を有する流路構造体と、加熱源と、伝熱部材と、を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る燃料電池システムは、上記の水素発生装置と、前記水素発生装置により生成された水素を用いて発電する燃料電池発電部と、前記燃料電池発電部から排出される水素含有オフガスを燃焼させ、前記化学反応装置の加熱に利用される燃焼熱を生成する燃焼器と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、内外面に触媒が担持された複数の管を束ねることにより、矩形箱状や円筒状などの形状に拘わりなく化学反応装置を種々の任意の形状とすることができる。特に円筒形状の装置においては、陽極酸化膜（アルミナ）の熱伝導性が母材金属（アルミニウム）より低いため、円筒の外周部と中心部との間に温度差を生じて反応効率が低下しやすいが、本発明によれば加熱源および伝熱部材の配置を種々工夫することにより、外周部と中心部との間に生じる温度差を低減し、装置を高効率で稼動することができる。
【００１５】
また、本発明によれば、製作の容易さを向上させるとともに、圧力容器である真空断熱容器を薄肉化することができる。容器の薄肉化は、装置の軽量化に寄与する。
【００１６】
また、本発明によれば、システム全体を小型化することが可能になり、信頼性が高く、水素発生装置に好適な化学反応装置を提供することができる。また、そのような水素発生装置によって改質された水素を用いて発電を行う燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための種々の実施の形態について添付の図面を参照して説明する。
【００１８】
本発明の化学反応装置において、流路構造体を構成する管は、触媒反応時の伝熱特性を向上させることから、少なくとも一部に熱伝導率の高い材料を用いることが望ましい。このような要件を満たす材料として、アルミニウム（Ａｌ）金属またはアルミニウム系合金（例えばＡｌ−Ｍｇ合金、Ａｌ−Ｔｉ合金など）を挙げることができる。アルミニウムまたはアルミニウム系合金は、表面を陽極酸化処理することにより多孔質の酸化アルミニウム膜を生成することができる。陽極酸化膜には種々の触媒を担持させることができる。このため、本発明の重要な要素である流路構造体を構成する管には、内外面が陽極酸化処理されたアルミニウムまたはアルミニウム系合金を用いることが望ましい。次に、流路構造体の管として陽極酸化処理したアルミニウム円筒管（以下、陽極酸化アルミ円筒管という）を用い、その内外面に触媒を担持させる例について説明する。
【００１９】
（陽極酸化アルミ円筒管）  
図２に陽極酸化アルミ円筒管２を示す。円筒管２は、円筒状のアルミニウムを公知の陽極酸化処理により、内面２ｃおよび外面２ｂをともに陽極酸化処理し、これらの陽極酸化膜に触媒を担持させる。管２の内面２ｃと外面２ｂには同種の触媒を担持させてもよいし、後述するように複数の異種の触媒を担持させてもよい。なお、担体を円柱形状とする場合、またはハニカムやパンチングメタルの形状とする場合に比べて、円筒管２では内面２ｃおよび外面２ｂの両方が反応に寄与するため、従来のパンチングメタルなどよりも単位体積当たりの反応効率が増加する。
【００２０】
また、管の内面２ｃと外面２ｂとの間にアルミメタル２ａを残すことにより、当該アルミメタル２ａを介して効率よく熱が伝わり、陽極酸化アルミ円筒管２の全体の温度をほぼ均一に保持する効果が得られる。
【００２１】
上記の陽極酸化処理は以下の方法を用いて行うことができる。以下の方法は一例である。
【００２２】
まず、アルミニウム円筒管を水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ性水溶液で表面の酸化被膜を剥離し、これを純水で洗浄する。次いで硝酸水溶液でスマット処理し、再び純水で洗浄する。
【００２３】
円筒状のアルミニウムをシュウ酸や硫酸等の水溶液（数ｗｔ％程度）に浸漬し、陽極酸化を施す。この場合、ＤＣ電流密度は２５〜１００Ａ／ｍ２が好ましい。特に円筒状の場合、円筒管の内部へのシュウ酸等の供給が律速になるため、円筒管内の容積等に応じて処理を行うことが必要である。
【００２４】
例えば、陽極酸化処理を行うとアルミニウム表面から気泡が発生するため、この気泡除去も兼ねて積極的に円筒管内の流体を流通させてやる必要がある。このため、積極的にポンプで供給する方法、または重力を利用して処理を行う方法などが挙げられる。管が横向きの場合は、気泡が内壁上面に滞留しやすいので、好ましくは管を鉛直姿勢として下から上に液体を流通させつつ陽極酸化処理を行うことが好ましい。この場合、円筒管内に対極の電極を配設することも有効である。例えば、内径１．０mm、外形１．５mmの円筒管を陽極酸化する場合、直径０．２５mmの金属線を用いることができる。なお、対極が円筒管に接触しないように、数センチメートル間隔で非導電性のサポート部材を配設したり、非導電性の絶縁フィルムを巻くか、または弗化エチレン樹脂コーティングを施すことにより、電気的短絡と陽極酸化を行うことが可能となる。この場合、サポート部材は流体の流通や発生した気泡の除去を考慮した多角形状や、穴の開いた形状が好ましい。
【００２５】
陽極酸化した後は酸に浸漬する細孔拡大処理を行ったり、水蒸気雰囲気などで熱水処理を行うなど、適宜処理を組み合わせることにより所望の細孔径、細孔分布、比表面積を得ることができる。
【００２６】
陽極酸化膜に触媒を担持させる方法には、例えば含浸法を用いることができる。具体的には、Ｐｔ系の改質触媒において塩化白金酸を純水に溶解した後、アンモニア水溶液でｐＨ１１程度に調整した1g-Pt/Lの溶液に、上記陽極酸化処理した後の円筒管を２時間浸漬し、乾燥した後に５００℃で焼成する方法を用いることができる。担持量を増やすためには、当該処理を２回繰り返すか、または水溶液中の白金含有量を増加させる。
【００２７】
（流路構造体）  
次に、上記複数の管の集合体である流路構造体について説明する。
【００２８】
本発明においては、複数の管２の流路を所定方向に揃えて束ねた集合体（流路構造体）１を最小単位とし、この流路構造体１を保持するための伝熱部材４および加熱源５がさらに付加されたアッセンブリを化学反応装置と称することとする。
【００２９】
流路構造体１の流路構造としては、管軸方向（Ｚ方向）に並行に流れる並行流（コーフロー）構造としてもよいし、あるいは管軸方向（Ｚ方向）に延び出す流路が隣りの流路と管軸方向（Ｚ方向）端部で互いに連通し合い、これにより流体がＺ方向を往復しながらくねくねと蛇行するサーペンタイン構造としてもよい。
【００３０】
次に、化学反応装置の種々の実施の形態についてそれぞれ説明する。
【００３１】
（第１の実施の形態）  
図１に示すように、本実施形態の化学反応装置は、複数本の陽極酸化アルミ円筒管を束ねた流路構造体１と、流路構造体１を保持する伝熱部材４または流路構造体１の周囲に配したヒータ（図示せず）とを備えている。
【００３２】
特に１本の陽極酸化アルミ円筒管の上半部２と下半部３とに異なる触媒を担持させている。同一の管に異なる触媒を担持する方法としては、例えば、まず下半部３に触媒を担持しておき、これを天地逆にして残りの部分２に触媒を担持する方法を用いることができる。また、他の方法として、最初に基材となる触媒を管全体に担持させた後に、異なる触媒を所定の部分のみに部分的に担持させる方法を用いることができる。
【００３３】
具体的な例を挙げて説明する。改質反応（吸熱反応）を生じさせるＰｔ系触媒とシフト反応（発熱反応）を生じさせるＰｔ，Ｃｅ，Ｒｅ系触媒とを、同一の円筒管に担持させる方法について説明する。先ず、円筒管の上半部２には何も担持させることなく、円筒管の下半部のみにＣｅ系触媒を含浸・担持させる。次いで、Ｐｔ系触媒を円筒管の上半部２と下半部３を合わせた全長にわたり担持させる。最後に、円筒管の下半部３のみにＲｅ系触媒を担持させる。
【００３４】
なお、触媒を担持させたくない管の部位にマスキング材を予め施すことも可能である。この場合、アセトンなどの溶剤に酢酸ビニル系のマスキング材を溶解して用いることが好ましい。触媒含浸後に加熱するとマスキング材が炭酸ガスなどの無機ガスとして分解除去されるので触媒に悪影響を及ぼさないからである。
【００３５】
なお、流路構造体は、本実施形態の正六角形筒形状のみに限られず、他の多角形筒形状（正八角形筒や正十角形筒など）、円筒形状、楕円筒形状のような他の形状とすることができる。また、流路構造体を構成する筒状管は、本実施形態の本数のみに限られず、他の本数とすることができる。
【００３６】
本実施形態によれば、伝熱部材４またはヒータ（加熱源）５を流路構造体１の周囲に配することにより何らかの衝撃や姿勢に変化があった場合にも当該化学反応装置を一定に保持することが可能となる。これは特に携帯型燃料電池などでユーザーが装置を落としたりした時にも問題なく稼動させることができるという顕著な効果を有する。
【００３７】
（第２の実施の形態）  
図３に示すように、本実施形態の化学反応装置１Ａは、図示しない円筒型反応容器内に上述の流路構造体１を７つ集合させて組み立てて１つのユニットとしたものである。すなわち、中央の流路構造体１の周囲に６つの流路構造体１を配置し、これらの集合体全体としても正六角形の平面形状を呈するようにしている。
【００３８】
さらに、化学反応装置１Ａは、７つの流路構造体１を保持するための伝熱部材４と、伝熱部材４の周囲に配置されたヒータ（加熱源）５とを備えている。伝熱部材４は、図示したように各流路構造体１の外周を取り囲むように、横断面が正六角形をなしている（すなわちハニカム構造）。
【００３９】
なお、温度測定については図示を省略しているが、熱電対などを適宜選択して配することができる（図１１参照）。
【００４０】
（第３の実施の形態）  
図４と図５に示すように、本実施形態の化学反応装置１Ｂは、円筒型反応容器１１内に６つの流路構造体１を伝熱部材４Ｂの周囲に配置して１つのユニットとしたものである。すなわち、中央の伝熱部材４Ｂの周囲に６つの流路構造体１を配置し、これらの集合体全体としても正六角形の平面形状を呈するようにしている。伝熱部材４Ｂは、ヒータ５ｂが埋設される中央部分と、６つの流路構造体１をそれぞれ保持する６つの正六角形筒の周辺部分とを備えている。
【００４１】
本実施形態の化学反応装置１Ｂは、２つのヒータ５ａ，５ｂを有する。第１のヒータ５ａは、６つの流路構造体１からなるバンドルの外周を取り巻くように設けられている。第２のヒータ５ｂは、伝熱部材４Ｂの中央部分に埋設され、締結金具５２によって外部ケーブル５１に接続されている。
【００４２】
本実施形態の装置１Ｂでは、これら２つのヒータ５ａ，５ｂにより化学反応装置１Ｂ内での温度分布を減らすことができる。
【００４３】
（第４の実施の形態）  
図６と図７に示すように、本実施形態の化学反応装置１Ｃは、円筒型反応容器１１内に７つの流路構造体１を集合して組合せて１つのユニットとしたものである。すなわち、中央の流路構造体１の周囲に６つの流路構造体１を配置し、これらの集合体全体としても正六角形の平面形状を呈するようにしている。各流路構造体１の中央にはヒータ５ｃがそれぞれ設けられている。
【００４４】
本実施形態の装置１Ｃでは、分散配置した７つのヒータ５ｃにより流路構造体内部の温度分布を更に細かく制御することができる。
【００４５】
（第５の実施の形態）  
図８に示すように、本実施形態の化学反応装置１Ｄは、上記第４実施形態の装置１Ｃの中央のヒータの代わりに高温ガス流路５ｇを加熱源として配置している。高温ガス流路５ｇは、締結金具５３により高温ガス管５４に接続され、かつ伝熱部材４Ｄに支持されている。
【００４６】
本実施形態の装置１Ｄによっても、分散配置した６つのヒータ５ｃと１つの高温ガス流路５ｇとにより流路構造体内部の温度分布を更に細かく制御することができる。
【００４７】
（第６の実施の形態）  
図９に示すように、本実施形態の化学反応装置１Ｅは、上記第４実施形態の装置１Ｃの周囲のヒータの代わりに高温ガス流路５ｇを加熱源として配置している。６つの高温ガス流路５ｇは、締結金具５３により高温ガス管５４にそれぞれ接続され、かつ伝熱部材４Ｅに支持されている。
【００４８】
本実施形態の装置１Ｅによっても、分散配置した６つの高温ガス流路５ｇと中央のヒータ５ｃとにより流路構造体内部の温度分布を更に細かく制御することができる。
【００４９】
（水素発生装置）  
図１０に示すように、本発明の実施形態に係る水素発生装置の化学反応装置の一例を示す。これは化学反応装置１Ｆを２つ直列（二段積み）に配したものである。第１段（上段）の化学反応装置は燃料電池から排出される水素を含有したオフガスなどを燃焼する部分である。第２段（下段）の化学反応装置は、改質反応−シフト反応を行う部分である。これら２つの化学反応装置を共通の伝熱部材４Ｆを用いて結合することにより、直接ガスをやりとりしなくても、化学反応装置間で熱をやりとりすることができる。
【００５０】
しかも伝熱部材４Ｆが装置の外部に露出することもなく、被燃焼ガスと被改質−シフトガスとが交わることもないので安全性が高い。また、両化学反応装置は同じ温度で運転されるため、熱膨張の差をさほど考慮することも必要ないため、界面での信頼性を高く保つことができる効果がある。
【００５１】
（燃料電池システム）  
次に、図１１を参照して本発明の実施形態に係る水素発生装置１０および燃料電池システム５０について説明する。
【００５２】
燃料電池システム５０は、水素発生装置１０および燃料電池発電部３０を備えている。本発明の実施形態に係る水素発生装置１０は、有機物原料を収容する容器２０と、有機物原料と水を気化して有機物ガスを生成する気化部１４と、有機物ガスから水素含有流体を発生させる水素発生部（改質部）１５とを備える。さらに、改質時に副生成物として発生する一酸化炭素を低減させるため、水素含有流体中の一酸化炭素を減少させるためのＣＯシフト器１６と、水素含有流体から一酸化炭素を除去するためのＣＯ除去器１７とを備えている。
【００５３】
容器２０には、有機物原料および水が燃料として収容されている。有機物原料としては、メタノール、エタノール等のアルコール類、エタン、プロパン、ガソリン、灯油等の化石燃料、或いはジメチルエーテル等のエーテル等、水素原子を含有する液体原料が使用可能である。有機物原料としてメタノールを使用する場合は、気化器へ送給する流体中のメタノールと水のモル比が１：１から１：２の間が好ましい。
【００５４】
一方、ジメチルエーテル等の液化ガスを用いる場合は、ジメチルエーテルと水の混合物に対し、メタノールを重量比で５〜１０％の割合で添加したものを利用するのが望ましい。
【００５５】
有機物原料と水は、容器内で混合せずに、気化部へ通じる連結部材又は気化部内において混合させてもよいし、容器内において予め混合させてもよい。
【００５６】
容器２０は、配管を介して流量制御弁２１に接続されている。流量制御弁２１としては、例えば、ダイヤフラムポンプ、プランジャーポンプ、ギヤポンプ、チューブポンプ、オリフィス、ニードルバルブ、ベローズバルブ、ダイヤフラムバルブ、バタフライバルブ等を用いることができる。流量制御弁２１としては、他にも、互いに異なる形状の複数のオリフィスを組合わせたものや、温度調整により流体の粘性を変化させて流量調節する温度可変型オリフィス等を用いることもできる。
【００５７】
流量制御弁２１を通過した液体状の有機物原料は、連結部材を介して気化器１４に送給される。気化器１４は、容器２０から送給された有機物原料を１５０〜２００℃程度に加熱することにより気化して有機物ガスを生成する。気化器１４で生成された有機物ガスは、連結部材を介して改質部に送給され、例えば約３５０℃程度に加熱される。改質器１５の内部には、有機物ガスが通過するための流路が設けられている。流路の内壁面には、有機物原料の改質反応を促進するための改質触媒が設けられており、有機物ガスが水素含有流体（改質ガス）に改質される。
【００５８】
改質器１５で生成された水素含有流体は、配管を介してＣＯシフト器１６へ送給される。ＣＯシフト器１６の内部には、水素含有流体が通過するための流路が設けられている。流路の内壁面には、水素含有流体に含まれる一酸化炭素のシフト反応を促進するためのシフト触媒が設けられている。ＣＯシフト器１６は、例えば、約２７５℃程度に加熱されており、水素含有流体に含まれる一酸化炭素が、二酸化炭素と水素へシフト反応することにより水素含有流体中の一酸化炭素量を低減させる。
【００５９】
ＣＯシフト器１６において一酸化炭素が低減された水素含有流体は、連結部材を介してメタネーション部としてのＣＯ除去器１７へ送給される。ＣＯシフト器１６から送給された水素含有流体の中は、未だ１〜２％程度の一酸化炭素が含まれている。
【００６０】
固体酸化物型燃料電池の場合には若干温度を低下させてこのまま燃料電池に通じてもよい。一方、固体高分子型燃料電池の場合、一酸化炭素濃度を５０ｐｐｍ程度に低減させる必要が生じる。
【００６１】
このため、ＣＯ除去器１７においては、水素含有流体中に残存する一酸化炭素をメタン及び水へ転化するためのメタン化反応を、例えば約２５０℃において進行させて、一酸化炭素を除去する。ＣＯ除去器１７の内部には、水素含有流体が通過する流路が設けられており、流路の内壁面には、水素含有流体に含まれる一酸化炭素のメタン化反応を促進するためのメタネーション触媒が設けられている。
【００６２】
ＣＯ除去器１７から排出された水素含有流体は、連結部材を介して燃料電池発電部３０に送給される。発電部３０は、燃料極（アノード）３１と、空気極（カソード）３２と、燃料極及び空気極により挟み込まれたイオン交換性高分子膜（Polymer Electrolyte Membrane;PEM）３３とを備える。燃料極３１においては、水素含有流体中の水素と大気中の酸素とが反応し、水が生成されるとともに発電が行われる。燃料極３１から排出された未使用の水素を含むガスは、連結部材を介して燃焼器１８に供給され、触媒燃焼される。触媒燃焼によって発生した熱は、改質器１５における燃料の改質反応熱に使用される。なお、発電部３０は、リード線３４を介して外部負荷に接続され、発電電力を出力するようになっている。
【００６３】
改質器１５、ＣＯシフト器１６およびＣＯ除去器１７のそれぞれに、加熱源としてヒータ５を設けてもよく、また、温度センサ９を設けてもよい。燃焼器１８の出口側に接続された連結部材は、熱交換器３７に接続されており、燃焼器１８から排出した排ガス等から水分を凝縮して水回収部（水タンク）３８に供給可能になっている。なお、水回収部３８の水分は、発電部３０におけるイオン交換性高分子膜の保湿性を維持するために利用可能としてもよい。
【００６４】
発電部３０の空気極３２へ空気を送給するために、空気極３２の上流側には連結部材が接続されている。ポンプ３６から送給された空気は、ポンプ３６に接続された連結部材を介して空気を加熱するための熱交換器３７に送給され、熱交換器３７に接続された連結部材を介して空気極３２へ送給される。空気極３２の出口側には連結部材が接続されている。空気極３２から排出された流体は、連結部材を通って、連結部材に接続された熱交換器３７へ導入され、熱交換器３７において流体中の水分が凝縮され、水分が水回収部に貯留され、その他は外部へ排出される。イオン交換性高分子膜としては、例えば、フッ素系イオン交換膜、ポリベンゾイミダゾル多孔質膜（ＰＢＩ）、ポリイミド多孔質膜（ＰＩ）等を用いることができる。
【００６５】
改質器１５における改質反応は約３００℃〜６００℃の高温度域で行われるため、水素発生装置１０の主要部、すなわち気化器１４、改質器１５、ＣＯシフト器１６、ＣＯ除去器１７および燃焼器１８は、断熱容器１３のなかに収容されている。
【００６６】
断熱容器１３は、密閉二重壁構造の真空断熱容器であり、その二重壁構造の外壁と内壁との間に真空スペースを有するものである。真空スペースを取り囲む壁面はＡｇ膜などの低輻射率の金属膜、または銅箔やアルミニウム箔などの低輻射率の金属箔で覆われている。断熱容器１３は、有蓋・有底の円筒容器である。断熱容器１３の上蓋または底蓋は、容器本体に着脱可能に取り付けられている。上蓋または底蓋は、断熱材として、例えば、ミネラルウール、セラミックファイバー、ケイ酸カルシウム、硬質の発泡ウレタン、タイル、複合断熱材を用いることができる。複合断熱材には、例えば、セラミックファイバーまたはケイ酸カルシウムの層の両面にＡｌ層を積層したラミネートシートを用いることができる。
【００６７】
なお、本実施形態では断熱容器１３を横断面が真円の円筒形状にしているが、これを正六角形筒、正八角形筒、楕円筒など他の種々の形状とすることもできる。
【００６８】
さらに、燃料電池システム５０は、加熱源５の温度または加熱される改質器１５（またはＣＯシフト器１６またはＣＯ除去器１７）の温度をそれぞれ検出する温度センサ９と、温度センサ９からの検出温度信号に基づいて当該加熱源５の温度を制御する制御器４０と、を有している。
【００６９】
次に、本発明の実施例を比較例と比べて説明する。
【００７０】
（実施例１）  
（陽極酸化アルミ円筒管の製造方法）
実施例１としてアルミニウム円筒管（ＪＩＳ  Ａ１０５０材）を用いた。実施例サンプルの各サイズは、外径１．０mm、内径０．４mm、肉厚０．３０mm、長さ２００mmである。
【００７１】
この実施例サンプルを４質量％シュウ酸溶液中に浸漬し、温度２５℃、ＤＣ電流密度２５〜１００Ａ／ｍ２、処理時間を約１６〜３２時間とする条件で陽極酸化処理を行った。これによりサンプル管の内面と外面にそれぞれ平均膜厚８０μｍの陽極酸化膜を形成した。
【００７２】
このようにアルミニウム円筒管の内面および外面に陽極酸化膜を形成し、さらに触媒を担持させた。例えば、改質触媒として公知の方法でＰｔ系触媒を担持させることができる。
【００７３】
（実施例２）  
（化学反応装置の製造方法）  
上記第１の実施例に記載したＰｔ系触媒を担持した陽極酸化アルミ円筒管を３７mmずつの長さに切断し、複数の管を用いて図２に示す流路構造体（改質）１を作製する。ただし、今回、中心に外径１mmのステンレス鋼シース管に被覆されたヒータを配しこれの周囲に図６に示すような形で合計１８本の陽極酸化アルミ円筒管を配し、その周囲を厚み０．１mmのステンレス鋼（SUS316L）薄板で作製した伝熱部材４により固定した。
【００７４】
（実施例３）  
（水素発生装置の製造方法と使用方法）  
上記第１の実施例と同じ方法を用いて、陽極酸化アルミ円筒管を製造し、これにＰｔ系触媒，Ｒｅ系触媒，ＣｅＯ2系触媒を公知の方法を用いて担持させる。これを第２の実施例と同じ方法を用いてシフト反応を行うための化学反応装置として製造する。
【００７５】
一方、上記第１の実施例と同じ方法を用いて、陽極酸化アルミ円筒管を製造し、Ｐｄ系触媒とＰｔ系触媒を公知の方法を用いて担持させる。これに第２の実施例のシースヒータの代わりに外形１mm、内径０．４mmのステンレス鋼（SUS316L）配管を用い、これの周囲に図６に示すような形で合計１８本の陽極酸化アルミ円筒管を配し、その周囲を厚み０．１mmのステンレス鋼（SUS316L）薄板で作製された伝熱部材で保持固定した。
【００７６】
ただし、この伝熱部材５は第２の実施例に係る改質反応を行う化学反応装置、ならびにシフト反応を行う化学反応装置とは別個に画されるような構造を有するものを用いる。すなわち、図１２に示すように、ガス転回部７１において伝熱部材５の底面に底板（図示せず）を有する一方、ガス導入・排出部８１において改質反応、シフト反応の注入ガスと、排出ガスとが混じり合わないような仕切り構造を有するものとする。
【００７７】
このように製造した燃焼反応を行う燃焼器１８を中央に配置し、その周囲に、改質反応を行う化学反応装置１５とシフト反応を行う化学反応装置１６とを交互に３ユニットずつ配置する。中央の燃焼器１８から均等の距離に３ユニット×２組の化学反応装置１５，１６が配置され、かつ周囲の化学反応装置１５，１６を交互に配置することで、水素発生装置１０全体の熱均一性が向上し、水素発生装置１０全体の熱バランスが良好になり、各種の化学反応が効率的に促進される。
【００７８】
これらの反応を行う化学反応装置１５，１６，１８は、図１２に示す円筒型反応容器１１の中に収容されている。なお、この円筒型反応容器１１の周囲には他のヒータ（図示せず）が取り付けられ、容器１１の全体が加熱されるようになっている。また、図１２に示すように、円筒型反応容器１１の下部には改質される燃料を注入する注入口、改質、シフト反応を行った後のガスを排出する排出口が設けられている。
【００７９】
このように円筒型反応容器をさらに円筒型真空断熱容器（図示省略）に入れることができる。この円筒型真空断熱容器を構成するステンレス鋼薄板の肉厚は０．３mmであり、重量は１２６ｇであった。
【００８０】
このように形成した水素発生装置は次のように操作することにより、水素ガスを得ることができる。
【００８１】
図１１に示す燃料カートリッジ２０から水およびメタノールを含んだ燃料をポンプ等で供給する。燃料供給するためには、ジメチルエーテル（DME）などを加圧源として用いてもよい。
【００８２】
燃料としてメタノールを８．２５mmol／分、水を１２mmol／分それぞれ流し、改質反応およびシフト反応の反応ユニットを３５０℃にヒータで加熱する。この時、加熱源としては他のメタンや水素などの可燃性ガスを燃焼反応の化学反応ユニットに酸素と共に供給して、燃焼反応させてもよい。これにより、約１．５mmol／分相当の水素を得ることができる。
【００８３】
この場合、温度は円筒型反応容器のいずれかの箇所でK熱電対を設置して（図示省略）温度を測定し、これをフィードバックしてヒータ出力または可燃性ガスの注入量を制御することにより、３５０℃を維持することが可能である。
【００８４】
（実施例４）  
（燃料電池システムの製造方法と使用方法）
上記第３の実施例と同様の手法を用いて、もう一つのシフト反応を行う化学反応ユニットとメタネーション反応を行う化学反応装置を製造する。
【００８５】
このシフト反応を行う化学反応ユニットは２７５℃で一酸化炭素と水を水素と二酸化炭素とするシフト反応を行う。メタネーション反応を行う化学反応ユニットは２５０℃で一酸化炭素と水素をメタン化させる反応を行う。
【００８６】
シフト反応を行う化学反応ユニットとメタネーション反応を行う化学反応ユニットは別々の円筒型反応容器に収納してもよいし、同一の円筒型反応容器に温度が制御できるような形で挿入してもよい。この場合、両反応ユニット間の距離を２０ｍｍ程度とすれば２５℃の温度差をつけることは可能であるが、積極的には多孔質セラミクスなどの断熱部材を両反応ユニット間に挿入することにより、伝熱を抑制することも可能となる。
【００８７】
この円筒型反応容器を円筒型真空断熱容器に入れ、第３の実施例に記載の水素発生装置と結合する。水素発生装置から排出される水素含有ガス中には数％程度の一酸化炭素が含有しているのでシフト反応、メタネーション反応を上記反応温度で行うことにより、一酸化炭素濃度を１００ｐｐｍ以下とすることができる。これにより、得られた水素を発電部に導入して発電すると、３０Ｗの電力が得られた。
【００８８】
（その他の実施の形態）
本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００８９】
本実施の形態においては、反応器間を連結するための連結部材を例として説明したが、同様の構成を反応器側にも設けることにより、各反応器自体の熱容量も小さくすることが可能である。このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は、上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００９０】
（比較例）  
比較例の流路構造体として特許文献１に記載された矩形箱形状のマイクロチャネルを作製した。矩形箱状のリアクタに相当する真空断熱容器のステンレス鋼板の肉厚は外壁０．７mm、内壁０．３mmで、重量は２５０ｇと円筒型の場合に比較して約2倍の重量がある。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の化学反応装置に用いる流路構造体を示す内部透視斜視図。
【図２】流路構造体の構成単位である管を示す斜視図。
【図３】本発明の実施の形態に係る化学反応装置を示す内部透視斜視図。
【図４】本発明の他の実施の形態に係る化学反応装置を示す横断面図。
【図５】図４の化学反応装置を軸線に沿って切断した縦断面図。
【図６】本発明の他の実施の形態に係る化学反応装置を示す横断面図。
【図７】図６の化学反応装置を軸線に沿って切断した縦断面図。
【図８】本発明の他の実施の形態に係る化学反応装置を示す縦断面図。
【図９】本発明の他の実施の形態に係る化学反応装置を示す縦断面図。
【図１０】本発明の他の実施の形態に係る化学反応装置を示す縦断面図。
【図１１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを模式的に示す構成ブロック図。
【図１２】本発明の実施の形態に係る水素発生装置を示す内部透視斜視図。
【符号の説明】
【００９２】
１…流路構造体、
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ…化学反応装置、
２…第１の触媒が担持された管、３…第２の触媒が担持された管、
２ａ，３ａ…金属基材、２ｂ，３ｂ…外側陽極酸化膜、２ｃ，３ｃ…内側陽極酸化膜、
４，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ，４Ｆ…伝熱部材、
５，５ａ，５ｂ，５ｃ…ヒータ（加熱源）、
５ｇ…高温ガス流路（加熱源）、
６…反応部、７…ガス導入部、８…ガス排出部、
９…温度センサ、
１０…水素発生装置、
１１…円筒型反応容器
１３…断熱容器、
１４…気化器、１５…改質器（化学反応装置）、１６…ＣＯシフト器（化学反応装置）、１７…ＣＯ除去器（化学反応装置）、
１８…燃焼器、
２０…原料タンク、２１…流量調整弁、
３０…燃料電池発電部、３１…アノード極（燃料極）、３２…カソード極（酸化剤極）、３３…電解質膜、
３５…ポンプ、３６…ブロワ、３７…熱交換器、３８…水タンク、４０…制御器、
５０…燃料電池システム、
５１…ケーブル、５２，５３…締結金具、５４…高温ガス管、
Ｌ１…原料供給ライン、Ｌ２…改質ガス（燃料）供給ライン、Ｌ３…使用済み燃料排出ライン、Ｌ４…排ガスライン、Ｌ５…空気（酸化剤）排出ライン、Ｌ６，Ｌ７…空気（酸化剤）供給ライン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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