JP2007084356A - 反応器及び発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流路内に反応原料を通過させることによって発熱反応と吸熱反応とを行う場合に、効率良く熱交換を行うことができ、また、反応効率に優れた反応器及び発電装置を提供する。
【解決手段】反応器１００は、反応器本体の内部に流路が形成され、流路内に互いに異なる触媒８，９が交互に形成され、隣接する触媒８，９のうち一方の触媒８が発熱反応を優先的に選択する性質を有し、他方の触媒９が吸熱反応を優先的に選択する性質を有している。
【選択図】図４

Description

本発明は、基板に溝が形成され、溝を蓋基板で覆うことによって基板との間に流路を形成した反応器及び反応器を備えた発電装置に関する。

近年では、マイクロリアクタと呼ばれる小型反応器が開発・実用化されている。マイクロリアクタは、複数種類の原料や試薬、燃料などの反応物を互いに混合させながら反応させる小型反応器であって、マイクロ領域での化学反応実験、薬品の開発、人工臓器の開発、ゲノム・ＤＮＡ解析ツール、マイクロ流体工学の基礎解析ツールなどに利用されている。マイクロリアクタを用いる化学反応には、ビーカ、フラスコなどを用いた通常の化学反応にはない特徴がある。例えば、反応器全体が小さいため、熱交換率が極めて高く温度制御が効率良く行えるという利点がある。そのため、精密な温度制御を必要とする反応や急激な加熱又は冷却を必要とする反応でも容易に行うことができる。

マイクロリアクタとして、マイクロリアクタ内の反応を促進させるために、加熱手段をもつものが一般的であるが、電熱線などを巻き付けたりして外部から熱を供給するタイプと、シリコン基板等に予め加熱手段を形成しておくいわゆる自己加熱タイプとがある。
自己加熱型のマイクロリアクタは、シリコン基板の一方の面に薄膜ヒータを所定形状で形成し、他方の面に流路となる溝を所定形状で形成する。その後、ガラス基板を流路面に
接合して流路を形成する。そして、薄膜ヒータに所定の電力で通電して薄膜ヒータで加熱することによって化学反応に必要な熱を供給し、薄膜ヒータ面にも場合によってはガラス基板を接合して三層構造とする場合がある。このように薄膜ヒータ面に接合するガラス基板は、薄膜ヒータを保護する他に、薄膜ヒータの熱拡散を防止し熱効率を良くする働きを有している。そのため、薄膜ヒータ側のガラス基板にはザグリ加工が施されたものがしばしば使用され、さらには断熱性能を高めるためにザグリ加工によって形成された空間を真空にしてシリコン基板と接合する方法がよく用いられている。また、シリコン基板に形成した溝に、化学反応の反応速度を高める触媒を形成することが多く、様々な触媒を形成させることが可能であるが、代表的なものとして一つのもしくは複数の無機担体と、一つ又は複数の金属種又は金属酸化物とを組み合わせた、いわゆる不均一系触媒が代表的なものとしてしばしば用いられる。

ところで、マイクロリアクタが通常の管型反応器等と比べて特徴的な部分として、反応体積当たりの表面積が大きいという点が挙げられる。この特徴は、触媒の温度分布の均一性向上や発熱反応時における除熱特性向上の利点が大きいが、反面放熱性が良好であるために、吸熱反応においてはエネルギーロスが大きくなるという欠点があった。
そこで、吸熱反応と発熱反応とを組み合わせた反応を行い、熱量を補うという方法が知られている。例えば、炭化水素と水から水素を生成し、不純物である一酸化炭素を除去するいわゆる水蒸気改質プロセスを想定した場合に、比較的大型の反応器においては、改質プロセスのうち吸熱反応である水素生成反応と、発熱反応である燃焼反応や一酸化除去反応の配置を工夫することにより熱交換機能をもたせることができる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−３１９２１３号公報

例えばメタノールと水から水素を生成する水蒸気改質反応（吸熱反応）（式（１）参照）に部分酸化反応（発熱反応）（式（２）参照）を組み合わせた方法が挙げられる。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ_２…（１）
ＣＨ_３ＯＨ＋１／２Ｏ_２→２Ｈ_２＋ＣＯ_２…（２）
しかしながら、効率良く熱交換させるためには反応器のレイアウトに厳密な設計が求められる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、流路内に反応原料を通過させることによって発熱反応と吸熱反応とを行う場合に、効率良く熱交換を行うことができ、また、反応効率に優れた反応器及び発電装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、反応器本体の内部に流路が形成され、
前記流路内に互いに異なる触媒が交互に形成され、隣接する触媒のうち一方の触媒が発熱反応を優先的に選択する性質を有し、他方の触媒が吸熱反応を優先的に選択する性質を有していることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、反応器本体の内部に形成された流路内に互いに異なる触媒が交互に形成されているので、流路内に反応原料を通過させることによって、一方の触媒により発熱反応が生じ、他方の触媒により吸熱反応が生じ、発熱反応と吸熱反応とが交互に行われる。したがって、発熱反応で発生する反応熱を、隣接する触媒に直接伝達して吸熱反応を起こすことができるため、効率良く熱交換を行うことができる。
また、発熱反応と吸熱反応とが交互に起こるように流路内に各触媒を交互に形成しているので、流路の反応原料を導入する上流側では、反応量が大きくなるため発熱反応による発熱量及び吸熱反応による吸熱量が大きくなる。そのため、上流側においては発熱量・吸熱量ともに大きい部分同士が相対し、逆に流路の下流側においては発熱量・吸熱量ともに小さい部分同士が相対する関係となるので、より熱バランスが得やすい構造となる。
さらに、従来のように別途加熱手段を設ける場合に比して、反応器の内部から直接熱を供給する構造となるので、起動特性に優れる。そして、流路内を流れる反応原料自体も熱を伝える作用があるので、速やかに熱交換が可能という効果がある。

請求項２の発明は、請求項１に記載の反応器において、
前記反応器本体は、一方の面に溝が形成された基板と、前記基板の一方の面に前記溝を覆うことによって前記基板との間に前記流路を形成する蓋基板とを備えていることを特徴とする。

請求項２の発明によれば、基板の一方の面に形成された溝を蓋基板で覆うことによって流路が構成され、この流路内に反応原料を通過させることによって、流路内の一方の触媒により発熱反応が生じ、他方の触媒により吸熱反応が生じ、発熱反応と吸熱反応とが交互に行われる。したがって、上述のように発熱反応で発生する反応熱を、他方の触媒に直接伝達して吸熱反応を起こすことができるため、効率良く熱交換を行うことができる。
また、反応器本体の構成が単純で小型化を図ることができる。

請求項３の発明は、請求項１に記載の反応器において、
前記反応器本体は、両面に複数の溝が形成された基板と、前記基板の両面に前記溝をそれぞれ覆うことによって前記基板との間に前記流路を形成する蓋基板とを備え、
前記流路は、前記基板の一方の面に形成された各溝と、他方の面に形成された各溝とが、基板の両面を貫通して各溝を交互に連通する貫通孔によって連続して構成され、
前記一方の面の流路内と、前記他方の面の流路内とに、互いに異なる前記触媒が交互に形成されていることを特徴とする。

請求項３の発明によれば、基板の一方の面に形成された溝と他方の面に形成された溝とが貫通孔を介して交互に連通されて連続した流路が構成されており、この流路内に反応原料を通過させることによって、基板の一方の面の流路で発熱反応が生じ、貫通孔を介して他方の面の流路で吸熱反応が生じ、発熱反応と吸熱反応とが交互に行われる。したがって、上述のように発熱反応で発生する反応熱を、他方の面に直接伝達して吸熱反応を起こすことができるため、効率良く熱交換を行うことができる。

請求項４の発明は、
反応器本体の内部に流路が形成され、
前記反応器本体は、両面に互いに同じ方向に延在する溝が形成された基板と、前記基板の両面に、前記溝をそれぞれ覆うことによって前記基板との間に前記流路を形成する蓋基板とを備え、
前記流路は、前記基板の一方の面に形成された溝の下流側端部と、他方の面に形成された溝の上流側端部とが連通して構成され、
前記一方の面に形成された流路の上流側端部が、他方の面に形成された流路の上流側端部に対向して配置され、
前記一方の面の流路内と、前記他方の面の流路内とに、互いに異なる触媒が形成され、一方の触媒が発熱反応を優先的に選択する性質を有し、他方の触媒が吸熱反応を優先的に選択する性質を有していることを特徴とする。

請求項４の発明によれば、基板の両面に形成された溝が同じ方向に延在し蓋基板によって基板との間に流路が形成され、基板の一方の面に形成された流路と他方の面に形成された流路とが連通しており、一方の面の流路で発熱反応が生じた後、他方の面の流路で吸熱反応が生じる。一方の面に形成された流路の上流側では発熱反応による発熱量が大きくなり、他方の面に形成された流路の上流側では吸熱反応による吸熱量が大きくなり、上流側においては発熱量・吸熱量ともに大きい部分同士が対向して配置されることから、基板の一方の面で生じる発熱反応による大きな反応熱を、他方の面に直接伝達して吸熱反応を起こすことができる。逆に、下流側においては発熱量・吸熱量ともに小さい部分同士が対向して配置されるので、基板の一方の面で生じる発熱反応による小さな反応熱を、他方の面に直接伝達して吸熱反応を起こすことができる。その結果、効率良く熱交換を行うことができる。
また、上流側においては発熱量・吸熱量ともに大きい部分同士が対向して配置され、逆に流路の下流側においては発熱量・吸熱量ともに小さい部分同士が対向して配置される関係となるので、より熱バランスが得やすい構造となる。
さらに、従来のように別途加熱手段を設ける場合に比して、反応器の内部から直接熱を供給する構造となるので、起動特性に優れる。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の反応器において、
前記蓋基板に溝が形成され、前記溝内に触媒が形成されていることを特徴とする。

請求項５の発明によれば、蓋基板に溝が形成され、溝内に触媒が形成されているので、流路の断面積を大きくすることができ、また、触媒量の増加及び流路内での反応原料の滞留時間の増加が図れ、反応効率に優れる。

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器において、
前記流路内を電気エネルギーにより加熱する加熱手段を有していることを特徴とする。

請求項６の発明によれば、流路内を電気エネルギーにより加熱する加熱手段を有しているので、反応速度を速めることができ、温度制御を行い易い。

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器において、
前記発熱反応が酸化反応であることを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項１〜７のいずれか一項に記載の反応器において、
水素を含む炭素化合物と、水と、酸素とを混合した混合物から水素を発生させることを特徴とする。

請求項９の発明は、発電装置において、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の反応器で生成した水素から電気エネルギーを生成することを特徴とする。

本発明によれば、発熱反応で発生する反応熱を、速やかに吸熱反応側に伝達することができるので、熱効率に優れる反応器及び発電装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されないものとする。
［第一の実施の形態］
IV 図１は、反応器１００の斜視図、図２(a)は、反応器１００を構成する基板１の一方の面１１の平面図、図２(b)は、基板１の他方の面１２の透過平面図、図３は、図２(a)において切断線III−IIIに沿った面の反応器１００の矢視断面図、図４は、図２(a)において切断線IV−IVに沿った面の反応器１００の矢視断面図、図５は図２(a)において切断線V−Vに沿った面の反応器１００の矢視断面図、図６は図２(a)において切断線VI−VIに沿った面の矢視断面図である。（図２(a)と図２(b)は、同じ向きから見た平面図と透過平面図の関係なので、図２(a)の左上の角は、図２(b)の左上の角に対応している。）
本発明に係る反応器は、セラミック、シリコン、アルミニウム、ガラス等の材料（シリコン、ガラスがより好ましい。）から板状に形成された基板１と第一の蓋基板２及び第二の蓋基板３とを互いに重ね合わせて接合した構造を有している。なお、本発明で言う反応器本体は、基板１、第一の蓋基板２及び第二の蓋基板３とで構成される。
基板１は、所定の厚みを有し平面視長方形状をなした基板であって、上下両面が平坦でかつ互いに平行となるように形成されている。この基板１の一方の面（図中、上面）１１には、平面視略コ字状の四つの溝４，４，…と平面視直線状の一つの溝５とが基板１の長手方向に沿って所定間隔に並んで形成されている。コ字状溝４は、基板１の短手方向に沿って平行な棒状部４１と、互いに隣接する棒状部４１，４１を一方の端部同士で連結する連結部４２とを備え、これによって平面視略コ字状に形成されている。また、図中、最も右側に位置するコ字状溝４１に隣接して平面視直線状の溝５が形成されている。直線状溝５は、コ字状溝４の棒状部４１と平行となるように形成されている。
コ字状溝４と直線状溝５とは、連結部４２と逆側の端部に基板１の他方の面（図中、下面）に貫通する貫通孔４３，４３，…、５１がそれぞれ形成されている。

一方、基板１の他方の面１２には、平面視略コ字状の四つの溝６，６，…が基板１の長手方向に沿って所定間隔に並んで形成されている。コ字状溝６は、基板１の一方の面１１に形成されたコ字状溝４と同様に棒状部６１，６１と連結部６２とを備えている。また、図中、最も左側に位置するコ字状溝６に隣接して平面視直線状の溝７が形成されている。

コ字状溝６と直線状溝７とは、連結部６２と逆側の端部に基板１の一方の面１１に貫通する貫通孔６３，６３，…、７１が形成されている。貫通孔４３，５１，６３，７１は、基板１の一方の面１１に形成されたコ字状溝４又は直線状溝５と、これら各溝４，５に対応して他方の面に形成されたコ字状溝６又は直線状溝７とを、一方の面１１と他方の面１２とにおいて交互に連通している。詳細には、基板１の右側から順に一方の面１１に形成された直線状溝５の貫通孔５１と、他方の面１２に形成された最も右側の棒状部６１の貫通孔６３とが互いに連通している。さらに、直線状溝５の左隣の棒状部４１の貫通孔４３と、他方の面１２に形成された右から２番目の棒状部６１の貫通孔６３とが互いに連通している。同様にして右側から順に、一方の面１１に形成された棒状部４１の貫通孔４３と他方の面に形成された棒状部６１の貫通孔６３とが連通し、最後に、一方の面に形成された最も左側の棒状部４１の貫通孔４３と、他方の面１２に形成された直線状溝７の貫通孔７１とが互いに連通している。その結果、一方の面１１と他方の面１２とを交互に蛇行する一つの流路が構成される。

このような基板１の一方の面１１に、溝４，５を覆うように第一の蓋基板２が接合されており、基板１と第一の蓋基板２との間に上記流路が構成されている。第一の蓋基板２は、所定の厚みを有し平面視長方形状をなした基板であって、上下両面が平坦でかつ互いに平行となるように形成されており、基板１と同じ大きさをなしている。
第一の蓋基板２には、基板１に形成された直線状溝５に通じ、反応原料を導入するための導入孔２１が第一の蓋基板２の上下面を貫通して形成されている。また、第一の蓋基板２で溝４，５が覆われることによって形成された流路の内壁面には、反応原料の反応を促進するための触媒８が形成されている。

基板１の他方の面１２に、溝６，７を覆うように第二の蓋基板３が接合されており、基板１と第二の蓋基板３との間に上記流路が構成されている。第二の蓋基板３は、所定の厚みを有し平面視長方形状をなした基板であって、上下両面が平坦でかつ互いに平行となるように形成されており、基板１と同じ大きさをなしている。
第二の蓋基板３には、基板１に形成された直線状溝７に通じ、反応後の生成物を排出するための排出孔３１が第二の蓋基板３の上下面を貫通して形成されている。また、第二の蓋基板３で溝６，７が覆われることによって形成された流路の内壁面には、反応原料の反応を促進するための触媒９が形成されている。

基板１の一方の面１１の流路に形成された触媒８と他方の面１２に形成された触媒９とは、互いに異なる触媒であり、一方の面１１の流路に形成された触媒８は、発熱反応を優先的に選択する性質を有し、他方の面１２の流路に形成された触媒９は吸熱反応を優先的に選択する性質を有している。これら触媒８，９は、Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｚｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｃｅ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｒｕ，Ｒｅのうち少なくとも一種類の金属を含むことが好ましく、特に発熱反応の選択性が高い触媒８としては、Ｐｔ／ＺｎＯ系触媒等が好ましく、吸熱反応の選択性が高い触媒９としては、Ｃｕ／ＺｎＯ系触媒、Ｐｄ／ＺｎＯ系触媒等が好ましい。したがって、基板１の一方の面１１に形成された流路に反応原料を通すことによって発熱反応が生じ、基板１の他方の面１２に形成された流路に反応原料を通すことによって吸熱反応が生じる。

なお、基板１と第一の蓋基板２及び基板１と第二の蓋基板３は、陽極接合によって接合することが好ましい。
また、第一の蓋基板２の基板１との接合面とは反対側の面に、図示しないが薄膜ヒータを形成しても良い。薄膜ヒータは電気エネルギーにより発熱する電熱膜であり、具体的には電気抵抗性発熱体、半導体性発熱体を薄膜状に成膜したものである。

このように構成された反応器１００では、第一の蓋基板２の導入孔２１から反応原料が導入されると、基板１の一方の面１１に形成された直線状溝５によって構成される流路内を通り、貫通孔５１，６３を介して基板１の他方の面１２に形成された最も右側のコ字状溝６によって構成される流路内を通る。その後、右から２番目の棒状部６１の貫通孔６３，４３を介して一方の面１１に形成された次のコ字状溝４によって構成される流路内を通る。このように基板１の一方の面１１の流路内と他方の面１２の流路内とを交互に通り、最後に、基板１の他方の面１２に形成された直線状溝７を通って第二の蓋基板３の排出孔３１から排出される。
流路内を反応原料が通っている際には、薄膜ヒータによって流路内が加熱されて、一方の面１１の流路に形成された触媒８により発熱反応が起こり、他方の面１２の流路に形成された触媒により吸熱反応が起こり、生成物が生成される。

なお、基板１の一方の面１１の流路に形成した触媒８と、他方の面１２の流路に形成した触媒９とは、それぞれ一種類ずつとしたが、一方の面１１の流路で発熱反応が優先的に生じ、他方の面１２の流路で吸熱反応が優先的に生じるようにすれば良く、一方の面１１の流路に二種類以上の触媒を形成し、他方の面１２の流路にも二種類以上の触媒を形成しても良い。
また、溝４，５，６，７の形状や個数は特に上述したものに限定されるものではなく、また、貫通孔４３，５１，６３，７１の位置も溝の形状に合わせて適宜変更可能である。例えば、全てコ字状溝４，６としても良く、棒状部４１，６１を三つ以上並べて連結部４２，６２で連結してなる形状の溝としても良い。
さらに、図示しないが、第一の蓋基板２の基板１と接合する面に、基板１の一方の面１１に形成した溝４，５と同様の溝を形成し、第二の蓋基板３の基板１と接合する面に、基板１の他方の面１２に形成した溝６，７と同様の溝を形成し、上記貫通孔４３，５１，６３，７１と同様の貫通孔を、基板１に形成し、第一の蓋基板２に形成した溝による流路と第二の蓋基板３に形成した溝による流路とで交互に発熱反応及び吸熱反応を行うように構成しても構わない。

次に、上記反応器１００を、水素を含む炭素化合物と、水と、を混合した混合物から水素を主成分とする生成物に改質する改質器２０３として使用する場合について、このような改質器２０３を備えた発電装置２００とともに説明する。
図７は、発電装置２００のブロック図である。

発電装置２００は、メタノールと水との混合液を貯留した燃料容器２０１と、燃料容器２０１から供給された混合液を気化する気化器２０２と、気化器２０２から供給された混合気を触媒により水素リッチな水素ガスに改質する改質器２０３と、改質器２０３から供給された生成ガスの中から燃料電池を劣化する要因となる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器２０４と、一酸化炭素除去器２０４から供給された生成ガス中の水素ガスの電気化学反応により電気エネルギーを生成する燃料電池２０５と、を備えている。ここで、発電装置２００は、携帯電話機、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、電子手帳、腕時計、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、ゲーム機、遊技機、家庭用電気機器、その他の電子機器に用いられる。この場合、気化器２０２、改質器２０３、一酸化炭素除去器２０４及び燃料電池２０５からなる発電装置本体は電子機器本体に搭載されており、燃料容器２０１は電子機器本体を介して発電装置本体に装着された場合、燃料容器２０１から気化器２０２に混合液が供給されるようになっている。燃料電池２０５により生成された電気エネルギーは電子機器本体を駆動するために用いられる。

燃料電池２０５は、触媒微粒子を含有又は付着させた燃料極（水素極）と、触媒微粒子を含有又は付着させた酸素極（空気極）と、燃料極と酸素極との間に挟持された固体高分子電解質膜と、を備える。

気化器２０２は図示しないが、セラミック、シリコン、アルミニウム、ガラス等の材料から板状に形成された基板と蓋基板とを接合した構造を有し、基板と蓋基板との接合部に流路が設けられており、蓋基板の接合面とは反対側の面に薄膜ヒータが成膜されている。

一酸化炭素除去器２０４も図示しないが、セラミック、シリコン、アルミニウム、ガラス等の材料から板状に形成された基板と蓋基板とを接合した構造を有し、基板と蓋基板との接合部に流路が設けられており、蓋基板の接合面とは反対側の面に薄膜ヒータが成膜されている。流路の壁面には触媒が形成され、触媒は一酸化炭素を選択的に酸化する触媒が使用されている。

次に、発電装置２００の動作について説明する。
気化器２０２、改質器２０３及び一酸化炭素除去器２０４のそれぞれの薄膜ヒータが電気により発熱し、気化器２０２、改質器２０３及び一酸化炭素除去器２０４がそれぞれ所定の温度になるように加熱される。この状態で、ポンプが作動すると、燃料容器２０１に貯留された混合液（メタノール、水）が気化器２０２のマイクロ流路に供給される。混合液が気化器２０２のマイクロ流路を流動している時に、混合液が気化して混合気が生成される。気化されて高圧になったその混合気が相対的に低圧の改質器２０３の導入孔２１から基板１の一方の面１１の直線状溝５によって構成される流路に供給される。この流路から貫通孔５１，６３を介して基板１の他方の面１２のコ字状溝６によって構成される流路に供給される。同様に貫通孔６３，４３を介して一方の面１１の流路と他方の面１２の流路とを交互に混合気が流動して、混合気が触媒に接触する。
ここで、基板１の一方の面１１の流路においては、メタノールと空気中の酸素が、触媒８の作用を受けて反応して、化学反応式（２）のような発熱反応（部分酸化反応）が起こる。
ＣＨ₃ＯＨ＋１／２Ｏ₂→２Ｈ₂＋ＣＯ₂ …（２）

また、基板１の他方の面１２の流路においては、メタノールと水が触媒９の作用を受けて、化学反応式（１）のような吸熱反応（水蒸気改質反応）が起こる。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ_２…（１）

また、基板１の両面１１，１２の流路において、メタノールと水が完全に二酸化炭素及び水素に改質されない場合もあり、この場合、化学反応式（３）のように、二酸化炭素、一酸化炭素及び水蒸気が生成される。
２ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→５Ｈ₂＋ＣＯ＋ＣＯ₂ … （３）

このように、基板１の一方の面１１の流路と、他方の面１２の流路とが貫通孔４３，５１，６３，７１を介して交互に連通されて連続しており、一方の面１１の流路において発熱反応が生じ、貫通孔４３，５１，６３，７１を介して他方の面１２の流路において吸熱反応が生じるので、発熱反応と吸熱反応とが交互に行われる。したがって、発熱反応で発生する反応熱を、他方の面１２に直接伝達して吸熱反応を起こすことができるため、効率良く熱交換を行うことができる。そのため、改質器２０３の温度が２８０℃よりも低くても（例えば、２５０℃）、メタノールの転化率が向上し、一酸化炭素の生成量を低減することができる。
また、流路の反応原料を導入する上流側では、反応量が大きくなるため発熱反応による発熱量及び吸熱反応による吸熱量が大きくなる。（通常、反応速度は原料の濃度に比例することから、発熱反応、吸熱反応にかかわらず、反応器導入孔付近の反応速度が高くなり、したがって、反応熱も大きくなる。）そのため、上流側においては発熱量・吸熱量ともに大きい部分同士が相対し、逆に流路の下流側においては発熱量・吸熱量ともに小さい部分同士が相対する関係となるので、より熱バランスが得やすい構造となる。さらに、改質器２０３の内部から直接熱を供給する構造となるので、起動特性に優れる。そして、流路内を流れる反応原料自体も熱を伝える作用があるので、速やかに熱交換が可能という効果がある。また、一方の面１１と他方の面１２において、触媒の量やチャンネル密度を変えるといった調節が可能なので、上流から下流にわたる各流路のポイント毎で正確に熱バランスが保たれるように制御することが可能である。

そして、改質器２０３で生成された生成ガスが一酸化炭素除去器２０４のマイクロ流路に供給され、更に空気が一酸化炭素除去器２０４のマイクロ流路に供給される。このマイクロ流路においては、一酸化炭素が一酸化炭素除去器２０４のマイクロ流路に形成された触媒の作用を受けて特異的に酸化する。その後、生成ガスがそのマイクロ流路から燃料電池２０５の燃料極に供給され、空気が燃料電池２０５の空気極に供給される。燃料極においては、電気化学反応式（４）に示すように、生成ガス中の水素が燃料極の触媒微粒子の作用を受けて水素イオンと電子とに分離する。水素イオンは固体高分子電解質膜を通じて酸素極に伝導し、電子は燃料極により取り出される。
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- … （４）

酸素極においては、電気化学反応式（５）に示すように、空気中の酸素と、固体高分子電解質膜を通過した水素イオンと、燃料極により取り出された電子とが反応して水が生成される。
２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ … （５）

なお、ここでは、図７に示すように、上記発電装置２００において、改質器２０３に酸素又は空気を供給する機構、例えば装置外に図示しないポンプ等を設けて、酸素又は空気中の酸素を酸化剤として供給し、改質器２０３において発熱反応を起こすような構成としている。
また、燃料容器２０１に貯留される混合液がメタノールと水との混合液であるが、水素を含む他の炭素化合物と水との混合液が燃料容器２０１に貯留されても良い。
また、気化器２０２、改質器２０３及び一酸化炭素除去器２０４のそれぞれに薄膜ヒータを形成しているが、最も高温で反応する改質器２０３のみに薄膜ヒータを設け、気化器２０２及び一酸化炭素除去器２０４にはそれぞれ薄膜ヒータを設けずに改質器２０３からの熱を伝搬によって反応を引き起こすようにしてもよく、改質器２０３及びその次に高温反応を引き起こす一酸化炭素除去器２０４にそれぞれ薄膜ヒータを形成してもよい。
さらに、薄膜ヒータの代替として上述した炭化水素やアルコール、エーテルといった水素を含む炭素化合物を燃焼する化学反応炉を設けてもよい。

［第二の実施の形態］
図８は、第二の実施の形態における反応器１００Ａを構成する基板１Ａの一方の面１１Ａの平面図、図９は、図８において切断線IX−IXに沿った面の反応器１００Ａの矢視断面図である。
第二の実施の形態では、反応器１００Ａは、第一の実施の形態と同様にセラミック、シリコン、アルミニウム、ガラス等の材料（シリコン、ガラスがより好ましい。）から板状に形成された基板１Ａと、蓋基板２Ａとを互いに重ね合わせて接合した構造を有している。なお、本発明で言う反応器本体は、基板１Ａ及び蓋基板２Ａとで構成される。
基板１Ａは、所定の厚みを有し平面視長方形状をなした基板であって、上下両面が平坦でかつ互いに平行となるように形成されている。この基板１Ａの一方の面（図中、上面）１１Ａには、葛折り状の溝４Ａが凹んだ状態に形成されており、この溝４Ａに蓋をするように基板１Ａに蓋基板２Ａを接合することによって、基板１Ａと蓋基板２Ａとの間に流路が構成されている。

蓋基板２Ａは、所定の厚みを有し平面視長方形状をなした基板であって、上下両面が平坦でかつ互いに平行となるように形成されており、基板１Ａと同じ大きさをなしている。
蓋基板２Ａには、基板１Ａに形成された流路の上流側端部（図中、右端部）に通じ、反応原料を導入するための導入孔２１Ａが蓋基板２Ａの上下面を貫通して形成され、流路の下流側端部（図中、左端部）に通じ、反応後の生成物を排出するための排出孔２２Ａが蓋基板２Ａの上下面を貫通して形成されている。
また、蓋基板２Ａの基板１Ａとの接合面とは反対側の面には薄膜ヒータ（図示略）が形成されている。さらに、蓋基板２Ａで溝４Ａが覆われることによって形成された流路の内壁面には、互いに異なる触媒８Ａ，９Ａが交互に所定間隔に形成されている。そして、隣接する触媒８Ａ，９Ａのうち一方の触媒８Ａが発熱反応を優先的に選択する性質を有し、他方の触媒９Ａが吸熱反応を優先的に選択する性質を有している。触媒８Ａ，９Ａは、Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｚｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｃｅ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｒｕ，Ｒｅのうち少なくとも一種類の金属を含むことが好ましく、特に発熱反応の選択性が高い触媒８Ａとしては、Ｐｔ／ＺｎＯ系触媒等が好ましく、吸熱反応の選択性が高い触媒９Ａとしては、Ｃｕ／ＺｎＯ系触媒、Ｐｄ／ＺｎＯ系触媒等が好ましい。したがって、このような流路に反応原料を通すことによって、発熱反応と吸熱反応とが交互に生じる。

なお、上記第二の実施の形態における反応器１００Ａも、第一の実施の形態と同様に発電装置２００の改質器２０３として使用することができる。この場合、改質器２０３として第二の実施の形態の反応器１００Ａに置き換えたものとなり、その他の構成及び動作は同様のためその説明を省略する。
また、上記第二の実施の形態において、流路に形成した触媒８Ａ，９Ａは、二種類としたが、発熱反応と吸熱反応とが交互に起こるように形成すれば、三種類以上としても良い。

以上のように、基板１Ａの一方の面１１Ａに形成された溝４Ａを蓋基板２Ａで覆うことによって形成した流路内に発熱反応と吸熱反応とが交互に起こるように各触媒８Ａ，９Ａを交互に形成しているので、この流路内に反応原料を通過させることによって、一方の触媒８Ａにより発熱反応が生じ、他方の触媒９Ａにより吸熱反応が生じ、発熱反応と吸熱反応とが交互に行われる。したがって、発熱反応で発生する反応熱を、隣接する触媒９Ａに直接伝達して吸熱反応を起こすことができるため、効率良く熱交換を行うことができる。
また、流路の反応原料を導入する上流側では、反応量が大きくなるため発熱反応による発熱量及び吸熱反応による吸熱量が大きくなる。そのため、上流側においては発熱量・吸熱量ともに大きい部分同士が相対し、逆に流路の下流側においては発熱量・吸熱量ともに小さい部分同士が相対する関係となるので、より熱バランスが得やすい構造となる。さらに、反応器１００Ａの内部から直接熱を供給する構造となるので、起動特性に優れる。そして、流路内を流れる反応原料自体も熱を伝える作用があるので、速やかに熱交換が可能という効果がある。また、触媒８Ａ部のチャンネル長と触媒９Ａ部のチャンネル長を変えるといった調節が可能なので、上流から下流にわたる各流路のポイント毎で正確に熱バランスが保たれるように制御することが可能である。

［第三の実施の形態］
図１０(a)は、反応器１００Ｂを構成する基板１Ｂの一方の面１１Ｂの平面図、図１０(b)は、基板１Ｂの他方の面１２Ｂの透過平面図、図１１は、図１０(a)において切断線XI−XIに沿った面の反応器１００Ｂの矢視断面図である。（図１０(a)と図１０(b)は、同じ向きから見た平面図と透過平面図の関係なので、図１０(a)の左上の角は、図１０(b)の左上の角に対応している。）
第三の実施の形態では、反応器１００Ｂは、第一の実施の形態と同様にセラミック、シリコン、アルミニウム、ガラス等の材料（シリコン、ガラスがより好ましい。）から板状に形成された基板１Ｂと、第一の蓋基板２Ｂ及び第二の蓋基板３Ｂとを互いに重ね合わせて接合した構造を有している。なお、本発明で言う反応器本体は、基板１Ｂ、第一の蓋基板２Ｂ及び第二の蓋基板３Ｂとで構成される。
基板１Ｂは、所定の厚みを有し平面視長方形状をなした基板であって、上下両面が平坦でかつ互いに平行となるように形成されている。この基板１Ｂの一方の面（図中、上面）には、葛折り状の溝４Ｂが凹んだ状態に形成されており、この溝４Ｂに蓋をするように基板１Ｂに第一の蓋基板２Ｂを接合することによって、基板１Ｂと第一の蓋基板２Ｂとの間に流路が構成されている。

基板１Ｂの他方の面（図中、下面）１２Ｂには、一方の面１１Ｂに形成された溝４Ｂと対向するように同形状の葛折り状の溝６Ｂが凹んだ状態に形成されており、この溝６Ｂに蓋をするように基板１Ｂに第二の蓋基板３Ｂを接合することによって、基板１Ｂと第二の蓋基板３Ｂとの間に流路が構成されている。
基板１Ｂの一方の面１１Ｂに形成された流路の下流側端部（図中、右端部）１４Ｂと、基板１Ｂの他方の面１２Ｂに形成された流路の上流側端部（図中、右端部）１５Ｂとは連続して一つの流路とされている。そのため、他方の面１２Ｂに形成された流路の上流側端部１５Ｂの近傍に、一方の面１１Ｂに形成された流路の上流側端部１３Ｂが位置し、基板１Ｂの高さ方向において近傍している。同様に、基板１Ｂの他方の面１２Ｂに形成された流路の下流側端部１６Ｂの近傍に、一方の面１１Ｂに形成された溝４Ｂの下流側端部１４Ｂが位置し、基板１Ｂの高さ方向において近傍している。

第一の蓋基板２Ｂは、所定の厚みを有し平面視長方形状をなした基板であって、上下両面が平坦でかつ互いに平行となるように形成されており、基板１Ｂと同じ大きさをなしている。第一の蓋基板２Ｂには、基板１Ｂの一方の面１１Ｂに形成された流路の上流側端部１３Ｂに通じ、反応原料を導入するための導入孔２１Ｂが第一の蓋基板２Ｂの上下面を貫通して形成されている。また、第一の蓋基板２Ｂで溝４Ｂが覆われることによって形成された流路の内壁面には、反応原料の反応を促進するための触媒８Ｂが形成されている。

第二の蓋基板３Ｂは、所定の厚みを有し平面視長方形状をなした基板であって、上下両面が平坦でかつ互いに平行となるように形成されており、基板１Ｂと同じ大きさをなしている。
第二の蓋基板３Ｂには、基板１Ｂの他方の面１２Ｂに形成された流路の下流側端部１６Ｂに通じ、反応後の生成物を排出するための排出孔３１Ｂが第二の蓋基板３Ｂの上下面を貫通して形成されている。また、第二の蓋基板３Ｂで溝６Ｂが覆われることによって形成された流路の内壁面には、反応原料の反応を促進するための触媒９Ｂが形成されている。

一方の面１１Ｂの流路に形成された触媒８Ｂと他方の面１２Ｂに形成された触媒９Ｂとは、互いに異なる触媒であり、一方の面１１Ｂの流路に形成された触媒８Ｂは発熱反応を優先的に選択する性質を有し、他方の面１２Ｂの流路に形成された触媒９Ｂは吸熱反応を優先的に選択する性質を有している。これら触媒８Ｂ，９Ｂは、Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｚｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｃｅ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｒｕ，Ｒｅのうち少なくとも一種類の金属を含むことが好ましく、特に発熱反応の選択性が高い触媒８Ｂとしては、Ｐｔ／ＺｎＯ系触媒等が好ましく、吸熱反応の選択性が高い触媒９Ｂとしては、Ｃｕ／ＺｎＯ系触媒、Ｐｄ／ＺｎＯ系触媒等が好ましい。したがって、基板１Ｂの一方の面１１Ｂに形成された流路に反応原料を通すことによって発熱反応が生じ、基板１Ｂの他方の面１２Ｂに形成された流路に反応原料を通すことによって吸熱反応が生じる。

なお、基板１Ｂと第一の蓋基板２Ｂ及び基板１Ｂと第二の蓋基板３Ｂは、陽極接合によって接合することが好ましい。
また、第一の蓋基板２Ｂの基板１Ｂとの接合面とは反対側の面に、薄膜ヒータを形成しても良い。

このように構成された反応器１００Ｂでは、第一の蓋基板２Ｂの導入孔２１Ｂから反応原料が導入されると、基板１Ｂの一方の面１１Ｂに形成された流路の上流側端部１３Ｂから下流側端部１４Ｂを通り、基板１Ｂの他方の面１２Ｂに形成された流路の上流側端部１５Ｂから下流側端部１６Ｂを通って、第二の蓋基板３Ｂの排出孔３１Ｂから排出される。
流路内を反応原料が通っている際には、薄膜ヒータによって流路内が加熱されて、一方の面１１Ｂの流路に形成された触媒８Ｂにより発熱反応が起こり、他方の面１２Ｂの流路に形成された触媒９Ｂにより吸熱反応が起こり、生成物が生成される。

なお、上記第三の実施の形態における反応器１００Ｂも、第一の実施の形態と同様に発電装置２００の改質器２０３として使用することができる。この場合、改質器２０３として第三の実施の形態の反応器１００Ｂに置き換えたものとなり、その他の構成及び動作は同様のためその説明を省略する。
また、上記第三の実施の形態において、基板１Ｂの一方の面１１Ｂの流路に形成した触媒８Ｂと、他方の面１２Ｂの流路に形成した触媒９Ｂとは、それぞれ一種類ずつとしたが、一方の面１１Ｂの流路で発熱反応が優先的に生じ、他方の面１２Ｂの流路で吸熱反応が優先的に生じるようにすれば良く、一方の面１１Ｂの流路に二種類以上の触媒を形成し、他方の面１２Ｂの流路にも二種類以上の触媒を形成しても良い。

以上のように、基板１Ｂの両面に形成された溝４Ｂ，６Ｂが同じ方向に延在し、蓋基板２Ｂ，３Ｂによって基板１Ｂとの間に、一方の面１１Ｂと他方の面１２Ｂとで連続した流路が形成されており、一方の面１１Ｂの流路内で発熱反応が起こり、他方の面１２Ｂの流路内に吸熱反応が起こるように各触媒８Ｂ，９Ｂを形成しているので、この流路内に反応原料を通過させることによって、一方の面１１Ｂの流路で発熱反応が生じた後、他方の面１２Ｂの流路で吸熱反応が生じる。一方の面１１Ｂに形成された流路の上流側では発熱反応による発熱量が大きくなり、他方の面１２Ｂに形成された流路の上流側では吸熱反応による吸熱量が大きくなり、上流側においては発熱量・吸熱量ともに大きい部分同士が基板１の高さ方向において近傍に位置することから、基板１Ｂの一方の面１１Ｂで生じる発熱反応による大きな反応熱を、他方の面１２Ｂに直接伝達して吸熱反応を起こすことができる。逆に、下流側においては発熱量・吸熱量ともに小さい部分同士が基板１Ｂの高さ方向において近傍に位置するので、基板１Ｂの一方の面１１Ｂで生じる発熱反応による小さな反応熱を、他方の面１２Ｂに直接伝達して吸熱反応を起こすことができる。その結果、効率良く熱交換を行うことができる。
また、上流側においては発熱量・吸熱量ともに大きい部分同士が基板１Ｂの高さ方向において近傍に位置し、逆に流路の下流側においては発熱量・吸熱量ともに小さい部分同士が基板１Ｂの高さ方向において近傍に位置する関係となるので、より熱バランスが得やすい構造となる。さらに、反応器１００Ｂの内部から直接熱を供給する構造となるので、起動特性に優れる。

第一の実施の形態における反応器１００の斜視図である。 (a)は、反応器１００を構成する基板１の一方の面１１の平面図、(b)は、基板１の他方の面１２の透過平面図である。 図２(a)において切断線III−IIIに沿った面の反応器１００の矢視断面図である。 図２(a)において切断線IV−IVに沿った面の反応器１００の矢視断面図である。 図２(a)において切断線V−Vに沿った面の反応器１００の矢視断面図である。 図２(a)において切断線VI−VIに沿った面の反応器１００の矢視断面図である。 発電装置２００のブロック図である。 第二の実施の形態における反応器１００Ａを構成する基板１Ａの一方の面１１Ａの平面図である。 図８において切断線IX−IXに沿った面の反応器１００Ａの矢視断面図である。 (a)は、第三の実施の形態における反応器１００Ｂを構成する基板１Ｂの一方の面１１Ｂの平面図、(b)は、第三の実施の形態における反応器１００Ｂを構成する基板１Ｂの他方の面１２Ｂの透過平面図である。 図１０(a)において切断線XI−XIに沿った面の反応器１００Ｂの矢視断面図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ 基板
２，２Ｂ 第一の蓋基板
２Ａ 蓋基板
３，３Ｂ 第二の蓋基板
４，６ コ字状溝
５，７ 直線状溝
４Ａ，４Ｂ，６Ｂ 溝
８，８Ａ，８Ｂ，９，９Ａ，９Ｂ 触媒
１１，１１Ａ，１１Ｂ 一方の面
１２，１２Ｂ 他方の面
２１，２１Ａ，２１Ｂ 導入孔
２２Ａ，３１，３１Ｂ 排出孔
４３，５１，６３，７１ 貫通孔
１００，１００Ａ，１００Ｂ 反応器
２００ 発電装置
２０１ 燃料容器
２０２ 気化器
２０３ 改質器
２０４ 一酸化炭素除去器
２０５ 燃料電池

Claims (9)

1. 反応器本体の内部に流路が形成され、
   前記流路内に互いに異なる触媒が交互に形成され、隣接する触媒のうち一方の触媒が発熱反応を優先的に選択する性質を有し、他方の触媒が吸熱反応を優先的に選択する性質を有していることを特徴とする反応器。
2. 前記反応器本体は、一方の面に溝が形成された基板と、前記基板の一方の面に前記溝を覆うことによって前記基板との間に前記流路を形成する蓋基板とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の反応器。
3. 前記反応器本体は、両面に複数の溝が形成された基板と、前記基板の両面に前記溝をそれぞれ覆うことによって前記基板との間に前記流路を形成する蓋基板とを備え、
   前記流路は、前記基板の一方の面に形成された各溝と、他方の面に形成された各溝とが、基板の両面を貫通して各溝を交互に連通する貫通孔によって連続して構成され、
   前記一方の面の流路内と、前記他方の面の流路内とに、互いに異なる前記触媒が交互に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の反応器。
4. 反応器本体の内部に流路が形成され、
   前記反応器本体は、両面に互いに同じ方向に延在する溝が形成された基板と、前記基板の両面に、前記溝をそれぞれ覆うことによって前記基板との間に前記流路を形成する蓋基板とを備え、
   前記流路は、前記基板の一方の面に形成された溝の下流側端部と、他方の面に形成された溝の上流側端部とが連通して構成され、
   前記一方の面に形成された流路の上流側端部が、他方の面に形成された流路の上流側端部に対向して配置され、
   前記一方の面の流路内と、前記他方の面の流路内とに、互いに異なる触媒が形成され、一方の触媒が発熱反応を優先的に選択する性質を有し、他方の触媒が吸熱反応を優先的に選択する性質を有していることを特徴とする反応器。
5. 前記蓋基板に溝が形成され、前記溝内に触媒が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の反応器。
6. 前記流路内を電気エネルギーにより加熱する加熱手段を有し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器。
7. 前記発熱反応及び前記吸熱反応は、ともに水素を生成する反応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器。
8. 水素を含む炭素化合物と、水と、酸素とを混合した混合物から水素を発生させることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の反応器。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の反応器で生成した水素から電気エネルギーを生成することを特徴とする発電装置。

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