JP2004290880A

JP2004290880A - 小型反応器

Info

Publication number: JP2004290880A
Application number: JP2003088630A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Kawamura; 義裕河村
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】流路内において複数種類の原料や試薬、燃料等の被混合物を所定の流量比率で効率よく合流・混合させる。
【解決手段】本発明に係る小型反応器は、二種類の被混合物が互いに流動しながら合流するマイクロ流路５９を有している。小型反応器では、各被混合物が互いに合流するマイクロ流路５９の他端部５９ｂ（合流部）には、一方の被混合物の流動方向と他方の被混合物の流動方向とを略一致させる隔壁５９ｄが配設されている。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は小型反応器に係り、特に複数種類の原料や試薬、燃料等の被混合物を効率よく混合できる小型反応器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、複数種類の原料や試薬、燃料等の被混合物を互いに混合させながら反応させるマイクロリアクタ（小型反応器）が開発・実用化されている（例えば特許文献１参照）。特許文献１の小型反応器では、チャネル（１３）と言われる流路がシリコン基板（１２）上にＴ字型状又はｈ字型状に形成されており、二種のサンプルを別々の注入ポート（１４）からチャネルに注入し、各サンプルをチャネル内で流動させながら混合させ、混合されたサンプルを排出ポート（１５）から排出するようになっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−３３７１７３号公報（段落番号００１９〜００２５，図３及び図５参照）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１の小型反応器では、サンプルの流路がＴ字型状又はｈ字型状に形成されているため、一方の注入ポートから注入されたサンプルが、他方の注入ポートから注入されたサンプルに対し、流路の合流地点（ジャンクション部分）で直角に又は対向した状態で合流して混合される。従って、一方のサンプルが他方のサンプルよりも流量が大きい或いは流速が速い場合には、他方のサンプルの流動が一方のサンプルの流動に遮られてしまい、他方のサンプルの流動性が一方のサンプルの流動性に劣り、流路内において各サンプルを所定の流量比率で効率よく合流・混合させることができないことがある。特にマイクロリアクタと呼ばれる微小なサイズの反応器では、流動時の粘性や沸点等の性質が互いに異なる流体を混合する際に、流路の合流地点でそれぞれの流体の単位時間当たりに流れる流量や流速が所望の値と異なってしまうといったことが顕著にみられ、正常な反応進行の妨げになっていた。
【０００５】
本発明の課題は、流路内において複数種類の原料や試薬、燃料等の被混合物を所定の流量比率で効率よく合流・混合させることができる小型反応器を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明の小型反応器は、
少なくとも二種類の被混合物が互いに流動しながら合流する流路を有し、
各被混合物が互いに合流する前記流路の合流部には、一方の被混合物の流動方向と他方の被混合物の流動方向とを略一致させる隔壁が配設されていることを特徴とする。
【０００７】
請求項１に記載の発明では、流路の合流部に、一方の被混合物の流動方向と他方の被混合物の流動方向とを略一致させる隔壁が配設されているため、各被混合物を互いに略平行に流動させながら合流・混合させることができる。これにより、一方の被混合物の流動が他方の被混合物の流動に遮られることもなく、各被混合物を互いに所定の流量比率で効率よく合流・混合させることができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、
請求項１に記載の小型反応器において、
前記流路には、担体に金属種又は金属酸化物を担持した触媒が配設されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、担体に金属種又は金属酸化物を担持した触媒が流路に配設されているため、例えば、被混合物として一酸化炭素と酸素とが流路を流動する場合には、一酸化炭素と酸素との化学反応を促進させて二酸化炭素を生成させ、一酸化炭素の無毒化を図ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の具体的な態様について説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されない。
始めに、図１を参照しながら本発明に係る小型反応器を備えた発電装置について説明する。図１は発電装置１の一部破断斜視図である。
【００１１】
図１に示す発電装置１は燃料電池を用いて発電する燃料電池式発電装置であって、燃料９９を貯蔵する燃料貯蔵モジュール２と、燃料貯蔵モジュール２に貯蔵された燃料９９を用いて発電をおこなう発電モジュール３と、を備えている。
【００１２】
燃料貯蔵モジュール２は略円筒状の筐体４を有しており、筐体４が発電モジュール３に対して着脱自在に取り付けられるようになっている。筐体４の頭頂部には円形の貫通孔５が形成されており、筐体４の外周側には、発電モジュール３で生成された副生成物の水を流通させるための第一排水管６が形成されている。燃料貯蔵モジュール２の底部には、排水用の水を貯留する排水容器７（図６参照）が配設されており、排水容器７に上記第一排水管６が接続されている。
【００１３】
筐体４の内部には燃料タンク８が収納されており、燃料タンク８の外周面の一部が筐体４の外部に露出している。燃料タンク８の内部には液体の燃料９９が貯蔵されている。燃料タンク８は、内部空間を有した透明又は半透明な略円筒状の容器であって、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、アクリル等の材料から構成されている。このように燃料貯蔵モジュール２では、燃料タンク８の外周面の一部が筐体４の外部に露出するとともに燃料タンク８が透明又は半透明な容器から構成されているため、燃料タンク８の燃料９９の有無及び残量を容易に確認できるようになっている。
【００１４】
燃料９９は、液状の化学燃料と水との混合物であり、化学燃料としてはメタノール，エタノール等のアルコール類やガソリン等の炭化水素の混合物が適用可能である。本実施形態では、燃料９９としてメタノールと水とを等モルで均一に混合した混合液を用いている。
【００１５】
燃料タンク８の頭頂部には、燃料９９を発電モジュール３に供給するための供給口１０が突出して筐体４の貫通孔５にまで挿入されるように配設されており、供給口１０の内部には、供給口１０全体を閉塞する閉塞膜１１が配設されている。燃料タンク８の内部には、図１において上下方向に延在して供給口１０に挿入された供給管１２が配設されている。供給管１２は、燃料タンク８の底部から供給口１０内の閉塞膜９のすぐ下方にまで延在している。燃料タンク８では、閉塞膜１１により供給口１０を閉塞し、燃料９９が燃料タンク８の外部に漏出するのを防止できる構造となっている。
【００１６】
次に、発電モジュール３について説明する。
図１に示す通り、発電モジュール３は略円筒状の筐体３０を有している。筐体３０の内部には、上記燃料タンク８に貯蔵された燃料９９を改質する改質装置４０が配設されている。改質装置４０は、気化器４１、改質反応器４２、水性シフト反応器４３及び選択酸化反応器４４がこの順に重ねられた構造を有している。
【００１７】
発電モジュール３では、気化器４１、改質反応器４２、水性シフト反応器４３及び選択酸化反応器４４を取り囲むように燃料電池９１が配設されている。燃料電池９１は、触媒微粒子を含有又は付着させた燃料極（カソード）と、触媒微粒子を含有又は付着させた空気極（アノード）とを有し、燃料極と空気極との間にフィルム状のイオン伝導膜が介在した構造を有している。
【００１８】
燃料電池９１の外側であって筐体３０の外周面には、外気中の酸素を吸気するための複数のスリット３１，３１，…が互いに平行に並んだ状態で形成されている。筐体３０の頭頂部には、外部のデバイスに電気エネルギーを供給するための端子３２が配設されており、端子３２の周囲であって筐体３０の頭頂部には、副生成物の二酸化炭素、水蒸気等を排気するための複数の通気孔３３，３３，…が形成されている。
【００１９】
筐体３０の外周側には第二排水管３４が配設されている。第二排水管３４は、筐体３０の底部から下方に突出し、燃料貯蔵モジュール２の第一排水管６に対応する位置に配されている。第二排水管３４は燃料電池９１で生成された副生成物の水を流通させるためのものであり、燃料電池９１で生成された副生成物の水は第二排水管３４及び第一排水管６を通じて排水容器７へ排水・貯留されるようになっている。
【００２０】
筐体３０の底部であってその中央部には、吸入ニップル部３７が下方に突出するように配設されている。吸入ニップル部３７には、先端から中心線に沿って貫通する流路が形成されている。吸入ニップル部３７は、燃料貯蔵モジュール２の貫通孔５に対応する位置に配されており、燃料タンク８から燃料９９を吸入するためのものである。
【００２１】
以上のような燃料貯蔵モジュール２及び発電モジュール３において、燃料タンク８を収納した燃料貯蔵モジュール２を発電モジュール３に取り付ける（接続する）と、両モジュール２，３の接続箇所の外周側では、燃料貯蔵モジュール２の第一排水管６が発電モジュール３の第二排水管３４に接続される。これにより、第一排水管６と第二排水管３４とが互いに通じ合い、発電モジュール３の燃料電池９１で生成された副生成物の水を、第二排水管３４から第一排水管６へと流通させて排水容器７に排水可能な状態となる。
【００２２】
一方、両モジュール２，３の接続箇所の中央部では、発電モジュール３の吸入ニップル部３７が燃料貯蔵モジュール２の貫通孔５及び燃料タンク８の供給口１０に挿入され、供給口１０の閉塞膜１１を突き破る。これにより、吸入ニップル部３７が燃料タンク８の供給管１２と通じ合い、燃料タンク８に貯蔵された燃料９９を供給管１２から吸入ニップル部３７へと供給可能な状態となる。
【００２３】
次に、図２〜図５を参照しながら上記改質装置４０について詳細に説明する。図２は改質装置４０の断面図である。
【００２４】
図２に示す通り、改質装置４０は、気化器４１、改質反応器４２、水性シフト反応器４３及び選択酸化反応器４４がこの順に積み重ねられた構造を有している。気化器４１、改質反応器４２、水性シフト反応器４３及び選択酸化反応器４４の各反応器は、内部に空間を形成した断熱パッケージ４５を有している。各断熱パッケージ４５はともに、ガラス等の比較的熱伝導率の低い断熱材から構成されており、各断熱パッケージ４５の内壁には、Ａｕ，Ａｇ，Ａｌ等で形成された輻射反射膜（図示略）が成膜されている。
【００２５】
輻射反射膜は、赤外線を含む電磁波に対して高い反射率を有しており、各断熱パッケージ４５の内部で発された電磁波を反射するようになっている。従って、気化器４１、改質反応器４２、水性シフト反応器４３及び選択酸化反応器４４の各反応器においては、断熱パッケージ４５に熱がほとんど伝熱されず、熱損失を抑えることができるようになっている。
【００２６】
また、各断熱パッケージ４５の内部は完全に密閉された空間とされており、真空とされているか、又はフッ素を含むメタン若しくはエタンの多ハロゲン化誘導体ガス（フレオン（商品名）ガス）又は炭酸ガスで置換されている。フッ素を含むメタン又はエタンの多ハロゲン化誘導体ガスとしては、トリクロロフルオロメタン，ジクロロジフルオロメタン等がある。
【００２７】
各断熱パッケージ４５の内壁の入隅には支持体４６，４６，…がそれぞれ配設されており、小型反応器５１が、各支持体４６に支持された状態で気化器４１、改質反応器４２及び水性シフト反応器４３の各反応器毎に一つずつ配設されている。
【００２８】
気化器４１、改質反応器４２及び水性シフト反応器４３の各小型反応器５１は、シリコン結晶，アルミニウム，ガラス等の材料で構成された二枚の基板５３，５４を互いに重ね合わせて接合した構造を有している。
【００２９】
図３には、各小型反応器５１の一方の基板５４の断面図（中段）と、基板５４の上面の平面図（上段）と、基板５４の下面の平面図（下段）とが図示されている。図３の上段に示す通り、基板５４の上面（他方の基板５３との接合面の反対の面）には、葛折り状のヒータ５５が配設されている。ヒータ５５は、電気抵抗性発熱体，半導体性発熱体等を薄膜状に成膜したものであり、電流が流れたり電圧が印加されたりすることで発熱するものである。
【００３０】
ヒータ５５の両端部には、断熱パッケージ４５を貫通して断熱パーケージ４５の外部にまで延出するリード線（図示略）がそれぞれ接続されており、各リード線を介してヒータ５５に電気エネルギーが供給されるようになっている。また、各リード線が断熱パッケージ４５を貫通している箇所は完全に密閉されており、断熱パッケージ４５の内部空間と外部との間で気体が出入りしない構造になっている。
【００３１】
図３の下段に示す通り、基板５４の下面（他方の基板５３との接合面）には、葛折り状のマイクロ流路５６が形成されている。図３の中段に示す通り、マイクロ流路５６は、断面視したときの形状が弓形状を呈した溝であって、具体的には基板５４の下面にフォトリソグラフィー，エッチング等を適宜施すことによって形成されたものである。またマイクロ流路５６は、一端部５６ａから他端部５６ｂにかけて同様の幅を有しながら延在している。
【００３２】
一方、選択酸化反応器４４においても上記の通り、断熱パッケージ４５の各入隅に支持体４６，４６，…が配設されており、選択酸化反応器４４には、本発明を適用した小型反応器５２が各支持体４６に支持された状態で配設されている。
【００３３】
小型反応器５２は、上記小型反応器５１と同様に、シリコン結晶，アルミニウム，ガラス等の材料で構成された二枚の基板５７，５８を互いに重ね合わせて接合した構造を有している。
【００３４】
図４には、小型反応器５２の一方の基板５８の断面図（中段）と、基板５８の上面の平面図（上段）と、基板５８の下面の平面図（下段）とが図示されている。図４の上段に示す通り、基板５８の上面（他方の基板５７との接合面の反対の面）にも、上記で説明した葛折り状のヒータ５５が配設されている。
【００３５】
また、図４の下段に示す通り、基板５８の下面（他方の基板５７との接合面）には、上記マイクロ流路５６と略同様の葛折り状のマイクロ流路５９が形成されている。図４の中段に示す通り、マイクロ流路５９も、断面視したときの形状が弓形状を呈した溝であって、具体的には基板５８の下面にフォトリソグラフィー，エッチング等を適宜施すことによって形成されたものである。
【００３６】
ここで、マイクロ流路５９は、一端部５９ａから、一端部５９ａと他端部５９ｂとを結ぶ中途部５９ｃにかけて略同様の幅を有しながら延在しており、さらに中途部５９ｃから他端部５９ｂにかけて徐々に幅が広くなって、一端部５９ａ及び中途部５９ｃより幅が広い他端部５９ｂに至っている。そして、マイクロ流路５９の他端部５９ｂには逆Ｕ字状の隔壁５９ｄが配設されている。
【００３７】
上記構成を具備する気化器４１、改質反応器４２、水性シフト反応器４３及び選択酸化反応器４４の各反応器においては、図２に示す通り、流入管６１と流出管６２とが断熱パッケージ４５を貫通した状態で一本ずつ配設されている。
【００３８】
気化器４１の流入管６１は、上記吸入ニップル部３７と小型反応器５１のマイクロ流路５６の一端部５６ａとに通じており、燃料タンク８に貯蔵された燃料９９が吸入ニップル部３７及び流入管６１を通じてマイクロ流路５６に供給されるようになっている。ただし、気化器４１の流入管６１と吸入ニップル部３７との間にはマイクロポンプ（図示略）が配設されており、マイクロポンプによって気化器４１の流入管６１に流入する燃料９９の流量を調節できるようになっている。気化器４１の流出管６２は、小型反応器５１のマイクロ流路５６の他端部５６ｂと改質反応器４２の流入管６１とに通じている。
【００３９】
改質反応器４２の流入管６１は、気化器４１の流出管６２と小型反応器５１のマイクロ流路５６の他端部５６ｂとに通じている。改質反応器４２の流出管６２は、小型反応器５１のマイクロ流路５６の一端部５６ａと水性シフト反応器４３の流入管６１とに通じている。
【００４０】
水性シフト反応器４３の流入管６１は、改質反応器４２の流出管６２と小型反応器５１のマイクロ流路５６の一端部５６ａとに通じている。水性シフト反応器４３の流出管６２は、小型反応器５１のマイクロ流路５６の他端部５６ｂと選択酸化反応器４４の流入管６１とに通じている。
【００４１】
選択酸化反応器４４の流入管６１は、水性シフト反応器４３の流出管６２と小型反応器５２のマイクロ流路５９の他端部５９ｂとに通じている。選択酸化反応器４４の流出管６２は、小型反応器５２のマイクロ流路５９の一端部５９ａと燃料電池９１の燃料極とに通じている。
【００４２】
さらに図２に示す通り、選択酸化反応器４４の小型反応器５２のマイクロ流路５９には空気流入管６３が通じている。空気流入管６３は、断熱パッケージ４５を貫通した状態でマイクロ流路５９の他端部５９ｂと上記スリット３１，３１，…（図２参照）とに通じており、外気中の酸素が各スリット３１及び空気流入管６３を介してマイクロ流路５９の他端部５９ｂに供給されるようになっている。
【００４３】
ここで、上記の通りに小型反応器５２のマイクロ流路５９の他端部５９ｂには、流入管６１と空気流入管６３との二本の管が通じているが、図５に示すように、マイクロ流路５９の他端部５９ｄでは、逆Ｕ字状に形成された上記隔壁６９ｄの外側に流入管６１が通じており、隔壁５９ｄの内側に空気流入管６３が通じている。このような構成により、マイクロ流路５９の他端部５９ｂでは、流入管６１から流入した流体と空気流入管６３から流入した流体とが、隔壁５９ｄの各側壁５９ｅ，５９ｆに沿うように流動して合流するようになっており、隔壁５９ｄが、流入管６１から流入した流体の流動方向と空気流入管６３から流入した流体の流動方向とを略一致させるように機能する。
【００４４】
また、上記構成を具備する改質反応器４２、水性シフト反応器４３及び選択酸化反応器４４の各小型反応器５１，５２においては、図２に示す通り、マイクロ流路５６，５９の内壁に沿う円弧状の触媒６０がマイクロ流路５６，５９にそれぞれ配設されている。具体的に触媒６０は、一又は複数種類の無機担体に一又は複数種類の金属種又は金属酸化物を担持した不均一系触媒である。
【００４５】
なお、改質反応器４２、水性シフト反応器４３及び選択酸化反応器４４の各反応器間で、触媒６０は同じ種類の触媒で形成されていてもよいし、異なる種類の触媒で形成されていてもよい。改質反応器４２、水性シフト反応器４３及び選択酸化反応器４４のいずれの反応器においても、触媒６０は一種類の触媒で形成されていてもよいし、複数種類の触媒で形成されていてもよいし、マイクロ流路５６，５９内の配置箇所によって触媒の種類が異なっていてもよい。
【００４６】
続いて、図６を参照しながら発電装置１における発電システムについて詳細に説明する。図６は、発電装置１の発電システムの基本構成を示したブロック図である。
【００４７】
燃料タンク８に貯蔵された燃料９９は、まず気化器４１に供給される。気化器４１では、供給された燃料９９が加熱されて気化（蒸発）し、メタノール及び水（水蒸気）の混合気（混合気体）となって改質装置４２に供給される。
【００４８】
改質反応器４２では、気化器４１で気化した燃料９９から水素及び二酸化炭素が生成される。具体的には、化学反応式（１）のように、気化器４１で混合気とされたメタノールと水蒸気が反応して二酸化炭素及び水素が生成される。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ_２ … （１）
また改質反応器４２では、気化器４１で混合気とされたメタノールと水蒸気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（２）のように、混合気とされたメタノールと水蒸気が反応して二酸化炭素、一酸化炭素及び水蒸気が生成される。
２ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→５Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ＋ＣＯ_２ … （２）
改質装置４２で生成された水蒸気、一酸化炭素、二酸化炭素及び水素は水性シフト反応器４３に供給される。
【００４９】
水性シフト反応器４３では、改質反応器４２から供給された混合気に含まれる一酸化炭素と水蒸気から二酸化炭素及び水素が生成される。具体的には、化学反応式（３）のように、一酸化炭素と水が反応して二酸化炭素及び水素が生成され、生成された二酸化炭素及び水素並びに水性シフト反応器４３において未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水素は選択酸化反応器４４に供給される。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２ … （３）
【００５０】
選択酸化反応器４４では、水性シフト反応器４３から供給された混合気に含まれる一酸化炭素を選択的に酸化させて混合気中から一酸化炭素が除去される。具体的には、水性シフト反応器４３から供給された混合気のなかから特異的に選択された一酸化炭素と、上記各スリット３１及び空気流入管６３を介して取り込まれた外気中の酸素とが反応して二酸化炭素が生成される。
２ＣＯ＋Ｏ_２→２ＣＯ_２ … （４）
【００５１】
このように、改質装置４０の気化器４１、改質反応器４２、水性シフト反応器４３及び選択酸化反応器４４の各反応器を経た燃料９９から二酸化炭素と水素が生成される。生成された水素は燃料電池９１に供給され、生成された二酸化炭素は、副生成物として発電モジュール３に配設された排気機構（図示略）により各通気孔３３から外気中に排気される。また、改質装置４０の各反応器を経て生成された水蒸気も、副生成物として排気機構により各通気孔３３から排気される。
【００５２】
燃料電池９１では、電気化学反応式（５）に示すように、選択酸化反応器４４から供給された水素が、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。水素イオンはイオン伝導膜を通じて空気極に伝導し、電子は燃料極により取り出される。
３Ｈ_２→６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ … （５）
また燃料電池９１では、上記各スリット３１を介して外気中の酸素が取り込まれ、この酸素が空気極に供給される。そして、電気化学反応式（６）に示すように、外気中から取り込まれた酸素と、イオン伝導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副生成物として生成される。生成された副生成物としての水は、第二排水管３４及び第一排水管６を通じて排水容器７に排水・貯留される。
６Ｈ^＋＋３／２Ｏ_２＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ … （６）
【００５３】
以上のように、発電装置１では、燃料電池９１で上記（５），（６）に示す電気化学反応が起こることにより電気エネルギーが生成される。
【００５４】
続いて、発電装置１の動作について説明する。
発電装置１が起動すると発電装置１の発電システムが機能し始め、気化器４１、改質反応器４２、水性シフト反応器４３及び選択酸化反応器４４の各反応器のヒータ５５が発熱する。これと同時に、発電モジュール３内のマイクロポンプ等の部材が作動し、燃料タンク８に貯蔵された燃料９９が吸入ニップル部３７に吸引されて気化器４１の流入管６１を通じて気化器４１の小型反応器５１のマイクロ流路５６に供給されるとともに、外気中の酸素が各スリット３１から吸引されて選択酸化反応器４４の小型反応器５２と燃料電池９１の空気極とに供給される。
【００５５】
気化器４１に供給された燃料９９は、マイクロ流路５６の内部を一端部５６ａから５６ｂに向けて流動しながらヒータ５５の熱を受けて気化し、メタノールと水蒸気の混合気に相変化する。すると、マイクロ流路５６の内部圧が上昇して対流が生じ、当該混合気は、気化器４１の流出管６２から改質反応器４２、水性シフト反応器４３、選択酸化反応器４４及び燃料電池９１へと各流入管６１及び流出管６２を介して順に流動する。
【００５６】
改質反応器４２では、気化器４１で生成された混合気が、小型反応器５１のマイクロ流路５６の内部を他端部５６ｂから一端部５６ａに向けて流動する。このとき、当該混合気は、ヒータ５５により加熱されながら触媒６０の触媒作用を受けて上記化学反応式（１）のような反応を起こし、メタノールと水蒸気の混合気から水素及び二酸化炭素が生成される。また改質反応器４２では、混合気が水素及び二酸化炭素に完全に改質されない場合もあり、この場合、上記化学反応式（２）に示すように、メタノールと水蒸気の混合気から二酸化炭素、一酸化炭素及び水蒸気が生成される。
【００５７】
水性シフト反応器４３では、改質反応器４２で生成された水素、一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気からなる混合気が、小型反応器５１のマイクロ流路５６の内部を一端部５６ａから他端部５６ｂに向けて流動する。このとき、当該混合気は、ヒータ５５により加熱されながら触媒６０の触媒作用を受けて上記化学反応式（３）のような反応を起こし、一酸化炭素と水蒸気から二酸化炭素が生成されて一酸化炭素の無毒化が図られる。
【００５８】
選択酸化反応器４４では、水性シフト反応器４３で生成された二酸化炭素と水性シフト反応器４３において未反応の一酸化炭素、水素及び二酸化炭素とからなる混合気が、流入管６１から小型反応器５２のマイクロ流路５９の他端部５９ｂに流入する。また選択酸化反応器４４では、各スリット３１から吸引された外気中の酸素も、空気流入管６３から小型反応器５２のマイクロ流路５９の他端部５９ｂに流入する。
【００５９】
ここで、図５に示す通り、小型反応器５２のマイクロ流路５９の他端部５９ｂには逆コ字状の隔壁５９ｄが配設され、流入管６１及び空気流入管６３が隔壁５９ｄの内側と外側とに分かれた状態でマイクロ流路５９の他端部５９ｂに通じているため、流入管６１を通じてきた被混合物としての混合気と空気流入管６３を通じてきた被混合物としての酸素とが、マイクロ流路５９の他端部５９ｂを合流部として互いに略平行に流動しながら合流して混じり合う（混合される）。
【００６０】
そして選択酸化反応器４４では、外気中の酸素を含む一酸化炭素、水素及び二酸化炭素からなる混合気が、小型反応器５２のマイクロ流路５９の内部を他端部５９ｂから一端部５９ａに向けて中途部５９ｃを通じながら流動する。このとき、当該混合気は、ヒータ５５により加熱されながら触媒６０の触媒作用を受けて上記化学反応式（４）のような反応を起こし、一酸化炭素と酸素から二酸化炭素が生成される。
【００６１】
なお、選択酸化反応器４４では、小型反応器５２の触媒６０が上記化学反応式（４）のような反応を選択的に促進するため、マイクロ流路５９を流動する混合気においては水素がほとんど酸化されないようになっている。また、マイクロ流路５９を流動している混合気が選択酸化反応器４４の流出管６２に至る時点では、当該混合気には一酸化炭素がほとんど含まれず、水素及び二酸化炭素の濃度が非常に高くなっている。
【００６２】
その後、改質装置４０の各反応器を経て生成された二酸化炭素及び水蒸気は、副生成物として流出管６２を通じて排気機構により各通気孔３３から外気中に排気される。一方、改質装置４０の各反応器を経て生成された水素は、主生成物として流出管６２を通じて燃料電池９１の燃料極に供給される。
【００６３】
燃料電池９１では、改質装置４０から供給された水素が、燃料極で上記電気化学反応式（５）に示すような反応を起こして水素イオンと電子とに分離する。水素イオンはイオン伝導膜を通じて空気極に伝導し、電子は燃料極により取り出される。また燃料電池９１では、上記各スリット３１を介して外気中の酸素が取り込まれて、この酸素が空気極に供給される。そして、外気中から取り込まれた酸素と、イオン伝導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、空気極で上記電気化学反応式（６）に示すような反応を起こし、副生成物としての水が生成される。
【００６４】
燃料電池９１では、上記電気化学反応式（５），（６）のような電気化学反応が起こることにより電気エネルギーが生成される。生成された電気エネルギーは、端子３２を通じて外部デバイス（図示略）に供給されたり、各ヒータ５５、マイクロポンプその他の部材を駆動するためのエネルギーとして利用されたり、発電装置１の内部に蓄電されたりする。また、燃料電池９１の空気極で生成された副生成物の水は、第二排水管３４及び第一排水管６を通じて排水容器７に排水・貯留される。
【００６５】
以上のような発電装置１では、小型反応器５２のマイクロ流路５９の他端部５９ｂに隔壁５９ｄが配設されているため、流入管６１を通じてきた混合気と空気流入管６３を通じてきた酸素とを互いに略平行に流動させながら合流・混合させることができる。これにより、流入管６１を通じてきた混合気の流動が空気流入管６３を通じてきた酸素の流動に遮られたり、逆に空気流入管６３を通じてきた酸素の流動が流入管６１を通じてきた混合気の流動に遮られたりすることもなく、流入管６１を通じてきた混合気と空気流入管６３を通じてきた酸素とを所定の流量比率で効率よく合流・混合させることができる。
【００６６】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の改良及び設計の変更をおこなってもよい。
【００６７】
例えば本実施形態では、図５に示す通り、マイクロ流路５９の他端部５９ｂに逆コ字状の隔壁５９ｄを配設したが、これに代えて、図７に示す通り、マイクロ流路５９の他端部５９ｂを二分するような隔壁６４を配設し、隔壁６４の左右両側に流入管６１と空気流入管６３とがそれぞれ通じるようにようにしてもよい。
【００６８】
さらに本実施形態では、小型反応器５２のマイクロ流路５９の他端部５９ｂに流入管６１及び空気導入管６３の二本の管を通じさせて二種類の被混合物（流入管６１を通じてきた混合気と空気導入管６３を通じてきた酸素）を互いに合流・混合させるようにしたが、燃料タンク８の燃料９９を化学燃料と水とに二分して貯蔵するとともに気化器４１のマイクロ流路５６の一端部５６ａを図５又は図７に示すマイクロ流路５９の他端部５９ｂのような構造にして、化学燃料用の流入管と水用の流入管との二本の管を燃料タンク８から気化器４１のマイクロ流路５６の一端部５６ａに通じさせ、化学燃料と水とを被混合物として互いに合流・混合させるようにしてもよい。
【００６９】
また、上記のように、燃料９９を化学燃料と水とに別々に分けて燃料タンク８から気化器４１に供給する場合、改質反応器４２のマイクロ流路５６の他端部５６ｂを図５又は図７に示すマイクロ流路５９の他端部５９ｂのような構造にするとともに気化器４１のマイクロ流路５６を化学燃料用の流路と水用の流路とに分けて、各流路に通じる二本の管を改質反応器４２のマイクロ流路５６の他端部５６ｂに通じさせ、気化器４１で気化させた化学燃料と水とを上記化学反応式（１）の左辺に示す化学燃料及び水として互いに合流・混合させるようにしてもよい。
【００７０】
また、水性シフト反応器４３のマイクロ流路５６の一端部５６ａを図５又は図７に示すマイクロ流路５９の他端部５９ｂのような構造にするとともに第二排水管３４と水性シフト反応器４３のマイクロ流路５６の一端部５６ａとに通じる水導入管を発電モジュール３の内部に配設して、この水導入管と水性シフト反応器４３の流入管６１との二本の管を水性シフト反応器４３のマイクロ流路５６の一端部５６ａに通じさせ、燃料電池９１で生成された副生成物の水を上記化学反応式（３）の左辺に示す水として改質反応器４２から供給された混合気と合流・混合させるようにしてもよい。
【００７１】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、流路の合流部には、一方の被混合物の流動方向と他方の被混合物の流動方向とを略一致させる隔壁が配設されているため、各被混合物を互いに略平行に流動させながら合流・混合させることができる。これにより、一方の被混合物の流動が他方の被混合物の流動に遮られることもなく、各被混合物を互いに所定の流量比率で効率よく合流・混合させることができる。
【００７２】
請求項２に記載の発明によれば、担体に金属種又は金属酸化物を担持した触媒が流路に配設されているため、例えば、被混合物として一酸化炭素と酸素とが流路を流動する場合には、一酸化炭素と酸素との化学反応を促進させて二酸化炭素を生成させ、一酸化炭素の無毒化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発電装置の一部破断斜視図である。
【図２】改質装置の断面図である。
【図３】気化器、改質反応器及び水性シフト反応器に配設された各小型反応器の一方の基板を示す図面であって、（上段）基板の上面を示す平面図であり、（中段）基板の断面図であり、（下段）基板の下面を示す平面図である。
【図４】選択酸化反応器に配設された各小型反応器に配設された小型反応器の一方の基板を示す図面であって、（上段）基板の上面を示す平面図であり、（中段）基板の断面図であり、（下段）基板の下面を示す平面図である。
【図５】選択酸化反応器に配設された小型反応器のマイクロ流路の端部を示す拡大斜視図である。
【図６】発電装置の発電システムの基本構成を示したブロック図である。
【図７】図５の変形例を示すマイクロ流路の端部の拡大斜視図である。
【符号の説明】
１…発電装置２…燃料貯蔵モジュール３…発電モジュール４…筐体５…貫通孔６…第一排水管７…排水容器８…燃料タンク１０…供給口１１…閉塞膜１２…供給管３０…筐体３１…スリット３２…端子３３…通気孔３４…第二排水管３５…バルブ３６…水導入管３７…吸入ニップル部４０…改質装置４１…気化器４２…改質反応器４３…水性シフト反応器４４…選択酸化反応器４５…断熱パッケージ４６…支持体５１，５２…小型反応器５３，５４…基板５５…ヒータ５６…マイクロ流路（流路）５６ａ…一端部５６ｂ…他端部５７，５８…基板５９…マイクロ流路（流路）５９ａ…一端部５９ｂ…他端部５９ｃ…中途部５９ｄ…隔壁６０…触媒６１…流入管６２…流出管６３…空気流入管６４…隔壁９１…燃料電池９９…燃料

Claims

少なくとも二種類の被混合物が互いに流動しながら合流する流路を有し、
各被混合物が互いに合流する前記流路の合流部には、一方の被混合物の流動方向と他方の被混合物の流動方向とを略一致させる隔壁が配設されていることを特徴とする小型反応器。
請求項１に記載の小型反応器において、
前記流路には、担体に金属種又は金属酸化物を担持した触媒が配設されていることを特徴とする小型反応器。