JP3891131B2 - 化学反応装置及び電源システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、化学反応装置及びこの化学反応装置を具備する電源システムに関し、特に、発電用燃料を用いて発電する燃料電池を備えた電源システム及びそれに適用される化学反応装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化学反応の技術分野では、流体化された種々の混合物質を流路に供給し、流路内に設けられた触媒による化学反応（触媒反応）を起こさせて所望の流体物質を生成するとき、流路内において化学反応を進行させるために、ヒータで流路内に所定の熱エネルギーを供給するようにした化学反応装置が知られている。
【０００３】
このような化学反応装置には、用途に応じて、様々な規模、構造を有するものがあるが、比較的小型に形成したものとして、例えば、半導体集積回路などの半導体製造技術で蓄積された微細加工技術を用いて、シリコン基板上にミクロンオーダーあるいはミリメートルオーダーの流路を形成して、ここに流体を供給して、化学反応を起こさせるようにしたものがある。
【０００４】
ところで、比較的小型な装置においてヒータを備えたものとしては、流路が形成されたガラス基板に、流路に接するようにしてシリコン基板を接合し、シリコン基板の流路と接する側とは反対側の表面に薄膜ヒータを形成したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、上記のような構成を備える化学反応装置が適用される例として、例えば、近年、研究開発が盛んに行われている燃料電池を用いた電源システムがあり、このような化学反応装置によって、例えば、発電用燃料ガスから水素を生成し、この水素を燃料電池に供給して発電を行うようにすることができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−１５９２１５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような薄膜ヒータを備えた化学反応装置では、薄膜ヒータの発熱によって流路内を加熱するとき、両基板も加熱され、そして両基板の各表面から放熱されるため、熱エネルギー損失が大きく、エネルギーの利用効率が悪いという問題があった。
そこで、この発明は、薄膜ヒータなどの発熱手段の発熱によって流路内を加熱する際の熱エネルギー損失を抑制してエネルギーの利用効率を良くすることができる化学反応装置及びこれを具備する電源システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、互いに接合された複数の基板と、前記複数の基板のうちの、少なくとも一つの基板に設けられた、少なくとも一つの流路と、前記複数の基板の、少なくとも一つの基板の、少なくとも一つの面に設けられ、前記流路を加熱する発熱手段と、前記複数の基板の最外面の、少なくとも一部を覆う放熱防止膜と、を備え、前記放熱防止膜は、少なくとも、前記複数の基板の最外面の、前記流路の両端の流入口及び流出口が設けられた面の該流入口及び流出口を除いた部分を覆っていることを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記複数の基板のうち、前記流路が形成された基板は、シリコン基板からなることを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記化学反応装置は、更に、前記放熱防止膜を含む前記複数の基板の最外面全体を覆う箱体を備え、前記箱体の内壁面と前記放熱防止膜を含む前記複数の基板の最外面との間の、少なくとも一部には、空間が形成されていることを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記箱体の内壁面の、少なくとも一部には、輻射防止膜が設けられていることを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記箱体の最外面の、少なくとも一部には、輻射防止膜が設けられていることを特徴とするものである。
請求項６記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記空間内は、ほぼ真空状態、前記箱体の構成部材より熱伝導率が低いガスが封入された状態、の何れかとなっていることを特徴とするものである。
請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記空間内の気圧は、１００Ｐａ以下の気圧になっていることを特徴とするものである。
請求項８記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記空間内の気圧は、１０Ｐａ以下の気圧になっていることを特徴とするものである。
請求項９記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記発熱手段は薄膜ヒータを備え、前記流路は蛇行した形状を有し、前記薄膜ヒータは、前記流路の蛇行した形状に対応して蛇行した形状、前記流路のほぼ全体を覆う矩形状の形状、の何れかの形状を有することを特徴とするものである。
請求項１０記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記放熱防止膜は、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇの何れかからなる金属膜、あるいは、ＳｎＯ２、ＩｎＯ３、ＺｎＯの何れかからなる金属酸化物膜であることを特徴とするものである。
請求項１１記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記複数の基板は、少なくとも、一面に前記流路が設けられた第１の基板と、前記第１基板の一面に接合された第２基板と、を含むことを特徴とするものである。
請求項１２記載の発明は、請求項１１記載の発明において、前記放熱防止膜は、前記第１基板の、前記一面と対向する他面側の少なくとも一部を覆う第１放熱防止膜、前記第２基板の、前記第１基板と対向する一面と対向する他面側の少なくとも一部を覆う第２放熱防止膜、前記第１基板の、前記他面に直交する側面側の少なくとも一部を覆う第３放熱防止膜、前記第２基板の、前記他面に直交する側面側の少なくとも一部を覆う第４放熱防止膜、のうちの少なくとも何れか一つからなることを特徴とするものである。
請求項１３記載の発明は、請求項１１記載の発明において、前記発熱手段は、薄膜ヒータを備え、該薄膜ヒータは、前記第２基板における前記第１基板と対向する一面側、前記第２基板における該一面側と対向する他面側、前記第１基板における前記一面側と対向する他面側、のうちの少なくとも一つの面上に設けられていることを特徴とするものである。
請求項１４記載の発明は、請求項１３記載の発明において、前記発熱手段は、前記薄膜ヒータが設けられた面上に、該薄膜ヒータを覆い、上面が平坦とされた絶縁膜を有することを特徴とするものである。
請求項１５記載の発明は、請求項１４記載の発明において、前記薄膜ヒータは、前記第２基板の前記第１基板と対向する一面に対向する他面上、前記第１基板の前記一面と対向する他面上、の少なくとも何れか一方の面上に形成され、該薄膜ヒータを覆う前記絶縁膜上に、前記放熱防止膜が設けられていることを特徴とするものである。
請求項１６記載の発明は、請求項１４記載の発明において、前記薄膜ヒータは、前記第２基板の前記第１基板と対向する一面に対向する他面上、前記第１基板の前記一面と対向する他面上、の少なくとも何れか一方の面上に形成され、前記複数の基板は、前記薄膜ヒータを覆う前記絶縁膜上に接合された第３の基板、を含み、該第３基板の外面に前記放熱防止膜が設けられていることを特徴とするものである。
請求項１７記載の発明は、請求項１６記載の発明において、前記第３基板は、前記薄膜ヒータとの対向面に凹部を有することを特徴とするものである。
請求項１８記載の発明は、請求項１７記載の発明において、前記凹部内は、ほぼ真空状態、前記第３基板より熱伝導率が低いガスが封入された状態、の何れかとなっていることを特徴とするものである。
請求項１９記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記発熱手段は、前記流路における、燃焼触媒層が少なくとも一部に設けられた燃焼用流路と、前記燃焼用流路に燃焼用流体を供給し、前記燃焼触媒層上で燃焼反応が生起されて熱エネルギーを生成する手段と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２０記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記流路に流体を供給する手段と、前記加熱手段による前記流路の加熱により、前記流体を前記流路内で気化させる手段と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２１記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記流路内に反応触媒層が設けられていることを特徴とするものである。
請求項２２記載の発明は、請求項２１記載の発明において、前記反応触媒は改質触媒であり、前記流路に流体を供給する手段と、前記加熱手段による前記流路の加熱により、前記流体を前記流路において改質し、水素を生成する手段と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２３記載の発明は、請求項２２記載の発明において、前記流体は、気化されたメタノールと水の混合気体であることを特徴とするものである。
請求項２４記載の発明は、請求項２１記載の発明において、前記反応触媒は選択酸化触媒であり、前記流路に流体を供給する手段と、前記加熱手段による前記流路の加熱により、前記流体中の一酸化炭素を前記流路において除去する手段と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２５記載の発明は、請求項２４記載の発明において、前記流体は、一酸化炭素を含む混合気体であることを特徴とするものである。
請求項２６記載の発明は、互いに接合された複数の基板と、前記複数の基板のうちの、少なくとも一つの基板に設けられた、少なくとも一つの流路と、前記複数の基板の、少なくとも一つの基板の、少なくとも一つの面に設けられ、前記流路を加熱する発熱手段と、前記複数の基板の最外面の、少なくとも一部を覆う放熱防止膜と、を備え、前記放熱防止膜は、少なくとも、前記複数の基板の最外面の、前記流路の両端の流入口及び流出口が設けられた面の該流入口及び流出口を除いた部分を覆っている化学反応装置と、水素と酸素を反応させて発電を行う燃料電池と、を備え、前記化学反応装置は、少なくとも、前記流路内の少なくとも一部に改質触媒層が設けられ、前記流路に発電用燃料が供給されて、前記発熱手段による前記流路の加熱により、前記発電用燃料を前記流路内において改質して、水素を生成する手段、を備えることを特徴とするものである。
請求項２７記載の発明は、請求項２６記載の発明において、前記化学反応装置における、前記複数の基板のうち、前記流路が形成された基板は、シリコン基板からなることを特徴とするものである。
請求項２８記載の発明は、請求項２６記載の発明において、前記化学反応装置は、更に、前記放熱防止膜を含む前記複数の基板の最外面全体を覆う箱体を備え、前記箱体の内壁面と前記放熱防止膜を含む前記複数の基板の最外面との間の、少なくとも一部には、空間が形成されていることを特徴とするものである。
請求項２９記載の発明は、請求項２８記載の発明において、前記化学反応装置における、前記箱体の内壁面の、少なくとも一部には、輻射防止膜が設けられていることを特徴とするものである。
請求項３０記載の発明は、請求項２８記載の発明において、前記化学反応装置における、前記箱体の最外面の、少なくとも一部には、輻射防止膜が設けられていることを特徴とするものである。
請求項３１記載の発明は、請求項２８記載の発明において、前記空間内は、ほぼ真空状態、前記箱体の構成部材より熱伝導率が低いガスが封入された状態、の何れかとなっていることを特徴とするものである。
請求項３２記載の発明は、請求項３１記載の発明において、前記空間内の気圧は、１００Ｐａ以下の気圧になっていることを特徴とするものである。
請求項３３記載の発明は、請求項３１記載の発明において、前記空間内の気圧は、１０Ｐａ以下の気圧になっていることを特徴とするものである。
請求項３４記載の発明は、請求項２６記載の発明において、前記化学反応装置における、前記発熱手段は薄膜ヒータからなることを特徴とするものである。
請求項３５記載の発明は、請求項２６記載の発明において、前記化学反応装置における、前記放熱防止膜は、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇの何れかからなる金属膜、あるいは、ＳｎＯ２、ＩｎＯ３、ＺｎＯの何れかからなる金属酸化物膜であることを特徴とするものである。
請求項３６記載の発明は、請求項２６記載の発明において、前記発電用燃料は、メタノール水溶液であることを特徴とするものである。
請求項３７記載の発明は、請求項２６記載の発明において、前記化学反応装置は、更に、前記加熱手段による前記流路の加熱により、前記発電用燃料を前記流路内で気化させる手段、を備えることを特徴とするものである。
請求項３８記載の発明は、請求項２６記載の発明において、前記化学反応装置は、更に、前記流路内に選択酸化触媒層が設けられ、前記流路に一酸化炭素を含む混合気体が供給されて、前記加熱手段による前記流路の加熱により、前記混合気体中の一酸化炭素と除去する手段、を備えることを特徴とするものである。
請求項３９記載の発明は、請求項２６記載の発明において、前記化学反応装置における、前記複数の基板は、少なくとも、一面に前記流路が設けられた第１の基板と、前記第１基板の一面に接合された第２基板と、を含むことを特徴とするものである。
請求項４０記載の発明は、請求項３９記載の発明において、前記化学反応装置における、前記放熱防止膜は、前記第１基板の、前記一面と対向する他面の少なくとも一部を覆う第１放熱防止膜、前記第２基板の、前記第１基板と対向する一面と対向する他面の少なくとも一部を覆う第２放熱防止膜、前記第１基板の、前記他面に直交する側面の少なくとも一部を覆う第３放熱防止膜、前記第２基板の、前記他面に直交する側面の少なくとも一部を覆う第４放熱防止膜、のうちの少なくとも何れか一つからなることを特徴とするものである。
請求項４１記載の発明は、請求項３９記載の発明において、前記化学反応装置における、前記発熱手段は、薄膜ヒータを備え、該薄膜ヒータは、前記第２基板における前記第１基板と対向する一面側、前記第２基板における該一面側と対向する他面側、前記第１基板における前記一面側と対向する他面側、のうちの少なくとも一つの面上に設けられていることを特徴とするものである。
請求項４２記載の発明は、請求項４１記載の発明において、前記化学反応装置における、前記発熱手段は、前記薄膜ヒータが設けられた面上に、該薄膜ヒータを覆い、上面が平坦とされた絶縁膜を有することを特徴とするものである。
請求項４３記載の発明は、請求項３９記載の発明において、前記化学反応装置における、前記薄膜ヒータは、前記第２基板の前記第１基板と対向する一面に対向する他面上、前記第１基板の前記一面と対向する他面上、の少なくとも何れか一方の面上に形成され、該薄膜ヒータを覆う前記絶縁膜上に、前記放熱防止膜が設けられていることを特徴とするものである。
請求項４４記載の発明は、請求項３９記載の発明において、前記化学反応装置における、前記薄膜ヒータは、前記第２基板の前記第１基板と対向する一面に対向する他面上、前記第１基板の前記一面と対向する他面上、の少なくとも何れか一方の面上に形成され、前記複数の基板は、前記薄膜ヒータを覆う前記絶縁膜上に接合された第３の基板、を含み、該第３基板の外面に前記放熱防止膜が設けられていることを特徴とするものである。
請求項４５記載の発明は、請求項４４記載の発明において、前記第３基板は、前記薄膜ヒータとの対向面に凹部を有することを特徴とするものである。
請求項４６記載の発明は、請求項４５記載の発明において、前記凹部内は、ほぼ真空状態、前記第３基板より熱伝導率が低いガスが封入された状態、の何れかとなっていることを特徴とするものである。
そして、この発明によれば、流路を加熱する発熱手段を備える化学反応装置において、化学反応装置の最外面を覆う放熱防止膜を備えているため、この放熱防止膜によって各基板の各外面側からの放熱を抑制することができる。これによって、発熱手段によって流路内を加熱する際の熱エネルギーの損失を抑制して、エネルギーの利用効率を良くすることができる。
また、この化学反応装置を燃料改質型の燃料電池を用いた電源システムにおける燃料気化部や改質部、または一酸化炭素除去部に良好に適用することができて、放熱防止膜によって発電動作のための加熱に要する熱エネルギーの損失を低減し、エネルギーの利用効率を良くすることができて、電源システムを小型化することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
＜化学反応装置＞
（第１実施形態）
図１は、本発明に係る化学反応装置の、第１実施形態としての透過平面図を示す。また、図２は、図１のII−II線に沿う断面図を示す。この第１実施形態の化学反応装置１００は、シリコンからなる第１基板１１を備えている。第１基板１１の寸法は、一例として、長さ１５〜３５ｍｍ程度、幅１０〜２５ｍｍ程度、厚さ０．４〜１．０ｍｍ程度である。
【００１０】
第１基板１１の一面には、半導体製造技術で蓄積された微細加工技術を用いて、蛇行した微小な流路１２が形成されている。流路１２の寸法は、一例として、幅０．２〜０．８ｍｍ程度、深さ０．２〜０．６ｍｍ程度であり、全長は３０〜１０００ｍｍ程度である。流路１２の両端部は、第１基板１１の所定の両端面のほぼ中央部まで延在され、流入口１３および流出口１４となっている。
【００１１】
また、流路１２の内壁面には、例えば、所望の化学反応を行うための反応触媒層１５が設けられている。なお、本発明において、流路１２の内壁面に反応触媒層１５が設けられる形態に限るものではなく、流路１２のみが形成されて、反応触媒層が何ら設けられない状態とした態様もある。
【００１２】
第１基板１１の一面上には、蓋となる厚さ０．７ｍｍ程度のガラスからなる第２基板２１が接着（接合）されている。ここで、第２基板２１の第１基板１１との対向面のほぼ全面には、加熱手段として、ＴａＳｉＯｘやＴａＳｉＯｘＮなどの抵抗体薄膜からなる薄膜ヒータ２２が設けられている。この抵抗体薄膜は、例えばスパッタリングによって形成される。
【００１３】
本発明における薄膜ヒータ２２は、以下の第２〜第８実施形態に示すように、第２基板２１の第１基板１１との対向面の位置に設けられる態様に限るものではなく、要するに、薄膜ヒータ２２は、流路１２内において所望の化学反応（触媒反応）を進行させるために、流路１２内の反応触媒層１５、若しくは、流路１２内に流れる流体に所定の熱エネルギーを供給するように構成されていればよいものである。そして、本第１実施形態のように、第２基板２１の第１基板１１との対向面の位置、すなわち流路１２の直上に設けるようにした場合、流路１２への熱エネルギーの供給を効率良く行うことができて、熱エネルギーの利用効率を比較的良くすることができる。
【００１４】
また、この第１実施形態においては、薄膜ヒータ２２は第２基板２１の第１基板１１との対向面のほぼ全面に、矩形状に形成して設けられるように構成されているため、薄膜ヒータ２２の形成に要する工程数を削減することができて、製造コストを低減させることができる。
【００１５】
そして、本発明においては、図２に示すように、第１基板１１の他面上及び側面の流入口１３および流出口１４を除く面上に放熱防止膜１６が設けられ、第２基板２１の第１基板１１との対向面とは反対側の面上及び側面上には上記放熱防止膜１６と同様の放熱防止膜２３が設けられて、化学反応装置の外面の、少なくとも一部が放熱防止膜１６、２３によって覆われる構成を備える点を特徴としている。
【００１６】
なお、放熱防止膜１６、２３は、図２に示すように、第１基板１１および第２基板２１の各外面全体、すなわち化学反応装置１００のほぼ周囲全体を覆うようにすることが好ましいが、これに限るものではなく、必要に応じて、部分的に設けるようにしてもよい。例えば、通常、各基板の側面の面積は外面全体の面積に対して小さいため、放熱防止膜１６、２３を各基板の側面を除く外面上にのみ設けるようにしてもよい。また、第１基板１１、第２基板２１の各外面上に放熱防止膜１６、２３を備えて、各基板からの放熱を抑制するように構成することが好ましいが、いずれか一方、例えば、薄膜ヒータが設けられた側の基板、図２の場合には第２基板２１、の外面上にのみ放熱防止膜を備えるようにしてもよい。
【００１７】
これら放熱防止膜１６、２３は、熱線反射率の高いＡｕ、Ａｌ、Ａｇなどの金属材料による膜や、ＳｎＯ2、ＩｎＯ3、ＺｎＯなどの金属酸化物による膜からなる。
【００１８】
この放熱防止膜１６、２３の形成方法としては、以下のような手法を適用することができる。すなわち、前記金属材料を箔状に形成した部材や、フィルム状の部材に上記金属酸化物を塗布、又は、膜形成したものを、上記各基板の外面上に貼り付けて形成する手法、蒸着やスパッタリング、あるいはメッキ、などの薄膜形成技術を用いて、上記各基板の外面上に、上記各材料による薄膜を形成する手法、あるいは、微粒子化された前記各材料を適当な溶媒と共に上記各基板の外面上に塗布することによって形成する手法、などを適用することができる。
【００１９】
次に、図３は、本発明に係る化学反応装置１００を、任意のシステム、例えば、後述する燃料電池を用いた電源システム、などに適用した場合の断面図を示す。この場合においては、化学反応装置１００は、例えば、支持部材（箱体、すなわち筐体や取り付け枠など）４０の内側に、支持体４１を介して実装されるようにしてもよい。なお、支持体４１は、例えば化学反応装置１００の上下の４隅に設けられる。また、化学反応装置１００の流入口１３および流出口１４には、支持部材４０の外側に引き出すための流入口引出管１３ａおよび流出口引出管１４ａが設けられる。
【００２０】
これにより、支持部材４０と化学反応装置１００の間には、支持体４１の部分を除いて、空間４２が形成される。この空間４２は断熱用の空間であって、空気、フレオン、炭酸ガスなどのガスを封入して断熱性能を高めるようにしてもよく、更に、ほぼ真空状態として更に断熱性能を高めるようにしてもよい。これにより、化学反応装置１００の周囲に設けられた放熱防止膜１６、２３から周囲の支持部材４０に、熱伝導によって熱エネルギーの一部が漏れて、熱エネルギーの損失が生じることを抑制することができる。
【００２１】
更に、支持部材４０の内壁に輻射防止膜４０ａを設け、あるいは、更に外壁にも輻射防止膜４０ｂを設けて、化学反応装置１００から外部に輻射された熱（赤外線）を反射して、外部への熱エネルギーの損失を更に低減させるようにしてもよい。
【００２２】
また、空間４２を真空として、断熱性能を高めるようにする場合、空間４２内の気圧を低くする程、断熱性能を向上させることができる。すなわち、支持部材４０をあるサイズとして、流路１２内の温度を２８０℃まで上昇させて飽和させた場合における、空間４２内の真空度と消費電力との関係を調べたところ、図４に示す結果が得られた。この図４から明らかなように、空間４２内の気圧を低くする程、消費電力が減少し、断熱性能を向上させることができる。
【００２３】
具体的には、例えば、空間４２内の気圧を１００Ｐａ程度より低い値としてもよく、気圧を１００Ｐａ程度とした場合、薄膜ヒータ２２に印加する電力を、空間４２内を大気圧とした場合と比べて概ね３０％程度低減させることができる。更に好ましくは、空間４２内の気圧を１０Ｐａ程度より低い値とするとよく、気圧を１０Ｐａ程度とした場合、薄膜ヒータ２２に印加する電力を、空間４２内を大気圧とした場合と比べて、概ね半減させることができる。
【００２４】
なお、図３に示したような実装形態は、本第１の実施形態の化学反応装置のみならず、後述する各実施形態の化学反応装置にも適用されるものであることは、言うまでもない。
【００２５】
このように、本発明に係る化学反応装置１００では、第１基板１１および第２基板２１の各外面に放熱防止膜１６、２３が設けられ、これによって第１基板１１および第２基板２１の各外面から外部への放熱を抑制することができ、更に、化学反応装置１００の周囲に断熱用の空間４２を設けることによって、周囲への熱伝導を抑制することができる。これにより、薄膜ヒータ２２の発熱によって流路１２内を加熱する際に、熱エネルギーの一部が外部に漏れてしまうことによる熱エネルギーの損失を抑制して、エネルギーの利用効率を向上させることができる。
【００２６】
（第２実施形態）
図５は、本発明に係る化学反応装置１００の、第２実施形態としての、上記図１に示す第１実施形態と同様の、透過平面図を示す。また、図６は、図５のVI−VI線に沿う上記図２と同様の、断面図を示す。
【００２７】
この第２実施形態は、上記第１実施形態の構成に対して、図５に示すように、第２基板２１の第１基板１１との対向面に形成される薄膜ヒータ２２が、流路１２に対応した蛇行した形状に形成され、且つ、流路１２の幅より小さく形成されて、図６に示すように、該薄膜ヒータ２２が流路１２内に配置されるように構成されている点が異なる。
【００２８】
この場合、上記第１実施形態の構成に対し、薄膜ヒータ２２と流路１２内の反応触媒層とを更に接近させることができるため、流路１２への熱エネルギーの供給効率を更に良くすることができて、熱エネルギーの利用効率を更に良くすることができる。
【００２９】
また、この第２実施形態においては、第２基板２１は第１基板１１の一面側に直接に接着（接合）される。この第２基板２１と第１基板２１との接合は、接着剤を用いて接着するようにしてもよいし、また、両基板を陽極接合によって接合するようにしてもよい。
【００３０】
ここで、陽極接合処理について説明する。第１基板１１の一面に第２基板２１を重ね合わせ、第１基板１１側を陽極とし、第２基板２１側を陰極とする。そして、第１基板１１および第２基板２１を４００〜６００℃程度に加熱した状態で、両極間に１ｋＶ程度の直流電圧を印加する。すると、第２基板２１内の不純物である陽イオンが第１基板１１から離れる方向に移動し、第２基板２１の第１基板１１側の界面に酸素イオンの濃度の高い層が現れる。すると、第１基板１１の第２基板２１側の界面のシリコン原子と、第２基板２１の第１基板１１側の界面の酸素イオンとが結合し、強固な接合界面が得られる。
【００３１】
この場合、上記のように第１基板１１および第２基板２１を４００〜６００℃程度に加熱し、両極間に１ｋＶ程度の直流電圧を印加すると、第２基板２１内の不純物である陽イオンが第１基板１１から離れる方向に移動する速度が高くなって短時間で移動し、陽極接合処理に要する時間を短縮することができる。
【００３２】
第２基板２１と第１基板２１との接合に、上記のような陽極接合を用いた場合、強固な接合が得られるとともに、何らの接着剤も用いないため、流路１２に、例えば接着剤による不純物が入ることを無くすことができる。
【００３３】
（第３実施形態）
図７は、本発明に係る化学反応装置１００の、第３実施形態としての、上記図２と同様の、断面図を示す。
【００３４】
この第３実施形態においては、薄膜ヒータ２２は、上記第１実施形態の場合と同様に、第２基板２１の第１基板１１との対向面上に設けられるが、第１実施形態の構成に対して、更に、この薄膜ヒータ２２を含む第２基板２１の第１基板１１との対向面上に窒化シリコンや酸化シリコンなどからなる絶縁膜２４が設けられて、第２基板２１の第１基板１１との対向面上に、薄膜ヒータ２２を含む平坦な面が形成されている点が異なる。
【００３５】
また、薄膜ヒータ２２は、例えば、上記第２実施形態の場合と同様に、流路１２に対応した蛇行した形状に形成される。そして、第２基板２１は絶縁膜２４を介して第１基板２１の一面に接着（接合）される。
【００３６】
また、図７では、薄膜ヒータ２２の幅を流路１２の幅より小さくした場合を示すが、これに限るものではなく、この第３実施形態においては、薄膜ヒータ２２は、蛇行した流路１２の外部に配置されているため、薄膜ヒータ２２の幅を流路１２の幅と略一致させるようにしてもよく、また、薄膜ヒータ２２の幅を流路１２の幅より大きくして、流路１２を略覆うような形状としてもよい。更には、薄膜ヒータ２２を、図１の第１実施形態の場合と同様に、流路１２全体を覆うような矩形状としてもよい。
【００３７】
この第３実施形態の構成によれば、薄膜ヒータ２２と流路１２とを接近させて、薄膜ヒータ２２から流路１２への熱エネルギーの供給を効率良く行うことができるとともに、薄膜ヒータ２２が絶縁膜２４に覆われているため、流路１２に流れる流体と薄膜ヒータ２２とが直接触れることが避けられる。これにより、薄膜ヒータ２２が、例えば流路１２に流れる流体の影響で腐食したり、劣化したりすることを避けることができる。
【００３８】
（第４実施形態）
次に、図８は、本発明に係る化学反応装置１００の、第４実施形態としての、上記図２同様の、断面図を示す。
【００３９】
この第４実施形態は、上記第３実施形態の構成に対して、薄膜ヒータ２２を第２基板２１の外面上に設け、薄膜ヒータ２２を含む第２基板２１の外面上に絶縁膜２４を設けて、薄膜ヒータ２２を含む平坦な面が形成されている点、及び、絶縁膜２４の外面上に放熱防止膜２３を設けるようにした点、が異なる。
【００４０】
この場合、薄膜ヒータ２２は、例えば、上記第２実施形態の場合と同様に、流路１２に対応した蛇行した形状に形成され、図８では、薄膜ヒータ２２の幅を流路１２の幅より小さくした場合を示すが、これに限るものではなく、この場合も、薄膜ヒータ２２は、蛇行した流路１２の外部に配置されているため、薄膜ヒータ２２の幅を流路１２の幅と略一致させるようにしてもよく、また、薄膜ヒータ２２の幅を流路１２の幅より大きくするようにしてもよい。更には、薄膜ヒータ２２を、図１の第１実施形態の場合と同様に、流路１２全体を覆うような矩形状としてもよい。
【００４１】
また、この第４実施形態においては、絶縁膜２４の外面に放熱防止膜２３が設けられていることにより、放熱防止膜２３によって薄膜ヒータ２２から外部への放熱を防ぐとともに、放熱防止膜２３によって薄膜ヒータ２２を保護することができる。
【００４２】
（第５実施形態）
次に、図９は、本発明に係る化学反応装置１００の、第５実施形態としての、図２と同様の、断面図を示す。
【００４３】
この第５実施形態は、上記図８に示した第４実施形態の構成に加えて、絶縁膜２４の外面上に、第３基板２５を接着（接合）したものである。
【００４４】
この第３基板２５は、絶縁膜２４の外面との対向面中央部に凹部２６を有し、絶縁膜２４の外面とは、その周辺部で接着（接合）されている。また、この第３基板２５は、ガラスやアルミニウムなどからなる。また、第３基板２５の外面上には、放熱防止膜２３が設けられている。
【００４５】
この場合、第３基板２５は、薄膜ヒータ２２をより一層保護するほか、放熱防止膜２３による熱エネルギー損失の抑制とともに、凹部２６による断熱作用によって薄膜ヒータ２２の熱拡散を更に抑制して、熱効率をより一層良くすることができる。このために、第３基板２５の凹部２６内に、第３基板２５よりも熱伝導率の低い空気、フレオン、炭酸ガスなどのガスを封入して、断熱性能を高めるようにしてもよい。更に、第３基板２５の凹部２６内を、例えば、ほぼ真空状態として、断熱性能をより一層高めるようにしてもよい。
【００４６】
凹部２６内を真空とする場合、凹部２６内の気圧を低くする程、断熱性能を向上させることができる。具体的には、凹部２６内の気圧を、例えば１００Ｐａ程度より低い値、更に好ましくは、１０Ｐａ程度より低い値とするとよく、これによって薄膜ヒータ２２に印加する電力を低減させることができる。
【００４７】
（第６実施形態）
次に、図１０は、本発明に係る化学反応装置１００の、第６実施形態としての、上記図２同様の、断面図を示す。
【００４８】
この第６実施形態は、図２に示す第１実施形態の構成に対して、第１基板１１の外面上に薄膜ヒータ２２を設け、薄膜ヒータ２２を含む第１基板１１の外面上に絶縁膜２４が設けられて、第１基板１１の外面上に薄膜ヒータ２２を含む平坦な面が形成されている点、及び、絶縁膜２４の外面上に放熱防止膜１６が設けられている点、が異なる。
【００４９】
この場合、薄膜ヒータ２２は、例えば、上記第２実施形態の場合と同様に、流路１２に対応した蛇行した形状に形成され、図１０では、薄膜ヒータ２２の幅を流路１２の幅より小さくした場合を示すが、これに限るものではなく、この場合も、薄膜ヒータ２２は、蛇行した流路１２の外部に配置されているため、薄膜ヒータ２２の幅を流路１２の幅と略一致させるようにしてもよく、また、薄膜ヒータ２２の幅を流路１２の幅より大きくするようにしてもよい。更には、薄膜ヒータ２２を、図１の第１実施形態の場合と同様に、流路１２全体を覆うような矩形状としてもよい。
【００５０】
また、この第６実施形態においても、絶縁膜２４の外面に放熱防止膜１６が設けられていることにより、放熱防止膜１６によって薄膜ヒータ２２から外部への放熱を防ぐとともに、放熱防止膜１６によって薄膜ヒータ２２を保護することができる。
【００５１】
（第７実施形態）
次に、図１１は、本発明に係る化学反応装置の、第７実施形態としての、上記図２と同様の、断面図を示す。
【００５２】
この第７実施形態は、上記図１０に示した第６実施形態の構成に加えて、絶縁膜２４の外面上に、第３基板２５を接着（接合）したものである。
【００５３】
この第３基板２５は、絶縁膜２４の外面との対向面中央部に凹部２６を有し、絶縁膜２４の外面とは、その周辺部で接着（接合）されている。また、この第３基板２５は、ガラスやアルミニウムなどからなる。また、第３基板２５の外面上には、放熱防止膜１６が設けられている。
【００５４】
この場合、第３基板２５は、上記図９に示した構成と同様に、薄膜ヒータ２２をより一層保護するほか、放熱防止膜１６による熱エネルギー損失の抑制とともに、凹部２６による断熱作用によって薄膜ヒータ２２の熱拡散を更に抑制して、熱効率をより一層良くすることができる。このために、第３基板２５の凹部２６内に、第３基板２５よりも熱伝導率の低い空気、フレオン、炭酸ガスなどのガスを封入して、断熱性能を高めるようにしてもよい。更に、第３基板２５の凹部２６内を、例えば、ほぼ真空状態として、断熱性能をより一層高めるようにしてもよい。
【００５５】
なお、上記第１〜第７実施形態では、薄膜ヒータ２２を１つ設けた場合について説明したが、本発明は、これに限らず、上記各実施形態を適宜に組み合わせて構成するようにしてもよく、例えば、流路１２を挟んでその両側に薄膜ヒータ２２を１つずつ設けるようにしてもよい。このようにして２つの薄膜ヒータ２２を用いるようにした場合には、それらの発熱により流路１２内をより一層の高温とすることができるので、流路１２内における化学反応に、より高い温度を必要とする場合に対応することができる。
【００５６】
（第８実施形態）
次に、図１２は、本発明に係る化学反応装置１００の、第８実施形態としての、図２と同様の、断面図を示す。
【００５７】
本発明における加熱手段は、要するに、流路１２を所定の温度に加熱して流路１２内の反応触媒層１５、若しくは、流路１２内に流れる流体に所定の熱エネルギーを供給することができればよいものであって、上記第１〜第７実施形態では、加熱手段として薄膜ヒータを用いる形態としたが、加熱手段として薄膜ヒータを用いる他に、例えば、燃焼触媒層を用いた燃焼反応により発生した熱エネルギーを用いるようにしてもよい。
【００５８】
そこで、本第８実施形態は、加熱手段として燃焼触媒層を用いるようにしたものである。すなわち、図１２においては、上記各実施形態と同様に、一面に蛇行した流路１２が形成された第１基板１１と、第１基板１１の一面上に接着（接合）された、蓋となる第２基板２１と、を備えるとともに、第２基板２１上に燃焼用基板５０を備える。そして、この燃焼用基板５０に燃焼用流路５１が形成され、この燃焼用流路５１の内壁面の少なくとも一部に燃焼触媒層５２が設けられる構成を備える。この燃焼触媒層５２は、例えばＰｔ、Ａｕ、Ａｇなどからなっている。
【００５９】
そして、この第８実施形態では、燃焼用ガスおよび大気中から取り込まれた酸素からなる燃焼用流体が流入口５３を介して燃焼用流路５１内に供給されると、この供給された燃焼用流体が燃料触媒層５２上で燃焼反応により燃焼し、この燃焼により熱エネルギーが発生する。また、燃焼済みのガスは流出口５４から大気中に放出される。そして、この燃焼により発生された熱エネルギーを流路１２内の反応触媒層１５に供給するようにしたものである。
【００６０】
この場合も、上記各実施形態と同様に、燃焼用基板５０の外面上に放熱防止膜２３を設ける構成を備える。これによって、燃焼用基板５０の外面からの放熱を抑制することができて、熱エネルギーの損失を抑制することができ、エネルギーの利用効率を向上させることができる。
【００６１】
＜電源システム＞
次に、本発明に係る化学反応装置を、燃料改質型の燃料電池を用いた電源システムに適用した場合について説明する。
【００６２】
図１３は燃料電池を用いた電源システム３０の概略構成を示すブロック図である。この電源システム３０は、燃料部３１、燃料気化部３２、改質部３３、水生シフト反応部３４、選択酸化反応部３５、発電部３６、充電部３７、などから構成されており、このうちの燃料気化部３２、改質部３３、水生シフト反応部３４、選択酸化反応部３５に、上記各実施形態の構成を備える化学反応装置１００を適用することができる。
【００６３】
まず、燃料部３１は、発電用燃料、例えばメタノール水溶液（ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ）、が封入された燃料パックや、燃料ポンプ、などからなり、発電用燃料を燃料気化部３２に供給する。
【００６４】
次いで、燃料気化部３２は、燃料部３１から供給される発電用燃料を気化させる部分である。この燃料気化部３２に、上記各実施形態の構成を備える化学反応装置１００を適用した場合、流路１２内には反応触媒層１５は設けられていない。また、第１基板１１としてシリコン基板の代わりに、ガラス基板やアルミニウム基板などを用いてもよい。
【００６５】
そして、燃料気化部３２は、燃料部３１からの発電用燃料が流入口１３を介して流路１２内に供給されると、流路１２内において、薄膜ヒータ２２の加熱により、例えば１２０℃程度に加熱されて、発電用燃料が気化される。そして、この気化された発電用燃料ガスは流出口１４から流出され、改質部３３に供給される。
【００６６】
次いで、改質部３３は、燃料気化部３２から供給される発電用燃料ガスを改質して、水素を生成する部分である。この改質部３３に、上記各実施形態の構成を備える化学反応装置１００を適用した場合、第１基板１１の流路１２内には改質用の反応触媒層１５が設けられる。この反応触媒層１５は、例えば、Ｃｕ、ＺｎＯ、Ａｌ2Ｏ3などの改質触媒からなっている。また、第１基板１１としてシリコン基板の代わりに、ガラス基板などを用いてもよい。
【００６７】
そして、改質部３３は、燃料気化部３２からの発電用燃料ガス（例えば、メタノール水溶液：ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ）が流入口１３を介して流路１２内に供給されると、流路１２内において、薄膜ヒータ２２の加熱により、例えば２８０℃程度に加熱されて、次の式（１）に示すような吸熱反応を引き起こし、水素と副生成物の二酸化炭素とを生成する。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2……（１）
【００６８】
上記式（１）の左辺における水（Ｈ2Ｏ）は、反応の初期では、燃料部３１の燃料に含まれているものでよいが、後述する発電部３５の発電に伴い生成される水を回収して改質部３３に供給するようにしてもよい。また、改質部３３における反応式（１）の左辺のおける水（Ｈ2Ｏ）の供給源は、発電部３５のみでもよく、発電部３５および燃料部３１でも、また燃料部３１のみでもよい。なお、このとき、次の式（２）に示す化学反応式のように、微量ではあるが、一酸化炭素が改質部３３内で生成されることがある。
２ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→５Ｈ2＋ＣＯ＋ＣＯ2……（２）
【００６９】
そして、上記式（１）の右辺の生成物（水素、二酸化炭素）および微量の一酸化炭素は改質部３３の流出口１４から流出される。また、改質部３３の流出口１４から流出された生成物のうち、気化状態の水素および一酸化炭素は、水生シフト反応部３４、選択酸化反応部３５に供給される。また、二酸化炭素は分離されて大気中に放出される。
【００７０】
次いで、水生シフト反応部３４、及び、選択酸化反応部３５は、改質部３３で生成された一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部３８を構成している。水生シフト反応部３４に、上記各実施形態の構成を備える化学反応装置１００を適用した場合、第１基板１１の流路１２内には一酸化炭素除去用の反応触媒層１５が設けられる。この反応触媒層１５は、例えば、Ｐｔ、Ａｌ2Ｏ3などの選択酸化触媒からなっている。また、第１基板１１としてシリコン基板の代わりに、ガラス基板などを用いてもよい。
【００７１】
そして、水生シフト反応部３４は、改質部３３から気化状態の水素および一酸化炭素が流入口１３を介して流路１２内に供給されると、薄膜ヒータ２２の加熱により、例えば１８０℃程度に加熱され、流路１２内に供給された水素、一酸化炭素、水のうち、一酸化炭素と水とが触媒により水生シフト反応して、次の式（３）に示すように、水素と副生成物の二酸化炭素とが生成される。
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2……（３）
【００７２】
上記式（３）の左辺における水（Ｈ２Ｏ）は反応の初期では、燃料部３１の燃料に含まれているものでよいが、発電部３５の発電に伴い生成される水を回収して水生シフト反応部３４に供給することが可能である。また、水生シフト反応部３４における反応式（３）の左辺のおける水の供給源は、発電部３５のみでもよく、発電部３５および燃料部３１でも、また燃料部３１のみでもよい。
【００７３】
選択酸化反応部３５は、水生シフト反応部３４から供給された混合気体に対しての熱処理が行われる部分であり、水生シフト反応部３４から供給される混合気体に極微量の一酸化炭素が含まれている場合に、残存する一酸化炭素を触媒によって選択し、大気中から取り込まれた酸素に接触させることで、次の式（４）に示す化学反応によって二酸化炭素を生成し、一酸化炭素を確実に除去する部分である。
ＣＯ＋（１／２）Ｏ2→ＣＯ2……（４）
【００７４】
そして、最終的に選択酸化反応部３５の流出口１４に到達する流体はそのほとんどが水素、二酸化炭素となる。
【００７５】
上記一連の反応後の生成物は水素および二酸化炭素で構成されるが、これらの生成物のうち、二酸化炭素は水素から分離されて大気中に放出される。したがって、選択酸化反応部３５から発電部３５には水素のみが供給される。
【００７６】
次に、図１４は、発電部３６に適用される固体高分子型の燃料電池の概略構成を示す。すなわち、発電部３６は、Ｐｔ、Ｃなどの触媒が付着された炭素電極からなるカソード４１と、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃなどの触媒が付着された炭素電極からなるアノード４２と、カソード４１とアノード４２との間に介在されたフィルム状のイオン導電膜４３と、を有して構成され、カソード４１とアノード４２との間に設けられた充電部３６に電力を供給するものである。
【００７７】
この場合、カソード４１の外側には空間部４４が設けられている。この空間部４４内には一酸化炭素除去部３８からの水素が供給され、カソード４１に水素が供給される。また、アノード４２の外側には空間部４５が設けられている。この空間部４５内には大気中から逆止弁を介して取り込まれた酸素が供給され、アノード４２に酸素が供給される。
【００７８】
そして、カソード４１側では、次の式（４）に示すように、水素から電子（ｅ-）が分離した水素イオン（プロトン；Ｈ+）が発生し、イオン導電膜４３を介してアノード４２側に通過するとともに、カソード４１により電子（ｅ-）が取り出されて充電部３７に供給される。
３Ｈ2→６Ｈ+＋６ｅ-……（４）
【００７９】
一方、アノード４２側では、次の式（５）に示すように、充電部３７を経由して供給された電子（ｅ−）とイオン導電膜６３を通過した水素イオン（Ｈ＋）と酸素とが反応して副生成物の水が生成される。
６Ｈ+＋（３／２）Ｏ2＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ……（５）
【００８０】
以上のような一連の電気化学反応（式（４）および式（５））は概ね室温〜８０℃程度の比較的低温の環境下で進行し、電力以外の副生成物は、基本的に水のみとなる。発電部３６で生成された副生成物としての水は回収される。この場合、上述の如く、発電部３６で生成された水の少なくとも一部を改質部３３に供給するようにすると、燃料部３１内に当初封入される水の量を減らすことができ、また、回収される水の量を減らすことができる。
【００８１】
こうして発電部３６で生成された電力は充電部３７に供給される。この充電部３７は、例えば２次電池やコンデンサなどの電力保持手段を備え、発電部３５から供給される電力によって２次電池やコンデンサを充電して、供給電力を一旦保持するとともに、保持された電力を、当該電源システムによって駆動する機器に供給する。
【００８２】
ところで、現在、研究開発が行われている燃料改質方式の燃料電池に適用されている燃料としては、少なくとも、水素元素を含む液体燃料又は液化燃料又は気体燃料であって、発電部３６により、比較的高いエネルギー変換効率で電気エネルギーを生成することができる燃料でであればよく、上記のメタノールの他、例えば、エタノール、ブタノールなどのアルコール系の液体燃料や、ジメチルエーテル、イソブタン、天然ガス（ＣＮＧ）などの常温常圧で気化される炭化水素からなる液体燃料、あるいは、水素ガスなどの気体燃料などを良好に適用することができる。
【００８３】
図１５は、本発明に係る化学反応装置を適用した燃料電池を用いた電源システムを１つのモジュールとして構成した場合の、具体構成例を示す要部概略構成図である。なお、図１５は、本発明に係る化学反応装置を適用した一例を示したものに過ぎず、発明の範囲を何ら限定するものではない。
【００８４】
ここで、電源システム３０Ａは、燃料改質型の燃料電池を備え、図１３に示したブロック構成を備えるものとし、対応する構成には同一の番号を付けて示し、説明を省略又は簡略化する。
【００８５】
図１５に示すように、電源システム３０Ａは、例えば、汎用の化学電池と同等の円柱形状の外形形状を有している。なお、この外形形状はこれに限るものではなく、用途や容量などに応じて適当な形状としてもよいことは言うまでもない。
【００８６】
図１５に示すように、本具体構成例に係る電源システム３０Ａは、大別すると、電力発生部２００と、燃料供給３００とを備え、燃料供給部３００は図１３の燃料部３１に対応し、燃料容器３１０、燃料容器３１０が着脱可能に装着されるホルダ部３２０、及び、図示しない燃料ポンプ、などを備える。燃料パック３１０は、発電用燃料３３０が充填され、ホルダ部３２０との接続部に発電用燃料３３０の漏出を防止する燃料供給弁３４０を有する。
【００８７】
このような燃料パック３１０をホルダ部３２０に結合すると、ホルダ部３２０側に設けられた燃料送出管３５０が燃料供給弁３４０を押し下げ、発電用燃料３３０が、燃料供給管３６０から、表面張力、あるいは燃料ポンプ、により、燃料送出管３５０を介して電力発生部２００に搬送される。
【００８８】
電力発生部２００内には、図１３の燃料気化部３２、改質部３３、水生シフト反応部３４、選択酸化反応部３５、発電部３６、充電部３７に対応する構成を備え、燃料気化部３２、改質部３３、水生シフト反応部３４、選択酸化反応部３５には上記各実施形態の化学反応装置１００が適用され、例えばマイクロマシン製造技術などを用い、例えば、深さ、幅がそれぞれ５００μｍ以下の流路が形成されて、微小空間に構成される。
【００８９】
具体的には、図１５に示すように、発電部３６は、円柱形状の円周側面に沿って延在して設けられ、燃料気化部３２、改質部３３、水生シフト反応部３４、選択酸化反応部３５は、それぞれ、電力発生部２００の内部空間に設けられた、燃料気化部形成枠２１０、改質部形成枠２２０、水生シフト反応部形成枠２３０、選択酸化反応部形成枠２４０内に形成される。各形成枠は、図３に示した支持部材４０に対応し、各化学反応装置は各形成枠内に所定の空間を持って設けられる。また、各形成枠は隔壁によって各々が分離されていてもよく、あるいは、一つの枠として設けられ、燃料気化部３２、改質部３３、水生シフト反応部３４、選択酸化反応部３５が例えば積層して形成されるようにしてもよい。
【００９０】
そして、形成枠内の空間内に、形成枠の構成部材より熱伝導率の低い空気、フレオン、炭酸ガスなどのガスを封入して断熱性能を高めるようにしてもよく、更に、この空間内を、図３に示した構成と同様に、ほぼ真空状態として、断熱性能をより一層高めるようにしてもよい。なお、図１５には、図面の煩雑化を避けるため、それぞれの形成枠のみを示す。
【００９１】
充電部３７は、例えば、マイクロチップ化されて構成され、例えば突起端子部２５０内、あるいは、他の電力発生部２００内の空間内に設けられる。また、電力発生部２００内には、電力発生部２００の円柱側面から上記発電部３６のアノード４２に外部の空気を取り入れる複数の通気孔（スリット）２６０と、上記アノード４２側において生成される副生成物（水など）を液化（凝結）して分離回収する分離回収部２７０と、回収した副生成物の一部を改質部３３及び水性シフト反応部３４に供給する副生成物供給経路２８０と、円柱上面から上記発電部３６の空間部４４まで貫通し、少なくとも、発電部３６のカソード４１側や改質部３３、選択酸化反応部３５において生成され、非回収物質である副生成物（二酸化炭素など）を外部に排出する排出孔２９０と、を備えて構成されている。
【００９２】
このような構成を備える電源システムにおいて、本発明による化学反応装置１００を、燃料気化部３２、改質部３３、水生シフト反応部３４、選択酸化反応部３５に適用することにより、流路の加熱に要する熱エネルギーの利用効率を良くすることができて、電力発生部２００を小型化することができる。
【００９３】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、流路を加熱する発熱手段を備える化学反応装置において、化学反応装置の最外面を覆う放熱防止膜を備えているため、この放熱防止膜によって各基板の各外面側からの放熱を抑制することができる。これによって、発熱手段によって流路内を加熱する際の熱エネルギーの損失を抑制して、エネルギーの利用効率を良くすることができる。
また、この化学反応装置を燃料改質型の燃料電池を用いた電源システムにおける燃料気化部や改質部、または一酸化炭素除去部に良好に適用することができて、放熱防止膜によって発電動作のための加熱に要する熱エネルギーの損失を低減し、エネルギーの利用効率を良くすることができて、電源システムを小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る化学反応装置の、第１実施形態の透過平面図。
【図２】図１のII−II線に沿う断面図。
【図３】本発明に係る化学反応装置の実施形態を示す断面図。
【図４】化学反応装置内の真空度と消費電力との関係を示す図。
【図５】本発明に係る化学反応装置の、第２実施形態の透過平面図。
【図６】図５のVI−VI線に沿う断面図。
【図７】本発明に係る化学反応装置の、第３実施形態の断面図。
【図８】本発明に係る化学反応装置の、第４実施形態の断面図。
【図９】本発明に係る化学反応装置の、第５実施形態の断面図。
【図１０】本発明に係る化学反応装置の、第６実施形態の断面図。
【図１１】本発明に係る化学反応装置の、第７実施形態の断面図。
【図１２】本発明に係る化学反応装置の、第８実施形態の断面図。
【図１３】本発明に係る化学反応装置を適用した、燃料電池を用いた電源システムの概略構成を示すブロック図。
【図１４】本発明に係る化学反応装置を適用した燃料電池に適用される固体高分子型の燃料電池の概略構成図。
【図１５】本発明に係る化学反応装置を適用した、燃料電池を用いた電源システムの具体構成例を示す要部概略構成図。
【符号の説明】
１１ 第１基板
１２ 流路
１３ 流入口
１４ 流出口
１５ 触媒層
１６ 放熱防止膜
２１ 第２基板
２２ 薄膜ヒータ
２３ 放熱防止膜
２４ 絶縁膜
２５ 第３基板
２６ 凹部
４０ 支持部材（箱体）
４０ａ、４０ｂ 輻射防止膜
４２ 空間
【発明の属する技術分野】
この発明は、化学反応装置及びこの化学反応装置を具備する電源システムに関し、特に、発電用燃料を用いて発電する燃料電池を備えた電源システム及びそれに適用される化学反応装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化学反応の技術分野では、流体化された種々の混合物質を流路に供給し、流路内に設けられた触媒による化学反応（触媒反応）を起こさせて所望の流体物質を生成するとき、流路内において化学反応を進行させるために、ヒータで流路内に所定の熱エネルギーを供給するようにした化学反応装置が知られている。
【０００３】
このような化学反応装置には、用途に応じて、様々な規模、構造を有するものがあるが、比較的小型に形成したものとして、例えば、半導体集積回路などの半導体製造技術で蓄積された微細加工技術を用いて、シリコン基板上にミクロンオーダーあるいはミリメートルオーダーの流路を形成して、ここに流体を供給して、化学反応を起こさせるようにしたものがある。
【０００４】
ところで、比較的小型な装置においてヒータを備えたものとしては、流路が形成されたガラス基板に、流路に接するようにしてシリコン基板を接合し、シリコン基板の流路と接する側とは反対側の表面に薄膜ヒータを形成したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、上記のような構成を備える化学反応装置が適用される例として、例えば、近年、研究開発が盛んに行われている燃料電池を用いた電源システムがあり、このような化学反応装置によって、例えば、発電用燃料ガスから水素を生成し、この水素を燃料電池に供給して発電を行うようにすることができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−１５９２１５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような薄膜ヒータを備えた化学反応装置では、薄膜ヒータの発熱によって流路内を加熱するとき、両基板も加熱され、そして両基板の各表面から放熱されるため、熱エネルギー損失が大きく、エネルギーの利用効率が悪いという問題があった。
そこで、この発明は、薄膜ヒータなどの発熱手段の発熱によって流路内を加熱する際の熱エネルギー損失を抑制してエネルギーの利用効率を良くすることができる化学反応装置及びこれを具備する電源システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、互いに接合された複数の基板と、前記複数の基板のうちの、少なくとも一つの基板に設けられた、少なくとも一つの流路と、前記複数の基板の、少なくとも一つの基板の、少なくとも一つの面に設けられ、前記流路を加熱する発熱手段と、前記複数の基板の最外面の、少なくとも一部を覆う放熱防止膜と、を備え、前記放熱防止膜は、少なくとも、前記複数の基板の最外面の、前記流路の両端の流入口及び流出口が設けられた面の該流入口及び流出口を除いた部分を覆っていることを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記複数の基板のうち、前記流路が形成された基板は、シリコン基板からなることを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記化学反応装置は、更に、前記放熱防止膜を含む前記複数の基板の最外面全体を覆う箱体を備え、前記箱体の内壁面と前記放熱防止膜を含む前記複数の基板の最外面との間の、少なくとも一部には、空間が形成されていることを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記箱体の内壁面の、少なくとも一部には、輻射防止膜が設けられていることを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記箱体の最外面の、少なくとも一部には、輻射防止膜が設けられていることを特徴とするものである。
請求項６記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記空間内は、ほぼ真空状態、前記箱体の構成部材より熱伝導率が低いガスが封入された状態、の何れかとなっていることを特徴とするものである。
請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記空間内の気圧は、１００Ｐａ以下の気圧になっていることを特徴とするものである。
請求項８記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記空間内の気圧は、１０Ｐａ以下の気圧になっていることを特徴とするものである。
請求項９記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記発熱手段は薄膜ヒータを備え、前記流路は蛇行した形状を有し、前記薄膜ヒータは、前記流路の蛇行した形状に対応して蛇行した形状、前記流路のほぼ全体を覆う矩形状の形状、の何れかの形状を有することを特徴とするものである。
請求項１０記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記放熱防止膜は、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇの何れかからなる金属膜、あるいは、ＳｎＯ２、ＩｎＯ３、ＺｎＯの何れかからなる金属酸化物膜であることを特徴とするものである。
請求項１１記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記複数の基板は、少なくとも、一面に前記流路が設けられた第１の基板と、前記第１基板の一面に接合された第２基板と、を含むことを特徴とするものである。
請求項１２記載の発明は、請求項１１記載の発明において、前記放熱防止膜は、前記第１基板の、前記一面と対向する他面側の少なくとも一部を覆う第１放熱防止膜、前記第２基板の、前記第１基板と対向する一面と対向する他面側の少なくとも一部を覆う第２放熱防止膜、前記第１基板の、前記他面に直交する側面側の少なくとも一部を覆う第３放熱防止膜、前記第２基板の、前記他面に直交する側面側の少なくとも一部を覆う第４放熱防止膜、のうちの少なくとも何れか一つからなることを特徴とするものである。
請求項１３記載の発明は、請求項１１記載の発明において、前記発熱手段は、薄膜ヒータを備え、該薄膜ヒータは、前記第２基板における前記第１基板と対向する一面側、前記第２基板における該一面側と対向する他面側、前記第１基板における前記一面側と対向する他面側、のうちの少なくとも一つの面上に設けられていることを特徴とするものである。
請求項１４記載の発明は、請求項１３記載の発明において、前記発熱手段は、前記薄膜ヒータが設けられた面上に、該薄膜ヒータを覆い、上面が平坦とされた絶縁膜を有することを特徴とするものである。
請求項１５記載の発明は、請求項１４記載の発明において、前記薄膜ヒータは、前記第２基板の前記第１基板と対向する一面に対向する他面上、前記第１基板の前記一面と対向する他面上、の少なくとも何れか一方の面上に形成され、該薄膜ヒータを覆う前記絶縁膜上に、前記放熱防止膜が設けられていることを特徴とするものである。
請求項１６記載の発明は、請求項１４記載の発明において、前記薄膜ヒータは、前記第２基板の前記第１基板と対向する一面に対向する他面上、前記第１基板の前記一面と対向する他面上、の少なくとも何れか一方の面上に形成され、前記複数の基板は、前記薄膜ヒータを覆う前記絶縁膜上に接合された第３の基板、を含み、該第３基板の外面に前記放熱防止膜が設けられていることを特徴とするものである。
請求項１７記載の発明は、請求項１６記載の発明において、前記第３基板は、前記薄膜ヒータとの対向面に凹部を有することを特徴とするものである。
請求項１８記載の発明は、請求項１７記載の発明において、前記凹部内は、ほぼ真空状態、前記第３基板より熱伝導率が低いガスが封入された状態、の何れかとなっていることを特徴とするものである。
請求項１９記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記発熱手段は、前記流路における、燃焼触媒層が少なくとも一部に設けられた燃焼用流路と、前記燃焼用流路に燃焼用流体を供給し、前記燃焼触媒層上で燃焼反応が生起されて熱エネルギーを生成する手段と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２０記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記流路に流体を供給する手段と、前記加熱手段による前記流路の加熱により、前記流体を前記流路内で気化させる手段と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２１記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記流路内に反応触媒層が設けられていることを特徴とするものである。
請求項２２記載の発明は、請求項２１記載の発明において、前記反応触媒は改質触媒であり、前記流路に流体を供給する手段と、前記加熱手段による前記流路の加熱により、前記流体を前記流路において改質し、水素を生成する手段と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２３記載の発明は、請求項２２記載の発明において、前記流体は、気化されたメタノールと水の混合気体であることを特徴とするものである。
請求項２４記載の発明は、請求項２１記載の発明において、前記反応触媒は選択酸化触媒であり、前記流路に流体を供給する手段と、前記加熱手段による前記流路の加熱により、前記流体中の一酸化炭素を前記流路において除去する手段と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２５記載の発明は、請求項２４記載の発明において、前記流体は、一酸化炭素を含む混合気体であることを特徴とするものである。
請求項２６記載の発明は、互いに接合された複数の基板と、前記複数の基板のうちの、少なくとも一つの基板に設けられた、少なくとも一つの流路と、前記複数の基板の、少なくとも一つの基板の、少なくとも一つの面に設けられ、前記流路を加熱する発熱手段と、前記複数の基板の最外面の、少なくとも一部を覆う放熱防止膜と、を備え、前記放熱防止膜は、少なくとも、前記複数の基板の最外面の、前記流路の両端の流入口及び流出口が設けられた面の該流入口及び流出口を除いた部分を覆っている化学反応装置と、水素と酸素を反応させて発電を行う燃料電池と、を備え、前記化学反応装置は、少なくとも、前記流路内の少なくとも一部に改質触媒層が設けられ、前記流路に発電用燃料が供給されて、前記発熱手段による前記流路の加熱により、前記発電用燃料を前記流路内において改質して、水素を生成する手段、を備えることを特徴とするものである。
請求項２７記載の発明は、請求項２６記載の発明において、前記化学反応装置における、前記複数の基板のうち、前記流路が形成された基板は、シリコン基板からなることを特徴とするものである。
請求項２８記載の発明は、請求項２６記載の発明において、前記化学反応装置は、更に、前記放熱防止膜を含む前記複数の基板の最外面全体を覆う箱体を備え、前記箱体の内壁面と前記放熱防止膜を含む前記複数の基板の最外面との間の、少なくとも一部には、空間が形成されていることを特徴とするものである。
請求項２９記載の発明は、請求項２８記載の発明において、前記化学反応装置における、前記箱体の内壁面の、少なくとも一部には、輻射防止膜が設けられていることを特徴とするものである。
請求項３０記載の発明は、請求項２８記載の発明において、前記化学反応装置における、前記箱体の最外面の、少なくとも一部には、輻射防止膜が設けられていることを特徴とするものである。
請求項３１記載の発明は、請求項２８記載の発明において、前記空間内は、ほぼ真空状態、前記箱体の構成部材より熱伝導率が低いガスが封入された状態、の何れかとなっていることを特徴とするものである。
請求項３２記載の発明は、請求項３１記載の発明において、前記空間内の気圧は、１００Ｐａ以下の気圧になっていることを特徴とするものである。
請求項３３記載の発明は、請求項３１記載の発明において、前記空間内の気圧は、１０Ｐａ以下の気圧になっていることを特徴とするものである。
請求項３４記載の発明は、請求項２６記載の発明において、前記化学反応装置における、前記発熱手段は薄膜ヒータからなることを特徴とするものである。
請求項３５記載の発明は、請求項２６記載の発明において、前記化学反応装置における、前記放熱防止膜は、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇの何れかからなる金属膜、あるいは、ＳｎＯ２、ＩｎＯ３、ＺｎＯの何れかからなる金属酸化物膜であることを特徴とするものである。
請求項３６記載の発明は、請求項２６記載の発明において、前記発電用燃料は、メタノール水溶液であることを特徴とするものである。
請求項３７記載の発明は、請求項２６記載の発明において、前記化学反応装置は、更に、前記加熱手段による前記流路の加熱により、前記発電用燃料を前記流路内で気化させる手段、を備えることを特徴とするものである。
請求項３８記載の発明は、請求項２６記載の発明において、前記化学反応装置は、更に、前記流路内に選択酸化触媒層が設けられ、前記流路に一酸化炭素を含む混合気体が供給されて、前記加熱手段による前記流路の加熱により、前記混合気体中の一酸化炭素と除去する手段、を備えることを特徴とするものである。
請求項３９記載の発明は、請求項２６記載の発明において、前記化学反応装置における、前記複数の基板は、少なくとも、一面に前記流路が設けられた第１の基板と、前記第１基板の一面に接合された第２基板と、を含むことを特徴とするものである。
請求項４０記載の発明は、請求項３９記載の発明において、前記化学反応装置における、前記放熱防止膜は、前記第１基板の、前記一面と対向する他面の少なくとも一部を覆う第１放熱防止膜、前記第２基板の、前記第１基板と対向する一面と対向する他面の少なくとも一部を覆う第２放熱防止膜、前記第１基板の、前記他面に直交する側面の少なくとも一部を覆う第３放熱防止膜、前記第２基板の、前記他面に直交する側面の少なくとも一部を覆う第４放熱防止膜、のうちの少なくとも何れか一つからなることを特徴とするものである。
請求項４１記載の発明は、請求項３９記載の発明において、前記化学反応装置における、前記発熱手段は、薄膜ヒータを備え、該薄膜ヒータは、前記第２基板における前記第１基板と対向する一面側、前記第２基板における該一面側と対向する他面側、前記第１基板における前記一面側と対向する他面側、のうちの少なくとも一つの面上に設けられていることを特徴とするものである。
請求項４２記載の発明は、請求項４１記載の発明において、前記化学反応装置における、前記発熱手段は、前記薄膜ヒータが設けられた面上に、該薄膜ヒータを覆い、上面が平坦とされた絶縁膜を有することを特徴とするものである。
請求項４３記載の発明は、請求項３９記載の発明において、前記化学反応装置における、前記薄膜ヒータは、前記第２基板の前記第１基板と対向する一面に対向する他面上、前記第１基板の前記一面と対向する他面上、の少なくとも何れか一方の面上に形成され、該薄膜ヒータを覆う前記絶縁膜上に、前記放熱防止膜が設けられていることを特徴とするものである。
請求項４４記載の発明は、請求項３９記載の発明において、前記化学反応装置における、前記薄膜ヒータは、前記第２基板の前記第１基板と対向する一面に対向する他面上、前記第１基板の前記一面と対向する他面上、の少なくとも何れか一方の面上に形成され、前記複数の基板は、前記薄膜ヒータを覆う前記絶縁膜上に接合された第３の基板、を含み、該第３基板の外面に前記放熱防止膜が設けられていることを特徴とするものである。
請求項４５記載の発明は、請求項４４記載の発明において、前記第３基板は、前記薄膜ヒータとの対向面に凹部を有することを特徴とするものである。
請求項４６記載の発明は、請求項４５記載の発明において、前記凹部内は、ほぼ真空状態、前記第３基板より熱伝導率が低いガスが封入された状態、の何れかとなっていることを特徴とするものである。
そして、この発明によれば、流路を加熱する発熱手段を備える化学反応装置において、化学反応装置の最外面を覆う放熱防止膜を備えているため、この放熱防止膜によって各基板の各外面側からの放熱を抑制することができる。これによって、発熱手段によって流路内を加熱する際の熱エネルギーの損失を抑制して、エネルギーの利用効率を良くすることができる。
また、この化学反応装置を燃料改質型の燃料電池を用いた電源システムにおける燃料気化部や改質部、または一酸化炭素除去部に良好に適用することができて、放熱防止膜によって発電動作のための加熱に要する熱エネルギーの損失を低減し、エネルギーの利用効率を良くすることができて、電源システムを小型化することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
＜化学反応装置＞
（第１実施形態）
図１は、本発明に係る化学反応装置の、第１実施形態としての透過平面図を示す。また、図２は、図１のII−II線に沿う断面図を示す。この第１実施形態の化学反応装置１００は、シリコンからなる第１基板１１を備えている。第１基板１１の寸法は、一例として、長さ１５〜３５ｍｍ程度、幅１０〜２５ｍｍ程度、厚さ０．４〜１．０ｍｍ程度である。
【００１０】
第１基板１１の一面には、半導体製造技術で蓄積された微細加工技術を用いて、蛇行した微小な流路１２が形成されている。流路１２の寸法は、一例として、幅０．２〜０．８ｍｍ程度、深さ０．２〜０．６ｍｍ程度であり、全長は３０〜１０００ｍｍ程度である。流路１２の両端部は、第１基板１１の所定の両端面のほぼ中央部まで延在され、流入口１３および流出口１４となっている。
【００１１】
また、流路１２の内壁面には、例えば、所望の化学反応を行うための反応触媒層１５が設けられている。なお、本発明において、流路１２の内壁面に反応触媒層１５が設けられる形態に限るものではなく、流路１２のみが形成されて、反応触媒層が何ら設けられない状態とした態様もある。
【００１２】
第１基板１１の一面上には、蓋となる厚さ０．７ｍｍ程度のガラスからなる第２基板２１が接着（接合）されている。ここで、第２基板２１の第１基板１１との対向面のほぼ全面には、加熱手段として、ＴａＳｉＯｘやＴａＳｉＯｘＮなどの抵抗体薄膜からなる薄膜ヒータ２２が設けられている。この抵抗体薄膜は、例えばスパッタリングによって形成される。
【００１３】
本発明における薄膜ヒータ２２は、以下の第２〜第８実施形態に示すように、第２基板２１の第１基板１１との対向面の位置に設けられる態様に限るものではなく、要するに、薄膜ヒータ２２は、流路１２内において所望の化学反応（触媒反応）を進行させるために、流路１２内の反応触媒層１５、若しくは、流路１２内に流れる流体に所定の熱エネルギーを供給するように構成されていればよいものである。そして、本第１実施形態のように、第２基板２１の第１基板１１との対向面の位置、すなわち流路１２の直上に設けるようにした場合、流路１２への熱エネルギーの供給を効率良く行うことができて、熱エネルギーの利用効率を比較的良くすることができる。
【００１４】
また、この第１実施形態においては、薄膜ヒータ２２は第２基板２１の第１基板１１との対向面のほぼ全面に、矩形状に形成して設けられるように構成されているため、薄膜ヒータ２２の形成に要する工程数を削減することができて、製造コストを低減させることができる。
【００１５】
そして、本発明においては、図２に示すように、第１基板１１の他面上及び側面の流入口１３および流出口１４を除く面上に放熱防止膜１６が設けられ、第２基板２１の第１基板１１との対向面とは反対側の面上及び側面上には上記放熱防止膜１６と同様の放熱防止膜２３が設けられて、化学反応装置の外面の、少なくとも一部が放熱防止膜１６、２３によって覆われる構成を備える点を特徴としている。
【００１６】
なお、放熱防止膜１６、２３は、図２に示すように、第１基板１１および第２基板２１の各外面全体、すなわち化学反応装置１００のほぼ周囲全体を覆うようにすることが好ましいが、これに限るものではなく、必要に応じて、部分的に設けるようにしてもよい。例えば、通常、各基板の側面の面積は外面全体の面積に対して小さいため、放熱防止膜１６、２３を各基板の側面を除く外面上にのみ設けるようにしてもよい。また、第１基板１１、第２基板２１の各外面上に放熱防止膜１６、２３を備えて、各基板からの放熱を抑制するように構成することが好ましいが、いずれか一方、例えば、薄膜ヒータが設けられた側の基板、図２の場合には第２基板２１、の外面上にのみ放熱防止膜を備えるようにしてもよい。
【００１７】
これら放熱防止膜１６、２３は、熱線反射率の高いＡｕ、Ａｌ、Ａｇなどの金属材料による膜や、ＳｎＯ2、ＩｎＯ3、ＺｎＯなどの金属酸化物による膜からなる。
【００１８】
この放熱防止膜１６、２３の形成方法としては、以下のような手法を適用することができる。すなわち、前記金属材料を箔状に形成した部材や、フィルム状の部材に上記金属酸化物を塗布、又は、膜形成したものを、上記各基板の外面上に貼り付けて形成する手法、蒸着やスパッタリング、あるいはメッキ、などの薄膜形成技術を用いて、上記各基板の外面上に、上記各材料による薄膜を形成する手法、あるいは、微粒子化された前記各材料を適当な溶媒と共に上記各基板の外面上に塗布することによって形成する手法、などを適用することができる。
【００１９】
次に、図３は、本発明に係る化学反応装置１００を、任意のシステム、例えば、後述する燃料電池を用いた電源システム、などに適用した場合の断面図を示す。この場合においては、化学反応装置１００は、例えば、支持部材（箱体、すなわち筐体や取り付け枠など）４０の内側に、支持体４１を介して実装されるようにしてもよい。なお、支持体４１は、例えば化学反応装置１００の上下の４隅に設けられる。また、化学反応装置１００の流入口１３および流出口１４には、支持部材４０の外側に引き出すための流入口引出管１３ａおよび流出口引出管１４ａが設けられる。
【００２０】
これにより、支持部材４０と化学反応装置１００の間には、支持体４１の部分を除いて、空間４２が形成される。この空間４２は断熱用の空間であって、空気、フレオン、炭酸ガスなどのガスを封入して断熱性能を高めるようにしてもよく、更に、ほぼ真空状態として更に断熱性能を高めるようにしてもよい。これにより、化学反応装置１００の周囲に設けられた放熱防止膜１６、２３から周囲の支持部材４０に、熱伝導によって熱エネルギーの一部が漏れて、熱エネルギーの損失が生じることを抑制することができる。
【００２１】
更に、支持部材４０の内壁に輻射防止膜４０ａを設け、あるいは、更に外壁にも輻射防止膜４０ｂを設けて、化学反応装置１００から外部に輻射された熱（赤外線）を反射して、外部への熱エネルギーの損失を更に低減させるようにしてもよい。
【００２２】
また、空間４２を真空として、断熱性能を高めるようにする場合、空間４２内の気圧を低くする程、断熱性能を向上させることができる。すなわち、支持部材４０をあるサイズとして、流路１２内の温度を２８０℃まで上昇させて飽和させた場合における、空間４２内の真空度と消費電力との関係を調べたところ、図４に示す結果が得られた。この図４から明らかなように、空間４２内の気圧を低くする程、消費電力が減少し、断熱性能を向上させることができる。
【００２３】
具体的には、例えば、空間４２内の気圧を１００Ｐａ程度より低い値としてもよく、気圧を１００Ｐａ程度とした場合、薄膜ヒータ２２に印加する電力を、空間４２内を大気圧とした場合と比べて概ね３０％程度低減させることができる。更に好ましくは、空間４２内の気圧を１０Ｐａ程度より低い値とするとよく、気圧を１０Ｐａ程度とした場合、薄膜ヒータ２２に印加する電力を、空間４２内を大気圧とした場合と比べて、概ね半減させることができる。
【００２４】
なお、図３に示したような実装形態は、本第１の実施形態の化学反応装置のみならず、後述する各実施形態の化学反応装置にも適用されるものであることは、言うまでもない。
【００２５】
このように、本発明に係る化学反応装置１００では、第１基板１１および第２基板２１の各外面に放熱防止膜１６、２３が設けられ、これによって第１基板１１および第２基板２１の各外面から外部への放熱を抑制することができ、更に、化学反応装置１００の周囲に断熱用の空間４２を設けることによって、周囲への熱伝導を抑制することができる。これにより、薄膜ヒータ２２の発熱によって流路１２内を加熱する際に、熱エネルギーの一部が外部に漏れてしまうことによる熱エネルギーの損失を抑制して、エネルギーの利用効率を向上させることができる。
【００２６】
（第２実施形態）
図５は、本発明に係る化学反応装置１００の、第２実施形態としての、上記図１に示す第１実施形態と同様の、透過平面図を示す。また、図６は、図５のVI−VI線に沿う上記図２と同様の、断面図を示す。
【００２７】
この第２実施形態は、上記第１実施形態の構成に対して、図５に示すように、第２基板２１の第１基板１１との対向面に形成される薄膜ヒータ２２が、流路１２に対応した蛇行した形状に形成され、且つ、流路１２の幅より小さく形成されて、図６に示すように、該薄膜ヒータ２２が流路１２内に配置されるように構成されている点が異なる。
【００２８】
この場合、上記第１実施形態の構成に対し、薄膜ヒータ２２と流路１２内の反応触媒層とを更に接近させることができるため、流路１２への熱エネルギーの供給効率を更に良くすることができて、熱エネルギーの利用効率を更に良くすることができる。
【００２９】
また、この第２実施形態においては、第２基板２１は第１基板１１の一面側に直接に接着（接合）される。この第２基板２１と第１基板２１との接合は、接着剤を用いて接着するようにしてもよいし、また、両基板を陽極接合によって接合するようにしてもよい。
【００３０】
ここで、陽極接合処理について説明する。第１基板１１の一面に第２基板２１を重ね合わせ、第１基板１１側を陽極とし、第２基板２１側を陰極とする。そして、第１基板１１および第２基板２１を４００〜６００℃程度に加熱した状態で、両極間に１ｋＶ程度の直流電圧を印加する。すると、第２基板２１内の不純物である陽イオンが第１基板１１から離れる方向に移動し、第２基板２１の第１基板１１側の界面に酸素イオンの濃度の高い層が現れる。すると、第１基板１１の第２基板２１側の界面のシリコン原子と、第２基板２１の第１基板１１側の界面の酸素イオンとが結合し、強固な接合界面が得られる。
【００３１】
この場合、上記のように第１基板１１および第２基板２１を４００〜６００℃程度に加熱し、両極間に１ｋＶ程度の直流電圧を印加すると、第２基板２１内の不純物である陽イオンが第１基板１１から離れる方向に移動する速度が高くなって短時間で移動し、陽極接合処理に要する時間を短縮することができる。
【００３２】
第２基板２１と第１基板２１との接合に、上記のような陽極接合を用いた場合、強固な接合が得られるとともに、何らの接着剤も用いないため、流路１２に、例えば接着剤による不純物が入ることを無くすことができる。
【００３３】
（第３実施形態）
図７は、本発明に係る化学反応装置１００の、第３実施形態としての、上記図２と同様の、断面図を示す。
【００３４】
この第３実施形態においては、薄膜ヒータ２２は、上記第１実施形態の場合と同様に、第２基板２１の第１基板１１との対向面上に設けられるが、第１実施形態の構成に対して、更に、この薄膜ヒータ２２を含む第２基板２１の第１基板１１との対向面上に窒化シリコンや酸化シリコンなどからなる絶縁膜２４が設けられて、第２基板２１の第１基板１１との対向面上に、薄膜ヒータ２２を含む平坦な面が形成されている点が異なる。
【００３５】
また、薄膜ヒータ２２は、例えば、上記第２実施形態の場合と同様に、流路１２に対応した蛇行した形状に形成される。そして、第２基板２１は絶縁膜２４を介して第１基板２１の一面に接着（接合）される。
【００３６】
また、図７では、薄膜ヒータ２２の幅を流路１２の幅より小さくした場合を示すが、これに限るものではなく、この第３実施形態においては、薄膜ヒータ２２は、蛇行した流路１２の外部に配置されているため、薄膜ヒータ２２の幅を流路１２の幅と略一致させるようにしてもよく、また、薄膜ヒータ２２の幅を流路１２の幅より大きくして、流路１２を略覆うような形状としてもよい。更には、薄膜ヒータ２２を、図１の第１実施形態の場合と同様に、流路１２全体を覆うような矩形状としてもよい。
【００３７】
この第３実施形態の構成によれば、薄膜ヒータ２２と流路１２とを接近させて、薄膜ヒータ２２から流路１２への熱エネルギーの供給を効率良く行うことができるとともに、薄膜ヒータ２２が絶縁膜２４に覆われているため、流路１２に流れる流体と薄膜ヒータ２２とが直接触れることが避けられる。これにより、薄膜ヒータ２２が、例えば流路１２に流れる流体の影響で腐食したり、劣化したりすることを避けることができる。
【００３８】
（第４実施形態）
次に、図８は、本発明に係る化学反応装置１００の、第４実施形態としての、上記図２同様の、断面図を示す。
【００３９】
この第４実施形態は、上記第３実施形態の構成に対して、薄膜ヒータ２２を第２基板２１の外面上に設け、薄膜ヒータ２２を含む第２基板２１の外面上に絶縁膜２４を設けて、薄膜ヒータ２２を含む平坦な面が形成されている点、及び、絶縁膜２４の外面上に放熱防止膜２３を設けるようにした点、が異なる。
【００４０】
この場合、薄膜ヒータ２２は、例えば、上記第２実施形態の場合と同様に、流路１２に対応した蛇行した形状に形成され、図８では、薄膜ヒータ２２の幅を流路１２の幅より小さくした場合を示すが、これに限るものではなく、この場合も、薄膜ヒータ２２は、蛇行した流路１２の外部に配置されているため、薄膜ヒータ２２の幅を流路１２の幅と略一致させるようにしてもよく、また、薄膜ヒータ２２の幅を流路１２の幅より大きくするようにしてもよい。更には、薄膜ヒータ２２を、図１の第１実施形態の場合と同様に、流路１２全体を覆うような矩形状としてもよい。
【００４１】
また、この第４実施形態においては、絶縁膜２４の外面に放熱防止膜２３が設けられていることにより、放熱防止膜２３によって薄膜ヒータ２２から外部への放熱を防ぐとともに、放熱防止膜２３によって薄膜ヒータ２２を保護することができる。
【００４２】
（第５実施形態）
次に、図９は、本発明に係る化学反応装置１００の、第５実施形態としての、図２と同様の、断面図を示す。
【００４３】
この第５実施形態は、上記図８に示した第４実施形態の構成に加えて、絶縁膜２４の外面上に、第３基板２５を接着（接合）したものである。
【００４４】
この第３基板２５は、絶縁膜２４の外面との対向面中央部に凹部２６を有し、絶縁膜２４の外面とは、その周辺部で接着（接合）されている。また、この第３基板２５は、ガラスやアルミニウムなどからなる。また、第３基板２５の外面上には、放熱防止膜２３が設けられている。
【００４５】
この場合、第３基板２５は、薄膜ヒータ２２をより一層保護するほか、放熱防止膜２３による熱エネルギー損失の抑制とともに、凹部２６による断熱作用によって薄膜ヒータ２２の熱拡散を更に抑制して、熱効率をより一層良くすることができる。このために、第３基板２５の凹部２６内に、第３基板２５よりも熱伝導率の低い空気、フレオン、炭酸ガスなどのガスを封入して、断熱性能を高めるようにしてもよい。更に、第３基板２５の凹部２６内を、例えば、ほぼ真空状態として、断熱性能をより一層高めるようにしてもよい。
【００４６】
凹部２６内を真空とする場合、凹部２６内の気圧を低くする程、断熱性能を向上させることができる。具体的には、凹部２６内の気圧を、例えば１００Ｐａ程度より低い値、更に好ましくは、１０Ｐａ程度より低い値とするとよく、これによって薄膜ヒータ２２に印加する電力を低減させることができる。
【００４７】
（第６実施形態）
次に、図１０は、本発明に係る化学反応装置１００の、第６実施形態としての、上記図２同様の、断面図を示す。
【００４８】
この第６実施形態は、図２に示す第１実施形態の構成に対して、第１基板１１の外面上に薄膜ヒータ２２を設け、薄膜ヒータ２２を含む第１基板１１の外面上に絶縁膜２４が設けられて、第１基板１１の外面上に薄膜ヒータ２２を含む平坦な面が形成されている点、及び、絶縁膜２４の外面上に放熱防止膜１６が設けられている点、が異なる。
【００４９】
この場合、薄膜ヒータ２２は、例えば、上記第２実施形態の場合と同様に、流路１２に対応した蛇行した形状に形成され、図１０では、薄膜ヒータ２２の幅を流路１２の幅より小さくした場合を示すが、これに限るものではなく、この場合も、薄膜ヒータ２２は、蛇行した流路１２の外部に配置されているため、薄膜ヒータ２２の幅を流路１２の幅と略一致させるようにしてもよく、また、薄膜ヒータ２２の幅を流路１２の幅より大きくするようにしてもよい。更には、薄膜ヒータ２２を、図１の第１実施形態の場合と同様に、流路１２全体を覆うような矩形状としてもよい。
【００５０】
また、この第６実施形態においても、絶縁膜２４の外面に放熱防止膜１６が設けられていることにより、放熱防止膜１６によって薄膜ヒータ２２から外部への放熱を防ぐとともに、放熱防止膜１６によって薄膜ヒータ２２を保護することができる。
【００５１】
（第７実施形態）
次に、図１１は、本発明に係る化学反応装置の、第７実施形態としての、上記図２と同様の、断面図を示す。
【００５２】
この第７実施形態は、上記図１０に示した第６実施形態の構成に加えて、絶縁膜２４の外面上に、第３基板２５を接着（接合）したものである。
【００５３】
この第３基板２５は、絶縁膜２４の外面との対向面中央部に凹部２６を有し、絶縁膜２４の外面とは、その周辺部で接着（接合）されている。また、この第３基板２５は、ガラスやアルミニウムなどからなる。また、第３基板２５の外面上には、放熱防止膜１６が設けられている。
【００５４】
この場合、第３基板２５は、上記図９に示した構成と同様に、薄膜ヒータ２２をより一層保護するほか、放熱防止膜１６による熱エネルギー損失の抑制とともに、凹部２６による断熱作用によって薄膜ヒータ２２の熱拡散を更に抑制して、熱効率をより一層良くすることができる。このために、第３基板２５の凹部２６内に、第３基板２５よりも熱伝導率の低い空気、フレオン、炭酸ガスなどのガスを封入して、断熱性能を高めるようにしてもよい。更に、第３基板２５の凹部２６内を、例えば、ほぼ真空状態として、断熱性能をより一層高めるようにしてもよい。
【００５５】
なお、上記第１〜第７実施形態では、薄膜ヒータ２２を１つ設けた場合について説明したが、本発明は、これに限らず、上記各実施形態を適宜に組み合わせて構成するようにしてもよく、例えば、流路１２を挟んでその両側に薄膜ヒータ２２を１つずつ設けるようにしてもよい。このようにして２つの薄膜ヒータ２２を用いるようにした場合には、それらの発熱により流路１２内をより一層の高温とすることができるので、流路１２内における化学反応に、より高い温度を必要とする場合に対応することができる。
【００５６】
（第８実施形態）
次に、図１２は、本発明に係る化学反応装置１００の、第８実施形態としての、図２と同様の、断面図を示す。
【００５７】
本発明における加熱手段は、要するに、流路１２を所定の温度に加熱して流路１２内の反応触媒層１５、若しくは、流路１２内に流れる流体に所定の熱エネルギーを供給することができればよいものであって、上記第１〜第７実施形態では、加熱手段として薄膜ヒータを用いる形態としたが、加熱手段として薄膜ヒータを用いる他に、例えば、燃焼触媒層を用いた燃焼反応により発生した熱エネルギーを用いるようにしてもよい。
【００５８】
そこで、本第８実施形態は、加熱手段として燃焼触媒層を用いるようにしたものである。すなわち、図１２においては、上記各実施形態と同様に、一面に蛇行した流路１２が形成された第１基板１１と、第１基板１１の一面上に接着（接合）された、蓋となる第２基板２１と、を備えるとともに、第２基板２１上に燃焼用基板５０を備える。そして、この燃焼用基板５０に燃焼用流路５１が形成され、この燃焼用流路５１の内壁面の少なくとも一部に燃焼触媒層５２が設けられる構成を備える。この燃焼触媒層５２は、例えばＰｔ、Ａｕ、Ａｇなどからなっている。
【００５９】
そして、この第８実施形態では、燃焼用ガスおよび大気中から取り込まれた酸素からなる燃焼用流体が流入口５３を介して燃焼用流路５１内に供給されると、この供給された燃焼用流体が燃料触媒層５２上で燃焼反応により燃焼し、この燃焼により熱エネルギーが発生する。また、燃焼済みのガスは流出口５４から大気中に放出される。そして、この燃焼により発生された熱エネルギーを流路１２内の反応触媒層１５に供給するようにしたものである。
【００６０】
この場合も、上記各実施形態と同様に、燃焼用基板５０の外面上に放熱防止膜２３を設ける構成を備える。これによって、燃焼用基板５０の外面からの放熱を抑制することができて、熱エネルギーの損失を抑制することができ、エネルギーの利用効率を向上させることができる。
【００６１】
＜電源システム＞
次に、本発明に係る化学反応装置を、燃料改質型の燃料電池を用いた電源システムに適用した場合について説明する。
【００６２】
図１３は燃料電池を用いた電源システム３０の概略構成を示すブロック図である。この電源システム３０は、燃料部３１、燃料気化部３２、改質部３３、水生シフト反応部３４、選択酸化反応部３５、発電部３６、充電部３７、などから構成されており、このうちの燃料気化部３２、改質部３３、水生シフト反応部３４、選択酸化反応部３５に、上記各実施形態の構成を備える化学反応装置１００を適用することができる。
【００６３】
まず、燃料部３１は、発電用燃料、例えばメタノール水溶液（ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ）、が封入された燃料パックや、燃料ポンプ、などからなり、発電用燃料を燃料気化部３２に供給する。
【００６４】
次いで、燃料気化部３２は、燃料部３１から供給される発電用燃料を気化させる部分である。この燃料気化部３２に、上記各実施形態の構成を備える化学反応装置１００を適用した場合、流路１２内には反応触媒層１５は設けられていない。また、第１基板１１としてシリコン基板の代わりに、ガラス基板やアルミニウム基板などを用いてもよい。
【００６５】
そして、燃料気化部３２は、燃料部３１からの発電用燃料が流入口１３を介して流路１２内に供給されると、流路１２内において、薄膜ヒータ２２の加熱により、例えば１２０℃程度に加熱されて、発電用燃料が気化される。そして、この気化された発電用燃料ガスは流出口１４から流出され、改質部３３に供給される。
【００６６】
次いで、改質部３３は、燃料気化部３２から供給される発電用燃料ガスを改質して、水素を生成する部分である。この改質部３３に、上記各実施形態の構成を備える化学反応装置１００を適用した場合、第１基板１１の流路１２内には改質用の反応触媒層１５が設けられる。この反応触媒層１５は、例えば、Ｃｕ、ＺｎＯ、Ａｌ2Ｏ3などの改質触媒からなっている。また、第１基板１１としてシリコン基板の代わりに、ガラス基板などを用いてもよい。
【００６７】
そして、改質部３３は、燃料気化部３２からの発電用燃料ガス（例えば、メタノール水溶液：ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ）が流入口１３を介して流路１２内に供給されると、流路１２内において、薄膜ヒータ２２の加熱により、例えば２８０℃程度に加熱されて、次の式（１）に示すような吸熱反応を引き起こし、水素と副生成物の二酸化炭素とを生成する。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2……（１）
【００６８】
上記式（１）の左辺における水（Ｈ2Ｏ）は、反応の初期では、燃料部３１の燃料に含まれているものでよいが、後述する発電部３５の発電に伴い生成される水を回収して改質部３３に供給するようにしてもよい。また、改質部３３における反応式（１）の左辺のおける水（Ｈ2Ｏ）の供給源は、発電部３５のみでもよく、発電部３５および燃料部３１でも、また燃料部３１のみでもよい。なお、このとき、次の式（２）に示す化学反応式のように、微量ではあるが、一酸化炭素が改質部３３内で生成されることがある。
２ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→５Ｈ2＋ＣＯ＋ＣＯ2……（２）
【００６９】
そして、上記式（１）の右辺の生成物（水素、二酸化炭素）および微量の一酸化炭素は改質部３３の流出口１４から流出される。また、改質部３３の流出口１４から流出された生成物のうち、気化状態の水素および一酸化炭素は、水生シフト反応部３４、選択酸化反応部３５に供給される。また、二酸化炭素は分離されて大気中に放出される。
【００７０】
次いで、水生シフト反応部３４、及び、選択酸化反応部３５は、改質部３３で生成された一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部３８を構成している。水生シフト反応部３４に、上記各実施形態の構成を備える化学反応装置１００を適用した場合、第１基板１１の流路１２内には一酸化炭素除去用の反応触媒層１５が設けられる。この反応触媒層１５は、例えば、Ｐｔ、Ａｌ2Ｏ3などの選択酸化触媒からなっている。また、第１基板１１としてシリコン基板の代わりに、ガラス基板などを用いてもよい。
【００７１】
そして、水生シフト反応部３４は、改質部３３から気化状態の水素および一酸化炭素が流入口１３を介して流路１２内に供給されると、薄膜ヒータ２２の加熱により、例えば１８０℃程度に加熱され、流路１２内に供給された水素、一酸化炭素、水のうち、一酸化炭素と水とが触媒により水生シフト反応して、次の式（３）に示すように、水素と副生成物の二酸化炭素とが生成される。
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2……（３）
【００７２】
上記式（３）の左辺における水（Ｈ２Ｏ）は反応の初期では、燃料部３１の燃料に含まれているものでよいが、発電部３５の発電に伴い生成される水を回収して水生シフト反応部３４に供給することが可能である。また、水生シフト反応部３４における反応式（３）の左辺のおける水の供給源は、発電部３５のみでもよく、発電部３５および燃料部３１でも、また燃料部３１のみでもよい。
【００７３】
選択酸化反応部３５は、水生シフト反応部３４から供給された混合気体に対しての熱処理が行われる部分であり、水生シフト反応部３４から供給される混合気体に極微量の一酸化炭素が含まれている場合に、残存する一酸化炭素を触媒によって選択し、大気中から取り込まれた酸素に接触させることで、次の式（４）に示す化学反応によって二酸化炭素を生成し、一酸化炭素を確実に除去する部分である。
ＣＯ＋（１／２）Ｏ2→ＣＯ2……（４）
【００７４】
そして、最終的に選択酸化反応部３５の流出口１４に到達する流体はそのほとんどが水素、二酸化炭素となる。
【００７５】
上記一連の反応後の生成物は水素および二酸化炭素で構成されるが、これらの生成物のうち、二酸化炭素は水素から分離されて大気中に放出される。したがって、選択酸化反応部３５から発電部３５には水素のみが供給される。
【００７６】
次に、図１４は、発電部３６に適用される固体高分子型の燃料電池の概略構成を示す。すなわち、発電部３６は、Ｐｔ、Ｃなどの触媒が付着された炭素電極からなるカソード４１と、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃなどの触媒が付着された炭素電極からなるアノード４２と、カソード４１とアノード４２との間に介在されたフィルム状のイオン導電膜４３と、を有して構成され、カソード４１とアノード４２との間に設けられた充電部３６に電力を供給するものである。
【００７７】
この場合、カソード４１の外側には空間部４４が設けられている。この空間部４４内には一酸化炭素除去部３８からの水素が供給され、カソード４１に水素が供給される。また、アノード４２の外側には空間部４５が設けられている。この空間部４５内には大気中から逆止弁を介して取り込まれた酸素が供給され、アノード４２に酸素が供給される。
【００７８】
そして、カソード４１側では、次の式（４）に示すように、水素から電子（ｅ-）が分離した水素イオン（プロトン；Ｈ+）が発生し、イオン導電膜４３を介してアノード４２側に通過するとともに、カソード４１により電子（ｅ-）が取り出されて充電部３７に供給される。
３Ｈ2→６Ｈ+＋６ｅ-……（４）
【００７９】
一方、アノード４２側では、次の式（５）に示すように、充電部３７を経由して供給された電子（ｅ−）とイオン導電膜６３を通過した水素イオン（Ｈ＋）と酸素とが反応して副生成物の水が生成される。
６Ｈ+＋（３／２）Ｏ2＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ……（５）
【００８０】
以上のような一連の電気化学反応（式（４）および式（５））は概ね室温〜８０℃程度の比較的低温の環境下で進行し、電力以外の副生成物は、基本的に水のみとなる。発電部３６で生成された副生成物としての水は回収される。この場合、上述の如く、発電部３６で生成された水の少なくとも一部を改質部３３に供給するようにすると、燃料部３１内に当初封入される水の量を減らすことができ、また、回収される水の量を減らすことができる。
【００８１】
こうして発電部３６で生成された電力は充電部３７に供給される。この充電部３７は、例えば２次電池やコンデンサなどの電力保持手段を備え、発電部３５から供給される電力によって２次電池やコンデンサを充電して、供給電力を一旦保持するとともに、保持された電力を、当該電源システムによって駆動する機器に供給する。
【００８２】
ところで、現在、研究開発が行われている燃料改質方式の燃料電池に適用されている燃料としては、少なくとも、水素元素を含む液体燃料又は液化燃料又は気体燃料であって、発電部３６により、比較的高いエネルギー変換効率で電気エネルギーを生成することができる燃料でであればよく、上記のメタノールの他、例えば、エタノール、ブタノールなどのアルコール系の液体燃料や、ジメチルエーテル、イソブタン、天然ガス（ＣＮＧ）などの常温常圧で気化される炭化水素からなる液体燃料、あるいは、水素ガスなどの気体燃料などを良好に適用することができる。
【００８３】
図１５は、本発明に係る化学反応装置を適用した燃料電池を用いた電源システムを１つのモジュールとして構成した場合の、具体構成例を示す要部概略構成図である。なお、図１５は、本発明に係る化学反応装置を適用した一例を示したものに過ぎず、発明の範囲を何ら限定するものではない。
【００８４】
ここで、電源システム３０Ａは、燃料改質型の燃料電池を備え、図１３に示したブロック構成を備えるものとし、対応する構成には同一の番号を付けて示し、説明を省略又は簡略化する。
【００８５】
図１５に示すように、電源システム３０Ａは、例えば、汎用の化学電池と同等の円柱形状の外形形状を有している。なお、この外形形状はこれに限るものではなく、用途や容量などに応じて適当な形状としてもよいことは言うまでもない。
【００８６】
図１５に示すように、本具体構成例に係る電源システム３０Ａは、大別すると、電力発生部２００と、燃料供給３００とを備え、燃料供給部３００は図１３の燃料部３１に対応し、燃料容器３１０、燃料容器３１０が着脱可能に装着されるホルダ部３２０、及び、図示しない燃料ポンプ、などを備える。燃料パック３１０は、発電用燃料３３０が充填され、ホルダ部３２０との接続部に発電用燃料３３０の漏出を防止する燃料供給弁３４０を有する。
【００８７】
このような燃料パック３１０をホルダ部３２０に結合すると、ホルダ部３２０側に設けられた燃料送出管３５０が燃料供給弁３４０を押し下げ、発電用燃料３３０が、燃料供給管３６０から、表面張力、あるいは燃料ポンプ、により、燃料送出管３５０を介して電力発生部２００に搬送される。
【００８８】
電力発生部２００内には、図１３の燃料気化部３２、改質部３３、水生シフト反応部３４、選択酸化反応部３５、発電部３６、充電部３７に対応する構成を備え、燃料気化部３２、改質部３３、水生シフト反応部３４、選択酸化反応部３５には上記各実施形態の化学反応装置１００が適用され、例えばマイクロマシン製造技術などを用い、例えば、深さ、幅がそれぞれ５００μｍ以下の流路が形成されて、微小空間に構成される。
【００８９】
具体的には、図１５に示すように、発電部３６は、円柱形状の円周側面に沿って延在して設けられ、燃料気化部３２、改質部３３、水生シフト反応部３４、選択酸化反応部３５は、それぞれ、電力発生部２００の内部空間に設けられた、燃料気化部形成枠２１０、改質部形成枠２２０、水生シフト反応部形成枠２３０、選択酸化反応部形成枠２４０内に形成される。各形成枠は、図３に示した支持部材４０に対応し、各化学反応装置は各形成枠内に所定の空間を持って設けられる。また、各形成枠は隔壁によって各々が分離されていてもよく、あるいは、一つの枠として設けられ、燃料気化部３２、改質部３３、水生シフト反応部３４、選択酸化反応部３５が例えば積層して形成されるようにしてもよい。
【００９０】
そして、形成枠内の空間内に、形成枠の構成部材より熱伝導率の低い空気、フレオン、炭酸ガスなどのガスを封入して断熱性能を高めるようにしてもよく、更に、この空間内を、図３に示した構成と同様に、ほぼ真空状態として、断熱性能をより一層高めるようにしてもよい。なお、図１５には、図面の煩雑化を避けるため、それぞれの形成枠のみを示す。
【００９１】
充電部３７は、例えば、マイクロチップ化されて構成され、例えば突起端子部２５０内、あるいは、他の電力発生部２００内の空間内に設けられる。また、電力発生部２００内には、電力発生部２００の円柱側面から上記発電部３６のアノード４２に外部の空気を取り入れる複数の通気孔（スリット）２６０と、上記アノード４２側において生成される副生成物（水など）を液化（凝結）して分離回収する分離回収部２７０と、回収した副生成物の一部を改質部３３及び水性シフト反応部３４に供給する副生成物供給経路２８０と、円柱上面から上記発電部３６の空間部４４まで貫通し、少なくとも、発電部３６のカソード４１側や改質部３３、選択酸化反応部３５において生成され、非回収物質である副生成物（二酸化炭素など）を外部に排出する排出孔２９０と、を備えて構成されている。
【００９２】
このような構成を備える電源システムにおいて、本発明による化学反応装置１００を、燃料気化部３２、改質部３３、水生シフト反応部３４、選択酸化反応部３５に適用することにより、流路の加熱に要する熱エネルギーの利用効率を良くすることができて、電力発生部２００を小型化することができる。
【００９３】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、流路を加熱する発熱手段を備える化学反応装置において、化学反応装置の最外面を覆う放熱防止膜を備えているため、この放熱防止膜によって各基板の各外面側からの放熱を抑制することができる。これによって、発熱手段によって流路内を加熱する際の熱エネルギーの損失を抑制して、エネルギーの利用効率を良くすることができる。
また、この化学反応装置を燃料改質型の燃料電池を用いた電源システムにおける燃料気化部や改質部、または一酸化炭素除去部に良好に適用することができて、放熱防止膜によって発電動作のための加熱に要する熱エネルギーの損失を低減し、エネルギーの利用効率を良くすることができて、電源システムを小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る化学反応装置の、第１実施形態の透過平面図。
【図２】図１のII−II線に沿う断面図。
【図３】本発明に係る化学反応装置の実施形態を示す断面図。
【図４】化学反応装置内の真空度と消費電力との関係を示す図。
【図５】本発明に係る化学反応装置の、第２実施形態の透過平面図。
【図６】図５のVI−VI線に沿う断面図。
【図７】本発明に係る化学反応装置の、第３実施形態の断面図。
【図８】本発明に係る化学反応装置の、第４実施形態の断面図。
【図９】本発明に係る化学反応装置の、第５実施形態の断面図。
【図１０】本発明に係る化学反応装置の、第６実施形態の断面図。
【図１１】本発明に係る化学反応装置の、第７実施形態の断面図。
【図１２】本発明に係る化学反応装置の、第８実施形態の断面図。
【図１３】本発明に係る化学反応装置を適用した、燃料電池を用いた電源システムの概略構成を示すブロック図。
【図１４】本発明に係る化学反応装置を適用した燃料電池に適用される固体高分子型の燃料電池の概略構成図。
【図１５】本発明に係る化学反応装置を適用した、燃料電池を用いた電源システムの具体構成例を示す要部概略構成図。
【符号の説明】
１１ 第１基板
１２ 流路
１３ 流入口
１４ 流出口
１５ 触媒層
１６ 放熱防止膜
２１ 第２基板
２２ 薄膜ヒータ
２３ 放熱防止膜
２４ 絶縁膜
２５ 第３基板
２６ 凹部
４０ 支持部材（箱体）
４０ａ、４０ｂ 輻射防止膜
４２ 空間
Claims (46)
- 互いに接合された複数の基板と、
前記複数の基板のうちの、少なくとも一つの基板に設けられた、少なくとも一つの流路と、
前記複数の基板の、少なくとも一つの基板の、少なくとも一つの面に設けられ、前記流路を加熱する発熱手段と、
前記複数の基板の最外面の、少なくとも一部を覆う放熱防止膜と、
を備え、
前記放熱防止膜は、少なくとも、前記複数の基板の最外面の、前記流路の両端の流入口及び流出口が設けられた面の該流入口及び流出口を除いた部分を覆っていることを特徴とする化学反応装置。 - 請求項１記載の発明において、
前記複数の基板のうち、前記流路が形成された基板は、シリコン基板からなることを特徴とする化学反応装置。 - 請求項１記載の発明において、
前記化学反応装置は、更に、前記放熱防止膜を含む前記複数の基板の最外面全体を覆う箱体を備え、
前記箱体の内壁面と前記放熱防止膜を含む前記複数の基板の最外面との間の、少なくとも一部には、空間が形成されていることを特徴とする化学反応装置。 - 請求項３記載の発明において、
前記箱体の内壁面の、少なくとも一部には、輻射防止膜が設けられていることを特徴とする化学反応装置。 - 請求項３記載の発明において、
前記箱体の最外面の、少なくとも一部には、輻射防止膜が設けられていることを特徴とする化学反応装置。 - 請求項３記載の発明において、
前記空間内は、ほぼ真空状態、前記箱体の構成部材より熱伝導率が低いガスが封入された状態、の何れかとなっていることを特徴とする化学反応装置。 - 請求項６記載の発明において、
前記空間内の気圧は、１００Ｐａ以下の気圧になっていることを特徴とする化学反応装置。 - 請求項６記載の発明において、
前記空間内の気圧は、１０Ｐａ以下の気圧になっていることを特徴とする化学反応装置。 - 請求項１記載の発明において、
前記発熱手段は薄膜ヒータを備え、前記流路は蛇行した形状を有し、
前記薄膜ヒータは、前記流路の蛇行した形状に対応して蛇行した形状、前記流路のほぼ全体を覆う矩形状の形状、の何れかの形状を有することを特徴とする化学反応装置。 - 請求項１記載の発明において、
前記放熱防止膜は、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇの何れかからなる金属膜、あるいは、ＳｎＯ２、ＩｎＯ３、ＺｎＯの何れかからなる金属酸化物膜であることを特徴とする化学反応装置。 - 請求項１記載の発明において、
前記複数の基板は、少なくとも、一面に前記流路が設けられた第１の基板と、前記第１基板の一面に接合された第２基板と、を含むことを特徴とする化学反応装置。 - 請求項１１記載の発明において、
前記放熱防止膜は、
前記第１基板の、前記一面と対向する他面側の少なくとも一部を覆う第１放熱防止膜、
前記第２基板の、前記第１基板と対向する一面と対向する他面側の少なくとも一部を覆う第２放熱防止膜、
前記第１基板の、前記他面に直交する側面側の少なくとも一部を覆う第３放熱防止膜、
前記第２基板の、前記他面に直交する側面側の少なくとも一部を覆う第４放熱防止膜、
のうちの少なくとも何れか一つからなることを特徴とする化学反応装置。 - 請求項１１記載の発明において、
前記発熱手段は、薄膜ヒータを備え、
該薄膜ヒータは、
前記第２基板における前記第１基板と対向する一面側、
前記第２基板における該一面側と対向する他面側、
前記第１基板における前記一面側と対向する他面側、
のうちの少なくとも一つの面上に設けられていることを特徴とする化学反応装置。 - 請求項１３記載の発明において、
前記発熱手段は、前記薄膜ヒータが設けられた面上に、該薄膜ヒータを覆い、上面が平坦とされた絶縁膜を有することを特徴とする化学反応装置。 - 請求項１４記載の発明において、
前記薄膜ヒータは、前記第２基板の前記第１基板と対向する一面に対向する他面上、前記第１基板の前記一面と対向する他面上、の少なくとも何れか一方の面上に形成され、
該薄膜ヒータを覆う前記絶縁膜上に、前記放熱防止膜が設けられていることを特徴とする化学反応装置。 - 請求項１４記載の発明において、
前記薄膜ヒータは、前記第２基板の前記第１基板と対向する一面に対向する他面上、前記第１基板の前記一面と対向する他面上、の少なくとも何れか一方の面上に形成され、
前記複数の基板は、前記薄膜ヒータを覆う前記絶縁膜上に接合された第３の基板、を含み、
該第３基板の外面に前記放熱防止膜が設けられていることを特徴とする化学反応装置。 - 請求項１６記載の発明において、
前記第３基板は、前記薄膜ヒータとの対向面に凹部を有することを特徴とする化学反応装置。 - 請求項１７記載の発明において、
前記凹部内は、ほぼ真空状態、前記第３基板より熱伝導率が低いガスが封入された状態、の何れかとなっていることを特徴とする化学反応装置。 - 請求項１記載の発明において、
前記発熱手段は、
前記流路における、燃焼触媒層が少なくとも一部に設けられた燃焼用流路と、前記燃焼用流路に燃焼用流体を供給し、前記燃焼触媒層上で燃焼反応が生起されて熱エネルギーを生成する手段と、
を備えることを特徴とする化学反応装置。 - 請求項１記載の発明において、
前記流路に流体を供給する手段と、
前記加熱手段による前記流路の加熱により、前記流体を前記流路内で気化させる手段と、
を備えることを特徴とする化学反応装置。 - 請求項１記載の発明において、
前記流路内に反応触媒層が設けられていることを特徴とする化学反応装置。 - 請求項２１記載の発明において、
前記反応触媒は改質触媒であり、
前記流路に流体を供給する手段と、
前記加熱手段による前記流路の加熱により、前記流体を前記流路において改質し、水素を生成する手段と、
を備えることを特徴とする化学反応装置。 - 請求項２２記載の発明において、
前記流体は、気化されたメタノールと水の混合気体であることを特徴とする化学反応装置。 - 請求項２１記載の発明において、
前記反応触媒は選択酸化触媒であり、
前記流路に流体を供給する手段と、
前記加熱手段による前記流路の加熱により、前記流体中の一酸化炭素を前記流路において除去する手段と、
を備えることを特徴とする化学反応装置。 - 請求項２４記載の発明において、
前記流体は、一酸化炭素を含む混合気体であることを特徴とする化学反応装置。 - 互いに接合された複数の基板と、前記複数の基板のうちの、少なくとも一つの基板に設けられた、少なくとも一つの流路と、前記複数の基板の、少なくとも一つの基板の、少なくとも一つの面に設けられ、前記流路を加熱する発熱手段と、前記複数の基板の最外面の、少なくとも一部を覆う放熱防止膜と、を備え、前記放熱防止膜は、少なくとも、前記複数の基板の最外面の、前記流路の両端の流入口及び流出口が設けられた面の該流入口及び流出口を除いた部分を覆っている化学反応装置と、
水素と酸素を反応させて発電を行う燃料電池と、を備え、
前記化学反応装置は、少なくとも、前記流路内の少なくとも一部に改質触媒層が設けられ、前記流路に発電用燃料が供給されて、前記発熱手段による前記流路の加熱により、前記発電用燃料を前記流路内において改質して、水素を生成する手段、を備えることを特徴とする電源システム。 - 請求項２６記載の発明において、
前記化学反応装置における、前記複数の基板のうち、前記流路が形成された基板は、シリコン基板からなることを特徴とする電源システム。 - 請求項２６記載の発明において、
前記化学反応装置は、更に、前記放熱防止膜を含む前記複数の基板の最外面全体を覆う箱体を備え、
前記箱体の内壁面と前記放熱防止膜を含む前記複数の基板の最外面との間の、少なくとも一部には、空間が形成されていることを特徴とする電源システム。 - 請求項２８記載の発明において、
前記化学反応装置における、前記箱体の内壁面の、少なくとも一部には、輻射防止膜が設けられていることを特徴とする電源システム。 - 請求項２８記載の発明において、
前記化学反応装置における、前記箱体の最外面の、少なくとも一部には、輻射防止膜が設けられていることを特徴とする電源システム。 - 請求項２８記載の発明において、
前記空間内は、ほぼ真空状態、前記箱体の構成部材より熱伝導率が低いガスが封入された状態、の何れかとなっていることを特徴とする電源システム。 - 請求項３１記載の発明において、
前記空間内の気圧は、１００Ｐａ以下の気圧になっていることを特徴とする電源システム。 - 請求項３１記載の発明において、
前記空間内の気圧は、１０Ｐａ以下の気圧になっていることを特徴とする電源システム。 - 請求項２６記載の発明において、
前記化学反応装置における、前記発熱手段は薄膜ヒータからなることを特徴とする電源システム。 - 請求項２６記載の発明において、
前記化学反応装置における、前記放熱防止膜は、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇの何れかからなる金属膜、あるいは、ＳｎＯ２、ＩｎＯ３、ＺｎＯの何れかからなる金属酸化物膜であることを特徴とする電源システム。 - 請求項２６記載の発明において、
前記発電用燃料は、メタノール水溶液であることを特徴とする電源システム。 - 請求項２６記載の発明において、
前記化学反応装置は、更に、
前記加熱手段による前記流路の加熱により、前記発電用燃料を前記流路内で気化させる手段、を備えることを特徴とする電源システム。 - 請求項２６記載の発明において、
前記化学反応装置は、更に、
前記流路内に選択酸化触媒層が設けられ、前記流路に一酸化炭素を含む混合気体が供給されて、前記加熱手段による前記流路の加熱により、前記混合気体中の一酸化炭素と除去する手段、を備えることを特徴とする電源システム。 - 請求項２６記載の発明において、
前記化学反応装置における、前記複数の基板は、少なくとも、一面に前記流路が設けられた第１の基板と、前記第１基板の一面に接合された第２基板と、を含むことを特徴とする電源システム。 - 請求項３９記載の発明において、
前記化学反応装置における、前記放熱防止膜は、
前記第１基板の、前記一面と対向する他面の少なくとも一部を覆う第１放熱防止膜、
前記第２基板の、前記第１基板と対向する一面と対向する他面の少なくとも一部を覆う第２放熱防止膜、
前記第１基板の、前記他面に直交する側面の少なくとも一部を覆う第３放熱防止膜、
前記第２基板の、前記他面に直交する側面の少なくとも一部を覆う第４放熱防止膜、
のうちの少なくとも何れか一つからなることを特徴とする電源システム。 - 請求項３９記載の発明において、
前記化学反応装置における、前記発熱手段は、薄膜ヒータを備え、
該薄膜ヒータは、
前記第２基板における前記第１基板と対向する一面側、
前記第２基板における該一面側と対向する他面側、
前記第１基板における前記一面側と対向する他面側、
のうちの少なくとも一つの面上に設けられていることを特徴とする電源システム。 - 請求項４１記載の発明において、
前記化学反応装置における、前記発熱手段は、前記薄膜ヒータが設けられた面上に、該薄膜ヒータを覆い、上面が平坦とされた絶縁膜を有することを特徴とする電源システム。 - 請求項３９記載の発明において、
前記化学反応装置における、前記薄膜ヒータは、前記第２基板の前記第１基板と対向する一面に対向する他面上、前記第１基板の前記一面と対向する他面上、の少なくとも何れか一方の面上に形成され、
該薄膜ヒータを覆う前記絶縁膜上に、前記放熱防止膜が設けられていることを特徴とする電源システム。 - 請求項３９記載の発明において、
前記化学反応装置における、前記薄膜ヒータは、前記第２基板の前記第１基板と対向する一面に対向する他面上、前記第１基板の前記一面と対向する他面上、の少なくとも何れか一方の面上に形成され、
前記複数の基板は、前記薄膜ヒータを覆う前記絶縁膜上に接合された第３の基板、を含み、
該第３基板の外面に前記放熱防止膜が設けられていることを特徴とする電源システム。 - 請求項４４記載の発明において、
前記第３基板は、前記薄膜ヒータとの対向面に凹部を有することを特徴とする電源システム。 - 請求項４５記載の発明において、
前記凹部内は、ほぼ真空状態、前記第３基板より熱伝導率が低いガスが封入された状態、の何れかとなっていることを特徴とする電源システム。
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