JP4715405B2 - 反応装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体燃料を改質する反応装置、特に燃料電池に供給する水素を生成する反応装置に関する。

近年、エネルギー変換効率の高いクリーンな電源として、燃料電池が自動車や携帯機器等に応用され始めている。燃料電池というのは、燃料と大気中の酸素とを電気化学的に反応させて、化学エネルギーから電気エネルギーを直接的に取り出すものである。

当該燃料電池に用いる出発燃料としては例えば水素が適用されるが、当該水素の単体は常温、常圧で気体であるが故にその取扱いに問題を有している。水素吸蔵合金によって水素を貯蔵する試みもあるが、単位体積当たりの水素の貯蔵量が少なく、特に携帯電子機器のような小型の電子機器の電源の燃料貯蔵手段としては不十分であった。これに対して、アルコール類といった水素原子を有する液体燃料を出発燃料として適用し、当該液体燃料を気化・改質して改質ガスを生成し、その改質ガス中の水素を燃料電池に送り込むシステムも開発されている。

当該システムでは、主に、改質反応に先立ち液体燃料を気化させる「気化器」や気化した液体燃料を改質反応に供する「改質器」、改質反応で生じた副産物（一酸化炭素）を除去する「一酸化炭素除去器」が必要となっている（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−３５６３１０号公報

ところで、上記システムにおいては、改質する際において、反応効率を向上するために、改質する前に液体燃料を一旦気化している。しかし、液体燃料の気化工程、つまり液体から気体への相変化は、一般的に大きな吸熱を伴うものであるから、その吸熱量を補填し得る程度の十分な熱量を気化器に供給しなければ、液体燃料の気化工程を促進することはできない。液体燃料の気化工程を促進させることができない場合には、改質ガスへの転化率が低くなり燃料電池に送り込む水素量を増やすことができず、結果的に燃料電池の発電量や発電効率を低減させてしまう。
本発明の目的は液体燃料の気化工程を促進させることである。

上記課題を解決するため請求項１に記載の発明の反応装置は、
液体燃料を気化させる気化器と、
燃焼源を燃焼させて発熱する燃焼器とを備え、
前記燃焼器が前記気化器を周回するように配され、
前記気化器は、前記液体燃料を吸液する吸液材を含む気化用導入路を有し、
前記燃焼器は、前記気化器により気化された液体燃料を改質するための高温反応部及び前記高温反応部の生成物から一酸化炭素を除去するための低温反応部を備える反応路のうちの前記低温反応部を加熱することを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、燃焼器が気化器を周回するように配されているから、燃焼器の燃焼熱が気化器の周りから当該気化器に伝導する。そのため、液体燃料の気化工程に伴う吸熱量を補填し得る程度に効率的に気化器を加熱することができ、当該気化器における液体燃料の気化工程を促進させることができ、吸液材を設けることによって安定して液体燃料を気化器内に導入することができ、気化器の適正温度範囲が、高温反応部の適正温度範囲よりも低温反応部の適正温度範囲に近い場合、効率的に気化器及び低温反応部を加熱できる。

請求項１に記載の反応装置において、
前記燃焼源が水素ガスであってもよい。

燃焼源が水素ガスとすると、燃料電池で使用し切れなかった未反応の水素を燃焼器の燃焼源として再利用することができる。

請求項１に記載の反応装置において、
前記燃焼源がメタノールガスであってもよい。

燃焼源がメタノールガスとすると、液体燃料としてメタノールを適用した場合に、その液体燃料を改質用と燃焼用との２つの用途に併用することができる。

前記燃焼器が前記燃焼源の燃焼反応を促進する燃焼用触媒を有してもよい。

燃焼器が燃焼用触媒を有すると、燃焼源の燃焼反応を促進させることができ、燃焼器中の発熱効率を向上させることができる。

前記燃焼器が前記燃焼源を流通させる燃焼用流路を有し、
前記燃焼用触媒が前記燃焼用流路の底面と側面とに塗布されていてもよい。

燃焼用流路の底面と側面とに燃焼用触媒が塗布されていると、燃焼用流路を流通する燃焼源の燃焼反応を多大に誘発することができる。

前記燃焼器が、前記燃焼源を流通させる燃焼用流路が形成された燃焼器プレートを有し、複数の前記燃焼器プレートを積層した構造を有していてもよい。

燃焼器プレートが、特に燃焼用触媒を燃焼用流路の周囲に設けられている場合、燃焼器プレートは薄くするほど、すなわち、燃焼用流路を狭くするほど燃焼源が燃焼用触媒に拡散しやすくなり効率的に燃焼しやすくなる。このような薄い燃焼器プレートを複数積層することによって効果的に気化器を加熱することができる。

前記気化器は、液体燃料を導入するための気化用導入路及び前記反応路によって生成された水素ガスを排出するための水素ガス用排出路を備えてもよい。
この場合、水素ガス用排出路から排出される水素ガスからの廃熱が気化器を加熱するのでより効率的に燃料を気化しやすくなる。

前記気化器は、前記燃焼器に燃焼源を導入するための燃焼混合気導入路及び前記燃焼器で燃焼した際に生じる排ガスを排出するための排ガス排出路を備えてもよい。
この場合、排ガス排出路から排出される排ガスからの廃熱が気化器を加熱するのでより効率的に燃料を気化しやすくなる。

電力の供給を受けて発熱する電熱線をさらに備え、前記電熱線が前記気化器を周回するように配されてもよい。

本発明によれば、気化器の周りから当該気化器に熱を伝導させることができ、液体燃料の気化工程（吸熱工程）における気化熱を補填し得る程度に効率的に気化器を加熱することができる。そのため、気化器における液体燃料の気化工程を促進させることができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

図１は、斜め上から示したマイクロリアクタモジュール１の斜視図であり、図２は、斜め下から示したマイクロリアクタモジュール１の斜視図であり、図３は、マイクロリアクタモジュール１の側面図である。

このマイクロリアクタモジュール１は、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、電子手帳、デジタルカメラ、携帯電話機、腕時計、レジスタ、プロジェクタ等といった電子機器に内蔵され、燃料電池に使用する水素ガスを生成する反応装置である。マイクロリアクタモジュール１は、反応物の供給や生成物の排出が行われる給排部２と、後述する低温反応部６での適正反応温度範囲に対して相対的に高温な改質反応が起こる高温反応部４と、高温反応部４での適正反応温度範囲に対して相対的に低温な選択酸化反応が起きる低温反応部６と、高温反応部４と低温反応部６との間で反応物や生成物の流入又は流出を行うための連結管８とを具備する。

図４は、マイクロリアクタモジュール１を機能ごとに分けた場合の概略側面図である。図４に示すように、給排部２には主に気化器５０２及び第一燃焼器５０４が設けられている。第一燃焼器５０４には、少なくとも一部が気化されている燃料（例えば、水素ガス、メタノールガス等）と、この燃料を燃焼するための酸素を含む空気等の酸素源となる気体と、がそれぞれ別々に或いは混合気として供給され、これらの気体が第一燃焼器５０４内の触媒によって燃焼して熱を発する。気化器５０２には水と液体燃料（例えば、メタノール、エタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル等のエーテル類、ガソリン等の化石燃料）がそれぞれ別々に或いは混合された状態で燃料容器から供給され、第一燃焼器５０４における燃焼熱が気化器５０２内に伝導することによって水と液体燃料が気化器５０２内において気化する。

高温反応部４には主に第一改質器５０６、第二燃焼器５０８及び第二改質器５１０が設けられている。第一改質器５０６及び第二改質器５１０は、ともに燃料を改質して水素を生成する改質器であり、互いに連通する構造になっている。第一改質器５０６が下側となり、第二改質器５１０が上側となり、第二燃焼器５０８が第一改質器５０６と第二改質器５１０の間に挟まれている。

第二燃焼器５０８には、少なくとも一部が気化されている燃料（例えば、水素ガス、メタノールガス等）と、酸素を含む空気等の酸素源となる気体と、がそれぞれ別々に或いは混合気として供給され、これらの気体が第二燃焼器５０８内の触媒によって燃焼して熱を発する。なお、水素ガスが供給されて電気化学反応を発生した後に燃料電池から排出されたオフガス中に未反応の水素ガスが含まれている場合があり、第一燃焼器５０４及び第二燃焼器５０８の少なくともいずれか一方は、この未反応の水素ガスを、酸素を含んだ空気等の気体で燃焼して熱を発するようにしても良い。勿論、第一燃焼器５０４及び第二燃焼器５０８の少なくともいずれか一方は、燃料容器に貯留されている液体燃料（例えば、メタノール、エタノール、ブタン、ジメチルエーテル、ガソリン）を、別の気化器によって気化し、その気化した燃料を、酸素を含んだ空気等の気体で燃焼するようにしても良い。

第二燃焼器５０８が、燃料電池から排出されたオフガスを燃焼する場合、まず起動時に、第一改質器５０６及び第二改質器５１０が後述する電熱線１７２によって加熱されて水素を生成し、この水素が供給される燃料電池から水素を含むオフガスが定常的に排出されてきたら、第二燃焼器５０８はオフガス中の水素を燃焼して第一改質器５０６及び第二改質器５１０を加熱する。第二燃焼器５０８が主熱源になると、補助的な熱源に切り替わるように電熱線１７２に対する印加電圧が低くなる。加熱された第一改質器５０６及び第二改質器５１０では水と燃料から水素ガス等が触媒反応により生成され、更に微量ながら一酸化炭素ガスが生成される。燃料がメタノールの場合には、次式（１）、（２）のような化学反応が起こる。なお、水素が生成される反応は吸熱反応であり、第二燃焼器５０８の燃焼熱が用いられる。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂ …（１）
２ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→５Ｈ₂＋ＣＯ＋ＣＯ₂ …（２）

低温反応部６には主に一酸化炭素除去器５１２が設けられている。一酸化炭素除去器５１２は、第一燃焼器５０４によって加熱された状態で、第一改質器５０６及び第二改質器５１０から水素ガス、一酸化炭素ガス等を含む混合気が供給され、更に空気が供給される。一酸化炭素除去器５１２では混合気のうち一酸化炭素が選択的に酸化され、これにより一酸化炭素が除去される。一酸化炭素が除去された状態の混合気（水素リッチガス）が燃料電池の燃料極に供給される。

以下、給排部２、高温反応部４、低温反応部６及び連結管８の具体的な構成について図３、図５〜図１５を用いて説明する。ここで、図５はマイクロリアクタモジュール１の分解斜視図であり、図６は第一燃焼器５０４の斜視図であり、図７は第一燃焼器５０４の分解斜視図であり、図８は図３の切断線VIII−VIIIから後述する燃焼器プレート１２の平面方向に沿って切断した矢視断面図であり、図９は図３の切断線IX−IXから後述するベースプレート２８及びベースプレート１０２の平面方向に沿って切断した矢視断面図であり、図１０は図３の切断線X−Xから後述する下部枠３０及び下部枠１０４の平面方向に沿って切断した矢視断面図であり、図１１は図３の切断線XI−XIから後述する中部枠３２及び中部枠１０６の平面方向に沿って切断した矢視断面図であり、図１２は図３の切断線XII−XIIから後述する上部枠３４及び上部枠１１０の平面方向に沿って切断した矢視断面図であり、図１３は図３の切断線XIII−XIIIから後述する燃焼器プレート１０８の平面方向に沿って切断した矢視断面図であり、図１４は図３の切断線XIV−XIVから連結管８の連通方向と直交する面方向に沿って切断した矢視断面図である。図１５は、図９の切断線XV−XVから低温反応部６の厚さ方向に沿って切断した矢視断面図である。

図３、図５、図８に示すように、給排部２は、耐腐食性に優れたステンレス鋼（SUS304）等の金属材料からなる外部流通管１０と、外部流通管１０の周りにおいて積層された三枚の燃焼器プレート１２とを具備する。燃焼器プレート１２は硬蝋付けによって外部流通管１０と接合されている。蝋剤としては、外部流通管１０や燃焼器プレート１２を流れる流体の温度のうちの最高温度よりも高い融点でその融点が７００度以上の蝋を適用するのがよく、具体的には、金に対し銀、銅、亜鉛、カドミウムを含有した金蝋や、金、銀、亜鉛、ニッケルを主成分とした蝋、或いは金、パラジウム、銀を主成分とした蝋が特に好ましい。

外部流通管１０は、マイクロリアクタモジュール１内の各流体をそれぞれマイクロリアクタモジュール１の外部に流通する複数の流路を有する管である。外部流通管１０には、気化用導入路１４、空気用導入路１６、燃焼混合気導入路１８、排ガス排出路２０、燃焼混合気導入路２２及び水素ガス用排出路２４が互いに平行となるよう設けられている。気化用導入路１４、空気用導入路１６、燃焼混合気導入路１８、排ガス排出路２０、燃焼混合気導入路２２及び水素ガス用排出路２４は、外部流通管１０の隔壁２９によって仕切られている。

なお、気化用導入路１４、空気用導入路１６、燃焼混合気導入路１８、排ガス排出路２０、燃焼混合気導入路２２及び水素ガス用排出路２４が１つの外部流通管１０に設けられているが、外部流通管１０は、これらの流路１４，１６，１８，２０，２２，２４が別々の管材に設けられ、これら管材が束ねられたものであっても良い。外部流通管１０の水素ガス用排出路２４は後述する発電モジュール６０８の燃料極に連結されており、外部流通管１０の気化用導入路１４は後述する流量制御ユニット６０６を介して燃料容器６０４に連結されている。

気化用導入路１４には、フェルト材、セラミック多孔質材、繊維材、カーボン多孔質材等の吸液材３３が充填されている。吸液材３３は液体を吸収するものであり、吸液材３３としては無機繊維又は有機繊維を結合材で固めたものであったり、無機粉末を焼結したものであったり、無機粉末を結合材で固めたものであったり、グラファイトとグラッシーカーボンの混合体であったりする。

ここで、第一燃焼器５０４について詳細に説明する。
第一燃焼器５０４は、一酸化炭素除去器５１２及び気化器５０２を適宜加熱するものであって、図６に示すように、四角枠状の三枚の燃焼器プレート１２を積層した構成を有しており、外部流通管１０の外周を周回するように配されている。三枚の燃焼器プレート１２は、外部流通管１０と同様に、耐腐食性に優れたステンレス鋼（SUS304）等の金属材料からなり、外部流通管１０が挿通された状態で当該外部流通管１０と接合されている。

図７に示すように、燃焼器プレート１２は、四角枠状を呈した枠部１２ａを有しており、その内部に四角状の貫通孔１２ｂが形成されている。枠部１２ａの外側縁部には側壁１２ｃが形成されており、側壁１２ｃの中途部から貫通孔１２ｂに向けて隔壁１２ｄが形成されている。貫通孔１２ｂは外部流通管１０の外周に対応したサイズを有しており、外部流通管１０を貫通孔１２ｂに挿通することができるようになっている。

外部流通管１０は貫通孔１２ｂに挿通された状態で接合されている。この状態においては、図６に示すように、燃焼混合気導入路２２と排ガス排出路２０とを隔てる外部流通管１０の隔壁１０ａと、燃焼器プレート１２の隔壁１２ｄとが対応している。第一燃焼器５０４では、三枚の燃焼器プレート１２が互いに積層された状態で接合され、更に一番上の燃焼器プレート１２が低温反応部６の下面に接合されることで、気密性の高い燃焼用流路２６が形成されている。図６中矢印に示すように、各燃焼器プレート１２における燃焼用流路２６は共に同じ燃焼器混合気導入路２２から同じ排ガス排出路２０に通じている。

燃焼用流路２６の底面と側面（側壁１２ｃの内面と隔壁１２ｄの両側面）とには、燃焼源としての気体燃料（例えば、水素ガス、メタノールガス等）を酸素によって燃焼させるための燃焼用触媒が塗布されている。当該燃焼用触媒としては白金等が挙げられる。

なお、外部流通管１０内の吸液材３３はその先端が燃焼器プレート１２の位置に達するまで充填されている。また、第一燃焼器５０４による一酸化炭素除去器５１２の適正加熱温度範囲及び第一燃焼器５０４による気化器５０２の適正加熱温度範囲は後述するように異なっている。このような適正温度範囲の差は、第一燃焼器５０４における一酸化炭素除去器５１２との対向面積並びに気化器５０２との対向面積の差によって生じる。本実施形態では、第一燃焼器５０４を三枚の燃焼器プレート１２で構成したが、このような適正温度範囲となるように設定するためであれば、一枚の燃焼器プレート１２で構成してもよいし、二枚の燃焼器プレート１２で構成してもよいし、四枚以上の燃焼器プレート１２にしてもよく、第一燃焼器５０４を構成する燃焼器プレート１２の枚数を適宜変更してもよい。

図３、図５に示すように、低温反応部６は、ベースプレート２８、下部枠３０、中部枠３２、上部枠３４及び蓋プレート３６を下からこれらの順に積層したものであり、直方体状に呈している。ベースプレート２８、下部枠３０、中部枠３２、上部枠３４及び蓋プレート３６は耐腐食性に優れたステンレス鋼（SUS304）等の金属材料からなる。

ベースプレート２８の幅方向中央部において、外部流通管１０及び最上の燃焼器プレート１２がベースプレート２８の下面に接合されている。図９に示すように、ベースプレート２８の上面に隔壁４１が突出するように設けられることで、混合ガス流路３８、混合流路４０、一酸化炭素除去用流路４２、葛折り状の一酸化炭素除去用流路４４、コ字状の一酸化炭素除去用流路４６、燃焼混合気流路４８及び排ガス流路５０に区分けされている。

混合ガス流路３８の端部において貫通孔５２が形成され、混合ガス流路３８が貫通孔５２を介して外部流通管１０の気化用導入路１４に通じている。一酸化炭素除去用流路４６は貫通孔５２を囲繞し、一酸化炭素除去用流路４６の端部において貫通孔５４が形成され、一酸化炭素除去用流路４６が貫通孔５４を介して水素ガス用排出路２４に通じている。

燃焼混合気流路４８の端部において貫通孔５８が形成され、燃焼混合気流路４８が貫通孔５８を介して燃焼混合気導入路１８に通じている。排ガス流路５０の端部において貫通孔５６が形成され、排ガス流路５０が貫通孔５６を介して排ガス排出路２０に通じている。混合流路４０の端部において貫通孔６０が形成され、混合流路４０が貫通孔６０を介して空気用導入路１６に通じている。ベースプレート２８の下面には、貫通孔５２、貫通孔５４、貫通孔５６、貫通孔５８、貫通孔６０を除いて底板５３が設けられている。

図１０に示すように、下部枠３０の内側に隔壁４３が設けられることで、下部枠３０の内側が葛折り状の一酸化炭素除去用流路６２、渦巻き状の一酸化炭素除去用流路６４、吹抜け孔６６、燃焼混合気流路６８及び排ガス流路７０に区分けされている。一酸化炭素除去用流路６４、燃焼混合気流路６８及び排ガス流路７０においては底板７２が設けられ、ベースプレート２８に下部枠３０が蝋付け等で接合されるとその底板７２によって混合ガス流路３８、混合流路４０、一酸化炭素除去用流路４６、燃焼混合気流路４８及び排ガス流路５０の上が蓋される。

一酸化炭素除去用流路６４の一方の端部６４ａが一酸化炭素除去用流路６２に通じ、一酸化炭素除去用流路６４の中途部においてはベースプレート２８の一酸化炭素除去用流路４２に通じる吹抜け孔７４が形成され、一酸化炭素除去用流路６４の他方の端部６４ｂにおいてはベースプレート２８の排ガス流路５０に通じる吹抜け孔７６が形成されている。

一酸化炭素除去用流路６２がベースプレート２８の一酸化炭素除去用流路４４と平面視して一致するように、隔壁４３は隔壁４１と重なり、一酸化炭素除去用流路６２と一酸化炭素除去用流路４４が吹き抜けた状態とされている。吹抜け孔６６はベースプレート２８の混合流路４０の上に位置している。燃焼混合気流路６８には吹抜け孔６９が形成され、燃焼混合気流路６８が吹抜け孔６９を介してベースプレート２８の燃焼混合気流路４８に通じている。排ガス流路７０には吹抜け孔７１が形成され、排ガス流路７０が吹抜け孔７１を介してベースプレート２８の排ガス流路５０に通じている。
なお、平面視して、外部流通管１０は一酸化炭素除去用流路６４の一部に重なり、一酸化炭素除去用流路６４が外部流通管１０の周りを渦巻いた構造となっている。

図１１に示すように、中部枠３２の内側に隔壁４５が設けられることで、中部枠３２の内側が葛折り状の一酸化炭素除去用流路７８、渦巻き状の一酸化炭素除去用流路８０及び吹抜け孔８２に区分けされている。一酸化炭素除去用流路８０の一部においては底板８３が設けられ、下部枠３０に中部枠３２が蝋付け等で接合されるとその底板８３によって下部枠３０の燃焼混合気流路６８及び排ガス流路７０の上方が蓋される。

一酸化炭素除去用流路７８が下部枠３０の一酸化炭素除去用流路６２と平面視して一致するように、隔壁４５は隔壁４３と重なり、一酸化炭素除去用流路７８と一酸化炭素除去用流路６２が吹き抜けた状態とされている。一酸化炭素除去用流路８０が下部枠３０の一酸化炭素除去用流路６４と平面視して一致するように、隔壁４５は隔壁４３と重なり、一酸化炭素除去用流路８０と一酸化炭素除去用流路６４が吹き抜けた状態とされている。吹抜け孔８２が下部枠３０の吹抜け孔６６に重なり、吹抜け孔８２と吹抜け孔６６が連通した状態とされている。

図１２に示すように、上部枠３４の内側に隔壁４７が設けられることで、上部枠３４の内側に葛折り状の一酸化炭素除去用流路８４が形成されている。また、上部枠３４の内側全体に底板８６が設けられ、中部枠３２に上部枠３４が蝋付け等で接合されるとその底板８６によって中部枠３２の一酸化炭素除去用流路７８及び一酸化炭素除去用流路８０の上方が蓋される。

一酸化炭素除去用流路８４の一端部においては吹抜け孔８８が形成され、一酸化炭素除去用流路８４の他端部においては吹抜け孔９０が形成されている。吹抜け孔８８は中部枠３２の吹抜け孔８２に重なり、一酸化炭素除去用流路８４が吹抜け孔８８、吹抜け孔８２及び吹抜け孔６６を介して混合流路４０に通じている。吹抜け孔９０が中部枠３２の一酸化炭素除去用流路７８の端部の上に位置し、一酸化炭素除去用流路８４が吹抜け孔９０を通じて一酸化炭素除去用流路７８に通じている。

図５に示すように、上部枠３４の上に蓋プレート３６が接合されることで、一酸化炭素除去用流路８４の上方が蓋プレート３６によって蓋されている。ここで、一酸化炭素除去用流路４２，４４，４６，４６，６２，６４，７８，８０，８４の壁面全体には、一酸化炭素を選択的に酸化させる一酸化炭素選択酸化用触媒が担持されている。ここで壁面となる、ベースプレート２８、下部枠３０、中部枠３２、流路上部枠３４の所定箇所には、互いに接合される前に予め一酸化炭素選択酸化用触媒が担持されている。一酸化炭素選択酸化用触媒としては白金等が挙げられる。

図３、図５に示すように、高温反応部４は、ベースプレート１０２、下部枠１０４、中部枠１０６、燃焼器プレート１０８、上部枠１１０及び蓋プレート１１２を下からこれらの順に積層したものであり、直方体状に呈している。ベースプレート１０２、下部枠１０４、中部枠１０６、燃焼器プレート１０８、上部枠１１０及び蓋プレート１１２は耐腐食性に優れたステンレス鋼（SUS304）等の金属材料からなる。

図９に示すように、ベースプレート１０２には、底板１１３が設けられており、底板１１３の上面に隔壁１０３が突出するように設けられることで、供給流路１１４、葛折り状の改質用流路１１６及び排出流路１１５に区分けされている。供給流路１１４は改質用流路１１６に連なっているが、排出流路１１５は供給流路１１４及び改質用流路１１６から独立している。

図１０に示すように、下部枠１０４の内側に隔壁１０５が設けられることで、下部枠１０４の内側が葛折り状の改質用流路１１８、燃焼混合気流路１２０、排ガス流路１２２及び吹抜け孔１２４に区分けされている。燃焼混合気流路１２０及び排ガス流路１２２においては底板１２６が設けられ、ベースプレート１０２に下部枠１０４が接合されることで、底板１２６によりベースプレート１０２の供給流路１１４及び排出流路１１５が蓋される。改質用流路１１８がベースプレート１０２の改質用流路１１６と平面視して一致するように隔壁１０５が隔壁１０３と重なり、改質用流路１１８と改質用流路１１６が吹き抜けた状態とされている。

図１１に示すように、中部枠１０６の内側に隔壁１０７が設けられることで、中部枠１０６の内側が葛折り状の改質用流路１２８、吹抜け孔１３０、吹抜け孔１３２及び吹抜け孔１３４に区分けされている。また、中部枠１０６には底板１３６が設けられ、中部枠１０６が下部枠１０４に接合されることで、底板１３６によって下部枠１０４の燃焼混合気流路１２０及び排ガス流路１２２の上方が蓋される。

改質用流路１２８が下部枠１０４の改質用流路１１８と平面視して一致するように隔壁１０７が隔壁１０５と重なり、改質用流路１２８と改質用流路１１８が吹き抜けた状態とされている。吹抜け孔１３０は下部枠１０４の吹抜け孔１２４に重なり、吹抜け孔１３０と吹抜け孔１２４が吹き抜けた状態とされている。吹抜け孔１３２は燃焼混合気流路１２０の端部の上に位置し、吹抜け孔１３４が排ガス流路１２２の端部の上に位置している。

図３、図５に示すように、燃焼器プレート１０８が中部枠１０６の上に接合されることで、中部枠１０６の改質用流路１２８が燃焼器プレート１０８によって蓋される。図１３に示すように、燃焼器プレート１０８には、底板１４１が設けられ、底板１４１の上面に隔壁１０９が突出するように設けられることで、燃焼室１３８、燃焼室１４０、吹抜け孔１４２及び吹抜け孔１４４に区分けされている。

燃焼室１３８の端部において吹抜け孔１４６が形成され、その吹抜け孔１４６が中部枠１０６の吹抜け孔１３２の上に位置し、燃焼室１３８が吹抜け孔１４６及び吹抜け孔１３２を介して下部枠１０４の燃焼混合気流路１２０に通じている。燃焼室１３８は燃焼室１４０に通じている。

燃焼室１４０の端部において吹抜け孔１４８が形成され、その吹抜け孔１４８が中部枠１０６の吹抜け孔１３４の上に位置し、燃焼室１４０が吹抜け孔１４８及び吹抜け孔１３４を介して排ガス流路１２２に通じている。

吹抜け孔１４２は中部枠１０６の改質用流路１２８の端部の上に位置し、吹抜け孔１４２が改質用流路１２８に通じている。吹抜け孔１４４は中部枠１０６の吹抜け孔１３０の上に位置し、吹抜け孔１４４が吹抜け孔１３０に通じている。燃焼室１３８及び燃焼室１４０の壁面には、燃焼混合気を燃焼させる燃焼用触媒が担持されている。ここで壁面となる、燃焼器プレート１０８、及び上部枠１１０の所定箇所には、互いに接合される前に予め燃焼用触媒が担持されている。燃焼用触媒としては、白金等が挙げられる。

図１２に示すように、上部枠１１０の内側に隔壁１１１が設けられることで、上部枠１１０の内側に葛折り状の改質用流路１５０が形成されている。また、上部枠１１０に底板１５２が設けられ、上部枠１１０が燃焼器プレート１０８の上に蝋付け等で接合されることで、燃焼器プレート１０８の燃焼室１３８及び燃焼室１４０の上方が蓋される。

改質用流路１５０の一端部においては吹抜け孔１５４が形成され、改質用流路１５０の他端部においては吹抜け孔１５６が形成されている。吹抜け孔１５４は燃焼器プレート１０８の吹抜け孔１４２の上に位置し、改質用流路１５０が吹抜け孔１５４及び吹抜け孔１４２を介して中部枠１０６の改質用流路１２８に通じている。吹抜け孔１５６は燃焼器プレート１０８の吹抜け孔１４４の上に位置し、改質用流路１５０が吹抜け孔１５６、吹抜け孔１４４、吹抜け孔１３０及び吹抜け孔１２４を介して排出流路１１５に通じている。

図５に示すように、上部枠１１０の上に蓋プレート１１２が蝋付け等で接合されることで、改質用流路１５０の上方が蓋プレート１１２によって蓋されている。ここで、供給流路１１４、排出流路１１５、改質用流路１１６，１１８，１２８，１５２の壁面には、燃料を改質して水素を生成する改質用触媒が担持されている。ここで壁面となる、ベースプレート１０２、下部枠１０４、中部枠１０６、燃焼器プレート１０８、上部枠１１０及び蓋プレート１１２の所定箇所には、互いに接合される前に予め燃焼用触媒が担持されている。メタノールの改質に用いられる改質用触媒としては、Ｃｕ／ＺｎＯ系触媒、Ｐｔ／ＺｎＯ系触媒等が挙げられる。

図３、図４に示すように、連結管８の外形は角柱状とされ、連結管８の幅が高温反応部４の幅及び低温反応部６の幅よりも狭く、連結管８の高さも高温反応部４及び低温反応部６のいずれの高さよりも低い。連結管８は高温反応部４と低温反応部６との間に架設されており、連結管８は高温反応部４の幅方向中央部において高温反応部４に蝋付け等で接合しているとともに低温反応部６の幅方向中央部において低温反応部６に蝋付け等で接合している。また、連結管８の下面が高温反応部４の下面つまりベースプレート１０２の下面に対して面一になっているとともに、更に低温反応部６の下面つまりベースプレート２８の下面に対して面一になっている。

図９、図１０、図１４に示すように、連結管８には、連結流路１６２、連結流路１６４、連結流路１６６及び連結流路１６８が互いに平行となるよう設けられている。連結流路１６２、連結流路１６４、連結流路１６６及び連結流路１６８は連結管８の隔壁１６３によって仕切られている。連結流路１６２の一端が混合ガス流路３８に通じ、連結流路１６２の他端が供給流路１１４に通じている。連結流路１６４の一端が排出流路１１５に通じ、他端が混合流路４０に通じている。連結流路１６６の一端が燃焼混合気流路６８に通じ、他端が燃焼混合気流路１２０に通じている。連結流路１６８の一端が排ガス流路１２２に通じ、他端が排ガス流路７０に通じている。

なお、連結流路１６２，１６４，１６６，１６８が１つの連結管８に設けられているが、これらの流路１６２，１６４，１６６，１６８が別々の管材に設けられ、これら管材が束ねられていても良い。連結管８は、気密性の観点から接合しているベースプレート２８、下部枠３０、ベースプレート１０２、下部枠１０４と同じ材質であることが好ましい。

上述したように、給排部２、高温反応部４、低温反応部６及び連結管８では隔壁（底板、天板、側板、外板を含む。）によって流路が仕切られており、どの部分においても隔壁の厚みは０．１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下とされ、好ましくは０．１ｍｍとされている。

つまり、高温反応部４では、ベースプレート１０２の隔壁１０３、下部枠１０４の隔壁１０５及び中部枠１０６の隔壁１０７が面方向で互いに重なり合うことによって蛇行した側壁が形成され、この側壁に加えてベースプレート１０２の底板１１３の上面及び燃焼器プレート１０８の底板１４１の下面によって改質用流路１１６、供給流路１１４、排出流路１１５が仕切られている。そして、燃焼器プレート１０８の底板１４１の上面、隔壁１０９及び上部枠１１０の底板１５２の下面によって、燃焼室１３８，１４０が仕切られている。さらに、上部枠１１０の底板１５２の上面、隔壁１１１、蓋プレート１１２の下面によって改質用流路１５０が仕切られている。

低温反応部６では、ベースプレート２８の隔壁４１、下部枠３０の隔壁４３、及び中部枠３２の隔壁４５は、面方向で互いに重なり合うことによって蛇行した側壁が形成され、この側壁に加えてベースプレート２８の底板５３の上面及び上部枠３４の底板８６によって各流路が仕切られている。そして、さらに、上部枠３４の底板８６の上面、隔壁４７、蓋プレート３６の下面によって一酸化炭素除去用流路８４が仕切られている。

給排部２、高温反応部４、低温反応部６及び連結管８の内側に設けられた流路の経路は図１６、図１７に示すようになる。ここで図１６、図１７と図４の対応関係について説明すると、気化用導入路１４が気化器５０２の流路に相当し、改質用流路１１６，１１８，１２８が第一改質器５０６の流路に相当し、改質用流路１５０が第二改質器５１０の流路に相当し、一酸化炭素除去用流路８４の始端から一酸化炭素除去用流路４６の終端までが一酸化炭素除去器５１２の流路に相当し、燃焼用流路２６が第一燃焼器５０４の流路に相当し、燃焼室１３８，１４０が第二燃焼器５０８の燃焼室に相当する。

図２、図５に示すように、低温反応部６の下面つまりベースプレート２８の下面、高温反応部４の下面つまりベースプレート１０２の下面、及び連結管８の下面には窒化シリコン、酸化シリコン等の図示しない絶縁膜が全面に形成され、低温反応部６側の絶縁膜の下面には電熱線１７０が、平面視して一酸化炭素除去器５１２の流路の少なくとも一部と重なるように蛇行した状態にパターニングされ、低温反応部６から連結管８を通って高温反応部４にかけた絶縁膜の下面には、電熱線１７２が平面視して第一改質器５０６及び第二改質器５１０の流路の少なくとも一部と重なるように蛇行した状態にパターニングされている。外部流通管１０の側面、燃焼器プレート１２の表面にも、窒化シリコン、酸化シリコン等の図示しない絶縁膜が形成されており、低温反応部６の下面から燃焼器プレート１２の表面を通って外部流通管１０の側面にかけて電熱線１７４がパターニングされている。

電熱線１７０，１７２，１７４は、絶縁膜側から密着層、拡散防止層、発熱層の順に積層したものである。発熱層は３層の中で最も低い抵抗率の材料（例えば、Ａｕ）であり、電熱線１７０，１７２，１７４に電圧が印加されると電流が集中的に流れて発熱する。拡散防止層は、電熱線１７０，１７２，１７４が発熱しても発熱層の材料が拡散防止層に熱拡散されにくく、且つ拡散防止層の材料が発熱層に熱拡散しにくい材料であり、比較的融点が高く且つ反応性が低い物質（例えば、Ｗ）を用いることが好ましい。密着層は、拡散防止層が絶縁膜に対して密着性が低く、剥離しやすい場合に用いられる層であり、拡散防止層に対しても絶縁膜に対しても密着性に優れた材料（例えば、Ｔａ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ）からなる。

電熱線１７０は、起動時に低温反応部６を加熱し、電熱線１７２は、起動時に高温反応部４及び連結管８を加熱し、電熱線１７４は、給排部２の気化器５０２及び第一燃焼器５０４を加熱する。この後、燃料電池からの水素を含むオフガスで第二燃焼器５０８が燃焼されたら、電熱線１７２は第二燃焼器５０８の補助として高温反応部４及び連結管８を加熱する。同様に、燃料電池からの水素を含むオフガスで第一燃焼器５０４が燃焼される場合、電熱線１７０は第一燃焼器５０４の補助として低温反応部６を加熱する。

また、電熱線１７０，１７２，１７４は温度に依存して電気抵抗が変化するので、所定の印加電圧に対する抵抗値から温度の値を読み取ることができる温度センサとしても機能する。具体的には、電熱線１７０，１７２，１７４の温度は電気抵抗に比例する。

電熱線１７０，１７２，１７４の何れの端部もベースプレート２８の下面に位置し、これら端部が燃焼器プレート１２を囲むように配列されている。電熱線１７０の両端部にはそれぞれリード線１７６，１７８が接続され、電熱線１７２の両端部にはそれぞれリード線１８０，１８２が接続され、電熱線１７４の両端部にはそれぞれリード線１８４，１８６が接続されている。なお、図３においては、図面を見やすくするために、電熱線１７０，１７２，１７４及びリード線１７６，１７８，１８０，１８２，１８４，１８６の図示を省略する。

図１８、図１９に示すように、本発明に係る反応装置１０００は、上記マイクロリアクタモジュール１の他に断熱パッケージ２００を具備し、高温反応部４、低温反応部６及び連結管８が断熱パッケージ２００に収容されている。断熱パッケージ２００は、下面が開口した長方形状の箱体２０２と、箱体２０２の下面開口を閉塞したベースプレート２０４とから構成され、ベースプレート２０４が箱体２０２にガラス材又は絶縁封止材で接合されている。

箱体２０２及びベースプレート２０４のどちらもガラス、セラミック等の断熱材からなり、内側となる面にはアルミニウム、金等の金属反射膜が成膜されている。このような金属反射膜が成膜されていると、給排部２、高温反応部４、低温反応部６及び連結管８からの輻射熱を反射して断熱パッケージ２００の外に伝搬することを抑制する。断熱パッケージ２００は内圧が１Torr以下になるように、マイクロリアクタモジュール１との間の内部空間が真空排気されている。

給排部２の外部流通管１０は、一部が断熱パッケージ２００から露出されており、後述する発電モジュール６０８の燃料極に連結され、さらに流量制御ユニット６０６を介して燃料容器６０４に連結されている。リード線１７６，１７８，１８０，１８２，１８４，１８６は、一部が断熱パッケージ２００から露出されている。外部流通管１０並びにリード線１７６，１７８，１８０，１８２，１８４，１８６においてそれぞれ断熱パッケージ２００から露出している部分から断熱パッケージ２００内に外気が侵入して内圧が上がるような隙間が生じないように、外部流通管１０並びにリード線１７６，１７８，１８０，１８２，１８４，１８６は断熱パッケージ２００のベースプレート２０４にガラス材又は絶縁封止材で接合されている。断熱パッケージ２００の内部空間の内圧を低く維持できるので、マイクロリアクタモジュール１が発する熱を伝搬する媒体が希薄になり、また内部空間での熱対流も抑えられるのでマイクロリアクタモジュール１の保温効果が増える。

そして、断熱パッケージ２００で封止された空間において、マイクロリアクタモジュール１の高温反応部４及び低温反応部６の間には所定の距離の連結管８が介在しているが、連絡管８の容積は高温反応部４及び低温反応部６の容積に対して極めて小さいので、連絡管８による高温反応部４から低温反応部６への熱の伝搬は抑えられ、高温反応部４と低温反応部６との間では、反応に必要な熱勾配を維持できるとともに高温反応部４内の温度を均等にしやすく、低温反応部６内の温度を均等にしやすくすることができる。

図３、図５に示すように、低温反応部６の表面には、経時的にマイクロリアクタモジュール１から漏洩し得る流体、経時的にマイクロリアクタモジュール１から発生する流体、また箱体２０２とベースプレート２０４との接合時に十分な真空排気ができずに残存する外気の一部、経時的に断熱パッケージ２００内に侵入する外気といった断熱パッケージ２００の内部空間の圧力を上げる要因を吸着することで断熱パッケージ２００の内部空間から除去するゲッター材１８８が設けられ、ゲッター材１８８には電熱材等のヒータが設けられ、このヒータには配線１９０が接続されている。

配線１９０の両端部は燃焼器プレート１２の周囲においてベースプレート２８の下面に位置し、配線１９０の両端部にはそれぞれリード線１９２，１９４が接続されている。ゲッター材１８８は加熱されることで活性化して吸着作用をもつものであり、ゲッター材１８８の材料としてはジルコニウム、バリウム又はチタニウムを主成分とした合金が挙げられる。なお、図３においては、図面を見やすくするために、リード線１９２，１９４の図示を省略する。

リード線１９２，１９４は、一部が断熱パッケージ２００から露出されており、露出している部分から断熱パッケージ２００内に外気が侵入して内圧が上がるような隙間が生じないように、リード線１９２，１９４は断熱パッケージ２００のベースプレート２０４にガラス材又は絶縁封止材で接合されている。リード線１７６，１７８，１８０，１８２，１８４，１８６，１９２，１９４を有する配線群１９７は、各リード線同士の間隔が均等となるよう離間していることが望ましく、外部流通管１０の周囲に配置されることが望ましい。

このようにベースプレート２０４を複数の通し孔１９５、１９６が貫通し、外部流通管１０及びリード線１７６，１７８，１８０，１８２，１８４，１８６，１９２，１９４がそれぞれの通し孔に挿通された状態でこれら貫通孔がガラス材又は絶縁封止材で封止されている。断熱パッケージ２００の内部空間は密閉されており、その内部空間が真空圧とされているので、断熱効果が高いものとされている。そのため、熱損失を抑えることができる。

外部流通管１０は断熱パッケージ２００の内側にも外側にも突出した状態とされている。そのため、断熱パッケージ２００の内側においては外部流通管１０が支柱としてベースプレート２０４に対して立った状態とされ、高温反応部４、低温反応部６及び連結管８が外部流通管１０に支持されて、高温反応部４、低温反応部６及び連結管８が断熱パッケージ２００の内面から離れている。

また、外部流通管１０は、平面視して高温反応部４、低温反応部６及び連結管８全体の重心において低温反応部６の下面に連結していることが望ましい。

なお、仮に外部流通管１０及びリード線１７６，１７８，１８０，１８２，１８４，１８６，１９２，１９４が高温反応部４に設けられている場合、高温反応部４は動作時に高温に保持する必要があるため、外部流通管１０及びリード線１７６，１７８，１８０，１８２，１８４，１８６，１９２，１９４まで高温になってしまい、外部流通管１０及びリード線１７６，１７８，１８０，１８２，１８４，１８６，１９２，１９４から断熱パッケージ２００に伝熱して逃げる熱量が大きくなってしまうが、外部流通管１０及びリード線１７６，１７８，１８０，１８２，１８４，１８６，１９２，１９４は低温反応部６に設けられているので、外部流通管１０及びリード線１７６，１７８，１８０，１８２，１８４，１８６，１９２，１９４から断熱パッケージ２００に伝熱して逃げる熱量が小さく、外部流通管１０及びリード線１７６，１７８，１８０，１８２，１８４，１８６，１９２，１９４において断熱パッケージ２００の外部に露出している部分から放熱される熱量も小さくて済み、速やかに高温反応部４、低温反応部６を加熱でき、且つ加熱温度を安定して保持することが容易となる。

なお、ゲッター材１８８は低温反応部６の表面に設けられているが、ゲッター材１８８の設ける位置は断熱パッケージ２００の内側であれば特に限定されない。

次に、マイクロリアクタモジュール１を含む反応装置１０００の動作について説明する。

まず、リード線１９２，１９４の間に電圧が印加されると、ゲッター材１８８がヒータによって加熱され、ゲッター材１８８が活性化される。これにより、断熱パッケージ２００内の圧力を上げる要因がゲッター材１８８に吸着され、断熱パッケージ２００内の真空度が高まり、断熱効率が高まる。

また、リード線１７６，１７８の間に電圧が印加されると、電熱線１７０が発熱し、低温反応部６が加熱される。リード線１８０，１８２の間に電圧が印加されると、電熱線１７２が発熱し、高温反応部４が加熱される。リード線１８４，１８６の間に電圧が印加されると、電熱線１７４が発熱し、給排部２主に外部流通管１０の上部が加熱される。給排部２、高温反応部４、低温反応部６及び連結管８が金属材料からなるため、これらの間で熱伝導しやすい。

なお、温度に抵抗値が依存される抵抗体としての電熱線１７０，１７２，１７４のそれぞれの電圧降下による電位或いは電流が制御装置によって測定されることで、給排部２、高温反応部４及び低温反応部６の温度が測定され、測定温度が制御装置にフィードバックされ、測定温度が所望の温度範囲内になるように制御装置によって電熱線１７０，１７２，１７４の出力電圧が制御され、これにより給排部２、高温反応部４及び低温反応部６の温度制御がなされる。

電熱線１７０，１７２，１７４によって給排部２、高温反応部４及び低温反応部６が加熱された状態において、気化用導入路１４に液体燃料と水の混合液がポンプ等によって連続的又は断続的に供給されると、混合液が吸液材３３に吸収され、毛細管現象により混合液が気化用導入路１４の上に向かって浸透する。吸液材３３が燃焼器プレート１２の高さまで充填されているから、燃焼器プレート１２での発熱のために吸液材３３内の混合液が気化し、燃料と水の混合気が吸液材３３から蒸散する。吸液材３３は、多孔質であるために内部の多数の微細な空間に仕切された室でそれぞれ混合液を気化するから、比較的大きな空間で発生するような突沸を抑えることができ、安定して気化することができる。

そして、吸液材３３から蒸散した混合気は貫通孔５２、混合ガス流路３８、連結流路１６２、供給流路１１４を通って第一改質器５０６（改質用流路１１６，１１８，１２８）に流れ込む。その後、混合気は第二改質器５１０（改質用流路１５０）に流れ込む。混合気が改質用流路１１６，１１８，１２８，１５０を流れている際には、混合気が加熱されて触媒反応することによって、水素ガス等が生成される（燃料がメタノールの場合には、上記化学反応式（１）、（２）を参照）。

第一改質器５０６及び第二改質器５１０で生成された混合気（水素ガス、二酸化炭素ガス、一酸化炭素ガス等を含む。）が吹抜け孔１５６，１４４，１３０，１２４、排出流路１１５及び連結流路１６４を通って混合流路４０へと流れ込む。一方、空気がマイクロリアクタモジュール１の外部に設けられたポンプ等によって空気用導入路１６から貫通孔６０に供給され、混合流路４０へ流れ込み、水素ガス等の混合気と空気が混合される。

そして、空気、水素ガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス等を含む混合気が混合流路４０から吹抜け孔６６，８２，８８を通って一酸化炭素除去器５１２（一酸化炭素除去用流路８４から一酸化炭素除去用流路４６まで）へ流れ込む。混合気が一酸化炭素除去用流路８４から一酸化炭素除去用流路４６へ流れている時に、混合気中の一酸化炭素ガスが選択的に酸化され、一酸化炭素ガスが除去される。

ここで、一酸化炭素ガスは一酸化炭素除去用流路８４から一酸化炭素除去用流路４６までの間で均一的に反応するのではなく、一酸化炭素除去用流路８４から一酸化炭素除去用流路４６までの経路のうち下流（主に、一酸化炭素除去用流路８０から一酸化炭素除去用流路４６にかけて）において一酸化炭素ガスの反応速度が高くなる。一酸化炭素ガスの酸化反応は発熱反応であるので、主に一酸化炭素除去用流路８０から一酸化炭素除去用流路４６までの部分で熱が発生する。この部分の下に外部流通管１０が位置するので、一酸化炭素ガスの酸化反応による熱が第一燃焼器５０４の熱とあいまって気化器５０２での水と燃料の気化熱に効率よく用いられる。

そして、一酸化炭素が除去された状態の混合気が貫通孔５４及び水素ガス用排出路２４を通って燃料電池の燃料極等に供給される。燃料電池では水素ガス用排出路２４からの水素ガスの電気化学反応により電気が生成されるが、未反応の水素ガス等を含むオフガスが燃料電池から排出される。

以上の動作は初期段階の動作であり、発電中は混合液が気化用導入路１４に供給され続ける。そして、燃料電池から排出されたオフガスに空気が混合され、その混合気（以下、燃焼混合気という。）が燃焼混合気導入路２２及び燃焼混合気導入路１８に供給される。燃焼混合気導入路２２に供給された燃焼混合気は第一燃焼器５０４の燃焼用流路２６に流れ込み、燃焼混合気が燃焼する。これにより低温反応部６の下側において外部流通管１０を周回している第一燃焼器５０４が外部流通管１０を加熱するとともに低温反応部６を低温に加熱する。そのため、電熱線１７０，１７４の消費電力を小さくすることができ、エネルギーの利用効率が高まる。

燃焼混合気導入路２２に供給された燃焼混合気は、図６に示すように、外部流通管１０の外周を周回するように三枚の燃焼器プレート１２の各燃焼用流路２６に分岐されて排ガス排出路２０に達する。このとき、当該燃焼混合気中の燃焼成分は、燃焼器プレート１２に塗布された燃焼用触媒の触媒効果を受けて燃焼混合気中の酸素により燃焼し発熱する。そして、その燃焼熱は、図２０における矢印に示すように、燃焼器プレート１２から、直接、一酸化炭素除去器５１２に伝搬したり、また直接、外部流通管１０に伝導し、外部流通管１０を加熱して液体燃料と水の混合気を吸液材３３から蒸散させてから一酸化炭素除去器５１２に伝搬したりする。

このとき、第一燃焼器５０４（燃焼器プレート１２）における一酸化炭素除去器５１２（ベースプレート２８）との対向面積は、気化器５０２（外部流通管１０）との対向面積よりも大きいので一酸化炭素除去器５１２を、気化器５０２よりも高温に加熱できるように温度勾配を持たせることが可能となる。第一燃焼器５０４が動作している間は、電熱線１７０，１７４の消費電力を小さくすることができ、エネルギーの利用効率が高まる。

一方、燃焼混合気導入路１８に供給された燃焼混合気は第二燃焼器５０８の燃焼室１３８，１４０へ流れ込み、燃焼混合気が燃焼する。これにより燃焼熱が発生し、第二燃焼器５０８の下の第一改質器５０６及び第二燃焼器５０８の上の第二改質器５１０を高温に加熱する。第二燃焼器５０８は上下に第一改質器５０６及び第二改質器５１０に挟まれているので、面方向に効率的に熱伝搬できるとともに断熱パッケージ２００で封止されている空間に露出している部分が少ないので熱損失が少なく、電熱線１７２の消費電力を小さくすることができ、エネルギーの利用効率が高まる。また燃焼性のある水素を、マイクロリアクタモジュール１や燃料電池を備えた発電ユニットの外に、高濃度に排出しないので安全性を向上することができる。

なお、燃料容器に貯留されている液体燃料（例えば、メタノール）が気化されて、その気化された液体燃料を燃焼源として酸素（空気）と混合した燃焼混合気が燃焼混合気導入路１８，２２に供給されるようにしても良い。

混合液が気化用導入路１４に供給された状態であって、燃焼混合気が燃焼混合気導入路１８，２２に供給された状態において、制御装置が電熱線１７０，１７２，１７４の抵抗によって温度を測定しながら、電熱線１７０，１７２，１７４の印加電圧を制御するとともに、ポンプ等を制御する。制御装置によってポンプが制御されると、燃焼混合気導入路１８，２２に供給される燃焼混合気の流量が制御され、これにより燃焼器５０４，５０８の燃焼熱量が制御される。このように制御装置が電熱線１７０，１７２，１７４及びポンプを制御することによって、それぞれ高温反応部４及び低温反応部６及び給排部２の温度制御がなされる。

ここで、高温反応部４が２５０℃〜４００℃、好ましくは３００℃〜３８０℃、低温反応部６が高温反応部４より低い温度、具体的には１２０℃〜２００℃、さらに好ましくは１４０℃〜１８０℃となるよう、温度制御を行う。より詳細には、図１５に示すように、低温反応部６の底板５３近傍に位置する線Ｌ１が１５０℃、吸液材３３の上端に位置する線Ｌ２が１２０℃、ベースプレート２０４の外表面の位置の線Ｌ３が８０℃、吸液材３３の下部に位置する線Ｌ４が６５℃となるような温度分布となることが好ましい。

つまり、断熱パッケージ２００内を高温に保持するとともに、断熱パッケージ２００外に放熱する熱量を抑制するために断熱パッケージ２００から露出している外部流通管１０及び配線群１９７を高温反応部４側ではなく低温反応部６側に設けている。さらに第一燃焼器５０４の燃焼熱が外部流通管１０に伝搬して、気化用導入路１４内の吸液材３３を下から上に向かうに従って徐々に温度を高くして効率的に燃料を気化できるように、第一燃焼器５０４が吸液材３３の上部の周囲のみに配置されている。

また、気化用導入路１４内の吸液材３３に吸い込まれた燃料や空気用導入路１６から導入される空気は、それぞれ高温反応部４や低温反応部６に到達する前に、第一燃焼器５０４の燃焼熱のみばかりでなく、予め排ガス排出路２０及び水素ガス用排出路２４から排出されるガスの熱によって加熱されている。同様に、燃焼混合気導入路１８や燃焼混合気導入路２２からそれぞれ導入される混合気は、第二燃焼器５０８や第一燃焼器５０４に到達する前に、予め排ガス排出路２０及び水素ガス用排出路２４から排出されるガスの熱によって加熱されている。

したがって、気化用導入路１４、空気用導入路１６、燃焼混合気導入路１８及び燃焼混合気導入路２２の流体を、排ガス排出路２０及び水素ガス用排出路２４の流体の熱で加熱しながら、排ガス排出路２０及び水素ガス用排出路２４の流体を、気化用導入路１４、空気用導入路１６、燃焼混合気導入路１８及び燃焼混合気導入路２２の流体で冷却するので、効率的な熱交換が行うことができる。このため、排ガス排出路２０及び水素ガス用排出路２４の流体を冷却する冷却手段を別途用いなくてよい或いは冷却手段を小型化することができる。

図２１に示すように、以上のような反応装置１０００は、発電ユニット６０１に組み付けて用いることができる。この発電ユニット６０１は、フレーム６０２と、フレーム６０２に対して着脱可能な燃料容器６０４と、流路、ポンプ、流量センサ及びバルブ等を有する流量制御ユニット６０６と、断熱パッケージ２００に収容された状態のマイクロリアクタモジュール１（反応装置１０００）と、燃料電池、燃料電池を加湿する加湿器及び燃料電池で生成された副生成物を回収する回収器等を有する発電モジュール６０８と、マイクロリアクタモジュール１及び発電モジュール６０８に空気（酸素）を供給するエアポンプ６１０と、二次電池、ＤＣ−ＤＣコンバータ及び発電ユニット６０１が発電ユニット６０１の出力で駆動する外部の機器と電気的に接続するための外部インターフェース等を有する電源ユニット６１２とを具備する。流量制御ユニット６０６によって燃料容器６０４内の水と液体燃料の混合気がマイクロリアクタモジュール１に供給されることで、上述のように水素リッチガスが生成され、水素リッチガスが燃料電池である発電モジュール６０８の燃料極に供給され、生成された電気が電源ユニット６１２の二次電池に蓄電される。

図２２は、発電ユニット６０１を電源として用いた電子機器７０１の斜視図である。図２２に示すように、この電子機器７０１は、携帯型の電子機器であって、特にノート型パーソナルコンピュータである。電子機器７０１は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、その他の電子部品から構成された演算処理回路を内蔵するとともにキーボード７０２を備え付けた下筐体７０４と、液晶ディスプレイ７０６を備え付けた上筐体７０８と、を備える。下筐体７０４と上筐体７０８はヒンジ部７１２で結合されており、上筐体７０８を下筐体７０４に重ねてキーボード７０２に液晶ディスプレイ７０６を相対させた状態で折り畳むことができるように構成されている。下筐体７０４の右側面から底面にかけて、発電ユニット６０１を装着するための装着部７１０が凹設され、装着部７１０に発電ユニット６０１を装着すると、発電ユニット６０１の電気によって電子機器７０１が動作する。

以上のように本実施の形態によれば、外部流通管１０に充填された吸液材３３内の混合液が蒸散する場合にその混合液の気化工程に際して気化熱を要する。第一燃焼器５０４が外部流通管１０の外周を周回するように配され、かつ、当該第一燃焼器５０４が燃焼用流路２６で燃焼混合気を燃焼させて発熱するから、その燃焼熱が外部流通管１０を介して吸液材３３の先端近傍に伝搬され、吸液材３３で吸着された液体燃料や水を気化する。吸液材３３における気化した部分つまり先端部分では、下方の液体燃料や水が吸い上げられ継続的に気化することが可能となる。このとき、吸い上げられた液体燃料や水は図１５に示すように、徐々に加熱されて気化するようにしているので、吸液材３３内での突沸が起きることがなく、定量的に気化することが可能となる。

また、燃焼器プレート１２は外部流通管１０の上端部において外部流通管１０の周囲に設けられているので、更に気化用導入路１４内の吸液材３３が燃焼器プレート１２の高さの位置まで充填されているから、第一燃焼器５０４における燃焼熱を混合液の気化に効率よく用いることができる。

更に、本実施の形態によれば、断熱パッケージ２００の内部空間が断熱空間となっており、高温反応部４が低温反応部６から離れ、高温反応部４から低温反応部６までの間隔が連結管８の長さ分となっている。従って、高温反応部４から低温反応部６への伝熱の経路が連結管８に限られ、高温を要しない低温反応部６への伝熱が限定される。特に、連結管８の高さ及び幅は高温反応部４と低温反応部６の高さ及び幅よりも小さいから、連結管８を通じた熱伝導も極力抑えられている。そのため、高温反応部４の熱損失を抑えることができるとともに、低温反応部６が設定温度以上に昇温することも抑えることができる。即ち、１つの断熱パッケージ２００内に高温反応部４と低温反応部６を収容した場合でも、高温反応部４と低温反応部６の間で温度差を発生することができる。

また、連結流路１６２，１６４，１６６，１６８を１本の連結管８にまとめた状態とされているので、連結管８等に発生する応力を小さくすることができる。つまり、高温反応部４と低温反応部６との間には温度差があるから、低温反応部６よりも高温反応部４のほうがより膨張するが、高温反応部４が連結管８との連結部以外は自由端となっているので、連結管８等に発生する応力を抑えることができる。特に、連結管８は高さや幅が高温反応部４や低温反応部６よりも小さく、更に連結管８は高温反応部４及び低温反応部６の幅方向中央部において高温反応部４及び低温反応部６に連結しているから、連結管８、高温反応部４及び低温反応部６の応力発生を抑えることができる。
低温反応部６と断熱パッケージ２００との間においても一本の外部流通管１０が連結されているから、外部流通管１０等に発生する応力を小さくすることができる。

なお、仮に流路１６２，１６４，１６６，１６８を別々の連結管材に設け、これら連結管材を離した状態で高温反応部４と低温反応部６との間に架設すると、低温反応部６と高温反応部４の変位差によってこれら連結管材、低温反応部６、高温反応部４に応力が発生してしまう。また、高温反応部４の高温時と低温時との温度差が、低温反応部６の高温時と低温時との温度差よりも大きいために、高温反応部４側に外部流通管材を配置すると、管材の熱膨張、収縮が、低温反応部６側に外部流通管材を配置したときの管材の熱膨張、収縮よりも大きくなるので、断熱パッケージ２００内の気密性が損なわれやすくなる。本実施形態では、そのような応力の発生を抑え、気密性を保持することができる。

外部流通管１０、リード線１７６，１７８，１８０，１８２，１８４，１８６，１９２，１９４は断熱パッケージ２００の外側に延出しているが、これらは全て低温反応部６に連結されている。そのため、高温反応部４から断熱パッケージ２００外への直接の放熱を抑えることができ、高温反応部４の熱損失を抑えることができる。従って、１つの断熱パッケージ２００内に高温反応部４と低温反応部６を収容した場合でも、高温反応部４と低温反応部６の間で温度差を発生することができる。特に、気化用導入路１４、空気用導入路１６、燃焼混合気導入路１８、排ガス排出路２０、燃焼混合気導入路２２及び水素ガス用排出路２４が１本の外部流通管１０にまとめて設けられているから、管の露出している表面の面積が抑えられ、管の表面から断熱パッケージ２００外へ放熱を抑えることができ、熱損失を抑えることができる。

連結管８の下面、高温反応部４の下面及び低温反応部６の下面が面一となって段差がないため、電熱線１７２を比較的簡単にパターニングすることができ、電熱線１７２の断線を抑えることができる。

また、外部流通管１０の気化用導入路１４に吸液材３３を充填させて、気化用導入路１４を気化器５０２としたので、マイクロリアクタモジュール１の小型化・簡略化を図りつつ、混合液の気化に必要な温度状態（気化用導入路１４の上部が１２０℃となる状態）とすることができる。

また、第一改質器５０６と第二改質器５１０との間に第二燃焼器５０８を挟んだ構造としているため、第二燃焼器５０８の燃焼熱が第一改質器５０６と第二改質器５１０に均等に伝導し、第一改質器５０６と第二改質器５１０との間に温度差が生じない。

給排部２、高温反応部４、低温反応部６及び連結管８のどの部分においても、流路を仕切る隔壁が薄くされているので、これらの熱容量を小さくすることができ、動作の初期段階において給排部２、高温反応部４、低温反応部６及び連結管８を室温から高温にすぐに温めることができる。更に、電熱線１７０，１７２，１７４の消費電力も下げることができる。

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変更をおこなってもよい。

例えば、一の改良・設計変更事項として、上記第一燃焼器５０４と電熱線１７４とに代えて、図２３に示すように、外部流通管１０の外周を周回するようにその外周からやや離間させた状態で電熱線１７５をパターニングし、その電熱線１７５の両端部にそれぞれリード線１８４，１８６を接続するような構成としてもよい。この場合において、リード線１８４，１８６の間に電圧が印加されると、電熱線１７５が発熱して、その熱が低温反応部６のベースプレート２８等の部材を介して外部流通管１０の周りから外部流通管１０に伝導し、外部流通管１０の周りに第一燃焼器５０４を配したときと同様に、外部流通管１０を効率的に加熱することができる。

他の改良・設計変更事項として、上記の通り電熱線１７５を配するのに加えて、その電熱線１７５を覆うように上記第一燃焼器５０４を配し、電熱線１７５と第一燃焼器５０４との２つの加熱源を用いて外部流通管１０を加熱するような構成としてもよい。

斜め上から示したマイクロリアクタモジュール１の斜視図である。 斜め下から示したマイクロリアクタモジュール１の斜視図である。 マイクロリアクタモジュール１の側面図である。 マイクロリアクタモジュール１を機能ごとに分けた場合の概略側面図である。 マイクロリアクタモジュール１の分解斜視図である。 第一燃焼器５０４を示す斜視図である。 第一燃焼器５０４の分解斜視図である。 図３の切断線VIII−VIIIに沿った面の矢視断面図である。 図３の切断線IX−IXに沿った面の矢視断面図である。 図３の切断線X−Xに沿った面の矢視断面図である。 図３の切断線XI−XIに沿った面の矢視断面図である。 図３の切断線XII−XIIに沿った面の矢視断面図である。 図３の切断線XIII−XIIIに沿った面の矢視断面図である。 図３の切断線XIV−XIVに沿った面の矢視断面図である。 図９の切断線XV−XVに沿った面の矢視断面図である。 液体燃料と水が供給されてから、生成物である水素リッチガスが排出されるまでの経路を示した図面である。 燃焼混合気が供給されてから、生成物である水等が排出されるまでの経路を示した図面である。 反応装置１０００の分解斜視図である。 斜め下から示した反応装置１０００の斜視図である。 第一燃焼器５０４から外部流通管１０を通じて熱が伝導される様子を示す側面断面図である。 発電ユニット６０１の斜視図である。 電子機器７０１の斜視図である。 マイクロリアクタモジュール１の変形例を示す図面である。

符号の説明

１０００ 反応装置
４ 高温反応部
６ 低温反応部
５０２ 気化器
１４ 気化用導入路
２０ 排ガス排出路
２２ 燃焼混合気導入路
２４ 水素ガス用排出路
５０４ 第一燃焼器（燃焼器）
１２ 燃焼器プレート
２６ 燃焼用流路
１７５ 電熱線

Claims (7)

1. 液体燃料を気化させる気化器と、
   燃焼源を燃焼させて発熱する燃焼器とを備え、
   前記燃焼器が前記気化器を周回するように配され、
   前記気化器は、前記液体燃料を吸液する吸液材を含む気化用導入路を有し、
   前記燃焼器は、前記気化器により気化された液体燃料を改質するための高温反応部及び前記高温反応部の生成物から一酸化炭素を除去するための低温反応部を備える反応路のうちの前記低温反応部を加熱することを特徴とする反応装置。
2. 請求項１に記載の反応装置において、
   前記燃焼器が前記燃焼源の燃焼反応を促進する燃焼用触媒を有することを特徴とする反応装置。
3. 請求項２に記載の反応装置において、
   前記燃焼器が前記燃焼源を流通させる燃焼用流路を有し、
   前記燃焼用触媒が前記燃焼用流路の底面と側面とに塗布されていることを特徴とする反応装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の反応装置において、
   前記燃焼器が、前記燃焼源を流通させる燃焼用流路が形成された燃焼器プレートを有し、複数の前記燃焼器プレートを積層した構造を有していることを特徴とする反応装置。
5. 請求項１に記載の反応装置において、
   前記気化器は、液体燃料を導入するための気化用導入路及び前記反応路によって生成された水素ガスを排出するための水素ガス用排出路を備えることを特徴とする反応装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の反応装置において、
   前記気化器は、前記燃焼器に燃焼源を導入するための燃焼混合気導入路及び前記燃焼器で燃焼した際に生じる排ガスを排出するための排ガス排出路を備えることを特徴とする反応装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の反応装置において、
   電力の供給を受けて発熱する電熱線をさらに備え、
   前記電熱線が前記気化器を周回するように配されていることを特徴とする反応装置。

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