JP2004331434A - Microreacter for hydrogen production and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素製造用改質器に使用するマイクロリアクター、特にメタノール等の原料を改質して水素ガスを得るためのマイクロリアクターと、このマイクロリアクターの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
【特許文献1】特開2002−252014号公報
近年、地球環境保護の観点で二酸化炭素等の地球温暖化ガスの発生がなく、また、エネルギー効率が高いことから、水素を燃料とすることが注目されている。特に、燃料電池は水素を直接電力に変換できることや、発生する熱を利用するコジェネレーションシステムにおいて高いエネルギー変換効率が可能なことから注目されている。これまで燃料電池は宇宙開発や海洋開発等の特殊な条件において採用されてきたが、最近では自動車や家庭用分散電源用途への開発が進んでおり、また、携帯機器用の燃料電池も開発されている。
【0003】
燃料電池の中で、天然ガス、ガソリン、ブタンガス、メタノール等の炭化水素系燃料を改質して得られる水素ガスと、空気中の酸素とを電気化学的に反応させて電気を取り出す燃料電池は、一般に炭化水素系燃料を水蒸気改質して水素ガスを生成する改質器と、電気を発生させる燃料電池本体等で構成される。
メタノール等を原料として水蒸気改質により水素ガスを得るための改質器では、主にCu−Zn系触媒を使用し、吸熱反応により原料の水蒸気改質が行われる。産業用の燃料電池では、起動・停止が頻繁に行われることがないため、改質器の温度変動は生じにくい。しかし、自動車用や携帯機器用の燃料電池では、起動・停止が頻繁に行われるため、停止状態から始動したときの改質器の立ち上がりが速い(原料の水蒸気改質温度に達するまでの時間が短い)ことが要求される。
一方、特に携帯機器用では、燃料電池の小型化が必須であり、改質器の小型化が種々検討されている。例えば、シリコン基板やセラミックス基板にマイクロチャネルを形成し、このマイクロチャネル内に触媒を担持したマイクロリアクターが開発されている(特許文献1)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のマイクロリアクターは、熱の利用効率が悪く、停止状態から始動したときの改質器の立ち上がり速度が遅いという問題があった。また、マイクロマシーンによる加工等を必要とし、製造コストが高いという問題もあった。
本発明は上述のような事情に鑑みてなされたものであり、小型高効率であり、かつ、機械的安定性に優れた水素製造用改質器を可能とするマイクロリアクターと、このマイクロリアクターを簡便に製造することが可能な製造方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明は、原料を改質して水素ガスを得るためのマイクロリアクターにおいて、一方の面に微細溝部を備えたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属基板と、該微細溝部内に担持された触媒と、前記微細溝部を覆うように前記金属基板に接合され原料導入口とガス排出口を有するカバー部材とを備え、前記カバー部材はアルミニウムおよびアルミニウム合金のいずれかであり、かつ、少なくとも前記金属基板との接合面に表面処理層を有するような構成とした。
【0006】
本発明の他の態様として、カバー部材が有する前記表面処理層は亜鉛、スズ、金および銅の少なくとも1種を含有するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属基板は、前記微細溝部形成面の反対側の面に絶縁膜を介して発熱体を備えるような構成、前記絶縁膜は前記金属基板を陽極酸化して形成した金属酸化膜であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記微細溝部内にも前記金属酸化膜が形成されているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記発熱体の電極を露出させて前記発熱体を被覆するように設けられた発熱体保護層を備えるような構成とした。
【0007】
また、本発明は、原料を改質して水素ガスを得るためのマイクロリアクターの製造方法において、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属基板の一方の面に微細溝部を形成する溝部形成工程と、前記微細溝部内に触媒を担持する触媒担持工程と、原料導入口とガス排出口が形成されたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるカバー部材の少なくとも前記金属基板と接合される面に表面処理層を形成する表面処理工程と、前記カバー部材を、前記微細溝部を覆うように前記金属基板に拡散接合する接合工程と、を有するような構成とした。
【0008】
本発明の他の態様として、前記表面処理工程は、亜鉛、スズ、金および銅の少なくとも1種を含有する薄膜を形成する工程であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記表面処理工程は、ダブルジンケート処理であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記溝部形成工程と前記触媒担持工程との間に、少なくとも前記微細溝部が形成されていない前記金属基板面上に絶縁膜を設ける絶縁膜形成工程と、前記絶縁膜上に発熱体を設ける発熱体配設工程と、を有するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記絶縁膜形成工程は、前記金属基板を陽極酸化して金属酸化膜を形成する工程であるような構成とした。
【0009】
上記のような本発明では、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属基板の熱伝導率が高く、熱容量が小さいので、発熱体から担持触媒へ熱が高効率で伝達され、また、金属基板とカバー部材との間に介在する表面処理層が両者の密着性を向上させる作用をなす。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
マイクロリアクター
図1は本発明のマイクロリアクターの一実施形態を示す斜視図であり、図2は図1に示されるマイクロリアクターのII−II線における拡大縦断面図である。図1および図2において、本発明のマイクロリアクター1は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属基板2と、この金属基板2の一方の面2aに形成された微細溝部3と、この微細溝部3内部および金属基板2の両面2a,2bと側面2cに形成された金属酸化膜からなる絶縁膜4と、金属基板2の表面2b上に絶縁膜4を介して設けられた発熱体5と、微細溝部3内に担持された触媒Cと、上記微細溝部3を覆うように金属基板2に接合されたカバー部材8と、を備えている。また、発熱体5には電極6,6が形成され、この電極6,6が露出するような電極開口部7a,7aを有する発熱体保護層7が、発熱体5を覆うように設けられている。また、上記カバー部材8はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、原料導入口8aとガス排出口8bが設けられているとともに、両面に表面処理層9を備えている。そして、この表面処理層9を介してカバー部材8が金属基板2に接合されており、両者の接合面には絶縁膜4は存在しない。
【0011】
図3は、図1に示されるマイクロリアクター1の金属基板2の微細溝部3形成面側を示す斜視図である。図3に示されるように、微細溝部3は櫛状のリブ2A,2Bを残すように形成され、端部3aから端部3bまで連続する形状である。そして、カバー部材8の原料導入口8aを端部3aに位置させ、ガス排出口8bを端部3bに位置させることにより、原料導入口8aからガス排出口8bまで連続した流路が構成される。
本発明のマイクロリアクター1を構成する金属基板2は、上述のようにアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる。アルミニウム合金としては、JIS1000、2000、3000、5000、6000、7000番台の材料等を使用することができる。このような金属基板2は、陽極酸化により金属酸化膜(絶縁膜4)を形成することができ、さらに、加工適性や、熱容量、熱伝導率等の特性、単価の点から好ましく使用される。金属基板2の厚みは、マイクロリアクター1の大きさ、使用する金属材料の熱容量、熱伝導率等の特性、形成する微細溝部3の大きさ等を考慮して適宜設定することができるが、例えば、50〜2000μm程度の範囲で設定することができる。
【0012】
このような金属基板2への陽極酸化による金属酸化膜(絶縁膜4)の形成は、金属基板2を外部電極の陽極に接続した状態で、陽極酸化溶液に浸漬して陰極と対向させ通電することにより行うことができる。金属酸化膜(絶縁膜4)の厚みは、例えば、5〜150μm程度の範囲で設定することができる。
金属基板2に形成される微細溝部3は、図3に示されるような形状に限定されるものではなく、微細溝部3内に担持する触媒Cの量が多くなり、かつ、原料が触媒Cと接触する流路長が長くなるような任意の形状とすることができる。通常、微細溝部3の深さは100〜1000μm程度の範囲内、幅は100〜1000μm程度の範囲内で設定することができ、流路長は30〜300mm程度の範囲とすることができる。
【0013】
本発明では、微細溝部3内部にも金属酸化膜からなる絶縁膜4が形成されているので、微細孔を有する金属酸化膜の表面構造により、触媒Cの担持量が増大するとともに、安定した触媒担持が可能となる。
触媒Cとしては、従来から水蒸気改質に使用されている公知の触媒を使用することができる。
本発明のマイクロリアクター1を構成する発熱体5は、吸熱反応である原料の水蒸気改質に必要な熱を供給するためのものであり、カーボンペースト、ニクロム(Ni−Cr合金)、W(タングステン)、Mo(モリブデン)等の材質を使用することができる。この発熱体5は、例えば、幅10〜200μm程度の細線を、微細溝部3が形成されている領域に相当する金属基板面2b(絶縁膜4)上の領域全面に引き回したような形状とすることができる。
【0014】
このような発熱体5には、通電用の電極6,6が形成されている。通電用の電極6,6は、Au、Ag、Pd、Pd−Ag等の導電材料を用いて形成することができる。
発熱体保護層7は、上記の電極6,6を露出させるための電極開口部7a,7aを有し、発熱体5を覆うように配設されている。この発熱体保護層7は、例えば、感光性ポリイミド、ワニス状のポリイミド等により形成することができる。また、発熱体保護層7の厚みは、使用する材料等を考慮して適宜設定することができるが、例えば、2〜25μm程度の範囲で設定することができる。
【0015】
本発明のマイクロリアクター1を構成するカバー部材8は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、両面に表面処理層9を備えている。アルミニウム合金としては、JIS1000、2000、3000、5000、6000、7000番台の材料等を使用することができる。表面処理層9は、亜鉛、スズ、金および銅の少なくとも1種を含有する層であってよく、特にジンケート処理、ダブルジンケート処理により形成した亜鉛薄膜が好ましい。カバー部材8の厚みは、使用する材料等を考慮して適宜設定することができ、例えば、220〜3000μm程度の範囲で設定することができ、表面処理層9の厚みは、例えば、2〜100μm程度の範囲で設定することができる。また、カバー部材8が備える原料導入口8aとガス排出口8bは、金属基板2に形成された微細溝部3の流路の両端部3a,3bに位置するように設けられている。
【0016】
図4は、本発明のマイクロリアクターの他の実施形態を示す図2相当の縦断面図である。図4において、本発明のマイクロリアクター1′は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属基板2′と、この金属基板2′の一方の面2′aに形成された微細溝部3と、金属基板2′の他の面2′bに形成された絶縁膜4′と、金属基板2′の表面2′b上に絶縁膜4′を介して設けられた発熱体5と、微細溝部3内に担持された触媒Cと、上記微細溝部3を覆うように金属基板2′に接合されたカバー部材8と、を備えている。また、発熱体5には電極6,6が形成され、この電極6,6が露出するような電極開口部7a,7aを有する発熱体保護層7が、発熱体5を覆うように設けられている。また、上記カバー部材8はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、原料導入口8aとガス排出口8bが設けられているとともに、両面に表面処理層9を備えている。そして、この表面処理層9を介してカバー部材8は金属基板2に接合されている。
【0017】
このようなマイクロリアクター1′は、金属部材2′、絶縁層4′が異なる点、および、微細溝部3内に金属酸化膜(絶縁層4)が形成されていない点を除いて、上述のマイクロリアクター1と同様であり、同じ構成部材には同じ部材番号を付し、説明は省略する。
本発明のマイクロリアクター1′を構成する金属基板2′は、上述のようにアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、厚みは、マイクロリアクター1′の大きさ、使用する金属の熱容量、熱伝導率等の特性、形成する微細溝部3の大きさ等を考慮して適宜設定することができるが、例えば、50〜2000μm程度の範囲で設定することができる。
【0018】
金属基板2′の面2′bに形成された絶縁膜4′は、例えば、ポリイミド、セラミック(Al2O3、SiO2)等により形成されたものとすることができる。このような絶縁膜4′の厚みは、使用する材料の特性等を考慮して適宜設定することができ、例えば、1〜30μm程度の範囲で設定することができる。
上述のような本発明のマイクロリアクター1,1′は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属基板2,2′を使用しており、これらはシリコン基板やセラミックス基板に比べて、熱伝導率が高く熱容量が小さいので、発熱体5から担持触媒Cへ高効率で熱が伝達され、停止状態から始動したときの立ち上がりが速く、かつ、発熱体への投入電力の利用効率の高い水素製造用改質器が可能となる。また、金属基板2,2′とカバー部材8との間に介在する表面処理層9により両者が強固に接合されているので、マイクロリアクター1,1′は機械的安定性に優れたものとなる。
【0019】
本発明のマイクロリアクターは、水素製造用改質器において、原料の混合・気化器、改質器、CO除去器のいずれにも使用することができる。
尚、上述のマイクロリアクターの実施形態は一例であり、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、カバー部材8は両面に表面処理層9を備えているが、金属基板2,2′との接合される面のみに表面処理層9を備えるものであってもよい。
【0020】
マイクロリアクターの製造方法
図5および図6は本発明のマイクロリアクター製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。
図5、図6では、上述のマイクロリアクター1を例にして説明する。本発明の製造方法では、まず、溝部形成工程において、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属基板2の一方の面2aに微細溝部3を形成する(図5(A))。この微細溝部3は、金属基板2の面2aに所定の開口パターンを有するレジストを形成し、このレジストをマスクとしてウエットエッチングにより櫛状のリブ2A,2Bを残すように金属基板2をエッチングして形成することができ、マイクロマシーンによる加工を不要とすることができる。
【0021】
次に、絶縁膜形成工程のおいて、微細溝部3を形成した金属基板2を陽極酸化して、微細溝部3内部を含む全面に金属酸化膜(絶縁膜4)を形成する(図5(B))。この金属酸化膜(絶縁膜4)の形成は、金属基板2を外部電極の陽極に接続した状態で、陽極酸化溶液に浸漬して陰極と対向させ通電することにより行うことができる。
次いで、発熱体配設工程にて、微細溝部3が形成されていない金属基板2の面2bの金属酸化膜(絶縁膜4)上に発熱体5を設け、さらに、通電用の電極6,6を形成する(図5(C))。発熱体5は、カーボンペースト、ニクロム(Ni−Cr合金)、W、Mo等の材質を使用して形成することができる。発熱体5の形成方法としては、上記の材料を含有するペーストを用いてスクリーン印刷により形成する方法、上記の材料を含有するペーストを用いて塗布膜を形成し、その後、エッチング等によりパターニングする方法、上記材料を用いて真空成膜法により薄膜を形成し、その後、エッチング等によりパターニングする方法等を挙げることができる。
【0022】
また、通電用の電極6,6は、Au、Ag、Pd、Pd−Ag等の導電材料を用いて形成することができ、例えば、上記の導電材料を含有するペーストを用いてスクリーン印刷により形成することができる。
次に、電極6,6が露出するように発熱体保護層7を発熱体5上に形成する(図5(D))。発熱体保護層7は、ポリイミド、セラミック(Al2O3、SiO2)等の材料を用いて形成することができ、例えば、上記材料を含有するペーストを用いてスクリーン印刷により電極開口部7a,7aを有するパターンで形成することができる。
【0023】
次いで、触媒担持工程において、微細溝部3内に触媒Cを担持させる(図6(A))。この触媒担持は、金属基板2の微細溝部3が形成されている面2aを、所望の触媒溶液内に浸漬して行うことができる。その後、金属基板2を研磨して金属基板2の面2aを露出させる(図6(B))。
一方、表面処理工程において、カバー部材8の少なくとも金属基板2と接合される面(図示例では、カバー部材8の両面)に表面処理層9を形成する(図6(C))。カバー部材8は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、原料導入口8aとガス排出口8bを有するものであり、表面処理層9としては、亜鉛、スズ、金および銅の少なくとも1種を含有する層を形成する。例えば、ジンケート処理、あるいは、ダブルジンケート処理により亜鉛薄膜を表面処理層9として形成することができる。ジンケート処理やダブルジンケート処理には特に制限はなく、アルミニウムに対する従来公知のジンケート処理、ダブルジンケート処理の条件により行うことができる。また、スズ、金および銅の少なくとも1種を含有する層は、従来公知の置換めっきにより形成することができる。
【0024】
次いで、接合工程において、カバー部材8を表面処理層9を介して金属基板面2aに接合して本発明のマイクロリアクター1を得ることができる(図6(D))。カバー部材8の金属基板面2aへの接合は、例えば、拡散接合等により行うことができる。拡散接合を用いる場合、接合条件として、圧力30〜300kg/cm2、温度350〜450℃の範囲で設定することができる。
尚、接合工程では、カバー部材8に設けられている原料導入口8aとガス排出口8bが、金属基板2に形成された微細溝部3の流路の両端部に一致するように位置合わせをする。
【0025】
図7および図8は本発明のマイクロリアクター製造方法の他の実施形態を説明するための工程図である。
図7、図8では、上述のマイクロリアクター1′を例にして説明する。本発明の製造方法では、まず、溝部形成工程にて、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属基板2′の一方の面2′aに微細溝部3を形成する(図7(A))。この微細溝部3の形成は、上述の金属基板2への微細溝部3の形成と同様にして行うことができる。
次に、絶縁膜形成工程において、微細溝部3が形成されていない金属基板2′の面2′b上に絶縁膜4′を形成する(図7(B))。この絶縁膜4′は、例えば、ポリイミド、セラミック(Al2O3、SiO2)等を用いて形成することができる。絶縁膜4′の形成は、例えば、上記の絶縁材料を含有するペーストを用いたスクリーン印刷等の印刷法により、あるいは、上記絶縁材料を用いたスパッタリング、真空蒸着等の真空成膜法により薄膜を形成し、硬化させることにより行うことができる。
【0026】
次いで、発熱体配設工程において、絶縁膜4′上に発熱体5を設け、さらに、通電用の電極6,6を形成する(図7(C))。このような発熱体5、電極6,6の形成は、上述のマイクロリアクター1の製造方法と同様に行うことができる。
次に、電極6,6が露出するように発熱体保護層7を発熱体5上に形成する(図7(D))。この発熱体保護層7の形成は、上述のマイクロリアクター1の製造方法と同様に行うことができる。
次いで、触媒担持工程にて、微細溝部3内に触媒Cを担持させる(図8(A))。この触媒担持は、金属基板2′の微細溝部3が形成されている面2′aを、所望の触媒溶液内に浸漬して行うことができる。その後、金属基板2′を研磨して金属基板面2′aを露出させる(図8(B))。
【0027】
一方、表面処理工程において、カバー部材8の少なくとも金属基板2′と接合される面(図示例では、カバー部材8の両面)に表面処理層9を形成する(図8(C))。このカバー部材8の表面処理工程は、上述のマイクロリアクター1の製造方法と同様に行うことができる。
次いで、接合工程において、カバー部材8を金属基板面2′aに接合して本発明のマイクロリアクター1′を得ることができる(図8(D))。このカバー部材8の接合は、上述のマイクロリアクター1の製造方法と同様に行うことができる。
【0028】
このような本発明のマイクロリアクター製造方法では、金属基板を使用するので、微細溝部の形成でマイクロマシーン加工を行う必要がなく、エッチング加工等の安価な加工方法により容易に行うことができ、マイクロリアクターの製造コスト低減が可能となる。また、金属基板との接合の前に予めカバー部材に表面処理層を形成するので、両者を強固に接合することができる。
尚、上述のマイクロリアクター製造方法の実施形態は一例であり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0029】
【実施例】
次に、より具体的な実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
[実施例]
基材として厚み1000μmのアルミニウム基板(250mm×250mm)を準備し、このアルミニウム基板の両面に感光性レジスト材料(東京応化工業(株)製OFPR)をディップ法により塗布(膜厚7μm(乾燥時))した。次に、アルミニウム基板の微細溝部を形成する側のレジスト塗膜上に、幅1500μmのストライプ状の遮光部がピッチ2000μmで左右から交互に突出(突出長30mm)した形状のフォトマスクを配し、このフォトマスクを介してレジスト塗布膜を露光し、炭酸水素ナトリウム溶液を使用して現像した。これにより、アルミニウム基板の一方の面には、幅500μmのストライプ状の開口部がピッチ2000μmで配列され、隣接するストライプ状の開口部が、その端部において交互に連続するようなレジストパターンが形成された。
【0030】
次に、上記のレジストパターンをマスクとして、下記の条件でアルミニウム基板をエッチングした。このエッチングは、アルミニウム基板の一方の面からハーフエッチングにより微細溝部を形成するものであり、エッチングに要した時間は3分間であった。
(エッチング条件)
・温度 : 20℃
・エッチング液(HCl)濃度: 200g/L(35%HClを純水中に200g溶解して1Lとする)
【0031】
上記のエッチング処理が終了した後、水酸化ナトリウム溶液を用いてレジストパターンを除去し、水洗した。これにより、アルミニウム基板の一方の面に、幅1000μm、深さ650μm、長さ30mmのストライプ形状の微細溝が2000μmのピッチで形成され、隣接する微細溝の端部において交互に連続するような(図3に示されるような)微細溝部(流路長300mm)が8×5面付け(8面付け方向のピッチ25mm、5面付け方向のピッチ35mm)で形成された。(以上、溝部形成工程)
【0032】
次に、上記のアルミニウム基板を外部電極の陽極に接続し、陽極酸化溶液(4%シュウ酸溶液)に浸漬して陰極と対向させ、下記の条件で通電することにより、酸化アルミニウム薄膜を形成して絶縁膜とした。尚、形成した酸化アルミニウム薄膜の厚みをエリプソメーターで測定した結果、約30μmであった。(以上、絶縁膜形成工程)
(陽極酸化の条件)
・浴温 : 25℃
・電圧 : 25V(DC)
・電流密度 : 100A/m2
【0033】
次いで、微細溝部が形成されていないアルミニウム基板の酸化アルミニウム薄膜上に下記組成の発熱体用ペーストをスクリーン印刷により印刷し、200℃で硬化させて発熱体を形成した。形成した発熱体は、幅100μmの細線を、微細溝部が形成されている領域に相当する領域(35mm×25mm)全面を覆うようにアルミニウム基板上に線間隔100μmで引き回したような形状とした。
(発熱体用ペーストの組成)
・カーボン粉末 … 20重量部
・微粉末シリカ … 25重量部
・キシレンフェノール樹脂 … 36重量部
・ブチルカルビトール … 19重量部
【0034】
また、下記組成の電極用ペーストを用いて、スクリーン印刷により発熱体の所定の2ヶ所に電極(0.5mm×0.5mm)を形成した。
(電極用ペーストの組成)
・銀めっき銅粉末 … 90重量部
・フェノール樹脂 … 6.5重量部
・ブチルカルビトール … 3.5重量部
次に、発熱体上に形成された2個の電極を露出するように、下記組成の保護層用ペーストを用いて、スクリーン印刷により発熱体保護層(厚み20μm)を発熱体上に形成した。(以上、発熱体配設工程)
(保護層用ペーストの組成)
・樹脂分濃度 … 30重量部
・シリカフィラー … 10重量部
・ラクトン系溶剤(ペンタ1−4−ラクトン) … 60重量部
【0035】
次いで、アルミニウム基板の微細溝部形成面側を下記組成の触媒水溶液内に浸漬(10分間)し、その後、250℃、6時間の乾燥還元処理を施して、微細溝部内に触媒を担持させた。(以上、触媒担持工程)
(触媒水溶液の組成)
・Al … 41.2重量%
・Cu … 2.6重量%
・Zn … 2.8重量%
【0036】
次に、アルミニウム基板の微細溝部形成面側をアルミナ粉により研磨してアルミニウム面を露出させた。
一方、カバー部材として、厚み100μmのアルミニウム板(250mm×250mm)を準備し、このアルミニウム板に開口部(原料導入口とガス排出口の2個、各開口部の寸法は0.6mm×0.6mm)を8×5面付け(面付けピッチは上記のアルミニウム基板の微細溝部形成と同じものとした)で設けた。その後、脱脂剤(アセトン)を用いてカバー部材に脱脂処理を施し、下記組成のジンケート浴(浴温20℃)に60秒間浸漬して1回目のジンケート処理を施した。次いで、カバー部材を水洗し、50%硝酸水溶液(液温20℃)に30秒間浸漬して1回目のジンケート処理で形成した亜鉛薄膜を除去した。次に、カバー部材を水洗し、上記のジンケート浴(浴温20℃)に30秒間浸漬して2回目のジンケート処理を施して亜鉛薄膜を形成し、その後、水洗した。(以上、表面処理工程)
(ジンケート浴組成)
・酸化亜鉛 … 20g/L
・水酸化ナトリウム … 120g/L
・塩化第二鉄 … 2g/L
・ロッセル塩 … 50g/L
・硝酸ナトリウム … 1g/L
【0037】
次いで、カバー部材をアルミニウム基板面に下記の条件1で拡散接合した。この拡散接合では、カバー部材の各開口部がアルミニウム基板に形成された微細溝部の流路の両端部に一致するように位置合わせを行った。
(拡散接合条件1)
・雰囲気 :真空中
・接合温度 :300℃
・接合時間 :8時間
・接合圧 :50kg/cm2
【0038】
これにより、本発明のマイクロリアクターを得ることができた。得られたマイクロリアクターのアルミニウム基板とカバー部材との接合状態を走査型超音波画像探査装置(SAT)で確認した結果、極めて高い強度で接合されており、また、多面付け(8×5面付け)のピッチ精度が維持されていることが確認された。
【0039】
[比較例]
まず、実施例と同様に、溝部形成工程、絶縁膜形成工程、発熱体配設工程、触媒担持工程を経て、最後に、8×5面付けのアルミニウム基板の微細溝部形成面側をアルミナ粉により研磨してアルミニウム面を露出させた。
次いで、カバー部材として、厚み100μmのアルミニウム板(250mm×250mm)を準備し、このアルミニウム板に開口部(原料導入口とガス排出口の2個、各開口部の寸法は0.6mm×0.6mm)を8×5面付け(面付けピッチは上記のアルミニウム基板の微細溝部形成と同じものとした)で設けた。そして、このカバー部材をアルミニウム基板面に実施例と同様の接合条件で拡散接合した。この拡散接合では、カバー部材の各開口部がアルミニウム基板に形成された微細溝部の流路の両端部に一致するように位置合わせを行った。これにより、比較例のマイクロリアクターを得た。
【0040】
得られたマイクロリアクターのアルミニウム基板とカバー部材との接合状態を実施例と同様の方法で確認した。その結果、実施例と同様の接合条件1で接合したマイクロリアクターでは、アルミニウム基板とカバー部材との剥離が生じ、十分な接合状態が得られていないことが確認された。
【0041】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、マイクロリアクターを構成する金属基板がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、シリコン基板やセラミックス基板に比べて、熱伝導率が高く熱容量が小さいので、担持触媒への熱伝達が高効率で行われ、停止状態から始動したときの立ち上がり速度が速く、かつ、発熱体への投入電力の利用効率の高い水素製造用改質器が可能となる。また、金属基板とカバー部材との間に介在する表面処理層により両者が強固に接合されているので機械的安定性に優れたマイクロリアクターであり、さらに、金属基板への微細溝部の形成は、マイクロマシーンによる加工を必要とせず、エッチング加工等の安価な加工方法により容易に行えるので、マイクロリアクターの製造コスト低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のマイクロリアクターの一実施形態を示す斜視図である。
【図2】図1に示されるマイクロリアクターのII−II線における拡大縦断面図である。
【図3】図1に示されるマイクロリアクターの金属基板の微細溝部形成面側を示す斜視図である。
【図4】本発明のマイクロリアクターの他の実施形態を示す図2相当の縦断面図である。
【図5】本発明のマイクロリアクター製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。
【図6】本発明のマイクロリアクター製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。
【図7】本発明のマイクロリアクター製造方法の他の実施形態を説明するための工程図である。
【図8】本発明のマイクロリアクター製造方法の他の実施形態を説明するための工程図である。
【符号の説明】
1,1′…マイクロリアクター
2,2′…金属基板
3…微細溝部
4…絶縁膜(金属酸化膜)
4′…絶縁膜
5…発熱体
6…電極
7…発熱体保護層
8…カバー部材
9…表面処理層
C…触媒[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a microreactor used in a reformer for hydrogen production, particularly to a microreactor for reforming a raw material such as methanol to obtain hydrogen gas, and a method for producing the microreactor.
[0002]
[Prior art]
[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-252014 In recent years, attention has been paid to using hydrogen as a fuel because there is no generation of global warming gas such as carbon dioxide from the viewpoint of protection of the global environment and energy efficiency is high. Have been. In particular, fuel cells have attracted attention because they can directly convert hydrogen into electric power and can achieve high energy conversion efficiency in cogeneration systems that use generated heat. Until now, fuel cells have been adopted under special conditions such as space development and marine development.Recently, fuel cells for automobiles and homes have been developed, and fuel cells for portable devices have also been developed. ing.
[0003]
In a fuel cell, hydrogen gas obtained by reforming a hydrocarbon-based fuel such as natural gas, gasoline, butane gas, or methanol, and oxygen in the air are electrochemically reacted with each other to extract electricity. The fuel cell system generally includes a reformer that generates hydrogen gas by steam reforming a hydrocarbon-based fuel, and a fuel cell body that generates electricity.
In a reformer for obtaining hydrogen gas by steam reforming using methanol or the like as a raw material, steam reforming of the raw material is performed by an endothermic reaction mainly using a Cu—Zn-based catalyst. In an industrial fuel cell, starting and stopping are not performed frequently, so that the temperature of the reformer hardly fluctuates. However, in the case of fuel cells for automobiles and portable devices, since the starting and stopping are performed frequently, the reformer rises quickly when started from the stopped state (the time required to reach the steam reforming temperature of the raw material is short). Short) is required.
On the other hand, especially for portable equipment, miniaturization of the fuel cell is essential, and various miniaturizations of the reformer are being studied. For example, a microreactor in which a microchannel is formed on a silicon substrate or a ceramic substrate and a catalyst is supported in the microchannel has been developed (Patent Document 1).
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional microreactor has a problem in that the heat utilization efficiency is poor, and the reformer has a low rise speed when started from a stopped state. In addition, there is a problem that processing by a micro machine or the like is required, and the manufacturing cost is high.
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, is a small and highly efficient, and a microreactor that enables a hydrogen production reformer with excellent mechanical stability, and a microreactor. It is an object of the present invention to provide a manufacturing method that can be easily manufactured.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, the present invention provides a microreactor for reforming a raw material to obtain hydrogen gas, comprising a metal substrate made of aluminum or an aluminum alloy having a fine groove on one surface; A catalyst supported in the fine groove portion, comprising a cover member joined to the metal substrate to cover the fine groove portion and having a material inlet and a gas outlet, wherein the cover member is made of any of aluminum and an aluminum alloy And a structure having a surface treatment layer on at least the bonding surface with the metal substrate.
[0006]
As another aspect of the present invention, the surface treatment layer of the cover member is configured to contain at least one of zinc, tin, gold, and copper.
As another aspect of the present invention, the metal substrate is provided with a heating element via an insulating film on a surface opposite to the fine groove portion forming surface, and the insulating film is formed by anodizing the metal substrate. The structure was such that the metal oxide film was formed.
As another aspect of the present invention, the configuration is such that the metal oxide film is also formed in the fine groove.
As another aspect of the present invention, a configuration is provided in which a heating element protection layer is provided so as to expose the electrodes of the heating element and cover the heating element.
[0007]
Further, the present invention provides a method of manufacturing a microreactor for reforming a raw material to obtain hydrogen gas, wherein a groove forming step of forming a fine groove on one surface of a metal substrate made of aluminum or an aluminum alloy; A catalyst supporting step of supporting a catalyst in the groove portion, and a surface treatment of forming a surface treatment layer on at least a surface of the cover member made of aluminum or aluminum alloy having a material inlet and a gas outlet formed thereon, the surface being joined to the metal substrate. And a joining step of diffusing and joining the cover member to the metal substrate so as to cover the fine groove.
[0008]
In another aspect of the present invention, the surface treatment step is a step of forming a thin film containing at least one of zinc, tin, gold and copper.
As another aspect of the present invention, the surface treatment step is configured to be a double zincate treatment.
As another aspect of the present invention, between the groove forming step and the catalyst supporting step, an insulating film forming step of providing an insulating film on at least the metal substrate surface on which the fine groove is not formed; And a heating element providing step of providing a heating element thereon.
In another aspect of the present invention, the insulating film forming step is a step of forming a metal oxide film by anodizing the metal substrate.
[0009]
In the present invention as described above, the heat conductivity of the metal substrate made of aluminum or an aluminum alloy is high and the heat capacity is small, so that heat is transferred from the heating element to the supported catalyst with high efficiency. The surface treatment layer interposed between them functions to improve the adhesion between them.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Microreactor FIG. 1 is a perspective view showing one embodiment of the microreactor of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged vertical sectional view taken along line II-II of the microreactor shown in FIG. 1 and 2, a
[0011]
FIG. 3 is a perspective view showing the micro-reactor 1 shown in FIG. As shown in FIG. 3, the
The
[0012]
In forming such a metal oxide film (insulating film 4) on the
The
[0013]
In the present invention, since the insulating
As the catalyst C, a known catalyst conventionally used for steam reforming can be used.
The
[0014]
The heating
[0015]
The
[0016]
FIG. 4 is a longitudinal sectional view corresponding to FIG. 2 showing another embodiment of the microreactor of the present invention. In FIG. 4, a microreactor 1 'of the present invention comprises a metal substrate 2' made of aluminum or an aluminum alloy, a
[0017]
Such a
The metal substrate 2 'constituting the microreactor 1' of the present invention is made of aluminum or an aluminum alloy as described above. The thickness of the metal substrate 2 'depends on the properties of the microreactor 1', such as the size, the heat capacity of the metal used, and the thermal conductivity. The size can be appropriately set in consideration of the size of the
[0018]
'Insulating
The
[0019]
INDUSTRIAL APPLICABILITY The microreactor of the present invention can be used as any of a raw material mixing / vaporizer, a reformer, and a CO remover in a reformer for hydrogen production.
The above-described embodiment of the microreactor is an example, and the present invention is not limited thereto. For example, in the above-described embodiment, the
[0020]
Microreactor Manufacturing Method FIGS. 5 and 6 are process diagrams for explaining one embodiment of the microreactor manufacturing method of the present invention.
5 and 6, the above-described
[0021]
Next, in the insulating film forming step, the
Next, in a heating element disposing step, a
[0022]
The
Next, a heating
[0023]
Next, in the catalyst supporting step, the catalyst C is supported in the fine groove 3 (FIG. 6A). This catalyst loading can be performed by immersing the
On the other hand, in the surface treatment step, a
[0024]
Next, in the joining step, the
In the joining step, the
[0025]
7 and 8 are process diagrams for explaining another embodiment of the microreactor manufacturing method of the present invention.
7 and 8, the above-described microreactor 1 'will be described as an example. In the manufacturing method of the present invention, first, in a groove forming step, a
Next, in an insulating film forming step, an insulating film 4 'is formed on the surface 2'b of the metal substrate 2' where the
[0026]
Next, in a heating element disposing step, a
Next, a heating
Next, in the catalyst supporting step, the catalyst C is supported in the fine groove portion 3 (FIG. 8A). This catalyst loading can be performed by immersing the surface 2'a of the metal substrate 2 'on which the
[0027]
On the other hand, in the surface treatment step, a
Next, in the joining step, the
[0028]
In such a microreactor manufacturing method of the present invention, since a metal substrate is used, it is not necessary to perform micromachine processing for forming a fine groove, and it can be easily performed by an inexpensive processing method such as etching. Reactor manufacturing costs can be reduced. In addition, since the surface treatment layer is formed on the cover member before joining with the metal substrate, both can be firmly joined.
The embodiment of the microreactor manufacturing method described above is an example, and the present invention is not limited to these embodiments.
[0029]
【Example】
Next, the present invention will be described in more detail with reference to more specific examples.
[Example]
A 1000 μm-thick aluminum substrate (250 mm × 250 mm) is prepared as a base material, and a photosensitive resist material (OFPR manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) is applied to both surfaces of this aluminum substrate by a dipping method (
[0030]
Next, using the resist pattern as a mask, the aluminum substrate was etched under the following conditions. In this etching, a fine groove was formed by half-etching from one surface of the aluminum substrate, and the time required for the etching was 3 minutes.
(Etching conditions)
・ Temperature: 20 ℃
・ Etching solution (HCl) concentration: 200 g / L (200 g of 35% HCl dissolved in pure water to make 1 L)
[0031]
After the above-mentioned etching treatment was completed, the resist pattern was removed using a sodium hydroxide solution, and washed with water. As a result, stripe-shaped fine grooves having a width of 1000 μm, a depth of 650 μm, and a length of 30 mm are formed on one surface of the aluminum substrate at a pitch of 2000 μm, and are alternately continuous at the ends of adjacent fine grooves. Fine grooves (as shown in FIG. 3) (flow path length 300 mm) were formed with 8 × 5 imposition (a pitch of 25 mm in the direction of imposition and a pitch of 35 mm in the direction of imposition). (The above is the groove forming step)
[0032]
Next, the aluminum substrate was connected to the anode of the external electrode, immersed in an anodizing solution (4% oxalic acid solution) to face the cathode, and energized under the following conditions to form an aluminum oxide thin film. To form an insulating film. The thickness of the formed aluminum oxide thin film was measured by an ellipsometer and found to be about 30 μm. (The above is the insulating film forming process)
(Anodic oxidation conditions)
・ Bath temperature: 25 ℃
・ Voltage: 25V (DC)
・ Current density: 100 A / m 2
[0033]
Next, a heating element paste having the following composition was printed by screen printing on the aluminum oxide thin film of the aluminum substrate on which the fine grooves were not formed, and cured at 200 ° C. to form a heating element. The formed heating element had such a shape that a thin line having a width of 100 μm was drawn on an aluminum substrate at a line interval of 100 μm so as to cover the entire area (35 mm × 25 mm) corresponding to the area where the fine groove was formed.
(Composition of heating element paste)
Carbon powder: 20 parts by weight Fine powder silica: 25 parts by weight Xylene phenol resin: 36 parts by weight Butyl carbitol: 19 parts by weight
In addition, electrodes (0.5 mm × 0.5 mm) were formed at two predetermined positions on the heating element by screen printing using an electrode paste having the following composition.
(Composition of electrode paste)
-Silver-plated copper powder-90 parts by weight-Phenol resin-6.5 parts by weight-Butyl carbitol-3.5 parts by weight Next, the following composition was used to expose the two electrodes formed on the heating element. A heating element protection layer (thickness: 20 μm) was formed on the heating element by screen printing using the protective layer paste described above. (The above is the heating element installation process)
(Composition of paste for protective layer)
-Resin concentration ... 30 parts by weight-Silica filler ... 10 parts by weight-Lactone solvent (penta 1-4-lactone) ... 60 parts by weight
Next, the surface of the aluminum substrate on which the fine grooves were formed was immersed (10 minutes) in an aqueous catalyst solution having the following composition, and then subjected to a dry reduction treatment at 250 ° C. for 6 hours to support the catalyst in the fine grooves. (The above is the catalyst loading step)
(Composition of aqueous catalyst solution)
・ Al: 41.2% by weight
Cu: 2.6% by weight
-Zn: 2.8% by weight
[0036]
Next, the side of the aluminum substrate on which the fine grooves were formed was polished with alumina powder to expose the aluminum surface.
On the other hand, an aluminum plate (250 mm × 250 mm) having a thickness of 100 μm was prepared as a cover member, and openings were formed in this aluminum plate (a raw material inlet and a gas outlet, each having a size of 0.6 mm × 0.2 mm). 6 mm) by 8 × 5 imposition (the imposition pitch was the same as the formation of the fine grooves on the aluminum substrate described above). Thereafter, the cover member was degreased using a degreaser (acetone), and immersed in a zincate bath (bath temperature 20 ° C.) having the following composition for 60 seconds to perform a first zincate treatment. Next, the cover member was washed with water and immersed in a 50% aqueous nitric acid solution (liquid temperature 20 ° C.) for 30 seconds to remove the zinc thin film formed by the first zincate treatment. Next, the cover member was washed with water, immersed in the above-described zincate bath (bath temperature 20 ° C.) for 30 seconds, subjected to a second zincate treatment to form a zinc thin film, and then washed with water. (The above is the surface treatment process)
(Zincate bath composition)
・ Zinc oxide… 20g / L
・ Sodium hydroxide… 120g / L
・ Ferric chloride… 2g / L
・ Rossell salt… 50g / L
・ Sodium nitrate 1g / L
[0037]
Next, the cover member was diffusion bonded to the aluminum substrate surface under the
(Diffusion bonding condition 1)
-Atmosphere: in vacuum-Bonding temperature: 300 ° C
・ Joining time: 8 hours ・ Joining pressure: 50 kg / cm 2
[0038]
As a result, the microreactor of the present invention was obtained. As a result of confirming the joining state between the aluminum substrate and the cover member of the obtained microreactor with a scanning ultrasonic image search device (SAT), the joining was performed with extremely high strength, and a multi-faced (8 × 5 face-up) ) It was confirmed that the pitch accuracy was maintained.
[0039]
[Comparative example]
First, in the same manner as in the example, through the groove forming step, the insulating film forming step, the heating element disposing step, and the catalyst supporting step, finally, the fine groove forming surface side of the 8 × 5 imposed aluminum substrate is coated with alumina powder. Polishing exposed the aluminum surface.
Next, an aluminum plate (250 mm × 250 mm) having a thickness of 100 μm was prepared as a cover member, and openings (two raw material inlets and gas outlets, each opening having a size of 0.6 mm × 0.2 mm) were formed in this aluminum plate. 6 mm) by 8 × 5 imposition (the imposition pitch was the same as the formation of the fine grooves on the aluminum substrate described above). Then, this cover member was diffusion-bonded to the aluminum substrate surface under the same bonding conditions as in the example. In this diffusion bonding, positioning was performed so that each opening of the cover member coincided with both ends of the flow path of the fine groove formed in the aluminum substrate. Thereby, a microreactor of a comparative example was obtained.
[0040]
The bonding state between the aluminum substrate and the cover member of the obtained microreactor was confirmed by the same method as in the example. As a result, in the microreactor joined under the same joining
[0041]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, the metal substrate constituting the microreactor is made of aluminum or an aluminum alloy, and has a higher heat conductivity and a smaller heat capacity than a silicon substrate or a ceramic substrate. Heat transfer is performed with high efficiency, and a reforming unit for hydrogen production that has a high rising speed when starting from a stopped state and has a high use efficiency of electric power supplied to the heating element can be provided. In addition, since the both are firmly joined by a surface treatment layer interposed between the metal substrate and the cover member, the microreactor has excellent mechanical stability. Since processing by a micro machine is not required and the processing can be easily performed by an inexpensive processing method such as etching, the manufacturing cost of the microreactor can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing one embodiment of a microreactor of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged vertical sectional view taken along line II-II of the microreactor shown in FIG.
FIG. 3 is a perspective view showing a fine groove portion forming surface side of a metal substrate of the microreactor shown in FIG. 1;
FIG. 4 is a longitudinal sectional view corresponding to FIG. 2, showing another embodiment of the microreactor of the present invention.
FIG. 5 is a process chart for explaining one embodiment of the microreactor manufacturing method of the present invention.
FIG. 6 is a process chart for explaining one embodiment of the microreactor manufacturing method of the present invention.
FIG. 7 is a process chart for explaining another embodiment of the microreactor manufacturing method of the present invention.
FIG. 8 is a process chart for explaining another embodiment of the microreactor manufacturing method of the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 1 ':
4 'insulating
Claims (11)
一方の面に微細溝部を備えたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属基板と、該微細溝部内に担持された触媒と、前記微細溝部を覆うように前記金属基板に接合され原料導入口とガス排出口を有するカバー部材とを備え、前記カバー部材はアルミニウムおよびアルミニウム合金のいずれかであり、かつ、少なくとも前記金属基板との接合面に表面処理層を有することを特徴とするマイクロリアクター。In a microreactor for reforming the raw material to obtain hydrogen gas,
A metal substrate made of aluminum or an aluminum alloy having a fine groove on one surface, a catalyst supported in the fine groove, and a raw material inlet and a gas outlet joined to the metal substrate so as to cover the fine groove; Wherein the cover member is made of any one of aluminum and an aluminum alloy, and has a surface treatment layer at least on a bonding surface with the metal substrate.
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属基板の一方の面に微細溝部を形成する溝部形成工程と、
前記微細溝部内に触媒を担持する触媒担持工程と、
原料導入口とガス排出口が形成されたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるカバー部材の少なくとも前記金属基板と接合される面に表面処理層を形成する表面処理工程と、
前記カバー部材を、前記微細溝部を覆うように前記金属基板に拡散接合する接合工程と、を有することを特徴とするマイクロリアクターの製造方法。In a method for producing a microreactor for reforming a raw material to obtain hydrogen gas,
A groove forming step of forming a fine groove on one surface of a metal substrate made of aluminum or an aluminum alloy,
A catalyst supporting step of supporting a catalyst in the fine groove portion,
A surface treatment step of forming a surface treatment layer on at least a surface of the cover member made of aluminum or an aluminum alloy formed with a material introduction port and a gas discharge port, the surface being joined to the metal substrate,
A bonding step of diffusing and bonding the cover member to the metal substrate so as to cover the microgrooves.
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