JP2005050626A

JP2005050626A - Ceramic heater and fuel cell using the same as well as microchemical chip

Info

Publication number: JP2005050626A
Application number: JP2003205210A
Authority: JP
Inventors: Naoki Horinouchi; 直樹堀之内
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2005-02-24

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve a problem that temperature distribution on a loading face of a heated object for a ceramic heater is too large to transfer heat uniformly. <P>SOLUTION: The ceramic heater 1 is provided with a base body 2 of a quadrangular shape, a linear heating resistive element 3 formed at the base body 2, and an electrode 4 formed at each end of the heating resistive element 3. The heating resistive element 3 has its width tapered down from a center of the base body 2 toward an outer periphery part, and its length per unit area made longest at the corner of the base body 2. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック基体の主面に線状の発熱抵抗体が形成されて成るセラミックヒーターおよびこれを用いた燃料電池ならびにマイクロ化学チップに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、セラミック基体の主面に線状の発熱抵抗体が形成されて成るセラミックヒーターは燃料電池等に利用されている。燃料電池には、これに用いる電解質の種類により、固体高分子電解質型燃料電池（ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：以下、ＰＥＦＣと記す）やリン酸型燃料電池、あるいは固体電解質型燃料電池といったものが知られている。
【０００３】
中でもＰＥＦＣは、作動温度が８０〜１００℃程度という低温であり、
（１）出力密度が高く、小型化、軽量化が可能である、
（２）電解質が腐食性でなく、しかも作動温度が低いため、耐食性の面から電池構成材料の制約が少ないので、コスト低減が容易である、
（３）常温で起動できるため、起動時間が短い、
といった優れた特長を有している。このためＰＥＦＣは、以上のような特長を活かして、車両用の駆動電源や家庭用のコジェネレーションシステム等への適用ばかりでなく、携帯電話，ＰＤＡ（ＰｅｒｓｏｎａｌＤｉｇｉｔａｌＡｓｓｉｓｔａｎｔｓ），ノートパソコン，デジタルカメラやビデオ等の出力が数Ｗ〜数十Ｗの携帯電子機器用の電源としての用途が考えられてきている。
【０００４】
かかる燃料電池は、化学反応により発電を行う電解質部材、電解質部材で発電された電気を取り出す、第一電極、第二電極、燃料と空気を分離し流通させるセラミック基体、セラミック蓋体から成るセパレータ、化学反応を効率的に行うようにするためのヒーター等の温度制御装置から構成される（特許文献１参照）。
【０００５】
また、セラミックヒーターはマイクロ化学チップにも利用される。化学技術やバイオ技術の分野では、試料に対する反応や試料の分析などを微少な領域で行うための研究が行われており、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）技術を用いて化学反応や生化学反応、試料の分析などのシステムを小型化したマイクロ化学システム技術が研究開発されている。
【０００６】
マイクロ化学システム技術は、例えばセラミック基体等の表面に微細な溝等から成る試料を流すための流路を有するマイクロ化学チップとして具体化されつつあり、従来のシステムに比べ、組み込まれる機器や構成全体が微細化されているので、試料の単位体積あたりの反応表面積を増大させ、反応時間を大幅に削減することができる。また、試料としての流体の流量の精密な制御が可能であるので、反応や分析を効率的に行うことができる。さらに反応に必要な試料や試薬の量を少なくすることができる。
【０００７】
このような利点を有することから、マイクロ化学システム技術の医療分野への応用が期待されている。たとえば、血液検査にマイクロ化学チップを用いることによって、検体である血液の量を少なくすることができるので、患者への負担を軽減することができる。また、検査に必要な試薬の量を少なくすることができるので、検査の費用を下げることができる。
【０００８】
マイクロ化学チップでは、供給部から被処理流体を供給し、流路で試薬と混合し、処理部で反応を行わせた後、採取部から反応後の被処理流体を外部に採取する。あるいは、処理部に試薬を仮固定しておき、供給部から被処理流体を流入させると、処理部において、被処理流体を反応させることができるので、採取部から反応後の被処理流体を取り出すことができる。さらに、処理部の流路の下方にヒーターなどの加熱手段を設け、処理部の流路を加熱すれば、被処理流体をより確実に反応させることができる（特許文献２参照）。
【０００９】
被処理流体の反応は、一定時間、適切な温度で混合することにより、効率的に行われるため、処理部での高精度な反応時間制御、反応温度制御が要求される。
このため、処理部の適切な温度での均熱化が必要である。すなわち、処理部の温度が適切な温度よりも低いと、目的とする被処理流体の処理量が減少して反応効率が下がってしまう。処理部の温度が適切な温度よりも高いと、目的の処理以外の反応が被処理流体で起こり、目的とする被処理流体の処理量が減少して反応効率が下がってしまう。
【００１０】
ヒーターの均熱化については、従来から検討がなされており、たとえばヒーターの形成されるセラミック基体として熱伝導率の高い窒化物セラミックを使用することが提案されている（特許文献３参照）。また、ヒーターに接するセラミック基体内部に貫通孔を適切に形成してセラミック基体表面を均熱化することが提案されている（特許文献４参照）。さらに、発熱抵抗体の幅、長さ、形状といったパターンを不均一に形成するとともにセラミック基体に均熱板を取着することによりセラミック基体の均熱化を行なうことが提案されている（特許文献５参照）。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００３−０３５７０２号公報
【００１２】
【特許文献２】
特開２００３−１１４８２０号公報
【００１３】
【特許文献３】
特許第３１６５３９６号公報
【００１４】
【特許文献４】
特許第３４０４２６８号公報
【００１５】
【特許文献５】
特開２００２−１４１１６３号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池のセパレータに搭載されるヒーターは、電解質部材全体を化学反応が効率的に生じる８０〜１００℃に温度制御する必要があるが、ヒーターが搭載されるセパレータに熱伝導率が３〜３０Ｗ／ｍ・Ｋの低熱伝導率のセラミック材料を使用すると、ヒーター内の温度分布が大きくなり、発熱抵抗体のパターン幅やパターン間を不均一に形成することにより電力密度に変化をもたせたとしても、電解質部材全体の高精度な温度制御がしにくく、化学反応の効率が低下して発電効率が低下するという問題点を有していた。
【００１７】
また、発熱抵抗体の幅、長さ、形状といった発熱抵抗体のパターンを不均一に形成することにより、電力密度に変化を持たせて均熱化するという設計方法についても、パターンをどの程度の寸法、形状にすればよいのかという点については経験や実験にたよることが多く、目標とする均熱性を得るのが難しいという問題点を有していた。
【００１８】
また、ヒーターが搭載されるセパレータに熱電導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程の高熱伝導率の窒化アルミニウム等のセラミック材料を使用すると、電解質部材全体の高精度な温度制御はしやすくなるが、放熱性が高まるため、８０〜１００℃に温度制御するには大きな電流が必要となり、その結果電流の２乗に比例する電力量も大きくなるため燃料電池としての発電効率が低下するという問題点を有していた。
【００１９】
また、ヒーターの搭載されるセパレータ内部に貫通孔を適切に配置し、電解質部材全体の均熱化をはかるという手法は、薄型化が要求されているセパレータの強度が貫通孔により低下するだけでなく、貫通孔の寸法、位置等を適切に設計する必要があり、この設計方法についても経験や実験にたよることが多く、目標とする均熱性を得るのが難しいという問題点を有していた。
【００２０】
また、ヒーターの搭載されるセパレータに均熱板を取着して電解質部材全体の均熱化をはかるという手法は、セパレータの重量や、厚みが増すだけでなく、セパレータと均熱板が密着した状態で繰り返しの熱サイクルがおこり、セパレータと均熱板との熱膨張係数の違いにより繰り返しの熱応力が発生して、セパレータの信頼性を低下させるという問題点を有していた。
【００２１】
また、マイクロ化学チップに搭載されるヒーターは、処理部のみを、被処理流体の反応が効率的に行われる適切な温度（例えば９０±０．５℃）に温度制御する必要があるが、ヒーターが搭載されるマイクロ化学チップに熱伝導率が３〜３０Ｗ／ｍ・Ｋの低熱伝導率のセラミック材料を使用するとヒーター内の温度分布が大きくなり、発熱抵抗体のパターン幅やパターン間を不均一に形成することにより電力密度に変化をもたせたとしても、処理部全体の高精度な温度制御がしにくく、化学反応の効率が低下するという問題点を有していた。また、発熱抵抗体の幅、長さ、形状といったパターンを不均一に形成することにより、電力密度に変化を持たせて均熱化するという設計方法についても、パターンをどの程度の寸法、形状にすればよいのかという点については経験や実験にたよることが多く、目標とする均熱性を得るのが難しいという問題点を有していた。
【００２２】
また、ヒーターが搭載されるマイクロ化学チップに熱電導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程の高熱伝導率の窒化アルミニウム等のセラミック材料を使用すると、処理部の高精度な温度制御はしやすくなるが、放熱性が高まるため、適切な温度に温度制御するには大きな電流が必要であり、電流の２乗に比例する電力量も大きくなるほか、処理部以外の部分への熱の広がりも大きくなる結果、反応の高精度な時間制御、温度制御ができないという問題点を有していた。
【００２３】
また、ヒーターの搭載されるマイクロ化学チップのセラミック基体に貫通孔を適切に配置し、セラミック基体表面の均熱化をはかるという手段は、マイクロ化学チップの強度が貫通孔により低下するだけでなく、処理部と処理部以外の温度差により生じる熱応力が貫通孔に集中し、マイクロ化学チップの信頼性が低下するという問題点を有していた。また、貫通孔の大きさ、位置等を適切に設計する必要があり、この設計方法についても経験や実験にたよることが多く、目標とする均熱性を得るのが難しいという問題点を有していた。
【００２４】
また、ヒーターの搭載されるマイクロ化学チップに均熱板を取着して処理部の均熱化をはかるという手段は、マイクロ化学チップの重量や厚みが増すだけでなく、マイクロ化学チップと均熱板が密着した状態で繰り返しの熱サイクルが加わり、マイクロ化学チップと均熱板の熱膨張係数の違いにより繰り返しの熱応力が発生し、マイクロ化学チップの信頼性を低下させるという問題点を有していた。
【００２５】
したがって、本発明は上述の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、高精度の均熱化が要求される燃料電池やマイクロ化学チップ等に好適なセラミックヒーターであって、発熱部の均熱性が高く、低電力、高強度で安価なセラミックヒーターおよびこれを用いた燃料電池ならびにマイクロ化学チップを提供することである。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックヒーターは、四角形状のセラミック基体と、該セラミック基体に形成された線状の発熱抵抗体と、該発熱抵抗体の両端に形成された電極とを具備しており、前記発熱抵抗体は、前記セラミック基体の中心部から外周部に向かうに伴って幅が小さくなるとともに、前記セラミック基体の隅部で単位面積当たりの長さが長くなっていることを特徴とする。
【００２７】
本発明のセラミックヒーターは、発熱抵抗体は、セラミック基体の中心部から外周部に向かうに伴って幅が小さくなるとともに、セラミック基体の隅部で単位面積当たりの長さが長くなっていることから、セラミック基体の中心部では発熱量が低く、外周部では発熱量が高くなる。これにより、温度が高くなりやすい中心部と温度が低くなりやすい外周部との温度差を解消して均一化することができ、セラミック基体上に載置される被加熱物に熱を均一に伝達させることができる均熱性の高いセラミックヒーターを得ることができる。
【００２８】
また、本発明のセラミックヒーターは、単位面積当たりの発熱抵抗体のパターンおよび発熱抵抗体のパターンの配置に関する基本構成が明確であることから、種々のセラミックヒーターに対して、基本構成を維持して均熱性の高い発熱抵抗体の全体パターンを数回の実験で定量的に決定することができる。
【００２９】
また、発熱抵抗体が形成されるセラミック基体が例えば熱伝導率が３〜３０Ｗ／ｍ・Ｋと低いガラスセラミックスやアルミナセラミックスから成る場合においても、セラミック基体全体の温度分布を±１％／ｃｍ^２以下とすることができ、均熱性の高いセラミックヒーターを得ることができる。また一方、セラミック基体の熱伝導率が３〜３０Ｗ／ｍ・Ｋと低い場合には放熱性が小さいため、低電力で高精度の温度制御可能なセラミックヒーターを得ることができる。
【００３０】
また、本発明のセラミックヒーターは、均熱化のための貫通孔を形成する必要が無いためセラミック基体の強度が強くなり、温度差によりセラミック基体内に生じる熱応力が集中する箇所が無く、信頼性の高いものとなる。
【００３１】
さらに、本発明のセラミックヒーターは、均熱化のための均熱板を取着する必要が無いため、温度差により生じるセラミック基体と均熱板の熱応力が発生しないため、信頼性の高いものとなる。
【００３２】
本発明の燃料電池は、下側および上側主面にそれぞれ第１および第２電極を有する電解質部材を収容する凹部を上面に有する基体と、前記電解質部材の前記下側主面に対向する前記凹部の底面から前記基体の外面にかけて形成された第１流体流路と、前記電解質部材の前記第１電極に対向する前記凹部の底面に一端が配設され、他端が前記基体の外面に導出された第１配線導体と、前記基体の前記凹部の周囲の上面に前記凹部を覆って取着される、前記凹部を気密に封止する蓋体と、前記電解質部材の前記上側主面に対向する前記蓋体の下面から前記蓋体の外面にかけて形成された第２流体流路と、前記電解質部材の前記第２電極に対向する前記蓋体の下面に一端が配設され、他端が前記蓋体の外面に導出された第２配線導体とを具備した燃料電池において、前記基体および前記蓋体の少なくとも一方が請求項１記載のセラミックヒーターから成ることを特徴とする。
【００３３】
本発明の燃料電池は、基体および蓋体の少なくとも一方が本発明のセラミックヒーターから成ることから、高精度の温度制御ができ、低電力かつ高強度で信頼性が高く、小型で安価なものとなる。
【００３４】
本発明のマイクロ化学チップは、被処理流体を供給する供給部と、該供給部から被処理流体を流通させるとともに途中に処理部が設けられた流路と、該流路の下流側の端部に設けられて処理後の前記被処理流体を外部に導出する採取部とを有する基体を具備したマイクロ化学チップにおいて、前記基体は本発明のセラミックヒーターが搭載されていることを特徴とする。
【００３５】
本発明のマイクロ化学チップは、基体に本発明のセラミックヒーターが搭載されていることから、高精度の温度制御ができ、低電力かつ高強度で信頼性が高く、小型で安価なものとなる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
本発明のセラミックヒーターについて以下に詳細に説明する。図１は本発明のセラミックヒーターの実施の形態の一例を示し、発熱抵抗体を透視した透視平面図である。図２は図１のセラミックヒーターの断面図である。これらの図に示すように、本発明のセラミックヒーター１は、四角形状のセラミック基体２と、セラミック基体２に形成された線状の発熱抵抗体３と、発熱抵抗体３の両端に形成された電極４とを具備しており、発熱抵抗体３は、セラミック基体２の中心部から外周部に向かうに伴って幅が小さくなるとともに、セラミック基体２の隅部で単位面積当たりの長さが長くなっていることを特徴とする。
【００３７】
本発明におけるセラミック基体２は、酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス）、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体、炭化珪素質焼結体等のセラミックから成り、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）等に有機溶剤、溶媒を添加混合して泥漿物（スラリー）を得、次にスラリーを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等を採用してテープ状に成形してセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を得、しかる後、セラミックグリーンシートを打ち抜き加工法等により所定形状に加工するとともにこれを複数枚積層し、高温（約１６００℃）で焼成することによって製作される。
【００３８】
また、多層セラミックから成るセラミック基体２にはその内部に発熱抵抗体３が埋設され、電極４がセラミック基体２に設けた貫通孔により露出している。この発熱抵抗体３および電極４はタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）、レニウム（Ｒｅ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）等により形成されている。
【００３９】
線状の発熱抵抗体３は所定の電力を印加した場合、発熱抵抗体３が有する電気抵抗によりジュール発熱を起こし、セラミックヒーター１を所定の温度とする作用をなす。電極４は、発熱抵抗体３の両端に形成されており、外部より発熱抵抗体３に電力を供給する作用をなす。
【００４０】
発熱抵抗体３および電極４は、タングステン（Ｗ）等の金属粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して得た金属ペーストを、焼成によってセラミック基体２と成るセラミックグリーンシートに、予めスクリーン印刷法等により厚みを５〜５０μｍ程度として所定パターンに印刷塗布しておくことによって、セラミック基体２の内部に埋設されて形成される。
【００４１】
本発明の発熱抵抗体３は、図１に示すように、セラミック基体２の中心部から外周部に向かうに伴って幅が小さくなるとともに、セラミック基体２の隅部で単位面積当たりの長さが長くなっている。
【００４２】
セラミックヒーター１は、一般にセラミック基体２の中心部ほど温度が上がりやすく、外周部ほど温度が下がりやすくなるため、本発明の構成とすることにより、セラミック基体２の中心部に対する外周部の電気抵抗を大きくして発熱量を上昇させ、温度分布の均熱化を成すことができる。また、セラミック基体２の中央部は外周部からの熱の流れ込みがあるため、外周部に比較して単位面積当たりの発熱抵抗体３の幅を大きくして長さを減少させることにより発熱量を抑制して均熱化を成すことができる。
【００４３】
単位面積当たりの発熱抵抗体３の幅、長さ、形状は、以下のようにして決定することができる。まず、図３に示すような単位面積当たりの発熱抵抗体３の幅、長さ、形状が一定のサンプルを作成し、電流を流して発熱させ、放射温度計等を用いて温度分布を計測する。計測された温度分布の一例を図４に示す。この温度分布は、外周部の温度が中心部に対して低下しているため、単位面積当たりの発熱量（熱流束）を補正する必要がある。
【００４４】
均熱補正後の熱流速は、ｑ’＝１／ｍ×［（ｔ−ｔ_０）／（ｔ’−ｔ_０）］^ｎ×ｑ，Ｑ＝Σｑ＝Σｑ’により表すことができる。ただし、ｑは初期の熱流束、ｑ’は均熱補正後の熱流束、Ｑはセラミックヒーターの全熱量、ｔは初期のセラミックヒーターの温度、ｔ’は均熱補正後のセラミックヒーターの温度、ｔ_０は周囲温度である。また、ｍは全熱量が初期と均熱補正後で等しくなる（Ｑ＝Σｑ＝Σｑ’）ような係数、ｎは発熱面積と放熱面積の比により決まる係数である。
【００４５】
また、均熱補正後の熱流束ｑ’は、ｑ’＝ｉ^２×ρ×ｌ／ｗ／ｄにより表すことができる。ただし、ｉは電流値、ρは発熱抵抗体の体積固有抵抗、ｌ，ｗ，ｄは発熱抵抗体の単位面積当たりの長さ、幅、厚みである。
【００４６】
単位面積毎に、図３に示すサンプルで計測された温度ｔに対して均熱補正後の熱流束ｑ’を求め、発熱抵抗体の長さｌ、幅ｗ、厚みｄを決定する。長さｌ、幅ｗについては、例えば図５に示すように、パターンの長さｌ、幅ｗを変更することにより調整できる。
【００４７】
図５に示す単位面積当たりのパターンを、セラミック基体２の所定のセラミック層の主面全面に配置することにより、図１に示す発熱抵抗体３のパターンが形成され、図６に示すような均熱性の高い温度分布を有するセラミックヒーター１を得ることができる。
【００４８】
また、本発明のセラミックヒーター１においては、セラミック基体２の主面の面積が大きくなるのにともなって、その温度分布も大きくなる。しかし、基本構成を維持したまま発熱抵抗体３の幅、長さ、厚みを調整することにより、セラミック基体２の主面の面積が５ｃｍ^２以上の大きな場合でも、その表面の温度分布を±１％以下とすることができる。例えば、発熱抵抗体３の金属ペーストを印刷塗布して形成する際にその印刷回数を部分的に変更することにより厚みを変更することができ、均熱化を達成できる。
【００４９】
なお、上述の例では、セラミックヒーター１は発熱抵抗体３をセラミック基体２内部に埋設した場合について説明したが、発熱抵抗体３をセラミック基体２の主面に形成してもよい。
【００５０】
また、上述の例では、セラミックヒーター１のセラミック基体２が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合について説明したが、セラミック基体２は炭化珪素質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体等から成っていてもよい。例えば、セラミック基体２が炭化珪素質焼結体から成る場合、炭化珪素質焼結体は導電性を有しているため、発熱抵抗体３および電極４を形成するにあたってその電気的絶縁を確保するために、セラミック基体２の表面をガラス等から成る絶縁層で被覆する必要がある。またこの場合、炭化珪素質焼結体は高温で高強度であることから、セラミックヒーター１を高温で使用する場合に信頼性が高いものとなる。従って、セラミックヒーター１を高温で使用する場合、セラミック基体２を炭化珪素質焼結体で形成することが好ましい。
【００５１】
セラミック基体２が窒化アルミニウム質焼結体から成る場合、その窒化アルミニウム質焼結体としては、例えば窒化アルミニウム含有量が９７〜９９重量％でＡｌ_２Ｏ_３等の酸化物を１〜３重量％の範囲で含むもの、または窒化アルミニウム含有量が９１〜９９重量％でＹ_２Ｏ_３，Ｙｂ_２Ｏ_３，Ｅｒ_２Ｏ_３等の希土類元素酸化物を１〜９重量％の範囲で含むものを挙げることができる。
【００５２】
次に、本発明のセラミックヒーター１を用いた燃料電池について図７に基づき説明する。本発明の燃料電池１０１は、下側および上側主面にそれぞれ第１電極１０３および第２電極１０４を有する電解質部材１０２を収容する凹部を上面に有する基体１０９と、電解質部材１０２の下側主面に対向する凹部の底面から基体１０９の外面にかけて形成された第１流体流路１０５と、電解質部材１０２の第１電極１０３に対向する凹部の底面に一端が配設され、他端が基体１０９の外面に導出された第１配線導体１０７と、基体１０９の凹部の周囲の上面に凹部を覆って取着される、凹部を気密に封止する蓋体１１０と、電解質部材１０２の上側主面に対向する蓋体１１０の下面から蓋体１１０の外面にかけて形成された第２流体流路１０６と、電解質部材１０２の第２電極１０４に対向する蓋体１１０の下面に一端が配設され、他端が蓋体１１０の外面に導出された第２配線導体１０８とを具備した燃料電池１０１において、基体１０９および蓋体１１０の少なくとも一方が本発明のセラミックヒーターから成る。
【００５３】
基体１０９は、第１流体流路１０５、第１配線導体１０７および発熱抵抗体１１１が一体的に形成されている。基体１０９は、以下の手順で作製される。第１配線導体１０７となる金属ペーストを印刷したセラミックグリーンシート（以下、グリーンシートともいう）、発熱抵抗体１１１となる金属ペーストを印刷したグリーンシート、およびその他十分な強度になるように用意された数枚のグリーンシートを積層する。次に、このグリーンシート積層体を所定の型で押圧して第１流体流路１０５を形成する。次に、グリーンシート積層体を加熱焼成することにより、第１配線導体１０７、発熱抵抗体１１１、第１流体流路１０５が一体的に形成された基体１０９が得られる。
【００５４】
また、蓋体１１０は、第２流体流路１０６、第２配線導体１０８および発熱抵抗体１１１が一体的に形成されている。蓋体１１０は、基体１０９と同様の工程で作製される。
【００５５】
ここで、燃料電池１０１の仕組みについて述べる。先ず、第１電極１０３には水素ガス（Ｈ_２）が供給され、一方第２電極１０４には大気中の酸素ガス（Ｏ_２）が供給されることにより、電気化学反応により所定の電気エネルギーが生成（発電）され、負荷に対する駆動電源（電圧／電流）となる電気エネルギーが生成される。具体的には、第１電極１０３に水素ガス（Ｈ_２）が供給されると、次の化学反応式（１）に示すように、第１電極１０３に担持された触媒により電子（ｅ⁻）が分離した水素イオン（プロトン；Ｈ^＋）が発生し、電解質部材１０２を介して第２電極１０４側に通過するとともに、第１電極１０３を構成する炭素電極により電子（ｅ⁻）が取り出されて負荷に供給される。
【００５６】
３Ｈ_２→６Ｈ^＋＋６ｅ⁻・・・（１）
一方、第２電極１０４に空気が供給されると、次の化学反応式（２）に示すように、第２電極１０４に担持された触媒により負荷を経由した電子（ｅ⁻）と電解質部材１０２を通過した水素イオン（Ｈ^＋）と空気中の酸素ガス（Ｏ_２）とが反応して水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。
【００５７】
６Ｈ^＋＋３／２Ｏ_２＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ・・・（２）
このような一連の電気化学反応｛式（１），（２）｝は、概ね８０〜１００℃の比較的低温の温度条件で進行し、電力以外の副生成物は基本的に水（Ｈ_２Ｏ）のみとなる。そして、化学反応式（１），（２）で生じる電解質部材１０２表面の電子の流れを第１電極１０３、第２電極１０４、第１配線導体１０７、第２配線導体１０８により外部に出力することにより、電気エネルギーとして利用できる。
【００５８】
次に、本発明のセラミックヒーター１を用いたマイクロ化学チップについて図８に基づき説明する。本発明のマイクロ化学チップ２０１は、被処理流体を供給する供給部２０３と、供給部２０３から被処理流体を流通させるとともに途中に処理部２０７が設けられた流路２０４と、流路２０４の下流側の端部に設けられて処理後の被処理流体を外部に導出する採取部２０５とを有する基体２０２を具備しており、基体２０２は本発明のセラミックヒーターが搭載されている。
【００５９】
このマイクロ化学チップ２０１は、基体２０２、供給部２０３、流路２０４、採取部２０５、発熱抵抗体２０６が一体的に形成されている。即ち、発熱抵抗体２０６となる金属ペーストを印刷するとともに埋め込むグリーンシート、所定の型で押圧して流路２０４を形成したグリーンシート、供給部２０３および採取部２０５を形成するための貫通孔が形成されたグリーンシート、およびその他十分な強度になるように数枚のグリーンシートを積層し、このグリーンシート積層体を加熱焼成することにより、基体２０２、供給部２０３、流路２０４、採取部２０５、発熱抵抗体２０６が一体的に形成されたマイクロ化学チップ２０１が得られる。
【００６０】
ここで、マイクロ化学チップ２０１の仕組みについて述べる。供給部２０３より被処理流体をポンプ等により送液、供給し、流路２０４内で合流して混合する。
【００６１】
ここで、流路２０４の断面積は２．５×１０^−３〜１ｍｍ^２が好ましい。流路２０４の断面積は小さいため、被処理流体の単位体積あたりの表面積が増大するので、反応効率が向上して反応時間が削減できる。流路２０４の断面積が１ｍｍ^２より大きい場合、送液する被処理流体の量が多くなり、反応効率が低下する。また、流路２０４の断面積が２．５×１０^−３より小さくなると圧力損失が大きくなり、送液に問題が生じる。
【００６２】
流路２０４の途中の処理部２０７には、発熱抵抗体２０６が基体２０２に搭載され、本発明のセラミックヒーターを構成しており、被処理流体の効率的な反応が生じる温度に設定される。セラミックヒーターは、均熱性が高く、流路２０４に近接して設けられているため、セラミックヒーター近傍に配置された流路２０４の長さ、流速の調整により、高精度の反応時間制御、反応温度制御が可能となり、効率的な化学反応を発生させることができる。
【００６３】
処理部２０７より下流側に配置された採取部２０５より処理後の被処理流体を採取する。
【００６４】
また、採取部２０５や処理部２０７にセンシング手段（図示せず）を配置することにより、被処理流体の反応効率を随時把握することが可能となり、流速や温度を変化させて連続的な駆動を行うことにより、より反応効率が高い条件で使用可能なマイクロ化学チップ２０１を得ることができる。
【００６５】
また、供給部２０３を３箇所以上、発熱抵抗体２０６を２箇所以上設けることにより、段階的な反応を発生させることも可能となる。
【００６６】
なお、本発明のセラミックヒーターは上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。例えば発熱抵抗体３にＰｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄ等の導電性粒子を含有させて耐熱性を向上させたり、ガラスを含有させて強度を高くしてもよい。
【００６７】
更に、上述の実施の形態ではセラミックヒーターを燃料電池１０１やマイクロ化学チップ２０１に使用した場合について述べたが、これに限定されるものではなく、石油ファンヒーター等の気化器、温水加熱ヒーター等の産業機器、電子部品および一般家庭用の各種加熱装置等の様々な機器に利用してもよい。また、本発明のセラミックヒーターを光通信に用いる光合分波器等に適用して、光合分波器の分波特性（多重波長をもつ光信号を入射し、各波長に分波した光信号を出射する特性）を向上させ、出射した光信号の波長のずれを小さくするようにしてもよい。
【００６８】
【実施例】
本発明のセラミックヒーターの実施例を以下に説明する。
【００６９】
先ず、図１に示すように、発熱抵抗体３となるタングステン等から成る金属ペーストを、酸化アルミニウムからなるグリーンシートの主面に図１のパターンで印刷塗布し、十分な強度になるようにその他の数枚のグリーンシートとともに積層し、このグリーンシート積層体を加熱し焼成することにより、発熱抵抗体３が形成された本発明のセラミックヒーター１を作製した。発熱抵抗体３となる金属ペーストの印刷パターン全体の寸法は、縦１０ｍｍ、横１０ｍｍ、厚み２０μｍである。四角形状の基体２を成す酸化アルミニウム質焼結体の寸法は、縦３０ｍｍ、横５０ｍｍ、厚み１ｍｍである。
【００７０】
また、比較例として図３に示すような均熱化を考慮していない従来のセラミックヒーターを、上述と同様に発熱抵抗体となるタングステン等から成る金属ペーストと酸化アルミニウムからなるセラミックグリーンシートを用いて作製した。
【００７１】
次に、本発明および従来のセラミックヒーターについて、基体の中心点の温度が安定時で９０℃になるよう電力を印加して、基体の主面の温度を放射温度計により測定し、発熱抵抗体の全体パターン（縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ）の中心部の温度と、発熱抵抗体の全体パターン内中心の正方形部分（縦６ｍｍ×横６ｍｍ）の隅部および辺中心部の各温度との差が±１％以下ならば○、±１％を超え±５％未満であれば△、±５％以上であれば×として、本発明および従来のセラミックヒーターの均熱性能を評価した。その結果を表１に示す。
【００７２】
【表１】

表１より、均熱化を考慮していない従来のセラミックヒーターは、基体の表面の温度分布（温度差）が隅部で８．７％、辺中心部で４．８％と大きいことがわかった。
【００７３】
これに対して、均熱化を考慮した本発明のセラミックヒーターは、基体の表面の温度分布が隅部で−０．１％、辺中心部で０．６％と小さく均熱性に優れることがわかった。
【００７４】
【発明の効果】
本発明のセラミックヒーターは、発熱抵抗体は、基体の中心部から外周部に向かうに伴って幅が小さくなるとともに、基体の隅部で単位面積当たりの長さが長くなっていることから、基体の中心部では発熱量が低く、外周部では発熱量が高くなる。これにより、温度が高くなりやすい中心部と温度が低くなりやすい外周部との温度差を解消して均一化することができ、基体上に載置される被加熱物に熱を均一に伝達させることができる均熱性の高いセラミックヒーターを得ることができる。
【００７５】
また、本発明のセラミックヒーターは、単位面積当たりの発熱抵抗体のパターンおよび発熱抵抗体のパターンの配置に関する基本構成が明確であることから、種々のセラミックヒーターに対して、基本構成を維持して均熱性の高い発熱抵抗体の全体パターンを数回の実験で定量的に決定することができる。
【００７６】
また、発熱抵抗体が形成される基体が例えば熱伝導率が３〜３０Ｗ／ｍ・Ｋと低いガラスセラミックスやアルミナセラミックスから成る場合においても、基体全体の温度分布を±１％／ｃｍ^２以下とすることができ、均熱性の高いセラミックヒーターを得ることができる。また一方、基体の熱伝導率が３〜３０Ｗ／ｍ・Ｋと低い場合には放熱性が小さいため、低電力で高精度の温度制御可能なセラミックヒーターを得ることができる。
【００７７】
また、本発明のセラミックヒーターは、均熱化のための貫通孔を形成する必要が無いため基体の強度が強くなり、温度差により基体内に生じる熱応力が集中する箇所が無く、信頼性の高いものとなる。
【００７８】
さらに、本発明のセラミックヒーターは、均熱化のための均熱板を取着する必要が無いため、温度差により生じる基体と均熱板の熱応力が発生しないため、信頼性の高いものとなる。
【００７９】
本発明の燃料電池は、基体および蓋体の少なくとも一方が本発明のセラミックヒーターから成ることから、高精度の温度制御ができ、発電効率が高く、高強度で信頼性が高く、小型で安価なものとなる。
【００８０】
本発明のマイクロ化学チップは、基体は本発明のセラミックヒーターが搭載されていることから、高精度の温度制御ができ、低電力かつ高強度で信頼性が高く、小型で安価なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックヒーターについて実施の形態の例を示し、基体に埋設された発熱抵抗体を透視した透視平面図である。
【図２】図１のセラミックヒーターの断面図である。
【図３】従来のセラミックヒーターについて基体に埋設された発熱抵抗体を透視した透視平面図である。
【図４】図３のセラミックヒーターの温度分布図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は本発明のセラミックヒーターにおける単位面積当たりの発熱抵抗体のパターン図である。
【図６】本発明のセラミックヒーターの実施の形態の例における温度分布図である。
【図７】本発明の燃料電池の実施の形態の例を示す断面図である。
【図８】本発明のマイクロ化学チップの実施の形態の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１：セラミックヒーター
２：基体
３：発熱抵抗体
４：電極
１０１：燃料電池
１０２：電解質部材
１０３：第１電極
１０４：第２電極
１０５：第１流体流路
１０６：第２流体流路
１０７：第１配線導体
１０８：第２配線導体
１０９：基体
１１０：蓋体
１１１：発熱抵抗体
２０１：マイクロ化学チップ
２０２：基体
２０３：供給部
２０４：流路
２０５：採取部
２０６：発熱抵抗体
２０７：処理部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a ceramic heater in which a linear heating resistor is formed on the main surface of a ceramic substrate, a fuel cell using the same, and a microchemical chip.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a ceramic heater in which a linear heating resistor is formed on the main surface of a ceramic substrate is used for a fuel cell or the like. Depending on the type of electrolyte used for the fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC), a phosphoric acid fuel cell, or a solid electrolyte fuel cell is known. ing.
[0003]
Among them, PEFC has a low operating temperature of about 80-100 ° C,
(1) The output density is high, and the size and weight can be reduced.
(2) Since the electrolyte is not corrosive and the operating temperature is low, since there are few restrictions on the battery constituent materials from the viewpoint of corrosion resistance, cost reduction is easy.
(3) Since it can be started at room temperature, the startup time is short.
It has excellent features such as For this reason, PEFC takes advantage of the features described above, not only for driving power sources for vehicles and home cogeneration systems, but also for mobile phones, PDAs (Personal Digital Assistants), notebook computers, digital cameras, The use as a power source for portable electronic devices having an output of several watts to several tens of watts has been considered.
[0004]
Such a fuel cell includes an electrolyte member that generates power through a chemical reaction, a first electrode, a second electrode that takes out the electricity generated by the electrolyte member, a ceramic base that separates and distributes fuel and air, a separator that includes a ceramic lid, It is comprised from temperature control apparatuses, such as a heater, for performing a chemical reaction efficiently (refer patent document 1).
[0005]
Ceramic heaters are also used for microchemical chips. In the field of chemical technology and biotechnology, research to perform reaction to samples and analysis of samples in a very small area has been conducted, and chemical reactions and bioassays using micro electro mechanical system (MEMS) technology. Research and development of micro chemical system technology that downsizes systems such as chemical reaction and sample analysis are underway.
[0006]
The microchemical system technology is being embodied as a microchemical chip having a flow path for flowing a sample composed of fine grooves on the surface of a ceramic substrate, for example, and compared to a conventional system, the equipment and configuration as a whole Therefore, the reaction surface area per unit volume of the sample can be increased and the reaction time can be greatly reduced. In addition, since it is possible to precisely control the flow rate of the fluid as the sample, reaction and analysis can be performed efficiently. Furthermore, the amount of sample and reagent necessary for the reaction can be reduced.
[0007]
Because of such advantages, application of microchemical system technology to the medical field is expected. For example, by using a microchemical chip for a blood test, the amount of blood as a sample can be reduced, so that the burden on the patient can be reduced. In addition, since the amount of reagent necessary for the inspection can be reduced, the cost of the inspection can be reduced.
[0008]
In the microchemical chip, a fluid to be processed is supplied from a supply unit, mixed with a reagent in a flow path, reacted in the processing unit, and then the processed fluid after reaction is sampled outside from the sampling unit. Alternatively, when the reagent is temporarily fixed in the processing unit and the fluid to be processed is introduced from the supply unit, the processing fluid can be reacted in the processing unit, so that the processed fluid after reaction is taken out from the sampling unit. be able to. Furthermore, if a heating means such as a heater is provided below the flow path of the processing section and the flow path of the processing section is heated, the fluid to be processed can be reacted more reliably (see Patent Document 2).
[0009]
Since the reaction of the fluid to be processed is efficiently performed by mixing at an appropriate temperature for a certain period of time, highly accurate reaction time control and reaction temperature control in the processing unit are required.
For this reason, it is necessary to equalize the temperature of the processing section at an appropriate temperature. That is, when the temperature of the processing unit is lower than an appropriate temperature, the processing amount of the target fluid to be processed is reduced and the reaction efficiency is lowered. If the temperature of the processing unit is higher than an appropriate temperature, a reaction other than the target processing occurs in the target fluid, and the processing amount of the target target fluid decreases, resulting in a decrease in reaction efficiency.
[0010]
The soaking of the heater has been studied so far. For example, it has been proposed to use a nitride ceramic having a high thermal conductivity as the ceramic substrate on which the heater is formed (see Patent Document 3). In addition, it has been proposed to appropriately form a through-hole inside the ceramic base in contact with the heater so as to equalize the surface of the ceramic base (see Patent Document 4). Further, it has been proposed to form a pattern such as the width, length, and shape of the heating resistor in a non-uniform manner and to soak the ceramic base by attaching a soaking plate to the ceramic base (Patent Document). 5).
[0011]
[Patent Document 1]
JP 2003-035702 A
[0012]
[Patent Document 2]
JP 2003-114820 A
[0013]
[Patent Document 3]
Japanese Patent No. 3165396
[0014]
[Patent Document 4]
Japanese Patent No. 3404268
[0015]
[Patent Document 5]
JP 2002-141163 A
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
However, the heater mounted on the separator of the fuel cell needs to control the temperature of the entire electrolyte member to 80 to 100 ° C. where the chemical reaction efficiently occurs, but the separator on which the heater is mounted has a thermal conductivity of 3 to 3. If a ceramic material with a low thermal conductivity of 30 W / m · K is used, the temperature distribution in the heater will increase, and the power density will vary by forming the pattern width and pattern of the heating resistor non-uniformly. However, it is difficult to control the temperature of the entire electrolyte member with high accuracy, and there is a problem that the efficiency of the chemical reaction is lowered and the power generation efficiency is lowered.
[0017]
In addition, the design method of uniforming the heat density by changing the power density by forming the heating resistor pattern such as the width, length, and shape of the heating resistor in a nonuniform manner. In terms of whether the dimensions and shapes should be used, it often depends on experience and experimentation, and it has been difficult to obtain the desired thermal uniformity.
[0018]
Also, if a ceramic material such as aluminum nitride with a high thermal conductivity of about 150 W / m · K is used for the separator on which the heater is mounted, high-accuracy temperature control of the entire electrolyte member is easy, but heat dissipation Therefore, a large current is required to control the temperature to 80 to 100 ° C., and as a result, the amount of power proportional to the square of the current also increases, resulting in a problem that the power generation efficiency as a fuel cell decreases. Was.
[0019]
In addition, the method of properly arranging the through-holes inside the separator on which the heater is mounted to equalize the temperature of the entire electrolyte member not only reduces the strength of the separator that is required to be thin, but also reduces the thickness of the separator. In addition, it is necessary to appropriately design the dimensions and position of the through-holes, and this design method often depends on experience and experiments, and it has been difficult to obtain the desired thermal uniformity. .
[0020]
In addition, the method of attaching a soaking plate to the separator on which the heater is mounted to soak the entire electrolyte member not only increases the weight and thickness of the separator, but also the separator and the soaking plate are in close contact with each other. In this state, repeated thermal cycles occurred, and repeated thermal stress was generated due to the difference in thermal expansion coefficient between the separator and the soaking plate, resulting in a problem that the reliability of the separator was lowered.
[0021]
Moreover, the heater mounted on the microchemical chip needs to control the temperature of only the processing unit to an appropriate temperature (for example, 90 ± 0.5 ° C.) at which the reaction of the fluid to be processed is efficiently performed. When a ceramic material with a low thermal conductivity of 3 to 30 W / m · K is used for the microchemical chip on which the IC is mounted, the temperature distribution in the heater increases and the pattern width of the heating resistor and the pattern are not uniform. Even if the power density is changed by forming the film, it is difficult to control the temperature of the entire processing unit with high accuracy and the efficiency of the chemical reaction is lowered. Also, with regard to the design method of changing the power density so as to equalize the heat density by forming the pattern such as the width, length, and shape of the heating resistor in a non-uniform manner, the size and shape of the pattern can be reduced. In terms of what to do, it often depends on experience and experimentation, and it has been difficult to obtain the desired thermal uniformity.
[0022]
In addition, if a ceramic material such as aluminum nitride having a high thermal conductivity of about 150 W / m · K is used for the microchemical chip on which the heater is mounted, high-precision temperature control of the processing part is facilitated. As heat dissipation increases, a large current is required to control the temperature to an appropriate temperature, and the amount of power proportional to the square of the current increases, and the spread of heat to parts other than the processing section also increases. However, there was a problem that the reaction time control and temperature control were impossible.
[0023]
In addition, the means of appropriately arranging the through-holes in the ceramic base of the microchemical chip on which the heater is mounted and achieving a uniform temperature on the surface of the ceramic base not only reduces the strength of the microchemical chip due to the through-holes, There is a problem in that the thermal stress generated by the temperature difference between the processing part and the part other than the processing part is concentrated in the through-hole, and the reliability of the microchemical chip is lowered. In addition, it is necessary to design the size, position, etc. of the through-holes appropriately, and this design method often depends on experience and experiment, and it is difficult to obtain the desired thermal uniformity. It was.
[0024]
In addition, the means of attaching a heat equalizing plate to the microchemical chip on which the heater is mounted to equalize the temperature of the processing part not only increases the weight and thickness of the microchemical chip, but also improves the heat equalization with the microchemical chip. Repeated thermal cycles are applied while the plates are in close contact with each other, and the difference in thermal expansion coefficient between the microchemical chip and the soaking plate causes repeated thermal stress, which reduces the reliability of the microchemical chip. It was.
[0025]
Accordingly, the present invention has been completed in view of the above-described problems, and an object of the present invention is a ceramic heater suitable for a fuel cell, a microchemical chip, or the like that requires high-precision soaking, and generates heat. It is intended to provide a ceramic heater with high thermal uniformity, low power, high strength and low cost, a fuel cell using the same, and a microchemical chip.
[0026]
[Means for Solving the Problems]
The ceramic heater of the present invention comprises a rectangular ceramic substrate, a linear heating resistor formed on the ceramic substrate, and electrodes formed on both ends of the heating resistor, and the heating resistor The body is characterized in that the width decreases as it goes from the central portion of the ceramic base toward the outer peripheral portion, and the length per unit area increases at the corner of the ceramic base.
[0027]
In the ceramic heater of the present invention, the heating resistor has a width that decreases from the center to the outer periphery of the ceramic substrate, and a length per unit area increases at the corner of the ceramic substrate. The calorific value is low at the center of the ceramic substrate, and the calorific value is high at the outer periphery. This eliminates the temperature difference between the central part where the temperature tends to be high and the outer peripheral part where the temperature tends to be low, making it uniform, and heat is evenly transferred to the object to be heated placed on the ceramic substrate. It is possible to obtain a ceramic heater with high heat uniformity.
[0028]
The ceramic heater of the present invention maintains a basic configuration for various ceramic heaters because the basic configuration regarding the pattern of the heating resistor per unit area and the arrangement of the heating resistor pattern is clear. It is possible to quantitatively determine the entire pattern of the heat generating resistor having high heat uniformity in several experiments.
[0029]
Even when the ceramic substrate on which the heating resistor is formed is made of glass ceramic or alumina ceramic having a low thermal conductivity of 3 to 30 W / m · K, for example, the temperature distribution of the entire ceramic substrate is ± 1% / cm. ² A ceramic heater with high heat uniformity can be obtained. On the other hand, when the thermal conductivity of the ceramic substrate is as low as 3 to 30 W / m · K, since the heat dissipation is small, a ceramic heater capable of temperature control with high power and high accuracy can be obtained.
[0030]
In addition, the ceramic heater of the present invention does not require the formation of a through hole for soaking, so the strength of the ceramic base is increased, there is no location where thermal stress generated in the ceramic base due to temperature differences is concentrated, and the ceramic heater is reliable. It becomes a high quality thing.
[0031]
Furthermore, since the ceramic heater of the present invention does not need to be attached with a soaking plate for soaking, thermal stress between the ceramic substrate and the soaking plate caused by a temperature difference does not occur, so that the ceramic heater has high reliability. It becomes.
[0032]
The fuel cell of the present invention includes a base body having a concave portion for accommodating an electrolyte member having first and second electrodes on the lower and upper main surfaces, respectively, and the concave portion facing the lower main surface of the electrolyte member. One end is disposed on the first fluid flow path formed from the bottom surface of the substrate to the outer surface of the substrate and the bottom surface of the recess facing the first electrode of the electrolyte member, and the other end is led out to the outer surface of the substrate. A first wiring conductor, a lid that covers the recess and is attached to an upper surface around the recess of the base, and seals the recess, and opposes the upper main surface of the electrolyte member. One end is disposed on the lower surface of the second fluid passage formed from the lower surface of the lid body to the outer surface of the lid body and the second electrode of the electrolyte member facing the second electrode, and the other end is the lid A fuel comprising a second wiring conductor led to the outer surface of the body In the battery, at least one of said base and said lid, characterized in that it consists of a ceramic heater according to claim 1, wherein.
[0033]
The fuel cell according to the present invention has at least one of the base body and the lid made of the ceramic heater according to the present invention, so that high-precision temperature control is possible, low power, high strength, high reliability, small size, and low cost. Become.
[0034]
The microchemical chip of the present invention includes a supply unit that supplies a fluid to be processed, a flow channel that allows the fluid to be processed to flow from the supply unit, and a processing unit that is provided in the middle, and an end portion on the downstream side of the flow channel In the microchemical chip provided with a substrate having a collecting part for leading the processed fluid after processing to the outside, the substrate is mounted with the ceramic heater of the present invention.
[0035]
Since the ceramic heater of the present invention is mounted on the substrate, the microchemical chip of the present invention can perform temperature control with high accuracy, low power, high strength, high reliability, small size, and low cost.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The ceramic heater of the present invention will be described in detail below. FIG. 1 shows an example of an embodiment of the ceramic heater of the present invention, and is a perspective plan view seen through a heating resistor. FIG. 2 is a cross-sectional view of the ceramic heater of FIG. As shown in these drawings, the ceramic heater 1 of the present invention is formed on a rectangular ceramic base 2, a linear heating resistor 3 formed on the ceramic base 2, and both ends of the heating resistor 3. The heating resistor 3 has an electrode 4 and the width of the heating resistor 3 decreases from the center of the ceramic substrate 2 toward the outer periphery, and the length per unit area increases at the corner of the ceramic substrate 2. It is characterized by becoming.
[0037]
The ceramic substrate 2 in the present invention is made of a ceramic such as an aluminum oxide sintered body (alumina ceramic), an aluminum nitride sintered body, a silicon nitride sintered body, or a silicon carbide sintered body. Aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ), Silicon oxide (SiO ₂ ), Magnesium oxide (MgO), calcium oxide (CaO), etc., an organic solvent and a solvent are added and mixed to obtain a slurry (slurry), and the slurry is then subjected to a conventionally known doctor blade method, calendar roll method, or the like. To obtain a ceramic green sheet (ceramic green sheet), and then processing the ceramic green sheet into a predetermined shape by a punching method or the like, and laminating a plurality of them at a high temperature (about 1600 ° C.) Manufactured by firing.
[0038]
Further, a heating resistor 3 is embedded in the ceramic base 2 made of a multilayer ceramic, and the electrodes 4 are exposed through through holes provided in the ceramic base 2. The heating resistor 3 and the electrode 4 are made of tungsten (W), molybdenum (Mo), rhenium (Re), platinum (Pt), rhodium (Rh), or the like.
[0039]
When a predetermined electric power is applied to the linear heating resistor 3, Joule heat is generated by the electric resistance of the heating resistor 3, and the ceramic heater 1 has a predetermined temperature. The electrodes 4 are formed at both ends of the heating resistor 3 and serve to supply power to the heating resistor 3 from the outside.
[0040]
For the heating resistor 3 and the electrode 4, a metal paste obtained by adding and mixing an organic solvent and a solvent to a metal powder such as tungsten (W) is preliminarily applied to a ceramic green sheet that becomes the ceramic substrate 2 by a screen printing method or the like. In this way, the thickness is set to about 5 to 50 μm and printed and applied in a predetermined pattern to be embedded in the ceramic substrate 2.
[0041]
As shown in FIG. 1, the heating resistor 3 of the present invention has a width that decreases from the center of the ceramic substrate 2 toward the outer periphery, and a length per unit area at the corner of the ceramic substrate 2. It is getting longer.
[0042]
The ceramic heater 1 generally tends to increase in temperature at the center of the ceramic substrate 2 and decreases easily at the outer periphery, so that the electric resistance of the outer periphery of the ceramic substrate 2 with respect to the center of the ceramic substrate 2 can be reduced. Increasing the heating value can increase the temperature distribution so that the temperature distribution is uniform. In addition, since the heat flows from the outer peripheral portion in the central portion of the ceramic substrate 2, the heat generation amount can be reduced by increasing the width of the heating resistor 3 per unit area and reducing the length as compared with the outer peripheral portion. Suppressing and soaking can be achieved.
[0043]
The width, length, and shape of the heating resistor 3 per unit area can be determined as follows. First, a sample with a constant width, length, and shape of the heating resistor 3 per unit area as shown in FIG. 3 is prepared, and a current is passed to generate heat, and a temperature distribution is measured using a radiation thermometer or the like. . An example of the measured temperature distribution is shown in FIG. In this temperature distribution, since the temperature of the outer peripheral portion is lower than the central portion, it is necessary to correct the heat generation amount (heat flux) per unit area.
[0044]
The heat flow rate after soaking correction is q ′ = 1 / m × [(t−t ₀ ) / (T′−t ₀ ]] ⁿ × q, Q = Σq = Σq ′. Where q is the initial heat flux, q ′ is the heat flux after soaking correction, Q is the total heat of the ceramic heater, t is the temperature of the initial ceramic heater, t ′ is the temperature of the ceramic heater after soaking correction, t ₀ Is the ambient temperature. Further, m is a coefficient such that the total amount of heat becomes equal to that after the initial soaking correction (Q = Σq = Σq ′), and n is a coefficient determined by the ratio of the heat generation area to the heat dissipation area.
[0045]
In addition, the heat flux q ′ after soaking correction is q ′ = i ² Xρ × l / w / d. Here, i is a current value, ρ is a volume specific resistance of the heating resistor, and l, w, and d are the length, width, and thickness per unit area of the heating resistor.
[0046]
For each unit area, the heat flux q ′ after soaking correction is obtained for the temperature t measured with the sample shown in FIG. 3, and the length l, width w, and thickness d of the heating resistor are determined. The length l and the width w can be adjusted by changing the length l and the width w of the pattern, for example, as shown in FIG.
[0047]
The pattern per unit area shown in FIG. 5 is arranged on the entire main surface of the predetermined ceramic layer of the ceramic substrate 2 to form the pattern of the heating resistor 3 shown in FIG. A ceramic heater 1 having a high thermal distribution can be obtained.
[0048]
Moreover, in the ceramic heater 1 of the present invention, as the area of the main surface of the ceramic substrate 2 increases, the temperature distribution also increases. However, by adjusting the width, length, and thickness of the heating resistor 3 while maintaining the basic configuration, the area of the main surface of the ceramic base 2 is 5 cm. ² Even in the above large case, the temperature distribution on the surface can be ± 1% or less. For example, when the metal paste of the heating resistor 3 is formed by printing and coating, the thickness can be changed by partially changing the number of times of printing, and soaking can be achieved.
[0049]
In the above example, the ceramic heater 1 has been described with respect to the case where the heating resistor 3 is embedded in the ceramic base 2. However, the heating resistor 3 may be formed on the main surface of the ceramic base 2.
[0050]
In the above example, the case where the ceramic base 2 of the ceramic heater 1 is made of an aluminum oxide sintered body has been described. However, the ceramic base 2 is made of a silicon carbide sintered body, an aluminum nitride sintered body, or the like. May be. For example, when the ceramic substrate 2 is made of a silicon carbide sintered body, the silicon carbide sintered body has electrical conductivity, so that electrical insulation is ensured when the heating resistor 3 and the electrode 4 are formed. Therefore, it is necessary to coat the surface of the ceramic substrate 2 with an insulating layer made of glass or the like. In this case, since the silicon carbide sintered body has high strength at high temperatures, the reliability is high when the ceramic heater 1 is used at high temperatures. Therefore, when the ceramic heater 1 is used at a high temperature, it is preferable to form the ceramic base 2 with a silicon carbide sintered body.
[0051]
When the ceramic substrate 2 is made of an aluminum nitride-based sintered body, the aluminum nitride-based sintered body includes, for example, an aluminum nitride content of 97 to 99% by weight and Al. ₂ O ₃ Containing 1 to 3% by weight of an oxide or the like, or aluminum nitride content of 91 to 99% by weight ₂ O ₃ , Yb ₂ O ₃ , Er ₂ O ₃ And the like containing a rare earth element oxide such as 1 to 9% by weight.
[0052]
Next, a fuel cell using the ceramic heater 1 of the present invention will be described with reference to FIG. The fuel cell 101 of the present invention includes a base body 109 having a concave portion for accommodating an electrolyte member 102 having a first electrode 103 and a second electrode 104 on the lower and upper main surfaces, respectively, and a lower main surface of the electrolyte member 102. One end is disposed on the bottom surface of the first fluid flow path 105 formed from the bottom surface of the recess facing the outer surface of the base body 109 and the first electrode 103 of the electrolyte member 102, and the other end of the base body 109. A first wiring conductor 107 led out to the outer surface, a lid 110 that covers and attaches the recess to the upper surface around the recess of the base 109, and an upper main surface of the electrolyte member 102. One end is arranged on the lower surface of the lid 110 facing the second electrode 104 of the electrolyte member 102 and the second fluid flow path 106 formed from the lower surface of the lid 110 facing the outer surface of the lid 110, and the other end In the fuel cell 101 and a second wiring conductor 108 derived on the outer surface of the lid 110, at least one substrate 109 and the lid 110 is made of a ceramic heater of the present invention.
[0053]
In the base 109, the first fluid flow path 105, the first wiring conductor 107, and the heating resistor 111 are integrally formed. The base 109 is manufactured by the following procedure. A ceramic green sheet (hereinafter also referred to as a green sheet) printed with a metal paste serving as the first wiring conductor 107, a green sheet printed with a metal paste serving as the heating resistor 111, and other strengths were prepared. Laminate several green sheets. Next, the green sheet laminate is pressed with a predetermined mold to form the first fluid flow path 105. Next, the base sheet 109 in which the first wiring conductor 107, the heating resistor 111, and the first fluid channel 105 are integrally formed is obtained by heating and firing the green sheet laminate.
[0054]
Further, the lid body 110 is integrally formed with the second fluid flow path 106, the second wiring conductor 108 and the heating resistor 111. The lid 110 is produced by the same process as the base 109.
[0055]
Here, the mechanism of the fuel cell 101 will be described. First, hydrogen gas (H ₂ ), While the second electrode 104 is supplied with oxygen gas (O ₂ ) Is generated (electric power generation) by the electrochemical reaction, and electric energy serving as a driving power source (voltage / current) for the load is generated. Specifically, hydrogen gas (H ₂ ) Is supplied, as shown in the following chemical reaction formula (1), electrons (e ⁻ ) Separated hydrogen ions (protons; H ⁺ ) Are generated and pass through the electrolyte member 102 to the second electrode 104 side, and electrons (e ⁻ ) Is taken out and supplied to the load.
[0056]
3H ₂ → 6H ⁺ + 6e ⁻ ... (1)
On the other hand, when air is supplied to the second electrode 104, as shown in the following chemical reaction formula (2), electrons (e ⁻ ) And hydrogen ions (H ⁺ ) And oxygen gas (O ₂ ) Reacts with water (H ₂ O) is generated.
[0057]
6H ⁺ + 3 / 2O ₂ + 6e ⁻ → 3H ₂ O ... (2)
Such a series of electrochemical reactions {Equations (1) and (2)} proceed under relatively low temperature conditions of approximately 80 to 100 ° C., and by-products other than electric power are basically water (H ₂ O) only. Then, the flow of electrons on the surface of the electrolyte member 102 generated by the chemical reaction formulas (1) and (2) is output to the outside by the first electrode 103, the second electrode 104, the first wiring conductor 107, and the second wiring conductor 108. Therefore, it can be used as electric energy.
[0058]
Next, a microchemical chip using the ceramic heater 1 of the present invention will be described with reference to FIG. The microchemical chip 201 of the present invention includes a supply unit 203 that supplies a fluid to be processed, a channel 204 that circulates the fluid to be processed from the supply unit 203 and is provided with a processing unit 207 in the middle, and a downstream of the channel 204. A base 202 having a sampling portion 205 that is provided at the end on the side and leads out the processed fluid after processing to the outside is provided, and the base 202 is mounted with the ceramic heater of the present invention.
[0059]
In the microchemical chip 201, a base body 202, a supply unit 203, a flow path 204, a sampling unit 205, and a heating resistor 206 are integrally formed. That is, a green sheet for printing and embedding a metal paste to be the heating resistor 206, a green sheet pressed with a predetermined mold to form the flow path 204, and a through hole for forming the supply unit 203 and the sampling unit 205 are formed. By laminating several green sheets so as to have sufficient strength and heating and firing this green sheet laminate, the substrate 202, the supply unit 203, the flow path 204, the sampling unit 205, The microchemical chip 201 in which the heat generating resistor 206 is integrally formed is obtained.
[0060]
Here, the mechanism of the microchemical chip 201 will be described. The fluid to be processed is supplied and supplied from the supply unit 203 by a pump or the like, and merges and mixes in the flow path 204.
[0061]
Here, the cross-sectional area of the flow path 204 is 2.5 × 10. ^-3 ~ 1mm ² Is preferred. Since the cross-sectional area of the flow path 204 is small, the surface area per unit volume of the fluid to be processed increases, so that the reaction efficiency can be improved and the reaction time can be reduced. The cross-sectional area of the flow path 204 is 1 mm ² If it is larger, the amount of fluid to be fed increases and the reaction efficiency decreases. The cross-sectional area of the flow path 204 is 2.5 × 10 ^-3 When it becomes smaller, the pressure loss becomes larger, causing a problem in liquid feeding.
[0062]
A heating resistor 206 is mounted on the base body 202 in the processing section 207 in the middle of the flow path 204 and constitutes the ceramic heater of the present invention, and is set to a temperature at which an efficient reaction of the fluid to be processed occurs. Since the ceramic heater has a high temperature uniformity and is provided close to the flow path 204, the length of the flow path 204 disposed in the vicinity of the ceramic heater and the flow rate are adjusted to control the reaction time with high accuracy and the reaction temperature. Control becomes possible and an efficient chemical reaction can be generated.
[0063]
The processed fluid is collected from the collection unit 205 disposed downstream of the processing unit 207.
[0064]
In addition, by arranging sensing means (not shown) in the sampling unit 205 and the processing unit 207, it becomes possible to grasp the reaction efficiency of the fluid to be processed at any time, and the continuous driving can be performed by changing the flow rate and temperature. By performing, the microchemical chip 201 that can be used under conditions with higher reaction efficiency can be obtained.
[0065]
Further, by providing three or more supply parts 203 and two or more heating resistors 206, a stepwise reaction can be generated.
[0066]
In addition, the ceramic heater of this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, A various change is possible if it is a range which does not deviate from the summary of this invention. For example, the heat generating resistor 3 may contain conductive particles such as Pt, Au, Ag, and Pd to improve heat resistance, or may contain glass to increase the strength.
[0067]
Furthermore, in the above-described embodiment, the case where the ceramic heater is used for the fuel cell 101 and the microchemical chip 201 has been described. However, the present invention is not limited to this, and a vaporizer such as an oil fan heater, a hot water heater, etc. You may utilize for various apparatuses, such as industrial equipment, an electronic component, and various household heating devices. In addition, the ceramic heater of the present invention is applied to an optical multiplexer / demultiplexer or the like used for optical communication, and the demultiplexing characteristics of the optical multiplexer / demultiplexer (an optical signal having multiple wavelengths incident thereon and demultiplexed into each wavelength) May be improved, and the wavelength shift of the emitted optical signal may be reduced.
[0068]
【Example】
Examples of the ceramic heater of the present invention will be described below.
[0069]
First, as shown in FIG. 1, a metal paste made of tungsten or the like used as the heating resistor 3 is printed and applied in a pattern shown in FIG. The ceramic heater 1 of the present invention in which the heating resistor 3 was formed was produced by laminating together with several green sheets and heating and firing the green sheet laminate. The dimensions of the entire printed pattern of the metal paste used as the heating resistor 3 are 10 mm in length, 10 mm in width, and 20 μm in thickness. The dimensions of the aluminum oxide sintered body forming the quadrangular substrate 2 are 30 mm long, 50 mm wide, and 1 mm thick.
[0070]
Further, as a comparative example, a conventional ceramic heater which does not consider soaking as shown in FIG. 3 is used, as in the above, using a metal paste made of tungsten or the like as a heating resistor and a ceramic green sheet made of aluminum oxide. Made.
[0071]
Next, for the present invention and the conventional ceramic heater, electric power is applied so that the temperature of the center point of the substrate is 90 ° C. when stable, and the temperature of the main surface of the substrate is measured with a radiation thermometer, The difference between the temperature at the center of the entire pattern (vertical 10 mm × width 10 mm) and the temperatures at the corners and sides of the square portion (length 6 mm × width 6 mm) in the center of the entire pattern of the heating resistor is ± The soaking performance of the present invention and the conventional ceramic heater was evaluated as ○ if it was 1% or less, Δ if it exceeded ± 1% and less than ± 5%, and x if it was ± 5% or more. The results are shown in Table 1.
[0072]
[Table 1]

From Table 1, it can be seen that the temperature distribution (temperature difference) on the surface of the base of the conventional ceramic heater that does not consider soaking is as large as 8.7% at the corner and 4.8% at the center of the side. It was.
[0073]
On the other hand, the ceramic heater of the present invention considering soaking has a temperature distribution of -0.1% at the corner and 0.6% at the side center and excellent in soaking properties. all right.
[0074]
【The invention's effect】
In the ceramic heater of the present invention, the heating resistor has a width that decreases from the center to the outer periphery of the substrate, and the length per unit area is increased at the corner of the substrate. The heat generation amount is low in the central portion of the, and the heat generation amount is high in the outer peripheral portion. As a result, the temperature difference between the central portion where the temperature tends to be high and the outer peripheral portion where the temperature is likely to be low can be eliminated and made uniform, and heat can be uniformly transmitted to the object to be heated placed on the substrate. It is possible to obtain a ceramic heater with high heat uniformity.
[0075]
The ceramic heater of the present invention maintains a basic configuration for various ceramic heaters because the basic configuration regarding the pattern of the heating resistor per unit area and the arrangement of the heating resistor pattern is clear. It is possible to quantitatively determine the entire pattern of the heat generating resistor having high heat uniformity in several experiments.
[0076]
Further, even when the substrate on which the heating resistor is formed is made of glass ceramic or alumina ceramic having a low thermal conductivity of 3 to 30 W / m · K, for example, the temperature distribution of the entire substrate is ± 1% / cm. ² A ceramic heater with high heat uniformity can be obtained. On the other hand, when the thermal conductivity of the substrate is as low as 3 to 30 W / m · K, since the heat dissipation is small, a ceramic heater capable of controlling the temperature with low power and high accuracy can be obtained.
[0077]
In addition, the ceramic heater of the present invention does not require the formation of through holes for soaking, so that the strength of the substrate is increased, there is no place where the thermal stress generated in the substrate due to the temperature difference is concentrated, and the reliability is high. It will be expensive.
[0078]
Furthermore, since the ceramic heater of the present invention does not need to be attached with a soaking plate for soaking, a thermal stress between the substrate and the soaking plate caused by a temperature difference does not occur, so that it is highly reliable. Become.
[0079]
In the fuel cell of the present invention, since at least one of the base body and the cover body is composed of the ceramic heater of the present invention, high-precision temperature control is possible, high power generation efficiency, high strength and high reliability, small size and low cost. It becomes a thing.
[0080]
In the microchemical chip of the present invention, since the ceramic heater of the present invention is mounted on the substrate, the temperature can be controlled with high accuracy, the power is low, the strength is high, the reliability is small, and the cost is low.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective plan view showing an example of an embodiment of a ceramic heater according to the present invention, in which a heating resistor embedded in a substrate is seen through.
2 is a cross-sectional view of the ceramic heater of FIG.
FIG. 3 is a perspective plan view of a conventional ceramic heater seen through a heating resistor embedded in a substrate.
4 is a temperature distribution diagram of the ceramic heater of FIG. 3;
5A and 5B are pattern diagrams of heating resistors per unit area in the ceramic heater of the present invention. FIG.
FIG. 6 is a temperature distribution diagram in an example of an embodiment of a ceramic heater of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a fuel cell of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a microchemical chip of the present invention.
[Explanation of symbols]
1: Ceramic heater
2: Substrate
3: Heating resistor
4: Electrode
101: Fuel cell
102: Electrolyte member
103: 1st electrode
104: Second electrode
105: 1st fluid flow path
106: Second fluid flow path
107: First wiring conductor
108: Second wiring conductor
109: Substrate
110: Lid
111: Heating resistor
201: Microchemical chip
202: Substrate
203: Supply unit
204: Flow path
205: Collection unit
206: Heating resistor
207: Processing unit

Claims

A rectangular ceramic base; a linear heating resistor formed on the ceramic base; and electrodes formed on both ends of the heating resistor. A ceramic heater characterized in that the width decreases as it goes from the center to the outer periphery, and the length per unit area is increased at the corner of the ceramic substrate.

A base having a recess on the upper surface for accommodating an electrolyte member having first and second electrodes on the lower and upper main surfaces, respectively, and an outer surface of the base from the bottom of the recess facing the lower main surface of the electrolyte member A first wiring passage formed on the bottom surface of the recess facing the first electrode of the electrolyte member, and a first wiring conductor having the other end led to the outer surface of the base body, A lid body hermetically sealing the concave portion, which is attached to an upper surface around the concave portion of the base body, and a lower surface of the lid body facing the upper main surface of the electrolyte member. One end is disposed on the second fluid channel formed over the outer surface of the lid and the lower surface of the lid facing the second electrode of the electrolyte member, and the other end is led out to the outer surface of the lid. A fuel cell comprising a second wiring conductor, wherein The fuel cell at least one of the body and the lid, characterized in that it consists of a ceramic heater according to claim 1, wherein.

A supply section for supplying the fluid to be processed; a flow path for circulating the fluid to be processed from the supply section; and a processing section provided in the middle; and the post-processing section provided at the downstream end of the flow path 2. A microchemical chip comprising a substrate having a sampling portion for leading a fluid to be treated to the outside, wherein the ceramic heater according to claim 1 is mounted on the substrate.