JP2005097089A - 水素製造用のマイクロリアクターおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】マイクロリアクターの構成を、金属基板の一方の面に設けた微細溝部を覆うように、原料導入口とガス排出口とを有する金属カバー部材を上記の金属基板に接合してなる接合体と、この接合体の内部に位置する微細溝部で構成された流路と、この流路の内壁面の全面に担持された触媒と、を備えるものとし、このようなマイクロリアクターの製造では、接合体を作製した後に流路内に触媒を担持する。
【選択図】 図2
Description
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。
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)。
また、従来のマイクロリアクターは、反応効率が低く、より反応効率の高いマイクロリアクターが要望されている。さらに、従来のマイクロリアクターでは、製造段階で触媒が熱により失活するおそれがあり、使用できる触媒が制限されたり、製造工程管理が難しいという問題もあった。
本発明の他の態様として、前記流路は内壁面に金属酸化膜を介して触媒を担持しているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属酸化膜は前記金属基板および前記金属カバー部材の陽極酸化により形成されたものであるような構成、あるいは、前記金属酸化膜はベーマイト処理により形成されたものであ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とした。
本発明の他の態様として、前記流路は内壁面に金属酸化膜を介して触媒を担持しているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属酸化膜は前記金属基板の陽極酸化により形成されたものであるような構成、あるいは、前記金属酸化膜はベーマイト処理により形成されたものであるような構成とした。
本発明の他の態様として、少なくとも一方の前記金属基板は、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とした。
本発明の他の態様として、前記表面処理工程では前記金属基板および前記金属カバー部材の陽極酸化により前記金属酸化膜を形成するような構成、あるいは、前記表面処理工程ではベーマイト処理により前記金属酸化膜を形成するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記溝部形成工程では、断面がU字形状あるいは半円形状となり、かつ、流れ方向に沿った壁面に角部が存在しないように微細溝部を金属基板に形成するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記触媒担持工程では、前記接合体の流路内に触媒懸濁液を充填した後、該触媒懸濁液を抜いて流路内を乾燥するような構成とし、さらに、前記触媒担持工程の乾燥時に、振動あるいは回転を前記接合体に与えるような構成とした。
また、接合工程により流路を備えた接合体が形成された後に触媒が担持されるので、接合工程における触媒の熱失活のおそれがなく、触媒の選択幅が広くなり、さらに、接合工程まで完了させて複数の接合体を準備しておき、これらの接合体に所望の触媒を担持させることにより、異なった反応に使用されるマイクロリアクター、例えば、メタノールの改質用、一酸化炭素の酸化用の各マイクロリアクターを用途に応じて製造することができ、製造工程の簡素化が可能である。また、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、さらに、研磨工程も不要であるため、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、流路の内壁面に角部を存在させないようにした場合、触媒担持工程における担持量のバラツキが抑制され、触媒を均一に担持させることができる。
マイクロリアクター
(第1の実施態様)
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A−A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、一方の面2aに微細溝部3が形成された金属基板2と、微細溝部3を覆うように金属基板2の面2aに接合された金属カバー部材4とからなる接合体15を有している。この接合体15の内部には、微細溝部3と金属カバー部材4とで構成された流路5が形成されており、この流路5の内壁面の全面に金属酸化膜6を介して触媒Cが担持されている。また、上記金属カバー部材4には、原料導入口4aとガス排出口4bが設けられており、これらは流路5の各端部に位置している。上記の金属酸化膜6は絶縁膜であり、流路5の内壁面の他に、接合体15の表面(金属基板2の表面2b、側面2c、および、金属カバー部材4の表面)にも形成されている。そして、金属基板2の表面2b上の金属酸化膜6を介して発熱体7が設けられており、発熱体7には電極8,8が形成され、この電極8,8が露出するような電極開口部9a,9aを有する発熱体保護層9が、発熱体7を覆うように設けられている。
本実施形態では、流路5の内壁面に金属酸化膜6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。
金属基板2と金属カバー部材4とが接合されてなる接合体15への陽極酸化による金属酸化膜(絶縁膜)6の形成は、接合体15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)6厚みは、例えば、5〜150μm程度の範囲で設定することができる。
このような発熱体7には、通電用の電極8,8が形成されている。通電用の電極8,8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。
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21は、一方の面22aに微細溝部23が形成された金属基板22と、この微細溝部23を覆うように金属基板22の面22aに接合された金属カバー部材24とからなる接合体35を有している。この接合体35の内部には、微細溝部23と金属カバー部材24とで構成された流路25が形成されており、この流路25の内壁面の全面に金属酸化膜26を介して触媒Cが担持されている。上記の金属カバー部材24には、原料導入口24aとガス排出口24bが設けられており、これらは流路25の各端部に位置している。また、接合体35の表面(金属基板22の表面22b)には絶縁膜30が形成されており、この絶縁膜30上に発熱体27が設けられている。こ発熱体27には電極28,28が形成され、この電極28,28が露出するような電極開口部29a,29aを有する発熱体保護層29が、発熱体27を覆うように設けられている。
金属基板22が有する微細溝部23は、上述の実施形態の微細溝部3と同様とすることができる。
マイクロリアクター21を構成する金属カバー部材24は、Cu、ステンレス、Fe、Al等のベーマイト処理により金属酸化膜の形成が可能な材料を使用することができる。また、金属カバー部材24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、20〜200μm程度の範囲で設定することができる。金属カバー部材24が備える原料導入口24aとガス排出口24bは、金属基板22に形成された微細溝部23の両端部に位置するように設けられている。
金属基板22の面22bに形成された絶縁膜30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30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1,31は、触媒Cが流路5,25の内壁面の全面に担持されていることにより反応面積が拡大され、高い反応効率が得られる。また、金属基板2,22と金属カバー部材4,24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7,27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。
図5は本発明のマイクロリアクターの他の実施形態を示す斜視図であり、図6は図5に示されるマイクロリアクターのB−B線における拡大縦断面図である。図5および図6において、本発明のマイクロリアクター41は、一方の面42aに微細溝部43が形成された金属基板42と、一方の面44aに微細溝部45が形成された金属基板44とが、微細溝部43と微細溝部45が対向するように接合された接合体55を有している。この接合体55の内部には、対向する微細溝部43,45で構成された流路46が形成されており、この流路46の内壁面の全面に金属酸化膜47を介して触媒Cが担持されている。また、上記の接合体55の一方の端面には、流路46の両端部が露出しており、それぞれ原料導入口46aとガス排出口46bを構成している。上記の金属酸化膜47は絶縁膜であり、流路46の内壁面の他に、接合体55の表面(金属基板42の表面42b、側面42c、および、金属基板44の表面44b、側面44c)にも形成されている。そして、金属基板42の表面42b上の金属酸化膜47を介して発熱体48が設けられており、発熱体48には電極49,49が形成され、この電極49,49が露出するような電極開口部50a,50aを有する発熱体保護層50が、発熱体48を覆うように設けられている。
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。
金属基板42,44が接合されてなる接合体55への陽極酸化による金属酸化膜(絶縁膜)47の形成は、接合体55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)47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。
マイクロリアクター41を構成する触媒C、発熱体48、電極49,49、発熱体保護層50は、それぞれマイクロリアクター1を構成する触媒C、発熱体7、電極8,8、発熱体保護層9と同様とすることができ、ここでの説明は省略する。
図8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6相当の縦断面図である。図8において、本発明のマイクロリアクター61は、一方の面62aに微細溝部63が形成された金属基板62と、一方の面64aに微細溝部65が形成された金属基板64とが、微細溝部63と微細溝部65とを対向させるように接合された接合体75を有している。この接合体75の内部には、対向する微細溝部63,65で構成された流路66が形成されており、この流路66の内壁面の全面に金属酸化膜67を介して触媒Cが担持されている。また、上記の接合体75の一方の端面には、流路66の両端部が露出しており、それぞれ原料導入口(図示せず)とガス排出口(図示せず)を構成している。また、接合体75の表面(金属基板62の表面62b)には絶縁膜71が形成されており、この絶縁膜71上には発熱体68が設けられている。この発熱体68には電極69,69が形成され、この電極69,69が露出するような電極開口部70a,70aを有する発熱体保護層70が、発熱体68を覆うように設けられている。
金属基板62,64が有する微細溝部63,65は、上述の第3の実施形態の微細溝部43,45と同様とすることができる。
また、金属基板62の面62bに形成された絶縁膜71は、上述の第2の実施形態の絶縁膜30と同様とすることができる。
また、マイクロリアクター21を構成する触媒C、発熱体68、電極69,69、発熱体保護層70は、それぞれ上述の第1の実施形態のマイクロリアクター1を構成する触媒C、発熱体7、電極8,8、発熱体保護層9と同様とすることができ、ここでの説明は省略する。
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、原料導入口とガス排出口の位置は、微細溝部の形状を変えることにより任意の位置にすることができる。
(第1の実施態様)
図9および図10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9、図10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、金属基板2の一方の面2aに微細溝部3を形成する(図9(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。形成される微細溝部3は、断面が円弧形状ないし半円形状、あるいは、U字形状が好ましく、また、流体の流れ方向に沿った壁面に角部が存在しないものが好ましい。このような形状とすることにより、後工程の触媒担持工程において角部に触媒が堆積することが防止され、均一な触媒担持が可能となる。使用する金属基板2の材質は、次の表面処理工程で陽極酸化により金属酸化膜の形成が可能なAl、Si、Ta、Nb、V、Bi、Y、W、Mo、Zr、Hf等を挙げることできる。
次に、表面処理工程において、接合体15を陽極酸化して、流路5内壁面を含む全面に金属酸化膜(絶縁膜)6を形成する(図9(C))。この金属酸化膜(絶縁膜)6の形成は、接合体15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、電極8,8が露出するように発熱体保護層9を発熱体7上に形成する(図10(C))。発熱体保護層9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9a,9aを有するパターンで形成することができる。
図11および図12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11、図12では、上述のマイクロリアクター21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、金属基板22の一方の面22aに微細溝部23を形成する(図11(A))。使用する金属基板22は、後工程の表面処理工程においてベーマイト処理による金属酸化膜の形成が可能な材料、例えば、Cu、ステンレス、Fe、Al等を使用することができる。また、微細溝部23の形成は、上述の実施形態における金属基板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。
絶縁膜30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30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。尚、絶縁膜30の形成を金属基板22と金属カバー部材24との接合後に行ってもよい。
次に、表面処理工程において、接合体35の流路25の内壁面に金属酸化膜26を形成する(図11(C))。この金属酸化膜26の形成はベーマイト処理により行うことができ、例えば、アルミナゾルのようなベーマイトアルミナが分散されている状態の懸濁液を用い、この懸濁液の粘度を十分に低下させたものを流路25内に流し込み、その後、乾燥させ、ベーマイト被膜を流路内面に固定化させること(ウォッシュコート処理)により行うことができる。
次いで、金属基板22の面22b側の絶縁膜30上に発熱体27を設け、さらに、通電用の電極28,28を形成する(図12(B))。その後、電極28,28が露出するように発熱体保護層29を発熱体27上に形成する(図10(C))。発熱体27、電極28,28、発熱体保護層29の材質、形成方法は、上述の実施形態と同様とすることができる。
図13および図14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13、図14では、上述のマイクロリアクター41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、金属基板42の一方の面42aに微細溝部43を形成し、金属基板44の一方の面44aに微細溝部45を形成する(図13(A))。この微細溝部43,45は、金属基板42,44の面42a,44a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42A,42B、リブ44A,44Bを残すように金属基板42,44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。
上記のように、微細溝部43と微細溝部45は、金属基板42,44の接合面(42a,44a)に対して対称関係にあるパターン形状であるため、金属基板42,44の接合により、微細溝部43と微細溝部45が完全に対向して流路46が形成される。この流路46の流体の流れ方向に垂直な断面における内壁面の形状は略円形状である。上記の金属基板42,44の接合は、例えば、拡散接合、ロウ付け等により行うことができる。
次に、表面処理工程において、接合体55を陽極酸化して、流路46内壁面を含む全面に金属酸化膜(絶縁膜)47を形成する(図13(C))。この金属酸化膜(絶縁膜)47の形成は、接合体55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、電極49,49が露出するように発熱体保護層50を発熱体48上に形成する(図14(C))。発熱体保護層50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50a,50aを有するパターンで形成することができる。
図15および図16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15、図16では、上述のマイクロリアクター61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、金属基板62の一方の面62aに微細溝部63を形成し、金属基板64の一方の面64aに微細溝部65を形成する(図15(A))。この微細溝部63,65の形成は、上述の第3の実施形態における金属基板42,44への微細溝部43,45の形成と同様にして行うことができる。また、使用する金属基板62,64は、後工程の表面処理工程においてベーマイト処理による金属酸化膜の形成が可能な材料、例えば、Cu、ステンレス、Fe、Al等を使用することができる。
絶縁膜71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71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。尚、絶縁膜71の形成は、金属基板62,64の接合後に行ってもよい。
上記の金属基板62,64の接合は、例えば、拡散接合、ロウ付け等により行うことができる。この接合において、微細溝部63と微細溝部65は、金属基板62,64の接合面(62a,64a)に対して対称関係にあるパターン形状であるため、微細溝部63と微細溝部65が完全に対向して流路66が形成され、この流路66の流体の流れ方向に垂直な断面における内壁面の形状は略円形状となる。
次いで、触媒担持工程において、流路66の内壁面の全面に金属酸化膜67を介して触媒Cを担持する(図16(A))。金属酸化膜67上への触媒Cの担持は、上述の第3の実施形態における触媒担持工程と同様にして行うことができる。本実施形態でも、微細溝部63,65の断面形状が円弧形状ないし半円形状、あるいは、U字形状であり、流体の流れ方向に沿った壁面に角部が存在しない場合、触媒が堆積し易い角部が流路66内に存在しないことになり、均一な触媒担持が可能となる。また、乾燥時に、振動あるいは回転を接合体75に与えることにより、より均一な触媒担持が可能となる。
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。
[実施例1]
金属基板として厚み1000μmのAl基板(250mm×250mm)を準備し、このAl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、Al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た。尚、このフォトマスクにおいて、上記のストライプ状の遮光部が基部から突出する部位は、90°の角度をなすものではなく、半径1750μmのR形状をなすものとした。次いで、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、Al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。
(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)
(拡散接合条件)
・雰囲気 :真空中
・接合温度 :300℃
・接合時間 :8時間
(陽極酸化の条件)
・浴温 : 25℃
・電圧 : 25V(DC)
・電流密度 : 100A/m2
(触媒懸濁液の組成)
・Al … 41.2重量%
・Cu … 2.6重量%
・Zn … 2.8重量%
(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
(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
(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
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。
金属基板として厚み1000μmのAl基板(250mm×250mm)を準備し、このAl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、Al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た。尚、このフォトマスクにおいて、上記のストライプ状の遮光部が基部から突出する部位は、90°の角度をなすものではなく、半径1750μmのR形状をなすものとした。上記と同様のAl基板を準備し、同様に感光性レジスト材料を塗布し、Al基板の微細溝部を形成する側のレジスト塗膜上に、フォトマスクを配した。このフォトマスクは、Al基板面に対して、上記のフォトマスクと面対称となるものとした。
(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)
(拡散接合条件)
・雰囲気 :真空中
・接合温度 :300℃
・接合時間 :8時間
(陽極酸化の条件)
・浴温 : 25℃
・電圧 : 25V(DC)
・電流密度 : 100A/m2
(触媒懸濁液の組成)
・Al … 41.2重量%
・Cu … 2.6重量%
・Zn … 2.8重量%
次いで、一方のAl基板の酸化アルミニウム薄膜上に、実施例1と同様にして、発熱体、電極、発熱体保護層を形成した。
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。
金属基板として厚み1000μmのSUS304基板(250mm×250mm)を準備し、このSUS304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、SUS304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た。尚、このフォトマスクにおいて、上記のストライプ状の遮光部が基部から突出する部位は、90°の角度をなすものではなく、半径1750μmのR形状をなすものとした。上記と同様のSUS304基板を準備し、同様に感光性レジスト材料を塗布し、SUS304基板の微細溝部を形成する側のレジスト塗膜上に、フォトマスクを配した。このフォトマスクは、SUS304基板面に対して、上記のフォトマスクと面対称となるものとした。
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SUS304基板をエッチング(3分間)した。
(エッチング条件)
・温度 : 80℃
・エッチング液(塩化第二鉄溶液) 比重濃度: 45ボーメ(°B’e)
(拡散接合条件)
・雰囲気 :真空中
・接合温度 :1000℃
・接合時間 :12時間
次いで、上記の接合体の流路内壁面に、下記の条件でベーマイト処理を施して、酸化アルミニウム薄膜を形成とした。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5μmであった。
(ベーマイト処理の条件)
アルミナゾル520(日産化学(株)製)を使用し、粘度が15〜20mPa・sで
あるアルミナゾル懸濁液を調製し、このアルミナゾル懸濁液を接合体の流路内に流し
込み、120℃、3時間の乾燥を施し、流路内部にベーマイト膜を固定した。
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。
まず、実施例1と同様にして、Al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を2000μmのピッチで形成し、隣接する微細溝の端部において交互に連続するような形状(図3に示されるような180度折り返しながら蛇行して連続する形状)の微細溝部(流路長300mm)を形成した。
次に、上記のAl基板を外部電極の陽極に接続し、実施例1と同じ条件で微細溝部を含むAl基板表面に酸化アルミニウム薄膜を形成して絶縁膜とした。次いで、Al基板の接合面側(微細溝部形成面側)を、アルミナ粉で研磨して酸化アルミニウム薄膜を除去し、Al基板を露出させた。
(ロウ付け接合条件)
・ロウ材料 :アルミ4004(古河スカイ(株)製)
・雰囲気 :真空中
・ロウ付け温度 :600℃
・ロウ付け時間 :3分間
次いで、微細溝部が形成されていないAl基板の酸化アルミニウム薄膜上に、実施例1と同様にして、発熱体、電極、発熱体保護層を形成した。
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。
まず、実施例2と同様にして、面対称である微細溝部を備えた1組のAl基板を作製した。
次に、上記の各Al基板を外部電極の陽極に接続し、実施例2と同じ条件で微細溝部を含むAl基板表面に酸化アルミニウム薄膜を形成して絶縁膜とした。次いで、各Al基板の接合面に存在する酸化アルミニウム薄膜を、アルミナ粉を用いて研磨して除去し、Al基板を露出させた。
次いで、接合体の流路内に、実施例2と同じ組成の触媒懸濁液を充填し、実施例2と同じ条件で、流路内全面に触媒を担持させた。
次いで、一方のAl基板の酸化アルミニウム薄膜上に、実施例1と同様にして、発熱体、電極、発熱体保護層を形成した。
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。
まず、実施例3と同様にして、面対称である微細溝部を備えた1組のSUS304基板を作製した。
次いで、上記の各SUS304基板の微細溝部を形成した面に、実施例3と同じ条件でベーマイト処理を施して、酸化アルミニウム薄膜を形成した。次いで、各SUS304基板の接合面に存在する酸化アルミニウム薄膜を、アルミナ粉を用いて研磨して除去し、SUS304基板を露出させた。
次いで、この1組のSUS304基板を、互いの微細溝部が対向するように、実施例3と同様の条件で拡散接合して接合体を作製した。この接合では、1組のSUS304基板の微細溝部どうしが完全に対向するように位置合わせをした。これにより、接合体の一端面に原料導入口とガス排出口とが存在する流路が接合体内に形成された。
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。
2,22,42,44,62,64…金属基板
3,23,43,45,63,65…微細溝部
5,25,46,66…流路
6,26,47,67…金属酸化膜(絶縁膜)
30,71…絶縁膜
7,27,48,68…発熱体
8,28,49,69…電極
9,29,50,70…発熱体保護層
4,24…金属カバー部材
4a,24a,46a…原料導入口
4b,24b,46b…ガス排出口
C…触媒
Claims (23)
- 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、
微細溝部を一方の面に備えた金属基板に、原料導入口とガス排出口とを有する金属カバー部材が前記微細溝部を覆うように接合されてなる接合体と、該接合体の内部に位置する前記微細溝部と前記金属カバー部材とで構成された流路と、該流路の内壁面の全面に担持された触媒と、を備えることを特徴とするマイクロリアクター。 - 前記流路は流体の流れ方向に沿って内壁面に角部が存在しないことを特徴とする請求項1に記載のマイクロリアクター。
- 前記流路は内壁面に金属酸化膜を介して触媒を担持していることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のマイクロリアクター。
- 前記金属酸化膜は前記金属基板および前記金属カバー部材の陽極酸化により形成されたものであることを特徴とする請求項3に記載のマイクロリアクター。
- 前記金属酸化膜はベーマイト処理により形成されたものであることを特徴とする請求項3に記載のマイクロリアクター。
- 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ことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載のマイクロリアクター。
- 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、
微細溝部を一方の面に備え、かつ、該微細溝部のパターンが相互に面対称関係にある1組の金属基板を、前記微細溝部が対向するように接合してなる接合体と、該接合体の内部で対向している前記微細溝部で構成された流路と、該流路の内壁面の全面に担持された触媒と、前記流路の一方の端部に位置する原料導入口と、前記流路の他方の端部に位置するガス排出口と、を備えることを特徴とするマイクロリアクター。 - 前記流路は流体の流れ方向に沿って内壁面に角部が存在せず、流路の流れ方向に垂直な断面における内壁面形状はほぼ円形状あるいは楕円形状であることを特徴とする請求項7に記載のマイクロリアクター。
- 前記流路は内壁面に金属酸化膜を介して触媒を担持していることを特徴とする請求項7または請求項8に記載のマイクロリアクター。
- 前記金属酸化膜は前記金属基板の陽極酸化により形成されたものであることを特徴とする請求項9に記載のマイクロリアクター。
- 前記金属酸化膜はベーマイト処理により形成されたものであることを特徴とする請求項9に記載のマイクロリアクター。
- 少なくとも一方の前記金属基板は、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ことを特徴とする請求項7乃至請求項11のいずれかに記載のマイクロリアクター。
- 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、
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、
原料導入口とガス排出口とを有する金属カバー部材を、前記微細溝部を覆うように前記金属基板に拡散接合して、流路を備えた接合体を形成する接合工程と、
前記流路の内壁面に金属酸化膜を形成する表面処理工程と、
前記流路の内壁面に前記金属酸化膜を介して触媒を担持する触媒担持工程と、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。 - 前記表面処理工程では前記金属基板および前記金属カバー部材の陽極酸化により前記金属酸化膜を形成することを特徴とする請求項13に記載のマイクロリアクターの製造方法。
- 前記表面処理工程ではベーマイト処理により前記金属酸化膜を形成することを特徴とする請求項13に記載のマイクロリアクターの製造方法。
- 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、
1組の金属基板の一方の面に、面対称となるパターンで微細溝部を形成する溝部形成工程と、
前記1組の金属基板を前記微細溝部が対向するように拡散接合して、流路を備えた接合体を形成する接合工程と、
前記流路の内壁面に金属酸化膜を形成する表面処理工程と、
前記流路の内壁面に前記金属酸化膜を介して触媒を担持する触媒担持工程と、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。 - 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、
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、
前記微細溝部の内壁面に金属酸化膜を形成する表面処理工程と、
原料導入口とガス排出口とを有する金属カバー部材を、前記微細溝部を覆うように前記金属基板に接合して、流路を備えた接合体を形成する接合工程と、
前記流路の内壁面に前記金属酸化膜を介して触媒を担持する触媒担持工程と、を有することを特徴とする。 - 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、
1組の金属基板の一方の面に、面対称となるパターンで微細溝部を形成する溝部形成工程と、
前記微細溝部の内壁面に金属酸化膜を形成する表面処理工程と、
前記1組の金属基板を前記微細溝部が対向するように接合して、流路を備えた接合体を形成する接合工程と、
前記流路の内壁面に前記金属酸化膜を介して触媒を担持する触媒担持工程と、を有することを特徴とする。 - 前記表面処理工程では前記金属基板の陽極酸化により前記金属酸化膜を形成することを特徴とする請求項16乃至請求項18のいずれかに記載のマイクロリアクターの製造方法。
- 前記表面処理工程ではベーマイト処理により前記金属酸化膜を形成することを特徴とする請求項16乃至請求項18のいずれかに記載のマイクロリアクターの製造方法。
- 前記溝部形成工程では、断面がU字形状あるいは半円形状となり、かつ、流れ方向に沿った壁面に角部が存在しないように微細溝部を金属基板に形成することを特徴とする請求項13乃至請求項20のいずれかに記載のマイクロリアクターの製造方法。
- 前記触媒担持工程では、前記接合体の流路内に触媒懸濁液を充填した後、該触媒懸濁液を抜いて流路内を乾燥することを特徴とする請求項13乃至請求項21のいずれかに記載のマイクロリアクターの製造方法。
- 前記触媒担持工程の乾燥時に、振動あるいは回転を前記接合体に与えることを特徴とする請求項22に記載のマイクロリアクターの製造方法。
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