JP2006181489A - Method for manufacturing small-sized reactor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make glass substrates connectable by anodes in a small-sized reactor provided with an anode connection structure of the glass substrates. <P>SOLUTION: An anode plate 27 connected to first and second glass substrates 1, 5, and the anode of a direct current source 24 through a switch 26 is placed on a cathode plate 25 connected to the cathode of the direct current source 24. In this case, a catalyst carrier film 4 comprising a porous metal oxide film is formed by a spraying method in a flow passage 2 formed on the upper surface of the first glass substrate 1, and a metal film 3 for anode connection is formed on the upper surface of the first glass substrate 1 in a region other than a region corresponding to the flow passage 2. As a result, when the catalyst carrier film 4 comprising the porous metal oxide film is formed by a spraying method, the metal film 3 for anode connection is not oxidized, and when the anode connection is performed, the first glass substrate 1 and the second glass substrate 5 are connected by an anode through the metal film 3 for anode connection. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は小型反応装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a small reactor.

化学反応の技術分野では、流体化された混合物質を流路内に設けられた触媒による化学反応(触媒反応)により、所望の流体物質を生成する小型反応装置が知られている。従来のこのような小型反応装置には、半導体集積回路などの半導体製造技術で蓄積された微細加工技術を用いて、シリコン基板の一面にミクロンオーダーあるいはミリメートルオーダーの流路を形成し、シリコン基板の一面に流路を覆うためのガラス基板を陽極接合したものがある(例えば、特許文献1参照)。   In the technical field of chemical reaction, there is known a small-sized reaction apparatus that generates a desired fluid substance by a chemical reaction (catalytic reaction) by a catalyst provided in a flow path of a fluidized mixed substance. In such a conventional small reaction apparatus, a micron-order or millimeter-order flow path is formed on one surface of a silicon substrate by using microfabrication technology accumulated in semiconductor manufacturing technology such as a semiconductor integrated circuit. There is one in which a glass substrate for covering a flow path on one surface is anodically bonded (for example, see Patent Document 1).

特開平10−337173号公報JP 10-337173 A

ところで、シリコン基板の代わりにガラス基板を用い、ガラス基板同士を陽極接合することが考えられるが、ガラス基板同士では直接陽極接合することはできない。そこで、一方のガラス基板の一面に、陽極接合により酸化されることによって他方のガラス基板と接合可能となる陽極接合用金属膜を形成すると、この陽極接合用金属膜を介してガラス基板同士を陽極接合することができる。   By the way, although it is possible to use a glass substrate instead of a silicon substrate and anodically bond glass substrates together, direct anodic bonding cannot be performed between glass substrates. Therefore, when a metal film for anodic bonding that can be bonded to the other glass substrate by being oxidized by anodic bonding is formed on one surface of one glass substrate, the glass substrates are bonded to each other through the anodic bonding metal film. Can be joined.

ところで、一方のガラス基板の一面に形成された流路内に、予め形成されたアルミニウム膜を陽極酸化して多孔質の酸化アルミニウム膜からなる触媒担持膜を形成し、この多孔質の触媒担持膜に触媒をより多く担持させることがある。このような場合において、一方のガラス基板の一面に陽極接合用金属膜を形成した状態で上記陽極酸化処理を行なうと、陽極接合用金属膜も同時に酸化されるため、後工程の陽極接合処理を行なうことができなくなってしまう。   By the way, in a flow path formed on one surface of one glass substrate, a previously formed aluminum film is anodized to form a catalyst supporting film made of a porous aluminum oxide film, and this porous catalyst supporting film In some cases, a larger amount of catalyst may be supported. In such a case, if the anodic oxidation treatment is performed with the anodic bonding metal film formed on one surface of one glass substrate, the anodic bonding metal film is also oxidized at the same time. It becomes impossible to do.

そこで、この発明は、一方のガラス基板の一面に形成された流路内に多孔質の触媒担持膜が形成されていても、ガラス基板同士を陽極接合することができる小型反応装置の製造方法を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention provides a method for manufacturing a small reactor capable of anodic bonding of glass substrates even when a porous catalyst-supporting film is formed in a flow path formed on one surface of one glass substrate. The purpose is to provide.

この発明は、上記目的を達成するため、第1のガラス基板における流路形成領域以外の領域に接合用金属膜が設けられている一面に形成された流路内に溶射法により金属酸化物膜からなる触媒担持膜を形成する工程と、前記第1のガラス基板の前記一面に第2のガラス基板を前記接合用金属膜を介して接合する工程と、を含むことを特徴とするものである。   In order to achieve the above object, the present invention provides a metal oxide film formed by a thermal spraying method in a channel formed on one surface of a first glass substrate where a bonding metal film is provided in a region other than a channel forming region. And a step of bonding a second glass substrate to the one surface of the first glass substrate via the bonding metal film. .

この発明によれば、第1のガラス基板の一面に形成された流路内に溶射法により金属酸化物膜からなる触媒担持膜を形成しているので、溶射法により触媒担持膜を形成するとき、第1のガラス基板の一面に形成された接合用金属膜が酸化されることがなく、したがって第1のガラス基板の一面に形成された流路内に触媒担持膜が形成されていても、ガラス基板同士を接合することができる。   According to the present invention, since the catalyst supporting film made of the metal oxide film is formed by the thermal spraying method in the flow path formed on one surface of the first glass substrate, the catalyst supporting film is formed by the thermal spraying method. The bonding metal film formed on one surface of the first glass substrate is not oxidized. Therefore, even if the catalyst supporting film is formed in the flow path formed on one surface of the first glass substrate, Glass substrates can be joined together.

図1はこの発明の一実施形態としての製造方法により製造された小型反応装置の透過平面図を示し、図2は図1のII−II線に沿う断面図を示す。この小型反応装置は小サイズの長方形状の第1のガラス基板1を備えている。第1のガラス基板1の上面には、サンドブラスト法などにより、蛇行した微小な反応炉の一部となる流路2が形成されている。流路2の寸法は、一例として、幅0.2〜0.8mm程度、深さ0.2〜0.6mm程度であり、全長は30〜1000mm程度である。   FIG. 1 shows a transmission plan view of a small reactor manufactured by the manufacturing method as one embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. This small reactor includes a first glass substrate 1 having a small rectangular shape. On the upper surface of the first glass substrate 1, there is formed a flow path 2 that becomes a part of a meandering minute reaction furnace by a sandblast method or the like. The dimensions of the flow path 2 are, for example, a width of about 0.2 to 0.8 mm, a depth of about 0.2 to 0.6 mm, and a total length of about 30 to 1000 mm.

第1のガラス基板1の上面において流路2以外の領域には陽極接合用金属膜3が設けられている。陽極接合用金属膜3の具体的な材料については後で説明する。陽極接合用金属膜3の流路2に対応する開口部の内壁面を含む流路2の内壁面には、溶射法により形成された多孔質の金属酸化物膜からなる触媒担持膜4が設けられている。触媒担持膜4の具体的な材料については後で説明する。多孔質の触媒担持膜4には触媒(図示せず)が担持されている。触媒の具体的な材料については後で説明する。   A metal film 3 for anodic bonding is provided in a region other than the flow path 2 on the upper surface of the first glass substrate 1. A specific material of the anodic bonding metal film 3 will be described later. On the inner wall surface of the flow path 2 including the inner wall surface of the opening corresponding to the flow path 2 of the metal film 3 for anodic bonding, a catalyst supporting film 4 made of a porous metal oxide film formed by a thermal spraying method is provided. It has been. Specific materials for the catalyst support film 4 will be described later. A catalyst (not shown) is supported on the porous catalyst support film 4. Specific materials for the catalyst will be described later.

第1のガラス基板1上の陽極接合用金属膜3の上面には、第1のガラス基板1と同じサイズの第2のガラス基板5が後述の如く陽極接合されている。すなわち、第1のガラス基板1の上面には第2のガラス基板5が陽極接合用金属膜3を介して陽極接合されている。第2のガラス基板5の流路2の両端部に対応する所定の2箇所には流入口6および流出口7が設けられている。   On the upper surface of the anodic bonding metal film 3 on the first glass substrate 1, a second glass substrate 5 having the same size as the first glass substrate 1 is anodic bonded as described later. That is, the second glass substrate 5 is anodically bonded to the upper surface of the first glass substrate 1 via the anodic bonding metal film 3. An inlet 6 and an outlet 7 are provided at two predetermined locations corresponding to both ends of the flow path 2 of the second glass substrate 5.

第1のガラス基板1の下面全体には窒化シリコンなどからなる絶縁膜8が設けられている。絶縁膜8の下面全体にはAuなどの金属膜やTa−Si−Oなどの抵抗体膜からなるべた状の薄膜ヒータ9が設けられている。薄膜ヒータ9は、この小型反応装置における化学反応(触媒反応)が所定の熱条件による吸熱反応を伴うとき、化学反応時に流路2内の触媒担持膜4に所定の熱エネルギを供給するためのものである。   An insulating film 8 made of silicon nitride or the like is provided on the entire lower surface of the first glass substrate 1. A solid thin film heater 9 made of a metal film such as Au or a resistor film such as Ta—Si—O is provided on the entire lower surface of the insulating film 8. The thin film heater 9 is used for supplying predetermined thermal energy to the catalyst supporting film 4 in the flow path 2 at the time of chemical reaction when the chemical reaction (catalytic reaction) in this small reactor involves an endothermic reaction under a predetermined thermal condition. Is.

薄膜ヒータ9の下面両端部には、Ti−W層、Au層およびTi−W層からなる3層構造の配線10、11が設けられている。そして、薄膜ヒータ9は、これらの配線10、11に電圧が印加されると、発熱するようになっている。   Wirings 10 and 11 having a three-layer structure including a Ti—W layer, an Au layer, and a Ti—W layer are provided at both ends of the lower surface of the thin film heater 9. The thin film heater 9 generates heat when a voltage is applied to these wirings 10 and 11.

次に、この小型反応装置の製造方法の一例について説明する。まず、図3に示すように、第1のガラス基板1の下面に、プラズマCVD法などにより、窒化シリコンからなる絶縁膜8を成膜する。次に、絶縁膜8の下面に、スパッタ法などにより、Auなどの金属膜やTa−Si−Oなどの抵抗体膜を成膜して、べた状の薄膜ヒータ9を形成する。次に、薄膜ヒータ9の下面両端部に、スパッタ法などにより成膜されたTi−W層、Au層およびTi−W層からなる3層構造の配線形成用膜をフォトリソグラフィ法によりパターニングすることにより、配線10、11を形成する。   Next, an example of the manufacturing method of this small reactor will be described. First, as shown in FIG. 3, an insulating film 8 made of silicon nitride is formed on the lower surface of the first glass substrate 1 by plasma CVD or the like. Next, a metal film such as Au or a resistor film such as Ta—Si—O is formed on the lower surface of the insulating film 8 by sputtering or the like to form a solid thin film heater 9. Next, a wiring forming film having a three-layer structure including a Ti—W layer, an Au layer, and a Ti—W layer formed by sputtering or the like is patterned on both ends of the lower surface of the thin film heater 9 by photolithography. Thus, the wirings 10 and 11 are formed.

次に、図4に示すように、第1のガラス基板1の上面に、スパッタ法などにより、陽極接合により酸化されることによって第2のガラス基板5と接合可能となるTa、W、Tiなどからなる陽極接合用金属膜形成用膜21を成膜する。次に、陽極接合用金属膜形成用膜21の上面において、流路2に対応する領域以外の領域に、積層されたドライフィルムフォトレジストをフォトリソグラフィ法によりパターニングすることにより、レジスト膜22を形成する。   Next, as shown in FIG. 4, Ta, W, Ti, etc. that can be bonded to the second glass substrate 5 by being oxidized by anodic bonding on the upper surface of the first glass substrate 1 by sputtering or the like. A metal film forming film 21 for anodic bonding made of is formed. Next, on the upper surface of the metal film forming film 21 for anodic bonding, a resist film 22 is formed by patterning the laminated dry film photoresist in a region other than the region corresponding to the flow path 2 by photolithography. To do.

次に、レジスト膜22をマスクとして陽極接合用金属膜形成用膜21の不要な部分をエッチングして除去すると、図4に示すように、レジスト膜22下に陽極接合用金属膜3が形成される。次に、レジスト膜22をマスクとしたサンドブラスト法などの処理を行なうと、図6に示すように、レジスト膜22下以外の領域における第1のガラス基板1の上面に蛇行した微小な流路2が形成される。   Next, when unnecessary portions of the anodic bonding metal film forming film 21 are removed by etching using the resist film 22 as a mask, the anodic bonding metal film 3 is formed under the resist film 22 as shown in FIG. The Next, when processing such as sandblasting using the resist film 22 as a mask is performed, as shown in FIG. 6, the minute flow path 2 meandering on the upper surface of the first glass substrate 1 in a region other than the region under the resist film 22. Is formed.

次に、図7に示すように、流路2の内壁面などを含むレジスト膜22の表面に、溶射法により、多孔質の金属酸化物膜形成用膜23を成膜する。金属酸化物膜形成用膜23の材料としては、小型反応装置で行なわれる化学反応に影響を与えにくく、且つ、ガラスの成分であるAl23、Al23SiO2などの金属酸化物が好ましい。溶射法には、プラズマ溶射法、アーク溶射法、ガスフレーム溶射法、超高速フレーム溶射法などがあり、溶射材料を溶融噴射させて流路2の内壁面などを含むレジスト膜22の表面に吹き付け、多孔質の金属酸化物膜形成用膜23を成膜する方法である。 Next, as shown in FIG. 7, a porous metal oxide film forming film 23 is formed on the surface of the resist film 22 including the inner wall surface of the flow path 2 by a thermal spraying method. As a material of the metal oxide film forming film 23, metal oxides such as Al 2 O 3 and Al 2 O 3 SiO 2 which are hardly affected by chemical reaction performed in a small reactor and which are components of glass are used. Is preferred. The thermal spraying method includes plasma spraying method, arc spraying method, gas flame spraying method, ultra-high speed flame spraying method, and the like. In this method, a porous metal oxide film forming film 23 is formed.

このように、第1のガラス基板1の上面に形成された流路2内に溶射法により多孔質の金属酸化物膜形成用膜23を形成しているので、溶射法により金属酸化物膜形成用膜23を形成するとき、第1のガラス基板1の上面に形成された陽極接合用金属膜3が酸化されることがなく、したがって第1のガラス基板1の上面に形成された流路2内に多孔質の金属酸化物膜形成用膜23が形成されていても、後述の如く、ガラス基板1、5同士を陽極接合することができる。   As described above, since the porous metal oxide film forming film 23 is formed by the spraying method in the flow path 2 formed on the upper surface of the first glass substrate 1, the metal oxide film is formed by the spraying method. When the working film 23 is formed, the anodic bonding metal film 3 formed on the upper surface of the first glass substrate 1 is not oxidized, and therefore the flow path 2 formed on the upper surface of the first glass substrate 1. Even if the porous metal oxide film forming film 23 is formed therein, the glass substrates 1 and 5 can be anodically bonded as described later.

次に、図示していないが、多孔質の金属酸化物膜形成用膜23に触媒となる活性金属種(具体的な材料は後述する)を吸着させる。この活性金属種を吸着させる方法としては、金属酸化物膜形成用膜23に金属塩水溶液を吹き付けることにより、あるいは他の金属粒子や金属酸化物粒子を含む水溶液を吹き付けることにより、1種類または複数種類の活性金属種を吸着させる方法がある。次に、熱処理を行ない、多孔質の金属酸化物膜形成用膜23に触媒を焼成して固着させる。   Next, although not shown, an active metal species (specific materials will be described later) serving as a catalyst is adsorbed on the porous metal oxide film forming film 23. The active metal species can be adsorbed by spraying a metal salt aqueous solution onto the metal oxide film forming film 23 or by spraying an aqueous solution containing other metal particles or metal oxide particles. There are methods for adsorbing various types of active metal species. Next, heat treatment is performed, and the catalyst is fired and fixed to the porous metal oxide film forming film 23.

次に、レジスト膜22をリフトオフ法によりその表面に形成された金属酸化物膜形成用膜23と共に剥離すると、図8に示すように、陽極接合用金属膜3の流路2に対応する開口部の内壁面を含む流路2の内壁面に、触媒を担持した多孔質の触媒担持膜4が形成される。   Next, when the resist film 22 is peeled off together with the metal oxide film forming film 23 formed on the surface thereof by the lift-off method, the opening corresponding to the flow path 2 of the metal film 3 for anodic bonding as shown in FIG. A porous catalyst-carrying film 4 carrying a catalyst is formed on the inner wall surface of the flow path 2 including the inner wall surface.

次に、図9に示すように、直流電源24の陰極に接続された陰極板25上に、第1のガラス基板1の下面に設けられた配線10、11を位置決めして載置する。次に、第1のガラス基板2の上面に設けられたを陽極接合用金属膜3上に、流入口6および流出口7を有する第2のガラス基板5を位置決めして載置する。次に、第2のガラス基板5上に、直流電源24の陽極にスイッチ26を介して接続された陽極板27を載置する。   Next, as shown in FIG. 9, the wirings 10 and 11 provided on the lower surface of the first glass substrate 1 are positioned and placed on the cathode plate 25 connected to the cathode of the DC power supply 24. Next, the second glass substrate 5 having the inlet 6 and the outlet 7 provided on the upper surface of the first glass substrate 2 is positioned and placed on the anodic bonding metal film 3. Next, an anode plate 27 connected to the anode of the DC power supply 24 via the switch 26 is placed on the second glass substrate 5.

次に、第1、第2のガラス基板1、5を400〜600℃に加熱した状態で、スイッチ26を閉じて直流電源24から両極板25、27間に1kV程度の直流電圧を印加する。すると、第2のガラス基板5内の不純物である陽イオンが陽極接合用金属膜3から離れる方向に移動し、第2のガラス基板5の陽極接合用金属膜3側の界面に酸素イオンの濃度の高い層が現れる。すると、陽極接合用金属膜3の第2のガラス基板5側の界面の金属原子と第2のガラス基板5の陽極接合用金属膜3側の界面の酸素イオンとが結合し、強固な接合界面が得られる。   Next, in a state where the first and second glass substrates 1 and 5 are heated to 400 to 600 ° C., the switch 26 is closed, and a DC voltage of about 1 kV is applied from the DC power source 24 to the bipolar plates 25 and 27. Then, cations that are impurities in the second glass substrate 5 move away from the anodic bonding metal film 3, and the concentration of oxygen ions at the interface of the second glass substrate 5 on the anodic bonding metal film 3 side. A high layer appears. Then, the metal atom at the interface on the second glass substrate 5 side of the anodic bonding metal film 3 and the oxygen ion at the interface on the anodic bonding metal film 3 side of the second glass substrate 5 are combined to form a strong bonding interface. Is obtained.

そして、この強固な接合界面を有する陽極接合用金属膜3を介して、第1のガラス基板1と第2ガラス基板5とは強固に接合される。この場合、第1、第2のガラス基板1、5を400〜600℃に加熱し、両極板25、27間に1kV程度の直流電圧を印加するのは、第2のガラス基板5内の不純物である陽イオンが陽極接合用金属膜3から離れる方向に移動する速度を高くするためである。   The first glass substrate 1 and the second glass substrate 5 are firmly bonded through the anode bonding metal film 3 having a strong bonding interface. In this case, the first and second glass substrates 1 and 5 are heated to 400 to 600 ° C. and a DC voltage of about 1 kV is applied between the bipolar plates 25 and 27 because the impurities in the second glass substrate 5 This is to increase the speed at which the cation moves in a direction away from the anode bonding metal film 3.

ところで、上記製造方法では、同一のレジスト膜22を用いて、陽極接合用金属膜3、流路2および触媒担持膜4を形成しているので、製造工程数を少なくすることができる。また、陽極接合用金属膜3をガラスの成分であるAl23、Al23SiO2などの金属酸化物によって形成すると、ガラスの成分と異なる材料によって形成する場合と比較して、薄膜ヒータ9から陽極接合用金属膜3への第1のガラス基板1を介しての熱伝達効率を良くすることができる。 By the way, in the above manufacturing method, the same resist film 22 is used to form the anodic bonding metal film 3, the flow path 2, and the catalyst supporting film 4, so that the number of manufacturing steps can be reduced. Further, if the metal film 3 for anodic bonding is formed of a metal oxide such as Al 2 O 3 or Al 2 O 3 SiO 2 which is a glass component, it is a thin film compared to a case where it is formed of a material different from the glass component. The heat transfer efficiency from the heater 9 to the anodic bonding metal film 3 through the first glass substrate 1 can be improved.

また、上記製造方法では、陽極接合用金属膜3を用いて陽極接合により接合したが、陽極接合用金属膜3の代わりに比較的酸化されやすい接合用金属膜を用いて陽極接合以外の手法で接合する場合にも同様の効果をもたらすことができる。   Further, in the above manufacturing method, the anodic bonding metal film 3 is used for the anodic bonding, but instead of the anodic bonding metal film 3, a relatively easy to oxidize bonding metal film is used for techniques other than anodic bonding. The same effect can be brought about also when joining.

次に、上記のような構成の小型反応装置を燃料改質型の燃料電池を用いた燃料電池システムに適用した場合について説明する。図10は燃料電池システム31の一例の要部のブロック図を示す。この燃料電池システム31は、燃料部32、燃料気化部33、改質部34、一酸化炭素除去部35、発電部36、充電部37などを備えている。   Next, a description will be given of a case where the small reactor configured as described above is applied to a fuel cell system using a fuel reforming type fuel cell. FIG. 10 shows a block diagram of a main part of an example of the fuel cell system 31. The fuel cell system 31 includes a fuel unit 32, a fuel vaporization unit 33, a reforming unit 34, a carbon monoxide removal unit 35, a power generation unit 36, a charging unit 37, and the like.

燃料部32は、発電用燃料(例えばメタノール水溶液(CH3OH+H2O))が封入された燃料パックなどからなり、図示しないポンプの駆動により、発電用燃料を燃料気化部33に供給する。 The fuel unit 32 includes a fuel pack in which a fuel for power generation (for example, methanol aqueous solution (CH 3 OH + H 2 O)) is sealed, and supplies the power generation fuel to the fuel vaporization unit 33 by driving a pump (not shown).

燃料気化部33は、例えば、図1および図2に示すような構造となっている。ただし、この場合、流路2内には触媒担持膜4は設けられていない。そして、燃料気化部33は、燃料部32からの発電用燃料が流入口6を介して流路2内に供給されると、流路2内において、薄膜ヒータ9の加熱(120℃程度)により、発電用燃料を気化させ、この気化された発電用燃料ガス(例えば発電用燃料がメタノール水溶液の場合、CH3OH+H2O)を流出口7から流出させる。 The fuel vaporization part 33 has a structure as shown in FIGS. 1 and 2, for example. However, in this case, the catalyst supporting film 4 is not provided in the flow path 2. Then, when the fuel for power generation from the fuel unit 32 is supplied into the flow path 2 through the inlet 6, the fuel vaporization section 33 is heated by the thin film heater 9 (about 120 ° C.) in the flow path 2. Then, the power generation fuel is vaporized, and the vaporized power generation fuel gas (for example, CH 3 OH + H 2 O when the power generation fuel is an aqueous methanol solution) is caused to flow out from the outlet 7.

燃料気化部33で気化された発電用燃料ガス(CH3OH+H2O)は改質部34に供給される。この場合、改質部34も、図1および図2に示すような構造となっている。ただし、この場合、第1のガラス基板1の流路2内には触媒担持膜4が設けられ、触媒担持膜4には、例えば、Cu、ZnO、Al23などの改質触媒が担持されている。そして、改質部34は、燃料気化部33からの発電用燃料ガス(CH3OH+H2O)が流入口6を介して流路2内に供給されると、流路2内において、薄膜ヒータ9の加熱(280℃程度)により、次の式(1)に示すような吸熱反応を引き起こし、水素と副生成物の二酸化炭素とを生成する。
CH3OH+H2O→3H2+CO2……(1)
The power generation fuel gas (CH 3 OH + H 2 O) vaporized by the fuel vaporization unit 33 is supplied to the reforming unit 34. In this case, the reforming part 34 also has a structure as shown in FIGS. However, in this case, a catalyst supporting film 4 is provided in the flow path 2 of the first glass substrate 1, and a reforming catalyst such as Cu, ZnO, Al 2 O 3 is supported on the catalyst supporting film 4, for example. Has been. Then, when the reforming unit 34 is supplied with the power generation fuel gas (CH 3 OH + H 2 O) from the fuel vaporization unit 33 into the flow path 2 through the inflow port 6, the thin film heater is formed in the flow path 2. 9 (about 280 ° C.) causes an endothermic reaction as shown in the following formula (1) to generate hydrogen and carbon dioxide as a by-product.
CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2 (1)

上記式(1)の左辺における水(H2O)は、反応の初期では、燃料部32の燃料に含まれているものでよいが、後述する発電部36の発電に伴い生成される水を回収して改質部34に供給するようにしてもよい。また、発電部36の発電中の上記式(1)の左辺のおける水(H2O)の供給源は、発電部36のみでもよく、発電部36および燃料部32でも、また燃料部32のみでもよい。なお、このとき微量ではあるが、一酸化炭素が改質部34内で生成されることがある。 The water (H 2 O) on the left side of the above formula (1) may be contained in the fuel of the fuel unit 32 at the initial stage of the reaction, but the water generated with the power generation of the power generation unit 36 to be described later. It may be recovered and supplied to the reforming unit 34. Further, the water (H 2 O) supply source on the left side of the above formula (1) during power generation by the power generation unit 36 may be only the power generation unit 36, the power generation unit 36 and the fuel unit 32, or only the fuel unit 32. But you can. At this time, although it is a small amount, carbon monoxide may be generated in the reforming unit 34.

そして、上記式(1)の右辺の生成物(水素、二酸化炭素)および微量の一酸化炭素は改質部34の流出口7から流出される。改質部34の流出口7から流出された生成物のうち、気化状態の水素および一酸化炭素は一酸化炭素除去部35に供給され、二酸化炭素は分離されて大気中に放出される。   Then, the product (hydrogen, carbon dioxide) and a small amount of carbon monoxide on the right side of the formula (1) flow out from the outlet 7 of the reforming unit 34. Among the products flowing out from the outlet 7 of the reforming unit 34, vaporized hydrogen and carbon monoxide are supplied to the carbon monoxide removing unit 35, and carbon dioxide is separated and released into the atmosphere.

次に、一酸化炭素除去部35も、図1および図2に示すような構造となっている。ただし、この場合、第1のガラス基板1の流路2内には触媒担持膜4が設けられ、触媒担持膜4には、例えば、Pt、Al23などの選択酸化触媒が担持されている。そして、一酸化炭素除去部35は、改質部34からの気化状態の水素および一酸化炭素が流入口6を介して流路2内に供給されると、薄膜ヒータ9の加熱(180℃程度)により、流路2内に供給された水素、一酸化炭素、水のうち、一酸化炭素と水とが反応し、次の式(2)に示すように、水素と副生成物の二酸化炭素とが生成される。
CO+H2O→H2+CO2……(2)
Next, the carbon monoxide removal part 35 also has a structure as shown in FIGS. However, in this case, a catalyst supporting film 4 is provided in the flow path 2 of the first glass substrate 1, and a selective oxidation catalyst such as Pt and Al 2 O 3 is supported on the catalyst supporting film 4, for example. Yes. The carbon monoxide removal unit 35 heats the thin film heater 9 (about 180 ° C.) when the vaporized hydrogen and carbon monoxide from the reforming unit 34 are supplied into the flow path 2 through the inlet 6. ), Hydrogen monoxide and water out of hydrogen, carbon monoxide, and water supplied into the flow path 2 react with each other. As shown in the following equation (2), hydrogen and carbon dioxide as a by-product And are generated.
CO + H 2 O → H 2 + CO 2 (2)

上記式(2)の左辺における水(H2O)は反応の初期では、燃料部32の燃料に含まれているものでよいが、発電部36の発電に伴い生成される水を回収して一酸化炭素除去部35に供給することが可能である。また、一酸化炭素除去部35における反応式(2)の左辺のおける水の供給源は、発電部36のみでもよく、発電部36および燃料部32でも、また燃料部32のみでもよい。 The water (H 2 O) on the left side of the above formula (2) may be contained in the fuel of the fuel unit 32 at the initial stage of the reaction, but the water generated by the power generation of the power generation unit 36 is recovered. The carbon monoxide removal unit 35 can be supplied. Further, the water supply source on the left side of the reaction formula (2) in the carbon monoxide removal unit 35 may be only the power generation unit 36, the power generation unit 36 and the fuel unit 32, or only the fuel unit 32.

そして、最終的に一酸化炭素除去部35の流出口7に到達する流体はそのほとんどが水素、二酸化炭素となる。なお、一酸化炭素除去部35の流出口7に到達する流体に極微量の一酸化炭素が含まれている場合、残存する一酸化炭素を大気中から逆止弁を介して取り込まれた酸素に接触させることで、次の式(3)に示すように、二酸化炭素が生成され、これにより一酸化炭素が確実に除去される。
CO+(1/2)O2→CO2……(3)
And most of the fluid finally reaching the outlet 7 of the carbon monoxide removal section 35 is hydrogen and carbon dioxide. In addition, when a trace amount of carbon monoxide is contained in the fluid reaching the outlet 7 of the carbon monoxide removal unit 35, the remaining carbon monoxide is converted into oxygen taken in from the atmosphere via a check valve. By contacting, carbon dioxide is generated as shown in the following formula (3), and thereby carbon monoxide is surely removed.
CO + (1/2) O 2 → CO 2 (3)

上記一連の反応後の生成物は水素および二酸化炭素(場合によって微量の水を含む)で構成されるが、これらの生成物のうち、二酸化炭素は水素から分離されて大気中に放出される。したがって、一酸化炭素除去部35から発電部36には水素のみが供給される。なお、一酸化炭素除去部35は、燃料気化部33と改質部34との間に設けてもよい。   The product after the series of reactions is composed of hydrogen and carbon dioxide (including a trace amount of water in some cases). Among these products, carbon dioxide is separated from hydrogen and released into the atmosphere. Accordingly, only hydrogen is supplied from the carbon monoxide removal unit 35 to the power generation unit 36. Note that the carbon monoxide removal unit 35 may be provided between the fuel vaporization unit 33 and the reforming unit 34.

次に、発電部36は、図11に示すように、周知の固体高分子型の燃料電池からなっている。すなわち、発電部36は、Pt、Cなどの触媒が付着された炭素電極からなるカソード41と、Pt、Ru、Cなどの触媒が付着された炭素電極からなるアノード42と、カソード41とアノード42との間に介在されたフィルム状のイオン導電膜43と、を有して構成され、カソード41とアノード42との間に設けられた2次電池やコンデンサなどからなる充電部37に電力を供給するものである。   Next, as shown in FIG. 11, the power generation unit 36 includes a known solid polymer fuel cell. That is, the power generation unit 36 includes a cathode 41 made of a carbon electrode to which a catalyst such as Pt and C is attached, an anode 42 made of a carbon electrode to which a catalyst such as Pt, Ru and C is attached, and a cathode 41 and an anode 42. A film-like ion conductive film 43 interposed between and a power supply to a charging unit 37 including a secondary battery or a capacitor provided between the cathode 41 and the anode 42. To do.

この場合、カソード41の外側には空間部44が設けられている。この空間部44内には一酸化炭素除去部35からの水素が供給され、カソード41に水素が供給される。また、アノード42の外側には空間部45が設けられている。この空間部45内には大気中から逆止弁を介して取り込まれた酸素が供給され、アノード42酸素が供給される。   In this case, a space 44 is provided outside the cathode 41. Hydrogen is supplied from the carbon monoxide removing unit 35 into the space 44 and hydrogen is supplied to the cathode 41. A space 45 is provided outside the anode 42. Oxygen taken in from the atmosphere through the check valve is supplied into the space 45, and the anode 42 oxygen is supplied.

そして、カソード41側では、次の式(4)に示すように、水素から電子(e-)が分離した水素イオン(プロトン;H+)が発生し、イオン導電膜43を介してアノード42側に通過するとともに、カソード41により電子(e-)が取り出されて充電部37に供給される。
3H2→6H++6e-……(4)
On the cathode 41 side, as shown in the following formula (4), hydrogen ions (protons; H + ) in which electrons (e ) are separated from hydrogen are generated, and the anode 42 side via the ion conductive film 43 is generated. The electrons (e ) are taken out by the cathode 41 and supplied to the charging unit 37.
3H 2 → 6H + + 6e - ...... (4)

一方、アノード42側では、次の式(5)に示すように、充電部37を経由して供給された電子(e-)とイオン導電膜43を通過した水素イオン(H+)と酸素とが反応して副生成物の水が生成される。
6H++(3/2)O2+6e-→3H2O……(5)
On the other hand, on the anode 42 side, as shown in the following formula (5), electrons (e ) supplied via the charging unit 37, hydrogen ions (H + ) that have passed through the ion conductive film 43, oxygen, React to produce by-product water.
6H + + (3/2) O 2 + 6e → 3H 2 O (5)

以上のような一連の電気化学反応(式(4)および式(5))は概ね室温〜80℃程度の比較的低温の環境下で進行し、電力以外の副生成物は、基本的に水のみとなる。発電部36で生成された電力は充電部37に供給され、これにより充電部37が充電される。   The series of electrochemical reactions as described above (formula (4) and formula (5)) proceed in a relatively low temperature environment of about room temperature to about 80 ° C., and by-products other than electric power are basically water. It becomes only. The electric power generated by the power generation unit 36 is supplied to the charging unit 37, whereby the charging unit 37 is charged.

発電部36で生成された副生成物としての水は回収される。この場合、上述の如く、発電部36で生成された水の少なくとも一部を改質部34や一酸化炭素除去部35に供給するようにすると、燃料部32内に当初封入される水の量を減らすことができ、また回収される水の量を減らすことができる。   Water as a by-product generated in the power generation unit 36 is recovered. In this case, as described above, when at least a part of the water generated by the power generation unit 36 is supplied to the reforming unit 34 and the carbon monoxide removal unit 35, the amount of water initially sealed in the fuel unit 32. And the amount of recovered water can be reduced.

ところで、現在、研究開発が行われている燃料改質方式の燃料電池に適用されている燃料としては、少なくとも、水素元素を含む液体燃料または液化燃料または気体燃料であって、発電部36により、比較的高いエネルギー変換効率で電気エネルギーを生成することができる燃料であればよく、上記のメタノールの他、例えば、エタノール、ブタノールなどのアルコール系の液体燃料や、ジメチルエーテル、イソブタン、天然ガス(CNG)などの液化ガスなどの常温常圧で気化される炭化水素からなる液体燃料、あるいは、水素ガスなどの気体燃料などの流体物質を良好に適用することができる。   By the way, the fuel applied to the fuel cell of the fuel reforming method currently being researched and developed is at least a liquid fuel, a liquefied fuel or a gaseous fuel containing hydrogen element, Any fuel can be used as long as it can generate electric energy with a relatively high energy conversion efficiency. In addition to the above methanol, alcohol-based liquid fuels such as ethanol and butanol, dimethyl ether, isobutane, and natural gas (CNG) It is possible to satisfactorily apply a fluid substance such as a liquid fuel made of hydrocarbons vaporized at normal temperature and pressure, such as a liquefied gas, or a gaseous fuel such as hydrogen gas.

この発明の一実施形態としての小型反応装置の透過平面図。The permeation | transmission top view of the small reactor as one Embodiment of this invention. 図1のII−II線に沿う断面図。Sectional drawing which follows the II-II line | wire of FIG. 図1および図2に示す小型反応装置の製造に際し、当初の工程の断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view of an initial process in manufacturing the small reactor shown in FIGS. 1 and 2. 図3に続く工程の断面図。Sectional drawing of the process following FIG. 図4に続く工程の断面図。Sectional drawing of the process following FIG. 図5に続く工程の断面図。Sectional drawing of the process following FIG. 図6に続く工程の断面図。Sectional drawing of the process following FIG. 図7に続く工程の断面図。Sectional drawing of the process following FIG. 図8に続く工程の断面図。FIG. 9 is a cross-sectional view of the process following FIG. 8. 小型反応装置を備えた燃料電池システムの一例の要部のブロック図。The block diagram of the principal part of an example of the fuel cell system provided with the small reactor. 図10に示す燃料電池システムの発電部および充電部の概略構成図。The schematic block diagram of the electric power generation part and charging part of the fuel cell system shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 第1のガラス基板
2 流路
3 陽極接合用金属膜
4 触媒担持膜
5 第2のガラス基板
6 流入口
7 流出口
8 絶縁膜
9 薄膜ヒータ
10、11 配線
24 直流電源
25 陰極板
26 スイッチ
27 陽極板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st glass substrate 2 Flow path 3 Metal film for anodic bonding 4 Catalyst support film 5 2nd glass substrate 6 Inlet 7 Outlet 8 Insulating film 9 Thin film heater 10, 11 Wiring 24 DC power supply 25 Cathode plate 26 Switch 27 Anode plate

Claims (7)

第1のガラス基板における流路形成領域以外の領域に接合用金属膜が設けられている一面に形成された流路内に溶射法により金属酸化物膜からなる触媒担持膜を形成する工程と、
前記第1のガラス基板の前記一面に第2のガラス基板を前記接合用金属膜を介して接合する工程と、
を含むことを特徴とする小型反応装置の製造方法。
A step of forming a catalyst-supporting film made of a metal oxide film by a thermal spraying method in a flow path formed on one surface of the first glass substrate other than the flow path forming area provided with a bonding metal film;
Bonding a second glass substrate to the one surface of the first glass substrate via the bonding metal film;
The manufacturing method of the small reactor characterized by including.
請求項1に記載の発明において、前記流路は、前記接合用金属膜を形成した後に、前記第1のガラス基板の前記一面に形成されることを特徴とする小型反応装置の製造方法。   The method according to claim 1, wherein the flow path is formed on the one surface of the first glass substrate after the bonding metal film is formed. 請求項2に記載の発明において、前記接合用金属膜は、成膜された接合用金属膜形成用膜をその上に形成されたレジスト膜をマスクとしたエッチングにより形成し、前記流路は前記レジスト膜をマスクとした処理により形成することを特徴とする小型反応装置の製造方法。   In the invention according to claim 2, the bonding metal film is formed by etching the formed bonding metal film forming film using a resist film formed thereon as a mask, A method for manufacturing a small-sized reaction apparatus, which is formed by a process using a resist film as a mask. 請求項3に記載の発明において、前記流路を形成するための処理はサンドブラスト法であることを特徴とする小型反応装置の製造方法。   4. The method for manufacturing a small reactor according to claim 3, wherein the treatment for forming the flow path is a sandblasting method. 請求項3に記載の発明において、前記触媒担持膜は、前記流路を形成した後に、前記レジスト膜を残した状態で成膜された触媒担持膜形成用膜のうちの前記レジスト膜の表面に形成された触媒担持膜形成用膜を前記レジスト膜と共に剥離することにより、形成することを特徴とする小型反応装置の製造方法。   In the invention according to claim 3, the catalyst-carrying film is formed on the surface of the resist film of the catalyst-carrying film-forming film formed with the resist film remaining after the flow path is formed. A method for producing a small reactor, wherein the formed catalyst-supporting film-forming film is peeled off together with the resist film. 請求項1に記載の発明において、前記第1のガラス基板の前記一面とは反対側の他面に薄膜ヒータを形成する工程を有することを特徴とする小型反応装置の製造方法。   2. The method of manufacturing a small reactor according to claim 1, further comprising a step of forming a thin film heater on the other surface opposite to the one surface of the first glass substrate. 請求項6に記載の発明において、前記接合用金属膜の形成は前記薄膜ヒータを形成した後に行なうことを特徴とする小型反応装置の製造方法。
7. The method for manufacturing a small reactor according to claim 6, wherein the metal film for bonding is formed after the thin film heater is formed.
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