JP2008126191A - マイクロリアクター - Google Patents

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裕 八木
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Abstract

【課題】外部への熱の影響を抑制しながら高効率の触媒反応を可能とする信頼性の高いマイクロリアクターを提供する。
【解決手段】マイクロリアクター1を、真空筐体2と、この真空筐体2の真空密閉キャビティ3内に配設されたマイクロリアクター本体4と、マイクロリアクター本体4の少なくとも1つの面に位置するゲッター発熱基板6とを備えたものとし、マイクロリアクター本体4は原料供給管5Aにより真空筐体2の外部と接続さた原料導入口19a、およびガス排出管5Bにより真空筐体2の外部と接続されガス排出口19bとを有し、ゲッター発熱基板6は、基板7と、基板7上に相互に非接触状態で配設された発熱体9とゲッター材層10とを有するものとした。
【選択図】 図2

Description

本発明は、マイクロリアクターに係り、特に担持した触媒によって所望の反応を進行させるためのマイクロリアクターに関する。
従来から、触媒を利用したリアクターが種々の分野で使用されており、目的に応じて最適な設計がなされている。
一方、近年、地球環境保護の観点で二酸化炭素等の地球温暖化ガスの発生がなく、また、エネルギー効率が高いことから、水素を燃料とすることが注目されている。特に、燃料電池は水素を直接電力に変換できることや、発生する熱を利用するコジェネレーションシステムにおいて高いエネルギー変換効率が可能なことから注目されている。これまで燃料電池は宇宙開発や海洋開発等の特殊な条件において採用されてきたが、最近では自動車や家庭用分散電源用途への開発が進んでおり、また、携帯機器用の燃料電池も開発されている。
携帯機器用の燃料電池では小型化が必須であり、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の小型化が種々検討されている。例えば、金属基板、シリコン基板、セラミックス基板等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種々のマイクロリアクターが開発されている(特許文献1)。
特開2002−252014号公報
従来のマイクロリアクターでは、担持した触媒による所望の吸熱反応を進行させるための発熱体による加熱や、発熱反応による発熱によって、外壁温度が200℃以上の高温状態となることがある。このため、マイクロリアクターを携帯機器等に使用する場合、高温状態にあるマイクロリアクターと周囲の機器、部材との間で断熱が必要となる。
しかしながら、例えば、ガラスウール、セラミックス材料等の公知の断熱材を高温状態のマイクロリアクターの周囲に配設し、断熱材の外壁温度を常温〜50℃程度とするには、厚みの大きい断熱材が必要となり、小型化が要求される携帯機器等への実用に供し得ないという問題があった。
本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたものであり、外部への熱の影響を抑制しながら高効率の触媒反応を可能とする信頼性の高いマイクロリアクターを提供することを目的とする。
このような目的を達成するために、本発明のマイクロリアクターは、真空筐体と、該真空筐体内の真空密閉キャビティ内に配設されたマイクロリアクター本体と、該マイクロリアクター本体の少なくとも1つの面に位置するゲッター発熱基板とを備え、前記マイクロリアクター本体は原料導入口およびガス排出口を有し、該原料導入口は原料供給管により前記真空筐体の外部と接続され、該ガス排出口はガス排出管により前記真空筐体の外部と接続され、前記ゲッター発熱基板は、基板と、該基板上に相互に非接触状態で配設された発熱体とゲッター材層とを有するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記ゲッター発熱基板の前記基板は金属基板であり、該金属基板上に電気絶縁層を介して前記発熱体と前記ゲッター材層とが配設されているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記ゲッター発熱基板の前記基板は前記マイクロリアクター本体を構成する金属基板であり、該金属基板上に電気絶縁層を介して前記発熱体と前記ゲッター材層とが配設されているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記マイクロリアクター本体は、1組の金属基板が接合された接合体と、前記1組の金属基板の少なくとも一方の金属基板の接合面に形成された微細溝部で構成されたトンネル状流路と、該トンネル状流路に形成された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒とを備え、前記原料導入口および前記ガス排出口は前記トンネル状流路と連通され、前記触媒担持層は無機酸化物被膜であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記マイクロリアクター本体は、3枚以上の金属基板が積層接合された接合体と、該接合体の内部に形成された流路と、該流路に形成された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒とを備え、少なくとも最外層に位置しない前記金属基板は少なくとも一方の接合面に形成された溝部と、該溝部に形成された貫通孔とを有し、前記溝部と前記貫通孔により前記流路が構成され、前記原料導入口および前記ガス排出口は前記流路と連通され、前記触媒担持層は無機酸化物被膜であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記溝部は隔壁を介して複数形成されているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記溝部に形成された貫通孔は複数であるような構成とした。
本発明は、マイクロリアクター本体が真空筐体の真空密閉キャビティ内に位置しており、かつ、ゲッター発熱基板のゲッター材層によって真空密閉キャビティが維持されるため、マイクロリアクター本体が高温状態となっても、真空密閉キャビティがマイクロリアクター本体から外部への熱伝導を有効に遮断するとともに、この真空密閉キャビティによる断熱効果は、他の断熱材を使用した場合に比べて格段に高いものであり、真空筐体を大型化することなく、マイクロリアクター(真空筐体)外壁温度を常温〜50℃程度とすることができ、これにより、小型でありなら外部への熱の影響が抑制され、かつ、触媒反応の効率が高いマイクロリアクターが可能となる。また、ゲッター発熱基板の発熱体に通電することにより、マイクロリアクターの外部からの加熱処理を施すことなくゲッター材層の活性化が可能であり、マイクロリアクター製造時のゲッター材層の初期活性化が容易であるとともに、マイクロリアクター運転時のゲッター材層の再活性化が可能であり、真空密閉キャビティが高真空状態に維持され、また、ゲッター材層はゲッター発熱基板に一体化されているので、固定が確実であり、マイクロリアクターの信頼性が高いものとなる。さらに、マイクロリアクター本体において発熱反応が行われる場合には、この発熱を利用してゲッター材層の再活性化を定常的に行うことができ、エネルギー効率がより高いものとなる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
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線における拡大断面図である。図1および図2において、マイクロリアクター1は、真空筐体2と、この真空筐体2内の真空密閉キャビティ3内に配設されたマイクロリアクター本体4と、このマイクロリアクター本体4に配設されたゲッター発熱基板6とを備えている。ゲッター発熱基板6は、金属基板7と、この金属基板7上に配設された電気絶縁層8と、電気絶縁層8上に相互に非接触状態で配設された発熱体9とゲッター材層10とを有しており、金属基板7がマイクロリアクター本体4に接合されている。尚、図2では、ゲッター材層10に斜線を付して示している。
真空筐体2は、マイクロリアクター本体4の周囲に真空密閉キャビティ3を設けるためのものであり、材質は、例えば、ステンレス、銅、アルミニウム、チタン、鉄等とすることができる。また、真空筐体2の形状は、図示例では直方体形状であるが、これに限定されるものではない。真空筐体2の内容積、形状は、マイクロリアクター本体4の形状と断熱作用を考慮して適宜設定することができ、例えば、真空密閉キャビティ3の厚み(マイクロリアクター本体4と真空筐体2の内壁面との距離)が1mm以上、好ましくは2〜15mmの範囲となるように設定することができる。
また、マイクロリアクター本体4は、原料導入口19aおよびガス排出口19bを有し、原料導入口19aは原料供給管5Aにより真空筐体2の外部と接続され、ガス排出口19bはガス排出管5Bにより真空筐体2の外部と接続されている。
図3は本発明のマイクロリアクター1を構成するマイクロリアクター本体4の一例を示す斜視図であり、図4は図3に示されるマイクロリアクター本体4のB−B線における拡大縦断面図である。図3および図4において、マイクロリアクター本体4は、一方の面14aに微細溝部15が形成された金属基板14と、一方の面16aに微細溝部17が形成された金属基板16とが、微細溝部15と微細溝部17が対向するように接合された接合体12を有している。この接合体12の内部には、対向する微細溝部15,17で構成されたトンネル状流路13が形成されており、このトンネル状流路13の内壁面の全面に触媒担持層18が配設されており、この触媒担持層18に触媒Cが担持されている。また、トンネル状流路13は、上記の接合体12の対向する端面に設けられている原料導入口19aとガス排出口19bに連通している。
図5は、図3に示されるマイクロリアクター本体4の金属基板14と金属基板16を離間させた状態を示す斜視図である。尚、図5では、触媒担持層18を省略している。図5に示されるように、微細溝部15,17は、180度折り返して蛇行しながら連続する形状で形成されている。そして、微細溝部15と微細溝部17は、金属基板14,16の接合面に対して対称関係にあるパターン形状である。したがって、金属基板14,16の接合により、微細溝部15の端部15aが微細溝部17の端部17a上に位置し、微細溝部15の端部15bが微細溝部17の端部17b上に位置して、微細溝部15と微細溝部17が完全に対向している。このような微細溝部15,17で構成されるトンネル状流路13の端部が、図3に示されるように、原料導入口19aとガス排出口19bをなしている。尚、マイクロリアクター本体4のトンネル状流路13の形状、原料導入口19aおよびガス排出口19bの位置は、図示例に限定されるものではない。したがって、原料供給管5Aとガス排出管5Bの位置も、図1および図2に示されるものに限定されない。
マイクロリアクター本体4を構成する金属基板14,16は、トンネル状流路13の壁面を構成する微細溝部15,17の加工が容易で、かつ、接合が容易な金属材料を選択することができ、例えば、ステンレス基板、銅基板、アルミニウム基板、チタン基板、鉄基板、鉄合金基板等であってよい。ステンレス基板の場合、微細溝部15,17の精密加工が容易であるとともに、拡散接合により強固な接合体12が得られる。また、銅基板の場合、微細溝部15,17の精密加工が容易であるとともに、レーザー溶接、抵抗溶接、ロウ付けにより強固な接合体12が得られる。金属基板14,16の厚みは、マイクロリアクター本体4の大きさ、使用する金属の熱容量、熱伝導率等の特性、形成する微細溝部15,17の大きさ等を考慮して適宜設定することができるが、例えば、50〜5000μm程度の範囲で設定することができる。
金属基板14,16に形成される微細溝部15,17は、図5に示されるような形状に限定されるものではなく、微細溝部15,17内に担持する触媒Cの量が多くなり、かつ、原料が触媒Cと接触する流路長が長くなるような任意の形状とすることができる。
また、トンネル状流路13の流体の流れ方向に垂直な断面における微細溝部15,17の内壁面の形状は、円弧形状ないし半円形状、あるいは、U字形状が好ましい。このような微細溝部15,17からなるトンネル状流路13の径は、例えば、100〜2000μm程度の範囲内で設定することができ、流路長は30〜300mm程度の範囲とすることができる。
触媒担持層18は無機酸化物被膜であり、例えば、溶射により形成したアルミナ(Al23)被膜、ムライト(Al23・2SiO2)被膜等とすることができる。このような触媒担持層18の厚みは、例えば、10〜50μm程度の範囲で適宜設定することができる。
触媒Cとしては、マイクロリアクター1の使用目的に応じて適宜選択することができ、例えば、水素製造に使用する場合、触媒CとしてCu−Zn系、Pd−Zn系等の改質触媒、Pt、Pd、NiO、Co23、CuO等の燃焼触媒を使用することができる。
図6は、本発明のマイクロリアクター1を構成するゲッター発熱基板6の平面図である。図2および図6に示されるように、発熱体9は、180度折り返して蛇行しながら連続する形状で電気絶縁層8上に形成されており、発熱体9の両端部には電極9a,9aが配設されている。そして、この発熱体9と非接触状態で複数(図示例では5本)のゲッター材層10が電気絶縁層8上に形成されている。尚、図6では、ゲッター材層10に斜線を付して示している。
金属基板7は、マイクロリアクター本体4と接合が容易な金属材料を選択することができ、例えば、ステンレス基板、銅基板、アルミニウム基板、チタン基板、鉄基板、鉄合金基板等であってよい。また、本発明では、マイクロリアクター本体4を構成する金属基板14が金属基板7を兼ねるものであってもよい。すなわち、金属基板14上に電気絶縁層8を介して発熱体9とゲッター材層10が非接触状態で形成されたものであってもよい。
電気絶縁層8は、例えば、ポリイミド、セラミックス(Al23、SiO2)等とすることができる。また、電気絶縁層8は、金属基板7の陽極酸化により形成した金属酸化膜であってもよい。このような電気絶縁層8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、0.5〜150μm程度の範囲で設定することができる。
発熱体9は、吸熱反応である原料の触媒反応に必要な熱を供給するためのものであり、カーボンペースト、ニクロム(Ni−Cr合金)、W、Mo、Au等の材質を使用することができる。この発熱体9の形状は、図6に示されるように、例えば、幅10〜200μm程度の細線を電気絶縁層8上に引き回したような形状とすることができるが、このような形状に限定されず、適宜設定することができる。
発熱体9に形成された通電用の電極9a,9a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、また、発熱体9と同じ材質であってもよい。この電極9a,9aは、図示しない配線によって真空筐体2の外部の電源に接続されている。
ゲッター材層10は、真空筐体2の真空密閉キャビティ3内を真空状態に維持するためのものであり、発熱体9とは非接触状態とされている。使用するゲッター材としては、例えば、Zr、Ti、Ni、Pd、Ptの少なくとも1種、あるいはこれらの金属の2種以上からなる合金等を挙げることができる。このようなゲッター材層10の形成方法には特に制限はなく、例えば、上記のようなゲッター材を含有するペーストを用いてスクリーン印刷により形成することができ、この場合、厚みは10〜150μmの範囲で適宜設定することが好ましい。また、ゲッター材層10は、上記のようなゲッター材を用いた真空成膜法により形成することもでき、この場合、厚みは0.1〜5μmの範囲で適宜設定することが好ましい。尚、真空成膜法によりゲッター材層10をパターン形成する場合は、例えば、メタルマスクを用いた真空蒸着により行うことができる。
上述のような本発明のマイクロリアクター1は、マイクロリアクター本体4が真空筐体2の真空密閉キャビティ3内に位置しており、かつ、ゲッター発熱基板6のゲッター材層10によって真空密閉キャビティ3が維持される。このため、マイクロリアクター本体4が高温状態となっても、真空密閉キャビティ3がマイクロリアクター本体4から真空筐体2への熱伝導を有効に遮断し、この真空密閉キャビティ3による断熱効果は、他の断熱材(例えば、ガラスウール、セラミックス材料等)を使用した場合に比べて格段に高いものであり、真空筐体2を大型化することなく、マイクロリアクター1(真空筐体2)外壁温度を常温〜50℃程度とすることができる。
また、本発明のマイクロリアクター1の製造では、例えば、開口部を有する真空筐体2とマイクロリアクター本体4を個別に作製し、マイクロリアクター本体4を真空筐体2内に配設し、マイクロリアクター本体4の原料導入口19aを原料供給管5Aにより真空筐体2の外部と接続し、また、ガス排出口19bをガス排出管5Bにより真空筐体2の外部と接続し、また、発熱体9の電極9a,9aを外部電源に接続し、真空筐体2の開口部を閉塞する。その後、真空筐体2に設けた吸引口(図示せず)から吸引することにより真空筐体2内部を真空密閉キャビティ3とし、吸引口を密封する。あるいは、上記の吸引口を設けることなく、真空筐体2の開口部の閉塞を真空チャンバー内部で行なうことにより本発明のマイクロリアクター1を製造することも可能である。いずれの製造方法により製造するにしても、本発明のマイクロリアクター1では、ゲッター発熱基板6の発熱体9に通電することにより、マイクロリアクター1の外部からの加熱処理を施すことなくゲッター材層10の活性化が可能であり、マイクロリアクター製造時のゲッター材層10の初期活性化が容易である。
さらに、本発明のマイクロリアクター1では、発熱体9の近傍にゲッター材層10が位置するので、マイクロリアクター運転時のゲッター材層10の再活性化も可能であり、真空密閉キャビティ3が高真空状態に維持される。
また、ゲッター材層10はゲッター発熱基板6に一体化されているので、マイクロリアクター1への固定が確実である。
さらに、本発明のマイクロリアクター1では、マイクロリアクター本体4において発熱反応が行われる場合には、この発熱を利用してゲッター材層10の再活性化を定常的に行うことができ、エネルギー効率がより高いものとなる。
次に、本発明のマイクロリアクターを構成するマイクロリアクター本体の他の形態を例示して説明する。
図7は、本発明のマイクロリアクターを構成するマイクロリアクター本体の他の形態を示す図4相当の縦断面図である。図7において、マイクロリアクター本体4Aは、一方の面24aに微細溝部25が形成された金属基板24と、微細溝部25を覆うように金属基板24の面24aに接合された金属基板(カバー部材)26とからなる接合体22を有している。この接合体22の内部には、微細溝部25と金属基板26とで構成されたトンネル状流路23が形成されており、微細溝部25の内壁面に触媒担持層28が配設され、この触媒担持層28に触媒Cが担持されている。
金属基板24の微細溝部25は、図5に示される微細溝部15,17と同様に、180度折り返して蛇行しながら連続する形状であってよいが、これに限定されるものではない。また、微細溝部25の断面形状は円弧形状ないし半円形状、あるいは、U字形状等であってよい。そして、トンネル状流路23の一方の開口端が原料導入口(図示せず)となり、他方の開口端がガス排出口(図示せず)となっている。
このようなマイクロリアクター本体4Aを構成する金属基板24、金属基板(カバー部材)26は、上述の実施形態の金属基板14,16と同様の材料を使用することができる。また、金属基板24の厚みは、マイクロリアクター本体4Aの大きさ、使用する金属材料の熱容量、熱伝導率等の特性、形成する微細溝部25の大きさ等を考慮して適宜設定することができるが、例えば、50〜5000μm程度の範囲で設定することができる。また、金属基板26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、20〜2000μm程度の範囲で設定することができる。
このマイクロリアクター本体4Aを構成する触媒担持層28は、上述の実施形態の触媒担持層18と同様とすることができる。
また、図8は、本発明のマイクロリアクターを構成するマイクロリアクター本体の他の形態を示す斜視図であり、図9は図8に示されるマイクロリアクター本体のC−C線における拡大縦断面図であり、図10は図8に示されるマイクロリアクター本体のD−D線における拡大縦断面図である。図8〜図10において、マイクロリアクター本体4Bは、5枚の金属基板34,35,36,37,38が積層接合された接合体32を有している。5枚の金属基板34,35,36,37,38のうち、一方の最外層である金属基板34はカバー部材として機能し、所定の位置に3個の貫通孔34Bを備えている。また、最外層に位置しない3枚の金属基板35,36,37と、最外層の金属基板38は、それぞれ隔壁を介して分離された3列の溝部35A,36A,37A,38Aを一方の面(金属基板34側)に備え、各溝部35A,36A,37A,38Aには貫通孔35B,36B,37B,38Bがそれぞれ設けられている。そして、3列の溝部35A,36A,37A,38Aは、それぞれ貫通孔35B,36B,37Bを介して積層方向に連通されている。したがって、金属基板34の貫通孔34Bから、溝部35A→貫通孔35B→溝部36A→貫通孔36B→溝部37A→貫通孔37B→溝部38A→貫通孔38Bに至るジグザグ形状の流路33が3本(33A,33B,33C)形成されている。
また、上記のように3本の流路33A,33B,33Cを構成する4枚の金属基板35,36,37,38の各溝部35A,36A,37A,38Aと、3枚の金属基板35,36,37の貫通孔35B,36B,37Bの内壁面には触媒担持層40が配設されており、この触媒担持層40に触媒Cが担持されている。そして、金属基板34の3個の貫通孔34Bは、3本の流路33A,33B,33Cの原料導入口39aであり、最外層の金属基板38の3個の貫通孔38Bは、3本の流路33A,33B,33Cのガス排出口39bとなっている。
図11は、図8に示されるマイクロリアクター本体4Bを構成する5枚の金属基板34,35,36,37,38を離間させた状態を示す斜視図である。尚、図11では、触媒担持層40を省略している。図11に示されるように、金属基板35,36,37,38には、それぞれ隔壁を介して3列の溝部35A,36A,37A,38Aが形成されており、各溝部35A,36A,37A,38Aの一方の端部には貫通孔35B,36B,37B,38Bがそれぞれ設けられている。図示例では、ジグザグ形状の3本の流路33のうち、流路33Aと流路33Cは、溝部35A,36A,37A,38A内での流体の流れ方向が同一であり、流路33Bは流体の流れ方向が逆となっている。
マイクロリアクター本体4Bを構成する5枚の金属基板34,35,36,37,38は、上述の実施形態の金属基板14,16と同様の材料を使用することができる。また、金属基板35,36,37,38の厚みは、マイクロリアクター本体4Bの大きさ、使用する金属材料の熱容量、熱伝導率等の特性、必要とされる溝部35A,36A,37A,38Aの大きさ等を考慮して適宜設定することができるが、例えば、50〜5000μm程度の範囲で設定することができる。また、金属基板34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、20〜2000μm程度の範囲で設定することができる。
このマイクロリアクター本体4Bを構成する触媒担持層40は、上述の実施形態の触媒担持層18と同様とすることができる。
尚、上述のマイクロリアクター本体4Bにおいて、各流路33A,33B,33Cの流体の流れ方向には制限はなく、流体の流れ方向が、図示例と逆に、基板38から基板34へ向かうものであってもよい。この場合、3個の原料導入口39aと、3個のガス排出口39bとが逆となる。また、3個の原料導入口39aの位置、3個のガス排出口39bの位置も図示例に限定されるものではない。
また、金属基板34の表面(溝部35A側に露出している面)にも触媒担持層40を配設し、この触媒担持層40に触媒Cを担持してもよい。さらに、各金属基板35,36,37の表面(溝部36A,37A,38Aに露出している面)にも触媒担持層40を配設し、この触媒担持層40に触媒Cを担持してもよい。これにより、触媒Cの担持量がさらに増大し、反応効率とスペースの有効利用が向上する。
図12は、本発明のマイクロリアクターを構成するマイクロリアクター本体の他の形態を示す斜視図であり、図13は図12に示されるマイクロリアクター本体のE−E線における拡大縦断面図である。図12、図13において、マイクロリアクター本体4Cは、6枚の金属基板44,45,46,47,48,49が積層接合された接合体42を有している。また、図14は、図12に示されるマイクロリアクター本体4Cを構成する6枚の金属基板44,45,46,47,48,49を離間させた状態を示す斜視図である。尚、図14では、後述する触媒担持層51を省略している。
上記の6枚の金属基板44,45,46,47,48,49のうち、一方の最外層である金属基板44はカバー部材として機能し、ほぼ中央に1列に3個の貫通孔44Bを備えている。また、最外層に位置しない4枚の金属基板45,46,47,48と、最外層の金属基板49は、それぞれ隔壁を介して配列された3列の溝部45A,46A,47A,48A,49Aを一方の面(金属基板44側)に備えている。また、3枚の金属基板45,47,49の各溝部45A,47A,49Aには、ほぼ中央部に1個の貫通孔45B,47B,49Bがそれぞれ設けられている。一方、2枚の金属基板46,48の各溝部46A,48Aには、両端部に1個、計2個の貫通孔46B,48Bがそれぞれ設けられている。そして、3列の溝部45A,46A,47A,48A,49Aは、それぞれ貫通孔45B,46B,47B,48Bを介して積層方向に連通されている。したがって、金属基板44の各貫通孔44Bから、溝部45A→1個の貫通孔45B→溝部46A→2個の貫通孔46B→溝部47A→1個の貫通孔47B→溝部48A→2個の貫通孔48B→溝部49A→1個の貫通孔49Bに至る集中・分離を繰り返すような流路43が3本(43A,43B,43C(図13では流路43Aが示されている))形成されている。
また、上記の3本の流路43A,43B,43Cを構成する5枚の金属基板45,46,47,48,49の各溝部45A,46A,47A,48A,49Aと、4枚の金属基板45,46,47,48の貫通孔45B,46B,47B,48Bの内壁面には、触媒担持層51が配設されており、この触媒担持層51に触媒Cが担持されている。そして、金属基板44の3個の貫通孔44Bは、3本の流路43A,43B,43Cの原料導入口50aであり、最外層の金属基板49の3個の貫通孔49Bは、3本の流路43A,43B,43Cのガス排出口50bとなっている。
このようなマイクロリアクター本体4Cを構成する6枚の金属基板44,45,46,47,48,49は、上述の実施形態の金属基板14,16と同様の材料を使用することができる。また、金属基板45,46,47,48,49の厚みは、マイクロリアクター本体4Cの大きさ、使用する金属材料の熱容量、熱伝導率等の特性、必要とされる溝部45A,46A,47A,48A,49Aの大きさ等を考慮して適宜設定することができるが、例えば、50〜5000μm程度の範囲で設定することができる。また、金属基板44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、20〜2000μm程度の範囲で設定することができる。
このマイクロリアクター本体4Cを構成する触媒担持層51は、上述の実施形態の触媒担持層18と同様とすることができる。
尚、上述のマイクロリアクター本体4Cにおいて、各流路43A,43B,43Cの流体の流れ方向には制限はなく、流体の流れ方向が、図示例と逆に、基板49から基板44へ向かうものであってもよい。この場合、3個の原料導入口50aと、3個のガス排出口50bとが逆となる。また、3個の原料導入口50aの位置、3個のガス排出口50bの位置も図示例に限定されるものではない。
また、金属基板44の表面(溝部45A側に露出している面)にも触媒担持層51を配設し、この触媒担持層51に触媒Cを担持してよく、さらに、各金属基板45,46,47,48の表面(溝部46A,47A,48A,49Aに露出している面)にも触媒担持層51を配設し、この触媒担持層51に触媒Cを担持してよい。これにより、触媒Cの担持量がさらに増大し、反応効率とスペースの有効利用が向上する。
図15は、本発明のマイクロリアクターを構成するマイクロリアクター本体の他の形態を示す図9、図13相当の縦断面図である。図15において、マイクロリアクター本体4Dは、5枚の金属基板64,65,66,67,68が積層接合された接合体62を有している。また、図16は、図15に示されるマイクロリアクター本体4Dを構成する5枚の金属基板64,65,66,67,68を離間させた状態を示す斜視図である。尚、図16では、後述する触媒担持層70を省略している。
上記の5枚の金属基板64,65,66,67,68のうち、一方の最外層である金属基板64はカバー部材として機能し、後述する金属基板65の6個の溝部65Aに跨るような1個の溝部64Aと、略中央に1個の貫通孔64Bを備えている。また、最外層に位置しない3枚の金属基板65,66,67は、それぞれ6個の溝部65A,66A,67Aを一方の面(金属基板64側)に備えている。一方、最外層の金属基板68は、金属基板64の溝部64Aに対応した1個の溝部68Aを一方の面(金属基板64側)に備えている。また、3枚の金属基板65,66,67の各溝部65A,66A,67Aには、貫通孔65B,66B,67Bがそれぞれ設けられている。また、金属基板68の溝部68Aには、1個の貫通孔68Bが設けられている。そして、各溝部65A,66A,67A,68Aは、それぞれ複数の貫通孔65B,66B,67Bを介して積層方向に連通されている。したがって、金属基板64の1個の貫通孔64Bから溝部64Aに入った後は、溝部65A→貫通孔65B→溝部66A→貫通孔66B→溝部67A→貫通孔67B→溝部68Aに至る6個の独立した流路63が形成されている。
また、上記の6個の独立した流路63を構成する4枚の金属基板65,66,67,68の各溝部65A,66A,67A,68Aと、3枚の金属基板65,66,67の貫通孔65B,66B,67Bの内壁面には、触媒担持層70が配設されており、この触媒担持層70に触媒Cが担持されている。そして、金属基板64の1個の貫通孔64Bは、流路63の原料導入口69aであり、最外層の金属基板68の1個の貫通孔68Bは、流路63のガス排出口69bとなっている。
このようなマイクロリアクター本体4Dを構成する5枚の金属基板64,65,66,67,68は、上述の実施形態の金属基板14,16と同様の材料を使用することができる。また、金属基板65,66,67,68の厚みは、マイクロリアクター本体4Dの大きさ、使用する金属材料の熱容量、熱伝導率等の特性、必要とされる溝部65A,66A,67A,68Aの大きさ等を考慮して適宜設定することができるが、例えば、50〜5000μm程度の範囲で設定することができる。また、金属基板64の厚みは、使用する材料、必要とされる溝部64Aの大きさ等を考慮して適宜設定することができ、例えば、50〜2000μm程度の範囲で設定することができる。
このマイクロリアクター本体4Dを構成する触媒担持層70は、上述の実施形態の触媒担持層18と同様とすることができる。
尚、上述のマイクロリアクター本体4Dにおいても、流路63の流体の流れ方向には制限はなく、図示例とは逆に、流体の流れ方向が基板68から基板64へ向かうものであってもよい。この場合、原料導入口69aとガス排出口69bとが逆となる。また、原料導入口69aの位置、ガス排出口69bの位置も図示例に限定されるものではない。
また、金属基板64の溝部64Aにも触媒担持層70を配設し、この触媒担持層70に触媒Cを担持してよく、さらに、各金属基板65,66,67の表面(溝部66A,67A,68Aに露出している面)にも触媒担持層70を配設し、この触媒担持層70に触媒Cを担持してよい。これにより、触媒Cの担持量がさらに増大し、反応効率とスペースの有効利用が向上する。
また、図15,16の例では、独立した流路63が6個存在するものであるが、各金属基板65,66,67に形成する溝部65A,66A,67Aの数を増やすことにより、更に多数の流路を形成してもよい。
尚、上述のマイクロリアクターの実施形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。
次に、より具体的な実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
[実施例1]
金属基板として厚み1mmのSUS316L基板(25mm×25mm)を準備し、このSUS316L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、SUS316L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20mm)した形状のフォトマスクを配した。また、上記と同様のSUS316L基板を準備し、同様に感光性レジスト材料を塗布し、SUS316L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、SUS316L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。
次いで、上記の1組のSUS316L基板について、それぞれ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、各SUS316L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。
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SUS316L基板をエッチング(3分間)した。
(エッチング条件)
・温度 : 50℃
・エッチング液(塩化第二鉄溶液) 比重濃度: 45ボーメ(°B’e)
これにより、1組のSUS316L基板は、その一方の面に、幅1000μm、深さ650μm、長さ20mmのストライプ形状の微細溝が2000μmのピッチで形成され、隣接する微細溝の端部において交互に連続するような形状(図5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220mm)が形成された。この微細溝部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半円形状であった。
上述のように微細溝部が形成された1組のSUS316L基板の微細溝部形成面に対して、プラズマスプレー法によりアルミナ溶射を行った。次いで、水酸化ナトリウム溶液を用いてレジストパターンを除去し、水洗した。このレジストパターン除去により、不要なアルミナ溶射膜がリフトオフされ、微細溝部内に触媒担持層(厚み30μm)が形成された。
次いで、上記の1組のSUS316L基板を、互いの微細溝部が対向するように下記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、接合体の対向する端面に原料導入口とガス排出口とが存在するトンネル状流路が接合体内に形成された。
(拡散接合条件)
・雰囲気 :真空中
・接合温度 :1000℃
・接合時間 :12時間
次に、接合体の流路内に下記組成の触媒懸濁液を充填して放置(15分間)し、その後、触媒懸濁液を抜き、120℃、3時間の乾燥還元処理を施して、流路内全面に触媒を担持させた。
(触媒懸濁液の組成)
・Al … 5.4重量%
・Cu … 2.6重量%
・Zn … 2.8重量%
・Siバインダー(日産化学工業(株)製 スノーテックスO)
… 5.0重量%
・水 … 残部
次に、金属基板として厚み100μmのSUS316L基板(25mm×25mm)を準備し、このSUS316L基板上に、スパッタリング法により酸化珪素からなる電気絶縁層(厚み0.4μm)を形成した。
次いで、この電気絶縁層上にメタルマスクを介して金を真空蒸着することにより、線幅100μmで図6に示されるように180°折り返すように線間隔100μmで引き回したような形状の発熱体と、この発熱体の両端部に接続された2個の電極(0.5mm×0.5mm)を形成した。さらに、非蒸発型ゲッター材(サエス・ゲッターズ(株)製)を所望のパターンでスクリーン印刷により印刷し、厚み100μmのゲッター材層を、図6に示されるように、電気絶縁層に非接触状態で形成した。これによりゲッター発熱基板を得た。
次に、このゲッター発熱基板のSUS316L基板を、上記の接合体の一方の面に上述と同様の条件で接合した。
これにより、マイクロリアクター本体(外形寸法25mm×25mm×約2.1mm)を作製した。
一方、厚み1.0mmのSUS316L基板を用いて、内則が35mm×35mm×4.1mmの直方体であり、35mm×35mmの面が開口部とされている筐体を作製した。この筐体には、35mm×4.1mmの壁面に原料供給管を挿入するための1個の貫通孔と、配線を挿入するための2個の貫通孔と、吸引口を形成した。また、上記の開口部を閉塞するために、34mm×34mmの蓋材を作製した。この蓋材には、ガス排出管を挿入するための1個の貫通孔を形成した。
次に、上記のマイクロリアクター本体の原料導入口とガス排出口に、それぞれ原料供給管とガス排出管を接続し、発熱体の電極に配線を接続した。そして、原料供給管が上記の貫通孔に挿入され、先端部が筐体外部に突出するようにして、マイクロリアクター本体を筐体内に配設した。また、発熱体の電極に接続されている配線を、上記の貫通孔に挿入して、外部電源に接続した。次いで、上記の蓋材を、貫通孔にガス排出管が挿入されるようにして筐体の開口部に拡散接合して閉塞し真空筐体とした。拡散接合の条件は上記の拡散接合と同様とした。この状態で、筐体の内壁とマイクロリアクター本体とは幅1〜5mmの空間を介して非接触状態であった。
次いで、吸引口から吸引して真空筐体の内部を10-2Paの真空度とし、その後、吸引口を溶接で密封して真空密閉キャビティを形成した。
次に、発熱体に通電(150mA)して発熱させ、ゲッター材層の初期活性化を行った。
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。
[実施例2]
金属基板として厚み1mmのSUS316L基板(25mm×25mm)を4枚準備し、これらのSUS316L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、各SUS316L基板の溝部を形成する面のレジスト塗膜上に、長方形状(6mm×20mm)の遮光部を7mmピッチで3列備えたフォトマスクを配した。また、各SUS316L基板の反対面のレジスト塗膜上に、直径4mmの円形遮光部を7mmピッチで3個備えたフォトマスクを配した。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、各SUS316L基板の一方の面には、長方形状(6mm×20mm)の開口部が7mピッチで3列に配列され、反対面には、直径4mmの円形開口部が7mmピッチで3個配列され、各円形開口部は、SUS316L基板を介して各長方形状の開口部の同一方向の端部に位置するようなレジストパターンが形成された。
次に、上記のレジストパターンをマスクとして、下記の条件で各SUS316L基板を両面からエッチング(3分間)した。
(エッチング条件)
・温度 : 50℃
・エッチング液(塩化第二鉄溶液) 比重濃度: 45ボーメ(°B’e)
これにより、各SUS316L基板の一方の面には、開口部が長方形状(6mm×20mm)で、深さが750μmである溝部が7mmピッチで3列形成され、他方の面には、開口部の直径が4mmであり、上記の溝部の端部に直径3.5mmの開口端をもつ貫通孔が7mmピッチで3個形成された。
上述のように溝部と貫通孔が形成された4枚のSUS316L基板の溝部形成面に対して、プラズマスプレー法によりアルミナ溶射を行った。
次いで、水酸化ナトリウム溶液を用いてレジストパターンを除去し、水洗した。このレジストパターン除去により、不要なアルミナ溶射膜がリフトオフされ、溝部内と貫通孔内にのみアルミナ溶射膜からなる触媒担持層(厚み30μm)が形成された。尚、最外層となるSUS316L基板の貫通孔をドリル研磨して、アルミナ溶射膜を除去するとともに、開口径4mmのストレート形状の貫通孔を形成した。
カバー部材として厚み100μmのSUS316L基板を準備し、このSUS316L基板に、レジストパターン形成と片面からのエッチングにより3個の貫通孔を形成した。この貫通孔は、一方の開口直径が4mm、他方の開口直径が3.5mmであり、形成ピッチが7mmであった。
次に、上記の4枚のSUS316L基板を、溝部形成面側を同じ方向とし、貫通孔が交互に他端側となるように積層し位置合わせをした。また、一番上のSUS316L基板の溝部を覆い、かつ、貫通孔が他端側となるように、上記のカバー部材としてのSUS316L基板を積層し位置合わせをした(図9参照)。
次いで、下記の条件で拡散接合して接合体を作製した。
(拡散接合条件)
・雰囲気 :真空中
・接合温度 :1000℃
・接合時間 :12時間
これにより、接合体の最外層のSUS基板(厚み100μm)に3個の原料導入口が存在し、接合体の反対側の最外層であるSUS316L基板(厚み1mm)に3個のガス排出口が存在し、積層方向にジグザグ形状である3本の流路が接合体内に形成された。
次に、接合体の流路内に、実施例1と同様の触媒懸濁液を充填して放置(15分間)し、その後、触媒懸濁液を抜き、120℃、3時間の乾燥処理を施して、流路内全面に触媒を担持させた。
次に、上記の接合体を構成する一方のSUS316L基板(厚み100μm)上に、スパッタリング法により酸化珪素からなる電気絶縁層(厚み0.4μm)を形成した。
次いで、この電気絶縁層上にメタルマスクを介してAuを真空蒸着することにより、線幅100μmで図6に示されるように180°折り返すように線間隔100μmで引き回したような形状の発熱体9と、この発熱体の両端部に接続された2個の電極(0.5mm×0.5mm)を形成した。さらに、非蒸発型ゲッター材(サエス・ゲッターズ(株)製)を所望のパターンでスクリーン印刷により印刷し、厚み100μmのゲッター材層を、図6に示されるように、電気絶縁層上に発熱体と非接触状態で形成した。これによりゲッター発熱基板を接合体の一方の面に形成した。
これにより、マイクロリアクター本体(外形寸法25mm×25mm×約4.1mm)を作製した。
一方、厚み1.0mmのSUS316L基板を用いて、内則が35mm×35mm×6.1mmの直方体であり、35mm×6.1mmの面が開口部とされている筐体を作製した。この筐体には、35mm×35mmの壁面に原料供給管を挿入するための3個の貫通孔と、配線を挿入するための2個の貫通孔と、吸引口を形成した。また、上記の開口部を閉塞するために、34mm×6.0mmの蓋材を作製した。この蓋材には、ガス排出管を挿入するための3個の貫通孔を形成した。
次に、上記のマイクロリアクター本体の3個の原料導入口と3個のガス排出口に、それぞれ原料供給管とガス排出管を接続し、発熱体の電極に配線を接続した。そして、3本の原料供給管がそれぞれ上記の貫通孔に挿入され、先端部が筐体外部に突出するようにして、マイクロリアクター本体を筐体内に配設した。また、発熱体の電極に接続されている配線を、上記の貫通孔に挿入して、外部電源に接続した。次いで、上記の蓋材を、貫通孔にガス排出管が挿入されるようにして筐体の開口部に拡散接合して閉塞し真空筐体とした。拡散接合の条件は上記の拡散接合と同様とした。この状態で、筐体の内壁とマイクロリアクター本体とは幅1〜5mmの空間を介して非接触状態であった。
次いで、吸引口から吸引して真空筐体の内部を10-2Paの真空度とし、その後、吸引口を溶接で密封して真空密閉キャビティを形成した。
次に、発熱体に通電(150mA)して発熱させ、ゲッター材層の初期活性化を行った。
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。
本発明は、メタノールの改質、一酸化炭素の酸化除去等の反応からなる水素製造等、担持した触媒によって所望の反応を進行させる用途に利用することができる。
本発明のマイクロリアクターの一実施形態を示す斜視図である。 図1に示されるマイクロリアクターのA−A線における拡大断面図である 本発明のマイクロリアクターを構成するマイクロリアクター本体の一例を示す斜視図である。 図3に示されるマイクロリアクター本体のA−A線における拡大縦断面図である。 図3に示されるマイクロリアクター本体を構成する金属基板を離間させた状態を示す斜視図である。 図1および図2に示されるマイクロリアクターを構成するゲッター発熱基板の平面図である。 本発明を構成するマイクロリアクター本体の他の形態を示す図4相当の縦断面図である。 本発明を構成するマイクロリアクター本体の他の形態を示す斜視図である。 図8に示されるマイクロリアクター本体のC−C線における拡大縦断面図である。 図8に示されるマイクロリアクター本体のD−D線における拡大縦断面図である。 図8に示されるマイクロリアクター本体を構成する5枚の金属基板を離間させた状態を示す斜視図である。 本発明を構成するマイクロリアクター本体の他の形態を示す斜視図である。 図12に示されるマイクロリアクター本体のE−E線における拡大縦断面図である。 図12に示されるマイクロリアクター本体を構成する6枚の金属基板を離間させた状態を示す斜視図である。 本発明を構成するマイクロリアクター本体の他の形態を示す図9相当の縦断面図である。 図15に示されるマイクロリアクター本体を構成する5枚の金属基板を離間させた状態を示す斜視図である。
符号の説明
1…マイクロリアクター
2…真空筐体
3…真空密閉キャビティ
4,4A,4B,4C,4D…マイクロリアクター本体
5A…原料供給管
5B…ガス排出管
6…ゲッター発熱基板
7…基板
9…発熱体
10…ゲッター材層
12,32,42,62…接合体
13,23…トンネル状流路
14,16,24,26,34,35,36,37,38,44,45,46,47,48,49,64,65,66,67,68…金属基板
15,17,25…微細溝部
18,28,40,51,70…触媒担持層
19a,39a,50a,69a…原料導入口
19b,39b,50b,69b…ガス排出口
33(33A,33B,33C),43(43A,43B,43C),63…流路
35A,36A,37A,38A,45A,46A,47A,48A,49A,65A,66A,67A,68A…溝部
35B,36B,37B,38B,45B,46B,47B,48B,49B,65B,66B,67B,68B…貫通孔
C…触媒

Claims (7)

  1. 真空筐体と、該真空筐体内の真空密閉キャビティ内に配設されたマイクロリアクター本体と、該マイクロリアクター本体の少なくとも1つの面に位置するゲッター発熱基板とを備え、
    前記マイクロリアクター本体は原料導入口およびガス排出口を有し、該原料導入口は原料供給管により前記真空筐体の外部と接続され、該ガス排出口はガス排出管により前記真空筐体の外部と接続され、
    前記ゲッター発熱基板は、基板と、該基板上に相互に非接触状態で配設された発熱体とゲッター材層とを有することを特徴とするマイクロリアクター。
  2. 前記ゲッター発熱基板の前記基板は金属基板であり、該金属基板上に電気絶縁層を介して前記発熱体と前記ゲッター材層とが配設されている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。
  3. 前記ゲッター発熱基板の前記基板は前記マイクロリアクター本体を構成する金属基板であり、該金属基板上に電気絶縁層を介して前記発熱体と前記ゲッター材層とが配設されている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。
  4. 前記マイクロリアクター本体は、1組の金属基板が接合された接合体と、前記1組の金属基板の少なくとも一方の金属基板の接合面に形成された微細溝部で構成されたトンネル状流路と、該トンネル状流路に形成された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒とを備え、前記原料導入口および前記ガス排出口は前記トンネル状流路と連通され、前記触媒担持層は無機酸化物被膜であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のマイクロリアクター。
  5. 前記マイクロリアクター本体は、3枚以上の金属基板が積層接合された接合体と、該接合体の内部に形成された流路と、該流路に形成された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒とを備え、少なくとも最外層に位置しない前記金属基板は少なくとも一方の接合面に形成された溝部と、該溝部に形成された貫通孔とを有し、前記溝部と前記貫通孔により前記流路が構成され、前記原料導入口および前記ガス排出口は前記流路と連通され、前記触媒担持層は無機酸化物被膜であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のマイクロリアクター。
  6. 前記溝部は隔壁を介して複数形成されていることを特徴とする請求項5に記載のマイクロリアクター。
  7. 前記溝部に形成された貫通孔は複数であることを特徴とする請求項5または請求項6に記載のマイクロリアクター。
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