JP4147803B2 - 化学反応装置及び電源システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学反応装置及び電源システムに関し、特に、微小基板に形成された反応流路における吸熱触媒反応により、水素ガス等の所望の流体物質の生成が可能な化学反応装置、及び、該化学反応装置を燃料電池等における燃料供給部に適用した電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、化学反応工学の分野においては、流体化された混合物質を反応流路（チャネル）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化学反応装置（「流路反応器」、又は、「チャネルリアクタ」ともいう）が知られている。
【０００３】
近年、このような化学反応装置の技術分野に、集積回路等の半導体デバイス製造技術で蓄積された微細加工技術（マイクロテクノロジー）をはじめとする、いわゆる、マイクロマシン製造技術を適用して、例えば、単一のシリコンチップ上の微小空間にミリメートルオーダー又はミクロンオーダーの混合器や反応流路、分析器等の各種機能要素を集積化したマイクロリアクタ（又は、「マイクロチャネルリアクタ」ともいう）の研究開発が活発に行われている。
【０００４】
ここで、マイクロリアクタにおける主要な構成である反応流路部について、図９を参照して簡単に説明する。
マイクロリアクタの反応流路部は、概略、図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、シリコン等の微小な主基板１０ｐの一面側にフォトエッチング技術等を用いて、例えば、ミクロンオーダーの幅及び深さを有する溝部からなる反応流路（マイクロチャネル）２０ｐを形成し、該反応流路２０ｐの内壁面（側壁面あるいは底面等）に図示を省略した所定の触媒を付着形成した後、該主基板１０ｐの一面側に、上記反応流路２０ｐの開放部（上記溝部の開口端）を閉止するようにガラス等の閉止基板３０ｐを接合した構成を有している。
【０００５】
特に、マイクロリアクタにおける化学反応（触媒反応）が所定の熱条件による吸熱反応を伴う場合には、化学反応時に反応流路２０ｐ（詳しくは、触媒）に所定の熱量（熱エネルギー）を供給するために、図９（ｂ）、（ｃ）に示すように、閉止基板３０ｐの他面側（主基板１０との接合側とは反対側）に、上記反応流路２０ｐの形状（流路形状）と一致又は近似する形状を有して形成された発熱抵抗体等からなる薄膜ヒータ４０ｐを備えた構成が適用される。
【０００６】
なお、図９（ａ）、（ｃ）においては、反応流路２０ｐ及び薄膜ヒータ４０ｐの形状を明確にするために、便宜的にハッチングを施して示した。また、図９においては、化学反応装置の側部に反応流路２０ｐへの流体物質の導入部２０ａ及び排出部２０ｂを設けた構成を示したが、主基板１０ｐ又は閉止基板３０ｐに対して垂直方向（すなわち、図９（ａ）、（ｃ）において、紙面に垂直方向）に上記導入部２０ａ及び排出部２０ｂが設けられた構成であってもよい。
【０００７】
このような構成を有するマイクロリアクタにおいて、例えば、メタノールと水からなる原料物質を気化した流体物質（混合ガス）を上記反応流路２０ｐの導入部２０ａ側から導入するとともに、図示を省略したヒータ電源により薄膜ヒータ４０ｐに所定の電圧を印加して加熱し、反応流路２０ｐが所定の温度となるように熱エネルギーを供給することにより、反応流路２０ｐ内に付着形成された触媒による吸熱触媒反応が生じて水素ガスと少量の二酸化炭素等が生成され（メタノール水蒸気改質反応）、反応流路２０ｐの排出部２０ｂから排出される。なお、メタノール等のアルコール系原料から上述したような水蒸気改質反応により水素ガスを生成する技術は、近年、実用化に向けての研究開発が目覚ましい燃料改質型の燃料電池における燃料（水素）供給装置にも適用される技術である。
【０００８】
そして、このようなマイクロリアクタにおいては、反応流路の構成を微細化することにより、次に示すような種々の特徴を有している。
（１）反応流路の構成を微細化することにより、反応流路における反応容積が小さくなるので、反応流路とヒータとの間の表面積と反応流路の体積の比（表面積／体積比）が高くなり、触媒反応時の熱伝導特性（伝熱特性）が向上して、上述したような化学反応の反応効率が改善されるという利点がある。
【０００９】
（２）また、反応流路の構成を微細化することにより、反応流路の径（断面形状のサイズ）が小さくなり、混合物質を構成する反応分子の拡散混合時間が短くなるので、反応流路内における触媒反応の進行速度（反応速度）が向上するという利点がある。
（３）さらに、マイクロリアクタの装置構成自体が小型化されるので、大型炉を製造するときに適用されるような、小型実験炉での検証結果に合わせた段階的なスケールアップ（装置規模の大型化や流体物質の生成能力の向上）に伴う煩雑な反応工学的な検討が不要になるという利点がある。
なお、マイクロリアクタの具体的な構成例については、後述する発明の実施の形態の記載において詳しく説明する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したようなマイクロリアクタにおいては、次に示すような問題を有している。
（ア）すなわち、従来技術におけるマイクロリアクタ（上述した反応流路部）の製造プロセスは、まず、図１０（ａ）に示すように、主基板１０ｐとなる基板材料の一面側に所定の断面形状及び流路形状を有する溝部（反応流路２０ｐ）を形成した後、該溝部の内壁面（側壁面あるいは底面）に所定の触媒層を形成する。一方、この主基板１０ｐ側の流路形成工程とは独立して、図１０（ｂ）に示すように、閉止基板３０ｐとなる基板材料の一面側に、上記溝部の流路形状に一致又は近似する平面形状（図１０（ｃ）参照）を有するように薄膜ヒータ４０ｐを形成する。そして、図１０（ｃ）に示すように、これらの主基板１０ｐに形成された上記溝部（反応流路２０ｐ）と閉止基板３０ｐに形成された薄膜ヒータ４０ｐの位置が正確に対応するように、主基板１０ｐ及び閉止基板３０ｐの位置合わせを行い、主基板１０ｐの一面側と閉止基板３０ｐの他面側を接合する（貼り合わせる）手順が採用されている。
【００１１】
ここで、上述したマイクロリアクタのように、微小基板にミクロンオーダーで溝部（反応流路２０ｐ）や薄膜ヒータ４０ｐが形成された構成においては、上記基板接合工程における位置合わせ精度が、マイクロリアクタの反応特性等に大きく影響を与える。そのため、基板相互を極めて高い精度で位置合わせする必要があり、基板接合工程における作業が繁雑かつ手間のかかるものとなったり、高精度の製造機器を必要とし、信頼性の低下や製品コストの上昇を招くという問題を有していた。
【００１２】
（イ）また、図９、図１０に示したように、主基板１０ｐと閉止基板３０ｐの接合構造において、両者の接合性や密着性が良好でない場合、反応流路２０ｐを流下する流体物質（混合ガス、水素ガス等）の漏洩を生じたり、薄膜ヒータ４０ｐからの熱エネルギーを供給した場合に、上記基板相互の熱膨張率の違いにより、接合された基板相互の剥離や破損等が発生して、マイクロリアクタの反応特性の劣化や動作不良、周辺機器への汚染等を生じ、製品品質や信頼性の低下を招くという問題も有していた。
【００１３】
（ウ）さらに、上述したようなマイクロリアクタにおいて、薄膜ヒータから反応流路（触媒）への熱エネルギーの伝達効率（熱伝導特性）を向上させ、反応流路内での吸熱触媒反応の反応効率を向上させるために、例えば、反応流路内に薄膜ヒータが露出するような構成を適用した場合、本願発明者による検証によれば、上記吸熱触媒反応（水蒸気改質反応）により生成される流体物質（特に、水素ガス）が、薄膜ヒータを構成する金属や比較的密度の低い酸化物材料、窒化物材料等のヒータ材料に侵入して膜質の劣化を生じ、薄膜ヒータ本来の発熱特性が得られなくなり、反応流路内での反応効率が低下するという問題を有していることが判明した。
【００１４】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑み、微小空間に反応流路や薄膜ヒータ等の機能要素が集積化された化学反応装置において、高精度の位置合わせ等の作業工程を必要とすることなく、かつ、基板相互が良好に接合された構成を有するとともに、反応流路内での反応効率の向上を図ることができる化学反応装置、及び、該化学反応装置を燃料供給部等に適用した電源システムを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る化学反応装置は、少なくとも一つの反応領域を備え、該反応領域において連続的に形成された反応流路を有し、該反応流路内で第１の流体物質を、水素を含む第２の流体物質に変換する化学反応を生じる化学反応装置において、前記反応領域において、前記反応流路の流路形状の全域を含む領域に対応して平面形状を有して形成され、前記反応流路に少なくとも一部が露出して該反応流路に所定の熱量を供給する、タンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）からなる化合物の薄膜層により構成され、前記化合物の密度が、７.０×１０２２／cm３以上に設定された発熱抵抗体からなる温度調整層を備えたことを特徴としている。請求項２記載の化学反応装置は、請求項１記載の化学反応装置において、前記化学反応装置は、前記反応領域を複数有し、該各反応領域において互いに異なる化学反応を生じ、前記反応流路は少なくとも前記各反応領域毎に形成されていることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項３記載の化学反応装置は、請求項１又は２記載の化学反応装置において、前記反応領域に対応して、一面側に前記反応流路が溝状に形成された第１の基板と、前記反応領域に対応して、一面側に前記温度調整層が前記反応流路領域に対応して形成された第２の基板と、を備え、前記第１の基板の一面側と前記第２の基板の一面側が対向して、前記反応流路の溝部開口端が閉止されて、前記反応流路内に前記温度調整層の一部が露出するように接合されていることを特徴としている。
【００１７】
請求項４記載の化学反応装置は、請求項１乃至３のいずれかに記載の化学反応装置において、前記化学反応装置は、少なくとも、前記第１の基板及び第２の基板が微小基板からなり、前記反応流路がミクロンオーダーの微細化された流路形状を有して形成されていることを特徴としている。
【００１８】
請求項５記載の化学反応装置は、請求項１記載の化学反応装置において、前記温度調整層は、前記化合物における酸素及び窒素の合計含有率が、５６%以下の任意の数値に設定されていることを特徴としている。
【００１９】
請求項６記載の化学反応装置は、請求項５記載の化学反応装置において、前記温度調整層は、前記化合物における酸素及び窒素の合計含有率が、３５%乃至５６%の範囲のうち、任意の数値に設定されていることを特徴としている。請求項７記載の化学反応装置は、請求項５又は６に記載の化学反応装置において、前記温度調整層は、前記薄膜層のシート抵抗が、１０Ω／□乃至１００Ω／□の範囲のうち、任意の数値に設定されていることを特徴としている。
【００２０】
請求項８記載の化学反応装置は、請求項５乃至７のいずれかに記載の化学反応装置において、前記温度調整層は、前記化合物の抵抗率が、０.５ｍΩｃｍ／□乃至１０ｍΩｃｍの範囲のうち、任意の数値に設定されていることを特徴としている。
【００２１】
請求項９記載の化学反応装置は、請求項１乃至８のいずれかに記載の化学反応装置において、前記化学反応装置は、前記反応領域において、前記反応流路内の少なくとも一部に所定の触媒層が設けられ、前記温度調整層から前記触媒層に供給される所定の熱量に基づいて、吸熱又は発熱を伴う前記化学反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴としている。
【００２２】
請求項１０記載の化学反応装置は、請求項１乃至９のいずれかに記載の化学反応装置において、前記第１の流体物質は、アルコール系の気体燃料と酸素を含む混合ガスであり、前記第２の流体物質は、水素ガスであって、前記化学反応装置は、少なくとも、前記温度調整層から供給される熱量に基づいて前記反応流路内で水蒸気改質反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴としている。
【００２３】
請求項１１記載の化学反応装置は、請求項１乃至９のいずれかに記載の化学反応装置において、前記第１の流体物質は、アルコール系の液体燃料又は水であり、前記第２の流体物質は、前記第１の流体物質が気化した燃料ガス又は水蒸気であって、前記化学反応装置は、少なくとも、前記温度調整層から供給される熱量に基づいて前記反応流路内で気化反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴としている。
【００２４】
請求項１２記載の化学反応装置は、請求項１乃至９のいずれかに記載の化学反応装置において、前記第１の流体物質は、一酸化炭素ガスと酸素を含む混合ガスであり、前記第２の流体物質は、水素ガス及び二酸化炭素ガスであって、前記化学反応装置は、少なくとも、前記温度調整層から供給される熱量に基づいて前記反応流路内で水性シフト反応及び選択酸化反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴としている。
【００２５】
本発明の請求項１３記載の電源システムは、少なくとも一つの反応領域を備え、該反応領域において連続的に形成された反応流路を有し、該反応流路内で第１の流体物質を水素を含む第２の流体物質に変換する化学反応を生じる化学反応装置を備え、該化学反応装置により生成された前記第２の流体物質を直接的又は間接的に用いて電力を発生する電源システムであって、前記反応領域において、前記反応流路の流路形状の全域を含む領域に対応して平面形状を有して形成され、前記反応流路に少なくとも一部が露出し、タンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）からなる化合物の薄膜層により構成され、前記化合物の密度が、７.０×１０２２／cm３以上に設定された発熱抵抗体からなる温度調整層を有し、該温度調整層から前記反応流路に所定の熱量を供給して、前記反応流路内で吸熱又は発熱を伴う前記化学反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴としている。
【００２６】
請求項１４記載の電源システムは、請求項１３記載の電源システムにおいて、前記化学反応装置は、前記反応領域を複数有し、該各反応領域において互いに異なる化学反応を生じ、前記反応流路は少なくとも前記各反応領域毎に形成されていることを特徴としている。請求項１５記載の電源システムは、請求項１３又は１４記載の電源システムにおいて、前記化学反応装置は、前記反応領域に対応して、一面側に前記反応流路が溝状に形成された第１の基板と、前記反応領域に対応して、一面側に前記温度調整層が前記反応流路領域に対応して形成された第２の基板と、を備え、前記第１の基板の一面側と前記第２の基板の一面側が対向して、前記反応流路の溝開口端が閉止されて、前記反応流路内に前記温度調整層の一部が露出するように接合されていることを特徴としている。
【００２７】
請求項１６記載の電源システムは、請求項１３乃至１５のいずれかに記載の電源システムにおいて、前記化学反応装置は、少なくとも、前記反応流路がミクロンオーダーの微細化された流路形状を有して微小空間に形成されていることを特徴としている。
【００２８】
請求項１７記載の電源システムは、請求項１３乃至１６のいずれかに記載の電源システムにおいて、前記化学反応装置は、前記反応領域において、前記反応流路内の少なくとも一部に所定の触媒層が設けられ、前記温度調整層から前記触媒層に供給される所定の熱量に基づいて、吸熱又は発熱を伴う前記化学反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴としている。
【００２９】
請求項１８記載の電源システムは、請求項１３乃至１７のいずれかに記載の電源システムにおいて、前記第１の流体物質は、アルコール系の気体燃料と酸素を含む混合ガスであり、前記第２の流体物質は、水素ガスであって、前記化学反応装置は、前記反応領域において、前記温度調整層から供給される熱量に基づいて前記反応流路内で水蒸気改質反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴としている。
【００３０】
請求項１９記載の電源システムは、請求項１３乃至１７のいずれかに記載の電源システムにおいて、前記第１の流体物質は、アルコール系の液体燃料又は水であり、前記第２の流体物質は、前記第１の流体物質が気化した燃料ガス又は水蒸気であって、前記化学反応装置は、前記反応領域において、前記温度調整層から供給される熱量に基づいて前記反応流路内で気化反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴としている。
【００３１】
請求項２０記載の電源システムは、請求項１３乃至１７のいずれかに記載の電源システムにおいて、前記第１の流体物質は、一酸化炭素ガスと酸素を含む混合ガスであり、前記第２の流体物質は、水素ガス及び二酸化炭素ガスであって、前記化学反応装置は、前記反応領域において、前記温度調整層から供給される熱量に基づいて前記反応流路内で水性シフト反応及び選択酸化反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴としている。
【００３２】
請求項２１記載の電源システムは、請求項１３記載の電源システムにおいて、前記温度調整層は、前記化合物における酸素及び窒素の合計含有率が、３５%乃至５６%の範囲のうち、任意の数値に設定されていることを特徴としている。
【００３３】
請求項２２記載の電源システムは、請求項２１記載の電源システムにおいて、前記温度調整層は、前記化合物の抵抗率が、０.５ｍΩｃｍ／□乃至１０ｍΩｃｍの範囲のうち、任意の数値に設定されていることを特徴としている。
【００３４】
すなわち、本発明に係る化学反応装置は、少なくとも一つの反応領域を備え、該反応領域において反応流路等の機能要素が微小空間にミクロンオーダーに微細化されて形成され、該反応流路内で第１の流体物質を水素を含む第２の流体物質に変換する化学反応を生じる化学反応装置において、反応領域における、吸熱又は発熱を伴う化学反応を生じる反応流路の流路形状の全域を含む領域に対応して薄膜ヒータ（温度調整層）が設けられ、かつ、該薄膜ヒータがタンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）からなるＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物の薄膜層により構成され、化合物の密度が、７ . ０×１０ ２２ ／ cm ３ 以上に設定されている。
【００３５】
このような構成を有する化学反応装置によれば、主基板に閉止基板を接合する際に、反応流路の流路形状の全域に対して、この領域を含む、より大きな領域に薄膜ヒータが形成されているので、基板相互の位置合わせマージンを大きく取ることができ、比較的容易に位置合わせを行うことができる。したがって、高精度の製造機器等を必要とすることなく、基板接合工程における位置合わせ作業を簡素化することができ、製品コストを抑制した信頼性の高い化学反応装置を提供することができる。また、薄膜ヒータを構成する上記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物の密度が７ . ０×１０ ２２ ／ cm ３ 以上に設定されることにより、通常の金属や酸化物（例えば、Ｔａ＋Ｓｉ＋Ｏ系の化合物）により薄膜ヒータを形成した場合に比較して、簡易に高い密度を実現することができ、反応流路内で生成される水素等の薄膜ヒータへの侵入を抑制して、膜質の劣化を防止することができる。
【００３６】
ここで、上記薄膜ヒータ（温度調整層）は、反応流路が形成される主基板（第１の基板）と反応流路の開口端を閉止する閉止基板（第２の基板）との間に介在して、化学反応が生じる反応流路内に露出するように設けられるものであってもよいし、閉止基板の他面側（主基板との接合に用いない面）に設けられるものであってもよい。
特に、前者の構成においては、薄膜ヒータが反応流路内に露出するように構成されているので、薄膜ヒータから反応流路や触媒層への熱エネルギーの伝熱特性を大幅に向上することができ、反応流路内部で生じる化学反応の反応効率を改善することができる。
【００３７】
また、反応流路の流路形状の全域を含むように形成された薄膜ヒータは、上記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物における酸素及び窒素の合計含有率が、概ね５６％以下（好ましくは、概ね３５％乃至５６％の範囲）の任意の数値、もしくは、化合物の抵抗率が、概ね０.５ｍΩｃｍ乃至１０ｍΩｃｍの範囲のうち、任意の数値に設定されていることが望ましく、このような材料組成によれば、薄膜ヒータとして良好な発熱特性が得られる、概ね１０Ω／□以上のシート抵抗を実現することができるとともに、反応流路内での化学反応を効率よく促進することができる。
【００３８】
また、薄膜ヒータを構成する上記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物を水素化処理して得られるＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ−Ｈからなる化合物を、薄膜ヒータとして適用することにより、例えば、シリコン基板からなる主基板とガラス基板からなる閉止基板とを、加熱して所定電圧を印加することにより、シリコンＳｉとガラス間に生じる静電引力を利用して化学結合させる陽極接合を、主基板と薄膜ヒータ間においても適用することができ、化学反応装置の製造プロセスを簡易化して効率化しつつ、各基板と薄膜ヒータとを良好に接合することができる。
【００３９】
さらに、上記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物は、一般的に発熱抵抗体として適用される金属系の抵抗体材料に比較して、主基板及び閉止基板に適用されるガラス基板やシリコン基板等に対して、極めて良好な密着性を有しているので、薄膜ヒータの発熱に伴って熱膨張や熱収縮が生じた場合であっても、主基板及び閉止基板との間でストレスが比較的生じにくく、剥離や破損の発生を良好に抑制することができる。
【００４１】
また、本発明に係る電源システムは、上述したような化学反応装置を燃料供給部に適用した構成を有し、薄膜ヒータから所定の熱エネルギーを供給することにより、微小空間に形成された反応流路内で、例えば、アルコール系の液体燃料又は水（第１の流体物質）から、アルコール系の気体燃料と水蒸気の混合ガス（第１の流体物質）から、水素ガス（第２の流体物質）を生成する水蒸気改質反応、一酸化炭素ガスと水蒸気の混合ガス（第１の流体物質）から、水素ガス及び二酸化炭素ガス（第２の流体物質）を生成する水性シフト反応及び選択酸化反応等を生じさせ、アルコール系の液体燃料から高い変換効率で水素ガスを生成することができるとともに、有害な副生成物の排出を極力抑制することができるので、燃料改質型の燃料電池等を備えた電源システムにおける発電効率の向上や、システム構成の大幅な小型化を図りつつ、実用化に極めて有益な構成を提供することができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る化学反応装置及び該化学反応装置を適用した電源システムの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
まず、本発明に係る化学反応装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る化学反応装置に適用される反応流路部の一実施形態を示す概略構成図である。また、図２は、本実施形態に係る化学反応装置の製造プロセスの一例を示す概略図である。なお、ここでは、化学反応装置の構成を明瞭にするために、反応流路の流路形状及び薄膜ヒータの平面形状に対して便宜的にハッチングを施して示す。
【００４３】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態に係る化学反応装置（マイクロリアクタ）に適用される反応流路部は、大別して、微小基板からなる主基板（第１の基板）１０と、該主基板１０の一面側に所定の溝状の断面形状及び蛇行する流路形状を有して形成された反応流路２０と、該反応流路２０の内壁面（例えば、反応流路２０の側壁面や底面）に付着形成された触媒層（図示を省略）と、主基板１０の一面側（反応流路２０の溝部開口端側）に接合された微小基板からなる閉止基板（第２の基板）３０と、上記主基板１０と閉止基板３０との間に介在し、かつ、反応流路２０内にその一部が露出するように接合された薄膜ヒータ（温度調整層）４０Ａと、を備えて構成されている。
【００４４】
ここで、反応流路２０は、図１（ｂ）に示すように、シリコン等からなる主基板１０の一面側をフォトエッチング技術等を用いて、任意の溝状の断面形状を有するようにエッチングした後、該溝部の内壁面（例えば、側壁面や底面）に、例えば、銅−亜鉛（Ｃｕ−Ｚｎ）系の触媒を化学気相成長法（ＣＶＤ）等により任意の厚さ（例えば、１μｍ〜１００μｍ）に付着形成することにより、図１（ａ）、（ｂ）に示したような流路形状（蛇行パターンを有する溝部）を有するように形成される。ここで、反応流路２０は、主基板１０の一面側に溝部の開口端を有するように形成されているため、この反応流路２０の開口端を外部から遮断するために、ガラス等の閉止基板（具体的には、後述するように、一面側に矩形状の薄膜ヒータ４０Ａが形成された閉止基板）３０が接合されて閉止される。これにより、所定の流体物質の導入部２０ａ及び排出部２０ｂにのみ開口部を備えた流路が形成される。なお、反応流路２０を構成する溝部は、内壁面に触媒層が付着形成されるため、図１（ｂ）に示した断面において流体物質が流下、移動可能な実効断面積が小さくなるが、後述するような流体物質が良好に流下、移動可能な溝断面としては、概ね幅１００μｍ以下、深さ５００μｍ以下であってもよい。
【００４５】
また、薄膜ヒータ４０Ａは、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、少なくとも、主基板１０の一面側に形成された反応流路２０の流路形状に対応し、該流路形状の全域を含む所定の平面形状（ここでは、矩形状）を有し、かつ、所定の材料組成を有する発熱抵抗体（化合物）の薄膜層により構成されている。ここで、薄膜ヒータ４０Ａは、具体的には、タンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）からなる材料組成を有する化合物ＴａｘＳｉｙＯｚＮｗを良好に適用することができる。なお、本発明において発熱抵抗体として適用される化合物ＴａｘＳｉｙＯｚＮｗの材料特性については、詳しく後述する。
【００４６】
なお、図１においては、化学反応装置の反応流路部を構成する主基板１０及び閉止基板３０の側部に反応流路２０への流体物質の導入部２０ａ及び排出部２０ｂが設けられた構成を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、主基板１０又は閉止基板３０に対して垂直方向（すなわち、図１（ａ）、（ｃ）において、紙面に垂直方向）に上記導入部２０ａ及び排出部２０ｂが設けられた構成を有するものであってもよい。
【００４７】
このような構成を有する化学反応装置において、例えば、メタノールと水からなる原料物質を気化した流体物質（第１の流体物質）を上記反応流路２０の導入部２０ａ側から導入するとともに、図示を省略したヒータ電源により薄膜ヒータ４０Ａに所定の電圧を印加して加熱し、反応流路２０内に付着形成された触媒層に所定の熱エネルギーを供給することにより、吸熱触媒反応（メタノール水蒸気改質反応）が生じて水素ガスと少量の二酸化炭素等の流体物質（第２の流体物質）が生成され、反応流路２０の排出部２０ｂから排出される。
【００４８】
そして、このような化学反応装置における製造プロセスは、まず、図２（ａ）に示すように、フォトエッチング技術等を用いて、主基板１０となるシリコン基板等の一面側に所定の流路形状を有する溝部（反応流路２０）を形成した後、化学気相成長法（ＣＶＤ）等により、該溝部の内壁面（側壁面あるいは底面）に銅−亜鉛系の触媒層を形成するとともに、この主基板１０側の流路形成工程とは独立して、図２（ｂ）に示すように、閉止基板３０となるガラス基板等の一面側であって、上記溝部の平面形状（流路形状）の全域を含む所定の領域に薄膜ヒータ４０Ａを形成する。ここで、酸素ガス（Ｏ２）と窒素（Ｎ２）ガスが混合されたアルゴンガス（Ａｒ）雰囲気中で、タンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）のストライプターゲットを用いたスパッタリング法等を行うことにより、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系薄膜からなる薄膜ヒータ４０Ａが形成される。
【００４９】
そして、図２（ｃ）に示すように、主基板１０に形成された上記溝部（反応流路２０）を含む全域に、閉止基板３０に形成された薄膜ヒータ４０Ａが対応するように、主基板１０及び閉止基板３０相互の位置合わせを行い、主基板１０の一面側（反応流路２０の溝部開口端側）と閉止基板３０の一面側（薄膜ヒータ４０Ａ側）を接合する。これにより、図１に示したように、上記主基板１０と閉止基板３０との間に薄膜ヒータ４０Ａが介在するとともに、反応流路２０内に膜ヒータ４０Ａの一部が露出する構成を有する化学反応装置を製造することができる。
【００５０】
このように、本実施形態に係る化学反応装置によれば、半導体製造技術等の微細加工技術を用いて主基板に形成された反応流路の流路形状の全域を含む領域に対応するように、閉止基板に矩形状の薄膜ヒータが形成され、主基板に閉止基板を接合する際に、比較的位置合わせ精度が低い場合であっても、反応流路の流路形状の全域（すなわち、反応流路の流路形状の最外縁部により規定される領域）に対して、より大きく形成された矩形状の薄膜ヒータを簡易に対応させることができる。これは、換言すれば、基板接合工程において、基板相互の位置合わせマージンを大きく取ることができることを意味する。したがって、高精度の製造機器等を必要とすることなく、基板接合工程における作業を簡素化することができ、信頼性の低下や製品コストの上昇を良好に抑制することができる。
【００５１】
また、本実施形態に係る化学反応装置によれば、主基板側に形成された反応流路内に薄膜ヒータが露出する構成を有しているので、薄膜ヒータから供給される熱エネルギーの反応流路や触媒層への伝熱特性が向上し、反応流路内部で生じる化学反応の反応効率を改善、もしくは、所定の熱エネルギーを供給するために消費される電力（すなわち、薄膜ヒータに投入される電気エネルギーの量）を削減することができる。
【００５２】
ここで、従来技術においても記載したように、反応流路内に薄膜ヒータが露出する構成を適用した場合、薄膜ヒータに用いる材料によっては、反応流路内で生じる化学反応（例えば、水蒸気改質反応等）により生成される流体物質（特に、水素ガス）により、薄膜ヒータの膜質の劣化を招き、発熱特性が悪化して、化学反応の反応効率が低下することが判明している。また、主基板と閉止基板の間に薄膜ヒータが介在する構成を有しているので、発熱に伴う熱膨張率の違いによる剥離や破損を抑制するために、適切な接合性や密着性を有するように材料特性を設定する必要がある。さらに、従来技術に示したような反応流路の流路形状（例えば、蛇行パターン）と略一致する細長い形状の薄膜ヒータ（発熱抵抗体）の場合と、本実施形態に係る矩形状の薄膜ヒータとでは、発熱特性が異なるため、適切な抵抗率を有するように設定する必要もある。
【００５３】
そこで、本発明においては、薄膜ヒータとして適用するＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系薄膜について種々検証し、後述するような電源システムの燃料供給部等としても利用が可能な化学反応装置に適用して良好な材料組成と材料特性との関係を見出した。以下、実験データを示して具体的に説明する。
（発熱特性と抵抗率の関係）
まず、薄膜ヒータ（発熱抵抗体）の発熱特性とその抵抗率との関係について説明する。
【００５４】
上述したように、薄膜ヒータに適用される発熱抵抗体は、反応流路に所定の熱エネルギーを供給することを目的とするものであるので、ある程度の抵抗値を有している必要がある。ここで、本実施形態に示したように、薄膜ヒータの平面形状を矩形状とした場合、従来技術に示したように、蛇行パターン等の反応流路の流路形状に一致又は近似させた細長い蛇行した形状の場合に対して、長さが短く、且つ、断面積が大きい形状となるため、仮に同材料を用いて形成した場合、抵抗値が小さくなる。そこで、このような形状で所定の抵抗値を得るためには比較的高い抵抗率を設定する必要がある。
【００５５】
このとき、薄膜ヒータに設定されるシート抵抗が小さすぎると（例えば、１Ω／□程度より小さい値の場合）、薄膜ヒータの周辺構造における抵抗（例えば、配線電極部におけるヒータ配線との接触抵抗等）と同程度となって、抵抗値の差が小さくなって、十分な発熱量が得られず、反応流路内での化学反応を十分に促進することができなくなるとともに、無駄な電力を浪費することになる。一方、薄膜ヒータに設定されるシート抵抗が大きすぎると（例えば、１００Ω／□程度より大きい値の場合）、薄膜ヒータの周辺構造（例えば、配線電極部等）において良好なオーミックコンタクトが得られ難くなる。
【００５６】
本願発明者は、上述したような状況に鑑み、種々検討を重ねた結果、薄膜ヒータに設定されるシート抵抗として、概ね１０Ω／□以上、より好ましくは、概ね１０Ω／□以上１００Ω／□程度以下に設定されていることが望ましいことを見出した。また、この薄膜ヒータは１０００Å〜２０００Åの膜厚に形成される。そこで、このシート抵抗に基づいて、薄膜ヒータに設定される抵抗率を算出すると、シート抵抗Ｒが１０Ω／□のとき、薄膜ヒータを構成する発熱抵抗体の膜厚ｔを１０００Åとした場合には、抵抗率ρは１ｍΩｃｍと算出され、また、膜厚ｔを２０００Åとした場合には、抵抗率ρは０．５ｍΩｃｍと算出される。一方、シート抵抗Ｒが１００Ω／□のとき、発熱抵抗体の膜厚ｔを１０００Åとした場合には、抵抗率ρ＝１０ｍΩｃｍと算出され、また、膜厚ｔを２０００Åとした場合には、抵抗率ρは５ｍΩｃｍと算出される。
【００５７】
このことから、本実施形態に係る構成を有する化学反応装置に適用可能な薄膜ヒータの抵抗率は、概ね０．５ｍΩｃｍ以上、より好ましくは、概ね０．５ｍΩｃｍ以上１０ｍΩｃｍ程度以下に設定されていることが望ましいことが判明した。
ここで、表１に、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系材料の材料組成と抵抗率との関係を検証した実験データを示す。表１において、［試料］欄は、検証対象となった各実験試料Ａ〜Ｍを示している。各実験試料Ａ〜Ｍにおける材料組成、すなわち、タンタル、シリコン、酸素、窒素の各含有量は異なるように設定されているとともに、材料全体に対する酸素と窒素の含有率（Ｏ＋Ｎ／Ｔａ＋Ｓｉ＋Ｏ＋Ｎ）も異なるように設定されている。そして、上記数値範囲（０．５ｍΩｃｍ〜１０ｍΩｃｍ）の抵抗率を得ることができる材料組成範囲は、表１の良否判定欄に示されているように、酸素と窒素の合計含有率がＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系材料全体の概ね５６％以下、より好ましくは概ね３５％〜５６％であることが判明した（表１；［Ｏ＋Ｎ／Ｔａ＋Ｓｉ＋Ｏ＋Ｎ］欄、［抵抗率］欄、［良否判定］欄参照）。
【００５８】
【表１】
【００５９】
したがって、上述したように、主基板に形成された反応流路の流路形状の全域を含む領域に対応するように、矩形状の薄膜ヒータを設けた構成を有する化学反応装置において、薄膜ヒータを構成する発熱抵抗体のシート抵抗を概ね１０Ω／□〜１００Ω／□の範囲のうち、任意の数値に設定することにより、もしくは、上記発熱抵抗体の抵抗率を概ね０.５ｍΩｃｍ〜１０ｍΩｃｍの範囲のうち、任意の数値に設定することにより、又は、発熱抵抗体における酸素及び窒素の合計含有率を概ね３５％〜５６％の範囲のうち、任意の数値に設定することにより、薄膜ヒータの良好な発熱特性が得られ、反応流路内での所定の化学反応を効率よく促進することができる。
【００６０】
（材料組成と密度との関係）
次いで、薄膜ヒータ（発熱抵抗体）の材料組成とその密度との関係について説明する。
図３は、本実施形態に係る化学反応装置に適用される薄膜ヒータの材料組成とその密度の関係を示す実験データである。
【００６１】
上述したように、反応流路内に薄膜ヒータが露出する構成を適用した場合、反応流路内で生じる化学反応（例えば、水蒸気改質反応等）により生成される流体物質（特に、水素ガス）により、通常の金属や密度の低い酸化物等からなる薄膜ヒータの膜質の劣化を招くので、発熱抵抗体は、高い耐水素性を有している必要がある。ここで、本実施形態に示したように、薄膜ヒータを構成する発熱抵抗体としてＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物を適用していることにより、図３に示すように、Ｔａ＋Ｓｉ＋Ｏ系（酸化物系）の化合物（図中左端×印にて表記）に比較して、高い密度が得られるうえ、酸素と窒素の合計含有率に比例して密度が上昇する傾向が得られた（図中●にて表記）。そして、本願発明者が、種々検討を重ねた結果、水素の侵入による膜質の劣化が防止される密度として、概ね７.０×１０２２／cm３以上の任意の数値に設定されていることが望ましいことが判明した。
【００６２】
このような発熱抵抗体における密度の設定により、Ｔａ＋Ｓｉ＋Ｏ系の化合物に窒素が結合して密度が高くなり、反応流路内で生成される水素の侵入が抑制されるので、本実施形態に示したように、反応流路内に薄膜ヒータが露出する構成を適用した場合であっても、薄膜ヒータの膜質の劣化を招くことなく、所定の発熱特性を維持することができ、反応流路内における化学反応の反応効率を向上させることができる。
【００６３】
（材料組成と接合性／密着性との関係）
次いで、薄膜ヒータ（発熱抵抗体）の材料組成と基板材料との接合性及び密着性の関係について説明する。
一般に、シリコン基板とガラス基板とを接合する工程においては、両基板を３００〜４００℃に加熱して５００Ｖ〜１ｋＶの電圧を印加することにより、シリコンとガラス間に静電引力を発生させ、界面で化学結合させる陽極接合が適用される。上述したように、主基板及び閉止基板間に薄膜ヒータが介在する構成を適用した場合にあっても、上記陽極接合による場合と同等の高い接合性を実現する必要がある。
【００６４】
そこで、本実施形態に示したようなＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物を、水素ガス雰囲気中で加熱する水素化処理を施すことにより得られるＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ−Ｈからなる化合物を薄膜ヒータを構成する発熱抵抗体として適用した場合、この材料は酸化あるいは窒化が不十分であるため、上記陽極接合を、主基板と薄膜ヒータ間にも適用することができる。これにより、接着剤等を用いた他の接合工程を行うことなく、化学反応装置の製造プロセスを簡易化して効率化しつつ、各基板と薄膜ヒータとを良好に接合することができる。
【００６５】
また、主基板と閉止基板の間に薄膜ヒータが介在する構成を適用した場合、薄膜ヒータの発熱に伴って、薄膜ヒータや主基板、閉止基板に熱膨張や熱収縮が生じるが、この場合、各々の熱膨張率の違いにより剥離や破損が発生する可能性があるため、高い密着性を有している必要がある。
ここで、本実施形態に示したようなＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物は、一般的に発熱抵抗体として適用されるアルミニウム（Ａｌ）、チタン−タングステン（ＴｉＷ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）パラジウム（Ｐｄ）等の金属系の抵抗体材料に比較して、熱酸化膜付きシリコン基板、あるいは、パイレックス（登録商標）ガラスや石英ガラスからなるガラス基板等に対して、極めて良好な密着性を有しているので、主基板及び閉止基板に上記シリコン基板やガラス基板を適用することにより、薄膜ヒータの発熱に伴って熱膨張や熱収縮が生じた場合であっても熱ストレスに比較的強いため、主基板及び閉止基板の剥離や破損の発生を良好に抑制することができる。
【００６６】
次に、本発明に係る化学反応装置の他の実施形態について、図面を参照して説明する。
図４は、本発明に係る化学反応装置に適用される反応流路部の他の実施形態を示す概略構成図である。ここで、上述した実施形態と同等の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００６７】
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態に係る化学反応装置に適用される反応流路部は、大別して、微小基板からなる主基板（第１の基板）１０と、該主基板１０の一面側に所定の溝状の断面形状及び蛇行する流路形状を有して形成された反応流路２０と、該反応流路２０の内壁面に付着形成された触媒層（図示を省略）と、主基板１０の一面側（反応流路２０の溝部開口端側）に接合された微小基板からなる閉止基板（第２の基板）３０と、閉止基板３０の他面側（主基板との接合に用いない面；非接合面側）に形成された薄膜ヒータ（温度調整層）４０Ｂと、を備えて構成されている。
【００６８】
ここで、薄膜ヒータ４０Ｂは、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、少なくとも、主基板１０の一面側に形成された反応流路２０の流路形状の全域を含む所定の平面形状（ここでは、矩形状）を有し、かつ、ＴａｘＳｉｙＯｚＮｗからなる化合物の薄膜層により構成されている。なお、化合物ＴａｘＳｉｙＯｚＮｗの材料組成と種々の特性との関係については、上述した実施形態に示した場合と同等であるので、その説明を省略する。また、反応流路２０の構成についても、上述した実施形態と同等であるので説明を省略する。
【００６９】
そして、このような化学反応装置における製造プロセスは、まず、図２（ａ）、（ｂ）に示した場合と同様に、主基板１０となるシリコン基板等の一面側に溝部（反応流路２０）を形成した後、該溝部の内壁面に銅−亜鉛系の触媒層を形成するとともに、この主基板１０側の流路形成工程とは独立して、閉止基板３０となるガラス基板等の一面側であって、上記溝部の平面形状（流路形状）の全域を含む所定の領域に薄膜ヒータ４０Ｂを形成する。
【００７０】
次いで、主基板１０に形成された上記溝部（反応流路２０）を含む全域に、閉止基板３０に形成された薄膜ヒータ４０Ｂが対応するように、主基板１０及び閉止基板３０相互の位置合わせを行い、主基板１０の一面側（反応流路２０の溝部開口端側）と閉止基板３０の他面側（薄膜ヒータ４０Ｂが形成されていない側）を接合する。これにより、図４に示したように、上記主基板１０と閉止基板３０が直接接合されるとともに、閉止基板３０の他面側に、反応流路２０の全域に対応した矩形状の薄膜ヒータ４０Ｂが形成された構成を有する化学反応装置を製造することができる。
【００７１】
このように、本実施形態に係る化学反応装置によっても、上述した実施形態に示した場合と同様に、主基板に閉止基板を接合する際に、比較的位置合わせ精度が低い場合であっても、反応流路の流路形状の全域に対して、より大きく形成された矩形状の薄膜ヒータを簡易に対応させることができる。したがって、高精度の製造機器等を必要とすることなく、簡易な作業により基板相互を接合することができ、信頼性の低下や製品コストの上昇を良好に抑制することができる。
【００７２】
なお、上述した実施形態に係る化学反応装置により実現することができる化学反応は、上記メタノール水蒸気改質反応に限定されるものではなく、少なくとも、薄膜ヒータ４０から供給される所定の熱エネルギーに基づいて、吸熱又は発熱を伴う化学反応を生じることにより、所望の流体物質を生成することができるものであれば、他の種類の化学反応であってもよいことはいうまでもない。
また、上述した実施形態においては、反応流路内に所定の触媒層を付着形成し、薄膜ヒータから所定の熱エネルギーを供給することにより、吸熱触媒反応を生じさせて所望の流体物質を生成する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、反応流路内に触媒層を設けず、単に薄膜ヒータから熱エネルギーを供給することのみにより、気化反応により原料物質を蒸発させるものであってもよい。具体的な化学反応の例については、後述する化学反応装置の適用例において説明する。
【００７３】
＜電源システムへの適用例＞
次に、本発明に係る化学反応装置を、燃料改質型の燃料電池を備えた電源システムに適用した場合の具体例について説明する。
図５は、本発明に係る化学反応装置の適用が可能な電源システム（燃料電池システム）３００の要部構成、及び、該電源システム３００より駆動されるデバイスＤＶＣを示すブロック図であり、図６は、本発明に係る化学反応装置を備えた燃料供給部の具体例を示す概略構成図である。なお、ここでは、燃料改質方式を採用した固体高分子型の燃料電池を適用した電源システムについて説明する。
【００７４】
図５に示すように、本発明に係る化学反応装置が適用される電源システム３００は、概略、所定の発電用燃料に基づいて電力を発生する発電モジュール１００と、該発電モジュール１００に対して着脱可能に構成され、所定の発電用燃料が封入された燃料パック２１０と、から構成され、発電モジュール１００は、大別して、燃料改質方式の固体高分子型燃料電池の構成を有する発電部（燃料電池本体）１１０と、燃料パック２１０の燃料封入部１９０に貯蔵、封入された発電用燃料（例えば、水素を含む液体燃料、液化燃料及び気体燃料や水）の発電部１１０への供給量を制御する燃料制御部１２０と、発電部１１０への空気（酸素）の供給量を制御する空気制御部１３０と、燃料制御部１２０により供給された発電用燃料を改質して、発電用燃料に含有される水素をガス化して発電部１１０に供給する燃料改質部１４０と、発電部１１０及び燃料改質部１４０を必要に応じて加熱するための温度制御部１５０と、発電部１１０により生成された電力の一部若しくは全部を充電するコンデンサを有する充電部１６０と、発電モジュール１００内の発電動作、充電動作、後述する動作制御部１８０により充電部１６０の蓄電状態を検知する動作等のための必要な電力を出力する副電源部１７０と、発電モジュール１００内の駆動動作を演算処理する動作制御部１８０と、を有して構成されている。
【００７５】
燃料制御部１２０は、燃料封入部１９０から毛細管現象等の物理的手段により送出された発電用燃料を、動作制御部１８０からの指令信号にしたがって、燃料改質部１４０に所定量供給するように構成されている。
空気制御部１３０は、燃料電池システム３００の外部から空気を取込み、発電部１１０に酸素ガス（Ｏ２）又は空気を供給するように構成されている。
燃料改質部１４０は、燃料パック２１０内のアルコール(ALCOHOL)及び水（Ｈ２Ｏ）から構成される発電用燃料を燃料制御部１２０を介して取り込み、水素（Ｈ２）と副生成物の二酸化炭素（ＣＯ２）、さらに、微量の一酸化炭素（ＣＯ）を生成する水蒸気改質反応部１４０ａと、次に示す一酸化炭素改質部と、を有して構成されている。一酸化炭素改質部は、水蒸気改質反応部１４０ａから供給された一酸化炭素（ＣＯ）を燃料制御部１２０及び／又は発電部１１０から供給された水（Ｈ２Ｏ）と反応させ、二酸化炭素（ＣＯ２）及び水素（Ｈ２）を生成する水性シフト反応部１４０ｂと、水性シフト反応部１４０ｂで反応しきれなかった一酸化炭素（ＣＯ）を酸素（Ｏ）と反応させて、二酸化炭素（ＣＯ２）を生成する選択酸化反応部１４０ｃのうち、少なくとも一方を備えた構成を有している。
【００７６】
温度制御部１５０は、動作制御部１８０からの指令信号により、水蒸気改質反応部１４０ａ、水性シフト反応部１４０ｂ、選択酸化反応部１４０ｃにそれぞれ設けられた薄膜ヒータに電力を供給することにより加熱制御するように構成されている。また、発電部１１０にも薄膜ヒータが設けられている場合にあっては、同様に、所定の電力が供給されるように構成されている。ここで、薄膜ヒータは、上述した各実施形態に示した薄膜ヒータ４０Ａ、４０Ｂに相当し、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物の薄膜層により構成されているとともに、上述した各種の材料特性が得られるように材料組成が設定されている。
【００７７】
発電部１１０は、燃料改質部１４０から供給された水素（Ｈ２）、及び、空気制御部１３０から供給された酸素ガス（Ｏ２）に基づいて、所定の電力を発生（発電）するように構成され、また、充電部１６０は、発電部１１０で発電された電力により充電されるように設定され、発電部１１０及び充電部１６０の少なくとも一方は、デバイスＤＶＣの負荷ＬＤに電力を供給するように構成されている。
副電源部１７０は、動作制御部１８０からの指令信号に応じて、充電部１６０で蓄電された電力により燃料制御部１２０、温度制御部１５０、後述する動作制御部１８０に電力を供給するとともに、必要に応じて発電部１１０にも電力を供給するように構成されている。
【００７８】
動作制御部１８０は、充電部１６０で蓄電されたチャージ（充電電位）を検知するために常時駆動し、該チャージが所定値まで小さくなったことを検知すると、燃料制御部１２０、温度制御部１５０、必要に応じて発電部１１０に電力を供給するように指令信号を副電源部１７０に出力するとともに、燃料制御部１２０が必要量の燃料を供給し、かつ、温度制御部１５０が燃料改質部１４０の反応炉（本発明に係る化学反応装置の反応流路に相当）を所定の時間、必要温度に達するように指令信号を出力する。
【００７９】
そして、発電モジュール１００と着脱自在に構成された燃料パック２１０は、発電用燃料が封入された燃料封入部１９０と、発電部１１０により生成された副生成物を回収する副生成物回収部２００と、を有して構成されている。
発電モジュール１００及び燃料パック２１０で構成された燃料電池システム３００は、デバイスＤＶＣの負荷ＬＤに対して所定の駆動電力を供給することにより、コントローラＣＮＴの制御にしたがってデバイスＤＶＣを正常に駆動させることができる。
【００８０】
ここで、発電部１１０は、周知の固体高分子型の燃料電池本体の構成を有し、概略、白金や白金・ルテニウム等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなる燃料極（カソード）と、白金等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなる空気極（アノード）と、該燃料極と空気極の間に介装されたフィルム状のイオン導電膜（交換膜）と、を有して構成されている。
そして、このような構成を有する発電部１１０の燃料極に、燃料改質部１４０を介して抽出された水素ガス（Ｈ２）が供給されることにより、次の化学反応式（１）に示すように、上記触媒により電子（ｅ−）が分離した水素イオン（プロトン；Ｈ＋）が発生し、イオン導電膜を介して空気極側に通過するとともに、燃料極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。
３Ｈ２ → ６Ｈ＋＋６ｅ− ・・・（１）
【００８１】
一方、空気極に空気制御部１３０を介して大気中の酸素ガス（Ｏ２）が供給されることにより、次の化学反応式（２）に示すように、上記触媒により負荷を経由した電子（ｅ−）とイオン導電膜を通過した水素イオン（Ｈ＋）と空気中の酸素ガス（Ｏ２）が反応して水（Ｈ２Ｏ）が生成される。
６Ｈ＋＋（３／２）Ｏ２＋６ｅ− → ３Ｈ２Ｏ ・・・（２）
すなわち、このような一連の電気化学反応（（１）式及び（２）式）は、概ね室温〜８０℃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（Ｈ２Ｏ）のみとなる。なお、上述したような電気化学反応により負荷に供給される電力（電圧・電流）は、上記化学反応式（１）及び（２）に示したように、発電部１１０の燃料極に供給される水素ガス（Ｈ２）の量に依存する。
【００８２】
したがって、燃料制御部１２０は、発電部１１０において、所定の電力を生成、出力するために必要な量の水素ガス（Ｈ２）となる分の燃料や水等を取り込んで、後述する燃料改質部１４０により水素ガスに改質して、発電部１１０の燃料極に供給する制御を行う。なお、空気制御部１３０は、発電部１１０の空気極に供給する酸素ガス（Ｏ２）の量を制御する機能を有しているが、発電部１１０における単位時間あたりの酸素の最大消費量に相当する空気を供給可能であれば、発電部１１０の空気極に供給する酸素ガスの量を制御することなく、発電部１１０の駆動時に常時酸素ガスを供給するものであってもよく、また、別の構成として、発電部１１０における電気化学反応の進行状態を、燃料制御部１２０において調整される水素ガスの供給量のみで制御し、空気制御部１３０の代わりに通気孔を設け、発電部１１０における電気化学反応に用いられる上記最大消費量以上の空気（大気）が通気孔を介して供給されるように構成されているものであってもよい。
【００８３】
また、燃料改質部１４０は、燃料制御部１２０により所定の供給量で供給される発電用燃料に対して、所定の吸熱触媒反応（水蒸気改質反応）を利用して発電用燃料に含まれる水素成分を抽出して上記発電部１１０に供給する機能を有するものであって、上述した実施形態に示した薄膜ヒータを備えた化学反応装置（図１、図４参照）の構成を良好に適用することができる。具体的には、メタノール等の水素を含む液体燃料（アルコール類）から、吸熱触媒反応である水蒸気改質反応を利用して、水素ガス（Ｈ２）を生成する。ここで、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発電用燃料としては、上記発電部１１０により、比較的高いエネルギー変換効率で電力を生成することができる燃料であって、例えば、メタノール、エタノール、ブタノール等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）等の液化ガス等の常温常圧で気化される炭化水素からなる液化燃料、あるいは、水素ガス等の気体燃料等の流体物質を良好に適用することができる。
【００８４】
ここで、燃料改質部１４０における水素ガスの生成に利用される吸熱触媒反応の例としては、液体燃料の一例であるメタノールを適用した場合には、次の化学反応式（３）に示すような水蒸気改質反応が生じ、また、常温常圧で気体となる液化燃料の一例であるジメチルエーテルを適用した場合には、次の化学反応式（４）に示すような水蒸気改質反応が生じる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ → ３Ｈ２＋ＣＯ２ ・・・（３）
ＣＨ３ＯＣＨ３＋３Ｈ２Ｏ → ６Ｈ２＋２ＣＯ２ ・・・（４）
【００８５】
なお、いずれの水蒸気改質反応においても、概ね３００℃の熱条件の下で当該反応が良好に進行する。また、この改質反応により生成される水素以外の微量の生成物（主に、ＣＯ２）は、大気中に排出される。したがって、上述した実施形態に示したような化学反応装置（図１、図４参照）を燃料改質部１４０に適用することにより、反応流路（反応炉）の流路形状の全域を含む領域に対応して、基板間、あるいは、基板の他面側に設けられた薄膜ヒータに、ヒータ電源から所定の電力を供給して加熱することにより、反応流路（触媒層）に対して、上記各化学反応式（３）、（４）に示した吸熱を伴う水蒸気改質反応の進行に寄与する所定の熱エネルギーを供給することができ、水素ガスを良好に生成することができる。
【００８６】
ここで、燃料改質部１４０に適用される具体的な構成例は、例えば、図６（ａ）に示すように、シリコン等の微小基板（上述した主基板１０に相当する）１４１の一面側に、半導体製造技術等の微細加工技術を用いて、所定の断面形状及び平面形状を有して溝状に設けられた燃料吐出部１４２ａ、水吐出部１４２ｂ、燃料気化部１４３ａ、水気化部１４３ｂ、混合部１４３ｃ、改質反応流路１４４、水素ガス排気部１４５と、例えば、上記改質反応流路１４４の形成領域を含む領域であって、かつ、改質反応流路１４４内に露出するように、微小基板１４１上に設けられた矩形状の薄膜ヒータ１４６（上述した薄膜ヒータ４０Ａに相当する）と、微小基板１４１上に薄膜ヒータ１４６を介して接合された微小基板（上述した閉止基板３０に相当する；図示を省略）と、を備えて構成されている。
【００８７】
燃料吐出部１４２ａ及び水吐出部１４２ｂは、上述したような水蒸気改質反応における原料物質となる発電用燃料及び水を、例えば、所定の単位量ごとに液状粒として流路内に吐出する流体吐出機構を有している。したがって、燃料吐出部１４２ａ及び水吐出部１４２ｂにおける発電用燃料又は水の吐出量に基づいて、例えば、上記化学反応式（３）式に示した水蒸気改質反応の進行状態が制御されることになるため（詳しくは、薄膜ヒータ１４６から供給される熱エネルギーも密接に関連する）、燃料吐出部１４２ａ及び水吐出部１４２ｂは、燃料供給量の調整機能を担う構成を有している。
【００８８】
燃料気化部１４３ａ及び水気化部１４３ｂは、それぞれ発電用燃料及び水の沸点等の揮発条件に応じて加熱されるヒータであって、燃料吐出部１４２ａ及び水吐出部１４２ｂから液状粒として吐出された発電用燃料又は水を、加熱処理あるいは減圧処理等することにより気化し、混合部１４３ｃにおいて、燃料ガスと水蒸気の混合ガスを生成する。ここで、燃料気化部１４３ａ及び水気化部１４３ｂとして、加熱処理を行う機構を採用する場合には、上述した改質反応流路１４４と同様に、燃料気化部１４３ａ及び水気化部１４３ｂを構成する溝部の形成領域を含む領域であって、かつ、該溝部内に露出するように微小基板１４１上に矩形状の薄膜ヒータを設けた構成を適用するものであってもよい。
【００８９】
改質反応流路１４４及び薄膜ヒータ１４６は、上述した各実施形態に示した反応流路部に相当し、上記混合部１４３ｃにおいて生成された混合ガスを改質反応流路１４４に導入し、改質反応流路１４４の内壁面に付着形成された銅−亜鉛（Ｃｕ−Ｚｎ）系の触媒層（図示を省略）及び改質反応流路１４４に、該改質反応流路１４４の形成領域を含む領域に対応して設けられた薄膜ヒータ１４６から供給される所定の熱エネルギーに基づいて、上記化学反応式（３）、（４）に示した水蒸気改質反応を生じさせて、水素ガス（Ｈ２）を生成する。
水素ガス排気部１４５は、改質反応流路１４４において生成された水素ガスを排出して、上述した発電部１１０を構成する燃料電池の燃料極に供給する。これにより、発電部１１０において、上記化学反応式（１）及び（２）に基づく一連の電気化学反応が生じて、所定の電力が生成される。
【００９０】
そして、上述したように、このような構成を有する燃料改質部１４０の微小基板１４１に形成された溝状の改質反応流路等の形成領域を含む領域に対応して、上述した実施形態に示した薄膜ヒータ４０を、微細加工技術を用いて形成することができる。これにより、燃料改質部１４０全体又は一部、あるいは、燃料改質部１４０を含む発電モジュール１００を微小空間に集積化することができ、例えば、日本工業規格（ＪＩＳ）に則った汎用の一次電池や種々の二次電池等と略同一の外形形状及び外形寸法を有するように小型化することができ、既存の一次電池や二次電池市場において互換可能なポータブル電源を実現することができる。
【００９１】
なお、上述した電源システムは、上述した実施形態に示したような化学反応装置を適用した燃料改質部により生成される所定の流体物質（水素ガス等）を発電用燃料として用いて、発電を行うことができるものであれば、燃料電池に限定されるものではない。したがって、化学反応装置（燃料改質部）により生成された流体物質の燃焼反応に伴う熱エネルギーによるもの（温度差発電）や、燃焼反応等に伴う圧力エネルギーを用いて発電器を回転させて電力を発生する力学的なエネルギー変換作用等によるもの（ガス燃焼タービンやロータリーエンジン、スターリングエンジン等の内燃、外燃機関発電）、また、発電用燃料ＦＬの流体エネルギーや熱エネルギーを電磁誘導の原理等を利用して電力に変換するもの（電磁流体力学発電、熱音響効果発電等）等、種々の形態を有する発電装置に適用することができる。
【００９２】
また、図６（ａ）に示した構成においては、上記化学反応式（３）において、発電用燃料としてメタノール等と水を、別個の吐出部１４２ａ、１４２ｂ及び供給経路を介して供給、気化して混合する構成を備えた燃料改質部を示したが、予めメタノール等に水が混合された発電用燃料を直接燃料改質部に供給して、水素ガスを生成する水蒸気改質反応を実行するものであってもよい。このような場合にあっては、例えば、図６（ｂ）に示すように、微小基板１４１の一面側に、単一の燃料吐出部１４２ｃ及び燃料気化部１４３ｃと、上述した改質反応流路１４４、水素ガス排気部１４５からなる単一の流路を備えた構成を適用することができる。
【００９３】
また、上述した電源システムに示した燃料改質部１４０においては、上記化学反応式（３）や（４）での反応以外に極微量の一酸化炭素（ＣＯ）を生成する恐れがあるが、図５に示すように、生成された一酸化炭素を無害化するような反応部を設けてもよい。
すなわち、発電モジュール１００の燃料改質部１４０は、上述したように、燃料パック２１０内のアルコール及び水から構成される燃料を燃料制御部１２０から供給され、水素（Ｈ２）と副生成物の二酸化炭素（ＣＯ２）、さらに、微量の一酸化炭素（ＣＯ）を生成する水蒸気改質反応部１４０ａに加えて、水蒸気改質反応部１４０ａから供給された一酸化炭素（ＣＯ）を燃料制御部１２０及び／又は発電部１１０から供給された水（Ｈ２Ｏ）と反応させ、二酸化炭素（ＣＯ２）及び水素（Ｈ２）を生成する水性シフト反応部１４０ｂ、及び、水性シフト反応部１４０ｂで反応しきれなかった一酸化炭素（ＣＯ）を酸素（Ｏ）と反応させて二酸化炭素（ＣＯ２）を生成する選択酸化反応部１４０ｃのうちの少なくとも一方からなる一酸化炭素燃料改質部を備えた構成を有し、燃料パック２１０に封入された燃料を、改質して得られる水素（Ｈ２）を発電部１１０に供給するとともに、微量に生じる一酸化炭素（ＣＯ）を無毒化するものである。下記に示す実施形態では、一酸化炭素燃料改質部が水性シフト反応部１４０ｂ及び選択酸化反応部１４０ｃの両方を有する構成になっている。
【００９４】
以下、燃料改質部１４０の各構成と図６に示した構成との関係について説明する。
燃料改質部１４０の水蒸気改質反応部１４０ａは、図６（ａ）に示す構造と概略同一であり、燃料気化部１４３ａ及び水気化部１４３ｂは、薄膜ヒータ１４６と同様にＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物（発熱抵抗体）からなる薄膜層を備えている。ここで、温度制御部１５０により制御された電力により上記薄膜層が所定温度に加熱され、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）及び水（Ｈ２Ｏ）を気化させる。
【００９５】
そして、水蒸気改質反応過程においては、上記気化したメタノール（ＣＨ３ＯＨ）及び水（Ｈ２Ｏ）に対して、薄膜ヒータ１４６で概ね３００℃の温度条件の雰囲気を設定することにより、４９．４kJ/mol程度の熱エネルギーを吸熱して、上述した化学反応式（３）に示すように、水素（Ｈ２）と微量の二酸化炭素（ＣＯ２）が生成される。この二酸化炭素（ＣＯ２）は、選択的に発電モジュール１００の外側に排出される。なお、この水蒸気改質反応においては、水素（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）以外に副生成物として微量の一酸化炭素（ＣＯ）が生成される場合がある。
【００９６】
ここで、水蒸気改質反応において、副生成物として生成される一酸化炭素（ＣＯ）を除去するための水性シフト反応部１４０ｂ及び選択酸化反応部１４０ｃを水蒸気改質反応部１４０ａの後段に付設して、水性シフト反応及び選択酸化反応からなる各過程を介して、一酸化炭素（ＣＯ）を二酸化炭素（ＣＯ２）及び水素（Ｈ２）に変換して、有害物質の排出を抑止するように構成する。
具体的には、水性シフト反応部１４０ｂは、図６（ａ）に示す構造と概略同一であるが、燃料吐出部１４２ａの代わりに水蒸気改質反応部１４０ａで改質後の残存する一酸化炭素（ＣＯ）を微量に含む水素ガス（Ｈ２）を吐出する吐出部が設けられ、かつ、薄膜ヒータ１４６と同様にＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物からなる薄膜層を備えている。
【００９７】
水性シフト反応部１４０ｂでの水性シフト反応過程において、一酸化炭素（ＣＯ）に対して水（水蒸気；Ｈ２Ｏ）を反応させることにより４０．２kJ/mol程度の熱エネルギーを発熱して、次の化学反応式（５）に示すように、二酸化炭素（ＣＯ２）と水素（Ｈ２）が生成される。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ →ＣＯ２＋Ｈ２ ・・・（５）
このとき発生される二酸化炭素（ＣＯ２）は、発電モジュール１００の外側に選択的に排出される。
【００９８】
水性シフト反応部１４０ｂの少なくとも一方の後段に付設された選択酸化反応部１４０ｃは、水性シフト反応部１４０ｂで未反応の一酸化炭素（ＣＯ）を二酸化炭素（ＣＯ２）に改質するものであり、概略図６（ａ）から燃料気化部１４３ａ、水気化部１４３ｂを省略し、燃料吐出部１４２ａ、水吐出部１４２ｂの代わりに、それぞれ水性シフト反応部１４０ｂからの気体を吐出する吐出部と、発電モジュール１００の外側から取り込んだ空気あるいは酸素（Ｏ）を吐出する吐出部と、が設けられ、かつ、薄膜ヒータ１４６と同様にＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物からなる薄膜層を備えている。
【００９９】
選択酸化反応過程において、水性シフト反応により二酸化炭素（ＣＯ２）と水素（Ｈ２）に変換されなかった一酸化炭素（ＣＯ）に対して酸素（Ｏ２）を反応させることにより２８３．５kJ/mol程度の熱エネルギーを発熱して、次の化学反応式（６）に示すように、二酸化炭素（ＣＯ２）が生成される。
ＣＯ＋（１／２）Ｏ２ →ＣＯ２ ・・・（６）
なお、選択酸化反応部１４０ｃは、水蒸気改質反応部１４０ａと水性シフト反応部１４０ｂとの間に設けてもよい。
上記一連の燃料改質反応により生成される水素（Ｈ２）以外の微量の生成物（主に、二酸化炭素（ＣＯ２））は、発電モジュール１００に設けられた排出孔を介して、外気に排出される。
【０１００】
次いで、本発明に係る電源システムに適用される発電モジュール１００及び燃料パック２１０の形状について、図面を参照して簡単に説明する。
図７（ａ）〜図７（ｄ）及び図７（ｅ）〜図７（ｈ）は、それぞれ本発明に係る電源システムに適用される一実施例の燃料パック及びホルダー部（発電モジュール）を上方向、前方向、横方向、後方向から見た外形形状を示す概略構成図である。
【０１０１】
図７（ａ）〜図７（ｄ）及び図７（ｅ）〜図７（ｈ）に示すように、本実施例に係る電源システムは、発電用燃料が所定の条件で封入された燃料パック２１０と、該燃料パック２１０が装着自在及び取り外し自在に構成された発電モジュール１００を収容したホルダー部２２０と、を備えて構成されている。ここで、燃料パック２１０は、例えば、燃料ＦＬを封入する透明の分解性高分子ケースであって、未使用の場合には、バクテリア等の分解要因から保護するパッケージ２１１でケースの周囲を被覆されており、燃料パック２１０の装着時には、パッケージ２１１を剥離する構成になっている。また、燃料パック２１０は透明なケースで構成されるとともに、図７（ａ）に示すように、その側面の適当な位置に指標２１０ｃを設けた構成を有しており、これにより、燃料パック２１０内に残存する発電用燃料の量（残量）を視覚的に確認することができるようになっている。
【０１０２】
ホルダー部２２０は、大別して、上述した実施形態と同等の構成を有する発電モジュール１００が収納され、正極端子ＥＬ（＋）が設けられた発電部２２０ａと、負極端子ＥＬ（−）が設けられた対向部２２０ｂと、発電部２２０ａと対向部２２０ｂを連結するとともに、発電部２２０ａと負極端子ＥＬ（−）を電気的に接続する連結部２２０ｃと、を有して構成されている。ここで、発電部２２０ａ、対向部２２０ｂ及び連結部２２０ｃにより囲まれた貫通した空間ＳＰ１が、上記燃料パック２１０を結合した際の収納位置となる。
【０１０３】
さらに、ホルダー部２２０は、対向部２２０ｂの当接部分の周囲にバネ材等の弾性を有し、中央に孔を有する凸部２２０ｄと、凸部２２０ｄの孔及び発電モジュール１００の副生成物供給経路１０４を連結する副生成物回収経路２２０ｅと、を備えている。なお、ホルダー部２２０の連結部２２０ｃには、図７（ｅ）に示すように、図７（ａ）に示した燃料パック２１０の指標２１０ｃに代えて、又は、指標２１０ｃと併設して、指標２２０ｈが刻まれた構成を適用するものであってもよい。これにより、ホルダー部２２０に燃料パック２１０を結合した際に、発電用燃料の残量を簡易かつ正確に確認することができるようになっている。なお、この場合、連結部２２０ｃは、不透明である方が指標２２０ｈを視認しやすい。
【０１０４】
このような構成を有する電源システムにおいて、パッケージ２１１を剥がした燃料パック２１０が空間ＳＰ１に収納されると、後述する図８に示すように、燃料送出経路となる燃料送出管２２０ｆが、バネで姿勢が固定されている燃料供給弁２１０ｄを押し下げて、燃料パック２１０の漏出防止機能が解除されて、燃料パック２１０に封入された発電用燃料ＦＬが、毛細管２１０ｆ内及び燃料送出管２２０ｆ内での表面張力により自動的に搬送されて発電モジュール１００に供給される。
【０１０５】
ここで、電源システムは、燃料パック２１０が空間ＳＰ１に収納され、ホルダー部２２０に結合された状態において、例えば、上述した円柱形状の汎用の化学電池と略同等の外形形状及び寸法を有するように構成されている。また、このとき、燃料パック２１０が空間ＳＰ１に正常に収納された状態で、燃料パック２１０の燃料送出口２１０ａが、発電部２２０ａ側の燃料送出経路に良好に当接して接続するように、燃料パック２１０の他端側２１０ｂを適当な力で押圧するとともに、燃料パック２１０がホルダー部２２０から不用意に脱落することを防止するために、燃料パック２１０の他端側２１０ｂと対向部２２０ｂの当接部分が、適当な押圧力で係合するように構成されていることが望ましい。
【０１０６】
これにより、上述したように、副電源部１７０から発電モジュール１００内の動作制御部１８０に動作電力が供給される。また、本実施形態に係る電源システムが所定のデバイスＤＶＣに装着されることにより、充電部１６０あるいは発電部１１０から出力された電力の一部が正極端子ＥＬ（＋）及び対向部２２０ｂに設けられた負極端子ＥＬ（−）を介して、デバイスＤＶＣに内蔵されたコントローラＣＮＴに駆動電力（コントローラ電力）として供給される（初期動作）。
【０１０７】
したがって、汎用の化学電池と同様に簡易に取り扱うことができ、汎用の化学電池と同一又は同等の外形形状及び寸法（ここでは、円柱形状）を有するとともに、同一又は同等の電気的特性を有する電力を供給することができる完全互換の電源システムを実現することができるので、既存の携帯機器等のデバイスに対して、汎用の化学電池と全く同様に、動作電力として適用することができる。
【０１０８】
（具体的構成例）
次に、上述した各実施形態（各構成例を含む）のいずれかを適用した電源システム全体の具体構成例について、図面を参照して説明する。
図８は、本発明に係る電源システム全体の具体構成例を示す要部構成図である。ここでは、発電モジュールに設けられる副電源部１７０が、充電部１６０で蓄電されたチャージにより充電され、発電部１１０の燃料セルとして燃料改質方式の燃料電池が適用されているものとする。また、上述した各実施形態及び各構成例を適宜参照し、同等の構成については、同一の符号を付して、その説明を簡略化する。
【０１０９】
図８に示すように、本具体構成例に係る電源システム３００は、発電モジュール１００と燃料パック２１０が装着自在及び取り外し自在に構成され、全体として円柱形状からなる外形形状を有している。また、これらの構成（特に、発電モジュール１００）が、マイクロマシン製造技術等を用いて微小空間に構成され、汎用の化学電池と同等の外形寸法を有するように構成されている。
【０１１０】
発電モジュール１００は、概略、円柱形状の円周側面に沿って延在する発電部１１０と、円柱状の発電モジュール１００内部に、深さ及び幅がそれぞれ５００μｍ以下の燃料流路及び流路内の空間を所定温度に設定する薄膜ヒータが形成された水蒸気改質反応部（水蒸気改質反応炉）１４０ａと、深さ及び幅がそれぞれ５００μｍ以下の燃料流路及び流路内の空間を所定温度に設定する薄膜ヒータが形成された水性シフト反応部（水性シフト反応炉）１４０ｂと、深さ及び幅がそれぞれ５００μｍ以下の燃料流路及び流路内の空間を所定温度に設定する薄膜ヒータが形成された選択酸化反応部（選択酸化反応炉）１４０ｃと、発電モジュール１００内部にマイクロチップ化されて収納された動作制御部１８０と、発電モジュール１００の円柱側面から上記発電部１１０の空気極まで貫通し、外部の空気を取り入れる複数の通気孔（スリット）１３０ａと、上記空気極側において生成される副生成物（水等）を液化（凝縮）して分離回収する分離回収部１０２と、回収した副生成物の一部を水蒸気改質反応部１４０ａに供給する副生成物供給経路２２０ｅと、円柱上面から上記発電部１１０の空気極まで貫通し、少なくとも、発電部の燃料極側や水蒸気改質反応部１４０ａ、水性シフト反応部１４０ｂ、選択酸化反応部１４０ｃにおいて生成され、非回収物質である副生成物（二酸化炭素等）を発電モジュールの外部に排出する排出孔１０６と、記載はないが副電源部１７０と、を備えて構成されている。
【０１１１】
水蒸気改質反応部１４０ａ及び水性シフト反応部１４０ｂは、反応に必要な水として、副生成物供給経路１０４を介して供給される発電部１１０で生成された水及び燃料パック２１０内の燃料ＦＬ内の水の少なくとも一方を利用する。また水蒸気改質反応部１４０ａ、水性シフト反応部１４０ｂ及び選択酸化反応部１４０ｃ内で各反応により生じた二酸化炭素は、排出孔１０６を介して発電モジュール１００の外部に排出される。
【０１１２】
燃料パック２１０は、発電部１１０に供給される発電用燃料ＦＬが充填、封入される燃料封入部１９０と、上記分離回収部１０２により回収された副生成物（水）を固定的に保持する副生成物回収部２００と、発電モジュール１００との境界にあって、発電用燃料ＦＬの漏出を防止する燃料供給弁２１０ｄ（燃料漏出防止手段）と、回収保持された副生成物（回収物）の漏出を防止する副生成物取込弁２１０ｅ（回収物漏出防止手段）と、を有して構成されている。ここで、燃料パック２１０は、例えば、分解性プラスチックにより形成されている。
【０１１３】
このような構成を有する燃料パック２１０を発電モジュール１００と結合すると、燃料送出管２２０ｆがバネで姿勢が固定されている燃料供給弁２１０ｄを押し下げて燃料パック２１０の漏出防止機能が解除され、燃料パック２１０に封入された発電用燃料ＦＬが毛細管２１０ｆ内及び燃料送出管２２０ｆ内での表面張力により発電モジュール１００まで自動的に搬送される。また、燃料パック２１０を発電モジュール１００から外すと、燃料供給弁２１０ｄがバネの復元力で元の閉じた状態になって、発電用燃料ＦＬが漏れないようになる。
【０１１４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る化学反応装置によれば、少なくとも一つの反応領域を備え、該反応領域において反応流路等の機能要素が微小空間にミクロンオーダーに微細化されて形成され、該反応流路内で第１の流体物質を水素を含む第２の流体物質に変換する化学反応を生じる化学反応装置において、反応流路が形成された主基板に閉止基板を接合する際に、反応領域において、反応流路及び隣接する反応流路間を含む流路形状の全域に対して、この領域を含む、より大きな領域に薄膜ヒータが形成されているので、基板相互の位置合わせマージンを大きく取ることができ、比較的容易に位置合わせを行うことができる。したがって、高精度の製造機器等を必要とすることなく、基板接合工程における位置合わせ作業を簡素化することができ、製品コストを抑制した信頼性の高い化学反応装置を提供することができる。また、薄膜ヒータを構成する上記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物の密度が７ . ０×１０ ２２ ／ cm ３ 以上に設定されることにより、通常の金属や酸化物（例えば、Ｔａ＋Ｓｉ＋Ｏ系の化合物）により薄膜ヒータを形成した場合に比較して、簡易に高い密度を実現することができ、反応流路内で生成される水素等の薄膜ヒータへの侵入を抑制して、膜質の劣化を防止することができる。
【０１１５】
ここで、薄膜ヒータがタンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）からなるＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物の薄膜層により構成され、かつ、薄膜ヒータが反応流路内に露出するように構成することにより、薄膜ヒータから反応流路への熱エネルギーの伝熱特性を大幅に向上することができるので、反応流路内部で生じる化学反応の反応効率を改善することができる。
【０１１６】
特に、薄膜ヒータを構成するＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物における酸素及び窒素の合計含有率を、概ね５６％以下（好ましくは、概ね３５％乃至５６％の範囲）の任意の数値、もしくは、化合物の抵抗率を、概ね０.５ｍΩｃｍ乃至１０ｍΩｃｍの範囲のうち、任意の数値に設定することにより、薄膜ヒータとして良好な発熱特性が得られるとともに、反応流路内での化学反応を効率よく促進することができる。
【０１１７】
また、薄膜ヒータを構成する上記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物を水素化処理して得られるＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ−Ｈからなる化合物を、薄膜ヒータとして適用することにより、例えば、シリコン基板からなる主基板と薄膜ヒータ間に陽極接合を適用することができるので、化学反応装置の製造プロセスを簡易化して効率化しつつ、各基板と薄膜ヒータとを良好に接合することができる。
さらに、上記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物は、主基板及び閉止基板に適用されるガラス基板やシリコン基板等に対して、極めて良好な密着性を有しているので、薄膜ヒータの発熱に伴って熱膨張や熱収縮が生じた場合であっても、主基板及び閉止基板との間でストレスが比較的生じにくく、剥離や破損の発生を良好に抑制することができる。
【０１１９】
また、本発明に係る電源システムによれば、上述したような化学反応装置を燃料供給部に適用した構成を有し、薄膜ヒータから所定の熱エネルギーを供給することにより、微小空間に形成された反応流路内で、例えば、蒸発反応や水蒸気改質反応、水性シフト反応、選択酸化反応等を生じさせ、アルコール系の液体燃料（第１の流体物質）から高い変換効率で水素ガス（第２の流体物質）を生成することができるとともに、有害な副生成物の排出を極力抑制することができるので、燃料改質型の燃料電池等を備えた電源システムにおける発電効率の向上や、システム構成の大幅な小型化を図りつつ、実用化に極めて有益な構成を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る化学反応装置（マイクロリアクタの反応流路部）の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本実施形態に係る化学反応装置（マイクロリアクタ）の製造プロセスの一例を示す概略図である。
【図３】本実施形態に係る化学反応装置に適用される薄膜ヒータの材料組成と密度との関係を示す実験データである。
【図４】本発明に係る化学反応装置（マイクロリアクタの反応流路部）の他の実施形態を示す概略構成図である。
【図５】本発明に係る化学反応装置を燃料供給部に適用した電源システムの構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明に係る化学反応装置を燃料供給部に適用した場合の具体構成例を示す図である。
【図７】本発明に係る電源システムに適用される燃料パック及びホルダー部の外形形状を示す概略構成図である。
【図８】本発明に係る電源システムの要部構成の具体例を示す概略構成図である。
【図９】従来技術における化学反応装置（マイクロリアクタの反応流路部）の概略構成を示す図である。
【図１０】従来技術における化学反応装置（マイクロリアクタ）の製造プロセスの一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１０ 主基板
２０ 反応流路
３０ 閉止基板
４０Ａ、４０Ｂ 薄膜ヒータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学反応装置及び電源システムに関し、特に、微小基板に形成された反応流路における吸熱触媒反応により、水素ガス等の所望の流体物質の生成が可能な化学反応装置、及び、該化学反応装置を燃料電池等における燃料供給部に適用した電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、化学反応工学の分野においては、流体化された混合物質を反応流路（チャネル）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化学反応装置（「流路反応器」、又は、「チャネルリアクタ」ともいう）が知られている。
【０００３】
近年、このような化学反応装置の技術分野に、集積回路等の半導体デバイス製造技術で蓄積された微細加工技術（マイクロテクノロジー）をはじめとする、いわゆる、マイクロマシン製造技術を適用して、例えば、単一のシリコンチップ上の微小空間にミリメートルオーダー又はミクロンオーダーの混合器や反応流路、分析器等の各種機能要素を集積化したマイクロリアクタ（又は、「マイクロチャネルリアクタ」ともいう）の研究開発が活発に行われている。
【０００４】
ここで、マイクロリアクタにおける主要な構成である反応流路部について、図９を参照して簡単に説明する。
マイクロリアクタの反応流路部は、概略、図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、シリコン等の微小な主基板１０ｐの一面側にフォトエッチング技術等を用いて、例えば、ミクロンオーダーの幅及び深さを有する溝部からなる反応流路（マイクロチャネル）２０ｐを形成し、該反応流路２０ｐの内壁面（側壁面あるいは底面等）に図示を省略した所定の触媒を付着形成した後、該主基板１０ｐの一面側に、上記反応流路２０ｐの開放部（上記溝部の開口端）を閉止するようにガラス等の閉止基板３０ｐを接合した構成を有している。
【０００５】
特に、マイクロリアクタにおける化学反応（触媒反応）が所定の熱条件による吸熱反応を伴う場合には、化学反応時に反応流路２０ｐ（詳しくは、触媒）に所定の熱量（熱エネルギー）を供給するために、図９（ｂ）、（ｃ）に示すように、閉止基板３０ｐの他面側（主基板１０との接合側とは反対側）に、上記反応流路２０ｐの形状（流路形状）と一致又は近似する形状を有して形成された発熱抵抗体等からなる薄膜ヒータ４０ｐを備えた構成が適用される。
【０００６】
なお、図９（ａ）、（ｃ）においては、反応流路２０ｐ及び薄膜ヒータ４０ｐの形状を明確にするために、便宜的にハッチングを施して示した。また、図９においては、化学反応装置の側部に反応流路２０ｐへの流体物質の導入部２０ａ及び排出部２０ｂを設けた構成を示したが、主基板１０ｐ又は閉止基板３０ｐに対して垂直方向（すなわち、図９（ａ）、（ｃ）において、紙面に垂直方向）に上記導入部２０ａ及び排出部２０ｂが設けられた構成であってもよい。
【０００７】
このような構成を有するマイクロリアクタにおいて、例えば、メタノールと水からなる原料物質を気化した流体物質（混合ガス）を上記反応流路２０ｐの導入部２０ａ側から導入するとともに、図示を省略したヒータ電源により薄膜ヒータ４０ｐに所定の電圧を印加して加熱し、反応流路２０ｐが所定の温度となるように熱エネルギーを供給することにより、反応流路２０ｐ内に付着形成された触媒による吸熱触媒反応が生じて水素ガスと少量の二酸化炭素等が生成され（メタノール水蒸気改質反応）、反応流路２０ｐの排出部２０ｂから排出される。なお、メタノール等のアルコール系原料から上述したような水蒸気改質反応により水素ガスを生成する技術は、近年、実用化に向けての研究開発が目覚ましい燃料改質型の燃料電池における燃料（水素）供給装置にも適用される技術である。
【０００８】
そして、このようなマイクロリアクタにおいては、反応流路の構成を微細化することにより、次に示すような種々の特徴を有している。
（１）反応流路の構成を微細化することにより、反応流路における反応容積が小さくなるので、反応流路とヒータとの間の表面積と反応流路の体積の比（表面積／体積比）が高くなり、触媒反応時の熱伝導特性（伝熱特性）が向上して、上述したような化学反応の反応効率が改善されるという利点がある。
【０００９】
（２）また、反応流路の構成を微細化することにより、反応流路の径（断面形状のサイズ）が小さくなり、混合物質を構成する反応分子の拡散混合時間が短くなるので、反応流路内における触媒反応の進行速度（反応速度）が向上するという利点がある。
（３）さらに、マイクロリアクタの装置構成自体が小型化されるので、大型炉を製造するときに適用されるような、小型実験炉での検証結果に合わせた段階的なスケールアップ（装置規模の大型化や流体物質の生成能力の向上）に伴う煩雑な反応工学的な検討が不要になるという利点がある。
なお、マイクロリアクタの具体的な構成例については、後述する発明の実施の形態の記載において詳しく説明する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したようなマイクロリアクタにおいては、次に示すような問題を有している。
（ア）すなわち、従来技術におけるマイクロリアクタ（上述した反応流路部）の製造プロセスは、まず、図１０（ａ）に示すように、主基板１０ｐとなる基板材料の一面側に所定の断面形状及び流路形状を有する溝部（反応流路２０ｐ）を形成した後、該溝部の内壁面（側壁面あるいは底面）に所定の触媒層を形成する。一方、この主基板１０ｐ側の流路形成工程とは独立して、図１０（ｂ）に示すように、閉止基板３０ｐとなる基板材料の一面側に、上記溝部の流路形状に一致又は近似する平面形状（図１０（ｃ）参照）を有するように薄膜ヒータ４０ｐを形成する。そして、図１０（ｃ）に示すように、これらの主基板１０ｐに形成された上記溝部（反応流路２０ｐ）と閉止基板３０ｐに形成された薄膜ヒータ４０ｐの位置が正確に対応するように、主基板１０ｐ及び閉止基板３０ｐの位置合わせを行い、主基板１０ｐの一面側と閉止基板３０ｐの他面側を接合する（貼り合わせる）手順が採用されている。
【００１１】
ここで、上述したマイクロリアクタのように、微小基板にミクロンオーダーで溝部（反応流路２０ｐ）や薄膜ヒータ４０ｐが形成された構成においては、上記基板接合工程における位置合わせ精度が、マイクロリアクタの反応特性等に大きく影響を与える。そのため、基板相互を極めて高い精度で位置合わせする必要があり、基板接合工程における作業が繁雑かつ手間のかかるものとなったり、高精度の製造機器を必要とし、信頼性の低下や製品コストの上昇を招くという問題を有していた。
【００１２】
（イ）また、図９、図１０に示したように、主基板１０ｐと閉止基板３０ｐの接合構造において、両者の接合性や密着性が良好でない場合、反応流路２０ｐを流下する流体物質（混合ガス、水素ガス等）の漏洩を生じたり、薄膜ヒータ４０ｐからの熱エネルギーを供給した場合に、上記基板相互の熱膨張率の違いにより、接合された基板相互の剥離や破損等が発生して、マイクロリアクタの反応特性の劣化や動作不良、周辺機器への汚染等を生じ、製品品質や信頼性の低下を招くという問題も有していた。
【００１３】
（ウ）さらに、上述したようなマイクロリアクタにおいて、薄膜ヒータから反応流路（触媒）への熱エネルギーの伝達効率（熱伝導特性）を向上させ、反応流路内での吸熱触媒反応の反応効率を向上させるために、例えば、反応流路内に薄膜ヒータが露出するような構成を適用した場合、本願発明者による検証によれば、上記吸熱触媒反応（水蒸気改質反応）により生成される流体物質（特に、水素ガス）が、薄膜ヒータを構成する金属や比較的密度の低い酸化物材料、窒化物材料等のヒータ材料に侵入して膜質の劣化を生じ、薄膜ヒータ本来の発熱特性が得られなくなり、反応流路内での反応効率が低下するという問題を有していることが判明した。
【００１４】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑み、微小空間に反応流路や薄膜ヒータ等の機能要素が集積化された化学反応装置において、高精度の位置合わせ等の作業工程を必要とすることなく、かつ、基板相互が良好に接合された構成を有するとともに、反応流路内での反応効率の向上を図ることができる化学反応装置、及び、該化学反応装置を燃料供給部等に適用した電源システムを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る化学反応装置は、少なくとも一つの反応領域を備え、該反応領域において連続的に形成された反応流路を有し、該反応流路内で第１の流体物質を、水素を含む第２の流体物質に変換する化学反応を生じる化学反応装置において、前記反応領域において、前記反応流路の流路形状の全域を含む領域に対応して平面形状を有して形成され、前記反応流路に少なくとも一部が露出して該反応流路に所定の熱量を供給する、タンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）からなる化合物の薄膜層により構成され、前記化合物の密度が、７.０×１０２２／cm３以上に設定された発熱抵抗体からなる温度調整層を備えたことを特徴としている。請求項２記載の化学反応装置は、請求項１記載の化学反応装置において、前記化学反応装置は、前記反応領域を複数有し、該各反応領域において互いに異なる化学反応を生じ、前記反応流路は少なくとも前記各反応領域毎に形成されていることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項３記載の化学反応装置は、請求項１又は２記載の化学反応装置において、前記反応領域に対応して、一面側に前記反応流路が溝状に形成された第１の基板と、前記反応領域に対応して、一面側に前記温度調整層が前記反応流路領域に対応して形成された第２の基板と、を備え、前記第１の基板の一面側と前記第２の基板の一面側が対向して、前記反応流路の溝部開口端が閉止されて、前記反応流路内に前記温度調整層の一部が露出するように接合されていることを特徴としている。
【００１７】
請求項４記載の化学反応装置は、請求項１乃至３のいずれかに記載の化学反応装置において、前記化学反応装置は、少なくとも、前記第１の基板及び第２の基板が微小基板からなり、前記反応流路がミクロンオーダーの微細化された流路形状を有して形成されていることを特徴としている。
【００１８】
請求項５記載の化学反応装置は、請求項１記載の化学反応装置において、前記温度調整層は、前記化合物における酸素及び窒素の合計含有率が、５６%以下の任意の数値に設定されていることを特徴としている。
【００１９】
請求項６記載の化学反応装置は、請求項５記載の化学反応装置において、前記温度調整層は、前記化合物における酸素及び窒素の合計含有率が、３５%乃至５６%の範囲のうち、任意の数値に設定されていることを特徴としている。請求項７記載の化学反応装置は、請求項５又は６に記載の化学反応装置において、前記温度調整層は、前記薄膜層のシート抵抗が、１０Ω／□乃至１００Ω／□の範囲のうち、任意の数値に設定されていることを特徴としている。
【００２０】
請求項８記載の化学反応装置は、請求項５乃至７のいずれかに記載の化学反応装置において、前記温度調整層は、前記化合物の抵抗率が、０.５ｍΩｃｍ／□乃至１０ｍΩｃｍの範囲のうち、任意の数値に設定されていることを特徴としている。
【００２１】
請求項９記載の化学反応装置は、請求項１乃至８のいずれかに記載の化学反応装置において、前記化学反応装置は、前記反応領域において、前記反応流路内の少なくとも一部に所定の触媒層が設けられ、前記温度調整層から前記触媒層に供給される所定の熱量に基づいて、吸熱又は発熱を伴う前記化学反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴としている。
【００２２】
請求項１０記載の化学反応装置は、請求項１乃至９のいずれかに記載の化学反応装置において、前記第１の流体物質は、アルコール系の気体燃料と酸素を含む混合ガスであり、前記第２の流体物質は、水素ガスであって、前記化学反応装置は、少なくとも、前記温度調整層から供給される熱量に基づいて前記反応流路内で水蒸気改質反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴としている。
【００２３】
請求項１１記載の化学反応装置は、請求項１乃至９のいずれかに記載の化学反応装置において、前記第１の流体物質は、アルコール系の液体燃料又は水であり、前記第２の流体物質は、前記第１の流体物質が気化した燃料ガス又は水蒸気であって、前記化学反応装置は、少なくとも、前記温度調整層から供給される熱量に基づいて前記反応流路内で気化反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴としている。
【００２４】
請求項１２記載の化学反応装置は、請求項１乃至９のいずれかに記載の化学反応装置において、前記第１の流体物質は、一酸化炭素ガスと酸素を含む混合ガスであり、前記第２の流体物質は、水素ガス及び二酸化炭素ガスであって、前記化学反応装置は、少なくとも、前記温度調整層から供給される熱量に基づいて前記反応流路内で水性シフト反応及び選択酸化反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴としている。
【００２５】
本発明の請求項１３記載の電源システムは、少なくとも一つの反応領域を備え、該反応領域において連続的に形成された反応流路を有し、該反応流路内で第１の流体物質を水素を含む第２の流体物質に変換する化学反応を生じる化学反応装置を備え、該化学反応装置により生成された前記第２の流体物質を直接的又は間接的に用いて電力を発生する電源システムであって、前記反応領域において、前記反応流路の流路形状の全域を含む領域に対応して平面形状を有して形成され、前記反応流路に少なくとも一部が露出し、タンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）からなる化合物の薄膜層により構成され、前記化合物の密度が、７.０×１０２２／cm３以上に設定された発熱抵抗体からなる温度調整層を有し、該温度調整層から前記反応流路に所定の熱量を供給して、前記反応流路内で吸熱又は発熱を伴う前記化学反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴としている。
【００２６】
請求項１４記載の電源システムは、請求項１３記載の電源システムにおいて、前記化学反応装置は、前記反応領域を複数有し、該各反応領域において互いに異なる化学反応を生じ、前記反応流路は少なくとも前記各反応領域毎に形成されていることを特徴としている。請求項１５記載の電源システムは、請求項１３又は１４記載の電源システムにおいて、前記化学反応装置は、前記反応領域に対応して、一面側に前記反応流路が溝状に形成された第１の基板と、前記反応領域に対応して、一面側に前記温度調整層が前記反応流路領域に対応して形成された第２の基板と、を備え、前記第１の基板の一面側と前記第２の基板の一面側が対向して、前記反応流路の溝開口端が閉止されて、前記反応流路内に前記温度調整層の一部が露出するように接合されていることを特徴としている。
【００２７】
請求項１６記載の電源システムは、請求項１３乃至１５のいずれかに記載の電源システムにおいて、前記化学反応装置は、少なくとも、前記反応流路がミクロンオーダーの微細化された流路形状を有して微小空間に形成されていることを特徴としている。
【００２８】
請求項１７記載の電源システムは、請求項１３乃至１６のいずれかに記載の電源システムにおいて、前記化学反応装置は、前記反応領域において、前記反応流路内の少なくとも一部に所定の触媒層が設けられ、前記温度調整層から前記触媒層に供給される所定の熱量に基づいて、吸熱又は発熱を伴う前記化学反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴としている。
【００２９】
請求項１８記載の電源システムは、請求項１３乃至１７のいずれかに記載の電源システムにおいて、前記第１の流体物質は、アルコール系の気体燃料と酸素を含む混合ガスであり、前記第２の流体物質は、水素ガスであって、前記化学反応装置は、前記反応領域において、前記温度調整層から供給される熱量に基づいて前記反応流路内で水蒸気改質反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴としている。
【００３０】
請求項１９記載の電源システムは、請求項１３乃至１７のいずれかに記載の電源システムにおいて、前記第１の流体物質は、アルコール系の液体燃料又は水であり、前記第２の流体物質は、前記第１の流体物質が気化した燃料ガス又は水蒸気であって、前記化学反応装置は、前記反応領域において、前記温度調整層から供給される熱量に基づいて前記反応流路内で気化反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴としている。
【００３１】
請求項２０記載の電源システムは、請求項１３乃至１７のいずれかに記載の電源システムにおいて、前記第１の流体物質は、一酸化炭素ガスと酸素を含む混合ガスであり、前記第２の流体物質は、水素ガス及び二酸化炭素ガスであって、前記化学反応装置は、前記反応領域において、前記温度調整層から供給される熱量に基づいて前記反応流路内で水性シフト反応及び選択酸化反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴としている。
【００３２】
請求項２１記載の電源システムは、請求項１３記載の電源システムにおいて、前記温度調整層は、前記化合物における酸素及び窒素の合計含有率が、３５%乃至５６%の範囲のうち、任意の数値に設定されていることを特徴としている。
【００３３】
請求項２２記載の電源システムは、請求項２１記載の電源システムにおいて、前記温度調整層は、前記化合物の抵抗率が、０.５ｍΩｃｍ／□乃至１０ｍΩｃｍの範囲のうち、任意の数値に設定されていることを特徴としている。
【００３４】
すなわち、本発明に係る化学反応装置は、少なくとも一つの反応領域を備え、該反応領域において反応流路等の機能要素が微小空間にミクロンオーダーに微細化されて形成され、該反応流路内で第１の流体物質を水素を含む第２の流体物質に変換する化学反応を生じる化学反応装置において、反応領域における、吸熱又は発熱を伴う化学反応を生じる反応流路の流路形状の全域を含む領域に対応して薄膜ヒータ（温度調整層）が設けられ、かつ、該薄膜ヒータがタンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）からなるＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物の薄膜層により構成され、化合物の密度が、７ . ０×１０ ２２ ／ cm ３ 以上に設定されている。
【００３５】
このような構成を有する化学反応装置によれば、主基板に閉止基板を接合する際に、反応流路の流路形状の全域に対して、この領域を含む、より大きな領域に薄膜ヒータが形成されているので、基板相互の位置合わせマージンを大きく取ることができ、比較的容易に位置合わせを行うことができる。したがって、高精度の製造機器等を必要とすることなく、基板接合工程における位置合わせ作業を簡素化することができ、製品コストを抑制した信頼性の高い化学反応装置を提供することができる。また、薄膜ヒータを構成する上記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物の密度が７ . ０×１０ ２２ ／ cm ３ 以上に設定されることにより、通常の金属や酸化物（例えば、Ｔａ＋Ｓｉ＋Ｏ系の化合物）により薄膜ヒータを形成した場合に比較して、簡易に高い密度を実現することができ、反応流路内で生成される水素等の薄膜ヒータへの侵入を抑制して、膜質の劣化を防止することができる。
【００３６】
ここで、上記薄膜ヒータ（温度調整層）は、反応流路が形成される主基板（第１の基板）と反応流路の開口端を閉止する閉止基板（第２の基板）との間に介在して、化学反応が生じる反応流路内に露出するように設けられるものであってもよいし、閉止基板の他面側（主基板との接合に用いない面）に設けられるものであってもよい。
特に、前者の構成においては、薄膜ヒータが反応流路内に露出するように構成されているので、薄膜ヒータから反応流路や触媒層への熱エネルギーの伝熱特性を大幅に向上することができ、反応流路内部で生じる化学反応の反応効率を改善することができる。
【００３７】
また、反応流路の流路形状の全域を含むように形成された薄膜ヒータは、上記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物における酸素及び窒素の合計含有率が、概ね５６％以下（好ましくは、概ね３５％乃至５６％の範囲）の任意の数値、もしくは、化合物の抵抗率が、概ね０.５ｍΩｃｍ乃至１０ｍΩｃｍの範囲のうち、任意の数値に設定されていることが望ましく、このような材料組成によれば、薄膜ヒータとして良好な発熱特性が得られる、概ね１０Ω／□以上のシート抵抗を実現することができるとともに、反応流路内での化学反応を効率よく促進することができる。
【００３８】
また、薄膜ヒータを構成する上記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物を水素化処理して得られるＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ−Ｈからなる化合物を、薄膜ヒータとして適用することにより、例えば、シリコン基板からなる主基板とガラス基板からなる閉止基板とを、加熱して所定電圧を印加することにより、シリコンＳｉとガラス間に生じる静電引力を利用して化学結合させる陽極接合を、主基板と薄膜ヒータ間においても適用することができ、化学反応装置の製造プロセスを簡易化して効率化しつつ、各基板と薄膜ヒータとを良好に接合することができる。
【００３９】
さらに、上記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物は、一般的に発熱抵抗体として適用される金属系の抵抗体材料に比較して、主基板及び閉止基板に適用されるガラス基板やシリコン基板等に対して、極めて良好な密着性を有しているので、薄膜ヒータの発熱に伴って熱膨張や熱収縮が生じた場合であっても、主基板及び閉止基板との間でストレスが比較的生じにくく、剥離や破損の発生を良好に抑制することができる。
【００４１】
また、本発明に係る電源システムは、上述したような化学反応装置を燃料供給部に適用した構成を有し、薄膜ヒータから所定の熱エネルギーを供給することにより、微小空間に形成された反応流路内で、例えば、アルコール系の液体燃料又は水（第１の流体物質）から、アルコール系の気体燃料と水蒸気の混合ガス（第１の流体物質）から、水素ガス（第２の流体物質）を生成する水蒸気改質反応、一酸化炭素ガスと水蒸気の混合ガス（第１の流体物質）から、水素ガス及び二酸化炭素ガス（第２の流体物質）を生成する水性シフト反応及び選択酸化反応等を生じさせ、アルコール系の液体燃料から高い変換効率で水素ガスを生成することができるとともに、有害な副生成物の排出を極力抑制することができるので、燃料改質型の燃料電池等を備えた電源システムにおける発電効率の向上や、システム構成の大幅な小型化を図りつつ、実用化に極めて有益な構成を提供することができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る化学反応装置及び該化学反応装置を適用した電源システムの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
まず、本発明に係る化学反応装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る化学反応装置に適用される反応流路部の一実施形態を示す概略構成図である。また、図２は、本実施形態に係る化学反応装置の製造プロセスの一例を示す概略図である。なお、ここでは、化学反応装置の構成を明瞭にするために、反応流路の流路形状及び薄膜ヒータの平面形状に対して便宜的にハッチングを施して示す。
【００４３】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態に係る化学反応装置（マイクロリアクタ）に適用される反応流路部は、大別して、微小基板からなる主基板（第１の基板）１０と、該主基板１０の一面側に所定の溝状の断面形状及び蛇行する流路形状を有して形成された反応流路２０と、該反応流路２０の内壁面（例えば、反応流路２０の側壁面や底面）に付着形成された触媒層（図示を省略）と、主基板１０の一面側（反応流路２０の溝部開口端側）に接合された微小基板からなる閉止基板（第２の基板）３０と、上記主基板１０と閉止基板３０との間に介在し、かつ、反応流路２０内にその一部が露出するように接合された薄膜ヒータ（温度調整層）４０Ａと、を備えて構成されている。
【００４４】
ここで、反応流路２０は、図１（ｂ）に示すように、シリコン等からなる主基板１０の一面側をフォトエッチング技術等を用いて、任意の溝状の断面形状を有するようにエッチングした後、該溝部の内壁面（例えば、側壁面や底面）に、例えば、銅−亜鉛（Ｃｕ−Ｚｎ）系の触媒を化学気相成長法（ＣＶＤ）等により任意の厚さ（例えば、１μｍ〜１００μｍ）に付着形成することにより、図１（ａ）、（ｂ）に示したような流路形状（蛇行パターンを有する溝部）を有するように形成される。ここで、反応流路２０は、主基板１０の一面側に溝部の開口端を有するように形成されているため、この反応流路２０の開口端を外部から遮断するために、ガラス等の閉止基板（具体的には、後述するように、一面側に矩形状の薄膜ヒータ４０Ａが形成された閉止基板）３０が接合されて閉止される。これにより、所定の流体物質の導入部２０ａ及び排出部２０ｂにのみ開口部を備えた流路が形成される。なお、反応流路２０を構成する溝部は、内壁面に触媒層が付着形成されるため、図１（ｂ）に示した断面において流体物質が流下、移動可能な実効断面積が小さくなるが、後述するような流体物質が良好に流下、移動可能な溝断面としては、概ね幅１００μｍ以下、深さ５００μｍ以下であってもよい。
【００４５】
また、薄膜ヒータ４０Ａは、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、少なくとも、主基板１０の一面側に形成された反応流路２０の流路形状に対応し、該流路形状の全域を含む所定の平面形状（ここでは、矩形状）を有し、かつ、所定の材料組成を有する発熱抵抗体（化合物）の薄膜層により構成されている。ここで、薄膜ヒータ４０Ａは、具体的には、タンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）からなる材料組成を有する化合物ＴａｘＳｉｙＯｚＮｗを良好に適用することができる。なお、本発明において発熱抵抗体として適用される化合物ＴａｘＳｉｙＯｚＮｗの材料特性については、詳しく後述する。
【００４６】
なお、図１においては、化学反応装置の反応流路部を構成する主基板１０及び閉止基板３０の側部に反応流路２０への流体物質の導入部２０ａ及び排出部２０ｂが設けられた構成を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、主基板１０又は閉止基板３０に対して垂直方向（すなわち、図１（ａ）、（ｃ）において、紙面に垂直方向）に上記導入部２０ａ及び排出部２０ｂが設けられた構成を有するものであってもよい。
【００４７】
このような構成を有する化学反応装置において、例えば、メタノールと水からなる原料物質を気化した流体物質（第１の流体物質）を上記反応流路２０の導入部２０ａ側から導入するとともに、図示を省略したヒータ電源により薄膜ヒータ４０Ａに所定の電圧を印加して加熱し、反応流路２０内に付着形成された触媒層に所定の熱エネルギーを供給することにより、吸熱触媒反応（メタノール水蒸気改質反応）が生じて水素ガスと少量の二酸化炭素等の流体物質（第２の流体物質）が生成され、反応流路２０の排出部２０ｂから排出される。
【００４８】
そして、このような化学反応装置における製造プロセスは、まず、図２（ａ）に示すように、フォトエッチング技術等を用いて、主基板１０となるシリコン基板等の一面側に所定の流路形状を有する溝部（反応流路２０）を形成した後、化学気相成長法（ＣＶＤ）等により、該溝部の内壁面（側壁面あるいは底面）に銅−亜鉛系の触媒層を形成するとともに、この主基板１０側の流路形成工程とは独立して、図２（ｂ）に示すように、閉止基板３０となるガラス基板等の一面側であって、上記溝部の平面形状（流路形状）の全域を含む所定の領域に薄膜ヒータ４０Ａを形成する。ここで、酸素ガス（Ｏ２）と窒素（Ｎ２）ガスが混合されたアルゴンガス（Ａｒ）雰囲気中で、タンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）のストライプターゲットを用いたスパッタリング法等を行うことにより、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系薄膜からなる薄膜ヒータ４０Ａが形成される。
【００４９】
そして、図２（ｃ）に示すように、主基板１０に形成された上記溝部（反応流路２０）を含む全域に、閉止基板３０に形成された薄膜ヒータ４０Ａが対応するように、主基板１０及び閉止基板３０相互の位置合わせを行い、主基板１０の一面側（反応流路２０の溝部開口端側）と閉止基板３０の一面側（薄膜ヒータ４０Ａ側）を接合する。これにより、図１に示したように、上記主基板１０と閉止基板３０との間に薄膜ヒータ４０Ａが介在するとともに、反応流路２０内に膜ヒータ４０Ａの一部が露出する構成を有する化学反応装置を製造することができる。
【００５０】
このように、本実施形態に係る化学反応装置によれば、半導体製造技術等の微細加工技術を用いて主基板に形成された反応流路の流路形状の全域を含む領域に対応するように、閉止基板に矩形状の薄膜ヒータが形成され、主基板に閉止基板を接合する際に、比較的位置合わせ精度が低い場合であっても、反応流路の流路形状の全域（すなわち、反応流路の流路形状の最外縁部により規定される領域）に対して、より大きく形成された矩形状の薄膜ヒータを簡易に対応させることができる。これは、換言すれば、基板接合工程において、基板相互の位置合わせマージンを大きく取ることができることを意味する。したがって、高精度の製造機器等を必要とすることなく、基板接合工程における作業を簡素化することができ、信頼性の低下や製品コストの上昇を良好に抑制することができる。
【００５１】
また、本実施形態に係る化学反応装置によれば、主基板側に形成された反応流路内に薄膜ヒータが露出する構成を有しているので、薄膜ヒータから供給される熱エネルギーの反応流路や触媒層への伝熱特性が向上し、反応流路内部で生じる化学反応の反応効率を改善、もしくは、所定の熱エネルギーを供給するために消費される電力（すなわち、薄膜ヒータに投入される電気エネルギーの量）を削減することができる。
【００５２】
ここで、従来技術においても記載したように、反応流路内に薄膜ヒータが露出する構成を適用した場合、薄膜ヒータに用いる材料によっては、反応流路内で生じる化学反応（例えば、水蒸気改質反応等）により生成される流体物質（特に、水素ガス）により、薄膜ヒータの膜質の劣化を招き、発熱特性が悪化して、化学反応の反応効率が低下することが判明している。また、主基板と閉止基板の間に薄膜ヒータが介在する構成を有しているので、発熱に伴う熱膨張率の違いによる剥離や破損を抑制するために、適切な接合性や密着性を有するように材料特性を設定する必要がある。さらに、従来技術に示したような反応流路の流路形状（例えば、蛇行パターン）と略一致する細長い形状の薄膜ヒータ（発熱抵抗体）の場合と、本実施形態に係る矩形状の薄膜ヒータとでは、発熱特性が異なるため、適切な抵抗率を有するように設定する必要もある。
【００５３】
そこで、本発明においては、薄膜ヒータとして適用するＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系薄膜について種々検証し、後述するような電源システムの燃料供給部等としても利用が可能な化学反応装置に適用して良好な材料組成と材料特性との関係を見出した。以下、実験データを示して具体的に説明する。
（発熱特性と抵抗率の関係）
まず、薄膜ヒータ（発熱抵抗体）の発熱特性とその抵抗率との関係について説明する。
【００５４】
上述したように、薄膜ヒータに適用される発熱抵抗体は、反応流路に所定の熱エネルギーを供給することを目的とするものであるので、ある程度の抵抗値を有している必要がある。ここで、本実施形態に示したように、薄膜ヒータの平面形状を矩形状とした場合、従来技術に示したように、蛇行パターン等の反応流路の流路形状に一致又は近似させた細長い蛇行した形状の場合に対して、長さが短く、且つ、断面積が大きい形状となるため、仮に同材料を用いて形成した場合、抵抗値が小さくなる。そこで、このような形状で所定の抵抗値を得るためには比較的高い抵抗率を設定する必要がある。
【００５５】
このとき、薄膜ヒータに設定されるシート抵抗が小さすぎると（例えば、１Ω／□程度より小さい値の場合）、薄膜ヒータの周辺構造における抵抗（例えば、配線電極部におけるヒータ配線との接触抵抗等）と同程度となって、抵抗値の差が小さくなって、十分な発熱量が得られず、反応流路内での化学反応を十分に促進することができなくなるとともに、無駄な電力を浪費することになる。一方、薄膜ヒータに設定されるシート抵抗が大きすぎると（例えば、１００Ω／□程度より大きい値の場合）、薄膜ヒータの周辺構造（例えば、配線電極部等）において良好なオーミックコンタクトが得られ難くなる。
【００５６】
本願発明者は、上述したような状況に鑑み、種々検討を重ねた結果、薄膜ヒータに設定されるシート抵抗として、概ね１０Ω／□以上、より好ましくは、概ね１０Ω／□以上１００Ω／□程度以下に設定されていることが望ましいことを見出した。また、この薄膜ヒータは１０００Å〜２０００Åの膜厚に形成される。そこで、このシート抵抗に基づいて、薄膜ヒータに設定される抵抗率を算出すると、シート抵抗Ｒが１０Ω／□のとき、薄膜ヒータを構成する発熱抵抗体の膜厚ｔを１０００Åとした場合には、抵抗率ρは１ｍΩｃｍと算出され、また、膜厚ｔを２０００Åとした場合には、抵抗率ρは０．５ｍΩｃｍと算出される。一方、シート抵抗Ｒが１００Ω／□のとき、発熱抵抗体の膜厚ｔを１０００Åとした場合には、抵抗率ρ＝１０ｍΩｃｍと算出され、また、膜厚ｔを２０００Åとした場合には、抵抗率ρは５ｍΩｃｍと算出される。
【００５７】
このことから、本実施形態に係る構成を有する化学反応装置に適用可能な薄膜ヒータの抵抗率は、概ね０．５ｍΩｃｍ以上、より好ましくは、概ね０．５ｍΩｃｍ以上１０ｍΩｃｍ程度以下に設定されていることが望ましいことが判明した。
ここで、表１に、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系材料の材料組成と抵抗率との関係を検証した実験データを示す。表１において、［試料］欄は、検証対象となった各実験試料Ａ〜Ｍを示している。各実験試料Ａ〜Ｍにおける材料組成、すなわち、タンタル、シリコン、酸素、窒素の各含有量は異なるように設定されているとともに、材料全体に対する酸素と窒素の含有率（Ｏ＋Ｎ／Ｔａ＋Ｓｉ＋Ｏ＋Ｎ）も異なるように設定されている。そして、上記数値範囲（０．５ｍΩｃｍ〜１０ｍΩｃｍ）の抵抗率を得ることができる材料組成範囲は、表１の良否判定欄に示されているように、酸素と窒素の合計含有率がＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系材料全体の概ね５６％以下、より好ましくは概ね３５％〜５６％であることが判明した（表１；［Ｏ＋Ｎ／Ｔａ＋Ｓｉ＋Ｏ＋Ｎ］欄、［抵抗率］欄、［良否判定］欄参照）。
【００５８】
【表１】
したがって、上述したように、主基板に形成された反応流路の流路形状の全域を含む領域に対応するように、矩形状の薄膜ヒータを設けた構成を有する化学反応装置において、薄膜ヒータを構成する発熱抵抗体のシート抵抗を概ね１０Ω／□〜１００Ω／□の範囲のうち、任意の数値に設定することにより、もしくは、上記発熱抵抗体の抵抗率を概ね０.５ｍΩｃｍ〜１０ｍΩｃｍの範囲のうち、任意の数値に設定することにより、又は、発熱抵抗体における酸素及び窒素の合計含有率を概ね３５％〜５６％の範囲のうち、任意の数値に設定することにより、薄膜ヒータの良好な発熱特性が得られ、反応流路内での所定の化学反応を効率よく促進することができる。
【００６０】
（材料組成と密度との関係）
次いで、薄膜ヒータ（発熱抵抗体）の材料組成とその密度との関係について説明する。
図３は、本実施形態に係る化学反応装置に適用される薄膜ヒータの材料組成とその密度の関係を示す実験データである。
【００６１】
上述したように、反応流路内に薄膜ヒータが露出する構成を適用した場合、反応流路内で生じる化学反応（例えば、水蒸気改質反応等）により生成される流体物質（特に、水素ガス）により、通常の金属や密度の低い酸化物等からなる薄膜ヒータの膜質の劣化を招くので、発熱抵抗体は、高い耐水素性を有している必要がある。ここで、本実施形態に示したように、薄膜ヒータを構成する発熱抵抗体としてＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物を適用していることにより、図３に示すように、Ｔａ＋Ｓｉ＋Ｏ系（酸化物系）の化合物（図中左端×印にて表記）に比較して、高い密度が得られるうえ、酸素と窒素の合計含有率に比例して密度が上昇する傾向が得られた（図中●にて表記）。そして、本願発明者が、種々検討を重ねた結果、水素の侵入による膜質の劣化が防止される密度として、概ね７.０×１０２２／cm３以上の任意の数値に設定されていることが望ましいことが判明した。
【００６２】
このような発熱抵抗体における密度の設定により、Ｔａ＋Ｓｉ＋Ｏ系の化合物に窒素が結合して密度が高くなり、反応流路内で生成される水素の侵入が抑制されるので、本実施形態に示したように、反応流路内に薄膜ヒータが露出する構成を適用した場合であっても、薄膜ヒータの膜質の劣化を招くことなく、所定の発熱特性を維持することができ、反応流路内における化学反応の反応効率を向上させることができる。
【００６３】
（材料組成と接合性／密着性との関係）
次いで、薄膜ヒータ（発熱抵抗体）の材料組成と基板材料との接合性及び密着性の関係について説明する。
一般に、シリコン基板とガラス基板とを接合する工程においては、両基板を３００〜４００℃に加熱して５００Ｖ〜１ｋＶの電圧を印加することにより、シリコンとガラス間に静電引力を発生させ、界面で化学結合させる陽極接合が適用される。上述したように、主基板及び閉止基板間に薄膜ヒータが介在する構成を適用した場合にあっても、上記陽極接合による場合と同等の高い接合性を実現する必要がある。
【００６４】
そこで、本実施形態に示したようなＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物を、水素ガス雰囲気中で加熱する水素化処理を施すことにより得られるＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ−Ｈからなる化合物を薄膜ヒータを構成する発熱抵抗体として適用した場合、この材料は酸化あるいは窒化が不十分であるため、上記陽極接合を、主基板と薄膜ヒータ間にも適用することができる。これにより、接着剤等を用いた他の接合工程を行うことなく、化学反応装置の製造プロセスを簡易化して効率化しつつ、各基板と薄膜ヒータとを良好に接合することができる。
【００６５】
また、主基板と閉止基板の間に薄膜ヒータが介在する構成を適用した場合、薄膜ヒータの発熱に伴って、薄膜ヒータや主基板、閉止基板に熱膨張や熱収縮が生じるが、この場合、各々の熱膨張率の違いにより剥離や破損が発生する可能性があるため、高い密着性を有している必要がある。
ここで、本実施形態に示したようなＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物は、一般的に発熱抵抗体として適用されるアルミニウム（Ａｌ）、チタン−タングステン（ＴｉＷ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）パラジウム（Ｐｄ）等の金属系の抵抗体材料に比較して、熱酸化膜付きシリコン基板、あるいは、パイレックス（登録商標）ガラスや石英ガラスからなるガラス基板等に対して、極めて良好な密着性を有しているので、主基板及び閉止基板に上記シリコン基板やガラス基板を適用することにより、薄膜ヒータの発熱に伴って熱膨張や熱収縮が生じた場合であっても熱ストレスに比較的強いため、主基板及び閉止基板の剥離や破損の発生を良好に抑制することができる。
【００６６】
次に、本発明に係る化学反応装置の他の実施形態について、図面を参照して説明する。
図４は、本発明に係る化学反応装置に適用される反応流路部の他の実施形態を示す概略構成図である。ここで、上述した実施形態と同等の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００６７】
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態に係る化学反応装置に適用される反応流路部は、大別して、微小基板からなる主基板（第１の基板）１０と、該主基板１０の一面側に所定の溝状の断面形状及び蛇行する流路形状を有して形成された反応流路２０と、該反応流路２０の内壁面に付着形成された触媒層（図示を省略）と、主基板１０の一面側（反応流路２０の溝部開口端側）に接合された微小基板からなる閉止基板（第２の基板）３０と、閉止基板３０の他面側（主基板との接合に用いない面；非接合面側）に形成された薄膜ヒータ（温度調整層）４０Ｂと、を備えて構成されている。
【００６８】
ここで、薄膜ヒータ４０Ｂは、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、少なくとも、主基板１０の一面側に形成された反応流路２０の流路形状の全域を含む所定の平面形状（ここでは、矩形状）を有し、かつ、ＴａｘＳｉｙＯｚＮｗからなる化合物の薄膜層により構成されている。なお、化合物ＴａｘＳｉｙＯｚＮｗの材料組成と種々の特性との関係については、上述した実施形態に示した場合と同等であるので、その説明を省略する。また、反応流路２０の構成についても、上述した実施形態と同等であるので説明を省略する。
【００６９】
そして、このような化学反応装置における製造プロセスは、まず、図２（ａ）、（ｂ）に示した場合と同様に、主基板１０となるシリコン基板等の一面側に溝部（反応流路２０）を形成した後、該溝部の内壁面に銅−亜鉛系の触媒層を形成するとともに、この主基板１０側の流路形成工程とは独立して、閉止基板３０となるガラス基板等の一面側であって、上記溝部の平面形状（流路形状）の全域を含む所定の領域に薄膜ヒータ４０Ｂを形成する。
【００７０】
次いで、主基板１０に形成された上記溝部（反応流路２０）を含む全域に、閉止基板３０に形成された薄膜ヒータ４０Ｂが対応するように、主基板１０及び閉止基板３０相互の位置合わせを行い、主基板１０の一面側（反応流路２０の溝部開口端側）と閉止基板３０の他面側（薄膜ヒータ４０Ｂが形成されていない側）を接合する。これにより、図４に示したように、上記主基板１０と閉止基板３０が直接接合されるとともに、閉止基板３０の他面側に、反応流路２０の全域に対応した矩形状の薄膜ヒータ４０Ｂが形成された構成を有する化学反応装置を製造することができる。
【００７１】
このように、本実施形態に係る化学反応装置によっても、上述した実施形態に示した場合と同様に、主基板に閉止基板を接合する際に、比較的位置合わせ精度が低い場合であっても、反応流路の流路形状の全域に対して、より大きく形成された矩形状の薄膜ヒータを簡易に対応させることができる。したがって、高精度の製造機器等を必要とすることなく、簡易な作業により基板相互を接合することができ、信頼性の低下や製品コストの上昇を良好に抑制することができる。
【００７２】
なお、上述した実施形態に係る化学反応装置により実現することができる化学反応は、上記メタノール水蒸気改質反応に限定されるものではなく、少なくとも、薄膜ヒータ４０から供給される所定の熱エネルギーに基づいて、吸熱又は発熱を伴う化学反応を生じることにより、所望の流体物質を生成することができるものであれば、他の種類の化学反応であってもよいことはいうまでもない。
また、上述した実施形態においては、反応流路内に所定の触媒層を付着形成し、薄膜ヒータから所定の熱エネルギーを供給することにより、吸熱触媒反応を生じさせて所望の流体物質を生成する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、反応流路内に触媒層を設けず、単に薄膜ヒータから熱エネルギーを供給することのみにより、気化反応により原料物質を蒸発させるものであってもよい。具体的な化学反応の例については、後述する化学反応装置の適用例において説明する。
【００７３】
＜電源システムへの適用例＞
次に、本発明に係る化学反応装置を、燃料改質型の燃料電池を備えた電源システムに適用した場合の具体例について説明する。
図５は、本発明に係る化学反応装置の適用が可能な電源システム（燃料電池システム）３００の要部構成、及び、該電源システム３００より駆動されるデバイスＤＶＣを示すブロック図であり、図６は、本発明に係る化学反応装置を備えた燃料供給部の具体例を示す概略構成図である。なお、ここでは、燃料改質方式を採用した固体高分子型の燃料電池を適用した電源システムについて説明する。
【００７４】
図５に示すように、本発明に係る化学反応装置が適用される電源システム３００は、概略、所定の発電用燃料に基づいて電力を発生する発電モジュール１００と、該発電モジュール１００に対して着脱可能に構成され、所定の発電用燃料が封入された燃料パック２１０と、から構成され、発電モジュール１００は、大別して、燃料改質方式の固体高分子型燃料電池の構成を有する発電部（燃料電池本体）１１０と、燃料パック２１０の燃料封入部１９０に貯蔵、封入された発電用燃料（例えば、水素を含む液体燃料、液化燃料及び気体燃料や水）の発電部１１０への供給量を制御する燃料制御部１２０と、発電部１１０への空気（酸素）の供給量を制御する空気制御部１３０と、燃料制御部１２０により供給された発電用燃料を改質して、発電用燃料に含有される水素をガス化して発電部１１０に供給する燃料改質部１４０と、発電部１１０及び燃料改質部１４０を必要に応じて加熱するための温度制御部１５０と、発電部１１０により生成された電力の一部若しくは全部を充電するコンデンサを有する充電部１６０と、発電モジュール１００内の発電動作、充電動作、後述する動作制御部１８０により充電部１６０の蓄電状態を検知する動作等のための必要な電力を出力する副電源部１７０と、発電モジュール１００内の駆動動作を演算処理する動作制御部１８０と、を有して構成されている。
【００７５】
燃料制御部１２０は、燃料封入部１９０から毛細管現象等の物理的手段により送出された発電用燃料を、動作制御部１８０からの指令信号にしたがって、燃料改質部１４０に所定量供給するように構成されている。
空気制御部１３０は、燃料電池システム３００の外部から空気を取込み、発電部１１０に酸素ガス（Ｏ２）又は空気を供給するように構成されている。
燃料改質部１４０は、燃料パック２１０内のアルコール(ALCOHOL)及び水（Ｈ２Ｏ）から構成される発電用燃料を燃料制御部１２０を介して取り込み、水素（Ｈ２）と副生成物の二酸化炭素（ＣＯ２）、さらに、微量の一酸化炭素（ＣＯ）を生成する水蒸気改質反応部１４０ａと、次に示す一酸化炭素改質部と、を有して構成されている。一酸化炭素改質部は、水蒸気改質反応部１４０ａから供給された一酸化炭素（ＣＯ）を燃料制御部１２０及び／又は発電部１１０から供給された水（Ｈ２Ｏ）と反応させ、二酸化炭素（ＣＯ２）及び水素（Ｈ２）を生成する水性シフト反応部１４０ｂと、水性シフト反応部１４０ｂで反応しきれなかった一酸化炭素（ＣＯ）を酸素（Ｏ）と反応させて、二酸化炭素（ＣＯ２）を生成する選択酸化反応部１４０ｃのうち、少なくとも一方を備えた構成を有している。
【００７６】
温度制御部１５０は、動作制御部１８０からの指令信号により、水蒸気改質反応部１４０ａ、水性シフト反応部１４０ｂ、選択酸化反応部１４０ｃにそれぞれ設けられた薄膜ヒータに電力を供給することにより加熱制御するように構成されている。また、発電部１１０にも薄膜ヒータが設けられている場合にあっては、同様に、所定の電力が供給されるように構成されている。ここで、薄膜ヒータは、上述した各実施形態に示した薄膜ヒータ４０Ａ、４０Ｂに相当し、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物の薄膜層により構成されているとともに、上述した各種の材料特性が得られるように材料組成が設定されている。
【００７７】
発電部１１０は、燃料改質部１４０から供給された水素（Ｈ２）、及び、空気制御部１３０から供給された酸素ガス（Ｏ２）に基づいて、所定の電力を発生（発電）するように構成され、また、充電部１６０は、発電部１１０で発電された電力により充電されるように設定され、発電部１１０及び充電部１６０の少なくとも一方は、デバイスＤＶＣの負荷ＬＤに電力を供給するように構成されている。
副電源部１７０は、動作制御部１８０からの指令信号に応じて、充電部１６０で蓄電された電力により燃料制御部１２０、温度制御部１５０、後述する動作制御部１８０に電力を供給するとともに、必要に応じて発電部１１０にも電力を供給するように構成されている。
【００７８】
動作制御部１８０は、充電部１６０で蓄電されたチャージ（充電電位）を検知するために常時駆動し、該チャージが所定値まで小さくなったことを検知すると、燃料制御部１２０、温度制御部１５０、必要に応じて発電部１１０に電力を供給するように指令信号を副電源部１７０に出力するとともに、燃料制御部１２０が必要量の燃料を供給し、かつ、温度制御部１５０が燃料改質部１４０の反応炉（本発明に係る化学反応装置の反応流路に相当）を所定の時間、必要温度に達するように指令信号を出力する。
【００７９】
そして、発電モジュール１００と着脱自在に構成された燃料パック２１０は、発電用燃料が封入された燃料封入部１９０と、発電部１１０により生成された副生成物を回収する副生成物回収部２００と、を有して構成されている。
発電モジュール１００及び燃料パック２１０で構成された燃料電池システム３００は、デバイスＤＶＣの負荷ＬＤに対して所定の駆動電力を供給することにより、コントローラＣＮＴの制御にしたがってデバイスＤＶＣを正常に駆動させることができる。
【００８０】
ここで、発電部１１０は、周知の固体高分子型の燃料電池本体の構成を有し、概略、白金や白金・ルテニウム等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなる燃料極（カソード）と、白金等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなる空気極（アノード）と、該燃料極と空気極の間に介装されたフィルム状のイオン導電膜（交換膜）と、を有して構成されている。
そして、このような構成を有する発電部１１０の燃料極に、燃料改質部１４０を介して抽出された水素ガス（Ｈ２）が供給されることにより、次の化学反応式（１）に示すように、上記触媒により電子（ｅ−）が分離した水素イオン（プロトン；Ｈ＋）が発生し、イオン導電膜を介して空気極側に通過するとともに、燃料極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。
３Ｈ２ → ６Ｈ＋＋６ｅ− ・・・（１）
【００８１】
一方、空気極に空気制御部１３０を介して大気中の酸素ガス（Ｏ２）が供給されることにより、次の化学反応式（２）に示すように、上記触媒により負荷を経由した電子（ｅ−）とイオン導電膜を通過した水素イオン（Ｈ＋）と空気中の酸素ガス（Ｏ２）が反応して水（Ｈ２Ｏ）が生成される。
６Ｈ＋＋（３／２）Ｏ２＋６ｅ− → ３Ｈ２Ｏ ・・・（２）
すなわち、このような一連の電気化学反応（（１）式及び（２）式）は、概ね室温〜８０℃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（Ｈ２Ｏ）のみとなる。なお、上述したような電気化学反応により負荷に供給される電力（電圧・電流）は、上記化学反応式（１）及び（２）に示したように、発電部１１０の燃料極に供給される水素ガス（Ｈ２）の量に依存する。
【００８２】
したがって、燃料制御部１２０は、発電部１１０において、所定の電力を生成、出力するために必要な量の水素ガス（Ｈ２）となる分の燃料や水等を取り込んで、後述する燃料改質部１４０により水素ガスに改質して、発電部１１０の燃料極に供給する制御を行う。なお、空気制御部１３０は、発電部１１０の空気極に供給する酸素ガス（Ｏ２）の量を制御する機能を有しているが、発電部１１０における単位時間あたりの酸素の最大消費量に相当する空気を供給可能であれば、発電部１１０の空気極に供給する酸素ガスの量を制御することなく、発電部１１０の駆動時に常時酸素ガスを供給するものであってもよく、また、別の構成として、発電部１１０における電気化学反応の進行状態を、燃料制御部１２０において調整される水素ガスの供給量のみで制御し、空気制御部１３０の代わりに通気孔を設け、発電部１１０における電気化学反応に用いられる上記最大消費量以上の空気（大気）が通気孔を介して供給されるように構成されているものであってもよい。
【００８３】
また、燃料改質部１４０は、燃料制御部１２０により所定の供給量で供給される発電用燃料に対して、所定の吸熱触媒反応（水蒸気改質反応）を利用して発電用燃料に含まれる水素成分を抽出して上記発電部１１０に供給する機能を有するものであって、上述した実施形態に示した薄膜ヒータを備えた化学反応装置（図１、図４参照）の構成を良好に適用することができる。具体的には、メタノール等の水素を含む液体燃料（アルコール類）から、吸熱触媒反応である水蒸気改質反応を利用して、水素ガス（Ｈ２）を生成する。ここで、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発電用燃料としては、上記発電部１１０により、比較的高いエネルギー変換効率で電力を生成することができる燃料であって、例えば、メタノール、エタノール、ブタノール等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）等の液化ガス等の常温常圧で気化される炭化水素からなる液化燃料、あるいは、水素ガス等の気体燃料等の流体物質を良好に適用することができる。
【００８４】
ここで、燃料改質部１４０における水素ガスの生成に利用される吸熱触媒反応の例としては、液体燃料の一例であるメタノールを適用した場合には、次の化学反応式（３）に示すような水蒸気改質反応が生じ、また、常温常圧で気体となる液化燃料の一例であるジメチルエーテルを適用した場合には、次の化学反応式（４）に示すような水蒸気改質反応が生じる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ → ３Ｈ２＋ＣＯ２ ・・・（３）
ＣＨ３ＯＣＨ３＋３Ｈ２Ｏ → ６Ｈ２＋２ＣＯ２ ・・・（４）
【００８５】
なお、いずれの水蒸気改質反応においても、概ね３００℃の熱条件の下で当該反応が良好に進行する。また、この改質反応により生成される水素以外の微量の生成物（主に、ＣＯ２）は、大気中に排出される。したがって、上述した実施形態に示したような化学反応装置（図１、図４参照）を燃料改質部１４０に適用することにより、反応流路（反応炉）の流路形状の全域を含む領域に対応して、基板間、あるいは、基板の他面側に設けられた薄膜ヒータに、ヒータ電源から所定の電力を供給して加熱することにより、反応流路（触媒層）に対して、上記各化学反応式（３）、（４）に示した吸熱を伴う水蒸気改質反応の進行に寄与する所定の熱エネルギーを供給することができ、水素ガスを良好に生成することができる。
【００８６】
ここで、燃料改質部１４０に適用される具体的な構成例は、例えば、図６（ａ）に示すように、シリコン等の微小基板（上述した主基板１０に相当する）１４１の一面側に、半導体製造技術等の微細加工技術を用いて、所定の断面形状及び平面形状を有して溝状に設けられた燃料吐出部１４２ａ、水吐出部１４２ｂ、燃料気化部１４３ａ、水気化部１４３ｂ、混合部１４３ｃ、改質反応流路１４４、水素ガス排気部１４５と、例えば、上記改質反応流路１４４の形成領域を含む領域であって、かつ、改質反応流路１４４内に露出するように、微小基板１４１上に設けられた矩形状の薄膜ヒータ１４６（上述した薄膜ヒータ４０Ａに相当する）と、微小基板１４１上に薄膜ヒータ１４６を介して接合された微小基板（上述した閉止基板３０に相当する；図示を省略）と、を備えて構成されている。
【００８７】
燃料吐出部１４２ａ及び水吐出部１４２ｂは、上述したような水蒸気改質反応における原料物質となる発電用燃料及び水を、例えば、所定の単位量ごとに液状粒として流路内に吐出する流体吐出機構を有している。したがって、燃料吐出部１４２ａ及び水吐出部１４２ｂにおける発電用燃料又は水の吐出量に基づいて、例えば、上記化学反応式（３）式に示した水蒸気改質反応の進行状態が制御されることになるため（詳しくは、薄膜ヒータ１４６から供給される熱エネルギーも密接に関連する）、燃料吐出部１４２ａ及び水吐出部１４２ｂは、燃料供給量の調整機能を担う構成を有している。
【００８８】
燃料気化部１４３ａ及び水気化部１４３ｂは、それぞれ発電用燃料及び水の沸点等の揮発条件に応じて加熱されるヒータであって、燃料吐出部１４２ａ及び水吐出部１４２ｂから液状粒として吐出された発電用燃料又は水を、加熱処理あるいは減圧処理等することにより気化し、混合部１４３ｃにおいて、燃料ガスと水蒸気の混合ガスを生成する。ここで、燃料気化部１４３ａ及び水気化部１４３ｂとして、加熱処理を行う機構を採用する場合には、上述した改質反応流路１４４と同様に、燃料気化部１４３ａ及び水気化部１４３ｂを構成する溝部の形成領域を含む領域であって、かつ、該溝部内に露出するように微小基板１４１上に矩形状の薄膜ヒータを設けた構成を適用するものであってもよい。
【００８９】
改質反応流路１４４及び薄膜ヒータ１４６は、上述した各実施形態に示した反応流路部に相当し、上記混合部１４３ｃにおいて生成された混合ガスを改質反応流路１４４に導入し、改質反応流路１４４の内壁面に付着形成された銅−亜鉛（Ｃｕ−Ｚｎ）系の触媒層（図示を省略）及び改質反応流路１４４に、該改質反応流路１４４の形成領域を含む領域に対応して設けられた薄膜ヒータ１４６から供給される所定の熱エネルギーに基づいて、上記化学反応式（３）、（４）に示した水蒸気改質反応を生じさせて、水素ガス（Ｈ２）を生成する。
水素ガス排気部１４５は、改質反応流路１４４において生成された水素ガスを排出して、上述した発電部１１０を構成する燃料電池の燃料極に供給する。これにより、発電部１１０において、上記化学反応式（１）及び（２）に基づく一連の電気化学反応が生じて、所定の電力が生成される。
【００９０】
そして、上述したように、このような構成を有する燃料改質部１４０の微小基板１４１に形成された溝状の改質反応流路等の形成領域を含む領域に対応して、上述した実施形態に示した薄膜ヒータ４０を、微細加工技術を用いて形成することができる。これにより、燃料改質部１４０全体又は一部、あるいは、燃料改質部１４０を含む発電モジュール１００を微小空間に集積化することができ、例えば、日本工業規格（ＪＩＳ）に則った汎用の一次電池や種々の二次電池等と略同一の外形形状及び外形寸法を有するように小型化することができ、既存の一次電池や二次電池市場において互換可能なポータブル電源を実現することができる。
【００９１】
なお、上述した電源システムは、上述した実施形態に示したような化学反応装置を適用した燃料改質部により生成される所定の流体物質（水素ガス等）を発電用燃料として用いて、発電を行うことができるものであれば、燃料電池に限定されるものではない。したがって、化学反応装置（燃料改質部）により生成された流体物質の燃焼反応に伴う熱エネルギーによるもの（温度差発電）や、燃焼反応等に伴う圧力エネルギーを用いて発電器を回転させて電力を発生する力学的なエネルギー変換作用等によるもの（ガス燃焼タービンやロータリーエンジン、スターリングエンジン等の内燃、外燃機関発電）、また、発電用燃料ＦＬの流体エネルギーや熱エネルギーを電磁誘導の原理等を利用して電力に変換するもの（電磁流体力学発電、熱音響効果発電等）等、種々の形態を有する発電装置に適用することができる。
【００９２】
また、図６（ａ）に示した構成においては、上記化学反応式（３）において、発電用燃料としてメタノール等と水を、別個の吐出部１４２ａ、１４２ｂ及び供給経路を介して供給、気化して混合する構成を備えた燃料改質部を示したが、予めメタノール等に水が混合された発電用燃料を直接燃料改質部に供給して、水素ガスを生成する水蒸気改質反応を実行するものであってもよい。このような場合にあっては、例えば、図６（ｂ）に示すように、微小基板１４１の一面側に、単一の燃料吐出部１４２ｃ及び燃料気化部１４３ｃと、上述した改質反応流路１４４、水素ガス排気部１４５からなる単一の流路を備えた構成を適用することができる。
【００９３】
また、上述した電源システムに示した燃料改質部１４０においては、上記化学反応式（３）や（４）での反応以外に極微量の一酸化炭素（ＣＯ）を生成する恐れがあるが、図５に示すように、生成された一酸化炭素を無害化するような反応部を設けてもよい。
すなわち、発電モジュール１００の燃料改質部１４０は、上述したように、燃料パック２１０内のアルコール及び水から構成される燃料を燃料制御部１２０から供給され、水素（Ｈ２）と副生成物の二酸化炭素（ＣＯ２）、さらに、微量の一酸化炭素（ＣＯ）を生成する水蒸気改質反応部１４０ａに加えて、水蒸気改質反応部１４０ａから供給された一酸化炭素（ＣＯ）を燃料制御部１２０及び／又は発電部１１０から供給された水（Ｈ２Ｏ）と反応させ、二酸化炭素（ＣＯ２）及び水素（Ｈ２）を生成する水性シフト反応部１４０ｂ、及び、水性シフト反応部１４０ｂで反応しきれなかった一酸化炭素（ＣＯ）を酸素（Ｏ）と反応させて二酸化炭素（ＣＯ２）を生成する選択酸化反応部１４０ｃのうちの少なくとも一方からなる一酸化炭素燃料改質部を備えた構成を有し、燃料パック２１０に封入された燃料を、改質して得られる水素（Ｈ２）を発電部１１０に供給するとともに、微量に生じる一酸化炭素（ＣＯ）を無毒化するものである。下記に示す実施形態では、一酸化炭素燃料改質部が水性シフト反応部１４０ｂ及び選択酸化反応部１４０ｃの両方を有する構成になっている。
【００９４】
以下、燃料改質部１４０の各構成と図６に示した構成との関係について説明する。
燃料改質部１４０の水蒸気改質反応部１４０ａは、図６（ａ）に示す構造と概略同一であり、燃料気化部１４３ａ及び水気化部１４３ｂは、薄膜ヒータ１４６と同様にＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物（発熱抵抗体）からなる薄膜層を備えている。ここで、温度制御部１５０により制御された電力により上記薄膜層が所定温度に加熱され、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）及び水（Ｈ２Ｏ）を気化させる。
【００９５】
そして、水蒸気改質反応過程においては、上記気化したメタノール（ＣＨ３ＯＨ）及び水（Ｈ２Ｏ）に対して、薄膜ヒータ１４６で概ね３００℃の温度条件の雰囲気を設定することにより、４９．４kJ/mol程度の熱エネルギーを吸熱して、上述した化学反応式（３）に示すように、水素（Ｈ２）と微量の二酸化炭素（ＣＯ２）が生成される。この二酸化炭素（ＣＯ２）は、選択的に発電モジュール１００の外側に排出される。なお、この水蒸気改質反応においては、水素（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）以外に副生成物として微量の一酸化炭素（ＣＯ）が生成される場合がある。
【００９６】
ここで、水蒸気改質反応において、副生成物として生成される一酸化炭素（ＣＯ）を除去するための水性シフト反応部１４０ｂ及び選択酸化反応部１４０ｃを水蒸気改質反応部１４０ａの後段に付設して、水性シフト反応及び選択酸化反応からなる各過程を介して、一酸化炭素（ＣＯ）を二酸化炭素（ＣＯ２）及び水素（Ｈ２）に変換して、有害物質の排出を抑止するように構成する。
具体的には、水性シフト反応部１４０ｂは、図６（ａ）に示す構造と概略同一であるが、燃料吐出部１４２ａの代わりに水蒸気改質反応部１４０ａで改質後の残存する一酸化炭素（ＣＯ）を微量に含む水素ガス（Ｈ２）を吐出する吐出部が設けられ、かつ、薄膜ヒータ１４６と同様にＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物からなる薄膜層を備えている。
【００９７】
水性シフト反応部１４０ｂでの水性シフト反応過程において、一酸化炭素（ＣＯ）に対して水（水蒸気；Ｈ２Ｏ）を反応させることにより４０．２kJ/mol程度の熱エネルギーを発熱して、次の化学反応式（５）に示すように、二酸化炭素（ＣＯ２）と水素（Ｈ２）が生成される。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ →ＣＯ２＋Ｈ２ ・・・（５）
このとき発生される二酸化炭素（ＣＯ２）は、発電モジュール１００の外側に選択的に排出される。
【００９８】
水性シフト反応部１４０ｂの少なくとも一方の後段に付設された選択酸化反応部１４０ｃは、水性シフト反応部１４０ｂで未反応の一酸化炭素（ＣＯ）を二酸化炭素（ＣＯ２）に改質するものであり、概略図６（ａ）から燃料気化部１４３ａ、水気化部１４３ｂを省略し、燃料吐出部１４２ａ、水吐出部１４２ｂの代わりに、それぞれ水性シフト反応部１４０ｂからの気体を吐出する吐出部と、発電モジュール１００の外側から取り込んだ空気あるいは酸素（Ｏ）を吐出する吐出部と、が設けられ、かつ、薄膜ヒータ１４６と同様にＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物からなる薄膜層を備えている。
【００９９】
選択酸化反応過程において、水性シフト反応により二酸化炭素（ＣＯ２）と水素（Ｈ２）に変換されなかった一酸化炭素（ＣＯ）に対して酸素（Ｏ２）を反応させることにより２８３．５kJ/mol程度の熱エネルギーを発熱して、次の化学反応式（６）に示すように、二酸化炭素（ＣＯ２）が生成される。
ＣＯ＋（１／２）Ｏ２ →ＣＯ２ ・・・（６）
なお、選択酸化反応部１４０ｃは、水蒸気改質反応部１４０ａと水性シフト反応部１４０ｂとの間に設けてもよい。
上記一連の燃料改質反応により生成される水素（Ｈ２）以外の微量の生成物（主に、二酸化炭素（ＣＯ２））は、発電モジュール１００に設けられた排出孔を介して、外気に排出される。
【０１００】
次いで、本発明に係る電源システムに適用される発電モジュール１００及び燃料パック２１０の形状について、図面を参照して簡単に説明する。
図７（ａ）〜図７（ｄ）及び図７（ｅ）〜図７（ｈ）は、それぞれ本発明に係る電源システムに適用される一実施例の燃料パック及びホルダー部（発電モジュール）を上方向、前方向、横方向、後方向から見た外形形状を示す概略構成図である。
【０１０１】
図７（ａ）〜図７（ｄ）及び図７（ｅ）〜図７（ｈ）に示すように、本実施例に係る電源システムは、発電用燃料が所定の条件で封入された燃料パック２１０と、該燃料パック２１０が装着自在及び取り外し自在に構成された発電モジュール１００を収容したホルダー部２２０と、を備えて構成されている。ここで、燃料パック２１０は、例えば、燃料ＦＬを封入する透明の分解性高分子ケースであって、未使用の場合には、バクテリア等の分解要因から保護するパッケージ２１１でケースの周囲を被覆されており、燃料パック２１０の装着時には、パッケージ２１１を剥離する構成になっている。また、燃料パック２１０は透明なケースで構成されるとともに、図７（ａ）に示すように、その側面の適当な位置に指標２１０ｃを設けた構成を有しており、これにより、燃料パック２１０内に残存する発電用燃料の量（残量）を視覚的に確認することができるようになっている。
【０１０２】
ホルダー部２２０は、大別して、上述した実施形態と同等の構成を有する発電モジュール１００が収納され、正極端子ＥＬ（＋）が設けられた発電部２２０ａと、負極端子ＥＬ（−）が設けられた対向部２２０ｂと、発電部２２０ａと対向部２２０ｂを連結するとともに、発電部２２０ａと負極端子ＥＬ（−）を電気的に接続する連結部２２０ｃと、を有して構成されている。ここで、発電部２２０ａ、対向部２２０ｂ及び連結部２２０ｃにより囲まれた貫通した空間ＳＰ１が、上記燃料パック２１０を結合した際の収納位置となる。
【０１０３】
さらに、ホルダー部２２０は、対向部２２０ｂの当接部分の周囲にバネ材等の弾性を有し、中央に孔を有する凸部２２０ｄと、凸部２２０ｄの孔及び発電モジュール１００の副生成物供給経路１０４を連結する副生成物回収経路２２０ｅと、を備えている。なお、ホルダー部２２０の連結部２２０ｃには、図７（ｅ）に示すように、図７（ａ）に示した燃料パック２１０の指標２１０ｃに代えて、又は、指標２１０ｃと併設して、指標２２０ｈが刻まれた構成を適用するものであってもよい。これにより、ホルダー部２２０に燃料パック２１０を結合した際に、発電用燃料の残量を簡易かつ正確に確認することができるようになっている。なお、この場合、連結部２２０ｃは、不透明である方が指標２２０ｈを視認しやすい。
【０１０４】
このような構成を有する電源システムにおいて、パッケージ２１１を剥がした燃料パック２１０が空間ＳＰ１に収納されると、後述する図８に示すように、燃料送出経路となる燃料送出管２２０ｆが、バネで姿勢が固定されている燃料供給弁２１０ｄを押し下げて、燃料パック２１０の漏出防止機能が解除されて、燃料パック２１０に封入された発電用燃料ＦＬが、毛細管２１０ｆ内及び燃料送出管２２０ｆ内での表面張力により自動的に搬送されて発電モジュール１００に供給される。
【０１０５】
ここで、電源システムは、燃料パック２１０が空間ＳＰ１に収納され、ホルダー部２２０に結合された状態において、例えば、上述した円柱形状の汎用の化学電池と略同等の外形形状及び寸法を有するように構成されている。また、このとき、燃料パック２１０が空間ＳＰ１に正常に収納された状態で、燃料パック２１０の燃料送出口２１０ａが、発電部２２０ａ側の燃料送出経路に良好に当接して接続するように、燃料パック２１０の他端側２１０ｂを適当な力で押圧するとともに、燃料パック２１０がホルダー部２２０から不用意に脱落することを防止するために、燃料パック２１０の他端側２１０ｂと対向部２２０ｂの当接部分が、適当な押圧力で係合するように構成されていることが望ましい。
【０１０６】
これにより、上述したように、副電源部１７０から発電モジュール１００内の動作制御部１８０に動作電力が供給される。また、本実施形態に係る電源システムが所定のデバイスＤＶＣに装着されることにより、充電部１６０あるいは発電部１１０から出力された電力の一部が正極端子ＥＬ（＋）及び対向部２２０ｂに設けられた負極端子ＥＬ（−）を介して、デバイスＤＶＣに内蔵されたコントローラＣＮＴに駆動電力（コントローラ電力）として供給される（初期動作）。
【０１０７】
したがって、汎用の化学電池と同様に簡易に取り扱うことができ、汎用の化学電池と同一又は同等の外形形状及び寸法（ここでは、円柱形状）を有するとともに、同一又は同等の電気的特性を有する電力を供給することができる完全互換の電源システムを実現することができるので、既存の携帯機器等のデバイスに対して、汎用の化学電池と全く同様に、動作電力として適用することができる。
【０１０８】
（具体的構成例）
次に、上述した各実施形態（各構成例を含む）のいずれかを適用した電源システム全体の具体構成例について、図面を参照して説明する。
図８は、本発明に係る電源システム全体の具体構成例を示す要部構成図である。ここでは、発電モジュールに設けられる副電源部１７０が、充電部１６０で蓄電されたチャージにより充電され、発電部１１０の燃料セルとして燃料改質方式の燃料電池が適用されているものとする。また、上述した各実施形態及び各構成例を適宜参照し、同等の構成については、同一の符号を付して、その説明を簡略化する。
【０１０９】
図８に示すように、本具体構成例に係る電源システム３００は、発電モジュール１００と燃料パック２１０が装着自在及び取り外し自在に構成され、全体として円柱形状からなる外形形状を有している。また、これらの構成（特に、発電モジュール１００）が、マイクロマシン製造技術等を用いて微小空間に構成され、汎用の化学電池と同等の外形寸法を有するように構成されている。
【０１１０】
発電モジュール１００は、概略、円柱形状の円周側面に沿って延在する発電部１１０と、円柱状の発電モジュール１００内部に、深さ及び幅がそれぞれ５００μｍ以下の燃料流路及び流路内の空間を所定温度に設定する薄膜ヒータが形成された水蒸気改質反応部（水蒸気改質反応炉）１４０ａと、深さ及び幅がそれぞれ５００μｍ以下の燃料流路及び流路内の空間を所定温度に設定する薄膜ヒータが形成された水性シフト反応部（水性シフト反応炉）１４０ｂと、深さ及び幅がそれぞれ５００μｍ以下の燃料流路及び流路内の空間を所定温度に設定する薄膜ヒータが形成された選択酸化反応部（選択酸化反応炉）１４０ｃと、発電モジュール１００内部にマイクロチップ化されて収納された動作制御部１８０と、発電モジュール１００の円柱側面から上記発電部１１０の空気極まで貫通し、外部の空気を取り入れる複数の通気孔（スリット）１３０ａと、上記空気極側において生成される副生成物（水等）を液化（凝縮）して分離回収する分離回収部１０２と、回収した副生成物の一部を水蒸気改質反応部１４０ａに供給する副生成物供給経路２２０ｅと、円柱上面から上記発電部１１０の空気極まで貫通し、少なくとも、発電部の燃料極側や水蒸気改質反応部１４０ａ、水性シフト反応部１４０ｂ、選択酸化反応部１４０ｃにおいて生成され、非回収物質である副生成物（二酸化炭素等）を発電モジュールの外部に排出する排出孔１０６と、記載はないが副電源部１７０と、を備えて構成されている。
【０１１１】
水蒸気改質反応部１４０ａ及び水性シフト反応部１４０ｂは、反応に必要な水として、副生成物供給経路１０４を介して供給される発電部１１０で生成された水及び燃料パック２１０内の燃料ＦＬ内の水の少なくとも一方を利用する。また水蒸気改質反応部１４０ａ、水性シフト反応部１４０ｂ及び選択酸化反応部１４０ｃ内で各反応により生じた二酸化炭素は、排出孔１０６を介して発電モジュール１００の外部に排出される。
【０１１２】
燃料パック２１０は、発電部１１０に供給される発電用燃料ＦＬが充填、封入される燃料封入部１９０と、上記分離回収部１０２により回収された副生成物（水）を固定的に保持する副生成物回収部２００と、発電モジュール１００との境界にあって、発電用燃料ＦＬの漏出を防止する燃料供給弁２１０ｄ（燃料漏出防止手段）と、回収保持された副生成物（回収物）の漏出を防止する副生成物取込弁２１０ｅ（回収物漏出防止手段）と、を有して構成されている。ここで、燃料パック２１０は、例えば、分解性プラスチックにより形成されている。
【０１１３】
このような構成を有する燃料パック２１０を発電モジュール１００と結合すると、燃料送出管２２０ｆがバネで姿勢が固定されている燃料供給弁２１０ｄを押し下げて燃料パック２１０の漏出防止機能が解除され、燃料パック２１０に封入された発電用燃料ＦＬが毛細管２１０ｆ内及び燃料送出管２２０ｆ内での表面張力により発電モジュール１００まで自動的に搬送される。また、燃料パック２１０を発電モジュール１００から外すと、燃料供給弁２１０ｄがバネの復元力で元の閉じた状態になって、発電用燃料ＦＬが漏れないようになる。
【０１１４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る化学反応装置によれば、少なくとも一つの反応領域を備え、該反応領域において反応流路等の機能要素が微小空間にミクロンオーダーに微細化されて形成され、該反応流路内で第１の流体物質を水素を含む第２の流体物質に変換する化学反応を生じる化学反応装置において、反応流路が形成された主基板に閉止基板を接合する際に、反応領域において、反応流路及び隣接する反応流路間を含む流路形状の全域に対して、この領域を含む、より大きな領域に薄膜ヒータが形成されているので、基板相互の位置合わせマージンを大きく取ることができ、比較的容易に位置合わせを行うことができる。したがって、高精度の製造機器等を必要とすることなく、基板接合工程における位置合わせ作業を簡素化することができ、製品コストを抑制した信頼性の高い化学反応装置を提供することができる。また、薄膜ヒータを構成する上記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物の密度が７ . ０×１０ ２２ ／ cm ３ 以上に設定されることにより、通常の金属や酸化物（例えば、Ｔａ＋Ｓｉ＋Ｏ系の化合物）により薄膜ヒータを形成した場合に比較して、簡易に高い密度を実現することができ、反応流路内で生成される水素等の薄膜ヒータへの侵入を抑制して、膜質の劣化を防止することができる。
【０１１５】
ここで、薄膜ヒータがタンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）からなるＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物の薄膜層により構成され、かつ、薄膜ヒータが反応流路内に露出するように構成することにより、薄膜ヒータから反応流路への熱エネルギーの伝熱特性を大幅に向上することができるので、反応流路内部で生じる化学反応の反応効率を改善することができる。
【０１１６】
特に、薄膜ヒータを構成するＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物における酸素及び窒素の合計含有率を、概ね５６％以下（好ましくは、概ね３５％乃至５６％の範囲）の任意の数値、もしくは、化合物の抵抗率を、概ね０.５ｍΩｃｍ乃至１０ｍΩｃｍの範囲のうち、任意の数値に設定することにより、薄膜ヒータとして良好な発熱特性が得られるとともに、反応流路内での化学反応を効率よく促進することができる。
【０１１７】
また、薄膜ヒータを構成する上記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物を水素化処理して得られるＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ−Ｈからなる化合物を、薄膜ヒータとして適用することにより、例えば、シリコン基板からなる主基板と薄膜ヒータ間に陽極接合を適用することができるので、化学反応装置の製造プロセスを簡易化して効率化しつつ、各基板と薄膜ヒータとを良好に接合することができる。
さらに、上記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の化合物は、主基板及び閉止基板に適用されるガラス基板やシリコン基板等に対して、極めて良好な密着性を有しているので、薄膜ヒータの発熱に伴って熱膨張や熱収縮が生じた場合であっても、主基板及び閉止基板との間でストレスが比較的生じにくく、剥離や破損の発生を良好に抑制することができる。
【０１１９】
また、本発明に係る電源システムによれば、上述したような化学反応装置を燃料供給部に適用した構成を有し、薄膜ヒータから所定の熱エネルギーを供給することにより、微小空間に形成された反応流路内で、例えば、蒸発反応や水蒸気改質反応、水性シフト反応、選択酸化反応等を生じさせ、アルコール系の液体燃料（第１の流体物質）から高い変換効率で水素ガス（第２の流体物質）を生成することができるとともに、有害な副生成物の排出を極力抑制することができるので、燃料改質型の燃料電池等を備えた電源システムにおける発電効率の向上や、システム構成の大幅な小型化を図りつつ、実用化に極めて有益な構成を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る化学反応装置（マイクロリアクタの反応流路部）の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本実施形態に係る化学反応装置（マイクロリアクタ）の製造プロセスの一例を示す概略図である。
【図３】本実施形態に係る化学反応装置に適用される薄膜ヒータの材料組成と密度との関係を示す実験データである。
【図４】本発明に係る化学反応装置（マイクロリアクタの反応流路部）の他の実施形態を示す概略構成図である。
【図５】本発明に係る化学反応装置を燃料供給部に適用した電源システムの構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明に係る化学反応装置を燃料供給部に適用した場合の具体構成例を示す図である。
【図７】本発明に係る電源システムに適用される燃料パック及びホルダー部の外形形状を示す概略構成図である。
【図８】本発明に係る電源システムの要部構成の具体例を示す概略構成図である。
【図９】従来技術における化学反応装置（マイクロリアクタの反応流路部）の概略構成を示す図である。
【図１０】従来技術における化学反応装置（マイクロリアクタ）の製造プロセスの一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１０ 主基板
２０ 反応流路
３０ 閉止基板
４０Ａ、４０Ｂ 薄膜ヒータ
Claims (22)
- 少なくとも一つの反応領域を備え、該反応領域において連続的に形成された反応流路を有し、該反応流路内で第１の流体物質を、水素を含む第２の流体物質に変換する化学反応を生じる化学反応装置において、
前記反応領域において、前記反応流路の流路形状の全域を含む領域に対応して平面形状を有して形成され、前記反応流路に少なくとも一部が露出して該反応流路に所定の熱量を供給する、タンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）からなる化合物の薄膜層により構成され、前記化合物の密度が、７.０×１０２２／cm３以上に設定された発熱抵抗体からなる温度調整層を備えたことを特徴とする化学反応装置。 - 前記化学反応装置は、前記反応領域を複数有し、該各反応領域において互いに異なる化学反応を生じ、前記反応流路は少なくとも前記各反応領域毎に形成されていることを特徴とする請求項１記載の化学反応装置。
- 前記化学反応装置は、
前記反応領域に対応して、一面側に前記反応流路が溝状に形成された第１の基板と、
前記反応領域に対応して、一面側に前記温度調整層が前記反応流路領域に対応して形成された第２の基板と、
を備え、
前記第１の基板の一面側と前記第２の基板の一面側が対向して、前記反応流路の溝開口端が閉止されて、前記反応流路内に前記温度調整層の一部が露出するように接合されていることを特徴とする請求項１又は２記載の化学反応装置。 - 前記化学反応装置は、少なくとも、前記第１の基板及び第２の基板が微小基板からなり、前記反応流路がミクロンオーダーの微細化された流路形状を有して形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の化学反応装置。
- 前記温度調整層は、前記化合物における酸素及び窒素の合計含有率が、５６%以下の任意の数値に設定されていることを特徴とする請求項１記載の化学反応装置。
- 前記温度調整層は、前記化合物における酸素及び窒素の合計含有率が、３５%乃至５６%の範囲のうち、任意の数値に設定されていることを特徴とする請求項５記載の化学反応装置。
- 前記温度調整層は、前記薄膜層のシート抵抗が、１０Ω／□乃至１００Ω／□の範囲のうち、任意の数値に設定されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の化学反応装置。
- 前記温度調整層は、前記化合物の抵抗率が、０.５ｍΩｃｍ／□乃至１０ｍΩｃｍの範囲のうち、任意の数値に設定されていることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の化学反応装置。
- 前記化学反応装置は、前記反応領域において、前記反応流路内の少なくとも一部に所定の触媒層が設けられ、前記温度調整層から前記触媒層に供給される所定の熱量に基づいて、吸熱又は発熱を伴う前記化学反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の化学反応装置。
- 前記第１の流体物質は、アルコール系の気体燃料と酸素を含む混合ガスであり、前記第２の流体物質は、水素ガスであって、
前記化学反応装置は、少なくとも、前記温度調整層から供給される熱量に基づいて前記反応流路内で水蒸気改質反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の化学反応装置。 - 前記第１の流体物質は、アルコール系の液体燃料又は水であり、前記第２の流体物質は、前記第１の流体物質が気化した燃料ガス又は水蒸気であって、
前記化学反応装置は、少なくとも、前記温度調整層から供給される熱量に基づいて前記反応流路内で気化反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の化学反応装置。 - 前記第１の流体物質は、一酸化炭素ガスと酸素を含む混合ガスであり、前記第２の流体物質は、水素ガス及び二酸化炭素ガスであって、
前記化学反応装置は、少なくとも、前記温度調整層から供給される熱量に基づいて前記反応流路内で水性シフト反応及び選択酸化反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の化学反応装置。 - 少なくとも一つの反応領域を備え、該反応領域において連続的に形成された反応流路を有し、該反応流路内で第１の流体物質を水素を含む第２の流体物質に変換する化学反応を生じる化学反応装置を備え、該化学反応装置により生成された前記第２の流体物質を直接的又は間接的に用いて電力を発生する電源システムであって、
前記反応領域において、前記反応流路の流路形状の全域を含む領域に対応して平面形状を有して形成され、前記反応流路に少なくとも一部が露出し、タンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）からなる化合物の薄膜層により構成され、前記化合物の密度が、７.０×１０２２／cm３以上に設定された発熱抵抗体からなる温度調整層を有し、該温度調整層から前記反応流路に所定の熱量を供給して、前記反応流路内で吸熱又は発熱を伴う前記化学反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴とする電源システム。 - 前記化学反応装置は、前記反応領域を複数有し、該各反応領域において互いに異なる化学反応を生じ、前記反応流路は少なくとも前記各反応領域毎に形成されていることを特徴とする請求項１３記載の電源システム。
- 前記化学反応装置は、
前記反応領域に対応して、一面側に前記反応流路が溝状に形成された第１の基板と、
前記反応領域に対応して、一面側に前記温度調整層が前記反応流路領域に対応して形成された第２の基板と、
を備え、
前記第１の基板の一面側と前記第２の基板の一面側が対向して、前記反応流路の溝開口端が閉止されて、前記反応流路内に前記温度調整層の一部が露出するように接合されていることを特徴とする請求項１３又は１４記載の電源システム。 - 前記化学反応装置は、少なくとも、前記反応流路がミクロンオーダーの微細化された流路形状を有して微小空間に形成されていることを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれかに記載の電源システム。
- 前記化学反応装置は、前記反応領域において、前記反応流路内の少なくとも一部に所定の触媒層が設けられ、前記温度調整層から前記触媒層に供給される所定の熱量に基づいて、吸熱又は発熱を伴う前記化学反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれかに記載の電源システム。
- 前記第１の流体物質は、アルコール系の気体燃料と酸素を含む混合ガスであり、前記第２の流体物質は、水素ガスであって、前記化学反応装置は、前記反応領域において、前記温度調整層から供給される熱量に基づいて前記反応流路内で水蒸気改質反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴とする請求項１３乃至１７のいずれかに記載の電源システム。
- 前記第１の流体物質は、アルコール系の液体燃料又は水であり、前記第２の流体物質は、前記第１の流体物質が気化した燃料ガス又は水蒸気であって、
前記化学反応装置は、前記反応領域において、前記温度調整層から供給される熱量に基づいて前記反応流路内で気化反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴とする請求項１３乃至１７のいずれかに記載の電源システム。 - 前記第１の流体物質は、一酸化炭素ガスと酸素を含む混合ガスであり、前記第２の流体物質は、水素ガス及び二酸化炭素ガスであって、
前記化学反応装置は、前記反応領域において、前記温度調整層から供給される熱量に基づいて前記反応流路内で水性シフト反応及び選択酸化反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成することを特徴とする請求項１３乃至１７のいずれかに記載の電源システム。 - 前記温度調整層は、前記化合物における酸素及び窒素の合計含有率が、３５%乃至５６%の範囲のうち、任意の数値に設定されていることを特徴とする請求項１３記載の電源システム。
- 前記温度調整層は、前記化合物の抵抗率が、０.５ｍΩｃｍ／□乃至１０ｍΩｃｍの範囲のうち、任意の数値に設定されていることを特徴とする請求項２１記載の電源システム。
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