JP4928491B2 - Manufacturing method of microreactor - Google Patents

Manufacturing method of microreactor Download PDF

Info

Publication number
JP4928491B2
JP4928491B2 JP2008082592A JP2008082592A JP4928491B2 JP 4928491 B2 JP4928491 B2 JP 4928491B2 JP 2008082592 A JP2008082592 A JP 2008082592A JP 2008082592 A JP2008082592 A JP 2008082592A JP 4928491 B2 JP4928491 B2 JP 4928491B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
precursor
catalyst
tunnel
flow path
fine groove
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2008082592A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2009233564A (en
Inventor
健 木原
明彦 竹内
淳司 村松
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tohoku University NUC
Dai Nippon Printing Co Ltd
Original Assignee
Tohoku University NUC
Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tohoku University NUC, Dai Nippon Printing Co Ltd filed Critical Tohoku University NUC
Priority to JP2008082592A priority Critical patent/JP4928491B2/en
Publication of JP2009233564A publication Critical patent/JP2009233564A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4928491B2 publication Critical patent/JP4928491B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/52Improvements relating to the production of bulk chemicals using catalysts, e.g. selective catalysts
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Description

本発明は、マイクロリアクターの製造方法に係り、特に炭化水素系燃料を改質して水素を生成するためのマイクロリアクターの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a microreactor, and more particularly, to a method for manufacturing a microreactor for reforming a hydrocarbon fuel to generate hydrogen.

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流路を形成し、この流路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)。
Conventionally, a reactor utilizing a catalyst has been used in various fields, and an optimum design is made according to the purpose.
On the other hand, in recent years, attention has been focused on using hydrogen as a fuel because no global warming gas such as carbon dioxide is generated and the energy efficiency is high from the viewpoint of protecting the global environment. In particular, fuel cells are attracting attention because they can directly convert hydrogen into electric power and have high energy conversion efficiency in a cogeneration system that uses generated heat. Up to now, fuel cells have been adopted under special conditions such as space development and marine development, but recently they have been developed for use in automobiles and household distributed power supplies, and fuel cells for portable devices have also been developed. ing.
Miniaturization is indispensable for fuel cells for portable devices, and various attempts have been made to reduce the size of reformers that produce hydrogen gas by steam reforming hydrocarbon fuels. For example, various microreactors have been developed in which a channel is formed in a metal substrate, a silicon substrate, a ceramic substrate, etc., and a catalyst is supported in the channel (Patent Document 1).

このようなマイクロリアクターのうち、例えば、金属基板としてステンレス基板を使用したマイクロリアクターは、シリコン基板を使用した場合に比べて安価であり、製造コスト低減の要請に沿ったものである。しかし、ステンレス基板を使用したマイクロリアクターの製造では、基板の接合により流路を形成する工程で拡散接合が用いられ、この拡散接合での高温、高圧条件により触媒が失活するのを防止するために、流路が形成された後に触媒を流路内に担持させる必要がある。
この触媒担持方法としては、例えば、触媒となる金属の水酸化物を共沈法で生成し、これをろ過、乾燥して生成した金属酸化物をシリカゾルに分散して金属源のゾルとし、このゾルを流路内に流し込んで流路壁面に付着させ、余分なゾルを除去した後、水素を用いた気相還元によって触媒金属とする方法(気相還元法)がある(非特許文献1)。
また、触媒担持方法として、触媒となる金属の酢酸塩と尿素を含有した溶液を流路内に流し込み、尿素の分解によって生じたアンモニアにより溶液のpHがアルカリ側となることで、流路壁面に金属酸化物が析出し、その後、余分な溶液を除去し乾燥(熱処理)して還元することにより触媒金属とする方法(尿素分解法)がある(特許文献2)。
特開2002−252014号公報 2006 Fuel Cell Seminar “Development of Hydrogen-Generator for mobile applications” Takeshi Kihara, Hiroshi Yagi 特開2002−79100号公報
Among such microreactors, for example, a microreactor using a stainless steel substrate as a metal substrate is cheaper than a case where a silicon substrate is used, and is in line with a demand for manufacturing cost reduction. However, in the manufacture of microreactors using a stainless steel substrate, diffusion bonding is used in the process of forming the flow path by bonding the substrates, and in order to prevent the catalyst from being deactivated due to high temperature and high pressure conditions in this diffusion bonding. In addition, it is necessary to support the catalyst in the flow path after the flow path is formed.
As this catalyst loading method, for example, a metal hydroxide to be a catalyst is produced by a coprecipitation method, and this is filtered and dried to disperse the produced metal oxide in a silica sol to form a metal source sol. There is a method (gas phase reduction method) in which a sol is poured into a flow channel and attached to the wall surface of the flow channel to remove excess sol, and then converted into a catalytic metal by gas phase reduction using hydrogen (Non-Patent Document 1). .
In addition, as a catalyst loading method, a solution containing a metal acetate and urea as a catalyst is poured into the flow path, and the pH of the solution becomes alkaline due to ammonia generated by the decomposition of urea, so that There is a method (urea decomposition method) in which a metal oxide is precipitated, and then an excess solution is removed, dried (heat treatment), and reduced to a catalytic metal (Patent Document 2).
JP 2002-252014 A 2006 Fuel Cell Seminar “Development of Hydrogen-Generator for mobile applications” Takeshi Kihara, Hiroshi Yagi JP 2002-79100 A

しかし、上述のような気相還元法では、金属酸化物をシリカゾルに分散して金属源のゾルとする段階および気相還元の段階で凝集が生じ易く、触媒の微粒子化と均一分布が阻害され触媒の性能低下を来すという問題があった。また、上記の尿素分解法においても、還元時に触媒金属の凝集が生じ易く、触媒の性能低下を来す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、炭化水素系燃料から水素を生成する改質反応の効率が高いマイクロリアクターの製造を可能とする製造方法を提供することを目的とする。
However, in the gas phase reduction method as described above, agglomeration is likely to occur at the stage of dispersing the metal oxide in the silica sol to form the metal source sol and the stage of gas phase reduction, and the catalyst fine particles and uniform distribution are hindered. There was a problem that the performance of the catalyst deteriorated. Further, the above urea decomposition method also has a problem that the catalyst metal is easily aggregated during the reduction, resulting in a decrease in the performance of the catalyst.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a manufacturing method that enables the manufacture of a microreactor with high efficiency of a reforming reaction for generating hydrogen from a hydrocarbon fuel. And

このような目的を達成するために、本発明は、1組の金属基板の少なくとも一方の金属基板の片面に微細溝部を形成する溝部形成工程と、前記微細溝部内に触媒担持層を形成する触媒担持層形成工程と、前記1組の金属基板を接合することにより、前記微細溝部で構成されたトンネル状流路を内部に備えるとともに該トンネル状流路に連通された原料導入口およびガス排出口を備えた接合体を形成する接合工程と、前記トンネル状流路内の前記触媒担持層にCu−Zn系の触媒を担持する触媒担持工程と、を有し、前記触媒担持工程は、Cu前駆体を10〜200mmol/Lの濃度範囲で、Zn前駆体を5〜100mmol/Lの濃度範囲で、還元剤を20〜400mmol/Lの濃度で含有する前駆体溶液を前記トンネル状流路内に充填し、この状態で前駆体溶液に熱処理を施し、その後、前記トンネル状流路内から前駆体溶液を除去するような構成とした。   In order to achieve such an object, the present invention provides a groove portion forming step for forming a fine groove portion on one surface of at least one metal substrate of a set of metal substrates, and a catalyst for forming a catalyst support layer in the fine groove portion. A raw material introduction port and a gas discharge port communicated with the tunnel-shaped flow path provided inside the tunnel-shaped flow path constituted by the fine groove portions by bonding the support layer forming step and the set of metal substrates. And a catalyst supporting step for supporting a Cu-Zn-based catalyst on the catalyst supporting layer in the tunnel-shaped flow path, and the catalyst supporting step includes a Cu precursor. A precursor solution containing a body in a concentration range of 10 to 200 mmol / L, a Zn precursor in a concentration range of 5 to 100 mmol / L, and a reducing agent in a concentration of 20 to 400 mmol / L is placed in the tunnel-shaped channel. filling , Subjected to a heat treatment to the precursor solution in this state, then the configuration to remove the precursor solution from the tunnel-shaped passage.

本発明の他の態様として、前記Cu前駆体および前記Zn前駆体は、酢酸塩、アセシルアセトネート塩、硝酸塩の少なくとも1種であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記還元剤は、ヒドラジン、水素化ホウ素ナトリウムの少なくとも1種であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記熱処理は、温度が50〜100℃の範囲、処理時間が30〜120分間の範囲であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記熱処理は、温風を吹き当てて前記接合体を加熱することにより行われるような構成、あるいは、前記接合体の外壁面に発熱体を設け、該発熱体に通電して接合体を加熱することにより行われるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属基板としてステンレス基板を使用し、前記接合工程では拡散接合を行うような構成とした。
As another aspect of the present invention, the Cu precursor and the Zn precursor are configured to be at least one of acetate, acesylacetonate, and nitrate.
As another aspect of the present invention, the reducing agent is configured to be at least one of hydrazine and sodium borohydride.
As another aspect of the present invention, the heat treatment is configured such that the temperature is in the range of 50 to 100 ° C. and the treatment time is in the range of 30 to 120 minutes.
As another aspect of the present invention, the heat treatment is performed by blowing warm air to heat the joined body, or a heating element is provided on the outer wall surface of the joined body, It was set as the structure performed by energizing and heating a conjugate | zygote.
As another aspect of the present invention, a stainless steel substrate is used as the metal substrate, and diffusion bonding is performed in the bonding step.

本発明では、トンネル状流路内に充填された状態で前駆体溶液が熱処理を施され、前駆体溶液中のCu前駆体とZn前駆体が還元剤によって還元されてCu−Zn系の触媒が生成され触媒担持層に担持されるので、触媒の凝集が抑制され微粒子形状のCu−Zn系の触媒を均一に担持させることができ、反応効率の高いマイクロリアクターの製造が可能である。
また、Cu前駆体とZn前駆体を酢酸塩、アセシルアセトネート塩、硝酸塩の少なくとも1種とすることにより、前駆体溶液中におけるCu前駆体とZn前駆体の溶解度を高くすることができ、トンネル状流路内に前駆体をより多く導入して触媒の担持量を増加させることができる。
In the present invention, the precursor solution is heat-treated in a state where it is filled in the tunnel-shaped flow path, and the Cu precursor and the Zn precursor in the precursor solution are reduced by the reducing agent, so that a Cu-Zn-based catalyst is obtained. Since it is generated and supported on the catalyst support layer, the aggregation of the catalyst is suppressed and the Cu-Zn catalyst in the form of fine particles can be uniformly supported, and a microreactor with high reaction efficiency can be manufactured.
Moreover, by making Cu precursor and Zn precursor at least one of acetate, acesylacetonate, and nitrate, the solubility of Cu precursor and Zn precursor in the precursor solution can be increased, A larger amount of precursor can be introduced into the tunnel-like flow path to increase the amount of catalyst supported.

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。
まず、本発明のマイクロリアクターの製造方法で製造するマイクロリアクターの一例を説明する。図1はマイクロリアクターの一例を示す斜視図であり、図2は図1に示されるマイクロリアクターのA−A線における拡大縦断面図である。図1および図2において、マイクロリアクター1は、一方の面4aに微細溝部5が形成された金属基板4と、一方の面6aに微細溝部7が形成された金属基板6とが、微細溝部5と微細溝部7が対向するように接合された接合体2を有している。この接合体2の内部には、対向する微細溝部5,7で構成されたトンネル状流路3が形成されており、このトンネル状流路3の内壁面の全面に触媒担持層9を介してCu−Zn系の触媒Cが担持されている。また、接合体2の一方の面(金属基板4の表面)には、絶縁層10を介して発熱体11が設けられており、発熱体11の両端部には電極12,12が配設されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
First, an example of a microreactor manufactured by the microreactor manufacturing method of the present invention will be described. FIG. 1 is a perspective view showing an example of a microreactor, and FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view taken along line AA of the microreactor shown in FIG. 1 and 2, the microreactor 1 includes a metal substrate 4 having a fine groove portion 5 formed on one surface 4a and a metal substrate 6 having a fine groove portion 7 formed on one surface 6a. And the joined body 2 joined so that the fine groove part 7 may oppose. Inside the joined body 2, a tunnel-like flow path 3 composed of opposing fine groove portions 5 and 7 is formed, and the entire inner wall surface of the tunnel-like flow path 3 is interposed via a catalyst support layer 9. A Cu—Zn-based catalyst C is supported. A heating element 11 is provided on one surface of the joined body 2 (the surface of the metal substrate 4) via an insulating layer 10, and electrodes 12 and 12 are provided on both ends of the heating element 11. ing.

図3は、図1に示されるマイクロリアクター1の接合体2を構成する金属基板4と金属基板6を離間させた状態を示す斜視図である。尚、図3では、触媒担持層9を省略している。図3に示されるように、微細溝部5,7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5と微細溝部7は、金属基板4,6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4,6の接合により、微細溝部5の端部5aが微細溝部7の端部7a上に位置し、微細溝部5の端部5bが微細溝部7の端部7b上に位置して、微細溝部5と微細溝部7が完全に対向している。このような微細溝部5,7で構成されるトンネル状流路3の端部が、図1に示されるように、原料導入口8aとガス排出口8bとなっている。尚、マイクロリアクター1の原料導入口8aとガス排出口8bの位置は、図示例に限定されるものではない。また、原料導入口8aとガス排出口8bには、所望の形状の接続用部材等が配設されていてもよい。   FIG. 3 is a perspective view showing a state in which the metal substrate 4 and the metal substrate 6 constituting the joined body 2 of the microreactor 1 shown in FIG. 1 are separated from each other. In FIG. 3, the catalyst support layer 9 is omitted. As shown in FIG. 3, the fine groove portions 5 and 7 are formed in a continuous shape while being meandering by folding back 180 degrees. And the fine groove part 5 and the fine groove part 7 are pattern shapes which are symmetrical with respect to the joint surface of the metal substrates 4 and 6. Therefore, by joining the metal substrates 4 and 6, the end 5 a of the fine groove 5 is located on the end 7 a of the fine groove 7, and the end 5 b of the fine groove 5 is located on the end 7 b of the fine groove 7. Thus, the fine groove portion 5 and the fine groove portion 7 are completely opposed to each other. As shown in FIG. 1, the end portions of the tunnel-like flow path 3 constituted by the fine groove portions 5 and 7 serve as a raw material introduction port 8a and a gas discharge port 8b. In addition, the positions of the raw material inlet 8a and the gas outlet 8b of the microreactor 1 are not limited to the illustrated example. Further, a connection member or the like having a desired shape may be disposed at the raw material introduction port 8a and the gas discharge port 8b.

マイクロリアクター1を構成する金属基板4,6は、トンネル状流路3の壁面に直接触媒Cを担持しないので、微細溝部5,7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。ステンレス基板や銅基板の場合、微細溝部5,7の精密加工が容易であるとともに、拡散接合、溶接、ロウ付けにより強固な接合体2が得られる。金属基板4,6の厚みは、マイクロリアクター1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5,7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4,6に形成される微細溝部5,7は、図3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5,7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3の流体の流れ方向に垂直な断面における微細溝部5,7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5,7からなるトンネル状流路3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。
Since the metal substrates 4 and 6 constituting the microreactor 1 do not carry the catalyst C directly on the wall surface of the tunnel-shaped flow path 3, a metal material that allows easy processing of the fine grooves 5 and 7 and is easy to join is selected. For example, it may be a stainless steel substrate, a copper substrate, an aluminum substrate, a titanium substrate, an iron substrate, an iron alloy substrate, or the like. In the case of a stainless steel substrate or a copper substrate, precise processing of the fine groove portions 5 and 7 is easy, and a strong joined body 2 can be obtained by diffusion bonding, welding, and brazing. The thicknesses of the metal substrates 4 and 6 can be appropriately set in consideration of the size of the microreactor 1, the heat capacity of the metal used, the characteristics such as the thermal conductivity, the size of the fine groove portions 5 and 7 to be formed, and the like. However, it can set in the range of about 50-5000 micrometers, for example.
The fine groove portions 5 and 7 formed in the metal substrates 4 and 6 are not limited to the shape as shown in FIG. 3, and the amount of the catalyst C carried in the fine groove portions 5 and 7 increases, and The flow path where the raw material comes into contact with the catalyst C can have an arbitrary shape. Further, the shape of the inner wall surface of the fine groove portions 5 and 7 in the cross section perpendicular to the fluid flow direction of the tunnel-shaped flow path 3 is preferably an arc shape, a semicircular shape, or a U shape. The diameter of the tunnel-like flow path 3 composed of such fine groove portions 5 and 7 can be set, for example, within a range of about 100 to 2000 μm, and the flow path length can be set within a range of about 30 to 300 mm. .

触媒担持層9は、無機酸化物被膜とすることができ、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、シリカ(SiO2)皮膜、ジルコニア(ZrO2)皮膜、チタニア(TiO2)皮膜、セリア(CeO2)被膜等とすることができる。このような触媒担持層9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。
絶縁層10は、例えば、ポリイミド、酸化アルミニウム(Al23)、酸化珪素(SiO2)、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、窒化珪素、窒化アルミニウム等のいずれか1種以上からなるものとすることができる。このような絶縁層10は、例えば、スクリーン印刷法、スパッタリング法、CVD法、PVD法、AD法等のドライ成膜、あるいは、ゾルゲル法、化学溶液法等のウエット成膜により形成することができる。絶縁層10の厚みは、0.1〜5μm、好ましくは0.5〜1μmの範囲で設定することができる。
The catalyst support layer 9 can be an inorganic oxide film, for example, an alumina (Al 2 O 3 ) film, a mullite (Al 2 O 3 .2SiO 2 ) film, a silica (SiO 2 ) film formed by thermal spraying, A zirconia (ZrO 2 ) film, a titania (TiO 2 ) film, a ceria (CeO 2 ) film, or the like can be used. The thickness of such a catalyst-carrying layer 9 can be appropriately set within a range of about 10 to 50 μm, for example.
The insulating layer 10 is made of, for example, one or more of polyimide, aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon oxide (SiO 2 ), zirconium oxide, magnesium oxide, silicon nitride, aluminum nitride, and the like. it can. Such an insulating layer 10 can be formed by, for example, dry film formation such as screen printing, sputtering, CVD, PVD, and AD, or wet film formation such as a sol-gel method and a chemical solution method. . The thickness of the insulating layer 10 can be set in the range of 0.1 to 5 μm, preferably 0.5 to 1 μm.

発熱体11は、吸熱反応である炭化水素系燃料の改質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、Ti等の材質を使用することができる。この発熱体11は、図1に示されるように、幅10〜200μm程度の細線を、微細溝部5が形成されている領域に相当する金属基板4(絶縁層10)上の領域全面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。
このような発熱体11に形成された通電用の電極12,12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11と同じ材質であってもよい。
尚、発熱体11を保護する目的で、発熱体11を被覆する保護層を備えるものであってもよい。この場合、保護層は、例えば、Al23、SiO2等のセラミック材料、感光性ポリイミド、ワニス状のポリイミド等により形成することができる。また、保護層の厚みは、使用する材料等を考慮して適宜設定することができるが、例えば、2〜25μm程度の範囲で設定することができる。
The heating element 11 is for supplying heat necessary for reforming the hydrocarbon fuel, which is an endothermic reaction, and is made of carbon paste, nichrome (Ni—Cr alloy), W, Mo, Au, Ti, or the like. Can be used. As shown in FIG. 1, the heating element 11 draws a thin wire having a width of about 10 to 200 μm over the entire region on the metal substrate 4 (insulating layer 10) corresponding to the region where the fine groove portion 5 is formed. Although it can be set as such a shape, it is not limited to such a shape and can be set suitably.
The energization electrodes 12, 12 formed on the heating element 11 can be formed using a conductive material such as Au, Ag, Pd, Pd—Ag, and are made of the same material as the heating element 11. There may be.
For the purpose of protecting the heating element 11, a protective layer covering the heating element 11 may be provided. In this case, the protective layer can be formed of, for example, a ceramic material such as Al 2 O 3 or SiO 2 , photosensitive polyimide, varnish-like polyimide, or the like. In addition, the thickness of the protective layer can be appropriately set in consideration of the material to be used, but can be set, for example, in the range of about 2 to 25 μm.

次に、本発明のマイクロリアクターの製造方法について説明する。
図4および図5は本発明のマイクロリアクター製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。この図4、図5では、上述のマイクロリアクター1を例にして説明する。
本発明の製造方法では、まず、溝部形成工程において、金属基板4の一方の面4aに微細溝部5を形成し、金属基板6の一方の面6aに微細溝部7を形成する(図4(A))。この微細溝部5,7は、金属基板4,6の面4a,6aに所定の開口パターンを有するレジストパターン41,42を形成し、このレジストパターン41,42をマスクとしてウエットエッチングにより金属基板4,6をエッチングして形成することができる。
金属基板4,6に形成する微細溝部5と微細溝部7のパターン形状は、金属基板4,6の接合面(4a,6a)を介して面対称となる形状である。また、微細溝部5,7は、断面が円弧形状ないし半円形状、あるいは、U字形状とすることができる。使用する金属基板4,6の材質は、微細溝部5,7に直接触媒Cを担持しないので、微細溝部5,7の精密加工が容易で、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。
Next, the manufacturing method of the microreactor of this invention is demonstrated.
4 and 5 are process diagrams for explaining an embodiment of the microreactor manufacturing method of the present invention. 4 and 5, the above-described microreactor 1 will be described as an example.
In the manufacturing method of the present invention, first, in the groove portion forming step, the fine groove portion 5 is formed on the one surface 4a of the metal substrate 4, and the fine groove portion 7 is formed on the one surface 6a of the metal substrate 6 (FIG. 4A). )). The fine groove portions 5 and 7 are formed by forming resist patterns 41 and 42 having predetermined opening patterns on the surfaces 4a and 6a of the metal substrates 4 and 6, and using the resist patterns 41 and 42 as a mask by wet etching. 6 can be formed by etching.
The pattern shapes of the fine groove portions 5 and the fine groove portions 7 formed on the metal substrates 4 and 6 are shapes that are plane-symmetric with respect to the joint surfaces (4a and 6a) of the metal substrates 4 and 6. Further, the fine groove portions 5 and 7 can have a cross section of an arc shape, a semicircular shape, or a U shape. Since the metal substrates 4 and 6 to be used do not directly carry the catalyst C in the fine groove portions 5 and 7, it is possible to select a metal material that allows easy precision processing of the fine groove portions 5 and 7 and is easy to join. For example, it may be a stainless steel substrate, a copper substrate, an aluminum substrate, a titanium substrate, an iron substrate, an iron alloy substrate, or the like.

次に、触媒担持層形成工程において、上記のレジストパターン41,42を介して、金属基板4,6の接合面4a,6a(微細溝部5,7が形成されている面)に溶射を行って触媒担持層9を形成する(図4(B))。その後、レジストパターン41,42を除去するとともに、不要な触媒担持層9をリフトオフして除去し、微細溝部5,7内にのみ触媒担持層9を形成する(図4(C))。
溶射は、例えば、プラズマスプレー法(高温のプラズマを利用し、アルミナ溶射粉末を溶融して基材表面にスプレーコートする)により行うことができる。このような触媒担持層9の厚みは、例えば、10〜50μmの範囲で設定することができる。また、上述のように、レジストパターン41,42の除去と同時に、不要な触媒担持層9がリフトオフされるので、金属基板4,6において清浄な接合面が確保されることとなる。
尚、溝部形成工程後、触媒担持層を形成する前に、微細溝部5,7の壁面を粗面化処理してもよい。この粗面化処理は、例えば、サンドブラスト処理、エッチング処理および粗面化めっき処理のいずれかとすることができ、粗面化の程度は、例えば、中心線平均粗さ(Ra)が0.2〜2.0μmの範囲内となるように設定することができる。
Next, in the catalyst support layer forming step, thermal spraying is performed on the joint surfaces 4a and 6a (surfaces on which the fine groove portions 5 and 7 are formed) of the metal substrates 4 and 6 through the resist patterns 41 and 42 described above. A catalyst support layer 9 is formed (FIG. 4B). Thereafter, the resist patterns 41 and 42 are removed, and the unnecessary catalyst supporting layer 9 is removed by lift-off to form the catalyst supporting layer 9 only in the fine groove portions 5 and 7 (FIG. 4C).
Thermal spraying can be performed, for example, by a plasma spray method (using high-temperature plasma, melting the alumina spray powder and spray-coating it on the surface of the substrate). The thickness of such a catalyst-carrying layer 9 can be set in the range of 10 to 50 μm, for example. Further, as described above, since the unnecessary catalyst support layer 9 is lifted off simultaneously with the removal of the resist patterns 41 and 42, a clean bonding surface is secured in the metal substrates 4 and 6.
In addition, you may roughen the wall surface of the fine groove parts 5 and 7 after forming a groove part and before forming a catalyst support layer. The roughening treatment can be, for example, any of sandblasting, etching, and roughening plating. The degree of roughening is, for example, a center line average roughness (R a ) of 0.2. It can set so that it may become in the range of -2.0 micrometers.

また、上記のレジストパターン41,42が、研磨処理に対する耐性、溶射に対する耐性を備えていない場合は、溝部形成工程後にレジストパターン41,42を除去し、その後、微細溝部5,7に対応した開口部を有するメタルマスクを介して溶射を行うことができる。あるいは、レジストパターン41,42を除去した後、金属基板4,6の微細溝部5,7が形成されていない部位に、溶射に対する耐性を有するレジストパターンを形成し、このレジストパターンを介して溶射を行うこともできる。いずれの場合も、不要な触媒担持層9がリフトオフされるので、金属基板4,6において清浄な接合面が確保されることとなる。
次に、接合工程において、1組の金属基板4,6を、微細溝部5と微細溝部7とが対向するように、面4a,6aで接合して接合体2を形成する(図5(A))。
Further, when the resist patterns 41 and 42 do not have resistance to polishing treatment and resistance to thermal spraying, the resist patterns 41 and 42 are removed after the groove portion forming step, and then the openings corresponding to the fine groove portions 5 and 7 are formed. Thermal spraying can be performed through a metal mask having a portion. Alternatively, after removing the resist patterns 41 and 42, a resist pattern having resistance to thermal spraying is formed in a portion where the fine groove portions 5 and 7 of the metal substrates 4 and 6 are not formed, and thermal spraying is performed via the resist pattern. It can also be done. In any case, since the unnecessary catalyst support layer 9 is lifted off, a clean bonding surface is ensured in the metal substrates 4 and 6.
Next, in the joining step, a set of metal substrates 4 and 6 are joined at the surfaces 4a and 6a so that the fine groove portions 5 and the fine groove portions 7 face each other, thereby forming the joined body 2 (FIG. 5A). )).

上記のように、微細溝部5と微細溝部7は、金属基板4,6の接合面(4a,6a)を介して面対称となるパターン形状であるため、金属基板4,6の接合により、微細溝部5と微細溝部7が完全に対向してトンネル状流路3が形成される。このトンネル状流路3の流体の流れ方向に垂直な断面における内壁面の形状は略円形状であり、内壁面の全面に触媒担持層9を備えたものとなり、端部は原料導入口8aとガス排出口8bとなる。上記の金属基板4,6の接合は、例えば、ステンレス基板や銅基板を使用する場合には拡散接合、溶接、ロウ付けにより行うことができる。
次いで、触媒担持工程において、トンネル状流路3の内壁面の触媒担持層9にCu−Zn系の触媒Cを担持する(図5(B))。触媒担持層9への触媒Cの担持は以下のように行われる。まず、Cu前駆体とZn前駆体と還元剤を含有する前駆体溶液を、原料導入口8aあるいはガス排出口8bからトンネル状流路3内に充填する。そして、この状態で前駆体溶液に熱処理を施すことにより、前駆体溶液中のCu前駆体とZn前駆体を還元剤によって還元してCu−Zn系の触媒を生成し、触媒担持層9に担持させる。その後、トンネル状流路3内から残留している溶液を除去する。前駆体溶液がトンネル状流路3内に充填された状態で維持するためには、原料導入口8aとガス排出口8bをポリテトラフルオロエチレンの蓋等を用いて仮閉塞する。
As described above, since the fine groove portion 5 and the fine groove portion 7 have a pattern shape which is plane-symmetrical via the joint surfaces (4a, 6a) of the metal substrates 4 and 6, the fine groove portions 5 and the fine groove portions 7 The groove 5 and the fine groove 7 are completely opposed to form the tunnel-like flow path 3. The shape of the inner wall surface in a cross section perpendicular to the fluid flow direction of the tunnel-shaped flow path 3 is substantially circular, and the catalyst supporting layer 9 is provided on the entire inner wall surface, and the end portion is connected to the raw material inlet 8a. It becomes the gas discharge port 8b. The metal substrates 4 and 6 can be bonded by diffusion bonding, welding, or brazing, for example, when a stainless steel substrate or a copper substrate is used.
Next, in the catalyst supporting step, a Cu—Zn-based catalyst C is supported on the catalyst supporting layer 9 on the inner wall surface of the tunnel-shaped flow path 3 (FIG. 5B). The catalyst C is supported on the catalyst support layer 9 as follows. First, a precursor solution containing a Cu precursor, a Zn precursor, and a reducing agent is filled into the tunnel-shaped flow path 3 from the raw material inlet 8a or the gas outlet 8b. In this state, the precursor solution is subjected to heat treatment to reduce the Cu precursor and the Zn precursor in the precursor solution with a reducing agent to generate a Cu—Zn-based catalyst, which is supported on the catalyst support layer 9. Let Thereafter, the remaining solution is removed from the tunnel-like flow path 3. In order to maintain the precursor solution filled in the tunnel-like flow path 3, the raw material inlet 8a and the gas outlet 8b are temporarily closed using a polytetrafluoroethylene lid or the like.

前駆体溶液におけるCu前駆体濃度は、10〜200mmol/L、好ましくは50〜100mmol/Lであり、Zn前駆体濃度は、5〜100mmol/L、好ましくは25〜50mmol/Lであり、還元剤濃度は、20〜400mmol/L、好ましくは100〜200mmol/Lである。Cu前駆体が10mmol/L未満、Zn前駆体の濃度が5mmol/L未満であると、トンネル状流路3内に十分な量のCu前駆体とZn前駆体を導入することができず触媒担持量が低いものとなり、また、Cu前駆体が200mmol/Lを超えたり、Zn前駆体の濃度が100mmol/Lを超えると、Cu−Znが還元析出しないか、流路の入口を塞ぐこととなり好ましくない。また、還元剤濃度が20mmol/L未満であると、Cu前駆体とZn前駆体の還元が不十分となり触媒担持量が低下し、一方、還元剤濃度が400mmol/Lを超えると、還元反応が制御できなくなって、Cu−Znが適切な部位に析出しなくなり好ましくない。   The Cu precursor concentration in the precursor solution is 10 to 200 mmol / L, preferably 50 to 100 mmol / L, the Zn precursor concentration is 5 to 100 mmol / L, preferably 25 to 50 mmol / L, and the reducing agent. The concentration is 20 to 400 mmol / L, preferably 100 to 200 mmol / L. When the Cu precursor is less than 10 mmol / L and the concentration of the Zn precursor is less than 5 mmol / L, a sufficient amount of Cu precursor and Zn precursor cannot be introduced into the tunnel-like flow path 3 and the catalyst is supported. When the amount of Cu precursor exceeds 200 mmol / L or the concentration of Zn precursor exceeds 100 mmol / L, Cu—Zn does not reduce or precipitate, or the inlet of the flow path is blocked. Absent. On the other hand, when the reducing agent concentration is less than 20 mmol / L, the reduction of the Cu precursor and the Zn precursor becomes insufficient and the amount of catalyst supported decreases. On the other hand, when the reducing agent concentration exceeds 400 mmol / L, the reduction reaction occurs. It becomes uncontrollable, and Cu—Zn does not precipitate at an appropriate site, which is not preferable.

Cu前駆体およびZn前駆体としては、酢酸塩、アセシルアセトネート塩、硝酸塩の少なくとも1種を使用することができる。このような前駆体は、例えば、アセチルアセトナト塩に比べて前駆体溶液中における溶解度を高くすることができ、トンネル状流路3内に前駆体をより多く導入して触媒の担持量を増加させることができる。
また、還元剤は、ヒドラジン、水素化ホウ素ナトリウムの少なくとも1種を使用することができる。これらの還元剤は、加熱によって還元作用を発現するので、トンネル状流路3内に充填した前駆体溶液中のCu前駆体とZn前駆体の還元反応開始を制御することができる。
尚、本発明では、前駆体溶液中にアルミナ粉末を含有させてもよい。これにより、Cu前駆体とZn前駆体が還元されて生成したCu−Zn系の触媒が触媒担持層9とともにアルミナ粉末にも担持され、触媒のネットワークによってアルミナ粉末も触媒担持層9に組み込まれ、触媒担持面積が実質的に増大する。
As the Cu precursor and the Zn precursor, at least one of acetate, acesylacetonate, and nitrate can be used. Such a precursor can increase the solubility in the precursor solution as compared with, for example, acetylacetonate salt, and introduces more precursor into the tunnel-like channel 3 to increase the amount of catalyst supported. Can be made.
Moreover, at least 1 sort (s) of a hydrazine and sodium borohydride can be used for a reducing agent. Since these reducing agents exhibit a reducing action by heating, it is possible to control the start of the reduction reaction of the Cu precursor and the Zn precursor in the precursor solution filled in the tunnel-like flow path 3.
In the present invention, alumina powder may be contained in the precursor solution. Thereby, the Cu-Zn-based catalyst generated by reducing the Cu precursor and the Zn precursor is supported on the alumina powder together with the catalyst supporting layer 9, and the alumina powder is also incorporated into the catalyst supporting layer 9 by the catalyst network, The catalyst carrying area is substantially increased.

前駆体溶液をトンネル状流路3内に充填した状態で前駆体溶液に施す熱処理の条件は、前駆体溶液中のCu前駆体とZn前駆体の還元反応が確実に行なわれるように、使用するCu前駆体やZn前駆体と還元剤を考慮して適宜設定することができ、例えば、温度が50〜100℃、好ましくは80〜90℃の範囲、処理時間が30〜120分間、好ましくは50〜80分間の範囲である。このような熱処理は、温風を吹き当てて接合体2を加熱することにより行うことができる。また、後述するような発熱体11の形成を触媒担持工程の前に行っておき、この発熱体11に通電して接合体2を加熱することにより前駆体溶液に熱処理を施してもよい。
次いで、接合体2を構成する金属基板4の面4bに絶縁層10を形成し、この絶縁層10上に発熱体11を形成する(図5(C))。これによりマイクロリアクター1が得られる。
絶縁層10は、スクリーン印刷法、スパッタリング法、CVD法、PVD法、AD法等のドライ成膜法、あるいは、ゾルゲル法、化学溶液法等のウエット成膜法により形成することができる。
The heat treatment conditions applied to the precursor solution with the precursor solution filled in the tunnel-like flow path 3 are used so that the reduction reaction of the Cu precursor and the Zn precursor in the precursor solution can be performed reliably. The temperature can be appropriately set in consideration of the Cu precursor or Zn precursor and the reducing agent. For example, the temperature is in the range of 50 to 100 ° C., preferably in the range of 80 to 90 ° C., and the treatment time is 30 to 120 minutes, preferably 50 The range is ˜80 minutes. Such heat treatment can be performed by heating the bonded body 2 by blowing hot air. Alternatively, the heating element 11 as described below may be formed before the catalyst supporting step, and the precursor solution may be heat-treated by energizing the heating element 11 and heating the joined body 2.
Next, the insulating layer 10 is formed on the surface 4b of the metal substrate 4 constituting the bonded body 2, and the heating element 11 is formed on the insulating layer 10 (FIG. 5C). Thereby, the microreactor 1 is obtained.
The insulating layer 10 can be formed by a dry film forming method such as a screen printing method, a sputtering method, a CVD method, a PVD method, or an AD method, or a wet film forming method such as a sol-gel method or a chemical solution method.

上述のようなマイクロリアクターの製造方法では、トンネル状流路3内に充填された状態で前駆体溶液が熱処理を施され、前駆体溶液中のCu前駆体とZn前駆体が還元剤によって還元されてCu−Zn系の触媒が生成され触媒担持層9に担持される。したがって、触媒の凝集が抑制され微粒子形状のCu−Zn系の触媒Cを均一に担持させることができ、反応効率の高いマイクロリアクターの製造が可能である。
尚、上述のマイクロリアクター製造方法の各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。
In the microreactor manufacturing method as described above, the precursor solution is subjected to heat treatment while being filled in the tunnel-like flow path 3, and the Cu precursor and the Zn precursor in the precursor solution are reduced by the reducing agent. Thus, a Cu—Zn-based catalyst is generated and supported on the catalyst support layer 9. Therefore, the aggregation of the catalyst is suppressed and the Cu-Zn-based catalyst C in the form of fine particles can be uniformly supported, and a microreactor with high reaction efficiency can be manufactured.
In addition, each embodiment of the above-mentioned microreactor manufacturing method is an illustration, and this invention is not limited to these.

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]
<溝部形成工程>
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2000μmのストライプ状の遮光部がピッチ2500μm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。
Next, the present invention will be described in more detail by showing more specific examples.
[Example 1]
<Groove formation process>
A SUS316L substrate (25 mm × 25 mm) having a thickness of 1 mm is prepared as a metal substrate, and a photosensitive resist material (OFPR manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) is applied to both surfaces of the SUS316L substrate by a dipping method (film thickness 7 μm (when dry)) )did. Next, a photomask having a shape in which stripe-shaped light-shielding portions having a width of 2000 μm alternately protrude from the left and right (projection length 20 mm) on the resist coating film on the side where the fine groove portions of the SUS316L substrate are to be formed was disposed. Also, a SUS316L substrate similar to that described above was prepared, a photosensitive resist material was applied in the same manner, and a photomask was placed on the resist coating film on the side where the fine groove portion of the SUS316L substrate was to be formed. This photomask is symmetrical with the above photomask with respect to the SUS316L substrate surface.

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2000μmのストライプ状の開口部がピッチ2500μm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)
Next, the resist coating film was exposed through a photomask for each of the above set of SUS316L substrates, and developed using a sodium hydrogen carbonate solution. As a result, a resist pattern in which stripe-like openings having a width of 2000 μm are arranged at a pitch of 2500 μm on one surface of each SUS316L substrate and adjacent stripe-like openings are alternately continued at the end portions thereof. Been formed.
Next, using the resist pattern as a mask, the SUS316L substrate was etched (for 3 minutes) under the following conditions.
(Etching conditions)
・ Temperature: 50 ℃
・ Etching solution (ferric chloride solution) Specific gravity concentration: 45 Baume (° B'e)

これにより、1組のSUS316L基板は、その一方の面に、幅2000μm、深さ650μm、長さ20mmのストライプ形状の微細溝が2500μm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3に示されるような180度折り返しながら蛇行して連続する形状)の微細溝部(流路長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。   As a result, a pair of SUS316L substrates are formed with stripe-shaped fine grooves having a width of 2000 μm, a depth of 650 μm, and a length of 20 mm on one surface thereof at a pitch of 2500 μm, and alternately at the ends of adjacent fine grooves. A fine groove part (flow path length: 220 mm) having a continuous shape (a shape meandering and continuous while being folded by 180 degrees as shown in FIG. 3) was formed. The shape of the inner wall surface in a cross section perpendicular to the fluid flow direction of the fine groove portion was substantially semicircular.

<触媒担持層形成工程>
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。
<Catalyst support layer forming step>
As described above, alumina spraying was performed by a plasma spray method on the fine groove forming surface of the pair of SUS316L substrates on which the fine groove was formed.
Next, the resist pattern was removed using a sodium hydroxide solution and washed with water. By removing the resist pattern, the unnecessary alumina sprayed film was lifted off, and a catalyst supporting layer (thickness 30 μm) made of the alumina sprayed film was formed only in the fine groove portion.

<接合工程>
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
<Joint process>
Subsequently, the above-mentioned set of SUS316L substrates was diffusion bonded under the following conditions so that the fine groove portions were opposed to each other to produce a joined body. In this bonding, alignment was performed so that the fine groove portions of one set of substrates completely face each other. As a result, a tunnel-like flow path in which the raw material introduction port and the gas discharge port exist on the opposing end surfaces of the joined body was formed in the joined body.
(Diffusion bonding conditions)
-Atmosphere: in vacuum-Joining temperature: 1000 ° C
-Joining time: 12 hours

<触媒担持工程>
次に、接合体のトンネル状流路内に下記組成の前駆体溶液を注入し、トンネル状流路の端面に位置する原料導入口とガス排出口をポリテトラフルオロエチレン(デュポン社製 テフロン)の蓋を用いて仮閉塞した。尚、下記の組成の表示において、(OAc)2はアセシルアセトネートを表しており、以下の記載においても同様である。
(前駆体溶液の組成)
・Cu(OAc)2 (Cu前駆体) … 100mmol/L
・Zn(OAc)2 (Zn前駆体) … 50mmol/L
・アルミナ粉末(γ−Al23) … 4重量%
・ヒドラジン(還元剤) … 200mmol/L
・水 … 15mL
<Catalyst loading process>
Next, a precursor solution having the following composition is injected into the tunnel-shaped channel of the joined body, and the raw material inlet and the gas outlet located on the end face of the tunnel-shaped channel are made of polytetrafluoroethylene (Teflon manufactured by DuPont). Temporary occlusion was performed using a lid. In the following composition display, (OAc) 2 represents acesylacetonate, and the same applies to the following description.
(Composition of precursor solution)
Cu (OAc) 2 (Cu precursor) ... 100 mmol / L
・ Zn (OAc) 2 (Zn precursor): 50 mmol / L
・ Alumina powder (γ-Al 2 O 3 ) 4% by weight
・ Hydrazine (reducing agent): 200mmol / L
・ Water: 15mL

前駆体溶液の調製と注入は以下のように行った。まず、50mLビーカーの中で、Cu前駆体とZn前駆体を5mLのイオン交換水に溶解させ、アルミナ粉末を加えた(金属源水溶液の調製)。また、別のビーカーには、ヒドラジンを5mLのイオン交換水に溶解させた(還元剤水溶液の調製)。クーラーを用いて両方のビーカーを0℃に冷却し、スターラーで攪拌した。次いで、金属源水溶液の入ったビーカーに、還元剤水溶液を流し込み両水溶液を混合して前駆体溶液とし、すばやくシリンジを用いて採取し、マイクロリアクターに注入した。次いで、マイクロリアクターに栓をした状態で、温風乾燥機で90℃、1時間保持し、還元反応を行った。その後、栓を外して103℃で1時間保持し、溶媒を飛散させて触媒担持を行った。   Preparation and injection of the precursor solution were performed as follows. First, in a 50 mL beaker, Cu precursor and Zn precursor were dissolved in 5 mL of ion exchange water, and alumina powder was added (preparation of aqueous metal source solution). In another beaker, hydrazine was dissolved in 5 mL of ion-exchanged water (preparation of reducing agent aqueous solution). Both beakers were cooled to 0 ° C. using a cooler and stirred with a stirrer. Next, a reducing agent aqueous solution was poured into a beaker containing a metal source aqueous solution, and both aqueous solutions were mixed to form a precursor solution, which was quickly collected using a syringe and injected into a microreactor. Next, with the microreactor plugged, it was kept at 90 ° C. for 1 hour with a hot air dryer to carry out a reduction reaction. Thereafter, the stopper was removed and the catalyst was supported at 103 ° C. for 1 hour by scattering the solvent.

次に、上記の接合体を構成する一方のSUS316L基板上に、絶縁層用塗布液としてSiO2前駆体(AZエレクトロニックマテリアルズ(株)製 アクアミカ)をスピンコート法により塗布し、350℃で硬化させて厚み1.0μmの絶縁層を形成した。次いで、この絶縁層上に、メタルマスクを用いたスパッタリングにより、下記膜構成の発熱体を形成した。形成した発熱体は、線幅100μmで図1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とした。
(発熱体の膜構成)
・Cr … 0.01μm
・Ni … 0.03μm
・Au … 0.15μm
Next, a SiO 2 precursor (Aquamica manufactured by AZ Electronic Materials Co., Ltd.) is applied as a coating solution for an insulating layer on one SUS316L substrate constituting the above-mentioned bonded body, and cured at 350 ° C. Thus, an insulating layer having a thickness of 1.0 μm was formed. Next, a heating element having the following film configuration was formed on the insulating layer by sputtering using a metal mask. The formed heating element was shaped to have a line width of 100 μm and drawn around at a line interval of 100 μm so as to be folded 180 ° as shown in FIG.
(Film structure of heating element)
・ Cr: 0.01μm
・ Ni: 0.03μm
・ Au ... 0.15μm

次に、発熱体上の電極部にホットメルト材を塗布し、上記の絶縁層形成に使用したものと同じSiO2前駆体(AZエレクトロニックマテリアルズ(株)製 アクアミカ)をスピンコート法により塗布した。その後、350℃にて硬化させるとともに、ホットメルト材を除去し、電極部が開口した形状の保護層を形成した。
これにより、マイクロリアクター(外形寸法25mm×25mm×約2.1mm)を作製した。
Next, a hot melt material was applied to the electrode portion on the heating element, and the same SiO 2 precursor (Aquamica manufactured by AZ Electronic Materials Co., Ltd.) used for forming the insulating layer was applied by spin coating. . Then, while hardening at 350 degreeC, the hot-melt material was removed and the protective layer of the shape where the electrode part opened was formed.
As a result, a microreactor (outer dimensions 25 mm × 25 mm × about 2.1 mm) was produced.

[実施例2〜7]
触媒担持工程において使用する前駆体溶液の組成で、酢酸銅一水和物、酢酸亜鉛二水和物、ヒドラジンの濃度を下記の表1のように設定した他は、実施例1と同様にして、マイクロリアクターを作製した。
[比較例1〜6]
触媒担持工程において使用する前駆体溶液の組成で、酢酸銅一水和物、酢酸亜鉛二水和物、ヒドラジンの濃度を下記の表1のように設定した他は、実施例1と同様にして、マイクロリアクターを作製した。
[Examples 2 to 7]
The composition of the precursor solution used in the catalyst supporting step was the same as in Example 1 except that the concentrations of copper acetate monohydrate, zinc acetate dihydrate, and hydrazine were set as shown in Table 1 below. A microreactor was prepared.
[Comparative Examples 1-6]
The composition of the precursor solution used in the catalyst supporting step was the same as in Example 1 except that the concentrations of copper acetate monohydrate, zinc acetate dihydrate, and hydrazine were set as shown in Table 1 below. A microreactor was prepared.

[比較例7]
触媒担持工程を下記のように行った他は、実施例1と同様にして、マイクロリアクターを作製した。
<触媒担持工程>
接合体のトンネル状流路内に下記組成の前駆体溶液を注入し、トンネル状流路の端面に位置する原料導入口とガス排出口をポリテトラフルオロエチレン(デュポン社製 テフロン)の蓋を用いて仮閉塞した。
(前駆体溶液の組成)
・Cu(OAc)2 (Cu前駆体) … 150mmol/L
・Zn(OAc)2 (Zn前駆体) … 75mmol/L
・尿素 … 600mmol/L
・水 … 10mL
[Comparative Example 7]
A microreactor was produced in the same manner as in Example 1 except that the catalyst supporting step was performed as follows.
<Catalyst loading process>
A precursor solution having the following composition is injected into the tunnel-like channel of the joined body, and a raw material inlet and a gas outlet located at the end face of the tunnel-like channel are covered with polytetrafluoroethylene (Teflon manufactured by DuPont). Temporarily blocked.
(Composition of precursor solution)
Cu (OAc) 2 (Cu precursor) 150 mmol / L
・ Zn (OAc) 2 (Zn precursor): 75 mmol / L
・ Urea ... 600mmol / L
・ Water: 10mL

前駆体溶液は、Cu前駆体、Zn前駆体、尿素を同時にイオン交換水に溶解させて調製した。この前駆体溶液をシリンジを用いてマイクロリアクターに注入し、マイクロリアクターに栓をした。この状態で、温風乾燥機で90℃、27時間保持し、尿素分解反応を行った。その後、栓を外して103℃で1時間保持し、溶媒を飛散させた。最後にAr(60mL/分)流通下で300℃で焼成して触媒担持を行った。   The precursor solution was prepared by simultaneously dissolving a Cu precursor, a Zn precursor, and urea in ion exchange water. This precursor solution was injected into the microreactor using a syringe, and the microreactor was capped. In this state, the temperature was maintained at 90 ° C. for 27 hours with a hot air dryer to perform a urea decomposition reaction. Thereafter, the stopper was removed and the mixture was kept at 103 ° C. for 1 hour to scatter the solvent. Finally, the catalyst was supported by firing at 300 ° C. under a flow of Ar (60 mL / min).

[評 価]
作製したマイクロリアクター(実施例1〜7、比較例1〜7)を用いて下記の条件でメタノールの水蒸気改質実験を行い、メタノール転化率を測定し、結果を下記の表1に示した。
(メタノールの水蒸気改質条件)
・反応物流量 : 0.05mL/分
・発熱体温度 : 300℃
[Evaluation]
Using the produced microreactors (Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 7), methanol steam reforming experiments were performed under the following conditions, the methanol conversion was measured, and the results are shown in Table 1 below.
(Methanol steam reforming conditions)
-Reactant flow rate: 0.05 mL / min-Heating element temperature: 300 ° C

Figure 0004928491
Figure 0004928491

本発明は、炭化水素系燃料の改質による水素製造の用途に利用することができる。   The present invention can be used for hydrogen production by reforming hydrocarbon fuels.

本発明のマイクロリアクターの製造方法で製造するマイクロリアクターの一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the microreactor manufactured with the manufacturing method of the microreactor of this invention. 図1に示されるマイクロリアクターのA−A線における拡大縦断面図である。It is an expanded longitudinal cross-sectional view in the AA line of the microreactor shown by FIG. 図1に示されるマイクロリアクター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。It is a perspective view which shows the state which spaced apart the metal substrate which comprises the microreactor shown by FIG. 本発明のマイクロリアクター製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。It is process drawing for demonstrating one Embodiment of the microreactor manufacturing method of this invention. 本発明のマイクロリアクター製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。It is process drawing for demonstrating one Embodiment of the microreactor manufacturing method of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…マイクロリアクター
2…接合体
3…トンネル状流路
4,6…金属基板
5,7…微細溝部
8a…原料導入口
8b…ガス排出口
9…触媒担持層
10…絶縁層
11…発熱体
C…触媒
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Microreactor 2 ... Assembly 3 ... Tunnel-shaped flow path 4, 6 ... Metal substrate 5, 7 ... Fine groove part 8a ... Raw material introduction port 8b ... Gas discharge port 9 ... Catalyst support layer 10 ... Insulating layer 11 ... Heating body C …catalyst

Claims (7)

1組の金属基板の少なくとも一方の金属基板の片面に微細溝部を形成する溝部形成工程と、
前記微細溝部内に触媒担持層を形成する触媒担持層形成工程と、
前記1組の金属基板を接合することにより、前記微細溝部で構成されたトンネル状流路を内部に備えるとともに該トンネル状流路に連通された原料導入口およびガス排出口を備えた接合体を形成する接合工程と、
前記トンネル状流路内の前記触媒担持層にCu−Zn系の触媒を担持する触媒担持工程と、を有し、
前記触媒担持工程は、Cu前駆体を10〜200mmol/Lの濃度範囲で、Zn前駆体を5〜100mmol/Lの濃度範囲で、還元剤を20〜400mmol/Lの濃度で含有する前駆体溶液を前記トンネル状流路内に充填し、この状態で前駆体溶液に熱処理を施し、その後、前記トンネル状流路内から前駆体溶液を除去することを特徴とするマイクロリアクターの製造方法。
A groove forming step of forming a fine groove on one surface of at least one metal substrate of the set of metal substrates;
A catalyst support layer forming step of forming a catalyst support layer in the fine groove,
By joining the set of metal substrates, a joined body having a tunnel-like flow path constituted by the fine groove portion and having a raw material introduction port and a gas discharge port communicated with the tunnel-like flow path is provided. A bonding process to be formed;
A catalyst supporting step of supporting a Cu-Zn-based catalyst on the catalyst supporting layer in the tunnel-shaped flow path,
The catalyst supporting step includes a precursor solution containing a Cu precursor in a concentration range of 10 to 200 mmol / L, a Zn precursor in a concentration range of 5 to 100 mmol / L, and a reducing agent in a concentration of 20 to 400 mmol / L. In the tunnel-shaped flow path, heat-treating the precursor solution in this state, and then removing the precursor solution from the tunnel-shaped flow path.
前記Cu前駆体および前記Zn前駆体は、酢酸塩、アセシルアセトネート塩、硝酸塩の少なくとも1種であ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の製造方法。   The method for producing a microreactor according to claim 1, wherein the Cu precursor and the Zn precursor are at least one of acetate, acesylacetonate, and nitrate. 前記還元剤は、ヒドラジン、水素化ホウ素ナトリウムの少なくとも1種であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のマイクロリアクターの製造方法。   The method for producing a microreactor according to claim 1, wherein the reducing agent is at least one of hydrazine and sodium borohydride. 前記熱処理は、温度が50〜100℃の範囲、処理時間が30〜120分間の範囲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の製造方法。   The method of manufacturing a microreactor according to any one of claims 1 to 3, wherein the heat treatment has a temperature in a range of 50 to 100 ° C and a treatment time in a range of 30 to 120 minutes. 前記熱処理は、温風を吹き当てて前記接合体を加熱することにより行われることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載のマイクロリアクターの製造方法。   The method for manufacturing a microreactor according to any one of claims 1 to 4, wherein the heat treatment is performed by blowing hot air to heat the joined body. 前記熱処理は、前記接合体の外壁面に発熱体を設け、該発熱体に通電して接合体を加熱することにより行われることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載のマイクロリアクターの製造方法。   5. The heat treatment is performed by providing a heating element on an outer wall surface of the joined body and energizing the heating element to heat the joined body. 6. Manufacturing method of microreactor. 前記金属基板としてステンレス基板を使用し、前記接合工程では拡散接合を行うことを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載のマイクロリアクターの製造方法。   The method for manufacturing a microreactor according to any one of claims 1 to 6, wherein a stainless steel substrate is used as the metal substrate, and diffusion bonding is performed in the bonding step.
JP2008082592A 2008-03-27 2008-03-27 Manufacturing method of microreactor Expired - Fee Related JP4928491B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008082592A JP4928491B2 (en) 2008-03-27 2008-03-27 Manufacturing method of microreactor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008082592A JP4928491B2 (en) 2008-03-27 2008-03-27 Manufacturing method of microreactor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2009233564A JP2009233564A (en) 2009-10-15
JP4928491B2 true JP4928491B2 (en) 2012-05-09

Family

ID=41248215

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008082592A Expired - Fee Related JP4928491B2 (en) 2008-03-27 2008-03-27 Manufacturing method of microreactor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4928491B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5946360B2 (en) * 2012-08-07 2016-07-06 小野田ケミコ株式会社 Injection structure of high-pressure injection device and manufacturing method thereof
US11389806B2 (en) * 2016-12-22 2022-07-19 Shimadzu Corporation Centrifugal field-flow fractionation device

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4048864B2 (en) * 2002-07-29 2008-02-20 カシオ計算機株式会社 Small chemical reaction apparatus and manufacturing method thereof
JP2004331434A (en) * 2003-05-06 2004-11-25 Dainippon Printing Co Ltd Microreacter for hydrogen production and its manufacturing method
JP4504751B2 (en) * 2003-10-07 2010-07-14 大日本印刷株式会社 Microreactor for hydrogen production
JP4580664B2 (en) * 2004-03-01 2010-11-17 大日本印刷株式会社 Microreactor and manufacturing method thereof
JP5038619B2 (en) * 2005-11-18 2012-10-03 大日本印刷株式会社 Microreactor and manufacturing method thereof
JP4867357B2 (en) * 2006-01-18 2012-02-01 大日本印刷株式会社 Microreactor for hydrogen production
JP2007237044A (en) * 2006-03-07 2007-09-20 Kobe Steel Ltd Microreactor and method for producing hydrogen by using the same
JP5040177B2 (en) * 2006-05-31 2012-10-03 カシオ計算機株式会社 Microreactor, microreactor manufacturing method, power generation device using the microreactor, and electronic device
JP2008069018A (en) * 2006-09-12 2008-03-27 Toppan Printing Co Ltd Method for manufacturing micro reforming device and micro-reforming device
JP4641993B2 (en) * 2006-09-15 2011-03-02 株式会社トクヤマ Microreactor and manufacturing method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JP2009233564A (en) 2009-10-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7857874B2 (en) Micro-reactor and method of manufacturing the same
JP4928491B2 (en) Manufacturing method of microreactor
JP4504751B2 (en) Microreactor for hydrogen production
JP4867357B2 (en) Microreactor for hydrogen production
JP4848677B2 (en) Hydrogen production apparatus and production method thereof
JP4414780B2 (en) Microreactor for hydrogen production and method for producing the same
TWI357675B (en)
JP4559790B2 (en) Microreactor for hydrogen production and method for producing the same
JP4714064B2 (en) Method for producing hydrogen purification filter
TW201012973A (en) Cathode member and bipolar plate for hypochlorite cells
JP4537685B2 (en) Membrane reactor for hydrogen production
JP5173931B2 (en) Hydrogen permselective membrane and method for producing the same
JP2004331434A (en) Microreacter for hydrogen production and its manufacturing method
JP4486429B2 (en) Microreactor for hydrogen production and method for producing the same
JP2011020044A (en) Microreactor and method of fabricating the same
JP2009125735A (en) Microreactor and method for producing the same
JP2008114162A (en) Micro-reactor and its manufacturing method
JP2007296495A (en) Microreactor and manufacturing method thereof
JP5038619B2 (en) Microreactor and manufacturing method thereof
JP2794427B2 (en) Oxidation combustion method using heat conductive catalyst
JP3568889B2 (en) Catalyst formed on metal surface and method for forming catalyst on metal surface
JP2009066574A (en) Reactor, its manufacturing method, and fuel cell system
JP2005066509A (en) Production method for catalytic reactor
JP2007008731A (en) Hydrogen producing apparatus and method for producing the same
JP2009082803A (en) Microreactor and its manufacturing method

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20101119

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20111116

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20120117

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20120210

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150217

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees