JP4928491B2 - Manufacturing method of microreactor - Google Patents
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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)。
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).
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
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
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
The
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(Al2O3)被膜、ムライト(Al2O3・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(Al2O3)、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
The
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、Al2O3、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
The
For the purpose of protecting the
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
In the manufacturing method of the present invention, first, in the groove portion forming step, the
The pattern shapes of the
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
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
In addition, you may roughen the wall surface of the
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
Next, in the joining step, a set of
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
Next, in the catalyst supporting step, a Cu—Zn-based catalyst C is supported on the
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-
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-
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-
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
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-
Next, the insulating
The insulating
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-
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 (
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−Al2O3) … 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
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.
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
Claims (7)
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.
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