(57)【要約】【課題】外部への熱の影響が抑制されて安全性が高いとともに高効率の触媒反応が可能なマイクロリアクターを提供する。【解決手段】マイクロリアクター１を、筐体２と、この筐体内の真空密閉キャビティ３内に配設されたマイクロリアクター本体４と、マイクロリアクター本体の少なくとも１つの面に位置する発熱体７とを備えるものとし、発熱体７は、筐体２を貫通するリードピン１１を介して外部電源と接続可能であるとともに、このリードピン１１と発熱体７を温度ヒューズ１２を介して接続する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体と、該筐体内の真空密閉キャビティ内に配設されたマイクロリアクター本体と、該マイクロリアクター本体の少なくとも１つの面に位置する発熱体とを備えるマイクロリアクターにおいて、
前記マイクロリアクター本体は原料導入口およびガス排出口を有し、該原料導入口は前記筐体を貫通する原料供給管により前記筐体の外部と接続され、該ガス排出口は前記筐体を貫通するガス排出管により前記筐体の外部と接続され、
前記発熱体は、前記筐体を貫通するリードピンを介して外部電源と接続可能であるとともに、該リードピンと前記発熱体とは温度ヒューズを介して接続されていることを特徴とするマイクロリアクター。
【請求項２】
前記温度ヒューズは、融点２００〜３３０℃の１種以上の金属を含む合金材料の表面をロジンを主体とした樹脂で被覆したもの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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロリアクター、特に担持した触媒によって所望の反応を進行させるためのマイクロリアクターに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
携帯機器用の燃料電池では小型化が必須であり、炭化水素系燃料を水蒸気改質して水素ガスを生成する改質器の小型化が種々検討されている。例えば、金属基板、シリコン基板、セラミックス基板等にマイクロチャネルを形成し、このマイクロチャネル内に触媒を担持した種々のマイクロリアクターが開発されている。このようなマイクロリアクターでは、担持した触媒による所望の吸熱反応を進行させるための発熱体を備え、外部から発熱体に通電することにより、吸熱反応に必要な熱を供給している。
このような燃料電池に使用する水素生成用のマイクロリアクターは、炭化水素系燃料の水蒸気改質温度が高く、例えば、最も低温のメタノールでも２５０〜３００℃となり、高温となる反応部を筐体内に配置して外部と断熱することが必要となる。そして、筐体内を真空とし、反応部と筐体との断熱手段として、断熱効率の最も高い真空断熱を使用したマイクロリアクターが開発されている（特許文献１、２）。
【特許文献１】特開２００５−２５９３５４号公報
【特許文献２】特開２００７−９５３５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来のマイクロリアクターでは、使用中に何らかの原因で筐体内の真空度が低下した場合、反応部と筐体との断熱性が低下し、反応器から筐体へ熱が伝わり筐体壁面の温度上昇を生じるという問題があった。
本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたものであり、外部への熱の影響が抑制されて安全性が高いとともに高効率の触媒反応が可能なマイクロリアクターを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような目的を達成するために、本発明のマイクロリアクターは、筐体と、該筐体内の真空密閉キャビティ内に配設されたマイクロリアクター本体と、該マイクロリアクター本体の少なくとも１つの面に位置する発熱体とを備えるマイクロリアクターにおいて、前記マイクロリアクター本体は原料導入口およびガス排出口を有し、該原料導入口は前記筐体を貫通する原料供給管により前記筐体の外部と接続され、該ガス排出口は前記筐体を貫通するガス排出管により前記筐体の外部と接続され、前記発熱体は、前記筐体を貫通するリードピンを介して外部電源と接続可能であるとともに、該リードピンと前記発熱体とは温度ヒューズを介して接続されているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記温度ヒューズは、融点２００〜３３０℃の１種以上の金属を含む合金材料の表面をロジンを主体とした樹脂で被覆したものであるような構成とした。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のマイクロリアクターは、マイクロリアクター本体が筐体の真空密閉キャビティ内に位置しているので、マイクロリアクター本体が高温状態となっても、真空密閉キャビティがマイクロリアクター本体から外部への熱伝導を有効に遮断するとともに、この真空密閉キャビティによる断熱効果は、他の断熱材を使用した場合に比べて格段に高いものであり、筐体を大型化することなく、マイクロリアクター（筐体）外壁温度を常温〜５０℃程度とすることができ、また、使用中に何らかの原因で筐体内の真空度が低下して真空密閉キャビティが崩れ、マイクロリアクター本体から外部への熱伝導が生じると、温度ヒューズが溶断して発熱体への通電が停止し、マイクロリアクター本体の吸熱反応も停止するので、マイクロリアクター（筐体）外壁温度が高温となることが防止され、これにより、小型でありながら外部への熱の影響が抑制されて安全性が高く、かつ、触媒反応の効率が高いものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明のマイクロリアクターの一実施形態を示す斜視図であり、図２は図１に示されるマイクロリアクターのＩ−Ｉ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、筐体２と、この筐体２内の真空密閉キャビティ３内に載置されたマイクロリアクター本体４と、このマイクロリアクター本体４に配設された発熱体７と、筐体２を貫通し発熱体７に接続されているリードピン１１と、発熱体７とリードピン１１との接続に介在する温度ヒューズ１２を備えている。
筐体２は、マイクロリアクター本体４の周囲に真空密閉キャビティ３を設けるためのものであり、内容積、形状は、マイクロリアクター本体４の形状と断熱作用を考慮して適宜設定することができる。例えば、真空密閉キャビティ３の厚み（マイクロリアクター本体４と筐体２の内壁面との距離）が１ｍｍ以上、好ましくは２〜１５ｍｍの範囲となるように設定することができる。
【０００８】
また、マイクロリアクター本体４は、原料導入口１９ａおよびガス排出口１９ｂを有し、原料導入口１９ａは原料供給管５Ａにより筐体２の外部と接続され、ガス排出口１９ｂはガス排出管５Ｂにより筐体２の外部と接続されている。
発熱体７は、電気絶縁層６を介してマイクロリアクター本体４上に形成されており、発熱体７の両端部には電極８，８が配設され、発熱体保護層９により被覆されている。この発熱体保護層９には、電極８，８を露出するための開口部９ａ，９ａが設けられている。
リードピン１１は、筐体２を貫通するように２本配設され、筐体２外のリードピン１１は、外部電源に接続可能とされている。また、１本のリードピン１１は、筐体２内で配線１３ａ、温度ヒューズ１２、配線１３ｂを介して一方の電極８に接続され、また、他のリードピン１１は、筐体２内で配線１３を介して他方の電極８に接続されている。尚、リードピン１１が２本とも筐体２内で配線１３ａ、温度ヒューズ１２、配線１３ｂを介して電極８に接続されていてもよい。また、リードピン１１，１１の位置は、図１、図２に示されるものに限定されない。
【０００９】
温度ヒューズ１２は、支持部材１５を介して筐体２の内壁面に配設されている。図３は、温度ヒューズを説明するための図であり、温度ヒューズ１２は両端に基部１２ａを有し、この基部１２ａにおいて支持部材１５に支持されているとともに、一方の基部１２ａに配線１３ａが接続され、他方の基部に配線１３ｂが接続されている。そして、マイクロリアクター１の運転中に真空密閉キャビティ３の真空状態が崩れ、マイクロリアクター本体４から外部への熱伝導が生じると、温度フューズ１２が溶断して発熱体７への電気エネルギー供給を停止するように設定されている。
【００１０】
ここで、本発明のマイクロリアクターの各部材を更に詳細に説明する。
筐体２は、例えば、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、チタン、鉄等の材質からなるものであってよい。また、筐体２の形状は、図示例では直方体形状であるが、これに限定されるものではない。
原料供給管５Ａ、ガス排出管５Ｂの材質は、筐体２と同じステンレス鋼であってよく、また、マイクロリアクター本体４を構成する後述の接合体２２と同じ材質であってもよく、さらに、これらと異なる材質であってもよい。筐体２と接合体２２が同じ材質であってもよいことは勿論である。また、原料供給管５Ａ、ガス排出管５Ｂが貫通している筐体２の２個の貫通孔を封止するための溶接としては、例えば、レーザー溶接、抵抗溶接を用いることができる。また、貫通孔をろう付けによって封止するためのろう材としては、例えば、Ｓｎ−Ｐｂはんだ、Ｓｎ−Ｚｎはんだ、Ｃｄ−Ｚｎはんだ、銀ろう、銅ろう、黄銅ろう等の従来公知のろう材を用いることができる。さらに、本発明では、マイクロリアクター１の筐体２の外壁温度を常温〜５０℃程度とすることができるので、原料供給管５Ａ、ガス排出管５Ｂ用の貫通孔は樹脂部材を用いて封止することもでき、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂等の樹脂部材を使用することができる。
【００１１】
図４は図１、図２に示されるマイクロリアクター１を構成するマイクロリアクター本体４の一例を示す斜視図であり、図５は図４に示されるマイクロリアクター本体４のII−II線における拡大縦断面図である。図４および図５において、マイクロリアクター本体４は、一方の面２４ａに微細溝部２５が形成された金属基板２４と、一方の面２６ａに微細溝部２７が形成された金属基板２６とが、微細溝部２５と微細溝部２７が対向するように接合された接合体２２を有している。この接合体２２の内部には、対向する微細溝部２５，２７で構成されたトンネル状流路２３が形成されており、このトンネル状流路２３の内壁面の全面に触媒担持層２８が配設されており、この触媒担持層２８に触媒Ｃが担持されている。また、トンネル状流路２３は、上記の接合体２２の対向する端面に設けられている原料導入口２９ａとガス排出口２９ｂに連通している。
【００１２】
図６は、図４に示されるマイクロリアクター本体４の金属基板２４と金属基板２６を離間させた状態を示す斜視図である。尚、図６では、触媒担持層２８を省略している。図６に示されるように、微細溝部２５，２７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２５と微細溝部２７は、金属基板２４，２６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２４，２６の接合により、微細溝部２５の端部２５ａが微細溝部２７の端部２７ａ上に位置し、微細溝部２５の端部２５ｂが微細溝部２７の端部２７ｂ上に位置して、微細溝部２５と微細溝部２７が完全に対向している。このような微細溝部２５，２７で構成されるトンネル状流路２３の端部が、図４に示されるように、原料導入口２９ａとガス排出口２９ｂをなしている。尚、マイクロリアクター本体４のトンネル状流路２３の形状、原料導入口２９ａおよびガス排出口２９ｂの位置は、図示例に限定されるものではない。したがって、原料供給管５Ａとガス排出管５Ｂの位置も、図１および図２に示されるものに限定されない。
【００１３】
マイクロリアクター本体４を構成する金属基板２４，２６は、トンネル状流路２３の壁面を構成する微細溝部２５，２７の加工が容易で、かつ、接合が容易な金属材料を選択することができ、例えば、ステンレス基板、銅基板、アルミニウム基板、チタン基板、鉄基板、鉄合金基板等であってよい。ステンレス基板の場合、微細溝部２５，２７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２２が得られる。また、銅基板の場合、微細溝部２５，２７の精密加工が容易であるとともに、拡散接合、各種の溶接、ロウ付けにより強固な接合体２２が得られる。金属基板２４，２６の厚みは、マイクロリアクター本体４の大きさ、使用する金属の熱容量、熱伝導率等の特性、形成する微細溝部２５，２７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２４，２６に形成される微細溝部２５，２７は、図６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２５，２７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。
【００１４】
また、トンネル状流路２３の流体の流れ方向に垂直な断面における微細溝部２５，２７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２５，２７からなるトンネル状流路１３の径は、例えば、１００〜２０００μｍ程度の範囲内で設定することができ、流路長は３０〜３００ｍｍ程度の範囲とすることができる。
触媒担持層２８は無機酸化物被膜であり、例えば、溶射により形成したアルミナ（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２８の厚みは、例えば、１０〜５０μｍ程度の範囲で適宜設定することができる。
触媒Ｃとしては、マイクロリアクター１の使用目的に応じて適宜選択することができ、例えば、水素製造に使用する場合、触媒ＣとしてＣｕ−Ｚｎ系、Ｐｄ−Ｚｎ系等の改質触媒、Ｐｔ、Ｐｄ、ＮｉＯ、Ｃｏ2Ｏ3、ＣｕＯ等の燃焼触媒を使用することができる。
【００１５】
図７は、マイクロリアクター本体４を構成する発熱体７を説明するための平面図である。図７に示されるように、発熱体７は、１８０度折り返して蛇行しながら連続する形状で電気絶縁層６上に形成されており、発熱体７の両端部には電極８，８が配設されている。
電気絶縁層６は、例えば、ポリイミド、セラミックス（Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2）等とすることができる。また、電気絶縁層６は、接合体２２の陽極酸化により形成した金属酸化膜であってもよい。このような電気絶縁層６の厚みは、使用する材料の特性等を考慮して適宜設定することができ、例えば、０．５〜１５０μｍ程度の範囲で設定することができる。
発熱体７は、吸熱反応である原料の触媒反応に必要な熱を供給するためのものであり、カーボンペースト、ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ合金）、Ｗ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｔｉ等の材質を使用することができる。この発熱体７の形状は、図７に示されるように、例えば、幅１０〜２００μｍ程度の細線を電気絶縁層６上に引き回したような形状とすることができるが、このような形状に限定されず、適宜設定することができる。
【００１６】
発熱体７に形成された通電用の電極８，８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７と同じ材質であってもよい。
また、発熱体保護層９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、発熱体保護層９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。
尚、上記の電気絶縁層６、発熱体７、電極８，８、発熱体保護層９を金属基板２６上に配設してもよいことは勿論である。
リードピン１１は、例えば、コバール、４２合金（Ｆｅ／Ｎｉ合金）、ステンレス鋼等の材質であってよく、直径は２５０〜１０００μｍの範囲で適宜設定することができる。リードピン１１が貫通している筐体２の２個の貫通孔の封止は、ガラス部材を用いて行われる。用いるガラス部材は、従来公知の封止用のガラス部材であってよく、例えば、市販のハーメチックガラス（例えば、旭硝子（株）製のＡＳＦ粉末ガラス）で金型成型により作製したガラスビーズ等を使用することができる。
【００１７】
温度ヒューズ１２は、マイクロリアクター１の運転中に真空密閉キャビティ３の真空状態が崩れ、マイクロリアクター本体４から外部への熱伝導が生じたときに溶断するものであり、例えば、融点２００〜３３０℃の１種以上の金属を含む合金材料の表面をロジンを主体とした樹脂で被覆したものとすることができる。融点２００〜３３０℃の金属としては、例えば、融点２３０℃の錫、融点３２７℃の鉛等を挙げることができる。また、ロジンを主体とした樹脂は、ロジンを５０重量％以上含有する樹脂であり、他の樹脂としては、例えば、ダンマル、コパール、セラック等を挙げることができる。図３に示されるような温度ヒューズ１２の形状、寸法は、所望の温度で確実に溶断するように、使用材料、溶断温度等を考慮して適宜設定することができる。また、温度ヒューズ１２を支持するための支持部材１５は、例えば、セラミックス接着剤、ガラス接着剤等の材料を用いることができる。また、温度ヒューズ１２は、図２、図３に示されるように、筐体２の内壁面に配設する態様に限定されるものではなく、例えば、図８に示されるように、支持、固定されることなく配線１３ａと配線１３ｂに接続されていてもよい。また、温度ヒューズ１２の形状は上述の図示例に限定されるものではなく、同一径のピン形状、Ｓ字形状、Ｌ字形状等とすることができる。
尚、配線１３，１３ａ，１３ｂの材質は、温度ヒューズ１２よりも融点が高い金属であり、例えば、金、銅、アルミニウム、銀等とすることができる。
【００１８】
このような本発明のマイクロリアクター１は、マイクロリアクター本体４が筐体２の真空密閉キャビティ３内に位置しているので、マイクロリアクター本体４が高温状態となっても、真空密閉キャビティ３がマイクロリアクター本体４から外部への熱伝導を有効に遮断するとともに、この真空密閉キャビティ３による断熱効果は、他の断熱材を使用した場合に比べて格段に高いものであり、筐体を大型化することなく、マイクロリアクター（筐体）外壁温度を常温〜５０℃程度とすることができる。また、使用中に何らかの原因で筐体２内の真空度が低下して真空密閉キャビティ３が崩れ、マイクロリアクター本体４から外部への熱伝導が生じると、温度ヒューズ１２が溶断して発熱体７への通電が停止し、マイクロリアクター本体４の反応も停止するので、マイクロリアクター（筐体）外壁温度が高温となることが防止される。
上述のマイクロリアクターの実施形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明は、メタノールの改質、一酸化炭素の酸化除去等の反応からなる水素製造等、担持した触媒によって所望の反応を進行させる用途に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明のマイクロリアクターの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１に示されるマイクロリアクターのＩ−Ｉ線における拡大縦断面図である。
【図３】図１に示されるマイクロリアクターの温度ヒューズを説明するための図である。
【図４】図１に示されるマイクロリアクターを構成するマイクロリアクター本体の一例を示す斜視図である。
【図５】図４に示されるマイクロリアクター本体のII−II線における拡大縦断面図である。
【図６】図４に示されるマイクロリアクター本体を構成する金属基板を離間させた状態を示す斜視図である。
【図７】マイクロリアクター本体を構成する発熱体を説明するための平面図である。
【図８】本発明のマイクロリアクターを構成する温度ヒューズの他の態様を示す図である。
【符号の説明】
【００２１】
１…マイクロリアクター
２…筐体
３…真空密閉キャビティ
４…マイクロリアクター本体
５Ａ…原料供給管
５Ｂ…ガス排出管
７…発熱体
１１…リードピン
１２…温度ヒューズ
１３，１３ａ，１３ｂ…配線
２２…接合体
Ｃ…触媒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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